20

あいち産業科学技術総合センター

研究報告 2020

研究論文

デジタル画像相関法を用いた CFRP の引張特性評価
門 川 泰 子 * 1 、 岡 田 光 了 *1 、 髙 橋 勤 子 * 1 、 福 田 徳 生 *1

Tensile Properties Evaluation of CFRP
Using Digital Image Correlation Method
Yasuko KADOKAWA *1 , Mitsunori OKADA *1 , Isoko TAKAHASHI * 1and Norio FUKUDA *1
Industrial Research Center * 1
射 出 成 形 に よ り 作 製 し た 熱 可 塑 性 炭 素 繊 維 強 化 樹 脂 (CFRTP)の 引 張 試 験 に お け る ひ ず み 分 布 を デ ジ タル 画 像 相 関 (DIC)法 に よ り 可 視 化 し た 。 そ の 結 果 、 CFRTP の ひ ず み 分 布 は 不 均 一 で あ り 、 計 測 点 に よ って 応 力 － ひ ず み 曲 線 は 異 な る こ と が 明 ら か と な っ た 。 X 線 CT 観 察 、 破 断 面 観 察 の 結 果 か ら 、 試 験 片 内 部にボイドが存在し、試験片の表面と内部では繊維分布、配向が異なる ことが観察され、引張試験時のひずみ分布に寄与していると考えられる。

1. はじめにダンベル形試験片(タイプ A1)を作製した。DIC 法では、地球温暖化防止のため、自動車による二酸化炭素排出試験片の表面にランダムパターンを作製する必要がある量の削減は世界的な課題となっており、輸送機器産業でため、図 1 のようにスプレー塗料を塗布した。

は燃費の向上を目的として自動車部材の軽量化が進められている。炭素繊維強化樹脂(CFRP)は、軽さと優れた強度を有し、高い軽量化効果が期待される材料として注目されている。しかし、従来の均質な金属材料と比較し図1て不均一であるため、強度のばらつきが生じやすく、安全性や信頼性に乏しいのが現状である。

ランダムパターン2.2 耐候性試験

デジタル画像相関 (Digital Image Correlation: 以下

耐候性評価のため、促進耐候性試験機(サンシャインDIC)法は、試験片表面のランダムパターンを撮影し、ウェザーメーター、スガ試験機(株)製)による促進劣化

撮影したデジタル画像を変形過程で比較することにより試験をブラックパネル温度 63℃、120 分中 18 分間水噴

物体表面の移動量(変位)を計測する方法である。一般的

霧の条件下で 500 時間、1000 時間実施した。

な伸び計によるひずみ計測では標線間のひずみしか確認

2.3 引張試験できないのに対し、DIC 解析では、ひずみ分布の可視化や任意の点のひずみ計測が可能である 1),2)。

引張試験は万能試験機(オートグラフ AG-100kNIS、(株)島津製作所製)を用いて行った(試験速度:2mm/min)。

本研究では、加工性・成形性に優れ、量産車の軽量化

ひずみ計測には、3D 計測システム(ARAMIS、GOM 社に有力な材料とされる熱可塑性 CFRP(以下 CFRTP)の製)を使用した。比較のため、炭素繊維を含まない 6 ナ

引張試験において DIC 法を用いてひずみ分布を可視化

イロンについても引張試験とひずみ計測を実施した(試し、引張特性を評価した。また、耐候性試験を実施し、

験速度: 4mm/min)。

引張特性に及ぼす影響を検討した。

2.4 試験片の観察
成形品内部のボイドや解繊状態、繊維の配向状態は、

2. 実験方法
2.1 試験片の作製

X 線 CT 装置(SMX-225CT、(株)島津製作所製)、X 線顕微鏡(nano-3DX、(株)リガク製)を用いて観察した。引張原料として炭素繊維を 30wt%含んだ長繊維強化 6 ナ

試験後の破断面は、走査型電子顕微鏡(JSM-6510A、日イ ロ ン (TLP1060、 東レ (株 )製 )を 使 用 し、 射 出成 形機

本電子(株)製)を用いて観察した。耐候性試験後の試験(J85AD-110-H、(株)日本製鋼所製)を用いて JIS K 7139

片表面の外観変化は、デジタルマイクロスコープ(VHX-*1 産業技術センター

化学材料室

216000、(株)キーエンス製)を用いて観察した。

値を同期することで応力－ひずみ曲線を得ることができる。図 3 に解析ソフト上で設定した任意の点①、②、③

3. 実験結果及び考察および④標線間 (標線間距離:75mm)のひずみ変化から3.1 引張試験結果・DIC 解析結果求めた応力－ひずみ曲線を示す。6 ナイロンでは、破断

図 2 に DIC 解析によって得られた 6 ナイロンおよび時のひずみは計測点によって差があるものの、曲線はほCFRTP の最大主ひずみの分布を示す。ひずみ量は色でぼ一致した。一方、CFRTP では曲線の傾きが計測部位表され、ひずみ量が大きい部分は赤く表されている。6によって異なり、標線間(④)から求めた応力－ひずみ曲

ナイロンでは、破断直前までひずみが集中している部分線と一致しておらず、破断部付近(③)のひずみは他と比は見られず、試験片全体で均一なひずみ分布となっていべて大きくなっていた。これらのことは CFRTP の不均た。一方、CFRTP ではひずみ量が大きい部分が局所的一性の影響が現れたものと考えられ、材料局部のひずみに現れ、ひずみが不均一に分布し破断した。DIC 解析

情報を得る手段として DIC 解析が有効であると考えら

では、解析ソフト上で設定した任意の点や標線間のひずれる。

み変化を求めることや、動画とオートグラフの荷重出力

6ナイロン
70

6 ナイロン

60

破断直前

試験開始

計測点
50

①②

応力（MPa）④40302010③005①10
ひずみ(%)②(破断部付近)③15④標線間（L=75mm)

CFRTP250

計測点

200②CFRTP
試験開始

破断直前

応力(MPa)①150

100③50④000.5①

図3②11.52
ひずみ(%)③（破断部付近）2.5

3④標線間（L=75mm）

応力－ひずみ曲線

3.2 CFRTP の内部構造観察結果
図 4 に試験片全体の X 線 CT 観察結果(厚さ方向にスライスした断面像)を示す。試験片中央部に多く観察された黒い部分は密度が低く、他の部分に比べ繊維の割合が少なくなっていることやボイドが存在していることが破断箇所

図2

試験片のひずみ分布考えられる。矢印で示した白い部分は密度が高く、繊維が十分にほぐれず凝集している箇所であり、場所により繊維の分布が異なっている様子が観察された。

22

あいち産業科学技術総合センター
表面付近(ひずみ計測側)

研究報告 2020
表面付近

裏面付近

中央付近

流動
方向

中央付近

10mm

図4

試験片の X 線 CT 観察画像

図 5 に試験片表面付近と中央部付近の X 線顕微鏡観察
結果を示す。樹脂の流動方向に配向した繊維が、試験片の表面付近と比べて中央部付近では少なくなっており、

図6表面と内部では繊維の配向が異なることが推測される。

3.3 耐候性試験の結果

破断面の電子顕微鏡観察画像

このように試験片内で繊維の分布や配向が不均一となっ

表 1 に耐候性試験前後の引張試験結果、図 7 に耐候性ていることが 3.1 における引張試験時のひずみ分布に影試験前後の DIC 解析結果と応力－ひずみ曲線(標線間距響を及ぼしたと考えられる。

離:75mm)を示す。耐候性試験による引張強さ、弾性率、表面付近伸びに大きな変化は見られなかった。また、応力－ひず中央付近

み曲線についても、多少の差はあるが個々の試験片のバラつきの範囲内であった。
流動方向表1

図5

試験片の X 線顕微鏡観察画像

100μm

耐候性試験前後の引張試験結果
引張強さ

引張弾性率伸び(MPa)(GPa)(%)

耐候性試験前22920.61.6500 時間後

22220.91.41000 時間後

22420.71.5

図 6 に引張試験後の破断面の電子顕微鏡観察の結果を示す。表面付近は破断面に対して垂直に近い方向に配向

図 8 に耐候性試験前後の試験片表面の写真を示す。耐した繊維が多く観察された。一方、中央部付近は破断面候性試験によるクラックの発生、試験時間の増加によるに対して平行に配向した繊維が多く、樹脂が伸びた様子クラックの増加が確認された。また、目視観察により表も観察された。このことから、破断部付近のひずみが引面の白化、炭素繊維の露出が確認された。これらのこと

張試験の初期段階から大きくなった一因として引張方向から、耐候性試験により樹脂表面は劣化したと考えられに沿わない繊維が多く存在し、繊維による補強効果が十るが、引張特性やひずみ分布には大きく影響しなかった。

分に得られなかったことが考えられる。また、射出成形

炭素繊維は紫外線を透過しないため内部まで紫外線が侵により作製した試験片では、射出時に樹脂が受けるせん入せず、樹脂の劣化が表面近くに抑えられ、引張特性や断力による繊維の折損が発生するため 3)、繊維長が不均ひずみ分布への影響が少なかったことが考えられる。今一となることもひずみ分布が不均一となった一因に挙げ

後さらに耐候性試験を継続し、引張特性の変化を評価しられる。ていく予定である。

23

耐候性試験前500 時間後1000 時間後250応力（MPa）

200

150

1005000
破断箇所

図70.5

耐候性試験前1
ひずみ（％）

500時間後2

1000時間後耐候性試験前後の DIC 解析結果

500 時間後耐候性試験前

図81.51000 時間後耐候性試験前後の試験片表面観察画像

4. 結び
本研究では、射出成形により作製した長繊維強化 6 ナ(4) サンシャインウェザーメーターによる耐候性試験後イロンの引張試験において DIC 法を用いてひずみ分布の試験片は、その表面に樹脂の劣化が観察されたが、を可視化し、引張特性を評価した。結果は以下のとおり引張特性やひずみ分布には大きく影響しなかった。

である。

今後さらに耐候性試験を継続し、評価する予定であ(1) CFRTP のひずみ分布は 6 ナイロンに比べ不均一となる。

った。また、応力－ひずみ曲線は計測点によって異文献なり、破断部付近のひずみは他と比べて大きくなっていた。
(2) 材料局部のひずみ情報を得る手段として DIC 解析が有効であり、品質改善に役立つと考えられる。
(3) 試験片の X 線 CT 観察、破断面の SEM 観察の結果から、試験片内で繊維分布や配向が不均一となっていることが示唆され、引張試験時のひずみ分布に寄与していると考えられる。

1) 垣尾尚史, 矢野文彬, 亀井由樹: 強化プラスチックス,
64(4), 158(2018)2) 村上岳, 松尾剛: 62nd FRP CON-EX 2017 講演要旨集, 1503) 岡田光了, 福田徳生, 松原秀樹: あいち産業科学技術総合センター研究報告, 7, 10(2018)