2022 Fiscal Year Annual Research Report
X線回折プロファイル解析に基づくエンジニアリングプラスチックの非破壊変形損傷評価
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21H01207
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| Research Institution | Yokohama National University |
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Principal Investigator |
秋庭 義明 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (00212431)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | X線 / 回折法 / 高分子 / 非破壊 / 引張変形 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
高強度な高分子材料には結晶性高分子が多いため，今年度は結晶性高分子材料を対象として，回折プロファイルに及ぼす塑性変形の影響について検討した．また，複数の回折情報が同時に得られるX線源として白色X線が有効であるため，結晶性高分子材料から得られる複数の回折面から，応力測定に適する回折面を検討した．１）結晶性高分子材料として，ポリプロピレンPPおよびポリエチレンPEを対象に，材料全体の平均的な特性を得るために，透過法を用いて検討した．幅4mm厚さ2mmの断面寸法のゲージ部を有する試料を用いて，両材料とも単軸の引張試験によって0.3程度の公称塑性ひずみの導入に成功した．２）PE200では散乱ベクトルと塑性変形方向が平行に近づくにつれて回折強度が小さくなった．また，PPについては２つの回折面に注目し，PP011はPE200と同様に減少するのに対して，PP130は増加した，3)半価幅に注目すると，PE200は散乱ベクトル方法と塑性変形方向によらずにほぼ一定で，塑性変形材の方が0.05deg程度増加した．一方PP130はPE200と同様に方向による差は小さいものの，塑性変形による半価幅の増加量はPE200よりやや大きい，一方，PP011は増加量は少なく，散乱ベクトルと塑性変形方向が平行になるにつれて半価幅が減少した．4）PE200およびPP130では，塑性変形によるX線的弾性定数の変化は小さいものの，PP011では２倍程度増加した．５）エンジニアリングプラスチックの一つのポリアセタールPOMおよびスーパーエンジニアリングプラスチックの一つであるポリエーテルエーテルケトンPEEKを白色X線を用いてX線的弾性定数を測定し，POM100，PEEK211およびPEEK130が応力測定に適し，混合ピークは適さないことを明らかにした．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
応力評価が要求される実際の高分子製品については，非晶材料も適用され散るものの，結晶性高分子の方が多く利用されている．今年度は，結晶性高分子の中でも，PP，PE，POMの複数の結晶性高分子材料を対象にして，機械的な塑性変形やアニールによる熱処理の影響について検討した．塑性変形の影響については，回折プロファイルの半価幅変化としてこれをとらえることができ，一般には，半価幅の増加として表れることを示した．また，このとき，回折面によっては，散乱ベクトルと塑性変形方向に依存性が認められることから，半価幅と散乱ベクトル方向に着目することで，変形方向も評価できる可能性があることが示されたことは重要である．また，その傾向は回折面の依存性も存在するため，損傷解析のための今後の方向性を表すものとして結論される．また，X線弾性定数については，PE200やPP130では，影響が顕著には認められないものの，PP011では増加することが明瞭に示された．このことは，これらの回折面を用いる場合には，公称の塑性ひずみが0.3程度では，X線的弾性定数の変化については考慮する必要がないことを示すことができ，順調に進展していると判断される．
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は，塑性変形による分子配向性の変化の観点から回折プロファイル変化に注目する．塑性変形方向に対して平行方向以外の方向の弾性定数について検討する．また，塑性変形では，引張変形の後に圧縮側の塑性変形が生じる場合の影響も考慮して，疲労破面へのX線回折法を適用することを検討する．
1)幅広試料を用いて引張変形方向に任意の角度を有する試料を作製し，分子配向を考慮して試料の引張塑性方向とその後の弾性定数の異方性の効果を，負荷塑性ひずみとの関係として明らかにする．昨年度より継続してポリプロピレン（PP）を中心にデータを集約するとともに，その他の結晶性高分子材料として，汎用プラスチックであるポリエチレン（PE），汎用エンジニアリングプラスチックのポリアセタール（POM）についても検討を行う．
2)高分子材料の引張塑性変形においては，分子鎖の引き伸ばしや絡み合いからの抜け等が生じて，初期の分子同士の幾何学的な構造とは異なる形態をとるため，単調な引張変形のみならず圧縮の効果を考慮した繰返し変形の影響を検討する必要がある．特に，機械構造物の破壊原因として最も重要な繰返し疲労破壊に対する損傷評価が重要である．今年度は，上記と同様の結晶性高分子材料を対象として，疲労破面のX線的損傷評価に焦点を当て，X線フラクトグラフィーの観点から，残留応力や回折プロファイルに注目して検討する．このとき，応力拡大係数範囲および応力比を疲労パラメータとしてとらえ，X線パラメータとの関係を明らかにする．
3)ポリカーボネート（PC）については，非晶質X線ハローに注目することで，残留応力や塑性変形の程度を評価できることが示されているが，添加剤の影響については不明である．そこで，今年度は添加材を含まない材料単体および着色材を混錬した材料を対象として，回折弾性定数や塑性ひずみ評価を行う．
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