2015 Fiscal Year Research-status Report
極低温から高温領域にかけてのFRP材における内部応力評価
| Project/Area Number |
25420037
|
|---|
| Research Institution | Kobe City College of Technology |
|---|
Principal Investigator |
西田 真之 神戸市立工業高等専門学校, その他部局等, 教授 (80332047)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2018-03-31
|
| Keywords | Ｘ線応力測定 / 繊維強化高分子材料 / 極低温その場測定 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
現在，炭素繊維強化高分子材料の製作が安定し追加製作がいつでもできる状態である．また，母材であるポリアミドの残留応力測定の測定方法をほぼ確立し，安定した測定が可能となった．炭素繊維強化高分子材料の強化繊維(カーボン繊維)の測定について，弾性定数を測定する際に繊維の破断が問題であったが，チャック部分の接着剤選定と補助金具による固定を考案し解決した．これらの成果から安定したＸ線その場測定が可能となっている．これまでの測定により，以下の新たな解決すべき知見が得られている.
1)炭素繊維強化高分子材料において，炭素繊維からの回折線ピークの位置はポリアミドとは異なる角度に出現するため理論上はＸ線による応力測定が可能である．しかしながら，透過法による測定が必要なため現在使用しているクロム特性Ｘ線では透過力が小さく，Ｘ線の回折強度が極めて弱いために測定に時間がかかる．この問題に対して，波長の短いモリブデンの特性Ｘ線を使用する計画である．しかしながら，モリブデンの特性Ｘ線を使用した場合，波長が短くなるため回折線の出現位置が低角側に移動してひずみ感度が低下する．このため測定精度が問題となるので今後測定精度の検証を行う．
2)ヘリウム循環方式のクライオポンプを改良して試料冷却用装置を製作した．この装置を使用することで，極低温冷却下での引張試験や熱サイクル試験を行うことが可能となった．また，この装置を応力測定専用装置と組み合わせることでＸ線によるCFRPの極低温その場測定が現在可能になりつつある．今後の改善点は，冷却装置の断熱のため真空状態での運転が必須であり，真空チャンバー内にサンプルをセットする必要がある．この際，Ｘ線が入射する窓の材質の検討が重要となる．アルミ薄膜などが一般的であるが，回折線が弱くなり実用には至らなかった．
なお,これらの研究成果は平成28年度内の国内発表4件,国際会議発表予定が6件となっている.
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
＜目標１＞母材のポリプロピレン，強化繊維の炭素繊維のＸ応力測定法を確立し，複合化された炭素繊維強化複合材料（以下，CFRP）の測定を行う．
＜１の現状＞測定のための基本条件についてはすでにポリプロピレン，炭素繊維のX線的弾性定数は測定済みで ある．しかし，透過法による回折Ｘ線の強度が極めて弱いため，透過力の大きなモリブデンの特性Ｘ線の使用を検討中である．モリブデンの特性Ｘ線を用いた応力測定の諸条件が出た後に常温測定,冷却測定,高温測定の順に測定を進める.
＜目標２＞極低温下でのCFRPの測定を行うため，クライオポンプを改良した冷却装置内部に小型の引張試験装置をセットしＸ線その場応力測定を行う．
＜２の現状＞クライオポンプを改良した極低温冷却装置で１５Ｋまでの冷却に成功している．さらに，冷却ヘッド上部にヒーターを設置し，１５Ｋから室温までの温度調整が可能となった．冷却装置のゴニオメータへの設置について，当初は粉末回折用のゴニオメータに冷却装置を取り付ける予定であったが，現在は応力測定専用装置を冷却装置に取り付ける形で測定を進めている．応力測定専用装置の側角範囲が２θで１７０°から１４０°のため，１２０°オフセットを可能とするアタッチメントを製作した．現在は２０°から５０°までの低角領域の測定が可能となっている．
このように装置の改良がほぼ完了した段階であり，今後実際の測定に進むことになる．
|
| Strategy for Future Research Activity |
<目標>前年度までの極低温状態における応力測定方法では各温度におけるＸ線的弾性を考慮していなかった．精度の高い応力評価には各温度におけるＸ線的弾性定数の評価が必須である．このため，クライオスタット内部に小型引張試験機をセットし，負荷荷重下での極低温その場応力測定を行う．これらの測定結果をもとにして，各温度におけるＸ線的弾性定数を求める．その後，クライオスタットによる冷却,ヒータによる加熱を自動化し,熱サイクルなどの長時間測定を行う．
<実験方法>小型引張試験機を冷却チャンバー内にセットするため，冷却ロスの少ない設計を行う．冷却装置内部で任意の荷重を負荷するための構造を考慮する．その際，母材のポリアミドにはクリープの発生が予測されるため，負荷荷重一定の状態を保持できる機構とする．具体的には分銅による負荷が現実的である．Ｘ線的弾性定数を測定した後，CFRP材の繰返し熱サイクル負荷におけるその場測定を行い,熱応力の挙動を評価する．
<解決すべき課題>小型引張試験機の設置が第一の難関である．母材のポリアミドはクリープを考慮した荷重一定の負荷方法が必要であり，その一方，炭素繊維は高い負荷荷重が必要となるためひずみ一定お負荷方法を必要となる．これらお機構を使い分けることができる引張試験機を冷却チャンバー内の限られた領域にセットできるよう慎重な設計が必要である．さらに，広い温度領域をどのように確保するかが第２の難関となる．本研究では極低温から高温にかけての連続的な熱負荷サイクルにおけるその場測定を最終目標としている．この場合，温度範囲が広いため，現在の極低温冷却装置の上限は室温までとなっている点が問題となる．冷却装置と加熱装置を別に準備し，試料の温度調整を行う必要がある．どちらにしても，測定までに
|
| Causes of Carryover |
一昨年度に液体窒素吹きつけ型の冷却装置の購入を中止して，ヘリウム循環型のクライオポンプを購入したため全体の価格が安くなった．今年度はクライオポンプの改良を行い，応力測定に必須の真空チャンバーの製作に力を入れた．現在のチャンバーは試作段階のためアクリルを使用した．そのため製作には費用安く収まった．
|
| Expenditure Plan for Carryover Budget |
平成28年度は本格的な熱サイクル実験を行う．このため引張試験機のチャンバー内部への設置が必要となるため製作費用が必要となる．また，長時間運転に備えてチャンバーを金属製にする必要がある．さらに，ヒータや真空度の測定器などの購入も必要であり，次年度予算はこれらの周辺機器の整備に使用する.
|
