JP4751914B2

JP4751914B2 - 積層構造体の剥離評価試験方法

Info

Publication number: JP4751914B2
Application number: JP2008161193A
Authority: JP
Inventors: 康夫廣瀬; 剛松原; 博和松山
Original assignee: Society of Japanese Aerospace Companies; Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Society of Japanese Aerospace Companies; Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2008-06-20
Filing date: 2008-06-20
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2028-06-20
Also published as: JP2010002289A

Description

本発明は、積層構造体の剥離評価試験方法に関し、更に詳細には、上下方向に積層材を積層した構造を有し、上下に非対称な位置に層間き裂を有する積層構造体の剥離評価試験方法に関する。

層間き裂を生じているＦＲＰ積層板などの積層構造体における混合モードの層間剥離は、開口荷重と剪断荷重とにより評価が行われている。即ち、図１２（ａ）〜（ｃ）に示すように、予めき裂３１を形成したＦＲＰ積層板等からなる試験片３０に、図１２（ａ）に示す開口荷重（以下、「モードＩ荷重」と称することがある。）と、図１２（ｂ）に示す剪断荷重（以下、「モードII荷重」と称することがある。）とを加えることにより評価が行われている。

また、モードＩ荷重とモードII荷重を、図１２（ｃ）に示すように、単軸負荷により任意の組み合わせで負荷する試験方法として、ＭＭＢ（Mixed Mode Bending）試験法が知られている（例えば、非特許文献１）。ＭＭＢ試験法では、図１３に示すように、予めき裂３１を形成したＦＲＰ積層板等からなる試験片３０が支柱３２及び３３の上に載置され、き裂３１の下側部分３０ｂが支柱３２に固定されるとともに、上側部分３０ａに治具３４の脚部３５が固定される。そして、脚部３６の先端を支点３８として、レバー部３７の負荷点３９に負荷が与えられる。この場合の試験片３０に作用する力は、図１２（ｃ）のように表すことができる。ＭＭＢ試験法では、モードＩ荷重とモードII荷重を単軸負荷により任意の組み合わせで負荷することができ、モードＩ荷重とモードII荷重との比率は、支点３８と負荷点３９との間の距離ｃを変化させることにより、変化させることが可能となっている。

ＭＭＢ試験法では、開口荷重としてき裂の上下反対方向に同じ大きさの荷重が与えられ、また、せん断荷重としてき裂の上下同一方向に同じ大きさの荷重の荷重が与えられる。そのため、き裂の先端のモードを、開口負荷からはモードＩのみ、剪断負荷からはモードIIのみを作り出すためには、試験片３０におけるき裂３１の位置が、試験片の厚さ方向の中央部になければならない。換言すれば、ＭＭＢ試験はき裂３１の下側部分３０ｂと上側部分３０ａとにおける剛性が等しいことから成立している。このことにより、支点３８から負荷点３９までの距離Ｃを変化させることだけで、モードＩとモードIIの組み合わせを任意の比率で作り出すことが可能となっている。しかし、き裂３１の位置が試験片の厚さ方向の中央にない場合、開口負荷からはモードＩだけでなくモードIIが発生し、剪断負荷からはモードIIだけでなくモードＩも発生することとなり、組み合わせの比率を変更し得る範囲が限定されてしまう。

一方、発泡コアサンドイッチパネル(Foam Core sandwich Panel)等の積層構造体は、樹脂の発泡コアの上下を面板で挟んだ構造を有しており、発泡コアと面板との間に生じるき裂は、図３に示すように、積層構造体の中央にはなく、そのために、き裂３１の下側部分３０ｂと上側部分３０ａとで剛性が極端に異なる。そのために、ＦＲＰ積層板において成立した図１３に示すＭＭＢ試験方法を、非対称の位置にき裂を生じる積層構造体の試験片に用いても、モードＩ荷重とモードII荷重の任意の組み合わせを再現することは不可能である。
荒井、他３名、「ＭＭＢ試験によるＣＦＲＰ直交積層板の層間破壊靱性値の評価」、日本機械学会論文集（Ａ編）、２００４年１０月、第７０巻、第６９８号、ｐ．１３５６−１３６３

本発明は、上記従来技術の問題点を解決するために為されたものであり、本発明の目的は、モードＩ荷重とモードII荷重を、複数方向から負荷を加えるのではなく、単軸荷重により、き裂に対してモードＩ荷重とモードII荷重とを任意の組み合わせで再現することができる試験方法を提供することである。

本発明の積層構造体の剥離評価試験方法は、上下方向に面状の積層材を積層した積層構造体において、積層構造の上下方向に非対称な位置に層間き裂を形成した試験片を用いた積層構造体の剥離評価試験方法であって、前記試験片の前記層間き裂の上下に位置するき裂片のうちの曲げ剛性の小さい方のき裂片の外側に、前記試験片の全面に亘って補助板を結合し、該補助板を結合した試験片に単軸荷重を与えることを特徴とする。

上記のように、本発明では、積層構造体の試験片に形成したき裂の上下に位置するき裂片のうち、曲げ剛性の小さい方のき裂片を補強板で補強するので、き裂の上下で曲げ剛性がほぼ等しくすることができ、従来のＭＭＢ試験法において、モードＩ荷重とモードII荷重を任意の組み合わせで再現することが可能となる。

上記においては、前記試験片の前記層間き裂の上下に位置するき裂片のうち、曲げ剛性の小さいき裂片及び補助板を結合したものの曲げ剛性をＢ₁、曲げ剛性の大きいき裂片の曲げ剛性をＢ₂として、
０．５≦Ｂ₁／Ｂ₂≦２
となる前記補助板を用いることが好ましい。

これにより、上記発明においては、前記単軸荷重により、開口荷重と剪断荷重との組み合わせ荷重が発生する。

上記発明に係る剥離評価試験方法は、前記積層構造体が発泡体の上下にプレプレグを積層し加圧及び加熱して得られる発泡コアサンドイッチパネルの場合に好適に使用することができる。

本発明の積層構造体の剥離評価試験方法では、積層構造体の試験片に形成したき裂の上下に位置するき裂片のうち、曲げ剛性の小さい方に補強板を結合したので、き裂の上下で曲げ剛性がほぼ等しくなり、積層方向において非対称な位置にき裂を生じた積層構造体について、ＭＭＢ試験法を用いて評価を行うことが可能となる。

本発明について、発泡コアサンドイッチパネルを積層構造体の例として用いて、以下に説明する。図１は発泡コアサンドイッチパネルの試験片１の断面図であり、この試験片１は、発泡コア２の上下両面にＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）からなる面板３ｂ及び３ａが形成されている。面板３ｂ及び３ａは複数枚のプレプレグを重ねて発泡コア２とともに加熱及び加圧成形することにより形成され、加圧に際してプレプレグから滲みだした樹脂により接着層４が形成されている。また、この発泡コア２には、面板３ａと発泡コア２との間に予めポリイミドからなるカプトンフィルム（東レ・デュポン社製）を挟んでおいて成形することにより、き裂５が形成されている。

本明細書では、き裂５の上側にある、面板３ａ及び接着層４をまとめて上側き裂片６ａと称し、き裂５の下側にある、面板３ｂ、接着層４及び面板３ｂをまとめて下側き裂片６ｂと称することとする。上側き裂片６ａ及び下側き裂片６ｂの曲げ剛性を比較した場合、上側き裂片６ａの曲げ剛性が小さいので、図２に示すように、上側き裂片６ａの外側（上側）に、試験片１の全面に亘って補助板７が例えば接着剤等を用いて結合される。試験片１は特に限定されるものではないが、本実施形態ではアルミニウム板を使用した。本明細書では、上記のように上側き裂片６ａに補助板７を接着した部分を、補強き裂片６Ａと称することとする。

本実施形態では、補助板７の厚さは、補強き裂片６Ａの曲げ剛性Ｂ₁と、下側き裂片６ｂの曲げ剛性Ｂ₂とが、０．５≦Ｂ₁／Ｂ₂≦２の関係を満たすように決められる。図３は、補助板７の厚さとＢ₁／Ｂ₂の値との関係を例示している。この例では、適切な補助板７の厚さは６．４６ｍｍであることが分かる。

上記のようにき裂５の上下の位置する補強き裂片６Ａと下側き裂片６ｂとの曲げ剛性をほぼ等しくすれば、従来のＭＭＢ試験法を適用することが可能となる。図４は、図２に示した補助板７を接着した発泡コアサンドイッチパネルの試験片１を用いたＭＭＢの試験方法を示す模式図である。同図に示すように、予めき裂５を形成した試験片１が支柱３２及び３３の上に載置され、き裂５の下側の下側き裂片６ｂに固定ブロック４２が取り付けられ、この固定ブロック４２は回転軸４３によって支柱３２に回転自在に固定される。き裂５の上側の補強き裂片６Ａには固定ブロック４５が取り付けられ、この固定ブロック４５は回転軸４６によって治具３４の脚部３５に回転自在に固定される。そして、治具３４の脚部３６の先端を支点３８として、レバー部３７の負荷点３９に負荷が加えられる。ここで、図４において、支柱３２の中心と支柱３３の中心との間の距離は２Ｌであり、支点３８は支柱３２の中心から距離Ｌに位置している。また、支点３８と負荷点３９との間の距離はＣである。き裂５は、支柱３２の中心から距離ａの位置から試験片１の端面１ａまで形成されているものとする。

図５は図４の試験片１を用いた場合のＭＭＢ試験の原理を表している。同図に示すように、混合モードにおいては、負荷点３９にはＰ・（Ｃ＋Ｌ）／Ｌ、支柱３３にはＰ・（Ｃ＋Ｌ）／２Ｌ、下側き裂片６ｂ（支柱３２）には上向きの荷重Ｐ・（Ｃ−Ｌ）／２Ｌ、補強き裂片６Ａ（脚部３５）には上向きの荷重Ｐ・Ｃ／Ｌがそれぞれ加えられることになる。このような荷重は、モードＩ荷重とモードII荷重との和として表される。ここでモードＩ荷重では、図５に示すように、下側き裂片６ｂには下向きの荷重Ｐ・（３Ｃ−Ｌ）／４Ｌ、補強き裂片６Ａには上向きの荷重Ｐ・（３Ｃ−Ｌ）／４Ｌがそれぞれ加えられることになる。また、モードII荷重では、負荷点３９にはＰ・（Ｃ＋Ｌ）／Ｌ、支柱３３にはＰ・（Ｃ＋Ｌ）／２Ｌ、下側き裂片６ｂ及び補強き裂片６Ａには上向きの荷重Ｐ・（Ｃ＋Ｌ）／４Ｌがそれぞれ加えられることになる。ここで、モードＩ荷重とモードII荷重とにおけるき裂５のエネルギー開放率をそれぞれＧ_I及びＧ_IIとすると、モード比Ｇ_I／（Ｇ_I＋Ｇ_II）は、数１で表される。

補助板７を試験片１に結合した効果を確認するため、図４に示す試験片１をモデルとして数値計算を行い、き裂５の先端部のエネルギー解放率Ｇ_I及びＧ_IIを求めて、モードＩ荷重とモードII荷重の組み合わせの比率を確認した。具体的には、脚部３６の支点３８と治具３４の負荷点３９との距離Ｃを変えて、組み合わせ荷重の比率が変わることを確認した。その結果を図６に示した。同図に示すように、補助板７を結合した本発明の剥離評価試験方法では、エネルギー解放率の比率が０〜１００％まで任意に設定可能であることが分かる。これに対して、補助板７を結合しない場合（従来の試験方法）には、エネルギー解放率の比率が殆ど変化しないことが分かる。また、図７に示すように、き裂５の長さａを変えた場合も、本発明の剥離評価試験方法によりエネルギー解放率を任意の比率に設定可能であることが分かる。更に、結合する金属製の補助板７の厚さｔと組み合わせ荷重の比率の関係（図８参照）から、補助板７の厚さｔの違い、即ち、結合する補助板７の剛性により、組み合わせ荷重の比率に影響があることがわかる。図８に示すように、３種類の厚さｔの補助板７を用いた場合、この例では板厚７ｍｍが最も組み合わせの比率を大きく変化させることができることがわかる。図６〜図８の結果から、本発明の試験方法によれば、単軸荷重により組み合わせ荷重の比率を作り出すための本発明の試験方法の有用性を確認することができた。

以下、本発明の試験方法を用いて実際に発泡コアサンドイッチパネルの試験片の剥離評価を行った。用いた発泡コアサンドイッチパネルは、表１に示す材料を用いて作製した。図９は発泡コアサンドイッチパネルの積層構造を示す図であり、同図における層Ｐ１〜Ｐ４に用いる平織りプリプレグを表２に示した。なお、表２に示す平織りプリプレグは、表１に掲げたものに対応している。ここで、表２における配向角とは、繊維方向と試験片長手方向の角度である。

用いた試験片の上面のサイズは、幅５０ｍｍ、長さ３００ｍｍで、板厚５ｍｍのアルミニウム板を補助板７（図４）として接着し、その上に、荷重負荷用のアルミニウム製の固定ブロック４５を接着した。試験片１の下面の面板３ｂには、荷重負荷用のアルミニウム製の固定ブロック４２を接着した。図１０に示すように、固定ブロック４２及び４５の位置は、その中心がカプトンフィルム４８の先端から２４ｍｍの位置とした。また、全ての試験片で、試験前に静的に開口モードでカプトンフィルム４８の先端から５ｍｍ程度の予き裂５１を入れた。

（１）試験装置
本実施例において使用した試験装置は、以下のとおりである。

試験機：インストロン（５ｋＮ容量）電気・油圧サーボ式疲労試験機
インストロン８５０１型
ロードセル：インストロン製ロードセル（５ｋＮ容量）
読み取り顕微鏡：×５０倍
計測器：共和製ＥＤＸ１５００（荷重、試験機変位の記録）。

（２）試験手順
図４に示す配置で、荷重点変位速度一定（１．０ｍｍ／ｍｉｎ）で試験を行った。き裂が安定的に進展した場合は、荷重の負荷除荷を繰り返した。き裂の長さは、試験片の両端面から、荷重除荷時に読み取り顕微鏡を用いて計測した（ＪＩＳＫ７０８６３．４ＤＣＢ試験の操作）。

（３）試験条件
試験条件は、支点３８と負荷点３９との距離Ｃ＝１５ｍｍ，２０ｍｍ，４０ｍｍとした。

（４）破壊じん性値の算出方法
破壊じん性値は、ＦＥＭ解析結果が試験荷重Ｐと解析に用いた荷重Ｐ_FEMの比の２乗に比例する、すなわち（Ｐ／Ｐ_FEM）²に比例するとして求めた。。

（４）試験結果
図１１に、破壊じん性値について、縦軸をモードＩ成分、横軸をモードII成分として整理した結果を示す。この結果から、本実施例より、混合モードにおけるモードＩ及びモードIIの比率を大きく変化させることができることが分かる。

本発明の積層構造体の剥離評価試験方法は、航空機、車両等において使用される複合材料の分野で利用可能である。

き裂を生じている発泡コアサンドイッチパネルの積層構造を表す断面図である。図１の発泡コアサンドイッチパネルの試験片の全面に亘って補助板を結合した様子を示す断面図である。補助板の厚さと（補強き裂片６Ａの曲げ剛性Ｂ₁）／（下側き裂片６ｂの曲げ剛性Ｂ₂）の値との関係を例示する図である。図２に示す補助板を接着した発泡コアサンドイッチパネルの試験片を用いたＭＭＢの試験方法を示す模式図である。図４の試験片を用いた場合のＭＭＢ試験の原理を表している。図４に示す試験片１をモデルとして数値計算を行い、き裂５の先端部のエネルギー解放率Ｇ_I及びＧ_IIから求めたモードＩ荷重とモードII荷重との組み合わせの比率と、支点と負荷点との距離Ｃとの関係を表す図である。き裂５の先端部のエネルギー解放率Ｇ_I及びＧ_IIから求めたモードＩ荷重とモードII荷重との組み合わせの比率と、き裂５の長さａとの関係を表す図である。補助板の厚さｔと組み合わせ荷重の比率の関係を示す図である。本発明の一実施例で使用する発泡コアサンドイッチパネルの積層構造を表す模式図である。本発明の剥離評価試験方法における試験片の状態を表す模式図である。破壊じん性値について、縦軸をモードＩ成分、横軸をモードII成分として表した図である。（ａ）は層間き裂を生じている積層構造体におけるモードＩ荷重を表す模式図、（ｂ）はモードII荷重を表す模式図、（ｃ）は混合モード荷重を表す模式図である。ＭＭＢ試験法を層の中央にき裂がある積層構造体の試験片に適用する場合を表す模式図である。

符号の説明

１試験片
１ａ端面
２発泡コア
３ａ面板
３ｂ面板
４接着層
５き裂
６Ａ補強き裂片
６ａ上側き裂片
６ｂ下側き裂片
７補助板
３２支柱
３３支柱
３４治具
３５脚部
３６脚部
３７レバー部
３８支点
３９負荷点
４２固定ブロック
４３回転軸
４５固定ブロック
４６回転軸
４８カプトンフィルム
５１予き裂

Claims

上下方向に面状の積層材を積層した積層構造体において、積層構造の上下方向に非対称な位置に層間き裂を形成した試験片を用いた積層構造体の剥離評価試験方法であって、
前記試験片の前記層間き裂の上下に位置するき裂片のうちの曲げ剛性の小さい方のき裂片の外側に、前記試験片の全面に亘って補助板を結合し、該補助板を結合した試験片に単軸荷重を与えることを特徴とする剥離評価試験方法。
前記試験片の前記層間き裂の上下に位置するき裂片のうち、曲げ剛性の小さいき裂片及び補助板を結合したものの曲げ剛性をＢ₁、曲げ剛性の大きいき裂片の曲げ剛性をＢ₂として、
０．５≦Ｂ₁／Ｂ₂≦２
となる前記補助板を用いることを特徴とする請求項１記載の剥離評価試験方法。
前記単軸荷重により、開口荷重と剪断荷重との組み合わせ荷重を発生させることを特徴とする請求項１又は２に記載の剥離評価試験方法。
前記積層構造体が、発泡体の上下にプレプレグを積層し加圧及び加熱して得られる発泡コアサンドイッチパネルである請求項１乃至３の何れかに記載の剥離評価試験方法。