JP4963288B2

JP4963288B2 - 材料のポアソン比測定方法

Info

Publication number: JP4963288B2
Application number: JP2007300293A
Authority: JP
Inventors: 現青木
Original assignee: Polyplastics Co Ltd
Current assignee: Polyplastics Co Ltd
Priority date: 2007-11-20
Filing date: 2007-11-20
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2027-11-20
Also published as: CN101441151A; JP2009128033A; CN101441151B

Description

本発明は、材料のポアソン比を測定する方法に関する。

部品の強度を設計するためCAEによる構造解析が広く実施されており、解析に必要な材料データとして使用する材料のポアソン比を知る事は重要である。従来、材料のポアソン比は、歪ゲージを貼着した試験片を試験機にて引っ張り、引張荷重をかけた際の軸方向の伸びと軸に直角方向の縮みを測定して算出する方法が一般的である。

従来の測定方法では、ある程度大きな試験片を作成する必要があり、成形品の高次構造が均一なものとならないことが多く、歪ゲージを貼着する箇所により夫々異なる測定値が検出され、測定値を基に算出したポアソン比に信頼をおくことができないことがある。また、測定に用いる歪ゲージ自体も大きな歪をかけると故障しやすく、高温または低温下での測定が困難であるという問題もある。

一方、別な測定方法として、特許文献１に示されているような超音波伝達時間を測定する方法、あるいは固体試料における弾性波の横波音速を測定する横波音速測定装置を利用した測定装置があるが、これらは、音速測定機構を有する特殊な装置を必要とし、多額の費用が必要となるという問題がある。
特開平６−２４１９８３号公報

本発明の課題は、材料のポアソン比を簡単・正確にかつ低費用で測定可能な方法を提供することにある。

本発明では、体積弾性率と、通常一般的に行われる圧縮試験などから求められる見かけの弾性率の値からポアソン比を算出する方法を提供する。

即ち本発明は、材料の荷重−比体積曲線の傾きBv（体積弾性率）と、材料の荷重−歪曲線の傾きBpr（圧縮弾性率）から、ポアソン比νを次の式で求めることを特徴とする、ポアソン比の測定方法である。

ここで、
A= B_V/ B_ｐｒ

以下、本発明を、図に基づいて具体的に説明する。
図１は試験装置の例であり、この試験装置を利用して試料を作成する事が出来る。炉体１を断熱材２で囲い、ストッパー４を保持部１０にて固定した後、樹脂（熱可塑性材料）５を入れ、ヒーター８を用いて温度センサー９にて温度を検知して温度を制御しながら溶融する。溶融後、ピストン３で脱気し、ピストン３とロードセル６を用いて圧力を制御しながら、材料を徐冷する。この装置は直接法PVT測定装置として市販されている。また、一般的なキャビラリー式粘度計にてダイを穴がない形に変更することでダイ部分をストッパー４とすることで、本方法を実施可能である。また、押し出し成形機などで作成した円柱状部品を成形、加工したり、あるいは実際の成形品から切り出し加工しても構わない。異方性のある成形品の場合、切り出し方を工夫することにより異方性を反映した試料を作成することも出来る。

試料を得た後に、図１に示す装置にて圧縮試験を行う。装置はロードセル６のような圧力検知機構、および位置センサー７をそなえている。このような構成の試験装置にて、ピストン３の移動量と、試料にかかる荷重から、体積収縮率ΔV/Vと圧力Pの関係が得られる。その測定値から材料の体積弾性率Bvを求める。体積弾性率は次式で定義される。

Bv:体積弾性率
P:圧力
V:圧力を受ける前（変形前）試験片体積
ΔV:圧力Pを受けたときの（変形後）試験片体積変化
なお、炉体は十分強度のある変形しない構造である必要があるが、加圧試験の際に変形を生じる場合は、別途炉体の変形量を求め、体積変化量を補正しても構わない。

次に、同じ試料もしくは同じやり方で作成した試料を使用して、例えばJIS K7181に記載されている一般的なやり方で圧縮試験を実施する。試験装置の参考例を図２に示す。装置は図１同様にロードセル６のような圧力検知機構、および位置センサー７をそなえている。図１との違いは、炉体１、断熱材２がなく、変わりに熱風循環式恒温槽１３、断熱板１４を備えることにより、試料の温度を制御しての試験が可能になっている。このような構成の試験装置にて、ピストン３の移動量と、試料にかかる荷重から、見かけの体積収縮率ΔVpr/Vと圧力Pの関係が得られる。試験結果から、標線間距離の減少量と圧縮荷重を測定する。両者の測定値から圧縮弾性率Bprを求める。

圧縮試験の代わりに、たとえば引張弾性率（JIS K7127）や、曲げ弾性率（JIS K7171）などを用いて圧縮弾性率 Bprとみなすことが出来る。しかしながら、引張弾性率や曲げ弾性率はそれぞれ、体積弾性率を求める際に用いる円柱状試料とは形状、試料作成の際の熱履歴、加工履歴が異なり、同じ条件で作成した試料を用いて行う圧縮試験により求められるポアソン比の方が測定精度は優れる。

BvとBpr から次式を用いることで、ポアソン比νが求められる。

A= B_V/ B_ｐｒ
また、ある圧力Pにおける試験片体積変化ΔVと見かけの体積変化ΔVprの値から直接次の値を求めることも出来る。

試験片は図１に示す装置であれば、短ガラス繊維強化樹脂のような成形品状態にて強い異方性を示す材料の場合でも、繊維がランダムに配向するので、ポアソン比の平均が求められる。また、試験片を押し出し装置から加工して得た場合、繊維配向が一方向になり、配向方向のポアソン比が求められる。更にその両者から、繊維の配向状態によるポアソン比の異方性を算出可能である。従って、本方法では異方性を有する材料においてもポアソン比の異方性、および配向状態に依存したポアソン比を求められる。

実施例１
試験片の作成は図１の装置を用いて作成した。材料はポリアセタール（POM）（ジュラコン M90-44、ポリプラスチックス（株）製）を用いた。材料は熱風循環式恒温槽において120℃、４4時間以上乾燥させておく。次に図１の装置の炉体１の温度を温度センサー９にて計測し、樹脂の溶融温度210℃に熱しておく。その際、ピストン３、ストッパー４も予熱しておく。炉体１、ピストン３、ストッパー４の温度が十分安定した後、ピストン３を取り除き、炉体１に乾燥させた樹脂５を入れる。直ぐにピストン３を炉体１に挿入し、樹脂５を溶融させる。溶融後にピストン３を上下させ、脱気させる。その後、圧力10Mpaになるようにピストン３の位置を制御し、ヒーター８の電圧を０にして室温まで放冷させる。その後、試験片を取り出す。なお、同装置にて圧縮試験を行う際は取り出さず、そのまま試験する。

次に試験片を得た後に、図１に示す装置にて圧縮試験を行い体積弾性率Bｖを求めた。なお、試験片は放冷させた状態で実施した。ピストン移動速度は0.05mm/minとした。測定値から、圧力および体積変化を計算した結果を図３に示す。体積弾性率Bvは平均で5067 MPaであった。

次に試験片を得た後に、JIS K7181に記載されている方法に準じ、図２に示す装置を用いて圧縮試験を行い、圧縮弾性率 Bｐｒを求めた。圧力および体積変化の関係を図４に示す。初期の圧縮弾性率Bprは平均で 2944MPaとなった。

各圧縮弾性率の結果を数式１に従い、ポアソン比を計算した。この結果、ポアソン比は0.36であった。

参考例１
参考として従来の引張試験片を延伸して歪ゲージから求める方法にて材料 M90-44のポアソン比を求めた。この方法は JIS K7161規格に準じて求めた。この場合のポアソン比は0.35であった。

以上の結果、実施例１のポアソン比は参考例１のJIS K7161に準じた方法と同等であった。従って、極めて精度良くポアソン比が求められる。なお、図１、図２に示す装置を用いれば試験時の環境温度を変更でき、ポアソン比の温度依存性を求めることができる。また、溶融状態でも図１に記載の装置を用いれば圧縮試験は可能であり、JIS K7181に記載されている方法から求められる弾性率を他の方法で求めることにより、従来の歪ゲージを用いる方法では高温環境下、溶融時では測定できないポアソン比の温度依存性も求めることが可能である。

本発明に係る装置の一実施例の要部の一実施様態を概略して示す概略説明図本発明に係る装置の別の実施例の要部の一実施様態を概略して示す概略説明図本発明に係る装置の一実施例の実施結果を示す概略説明図本発明に係る装置の別の実施例の実施結果を示す概略説明図

符号の説明

１炉体
２断熱材
３ピストン
４ストッパー
５樹脂
６ロードセル
７位置センサー
８ヒーター
９温度センサー
10 ストッパー保持部
11 サンプル受け冶具
12 固定台
13 熱風循環式恒温槽
14 断熱板

Claims

材料の荷重−比体積曲線の傾きBv（体積弾性率）と、材料の荷重−歪曲線の傾きBpr（圧縮弾性率）から、ポアソン比νを次の式で求めることを特徴とする、ポアソン比の測定方法。

ここで、
A= B_V/ B_ｐｒ
体積弾性率を、試料を入れる円柱状空間と、試料を所定温度に保つ温度制御手段と、試料に荷重をかける加圧手段と、試料の体積変化を測定する手段とを備えた装置を用い、該空間に試料を空隙無く置いた後、所定温度に制御された体積Vの試料を、該加圧手段を用いて圧力Pで加圧することにより生じた試料の体積変化ΔVから、次の式で求める体積弾性率Bvを用いることを特徴とする請求項１記載のポアソン比の測定方法。
熱可塑性材料を、試料を入れる円柱状空間に投入後、溶融温度以上に制御して該空間に空隙無く充填することで作成した試料を用いて測定することを特徴とする請求項２記載のポアソン比の測定方法。
異方性を有する物品から、配向方向、配向垂直方向など所望の方向に切出した試料を使用することを特徴とする請求項２記載のポアソン比の測定方法。
材料が樹脂組成物であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項記載のポアソン比の測定方法。