JP6219393B2 - 複合材料で作られる部品を特徴付ける方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般にエンジニアリング産業、および特に航空産業で用いるための材料および構造物を特徴付ける方法の分野にある。

本発明は、製織され、編組され、またはさらに縫製される繊維強化材を有する複合材料に適用され、その材料は、航空機の部品、および特に以下に限定するものではないが航空エンジン、たとえばファンブレード用の部品を構成する分野に非常に多くの用途を見出している。これらの材料は、重量、強度、および、部品を製作する容易さの点からみると有利な特性を有する。

所与の部品の場合は、その機械的特性について知識を向上させるために部品の繊維強化材の特徴について知識を有することが有用である。繊維強化材は、通常、繊維画分（Ｖ_ｆ）、製織コラム間の距離（縦糸についてはｄ_ｃ、および横糸についてはｄ_ｔ）、縦糸および横糸の量の間の比（縦糸／横糸比）、および収縮（θ）などの、製織パラメータを用いて説明される。

これらの特性は、部品の形状に応じて、単一の所与の部品の範囲内で変化し得る。したがって、いかにこれらの特性が部品の体積全体にわたって変化するかを決定できることが有用である。

特徴付けを行うためのさまざまな技術が知られており、これらは、本明細書において説明され、これらは、有機体であるマトリックスを有する複合材料に関係する。これらの特徴付け技術は、化学的溶解および重量測定、あるいは断面に切れ目を入れ、測定することを利用する。

したがって、繊維画分などのある種の情報を得ることができ、この情報は、酸による化学エッチングによってマトリックスを溶解除去した後に計量し、かつまたコラム間の距離に関係することによって決定されることができ、これは、断面の観察を行うことによって測定される。

しかし、他のパラメータは相変わらず抽出するのが困難であり、すなわち、断面が所与の製織コラムに関して糸の全部を追跡するということを確保することは困難であり、したがって、大量の糸（これは、ある織物では１００よりも大きい場合がある）を有する製織セルを表わす体積について、収縮およびうねりを測定することは特に困難である。また、縦糸／横糸比は、間接的にのみ得られ得る。

不完全な特徴付けのみを提供することに加えて、それらの技術は、破壊的な技術であり、材料の小さな体積（通常、４グラム（ｇ））にしか適用できず、かつこれらを実行するのに必要とされる時間の点からみると高価であるという主要な欠点を有する。また、溶解材料は、あり得る不純物のせいで測定の潜在的なエラーという問題を生じ（その危険性は、調査対象の体積が増加するにつれて増加する）、これは、再利用するのが困難な廃棄物を生じる。

本発明は、上に挙げた困難さを解決しようとするものである。

本発明は、製織繊維、編組繊維、または縫製繊維強化材を有する複合材料で作られる部品を特徴付けるための特徴付け方法であり、部品の少なくとも一部のグレーレベルを決定するようにＸ線断層撮影を用いる決定ステップと、これに続く少なくとも自由マトリックスとマトリックスと混合した繊維の糸との間を識別することによって製織に関して情報を得るように前記グレーレベルを活用する活用ステップとを含み、前記糸が、均質である材料であるとして考慮される、特徴付け方法にある。

これらの特徴付けのため、部品は、破壊的でない方法で特徴付けられ、以前は得るのが非常に困難であった情報へのアクセスが、迅速に、かつ高精度で得られる。このことは、均質な材料としてマトリックスと混合した繊維の糸がマトリックスのグレーレベルから識別され得るグレーレベルを有するということを考慮することによって作業が中規模で行われるので、大きな進歩となる。

また、この方法論により、大きなサイズの試料に取り組むことができる。

有利なことに、決定ステップは、材料の試料の繊維方向に平行な軸線を中心に回転する部品で実行され、活用ステップは、自由マトリックスから横糸および縦糸を識別することによって実行される。

これは、非常に革新的な現象に基づく方法となり、この方法は、ごく最近になって特徴付けられており、以前はアクセスすることが困難であったかまたは不可能であったパラメータを正確に決定することができる。現象の存在を発見することを可能にしていたのは、最適化パラメータの調査を行うことによってのみであり、それによって、縦糸および横糸は、それぞれ均質な材料として考慮されるが、それぞれ異なるグレーレベルの分布を有する。

一実施例においては、活用ステップは、グレーレベルの分布を決定するステップと、次いで、少なくとも糸体積分率を決定するために前記分布に少なくとも２つのガウス曲線をデコンボリューションするステップとを含む。これにより、部品の部分または体積に関して情報を得ることができる。また、活用ステップは、材料の繊維画分と糸体積分率との間の所定の関係の助けを借りて実行され得る。活用ステップは、特に、横糸および縦糸の体積分率、ならびに横糸繊維の量と縦糸繊維の量の間の横糸／縦糸比を決定するために、少なくとも３つのガウス曲線をデコンボリューションするステップを含むことができ、このことは、この情報が別な方法で得ることが困難であるので、非常に有利である。

本発明の特定バージョンにおいては、活用ステップは、部品の一連の部分のグレーレベル分布を決定するステップと、フーリエ変換を使用することによって、または一連の部分のピークトゥピーク距離を測定することによって製織コラム間の距離を得るステップとを含む。

もう１つに実施形態においては、活用ステップは、グレーレベルに応じて部品の画像に糸を表示するステップを含む。好ましくは、縦糸および横糸は、グレーレベルに応じて画像内で識別され、必要ならば、収縮角度（θ）または糸のうねりパラメータが決定され、このことは、この情報が別な方法で得ることが非常に困難であるので、非常に有利である。

本発明は、特に、炭素またはいくつかの他の材料で作られる繊維によって構成される製織繊維強化材を有する複合材料に適用できる。材料は、有機体、金属、またはセラミックであるマトリックスを有することができる。調査対象の部品は、ターボジェット用の部品であることができ、有利なことに、これは、完全な構造物である場合がある。また、これは、試料であることもある。

本発明の方法の第１の実施形態を示す図である。 本発明の方法の第１の実施形態を示す図である。 本発明の方法の第２の実施形態を示す図である。 本発明の方法の第２の実施形態を示す図である。 図３および図４の実施形態の変形との関連で得られる結果を示す図である。 本発明の方法の第３の実施例を示す図である。

図１は、本発明の方法の第１の実施形態を示している。より正確には、Ｘ線断層撮影調査のための装置が示されている。詳細には、装置は、マイクロコンピュータ断層撮影（μ−ＣＴ）装置である。これは、エポキシ有機マトリックスおよび炭素繊維を有する複合材料で作られる部品１００を特徴付けるのに適用される。炭素繊維は、約５マイクロメートル（μｍ）の直径を有し、これらは、説明される方法では可視化されない。

調査装置は、Ｘ線源２００と、たとえば０．１ミリメートル（ｍｍ）の厚さの１枚の銅板を用いることによってソースビームをフィルタリングするためのフィルタ２１０と、２次元（２Ｄ）検出器２２０とを有する。部品１００は、Ｘ線のビームの中に、フィルタ２１０と検出器２２０との間に配置される。これは、検出器２２０およびフィルタ２１０に対して軸線Ｘを中心に回転する。断層撮影器具が、部品１００のボクセルのグレーレベルを記録する。

図２は、部品１００の体積全体にわたってグレーレベルの分布を表わす曲線１１０を描画するグラフである。横軸は、（１から２^１６−１＝６５５３５）までの）グレーレベルを示し、縦軸の目盛りは、所与のグレーレベルを有するボクセルの数を与えている。

分布曲線１１０は、２つの明確な極大点を有している。ある環境においては、曲線は、図３および図４を参照して下記で説明されるように、３つの極大点を有する。

その後に、この曲線１１０を解析すると、複合材料は自由マトリックスによって、およびマトリックスと混合した繊維の糸によって構成されると考えられ、糸は、均質である材料を構成するとして考慮される。

曲線は、これらの２つの均質な材料の各々がガウス分布となるグレーレベルのそれぞれの分布を有するということを利用して、２つのガウス曲線を得るようにデコンボリューションする。したがって、曲線１１０は、エポキシマトリックスから、および糸からそれぞれの寄与を示すようにさせられる。これらの２つの寄与は、参照符号１１２および１１４を有するガウス曲線である。この実施例においては、糸は、より大きな寄与、およびより高いグレーレベルを有する。

２つのガウス曲線１１２および１１４の各々のボクセルの数を合計することによって、マトリックスによって占められる体積、および糸によって占められる体積を得ることができ、比をとることによって、部品１００の調査対象の体積に関して、Ｖ_{ｔｈｒｅａｄ}と書かれる糸体積分率を得ることができる。

図３は、第２の実施形態を示している。これは、２つの面について、第１の実施形態と異なる。

第１に、部品１００は、回転軸線Ｘに平行なその製織方向のうちの１つで配置される。この製織方向は、図においては参照される１である。方向２は、軸線Ｘに直交する。

第２に、Ｘ線源２００は、Ｘ線を発生させるために高電流および低電圧を使用することによって最適化される。

断層撮影器具は、図１の場合のように、部品１００のボクセルのグレーレベルを記録する。

図４は、第２の実施形態について、部品１００の体積全体にわたってグレーレベルの分布を表わす曲線１２０を描画するグラフである。ここでも、横軸は、グレーレベルを与え、縦軸は、グレーレベルを与え、縦軸は、所与のグレーレベルを有するボクセルの数を与えている。

分布曲線１１０は、３つの明確な極大点を示している。

この現象のあり得る原因は、炭素繊維の直交異方性の性質、および／または糸内の繊維間の隙間が予め定められた配向をもつということであるかのように見える。そのうえ、これらの２つの現象は結合され得る。

いずれにしても、糸は、それらの横断方向に、およびそれらの長手方向に異なる吸収のレベルを有するということが理解できる。図３の構成においては、方向１の糸のすべては、常に横方向にＸ線が通過するが、方向２の糸は、回転軸線Ｘを中心とする部品１００の回転中に、時々長手方向にＸ線が通過する。（回転軸線に平行な）方向１の糸のグレーレベルは、方向２の糸のグレーレベルよりも低い。

曲線は、マトリックス、方向１の糸、および方向２の糸がガウス分布となるグレーレベルのそれぞれの分布を有するということを利用して、３つのガウス曲線にデコンボリューションされる。

方向１の糸および方向２の糸は、それぞれ均質な材料であるとして考慮される。

したがって、曲線１２０は、エポキシマトリックスの、方向１の糸の、および方向２の糸（または、横糸および縦糸）のそれぞれの寄与を示すことができる。これらの３つの寄与は、参照符号１２２、１２４、および１２６が与えられるガウス曲線である。この実施例においては、方向２の糸が、最も大きな寄与を有する。糸の両方のタイプは、マトリックスよりも高いグレーレベルを有する。

３つのガウス曲線１２２、１２４、および１２６の各々のボクセルの数を合計することによって、マトリックスによって占められる体積、横糸によって占められる体積、および縦糸によって占められる体積を得ることができ、比をとることによって、図１および図２の方法を用いる場合よりもより高い精度で、部品１００の調査対象の体積に関して糸体積分率Ｖ_{ｔｈｒｅａｄ}を得ることができ、また、縦糸および横糸との間の比（縦糸／横糸比）を得ることができる。

材料の異なる繊維画分においてエポキシマトリックスおよび炭素繊維を含む複合材料で作られる均質な基準試料の先行調査が行われている。その調査は、図１および図２（または、図３および図４）を参照して説明されるように断層撮影およびデコンボリューションを用いることと、またそれらの繊維画分を決定するために試料を溶解することとを含んでいた。したがって、これらの基準試料の場合は、材料の全体の繊維画分Ｖ_ｆが、糸の繊維画分と同様に知られている。

本願発明者らは、特に、糸の繊維画分が、５４％から６４％に及ぶ材料の繊維画分Ｖ_ｆの範囲に対して材料の繊維画分Ｖ_ｆに比例するということを見出している。

関係が線形であるその範囲において、およびまたその範囲の外側で、先行調査により、所与の部品１００の調査対象の体積について、断層撮影およびデコンボリューションを用いた調査によって得られる糸画分から全体の繊維画分Ｖ_ｆを推論することができる。

図５は、図３および図４の実施形態の変形の様子を示している。部品１００の体積全体にわたってグレーレベルの分布を調査する代わりに、この種の分布は、断層撮影システムを用いて可視化され得るように部品の体積の各部分（または、小さな厚さのサブ体積）について調査される。部分は、軸線に沿ったそれらのオフセットの値によって識別され、その値は、図５の横軸に沿って描画され、３センチメートル（ｃｍ）の寸法を有する部品についてミリメートルで目盛付されている。

各部分について、曲線は、３つのガウス曲線にデコンボリューションされる。したがって、エポキシマトリックスの、および横糸の、および縦糸のそれぞれの寄与が曲線１１０に示されている。調査対象の部分の糸体積分率Ｖ_{ｔｈｒｅａｄ}が得られ、これは、曲線５１０および５２０によって表わされる横糸および縦糸体積分率と共に、曲線５００の形で表わされる。

曲線５００、５１０、および５２０から、縦糸コラムｄ_ｃ間の、および横糸コラムｄ_ｔ間の距離を抽出することができる。これらのパラメータが一定である場合には、これは、曲線５００、５１０、および／または５２０に関してうねり（または「波」）の周波数を決定するようにフーリエ変換によって行われ得る。コラム間の距離が一定でない場合には、情報は、曲線５００、５１０、および５２０に関してピーク間の距離を測定することによって得られ得る。

図６は、本発明の第３の実施形態を示している。これは、マトリックスに、および糸に、またはあるいは図３の構成を用いる場合には横糸に、または縦糸に期待される値に応じて１つまたは２つの閾値によって定義される範囲内でグレーレベルを有するボクセルを（たとえば、選択された色を用いて）表示することによって部品３００の体積の３次元（３Ｄ）撮像を含む。したがって、画像に関して所与の糸を正確に追跡し、したがって、収縮θおよびうねりについてそのパラメータを決定することができる。

変形においては、画像は、縦糸および横糸が回転軸線に対して４５°で配向されるように配置される部品３００に関して取得される。したがって、縦糸および横糸は、一回転を通じて同じ方法で平均的にＸ線が通り過ぎる。２つのガウス曲線のみが、図２の場合のように現われる。

もう１つの変形においては、回転軸線は、製織平面に直交する方向に（縦糸および横糸に対して直交して）位置合わせされ、もう一度、これらの縦糸および横糸は、一回転を通じて同じ方法で平均的にＸ線が通り過ぎる。２つのガウス曲線のみが、図２の場合のように現われる。

本発明は、航空用途のための複合材料で作られる完全な構造物に、特に、予め試料を切り離すことなく全体として調査され得るブレードやケーシングなどの、航空エンジン部品に適用されることが有利である。

本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内にある任意の変形に及ぶ。

Claims (13)

1. 製織繊維、編組繊維、または縫製繊維強化材を有する複合材料で作られる部品（１００）を特徴付けるための特徴付け方法であり、部品の少なくとも一部のグレーレベル（１１０；１２０）を決定するようにＸ線断層撮影（図１；図３）を用いる決定ステップと、これに続く少なくとも自由マトリックス（１１２；１２２）とマトリックスと混合した繊維の糸（１１４；１２４、１２６）との間を識別することによって製織（Ｖ_ｆ；縦糸／横糸比；ｄ_ｃ、ｄ_ｔ；θ）に関して情報を得るように前記グレーレベルを活用する活用ステップとを含み、前記糸が、均質である材料であるとして考慮される、特徴付け方法。
2. 決定ステップが、部品の繊維方向（１）に平行な軸線（Ｘ）を中心に回転する部品（１００）で実行され、活用ステップが、自由マトリックス（１２２）から横糸（１２４）および縦糸（１２６）を識別することによって実行される、請求項１に記載の特徴付け方法。
3. 活用ステップが、グレーレベル（１１０）の分布を決定するステップと、次いで、糸体積分率（Ｖ_{ｔｈｒｅａｄ}）を決定するために前記分布に少なくとも２つのガウス曲線（１１２、１１４；１２２、１２４，１２６）をデコンボリューションするステップとを含む、請求項１に記載の特徴付け方法。
4. 活用ステップがまた、材料の繊維画分（Ｖ_ｆ）と糸体積分率（Ｖ_{ｔｈｒｅａｄ}）との間の所定の関係の助けを借りて実行される、請求項３に記載の特徴付け方法。
5. 活用ステップが、横糸のおよび縦糸の体積分率、ならびに横糸繊維の量と縦糸繊維の量の間の横糸／縦糸比を決定するために、少なくとも３つのガウス曲線（１２２、１２４、１２６）をデコンボリューションするステップを含む、請求項４に記載の特徴付け方法。
6. 活用ステップが、部品の一連の部分のグレーレベル分布を決定するステップ（図５）と、フーリエ変換を使用することによって、または一連の部分のピークトゥピーク距離を測定することによって製織コラム（ｄ_ｃ、ｄ_ｔ）間の距離を得るステップとを含む、請求項５に記載の特徴付け方法。
7. 活用ステップが、グレーレベルに応じて部品の画像に糸を表示する（図６）ステップを含む、請求項６に記載の特徴付け方法。
8. 縦糸および横糸が、グレーレベルに応じて画像内で識別される、請求項７に記載の特徴付け方法。
9. 糸の収縮角度（θ）またはうねりパラメータが決定される、請求項８に記載の特徴付け方法。
10. 繊維強化材が、炭素で作られる繊維によって製織され、構成される、請求項１に記載の特徴付け方法。
11. 材料が、有機体、金属、またはさらにセラミックであるマトリックスを有する、請求項１に記載の特徴付け方法。
12. 部品が、ターボジェット用の部品である、請求項１に記載の特徴付け方法。
13. 部品が、完全な構造物または試料である、請求項１に記載の特徴付け方法。

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