JP6309530B2

JP6309530B2 - 複合材料に吸収されている湿気を測定するためのシステム及び方法

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Publication number: JP6309530B2
Application number: JP2015536263A
Authority: JP
Inventors: イアンノン、ミケーレ
Original assignee: Alenia Aermacchi SpA
Current assignee: Alenia Aermacchi SpA
Priority date: 2012-10-09
Filing date: 2013-10-09
Publication date: 2018-04-11
Anticipated expiration: 2033-10-09
Also published as: BR112015007788A2; EP2906944B1; ES2607811T3; RU2661409C2; CA2885833A1; WO2014057429A1; EP2906944A1; RU2015116244A; CA2885833C; US9791364B2; US20150260637A1; ITTO20120878A1; JP2016500814A

Description

本願発明は、概して、重合体マトリックスを有する複合材料中に吸収されている湿気を測定する技術に関する。

発明の背景

良く知られているように、重合体材料は、巨大分子構造を有する。即ち、これは、この構造に従って可変の相対易動度を有する長い重合体の鎖により特徴付けられているが、全ての場合、真の溶液を形成するように、巨大分子間に挿入される小さい分子量の物質の分子のアクセスを可能にしている。

明らかに、このような物質の量は、重合体の分子の性質と小さい分子量の材料の分子の性質とに依存している。また、相互作用は、化学並びに／もしくは物理のタイプであり得る。

酸並びに／もしくはある種の有機溶媒のような、化学反応性のある物質のための化学的な相対作用は、重合体自身の変化をもたらし、ある場合には実際の融解に導かれる。反対に、物理的な相対作用は、溶液が重合体と小さい分子量の物質との間に、純粋の重合体に比較して変化された物理的な特性を有して、生成されるような、実質的に反転可能なタイプの混合にリンクされる。これらは、小さい分子量の物質なので、ガラス転移流動を一般的に小さくし、機械的な見地からは、塑性流動σy（張力）とτy（せん断）応力とを一般的には減少させ、弾性率E（引張弾性、即ちヤング率）とせん断弾性率（G）とを減少させるように、巨大分子間の相対移動を促進させる影響を有している。これら影響の全ての総合は、「可塑化」"plasticization"と称されている。

前記可塑化は、重合体の性質と融解された小さい分子量の物質と、物質の量とに依存している。

可塑化している物質は、有機溶媒（例えば、MEK、メタノール、エタノール、ヘキサン、及びアセトン）、及び水を含んでいる。もし、重合体が、可塑化している液体中に浸漬されると、重合体は、液体を吸収する傾向があるし、また重合体中への可塑剤の拡散速度に依存した時間で、所定量の液体を吸収する。そして、平衡状態に達すると、即ち、可塑化物の重合体中への更なる侵入が生じないようになると（実際には、分子のレベルで、侵入した分子の数が、これらのエマージングの数に等しくなると）、可塑剤の「飽和」状態に達したと言え、これは、重合体と可塑剤の化学的性質に依存し、また、温度に依存し得る。

重合体が、可塑剤を部分的に含んだ媒質中に浸漬されたときには、飽和量は、媒質中に存在する可塑剤の割合の関数であり、熱力学に関してより正確には、可塑剤の活性度に当てはまる。混合気体の場合には、活性度は、分圧にリンクされている。ｘが可塑剤の容積分率の場合、分圧は、ｘ・πに等しい。ここで、πは、混合液体の圧力である。気体状の空気中に分散された水の場合には、気体状の水と液体状の水との間が平衡になっているときには、気体状の水の活性度は、液体状の水の活性度と等しい。この場合には、媒質は、水で飽和されていると言え、相対湿度は、１００％に等しく、また、気体相の水の分圧は、同じ温度での液体の水の蒸気圧に等しい。

水を含んだ媒質に晒された重合体に対しては、相対湿度と、飽和状態での重合体に吸収されている水のパーセント量との間の線形関係に非常に近似している。

しかし、温度の関数として吸収される水の変動に関しては、一般的に、温度に関する依存性が、それほど大きくなく、航空機の分野での構造複合材のためのマトリックスとして使用されているエポキシ樹脂に対しては、水中に浸漬されている樹脂に飽和状態で吸収される水のパーセント（即ち、１００％の湿度での湿気のある空気で平衡度）は、樹脂の
タイプに応じて変わる。Δ重量／重量として表すと、前記パーセントは、２５℃から８０℃までの温度範囲で、同じ樹脂に対しては、代表的には、１％から３％に変わり、ほとんど一定である。［1，2］
［1］G. Mensitieri/M. Iannone, "Modeling accelerate ageing in polymer composites", Chapter 9 of: "Ageing of Composites" Woodhead Publishing Limited, September 2008
［2］M. Iannone − Composite Materials for Aeronautical Applications in Encyclopedia of Composites, John Wiley and Sons, second edition (2012)
しかし、飽和が、異なる環境で達成される速度は、重合体中の水の拡散により制御され、かくして、温度に対して指数的に依存している拡散係数の関数である。拡散法の積分は、二次形式の厚さでの飽和時間の依存性の認識に導く。

前述した全てのことは、例えば、重合体のマトリックスを有する複合材のマトリックスのような重合材が、一般的な雰囲気の状態に依存した程度に雰囲気の水を吸収するであろうという考えに導く。状態の変化の観点で、航空の分野への適用に対して、飛行機の全寿命（代表的には、３０年）の間、２８℃で８５％の相対湿度に合意している最も好ましくない状態を、警告として、考える必要がある。このことは、複合構造の大部分にとって、補償の目的のために少なくとも８５％のスケールでの飽和を想定した仮説を含んでいる。［3］

［3］J. Rouchon, “Certification of large airplane composite structures, recent progress and new trends in compliance philosophy”, 17th ICAS Congress, Stockholm, 1990
温度に関しては、一般的に、最低温度（高所で）は、−５５℃であり、最高（地表での強い日照で）は、８０℃である。

前記可塑化に関することから、高温の影響は、湿気の吸収と同じ方向に動作する。かくして、材料及び構造の検証は、高温でと、湿気の吸収の後（ホットウエット"hot-wet"の状態））と、湿気の吸収の無い低温（コールドドライ"cold-dry"の状態）とで評価することによりなされる。

これら状態を航空機の証明プランに加える必要性は、周囲温度での機械的なテスト（ある場合には、片、部分、部材、サブ部品、及び、完成部品に係わるテスト）が非常に面倒なので、更なる試験（テストするサンプルの露出）や時間の点で、非常にコスト高となる。実際、上述したように、吸収は、非常にゆっくりであり、周囲温度での３０年間に渡る吸収のシュミレーションは、加速された経年変化に頼ったとしても（高温で）、数か月は必要である。

上述されたように、代表的には航空機の複合構造に含まれている湿気の量は、非常に変動し、これが、高いパーセント湿度で環境と平衡である値になることは、極めてまれである。これは、代表的には、湿度は、それほど高くなく、飛行機が部分的に太陽により照らされて加熱されるように停止されているときの状態の基では、温度は、周囲よりも高くなり、加熱により加速された放散効果生じる。かくして、複合体に含まれている湿気の直接の測定が、代表的にはΔ重量／重量のように示されて可能であれば、パーセントが超えないようなモニターで、無飛行機の複合構造を定期的にチェックしても湿気がない状態（non-wet conditions）（例えば、５０％の飽和で、「環境」として知られた状態）で、構造体の証明をイメージすることができる。しかし、知られた通常の状態で、湿度の量の直接の測定のための知られた方法は無い。実際には、実験で一般に使用されている非常に簡単な方法は、湿気を吸収した部品の重量を計り、そして、高温（例えば、約８０℃のオーブン）での乾燥環境中で湿気を放散した後に、再度この部品の重量を計っている。しかし、複合体の全厚さに渡っての平均値を与えるようなこの方法は、稼働中の飛行機の部品に対しては、明らかに適用できない。導電又は誘電特性の測定を基にした、もしくは赤外線スペクトロメータを基にした方法が、試みられている。しかし、得られた結果は、満足できるものではなく、特に、カーボンファイバーの存在が、樹脂に関連した全ての特性を読み取るのをより困難にしている。例えば、複合体では、熱伝導性又は導電性は、主としてファイバーに依存しており、また、樹脂の導伝性の僅かな変動は、複合体の導伝性に非常に制限された影響を与える。スペクトロメータに関しては、特に補強ファイバーのある重合樹脂で得られるスペクトルから水の存在の量的な評価を得ることが困難である。

しかし、湿度度体は、湿度測定材（例えば、毛）の変形、ウェットバルブ及びドライバルブ温度計に関する比較、または、対向した導電体（即ち、プレート）間の空気の湿度の関数としての容量を変更するコンデンサーである容量式湿度センサ（最も最近）にリンクされた標準の方法により、空気中で正確に測定され得る。

本願発明の１つの目的は、吸収された湿度の稼働中での測定の可能性を与えることができる、複合材料の内部湿度の測定のためのシステムを提供することである。このようなシステムは、超えられた証明により確立された湿度の、熱い環境又は部分的な加熱での除湿介在の、（不可能な）レベルの場合での湿った状態よりも効果的な状態の基で、稼働中に湿度の定期的なチェックの独占的な状態で、構造の証明を可能にしている。

これは、許容され得る値が、より効果のある状態のもとで、かくして、湿った状態よりも高い状態のもとで、使用され得る（即ち、デザインのプロセスのために使用される材料の特性）、構造体の重量を減じる効果を有している。より詳細には、ディメンションの特性でのパーセントの増加ｘ％に対して、これに対応して、同じ程度の重量の減少がある。このような重量の減少は、また、使用される材料のコスト（使用される材料の質に比例した、繰り返される製造コストを含む）の対応した節約となる。最後に、「乾燥」"dry"状態での証明の可能性は、また、特に、テスト片のレベルではなく、また、サブ構成物又は構成物のレベルではなく、湿った状態でのテストをしないで、構造を証明することの可能性があるので、新しい飛行機の製造のための繰り返されないコストの重大な削減を含んでいる。

本願発明に係れば、上記目的は、
圧力と熱とによる処理により強化された複数の材料の層を有し、各材料の層が、ファイバー材により補強された樹脂のマトリックスによりにより形成されている、複合材の部品と、
前記複合材中に埋設され、前記複数の材料の層のうちの第１及び第２の材料の層間で、規定された境界領域内に配置され、前記境界領域の外で前記第１及び第２の材料の層は、互いに接触され、また、前記第１及び第２の材料の層と流体的に接続されている少なくとも１つのキャビティが、中に形成されている挿入体と、
前記キャビティ内に配置され、キャビティ内の雰囲気の湿度を示す信号を出力可能な環境湿度センサとを具備する、複合材中に吸収された湿度を測定するためのシステムにより達成される。

また、本願発明の要旨は、
圧力と熱とによる処理により強化された複数の材料の層を有し、各材料の層が、ファイバー材により補強された樹脂のマトリックスによりにより形成されている、複合材の部品と、前記複合材中に埋設され、前記複数の材料の層のうちの第１及び第２の材料の層間で、規定された境界領域内に配置され、前記境界領域の外で前記第１及び第２の材料の層は、互いに接触され、また、前記第１及び第２の材料の層と流体的に接続されており、中に環境温度センサが配置されている少なくとも１つのキャビティが、中に形成されている挿入体とを与える工程と、
前記環境温度センサにより、前記キャビティ内の雰囲気中の湿気の量を示す信号を与える工程と、
キャビティ内にある湿気の量の関数として、前記境界領域のレベルで、複合材中に吸収された湿気の量を決定する工程とを具備する、複合材中に吸収された湿度を測定するための方法、により達成される
特別な実施の形態は、内容が本記載の一体的な部分として理解されるべきである従属請求項の要旨を構成している。

本願発明が基礎とするコンセプトは、湿度の量が測定されることが望まれている複合材の部分内に、自身が複合材とは接触している自由空間を形成することである。この自由空間は、材料の層の表面が前記空間と接した状態で、多孔性及び拡散により空気で徐々に満たされ、平衡な状態でのか急速に平衡な状態になる所定量の湿気を含んでいる。かくして、湿度測定装置によりなされる気体相中の湿度の測定において、複合材料の近接した層の中に吸収されている湿度を、標準の計算により、決定することが可能である。

本願発明の更なる特徴と効果とは、一実施の形態の以下の詳細な説明により、より詳しく記載されているであろう。

図１は、本願発明に係わる複合材中の吸収された湿気を測定するためのシステムの一実施の形態を概略的に示している図である。

図１は、例えば、胴体のパネルのような飛行機に実装される部品を例えば、構成できるパネルのような複合材料の部材１を示している。この部材１は、圧力と熱との処理により強化された、これ自体公知の複数の材料の層１１，１２（２つの層は、図での簡略化のためけである）を有している。各材料の層は、ファイバー材で補強された樹脂のマトリックスにより形成されている。この重合体のマトリックスは、熱可塑性もしくは熱硬化性で良く、炭素、ガラス、もしくはケルバー（登録商標）製のファイバー、特に長いファイバーで補強されている。

前記２つの材料の層間の境界領域１５内に位置するように、複合材に埋め込まれた挿入体１３が設けられている。中に挿入体配置された前記境界領域１５の広がりは、材料の層１１，１２の面の広がりに比較して小さくなるような方向で制限されている。挿入体１３が占めている境界領域１５に対応するようにして、材料の層１１，１２は、挿入体１３の厚みによって互いに離間されているが、境界領域１５の外側では、材料の層１１，１２は、互いに接触している。挿入体１３の中には、挿入体１３が間に配置された材料の層１１，１２と流体接続された少なくとも１つのキャビティ１７が、形成されている。

好ましくは、前記挿入体１３は、例えば、金属材料もしくは重合体材料でできた蜂の巣構造を有し、中で、前記キャビティ１７が、蜂の巣構造の１もしくは複数のセルにより形成されている。

蜂の巣構造の重要な特徴は、例えば、閉じたボックス部材が使用された場合に度々可能でなくなる複合材から離れない内容量室の形成を可能にしていることである。更に、もし、蜂の巣が、正確なディメンションで形成されている場合には、材料の層の重合の間の内容量室が潰れるのを防ぐことができる。前記挿入体１３は、小さいディメンションにすることができる。例えば、挿入体は、１／４インチ（約６mm）の厚さと、５０ｘ５０mmの平面ディメンションを有し得る。周辺の界面にテーパが形成されていることは、有効である。しかし、本願発明は、挿入体１３の１つの特別な構造と形状とに、もし、後者が複合材と接触しているキャビティを維持することができるのであれば、限定されない。

環境湿度センサ２０が、前記キャビティ１７内に配置されている。このセンサは、キャビティ１７内の雰囲気の湿度を示す信号を出力することができる。

処理ユニット３０が、例えば、電線、光ファイバー、または無線接続によって前記環境湿度センサ２０に動作的に接続されている。この処理ユニット３０は、センサ２０から出力された信号を読み取って、キャビティ１７内の湿度の関数として、複合材中に吸収された湿気の量を決定する。

上述されたように、本願発明が基礎とするコンセプトは、湿度の量が測定されることが望まれている複合材の部分内に、自身が複合材とは接触している自由空間を形成することである。挿入体の使用は、実際には、多孔性及び拡散により徐々に空気で満たされ、平衡な状態でか急速に平衡な状態になる所定量の湿気を含んでいる「空の」領域を、層１１，１２の表面１１ａ、１２ａと一緒になって形成することを可能にしている。これら表面は、どのようにして挟まれた領域が形成されているかによって、積層された固形物の層１１，１２の界面の全体の連続である。挟まれた領域内に気体相で含まれている重量での水の量は、積層された固形物内に含まれている量と比較して非常に少ない。数字上の例を与えるために、飽和パーセント量Δ重量／重量＝２％を有する２５℃での複合材と、空気が飽和状態にある（飽和された表面で平衡なために）、６mmの挿入された空の領域の厚さとを考慮すると、水の分圧は、２５℃での蒸気圧、即ち、０．０３１３atmに等しい。アボガドロの法則に基づいた簡単な計算によれば、６ｍｍの厚さで含まれてする水の量は、複合材の０．００４mm内に含まれている水の量と同じである。かくして、挿入体中への空隙の追加により、厚さでの等価の変化が実際には無視され得る。蜂の巣の厚さが６ｍｍで約０．０５g/ccの密度を、代表的には有する、蜂の巣の中に含まれている水の量に関しては、０．２mmの複合材に含まれている水の量とおおまかには等しく、かくして、複合材の１つの追加の層におおまかには等しい。計算は、挿入体の存在により厚くなったことは、全体の構成に影響を与えないが、非常に限られた領域のみ（センサを収容するのに充分であるならば）に影響を与えるということを考慮する必要がある。これらの全てを考慮すると、表面１１ａ、１２ａに含まれたパーセント湿度は、積層の層１１，１２の界面全体の残りの部分に含まれているパーセント湿度と、実際上は、等しい。［4］
［4］D. Larobina, G. Mensitieri, A. Aldi, E. Calvi, M. Iannone, F. Manzi and L. Nicolais, “An Integrated Approach to Analyze Long-term Moisture Transport in Honeycomb-core Sandwich Panels”, Journal of Composite Materials, Vol. 44, No. 21/2010 2473-2486
かくして、環境湿度センサ２０によりなされる気体相での湿度の測定は、センサ２０が位置されるのに対応したパネルの層１１と１２間の界面のレベル（「界面１１−１２」の下）で吸収される湿度と直接に関係し得る。より正確には、界面１１−１２のレベルでの固体相でのパネルにより吸収される湿度は、挿入体の領域中で測定される相対湿度が掛けられたΔ重量／重量^＊パーセント湿度として表される１００％の相対湿度で、環境中の飽和で複合体により吸収される湿度に等しい。数値上の例を与えるために、平衡状態で水で飽和された環境中で複合体の水のΔ重量／重量値が、２％であり、センサ２０が、５０％の相対湿度を測定する場合、界面１１−１２Δ重量／重量のレベルでの複合体中の水の吸収は、２％^＊５０／１００＝１％であることを意味している。

複合材内の湿度のプロファイルを確かめるために複合材の厚さの異なる複数のポイントテン点に位置された複数のセンサを備えたキャビティの使用が、効果があり、また、可能である。同じ深さで、吸収される湿度が、表面の位置の関数として変化することが可能な状況のために、センサを又備えた複数のキャビティを、複合材の界面の異なる複数の位相的位置に配置させることが考えられ得る。

自然に、変更されないで残っている本願発明の原理に基づいて、実施の形態と実施の詳
細とは、記載された請求項で規定された本願発明の保護範囲から逸脱しないで、限定され
ない例により単に記載及び図示されたものと比較して広く変更可能である。
以下に、出願当初の特許請求の範囲に記載の事項を、そのまま、付記しておく。
［１］複合材中に吸収された湿度を測定するためのシステムにおいて、
圧力と熱とによる処理により強化された複数の材料の層を有し、各材料の層が、ファイバー材により補強された樹脂のマトリックスによりにより形成されている、複合材の部品（１）と、
前記複合材中に埋設され、前記複数の材料の層のうちの第１及び第２の材料の層（１１，１２）間で、規定された境界領域（１５）内に配置され、前記境界領域の外で前記第１及び第２の材料の層は、互いに接触され、また、前記第１及び第２の材料の層と流体的に接続されている少なくとも１つのキャビティ（１７）が、中に形成されている挿入体（１３）と、
前記キャビティ内に配置され、キャビティ内の雰囲気の湿度を示す信号を出力可能な環境湿度センサ（２０）とを具備することを特徴とするシステム。
［２］前記挿入体は、蜂の巣構造を有しており、前記キャビティは、蜂の巣構造の１もしくは複数のセルにより形成されていることを特徴とする［１］のシステム。
［３］前記環境湿度センサと動作的に接続されており、前記キャビティ内の湿度の関数として、前記境界領域のレベルで、複合材中に吸収された湿気の量を決定可能な処理ユニットを更に具備することを特徴とする［１］又は［２］のシステム。
［４］複合材中に吸収された湿度を測定するための方法において、
圧力と熱とによる処理により強化された複数の材料の層を有し、各材料の層が、ファイバー材により補強された樹脂のマトリックスによりにより形成されている、複合材の部品（１）と、前記複合材中に埋設され、前記複数の材料の層のうちの第１及び第２の材料の層（１１，１２）間で、規定された境界領域（１５）内に配置され、前記境界領域の外で前記第１及び第２の材料の層は、互いに接触され、また、前記第１及び第２の材料の層と流体的に接続されており、中に環境温度センサ（２０）が配置されている少なくとも１つのキャビティ（１７）が、中に形成されている挿入体（１３）とを与える工程と、
前記環境温度センサ（２０）により、前記キャビティ内の雰囲気中の湿気の量を示す信号を与える工程と、
キャビティ内にある湿気の量の関数として、前記境界領域のレベルで、複合材中に吸収された湿気の量を決定する工程とを具備することを特徴とする方法。
［５］前記挿入体は、蜂の巣構造を有しており、前記キャビティは、蜂の巣構造の１もしくは複数のセルにより形成されていることを特徴とする［４］の方法。

Claims

複合材中に吸収された湿度を測定するためのシステムにおいて、
圧力と熱とによる処理により強化された複数の材料の層を有し、各材料の層が、ファイバー材により補強された樹脂のマトリックスにより形成されている、複合材の部材（１）と、
前記複合材中に埋設され、前記複数の材料の層のうちの第１及び第２の材料の層（１１，１２）間で、規定された境界領域（１５）内に配置されている挿入体（１３）であって、前記境界領域の外で前記第１及び第２の材料の層は、互いに接触され、また、前記第１及び第２の材料の層と流体的に接続されている少なくとも１つのキャビティ（１７）が、中に形成されている挿入体（１３）と、
前記キャビティ内に配置され、キャビティ内の雰囲気の湿度を示す信号を出力可能な環境湿度センサ（２０）とを具備することを特徴とするシステム。
前記挿入体は、蜂の巣構造を有しており、前記キャビティは、蜂の巣構造の１もしくは複数のセルにより形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
前記環境湿度センサと動作的に接続されており、前記キャビティ内の湿度の関数として、前記境界領域のレベルで、複合材中に吸収された湿気の量を決定可能な処理ユニットを更に具備することを特徴とする、請求項１又は２に記載のシステム。
複合材中に吸収された湿度を測定するための方法において、
圧力と熱とによる処理により強化された複数の材料の層を有し、各材料の層が、ファイバー材により補強された樹脂のマトリックスによりにより形成されている、複合材の部品（１）と、前記複合材中に埋設され、前記複数の材料の層のうちの第１及び第２の材料の層（１１，１２）間で、規定された境界領域（１５）内に配置されている挿入体（１３）であって、前記境界領域の外で前記第１及び第２の材料の層は、互いに接触され、また、前記第１及び第２の材料の層と流体的に接続されており、中に環境温度センサ（２０）が配置されている少なくとも１つのキャビティ（１７）が、中に形成されている挿入体（１３）とを与える工程と、
前記環境温度センサ（２０）により、前記キャビティ内の雰囲気中の湿気の量を示す信号を与える工程と、
キャビティ内にある湿気の量の関数として、前記境界領域のレベルで、複合材中に吸収された湿気の量を決定する工程とを具備することを特徴とする方法。
前記挿入体は、蜂の巣構造を有しており、前記キャビティは、蜂の巣構造の１もしくは複数のセルにより形成されていることを特徴とする、請求項４に記載の方法。