JPH02502042A - 複合材料の規格となる特性を決定する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 な 及Ｊ」「１１ 本発明は複合材料の変形および特性の正確かつ精密な決定および測定に関し、更 に詳細には、空隙のような圧縮可能な包有物を含む複合材料の特性の測定に関す る。

複合材料は航空宇宙および他の用途に用いられる重要な構造材料である。複合材 料は内部でそれぞれが特有の性質を有する２つあるいはそれ以上の別個の相を含 む０代表的な航空宇宙用非金属複合材料では、グラファイト、ガラスあるいはケ ブラーａｉｍのような高強度あるいは高モジユラス強化材がそれよりも著しく脆 弱で延性が大きい樹脂材料の母材中に埋込まれている。母材が強化材を結合し、 整列させ、保護する。

複合材料の最も重要な特徴の１つは、設計者が材料の性質を構造体の独立の各部 の必要条件に合うように調節して重量を最少限に抑えるとともに性能を最大に出 来ることである。複合材料の性質は強化材と母材の各相に固有の性質および複合 材料中に存在する強化材と母材の相対的な量により決まる。複合材料の各バッチ の特性を特定の用途につき設計者の決めた条件に複合材料の各相の特性は比較的 一定であるから、複合材料の各部分につき各相の量、即ち割合を正確に知ること が必須要件となる。

高性黛の構造用複合ａ層材を製造する現在の技術は、！！！金な工学原理に基ず くものであるが、現在設計段階にある大型で複雑な構造体に必要な部品毎の信頼 性を与えるに至っていない、この信頼性を実現する上で大きな問題となるのは、 空隙が発生すること、および複合材料の特性をモニターする適当な非破壊的方法 が存在しないことである。複合材料の特性が設計の許容範囲内にあることを調べ るとともに製造工程時空隙が発生していたか否かをモニターするのが難しいこと を理解するためには、複合材料が製造される仕方を理解する必要がある。

代表的なポリマー−マトリックス複合材料の製造にあたっては、普通、糸あるい はその束の形状の繊維に母材となる樹脂を含浸させて“プリプレグと呼ばれる先 駆物質を形成させる、ｗ１雄は固く強靭であるが、樹脂は柔らかく圧力を加える と流動可能である。プリプレグの個々のシートあるいは層は厚さが約０．００４ −０．００８インチで、板の両側に取扱いを容易にするための剥離紙の層を持つ ものがある。プリプレグのシートは、含浸工程時空気が取込まれるため数パーセ ントの空隙を含ムノが普通であり１表面が凸凹の場合がある。

構造体は、プリプレグの多数のシートを剥離紙を除いて堆積するかあるいは積重 ねることによって段階的に形成するため、各シートの凸凹表面により空気がさら に取込まれて空隙が生じることがある。プリプレグは触ると若干ネバネバするた め、積重ねると互いに軽く接着されその形を保つ、積層体をその後プレスあるい はオートクレーブ内において高温高圧下で硬化させる。硬化により樹脂母材中で 化学反応が生じ、強度が増すとともにプリプレグの隣接するシートが互いに接着 する。完成した部品の構造的強度および一体性を確保するためには、製造工程時 において空隙をなくすことが必須である。その結果書られる所望の物は、成分相 １体積の割合、シートの積重ね態様、硬化プロセス、プリプレグの出発材料にお ける硬化の進み具合を注意深く選択することにより特定の性質を持つように調製 された、空隙が存在せず、接着度が良好な構造部品である。かかる部品は高性能 航空機、民間航空機およびそれよりもありふれた種々の用途に用いられている。

製造にあたり、空隙が取り除かれたこと１部品の複合材料の特性が設計仕様に適 合すること、およびプリプレグが硬化前適正な段階にあることを確かめるのは非 常に困難である０例えば、プリプレグの試料中に実際に存在する各相の量あるい は割合を測定するのは難しい、外部から測定可能な材料の特性を測定することに より、空隙の存在と低密変相が高い割合で存在する場合とを判別することが困難 なため、空隙の存在が各相の割合の測定をさらに混乱させる。プリプレグ材料の 硬化の進み具合を指示する粘度のような他の特性の測定、およびプリプレグから 作られる複合材料の処理手順の決定についても同じ問題が存在する。製造者は、 各相の体積の割合の目標値と◆／−２＄というようなばらつき限界とを含む体積 の割合の仕様に基すいてプリプレグ材料を販売するのが普通である。ユーザーは 積重ねおよび硬化段階を設計するにあたりこれらの数字に頼らざるを得す、また 未硬化のプリプレグのこれらの特性をチェックする適当な手段が存在しないため プリプレグが製造された後硬化状態に至っていないと仮定せざるを得ない。

プリプレグを仕様通りに製造することは１強化材が樹脂内に埋め込まれるように 樹脂が流動性を保持しているため非常に困難である。ａｍはしばしば束あるいは トウの形状で与えられ、これらは樹脂内において規則正しく分散される。各相の 割合および分布が均等になるように細心の注意が払われるが１時として特定の目 標値あるいは必要とされるばらつきの限界から逸脱することがある。

製造者にとってもまたユーザーにとっても１強化材および母材の各相の割合、プ リプレグ内の空隙のような圧縮可能な包有物の量を迅速かつ正確に測定出来るこ とが望ましい、これまで、各相の割合を測定するために普通用いる方法は１手の かかるそして費用が高くつく破壊的な測定方法である。プリプレグの断片を材料 の残りの部分から切離してその重量を測定する。

母材である樹脂を化学的に除去して強化材の粒子だけを歿す。

粒子の重量を測定した後その重量を断片の全重量で割って各相の重量の割合をめ 、所望であればその割合から各相の体積の割合をめる。母材の割合は１から強化 材の割合を差引いて計算する。

既存のこの試験方法を実行するには普通各試料にっき２ｏ乃至３０ドルの費用と ともに２０乃至３０分の時間がかかり、その結果比較的少数の試料だけがテスト される。既存の方法は破壊的な方法であって長い時間がかかるため、試験結果に 基すきリアルタイムで製造工程を制御することは不可能である。その結果。

仕様を満たさないプリプレグの全バッチは、仕様から外れていることがわかる試 験結果が得られる前に調製されることになる従って、流動可能な母材を有し空隙 を含む複合材料の性質を理解し、その特性を決定し測定する方法に対する要望が 存在する。最も関心のある問題である各相の割合の測定については、かかる方法 により非破壊的な測定を行なって各相の割合および複合材料中の空隙を知ること ができるであろう、かかる要望は、かなりの割合の内部空隙が存在するプリプレ グのシートにとっては特に切実である０本発明はこの要望を満足し、さらに付随 する利点を提供するものである。

立１Σ４１ 木葵明は、信頼のおける試験および処理を行なうための反復回部な物理的状態と なる１本明細書で“最適圧ｖ、′状態と呼ぶ、未硬化複合材料における諸条件の 組合せを正確にかっＭｃ＆に測定する体系的な方法を提供する０本発明によれば 、相関が容易な物理的特性を１つの試料につき約１分の時間で、かつほんの数ド ルの費用で測定することが可能となる。空隙のような圧縮可能な包有物の量およ びこれらの包有物の存在の効果が本発明の方法により補償されるため、複合材料 の実効的な特性が測定される。大量の複合材料を測定してその結果を製造パラメ ータの調整に積極的に用いることが出来る。この方法は、プリプレグの製造時あ るいはその後において非破壊的方法でプリプレグ中に存在する各相の実効的な割 合を測定するのに特に有用である。材料のシート全体につき破壊的試験を行なう ために試料を切断する必要がなく、非破壊的に試験を行なうことが出来る。

本発明によれば、複合材料の規格となる基準変形を測定する方法は、少なくとも １つの相が流動可能であり最初に内部に圧縮可能な包有物を含む多相材料の試料 を提供し、該試料を圧縮し、複合材料の圧縮変位を生じる支配的な作用が圧縮可 能な包有物を潰す作用から流動可能な相を流動させる作用′へ変化するところで その変形を測定するステップよりなり、この変形が規格となる基準変形である。

更に詳細には、複合材料の特性の測定に関連して、多相材料の各相の規格となる 特性を測定する方法は、少なくとも１つの相が流動可能であり最初に内部に圧縮 可能な包有物を含む多相材料の試料を提供し、該試料に圧縮力を印加してその変 形が時間とともに増加するようにし、複合材料の圧縮変位を生ぜしめる支配的な 作用が圧縮可能な包有物を潰す作用から流動可能な相を流動させる作用に変化す る該試料の規格変形が生じたところで試料の特性を測定するステップよりなり、 この点で測定した特性は多相材料の特性の規格値である。

本発明の好ましい実施例では、試料を局部的にトランスデユーサ−により圧縮し 、このトランスデユーサ−を用いて例えば超音波測定によりその特性を測定する ０本発明のこの特徴によれば、複合材料の規格となる特性を測定する方法は、少 なくとも１つの相が流動可能であり最初に内部に圧縮可能な包有物を含む多相材 料の試料を提供し、該試料の少なくとも一方の表面に複合材料を圧縮するように 超音波トランスデユーサ−を圧縮状態に接触させ、複合材料の圧縮変位を生ぜし める支配的な作用が圧縮可能な包有物を潰す作用から流動可能な相を流動させる 作用に変化する変形状態において該試料の超音波的特性を測定するステップより なり、この点において測定した特性が複合材料のその特性の規格値である。

更に詳細には、複合材料の各相の割合は超音波伝搬技術を用い、この方法により 、非破壊的に測定可能である０本発明のこの特徴によれば、複合材料の各相の割 合を測定する方法は、流動可能な母材相内に強化材の相が埋込まれ更に空隙を宥 する複合材料の試料を提供し、試料の少なくとも一方の表面に超音波トランスデ ユーサ−を下方向に圧縮力を加えるように接触させ、トランスデユーサ−の変位 を時間とともに測定し、試料の圧縮変位を生ぜしめる支配的な作用が空隙を潰す 作用から流動可能な相を流動させる作用に変化するとき該試料の超音波伝搬速度 を測定し、該測定ステップで測定した超音波伝搬速度から複合材料中に存在する 各相の割合を計算するステップよりなるプリプレグのような複合材料は、繊維の 強化材のような硬質で弾性的な相と、未硬化あるいは部分的に硬化した樹脂の母 材のような柔らかくて流動可能な相と、空隙あるいは他のおそらく非常に弱い相 のような圧縮可能な包有物とを含むのが普通である。圧縮可能な包有物は続いて プリプレグを硬化させる際除去されるか潰れるのが普通であるが、製造時のプリ プレグに存在する。これらの包有物が存在すると複合材料およびその各相の特性 の理解および測定が複雑となる０本発明の方法の重要な特徴は、複合材料の特性 および作用を他の測定あるいは観察と相関出来る標準的な形で直接測定出来るよ うにこれらの包有物の影響を打消すことにある。

本発明は、これらの材料の圧縮流動を生ぜしめるメカニズムを注意深く観察しそ の観察結果を測定およびプロセス制御の問題に利用するものである。観察により 、複合材料の圧縮変形には２つの要因があると理解出来ることがわかっている。

第１の要因は圧縮可能な包有物、詳しくは空隙が急速に潰れて塞がることである 。第２の要因は流動可能な相が流動すること、詳しくは母材が流動して押出され ることである。更に、圧縮変形の初期の部分では変形を惹き起こす最も急速で支 配的なメカニズムが圧縮可能な包有物が潰れる現象であることが観察されている 。圧縮変形の次ぎの部分では、圧縮可能な包有物がほぼ完全に漬れて塞がってし まい、変形を生ぜしめる支配的なメカニズムが母材の流動によるものとなる。こ れらのメカニズムは共に同時に起こり、上述した各段階において一方あるいは他 方が最も急速にかつ支配的に作用するメカニズムであることを理解すべきである 。

空隙（あるいは他の圧縮可能な包有物）の廟壊が主とじて起こる変形領域と母材 の流動が主として起こる変形領域との間の変形の遷移点あるいはレベルは、空隙 （あるいは他の圧縮可能な包有物）が圧密により試料から除かれる状態を指示す る。

”最適圧密”点と呼ぶこの変形レベルは、諸特性の測定および次ざの積重ね工程 における複合材料の追加的な圧密および圧縮硬化を決定するために物理的に重要 である。各相の割合を測定するために超音波技術を用いる好ましい方法における と同様に、複合材料の諸特性をオンラインで測定出来ることは特に興味あること である。

現在好ましいとされる方法によれば、超音波トランスデユーサ−をプリプレグの 試料の表面上に圧縮力が加わるように押圧する。この圧縮力により試料が変形し 、直線的な厚さ方向の変形量がトランスデユーサーの変位として容易に測定出来 る。

変形の速度はある時間にわたり最初は急速に２次いでゆっくりと二次的な低いほ ぼ連続的な変形速度まで減少することが観察される。最初の変形速度は、空隙が 樹脂より変形しやすいため試料中の空隙の圧縮および破壊によるものである。二 次的な遅い変形期間は流動可能な母材が変形してトランスデユーサ−の下の領域 から押出される結果生じる。

複合材料の特性の測定は、その最初の急速な変形から二次的なゆっくりした変形 への遷移点で行なう、この最初の急速な変形期間において得た測定値はこの期間 につぶれて塞がる空隙の存在により不正確である。第２の変形期間において得ら れる測定値は流動可能な樹脂がトランスデユーサ−の下の体積部分から優先的に 流動するため不正確である。正確な測定値は、これら２つの領域の間の遷移点に ほぼ近い所、つまり変形を生せしめる作用がが空隙を圧縮する作用から母材を流 動させる作用に変化する時の最適圧密点の近くでのみ得られる。

その遷移点は、時間に関する圧縮変位の二次導関数がほぼ零である点としてリア ルタイムで測定可能である。二次導関数は、圧縮変位が主として空隙の変形圧縮 および閉塞により生じるため最初非常に大きい値を取ることが観察されている。

空隙が塞がると、樹脂が押出される間食形が時間に対しほぼ直線的になるため、 二次導関数はほぼ零となる。（この“はぼ零”という言い方はこの場合物理的な 意味を持つ、正当な近似によれば、樹脂変形領域における歪が小さい時の変形は 時間に対し線形であるが、現実には、指数的あるいは他の種類の非線形的である 。従って、二次導関数はおそらく正確には零ではないであろうが零に近い、更に 、二次導関数を測定する数値的方法によれば若干のノイズが生じることがある。

このため、′はぼ零”という言い方は二次導関数が捕外法により数値的あるいは グラフ上で零に等しい所の変形を意味する。）空隙が完全に閉じる段階、即ち二 次導関数がほぼ零に低下する点は、物理的に重要な各相の割合を測定するための 歪あるいは変形が存在する点である。圧縮変形の開始からこの点までの変位は最 初に存在する空隙の割合を示し、これはそれ自身として複合材料の特性を決定す る上で有用である。

実用上好ましいのは、トランスデユーサ−を圧縮荷重下で並進させながら連続的 に一連の測定を超音波により行なう方法である。各測定に必要な時間は短いため 、正当な近似によればトランスデユーサ−は測定時静止状態にあると考えること が出来る。トランスデユーサ−の位置をトランプユーザーの時間および周波数の 測定を行ないながら記録して、必要であれば超音波信号の走行距離をめることが 出来る。また、トランスデユーサ−の位置を超音波測定に用いるのとは別に時間 の関数として分析して、時間に関する変形の二次導関数がほぼ零になる時をめる 。一旦この点に到達すると、二次関数がほぼ零の時の超音波測定値を規格値とし て選択する。そうすればさらに試験をする必要がないため、圧縮荷重を除く、勿 論、母材流動時における複合材料の粘度のような特性に関する非常な有用な情報 を得るためにさらに試験を継続することが出来る。しかしながら、かかる試験は 、継続すると繊維および母材の構成が変化するため材料の破壊が進むので、試験 の目的が各相の割合を非破壊的にめるという製造段階では普通性なわない。

以　下　余　白 実用上の観点から、また以下に更に詳細に述べるように。

本発明によれば、複合材料の試験データと規格データとの相関により各相の割合 を高い精度で計算できる。“未知”の試料に幾分近い既知の相の割合についての 規格データを作成し、この系の較正に用いる０次いで、相の割合を測定する試料 を測定し、その較正データを用いて各相の割合を高い再現性で計算し、その結果 を１分あるいはそれ以下の時間内に得ることが出来る本発明は複合材料の評価の 分野における重要な前進であることがわかる。超音波測定を再現性良く、一定の 相関点で、迅速かつ正確に、また精密に行なうことが出来る０本発明の他の特徴 および利点は１本発明の原理を例示する添付図面についての本発明の以下の更に 詳細な説明から明らかになるであろう。

１五立皇工皇１」 ＠１図は試料の測定に用いる装置である。

第２図は第１図の装置の制御系の機能ブロック図である。

第３図は空隙を有する複合材料のプリプレグの概略断面図である。

第４図は複合材料を僅かに圧縮して空隙を部分的に除いた第３図の複合材料の概 略断面図である。

第５図は材料を更に圧縮して母材の流動を開始させた状態の第３図の複合材料の 概略断面図である。

第６図は圧縮荷重下にある試料の厚さの測定値の時間的変化を示すグラフである 。

第７図は第８図のデータから導いた時間に関する変位の二次導関数を示すグラフ である。

第８図は樹脂母材の相の割合の関数としての複合材料の緩慢度を示すグラフであ る。

第９図は荷重をかけるための装置の別の実施例である・第１σ図は複合材料の超 音波特性をシング・アラウンド方式で測定するための装置および制御回路の機能 的ブロック図である。

ま　い　−　な 本発明は第１ｖｌＪに示す試料に′ｆＩ重を印加する装置２ｏに関連して用いら れる。該装置２ｏは剛性の基台２２とその上に直立した筐体２４を有する。基台 ２２と筐体２４Ｊ±、剛性でしかも装置２ｏの残りの部分を取付ける内部空間を 持ったアルミニュームの枠構造体を構成する。

筐体２４の孔部２８には摺動ロッド２６が垂直にしかも摺動可能に取付けられて いる。好ましくは、軸受３ｏが孔部２８内でロッド２６を支持する。ロフト２８ は種々の寸法の試料に適応出来るように充分な距離自由に摺動出来ることが必要 である。ロッド２６は弾丸状の重りを充填してロッド２Ｂの死荷重を増加出来る ように、図示のように中空にすることが出来る。あるいは、重量を増加するため にロフト２Ｂの上端部に重りを付加するか、後述する簡動荷重装置を用いてもよ い。

ロッド２Ｂの下端部には基台２２に取付けたフェースプレート３４と対向関係に フェースプレート３２を取付ける。フェースプレート３２および３４にはそれぞ れ、対向関係に超音波トランスデュ間に試験の対象となる試料４ｏを保持させる 。トランスデユーサ−３６および３８は好ましくはエタロン（Ｅｔａｌｏｎ）の ５メガヘルツ超音波トランスデユーサ−である０作動されると、一方のトランス デユーサ−が発生した信号が試料４０を通過してその信号を他方のトランスデユ ーサ−が受信し、それとともに試料４０がロフト２６が下方向に加える力により 局部的に圧縮される。ロッド２６を手動の歯車機構４２により上昇させて試料４ ０から荷重を除くか、あるいは下降させてトランスデユーサー３６および３８が 試料４０の両方の面を押圧するように出来る。

ｒ：Ｉラド２８の正確な垂直方向位置は、測定装置、好ましくはシルバー２り（ Ｓｙｌｖａｅ）のＰ２５変位プローブ４４．線形可変差動変圧器、あるいは最長 数インチの変位を正確に測定可能な同様の装置により測定される０図示の如く、 変位プローブの本体４６はその可動プローブのアーム４８がロッド２６の側方延 長部５０と接触するように筐体２４に剛性的に取付けられている。筐体２４に関 するロッド２Ｂの相対的な運動はアーム４８と本体４６の相対的な運動により検 出される。プローブ４４には必要なシルバ７り（Ｓｙｌｖａｅ）の電子Ｅ２５ア ナログボード５２と、エレクトロスタティックス（Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ｓ）の５ボルト電源５４が筐体２４内に収容されティる。

現在において好ましい実施例では、トランスデユーサ−３８オよび３８により試 料４０に印加される圧縮力はこのパラメータを種々の試料の材料および形状に対 して最適化するように種々のレベルに調整可能である必要があることが解ってい る。一旦その最適点に到達すると１本発明の好ましい用途である各相の割合必要 がある。この目的のために、上述した死荷重装置が完全に作動可能であり現在の ところ好ましい。

しかしながら、オペレータを必要とせず、試験をコンピュータに完全にＭｔＢさ せて、死Ｗｊ！ｒよりも更に複雑な？Ｊ！パターンを用いることが出来るように 本装！２０を完全自動化することが望ましい、試験を実施する間、力のレベルを 変化させることによりその試験からさらに別の情報を得ることが出来ると思われ る。

この目的を達成するために、第３図に示す能動制御力印加装置ｔ８０をトランス デユーサ−３Ｂおよび３８とともに用いる。該装置６０は第１図に示した装置２ ０を取囲む枠６２を有する。枠８２の上部ヘッドには力印加手段が支持されてい る。直線アクチュエータ６４が入力信号に比例する回転運動を発生させる０回転 運動により固設ネジＢ８を動かす内部ネジを有するカラー８６が回転し、このた め液圧シリンダー７０が駆動されてチューブ７２内に液圧が発生する。液圧シリ ンダー７０は低圧ライン７６を介してリザバー７４により充填される。

枠８２の上部ヘッドにあるカドランスデューサー８０により押込みピストン７８ が支持されている。摺動ロッド２６の上端部はピストン７８を収容するシリンダ 一部分８２を形成するように設計変更されている。チューブ７２からの液圧流体 がピストン７８とシリンダ一部分８２の間の空間に流れ込み、シリンダ一部分８ ２とロッド２８を、そしてトランスデユーサ−３Ｂを下方に移動させる。トラン スデユーサ−３８が試料４０に接触すると力が生じ、この力がカドランスデュー サー８０により測定される。カドランスデューサー８０からの信号はコントロー ラー８４により感知される。この信号は試験を行なう人、自動コントローラー、 あるいは好ましくはコンピューター８６によりコマンド信号入力と比較され、そ の差が直線アクチュエータ６４の制御に用いられる。試験が完了すると、液圧解 放後戻しバネ８８がシリンダ一部分８３を上方に戻すように作用する。

試料４０に均一にかつ滑らかに圧力がかかるようにするため、シリンダー７０か らの高圧ライン３０が７キユムレーター９２と連通する。アキュムレーター９２ には加圧ガスが充填され、高圧ライン８０、従って、シリンダー７０、シリンダ 一部分８２およびトランスデユーサ−３６内の圧力上昇を緩衝する。そのため、 測定を妨げる衝撃あるいは力のサージを生ぜしめずに試料４０に滑らかにかつ均 一に力が加わる。

現在において好ましい死荷重を与える実施例に戻って、第１図は一定の重量が印 加された状態の試料４０を示す、トランスデユーサ−３６および３８はパンチと して作用して中央部１００の試ＩＦ４４０の厚さを局部的に減少させるが、試料 ４０の残りの部分はその元の厚さを保持する。超音波信号はその中央領域１００ を通過するが、中央領域１００の局部的な厚さを知ることが重要である、単一層 のプリプレグの厚さは典型的には約０．００５インチであり、厚さが０．００１ 　インチ減少すると超音波速度の測定に２Ｈの誤差が出る。もっとも、それはか かる誤差が検知されない場合である。データを取るための最適時間を決めるため にこの現在の局部的厚さも必要とされる。

中央領域１００の局部的寸法は摺動ロッド２Ｂの運動を測定する変位プローブ４ ４により測定する。筐体２４およびロッド２Ｂは剛体であるとみなすことが出来 るため、トランスデユーサ−３６が試料４０の頂面に接触して重量を印加した後 のロッド２６の運動は全て試料４０の厚さの変化によるものと考えられる。試料 ４０の局部的厚さはトランスデユーサ−３６と３８を試料４０を介在させずに対 面接触させ、プローブ４４の変位量の読みを得ることによって測定する０次いで 、試料４０をトランスデユーサ−３６と３８の間に挿入するがトランスデユーサ −が試料４０の互いに反対の表面と接触するだけで力を印加しない状態にし、再 びプローブ４４の変位置な読み取る。２つの読みの間の差が力を印加しない状態 の試料４０の中央領域１００の局部的厚さである。力を印加した状態の試料４０ の厚さはロッド２８の力をトランスデユーサ−３８を介して試料４０の上面に加 え、プローブ４４の変位量を継続的に読取ることにより測定する。

トランスデユーサ−３８と３８を定位置に置き、試料４０に圧縮力を加えた状態 で、第２図に機能的に示したコントローラー１０２の制御下において超音波測定 を行なうことが出来る。これらの測定値の性質は必要とされるデータに依存する 。好ましいシステムでは、超音波パルス信号がパルス発生器１０４の制御下でト ランスデユーサ−３８により発生される。パルス−１０４はトランスデユーサ− ３６に送信パルスを送り、該トランスデユーサ−３８が対応する信号を試料４０ に送る。試料４０を伝搬しトランスデユーサ−３８により受信される超音波信号 はパルサー１０４に送られる。波形がデジタイザ１０Ｂによりデジタル化され、 コンピューター１０８に送られ、該コンピューターは変位プローブ４４から変位 信号を受信する。そして、コンピューター１０８内の情報を用いて必要に応じて 速度および減衰率のような材料の特性を決定する所望の特性を計算することが出 来る。現在において好ましい実施例では、パルサー１０４はゼネラル舎リサーチ （Ｇｅｎｅｒａｌ　Ｒｅ５ｅａｒｃｈ）のＰＣＲＲ−１００２１！プログラム可 能パルサー、レシーバ−であり、デジタイザ１０Ｂはソノチー２り（Ｓａｎｏｔ ｅｋ）の５ＴＲ−８２５２！！プログラム可能デジタイザである。上述のパルサ ー１０４およびデジタイザ１０Ｂはカード上に構成されたものが入手可能であり 、好ましくはＡＬＲ３８Ｂ／２　ｆｉモデル４０であるコンピューター１０８の シャーシ内に挿入可能である。

超音波測定は装置２σを用い、摺動ロッド２Ｂを上昇させてトランスデユーサ− ３６と３８を離隔させ、試料４０をトランスデユーサ−間のギャップに挿入して 行なう、変形し易い試料については別に結合剤を用いない、他の試料については 、アルコールあるいは水のような完全揮発性の液状結合剤を一滴試料４ｏのトラ ンスデユーサ−３６および３８が接触する領域の各側の表面上に垂らすことが出 来る。摺動口７ド２６を下げて上方のトランスデユーサ−３６を試料４０上に着 座させ、測定を行なう、摺動口、ド２６を上昇させ、試料４０の別の領域あるい は別の試料について同じプロセスを繰返す、この装置２０は、適当な時間におい て摺動ロー、ド２６を上下させる機構を備え、第９図の力印加装置を自動コント ローラーとともに用い、別の機構により試料がトランスデユーサ−の位置に送り 込まれるようにした自動測定作業に特に好適であることが解る。

複合材料のプリプレグ１１Ｂの典型的な断片を第３図において横断面図で示す、 プリプレグ１１Ｂは複数の強化材繊！１１Ｂが母材１２０に埋め込まれた構成で ある。第３図は１１８を横断面で示すため、丸い形状を持つように見える。実際 、１１８は図面の平面から出る方向に細長い、また、プリプレグには母材１２０ 内あるいは１１Ｂと母材１２０の間の界面にある空気の泡のような圧縮可能な包 有物、特に空隙１２２が見える。（非常に変形し易い第３の相のような他の種類 の圧縮可能な包有物も存在する場合があるが、対象となるプリプレグ材料内には 一般に空隙だけが見られる。他の種類の変形し易い包有物は以下に述べるように 空隙と同様に処理する。）空気の泡は粘性のある液状樹脂調製モードの結果とし てその樹脂内に、また製造手順の結果として界面に普通存在する。空隙１２２は 後で複合材料の積重ね構造を高圧により硬化させる時除かれる。しかしながら、 空隙１２２はプリプレグ１１Ｓ内に存在して、これらの空隙を考慮せずに各相の 割合を測定しようとすると誤差が生じる。

第４図は、前述したように装置２０により厚さ方向の力１２４が印加され圧縮さ れる状態のプリプレグ１１６を示す、力１２４により空隙１２２の寸法が減少し 、最終的に零になる。第４図は。

空隙１２２の一部が完全に塞がれてなくなり、残りの空隙の寸法が減少してまも なく塞がれる時のプリプレグ１１６を示す。

力１２４はまた流動可能な樹脂の母材１２０に変形を生ぜしめ１．第５図におい て矢印１２Ｂで示すように圧縮力により影響を受ける領域から樹脂母材を流動さ せる。第３図について説明したように空隙１２２により各相の割合の測定値に誤 差が出ると同じように、圧縮された領域から樹脂が流れ出ると測定される！ｉ！ 鑑の割合が高くなりすぎるため測定値に誤差が生じる。力１２４は第３−５図に 示す過程を順次経るように徐々に増加する必要はない、一定の力を継続的に加え ても同じ効果を生じる。

空隙が漬れることによる変形のメカニズムと母材が流れ出ることによる変形のメ カニズムは共に最初の数パーセントの変形が生じる間試料４０の中央領域１００ の変形および厚さの減少の要因となり、その現象を説明出来る。しかしながら、 この２つのメカニズムは異なる速度で作用する。プローブ４４により測定される 変位の大部分は最初、空隙が潰れるメカニズムにより惹き起されるが、変位が大 きくなると、空隙１２２はほとんど完全に塞がれた状態となり、空隙が漬れるメ カニズムはもはや作用せず、さらに変位を生ぜしめる作用はほとんどない、この 変位が大きい状態では、樹脂が流出するメカニズムが事実１全ての変位を生ぜし める元となる。したがって、変位が小さい間は空隙が潰れるメカニズムが支配的 であり、変位が大きい間は樹脂が流出するメカニズムが支配的であるといえる。

空隙が潰れるメカニズムが作用する割合が母材が流出するメカニズムが作用する 割合よりも小さくなる最適圧密点と呼ばれる点は、物理的に重要な意味を持つ、 この最適圧密点において、空隙は消滅し、複合材料のプリプレグの特性はそれら による干渉なしに測定出来る。

第６図は、プローブ４４で測定し実際の試験結果を四角の印で記録した、一定荷 重下のプリプレグの試料１１Ｂの厚さを時間の関数で示すものである。試料４０ の厚さは最初の部分１２８において比較的急速に減少し、遷移領域あるいは腹部 分１３０を経た後、第２の部分１３２において引続き減少するが、減少速度がさ らにゆっくりとなる。第１の部分１２８における変位の急速な変化は空隙が潰れ るメカニズムの支配によるものであり、第２の部分１３２における変位の変化は 樹脂の流出メカニズムの作用により、１１Ｍ分１３０が空隙１２２が塞がれたば かりの最適圧密点に関係する。

好ましい方法において、超音波信号は第１の部分１２８および腹部分１３０にお いて、また第２の部分１３２の最初の部分においてトランスデユーサ−３６およ び３８により試料４０内に継続して送り込まれる。超音波パルスの走行時間およ び試料４０の領域１００の局部的厚さが後で分析を行なうためにコンピューター に記録される。第１の部分１２８において得られたデータ値は空隙の存在により 誤差を含み、また第２の領域１３２において得たデータ値は圧縮領域から樹脂が 押出されるため誤差を含むと思われる。腹部分１３０において得た１つの正しい 値がデータの中から選び出されて正しい値として蓄積される。

腹部分１３０は、第８図の曲線から得たデータについての第７図に示すように１ 時間に関する厚さＴの二次導関数を計算する周知のコンピューター・プログラム を用いることによりリアルタイムで決めることが出来る。二次導関数が最初にほ ぼ零になる点、即ち点１３４は空隙が潰れてその代りに樹脂の梳出が変形の支配 的なメカニズムとして作用し始める点に対応する。この点１３４において、コン ピューターに前に蓄積した平均走行時間のイーな材料の規格値とすることが出来 る０点１３４および腹部分１３０が存在する時点においてプローブ４４により測 定した局部的厚さにより局部的走行時間を割った値が複合材料の“緩慢度”とな る、他の時点で走行時間を厚さで割っても緩慢度を表わす指標となるが、上述し た理由によりそれは不正確である。

最適圧密点で測定した走行時間を局部的厚さで割った値として定義される複合材 料の緩慢度は、第８図に示すように樹脂の母材の相の割合と直接にかつ線形的に 相関させることにより製造試料あるいは他の試料の各相の割合の測定を可能にす る。

最適圧密点景外の点で得たプリプレグの値は同じような相関関係を示さない、か くして、最適圧密点での測定方法を用いると橢定値の決定および相関につき他の 方法では得られない重要な利点が得られる。

２つのステップよりなるプロセスに従う、まず第１に、較正を行なうことにより 緩慢度と各相の割合との間の基本的な相関関係を確立する１次いで、“未知の” 試料の緩慢度の値を相関のラインと同じグラフの上にプロットし、対応する各相 の割合の値をそのグラフから読取る。

以　下　余　白 基本的な関係は、後で測定を行なう試料と同じ繊維および母材樹脂材料により構 成され各相の割合が破壊的な方法で測定された較正試料において複合材料の緩慢 度を測定することにより決定する。その結果を第８図の点＋３８としてプロット する。

（試料は炭素ｍ維が硬化可能なエポキシ母材中にある複合材料のプリプレグであ った。詳しくは、試料は単方向繊維を有するファイバーライト（Ｆｉｂｅｒｉｔ ｅ）９３４／７３０Ｇプリプレグであった。５層の積層体を走行時間を測定する シング・アラウンド方式と共に用いた。）普通の方法では、さらに多くの点１３ ８を測定して、最小自乗線をそれらの点に当てはめた。当てはめた線が後で試験 を行なう“未知の”試料の相関線となる。第８図はそれにより得られた高度の相 関関係および直線当てほめの様子を示す“未知の物”として試験される製造試料 は例えば、樹脂の母材が３０乃至４０％というように特定の相の割合の範囲内に あることが普通知られるであろう、従って、点１３８を導き出すために用いる較 正試料は、３０乃至４Ｈの範囲を含む、そして好ましくは当てはめられる線を高 い信頼度で決定するためにその範囲の外にある。各相の割合の範囲を持つように 選択される。第８図のグラフでは、データ点をブラケットする曲線の点１３Ｂに おける信頼限界は９５％であり、これは各相の割合を決定する際の誤差の限界が １ｚより充分に低いことを示す、この信頼限界の範囲は各相の割合を得る従来の 破壊的な方法における値よりも狡く、また非常に短時間かつ少ないコストで得ら れる。

“未知の”試料は典型的には、複合材料緩慢度の測定を製造ラインで行なうプリ プレグ材料の製造試料である。これらの試料は破壊されず、特に試験を前述した ように自動化する場合には試験にかかる時間は通常１分以下である。

試料の特性の測定を行なうために選択される方法は測定される試料の厚さによる 。走行時間として試料を通過する超音波の送信と受信の間の時間を直接測定する 場合には、第８図の誤差限界は、試料を通過する超音波の測定走行時間が不確実 なため、プリプレグの層の数が減少するにつれて普通増加する。暦の数の最小値 はその材料による。−例として、約８層未満の厚さのファイバーライト９３４パ ３００材料を用いる場合、信頼限界は１％を越え、広過ぎて受け入れられないと 判断される。複数層の８％層体は測定の目的で数枚のシートを積み重ねることに より容易にｖＡ製製部能ある。

別の方法として１周波数測定法を用いて試料の走行時間を測定することが可能で ある。超音波の走行時間を測定する好ましい方法である。″シング拳アラウンド ”法では、反射した超音波のパルスがそれぞれ次ざのパルスをトリガーする。こ れにより測定可能なパルス周波数が決定されるが、このパルス周波数の逆数と超 音波信号の走行時間の間に関係がある。

シング・アラウンド方式を１乃至８層のプリプレグ試料に用いて素晴らしい結果 を得た。しかしながら、単一層の走行時間は約９０−１００ナノ秒にすぎない、 従って、この測定を行なうにつき系の誤差を補償する必要がある。

シング・アラウンド方式用回路の機能的概略を第１Ｏ図に示す、試料４０を前述 した装！２０の送信トランスデユーサ−３６と受信トランスデユーサ−３８の間 にそれらと接触関係に配置する。

トランスデユーサ−３Ｂにより送信される超音波パルスは受信トランスデユーサ −３８の方へ伝搬され、遅延されて、変化される、トランスデユーサ−３８は機 械的な音声エネルギーを電気信号に換え、その電気信号が受信機１５Ｇに送られ て、そこで増幅される。受信信号の包絡線が包絡線検波器１５０により抽出され 、コンパレーター１５４により基準１５８により設定されるレベルと比較される 。包＆８線波形上の選択した点においてトリガー信号が可変遅延トリガー回路１ ５８に送られ、該トリガー回路はある遅延時間の後パルス成形／送信回路１１３ ０を作動して別のパルスを生ぜしめ、そのパルスを送信超音波トランスデユーサ −３６に送らせる。

上述した事象が繰返される度に、可変遅延トリガー回路１５Ｂは周波数信号を周 波数カウンター１８２に送り、その出力が記録される。カウンター１６２により 測定される周波数は前の段落において説明した事象の発生に必要な時間に反比例 する。系の誤差を較正するために、まず第１に試料４０を配置せずトランスデユ ーサ−３６と３８を対面接触させて周波数を測定する。試料４０をトランスデユ ーサ−３Ｂと３８の間の定位置に置いた後、増加した遅延時間は試料の材料４０ の走行時間に相当し、これがカウンター１６２により表示される新しい値に反映 される。

安定性を得るためには、レシーバ−１５０により発生される信号のレベルは減衰 および結合から無関係である必要があり。

この状態は以下に述べるごとく達成される。ピーク検波器１６４はレシーバ−１ ５０により与えられる受信信号の最大レベルを検出し、それを積分器１６６の一 方の加算入力に送る。所望のピークレベルの負の信号が基準回路１５６により与 えられ、積分器１８Ｂのもう一方の加算入力に加えられる。積分器１８Ｂの出力 はレシーバ−１５０の自動利得制御入力に戻されてピークレベルが確実に一定値 に保たれるようにする。

かくして、現在において好ましい方法によれば１周波数測定法を１−７　ｆｉの プリプレグ試料に用いるのが好ましく、また７層以上のプリプレグ試料には走行 時間を直接測定するパルス−レシーバ一方式が好ましい。

最適圧密点の使用を現在において好ましい用途である各相の割合の測定に関連し て説明した。しかしながら、最適圧密点を認識しそれを測定するのは空隙および 他の圧縮可能な包有物が実質的に消えるところにおける複合材料の変位として重 要である。この値は空隙のない圧密状態の開始およびプリプレグ材料の硬化にと って規格となる基準値である。

本発明の特定の実施例を例示の目的で詳細に説明したが、本発明の精神および範 囲から逸脱することなく種々の設計変更を行なうことが出来る。従って２本発明 は添付の特許請求の範囲による以外は限定されるべきでない。

以　下　余　白 特開ｔ（衿） 、’１Ｇ、（Ｅ） 国際調査報告

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. １．複合材料の規格となる基準変形を測定する方法であって、少なくとも１つの 相が流動可能で最初に内部に圧縮可能な包有物を含む多相材料の試料を提供し、 該試料を圧縮し、複合材料の圧縮変位を生ぜしめる支配的な作用が圧縮可能な包 有物を漬す作用から流動可能な相の流動を生ぜしめる作用に変化する時の変形を 測定するステップよりなり、この変形が規格となる基準変形であることを特徴と する測定方法。
2. ２．さらに、規格となる基準変形においてデータを収集するステップを含む特許 請求の範囲第１項に記載の方法。
3. ３．前記圧縮可能な包有物は空隙である特許請求の範囲第１項に記載の方法。
4. ４．多相材料の各相の規格となる特性を測定する方法であって、少なくとも１つ の相が流動可能であり最初に内部に圧縮可能な包有物を含む多相材料の試料を提 供し、試料の変形が時間とともに増加するように試料に圧縮力を印加し、複合材 料の圧縮変位を生ぜしめる支配的な作用が圧縮可能な包有物を漬す作用から流動 可能な相の流動を生ぜしめる作用に変化する規格となる試料の変形値における試 料の特性を測定するステップよりなり、この点において測定される特性が多相材 料の特性の規格値である測定方法。
5. ５．規格となる試料の変形が時間に関する圧縮変位の二次導関数がほぼ零に降下 する時の変形である特許請求の範囲第４項に記載の方法。
6. ６．前記印加および測定ステップが試料の表面に押圧される特性測定用の単一測 定手段により実行される特許請求の範囲第４項に記載の方法。
7. ７．前記測定ステップが、複合材料の変位と測定される特性の測定を同時に連続 して行ない、それにより得た連続データから試料の圧縮を生ぜしめる支配的な作 用が圧縮可能な包有物を漬す作用から流動可能な相を流動させる相へ変化する点 において測定した特性を選択することにより行なわれる特許請求の範囲第４項に 記載の方法。
8. ８．圧縮可能な包有物は空隙である特許請求の範囲第４項に記載の方法。
9. ９．多相材料が複合材料のプリプレグである特許請求の範囲第４項に記載の方法 。
10. １０．前記測定ステップにより測定される特性が超音波が試料を横断するに必要 な時間である特許請求の範囲第４項に記載の方法。
11. １１．複合材料の規格となる特性を測定する方法であって、少なくとも１つの相 が流動可能であり最初に内部に圧縮可能な包有物を含む多相材料の試料を提供し 、複合材料が圧縮されるように超音波トランスデューサーを圧縮性圧力下で試料 の少なくとも一方の表面と接触させ、複合材料の圧縮変位を生ぜしめる支配的な 作用が圧縮可能な包有物を漬す作用から流動可能な相の流動を生ぜしめる作用に 変化する時の変形時における試料の超音波特性を測定するステップよりなり、こ の点において測定される特性が複合材料の特性の規格値である測定方法。
12. １２．測定される特性が超音波緩慢度である特許請求の範囲第１１項に記載の方 法。
13. １３．その特性が走行時間方式により測定される特許請求の範囲第１１項に記載 の方法。
14. １４．その特性がシンぐ・アラウンド方式により測定される特許請求の範囲第１ １項に記載の方法。
15. １５．印加圧力が前記測定ステップの間変化する特許請求の範囲第１１項に記載 の方法。
16. １６．さらに、試料の特性の規格値を各相の割合が知られた他の試料について測 定した規格値と比較して試料の各相の割合を確かめるステップを含む特許請求の 範囲第１１項に記載の方法。
17. １７．複合材料の各相の割合を測定する方法であって、強化材の相が流動可能な 母材の相内に埋め込まれ、さらに空隙を有する複合材料の試料を提供し、超音波 トランスデューサーを下方向で圧縮性圧力下で試料の少なくとも一方の表面と接 触させ時間とともにトランスデューサーの変位を測定し、試料の圧縮変位を生ぜ しめる支配的な作用が空隙を漬す作用から流動可能な相の流動を生ぜしめる作用 に変化する時の試料の超音波伝搬速度測定し、前記測定ステップにおいて測定し た超音波伝搬速度から複合材料中に存在する各相の割合を計算するステップより なる測定方法。
18. １８．試料の規格となる変形が時間に関する圧縮変位の二次導関数がほぼ零であ る時の変形として測定される特許請求の範囲第１７項に記載の方法。