JPWO2020170359A1 - 繊維強化複合材料の健全性評価装置と方法 - Google Patents
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Abstract
ＡＥセンサ（１２）、負荷試験装置（１４）、記憶装置（２２）、重心周波数演算部（２４）、及び判定装置（２６）を備える。負荷試験装置（１４）により試験体（１）に負荷の上昇、保持、及び除荷を含む負荷パターンを繰り返して印加しかつ最大負荷を順に上昇させ、記憶装置（２２）によりＡＥセンサ（１２）で検出されたＡＥ波を負荷と共に記憶する。次いで、重心周波数演算部（２４）によりＡＥ波の周波数とその強度との関係からＡＥ波の重心周波数を求め、判定装置（２６）により重心周波数が所定の第１周波数未満であるとき破断直前の層間剥離が生じていると判定する。
Description
本発明は、カイザー効果を利用した繊維強化複合材料の健全性評価装置と方法に関する。
繊維強化複合材料（ＦＲＰ：Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ）は、ガラス繊維、炭素繊維などの繊維をプラスチックの中に入れて強度を向上させた複合材料であり、軽量で強度の高い材料として知られている。
特に、炭素繊維強化複合材料（ＣＦＲＰ：Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ）は、金属と比較して比強度が高くかつ耐食性があり、ロケットや航空機などに用いられている。
特に、炭素繊維強化複合材料（ＣＦＲＰ：Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ）は、金属と比較して比強度が高くかつ耐食性があり、ロケットや航空機などに用いられている。
ＦＲＰでは、積層の剥離や繊維の断線が生じた後に破壊に至る。ＦＲＰは金属と比較して耐衝撃性が低く、損傷の検出が難しい。
このようなＦＲＰの引張強度を検査するために、カイザー効果を利用することが行われている。「カイザー効果」とは、固体材料にいったん外応力を加えてＡＥ波（Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）を発生させておけば，再負荷しても前回の応力値をこえるまではＡＥ波が生じない不可逆現象をいう。
なお、ＡＥ波は、材料の変形や破壊などにより、材料に発生する音波である。カイザー効果は、健全な材料において得られる。
このようなＦＲＰの引張強度を検査するために、カイザー効果を利用することが行われている。「カイザー効果」とは、固体材料にいったん外応力を加えてＡＥ波（Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）を発生させておけば，再負荷しても前回の応力値をこえるまではＡＥ波が生じない不可逆現象をいう。
なお、ＡＥ波は、材料の変形や破壊などにより、材料に発生する音波である。カイザー効果は、健全な材料において得られる。
カイザー効果を利用して試験体の健全性を検査する方法は、例えば特許文献１に記載されている。しかし、かかる検査方法には、以下の（１）（２）の課題があった。
（１）試験体に最初に与える荷重の最大値の設定を誤ると、試験体の引張強度を評価できなくなる。最初に与える荷重の最大値が、試験体の引張強度よりも大きい場合、カイザー効果が生じないためカイザー効果を利用できず、試験体の引張強度を評価できなくなる。
（２）引張荷重を与える作業と引張荷重を除く作業とを繰り返すので、時間がかかる。
そこで、カイザー効果を利用した試験体の新たな強度検査方法として特許文献２が提案されている。
特許文献２の「強度検査方法」は、試験体に与える引張荷重を時間の経過に従って増やし、試験体に生じるＡＥ波の大きさを試験期間内の各時点で計測する。計測した各時点のＡＥ波の大きさに基づいて、試験期間に含まれる複数の荷重印加区間の各々におけるＡＥ波の複数の周波数成分を求め、各荷重印加区間について、複数の周波数成分に基づいてＡＥ波の重心周波数を求める。複数の荷重印加区間のうち、先の荷重印加区間よりも重心周波数が下がっている荷重印加区間を特定し、特定した荷重印加区間において試験体に与えた引張荷重の大きさを、試験体の引張強度と判定する、ものである。
特許文献２の方法により、試験体に最初に与える荷重の最大値の設定を誤る可能性を小さくし、かつ強度検査の所要時間を減らすことができる。
しかし、上述した特許文献２の方法には、以下の（３）（４）の課題があった。
（３）特許文献２の方法では、試験体に与える引張荷重を時間の経過に従って常に増やす必要がある。
しかしＡＥ波を用いた繊維強化複合材料（ＦＲＰ）の健全性評価手段は、例えばＡＳＭＥの規格（例えば、ＡＳＭＥ Ｓｅｃｔｉｏｎ Ｖ Ａｒｔｉｃｌｅ １１）等で制定されている。
そのため、予め制定された負荷パターンが、負荷の保持又は負荷の減少（除荷）を含む場合、特許文献２の方法は適用できなかった。
しかしＡＥ波を用いた繊維強化複合材料（ＦＲＰ）の健全性評価手段は、例えばＡＳＭＥの規格（例えば、ＡＳＭＥ Ｓｅｃｔｉｏｎ Ｖ Ａｒｔｉｃｌｅ １１）等で制定されている。
そのため、予め制定された負荷パターンが、負荷の保持又は負荷の減少（除荷）を含む場合、特許文献２の方法は適用できなかった。
（４）破断直前の層間剥離が発生する時点やその負荷は把握できない。
そのため、例えば圧力容器の耐圧試験の際に、層間剥離が発生した後、実際に破断するまで試験する必要があり、破断時の衝撃等で、装置等を損傷する可能性があった。
そのため、例えば圧力容器の耐圧試験の際に、層間剥離が発生した後、実際に破断するまで試験する必要があり、破断時の衝撃等で、装置等を損傷する可能性があった。
本発明は上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の第１の目的は、負荷の保持又は負荷の減少（除荷）を含む負荷パターンにおいて、破断直前の層間剥離を容易かつ確実に検出することができる繊維強化複合材料の健全性評価装置と方法を提供することにある。
また、第２の目的は、実際に破断するまで試験することなく、健全性評価ができ、かつ負荷の保持又は負荷の減少（除荷）を含む負荷パターンを実施しても評価時間を短縮することができる繊維強化複合材料の健全性評価装置と方法を提供することにある。
また、第２の目的は、実際に破断するまで試験することなく、健全性評価ができ、かつ負荷の保持又は負荷の減少（除荷）を含む負荷パターンを実施しても評価時間を短縮することができる繊維強化複合材料の健全性評価装置と方法を提供することにある。
本発明によれば、繊維強化複合材料からなる試験体に取り付けられＡＥ波を検出するＡＥセンサと、
前記試験体に負荷の上昇、保持、及び除荷を含む負荷パターンを繰り返して印加しかつ最大負荷を順に上昇させる負荷試験装置と、
前記ＡＥセンサで検出されたＡＥ波を前記負荷と共に記憶する記憶装置と、
前記ＡＥ波の周波数とその強度との関係から前記ＡＥ波の重心周波数を求める重心周波数演算部と、
前記重心周波数が所定の第１周波数未満であるとき破断直前の層間剥離が生じていると判定する判定装置と、を備えた繊維強化複合材料の健全性評価装置が提供される。
前記試験体に負荷の上昇、保持、及び除荷を含む負荷パターンを繰り返して印加しかつ最大負荷を順に上昇させる負荷試験装置と、
前記ＡＥセンサで検出されたＡＥ波を前記負荷と共に記憶する記憶装置と、
前記ＡＥ波の周波数とその強度との関係から前記ＡＥ波の重心周波数を求める重心周波数演算部と、
前記重心周波数が所定の第１周波数未満であるとき破断直前の層間剥離が生じていると判定する判定装置と、を備えた繊維強化複合材料の健全性評価装置が提供される。
また本発明によれば、（Ａ）繊維強化複合材料からなる試験体にＡＥ波を検出するＡＥセンサを取り付け、
（Ｂ）前記試験体に負荷の上昇、保持、及び除荷を含む負荷パターンを繰り返して印加しかつ最大負荷を順に上昇させ、
（Ｃ）前記ＡＥセンサで検出されたＡＥ波を前記負荷と共に記憶し、
（Ｄ）前記ＡＥ波の周波数とその強度との関係から前記ＡＥ波の重心周波数を求め、
（Ｅ）前記重心周波数が所定の第１周波数未満であるとき破断直前の層間剥離が生じていると判定する、繊維強化複合材料の健全性評価方法が提供される。
（Ｂ）前記試験体に負荷の上昇、保持、及び除荷を含む負荷パターンを繰り返して印加しかつ最大負荷を順に上昇させ、
（Ｃ）前記ＡＥセンサで検出されたＡＥ波を前記負荷と共に記憶し、
（Ｄ）前記ＡＥ波の周波数とその強度との関係から前記ＡＥ波の重心周波数を求め、
（Ｅ）前記重心周波数が所定の第１周波数未満であるとき破断直前の層間剥離が生じていると判定する、繊維強化複合材料の健全性評価方法が提供される。
本発明の発明者は、繊維強化複合材料（ＦＲＰ）で発生するＡＥ波の周波数とその強度との関係からＡＥ波の重心周波数を求め、この重心周波数とＦＲＰの破断までの形態（マイクロクラック、マトリックスクラック、層間剥離、及び破断）との関係に着目した。
その結果、ＦＲＰが健全な場合は、マイクロクラック又はマトリックスクラックにより発生するＡＥ波の重心周波数が高く、ＦＲＰが損傷を受けると、層間剥離によりＡＥ波の重心周波数が（例えば８０ｋＨｚ未満に）低くなることを新たに見出した。
本発明は、かかる新たな知見に基づくものである。
本発明は、かかる新たな知見に基づくものである。
上記本発明によれば、試験体に負荷の上昇、保持、及び除荷を含む負荷パターンを繰り返し印加しかつ最大負荷を順に上昇させるので、時間の経過に従って負荷を常に増やす負荷パターンに限定されずに、自由な負荷パターンを適用することができる。
また、ＡＥ波の周波数とその強度との関係からＡＥ波の重心周波数を求め、この重心周波数が所定の第１周波数未満（例えば８０ｋＨｚ未満）であるとき破断直前の層間剥離が生じていると判定するので、破断直前の層間剥離を容易かつ確実に検出することができる。
また、試験体に最初に与える荷重の最大値の設定を誤った場合でも、その最大値に達する前に、破断直前の層間剥離が生じていると判定できるので、カイザー効果を利用して試験体の引張強度を評価できる。
また、破断直前の層間剥離を判定した時点で、試験を終了できるので、実際に破断するまで試験することなく、健全性評価ができる。
さらに、重心周波数が所定の第１周波数を超えている間は、健全性評価を省略又は簡略化できるので、負荷の保持又は負荷の減少（除荷）を含む負荷パターンを実施しても評価時間を短縮することができる。
以下、本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
図１は、本発明による繊維強化複合材料の健全性評価装置１０の全体構成図である。
この図において、健全性評価装置１０は、ＡＥセンサ１２、負荷試験装置１４、記憶装置２２、重心周波数演算部２４、及び判定装置２６を備える。
この図において、健全性評価装置１０は、ＡＥセンサ１２、負荷試験装置１４、記憶装置２２、重心周波数演算部２４、及び判定装置２６を備える。
ＡＥセンサ１２は、繊維強化複合材料（ＦＲＰ）からなる試験体１に取り付けられＡＥ波２を検出する。
ＦＲＰは、後述する実施例ではＣＦＲＰであるが、その他のＦＲＰであってもよい。
ＦＲＰは、後述する実施例ではＣＦＲＰであるが、その他のＦＲＰであってもよい。
試験体１は、後述する実施例では引張試験用の試験片であるが、圧力容器（例えば水素貯蔵タンク）やその他の部品（例えば飛翔体部品、車両部分）であってもよい。
ＡＥセンサ１２は、超音波センサであり、周波数が２０〜２００ｋＨｚのＡＥ信号を検出できるもの、好ましくは２０〜１５０ｋＨｚ、さらに好ましくは２０〜１００ｋＨｚのＡＥ信号を検出できるものを少なくとも１つ用いる。
例えば、２０〜１００ｋＨｚのＡＥ信号を検出できる低周波数域のＡＥセンサ１２のみを用いてもよい。
ＣＦＲＰの破断直前に発生するＡＥ信号（ＡＥ波２）は、１００ｋＨｚ未満で発生するので、１００ｋＨｚ以上のＡＥ波２の検出は必要性が低いからである。
なお、１００〜２００ｋＨｚ用の高周波センサと、２０〜７５ｋＨｚ用の低周波センサを用いてもよい。
例えば、２０〜１００ｋＨｚのＡＥ信号を検出できる低周波数域のＡＥセンサ１２のみを用いてもよい。
ＣＦＲＰの破断直前に発生するＡＥ信号（ＡＥ波２）は、１００ｋＨｚ未満で発生するので、１００ｋＨｚ以上のＡＥ波２の検出は必要性が低いからである。
なお、１００〜２００ｋＨｚ用の高周波センサと、２０〜７５ｋＨｚ用の低周波センサを用いてもよい。
負荷試験装置１４は、試験体１に負荷３の上昇、保持、及び除荷を含む負荷パターン４を繰り返し印加しかつ最大負荷３ａを順に上昇させる。
負荷試験装置１４は、試験体１が引張試験用の試験片である場合は引張試験装置であり、試験体１が圧力容器である場合は加圧装置であるが、その他の装置であってもよい。
負荷３は、試験体１に取り付けられた負荷検出器１１（例えば歪ゲージ）で計測される。
負荷パターン４は、負荷３が上昇、保持、及び除荷を含み、かつ最大負荷３ａが順に上昇するように予め設定する。この負荷パターン４は、例えばＡＳＭＥの規格（ＡＳＭＥ Ｓｅｃｔｉｏｎ Ｖ Ａｒｔｉｃｌｅ １１）に基づくのが好ましいがその他の任意の負荷パターン４を適用することができる。
負荷試験装置１４は、試験体１が引張試験用の試験片である場合は引張試験装置であり、試験体１が圧力容器である場合は加圧装置であるが、その他の装置であってもよい。
負荷３は、試験体１に取り付けられた負荷検出器１１（例えば歪ゲージ）で計測される。
負荷パターン４は、負荷３が上昇、保持、及び除荷を含み、かつ最大負荷３ａが順に上昇するように予め設定する。この負荷パターン４は、例えばＡＳＭＥの規格（ＡＳＭＥ Ｓｅｃｔｉｏｎ Ｖ Ａｒｔｉｃｌｅ １１）に基づくのが好ましいがその他の任意の負荷パターン４を適用することができる。
図１において、２０はコンピュータであり、記憶装置２２、演算装置、出力装置２８を含む。
コンピュータ２０は、好ましくは周波数フィルタ２１を備え、２０〜１００ｋＨｚの低周波数域のＡＥ信号のみを検出する。
記憶装置２２は、ＡＥセンサ１２で検出されたＡＥ波２を負荷と共に記憶する。
コンピュータ２０は、好ましくは周波数フィルタ２１を備え、２０〜１００ｋＨｚの低周波数域のＡＥ信号のみを検出する。
記憶装置２２は、ＡＥセンサ１２で検出されたＡＥ波２を負荷と共に記憶する。
演算装置は、重心周波数演算部２４と判定装置２６を含む。
重心周波数演算部２４は、ＡＥ波２の周波数とその強度との関係からＡＥ波２の重心周波数５を求める。
判定装置２６は、重心周波数５が所定の第１周波数未満であるとき破断直前の層間剥離が生じていると判定する。「所定の第１周波数」は、後述する実施例では、８０ｋＨｚであるが、ＦＲＰの種類に応じて例えば６０〜１００ｋＨｚの範囲で設定してもよい。
重心周波数演算部２４は、ＡＥ波２の周波数とその強度との関係からＡＥ波２の重心周波数５を求める。
判定装置２６は、重心周波数５が所定の第１周波数未満であるとき破断直前の層間剥離が生じていると判定する。「所定の第１周波数」は、後述する実施例では、８０ｋＨｚであるが、ＦＲＰの種類に応じて例えば６０〜１００ｋＨｚの範囲で設定してもよい。
出力装置２８は、例えば画像表示装置であり、少なくとも判定結果を表示する。出力装置２８は、好ましくはＡＥ波２の重心周波数５とその強度との関係図を併せて表示する。
図２は、ＡＥ波２の周波数とその強度との関係を示す説明図である。この図において、横軸はＡＥ波２の周波数（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ［ｋＨｚ］）、縦軸はＡＥ波２の強度（Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ［ｍＶ］）である。
ＡＥ波２の重心周波数５、すなわちＦＣＯＧ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｇｒａｖｉｔｙ）は、この図における重心（図心）の位置する周波数であり、以下の式（１）で求めることができる。
ＦＣＯＧ＝Σ（ｆｉ×Ａｉ）／ΣＡｉ・・・（１）
ＦＣＯＧ＝Σ（ｆｉ×Ａｉ）／ΣＡｉ・・・（１）
ここで、ｆｉは、ＡＥ波２の周波数、Ａｉは、周波数ｆｉのＡＥ波２の大きさ（振幅）である。添え字ｉは、複数の周波数を互いに区別するための指標値であって、１〜ｎ（ｎは、２以上の整数であり、好ましくは、十分に大きい値）までの値をとり、Σは、ｉのすべての値についての総和を示す。
図３は、本発明による繊維強化複合材料の健全性評価方法の全体フロー図である。この図において、本発明の健全性評価方法は、上述した健全性評価装置１０を用い、Ｓ１〜Ｓ６の各ステップ（工程）を有する。
ステップＳ１では、繊維強化複合材料（ＦＲＰ）からなる試験体１にＡＥ波２を検出するＡＥセンサ１２を取り付ける。
ステップＳ２では、試験体１に負荷３の上昇、保持、及び除荷を含む負荷パターン４を繰り返して印加しかつ最大負荷３ａを順に上昇させる。
ステップＳ３では、ＡＥセンサ１２で検出されたＡＥ波２を負荷３と共に記憶する。
なお、このステップは、ＡＥ波２の発生頻度が所定の閾値を超えるときに実施するのがよい。所定の閾値は、例えばＡＥセンサ１２の１台当たり１秒間に１０〜５０個、好ましくは１０〜２０個であるが、適宜変更してもよい。
ステップＳ４では、ＡＥ波２の周波数とその強度との関係からＡＥ波２の重心周波数５を求める。
ステップＳ５では、重心周波数５が所定の第１周波数未満であるか否かを判断する。
ステップＳ５で重心周波数５が所定の第１周波数未満（ＹＥＳ）であるとき、ステップＳ６で破断直前の層間剥離が生じていると判定する。ステップＳ５で重心周波数５が所定の第１周波数以上（ＮＯ）であるときは、Ｓ２〜Ｓ４を繰り返す。
ステップＳ２では、試験体１に負荷３の上昇、保持、及び除荷を含む負荷パターン４を繰り返して印加しかつ最大負荷３ａを順に上昇させる。
ステップＳ３では、ＡＥセンサ１２で検出されたＡＥ波２を負荷３と共に記憶する。
なお、このステップは、ＡＥ波２の発生頻度が所定の閾値を超えるときに実施するのがよい。所定の閾値は、例えばＡＥセンサ１２の１台当たり１秒間に１０〜５０個、好ましくは１０〜２０個であるが、適宜変更してもよい。
ステップＳ４では、ＡＥ波２の周波数とその強度との関係からＡＥ波２の重心周波数５を求める。
ステップＳ５では、重心周波数５が所定の第１周波数未満であるか否かを判断する。
ステップＳ５で重心周波数５が所定の第１周波数未満（ＹＥＳ）であるとき、ステップＳ６で破断直前の層間剥離が生じていると判定する。ステップＳ５で重心周波数５が所定の第１周波数以上（ＮＯ）であるときは、Ｓ２〜Ｓ４を繰り返す。
また、ステップＳ６において、重心周波数５が第１周波数未満であるときの引張荷重を層間剥離が生じる引張荷重と判定することができる。
また、ステップＳ４において、負荷３と重心周波数５との関係を求め、負荷３の上昇に対し重心周波数５が所定の第２範囲で上昇するときに、マイクロクラックのみが生じていると判定することができる。
また、さらに高い負荷範囲において負荷３の上昇に対し重心周波数５が所定の第３範囲で下降するときに、マトリックスクラックが生じていると判定することができる。
さらに高い負荷範囲において重心周波数５が第１周波数よりも低いときに層間剥離が生じていると判定することができる。
また、さらに高い負荷範囲において負荷３の上昇に対し重心周波数５が所定の第３範囲で下降するときに、マトリックスクラックが生じていると判定することができる。
さらに高い負荷範囲において重心周波数５が第１周波数よりも低いときに層間剥離が生じていると判定することができる。
図４は、カイザー効果を示す従来の実施例である。
この図において、横軸は試験開始からの経過時間（Ｔｉｍｅ［ｓ］）、右側の縦軸は負荷（Ｌｏａｄ［ｋＮ］）、左側の縦軸はＡＥ波２の大きさ（Ａｍｐ［ｄＢ］）である。
また図中の太い実線の折れ線は負荷パターン４、白丸（○）は検出されたＡＥ波２を示している。
この図において、横軸は試験開始からの経過時間（Ｔｉｍｅ［ｓ］）、右側の縦軸は負荷（Ｌｏａｄ［ｋＮ］）、左側の縦軸はＡＥ波２の大きさ（Ａｍｐ［ｄＢ］）である。
また図中の太い実線の折れ線は負荷パターン４、白丸（○）は検出されたＡＥ波２を示している。
図４の負荷パターン４は、負荷の上昇、保持、及び除荷を２回繰り返し、最大負荷３ａを順に上昇させ、最後に破断するまで負荷を上昇させたものである。
この図にＡで示す破線の円内では、ＡＥ波２が発生していない。従って、再負荷しても前回の応力値をこえるまではＡＥ波２が生じないカイザー効果が生じていることがわかる。
この図にＡで示す破線の円内では、ＡＥ波２が発生していない。従って、再負荷しても前回の応力値をこえるまではＡＥ波２が生じないカイザー効果が生じていることがわかる。
従来の健全性評価方法では、健全比率（ＦＲ：Ｆｅｌｉｃｉｔｙ Ｒａｔｉｏ）を通常用いている。
健全比率ＦＲは、以下の式（２）で求めることができる。
ＦＲ＝（ＡＥ波２の発生負荷）／（直前の最大負荷３ａ）・・・（２）
健全比率ＦＲは、以下の式（２）で求めることができる。
ＦＲ＝（ＡＥ波２の発生負荷）／（直前の最大負荷３ａ）・・・（２）
ＦＲＰが健全な場合、カイザー効果により前回の応力値をこえるまではＡＥ波２が生じないので、ＦＲは１．０となる。
またＦＲＰが損傷を受けると、カイザー効果が生じなくなるので、ＦＲが低下する。
従って、例えばＦＲ＞０．９５を健全範囲とすることで、健全性を評価することができる。
図４のＢで示す破線の円内では、ＡＥ波２の発生負荷が低くＦＲが低下しており、ＦＲＰが損傷を受けたサインと考えることができる。
またＦＲＰが損傷を受けると、カイザー効果が生じなくなるので、ＦＲが低下する。
従って、例えばＦＲ＞０．９５を健全範囲とすることで、健全性を評価することができる。
図４のＢで示す破線の円内では、ＡＥ波２の発生負荷が低くＦＲが低下しており、ＦＲＰが損傷を受けたサインと考えることができる。
しかし、従来の健全性評価方法では、図４において、およそ８５ｄＢ以下でＦＲＰが損傷を受けていることがわかるにすぎず、破断直前の層間剥離が発生する時点やその負荷は把握できない。
以下、本発明による健全性評価方法の実施例を説明する。
上述した健全性評価装置１０を用い引張試験を実施した。この試験では、最初に繊維強化複合材料（ＦＲＰ）からなる試験体１にＡＥ波２を検出するＡＥセンサ１２を取り付けた。また負荷検出器１１として歪ゲージを取り付けた。
試験体１として引張試験用の試験片を用いた。この試験片は、ＣＦＲＰ（具体的にはＴ７００ＳＣ）であり、ラミネート（繊維層の積層）は０／４５／９０／−４５の４層である。
ＡＥセンサ１２として、１００〜２００ｋＨｚ用の高周波センサと、２０〜７５ｋＨｚ用の低周波センサを用いた。
また、２０〜１００ｋＨｚの低周波数域のＡＥ信号のみを検出する周波数フィルタ２１を用いた。
試験体１として引張試験用の試験片を用いた。この試験片は、ＣＦＲＰ（具体的にはＴ７００ＳＣ）であり、ラミネート（繊維層の積層）は０／４５／９０／−４５の４層である。
ＡＥセンサ１２として、１００〜２００ｋＨｚ用の高周波センサと、２０〜７５ｋＨｚ用の低周波センサを用いた。
また、２０〜１００ｋＨｚの低周波数域のＡＥ信号のみを検出する周波数フィルタ２１を用いた。
図５は、本発明の実施例の負荷パターン４を示す図である。この図に示すように、試験体１に負荷の上昇、保持、及び除荷を含む負荷パターン４を３回繰り返して印加し、かつ最大負荷３ａを２３８，４７６，７１４ＭＰａの順に上昇させた。
また、負荷の４回目の上昇は試験体１の破断まで実施した。破断時の負荷は８２５ＭＰａであった。
また、負荷の４回目の上昇は試験体１の破断まで実施した。破断時の負荷は８２５ＭＰａであった。
記憶装置２２により、ＡＥセンサ１２で検出されたＡＥ波２を、歪ゲージで検出された負荷と共に記憶した。また、重心周波数演算部２４により、ＡＥ波２の周波数とその強度との関係からＡＥ波２の重心周波数５を求めた。
図６は、ＡＥ波２の重心周波数５とその強度との関係図である。この図において、横軸は強度（Ｔｅｎｓｉｌｅ Ｓｔｒｅｓｓ［ＭＰａ］）、縦軸は重心周波数５（ＦＣＯＧ［ｋＨｚ］）である。また、図中の白丸（○）は検出されたＡＥ波２の重心周波数５である。
図６において、約５０ＭＰａからＡＥ波２が検出され、負荷が５０〜約４３０ＭＰａまでの上昇に対し、ＡＥ波２の重心周波数５が約８５ｋＨｚから約１１５ｋＨｚまで上昇した。また、断面観察からこの間のＦＲＰにはマイクロクラックが発生していた。またこの間の２１０〜３４０ＭＰａまでの範囲でＦＲは、１．０であった。
なお、「マイクロクラック」とは、ＦＲＰのマトリックスに発生しており、長さが２０μｍ以上〜１００μｍ以下のクラックを意味する。
なお、「マイクロクラック」とは、ＦＲＰのマトリックスに発生しており、長さが２０μｍ以上〜１００μｍ以下のクラックを意味する。
この結果から、負荷の上昇に対し重心周波数５が所定の第２範囲で上昇するときに、ＦＲＰは健全であり、マイクロクラックのみが生じていると判定することができる。この例で、第２範囲は約８０ｋＨｚから約１２０ｋＨｚまでであり、詳しくは約８５ｋＨｚから約１１５ｋＨｚまでである。
図６において、負荷が約４３０〜約７２０ＭＰａまでの上昇に対し、ＡＥ波２の重心周波数５が約１１５ｋＨｚから約８３ｋＨｚまで下降した。また、断面観察からこの間のＦＲＰにはマトリックスクラックが発生していた。またこの間の４４０〜５８０ＭＰａまでの範囲でＦＲは、０．９７であった。
なお、「マトリックスクラック」とは、マイクロクラックが進展してマトリックス内のき裂長さが１００μｍを超えているが、層間剥離は生じていないクラックを意味する。
なお、「マトリックスクラック」とは、マイクロクラックが進展してマトリックス内のき裂長さが１００μｍを超えているが、層間剥離は生じていないクラックを意味する。
この結果から、マイクロクラックの発生よりもさらに高い負荷範囲において、負荷の上昇に対し重心周波数５が所定の第３範囲で下降するときに、マトリックスクラックが生じていると判定することができる。この例で、第３範囲は約１２０ｋＨｚから約８０ｋＨｚまでであり、詳しくは約１１５ｋＨｚから約８３ｋＨｚまでである。
図６において、約７２０ＭＰａから８２５ＭＰａ（破断強度）までの負荷範囲において、重心周波数５は約７５ｋＨｚよりも低い値となっている。また、断面観察からこの間のＦＲＰには層間剥離が発生していた。また６７０〜８１０ＭＰａまでの範囲でＦＲは、０．８４であった。
なお、「層間剥離」とは、マトリックスクラックが進展してラミネート（積層）された繊維層の一部が剥離した状態を意味する。
なお、「層間剥離」とは、マトリックスクラックが進展してラミネート（積層）された繊維層の一部が剥離した状態を意味する。
この結果から、マトリックスクラックの発生よりもさらに高い負荷範囲において重心周波数５が第１周波数よりも低いときに層間剥離が生じていると判定することができる。第１周波数は、この例で第３範囲の最小値よりも低く、約８０ｋＨｚ又は約７５ｋＨｚであるであるが、ＦＲＰの種類に応じて例えば６０〜１００ｋＨｚの範囲で設定してもよい。
上述した実施例から、ＦＲＰの破損が、マイクロクラック、マトリックスクラック、層間剥離、破断の順で発生することが確認された。またマイクロクラックとマトリックスクラックの場合は、重心周波数５は８０ｋＨｚ以上、１２０ｋＨｚ以下であり、ＦＲは、０．９５を超えており、ＦＲＰは健全範囲にあることがわかる。
さらに、重心周波数５が所定の第１周波数未満であるとき破断直前の層間剥離が生じていると判定することができる。この例において、第１周波数は、８０ｋＨｚであるが、ＦＲＰの種類に応じて例えば６０〜１００ｋＨｚの範囲で設定してもよい。
また、重心周波数５が第１周波数以下であるときの引張荷重を層間剥離が生じる引張荷重と判定することができる。
さらに、重心周波数５が所定の第１周波数未満であるとき破断直前の層間剥離が生じていると判定することができる。この例において、第１周波数は、８０ｋＨｚであるが、ＦＲＰの種類に応じて例えば６０〜１００ｋＨｚの範囲で設定してもよい。
また、重心周波数５が第１周波数以下であるときの引張荷重を層間剥離が生じる引張荷重と判定することができる。
上述した本発明によれば、試験体１に負荷の上昇、保持、及び除荷を含む負荷パターン４を繰り返し印加しかつ最大負荷３ａを順に上昇させるので、時間の経過と共に負荷を常に増やす負荷パターン４に限定されず、自由な負荷パターン４を適用することができる。
また、ＡＥ波２の周波数とその強度との関係からＡＥ波２の重心周波数５を求め、この重心周波数５が所定の第１周波数未満（例えば８０ｋＨｚ未満）であるとき破断直前の層間剥離が生じていると判定する。これにより、破断直前の層間剥離を容易かつ確実に検出することができる。
また、試験体１に最初に与える荷重の最大値の設定を誤った場合でも、その最大値に達する前に、破断直前の層間剥離が生じていると判定できるので、カイザー効果を利用して試験体１の引張強度を評価できる。
また、破断直前の層間剥離を判定した時点で、試験を終了できるので、実際に破断するまで試験することなく、健全性評価ができる。
さらに、重心周波数５が第１周波数を超えている間は、ＦＲＰは健全範囲にあると判定できるので、健全性評価を省略又は簡略化して、負荷の保持又は負荷の減少（除荷）を含む負荷パターン４を実施しても評価時間を短縮することができる。
さらに、１００〜２００ｋＨｚ用の高周波センサで検出するＡＥ信号は、第１周波数未満の重心周波数５への影響がほとんどないので、高周波センサを省略し、センサの設置数を半減させることができる。この場合、周波数フィルタ２１を用いて２０〜１００ｋＨｚの低周波数域のＡＥ信号のみを検出することが好ましい。
なお本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。
１ 試験体、２ ＡＥ波、３ 負荷、３ａ 最大負荷、４ 負荷パターン、
５ 重心周波数、１０ 健全性評価装置、１１ 負荷検出器、
１２ ＡＥセンサ、１４ 負荷試験装置、２０ コンピュータ、
２１ 周波数フィルタ、２２ 記憶装置、２４ 重心周波数演算部、
２６ 判定装置、２８ 出力装置
５ 重心周波数、１０ 健全性評価装置、１１ 負荷検出器、
１２ ＡＥセンサ、１４ 負荷試験装置、２０ コンピュータ、
２１ 周波数フィルタ、２２ 記憶装置、２４ 重心周波数演算部、
２６ 判定装置、２８ 出力装置
Claims (5)
- 繊維強化複合材料からなる試験体に取り付けられＡＥ波を検出するＡＥセンサと、
前記試験体に負荷の上昇、保持、及び除荷を含む負荷パターンを繰り返して印加しかつ最大負荷を順に上昇させる負荷試験装置と、
前記ＡＥセンサで検出されたＡＥ波を前記負荷と共に記憶する記憶装置と、
前記ＡＥ波の周波数とその強度との関係から前記ＡＥ波の重心周波数を求める重心周波数演算部と、
前記重心周波数が所定の第１周波数未満であるとき破断直前の層間剥離が生じていると判定する判定装置と、を備えた繊維強化複合材料の健全性評価装置。 - （Ａ）繊維強化複合材料からなる試験体にＡＥ波を検出するＡＥセンサを取り付け、
（Ｂ）前記試験体に負荷の上昇、保持、及び除荷を含む負荷パターンを繰り返して印加しかつ最大負荷を順に上昇させ、
（Ｃ）前記ＡＥセンサで検出されたＡＥ波を前記負荷と共に記憶し、
（Ｄ）前記ＡＥ波の周波数とその強度との関係から前記ＡＥ波の重心周波数を求め、
（Ｅ）前記重心周波数が所定の第１周波数未満であるとき破断直前の層間剥離が生じていると判定する、繊維強化複合材料の健全性評価方法。 - 前記重心周波数が第１周波数未満であるときの引張荷重を前記層間剥離が生じる引張荷重と判定する、請求項２に記載の繊維強化複合材料の健全性評価方法。
- 前記負荷と前記重心周波数との関係を求め、
前記負荷の上昇に対し前記重心周波数が所定の第２範囲で上昇するときに、マイクロクラックのみが生じていると判定し、
さらに高い負荷範囲において前記負荷の上昇に対し前記重心周波数が所定の第３範囲で下降するときに、マトリックスクラックが生じていると判定し、
さらに高い負荷範囲において前記重心周波数が前記第１周波数よりも低いときに前記層間剥離が生じていると判定する、請求項２に記載の繊維強化複合材料の健全性評価方法。 - 前記（Ｃ）は、前記ＡＥ波の発生頻度が所定の閾値を超えるときに実施する、請求項２に記載の繊維強化複合材料の健全性評価方法。
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