CFRPなど構造材料内部構造の X線CT解析...2016/09/29 ·...

CFRPなど構造材料内部構造のＸ線CT解析

テクニカルソリューション本部千葉ラボラトリー固体解析グループ

中原庸裕

2016.9.29

1Copyright (C) 2016 Sumika Chemical Analysis Service, Ltd. All Rights Reserved.

目次

X線CTの測定原理

X線CT解析事例の紹介構造材料の内部構造解析（CFRP、接着界面）

数値解析（内部欠陥、繊維配向）

物性試験後のCFRPの解析（圧縮試験、曲げ試験）

耐久性試験後のCFRPの解析（冷熱衝撃試験、燃焼試験）


X線検出器

X線源

Ｘ線CTの測定原理

X１ X２

X３ X４

断層画像

再構成

I0I

d

① ② ③

④

⑤

I0：入射X線強度、I：透過X線強度d：通過距離、μ：線吸収係数

I ＝ I0 exp（－μｄ）

三次元画像

①：X１＋X３＝C１②：X２＋X４＝C２③：X２＋X３＝C３④：X１＋X２＝C４⑤：X３＋X４＝C５

CT画像の取得イメージ

多方向からX線を照射し透過データを収集

連立方程式を解いて画素値を求める


X線源とワークとの距離を変えること拡大倍率を任意に変更可能。

サンプルをX線源に近づけるほど透過画像は大きくなり、サンプルがX線源から遠ざけるほど透過画像は小さくなる。

Ｘ線CTの測定原理X線検出器

X線源

拡大率・X線源（焦点）/ワーク間距離＝a・X線源（焦点）/検出器間距離＝b→ 拡大率＝b/a

ワークの回転のため、a値は接近限界あり

a

b


立体像を任意に加工する事により、断層像を得る。

立体像立体像断面

断層像

Ｘ線CTの測定原理

試料を破壊することなく内部を可視化→ 内部構造の確認→ 不具合箇所の確認


CFRPについて CFRPの種類と構造形態

参考：日経ものづくり、2014年10月号、pp.44-45

中間基材／成形材料

成形法

炭素繊維

様々な材料、成形法により成形されるCFRPにおいて内部情報を把握することは重要


100μm

構造材料の内部構造解析CFRP

観測試料：CFRPクロス積層板

100μm

100μm

100μm

ボイド樹脂

炭素繊維（束）

10Copyright (C) 2016 Sumika Chemical Analysis Service, Ltd. All Rights Reserved. 接着剤：エポキシ系接着剤使用材：CFRPクロス積層板（エポキシ）

構造材料の内部構造解析接着界面

100μm

100μm 100μm

接着層約60μm

樹脂

100μm

ボイド

炭素繊維（束）

ボイド


空隙の3D解析像CFRPの3D解析像

空隙X

YZ

空隙率0.9%

X

Y

Z

観察試料：CFRPクロス積層板

数値解析内部欠陥（空隙）の解析

樹脂、繊維を透明化して空隙のみを可視化


100μmXY

観察試料：CFRP板（不連続繊維マット材）

数値解析繊維配向の解析

X

YZ

断面 100μmX

Y

水平断面（スキン層）

水平断面（コア層）


100μmXY

観察試料：CFRP板（不連続繊維マット材）

迂回度

f：繋がった繊維の最短経路s：fの端点を結んだ最短経路

迂回度＝f／s （≧１）１に近いほど繊維配向が１軸に配向することを示す

1 1.5 2 2.5 3

頻度

迂回度

X軸方向Y軸方向


1

10-1

10-2

10-3

10-4

10-5



100μmXY


断面 100μmX

Y



1 1.5 2 2.5 3

頻度

迂回度


1

10-1

10-2

10-3

10-4

10-5

1 1.5 2 2.5 3

頻度

迂回度


1

10-1

10-2

10-3

10-4

10-5




物性試験後のCFRPの解析圧縮試験ASTM D 3410法による圧縮試験試験材：CFRPクロス積層板（疑似等方材）

圧縮試験後の試験片外観写真

圧縮試験後の試験片断面写真

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0.0 1.0 2.0 3.0

応力/ MPa

ストローク / mm

応力－ストローク線図

試験後

未使用

試験後未使用


物性試験後のCFRPの解析圧縮試験

1mm 1mm

1mm

1mm

中央に大きな亀裂

つかみ具端部よりせん断破壊


物性試験後のCFRPの解析各温度条件下における曲げ試験JIS K 7074 A法による3点曲げ試験試験材：CFRPクロス積層板（疑似等方材）

曲げ試験後の試験片断面写真

曲げ試験後の試験片写真

常温-30℃

80℃

試験片

常温

-30℃

80℃

試験片

0

200

400

600

800

0 2 4 6 8 10

応力/MPa

ストローク/mm


常温‐30℃80℃


物性試験後のCFRPの解析各温度条件下における曲げ試験

常温 -30℃ 80℃

JIS K 7074 A法による3点曲げ試験

1mm

いずれも外層側での引張破壊であるが、低温では脆性的な破壊、高温では延性的な破壊が見られる

0

200

400

600

800

0 2 4 6 8 10

応力/MPa

ストローク/mm


常温‐30℃80℃


目次


X線CT解析事例の紹介構造材料の内部構造解析（CFRP、接着界面、溶着界面）





高温槽（120℃）

低温槽（-40℃）

試料台が昇降

冷熱衝撃装置

耐久性試験後のCFRPの解析冷熱衝撃試験

試験材：熱可塑性CFRP（ポリプロピレン）

500cycle

200cycle

100cycle

50cycle

20cycle

0cycle

冷熱衝撃試験後の外観写真

試験条件-40℃⇔120℃各時間30分間保持


熱可塑性CFRP（ポリプロピレン）20cycle 50cycle

100cycle 200cycle 500cycle

0cycle

※同一試料ではありません


200μm 200μm 200μm

200μm 200μm 200μm


20cycle 50cycle


0cycle


耐久性試験後のCFRPの解析冷熱衝撃試験熱可塑性CFRP（ポリプロピレン）

200μm 200μm 200μm

200μm 200μm 200μm

100μm100μm

20cycle 50cycle

試験初期段階で表層に亀裂が発生


20cycle 50cycle


0cycle


耐久性試験後のCFRPの解析冷熱衝撃試験熱可塑性CFRP（ポリプロピレン）

200μm 200μm 200μm

200μm 200μm 200μm

100μm100μm100μm


サイクル数の増加と共に表層の亀裂が増大



20cycle 50cycle


0cycle


熱可塑性CFRP（ポリプロピレン）

200μm 200μm 200μm

200μm 200μm 200μm

100μm100μm100μm

100μm


50cycle

内部で板厚方向に微小な亀裂が見られサイクル数の増大に伴い発生頻度が増大

一部、繊維束内で亀裂が確認


燃焼試験前後の外観写真

試験材：熱硬化性CFRP（エポキシ樹脂）

耐久性試験後のCFRPの解析燃焼試験

試験前試験後（左：表側、右：裏側）

燃焼試験小型ガスバーナーで数十秒加熱


30秒20秒10秒

加熱時間（バーナーで表面を加熱）

熱硬化性CFR

P

（エポキシ）

熱可塑性CFR

P

（6ナイロン）



熱硬化性CFR

P

（エポキシ樹脂）

熱可塑性CFR

P

（6ナイロン）

10秒 20秒 30秒



200μm 200μm 200μm

200μm 200μm 200μm

加熱時間の増大と共に損傷が増大

熱硬化性CFRPより熱可塑性CFRPの方が加熱による損傷の影響が大きい


熱硬化性CFR

P

（エポキシ樹脂）

熱可塑性CFR

P

（6ナイロン）

10秒 20秒 30秒



200μm 200μm 200μm

200μm 200μm 200μm

熱可塑性CFRP（6ナイロン） 200μm熱硬化性CFRP（エポキシ樹脂） 200μm

加熱時間 20秒

繊維の積層構成は保持して残存繊維周囲に樹脂が残存

加熱面側では樹脂は焼失繊維は積層構成を保持して残存

外層側で亀裂が見られる一部気泡が存在


CFRPのX線CT解析事例のまとめ

X線CTでは、成形品中の空隙や繊維充填不良、繊維配向の状態、界面の状態等の内部構造を非破壊で観察することが出来る。取得した3次元画像をコンピュータ解析することで空隙の分布や繊維配向を数値化して把握出来る。曲げ、圧縮等のストレスが加わった後の破壊の状況や、熱疲労による劣化、燃焼による損傷等の状況を可視化することが出来る。

X線CT解析技術はCFRPを代表とする有機物だけの複合材の高次構造解析や欠陥、不良解析、劣化解析に威力を発揮することから、

複合材開発の有力な武器となることを示すことができた。

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