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名古屋大学
『複合材料の繊維配向を非破壊で迅速に評価する手法』*1

研究背景

近年、航空宇宙分野や炭素系複合材料(以下CFRP)の実用化が期待されています。特に量産が期待される熱可塑CFRP製造技術では、繊維長、樹脂流動スピード、温度分布の影響でプレス成型したCFRPの繊維配向の偏りやボイド発生が問題となっています。しかし現在の繊維配向性評価方法は強度試験やX線CT観察などが用いられており、資料を切り出す必要性や長時間を要するなど、簡便で実用的な方法がありませんでした。

今回開発した手法「繊維配向同定法」は、材料の片面をレーザー等で周期的に加熱し、その熱が材料内に拡散する速さの違いをサーモグラフィーで検出することで、非接触、非破壊で繊維の配向状態をわずか数分で調べることが可能になります。

「繊維配向同定法」の原理

「繊維配向同定法」は、面内熱拡散率角度分布の測定法を応用する手法

レーザーで材料を加熱すると材料内に熱が拡散されます。その熱が伝わる速度(熱拡散率)は材料内の繊維と樹脂の含有量と繊維の向きにより異なるため、全方位の熱拡散率の分布を測定することで繊維の配向分布を明らかにすることができます。

  1. 材料の片面をレーザーで周期的に加熱すると、周期的な温度信号が材料内を拡散します。
    繊維配向同定法1
    繊維配向同定法2
  2. 温度分布、温度信号の伝播の速さと信号強度の減衰をロックイン式サーモグラフィーを用いて検出します。得られた位相遅れおよび強度減衰から熱拡散率の角度分布を測定します。
    温度分布
    位相遅れ
  3. 熱拡散率と繊維配向の相関より、繊維配向方向を決定します。
    熱分布と配向密度関数の相関

装置構成

ロックイン式サーモグラフィーを用いた熱拡散率計測システムの装置構成 *2

装置構成

検証① 配向性が既知の材料への適用

一方向材CFRPによる検証

位相遅れ分布
熱拡散率角度分布

検証② 配向性が未知の材料への適用

不連続繊維CFRTP*3 による検証

CFRTP試料
  1. CFRTP成形板*3 を9等分し、各試料の面内方向の熱拡散率角度分布を測定した。
    CFRTP熱拡散率角度分布
    CFRTP熱拡散率角度分布2
  2. 「繊維配向同定法」を適用し、楕円の方程式より繊維配向状態を推定した。
    検証2
  3. 異方比が比較的小さい試料の場合は、解析対象となるピークをは熱することが困難なため、楕円分布によるフィッティングをおこなった。
    CFRTP配向状態フィッティング結果
    • 繊維配向強度:楕円率 a/b
    • 繊維配向角:φ = θ0 + 90°

    楕円近似による推定も、有効な手段である可能性が示された。

成果の意義および活躍分野

「繊維配向同定法」は、面内360°方向の繊維配向分布が非破壊で迅速に得られるため、CFRPの製造プロセスや品質管理において、有効な手段となります。特に自動車分野などで実用化が期待される不連続繊維強化熱可塑性プラスチック(CFRTP)部品の製造ライン検査に応用が期待できます。

また、CFRPだけでなく電子機器分野における放熱材の熱抵抗・熱伝導率評価や曲面材料の熱伝導率測定やナノ粒子分散評価への応用も可能となります。

引用ほか

  1. 藤田涼平 長野方星、「Novel fiber orientation evaluation method for CFRP/CFRTP based on measurement of anisotropic in-plane thermal diffusivity distribution」、Composites Science and Technology、vol.140、2017年3月、116-122ページ
  2. 特許出願2015-117288「配向同定装置および配向同定方法」長野方星、藤田涼平
  3. 名古屋大学ナショナルコンポジットセンター(NCC)提供

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