複合材試験
繊維強化プラスチック（FRP）は、優れた重量比機械特性、非常に良好な疲労挙動、高い設計柔軟性を持つ高性能材料です。航空宇宙、風力エネルギー、自動車分野における軽量構造物、その他様々な産業に採用されています。一般的に、薄肉構造には、個々の層から構成される多層複合材ラミネート（積層板）が使用されます。繊維強化の種類は、連続繊維で強化された一方向（UD）材、不織布、織物複合材から、不連続でランダムに分布した強化繊維を持つFRPまで、多岐にわたります。
FRP材料の機械的特性評価のためには、材料開発、材料認定（マテリアル・クオリフィケーション）、品質保証を目的としたもの、あるいは複合構造のレイアウトや設計に必要な特性値の決定を目的としたものなど、数多くの複合材料試験が存在します：
- 単層材の主要な荷重方向における機械的特性、および多層複合材ラミネートの対応する特性値は、複合材料に対する静的引張試験、複合材料圧縮試験、およびせん断試験によって決定されます。
- 品質保証を目的として、複合材料に対する曲げ試験や、層間せん断強度（ILSS）を決定するための試験といった、比較的シンプルな静的試験が一般的に使用されています。
- 一般的な層状FRPラミネートの層間剥離（デラミネーション）挙動を理解するために、層間エネルギー解放率を決定する静的試験が実施されます。
- 衝撃後圧縮試験（CAI試験）は、航空宇宙分野で使用される複合構造にとって、特に関連性の高い試験です。この試験は、衝撃荷重によって事前に損傷を受けたラミネート（積層板）の、静的な圧縮残留強度を決定するために使用されます。
- 主に構造設計のために要求されるその他の静的試験には、ベアリング強度（支圧強度）、および接着またはボルト締めされた接続部の強度を決定するための試験方法が含まれます。
- FRP材料および複合材料の疲労挙動は、繰り返し動的荷重を用いた試験によって決定されます。
複合材料の試験方法：
引張試験 圧縮試験 せん断試験 曲げ試験 ILSS 試験 層間エネルギー解放率 衝撃後圧縮試験（CAI） ベアリング強度 疲労試験
複合材料試験に関する追加情報：
モジュラー式試験システム 最大荷重 600 kN までの試験システム 極低温複合材料試験 アライメント・サービス（芯出し調整サービス） 顧客のプロジェクト
動画：複合材料の試験方法の概要
複合材料試験入門に関するウェビナー動画：
ツビックローエルの基本的な機械的試験方法から、複合構造の品質保証および設計のための高度なソリューションまでをご覧ください。
- 01:31 複合材料の用途（アプリケーション）
- 06:36 複合材料業界の動向
- 11:51 基本的な静的な面内材料特性
- 16:25 複合材料の引張試験
- 20:58 アライメント
- 23:15 複合材料の圧縮試験：端部荷重方式（エンドローディング）、せん断荷重方式（シアローディング）、および複合荷重方式（コンバインドローディング）の圧縮試験
- 28:44 複合材料のせん断試験
- 32:49 3点および4点曲げ試験
- 34:51 層間せん断強度（ILSS）
- 36:38 複合材料の試験機
- 42:12 ひずみおよびたわみ測定
複合材引張試験
複合材料の引張試験は、繊維強化プラスチックの主要な材料方向における引張弾性率とポアソン比といった弾性特性値、および引張強度を決定するために使用されます。
- 複合材料の引張試験で最も一般的な試験方法は、ISO 527-4 および ISO 527-5、ASTM D3039、ならびに EN 2561 および EN 2597 に記載されています。
- エアバスの工場規格である AITM1-0007 には、ノッチなし多方向積層板に対する引張試験の条件に加え、オープンホール引張（OHT）およびフィルドホール引張（FHT）試験方法を用いたノッチ付き引張試験による引張強度決定の条件が含まれています。オープンホール引張試験（OHT）およびフィルドホール引張試験（FHT）は、主に航空宇宙用途において、開口部または閉口部の引張荷重下にある多方向積層板の強度低減係数を決定するために実施されます。オープンホール引張強度およびフィルドホール引張強度を決定するための、その他の標準化された試験方法には、ASTM D5766 と ASTM D6742 があります。
複合材料の圧縮試験およびノッチ付き圧縮試験
複合材料の圧縮試験は、繊維強化プラスチックの主要な材料方向における圧縮弾性率と圧縮強度を決定するために使用されます。積層板の繊維方向の圧縮強度は引張強度よりも低いことが多く、また、FRP積層板が引張荷重と圧縮荷重の下で示す破壊モードは大きく異なるため、圧縮試験は複合材料の試験において重要な役割を果たします。
複合材料の圧縮試験には、非常に多種多様な試験方法と試験規格がありますが、荷重の印加原理（負荷原理）に基づき、主に以下の3つの方式に分類されます：
- 端部荷重圧縮試験：ASTM D695、DIN EN 2850 タイプB、およびボーイング BSS 7260 タイプIIIおよびIVに準拠
- せん断荷重による圧縮試験：ASTM D3410、ISO 14126 (方法1)、DIN EN 2850 (タイプA)、およびエアバス AITM1-0008 試験片タイプAに準拠
- 複合荷重による圧縮試験：ASTM D6641、ISO 14126 (方法2)、およびエアバス AITM1-0008 試験片タイプAに準拠
上記のノッチなし積層板の圧縮値決定のための試験方法に加え、オープンホール圧縮強度（OHC）を決定するための ASTM D6484、およびフィルドホール圧縮強度（FHC）を決定するための ASTM D6742 に準拠した、標準化されたノッチ付き複合材料圧縮試験が存在します。
ノッチなし積層板の圧縮特性と併せて、圧縮荷重下にある多方向積層板の対応する強度低減係数を決定することができますノッチ付き圧縮試験は、さらにエアバス AITM1-0008 (試験片タイプB、D、C)、およびボーイング BSS 7260 (タイプI)といった産業規格に記載されています。
複合材料のせん断試験
複合材料のせん断試験は、繊維強化プラスチックの面内せん断特性、例えば、せん断弾性率やせん断強度を決定するために使用されます。主要な材料方向で異なる特性値を持つFRP材料の場合、せん断弾性率は常に個別のせん断試験を用いて決定する必要があり、例えば等方性材料のように他の弾性特性値から算出することはできません。
せん断特性およびせん断挙動を決定するために、主に3つの異なる試験方法が確立されています：
- ±45°積層板を用いた引張試験：ISO 14129、ASTM D3518、およびエアバス AITM1-0002に準拠
- Vノッチ付き梁（Iosipescu）せん断試験：ASTM D5379 に準拠
- Vノッチ付きレールせん断試験：ASTM D7078 に準拠
±45°積層板を用いた引張試験（面内せん断試験）の場合、引張試験に使用するのと同じ試験装置（アタッチメント）を使用することができます。しかしながら、せん断ひずみを算出するためには、軸方向ひずみに加えて横方向ひずみを記録することが必須となります。
Iosipescuせん断試験およびVノッチ付きレールせん断試験には、ノッチ付き試験片と対応する試験用治具が必要となります。ここでは、二軸ひずみ測定も必要とされます。二軸ひずみゲージがしばしば使用されます。あるいは、ひずみはデジタル画像相関法（DIC）を用いて測定することも可能です。
Vノッチ付きせん断試験は、適切な厚さの積層板が利用可能な場合、面外せん断値を決定するためにも使用できます。
複合材の曲げ試験
複合材料の曲げ試験は、比較的単純な試験装置、試験片形状、加工プロセス、および試験の実施という点で、品質保証（QA）における迅速な材料比較のために頻繁に使用されます。曲げ試験は、3点曲げ試験と4点曲げ試験に分類されます。繊維強化プラスチックの曲げ試験で一般的な標準化された試験方法は以下の通りです：
- ISO 14125 および ASTM D7264に準拠した 3点および4点曲げ試験
- 3点曲げ試験 EN 2562、EN 2746、および ASTM D790 に準拠
- ASTM D6272 に準拠した 4点曲げ試験
試験装置全体の剛性が十分である場合、あるいは、試験ソフトウェア内で装置の変形（コンプライアンス）を決定し、補正できる場合、3点曲げ試験において試験機のクロスヘッド移動距離の使用がしばしば許容されます。
一方、4点曲げ試験では、適切な変位測定システムを使用して試験片の中央部のたわみを測定することが必須となります。
層間せん断強さ (ILSS)
層間せん断強度（ILSS）を決定するための試験は、繊維強化プラスチックに対して最も一般的に実施される静的試験の一つであり、品質保証（QA）で頻繁に使用されます。比較的小さな試験片で済み、試験自体も迅速かつ容易に実施でき、評価目的では試験で決定された最大荷重のみが関連するためです。
ILSS試験のために確立された試験規格は、ISO 14130、EN 2377、EN 2563、およびASTM D2344 です。
これら四つの規格はすべて長方形の試験片を規定していますが、試験片の長さ、幅、および厚さに関して異なる寸法を使用する場合があります。ASTM D2344はさらに、圧力容器やパイプ壁から採取されたものなど、湾曲した試験片についても規定しています。
ILSS試験に使用される試験用治具は、試験規格によって規定されている非常に厳しい試験装置の公差を満たすことができなければなりません。
層間エネルギー解放率を決定するための試験
層間剥離挙動を理解するために、破壊力学試験方法を用いて、臨界エネルギー解放率と安定き裂成長中のエネルギー解放率が決定されます。試験片を作製するためには、非常に薄く非粘着性のプラスチックフィルム（しばしばテフロンフィルムが使用されます）を用いて、積層板の厚さ方向の中央面に人工的なき裂が作られた積層板が必要です。
き裂表面に垂直な引張荷重によるき裂成長を伴う試験方法（モードI）と、積層板の断面におけるせん断荷重によるき裂成長を伴う試験方法（モードII）が最も一般的に実施されます。積層板におけるき裂伝播の計算のための数値解析手法のキャリブレーションには、モードIとモードIIの複合荷重による追加の試験方法があります：
- モードI： 二重片持ち梁（DCB）試験として、ISO 15024、EN 6033、ASTM D5528、エアバス AITM1-0005、およびボーイング BSS 7273に準拠
- モードII： 端部ノッチ付き曲げ（ENF）試験として、ASTM D7905、EN 6034、エアバス AITM1-0006、およびボーイング BSS 7273に準拠
- モードII： キャリブレートされた端部荷重分割（C-ELS）試験として、ISO 15114に準拠
- モードIとモードIIの複合荷重： ミックスモード曲げ（MMB）試験として、ASTM D6671に準拠
衝撃後圧縮 （CAI）試験
衝撃後圧縮（CAI）試験は、衝撃損傷を受けた積層板の残留圧縮強度を決定するために使用される試験方法です。試験される試験片は、対応する試験規格で指定された衝撃エネルギーによって事前に損傷させられます。この方法により、複合材料積層板の耐損傷性について結論を導き出すことができ、特に航空宇宙産業における衝撃荷重を受ける可能性のある複合材料構造の安全性と信頼性を確保するために役立ちます。
CAI試験のために、以下の試験方法が確立されています：ASTM D7136 および ASTM D7137、ISO 18352、エアバス AITM1-0010、および ボーイング BSS 7260 タイプII。
支圧（ベアリング）強度と接合部の強度
繊維強化プラスチック積層板自体の機械的特性値に加えて、複合材料構造のレイアウトおよび設計目的のために、接合部の強度を決定する試験も実施されます。
この目的のために使用される標準化された試験方法は、大まかに三つの分野に分類されます：
- 接着剤の接着強度（重ね合わせせん断試験）：ASTM D5868、EN 6060、およびエアバス AITM1-0019に準拠
- ボルトまたはスタッド接合の強度および積層板面内での荷重による支圧応答試験：ASTM D5961、ASTM D7248、EN 6037、ISO 12815、エアバス AITM1-0009、AITM1-0065、および AITM1-0067 に準拠
- 積層板面に垂直な荷重によるファスナーの引抜抵抗（プルスルー抵抗）：ASTM D7332 および エアバス AITM1-0066 に準拠
複合材料の疲労試験
複合材料積層板の疲労挙動を決定し、S-N曲線を導出するために、動的繰返し試験が脈動引張荷重のもとで一般的に実施されます。適用可能な標準化された動的複合材料試験には、ASTM D3479 および ISO 13003 が含まれます。ISO 13003は、さらに動的繰返し曲げ荷重のもとでの複合材料疲労試験についても規定しています。
その他の標準化された動的複合材料試験方法は以下の通りです：
- ASTM D7615 に準拠した 穴あき引張 および 穴あき圧縮 疲労試験
- ASTM D6115 に準拠した モードI疲労荷重 のもとでの 層間き裂成長
- ASTM D6873 および エアバス AITM1-0074 に準拠した ボルト接合部の疲労 および 動的支圧応答試験
- エアバス AITM1-0075 には、ILSS、ILTS、OHT および OHC、FHT および FHC、プルスルー、CAI、および 重ね合わせせん断疲労試験を実施する方法に関する概要情報が含まれています。
複合材料試験に対応するユニット交換型（モジュラー）の試験機
試験量が多い大規模な試験機関では、非常に多様な複合試験方法に異なる試験機を使用することで、変換作業を最小限に抑えることができます。個々の試験機は、さまざまな種類の試験に必要な力の範囲に合わせて調整できます。複数の試験機への投資が意味をなすほど試験数が多くない、あるいは同じ試験試験を相当数行わない等の場合、代替の選択肢は1の試験機を装備し、最短の労力で冶具の段取り換えなどを行い、多くの試験メッソドに対応する事です。
ツビックローエルは、複合材料試験用にモジュール式の試験機デザインを開発しました。これは、100 kN または 250 kN の試験機として提供され、21の試験方法と約120の試験規格（ISO、EN、ASTM、さらにはエアバス AITM やボーイング BSS）をカバーしています。そして、室温または -80℃から+360℃ までの低温または高温での試験において、繊維強化複合材料の包括的な特性評価を可能にします。
