複合材の試験
繊維強化プラスチック（FRP）は、優れた重量比機械的特性、非常に良好な疲労挙動、そして設計上の観点から高い柔軟性を備えた高性能材料であり、航空宇宙、風力エネルギー、自動車分野をはじめ、様々な産業における軽量構造物に主に使用されています。一般的に、薄肉構造物には、個々の層から構成される多層複合積層板が使用されます。繊維強化の種類は、連続繊維強化一方向（UD）、スクリム、織物複合材から、不連続かつランダムに分散した強化繊維を含むFRPまで多岐にわたります。
材料開発、材料認定、品質保証、または複合構造のレイアウトと設計の特性値の決定を目的として、FRP 材料の機械的特性を評価するための複合材料テストが多数存在します。
- 単層の主荷重方向における機械的特性、および多層複合積層板の対応する特性値は、複合材の静的引張試験、複合材の圧縮試験、およびせん断試験によって測定されます。
- 品質保証の目的では、複合材の曲げ試験や層間せん断強度（ILSS）測定試験などの単純な静的試験が一般的に用いられます。
- 一般的な積層FRP積層板の層間剥離挙動を理解するために、層間エネルギー解放率を測定する静的試験が行われます。
- 衝撃後圧縮試験（CAI）は、航空宇宙で使用される複合材構造において重要です。この試験は、衝撃荷重によって事前に損傷を受けた積層板の静的圧縮残留強度を測定するために使用されます。
- 主に構造設計に必要なその他の静的試験には、支持強度や接着接合部またはボルト接合部の強度を測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、繰返し動的荷重試験によって判定されます。
複合材料試験方法：
引張試験 圧縮試験 せん断試験 曲げ試験 ILSS試験 層間エネルギー放出率 衝撃後の圧縮 (CAI) 支持強度 疲労試験
複合材料試験に関する追加情報:
モジュール式テストシステム 最大600 kNの荷重に対応する試験システム 極低温複合材料試験 アライメントサービス 導入事例
複合材の引張試験
複合引張試験機は、繊維強化プラスチックの引張弾性率とポアソン比の弾性特性値、および主材料方向の引張強さを測定するために使用されます。
- 複合材料引張試験の最も一般的な試験方法は、ISO 527-4 および ISO 527-5、ASTM D3039、さらに EN 2561 および EN 2597 です。
- エアバス工場規格 AITM 1-0007 には、ノッチのない多方向積層板の引張試験と、オープンホール引張試験 (OHT) およびフィールドホール引張試験 (FHT) を使用して引張強度を決定するためのノッチ引張試験の両方の試験要件が含まれています。オープンホールおよびフィールドホール引張試験は、主に航空宇宙用途で、開孔または閉孔引張荷重下での多方向積層板の低減係数を決定するために実行されます。オープンホールおよびフィールドホール引張強度を決定するための他の標準化された試験方法には、ASTM D5766およびASTM D6742があります。
複合材圧縮試験とノッチ圧縮試験
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ラミネート繊維の方向の圧縮強度はしばしば引張強度よりも低いため、また、引張および圧縮荷重下でのFRPラミネートの破壊モードが非常に異なるため、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、さまざまな試験方法と試験規格がありますが、大きく3種類の負荷タイプに区別されます：
- ASTM D695、DIN EN 2850 type B またはボーイングBSS 7260 type III、IVに準拠した端部圧縮試験
- ASTM D3410、ISO 14126 メソッド 1、 DIN EN 2850 type A、エアバス AITM 1-0008 試験片タイプ Aに準拠したせん断荷重による圧縮試験
- ASTM D6641、ISO 14126 メソッド 2、 エアバス AITM 1.0008 試験片タイプ Aに準拠した複合荷重による圧縮試験
前述の通り、ノッチのない積層板の圧縮値を決定するための上記の試験方法に加えて、ASTM D6484に準拠したオープンホール圧縮強度（OHC）とを決定するための複合材料の標準化されたノッチ付き圧縮試験試験もあります。
ノッチのない積層板の圧縮特性に加えて、複合材料の多方向積層体の圧縮荷重下での対応する削減係数を決定することができます。ノッチ付き圧縮試験については、産業規格であるエアバス AITM 1.0008の試験片タイプB、D、およびC、およびボーイングBSS 7260タイプIにさらに詳しく記載されています。
複合材のせん断試験
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（せん断弾性率やせん断強度など）を決定するために使用されます。主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別々のせん断試験から決定され、他の弾性特性値から計算されることはできません。これは、等方性材料の場合とは異なります。
せん断特性とせん断挙動の決定のためには、3つの異なる試験方法が確立されています：
- ±45°ラミネートの引張試験 - ISO 14129、ASTM D3518、およびエアバス AITM 1-0002
- Vノッチbeam（Iosipescu法）せん断試験 - ASTM D5379
- Vノッチレールせん断試験 - ASTM D7078
±45°ラミネートによる引張試験（面内せん断試験）では、引張試験と同じ試験アレンジが使用されることがあります。しかし、せん断ひずみの計算には軸方向のひずみに加えて横ひずみの記録が必須です。
IosipescuとVノッチレールせん断試験には、ノッチ付き試験片とそれに対応した試験治具が必要です。ここでも二軸ひずみ測定が必要です。二軸ひずみゲージがよく使用されます。代替手段として、デジタル画像相関（DIC）を使用して歪みを測定することもできます。
また、適切な厚さの積層板がある場合、Vノッチせん断試験を使用して面外せん断値を決定することもできます。
複合材の曲げ試験
積層体の曲げ試験は、比較的シンプルな試験アレンジ、試験体の形状と加工プロセス、および試験の性能により、素材の迅速な比較のための品質保証で頻繁に使用されます。繊維強化プラスチックの曲げ試験には、3点および4点の曲げ試験があります。一般的な標準試験方法は次のとおりです：
- ISO 14125およびASTM D7264による3点および4点の曲げ試験
- EN2562、EN 2746の3点曲げ及びASTM D790
- ASTM D6272による4点曲げ試験
試験装置全体の剛性が十分であるか、または試験装置内での変形が試験ソフトウェアで評価し、補正できる場合、3点曲げ試験ではしばしば機械の変位を使用することができます。
一方、4点曲げ試験では、試験片の中央でたわみを測定するために適切な変位計測システムが必要です。
積層間せん断強さ (ILSS)
積層間せん断強さ (ILSS)を測定する試験は、繊維強化プラスチックの品質保証に頻繁に使用される、最も一般的な静的試験の1つです。比較的小さな試験片だけが必要で、試験自体は迅速かつ簡単に行え、試験で決定される最大力だけが評価のために関連します。
積層間せん断強さ (ILSS)試験のための確立された試験規格はISO 14130、EN 2377、EN 2563、およびASTM D2344です。
これらの4つの規格は、長さ、幅、および厚さの試験片の寸法に異なる要件を使用することがありますが、すべて長方形の試験片の形状を説明しています。ASTM D2344によれば、圧力容器やパイプの壁から取られたような曲線状の試験片も説明しています。
ILSS試験に使用される試験アレンジは、試験規格で指定された非常に低い許容差を満たす必要があります。
層間エネルギー放出率の測定試験
複合積層板のはく離挙動を理解するために、破壊力学試験法を用いて、臨界エネルギー解放率および定常き裂成長時のエネルギー解放率を決定します。試験片を作製するには、非常に薄く非粘着性のプラスチックフィルム（テフロンフィルムがよく使用されます）を用いて積層板の中心面に人工的な裂け目を作った積層板が必要です。
最も一般的に実施される試験法は、き裂面に垂直な引張荷重によるき裂成長試験（モードI）と、積層板断面におけるせん断荷重によるき裂成長試験（モードII）です。積層板の亀裂伝播を計算するための数値解析法の校正には、混合モードI+II荷重の追加の試験方法があります。
- モードI：ISO 15024、EN 6033、ASTM D5528、エアバスAITM1-0005、ボーイングBSS 7273に準拠したダブルカンチレバービーム（DCB）試験
- モードII：ASTM D7905、EN 6034、エアバスAITM1-0006、ボーイングBSS 7273に準拠したエンドノッチ曲げ（ENF）試験
- モードII：ISO 15114に準拠した校正済みエンドロードスプリット（C-ELS）試験
- 混合モードI+II：ASTM D6671に準拠した混合モード曲げ（MMB）試験
衝撃後圧縮 （CAI）せん断試験
衝撃後圧縮 (CAI) 試験は、衝撃損傷後のラミネートの圧縮残留強度を測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、それぞれの試験規格で指定された衝撃エネルギーで事前に損傷を受けます。この方法により、特に航空宇宙産業で衝撃荷重がかかる可能性のある複合構造において、コンポーネントの安全性と信頼性を確保するために、複合積層板の損傷耐性について結論を引き出すことができます。
CAI 試験では次のテスト方法が確立されています：ASTM D7136 および ASTM D7137, ISO 18352、エアバス AITM 1-0010 、ボーイングBSS 7260 type II.。
支持強度と接合部強度
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、複合構造のレイアウトや設計を目的とした接合部の強度を測定するための試験も行われます。
この目的で使用される標準化された試験方法は、次の3つの領域に大別できます：
- 接着剤の接着強度（ラップせん断試験） ASTM D5868、EN 6060 およびエアバスAITM 1-0019に準拠
- ASTM D5961、ASTM D7248、EN 6037、ISO 12815、エアバス AITM 1-0009、AITM 1-0065、および AITM 1-0067 に準拠した、ボルトまたはスタッド接続の強度およびラミネート面に荷重を加えたベアリングレスポンス試験
- ASTM D7332 および Airbus AITM 1-0066 に準拠した、ラミネート面に垂直な荷重によるファスナーの引抜抵抗
複合材の疲労試験
複合積層板の疲労挙動を判定し、S-N 曲線を導き出すには、通常、脈動引張荷重下で動的繰り返し試験が実行されます。該当する標準化された動的複合材料試験は ASTM D3479 および ISO 13003 です。ISO 13003では、動的周期曲げ荷重下での複合疲労試験についても説明しています。
その他の標準化された動的複合試験方法は次のとおりです：
- ASTM D7615に準拠したオープンホール引張およびオープンホール圧縮疲労
- ASTM D6115 に準拠したモード I 疲労荷重下での層間き裂進展
- ASTM D6873 および エアバス AITM 1-0074 に準拠したボルト接続の疲労および動的ベアリングレスポンス試験
- エアバス AITM 1-0075 には、ILSS、ILTS、OHT & OHC、FHT & FHC、プルスルー、CAI、ラップせん断疲労試験の実行方法に関する概要情報が含まれています。
複合材のモジュール試験システム
多くの試験をこなさなければならない大規模な試験ラボは、個々の試験方法に対して異なる試験装置保有し、冶具の段取り換え等にかかる時間とコストを最小限に抑えています。 標準化された試験方法は、以下の荷重レンジで分ける事ができます：
- 1 kNまでの荷重：曲げ試験、エネルギー解放率、単一フィラメントの引張試験
- 10 kNまでの荷重：せん断試験（例：IPS、ILSS、Vノッチ）、フィラメントストランドの引張試験、UD 90°引張試験、厚さ方向の引張試験
- 最大100kNの荷重UD0°引張試験、ラミネートの厚さが薄い場合のMD引張試験、ISO、ASTM、EN規格の圧縮試験、ノッチ圧縮試験、ベアリング圧力試験
- 100 kNを超える荷重：相応のラミネート厚さを伴うエアバス規格での引張および圧縮試験、衝撃後の圧縮
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、このようなニーズに応えるために、電気機械式およびサーボ油圧式試験機用のモジュール式試験機コンセプトを開発しました。このモジュール式システムの利点は明らかです：すべての冶具とツール、伸び計、ソフトウェア、保護パネル、そして恒温槽はモジュール式で、一緒に動作するように設計されています。すべてのコンポーネントが後付けできるという事実は、このシステムを将来にわたって有効に使えることを意味しています。
