複合材の試験

複合材の引張試験は、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特性値、ポアソン比、および引張強度を決定するために使用されます。

• 複合材の引張試験に最も一般的な試験方法には、ISO 527-4＆ISO 527-5、ASTM D3039、EN 2561、およびEN 2597があります。
• エアバス規格であるAITM 1-0007には、ノッチを設けない多方向ラミネートの引張試験と、Open Hole Tension（OHT）およびFilled Hole Tension（FHT）試験方法を使用して引張強度を決定するための試験要件が含まれています。Open Hole Tension（OHT）とFilled Hole Tension（FHT）試験は、主に航空宇宙のアプリケーションで行われ、オープンまたはクローズドホール引張荷重下で多方向ラミネートの削減係数を決定するために行われます。オープンホールおよびフィルドホール引張強度の決定のための他の規格試験方法には、ASTM D5766およびASTM D6742があります。

複合材の圧縮試験は、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。複合材料の場合、ラミネート繊維の方向における圧縮強度は通常、引張強度よりも低いことが多く、また、引張および圧縮荷重下でのFRPラミネートの破損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ています。

複合材の圧縮試験には、さまざまな試験方法と試験規格があります。これらの試験方法は、次の3つの負荷タイプに区別されます：

• 端部負荷圧縮試験：ASTM D695、DIN EN 2850タイプB、ボーイング BSS 7260タイプIIIおよびIV
• せん断負荷付き圧縮試験：ASTM D3410、ISO 14126メソッド1、DIN EN 2850タイプA、およびAirbus AITM 1-0008試験片タイプA
• 結合負荷圧縮試験：ASTM D6641、ISO 14126メソッド2、およびエアバス AITM 1.0008試験片タイプA

上記のノッチを設けない積層材の圧縮値を決定するための試験方法に加えて、オープンホール圧縮強度（OHC）を評価するためのと、ASTM D6484による評価、そしてフィルドホール圧縮強度（FHC）を評価するための試験方法も存在します。ASTM D6742による評価も含まれます。
ノッチを設けない積層材の圧縮特性に加えて、圧縮荷重下の多方向積層材の対応する低減係数を決定できます。ノッチ付き圧縮試験については、業界規格のエアバス AITM 1.0008試験片タイプ B、D、C、およびボーイング BSS 7260 タイプ I に詳しく説明されています。

複合材のせん断試験は、せん断弾性率やせん断強さなどの繊維強化プラスチックの面内せん断特性を測定するために使用されます。FRP（繊維強化プラスチック）材料では、主要な材料の方向によって特性が異なるため、せん断弾性率は他の弾性特性値から計算することができず、別々のせん断試験で決定する必要があります。これは、等方性材料の場合と異なります。

せん断特性とせん断挙動を決定するための3つの異なる試験方法が確立されています：

• ±45°積層材引張試験：ISO 14129、ASTM D3518、およびエアバス AITM 1-0002
• V-ノッチビーム（Iosipescu）せん断試験：ASTM D5379
• V-ノッチレールせん断試験：ASTM D7078

±45°積層材（平面内せん断試験）引張試験では、引張試験に使用されるのと同じ試験装置が使用できます。ただし、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要です。

Iosipescu（イオシペスク）およびV-ノッチレールせん断試験には、切り込み試験片とそれに対応する試験装置が必要です。ここでは、双軸ひずみ測定も必要です。双軸ひずみゲージがよく使用されます。別の方法として、ひずみをデジタル画像相関（DIC）を使用して測定することもできます。
また、必要な厚さのラミネートが利用可能な場合、V-ノッチせん断試験 は平面外のせん断特性を決定するためにも使用できます。せん断試験の概要については、複合材の曲げ試験も含まれます。

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)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。

複合ラミネートのデラミネーション挙動を理解するために、臨界エネルギー解放率と安定なクラック成長中のエネルギー解放率を決定するための破壊力学的な試験方法が使用されます。試験片を製造するには、非常に薄くて粘着性のない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）を使用して、ラミネートの中心平面に人工的な裂け目を作成する必要があります。

裂け目の成長を評価する試験方法は、裂け目の表面に対して垂直な引張荷重によるもの（モードI）と、ラミネートの断面にせん断荷重によるもの（モードII）が最も一般的に行われています。また、ラミネート内のクラック伝播を計算するための数値方法のキャリブレーションのために、ミックスモードI+IIの試験方法も存在します。

• モードIは、Double cantilever beam（DCB）試験（ISO 15024、EN 6033、ASTM D5528、エアバス AITM 1-0005、ボーイング BSS 7273）
• モードIIはend-notched flexure (ENF)試験（ASTM D7905、EN 6034、エアバス AITM 1-0006、ボーイング BSS 7273）
• またはキャリブレーションエンドローデッドスプリット（C-ELS）試験（ISO 15114）
• ミックスモードI+IIはミックスモード曲げ（MMB）試験（ASTM D6671）

衝撃後圧縮 （CAI）試験は、衝撃によるダメージ後のラミネートの圧縮残留強度を決定するための試験方法です。試験片は、該当する試験規格で指定された衝撃エネルギーで事前に損傷させます。この方法により、複合ラミネートの耐損傷性についての結論を導くことができ、特に航空宇宙産業の衝撃負荷が発生する可能性がある複合材において、部品の安全性と信頼性を確保します。

CAI試験には次のような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 AITM 1-0010、およびボーイング BSS 7260 タイプII。

繊維強化プラスチックラミネート自体の機械特性値に加えて、複合構造物のレイアウトと設計に関するための接合部の強度を決定するための試験も実施されます。

この目的で使用される標準的な試験方法は、大まかに以下の3つの分野に分けることができます：

• 接合部の強度（ラップせん断試験）：ASTM D5868、EN 6060、エアバス AITM 1-0019
• ボルトやスタッド接続の強度やラミネート平面に荷重をかけるベアリングレスポンス試験：ASTM D5961、ASTM D7248、EN 6037、ISO 12815、エアバス AITM 1-0009、AITM 1-0065、AITM 1-0067
• ラミネート面に垂直に荷重をかけた際の締結材の引抜き抵抗：ASTM D7332およびエアバス AITM 1-0066

複合材料ラミネートの疲労挙動を評価し、S-N曲線を導出するために、一般的にはパルスする引張荷重の下で動的繰り返し試験が実施されます。適用可能な標準的な動的複合材料試験には、ASTM D3479およびISO 13003があります。ISO 13003はさらに、動的繰り返し曲げ荷重下での複合材料疲労試験を説明しています。

他の標準的な動的複合材料試験方法には、以下のものがあります：

• ASTM D7615によるオープンホール引張・圧縮疲労
• ASTM D6115によるモードI疲労荷重下での層間クラック成長
• ASTM D6873およびエアバス AITM 1-0074によるボルト接続の疲労および動的な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、引抜き、CAIおよびラップせん断疲労試験の実施方法に関する概要情報が含まれています。