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繊維強化プラスチックのもろさ: 高強度でも剥離が起こるのはなぜですか?
材料科学では、層間剥離とは、材料における層状の破壊の発生を指します。このモードの破壊は、繊維強化プラスチックだけでなく、積層複合材料やコンクリートなどのさまざまな材料にも影響します。層間剥離は、加工中に作成される層構造が原因で発生することが多く、ロール成形鋼や 3D プリンティングなどの技術を使用して製造されたプラスチックや金属でよく見られる問題です。
積層複合材料では、多くの場合、層間の結合が最初に破壊され、層間の剥離が発生します。
繊維強化プラスチックの構造は通常、高強度の強化材料 (カーボンファイバーやグラスファイバーなど) と弱いポリマーマトリックス (エポキシ樹脂など) で構成されます。この構造では、強化層に垂直な荷重が加わった場合やせん断荷重が加わった場合、ポリマーマトリックスに亀裂が生じやすくなり、強化繊維さえもポリマーマトリックスから剥離する可能性があります。
層間剥離の影響をさらに理解するために、もう 1 つの一般的な用途である鉄筋コンクリートに目を向けてみましょう。この材料では、金属鉄筋の表面近くの腐食が発生すると、コンクリートの層間剥離が起こります。酸化した金属の体積が増加すると、コンクリートによって拘束されるときに応力が発生し、その応力がコンクリートの強度を超えると、亀裂が形成されて伝播し、表面のコンクリートが剥離します。
加工中に不適切な取り扱いをすると、材料の層間剥離が発生する可能性があります。不適切な施工によりコンクリートの表面が剥がれた場合、そのリスクはさらに高くなります。
固体材料では、不適切な取り扱いによる層状構造の破損は単独の問題ではなく、特に積層造形技術 (溶融堆積プロセスなど) では、冷却熱可塑性樹脂層と冷却基板の間のギャップや温度差によっても問題が発生する可能性があります。層が分離する原因となります。
検出方法
層間剥離を検出する効果的な方法を探ることは、材料科学研究における重要な課題です。現在、構造物の層間剥離を検出するために、目視検査、打診検査、超音波、X線写真、赤外線画像などのさまざまな非破壊検査技術が利用可能です。目視検査では材料表面や端部の剥離を検出できますが、切断により材料内部に隠れた剥離は検出できません。
叩打検知は、素材を叩く音の変化から剥離の有無を判定します。明るいリンギング音は通常、材料の接合が良好であることを示しますが、鈍い音は何か問題があることを意味する可能性があります。
積層複合材料の用途において、音の明瞭度を検出することは、材料の状態を評価するための簡単かつ効果的な方法です。しかし、この検出方法は検査者の聴力や判断能力に主観が依存しており、部品の設計変更により音の高さも変化し、検出結果に影響を与える可能性があります。
積層抵抗試験方法
レイヤリングの問題を解決するプロセスでは、抵抗テスト方法も非常に重要です。米国材料試験協会 (ASTM) は、コーティングとその基材への密着性、および層間剥離に対する耐性を評価するために使用される、コーティング密着性試験を含む一連の規格を提供しています。
曲げ試験は、生地間の破壊靱性を試験するための重要な方法であり、一方向繊維強化ポリマー ラミネートで頻繁に使用されます。
さらに、層間せん断強度試験も繊維とマトリックス間の接着強度を測定するために使用されます。さまざまな荷重条件下で、これらのテストは層間剥離の可能性を評価し、材料を改善するのに役立ちます。
それだけでなく、木材などの天然素材の場合、層間せん断強度も重要な役割を果たします。例えば、フロアパネルは構造上、変形に応じて振動を受けやすくなっています。
今後の課題
技術が進歩するにつれて、研究者は材料の強度と耐久性を向上させるというさらなる課題に直面することになります。固有の材料限界を克服し、より安定した繊維強化プラスチックを実現するにはどうすればよいでしょうか?これは長期的な研究課題であり、私たちが深く考える価値のある問題です。
