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Oct 05, 2023

複合材料の損傷を検出する非破壊技術

2 febbraio 2016, Sue

2016 年 2 月 2 日

スー・ホームズ著、サンディア国立研究所

研究者のデビッド・ムーアは、表面にかすかな織り模様があり、滑らかな硬質カーボン複合材料の長方形を持っています。 サンプルには通常の磨耗が見られますが、ひっくり返してそこから放射状に亀裂が入った円形の衝撃跡が現れました。

ムーア氏、カリフォルニアのサンディア国立研究所の同僚ティモシー・ブリッグス氏、そして彼らのチームにとっての疑問は、衝撃が複合材内部に重大な隠れた損傷を引き起こしたかどうかだ。 彼らは、X 線や超音波検査などの従来の医療検査技術と、赤外線画像、超音波分光法、コンピューター断層撮影などの高度な方法を使用して、複合材料の損傷を検出する非破壊的な方法を開発しています。

サンディアは、軽量材料が国家安全保障用途に使用できるかどうかを確認するために、数年前に複合材料の研究を開始しました。 携帯電話の複合材の耐久性はわずか数年であるが、「通常、国家安全保障用途の材料は数十年は存続しなければならない。これにより、その材料をどこで、なぜ使用するかについて考え方が変わる」とムーア氏は語った。構造力学およびX線/非破壊評価部門。 「私たちはコンポーネントのライフサイクルを研究する必要があります。私たちは破損や変形の結果と、何が起こったのかをどのように検証するかについて深く考える傾向があります。」

カリフォルニア州サンディアの軽量構造組織のブリッグス氏は、この取り組みは、軽量車両や風力タービンブレードのエネルギー効率や性能向上など、サンディアの国家安全保障の使命の多くの側面をサポートしていると述べた。

複合材料は、異なる特性を持つ別々の材料を結合します。 それらは多くの場合、カーボン、ケブラー、ガラスなどの強化繊維を備えた柔らかいポリマーマトリックスで構成されています。 複合材料では、髪の毛よりも細いカーボンストランドの束を使用して、高い強度対重量比を実現できます。 最終的な形状と強度は、部品を工業用オーブンで加熱した後に得られ、ポリマー樹脂が硬化し、構造コンポーネントに必要な品質が得られます。

複合材料は強度が高く、金属よりも軽いため、航空宇宙産業やその他の産業においてますます重要性が増しています。 ほとんどは航空機の翼などの用途で金属に接着できるため、飛行機が軽量になり、飛行コストが安くなります。

「私たちには金属とその破壊メカニズムを理解する豊かな歴史があります」とムーア氏は語った。 「複合材料はまったく異なります。」

サービストラックが複合航空機の胴体にバックした場合、衝突現場の検査では表面下の損傷が検出されない可能性があります。 このことは、さまざまな状況で複合材料がどのように反応するかを完全に評価できる非破壊技術の理由を浮き彫りにしています。

研究チームは、非破壊手法の精度と、それを生産現場でどのように使用できるかを評価しています。 「加工ステップで何が問題になる可能性があるか、そしてそれらを回避する方法を知らなければなりません。そして、1 個を作る場合でも、100 個または 1,000 個を作る場合でも、すべて同じ方法で作っていることを確認する必要があります。その時だ」とムーア氏は語った。

「検出可能性の限界、つまり良品、不良品、疑わしいものの閾値を確立すれば、『この複合材料をこの材料に規定の品質で接着させたいので、この技術で検査する必要がある』と言えるようになります。」彼は言った。

サンディアの軽量構造ラボでは、強度と剛性を調整するために複合材料層の特定の積層順序を使用して、研究対象の材料を定義および統合します。 ミズーリ州カンザスシティの国家安全保障キャンパスと連携して、プロセス手法の開発からプロトタイプの構築、特定の用途向けの設計の認定に至るまで、あらゆる作業を行っています。

複合材料を作成した後、製造ラボは機器を備えた実験用に試験片を切り出します。慎重に作成されたサンプルを使用して、変形、破壊、損傷の進行を研究します。 ブリッグス氏は「引っ張ったり、伸ばしたり、トルクを与えたり、押しつぶしたりする。彼はこれらの機械実験を行うので、破損に伴う破壊メカニズムを理解できる」とムーア氏は語った。 「次に、それらの故障モードのいくつかを検出しようとします。」

「複合材料の基本的な特性評価では、材料特性と構造特性を測定し、コンピュータモデリングとシミュレーションを検証するための情報を提供します」とブリッグス氏は述べた。

これらの破壊試験のデータは、材料がそのような反応を示した原因を理解するために、ムーア氏のチームによる非破壊評価と関連付けられている、とブリッグス氏は述べた。 この取り組みは、サンディア社の材料特性評価グループやモデリングおよびシミュレーションの同僚との緊密な協力にかかっており、コンピューターベースのシミュレーションの検証を支援します。

複合材料は特定の重量とサイズをサポートする必要があります。 「荷重を支える構造物は誰でも構築できますが、幾何学的な包絡線内に収まり、軽量になるように構造物を設計する必要があります」とブリッグス氏は言う。 「単に非現実的なレベルまでオーバーエンジニアリングすることはできません。非常に賢明で効率的な設計をしなければなりませんが、長期的な信頼性のために十分なマージンを確保する必要があります。」

オーブンやオートクレーブで接着された材料の熱膨張率は異なることが多く、たとえばアルミニウムは繊維強化プラスチックよりも膨張します。 硬化後に複合材料が冷えると、内部、特に界面に残留応力が蓄積する可能性があります。 複合材料がこれらの応力に耐えられない場合、接合が失敗する可能性があります。

サンディアは、場合によっては 5 分未満でサンプル検査を完了できる高度な技術を開発しています。 「これは債券の品質について多くの情報を迅速に得る方法だ」とムーア氏は語った。

彼のチームは、高度な超音波、フラッシュまたはアクティブサーモグラフィー、コンピューター断層撮影などの検査技術を評価するために、意図的に不適切に処理された複合材を使用しています。

超音波検査は 60 年前から存在していますが、コンピューターやその他の改良により、現在ではより複雑なアプリケーションを研究できるようになりました。 技術者のアンドリュー・レンファー氏は、中空で水が満たされたバレルを備えた小さなペイントローラーに似た手持ちの超音波ローラーで複合材料をスキャンしながらデモンストレーションを行っています。 彼がコンポジットのレイヤーをスキャンすると、コンピューター画面がそれらをカラーでマッピングします。黄緑色は OK です。 青は弱さを示します。 ローラーは、飛行機のような大きな曲面でもスキャンできます。

複合材料内の繊維と界面は、材料中を移動する超音波を散乱させます。 ムーア氏はそれを海の波に例えています。「波が海の岩面にぶつかると、波はその周りを動きます。波が砂に打ち上げられると吸収されます。そして、防潮堤にぶつかると、波のエネルギーはすぐに方向転換されます。これらは次のとおりです。」私たちが研究しているのと同じ基本、つまり複合マトリックス中を移動する超音波エネルギーです。」

材料の特性評価から得られる知識は、新しい非破壊技術の開発に役立ちます。「そのため、検査基準を確立する際に、何が検出できて何が検出できないのかをよりよく把握できるようになります」と同氏は述べました。

20 年以上前から市販されているフラッシュ サーモグラフィーは、非常に高エネルギーの光を表面に 15 マイクロ秒間フラッシュし、その後、赤外線カメラが表面がどのように冷えるかを監視します。 このプロセスには数分しかかかりません。

「これは非常に高速ですが、熱流の基本と、材料表面がどのように周囲に熱を放出するか、あるいは材料表面が内部で熱を伝達するかを理解する必要があります」とムーア氏は述べた。

この研究では、高品質の結合を持つ複合材料と、意図的に弱い結合で作られた複合材料が使用されています。 結果の違いは、チームが欠陥や損傷の検出を改善するのに役立ちます。 コンピューター画面には、問題の可能性を示す明るい点または暗い点が表示され、重ねられたグラフは、潜在的な問題の深さと画像上に示された時間とを結び付けます。

「問題は、それが懸念事項なのかということです。亀裂があるのか​​どうか、ということです。」 ムーア氏は語った。 「私たちはそれらの質問に答えることができるでしょう。欠陥が材料の奥深くまで広がる場合、それを検出できない可能性があります。技術の機能を理解し、その背後にある数学と科学を実行することが賢明です。」

コンピューター断層撮影システムは、小さな欠陥を見つけるのに効率的です。 この技術では、医療用 CT スキャンと同様に、1,000 枚の画像を撮影しながらサンプルを 360 度回転させ、対象物の各薄いスライスから画像を生成します。 撮影された各画像は 2 次元であるため、コンピューター アルゴリズムがすべてを再構築、計算、位置特定して表示し、オブジェクトを 3 次元で表現します。

「3D画像が再構築されたら、前面を見て、厚さの中を移動し始めて、表面の下にあるものを確認します」とムーア氏は述べた。 「このテクノロジーは知識ベースラインを提供し、他のテクニックがどのように機能しているかを検証します。」

サンディア社は、検査技術を指定して認定することで、設計が要件を満たしていることを確認する必要があり、現在、国家安全保障キャンパス向けの検査手順を作成しているとムーア氏は述べた。 「許容基準と限界を確立すれば、製品の定義を確立できる」と同氏は語った。

サンディア国立研究所提供