キーワード：曲げ疲労、複合体の機械的強度、熱安定性、織りガラス繊維複合体、ASTM D 6272、エレクトロニクス
EF035-JA
要約
本研究では、Electroforce 3330ロードフレームを使用して、2つのグレードのガロライト織りガラス繊維複合体の曲げ特性および疲労寿命に対する動作温度の影響を調べます。これらの試料について、2つの動作温度下で4点曲げ単調および正弦波疲労負荷を実施しました。複合体の曲げ強さ、弾性率、疲労寿命を測定し、比較します。結果は、曲げ荷重における機械的特性と疲労寿命の温度依存性を示しています。両方のグレードのガロライトの疲労寿命は、100℃の高い動作温度で有意に低下したものの、グレードG11はその強さの割合をG10よりも多く維持しました。これらの実験方法および知見は、様々なアプリケーションにおいて異なる動作温度で材料の性能に関する理解を深めるために役立てることができます。
はじめに
織りガラス繊維複合材は、金属、セラミック、プラスチックなどの従来の材料と比較して、剛性対重量比および強度対重量比が高いため、構造支持体として広く使用されています。[1]ガロライトは、よく知られた高性能の織りガラス繊維複合体で、さまざまな熱硬化性樹脂に埋め込まれた織りガラス布から作られます。その電気絶縁特性、寸法安定性、耐久性、耐湿性のために、主にエレクトロニクス、医療、航空宇宙、海洋分野のアプリケーションで使用されています。G 10とG 11は、ガラスエポキシのガロライト積層体の2つのグレードであり、主にその非常に優れた強度と熱安定性で知られています。G-11はG-10と同様の組成を有していますが、高温でその構造強さを保持するために異なった樹脂添加剤が使用されています。
温度は、複合体の材料性能を左右し得る重要な要因の1つです。以前の研究では、動作温度が上昇すると、樹脂の分解と繊維結合の弱化を招くため、繊維強化複合体の強度を低下させることが示されています。[2]したがって、ガロライトあるいは一般的に複合体をより高温で使用するアプリケーションが増加していることから、その熱安定性の理解を深めることが必要になります。しかし、疲労荷重下でのガロライトの機械的特性に対する温度の影響を検討した研究は、わずかしかありません。多くのアプリケーションにおいて、反復または周期的な負荷は避けられず、また、複合体は亀裂や変形などの損傷を蓄積するため、寿命短縮の程度を徹底的に評価することが重要です。[3]本研究では、2つの市販のガロライト複合体であるG10およびG11の機械的特性を2つの異なる温度で調べ、特にそれらの疲労挙動に対する温度の影響を検討します。
実験
断面が25.4 mm X 3.2 mm（供給元：McMaster-Carr、米国イリノイ州）の2つの市販の織りガラス繊維複合体製長方形角棒G10およびG-11を試験して、高温での構造安定性を評価しました。サプライヤーが提供した材料特性を表1に示します。
表1. ガロライト複合体の材料特性。
| G-10 | G-11 | |
|---|---|---|
| 引張強さ (MPa) | 240-345 | 289-404 |
| 曲げ強さ (MPa) | 310-413 | 384-528 |
| 最高温度 (℃) | 130 | 170 |
| *弾性率や疲労強度の仕様は提供されていません | ||
単調荷重破壊および周期疲労破壊による4点曲げ試験を室温（RT）および100℃で試料に対して行いました。試験は、-150℃～ 350℃の温度範囲を有するオーブンを備えた、3000 Nの荷重容量を有するTA Instruments ElectroForceロードフレーム3330型を使用して実施しました（図1）。
試料の形状と試験条件は、ASTM D 6272 -17規格の要件に準拠しています。[4]支持スパンの長さは54 mm、そのうち荷重スパンが18 mmであり（図2）、試験した試料の長さは、支持部の両端に十分な突き出し長さを設けるために100 mmでした。表面に近い繊維の損傷を避けるために、試料のスパン長さ以内の試験面には機械加工を実施していません。
単調試験は0.03 mm/sの変位速度で行い、正弦周期疲労荷重は10 Hzの周波数で行いました。疲労実験はすべて荷重制御下で0.1のR比を使用して実施しました。高温試験では、オーブンを室温から100℃に加熱し、ロード前に30分間保持し、試験の間常に維持しました。単調試験結果を使用して、疲労試験の最大応力レベルを確立しました。疲労試験中に加えられる最大応力は、曲げ強さの25〜95 %の範囲です。
最大応力集中領域が大きい4点曲げ試験は、複合材料の局所的な欠陥に起因する結果の変動を低減するのに役立ちます。2つの荷重スパン間（支持スパンの3分の3の荷重スパン）の最大応力とひずみは、それぞれ式1及び式2によって計算されます。[4]
S=PL / bd2 (1)
ε = 4.7Dd / L2 (2)
式中、Sは荷重スパン全体にわたる外側繊維内の応力、Pは荷重－偏向曲線上の所与の点における荷重、Lは支持スパン、bは角材の幅、dは角材の深さ、εは外側繊維内の最大ひずみ、Dは角材の中心の最大偏向を示しています。曲げ強さは、材料破壊前の最大応力として定義され、弾性率は、弾性領域内の応力対ひずみの比率です。
結果および考察
単調4点曲げ試験の結果を図3に示します。室温と100℃の2つの温度におけるG10およびG11の複合体の代表的な応力－ひずみ応答を図3aに示します。各条件について、3回の反復試験を実施しました。繰り返し試験はすべて再現可能な応力－ひずみ曲線を示し、結果は試料間で一貫した破断挙動を示しました。応力は最大強度に達するまで直線的に増大し、破断後に低下しています。
室温では、破断応力が409.0 ± 2.4 MPaのG10と比較して、G11複合体は487.1 ± 9.9 MPaの高い曲げ強さを示しています（図3b）。両方の複合体は、それらの動作温度内で試験されていますが、それより高い温度の100℃で曲げ強さの著しい低下が見られます。しかし、G11はその構造強さの約80%を保持して大幅に優れた性能を発揮しますが、G10はその強さの68%しか保持していません。サプライヤーが指定した最大動作温度よりも低いのにもかかわらず、両方の複合体の屈曲率がより高い動作温度で減少することに注目すべきです。室温での実験結果は、表1のサプライヤーによって報告された材料特性と一致していますが、報告された最大動作温度をはるかに下回っている100 ℃で、両方の複合体の構造強さの劣化があります。
連続荷重により複合材料系の損傷を蓄積して、様々な応力レベルで破断するまでのライフサイクルを評価するために、4点曲げ疲労試験を実施しました。最初の疲労実験は、単調試験から得られた平均曲げ強さ（比例限界）の95%の応力で行いました。比例限界応力の25%～95%の範囲である十分に高い疲労応力レベルを使用して、確実に周期荷重中に破断が発生するようにしました。0.1の荷重比を考慮すると、荷重スパンに接触する上面には圧縮応力がかかり、支持スパンに接触する他の面には引張応力がかかりました。各試料の疲労寿命は、最終破断に至るまでのサイクル数として特徴付けられます。
図4は、各複合体につき2つの温度において、疲労寿命（破断までのサイクル数）を最大疲労応力の関数（S-N曲線）として示しています。S-N曲線は、各複合体の異なる温度での疲労性能の比較を示しています。結果は、すべての場合において応力が増加するにつれて破断までのサイクルが減少することを示していますが、室温では、G10と比較してG11は疲労寿命において有意に優れた性能を発揮しています。さらに、G11は、100℃の連続動作温度でより多くの疲労寿命サイクル数を保持しています。例えば、200 MPaの疲労応力を室温と100℃の温度で比較すると、G10では疲労寿命が91%低下しますが、G11では46%しか低下していません。すべての試料は、曲げ強さについて25%の低い応力レベルであっても2 Mサイクル未満で破断したため、実際のサイクル荷重が2 Mサイクルを超えて延長する可能性のある用途のために材料強度を適切に評価するためには、より低い応力レベルでの長期間の実験が必要です。
おわりに
単調荷重破断試験および周期疲労破断試験を4点曲げで、2つのグレードのガロライト複合体（G10およびG11）に対して、2つの異なる温度の室温 (RT) および100℃で行いました。G10と比較して、G11は室温でより高度な曲げ強さを示し、100℃でより高度な強さを維持しました。疲労破断は、単調曲げ強さの25 %と低い応力レベルでも200万サイクル前に発生し、耐久限界は観察されませんでした。したがって、2 Mサイクルを超えるアプリケーションの疲労限界を理解するには、より長い試験が必要です。複合体の疲労寿命は、高温で低下します。G11は、100℃のより高い動作温度でその構造強さを保持することにおいて有意に優れた性能を示しました。4点曲げ試験の結果は、温度がガロライト複合体の曲げ強さと疲労寿命に大きな影響を与えることを示しています。結果は、表1に示されているサプライヤーの仕様が、記載されている温度範囲全体には適用されない可能性があることを示しています。したがって、材料の性能をより深く理解するためには、異なる動作温度で材料を試験することが重要です。
今後の展望
DMA (動的機械分析) 方法を使用した弾性率および粘弾性特性に対する温度の影響のより包括的な研究は、別のアプリケーションノートで公開します。DMAは、最大定格温度の付近やそれを超える温度での材料特性およびガラス転移温度について、より深い洞察を提供します。
参考文献
- Paradiso A, Mendoza I, Bellafato A, Lamberson L. Failure behavior of woven fiberglass composites under combined compressive and environmental loading. Journal of Composite Materials. 2020;54(4):519-533. doi:10.1177/0021998319878771
- Zhou F, Zhang J, Song S, Yang D, Wang C. Effect of Temperature on Material Properties of Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) Tendons: Experiments and Model Assessment. Materials (Basel). 2019;12(7):1025. Published 2019 Mar 28. doi:10.3390/ma12071025
- Rasheduzzaman, Mohammad, and M. N. Cavalli. “Failure Mode Transition in Fiber Composite Fatigue.” Fracture, Fatigue, Failure, and Damage Evolution, Volume 5. Springer, Cham, 2015. 165-172.
- ASTM D6272-17 (2017) Standard Test Method for Flexural Properties of Unreinforced and Reinforced Plastics and Electrical Insulating Materials by Four-Point Bending. ASTM International, West Conshohocken.
謝辞
本稿は、TA Instrumentsのアプリケーションサポート科学者であるSoheil Daryadel博士が執筆しました。
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