複合材料とは、異なる特性を持つ成分を最適な方法で組み合わせた高度な材料調製技術によって生み出された新しい材料です。 1940 年代に、航空業界のニーズにより、ガラス繊維強化プラスチック (一般にグラスファイバーとして知られる) が開発され、「複合材料」という用語の始まりとなりました。 1950年代以降、カーボン繊維、グラファイト繊維、ボロン繊維などの高強度・高弾性繊維が次々に開発されました。 1970 年代までには、アラミド繊維や炭化ケイ素繊維も登場しました。さまざまな分野、特に航空宇宙、自動車、建設、エレクトロニクス、新エネルギー分野で複合材料の応用が増加するにつれ、世界の複合材料産業は継続的な成長傾向を示しています[8]。

さまざまな業界でより多くの複合材料や構造が使用されるにつれ、それらの損傷を検査する方法を理解することが重要なテーマになっています。 この記事では、複合材料の一般的な非破壊検査 (NDT) 方法をいくつかレビューします。

非破壊検査 (NDT) は、複合材料業界の標準的な検査方法であり、他の方法で材料を切断したり変更したりする必要がありません。高品質な製品を生み出すためにも欠かせないものです。選択できる NDT 方法はいくつかありますが、複合積層板の欠陥の種類、サイズ、位置、深さを完全に理解するには、複数の方法を同時に使用する必要がある場合があります [23]。

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(1) 目視検査は、複合構造を検査するための基本的かつ有用な方法です。これは検査官が最初に使用する方法であるはずですが、見落とされがちです。浅い角度の光の下で複合積層板を観察すると、傷、しわ、ブリッジング、表面のボイド、層間剥離、皮の剥離、積層、熱損傷、目に見える衝撃損傷などの目に見える欠陥を特定するのに役立ちます。

目視検査の最も重要な利点は、特殊な機器を必要としないため、プロセスが迅速で比較的手頃な価格であるため、コストが節約できることです。しかし、この方法には人為的ミスの可能性や表面下の欠陥の検出の難しさなど、固有の限界もあります。[41]

(2)衝撃試験も基本的な検査方法です。これには、ハンマーまたはコインで部品の表面を軽くたたきます。明るい金属音は構造が健全であることを示し、鈍い「ドスン」という音は層間剥離や剥離などの欠陥の存在を示します。デジタルハンマーは衝撃応答を測定し、ラミネートが応答するまでにかかる時間をミリ秒単位で表示します。応答時間が短いということは、構造が衝撃を吸収する量が少ないことを示しており、構造が固体であることを示唆しています。逆に、欠陥が存在する場合、応答時間が長くなり、ディスプレイ上の読み取り値が高くなります。

この方法は、厚さが 3.05 mm 未満の薄いラミネートに対してはより効果的ですが、非常に厚いラミネートに対しては信頼できる結果が得られない可能性があります。もう 1 つの欠点は、特にラミネートの背面が別の構造に接着されている場合に、誤った読み取り値が得られる場合があることです。[52]

(3) 超音波検査 (UT) は現在最も広く使用されている非破壊検査方法です。超音波試験の原理には、高周波エネルギー波 (0.5 ～ 25 MHz の範囲) を積層体に送信し、これらの波形の振幅と飛行時間を捕捉して定量化し、材料特性と構造変化を分析することが含まれます。超音波検査で使用される主な方法は次のとおりです。


パルスエコー超音波検査: この方法は、送信機と受信機の両方として機能する片面超音波プローブを使用して実行できます。これは高圧パルス励起を使用して動作し、各電気パルスがトランスデューサー要素を活性化します。この要素は、電気エネルギーを超音波の形で機械エネルギーに変換します。波エネルギーは、テフロン® またはメタクリレートの接触チップを介してテスト部品に入ります。波形はテスト部品内で生成され、トランスデューサ要素によって検出されます。受信信号の振幅の変化、またはエコーがトランスデューサーに戻るまでにかかる時間は、欠陥の存在を示しています。パルスエコー試験は、層間剥離、亀裂、空隙、水分、接着コンポーネントの剥離を検出するために使用されますが、サンドイッチ構造のコアとスキンの間の層間剥離や欠陥を特定することはより困難です。[66]
透過型超音波検査: この方法では、検査領域の両側に 1 つずつ、計 2 つのトランスデューサーを使用します。超音波信号は、一方のトランスデューサーからもう一方のトランスデューサーに送信されます。次に、信号の強度損失が計測器を使用して測定され、この損失が元の信号強度のパーセンテージまたはデシベルで表されます。信号損失が参照基準を超える領域は、欠陥領域として識別されます。

低周波および高周波ボンディングテスター: これらのボンディングテスターは、1 つまたは 2 つのトランスデューサーを備えた検査プローブを使用します。高周波接合テスターは層間剥離やボイドを検出するように設計されており、直径 0.5 インチほどの小さな欠陥を識別できます。ただし、表面からハニカムコアまでの剥離や空隙は検出できません。低周波接合試験機は 2 つのセンサーを利用して層間剥離、ボイド、ハニカム コアの剥離を検出しますが、部品のどちら側が損傷しているかを判断できず、1.0 インチ未満の欠陥は検出できません。

フェーズドアレイ超音波検査: フェーズドアレイ検査は、複合構造の欠陥を検出するための最新の超音波法の 1 つです。これはパルスエコー法と同じ原理で動作しますが、数十個以上のセンサーを同時に使用するため、検査プロセスが大幅に高速化されます。

(4) 熱画像検査 パルス赤外線熱画像の動作原理には、試験片の表面欠陥を自動的に記録するための能動加熱技術の使用が含まれます。さまざまな熱特性によって引き起こされるマトリックス材料の温度差を測定し、表面と内部の両方での損傷の特定を可能にします。この方法は、非接触、リアルタイム、効率的かつ直観的な性質を特徴としており、複合材料と金属との接合構造における層間剥離、多孔性、剥離、層状欠陥、および領域型欠陥の検出に特に適しています。

サーマルイメージングは​​、超音波 C スキャン検査のために部品やコンポーネントを水に浸すことができない場合、または部品の表面形状により超音波検査が困難な場合に特に役立ちます。この技術は、複雑な構造の完全性を評価するための貴重な代替手段を提供します。[93]

(5) 放射線検査 (RT) は通常 X 線検査を指し、分解せずにコンポーネントの内部を観察できるため、貴重な非破壊検査 (NDT) 方法です。この方法は、X 線をテスト部品に通過させ、X 線に敏感なフィルム上の吸収の変化を捕捉することによって機能します。露光されたフィルムを現像した後、検査官は不透明度の違いを分析し、内部の詳細を効果的に視覚的に表現します。<103

X 線検査は、X 線方向に垂直な面での層間剥離などの欠陥の検出には理想的ではありませんが、X 線ビームに平行な欠陥の特定には優れています。角の剥離、コアの粉砕、コアの破損、コアセル内の水、発泡接着剤接合部の空隙などの内部異常、および内部詳細の相対位置は、X 線画像で簡単に確認できます。

ほとんどの複合材料は X 線に対してほぼ透明であるため、低エネルギーの X 線が必要です。安全上の懸念から、航空機の周囲での RT は一般に非現実的であり、オペレーターは鉛シールドを使用し、X 線源から安全な距離を維持する必要があります。

複数の放射線検査技術があり、それぞれ特定の用途に適しています:

標準 X 線撮影は、中程度の厚さの部位に適しています。
薄肉部（1～5mm）には低電圧X線撮影を使用します。
ガンマ線ラジオグラフィーは厚いコンポーネントに適用されます。
X 線イメージングを補完する方法である中性子ラジオグラフィーは、さまざまな媒体による減衰に基づいて内部の特徴を視覚化します。中性子透過は、材料内の原子核の中性子断面積の影響を受けるため、X線だけでは明らかにできない軽元素（腐食中の水素や水など）のような特徴の視覚化が可能になります。

(6) シアログラフィー試験: シアログラフィーは、シアログラフィー干渉計を使用してコンポーネントの面外変形を検出および測定するレーザーベースの光学的方法です。最初に、部品は無負荷状態で測定されます。次に、熱、機械、音響、圧力、真空、電気、磁気、マイクロ波、機械的ストレスなどの負荷を加えてテストを繰り返します。このプロセスにより、表面下欠陥が存在するラミネート表面のひずみ縞パターンをカメラで捉えることができます。

専用のコンピュータ ソフトウェアは、ラップされた位相マップ画像を外挿してアンラップされた位相マップを作成し、それを表示および評価用の統合された視覚画像に変換します。特に、この技術は欠陥の位置を迅速に明らかにすることができますが、欠陥の深さを決定するにはさらなる超音波検査が必要です。

アコースティック・エミッション (AE) 試験: アコースティック・エミッション試験は、負荷がかかった複合材料または構造によって生成される音響放射信号を検出および分析し、複合コンポーネントの全体的な品質を評価します。この技術は欠陥分析に効果的であり、複合材料内の損傷の進行と破損パターンを反映し、最終的な耐荷重強度を予測し、部品品質の弱い領域を特定します。

AE テクノロジーは実用的で使いやすく、機械試験中の材料の変形や損傷プロセスに関する貴重な洞察を提供します。 AE 手法には主に次のものがあります。

パラメータ分析: 振幅、エネルギー、継続時間、呼び出し回数、イベント数などの信号パラメータを記録して分析することで、重大度、場所、故障メカニズムなどの損傷特性を評価します。しかし、大きな欠点は、AE源情報が共振センサーによって隠蔽され、実験結果の再現性が低下する可能性があることである[149]。

波形分析: このアプローチでは、AE 信号波形を記録および分析して、スペクトルと相関関数を取得します。これは、損傷の段階とメカニズムに関連する周波数特性を特定するのに役立ち、材料の損傷プロファイルについての洞察を提供します。

スペクトル分析: この技術には、古典的なスペクトル分析と最新のスペクトル分析の両方が含まれており、AE 信号を時間領域から周波数領域に変換します。周波数領域でのさまざまな信号特性を調査することで、固有の AE 音源情報を特定できます。ただし、スペクトル分析では信号が定常的な周期信号であると想定されているため、局所的な情報変化を捕捉する能力が制限されます。