座屈損傷をしたGFRPの接着剤適用補修による特性回復評価
座屈損傷をしたGFRPの接着剤適用補修による特性回復評価に関する報告の論文概要と、
それを踏まえた技術的ポイントを解説します。
劣化・損傷したFRPの補修による機能回復の概念は今後重要となる
地政学リスクという単語にも手垢がつきつつあります。
市場ニーズに基づき新しいもの開発、製造して稼ぎ、
その後の廃棄をはじめとした処理には関与しない、
といった事業のコンセプトはもはや時代遅れといっても過言ではないのかもしれません。
ここで重要なのは日本人が昔から得意としてきた直しながら長く使うという考えです。
FRPは元々補修材としての適応能力が高い
直しながら長く使うときに求められる考えが”補修”です。
壊れた部分を補強するなりして、できる限り元の状態に戻すイメージです。
熱硬化性樹脂をマトリックスとしたFRPは、
硬化前であれば様々な形状に追従できる柔軟性を持っています。
そのため、複雑な形状物であってもそれに合わせることができます。
例えば表面にクラックの入った構造物であれば、
そのクラックの伸びる方向と垂直方向に強化繊維を配向させてFRPを積層し、
室温放置か加熱によってマトリックス樹脂を硬化させます。
結果、強化繊維はクラックの開口による進展を抑える方向を補強する役割を果たし、
より長く使える状態となります。
FRPは補修材としての適応能力が高いといえるでしょう。
補修に使う場合は強化繊維形態と配向の選定に加え、前処理や積層法に注意を
前出の通りFRPはそれ自体が補修材として機能しますが注意点もあります。
まずは強化繊維の形態と配向です。
繊維形態と配向
配向については既に述べた通り、損傷が進展することを抑える方向に強化繊維を積極的に配向させることが肝要です。
これは設計的視点でいうと”異方性の活用”です。
強化繊維形態については、外力による損傷の進展を抑えたい方向にはできる限り長繊維、
理想的には連続繊維を用いることが重要です。
逆に力がかからず外的な腐食媒体への耐性を高めるなど、
静的かつ未荷重での耐久性向上が狙いであれば、
強化繊維はガラスマットや不織布の様な連続繊維でなくてもいいので、
保護層の厚みを稼げる強化繊維形態を選択する必要があります。
さらに補修材であるFRPと補修される母材間の密着性や接着性を高める、
または硬化不良を回避するため、
FRP積層前に母材の洗浄を行って油分や酸・塩基などをできる限り除去する対応が必要です。
積層方法
積層端部を減らす積層法を選定することもポイントです。
例えば面にパッチの様な形で積層するよりも、
形状が許すのであれば周方向に一周させるというのが一案です。
FRPは端部から剥離する可能性があるためです。
それが難しければ、力のかかる方向をあらかじめ想定し、
当該方向にできるだけ長くFRPを積層するということも類似の効果が得られます。
FRPを補修材として活用する、またはFRPを補修するということについては過去に何度か取り上げたことがあります。
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上記のようなFRPに関連する補修ということを念頭に、
今回は座屈損傷をしたGFRPの接着剤適用補修による特性回復評価に関する論文をご紹介します。
座屈損傷をしたGFRPの接着剤適用補修による特性回復評価に関する報告の参照元
今回参考にしたのは、日本材料学会誌に掲載されていた以下の論文です。
田中 行平 他, 座屈損傷を有する厚肉GFRPの接着補強による補剛評価, 材料, 2026, 75, 3, p.p.252-258
内容を抜粋してご紹介します。
座屈損傷を与えた厚肉GFRPを接着剤で補修した場合の特性回復評価が主目的
今回ターゲットにしているのはガラス繊維を強化繊維にマトリックス樹脂を含浸させたGRRPです。
このGFRPに圧縮荷重をかけて座屈損傷を与え、その損傷個所に接着剤を適用することで、
どのような特性回復挙動を示すのかを評価しています。
評価対象はVaRTM成型した厚物のGFRP
評価に用いたのはVaRTM成型した80 X 100 X 70 [W/H/T 単位mm]のGFRP直方体です。
積層構成は[-30/0/30]25です。
成型体の弾性率が27GPaになるよう調整したと書かれています。
強化繊維やマトリックス樹脂の詳細に関する情報は記載されていないため不明ですが、
エポキシ系接着剤を用いていることからマトリックス樹脂はエポキシかもしれません。
強化繊維も繊維配向を指定し、また断面画像から比較的繊維方向が揃っているように見ることから一方向材であるUDを基本としている可能性があります。
ただのUDだとばらばらになるので、[-30/0/30]のNCF（Non Crimp Fabric）であると想像します。
NCFは風力発電ブレードやインフラにも使われており、参照した論文の想定用途にも合致すると考えます。
※関連コラム
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VaRTM成型についての補足
VaRTM成型はRTM成型の一種という表現が認められますが、
私の解釈ではRTMではなくインフュージョン成型です。
RTMというのは樹脂未含浸の強化繊維を上型と下型がともに”型”であることを基本としており、
上型に該当する部分がバックフィルムのものは基本的にインフュージョン成型です。
インフュージョン成型は強化繊維の入った空間を減圧することで、
マトリックス樹脂をその差圧で引き込みます。
RTMは基本的には型閉じした後、
マトリックス樹脂を加圧して型内に注入するという違いがあります。
いずれにしてもインフュージョン成型（参考にした論文中でいうVaRTM）は、
樹脂を後含浸するという工程の難しさがある一方で、
厚物のFRP成型体の製作に適しているという特徴を持ちます。
厚物として想定しているのはインフラ構造物や翼とのこと。
後者でいう翼はGFRPであることを考慮すると風力発電ブレードを想定していると考えます。
試験片は座屈損傷や穴加工を施し、接着剤補修をするなどした7水準
詳細は論文中のTable 1に示されています。
以下の7水準です。ここでは各試験片について仮の名称である(a)から(g)としました。
-
- 成型したそのもの： 試験片(a)
- 試験片(a)に座屈損傷を付与： 試験片(b)
- 試験片(a)にΦ45の貫通孔を積層方向に導入： 試験片(c)
- 試験片(b)にΦ45の貫通孔を積層方向に導入： 試験片(d)
- 試験片(d)の貫通孔壁面に室温条件で接着剤を導入し、常温硬化： 試験片(e)
- 座屈損傷部を80℃に加熱した状態で、試験片(d)の貫通孔に室温環境で接着剤を導入： 試験片(f)
- 座屈損傷部を80℃に加熱した状態で、試験片(d)の貫通孔に80℃に加温した接着剤を導入： 試験片(g)
座屈損傷は試験片に圧縮荷重をかけることで付与しています。
試験片最下部が座屈損傷した試験片の中に、
層間方向から補修用の接着剤を導入するため貫通孔を導入しています。
補修に用いた接着剤
使用した接着剤はSikaBiresin(R)CR910というポットライフ180分、硬化条件は80℃×2時間とのこと。
加温は試験片の温度を見ながらホットプレートで行ったようです。
この製品のデータシートを見ると、アミンを硬化剤とする二液性エポキシ接着剤であり、
アミン種の選定によってポットライフや接着せん断特性などが変化するようです。
80℃は加温できる場合の推奨硬化条件のようですが、
恐らくこの温度域を想定した硬化システムであれば室温でも硬化反応は進行するものと考えます。
この接着剤は補修用途に使うことを想定しており、
その主用途の一つとして風力発電ブレードであるといった記述も認められます。
※参考情報
【積層構造補修用エポキシ樹脂】SikaBiresin CR910｜LEBO ROBOTICS株式会社
実際に硬化温度による接着特性に違いがあるかを確認するため、
エポキシ樹脂をマトリックスとしたFRPをこの接着剤を使って2枚貼り合わせ、
Lap shear形態の試験片（論文中Figure 2）を製作して80℃と常温で硬化させた場合の接着強度を確認しています。
ここでいう接着強度は”圧縮”での評価となるようです。
圧縮荷重による座屈損傷の補修を念頭に置いているためだと考えます。
結果、80℃硬化では平均強度が15.7MPa、常温だと同9.8MPaとのことで、
メーカ推奨硬化条件の方が接着特性が高いことが示されました。
本点についての考察は後述します。
圧縮荷重の負荷
前出の座屈損傷導入では、GFRPのマトリックス樹脂のガラス転移温度より高い90℃以上に加温した上で汎用試験機で圧縮したとのこと。
試験片(b)は101から130℃に加温した状態で、171から194kNの圧縮荷重をかけることで座屈させたと書かれています。
座屈したことで端部が最大5mm盛り上がった様子が画像でも確認できます（論文中のFigure 3）。
さらに圧縮荷重は複数回かけており、
2回目の荷重負荷では圧縮弾性率が78から84%低下し、
ヒステリシスを示すことが荷重変位線図で示されています。
座屈損傷後の貫通孔導入と接着剤による補修の効果
座屈損傷を受けた試験片(b)に貫通孔を導入後、
当該箇所に接着剤を刷毛で塗布して室温硬化させることで補修した試験片(e)は、
補修前と比べて荷重変位線図による弾性率が52.9から91.4GPaに回復した結果が示されています。
同様の補修を試験片の座屈損傷部を加熱し、接着剤自体も加温したうえで損傷部に塗布した試験片(g)では、
同数値が41.6から107.1GPaに回復しており、試験片、並びに接着剤を加温したほうが補修効果が高い結果となっています。
接着剤の浸透は塗布表面近傍に限られる
断面画像も丁寧に撮影されています。
それを見ると接着剤を塗布した表層付近では座屈した損傷個所で、
層間剥離等の空間が存在すればそこに接着剤が浸透している様子が確認できます。
見方を変えると恐らく低粘度であったとしても、
あまり深部まで補修材は浸透できない状態を示しています。
毛細管現象を期待するには、市販されているエポキシ接着剤の粘度は高すぎるものと考えます。
座屈損傷後の試験片の荷重負荷時と除荷時のひずみ変化
これは興味深い評価でした。
DIC（Digital Image Correlation、デジタル画像相関法）により、
マクロのひずみを評価しています。
これは試験片の表面にドット柄のようなものを付与し、
この試験片に外的荷重を付与した場合、
ドットがどの方向にどの程度移動するかを画像認識することで、
方向性を加味したひずみ（変位）を計測する技術です。
論文中では座屈損傷を受けた後に穴加工を行った試験片(d)に、
40kNの圧縮荷重をかけたときと除荷した時の最大縦ひずみをDICで計測しています。
結果、接着剤で補修していない試験片(d)では荷重負荷時で最大14.8%の圧縮ひずみが生じ、
除荷時も3.9%の圧縮ひずみが残ったことが示されています。
一方で、加温した接着剤を用いて試験片自体も加熱した状態で補修した試験片(g)では、
同ひずみがそれぞれ2.2%と0.5%だったとのこと。
荷重負荷時と除荷時での差が大きい前者では追加の荷重負荷で損傷が拡大したことが示唆される一方、
これらの差が少ない後者では接着剤による補修で損傷拡大が抑制されていると書かれています。
補修による機能回復は繰り返し疲労特性向上にも寄与した
この評価を行っていることも産業向けという意味では大変良いと思いました。
FRPではわかっていないことが多い繰り返し疲労です。
座屈損傷後、室温環境で接着剤を導入、硬化させた試験片(e)について、
10kNで10回、30kNと50kNでそれぞれ100回の圧縮荷重を付与した際の荷重変位線図が論文中のFigure 8に示されています。
そして上記の繰り返し荷重による顕著な損傷進展は無かったというのが、
論文執筆者の方の主張になっています。
こちらについても後で考察します。
座屈損傷、貫通孔導入、接着剤による補修に伴う剛性変化
前出の試験片(a)から(g)の剛性を、
座屈損傷や穴加工の無い試験片(a)を基準にまとめています。
仮に試験片(a)の剛性（試験片そのものの圧縮弾性率）を100とした場合、
試験片の剛性は以下の通りであると書かれています。
- 試験片(a)：100
- 試験片(b)：約20
- 試験片(c)：88
- 試験片(d)：26
- 試験片(e)：33
- 試験片(f)：56
- 試験片(g)：66
これを見ると座屈損傷が試験片自体の剛性を大きく低下させる一方、
接着剤の補修により回復し、
特に接着剤と試験片の加温を同時に行うことで剛性低下は初期と比べて30%超まで抑えられるレベルで回復させることが示されています。
次に、今回の結果から考えておきたい技術的ポイントを述べます。
圧縮系の試験は難しい
本評価で理解しておくべき最重要点は、
圧縮試験の”難しさ”でしょう。
今回の論文でいえば厚物のGFRPに座屈損傷を与える、
試験片ベースで圧縮接着強度をみるというのがこれに該当します。
材料力学、特に異方性の強いFRPのように応力三次元図を念頭に置いた試験では、
座屈した時点で試験は失敗したという判断をするのが通常です。
※参考連載
「 機械設計 」連載 第三回 「 異方性 」FRPの最重要特性
圧縮試験では試験機が損傷するリスクがある
材料の機械的な特性を評価する試験機は”引張”を主として行うように設計されています。
これに対し、圧縮系試験は例えば試験中に被試験体の形が崩れ、
「軸心がずれる」
ことがあります。この軸心のずれは、
「試験機への偏荷重の発生」
へとつながります。
真っすぐ押せなくなるので、強制的に押そうとすると試験機の軸を曲げるような荷重が発生し、
一般的な汎用試験機でいえばロードセル内の板バネから壊れます。
そのため圧縮試験に関する試験規格に準拠した試験治具では、
試験片が”座屈を起こさない”よう徹底的に矯正する設計となっています。
今回評価した厚板の試験片も座屈している時点で、
試験片の持つ軸心がずれることは容易に想像できます。
さらに二枚のGFRPを貼り合わせたLap shear評価形状の試験片を圧縮する試験では、
最低でも上下のつかみ位置に対する接着部を試験機の軸心に一致させるため、
TABを使って厚み調整しなければなりませんが少なくとも論文中ではTABに関する描写はありません。
二枚のGFRPも比較的薄いため、試験中に曲がっている可能性もあり、
こうなると圧縮ではなく、曲げモードの入った接着評価となってしまいます。
圧縮試験の難しさは過去に何度か連載でも取り上げています。
追加として、曲げも圧縮系試験であることを忘れてはいけません。
量産における品質保証を除き、
設計には使用できない曲げ試験はFRPでは不要であるという私の考えは、
そもそも圧縮系試験は試験機に負担がかかるということが念頭にあるのです。
※関連連載
「 機械設計 」連載 第四回 「 曲げ試験 」は意味がない？！
「 機械設計 」連載 第三十一回 FRP動的疲労試験に与える応力比の影響
「 機械設計 」連載 第二十七回 FRPの薬品・溶媒劣化とその評価方法
補修後のひずみ分布と最大ひずみ絶対値の減少が興味深い
論文中のFigure 7に示されている、座屈損傷後に接着剤で補修した試験片について、
圧縮荷重負荷時のひずみ分布をDICによって評価していることは既に述べました。
ここで興味深かったのは”ひずみ分布”と”最大ひずみ絶対値の減少”です。
ひずみ分布が座屈損傷個所の分布を示している
座屈損傷を有する試験片に圧縮荷重をかけた際のDICのひずみ分布をみると、
右肩下がりに相対的に高いひずみが分布している様子が見えます。
これは
「座屈で損傷した箇所の分布を示している」
と考えられます。
座屈損傷すると強化繊維の連続性や樹脂と繊維が一体化した複合材料としての特性が失われている可能性が高く、
結果として剛性が低下し、単位荷重に対するひずみ増加割合が大きくなるためです。
DICが損傷個所を検知する技術として応用できることを改めて感じました。
もう少しマクロでみるとわかりませんが、
個人的には最外層の強化繊維配向がDICで確認できると面白かったです。
強化繊維に連続繊維を用いている場合、
当該繊維の配向に一致している方向は剛性が高いため、
表層で見えるひずみにも異方性が生じる可能性があります。
ここは評価バンド幅を小さくして感度を上げたうえでより広範囲を見ることで、
上記の現象確認ができるかもしれません。
補修による最大ひずみの絶対値低下は補修効果が適切であることを示している
ここは論文中で強く主張されていないようでしたが、
個人的には座屈損傷を有する試験片を補修したものに再度圧縮荷重を加えたとき、
補修していない試験片に同一の荷重を負荷した場合と比べてその最大ひずみ絶対値が大きく減少する、
ということに大変価値があると感じました。
論文中で言及されているように、
除荷後の残留ひずみ値の絶対値が大きいと損傷の拡大を、
同値が小さいとその抑制が実現できているという観点も重要です。
しかし複合材料の設計者としては、
接着剤という後から供給した樹脂があたかもマトリックス樹脂の様な機能を果たし、
強化繊維への荷重伝達を実現していることに大変価値があると感じます。
強化繊維に荷重伝達するというFRPが複合材としての機能を果たしていることは、
同じ荷重を与えても最大ひずみの絶対値が低下する、
つまり試験片としての剛性が回復していることを、
論文でも示された荷重変位線図というマクロに加え、
局所ひずみというミクロの世界でも示していると解釈して問題ないでしょう。
非常に興味深い結果です。
繰り返し荷重試験でヒステリシスが示されている可能性
今回の論文では大変価値ある”繰り返し荷重”の試験も行われています。
これは研究段階では見逃されがちな観点である一方、
実際の運用では問題の根幹になりやすい重要な部分です。
この論文が大変良いと思ったのは、
Figure 8で繰り返し荷重に対する変位荷重線図を重ね書きしてくれているところです。
貴重な情報といえるでしょう。
これをみると個人的にはわずかながらヒステリシスがあるのでは、
という印象を受けています。
論文中の補修後の試験片自体の剛性に大きな変化は無かったという主張に異存はないのですが、
わずかながらヒステリシスを示す故に、Figure 8の(a)の線図は塗りつぶされたような状態となっているのでは、と感じています。
今回はサイクル数もそれほど多くないので何とも言えませんが、
より高サイクルでの評価となる場合、
このようなヒステリシスに注意を払わなければなりません。
何故かというと繰り返し疲労の間に、
剛性や形状寸法自体が変化していることを示している可能性があるためです。
このような長期利用を見据えた観点も、
複合材料を取り扱う設計者には必要でしょう。
今回は座屈損傷をしたGFRPの接着剤適用補修による特性回復評価についてご紹介しました。
ご参考になれば幸いです。
