東北大学　流体科学研究所システムエネルギー保全研究分野　高木・小助川研究室　三木研究室

繊維強化複合材料を対象とする電磁非破壊評価

• 繊維強化複合材料の品質保証

比強度と比剛性に優れ、化学的にも安定な繊維強化複合材料がステンレスやアルミ合金に代わる構造材料として利用される例が増えてきています。しかし複雑な構造と物性に異方性を有するFRCは、従来金属材料を対象として利用されていた非破壊検査法がそのままでは適用できない場合が多く、製品の品質保証が課題となっています。現在では主に超音波探傷法(Ultrasonic Testing, UT)や赤外線サーモグラフィー法(Infrared Thermographic Testing, TT)などがFRCの非破壊検査法として利用されていますが、これらの手法は繊維のうねりやミスオリエンテーション(繊維配向角度のずれ)といった繊維の欠陥の検出・評価には不向きです。そのため、このような繊維由来の欠陥を非破壊的に検査・評価できる手法の確立が求められています。

• 高周波渦電流試験法

非破壊検査法の一つである渦電流試験法(Eddy current testing, ECT, ET)は、検査対象物に近接するように設置した励磁コイルに交流を流して動磁場を発生させることで対象に誘導電流を発生させ、この誘導電流が作る反作用磁束が検出コイルを貫くときに生じる誘導起電力を計測することで対象物の性状を検査する方法です。対象物に欠陥がある場合、渦電流の電流密度や分布が変化するため誘導起電力が変化するので、この情報から欠陥の位置や形状等を評価することができます。渦電流試験の信号は渦電流密度に大きく影響され、渦電流密度は励磁電流の周波数と励磁コイルの巻き数に大きく影響されます。

ECTは、対象が導電体であれば感度良く欠陥を検出できる手法として古くから利用されています。繊維強化複合材料の一種である炭素繊維強化プラスチック(Carbon Fiber Reinforced Plastic, CFRP)は導電性である炭素繊維を強化材としているため、ECTを用いることで繊維の欠陥を検出・評価できると考えられています。ただし、CFRPの電気伝導率は最もよく電気を通す繊維方向でも金属の1000分の1程度であるため、励磁電流の周波数が金属を対象とする場合と同程度(数kHz〜数百kHz)だと渦電流密度が弱く、信号がノイズに埋もれてしまいます。そのため、CFRPを対象とするECTでは数MHzから数十MHzの高周波が用いられる例が多くなっています。

• CFRPを対象とする渦電流試験

CFRPには様々な欠陥が生じますが、ECTがよく適用できるのは「繊維うねり(Waviness)」と「繊維配向角度ずれ(Misorientation)」です。両方とも「ミスアライメント(Misaligment)」とも呼ばれます。このような繊維の欠陥はCFRPの強度や剛性を大きく低下させる可能性があるため、製造の早い段階で検出することが重要です。ECTを用いることで繊維配向角度や繊維のうねりなどを非破壊的に検出できます。下図は擬似等方積層平板を対象としてECTを行って得たCスキャン画像です。