はじめに
ポリマーの機械的特性は、しばしば繊維の添加によって改善される。その結果、剛性、強度、クリープ弾性率が向上し、多くの高度な用途を実現することができます。静的機械試験では、さまざまな荷重モード（引張、加圧、せん断または曲げ）が使用されますが、動的機械分析（DMA）では、試料の剛性が高いため、試験はほとんど曲げモードでのみ実施されます。しかし、高荷重DMA GABOEPLEXOR を使用すれば、このような材料でも頻繁に引張試験を行うことができます。このアプリケーションノートでは、複合材料の引張モードと曲げモードの挙動の違いについて詳しく説明します。
例として、繊維体積比率45%のポリプロピレンガラス繊維複合材を調査しました。図1に見られるように、これは[0/90/0/90/0/90/0]層構造であり、外側の繊維は荷重方向に横たわっている。
DMA測定
サンプルの寸法は55×10×1.8mmで、引張と曲げの特性がある。測定には、剛性を高めた引張試料ホルダーが使用され、最大150 Nの試験荷重が可能である。
試験は、-100℃から+200℃の温度範囲で、2K/分の加熱速度で行われる。最大限の測定効果を得るため、試験片は35 mmの自由長まで引張状態でクランプされる。どちらの試験でも、動的ひずみ振幅は0.1%に設定され、周波数は1Hzです。しかし引張モードでは、振幅は150 Nというプログラム可能な力の制限によって制限されます。両方の試験において、動的な力に比例して動作する静的な力がプログラムされます。曲げにおける静的力は、支持体における十分な圧縮を保証しなければならないので、曲げにおける比例係数PFは、いくらか高くなるように選択される（FStat=PF*FDynでPF引張1.1、PF曲げ1.2）。
ポリマーマトリックス材料の貯蔵弾性率は-2℃でガラス転移を示し、これは変曲点によって認識できる（図2）。160℃（外挿オンセット）では、貯蔵弾性率は急激に低下し、材料は軟化する。
実質的に全温度範囲にわたって、曲げ弾性率（青い曲線）が引張弾性率（赤い曲線）よりも高いことがわかる。室温（20℃）では、曲げで測定された貯蔵弾性率は27827MPaであり、引張の値（20406MPa）より30％以上高い。この挙動は、試験片の非対称層構造によるものである（図1を参照）。曲げでは外側の繊維が中央の材料よりもはるかに多く寄与するため、荷重方向の外側の繊維は試料を硬くする効果がある。
この効果は、低重量で高い曲げ剛性を得るための設計に頻繁に利用されます。しかし、複合材料の材料試験では、この効果は、曲げで測定された弾性率が、厳密に言えば、使用された試験片の厚さに対してのみ有効であることを意味します。一方、引張モードでは、個々の繊維に均一に荷重がかかるため、試験片全体に対して有効な弾性率を求めることができます。このように効果が異なるため、複合材料はその後の荷重に応じて試験することを推奨します。DMA GABOEPLEXOR は、このためのあらゆる可能性を提供します。
被検体の応力状態に関する一般情報
引張と曲げで異なる挙動は、試験片の内部構造に起因するものであるため、以下では試験片に作用する応力を詳細に見るものとする。ここでは長手方向の応力に限定して説明する。特に繊維とポリマーマトリックスとの接着については、他の応力も興味深い。
工学力学では、試験片の荷重は内力に基づいて計算される。引張では、試験片全体に一定の法線力が作用する。図3は、DMAで使用した3つの曲げベアリングの内力です。ここで使用した3点曲げの最大荷重は、中央の力導入部の真下で発生することは明らかであり、それ以外の場所では小さな荷重が支配的である。したがって、対称4点曲げは、荷重に依存する複合材料の調査にも使用される[1]。
長手方向の内部応力は曲げモーメントに正比例し、試験片の形状と構造にも依存します。したがって、試験片内の応力（断面にわたって変化する）は、試験片のどの点においても計算することができます。
図4は、線形弾性材料挙動を持つ均質材料において、公称ひずみ0.1%で、上記の例で測定された弾性率で作用する応力を示しています。引張では断面全体に一定の応力が作用し、曲げでは試験片の上側に圧縮、下側に引張の負荷がかかります。従って、曲げで指定されたひずみと応力も、常に外側の繊維における最大値を指す。
しかし、層状複合材では、均質な試験片の場合よりもはるかに複雑な応力分布が生じます。さらなる考察のために、古典的な梁および積層理論に従って、断面積が反らない、すなわち縦ひずみが断面上に一様に分布すると仮定します[2]。
上記の測定では、引張時と曲げ時で異なる貯蔵弾性率が測定されました。工学力学の公式（詳細については[2]を参照）を用いると、2つの材料または繊維方向からなる既知の層構造について、引張または曲げで測定された弾性率がこれら2つの成分からどのように構成されるかが分かっています。したがって、2つの測定結果は2つの方程式となり、そこから材料の2つの弾性率を決定することができます。この計算は上で説明したモデルの仮定に基づいており、さらに形状や測定値には不確かさが伴うため、この手順では原理的に実際の値から乖離する可能性があります。温度20℃の場合、荷重方向の繊維の貯蔵弾性率EІІ =38000 MPaおよび荷重方向と直角方向の繊維の貯蔵弾性率EІ =3700 MPaは、この方法で計算することができる。
これらの弾性率を用いて、あるひずみにおける試験片断面の応力を計算することができます。その結果、応力の経過におけるジャンプは、個々の層の異なる弾性率に起因するものであり、繊維複合材料の典型的なものである。さらに、応力の経過から、外側の繊維が試験片の曲げ剛性に特に強い影響を与えることが明らかである。
結論
複合材料を曲げ試験する場合、外側の表面層の影響が支配的となる。そのため、曲げ測定の結果は、他の形状や荷重ケースにはうまく一般化できません。一方、引張モードでは、試験片に均等に荷重がかかり、断面にわたって平均化されたモジュールのみが測定されます。従って、材料は常に将来の用途に合わせて試験する必要があります。
DMA GABOEPLEXOR を使用すれば、比較的硬い複合材料の曲げおよび引張を測定できます。静的引張試験の場合と同様に、材料値は引張で測定することができます。これにより、剛性の高い試験片を曲げのみでしか測定できないような小型の装置の場合よりも、はるかに精密で完全な材料の特性評価が可能になります。