09.12.2025 by Sascha Riegler
高荷重動的力学解析が実際の材料挙動を理解するのに役立つ方法
航空宇宙、鉱業、防衛、モータースポーツで使用されるゴム部品は、実際の運用において、標準的な試験で再現できる範囲をはるかに超える極端な機械的負荷に直面します。高荷重DMAは、このような応力の測定とシミュレーションを可能にし、熱蓄積、疲労、ペイン効果やマリンズ効果などの重要な挙動を明らかにします。高度な試験技術により、製造業者は性能をより正確に予測し、故障を防止し、より安全で長持ちするゴム材料を設計することができます。
重荷重下におけるゴムの挙動
航空機のタイヤ、鉱山のコンベアベルト、軍用トラックのパッド、F1 レースのタイヤなど、ゴムは極度の機械的応力にさらされることが多い。しかし、この複雑な材料は、実際の条件下でどのような挙動を示すのでしょうか？また、メーカーはどのようにしてこれらの荷重を確実に試験し、シミュレーションできるのでしょうか？そこで、NETZSCH による高荷重動的機械解析（DMA）が不可欠となります。
なぜ高荷重DMAなのか？
DMAは、粘弾性固体の動的な機械的挙動を解析するために使用される非破壊検査法です。従来のDMAは、small の試料や線形粘弾性試験には適していますが、材料が高荷重、高周波数、large の変形にさらされると、その限界に達します - これらはすべて、実世界のアプリケーションで一般的なものです。
NETZSCH のような高荷重DMA装置を提供しています。 DMA 503 Eplexor®やDMA 523Eplexor のような高荷重DMA装置を提供しており、最大6000 Nの静的荷重と最大4000 Nの動的荷重を加えることができます。これらのシステムにより、large 試験片の試験や、頑丈なタイヤから振動ダンパーに至るまで、現実的な荷重条件のシミュレーションが可能になります。
NETZSCH 高荷重DMA製品群をご覧ください。
熱の蓄積とブローアウト - エラストマーの限界に挑む
ゴム試験における大きな課題のひとつは、繰り返し荷重下での熱蓄積である。エラストマーは熱伝導率が低い。高い動的応力を受けると、放散可能な熱量よりも多くの熱が発生し、内部温度が上昇します。この現象はヒートビルドアップ（HBU）として知られています。
ブローアウト試験はさらに一歩進んで、試料が破壊するまで動的応力を与えます。高荷重DMAでは、温度上昇だけでなく、貯蔵弾性率、損失弾性率、減衰挙動（tanδ）などの粘弾性特性も測定することができます。
実際の例では、表面熱電対では20℃の温度上昇しか測定できなかったのに対し、針状熱電対で測定した内部温度は70℃も上昇していた。内部の過熱は、空洞の形成、亀裂の成長、ひいては致命的な故障につながる可能性があるため、このような洞察は極めて重要である。
ペイン効果 - 動きによってゴムが柔らかくなるとき
ペイン効果とは、充填されたエラストマーの剛性（貯蔵弾性率）が、動的ひずみが増加するにつれて低下することを示す。この効果は、タイヤ、ワイパー、振動ダンパーなどのゴム部品が繰り返し変形を受ける場合に関係する。
NETZSCH DMA 503 Eplexor® を用いた荷重掃引試験により、貯蔵弾性率が線形粘弾性領域では一定のままであり、非線形挙動が始まると約3分の2という大幅な低下を示すことが実証されました。損失係数（tanδ）は、初期に上昇し、内部フィラーネットワークが最も損傷したときにピークに達し、その後再び低下した。
動的ひずみを減らしても、材料は元の状態には戻らなかった。その代わりにヒステリシスを示し、部分的な回復を示したが、完全な回復には至らなかった。これは、ペイン効果が短期的には部分的にしか可逆的でないことを証明している。完全な回復には、フィラーとフィラーの結合が再び凝集する、より長い休息期間が必要である。
マリンズ効果 - 不可逆的ソフト化
ペイン効果が時間の経過とともに可逆的であるのに対し、マリンズ効果は、準静的条件下で荷重と除荷を繰り返すと、充填されたエラストマーが永久的に軟化することを表します。
この効果は、以下のような用途で重要な役割を果たします：
- タイヤの慣らし運転
- Oリングの長期シール性能
- 振動マウントの減衰性能の変化
高荷重DMA試験では、初期荷重サイクルの後、応力-ひずみ曲線がより柔らかい経路をたどることがわかります。これは、ポリマー-フィラー結合の損傷やポリマー鎖の再配列など、不可逆的な構造変化を示しています。最初の応力-ひずみ曲線とその後の応力-ひずみ曲線の差はMullins損傷として知られ、予測モデリングや材料シミュレーションの重要なパラメータとなります。
最終的な感想
ゴムは非常に汎用性が高いが、複雑な材料である。応力下でのゴムの挙動には、機械的、熱的、微細構造的な効果が複合的に関与しており、これらはすべて同時に相互作用しています。これらを理解するには、高度な試験技術が必要です。
NETZSCH Analyzing & Testingの高荷重DMAシステムは、エンジニアや研究者が実際の荷重条件をシミュレートし、疲労、発熱、減衰性能、微細構造の変化に関する重要なデータを取得することを可能にします。
有名なF1 デザイナー、エイドリアン・ニューイはかつてこう言いました：
「実際にグリップをターマックに伝えるゴムの部分は、おそらく最もよく理解されていない 。
NETZSCH では、すべての答えを持っているわけではありませんが、材料試験とゴムへの理解を一歩前進させるためのツールを提供しています。
高荷重DMAと試験ソリューションの詳細についてご興味がおありですか？お気軽にお問い合わせください！
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