[論文レビュー] Development of an Experimental Setup to Analyze Carbon/Epoxy Composite Subjected to Current Impulses

Pedram Gharghabi, M. J. Lee+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2016

Smart Materials for Construction参考文献 8被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、炭素繊維/エポキシ複合材料（CFRP）の試験片に低レベルの電流パルスを印加する影響を調査するためのカスタム実験装置を開発した。電気的抵抗の変化を測定することで内部損傷を評価した。結果として、電流誘起の性質変化は均一に分布するのではなく、注入点付近に局在していることが示された。また、繊維配向が一方向と交差繊維の両方で明確な応答が観察された。

ABSTRACT

In this paper, variation in electrical properties of CFRP caused by relatively low magnitude current impulses discharged through CFRP coupons are reported, and internal changes of the composite, due to current impulses, are studied. Based on electrical resistance measurements caused by these currents, property changes in CFRP composite coupons of two different carbon ply orientations are compared. Furthermore, it will be investigated if the changes caused by current impulses are mainly focused in the region of the current injection at the edges of composite coupons, or are they distributed uniformly through the bulk of the composite.

研究の動機と目的

• CFRP試験片に電流パルスを制御的に印加するための実験装置の開発。
• 低レベルの電流パルスが炭素/エポキシ複合材料の電気的性質に与える影響の分析。
• 電流誘起の性質変化が注入点付近に局在しているのか、それとも複合材料全体に均一に分布しているのかの特定。
• 電流負荷下における一方向と交差繊維の炭素繊維複合材料の配向の違いが、電気的抵抗の変化に与える影響の比較。
• 電流露出による内部複合材料の変化を非破壊的指標として電気的抵抗測定が有効かどうかの評価。

提案手法

• 定義された端縁部に電流を注入できるように、CFRP試験片に適したカスタム治具の設計および製作。
• 銅電極を複合材料の端縁に取り付け、短時間の電流パルス（低レベル）を印加。
• 接触抵抗の影響を最小限に抑えるために、四端子プローブ法を用いて複合材料全体の電気的抵抗をリアルタイムで測定。
• デジタルマルチメーターとデータ取得システムを用い、電流印加中およびその後の時間経過に伴う抵抗変化を記録。
• 一方向と交差繊維の2種類のラミネート配向間の抵抗傾向を比較。
• 抵抗変化のパターンを分析し、マトリックスクラックや界面劣化などの内部変化の局在性を推定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低レベルの電流パルスは、炭素/エポキシ複合材料の試験片の電気的抵抗にどのように影響するか？
• RQ2 電気的性質の変化は主に電流注入点付近に局在しているのか、それとも複合材料全体に均一に分布しているのか？
• RQ3 異なるプレス配向（一方向対照 vs. 交差繊維）は、電流パルスへの反応にどのように影響するか？
• RQ4 電気的抵抗測定は、電流負荷下におけるCFRP内部損傷の信頼できる指標として機能できるか？
• RQ5 電流パルスによって誘起される性質変化の空間的分布はどのようになるか？

主な発見

• 電流パルス印加後にCFRP試験片の電気的抵抗が顕著に増加した。これは電気的パスの変化が測定可能であることを示している。
• 抵抗変化は主に電流注入点付近に局在しており、損傷または微細構造的変化が端縁部に集中している可能性を示唆している。
• 一方向と交差繊維の配向は、抵抗応答パターンに顕著な違いを示し、電流パルスに対する配向依存性の感受性が確認された。
• 注入点から離れたバルク領域では顕著な抵抗変化は観察されず、局在的効果の結論を支持するものとなった。
• 実験装置は再現性のある抵抗変化を捉えることに成功し、複合材料内の電流誘起変化をモニタリングする用途に有効であることが検証された。
• 結果から、電気的抵抗モニタリングは、電気的応力下におけるCFRP構造物の局在的損傷を検出する非破壊評価法として利用可能である可能性が示唆された。