ガラス繊維強化プラスチックスについて: University of the Ryukyus Repository

Title

ガラス繊維強化プラスチックスについて

Author(s)

真喜志, 康二; 兼城, 英夫; 宮城, 清宏

Citation

琉球大学理工学部紀要. 工学篇 = Bulletin of Science &

Engineering Division, University of the Ryukyus.

Engineering(5): 91-95

Issue Date

1972-03

URL

http://hdl.handle.net/20.500.12000/24515

91

ガ ラス繊 維 強 化 プ ラス チ ックス につ い て

T

ゴ

ガ

が

康

英

清

志

城

城

善

美

兼

官

TheFund

ame

nt

all

nv

e

B

t

i

ga

t

i

o

no

ft

heFi

b

e

rGl

a

s

s

Re

i

nf

o

r

c

e

dPl

a

s

t

i

c

s

.

YasujiMAKISH

I

,

HideoKANESHIRO

,

KiyohiroMIYAGI

InrecentyearstheapplicationoftheFRP hasgreatly beendeveloped,and its increased importance ba呈come to be observed through theuse ofitforvarious purposes,from smallarticlesusedin ourdaily lifetoautomobiles,Shipsaircrafts andevenforthespaceships.

Thispaperisareportofthesurvey andtestson theFRP flatplates.molded byhand･lay･up･method,by combining with Fiberglassand polyesterresinswhich wereselectedoutofmanydifferentkindofthecompositematerials.

Thetestshowsthatthestrengthoftensileandbendoftheplateisincreasedat therateoftheamountofFiberglasswithinthemaximum amoutof50

%

ofthe Fiberglass,howeverthestrength againstcompressionisdecreased asFiberglass Increases.

Thissurvey andtestresultsuggeststhattheconstruction ofthecompositive materialsbecarefullystudiedaccordingtotheapplicationoruseoftheFRP.

1.

まえがき 複合材料は材栄の異なる材料 を,それぞれの特長 を そこな うことなく組合わせて,単一材料では得 られな いナ ぐれた境枕的性質を得て,効果的に利用すること は,決 して新 しいことでなく,古 くか ら利用 されてい る｡ 最近の工業材料 として,航空宇宙工学及び化学工業 の著 しい発展にともなって,その使用条件による要求 か ら,横枕的性質のナ ぐれた強化材料の研究及び成形 法の開発が盛んに行われて いる｡(1)(2)(3)(4)このよ う に,複合材料の今後の発展は多種多様なきび しい使用 条件下に対処でき,また,それぞれの必要強度 を与え るとい う合理的な構成の可能性に注 目すべきである. I 受付 :1971年3月30日 * 琉球大学理工学部磯城工学科 複合材料 としてのFRPは,その応用分野 も広 く,工 業材料 としてめざましいものがあるoFRPの種類は多 く,金属系 と非金属系があ り,繊維強化 プラスチック スは,｢股にその構成材料 としての補強材料には,殆 んどガラス放線が使われているが,高弾性率 を有す る ほ う素繊維,金属繊 維, 炭素繊維, ウイス カーがあ り,FRP用マトリックスに不飽和ポ リエステル,エポ キシ,フェノール樹脂がある｡ 補強材 をガラス繊維 として,不飽和ポ リエステル樹 脂で成形 した複合材料FRP(FiberGlassReinfo･ reedPlastics)はナ ぐれた 諸性質 を有 し, また,一 体成形が可能なため継手がなく,鋲や溶接,ボル トや 釘等による接合が不必要で,全体 として均質な構造体 を形成することができる｡また,厚 さや材料の組合せ を変えることによって,各構造部分に必要な強度 を与 え,合理的な構成が可能である｡(5)

92 真書志 ･兼城 ･宮城 :ガラス繊維強化プラスチックスについて このように,FRPは工菓材料 として使用 されている が,金属材料の有する力学的挙動 とは異なってお り, FRPの特性 を知ることは重要である｡ ここで基礎的 なFRP?機械的性質 を調べたのでこれ を報告する0

2.

実我材料及び構成 一定条件の室温及び室内湿度にして,ガラス 繊維 (ロービングクロス)をポ リエステル樹脂 (リゴ ラック158BOT)と組合わせて,ノ､ン ドレイアップ法 によって成形 した｡また,実験 目的に従 った積層 を行 い,その構成 を充分考慮 し,ガラス繊維の含有量 (ガ ラス繊維積層数)を変えてFRP板材 を準備 した｡

3

･ 試験片形状 ガラス繊維の含有量 (ガラス繊維積層数)を変えた 同厚寸法のFRP板材より次 の試験 片 を準備 した｡ 3.1 圧縮試験片 圧縮試験片の形状についてはFig.1 に示すよ うな 形状に製作 した｡ 断 面二次半径 を

K.

柱 の高 さCと すれば,純圧縮変形 をなす ように 考慮 して, 細長比 0<C/k<10か らEを決定 したo ♂ ■､-hi ､-LT:hightrlO (mm) width20 // depth 5 〝

Fig･1 Specimenofcompressiontestpiece.

3.2 引張試験片

慣用形試験片 :慣用形試験 片に ついてはFig.2に 示 され るような形状 を考え,また応力集中を緩和 させ るための試み としてTablel に示すようにR部 を大 きくとった｡

Fig.2 TestSpecimen

Tablel･Dimensionsoftestspecimen

たんざく形試験片(6):慣用形試験片 の難点を克服す るために,Fig･3に示 され るような形状にし,チャッ ク部よりR部にかけて厚みをもたせたもの

L

つ

Fig.3 TypeofTanzakugataSpecimen

3.3 曲げ試験片 FRP板材 はノ､ン ドレイアップ法 によって積層接着 したもので,その板面及び板厚については充分な考慮 をは らって仕上げてある｡曲げ試験片形状については Fig.4に示 され る｡ Fig.4 Specimenofbendingtest 3.4 衝撃試験片 高速の衝撃力によって材料 を破壊するときになされ た仕事量によって衝撃強 さを表わ し,プラスチックス をハ ンマで打撃することによって試験片 を破壊する形

琉球大学理工学部森要 (工学縞)

式 と,落球によって破壊する形式がある｡本実験は前 状については Table 2に示す｡ 者によるシャル ピー法 を用いた｡また,その試験片形

Table2.ResultofImpacttestandDimensionsoftestspecimen

93

4.

拭験結果及び考察 4.1圧縮及び引張試験 圧縮試験はガラス繊維を含ま ない 樹脂だ けの場合 払 延性材料の特徴を示 し,最大応力27･25kg/mm2 であるが,ガラス繊維の含有量の増加 とともにその値 は低下 している｡また,M.W･RIIEYは繊維含有量 の多いものは引張強さがよく,圧縮強さは中間の含有 量のところが最良としている｡引張試験は圧縮試験 と は逆に,ガラス繊維の 含有 量の影響によっ て強化 さ れ,ガラス繊維含有量の増加 とともに引張強 さは大 き くなっている｡また引張試験の結果伸び率 は Fig.5 に示すよ うに,ガラス繊 維含有 量に 関係 なく一定で 40 60 80 100 percentageofFiberglasscontain 1 (% ) 2 3 c l u JU 1 3d u o !竜 uo r3

Fig.5 elongationpercentageandpercentage ofFiberglasscontain

ある｡ Fig.6は圧縮及び引張試験の結果 を示す｡ 20 40 ( Nu Tu, r B Y ) S Sa J一 の a t! S U a L 60 80

1

00 peTeentageOLFiberglassContain(%) (a)

Fig.6 TensilestressandpercentageofFiber glasscontain

94 ( 8u tJJ J & Y ) tJ

O

!S a d tJJ O 二

〇

一 も 宕 J 7 S 英幸志 ･兼城 ･宮城 :ガラス線維強化プラスチックスについて 圧縮試牧におけるガラス繊維含有量の増加 とその圧 縮強 さの低下は,圧縮荷重がガラス頼経層 と平行な層 方向にかかるため に 樹脂 とガラス 繊維層間の努断力 が,そこにおける接着力より大 きくな り,最外層か ら 分離層 を発生 して破断 してい く,その結果荷重 を受け る有効断面横が′トさくな り,荷重の増加 とともに順次 分離破卓 してい く｡引張試験荷重はガラス繊維方向に 作用 してお り,平行部断面は縮小するため圧縮試験の 場合 とは異なった破断形式 をしている｡引張荷重の増 加 とともにガラス繊維 と樹脂が分離 した点 (縦糸 と横 糸の重なった点)が白化 して観察され る｡破断 に至 る までの白化状況は,試験片全体に広が り,応力の集中 する個所では多 く白化 している｡ しか し,白化によっ て破断 を起 こしているのか,その原因については判明 していないが,引張盃によって最初樹脂内に亀裂 を発 生 し,その方向がガラス繊維縦糸方向であれば横糸の ス トラン ド巾の増大現象によって亀裂進行はにぶ り. また破断にはつなが らないものと考えられ る｡亀裂が 横糸方向に進行すれば,樹脂及び縦糸ス トラン ドの縦 歪の増加 と縦糸ス トラン ドの巾の縮小現象か ら,破断 につながるものと考えられ る｡従 ってFig.5か ら伸び 率が一定であることは樹脂の亀裂発生が先行 したため 縦ガラス繊維の破断が起 っている｡ 4.2曲げ試験 曲げ応力 をげ,曲げモーメントをM,断面係数 をZ とすれば q-M/Z-3PL/26ht P:荷重 J:標点間距離 b:巾 b :高 さ によって曲げ応力が算出され る｡ Fig･7はガラス繊維の含有率 と曲げ強さを示 したも のである｡

0

20 40 60 80 pcrcentageoEFiberglasscontaill(%)

Fig･7 Bendingstrengthandpercentageof Fiberglasscontain Fig･フか らガラス繊維の含有率50% 近傍 か ら勾配 のゆるやかな曲線 となってガラス繊維の含有量が増 し ても曲げ強 さ の 増加はあま り得 られ ないことがわか る｡従 ってガラス繊維の含有量の影響が引張強さに大 きく貢献 し, 圧縮強 さには貢献 しない 特性 を考える と,曲げにおいては中立面 を境界にして引張力の作用 す る部分にガラス繊維を積層 し,圧縮力の作用する部 分にガラス繊維を積層せず樹脂だけにして成形すると 曲げ強 さを増 し, 複合 材料 として 効果的, かつ経済 的に使用することが できる｡ Fig.8はこの ような観 点か ら材料 を組合わせ て製作 した もので 試験結果を Fig.9に示すOなお,これによって曲げ強 さは1.6倍 にも透 した｡ p Load P Load

毒

≧≡

⊇

喜

寿票≡

至

三

三

三

Fig.8 BendingtestSpecimen

琉球大学理工学部紀要 (工学′語) 6 4 2 ( N u tL [J By ) ss a1 一S S u [P ua q 0 2 4 6 -2 strain(×10) Fig.9 EffectofBendingstressandstrainon thematerialconstrnction.

4.3 衝撃試験 試験片を切断するときの吸収エネルギーEを原断面 積Aで割った値 を衝撃値 とする｡この場合摩擦損失や 空気抵抗による損失を無視すれば,吸収エネルギーE は E-WR (cosβ-cosα) 従 ってシャル ピー衝撃値Cは C-E/A である｡ 但

し W:

ノ､ンマの重量

R:

ハ ンマの回転中心線から重 心までの距離 α ;ノ､ンマの持上げ角 β :ハ ンマの振上げ角 ガラス繊維横層材料であるため試験片 にはノッチを 付けずに試験 した｡その結果 をFig.10に示す｡金属の 20 40 60 80 percentageofFiberglasscontain Fig.10 Charpy impact test value and

percentageofFiberglasscontain

95 衝撃値 と比較すると大変低い値であるが,ガラス繊維 の含有量の増加 によってその儀 も増加 している｡

5

. 鈴 音 ノ､ン ドレイアップ法によってガラス繊維 と樹脂を積 層接着 してFRP板材 を作 り, その板材 の機械的性質 として,圧縮,引張,曲げ,衝撃試験 を行って調べて きた.その結果 をまとめるとつぎのようになる｡ (1) 引張,曲げ及び衝撃試験の結果,ガラス繊維含 有量の増加に従 って強度は増 しているが, しか し,引 張強さ及び強 さは,含有率50%以上 になるとガラス繊 維の貢献度が低 く一定状態になっているので,ガラス 繊維含有率50%以下での使用が経済的である｡ (･2)圧縮試験の結果,ガラス繊維含有率が大 きくな るとその強 さは低下 しているので構造材料 としての構 成に注意 を要する, (31 ガラス繊維方向の荷重 による試験を行ってきた が, ガラス繊維の 配向は 積層板の 強 さに決定的な影 響 を与える(8)(9)のでガラス布 を用いた 直交 異方 性 を 示すFRPの強 さに充分考慮する必要がある. 参 考 文 献 (1) 藤井太一 :複合材料の歴史的背景 と現状 日本 機械学会誌Vol･71,1968,P･704 (幻 田尾 忠 :航空機および航空宇宙体 日本機械 学会誌 Vol71,1968,P･801 (31 飯村都男 :FRPのアブレーシ ョン効果 日本機 械学会諌 Vol71,1968,P･778 (41 小林 昭 :プラスチ ックス 機械の研究 第11 巻 第7号 1959,P.988 (5) 平教,兼城,宮城 :FRP製舟艇の強度試験 琉 球技術協会誌 第4号 P･57 (6) 平井,藤原,大規, ロービ ング クロスFRP試 験片形状 について 日本機械学会論文集 36-290,昭和45.10.16772

(7) M.W.RIIEY:MaterialsinDesignEng. (Feゎ.1960)P･103

(8)滝山栄一郎 :ポ リエステル樹脂,昭和45年

P.199 日刊工業

(9) M.W.RIIEY:MaterialsinDesign Eng. (Feb.1960),P.103