顧客の成果｜4 DCTによる発泡アルミニウムの力学的及びエネルギー吸収性の研究

発泡アルミニウムは多孔質材料と金属の性質を結合した多孔質金属材料であり、その密度が低く、エネルギー吸収性能が高く、回収性があるため、現在の材料分野では広い応用の将来性があり、開発の将来性のある工事材料であり、特に交通輸送、航空宇宙、建築構造などの分野で広く応用されている。

青島理工大学の陳凡秀教授が率いるチームは、三英精密からの高分解能X線三次元顕微鏡CTとセットのその場負荷システムを用いて、発泡アルミニウムの力学性能について深く研究した。密度がそれぞれ0.217 g/cm 3、0.347 g/cm 3、0.414 g/cm 3と0.588 g/cm 3の閉孔発泡アルミニウムに対してその場負荷実験を行い、異なる密度発泡アルミニウムの空隙率、層ごとの顔の空隙率、孔径分布と球形度などの孔構造パラメータを比較分析し、孔構造パラメータが発泡アルミニウムの力学性能とエネルギー吸収性能に与える影響を考察し、異なる密度発泡アルミニウムの力学性能の違いを明らかにした。

1.材料と方法

　　1.1材料の調製

本研究は1060工業純アルミニウムを基材とし、TiH 2を発泡剤とし、溶融発泡技術を採用し、サイズΦ30 mm×30 mmの閉孔発泡アルミニウム材料を研究対象とし、かつ発泡アルミニウム密度の増加に伴い、泡孔が徐々に減少する（図1）。

図1発泡アルミニウム円筒形試験片の4種類の密度：

（A） 0.217g/cm3、（B） 0.347g/cm3、（C） 0.414g/cm3、（D） 0.588g/cm3

　　1.2実験方法

中国天津三英精密機器株式会社が生産したnanoVoxel-2000シリーズ高分解能X線三次元顕微鏡CTを用いて、4種類の密度の発泡アルミニウム円筒形試験片に対して分解能25.2μmの非破壊走査を行った。

三英精密nanoVoxel-2000顕微CT

再構築ソフトウェアを用いて3次元再構築を行い、3次元再構築画像を得る（図2）。同時に、三次元可視化ソフトウェアを用いて、発泡アルミニウムの空隙率、層ごとの顔空隙率などの空孔構造パラメータを分析した。

図2 4種類の密度の発泡アルミニウムの3次元再構成画像

（A） 0.217g/cm³、（B） 0.347g/cm³、（C） 0.414g/cm³、（D） 0.588g/cm³

　　1.3その場負荷試験

Micro-CT insituローディングシステムを用いて、変位ローディングモードに従って、3 mm/minの速度で一軸ローディング試験を行った。圧子が試験片に接触した直後は初期時刻として記録され、このときMicro-CTスキャンで発泡アルミニウムの初期形状を記録し、その後圧子は3 mmずつCTスキャンを行った。同時に、セットソフトウェアを通じてデータ収集を行い、力−変位曲線を得て、そして計算して応力−歪み曲線を得て、閉孔発泡アルミニウムの力学性能を評価する。

Micro-CTその場負荷システム概略図：（A）加圧シリンダ平面図（B）加圧シリンダ平面図（C）加圧装置圧子

　　2.主な成果

　　2.1多孔性及び層毎の顔空隙率

4種類の密度の発泡アルミニウム試料をCTスキャンし、閾値分割法を用いて4種類の発泡アルミニウムの空孔率を得た（図3（a）））。分析により4種類の発泡アルミニウムの層ごとの顔ギャップ率分布が得られ、図3（b）の描画結果により、同じ密度の発泡アルミニウムのXY、XZ、YZの3方向の層ごとの顔ギャップ率分布は基本的に一致し、4種類の密度の発泡アルミニウムの層ごとの顔ギャップ率はほぼ4つの区間に分布している。

図3（a）4種類の密度発泡アルミニウムの空隙率（b）4種類の密度発泡アルミニウムの異なるスライスの層毎の顔空隙率

異なる密度の発泡アルミニウムの力学的変異性をさらに分析するために、均一荷重中のXY方向スライスの層ごとの顔ギャップ率を比較分析した。3 mm圧縮ごとに試料をCTスキャンし、歪みは0.1であった。4種類の密度発泡アルミニウムの圧縮過程における層ごとの顔ギャップ率分布結果（図4）は、層ごとの顔ギャップ率分布曲線はいずれも2頭の低中間高の現象を呈し、これは発泡プロセスと試料形状と関係があることを示している。歪が0から0.7に増加する過程で、泡孔の崩壊と変形領域が徐々に形成される。

図4四種類の密度発泡アルミニウムの層別孔（A）0.217 g/cm³、（B）0.347 g/cm³、（C）0.414 g/cm³、（D）0.588 g/cm³

荷重過程における発泡アルミニウムの崩壊過程（図5）により、歪が0.1の場合、発泡アルミニウムは弾性段階にあり、構造はほとんど変化せず、発泡アルミニウムは歪の増加に伴って徐々に崩壊し、泡孔の形態は徐々に変化することが明らかになった。泡孔の崩壊は通常、最も弱い領域から始まり、局所的な変形領域が形成され、変形領域は歪みが増加するにつれて徐々に拡大する。歪みが0.7の場合、発泡アルミニウムの内部構造は完全に変化し、特に密度が0.58 g/cm 3の発泡アルミニウムは負荷後により大きな圧力を受け、最終的には破断を生じ、完全に破壊され、その後期崩壊も他の3つの密度の発泡アルミニウムより完全である。

図5装填過程における発泡アルミニウムの崩壊過程（A）0.217 g/cm³、（B）0.347 g/cm³、（C）0.414 g/cm³、（D）0.588 g/cm³

　　2.2孔径分布

孔径分布は発泡アルミニウムの機械的性質とエネルギー吸収に影響するもう一つの主要な要素であり、分水嶺アルゴリズムを用いて得られた気泡孔等価孔径の周波数と数字百分率分布図（図6）は：発泡アルミニウムの気孔数は主に小孔部分に分布し、当量孔径の増加に伴い、曲線の上昇速度が遅いことを表明した。発泡アルミニウムの密度が大きいほど、当量孔径分布範囲は小さくなり、密度が0.588 g/cm 3の発泡アルミニウムは0.217 g/cm 3の発泡アルミニウムより当量孔径分布範囲は半分小さくなり、気泡形状は密度の増加とともに球形に近い。

図6 4種類の密度発泡アルミニウムの孔径分布

（A） 0.217g/cm³、（B） 0.347g/cm³、（C） 0.414g/cm³、（D） 0.588g/cm³

　　2.3球形度

球形度は気泡孔の形状が標準であるかどうかを測定することができる。発泡アルミニウム中の気泡孔を分水嶺アルゴリズムを用いて分割し、各気泡孔の表面積と体積を計算し、統計した。発泡アルミニウム泡孔の球形度分布散点図（図7）は、発泡アルミニウムの密度が高いほど、球形度分布が緻密で、球形度が良いことを示している。多孔性が増加すると、より多くの不規則な気泡が発生することが伴います。泡孔の球形度は発泡アルミニウムの凝固過程における発泡と排出現象と関係があり、4種類の発泡アルミニウムの球形度分布の多くは上半部に集中し、製造された発泡アルミニウム構造が比較的に均一であることを説明した。

図7四種類の密度発泡アルミニウム泡孔の球形度分布散点図

（A） 0.217g/cm³、（B） 0.347g/cm³、（C） 0.414g/cm³、（D） 0.588g/cm³

泡孔の形状変化をより直感的に見るために、密度が0.588 g/cm³の泡アルミニウムの典型的な泡孔を例に、泡孔の3次元図を描いた（図8）。結果：泡孔の形状は球形または楕円球形であることが多く、泡孔の形状が不規則な部分はわずかであり、発泡によって形成された不規則な泡孔が良好な球形性を持っていることを説明した。

図8密度0.588 g/cm³の発泡アルミニウムの気泡孔三次元図

　　2.4その場負荷時の応力ひずみ関係

発泡アルミニウムを一定の速度で圧縮し、ロード中に一定の歪み率を維持することを確保し、得られた応力−歪み曲線（図9）は、密度の大きい発泡アルミニウムの応力−歪み曲線が上部に位置していることを示している。応力−歪み曲線は、弾性段階、応力プラットフォーム段階、緻密化段階の3段階に分けられる。その中で、発泡アルミニウムは応力プラットフォーム期に大量のエネルギーを吸収し、発泡孔は塑性変形と崩壊が現れ、緻密段階まで応力が指数関数的に増加し、このような崩壊が続くと発泡アルミニウムのエネルギー吸収に影響を与える。

図9 4種類の密度発泡アルミニウムの応力−ひずみ曲線

発泡アルミニウムの弾性段階における主な力学的パラメータを表2に示す：密度が0.588 g/cm³の発泡アルミニウムの降伏応力は密度が0.217 g/cm³の発泡アルミニウムの約7倍であり、4種類の発泡アルミニウムの降伏歪はいずれも比較的近い。高密度発泡アルミニウムの弾性率は大きく、最大約5倍の差がある。

表2発泡アルミニウムの弾性段階における主な力学パラメータ

2.5その場負荷時のエネルギー吸収

計算により、4種類の密度発泡アルミニウムのエネルギー吸収能力とエネルギー吸収効率の応力と歪みに伴う変化を得た（図10）。図面結果により、発泡アルミニウムのエネルギー吸収と歪みは正線性関係に近く、発泡アルミニウムの密度が大きいほど、エネルギー吸収能力が強い、構造が均一であるほど、発泡アルミニウムのエネルギー吸収効率が高くなる、エネルギー吸収効率が応力に従って変化する3段階、応力−歪み曲線に対応する3段階：緩慢上昇区（弾性段階）、急激上昇区（応力プラットフォーム段階）と下降弱化区（緻密化段階）、その中応力プラットフォーム段階は泡孔のエネルギー吸収効率に影響する肝心な段階であり、泡孔のエネルギー吸収変形の肝心な段階でもある。

図10の4種類の密度発泡アルミニウムのエネルギー吸収とエネルギー吸収効率：（a）異なる歪下のエネルギー吸収（b）異なる歪下のエネルギー吸収効率（c）異なる応力下のエネルギー吸収（d）異なる応力下のエネルギー吸収効率（σD：緻密応力、εD：緻密歪）

4種類の異なる密度の発泡アルミニウムの力学的性質（表3）を比較すると、プラットフォーム応力と緻密応力、及び緻密歪下のエネルギー吸収能力はいずれも発泡アルミニウム密度の増加に伴って増加することが分かった。密度が0.588 g/cm³の発泡アルミニウムの緻密化歪が最も大きく、密度が0.347 g/cm³の緻密化歪が最も小さい。試料の孔構造パラメータは、異なる密度の発泡アルミニウムが示す力学的性質、エネルギー吸収性能などの力学的変異性を決定した。

表3異なる密度の発泡アルミニウムの力学的特性比較

結論

本研究はMicro-CTを用いて異なる密度の発泡アルミニウムをCTスキャンし、異なる密度の発泡アルミニウムの孔構造パラメータ（空隙率、層ごとの顔空隙率、孔径分布と球形度）及びその場負荷下での力学性能とエネルギー吸収を分析した。

主な研究成果は以下のようにまとめることができる：現場負荷試験における発泡アルミニウム気孔の崩壊は高気孔率領域から始まった、高密度発泡アルミニウムは気孔率が低く、気孔が小さく、球形性が良い、高密度発泡アルミニウムの応力−歪み曲線は上方に位置し、弾性率が大きい、エネルギー吸収能力は発泡アルミニウムの密度と関係があり、密度の高い発泡アルミニウムのエネルギー吸収能力は大きいが、エネルギー吸収効率は主に構造が均一であるかどうかと関係がある。

従来、三英精密はX線CTイメージング技術と製品開発に専念し、ユーザーに問題を解決する新しい方法と新しいツールを提供することに力を入れてきたが、今後も引き続き科学研究者により強力な支援を提供していく！