作成： 1999/10/14 石垣 功
データ番号 ：010186
電子線硬化複合材料
目的 ：EB硬化技術による複合材料の開発
放射線の種別 ：電子
放射線源 ：10 MeV, 50 kW
線量（率） ：150 kGy
利用施設名 ：E Beam Survices the Impella
照射条件 ：室温、不活性雰囲気下(真空)、
応用分野 ：航空機、自動車、鉄道車両等の構造材料への応用
概要 ：
電子線硬化技術の適用は、電子線の透過力から、主として表面・薄層に限られていた。5〜10 MeV の高エネルギ-加速器の実用とともに、従来は困難とされていた複雑且つ厚い形状の材料への適用が可能となり、航空機や自動車などの構造材を目的とした複合材料の開発研究が進みつつある。
詳細説明 ：
電子線硬化技術は、プレポリマー/モノマーからなる液状樹脂を低エネルギー電子線(EB)を照射して硬化(キュアリング)する技術で、従来の熱法、紫外線法と比べて多くの利点がある。原理的には無溶剤システムであり、室温、短時間で反応すること、熱に弱い基材への適用が可能なこと、エネルギー利用効率がよいこと, 表面光沢あるいは平滑性に優れていることなどが特徴として挙げられる。木材、鋼板、セメント瓦、石膏タイルなどの塗装、プラスチック、紙容器等の印刷、ラミネート加工、磁気材料、粘着剤製品、剥離フィルム、感熱記録体の製造など幅広く実用化されている。これらには主として300 keV以下の低エネルギー加速器が用いられており、電子線硬化技術の適用にはその透過力から表面・薄層に限られていた。近年、エレクトロニクス技術の進歩とともに、5 〜 10 MeV の工業用加速器が開発され、従来の電子線がその低透過力のために利用できなかった医療用具の滅菌やポリマーの加工などで実用に供されるようになった。強度、耐久性、軽量化などを必要とする航空機、自動車、鉄道車両などの構造材を目的に、電子線硬化法の特徴と高エネルギ-電子線の透過力を利用することにより、より複雑且つ大きい形状の複合材料の成型加工法の開発研究が進められている。
表1及び表2に、ORNLで過去数年間に開発された電子線硬化型樹脂組成物の機械的性質を示した。表2のE Beam Resin 6 は、硬化後の機械的性質が優れていること、室温で低粘度であることから、本系の理想的なマトリックス樹脂として選択された。この樹脂の具体的構造組成は特許になっているけれども、よく知られた、汎用のDGEB A ( diglycidyl ether of bisphenol A )のようなエポキシ樹脂をベースとしている。樹脂の粘度が低いことは強化材との成型が容易となり、結果的に低コストに繋がる。
表1 Property comparison of electron beam cured versus thermal cured IM7/resin (X) unidirectional laminates (data normalized to 62 percent fiber volume).（原論文1より引用。 Reproduced from 43rd. International SAMPE Symposium, pp. 1660-1671(1998), Tab.1(p.1667), with permission from the Society for the Advancement of Material and Process Engineering.）
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Fiberite 977-2 Fiberite 977-3 Electron Electron
(Fiberite Marketing (Fiberite Marketing Beam Resin Beam Resin
Resin Systems Literature Data) Literature Data) 1 2
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Cure Conditions Autoclave Cured Autoclave Cured 250 kGy 150 kGy
Void Volume,% Not Reported Not Reported 1.77 0.72
Tg,℃(Tan Delta) 200 190/240 396 392
0゜Tensile Str.,MPa(ksi) 2537(368) 2510(364) 1869(271) -
0゜Tensile Mod.,GPa(msi) 166(24.1) 162(23.5) 168(24.3) -
180゜FHot/Wet0゜ 2362***(343) - 2282**(331) -
Tensile Str.,MPa(ksi)
180゜FHot/Wet 0゜
Tensile Mod.,GPa(msi) 167***(24.3) - 172**(24.9) -
0゜Flexural Strength,MPa 1641(238) 1765(256) 1986(288) 2006(291)
(ksi)
0゜Flexural Modulus,GPa 147(21.3) 150(21.7) 196(28.5) 163(23.6)
(msi)
0゜Compressive Strength, 1580(230) 1680(244) - -
MPa(ksi)
0゜Compressive Modulus, 152(22) 154(22.3) 149(21.6) -
GPa(msi)
180゜FHot/Wet 0゜ 1240***(180) - 1407**(204) -
Comp.Str.,MPa(ksi)
0゜Interlaminar Shear 110(16) 127(18.5) 77 79
Strength,MPa(ksi) (11.2) (11.5)
Hot/Wet 0゜ Interlaminar 72(10.4) 89(12.9) 61 -
Shear Strength,*MPa (8.8)
(ksi)
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Electron Electron Electron Electron
Beam Resin Beam Resin Beam Resin Beam Resin
Resin Systems 3 4 5 6
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Cure Conditions 150 kGy 150 kGy 150 kGy 150 kGy
Void Volume,% 1.24 0.64 1.18 1.7
Tg,℃(Tan Delta) 232 212 212 237/400
0゜Tensile Str.,MPa(ksi) - 2200(319) - 2262(328)
0゜Tensile Mod.,GPa(msi) - 157 - 164
(22.8) (23.8)
180゜FHot/Wet0゜ - 2365**(343) - 2386**
Tensile Str.,MPa(ksi) (346)
180゜FHot/Wet 0゜
Tensile Mod.,GPa(msi) - 177***(25.7) - 166**
(24)
0゜Flexural Strength,MPa 1793(260) 1765(256) 1710 -
(ksi) (248)
0゜Flexural Modulus,GPa 163(23.7) 154 150 -
(msi) (22.3) (21.8)
0゜Compressive Strength, 1428(207) - - 1524
(221)
MPa(ksi)
0゜Compressive Modulus, - - - -
GPa(msi)
180゜FHot/Wet 0゜ - 1324**(192) - 1386**
(201)
Comp.Str.,MPa(ksi)
0゜Interlaminar Shear 79 89 77 -
Strength,MPa(ksi) (11.5) (12.9) (11.2)
Hot/Wet 0゜ Interlaminar - - - -
Shear Strength,*MPa
(ksi)
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表2 Property comparison of electron beam cured versus thermal cured IM7/resin (X) filament wound laminates (15.24 cm diameter; 0.3175 cm thickness).（原論文1より引用。 Reproduced from 43rd. International SAMPE Symposium, pp. 1660-1671(1998), Tab.2(p.1668), with permission from the Society for the Advancement of Material and Process Engineering.）
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Electron Beam Themal Cured Resin 1 Thermal Cured Resin 2
Resin Systems Resin 6 (Oven Cured) (Oven Cured)
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Cure Conditions 150 kGy 3hr@121℃, 3hr@121℃,
3hr@150℃, 3hr@150℃,
then 4hr@177℃ then 4hr@177℃
Void Volume,% <1% <1% <1%
Percent Fiber Content 75.8 77.8 74.6
Tg,℃(Tan Delta) 192 218 165
0゜Tensile Strength,MPa(ksi)- 2358(342) 1986(288) 1538(223)
Norm.to 75% F.V.
0゜Tensile Strength,Cycled*, 2337(339) 2379(345) 1565(227)
MPa(ksi)-Norm.to 75% F.V.
90゜ Flexure Strength,MPa(ksi)- 70.3(10.2) 68.3(9.9) 57.2(8.3)
Concave up
90゜Flexure Strength,Cycled*, 77.9(11.3) 77.2)(11.2) 64.1(9.3)
MPa(ksi)-Concave up
0゜Interlaminar Shear Strength, 73.8(10.7) 57.2(8.3) 47.6(6.9)
MPa(ksi)
0゜Interlaminar Shear Strength, 82.7(12.0) 56.5(8.2) 46.9(6.8)
Cycled*,MPa(ksi)
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*Cycling Procedure:Specimens placed in liquid nitrogen(-194℃)for 30 min;Allowed to warm
to room temp.for 30 min;Placed in oven @ 121℃ for 30 min;Allowed to warm to room temp.
for 30min;Cycle repeated 3 times.
図1にデモンストレーション用部品(パーツ)の補強材と樹脂の浸潤を示す。このパーツの成型はE Beam Services で行なった。パーツを真空にした後、真空ラインを樹脂コンテナーにつないで樹脂を導入した。パーツへの樹脂の充填の様子は真空バッグを透して視認され、完全に充填するのに約15分を要した。
図1 Lay-up and infiltration of demonstration part.（原論文1より引用。 Reproduced from 43rd. International SAMPE Symposium, pp. 1660-1671(1998), Fig.9(p.1670), M. E. Roylance, C. J. Janke, and J. M. Tuss, Affordable Composite Structures via Electron Beam (E BEAM) Curing; Copyright(1998), with permission from the Society for the Advancement of Material and Process Engineering.）
このパーツを Impella 10 MeV, 50 kW 加速器で硬化させた。電子線の照射時間は75秒、パーツの上面、底面の両面での照射線量は 150 kGy ( 15 Mrad ) であった。硬化パーツの Tg は 160 ℃であった。EB照射後の表面温度が IR 温度計で測定され、最高測定温度が 65〜80 ℃であった。
コメント ：
当該技術は開発研究が緒についたばかりであるが、要素技術としての電子線硬化型樹脂組成物、各種繊維強化材、プレプリグ成型法などについては、それぞれ既に開発された技術として確立している。従って、開発研究は急速に進展し、実用化は短期間に達成されるものと考えられる。
原論文１ Data source 1：
Affordable Composite Structures via Electron Beam (E BEAM) Curing.
M. E. Roylance, C. J. Janke, and J. M. Tuss
Foster-Miller, Inc, Waltham, MA, ; Oak Ridge National Laboratory, Oakridge, TN, ;
Air Force Materials Laboratory, Wright Patterson AFB, OH
43rd. International SAMPE Symposium, pp. 1660-1671(1998), May 31-June 4.
原論文２ Data source 2：
An Assessment of E-Beam Technology for Aircraft Applications.
R. B. Vastava, et.al.
Northrop Grumman Corporation, Military Aircraft Systems Division, One Hornet
Way, El Segundo, CA 90245
43rd. International SAMPE Symposium, pp. 1681-1690(1998), May 31-June 4.
原論文３ Data source 3：
Advanced Electron Beam Curing and Bonding of Ground Vehicles.
D. L. Goodman, C. A. Byrne, and G. R. Palmese
Science Research Laboratory, Somerville MA 02143, ; University of Delaware
Center for composite Materials, Newark, DE 19716
43rd. International SAMPE Symposium, pp. 1691-1701(1998), May 31-June 4.
キーワード：電子線硬化、複合材料、繊維強化複合材料、電子加速器、ガラス繊維、炭素繊維、プレプリグ、electron beam curing, composite materials, fiber reinforced composite materials, electron accelerator, glass fiber, carbon fiber, prepreg,
分類コード：010102