特許 5753786 近赤外線及び中赤外線分光法による複合材料中の水分量の測定

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5753786

(24)【登録日】2015年5月29日

(45)【発行日】2015年7月22日

(54)【発明の名称】近赤外線及び中赤外線分光法による複合材料中の水分量の測定

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/3554 20140101AFI20150702BHJP

【ＦＩ】

   G01N21/3554

【請求項の数】7

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2011-536444(P2011-536444)

(86)(22)【出願日】2009年11月11日

(65)【公表番号】特表2012-509461(P2012-509461A)

(43)【公表日】2012年4月19日

(86)【国際出願番号】US2009064054

(87)【国際公開番号】WO2010059480

(87)【国際公開日】20100527

【審査請求日】2012年8月15日

(31)【優先権主張番号】12/274,161

(32)【優先日】2008年11月19日

(33)【優先権主張国】US

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】500520743

【氏名又は名称】ザ・ボーイング・カンパニー

【氏名又は名称原語表記】Ｔｈｅ Ｂｏｅｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ

(74)【代理人】

【識別番号】110002077

【氏名又は名称】園田・小林特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】グレース， ウィリアム ビー

(72)【発明者】

【氏名】ワーナー， グレゴリー ジェイ

(72)【発明者】

【氏名】シェリー， ポール エイチ

【審査官】 横尾 雅一

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００２−０９０２９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００３−５２５４４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００７／１２０１８８（ＷＯ，Ａ２）

【文献】 特表２００９−５１３４３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 川越誠、外５名，レーザーラマン分光および赤外分光によるＫｅｖｌａｒ／ＵＰモデルコンポジットの水環境劣化の評価，日本機械学会北陸信越支部第３５期総会・講演会講演論文集，１９９８年 ３月 １日，第３５期，第２９頁−第３０頁

【文献】 Jones T S , et.al.，Portable Thermographic Examination of Composite Structures，ASNT Fall Conference and Quality Testing Show，１９９７年１０月，p.165-167

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２１／００−２１／６１

Ｇ０１Ｎ ３／００

Ｇ０１Ｎ １９／０４

Ｂ６４Ｃ １０／００

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも２つの樹脂繊維複合材料を有する、結合された複合材料の結合強度を決定する方法であって、
少なくとも２つの樹脂繊維複合材料を有する複合材料標準器中の水分含有量の、前記複合材料標準器から反射された赤外線エネルギーのスペクトルとの校正値を取得すること、
前記複合材料標準器の結合強度を、前記複合材料標準器の前記赤外線エネルギーのスペクトルと、前記水分含有量とに相関させること、
前記複合材料標準器から反射された前記赤外線エネルギーのスペクトルの変化に対する前記複合材料標準器の水分含有量の変化のモデルを作成すること、
表面を有する樹脂繊維複合材料を供給すること、
前記樹脂繊維複合材料の前記表面から反射された赤外線エネルギーのスペクトルを取得すること、
前記樹脂繊維複合材料及び前記複合材料標準器から反射された前記赤外線エネルギーのスペクトルに基づいて前記樹脂繊維複合材料の水分含有量を予測すること、
並びに、
前記モデルを用い、予測された前記樹脂繊維複合材料の前記水分含有量に基づいて、２つ以上の前記樹脂繊維複合材料を結合することで形成される結合された複合材料の物理的特性を予測することを含み、
前記複合材料標準器の水分含有量が、重量増加の測定により制御され、かつ前記複合材料標準器の結合強度が該水分含有量の増加に対応して試験される、方法。

【請求項2】

前記複合材料標準器中の水分含有量の、前記複合材料標準器から反射された赤外線エネルギーのスペクトルとの校正値を取得することが、各複合材料標準器から反射された赤外線エネルギーの少なくとも４つのスペクトルを収集することと、前記スペクトルに前処理を実行することと、前記スペクトルに多変量校正を実行することとを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記複合材料の前記表面から反射された赤外線エネルギーのスペクトルを取得することが、広域スペクトルの赤外線エネルギーを用いて前記複合材料の前記表面から反射された赤外線エネルギーのスペクトルを取得することを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項4】

前記複合材料の前記表面から反射された赤外線エネルギーのスペクトルを取得することが、近赤外スペクトルの赤外線エネルギーを用いて前記複合材料の前記表面から反射された赤外線エネルギーのスペクトルを取得することを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項5】

前記複合材料の前記表面から反射された赤外線エネルギーのスペクトルを取得することが、中赤外スペクトルの赤外線エネルギー用いて前記複合材料の前記表面から反射された赤外線エネルギーのスペクトルを取得することを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項6】

前記複合材料の前記表面から反射された赤外線エネルギーのスペクトルを取得することが、手持ち式分光計を使用して前記複合材料の前記表面から反射された赤外線エネルギーのスペクトルを取得することを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項7】

前記水分含有量に対して前記赤外線エネルギーのスペクトルを校正することが、ＰＬＳルーチンを使用して前記水分含有量に対して前記赤外線エネルギーのスペクトルを校正することを含む、請求項１に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、複合材料の水分含有量を決定する方法に関するものである。具体的には、本発明は、近赤外線及び中赤外線分光法を用いて複合材料中の水分含有量を正確に評価する方法に関する。

【背景技術】

【0002】

樹脂繊維複合材料は、例えば航空宇宙産業を含む様々な用途に利用される。複合材料は、時間をかけて大気中の湿気を吸収することができる。複合材料を結合した修理部分の完全性は、湿気を吸収する結果低下することがある。複合材料中に存在する水分量を決定することにより、複合材料を結合する前に必要なステップの決定が容易に行える。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

したがって、現場に持ち運び可能でユーザフレンドリーな近赤外線及び中赤外線分光法を用いて複合材料中の水分含有量を正確に評価する方法が必要である。

【課題を解決するための手段】

【0004】

本発明は、概して、複合材料の水分含有量を決定する方法を目的とする。本方法の説明のための実施形態は、複合材料の試料から反射された赤外線エネルギーのＩＲスペクトルを用いて一連の複合材料試料中の水分含有量の校正値を取得すること、段階的に水分含有量を増加させた適切な複合材料からなる一連の水分標準器を供給すること、必要に応じてＩＲスペクトルを適切に前処理することにより水分含有量に対するＩＲスペクトルの多変量校正を実行した後、そのような校正を使用して、水分含有量が未知である同種の複合材料中の水分含有量を予測することを含む。

【0005】

本発明は、更に、概ね、複合材料の物理的特性（例えば、水分含有量の重量割合及び／又は二重カンチレバービーム方式による結合強度試験による結合強度のＧ１ｃ値）を決定する方法を目的とする。本方法の説明を目的とする実施形態は、複合材料試料中の水分含有量の関数として複合材料試料の物理的特性の値を取得すること、複合材料試料の水分含有量と、複合材料試料から反射された赤外線エネルギーのスペクトルとの間の校正値を取得すること、複合材料試料から反射された赤外線エネルギーのスペクトルと、複合材料試料の物理的特性の値との間の校正値を取得すること、及び校正値を使用して、問題の複合材料のＩＲスペクトルに基づいて当該複合材料の物理的特性を予測することを含む。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】図１は、近赤外線及び中赤外線エネルギーのスペクトルと、種々の期間に亘って異なる量の水分に曝された複合材料試料の水分含有量又は機械的特性との間での校正を実行する説明的方法のフロー図である。

【図2】図２は、水分含有量を次第に増加させた一連のパネルを作成し、水分含有量を次第に増加させた結合強度特性を得るための説明的な方法のフロー図である。

【図3】図３は、複合材料における水分測定の校正モデルを検証する一方式を説明するフロー図である。

【図4】図４は、５つの平滑化点を有する第１の微分データを用いた湿った複合材料テープ及び乾燥した複合材料テープの１００回に亘るスキャンの近赤外スペクトルを示すグラフである。

【図5】図５は、７つの平滑化点を有する第１の微分データを用いた湿った複合材料テープ及び乾燥した複合材料テープの１２８回に亘るスキャンの平均の中赤外スペクトルを示すグラフである。

【図6】図６は、湿った複合材料テープ及び乾燥した複合材料テープの１２８回に亘るスキャンの平均の、ベースラインからのオフセットを補正した中赤外スペクトルを示すグラフである。

【図7】図７は、湿った複合材料テープ及び乾燥した複合材料テープの１２８回に亘るスキャンの平均の中赤外スペクトルの生データを示すグラフである。

【図8】図８は、航空機の製造及び整備方法を示すフロー図である。

【図9】図９は、航空機のブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

以下の詳細な説明は、単に説明的な性質のものであって、記載される実施形態又は記載される実施形態の適用及び使用を制限することを意図していない。本明細書において使用される用語「例示的」又は「説明的」とは、「一つの例、実例、又は説明として働くこと」を意味する。「例示的」又は「説明的」として本明細書に記載される実装形態は、他の実装形態より必ずしも好ましい又は有利であるというわけではない。後述される実装形態のすべては、当業者による本発明の作製又は使用を可能にするために提供された例示的実装形態であり、特許請求の範囲において規定される本発明の範囲を限定することを意図していない。更に、明示、暗示の区別を問わず、上述の「技術分野」、「背景技術」、「発明の概要」、又は後述する詳細な説明において提示される理論のいずれにも拘束されることはない。

【実施例】

【0008】

まず図１を参照する。フロー図１００は、赤外線エネルギーと、種々の期間に亘って異なる量の水分に曝された複合材料試料の水分含有量との間での校正値を得る説明的方法を示している。ブロック１０２では、結合強度結果が良好なものから不良なものまでの範囲に亘って水分含有量情報を制御した複合材料試料を供給する。複合材料試料は、これに限定しないが、例えば２インチ四方の複合材料とすることができる。ブロック１０４では、問題の材料を後で測定するために使用される手持ち式分光計により、一連の複合材料試料を測定する。これは、様々な材料及び状況に対応する近赤外線又は中赤外線装置とすることができる。

【0009】

ブロック１０６では、適切なアルゴリズムを用いて赤外線データの前処理を行うことにより、水分含有量に対するスペクトルデータの校正のための最良のデータを供給する。ブロック１０８では、多変量校正を実施する。これは、多くの場合、水分含有量データの赤外スペクトルへのＰＬＳ回帰である。ブロック１１０では、校正モデルを適切なフォーマットに保存し、問題の材料の測定を行うために使用される手持ち式デバイスにロードする。ブロック１１２では、分光計の校正モデルを使用して、問題の材料の新規のスペクトルを使用して当該材料の水分含有量を予測する。

【0010】

次に、図２には、図１の多変量校正及び予測方法のための水分含有量標準器を作製する説明的方法のフロー図２００を示す。ブロック２０２では、一組の乾燥した複合材料のパネルを準備し、注意深くその重さを量る。ブロック２０４では、手持ち式赤外線分光計を用いて乾燥標準器を測定することにより、すべての乾燥標準器について乾燥材料スペクトルを取得する。他の適用例では、複合材料の表面に、近赤外スペクトル又は中赤外スペクトルの赤外線エネルギーを照射してもよい。幾つかの適用例では、赤外スペクトルは、限定しないが、例えばＰｏｌｙｃｈｒｏｍｉｘ社、又はＡ２ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社が市販するもののような手持ち式分光計システムを使用して取得することができる。

【0011】

ブロック２０６では、水分含有量を増やすために、乾燥標準器を熱及び湿気チャンバーに入れる。ブロック２０８では、約０．２％の増加が達成されるまで、周期的に標準器の重さを量る。重量が０．２％増加する度に、手持ち式分光計により一対の標準器を測定した後それらを互いに結合し、水分含有量レベルの増加に伴う結合強度を試験する。ブロック２１０では、結合強度試験のために、結合されたパネルを適切な大きさに切断して結合強度試験を実施する。ブロック２１２では、それ以上重量が変化しなくまるまで、又は結合強度試験の結果が一貫して不良となるまで、ステップ２０８及び２１０を繰返す。

【0012】

図３は、水分含有量を測定するために作製された多変量モデルを検証する説明的方法のフロー図である。ブロック３０２では、図１に示す方法と図２で作製したモデルとを使用して、赤外スペクトルの変化に伴う水分含有量の適切なモデルを作製する。ブロック３０４では、図２に示したものと同じ方法を使用して標準器の新規の組を作成し、この新規の組のパネルの水分含有量を図１の方法により予測する。ブロック３０６では、ステップ３０４における予測結果と重量割合による実際の水分含有量の増加とに基づいて、予測の二乗平均誤差を計算することにより多変量モデルを検証する。ブロック３０８では、様々なデータ前処理と、検証ステップにおいて最低可能予測誤差を得るための校正モデルとを使用してモデルを最適化する。

【0013】

図４〜７は、様々な度合いの水分含有量を有する複合材料から得られた赤外スペクトルを示すグラフである。図４のグラフは、５つの平滑化点を有する第１の微分データを使用した湿った複合材料テープ及び乾燥した複合材料テープの１００回に亘るスキャンの近赤外スペクトルを示している。図５のグラフは、７つの平滑化点を有する第１の微分データを用いた湿った複合材料テープ及び乾燥した複合材料テープの１２８回に亘るスキャンの平均の中赤外スペクトルを示している。図６のグラフは、湿った複合材料テープ及び乾燥した複合材料テープの１２８回に亘るスキャンの平均の、ベースラインからのオフセットを補正した中赤外スペクトルのデータを示している。図７のグラフは、湿った複合材料テープ及び乾燥した複合材料テープの１２８回に亘るスキャンの平均の、中赤外スペクトルの生データを示している。

【0014】

次に、図８及び９に示すように、本発明の実施形態は、図８に示す航空機の製造及び整備方法７８と、図９に示す航空機９４に関して使用することができる。製造前に、例示的方法７８は、航空機９４の仕様及び設計８０と、材料調達８２とを含みうる。製造段階では、航空機９４のコンポーネント及びサブアセンブリの製造８４とシステムインテグレーション８６とが行われる。その後、航空機９４は認証及び納品８８を経て就航９０される。顧客によって就航される間に、航空機９４は、定期的な保守及び整備９２（改良、再構成、及び改修なども含まれる）を受けることができる。

【0015】

方法７８の各工程は、システムインテグレーター、第三者、及び／又はオペレーター（例えば顧客）によって実施又は実行されてよい。本明細書の目的のために、システムインテグレーターは、限定しないが、任意の数の航空機製造者、及び主要なシステム下請業者を含むことができ、第三者は、限定しないが、任意の数のベンダー、下請業者、及び供給業者を含むことができ、オペレーターは、航空会社、リース会社、軍事団体、サービス機関などでありうる。

【0016】

図９に示すように、例示的方法７８によって製造される航空機９４は、複数のシステム９６及び内装１００と共に機体９８を含むことができる。高レベルシステム９６の例には、推進システム１０２、電気システム１０４、油圧システム１０６、及び環境システム１０８のうちの一又は複数が含まれる。任意の数の他のシステムが含まれてもよい。航空宇宙産業における例を示したが、本発明の原理は自動車産業などの他の産業にも適用することができる。

【0017】

本明細書に具現化された装置は、製造及び整備方法７８の一又は複数のいずれの段階にも利用することができる。例えば、製造工程８４に対応するコンポーネント又はサブアセンブリは、航空機９４が就航中に製造されるコンポーネント又はサブアセンブリと同様の方法で作製又は製造することができる。また、例えば、航空機９４のアセンブリを実質的に効率化するか、又はコスト削減することにより、一又は複数の装置の実施形態を製造段階８４及び８６の間に利用することができる。同様に、限定するわけではないが、例えば保守及び整備９２において、航空機９４が就航されている間に、一又は複数の装置の実施形態を利用することができる。

【0018】

特定の例示的実施形態に関して本明細書の実施形態を説明したが、当業者であれば他の変形例を想起するように、それら特定の実施形態は説明を目的しているのであって、限定を目的としているのではない。
また、本願は以下に記載する態様を含む。
（態様１）
水分含有量に基づいて複合材料の物理的特性を決定する方法であって、
複合材料標準器中の水分含有量の、前記複合材料標準器から反射された赤外線エネルギーのスペクトルとの校正値を取得すること、
前記複合材料標準器の物理的特性を、前記複合材料標準器の前記赤外線エネルギーのスペクトルと、前記水分含有量とに相関させること、
前記複合材料標準器から反射された前記赤外線エネルギーのスペクトルの変化に対する前記複合材料標準器の水分含有量の変化のモデルを作成すること、
一表面を有する複合材料を供給すること、
前記複合材料の前記表面から反射された赤外線エネルギーのスペクトルを取得すること、並びに
前記モデルを用いて、前記複合材料の前記水分含有量に基づく前記複合材料の前記物理的特性を予測すること
を含む方法。
（態様２）
前記複合材料標準器中の水分含有量の、前記複合材料標準器から反射された赤外線エネルギーのスペクトルとの校正値を取得することが、各複合材料標準器から反射された赤外線エネルギーの少なくとも４つのスペクトルを収集することと、前記スペクトルに前処理を実行することと、前記スペクトルに多変量校正を実行することとを含む、態様１に記載の方法。
（態様３）
水分含有量に基づいて複合材料の物理的特性を決定する方法であって、
複合材料標準器中の水分含有量の、前記複合材料標準器から反射された赤外線エネルギーのスペクトルとの校正値を、
水分含有量を制御した複数の複合材料標準器を供給し、
前記複合材料標準器の赤外スペクトルを収集し、
前記複合材料標準器の水分含有量に対して前記赤外スペクトルを校正すること
により取得すること、
前記複合材料標準器中の前記水分量を、
第１組の複合材料標準器を供給し、
前記第1組の複合材料標準器の赤外スペクトルを取得し、
前記第1組の複合材料標準器の物理的特性を、前記第1組の複合材料標準器の前記赤外スペクトルと次第に増加させた水分含有量とに相関させること
により、前記複合材料標準器の機械的特性に相関させること、
前記第1組の複合材料標準器の前記赤外スペクトルの変化に対する前記第１組の複合材料標準器の水分含有量の変化のモデルを作成すること、
水分含有量が異なる第２組の複合材料標準器を供給すること、並びに
前記モデルを使用して、前記第２組の複合材料標準器の水分含有量及び前記機械的特性を予測すること
を含む方法。
（態様４）
前記複合材料標準器の水分含有量に対して前記赤外スペクトルを校正することが、ＰＬＳルーチンを使用して多変量校正を実行することを含む、態様３に記載の方法。
（態様５）
前記複合材料の前記表面から反射された赤外線エネルギーのスペクトルを取得することが、広域スペクトルの赤外線エネルギーを用いて前記複合材料の前記表面から反射された赤外線エネルギーのスペクトルを取得することを含む、態様１又は３に記載の方法。
（態様６）
前記複合材料の前記表面から反射された赤外線エネルギーのスペクトルを取得することが、近赤外スペクトルの赤外線エネルギーを用いて前記複合材料の前記表面から反射された赤外線エネルギーのスペクトルを取得することを含む、態様１又は３に記載の方法。
（態様７）
前記複合材料の前記表面から反射された赤外線エネルギーのスペクトルを取得することが、中赤外スペクトルの赤外線エネルギー用いて前記複合材料の前記表面から反射された赤外線エネルギーのスペクトルを取得することを含む、態様１又は３に記載の方法。
（態様８）
前記複合材料の前記表面から反射された赤外線エネルギーのスペクトルを取得することが、手持ち式分光計を使用して前記複合材料の前記表面から反射された赤外線エネルギーのスペクトルを取得することを含む、態様１又は３に記載の方法。
（態様９）
複合材料の水分含有量を決定する方法であって、
水分含有量を有する複合材料標準器を供給すること、
前記複合材料標準器上の赤外スペクトルを収集すること、
前記水分含有量に対して前記赤外スペクトルを校正すること、
複合材料を供給すること、並びに
前記赤外スペクトルと前記複合材料標準器とに基づいて前記複合材料の水分含有量を予測すること
を含む方法。
（態様１０）
前記水分含有量に対して前記赤外スペクトルを校正することが、広域スペクトルの赤外線エネルギーを用いて前記水分含有量に対して前記赤外スペクトルを校正することを含む、態様９に記載の方法。
（態様１１）
前記水分含有量に対して前記赤外スペクトルを校正することが、近赤外スペクトルの赤外線エネルギーを用いて前記水分含有量に対して前記赤外スペクトルを校正することを含む、態様９に記載の方法。
（態様１２）
前記水分含有量に対して前記赤外スペクトルを校正することが、中赤外スペクトルの赤外線エネルギーを用いて前記水分含有量に対して前記赤外スペクトルを校正することを含む、態様９に記載の方法。
（態様１３）
前記水分含有量に対して前記赤外スペクトルを校正することが、手持ち式分光計を使用して前記水分含有量に対して前記赤外スペクトルを校正することを含む、態様９に記載の方法。
（態様１４）
前記赤外スペクトルに前処理を実行することを更に含む、態様９に記載の方法。
（態様１５）
前記水分含有量に対して前記赤外スペクトルを校正することが、ＰＬＳルーチンを使用して前記水分含有量に対して前記赤外スペクトルを校正することを含む、態様９に記載の方法。
（態様１６）
前記水分含有量に対して前記赤外スペクトルを校正することにより得られる校正データを、手持ち式分光計に使用される方法ファイルに変換することを更に含む、態様９に記載の方法。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】