テラヘルツ光による黒色ゴム材料の非破壊検査手法を開発

ポイント

• 可視光を透過しない黒色ゴム材料の内部状態をテラヘルツ光で調査。
• コンパクトな装置で高速・高精度テラヘルツ偏光計測を実現。
• タイヤや防振ゴムなどの非破壊・非接触検査への応用が期待。

＜研究の背景＞

カーボンブラックが配合された黒色ゴム材料は、タイヤや防振ゴムなど、生活のあらゆる箇所で利用されています。ゴム製品の内部にひずみがたまると、予期しない亀裂などが発生する可能性があるため自動車タイヤの安全上その内部状態を検査する技術の確立が必要です。しかし、黒色ゴムは、人間の目が感じる可視光や近赤外線、中赤外線も透過しないため、光を用いてその内部状態を非破壊で観察することは極めて困難とされてきました。

＜研究の内容＞

本研究では、幅広い光スペクトルの中で、テラヘルツ光だけが黒色ゴム材料に対して透過性をもつことに着目しました（図１）。テラヘルツ光に対する黒色ゴム材料の屈折率^注４）は、黒色の起源にもなっているカーボンブラック添加物の並び方によって決定され、偏光測定によってある方向への屈折率が大きいこと（異方性）がわかれば、その並び方を推測できることを実証しました。

図２に示すように、ゴムは外からの力が加わると、異方性をもったカーボンブラック凝集体の並び方が変化し、引っ張った方向に沿って整列するようになります。本研究では、テラヘルツ偏光計測を用いることにより、引っ張ったゴム材料について、①「どの方向」に屈折率が大きいか（屈折率主軸角度）を決定しました（図３（ａ））。②また、屈折率主軸方向の屈折率とそれと垂直方向の屈折率を比較することで「どの程度」の屈折率差（複屈折）があるかを決定しました（図３（ｂ））。③以上のテラヘルツ光によって観測される「屈折率主軸角度」と「複屈折」の計測結果が、カーボンブラック凝集体の整列の仕方に関連することを見いだしました。

以上の結果から、テラヘルツ光を用いて、ゴム材料内部でカーボンブラック凝集体が「どちらの方向に」、「どの程度」整列しているかを知ることができます。そして、カーボンブラック凝集体の整列の様子から、材料が「どちらの方向に」、「どの程度」ひずんでいるかを推測することができます。ゴム材料に対するテラヘルツ光の透過率は比較的大きいので、これまで到達できなかったゴム深部のひずみの様子も調査できることが期待できます。

可視光を透過させず、非破壊検査では邪魔者であったカーボンブラック凝集体が、テラヘルツ光にとってはひずみ検査の有効な検出物質として働くことを示しました。これは、テラヘルツ光を用いた非破壊検査の重要な応用事例として位置づけられるものです。

＜今後の展開＞

黒色ゴム内部を透過するテラヘルツ光計測の利点を生かし、タイヤや防振ゴム内部の非破壊・非接触ひずみ検査への応用計測、空間分解能が数ｍｍ程度の、ひずみイメージングへの応用を試みます。さらに、反射型計測装置を開発し、金属部品上のゴム材料など透過測定では計測できないサンプルに対しても計測可能にするように試みます。 なお、本研究で開発した装置は、図４に示すように、小型テーブルに乗る程度に小さく、さらにテーブルタップ電源で動作するコンパクトな装置です。一点の計測時間が最速２５ミリ秒と高速です。今後、実用化と普及をめざし①計測装置の堅牢化を進め、工場などで実地検査できるような装置開発、②高速イメージング用途に応用するため、１０ｃｍ／ｓの速度で非破壊検査できるようなセンサーの機械動作機構を構築します。 また、展示会への出展とデモンストレーションにより、産業界のニーズを随時取り入れながら、実用化に向けた装置開発を進めます。

＜参考図＞

＜用語解説＞

注１） テラヘルツ偏光計測装置

テラヘルツ光は周波数１０^１２ヘルツを中心にした、電波と光波の境界に位置する電磁波のこと。物質によって可視域の光とは異なる透過特性を示すため、新しい非破壊・非接触検査光源として期待されている。今回、ゴム材料を透過する光の偏光状態を調査するために、市販のコンパクトなテラヘルツ分光装置に高速回転する偏光子を取り付け、高速かつ高精度に偏光計測できるように改良した。

注２） 非破壊検査手法

測定対象物を破壊することなく内部のきずやひずみを調査する手法のこと。Ｘ線検査、超音波検査、渦電流探傷検査など、測定対象物の性質に応じて様々な手法が存在する。

注３） カーボンブラック

ゴム製品に補強剤として用いられる炭素微粒子であり、凝集体を形成する。合成ゴム材料の黒色の起源になっている。

注４） 屈折率

物質内部の光の吸収や進み方を表す物質に固有の定数。屈折率の実部は、真空中と物質中の光速度の比で表すことができる。

＜論文情報＞

“Anisotropic optical response of optically opaque elastomers with conductive fillers as revealed by terahertz polarization spectroscopy”
（テラヘルツ偏光スペクトル計測による伝導性添加物を含んだ可視光不透過エラストマーの異方的光学応答の解明）
doi: 10.1038/srep39079

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