A2 Technologies

Exoscan の紹介

Exoscan• 世界初　真の携帯型 FTIR　　 Exoscan は、研究室の装置のパフォーマンスを　　手で持てるサイズのシステムへ進化させました。

• バッテリー駆動　　リチウムイオン　バッテリー搭載

• PDA コントロール　　無線通信

• 製品識別と鏡面測定　 外部反射とダイヤモンド ATR を含む複数の交換

可能なサンプリング・インターフェース

• サイズ：

• 重さ：• 交換可能なサンプリング• 干渉計：• 測定範囲• バッテリー：• インターフェース：• ドッキング・ステーショ

ン：• マルチレベルソフトウェ

ア：

• ハンドルとサンプリング部を除く　　（ 171.5×118.9×223.8mm ）• 本体およびバッテリー（ 3.18kg ）• 外部反射， 1 回反射 （ﾀﾞｲﾔﾓﾝﾄﾞ ATR ）， 1 回反射

Ge(ATR)• マイケルソン干渉計分光器　ビームスピリッター ZnSe• 4000 － 650cm-1

• リチウムイオンバッテリー ( 約 4 時間稼動）• 標準的な PDA またはノート PC• Exoscan をベンチ・トップ・システムとして使用可能

にします• ユーザーの経験と必要条件に合わせてカスタマイズ可

能

Exoscan• 大きなサンプルでも測定可能

• サンプルの非破壊試験• 研究室に持ってくるにはあまりに大きいサンプル• 貴重なもので分解や破壊ができないサンプル

• 使用場所• 製造現場• 保全‐修理工場• どんな場面でも使用可能

• 目的– 「高性能」材料を使用した製品が増えています

• 複合材、軽荷重量金属、エンジニアリング樹脂– 非破壊技術は、これらの材料を分析するために必要

です• 損傷状態の確認• 製品の識別

– 赤外分光光度計• 高感度な分析• 選択的な測定

– 非破壊分析 => ハンドヘルド分析装置

• 研究所で使用する装置を手で持てるサイズへ– 要求を満たすアプリケーションと性能

• 現場で使用 => 悪条件に耐えうる設計が重要– 吸湿性がない光学計（吸湿性のある部材を使用していませ

ん）– 調整の必要なし（安定した S/N ）

• 定量分析 => 長期安定性が重要– 安定した温度管理分光器（使用環境は 0℃ ～ 50℃ ）– 密封された分光計（水蒸気と炭酸ガスの影響を抑えます）

• 「難しい」サンプル =>S/N 比が重要– 大径光学で高感度– 効果的なサンプル・インターフェース

• Exoscan インターフェース– PDA

• サンプル測定•表示結果（ライブラリーの結果を表示）• 定められたメソッドで測定（予め測定メソッドを入力）• 装置本体とは無線通信

– ノート PC• 分析メソッドの開発• サンプル測定結果を Userライブラリーとして構築　• スペクトル表示と過去の結果確認• USB コミュニケーション

– PDA とノート PC 間で無線通信　　　・データ，メソッド，ライブラリー

• Exoscan －ソフトウエア– ユーザー選択

• Administrator －メソッド開発、完全なアクセス• Service －装置バリデーション，データの確認• User －簡易的な操作，合否判定

– メソッド作成• データ収集• ライブラリ探索

– 市販またはユーザーオリジナルの Library• 定量

– 多変量解析方法– 単変量解析方法

– 結果の表示・測定結果と Library との照合表示• ユーザー制限に基づき　 Green, Yellow, Red 　で色分け表示

Exoscan － Sample Interface– 交換可能なサンプリング光学

•Diamond ATR 、 Ge 　「 1 回反射 ATR 測定」

– サンプルは固体または液体（ Ge は黒ゴムなど）– サンプルとクリスタルを密着させるだけで OK– 簡単なサンプル識別に適しています

•External Reflectance (45⁰) 　「反射測定」– 金属と複合材表面– 大きな集光角→拡散反射測定– 表面酸化、皮膜厚さ

• Grazing Angle (82⁰) 　「高感度反射測定」– なめらかな金属表面– 最表面の測定– 痕跡汚染物質識別

サンプル

サンプル

サンプル

• External Reflection– 45° 外部反射– 1 回反射もしくは 4 回反射

• ATR– 1 回反射ダイヤモンド、 Ge– ダイヤモンド先端　直径 1mm– 1 回反射もしくは 4 回反射

• Grazing Angle– 82° 高感度反射– 1 回反射

• 交換可能– 1 回反射ダイヤモンド ATR 、 Ge ATR– 外部反射、高感度反射

• Reflectance vs ATR vs Grazing Angle– ATR （ 1 回反射 ATR 測定）

•ライブラリ探索•粉末、固体、液体サンプル

– Reflectance （反射反射測定）• 定量的測定•固体試料•屈折率の高いサンプル

– Grazing angle （高感度反射測定）•表面汚染• 金属表面

• ハンドヘルド表面分析応用例　

– 複合樹脂分析•熱または酸化劣化の測定

– コーティング分析•陽極酸化（アルマイト処理）識別と厚みの測定

–ペンキ /下塗りの識別

• 複合材分析

– 航空機と他産業で複合材料の使用が増加しています• 軽荷重量、強い（耐久性がある）耐腐食性が優れているため

– 熱ダメージと酸化劣化に影響されやすい複合材• 落雷、エンジンの故障• 損害について調べる技術が必要です

– 拡散反射赤外分光学は測定可能です• 試験室での試料測定で証明されています• フィールド配備のために装置開発を行いました• Exoscan はフィールド分析配備ニーズに応じます

複合材料熱ダメージ

– 熱ダメージと酸化劣化に影響されやすい航空宇宙複合材

• 落雷、エンジンの故障

– 拡散反射赤外分光学は、 1990年代初期に測定手法として確認されています

Zen Kawasaki, Department of Electrical Engineering Faculty of Engineering,

Osaka University , Yamada-Oaka 2-1, Suita,

Osaka 565-0871

複合材料熱ダメージのスペクトル重ね書き

180℃200℃230℃260℃

-- サンプル 977-3 ，エポキシとカーボンの複合材料， 40 min加熱-- 分解能 8 cm-1 ， 32 秒測定 (128 回　積算回数 )-- PLS Model ファクター 1 SECV 17℃

Heat Damage 977-3; Correlation FTIR to Short Beam Shear

• Sample subjected to 180, 200,230, 260, 290 deg. for 20 min

• Short Beam Shear tested as well as Exoscan

• Correlated FTIR to SBS• 1st Derivative, PLS

model

150 　　　　　 180 　　　　　 200 　　　　　 230 　　　　　 260 　　　　 290 　　

• 別々の確認– 10 サンプル– 1.89%平均誤差

• SBS Std Dev ~8%

Heat Damage 977-3; Correlation FTIR to Short Beam Shear

Tempactual relative SBS

predicted SBS error

350 100 103 3350 100 99.9 0.1400 96.6 96.8 0.2400 96.6 95.4 1.2450 91.7 92.8 1.1450 91.7 94.3 2.6500 85.5 82.3 3.2500 85.5 86.3 0.8550 80.7 80.6 0.1550 80.7 87.3 6.6

Average error 1.89

• コーティング分析－アルマイト– アルマイト処理は、アルミニウムを保護し頑丈にします– 特性は、タイプと厚み次第であります

• クロム酸、硫酸と硫化ホウ酸塩• 厚みは、プロセス条件によって異なります• 両方とも、特定のアプリケーションのために指定されます

– 今までは非分解で評価するテクニックは、アルマイト測定ではありませんでした

– FTIR はアルマイトを確認することができて、定量化することができます

– Exoscan は、大きな部分でも測定が可能です• 非分解

• コーティング分析－アルマイト タイプ別分析– 各々のアルマイト加工プロセスは、わずかに異なる　アルミニウム酸化被膜を生じます。

• Exoscan で区別できる違い－ Library検索

3 つの異なるアルマイトの例 Exoscan ソフトウェアのアルマイト Library検索結果

• コーティング分析－アルマイト厚み測定– 直接厚みに関連したアルミナ・バンドの吸収度

Calibration curve for BSAA on 2024Note: 8 second collection time

Borate sulfuric acid anodization on 2024 aluminum, 65 to 375 mg/ft2

•ペンキと下塗り識別– ペンキと下塗りは、 UV と耐酸化性を高性能材料に与えるこ

とを要求されます• エポキシ化合物• ウレタン• 添加剤

– 赤外は、簡単にこれらを識別確認します• 非破壊試験のために必要なハンドヘルド使用

– ATR と反射測定は、異なるサンプル・タイプを取り扱います• ATR は同定に適しています

– 既存の Library検索– 厚み依存でない

• 固い表面は反射測定が測定しやすいです

•１．原材料の識別–ペンキと下塗り剤

• ATR （ 8 秒積算）、ライブラリー照合結果

エポキシ下塗り剤 グレイ　ウレタンペイント ホワイト　ウレタンペイント

　　　　表面処理– 適切な表面処理は、全ての結合とコーティングプロセスのために必要です。

• 掃除• 下塗り

– ほとんど NDI 技術が、適切な表面処理を保証するものがありません。

– 赤外分光分析は、多くの表面汚染物と多くの下塗り剤

– Exoscan は、表面処理を破壊せずにテストすることができます

• 表面汚染を確認して、定量します• 下塗りの厚さを測定します• 下塗り水和と架橋結合を決定します

表面のクリーン度 – 金属表面– FTIR での薄膜の測定は可能です。– Grazing Angle 測定は、高感度に測定を行うことが来ます。

– 浅い角度は、信号を強化するために、金属表面の上で定常波を確立します

– Exoscan の Grazing Angle サンプル・インターフェースは、反射測定に比べ 4-5x 感度向上を示します

– 平滑面上の微量な汚染物質を高感度に測定できます

表面のクリーン度 – アルミ上のシリコンオイル

– Frekote™ Mold Release on Al sheet metal– 1 – 9 µg/cm2

– Limit of Quant grazing angle (~ 5x p-p noise) ~= 0.25 µg/cm2

– LOQ ~ 2 µg/cm2 for 45 degree

下塗りの厚さと水和• チタンのゾルゲル（シロキサン）下塗り• 良い結合に必要な、適した厚みと架橋結合• シリカの下塗りは、過剰な水和で架橋結合します。

– 架橋結合は、 1180 と 940cm の -1 時に、シリカのバンドの相対強度で観察されます

– 過剰な水和による全てのサンプルは、シリカの相対強度と水バンドをモニターすることによって観察されることができます

79

0.4

14

44.61

630.7

Re

fPe

ak1(1

06

3.1

)

Wate

r(331

8.9

)

SiO

SiA(1

18

2.4

)

To

tal S

ilic

ate

(10

68

.2)

SiO

SiB(1

05

9.2

)

SiO

SiTi(

942

.2)

spec reflec 2b 0001_abs(1) BL corr.

3800 3600 3400 3200 3000 2800 2600 2400 2200 20002000 1800 1600 1400 1200 1000 800

0.55

0.50

0.45

0.40

0.35

0.30

0.25

0.20

0.15

0.10

0.05

0.00

Wavenumber

Ab

so

rba

nce

Water

Trace Alkane

Silicon OxidesSi-O-Si Asym.Stretch

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3800 3600 3400 3200 3000 2800 2600 2400 2200 20002000 1800 1600 1400 1200 1000 800

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3800 3600 3400 3200 3000 2800 2600 2400 2200 20002000 1800 1600 1400 1200 1000 800

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Ab

so

rba

nce

Water

Trace Alkane

Silicon OxidesSi-O-Si Asym.Stretch

SiOSi (A) on SS4155 primer treated titanium metal

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

12a 11a 11a 10a 9a 8a 8a 7a 2b 2b 2b 2b 1a

Sample

Abs

orba

nce

Rat

ioSiOSi (A)

比率 A － 1182cm-1対 Total Area

許容範囲

下塗り水和と架橋結合

10%のH2O

50%のH2O

部分的な下塗り

スプレー

98%の前

コート

98% のポスト・コート

正しい Application

SiOSi (B) on SS4155 Primer Treated Titanium Metal

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

0.55

12a 11a 11a 10a 9a 8a 8a 7a 2b 2b 2b 2b 1a

Sample

Abs

orba

nce

Rat

ioSiOSi (B)

比率B － 1068cm-1対 Total Area

許容範囲

下塗り水和と架橋結合

10%のH2O

50%のH2O

部分的な下塗り

スプレー

98%の前

コート

98% のポスト・コート

正しい Application

表 1 ：チタンの上でケイ酸塩下塗りの赤外線のスペクトルから作られる 4つの寸法の全ての結果の図表化は、 Exoscan で集まりました。各々のコラムは、通って /その特定のテストのために失敗したサンプルの数をリストします。一回のテストの失敗が全体的な失敗と考えられるならば、全体のコラムは概要を代表します。

上記のテーブルは、水和実験でできている測定の概要です。 4つの測定を用いて、各々の不適合なサンプルは確認されることができます。その上、合格品のサンプルの全も確認されます。これは、シリカの下塗りの水和を測る Exoscan の能力を示します。

下塗り水和と架橋結合Samples pass/fail Total Si-O (P/F) Si-O-Si(A) (P/F) Si-O-Si(B) (P/F) Water (P/F) Total (P/F)

2B Pass 12/0 12/0 12/0 12/0 12/0

7A Fail 0/4 0/4 2/2 2/2 0/4

8A Fail 0/4 1/3 2/2 2/2 0/4

9A Fail 0/4 4/0 1/3 2/2 0/4

10A Fail 0/4 4/0 3/1 3/1 0/4

11A Fail 4/0 0/4 0/4 4/0 0/4

12A Fail 0/4 4/0 4/0 2/2 0/4

False Pass 4 13 12 17 0

False Fail 0 0 0 0 0

•結論– 複合物、陽極酸化（アルマイト）皮膜とペンキの　非破壊表面分析は、必要です

• 赤外分光分析は、それらのニーズの多くを満たすことができます• 真の非破壊分析を行うために装置 Handheld 携帯型であることが好ましい

– 高感度測定を用いて Exoscan のできることは• 熱障害、酸化分解反応、複合樹脂の化学分解• 軽銀の上の陽極酸化（アルマイト）タイプと厚み• ペンキと下塗り識別• 表面の汚染状態識別• 下塗り汚染と水和の識別。