JP2008030351A - 知的材料における形状回復力の制御方法及び知的材料 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】複合パネルが曝される環境温度を検出し、検出した環境温度に応じてSMA線を通電加熱する知的材料における形状回復力の制御方法及びそれに用いて好適な知的材料。
【選択図】図1
Description
特許文献1に記載の知的材料は、プロセッサ(CPU)がSMA線の電気抵抗値を抵抗検出回路で検出し、プロセッサによりひずみによる抵抗値変化を演算し、SMAワイヤの復元力を発生するようにしてなる。さらに好ましくは、無負荷状態のSMAワイヤを別に設けてレファレンスワイヤとし、その抵抗値を測定することで、複合材料に埋設したSMAワイヤの電気抵抗値の温度補償を行うようにしてなる。
本発明は、上記従来技術の問題点を解消し、複合パネルが曝される低温から高温までの広い環境温度範囲で複合材料などを用いた母材の損傷の抑制、修復を効果的に行うことができる知的材料における形状回復力の制御方法、及び知的材料を提供することを目的とする。
1.母材と、該母材に予ひずみが付加された形状記憶合金(SMA)線を埋め込んでなる複合パネルと、前記SMA線の電気抵抗値を検出する抵抗検出回路と、前記SMA線へ電流を流す電流制御回路とを具備し、前記複合パネルが曝される環境温度を前記抵抗検出回路で検出し、検出した環境温度に応じて前記母材に埋設したSMA線を通電加熱することを特徴とする知的材料における形状回復力の制御方法。
4.前記SMA線を通電加熱するに際し、予めその電力よりも小さい小電力で通電加熱して前記母材を予熱することを特徴とする上記1.〜3.のいずれかに記載の知的材料における形状回復力の制御方法。
7.相変態温度が異なった複数種類のSMA線を組み合わせて前記母材に埋設した複合パネルを具備することを特徴とする上記1.〜4.のいずれかに記載の形状回復力の制御方法に用いる知的材料。
9.前記母材に埋設したSMA線が互いに非接触状態で直角にクロスする格子状構造をもつ複合パネルを具備することを特徴とする上記1.〜4.のいずれかに記載の形状回復力の制御方法に用いる知的材料。
11.前記母材に埋設したSMA線と接する外周物質の熱伝導率が0.5W/(m・K)以下でかつその外周の物質の熱伝導率が1.0W/(m・K) 以上である複合パネルを具備することを特徴とする上記1.〜4.のいずれかに記載の形状回復力の制御方法に用いる知的材料。
(試験条件)
SMA線の予ひずみ=6%、SMA線の直径=0.4mm、試験片3の幅方向に並べたSMA線の数=7本、間隔=2.5mm、SMA線の埋設位置:試験片3の厚さ方向中央(図1参照)。試験片3の形状:巾20mm、長さ130mm、厚さ5mm。
用いたAタイプ、BタイプのTiNi合金のSMA線の組成と相変態温度を表1に示す。
図2は、母材に埋設したAタイプのSMA線に電流を流した後、電流を遮断することを繰り返し行った場合の時間と試験片の変位の関係を、環境温度を3種類変えて調べた結果である。SMA線に2.5Aの直流電流を5秒間流して通電加熱し、その後電流を5秒間遮断した。その結果、いずれの環境温度においても、通電と遮断の繰り返しに伴い、試験片が熱膨張し試験片の変位が増加している。ただし、試験片を曝している環境温度が低いT=−40℃の場合、通電加熱の初期段階ではSMA線で生じたジュール発熱が試験片に奪われてしまい、収縮が見られない。これはSMA線の温度が逆変態温度:Afに至らず、SMA線に形状回復が起こっていないからである。このことから、−40℃〜−50℃の低温環境下で試験片3を使用する場合には、この通電加熱条件では母材の損傷の抑制、修復を行うのに不十分であることがわかる。これに対して試験片を曝している環境温度がT=20、80℃と高い場合、通電加熱の初期段階からオーステナイト相(母相)への逆変態が進行するため、SMA線の回復力によって試験片の収縮が生じている。その回復力が複合材料などの母材の損傷の抑制、修復に利用される。したがって、広い環境温度範囲で使用できる知的材料を実現するためには、複合パネルが曝される環境温度に応じて、SMA線を通電加熱する必要がある。
上述したA、BタイプのSMA線の電気抵抗の温度特性を調べ、その結果を図4、図5に示した。
その後、通電加熱する過程でC点−D点(極大点)−E点(極小点)−A点で表したマスター曲線に沿ってSMA線の温度が検出される。したがって、通電加熱する過程でSMA線の加熱温度が精度よく検出できる。その際、SMA線を通電加熱するに際し、SMA線の電気抵抗値の極大点または極小点を求め、SMA線の加熱温度及びその相変態の進行状態を判定するようにすれば、SMA線の加熱温度及びその相変態の進行が極大点または極小点を超えているのか否か判定することができる。
図6には、母材にSMA線を埋め込んだ以降にSMA線が受けた温度履歴によって、破線で示すSMA線の電気抵抗の温度変化曲線が測定されてしまうため、SMA線の電気抵抗値が6オームと測定されたとき、異なる環境温度(α、β、γ、δなど)が検出されて、複合パネルが曝されている環境温度を一義的に得ることが出来ないことを示した。
次いで、知的材料として具備して好適なひずみセンサ機能を説明する。母材に加わるひずみを検出するひずみセンサ機能は以下のように構成する。前述した母材にSMA線を埋め込んでなる試験片を2個を用い、一方の試験片内のSMA線はひずみと環境温度の変化の両方が加わるアクティブゲージとし、他方の試験片内のSMA線は、ひずみが加わらず、環境温度の変化のみに曝されるレファレンスゲージとしてなるブリッジ回路を構成する。SMA線はAタイプのものを用い、環境温度を常温とし、アクティブゲージとした一方の試験片の長さ方向に5MPaの応力を負荷した。一方の試験片に応力を負荷する際の負荷方向は、SMA線2の伸びる方向、すなわち一方の試験片の長さ方向とした。そのときのブリッジ回路の出力電圧を記録し、結果を図13に示す。これから、知的材料に生じるひずみの検出が十分なS/N比で出来ることがわかる。また−40℃以下の低温環境下から80℃までの高温環境下に曝し、同様な応力を負荷したときの出力電圧を記録し、その結果を図14に示した。図15には、BタイプのSMA線を母材に埋め込んだ試験片を2個用い、それ以外は、Aタイプのものを用いた場合と同様にしてひずみセンサ機能の試験を行った結果を示した。
以下、好適な知的材料の構成について述べる。
SMA線の予ひずみを0.5〜7%とした複合パネルを具備することが好適である。SMA線の予ひずみが0.5%以下では、母材の損傷の抑制、修復を行うのに十分な収縮・復元力を得られず、7%以上では永久塑性変形が増して母材の損傷の抑制、修復を行う収縮・復元力の繰り返し特性が低下する。SMA線の予ひずみを6%として母材に埋め込んでなる複合パネルが普通、最大の回復力が得られる。相変態温度が異なった複数種類のSMA線を組み合わせて母材に埋設した複合パネルを具備することも好適である。この場合、通電加熱したときの回復力が異なる逆変態温度(As,Af)域で最大となるので、回復力の発生温度域を拡大でき、複合パネルが曝される低温から高温までの広い環境温度範囲で母材の損傷の抑制、修復を効果的に行うことができる。またさらに変態するときR相が介在するSMA線を母材に埋設した複合パネルを具備することで、R相変態部の電気抵抗の極大点を利用して、低温環境での逆変態の完了及び複合パネルが曝される環境温度を精度よく検出することが出来る知的材料を実現できる。SMA線が互いに非接触状態で直角にクロスする格子状構造をもつ複合パネルを具備することも、低温から高温までの広い環境温度範囲で母材の損傷の抑制、修復を効果的にかつ高精度に行うことが出来る知的材料を実現できる。
2 形状記憶合金線(SMA線)
3 複合パネル(試験片)
4 電気回路
5 コンピュータ
6 温度センサシステム
7 ひずみセンサシステム
8 コントローラ
9 電流制御回路
Claims (11)
- 母材と、該母材に予ひずみが付加された形状記憶合金(SMA)線を埋め込んでなる複合パネルと、前記SMA線の電気抵抗値を検出する抵抗検出回路と、前記SMA線へ電流を流す電流制御回路とを具備し、前記複合パネルが曝される環境温度を前記抵抗検出回路で検出し、検出した環境温度に応じて前記SMA線を通電加熱することを特徴とする知的材料における形状回復力の制御方法。
- 前記複合パネルの使用前に、前記SMA線の電気抵抗の温度特性曲線を予め求めてマスター曲線とし、該マスター曲線と前記SMA線の電気抵抗値とに基づき、前記SMA線の温度を検出するように回路を構成しておき、さらに前記SMA線の温度をオーステナイト相(母相)への変態が終わる逆変態終了温度以上にまで上げるという予備加熱処理を行い、次いで前記複合パネルが曝される環境温度にまで冷却する過程で前記SMA線の温度を検出することを特徴とする請求項1に記載の知的材料における形状回復力の制御方法。
- 前記SMA線を通電加熱するに際し、前記SMA線の電気抵抗値の極大点または極小点を求め、前記SMA線の加熱温度及びその相変態の進行状態を判定することを特徴とする請求項1又は2に記載の知的材料における形状回復力の制御方法。
- 前記SMA線を通電加熱するに際し、予めその電力よりも小さい小電力で通電加熱して前記母材を予熱することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の知的材料における形状回復力の制御方法。
- 前記複合パネル内のSMA線をアクティブゲージとし、前記複合パネルと同じ条件で製造したパネル内のSMA線をひずみが加わらず、環境温度の変化のみに曝されるレファレンスゲージとしてブリッジ回路を構成し、前記ブリッジ回路からの出力電圧信号の時間変化に基づき、ひずみを検出するひずみセンサ機能を具備してなることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれかに記載の形状回復力の制御方法に用いる知的材料。
- 前記SMA線の予ひずみが0.5〜7%である複合パネルを具備することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の形状回復力の制御方法に用いる知的材料。
- 相変態温度が異なった複数種類のSMA線を組み合わせて前記母材に埋設した複合パネルを具備することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の形状回復力の制御方法に用いる知的材料。
- 変態するときR相が介在するSMA線を前記母材に埋設した複合パネルを具備することを特徴とする請求項7に記載の形状回復力の制御方法に用いる知的材料。
- 前記母材に埋設したSMA線が互いに非接触状態で直角にクロスする格子状構造をもつ複合パネルを具備することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の形状回復力の制御方法に用いる知的材料。
- 前記母材に埋設したSMA線が複数ブロックに分かれており、各ブロックのSMA線が独立して電気を流す電流制御回路に接続された複合パネルを具備することを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれかに記載の形状回復力の制御方法に用いる知的材料。
- 前記母材に埋設したSMA線と接する外周物質の熱伝導率が0.5W/(m・K)以下でかつその外周の物質の熱伝導率が1.0W/(m・K) 以上である複合パネルを具備することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の形状回復力の制御方法に用いる知的材料。
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