JP2018028482A

JP2018028482A - 複合材料

Info

Publication number: JP2018028482A
Application number: JP2016160693A
Authority: JP
Inventors: 聡宮代; Satoshi Miyashiro
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2016-08-18
Filing date: 2016-08-18
Publication date: 2018-02-22

Abstract

【課題】材料の内部に発生したひずみは、解析による予測、または、ひずみが発生している箇所の断面検出によって検出してきた。そのため、ひずみの発生を即座に検出し、発生したひずみの全体像を即時に捕らえることは困難であった。そこで、固形材料内部におけるひずみの発生を外部から検出可能な複合材料とその製造方法を提供する。【解決手段】実施形態の複合材料は、樹脂を含有する固形材料と、固形材料中に分散された複数のひずみ検出体を備え、ひずみ検出体は、中空材料と、中空材料内に充填された充填物を含有するものとする。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、内部に発生したひずみを検出することができる複合材料に関する。

材料の内部に発生したひずみを可視化するためには、主に有限要素法等による解析を用
いる方法が一般的である。実験的手法としては、プラスティシンやスクライブド法等が一
般に使用されており、近年、これら以外の方法で実験的にひずみを検出する方法について
も発明されている。

特開２０１３−２０８６３５号公報

従来、材料の内部に発生したひずみは、解析による予測、または、ひずみが発生してい
る箇所の断面検出によって検出してきた。そのため、ひずみの発生を即座に検出し、発生
したひずみの全体像を即時に捕らえることは困難であった。本発明は上記課題に鑑み、材
料に生じたひずみを速やかに外部から検出可能な複合材料とその製造方法を提供する。

上記課題を達成するため、実施形態の複合材料は、樹脂を含有する固形材料と、前記固
形材料中に分散された複数のひずみ検出体を備え、前記ひずみ検出体は、中空材料と、前
記中空材料内に充填された充填物を含有するものとする。

本発明によれば、発生したひずみを速やかに外部から検出可能にする複合材料を提供す
ることができる。

第１の実施形態における複合材料の透視図。（ａ）ひずみが無い状態の中空材料の模式図、（ｂ）中空材料のA-A’の矢示断面図、（ｃ）ひずみがかかった状態の中空材料の模式図、（ｄ）ひずみがかかった状態の中空材料の模式図。第２の実施形態における複合材料の透視図。

以下本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

（第１の実施形態）
以下、実施の形態について図１〜２を参照して説明する。図１は、第１の実施形態の複
合材料の透視図であり、図２（ａ）は、ひずみが無い状態の中空材料の模式図、（ｂ）は
（ａ）に記載された中空材料のＡ−Ａ’の矢示断面図、（ｃ）及び（ｄ）は、ひずみがか
かった状態の中空材料の模式図である。

本実施形態において、複合材料は構造体にかかるひずみを計測するための試験用材料を
構成する材料であるものとする。図１に示すように、複合材料１は、固形材料２０と固形
材料２０中に分散されたひずみ検出体１０を備える。固形材料２０は透明なシリコーン系
の親水性の樹脂である。ひずみ検出体１０は図２（ａ）、（ｂ）に示すように、中空材料
１１と中空材料１１の内部に充填された充填物を備える。中空材料はカーボンナノチュー
ブ（以下、ＣＮＴ）であり、充填物は食紅などの親水性の色素を含有する。

次に、固形材料１にひずみが加わった場合の作用について記載する。固形材料１にひず
みが加わると、ひずみが生じた部分に存在するひずみ検出体１０は力を受け、力が加わっ
ていない状態の形状から変化する。例えば、ひずみ検出体１０は図２（ｃ）や（ｄ）のよ
うに湾曲したり、破断したりする。すると、ひずみ検出体１０から充填材が放出され固形
材料２０内に浸透する。そして、複合材料１のうちひずみが加わった部分は充填材により
着色されるため、複合材料１に生じたひずみを迅速に外側から確認することができる。ま
た、固形材料が透明であるため、ひずみが生じている部分の全体像を、複合材料１を切断
することなく外側から確認することができる。

なお、中空材料としては、中空部を持ち、中空部が外部と開口で接続されている材料で
あれば、形状を問わず効果を得られるが、ひずみに対する応答の容易さから、筒状の材料
が特に好適に使用できる。使用する中空材料は特に限定されないが、筒状の形状と、微小
寸法であることによる汎用性から、ＣＮＴが特に好適に使用できる。ＣＮＴを中空材料１
１として構成されるひずみ検出体１０は十分に細かいため、固形材料１１内に分散させて
も、固形材料１１の強度に与える影響が少ない。そのため、より高い精度でひずみを計測
することができる。また、近年では、ＣＮＴ内部に薬品を担持する手法が数多く発明され
ており、ＣＮＴ内に充填物１２を充填させるには、これらの手法を用いることができる。

また、ひずみ検出体１０を構成する中空材料１１はＣＮＴに限られない。例えば、中空
のグラスファイバーも中空材料１１として用いることができる。グラスファイバーは透明
度が高いため、固形材料中に検出体１０を高密度で分散させても、複合材料１の透明度を
できるだけ高く保つことができる。

また、固形材料２０の構成材料は、シリコーン系の透明樹脂に限られず、無機材料、有
機材料を問わず利用でき、固形材料自身が既に複数の物質から成る複合材料であっても良
い。しかし、ひずみ検出体１０を分散する工程の容易さから、樹脂を主原料とする固形材
料が最も好適に利用できる。

また、本実施形態において、固形材料２０および充填材１２はいずれも親水性であるも
のとしたが、固形材料２０および充填材１２はいずれも疎水性であってもよい。たとえば
、固形材料２０が疎水性のシリコーン系透明樹脂であり、充填材１２が疎水性の食紅等の
色素であってもよい。固形材料２０および充填材１２の親水性または疎水性の性質が同じ
であると、ひずみが加わった際に固形材料２０中で充填材１２が浸透しやすいため、ひず
みの発生をより速やかに確認することができる。

また、充填材１２は、固形材料２０と反応することで発色または電磁波や放射線を放出
するものであってもよい。電磁波とは光を含む。たとえば、充填材１２をアルカリ性また
は酸性の物質とし、固形材料２０にｐＨ指示薬を含有させる。この場合、ひずみが複合材
料に加わり、充填材１２が中空材料１１から放出されると、充填材１２が固形材料２０中
のｐＨ指示薬と反応するため、ひずみ発生部の色が変化することとなる。そして、ひずみ
の発生を速やかに複合材料の外側から検出することができる。

なお、充填材１２をｐＨ指示試薬とし固形材料２０にアルカリ性または酸性の物質を含
有させた場合、充填材１２をｐＨ指示試薬とし固形材料２０に酸性の物質を含有させた場
合も、同様にひずみ発生部を色の変化によって検出することが可能である。

また、たとえば、充填材１２をルミノールを含有する物質とし、固形材料２０に発光反
応の触媒を含有させてもよい。この場合、ひずみが複合材料に加わり、充填材１２が中空
材料１１から放出されると、充填材１２が固形材料２０中の発光反応の触媒と反応するた
め、ひずみ発生部が発光することとなる。同様に、充填材１２を発光反応の触媒を含有す
る物質とし、固形材料２０にルミノールを含有させた場合も、同様にひずみ発生部を発光
によって検出することが可能である。

また、たとえば、充填材１２がシュウ酸ジフェニルを含有する物質であり、固形材料２
０が過酸化水素を含有していてもよい。この場合、ひずみが複合材料に加わり、充填材１
２が中空材料１１から放出されると充填材１２が固形材料２０中の過酸化水素と反応する
ため、ひずみ発生部が発光することとなる。同様に、充填材１２が過酸化水素を含有する
物質であり、固形材料２０がシュウ酸ジフェニルを含有する場合も、同様にひずみ発生部
を発光によって検出することが可能である。

また、たとえば、中空材料１１を放射線遮蔽能力の高いコーティング材で覆い、充填材
１２を放射性各種を含有する物質としてもよい。この場合、ひずみが複合材料に加わり、
充填材１２が中空材料１１から放出されると、充填材１２が遮蔽処理されていない固形材
料２０中に浸透するため、ひずみ発生部の放射線量が高まることとなる。すなわち、放射
線量の変化を計測することで、ひずみの発生およびひずみの発生部位を速やかに外側から
検出することが可能である。

（第２の実施形態）
次に第２の実施形態について図３を参照して説明する。図３は、第２の実施形態の複合
材料の透視図である。なお、第１の実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複す
る説明は省略する。本実施形態において、固体材料２０中には充填物の浸透を補助する浸
透補助材３０が含有されているものとする。

本実施形態において、充填物１２は食紅などの親水性の色素であり、固形材料２０中に
は浸透補助材３０として親水性のポリマーが分散されている。複合材料にひずみが加わる
と、ひずみ検出体１０内の充填物１２は浸透補助材３０に浸透する。そのため、ひずみが
加わった部分の浸透補助材３０は充填物により着色されるため、複合材料１の内部に生じ
たひずみであっても外側から確認することができる。また、ひずみが生じている部分の全
体像を、複合材料１を切断することなく外側から確認することができる。

充填物１２と固形材料２０の疎水性または親水性の性質が異なる場合、充填物１２は固
形材料中２０を浸透しにくくなる。すると、ひずみが生じても充填物１２の浸透による色
の変化や電磁波の発生が小さくなるため、ひずみを検出しにくくなる。本実施形態におい
ては、充填物３０の固形材料３０中での浸透を補助する浸透補助材３０が含有されている
ため、固形材料２０の性質にかかわらず、ひずみを検出しやすくなる。

また、本実施形態において、充填材１２は疎水性であって、固形材料２０中には疎水性
の浸透補助材３０が分散されていてもよい。この場合も、複合材料中にひずみが加わると
、充填物１２が浸透補助材３０に浸透するため、複合材料１の内部に生じたひずみを外側
から確認することができ、ひずみが生じている部分の全体像を速やかに外側から確認する
ことができる。

また、充填材１２にアルカリ性の物質、浸透補助材３０にｐＨ指示試薬を含有させた場
合、充填材１２に酸性の物質、浸透補助材３０にｐＨ指示試薬を含有させた場合、充填材
１２にルミノール、浸透補助材３０に発光反応の触媒を含有させた場合、充填材１２に発
光反応の触媒、浸透補助材３０にルミノールを含有させた場合、充填材１２にシュウ酸ジ
フェニル、浸透補助材３０に過酸化水素を含有させた場合、充填材１２に過酸化水素、浸
透補助材３０にシュウ酸ジフェニルを含有させた場合、も複合材料中にひずみが加わると
、充填物１２が浸透補助材３０に浸透し、ひずみを検出することが可能である。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したも
のであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その
他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の
省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や
要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる
。

例えば、充填物としていくつかの物質を例示したが、充填物はこれら例示に限られない
。充填物は中空材料から放出されて、外部から観察される固形材料の色を変化させる物質
であればよい。または、充填物は中空材料から放出されて、電磁波または放射線を放出す
る物質であればよい。

また、複合材料はひずみ計測用の試験用材料を構成する材料であるものとしたが、ひず
み計測用の試験用材料以外に用いられても良い。例えば、製品そのものの構成材料として
も良い。

また、図１及び図３の複合材料は直方体であるが、複合材料の形態はこれに限られない
。ひずみを計測したい製品と同様の形状にしても良い。また、固形剤中の中空材料の密度
も図１及び図３に限られず、必要に応じて増減させても良い。

また、図２（ａ）に示したひずみが加わっていない状態のひずみ検出体は直線的である
が、ひずみ検出体の形状はこれに限られない。ひずみが加わっていない状態において、既
に湾曲していても良いし、一部に凹凸が設けられていても良い。同様に、図２（ｃ）、（
ｄ）に示したひずみが加わった場合のひずみ検出体の形状もこれらに限られない。

また、変色、発色、発光によりひずみを検出する場合、固形材料は光透過性がある材料
であることが好ましいが、充填物１２に放射性各種を用いる場合は、固形材料の放射線の
透過性があればよく、光透過性は問題にならない。

１・・・複合材料
１０・・・ひずみ検出体
１１・・・中空材料
１２・・・充填物
２０・・・固形材料
３０・・・浸透補助材

Claims

樹脂を含有する固形材料と
前記固形材料中に分散された複数のひずみ検出体を備え、
前記ひずみ検出体は、
中空材料と、
前記中空材料内に充填された充填物を含有する複合材料。
前記中空材料はカーボンナノチューブである請求項１に記載の複合材料。
前記中空材料は中空のグラスファイバーである請求項１に記載の複合材料。
前記充填物は前記中空材料から放出されて、外部から観察される前記固形材料の色を変化
させる物質である請求項１乃至３のいずれか一項に記載の複合材料。
前記充填物は前記中空材料から放出されて、電磁波または放射線を放出する物質である請
求項１乃至３のいずれか一項に記載の複合材料。
前記固体材料は浸透補助材を含有し、
前記充填物は前記固化材よりも前記浸透補助材に浸透しやすい請求項１〜５のいずれか一
項に記載の複合材料。