JP4224587B2 - 自己診断機能を有する複合部材とその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、繊維強化プラスチックなどの複合部材であって、部材内部の欠陥を非破壊検査するための「自己診断機能」を備えた複合部材と、その製造方法に関し、特に、自己診断機能を簡便且つ安価な構成で実現できるようにしたものである。

繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）は、軽くて強度や剛性に優れているため、従来から航空機や自動車のボディー、建築材料などに広く利用されている。
ＦＲＰは、図１７に示すように、炭素繊維などを束ねたり織ったりした布（カーボンクロス）１０がプラスチック１１を介して積み重ねられているものが主流である。ＦＲＰは、カーボンクロス１０に沿う方向（Ａ方向）に対しては優れた強度を有しているが、カーボンクロス１０の層の間は破壊され易く、図１８に示すように、層間剥離１２の発生する危険性がある。
こうしたＦＲＰ内部の損傷を非破壊で自己診断するための手法は、これまで幾つか提案されている。自己診断機能を持つ複合部材は、スマートマテリアル、あるいはスマートストラクチャなどと呼ばれている。

例えば、図１９に示すように、ＦＲＰ中に周期的に屈折率が変化する光ファイバ１３を埋め込んだスマートマテリアルが開発されている。層間剥離の発生などに伴って光ファイバ１３が歪むと、光ファイバに入射した光の反射光が変化するため、ＦＲＰの歪みや損傷が検出できる。
また、下記特許文献１には、図２０に示すように、圧電デバイス１６を配線１７で接続した診断層１５を、プリプレグ１４の間に挿入し、これらを高温で硬化して積層化したＦＲＰが記載されている。このスマートマテリアルは、ＦＲＰに振動を与え、この振動で物理的変形が引き起こされた圧電デバイス１６から出力される各信号を検出して、ＦＲＰの歪みや損傷を調べることができる。
特表２００３−５１５７３０号公報

しかし、従来のスマートマテリアルは、炭素繊維より径が太い光ファイバや、大きなサイズの圧電デバイスをＦＲＰ内に埋め込んでいるため、ＦＲＰにおける機械的特性の劣化が懸念される。また、非常に高価な光ファイバを用いるためにＦＲＰのコストが上昇したり、圧電デバイスを配線で接続してそれらをＦＲＰに埋め込むために製造工程が複雑になったりするという問題点がある。

本発明は、こうした従来の問題点を解決するものであり、部材の機械的特性に影響を与えること無く、また、簡便且つ安価な構成で自己診断を行うことができる複合部材を提供し、また、その製造方法を提供することを目的としている。

そこで、本発明では、合成樹脂と導電性繊維層とから成る複合部材の合成樹脂中に、分極方向を配向させた圧電性粒子を含ませている。
この複合部材は、導電性繊維層が電極となり、圧電性粒子の自発分極（残留分極）の電位に比例した電荷を蓄積して静電容量型センサを構成する。

また、本発明の複合部材は、振動が与えられたときに、静電容量の変化量に相当する電流を導電性繊維層から出力する。
この出力信号から、複合部材に発生している歪みや損傷を診断することができる。

また、本発明の複合部材は、振動が与えられたときに、合成樹脂の変形による静電容量の変化量が圧電性粒子の分極の変化量を上回る。
この複合部材では、振動を受けたときに、圧電性粒子の分極に起因する静電容量が合成樹脂の変形により変化することを利用して診断を行う。圧電性粒子の分極は、振動を受けたときにほとんど変化せず、圧電性粒子の圧電効果や逆圧電効果は利用していない。

また、本発明の製造方法では、分極処理した圧電性セラミックを粉砕して圧電性粒子を生成し、高分子の溶液に圧電性粒子を混合して混合溶液を生成し、直流電界中に混合溶液と導電性繊維層とを共存させて高分子を硬化させ、自己診断機能を有する複合部材を製造している。
この製法では、直流電界中で高分子を硬化しているため、複合部材の合成樹脂中に含まれる圧電性粒子の分極方向が揃うことになる。

本発明の複合部材は、異物質として微細な圧電粒子しか混合していないため、複合部材の機械的強度を損ねる恐れがない。また、低コストで製造できる。
また、本発明の複合部材は、自己診断に際して、複合部材に対し、外部から電源を供給する必要が無い。そのため、簡便に診断することができ、製品化された後の複合部材に対する診断も容易に実施できる。

本発明の実施形態におけるＦＲＰは、図１に示すように、樹脂１１中に圧電セラミックの微粒子２０を含んでいる。この圧電セラミックの微粒子２０における分極方向は揃っており、ＦＲＰは、炭素繊維の層（カーボンクロス）１０を電極とする静電容量型センサとして作動する。

静電容量型センサは、電極間の距離が変わるとき、その電極間の静電容量が変化し、その変化に応じた信号を出力する。例えば、図２に示すように、分極方向を揃えた圧電セラミック微粒子２０が含まれる樹脂１１をカーボンクロス１０上に形成し、この樹脂１１との間に空間３１０を空けて電極３０を配置すると、静電容量型センサが形成され、圧電セラミック微粒子２０の分極が齎す電位に比例した電荷が電極３０及びカーボンクロス１０間に蓄積する。
蓄積する電荷Ｑの総量は、次式で表せる。
Ｑ＝（ε／ｄ）Ｖｐ
ただし、ε：誘電率、ｄ：電極間の距離、Ｖｐ：圧電セラミック微粒子の分極電位

ここで、電極３０を矢印の方向に動かすと、圧電セラミック微粒子２０の分極に変化は無いが、電極３０とカーボンクロス１０との距離が短くなるため、電極３０及びカーボンクロス１０間の静電容量が変化し、その間に蓄積される電荷が変動して、電極３０とカーボンクロス１０との間で電流が流れる。この電流を計測すれば、電極３０及びカーボンクロス１０間の静電容量の変化が検出できる。

こうした静電容量型センサとしての動作は、図３に示すように、電極（＝カーボンクロス）１０間が圧電セラミック微粒子２０を含む樹脂１１で満たされている場合でも、同じように見られ、電極１０間の距離が変動したとき、電極１０間の静電容量の変化に基づく電流が電極間に流れる。このとき、樹脂１１の剛性は圧電セラミック微粒子２０の剛性に比べて極めて低いため、樹脂１１は、電極の動きに応じて変形するが、圧電セラミック微粒子２０には応力が殆ど加わらない。そのため、圧電セラミック微粒子２０における分極の変化は殆ど発生しない。

このＦＲＰに対して、図４に示すように、打撃を与えると、電極として作用するカーボンクロス１０１がＡのように振動し、カーボンクロス１０１、１０２間の静電容量の変化に基づいて、カーボンクロス１０１からＢ１に示す信号（横軸は時間、縦軸は電圧を表す。）が出力される。ただし、この信号波形は、カーボンクロス１０１の出力信号から高周波成分を除いた低い周波数の成分のみを表している。

図５（ａ）に示すように、ＦＲＰに対して引張り力が作用している場合は、ポアソン効果によりカーボンクロス１０１、１０２間の距離が狭まり、カーボンクロス１０１の振動周波数が上昇する。その結果、打撃を受けたときにカーボンクロス１０１から出力される信号波形Ｂ２の周波数は、図４の信号波形Ｂ１の周波数に比べて高くなる。

また、図５（ｂ）に示すように、ＦＲＰに層間剥離が発生した場合は、図２の空間３１０に相当するものが存在することになり、打撃を受けたときのカーボンクロス１０１の振幅が大きくなる。その結果、カーボンクロス１０１から出力される信号波形Ｂ３の振幅は、図４の信号波形Ｂ１の振幅に比べて大きくなる。
従って、このＦＲＰに打撃を加え、そのときにカーボンクロスから出力される信号を解析することにより、ＦＲＰに生じている歪みや損傷を検出することができる。

また、図６（ａ）に示すように、ＦＲＰに含まれる圧電セラミック微粒子２０がカーボンクロスの間に存在しない場合は、鉄球３１などの導体を用いてＦＲＰに打撃を加える。こうすると、鉄球３１が一方の電極として作用し、他方の電極となるカーボンクロス１０から、これら電極間の静電容量の変化に基づく信号が出力される。図６（ｂ）に示すように、ＦＲＰに層間剥離１２が存在する場合は、カーボンクロス１０から出力される信号の振幅が増大する。
従って、この場合も、カーボンクロスから出力される信号を解析して、ＦＲＰに生じている歪みや損傷を検出することができる。

次に、このＦＲＰの製造方法について説明する。
ここでは、圧電材料としてＰＺＴ圧電体を使用し、分極処理を施したＰＺＴセラミックスをサブミクロン以下の粒径（平均粒径０．６μｍ）に粉砕して圧電セラミック微粒子を生成した。次に、硬化剤を含むエポキシ樹脂１に対して、粘土を下げるためにアセトン４を加え、この溶液と圧電セラミック微粒子とを９：１の容量比で混合し、この混合液をカーボンクロスに塗布した。

そして、図７に示すように、これを金属（アルミ）板４０の上に置き、金属板４０とカーボンクロス１０との間に３００Ｖの直流電圧を印加し、荷重を加えながら、この状態を保って溶液を硬化し、ＦＲＰ単位層を形成した。
このように液状化した高分子中に分極処理済みの圧電体微粒子を混合し、直流電界を印加しながら高分子を硬化することにより、分極方向の揃った圧電体微粒子が分散する樹脂を得ることができる。
次に、図８に示すように、こうして製造した複数のＦＲＰ単位層をエポキシ樹脂１１１で接着して積層体からなるＦＲＰを生成した。

また、エポキシ樹脂溶液と圧電セラミック微粒子との混合液をカーボンクロスに塗布すると、その混合液の一部がカーボンクロスを透過し、直流電界中での硬化により、図９（ａ）に示す形でＦＲＰ単位層が得られる場合がある。このときも、図９（ｂ）に示すように、複数のＦＲＰ単位層をエポキシ樹脂１１１で接着して、積層体からなるＦＲＰを生成する。

次に、このＦＲＰにおける特性の測定結果について説明する。
図１０は、特性の測定に用いた装置を示している。この装置は、試料５０となるＦＲＰを保持しながら試料５０に引張り力を加える保持部６１と、試料５０に対して鉄球６２で打撃を加える打撃部６３と、試料５０のカーボンクロス５１、５２、５３からの出力信号波形を解析するオシロスコープ６４とを備えている。

測定には、製造したＦＲＰから切り出した１３ｍｍ×１１０ｍｍの試料５０を用いた。打撃部６３は、５秒間隔で試料５０を鉄球６２で打撃するように設定した。
測定は、試料に対する引張り力を増やしながら鉄球で打撃を加える引張り試験と、鉄球の打撃力を変えながら試料に対する負荷除荷を繰り返す繰り返し負荷試験との二通りを行った。

引張り試験では、図１１（ａ）に示すように、試料に対する引張り強度を徐々に増やしながら、各段階において試料に鉄球６２の打撃を加え、試料のカーボンクロス５３、５２から出力される信号を測定している。図１１（ｂ）は、引張り強度が略０のときにカーボンクロス５３から出力される１ｃｈの信号波形Ｂ５３と、カーボンクロス５２から出力される２ｃｈの信号波形Ｂ５２とを示し、また、図１１（ｃ）は、引張り強度が３００ｋｇｆ付近のときにカーボンクロス５３から出力される１ｃｈの信号波形Ｂ５３と、カーボンクロス５２から出力される２ｃｈの信号波形Ｂ５２とを示している。

図１１（ｂ）と図１１（ｃ）とを比較して明らかなように、試料に対する引張り強度が高くなると、カーボンクロス５３、５２から出力される信号の周波数が上昇している。従って、ＦＲＰのカーボンクロスから出力される信号の周波数を検出する（実際には、後述するＴｐｐを検出する）ことにより、ＦＲＰに加わる歪みを測定することができる。

なお、図１１に示す積層状態の試料５０に対して鉄球６２で打撃を加える場合には、静電容量型センサとして機能する試料（ＦＲＰ）のカーボンクロス５３、５２から、図１２に示す信号が出力される。また、この試料の反対側から鉄球６２で打撃を加える場合には、カーボンクロス５１、５２から、図１３に示す信号が出力される。また、図９に示すＦＲＰの場合は、鉄球の打撃により、図１４に示すように、ＦＲＰのカーボンクロスから信号が出力される。

繰り返し負荷試験では、図１５（ａ）に示す荷重曲線に従って、試料に対して打撃を加えた。また、図１６に示すように、試料のカーボンクロスから出力される信号より、第１ピークの振幅（Ｖｐ１）、第２ピークの振幅（Ｖｐ２）、第１ピークと第２ピークとの時間差（Ｔｐｐ）、及び、第１ピークと第２ピークとの振幅比（Ｒｐｐ＝Ｖｐ２／Ｖｐ１）を求めた。

図１５（ｂ）は、荷重曲線に対応するＴｐｐの変化を示している。荷重の増加に伴ってＴｐｐが減少しており、試料に加わる応力の増加が試料の固有振動数の増加を齎すことを示している。従って、ＦＲＰの出力信号波形からＴｐｐを測定することによりＦＲＰの歪みを検出することができる。

また、図１５（ｃ）は、荷重曲線に対応するＶｐ１の変化を示している。Ｖｐ１は、負荷除荷を繰り返すに従って増加している。これは、負荷除荷の繰り返しで試料内部に層間剥離などの損傷が発生したためである。従って、ＦＲＰの出力信号のピーク強度を測定することによりＦＲＰ内部の損傷を検出することができる。

図１５（ｄ）は、荷重曲線に対応するＲｐｐの変化を示している。Ｒｐｐは、負荷除荷の繰り返しに従って減少する傾向を示しているが、Ｖｐ１の変化ほど顕著ではない。
このように、このＦＲＰは、自己診断機能を有しており、打撃を受けたときにカーボンクロスから出力される信号により、歪みや損傷の有無を識別することができる。

このＦＲＰでは、それが使用されている製品の各所に打撃を加え、得られた信号波形の周波数や振幅を比較して、歪みや損傷が発生している箇所を特定することができる。
また、ＦＲＰから出力された過去の信号波形データと、現在の信号波形データとを比較して、経年変化による歪みや損傷の発生を検出することもできる。

このＦＲＰは、異物質として微細な微粒子を樹脂中に混合しているだけであるから、ＦＲＰの機械的強度を損ねる恐れがない。
また、低コストで実現できる。
また、このＦＲＰは、自己診断に際して、ＦＲＰ内部への通電等が不要であり、ＦＲＰの外部から打撃を加えるだけで、内部の歪みや損傷を検出することができる。従って、ＦＲＰを簡便に診断することができ、製品化された後のＦＲＰに対する診断も容易に実施できる。

なお、ここでは、ＦＲＰの強化繊維としてカーボン繊維を用いる場合について説明したが、その他の導電性繊維を用いても良い。
また、微粒子を得るための圧電体は、ＰＺＴ以外であっても良い。本発明のＦＲＰでは、打撃（振動）を受けたとき、合成樹脂の変形による静電容量の変化が圧電性微粒子の分極の変化を上回って発生する。このＦＲＰでは、圧電性微粒子の分極は、振動を受けても殆ど変化せず、圧電性粒子の圧電効果や逆圧電効果は利用していない。従って、本発明で使用する圧電体は、自発分極（残留分極）が大きく、圧電効果や逆圧電効果が小さい素材の方が望ましい。

また、圧電セラミック微粒子の粒径は、ＦＲＰの機械的特性に影響を与えない程度であれば良く、前述した粒径に限るものではない。
また、樹脂に対して、圧電セラミック微粒子の体積比が多すぎると樹脂の変形が小さくなるため、センサ感度が低下し、また、圧電セラミック微粒子の体積比が少なすぎると、分極により蓄積される電荷量が小さくなるため、センサ感度が低下する。圧電セラミック微粒子と樹脂との混合比率は、これらの点を考慮して決める必要がある。

本発明の複合部材は、航空機、車両、船舶、建築資材など、各種分野において広く利用することができる。

本発明の実施形態におけるＦＲＰの構成を説明する図 静電容量型センサを説明する図 本発明の実施形態におけるＦＲＰの静電容量型センサ機能を説明する図 本発明の実施形態におけるＦＲＰの信号出力を説明する図 本発明の実施形態におけるＦＲＰに引張り力が作用したとき（ａ）、及び、層間剥離が発生したとき（ｂ）の信号出力を説明する図 本発明の実施形態における他のＦＲＰでの信号出力を説明する図 本発明の実施形態におけるＦＲＰの製造方法を説明する図 本発明の実施形態における積層構造のＦＲＰの製造方法を説明する図 本発明の実施形態における他構造のＦＲＰの製造方法を説明する図 本発明の実施形態におけるＦＲＰの特性測定装置を示す図 本発明の実施形態におけるＦＲＰの引張り試験の結果を示す図 本発明の実施形態におけるＦＲＰの信号出力電極を説明する図（その１） 本発明の実施形態におけるＦＲＰの信号出力電極を説明する図（その２） 本発明の実施形態におけるＦＲＰの信号出力電極を説明する図（その３） 本発明の実施形態におけるＦＲＰの繰り返し負荷試験の結果を示す図 繰り返し負荷試験の測定データの定義を説明する図 ＦＲＰの構造を説明する図 ＦＲＰの層間剥離を説明する図 光ファイバを用いた従来のスマートマテリアルを示す図 圧電デバイスを埋め込んだ従来のスマートマテリアルを示す図

符号の説明

１０ カーボンクロス
１１ 樹脂
１２ 層間剥離
１３ 光ファイバ
１４ プリプレグ
１５ 診断層
１６ 圧電デバイス
１７ 配線
２０ 圧電セラミック微粒子
３０ 電極
３１ 鉄球
４０ 金属板
５０ 試料
５１ カーボンクロス
５２ カーボンクロス
５３ カーボンクロス
６１ 保持部
６２ 鉄球
６３ 打撃部
６４ オシロスコープ
１０１ カーボンクロス
１０２ カーボンクロス
１１１ エポキシ樹脂
２００ ＰＺＴ微粒子
３１０ 空間

Claims (4)

1. 合成樹脂と導電性繊維層との複合部材であって、前記合成樹脂の中に分極方向を配向させた圧電性粒子を含むことを特徴とする自己診断機能を有する複合部材。
2. 振動が与えられたときに、静電容量の変化量に相当する電流を前記導電性繊維層から出力することを特徴とする請求項１に記載の自己診断機能を有する複合部材。
3. 振動が与えられたときに、前記合成樹脂の変形による静電容量の変化量が前記圧電性粒子の分極の変化量を上回ることを特徴とする請求項１または２に記載の自己診断機能を有する複合部材。
4. 分極処理した圧電性セラミックを粉砕して圧電性粒子を生成し、高分子の溶液に前記圧電性粒子を混合して混合溶液を生成し、直流電界中に前記混合溶液と導電性繊維層とを共存させて前記高分子を硬化させることを特徴とする自己診断機能を有する複合部材の製造方法。