JP4388852B2 - 損傷センサ、その製造方法および歪検出方法 - Google Patents
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M. Takada, H. Matsubara, S.-G. Shin, T. Mitsuoka and H. Yanagida, "Self-Diagnosis Function in SiC-Fiber/Si3N4-Matrix Composites Containing Electrical Conductors", J. Ceram. Soc. Jpn, 108 [4], 397-401 (2000)
そこで、本発明は、必要とされる歪範囲内で構造体に作用した歪の累積値を検出できる損傷センサ、損傷センシング材料、損傷センサの製造方法、損傷検出方法および構造体を提供することを一つの目的とする。また、本発明は、構造体に作用した歪の累積値を精度よく検出できる損傷センサ、損傷センシング材料、損傷センサの製造方法、損傷検出方法および構造体を提供することを他の一つの目的とする。
センシング材料3は、導電性粒子4の連続的な接触構造による導電経路6を有している。導電性粒子の連続的な接触構造とは、導電性粒子が形成するパーコレーション構造を意味している。
本発明において、セラミックスマトリックス10は、脆性材料であって、脆性的破壊挙動を示す連続体を意味している。一般的に、固体が外力に対して塑性ひずみを生じて連続的に変形する性質を塑性といい、これが欠如した状態が脆性とされており、本明細書における脆性も同様の定義とする。
セラミックスマトリックス10は、絶縁性繊維12を有することができる。絶縁性繊維は、セラミックスマトリックス10において一定の方向性を持って配置されていることが好ましい。こうして配置されることで、セラミックスマトリックス10を一定の方向性で支持および強化でき、絶縁性繊維12に沿う導電経路6は、この方向に沿って歪を検出するのが容易になる。セラミックスマトリックス10における導電性変化を抽出するために、絶縁性繊維12は、導電経路6との関係において十分な抵抗性を持っていればよい。このような絶縁性繊維12としては、酸化ケイ素を主成分としたガラス繊維、アルミナ繊維、炭化ケイ素繊維、窒化ケイ素繊維もしくは窒化ホウ素繊維などを利用することができる。好ましくは、炭化ケイ素繊維を用いることができる。
センシング材料3は、それ単体としてのセンシング材料3として使用できるが、セラミックスマトリックス10の外周を被覆する被覆層14を備える形態とすることが好ましい。被覆層は、センシング材料3に対して延性付与あるいは強度を付与し、あるいは損傷センサ2を装着する構造体との絶縁性や耐水性を確保するのに好ましい。センシング材料3に延性あるいは強度を付与する構成することで、応力集中による低累積数・低歪域での破断を防ぎ累積数および歪範囲の拡大を図り、さらには構造体の変形を適確にセンシング材料に伝達させることができるようになる。また、損傷センサ3と構造体との絶縁や耐水性を確保する構成とすることで、損傷センサ2、すなわち、センシング材料3における導電性変化のみを計測することが可能となる。
センシング材料の製造方法は、特に限定しないで、通常の固相反応法、液相反応法、気相反応法を用いることができる。本発明においてはそのマトリックスを多孔質として空隙を導入することを特徴の一つとするため、固相反応法を採用することが好ましい。また、この固相反応法においても、常圧焼成や加圧焼成などを選択できるが、加圧環境下では緻密化が進む可能性があるため、常圧焼成もしくは減圧下での焼成が好ましい。
図1に示すように、センシング材料3に電極20を設置することで損傷センサ2を得ることができる。導電性計測のために設置される電極20は、その材質および固定方法について限定されず、例えば、電極材として銅、銀等の金属の線が選択でき、その固定方法としてハンダ付け、導電性ペーストによる固定、圧着端子による固定が可能である。また、導電性複合材料が薄膜状であった場合等は、その電極の設置方法としても金属の蒸着やスパッタリング法等による薄膜形成も採用することができる。ただし、導電性複合材料は、高分子材料を含む場合も想定されるためその耐熱温度以下にて固定可能な方法が好ましい。
構造体に作用した累積損傷を検出するには、損傷センサ2を計測対象となる構造体に設置し、損傷センサにおける導電性を検出する。対象となる構造体の材質は特に限定されないが、社会基盤構造物ではコンクリート構造体や鉄骨構造体などの鉄鋼系構造体がその一例として挙げられる。また、計測対象たる構造体は、建築物に限らず、歪の計測により安全性や機能を確認できるなどの有用性があるものであれば限定されない。したがって、航空機等の胴体や尾翼を構成する金属材料や複合材料をはじめとして、船舶、車両などの移動体における駆動関連部材、各種工業装置における駆動関連部材についても好ましい計測対象構造体となる。なお、本発明の別の形態として損傷センサ2が装着された構造体も提供される。
このように、例えば、ある歪以上では漸増現象を示すという歪の臨界値を設定したセンサを合成し、その臨界値をいくつかのレベルに設定することで、それらのセンサを並列に構造体に設置することによって、作用する歪の大きさがランダムな診断対象においても、その歪の大きさと累積数を分離することができる。
作製したセンシング材料の評価として、引張試験における機械的特性ならびに電気的特性について評価を実施した。この引張試験では油圧式強度試験機を使用してコンピュータ上での載荷パターンプログラム制御により、ピーク荷重一定での繰返し負荷除荷サイクル試験を実施し、複合材料に作用する荷重(応力)・歪・変位を計測した。この歪の計測には伸び計を用いた。なお、この繰返し負荷除荷サイクル試験では、周期を20sとしたランプ(三角波)波形の応力を与え、0.5s間隔にてデータの取り込みを連続的に行った。これらの載荷パターンにおいて、センシング材料の電気物性応答評価として抵抗変化を計測した。この抵抗値の計測にはデータ収集スイッチユニットを用い二端子法により計測した。さらに、このデータ収集スイッチユニットでは、強度試験機から転送される荷重、歪、変位等のデータも同時に計測し、PCにデータを収集できる評価システムとした。この評価システムの構成図を図4に示す。
上記のセンシング材料3に対してこの繰返し負荷除荷引張試験を実施し、その残留抵抗現象の挙動について評価した結果を図5に示す。この繰返し負荷除荷引張試験では、与えるピーク荷重を50Nとして、複合材料に作用させるピーク歪を約500μ(0.05%)に設定した。このピーク歪の設定値は、鋼材の疲労特性診断を考慮して設定したものである。この載荷の1cycle目において、このセンシング材料3は引張歪の作用に応じて抵抗変化の増加を示し、さらに、除荷過程においても抵抗値の増加傾向を示した。その後、2cycle目以降では、負荷時には若干の抵抗減少を示し、除荷時にその減少分よりも大きい抵抗増加を示し、結果として、歪の累積数に応じて抵抗値が漸増していく傾向を得ることに成功した。以降、1700cycleまでのサイクル数の増加とともに残留抵抗率が漸増する傾向は維持され、飽和現象などもみられなかったことから、高サイクルの累積的な歪作用に対しても追従できる可能性を得た。
Claims (15)
- 損傷センサであって、
多数の空隙を有するセラミックスマトリックスと、
該セラミックスマトリックスにおいて一定の方向性を持って配置される絶縁性繊維と、
該絶縁性繊維に沿う多数の導電性粒子の連続的な接触構造による導電経路と、
を備え、
これにより、前記損傷センサに累積的に作用した歪に対応する導電性変化量を保持する、累積損傷センサ。 - 前記絶縁性繊維は少なくとも一つの方向に沿って前記セラミックスマトリックスにおいて連続的に存在している、請求項1に記載の累積損傷センサ。
- 前記セラミックスマトリックスにおける前記多数の空隙は、導電性粒子と有機高分子材料とセラミックスマトリックス材料とを含有する前駆体を熱処理して得られる、請求項1又は2に記載の累積損傷センサ。
- 前記セラミックスマトリックスの表層側には絶縁性被覆層を備える、請求項1〜3のいずれかに記載の累積損傷センサ。
- 前記導電性粒子は、金属、炭素もしくは金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、金属硫化物及び金属ホウ化物からなる群から選択される1種あるいは2種以上の導電性セラミックス粒子を含む、請求項1〜4のいずれかに記載の累積損傷センサ。
- 前記センサに作用した歪除去後において該歪の作用により生じた導電性変化量の80%が残留保持される、請求項1〜5のいずれかに記載の累積損傷センサ。
- シート状体又は棒状体である、請求項1〜6のいずれかに記載の累積損傷センサ。
- 損傷センシング材料であって、
多数の空隙を有するセラミックスマトリックスと、
該セラミックスマトリックスにおいて一定の方向性を持って配置される絶縁性繊維と、
該絶縁性繊維に沿う多数の導電性粒子の連続的な接触構造による導電経路と、
を備え、
これにより、前記損傷センサに累積的に作用した歪に対応する導電性変化量を保持可能な累積損傷センシング材料。 - 累積損傷センサの製造方法であって、
導電性粒子を含有するセラミックス原料を、該原料において絶縁性繊維が一定の方向性を持って配置されている状態で焼成する工程を備え、
該焼成工程においては、焼成して得られるセラミックスマトリックスに多数の空隙を形成するとともに前記絶縁性繊維に沿って導電性粒子の連続的な接触構造による導電経路を形成する、製造方法。 - 前記セラミックス原料と前記絶縁性繊維とを備える成型体を焼成して前記有機高分子材料を消失させる第1の焼成工程と、
該第1の焼成工程後の成型体を焼成して前記セラミックス原料を焼結する第2の焼成工程と、
を備える、請求項9に記載の製造方法。 - 前記絶縁性繊維は少なくとも一つの方向で前記セラミックスマトリックスにおいて連続的に配置されている、請求項9または10に記載の製造方法。
- 請求項9〜11のいずれかに記載の製造方法によって得られる、累積損傷センサ。
- 構造体の損傷検出方法であって、
請求項1〜7のいずれかに記載の累積損傷センサを構造体に装着された構造体において、前記損傷センサにおける導電性を検出する工程、
を備える、検出方法。 - 前記構造体には検出可能な歪の最小値が異なる複数の前記累積損傷センサが装着され、それらセンサの導電性変化を比較することにより作用した歪の大きさと累積数とをそれぞれ検出する、請求項13に記載の検出方法。
- 請求項8に記載の累積損傷センシング材料が装着された構造体。
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