JP7282515B2 - Carbon fiber material with monitoring function - Google Patents
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本発明は、鋼橋、鋼建造物における鋼製の桁、梁、更には、機械装置の鋼製部材などのような鋼構造物、プレストレストコンクリート橋などのコンクリート構造物など(以下、鋼構造物、コンクリート構造物などを含めて、単に「構造物」という。)に接着することによって、構造物を補修補強(以後、単に「補強」という。)する補強材としての機能を有しており、且つ、補強箇所における疲労亀裂の発生と進展、又は、構造物からの補強材の剥離などを監視(モニタリング)し、補強された構造物の損傷、変形等の補強状態を把握することのできる検知材としての機能を備えているモニタリング機能付き炭素繊維材に関するものである。更には、本発明は、航空機、機械装置などの筐体部材等の構造部材として使用することができ、且つ、部材の疲労亀裂、腐食劣化の進行をも監視することのできるモニタリング機能付き炭素繊維材に関するものである。 The present invention relates to steel bridges, steel girders and beams in steel buildings, steel structures such as steel members of mechanical devices, concrete structures such as prestressed concrete bridges, etc. (hereinafter referred to as steel structures (including concrete structures, etc.), it functions as a reinforcing material for repairing and reinforcing structures (hereinafter simply referred to as "reinforcement"), In addition, detection that can monitor the occurrence and progress of fatigue cracks in reinforced locations, or the separation of reinforcing materials from structures, and grasp the state of reinforcement such as damage and deformation of reinforced structures. It relates to a carbon fiber material with a monitoring function that has a function as a material. Furthermore, the present invention can be used as a structural member such as a housing member for aircraft, machinery, etc., and a carbon fiber with a monitoring function that can monitor the progress of fatigue cracks and corrosion deterioration of members. It is about materials.
例えば、鋼構造物である鋼橋においては、鋼橋の桁、梁、その他の鋼部材における疲労及び腐食などによる損傷が数多く見受けられる。また、荷重増加に対処するため、鋼部材の補強を必要とする場合も増えている。鋼部材に一旦疲労亀裂が発生すると、徐々に亀裂が進行し、鋼部材が破断に至るおそれもある。 For example, in a steel bridge, which is a steel structure, many damages due to fatigue, corrosion, etc. are found in girders, beams, and other steel members of the steel bridge. Also, in order to cope with the increased load, there are increasing cases where reinforcement of steel members is required. Once a fatigue crack occurs in a steel member, the crack progresses gradually, and there is a possibility that the steel member may break.
そこで、特許文献1は、炭素繊維にマトリクス樹脂が含浸され、硬化された連続した炭素繊維強化プラスチック(CFRP)線材を複数本、長手方向にスダレ状に引き揃え、鋼構造物の表面に接着剤にて接着して鋼構造物を補強するための炭素繊維強化プラスチック線材シートであって、特に、炭素繊維強化プラスチック線材の中の所定の炭素繊維強化プラスチック線材は、該線材の両端に端子電極が付設されており、該線材の電気抵抗が計測可能とされた炭素繊維強化プラスチック線材センサとされる炭素繊維強化プラスチック線材シートを開示している。
Therefore, in
更に、特許文献1は、鋼構造物に接着された炭素繊維強化プラスチック線材シートの上記炭素繊維強化プラスチック線材センサの電気抵抗を計測することにより、補強された鋼構造物の補強状態を検知する鋼構造物の補強方法を開示している。この補強方法によれば、炭素繊維強化プラスチック線材センサの電気抵抗値をR、初期抵抗値をRoとしたとき、下記式で表わされるRcrを電気抵抗変化率とすると、
Rcr=(R-Ro)/Ro
(1)炭素繊維強化プラスチック線材センサの電気抵抗値(R)を計測し、電気抵抗変化率(Rcr)が増大している領域が発生したとき、該電気抵抗変化率が増大している領域に対応する補強された鋼構造物に亀裂が発生したか、又は、亀裂の進展があったか、又は、鋼構造物に腐食劣化が進行したかのいずれかであると判断し、また、
(2)炭素繊維強化プラスチック線材センサの電気抵抗値(R)を計測し、電気抵抗変化率(Rcr)が減少している領域が発生したとき、該電気抵抗変化率が減少している領域にて補強された鋼構造物から繊維シートの剥離が生じたと判断する、
こととしている。
Furthermore,
Rcr=(R−Ro)/Ro
(1) Measure the electrical resistance value (R) of the carbon fiber reinforced plastic wire rod sensor, and when a region where the electrical resistance change rate (Rcr) is increasing occurs, the region where the electrical resistance change rate is increasing Determining that either the corresponding reinforced steel structure has cracked or has progressed, or that corrosion deterioration has progressed in the steel structure, and
(2) Measure the electrical resistance value (R) of the carbon fiber reinforced plastic wire rod sensor, and when an area where the electrical resistance change rate (Rcr) is decreasing occurs, the area where the electrical resistance change rate is decreasing determine that delamination of the fiber sheet has occurred from the steel structure reinforced by
I'm doing it.
また、非特許文献1には、プレストレストコンクリート橋などのコンクリート構造物において、グラウト充填不良に起因してPC鋼材が腐食し、破断に至るとの認識の下に、従来PC桁の補強方法として採用されている炭素繊維強化補強材(CFRPプレート)を用いた緊張補強方法において、構造物の補強材料としてのCFRPプレート緊張材に対して、補強用緊張材の機能と、PC鋼材破断によるPC桁の変状監視用のモニタリング材としての機能を兼ねさせることを記載している。
In addition, Non-Patent
ここで、非特許文献1は、CFRPプレート緊張材の両端部に銅めっきを施して電極を形成し、CFRPプレート緊張材の電気抵抗を測定し、CFRPプレート緊張材の電気抵抗値の変化をモニタリングすることによりPC鋼材の破断の検知が可能であることを教示している。
Here, Non-Patent
上述したように、特許文献1に記載される方法によれば、鋼構造物を有効に補強すると共に、補強した際の補強箇所における疲労亀裂の発生、亀裂の進展、鋼部材の腐食劣化の進行、補強シートの剥離などを監視して鋼構造物の補強状態の検知が可能である。
As described above, according to the method described in
しかしながら、特許文献1の炭素繊維強化プラスチック線材センサの端子電極は、具体的には、炭素繊維強化プラスチック線材の両端部を他の炭素繊維強化プラスチック線材より僅かに突出させ、この突出端部の表面をヤスリ掛けして、含浸されている表面の樹脂を除去し、その後、突出端部に電気導線を巻き付けて取付け、その後、導線が巻き付けられた端子部分に導電性接着剤を塗布して、硬化させることによって、作製されている。斯かる作業は煩雑であり、更なる改良が望まれている。
However, in the terminal electrode of the carbon fiber reinforced plastic wire sensor of
また、特許文献1に記載の炭素繊維強化プラスチック線材センサは、炭素繊維強化プラスチック線材に対する端子電極の接着不良により、初期抵抗値Roが、下記式(2)で示される初期抵抗理論値Rothより大きくなる場合があり、抵抗計測値が安定せず、モニタリング用検知材としては更なる改良が望まれる。
Roth=ρ×(L/As) (2)
Roth:初期抵抗理論値
ρ:体積抵抗率
L:電気抵抗測定区間の長さ
As:炭素繊維強化プラスチック線材センサ1本当たりの断面積
Further, in the carbon fiber reinforced plastic wire sensor described in
Roth=ρ×(L/As) (2)
Roth: initial resistance theoretical value ρ: volume resistivity L: length of electrical resistance measurement section As: cross-sectional area per carbon fiber reinforced plastic wire rod sensor
一方、非特許文献1においては、本発明者らの研究実験の結果によれば,CFRPプレート緊張材の両端部に銅めっきを施して電極が形成されており、特許文献1が有する上記問題、即ち、CFRPプレート緊張材に対する端子電極の接着不良により初期抵抗値が高くなることがある、といった問題は解消している。
On the other hand, in Non-Patent
しかしながら、本発明者らの更なる研究の結果によると、非特許文献1に記載する銅めっきにて形成された端子電極構成では、時間の経過と共に、初期電気抵抗値が増加するという問題を有していることが分かった。これは、銅めっきが有する耐食性に問題があり、炭素繊維強化樹脂材とされるCFRPプレート緊張材と銅めっきとの接触抵抗が経時的に変化するものと思われる。従って、非特許文献1に記載するように、構造物の補強材としてのCFRPプレート緊張材に対して、補強用緊張材の機能と、PC鋼材破断によるPC桁の変状監視用のモニタリング材とを兼ねさせるには、炭素繊維強化樹脂材の電極構成を更に改善する必要があることが分かった。つまり、経時的に生じるCFRPプレートに対する端子電極の接着不良を解決すること、即ち、CFRPプレートの伸びに対して端子電極を構成する電極めっきが剥離することなく追従することが重要であることが分かった。
However, according to the results of further research by the present inventors, the terminal electrode configuration formed by copper plating described in Non-Patent
そこで、炭素繊維強化樹脂材に対する金属めっき電極について更に多くの研究実験を行った結果、電極用金属めっきの材料及びその物性値を特定することにより、CFRPプレートの伸びに対してめっき層剥離を起こすことなく追従することができ、特許文献1及び非特許文献1が有する炭素繊維強化樹脂材の初期電気抵抗値変動の問題を解決して経時的に初期電気抵抗値を一定に維持し得ることを見出した。特に、CFRPプレートに対抗し得る靭性、耐力、耐摩耗性、などを有することが重要であり、めっき材料としては、銅めっきより耐食性に優れたニッケル、コバルト、亜鉛を使用すること、更には、めっき層の物性値としては、引張強さ、伸び率、硬度、更に、電着応力などを特定の範囲に規定することが必要であることを見出した。
Therefore, as a result of conducting more research experiments on metal plating electrodes for carbon fiber reinforced resin materials, by specifying the material and physical properties of the metal plating for electrodes, the plating layer peels off against the elongation of the CFRP plate. It is possible to keep the initial electrical resistance constant over time by solving the problem of the initial electrical resistance value fluctuation of the carbon fiber reinforced resin material possessed by
本発明は、斯かる本発明者らによる新規な知見に基づくものである。 The present invention is based on such novel findings by the present inventors.
本発明の目的は、鋼構造物、コンクリート構造物などの補修補強用補強材としての機能を有しており、且つ、補強された構造物の損傷、変形等の補強状態を長期にわたり高精度にて安定して把握することのできるモニタリング材としての機能をも備えたモニタリング機能付き炭素繊維材を提供することである。 The object of the present invention is to have a function as a reinforcing material for repair and reinforcement of steel structures, concrete structures, etc., and to accurately monitor the reinforcement state such as damage and deformation of the reinforced structure over a long period of time. It is an object of the present invention to provide a carbon fiber material with a monitoring function, which also has a function as a monitoring material capable of stably grasping the
本発明の他の目的は、航空機、機械装置などに使用される軽量、高強度の筐体部材等の構造部材として使用することができ、且つ、部材の疲労亀裂、腐食劣化の進行をも長期にわたり高精度にて安定して監視することのできるモニタリング機能付き炭素繊維材を提供することである。 Another object of the present invention is that it can be used as a structural member such as a lightweight, high-strength housing member used in aircraft, machinery, etc., and it can be used for a long period of time to prevent fatigue cracks and corrosion deterioration of the member. To provide a carbon fiber material with a monitoring function capable of stably monitoring over a long period of time with high accuracy.
上記目的は本発明に係るモニタリング機能付き炭素繊維材にて達成される。要約すれば、第1の本発明は、構造物の表面に接着剤にて接着して構造物を補強するか、或いは、構造部材として使用することのできる炭素繊維材を有するモニタリング機能付き炭素繊維材であって、
前記炭素繊維材の互いに離間した少なくとも2箇所に、前記炭素繊維材の電気抵抗を計測するための金属めっき電極を備え、前記金属めっき電極は、
(a)主成分としてニッケル25wt%以上、100wt%未満、残部添加材及び不可避不純物を含有した単層構造の単層ニッケル合金めっき層、又は、
(b)主成分としてニッケル25wt%以上、100wt%未満、残部添加材及び不可避不純物を含有したニッケル合金めっき層であって、前記ニッケルに対する前記添加材の混合比率を変化させた前記ニッケル合金めっき層を上下方向に積層した積層構造の複数層ニッケル合金めっき層、
を有し、
前記単層構造の前記単層ニッケル合金めっき層は電着応力が-15kg/mm
2
~+15kg/mm
2
の範囲内であり、
前記積層構造の前記複数層ニッケル合金めっき層は、前記積層構造をなす前記各ニッケル合金めっき層が有する電着応力が合成された電着応力を有し、前記合成された電着応力は、-15kg/mm
2
~+15kg/mm
2
の範囲内であり、
前記単層ニッケル合金めっき層及び前記複数層ニッケル合金めっき層は、引張強さが25~90kg/mm2、伸び率が3%以上、Hv硬度が150~650である、
ことを特徴とするモニタリング機能付き炭素繊維材である。
The above objects are achieved by a carbon fiber material with a monitoring function according to the present invention. In summary, the first aspect of the present invention is a carbon fiber with a monitoring function having a carbon fiber material that can be bonded to the surface of a structure with an adhesive to reinforce the structure, or can be used as a structural member. material,
Metal-plated electrodes for measuring the electrical resistance of the carbon fiber material are provided at least two locations apart from each other on the carbon fiber material, and the metal-plated electrodes are:
or
(b) A nickel alloy plating layer containing 25 wt% or more and less than 100 wt% of nickel as a main component, and the balance of additives and inevitable impurities, wherein the mixing ratio of the additives to the nickel is changed. A multi-layer nickel alloy plating layer with a laminated structure in which the
has
The single-layer nickel alloy plating layer having the single-layer structure has an electrodeposition stress in the range of −15 kg/mm 2 to +15 kg/mm 2 ,
The multi-layered nickel alloy plating layer having the laminated structure has an electrodeposition stress obtained by combining the electrodeposition stresses of the nickel alloy plating layers having the laminated structure, and the combined electrodeposition stress is - within the range of 15 kg/mm 2 to +15 kg/mm 2 ;
The single-layer nickel alloy plating layer and the multiple-layer nickel alloy plating layer have a tensile strength of 25 to 90 kg/mm 2 , an elongation of 3% or more, and an Hv hardness of 150 to 650.
It is a carbon fiber material with a monitoring function characterized by
第1の本発明の一実施態様によれば、前記添加材は、リン、タングステン、コバルト、鉄及び硫黄より成る群から選ばれた一種、又は、複数種である。 According to an embodiment of the first invention, the additive is one or more selected from the group consisting of phosphorus, tungsten, cobalt, iron and sulfur.
第2の本発明は、構造物の表面に接着剤にて接着して構造物を補強するか、或いは、構造部材として使用することのできる炭素繊維材を有するモニタリング機能付き炭素繊維材であって、
前記炭素繊維材の互いに離間した少なくとも2箇所に、前記炭素繊維材の電気抵抗を計測するための金属めっき電極を備え、前記金属めっき電極は、
(a)主成分としてコバルト25wt%以上、100wt%未満、残部添加材及び不可避不純物を含有した単層構造の単層コバルト合金めっき層、又は、
(b)主成分としてコバルト25wt%以上、100wt%未満、残部添加材及び不可避不純物を含有したコバルト合金めっき層であって、前記コバルトに対する前記添加材の混合比率を変化させた前記コバルト合金めっき層を上下方向に積層した積層構造の複数層コバルト合金めっき層、
を有し、
前記単層構造の前記単層コバルト合金めっき層は電着応力が-15kg/mm
2
~+15kg/mm
2
の範囲内であり、
前記積層構造の前記複数層コバルト合金めっき層は、前記積層構造をなす前記各コバルト合金めっき層が有する電着応力が合成された電着応力を有し、前記合成された電着応力は、-15kg/mm
2
~+15kg/mm
2
の範囲内であり、
前記単層コバルト合金めっき層及び前記複数層コバルト合金めっき層は、引張強さが25~90kg/mm2、伸び率が3%以上、Hv硬度が150~650である、
ことを特徴とするモニタリング機能付き炭素繊維材である。
A second aspect of the present invention is a carbon fiber material with a monitoring function that can be used as a structural member by adhering to the surface of a structure with an adhesive to reinforce the structure. ,
Metal-plated electrodes for measuring the electrical resistance of the carbon fiber material are provided at least two locations apart from each other on the carbon fiber material, and the metal-plated electrodes are:
(a) a single-layer cobalt alloy plating layer having a single-layer structure containing 25 wt% or more and less than 100 wt% of cobalt as a main component, and the balance of additives and inevitable impurities; or
(b) A cobalt alloy plating layer containing 25 wt% or more and less than 100 wt% of cobalt as a main component, and the balance of additives and unavoidable impurities, wherein the mixing ratio of the additives to the cobalt is changed. A multilayer cobalt alloy plating layer with a laminated structure in which the
has
The single-layer cobalt alloy plating layer having the single-layer structure has an electrodeposition stress in the range of −15 kg/mm 2 to +15 kg/mm 2 ,
The multilayer cobalt alloy plating layer having the laminated structure has an electrodeposition stress obtained by combining the electrodeposition stresses of the respective cobalt alloy plating layers having the laminated structure, and the combined electrodeposition stress is - within the range of 15 kg/mm 2 to +15 kg/mm 2 ;
The single layer cobalt alloy plating layer and the multiple layers cobalt alloy plating layer have a tensile strength of 25 to 90 kg/mm 2 , an elongation of 3% or more, and an Hv hardness of 150 to 650.
It is a carbon fiber material with a monitoring function characterized by
第2の本発明の一実施態様によれば、前記添加材は、リン、タングステン、ニッケル、鉄及び硫黄より成る群から選ばれた一種、又は、複数種である。 According to an embodiment of the second invention, the additive is one or more selected from the group consisting of phosphorus, tungsten, nickel, iron and sulfur.
第3の本発明は、構造物の表面に接着剤にて接着して構造物を補強するか、或いは、構造部材として使用することのできる炭素繊維材を有するモニタリング機能付き炭素繊維材であって、
前記炭素繊維材の互いに離間した少なくとも2箇所に、前記炭素繊維材の電気抵抗を計測するための金属めっき電極を備え、
前記金属めっき電極は、主成分として亜鉛51wt%以上、100wt%未満、残部添加材及び不可避不純物を含有した亜鉛合金めっき層を有し、
前記亜鉛合金めっき層は、引張強さが20~250kg/mm2、伸び率が3%以上、Hv硬度が100~250である、
ことを特徴とするモニタリング機能付き炭素繊維材である。
A third aspect of the present invention is a carbon fiber material with a monitoring function that can be used as a structural member by adhering to the surface of the structure with an adhesive to reinforce the structure. ,
Metal-plated electrodes for measuring the electrical resistance of the carbon fiber material are provided at at least two locations on the carbon fiber material that are spaced apart from each other;
The metal plated electrode has a zinc alloy plated layer containing 51 wt% or more and less than 100 wt% of zinc as a main component, and the balance additives and inevitable impurities,
The zinc alloy plating layer has a tensile strength of 20 to 250 kg/mm 2 , an elongation of 3% or more, and an Hv hardness of 100 to 250.
It is a carbon fiber material with a monitoring function characterized by
第3の本発明の一実施態様によれば、前記亜鉛合金めっき層は電着応力が-15kg/mm2~+15kg/mm2の範囲内である。 According to an embodiment of the third aspect of the present invention, the zinc alloy plated layer has an electrodeposition stress in the range of -15 kg/mm 2 to +15 kg/mm 2 .
第3の本発明の他の実施態様によれば、前記添加材は、ニッケルである。 According to another embodiment of the third invention, the additive is nickel.
上記第1、第2、第3の本発明の他の実施態様によれば、前記金属めっき電極は、最外層の表層金属めっき層として、金めっき層若しくは白金めっき層を有するか、又は、前記金属めっき電極は、最外層として導電性DLC層を有する。 According to other embodiments of the first, second and third aspects of the present invention, the metal plated electrode has a gold plated layer or a platinum plated layer as the outermost surface layer metal plated layer, or The metal plating electrode has a conductive DLC layer as the outermost layer.
上記第1、第2、第3の本発明の他の実施態様によれば、前記炭素繊維材は、炭素繊維を一方向に引き揃えてシート状とされた炭素繊維シートにマトリクス樹脂が含浸され、硬化された炭素繊維強化複合材であるか、又は、前記炭素繊維材は、炭素繊維にマトリクス樹脂が含浸され、硬化された連続した炭素繊維強化プラスチック線材を複数本、長手方向にスダレ状に引き揃えてシート状とされた炭素繊維ストランドシートであるか、又は、前記炭素繊維材は、炭素繊維にマトリクス樹脂が含浸され、硬化された連続した略断面形状の炭素繊維強化プラスチックロッドであるか、若しくは、略矩形断面形状の炭素繊維強化プラスチックプレートであるか、又は、前記炭素繊維材は、炭素繊維を一方向に並べてマトリクス樹脂が含浸、硬化された紐状炭素繊維を複数積層して形成される縦補強筋と横補強筋とを格子状に配置して形成される炭素繊維格子材である。 According to the other embodiments of the first, second, and third aspects of the present invention, the carbon fiber material is a carbon fiber sheet formed by aligning carbon fibers in one direction and impregnating the carbon fiber sheet with a matrix resin. , a cured carbon fiber reinforced composite material, or the carbon fiber material is a carbon fiber impregnated with a matrix resin, and a plurality of continuous carbon fiber reinforced plastic wires that are cured are arranged in a blind shape in the longitudinal direction. Is it a carbon fiber strand sheet that is aligned and formed into a sheet form, or is the carbon fiber material a carbon fiber material impregnated with a matrix resin, and is a continuous carbon fiber reinforced plastic rod with a substantially cross-sectional shape that is cured? Alternatively, it is a carbon fiber reinforced plastic plate having a substantially rectangular cross section, or the carbon fiber material is formed by laminating a plurality of string-like carbon fibers in which carbon fibers are arranged in one direction and impregnated with a matrix resin and cured. It is a carbon fiber grid material formed by arranging vertical reinforcing bars and horizontal reinforcing bars in a grid pattern.
上記第1、第2、第3の本発明の他の実施態様によれば、前記炭素繊維材の端部に前記金属めっき電極が形成された電極形成部は、厚さ方向に傾斜した傾斜面とされ、前記傾斜面に前記金属めっき電極が形成されているか、又は、前記炭素繊維材の端部に前記金属めっき電極が形成された電極形成部は、端部が湾曲した湾曲形状とされ、前記湾曲形状面に前記金属めっき電極が形成されている。 According to the other embodiments of the first, second and third aspects of the present invention, the electrode-forming portion in which the metal-plated electrode is formed at the end of the carbon fiber material has an inclined surface inclined in the thickness direction. and the electrode forming portion in which the metal plating electrode is formed on the inclined surface or the metal plating electrode is formed at the end of the carbon fiber material has a curved shape with a curved end, The metal plating electrode is formed on the curved surface.
上記第1、第2、第3の本発明の他の実施態様によれば、前記炭素繊維は、ピッチ系又はPAN系の炭素繊維であり、
前記マトリクス樹脂は、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂とされ、前記熱硬化性樹脂は、常温硬化型若しくは熱硬化型のエポキシ樹脂、エポキシアクリレート樹脂、アクリル樹脂、MMA樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、又は、光硬化型樹脂であり、又、前記熱可塑性樹脂は、ナイロン又はビニロンである。
According to other embodiments of the first, second, and third aspects of the present invention, the carbon fibers are pitch-based or PAN-based carbon fibers,
The matrix resin is a thermosetting resin or a thermoplastic resin, and the thermosetting resin is a room temperature or thermosetting epoxy resin, epoxy acrylate resin, acrylic resin, MMA resin, vinyl ester resin, unsaturated Polyester resin, phenolic resin, or photocurable resin, and the thermoplastic resin is nylon or vinylon.
本発明のモニタリング機能付き炭素繊維材は、鋼構造物、コンクリート構造物などの補修補強用補強材として機能することができ、且つ、補強された構造物の損傷、変形等の補強状態を長期にわたり高精度にて安定して把握することができ、モニタリング材としての機能をも達成することができる。 The carbon fiber material with a monitoring function of the present invention can function as a reinforcing material for repairing and reinforcing steel structures, concrete structures, etc., and can monitor the reinforcement state such as damage and deformation of the reinforced structure over a long period of time. It can be grasped stably with high accuracy, and can also achieve the function as a monitoring material.
また、本発明のモニタリング機能付き炭素繊維材は、航空機、機械装置などに使用される軽量、高強度の筐体部材等の構造部材として使用することができ、且つ、部材の疲労亀裂、腐食劣化の進行をも長期にわたり高精度にて安定して監視することができる。 In addition, the carbon fiber material with a monitoring function of the present invention can be used as a structural member such as a lightweight, high-strength housing member used in aircraft, mechanical devices, etc. can be stably monitored over a long period of time with high accuracy.
以下、本発明に係るモニタリング機能付き炭素繊維材を図面に則して更に詳しく説明する。 Hereinafter, the carbon fiber material with a monitoring function according to the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
実施例1
図1(a)、(a-1)、(b)に、本発明に係るモニタリング機能付き炭素繊維材1及びその使用態様の一実施例を示す。図1(a)に示すように、本発明のモニタリング機能付き炭素繊維材1は、炭素繊維材10と、炭素繊維材10の長さ(L)方向に沿って互いに離間して少なくとも2箇所に形成された金属めっき電極11とを有している。つまり、炭素繊維材10の長さ(L)方向に沿って互いに離間して2箇所以上に電極形成領域10sを設け、電極形成領域10sにそれぞれ長さ(L)方向の長さ(L11)にて、幅(W)方向に延在して金属めっき電極11が形成される。
Example 1
1(a), (a-1), and (b) show an embodiment of a
図1(a)に示す実施例では、金属めっき電極11は、図1(a)にて実線で示すように、炭素繊維材10の長手方向両端部に形成されているが、必ずしも両端部にのみ形成されるものではなく、場合によっては、図1(a)にて一点鎖線で示すように、更に、両端部の間において長手方向に沿って互いに距離(Ls)だけ離間して複数箇所に形成することができる。また、場合によっては、金属めっき電極11は、炭素繊維材10の端部ではなく、図1(a)に一点鎖線にて示すように、炭素繊維材10の長手方向に沿って互いに距離(Ls)だけ離間して複数箇所に形成することもできる。
In the embodiment shown in FIG. 1(a), the
金属めっき電極11、11間の離間距離(Ls)は、炭素繊維材10の長さ(L)にもよるが、例えば、0.1~50mの範囲にて適宜設定される。この時、各金属めっき電極間の離間距離(Ls)は、同じ距離(等間隔)であっても良いが、異なる距離(不等間隔)とすることもできる。
The separation distance (Ls) between the
炭素繊維材10に形成された各金属めっき電極11は、炭素繊維材10の電気抵抗値を計測するために導線12にて端子13を介して外部の計測器50と接続可能とされている。図1(a)に示される炭素繊維材10では、実線で示すように、両端部に形成された金属めっき電極11が導線12にて端子13を介して外部の計測器50に接続されているが、複数の金属めっき電極11が形成されている場合には、それぞれの電極11に対して導線12が接続され、端子13を介して外部の計測器50と接続可能とされている。
Each metal plated
金属めっき電極11を長さ(L)方向に3箇所以上に形成した場合には、炭素繊維材10の抵抗値を所定の2箇所の金属めっき電極を選択して計測し、その後、一方の、或いは、両方の電極を他の電極に切り替えて計測することができる。このように、計測個所を切り替えて複数の計測を行うことにより、炭素繊維材による構造物の補強状態変化をより精細に把握することができる。
When the
また、上記構成のモニタリング機能付き炭素繊維材1は、図1(b)に示すように、例えば、鋼構造物或いはコンクリート構造物などの構造物100を補強するために、構造物100の表面に接着剤101にて接着される。勿論、モニタリング機能付き炭素繊維材1は、従来の緊張補強方法に従って、即ち、モニタリング機能付き炭素繊維材1に所定の緊張力を付与することによって緊張し、緊張状態で接着剤にて構造物100に接着固定しても良い。更には、図示してはいないが、本発明のモニタリング機能付き炭素繊維材1は、それ自体が、例えば、航空機、機械装置などの筐体部材等の構造部材として使用することができ、しかも、金属めっき電極11を利用して該構造部材の疲労亀裂、腐食劣化の進行をも監視することができる。
Further, the
モニタリング機能付き炭素繊維材1は、計測器50に接続されていないときは、図1(a-1)に示すように、計測器50から取り外された端子13、13は、腐食防止のために、構造物100の適当な箇所に取付けられた保護容器30等に収容して、更に、保護容器30内を充填剤(例えば、耐熱パテ)31で充填して保管しておくことができる。
When the
なお、上記実施例では、モニタリング機能付き炭素繊維材1にて、金属めっき電極11は、炭素繊維材10の幅(W)方向全領域に延在して設けられるものとして説明したが、図1(c)に示すように、幅方向の一部領域(W11)に設けることもできる。
In the above embodiment, the
次に、本発明のモニタリング機能付き炭素繊維材1を構成する各構成部材について説明する。
Next, each constituent member constituting the
(炭素繊維材)
本発明のモニタリング機能付き炭素繊維材1は、種々の形態の炭素繊維材10を使用することができる。炭素繊維材10を具体的に具体例1~5として説明するが、本発明で使用する炭素繊維材10の形態は、これら具体例に限定されるものではない。
(carbon fiber material)
Various types of
具体例1
図2に本発明にて使用することのできる炭素繊維材10の具体例を示す。具体例1にて炭素繊維材10は、図2に示すように連続した強化繊維としてのピッチ系或いはPAN系の炭素繊維fを一方向に引き揃えてシート状に構成された炭素繊維シートFsに樹脂Reを含浸し、前記樹脂が硬化された炭素繊維シート、所謂、板状の炭素繊維強化複合材(CFRP板)10Aである。炭素繊維fは、例えば平均径7μmの単繊維(炭素繊維モノフィラメント)を6000~24000本収束した樹脂未含浸の単繊維束を複数本、一方向に平行に引き揃えて使用される。炭素繊維シート10Aの繊維目付は、通常、30~1000g/m2とされる。勿論、この炭素繊維シート10Aは、一方向に繊維が配列した単層或いは複数層から成る板厚(T)が0.5~10mm程度のCFRP板とすることができる。
Example 1
FIG. 2 shows a specific example of the
炭素繊維シート10Aにおける樹脂Reとしては、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を使用することができ、熱硬化性樹脂としては、常温硬化型或は熱硬化型のエポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、MMA樹脂、アクリル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、又はフェノール樹脂などが好適に使用され、又、熱可塑性樹脂としては、エポキシ樹脂、ナイロン、ビニロンなどが好適に使用可能である。又、繊維体積含有率(Vf)は、40~75%、好ましくは、50~70%とされる。
A thermosetting resin or a thermoplastic resin can be used as the resin Re in the
このようにして形成された炭素繊維シート10Aの長さ(L)及び幅(W)は、補強される構造物の寸法、形状に応じて適宜決定されるが、取扱い上の問題から、一般に、全幅(W)は、100~1000mmとされる。又、長さ(L)は、1~5m程度の短冊状のもの、或いは、100m以上のものを製造し得るが、使用時においては、適宜切断して使用される。
The length (L) and width (W) of the
具体例2~5
図3~図6に、本発明にて使用することのできる炭素繊維材10の他の具体例2~5を示す。
Examples 2-5
3 to 6 show other specific examples 2 to 5 of the
具体例2にて炭素繊維材10は、図3(a)に示すようにマトリクス樹脂Rが含浸され硬化された強化繊維として炭素繊維fを含む細径の連続した炭素繊維強化プラスチック線材(ストランド)2を複数本、長手方向にスダレ状に引き揃え、各線材2を互いに線材固定材3にて固定した炭素繊維シート、所謂、炭素繊維ストランドシート10Bとされる。
In Specific Example 2, as shown in FIG. 3A, the
炭素繊維強化プラスチック線材2は、図4(a)、(b)に示すように、直径(d)が0.5~3mmの略円形断面形状(図4(a))であるか、又は、幅(w)が1~10mm、厚み(t)が0.1~2mmとされる略矩形断面形状(図4(b))とし得る。勿論、必要に応じて、その他の種々の断面形状とすることができる。
As shown in FIGS. 4(a) and 4(b), the carbon fiber reinforced
上述のように、炭素繊維強化プラスチック線材2を一方向に引き揃えスダレ状とされた炭素繊維ストランドシート10Bにおいて、各線材2は、互いに空隙(g)=0.05~3.0mmだけ近接離間して、線材固定材3にて固定される。また、このようにして形成された炭素繊維ストランドシート10Bの長さ(L)及び幅(W)は、補強される構造物の寸法、形状に応じて適宜決定されるが、取扱い上の問題から、一般に、全幅(W)は、100~1000mmとされる。又、長さ(L)は、1~5m程度の短冊状のもの、或いは、100m以上のものを製造し得るが、使用時においては、適宜切断して使用される。
As described above, in the carbon
炭素繊維ストランドシート10Bの線材2は、強化繊維としてのピッチ系又はPAN系炭素繊維fは、例えば平均径7μmの単繊維(炭素繊維モノフィラメント)を6000~24000本収束した単繊維束を複数本、一方向に平行に引き揃えて使用することができる。また、炭素繊維強化プラスチック線材2に含浸されるマトリクス樹脂Rは、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を使用することができ、熱硬化性樹脂としては、常温硬化型或は熱硬化型のエポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、MMA樹脂、アクリル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、又はフェノール樹脂などが好適に使用され、又、熱可塑性樹脂としては、エポキシ樹脂、ナイロン、ビニロンなどが好適に使用可能である。又、繊維体積含有率(Vf)は、40~75%、好ましくは、50~70%とされる。
The
又、各線材2を線材固定材3にて固定する方法としては、図3(a)に示すように、例えば、線材固定材3として横糸を使用し、一方向にスダレ状に配列された複数本の線材2から成るシート形態とされる線材シートを、線材に対して直交して一定の間隔(P)にて打ち込み、編み付ける方法を採用し得る。横糸3の打ち込み間隔(P)は、特に制限されないが、作製された繊維シート1の取り扱い性を考慮して、通常10~100mm間隔の範囲で選定される。このとき、横糸3は、例えば直径2~50μmのガラス繊維或いは有機繊維を複数本束ねた糸条とされる。又、有機繊維としては、ナイロン、ビニロン、ポリエステルなどが好適に使用される。
As a method of fixing each
各線材2をスダレ状に固定する他の方法としては、図3(b)に示すような線材固定材3としてメッシュ状支持体シート3を使用することができる。つまり、メッシュ状の支持体シート3を構成する縦糸4及び横糸5の表面に低融点タイプの熱可塑性樹脂を予め含浸させておき、メッシュ状支持体シート3をシート状に配列したストランド(炭素繊維ストランドシート)の片面或いは両面に積層して加熱加圧し、メッシュ状支持体シート3の縦糸4及び横糸5の部分を炭素繊維ストランドシートに溶着する。上記線材固定材3の糸条としては、例えばガラス繊維を芯部に有し、低融点の熱融着性ポリエステルをその周囲に配したような二重構造の複合繊維も又好ましく用いられる。メッシュ状支持体シート3は、炭素繊維ストランドシート10Bの両面に設けることもできる。
As another method for fixing each
更に、本発明にて使用することのできる炭素繊維材10の他の具体例3、4を、図5(a)、(b)に示す。
Further, other specific examples 3 and 4 of the
図5(a)、(b)に示す具体例3、4の炭素繊維材10は、それぞれ、マトリクス樹脂Rが含浸され硬化された炭素繊維fを含む連続した炭素繊維強化プラスチックロッド(CFRPロッド)10C及び炭素繊維強化プラスチックプレート(CFRPプレート)10Dとされる。炭素繊維強化プラスチックロッド10C及び炭素繊維強化プラスチックプレート10Dは、上記具体例2にて、図4(a)、(b)を参照して説明した炭素繊維強化プラスチック線材(ストランド)2と同じ構成とされるが、ただ、断面積がより大きくされた点で異なる。
The
つまり、図5(a)に示す円形断面を有する具体例3の細長形状の炭素繊維材10は、直径(D10)が8~10mmの略円形断面形状の炭素繊維強化プラスチックロッド10Cとされる。また、図5(b)に示す略矩形断面を有する具体例4の細長形状の炭素繊維材10は、幅(W10)が50~100mm、厚み(T10)が1~3mmの略矩形断面形状の炭素繊維強化プラスチックプレート10Dとされる。
That is, the elongated
具体例3、4に示す炭素繊維強化プラスチックロッド10C及び炭素繊維強化プラスチックプレート10Dは、構造物の補強に使用することもできるが、機械装置の筐体部材における、例えば、細長形状のロッド部材及びプレート部材のような構造部材として使用することができる。
The carbon fiber reinforced
具体例5にて炭素繊維材10は、図6(a)に示すように、通常、直角に交差して格子状に配置された複数の筋、即ち、縦格子筋21と横格子筋22とからなる炭素繊維強化プラスチック(CFRP)格子材10Eである。格子材10Eの各筋21、22は、強化繊維としての炭素繊維を一方向に並べて、マトリクス樹脂を含浸させた帯状強化繊維を複数層積層して形成される。各筋21、22は、筋幅(w)が3~10mm、厚さ(t)が1~5mmとされる。また、各筋は、距離(Lx、Ly)3~15cm離間して形成される。格子材10Eのいずれかの縦格子筋21の両端部の電極形成領域10s、或いは、図示してはいないが、両端部でない所定の箇所の電極形成領域に金属めっき電極11を形成することもできる。
In Specific Example 5, as shown in FIG. 6(a), the
なお、本具体例では、図6(b)に図示するように、格子材10Eの、少なくとも、両端部の横格子筋23は、他の横格子筋22より幅広に形成し、この幅広部分の電極形成領域10sに金属めっき電極11を形成することもできる。
In this specific example, as shown in FIG. 6B, at least the horizontal lattice bars 23 at both ends of the
斯かる格子材10Eは、構造物にモルタル等の固定材にて取り付けられ、構造物の補強に使用される。
Such a
(めっき電極)
図1(a)を参照して上述したように、本発明のモニタリング機能付き炭素繊維材1は、上記種々の構成とされる炭素繊維材10(10A~10E)の長手方向において互いに離間して少なくとも2箇所に、金属めっき電極11が形成される。次に、上記具体例で示した炭素繊維材10に対する金属めっき電極11の形成方法について、説明する。
(Plating electrode)
As described above with reference to FIG. 1(a), the
上記具体例1で説明した図2に示すCFRP板である炭素繊維シート10Aとされる炭素繊維材10は、図1(a)、図7(a)に示すように、両端部の電極形成領域10sに湿式めっき法(電解めっき又は無電解めっき)により金属めっきを施すことによって金属めっき電極11が形成される。
As shown in FIGS. 1A and 7A, the
電極形成領域10sは、めっき処理を施す前に、サンダーなどの研磨手段にて、表層の硬化した表面樹脂層を研磨し、炭素繊維を露出させることが好ましい。勿論、図1(a)に示すように、炭素繊維材10の中間部に金属めっき電極11を形成する場合においても、電極形成領域10Sは、めっき処理を施す前に、サンダーなどの研磨手段にて、表層の硬化した表面樹脂層を研磨し、炭素繊維を露出させることが重要である。
Before the
また、図7(b)に示すように、炭素繊維材10は、金属めっき電極11を炭素繊維材10の両端部に形成する場合には、金属めっき電極11を形成する端部は、外方端縁部へと厚さ方向に傾斜したテーパ面(傾斜面)10stとするのが好ましい。これにより、金属めっき電極11は、炭素繊維材10の傾斜面10stにて炭素繊維fと接触することができ、電極11と炭素繊維材10との接触面積が増大し、より拡大した接触面での安定した抵抗値の測定が可能となる。また、炭素繊維材10の端面が外部に露出することが無く、外気の影響を受けることが無く腐食し難いという利点がある。これにより、炭素繊維材10の導電性を向上させ、炭素繊維材10の抵抗変化をより安定して計測することができる。
In addition, as shown in FIG. 7B, when the
更に、図7(c)に図示するように、炭素繊維材10の端部を湾曲形状に成形した電極形成領域10sを形成することができ、この電極形成領域10sに金属めっき電極11を形成することも可能である。
Further, as shown in FIG. 7(c), an
図8(a)に示すように、上記具体例2で説明した図3に示す炭素繊維ストランドシート10Bとされる炭素繊維材10は、ストランド(炭素繊維強化プラスチック線材)2の両端部の電極形成領域10sに金属めっきを施すことにより金属めっき電極11が形成される。金属めっき電極11が形成されるストランド2は、炭素繊維ストランドシート10Bを構成するストランド2の10本~100本に対して1本の割合で、複数本のストランドに金属めっき電極11を形成することができる。
As shown in FIG. 8(a), the
金属めっき電極11を形成する電極形成領域10sは、めっき処理を施す前に、サンダーなどの研磨手段にて、表層の硬化した表面樹脂層を研磨し、炭素繊維を露出させることが好ましい。勿論、図1(a)に示すように、炭素繊維材10の中間部に金属めっき電極11を形成する場合においても、電極形成領域10sは、めっき処理の前に、サンダーなどの研磨手段にて、表層の硬化した表面樹脂層を研磨し、炭素繊維を露出させることが重要である。
In the
更に、図8(b)に示すように、炭素繊維ストランドシート10Bとされる炭素繊維材10においても、複数本のストランド2に対して一体として金属めっき電極11を形成することもできる。この場合は、先ず、図8(b)に示すように、互いに離間して配置されているストランド2の間の空隙(g)に、図8(c)、(d)に示すように、導電性の接着剤Rmを充填し、電極形成領域10sを形成し、該電極形成領域10sに金属めっき電極11を形成する。
Furthermore, as shown in FIG. 8(b), also in the
電極形成領域10sは、めっき処理の前に、サンダーなどの研磨手段にて、表層の硬化した表面樹脂層を研磨し、炭素繊維を露出させることが好ましい。勿論、図1(a)に示すように、炭素繊維材10の中間部に金属めっき電極11を形成する場合においても、電極形成領域10sは、めっき処理を施す前に、サンダーなどの研磨手段にて、ストランド2の表層の硬化した表面樹脂層を研磨し、炭素繊維を露出させることが重要である。
Prior to plating, the
また、本例においても、金属めっき電極11を炭素繊維材10の両端部に形成する場合には、図7(b)に示すように、金属めっき電極11を形成する端部は、外方へと厚さ方向に傾斜するように形成し、この傾斜面に電気めっきを施すこともできる。また、図7(c)に示すように、端部を湾曲形状に成形した電極形成領域10sに電気めっきを施すこともできる。
Also in this example, when the
上記具体例3で説明した図5(a)に示すように、炭素繊維材10が炭素繊維強化プラスチックロッド10Cのような丸棒形状とされる場合は、図示してはいないが図7(b)に示すように端部形状を傾斜面10stとするか、又は、図7(d)に示すように、端部形状を湾曲形状に成形した電極形成領域10sに金属めっき電極11を形成することができる。
As shown in FIG. 5(a) described in Specific Example 3, when the
上記具体例4で説明した図5(b)に示すように、炭素繊維材10が矩形状断面を有した炭素繊維強化プラスチック棒材10Dされる場合は、上記具体例1の炭素繊維材10に対して行ったと同様に、図7(a)、(b)、(c)に示す態様にて、金属めっき電極11を形成することができる。従って、ここでの再度の説明は省略する。
As shown in FIG. 5B described in Specific Example 4, when the
本発明にて、炭素繊維材10に対する金属めっき電極11は、炭素繊維材10に対して電解めっき、無電解めっきなどの湿式めっき法により金属めっきを行うことにより形成することができる。本発明者らは、炭素繊維材(CFRP)に対し金属めっき電極を形成する際には、CFRPからの金属めっき電極の剥離を防止するために、如何なるめっき材料にて、如何なる物性値を備えた金属めっき層を形成するかということが極めて重要であることが分かった。
In the present invention, the
本発明にて使用される金属めっき電極に好適に使用されるめっき材料は、ニッケル合金、コバルト合金、亜鉛合金とされる。次に詳しく説明する。 Nickel alloys, cobalt alloys, and zinc alloys are suitable plating materials for the metal plating electrodes used in the present invention. A detailed description is given below.
(1)ニッケル合金
本発明にて、金属めっき電極11を構成するめっき層は、
(a)主成分としてニッケル25wt%以上、100wt%未満、残部添加材及び不可避不純物を含有した単層構造の単層ニッケル合金めっき層、又は、
(b)主成分としてニッケル25wt%以上、100wt%未満、残部添加材及び不可避不純物を含有したニッケル合金めっき層であって、ニッケルに対する添加材の混合比率を変化させたニッケル合金めっき層を上下方向に積層した積層構造の複数層ニッケル合金めっき層、
とされる。主成分としてのニッケルに混合される添加材としては、リン、タングステン、コバルト、鉄及び硫黄より成る群から選ばれた一種か、又は、複数種を、好適に使用することができる。
(1) Nickel alloy
In the present invention, the plating layer constituting the
or
(b) A nickel alloy plating layer containing 25 wt% or more and less than 100 wt% of nickel as the main component, and the balance of additives and inevitable impurities, wherein the nickel alloy plating layer with the mixing ratio of the additives to nickel changed A multi-layer nickel alloy plating layer with a laminated structure laminated on the
It is said that As the additive mixed with nickel as the main component, one or more selected from the group consisting of phosphorus, tungsten, cobalt, iron and sulfur can be preferably used.
本発明にて、主成分であるニッケルの含有量は25wt%以上、100wt%未満とされるが、好ましくは、ニッケルの含有量は75wt%以上、100wt%未満とされ、残部添加材の含有量は25wt%未満とされる。ニッケル合金めっきにて、ニッケルの含有量が25wt%未満の場合は、耐食性の点で問題が生じる。また、添加材として、リン、タングステン、コバルト、鉄若しくは硫黄のいずれか一種を、又は、複数種を含有することにより、靭性、耐力、耐摩耗性を向上させることができる。 In the present invention, the content of nickel, which is the main component, is 25 wt% or more and less than 100 wt%. Preferably, the nickel content is 75 wt% or more and less than 100 wt%. is less than 25 wt%. In nickel alloy plating, if the nickel content is less than 25 wt%, a problem arises in terms of corrosion resistance. In addition, by containing one or more of phosphorus, tungsten, cobalt, iron, and sulfur as an additive, the toughness, yield strength, and wear resistance can be improved.
本発明によれば、金属めっき電極11を構成するめっき層は、上述したように、主成分としてニッケル25wt%以上、100wt%未満、残部添加材及び不可避不純物を含有した単層構造の単層ニッケル合金めっき層とし得るが、この場合にニッケル合金めっき層のめっき厚みT11は、特に限定されるものではないが、10~500μm、通常、50~100μmとされる。
According to the present invention, as described above, the plating layer that constitutes the
更に、本発明によれば、金属めっき電極11を構成するめっき層は、上述したように、主成分としてニッケル25wt%以上、100wt%未満、残部添加材及び不可避不純物を含有したニッケル合金めっき層であって、ニッケルに対する添加材の混合比率を変化させたニッケル合金めっき層を上下方向に積層した積層構造の複数層ニッケル合金めっき層とすることもできる。
Furthermore, according to the present invention, as described above, the plating layer constituting the
このような積層構造の複数層ニッケル合金めっき層は、一つのめっき浴において、めっき施工条件を数秒単位で撹拌制御、電流密度制御を行うことにより得ることができる。例えば、ニッケル-リン合金を例として挙げると、8wt%リン含有ニッケル合金めっき層と、12wt%リン含有ニッケル合金めっき層とを数μmの厚さで交互に積層した積層構造の複数層ニッケル合金めっき層を得ることができる。ニッケルに対する添加材の混合比率の小さい層と大きい層の厚さは、それぞれ、1~500μm、好ましくは、5~100μmとされ、それぞれ、層厚比は1:1~1:10の範囲とすることができる。この場合の積層構造の複数層ニッケル合金めっき層の総厚みは10~500μm、通常、50~100μmとされる。 A multi-layered nickel alloy plating layer having such a laminated structure can be obtained by controlling agitation and current density in units of several seconds for plating conditions in one plating bath. For example, using a nickel-phosphorus alloy, a multi-layer nickel alloy plating with a laminated structure in which an 8 wt% phosphorus-containing nickel alloy plating layer and a 12 wt% phosphorus-containing nickel alloy plating layer are alternately laminated with a thickness of several μm. You can get layers. The thickness of the layer with a small mixing ratio of the additive to nickel and the layer with a large mixing ratio are respectively 1 to 500 μm, preferably 5 to 100 μm, and the layer thickness ratio is in the range of 1:1 to 1:10. be able to. In this case, the total thickness of the multi-layered nickel alloy plating layer of the laminated structure is 10 to 500 μm, usually 50 to 100 μm.
斯かるめっき方法は、例えば、特開2015-166483号公報などに記載されるように、当業者には周知の技術であるので、これ以上の詳しい説明は省略する。 Such a plating method is a technology well known to those skilled in the art, as described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2015-166483, so further detailed description will be omitted.
本発明にて、単層構造の単層ニッケル合金めっき層、又は、積層構造の複数層ニッケル合金めっき層は、引張強さが25~90kg/mm2(好ましくは、30~60kg/mm2)、伸び率が3%以上、通常、50%以下(好ましくは、4~16%)、Hv硬度が150~650(好ましくは、180~300)とされる。 In the present invention, the single-layer nickel alloy plating layer of single-layer structure or the multi-layer nickel alloy plating layer of laminated structure has a tensile strength of 25 to 90 kg/mm 2 (preferably 30 to 60 kg/mm 2 ). , an elongation of 3% or more, usually 50% or less (preferably 4 to 16%), and an Hv hardness of 150 to 650 (preferably 180 to 300).
引張強さが25kg/mm2未満では、電極としての強度(耐力)に問題があり、また、90kg/mm2を超えると、めっきが施される炭素繊維材(CFRP)の伸びに追従しなくなるといった問題が生じる。更に、伸び率が3%未満では、靭性に問題があり、伸び率は3%以上とされる。 If the tensile strength is less than 25 kg/mm 2 , there is a problem with the strength (yield stress) as an electrode, and if it exceeds 90 kg/mm 2 , it will not follow the elongation of the carbon fiber material (CFRP) to which the plating is applied. Such problems arise. Furthermore, if the elongation is less than 3%, there is a problem in toughness, and the elongation is made 3% or more.
また、Hv硬度が150未満は製造することができず、また、650を超えると、めっき割れが生じるといった問題が生じる。 Moreover, when the Hv hardness is less than 150, it cannot be manufactured, and when it exceeds 650, there arises a problem that plating cracks occur.
なお、ニッケル合金めっきにおいては、電流密度、浴温の大きさに応じて、めっき合金層(めっき皮膜)内に残留する電着応力は、圧縮応力又は引張応力とされ、また、その値も変動する。斯かる電着応力は、被めっき材である炭素繊維材10との密着性に影響を与えるものであり、特に、単層構造の単層ニッケル合金めっき層の場合は、電着応力が-15kg/mm2~+15kg/mm2の範囲内とされ、特に、-9kg/mm2~+9kg/mm2の範囲内とされるのが好ましい。電着応力が-15kg/mm2~+15kg/mm2の範囲外では、経時的に、めっき層のCFRPに対する密着不良を起こし、また、形状、寸法を変化させるといった問題が生じ易くなる。
In nickel alloy plating, depending on the current density and bath temperature, the electrodeposition stress remaining in the plating alloy layer (plating film) is either compressive stress or tensile stress, and its value also varies. do. Such electrodeposition stress affects the adhesion to the
一方、ニッケルに対する添加材の混合比率を変化させることにより、ニッケル合金めっき層を上下方向に積層した積層構造の複数層ニッケル合金めっき層においては、形成された複数のニッケルめっき層は、各めっき層毎にそれぞれ異なる電着応力、即ち、圧縮応力又は引張応力を有しており、そのため、積層された複数のニッケルめっき層にて形成される積層構造の複数層ニッケル合金めっき層は、全体として複数のニッケルめっき層の合成された電着応力を有することとなる。従って、積層される個々のニッケルめっき層は、単層構造の単層ニッケル合金めっき層の場合と異なり、電着応力が-15kg/mm2~+15kg/mm2の範囲内とされる必要はない。ただ、積層された積層構造の複数層ニッケル合金めっき層にて形成されるめっき皮膜は、その合成された電着応力が-15kg/mm2~+15kg/mm2の範囲内とされる。 On the other hand, in a multi-layer nickel alloy plating layer having a laminated structure in which nickel alloy plating layers are stacked vertically by changing the mixing ratio of the additive to nickel, the formed plurality of nickel plating layers each has a different electrodeposition stress, that is, a compressive stress or a tensile stress. will have a combined electrodeposition stress of the nickel plating layer. Therefore, unlike the single-layer nickel alloy plating layer having a single-layer structure, the individual nickel plating layers to be laminated do not need to have an electrodeposition stress within the range of -15 kg/mm 2 to +15 kg/mm 2 . . However, the composite electrodeposition stress of the plated film formed by the laminated multilayer structure of the nickel alloy plating layer is within the range of −15 kg/mm 2 to +15 kg/mm 2 .
本発明では、金属めっき電極11は、めっき層が上記構成を有することにより、耐食性、耐摩耗性に優れるだけでなく、伸びが著しく改善され、炭素繊維材(CFRP)に対する密着性が大幅に向上し、炭素繊維材(CFRP)の伸びに対してめっき剥離を起こすことなく追従することができる。従って、金属めっき電極を銅めっきにより行っていた時の問題、即ち、炭素繊維材(CFRP)との接触抵抗が経時的に変化するとの問題を解決することができる。
In the present invention, the
(2)コバルト合金
本発明にて、他の態様によると、金属めっき電極11を構成するめっき層は、
(a)主成分としてコバルト25wt%以上、100wt%未満、残部添加材及び不可避不純物を含有した単層構造の単層コバルト合金めっき層、又は、
(b)主成分としてコバルト25wt%以上、100wt%未満、残部添加材及び不可避不純物を含有したコバルト合金めっき層であって、コバルトに対する添加材の混合比率を変化させたコバルト合金めっき層を上下方向に積層した積層構造の複数層コバルト合金めっき層、
とされる。主成分としてのコバルトに混合される添加材としては、リン、タングステン、ニッケル、鉄及び硫黄より成る群から選ばれた一種か、又は、複数種を、好適に使用することができる。
(2) Cobalt alloy
According to another aspect of the present invention, the plating layer constituting the
(a) a single-layer cobalt alloy plating layer having a single-layer structure containing 25 wt% or more and less than 100 wt% of cobalt as a main component, and the balance of additives and inevitable impurities; or
(b) A cobalt alloy plating layer containing 25 wt% or more and less than 100 wt% of cobalt as a main component, and the balance of additives and unavoidable impurities, wherein the cobalt alloy plating layer in which the mixing ratio of the additives to cobalt is changed is vertically arranged. A multilayer cobalt alloy plating layer with a laminated structure laminated on the
It is said that As the additive mixed with cobalt as the main component, one or more selected from the group consisting of phosphorus, tungsten, nickel, iron and sulfur can be preferably used.
本発明にて、主成分であるコバルトの含有量は25wt%以上、100wt%未満とされるが、好ましくは、コバルトの含有量は75wt%以上、100wt%未満とされ、残部添加材の含有量は25wt%未満とされる。コバルト合金めっきにて、コバルトの含有量が25wt%未満の場合は、耐食性の点で問題が生じる。また、添加材として、リン、タングステン、ニッケル、鉄若しくは硫黄のいずれか一種を、又は、複数種を含有することにより、靭性、耐力、耐摩耗性を向上させることができる。 In the present invention, the content of cobalt, which is the main component, is 25 wt% or more and less than 100 wt%. is less than 25 wt%. In cobalt alloy plating, if the content of cobalt is less than 25 wt%, a problem arises in terms of corrosion resistance. Further, by containing one or more of phosphorus, tungsten, nickel, iron, and sulfur as an additive, toughness, yield strength, and wear resistance can be improved.
本発明によれば、金属めっき電極11を構成するめっき層は、上述したように、主成分としてコバルト25wt%以上、100wt%未満、残部添加材及び不可避不純物を含有した単層構造の単層コバルト合金めっき層とし得るが、この場合にコバルト合金めっき層のめっき厚みT11は、特に限定されるものではないが、10~500μm、通常、50~100μmとされる。
According to the present invention, as described above, the plating layer constituting the
更に、本発明によれば、金属めっき電極11を構成するめっき層は、上述したように、主成分としてコバルト25wt%以上、100wt%未満、残部添加材及び不可避不純物を含有したコバルト合金めっき層であって、コバルトに対する添加材の混合比率を変化させたコバルト合金めっき層を上下方向に積層した積層構造の複数層コバルト合金めっき層とすることもできる。
Furthermore, according to the present invention, the plating layer constituting the
このような積層構造の複数層コバルト合金めっき層は、一つのめっき浴において、めっき施工条件を数秒単位で撹拌制御、電流密度制御を行うことにより得ることができる。例えば、コバルト-リン合金を例として挙げると、8wt%リン含有コバルト合金めっき層と、12wt%リン含有コバルト合金めっき層とを数μmの厚さで交互に積層した積層構造の複数層コバルト合金めっき層を得ることができる。コバルトに対する添加材の混合比率の小さい層と大きい層の厚さは、それぞれ、1~500μm、好ましくは、5~100μmとされ、それぞれ、層厚比は1:1~1:10の範囲とすることができる。この場合の積層構造の複数層コバルト合金めっき層の総厚みは10~500μm、通常、50~100μmとされる。 A multi-layered cobalt alloy plated layer having such a laminated structure can be obtained in one plating bath by controlling stirring and current density in units of several seconds for plating conditions. For example, taking a cobalt-phosphorus alloy as an example, a multi-layer cobalt alloy plating with a laminated structure in which an 8 wt% phosphorus-containing cobalt alloy plating layer and a 12 wt% phosphorus-containing cobalt alloy plating layer are alternately laminated with a thickness of several μm. You can get layers. The thickness of the layer with a small mixing ratio of the additive to cobalt and the layer with a large mixing ratio are each 1 to 500 μm, preferably 5 to 100 μm, and the layer thickness ratio is in the range of 1:1 to 1:10. be able to. In this case, the total thickness of the multilayer cobalt alloy plated layer of the laminated structure is 10 to 500 μm, usually 50 to 100 μm.
斯かるめっき方法は、例えば、特開2015-166483号公報などに記載されるように、当業者には周知の技術であるので、これ以上の詳しい説明は省略する。 Such a plating method is a technology well known to those skilled in the art, as described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2015-166483, so further detailed description will be omitted.
本発明にて、単層構造の単層コバルト合金めっき層、又は、積層構造の複数層コバルト合金めっき層は、引張強さが25~90kg/mm2(好ましくは、30~60kg/mm2)、伸び率が3%以上、通常50%以下(好ましくは、4~16%)、Hv硬度が150~650(好ましくは、200~450)とされる。 In the present invention, the single layer cobalt alloy plating layer of single layer structure or the multi-layer cobalt alloy plating layer of laminated structure has a tensile strength of 25 to 90 kg/mm 2 (preferably 30 to 60 kg/mm 2 ). , an elongation of 3% or more, usually 50% or less (preferably 4 to 16%), and an Hv hardness of 150 to 650 (preferably 200 to 450).
引張強さが25kg/mm2未満では、電極としての強度(耐力)に問題があり、また、90kg/mm2を超えると、めっきが施される炭素繊維材(CFRP)の伸びに追従しなくなるといった問題が生じる。更に、伸び率が3%未満では、靭性に問題があり、伸び率は3%以上とされる。 If the tensile strength is less than 25 kg/mm 2 , there is a problem with the strength (yield stress) as an electrode, and if it exceeds 90 kg/mm 2 , it will not follow the elongation of the carbon fiber material (CFRP) to which the plating is applied. Such problems arise. Furthermore, if the elongation is less than 3%, there is a problem in toughness, and the elongation is made 3% or more.
また、Hv硬度が150未満は製造することができず、また、650を超えると、めっき割れが生じるといった問題が生じる。 Moreover, when the Hv hardness is less than 150, it cannot be manufactured, and when it exceeds 650, there arises a problem that plating cracks occur.
なお、ニッケル合金めっきに関連して上述したように、コバルト合金めっきにおいてもまた、電流密度、浴温の大きさに応じて、めっき合金層(めっき皮膜)内に残留する電着応力は、圧縮応力又は引張応力とされ、また、その値も変動する。斯かる電着応力は、被めっき材である炭素繊維材10との密着性に影響を与えるものである。ただ、コバルト合金めっきはニッケル合金めっきに比べ、被めっき材への密着性が良く、電着応力の影響は少ない。しかし、単層構造の単層コバルト合金めっき層の場合は、電着応力が-15kg/mm2~+15kg/mm2の範囲内とされ、特に、-9kg/mm2~+9kg/mm2の範囲内とされるのが好ましい。電着応力が-15kg/mm2~+15kg/mm2の範囲外では、経時的に、めっき層のCFRPに対する密着不良を起こし、また、形状、寸法を変化させるといった問題が生じ易くなる。
As described above in relation to nickel alloy plating, even in cobalt alloy plating, depending on the current density and bath temperature, the electrodeposition stress remaining in the plating alloy layer (plating film) is reduced to compressive stress. It is referred to as stress or tensile stress, and its value also varies. Such electrodeposition stress affects the adhesion to the
一方、コバルトに対する添加材の混合比率を変化させることにより、コバルト合金めっき層を上下方向に積層した積層構造の複数層コバルト合金めっき層においては、形成された複数のコバルトめっき層は、各めっき層毎にそれぞれ異なる電着応力、即ち、圧縮応力又は引張応力を有しており、そのため、積層された複数のコバルトめっき層にて形成される積層構造の複数層コバルト合金めっき層は、全体として複数のコバルトめっき層の合成された電着応力を有することとなる。従って、積層される個々のコバルトめっき層は、単層構造の単層コバルト合金めっき層の場合と異なり、電着応力が-15kg/mm2~+15kg/mm2の範囲内とされる必要はないが、積層された積層構造の複数層コバルト合金めっき層にて形成されるめっき皮膜は、好ましくは、その合成された電着応力が-15kg/mm2~+15kg/mm2の範囲内とされる。 On the other hand, in a multilayer cobalt alloy plating layer having a laminated structure in which cobalt alloy plating layers are stacked vertically by changing the mixing ratio of the additive material to cobalt, the plurality of cobalt plating layers formed are different from each plating layer. has a different electrodeposition stress, that is, a compressive stress or a tensile stress. will have a combined electrodeposition stress of the cobalt plating layer of . Therefore, unlike the case of the single-layer cobalt alloy plating layer having a single-layer structure, the individual cobalt plating layers to be laminated need not have an electrodeposition stress within the range of −15 kg/mm 2 to +15 kg/mm 2 . However, the plating film formed by the laminated multilayer cobalt alloy plating layer preferably has a combined electrodeposition stress in the range of -15 kg/mm 2 to +15 kg/mm 2 . .
本発明では、金属めっき電極11は、めっき層が上記構成を有することにより、耐食性、耐摩耗性に優れるだけでなく、伸びが著しく改善され、炭素繊維材(CFRP)に対する密着性が大幅に向上し、炭素繊維材(CFRP)の伸びに対してめっき剥離を起こすことなく追従することができる。従って、金属めっき電極を銅めっきにより行っていた時の問題、即ち、炭素繊維材(CFRP)との接触抵抗が経時的に変化するとの問題を解決することができる。
In the present invention, the
(3)亜鉛合金
本発明にて、他の態様によると、金属めっき電極11を構成するめっき層は、
(a)主成分として亜鉛51wt%以上、100wt%未満、残部添加材及び不可避不純物を含有した亜鉛合金めっき層、
とされる。主成分としての亜鉛に混合される添加材としては、ニッケルが好適に使用される。
(3) Zinc alloy
According to another aspect of the present invention, the plating layer constituting the
(a) Zinc alloy plated layer containing 51 wt% or more and less than 100 wt% of zinc as the main component, and the balance of additives and inevitable impurities;
It is said that Nickel is preferably used as an additive mixed with zinc as the main component.
本発明にて、主成分である亜鉛含有量は、51wt%以上、100wt%未満とされるが、好ましくは、亜鉛の含有量は75wt%以上、100wt%未満、残部添加材の含有量は25wt%未満とされる。亜鉛合金めっきにて、亜鉛の含有量が51wt%未満の場合は、めっき厚が通常1μmに達することが無く、耐食性の点で問題がある。本発明では、亜鉛含有量を51wt%以上とすることにより、めっき厚みT11を10~50μm、或いはそれ以上にまで厚くすることができ、耐食性を増大させることができる。 In the present invention, the content of zinc, which is the main component, is 51 wt% or more and less than 100 wt%. %. In zinc alloy plating, if the zinc content is less than 51 wt%, the plating thickness usually does not reach 1 μm, which poses a problem in terms of corrosion resistance. In the present invention, by setting the zinc content to 51 wt % or more, the plating thickness T11 can be increased to 10 to 50 μm or more, and corrosion resistance can be increased.
また、添加材としてニッケルを含有することにより、靭性、耐力、耐摩耗性を向上させることができる。 Further, by containing nickel as an additive, toughness, yield strength, and wear resistance can be improved.
本発明にて、亜鉛合金めっき層は、引張強さが20~250kg/mm2(好ましくは、30~170kg/mm2)、伸び率が3%以上、通常50%以下(好ましくは、3~20%)、Hv硬度が100~250(好ましくは、100~180)とされる。 In the present invention, the zinc alloy plating layer has a tensile strength of 20 to 250 kg/mm 2 (preferably 30 to 170 kg/mm 2 ) and an elongation of 3% or more and usually 50% or less (preferably 3 to 170 kg/mm 2 ). 20%) and an Hv hardness of 100 to 250 (preferably 100 to 180).
引張強さが20kg/mm2未満では、電極としての強度(耐力)に問題があり、また、250kg/mm2を超えると、めっきが施される炭素繊維材(CFRP)の伸びに追従しなくなるといった問題が生じる。更に、伸び率が3%未満では、靭性に問題があり、伸び率は3%以上とされる。 If the tensile strength is less than 20 kg/mm 2 , there is a problem with the strength (yield stress) as an electrode, and if it exceeds 250 kg/mm 2 , it will not follow the elongation of the carbon fiber material (CFRP) to which the plating is applied. Such problems arise. Furthermore, if the elongation is less than 3%, there is a problem in toughness, and the elongation is made 3% or more.
また、Hv硬度が100未満は製造することができず、また、250を超えると、めっき割れが生じるといった問題が生じる。 Moreover, when the Hv hardness is less than 100, it cannot be manufactured, and when it exceeds 250, there arises a problem that plating cracks occur.
なお、亜鉛合金めっきにおいてもまた、上述したニッケル合金めっき及びコバルト合金めっきの場合と同様に、電流密度、浴温の大きさに応じて、めっき合金層(めっき皮膜)内に残留する電着応力は、圧縮応力又は引張応力とされ、また、その値も変動する。斯かる電着応力は、被めっき材である炭素繊維材10との密着性に影響を与えるものであり、亜鉛合金めっき層の場合は、電着応力が-15kg/mm2~+15kg/mm2の範囲内とされ、特に、-9kg/mm2~+9kg/mm2の範囲内とされるのが好ましい。電着応力が-15kg/mm2~+15kg/mm2の範囲外では、経時的に、めっき層のCFRPに対する密着不良を起こし、また、形状、寸法を変化させるといった問題が生じ易くなる。 In addition, in zinc alloy plating, as in the case of nickel alloy plating and cobalt alloy plating described above, the electrodeposition stress remaining in the plating alloy layer (plating film) depends on the magnitude of the current density and bath temperature. is a compressive stress or a tensile stress, and its value also varies. Such electrodeposition stress affects adhesion to the carbon fiber material 10 , which is the material to be plated . is preferably within the range of −9 kg/mm 2 to +9 kg/mm 2 . If the electrodeposition stress is outside the range of −15 kg/mm 2 to +15 kg/mm 2 , problems such as poor adhesion of the plating layer to CFRP and changes in shape and dimensions tend to occur over time.
本発明では、金属めっき電極11は、めっき層が上記構成を有することにより、耐食性、耐摩耗性に優れるだけでなく、伸びが著しく改善され、炭素繊維材(CFRP)に対する密着性が大幅に向上し、炭素繊維材(CFRP)の伸びに対してめっき剥離を起こすことなく追従することができる。従って、金属めっき電極を銅めっきにより行っていた時の問題、即ち、炭素繊維材(CFRP)との接触抵抗が経時的に変化するとの問題を解決することができる。
In the present invention, the
本発明によると、金属めっき電極11として、上述の構成のニッケル合金めっき、コバルト合金めっき、亜鉛合金めっき、とされる合金めっき層を構成することによって、従来の金属めっき電極11を銅めっきにて形成した場合の問題である、炭素繊維材10の表面に形成した銅めっきが腐食し易く、電気抵抗が時間経過と共に増大することに起因して、炭素繊維材10の計測抵抗値が時間経過とともに変動し、安定して計測し得ないといった問題を解決することができた。
According to the present invention, as the
しかしながら、上記めっき層の上に最外層としてめっき電極保護層を設けるのが好ましい。めっき電極保護層としては、例えば、導電性DLC(ダイヤモンドライクカーボン)コーティング処理によりDLCコーティング層を形成することができる。なお、DLCコーティング層は、厚さが0.01~10μmとされる。 However, it is preferable to provide a plating electrode protective layer as the outermost layer on the plating layer. As the plating electrode protective layer, for example, a DLC coating layer can be formed by conductive DLC (diamond-like carbon) coating treatment. Note that the DLC coating layer has a thickness of 0.01 to 10 μm.
また、上記めっき層を下地めっき層として形成し、その上に、表層(第二層)めっき層として、金又は白金を使用して表層めっき層を形成するのが好ましい。 Moreover, it is preferable to form the said plating layer as a base plating layer, and to form a surface plating layer using gold or platinum as a surface layer (second layer) plating layer thereon.
金属めっき層のめっき厚みT11は、特に限定されるものではないが、上述したように、10~500μmとされ、上記めっき層を下地めっき層として形成した場合には、めっき厚は、10~500μm(通常、50~100μm)、表層(第二層)のめっき厚は、1~500μm(通常、1~100μm)とされる。 The plating thickness T11 of the metal plating layer is not particularly limited, but is set to 10 to 500 μm as described above, and when the plating layer is formed as a base plating layer, the plating thickness is 10 to 500 μm (usually 50 to 100 μm), and the plating thickness of the surface layer (second layer) is 1 to 500 μm (usually 1 to 100 μm).
斯かる金属めっき電極11の構成にて、初期電気抵抗値の問題を解決し、経時的にも初期電気抵抗値を一定に維持し得ることができ、従って、補強された構造物の損傷、変形等の補強状態を長期にわたり高精度にて安定してモニタリングにより把握することができる。
With such a configuration of the
つまり、上記の(1)~(3)に記載の合金を使用した合金めっき層は、炭素繊維材10との密着力が強く、良好な電気的接触が達成されるものと考えられる。従って、めっき層を多層構造とした場合においても、これら合金めっき層を下地めっき層として使用し、更に、表層として金めっき、白金めっきを形成することで、めっき電極としての導電性を更に改良することができる、と考えられる。
In other words, it is believed that the alloy plating layer using the alloys described in (1) to (3) above has a strong adhesion to the
以下、本発明の作用効果を立証するための実験例について説明する。 Experimental examples for proving the effects of the present invention will be described below.
実験例
炭素繊維材10としては、上記具体例4として説明した矩形断面形状の炭素繊維強化プラスチックプレート10Dを使用した。つまり、先ず、具体例1として説明したように、炭素繊維として平均径7μmの単繊維(炭素繊維モノフィラメント)fを24000本収束した単繊維束を複数本一方向に平行に引き揃え、ビニルエステル樹脂を含浸して、プルトルージョン法により引抜き成形し、その後硬化した。これにより、長さ(L)400mm、幅(W)75mm、厚さ(T)3mmの炭素繊維強化プラスチックプレート10Dを作製した。繊維体積含有率(Vf)65%であった。
Experimental Example As the
このようにして作製した炭素繊維強化プラスチックプレート10Dに対して、図7(b)に示すように、両端部の電極形成領域10sを傾斜面10stとし、金属めっきを行った。金属めっき電極11の長さ(L11)は10mmであった。
As shown in FIG. 7(b), the carbon fiber reinforced
金属めっき電極11に導線12を半田付けにて接続し、その後、この半田付け部及び金属めっき電極11を覆って、エポキシ樹脂にて被覆した。
A
このようにして作製したモニタリング機能付き炭素繊維材1の導線12を端子13を介して計測器50に接続し、電気抵抗(初期抵抗値R0)を計測した。本実験では、計測器としては、抵抗計(日置電機株式会社製:商品名「RM3545-02」)を用いた。なお、電気抵抗測定は、4端子測定法を採用した。その結果を図9に示す。
Conducting
図9にて、金属めっき電極11は、本発明に従った実験例1では、めっき厚さ100μmのニッケル合金めっき(微量の硫黄を含有)とし、実験例2では、下地層をめっき厚さ100μmのニッケル合金めっき(微量の硫黄を含有)とし、表層を金めっき(厚さ1μm)とした。また、従来技術としての比較例1、2は銅めっき(厚さ100μm)とした。
In FIG. 9, the
図9を参照すると、本発明に従っためっき層構成とされる実験例1、2では、モニタリング機能付き炭素繊維材1の初期電気抵抗値が時間経過と共に変動することは少なく、特に、実験例2は、長期間にわたって安定していた。つまり、安定してモニタリングが可能であることが分かる。一方、比較例1、2では、モニタリング機能付き炭素繊維材1の初期電気抵抗値が時間と共に変動していることが分かる。また、同じ銅めっきでも両者の間には大きなずれがあり、品質性能が一定しためっきを得るのが困難であることが分かる。これでは、安定した測定、即ち、モニタリングは不可能である。
Referring to FIG. 9, in Experimental Examples 1 and 2, which have a plating layer configuration according to the present invention, the initial electrical resistance value of the
図9には図示していないが、金属めっき電極11として、ニッケル系合金以外の、コバルト系合金、亜鉛合金を使用した場合も、同様に、モニタリング機能付き炭素繊維材1の初期電気抵抗値が時間経過と共に変動することは少なく、長期間にわたって安定していることが分かった。
Although not shown in FIG. 9, when a cobalt-based alloy or a zinc alloy other than a nickel-based alloy is used as the
(補強方法)
次に、本発明に従ったモニタリング機能付き炭素繊維材1を使用した構造物の補強方法及びモニタリング方法について簡単に説明する。図1(b)をも参照すると理解されるように、当業者には周知のように、構造物100の表面上に強化繊維を含む繊維シートを一層又は複数層、接着剤にて接着して一体化することによって構造物が補強される。
(Reinforcement method)
Next, a method for reinforcing a structure and a method for monitoring using the
また、使用される繊維シートとして少なくとも一層は、本発明に係るモニタリング機能付き炭素繊維材1を使用して補強し、補強後において、モニタリング機能付き炭素繊維材1の電気抵抗を計測することにより、補強された構造物における亀裂の発生及び/又は亀裂の進展の判断を行うことができる。すなわち、構造物を有効に補強すると共に、補強した際の補強箇所における疲労亀裂の発生、亀裂の進展などを監視して構造物の補強状態の検知が可能である。更には、構造物の、例えば、PC鋼材等の腐食劣化の進行、又は、補強材としての炭素繊維材10の剥離などを監視し、補強された構造物の補強状態検知が可能である。
In addition, at least one layer of the fiber sheet used is reinforced using the
なお、構造物の局部的な状態の把握のためには、被補強物である構造物からのひずみの伝達を効率よく行う必要がある。従って、モニタリング機能付き炭素繊維材1は、被補強物の表面により近接して配置するのが有効である。従って、限定されるものではないが、通常、補強のため繊維シートが複数層積層される場合は、最下層又はその近傍に、本発明に従って構成されるモニタリング機能付き炭素繊維材1が配置される。
In order to grasp the local state of the structure, it is necessary to efficiently transmit the strain from the structure, which is the object to be reinforced. Therefore, it is effective to arrange the
従って、定期的に、或いは、所望に応じて適宜、モニタリング機能付き炭素繊維材1の電気抵抗が計測され、それによって、補強された構造物における亀裂の発生及び/又は亀裂の進展の検知を行う。
Therefore, the electrical resistance of the
このとき、モニタリング機能付き炭素繊維材1の電気抵抗値(R)を計測し、電気抵抗変化率(Rcr)が増大している領域が発生したとき、該電気抵抗変化率(Rcr)が増大している領域に対応する被補強鋼構造物に亀裂が発生したか、或いは、亀裂の進展があったと判断する。
At this time, the electrical resistance value (R) of the
同様に、例えばPC部材に腐食劣化が進行した場合には、鋼部材による荷重耐荷力が減少し、その分モニタリング機能付き炭素繊維材1に対する荷重が増大し、その結果、モニタリング機能付き炭素繊維材1の電気抵抗が増大し、結果として電気抵抗変化率(Rcr)が増大することとなる。従って、モニタリング機能付き炭素繊維材1の電気抵抗値(R)を計測し、電気抵抗変化率(Rcr)が増大している領域が発生したとき、該電気抵抗変化率(Rcr)が増大している領域に対応する被補強構造物に腐食による劣化が進行していると判断することができる。
Similarly, for example, when corrosion deterioration progresses in the PC member, the load bearing capacity of the steel member decreases, and the load on the carbon fiber material with
このように、本発明のモニタリング機能付き炭素繊維材は、鋼構造物、コンクリート構造物などの補修補強用補強材としての機能を有しており、且つ、炭素繊維材に対する金属めっき電極用のめっき材料を特定の金属合金を使用することにより、従来技術が有する炭素繊維強化樹脂材の初期電気抵抗値変動の問題を解決し、経時的にも初期電気抵抗値を一定に維持することが可能となった。従って、補強された構造物の損傷、変形等の補強状態を長期にわたり高精度にて安定して把握することができるという特長を有している。 Thus, the carbon fiber material with a monitoring function of the present invention has a function as a reinforcing material for repair and reinforcement of steel structures, concrete structures, etc. By using a specific metal alloy as the material, it is possible to solve the problem of the initial electrical resistance value fluctuation of the conventional carbon fiber reinforced resin material and maintain the initial electrical resistance value constant over time. became. Therefore, it has the advantage that the reinforced state of the reinforced structure, such as damage and deformation, can be stably grasped with high accuracy over a long period of time.
また、本発明のモニタリング機能付き炭素繊維材は、航空機、機械装置などに使用される軽量、高強度の、例えば機械装置等の筐体部材などの構造部材として使用することができ、且つ、部材の疲労亀裂、腐食劣化の進行をも長期にわたり高精度にて安定して監視することができる。 In addition, the carbon fiber material with a monitoring function of the present invention can be used as a lightweight, high-strength structural member such as a housing member of a mechanical device used in an aircraft or a mechanical device. It is possible to stably monitor the progress of fatigue cracks and corrosion deterioration over a long period of time with high accuracy.
1 モニタリング機能付き炭素繊維材
2 炭素繊維強化プラスチック線材(ストランド)
10 炭素繊維材
10A 炭素繊維強化複合材
10B 炭素繊維ストランドシート
10C 炭素繊維強化プラスチックロッド
10D 炭素繊維強化プラスチックプレート
10E 炭素繊維格子材
10s 電極形成領域
11 金属めっき電極
12 導線
13 端子部材
50 計測器
100 構造物
101 接着剤
1 Carbon fiber material with
REFERENCE SIGNS
Claims (16)
前記炭素繊維材の互いに離間した少なくとも2箇所に、前記炭素繊維材の電気抵抗を計測するための金属めっき電極を備え、前記金属めっき電極は、
(a)主成分としてニッケル25wt%以上、100wt%未満、残部添加材及び不可避不純物を含有した単層構造の単層ニッケル合金めっき層、又は、
(b)主成分としてニッケル25wt%以上、100wt%未満、残部添加材及び不可避不純物を含有したニッケル合金めっき層であって、前記ニッケルに対する前記添加材の混合比率を変化させた前記ニッケル合金めっき層を上下方向に積層した積層構造の複数層ニッケル合金めっき層、
を有し、
前記単層構造の前記単層ニッケル合金めっき層は電着応力が-15kg/mm 2 ~+15kg/mm 2 の範囲内であり、
前記積層構造の前記複数層ニッケル合金めっき層は、前記積層構造をなす前記各ニッケル合金めっき層が有する電着応力が合成された電着応力を有し、前記合成された電着応力は、-15kg/mm 2 ~+15kg/mm 2 の範囲内であり、
前記単層ニッケル合金めっき層及び前記複数層ニッケル合金めっき層は、引張強さが25~90kg/mm2、伸び率が3%以上、Hv硬度が150~650である、
ことを特徴とするモニタリング機能付き炭素繊維材。 A carbon fiber material with a monitoring function that can be bonded to the surface of a structure with an adhesive to reinforce the structure or can be used as a structural member,
Metal-plated electrodes for measuring the electrical resistance of the carbon fiber material are provided at least two locations apart from each other on the carbon fiber material, and the metal-plated electrodes are:
or
(b) A nickel alloy plating layer containing 25 wt% or more and less than 100 wt% of nickel as a main component, and the balance of additives and inevitable impurities, wherein the mixing ratio of the additives to the nickel is changed. A multi-layer nickel alloy plating layer with a laminated structure in which the
has
The single-layer nickel alloy plating layer having the single-layer structure has an electrodeposition stress in the range of −15 kg/mm 2 to +15 kg/mm 2 ,
The multi-layered nickel alloy plating layer having the laminated structure has an electrodeposition stress obtained by combining the electrodeposition stresses of the nickel alloy plating layers having the laminated structure, and the combined electrodeposition stress is - within the range of 15 kg/mm 2 to +15 kg/mm 2 ;
The single-layer nickel alloy plating layer and the multiple-layer nickel alloy plating layer have a tensile strength of 25 to 90 kg/mm 2 , an elongation of 3% or more, and an Hv hardness of 150 to 650.
A carbon fiber material with a monitoring function characterized by:
前記炭素繊維材の互いに離間した少なくとも2箇所に、前記炭素繊維材の電気抵抗を計測するための金属めっき電極を備え、前記金属めっき電極は、
(a)主成分としてコバルト25wt%以上、100wt%未満、残部添加材及び不可避不純物を含有した単層構造の単層コバルト合金めっき層、又は、
(b)主成分としてコバルト25wt%以上、100wt%未満、残部添加材及び不可避不純物を含有したコバルト合金めっき層であって、前記コバルトに対する前記添加材の混合比率を変化させた前記コバルト合金めっき層を上下方向に積層した積層構造の複数層コバルト合金めっき層、
を有し、
前記単層構造の前記単層コバルト合金めっき層は電着応力が-15kg/mm 2 ~+15kg/mm 2 の範囲内であり、
前記積層構造の前記複数層コバルト合金めっき層は、前記積層構造をなす前記各コバルト合金めっき層が有する電着応力が合成された電着応力を有し、前記合成された電着応力は、-15kg/mm 2 ~+15kg/mm 2 の範囲内であり、
前記単層コバルト合金めっき層及び前記複数層コバルト合金めっき層は、引張強さが25~90kg/mm2、伸び率が3%以上、Hv硬度が150~650である、
ことを特徴とするモニタリング機能付き炭素繊維材。 A carbon fiber material with a monitoring function that can be bonded to the surface of a structure with an adhesive to reinforce the structure or can be used as a structural member,
Metal-plated electrodes for measuring the electrical resistance of the carbon fiber material are provided at least two locations apart from each other on the carbon fiber material, and the metal-plated electrodes are:
(a) a single-layer cobalt alloy plating layer having a single-layer structure containing 25 wt% or more and less than 100 wt% of cobalt as a main component, and the balance of additives and inevitable impurities; or
(b) A cobalt alloy plating layer containing 25 wt% or more and less than 100 wt% of cobalt as a main component, and the balance of additives and unavoidable impurities, wherein the mixing ratio of the additives to the cobalt is changed. A multilayer cobalt alloy plating layer with a laminated structure in which the
has
The single-layer cobalt alloy plating layer having the single-layer structure has an electrodeposition stress in the range of −15 kg/mm 2 to +15 kg/mm 2 ,
The multilayer cobalt alloy plating layer having the laminated structure has an electrodeposition stress obtained by combining the electrodeposition stresses of the respective cobalt alloy plating layers having the laminated structure, and the combined electrodeposition stress is - within the range of 15 kg/mm 2 to +15 kg/mm 2 ;
The single layer cobalt alloy plating layer and the multiple layers cobalt alloy plating layer have a tensile strength of 25 to 90 kg/mm 2 , an elongation of 3% or more, and an Hv hardness of 150 to 650.
A carbon fiber material with a monitoring function characterized by:
前記炭素繊維材の互いに離間した少なくとも2箇所に、前記炭素繊維材の電気抵抗を計測するための金属めっき電極を備え、
前記金属めっき電極は、主成分として亜鉛51wt%以上、100wt%未満、残部添加材及び不可避不純物を含有した亜鉛合金めっき層を有し、
前記亜鉛合金めっき層は、引張強さが20~250kg/mm2、伸び率が3%以上、Hv硬度が100~250である、
ことを特徴とするモニタリング機能付き炭素繊維材。 A carbon fiber material with a monitoring function that can be bonded to the surface of a structure with an adhesive to reinforce the structure or can be used as a structural member,
Metal-plated electrodes for measuring the electrical resistance of the carbon fiber material are provided at at least two locations on the carbon fiber material that are spaced apart from each other;
The metal plated electrode has a zinc alloy plated layer containing 51 wt% or more and less than 100 wt% of zinc as a main component, and the balance additives and inevitable impurities,
The zinc alloy plating layer has a tensile strength of 20 to 250 kg/mm 2 , an elongation of 3% or more, and an Hv hardness of 100 to 250.
A carbon fiber material with a monitoring function characterized by:
前記マトリクス樹脂は、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂とされ、前記熱硬化性樹脂は、常温硬化型若しくは熱硬化型のエポキシ樹脂、エポキシアクリレート樹脂、アクリル樹脂、MMA樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、又は、光硬化型樹脂であり、又、前記熱可塑性樹脂は、ナイロン又はビニロンであることを特徴とする請求項1~15のいずれかの項に記載のモニタリング機能付き炭素繊維材。 The carbon fiber is a pitch-based or PAN-based carbon fiber,
The matrix resin is a thermosetting resin or a thermoplastic resin, and the thermosetting resin is a room temperature or thermosetting epoxy resin, epoxy acrylate resin, acrylic resin, MMA resin, vinyl ester resin, unsaturated Carbon with a monitoring function according to any one of claims 1 to 15 , characterized in that it is a polyester resin, a phenol resin, or a photocurable resin, and the thermoplastic resin is nylon or vinylon. fiber material.
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立石晶洋 他、報告 炭素繊維プレート緊張材を用いたPC鋼材破断によるPC桁の変状モニタリングに関する研究、コンクリート工学年次論文集、2017、Vol. 39、No.2、pp. 1273-1278 |
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