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明細書 :自己診断機能を有する複合部材とその製造方法

発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 特許公報(B2)
特許番号 特許第4224587号 (P4224587)
公開番号 特開2006-131776 (P2006-131776A)
登録日 平成20年12月5日(2008.12.5)
発行日 平成21年2月18日(2009.2.18)
公開日 平成18年5月25日(2006.5.25)
発明の名称または考案の名称 自己診断機能を有する複合部材とその製造方法
国際特許分類 C08J   5/04        (2006.01)
B32B  27/12        (2006.01)
H01L  41/08        (2006.01)
H01L  41/26        (2006.01)
H01L  41/187       (2006.01)
FI C08J 5/04 CFC
B32B 27/12
H01L 41/08 Z
H01L 41/08 H
H01L 41/22 C
H01L 41/18 101D
請求項の数または発明の数 4
全頁数 25
出願番号 特願2004-323166 (P2004-323166)
出願日 平成16年11月8日(2004.11.8)
新規性喪失の例外の表示 特許法第30条第1項適用 2004年(平成16年)7月20日 社団法人日本機械学会発行の「M&M2004材料力学カンファレンス講演論文集」に発表
審査請求日 平成18年8月23日(2006.8.23)
特許権者または実用新案権者 【識別番号】504190548
【氏名又は名称】国立大学法人埼玉大学
発明者または考案者 【氏名】蔭山 健介
【氏名】吉川 剛史
【氏名】加藤 寛
個別代理人の代理人 【識別番号】100100918、【弁理士】、【氏名又は名称】大橋 公治
【識別番号】100108729、【弁理士】、【氏名又は名称】林 紘樹
審査官 【審査官】大熊 幸治
参考文献・文献 特表2003-515730(JP,A)
調査した分野 C08J 5/00- 5/24
B32B 1/00- 43/00
G01M 19/00
特許請求の範囲 【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
発明の詳細な説明 【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。

【特許文献1】特表2003-515730号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
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。
【0005】
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。
【課題を解決するための手段】
【0006】
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。
【0007】
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。
【0008】
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。
【0009】
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。
【発明の効果】
【0010】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【0011】
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。
【0012】
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
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【産業上の利用可能性】
【0035】
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。
【図面の簡単な説明】
【0036】
【図1】本発明の実施形態におけるFRPの構成を説明する図
【図2】静電容量型センサを説明する図
【図3】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
【図4】本発明の実施形態におけるFRPの信号出力を説明する図
【図5】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
【図6】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
【図7】本発明の実施形態におけるFRPの製造方法を説明する図
【図8】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
【図9】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
【図10】本発明の実施形態におけるFRPの特性測定装置を示す図
【図11】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
【図12】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)
【図13】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)
【図14】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)
【図15】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
【図16】繰り返し負荷試験の測定データの定義を説明する図
【図17】FRPの構造を説明する図
【図18】FRPの層間剥離を説明する図
【図19】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
【図20】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】
【0037】
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
図面
【図2】
0
【図9】
1
【図15】
2
【図16】
3
【図20】
4
【図1】
5
【図3】
6
【図4】
7
【図5】
8
【図6】
9
【図7】
10
【図8】
11
【図10】
12
【図11】
13
【図12】
14
【図13】
15
【図14】
16
【図17】
17
【図18】
18
【図19】
19