(57)【要約】【課題】疲労破壊が問題となる重要構造体（社会基盤構造物、航空機胴体等）の安全維持管理のため、構造体に作用した歪の累積値を計測可能とするセンサを得る。【解決手段】導電性を有し且つ脆性的な破壊挙動を示すセラミックス線材等の連続体を長繊維強化プラスチックス等の樹脂成形体中に設置した複合材料を合成した。この複合材料に引張変形を作用させることにより変化する導電性が除荷後に永久残留し且つその残留抵抗値が作用した歪の大きさおよび累積数に応じてそれら漸増する現象を応用し、その増加量を計測することにより歪の累積値を診断可能なセンサとした。【選択図】図１
2004264153.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
累積損傷センサであって、
少なくとも一部に導電性セラミックス連続体を有する導電性連続体、
とを備え、
当該連続体に作用した歪に対して前記連続体の導電性が変化し、歪除去後も当該歪除去前の変化した導電性変化量の少なくとも一部を残留保持し、歪の累積数に応じて残留保持する導電性変化量が増加するように構成されている、センサ。
【請求項２】
累積損傷センサであって、
少なくとも一部に導電性セラミックス連続体を有する導電性連続体、
とを備え、
歪の累積数に対して導電率もしくは抵抗率が漸増的に変化し且つそれが永久的に残留することにより、累積損傷に関する情報をセンサ自身に記憶させることができるセンサ。
【請求項３】
以下の特徴（ａ）〜（ｆ）のいずれか１種あるいは２種以上を有する、請求項１又は２に記載のセンサ。
（ａ）前記導電性連続体には、延性材料が内在されるかあるいは延性材料がその外部に備えられている。
（ｂ）前記導電性連続体は、絶縁性担体に支持されている。
（ｃ）前記導電性セラミックス連続体は、当該連続体に含まれる導電性金属化合物についての傾斜組成を有する。
（ｄ）前記導電性連続体は、前記導電性金属化合物を構成する金属を主体とする領域を有する。
（ｅ）前記導電性連続体は、金属基連続体を酸素、窒素、硫黄及び硼素からなる群から選択される１種あるいは２種以上の雰囲気下での熱処理することによって得られる。
（ｆ）前記導電性連続体は、絶縁性の高分子材料成形体又は絶縁性の長繊維を含む絶縁性高分子材料成形体に支持されている。
【請求項４】
損傷センサであって、
少なくとも一部に導電性セラミックス連続体を有する導電性連続体、
を備え、
前記導電性セラミックス連続体は、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種以上の導電性金属化合物を含む、センサ。
【請求項５】
前記導電性連続体には、延性材料が内在されるかあるいは延性材料がその外部に備えられている、請求項４記載のセンサ。
【請求項６】
前記導電性連続体は、絶縁性担体に支持されている、請求項４又は５に記載のセンサ。
【請求項７】
前記導電性セラミックス連続体は、当該連続体に含まれる導電性金属化合物についての傾斜組成を有する、請求項４〜６のいずれかに記載の損傷センサ。
【請求項８】
前記導電性連続体は、前記導電性金属化合物を構成する金属を主体とする領域を有する、請求項４〜７のいずれかに記載の損傷センサ。
【請求項９】
前記金属は、チタン、ニッケル、クロム、タングステン、モリブデン、バナジウム、シリコン、ルテニウム、レニウム、インジウム、ニオブ、錫、及び銅からなる群から選択される１種あるいは２種以上である、請求項４〜８のいずれかに記載の損傷センサ。
【請求項１０】
前記導電性セラミックス連続体は、前記連続体の少なくとも表層に存在する、請求項４〜９のいずれかに記載の損傷センサ。
【請求項１１】
前記連続体は、金属基連続体を酸素、窒素、硫黄及び硼素からなる群から選択される１種あるいは２種以上の雰囲気下での熱処理することによって得られる、請求項４〜１０のいずれかに記載のセンサ。
【請求項１２】
前記連続体は、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、金属硫化物もしくは金属ホウ化物を原料とした固相反応法、気相反応法、もしくはこれらの前駆体を用いた液相反応法により得られる、請求項４〜１０のいずれかに記載のセンサ。
【請求項１３】
前記導電性連続体は、絶縁性の高分子材料成形体又は絶縁性の長繊維を含む絶縁性高分子材料成形体に支持されている、請求項４〜１２のいずれかに記載のセンサ。
【請求項１４】
シート状体である、請求項４〜１３のいずれかに記載のセンサ。
【請求項１５】
棒状体である、請求項４〜１３のいずれかに記載のセンサ。
【請求項１６】
累積損傷センサ用もしくは損傷センサ用のセンシング材料であって、
少なくとも一部に、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種以上の導電性金属化合物を含む導電性セラミックス連続体を含む導電性連続体である、材料。
【請求項１７】
前記導電性連続体には、延性材料が内在されるかあるいは延性材料がその外部に備えられている、請求項１６に記載のセンシング材料。
【請求項１８】
前記導電性セラミックス連続体は、当該連続体に含まれる導電性金属化合物について傾斜組成を有する、請求項１６又は１７に記載の材料。
【請求項１９】
前記導電性連続体は、前記導電性金属化合物を構成する金属を主体とする領域を有する、請求項１６〜１８のいずれかにのいずれかに記載の材料。
【請求項２０】
前記金属は、チタン、ニッケル、クロム、タングステン、モリブデン、バナジウム、シリコン、ルテニウム、レニウム、インジウム、ニオブ、錫、及び銅からなる群から選択される１種あるいは２種以上である、請求項１６〜１９のいずれかに記載の材料。
【請求項２１】
前記導電性セラミックス連続体は、前記連続体の少なくとも表層に存在する、請求項１６〜２０のいずれかに記載の材料。
【請求項２２】
前記連続体は、金属基連続体を酸素、窒素、硫黄及び硼素からなる群から選択される１種あるいは２種以上の雰囲気下での熱処理することによって得られる、請求項１６〜２１のいずれかに記載のセンサ。
【請求項２３】
前記連続体は、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、金属硫化物もしくは金属ホウ化物を原料とした固相反応法、気相反応法、もしくはこれらの前駆体を用いた液相反応法により得られる、請求項１６〜２２のいずれかに記載の材料。
【請求項２４】
センシング材料の製造方法であって、
金属基連続体を酸素、窒素、硫黄及び硼素からなる群から選択される１種あるいは２種以上の雰囲気下で熱処理することによって前記金属基連続体の少なくとも一部をセラミックス化する工程、
を備える、方法。
【請求項２５】
構築物の損傷モニタリング方法であって、
請求項１〜１５のいずれかに記載の損傷センサを構築物に設置する工程と、
前記損傷センサの導電性を検出する工程、
とを備える方法。
【請求項２６】
請求項１〜１５のいずれかに記載のセンサを備えた構造体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、構造体における損傷を検出する技術に関し、特に、社会基盤構造物全般および航空機胴体等の重要構造体における累積損傷もしくは疲労現象を検出する技術に関する。より具体的には、鉄鋼系構造体等の金属材料、コンクリート系構造体等の無機材料もしくは航空機構造体等に応用される複合材料に作用する引張・圧縮等の応力・歪の累積状態を導電率もしくは抵抗率の変化により検出することのできるセンサ技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、鉄道や道路等の社会基盤構造物における急速な劣化が顕在化し、高架橋の疲労破壊やコンクリート崩落事故等の社会的な問題が勃発している。さらに、この疲労破壊については、これまでに航空機等における事故原因の主な要因ともされている。このような状況下、これらの高い安全性が要求される重要構造体における疲労損傷、破壊、劣化を診断するための累積損傷を検出できる健全性モニタリング技術が強く求められていた。
【０００３】
これに対し、既存の一般的な健全性診断システムとしては、金属泊ゲージや光ファイバーセンサ等を用いたシステムが知られている。しかしながら、これらのシステムでは、計測時点における歪等の検出を可能とする常時モニタリングを前提としており、疲労損傷をモニタリングの対象とはしていない。したがって、これらのシステムにより累積損傷を診断するためには、これらのセンサ毎に計測機器を常時接続させた状態にて連続して計測を継続し、その計測結果をもとに累積損傷を解析するという作業を必要とする。モニタリング対象となる構造体は極めて大型の構造体であり、その各所に設置されるセンサ毎に計測機器を設置するためは膨大なコストを要し、そのモニタリング期間も十年単位を想定しなければならないため連続計測および解析を遂行することは事実上不可能である。よって、これらのシステムにより累積損傷をモニタリングすることは非現実的であり、実際にそのようなシステムは存在していない。
【０００４】
一方、疲労損傷をモニタリング対象とした診断システムとして、いくつかの手法が提案されている。
歪が作用した累積数を材料単体において診断できる知的材料としては、炭素繊維の繊維破断・層間剥離を応用する技術に関して報告例がある（非特許文献１）。
しかしながら、この報告によれば、その抵抗増加が発現する累積損傷レベルは４０００με程度において１００００回以上を必要とする。したがって、より低歪領域の累積診断を想定した場合、このままでの応用は困難であり、歪レベル・累積数の制御が技術的課題となる。
【０００５】
また、炭素繊維強化プラスチックス（ＣＦＲＰ）を積層［±２５／９０／±２５］ｓさせた複合材料における疲労現象を、２５／９０層間の安定的剥離に起因する抵抗変化からモニタリングすることも試みられている（非特許文献２）。
しかしながら、その検討結果においても、歪レベルは４０００με以上を対象としており、鉄鋼系材料の弾性限内（約２０００με以下）やコンクリートのひび割れ歪（約５００με以下）における累積損傷のモニタリングについては報告されていない。
【０００６】
さらに、Ｓｉ３Ｎ４を連続体、ＳｉＣを強化繊維としたセラミックス基複合材料（ＣＭＣ）において、連続体中の一部に導電性のＴｉＮ粒子を分散させパーコレーション構造を形成させ、曲げサイクル試験における導電性変化より累積数を診断できる可能性が報告されている（非特許文献３）。
この手法では、応力振幅比（＝最大応力／静的曲げ強度）は０．５および０．７のみであり、より低い応力振幅比での評価が課題として残されており、累積損傷の繰返し回数も１００回程度に留まっており、高サイクルでの評価は実施されていない。
【０００７】
【非特許文献１】
Ｐ．  Ｅ．  Ｉｒｖｉｎｇ  ａｎｄ  Ｃ．  Ｔｈｉａｇａｒａｊａｎ，  ”Ｆａｔｉｇｕｅ  ｄａｍａｇｅ  ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ｉｎ  ｃａｒｂｏｎ  ｆｉｂｅｒ  ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ  ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ｕｓｉｎｇ  ａｎ  ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｐｏｔｅｎｔｉａｌ  ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ”，  Ｓｍａｒｔ  Ｍａｔｅｒ．  Ｓｔｒｕｃｔ．  ７，  ４５６−４６６  （１９９８）
【非特許文献２】
Ｄ．  Ｙ．  Ｓｏｎｇ，  Ａ．  Ｋｉｔａｎｏ  ａｎｄ  Ｓ．  Ｍｕｒａｉ，  ”Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ  ｏｆ  Ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ  Ｄａｍａｇｅ  ｂｙ  Ｓｍａｒｔ  Ｐａｔｃｈ”，  Ｐｒｏｃ．  ｏｆ  Ｓｍａｒｔ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，  ５７−６０  （２００１）
【非特許文献３】
Ｍ．  Ｔａｋａｄａ，  Ｈ．  ａｔｓｕｂａｒａ，  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）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、構造体に作用した歪の累積値を計測するのに適した新規なセンシング材料を用いたセンシング技術を提供することを課題とする。また、本発明の他の課題は、所望の歪範囲内で歪の累積値を計測可能とする損傷のセンシング技術を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題の解決にあたりセラミックス材料の脆性的な破壊挙動を応用することに着目し、このセラミックス材料に導電性をもたせるとともに、累積損傷に対する脆性的な破壊挙動をその導電性変化をもとにモニタリングすることにより損傷及び累積損傷をセンシングできる素子について検討した。その結果、このセンサ素子が損傷及び累積損傷をセンシングでき且つその情報をセンサ自身に記憶できることを見出し、これを構造体に適用することにより構造体の健全性診断システムとして有効な技術を構築可能であることを見出し、本発明を完成した。
本発明によれば、以下の手段が提供される。
【００１０】
（１）累積損傷センサであって、
少なくとも一部に導電性セラミックス連続体を有する導電性連続体、
とを備え、
当該連続体に作用した歪に対して前記連続体の導電性が変化し、歪除去後も当該歪除去前の変化した導電性変化量の少なくとも一部を残留保持し、歪の累積数に応じて残留保持する導電性変化量が増加するように構成されている、センサ。
（２）累積損傷センサであって、
少なくとも一部に導電性セラミックス連続体を有する導電性連続体、
とを備え、
歪の累積数に対して導電率もしくは抵抗率が漸増的に変化し且つそれが永久的に残留することにより、累積損傷に関する情報をセンサ自身に記憶させることができるセンサ。
（３）以下の特徴（ａ）〜（ｆ）のいずれか１種あるいは２種以上を有する、請求項１又は２に記載のセンサ。
（ａ）前記導電性連続体には、延性材料が内在されるかあるいは延性材料がその外部に備えられている。
（ｂ）前記導電性連続体は、絶縁性担体に支持されている。
（ｃ）前記導電性セラミックス連続体は、当該連続体に含まれる導電性金属化合物についての傾斜組成を有する。
（ｄ）前記導電性連続体は、前記導電性金属化合物を構成する金属を主体とする領域を有する。
（ｅ）前記導電性連続体は、金属基連続体を酸素、窒素、硫黄及び硼素からなる群から選択される１種あるいは２種以上の雰囲気下での熱処理することによって得られる。
（ｆ）前記導電性連続体は、絶縁性の高分子材料成形体又は絶縁性の長繊維を含む絶縁性高分子材料成形体に支持されている。
（４）損傷センサであって、
少なくとも一部に導電性セラミックス連続体を有する導電性連続体、
を備え、
前記導電性セラミックス連続体は、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種以上の導電性金属化合物を含む、センサ。
（５）前記導電性連続体には、延性材料が内在されるかあるいは延性材料がその外部に備えられている、（４）記載のセンサ。
（６）前記導電性連続体は、絶縁性担体に支持されている、（４）又は（５）に記載のセンサ。
（７）前記導電性セラミックス連続体は、当該連続体に含まれる導電性金属化合物についての傾斜組成を有する、（４）〜（６）のいずれかに記載の損傷センサ。
（８）前記導電性連続体は、前記導電性金属化合物を構成する金属を主体とする領域を有する、（４）〜（７）のいずれかに記載の損傷センサ。
（９）前記金属は、チタン、ニッケル、クロム、タングステン、モリブデン、バナジウム、シリコン、ルテニウム、レニウム、インジウム、ニオブ、錫、及び銅からなる群から選択される１種あるいは２種以上である、（４）〜（８）のいずれかに記載の損傷センサ。
（１０）前記導電性セラミックス連続体は、前記連続体の少なくとも表層に存在する、（４）〜（９）のいずれかに記載の損傷センサ。
（１１）前記連続体は、金属基連続体を酸素、窒素、硫黄及び硼素からなる群から選択される１種あるいは２種以上の雰囲気下での熱処理することによって得られる、（４）〜（１０）のいずれかに記載のセンサ。
（１２）前記連続体は、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、金属硫化物もしくは金属ホウ化物を原料とした固相反応法、気相反応法、もしくはこれらの前駆体を用いた液相反応法により得られる、（４）〜（１０）のいずれかに記載のセンサ。
（１３）前記導電性連続体は、絶縁性の高分子材料成形体又は絶縁性の長繊維を含む絶縁性高分子材料成形体に支持されている、（４）〜（１２）のいずれかに記載のセンサ。
（１４）シート状体である、（４）〜（１３）のいずれかに記載のセンサ。
（１５）棒状体である、（４）〜（１３）のいずれかに記載のセンサ。
（１６）累積損傷センサ用もしくは損傷センサ用のセンシング材料であって、
少なくとも一部に、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種以上の導電性金属化合物を含む導電性セラミックス連続体を含む導電性連続体である、材料。
（１７）前記導電性連続体には、延性材料が内在されるかあるいは延性材料がその外部に備えられている、（１６）に記載のセンシング材料。
（１８）前記導電性セラミックス連続体は、当該連続体に含まれる導電性金属化合物について傾斜組成を有する、（１６）又は（１７）に記載の材料。
（１９）前記導電性連続体は、前記導電性金属化合物を構成する金属を主体とする領域を有する、（１６）〜（１８）のいずれかにのいずれかに記載の材料。
（２０）前記金属は、チタン、ニッケル、クロム、タングステン、モリブデン、バナジウム、シリコン、ルテニウム、レニウム、インジウム、ニオブ、錫、及び銅からなる群から選択される１種あるいは２種以上である、（１６）〜（１９）のいずれかに記載の材料。
（２１）前記導電性セラミックス連続体は、前記連続体の少なくとも表層に存在する、（１６）〜（２０）のいずれかに記載の材料。
（２２）前記連続体は、金属基連続体を酸素、窒素、硫黄及び硼素からなる群から選択される１種あるいは２種以上の雰囲気下での熱処理することによって得られる、（１６）〜（２１）のいずれかに記載のセンサ。
（２３）前記連続体は、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、金属硫化物もしくは金属ホウ化物を原料とした固相反応法、気相反応法、もしくはこれらの前駆体を用いた液相反応法により得られる、（１６）〜（２２）のいずれかに記載の材料。
（２４）センシング材料の製造方法であって、
金属基連続体を酸素、窒素、硫黄及び硼素からなる群から選択される１種あるいは２種以上の雰囲気下で熱処理することによって前記金属基連続体の少なくとも一部をセラミックス化する工程、
を備える、方法。
（２５）構築物の損傷モニタリング方法であって、
（１）〜（１５）のいずれかに記載の損傷センサを構築物に設置する工程と、
前記損傷センサの導電性を検出する工程、
とを備える方法。
（２６）（１）〜（１５）のいずれかに記載のセンサを備えた構造体。
【００１１】
本発明のセンサは、導電性セラミックス連続体を有する導電性連続体からなるセンシング材料を用いることにより、当該導電性セラミックスの脆性的な破壊挙動を利用し、累積損傷をモニタリング可能とする。
一般に、セラミックス連続体、例えばセラミックス線単体では、引張歪が作用した際に局所的な破壊が生じるのみで累積損傷に対して導電率が漸増する現象の発現は不可能である。したがって、従来このようなセラミックス材料は、それ自体導電性を有するセンシング材料として用いられなかった。しかしながら、かかるセラミックス材料でも引張歪等に抵抗する延性材料を内在させるか、及び／又は延性材料と組み合わせるかして外在させることにより、累積損傷に対して脆性的な挙動を制御しえて、局所的破壊を回避させるとともに、累積損傷を検出できる電気物性応答性を発現させうることを本発明者らは見出した。また、そのようなセンシング機構が高感度な損傷センシング、特に、累積損傷センシングに適していることを見出した。
延性材料を内在させるには、導電性金属化合物としてのセラミックスを傾斜組成化すること、金属など延性を発現する領域を内在させることが例示される。また、他の延性材料を外在させるには、高分子材料などの絶縁性延性材料との組み合わせが例示される。
このような導電性セラミックス連続体によるセンシング機構を備える本発明のセンシング材料及びセンサによれば、従来にない優れた損傷及び累積損傷センシング技術を提供することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。まず、本発明に係るセンシング材料について説明し、次いでセンサ、検出方法等について説明する。
【００１３】
（センシング材料）
（導電性連続体）
本センシング材料は、少なくとも一部に導電性セラミックス連続体を有する導電性連続体である。本発明において、セラミックス連続体は、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。また、本明細書における脆性的破壊挙動とは、上記の性質による破壊挙動に加えて、歪の累積数の増加に対するセラミックス連続体の結晶粒子界面破壊および結晶内破壊等による微小ひび割れの発生もしくは微紛化等の挙動を意味するものとする。
【００１４】
（導電性セラミックス連続体）
導電性連続体は、少なくとも一部に導電性セラミックス連続体（以下、単に本セラミックス連続体というものとする。）を有している。本セラミックス連続体は、多結晶性、単結晶性、あるいはアモルファス性の連続する連続体を意味しており、いわゆる粒子が絶縁性マトリックス中に分散されかつ連続接触されて形成されるパーコレーション構造によって導電性を発現する相を含まない。なお、本セラミックス連続体を備えている限り、本セラミックス連続体中にあるいは本セラミックス連続体とは別個に当該パーコレーション構造による導電性相を備えることもできる。
【００１５】
本セラミックス連続体を構成する導電性セラミックス材料である金属化合物としては特に限定しないで使用できる。通常、このような金属化合物を構成する金属は、遷移金属、典型金属及び半金属である。具体的には、チタン、ニッケル、クロム、タングステン、モリブデン、バナジウム、シリコン、ルテニウム、レニウム、インジウム、ニオブ、錫、銅等の金属を酸化、窒化、炭化、ホウ化して得られる金属酸化物、窒化物、炭化物、硫化物もしくはホウ化物等のセラミックス、あるいはこれらの複合物を使用することができる。これらは１種あるいは２種以上を組み合わせて用いることができる。
かかる化合物としては、金属及び得られるその金属化合物とがいずれも高い導電性を有していることが好ましい。導電性金属化合物としては、窒化チタンを使用することが好ましい一形態である。
なお、上記したように本セラミックス連続体における金属化合物の結晶性は問わない。また、多結晶の場合において、その粒子径も特に限定しない。
【００１６】
本セラミックス連続体においては、上記した金属化合物の傾斜組成を有することができる。本セラミックス連続体における傾斜組成とは、本セラミックス連続体内において、含まれる金属化合物における金属の窒化、ホウ化、炭化、硫化の程度が異なる、すなわち、金属化合物濃度がおおよそ連続的に変化する部分があることを意味している。具体的には、金属単体と金属化合物のおおよそ連続的に変化する部分があることを意味している。したがって、本セラミックス連続体中には、傾斜組成領域の一部として金属を主体（５０ｖｏｌ．％以上）とする領域、あるいは金属単体部分を有しているということもできる。
傾斜組成領域は、導電性連続体の導電特性の他、脆性及び脆性破壊挙動並びに延性に寄与するものと思われる。なお、後述するように、当該傾斜組成領域は、金属基材料（好ましくは連続体）を窒化等によりセラミックス化を行う場合において、本セラミックス連続体内に形成されうる。
【００１７】
導電性連続体中には、本セラミックス連続体の他、金属を主体とする領域を備えることができる。ここで金属は、本セラミックス部分を構成する金属化合物と同一かあるいは共通していることが好ましい。当該金属領域の存在は、導電性連続体における導電特性に影響するとともに、その延性に影響する。すなわち、延性を向上させ、導電性連続体の局部破壊を回避させることが可能となる。当該観点からすると、当該領域は、延性領域（材料）ということもできる。
かかる金属領域は、既に述べたように、本セラミックス連続体中の傾斜組成領域の一部でもある場合があり、本セラミックス連続体と明確な境界を有していないこともある。後述するように、当該金属領域を有する導電性連続体は、金属基材料（好ましくは連続体）を窒化等によりセラミックス化を行う場合において、本セラミックス連続体とともに形成されうる。
【００１８】
（他の材料）
本セラミックス連続体あるいは導電性連続体中には、さらに炭素材料、金属材料もしくは高分子材料を含めることができる。炭素材料を有することにより、導電性および脆性的破壊挙動を付与することができ、また、金属材料と高分子材料は、延性材料として、本セラミックス連続体ないし導電性連続体に延性を付与することができる。また、金属材料を有することにより、導電性の付与が可能となる。さらに、高分子材料を有することにより、使用する高分子材料の導電性あるいは絶縁性により、導電性連続体における導電性の調整が可能である。
金属系延性材料としては、通常、遷移金属、典型金属及び半金属である。具体的には、チタン、ニッケル、クロム、タングステン、モリブデン、バナジウム、シリコン、ルテニウム、レニウム、インジウム、ニオブ、錫、銅等の金属の１種あるいは２種以上を組み合わせて用いることができる。
高分子材料系の延性材料としては、ポリエステル、ポリプロピレン、アクリル、ナイロン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリビニルアルコール、ポリスルホン、ポリアセタール、ポリウレタン、ポリホマール、ポリブチラール、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリ酢酸ビニル、上記ポリマー２種以上の共重合体、フッ素樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂等が使用できる。
なお、延性材料は、導電性連続体の外部に備えるようにすることもできる。この場合、導電性を有する延性材料であってもよいが、周囲との電気的絶縁を同時に図るためには、絶縁性の延性材料を用いることが好ましい。また、導電性連続体に外在させる場合には、導電性連続体の少なくとも一部、好ましくはおおよそ全体を被覆するようにすることが好ましい。ネット状等の被覆形態であってもよい。
これらの材料の形態は特に問わない。繊維状、球状、不定形状、層状、被覆状等の各種形態を採ることができる。
【００１９】
導電性連続体の形態は、特に限定しない。例えば、線状、面状、チューブ状、あるいはデザインされた二次元あるいは三次元形状を採ることができる。
【００２０】
導電性連続体の合成手法は特に限定しないで、上記した構成を形成可能な従来公知の各種手法を適用することができる。例えば、第１に通常のセラミックス合成方法である、固相反応法、液法合成法、気相合成法等を用いることができる。通常の固相反応などにおいては、均一な組成をもつセラミックス連続体が得られることが多い。
【００２１】
また、第２に金属基材料を出発原料として酸化、窒化、炭化、硫化もしくはホウ化雰囲気中において熱処理することにより金属酸化物、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化合物を含有する導電性セラミックス（粉末も含む）を得、これをさらに連続体に成形するか、予め連続体形状の金属基材料を用いて上記セラミックス化により、そのまま導電性連続体とすることもできる。
金属基材料は、既に述べた本セラミックス連続体に含まれ得る導電性金属化合物における金属を含む材料である。典型的には、単体金属、当該金属の合金、及びこれらの金属あるいは合金を主体とする金属系材料である。金属基材料の形態は特に問わないで、粉末形態でもよく、予め連続状の形状を有する場合には、連続状であれば足り、線状、面状、チューブ状、あるいはデザインされた二次元あるいは三次元形状を採ることができる。
【００２２】
この方法によれば、導電性連続体に金属領域を有するかあるいは本セラミックス連続体中に金属領域を有する形態である、金属を主体とする領域を有する導電性連続体を得ることができる。また、傾斜組成領域を有する導電性連続体を容易に得ることができる。また、この手法によれば、表面層からの金属のセラミックス化が進行するため、組成の傾斜化が容易かつ安価に実現できる他、より表層おいて金属化合物の比率が高く（金属の比率が低い）、より内層において金属化合物の比率が低い（金属の比率が高い）傾斜組成を有する傾斜組成領域を得ることができる。
【００２３】
さらに、予め連続体形状を有する金属基材料を雰囲気制御下における熱処理により酸化、窒化、炭化もしくは硼化させる場合、導電性連続体における本セラミックス連続体の体積割合を制御し、換言すれば、金属領域や傾斜組成領域の体積割合を制御して、金属材料の延性とセラミックス材料の脆性の両方を兼ね備えた複合体が作製可能となっている。
すなわち、出発原料となる金属基材料の線径や熱処理温度もしくは時間を調整することにより上記した本セラミックス連続体や他の領域の体積割合ならびに傾斜組成領域を制御できる。これにより、累積損傷モニタリングにおける導電率の漸増する現象が発現する歪の大きさや計測可能な累積数を、モニタリング対象とする構造体の要求に合致するよう制御できるようになる。
また、出発原料となる金属基材料に円柱の線状体を用いてその直径を変えることにより、同一の熱処理を施した場合でも表面層からセラミックス化が進行するため直径に応じて本セラミックス連続体の体積割合（換言すれば金属領域の体積割合）及び／又は組成傾斜構造を制御できる。
したがって、本合成手法は、本センシング材料及びセンサを得るために好ましい手法である。
【００２４】
第３に、上記したいずれかの金属化合物材料と金属の材料と連続状に成形し焼成等することにより得ることもできる。
第４には、金属と上記したいずれかの金属化合物との複合粒子を連続体に成形し焼成等することにより得ることもできる。なお、第３及び第４の場合において、金属材料には、還元雰囲気下の焼成により金属に還元される金属酸化物材料も用いることができる。
これら第３及び第４の方法によっても、金属領域を有する導電性連続体を得ることができる。
なお、本発明の導電性連続体の形成にあたっては、上記したように、他のセラミックスなどの導電性材料、炭素材料、金属材料及び高分子材料等の各種他の材料を連続体中において有効に機能するように含まれるように添加し、複合化することができる。
また、本発明の導電性連続体の形成にあたっては、既に例示した方法のみならず、これらを組み合わせ、また、これらの方法に従来公知方法の組み合わせを選択することができる。
【００２５】
（損傷センサ）
上記したセンシング材料の電気伝導特性、すなわち、導電率もしくは抵抗率を計測することにより、損傷センサを機能させることができる。
その計測方法については特に限定しないが、好ましくは四端子法が採用される。導電性連続体の抵抗率はその材質により様々であるが、導電性粒子を絶縁体中に分散させた系とは異なり、導電性物質のみの連続体（バルク体）であるため抵抗率は金属と同程度まで小さくなる場合が多い。したがって、接触抵抗やセンサまでの配線抵抗の影響を排除できる四端子法が好ましい。
また、その導電率の計測方向としては、モニタリング対象となる構造体に作用する歪の方向性に留意し、歪の作用する方向に一致させることが好ましい。
【００２６】
導電性計測のために設置される電極は、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が可能である。また、導電性セラミックス連続体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。
【００２７】
（担体）
上記により電極を設置したセンシング材料は、それ単体を損傷センサとして使用できるが、好ましくは担体に保持された形態とすることが好ましい。本センサは、導電性連続体の脆性的な破壊に伴う導電性変化をモニタリングすることを原理とし、それ単体をセンサとして使用することもできるが、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るためには、担体に保持されることが好ましい。この場合の担体は、センシング材料に延性付与あるいは強度を付与する。
さらに、この損傷センサは、後述のように鉄鋼系構造体等の導電性を有する構造体表面に貼付される場合もあることから、センシング材料自体を貼付した場合、センサのみの導電性変化を計測することが困難となる。したがって、この場合、担体を、導電性を有する構造体への適用時においても導電性セラミックス連続体のみの導電性変化を計測可能とするための絶縁材料としても機能する。
【００２８】
担体は、センシング材料の機能確保のため電気的な絶縁性を有している必要がある。担体材料は、センシング材料に付与しようとする機能によってその材質を適宜選択することができるが、好ましくは、高分子材料もしくは高分子材料と長繊維材料を組み合わせた長繊維強化複合材料（ＦＲＰ）等を使用する。
高分子材料としては、例えば、ポリエステル、ポリプロピレン、アクリル、ナイロン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリビニルアルコール、ポリスルホン、ポリアセタール、ポリウレタン、ポリホマール、ポリブチラール、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリ酢酸ビニル、上記ポリマー２種以上の共重合体、フッ素樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂が使用できる。また、この樹脂成形体に用いられる繊維材料としては、例えば、ガラス繊維、ビニロン繊維、アラミド繊維、炭化珪素繊維、アルミナ繊維等が使用できる。さらに、これらの繊維の方向性は、一方向として導電性セラミックス連続体の導電率の計測方向もしくは適用構造体に作用する歪方向に対して、平行方向もしくは垂直方向とすることができ、さらに繊維を織り込んだクロス材を用いることもできる。ただし、歪方向に対して垂直方向に繊維を配置した場合、歪作用時に樹脂成形体内部において繊維方向にひび割れ等が発生し応力集中により導電性セラミックス連続体が局所破断に至る危険性が高いため、好ましくは歪方向に対して平行方向とするかクロス材を用いる。
【００２９】
本センサは、その形態をシート状とし、構造体表面に貼付できる形態を有することを特徴とする。これにより、新設構造物を構築する際に鉄骨構造体やコンクリート構造体の表面に貼付できるだけでなく、既設の構造体においてもそれらの表面に貼付するだけで、その構造体の損傷及び累積損傷をモニタリング可能とできる。また、その構造体への表面貼付においては、接着剤による手法もしくはビス止め等機械的な治具による手法が選択でき、さらに構造体へ接着する場合には、その構造体への接着に最適な樹脂系材料に合わせてセンサの樹脂成形体を選択することができる。
【００３０】
さらに、このセンサは、その形態を棒状とし、構造体内部に埋設できる形態を有することを特徴とする。これにより、新設構造物を構築する際に例えばコンクリート構造体中に埋設でき、上記の樹脂成形体に高弾性・高強度の長繊維強化プラスチックスを用いることにより、補強機能を有する構造材料自らがセンシング機能を果たすという自己診断機能を達成できる。
【００３１】
（損傷のモニタリング方法）
以上により得られる本センサをモニタリング対象となる構造体に設置する。これにより上記したいずれかの形態のセンサを備えた構造体が提供される。
この対象となる構造体の材質は特に限定されないが、一般的に疲労破壊が問題とされているのは社会基盤構造物では鉄鋼系構造体が主な例として挙げられ、航空機等の胴体や尾翼を構成する金属材料や複合材料についても疲労現象の把握が重要な構造体とされる。これらの場合、損傷センサの形態としてはシート状が想定され、構造体表面に貼付する形で設置することとなる。この設置形態によると、新規に構築される構造体だけでなく既設の構造体に対しても設置可能である。この構造体表面への貼付にあたり、樹脂系材料の接着剤による固定およびネジ・ナット・ボルト等の治具による機械的固定、さらにはその両者の組み合わせた固定方法が想定される。いずれにしても、構造体の変形をセンサに的確に伝えることが要求されることから、接着剤には高弾性・高接着強度が求められ、機械的固定でも高い固定強度が求められる。また、本センサを設置する方向としては、導電性セラミックス連続体の導電率の計測方向と構造体に作用すると想定される歪方向を一致させることにより、より高感度な計測を可能とすることが期待できる。
【００３２】
また、対象となる構造体が社会基盤構造体におけるコンクリート等の場合、新設の構造体もしくは既設の構造体のどちらを想定するかにより設置の形態が異なる。既設構造体への適用は上記のように形態をシート状として表面貼付する方法となるが、新設の構造体への設置を想定した場合、その方法に加えてコンクリート中に埋設することも可能となる。この場合、形態としては、例えば鉄筋のように棒状とすることが想定され、前述の樹脂成形体に高弾性・高強度の長繊維強化プラスチックス等を採用することにより、コンクリートを補強しつつ且つ累積損傷を診断できるという両者の機能を兼ね備えた自己診断材料として適用することができる。
【００３３】
本センサは、上記した構成を有することから、導電性連続体に作用した歪（典型的には引張り歪）に対して導電性の変化を発現するという特徴を有している。また、同時に、歪除去後も当該歪除去前の変化した導電性変化量の少なくとも一部を残留保持し、歪の累積数に応じて残留保持する導電性変化量が増加するという特徴を備えている。すなわち、累積損傷に対して導電率変化を永久的に残留して累積損傷の情報をセンサ自身が記憶する機能を有することを最大の特徴としている。
これにより、構造体に作用した累積損傷は、付与されたセンサ自身にその情報が蓄積・記憶される。このため、計測機器を常時このセンサに接続しての連続計測、データ保存および解析を実施する必要性はない。したがって、定期的もしくは必要に応じてセンサの導電率を計測することのみにより、過去に作用した歪の累積に関する情報を得ることができる。さらに、これにより、計測機器設置に関する空間的・重量的制限を受けることなく汎用性の高い技術として展開できるだけでなく、大幅な運用コストの低減を図ることが可能となる。
加えて、本センサは、この累積損傷に対して残留する導電性変化の割合、すなわち、歪作用時の導電性変化に比べて歪除去後に残留した導電性変化の割合が高いため、構造体に応力・歪が作用したままの状況下もしくは応力が除かれて塑性変形による歪が残留した状況下においても累積損傷の情報を正確に検出し、モニタリングすることができる。
【００３４】
また、本センサは、センシングの中枢となる導電性連続体の本セラミックス連続体制御が容易である。特に、金属基材料の雰囲気ガス中での熱処理によりセラミックス化を進行させる手法を用いることにより当該制御が容易である。当該制御により、脆性的な破壊挙動を示す歪範囲を適合させることが可能となる。
したがって、対象となる構造体の歪範囲および累積サイクル数などに応じた応答性能を有するセンサを提供することができる。結果として、正確で精密なセンシングが可能となる。例えば、鉄鋼系構造体においては弾性範囲内の２０００με以下、コンクリート構造体においてはひび割れ歪５００με以下、航空機尾翼等の構造体では５０００με以下というように、それぞれ想定される歪範囲が異なっているが、本センサを用いることにより、これら歪範囲に合致させた精度の高いセンシング及びモニタリングが可能となる。
【００３５】
本センサを設置した構造体におけるモニタリングの好ましい実施形態としては、定期的な計測もしくは必要時に応じた計測が想定される。従来技術としての歪ゲージ等により、累積損傷のモニタリングを試みる場合、この歪ゲージを構造体に設置し、さらに計測システム、データ保存装置および電源装置（配線）を常時設置し、連続的にデータを継続し続ける必要があった。これに対して、本センサを設置した場合においては、このセンサ自身が累積損傷の情報を記憶する機能を有しているため、このセンサ以外に計測システムやデータ保存装置など何も常時設置する必要はなく、定期的もしくは必要時のみに計測機器を携帯する等によるモニタリングが可能である。これにより、電力エネルギーを節約できるだけでなくモニタリングに要するランニングコストを大幅に削減でき、さらには計測機器を常備させておくスペースの制限や設置環境の制限にしばられることなく、汎用性の極めて高い技術を構築できる。
【００３６】
以上のことから、本センサによれば、疲労破壊が問題となる社会基盤構造物全般および航空機胴体等の重要構造体における安全維持管理のため、鉄鋼系構造体等の金属材料における弾性範囲内、コンクリート構造体等の無機材料におけるひび割れ歪範囲内もしくは航空機胴体等に適用される複合材料の歪範囲内を想定した、実用的な、損傷及び損傷履歴センシングならびにモニタリングが提供される。
【００３７】
【実施例】
以下、本発明を具現化した実施例について図１〜８に基づいて説明する。なお、これらの実施例は、本発明を具体的に説明することを意図するものであって、これらの実施例によって本願発明を限定するものでは決してない。
【００３８】
本発明に至る経緯として、導電性セラミックス連続体の合成ならびに樹脂成形体である担体との複合材料の作製を経て、本センサの引張試験による実証試験を実施しており、以下、これらについて順に示す。
【００３９】
（実施例１：累積損傷センサの作製および引張試験による性能実証試験）
［累積損傷センサの作製］
本実施例で作製した累積損傷センサ１の構造模式図を図１に示す。図１（ａ）は平面図であり、（ｂ）は側面図である。
累積損傷センサ１は、全体としてシート形状であり、導電性のセラミックス線であるセンシング材料２、そのセラミックス線の導電性変化を計測するための電極３およびそれらを被覆する樹脂成形体である担体４から構成されている。
【００４０】
以下、累積損傷センサ１の作製工程について説明する。
まず、導電性のセラミックス線２は、チタニウムの金属線を出発原料として、窒素雰囲気中における熱処理により窒化チタニウムとすることにより得られた。チタニウムの金属線は、純度９９．９％以上の円柱状形態を有する線であり、その直径を０．１２５ｍｍ、０．３ｍｍ、０．５ｍｍ、１．０ｍｍの４種類とし、その長さをそれぞれ５ｃｍとしている。このチタニウム金属線をカーボンモールド中に設置し、９気圧の窒素雰囲気、１５００℃の温度環境下において１時間もしくは５時間保持するという熱処理を施した。その熱処理工程における昇温速度は２０℃／ｍｉｎとし、冷却は炉冷による降温速度とした。
【００４１】
この熱処理により、窒化チタニウムの線材が得られたことを実証するために、Ｘ線回折法による生成相の同定を実施した。熱処理時間を１時間および５時間とした線材（直径１．０ｍｍ）の表面について計測されたＸ線回折パターンを図２に示す。いずれの線材においてもチタニウム金属に帰属されるＸ線回折ピークは観測されず、窒化チタニウム（ＴｉＮ）に帰属されるＸ線回折ピークのみが観測された。この結果より、上記の熱処理によりチタニウム線材の表面は窒素化され、窒化チタニウムへのセラミックス化が進んだことを実証している。さらに、熱処理時間を長くすることにより窒化チタニウム（ＴｉＮ）に帰属されるＸ線回折ピークの回折強度は高くなり、これは窒化チタニウムの生成相が増加していることを反映している。以上により合成したセラミックス線２は、表面層が窒化チタニウム多結晶体、内部が窒化割合の低い窒化チタニウムもしくは金属チタニウムとなる複合体を形成していると推察できる。
この窒化チタニウム線材（直径１．０ｍｍ）の断面を光学顕微鏡（ＣＣＤ）により観察した結果を図３に示す。この結果より、内部構造が２つの相から構成されていることがわかり、中心部分が金属チタニウム、その外周部が窒化割合の低い窒化チタニウム、さらに量論組成（チタニウムと窒素の比率が１対１）の窒化チタニウムはその外周表面の薄い領域に形成されているものと推察した。
したがって、直径を０．１２５ｍｍ、０．３ｍｍ、０．５ｍｍ、１．０ｍｍの４種類としたチタニウム線を出発原料としたことにより、それぞれの線において窒化チタニウム（ＴｉＮ）の生成相の厚さは一定であることから、それぞれの直径を有するセラミックス線において窒化チタニウム（ＴｉＮ）の体積割合もしくは組成傾斜構造が異なる複合体を合成できたこととなる。
【００４２】
以上により合成したセラミックス線であるセンシング材料２における窒化チタニウムおよび金属チタニウムいずれの相も高い導電率を示す材質であり、すなわち導電性のセラミックス線といえる。このセラミックス線に、その導電率を計測するための電極３を４箇所に設置した。その導電率の計測手法として、本実施例においては四端子法を採用した。その理由として、この導電性セラミックス線の導電率は極めて高いことから、接触抵抗ならびに計測用配線の抵抗による影響を排除する必要があったためである。電極の設置は、金属線（銅）を導電性ペースト（銀）により固定することにより設置した。
【００４３】
以上により合成したセンシング材料２および電極３を、樹脂成形体からなる担体４により被覆した。本実施例において、この担体４は、ガラス繊維およびビニルエステル樹脂から構成される長繊維強化プラスチックスとした。このガラス繊維はクロス（織物）であり、ここでは横糸に対する縦糸の本数が約１０倍の繊維とした。加熱硬化型の硬化剤を混入した液体状のビニルエステル樹脂に２枚のガラスクロスを含浸させ、それらにより上記のセラミックス線および電極をラミネートした。このラミネート体をテフロン（登録商標）シートにて挟み、１３０℃の温度環境下において樹脂を硬化させた。この硬化後には、センシング材料２、電極３および担体４の複合材料が得られ、これを所定のサイズ（２５ｍｍ×１３０ｍｍ）に切断し、切断面に出る電極に導電性ペーストを塗布ならびに乾燥させ、以上により累積損傷センサを得た。なお、この導電性セラミックス線の設置方向を後述する引張試験における歪方向と平行方向とし、さらに樹脂成形体における縦糸繊維の方向もそれと平行方向とした。
【００４４】
［累積損傷センサの引張試験による性能実証試験］
作製した累積損傷センサとしての複合材料に引張歪を与え、導電性セラミックス線の導電性変化を計測し、累積損傷のセンシング性能について評価した。まず、このシート形状を有する複合材料を引張試験に供するため、図４に示すように、グリップ部にチャッキング用のタブを設置した。このタブはガラス繊維強化プラスチックス製であり、エポキシ樹脂により累積損傷センサに接着固定した。
【００４５】
［試験方法］
作製した引張試験用の累積損傷センサについて油圧式疲労試験装置により引張試験を実施した。この引張試験システムの模式図を図５に示す。この引張試験ではグリップ部に、圧縮力を作用させることにより累積損傷センサを固定するため、このグリップ部中には導電性セラミックス線が設置されないように配慮した。累積損傷センサをグリップ固定した後、導電性セラミックス線からの４つの電極のうち外側２つに一定電流を印加し、内側の２つの電極間における電圧降下を計測することにより導電性セラミックスの導電率を計測した。すなわち、この試験における導電性セラミックス線の導電率変化は、導電性セラミックス線のうち内側２つの電極間（２０ｍｍ）における導電率変化を計測したこととなる。なお、本実施例に示す全ての実験結果において、この導電率変化は、初期抵抗値Ｒ０により応力作用時の抵抗変化ＤＲ＝Ｒ−Ｒ０を割った抵抗変化率ＤＲ／Ｒ０として示した。また、この引張試験において、累積損傷センサに作用される荷重はロードセルにより、作用する引張歪は伸び計により計測した。なお、この伸び計により計測される引張歪の計測区間長さは、導電性変化を計測する内側２つの電極間の長さと一致させた。
【００４６】
この引張試験では、載荷方法として３種類の載荷パターンを作用させた。まず単調引張試験として、荷重および引張歪ゼロの時点から最終破断に至るまで変位制御にて引張歪を一定速度にて徐々に増加させた。これにより、引張歪と導電率変化の関係ならびに引張歪と応力の関係を把握した。次に、ピーク荷重を一定とした三角波形にて繰返し引張荷重を作用させた際の引張歪および導電率変化を時間の関数として計測し、本試験により累積損傷センサとしての応答性を評価した。最後に、ピーク荷重を段階的に増加させた繰返し引張試験において作用した引張歪および導電率変化を時間の関数として計測し、引張歪の最大値に対する累積損傷センサの応答性を評価した。
【００４７】
［試験結果］
まず、単調引張試験の結果を図６に示す。この試験では、導電性セラミックス線の直径が異なる４種類の累積損傷センサに対して評価を実施した。破線にて示した応力―歪線図において、直径の異なる導電性セラミックス線を有する各累積損傷センサに違いはみられない。これは、この累積損傷センサの機械的特性が導電性セラミックス線よりもそれを被覆する樹脂成形体すなわち長繊維強化プラスチックスに依存するためである。これに対して、抵抗変化率と引張歪の関係においては、導電性セラミックス線の直径による大きな依存性が現れ、線径の小さい導電性セラミックス線では低歪において大きな抵抗変化を示して破断に至るのに対し、線径の大きい導電性セラミックス線では高歪域までの連続的な抵抗値変化が得られた。基本的に組成が同じ材料であれば直径が異なっても破断歪は同じであることから、この導電性セラミックス線の直径による応答性の差異は、セラミックス相の体積割合もしくは組成傾斜構造が異なるためと考えられる。すなわち、この導電性セラミックス線の合成方法では金属線を表面から窒化させており、この窒化されたセラミックス相の厚さは各直径の金属線において同一であるため、結果として直径が大きいほど窒化チタニウム（ＴｉＮ）に相当するセラミックス相の体積割合が低くなる。そのため、直径が大きいほど脆性的な破壊挙動を示すセラミックス相の割合が低く、高延性の金属チタニウムもしくは窒化割合の低い窒化チタニウム相の割合が高いために高歪域まで連続的な応答性が達成されたものと考えられる。
【００４８】
次に、ピーク荷重を一定とした繰返し引張試験の結果を図７に示す。与えた引張応力およびそれにより作用された引張歪と、それに対する累積損傷センサの抵抗変化率を時間の関数として示した。なお、横軸の時間は対数表示としている。与えた引張応力を２５  ＭＰａとした場合、引張歪として各サイクルのピーク値は０．１％となり、この引張負荷除荷サイクルを約１５００ｃｙｃｌｅ繰返した。この荷重サイクルに対して、４種類の直径の導電性セラミックス線を有する各累積損傷センサは、いずれも導電性変化として応答性を示し、線径が小さくなるに従いピーク載荷時の抵抗変化率が大きくなる傾向がみられる。一方、除荷時の抵抗値の挙動に着目すると、全ての累積損傷センサにおいて抵抗値が初期抵抗値（抵抗変化率０％）まで戻らず残留し、且つその残留抵抗値が歪の累積数に応じて漸増する傾向が得られた。引張歪の繰返し挙動において、残留歪はほとんど生じていないことから、この残留抵抗値の挙動は残留歪によるものではなく導電性セラミックス線の脆性的な破壊の進行、例えば窒化チタニウム多結晶相における粒界破壊や微紛化等によるものであるといえる。この結果より、この累積損傷センサは、歪の累積数に関する情報を永久残留する抵抗変化としてセンサ自身が記憶し、且つ歪の累積数に応じて漸増するその残留抵抗値を計測することによりこの累積損傷センサに作用した歪の累積数をモニタリングすることができる。
【００４９】
さらに、図７の結果より、これら４種類の直径の導電性セラミックス線を有する各累積損傷センサの中でも、特に０．５ｍｍφの直径を有するものが累積損傷センサとして好ましい特性を示しているといえる。それは、載荷時の最大抵抗変化率に対する除荷後の残留抵抗値の割合（残留率）が極めて高く、さらにその残留抵抗値と時間（サイクル数）の対数関係において直線性が得られている点にある。この累積損傷センサによる実際のモニタリング状況として、これを適用した構造体に応力が作用している場合や残留歪が発生している場合等が十分想定され、むしろ歪が完全にゼロまで戻っている状況は考えにくい。そのような状況下において、計測される抵抗値は残留抵抗値から最大抵抗変化率までの範囲のいずれかに位置することとなる。この残留率が低いということはその計測抵抗値のとり得る範囲が大きいということを示し、そのような場合において残留抵抗値の評価および累積損傷のモニタリングは困難となる。これに対して、残留率の高い特性においては、残留歪等の有無にかかわらず計測抵抗値のとり得る範囲が限定できることから累積損傷を決定することができる。したがって、残留率の高い特性が好ましいとされる。一方、残留抵抗値と時間（サイクル数）の対数関係における直線性は、残留抵抗値の計測値から歪の累積数を解析する計算手法が簡便となることから有利な点となる。
【００５０】
さらに、本実施例では、引張歪０．１％のサイクルに対する応答性として、０．５ｍｍφの直径を有する導電性セラミックス線から構成される累積損傷センサが良好であることを示したが、対象構造物において想定される歪範囲に応じて線径を選択することも可能である。すなわち、より低歪域でのサイクルをモニタリングする場合には線径の小さい導電性セラミックス線から構成される累積損傷センサが有利であり、より高歪域でのサイクルをモニタリングする場合には線径の大きい導電性セラミックス線から構成される累積損傷センサが有利となる。
【００５１】
最後に、ピーク荷重を漸増させた繰返し引張試験の結果を図８に示す。０．５ｍｍφの直径を有する導電性セラミックス線から構成される累積損傷センサについて、ピーク荷重を漸増させた荷重サイクルにより作用された引張歪と抵抗変化率を時間の関数として示した。この結果より、この累積損傷センサにおける残留抵抗値は、各サイクルにおいて作用される歪の最大値に対して大きく依存しないということが明らかとなった。すなわち、引張歪０．１％の繰返しサイクルの１５００ｃｙｃｌｅに対しては２００％を超える残留抵抗変化率が得られた（図８）のに対して、引張歪１．０％の１ｃｙｃｌｅに対して残留抵抗変化率は３０％程度に留まる。したがって、この累積損傷センサは、引張歪の最大値よりも累積数に依存した応答性を示し、１ｃｙｃｌｅの大きな引張歪が作用する場合においても、それによりそれまでの累積数に依存する情報が失われることなく累積損傷の情報をモニタリング可能な優れた特性を有するといえる。
【００５２】
なお、ここで注記しておく事項として、この累積損傷センサは、引張歪の大きさに対して全く依存性を示さないということではなく、例えば、小さい引張歪と大きい引張歪の両者について高サイクル数の繰返しを作用させた場合、引張歪が大きい場合においてより大きな残留抵抗値が得られるといった挙動を示す。図９には、ピーク荷重を一定とした繰返し引張試験において、作用させる引張歪を０．１％および０．２％とした場合について比較した結果を示す。この結果より明らかなように、作用させる引張歪を大きくすることにより累積数（横軸の試験時間）の増加に伴う残留抵抗変化率の増分、すなわちグラフ上の傾きは大きくなる。したがって、この累積損傷センサは、引張歪の大きさに応じて残留抵抗値の漸増挙動を示し、引張歪の大きさと累積数の両者の情報を残留抵抗値として記憶でき、累積損傷のモニタリングを可能とする画期的なセンサであることを明示することができた。
【００５３】
【発明の効果】
本発明によれば、これまで診断が困難とされてきた歪の累積値を計測するという高度な健全性診断を可能とするセンサを提供できる。これにより、社会基盤構造物における鉄鋼系構造体や航空機を構成する胴体等の疲労破壊が問題となる構造体に対して、その安全性の向上に大きく貢献できるだけでなく、的確な寿命判断による長寿命化を図ることができることから効率的な構造体運用による膨大なコスト削減・資源節約を可能とする。
【００５４】
さらに、このセンサは累積損傷に関する情報をセンサ自身が記憶できる特徴を有することから、安全性が求められる構造体全般における累積損傷（疲労破壊）について、常時モニタリングではなく定期的もしくは必要時の計測によるモニタリングを可能とする。これにより、簡便且つ汎用的なモニタリングシステムを安価に提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】累積損傷センサの構造模式図である。
【図２】図１の累積損傷センサに導入した導電性セラミックス線の結晶構造を解析したＸ線回折パターンであり、上段の図は、熱処理時間が１時間の線状体に対する回折パターンを示し、下段の写真は、熱処理時間が５時間の線状体に対する回折パターンを示す図である。
【図３】図１の累積損傷センサに導入した導電性セラミックス線の断面を観察した光学顕微鏡（ＣＣＤ）写真を示し、上段の写真は、熱処理時間が１時間の線状体の断面写真を示し、下段の写真は、熱処理時間が５時間の線状体の断面写真を示す図である。
【図４】実施例１において試験に用いた引張試験用の累積損傷センサの構造模式図である。
【図５】実施例１において試験に用いた評価システムの模式図である。
【図６】実施例１において実施した試験結果のうち、単純引張試験の結果である。
【図７】実施例１において実施した試験結果のうち、ピーク荷重を一定とした繰返し引張試験の結果である。
【図８】実施例１において実施した試験結果のうち、ピーク荷重を漸増させた繰返し引張試験の結果である。
【図９】実施例１において実施した試験結果のうち、ピーク荷重を一定とした繰返し引張試験の結果であり、作用させる引張歪の大きさを変えた結果の比較である。
【符号の説明】
１    損傷センサ
２    センシング材料（導電性連続体）
３    電極
４    担体
５    グリップ用タブ（ガラス繊維強化プラスチックス）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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