(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
他部材と結合するために設けられた孔の周辺部で孔に挿通された固定手段によつて伝達される負荷作用側を引張永久歪みが与えられた形状記憶合金線でステッチングし、ステッチングした形状記憶合金線の両端を孔の周辺部の引張応力集中側を通して延長し、延長した形状記憶合金線を引張応力集中部分に接着したことを特徴とする複合材。
【請求項２】
孔の周辺部で孔に挿通された固定手段によつて伝達される負荷の作用側を引張永久歪みが与えられた形状記憶合金線でステッチングし、ステッチングした形状記憶合金線を孔の周辺部の引張応力集中側を通して延長し、延長した形状記憶合金線を引張応力集中部分に接着し、さらに延長して計測器および加熱用電源に接続し、複合材に発生する損傷を引張応力集中部分に接着した形状記憶合金線の電気抵抗変化で検出し、この検出信号が発せられたとき、さらに多量の電流を永久歪みが与えられた形状記憶合金線に流し、形状記憶合金線のステッチング部を加熱することを特徴とする複合材の損傷制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、チタン・ニッケル形状記憶合金を損傷センサーおよび損傷制御手段として持つ複合材およびその複合材の損傷制御方法に係り、詳しくは、複合材の層間剥離が発生し易いリベットやボルト結合部にチタン・ニッケル形状記憶合金を損傷センサーおよび損傷制御手段として有する複合材とその損傷制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
航空機や高速車両に適用される複合材は、衝撃荷重に対して材料内部が損傷を受けやすいという性質を有するため、設計許容値を低く設定し、複合材本来の持つ強度を生かし切れないでいる。
【０００３】
複合材本来の強度を引き出すために、損傷を受けた部位を直ちに検知する試みとして、積層構造の複合材料にチタン・ニッケル形状記憶合金の細線を埋め込み、細線に電流を流し、マトリックス材料に亀裂や損傷が生じた際の細線の電流抵抗変化を検出することで、複合材料に生じた亀裂や損傷を検出する複合材料損傷検出システムは、特開平８−１５２０８号公報に記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記公報に開示された技術手段は、複合材の平滑な表面にチタン・ニッケル形状記憶合金線を埋め込んだものであるが、複合材では、隣接する層と層が離れる剥離による損傷がほとんどであり、このような剥離を上記技術手段では検出できない。また損傷は、力が集中する箇所に、まず発生するものである。
【０００５】
本発明は、上記した点を考慮してなされたもので、応力の集中する部分における複合材の損傷検出とその損傷の発達を抑制する複合材および複合材の損傷制御方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の複合材は、他部材と結合するために設けられた孔の周辺部で孔に挿通された固定手段によつて伝達される負荷作用側を引張永久歪みが与えられた形状記憶合金線でステッチングし、ステッチングした形状記憶合金線の両端を孔の周辺部の引張応力集中側を通して延長し、延長した形状記憶合金線を引張応力集中部分に接着して構成され、重量の増加と構造の複雑化を抑制することができる。
【０００７】
本発明の複合材の損傷制御方法は、孔の周辺部で孔に挿通された固定手段によつて伝達される負荷の作用側を引張永久歪みが与えられた形状記憶合金線でステッチングし、ステッチングした形状記憶合金線を孔の周辺部の引張応力集中側を通して延長し、延長した形状記憶合金線を引張応力集中部分に接着し、さらに延長して計測器および加熱用電源に接続し、複合材に発生する損傷を引張応力集中部分に接着した形状記憶合金線の電気抵抗変化で検出し、この検出信号が発せられたとき、さらに多量の電流を永久歪みが与えられた形状記憶合金線に流し、形状記憶合金線のステッチング部を加熱することで、板厚方向の応力を発生させ、複合材の層間剥離の進展を抑制することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、他部材と結合するために設けられた孔１にボルトまたはリベットのような固定手段２を装着した複合材３を示す図である。
【０００９】
複合材３を図１で矢印Ａ方向に引張ると、複合材３の孔１の周辺領域は、引張りを受けた固定手段２によって伝達される負荷作用領域、すなわち孔１の周辺で力の作用線方向に圧縮による歪みが生じる圧縮領域４と、孔１の周辺で負荷の作用方向と直交する側の引張応力集中側、すなわち孔１の周辺で引張りによる歪みが生じる引張り領域５に区分けされる。
【００１０】
上記複合材３において、固定手段２によるフアスナ部分で面圧破壊が生じると、孔１の縁が固定手段２の反力により変形し、圧縮領域４から層間剥離が発生し進展する。多連固定手段の場合には、面圧破壊が生じると、その固定手段にかかる力が緩和され、引張り領域５の歪みも緩和されることになる。
【００１１】
本発明の複合材１０は、図２および図３に示すように、孔１の周辺で圧縮による歪みが生じる圧縮領域４に対応する部位１１に、引張永久歪みが与えられた形状記憶合金線（チタン・ニッケル形状記憶合金線）１２でステッチングされている。ステッチングされた形状記憶合金線１２の両端１２ａ，１２ｂは、孔の周辺部の引張り領域５に対応する部位１３を通って延長し、延長した形状記憶合金線１２ａ，１２ｂは、引張り領域５に対応する引張応力集中部分において接着される。
【００１２】
複合材１０は、図２に示すように、両端部１２ａ，１２ｂに計測器１４および加熱用電源１５が並列に接続される。計測器１４は、図示しない制御装置に接続される。制御装置は、計測器１４から発する検出信号を受けて、加熱用電源１５からの電流をステッチングした形状記憶合金線１２に送る。
【００１３】
引張永久歪みが与えられた形状記憶合金線１２は、ステッチング部を加熱することで、収縮しようとして、複合材１０の板厚方向の引っ張り力を発生させ、複合材１０の層間剥離の進展が抑制される。
【００１４】
つぎに、複合材１０の成形方法を説明する。
【００１５】
積層して成形される複合材の層間剥離の発生可能性が高い部分、たとえば、リベット等に当接して繊維に平行な方向に圧縮力を受ける部分の周辺をチタン・ニッケル形状記憶合金線でステツチングし、最終的な配線状態に引き回しておく。
この場合、形状記憶合金線に離型剤を塗布しておくことが好ましい。
【００１６】
成形は通常加熱して行われ、成形後、成形した複合材素材からステッチングした形状記憶合金線を強制的に引き抜き、さらに、形状記憶合金線の平面的に配置された部分を樹脂を剥がしながら取り出す。
【００１７】
つぎに、引き抜いた形状記憶合金線または別に用意したに形状記憶合金線に常温下で所定の引張永久歪を与える。そして、引張永久歪が与えられた形状記憶合金線を複合材素材に形成された元のステッチング孔に戻す。この場合、形状記憶合金線に常温硬化形接着剤を塗布しておくことが好ましい。そして、形状記憶合金線をステッチングした後のステッチング孔に間隙を満たすように接着剤を充填する。
【００１８】
つぎに、複合材素材の元のステッチング孔に戻した形状記憶合金線の両端部を複合材素材の平面部の樹脂を剥がした部分に配線し、配線した形状記憶合金線を接着剤により複合材素材に接着固定する。このとき、特願平１２−３６８７７４号に記載された表面処理を施すことが望ましい。
【００１９】
最後に、複合材素材の表面を元の状態に修復する。これにより、複合材１０が成形される。
【００２０】
形状記憶合金線の複合材素材への別の設置方法を図４により説明する。
【００２１】
まず、下型２０および治具２１を準備する。下型２０には、ステッチングされるべき形状記憶合金線のステッチング間隔に対応した細い孔２２と、位置合わせ孔２３とが設けられている。同様に、治具２１には、下型２０の孔２２および位置合わせ孔２３に対応した貫通孔２４および位置合わせ孔２５が設けられている。
【００２２】
つぎに、下型２０の上にプリプレグ２６を積層し、積層したプリプレグ２６の上に治具２１を配置する。治具２１は、治具２１の位置合わせ孔２５が下型２０に設けた位置合わせ孔２３に一致するように下型２０に整合される。
【００２３】
整合された下型２０および治具２１は、ノックピン２７を治具２１の上から位置合わせ孔２５を通して下型２０に設けた位置合わせ孔２３に装着することて゛結合される。
【００２４】
つぎに、ピン２８を治具２１の上から孔２４および積層したプリプレグ２６を通して下型２０に設けた孔２２に装着する。この場合、ピン２８に離型剤を塗布しておくことが好ましい。ピン２８が細くて剛性が足りずプリプレグ２６を貫通して下型２０の孔２２に嵌合できない場合には、必要な剛性を備えた太いピンを通した後に、所定の太さのピン２８を下型２０に設けた孔２２に装着する。この場合、下型２０に設けた孔２２に装着したピン２８は、プリプレグ２６からの突出長さを調節するために、治具２１を取り外した後に所定長さに切断される。
【００２５】
積層したプリプレグ２６の表面部に形状記憶合金線１２を配線する場合、プリプレグ２６の表面部の配線される形状記憶合金線１２に対応する部位に離型剤を塗布しておく。
【００２６】
積層したプリプレグ２６を硬化させる際には、図５に示すように、積層したプリプレグ２６の上に、プリプレグ２６から突出するピン２８を挿入できる長さの孔を所定位置に設けたコールプレート２９を配置し、コールプレート２９の孔にプリプレグ２６から突出するピン２８の突出部分を装着する。
【００２７】
積層したプリプレグ２６は、バッグフィルム３０により覆われ、真空引きされた後、樹脂を加熱硬化して複合材素材に成形される。
【００２８】
硬化された複合材素材は、コールプレート２９を取り外し、ピン２８を引き抜いた後、形状記憶合金線が剥がされる。
【００２９】
つぎに、ピン２８を引き抜き形状記憶合金線を剥し複合材素材に形成された孔や溝の端部が整形処理され、複合材素材の整形された孔や溝に常温硬化型接着剤が充填され、所定の引張永久歪が与えられた形状記憶合金線が張力を加えた状態で配線される。このとき、前述したように、形状記憶合金線に表面処理を施すことが望ましい。
【００３０】
しかして、複合材１０に配線された形状記憶合金線１２をセンサあるいはアクチュエータとして作用させるには、図２に示すように、両端部１２ａ，１２ｂに計測器１４および加熱用電源１５を接続し、形状記憶合金線１２に微弱電流を流して、その抵抗値を計測器１４によりモニタリングする。
【００３１】
図１に示すように、ボルト結合された部材に引張力が働くと、力の方向と直交するボルト横部５に集中応力が働き、形状記憶合金線１２に引張り歪みが発生し、形状記憶合金線１２の抵抗値が変化する。
【００３２】
複合材１０に図６に示すような層間剥離が発生すると、図示しない他のボルトに引張り力が作用することになり、ボルト横部５の部分の歪みが小さくなり、形状記憶合金線１２の抵抗値が変化する。この後、引張り力が増えても、抵抗値は変動するが、剥離のなかつた時の値にならない。こうして、圧縮領域４に層間剥離が発生したことを検知することができる。
【００３３】
このとき、形状記憶合金線１２を逆変態温度（約８０℃）以上に加熱するような電流を形状記憶合金線１２に流し、形状記憶合金線１２が逆変態温度（約８０℃）以上に加熱されると、図７に示すように、合金内に収縮しようとするとともに、合金のヤング率が２倍から３倍に増大し、複合材１０の層と層とを締め付け合う力が増大し、複合材１０の層間剥離が抑制される。
【００３４】
【発明の効果】
本発明の複合材は、他部材と結合するために設けられた孔の周辺部で孔に挿通された固定手段によつて伝達される負荷作用側を引張り永久歪みが与えられた形状記憶合金線でステッチングし、ステッチングした形状記憶合金線の両端を孔の周辺部の引張応力集中側を通して延長し、延長した形状記憶合金線を引張応力集中部分に接着したので、１つの部材でありながら、センサー機能とアクチュエータ機能を備えさせることができる。
【００３５】
本発明の複合材の損傷制御方法は、孔の周辺部で孔に挿通された固定手段によつて伝達される負荷の作用側を引張永久歪みが与えられた形状記憶合金線でステッチングし、ステッチングした形状記憶合金線を孔の周辺部の引張応力集中側を通して延長し、延長した形状記憶合金線を引張応力集中部分に接着し、さらに延長して計測器および加熱用電源に接続し、複合材に発生する損傷を引張応力集中部分に接着した形状記憶合金線の電気抵抗変化で検出し、この検出信号が発せられたとき、さらに多量の電流を永久歪みが与えられた形状記憶合金線に流し、形状記憶合金線のステッチング部を加熱することで、複合材の板厚方向の力を発生させ、複合材の層間剥離の進展を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】複合材の引張りにより孔の周辺に形成される圧縮領域と引張り領域を示す図。
【図２】本発明による複合材の使用状態を示す図。
【図３】図２の複合材の断面図。
【図４】本発明による複合材の製造方法の一例の第１段階を示す図。
【図５】本発明による複合材の製造方法の一例の第２段階を示す図。
【図６】複合材に層間剥離が発生した状態を示す図。
【図７】層間剥離した複合材の進展を抑制した状態を示す図。
【符号の説明】
４  圧縮領域
５  応力が集中する引張り領域
１０  複合材
１２  形状記憶合金線
１４  計測器
１５  加熱用電源
【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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