(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合材の損傷部位の損傷を制御する複合材の損傷制御方法であって、
常温で異なる歪みを与えた少なくとも２種類の形状記憶合金箔の表面を表面処理により粗面化し、
粗面化した前記少なくとも２種類の形状記憶合金を繊維強化樹脂層の間に交互に配置して複合材を形成し、
前記複合材の損傷部位に対応する前記形状記憶合金箔にそれぞれ通電加熱し、
前記形状記憶合金箔の加熱による形状変化によって前記複合材の損傷部位に圧縮力またはせん断応力を発生させて前記複合材の損傷部位の損傷を制御することを特徴とする複合材の損傷制御方法。
【請求項２】
前記複合材の各形状記憶合金箔に微弱電流を流して形状記憶合金箔の抵抗変化をモニターし、
モニターした形状記憶合金箔の抵抗変化により前記複合材の損傷部位を検知することを特徴とする請求項１に記載の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、次世代航空機構造、衛星及び宇宙ステーション等の宇宙機器、超高層建築、公共インフラストラクチャー及び高速車両に適用される複合材および複合材の損傷制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
構造材料に適用されている複合材は、衝撃荷重に対して材料内部が損傷を受け易いという性質を有するため、設計許容値を複合材本来の持つ強度の１／４程度としている。この設計許容値を引き上げるために、複合材の内部に損傷抑制効果のある材料を埋め込み、複合材に衝撃荷重が負荷された時にもその際の荷重及び損傷を検知することにより安全性を高めるようにした複合材は知られている。
【０００３】
特開平６−２１２０１８号公報には、逆変態終了温度以下の少なくとも１種類以上の形状記憶合金材料を母材表面または母材内に配列した構造の高分子基複合機能性材料が記載されている。
【０００４】
特開平７−４８６３７号公報には、熱弾性変態を起こす少なくとも１種類以上の形状記憶合金材料素子を母材内に混入もしくは配列させた構造の金属基複合材料が記載されている。
【０００５】
特開平８−１５２０８号公報には、積層構造を有する複合材料にＮｉＴｉ形状記憶合金の細線を埋め込んだ後、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複合材料損傷検知システムが記載されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記複合材においては、複合材に埋め込んだ損傷抑制効果のある材料が複合材の異物となる可能性があり、これが複合材の擬似欠陥となって複合材の強度低下を起こすおそれがある。
【０００７】
上記複合材料損傷検知システムでは、損傷検知と損傷抑制を別々の材料で行うことが前提であり、材料として形状記憶合金細線を用い、複合材料に挿入した形状記憶合金細線に均一に収縮応力を発生させてトランスバースクラックを抑制しようとするものであるが、これでは複合材料の設計許容値を減少させた衝撃負荷時に発生しやすいデラミネーションには対応できない。
【０００８】
本発明は上記した点を考慮してなされたもので、形状記憶合金箔の形状回復機能を損傷抑制機能として利用する複合材および複合材の損傷部位を形状記憶合金箔の加熱による形状変化に伴う圧縮力を複合材の損傷部位に加えることで損傷部位を修復する複合材の損傷制御方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の複合材の損傷制御方法は、複合材の損傷部位の損傷を制御する複合材の損傷制御方法であって、常温で異なる歪みを与えた少なくとも２種類の形状記憶合金箔の表面を表面処理により粗面化し、粗面化した前記少なくとも２種類の形状記憶合金を繊維強化樹脂層の間に交互に配置して複合材を形成し、前記複合材の損傷部位に対応する前記形状記憶合金箔にそれぞれ通電して加熱し、前記形状記憶合金箔の加熱による形状変化によって前記複合材の損傷部位に圧縮力またはせん断応力を発生させることにより前記複合材の損傷部位の損傷を制御することを特徴とする。
【００１２】
また、前記複合材の各形状記憶合金箔に微弱電流を流して形状記憶合金箔の抵抗変化をモニターし、モニターした形状記憶合金箔の抵抗変化により前記複合材の損傷部位を検知することができる。
【００１３】
本発明の複合材パネル１は、形状記憶合金箔２を変態点以下の温度で変形を拘束した状態で繊維強化樹脂層３の間に配置し、形状記憶合金箔２を変態点以上の温度に加熱し形状記憶合金箔２を形状変化させることで、複合材料の各層にせん断応力を発生させてデラミネーションを抑制させる応力を発生させる。
【００１４】
図１に示す複合材パネル１は、６枚の繊維強化樹脂層３と２種類の常温で歪みの大きさが異なる形状記憶合金箔２とから形成され、６枚の繊維強化樹脂層３のうちの端側に位置する繊維強化樹脂層３を２枚の炭素繊維強化樹脂３ａを積層したもので形成し、中間に位置する繊維強化樹脂層３を３枚の炭素繊維強化樹脂３ａを積層したもので形成し、常温で歪みの大きさが異なる２種類の形状記憶合金箔２を繊維強化樹脂層３の間に交互に配置している。形状記憶合金箔２は３種類以上の常温で歪みの大きさが異なるものとし、それぞれを繊維強化樹脂層３の間に配置することもできる。
なお、上記形状記憶合金箔２は、テープ状をなす細長い片を互いに接触しないように並列配置することが望ましい。
【００１５】
つぎに、複合材パネル１の製造手順を説明する。
【００１６】
まず、各形状記憶金属箔２の両端部を図３に示すようにクリップ手段４により挟持し、クリップ手段４，４を常温で矢印Ａ方向に引っ張り、形状記憶合金箔２に変態点以下の温度で歪みを負荷する。
【００１７】
ついで、歪みを負荷した形状記憶合金箔２を表面処理して表面を粗面化する。この表面処理は、図４に示すように、形状記憶合金箔２を処理層５に入れられた硝酸またはフッ酸のような酸処理液６に浸漬して粗面７を形成する酸洗処理法で行われる。この表面処理は、電子ビーム等のエネルギー照射により粗面を形成するスパッタリング法またはゾルゲル法により行うこともできる。形状記憶合金箔２は変態温度が６０〜７０℃であるから、表面処理を行う際に、形状記憶合金箔２がこの変態温度以上にならないよう注意することが必要である。
【００１８】
つぎに、炭素繊維強化プリプレグを所定寸法にプリカットし、プリカットしたプリプレグ３ａと形状記憶合金箔２を、図５に示すように積層する。この場合、歪みを負荷した形状記憶合金箔２は、図示しない歪み保持手段により歪みが負荷された状態が維持されるように積層される。この場合、形状記憶合金箔２とプリプレグ３ａとの界面での高い接着強度が形状記憶合金箔２に化学処理または物理的に表面を粗くすることで得られる。
【００１９】
プリプレグ３ａの積層構成は適用される構造の強度により異なるため任意であるが、図５に示すプリプレグの積層構成は、形状記憶合金箔２を中心に３ＰＬＹのプリプレグ３ａ毎に形状記憶合金箔２を配置し、両端側に２ＰＬＹのプリプレグ３ａを配置した合計１６ＰＬＹであり、形状記憶合金箔２は合計５ＰＬＹである。
【００２０】
具体的には、プリプレグと形状記憶合金箔の積層体は、その構造に掛かる亀裂進展許容応力が５ｋｇｆ／ｍｍ2 であったとすると、形状記憶合金箔をその応力を抑えることの可能なせん断応力が発生可能なものとする。この場合、形状記憶合金箔への配線が可能な銅箔等も合わせて積層成形する。
【００２１】
つぎに、プリプレグと形状記憶合金箔の積層体は、図６に示すように、温度が１８０℃、真空圧が７００ｍｍｈｇ、加圧力が３．２ｋｇｆ／ｍｍ2 の条件下において９０分間硬化され、図１に示す複合材パネル１が成形される。
【００２２】
つぎに、複合材の損傷制御方法について説明する。
【００２３】
形状記憶合金は金属であるためその断面積によって電気抵抗値が任意に決定する。このため、予め形状記憶合金に微弱な一定電流を流しておくと、例えば材料内部で亀裂が発生した場合、形状記憶合金に局部的な歪みが発生し、この歪みによって形状記憶合金の電気抵抗は変化する。したがって、出力する電圧を常にモニタリングしておけば、その変化によって材料内部の損傷が検知できる。予備試験及び検討によって、損傷が起こった場合の電圧の変化を把握しておき、電圧の変化をコンピュータに記憶させておけば損傷に等しい出力があった場合、損傷の検知が可能である。
【００２４】
すなわち、形状記憶合金のひずみと電気抵抗の関係は図７に示す通りであり、複合材に発生するトランスバースクラック、デラミネーション等異なる種類、位置及び大きさの損傷と電気抵抗の関係とその電気抵抗の分布を把握することにより、複合材に発生する損傷の種類、位置及び大きさが判定可能である。
【００２５】
また、複合材料中の損傷の種類、位置及び大きさを３Ｄ画像として観察することができる。
【００２６】
複合材パネル１に図８に示すような層間剥離が発生すると、繊維強化樹脂層３に負荷された応力または繊維強化樹脂層３が損傷を受けた場合に受ける応力集中による応力バランスが変化し、応力バランスの変化が形状記憶合金箔２自身の歪みとして感受され、この歪みの変化が形状記憶合金箔２の形状変化による電気抵抗の変化となる。したがって、複合材に配置された複数の形状記憶合金箔のうちのどの形状記憶合金箔の電気抵抗が変化したかを検知することで、複合材パネル１の損傷部位が検出される。
【００２７】
複合材パネル１の損傷部位が検出されると、複合材パネル１の損傷部位に対応する形状記憶合金箔２にこの形状記憶合金箔２を加熱する程度の電流を流し、形状記憶合金箔２の温度を変態温度以上に上昇し、加熱で形状が変化する形状記憶合金箔により複合材の損傷部位に圧縮力または圧縮応力を加え、複合材の損傷部位の損傷を抑制することにより複合材の損傷部位の損傷を制御する。
【００２８】
図８に示す複合材パネルは、繊維強化樹脂層３，３との間に形状記憶合金箔２が配置され、これらの形状記憶合金箔２は２種類の歪が与えられている。最上層の形状記憶合金箔２ｂには比較的小さな歪が与えられ、その次の形状記憶合金２ｃには比較的大きな歪が与えられ、さらに下の形状記憶合金箔２ｄには比較的小さな歪が、その下の形状記憶合金箔２ｅには比較的大きな歪が、最下層の形状記憶合金箔２ｆには比較的小さな歪が与えられている。この複合材パネルの繊維強化樹脂層３ｅにデラミネーションが発生した場合、この繊維強化樹脂層３ｅを挟んだ形状記憶合金箔２ｅと２ｄの電気抵抗値に最も大きな変化が生じるとともにその他の形状記憶合金箔の電気抵抗値も変化する。即ち、損傷の程度によるが、形状記憶合金箔２ｄと２ｅとの間の電気抵抗変化が急激になる。このとき、層間剥離の進行を防止するために、形状記憶合金箔２ｄと２ｅに通電する。形状記憶合金箔２ｄには比較的小さな歪を、それより大きな歪を形状記憶合金箔２ｅに与えてあるので、それらの歪の影響で繊維強化樹脂３ｅは上に凸状に湾曲しようとするので、パネルを構成するその他の層から圧迫される。この作用によって繊維強化樹脂層３ｅを構成する層のデラミネーションが防止される。
【００２９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の複合材は、常温で歪みを与えた形状記憶合金箔を繊維強化樹脂層の間に配置したことで、形状記憶合金箔の形状回復機能を損傷抑制機能として利用することで損傷部位を修復することができる。
【００３０】
本発明の複合材の損傷制御方法は、複合材の層間に配置した常温で異なる歪みを与えた形状記憶合金箔の抵抗変化をモニターし、モニターした形状記憶合金箔の抵抗変化により複合材の損傷部位を検知し、検知した複合材の損傷部位に対応する形状記憶合金箔に通電し、複合材の損傷部位を通電による加熱で形状が変化する形状記憶合金箔により圧縮力またはせん断応力を発生させ、複合材の損傷部位の損傷を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による複合材の斜視図。
【図２】形状記憶合金の材料特性を示す図。
【図３】形状記憶合金箔に常温で歪みを与える段階を示す図。
【図４】形状記憶合金箔の表面処理を示す図。
【図５】繊維強化樹脂プリプレグと形状記憶合金の積層構成を示す図。
【図６】図５の積層体を硬化処理する条件を示す図。
【図７】形状記憶合金箔の歪みと電気抵抗との関係を示す図。
【図８】複合材の層間剥離を検出し制御する状態を示す図。
【符号の説明】
１  複合材パネル
２  形状記憶合金箔
３  繊維強化樹脂層
３ａ  繊維強化樹脂プリプレグ
【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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