JP3713540B2

JP3713540B2 - Shape memory alloy embedded composite material

Info

Publication number: JP3713540B2
Application number: JP2002248628A
Authority: JP
Inventors: 炳國張; 均吉田; 竜太郎大石; 英幹永井; 輝雄岸
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2002-03-11
Filing date: 2002-08-28
Publication date: 2005-11-09
Anticipated expiration: 2022-08-28
Also published as: JP2003335876A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複合材料の変形，ひずみ，損傷を自己検知して自己抑制，自己修復機能を持たせたスマート材料（Smart Material，知的材料）に関し、特に複合材料を構成する材料自身に自己検知と自己抑制，自己修復機能とを兼ねた形状記憶合金を使用した知的材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
構造材料や構造物において、材料内部に発生した変形，ひずみ，損傷の検知（センサ機能）には光ファイバが幅広く使用されている（島田明佳ほか，「光ファイバセンサ船体損傷検知システム」，電子情報通信学会雑誌，第7−10巻，（1999年11月）；芳我攻，「埋設光ファイバによるスーパーハイブリッド材料の疲労き裂モニタリング」，材料，第l48巻4号，第403〜第409頁（1999）；北出真太郎ほか，「光ファイバを用いたＦＲＰ積層板の衝撃損傷検知試験」，材料，第44巻第504号，第 1196-1200頁（1995）等）。
【０００３】
しかし、光ファイバのアセンブリ・コストおよび検知用システムのコストは高い。また、光ファイバ自身が損傷を受けやすく、材料内部で光ファイバが損傷してしまう可能性がある。この場合、変形，ひずみ，損傷の検知は不可能になってしまう。また、ひずみゲージを構造物の表面に貼り付け、ひずみを検知して、変形，ひずみ，損傷を検知することがある。しかし、この方法では、ひずみゲージ付近の局所状態しか検知できず、材料全体に亘ってひずみを検知することはできない。また、ひずみゲージにはその耐久性に問題がある。さらに、これらは損傷検知という機能（センサ機能）のみであった。
【０００４】
一方、構造材料や構造物における変形，ひずみ，損傷を抑制，修復する手段として、材料に埋め込まれた形状記憶合金（ＳＭＡ，Shape Memory Alloy）が使用されている。これは形状記憶合金の相変態による記憶形への復元力機能（アクチュエータ機能）を利用し、材料の損傷抑制，修復を行うものである。
【０００５】
上記のセンサとアクチュエータの材料を２つ以上組み合わせた構造体などの材料に変形，ひずみ，損傷の検知機能を有する光ファイバなどのセンサと、また材料の変形，ひずみ，損傷の抑制，修復機能を有するＳＭＡワイヤとを埋め込んだ知的材料が製作されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、複合材料に多数の異種材料を入れることは各構成材料および全体構造の劣化につながり、好ましくない。したがって、複合材料は極力その材料数を少なくする必要がある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、複合材料の母材に埋め込まれた形状記憶合金ワイヤに、変形，ひずみ，損傷の検知機能と抑制，修復機能の２つの機能を同時に具備させた部材を含むスマート複合材料（知的複合材料）を提供する。
【０００８】
本発明者らは、付加的応力，荷重によるＳＭＡのひずみはその電気抵抗値と所定の関係にあることを知見した。複合材料に埋め込まれたＳＭＡの電気抵抗値変化を検出することによって、複合材料の変形，ひずみを検出し、さらに、複合材料の変形，ひずみは、その損傷度合いと関係があるところから、ＳＭＡの電気抵抗値変化を検出することによって、その損傷状態の検知を可能とした。
【０００９】
本発明は、複合材料の母材に埋め込まれた予ひずみ付加ＳＭＡワイヤの電気抵抗値を抵抗検出回路が検出し、プロセッサがひずみによる抵抗値変化を演算することにより複合材料の変形，ひずみを検出し、さらに、プロセッサによって通電加熱制御されたＳＭＡワイヤの収縮復元力（アクチュエータ機能）により複合材料の損傷の抑制，修復を行うことができる複合材料を提供する。
【００１０】
さらに、本発明は、温度補償用の第２の形状記憶合金ワイヤを形状記憶合金ワイヤの近辺に応力に対して無負荷状態で設け、形状記憶合金ワイヤと第２の形状記憶合金ワイヤとを抵抗検出回路に接続することにより形状記憶合金ワイヤの抵抗値を温度補償して検出できるようにした形状記憶合金埋め込み型複合材料を提供する。
【００１１】
本発明では複合材料に埋め込まれたＳＭＡワイヤを損傷制御，修復するためのアクチュエータとして使用するのみならず、ひずみ，変形，損傷を検知するセンサとして利用する。これにより、複合材料に使用する材料の数を少なくすることができる。また、プロセッサを設けて、自己検知，自己抑制，自己修復機能をもった複合材料を実現できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明は信頼性が要求される様々な種類の複合材料・構造体に応用が可能である。ここでは複合材料・構造体の母材として宇宙・航空分野を始め、様々な分野に実用化が幅広く期待されている炭素繊維強化材（ＣＦＲＰ，Carbon Fiber Reinforced Plastics）を一実施例として説明する。
【００１３】
図１は、本発明の自己検知，自己抑制，自己修復機能をもった複合材料実施例を示す。図中、１はＳＭＡワイヤ埋め込み型ＣＦＲＰ複合材料片、２は複合材料母材のＣＦＲＰ材層、３はＳＭＡワイヤ、４は導線、５は電流制御回路、６は直流電源、７は抵抗検出回路、８は抵抗値変化を演算し、電流制御回路５の出力電流を制御するＣＰＵ、９は制御回路を表す。制御回路９はＣＦＲＰ複合材料に一体的に構成しても良い。
【００１４】
図１の例は、ＣＦＲＰ複合材料片中にTi-Ni系ＳＭＡワイヤを埋め込み、損傷抑制，損傷修復機能を付与したＳＭＡ埋め込み型ＣＦＲＰ複合材料片の例を示す。ＳＭＡワイヤにはTi-Ni系（50.5%原子Ni）の直径0.4mmのワイヤを、母材には幅50mm，厚さ0.2mmのＣＦＲＰプリプレグを使用した。ＣＦＲＰ複合材料にＳＭＡワイヤ３を埋め込む前に、引張試験機でＳＭＡワイヤに引張荷重をかけ、約3%（0.5〜7％の場合もある）の予ひずみを与える。ＣＦＲＰプリプレグ6層（積層の構成は[0₁/90₄/0₁]）の中層部にＳＭＡワイヤ３を1mm（１〜４mm間隔の場合もある）で挟んで成形積層体は成形積層される。そのＳＭＡワイヤを埋め込んだＣＦＲＰ成形積層体をホットプレス機により180℃，0.3MPa，2時間の条件で加熱，加圧することによりＳＭＡワイヤ埋め込みＣＦＲＰ複合材料を製造し，それを切断して幅10mmの複合材料片を作成した。
【００１５】
複合材料片中のＳＭＡワイヤ３には直流電源６から電流制御回路５によって制御された0.5〜5Aの電流を流すことによって、ＳＭＡワイヤが加熱され（ＳＭＡ通電加熱）収縮復元力が発生し、複合材料は収縮する。図２は、複合材料に引張り応力を加えて、積層板内部に生じた損傷欠陥と残留ひずみを与えた後、図１のＳＭＡワイヤ埋め込みＣＦＲＰ複合材料１のＳＭＡワイヤ３に、通電加熱することによって生じる複合材料中のＳＭＡワイヤによる回復力の評価例を示す。縦軸は複合材料のひずみΔＬ/Ｌ、横軸は複合材料の温度を表す。ここで、Ｌは複合材料の元の長さ、ΔＬはその変位を表す。
【００１６】
図２中の、0%,1%,3%,5%はＳＭＡワイヤに付加された予ひずみを表す。予ひずみを与えなかった複合材料片（0％予ひずみ）では、通電加熱によって発生したひずみは膨張の傾向を示している。これは、予ひずみがないためＳＭＡワイヤに収縮復元力が発生せず、樹脂の熱膨張に起因していると考えられる。
【００１７】
これに対して、予ひずみを付与した複合材料片では温度上昇につれ、圧縮ひずみが増大し、この傾向は予ひずみが大きい程顕著である。このことから、予ひずみを与えることによって、アクチュエータとしての機能が働き、母材の損傷を抑制，修復するための収縮力が得られていることがわかる。
【００１８】
図３は，引張荷重をかけながら複合材料（ＣＦＲＰ層＋ＳＭＡワイヤ）にひずみを与え，そのときのＳＭＡワイヤの電気抵抗変化率と複合材料のひずみとの関係を示す。図の縦軸はＳＭＡワイヤの電気抵抗変化率ΔＲ/Ｒ、横軸はひずみを表す。ここで、Ｒは複合材料変形前における（複合母材にひずみがないときの）ＳＭＡワイヤの電気抵抗値、ΔＲはひずみ，変形が発生たときのＳＭＡワイヤの電気抵抗値変化量を表す。
【００１９】
図３に示すように、複合材料のひずみに対してＳＭＡワイヤの電気抵抗値は増加する傾向にあることが分かる。一方、母材のひずみが増加するにつれて、材料内部に発生するトランスバースクラック（Transverse crack，複合材料片内部に発生した繊維破断を伴わないき裂）の数は増加する。これらから、埋め込まれたSMAワイヤの電気抵抗値増加は、材料内部に発生するトランスバースクラック数の増加、すなわち損傷増加に対応していると考えられる。したがって、埋め込まれたＳＭＡワイヤの電気抵抗値変化を検知することにより変形，ひずみ，損傷状態の検知が可能で、埋め込みＳＭＡワイヤをセンサとして使用することができる。
【００２０】
図４は、ＣＦＲＰの損傷度（複合材料片に発生したトランスバースクラックの発生の数）とひずみの関係を表す。このとき、トランスバースクラック数は光学顕微鏡を用いて測定した。一般に、図４に示したように、ＣＦＲＰの損傷度はひずみに関係し、あるひずみ以上でトランスバースクラック数が急速に増加し、それが複合材料全体の破壊（致命的な破壊）に発展する。
【００２１】
致命的な材料破壊を防ぐためには、複合材料全体に破壊が発展する前に、それを検知し、ＣＦＲＰ材料のひずみを一定値（しきい値）以下に抑制する必要がある。図４の特性例で説明すると、例えば、ひずみが1.5％以上になったとき、すなわち、図３のＳＭＡワイヤの電気抵抗変化が約７％以上になったとき、ＳＭＡワイヤを通電加熱してＳＭＡワイヤに収縮復元力を与え、ＣＦＲＰ複合材に収縮力を付与する。これによって、ＣＦＲＰ複合材料の損傷を抑制，修復する効果が発現される。
【００２２】
したがって、複合材料全体の破壊を抑制するには，埋め込まれたＳＭＡワイヤの電気抵抗変化を測定し、あるしきい値以上（この場合約７％以上）になったら、ＳＭＡ通電加熱により材料の損傷抑制が可能となる。また、プロセッサはＳＭＡワイヤの電気抵抗値変化を演算し、複合材料の変形・ひずみ・損傷状態を診断することができる。
【００２３】
本発明の図１の実施例は、以上の原理を使用した装置を含む複合材料片である。複合材料片１に図の矢印方向の引張荷重が負荷されると、母材とともにＳＭＡワイヤ３もひずみ、変形する。抵抗検出回路７はマルチメータ及びＳＭＡワイヤを１枝とするブリッジ回路、及び測定用電源を含み、測定サンプル時間ごとにＳＭＡワイヤ３の抵抗Ｒを計測する。
【００２４】
プロセッサ（ＣＰＵ）８は、所定サンプル時間ごとに抵抗検出回路７から計測抵抗値を取込み、抵抗値が複合材料の破損前に比べて大きく変化した（図３，図４の例では約７％変化）と判断すると、抵抗検出回路７を導線４から切り離し、電流制御回路５からＳＭＡワイヤ３に所定の電流を流し、ＳＭＡワイヤ３を加熱する。通電加熱されたＳＭＡワイヤは図の矢印方向に収縮力を生じ、複合材料のひずみ，変形を収縮して、複合材料のひずみ，変形を抑制，修復させる。
【００２５】
十分な収縮力が得られる加熱時間を経過すると、電流制御回路５からの通電加熱電流は遮断される。同時に、抵抗検出回路７は再び導線４に接続され、ＳＭＡワイヤの抵抗検出が再開され、次のひずみ検知、修復制御に備える。このように複合材料への引張りひずみが所定値以下になるようにＳＭＡワイヤの収縮力が制御される。ＳＭＡワイヤの抵抗値は予ひずみ、通電加熱による母材の温度上昇により、変動するが、本発明では抵抗値変化率によりひずみ状態を検知しているので、この抵抗値変動は無視できる程度に小さくなる。無視できないときは、プロセッサ（ＣＰＵ）の抵抗値変化率演算で校正すれば良い。
【００２６】
ＣＦＲＰ複合材料の場合、損傷は微視的なもの（トランスバースクラック）と巨視的なものとが考えられる。図５は引張荷重によって複合材料片内部に発生したトランスバースクラックが、本発明の損傷修復機能によって修復された結果を示している。このとき、埋め込まれたＳＭＡワイヤの予ひずみは3％である。図５（ａ）は、矢印方向の引張荷重によってトランスバースクラックが発生した状態を示す。損傷状態を自己検知して、複合材料に埋め込まれたＳＭＡワイヤを通電加熱することにより、逆変態温度（Ａ_ｆ＝52.3℃）以上の温度80°Cまで加熱した。このとき、予ひずみ付加ＳＭＡワイヤがマルテンサイト相からオーステナイト相へ相変態し、ＳＭＡワイヤに収縮復元力を発生する。図５（ｂ）は、これによって、トランスバースクラックを塞ぐ方向に複合材料片全体が収縮して、修復された複合材料片の状態を示す。
【００２７】
図６は、引張荷重などにより大きな損傷が発生した場合の複合材料片の損傷修復結果を示す。図６から、トランスバースクラックより大きな複合材料の損傷に対しても本発明のＳＭＡワイヤ埋め込み型複合材料で修復可能なことが確認された。このことからＣＦＲＰに埋め込まれたＳＭＡワイヤをアクチュエータとして利用し、発生したトランスバースクラックや大きなき裂を修復できることが分かる。
【００２８】
これらの結果から、従来、変形，ひずみ，損傷の抑制，修復機能のためアクチュエータとして用いてきた埋め込み型ＳＭＡワイヤを、変形，ひずみ，損傷検知のためのセンサとして使用することが可能になった。これによって、１種類の材料（ＳＭＡワイヤ）のみを母材に埋め込み、変形，ひずみ，損傷の検知，抑制，修復機能を同時に備えた複合材料製作を実現化した。また、プロセッサ（ＣＰＵ）がＳＭＡワイヤの電気抵抗値変化から複合材料の変形，ひずみ，損傷を診断、その結果によって変形，ひずみ，損傷の抑制，修復を行うことのできる知的複合材料を実現した。（図6参照）。
【００２９】
図７は、本発明の他の実施例で、図１の実施例とは複合材料の２方向に加えられるひずみに対して、ひずみ状態の検出および損傷の抑制，修復ができるようにした複合材料片である点で相違する。複数個の複合材料を結合，貼り合わせて大きな表面の複合材が製造できる。複合材料に発生する損傷の抑制，修復の原理は図１の実施例と同じである。
【００３０】
図７中、１１Ａは図１の複合材料片に対応して図の横方向のひずみ検出、損傷の抑制，修復する複合材料片、１１Ｂは図１の上下方向のひずみに対して、ひずみ検出および損傷の抑制，修復ができるようにした複合材料片を表し、両者で１つの複合材料片１１を構成する。３Ａ１，３Ｂ１はＳＭＡワイヤ、４Ａ１，４Ｂ１はＳＭＡワイヤを通電加熱するための電流を供給する導線、５１Ａ，５１Ｂは定電流制御回路を表す。
【００３１】
さらに、図中、１２Ａ並びに１３Ａ、１２Ｂ並びに１３Ｂ、１２並びに１３、４２Ａ並びに４３Ａ，４２Ｂ並びに４３Ｂ、５２Ａ並びに５３Ａ、５２Ｂ並びに５３Ｂのものは、それぞれ複合材料片１１Ａ若しくは１１Ｂ、両者で構成される複合材料片１１、導線４１Ａ若しくは４１Ｂ、電流制御回路５１Ａ若しくは５１Ｂのものと同一のものを表す。
【００３２】
７１はＳＭＡワイヤ３１Ａ，３１Ｂ，３２Ａ，３２Ｂ，３３Ａ，３３Ｂの抵抗を計測する抵抗検出回路、８１はプロセッサ（ＣＰＵ）を表す。抵抗検出回路７１はマルチメータ及びＳＭＡワイヤを１枝とするブリッジ回路及び測定用電源を含み、測定サンプル時間ごとに導線４１Ａ，４１Ｂ，４２Ａ，４２Ｂ，４３Ａ，４４Ｂを測定サンプル時間で切り替えて、各ＳＭＡワイヤの抵抗値Ｒ１Ａ，Ｒ１Ｂ，・・・・Ｒ３Ａ，Ｒ３ＢＲを計測する。
【００３３】
ＳＭＡワイヤの抵抗値の変化率が所定値になるＳＭＡワイヤを抵抗検出回路７１が検出すると、そのＳＭＡワイヤを通電加熱する。通電加熱されたＳＭＡワイヤは収縮力を生じ、その複合材料片のひずみ，変形を収縮して、複合材料のひずみ，変形を抑制，修復させる。
【００３４】
ところが、ＳＭＡワイヤの抵抗値は，一般の金属と同様にひずみのみではなく温度によっても変化するため、温度による影響を取り除く必要がある。さらに、ＳＭＡワイヤには相変態があるため、温度による抵抗変化は複雑である。図８はＳＭＡワイヤ電気抵抗値の温度依存性の測定例を示す。図中下部の示差走査熱量曲線（任意単位，Arbitrary unitで表示）において箇所３０℃、６０℃付近（相変態温度）の急激に変化している温度で、ＳＭＡワイヤは相変態が起きていることを示している。相変態温度において、上部の電気抵抗値が急激に変化していることが分かる。それ以外の温度帯では、一般の金属と同様に単純増加である。そこで、ＳＭＡワイヤのひずみ・変形による抵抗変化のみを検出するために、ＳＭＡワイヤの温度変化に対する抵抗値変化を取り除く必要がある。
【００３５】
そのため、ひずみの影響を受けないもう一つのＳＭＡワイヤ（リファレンス・ワイヤ）を用いて温度依存性を取り除く。温度補償なしの場合、電気抵抗変化（ΔＲ／Ｒ）は、次の式（１）によって算出される。式（１）中で、ＲｓはＳＭＡワイヤの電気抵抗値でひずみに依存し、Ｒｓ０は初期抵抗値で規格化のための定数を表す。
【００３６】
【数１】

【００３７】
この中の温度依存性を取り除くためには、リファレンス・ワイヤの電気抵抗値Ｒｒで規格化する。すなわち、次の式（２）で算出される。ここで、Ｒｒ０はリファレンス・ワイヤの初期抵抗値を表す。これによって温度依存性を取り除くことができる。
【００３８】
【数２】

【００３９】
図９は、図１の形状記憶合金埋め込み型複合材料の別の実施例を示す。図１の実施例と相違する構成は、無負荷状態で設置されたリファレンス・ワイヤ３Ｒとリファレンス・ワイヤの抵抗値を測定するために抵抗検出回路７に接続された導線４Ａ，４Ｂを新たに設けた点である。２つのリファレンス・ワイヤ３Ｒ，３Ｒは、図のＣＦＲＰ層で隠れた側の端で接続されている。リファレンス・ワイヤ３Ｒは、ＳＭＡワイヤ３の付近で、無負荷状態になるような位置に設置され、ＳＭＡワイヤ３の温度と対応する温度状態となるようにしてある。
【００４０】
リファレンス・ワイヤ３Ｒは複合材料ブロックの周辺部又は隅部に設置されると、抵抗の測定に際してリファレンス・ワイヤ３Ｒに印加される応力の影響が少なく、実際の通電制御ではその影響を無視しえるものであり、実質的に無負荷状態が維持されていると同等に作用する。また、複合材料ブロック内に貫通孔を設け、その中にリファレンス・ワイヤ３Ｒを設置することによって、リファレンス・ワイヤ３Ｒをほぼ無負荷状態にすることもできる。
【００４１】
ＳＭＡワイヤ３，リファレンス・ワイヤ３Ｒの抵抗値は、その初期抵抗値Ｒｓ０，Ｒｒ０とともに抵抗検出回路７のマルチメータにより測定され、その値はプロセッサ（ＣＰＵ）８内のメモリに記録される。プロセッサ（ＣＰＵ）８は式（２）により温度補償された電気抵抗値変化ΔＲ／Ｒを算出する。この電気抵抗値変化ΔＲ／Ｒに基づいてＳＭＡワイヤの歪みΔＬ／Ｌを正確に求め、図１の実施例同様な方法で、検知、制御を行う。図７の実施例に適用できることは勿論である。
【００４２】
図１０は、２６℃と３℃の２種類の環境下で、リファレンス・ワイヤ３Ｒを用いて、温度補償を行った結果を示す。図中、下の２本の線が温度補償をしない場合、上の２本の線が温度補償をした場合の電気抵抗値変化ΔＲ／ＲとＳＭＡワイヤの歪みΔＬ／Ｌの測定例である。温度補償を行うことにより、温度依存性を（縦軸への平行移動）を抑えることができ。図の例では、温度補償は完全ではないが、誤差は０．００４％／℃程であり、充分実用に耐える補償となっている。
【００４３】
【発明の効果】
形状記憶合金ワイヤのみ１種類を構造体に埋め込み、センサとアクチュエータとして使用することで、変形，ひずみ，損傷の検知，抑制，修復機能を同時に備えた複合材料が可能となった。これにより、スマート複合材料を用いた構造物の単純化、コストダウンが可能となった。また、様々な構造体の信頼性、安全性を向上し、構造体の寿命を長くすることができる。さらに、形状記憶合金ワイヤのすぐ近くに無負荷状態の形状記憶合金ワイヤを設け、その抵抗値を測定することにより、ＳＭＡワイヤの抵抗値の温度補償を行い、変形，ひずみ，損傷の検知，抑制，修復機能を正確に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のひずみ，変形，損傷の自己検知，自己抑制，自己修復機能をもった複合材料実施例を示す図である。
【図２】複合材料のＳＭＡワイヤに、通電加熱することによって生じるＳＭＡワイヤによる回復力評価例を示す図である。
【図３】引張荷重をかけながら複合材料（ＣＦＲＰ層＋ＳＭＡワイヤ）にひずみを与え，そのときのＳＭＡワイヤの電気抵抗変化率と複合材料のひずみとの関係を示す図である。
【図４】ＣＦＲＰ複合材料片の損傷度（複合材料片に発生したトランスバースクラックの発生の数）とひずみの関係を表す図である。
【図５】発生したトランスバースクラックの本発明による修復を示す図で、（ａ）は複合材料に発生したトランスバースクラックを、（ｂ）はトランスバースクラックが修復された結果を示す図である。
【図６】発生したより大きな損傷の本発明による修復を示す図で、（ａ）はより大きな損傷の発生を、（ｂ）は損傷が修復された結果を示す図である。
【図７】本発明の他の実施例を示す図である。
【図８】ＳＭＡワイヤの電気抵抗値の温度依存性を示す例である。
【図９】本発明の別の実施例を示す図である。
【図１０】図８の実施例の温度補償例を説明する図である。
【符号の説明】
１，１１Ａ，１１Ｂ，１１複合材料片
２ＣＦＲＰ層
３，３１Ａ，３１ＢＳＭＡワイヤ
３Ｒリファレンス・ワイヤ
４，４１Ａ，４１Ｂ導線
５，５１Ａ，５１Ｂ電流制御回路
６直流電源
７，７１抵抗検出回路
８，８１プロセッサ（ＣＰＵ）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a smart material (smart material) which has self-suppression and self-healing functions by self-detecting deformation, strain, and damage of a composite material, and in particular, self-detection of the material constituting the composite material itself. And intelligent materials using shape memory alloys that have both self-inhibiting and self-healing functions.
[0002]
[Prior art]
In structural materials and structures, optical fibers are widely used to detect deformation, strain, and damage (sensor function) that occurs inside the materials (Shimada Akika et al., “Optical fiber sensor hull damage detection system”, electronic Journal of Information and Communication Engineers, Vol. 7-10, (November 1999); Osamu Hoga, “Fatigue crack monitoring of super hybrid materials using buried optical fibers”, Materials, Vol. L48, No.4, Nos.403-409 (1999); Shintaro Kitade et al., "Impact damage detection test of FRP laminates using optical fiber," Materials, Vol. 44, No. 504, pages 1196-1200 (1995)).
[0003]
However, optical fiber assembly costs and sensing system costs are high. Further, the optical fiber itself is easily damaged, and the optical fiber may be damaged inside the material. In this case, it becomes impossible to detect deformation, strain and damage. In addition, a strain gauge may be affixed to the surface of a structure and the strain may be detected to detect deformation, strain, or damage. However, this method can detect only the local state in the vicinity of the strain gauge, and cannot detect the strain over the entire material. Also, the strain gauge has a problem with its durability. Furthermore, these were only functions for detecting damage (sensor functions).
[0004]
On the other hand, shape memory alloys (SMA, Shape Memory Alloy) embedded in materials are used as means for suppressing and repairing deformation, strain, and damage in structural materials and structures. This uses the restoring force function (actuator function) to the memory shape by the phase transformation of the shape memory alloy to suppress and repair the damage of the material.
[0005]
Sensors such as optical fibers that have the function of detecting deformation, strain, and damage to materials such as structures that combine two or more of the above-mentioned sensors and actuator materials, as well as material deformation, strain, damage suppression, and repair functions. An intelligent material in which an SMA wire is embedded is manufactured.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, it is not preferable to put a large number of different materials in the composite material because each component material and the entire structure are deteriorated. Therefore, it is necessary to reduce the number of composite materials as much as possible.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention provides a shape memory alloy wire embedded in a base material of a composite material, which has two functions of deformation, strain, damage detection function, suppression function, and repair function at the same time. A smart composite material (intelligent composite material) is provided.
[0008]
The present inventors have found that the strain of SMA due to additional stress and load has a predetermined relationship with the electrical resistance value. By detecting changes in the electrical resistance value of the SMA embedded in the composite material, the deformation and strain of the composite material are detected. Further, the deformation and strain of the composite material are related to the degree of damage. By detecting the change in electrical resistance value, the damage state can be detected.
[0009]
In the present invention, the resistance detection circuit detects the electrical resistance value of the prestrained SMA wire embedded in the matrix of the composite material, and the processor detects the deformation and strain of the composite material by calculating the resistance value change due to the strain. Furthermore, the present invention provides a composite material that can suppress and repair damage to the composite material by the shrinkage restoring force (actuator function) of the SMA wire that is energized and heated controlled by the processor.
[0010]
Furthermore, the present invention provides a temperature-compensating second shape memory alloy wire in the vicinity of the shape memory alloy wire in an unloaded state against stress, and resistance between the shape memory alloy wire and the second shape memory alloy wire. Provided is a shape memory alloy-embedded composite material capable of detecting a resistance value of a shape memory alloy wire by temperature compensation by connecting to a detection circuit.
[0011]
In the present invention, the SMA wire embedded in the composite material is used not only as an actuator for controlling and repairing damage, but also as a sensor for detecting strain, deformation, and damage. Thereby, the number of materials used for the composite material can be reduced. In addition, a composite material having a self-detection, self-suppression, and self-repair function can be realized by providing a processor.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention can be applied to various types of composite materials and structures requiring reliability. Here, carbon fiber reinforced plastics (CFRP, Carbon Fiber Reinforced Plastics), which are widely expected to be put to practical use in various fields including the space and aviation fields, will be described as an example.
[0013]
FIG. 1 shows an embodiment of a composite material having self-detection, self-suppression, and self-repair functions of the present invention. In the figure, 1 is an SMA wire embedded CFRP composite material piece, 2 is a CFRP material layer of a composite material base material, 3 is an SMA wire, 4 is a conducting wire, 5 is a current control circuit, 6 is a DC power supply, and 7 is a resistance detection circuit. , 8 calculates a resistance value change and controls the output current of the current control circuit 5, and 9 indicates a control circuit. The control circuit 9 may be integrated with the CFRP composite material.
[0014]
The example of FIG. 1 shows an example of an SMA-embedded CFRP composite material piece in which a Ti—Ni-based SMA wire is embedded in a CFRP composite material piece to provide damage suppression and damage repair functions. Ti-Ni (50.5% atomic Ni) wire with a diameter of 0.4 mm was used for the SMA wire, and CFRP prepreg with a width of 50 mm and a thickness of 0.2 mm was used for the base material. Before embedding the SMA wire 3 in the CFRP composite material, a tensile load is applied to the SMA wire with a tensile tester to give a pre-strain of about 3% (in some cases 0.5 to 7%). CFRP prepreg six layers (arrangement of the stack [0 _1/90 _4/0 _1]) is molded laminated molded laminate by being sandwiched 1mm the SMA wire 3 to the middle portion of the (sometimes of 1~4mm interval) . The CFRP molded laminate in which the SMA wire is embedded is heated and pressed by a hot press machine at 180 ° C. and 0.3 MPa for 2 hours to produce an SMA wire embedded CFRP composite material, which is cut to a width of 10 mm. Composite material pieces were made.
[0015]
When a current of 0.5 to 5 A controlled by the current control circuit 5 is supplied from the DC power source 6 to the SMA wire 3 in the composite material piece, the SMA wire is heated (SMA current heating), and a shrinkage restoring force is generated. The material shrinks. FIG. 2 shows a case in which tensile stress is applied to the composite material to give damage defects and residual strain generated inside the laminate, and then the SMA wire 3 of the SMA wire embedded CFRP composite material 1 in FIG. The evaluation example of the recovery force by the SMA wire in the resulting composite material is shown. The vertical axis represents the strain ΔL / L of the composite material, and the horizontal axis represents the temperature of the composite material. Here, L represents the original length of the composite material, and ΔL represents the displacement.
[0016]
In FIG. 2, 0%, 1%, 3%, and 5% represent prestrain applied to the SMA wire. In the composite material piece (0% pre-strain) that was not pre-strained, the strain generated by energization heating shows a tendency of expansion. This is considered to be due to the thermal expansion of the resin because no shrinkage restoring force is generated in the SMA wire because there is no pre-strain.
[0017]
On the other hand, in the composite material piece to which prestrain is applied, the compressive strain increases as the temperature rises, and this tendency becomes more prominent as the prestrain increases. From this, it can be seen that by applying the pre-strain, the function as an actuator works, and the contraction force for suppressing and repairing the damage to the base material is obtained.
[0018]
FIG. 3 shows the relationship between the rate of change in electrical resistance of the SMA wire and the strain of the composite material when strain is applied to the composite material (CFRP layer + SMA wire) while applying a tensile load. The vertical axis of the figure represents the SMA wire electrical resistance change rate ΔR / R, and the horizontal axis represents the strain. Here, R represents the electrical resistance value of the SMA wire before the deformation of the composite material (when the composite base material is not strained), and ΔR represents the amount of change in the electrical resistance value of the SMA wire when strain and deformation occur.
[0019]
As shown in FIG. 3, it can be seen that the electrical resistance value of the SMA wire tends to increase with respect to the strain of the composite material. On the other hand, as the strain of the base material increases, the number of transverse cracks (transverse cracks generated in the composite material pieces) is increased. From these, it is considered that an increase in the electrical resistance value of the embedded SMA wire corresponds to an increase in the number of transverse cracks generated in the material, that is, an increase in damage. Therefore, it is possible to detect deformation, strain, and damage by detecting a change in the electrical resistance value of the embedded SMA wire, and the embedded SMA wire can be used as a sensor.
[0020]
FIG. 4 shows the relationship between the degree of damage of CFRP (the number of transverse cracks generated in the composite material piece) and strain. At this time, the number of transverse cracks was measured using an optical microscope. In general, as shown in FIG. 4, the degree of damage of CFRP is related to strain, and the number of transverse cracks rapidly increases above a certain strain, which develops to the destruction of the entire composite material (fatal failure). .
[0021]
In order to prevent fatal material destruction, it is necessary to detect the failure before the development of the entire composite material and suppress the strain of the CFRP material to a certain value (threshold) or less. The characteristic example of FIG. 4 will be described. For example, when the strain becomes 1.5% or more, that is, when the change in electric resistance of the SMA wire of FIG. 3 becomes about 7% or more, the SMA wire is energized and heated. A contraction restoring force is applied to the wire, and a contraction force is applied to the CFRP composite material. As a result, the effect of suppressing and repairing damage to the CFRP composite material is exhibited.
[0022]
Therefore, in order to suppress the destruction of the entire composite material, the electrical resistance change of the embedded SMA wire is measured, and when it exceeds a certain threshold (in this case, about 7% or more), the material is damaged by SMA current heating. Suppression is possible. In addition, the processor can calculate a change in the electric resistance value of the SMA wire and diagnose the deformation / strain / damage state of the composite material.
[0023]
The embodiment of FIG. 1 of the present invention is a piece of composite material comprising a device using the above principles. When a tensile load in the direction of the arrow in the figure is applied to the composite material piece 1, the SMA wire 3 is also distorted and deformed together with the base material. The resistance detection circuit 7 includes a bridge circuit having a multimeter and an SMA wire as one branch, and a power supply for measurement, and measures the resistance R of the SMA wire 3 every measurement sample time.
[0024]
The processor (CPU) 8 takes in the measured resistance value from the resistance detection circuit 7 at every predetermined sample time, and the resistance value has changed greatly compared to before the breakage of the composite material (in the example of FIGS. 3 and 4, the change is about 7%). ), The resistance detection circuit 7 is disconnected from the conducting wire 4, a predetermined current is passed from the current control circuit 5 to the SMA wire 3, and the SMA wire 3 is heated. The electrically heated SMA wire generates a shrinkage force in the direction of the arrow in the figure, shrinks the distortion and deformation of the composite material, and suppresses and repairs the distortion and deformation of the composite material.
[0025]
When the heating time for obtaining sufficient contraction force has elapsed, the energization heating current from the current control circuit 5 is cut off. At the same time, the resistance detection circuit 7 is again connected to the lead wire 4, and the resistance detection of the SMA wire is resumed to prepare for the next strain detection and repair control. In this way, the contraction force of the SMA wire is controlled so that the tensile strain on the composite material is a predetermined value or less. The resistance value of the SMA wire fluctuates due to the prestrain and the temperature rise of the base metal due to current heating, but in the present invention, since the strain state is detected by the rate of change in resistance value, this resistance value fluctuation is small enough to be ignored. Become. If it cannot be ignored, calibration may be performed by calculating the resistance value change rate of the processor (CPU).
[0026]
In the case of a CFRP composite material, the damage is considered to be microscopic (transverse crack) or macroscopic. FIG. 5 shows a result of repairing the transverse crack generated in the composite material piece by the tensile load by the damage repair function of the present invention. At this time, the pre-strain of the embedded SMA wire is 3%. FIG. 5A shows a state in which a transverse crack is generated by a tensile load in the arrow direction. The SMA wire embedded in the composite material was heated to 80 ° C. above the reverse transformation temperature (A _f = 52.3 ° C.) by self-detecting the damaged state and electrically heating the SMA wire embedded in the composite material. At this time, the prestrained SMA wire undergoes a phase transformation from the martensite phase to the austenite phase, and a shrinkage restoring force is generated in the SMA wire. FIG. 5B shows the state of the composite piece that has been repaired by contracting the entire composite piece in the direction of closing the transverse crack.
[0027]
FIG. 6 shows a damage repair result of the composite material piece when a large damage is caused by a tensile load or the like. From FIG. 6, it was confirmed that damage to the composite material larger than the transverse crack can be repaired with the SMA wire embedded composite material of the present invention. From this, it can be seen that an SMA wire embedded in CFRP can be used as an actuator to repair a transverse crack or a large crack that has occurred.
[0028]
From these results, it has become possible to use the embedded SMA wire, which has been used as an actuator for the function of suppressing and repairing deformation, strain and damage, as a sensor for detecting deformation, strain and damage. As a result, only one kind of material (SMA wire) was embedded in the base material, and the composite material production with the functions of detecting, suppressing and repairing deformation, strain and damage was realized. In addition, the processor (CPU) diagnosed the deformation, strain, and damage of the composite material from the change in the electrical resistance value of the SMA wire, and realized the intelligent composite material that can control and repair the deformation, strain, damage by the result. . (See Figure 6).
[0029]
FIG. 7 shows another embodiment of the present invention, which is different from the embodiment of FIG. 1 in that the composite material is capable of detecting a strain state, suppressing damage, and repairing the strain applied in two directions of the composite material. It differs in that it is a piece. A large surface composite material can be manufactured by bonding and bonding a plurality of composite materials. The principle of suppressing and repairing the damage generated in the composite material is the same as that of the embodiment of FIG.
[0030]
In FIG. 7, 11A corresponds to the composite material piece of FIG. 1, and detects the strain in the lateral direction of the drawing, suppresses damage, and repairs the composite material piece. 11B detects the strain in the vertical direction of FIG. A composite material piece that is capable of suppressing and repairing damage is represented, and a single composite material piece 11 is formed by both. Reference numerals 3A1 and 3B1 denote SMA wires, 4A1 and 4B1 denote conductors for supplying current for energizing and heating the SMA wires, and 51A and 51B denote constant current control circuits.
[0031]
Further, in the figure, 12A and 13A, 12B and 13B, 12 and 13, 42A and 43A, 42B and 43B, 52A and 53A, 52B and 53B are composite material pieces 11A or 11B, respectively, which are composed of both. The material piece 11, the

conductor

41A or 41B, and the current control circuit 51A or 51B are the same.
[0032]
Reference numeral 71 denotes a resistance detection circuit that measures the resistance of the

SMA wires

31A, 31B, 32A, 32B, 33A, and 33B, and 81 denotes a processor (CPU). The resistance detection circuit 71 includes a bridge circuit having a multimeter and an SMA wire as one branch, and a measurement power source. The

conductors

41A, 41B, 42A, 42B, 43A, and 44B are switched at the measurement sample time for each measurement sample time. The resistance values R1A, R1B,... R3A, R3BR of the SMA wire are measured.
[0033]
When the resistance detection circuit 71 detects an SMA wire having a predetermined rate of change in the resistance value of the SMA wire, the SMA wire is energized and heated. The electrically heated SMA wire generates a contraction force and contracts the distortion and deformation of the composite material piece to suppress and repair the distortion and deformation of the composite material.
[0034]
However, since the resistance value of the SMA wire changes not only by strain but also by temperature as in the case of general metals, it is necessary to remove the influence of temperature. Furthermore, since the SMA wire has a phase transformation, the resistance change due to temperature is complicated. FIG. 8 shows an example of measuring the temperature dependence of the SMA wire electrical resistance value. The SMA wire undergoes a phase transformation at a temperature where the differential scanning calorimetric curve (arbitrary unit) at the bottom of the figure is changing rapidly at 30 ° C and around 60 ° C (phase transformation temperature). Is shown. It can be seen that the electrical resistance value at the top changes abruptly at the phase transformation temperature. In other temperature ranges, it is a simple increase, similar to general metals. Therefore, in order to detect only the resistance change due to strain and deformation of the SMA wire, it is necessary to remove the resistance value change with respect to the temperature change of the SMA wire.
[0035]
Therefore, temperature dependence is removed using another SMA wire (reference wire) that is not affected by strain. When there is no temperature compensation, the change in electrical resistance (ΔR / R) is calculated by the following equation (1). In Equation (1), Rs is an electrical resistance value of the SMA wire and depends on strain, and Rs0 is an initial resistance value and represents a constant for normalization.
[0036]
[Expression 1]

[0037]
In order to remove the temperature dependency, normalization is performed with the electric resistance value Rr of the reference wire. That is, it is calculated by the following equation (2). Here, Rr0 represents the initial resistance value of the reference wire. As a result, temperature dependence can be removed.
[0038]
[Expression 2]

[0039]
FIG. 9 shows another embodiment of the shape memory alloy embedded composite material of FIG. The configuration different from the embodiment of FIG. 1 is that a reference wire 3R installed in a no-load state and conductors 4A and 4B connected to a resistance detection circuit 7 are newly provided to measure the resistance value of the reference wire. It is a point. The two

reference wires

3R and 3R are connected at the end on the side hidden by the CFRP layer in the figure. The reference wire 3 </ b> R is installed in a position near the SMA wire 3 so as to be in an unloaded state, and is in a temperature state corresponding to the temperature of the SMA wire 3.
[0040]
When the reference wire 3R is installed at the periphery or corner of the composite material block, there is little influence of stress applied to the reference wire 3R when measuring resistance, and the influence can be ignored in actual energization control. And acts in the same manner as when a substantially no-load state is maintained. Further, by providing a through hole in the composite material block and installing the reference wire 3R therein, the reference wire 3R can be brought into an almost unloaded state.
[0041]
The resistance values of the SMA wire 3 and the reference wire 3R are measured by the multimeter of the resistance detection circuit 7 together with the initial resistance values Rs0 and Rr0, and the values are recorded in a memory in the processor (CPU) 8. The processor (CPU) 8 calculates the electrical resistance value change ΔR / R that has been temperature compensated by the equation (2). Based on this electrical resistance value change ΔR / R, the strain ΔL / L of the SMA wire is accurately obtained, and detection and control are performed in the same manner as in the embodiment of FIG. Of course, the present invention can be applied to the embodiment of FIG.
[0042]
FIG. 10 shows the result of temperature compensation using the reference wire 3R in two environments of 26 ° C. and 3 ° C. In the figure, when the lower two lines do not perform temperature compensation, the electric resistance value change ΔR / R and the SMA wire distortion ΔL / L when the upper two lines perform temperature compensation are measurement examples. By performing temperature compensation, temperature dependence (parallel movement on the vertical axis) can be suppressed. In the example shown in the figure, the temperature compensation is not perfect, but the error is about 0.004% / ° C., which is a compensation that is sufficiently practical.
[0043]
【The invention's effect】
By embedding only one type of shape memory alloy wire in the structure and using it as a sensor and actuator, a composite material having the functions of detecting, suppressing, and repairing deformation, strain and damage at the same time has become possible. As a result, the structure using the smart composite material can be simplified and the cost can be reduced. In addition, the reliability and safety of various structures can be improved, and the lifetime of the structures can be extended. In addition, an unloaded shape memory alloy wire is provided in the immediate vicinity of the shape memory alloy wire, and by measuring the resistance value, temperature compensation of the resistance value of the SMA wire is performed, and deformation, strain, and damage are detected and suppressed. ， Repair function can be performed accurately.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of a composite material having self-detection, self-suppression, and self-repair functions of strain, deformation, and damage according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an example of evaluation of resilience by an SMA wire generated by energizing and heating an SMA wire of a composite material.
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the rate of change in electrical resistance of the SMA wire and the strain of the composite material when strain is applied to the composite material (CFRP layer + SMA wire) while applying a tensile load.
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the degree of damage of a CFRP composite material piece (the number of transverse cracks generated in the composite material piece) and strain.
FIGS. 5A and 5B are diagrams illustrating repair of a generated transverse crack according to the present invention, FIG. 5A is a diagram illustrating a transverse crack generated in a composite material, and FIG. 5B is a diagram illustrating a result of repairing the transverse crack; .
FIGS. 6A and 6B are diagrams showing repair of a larger damage that has occurred according to the present invention, in which FIG. 6A shows the occurrence of a larger damage, and FIG.
FIG. 7 is a diagram showing another embodiment of the present invention.
FIG. 8 is an example showing the temperature dependence of the electrical resistance value of an SMA wire.
FIG. 9 is a diagram showing another embodiment of the present invention.
10 is a diagram for explaining an example of temperature compensation in the embodiment of FIG. 8;
[Explanation of symbols]
1, 11A, 11B, 11 Composite material piece 2

CFRP layer

3, 31A, 31B SMA wire

3R Reference wire

4, 41A,

41B Conductor

5, 51A, 51B Current control circuit 6 DC power supply 7, 71

Resistance detection circuit

8, 81 Processor (CPU)

Claims

A shape memory alloy wire embedded in the base material, the shape memory alloy wire, a resistance detection circuit for detecting a change in the electrical resistance value of the shape memory alloy wire, and a shape memory alloy wire when the change in the electrical resistance value of the shape memory alloy wire reaches a predetermined value a shape memory alloy implantable composite material comprising a current control circuit for supplying a predetermined current to the strain of the composite material by the electric resistance change of the shape memory alloy wire, the amount of deformation, to detect damage, the electric resistance value When the change is determined to be a predetermined value, the composite material itself is suppressed and repaired by the restoring force of the shape memory alloy wire by heating by passing a predetermined current through the shape memory alloy wire when the current reaches a predetermined current. Shape memory alloy embedded composite material.

The base material of the shape memory alloy-embedded composite material is a composite material reinforced with fibers, and self-suppresses and repairs cracks and macroscopic damage that are not accompanied by breakage of the reinforcing material composed of fibers generated in the composite material. The shape memory alloy embedded composite material according to claim 1.

Based on the resistance detection circuit for detecting the electrical resistance value of the shape memory alloy wire and the measured resistance value of the resistance detection circuit, the change of the resistance value is detected, and the restoring force of the shape memory alloy wire is controlled, and the composite material The shape memory alloy-embedded composite material according to claim 1, further comprising: a processor that self-suppresses and self-repairs deformation, strain, and damage that occurs in the structure.

A second shape memory alloy wire for temperature compensation is provided in the vicinity of the shape memory alloy wire in an unloaded state against stress, and the shape memory alloy wire and the second shape memory alloy wire are connected to the resistance detection circuit. 4. The shape memory alloy embedded composite material according to claim 1, wherein the resistance value of the shape memory alloy wire can be detected by temperature compensation. "