JP4230250B2 - Maximum strain memory type sensor - Google Patents
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- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、変形又は損傷状態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変形もしくは損傷状態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・歪の最大値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、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、地震等の災害時において、これら構造体に与えられた損傷を的確に評価することが、災害後の早期復興に繋がる重要な課題とされている。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損傷、破壊、劣化を診断するための最大歪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、これらのシステムにより最大歪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てデータを蓄積し、その計測結果をもとに最大歪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。
【0004】
一方、最大歪のメモリ機能を有する診断システムとして、いくつかの手法が提案されている。まず、モジュール化されたシステムとしては、機械的機構に不可逆性をもたせた最大値記憶型変位計が製品化されている。このシステムでは、ロッドの伸縮を抵抗体(ポテンションメータ)の回転機構に伝達させ、最大回転数として最大変位を記憶させる。このシステムにおける仕様から、計測精度は±3%であり、仮に計測区間を500mmとすると±15mmの変位計測精度を有することとなる。しかしながら、コンクリート構造体等において要求される歪範囲(1000με以下)を考慮すると必要な変位計測精度は0.05mmと極めて小さく、このシステムでは構造体の変形診断において十分な性能を発揮しないことが予想される。
【0005】
また、作用した最大歪を材料単体において診断できる知的材料としては、炭素繊維から構成される複合材料を応用する技術、導電性粒子をマトリックス樹脂中に分散させた複合材料を応用する技術に関して特許例および報告例がある。
【0006】
炭素繊維から構成される複合材料を応用する技術に関しては、炭素繊維から構成される長繊維強化プラスチックスにおいて、最大歪に対応して炭素繊維が破断することによりその導電性変化が残留するという現象(残留抵抗現象)の応用が試みられている(特許文献1)。しかしながら、その炭素繊維の破断には約0.5%以上の引張歪を必要とするため、最大歪の記憶機能もそれ以上の歪領域に限定されていた。モニタリング対象となる構造体において要求とされる診断歪領域は、例えば、鉄鋼材料の弾性歪範囲が0.2%以下、コンクリートにおけるひび割れ発生歪が0.1%以下である。これを考慮すると、この従来技術における診断可能な歪領域はその範疇から外れている。したがって、この残留抵抗現象が発現する歪(発現歪)を少なくとも0.1%以下とすることにより、実際の構造体においてモニタリング対象となる歪領域での診断を可能とすることが極めて重要な課題とされた。
【0007】
また、ガラス繊維強化プラスチックスのマトリックス樹脂中に導電性の炭素粒子を分散し、その粒子の連続的な接触構造により導電性をもたせた複合材料において、最大歪に対応した導電経路の構造変化によりその導電性変化が残留するという現象の応用が試みられている(特許文献2)。しかしながら、これまでに報告された結果において、この残留抵抗現象の発現歪は0.05%程度と良好であったものの、載荷時の抵抗変化(Rmax)に対して除荷後に残留する抵抗変化(ΔRres)の割合(残留率 = ΔRres/ΔRmax)は最大でも60%であり、最大歪の診断精度は50%以上となってしまうことから、これまでの結果からでは最大歪の記憶機能は実現不可能とされていた(非特許文献1)。したがって、この残留率を100%に近づけることにより、最大歪の診断精度を向上させることが極めて重要な技術的課題とされていた。
【0008】
さらに、マトリックス樹脂中に導電性の炭素粒子を分散し、その粒子の連続的な接触構造により導電性をもたせた複合材料を、降伏点の小さい金属基材上に貼付し、その基材の塑性変形により最大歪に対応して導電性変化が残留するという現象の応用が試みられている(特許文献3)。この手法では、センサ材料自体の残留抵抗現象を応用するのではなく、基材の塑性変形によるセンサの導電性変化を計測する。そのため、モニタリング対象となる構造体に、引張だけでなく圧縮の応力・歪が作用する場合には、この基材の塑性変形量も圧縮変形に追随して変化する可能性があり、最大歪の記憶機能は発現しないことが危惧される。また、金属基材の塑性変形は引張歪およそ0.2%以上において発現するため、それ以下の歪領域すなわち金属材料の弾性変形領域に対しては最大歪記憶機能の発現は期待できない。
【0009】
【特許文献1】
特許第3201837号公報
【特許文献2】
特開平9-100356号公報
【特許文献3】
特開2001-153603号公報
【非特許文献1】
機能材料、2001年(第21巻),6号、p.29〜35、株式会社シーエムシー発行
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、想定されるあるいは要望される歪範囲に応じて構造体に作用した歪の最大値を精度よく計測可能とするセンサを得ることを課題とする。
【0011】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
本発明者らは、上記課題の解決にあたり、導電性体が連続して形成する導電経路の破壊挙動、すなわち、導電性を付与した複合材料の最大歪に対応した導電経路の破壊挙動を応用することに着目した。その結果、導電性繊維から構成される長繊維強化複合材料を用い、この材料合成時又は合成後の構造体への適用時に張力を付与することにより、導電性繊維が破断する歪を低減させる手法を見出した。また、絶縁性繊維から構成される長繊維強化複合材料のマトリックス樹脂中に導電性粒子を分散させた複合材料を用い、その導電性粒子により構成される導電経路の構造を最適化することにより、極めて高い抵抗残留率を達成する手法を見出した。さらに、これらの結果、各複合材料が、要望されている歪領域での最大歪の診断を可能とすることを見出し、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。
【0012】
(1)導電性粒子のパーコレーション構造による導電経路を有するセンシング材料と、絶縁性材料からなり前記センシング材料を被覆する被覆層とを備え、
前記センシング材料は、導電性粒子:高分子材料の体積比が80:20〜100:0の組成を有しており、
前記導電性粒子は、導電性微細粒子が凝集して形成された凝集体であり、
前記導電経路に作用した引張歪によって導電性が変化し、歪除去後も歪除去前の変化した導電性変化量の80%以上を永久的に残留保持することにより、残留最大歪に関する情報をセンサ自身に記憶させることができ、引張歪の最大値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、最大歪記憶型センサ。
(2)導電性繊維による導電経路を有するセンシング材料と、絶縁性材料からなり前記センシング材料を被覆する被覆層とを備え、
前記センシング材料は、高分子材料と導電性繊維との総量における導電性繊維の体積比率が7.5〜30vol%であり、
前記センシング材料には、張力が作用された状態が維持されており、
前記導電経路に作用した引張歪によって導電性が変化し、歪除去後も歪除去前の変化した導電性変化量の60%以上を永久的に残留保持することにより、残留最大歪に関する情報をセンサ自身に記憶させることができ、引張歪の最大値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、最大歪記憶型センサ。
(3)前記センシング材料及び/又は被覆層には、前記導電経路に沿う電気的絶縁性の繊維を含有する、(1)又は(2)に記載の最大歪記憶型センサ。
(4)シート状体である、(1)〜(3)のいずれかに記載の最大歪記憶型センサ。
(5)棒状体である、(1)〜(3)のいずれかに記載の最大歪記憶型センサ。
(6)導電性繊維による導電経路を有するセンシング材料と、絶縁性材料からなり前記センシング材料を被覆する被覆層とを備える最大歪記憶型センサの作製方法であって、
前記導電性繊維に張力が作用した状態で作製する工程を備える、最大歪記憶型センサの作製方法。
(7)前記導電性繊維のみに張力を作用させた状態で、前記センシング材料をホットプレス法により成形する(6)に記載の最大歪記憶型センサの作製方法。
(8)(2)〜(5)のいずれかに記載の最大歪記憶型センサを、当該最大歪記憶型センサに張力を作用させた状態で装着する工程と、
前記最大歪記憶型センサにおける導電性変化を検出する工程とを備える、引張歪の検出方法。
【0013】
本発明のセンサは、最大歪に対して不可逆的な破壊挙動を示すような導電経路を備えているとともに、残留抵抗現象の残留率が向上され且つその発現歪が低減されており、もって高い精度で最大歪がモニタリング・記憶される。
かかる導電経路の1つの形態は、絶縁性繊維により強化されたマトリックス樹脂中に導電性粒子の連続接触構造により形成された導電経路である。この導電経路においては、粒子形状及び/又は粒子の対樹脂マトリックスに対する体積割合が調整されることにより、残留抵抗現象の残留率が向上され且つ発現する歪域が低減され、記憶される最大歪精度が向上される。
また、他の1つの形態は、ガラス繊維により強化された樹脂マトリックス中に導電性繊維により形成された導電経路である。この導電経路においては、導電性繊維に張力を負荷した状態とすることで、残留抵抗現象の残留率が向上され且つ発現歪が低減され、記憶される最大歪精度が向上されている。
この結果、かかる導電経路を備えるセンサによれば、要望されあるいは想定される低い歪領域において高い精度で最大歪をセンシングすることができる。この結果、高い安全性が要求される構造体などに対しても高精度なセンシング及びモニタリングが可能となる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
本発明における最大歪センサは、引張歪の最大値に対して不可逆的な構造変化を示す導電経路を有している。本発明の第1のセンサは、導電性粒子による導電経路を有するセンシング材料を備えており、第2のセンサは、導電性繊維による導電経路を有するセンシング材料を備えている。以下、これらの2種類のセンサにおける異なる導電経路形態について説明し、次いで共通する形態について説明する。さらに、それぞれのセンサについての最大歪のセンシング及びモニタリングについて説明する。
【0015】
(第1のセンサにおける導電経路)
本発明における第1の最大歪センサは、導電性粒子の連続的な接触構造(パーコレーション構造)により形成された導電経路を有している。この導電経路は高分子材料マトリックスに保持され、高分子材料成形体というセンシング材料形態を採っている。また、高分子材料マトリックスを備えないで、粒子のパーコレーション構造によってのみ形成することもできる。
(導電性粒子)
導電性粒子は、導電性を有する材料であれば特に限定しないで使用できる。例えば、カーボンブラック、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、グラファイト、活性炭、炭素短繊維、フラーレン、カーボンウィスカー、カーボンナノチューブ、金属紛、窒化・炭化・酸化チタニウム等の導電性セラミックス粒子等が選択される。導電性粒子は1種あるいは2種以上を組み合わせて使用することができる。
導電性粒子の形態は特に限定しない。例えば、ストラクチャー(凝集体)状、球状、繊維状、棒状、不定形状、薄片状等各種形状のものを1種あるいは2種以上組み合わせて用いることができる。好ましくは、ストラクチャー(凝集体)状の形態を用いることができ、そのストラクチャーを形成する粒子1つ1つの粒子サイズも特に限定しないが、例えば、10nm〜100nmであることが好ましい。より好ましくは、20nm以上60nm以下の粒子から構成されるストラクチャー(凝集体)状の形態を用いることである。さらに、このストラクチャー(凝集)の程度を示す指標であるDBP(Dibutyl Phthalate)吸収量(JIS K6217)は、好ましくは10〜1000cm3/100gである。より好ましくは、100〜500cm3/100gである。また、球状もしくは薄片状の粒子として、好ましくは1μm〜100μmの球状もしくは薄片状の粒子を用いることができる。このような凝集体は、一般に、カーボンブラック粒子において形成されることが多い。具体的には、串に刺した団子状あるいはブドウ状の形態を採っている。
【0016】
(第2のセンサにおける導電経路)
第2のセンサの導電経路は、導電性繊維で形成される。第2の導電経路は、高分子材料マトリックスに保持されていることが好ましい。したがって、高分子材料成形体というセンシング材料形態を採っていることが好ましい。
(導電性繊維)
導電性繊維としては、導電性を有する繊維であれば特に限定しないが、例えば、ピッチ系・PAN系・気相成長系炭素繊維、SiC等のセラミックス繊維およびその表面に導電性膜を形成した繊維、金属繊維等が選択される。導電性繊維としては各種の導電性繊維を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。
導電性繊維はモノフィラメントであってもよいし、マルチフィラメントであってもよい。その径も特に限定しないが、例えば、1μm〜100μmであることが好ましい。より好ましくは、2μm以上10μm以下である。
【0017】
(本センサにおける導電経路の保持形態(共通形態))
これらの導電経路は、高分子材料マトリックス中に形成されうる。用いられ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。これらを1種あるいは2種以上を組み合わせて使用することができる。
【0018】
また、当該高分子材料マトリックスは、繊維材料を含めることができる。当該繊維材料としては、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、アルミナ繊維等の1種あるいは2種以上が使用できる。ここで、導電性粒子の接触構造もしくは導電性繊維を導電経路としてセンシング機能を発現させるため、これらの繊維には電気的絶縁性が必要である。
さらに、これらの繊維の方向性は、一方向として本センサによる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る。一方向性の場合、同方向を指向する繊維を束ねた繊維束を使用することもできる。計測しようとする歪方向に平行及び垂直方向を指向する繊維を組み合わせたクロス材を用いることもできる。具体的には導電経路に沿って備えられていることが好ましい。
【0019】
第1及び第2のセンサのセンシング材料は、導電経路を有する高分子材料の成形体という形態を備えることができる。この場合、引抜き成形法、型枠成形法、ホットプレス法、オートクレーブ法、レジントランスファーモールディング(RTM)法、シートモールディングコンパウンド(SMC)法等の公知である高分子材料の成形方法を用いてセンシング材料を形成することができる。
例えば、第1のセンサのセンシング材料を高分子マトリックスを備えた形態とするとき、未硬化の高分子材料中に導電性粒子を分散させたスラリーを調製し、繊維材料にかかるスラリーをディッピング等公知の方法で供給して、硬化させることにより得ることができる。導電経路における導電性粒子の配合比率を高めるには、未硬化の高分子材料中にこの粒子を高濃度分散させる必要がある。このためには、未硬化高分子材料の粘性増加を抑えるための有機系溶剤を用いることができる。その有機系溶剤としては、未硬化高分子材料と相溶性があればよく、例えば、メチルエチルケトン、アセトン、スチレンモノマー等を選択することができる。高分子材料マトリックスを備えない場合には、当該溶剤中に導電性粒子のみを分散させることになる。
第1のセンシング材料においては、高分子材料と導電性粒子との総量(体積)に対して、導電性粒子の配合比率が20 vol.%以上であることが好ましい。20 vol.%未満であると残留抵抗現象の顕著な発現は期待できないため従来の60vol%という残留率を超える性能は達成できず、発現歪も0.05%以下に低減できないためである。より好ましくは、50vol%以上であり、さらに好ましくは80vol%以上である。例えば、配合比率が60vol%以上なら、残留抵抗現象の残留率を80%以上にでき、さらに発現歪を0.05%までに低減できる。さらに配合比率が100vol%付近なら、残留抵抗現象の残留率を95%以上にでき、さらに発現歪を0.02%以下までに低減できる。なお、配合比率が100vol%のとき、高分子マトリックスが存在しないセンシング材料形態となる。
【0020】
また、例えば、第2のセンサのセンシング材料は、線状、クロス状等の導電性繊維に未硬化の高分子材料スラリーをディッピング等により供給し、硬化させることにより得ることができる。なお、後述するように、このとき、各種の成形方法を用いて、導電性繊維に張力を負荷することができる。
第2のセンシング材料においては、高分子材料と導電性繊維との総量における導電性繊維の体積比率は、例えば、50 vol.%以下とすることが好ましい。50 vol.%を超えると導電性繊維の破断による抵抗変化率の増加傾向が低減し残留抵抗現象の発現が抑制されるためである。より好ましくは、30 vol.%以下とする。例えば、体積割合が12.5%以下なら、残留率を90%以上にたかめることができ、また、残留抵抗現象の発現歪を0.05%まで低減できる。
【0021】
(被覆層)
これらの本センシング材料は、絶縁性の高分子材料により形成された被覆層を備えることが好ましい。この絶縁性の被覆材料によれば、センシング機能を担う導電性複合材料を、適用する構造体もしくはその周辺環境と電気的に絶縁させることにより、安定したセンシング機能の発現を図ることができる。例えば、鉄鋼系構造体への適用においては、導電性の高い鉄鋼材料との絶縁を図ることが必須であり、また、コンクリート中への埋設においては、コンクリート中の水分などの影響により導電性が変化することを防止するために必要となる。
【0022】
この絶縁性被覆材料に用いられ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、この絶縁性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、アルミナ繊維等の絶縁性繊維が使用できる。
【0023】
上記の被覆層の付与に際しては、引抜き成形法、型枠成形法、ホットプレス法、オートクレーブ法、レジントランスファーモールディング(RTM)法、シートモールディングコンパウンド(SMC)法等の成形方法を採用することができる。
【0024】
(第2のセンサに対する張力の負荷)
第2のセンサにはセンサ製造時において予め導電性経路張力を付与して(作用させて)おくことができる。張力の負荷は、例えば、高分子材料を用いた成形に際して負荷することができる。したがって、高分子材料マトリックスに導電経路を保持する際、及び/又は、被覆層を形成する際において、張力を負荷することができる。
張力の負荷程度は、引張応力を増加させた際に、センサの抵抗変化率と引張歪の関係において線形的な関係から非線形的な関係に移行した付近の応力もしくは歪に設定することが好ましい。線形的な関係を示す応力もしくは歪範囲では、導電経路は弾性的な変形挙動を示すため、その範囲の張力を与えても残留抵抗現象の発現歪を低減できる効果が小さい。また、非線形的な関係に移行した付近の応力もしくは歪範囲を大きく超えて張力を与えた場合では、それ以降の導電経路の破断に至るまでの歪範囲が小さくなるため好ましくない。
【0025】
張力の負荷にあたっては、例えば、ホットプレス法を採用することができる。また、高分子材料硬化後の、張力解放時において引張り変形を回復させないために、導電性繊維にのみ張力を作用させることにより高分子材料を硬化させることが好ましい。なお、引張り歪の緩和を抑制するには、絶縁性繊維を含む高分子材料マトリックスと一体成形することが好ましく、さらに導電性繊維の体積割合を低くすることが好ましい。
【0026】
以上のようにして得られた2種類のセンシング材料は、用いられる繊維材料の形態、高分子材料マトリックス、さらに被覆層により各種形態を備えることになる。センシング材料の形態は、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とることができる。
【0027】
こえらのセンシング材料の導電率もしくは抵抗率を計測する手法として、その計測方法については特に限定しないが、二端子法もしくは四端子法が採用される。導電性複合材料の抵抗率はその材質により様々であるが、第1のセンシング材料は比較的高抵抗率となり、二端子法での計測が可能となる。一方、第2のセンシング材料では比較的低抵抗率となり、四端子法での計測が必要とされる場合もある。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。
【0028】
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、圧着端子による固定が可能である。また、導電性複合材料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。ただし、導電性複合材料は、高分子材料を含むためその耐熱温度以下にて固定可能な方法が好ましい。
【0029】
以上により作製される最大歪センサは、第1のセンサでは、導電性粒子の形態及び/又は配合比率等、第2のセンサにおいては、導電性繊維の配合比率によって、前記導電経路は、導電経路に作用した歪の最大値に対応した導電性を保持するのに有効な残留抵抗現象の残留率を有するように構成されている。これらのセンサによれば、前記残留率(残留保持する導電性変化量の比率)は60%を超えるように構成することが容易である。より好ましくは、80%以上であり、さらに好ましくは90%以上であり、最も好ましくは95%以上である。
また、同様に、導電経路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、歪の最大値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ともいうことができる。
さらに、歪の最大値に対して導電率もしくは抵抗率が変化し且つその少なくとも一部が歪除去後も永久的に残留することにより、最大歪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とすることもできる。
【0030】
このような本発明の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、当該センサを備える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、社会基盤構造物ではコンクリート構造体がその一例として挙げられる。
この場合、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においては、最大歪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。
【0031】
センサをシート状とする場合、構造体表面に貼付できる形態を有することができる。この場合、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、その構造体の最大歪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高分子材料マトリックスや被覆樹脂系材料を選択することができる。
【0032】
またセンサを棒状とする場合、構造体内部に埋設できる形態を有することができる。この場合、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、上記の高分子材料マトリックスや被覆層に高弾性・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。
【0033】
さらに、コンクリート中に埋設する際においては、炭素繊維などの導電性繊維から構成される第2のセンシング材料へ予備張力を与えた状態にて構造体へ適用することが最大歪記憶機能の発現に有効である。
同時に、コンクリート構造体の強度特性の向上にも貢献する。一般的に、コンクリート構造体は圧縮変形には高い強度を有するが引張変形に対する強度が低いという課題があるからである。なお、コンクリート構造体に鉄筋を導入するという手法による引張強度の向上が図られている。埋設する鉄筋に予備張力を与えた状態にて埋設し、コンクリートの硬化後にその張力を開放することにより、コンクリートには圧縮応力が作用し、引張変形に対する強度を向上させることができるようになっている。
【0034】
なお、最大歪センサを設置する方向としては、導電性複合材料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。
【0035】
本センサは、各種構造体に適用できるが、社会基盤構造物として上記コンクリート構造体以外にも鉄鋼系構造体への適用も好適な形態であり、また、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最大歪の把握が重要な構造体であるため好ましい適用形態である。
これらの場合、最大歪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。
【0036】
本最大歪センサを設置した構造体におけるモニタリングの実施形態としては、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、最大歪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、本最大歪センサを設置した場合においては、このセンサ自身が最大歪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。
【0037】
以上説明したように、本発明のセンサは、導電性経路が、最大歪に対して導電率変化を永久的に残留して最大歪の情報をセンサ自身が記憶する機能を有することを特徴とする。これにより、構造体に作用した最大歪は、設置されたセンサ自身にその情報が蓄積・記憶され、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がなくなる。
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最大値に関する情報を得ることができる。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。さらに、この最大歪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最大歪の情報を正確に検出することができる。
【0038】
【実施例】
以下、本発明を具現化した実施例について図1〜10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。
【0039】
以下の実施例では、導電性繊維として炭素繊維から構成される導電経路を有する第2のセンサと、導電性粒子からなる導電経路を有する第1のセンサの2種類を作製し、これらのセンサの引張試験による実証試験を行った。
【0040】
(実施例1:炭素繊維から構成される導電性複合材料)
[最大歪センサの作製]
本実施例で作製した最大歪センサ1の構造模式図を図1に示す。
最大歪センサ1は、全体としてロッド形状であり、導電性の炭素繊維6および高分子材料5から構成される導電性複合材料2を、ガラス繊維4および高分子材料5から構成される絶縁性複合材料3によりその周囲を被覆した構造を有している。
【0041】
以下、最大歪センサ1の作製工程について説明する。
まず、導電性の炭素繊維6としてPAN系の炭素繊維フィラメントを選択した。後述のように、最大歪記憶機能のための残留抵抗現象の発現には、引張歪に対する抵抗変化率の増加割合が大きい場合が好ましいとされる。この点に留意し、この炭素繊維の種類、サイジング剤(表面処理剤)を選定し、体積割合の最適化を図るためにその割合を7.5〜22.5vol.%とした。この炭素繊維を液体状の熱硬化型樹脂に含浸させ、型枠中に導入した状態にて130℃の熱処理を90分間施すことにより硬化させた。硬化後の導電性複合材料の外径は2mmφとした。この樹脂成形体に対して、所定の長さ(250mm)に切断後、その両端に電極を設置した。この電極には、リード線を導電性ペーストにて固着させる方法を採用した。その導電性複合材料の周囲に絶縁性の樹脂成形体を被覆した。ガラス繊維中に樹脂を含浸させ、導電性複合材料の周囲に付着させて加熱硬化(130℃、90分間)させた。以上により最大歪センサ1を得た。
【0042】
以上により最大歪センサ1が得られるが、本実施例ではこの複合材料に対して引張試験を実施するために、図3の写真に示すようなグリップ部を設置した。このグリップ部は鋼製であり中空状の形状を有している。この中に、最大歪センサ1を導入し、その空隙にセメント系膨張材を流し込み硬化させることによって、その鋼管と複合材料を強固に固定した。
【0043】
[最大歪センサの引張試験による性能実証試験]
作製した最大歪センサとしての複合材料1に予備張力を与えた条件下において繰返し引張歪を与え、その導電性変化を計測し、最大歪記憶機能について評価した。
【0044】
[試験方法]
作製した引張試験用の最大歪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4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最大歪センサを固定する。最大歪センサをグリップ固定した後、導電性複合材料からの2つの電極に一定電流を印加し、その電極間における電圧降下を計測することにより、すなわち二端子法によって導電性複合材料の導電率を計測した。また、この引張試験において、最大歪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、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ΔR=R-R0を割った抵抗変化率ΔR/R0として示した。さらに、グリップ部の鋼管内にある複合材料には引張歪は作用せず、そのグリップ間の複合材料のみに引張歪が作用することを前提として、計測された抵抗変化率に補正を加えた。
【0045】
この引張試験では、載荷方法として2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、炭素繊維の体積割合の最適化を図るとともに予備張力の導入量を決定する基礎データを得た。次に、予備張力を与えた状態を基準として、ピーク荷重を段階的に増加させた繰返し引張応力を作用させた試験を実施し、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応答性を評価した。
【0046】
[試験結果]
まず、単調引張試験の結果を図5に示す。この試験では、体積割合を7.5vol.%および22.5 vol.%とした最大歪センサに対して評価を実施した。(a)に示した応力―歪線図において、引張応力と引張歪は線形的な関係を有し、炭素繊維の体積割合の減少に伴って破断時の引張強度およびその傾きに相当する弾性率は低下するものの、破断歪はほぼ同一であることがわかる。これに対して、(b)に示した抵抗変化率の引張歪依存性では、非線形的な関係が得られた。この挙動は、引張歪の増加に伴って炭素繊維の弾性的変形から繊維破断に移行する現象を反映している。すなわち、引張歪1.0%程度までは、炭素繊維は弾性的に伸びており、その抵抗変化は直線的である。それ以上にひっぱりひずみが増加すると、炭素繊維は部分的に破断し始め、破断部分では抵抗値が大きく増加するため、複合材料全体としての抵抗変化は非線形的に増加する。この炭素繊維の破断が最大歪に対応した不可逆的な抵抗変化をもたらすことから、この非線形領域における抵抗変化率が高いほど、最大歪記憶機能のための残留抵抗現象はより顕著に発現することが期待できる。この結果より、炭素繊維の体積割合が低い場合に高い抵抗変化率を示す非線形領域が得られた。その要因としては、炭素繊維の体積割合の低下に伴い、炭素繊維間の接触が少なくなり、1箇所の繊維破断が複合材料全体としての抵抗変化率に及ぼす影響が大きくなるためと考えられる。
【0047】
上記の結果より、炭素繊維の体積割合の低い複合材料が最大歪センサとして選択された。その複合材料に対して、予備張力を与えた条件下での繰返し引張試験を実施した。その結果を図6及び図7に示す。図5の結果より、予備張力の導入量としては約540MPaとして、抵抗変化率に非線形挙動が現れ始める約1.2%の引張歪を作用させた状態を基準とした。予備張力導入後、およそ10000sの保持時間を設けて、その安定性を確認した後に、ピーク値を段階的に増加させた引張歪を作用させた結果、この複合材料は各引張サイクルに対してほぼ弾性的な変形挙動を示し除荷後には予備張力分まで引張歪は回復しているのに対して、その抵抗変化率は段階的に増加し負荷時の抵抗変化率が除荷後にも殆ど戻らないという優れた残留抵抗現象を示した。引張歪と抵抗変化率の関係としてまとめた結果からも明らかなように、負荷時の抵抗変化率の約90%以上が除荷後においても残留し、且つ、この残留抵抗現象は約0.05%以上の引張歪に対して明確に発現している。以上の結果より、炭素繊維から構成される導電性複合材料への予備張力導入により、優れた最大歪記憶機能を達成できることを実証した。
【0048】
この最大歪センサにおける最大歪の記憶精度を定量的に評価するために、各サイクルに対する負荷時の抵抗変化率(ΔRmax)と除荷後の残留抵抗変化率(ΔRres)を、作用させた最大歪の関数として図8にまとめた。例えば、構造体に何らかの変形が作用したことにより、この最大歪センサの抵抗変化率として35%が計測されたとする。その場合、その抵抗変化率を取り得る引張歪の範囲としては0.717〜0.742%の間に限定される。したがって、最大歪の記憶精度としては約±1.7%程度と見積もることができる。ここで特筆すべき事項として、この構造体に変形が残っている場合でも、その残留応力・残留歪の量に無関係に、この精度を保証できるという点が重要となる。従来の技術のように残留率が低い場合、すなわちこのΔRmaxとΔRresの間隔が広い場合には、この最大歪の記憶精度は大きく低下する。ここで実証された最大歪に対する高い記憶精度は、この最大歪センサにおける高い残留率によって得られたものである。
【0049】
(実施例2:炭素粒子を分散させた導電性複合材料)
[最大歪センサの作製]
本実施例で作製した最大歪センサ7の構造模式図を図2に示す。
この最大歪センサ2は、全体としてロッド形状であり、絶縁性のガラス繊維10および高分子材料11から構成される複合材料を基本構造として、その高分子材料11中に炭素粒子12を分散させた導電性複合材料8を中心として絶縁性複合材料9によりその周囲を被覆した構造を有している。
【0050】
以下、最大歪センサ2の作製工程について説明する。
導電性の複合材料8の作製方法として、まず液体状の高分子材料11に導電性粒子12を分散させる。この導電性粒子として、粒径50nm、ハイストラクチャーのカーボンブラックを採用し、攪拌脱泡装置を用いて熱硬化性エポキシ樹脂中に分散させた。一般的にエポキシ樹脂の粘性は高いため、カーボンブラックのような微細粒子を高濃度分散させることは困難である。そこで、本実施例では、有機系溶剤としてメチルエチルケトンを用いてエポキシ樹脂に添加し、粒子分散による樹脂の粘性増加を抑制した。この樹脂と有機系溶剤の組み合わせは、プリプレグと呼ばれる反硬化状態の長繊維強化複合材料を作製する際に用いられるものである。この有機系溶剤は、加熱硬化過程にて揮発することを前提としている。本実施例において、この炭素粒子の体積割合は5〜100 vol.%とした。ここで、炭素粒子の体積割合が100 vol.%という複合材料は、有機系溶剤のみにカーボンブラックを分散させて硬化(乾燥)させた材料であり、樹脂が含まれていないことから脆性的な破壊挙動を示すことが推測されるものである。この導電性粒子を分散させた高分子材料をガラス繊維中に含浸させ、160℃、90分という熱処理条件にて硬化させた。この樹脂成形体に対して、所定の長さ(250mm)に切断後、その両端に電極を設置した。この電極には、リード線を導電性ペーストにて固着させる方法を採用した。その導電性複合材料の周囲に絶縁性の樹脂成形体を被覆した。ガラス繊維中に炭素粒子を含まない樹脂を含浸させ、導電性複合材料の周囲に付着させて加熱硬化(160℃、90分間)させた。以上により最大歪センサ2を得た。
【0051】
以上により最大歪センサ2が得られるが、本実施例ではこの複合材料に対して引張試験を実施するために、図3の写真に示すようなグリップ部を設置した。このグリップ部は鋼製であり中空状の形状を有している。この中に、最大歪センサ2を導入し、その空隙にセメント系膨張材を流し込み硬化させることによって、その鋼管と複合材料を強固に固定した。
【0052】
[最大歪センサの引張試験による性能実証試験]
作製した最大歪センサとしての複合材料2に繰返し引張歪を与え、その導電性変化を計測し、最大歪記憶機能について評価した。なお、本実施例においてはこの複合材料2に予備張力は与えていない。
【0053】
[試験方法]
作製した引張試験用の最大歪センサについて実施例1と同様に引張試験を実施した。最大歪センサをグリップ固定した後、二端子法によって導電性複合材料の導電率を計測した。また、この複合材料に作用される荷重をロードセルにより、作用する引張歪を伸び計により計測した。なお、本実施例に示す実験結果において、この導電率変化は抵抗変化率ΔR/R0として示し、そのグリップ間の複合材料のみに引張歪が作用することを前提として、計測された抵抗変化率に補正を加えた。この引張試験では、載荷方法として、ピーク荷重を段階的に増加させた繰返し引張応力を作用させた試験を実施し、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応答性を評価した。
【0054】
[試験結果]
分散させた導電性粒子の体積割合5%、30%および100%の複合材料に対する繰返し引張試験の結果を図9及び図10に示す。各複合材料に対して作用させた引張歪および計測した抵抗変化率を時間の関数として図9に示した。さらに、作用させた引張歪と抵抗変化率の関係として図10に示した。この結果より、炭素粒子の体積割合が低い場合には、負荷時の抵抗変化率に対してその殆どが除荷後には初期値に戻っているのに対して、炭素粒子の体積割合の増加とともに残留抵抗現象が発現し始め、体積割合100 vol.%の複合材料においては、極めて高い残留率を有する残留抵抗現象の発現に至った。(b)の結果より、その残留抵抗現象は、およそ0.02%以上の引張歪の最大値に対応して発現し、その残留率は最高で99%に到達した。
【0055】
この分散粒子の体積割合と残留抵抗現象の関係をより詳細に把握するために、その体積割合をさらに細かく条件設定した複合材料に対して繰返し引張試験を実施し、図11に示すように作用させた最大歪に対する残留率の依存性をまとめた。この結果から、全ての最大歪範囲において分散粒子の体積割合の増加に伴う残留率の増加をより明確に把握することができる。この極めて顕著な現象発現は、導電性複合材料を形成する粒子分散マトリックス樹脂の脆性が大きく影響していると推察される。また、このマトリックスの脆性化には、高濃度分散以外にも粒子形態も関連していると考えられる。ここで分散させたカーボンブラックは粒径50nmの微細粒子が化学的結合して凝集体を形成したストラクチャーと呼ばれる構造を形成している。このストラクチャー(凝集)の程度を示す指標としてDBP(Dibutyl Phtalate)吸収量(JIS K6217)が挙げられるが、本実施例にて使用した粒子のDBP吸収量は175cm3/100gである。この鎖状の構造が最大歪の作用によって脆性的に破壊されるために、この極めて高い残留率を達成できた可能性がある。以上の結果より、炭素粒子をマトリックス樹脂中に分散させた導電性複合材料において、その粒子体積割合を増加させることにより優れた最大歪記憶機能を達成できることを実証した。ここで注記すべきは、実施例1の場合とは異なり、予備張力を与えなくてもそれを凌駕する最大歪記憶機能を達成できるという点である。さらに、粒子分散量の調節することにより残留抵抗現象を調整できるという点は、モニタリング技術の観点から非常に興味深い。それは、最大歪を記憶させたい場合には粒子分散割合を増加させ、常時モニタリング用として残留抵抗現象を低減させたい場合には粒子分散割合を低下させるという機能の制御が可能となるためである。
【0056】
この最大歪センサにおける最大歪の記憶精度を定量的に評価するために、各サイクルに対する負荷時の抵抗変化率(ΔRmax)と除荷後の残留抵抗変化率(ΔRres)を、作用させた最大歪の関数として図12にまとめた。例えば、構造体に何らかの変形が作用したことにより、この最大歪センサの抵抗変化率として75%が計測されたとする。その場合、その抵抗変化率を取り得る引張歪の範囲としては0.912〜0.931%の間に限定される。したがって、最大歪の記憶精度としては約±1.0%程度と見積もることができる。実施例1にて述べたことと同様に、この構造体に変形が残っている場合でも、その残留応力・残留歪の量に無関係にこの精度を保証できるという点が重要となる。以上の結果より、炭素粒子をマトリックス樹脂中に分散させた導電性複合材料において、その粒子体積割合を増加させることにより、低歪領域から作動し高い精度にて最大歪を記憶できる機能を、予備張力の導入を必要としない条件下において実現できることを実証した。
【0057】
【発明の効果】
本発明によれば、構造体に作用した歪の最大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損傷・破壊が問題となる構造体に対して、作用した最大歪がその構造体の設計許容範囲を超えているかどうかの判定を下す指標の一つを示すことが可能となり、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。
【0058】
さらに、このセンサは最大歪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】炭素繊維から構成される複合材料からなる最大歪センサの構造模式図である。
【図2】炭素粒子を分散させた複合材料から構成される最大歪センサの構造模式図である。
【図3】引張試験用の最大歪センサの全体を表す図である。
【図4】実施例1および2において試験に用いた評価システムの模式図である。
【図5】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を示す図(a)及び(b)である。
【図6】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って、横軸に時間、縦軸にΔR/R0と応力と歪みを取ったグラフ図である。
【図7】実施例1において実施した試験結果のうち、ピーク荷重を漸増させた繰返し引張試験の結果であって、横軸に歪み、縦軸にΔR/R0を取ったグラフ図である。
【図8】実施例1において実施した試験結果のうち、最大歪の記憶精度を定量評価するための結果である。
【図9】実施例2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って、横軸に時間、縦軸にΔR/R0と歪みとを取ったグラフ図である。
【図10】実施例2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って、横軸に歪み、縦軸にΔR/R0を取ったグラフ図である。
【図11】実施例2において実施した試験結果のうち、残留率の最大歪依存性において分散粒子体積割合の影響を示す結果である。
【図12】実施例2において実施した試験結果のうち、最大歪の記憶精度を定量評価するための結果である。
【符号の説明】
1 炭素繊維から構成される複合材料からなる最大歪センサ
2 炭素繊維から構成されるセンシング材料
3 ガラス繊維から構成される絶縁性複合材料
4 ガラス繊維
5 樹脂(高分子材料)
6 炭素繊維
7 炭素粒子を分散させた複合材料から構成される最大歪センサ
8 炭素粒子を分散させたセンシング材料
9 ガラス繊維から構成される絶縁性複合材料
10 ガラス繊維
11 樹脂(高分子材料)
12 炭素粒子(カーボンブラック)[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a technique for detecting a deformation or damage state, and more particularly to a technique for detecting a deformation or damage state in an important structure such as a general social infrastructure structure and an aircraft fuselage. More specifically, the maximum value of stress and strain such as tension and compression acting on metal materials such as steel structures, inorganic materials such as concrete structures, or composite materials applied to aircraft structures, etc. is conducted. The present invention relates to a sensor technology that can be detected by a change in rate or resistivity.
[0002]
[Prior art]
In recent years, rapid deterioration of social infrastructure structures such as railways and roads has become apparent, and social problems such as concrete collapse accidents have emerged. Furthermore, in the event of a disaster such as an earthquake, accurate evaluation of damage given to these structures is an important issue that leads to early recovery after a disaster. Under such circumstances, there has been a strong demand for a health monitoring technique that can detect the maximum strain for diagnosing damage, destruction, and deterioration in these important structures that require high safety.
[0003]
On the other hand, as an existing general health diagnosis system, a system using a metal stay gauge, an optical fiber sensor, or the like is known. However, these systems are based on constant monitoring that enables detection of distortion at the time of measurement, and in order to diagnose the maximum distortion using these systems, measurement devices are always connected for each of these sensors. It is necessary to continue the measurement in the state and accumulate data, and to analyze the maximum strain based on the measurement result. The structure to be monitored is an extremely large structure, and it requires a huge amount of cost to install a measuring device for each sensor installed in each place, and the monitoring period must be assumed to be a decade. It is virtually impossible to perform continuous measurement and analysis.
[0004]
On the other hand, several methods have been proposed as a diagnostic system having a maximum distortion memory function. First, as a modularized system, a maximum value storage type displacement meter having an irreversible mechanical mechanism has been commercialized. In this system, the expansion and contraction of the rod is transmitted to the rotation mechanism of the resistor (potentiometer), and the maximum displacement is stored as the maximum number of rotations. From the specifications in this system, the measurement accuracy is ± 3%, and if the measurement section is 500 mm, the displacement measurement accuracy is ± 15 mm. However, considering the strain range (1000με or less) required for concrete structures, the required displacement measurement accuracy is extremely small at 0.05mm, and it is expected that this system will not exhibit sufficient performance in structural deformation diagnosis. The
[0005]
Patents relating to technologies that apply composite materials composed of carbon fibers and technologies that apply composite materials in which conductive particles are dispersed in a matrix resin are available as intelligent materials capable of diagnosing the maximum strain that has been applied. There are examples and reported examples.
[0006]
Regarding the technology to apply composite materials composed of carbon fibers, in the long fiber reinforced plastics composed of carbon fibers, the phenomenon that the conductivity change remains by breaking the carbon fibers corresponding to the maximum strain Application of (residual resistance phenomenon) has been attempted (Patent Document 1). However, the fracture of the carbon fiber requires a tensile strain of about 0.5% or more, so that the memory function of the maximum strain is limited to a strain region beyond that. The diagnostic strain region required for the structure to be monitored is, for example, that the elastic strain range of the steel material is 0.2% or less, and the cracking strain in concrete is 0.1% or less. Considering this, the diagnosable strain region in this prior art is out of the category. Therefore, it is considered to be an extremely important issue to enable diagnosis in the strain region to be monitored in an actual structure by setting the strain (expressed strain) that causes this residual resistance phenomenon to be at least 0.1% or less. It was.
[0007]
Also, in composite materials in which conductive carbon particles are dispersed in a matrix resin of glass fiber reinforced plastics and the conductivity is provided by the continuous contact structure of the particles, the structure of the conductive path corresponding to the maximum strain is changed. Attempts have been made to apply the phenomenon that the conductivity change remains (Patent Document 2). However, in the results reported so far, although the strain of the residual resistance phenomenon was as good as about 0.05%, the resistance change at the time of loading (R max ) To the resistance change (ΔR) remaining after unloading res ) Ratio (residual rate = ΔR res / ΔR max ) Is 60% at the maximum, and the diagnostic accuracy of the maximum distortion is 50% or more, and from the results so far, the storage function of the maximum distortion has been impossible (Non-Patent Document 1). . Therefore, it has been regarded as an extremely important technical issue to improve the diagnostic accuracy of the maximum strain by making the residual rate close to 100%.
[0008]
In addition, a composite material in which conductive carbon particles are dispersed in a matrix resin and made conductive by the continuous contact structure of the particles is pasted onto a metal substrate having a low yield point, and the plasticity of the substrate Attempts have been made to apply a phenomenon in which a change in conductivity remains corresponding to the maximum strain due to deformation (Patent Document 3). In this method, the residual resistance phenomenon of the sensor material itself is not applied, but the change in conductivity of the sensor due to plastic deformation of the base material is measured. Therefore, when not only tension but also compressive stress / strain acts on the structure to be monitored, the amount of plastic deformation of the base material may change following the compression deformation, and the maximum strain It is feared that the memory function does not appear. In addition, since the plastic deformation of the metal base material appears at a tensile strain of about 0.2% or more, the maximum strain memory function cannot be expected in the strain region below that, that is, the elastic deformation region of the metal material.
[0009]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 3201837
[Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 9-100356
[Patent Document 3]
Japanese Patent Laid-Open No. 2001-153603
[Non-Patent Document 1]
Functional Materials, 2001 (Vol. 21), No. 6, p. 29-35, issued by CMC Co., Ltd.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, an object of the present invention is to obtain a sensor that can accurately measure the maximum value of strain applied to a structure according to an assumed or desired strain range.
[0011]
[Means for solving the problems and actions / effects]
In solving the above-mentioned problems, the inventors apply the breaking behavior of the conductive path formed continuously by the conductive body, that is, the breaking behavior of the conductive path corresponding to the maximum strain of the composite material imparted with conductivity. I focused on that. As a result, using a long fiber reinforced composite material composed of conductive fibers and applying tension to the structure after synthesis or after synthesis, a technique to reduce the strain at which the conductive fibers break I found. In addition, by using a composite material in which conductive particles are dispersed in a matrix resin of a long fiber reinforced composite material composed of insulating fibers, by optimizing the structure of the conductive path composed of the conductive particles, We found a method to achieve a very high resistance residual ratio. Furthermore, as a result of these, it was found that each composite material enables diagnosis of the maximum strain in a desired strain region, and the present invention was completed.
According to the present invention, the following means are provided.
[0012]
(1) a sensing material having a conductive path by a percolation structure of conductive particles, and a covering layer made of an insulating material and covering the sensing material,
The sensing material has a composition in which the volume ratio of conductive particles: polymer material is 80:20 to 100: 0,
The conductive particles are aggregates formed by aggregation of conductive fine particles,
The conductivity changes due to the tensile strain acting on the conductive path, and after the strain is removed, information on the maximum residual strain is obtained by permanently retaining 80% or more of the changed amount of conductivity before the strain is removed. A maximum strain memory type sensor that can be stored in itself and is configured to increase the amount of change in conductivity that is retained according to the maximum value of tensile strain.
(2) comprising a sensing material having a conductive path by a conductive fiber, and a coating layer made of an insulating material and covering the sensing material;
The sensing material is The volume ratio of the conductive fiber in the total amount of the polymer material and the conductive fiber is 7.5 to 30 vol%. And
The sensing material is maintained in a tensioned state,
The conductivity changes due to the tensile strain acting on the conductive path, and after the strain is removed, information on the maximum residual strain is obtained by permanently retaining 60% or more of the changed amount of conductivity before the strain is removed. A maximum strain memory type sensor that can be stored in itself and is configured to increase the amount of change in conductivity that is retained according to the maximum value of tensile strain.
(3) The maximum strain memory type sensor according to (1) or (2), wherein the sensing material and / or the coating layer contains an electrically insulating fiber along the conductive path.
(4) The maximum strain memory type sensor according to any one of (1) to (3), which is a sheet-like body.
(5) The maximum strain memory type sensor according to any one of (1) to (3), which is a rod-shaped body.
(6) Sensing material having a conductive path with conductive fibers And a strain memory type sensor comprising an insulating material and a coating layer covering the sensing material A manufacturing method of
Comprising a step of producing the conductive fiber in a state in which tension is applied; Maximum strain memory type sensor Manufacturing method.
(7) The sensing material is molded by a hot press method in a state where tension is applied only to the conductive fibers. Maximum strain memory type sensor Manufacturing method.
(8) A step of mounting the maximum strain memory type sensor according to any one of (2) to (5) in a state where tension is applied to the maximum strain memory type sensor;
Detecting a change in conductivity in the maximum strain memory type sensor.
[0013]
The sensor of the present invention has a conductive path that exhibits an irreversible breakdown behavior with respect to the maximum strain, improves the residual rate of the residual resistance phenomenon, and reduces its manifestation strain, thereby achieving high accuracy. The maximum distortion is monitored and memorized.
One form of such a conductive path is a conductive path formed by a continuous contact structure of conductive particles in a matrix resin reinforced with insulating fibers. By adjusting the particle shape and / or the volume ratio of the particles to the resin matrix in this conductive path, the residual ratio of the residual resistance phenomenon is improved and the strain region that is expressed is reduced, and the maximum strain accuracy stored. Is improved.
Another form is a conductive path formed of conductive fibers in a resin matrix reinforced with glass fibers. In this conductive path, by applying tension to the conductive fiber, the residual ratio of the residual resistance phenomenon is improved, the developed strain is reduced, and the stored maximum strain accuracy is improved.
As a result, according to the sensor having such a conductive path, it is possible to sense the maximum strain with high accuracy in a desired or assumed low strain region. As a result, highly accurate sensing and monitoring are possible even for structures that require high safety.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
The maximum strain sensor in the present invention has a conductive path that exhibits an irreversible structural change with respect to the maximum value of tensile strain. The first sensor of the present invention includes a sensing material having a conductive path formed of conductive particles, and the second sensor includes a sensing material having a conductive path formed of conductive fibers. Hereinafter, different conductive path forms in these two types of sensors will be described, and then a common form will be described. Further, sensing and monitoring of the maximum strain for each sensor will be described.
[0015]
(Conductive path in the first sensor)
The first maximum strain sensor in the present invention has a conductive path formed by a continuous contact structure (percolation structure) of conductive particles. This conductive path is held in a polymer material matrix and takes the form of a sensing material called a polymer material molded body. Further, it can be formed only by a percolation structure of particles without providing a polymer material matrix.
(Conductive particles)
The conductive particles can be used without particular limitation as long as the material has conductivity. For example, carbon black, ketjen black, acetylene black, graphite, activated carbon, carbon short fiber, fullerene, carbon whisker, carbon nanotube, metal powder, conductive ceramic particles such as nitriding, carbonizing, and titanium oxide are selected. The conductive particles can be used alone or in combination of two or more.
The form of the conductive particles is not particularly limited. For example, various shapes such as a structure (aggregate) shape, a spherical shape, a fiber shape, a rod shape, an indefinite shape, and a flake shape can be used alone or in combination of two or more. Preferably, a structure (aggregate) form can be used, and the particle size of each particle forming the structure is not particularly limited, but is preferably 10 nm to 100 nm, for example. More preferably, a structure (aggregate) -like form composed of particles of 20 nm or more and 60 nm or less is used. Furthermore, the DBP (Dibutyl Phthalate) absorption amount (JIS K6217), which is an index indicating the degree of this structure (aggregation), is preferably 10 to 1000 cm. Three / 100g. More preferably, 100-500cm Three / 100g. Further, as the spherical or flaky particles, preferably spherical or flaky particles having a size of 1 μm to 100 μm can be used. Such aggregates are generally often formed in carbon black particles. Specifically, it takes the form of dumplings or grapes stabbed on skewers.
[0016]
(Conductive path in the second sensor)
The conductive path of the second sensor is formed of a conductive fiber. The second conductive path is preferably held in a polymeric material matrix. Therefore, it is preferable to adopt a sensing material form called a polymer material molded body.
(Conductive fiber)
The conductive fiber is not particularly limited as long as it is a conductive fiber. For example, pitch-based, PAN-based, vapor-grown carbon fiber, ceramic fiber such as SiC, and fiber having a conductive film formed on the surface thereof. A metal fiber or the like is selected. As the conductive fibers, various conductive fibers can be used alone or in combination of two or more.
The conductive fiber may be a monofilament or a multifilament. The diameter is not particularly limited, but is preferably 1 μm to 100 μm, for example. More preferably, it is 2 μm or more and 10 μm or less.
[0017]
(Holding form of conductive path in this sensor (common form))
These conductive paths can be formed in the polymeric material matrix. Examples of the polymer material used include polyester, polypropylene, acrylic, nylon, polyethylene, polystyrene, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, polyvinyl alcohol, polysulfone, polyacetal, polyurethane, polyformal, polybutyral, polyamide, polycarbonate, and polyacetic acid. Vinyl, a copolymer of two or more of the above polymers, a fluororesin, a silicone resin, an epoxy resin, and a vinyl ester resin can be used. These can be used alone or in combination of two or more.
[0018]
The polymeric material matrix can also include a fiber material. As the fiber material, for example, one kind or two or more kinds of glass fiber, vinylon fiber, aramid fiber, silicon carbide fiber, alumina fiber and the like can be used. Here, in order to develop a sensing function using the contact structure of conductive particles or conductive fibers as a conductive path, these fibers need to have electrical insulation.
Furthermore, the directionality of these fibers can be a parallel direction or a perpendicular direction with respect to the conductivity measuring direction by the present sensor or the strain direction acting on the applied structure as one direction. In the case of unidirectionality, a fiber bundle in which fibers oriented in the same direction are bundled can also be used. It is also possible to use a cloth material in which fibers that are parallel and perpendicular to the strain direction to be measured are combined. Specifically, it is preferably provided along the conductive path.
[0019]
The sensing materials of the first and second sensors can have a form of a molded body of a polymer material having a conductive path. In this case, a sensing material using a known polymer material molding method such as a pultrusion molding method, a mold molding method, a hot press method, an autoclave method, a resin transfer molding (RTM) method, or a sheet molding compound (SMC) method. Can be formed.
For example, when the sensing material of the first sensor is provided with a polymer matrix, a slurry in which conductive particles are dispersed in an uncured polymer material is prepared, and the slurry on the fiber material is dipped. It can be obtained by supplying by the method and curing. In order to increase the compounding ratio of the conductive particles in the conductive path, it is necessary to disperse the particles in a high concentration in the uncured polymer material. For this purpose, an organic solvent for suppressing an increase in viscosity of the uncured polymer material can be used. The organic solvent only needs to be compatible with the uncured polymer material, and for example, methyl ethyl ketone, acetone, styrene monomer, and the like can be selected. When the polymer material matrix is not provided, only conductive particles are dispersed in the solvent.
In the first sensing material, the blending ratio of the conductive particles is preferably 20 vol.% Or more with respect to the total amount (volume) of the polymer material and the conductive particles. If the content is less than 20 vol.%, A remarkable expression of the residual resistance phenomenon cannot be expected, so that the performance exceeding the conventional residual rate of 60 vol% cannot be achieved, and the expression distortion cannot be reduced to 0.05% or less. More preferably, it is 50 vol% or more, and further preferably 80 vol% or more. For example, if the blending ratio is 60 vol% or more, the residual ratio of the residual resistance phenomenon can be 80% or more, and the expression strain can be further reduced to 0.05%. Furthermore, if the blending ratio is around 100 vol%, the residual ratio of the residual resistance phenomenon can be made 95% or more, and the expression strain can be reduced to 0.02% or less. In addition, when a mixture ratio is 100 vol%, it becomes a sensing material form which does not have a polymer matrix.
[0020]
Further, for example, the sensing material of the second sensor can be obtained by supplying uncured polymer material slurry to a linear or cloth conductive fiber by dipping or the like and curing it. In addition, as described later, at this time, tension can be applied to the conductive fiber using various molding methods.
In the second sensing material, the volume ratio of the conductive fibers in the total amount of the polymer material and the conductive fibers is preferably, for example, 50 vol.% Or less. This is because if it exceeds 50 vol.%, The increasing tendency of the resistance change rate due to the breakage of the conductive fiber is reduced and the occurrence of the residual resistance phenomenon is suppressed. More preferably, it is 30 vol.% Or less. For example, if the volume ratio is 12.5% or less, the residual ratio can be increased to 90% or more, and the strain of the residual resistance phenomenon can be reduced to 0.05%.
[0021]
(Coating layer)
These sensing materials preferably include a coating layer formed of an insulating polymer material. According to this insulating coating material, a stable sensing function can be expressed by electrically insulating the conductive composite material responsible for the sensing function from the structure to be applied or its surrounding environment. For example, in application to steel-based structures, it is indispensable to insulate from highly conductive steel materials, and in embedding in concrete, conductivity is affected by the effects of moisture in the concrete. Necessary to prevent change.
[0022]
Examples of the polymer material used for the insulating coating material include polyester, polypropylene, acrylic, nylon, polyethylene, polystyrene, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, polyvinyl alcohol, polysulfone, polyacetal, polyurethane, polyformal, polybutyral, Polyamide, polycarbonate, polyvinyl acetate, copolymers of two or more of the above polymers, fluorine resins, silicone resins, epoxy resins, and vinyl ester resins can be used. Moreover, as a fiber material used for this insulating resin molding, insulating fibers, such as glass fiber, a vinylon fiber, an aramid fiber, a silicon carbide fiber, an alumina fiber, can be used, for example.
[0023]
In applying the coating layer, a molding method such as a pultrusion method, a mold forming method, a hot press method, an autoclave method, a resin transfer molding (RTM) method, or a sheet molding compound (SMC) method can be employed. .
[0024]
(Tension load on the second sensor)
The second sensor can be preliminarily imparted (acted) with a conductive path tension at the time of sensor manufacture. The tension load can be applied, for example, during molding using a polymer material. Therefore, tension can be applied when holding the conductive path in the polymer material matrix and / or when forming the coating layer.
The tension load is preferably set to a stress or strain in the vicinity of a transition from a linear relationship to a nonlinear relationship in the relationship between the rate of change in resistance of the sensor and the tensile strain when the tensile stress is increased. In the stress or strain range showing a linear relationship, the conductive path exhibits elastic deformation behavior, and therefore, the effect of reducing the strain appearing in the residual resistance phenomenon is small even when the tension in the range is applied. In addition, it is not preferable that the tension is applied exceeding the stress or strain range in the vicinity of the nonlinear relationship because the strain range until the subsequent conduction path breaks becomes small.
[0025]
In applying the tension, for example, a hot press method can be employed. Moreover, in order not to recover the tensile deformation when the tension is released after the polymer material is cured, it is preferable to cure the polymer material by applying a tension only to the conductive fiber. In order to suppress the relaxation of tensile strain, it is preferable to integrally mold with a polymer material matrix containing insulating fibers, and it is preferable to reduce the volume ratio of the conductive fibers.
[0026]
The two types of sensing materials obtained as described above have various forms depending on the form of the fiber material used, the polymer material matrix, and the coating layer. The form of the sensing material is not particularly limited. For example, a linear shape, a planar shape, a tube shape, or a designed two-dimensional or three-dimensional shape can be taken.
[0027]
A method for measuring the conductivity or resistivity of these sensing materials is not particularly limited, and a two-terminal method or a four-terminal method is employed. Although the resistivity of the conductive composite material varies depending on the material, the first sensing material has a relatively high resistivity and can be measured by the two-terminal method. On the other hand, the second sensing material has a relatively low resistivity and may require measurement by the four-terminal method. In addition, as the direction of measuring the conductivity, it is preferable to pay attention to the directionality of the strain acting on the structure to be monitored and to match the direction in which the strain acts.
[0028]
The electrode installed for the conductivity measurement is not limited with respect to the material and fixing method. For example, a metal wire such as copper or silver can be selected as the electrode material, and soldering or conductive paste is used as the fixing method. Can be fixed or fixed with crimp terminals. Further, when the conductive composite material is in the form of a thin film, thin film formation by metal vapor deposition, sputtering, or the like can also be employed as a method for installing the electrode. However, since the conductive composite material includes a polymer material, a method that can be fixed at a temperature lower than the heat resistant temperature is preferable.
[0029]
In the first sensor, the maximum strain sensor manufactured as described above is based on the conductive particle form and / or the mixing ratio of the first sensor. In the second sensor, the conductive path is determined according to the mixing ratio of the conductive fibers. It is configured to have a residual ratio of the residual resistance phenomenon that is effective in maintaining the conductivity corresponding to the maximum value of the strain acting on. According to these sensors, it is easy to configure such that the residual ratio (the ratio of the amount of change in conductivity to be retained) exceeds 60%. More preferably, it is 80% or more, more preferably 90% or more, and most preferably 95% or more.
Similarly, the conductivity of the continuum changes with respect to the strain acting on the conductive path, and after the strain is removed, at least a part of the changed conductivity change before the strain removal is retained and the strain is reduced. It can also be said that the amount of change in conductivity retained and retained is increased in accordance with the maximum value.
And a sensor capable of storing information on the maximum strain in the sensor itself by changing the conductivity or resistivity with respect to the maximum value of the strain and at least part of which remains permanently after the strain is removed. You can also
[0030]
Such a sensor of the present invention is installed in a structure to be monitored. Thereby, a structure provided with the sensor is provided.
Although the material of the structure used as this object is not specifically limited, A concrete structure is mentioned as an example in a social infrastructure structure.
In this case, the form of installation differs depending on whether a new structure or an existing structure is assumed. In application to an existing structure, a sheet shape is assumed as the form of the maximum strain sensor, and the maximum strain sensor is installed in a form to be attached to the surface of the structure.
[0031]
When the sensor is in the form of a sheet, it can have a form that can be attached to the surface of the structure. In this case, when constructing a new structure, not only can it be applied to the surface of a steel structure or concrete structure, but also the existing structure can be monitored only by attaching it to the surface of the structure. And can. In addition, for surface sticking to the structure, an adhesive method or a mechanical jig method such as screwing can be selected, and when bonding to the structure, it is optimal for bonding to the structure. A polymer material matrix or a coating resin material can be selected.
[0032]
Moreover, when making a sensor into a rod shape, it can have a form which can be embedded inside a structure. In this case, when constructing a new structure, it can be embedded in, for example, a concrete structure, and has a reinforcing function by using high-elasticity and high-strength long fiber reinforced plastics for the above polymer material matrix and coating layer. The self-diagnosis function that the structural material itself performs the sensing function can be achieved.
[0033]
Furthermore, when embedding in concrete, applying the pre-tension to the second sensing material composed of conductive fibers such as carbon fibers to the structure provides the maximum strain memory function. It is valid.
At the same time, it contributes to improving the strength characteristics of concrete structures. This is because a concrete structure generally has a high strength against compressive deformation but a low strength against tensile deformation. In addition, the improvement of the tensile strength by the technique of introduce | transducing a reinforcing bar into a concrete structure is aimed at. By embedding in the state that pre-tension is applied to the reinforcing steel to be embedded, and releasing the tension after the concrete is hardened, the compressive stress acts on the concrete, and the strength against tensile deformation can be improved. Yes.
[0034]
Note that the direction in which the maximum strain sensor is installed can be measured with higher sensitivity by matching the conductivity measurement direction of the conductive composite material with the strain direction that is assumed to act on the structure. I can expect.
[0035]
This sensor can be applied to various structures, but it is also suitable for application to steel-based structures in addition to the concrete structures described above as social infrastructure structures. Materials and composite materials are also preferable applications because it is an important structure to grasp the maximum strain.
In these cases, a sheet shape is assumed as the form of the maximum strain sensor, and the maximum strain sensor is installed on the surface of the structure. According to this installation form, it is possible to install not only a newly constructed structure but also an existing structure. In attaching to the surface of the structure, fixing with a resin-based material with an adhesive, mechanical fixing with a jig such as a screw, nut, or bolt, and a combination of both are assumed. In any case, since it is required to accurately transmit the deformation of the structure to the sensor, the adhesive is required to have high elasticity and high adhesive strength, and high fixing strength is required even for mechanical fixing.
[0036]
As an embodiment of monitoring in a structure in which the maximum strain sensor is installed, periodic measurement or measurement according to necessity is assumed. When attempting to monitor the maximum strain using a strain gauge as a conventional technology, install this strain gauge in the structure, and always install a measurement system, data storage device, and power supply (wiring) to continuously collect data. It was necessary to continue. On the other hand, when this maximum strain sensor is installed, the sensor itself has a function to store the maximum strain information. Therefore, in addition to this sensor, anything such as a measurement system or a data storage device is always installed. There is no need to carry out monitoring, and monitoring is possible by carrying a measuring instrument periodically or only when necessary. This not only saves energy but also significantly reduces the running costs required for monitoring, and is extremely versatile without being limited by the space and installation environment where measurement equipment is permanently installed. Can be built.
[0037]
As described above, the sensor of the present invention is characterized in that the conductive path has a function of permanently storing a change in conductivity with respect to the maximum strain and storing information on the maximum strain by the sensor itself. . As a result, the maximum strain that has acted on the structure is stored and stored in the installed sensor itself, and there is a need to perform continuous measurement, data storage, and analysis with a measurement device connected to this sensor at all times. Disappear.
Therefore, information on the maximum value of the strain applied in the past can be obtained only by measuring the conductivity of the sensor periodically or as necessary. As a result, it is possible not only to be deployed as a highly versatile technique without being restricted by space and weight related to the installation of measuring equipment, but also to greatly reduce the operation cost. Furthermore, since the rate of conductivity change remaining for this maximum strain, that is, the rate of conductivity change remaining after strain removal is high compared to the conductivity change at the time of strain action, stress / strain acts on the structure. It is possible to accurately detect the information on the maximum strain even in a situation as it is or in a situation where the stress is removed and a strain due to plastic deformation remains.
[0038]
【Example】
DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments embodying the present invention will be described with reference to FIGS. These examples are intended to specifically describe the present invention, and the present invention is in no way limited by these examples.
[0039]
In the following examples, two types of sensors, a second sensor having a conductive path made of carbon fiber as a conductive fiber and a first sensor having a conductive path made of conductive particles, are manufactured. A demonstration test was conducted by a tensile test.
[0040]
(Example 1: Conductive composite material composed of carbon fiber)
[Fabrication of maximum strain sensor]
A structural schematic diagram of the
The
[0041]
Hereinafter, a manufacturing process of the
First, a PAN-based carbon fiber filament was selected as the
[0042]
Although the
[0043]
[Performance verification test by tensile test of maximum strain sensor]
The
[0044]
[Test method]
A tensile test was performed on the produced maximum strain sensor for a tensile test using a hydraulic fatigue test apparatus. A schematic diagram of this tensile test system is shown in FIG. In this tensile test, the maximum strain sensor is fixed by applying a compressive force to the grip portion. After grip-fixing the maximum strain sensor, a constant current is applied to the two electrodes from the conductive composite material, and the voltage drop between the electrodes is measured, that is, the conductivity of the conductive composite material is determined by the two-terminal method. Measured. In this tensile test, the load acting on the maximum strain sensor was measured with a load cell, and the acting tensile strain was measured with an extensometer. In all experimental results shown in this example, this change in conductivity is the initial resistance value R. 0 Resistance change during stress action ΔR = RR 0 Resistance change rate ΔR / R 0 As shown. Furthermore, the tensile resistance was not applied to the composite material in the steel pipe of the grip part, and the measured resistance change rate was corrected on the premise that the tensile strain acts only on the composite material between the grips.
[0045]
In this tensile test, two types of loading patterns were applied as loading methods. First, as a monotonic tensile test, the tensile strain was gradually increased at a constant speed by displacement control from the time of zero load and tensile strain to the final fracture. As a result, the relationship between the tensile strain and the change in electrical conductivity and the relationship between the tensile strain and the stress were grasped, and the basic data for determining the introduction amount of the pretension was obtained while optimizing the volume ratio of the carbon fiber. Next, with the pre-tension applied as a reference, a test was performed in which repeated tensile stress was applied with the peak load increased stepwise, and the applied tensile strain and conductivity change were measured as a function of time, The response to the maximum value of tensile strain was evaluated.
[0046]
[Test results]
First, the result of the monotonic tensile test is shown in FIG. In this test, evaluation was performed on a maximum strain sensor with a volume ratio of 7.5 vol.% And 22.5 vol.%. In the stress-strain diagram shown in (a), there is a linear relationship between tensile stress and tensile strain, and the tensile strength at break and the elastic modulus corresponding to the slope of the carbon fiber volume fraction decrease. However, the fracture strain is almost the same. On the other hand, a nonlinear relationship was obtained in the tensile strain dependence of the resistance change rate shown in (b). This behavior reflects the phenomenon of transition from elastic deformation of the carbon fiber to fiber breakage as the tensile strain increases. That is, up to about 1.0% tensile strain, the carbon fiber is elastically stretched and its resistance change is linear. When the pulling strain is further increased, the carbon fiber starts to be partially broken, and the resistance value greatly increases at the broken portion, so that the resistance change of the composite material as a whole increases nonlinearly. Since the rupture of the carbon fiber brings about an irreversible resistance change corresponding to the maximum strain, the higher the resistance change rate in this non-linear region, the more noticeable the residual resistance phenomenon for the maximum strain memory function appears. I can expect. From this result, a non-linear region showing a high resistance change rate when the volume ratio of the carbon fiber is low was obtained. The reason for this is considered to be that the contact between the carbon fibers decreases as the volume ratio of the carbon fibers decreases, and the influence of the fiber breakage at one place on the resistance change rate of the entire composite material increases.
[0047]
From the above results, a composite material having a low volume ratio of carbon fibers was selected as the maximum strain sensor. The composite material was subjected to a repeated tensile test under a condition where a pretension was applied. The results are shown in FIGS. From the results shown in FIG. 5, the amount of pre-tension introduced was about 540 MPa, and a condition in which a tensile strain of about 1.2% at which a nonlinear behavior began to appear in the resistance change rate was applied was used as a reference. After introducing the pre-tension, a holding time of about 10000 s was provided, and after confirming its stability, a tensile strain with a stepwise increase in the peak value was applied. It shows elastic deformation behavior, and after the unloading, the tensile strain has recovered up to the pre-tension, but its resistance change rate increases step by step, and the resistance change rate under load almost returns after unloading. Excellent residual resistance phenomenon was exhibited. As is clear from the results summarized as the relationship between tensile strain and resistance change rate, about 90% or more of the resistance change rate during loading remains even after unloading, and this residual resistance phenomenon is about 0.05% or more. It is clearly expressed with respect to the tensile strain. From the above results, it was demonstrated that an excellent maximum strain memory function can be achieved by introducing a pretension into a conductive composite material composed of carbon fibers.
[0048]
In order to quantitatively evaluate the storage accuracy of the maximum strain in this maximum strain sensor, the rate of change in resistance (ΔR max ) And the rate of change in residual resistance after unloading (ΔR res ) As a function of the maximum strain applied. For example, it is assumed that 35% is measured as the resistance change rate of the maximum strain sensor due to some deformation acting on the structure. In that case, the range of the tensile strain that can take the resistance change rate is limited to 0.717 to 0.742%. Therefore, the maximum distortion storage accuracy can be estimated to be about ± 1.7%. It is important to note that even if the structure remains deformed, this accuracy can be guaranteed regardless of the amount of residual stress and residual strain. When the residual rate is low as in the conventional technology, that is, this ΔR max And ΔR res When the interval is wide, the storage accuracy of the maximum distortion is greatly reduced. The high storage accuracy for the maximum strain demonstrated here is obtained by the high residual rate in the maximum strain sensor.
[0049]
(Example 2: Conductive composite material in which carbon particles are dispersed)
[Fabrication of maximum strain sensor]
A schematic diagram of the structure of the
The
[0050]
Hereinafter, the manufacturing process of the
As a method for producing the conductive
[0051]
The
[0052]
[Performance verification test by tensile test of maximum strain sensor]
The
[0053]
[Test method]
A tensile test was performed in the same manner as in Example 1 on the produced maximum strain sensor for tensile test. After gripping the maximum strain sensor, the conductivity of the conductive composite material was measured by the two-terminal method. Further, the load acting on the composite material was measured with a load cell, and the acting tensile strain was measured with an extensometer. In the experimental results shown in this example, this conductivity change is the resistance change rate ΔR / R. 0 The measured resistance change rate was corrected on the assumption that tensile strain acts only on the composite material between the grips. In this tensile test, as a loading method, a test was applied with repeated tensile stress with the peak load increased stepwise, and the applied tensile strain and conductivity change were measured as a function of time, and the maximum tensile strain was measured. Responsiveness to the value was evaluated.
[0054]
[Test results]
9 and 10 show the results of repeated tensile tests on composite materials having a volume ratio of 5%, 30% and 100% of the dispersed conductive particles. FIG. 9 shows the tensile strain applied to each composite material and the measured resistance change rate as a function of time. Further, the relationship between the applied tensile strain and the rate of change in resistance is shown in FIG. From this result, when the volume ratio of carbon particles is low, most of the resistance change rate at the time of loading returns to the initial value after unloading, whereas the volume ratio of carbon particles increases. Residual resistance phenomenon began to appear, and in the composite material having a volume ratio of 100 vol.%, The residual resistance phenomenon having an extremely high residual ratio was developed. From the result of (b), the residual resistance phenomenon appeared corresponding to the maximum value of tensile strain of about 0.02% or more, and the residual ratio reached 99% at the maximum.
[0055]
In order to grasp the relationship between the volume ratio of the dispersed particles and the residual resistance phenomenon in more detail, a repeated tensile test was performed on the composite material in which the volume ratio was further finely set and the action was performed as shown in FIG. The dependence of the residual rate on the maximum strain is summarized. From this result, it is possible to more clearly grasp the increase in the residual rate accompanying the increase in the volume ratio of the dispersed particles in the entire maximum strain range. It is inferred that this remarkable phenomenon is greatly influenced by the brittleness of the particle-dispersed matrix resin forming the conductive composite material. In addition, the embrittlement of the matrix is considered to be related to the particle morphology in addition to the high concentration dispersion. The carbon black dispersed here forms a structure called a structure in which fine particles having a particle diameter of 50 nm are chemically bonded to form an aggregate. DBP (Dibutyl Phtalate) absorption (JIS K6217) can be cited as an index indicating the degree of this structure (aggregation). The DBP absorption of the particles used in this example is 175 cm. Three / 100g. Since this chain structure is brittlely broken by the action of maximum strain, it may be possible to achieve this extremely high residual rate. From the above results, it was demonstrated that an excellent maximum strain memory function can be achieved by increasing the volume ratio of the conductive composite material in which carbon particles are dispersed in a matrix resin. It should be noted here that, unlike the case of the first embodiment, the maximum strain storage function can be achieved without surplus tension. Furthermore, the fact that the residual resistance phenomenon can be adjusted by adjusting the particle dispersion amount is very interesting from the viewpoint of monitoring technology. This is because it is possible to control the function of increasing the particle dispersion ratio when it is desired to store the maximum strain and decreasing the particle dispersion ratio when it is desired to reduce the residual resistance phenomenon for constant monitoring.
[0056]
In order to quantitatively evaluate the storage accuracy of the maximum strain in this maximum strain sensor, the rate of change in resistance (ΔR max ) And the rate of change in residual resistance after unloading (ΔR res ) As a function of the maximum strain applied. For example, it is assumed that 75% is measured as the resistance change rate of the maximum strain sensor due to some deformation acting on the structure. In that case, the range of the tensile strain that can take the rate of resistance change is limited to 0.912 to 0.931%. Therefore, the maximum distortion storage accuracy can be estimated to be about ± 1.0%. As described in the first embodiment, even when the structure remains deformed, it is important that this accuracy can be guaranteed regardless of the amount of residual stress and residual strain. Based on the above results, in the conductive composite material in which the carbon particles are dispersed in the matrix resin, the function of storing the maximum strain with high accuracy by operating from the low strain region by increasing the volume ratio of the particles is reserved. It has been demonstrated that it can be realized under conditions that do not require the introduction of tension.
[0057]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the sensor which enables the advanced soundness diagnosis of measuring the maximum value of the distortion which acted on the structure can be provided. As a result, whether or not the maximum strain applied exceeds the design tolerance of the structure for a structure in which damage or destruction of the steel structure or the fuselage constituting the aircraft in a social infrastructure structure is a problem. It is possible to show one of the indicators that make this determination, which not only greatly contributes to the improvement of its safety, but can also extend the life by accurate life judgment, so it is possible to make a huge amount of efficient structure operation Enables cost reduction and resource saving.
[0058]
Further, since this sensor has a feature that the sensor itself can store information on the maximum strain, it is possible to perform monitoring by regular or necessary measurement instead of constant monitoring in general structures requiring safety. Thereby, a simple and versatile monitoring system can be provided at low cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a structural schematic diagram of a maximum strain sensor made of a composite material composed of carbon fibers.
FIG. 2 is a structural schematic diagram of a maximum strain sensor composed of a composite material in which carbon particles are dispersed.
FIG. 3 is a diagram showing the entire maximum strain sensor for a tensile test.
4 is a schematic diagram of an evaluation system used for testing in Examples 1 and 2. FIG.
5 is a diagram (a) and (b) showing the results of a simple tensile test among the test results carried out in Example 1. FIG.
6 is a result of a repeated tensile test in which the peak load is gradually increased among the test results performed in Example 1, where the horizontal axis represents time and the vertical axis represents ΔR / R. 0 It is the graph which took the stress and distortion.
7 is a result of a repeated tensile test in which the peak load is gradually increased among the test results performed in Example 1, where the horizontal axis indicates strain and the vertical axis indicates ΔR / R. 0 It is the graph figure which took.
8 is a result for quantitatively evaluating the storage accuracy of the maximum strain among the test results performed in Example 1. FIG.
9 is a result of a repeated tensile test in which the peak load is gradually increased among the test results performed in Example 2, where the horizontal axis represents time and the vertical axis represents ΔR / R. 0 It is the graph figure which took and distortion.
10 is a result of a repeated tensile test in which the peak load is gradually increased among the test results performed in Example 2, in which the horizontal axis indicates strain and the vertical axis indicates ΔR / R. 0 It is the graph figure which took.
FIG. 11 is a result showing the influence of the dispersed particle volume ratio on the maximum strain dependence of the residual ratio among the test results carried out in Example 2.
12 is a result for quantitatively evaluating the storage accuracy of the maximum strain among the test results performed in Example 2. FIG.
[Explanation of symbols]
1 Maximum strain sensor made of composite material composed of carbon fiber
2 Sensing materials composed of carbon fiber
3 Insulating composite material composed of glass fiber
4 Glass fiber
5 Resin (polymer material)
6 Carbon fiber
7 Maximum strain sensor composed of composite material with dispersed carbon particles
8 Sensing materials with carbon particles dispersed
9 Insulating composite material composed of glass fiber
10 Glass fiber
11 Resin (polymer material)
12 Carbon particles (carbon black)
Claims (8)
前記センシング材料は、導電性粒子:高分子材料の体積比が80:20〜100:0の組成を有しており、
前記導電性粒子は、導電性微細粒子が凝集して形成された凝集体であり、
前記導電経路に作用した引張歪によって導電性が変化し、歪除去後も歪除去前の変化した導電性変化量の80%以上を永久的に残留保持することにより、残留最大歪に関する情報をセンサ自身に記憶させることができ、引張歪の最大値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、最大歪記憶型センサ。A sensing material having a conductive path by a percolation structure of conductive particles, and a coating layer made of an insulating material and covering the sensing material,
The sensing material has a composition in which the volume ratio of conductive particles: polymer material is 80:20 to 100: 0,
The conductive particles are aggregates formed by aggregation of conductive fine particles,
The conductivity changes due to the tensile strain acting on the conductive path, and after the strain is removed, information on the maximum residual strain is obtained by permanently retaining 80% or more of the changed amount of conductivity before the strain is removed. A maximum strain memory type sensor that can be stored in itself and is configured to increase the amount of change in conductivity that is retained according to the maximum value of tensile strain.
前記センシング材料は、高分子材料と導電性繊維との総量における導電性繊維の体積比率が7.5〜30vol%であり、
前記センシング材料には、張力が作用された状態が維持されており、
前記導電経路に作用した引張歪によって導電性が変化し、歪除去後も歪除去前の変化した導電性変化量の60%以上を永久的に残留保持することにより、残留最大歪に関する情報をセンサ自身に記憶させることができ、引張歪の最大値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、最大歪記憶型センサ。A sensing material having a conductive path by a conductive fiber, and a coating layer made of an insulating material and covering the sensing material,
In the sensing material, the volume ratio of the conductive fibers in the total amount of the polymer material and the conductive fibers is 7.5 to 30 vol% ,
The sensing material is maintained in a tensioned state,
The conductivity changes due to the tensile strain acting on the conductive path, and after the strain is removed, information on the maximum residual strain is obtained by permanently retaining 60% or more of the changed amount of conductivity before the strain is removed. A maximum strain memory type sensor that can be stored in itself and is configured to increase the amount of change in conductivity that is retained according to the maximum value of tensile strain.
前記導電性繊維に張力が作用した状態で作製する工程を備える、最大歪記憶型センサの作製方法。A method for producing a maximum strain memory type sensor comprising: a sensing material having a conductive path by a conductive fiber; and a covering layer made of an insulating material and covering the sensing material ,
A method for producing a maximum strain memory type sensor , comprising a step of producing the conductive fiber in a state in which tension is applied.
前記最大歪記憶型センサにおける導電性変化を検出する工程とを備える、引張歪の検出方法。Mounting the maximum strain memory type sensor according to any one of claims 2 to 5 in a state where tension is applied to the maximum strain memory type sensor;
Detecting a change in conductivity in the maximum strain memory type sensor.
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