2015 Fiscal Year Research-status Report
ＣＭＣの超高温環境下での損傷挙動を把握する光ファイバＡＥセンサシステム
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15K06457
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
岡部 洋二 東京大学, 生産技術研究所, 准教授 (90313006)
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2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 光ファイバセンサ / セラミックス基複合材料 / AE計測 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
CMC材料は軽量構造体における耐熱部材への適用が期待されているが、そのためには超高温環境下での損傷挙動を把握する必要がある。しかしながら、従来の圧電セラミックス製AEセンサでは、耐熱性や応答周波数帯域の問題から適用が困難であった。一方で、研究代表者らの開発してきた位相シフトFBG（PSFBG）を用いた光ファイバAEセンサシステムは、感度と広帯域性に優れ、しかもガラスで耐熱性にも優れている。そこで本研究では、本システムを超高温下でも計測できるように機能拡張をし、従来の計測手法では困難であった、複合材料の超高温下での損傷進展挙動を把握可能にすることを目的とする。
本年度は、まず、光ファイバAEセンサシステムについて、複合材料中の微視的損傷に伴うAE信号の検出性能を評価した。その結果、PSFBGセンサは従来のAEセンサと同等の感度を有し、しかも広帯域にわたって軸方向ひずみの変動を計測可能であることがわかった。これは、本システムによる計測波形の解釈が容易となることを意味している。よって、ガイド波のモード理論に基づいた波形解析を行なうことで、AE信号の発信源となる損傷の形態を判断できると考えられる。本年度はCFRP積層板への適用を試みた結果、内部に発生する典型的な損傷形態を、AE信号の波形解析によって判別可能となった。
一方でシステム開発では、光ファイバセンサ特有の、わずかな温度変化によっても出力に変動が生じてしまうという欠点の克服に取り組んだ。その結果、外乱による光波長変動を、レーザー光源の出力波長を調整することで自動補正する、フィードバック制御システムを構築することができた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初の計画では、初年度は、(1) 光ファイバセンサシステムのCMC用AEセンサとしての性能評価、(2) 外乱に対してロバストな自己補正機能の構築、(3) AE計測波形とCMC中の損傷形態との関連性を解明、の3点を達成目標としていた。実際には、材料入手の面からCMC材料を直接対象とすることが困難であったが、研究実績の概要に記載した通り、CFRP複合材料については上記3点を達成することができた。それらの結果は、対象とする複合材料が変わっても、同じく適用可能であると考えている。
中でも、これまでのシステムにフィードバック制御を付与することで、ロバストな自己補正機能を持たせられた点は、温度変化の大きな環境での実験を遂行する上で極めて有効であり、二年目以降の研究計画の土台を固められたと考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度考案した、光ファイバによる遠隔AE計測法について、実際に高温環境下にある複合材料のAE計測が可能であるかどうかを評価する。まずは、石英製光ファイバが溶融しない温度までの範囲で、計測可能性を評価する。その後、CMC材料の適用が期待される超高温での計測を試みる。そのためには、光ファイバ自体が溶融しないように、耐熱性の極めて高い素材で作製された光ファイバを導入することを試みる。また、平行して、伝熱性に優れた光ファイバ用金属コーティングの適用も検討する。以上により超高温環境でのAE計測を実現する。
一方で、本年度に計測対象とした複合材料は、CFRP積層板のみであったため、次年度以降はCMCを対象とした計測へとステップアップしていく。ただし、AE計測波形と損傷形態の関係を明らかにするためには、対象材料の力学的特性と内部構造に依存した超音波伝播挙動を把握しておく必要がある。そのため、まずは三次元織物構造内のAE波伝播特性を、主にガイド波の理論解析に基づいて明らかにする。
そして最終的には、実環境の超高温に曝されたCMC材に荷重を付与し、その損傷進展プロセスをリモートAE計測に基づいて解明していく。
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