CFRP積層板の構造ヘルスモニタリング:90度層クラック検出・抑制システムの構築

2001 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13450397
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 武田 展雄 東京大学, 大学院・新領域創成科学研究科, 教授 (10171646)
• 研究分担者: 岡部 朋永 独立行政法人産業技術総合研究所, 研究員 ; 岡部 洋二 東京大学, 大学院・新領域創成科学研究科, 助手 (90313006)
• キーワード: 炭素繊維強化プラスチック / 光ファイバ / FBGセンサ / 90度層クラック / 反射光スペクトル / クラック発生抑制 / 形状記憶合金

研究概要

本研究では、炭素繊維強化プラスチック(CFRP)複合材料の損傷過程において、特に、初期段階で発生する90度層中のクラックに対し、自己検知・抑制できる構造ヘルスモニタリングシステムを構築することを目的とする。
クラックの検知は積層板中に埋め込んだ、新規開発中の細径(外径52μm)FBG光ファイバセンサで行った。CFRP積層板の90度層中にクラックが発生すると、隣接した層中のひずみ分布も不均一になる。そのため、隣接層中に埋め込んだFBGセンサからの反射光スペクトルも変化するので、この現象を利用することでクラック検出が可能となる。筆者らは既に、通常の太さのFBGセンサについてこのクラック検出法を確立しており、本研究においてはこの方法を、細径FBGセンサで実現させた。この方法により、基本的な直交積層板に加え、一般的な擬似等方性積層板に適用することに成功した。
次に、クラック発生・進展の抑制は、層間に埋め込んだ形状記憶合金箔(厚さ40μm)で行った。これは、温度を上げると形状記憶効果によって発生する回復応力(収縮応力)を利用するもので、これによってクラックの発生ひずみを遅らせ、さらにはクラックの増加も低く抑えることを試みた。形状記憶合金箔をCFRP直交積層板中に埋め込み、これを、恒温漕付き引張試験機を用い、様々な温度環境中で引張試験を行うことで実験的に検証した。それと同時に、この効果をBrinsonモデルとShear-lag解析を用いて理論的に定式化することに成功した。さらに、これらの実験結果と理論解析結果から、形状記憶合金箔の回復応力を効率よく利用できるための最適な埋込位置と枚数、予ひずみ量、上昇温度等を検討した。

研究成果

• [文献書誌] 武田展雄, 岡部洋二: "光ファイバセンサを用いた複合材料のヘルスモニタリング技術"日本機械学会論文集(A編). 67巻655号. 24-29 (2001)
• [文献書誌] S.Ogihara, S.Kobayashi, N.Takeda: "Effect of Embedded SMA Fibers on the Damage Progress in Composite Laminate"JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE LETTERS. 20. 1139-1141 (2001)
• [文献書誌] N.Takeda, D.Y.Song, Y.Okabe: "Recent Advances in Structural Health Monitoring of Smart Composite Systems in Japan"MATERIALS SCIENCE RESEARCH INTERNATIONAL. Special Technical Publication. 72-77 (2001)
• [文献書誌] T.Ogisu, N.Ando, J.Takaki, T.Okabe, N.Takeda: "Improved Surface Treatment of SMAFoils and Damage suppression of SMA-Foil EmbeddedCFRP Laminates"JOURNAL OF INTELLIGENT MATERIAL SYSTEMS AND STRUCTURES. Vol.12・4. 265-270 (2001)
• [文献書誌] N.Takeda: "Recent Advances in Structural Health Monitoring in Japanese Smart Material/Structure System Project"NONDESTRUCTIVE CHARACTEERIZATION OF MATERIALS X. 11-18 (2001)
• [文献書誌] J.B.Park, T.Okabe, N.Takeda, W.A.Curtaion: "Electromechanmical Modeling of Unidirectional CFRP Composites Under Tensile Loading Conditon"COMPOSITES. Part A・33. 267-275 (2002)
• [文献書誌] N.Takeda: "Characterization of Microscopic Damage in Composite Laminates and Real-time Monitoring by Embedded Optical Fiber Sensors"INTERNALTIONAL JOURNAL OF FATIGUE. 24. 281-289 (2002)
• [文献書誌] N.Takeda: "Summary Report of the Structural Health-monitoring Project for Smart Composite Structre Systems"ADVANCED COMPOSITE MATERIALS. Vol.10・2 No.-3. 107-118 (2001)