| 研究課題/領域番号 |
18H01332
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
岡部 洋二 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (90313006)
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| 研究分担者 |
齋藤 理 東京大学, 生産技術研究所, 助教 (00795130)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | 超音波非破壊検査 / 高温環境 / 可視化 / 耐熱複合材料 / 健全性診断 |
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| 研究実績の概要 |
本研究では、耐熱複合材料の高温環境における健全性を高い信頼性で診断することを目的とし、高温状態でも超音波ガイド波の伝播挙動を可視化できるシステムを構築するとともに、複合材の内部損傷が高温でのガイド波伝播挙動に及ぼす影響を理論解析によって明らかにする。
2020年度は、まず、光ファイバ保護被覆の耐熱性を向上させるため、新規被覆材料として金属酸化物を選択し、石製ガラス製の光ファイバへの付与を試みた。その結果、被覆を極めて薄くした場合には、セラミックス製の円管に曲率半径10cm程度で巻き付けた状態で約700℃の高温に曝しても、光ファイバが破断せずに適切に保護できることがわかった。さらに、その光ファイバに沿って1MHzまでの広帯域にわたる超音波を伝播させたところ、減衰がやや大きくなっていたが、光ファイバ中のPSFBGセンサで的確に受信できていた。よって、この高耐熱性被覆を施した光ファイバは700℃レベルの高温環境でも超音波ウェーブガイドとして機能することが確認できた。
次に、PSFBGセンサ自体の耐熱性を高め、センサ部を遠隔設置では無く高温環境に直接設置可能にするために、PSFBGにアニーリングを施して高耐熱性の再生PSFBGを形成してみたところ、超音波受信感度が大きく低下していた。そこで、その高感度化を図るために、まず、PSFBGの反射光スペクトルをシミュレーションするための理論解析プログラムを構築した。そして、そのPSFBGの設計パラメータを変えながら理論解析シミュレーションを実施した結果、再生PSFBGセンサの高感度化に適したパラメータ設定方針を明らかにすることができた。今後は、この結果に基づいて、実際に高感度な高耐熱性の再生PSFBGセンサの試作を進める。
以上の通り、2020年度において、ロバスト性の高い高温環境用超音波可視化システムを完成させる準備が整った。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
まず、高温環境での超音波伝播の可視化計測システムについては、実際に基本的な計測システムを構築し終わり、1000度の高温状態においても、板材における超音波ラム波の伝播挙動を可視化可能にするとともに、人工欠陥からの反射波を明確に観察することに成功している。それに加え、実用面でのロバスト性を高めるため、高耐熱性光ファイバ被覆の構築を行うとともに、センサ部を高温環境に直接設置可能にするための高感度な再生PSFBGの開発にも着手できている。
ただし、当初は、異方性の耐熱CMCを対象として計測実証を行う予定であったが、現在も入手が困難であるため、今後は入手可能な耐熱C/Cコンポジットを検査対象に変更して研究を進めることにする。
次に、超音波ガイド波の伝播挙動の理論計算では、半解析的有限要素法に基づいて、異方性複合材料構造におけるラム波のモード分散性を把握可能にし、数値解析では、有限要素解析法において、衝撃損傷部を剛性低下によってシンプルにモデル化することで、衝撃損傷がラム波伝播挙動に及ぼす影響を評価可能にした。さらに、理論解析手法に温度の影響を考慮するため、温度の影響を最も強く受ける検査材料の弾性係数の変化を、高温環境で計測したレーザー超音波の伝播速度から理論的に逆算する手法も確立できている。
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| 今後の研究の推進方策 |
2020年度において、高耐熱性の再生PSFBGセンサの高感度化を図るため、理論解析シミュレーションに基づいて最適な設計パラメータを検討した。そこで2021年度は、その検討結果に基づいて、実際に高感度な再生PSFBGセンサを試作する。これにより、高温環境下の構造物にセンサをダイレクトに設置可能にした上で、超音波可視化実験を行う。その際には、高耐熱性複合材料を計測対象とするが、現在もCMCを入手することが困難な状況にあるため、CMCに代わり、C/Cコンポジットを用いて超音波伝播の可視化を試みる。これにより、C/Cのミクロな不均一性や異方性が超音波伝播に及ぼす影響を確認するとともに、1000℃レベルの高温環境で、C/C内部の微視的な欠陥を検出することを試みる。
一方で、高温環境下でのラム波伝播挙動を理論解析でも明らかにするため、これまでに、高温状態で計測したレーザー超音波の速度から、等方性材料の弾性係数の変化を算出することを試みてきた。本年度はさらに、異方性材料の表面上で任意の直線方向に沿ってレーザー照射点を走査しながらラム波の送受信計測を行うことで、一次元空間上の位置と時刻の2次元波形データを取得する。その後、それをフーリエ変換することでラム波の分散特性をより正確に求め、異方性材料の温度に依存した複雑な弾性特性の変化を調べる。そして、その関係に基づいて、温度の影響を考慮した異方性複合材料中のラム波伝播挙動の理論解析手法の確立に取り組む。
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