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NEDO PJ

自己診断材料の開発




マトリックス樹脂中に炭素粒子を分散させた長繊維強化複合材料(FRP)は、変形に対して極めて敏感な抵抗変化を示します。さらに、分散させる粒子の形態・体積割合およびマトリックスの熱処理条件を最適化することにより、負荷−除荷後に不可逆的な抵抗変化が発現することを見出しました。この残留抵抗現象を応用することにより、過去に作用した歪の最大値を複合材料に記憶させることが可能となります。これによりデータ計測・収集機器の常設によるモニタリングの継続が不要となり、シンプル且つ低コストな健全性診断技術を提供することができます。


自己診断材料の写真(左)、センシング部(神経に相当)の構造説明図(中)、最大歪記憶性能の図(右)。自己診断材料は、過去に受けた歪み(損傷、打撲の度合に相当)を、材料自らが電気抵抗の変化(残留抵抗と呼ぶ、神経における痛みに相当)で記憶しているという、極めて特異な機能を有しています。自己診断材料を建物の中に入れておけば、地震後の建物の損傷度合を評価することができます。




最大歪メモリ機能のメカニズム





最大歪記憶センサ





表面取り付け型変位計の開発


・ 汎用的な変位計への適用
・ バネを介して変位を歪みとして伝達
・ ばね定数の選択で許容変位を調整
・ 初期張力導入による感度の向上





木造建築物の損傷検知への適用


梁の浮き上がりの計測
・表面取り付け型変位計
・回転を許容する機構
柱の回転の計測
・大変形追従
・大型のセンサを用いた簡易な取り付け



社会基盤構造物の安全維持管理



自己診断材料の適用場所のイメージ図



自己診断材料(センサ)による計測システムのイメージ図



提供可能な自己診断材料のサンプル例





国立科学博物館に展示したパネル


神経
 神経は、あらゆる動物に見られる組織で、神経が属する部位(例えば腕)が動くとか痛いとか感じる情報伝達を行う役割を担っています。もし、腕の中の神経がなくなってしまえば、それが動いたことは目でみないと分からないでしょう。神経が入っていれば、目をつぶっていても腕を動かすことができるし、また人にぶつかって痛いと感じることもできます。打撲傷でなかなか痛みが消えない場合にはお医者さんに行って治してもらうという行動にも出られます。

  もし、神経がなくてそのまま生活してしまったら、腕に無理がかかってダメになってしまうかもしれません。それほど神経はとても動物にとって重要な役割をしています。建物とか機械とかの人工物には、基本的には神経に相当するものは入っていません。長く安全に建物などを使うには、その材料の中に神経のようなものを入れてみるという技術が、とくに地震の多い我が国で開発されつつあります。
神経が入っているので安心・安全

今後どのような技術が開発されるか
 トンネル、高架橋、ビルなどの大型構造物にこの自己診断材料をいれておけば、大きな地震が来たとき、自己診断材料の電気抵抗を測れば、それらの構造物がどれだけ損傷(ダメージ)を受けているか、今後も安全に使えるか、修理あるいは建て直しが必要かを正確に判断することができます。これからの時代では、なかなか新しい構造物を建てられない時代になっていきますので、そのような検査(チェック)技術が私達の生活の安全を守ってくれるという重要な役割が課せられています。


謝辞 本研究は、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)の支援を受け、基盤技術研究促進事業の一環として実施した成果です。





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NEDO PJ

長繊維強化複合材料による最大歪 / 累積歪メモリセンサ


技術のポイント

長繊維強化複合材料の導電性変化より、作用した歪の履歴(最大値・累積値)を記憶するスマートセンサを開発

基礎研究


背景
建築土木系インフラ構造物等の安全維持管理のため、健全性(損傷状況)診断技術へのニーズの高まり。

目的
構造体に作用する歪の履歴を、構造体の構成材料自らがセンシング・メモリする自己診断材料の開発。

成果



今後の展開
最大歪メモリ :残留率増加 ⇒ 記憶精度向上
累積損傷メモリ :累積歪10万回以上の疲労診断
スマートセンサとして実用化

謝辞 本研究は、経済産業省の基盤技術研究促進事業の一環としてNEDOの委託を  受けて実施したものである。





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NEDO PJ

長繊維強化複合材料による最大歪メモリセンサ


技術のポイント

歪に応答して導電率が変化する複合材料に、歪の最大値のみを記憶する機能を付与

基礎研究


背景
最大歪を記憶するセンサの実現により常時計測(電源)の不要な診断システムが構築でき、地震後の構造物診断などに貢献すると期待。

目的
歪に対する導電性変化に不可逆性をもたせ残留抵抗値として最大歪を記憶させるべく、高分子の炭素化プロセスを導入。その機構を探究。

成果
90%
達成度
(1) マトリックス(高分子)の炭素化によりメモリ機能を発現。
(2) メモリ機能をもたらす「残留抵抗現象」の機構
引張残留応力(長繊維+炭素化マトリックス)+粒子分散(パーコレーション)の効果。


図1. センサの構造と外観

図2. 炭素化温度依存性とメモリ機能の機構


今後の展開
低歪領域の感度特性向上(シート型)
センサの性能分布改善(実測歪との差:±8%)
構造体への適用拡大

謝辞 本研究は、経済産業省の「基盤技術研究促進事業」の一環としてNEDOの委託を受けて実施したものである。





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NEDO PJ

最大歪記憶センサ開発と構造物健全性診断


技術のポイント

最大歪記憶センサを非接触計測システムと組合わせ、建築土木構造物の健全性診断へ応用

実用化研究


背景
建築土木系インフラ構造物等の健全性(損傷状況)を簡便・迅速に 診断する技術へのニーズ大。

目的
変形履歴を記憶するセンサを非接触計測ユニットと連動させた計測 システムを構築、さらに構造体への適用性を実証。

成果
90%
達成度
(1) 非接触計測システム(通信距離:100cm以上)の構築。
(2) デモンストレーターによるセンシング・メモリ機能の実証。
(3) 実構造体への適用・モニタリングの継続。


図1. 研究概要図

図2. デモンストレーション試験
図3. 実構造体への適用例


今後の展開
センサの性能分布改善
各種センサ構造のデバイス開発
製品化への展開

謝辞 本研究は、経済産業省の「基盤技術研究促進事業」の一環としてNEDOの委託を受けて実施したものである。



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