JP2000321169A - Composite material and monitoring method for damage of the material - Google Patents
Composite material and monitoring method for damage of the materialInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、複合材料により構
成される構造部材が損傷を起こして破壊に至る初期現象
を把握し、破損を未然に防ぐことのできる複合材料およ
びその材料損傷の監視方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a composite material capable of grasping an initial phenomenon that causes damage to a structural member composed of the composite material and leading to destruction, and preventing damage beforehand, and a method of monitoring the damage of the composite material. About.
【０００２】[0002]
【従来の技術】近年、軽量で高強度のプラスチック系複
合材料を用いた構造部材が種々の機械、構造物において
採用されるようになってきており、特に航空機の構造部
材に採用された場合には、試験片としての複合材料の試
験のみでは安全性が万全とは言い難く、これらの複合材
料を用いた実際の構造物の健全性を常時監視するため、
各種センサを複合材料中に埋設するスマートストラクチ
ャの概念が近年提唱されてきている。2. Description of the Related Art In recent years, structural members using a lightweight and high-strength plastic-based composite material have been used in various machines and structures. It is difficult to say that the safety of a composite material as a test piece alone is not perfect, and to constantly monitor the soundness of actual structures using these composite materials,
In recent years, the concept of a smart structure in which various sensors are embedded in a composite material has been proposed.
【０００３】このようなスマートストラクチャの提唱に
よって、例えば、複合材料中に石英製の光ファイバを埋
設して複合材料の破壊による光ファイバの破断を検出す
るように構成したものや、低弾性率のプラスチック光フ
ァイバを複合材料に埋設して複合材料のクラック発生に
伴う応力場の変化を捉えるように構成したもの、あるい
は特開平８−１５２０８号公報に開示されたような、複
合材料にＮｉＴｉ形状記憶合金の細線を埋設した後、該
細線に通電し、マトリックス材料に亀裂や損傷を生じた
際の電気抵抗変化を捉えるように構成したもの等が提案
された。According to the proposal of such a smart structure, for example, a structure in which a quartz optical fiber is embedded in a composite material to detect breakage of the optical fiber due to breakage of the composite material, A plastic optical fiber is embedded in a composite material so as to capture a change in a stress field caused by cracking of the composite material, or a NiTi shape memory is added to the composite material as disclosed in JP-A-8-15208. A method has been proposed in which a thin wire of an alloy is buried and then a current is applied to the thin wire so as to capture a change in electric resistance when a crack or damage occurs in the matrix material.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の監視方法では、光ファイバの破断や材料損傷
に基づく細線の電気抵抗の変化を捕捉すべく構成されて
いて、すなわちセンサそのものの物理的変化を対象とし
て複合材料の監視が行われている。したがって、本来、
材料の損傷検出において最も重要である初期損傷、すな
わち材料において破壊に至る前段階での歪み場の変化を
把握するには、未だ不充分な監視方法であった。しか
も、前記光ファイバを複合材料に埋設したものは、複合
材料積層板に特有の破壊モードであるトランスバースク
ラック発生を検知する手法であるが、これらにおいて埋
設される光ファイバは、強化繊維に比べて非常に径が大
きく、複合材料の機械的特性を低下させると考えられる
他、材料のトランスバースクラック発生の検知は、目視
による損傷検知と感度上差がないという問題点があっ
た。However, such a conventional monitoring method is configured to capture a change in electrical resistance of a thin wire due to a breakage of an optical fiber or damage to a material, that is, a physical sensor of the sensor itself. Composite materials are being monitored for changes. Therefore, originally,
It is still an inadequate monitoring method to understand the initial damage that is most important in detecting damage to a material, that is, the change in the strain field before the material is broken. Moreover, the method in which the optical fiber is embedded in a composite material is a method of detecting the occurrence of transversal cracks, which is a failure mode unique to the composite material laminate. In addition, it is considered that the diameter of the composite material is very large and the mechanical properties of the composite material are degraded. In addition, there is a problem that the detection of transversal crack generation of the material does not differ from the visual damage detection in sensitivity.
【０００５】このようなことから、本発明者は、研究の
第１段階として、亀裂発生の目視が可能な透明性の高い
プラスチック系複合材料であるＧＦＲＰを用いて、トラ
ンスバースクラック発生の原因となる強化繊維−樹脂間
の剥離を光ファイバで検知することを目的として、光フ
ァイバを形成材料中に埋設して種々の引張試験を行った
結果、マルチモード光ファイバに特有なエバネセント波
の、コアからクラッドを通じて光ファイバの外すなわち
複合材料中に「光の浸み出し」による吸光度の変化を計
測することにより、複合材料中の歪み場の変化と微視亀
裂の発生を把握することが可能であるとの知見を得た。[0005] For these reasons, the present inventor, as a first step of the research, used GFRP, a highly transparent plastic-based composite material capable of visually confirming the occurrence of cracks, to determine the cause of transversal crack generation. As a result of conducting various tensile tests by embedding the optical fiber in the forming material for the purpose of detecting the separation between the reinforcing fiber and the resin with the optical fiber, the core of the evanescent wave peculiar to the multimode optical fiber was obtained. By measuring the change in absorbance due to "leakage of light" out of the optical fiber, that is, into the composite material through the cladding, it is possible to grasp the change in the strain field and the occurrence of microscopic cracks in the composite material. I got the knowledge that there is.
【０００６】そこで、本発明では、前記従来の材料損傷
の監視方法における諸課題を解決して、材料に埋設され
た光ファイバを補強材として有用に機能させることを可
能にするとともに、材料の損傷検出において最も重要な
初期損傷に対応させるべく、光ファイバによる検出精度
を向上させることを可能にした複合材料およびその材料
損傷の監視方法を提供することを目的とする。In view of the above, the present invention solves the above-mentioned problems in the conventional method for monitoring material damage, and enables the optical fiber embedded in the material to be usefully used as a reinforcing material, and at the same time, to damage the material. An object of the present invention is to provide a composite material capable of improving the detection accuracy by an optical fiber and a method of monitoring the damage of the material in order to cope with the most important initial damage in the detection.
【０００７】[0007]
【課題を解決するための手段】このため本発明は、複合
材料に多数本のマルチモード光ファイバを補強コードと
して埋設して構造部材を構成したことを特徴とするもの
である。また本発明は、前記多数本のマルチモード光フ
ァイバは複合材料の９０°層繊維と平行に埋設したこと
を特徴とするものである。また本発明は、前記複合材料
がＦＲＰ等のプラスチック系複合材料であることを特徴
とするものである。また本発明は、前記マルチモード光
ファイバは強化繊維径と同程度であり、クラッド厚は１
μｍ付近であることを特徴とするものである。また本発
明は、複合材料に多数本のマルチモード光ファイバを補
強コードとして埋設して構造部材を構成するとともに、
これらのマルチモード光ファイバ内に照射された光線の
吸光度を計測して、マルチモード光ファイバ周囲の複合
材料内部の歪み場の変化と微視亀裂の発生を把握し、複
合材料における初期損傷を監視することを特徴とするも
のである。また本発明は、前記多数本のマルチモード光
ファイバは複合材料の９０°層繊維と平行に埋設したこ
とを特徴とするものである。また本発明は、前記複合材
料がＦＲＰ等のプラスチック系複合材料であることを特
徴とするものである。また本発明は、前記マルチモード
光ファイバ内に照射される光線が近赤外線であることを
特徴とするものである。また本発明は、前記マルチモー
ド光ファイバは強化繊維径と同程度であり、クラッド厚
は１μｍ付近であることを特徴とするもので、これらを
課題解決のための手段とするものである。Therefore, the present invention is characterized in that a multi-mode optical fiber is buried in a composite material as a reinforcing cord to constitute a structural member. Further, the present invention is characterized in that the multi-mode optical fibers are embedded in parallel with a 90 ° layer fiber of a composite material. Further, the present invention is characterized in that the composite material is a plastic composite material such as FRP. Further, according to the present invention, the multimode optical fiber has a diameter approximately equal to the reinforcing fiber diameter and a cladding thickness of 1 mm.
It is characterized by being near μm. The present invention also provides a structural member by embedding a large number of multimode optical fibers in a composite material as a reinforcing cord,
By monitoring the absorbance of the light beam radiated into these multimode optical fibers, the changes in the strain field and the occurrence of microscopic cracks inside the composite material around the multimode optical fiber are grasped, and the initial damage in the composite material is monitored. It is characterized by doing. Further, the present invention is characterized in that the multi-mode optical fibers are embedded in parallel with a 90 ° layer fiber of a composite material. Further, the present invention is characterized in that the composite material is a plastic composite material such as FRP. Further, the present invention is characterized in that the light beam irradiated into the multimode optical fiber is a near infrared ray. Further, the present invention is characterized in that the multimode optical fiber has a diameter approximately equal to the reinforcing fiber diameter and a cladding thickness of about 1 μm, and these are used as means for solving the problems.
【０００８】[0008]
【実施の形態】以下、本発明における複合材料およびそ
の材料損傷の監視方法の１実施の形態を図１〜図１０に
基づいて説明する。図１は本発明の複合材料およびマル
チモード光ファイバを示す図、図２は定量的評価を行う
ための複合材料の積層板および光ファイバの埋設方法を
示す図、図３は複合材料の定量的評価である吸光度変化
の測定装置を示す概略図、図４は複合材料の引張試験片
を示す図、図５はその場観察における引張荷重−変位線
図、図６は応力−歪み線図、図７は吸光度ピーク値の変
化とトランスバースクラック密度変化図、図８はトラン
スバースクラック発生前の初期段階での吸光度変化図を
示す図である。図１（Ａ）に示すように、本発明では、
ＦＲＰ等のプラスチック系複合材料１に多数本のマルチ
モード光ファイバ２を補強コードとして埋設して構造部
材を構成したことを特徴とするものである。一般的に多
用されている光ファイバは直径が略１２５μｍ程度であ
り、光ファイバの基本的な考え方から、光ファイバ中を
進行する光はコアとその外周のクラッドとの界面での全
反射を最適とする観点から、比較的小径（１０μｍ）の
コア部分に対してクラッド部分を厚く構成している。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS One embodiment of a composite material and a method for monitoring damage to the material according to the present invention will be described below with reference to FIGS. FIG. 1 is a diagram showing a composite material and a multimode optical fiber of the present invention, FIG. 2 is a diagram showing a method of embedding a composite laminate and an optical fiber for quantitative evaluation, and FIG. FIG. 4 is a schematic diagram showing a measuring device for measuring the change in absorbance as an evaluation, FIG. 4 is a diagram showing a tensile test piece of a composite material, FIG. 5 is a tensile load-displacement diagram in in-situ observation, and FIG. 6 is a stress-strain diagram. 7 is a diagram showing a change in absorbance peak value and a change in transversal crack density, and FIG. 8 is a diagram showing a change in absorbance at an initial stage before the occurrence of transversal crack. As shown in FIG. 1A, in the present invention,
A multi-mode optical fiber 2 is buried as a reinforcing cord in a plastic composite material 1 such as FRP to form a structural member. Generally used optical fibers have a diameter of about 125 μm. Based on the basic concept of optical fibers, light traveling in the optical fiber optimizes total reflection at the interface between the core and the outer clad. In view of the above, the clad portion is configured to be thicker than the core portion having a relatively small diameter (10 μm).
【０００９】本発明では、図１（Ｃ）に示すように、ク
ラッド層４を１μｍ程度と比較的薄く形成して光ファイ
バ全体として比較的小径（略２７μｍ程度、したがって
コア径は略２５μｍ程度）とし、マルチモード光ファイ
バに特有の漏洩光であるエバネセント波の変化を測定し
易いものとして検出精度の向上が図れるとともに、該マ
ルチモード光ファイバ２を複合材料に埋設して補強コー
ドとしての効果的な機能（従来の光ファイバでは径が大
きすぎて複合材料自体の強度低下を招く虞れがあっ
た。）を発揮させるものである。したがって、前記マル
チモード光ファイバ２におけるコア径対クラッド厚みの
比は好適には略２５対１付近とされる。前述したよう
に、一般にコアとその外周のクラッドとの界面での全反
射を最適とする光ファイバであるが、図１（Ｂ）に示す
ように、コア３内をを進行する一部の光はエバネセント
波としてクラッド４内にも進展し、該エバネセント波の
幅ｄｐ（エバネセント場）は次式で表される。 ｄｐ＝λ／（２πｎ1 （ｓｉｎ2 θ−ｎ2 21 ）1/2 ）・・・・・・（１） ここで、λは空気中での波長、θは入射角、ｎ21＝ｎ2
／ｎ1 でｎ1 はコア３の、ｎ2 はクラッド４のそれぞれ
の屈折率を示す。近赤外領域において、臨界角付近での
エバネセント場を算出すると、ｄｐ＝２．５５μｍとな
り、本発明で用いた光ファイバ２のクラッド４は１μｍ
と薄いために、クラッド４の外部にまで「光の浸み出
し」が及んでいるものと考えられる。このため、光ファ
イバ２のクラッド４表面に付着するに足るだけの少量の
試料（複合材料１）に対しても効率のよいセンサが実現
され、光ファイバ２の周囲の変化を感知することが可能
となることが予見される。In the present invention, as shown in FIG. 1C, the cladding layer 4 is formed to be relatively thin, about 1 μm, so that the optical fiber as a whole has a relatively small diameter (about 27 μm, and therefore the core diameter is about 25 μm). The detection accuracy can be improved by easily measuring the change of the evanescent wave, which is the leakage light peculiar to the multimode optical fiber, and the multimode optical fiber 2 can be embedded in a composite material to effectively serve as a reinforcing cord. (The conventional optical fiber has a possibility that the diameter is too large and the strength of the composite material itself is reduced). Therefore, the ratio of the core diameter to the cladding thickness in the multimode optical fiber 2 is preferably set to about 25: 1. As described above, the optical fiber generally optimizes the total reflection at the interface between the core and the outer clad. However, as shown in FIG. Propagates into the cladding 4 as an evanescent wave, and the width dp (evanescent field) of the evanescent wave is expressed by the following equation. dp = λ / (2πn 1 (sin 2 θ−n 2 21 ) 1/2 ) (1) where λ is the wavelength in air, θ is the incident angle, and n 21 = n 2
N 1 in / n 1 is the core 3, n 2 denotes the respective refractive index of the cladding 4. When the evanescent field near the critical angle is calculated in the near infrared region, dp = 2.55 μm, and the cladding 4 of the optical fiber 2 used in the present invention is 1 μm.
It is considered that the "light seepage" extends to the outside of the cladding 4 because of the thinness. For this reason, an efficient sensor can be realized even for a small amount of sample (composite material 1) enough to adhere to the surface of the clad 4 of the optical fiber 2, and it is possible to detect a change around the optical fiber 2. It is foreseen that
【００１０】上述したように、光ファイバセンサを用い
て該センサが埋設された複合材料における初期損傷のモ
ニタリングを行うには、先ず、複合材料である例えばマ
トリクス樹脂の成形過程における硬化状態等のモニタリ
ングを行い、それを基準値としてその定量的評価を行う
ことが不可欠である。そこで、Ｅガラス繊維／エポキシ
プリプレグを用い、図２に示すように３００本束の光フ
ァイバを９０°層中央に９０°層繊維と平行に埋設し
た。成形中に、ＦＴ−ＮＩＲ（Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａ
ｎｓｆｏｒｍ ＮｅａｒＩｎｆｒａＲｅｄ ｓｐｅｃｔ
ｏｍｅｔｅｒ）吸光度計測システムを用いて近赤外領域
での試料樹脂の吸光度変化の測定を行った。As described above, in order to monitor the initial damage in a composite material in which the sensor is embedded using an optical fiber sensor, first, monitoring of a cured state or the like in a molding process of the composite material, for example, a matrix resin is performed. It is indispensable to conduct the quantitative evaluation using the standard value as a reference value. Therefore, using E glass fiber / epoxy prepreg, as shown in FIG. 2, 300 bundles of optical fibers were embedded in the center of the 90 ° layer in parallel with the 90 ° layer fibers. During molding, FT-NIR (Fourier Tra)
nsform NearInfraRed spectrum
The change in the absorbance of the sample resin in the near-infrared region was measured using an absorbance measurement system.
【００１１】光ファイバを９０°層繊維と平行に埋設す
ることにより、光ファイバと試料樹脂間にも剥離が生じ
る。該剥離をＥガラス繊維−樹脂間の剥離に変換するこ
とができれば、複合材料における初期損傷の検知が可能
となる。そこで、前記積層板から図４に示したような試
験片を作製し、観察断面を通常の引張試験片の側面と同
様な積層構造とした。引張試験機には走査型電子顕微鏡
（ＳＥＭ）つき疲労試験機を使用し、５Ｋｇｆ／ｍｉｎ
の引張荷重を与え、光ファイバ、Ｅガラス繊維それぞれ
の界面状態および両者に生じる剥離の発生機構とその進
展挙動の詳細な観察を行った。前記図２の試験片に、電
気サーボ式万能試験機を用い、試験速度０．１ｍｍ／ｍ
ｉｎの変位制御にて引張負荷をかけ、光ファイバ中の吸
光度変化測定を行った。同時に、試験片表面に貼り付け
た電気抵抗式歪みゲージにより歪みを計測した。また、
試験中に発生したトランスバースクラック数を計測し、
試験片１ｍｍ当たりの亀裂数をトランスバースクラック
密度と定義した。When the optical fiber is buried in parallel with the 90 ° layer fiber, separation occurs between the optical fiber and the sample resin. If the peeling can be converted into the peeling between the E glass fiber and the resin, the initial damage in the composite material can be detected. Thus, a test piece as shown in FIG. 4 was prepared from the laminated plate, and the observation cross section was made to have the same laminated structure as the side surface of a normal tensile test piece. As a tensile tester, a fatigue tester with a scanning electron microscope (SEM) was used, and 5 kgf / min.
, A detailed observation of the interface state between the optical fiber and the E glass fiber, the mechanism of occurrence of separation occurring in both, and the development behavior thereof were performed. A test speed of 0.1 mm / m was applied to the test piece of FIG. 2 using an electric servo universal testing machine.
A tensile load was applied by controlling the displacement of in, and the absorbance change in the optical fiber was measured. At the same time, the strain was measured by an electric resistance type strain gauge attached to the surface of the test piece. Also,
Measure the number of transversal cracks generated during the test,
The number of cracks per 1 mm of the test piece was defined as Transverse crack density.
【００１２】光ファイバを埋設した試験片の引張荷重−
変位線図を図７に示す。またその様子を写真撮影によっ
て観察したが、写真は省略する。Ａ点までは全く損傷は
見られず、Ａ点において先ず最初に光ファイバの外周に
点状の損傷が生じ、この点状の損傷は光ファイバの円周
方向の剥離に進展し、それとほぼ同時にＥガラス繊維の
周囲にも同様の剥離が生じており、さらにそれぞれの個
々の剥離が界面の隣接せる部分で伝播し、連結し始め、
Ｃ点にてマトリクス亀裂が発生する。さらに、このマト
リクス亀裂が発達し、巨視的な亀裂（トランスバースク
ラック）に発展する。本発明では、光ファイバの埋設の
際に、表面処理を施していないため、界面強度はＥガラ
ス繊維と異なるが、両者の剥離が同時に発生するのは、
直径の違いによる応力分担率の違いにより相殺されるか
らであると考えられる。以上のような微視的な損傷発生
観察から、光ファイバの剥離とＥガラス繊維がほぼ同時
に発生するという知見が得られ、本発明で提案する光フ
ァイバの剥離を利用した、Ｅガラス繊維の剥離検知の可
能性を見い出すことができた。[0012] Tensile load of a test piece in which an optical fiber is embedded
The displacement diagram is shown in FIG. The situation was observed by photography, but the photographs are omitted. No damage is observed up to the point A, and at the point A, first, a point-like damage occurs on the outer periphery of the optical fiber, and the point-like damage propagates in the circumferential separation of the optical fiber, and almost simultaneously therewith. Similar delaminations have also occurred around the E glass fibers, and each individual delamination propagates at adjacent portions of the interface and begins to join,
A matrix crack occurs at point C. Further, this matrix crack develops and develops into a macroscopic crack (Transverse crack). In the present invention, at the time of burying the optical fiber, since the surface treatment is not performed, the interface strength is different from the E glass fiber, but the peeling of both occurs simultaneously,
It is considered that the difference is offset by the difference in stress sharing ratio due to the difference in diameter. From the observation of microscopic damage occurrence as described above, it was found that the separation of the optical fiber and the E glass fiber occurred almost simultaneously, and the separation of the E glass fiber using the separation of the optical fiber proposed in the present invention was performed. The possibility of detection was found.
【００１３】図６は、前記引張試験によって得られた応
力−歪み線図を示し、該引張試験においても成形時と同
様のバンド内で光ファイバセンサの吸光度ピーク値の変
化が確認された。その得られた破断までのピーク値変化
とトランスバースクラックの密度変化を図７に示す。図
６の応力−歪み線図には、０．３％歪み付近において傾
き点の変化が生じているが、これはトランスバースクラ
ック密度変化からも理解されるように、トランスバース
クラック発生に対応している。トランスバースクラック
数が増加するにつれて、吸光度は上昇する傾向を示して
いる。本発明で用いた光線は、タングステンハロゲンで
あり、光ファイバの破断は可視光が漏れることにより判
断できる。図７に示すように、トランスバースクラック
が発生し、吸光度が上昇しても、光の漏れは確認されな
かったことからも、本発明で用いた光ファイバは９０°
層繊維と平行に埋設することにより破断することなく、
トランスバースクラック発生時に変化を生じることが確
認された。FIG. 6 shows a stress-strain diagram obtained by the tensile test. In the tensile test, a change in the absorbance peak value of the optical fiber sensor was confirmed within the same band as that at the time of molding. FIG. 7 shows the obtained peak value change and density change of the transversal crack until the fracture. In the stress-strain diagram of FIG. 6, a change in the slope point occurs near 0.3% strain, which corresponds to the occurrence of the transversal crack, as understood from the change in the transversal crack density. ing. The absorbance shows a tendency to increase as the number of Transverse cracks increases. The light beam used in the present invention is a tungsten halogen, and the breakage of the optical fiber can be determined by leaking visible light. As shown in FIG. 7, even when transversal cracks were generated and the absorbance increased, no light leakage was observed. Therefore, the optical fiber used in the present invention was 90 °.
Without breaking by embedding parallel to the layer fiber,
It was confirmed that a change occurred when transvers crack occurred.
【００１４】トランスバースクラック発生前の初期段階
での吸光度変化を示したものが図８であり、負荷初期か
ら０．１５％付近まで吸光度は減少傾向を示す。これ
は、試験片に引張負荷をかけることにより、界面接着が
強いこの段階では光ファイバにも引張応力が作用して光
学的な異方性を生じ、次式（２）のような屈折率を示
す。 ｎ’＝ｎ＋Ｃσ ・・・・・・・・・・（２） ここでは、簡便化のために材料全体にかかる応力と光フ
ァイバ１本にかかる応力が等しいとして考察した。ｎ’
は応力下の屈折率、ｎは通常の屈折率、Ｃはガラスの種
類によって決まる相対応力定数である。本発明で用いた
光ファイバの場合、コアがＣ1 ＝１．９５×１０-8ｃｍ
2 ／Ｎ、クラッドがＣ2 ＝１．６２×１０-8ｃｍ 2
／Ｎであり、屈折率は無負荷時よりも大きくなる、その
結果得られた応力下でのそれぞれの屈折率を用いると、
前記式（１）で示されるエバネセント場は、ｄｐ＝２．
５４μｍと縮小し、光ファイバの透過損失が少なくな
る。その結果、吸光度が減少すると考えられる。FIG. 8 shows the change in absorbance at the initial stage before the occurrence of transversal cracks. The absorbance shows a decreasing tendency from the initial load to around 0.15%. This is because, when a tensile load is applied to the test piece, at this stage where the interfacial adhesion is strong, a tensile stress also acts on the optical fiber to cause optical anisotropy, and the refractive index as expressed by the following equation (2) is obtained. Show. n ′ = n + Cσ (2) Here, for simplicity, it was considered that the stress applied to the entire material and the stress applied to one optical fiber were equal. n '
Is a refractive index under stress, n is a normal refractive index, and C is a relative stress constant determined by the type of glass. In the case of the optical fiber used in the present invention, the core is C 1 = 1.95 × 10 −8 cm.
2 / N, cladding C 2 = 1.62 × 10 −8 cm 2
/ N and the refractive index is greater than at no load. Using the resulting refractive indices under stress,
The evanescent field represented by the above equation (1) is dp = 2.
As a result, the transmission loss of the optical fiber is reduced. As a result, it is considered that the absorbance decreases.
【００１５】次に、トランスバースクラックが発生する
０．３％歪み直前にかけて吸光度は上昇傾向を示す。こ
れは前記図５で示したトランスバースクラック発生の起
因となる光ファイバと樹脂層の界面に剥離が生じるため
に、光ファイバ周囲の屈折率が変化するためであると考
えられる。クラッド外への透過光の大きさは次式（３）
で与えられる。 〔Ｔ〕＝｛( ｎ3 ｃｏｓφ3 ) ／( ｎ1 ｃｏｓφ1)｝( 絶対値Ｅ3 ／絶対値 Ｅ 0） ・・・・・・・・・・（３） ここで、添字は光ファイバ周囲の物質のそれぞれの定
数、φは入射角、Ｅは電磁場の強さベクトルである。こ
の〔Ｔ〕値は、光ファイバ樹脂（エポキシ：ｎep oxy ＝
１．４５）間に剥離が生じ、空隙（空気：ｎair ＝１．
００）層ができることにより増加する。このように、
〔Ｔ〕値が増加すれば、クラッド外への透過光の量が大
きくなる。その結果、吸光度は上昇傾向に転じていく、
またトランスバースクラックの発生率も剥離の生じる光
ファイバの本数が増加していくことで、同様な理由によ
り図７のように吸光度が上昇していくと考えられる。ま
た、走査型電子顕微鏡内での引張試験から光ファイバ樹
脂間の剥離とＥガラス繊維−樹脂間の剥離の発生はほぼ
同等である結果が得られている。以上の結果から、この
光ファイバをＧＦＲＰ積層板に埋設してセンサとして用
いることにより、引張荷重下で生じる初期損傷検知が可
能であるということを明らかにすることができた。よっ
て、本発明で提案した光ファイバセンサによる初期損傷
モニタリングの有効性が認められた。Next, the absorbance shows a tendency to increase immediately before the 0.3% strain at which transversal cracking occurs. It is considered that this is because the interface between the optical fiber and the resin layer, which causes the occurrence of the transversal crack shown in FIG. 5, is separated, and the refractive index around the optical fiber changes. The magnitude of the transmitted light outside the cladding is given by the following equation (3)
Given by [T] = {(n 3 cos φ 3 ) / (n 1 cos φ 1 )} (absolute value E 3 / absolute value E 0 ) (3) where the subscript is an optical fiber Each constant of the surrounding materials, φ is the angle of incidence, and E is the strength vector of the electromagnetic field. The [T] value, the optical fiber resin (epoxy: n ep oxy =
1.45), peeling occurred, and voids (air: n air = 1.45).
00) Increased by the formation of layers. in this way,
As the [T] value increases, the amount of light transmitted outside the cladding increases. As a result, the absorbance starts to increase,
Also, the occurrence rate of transversal cracks is considered to increase as shown in FIG. 7 for the same reason as the number of optical fibers in which separation occurs increases. In addition, a tensile test in a scanning electron microscope showed that the peeling between the optical fiber resin and the peeling between the E glass fiber and the resin were almost the same. From the above results, it was clarified that by using this optical fiber embedded in a GFRP laminate and used as a sensor, it is possible to detect initial damage generated under a tensile load. Therefore, the effectiveness of the initial damage monitoring by the optical fiber sensor proposed in the present invention was recognized.
【００１６】以上の知見に基づき、略２７μｍ程度の直
径、コア径対クラッド厚みの比を略２５対１付近とした
多数本のマルチモード光ファイバをＦＲＰ等のプラスチ
ック系複合材料に補強コードとして埋設（好適にはマル
チモード光ファイバを複合材料の９０°層繊維と平行に
埋設）して、航空機等における実際の構造部材を構成す
るとともに、これらのマルチモード光ファイバ内に照射
された光線（最適には近赤外線）の吸光度を適宜の監視
装置によって計測して常時監視し、前述した歪みと吸光
度との関係値から、埋設されたマルチモード光ファイバ
周囲の複合材料の歪み場の変化と微視亀裂の発生を把握
することで、複合材料の初期損傷が監視できるものとな
った。しかも、コア径が比較的大きいものでありながら
クラッド厚みが薄いマルチモード光ファイバの特性を利
用して、複合材料の強度低下を招くことなく効果的に補
強機能を発揮しつつ、エバネセント波の複合材料中への
「光の浸み出し」による吸光度の変化を容易に計測し
て、複合材料中の歪み場の変化を把握すること、すなわ
ち初期損傷を事前に察知することが可能となった。Based on the above findings, a large number of multimode optical fibers having a diameter of about 27 μm and a ratio of core diameter to cladding thickness of about 25: 1 are embedded as reinforcing cords in a plastic composite material such as FRP. (Preferably, the multimode optical fiber is embedded in parallel with the 90 ° layer fiber of the composite material) to constitute the actual structural member in an aircraft or the like, and to irradiate the light beam (optimum The near-infrared light absorbance is measured by an appropriate monitoring device and constantly monitored. Based on the relationship between the strain and the absorbance described above, the change in the strain field of the composite material around the embedded multimode optical fiber and the microscopic observation are obtained. Knowing the occurrence of cracks has made it possible to monitor the initial damage of the composite material. Moreover, by utilizing the characteristics of a multi-mode optical fiber having a relatively large core diameter and a small cladding thickness, the composite material can effectively exhibit the reinforcing function without deteriorating the strength of the composite material. It has become possible to easily measure the change in absorbance due to “leaching of light” into the material to grasp the change in the strain field in the composite material, that is, to detect the initial damage in advance.
【００１７】以上本発明の実施の形態を説明してきた
が、本発明の趣旨の範囲内で、複合材料の種類、積層形
態およびその繊維方向、マルチモード光ファイバの構
造、径および材質、コア径対クラッド径（厚み）の比
率、マルチモード光ファイバの補強コードとしての埋設
形態、照射光線の種類およびその照射形態、吸光度の計
測形態等については適宜選定できるものである。The embodiment of the present invention has been described above. However, within the scope of the present invention, the type of composite material, the lamination form and its fiber direction, the structure, diameter and material of the multimode optical fiber, and the core diameter The ratio of the cladding diameter (thickness), the embedding form of the multimode optical fiber as a reinforcing cord, the type of irradiation light beam and its irradiation form, the absorbance measurement form, and the like can be appropriately selected.
【００１８】[0018]
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明は複
合材料に多数本のマルチモード光ファイバを補強コード
として埋設して構造部材を構成することにより、実際の
構造部材の内部における初期損傷を検知するための監視
装置の一部を構成するところのマルチモード光ファイバ
を補強部材として兼用することを可能にした。しかも、
埋設されたマルチモード光ファイバにおけるコア径が比
較的大きいものでありながらクラッド厚みが薄い特性を
利用して、複合材料の強度低下を招くことなく効果的に
補強機能を発揮しつつ、エバネセント波の複合材料中へ
の「光の浸み出し」による吸光度の変化を容易に計測し
て、複合材料中の歪み場の変化を把握すること、すなわ
ち初期損傷を事前に察知することが可能となった。As described above in detail, the present invention provides a structure in which a large number of multi-mode optical fibers are embedded in a composite material as a reinforcing cord to constitute a structural member, so that the initial damage inside the actual structural member is reduced. It is possible to use a multi-mode optical fiber, which forms a part of a monitoring device for detecting a signal, as a reinforcing member. Moreover,
Utilizing the characteristic that the core diameter of the embedded multimode optical fiber is relatively large while the cladding thickness is small, the reinforcing function is effectively achieved without inducing the strength of the composite material, and the evanescent wave It is now possible to easily measure the change in absorbance due to "leaching of light" into the composite material to understand the change in the strain field in the composite material, that is, to detect the initial damage in advance. .
【００１９】また、前記マルチモード光ファイバを強化
繊維径と同程度であり、クラッド厚が１μｍ付近とした
場合、すなわちマルチモード光ファイバおけるコア径対
クラッド厚みの比を略２５対１付近とした場合は、容易
にコア径が比較的大きいものでありながらクラッド厚み
が薄いマルチモード光ファイバの特性を利用して、複合
材料の強度低下を招くことなく効果的に補強機能を発揮
しつつ、エバネセント波の複合材料中への「光の浸み出
し」による吸光度の変化を比較的容易に計測して、複合
材料中の歪み場の変化を把握すること、すなわち初期損
傷を事前に察知することが可能となった。 かくして、
本発明によれば、材料に埋設された光ファイバを補強材
として有用に機能させることを可能にするとともに、材
料の損傷検出において最も重要な初期損傷に対応させる
べく、光ファイバによる検出精度を向上させることを可
能にした複合材料およびその材料損傷の監視方法が提供
される。When the multimode optical fiber is substantially the same as the reinforcing fiber diameter and the cladding thickness is about 1 μm, that is, the ratio of the core diameter to the cladding thickness in the multimode optical fiber is about 25: 1. In this case, it is easy to use the characteristics of a multi-mode optical fiber with a relatively large core diameter and a small cladding thickness to effectively exhibit the reinforcing function without reducing the strength of the composite material and to improve the evanescent properties. It is relatively easy to measure the change in the absorbance due to the "light seepage" of the wave into the composite material to understand the change in the strain field in the composite material, that is, to detect the initial damage in advance. It has become possible. Thus,
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, while enabling the optical fiber embedded in the material to function usefully as a reinforcing material, the detection accuracy by an optical fiber is improved in order to correspond to the most important initial damage in the damage detection of a material. A composite material and a method for monitoring the damage of the composite material are provided.
【図１】本発明の複合材料およびマルチモード光ファイ
バを示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a composite material and a multimode optical fiber of the present invention.
【図２】本発明の材料損傷の監視方法に採用される定量
的評価を行うための複合材料の積層板および光ファイバ
の埋設方法を示す図である。FIG. 2 is a view showing a method of embedding a composite laminate and an optical fiber for performing a quantitative evaluation employed in the method for monitoring material damage according to the present invention.
【図３】本発明の材料損傷の監視方法に採用される複合
材料の定量的評価である吸光度変化の測定装置を示す概
略図である。FIG. 3 is a schematic view showing an apparatus for measuring a change in absorbance, which is a quantitative evaluation of a composite material employed in the method for monitoring material damage according to the present invention.
【図４】本発明の材料損傷の監視方法に採用される複合
材料の引張試験片を示す図である。FIG. 4 is a view showing a tensile test piece of a composite material employed in the method for monitoring material damage according to the present invention.
【図５】本発明の材料損傷の監視方法に採用される複合
材料のその場観察における引張荷重−変位線図である。FIG. 5 is a tensile load-displacement diagram in in-situ observation of a composite material employed in the method for monitoring material damage according to the present invention.
【図６】本発明の材料損傷の監視方法に採用される複合
材料の応力−歪み線図である。FIG. 6 is a stress-strain diagram of a composite material used in the method for monitoring material damage according to the present invention.
【図７】本発明の材料損傷の監視方法に採用される複合
材料の吸光度ピーク値の変化とトランスバースクラック
密度変化図である。FIG. 7 is a diagram showing a change in absorbance peak value and a change in transversal crack density of a composite material used in the method for monitoring material damage according to the present invention.
【図８】本発明の材料損傷の監視方法における複合材料
のトランスバースクラック発生前の初期段階での吸光度
変化図を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing a change in absorbance at an initial stage before the occurrence of transversal cracks in the composite material in the method for monitoring material damage according to the present invention.
１ 複合材料 ２ マルチモード光ファイバ ３ コア ４ クラッド Reference Signs List 1 composite material 2 multimode optical fiber 3 core 4 clad
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA00 AA65 BB13 CC00 FF46 FF58 LL03 PP01 2G086 CC05 4F205 AA39 AD02 AD16 AD19 AH31 AK04 AM14 AM32 AQ01 HA17 HA29 HA33 HA37 HA45 HB02 HB11 HC02 HC16 HC20 HE06 HF05 HK02 HK04 HK05 HK17 HL18 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 2F065 AA00 AA65 BB13 CC00 FF46 FF58 LL03 PP01 2G086 CC05 4F205 AA39 AD02 AD16 AD19 AH31 AK04 AM14 AM32 AQ01 HA17 HA29 HA33 HA37 HA45 HB02 HB11 HC02 HC16 HK20 HK17 HK04 HK04
Claims (9)
イバを補強コードとして埋設して構造部材を構成したこ
とを特徴とする複合材料。1. A composite material comprising a multi-mode optical fiber embedded in a composite material as a reinforcing cord to form a structural member.
複合材料の９０°層繊維と平行に埋設したことを特徴と
する請求項１に記載の複合材料。2. The composite material according to claim 1, wherein the multi-mode optical fibers are embedded in parallel with a 90 ° layer fiber of the composite material.
系複合材料であることを特徴とする請求項１または２に
記載の複合材料。3. The composite material according to claim 1, wherein the composite material is a plastic composite material such as FRP.
径と同程度であって、クラッド厚は１μｍ付近であるこ
とを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の複
合材料。4. The composite material according to claim 1, wherein the multimode optical fiber has a diameter substantially equal to a reinforcing fiber diameter and a cladding thickness of about 1 μm.
イバを補強コードとして埋設して構造部材を構成すると
ともに、これらのマルチモード光ファイバ内に照射され
た光線の吸光度を計測して、マルチモード光ファイバ周
囲の複合材料内部の歪み場の変化と微視亀裂の発生を把
握し、複合材料における初期損傷を監視することを特徴
とする材料損傷の監視方法。5. A multi-mode optical fiber is buried in a composite material as a reinforcing cord to form a structural member, and the absorbance of a light beam irradiated into the multi-mode optical fiber is measured to obtain a multi-mode optical fiber. A method for monitoring material damage, comprising grasping a change in a strain field inside a composite material around an optical fiber and occurrence of a micro crack, and monitoring initial damage in the composite material.
複合材料の９０°層繊維と平行に埋設したことを特徴と
する請求項５に記載の材料損傷の監視方法。6. The method according to claim 5, wherein the multi-mode optical fibers are buried in parallel with a 90 ° layer fiber of a composite material.
系複合材料であることを特徴とする請求項５または６に
記載の材料損傷の監視方法。7. The method according to claim 5, wherein the composite material is a plastic composite material such as FRP.
れる光線が近赤外線であることを特徴とする請求項５な
いし７のいずれかに記載の材料損傷の監視方法。8. The method for monitoring material damage according to claim 5, wherein the light beam radiated into the multimode optical fiber is a near infrared ray.
径と同程度であり、クラッド厚は１μｍ付近であること
を特徴とする請求項５ないし７のいずれかに記載の材料
損傷の監視方法。9. The method according to claim 5, wherein the multimode optical fiber has a diameter substantially equal to a reinforcing fiber diameter and a cladding thickness of about 1 μm.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11127942A JP2000321169A (en) | 1999-05-10 | 1999-05-10 | Composite material and monitoring method for damage of the material |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| JP11127942A JP2000321169A (en) | 1999-05-10 | 1999-05-10 | Composite material and monitoring method for damage of the material |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000321169A true JP2000321169A (en) | 2000-11-24 |
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ID=14972456
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|---|---|---|---|
| JP11127942A Withdrawn JP2000321169A (en) | 1999-05-10 | 1999-05-10 | Composite material and monitoring method for damage of the material |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000321169A (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013089880A (en) * | 2011-10-20 | 2013-05-13 | Canon Inc | Solid state image pickup device and camera |
| WO2018211539A1 (en) | 2017-05-17 | 2018-11-22 | POLITECNICO Dl TORINO | Optical sensor, process for making such sensor and evaluation system comprising at least one of such sensors |
| CN110308201A (en) * | 2019-07-22 | 2019-10-08 | 西安工程大学 | A kind of damage detecting method based on magnetic laminated composite materials |
| US10995037B1 (en) | 2018-12-13 | 2021-05-04 | United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force | High temperature composite structure and system for detecting degradation thereof |
-
1999
- 1999-05-10 JP JP11127942A patent/JP2000321169A/en not_active Withdrawn
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