繊維強化プラスチックと圧電セラミクス素子の一体化に関する研究

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昨年度の研究の研究にひきつづき、圧電セラミクスのセンサの埋め込み時の特性変化を複数の種類の圧電セラミクスを用いて行った。その結果、圧電セラミクスのセンサとしての特性変化は圧電セラミクスの種類に依存していることがわかった。また、圧電セラミクスの特性変化は一体化成型のときに生じるインピーダンスの上昇と関連があることが実験的にわかった。この一体化成型時のインピーダンス変化の原因は圧電セラミクスと繊維強化プラスチックの線膨張係数の違いによって生じる残留応力に起因する。この残留応力によって圧電セラミクスにプリストレインが与えられ、圧電セラミクスのインピーダンス変化が発生する。圧電セラミクスを繊維強化プラスチックに埋め込んだ場合、有限要素解析による解析を行ったところ、長さ方向および幅方向では圧縮力により縮小した状態にあり、分極方向(厚み方向)ではポアッソン効果により膨張しているという結果を得ている。この解析結果をふまえて実験結果をみたとき、この変化の差は圧電セラミクスの弾性率が大きいものの方が小さくなることがわかった。また、この圧電セラミクスを用いて成型後に繊維強化プラスチックの損傷同定に利用に関する研究を行った。その結果、振動モードを用いて損傷同定を行った場合、大きな剥離を伴うような損傷では振動モードが変化するので損傷が検知できるが小さな損傷の検知は困難であることがわかった。なお、損傷を作成する際、圧電セラミクスを繊維強化プラスチックに埋め込んだ場合、圧電セラミクスが残留圧縮応力下にあるため、表面に接着した場合と比較して衝撃力に対する耐性が向上していることがわかった。また、この圧電セラミクスを超音波用トランデューサとして使用することが可能か確認した。その結果、成型後に超音波用トランデューサとして利用できるが、検知する損傷に合わせた形状を検討する必要があることがわかった。