JPH07106659A - クラック検知を可能にした二層構造複合材料 - Google Patents
クラック検知を可能にした二層構造複合材料Info
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- JPH07106659A JPH07106659A JP5276145A JP27614593A JPH07106659A JP H07106659 A JPH07106659 A JP H07106659A JP 5276145 A JP5276145 A JP 5276145A JP 27614593 A JP27614593 A JP 27614593A JP H07106659 A JPH07106659 A JP H07106659A
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01M5/00—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 構造用材料におけるクラック発生を簡易な構
造で検知可能とし、それによって構造用材料の破壊を未
然に知ることを可能にする。 【構成】 クラックの発生のおそれがある構造用材料
に、クラックに伴う衝撃力で電圧を発生する強誘電体、
焦電体または圧電体からなる電圧発生材を接合して二層
構造とする。その電圧発生材の電極からクラックに伴っ
て発生した電圧を取出すことによりクラックが検知され
る。
造で検知可能とし、それによって構造用材料の破壊を未
然に知ることを可能にする。 【構成】 クラックの発生のおそれがある構造用材料
に、クラックに伴う衝撃力で電圧を発生する強誘電体、
焦電体または圧電体からなる電圧発生材を接合して二層
構造とする。その電圧発生材の電極からクラックに伴っ
て発生した電圧を取出すことによりクラックが検知され
る。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、構造用材料のクラック
発生を検知することにより破壊を事前に知ることができ
るようにした圧電体−構造用材料の二層構造複合材料に
関するものである。
発生を検知することにより破壊を事前に知ることができ
るようにした圧電体−構造用材料の二層構造複合材料に
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】構造用セラミックス材料は脆いため、高
い信頼性が要求される場合は何らかの処置を必要とす
る。このため、構造用セラミックスに機能性セラミック
スを組み合わせることにより、クラックが生じた場合に
信号を発生させ、未然に破壊を予測することができる新
しいセラミックスが期待されている。このような破壊の
予測は、構造用セラミックス材料に限らず、他のクラッ
ク発生のおそれがある一般的な構造用材料についても言
えることである。
い信頼性が要求される場合は何らかの処置を必要とす
る。このため、構造用セラミックスに機能性セラミック
スを組み合わせることにより、クラックが生じた場合に
信号を発生させ、未然に破壊を予測することができる新
しいセラミックスが期待されている。このような破壊の
予測は、構造用セラミックス材料に限らず、他のクラッ
ク発生のおそれがある一般的な構造用材料についても言
えることである。
【０００３】これまで、構造用材料のクラック発生を知
るには、アコースティクエミッション法によるのが通例
であり、その場合、大きなセンサーを構造用材料にセッ
トする必要があった。しかし、センサーをセットするだ
けの空間がない場合や、構造用材料が高速で回転してい
る場合には、クラックの発生を知ることはできず、破壊
の危険を知るには、定期的に分解検査を行う必要があっ
た。
るには、アコースティクエミッション法によるのが通例
であり、その場合、大きなセンサーを構造用材料にセッ
トする必要があった。しかし、センサーをセットするだ
けの空間がない場合や、構造用材料が高速で回転してい
る場合には、クラックの発生を知ることはできず、破壊
の危険を知るには、定期的に分解検査を行う必要があっ
た。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明の技術的課題
は、複雑な形状の構造用材料、あるいはセンサーをセッ
トする空間的余裕のない構造用材料、高速運動してセン
サーをセットできない構造用材料にも適用することがで
き、そのクラック発生の検知により破壊を未然に知るこ
とが可能な二層構造複合材料を提供することにある。
は、複雑な形状の構造用材料、あるいはセンサーをセッ
トする空間的余裕のない構造用材料、高速運動してセン
サーをセットできない構造用材料にも適用することがで
き、そのクラック発生の検知により破壊を未然に知るこ
とが可能な二層構造複合材料を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段、作用】上記課題を解決す
るための本発明の二層構造複合材料は、クラックの発生
のおそれがある構造用材料と、クラックに伴う衝撃力に
より電圧を発生する強誘電体、焦電体または圧電体から
なる電圧発生材とを接合して二層構造とし、その電圧発
生材に、発生した電圧を取出すための電極を付設したこ
とを特徴とするものである。上記構造用材料としては、
導電性セラミックス材料などを用い、電圧発生材として
は、ペロブスカイト型酸化物、ウルツアイト型結晶、Ｚ
ｎＯ型結晶などを用いるのが適し、それらを用いる場合
を含めて、構造用材料上に電圧発生材の薄膜を生成被着
させることにより構造用材料と電圧発生材とを二層構造
とするのが極めて簡便である。
るための本発明の二層構造複合材料は、クラックの発生
のおそれがある構造用材料と、クラックに伴う衝撃力に
より電圧を発生する強誘電体、焦電体または圧電体から
なる電圧発生材とを接合して二層構造とし、その電圧発
生材に、発生した電圧を取出すための電極を付設したこ
とを特徴とするものである。上記構造用材料としては、
導電性セラミックス材料などを用い、電圧発生材として
は、ペロブスカイト型酸化物、ウルツアイト型結晶、Ｚ
ｎＯ型結晶などを用いるのが適し、それらを用いる場合
を含めて、構造用材料上に電圧発生材の薄膜を生成被着
させることにより構造用材料と電圧発生材とを二層構造
とするのが極めて簡便である。
【０００６】更に具体的に説明すると、本発明者らは、
ペロブスカイト型酸化物、ウルツアイト型単結晶体およ
びＺｎＯ型結晶体には衝撃力を加えると電圧を発生させ
る性質があることを利用して、構造用材料の破壊を検知
する方法を検討してきたが、それらを二層構造にするこ
とにより、構造用材料の強度を低下させることなく、極
めて簡便に製造できて、クラックの発生を確実に検知で
きる材料が得られるのを確認することに成功し、本発明
をなすに至った。本発明は、かかる知見に基づいてなさ
れたものである。
ペロブスカイト型酸化物、ウルツアイト型単結晶体およ
びＺｎＯ型結晶体には衝撃力を加えると電圧を発生させ
る性質があることを利用して、構造用材料の破壊を検知
する方法を検討してきたが、それらを二層構造にするこ
とにより、構造用材料の強度を低下させることなく、極
めて簡便に製造できて、クラックの発生を確実に検知で
きる材料が得られるのを確認することに成功し、本発明
をなすに至った。本発明は、かかる知見に基づいてなさ
れたものである。
【０００７】本発明の二層構造複合材料において用いる
構造用材料としては、クラックの発生のおそれがある材
料、一般的には、金属やセラミックス、ガラスなどが用
いられる。金属の場合は、疲労破壊の検知のために有効
であり、また、セラミックス（主にウイスカーや繊維に
より複合化されたもの）や、ガラス（同様に複合化され
たもの）、セラミックス繊維やウイスカー強化金属にお
いては、セラミックス、ガラス、セラミックス繊維、ウ
イスカーの破壊の検知に有効である。構造用材料として
導電性セラミックス材料を用いた場合には、それをクラ
ック検出のための電極として利用できるので有利であ
る。
構造用材料としては、クラックの発生のおそれがある材
料、一般的には、金属やセラミックス、ガラスなどが用
いられる。金属の場合は、疲労破壊の検知のために有効
であり、また、セラミックス（主にウイスカーや繊維に
より複合化されたもの）や、ガラス（同様に複合化され
たもの）、セラミックス繊維やウイスカー強化金属にお
いては、セラミックス、ガラス、セラミックス繊維、ウ
イスカーの破壊の検知に有効である。構造用材料として
導電性セラミックス材料を用いた場合には、それをクラ
ック検出のための電極として利用できるので有利であ
る。
【０００８】また、上記構造用材料には、クラックに伴
う衝撃力により電圧を発生する強誘電体、焦電体または
圧電体を接合するが、それらの電圧発生用の素材として
は、ペロブスカイト型酸化物、ウルツアイト型結晶もし
くはＺｎＯ構造結晶が適している。ペロブスカイト型酸
化物としては、ＡＢＯ3 型強誘電体を圧電体として用い
ることができるし、ウルツアイト型単結晶としては、Ａ
ｌＮ，ＧａＮ，ＩｎＮ，ＮｂＮ，ＴａＮを、又ＺｎＯ構
造結晶としてはＺｎＯなどを用いることができる。さら
に、ペロブスカイト型強誘電体を樹脂やゴムと混合して
用いることもできる。なお、強誘電体はキューリー温度
以下で使用する必要がある。
う衝撃力により電圧を発生する強誘電体、焦電体または
圧電体を接合するが、それらの電圧発生用の素材として
は、ペロブスカイト型酸化物、ウルツアイト型結晶もし
くはＺｎＯ構造結晶が適している。ペロブスカイト型酸
化物としては、ＡＢＯ3 型強誘電体を圧電体として用い
ることができるし、ウルツアイト型単結晶としては、Ａ
ｌＮ，ＧａＮ，ＩｎＮ，ＮｂＮ，ＴａＮを、又ＺｎＯ構
造結晶としてはＺｎＯなどを用いることができる。さら
に、ペロブスカイト型強誘電体を樹脂やゴムと混合して
用いることもできる。なお、強誘電体はキューリー温度
以下で使用する必要がある。
【０００９】本発明の二層構造複合材料を製造するに
は、構造用材料と強誘電体もしくは圧電体とを、必要に
応じて接着剤等を用いて接合することもできるし、構造
用材料上へゾルゲル法、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法などにより
強誘電体膜もしくは圧電体膜を生成させることもでき
る。なお、強誘電体膜もしくは圧電体膜に接続する電極
としては、その強誘電体もしくは圧電体の両面に設ける
か、あるいはその片面にクシ形電極を設けることによ
り、クラック発生による発生電圧を取出すことができ
る。また、上述したように、構造用材料として導電性の
材料を用いた場合には、それを電極として利用すること
ができる。
は、構造用材料と強誘電体もしくは圧電体とを、必要に
応じて接着剤等を用いて接合することもできるし、構造
用材料上へゾルゲル法、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法などにより
強誘電体膜もしくは圧電体膜を生成させることもでき
る。なお、強誘電体膜もしくは圧電体膜に接続する電極
としては、その強誘電体もしくは圧電体の両面に設ける
か、あるいはその片面にクシ形電極を設けることによ
り、クラック発生による発生電圧を取出すことができ
る。また、上述したように、構造用材料として導電性の
材料を用いた場合には、それを電極として利用すること
ができる。
【００１０】このようにして得られたクラック検知可能
な二層構造複合材料は、その電極に発生電圧の測定記録
装置を接続した状態で使用するもので、構造用材料にク
ラックに伴う衝撃力が伝わると、それに接合された強誘
電体、焦電体または圧電体からなる電圧発生材にその衝
撃力が伝播して、比較的大きな電圧が発生し、従ってそ
の電圧を測定記録装置で検出することによりクラックの
発生を容易に検知し、それによって構造用材料の破壊を
未然に知ることが可能になる。
な二層構造複合材料は、その電極に発生電圧の測定記録
装置を接続した状態で使用するもので、構造用材料にク
ラックに伴う衝撃力が伝わると、それに接合された強誘
電体、焦電体または圧電体からなる電圧発生材にその衝
撃力が伝播して、比較的大きな電圧が発生し、従ってそ
の電圧を測定記録装置で検出することによりクラックの
発生を容易に検知し、それによって構造用材料の破壊を
未然に知ることが可能になる。
【００１１】
【実施例】実施例１ 構造用材料として厚さ２ｍｍの導電性ＭｏＳｉ2 −２０
％Ｍｏ2 Ｂ5 燒結体板を用い、一方、ペロブスカイト型
ＡＢＯ3 強誘電体として、厚さ１ｍｍのＰＺＴ（PbZr
0.58Ti0.42）板を用いた。このＰＺＴ板は、両面に電極
用Ｐｔ膜を焼付けたのち、分極処理をしたものである。
このようなＰＺＴ板をＭｏＳｉ2 −２０％ＭｏＢ5 燒結
体板上に接着剤を用いて接合して、１２ｍｍφの試験片
とし、金属台上に構造用材料を上にして載置した。ま
た、構造用材料とＰＺＴ板の下面側の電極との間にはス
トレージスコープを接続して発生電圧を記憶させ、プロ
ッターで記録させた。
％Ｍｏ2 Ｂ5 燒結体板を用い、一方、ペロブスカイト型
ＡＢＯ3 強誘電体として、厚さ１ｍｍのＰＺＴ（PbZr
0.58Ti0.42）板を用いた。このＰＺＴ板は、両面に電極
用Ｐｔ膜を焼付けたのち、分極処理をしたものである。
このようなＰＺＴ板をＭｏＳｉ2 −２０％ＭｏＢ5 燒結
体板上に接着剤を用いて接合して、１２ｍｍφの試験片
とし、金属台上に構造用材料を上にして載置した。ま
た、構造用材料とＰＺＴ板の下面側の電極との間にはス
トレージスコープを接続して発生電圧を記憶させ、プロ
ッターで記録させた。
【００１２】このようにして金属台上にセットした二層
構造複合材料におけるＭｏＳｉ2 −２０％ＭｏＢ5 燒結
体板の鏡面仕上された表面に、油圧式ビッカース硬度計
のダイヤモンド圧子により２０ｋｇの荷重をかけて圧痕
をつけ、その圧痕の角部からクラックを発生させたとこ
ろ、このクラックの発生に対応して、図１のような電圧
の信号を得るのに成功した。なお、圧子先端が上記燒結
体板の表面に接触した時、および圧子圧入時にも電圧が
発生するが、それは図１の場合に比して非常に微弱なも
のであるため、クラックの発生時点を容易に検知するこ
とができた。
構造複合材料におけるＭｏＳｉ2 −２０％ＭｏＢ5 燒結
体板の鏡面仕上された表面に、油圧式ビッカース硬度計
のダイヤモンド圧子により２０ｋｇの荷重をかけて圧痕
をつけ、その圧痕の角部からクラックを発生させたとこ
ろ、このクラックの発生に対応して、図１のような電圧
の信号を得るのに成功した。なお、圧子先端が上記燒結
体板の表面に接触した時、および圧子圧入時にも電圧が
発生するが、それは図１の場合に比して非常に微弱なも
のであるため、クラックの発生時点を容易に検知するこ
とができた。
【００１３】実施例２ 構造用材料としての厚さ２ｍｍの導電性ＭｏＳｉ2 −２
０％ＭｏＢ5 燒結体板上に、ウルツアイト単結晶として
のＡｌＮ薄膜（厚さ１μｍ）をスパッタ法によって作成
した。さらに、そのＡｌＮ薄膜上に、電極としてＰｔ膜
をスパッタ法で蒸着させた。これを１２ｍｍφの試験片
とし、金属台上に構造用材料を上にして載置した。ま
た、構造用材料とＡｌＮ薄膜に蒸着した電極との間には
ストレージスコープを接続して発生電圧を記憶させ、プ
ロッターで記録させた。
０％ＭｏＢ5 燒結体板上に、ウルツアイト単結晶として
のＡｌＮ薄膜（厚さ１μｍ）をスパッタ法によって作成
した。さらに、そのＡｌＮ薄膜上に、電極としてＰｔ膜
をスパッタ法で蒸着させた。これを１２ｍｍφの試験片
とし、金属台上に構造用材料を上にして載置した。ま
た、構造用材料とＡｌＮ薄膜に蒸着した電極との間には
ストレージスコープを接続して発生電圧を記憶させ、プ
ロッターで記録させた。
【００１４】このようにして金属台上にセットした二層
構造複合材料におけるＭｏＳｉ2 −２０％ＭｏＢ5 燒結
体板の鏡面仕上された表面に、実施例１の場合と同様に
して油圧式ビッカース硬度計のダイヤモンド圧子により
圧痕をつけ、その圧痕の角部からクラックを発生させた
ところ、このクラックの発生に対応して、実施例１の場
合と同様な電圧が発生するのを確認し、クラックの発生
時点を容易に検知することができた。
構造複合材料におけるＭｏＳｉ2 −２０％ＭｏＢ5 燒結
体板の鏡面仕上された表面に、実施例１の場合と同様に
して油圧式ビッカース硬度計のダイヤモンド圧子により
圧痕をつけ、その圧痕の角部からクラックを発生させた
ところ、このクラックの発生に対応して、実施例１の場
合と同様な電圧が発生するのを確認し、クラックの発生
時点を容易に検知することができた。
【００１５】
【発明の効果】以上に詳述したような本発明の二層構造
複合材料によれば、複雑な形状の構造用材料、あるいは
センサーをセットする空間的余裕のない構造用材料、高
速運動してセンサーをセットできない構造用材料にも容
易に適用することができ、電極における発生電圧の検出
によるクラック発生の検知により、構造用材料の破壊を
未然に知ることが可能になる。
複合材料によれば、複雑な形状の構造用材料、あるいは
センサーをセットする空間的余裕のない構造用材料、高
速運動してセンサーをセットできない構造用材料にも容
易に適用することができ、電極における発生電圧の検出
によるクラック発生の検知により、構造用材料の破壊を
未然に知ることが可能になる。
【図１】本発明の実施例において、クラックの発生に伴
って発生した電圧の波形図である。
って発生した電圧の波形図である。
Claims (3)
- 【請求項１】クラックの発生のおそれがある構造用材料
と、クラックに伴う衝撃力により電圧を発生する強誘電
体、焦電体または圧電体からなる電圧発生材とを接合し
て二層構造とし、その電圧発生材に、発生した電圧を取
出すための電極を付設したことを特徴とするクラック検
知を可能にした二層構造複合材料。 - 【請求項２】構造用材料が導電性セラミックス材料であ
り、電圧発生材がペロブスカイト型酸化物、ウルツアイ
ト型結晶もしくはＺｎＯ型結晶であることを特徴とする
請求項１に記載のクラック検知を可能にした二層構造複
合材料。 - 【請求項３】構造用材料上に電圧発生材の薄膜を生成被
着させることにより構造用材料と電圧発生材とを二層構
造としたことを特徴とする請求項１または２に記載のク
ラック検知を可能にした二層構造複合材料。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5276145A JP2840728B2 (ja) | 1993-10-06 | 1993-10-06 | 構造用材料のクラック検知方法 |
| US08/705,063 US6240786B1 (en) | 1993-10-06 | 1996-08-29 | Two-layer structure composite material for detecting cracks |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5276145A JP2840728B2 (ja) | 1993-10-06 | 1993-10-06 | 構造用材料のクラック検知方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07106659A true JPH07106659A (ja) | 1995-04-21 |
| JP2840728B2 JP2840728B2 (ja) | 1998-12-24 |
Family
ID=17565402
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5276145A Expired - Lifetime JP2840728B2 (ja) | 1993-10-06 | 1993-10-06 | 構造用材料のクラック検知方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6240786B1 (ja) |
| JP (1) | JP2840728B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10035423C1 (de) * | 2000-07-20 | 2001-11-22 | Infineon Technologies Ag | Halbleiterbauelement mit einer Schichtenfolge zum ineinander Umwandeln von akustischen oder thermischen Signalen und elektrischen Spannungsänderungen und Verfahren zu dessen Herstellung |
| US7185545B2 (en) * | 2004-12-29 | 2007-03-06 | General Electric Company | Instrumentation and method for monitoring change in electric potential to detect crack growth |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS63202030A (ja) * | 1987-02-18 | 1988-08-22 | Hitachi Ltd | 半導体チツプ |
| JPS63285983A (ja) * | 1987-05-18 | 1988-11-22 | Omron Tateisi Electronics Co | 薄膜圧電素子の製造方法 |
| JPH05118933A (ja) * | 1991-10-24 | 1993-05-14 | Nec Corp | 歪センサー |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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