JP6157186B2 - Manufacturing method of fiber reinforced composite material structure - Google Patents
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Description
本発明は、歪みセンサである光ファイバセンサを備えた繊維強化複合材料構造体の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a manufacturing method of the fiber-reinforced composite structure with a fiber-optic sensor is a strain sensor.
人工衛星の構造には、軽量かつ高剛性な繊維強化複合材料構造体が一般的に用いられている。特に、ミッション搭載構造には、繊維強化複合材料構造体として、繊維強化プラスチック製の表皮材と、ハニカムコアとから構成される、高剛性なハニカムサンドイッチ構造が用いられている。 A lightweight and highly rigid fiber-reinforced composite material structure is generally used for the structure of an artificial satellite. In particular, the mission mounting structure uses a highly rigid honeycomb sandwich structure composed of a fiber reinforced plastic skin material and a honeycomb core as a fiber reinforced composite material structure.
しかしながら、太陽光入熱および搭載機器発熱等の軌道上の熱環境変化によって、繊維強化複合材料構造体に熱変形が発生するので、搭載されたカメラおよびアンテナ等のミッション機器における地球指向軸の角度が変動してしまう。特に、地球から約3万6千kmの遠方に位置している静止衛星においては、指向軸角度がわずかに変動するだけでも、地球観測および測位の精度が著しく低下することとなる。 However, since the thermal deformation of the fiber reinforced composite material structure occurs due to changes in the on-orbit thermal environment such as solar heat input and on-board equipment heat generation, the angle of the earth-oriented axis in mission equipment such as on-board cameras and antennas Will fluctuate. In particular, in geostationary satellites located at a distance of about 36,000 km from the earth, the accuracy of earth observation and positioning will be significantly reduced even if the pointing axis angle varies slightly.
このような精度の著しい低下を防止するために、熱変形を抑制するとともに、熱変形による指向軸角度の変動を予測し、指向軸の補正を行うことが重要となる。そして、熱変形による指向軸角度の変動を予測するために、軌道上における繊維強化複合材料構造体の歪みを、高密度かつ高精度に計測することが必要である。 In order to prevent such a significant decrease in accuracy, it is important to suppress thermal deformation, predict fluctuations in the pointing axis angle due to thermal deformation, and correct the pointing axis. And in order to predict the variation of the pointing axis angle due to thermal deformation, it is necessary to measure the strain of the fiber-reinforced composite material structure on the track with high density and high accuracy.
ここで、繊維強化プラスチック製またはプラスチック製の構造体の歪みを評価するセンサの1つとして、光ファイバセンサが提案されている。この光ファイバセンサは、小型かつ軽量な温度センサまたは歪みセンサであり、繊維強化プラスチック製またはプラスチック製の構造体に埋め込まれた状態で使用されたり、構造体の表面に接着された状態で使用されたりする。 Here, an optical fiber sensor has been proposed as one of sensors for evaluating the strain of a fiber reinforced plastic or plastic structure. This optical fiber sensor is a small and lightweight temperature sensor or strain sensor that is used in a state where it is embedded in a fiber reinforced plastic or plastic structure, or is adhered to the surface of the structure. Or
このような光ファイバセンサを備えた繊維強化複合材料構造体の一例として、反射スペクトルのブラッグ波長が温度または歪みに応じて変化するFBG(Fiber Bragg Grating)が形成された光ファイバセンサが内部に埋め込まれた繊維強化プラスチック製リブ構造体がある(例えば、特許文献1参照)。このように、繊維強化プラスチック製リブ構造体の内部に光ファイバセンサが埋め込まれた構造を備えることで、構造体内の歪み分布を測定することが可能となる。 As an example of a fiber reinforced composite material structure including such an optical fiber sensor, an optical fiber sensor in which an FBG (Fiber Bragg Grating) in which the Bragg wavelength of the reflection spectrum changes according to temperature or strain is formed is embedded inside. There is a rib structure made of fiber reinforced plastic (for example, see Patent Document 1). Thus, by providing a structure in which an optical fiber sensor is embedded inside a fiber reinforced plastic rib structure, it is possible to measure the strain distribution in the structure.
しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
特許文献1に記載の従来技術においては、前述したように、光ファイバセンサを埋め込んで構造体内の歪み分布を測定している。また、リブ構造体における繊維強化プラスチックは、強化繊維が一方向に配向しており、この強化繊維の配向方向と、光ファイバの配向方向とが平行である。
However, the prior art has the following problems.
In the prior art described in
ここで、例えば、人工衛星の構造に用いられる繊維強化複合材料構造体(繊維強化プラスチック構造体)においては、構造体の熱・機械特性を制御するために、強化繊維が一方向ではなく、複数方向に配向している場合が多い。 Here, for example, in a fiber reinforced composite material structure (fiber reinforced plastic structure) used for the structure of an artificial satellite, in order to control the thermal and mechanical characteristics of the structure, the reinforcing fibers are not unidirectional, It is often oriented in the direction.
このように、強化繊維が複数方向に配向している場合に、従来技術と同様に、光ファイバセンサを内部に埋め込むと、少なくとも1方向以上の強化繊維が光ファイバと交差することとなる。結果として、光ファイバ周りで強化繊維が屈曲してしまうという問題点があった。また、強化繊維が屈曲すると、屈曲部(強化繊維が屈曲した箇所)の強化繊維が荷重を負担することができないので、構造体全体として、所望の機械特性が得られないという問題点があった。 As described above, when the reinforcing fibers are oriented in a plurality of directions, the reinforcing fibers in at least one direction intersect with the optical fibers when the optical fiber sensor is embedded therein, as in the conventional technique. As a result, there is a problem that the reinforcing fiber is bent around the optical fiber. In addition, when the reinforcing fiber is bent, the reinforcing fiber at the bent portion (the portion where the reinforcing fiber is bent) cannot bear the load, so that there is a problem that desired mechanical properties cannot be obtained as the entire structure. .
本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、強化繊維が複数方向に配向している状態で、内部に光ファイバセンサを埋め込んだ場合であっても、強化繊維の屈曲を制御して抑制するとともに、高密度かつ高精度に歪みを評価することのできる繊維強化複合材料構造体の製造方法を得ることを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and even when an optical fiber sensor is embedded in a state where the reinforcing fibers are oriented in a plurality of directions, It suppresses and controls the bending, and to obtain a method for manufacturing a high density and high precision fiber-reinforced composite material structure that can of evaluating the distortion.
また、本発明における繊維強化複合材料構造体の製造方法は、歪みを検出するためのセンサ部が1個以上形成される光ファイバと、光ファイバの周囲を覆う樹脂層とを備えた、光ファイバセンサ構造体が内部に埋め込まれた繊維強化複合材料構造体を製造する繊維強化複合材料構造体の製造方法であって、光ファイバを未硬化の樹脂で覆い、加圧下で加熱することにより、光ファイバの配向方向に直交する面における樹脂層の断面形状が光ファイバの位置で最高点となり、光ファイバから離れるにしたがい、テーパー状に層厚が減少するように、光ファイバの周囲を樹脂層で覆う第1ステップと、樹脂層で周囲が覆われた光ファイバを、複数のプリプレグの所望の層間位置に設置するとともに、複数のプリプレグを順次積層し、加圧下で加熱する第2ステップと、を備えたものである。 The fiber reinforced composite material structure manufacturing method according to the present invention includes an optical fiber including an optical fiber having one or more sensor portions for detecting strain, and a resin layer covering the periphery of the optical fiber. A method of manufacturing a fiber reinforced composite material structure for manufacturing a fiber reinforced composite material structure in which a sensor structure is embedded, wherein an optical fiber is covered with an uncured resin and heated under pressure to produce light. The cross section of the resin layer in the plane perpendicular to the fiber orientation direction is the highest point at the position of the optical fiber, and as the distance from the optical fiber increases, the thickness of the optical fiber decreases with a resin layer around the optical fiber. A first step of covering and an optical fiber whose periphery is covered with a resin layer are placed at a desired interlayer position of a plurality of prepregs, and a plurality of prepregs are sequentially laminated and heated under pressure. A second step that is those with.
本発明によれば、プリプレグ(繊維強化プラスチック)の層間に、光ファイバの周囲にテーパー樹脂層が成形された光ファイバセンサ構造体を埋め込むことにより、光ファイバの周囲の強化繊維の配向が連続的に緩やかに変化するようにする。これにより、強化繊維が複数方向に配向している状態で、内部に光ファイバセンサを埋め込んだ場合であっても、強化繊維の屈曲を制御して抑制するとともに、高密度かつ高精度に歪みを評価することのできる繊維強化複合材料構造体の製造方法を得ることができる。 According to the present invention, an optical fiber sensor structure in which a taper resin layer is formed around an optical fiber is embedded between layers of a prepreg (fiber reinforced plastic) so that the orientation of the reinforcing fiber around the optical fiber is continuous. To change slowly. As a result, even when the optical fiber sensor is embedded in a state in which the reinforcing fibers are oriented in a plurality of directions, the bending of the reinforcing fibers is controlled and suppressed, and the strain is highly dense and highly accurate. manufacturing method of evaluation can Ru fiber-reinforced composite material structure able to can be obtained.
以下、本発明による繊維強化複合材料構造体の製造方法を、好適な実施の形態にしたがって図面を用いて説明する。なお、図面の説明においては、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。 Hereinafter, a method for manufacturing by that fiber-reinforced composite structure of the present invention will be described with reference to the drawings in accordance with a preferred embodiment. In the description of the drawings, the same reference numerals are assigned to the same elements, and duplicate descriptions are omitted.
ここで、本発明における繊維強化複合材料構造体は、光ファイバの周囲がテーパー状の樹脂層で覆われた光ファイバセンサ構造体がプリプレグの層間に埋め込まれた状態で成形されているので、強化繊維の屈曲を制御して抑制することができるとともに、高密度かつ高精度に歪みを評価することができるという技術的特徴を有する。したがって、本願では、繊維強化複合材料構造体がこのような構造をとることに意味があり、以下の実施の形態1で示す具体的な数値等は、一例であって、権利範囲に影響を及ぼすものではない。
Here, the fiber reinforced composite material structure in the present invention is formed in a state where the optical fiber sensor structure in which the periphery of the optical fiber is covered with the taper-shaped resin layer is embedded between the layers of the prepreg. It has the technical feature that it can control and suppress the bending of the fiber and can evaluate the strain with high density and high accuracy. Therefore, in the present application, it is meaningful that the fiber-reinforced composite material structure has such a structure, and the specific numerical values shown in the following
実施の形態1.
まず始めに、以下の説明において用いる座標系について説明する。本実施の形態1の繊維強化複合材料構造体を示す場合、面内方向における任意の一方向をX方向として、これに直交する、面内方向をY方向、面外方向をZ方向とする。また、繊維強化複合材料構造体における強化繊維の配向方向を示す場合、X方向を0度方向とし、Y方向を90度方向とする。
First, a coordinate system used in the following description will be described. When the fiber-reinforced composite material structure of the first embodiment is shown, any one direction in the in-plane direction is defined as the X direction, and the in-plane direction perpendicular to the Y direction is defined as the Y direction and the out-of-plane direction is defined as the Z direction. Moreover, when showing the orientation direction of the reinforced fiber in a fiber reinforced composite material structure, the X direction is the 0 degree direction and the Y direction is the 90 degree direction.
次に、本実施の形態1における繊維強化複合材料構造体について、図1および図2を参照しながら説明する。図1は、本発明の実施の形態1における繊維強化複合材料構造体の斜視図である。図2は、本発明の実施の形態1における繊維強化複合材料構造体の断面図である。なお、図2における繊維強化複合材料構造体の断面図は、図1における繊維強化複合材料構造体の光ファイバの配向方向(X方向)に対して直交する断面(すなわち、Y−Z面に平行である断面)の図を示している。
Next, the fiber-reinforced composite material structure according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 1 is a perspective view of a fiber-reinforced composite material structure according to
図1に示すように、繊維強化複合材料構造体は、繊維強化プラスチック1および光ファイバセンサ構造体2を備えて構成されている。より具体的には、繊維強化プラスチック1の層間に、歪みを検出する光ファイバセンサ構造体2が埋め込まれている。なお、光ファイバセンサ構造体2は、図1に示すように、X方向(0度方向)に配向しているものとする。
As shown in FIG. 1, the fiber reinforced composite material structure includes a fiber reinforced
また、繊維強化プラスチック1の層間に埋め込まれている光ファイバセンサ構造体2は、光ファイバ3、被覆4およびテーパー樹脂層5を有する。なお、図2では具体的に説明するために、4層積層された繊維強化プラスチック1の2層目と、3層目との間に埋め込まれた場合を例示している。
The optical
また、図2に示すように、光ファイバセンサ構造体2内の光ファイバ3は、被覆4で外周部を覆われており、さらに、光ファイバ3(被覆4)は、テーパー樹脂層5で周囲を覆われている。なお、テーパー樹脂層5のテーパー角度θが実用的にとりうる範囲は、例えば、0°<θ<15°であるが、これに限定されない。
As shown in FIG. 2, the
また、光ファイバ3よりも上部に位置する、繊維強化プラスチック1の層(図2では、3層目および4層目)は、テーパー樹脂層5に沿って緩やかに屈曲しており、層内の強化繊維も同様に屈曲する。すなわち、光ファイバ3の周囲の強化繊維の配向が連続的に緩やかに変化していることになり、強化繊維の屈曲が抑制される。
Further, the layers of the fiber reinforced plastic 1 (the third layer and the fourth layer in FIG. 2) located above the
次に、光ファイバ3に形成されるFBGセンサ部6について、図3〜図6を参照しながら説明する。図3は、本発明の実施の形態1における光ファイバセンサ構造体2の断面図である。図4は、本発明の実施の形態1における光ファイバ3に形成されるFBGセンサ部6付近の拡大断面図である。図5は、本発明の実施の形態1におけるFBGセンサ部6の構造を示す説明図である。図6は、本発明の実施の形態1におけるFBGセンサ部6の反射スペクトルの特性を示すグラフである。
Next, the
なお、図3における光ファイバセンサ構造体2の断面図は、先の図1における光ファイバセンサ構造体2の光ファイバの配向方向(X方向)に対して平行である(すなわち、X−Z面に平行である)断面の図を示している。また、図3には、光ファイバ3、被覆4およびテーパー樹脂層5に加え、さらに、前述したFBGセンサ部6も併せて示されている。
The cross-sectional view of the optical
また、図4におけるFBGセンサ部6付近の拡大断面図は、図3における光ファイバセンサ構造体2の断面図に示されているFBGセンサ部6付近を拡大した図を示している。
4 is an enlarged view of the vicinity of the
ここで、FBGセンサ部6とは、光ファイバ3に形成されたファイバ・ブラッグ・グレーティング(Fiber Bragg Grating)部のことであり、光ファイバ3によって直列に接続されるように、それぞれが互いに間隔をおいて1個以上設けられている。なお、図3では具体的に説明するために、3つのFBGセンサ部6が互いに間隔をおいて設けられている場合を例示している。
Here, the
そして、図3に示すように、FBGセンサ部6が形成される光ファイバ3の周囲は、被覆4で覆われておらず(被覆4が除去されており)、これに対して、FBGセンサ部6が形成されない光ファイバ3の周囲は、被覆4で覆われている。
And as shown in FIG. 3, the circumference | surroundings of the
具体的には、図4に示すように、光ファイバ3は、コア7と、コア7の外周を覆うクラッド8とを有しており、コア7中にFBGセンサ部6が形成されている。そして、クラッド8の外周が被覆4で覆われており、FBGセンサ部6付近では、被覆4が除去されており、クラッド8が露出した状態となっている。
Specifically, as shown in FIG. 4, the
なお、光ファイバ3内の各部のサイズについては、例えば、被覆4を含めた光ファイバ3全体の直径が250μm程度、クラッド8の直径が125μm程度、コア7の直径が10μm程度とすることができるが、これらの大きさに限定されない。また、複数設けられているFBGセンサ部6のそれぞれは、例えば、5mm程度の範囲に渡ってコア7中に形成することができるが、この範囲に限定されない。このように、ここで示す数値に係る光ファイバは、一例であって、本願発明は、ここで示した数値以外の他の数値に係る光ファイバに対しても適用可能である。
As for the size of each part in the
また、FBGセンサ部6は、屈折率が光ファイバ3の長手方向(配向方向)に周期的に変化するように、コア7中に形成されており、急峻な反射スペクトル特性が得られるという特徴を有する。具体的には、図5に示すように、コア7の屈折率が周期Λで変化し、図6に示すように、急峻な反射スペクトル特性が得られ、反射スペクトルの中心波長(ブラッグ波長:λB)の光強度が最も大きくなる。
Further, the
ここで、反射スペクトルの中心波長(ブラッグ波長:λB)、周期Λおよび屈折率nの関係は、次式(1)で表される。また、屈折率nは、温度に依存し、周期Λは、温度および歪みに依存する。
λB=2nΛ (1)
Here, the relationship between the center wavelength (Bragg wavelength: λ B ), the period Λ, and the refractive index n of the reflection spectrum is expressed by the following equation (1). The refractive index n depends on temperature, and the period Λ depends on temperature and strain.
λ B = 2nΛ (1)
したがって、繊維強化プラスチック1の層間に光ファイバセンサ構造体2を埋め込んだ状態でブラッグ波長λBを計測する。そして、公知の別の手段を用いて測定した繊維強化複合材料構造体の温度の影響を考慮すれば、上式(1)から温度を求めることができ、繊維強化複合材料構造体に生じた歪みを高密度かつ高精度に評価することができる。このように、光ファイバ3に形成されるFBGセンサ部6は、歪みセンサとして使用することが可能となる。
Therefore, the Bragg wavelength λ B is measured in a state where the optical
なお、FBGセンサ部6付近が被覆4で覆われていてもよいが、前述したように、FBGセンサ部6が形成される光ファイバ3の周囲が被覆4で覆われないように被覆4を除去すれば、繊維強化複合材料構造体に生じた歪みの情報を、FBGセンサ部6へより正確に伝達することができる。したがって、歪みをより精度よく測定するためには、FBGセンサ部6が形成される光ファイバ3の周囲が被覆4で覆われないようにすることが好ましい。また、FBGセンサ部6が形成される光ファイバ3の周囲を覆うテーパー樹脂層5は、繊維強化プラスチック1と一体化しているため、繊維強化複合材料構造体に生じた歪みの情報をFBGセンサ部6へ正確に伝達し、歪みの測定精度にほとんど影響を及ぼさない。
Although the vicinity of the
次に、繊維強化複合材料構造体の歪みを評価するための歪み計測システムの一例について、図7を参照しながら説明する。図7は、本発明の実施の形態1における光ファイバセンサ構造体2を用いた歪み計測システムの構成図である。
Next, an example of a strain measurement system for evaluating the strain of the fiber-reinforced composite material structure will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a configuration diagram of a strain measurement system using the optical
図7に示すように、歪み計測システムは、光ファイバ3、光サーキュレータ9、ASE(Amplified Spontaneous Emission)光源10および光波長計11を備える。
As shown in FIG. 7, the strain measurement system includes an
繊維強化複合材料構造体の温度を計測する場合、光ファイバ3の基端部に、光路を変換する光サーキュレータ9が接続される。また、光サーキュレータ9には、広帯域光源であるASE光源10と、波長計測装置である光波長計11とが接続される。
When measuring the temperature of the fiber reinforced composite material structure, an optical circulator 9 for converting the optical path is connected to the proximal end portion of the
このようなシステムを構成することにより、ブラッグ波長λBを具体的に計測することができる。そして、前述したように、ブラッグ波長λBを計測し、公知の別の手段を用いて測定した繊維強化複合材料構造体の温度の影響を考慮すれば、上式(1)から温度を求めることができ、繊維強化複合材料構造体に生じた歪みを高密度かつ高精度に評価することができる。 By configuring such a system, the Bragg wavelength λ B can be specifically measured. Then, as described above, when the Bragg wavelength λ B is measured and the influence of the temperature of the fiber reinforced composite material structure measured using another known means is taken into consideration, the temperature is obtained from the above equation (1). The strain generated in the fiber reinforced composite material structure can be evaluated with high density and high accuracy.
次に、本実施の形態1における繊維強化複合材料構造体の製造方法について、図8〜図11を参照しながら説明する。 Next, the manufacturing method of the fiber reinforced composite material structure in the first embodiment will be described with reference to FIGS.
まず始めに、光ファイバ3の周囲にテーパー樹脂層5を成形して光ファイバセンサ構造体2を製造する場合について、図8および図9を参照しながら説明する。図8は、本発明の実施の形態1において、光ファイバ3にテーパー樹脂層5が成形される様子を示した説明図である。図9は、本発明の実施の形態1において、光ファイバセンサ構造体2内のテーパー樹脂層5の厚みを示した説明図である。ここで、図9(a)は、先の図3における光ファイバセンサ構造体2の断面図を示し、図9(b)は、(a)におけるA−A’断面図を示し、図9(c)は、(a)におけるB−B’断面図を示す。
First, a case where the optical
ここで、繊維強化複合材料構造体の歪みをより精度よく測定できるようにするため、前述したように、FBGセンサ部6が形成される光ファイバ3の周囲が被覆4で覆われないように被覆4を除去し、あらかじめFBGセンサ部6付近を露出した状態にしている。
Here, in order to measure the strain of the fiber reinforced composite material structure with higher accuracy, as described above, the coating of the
図8に示すように、光ファイバ3の周囲を、未硬化の樹脂(具体的には、2枚のテープ状樹脂フィルム12)で挟み込み、溝付き成形型13の溝に設置し、定盤14で上部を押さえる。そして、プレス機(図示せず)を用いて、溝付き成形型13および定盤14を介して、テープ状樹脂フィルム12のそれぞれに所定の成形圧を加えて加圧下で加熱する。
As shown in FIG. 8, the periphery of the
なお、テープ状樹脂フィルム12として、例えば、厚さが60μmであり、180℃で硬化するエポキシ接着剤を用いることができるが、これに限定されず、熱硬化性樹脂であればよく、液状の接着剤を用いてもよい。また、テーパー樹脂層5を成形する際に、2枚のテープ状樹脂フィルム12で光ファイバ3を挟み込んだが、これに限定されず、例えば、光ファイバ3に液状の接着剤を塗布して、フィルム接着剤で接着してもよい。
In addition, as the tape-shaped
このように、光ファイバ3の周囲にテーパー樹脂層5を成形することにより、光ファイバセンサ構造体2を製造することができる。具体的には、図9(a)に示すように、光ファイバセンサ構造体2において、光ファイバ3の周囲をテーパー樹脂層5が覆っている。
Thus, the optical
また、図9(b)に示すように、被覆4が覆われていない光ファイバ3(すなわち、FBGセンサ部6が形成される光ファイバ3は、テーパー樹脂層5の中心に位置しており、この位置に対応した樹脂層の厚み(層厚)が最も大きく、光ファイバ3の位置からテーパー樹脂層5の下部に対して平行方向に(紙面左右方向)に離れるにしたがい、樹脂層の厚み(層厚)が減少していく。同様に、図9(c)に示すように、被覆4が覆われている光ファイバ3も、テーパー樹脂層5の中心に位置しており、この位置に対応した樹脂層の厚みが最も大きく、光ファイバ3の位置からテーパー樹脂層5の下部に対して平行方向に(紙面左右方向)に離れるにしたがい、樹脂層の厚みが減少していく。
Further, as shown in FIG. 9B, the
換言すると、図9(b)、(c)に示すように、光ファイバ3の配向方向に直交する面におけるテーパー樹脂層5の断面形状が光ファイバ3の位置で最高点となり、光ファイバ3から離れるにしたがいテーパー状に層厚が減少している。
In other words, as shown in FIGS. 9B and 9C, the cross-sectional shape of the
なお、光ファイバ3の周囲の強化繊維の配向を連続的に緩やかに変化させることを可能とするテーパー樹脂層5の断面形状およびテーパー角度θの一例を、図9(b)、(c)に例示したがこれに限定されない。すなわち、溝付き成形型13の溝の形状を所望の形状に加工することにより、適宜変更することができる。このように、テーパー樹脂層5の断面形状およびテーパー角度θを変更することにより、光ファイバ3の周囲の強化繊維の屈曲度合いが所望の屈曲度合いになるように制御することができる。また、光ファイバ3の周囲の強化繊維の配向を連続的に緩やかに変化させることができる。
9B and 9C show examples of the cross-sectional shape and taper angle θ of the
次に、繊維強化プラスチック1の層間に光ファイバセンサ構造体2を埋め込んで繊維強化複合材料構造体を成形する場合について、図10を参照しながら説明する。図10は、本発明の実施の形態1において、繊維強化プラスチック1の層間に光ファイバセンサ構造体2を埋め込んで繊維強化複合材料構造体が成形される様子を示した説明図である。
Next, the case where the optical
図10に示すように、定盤14上に、繊維強化プラスチック1の層として複数のプリプレグ15を順次積層していく。なお、プリプレグ15は、樹脂をあらかじめ繊維間へ含浸させて半硬化させた状態であることが好ましい。また、プリプレグ15の所望の層間位置に配置され、さらに、FBGセンサ部6がこのプリプレグ15上の所望の面内位置に配置されるように光ファイバセンサ構造体2が設置される。
As shown in FIG. 10, a plurality of
次に、光ファイバセンサ構造体2が設置された上で、所定枚数だけプリプレグ15が積層された後、バギングフィルム16で全体を覆い、シール材17で密閉して、内部(密閉空間)をポンプ(図示せず)で真空状態にする。また、この状態で、バギングフィルム16の上部から加圧下(例えば、1気圧程度で加圧する)で加熱することにより、成形材料18が成形される。そして、この成形材料18内のプリプレグ15に含まれる樹脂を硬化させることにより、繊維強化複合材料構造体が成形される。
Next, after the optical
なお、繊維強化プラスチック1の素材となるプリプレグ15として、例えば、炭素繊維M60J(東レ株式会社製)と、170℃で硬化するエポキシ樹脂とから構成される炭素繊維プリプレグを用いることができるが、これに限定されない。すなわち、ここで用いることのできるプリプレグ15の構成は、炭素繊維M60Jと、170℃で硬化するエポキシ樹脂との組み合わせに限定されず、どのような組み合わせであってもよい。このように、ここで示すプリプレグを構成する繊維と、樹脂との組合せは、一例であって、本願発明は、他の組合せから構成されるプリプレグに対しても適用可能である。
In addition, as the
また、FBGセンサ部6のグレーティング長として、例えば、長さを5mmにすることができるが、これに限定されず、1mmから10mm程度の範囲内の長さであれば、どのような長さであってもよい。
The grating length of the
次に、ここまで詳述した繊維強化複合材料構造体の一連の製造工程について、図11を参照しながらより具体的に説明する。図11は、本発明の実施の形態1における繊維強化複合材料構造体の一連の製造工程を説明するための説明図である。なお、光ファイバ3の周囲にテーパー樹脂層5を成形することにより、光ファイバセンサ構造体2を製造する工程については、前述したので、説明を省略する。
Next, a series of manufacturing steps of the fiber-reinforced composite material structure detailed up to here will be described more specifically with reference to FIG. FIG. 11 is an explanatory diagram for describing a series of manufacturing steps of the fiber-reinforced composite material structure according to
まず、第1ステップとして、前述したように、定盤14上に、1枚以上のプリプレグ15を順次積層する。なお、第1ステップで積層された1枚以上のプリプレグ15から成るプリプレグのグループを、第1プリプレグ群19と称す。
First, as a first step, as described above, one or
次に、第2ステップとして、第1ステップで積層された第1プリプレグ群19の上に、光ファイバセンサ構造体2を設置する。
Next, as a second step, the optical
次に、第3ステップとして、光ファイバセンサ構造体2を上部に設置した第1プリプレグ群19の上に、さらに、1枚以上のプリプレグ15を順次積層する。なお、第3ステップで積層された1枚以上のプリプレグ15から成るプリプレグのグループを第2プリプレグ群20と称す。
Next, as a third step, one or
次に、第4ステップとして、第1プリプレグ群19および第2プリプレグ群20を加圧下で加熱することにより、プリプレグ15中の樹脂を硬化させる。これにより、本実施の形態1における繊維強化複合材料構造体(光ファイバセンサ構造体2を備えた繊維強化複合材料構造体)が製造されることとなる。
Next, as a fourth step, the resin in the
ここで、光ファイバ3(被覆4)がテーパー樹脂層5で覆われていない状態の光ファイバセンサ構造体2を、繊維強化プラスチック1の層間(プリプレグ15の層間)に埋め込むと、光ファイバセンサ構造体2の周囲で強化繊維が大きく屈曲してしまう。
Here, when the optical
また、大きく屈曲した屈曲部の強化繊維が荷重を負担することができないので、繊維強化複合材料構造体としての機械特性が低下し、所望の機械特性が得られない。さらに、強化繊維がどの程度屈曲するかを示す屈曲度合いを制御することができないので、所望の機械特性から実際の機械特性がどの程度減少するかを示す減少度合いを見積もることができない。これらの結果として、所望の機械特性が得られるようにするため、プリプレグ15を余分に積層することとなり、繊維強化複合材料構造体の重量増につながってしまうこととなる。
In addition, since the reinforcing fiber of the bent portion that is greatly bent cannot bear the load, the mechanical properties as the fiber-reinforced composite material structure are lowered, and desired mechanical properties cannot be obtained. Furthermore, since the degree of bending indicating how much the reinforcing fiber bends cannot be controlled, it is impossible to estimate the degree of reduction indicating how much the actual mechanical characteristics are reduced from the desired mechanical characteristics. As a result, in order to obtain desired mechanical properties, the
これに対して、本願発明では、光ファイバ3(被覆4)がテーパー樹脂層5で覆われている状態の光ファイバセンサ構造体2を、繊維強化プラスチック1の層間(プリプレグ15の層間)に埋め込むので、強化繊維が緩やかに屈曲し、繊維強化複合材料構造体としての機械特性の低下が抑制される。
In contrast, in the present invention, the optical
また、テーパー角度θを変更することができるので、強化繊維の屈曲度合いを制御することができる。すなわち、テーパー樹脂層5により、強化繊維の配向方向に対する傾きが決定されるので、光ファイバセンサ構造体2の周囲における強化繊維の屈曲を抑制するとともに制御することを可能とし、結果として、繊維強化複合材料構造体としての機械特性の低下を最小限とすることができる。
Further, since the taper angle θ can be changed, the degree of bending of the reinforcing fiber can be controlled. That is, since the inclination with respect to the orientation direction of the reinforcing fiber is determined by the
さらに、本願発明では、脆く破壊されやすいFBGセンサ部6をテーパー樹脂層5で覆うことになるので、FBGセンサ部6が保護されることとなる。結果として、FBGセンサ部6の強度が向上し、光ファイバセンサ構造体2を設置する際の作業性を向上させることができる。また、テーパー樹脂層5をプリプレグ15と同種の樹脂フィルムで成形すれば、異種材料を挿入することなく成形でき、層間強度を向上させることができる。
Furthermore, in this invention, since the
以上、本実施の形態1によれば、繊維強化複合材料構造体は、繊維強化プラスチックの層間(プリプレグの層間)に、光ファイバの周囲にテーパー樹脂層が成形された光ファイバセンサが埋め込まれた構造となっている。これにより、強化繊維が複数方向に配向している場合であっても、強化繊維の屈曲を制御して抑制するとともに、高密度かつ高精度に歪みを評価することができる。 As described above, according to the first embodiment, in the fiber reinforced composite material structure, the optical fiber sensor in which the taper resin layer is formed around the optical fiber is embedded between the fiber reinforced plastic layers (the prepreg layers). It has a structure. Thereby, even if the reinforcing fibers are oriented in a plurality of directions, the bending of the reinforcing fibers can be controlled and suppressed, and the distortion can be evaluated with high density and high accuracy.
なお、本実施の形態1では、テーパー樹脂層5で覆われる光ファイバ3の一例として、FBGセンサ部6が1個以上形成されている光ファイバを例示したが、これに限定されず、本願発明は、構造体の歪みを評価することのできる他の光ファイバに対しても適用可能である。また、他の光ファイバにおいても同様に、歪みを検出するためのセンサ部が形成されている周囲が被覆で覆われないようにすれば、歪みをより精度よく測定することができる。
In the first embodiment, as an example of the
1 繊維強化プラスチック、2 光ファイバセンサ構造体、3 光ファイバ、4 被覆、5 テーパー樹脂層、6 FBGセンサ部、7 コア、8 クラッド、9 光サーキュレータ、10 ASE光源、11 光波長計、12 テープ状樹脂フィルム、13 溝付き成形型、14 定盤、15 プリプレグ、16 バギングフィルム、17 シール材、18 成形材料、19 第1プリプレグ群、20 第2プリプレグ群。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記光ファイバを未硬化の樹脂で覆い、加圧下で加熱することにより、前記光ファイバの配向方向に直交する面における前記樹脂層の断面形状が前記光ファイバの位置で最高点となり、前記光ファイバから離れるにしたがい、テーパー状に層厚が減少するように、前記光ファイバの周囲を前記樹脂層で覆う第1ステップと、
前記樹脂層で周囲が覆われた前記光ファイバを、複数のプリプレグの所望の層間位置に設置するとともに、前記複数のプリプレグを順次積層し、加圧下で加熱する第2ステップと、
を備えた繊維強化複合材料構造体の製造方法。 A fiber reinforced composite material structure including an optical fiber in which one or more sensor portions for detecting strain are formed and a resin layer covering the periphery of the optical fiber, in which an optical fiber sensor structure is embedded. A method of manufacturing a fiber-reinforced composite material structure,
By covering the optical fiber with an uncured resin and heating it under pressure, the cross-sectional shape of the resin layer on the surface orthogonal to the orientation direction of the optical fiber becomes the highest point at the position of the optical fiber, and the optical fiber A first step of covering the periphery of the optical fiber with the resin layer so that the layer thickness decreases in a tapered manner as the distance from
A second step of installing the optical fiber, the periphery of which is covered with the resin layer, at a desired interlayer position of a plurality of prepregs, sequentially laminating the plurality of prepregs, and heating under pressure;
A method for producing a fiber-reinforced composite material structure comprising:
前記第1ステップの実行の前に、前記センサ部が位置する前記光ファイバの周囲に被覆がある場合に、前記被覆を除去する第3ステップをさらに備えた
繊維強化複合材料構造体の製造方法。 In the manufacturing method of the fiber reinforced composite material structure according to claim 1 ,
The method for manufacturing a fiber-reinforced composite material structure, further comprising a third step of removing the coating when there is a coating around the optical fiber where the sensor unit is located before the execution of the first step.
前記光ファイバは、前記センサ部として、FBG(ファイバ・ブラッグ・グレーティング)センサ部が1個以上形成されている
繊維強化複合材料構造体の製造方法。 In the manufacturing method of the fiber reinforced composite material structure according to claim 1 or 2 ,
One or more FBG (fiber Bragg grating) sensor parts are formed as the sensor part in the optical fiber. A method for manufacturing a fiber reinforced composite material structure.
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