磁歪Feの応力モニタリング機能

Scientific Reports volume 12、記事番号: 22421 (2022) この記事を引用

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1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

ガラス繊維強化ポリマー (GFRP) 織物ラミネートの損傷検出については、多くの構造健全性モニタリング (SHM) 技術が研究されてきました。 最近では、センサーと一体化したGFRP複合材料が動作中の構造状態の情報を伝達できることから注目を集めています。 磁歪材料は、ヴィラーリ効果を利用して非接触 SHM 技術を実現するための実現可能な候補と考えられていますが、磁歪応答と構造条件を相関させる理論モデリングは重要な問題です。 本研究では、磁歪GFRP積層板の曲げ時のビラーリ効果による磁気誘導をモデル化するために、材料力学と電磁気学を考慮した解析手法を提案した。 次に、磁歪 Fe-Co ファイバー/GFRP 複合材料が開発され、製造された複合材料の応力監視能力を評価するために 4 点曲げ試験が実行されました。 磁束密度の挙動は曲げ応力の変動に対応した。 158 MPa のピーク曲げ応力を受けたときの最大磁束密度変化は 70.7 mT でした。 分析解は実験結果と合理的な一致を示しました。 加えられた応力と測定された磁束密度は理論モデルによって相関されました。 したがって、これらの結果は、磁歪材料を利用した新しい非接触 SHM 技術を実現するための重要なステップを示唆しています。

ガラス繊維強化ポリマー (GFRP) 織物積層板は、断熱性、電気絶縁性、および優れた機械的特性の特徴を示し、国際熱核融合実験炉 (ITER) などの核融合炉で使用される超電導デバイスに適した材料です1。 ただし、FRP ラミネートの用途は、その複雑な損傷や層間破壊などの破壊形態により制限される傾向があります 2、3。 このため、安全に運用するためには損傷状況を把握し、余寿命を予測することが求められています4。

構造健全性モニタリング (SHM) は、保守中にこれらの構造コンポーネントの安全プロトコルを維持するために必要です5。 多くの研究者が、周波数法 6、ラム波 7、音響放射 8 など、さまざまな SHM 技術を研究してきました。 しかし、開発されたすべての技術には独自の利点、制限、および適用範囲があるため、すべての条件、状況、および用途に対応する汎用性の高い技術は作成されていません9。 現在、センサーが埋​​め込まれた複合材料は、複合材料自体が構造の健全性を知らせることができるため、SHM 技術の 1 つとして広く認識されています。 複合構造の光ファイバーセンサーは、その特有の利点により注目を集めています10。 Sánchez ら 11 は、光ファイバーセンサーを埋め込んだ炭素繊維強化ポリマー (CFRP) の製造プロセス全体を監視し、分布残留ひずみプロファイルを評価しました。 レイリー散乱に基づく光学後方散乱反射計を使用した GFRP の実現可能性が検討されています 12。 岡部ら 13 は、チャープ ファイバー ブラッグ グレーティングの感知能力が CFRP ラミネートの亀裂位置を特定できることを実証しました。 CFRP 複合材料の損傷と電気抵抗を結びつけることができるため、電気抵抗の測定が研究されてきました 14。 連続炭素繊維/エポキシ複合積層板の衝撃損傷は電気抵抗測定によって評価されており、この技術の感度は超音波法よりも有効でした15。 極低温環境における織物 CFRP 複合積層板の層間せん断挙動と電気抵抗応答の間の相関関係は、数値的および実験的に議論されています 16,17。 武田と成田18は、モードI荷重下でのカーボンナノチューブ/エポキシ接着剤層を備えた接着されたCFRP複合接合部の亀裂伝播モニタリングを報告した。 圧電材料は、複合構造に結合されたパッシブセンサーとアクティブセンサーの両方として利用できます19。 圧電セラミックスが埋め込まれた CFRP 複合材料は、リアルタイム SHM 能力を議論するために特性化されています 20,21。 Hwang et al.22 は、衝撃センサー用の圧電粉末とエポキシ樹脂の混合物を含む圧電 GFRP 複合積層板の特性を評価しました。 センサーおよび補強材として機能する圧電織布で構成されるスマート織繊維強化ポリマー (FRP) 複合積層板は、加えられた荷重とセンサー信号の間に直接的な関係を示しています23。 Wang et al.24 は、圧電 CFRP 複合材料の新しい分極プロセスを提案し、圧電特性を特徴付けました。

磁歪材料は、一般に応力が加わったときの強磁性材料の磁化の変化として説明されるヴィラリ効果を利用することにより、センサーやエネルギーハーベスティングの用途に使用されてきました25。 したがって、SHMセンサーが埋​​め込まれた他の複合材料とは異なり、磁歪FRP複合材料は、磁歪材料によって引き起こされる磁場の変化をコイルやホールプローブを使用して電圧変化として検出できるため、FRP構造の非接触モニタリングの実現が期待されています。 Terfenol-D (Tb1−xDyxFe2) は超磁歪材料として知られています。 Kubicka ら 26,27 は、Terfenol-D 粒子を埋め込んだ CFRP の調製と特性評価を報告しています。 さらに、他の研究者は SHM 用途のための磁歪ポリマー複合材料を研究しています 28、29、30、31。 Fe-Co合金（Fe29Co71）は延性と良好な加工性を示します。 したがって、Fe-Co ワイヤをエポキシ樹脂に埋め込んで、Fe-Co ワイヤの高アスペクト比を利用したオリジナルの磁歪エポキシ複合材料が発明されました 32,33,34,35。 研究では主に、圧縮応力に対する磁歪応答が調査されてきました。 最近、帷子ら 36,37 は、Fe-Co ワイヤを埋め込んだ FRP 複合材料を開発し、曲げ荷重下の自己感知能力に対する複合材料設計の影響を調査しました。 Fe-Co線を用いた複合設計は、柱状結晶が強いため磁化方向の制御が容易であり、バイアス磁場の印加が不要になる可能性があります。 図 1 は、曲げ荷重 P の下での Fe-Co 繊維が埋め込まれた GFRP 複合材料 (Fe-Co 繊維/GFRP 複合材料) の磁歪挙動と応力モニタリング手順を示しています。 曲げ応力 \(\sigma_{{\text{f}}}\) Fe-Co ファイバーに応力テンソル \(\sigma_{ij}^{{\text{f}}}\) を生成し、磁束密度 \({\varvec{B}}^{{\text{f} }}\) ヴィラーリ効果による。 次に、複合材料の周囲に磁場が誘導されます。これは、図 1 の空気中の磁束密度 \({\varvec{B}}^{{\text{e}}}\) として表されます。上付き文字 f とe はそれぞれ Fe-Co 繊維の内側と外側の量を表します。 非接触評価の重要な問題の 1 つは、磁歪 FRP 複合材料の周囲で監視された磁束密度から Fe-Co ファイバーの磁束密度を推定することです。 磁気応答と構造条件の間の相関関係も、複合構造の理論モデルに基づいて考慮する必要があります。 しかし、これらの問題に関する文献研究は少なく、決定的なものはありません。

曲げ荷重下でのFe-Coファイバー/GFRP複合材料の磁歪挙動と応力モニタリング手順。

この研究では、磁歪応答と曲げ時の構造状態との相関関係を理解するためのアプローチを考案するために、材料力学と電磁気学に基づいた解析手順を提案しました。 次に、Fe-Co 繊維/GFRP 複合材料を作製しました。 磁歪 GFRP 複合材料の Villari 効果を利用して、応力自己感知能力を調査するために 4 点曲げ試験が実施されました。 4 点曲げ試験中の試験片周囲の磁場分布の変化を評価するために 3 つのホール プローブが導入されました。

磁歪材料の基本方程式をここで概説します。 座標系 o-xyz を考えてみましょう。 z 軸は磁化容易軸と一致します。 構成方程式は次のように与えられます。

ここで、\(\varepsilon_{xx}^{{\text{f}}}\)、\(\varepsilon_{yy}^{{\text{f}}}\)、\(\varepsilon_{zz}^{ {\text{f}}}\)、\(\varepsilon_{yz}^{{\text{f}}} = \varepsilon_{zy}^{{\text{f}}}\)、\(\ varepsilon_{zx}^{{\text{f}}} = \varepsilon_{xz}^{{\text{f}}}\), \(\varepsilon_{xy}^{{\text{f}}} = \varepsilon_{yx}^{{\text{f}}}\) はひずみテンソルの成分、\(\sigma_{xx}^{{\text{f}}}\)、\(\sigma_ {yy}^{{\text{f}}}\)、\(\sigma_{zz}^{{\text{f}}}\)、\(\sigma_{yz}^{{\text{f }}} = \sigma_{zy}^{{\text{f}}}\), \(\sigma_{zx}^{{\text{f}}} = \sigma_{xz}^{{\text {f}}}\)、\(\sigma_{xy}^{{\text{f}}} = \sigma_{yx}^{{\text{f}}}\) は応力テンソルの成分です、\(H_{x}^{{\text{f}}}\)、\(H_{y}^{{\text{f}}}\)、\(H_{z}^{{\ text{f}}}\) は、磁場強度ベクトル \(B_{x}^{{\text{f}}}\)、\(B_{y}^{{\text{f) の成分です}}}\)、\(B_{z}^{{\text{f}}}\) は磁束密度ベクトル \(s_{11}^{{\text{f}} の成分です}\)、\(s_{33}^{{\text{f}}}\)、\(s_{44}^{{\text{f}}}\)、\(s_{66}^{ {\text{f}}}\)、\(s_{12}^{{\text{f}}}\)、\(s_{13}^{{\text{f}}}\) は一定磁場における弾性コンプライアンス、\(d_{15}^{{\prime}{\text{f}}}\)、\(d_{31}^{{\prime}{\text{f}}} \)、\(d_{33}^{{\prime}{\text{f}}}\) は磁気弾性定数、\(\mu_{11}^{{\text{f}}}\ ) と \(\mu_{33}^{{\text{f}}}\) はそれぞれ一定応力における透磁率です。 通常、Fe-Coファイバーは引抜加工により製造されます。 磁化容易軸は長さ方向に沿っており、縦(33)磁歪変形モードが支配的であると仮定されます。 したがって、定数 \(d_{15}^{{\prime}{\text{f}}}\)、\(d_{31}^{{\prime}{\text{f}}}\)、と \(d_{33}^{{\prime}{\text{f}}}\) は

ここで、\(d_{15}^{{\text{f}}}\)、\(d_{31}^{{\text{f}}}\)、\(d_{33}^{{\) text{f}}}\) は圧磁気定数、\(m_{33}^{{\text{f}}}\) は 2 次磁気弾性定数です。 ここでは、Z 方向の磁歪挙動が支配的であるため、Fe-Co ファイバーに焦点を当て、1 次元モデルを検討します。 構成方程式 Fe-Coファイバーの(1)と(2)は、

ここでは、試料にバイアス磁場を印加しなかったため、磁場強度ベクトルの成分を省略したものとする38。

図2aは、長さL、直径dのFe-Coファイバーを示しています。 磁束密度は、長さ (z-) 方向 (磁化容易軸) に沿った法線応力によって引き起こされます。 次に、Fe-Coファイバー（図2a）の両端に2つの磁荷±qがあると仮定します（図2b）。 ヴィラーリ効果による磁荷は、磁歪ファイバーの交差部分を通る z 方向の磁束 \({\phi_{z}^{\text{f}}}\) の量に等しいと仮定されます。セクション、すなわち、

ここで、S = πd2/4 は Fe-Co ファイバーの断面積です。 ここで、図2cに示すように、原点が磁荷の中心に位置する座標系o-xyzを考えてみましょう。 磁荷 + q および - q によって誘起される空間内の任意の点 A(0, y, 0) における磁束密度は、それぞれ次の式で与えられます。

ここで、 r は磁荷と任意の点 A の間の距離です。ここで、図 2d に示す任意の点 A(0, y, 0) における磁束密度の z 成分は次のように表すことができます。

どこ

(a) Fe-Co 繊維と磁束密度、(b) 磁荷、(c) 点 A の 2 つの磁荷によって誘起される磁束密度、(d) 点 A に誘起される磁束密度の z 成分点Aの磁荷。

したがって、私たちは、

式から (10) より、磁束密度 \(B_{z}^{ {\text{e}}} \left( {0,y,0} \right)\)。 ここで、推定された磁束密度は磁荷間で均一に分布していると仮定します。 \(B_{z}^{{\text{e}}}\) の値は外部負荷によって変化します。 したがって、上記の分析から、磁歪ファイバを介した磁気誘導の変化を監視することにより、Fe-Coファイバ内の応力を予測できます。

次に、図3aに示すように、曲げモーメントM（Z）の下で、4つのGFRP層と1つの磁歪層を備えた厚さh、幅bの単純に支持された5層の複合ビームを検討します。 グローバル座標系の原点 O-XYZ は合成ビームの上面の中心にあり、X 軸は幅方向、Y 軸と Z 軸は厚さと長さの方向にあります。 、 それぞれ。 曲げモーメント M(Z) は、曲げ荷重 P によって引き起こされます。簡単にするために、磁歪層は n 本の Fe-Co 繊維とエポキシ マトリックスで構成されていると仮定しました。 ここで、n は Fe-Co 繊維の数です。 磁歪層は複合ビームの 2 番目の層です。 中立面 YN の位置は、非対称構造のため合成ビームの中心ではありません。これは次のように表すことができます。

ここで、(E33)i と Ai = bhi はそれぞれ i 番目の層のヤング率と断面積、hi は i 番目の層の厚さです。 磁歪層とGFRP層のヤング率は、(E33)2 = 1/\(s_{33}^{{\text{M}}}\)および(E33)1 = (E33)3 = (E33)です。それぞれ、4 = (E33)5 = 1/\(s_{33}^{{\text{G}}}\) となります。 上付き文字 M および G は、それぞれ磁歪層および GFRP 層を示します。 中立面と j 番目の層の中心面の間の距離が Y' = Yj − YN である場合、j 番目の層の法線応力は次のように表すことができます。

ここで、i 番目の層の断面積の慣性モーメントは次の式で与えられます。

4 つの GFRP 層と 1 つの磁歪層を備えた 5 層複合ビームの画像。 (a) 概要、側面図、断面図、(b) 磁歪層。

特に、磁歪層内の応力は次のように求められます。

図3bに示すように、磁歪層に焦点を当てます。 エポキシ マトリックスのひずみテンソル成分 \(\varepsilon_{ZZ}^{{\text{m}}}\) は次のように与えられます。

ここで、 \(\sigma_{ZZ}^{{\text{m}}}\) は応力テンソル成分、 \(s_{33}^{{\text{m}}}\) は弾性コンプライアンスです。エポキシマトリックス。 上付き文字 m はエポキシ マトリックスを示します。 Fe-Co ファイバーとエポキシ マトリックスが完全に結合している場合、磁歪ファイバーのひずみは次のようになります。

したがって、磁歪層の断面積に作用する平均応力 \(\sigma_{ZZ}^{0}\) は次のように表すことができます。

ここで、vf = nπd/4b は Fe-Co ファイバーの体積分率です。 この条件では、磁歪層のヤング率は \(\left( {E_{33} } \right)_{2} = v^{{\text{f}}} /s_{33}^{{ \text{f}}} + \left( {1 - v^{{\text{f}}} } \right)/s_{33}^{{\text{m}}}\)。 グローバル座標系 O-XYZ では、座標系 o-xyz の原点は (0, Y2, 0) であり、x、y、z 軸は X、Y、Z 軸に平行です。と Z 軸をそれぞれ示します。 式の平均応力 \(\sigma_{ZZ}^{0}\) が (17) は、式 (17) の法線応力 \(\left( {\sigma_{ZZ} } \right)_{2}\) に等しい。 (14) 式を使用します。 (4)、(15)、および条件 (16) を考慮すると、Fe-Co 繊維に作用する応力は次のように求められます。

式を代入すると、 (18) を式に代入します。 (5) より、曲げモーメント下の複合ビームの Fe-Co ファイバー内の磁束密度 \(B_{Z}^{{\text{f}}}\) を計算できます。これにより、外部磁束密度を相関付けることができます。逆磁歪応答に対する負荷。 表 1 に、この研究で使用した材料特性を示します。

最後に、最大曲げ応力下のFe-Coファイバーの磁束密度について議論した。 図 4a は 4 点曲げ試験の曲げモーメント線図を示しています。青い線は一般的な曲げモーメント線図を示しています。 曲げモーメントは次の式で与えられます。

(a) 4 点曲げ試験の曲げモーメント線図、(b) 4 点曲げ試験と Fe-Co 繊維の磁化の模式図。

Fe-Co 繊維の垂直応力は曲げモーメントに依存します。 したがって、図4bに示すように、試料内のFe-Co繊維の磁化量は座標Z上で異なります。 計算を簡素化するために、磁化の総量が変化せず、曲げモーメントが一定になるように修正長さ L' を導入しました。 言い換えれば、図 4a では、赤い線で囲まれた領域は青い線で囲まれた領域と等しいです。 したがって、修正された長さは次のように得られます。

LをL'に代入すると式(1)に代入されます。 (10)、Fe-Co 繊維の磁束密度 \(B_{Z}^{{\text{f}}}\) は実験値 |Y|, \(B_{Z} ^{{\text{e}}} \left( {0, Y,0} \right)\)、YA = Y2 – Y。

試験片は、平織りの GFRP プリプレグ (EGP-87 LA18BR、SPIC Corporation、日本) と直径 100 μm の磁歪 Fe-Co 繊維 (K-MP70、東北特殊鋼株式会社、日本) を使用して作製されました。 Fe-Co 繊維の 1 つは Fe29Co71 でした。 図5にFe-Co繊維の微細構造を示します。 Fe-Co ファイバの飽和磁化 Ms、残留磁化 Mr、保磁力 Hc は、それぞれ 1.44 MA/m、0.31 MA/m、6.24 kA/m でした。 図 6 に、試料調製のスキームを示します。 直交デカルト座標系 O-XYZ は、系の原点が上面の中心にあり、X、Y、Z 軸が試験片の幅、厚さ、および厚さの方向に沿っているように導入されます。それぞれ長さ。 4 つの GFRP プリプレグと Fe-Co ファイバーを積層し、130 °C で 2 時間硬化させました。 Fe-Co 繊維は積層体の 2 番目の層に位置し、上面からの距離 Y2 は 0.1875 mm でした。 Fe-Co 繊維の数 n は、5、10、20、および 37 でした。Fe-Co 繊維が積層板の幅の中央に密に配置されているのは、Fe-Co 繊維が大きくなると測定された磁束密度が低下するためです。等間隔に。 硬化後、試験片の長さl、幅b、厚さhがそれぞれ40、7.5、0.65mmになるように積層体を切断、研磨した。 GFRP プリプレグの経方向と Fe-Co 繊維の長手方向は Z 軸に平行であり、フィル方向は X 軸に平行です。 したがって、作製した試料は 2 層目に磁歪層を配置した 5 層複合体であると考えられます。

直径100μmのFe-Coファイバーの微細構造。

標本調製のスキーム。

オートグラフ (AG-50kNXD、島津製作所、日本) を使用して 4 点曲げ試験を実施しました。 図 7a は、4 点曲げ試験の実験設定を示しています。 荷重および支持スパンは、それぞれ L1 = 12 および L2 = 34 mm でした。 3 つのホール プローブ (HG-302C、旭化成エレクトロニクス株式会社、日本) を試験片の上に配置して、縦方向 (Z) の磁束密度変化 \(B_{Z}^{{\text{e}}}\) を測定しました。 -) 図 7b に示す方向。 試料表面とホールプローブの中心間の距離 |Y| は、それぞれ 5、9、13 mm でした (図 7c に示す)。 図 7d は 4 点曲げ試験プログラムを示しています。 試験片には応力制御下で 5 MPa/s の速度で荷重が加えられ、最大荷重は約 150 MPa でした。 バイアス磁場なしで曲げ荷重に対応する逆磁歪応答の再現性を評価するために、4 点曲げ試験を実行しました。 オートグラフからの荷重 P と荷重点変位 δ、およびホール プローブからの電圧 V であるすべてのアナログ信号は、データロガー (NR-500 シリーズ、キーエンス株式会社、日本) によって同時に収集されました。 磁束密度 \(B_{Z}^{{\text{e}}}\) は、ホール プローブからの測定電圧に、データシートから得られた係数 0.8 mT/mV を乗算して計算されました。ホールプローブ。

(a) 4 点曲げ試験の実験装置、(b) 外部曲げ荷重による磁束密度分布のスケッチ、(c) 磁束密度分布測定時のホールプローブの位置、(d) 4 点曲げ試験曲げ試験プログラム。

底面の曲げ応力 σf = σZZ(0, h, 0) と磁束密度の変化 \(B_{Z}^{{\text{e}}} \left( {0, Y,0} \右）\）は、37本のFe-Co繊維を含む試験片の時間tの関数として図8にプロットされています。 磁束密度の挙動は曲げ応力の変動に対応しました。 予想どおり、磁束密度変化の変動は、試料表面とホールプローブの中心間の距離が増加するにつれて減少しました。 サイクルの終わりには、曲げ応力はほぼ 0 MPa になりました。 しかし、磁束密度は初期値に戻りませんでした。 この結果は、Fe-Co ファイバの残留磁化が挙動に影響を与えることから理解できます。 残留磁化はセンサー用途にとって重要な問題となります。 ただし、曲げ応力下では磁束密度の変化の再現可能な挙動が観察されました。 5、10、20本のFe-Co繊維を含む試験片でも同様の結果が得られました。 これらの結果は、Fe-Co 繊維/GFRP 複合材料が曲げ応力を監視できることを示しています。 表 2 に、すべての試験片の磁束密度の最大変化 \(B_{{Z,{\text{max}}}}^{{\text{e}}}\) を示します。 ここで、磁束密度の最大変化は、ピーク値とサイク​​ル終了値の差を取ることによって計算されました。 37 本の Fe-Co 繊維を含む試験片の結果は、すべての試験片の中で最大でした。

37本のFe-Co繊維を含む試験片の時間に対する曲げ応力と磁束密度の変化。

表 3 に、Fe-Co 繊維の磁束密度の計算値を示します \(B_{Z}^{{\text{f}}} \left( {0,Y_{2} ,0} \right) = B_ {z}^{{\text{f}}} \left( {0,0,0} \right)\) 式より (10) と式 (10) による磁荷 q (6) 最大曲げ応力下。 ここで，磁歪層の幅の中央に密に配置されたn本のFe-Co繊維を長さL′，断面積S = πnd2/4の1本のFe-Co繊維と仮定し，単繊維の位置を磁歪層の中心（単一磁性棒モデル）。 磁荷 + q と - q は、それぞれ (0, Y2, L'/2) と (0, Y2, - L'/2) に配置されます。 図 9 は、モデル化された単一の Fe-Co ファイバーと任意の点 A の概略図を示しています。 図 10 は、試料表面とホールプローブの中心の間の距離による空気中の磁束密度の変化のプロットであり、計算値とすべての標本の実験データ。 ドットは |Y|= 5、9、13 mm での実験データから得られた平均値です。 破線は、表 3 の値を式 3 に代入してプロットしたものです。 (10)。 傾向は計算と実験の間で十分に類似しています。 この結果は、提案したモデルが有用であること、およびFe-Coファイバー/GFRP複合材料の周囲の磁気誘導の変化をホールで監視することにより、4点曲げ試験中にFe-Coファイバーの磁束密度を予測できることを示唆しています。調査。 表３の磁荷ｑについては後述する。

モデル化された Fe-Co ファイバーと任意の点 A の概略図。

試料表面とホールプローブの中心間の距離に対する磁束密度の変化。

図11aは、曲げ荷重（計算1）と測定された磁束密度（計算2）から曲げモーメント下でのFe-Coファイバーの磁歪応答を推定するスキームを示しています。 図 11b は、磁束と Fe-Co ファイバーの数の関係を示しています。 破線は、1 つの磁歪層と 4 つの GFRP 層からなる複合ビーム モデルに基づいて計算されたデータ \({\phi_{z}^{\text{f}}}\) を示しています。 Fe-Coファイバーの本数が増えると磁束が増加します。 この線は、磁気弾性定数 \(d^{\prime\rm{f}}_{33}\) を 900 × 10−12 m/A と仮定した場合、表 3 の点 q との良好な一致を表しています。 加えられた曲げ応力をコイルやホールプローブを使用して評価する場合、磁束の量は空間内の磁束密度の監視の難しさに影響するため重要です。 この結果は、磁歪応答に関連して外部曲げ荷重を相関させるための複合ビーム モデルと単一磁性ロッド モデルの有効性を示唆しています。 つまり、図1に示すように、空間中の磁束密度Beから曲げ応力σfをモニタリングする解析手順を提案しました。

（a）Fe-Coファイバー内の磁束の推定スキーム、および（b）磁束とFe-Coファイバーの数。

この研究は、逆磁歪応答と曲げ応力を相関させる新しいモデルを確立することに焦点を当てました。 Fe-Co ファイバーの両端に 2 つの磁荷があると仮定され、その磁荷が仮想的に空気中に磁場を誘導しました。 4 つの GFRP 層と 1 つの磁歪層を備えた 5 層複合ビームが曲げられる状態で検討されました。 磁歪層は、n本のFe-Co繊維とエポキシマトリックスで構成されていました。 提案したモデルを使用した解析手順を考案するために、Fe-Co 繊維/GFRP 複合材料を作製し、4 点曲げ試験を実施しました。 ストレスモニタリング機能も調査されました。 Fe-Co ファイバー/GFRP 複合材料の磁歪応答は、Villari 効果を考慮した複合ビームと単一磁性ロッド モデルを使用して計算されました。 4 点曲げ試験中、試験片の表面からの距離が異なる 3 つのホール プローブを使用して、Fe-Co ファイバー/GFRP 複合試験片の外側の磁束密度が監視されました。 磁束密度の挙動は曲げ応力の変動に対応した。 158 MPa のピーク曲げ応力を受けたときの最大磁束密度変化は 70.7 mT でした。 複合ビームと単一磁性ロッドのモデルは、異なる数の Fe-Co 繊維を含むさまざまな磁歪複合材料の周囲の磁束密度の分布も予測し、実験結果とよく一致しました。 さらに、磁気弾性定数を予測し、曲げ応力（または荷重）と磁束の関係を求めることに成功しました。 この理論的手順により自由空間の磁束密度をモニタリングすることで構造内の曲げ応力を予測できるため、この研究は磁歪材料を利用した非接触SHM技術の実現に活用することができます。

応力モニタリング方法は、損傷/破壊センシングを実現するための重要なステップです。 今後の研究では、逆磁歪応答とFe-Coファイバー/GFRP複合材料の破壊挙動との関係が詳細に議論される予定です。

現在の研究中に使用および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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Fe-Co 繊維を提供していただいた東北特殊鋼株式会社に感謝の意を表します。

この研究は、助成金番号 20J21413 の下で日本学術振興会 (JSPS) の若手研究者特別研究員によって支援されました。 著者らは、JSPS 科学研究費補助金 (A) 補助金番号 22H00183 による本研究の支援に感謝したいと思います。

東北大学大学院工学研究科材料プロセス専攻 〒980-8579 仙台市青葉山6-6-02

Kenichi Katabira

東北大学大学院環境学研究科先端環境科学専攻〒980-8579 仙台市青葉山6-6-02

Tomoki Miyashita & Fumio Narita

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KK: 調査、検証、正式な分析、執筆 – 原案、資金調達。 TM: 調査、可視化。 FN: コンセプト化、執筆 – レビューと編集、監督、プロジェクト管理、資金調達。

Correspondence to Kenichi Katabira or Fumio Narita.

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

帷子 K.、宮下 T.、成田 F. 4 点曲げ下での磁歪 Fe-Co 繊維/ガラス繊維強化ポリマー複合材料の応力モニタリング機能。 Sci Rep 12、22421 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-25792-0

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受信日: 2022 年 8 月 17 日

受理日: 2022 年 12 月 5 日

公開日: 2022 年 12 月 27 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-25792-0

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