成果報告書詳細
管理番号20130000000472
タイトル平成22年度-平成24年度成果報告書 水素先端科学基礎研究事業 水素先端科学基礎研究 高圧水素ガス用ひずみゲージの開発とひずみゲージ箔材の電気抵抗に及ぼす水素の影響の解明
公開日2013/10/29
報告書年度2010 - 2012
委託先名株式会社共和電業
プロジェクト番号P06026
部署名新エネルギー部
和文要約 これまで,高圧水素ガス環境下での使用を目的とした応力測定用ひずみゲージは開発されていない.既製のひずみゲージでは,高圧水素ガス中で無負荷状態での電気抵抗変化が大きくなる難点が生じた.このため,高圧水素ガス中での材料試験,機器の応力測定の安定的な実施に障害をきたしている.本研究においては,高圧水素ガス中でのひずみゲージ電気抵抗変化の解明を行うために,ひずみゲージに使用されている金属材料の結晶構造解析,水素拡散速度と水素固容度の測定,水素ガス曝露材の大気中における電気抵抗変化を測定した.次に,製作したひずみゲージ,箔材,板材の高圧水素ガス中での無負荷時の電気抵抗変化および試作ひずみゲージのひずみ負荷時の電気抵抗変化を測定した.これらの結果より,ひずみゲージの電気抵抗変化に及ぼす水素の影響を評価し,高圧水素ガス用ひずみゲージの高性能化を図る.本研究成果を以下に報告する.
(1)試験片はひずみゲージ用金属箔材料(Cu-Ni, Ni-Cr, Fe-Cr-Al),ひずみゲージ構成部品であるゲージリード(銅線:Cu)を用いた.Cu-Ni,Ni-Cr,Cuは,面心立方(FCC)構造であり,Fe-Cr-Alは,体心立方(BCC)構造である.試験の結果,次のことが分かった。水素拡散速度は,Fe-Cr-Al>Cu-Ni>Ni-Cr>Cuであり,飽和水素量は,Cu(2)高圧水素ガス中でひずみゲージとして評価するために,Cu-Ni箔,Ni-Cr箔,Fe-Cr-Al箔の3種類のひずみゲージを製作した.
(3)高圧水素ガス中で外力を与えず,ひずみゲージの電気抵抗を測定した.また,高圧窒素ガス中においても,同様の測定を行った.各材料は,圧力によってそれぞれ異なる影響を受けた.Cu-NiひずみゲージとNi-Crひずみゲージの出力は,高圧水素ガス中と高圧窒素ガス中での電気抵抗変化が異なった.Fe-Cr-Alひずみゲージの出力は,高圧水素ガス中と高圧窒素ガス中での電気抵抗変化が同じであった.ひずみゲージの箔材とひずみゲージ用板材を使用して,同様の測定を行い,ひずみゲージと同様の傾向を得たが,電気抵抗の変化率は,ひずみゲージと異なった.
(4)高圧水素ガス中と高圧窒素ガス中で,それぞれのひずみゲージにひずみを負荷した結果,それぞれのひずみ出力に差異は見られなかった.
英文要約Until now, there is no strain gage for stress measurement in high-pressure hydrogen gas. The output of the commercial strain gage will change without loading even in stable high-pressure hydrogen gas. Therefore, we cannot conduct the reliable strain measurement in high-pressure hydrogen gas by using the commercial strain gage. In this research, the analysis of crystal structure, measurement of hydrogen diffusion coefficients and solubility of metallic materials for strain gages, measurement of changes in electric resistance of materials exposed to hydrogen gas in the atmosphere, were conducted to clarify the changes in electric resistance of strain gages in high-pressure hydrogen gas. Then, we conducted measurements of changes in electric resistance of sample strain gages, metallic materials, and plate materials in high-pressure hydrogen gas without loading and measurements of changes in electric resistance of sample strain gages with loading. Based on the results obtained, we evaluate the effect of hydrogen on changes in electric resistance of the strain gages. Finally we will try to develop the new strain gage for high-pressure hydrogen gas.
The results obtained in this research are summarized as follows.
(1) The test pieces were metallic materials for strain gages (Cu-Ni, Ni-Cr, and Fe-Cr-Al) and lead wire (Cu), a component part of a strain gage. Cu-Ni, Ni-Cr and Cu have Face Centered Cubic (FCC) structure. On the other hand, Fe-Cr-Al has Body Centered Cubic (BCC) structure. According to the test result, the following was clarified. The hydrogen diffusion rates are Fe-Cr-Al>Cu-Ni>Ni-Cr>Cu. The saturated hydrogen quantities are Cu(2) We made strain gages by using 3 materials (Cu-Ni, Ni-Cr, and Fe-Cr-Al) to evaluate characteristics in high-pressure hydrogen gas.
(3) We measured the electric resistance of strain gages in high-pressure hydrogen gas without applying the external load, and also in high-pressure nitrogen gas. We found that every material is affected differently by the pressure. The output changes of the Cu-Ni strain gages and Ni-Cr strain gages, in high-pressure hydrogen gas and in high-pressure nitrogen gas, were different. The output changes of the Fe-Cr-Al strain gages, in high-pressure hydrogen gas and in high-pressure nitrogen gas, were the same. We also conducted the same measurements by using the foil materials of strain gages and plate material for strain gages. We obtained the same tendency as the result of the strain gages. However, these change rates of electric resistances were not the same.
(4) We applied strain to strain gages in high-pressure hydrogen or nitrogen gas. The results showed the same amount of strain in high-pressure hydrogen gas and in high-pressure nitrogen gas.
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