能量吸收材料和使用它的能量吸收装置 【技术领域】
本发明涉及一种例如在地震发生时用于减少传递至建筑物和土木建筑等的振动能量的能量吸收材料和使用它的能量吸收装置。
【背景技术】
迄今为止，由于高延展性或低重结晶温度，上述的振动能量吸收材料一直都使用铅。然而，由于近来环境意识的增强，也在考虑无铅钎料等以控制使用铅的可能性。
作为铅的代替品，考虑了具有与铅同等的高延展性和低重结晶温度的锡(Sn)，由于锡是无害地，因此也用于食品工业和装置以及家庭用餐具等，用途很广泛。
然而，锡在18℃左右存在同素异形转变点(参照下述非专利文献1)，通常为高温型的β-Sn，然而，如果处于严寒条件下，可能会转变为低温型的α-Sn。由于α-Sn硬而脆，如果发生同素异形转变，机械性质会发生变化，存在能量吸收性能力不稳定的问题。此外，通常已知在从β相转变为α相时会发生膨胀，崩解成砂状。因此，存在难以在低温下将锡用作能量吸收材料的问题。
为抑制上述的同素异形转变，有向锡中添加铋、镉、金、银、锑而制成合金的方法，然而添加物使锡的纯度降低，出现了延展性降低或重结晶温度上升的问题。
另一方面，迄今为止，下述专利文献1，2已经公开了例如作为在发生地震时减少传递至建筑物和土木建筑的振动能量的能量吸收装置。图15显示了该装置的一个例子，该例子的能量吸收装置A结构如下：在钢板等硬质板1与橡胶等弹性体2在上下方向上交互多层层压形成层压体3，在该层压体3的中心部，设置在上下方向上贯通的中空部分3a，在该中空部分3a中容纳设置了吸收地震等振动能量的由铅等弹塑性材料构成的能量吸收体4。另外，在上图15中，为避免错综复杂，硬质板1与弹性体2和能量吸收体4的剖面线(表示断面的斜线)被省略。
如图15所示，在上述层压体3和能量吸收体4的上下两个端部，分别通过基板5与安装板6安装在一起，该安装板6是通过未图示的螺栓等安装在建筑物和土木建筑上的结构。具体地说，例如对于如图16所示的楼房等建筑物，在该建筑物等的上部结构体B与其地基等下部结构体C之间，或对于如图17所示的桥梁等土木建筑，在桥主梁等上部结构体B与桥墩等下部结构体C之间，分别设置了1个或多个上述能量吸收装置A，通过在该各能量吸收装置A的上下安装板6中形成的上述安装孔(未图示)中插入螺栓等，将其安装在上述结构体B、C上。
如上所述的设置在上下结构体B、C之间的能量吸收装置A在稳定地支持建筑物等的同时，还能在发生地震时在水平方向上变形而使地震能量减少，同时具有现有的所谓免震隔离器和免震减震器两种功能。结果与分别设置上述隔离器和减震器的情况相比，具有如下的优点：在可以减少设置空间，同时，还提高了可操作性。
此外，在上述专利文献2中，公开了在制造上述能量吸收装置时，对由弹塑性材料构成的能量吸收体施加与该剪切屈服应力相同或大于该应力的静水压。这是将能量吸收体与层压体一体化而必须进行的处理，这样，将能量吸收体和层压体变形为一体，即可以吸收地震等的振动能量。也就是说，如果能量吸收体由于地震等发生变形，能量吸收体在长度方向上伸缩，通过在与长度方向正交的方向上产生直径的缩小、增大的塑性变形而吸收振动能量。
然而，在能量吸收体的外周部分附近，由于层压橡胶中空部分表面的摩擦力或能量吸收体压陷入层压体，可以说为了形成固定状态，实际情况是，如果能量吸收体由于地震等而反复产生变形，就会在能量吸收体的角落引起角部塌角，在能量吸收体的端部附近引起直径的膨胀，在能量吸收体的中央部分附近引起直径的收缩。这被认为是由于能量吸收体的端部附近与中央部附近处的能量吸收体变化状态不同而引起的，主要认为是由于受到摩擦力或能量吸收体压陷的影响的能量吸收体的外周部分与能量吸收体内部变形的差异而产生的。
结果，由于在能量吸收体的两个端部附近与中央部分附近，能量吸收体的变形方向和变形量不同，除了上述角部的塌角和直径的膨胀收缩以外，最差的情况是可能会引起在能量吸收体中产生裂缝等的问题。此外，如果能量吸收体处于上述的状态，存在不仅无法稳定地吸收规定的能量，而且耐久性也变差的问题。
另一方面，为得到具有更大衰减力的能量吸收装置，必须进一步增大层压体内的能量吸收体的直径，或者增加能量吸收装置的设置个数，如果增大能量吸收体的直径，则在制作时，必须使用更大的力用压力机等将能量吸收体插入层压体的中空部分，不仅必须使用庞大的设备，而且由于能量吸收体和层压体的中空部分内面的摩擦力和压陷增大，上述问题会更严重。此外，盲目增加能量吸收装置的设置个数时，在建造时必须有更大的设置空间以及更多的施工成本，这总是不现实的。
【非专利文献1】杂志《金属》1987年Vol.57(7月)株式会社アグネ技术中心发行(《锡的物性》)
【专利文献1】特公昭61-17984号公报
【专利文献2】特许第3360828号公报
【发明内容】
本发明是鉴于上述的问题而提出的，目的在于容易·便宜地提供一种吸收地震等振动的能量吸收材料和使用它的能量吸收装置，所述能量吸收材料通过调整向锡中添加的金属的量，即使在低温下，机械性质也不发生变化，并且即使直径减小，衰减力也会增大。本发明的另一目的在于提供一种能量吸收材料和使用它的能量吸收装置，所述能量吸收材料通过控制添加量，可在常温下重结晶，不会产生疲劳的积蓄。本发明的再一目的在于提供一种能量吸收材料和使用它的能量吸收装置，所述能量吸收材料通过限制添加量，从而具有与铅相同或以上的延伸率(延展性)，能量吸收性能稳定，反复耐久性也高。
为达到上述目的，根据本发明的能量吸收材料具有以下的结构。即，该材料是一种用于吸收地震等振动能量的能量吸收材料，其特征在于，由如下弹塑性材料构成：以纯度为99重量％或以上的锡为主体，向其中添加选自铋、镉、金、银、锑中的任意1种或2种或以上的金属作为添加金属，并制成合金，相对于该弹塑性材料，上述添加金属的比率为40重量％或以下，且上述弹塑性材料的延伸率为20％或以上。
另外，优选相对于上述弹塑性材料，上述添加金属的比率为10重量％或以下，且上述弹塑性材料的延伸率为40％或以上，进一步优选相对于上述弹塑性材料，上述添加金属的比率为5重量％或以下，且上述弹塑性材料的延伸率为50％或以上。此外，更优选上述锡的纯度为99.9重量％或以上，进一步优选为99.99重量％或以上。并且，最优选向纯度为99.9重量％或以上的锡中添加0.01～4.0重量％铋、锑、铅中的任一种或它们的合金并制成合金，延伸率为50％或以上。
此外，根据本发明的能量吸收装置构成如下：将钢板等硬质板和橡胶等弹性体在上下方向上交互多层层压形成层压体，在该层压体中，设置在上下方向上贯通的中空部分，在该中空部分中容纳设置吸收地震等振动能量的能量吸收体，其特征在于，上述能量吸收体由上述能量吸收材料形成。
此外，根据本发明的另外的能量吸收装置构成如下：在筒状的圆筒内同心状且在轴线方向上可以相对移动地设置进退杆，在该圆筒内的进退杆的周围，容纳能量吸收体，在产生地震等的振动时，上述圆筒或进退杆上设置的凸部等的阻力部分通过在上述能量吸收体内相对移动而吸收振动能量，其特征在于，上述能量吸收体由上述能量吸收材料形成。
根据本发明的能量吸收材料和使用它的能量吸收装置，通过上述结构，即使在低温下机械性质也不发生变化，且即使直径减小，衰减力也会增大，并且可在常温下重结晶，不会产生疲劳的积蓄，而且具有与铅相同或以上的延伸率。因此，可以提供一种能量吸收性能力稳定，反复耐久性也高的能量吸收材料和使用它的能量吸收装置。
【附图说明】
【图1】显示本发明能量吸收材料在拉伸试验中的延伸率的图。
【图2】显示拉伸试验中使用的试验片大小形状的说明图。
【图3】显示上述能量吸收材料在拉伸试验中的拉伸强度比的图。
【图4】显示纯度依赖性试验中拉伸强度的图。
【图5】显示纯度依赖性试验中延伸率的图。
【图6】显示添加物依赖性试验中拉伸强度的图。
【图7】显示添加物依赖性试验中延伸率的图表。
【图8】拉伸试验前剖面组织的显微镜照片。
【图9】拉伸试验2天后剖面组织的显微镜照片。
【图10】显示本发明能量吸收装置的一个实施方式的斜视图。
【图11】上述能量吸收装置的纵剖面图。
【图12】显示上述能量吸收装置中位移特性的滞回曲线图。
【图13】显示本发明能量吸收装置的另一个实施方式的纵剖面图。
【图14】上述能量吸收装置用于建筑物的例子的说明图。
【图15】显示现有的能量吸收装置的一个例子的纵剖面图。
【图16】上述现有的能量吸收装置用于建筑物的例子的说明图。
【图17】上述现有的能量吸收装置用于土木建筑物的例子的说明图。
【符号的说明】
1硬质板
2弹性体
3层压体
4能量吸收体
5基板
6安装板
7、8螺栓
A、A1能量吸收装置
B上部结构体
C下部结构体
【具体实施方式】
以下，对本发明的能量吸收材料和使用它的能量吸收装置进行具体的说明。
通常，在吸收地震等振动的能量吸收装置中，由于建筑物等因地震等的位置变化量，通常优选相对于免震材料大致能够随动20％或以上，优选40％或以上。那样的话，能量吸收材料自然也希望具有能够确保20％或以上、优选40％或以上延伸率的性能。
因此，在本发明中，涉及一种用于吸收地震等振动能量的能量吸收材料，由如下形成的弹塑性材料组成：以纯度为99重量％或以上的锡为主体，向其中添加选自铋、镉、金、银、锑中的任意1种或2种或以上的金属作为添加金属，并制成合金，相对于该弹塑性材料，上述添加金属的比率为40重量％或以下，且上述弹塑性材料的延伸率为20％或以上。
图1显示的是使用纯度为99重量％的锡作为弹塑性材料的主体，向其中混合作为添加金属的铋并制成合金时的混合比率(重量％)，以及使用由该合金形成的弹塑性材料试验片，按照JIS Z 2201进行拉伸试验中至断裂时的最大拉伸延伸率(％)。其中，使用按图2所示大小形状制成的上述合金试验片作为上述拉伸试验的试验片，在20℃的温度下，以500mm/min的速度进行。图2中尺寸的单位是mm。此外，考虑到样品的偏差，按样品数N＝3进行试验。后述的试验也是如此。此外，上述铋的混合量在0.2重量％～50重量％的范围内适当变化。此外，作为参考，还在同一个图中示出仅含纯度为99重量％的锡(铋的混合量为0重量％)的情况。
结果发现，作为弹塑性材料，在向纯度为99重量％的锡中混合铋并制成合金的情况下，如果铋的混合量逐步增加，则最大延伸率会减少。然而，其减少比率在混合量为0～10重量％左右时急剧减少，此后直至混合量为40重量％左右时，延伸率比较缓慢地从40％减少至20％，如果混合量超过40重量％，延伸率又急剧减少。
此外，由上述图1可以看出，如果铋的添加量(混合量)为10重量％或以下，则延伸率为40％或以上，如果铋的添加量为1重量％或以下，则得到60％或以上的延伸率。
图3显示了在上述图1中进行的拉伸试验的拉伸强度(至断裂的拉伸强度)相对于仅由纯度为99重量％的锡形成与上述相同的试验片并进行拉伸试验时的拉伸强度之比(拉伸强度比)。结果发现，如果增加金属的混合量，拉伸强度增加。然而，其增加率在混合量达到40重量％左右的界限时降低下来。也就是说，将混合量控制在40重量％左右以下是提高拉伸强度效率良好的混合范围。
此外，上述结果显示通过金属的混合量，可以任意变化拉伸强度。也就是说，例如在需要获得具有约3倍耐力的层压橡胶层压体时，使用向弹塑性材料主体中添加约10重量％的添加金属形成的弹塑性材料作为能量吸收体(核心体)即可。综上所述，可见将混合量控制在40重量％左右以下，延伸率、拉伸强度的均衡落入最佳的范围内。
接着，对使用纯度为99.9重量％的锡的试验进行说明。使用下述表1所示的样品，确认添加物对机械性质和重结晶温度的影响和效果。作为添加物，使用铋作为代表例。此外，为进行比较，对纯度为99.99重量％的铅也进行同样的试验。并使用纯度为99.99重量％～99重量％的锡，确认纯度对机械性质产生的影响和效果。
【表1】 样品名 金属的种类和纯度(％) 添加物的种类 添加物的量 (％) 纯铅 铅99.99 - - 纯锡(1) 锡99.99 - - 纯锡(2) 锡99.9 - - 纯锡(3) 锡99 - - 锡合金(1) 锡99.9 Bi 0.1～7.0
图4显示了纯度依赖性试验中的拉伸强度。即，显示了上述表1样品纯锡(1)～(3)的拉伸试验结果的图，更详细的说，显示了在上述的速度下拉伸上述各样品所需负荷大小的图。在该试验中，发现任一种锡均具有比铅高的拉伸强度，99.99重量％～99.9重量％的锡具有好的再现性。
图5显示了纯度依赖性试验中的延伸率。即，显示了在上述的速度下拉伸上述表1样品纯锡(1)～(3)时的延伸率(％)的图。在该试验中，无论哪种锡的纯度，延伸率均大致是恒定的。
图6显示了添加物依赖性试验中的拉伸强度。即，将显示对上述表1样品锡合金(1)，即纯度为99.9重量％的锡中添加规定量的铋作为添加物而形成的锡合金，按照与上述图4相同的要领进行拉伸试验的结果的图。在该试验中，随着添加物量的增加，拉伸强度随之增加。在任意的添加量下，均可以确认具有比铅高的拉伸强度。
图7显示了添加物依赖性试验中的延伸率。即，将显示了对上述表1样品锡合金(1)中添加规定量的铋作为添加物而形成锡合金，按照与上述图5相同的要领进行拉伸时的延伸率(％)的图。在该试验中，随着添加物量的增加，延伸率随之减少，由本试验得到的近似曲线，可以发现添加物为5.0重量％以内时，与99.99重量％铅的延伸率相同，添加物为4.0重量％以内时，比99.99重量％铅的延伸率还大。
接下来，为确认常温附近是否有重结晶，对向纯度为99.9重量％的锡中添加5.0重量％的铋而得到的样品，用显微镜观察拉伸前后的剖面组织。其中，在不产生重结晶的情况下，结晶颗粒由于拉伸试验形成沿轴方向拉伸的形状，而如果引起重结晶，结晶颗粒变小，形成近似圆形的形状。此外，通过对拉伸前后剖面组织的观察，可以确认在20℃下直至多少添加量会引起重结晶。
图8是向纯度为99.9重量％的锡中添加5.0重量％铋时的试验前剖面组织的显微镜照片，图9是该试验在2天后剖面组织的显微镜照片。与图8的试验前结晶颗粒相比，可以确认图9的试验2天后的粒径变小，形状也近似于圆形。结果可以确认，只要是至少在5.0重量％以内，20℃下会发生重结晶。
另外，在实施方式中，使用99重量％～99.9重量％的锡作为弹塑性材料的主体，但还可以使用比其纯度高，例如纯度为99.99重量％的锡。此外，作为向上述锡主体中添加的添加金属，并不局限于铋，还可以混合使用镉、金、银、锑中的任意1种或2种或以上，至于它们的合金，也可以得到基本相同的效果。
此外，通过使添加金属为40重量％或以下，即使在低温下机械性质也不发生变化，即使直径减小，衰减力也会增大，如果添加金属为10重量％或以下，则弹塑性材料的延伸率可达到40％或以上，如果添加金属为5重量％或以下，则常温下会重结晶。此外，如果添加金属为4.0重量％或以下，得到与铅同等或在其之上的延伸率，作为以吸收振动能量为目的的材料，可以很好地使用。此外，由于通过改变上述添加金属的添加量，也可以改变强度，因此还能够任意地调整减震器的性能。
图10和图11显示了用上述制作的能量吸收材料作为能量吸收体的能量吸收装置的一个实施方式，图10是斜视图，图11是其纵剖面图。另外，具有与上述现有例相同功能的构件通过相同的符号进行说明。
本实施方式的能量吸收装置A构成如下：与上述现有例同样地将钢板等硬质板1与橡胶等弹性体2在上下方向交互多层层压，通过粘合剂等一体化而形成层压体3，在层压体3的中心设置在上下方向上贯通的中空部分3a，在该中空部分3a内容纳设置吸收地震等振动能量的能量吸收体4。
在本实施方式中，作为该能量吸收体4，由以下能量吸收材料形成：向纯度为99重量％或以上的锡中，按相对于上述锡为40重量％或以下的比率混合铋并制成合金，在该合金的拉伸试验中至断裂时的延伸率为20％或以上的能量吸收材料。
此外，作为构成上述层压体3的硬质板1，在本发明中使用碳钢板，但也可以使用不锈钢板和其它的金属板或硬质的合成树脂板等。此外，作为弹性体2，在本实施方式中使用天然橡胶，但也可以是合成橡胶和软质的合成树脂。其中，在图11的纵剖面图中，硬质板1和弹性体2和能量吸收体4的剖面线也被省略。
上述构成的层压体3和能量吸收体4的上下两端部，与现有例同样地，通过基板5使用螺栓7等与安装板6安装在一起，在该安装板6上形成安装孔6a。并且，与上述图16和图17的现有例相同地在建筑物或构筑物等的上部结构体B与其地基等下部结构体C之间，设置1个或多个上述能量吸收装置A，在上述各能量吸收装置A中设置的上述安装孔6a中插入螺栓8等而安装在上述各结构体B、C上。
作为如上设置在上下结构体B、C之间的能量吸收装置A的能量吸收体4，使用了如下的能量吸收材料：向纯度为99重量％或以上的锡中，按相对于上述锡40重量％或以下的比率混合铋并制成合金，在合金的拉伸试验中至断裂时的延伸率为20％或以上的能量吸收材料，因而可以有效地吸收地震等的振动。
图12是以上述实施方式的能量吸收装置作为样品进行4个周期的位移试验，产生50％变形时的位移过程回曲线(P-δ曲线图)，可以容易推出能量吸收性能良好，重复耐久性也良好。此外，进行上述试验后，将该样品对半割开，观察能量吸收体，结果完全未发现裂缝、断裂等。
图13和图14显示的是用上述能量吸收材料作为能量吸收体的能量吸收装置的另一实施方式，图13是能量吸收装置的纵剖面图，图14是将该能量吸收装置用作楼房等建筑物中的免震装置或减振装置等的例子。
本实施方式的能量吸收装置A1构成如下：在如图13所示的筒状的圆筒11内同心状且可以在轴线方向上可相对移动地设置进退杆12，在该圆筒11内的进退杆12的周围，容纳由上述能量吸收材料制成的能量吸收体13，在由于地震等产生振动时，通过上述圆筒11或进退杆12上设置的凸部等的阻力部分12c在上述能量吸收体13内相对移动而衰减或吸收振动能量。图中，14是承受上述进退杆12的轴承，15、16是兼做上述进退杆12的导向筒的圆筒封闭用盖，该两个盖15、16用螺丝固定在圆筒11的两端部。
上述图14构造如下：将如上构成的能量吸收装置A1设置在楼房等建筑物的上部结构体B与其地基等下部结构体C之间，同时上述进退杆12的一端12a通过托架17连接在上部结构体B上，圆筒11的盖16一侧的端部通过托架18连接在下部结构体C上。其中，图示的例子是上述能量吸收装置A1和上述能量吸收装置A联合使用的例子，也可以单独使用能量吸收装置A1，或与其它能量吸收装置联合使用。
此外，在上述任一种情况中，通过在上部结构体B和下部结构体C之间设置能量吸收装置A1，当上部结构体B与下部结构体C因地震等而在水平方向上相对移动时，与其相对应，能量吸收装置A1的圆筒11与进退杆12也相对移动，通过圆筒11或进退杆12上设置的上述凸部等阻力部分12c在能量吸收体13内移动时的阻力，可以减弱或吸收振动能量。
实际上，作为上述图13和图14中所示能量吸收装置A1的能量吸收体13，与上述图10和图11的能量吸收装置A的能量吸收体4同样使用如下能量吸收材料：向纯度为99重量％或以上的锡中，按相对于上述锡为40重量％或以下的比率混合铋并制成合金，在合金的拉伸试验中至断裂时的延伸率为20％或以上的能量吸收材料，这样可以有效地吸收地震等的振动。
此外，作为上述能量吸收体4和能量吸收体13当使用在纯度为99重量％或以上的锡中，相对于锡上述铋的混合比率为10重量％或以下，上述延伸率为约40％或以上的能量吸收材料；和当使用上述铋的混合比率为5重量％或以下，上述延伸率为约50％或以上的能量吸收材料时均得到与上述情况相同或更好的结果。此外，当上述各实施方式中锡的纯度为99.9重量％或以上，或进一步为99.99重量％或以上时，可得到更好的结果，
其中，在上述实施方式中，作为向锡中添加并制成合金的添加金属，使用的是铋，但并不局限于此，还可以混合使用选自包括铋的镉、金、银、锑中的任意1种或2种或以上，得到与上述相同的结果。
此外，作为上述能量吸收体4和能量吸收体13，当在向纯度为99.9重量％或以上的锡中添加0.01～4.0重量％范围内的铋、锑、铅或它们的合金，并制成合金时，也得到了与上述相同或更好的结果。
工业实用性
如上所述，根据本发明，可提供一种能量吸收材料和使用它的能量吸收装置，所述能量吸收材料由于具有上述的组成，即使在低温下，机械性质也不发生变化，并且即使直径减少，衰减力也增大，而且可在常温下重结晶，不会引起疲劳的积蓄，具有与铅同等或以上的延伸率，除上述以外，例如还可以作为代替本申请人在先公开的如特开2000-240323号公报中的铅减震器的锡减震器，或作为如特开2000-104787号公报的免震装置和减振装置或衰减机构等，或作为它们所用的能量吸收材料和能量吸收体使用，由于其设计和材料选择的自由度增大，从而可以提高产业上利用的可能性。