CN103347690A - 碳纤维强化塑料结构体及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种碳纤维强化塑料结构体，其具有：层叠在碳纤维预浸渍体（231）而形成的导电层（233）和贯穿该导电层（233）以及所述碳纤维预浸渍体（231）的导电体制成的跳线（24）。

Description

碳纤维强化塑料结构体及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种由碳纤维强化塑料制成的碳纤维强化塑料结构体及其制造方法。本申请根据2011年2月16日在日本申请的（日本）特愿2011-030883号要求优先权，在此引用其内容。
背景技术
以往，构成航空器主翼的结构体通常由铝合金之类的金属部件构成。此外，这些金属制的结构体除了具有作为结构物的功能以外，还具有对安装在其表面的各种电子设备进行接地的，即，确保与基准电位点导通的附加的（2次的）功能。
但是近年来，从主翼的轻型化、高强度化等方面考虑，正在用所谓复合材料，例如碳纤维强化塑料（以下，简写为CFRP）构成主翼的主要结构体（例如，参照专利文献1）。将在碳纤维中渗透热固化性树脂的片材层叠多枚制成的碳纤维预浸渍体加热，固化热固化性树脂，使各片材一体化，从而构成该碳纤维强化塑料结构体（以下，简写为CFRP结构体）。此外，上述的CFRP结构体，通过加热碳纤维预浸渍体时从碳纤维渗出的热固化性树脂，在其表面形成所谓的树脂层。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：（日本）特开平9-193296号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
但是，就以往的CFRP结构体来说，虽然碳纤维本身具有导电性，但因为其表面被无导电性的树脂层覆盖，作为结构体整体不具有导电性。因此，以往的CFRP结构体不能具有对安装在其表面的电子设备进行接地的附加的功能。
本发明鉴于上述问题，旨在提供一种在由碳纤维强化塑料制成的CFRP结构体添加能够对安装在其表面的电子设备进行接地的附加功能的方法。
解决技术问题的技术手段
根据本发明的第一形态，碳纤维强化塑料结构体具有：层叠在碳纤维预浸渍体而形成的导电层和贯穿该导电层以及所述碳纤维预浸渍体的导电体制成的跳线。
根据上述结构，在与导电层接触而设置电子设备的情况下，该电子设备经由导电层以及跳线，与作为基准电位点的碳纤维预浸渍体电连接。由此，能够对设置在碳纤维强化塑料结构体上的电子设备进行接地。
此外，在上述碳纤维强化塑料结构体中，优选地，所述导电层形成于所述碳纤维预浸渍体的表面。
根据上述结构，由于导电层形成在碳纤维预浸渍体的表面，能够与导电层直接接触而设置电子设备。由此，不需要电连接电子设备与导电层的配线等，所以能够通过简单的结构对电子设备进行接地。
此外，在上述的碳纤维强化塑料结构体中，优选地，在所述跳线的端部设置与所述导电层的表面接触的头部。
根据上述结构，由于与导电层接触的头部，跳线与导电层更可靠地电连接。
此外，根据本发明的第二形态，碳纤维强化塑料结构体的制造方法包括：在碳纤维预浸渍体的表面形成导电层的工序；遮蔽所述导电层表面的工序；固化所述碳纤维预浸渍体的工序；去除所述遮蔽而露出所述导电层的工序；使与所述导电层接触的导电体制成的跳线贯穿所述碳纤维预浸渍体的工序。
根据上述制造方法，在固化碳纤维预浸渍体时，能够局部地阻止在其表面形成树脂层，所以能够使跳线与导电层之间的电连接更可靠。
此外，在与导电层接触而设置了电子设备的情况下，该电子设备经由导电层以及跳线，与作为基准电位点的碳纤维预浸渍体电连接。由此，能够对设在碳纤维强化塑料结构体上的电子设备进行接地。
此外，根据本发明的第三形态，碳纤维强化塑料结构体的制造方法包括：在碳纤维预浸渍体的表面形成导电层的工序；固化所述碳纤维预浸渍体的工序；使在下表面具有突起的导电体制成的跳线，在用所述突起刺破在所述碳纤维预浸渍体固化时形成于其表面的树脂层的同时，贯穿所述碳纤维预浸渍体的工序。
根据上述制造方法，当使跳线贯穿碳纤维预浸渍体时，通过以设置在跳线自身的突起刺破树脂层，能够使跳线的头部与导电层接触。由此，可以在固化碳纤维预浸渍体的工序之前不进行在其表面实施遮蔽等预处理。因此，能够谋求通过减少作业工序的省力化以及通过减少遮蔽带等的成本降低。
发明的效果
根据本发明的碳纤维强化塑料结构体，能够在由碳纤维强化塑料制成的碳纤维强化塑料结构体添加对安装在其表面的电子设备进行接地的附加功能。
附图说明
图1是表示本发明的第一实施方式涉及的主翼的概括结构的分解立体图。
图2是表示第一实施方式涉及的翼梁的一部分的概括立体图。
图3是表示图2中A-A剖面的概括剖视图。
图4A是表示第一实施方式涉及的翼梁的制造工序的说明图。
图4B是表示第一实施方式涉及的翼梁的制造工序的说明图。
图4C是表示第一实施方式涉及的翼梁的制造工序的说明图。
图5A是表示第一实施方式涉及的翼梁的制造工序的说明图。
图5B是表示第一实施方式涉及的翼梁的制造工序的说明图。
图6是表示第二实施方式涉及的翼梁结构的概括剖视图。
图7A是表示第三实施方式涉及的翼梁的制造工序的说明图。
图7B是表示第三实施方式涉及的翼梁的制造工序的说明图。
图7C是表示第三实施方式涉及的翼梁的制造工序的说明图。
图7D是表示第三实施方式涉及的翼梁的制造工序的说明图。
图8是表示第四实施方式涉及的翼梁的一部分的概括立体图。
具体实施方式
（第一实施方式）
下面，参照附图说明本发明的实施方式。首先，说明本发明的第一实施方式涉及的CFRP结构体的结构。在本实施方式中，作为CFRP结构体的一个例子，对构成航空器主翼的部件进行说明。
图1是表示主翼1的概括结构的分解立体图。主翼1具有：沿主翼的长度方向形成两侧部的一对翼梁2；形成主翼的上表面以及下表面的一对翼板3；设在主翼内部的多个翼肋4。
如图1所示，一对翼梁2具有：前翼梁21，其形成主翼1的两侧部中航空器前方侧的侧部；后翼梁22，其形成航空器后方侧的侧部。以上述方式构成的一对翼梁2，以使各自的开口部互相相对的方式，以规定间隔分别配置。而且，这些前翼梁21以及后翼梁22都是由碳纤维强化塑料（CFRP）成形的部件。
如图1所示，一对翼板3具有形成主翼1的上表面的上表面翼板31和构成下表面的下表面翼板32。此外，上表面翼板31具有：板状的上表面蒙皮31a，其具有弯曲剖面形状；多条桁条31b，其设在该上表面蒙皮31a的一侧表面，提高扭曲刚度。而且，这些上表面蒙皮31a以及多条桁条31b都是由碳纤维强化塑料成形的部件。同样地，下表面翼板32具有下表面蒙皮32a与多条桁条32b，这些也都是由碳纤维强化塑料成形的部件。
多个翼肋4是用于结构性地加强主翼1的部件。如图1所示，该翼肋4在主翼1的长度方向以规定间隔被设置。各翼肋4的一端与前翼梁21各自连接，另一端与后翼梁22各自连接。由此，前翼梁21与后翼梁22以一定间隔被保持。此外，这些翼肋4均是金属制部件。
图2以及图3是表示作为第一实施方式涉及的CFRP结构体的翼梁2的图。图2是表示翼梁2的一部分的概括立体图，图3是表示沿图2中A-A剖面的概括剖视图。翼梁2具有：翼梁本体23，其由CFRP制成；跳线24，其被设置成贯穿该翼梁本体23；电子设备25，其被安装在翼梁本体23的表面。
如图3所示，翼梁本体23具有：层状的碳纤维预浸渍体231、形成于该碳纤维预浸渍体231的表面231a的树脂层232、埋设在该树脂层232内部的导电层233。
碳纤维预浸渍体231起到基准电位点的作用。如图3所示，将在碳纤维中渗透热固化性树脂（未图示）而成的片材231b层叠多枚，固化热固化性树脂，使各片材231b一体化，从而构成该碳纤维预浸渍体231。而且，由碳纤维构成的该碳纤维预浸渍体231具有导电性。
热固化性树脂固化时从碳纤维渗出的热固化性树脂，在碳纤维预浸渍体231的表面231a形成树脂层232。由热固化性树脂构成的该树脂层232是没有导电性的绝缘体。如图2以及图3所示，该树脂层232以覆盖碳纤维预浸渍体231的表面231a的方式形成，且形成有多个贯穿其规定部位，用于露出导电层233的导电层露出孔232a。
导电层233是由铜、铝等金属制成的薄板部件，具有导电性。如图2以及图3所示，从俯视角度观察，该导电层233形成大致圆形。导电层233的厚度比树脂层232的厚度薄。具有上述结构的导电层233在碳纤维预浸渍体231上以埋设至树脂层232内部的状态设置。此外，导电层233的材质、形状不限于实施方式，能够有适当的设计变更。
跳线24电连接导电层233与碳纤维预浸渍体232。如图2以及图3所示，该跳线24具有贯穿翼梁本体23而设的金属制螺栓26、与该螺栓26螺合的螺母27。
螺栓26具有：在周面形成有外螺纹（未图示）的轴部26a和设在该轴部26a的一端的伞状头部26b。具有上述结构的螺栓26被配置在形成于树脂层232的导电层露出孔232a的位置。螺栓26的轴部26a分别贯插导电层233以及碳纤维预浸渍体231。螺栓26的头部26b的下表面与从导电层露出孔232a露出的导电层233的表面233a抵接。此外在该状态下，轴部26a的前端从翼梁本体23的背面突出，在该突出的轴部26a螺合有螺母27。而且，通过螺栓26的头部26b与螺母27将翼梁本体23在厚度方向上紧固，使跳线24相对于翼梁本体23固定。
如图2以及图3所示，电子设备25设置在形成于树脂层232的导电层露出孔232a的位置，电子设备的下表面与从导电层露出孔232a露出的导电层233的表面233a抵接。因此，电子设备25经由与电子设备25抵接的导电层233以及与导电层233抵接的跳线24，与碳纤维预浸渍体231电连接。由此，电子设备25处于确保与基准电位点导通的状态。此外，电子设备25的形状、大小等不限于本实施方式，能够进行适当的设计变更。
其次，说明作为本发明的第一实施方式涉及的CFRP结构体的翼梁2的制造工序、以及其作用效果。图4A、图4B、图4C以及图5A、图5B是表示第一实施方式涉及的翼梁2的制造工序的说明图。
首先，作业者在碳纤维预浸渍体231的表面231a形成导电层233。
即，如图4A所示，作业者将渗透热固化性树脂的碳纤维的片材231b重叠多枚。如图2以及图4A所示，在碳纤维预浸渍体231的表面231a的规定位置，配置导电层233。此外，碳纤维预浸渍体231的表面231a中配置导电层233的位置并不限于本实施方式，能够对应于设置电子设备25、跳线24的位置进行任意的变更。
之后，作业者遮蔽导电层233的表面231a。即，作业者将与图2所示的导电层露出孔232a的形状对应地剪切的遮蔽带5，以图4B所示那样，贴附在导电层233的表面231a的规定位置，更详细地，分别贴附在设置电子设备25、跳线24的位置。
之后，作业者固化碳纤维预浸渍体231。即，作业者将处于表面231a配置有导电层233的状态的碳纤维预浸渍体231，使用所谓高压处理器进行加压以及加热。进行上述操作，固化渗透到构成碳纤维预浸渍体231的各片材231b的热固化性树脂，使各片材231b经由热固化性树脂一体化。而且此时，如图4C所示，从各片材231b渗出的热固化性树脂通过层叠使其覆盖碳纤维预浸渍体231的表面231a，从而形成树脂层232。由此，导电层233成为被埋设在树脂层232内部的状态。此外，在导电层233的表面233a上贴附遮蔽带5的位置，不形成树脂层232。
之后，形成导电层露出孔232。即，作业者从图4C所示的状态分别除去遮蔽带5。在此，因为在上述贴附有遮蔽带5的位置没有形成树脂层232，如图5所示，在除去遮蔽带5的部分，露出其下的导电层233的表面233a。由此，在树脂层232形成导电层露出孔232a。
之后，作业者使跳线24贯穿通过上述步骤形成的翼梁本体23。即，如图5B所示，作业者将构成跳线24的螺栓26的轴部26a，向从树脂层232的导电层露出孔232a露出的导电层233贯穿。作业者使轴部26a经由导电层233之下的树脂层232，贯穿位于更下方的碳纤维预浸渍体231。而且，使该螺栓26的头部26b的下表面与导电层233的表面233a抵接。此外，此时作业者通过对从翼梁本体23的背面突出的螺栓26的轴部26a螺合螺母27,进行紧固，将跳线24固定在翼梁本体23。另外，当螺栓26贯穿翼梁本体23时，切断碳纤维预浸渍体231的碳纤维将使其强度减小。因此，优选地，作业者在网眼状的碳纤维的空隙部分插入螺栓26，张开网眼贯穿螺栓26，确保螺栓26与碳纤维的接触且不使螺栓26切断碳纤维。
之后，作业者在翼梁本体23安装电子设备25。即，如图5B所示，作业者在从树脂层232的导电层露出孔232a露出的导电层233的表面233a，安装电子设备25使其下表面与导电层233的表面233a抵接。因此，电子设备25经由与其抵接的导电层233以及与导电层233抵接的跳线24，与作为基准电位点的碳纤维预浸渍体231电连接。由此，电子设备25成为确保与基准电位点导通的状态。通过以上步骤，完成作为CFRP结构体的翼梁2。
如以上的说明所述，根据第一实施方式涉及的翼梁2的制造方法，在碳纤维预浸渍体231的固化时，通过遮蔽带5局部地阻止树脂层232在导电层233的表面233a上的形成。因此，能够使跳线24与导电层233更可靠地电连接。
此外，因为将导电层233形成在碳纤维预浸渍体231的表面231a，因此能够将电子设备25以与导电层233直接接触的状态设置。由此，不需要额外设置将电子设备25与导电层233电连接的配线等，能够通过简单的结构对电子设备25进行接地。
此外，因为将设在跳线24的头部26b抵接在导电层233的表面233a，通过该头部26b能够将导电层233与跳线24更可靠地电连接。
（第二实施方式）
其次，说明本发明的第二实施方式涉及的CFRP结构体的结构。在第二实施方式中，作为CFRP结构体，也以构成航空器主翼的翼梁为例进行说明。
图6是表示第二实施方式涉及的翼梁10的结构的概括剖视图。第二实施方式涉及的翼梁10与图3所示的第一实施方式涉及的翼梁2相比，仅跳线11的结构具有差异。除此以外的结构与第一实施方式相同，因此标注与图3相同的符号，在此省略说明。
如图6所示，第二实施方式涉及的跳线11仅由贯穿翼梁本体23而设置的金属制螺栓12构成。而且，该螺栓12具有轴部12a与在其一端设置的伞状头部12b，在这一点上与第一实施方式的螺栓26相同。但是，轴部12a的形状与第一实施方式的螺栓26不同。更详细地，第二实施方式的螺栓12的轴部12a是楔形的剖面形状，即，具有沿其长度方向从基端侧朝向前端侧宽度渐渐变窄的剖面形状。
根据上述的跳线11的结构，螺栓12的轴部12a的前端宽度变窄。因此，在作业者使轴部12a贯穿翼梁本体23的工序中，在张开构成碳纤维预浸渍体231的网眼状碳纤维的空隙部分的同时，插入轴部12a的前端。此外，随着将轴部12a深深地插入碳纤维预浸渍体231，朝向基端部宽度渐渐变宽的轴部12a将碳纤维的网眼张开。因此，不切断碳纤维，即确保了作为导电体的碳纤维的连续性，也能够确保碳纤维整体的导电性。
（第三实施方式）
其次，说明本发明的第三实施方式涉及的CFRP结构体的结构。在第三实施方式中，作为CFRP结构体，也以构成航空器主翼的翼梁为例进行说明。
图7A、图7B、图7C、图7D是表示第三实施方式涉及的翼梁40的制造工序的说明图。第三实施方式涉及的翼梁40与图3所示的第一实施方式涉及的翼梁40相比，跳线41以及电子设备42的结构各自不同。除此以外的结构与第一实施方式相同，因此标注与图3相同的符号，在此省略说明。
如图7C、图7D所示，第三实施方式涉及的跳线41具有贯穿翼梁本体23设置的金属制螺栓43、与该螺栓43螺合的螺母44。而且，螺栓43具有轴部43a和在其一端设置的伞状头部43b，在这一点上与第一实施方式的螺栓43相同。但是，螺栓43在头部43b的下表面设有多个突起45，在这一点上与第一实施方式的螺栓43不同。该突起45，其前端部分别形成尖锐的形状。
如图7C、图7D所示，第三实施方式涉及的电子设备42,在其下表面设有多个突起46，在这一点上与第一实施方式的电子设备42不同。该突起46，其前端部也分别形成尖锐的形状。
根据上述跳线41以及电子设备42的结构，通过使用设在其下表面的突起45、46，能够使向翼梁本体23的安装作业简单化。更详细地，如图7A所示，制造第三实施方式涉及的翼梁40的作业者先在碳纤维预浸渍体231的表面231a形成导电层233。即，与第一实施方式相同地，作业者将渗透热固化性树脂的碳纤维的片材231b重叠多枚，在碳纤维预浸渍体231的表面231a的规定位置配置导电层233。
之后，与第一实施方式相同地，通过加压以及加热碳纤维预浸渍体231以固化热固化性树脂，从而固化碳纤维预浸渍体231。如图7B所示，通过上述步骤，从构成碳纤维预浸渍体231的各片材231b渗出的热固化性树脂形成在碳纤维预浸渍体231的表面231a，形成树脂层232。在此，因为第三实施方式中没有进行如第一实施方式所述的导电层233的表面231a上的遮蔽，树脂层232形成于碳纤维预浸渍体231的表面231a整体。
之后，作业者使跳线41贯穿翼梁本体23。即，如图7C所示，作业者将构成跳线41的螺栓43的轴部43a贯穿树脂层232。进而，使轴部43a从树脂层232下的导电层233经由更下面的树脂层232，最后贯穿至碳纤维预浸渍体231。此外，如图7D所示，使螺栓43的头部43b的下表面与导电层233的表面233a抵接。此时，设在头部43b下表面的尖锐突起45刺破树脂层232。因此，使螺栓43的头部43b的下表面能够可靠地与导电层233的表面233a接触，能够确保导电层23与碳纤维预浸渍体231的导通。此外，操作者对从翼梁本体23的背面突出的螺栓43的轴部43a螺合螺母44以进行紧固，将跳线41固定在翼梁23。
之后，作业者在翼梁本体23安装电子设备42。即，如图7C所示，作业者将电子设备42安装在翼梁本体23使其下表面与导电层233的表面233a抵接。此时，通过设置电子设备42的下表面的尖锐突起46刺破树脂层232，能够将电子设备42的下表面可靠地抵接在导电层233的表面233a。
如上所述，根据第三实施方式涉及的翼梁40的制造方法，不需要在固化碳纤维预浸渍体231的工序之前在其表面231a进行遮蔽等预处理，能够谋求通过减少作业工序的省力化以及通过减少遮蔽带5等的成本降低。
此外，在本实施方式中跳线41以及电子设备42分别设置了突起45以及突起46，但在电子设备42的下表面设置突起46不是本发明必要的结构，只要至少在跳线42设置突起45即可。
（第四实施方式）
下面，说明本发明的第四实施方式涉及的CFRP结构体的结构。在第四实施方式中，作为CFRP结构体，也以构成航空器主翼的翼梁为例进行说明。
图8是表示第四实施方式涉及的翼梁50的一部分的概括立体图。第四实施方式涉及的翼梁50与图2所示的第一实施方式涉及的翼梁2相比，仅导电层51的结构不同。除此以外的结构与第一实施方式相同，因此标注与图2相同的符号，在此省略说明。
第四实施方式涉及的导电层51是金属制的薄板部件，具有导电性，其厚度比树脂层232的厚度薄，以及处于被埋设在树脂层232内部的状态，在这些点上与第一实施方式的导电层233相同。但是，第四实施方式涉及的导电层51在俯视图中形成带状，即形成细长的大致矩形形状，在这一点上与第一实施方式的导电层233不同。而且如图8所示，导电层51的长度方向上的尺寸被设定层与碳纤维预浸渍体231的宽度尺寸大致相等。
根据上述导电层51的结构，导电层51的长度方向两端部分别到达碳纤维预浸渍体231的宽度方向两端部。因此，虽然没有详细图示，在需要将如图8所示的翼梁50和与其相邻设置的翼梁50电连接的情况下，只要用电线将各翼梁50的导电层51的长度方向端部彼此电连接，即有能够将电线长度抑制在最小限度的优点。
此外，在以上所述的各实施方式中，作为CFRP结构体的一个例子，对构成航空器主翼1的翼梁2、10、40、50进行了说明。但是，CFRP结构体并不限于翼梁2、10、40、50。CFRP结构体可以是例如图1所示的构成上表面翼板31的上表面蒙皮31a以及桁条31b、构成下表面翼板32的下表面蒙皮32a以及桁条32b等。进而，CFRP结构体不限于航空器主翼1的结构要素，可以是任意结构物的结构要素。
此外，在上述实施方式中所示的各结构部件的各形状、组合，或者步骤顺序等仅是示例，在不超出本发明主旨的范围内能够基于设计要求等进行各种变更。
产业上的利用可能性
本发明能够适用于，例如，作为构成航空器主翼的结构体，在由碳纤维强化塑料制成的碳纤维强化塑料结构体上，添加对安装在其表面的电子设备进行接地的附加功能的方法。
符号说明
1主翼10翼梁（第二实施方式）11跳线12螺栓2翼梁21前翼梁22后翼梁23翼梁本体231碳纤维预浸渍体231a表面（碳纤维预浸渍体）231b片材（碳纤维预浸渍体）232树脂层232a导电层露出孔233导电层233a表面（导电层）24跳线25电子设备26螺栓26a轴部26b头部27螺母3翼板31上表面翼板31a上表面蒙皮31b桁条32下表面翼板32a下表面蒙皮32b桁条4翼肋40翼梁（第三实施方式）41跳线42电子设备43螺栓43a轴部43b头部44螺母45突起（跳线）46突起（电子设备）5遮蔽带50翼梁（第四实施方式）51导电层

Claims (5)

1.一种碳纤维强化塑料结构体，其具有：层叠在碳纤维预浸渍体而形成的导电层和贯穿该导电层以及所述碳纤维预浸渍体的导电体制成的跳线。
2.如权利要求1所述的碳纤维强化塑料结构体，其特征在于，所述导电层形成于所述碳纤维预浸渍体的表面。
3.如权利要求1或2所述的碳纤维强化塑料结构体，其特征在于，在所述跳线的端部设有与所述导电层的表面接触的头部。
4.一种碳纤维强化塑料结构体的制造方法，包括：
在碳纤维预浸渍体的表面形成导电层的工序；
遮蔽所述导电层的表面的工序；
固化所述碳纤维预浸渍体的工序；
除去所述遮蔽而露出所述导电层的工序；
使与所述导电层接触的导电体制成的跳线贯穿所述碳纤维预浸渍体的工序。
5.一种碳纤维强化塑料结构体的制造方法，包括：
在碳纤维预浸渍体的表面形成导电层的工序；
固化所述碳纤维预浸渍体的工序；
使在下表面具有突起的导电体制成的跳线，在用所述突起刺破在所述碳纤维预浸渍体固化时形成于其表面的树脂层的同时，贯穿所述碳纤维预浸渍体的工序。
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