JP2008137203A - サンドイッチパネル - Google Patents

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Abstract

【課題】軽量化を図りつつ、上記曲げ強さ、剥離強さ及び面内せん断強さを満たすことができ、例えば航空機用の内壁材として好適な実用性に秀れたサンドイッチパネルの提供。
【解決手段】中空柱状芯体１の上下面に、夫々内方から外方に、複数の繊維体を積層して成る中間材２と表面材３とが積層せしめられて成るサンドイッチパネルであって、前記中間材２を、繊維が一方向に引き揃えられて成る一組の一方向繊維体４・５で構成し、一方の一方向繊維体４は、このサンドイッチパネルの一辺に対して略平行な繊維方向を有し、他方の一方向繊維体５は、このサンドイッチパネルの一辺に対して略直交する繊維方向を有し、これらの一方向繊維体４・５同士の間及び内方の一方向繊維体５と前記中空柱状芯体１との間に、樹脂含有率５０％以上の接着層６・７を夫々設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、サンドイッチパネルに関するものである。
従来、特許文献１に開示されるような、中空柱状のセルの平面的集合体であるハニカムコアの上下両面（開口端面）に中間層としてのカーボン（炭素）繊維強化プラスチック体が積層され、更に、このカーボン（炭素）繊維強化プラスチック体に表面材を積層して成るハニカムサンドイッチパネルがある。
実公平６−１７５３０号公報
近年では、例えば航空機は、軽量であることが燃費向上につながることから、構造材，内装材ともに軽量化が求められている。この軽量化を図ることができる材料として、上述のようなハニカムコアの上下に繊維強化プラスチック板を配したハニカムサンドイッチパネルが用いられている。
特に、航空用の内装材の一つである内壁材は、軽量でありながら、サンドイッチパネルとしての曲げ強さ、面内せん断強さ及びハニカムコアと上下の繊維強化プラスチック層の剥離強さを満たす必要がある。しかしながら、単に繊維量の増減や中間層を構成する繊維体の層数の増減だけでは、これらを満たすことはできない。
本発明は、上述のような現状に鑑み、種々検討を行った結果、複数の繊維体を積層して形成される中間材の各層間の密着性を改善することで、軽量化を図りつつ、上記曲げ強さ、剥離強さ及び面内せん断強さを満たすことができ、例えば航空機用の内壁材として好適な実用性に秀れたサンドイッチパネルを提供するものである。
添付図面を参照して本発明の要旨を説明する。
中空柱状芯体１の上下面に、夫々内方から外方に、複数の繊維体を積層して成る中間材２と表面材３とが積層せしめられて成るサンドイッチパネルであって、前記中間材２は、繊維が一方向に引き揃えられて成る一組の一方向繊維体４・５で構成され、一方の一方向繊維体４は、このサンドイッチパネルの一辺に対して略平行な繊維方向を有し、他方の一方向繊維体５は、このサンドイッチパネルの一辺に対して略直交する繊維方向を有し、これらの一方向繊維体４・５同士の間及び内方の一方向繊維体５と前記中空柱状芯体１との間には、樹脂含有率５０％以上の接着層６・７が夫々設けられていることを特徴とするサンドイッチパネルに係るものである。
また、中空柱状芯体１の上下面に、夫々内方から外方に、複数の繊維体を積層して成る中間材２と表面材３とが積層せしめられて成るサンドイッチパネルであって、前記中間材２は、繊維が一方向に引き揃えられて成る一組の一方向繊維体４・５で構成され、一方の一方向繊維体４は、このサンドイッチパネルの一辺に対して略平行な繊維方向を有し、他方の一方向繊維体５は、このサンドイッチパネルの一辺に対して略直交する繊維方向を有し、これらの一方向繊維体４・５の樹脂含有率は３０％以下に設定され、また、これらの一方向繊維体４・５同士の間には樹脂含有率５０％以上の接着層６が設けられ、内方の一方向繊維体５と中空柱状芯体１との間には樹脂含有率７０％以上の接着層７が設けられていることを特徴とするサンドイッチパネルに係るものである。
また、請求項１，２いずれか１項に記載のサンドイッチパネルにおいて、前記接着層６・７は、繊維を経糸及び緯糸としこれらを織成した織成繊維体６・７から成り、この織成繊維体６・７は、前記サンドイッチパネルの前記一辺に対して経糸及び緯糸が夫々約４５°傾斜するように構成されていることを特徴とするサンドイッチパネルに係るものである。
また、請求項３記載のサンドイッチパネルにおいて、前記一方向繊維体４・５の繊維にはカーボン繊維が採用され、前記織成繊維体６・７の繊維にはガラス繊維が採用されていることを特徴とするサンドイッチパネルに係るものである。
また、請求項３記載のサンドイッチパネルにおいて、前記一方向繊維体４・５の繊維にはカーボン繊維が採用され、前記織成繊維体６・７の繊維にはガラス繊維及びカーボン繊維が採用されていることを特徴とするサンドイッチパネルに係るものである。
また、請求項１〜５いずれか１項に記載のサンドイッチパネルにおいて、前記表面材３として、ポリフッ化ビニリデン系のフィルム若しくはガラス繊維を含む不織布が採用されていることを特徴とするサンドイッチパネルに係るものである。
また、請求項１〜６いずれか１項に記載のサンドイッチパネルにおいて、このサンドイッチパネルは、単位面積当たりの重量が１．７９ｋｇ／ｍ２以下で、最大曲げ荷重が５２０Ｎ以上、剥離強さが８０Ｎ・ｉｎ／３ｉｎ以上、面内せん断強さが２０ｋＮ以上に設定されていることを特徴とするサンドイッチパネルに係るものである。
本発明は上述のように構成したから、軽量化を図りつつ、上記曲げ強さ、剥離強さ及び面内せん断強さを満たすことができ、例えば航空機用の内壁材として好適な実用性に秀れたサンドイッチパネルとなる。
好適と考える本発明の実施形態を、図面に基づいて本発明の作用を示して簡単に説明する。
樹脂含有率が５０％以上の接着層６・７により、一方向繊維体４・５同士及び内方の一方向繊維体５と中空柱状芯体１とが良好に接着し、例えば一方向繊維体４の樹脂含有率をある程度（例えば３０％以下に）低下させても、各層間の密着性を向上させることができ、軽量化を図りつつ、曲げ強さ及び中空柱状芯体１と上下の中間材２の剥離強さを向上させることが可能となる。
また、特に、一方向繊維体４・５同士の間には樹脂含有率５０％以上の接着層６を設け、内方の一方向繊維体５と中空柱状芯体１との間には樹脂含有率７０％以上の接着層７を設けた場合には、重量化を抑制しつつ異種材料である一方向繊維体５と中空柱状芯体１との接着を良好に行うことが可能となる。
更に、例えば、接着層６・７を、サンドイッチパネルの一辺に対して経糸及び緯糸が夫々約４５°傾斜する織成繊維体６・７で構成した場合には、サンドイッチパネルの一辺に対し平行な一方向繊維体４，該一辺に対し直交する一方向繊維体５及び該一辺に対し経糸・緯糸が±４５°傾斜する織成繊維体６・７により擬似等方性を付与することができ、面内せん断強さを向上させることが可能となる。
本発明の具体的な実施例について図面に基づいて説明する。
本実施例は、図１に図示したように、中空柱状芯体１の上下面に、夫々内方から外方に、複数の繊維体を積層して成る中間材２と表面材３とが積層せしめられて成る平面視方形状のサンドイッチパネルであって、前記中間材２は、繊維が一方向に引き揃えられて成る一組の一方向繊維体４・５で構成され、一方の一方向繊維体４は、このサンドイッチパネルの一辺に対して略平行な繊維方向を有し、他方の一方向繊維体５は、このサンドイッチパネルの一辺に対して略直交する繊維方向を有し、これらの一方向繊維体４・５の樹脂含有率は３０％以下に設定され、また、これらの一方向繊維体４・５同士の間には樹脂含有率５０％以上の接着層６が設けられ、内方の一方向繊維体５と前記中空柱状芯体１との間には樹脂含有率７０％以上の接着層７が設けられ、前記表面材３としてポリフッ化ビニリデン製の化粧フィルムが採用されているものである。
各部を具体的に説明する。
中空柱状芯体１としては、有機繊維（例えば、アラミド繊維やセルロース繊維）から成るペーパーに不燃性樹脂を含浸させたものやアルミニウムから成る多数の六角形状のセルの平面的集合体（ハニカムコア１）が採用されている。具体的には、本実施例においては、密度３ｌｂ／ｆｔ３（ポンド／立方フィート）、厚さ１０．５ｍｍ、単位面積当たりの重さ０．５１ｋｇ／ｍ２のものが採用されている。また、六角形の大きさは、対向する二つの辺がなす長さが１／８インチとなるように設定されている。尚、六角形の対向する二つの辺がなす長さ上記１／８インチに限られるものではない。また、セルの形状は六角形状に限らず、四角形状等、中空柱状であれば他の形状としても良いし、内部に無数の孔を有するフォーム材等のスポンジ状の多孔質材を用いることも考えられる。
このハニカムコア１の上下面（開口両端面）には、中間材２及び表面材３が積層されている。
具体的には、中間材２は、図２に図示したように、一方向繊維体４・５と、接着層６・７としての繊維を経糸及び該経糸と直交する緯糸として織成して成る織成繊維体６・７とを交互に計４層積層して構成されている。本実施例においては、最外層が一方向繊維体４、最内層が織成繊維体７となる順序で積層されている。
従って、一方向繊維体４・５に含まれる樹脂含有率を３０％以下に設定しても、一方向繊維体４・５間及び内方の一方向繊維体５とハニカムコア１との間に、接着層６・７としての織成繊維体６・７を設けているため、この織成繊維体６・７により接着力が必要な部位にのみ樹脂層を配することが可能となり、一方向繊維体４・５の軽量化を図れることになる。
ここで、例えば、接着層６・７を設けずに本実施例と同等の接着力を得ようとすると、一方向繊維体に必要な樹脂含有率は４２％以上となり、軽量化の効果を充分に得ることができない（一般的に一方向繊維体（単層）に必要な樹脂含有率は３０％程度である。）。
また、一方向繊維体４・５の繊維としてはカーボン繊維が採用されている。尚、一方向繊維体４・５に用いる繊維は、カーボン繊維に限らず、例えば、軽量化の目的から密度が２ｇ／ｃｍ３以下のアラミド繊維を採用しても良い。
ここで、最外に位置する一方向繊維体４は、平面視略長方形状のサンドイッチパネルの長手方向の一辺と略平行な方向（０°）に繊維方向を有し、他の一方向繊維体５はサンドイッチパネルの長手方向の一辺と略垂直な方向（９０°）に繊維方向を有するように構成されている。尚、一方向繊維体４の繊維方向を９０°、一方向繊維体５の繊維方向を０°に設定しても良い。
織成繊維体６・７の繊維としては、ガラス繊維が採用されている。尚、織成繊維体６・７としてガラス繊維及びカーボン繊維から成る混織織成繊維体を採用しても良い。
具体的には、最内に位置しハニカムコア１と密着する織成繊維体７及び他の織成繊維体６としては、サンドイッチパネルの一辺（長手方向）に対して経糸及び緯糸が夫々約４５°傾斜するように織成されたもの（±４５°の繊維方向を有するもの）が夫々採用されている。尚、織成繊維体６・７として、通常通り経糸及び緯糸を０°及び９０°で交差せしめたものを使用し、サンドイッチパネルの一辺に対して経糸及び緯糸が夫々約４５°傾斜するように積層しても良い。
従って、中間材２においては、０°及び９０°方向に繊維方向を有する一組の一方向繊維体４・５と、これら一方向繊維体４・５の繊維方向の間の±４５°方向に繊維方向を有する織成繊維体６・７とにより、全体として擬似等方性が発揮されることになる。特に、織成繊維体６・７の繊維配向が±４５°となっているために、面内せん断の引張方向（後記面内せん断試験の鉛直方向）と圧縮方向（後記面内せん断試験の水平方向）に繊維が配されることで面内せん断強さが向上する。
本実施例は、これらの繊維体４・５・６・７を、夫々熱硬化性の樹脂組成物に含浸せしめ、８０〜１００℃×５〜２０分加熱乾燥せしめてプリプレグを成形し、このプリプレグとハニカムコア１とを上記順序で積層せしめ、１４０〜１６０℃×１〜２時間、圧力０．２〜０．４ＭＰａで加熱加圧することで硬化成形せしめて製造される。
プリプレグに用いる樹脂は、航空機内装用内壁材のプリプレグ用樹脂として、不燃性を考慮したレゾール系フェノール樹脂を用いている。具体的には、ヒートリリース試験（ＨＲＲ）における５分間の熱量のピーク値が３０ｋＷ／ｍ２以下で、２分間の熱量の積分値が３０ｋＷ・ｍｉｎ／ｍ２以下であり、且つ、燃焼時の発煙濃度（ＳＭＯＫＥ ＤＥＮＳＩＴＹ）が２００以下のレゾール系フェノール樹脂を用いている。尚、上記数値は、ＨＲＲ及び発煙濃度の測定を、航空機内装品に要求されるＦＡＲ２５．８５３規格に準拠して行った際の値である。
織成繊維体の樹脂含有率が多い程接着力は向上するが、樹脂含有率を多くすると、航空機材料としては重くなってしまう。そこで、発明者等は最内に位置する織成繊維体７の繊維量は２０〜４０ｇ／ｍ２、樹脂量（樹脂含有率）は７０〜８５ｗｔ％に設定し、他の織成繊維体６の繊維量は３５〜５５ｇ／ｍ２．樹脂量は５０〜６５ｗｔ％に設定することで、異種材料であるハニカムコア１と一方向繊維体５との接着性を維持しつつ軽量化を図れることを見出した。本実施例においては、一方向繊維体４・５の樹脂含有率２９％、織成繊維体６の樹脂含有率５５％、織成繊維体７の樹脂含有率７５％に設定している。また、一方向繊維体４・５の繊維量は１３０〜１５０ｇ／ｍ２に設定している。
即ち、本実施例は、一方向繊維体４・５の樹脂含有率を３０％以下にすることで発生するハニカムコア１と一方向繊維体５との接着力の低下を、ハニカムコア１と内方の一方向繊維体５との間に、樹脂含有率の多いプリプレグ（織成繊維体７）を挟み込み、ハニカムコア１と内方の一方向繊維体５との間に樹脂層を形成させることで、ハニカムコアと内方の一方向繊維体５との接着力を向上させ、ハニカムサンドイッチパネルとしての曲げ強さ、ハニカムコア１と上下の中間層２との剥離強さ、面内せん断強さの向上を図るものである。
ここで、例えば、接着層６・７を設けずに本実施例と同等の接着力・曲げ強さ・剥離強さ・面内せん断力を得ようとすると、一方向繊維体に必要な樹脂含有率は６０％以上となり、軽量化の効果を充分に得ることができない。
従って、本実施例は、単位面積当たりの重量が１．７９ｋｇ／ｍ２以下と軽量で、且つ、最大曲げ荷重が６３０Ｎ以上、剥離強さが８０Ｎ・ｉｎ／３ｉｎ以上、更に、面内せん断強さが３３ｋＮ以上に設定可能となり、航空機用内装材として好適な内壁材となる。
表面材３としては、ガラス繊維を含む不織布、即ち、ガラスペーパーやガラスクロス等を採用しても良い。表面材３に電気絶縁性を有する繊維体を用いると、航空機の組み立ての過程でアルミニウム材とサンドイッチパネルとが接した場合でも電気腐食が発生せず、耐食性に秀れたものとなる。
尚、本実施例においては、接着層６・７として面内せん断力を向上させるために上記織成繊維体６・７を採用しているが、繊維体を有さない接着フィルムを採用しても良い。
本実施例は上述のように構成したから、樹脂含有率が５０％以上の接着層６・７により、一方向繊維体４・５同士及び内方の一方向繊維体５とハニカムコア１とが良好に接着し、例えば一方向繊維体４の樹脂含有率を３０％以下に低下させても、各層間の密着性を向上させることができ、軽量化を図りつつ、曲げ強さ及びハニカムコアと上下の中間層の剥離強さを向上させることが可能となる。
また、特に、一方向繊維体４・５同士の間には樹脂含有率５０％以上の接着層６を設け、内方の一方向繊維体５とハニカムコア１との間には樹脂含有率７０％以上の接着層７を設けたから、異種材料であるハニカムコア１と一方向繊維体５との接着性を維持しつつ軽量化を図ることが可能となる。
更に、接着層６・７としての織成繊維体６・７は、サンドイッチパネルの一辺に対して経糸及び緯糸が夫々約４５°傾斜したものであるから、サンドイッチパネルの一辺に対し平行な一方向繊維体４，該一辺に対し直交する一方向繊維体５及び該一辺に対し経糸・緯糸が±４５°傾斜する織成繊維体６・７により擬似等方性を付与することができ、面内せん断強さを向上させることが可能となる。
従って、本実施例は、軽量化を図りつつ、上記曲げ強さ、剥離強さ及び面内せん断強さを満たすことができ、例えば航空機用の内壁材として好適な実用性に秀れたサンドイッチパネルとなる。
本実施例の効果を裏付ける実験例について説明する。
ハニカムコアの上下面にフェノール樹脂含有率約３０％の０°，９０°の一対の一方向繊維体を上記接着層６・７を介さず直接一層ずつ配した従来例、上記接着層６・７として接着フィルム（樹脂含有率１００％）を採用した実施例１、上記接着層６・７として上記織成繊維体６・７を採用した実施例２の夫々について、重量、剥離強さ、曲げ強度、面内せん断力、難燃性及び発煙濃度を測定した。測定結果を図３に示す。
尚、剥離強さ（ＰＥＥＬ強度）は、図４に図示したような一般的なドラムピール試験装置を用いて行った。図中、符号Ａはハニカムコア、Ｂは中間層、Ｃはドラム、Ｄは下部クランプ部、Ｅはローディングストラップ、Ｆは上部クランプ部、Ｇはフランジである。
また、曲げ強度（曲げ荷重）は、曲げ試験規格ＭＩＬ−ＳＴＤ４０１Ｂに基づき、図５に図示したような装置を用い、常温（２３±２℃）、常湿（５０±５％ＲＨ）で、スピードは試料を３〜５分で破壊するスピードに設定して行った。
また、面内せん断力（ＩＰＳ）は、ボーイング社で用いられる面内せん断試験（ＢＭＳ４−１７）を図６に図示したような装置を用いて行った（測定機器は島津製作所製オートグラフＡＧ−１０）。
実験結果から、接着層６・７を有さない従来例は、それだけ軽量ではあるものの、ＰＥＥＬ強度、曲げ荷重、ＩＰＳ及び難燃性の夫々について実施例１，２に大きく劣ることがわかる。
即ち、接着層６・７を設け、一方向繊維体４・５同士の密着性及び内方の一方向繊維体５とハニカムコア１との密着性を改善することで、重量化を抑制しつつ、剥離強さ、曲げ強度、面内せん断力及び難燃性を大きく向上させることが可能であることが確認できた。更に、発煙濃度も航空機用内装材における一般的な目安となる２００を大幅に下回ることが確認できた。
尚、従来例の一方向繊維体の樹脂含有率を増やすことで密着性の改善を図ることは可能ではあるが、上述したように重量の大幅な増加は避けられない。
更に、実施例１と実施例２との比較から、接着層６・７として、繊維が±４５°に配向する織成繊維体６・７を採用することで、更に強度を向上させることが可能であることが確認できた（特に、面内せん断力は１．６倍程度向上させることができた。）。
以上から、一方向繊維体同士の間及び一方向繊維体とハニカムコアとの間に樹脂含有率の高い接着層を設けて各層間の密着性を向上させると共に、該接着層に織成繊維体を設けることで、軽量化を図りつつ、航空機用の内壁材として必要な、曲げ強さ、剥離強さ及び面内せん断強さを満たすことが可能なサンドイッチパネルとなることが確認された。
本実施例の一部を切り欠いた概略説明斜視図である。 本実施例の要部の拡大概略説明分解斜視図である。 本実施例の実験結果を示す表である。 実験装置の概略説明図である。 実験装置の概略説明図である。 実験装置の概略説明図である。
符号の説明
１ 中空柱状芯体
２ 中間材
３ 表面材
４・５ 一方向繊維体
６・７ 接着層（織成繊維体）

Claims (7)

  1. 中空柱状芯体の上下面に、夫々内方から外方に、複数の繊維体を積層して成る中間材と表面材とが積層せしめられて成るサンドイッチパネルであって、前記中間材は、繊維が一方向に引き揃えられて成る一組の一方向繊維体で構成され、一方の一方向繊維体は、このサンドイッチパネルの一辺に対して略平行な繊維方向を有し、他方の一方向繊維体は、このサンドイッチパネルの一辺に対して略直交する繊維方向を有し、これらの一方向繊維体同士の間及び内方の一方向繊維体と前記中空柱状芯体との間には、樹脂含有率５０％以上の接着層が夫々設けられていることを特徴とするサンドイッチパネル。
  2. 中空柱状芯体の上下面に、夫々内方から外方に、複数の繊維体を積層して成る中間材と表面材とが積層せしめられて成るサンドイッチパネルであって、前記中間材は、繊維が一方向に引き揃えられて成る一組の一方向繊維体で構成され、一方の一方向繊維体は、このサンドイッチパネルの一辺に対して略平行な繊維方向を有し、他方の一方向繊維体は、このサンドイッチパネルの一辺に対して略直交する繊維方向を有し、これらの一方向繊維体の樹脂含有率は３０％以下に設定され、また、これらの一方向繊維体同士の間には樹脂含有率５０％以上の接着層が設けられ、内方の一方向繊維体と中空柱状芯体との間には樹脂含有率７０％以上の接着層が設けられていることを特徴とするサンドイッチパネル。
  3. 請求項１，２いずれか１項に記載のサンドイッチパネルにおいて、前記接着層は、繊維を経糸及び緯糸としこれらを織成した織成繊維体から成り、この織成繊維体は、前記サンドイッチパネルの前記一辺に対して経糸及び緯糸が夫々約４５°傾斜するように構成されていることを特徴とするサンドイッチパネル。
  4. 請求項３記載のサンドイッチパネルにおいて、前記一方向繊維体の繊維にはカーボン繊維が採用され、前記織成繊維体の繊維にはガラス繊維が採用されていることを特徴とするサンドイッチパネル。
  5. 請求項３記載のサンドイッチパネルにおいて、前記一方向繊維体の繊維にはカーボン繊維が採用され、前記織成繊維体の繊維にはガラス繊維及びカーボン繊維が採用されていることを特徴とするサンドイッチパネル。
  6. 請求項１〜５いずれか１項に記載のサンドイッチパネルにおいて、前記表面材として、ポリフッ化ビニリデン系のフィルム若しくはガラス繊維を含む不織布が採用されていることを特徴とするサンドイッチパネル。
  7. 請求項１〜６いずれか１項に記載のサンドイッチパネルにおいて、このサンドイッチパネルは、単位面積当たりの重量が１．７９ｋｇ／ｍ２以下で、最大曲げ荷重が５２０Ｎ以上、剥離強さが８０Ｎ・ｉｎ／３ｉｎ以上、面内せん断強さが２０ｋＮ以上に設定されていることを特徴とするサンドイッチパネル。
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