JP2009115083A - 複合材料の修復 - Google Patents

Abstract

【課題】 修復済複合材料構成要素を提供する。
【解決手段】 複合材料母材（１２）と、交換複合材料の第１領域（１４）と、修復済複合材料構成要素（２４）に荷重が加わった状態での剥離し易さが第１領域（１４）よりも大きい交換複合材料の第２領域（２６）とを含む。
【選択図】 図３

Description

本発明は、概ね、複合材料構成要素の修復に関し、更に詳細には、修復済複合材料構成要素及び複合材料構成要素の修復方法に関する。

複合材料で形成された構成要素は使用中に損傷を受ける場合があり、現在、損傷した複合材料構成要素を修復するための様々な方法を利用できる。このような方法の一つは、損傷した複合材料を構成要素から除去する工程と、残った損傷していない複合材料母材を形成する工程と、交換複合材料を所定の場所に挿入し固定する工程とを含む。

交換複合材料を複合材料母材に結合する接合部即ち界面は、応力集中部分として作用し、かくして、これらの接合部即ち界面のところに亀裂が入ることにより、修復済複合材料構成要素が破損する危険が増大する。更に、構成要素がエーロホイル（エーロフォイル）である場合、通常は、エーロホイル表面に材料を追加することによって修復を行うことはできない。これは、表面の空力学的性能に悪影響が及ぼされるためである。

本発明によれば、独立項に記載した、修復済複合材料構成要素及び複合材料構成要素を修復するための方法が提供される。

次に、本発明の実施例を添付図面を参照して単なる例として説明する。

先ず最初に図１ａ、図１ｂ、図１ｃ、及び図２ａを参照すると、これらの図には、修復を行った既知の複合材料製構成要素１０、１１０、２１０の様々な構成が示してある。これらの構成要素は、複合材料母材１２と、交換複合材料の第１領域１４とを備えている。交換複合材料の第１領域１４は、図１ａ、図１ｂ、図１ｃ、及び図２ａ及び以下の図面において、ハッチングを付して示されている。修復済複合材料構成要素１０、１１０、２１０は、第１及び第２の外面１０ａ、１０ｂを備え、修復済複合材料構成要素１０、１１０、２１０がエーロホイルである場合には、第１外面１０ａは、代表的には、圧力面であり、第２外面１０ｂは、代表的には、負圧面である。

修復済複合材料構成要素１０、１１０、２１０を形成するため、先ず最初に、損傷した複合材料を元の複合材料構成要素から除去し、残った損傷していない複合材料母材１２に空所を形成し、次いで複合材料母材を賦形し、交換複合材料を配置できる空所を形成する。空所は、複合材料母材１２と交換複合材料の第１領域１４との間に固定接合部を形成できる界面（境界面）として作用する縁部１５、１６を形成し、例えば、
第１領域１４の交換複合材料の硬化中にこれが複合材料母材１２に結合する。

図１ａに示す構成では、複合材料母材１２は、外面１０ａ、１０ｂに対して直角な縁部１５を持ち、複合材料母材１２の厚さを完全に貫通した空所を形成するように賦形してある。

図１ｂ及び図１ｃに示す構成では、複合材料母材１２は、周囲傾斜部即ち「スカーフ状（削ぎ）」縁部１６を持つ空所を形成するように賦形してある。図１ｂの構成では、空所は、複合材料母材の厚さを完全に貫通しているが、図１ｃの構成では、空所は、複合材料母材の厚さに対して部分的に延びている（すなわち、部分的にしか貫通していない）。図１ｂ又は図１ｃに示すような、傾斜縁部１６を持つ構成を使用することは、修復済複合材料構成要素１０がエーロホイルであり、その外面１０ａが圧力面として作用する場合に有利である。

空所及び従って複合材料母材１２と交換複合材料の第１領域１４との間の接合部を、平面で見て円形をなしているように図２ａに示すが、これは、異なる形状であってもよい。重要なことは、形状の縁部が実質的に滑らかであり、応力集中部として作用する尖った場所や隅部がないということである。

図１ｂ及び図１ｃに示す構成では、縁部１６のスカーフ角度（α）を最適にするのが望ましい。というのは、典型的には、修復済複合材料構成要素１１０、２１０が破損することなく耐えることができる剪断荷重及び捩じり荷重にこの角度が影響を及ぼすためである。詳細には、スカーフ角度（α）を小さくすることにより、修復済複合材料構成要素１０が、交換複合材料の第１領域１４が複合材料母材１２から剥離することなく、比較的大きな剪断荷重及び捩じり荷重に耐えることができる。

図１ａ、図１ｂ、及び図１ｃに示す構成では、交換複合材料の第１領域１４の露呈された外面１８ａ、１８ｂと、複合材料母材１２の隣接した露呈された外面２０ａ、２０ｂは、実質的に滑らかであり且つ連続した第１及び第２の外面１０ａ、１０ｂを形成するように構成されている。これは、特に、使用時に、修復済複合材料構成要素１０、１１０、２１０の露呈された外面上を、空気、水又は他の流体が流れる場合に望ましい。例えば、修復済複合材料構成要素１０、１１０、２１０をガスタービンエンジンのエーロホイル構成要素として使用する場合に望ましい。第１及び第２の外面１０ａ、１０ｂが実質的に滑らかでも連続してもいない場合、修復済複合材料構成要素１０、１１０、２１０の露呈された外面に亘って流れる流体に、悪影響が及ぼされる。

次に図２ｂを参照すると、線１９は、損傷がなく又は修復が行われていない、「理想的」即ち完全な元の材料領域１２についてのミーゼス応力（Ｍｉｓｅｓ ｓｔｒｅｓｓ）のレベルを示す。実線は、図２ａのＡ−Ａ’線に沿ったミーゼス応力を示す。複合材料母材１２と第１領域１４との間の、夫々の露呈された外面２０ａ、１８ａと隣接した接合部２２が、応力集中部として作用し、そこにピーク応力が作用するということが明らかである。第１領域１４における応力は、「理想的」材料における応力よりも高いが、接合部２２と対応するピークでの応力程高くない。実際には、スカーフ角度αが増大すると、第１領域１４及びピークの両方で応力レベルが上昇する傾向がある。この応力集中により、典型的には、使用時に、荷重の作用で、接合部２２のところで亀裂が開始することにより、修復済複合材料構成要素１０、１１０、２１０が破損してしまう。亀裂が入り始めると、亀裂は、典型的には、接合部２２から縁部１６に沿って伝播し、第１領域１４が複合材料母材１２から剥離する。そして、修復済複合材料構成要素１０、１１０、２１０がエーロホイルである場合、一般的には、露呈された外面１８ａ、２０ａに、露呈された外面１８ｂ、２０ｂよりも高い外部圧力が作用する。こうした亀裂の開始／伝播の目に見える警告は、第１領域１４が複合材料母材１２から完全に剥離するまではない。このことは、修復済複合材料構成要素１０、１１０、２１０の劇的破損をもたらすため、望ましくない。

次に図３を参照すると、ここには、本発明の一実施例による修復済複合材料構成要素２４の拡大図が示してある。修復済複合材料構成要素２４は、図１ａ及び図２ａに示す構成要素１０と共通の多くの特徴を備えており、従って、対応する特徴には、対応する参照番号が付してある。

修復済複合材料構成要素２４は、交換複合材料の第１領域１４に加え、交換複合材料の第２領域２６を備えている。

更に詳細には、交換複合材料の第２領域２６は、第１及び第２の外面１０ａ、１０ｂの両方で、複合材料母材１２と交換複合材料の第１領域１４との間の周方向に延びる接合部２２のところに、複合材料母材１２の一部及び交換複合材料の第１領域１４の一部の代りに設けられている。例えば、第１及び第２の外面１０ａ、１０ｂの、隣接して露呈された外面１８ａ、２０ａ、１８ｂ、２０ｂのところで、複合材料母材１２に環状溝の一部が形成されており、交換複合材料の第１領域１４に環状溝の一部が形成されている。次いで、交換複合材料を環状溝に配置し、交換複合材料で形成された環状第２領域２６を形成する。

本発明の実施例によれば、交換複合材料の第２領域２６は、修復済複合材料構成要素２４に極めて高い荷重が作用した場合、交換複合材料の第１領域１４より剥離しやすい。図３のＢ−Ｂ線に沿った表面応力のプロットによって図２ｂに示すように、これは、一方では、複合材料母材１２と交換複合材料の第１領域１４との間の界面に、他方では、複合材料母材１２と交換複合材料の第２領域２６との間の界面に、最大応力が発生するためである。更に、図２ｂからわかるように、交換複合材料の第２領域２６を設けることによって、ピーク応力が低下する。

かくして、亀裂が開始したとき、入り始めた亀裂は、交換複合材料の第２領域２６及び隣接した複合材料との間、即ち複合材料母材１２又は交換複合材料の第１領域１４の一方又は両方の間の界面１６に沿って伝播する傾向がある。かくして、交換複合材料の第２領域２６は、剥離による破損の生じ易さが、交換複合材料の第１領域１４により提供される主修復よりも大きい、「犠牲修復部」として作用する。

亀裂が入り始めてこれが伝播することによる第２領域２６の剥離は、修復済複合材料構成要素２４に関して問題があることの目に見える表示を提供し、詳細には、構成要素２４が、もはや、構造的に堅固でなく、及び従って、使用を継続するのに適していないことの表示を提供する。

更に、第２領域２６を設けることにより、第１及び第２の外面１０ａ、１０ｂの環状接合部２２のところへの応力集中を減少し、かくして、修復済複合材料構成要素２４で荷重により亀裂が開始する傾向を低減する。

図３は、交換複合材料の第２領域２６が第１及び第２の外面１０ａ、１０ｂの両方に設けられた修復済複合材料構成要素２４を示すが、第２領域２６は、第１及び第２の外面１０ａ、１０ｂの一方の接合部２２だけに設けられていてもよい。

次に図４を参照すると、この図には、本発明の別の実施例による、修復済複合材料構成要素２８の一部の拡大図が示してある。修復済複合材料構成要素２８は、図３に示す修復済複合材料構成要素２４と類似しており、及びかくして多くの特徴が、図３に示す構成要素２４及び図１ａ及び図２ａに示す構成要素１０と共通しており、従って、対応する参照番号を使用して表示する。

修復済複合材料構成要素２８は、交換複合材料の第３領域３０ａ、３０ｂを備えている。第３領域３０ａは、第１及び第２の外面１０ａ、１０ｂの両方で、交換複合材料の第１領域１４と第２領域２６との間の接合部３２のところに形成され、第３領域３０ｂは、第１及び第２の外面１０ａ、１０ｂの両方で、複合材料母材１２と第２領域２６との間の接合部３４のところに形成される。交換複合材料の第２領域２６が第１及び第２の外面１０ａ、１０ｂのうちの一方にしか設けられていない場合には、第３領域３０ａ、３０ｂは、同様に、対応する第１又は第２の外面１０ａ、１０ｂにしか設けられていない。

交換複合材料の両第３領域３０ａ、３０ｂは、修復済複合材料構成要素２８に荷重が加わった状態で、交換複合材料の第２領域２６よりも剥離し易い。かくして、亀裂が入り始めたとき、この入り始めた亀裂は、交換複合材料の第３領域３０ａ、３０ｂと、隣接した複合材料との間の界面に沿って、伝播する傾向がある。

亀裂が入り始めてこれが伝播することによる第３領域３０ａ、３０ｂの剥離は、修復済複合材料構成要素２８に関して問題があることの視覚的表示を提供し、詳細には、構成要素２８が、もはや構造的に堅固でなく、及び従って、継続して使用するのに適していないことの表示を提供する。

第３領域３０ａ、３０ｂを設けることは、更に、接合部３２、３４での応力集中を減少するように作用し、かくして修復済複合材料構成要素２８に荷重が作用した状態で亀裂が生じることを減少する。

本発明の実施例では、剥離が発生したことの表示を提供するため、インジケータ手段３６（図３及び図４に破線で示す）が、交換複合材料の第２領域２６及び／又は第３領域３０ａ、３０ｂの下の領域に、これらの領域の夫々と、隣接した複合材料との間の界面に設けられている。インジケータ手段３６は、例えば、適当に着色した基材及び／又は適当に着色した接着剤等の視覚的インジケータ手段を含んでいてもよい。

以上、様々な例を参照して本発明の実施例を説明したが、特許請求の範囲に記載した本発明の範囲を逸脱することなく、所与の例に対して様々な変更を加えることができるということは理解されるべきである。例えば、任意の適当な数の交換複合材料の第２領域２６及び／又は第３領域３０ａ、３０ｂを設けてもよい。交換複合材料の第１領域１４、第２領域２６及び／又は第３領域３０ａ、３０ｂは、任意の適当な形状又は形体であってもよい。

第１及び第２の外面１０ａ、１０ｂは例示の実施例では平らであるが、第１及び第２の外面１０ａ、１０ｂのいずれか一方又は両方が湾曲していてもよい。

面１０ａ、１０ｂは、図３及び図４において平行であるように示してあるが、必ずしも平行でなくてもよく、その場合、スカーフ角度αは、各面について最適であるように選択してもよい。このことは、スカーフ角度αが二つの面１０ａ、１０ｂで異なるということを意味し、従って、界面１６はもはや図３及び図４に示すように直線ではなく、湾曲しているか或いは何らかの他の形状をなしている。

図１ａは、従来技術の修復済複合材料構成要素の一構成を示す概略断面図である。 図１ｂは、従来技術の修復済複合材料構成要素の別の構成を示す概略断面図である。 図１ｃは、従来技術の修復済複合材料構成要素の更に別の構成を示す概略断面図である。 図２ａは、図１ａ、図１ｂ、及び図１ｃの修復済複合材料構成要素の概略平面図である。 図２ｂは、図２ａのＡ−Ａ’線及び図３のＢ−Ｂ’線に沿ったミーゼス応力の図である。 図３は、本発明の一実施例による修復済複合材料構成要素の部分の拡大概略断面図である。 図４は、本発明の別の実施例による修復済複合材料構成要素の部分の拡大概略断面図である。

符号の説明

１０、１１０、２１０ 複合材料製構成要素
１２ 複合材料母材
１４ 第１領域
１５、１６ 縁部

Claims (17)

1. 複合材料母材と交換複合材料の第１領域とを含む修復済複合材料構成要素において、
   前記修復済複合材料構成要素は、前記修復済複合材料構成要素に荷重が加わった状態での剥離し易さが前記第１領域よりも大きい、交換複合材料の第２領域を備えている、修復済複合材料構成要素。
2. 請求項１に記載の構成要素において、
   前記交換複合材料の前記第２領域は、前記第１領域と前記複合材料母材との間の接合部に設けられる、構成要素。
3. 請求項２又は３に記載の構成要素において、
   前記修復済複合材料構成要素の第１及び第２の外面で、前記第１領域と前記複合材料母材との間に、接合部が設けられており、
   交換複合材料の第２領域が、両接合部に設けられている、構成要素。
4. 請求項２に記載の構成要素において、
   前記交換複合材料の前記第１領域は平面で見てほぼ円形であり、
   前記第２領域は全体に環状であり、前記第１領域と前記複合材料母材との間の環状接合部に亘って周方向に延びている、構成要素。
5. 請求項１に記載の構成要素において、
   前記修復済複合材料構成要素は、一つ又はそれ以上の交換複合材料の第３領域を備えており、
   前記交換複合材料の第３領域又はこれらの第３領域の各々は、前記修復済複合材料構成要素に荷重が加わった状態での剥離し易さが前記第２領域よりも大きい、構成要素。
6. 請求項５に記載の構成要素において、
   前記交換複合材料の第３領域又はこれらの第３領域の各々は、前記第２領域と前記複合材料母材との間の接合部に設けられている、構成要素。
7. 請求項６に記載の構成要素において、
   前記修復済複合材料構成要素の第１及び第２の外面で、前記第２領域と前記複合材料母材との間に、接合部が設けられており、
   交換複合材料の第３領域が両接合部に設けられている、構成要素。
8. 請求項５に記載の構成要素において、
   前記交換複合材料の第３領域又はこれらの第３領域の各々は、交換複合材料の前記第２領域と前記第１領域との間の接合部に設けられる、構成要素。
9. 請求項８に記載の構成要素において、
   前記修復済複合材料構成要素の第１及び第２の外面で、交換複合材料の前記第２領域と第１領域との間に、接合部が設けられており、
   交換複合材料の第３領域が両接合部に設けられている、構成要素。
10. 請求項１に記載の構成要素において、
    修復済複合材料構成要素は、交換複合材料の前記第２領域及び／又は前記第３領域又はこれらの第３領域の各々の剥離の表示を提供するためのインジケータ手段を含む、構成要素。
11. 請求項１０に記載の構成要素において、
    前記インジケータ手段は、前記第２領域及び／又は前記第３領域の下の領域に、又はこれらの第３領域の各々の下の領域に設けられている、構成要素。
12. 請求項１１記載の構成要素において、
    前記第２領域又はこれらの第２領域の各々の下に第１インジケータ手段が設けられ、
    前記第３領域又はこれらの第３領域の各々の下に第２の異なるインジケータ手段が設けられている、構成要素。
13. 損傷した複合材料を交換するための交換複合材料の第１領域を提供する工程を含む、複合材料構成要素を修復するための方法において、
    修復済複合材料構成要素に荷重が加わった状態での剥離し易さが第１領域よりも大きい、交換複合材料の第２領域を提供する工程を備える、方法。
14. 請求項１３に記載の方法において、
    前記複合材料母材と前記交換複合材料の前記第１領域との間の接合部に交換複合材料の前記第２領域を提供する工程を備える、方法。
15. 請求項１３に記載の方法において、
    交換複合材料の一つ又はそれ以上の第３領域を提供する工程を備え、
    前記交換複合材料の前記第３領域又はこれらの第３領域の各々は、前記修復済複合材料構成要素に荷重が加わった状態での剥離し易さが前記第２領域よりも大きい、方法。
16. 請求項１３に記載の方法において、
    交換複合材料の前記第２領域及び／又は前記第３領域又はこれらの第３領域の各々の剥離の表示を提供するためのインジケータ手段を提供する工程を備える、方法。
17. 請求項１６に記載の方法において、
    前記インジケータ手段を、前記第２領域及び／又は前記第３領域又はこれらの第３領域の各々の下の領域に設ける工程を備える、方法。

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