JP2010516538A - 炭素繊維強化プラスチック−金属の複合構造における航空機部品を連結固定するための連結要素及びその使用方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、航空機又は宇宙船において、炭素繊維強化プラスチック部品（２）と金属部品（３）とを連結固定する連結要素（１）の使用方法に関するものであって、炭素繊維強化プラスチック部品（２）と金属部品（３）は少なくとも１つの連結要素（１）により互いに連結される。この場合の連結要素（１）は、非導電性の材料から製造されるか、又はシャンク（９）を有し且つ導電性又は非導電性の材料から製造され、シャンク（９）は非導電性の材料からなるスリーブ（１０）を備えている。

Description

本発明は、炭素繊維強化プラスチック−金属の複合構造における、航空機部品を互いに連結するための連結要素及びその使用方法に関する。このような航空機部品は、例えば、スキンパネル、フレーム及びストリンガを含む。

炭素繊維強化プラスチック−金属の複合構造の場合のように、金属部品と炭素繊維強化プラスチック部品とを連結する場合、ガルバニック腐食や接触腐食を防止するために、ある保護手段を用いなければならない。ガルバニック腐食は、構造体の構造完全性を危険にさらす場合もある。負荷断面の減少に始まり、最終的に金属部品は完全に破壊される場合がある。従って、ガルバニック腐食を防止しなければならず、保護手段の効果を、例えば、炭素繊維強化プラスチック−金属連結を定期的に点検するなどして、確認しなければならない。

ガルバニック腐食ついては、炭素繊維強化プラスチック部品と金属部品との間の異なるガルバニック電位が、電解質との相互作用によって腐食を引き起こす。

例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属部品は、この場合、アノードを形成し、一方、炭素繊維強化プラスチック部品又はその炭素部分がカソードを形成する。この場合、例えば、胴体のビルジ内で発生する湿気や結露水が電解質の役割を果たす。通常、ビルジ内には、水、及び人間環境で見られるあらゆる液体からなる非常に攻撃的な電解質が、十分な量存在する。金属部品と炭素繊維強化プラスチック部品の連結部分が電解質と接触すると、電流が流れる。そうすると、陽性である金属部品の金属原子（陽イオン）がカソード、つまり炭素繊維強化プラスチック部品の負極へ移動する。アノード、つまり金属部品は、この陽イオンの移動の結果、ゆっくりと分解される。

２つの部品のうちの１つに対し、ほとんどの場合炭素繊維強化プラスチック部品であるが、このようなガルバニック腐食を防止するために電気絶縁することが知られている。これは、例えば、金属部品や炭素繊維強化プラスチック部品に比べて、ガルバニック列の中で「中性」であるガラス繊維強化プラスチック材料を用いてカプセルで包むことにより行われる。カプセルで包むことにより、当該部品は、電解質に囲まれた環境から確実に分離され、電流が流れないようにカソードと電極（アノード）が分離される。その結果、ガルバニック腐食の発生を防止することができる。

しかしながら、ガラス繊維強化プラスチック材料を用いて炭素繊維強化プラスチック部品又は金属部品をカプセルで包むことは、特に、当該部品の形状が複雑である場合に、非常に複雑になりコスト集約的であるという不都合がある。カプセルで包む間、電気絶縁されるような方法により、当該部品を、リップや空間の隅、端、縁をすべて含めてカプセルで包まなくてはならない。従って、要素をカプセルで包むことの利便性は個々の場合に依存しており、個別に確認されなければならない。この場合、カプセルで包むことの追加費用が、炭素繊維強化プラスチック−金属の複合構造によって実際に意図したコストの利点を非常に簡単に相殺してしまう。つまり、炭素繊維強化プラスチック材料と金属材料の組み合わせにある利点を利用することができない、若しくは十分に利用することができない。

例えば、部品を電気的に分離するために、炭素繊維強化プラスチック部品と金属部品との間に置かれるガラス繊維マットにより、電極間の電子伝導体を絶縁させることが知られている。しかしながら、この方法は、金属材料又は炭素繊維強化プラスチック材料からなるリベットや、ボルト、ねじなどの連結要素により、２つの部品が互いに付加的に連結されている場合には十分でないという不都合がある。

従って、本発明は、製造費用が安いが、金属部品と炭素繊維強化プラスチック部品との連結時に、ガルバニック腐食の発生を効果的に防止する連結要素の使用方法の提供を目的とする。さらに、簡単に且つ低費用で製造できる同様の連結要素の提供も本発明の目的とする。

本発明によると、この目的は、請求項１記載の特徴を有する連結要素の使用方法により、又は請求項８記載の特徴を有する連結要素により達成される。

本発明の第１の側面は、航空機において炭素繊維強化プラスチック部品と金属部品とを連結固定するための連結要素の使用方法に関するものであり、当該連結要素は、ガラス繊維強化プラスチックやアラミド繊維強化プラスチック、又はチタンや適切なチタン合金などの非導電性の材料から形成されているか、又は非導電性の材料からなるスリーブを備えたシャンクを有する。これには、連結要素全体をカプセルで包むという高費用の方法の使用を止めることができるという利点がある。さらに、請求項１及び８記載の連結要素の使用により、炭素繊維強化プラスチック部品と金属部品とを適切に電気的に分離することができるので、ガルバニック腐食の発生を効果的に防止することができる。

炭素繊維強化プラスチック部品として、この場合、少なくとも部分的に、若しくは実質的に全体が炭素繊維強化プラスチック材料から製造された、又はその外層が少なくとも１つの炭素繊維強化プラスチック材料から形成された、例えば航空機胴体のスキンパネルを例示することができる。この場合、金属又は金属合金からなるフレーム及び／又はストリンガを、本発明による連結要素を用いて前記スキンパネルに連結固定することができる。これには、特に、金属からなるストリンガやフレームが連結される、炭素繊維強化プラスチック製のスキンパネルを用いる場合に、低費用の炭素繊維強化プラスチック−金属の複合構造が実現できるという利点がある。しかしながら、一方で、当該連結要素は、炭素繊維強化プラスチック材料からなるストリンガ及び／又はフレームが連結される、従来の金属製のスキンパネルにも用いることもできる。

本発明の一実施形態によると、前記連結要素は、例えば、リベット、ボルト、ピン、ねじ及び／又はクリップである。この場合、これらの連結要素は、非伝導性の材料から製造することができ、また、これらがシャンクを有する場合は、非導電性のスリーブを備えることができる。これには、ガルバニック腐食の発生を確実に防止できるように、炭素繊維強化プラスチック部品と金属部品とを確実に且つ低費用で、リベットやボルト、クリップ等により連結できるという利点がある。

前記連結要素やスリーブのための非導電性の材料としては、この場合、ガラス繊維強化プラスチック材料、アラミド繊維強化プラスチック材料、チタン及び／又はチタン合金、若しくは他の適切な非伝導性の材料を用いることができる。連結要素にかかる負荷に応じて、負荷が大きい場合にはチタン又はチタン合金を用い、一方、負荷がかなり小さい場合には、ガラス繊維強化プラスチック材料又はアラミド繊維強化プラスチック材料から連結部分を形成することが好ましい。

本発明に係る連結要素の一実施形態によると、この連結要素に、非導電性の材料からなるスリーブを設けることができ、このスリーブは、どのくらいしっかりとシャンクに接続されなければならないかによって、シャンクに外嵌したり、押し付けたり、加締めたりできる。

炭素繊維強化プラスチック部品を、連結要素としてのリベットにより金属部品に連結した本発明の第１の好ましい実施形態の断面図を示している。 炭素繊維強化プラスチック部品と、金属部品とを、連結要素としてのクリップにより連結した本発明の第１の好ましい実施形態の斜視図を示している。 炭素繊維強化プラスチック部品を、連結要素としてのリベットにより金属部品に連結し、当該リベットがスリーブを備えている本発明の第２の実施形態の断面図を示している。

以下に、好ましい実施形態を基に、添付図面を用いて本発明をより詳細に説明する。

図中では、反することが述べられていない限り、同じ構成要素、又は機能的に類似している構成要素については同じ符号を引用する。

図１には、本発明にかかる第１の実施形態が示されており、連結要素１は、金属材料や炭素繊維強化プラスチック材料に比べて、ガルバニック列の中で実質的に中性である材料から製造される。この場合、連結要素１は、例えば、チタン又はチタン合金から、若しくはガラス繊維強化プラスチック材料から製造することができる。原則として、これらの材料の他に、金属材料やガラス繊維強化プラスチック材料に比べて、ガルバニック列の中で中性である他の適切な材料を用いてもよい。

図１に示した炭素繊維強化プラスチック部品２は、例えば、航空機胴体のスキンパネルとすることができる。例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金、若しくはスチール又はスチール合金からなる金属部品３は、炭素繊維強化プラスチック構造のスキンパネルに連結固定できる。この場合の金属部品３は、フレーム及び／又はストリンガとすることができる。図１に示すように、金属部品３が炭素繊維強化プラスチック材料からなるスキンパネル２を圧迫しているので、２つの部品２、３の間に分離層４を設けることができる。分離層４として、この場合、例えば、ガラス繊維マットやアラミド繊維強化プラスチック材料からなる層を用いることができる。

連結要素１としてのリベットにより、前記金属部品３が付加的に炭素繊維強化プラスチック製のスキンパネル２に連結固定されているので、ガルバニック腐食や接触腐食を防止するために、さらなる保護手段を講じなくてはならない。本発明の第１の実施形態よると、各連結要素１、つまりこの場合のリベットは、非導電性の材料から製造される。この非導電性の材料は、金属材料や炭素繊維強化プラスチック材料と比べて、ガルバニック列の中で実質的に中性である。

非導電性の材料からなる連結要素１を用いることにより、前記炭素繊維強化プラスチック製のスキンパネル２と前記金属部品３との接触領域内に、例えば、結露水などからなる電解質が生じたとしても、ガルバニック腐食の発生を効果的に防ぐことができる。

さらなる利点は、この場合のリベットのように、非導電性の材料からなる連結要素１の製造は、導電性の材料からなり、先ず、高い費用をかけ非導電性の材料を用いてカプセルで包まなくてはならないリベットを用いる場合よりも、著しく簡単で且つ製造上のコスト効果が高い点である。

図２では、本発明による第１実施形態のさらに好ましい実施形態が示されている。この場合、例えば航空機胴体のストリンガ及びフレームがスキンパネル２に連結固定される。この場合のストリンガ５は炭素繊維強化プラスチック材料から製造し、フレーム６は金属材料から製造することができる。前記ストリンガ５（炭素繊維強化プラスチック部品）と前記フレーム６（金属部品）を互いに連結固定するために、付加的にクリップ７が設けられる。この場合、これらは非導電性の材料から製造される。これには、前記クリップ７により、腐食が発生しないように前記ストリンガ５とフレーム６とを分離できるという利点がある。特に、このようなクリップ７は、例えば、ガラス繊維強化プラスチックやアラミド繊維強化プラスチック、又はチタンやチタン合金から簡単に且つ低費用で製造できる。その結果、全体をカプセルで包まなければならず、複雑な構造である場合は特に努力と費用を必要とする、既知のクリップに比べて、かなりの費用を節約できる。

図２のスキンパネル８は、炭素繊維強化プラスチック材料で構成することもでき、また、金属材料から構成することもできる。この場合、分離層又は障壁層（図示せず）がスキンパネル８とストリンガ５及びフレーム６との間に設けられる。分離層として、この場合、図１に示すようなガラス繊維マット、若しくはアラミド繊維強化プラスチック材料又はテドラーフィルムの層を設けることができる。前記ストリンガ５及びフレーム６を、リベット１によりスキンパネル８に連結固定する場合は、非導電性の材料からなるリベット１を用いることもできる。この場合、これらのリベット１は、金属−炭素繊維強化プラスチックの連結及び、炭素繊維強化プラスチック−炭素繊維強化プラスチックの連結又は金属−金属の連結と共にのみ用いれば十分である。

従って、炭素繊維強化プラスチック製のスキンパネル８については、これらのリベット１は、例えば、金属製のストリンガ５又は金属製のフレーム６を連結固定するために用いられるべきであり、その逆も同様である。

図３には、本発明の第２の実施形態が示されている。この場合、連結要素１は、図１又は図２の第１の実施形態のように、１つの非伝導性の材料から製造するのではなく、任意の材料、即ち、炭素繊維強化プラスチックや金属などの導電性の材料の特色を持っていてもよい。

ガルバニック腐食を防止するために、連結要素１、この場合のリベットのシャンク９は、スリーブ１０を備える。この場合、スリーブ１０は、ガラス繊維強化プラスチック、アラミド繊維強化プラスチック、チタン、チタン合金などの非導電性の材料、又は他の適切な非導電性の材料からなる。

この場合のスリーブ１０は、少なくとも連結要素１のシャンク９の一部に沿うような、又はシャンク全体より長くなるような寸法である。この場合のスリーブ１０は、例えば、シャンク９に外嵌したり、押し付けたり、加締めたり、また、粘着的に固定したりすることができる。前記スリーブ１０を設けることは、導電性の材料からなる連結要素１を用いることができるという利点がある。これらの連結要素１は、スリーブ１を設けることにより非常に簡単に変えることができ、カプセルで包むという高費用の方法の使用を止めることができる。さらに、前記スリーブ１０は、連結要素１のシャンク９の剛性を高める。

スキンパネル２、３及び８や、ストリンガ５、フレーム６などの実施形態で用いた構成要素は、航空機における炭素繊維強化プラスチック部品や金属部品の例を示しているに過ぎない。当業者にとって、航空機の構造には、炭素繊維強化プラスチック材料や金属材料から製造でき、ガルバニック腐食の発生を防ぐ連結要素１を必要とする部品が多くあることは明白である。

この場合、これらの部品は、それぞれ、炭素繊維強化プラスチック材料から、又は金属材料又は金属合金から製造することも、これらの特徴を持つこともできる。特に、炭素繊維強化プラスチック製のスキンパネル８に代えて、金属製のスキンパネル８を用いることもできる。

さらに、図１から図３に示した好ましい実施形態で用いられているようなクリップ７やリベット１も、多くの考えられる連結要素１の例を示しているに過ぎない。この場合のリベット１やクリップ７も、図１から図３に示すように他の形状とすることもできる。図中のリベット１やクリップ７は好ましい例に過ぎない。リベット１及びクリップ７に加えて、少し例を挙げるとすると、例えば、ボルトやねじ、ピンなどを用いることもできる。

連結要素１のための非導電性の材料は、その使用目的に応じて選択することが好ましい。この場合、連結部に大きな力や大きな負荷がかかる場合には、チタン又は適切なチタン合金からなる連結要素１を用いることが好ましい。一方、連結部に小さな負荷しかかからない場合は、連結要素１は、例えば、ガラス繊維強化プラスチック材料から製造してもよい。

本発明は、ここまで、好ましい模範的な実施形態に基づいて説明したが、これらに限られるものではなく、種々の方法で変更することができる。

１ 連結要素
２ 炭素繊維強化プラスチック部品
３ 金属部品
４ 分離層
５ ストリンガ
６ フレーム
７ クリップ
８ スキンパネル
９ 連結部／シャンク
１０ スリーブ

Claims (11)

1. 航空機又は宇宙船において、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＫ）部品（２）と金属部品（３）とを連結固定する連結要素（１）であり、少なくともその連結部（９）により炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＫ）部品（２）と金属部品（３）とが互いに連結される連結要素（１）の使用方法であって、
   少なくとも前記連結部（９）は、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＫ）、アラミド繊維強化プラスチック（ＡＦＫ）、チタン及び／又はチタン合金などの非導電性の材料から製造されているか、又は
   少なくとも前記連結部（９）は導電性の材料から製造され、ガラス繊維積層プラスチック材（ＧＦＫ）、アラミド繊維積層プラスチック材（ＡＦＫ）、チタン及び／又はチタン合金などの非導電性の材料からなるスリーブ（１０）を備えている連結要素（１）の使用方法。
2. 前記炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＫ）部品（２）は、少なくとも部分的に炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＫ）材料から製造され、少なくとも部分的に金属又は金属合金から製造されるフレーム（６）及び／又はストリンガ（５）などの金属部品（３）が少なくとも１つ連結固定されるスキンパネルであることを特徴とする請求項１記載の使用方法。
3. 前記金属部品（３）は、少なくとも部分的に金属又は金属合金から製造され、少なくとも部分的に炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＫ）材料から製造されるフレーム（６）及び／又はストリンガ（５）などの炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＫ）部品（２）が少なくとも１つ連結固定されるスキンパネルであることを特徴とする少なくとも請求項１又は２記載の使用方法。
4. 前記連結要素（１）は、リベット、ボルト、ピン、ねじ及び／又はクリップであることを特徴とする少なくとも前記請求項のいずれか１つに記載の使用方法。
5. 前記連結要素（１）は、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＫ）、アラミド繊維強化プラスチック（ＡＦＫ）、チタン及び／又はチタン合金から、又は他の適切な非導電性の材料から製造されることを特徴とする少なくとも前記請求項のいずれか１つに記載の使用方法。
6. 前記連結要素（１）の連結部（９）は、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＫ）材料、アラミド繊維強化プラスチック（ＡＦＫ）材料、チタン又はチタン合金から、又は他の適切な非導電性の材料からなるスリーブ（１０）を少なくとも１つ備えたシャンク（９）として形成されていることを特徴とする少なくとも前記請求項のいずれか１つに記載の使用方法。
7. 前記スリーブ（１０）は、前記炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＫ）部品（２）と前記金属部品（３）とを連結している連結要素（１）において、当該連結要素（１）の連結部（９）の少なくとも一部を被っていることを特徴とする少なくとも前記請求項のいずれか１つに記載の使用方法。
8. 航空機又は宇宙船において、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＫ）部品（２）と金属部品（３）とを連結固定する連結要素（１）であって、
   ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＫ）、アラミド繊維強化プラスチック（ＡＦＫ）、チタン及び／又はチタン合金などの非導電性の材料からなる連結部（９）を有するか、又は、
   少なくとも前記連結部（９）は導電性の材料から製造され、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＫ）、アラミド繊維強化プラスチック（ＡＦＫ）、チタン及び／又はチタン合金などの非導電性の材料からなるスリーブ（１０）を備えている連結要素。
9. 前記連結部（９）はシャンク（９）として形成され、
   前記スリーブ（１０）は、前記炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＫ）部品（２）と前記金属部品（３）とを連結している連結要素（１）において、当該連結要素（１）の連結部（９）の少なくとも一部を被っていることを特徴とする請求項８記載の連結要素。
10. 前記スリーブ（１０）は、前記連結部（９）に外嵌されたり、押し付けられたり、加締められたりすることを特徴とする請求項８又は９記載の連結要素。
11. 非導電性の材料は、例えば、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＫ）材料、アラミド繊維強化プラスチック（ＡＦＫ）材料、チタン又はチタン合金であることを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１つに記載の連結要素。

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