JP2015123694A - 積層構造体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】樹脂発泡体で形成されたコア部と、その表面に接合された積層部とを備えた積層構造体において、コア部と積層部との接合強度を高めると共に、積層構造体の軽量化を図ること。【解決手段】本積層構造体は、独立気泡型の樹脂発泡体で形成され、多数のセルを含むコア部と、コア部の表面に接合材料によって接合された積層部と、を備える。コア部の表面を含むコア表層領域に、潰れた開放セルを含むセル潰れ部が形成されており、接合材料の一部がセル潰れ部の潰れた開放セルの中に流入して固化している。【選択図】図１

Description

本発明は、樹脂発泡体で形成されたコア部とその表面に接合された積層部とを備えた積層構造体、同積層構造体を製造するためのコア材、およびそれらの製造方法に関する。

従来、強化繊維プラスチック（Fiber Reinforced Plastics: FRP）を樹脂発泡体から成るコア材に積層して形成した積層構造体が、航空機や鉄道などの構造部材として幅広く適用されている。また、用途によっては、ＦＲＰではなく金属プレートをコア材の表面に接着剤で接合し、これにより積層構造体を形成することもある。

積層構造体を構成するコア材を形成するための樹脂発泡体として、独立気泡型の樹脂発泡体があげられる。独立気泡型の樹脂発泡体においては、そこに含まれる多数のセルのうち、発泡体の表面、即ち当該発泡体を切り出す際に形成された切断面に存在するセルは、その一部が切り取られて開放セルとなっている。そして、これらの開放セルに接合材料が流入して固化することにより、積層部とコア材との接合強度が高められる。

図９は、従来の積層構造体２０の縦断面を示しており、積層構造体２０は、独立気泡型の樹脂発泡体から成るコア部２１の表面２２に、ＦＲＰから成る積層部部２３を積層して構成されている。図１０は、積層部（ＦＲＰ）２３を積層する前のコア材２１Ａを示しており、コア材２１Ａの表層領域にあるセルは、上述したように開放セル２４となっている。コア材２１Ａの内部領域にあるセルは、それぞれの空間が閉じている密閉セル２５である。

コア材２１Ａの表面２２Ａに積層部（ＦＲＰ）２３を積層・成形する際には、ＦＲＰを構成する樹脂の一部が、コア材表面の開放セル２４の中に流入し、そこで固化する。これにより、いわゆるアンカー効果が発生し、完成した積層構造体２０において、積層部２３とコア部２１との接合強度が高められる。

なお、コア材２１Ａの表面に積層部（ＦＲＰプレートや金属プレートなど）を接合するために接着剤を用いる場合には、接着剤の一部がコア材表面の開放セル２４の中に流入し、そこで固化することにより、同様にアンカー効果が発生する。

特開平５−２８６０４１号公報

ところで、特にＦＲＰを用いた積層構造体においては、航空機等への適用に際して、より一層の軽量化が望まれている。また、ＦＲＰや金属プレートから成る積層部と、樹脂発泡体から成るコア部との間の接合強度を、より一層高めることが望まれている。

図９および図１０を参照して説明したように、ＦＲＰを形成する樹脂の一部や、金属プレートやＦＲＰプレートを接合する接着剤の一部が、コア材２２Ａの表層領域に存在する開放セル２４の中に流れ込んで固化することで、アンカー効果による接合力の強化を図ることができる。

しかしながら、図１０に示したように開放セル２４は、その形状が、一部を切り欠いた球状を成しているので、開放セル２４内の固化体（固化した樹脂や接着剤）に対して引き抜き方向（積層部２３をコア部２１から引き剥がす方向）の荷重が加えられた場合、開放セル２４の内部から固化体が抜けやすい。このため、上述したアンカー効果を十分に確保し難いという問題がある。

また軽量化との関係で言えば、開放セル２４の内部に流入して固化した樹脂や接着剤などの固化体は、用途によってはその重量が無視できない程度に大きいので、その量を減らしたいという要求がある。

本発明は、上述した従来の問題点に鑑みて成されたものであって、樹脂発泡体で形成されたコア部と、その表面に接合された積層部とを備えた積層構造体において、コア部と積層部との接合強度を高めると共に、積層構造体の軽量化を図ることを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明による積層構造体は、独立気泡型の樹脂発泡体で形成され、多数のセルを含むコア部と、前記コア部の表面に接合材料によって接合された積層部と、を備え、前記コア部の前記表面を含むコア表層領域に、潰れた開放セルを含むセル潰れ部が形成されており、前記接合材料の一部が前記セル潰れ部の前記潰れた開放セルの中に流入して固化している、ことを特徴とする。

また、好ましくは、前記セル潰れ部は、前記コア表層領域を塑性変形させることによって形成される。

また、好ましくは、前記セル潰れ部は、前記コア表層領域を加熱しながら加圧することによって形成される。

また、好ましくは、前記セル潰れ部は、前記コア表層領域を前記樹脂発泡体のガラス転移温度以上まで加熱しながら加圧することによって形成される。

また、好ましくは、前記積層部は、繊維強化樹脂で形成されている。

また、好ましくは、前記接合材料は、前記積層部を形成する樹脂の一部である。

また、好ましくは、前記接合材料は、前記積層部と前記コア部とを接合する接着剤である。

また、好ましくは、前記セル潰れ部は、所定のセル潰れ率を有する。

上記課題を解決するために、本発明は、上記いずれかの積層構造体のコア部の製造に用いられるコア材であって、前記コア材とは別体の積層部が積層させるべき表面と、前記表面を含むコア表層領域に形成され、潰れた開放セルを含むセル潰れ部であって、前記積層部を前記表面に接合するための接合材料の一部が前記潰れた開放セルに流入して固化する、セル潰れ部と、を備えたことを特徴とする。

上記課題を解決するために、本発明は、上記いずれかに記載の積層構造体のコア部の製造に用いられるコア材を製造する方法において、独立気泡型の樹脂発泡体によって形成された、多数のセルを含むコア素材を提供する工程と、前記コア素材の表面を含むコア表層領域に、潰れた開放セルを含むセル潰れ部であって、積層部を前記表面に接合するための接合材料の一部が前記潰れた開放セルに流入して固化する、セル潰れ部を形成する工程と、を備えたことを特徴とする。

また、好ましくは、前記コア表層領域を塑性変形させることによって前記セル潰れ部を形成する。

また、好ましくは、前記コア表層領域を加熱しながら加圧することによって前記セル潰れ部を形成する。

また、好ましくは、前記コア表層領域を前記樹脂発泡体のガラス転移温度以上まで加熱しながら加圧することによって前記セル潰れ部を形成する。

上記課題を解決するために、本発明による積層構造体の製造方法は、上記いずれかのコア材の製造方法によってコア材を製造する工程と、前記コア材の表面に接合材料によって積層部を接合する工程であって、前記セル潰れ部の前記潰れた開放セルの中に流入した前記接合材料の一部が前記セル内で固化する、工程と、を備えたことを特徴とする。

また、好ましくは、繊維強化樹脂で前記積層部を形成する。

また、好ましくは、前記接合材料は、前記積層部を形成する前記樹脂の一部である。

また、好ましくは、前記接合材料は、前記積層部と前記コア部とを接合する接着剤である。

上記課題を解決するために、本発明による鉄道車両の構体は、少なくとも一部が上記いずれかの積層構造体で形成されたことを特徴とする。

上記課題を解決するために、本発明による航空機胴体は、少なくとも一部が上記いずれかの積層構造体で形成されたことを特徴とする。

本発明によれば、樹脂発泡体で形成されたコア部と、その表面に接合された積層部とを備えた積層構造体において、コア部と積層部との接合強度を高めると共に、積層構造体の軽量化を図ることができる。

実施形態に係る積層構造体の概略構成を示した縦断面図。 図１に示した積層構造体を製造するためのコア材の概略構成を示した縦断面図。 図２に示したコア材における所定のセル潰れ率の第１の定義を説明するための模式図。 図２に示したコア材における所定のセル潰れ率の第２の定義を説明するための模式図。 図２に示したコア材における所定のセル潰れ率の第２の定義を説明するための他の模式図。 図２に示したコア材における所定のセル潰れ率の第２の定義を説明するためのさらに他の模式図であり、図５のＡ部に対応している。 実施形態に係る積層構造体の製造方法を示した模式図。 他の実施形態に係る積層構造体の製造方法を示した模式図。 従来の積層構造体の概略構成を示した縦断面図。 図９に示した従来の積層構造体を製造するためのコア材の概略構成を示した縦断面図。

以下、実施形態に係る積層構造体について、図面を参照して説明する。

図１に示したように、本実施形態による積層構造体１は、コア部２と、コア部２の表面３に積層された積層部４と、を備えている。図２に示したように、コア部２を形成するためのコア材２Ａは、独立気泡型の樹脂発泡体で形成されており、その表層領域および内部領域に多数のセル５、６、より具体的には開放セル５および密閉セル６を含んでいる。

積層構造体１において、積層部４は、コア部２の表面３に接合材料７によって接合されている。積層部４は、好ましくは、繊維強化樹脂で形成されている。この場合、積層部４を形成する樹脂の一部が、積層部４とコア部２とを接合する接合材料７として機能する。

また、積層部４は、別に設けた金属プレートや繊維強化樹脂（ＦＲＰ）プレートでも良く、これら金属プレートやＦＲＰプレートとコア材２Ａとを接着剤で接合してもよい。ここでは、接着剤が接合材料７として機能する。なお、ＦＲＰプレートを接着剤でコア材２Ａに接合する場合、ＦＲＰの樹脂と、接着剤（すなわち接合材料７）とは、異なる材料で構成されていてもよい。

そして、本実施形態による積層構造体１においては、コア部２の表面３を含むコア表層領域に、開放セルが潰れたセル潰れ部８が形成されている。コア部２の表面３に積層部４を接合する接合材料７の一部が、セル潰れ部８の潰れた開放セル５の中に流入し、固化している。

図２に示したように、積層構造体１を製造する際に用いられるコア材２Ａにおいては、コア材２Ａの表面３Ａを含む表層領域を塑性変形させることにより、上述のセル潰れ部８が形成されている。コア材２Ａの表層領域に形成されたセル潰れ部８は、好ましくは、所定のセル潰れ率を有している。

以下では、セル潰れ部８の所定のセル潰れ率について、その定義について説明する。なお、所定のセル潰れ率は、以下に述べるようにその定義の仕方が幾通りか考えられる。

図３を参照して、所定のセル潰れ率の第１の定義について説明する。第１の定義は、コア部２のコア表層領域における樹脂吸着量に着目した指標に関するものである。具体的には、図３に示したように、コア表層領域における断面９Ａの単位面積と、コア内部領域における断面９Ｂの単位面積とで、単位断面積当たりのセル（開放セル５および密閉セル６）の空隙の割合（セル空隙率）を比較して、コア表層領域のセル空隙率が、コア内部領域のセル空隙率の８５％以下である場合に、セル潰れ部８が所定のセル潰れ率を有していると判断する。

なお、図３に示した断面９Ａ、９Ｂの単位面積の規定方法としては、例えば、コア部２の表面３から３〜５セル程度の範囲に対応する断面積として規定することができる。また、コア内部領域における断面９Ｂの単位面積は、セルの変形の少ない領域、例えば、コア部２の厚み方向（積層方向）の中央位置における２〜３セル程度の範囲に対応する断面積として規定することができる。

次に、図４を参照して、所定のセル潰れ率の第２の定義について説明する。第２の定義は、アンカー効果に着目した指標に関するものである。具体的には、コア表層領域に存在する開放セル５のセル壁のうち、インターロックとして機能する部分の割合が２０％以上である場合に、セル潰れ部８が所定のセル潰れ率を有していると判断する。インターロックとして機能する部分は、図４において太線で示されたインターロック部１０である。

なお、セルの潰し処理がなされておらず、セル形状が球形である場合（図１０参照）は、開放セルのセル壁のうち、インターロックとして機能する部分の割合は、概ね１２％位である。

ここで、本明細書において「セル」とは、樹脂発泡体で形成されたコア部２のうち、その内部に存在する空洞一つ一つのことである。「セル壁」とは、樹脂発泡体で形成されたコア部２のうち、各セルを区切る樹脂材料のことである。「空隙」とは、セル内部の気体部分のことである。

また、本明細書において「インターロック」とは、セル内部に存在する、固体（接合材料７）を引き抜く際に引っかかりとなる部分のことであり、セル壁の法線方向Ｎ（セル固体側を正方向とする）と荷重方向Ｌのなす角度θが９０°以上のものである。即ち、図５および図６に示したように、セル内部に存在する固体に対して、コア部２の表面３に垂直な方向で且つコア部２から離れる方向に荷重が加えられたときに、セル壁の法線方向Ｎと荷重方向Ｌのなす角度θが９０°以上となる部分を「インターロック」と言う。

次に、本発明の一実施形態による積層構造体の製造方法について、図７および図８を参照して説明する。

図１に示した積層構造体１を製造する際には、独立気泡型の樹脂発泡体によって、多数のセルを含むコア素材２Ｂ（図７、図８）を形成する。

次に、コア素材２Ｂの表層領域を塑性変形させることによって、上述したセル潰れ部８を形成する。このときの塑性変形の方法としては、コア素材２Ｂのコア表層領域を加熱しながら加圧することが好ましい。より好ましくは、コア表層領域を樹脂発泡体のガラス転移温度以上まで加熱しながら加圧する。

図７は、コア素材２Ｂの表層領域を塑性変形させて、セル潰れ部８を形成するための方法の一例を示している。この例においては、コア素材２Ｂの表面をシート部材１１で覆い、コア素材２Ｂをガラス転移温度以上に加熱しながら、シート部材１１の内側を真空引きする。これにより、シート部材１１がコア素材２Ｂの表面に押し付けられ、コア素材表面が加圧されて、そこに存在するセルが潰される。その結果、コア素材２Ｂの表層領域に、セル潰れ部８が形成される。

図８は、コア素材２Ｂの表層領域を塑性変形させてセル潰れ部８を形成するための方法の他の例を示している。この例においては、図７に示したシート部材１１に代えて、プレス板１２をコア素材２Ｂの表面に押圧している。この例においても、コア素材２Ｂをガラス繊維温度以上に加熱しながら、コア素材表面を加圧する。その結果、コア素材２Ｂの表層領域に、セル潰れ部８が形成される。

次に、図７や図８に示した方法により製造したコア材２Ａの表面３Ａに、接合材料によって積層部４を接合する。上述したように積層部４は、好ましくは、繊維強化樹脂で形成される。

ＦＲＰの製造方法は特に問わないが、例えばオートクレーブ法やVaRTM法を使用することができる。積層部４をＦＲＰで形成する場合、積層部４を形成する樹脂の一部が、コア材２Ａのセル潰れ部８の潰れた開放セル５内に流入して固化し、積層部４がコア材２Ａに接合される。

また、積層部４を金属プレートやＦＲＰプレートで形成する場合には、接着剤によって金属プレートやＦＲＰプレートをコア材２Ａの表面３Ａに接合する。このとき、接着剤の一部がコア材２Ａのセル潰れ部８の潰れた開放セル５内に流入して固化し、金属プレートやＦＲＰプレートがコア材２Ａに接合される。

本実施形態においては、コア材表面に存在するセルは潰れているので、積層部４をＦＲＰで形成する場合も、金属プレートで形成する場合も、コア材表面の開放セル５内に流入する樹脂または接着剤の量を、従来に比べて低減することができる。これにより、積層構造体１の重量を低減することができる。

また、コア材２Ａの表層領域のセルを潰すことにより、従来のコア材のような球状のセルを有する場合（図１０参照）に比べて、セル内に流入して固化した固化体（樹脂や接着剤）によるアンカー効果を高めることができる。

上述したように本実施形態によれば、積層構造体１の軽量化と同時に、積層部４とコア部２との接合強度を高めることができる。

１ 積層構造体
２ コア部
２Ａ コア材
２Ｂ コア素材
３ コア部の表面
３Ａ コア材の表面
４ 積層部（ＦＲＰ、金属プレートなど）
５ 開放セル
６ 密閉セル
７ 接合材料（樹脂、接着剤など）
８ セル潰れ部
９Ａ コア表層領域における断面
９Ｂ コア内部領域における断面
１０ インターロック部
１１ シート部材
１２ プレス板

Claims (19)

1. 独立気泡型の樹脂発泡体で形成され、多数のセルを含むコア部と、
   前記コア部の表面に接合材料によって接合された積層部と、を備え、
   前記コア部の前記表面を含むコア表層領域に、潰れた開放セルを含むセル潰れ部が形成されており、前記接合材料の一部が前記セル潰れ部の前記潰れた開放セルの中に流入して固化している、積層構造体。
2. 前記セル潰れ部は、前記コア表層領域を塑性変形させることによって形成される、請求項１記載の積層構造体。
3. 前記セル潰れ部は、前記コア表層領域を加熱しながら加圧することによって形成される、請求項１または２に記載の積層構造体。
4. 前記セル潰れ部は、前記コア表層領域を前記樹脂発泡体のガラス転移温度以上まで加熱しながら加圧することによって形成される、請求項３記載の積層構造体。
5. 前記積層部は、繊維強化樹脂で形成されている、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の積層構造体。
6. 前記接合材料は、前記積層部を形成する樹脂の一部である、請求項５記載の積層構造体。
7. 前記接合材料は、前記積層部と前記コア部とを接合する接着剤である、
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載の積層構造体。
8. 前記セル潰れ部は、所定のセル潰れ率を有する、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の積層構造体。
9. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載の積層構造体のコア部の製造に用いられるコア材であって、
   前記コア材とは別体の積層部が積層させるべき表面と、
   前記表面を含むコア表層領域に形成され、潰れた開放セルを含むセル潰れ部であって、前記積層部を前記表面に接合するための接合材料の一部が前記潰れた開放セルに流入して固化する、セル潰れ部と、
   を備えたコア材。
10. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載の積層構造体のコア部の製造に用いられるコア材を製造する方法において、
    独立気泡型の樹脂発泡体によって形成された、多数のセルを含むコア素材を提供する工程と、
    前記コア素材の表面を含むコア表層領域に、潰れた開放セルを含むセル潰れ部であって、積層部を前記表面に接合するための接合材料の一部が前記潰れた開放セルに流入して固化する、セル潰れ部を形成する工程と、
    を備えたコア材の製造方法。
11. 前記コア表層領域を塑性変形させることによって前記セル潰れ部を形成する、請求項１０記載のコア材の製造方法。
12. 前記コア表層領域を加熱しながら加圧することによって前記セル潰れ部を形成する、請求項１０または１１に記載のコア材の製造方法。
13. 前記コア表層領域を前記樹脂発泡体のガラス転移温度以上まで加熱しながら加圧することによって前記セル潰れ部を形成する、請求項１２記載のコア材の製造方法。
14. 請求項１０乃至１３のいずれか一項に記載のコア材の製造方法によってコア材を製造する工程と、
    前記コア材の表面に接合材料によって積層部を接合する工程であって、前記セル潰れ部の前記潰れた開放セルの中に流入した前記接合材料の一部が前記セル内で固化する、工程と、
    を備えた積層構造体の製造方法。
15. 繊維強化樹脂で前記積層部を形成する、請求項１４記載の積層構造体の製造方法。
16. 前記接合材料は、前記積層部を形成する前記樹脂の一部である、請求項１５記載の積層構造体の製造方法。
17. 前記接合材料は、前記積層部と前記コア部とを接合する接着剤である、
    請求項１４記載の積層構造体の製造方法。
18. 少なくとも一部が請求項１乃至８のいずれか一項に記載の積層構造体で形成された鉄道車両の構体。
19. 少なくとも一部が請求項１乃至８のいずれか一項に記載の積層構造体で形成された航空機胴体。
    

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