JP2018202751A - 複合構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】低膨張率かつ比剛性の高い複合構造体を提供する。【解決手段】複合構造体は、炭素繊維強化プラスチック製の枠体６のスキン６ａの間のアルミハニカム７のない部分に、スキン６ａを支持する炭素繊維強化プラスチック製のリブ６ｂを複数設けている。スキン６ａは、それを構成する炭素繊維強化プラスチックの繊維方向が、アルミハニカム７の熱膨張を抑制する方向となる部分を含み、リブ６ｂは、それを構成する炭素繊維強化プラスチックの繊維方向がリブ６ｂの起立方向に一致する部分を含む。【選択図】図３

Description

本発明は、炭素繊維強化プラスチックとその内部に埋設されたコア材料とからなる複合構造体に関する。

現在、工作機械等に用いられる材料は、軽量、高剛性、熱的安定性、耐震性等の性能が求められているが、単一の材料で全ての要求性能を満足することは困難である。このため、炭素鋼と比較して剛性や減衰性の高い炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ: Carbon Fiber Reinforced Plastics）等を含む新材料が注目されている。

例えば、特許文献１には、アルミ等で構成されるハニカムコア材の両面に、炭素繊維強化樹脂等の繊維強化樹脂板（厚さ約１ｍｍ）が接着された繊維強化複合材が開示されている。このような複合材は、例えば、自動車の車体を構成する部材として、また、飛行機の胴体を構成する部材として幅広く利用されている（段落００１０〜００１４，図１）。

特開２０１５−１９９３１６号公報

しかしながら、特許文献１のハニカムコア材として用いられているアルミ材料は、熱膨張率が非常に高いことで知られている。このため、ハニカムコア材を繊維強化樹脂板で挟んだ単純なサンドウィッチ構造ではアルミ材料の熱的変形に耐えられず、繊維強化複合材が大きく変形するおそれがあった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、低膨張率かつ比剛性の高い複合構造体を提供することを目的とする。

本発明は、炭素繊維強化プラスチック製の矩形板部の間に、該炭素繊維強化プラスチックよりも熱膨張率の高いコア材料を埋設した複合構造体であって、前記矩形板部の間の前記コア材料のない部分に、該矩形板部を支持する炭素繊維強化プラスチック製の壁部を複数設け、前記矩形板部を構成する炭素繊維強化プラスチックは、その繊維方向が前記コア材料の熱膨張を抑制する方向に一致する部分を含み、前記壁部を構成する炭素繊維強化プラスチックは、その繊維方向が該壁部の起立方向に一致する部分を含むことを特徴とする。

本発明の複合構造体は、炭素繊維強化プラスチック製の矩形板部の間にコア材料が埋設されているが、両矩形板部を炭素繊維強化プラスチック製の複数の壁部で支持している。

コア材料は熱膨張率が高く、熱膨張により変形することがある。しかし、本発明の矩形板部は、それを構成する炭素繊維強化プラスチックの繊維方向が、コア材の熱膨張を抑制する方向と一致する部分を含む。さらに、壁部は、それを構成する炭素繊維強化プラスチックの繊維方向が、壁部の起立方向に一致する部分を含む。このため、剛性が向上してコア材料の熱的変形を抑え込むことができ、低膨張率で比剛性の高い複合構造体を実現することができる。

本発明の複合構造体において、前記矩形板部は、繊維配向の異なるＰＩＴＣＨ系繊維を複数枚重ねた積層構造であることが好ましい。

この構成によれば、矩形板部は、繊維配向の異なるＰＩＴＣＨ系繊維を複数枚重ねた構造であるので、全ての方向に剛性が高く、コア材料の熱的変形を抑え込む効果を高めることができる。

また、本発明の複合構造体において、前記壁部は、ＰＡＮ系繊維を複数枚重ねた積層構造であることが好ましい。

この構成によれば、壁部は、ＰＡＮ系繊維を複数枚重ねた構造であるので、破壊強度が高くなり、複合構造体の座屈を防止することができる。

また、本発明の複合構造体において、前記コア材料は、アルミニウム製のハニカム構造であることが好ましい。

アルミニウム製のハニカム構造は、軽量で上下方向の剛性が高いという性質があるので、コア材料として適切である。これを炭素繊維強化プラスチックの矩形板部及び前記壁部と組み合せることにより、軽量かつ低膨張率で、単位重量当たりの剛性が高い複合構造体とすることができる。

また、本発明の複合構造体において、コア材料は、アラミド繊維又は発泡体であってもよい。

コア材料としてアラミド繊維や発泡体を用いても、低膨張率で単位重量当たりの剛性が高い複合構造体とすることができる。

複合構造体により製造された部品の全体斜視図（第１実施形態）。 図１の部品のＩＩ−ＩＩ線断面図。 図２の領域Ｒ部分の拡大図。 複合構造体を構成する枠体の詳細を説明する図。 (ａ)リブ付き部品とリブなし部品との荷重による変形量（解析値）を比較したグラフ。（ｂ）リブ付き部品とリブなし部品と共振１次モード（解析値）を比較したグラフ。 (ａ)リブ付き部品とリブなし部品との熱による変形量（解析値）を比較したグラフ。（ｂ）リブ付き部品とリブなし部品との最大圧縮応力（解析値）を比較したグラフ。 第２実施形態の複合構造体の断面構造を示した図。 図７の領域Ｒ’部分の拡大図。

以下、本発明の複合構造体の実施形態について説明する。

[第１実施形態]
図１は、第１実施形態の複合構造体により製造された部品の全体斜視図である。部品１は、底板部１ａと上面部１ｂとからなり、何れの部分も炭素繊維強化プラスチック（以下、ＣＦＲＰ）製の枠内に、アルミニウム製のハニカムコア材（以下、アルミハニカム）を挿入した構造となっている。

ＣＦＲＰは、密度が約１５００［ｋｇ／ｍ³］と、炭素鋼と比較して約２０％も軽量であり、繊維方向熱膨張率が約１．０×１０^-7と、炭素鋼と比較して熱的安定性も高い。

また、ＣＦＲＰは、炭素鋼と比較して剛性や減衰性が高いため、工作機械の部品等に用いられる。部品１についても、底板部１ａにリニアモータのリニアスケール２及びリニアガイド３ａ，３ｂ、上面部１ｂにリニアモータのコイルスライダ４ａ，４ｂが設けられ、内部にスピンドル（図示省略）が配設される工作機械の一部品である。

また、アルミハニカムは、アルミニウム製の中空の多角柱（高さ２０〜４０ｍｍ）が、隙間なく複数配列された構造である。アルミハニカムは、熱膨張率が約３．０×１０^-5と高いが、軽量で高さ方向の剛性が極めて高いという性質がある。

部品１は、上面部１ｂの角部に丸みを持たせて、応力の集中を緩和させた構造となっている。また、詳細は後述するが、部品１は、ＣＦＲＰとアルミハニカムとの複合材料により熱膨張を抑制して、アルミハニカムの座屈も抑制されるように、内部構造を工夫している。

図２は、図１の部品１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。

図示するように、底板部１ａは、ＣＦＲＰの枠体６の内部にアルミハニカム７が挿入された構造となっている。ここで、アルミハニカム７の高さ方向は、底板部１ａの厚み方向と一致している。このため、底板部１ａの厚み方向の剛性は非常に高い。なお、底板部１ａの最外殻８もＣＦＲＰでできている。

底板部１ａの枠体６は、水平方向の板材と垂直方向の板材とからなるが、アルミハニカム７の高さ方向に対して垂直な板材をスキン（６ａ）、アルミハニカム７の高さ方向と一致し、スキンを支持する板材をリブ（６ｂ）と呼ぶ。なお、スキンは本発明の「矩形板部」に相当し、リブは本発明の「壁部」に相当する。

上面部１ｂについても、底板部１ａと同様に、枠体６の内部にアルミハニカム７が挿入された構造となっている。例えば、上面部１ｂの天板（領域Ｒの部分）は、アルミハニカム７の高さ方向が天板の厚み方向と一致している。このため、天板の厚み方向の剛性は非常に高い。

また、上面部１ｂの側板は、アルミハニカム７の高さ方向が側板（コイルスライダ４ａ，４ｂが取り付けられた部分）の厚み方向と一致している。このため、側板の厚み方向の剛性も非常に高い。上面部１ｂの角部は曲面状であり、アルミハニカム７は、その高さ方向が角部の厚み方向に一致している。しかし、角部では、最外殻８はあるものの、枠体６は用いられていない。

次に、図３、図４を参照して、第１実施形態の複合構造体の詳細を説明する。

まず、図３は、図２の領域Ｒ部分を拡大した拡大図である。図示するように、枠体６は、アルミハニカム７の高さ方向に対して垂直なスキン６ａと、アルミハニカム７の高さ方向と一致するリブ６ｂとからなる。

枠体６はコの字型の部材であり、コの字型の開口部側を合わせて内部空間ができるようにし、その空間にアルミハニカム７を充填している。なお、この空間には、コア材としてアラミド繊維や発泡体を充填してもよい。

また、アルミハニカム７は熱膨張率が高いため、熱膨張によってスキン６ａがアルミハニカム７の高さ方向に押圧されることがある。しかし、枠体６の剛性をより高める工夫をすることで、アルミハニカム７の熱的変形を抑制することができる。

図４は、図３の枠体６の斜視図である。図４（ａ）のスキン６ａとリブ６ｂには、それぞれ異なる繊維方向が示されている。まず、スキン６ａの高さ方向外側は、平面内で方向による剛性を等しくするため、繊維方向を一定角度ずらして積層している。

図４（ｂ）は、０°，４５°，９０°，−４５°の４種類の繊維配向の炭素繊維シート６ａ−１〜６ａ−４を示している。スキン６ａを、炭素繊維シート６ａ−１〜６ａ−４をエポキシ樹脂等で積層した擬似等方性にして剛性を高めることで、アルミハニカム７の熱的変形を抑制する。また、炭素繊維シート６ａ−１〜６ａ-４は、引張り強度が比較的低いが、剛性の高いＰＩＴＣＨ系繊維を用いている。このため、より熱的変形を抑制する効果が高い。

次に、スキン６ａの高さ方向内側とリブ６ｂとは、長い１本の繊維によりコの字型に形成されている。ここでは、剛性が比較的低いが、引張り強度の高いＰＡＮ系の炭素繊維シートが用いられている。このため、アルミハニカム７の高さ方向の熱膨張をさらに抑制することができる。

次に、図５、図６に、本実施形態の複合構造体のリブ付き部品（リブ付きサンドウィッチ構造）と、従来からあるリブなし部品（単純サンドウィッチ構造）との各種性質を比較したグラフを示す。

まず、図５（ａ）は、両構造の荷重による変形量の解析値を比較したグラフである。ここでは、コイルスライダ４ａ，４ｂからの吸引力を想定して、部品１の上面部１ｂ（図１参照）の両脇から３０００Ｎを荷重した場合の、コイルスライダ４ａ，４ｂ間の変形量を解析した。

図示するように、リブなし部品の変形量は約３５［μｍ］、リブ付き部品の変形量は約４５［μｍ］であった。すなわち、荷重による変形量では、リブ付き部品の方が大きな数値が得られた。

次に、図５（ｂ）は、両構造の共振１次モードの解析値を比較したグラフである。ここでは、拘束なしの条件で共振１次モード（１次共振周波数）を解析した。図示するように、リブなし部品の共振周波数は約５００［Ｈｚ］、リブ付き部品の共振周波数は約３９０［Ｈｚ］であった。すなわち、リブ付き部品は、リブなし部品と比較して、共振１次モードの点で約２０％劣るという結果となった。

次に、図６（ａ）は、両構造の熱による変形量の解析値を比較したグラフである。ここでは、環境による温度変化を想定して、温度を２０℃から４０℃に上昇させた場合のコイルスライダ４ａ，４ｂ間の変形量を解析した。

図示するように、リブなし部品の変形量は約１５０［μｍ］、リブ付き部品の変形量は約６０［μｍ］であった。リブ付き部品は、リブなし部品と比較して、熱による変形量で約６０％小さな数値が得られた。このため、これまで説明したリブ６ｂが設けられた部品１は、アルミハニカム７の熱膨張を抑制する効果が高いことを確認することができた。

最後に、図６（ｂ）は、両構造の最大圧縮応力の解析値を比較したグラフである。ここでは、アルミハニカム７の高さ方向に圧力を加えた場合の最大圧縮応力を解析した。

図示するように、リブなし部品の応力は約２．９［ＭＰａ］、リブ付き部品の応力は約１．２［ＭＰａ］であった。何れの構造もアルミハニカムの座屈破壊が発生する４．０［ＭＰａ］の数値を下回ったが、リブ付き部品は、リブなし部品と比較して応力を約６０％抑制することが確認できた。そして、リブ付き部品は、座屈破壊の可能性を低減することができるということが証明された。

以上により、リブ付き部品は、リブなし部品と比較してリブの分だけ重量が重くなるが、熱的変形を抑制できることが確認された。すなわち、枠体６のような構造によりアルミハニカム７の熱膨張を抑制することができる。また、リブ付き部品は、圧縮応力も抑制できるので、座屈破壊の可能性も低減される。

[第２実施形態]
次に、図７に、第２実施形態の複合構造体により製造された部品（部品１’）の断面構造を示す。なお、図１と同じ構成については同じ符号を付し、説明を省略する。

図７に示すように、底板部１ａ’は、ＣＦＲＰの最外殻８の間にアルミハニカム７（高さ３０ｍｍ）が挿入された構造となっている。ここで、アルミハニカム７の高さ方向は、底板部１ａ’の厚み方向と一致している。このため、底板部１ａ’の厚み方向の剛性は非常に高い。

底板部１ａ’の内部には、最外殻８（長辺方向）を支持するＩ字型の枠体１０が複数設けられており、枠体１０は、水平方向の板材と垂直方向の板材とから構成されている（図８参照）。

枠体１０のうち、アルミハニカム７の高さ方向に対して垂直な板材をスキン（１０ａ）、アルミハニカム７の高さ方向と一致する板材をリブ（１０ｂ）と呼ぶ。なお、枠体１０は本発明の「壁部」に相当する。また、枠体１０とアルミハニカム７の間は、空隙となっている。

上面部１ｂ’についても、底板部１ａ’と同様に、最外殻８の間にアルミハニカム７が挿入された構造となっている。上面部１ｂ’の天板は、アルミハニカム７の高さ方向が天板の厚み方向と一致している。このため、天板の厚み方向の剛性は非常に高い。

また、上面部１ｂ’の側板は、アルミハニカム７の高さ方向が側板の厚み方向と一致している。このため、側板の厚み方向の剛性も非常に高い。なお、上面部１ｂ’の角部は曲面状であり、アルミハニカム７は、その高さ方向が角部の厚み方向に一致している。

次に、図８を参照して、第２実施形態の複合構造体の詳細を説明する。

図８は、図７の領域Ｒ’部分を拡大した拡大図であり、枠体１０の斜視図である。図示するように、枠体１０は、アルミハニカム７の高さ方向に対して垂直なスキン１０ａと、アルミハニカム７の高さ方向と一致するリブ１０ｂとからなる。

スキン１０ａとリブ１０ｂには、それぞれ異なる繊維方向が示されている。まず、スキン１０ａは、所定の繊維配向の炭素繊維シートを１２枚積層して形成されている。枠体６のスキン６ａ（図４参照）と同様に、４種類の繊維配向の炭素繊維シートをエポキシ樹脂等で積層した擬似等方性にしてもよい。

次に、スキン１０ａの高さ方向内側とリブ１０ｂとは、長い１本の繊維によりコの字型に、炭素繊維シートを１２枚積層して形成されている。ここでは、剛性が比較的低いが、引張り強度の高いＰＡＮ系の炭素繊維シートが用いられている。このため、アルミハニカム７の高さ方向の熱膨張を抑制することができる。

枠体１０の上辺部及び下辺部は、合計で２４枚の炭素繊維シートからなり、その厚みは、約３．２ｍｍである。また、枠体１０のリブ１０ｂ（柱部）も合計で２４枚の炭素繊維シートからなり、その厚みは、約３．２ｍｍである。

アルミハニカム７は熱膨張率が高いため、熱膨張によって、最外殻８がアルミハニカム７の高さ方向に押圧されることがある。そこで、枠体１０を最外殻８（長辺方向）の間に挿入することで、その剛性によりアルミハニカム７の熱的変形を抑制することができる。

以上で説明したように、本発明の複合構造体は、ＣＦＲＰの板材の間にアルミハニカム（コア材）を埋設した構造であり、アルミハニカムのない部分に複数のＣＦＲＰのリブを複数設けている。さらに、板材はアルミハニカムの熱膨張を抑制する方向の繊維方向を含み、リブはその起立方向に一致した繊維方向を一部含んでいる。これにより、板材とリブにより高い剛性が得られるので、アルミハニカムが熱膨張した場合にも、その熱的変形を抑制することができる。

今回、コア材としてアルミハニカムを用いたが、ハニカムとしてアラミドハニカム等を用いることができ、必要とされる強度により選択することができる。また、ハニカムの多角柱は六角形に限られず、五角形や八角形等でもよい。

コア材として発泡体を用いることもできるが、発泡体の材料としては、ポリウレタン、ポリスチレン、ポリエチレン等の軽量の材料が好ましい。

１，１’ 部品
１ａ，１ａ’ 底板部
１ｂ，１ｂ’ 上面部
２ リニアスケール
３ａ，３ｂ リニアガイド
４ａ，４ｂ コイルスライダ
６ 枠体
６ａ スキン
６ａ−１〜６ａ−４ 炭素繊維シート
６ｂ リブ
７ アルミハニカム
８ 最外殻
１０ 枠体
１０ａ スキン
１０ｂ リブ

Claims (5)

1. 炭素繊維強化プラスチック製の矩形板部の間に、該炭素繊維強化プラスチックよりも熱膨張率の高いコア材料を埋設した複合構造体であって、
   前記矩形板部の間の前記コア材料のない部分に、該矩形板部を支持する炭素繊維強化プラスチック製の壁部を複数設け、
   前記矩形板部を構成する炭素繊維強化プラスチックは、その繊維方向が前記コア材料の熱膨張を抑制する方向に一致する部分を含み、
   前記壁部を構成する炭素繊維強化プラスチックは、その繊維方向が該壁部の起立方向に一致する部分を含むことを特徴とする複合構造体。
2. 前記矩形板部は、繊維配向の異なるＰＩＴＣＨ系繊維を複数枚重ねた積層構造であることを特徴とする請求項１に記載の複合構造体。
3. 前記壁部は、ＰＡＮ系繊維を複数枚重ねた積層構造であることを特徴とする請求項１又は２に記載の複合構造体。
4. 前記コア材料は、アルミニウム製のハニカム構造であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の複合構造体。
5. 前記コア材料は、アラミド繊維又は発泡体であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の複合構造体。

Images