JP2021126788A - 複合材料構造体 - Google Patents

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Abstract

【課題】複合材料構造体において、重量化を抑制しながら耐雷対策を可能とする。【解決手段】導電性を有する第１強化繊維に第１樹脂が含浸された複数の第１複合材料シートが積層される第１複合材料と、導電性を有する第２強化繊維に第２樹脂が含浸された第２複合材料と、第１複合材料と第２複合材料との間に配置されて第１複合材料と第２複合材料とを接着する絶縁性接着層と、複数の第１複合材料シートを接続する導電性部材とを備える。【選択図】図１

Description

本開示は、複合材料構造体に関するものである。
近年、航空機、自動車、車両、船舶等の構造物を構成する構造体として、強化繊維に樹脂を含浸させた複合材料が用いられる。構造体は、複数の複合材料同士が接合されて一体化される。複合材料同士の接合は、接着材等による接着、ボルトおよびナット等による締結等がある。接着材等による接着は、ボルトおよびナット等による締結に比べて安価で、且つ、構造体の軽量化が可能となる。
一方で、複合材料同士を接着材等による接着により接合された構造体は、面内方向の導電率に対して面内方向に直交する方向の導電率が小さい。そのため、構造体に雷撃電流が流入したとき、局所的に大きな電流が流れることがある。一般的に、複合材料構造体は、耐雷対策として、複合材料の積層方向に対して金属ファスナにより恒久的な導通を確保している。このような複合材料構造体としては、例えば、下記特許文献に記載されたものがある。
特開２０１９−１４２４７９号公報
ところで、上述した従来の複合材料構造体は、耐雷対策として金属ファスナを適用しており、複合材料構造体自体の重量が増加してしまうという課題がある。
本開示は、上述した課題を解決するものであり、重量化を抑制しながら耐雷対策を可能とする複合材料構造体を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するための本開示の複合材料構造体は、導電性を有する第１強化繊維に第１樹脂が含浸された複数の第１複合材料シートが積層される第１複合材料と、導電性を有する第２強化繊維に第２樹脂が含浸された第２複合材料と、前記第１複合材料と前記第２複合材料との間に配置されて前記第１複合材料と前記第２複合材料とを接着する絶縁性接着層と、前記複数の第１複合材料シートを接続する導電性部材と、を備える。
本開示の複合材料構造体によれば、重量化を抑制しながら耐雷対策を可能とすることができる。
図１は、第１実施形態の複合材料構造体を表す斜視図である。 図２は、第１実施形態の複合材料構造体を表す断面図である。 図３は、第１実施形態の複合材料構造体を表す要部断面図である。 図４は、第２実施形態の複合材料構造体を表す斜視図である。 図５は、第２実施形態の複合材料構造体を表す要部断面図である。 図６は、第３実施形態の複合材料構造体を表す要部断面図である。
以下に図面を参照して、本開示の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本開示が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。また、実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態の複合材料構造体を表す斜視図、図２は、第１実施形態の複合材料構造体を表す断面図、図３は、第１実施形態の複合材料構造体を表す要部断面図である。以下に説明する複合材料構造体は、航空機の胴体に用いられるものが例示されるが、本発明は、航空機の胴体に限定されるものではなく、例えば、自動車、車両、船舶、その他の構造物に適用することができる。
第１実施形態において、図１から図３に示すように、複合材料構造体１０は、第１複合材料１１と、第２複合材料１２と、絶縁性接着層１３と、導電性部材１４とを備える。
第１複合材料１１は、複数（第１実施形態では、５枚）の第１複合材料シート２１，２２，２３，２４，２５が積層されて構成される。第１複合材料シート２１，２２，２３，２４，２５は、導電性を有する第１強化繊維と、第１強化繊維に含浸した第１樹脂とを有する。第１樹脂は、第１強化繊維を覆う場合がある。第１複合材料シート２１，２２，２３，２４，２５は、航空機の胴体におけるストリンガ、フレーム、または、ロンジロン等に用いられるＴ字形状の柱体である。第１複合材料１１は、具体的に、第２複合材料１２の一方の平面と対向して設けられる板状のフランジ部３１と、フランジ部３１に直交する方向に沿って延びる板状のウェブ部３２とが一体化されて構成される。なお、第１複合材料１１は、Ｔ字形状に限定されるものではなく、第２複合材料１２に対して接続可能であり、一体化される面を有する形状であれば、いかなる形状であってもよい。
第２複合材料１２は、導電性を有する第２強化繊維と、第２強化繊維に含浸した第２樹脂とを有する。第２樹脂は、第２強化繊維を覆う場合がある。第２複合材料１２は、航空機の胴体におけるスキンに用いられる板形状である。第２複合材料１２は、第１複合材料１１と同様に、複数の第２複合材料シートを積層して構成することが好ましい。第２複合材料１２は、表面１２ａに導電メッシュ４１が固定される。なお、第２複合材料１２の形状は、板形状に限定されるものではなく、第１複合材料１１に対して接続可能であり、一体化される面を有する形状であれば、いかなる形状であってもよい。
第１強化繊維および第２強化繊維は、いずれも、５μｍ以上７μｍ以下の基本繊維を数１００本から数１０００本程度束ねたものが例示される。第１強化繊維および第２強化繊維を構成する基本繊維は、導電性を有するカーボン繊維、および、金属繊維が好適なものとして例示される。なお、第１複合材料１１および第２複合材料１２は、導電性を有する第１強化繊維および第２強化繊維に加えて、ガラス繊維、アラミド繊維およびプラスチック繊維が混合されていてもよい。
第１樹脂および第２樹脂は、いずれも、主要成分が熱硬化性樹脂であるものが例示され、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂およびビニルエステル樹脂が例示される。なお、第１樹脂および第２樹脂は、熱硬化性樹脂に加えて、熱可塑性樹脂が混合されていてもよい。ここで、混合される熱可塑性樹脂は、ポリアミド樹脂、ポリプロピレン樹脂、ＡＢＳ（Acrylonitrile Butadiene Styrene）樹脂、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、およびポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等が例示される。また、第１樹脂および第２樹脂は、これに限定されず、その他の樹脂でもよい。
強化繊維に含浸される樹脂が熱硬化性樹脂の場合、熱硬化性樹脂は、軟化状態と、硬化状態と、半硬化状態と、になることができる。軟化状態は、熱硬化性樹脂を熱硬化させる前の状態である。軟化状態は、自己支持性を有さない状態であり、支持体に支持されていない場合に形状を保持できない状態である。軟化状態は、加熱されて、熱硬化性樹脂が熱硬化反応をすることができる状態である。硬化状態は、熱硬化性樹脂を熱硬化させた後の状態である。硬化状態は、自己支持性を有する状態であり、支持体に支持されていない場合でも形状を保持できる状態である。硬化状態は、加熱されても、熱硬化樹脂が熱硬化反応をすることができない状態である。半硬化状態は、軟化状態と硬化状態との間の状態である。半硬化状態は、硬化状態よりも弱い程度の熱硬化を熱硬化性樹脂にさせた状態である。半硬化状態は、自己支持性を有する状態であり、支持体に支持されていない場合でも形状を保持できる状態である。半硬化状態は、加熱されて、熱硬化性樹脂が熱硬化反応をすることができる状態である。以下において、強化繊維に未硬化の熱硬化性樹脂を含浸させた複合材の中間基材を、適宜、プリプレグと称する。
複合材料構造体１０は、第１複合材料１１と第２複合材料１２との間に絶縁性接着層１３が設けられる。絶縁性接着層１３は、電気絶縁性を有する接着剤によって形成された層である。絶縁性接着層１３は、互いに対向している第１複合材料１１のフランジ部３１の表面１１ａと、第２複合材料１２の表面１２ｂとを接着することで、第１複合材料１１と第２複合材料１２とを一体化する。複合材料構造体１０は、絶縁性接着層１３によって第１複合材料１１と第２複合材料１２とを接着して構成されることで、低コスト化、かつ、構造物全体の軽量化がなされた場合でも、同様に適切な耐雷対策が施されたものとすることができる。
導電性部材１４は、第１複合材料１１における複数の第１複合材料シート２１，２２，２３，２４，２５を接続するものである。導電性部材１４は、複数の第１複合材料シート２１，２２，２３，２４，２５だけを接続する。導電性部材１４は、複数の第１複合材料シート２１，２２，２３，２４，２５の積層方向に沿って設けられ、一端部が絶縁性接着層１３の接着面１３ａまで設けられ、他端が第１複合材料１１の表面１１ｂまで設けられる。そのため、導電性部材１４は、一端部が絶縁性接着層１３の接着面１３ａに接触し、他端が第１複合材料１１の表面１１ｂと面一になる。
導電性部材１４は、複数の第１複合材料シート２１，２２，２３，２４，２５を積層方向に貫通する貫通部材である。導電性部材１４は、具体的に、ピン、ボルト、ビス、ねじなどである。第１複合材料１１は、複数の第１複合材料シート２１，２２，２３，２４，２５を貫通する貫通孔３３が設けられている。導電性部材１４としてのピンは、貫通孔３３に圧入されて固定される。また、導電性部材１４としてのボルト、ビス、ねじは、貫通孔３３に圧入するようにねじ込まれて固定される。なお、導電性部材１４は、複数の第１複合材料シート２１，２２，２３，２４，２５に直交する積層方向に沿って設けたが、複数の第１複合材料シート２１，２２，２３，２４，２５に対して傾斜する角度積層方向に沿って設けてもよい。
また、導電性部材１４は、第１複合材料１１の長手方向に沿って所定間隔を空けて複数設けられる。複数の導電性部材１４は、第１複合材料１１の長手方向に沿って均等間隔を空けて設けられることが好ましい。導電性部材１４は、電気抵抗が、少なくとも第１樹脂よりも低く、第１強化繊維より高い導電性を有することが好ましい。
複合材料構造体１０は、第１複合材料１１における複数の第１複合材料シート２１，２２，２３，２４，２５を接続する導電性部材１４が設けられる。そのため、導電性部材１４が複数の第１複合材料シート２１，２２，２３，２４，２５と導通を取ることができ、雷による電気が流れる経路を適切に設定することができる。
雷による電気が第２複合材料１２に到達すると、電流が導電メッシュ４１に流れ、一部が第２複合材料１２に流れる。第１複合材料１１と第２複合材料１２との間に絶縁性接着層１３が設けられるものの、一部の電流が絶縁性接着層１３を通って第１複合材料１１に流れることがある。しかし、第１複合材料１１は、導電性部材１４が設けられているため、第１複合材料シート２１に流れた電流は、導電性部材１４を通って他の第１複合材料シート２２，２３，２４，２５に流れる。すると、第１複合材料１１に流れた電流は、導電性部材１４により振り分けられ、複数の第１複合材料シート２１，２２，２３，２４，２５を面内方向に沿って流れる。このとき、複数の第１複合材料シート２１，２２，２３，２４，２５に対して面内方向に沿って均一な電流が流れやすくなり、局所的な電流の流れが抑制される。
また、複合材料構造体１０は、複数の導電性部材１４が第１複合材料１１の長手方向に沿って所定間隔、好ましくは均等間隔で配置されている。そのため、複数の第１複合材料シート２１，２２，２３，２４，２５の面内方向に沿って電流が流れるときの電位差を減少させることができる。
［第２実施形態］
図４は、第２実施形態の複合材料構造体を表す斜視図、図５は、第２実施形態の複合材料構造体を表す要部断面図である。なお、上述した第１実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
第２実施形態において、図４および図５に示すように、複合材料構造体１０Ａは、第１複合材料１１と、第２複合材料１２と、絶縁性接着層１３と、導電性部材５１とを備える。第１複合材料１１と第２複合材料１２と絶縁性接着層１３は、第１実施形態と同様である。
導電性部材５１は、第１複合材料１１における複数の第１複合材料シート２１，２２，２３，２４，２５を接続するものである。導電性部材５１は、複数の第１複合材料シート２１，２２，２３，２４，２５だけを接続する。導電性部材５１は、複数の第１複合材料シート２１，２２，２３，２４，２５の積層方向に沿って設けられ、一端部が絶縁性接着層１３の接着面１３ａまで設けられ、他端が第１複合材料１１の表面１１ｂまで設けられる。そのため、導電性部材５１は、一端部が絶縁性接着層１３の接着面１３ａに接触し、他端が第１複合材料１１の表面１１ｂと面一になる。
導電性部材５１は、複数の第１複合材料シート２１，２２，２３，２４，２５の端面に積層方向に沿って付設される付設部材である。導電性部材５１は、具体的に、導電板、導電性ペースト、導電性フィルム、導電性テープ、導電性シート、導電性メッシュなどである。第１複合材料１１は、複数の第１複合材料シート２１，２２，２３，２４，２５の端面に切欠部３４が設けられている。導電性部材５１としての導電性フィルム、導電性テープ、導電性シート、導電性メッシュは、切欠部３４に接着して固定される。
また、導電性部材５１は、第１複合材料１１の長手方向に沿って所定間隔を空けて複数設けられる。複数の導電性部材５１は、第１複合材料１１の長手方向に沿って均等間隔を空けて設けられることが好ましい。
なお、第２実施形態の複合材料構造体１０に作用効果は、第１実施形態と同様であり、説明は省略する。
［第３実施形態］
図６は、第３実施形態の複合材料構造体を表す要部断面図である。なお、上述した第１実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
第３実施形態において、図６に示すように、複合材料構造体１０Ｂは、第１複合材料１１と、第２複合材料１２と、絶縁性接着層１３と、導電性部材６１とを備える。第１複合材料１１と第２複合材料１２と絶縁性接着層１３は、第１実施形態と同様である。
導電性部材６１は、第１複合材料１１における複数の第１複合材料シート２１，２２，２３，２４，２５を接続するものである。導電性部材６１は、複数の第１複合材料シート２１，２２，２３，２４，２５だけを接続する。導電性部材６１は、複数の第１複合材料シート２１，２２，２３，２４，２５の積層方向に沿って設けられ、一端部が絶縁性接着層１３の接着面１３ａまで設けられ、他端が第１複合材料１１の表面１１ｂまで設けられる。そのため、導電性部材６１は、一端部が絶縁性接着層１３の接着面１３ａに接触し、他端が第１複合材料１１の表面１１ｂと面一になる。
導電性部材６１は、第１強化繊維または前記第１樹脂に添加された添加物である。導電性部材６１は、具体的に、第１複合材料１１の成型時に、第１強化繊維または前記第１樹脂に対して、導電性カーボンや金属酸化物の粉末などを添加物として局所的に添加したものである。すなわち、導電性部材６１は、複数の第１複合材料シート２１，２２，２３，２４，２５に対して局所的に設けられた充填部６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄ，６１ｅである。
また、導電性部材６１は、第１複合材料１１の長手方向に沿って所定間隔を空けて複数設けられる。複数の導電性部材６１は、第１複合材料１１の長手方向に沿って均等間隔を空けて設けられることが好ましい。
なお、第２実施形態の複合材料構造体１０に作用効果は、第１実施形態と同様であり、説明は省略する。
［本実施形態の作用効果］
第１の態様に係る複合材料構造体は、導電性を有する第１強化繊維に第１樹脂が含浸された複数の第１複合材料シート２１，２２，２３，２４，２５が積層される第１複合材料１１と、導電性を有する第２強化繊維に第２樹脂が含浸された第２複合材料１２と、第１複合材料１１と第２複合材料１２との間に配置されて第１複合材料１１と前記第２複合材料１２とを接着する絶縁性接着層１３と、複数の第１複合材料シート２１，２２，２３，２４，２５を接続する導電性部材１４，５１，６１とを備える。
第１の態様に係る複合材料構造体は、雷による電気が第２複合材料１２から絶縁性接着層１３を通って第１複合材料１１に流れたとき、導電性部材１４により複数の第１複合材料シート２１，２２，２３，２４，２５に振り分けられ、それぞれ面内方向に沿って電流が流れる。そのため、複数の第１複合材料シート２１，２２，２３，２４，２５に対して局所的な電流の流れを抑制することができる。その結果、重量化を抑制しながら耐雷対策を可能とすることができる。
第２の態様に係る複合材料構造体は、導電性部材１４，５１，６１は、複数の第１複合材料シート２１，２２，２３，２４，２５だけを接続する。これにより、導電性部材１４，５１，６１が第１複合材料シート２１，２２，２３，２４，２５だけを接続し、絶縁性接着層１３を貫通していないことから、絶縁性接着層１３の絶縁性能を維持することができる。
第３の態様に係る複合材料構造体は、導電性部材１４，５１，６１は、複数の第１複合材料シート２１，２２，２３，２４，２５の積層方向に沿って設けられ、絶縁性接着層１３の接着面１３ａまで設けられる。これにより、第１複合材料１１に流れた電流が導電性部材１４を通って第１複合材料１１に到達したとき、導電性部材１４，５１，６１により適正に複数の第１複合材料シート２１，２２，２３，２４，２５に振り分けることができる。
第４の態様に係る複合材料構造体は、導電性部材１４，５１，５２は、複数の第１複合材料シート２１，２２，２３，２４，２５の積層方向に沿って設けられ、第１複合材料１１の表面１１ｂまで設けられる。これにより、第１複合材料１１に到達した電流を導電性部材１４，５１，６１により適正に複数の第１複合材料シート２１，２２，２３，２４，２５に振り分けることができる。
第５の態様に係る複合材料構造体は、導電性部材１４は、複数の第１複合材料シート２１，２２，２３，２４，２５を積層方向に貫通する貫通部材である。これにより、導電性部材１４と複数の第１複合材料シート２１，２２，２３，２４，２５を適正に接続することができる。
第６の態様に係る複合材料構造体は、導電性部材５１は、複数の第１複合材料シート２１，２２，２３，２４，２５の端面に積層方向に沿って付設される付設部材である。これにより、第１複合材料シート２１，２２，２３，２４，２５に対して孔開け加工などを不要として構造の簡素化を図ることができる。
第７の態様に係る複合材料構造体は、導電性部材６１は、第１強化繊維または前記第１樹脂に添加された添加物である。これにより、第１複合材料シート２１，２２，２３，２４，２５に対する後加工などを不要として構造の簡素化を図ることができる。
第８の態様に係る複合材料構造体は、導電性部材１４，５１，５２は、第１複合材料１１の長手方向に沿って所定間隔を空けて複数設けられる。これにより、複数の第１複合材料シート２１，２２，２３，２４，２５の面内方向に沿って電流が流れるときの電位差を減少させることができる。
１０，１０Ａ，１０Ｂ 複合材料構造体
１１ 第１複合材料
１１ａ，１１ｂ 表面
１２ 第２複合材料
１２ａ，１２ｂ 表面
１３ 絶縁性接着層
１３ａ 接着面
１４，５１，６１ 導電性部材
２１，２２，２３，２４，２５ 第１複合材料シート
３１ フランジ部
３２ ウェブ部
３３ 貫通孔
３４ 切欠部

Claims (8)

  1. 導電性を有する第１強化繊維に第１樹脂が含浸された複数の第１複合材料シートが積層される第１複合材料と、
    導電性を有する第２強化繊維に第２樹脂が含浸された第２複合材料と、
    前記第１複合材料と前記第２複合材料との間に配置されて前記第１複合材料と前記第２複合材料とを接着する絶縁性接着層と、
    前記複数の第１複合材料シートを接続する導電性部材と、
    を備える複合材料構造体。
  2. 前記導電性部材は、前記複数の第１複合材料シートだけを接続する、
    請求項１に記載の複合材料構造体。
  3. 前記導電性部材は、前記複数の第１複合材料シートの積層方向に沿って設けられ、前記絶縁性接着層の接着面まで設けられる、
    請求項１または請求項２に記載の複合材料構造体。
  4. 前記導電性部材は、前記複数の第１複合材料シートの積層方向に沿って設けられ、前記第１複合材料の表面まで設けられる、
    請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の複合材料構造体。
  5. 前記導電性部材は、前記複数の第１複合材料シートを積層方向に貫通する貫通部材である、
    請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の複合材料構造体。
  6. 前記導電性部材は、前記複数の第１複合材料シートの端面に積層方向に沿って付設される付設部材である、
    請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の複合材料構造体。
  7. 前記導電性部材は、前記第１強化繊維または前記第１樹脂に添加された添加物である、
    請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の複合材料構造体。
  8. 前記導電性部材は、前記第１複合材料の長手方向に沿って所定間隔を空けて複数設けられる、
    請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の複合材料構造体。
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