JP4247038B2

JP4247038B2 - 衝撃吸収複合材構造及びその製造方法並びにそれを用いた走行体又は航行体

Info

Publication number: JP4247038B2
Application number: JP2003122727A
Authority: JP
Inventors: 酒井　　茂; 将征金升; 健一郎阿部; 尚希樋口
Original assignee: Shikibo Ltd; Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Shikibo Ltd; Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2003-04-25
Filing date: 2003-04-25
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2023-04-25
Also published as: JP2004324814A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、衝撃を受けた際には自己破壊によりその衝撃を吸収する樹脂と繊維積層体からなる衝撃吸収複合材構造及びその製造方法並びにそれを用いた走行体又は航行体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば、航空機の座席周り等や、自動車の座席周り、バンパー周り、各種構造部材に、衝撃エネルギーを吸収するエネルギー吸収部材が用いられる（特許文献１、特許文献２等）。このエネルギー吸収部材には、衝撃エネルギーを良好に吸収できる性能の他、一般に軽量、高剛性であることが要求されることから、樹脂と補強繊維との複合材料、いわゆる繊維強化プラスチック（以下、ＦＲＰと言うこともある。）、中でも炭素繊維強化プラスチック（以下、ＣＦＲＰと言うこともある。）が適しているとされている。このようなエネルギー吸収部材においては、エネルギー吸収部材のある部位、たとえば部材端部を起点に、局部破壊を生じさせ、その局部破壊を利用してエネルギーを吸収するエネルギー吸収メカニズムが考えられる。
【０００３】
また、自動車における耐衝撃性は、主に前面衝突が懸念されており、その対策としては、ボンネットの中に鉄鋼製フロントサイドメンバーと言われる部材を配置し、前面衝突の際に部材が圧壊することでエネルギー吸収を図るようにしている。
【０００４】
一方、ヘリコプタにおいては、不時着による衝撃が懸念され、その対策としては床下に耐衝撃性部材を配置することとなる。
しかし、自動車のボンネットの長さに比べ、ヘリコプタの床下構造は床下のクリアランス確保等の為、高さが制限されていた上に、近年では広いキャビン容積を確保する為、床下燃料タンクのニーズも高まり、耐衝撃性部材を配置するストロークおよび面積の制限が厳しい、という問題がある。
そのため、従来よりも高いエネルギー吸収効率が求められる。
【０００５】
このため、従来においては、エネルギー吸収部材として、繊維を積層させた積層型複合材において、繊維の素材や繊維配向による影響を評価し、初期荷重のピークを抑えるために、破壊のきっかけの起点となるイニシエータを設ける等の提案がなされている（特許文献３乃至５）。
【０００６】
一方、樹脂と繊維との複合材構造において、層間及び接合面の剪断強度を含めた面外強度(剥離強度)を向上させるために、ニードリングを用いた複合材料用繊維基材の提案がある(特許文献６)。
【０００７】
【特許文献１】
特開昭６０−１０９６３０号公報
【特許文献２】
特開昭６２−１７４３８号公報
【特許文献３】
特開平６−３０００６８号公報
【特許文献４】
特開平６−３４１４７７号公報
【特許文献５】
特開平７−２１７６８９号公報
【特許文献６】
特開２００３−３９４２９号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献３乃至５のエネルギー吸収部材の提案では、内側に外側よりも強度の高い補強繊維を用いて繊維の配向によりエネルギー吸収性能を高めたり（特許文献３）、材料特性を選定してエネルギー吸収能力を高めたり（特許文献４）、又は長手方向の一端部の強化繊維層間に、層間の接着を阻害する剥離助層を埋設させて、所定部位に確実かつ円滑に逐次破壊を生じさせることの提案はあるが、一旦エネルギー吸収部材が衝撃を受けた後には、その破壊の進展は素材任せになっているという問題がある。
【０００９】
また、特許文献６の複合材料用繊維基材の提案では、層間及び接合面の強度の向上を図り、曲げ強度の向上に寄与するが、エネルギー吸収部材のような圧縮を受けた際に樹脂を破壊しつつ衝撃を吸収させるために制御するものではなく、これを単にエネルギー吸収部材として適用しても部材として強度が強いものとなっているので、効果的に衝撃を吸収できるものではない。
【００１０】
本発明は、上記問題に鑑み、衝撃を受けた際には自己破壊によりその衝撃を吸収しつつその破壊の進行を制御することができる衝撃吸収複合材構造及びその製造方法並びにそれを用いた走行体又は航行体を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前述した課題を解決する第１の発明は、衝撃を受けた際には自己破壊によりその衝撃を吸収する樹脂と繊維積層体からなる衝撃吸収複合材構造であって、衝撃荷重がかかる端部から、その荷重がかかる方向の所定位置をこえたところで、ニードリング又はスティッチングや３次元織物を傾斜的又は段階的に施してなることを特徴とする衝撃吸収複合材構造にある。
【００１２】
第２の発明は、第１の発明において、初期荷重の際には衝撃による破壊が進行し、積層体の剥離途中から衝撃を持ち応え、衝撃吸収力の低下を防止することを特徴とする衝撃吸収複合材構造にある。
【００１３】
第３の発明は、第１又は２の発明において、衝撃吸収複合材構造が筒状体、柱状体、角筒、円錐、角錐、円錐台又は角錐台のいずれかであることを特徴とする衝撃吸収複合材構造にある。
【００１４】
第４の発明は、衝撃を受けた際には自己破壊によりその衝撃を吸収する繊維積層体からなる衝撃吸収複合材構造の製造方法において、繊維積層体に樹脂を含浸してなる衝撃吸収複合材構造に衝撃荷重がかかる端部から、その荷重がかかる方向の所定位置をこえたところで、ニードリング又はスティッチングや３次元織物を傾斜的又は段階的に施すことを特徴とする衝撃吸収複合材構造の製造方法にある。
【００１５】
第５の発明は、衝撃を受けた際には自己破壊によりその衝撃を吸収する繊維積層体からなる衝撃吸収複合材構造の製造方法において、繊維積層体に衝撃荷重がかかる端部から、その荷重がかかる方向の所定位置をこえたところで、ニードリング又はスティッチングや３次元織物を傾斜的又は段階的に施し、その後樹脂を含浸することを特徴とする衝撃吸収複合材構造の製造方法にある。
【００１６】
第６の発明は、第１乃至３のいずれか一つの衝撃吸収複合材構造を有することを特徴とする走行体にある。
【００１７】
第７の発明は、第１乃至３のいずれか一つの衝撃吸収複合材構造を有することを特徴とする航行体にある。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明による実施の形態を以下に説明するが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。
【００１９】
本実施の形態にかかる衝撃吸収複合材構造は、衝撃を受けた際には自己破壊によりその衝撃を吸収する樹脂と繊維積層体からなる衝撃吸収複合材構造であって、上記衝撃吸収複合材構造に層間強度向上手法を傾斜的又は段階的に施してなるものである。
【００２０】
ここで、本発明で衝撃吸収複合材構造とは、衝撃を受けた際には自己破壊によりその衝撃を吸収するものであり、補強繊維を複数積層した繊維積層体と樹脂とからなるものをいう。
そして、衝撃がかかると積層体を構成する一部分の積層部が開裂し、繊維の曲げに対する抵抗力により自己破壊によりその衝撃を吸収することとなる。
【００２１】
本発明では、この層間構造において、層間強度向上手法を傾斜的又は段階的に施すようにしており、これにより破壊途中からの衝撃を持ち応えて層間強度の向上を図るようにしている。
【００２２】
ここで、層間強度向上手法とは、例えばニードリング又はスティッチングや３次元織物等を挙げることができる。
【００２３】
なお、イニシエータ部分及び自己破壊の開始初期には衝撃を吸収する必要性から衝撃吸収複合材構造の軸端部から所定位置までは、層間強度向上手法を施さないようにするとよい。
【００２４】
以下に、図１及び図２を参照して、この層間強度向上手法を適用した衝撃吸収複合材構造の構成を説明する。図３は衝撃荷重と変位との関係図である。
図１に示すように、一例として円筒型形状の衝撃吸収複合材構造１１を用いている。図２は図１のＡ−Ａ断面図であり、層間強度向上手法として上記衝撃吸収複合材構造にニードリング１２を用いて層間補強領域１３を施し、破壊の進行が一気に進まないようにその強度を補強している。
【００２５】
ここで、本実施の形態では、衝撃荷重Ｆの荷重軸方向である図中上端から下端に向けて漸次その間隔を縮めるようにしてニードリング１２による層間補強領域１３を形成するようにしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、一定間隔でニードリングを施してもよいし、また、適宜その間隔を広げたり狭めたりするようにして、目的の衝撃吸収効率を向上させるようにしている。
【００２６】
なお、本実施の形態では、自己破壊の開始初期には衝撃を効果的に吸収するために、衝撃吸収複合材構造１１の軸端部から所定位置Ｘまでは、層間強度向上手法を施さないようにした。
【００２７】
そして、図３に示すように、本実施の形態のような層間補強領域１３を設けた場合には、その実線で示すように、初期荷重がかかった後においても、衝撃荷重を一定期間に亙って保持することができ、一定荷重で破壊が進展することとなる。この結果、エネルギー吸収量が増大することとなる。
これに対し、ニードリング等の層間補強領域を設けない場合には、その破線で示すように、破壊の開始時には大きな荷重がかかり、その後破壊が一気に進行し、エネルギー吸収は急激に小さくなり、破壊途中からは衝撃を保持することができないものであった。
【００２８】
この結果、層間補強領域を施した場合では、エネルギー吸収量が９０ｋＪ／ｋｇとなり、層間補強を施さない場合のエネルギー吸収量が６０ｋＪ／ｋｇに較べると、５０％もエネルギー吸収量が増大した。
【００２９】
なお、鉄鋼の比吸収エネルギー量は３０ｋＪ／ｋｇであり、アルミニウムでは３０〜７０ｋＪ／ｋｇ、炭素繊維強化プラスチックでは６０〜７０ｋＪ／ｋｇ（自動車の材料構成の推移と各種材料の衝撃特性、三石洋之（日本自動車研究所）、自動車研究、第１８巻、第９号（１９９６年９月））とされているので、本発明による衝撃吸収複合材構造はこれらの衝撃吸収材料以上のエネルギー吸収量を有するものとなる。
【００３０】
よって、例えばヘリコプタ等のような耐衝撃部材を配置するストローク及び面積等の制限が厳しいところにおいても良好な耐衝撃部材として適用することができる。
【００３１】
図４は、ニードリングを施した場合の回数を変化させ、ニードリングを施さない場合と比較した結果である。
試験の供試体としては、繊維配向（＋４５／０／−４５／０／０／−４５／０／＋４５）積層体のプリプレグ（繊維：炭素繊維、樹脂：エポキシ樹脂）を用い、静的圧壊試験を実施した。供試体は図１と同様の円筒形であり、直径が５０ｍｍ、高さが７５ｍｍのものを用いた。
ニードリングは円筒体の上端部から５ｍｍの位置から下端部まで一定ピッチで行った。ニードリング回数は０回／ｃｍ²、２７回／ｃｍ²と５０回／ｃｍ²とを行った。
その結果を図４に示す。
【００３２】
図４に示すように、ニードリング回数の増加により荷重（ｋＮ）保持率に向上がみられ、耐衝撃性を一定期間に亙って保持できることが確認できた。
【００３３】
本発明による層間強度向上手法を傾斜的又は段階的に施すのはその目的に応じて適宜変更するようにすればよく、特に限定されるものではないが、層間強度向上手法の適用パターンの一例を図５に示す。
なお、図５は縦軸がニードリング密度（回／ｃｍ²）であり、横軸が荷重軸方向（Ｌ）である。
【００３４】
図５（ａ）は、所定位置Ｘまではニードリングを施さず、その後は図２に示すように徐々にニードリングの間隔を疎状態から密状態（ニードリングピッチを徐々に狭めた）としたものである。
図５（ｂ）は、所定位置Ｘまではニードリングを施さず、その後ニードリングの間隔一定間隔で施したものである。
図５（ｃ）は、所定位置Ｘまではニードリングを施さず、その後ニードリングの間隔を密状態とした後、途中から疎状態に変更しその後また密状態でニードリングを施したものである。
図５（ｄ）は、所定位置Ｘまではニードリングを施さず、その後ニードリングの間隔を密状態とした後、途中から疎状態に変更しその後は一定間隔でニードリングを施したものである。
図５（ｅ）は、所定位置Ｘまではニードリングを施さず、その後ニードリングの間隔を疎状態から密状態とし、今度は密状態から疎状態としたものである。なお、端部にはニードリングを施さず、破壊開始部を設けた。
図５（ｆ）は、所定位置Ｘまではニードリングを施さず、その後ニードリングの間隔を密状態の一定間隔としたものである。なお、端部にはニードリングを施さず、破壊開始部を設けた。
図５（ｇ）は、所定位置Ｘまではニードリングを施さず、その後ニードリングの間隔を疎状態と密状態とを交互に繰り返して最後は密状態としたものである。なお、端部にはニードリングを施さず、破壊開始部を設けた。
図５（ｈ）は、所定位置Ｘまではニードリングを施さず、その後ニードリングの間隔を密状態から徐々に疎状態とし、その後また除所に密状態としたものである。なお、端部にはニードリングを施さず、破壊開始部を設けた。
【００３５】
なお、傾斜的又は段階的にニードリング補強領域を形成するパターンは上述したものに限定されるものではない。
【００３６】
また、上記パターンはニードリングの間隔を規定しているが、それ以外にニードリングの回数を場所毎に変化させるようにしてもよい。
【００３７】
また、図６はニードリングの挿入回数と圧縮強度との関係図である。
図６から判るように、ニードリング回数を７５回／ｃｍ²以上と多くした場合には、圧縮強度の低下がみられたので、必要回数以上にニードリングを施すと強度低下となる。
【００３８】
ここで、本発明の衝撃吸収複合材構造を構成する繊維積層体の繊維材料としては、特に限定されるものではないが、例えば炭素繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、アラミド繊維（ケブラー（登録商標）等）、芳香族ポリアミド繊維、アルミナ繊維、炭化珪素繊維又はボロン繊維等を挙げることができる。
【００３９】
また、衝撃吸収複合材構造を構成する樹脂材料としては、特に限定されるものではないが、例えばエポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、エポキシアクリレート(ビニルエステル)樹脂、ビスマレイミド樹脂、ポリイミド樹脂、グアナミン樹脂、フラン樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリジアリルフタレート樹脂、アミノ樹脂等の熱硬化性樹脂を挙げることができる。
また、例えばナイロン６、ナイロン６６、ナイロン１１、ナイロン６１０、ナイロン６１２などのポリアミド、またはこれらポリアミドの共重合ポリアミド、また、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレートなどのポリエステル、またはこれらポリエステルの共重合ポリエステル、さらに、ポリカーボネート、ポリアミドイミド、ポリフェニレンスルファイド、ポリフェニレンオキシド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリオレフィン等、さらにまた、ポリエステルエラストマー、ポリアミドエラストマー等に代表される熱可塑性エラストマー等を挙げることができる。
さらには、上述の範囲を満たす樹脂として、例えばアクリルゴム、アクリロニトリルブタジエンゴム、ウレタンゴム、シリコーンゴム、スチレンブタジエンゴム、フッ素ゴム等のゴムを用いることもでき、さらには、上記の熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、ゴムから選ばれた複数を配合してなる配合樹脂を用いるようにしてもよい。
【００４０】
また、本発明にかかる衝撃吸収複合材構造は図１に示したような円筒体形状に限定されるものではなく、例えば円筒の頂部を円錐状あるいは球面状に形成した円筒の他に、角筒、円錐、角錐、円錐台、角錐台、あるいは、横断面が楕円の筒、さらにはフランジ部を備えた円筒（又は角筒）等の筒状形状としてもよい。また、筒状形状以外に例えば円柱、角柱の柱形状とするようにしてもよい。さらに、一個の部材から構成するようにしてもよいが、これに限定されるものではなく、複数の部材を重ねて、あるいは組み合わせて構成するようにしてもよい。
【００４１】
また、衝撃吸収複合材構造の衝撃荷重軸方向の一端部又は両端部に破壊のきっかけの起点となるイニシエータを設けるようにしてもよい。
【００４２】
以下に本発明にかかる衝撃吸収複合材構造の製造例について説明する。
図７は、プリプレグを製造し、その後ニードリングを施し、オートクレーブにより加圧成形した例を示す。
図７に示すように、衝撃吸収複合材構造の製造方法は、樹脂と繊維積層体とからなるプリプレグを所定長さに切断する切断工程（Ｓ１１）と、その後これらを積層する積層工程（Ｓ１２）と、積層体に層間強度手法としてニードリングを施すニードリング工程（Ｓ１３）と、ニードリングを施した積層体を治具に装着する治具装着工程（Ｓ１４）と、治具に装着した後に、加圧しつつ加熱硬化させる加圧・加熱硬化工程（Ｓ１５）と、治具から取り出し、切断し、加工する切断・加工工程（Ｓ１６）とから構成されている。
これにより、耐衝撃性が向上した衝撃吸収複合材構造を得ることができる。
【００４３】
図８は、真空樹脂注入成形法により成形した例を示す。
図８に示すように、衝撃吸収複合材構造の製造方法は、繊維積層体を所定長さに切断する切断工程（Ｓ２１）と、その後これらを積層する積層工程（Ｓ２２）と、積層体に層間強度手法としてニードリングを施すニードリング工程（Ｓ２３）と、ニードリングを施した積層体を治具に装着する治具装着工程（Ｓ２４）と、樹脂と脱泡させる脱泡工程（Ｓ２５）と、脱泡した樹脂を予備加熱する予備加熱工程（Ｓ２６）と、上記治具に装着した繊維に、予備簿加熱工程（Ｓ２６）で予備加熱した樹脂を供給し、含浸し、加熱硬化させる樹脂含浸・加熱硬化工程（Ｓ２７）と、治具から取り出し、切断し、加工する切断・加工工程（Ｓ２８）とから構成されている。
これにより、耐衝撃性が向上した衝撃吸収複合材構造を得ることができる。
【００４４】
本発明の衝撃吸収複合材構造の適用例を図９及び図１０に示す。
図９はヘリコプタの概略図であり、機体２１内に搭乗者２２が座席２３に座っている状態を示す。
図１０（ａ）は、図９のａ部拡大部分であり、搭乗者２２の座席２３の取付け台２４に衝撃吸収複合材構造を適用したものである。本適用例は、床面２５と座席客部２３ａとの間に衝撃吸収複合材構造１１からなる取付け台２４を設けたものである。
【００４５】
図１０（ｂ）は、図９のａ部拡大斜視図であり、搭乗者２２の座席の客部２３ａに衝撃吸収複合材構造を耐衝撃性部材として適用したものである。
【００４６】
図１０（ｃ）は、図９のｂ部拡大部分であり、機体２１の床下から張り出した衝撃吸収構造部２６に衝撃吸収複合材構造を耐衝撃性部材として適用したものである。
【００４７】
図１０（ｄ）は、図９のｃ部拡大部分であり、車輪式降着装置２７のショックストラット内部２８に衝撃吸収複合材構造を耐衝撃性部材として適用したものである。
【００４８】
以上説明したように、本発明にかかる衝撃吸収複合材構造は、例えばヘリコプタ等のような航行体の座席周り等や、各種構造部材に、衝撃エネルギーを効率よく吸収するエネルギー吸収部材として適用することができる。また、航行体のみならず、例えば自動車等の走行体の座席周り、バンパー周り等の耐衝撃吸収部材に適用することができる。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、衝撃荷重がかかる端部から、その荷重がかかる方向の所定位置をこえたところで、ニードリング又はスティッチングや３次元織物を傾斜的又は段階的に施してなるようにしたので、エネルギー吸収量を向上させることができ、衝撃を受けた際には自己破壊によりその衝撃を吸収しつつその破壊の進行を一定時間制御することができるものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態にかかる衝撃吸収複合材構造の斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】衝撃吸収複合材構造にかかる衝撃荷重と変位との関係図である。
【図４】衝撃吸収複合材構造にかかる圧壊距離と荷重との関係図である。
【図５】層間強度向上手法のパターンの一例を示す図である。
【図６】ニードリング挿入回数と圧縮強度との関係を示す図である。
【図７】衝撃吸収複合材構造にかかる製造工程図である。
【図８】衝撃吸収複合材構造にかかる他の製造工程図である。
【図９】衝撃吸収複合材構造を適用したヘリコプタの模式図である。
【図１０】図９の要部拡大図である。
【符号の説明】
１１衝撃吸収複合材構造
１２ニードリング
１３層間補強領域

Claims

衝撃を受けた際には自己破壊によりその衝撃を吸収する樹脂と繊維積層体からなる衝撃吸収複合材構造であって、
衝撃荷重がかかる端部から、その荷重がかかる方向の所定位置をこえたところで、ニードリング又はスティッチングや３次元織物を傾斜的又は段階的に施してなることを特徴とする衝撃吸収複合材構造。
請求項１において、
初期荷重の際には衝撃による破壊が進行し、積層体の剥離途中から衝撃を持ち応え、衝撃吸収力の低下を防止することを特徴とする衝撃吸収複合材構造。
請求項１又は２において、
衝撃吸収複合材構造が筒状体、柱状体、角筒、円錐、角錐、円錐台又は角錐台のいずれかであることを特徴とする衝撃吸収複合材構造。
衝撃を受けた際には自己破壊によりその衝撃を吸収する繊維積層体からなる衝撃吸収複合材構造の製造方法において、
繊維積層体に樹脂を含浸してなる衝撃吸収複合材構造に衝撃荷重がかかる端部から、その荷重がかかる方向の所定位置をこえたところで、ニードリング又はスティッチングや３次元織物を傾斜的又は段階的に施すことを特徴とする衝撃吸収複合材構造の製造方法。
衝撃を受けた際には自己破壊によりその衝撃を吸収する繊維積層体からなる衝撃吸収複合材構造の製造方法において、
繊維積層体に衝撃荷重がかかる端部から、その荷重がかかる方向の所定位置をこえたところで、ニードリング又はスティッチングや３次元織物を傾斜的又は段階的に施し、その後樹脂を含浸することを特徴とする衝撃吸収複合材構造の製造方法。
請求項１乃至３のいずれか一つの衝撃吸収複合材構造を有することを特徴とする走行体。
請求項１乃至３のいずれか一つの衝撃吸収複合材構造を有することを特徴とする航行体。