JP4990181B2 - 先進グリッド構造体 - Google Patents
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そこで、引張弾性率が280GPa以上且つ330GPa以下の炭素繊維を用いて、従来の擬似等方積層構造体を構成すれば、引張強度が4600MPa以上の高強度な構造体を実現することができるが、熱膨張係数が1.1ppm/K以上となってしまう。
また、炭素繊維の弾性率と熱膨張係数との間には反比例の関係があり、また弾性率と強度との間にも反比例の関係があるため、結果的に炭素繊維の強度と熱膨張係数は比例関係となり、高強度な炭素繊維を用いた擬似等方積層構造体は熱膨張係数を零付近にすることはできない。このため、この構造も光学機器を搭載する衛星構造体としては、熱的寸法安定性の面から適さないという問題がある。
また、これまでの地球観測衛星は中型及び大型であったため、高剛性且つ低熱膨張特性を有する衛星構造体が求められていたので、高強度且つ低熱膨張特性を有する衛星構造体を開発するという課題に想到していなかったという事情がある。
図1は、この発明の実施の形態1に係る先進グリッド構造体の一例の正面図である。図2は、この発明の実施の形態1に係る先進グリッド構造体の他の例の正面図である。
この発明の実施の形態1に係る先進グリッド構造体は、炭素繊維に樹脂を含侵させた後に半硬化させて作ったプリプレグを使用し、長尺方向に向くように炭素繊維を配向させて繊維強化されたエポキシ樹脂のプリプレグからなる帯状のテーププリプレグを積層し、加圧下で加熱することにより成形したトラス構造である。炭素繊維としては、高強度系であり、引張弾性率が280GPa以上且つ330GPa以下の東レ株式会社製トレカ(登録商標)糸T800HBを用いている。
「グリッドサイド」とは、後で詳細に説明するが先進グリッド構造体に含まれる正三角形グリッドおよび六角形グリッドの辺を構成するものを意味する。
「テーププリプレグ」とは、まとめられた複数本の炭素繊維に樹脂を含浸させて作製された半硬化状態のテープ状のものである。
図3は、この発明の実施の形態1に係る先進グリッド構造体の1つの節点を含む拡大図である。図3(a)に示される拡大図は、図1の先進グリッド構造体のようにグリッドサイド群の交差領域間の距離が零である場合の図である。図3(b)に示される拡大図は、図2の先進グリッド構造体のようにグリッドサイド群の交差領域間の距離が零でない場合の図である。
0度方向グリッドサイド1は、図3に示すように、それぞれ+60度方向グリッドサイド2および−60度方向グリッドサイド3に第一の交差領域6と第二の交差領域7とで交わっている。+60度方向グリッドサイド2は、−60度方向グリッドサイド3と第三の交差領域8で交わっている。これらの交差領域6、7、8が互いに近傍に存在することで、その領域が擬似等方積層構造に近い特性を持つことを発見した。なお、第三の交差領域8は菱形であり、菱形2本の対角線が交わる中心点を節点9と称す。
また、交差領域6、7、8が接触しないように距離10だけ離間させて、グリッド構造体に含まれる正三角形のグリッド群の割合を増加させることで、グリッド構造体が擬似等方積層構造に近い特性を持つことを発見した。ただし、このとき交差領域6、7間の距離10の最大値は、節点9間の距離の半値である。
引張弾性率が280GPa以上且つ330GPa以下である東レ株式会社製トレカ(登録商標)糸T800HBとエポキシ樹脂原料を用いて、長さ方向(図4(a)の紙面上の上下方向)に炭素繊維が配向された帯状のテーププリプレグを用意する。図4(a)に示すような炭素繊維が基準辺11に平行に配向された0度方向炭素繊維テーププリプレグ12、図4(b)に示すような炭素繊維が基準辺11に対して反時計方向に60度傾斜するように配向された+60度方向炭素繊維テーププリプレグ13、図4(c)に示すような炭素繊維が基準辺11に対して時計方向に60度傾斜するように配向された−60度方向炭素繊維テーププリプレグ14を、順に複数回にわたって積層し、加圧下で加熱することにより図1または図2に示すこの発明の実施の形態1に係る先進グリッド構造体が製造される。
また、正三角形のグリッド群と六角形のグリッド群とを含むグリッド構造体において、グリッドサイド群が交差する領域間の距離を大きくして、グリッド構造体に含まれる正三角形のグリッド群の割合を増加させることで、グリッド構造体が擬似等方積層構造に近い特性を持つことを発見した。
ここで、正三角形形状のグリッド4と六角形状のグリッド5を有する先進グリッド構造体の構造を表す2つの因子を導入し、因子と先進グリッド構造体の熱膨張係数との関係を求める。
導入する一つの因子は、グリッドサイドの幅Wを節点9間の距離Lで除算して得られる商であり、構造比と称す。また、導入するもう一つの因子は、グリッドサイドが交差する交差領域間の距離aである。ただし、このとき距離aは0以上且つL/2以下である。
先進グリッド構造体の熱膨張係数の計測では、まず、測定サンプル15である先進グリッド構造体をサンプル支持台16の上に載せ、恒温槽17内に固定する。次に、恒温槽17内の温度をコントロールして測定サンプル15の温度を変化させつつ、測定サンプル15の両端部に接着したレーザ反射鏡18にレーザフォーカス変位計19からレーザを照射し、反射光を受光して、加熱による測定サンプル15の変位量を測定し、熱膨張係数を算出する。
このとき、計測した熱膨張係数は−0.20ppm/Kである。
図7は、構造比を横軸にして、熱膨張係数を表したグラフである。
そのため、従来の擬似等方積層構造では熱膨張係数を零近傍にできないが、先進グリッド構造体にすると熱膨張係数を零にできる炭素繊維が一つの判断基準として考えられ、その炭素繊維の引張弾性率を持って、引張弾性率が330GPa以下であると規定する。
また、高強度系の炭素繊維の中にも、前述の判断基準とした炭素繊維よりも引張強度が小さい炭素繊維が存在するので、それらも高強度の範囲から取り除く必要がある。前述の炭素繊維の引張強度が4600MPa程度であるため、この炭素繊維の引張弾性率を持って、引張弾性率が280GPa以上であると規定する。
以上をまとめると、先進グリッド構造体において高強度である炭素繊維の範囲は、引張弾性率が280GPa以上且つ330GPa以下の炭素繊維である。
このとき、グリッドサイド群の交差領域部分が擬似等方積層構造に近い特性を有する構造となるため、グリッド構造体に含まれる交差領域部分と一方向積層部分との割合を構造比で調整し、さらにグリッド構造体中の正三角形のグリッドの割合が増えるほどグリッド構造体の特性が擬似等方積層構造の特性に近づくため、グリッド構造体に含まれる正三角形のグリッドと六角形のグリッドとの割合を交差領域間の距離で調整することによって、高強度且つ低熱膨張特性を有する。
図7からも分かるように、引張弾性率が280GPa以上且つ330GPa以下の炭素繊維を用いて、構造比が0より大きく且つ0.107以下になるように、グリッドサイドの幅Wまたは節点9間の距離Lを調整すると、熱膨張係数が−0.9ppm/K以上且つ0.9ppm/K以下の先進グリッド構造体を得ることができる。
なお、この発明の実施の形態1に係る先進グリッド構造体において、引張弾性率が280GPa以上且つ330GPa以下の東レ株式会社製トレカ(登録商標)糸T800HBの炭素繊維にエポキシ樹脂を含侵させた後に半硬化させて作ったプリプレグを用いているが、樹脂はエポキシ樹脂に限るものではなく、熱的機械的化学的特性が使用環境に耐えればいずれの樹脂であってもこの発明に適用することができる。
この発明の実施の形態2に係る先進グリッド構造体は、この発明の実施の形態1に係る先進グリッド構造体と炭素繊維が異なり、その結果構造比を違えているが、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明は省略する。
この発明の実施の形態2に係る先進グリッド構造体に使用する炭素繊維は、引張弾性率が280GPa以上且つ330GPa以下である。
図9は、構造比に対する熱膨張係数の依存性を交差領域間の距離をパラメータとして表したグラフである。
また、引張弾性率が280GPa以上且つ330GPa以下の炭素繊維を使用し、構造比が0より大きく且つ0.053以下になるようグリッドサイドの幅Wまたは節点9間の距離L、交差領域間の距離aを設定しているので、熱膨張係数が−0.25ppm/K以上且つ0.25ppm/K以下の先進グリッド構造体を得ることができる。
この発明の実施の形態3に係る先進グリッド構造体は、この発明の実施の形態1に係る先進グリッド構造体と炭素繊維が異なり、その結果構造比を違えているが、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明は省略する。
この発明の実施の形態3に係る先進グリッド構造体に使用する炭素繊維は、引張弾性率が280GPa以上且つ330GPa以下である。
図10は、構造比に対する熱膨張係数の依存性を交差領域間の距離をパラメータとして表したグラフである。
また、引張弾性率が280GPa以上且つ330GPa以下の炭素繊維を使用し、構造比が0より大きく且つ0.040以下になるようグリッドサイドの幅Wまたは節点9間の距離L、交差領域間の距離aを設定し得るので、熱膨張係数が−0.10ppm/K以上且つ0.10ppm/K以下の先進グリッド構造体を得ることができる。
図11は、この発明の実施の形態4に係る先進グリッド構造体の正面図である。
この発明の実施の形態4に係る先進グリッド構造体は、図11に示すように、この発明の実施の形態1に係る先進グリッド構造体に疑似等方性の炭素繊維強化エポキシ樹脂板20を一体化したものである。
次に、この発明の実施の形態1に係る先進グリッド構造体に疑似等方性の炭素繊維強化エポキシ樹脂板を一体化する工程について説明する。
図12は、この発明の実施の形態4に係る先進グリッド構造体を製造するための3種類の一方向炭素繊維プリプレグシートの平面図である。
グリッド群の熱膨張係数と等価となるように炭素繊維と樹脂を選定した、3種類の炭素繊維プリプレグシートは、図12(a)に示すように、炭素繊維が基準辺21に対して平行な方向に配向された0度方向炭素繊維プリプレグシート22、図12(b)に示すように、炭素繊維が基準辺21に対して反時計方向に60度傾斜した方向に配向された+60度方向炭素繊維プリプレグシート23、図12(c)に示すように、炭素繊維が基準辺21に対して時計方向に60度傾斜した方向に配向された−60度方向炭素繊維プリプレグシート24である。
この3種類の炭素繊維プリプレグシートを積層しその上にこの発明の実施の形態1に係る先進グリッド構造体を載せ、加圧下で加熱することにより図8に示すこの発明の実施の形態4に係る先進グリッド構造体が製造される。
また、疑似等方性の炭素繊維強化エポキシ樹脂板20が先進グリッド構造体の一面に配置されるので、先進グリッド構造体としての面積が大きくなるため、他の部品との結合及び機器の搭載が容易となる。
Claims (4)
- 第一の方向に等間隔に並べられた炭素繊維が長尺方向に配向された第一のテーププリプレグ群、上記第一の方向に対して反時計方向に60度傾斜した第二の方向に等間隔に並べられた炭素繊維が長尺方向に配向された第二のテーププリプレグ群、および上記第一の方向に対して時計方向に60度傾斜した第三の方向に等間隔に並べられた炭素繊維が長尺方向に配向された第三のテーププリプレグ群が、互いに2つのテーププリプレグ群が重なるようにそれぞれ順に繰り返し積層され、加圧下で加熱されることにより成形された先進グリッド構造体において、
上記第一のテーププリプレグ群と同方向であるとともにグリッド群の一辺を構成する第一のグリッドサイド群、上記第二のテーププリプレグ群と同方向であるとともにグリッド群の一辺を構成する第二のグリッドサイド群、および上記第三のテーププリプレグ群と同方向であるとともにグリッド群の一辺を構成する第三のグリッドサイド群の中で、上記第二のグリッドサイド群と上記第三のグリッドサイド群とが交差する領域の中心点と当該交差する領域に最近接の上記第二のグリッドサイド群と上記第三のグリッドサイド群とが交差する領域の中心点との間隔でグリッドサイド幅を除算して得られる構造比が0より大きく且つ0.107以下であるとともに上記炭素繊維の引張弾性率が280GPa以上且つ330GPa以下であることを特徴とする先進グリッド構造体。 - 上記構造比が0より大きく且つ0.053以下であることを特徴とする請求項1に記載の先進グリッド構造体。
- 上記構造比が0より大きく且つ0.040以下であることを特徴とする請求項1に記載の先進グリッド構造体。
- 低熱膨張になるよう炭素繊維が配向積層された積層板が配設されることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の先進グリッド構造体。
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