JP6034910B2 - 複合材及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、導電性の繊維や樹脂を含む複合材料中に流れる電流を測定可能な積層型の複合材及びその製造方法に関する。

近年、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）などの複合材料の構造体への適用拡大が進んでいる。例えば、航空機の機体、自動車の骨格、風車のブレード等、幅広い分野において適用されている。一方、複合材料は炭素繊維等の導電性繊維を含むため、漏電や落雷などが生じた際、構造体の設計上意図しない電流径路となり得る。例えば、航空機では、雷撃によるスパーク発生に起因する燃料引火などの可能性があるため、雷撃時における機体中の電流分布を明らかにすることが重要である。

しかし、複合材料特に炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）のような導電性の繊維を含む複合材料は、電気的に導体である炭素繊維と絶縁体である樹脂とで構成されているので繊維配列方向の影響を受け易い。そのため、複合材料は、金属材料に比べて電流経路が複雑となる。特に、繊維の方向が異なる複数の層を重ねた炭素繊維積層板における電流経路は複雑であり、複合材料中に流れる電流をより正確に測定する技術が必要となる。また、繊維が不導体であって樹脂が導電体（導電性樹脂もしくは導電体を混練した樹脂）である複合材料においても、電流を測定する技術が望まれる。

従来、例えば複合材料を流れる電流の挙動や電流の大きさを測定する発明として、特許文献１や特許文献２に開示されているものがある。このうち、特許文献１に開示されている発明は、ファスナーを設けた複合材料に電流を流した際の局所放電を可視化できるようにしたものである。また、特許文献２に開示されている発明は、繊維の方向が異なる複数の層を重ねた炭素繊維積層板における電流を測定できるようにしたものである。

特開２０１３−０５０３０６号公報 特開２０１３−０５３８５８号公報

上記特許文献１に開示されている発明においては、局所放電を可視化することができる。また、特許文献２に開示されている発明の電流測定においては、複合材料における面内方向の電流分布を知ることができる。しかしながら、いずれの発明においても、複合材料の面と交差する面外方向の電流を測定することができない。また、理論的にも複合材料における面外方向の電流の伝搬メカニズムが解明されていない。

そこで、本発明者らは、航空機の機体等の構造体に使用される複合材料（複合材）における、面外方向の電流の伝搬メカニズムを解明するのに好適な供試体及びその電流測定方法に関する発明をなし、先に出願した（特願２０１４-１７２１８３）。
しかしながら、上記先願発明では、互いに端部が剥離された複合材料の各層の端部に電極を設けるのに、サンディング処理（もしくはエッチング処理）をした後、メッキにより電極となる金属層を形成するようにしていた。そのため、接触抵抗およびそのバラツキが大きいとともに、電極の形成が面倒で供試体の製造に時間がかかるという課題があることが、その後の検討によって明らかとなった。

本発明は、上記先願発明の改良に関するもので、各層に流れる電流を測定することができるとともに、電極部における接触抵抗を小さくかつそのバラつきを少なくして、電極部から均質な電流を流し込むことができる複合材を提供することを目的とする。
本発明の他の目的は、各層に流れる電流を測定可能な複合材であって、各層に電流を流し込むための電極部を備えた複合材を、再現性良くかつ効率良く製造することができる製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本出願の第１の発明に係る複合材は、
導電性を有する複合材料シートを複数積層してなる複合材であって、
複数枚の前記複合材料シートの長手方向の一方の端部間に、前記複合材料シートの当該一方の端部から所定長さにわたり、前記複合材料シート同士を離間するための２つ折りにした離間用部材が設けられているとともに、
前記複合材料シートの前記一方の端部である離間側端部に、金属シートが挟持された状態で設けられているようにしたものである。
あるいは、導電性を有する複合材料シートを複数積層してなる複合材であって、
前記複合材の長手方向の一方の端部における前記複合材料シート間に、前記複合材料シートの当該一方の端部から所定長さにわたり、前記複合材料シート同士を離間するための２つ折りにした離間用部材が設けられているとともに、
前記複合材料シートの前記一方の端部である離間側端部の表面および裏面の少なくとも一方に金属シートが接合されているようにしてもよい。

ここで、「金属シート」は、導電線を接続する際にかかる荷重に耐え得る強度を保有する厚みであればよく、シートを構成する金属の種類によって使用可能な厚みは異なる。金属シートとしては、銅箔が最適であるが、アルミ箔等他の金属シートであっても良い。
上記した複合材を用いれば、複合材の各層に流れる電流を測定して比率等を知ることができるため、電流測定結果から、使用を予定している複合材料の厚さ方向の電流分布を推定することができるようになる。また、電極となる金属シートを予め端部に挟持あるいは接合しているため、複合材料表面のサンディング処理が不要となり、電極部における接触抵抗を小さくかつそのバラつきを少なくして、電極部から均質な電流を流し込むことができる。

あるいは、導電性を有する複合材料シートを複数積層してなる複合材であって、
複数枚の前記複合材料シートの端部間に、前記複合材料シート同士を離間するための離間用部材が設けられているとともに、
前記複合材料シートの離間側端部に、金属シートが挟持された状態で設けられており、
複数枚の前記複合材料シートは長さが異なる短冊状をなし、それぞれの複合材料シートの前記離間用部材が設けられていない側の端部が一致した状態で積層され、前記離間用部材が設けられている側の端部間に、前記複合材料シート同士を離間するための離間用部材が設けられているとともに、
複数枚の前記複合材料シートのそれぞれの離間側端部に、金属シートが挟持された状態で設けられているようにしてもよい。
あるいは、導電性を有する複合材料シートを複数積層してなる複合材であって、
前記複合材の端部における前記複合材料シート間に、前記複合材料シート同士を離間するための離間用部材が設けられているとともに、
前記複合材料シートの離間側端部の表面および裏面の少なくとも一方に金属シートが接合されており、
複数枚の前記複合材料シートは長さが異なる短冊状をなし、それぞれの複合材料シートの前記離間用部材が設けられていない側の端部が一致した状態で積層され、前記離間用部材が設けられている側の端部間に、前記複合材料シート同士を離間するための離間用部材が設けられているとともに、
複数枚の前記複合材料シートのそれぞれの離間側端部の表面および裏面の少なくとも一方に金属シートが接合されているようにしてもよい。

これによって、電極となる金属シートが互いにずれた状態に配置されるため、段差が生じる位置をずらすことができ、それによって複合材の電極形成側の端部の厚みを薄くすることができ、取り扱いが容易となる。
また、望ましくは、前記複合材における前記複合材料シートが離間していない部分に、前記複合材に電流を印加するための共通導電線が電気的に接続される共通導電線接続部を有するようにする。

本出願の第２の発明に係る複合材は、
各々導電性を有する複合材料シートを複数積層してなる第１複合材と第２複合材とを有し、前記第１複合材と前記第２複合材を重ね合わせ、両複合材を貫通するように設けられた導電体で結合してなる複合材であって、
前記第２複合材の前記第１複合材との結合側と反対側の長手方向の一方の端部に、前記第２複合材の当該一方の端部から所定長さにわたり、前記複合材料シート同士を離間するための２つ折りにした離間用部材が設けられているとともに、
前記第２複合材を構成する各複合材料シートの前記第１複合材との結合側と反対側の前記一方の端部に、金属シートが挟持された状態で設けられているようにしたものである。

あるいは、各々導電性を有する複合材料シートを複数積層してなる第１複合材と第２複合材とを有し、前記第１複合材と前記第２複合材を重ね合わせ、両複合材を貫通するように設けられた導電体で結合してなる複合材であって、
前記第２複合材に、前記第２複合材の長手方向の一方の端部から所定長さにわたり、前記複合材料シート同士を離間するための２つ折りにした離間用部材が設けられているとともに、
前記第２複合材を構成する各複合材料シートの前記第１複合材との結合側と反対側の前記一方の端部の表面および裏面の少なくとも一方に金属シートが接合されているようにしてもよい。
また、望ましくは、前記第１複合材に、前記複合材に電流を印加するための共通導電線が電気的に接続される共通導電線接続部が形成されている構成とする。
また、望ましくは、前記複合材料シートが導電性の繊維を含む構成とする。

上記した複合材を用いれば、第１複合材と記第２複合材を貫通する導電体（ファスナー）で結合された複合材（プレートや構造体を含む）の各層に流れる電流を測定して比率等を知ることができるため、結合用の導電体がファスナーの場合、ファスナーの形態や加工条件等を変えた複数の複合材についての電流測定結果から、ファスナー部で発生する放電を防止するのに効果的なファスナーの形態や大きさ（径）、加工条件等を見い出すことができる。また、電極となる金属シートを予め端部に挟持あるいは接合しているため、複合材料表面のサンディング処理が不要となり、電極部における接触抵抗を小さくかつそのバラつきを少なくして、電極部から均質な電流を流し込むことができる。

本出願のさらに他の発明は、複合材を製造する製造方法であって、
導電性を有する２枚の複合材料プリプレグを、それらの長手方向の一方の端部間に金属シートを一部がはみ出した状態で挟み込んだものをプリプレグペアとなす第１工程と、
前記第１工程で形成されたプリプレグペアを、それらの前記一方の端部間に、前記複合材料プリプレグの前記一方の端部から所定長さにわたる２つ折りにした離間用部材を挟み込んだ状態で複数積層する第２工程と、
前記第２工程で積層されたプリプレグペアを加圧、加熱して成型を行う第３工程と、
を含むようにしたものである。
そして、望ましくは、前記第３工程の後に、前記金属シートの前記プリプレグペアの前記一方の端部よりはみ出している部位に導電線の一端を接続する第４工程を有するようにする。

あるいは、導電性を有する複数枚の複合材料プリプレグを、それらの長手方向の一方の端部間に金属シートおよび前記複合材料プリプレグの前記一方の端部から所定長さにわたる２つ折りにした離間用部材をそれぞれ挟み込んだ状態で積層する第１工程と、
前記第１工程で積層された複合材料プリプレグを加圧、加熱して成型を行う第２工程と、を含み、
前記第１工程では、前記複数枚の複合材料プリプレグの前記一方の端部に、少なくとも前記金属シートの一部が当該一方の端部より露出した状態で接合されるようにする。
そして、望ましくは、前記第２工程の後に、前記金属シートの前記複合材料プリプレグの前記一方の端部より露出している部位に導電線の一端を接続する工程を有するようにする。

さらに、望ましくは、前記第１工程の前に、それぞれ所定のエッチング液を用いて前記金属シートの表面に微細な凹凸を形成する前処理工程を有するようにする。
また、望ましくは、前記複合材料プリプレグが導電性の繊維を含む構成とする。
上記した製造方法によれば、各層に流れる電流を測定可能な複合材であって、各層に電流を流し込むための電極部を備えた複合材を、再現性良くかつ効率良く製造することができるようになる。

本発明によれば、複合材の各層に流れる電流を測定することができ、それによって、面外方向を含めた電流の伝搬メカニズムを解明する手掛かりを得たり、効果的な耐雷対策や漏電対策を見い出すことが可能となる。これとともに、電極部における接触抵抗を小さくかつそのバラつきを少なくして、電極部から均質な電流を流し込むことができ、複合材の各層に流れる電流をより高い精度で測定することができる。
また、本発明によれば、各層に流れる電流を測定可能な複合材であって、各層に電流を流し込むための電極部を備えた複合材を、再現性良くかつ効率良く製造することが可能となる。
さらに、本発明によれば、後述の供試体としての複合材のみならず、製品としての複合材においても先に電極となる金属シートを入れておくことで、運用途中での電流分布状態を把握することが可能となる。また、製品の導通（ボンディング）確認も可能となる。

（Ａ）および（Ｂ）は、第１実施形態に係る電流測定方法の適用対象となる複合材およびその供試体（試験片）を示した図である。 （Ａ）および（Ｂ）、（Ｃ）は、それぞれ図１に示す供試体の各ＣＦＲＰ層の端部の構成と電極部への導電線の接続例を示す図である。 （Ａ）および（Ｂ）はそれぞれ供試体の各ＣＦＲＰ層に流れる電流の測定方法の例を示す図、（Ｃ）は図３（Ａ）と（Ｂ）において、一点鎖線Ｃで囲まれた部分を拡大して示す図である。 図１に示す供試体への共通導電線の接続例を示す図である。 図１に示す供試体への共通導電線の他の接続例を示す図である。 第２実施形態に係る複合材料を使用した供試体（試験片）の構成を示した図である。 第３実施形態に係る複合材料を使用した供試体（試験片）を示した図である。 （Ａ）および（Ｂ）は、第３実施形態の供試体（試験片）の全体構成および電流測定方式を示した図である。

以下、本発明に係る複合材の供試体および電流測定方法、製造方法の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明では、製品化前の段階で電流分布等を知るために電流を測定するのに使用する供試体について説明するが、供試体のみならず、製品としての複合材についても適用することができる。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る電流測定対象となる複合材の供試体（試験片）を示した図である。
測定対象の複合材料は樹脂を導電性の繊維で強化した繊維強化プラスチックであり、本実施形態においては、炭素繊維を含む炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）である。図１（Ａ）に示すように、供試体Ｍは短冊状をなしている。

また、供試体Ｍは、複数の炭素繊維束を所定の方向に沿って並べたものに未硬化の樹脂を含浸させてなる複合材料シートとしてのプリプレグを、２枚ずつペアにして計１６枚重ねてプリプレグ層Ｐ１〜Ｐ８として成型した複合材料である。積層するプリプレグの厚みは１ｍｍ以下（例えば０．２ｍｍ）とすることができる。また、各プリプレグ層における炭素繊維の方向は任意であるが、ペアとなるプリプレグは同一方向のものが望ましい。なお、供試体Ｍを構成するプリプレグは、航空機等に使用を検討している実際の複合材料の構造に対応したものが選択される。プリプレグの積層数についても、上記８層（１６枚）に限定されず、実際の複合材料の構造に対応して任意に選択することができる。

さらに、本実施形態の供試体Ｍには、例えば図１（Ｂ）に示すように、その端部（図では右側）から中央に向かってプリプレグ層Ｐ１〜Ｐ８の各層間に離間用部材Ｆ１〜Ｆ７が配置されている。これとともに、プリプレグ層Ｐ１〜Ｐ８の当該端部には、電極となる金属シートＴ１〜Ｔ８が設けられている。
具体的には、図２（Ａ）に端部を拡大して示すように、プリプレグ層Ｐ１，Ｐ２……は、それぞれ２枚のプリプレグＰａ，Ｐｂが重ね合わされてペアとされている。そして、ペアをなすプリプレグＰａ，Ｐｂの端部に電極となる銅箔のような金属シートＴ１，Ｔ２……が挟み込まれているとともに、プリプレグ層Ｐ１〜Ｐ８の各層間に離間用部材Ｆ１〜Ｆ７が２つ折りの状態で配置されている。

このようにして、プリプレグ層Ｐ１〜Ｐ８と金属シートＴ１〜Ｔ８と離間用部材Ｆ１〜Ｆ７を重ね合わせた状態で、加圧、加熱を行うことで、各層の端部が分離されかつ電極が形成された複合材料の供試体を成型する。
電極となる上記金属シートＴ１〜Ｔ８は、例えばプリプレグとの重ね合わせ領域の長さｌ１が４ｃｍ程度、プリプレグの端部から突出した領域の長さｌ２が１ｃｍ程度となるように形成する。なお、ｌ１とｌ２はこのような数値に限定されるものではない。電極として使用する金属シートＴ１〜Ｔ８の厚みは、銅箔の場合には例えば７０μｍ以下とすることができる。また、加圧、加熱による成型を行う前に、金属シートＴ１〜Ｔ８の表面には、プリプレグとの接着性を良くするために、サンディングや酸を用いたエッチング処理を行なっておくのが望ましい。

また、成型後の供試体の各プリプレグ層Ｐｉ（ｉ＝１，２，……８）の電流を測定するため、金属シートＴｉの端部（露出部分）の表面に、例えば図２（Ｂ）に示すように、導電線Ｗｉの端部を接触させて導電性の銀ペーストのような導電性を有する樹脂Ａを塗布する。これにより、金属シートＴｉの端部に導電線Ｗｉを接続することができるが、その接続を良好にするため、金属シートＴｉの端部（露出部分）の表面は、硫酸などの酸によるエッチング処理を行なっておくのが望ましい。導電線Ｗｉは、図２（Ｃ）に示すように、半田付けによってプリプレグ層Ｐｉの端部から露出している電極部としての金属シートＴｉの表面に接続するようにしてもよい。

端部の離型処理の具体的な方法としては、図１（Ｂ）に示すように、長手方向の一方の端部から中央に向かって、各層間に、所定の長さに亘って、両面に剥離容易化処理を施したフィルム（以下、離型フィルム）Ｆ１〜Ｆ７を介在させてある。また、この実施例では、離間用部材としての各離型フィルムＦ１〜Ｆ７を２つ折りにした状態で各層間に挿入してある。これは、離型フィルムが折り曲げられていない１枚であると、仮に剥離容易化処理にムラがあった場合に、フィルムがプリプレグの表面にくっついてしまって、隣り合う層のプリプレグを分離しにくくなるのを防止するためである。ただし、離型フィルムは、２つ折りにしたものに限定されるものでなく、折り曲げられていない１枚であっても良い。

離型フィルムの材料は、耐熱性がある絶縁性材料が望ましく、例えばポリミイド樹脂の一種であるカプトン（登録商標）が考えられる。離型フィルムの表面に施される剥離容易化処理は、例えば離型剤としてのフレコート（登録商標）を塗布することで行なわれる。塗布する離型剤は、フレコートに限定されるものではなく、耐熱性がある絶縁性材料であればよい。なお、離間用部材としては、離型フィルムに限定されることはなく、シリコーンゴムシート等の絶縁性材料や、金属シート等に表面に離型剤を塗布したものも使用できる。また、薄いシート状の部材に限定されることもなく、楔形状や板状の樹脂や金属製の治具で表面に離型剤を塗布したものであってもよい。

上記のように、各層間の一方の側に離型フィルム等の離間用部材を介在させて積層させたプリプレグ層Ｐ１〜Ｐ８を、加圧した状態で加熱することで樹脂を硬化させることによって、ＣＦＲＰ製供試体が製造される。そして、その後、前述したように、各ＣＦＲＰ層の剥離側端部の電極部（金属シートＴｉ）に測定電流を流すための導電線Ｗｉを接続することで供試体が完成する。この実施例では、供試体が完成した後、離型フィルムを剥がして試験に供するが、離型フィルムは介在させたままとしても良い。離間用部材として金属シートを用いる場合には供試体の完成後に取り除くことが好ましい。
離間用部材を取り除いた場合は、測定時に各層間の絶縁性を確保するため、絶縁性の部材を挿入しておくことが好ましい。

なお、供試体の製造方法は、上述したように、複数枚のプリプレグを積層させて樹脂を硬化させる方法に限定されず、ＲＴＭ法などの他の方法で製造しても良い。例えばＲＴＭ法の一種であるＶａＲＴＭ法は、複数の炭素繊維束を所定の方向に沿って並べてから、全体をバッグフィルムで覆い真空引きしたものに液状の樹脂を注入し、繊維に含浸させた後、オーブンで加熱して樹脂を硬化させる成型方法である。このＶａＲＴＭ法で上記構造の供試体を製造するには、複数の炭素繊維束を所定の方向に沿って並べて一方の側に複数枚の離型フィルム等の離間用部材を所定の間隔で介在させた状態で、全体をバッグフィルムで覆い真空引きしたものに液状の樹脂を注入すれば良い。
また、供試体の製造方法は、ウェットレイアップ等の常温硬化による手法でもよい。この場合、離間用部材は耐熱性が要求されることがなくなるため、広く部材を選択することができる。

本出願に先立って出願した特願２０１４-１７２１８３の発明においては、供試体の各ＣＦＲＰ層（複合材料シート）へ導電線を接続する前に、各ＣＦＲＰ層の端部にヤスリ等を用いて樹脂を削り炭素繊維を露出させるサンディング処理を施す。そして、サンディング処理した部位にさらにメッキを施すようにしている。また、メッキ前に硫酸等の処理液をかける前処理を行なってもよいとしている。しかしながら、サンディング処理は比較的面倒であるとともに再現性が低く、充分に接触抵抗を小さくすることが難しいとともに接触抵抗のバラツキも少なくなかった。これに対し、本発明の上記実施形態の供試体にあっては、予め電極となる金属シートを各ＣＦＲＰ層の端部に接合した状態で複合材料の成型を行うので、サンディング処理等の電極を形成する工程が不要である。そのため、再現性が良好であり、充分に接触抵抗を小さくしかつバラツキも少なくすることができるという利点がある。

次に、上記複合材料の供試体を用いた電流測定装置の構成および電流測定方法について説明する。
図３は、上記供試体Ｍを対象とする電流測定装置の概略を示す。図３の電流測定装置は、直流電源１１と、供試体の各ＣＦＲＰ層Ｌ１〜Ｌ８の端部に接続された導電線Ｗ１〜Ｗ８に流れる電流を検出するためのロゴスキーコイル１２ｔと、ロゴスキーコイル１２ｔに接続されたオシロスコープ１４とを備える。なお、雷電流を模した電流波形（例えば航空機の雷波形の標準スペックSAE ARP 5412に準拠した波形）を供試体に印加して電流が流れる様子を調べたい場合には、雷波形の周波数帯域に対応したロゴスキーコイル１２ｔをオシロスコープ１４に接続すると良い。

図３のうち、（Ａ）は供試体Ｍの各ＣＦＲＰ層Ｌｉに流れる電流を一層ずつ測定するもので、ロゴスキーコイル１２ｔを配置する導電線を変えながら、順次電流を測定して行くこととなる。また、図３（Ｂ）は、供試体Ｍの全ＣＦＲＰ層Ｌ１〜Ｌ８に流れる電流を同時に測定できるようにしたもので、導電線Ｗ１〜Ｗ８にそれぞれロゴスキーコイル１２ｔを配置する。図３（Ｃ）は、図３（Ａ）と図３（Ｂ）において一点鎖線Ｃで囲まれている部分を拡大して示すもので、互いに分離されているＣＦＲＰ層Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３……の端部の電極（金属シート）Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３……に導電線Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３……が接続される。

なお、ロゴスキーコイルは、大電流を測定可能な環状のコイルであり、測定箇所を囲むように配置されることで、当該コイルの両端に誘起される電圧に基づいて電流を測定可能となっている。電流検出用素子は、ロゴスキーコイルに限定されず、他の電流センサでもよいし、導電線Ｗ１〜Ｗ８と直列に抵抗素子を接続し、その両端子間に生じる電圧を測定して電流を算出してもよい。
図３（Ａ）のように、一層ずつ電流を測定する場合には、直流電源１１により毎回同一の電圧（例えば５Ｖ）を印加して電流値を測定する。一方、図３（Ｂ）のように各層Ｌ１〜Ｌ８に流れる電流を同時に測定する場合には、印加電圧を変化させることが可能な直流電源１１ｖを使用して、対象の供試体Ｍが変わっても全体に流れる電流値が同一となるように、印加電圧を調整して測定すると良い。

いずれの測定方法においても、供試体Ｍの剥離側と反対側の端部の表面に共通電極Ｔｃを形成し、共通導電線Ｗｃを接続する。共通導電線Ｗｃの接続方法は、例えば供試体Ｍの表面の一部（符号「Ｔｃ」の部位）をサンディング処理して、該処理部に導電線Ｗｃの端部を接触させて導電性の銀ペーストを塗布して加熱、焼結させる方法が考えられる。サンディング処理後にメッキを施して電極Ｔｃを形成するようにしても良い。
図３（Ｂ）の測定方法においては、供試体Ｍ全体に流れる電流を検出するためのロゴスキーコイル１２ｔと電流計１３ｔを設け、該電流計１３ｔによって測定した電流が所定値となるように、可変直流電源１１ｖの電圧を制御するように構成すると良い。

従来の電流測定方法では複合材料の各層に流れる電流の比率（材料の厚さ方向の電流分布）までは知ることができなかったが、上記実施形態のような供試体を使用すれば、各層に流れる電流の比率を知ることができる。
そのため、電流測定結果から、使用を予定している複合材料の雷撃時の厚さ方向の電流分布を推定することができるようになる。

また、例えば、航空機に関しては、材料の使用箇所によっては、表面近傍により多くの電流を流したいとか、表面近傍の層の電流密度を下げたいことがあるので、そのような場 合に、繊維の方向の異なる材料を使い分けることができるようになる。
また、強度等の観点から既に使用する複合材料を決定しているような場合に、その材料が表面近傍により多くの電流が流れる特性を有するものであることが分かれば、表面に金属板を接合して表面層の電流密度を下げるなどの対策をとることができる。

なお、実際の航空機では複合材料同士を結合したりするのにファスナーと呼ばれる金属部品が使用されることがあり、そのような場合、雷撃時に、ファスナーの一部に電流集中が発生するので、ファスナーがある場合の電流分布を知りたいことがある。
そこで、例えば図４に示すように、全ＣＦＲＰ層Ｌ１〜Ｌ８を貫通する導電部材としての電極Ｅを設け、該電極Ｅに電流を印加して各層に流れる電流を測定するようにしても良い。
また、図５に示すように、供試体Ｍの層剥離側と反対側の端面に電極Ｅを付けて、該電極Ｅに電流を印加して各層に流れる電流を測定するようにしても良い。なお、図５において、破線Ｅ’で示されているのは、図３のように、供試体Ｍの表面から電流を印加する場合の電極の例である。さらに、途中にファスナーを設けた供試体を作成して、ファスナーがある場合の各層に流れる電流の分布を測定するようにしても良い。

なお、本発明の上記実施形態では、供試体Ｍの形状を短冊状としたが、矩形状等であっても良い。また、供試体Ｍへの共通導電線と個別導電線（Ｗ１〜Ｗ８）は共試体Ｍの対向する端部にそれぞれ接続したが、これに限定されることはない。例えば、共試体Ｍの中央部に共通導電線を接続する構成であってもよいし、複数の辺の端部でＣＦＲＰ層を剥離させて、それぞれの端部に個別導電線を接続する構成であってもよい。
また、上記実施形態では、ＣＦＲＰ層の剥離のために離型フィルムを使用したが、これに限定されることなく共試体Ｍの成型後に治具で剥離する等でもよい。

（第２実施形態）
図６は、本発明の第２実施形態に係る複合材料の供試体（試験片）を示した図である。
本実施形態の複合材料は、第１実施形態と同様に、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）等の繊維強化プラスチックである。本実施形態においては、図６に示すように、積層する複数のプリプレグＰ１〜Ｐ８の長さを異ならせて電極形成側（図では右側）の端部がずれるようにしている。プリプレグの他方（図では左側）の端部は一致している。また、上記第１実施形態では、供試体を構成する各プリプレグ層を２枚のプリプレグを重ねてペアとしているが、第２実施形態では各層Ｐ１〜Ｐ８を１枚のプリプレグで構成している。各プリプレグＰ１〜Ｐ８の端部のずれ量は任意であるが、例えば５mm〜５０mmとすることが考えられる。

そして、各プリプレグＰ１〜Ｐ８の電極形成側の端部の下面に、電極となる銅箔のような金属シートＴ１〜Ｔ８が接合されているとともに、金属シートＴ１〜Ｔ７とプリプレグＰ２〜Ｐ８の端部との間には、離型フィルムＦ１〜Ｆ７が挟み込まれている。このように、プリプレグＰ１〜Ｐ８と金属シートＴ１〜Ｔ８と離型フィルムＦ１〜Ｆ７を重ね合わせた状態で、加圧、加熱を行うことで、各層の端部が分離されかつ電極が形成された複合材料の供試体を成型する。なお、第１実施形態と同様に、プリプレグＰ１〜Ｐ８をそれぞれ２枚のプリプレグを重ね合わせかつ端部に金属シートＴ１〜Ｔ８を挟み込むようにしても良い。なお、離型フィルムは、２つ折りにしたものに限定されるものでなく、折り曲げられていない１枚であっても良い。

上記のように、プリプレグの長さを異ならせて金属シートの重なる位置がずれるように供試体を構成することにより、段差が生じる位置をずらすことができる。そして、それによって供試体の電極形成側の端部の厚みを、第１実施形態の供試体に比べて薄くすることができ、取り扱いが容易となるという利点がある。
なお、第２実施形態においても、プリプレグＰ１〜Ｐ８の各層の厚みは１ｍｍ以下（例えば０．２ｍｍ）とすると良い。また、プリプレグＰ１〜Ｐ８の各層における炭素繊維の方向は任意であり、航空機等に使用を検討している実際の複合材料の構造に対応したものが選択される。プリプレグの積層数についても実際の複合材料の構造に対応して任意に選択される。
第２実施形態に係る複合材料からなる供試体（試験片）における電流測定方法は、第１実施形態と同じであるので、重複した説明は省略する。

（第３実施形態）
図７は、本発明の第３実施形態に係る複合材の供試体（試験片）を示した図である。
本実施形態の複合材料は、第１実施形態と同様に、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）等の繊維強化プラスチックである。本実施形態の供試体Ｍは、図７に示すように、２枚の複合材プレートＣ１，Ｃ２の端部同士を重ね合わせて金属製のファスナーＦＮにより結合したものである。複合材プレートＣ１，Ｃ２は、それぞれ複数枚のプリプレグを重ねて形成される。電極部の形成の仕方は、第１実施形態や第２実施形態と同じであり、金属シートＴ１〜Ｔ８と離型フィルムＦ１〜Ｆ７を、各プリプレグＰ１〜Ｐ８間に介在させて形成する。離型フィルムは、２つ折りにしたものに限定されるものでない。

図８は、第３実施形態に係る供試体（試験片）の全体の構成およびその電流測定方法を示す。
図８（Ａ）に示すように、本実施形態の供試体は、それぞれ短冊状をなす２枚の複合材プレートＣ１，Ｃ２の端部同士を重ね合わせて金属製のファスナーＦＮにより結合されている。複合材プレートＣ２の結合側と反対の端部（図８では右側端部）は、所定の長さＤの範囲だけ、図７で説明したように各層間が離型フィルム等を使用した成型により分離されている。なお、複合材プレートＣ１に対しては各層に対する離型処理はなされない。

また、複合材プレートＣ１の結合側と反対の端部（図８では左側端部）の表面には電流印加部としての電極Ｔｃが、前記実施形態と同様に、表面の一部をサンディング処理し銀ペーストの塗布、焼結やメッキ処理で形成されている。ただし、電極Ｔｃは複合材プレートＣ１の表面に限定されることはない。例えば、図８に示されている表面電極の位置に、複合材プレートＣ１を貫通するような電極ピン（ファスナーを含む）を設けても良いし、複合材プレートＣ１の結合側と反対側の端面全体に接触するようなプレート状の電極を設けても良い。

本実施形態の供試体Ｍは、図８（Ｂ）に示すように、複合材プレートＣ１の端部表面の電極部Ｔｃに導電線Ｗｃを介して直流電源１１から正電圧を印加する。また、複合材プレートＣ２の各層の端部Ｔｉと直流電源１１の負電極とを導電線Ｗｉ，Ｗｔによって接続して、導電線Ｗｉに流れる電流を電流検出素子１２によって検出し、検出された電流値をオシロスコープ１４によって表示するものである。直流電源１１と、電流検出素子１２と、オシロスコープ１４とによって電流測定装置が構成される。

上述した実施形態によれば、ファスナーで結合された供試体を構成する複合材プレートの各層に流れる電流を測定して比率等を知ることができる。そのため、ファスナーや加工条件を変えた複数の供試体についての電流測定を行い、その測定結果から、ファスナーで結合された複数の複合材料の構造体における面外方向を含めた電流の伝搬メカニズムを解明する手掛かりを得ることができる。また、耐雷対策に効果的なファスナーの形態や径、加工条件、複合材料の積層構成等を見い出すことができるようになる。ここで、「加工条件」には、穿孔に使用するドリルなどの工具の種類や、回転速度、送り速度などのパラメータが含まれる。

なお、上記実施形態では、複合材プレートＣ１、Ｃ２として平板状のものを示したが、本発明はこれに限定されず、複合材として複雑形状の構造体を用いてもよい。図に破線で示すように、複合材プレートの途中にファスナーを設けても良い。
また、上記実施形態では、電流印加部として電極部Ｔｃを説明したが、電流印加部はこれに限定されず、広義に電流が印加される部分、極端に言えば複合材プレートＣ１上に何も加工が施されていない状態のものも含まれる。例えば、雷撃試験を実施する際には、特に電極部が形成されていない複合材プレートＣ１上に放電電流を印加することで本発明の電流測定を行うことできる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば上記実施形態では、供試体Ｍとして繊維配列方向が全層同一のものであってもよいが、繊維配列方向が互いに９０°異なる層を積層させた供試体や、繊維配列方向が互い４５°異なる４種の層を積層させた供試体でも良い。また、積層数も８層に限定されるものではない。成型前に金属シートに対して行う前処理は、使用する金属シートを構成する金属の種類に応じて決定すればよく、使用する金属に適したサンディング処理やエッチング処理を適用すればよい。同様に、電極に導電線を接続する前に行うエッチング処理に使用するエッチング液も、金属シートを構成する金属の種類に応じて決定すればよく、硫酸に限定されるものでない。
また、上記実施形態では、複合材料として樹脂を導電性の繊維で強化した繊維強化プラスチックを用いたが、繊維が不導体であって樹脂が導電体（導電性樹脂もしくは導電体を混練した樹脂）である複合材料を用いることもできる。また、導電性の繊維と導電性の樹脂で構成された複合材料を用いることもできる。

Ｍ 供試体（複合材料）
Ｐ１〜Ｐ８ 複合材料のプリプレグ層（複合材料シート）
Ｔ１〜Ｔ８ 金属シート
Ｆ１〜Ｆ８ 離型フィルム
Ｌｉ ＣＦＲＰ層
Ｗｉ 導電線
Ａ 銀ペースト
Ｅ 電極
Ｔｃ 電極（共通導電線接続部）
１１ 直流電源
１２ 電流検出素子
１２ｔ ロゴスキーコイル
１３ｔ 電流計
１４ オシロスコープ
Ｃ１，Ｃ２ 複合材プレート

Claims (15)

1. 導電性を有する複合材料シートを複数積層してなる複合材であって、
   複数枚の前記複合材料シートの長手方向の一方の端部間に、前記複合材料シートの当該一方の端部から所定長さにわたり、前記複合材料シート同士を離間するための２つ折りにした離間用部材が設けられているとともに、
   前記複合材料シートの前記一方の端部である離間側端部に、金属シートが挟持された状態で設けられていることを特徴とする複合材。
2. 導電性を有する複合材料シートを複数積層してなる複合材であって、
   前記複合材の長手方向の一方の端部における前記複合材料シート間に、前記複合材料シートの当該一方の端部から所定長さにわたり、前記複合材料シート同士を離間するための２つ折りにした離間用部材が設けられているとともに、
   前記複合材料シートの前記一方の端部である離間側端部の表面および裏面の少なくとも一方に金属シートが接合されていることを特徴とする複合材。
3. 導電性を有する複合材料シートを複数積層してなる複合材であって、
   複数枚の前記複合材料シートの端部間に、前記複合材料シート同士を離間するための離間用部材が設けられているとともに、
   前記複合材料シートの離間側端部に、金属シートが挟持された状態で設けられており、
   複数枚の前記複合材料シートは長さが異なる短冊状をなし、それぞれの複合材料シートの前記離間用部材が設けられていない側の端部が一致した状態で積層され、前記離間用部材が設けられている側の端部間に、前記複合材料シート同士を離間するための離間用部材が設けられているとともに、
   複数枚の前記複合材料シートのそれぞれの離間側端部に、金属シートが挟持された状態で設けられていることを特徴とする複合材。
4. 導電性を有する複合材料シートを複数積層してなる複合材であって、
   前記複合材の端部における前記複合材料シート間に、前記複合材料シート同士を離間するための離間用部材が設けられているとともに、
   前記複合材料シートの離間側端部の表面および裏面の少なくとも一方に金属シートが接合されており、
   複数枚の前記複合材料シートは長さが異なる短冊状をなし、それぞれの複合材料シートの前記離間用部材が設けられていない側の端部が一致した状態で積層され、前記離間用部材が設けられている側の端部間に、前記複合材料シート同士を離間するための離間用部材が設けられているとともに、
   複数枚の前記複合材料シートのそれぞれの離間側端部の表面および裏面の少なくとも一方に金属シートが接合されていることを特徴とする複合材。
5. 前記複合材における前記複合材料シートが離間していない部分に、前記複合材に電流を印加するための共通導電線が電気的に接続される共通導電線接続部を有することを特徴とする請求項３または４に記載の複合材。
6. 各々導電性を有する複合材料シートを複数積層してなる第１複合材と第２複合材とを有し、前記第１複合材と前記第２複合材を重ね合わせ、両複合材を貫通するように設けられた導電体で結合してなる複合材であって、
   前記第２複合材の前記第１複合材との結合側と反対側の長手方向の一方の端部に、前記第２複合材の当該一方の端部から所定長さにわたり、前記複合材料シート同士を離間するための２つ折りにした離間用部材が設けられているとともに、
   前記第２複合材を構成する各複合材料シートの前記第１複合材との結合側と反対側の前記一方の端部に、金属シートが挟持された状態で設けられていることを特徴とする複合材。
7. 各々導電性を有する複合材料シートを複数積層してなる第１複合材と第２複合材とを有し、前記第１複合材と前記第２複合材を重ね合わせ、両複合材を貫通するように設けられた導電体で結合してなる複合材であって、
   前記第２複合材に、前記第２複合材の長手方向の一方の端部から所定長さにわたり、前記複合材料シート同士を離間するための２つ折りにした離間用部材が設けられているとともに、
   前記第２複合材を構成する各複合材料シートの前記第１複合材との結合側と反対側の前記一方の端部の表面および裏面の少なくとも一方に金属シートが接合されていることを特徴とする複合材。
8. 前記第１複合材に、前記複合材に電流を印加するための共通導電線が電気的に接続される共通導電線接続部が形成されていることを特徴とする請求項６または７に記載の複合材。
9. 前記複合材料シートが導電性の繊維を含むことを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の複合材。
10. 導電性を有する２枚の複合材料プリプレグを、それらの長手方向の一方の端部間に金属シートを一部がはみ出した状態で挟み込んだものをプリプレグペアとなす第１工程と、
    前記第１工程で形成されたプリプレグペアを、それらの前記一方の端部間に、前記複合材料プリプレグの前記一方の端部から所定長さにわたる２つ折りにした離間用部材を挟み込んだ状態で複数積層する第２工程と、
    前記第２工程で積層されたプリプレグペアを加圧、加熱して成型を行う第３工程と、
    を含むことを特徴とする複合材の製造方法。
11. 前記第３工程の後に、前記金属シートの前記プリプレグペアの前記一方の端部よりはみ出している部位に導電線の一端を接続する第４工程を有することを特徴とする請求項１０に記載の複合材の製造方法。
12. 導電性を有する複数枚の複合材料プリプレグを、それらの長手方向の一方の端部間に金属シートおよび前記複合材料プリプレグの前記一方の端部から所定長さにわたる２つ折りにした離間用部材をそれぞれ挟み込んだ状態で積層する第１工程と、
    前記第１工程で積層された複合材料プリプレグを加圧、加熱して成型を行う第２工程と、を含み、
    前記第１工程では、前記複数枚の複合材料プリプレグの前記一方の端部に、少なくとも前記金属シートの一部が当該一方の端部より露出した状態で接合することを特徴とする複合材の製造方法。
13. 前記第２工程の後に、前記金属シートの前記複合材料プリプレグの前記一方の端部より露出している部位に導電線の一端を接続する工程を有することを特徴とする請求項１２に記載の複合材の製造方法。
14. 前記第１工程の前に、所定のエッチング液を用いて前記金属シートの表面に微細な凹凸を形成する前処理工程を有することを特徴とする請求項１０から１３のいずれかに記載の複合材の製造方法。
15. 前記複合材料プリプレグが導電性の繊維を含むことを特徴とする請求項１０から１４のいずれかに記載の複合材の製造方法。

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