JP6176090B2 - 三次元繊維構造体及び補強材 - Google Patents

Description

本発明は、三次元繊維構造体及び補強材に係り、詳しくは複合材製航空機胴体を構成するスキンの補強に使用されるスティフナーのように、被補強材が薄い場合に好適な補強材に関する。

通常、複合材で航空機胴体を製造する場合、スキンを強化すべくスティフナーがスキンに取り付けられることが多い。スティフナーの使用例として、図９に示すように、スキン（薄板）５１の幅方向（図９では上下方向）の両端部にパイ（π）型のスティフナー５２を一体化するものがある。

パイ型のスティフナーを製造するプリフォームとして、三次元の織り構造物からなるベース及びベースの一面から延びる２つの脚を有し、フィル繊維が縦糸の層を層同士インターロックし、それと同時に各層内の繊維あるいは糸をインターロックし、ベース及び脚のそれぞれが少なくとも２つの縦糸の層をもつものが提案されている（特許文献１参照）。

また、異形断面のプリフォームの製造方法として、炭素繊維あるいはガラス繊維等のＦＲＰ用繊維素材に対して、予め熱可塑性繊維素材を合糸した合糸繊維束からブレイディングによりチューブ状のＦＲＰ組織体を製造した後、チューブ状のＦＲＰ組織体を径方向に密着して変形し、密着された部分に熱を加えて融着する方法が提案されている（特許文献２参照。）

特表２０１１−５１６７４３号公報 特開２００５−１５３４２８号公報

特許文献１に記載のプリフォームは、構成が複雑で織物の製造に手間が掛かるだけでなく、ベースと脚とを結合する部分の強度が弱い。一方、特許文献２に記載の方法では、パイ型のプリフォームも製造することができ、パイ型のプリフォームのベース（基準板部）と脚（挟持部）とを結合する部分の強度は強い。

図９に示す状態で使用されるスキン５１の補強をパイ型のスティフナー５２を使用して行う場合、スティフナー５２の挟持部５２ａのスキン５１からの剥がれを抑制するためには、挟持部５２ａのスキン５１に対する接着面積を増やす必要がある。しかし、単純に挟持部５２ａの面積を大きくした場合は、スティフナー５２の体積及び重量が増加してしまう。

本発明は、前記の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、スティフナーとして使用する場合、体積や重量を必要以上に大きくせずにスキンからの剥がれを抑制することができる三次元繊維構造体及び補強材を提供することにある。

上記課題を解決する三次元繊維構造体は、筒状ブレイディング材を折り曲げて、基準板部と、前記基準板部から突出する挟持部とが形成された三次元繊維構造体であって、前記挟持部は、前記基準板部の長手方向に延び、かつ高さが端部から徐々に減少する高さ減少部と、前記高さ減少部よりも中間部側において高さが一定となる高さ一定部を備える。

この構成の三次元繊維構造体は、筒状ブレイディング材を単純に折り曲げて形成された三次元繊維構造体と異なり、挟持部の三次元繊維構造体の長手方向における単位長さ当たりの面積は、高さ減少部が存在する端部側が中間部より大きい。挟持部のスキンからの剥がれは基準板部の長手方向端部側から発生しやすいため、端部における挟持部の高さを剥がれが十分に抑制し得るものとするとともに、中間部側に向かって挟持部の高さを減少させることで、中間部側での体積及び重量の不必要な増加を抑制することができる。したがって、この構成の三次元繊維構造体を強化材としたパイ型の繊維強化複合材をスティフナーとして使用すれば、体積や重量を不必要に大きくせずにスキンからの剥がれを抑制することができる。

前記基準板部は、前記高さ減少部と前記高さ一定部との高さの差に応じて幅が狭くなるように形成された幅狭部を備えていることが好ましい。この構成の三次元繊維構造体は、円筒状のブレイディング材を曲げ加工する際に、基準板部の面積を減らした分を利用して高さ減少部が形成されている。そのため、高さ減少部を形成しない場合に比べて重量は重くならない。

前記挟持部は、端部側においてその間隔が前記端部側に向かって次第に広くなる間隔拡大部を備えていることが好ましい。この構成の三次元繊維構造体を強化材としたパイ型の繊維強化複合材をスティフナーとして使用すれば、スキンが連結部材を介して他の部材と連結され、かつ連結部材から往復方向に作用する力を受けて使用される場合に、効率良くスキンからの力を受けることができる。

前記挟持部は、その端面が前記基準板部に対して直角に形成されていることが好ましい。この構成によれば、三次元繊維構造体を強化材としたパイ型の繊維強化複合材を補強材（スティフナー）として使用する場合、被補強材としてのスキンが矩形状の場合、挟持部の端部がスキンの長手方向の端部と対応する状態で効率良くスキンからの力を受けることができる。

上記課題を解決する補強材は、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の三次元繊維構造体を強化材とした繊維強化複合材からなる。この構成によれば、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の三次元繊維構造体を強化材とした繊維強化複合材と同様の作用効果が得られる。

本発明によれば、スティフナーとして使用する場合、体積及び重量を不必要に大きくせずにスキンからの剥がれを抑制することができる。

第１の実施形態の三次元繊維構造体の概略斜視図。 折り曲げ工程で使用する型材の概略斜視図。 （ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は折り曲げ工程の概略斜視図。 先端部の切り揃え位置を示す概略斜視図。 補強材のスティフナーとしての使用状態を示す概略斜視図。 第２実施形態の補強材の使用状態を示す概略斜視図。 三次元繊維構造体の先端側の平面図。 （ａ）は別の実施形態の三次元繊維構造体の概略斜視図、（ｂ）はその三次元繊維構造体の端部側の繊維の配列状態を示す模式側面図。 従来技術のスティフナーとスキンの概略斜視図。

（第１の実施形態）
以下、本発明を具体化した第１の実施形態を図１〜図５にしたがって説明する。
図１に示すように、三次元繊維構造体１０は、筒状ブレイディング材１３（図３（ａ）に図示）を折り曲げて形成されており、基準板部１１と、基準板部１１から突出する一つの挟持部１２とを有する。筒状ブレイディング材１３として３軸構成の三次元ブレイディングからなる断面が円形の筒状ブレイディング材１３が使用されている。

挟持部１２は、基準板部１１の長手方向に延び、かつ高さ（基準板部１１からの突出量）が端部から徐々に減少する高さ減少部１２ａと、高さ減少部１２ａより中間部側において高さが長手方向に一定の高さ一定部１２ｂを備える。挟持部１２は一対の突出壁の間隔が長手方向に一定に形成されている。図１では三次元繊維構造体１０を部分的に図示しているため、一端側の高さ減少部１２ａが図示されているが、高さ減少部１２ａは三次元繊維構造体１０の他端側にも存在する。即ち、挟持部１２の三次元繊維構造体１０の長手方向における単位長さ当たりの接着面積は、高さ減少部１２ａが存在する端部側が中間部より大きい。

基準板部１１は、その幅が挟持部１２の高さ減少部１２ａと対応する箇所では端部まで徐々に幅が狭くなるように形成された幅狭部１１ａを有し、高さ一定部１２ｂと対応する箇所では幅が一定に形成されている。

次に前記のように構成された三次元繊維構造体１０の製造方法を説明する。
三次元繊維構造体１０の製造方法は、筒状ブレイディング材１３を形成するブレイディング工程と、得られた筒状ブレイディング材１３を折り曲げて三次元繊維構造体１０を形成する折り曲げ工程とを備えている。

ブレイディング工程では、公知の三次元ブレイディング装置を使用し、マンドレル上に繊維束がブレイディングされて筒状ブレイディング材１３が形成される。繊維束としては、例えば、炭素繊維が使用される。

折り曲げ工程では、図２に示すように、断面Ｌ字形で両端部にその幅が徐々に狭くなる幅狭部２１ａを有する型材２１と、型材２１と対称に形成された型材２２と、平板状で両端部に高さが端部まで徐々に高くなる高さ変化部２３ａを有する型材２３とを使用して筒状ブレイディング材１３の折り曲げ賦形を行う。型材２１の幅狭部２１ａは、基準板部１１の幅狭部１１ａと対応する形状に形成されている。型材２３は、挟持部１２における一対の突出壁の間隔に対応する厚さを有し、高さ変化部２３ａは挟持部１２の高さ減少部１２ａと対応する形状に形成されている。

折り曲げ方法は、図３（ａ）に示す断面が円形の筒状ブレイディング材１３に対して、先ず、型材２３を真ん中にしてその両側に型材２１，２２を配置した状態で、図３（ｂ）に示すように、先ず、筒状ブレイディング材１３を一般的なパイ型に折り曲げる。なお、図が煩雑になるため、型材２３のみ二点鎖線で図示し、型材２１，２２の図示を省略している。

次に、図３（ｂ）に破線で示す折り曲げラインＬに沿って基準板部１１の端部の片側を折り曲げながら挟持部１２の端部を高くしていく要領でローラ等により賦形しながら、図３（ｃ）に示すように、基準板部１１の端部の片側に幅狭部１１ａを形成するとともに、挟持部１２の一方の端部に高さ減少部１２ａを有する形状に仕上げる。次に基準板部１１及び挟持部１２の他方の端部についても同様に折り曲げ賦形することにより、図３（ｄ）に示すように、挟持部１２の端部に高さ減少部１２ａを形成する。なお、賦形の際には、端部の解れを防止するため、熱可塑性樹脂のパウダーを塗布加熱して付着させた状態で行うことが好ましい。

このように折り曲げ賦形を行った状態では、挟持部１２の端面１２ｃは基準板部１１と直角ではなく斜めになっている。挟持部１２の端面１２ｃを基準板部１１と直角にするため、図４に示すように、基準板部１１及び挟持部１２の端部を切断線１４において切断して、最終的に挟持部１２の端面１２ｃが基準板部１１と直角になった三次元繊維構造体１０が形成される。切断前の状態では、基準板部１１の幅狭部１１ａの先端は、鋭角となっていたが、切断後は切断端面が形成されている。

三次元繊維構造体１０は、繊維強化複合材の強化材として使用され、樹脂が含浸硬化されてパイ型の補強材となる。図５に示すように、パイ型の補強材３０は、スキン３１の両側に接着されてスティフナーとして使用される。補強材３０は、挟持部１２においてスキン３１を挟持した状態で接着剤を介して接着されている。

補強材３０は、スキン３１に接着された状態において、スキン３１から図５に矢印Ｆで示す往復方向に作用する力Ｆを受ける。その際、補強材３０は端部においてスキン３１から剥がれやすい。この端部からの接着剥がれを抑制するためには、挟持部１２の端部におけるスキン３１との接着面積を大きくするために挟持部１２の高さを大きくする必要がある。しかし、単純に挟持部１２の高さを大きくするだけでは、補強材３０の体積及び重量が増加してしまう。本実施形態における挟持部１２は端部に高さ減少部１２ａを備えているため、挟持部１２が長手方向に一定の高さの場合に比べて不必要な補強材３０の体積及び重量の増加が抑制される。高さ減少部１２ａは、単純に挟持部１２の高さを増加させたのではなく、円筒状のブレイディング材を曲げ加工する際に、基準板部１１の端部の面積を減らした分を利用して形成されている。即ち、基準板部１１は、高さ減少部１２ａと高さ一定部１２ｂとの高さの差に応じて幅が狭くなるように形成された幅狭部１１ａを備えている。そのため、高さ減少部１２ａを形成しない場合に比べて重量は重くならない。

また、筒状ブレイディング材１３は３軸構成のため、ブレイディング材を単純に折り曲げて、挟持部１２の高さが一定のパイ型の三次元繊維構造体１０を形成した場合、基準板部１１を構成する軸方向糸１５（図３（ａ）参照）は、基準板部１１から挟持部１２に跨るように延びることはない。しかし、三次元繊維構造体１０は、挟持部１２の高さ減少部１２ａを形成するため、高さ減少部１２ａが存在しない場合とは異なり、基準板部１１を構成する軸方向糸１５の一部が図１に破線で示すように、基準板部１１から挟持部１２に跨るように延びる状態となる。そのため、スキン３１からの力が効率良く補強材３０に伝達される。

この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）三次元繊維構造体１０は、筒状ブレイディング材１３を折り曲げて、基準板部１１と、基準板部１１から突出する挟持部１２とが形成された三次元繊維構造体であって、挟持部１２は、基準板部１１の長手方向に延び、かつ高さが端部から徐々に減少する高さ減少部１２ａと、高さ減少部１２ａよりも中間部側において高さが一定となる高さ一定部１２ｂを備える。三次元繊維構造体１０は、筒状のブレイディング材を単純に折り曲げて形成された三次元繊維構造体と異なり、一つの挟持部１２の三次元繊維構造体１０の長手方向における単位長さ当たりの面積は、高さ減少部１２ａが存在する端部側が中間部より大きい。したがって、この三次元繊維構造体１０を強化材としたパイ型の繊維強化複合材を補強材（スティフナー）３０として使用すれば、体積や重量を必要以上に大きくせずにスキン３１からの剥がれを抑制することができる。

（２）挟持部１２は、その端面１２ｃが基準板部１１に対して直角に形成されている。この構成によれば、三次元繊維構造体１０を強化材としたパイ型の繊維強化複合材を補強材（スティフナー）３０として使用する場合、被補強材としてのスキン３１が矩形状の場合、挟持部１２の両端部がスキン３１の長手方向の両端部と対応する状態で効率良くスキン３１からの力を受けることができる。

（３）筒状ブレイディング材１３は３軸構成であり、これから形成された三次元繊維構造体１０は、基準板部１１を構成する軸方向糸１５の一部が基準板部１１から挟持部１２に跨るように延びる状態となる。そのため、スキン３１からの力がより効率良く補強材３０に伝達される。

（４）高さ減少部１２ａは、高さ一定部１２ｂから段差を有すことなく連続する状態で形成されている。したがって、補強材３０の高さ減少部１２ａと高さ一定部１２ｂとの境界部における応力集中が抑制される。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態を図６及び図７にしたがって説明する。図６に示すように、この実施形態の補強材３０は、スキン３１が連結部材３３を介して他の部材３４と連結され、かつ連結部材３３から往復方向に作用する力Ｆを受けて使用される場合に適した構成となっている。

詳述すると、図７に示すように、補強材３０を構成する繊維強化複合材の強化材となる三次元繊維構造体１０は、挟持部１２の間隔が一定ではなく、スキン５１に接着される部分の間隔は一定であるが、連結部材３３と接着される部分の間隔は、連結部材３３の厚さの変化に対応して徐々に広がるように形成されている。そして、補強材３０は、端部が連結部材３３の中間部と対応する状態で連結部材３３に接合されるため、挟持部１２の端面を基準板部１１と垂直にする必要がない。そのため、筒状ブレイディング材１３を折り曲げ加工して三次元繊維構造体１０を形成した後、三次元繊維構造体１０の端部を切断する後加工は行わない。そのため、基準板部１１は、その端部の幅が挟持部１２の対向する面と反対側の面との間隔（外側の面同士の間隔）に等しく、かつ高さ減少部１２ａと対応する箇所では徐々に幅が広くなるように形成されている。即ち、基準板部１１の幅狭部１１ａは先端が鋭角に形成されている。そして、補強材３０は、挟持部１２の間隔拡大部１２ｄが連結部材３３に接着され、挟持部１２の間隔一定部１２ｅがスキン３１に接着された状態で使用される。なお、連結部材３３は、例えば、連結部材３３に形成されている孔に挿通されるボルトを介して他の部材３４と連結される。

なお、スキン３１の一端のみが連結部材３３を介して他の部材３４と連結され、かつ連結部材３３から往復方向に作用する力Ｆを受け、他端は他の部材３４と連結されない場合は、補強材３０を構成する三次元繊維構造体１０は、第１の実施形態と同様に挟持部１２の他端には間隔拡大部１２ｄを有さない。

この実施形態においては、第１の実施形態に記載の（１），（３），（４）の効果に加えて以下の効果を得ることができる。
（５）挟持部１２の連結部材３３に接着された側の端部には、第１の実施形態においてスキン３１に接着された場合よりも大きな力が加わる。しかし、第１の実施形態の場合と異なり、補強材３０は、挟持部１２の端面を基準板部１１と垂直にする必要がないため、筒状ブレイディング材１３を折り曲げ加工して三次元繊維構造体１０を形成した後、三次元繊維構造体１０の端部を切断する必要がない。そのため、同じ大きさの筒状ブレイディング材１３から補強材３０を形成した場合、連結部材３３と接着される部分の面積が大きくなり、効率良く力が伝達される。

（６）基準板部１１は、その端部の幅が挟持部１２の対向する面と反対側の面との間隔（挟持部１２の外側の面同士の間隔）に等しく、かつ高さ減少部１２ａと対応する箇所では徐々に幅が広くなるように形成されている。即ち、基準板部１１の幅狭部１１ａは先端が鋭角に形成されているため、幅狭部１１ａの先端と、挟持部１２との連続部における応力集中が起こり難い。また、幅狭部１１ａの先端に切断端面が形成されないため、強度に優れる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 図８（ａ）に示すように、三次元繊維構造体１０は、筒状ブレイディング材１３の折り曲げ加工の後に端部の切断を行わずに、挟持部１２の端面１２ｃが基準板部１１と直角になるように形成してもよい。この三次元繊維構造体１０では、３軸構成の三次元ブレイディングの軸方向糸１５は、折り曲げ工程において、端部側が軸方向糸１５と交差する糸１６に対して軸方向に相対移動することにより、図８（ｂ）に示すように、挟持部１２の端面１２ｃまで到達せず、端面１２ｃが基準板部１１と直角状態になる。例えば、基準板部１１の端部を折り曲げる際、端部をほぐしながら折り曲げることにより、軸方向糸１５が軸方向糸１５と交差する糸１６に対して軸方向に相対移動する。なお、図８（ｂ）に示す二点鎖線の円弧は、軸方向糸１５の先端の位置を示す。基準板部１１は、その端部の幅が挟持部１２の対向する面と反対側の面との間隔（挟持部１２の外側の面同士の間隔）に等しく、かつ高さ減少部１２ａと対応する箇所では徐々に幅が広くなるように形成されている。

この構成の三次元繊維構造体１０は、筒状ブレイディング材１３を折り曲げて形成した後、端部の切断などの後処理を行うことなく、繊維強化複合材の強化材として効率良く使用することができる。また、挟持部１２は、その端面１２ｃが基準板部１１に対して直角に形成されているため、パイ型の繊維強化複合材の補強材（スティフナー）３０の強化材として使用する場合、被補強材としてのスキン３１が矩形状の場合、挟持部１２の両端部がスキン３１の長手方向の両端部と対応する状態で効率良くスキン３１からの力を受けることができる。

○ 三次元繊維構造体１０は、３軸構成の三次元ブレイディングからなる筒状ブレイディング材に限らず、軸方向糸１５の存在しない２軸構成のブレイディング材から製造してもよい。２軸構成のブレイディング材から製造する場合は、第１の実施形態のように筒状ブレイディング材１３の挟持部１２の端面１２ｃが基準板部１１に対して傾いた状態のものに限らず、図８に示すように挟持部１２の端面１２ｃが基準板部１１に対して直角となるものも折り曲げ形成することができる。

○ 三次元繊維構造体１０は、高さ減少部１２ａを備える挟持部１２が少なくとも一つあればよく、複数あってもよい。
○ 筒状ブレイディング材は、断面が円形に限らず、例えば、楕円形や多角形であってもよい。

○ 筒状ブレイディング材は、断面積が一定に限らず、多少テーパ状であってもよい。
○ 補強材３０は、スキン３１の幅方向端部と接合されるスティフナーに限らず、スキン３１の上下面に接合されるスティフナーに使用されてもよい。

○ 三次元繊維構造体１０を構成する繊維束は、炭素繊維に限らず、炭化ケイ素繊維（ＳｉＣ繊維）、アルミナ繊維等のセラミック繊維、ガラス繊維等の無機繊維や、アラミド繊維、ＰＢＯ繊維（ポリパラフェニレン・ベンゾビス・オキサゾール繊維）、超高分子量ポリエチレン繊維等の高強度高弾性の有機繊維を使用してもよい。

以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の発明において、前記筒状ブレイディング材は３軸構成の三次元ブレイディング材である。

１０…三次元繊維構造体、１１…基準板部、１１ａ…幅狭部、１２…挟持部、１２ａ…高さ減少部、１２ｂ…高さ一定部、１２ｃ…端面、１２ｄ…間隔拡大部、１３…筒状ブレイディング材、３０…補強材。

Claims (5)

1. 筒状ブレイディング材を折り曲げて、基準板部と、前記基準板部から突出する挟持部とが形成された三次元繊維構造体であって、
   前記挟持部は、前記基準板部の長手方向に延び、かつ高さが端部から徐々に減少する高さ減少部と、前記高さ減少部よりも中間部側において高さが一定となる高さ一定部を備えることを特徴とする三次元繊維構造体。
2. 前記基準板部は、前記高さ減少部と前記高さ一定部との高さの差に応じて幅が狭くなるように形成された幅狭部を備えている請求項１に記載の三次元繊維構造体。
3. 前記挟持部は、端部側においてその間隔が前記端部側に向かって次第に広くなる間隔拡大部を備えている請求項１又は請求項２に記載の三次元繊維構造体。
4. 前記挟持部は、その端面が前記基準板部に対して直角に形成されている請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の三次元繊維構造体。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の三次元繊維構造体を強化材とした繊維強化複合材からなることを特徴とする補強材。