JP6585212B2 - 一致した導電率を有するボンドラインを有する複合構造 - Google Patents

Description

本開示は、概して、複合構造を接着するための技術に関し、かつより具体的には、ボンドラインにおける落雷の効果を軽減するための方法を取り扱う。

例えば、非限定的に、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）などの、繊維強化複合構造は、構造用接着剤を使用してボンドラインに沿って一緒に接着され得る。ボンドラインは、スクリムの１以上の層を接着剤の中へ導入することによって、増強されかつ強化され得る。

航空機の用途において、胴体の外板などの複合構造の領域は、時々、複合材の修復パッチを構造体に接着することによって、修理され又は再加工される。修復パッチ上への落雷の効果を低減させるために、電流の流れを消散させるために、修復パッチと、修復パッチが接着される構造体との間に連続的な電気路を提供することが必要である。

複合材の修復パッチと、修復パッチが接着される複合構造との間に電気的な連続性を提供するために、導電性スクリムがボンドラインに置かれ得る。しかしながら、ボンドラインの部分が周囲環境に晒される場合に、問題が生じる。落雷は、ボンドラインにわたる望ましくない電位を発生させ得る。ボンドラインにわたる望ましくない電位の効果を避けるために、ボンドラインの露出領域は、電気的絶縁封止剤で覆われる。封止剤は効果的であるが、それらは、航空機の重量を増加させ、かつ製造コストの増加に加えて、時間をいたずらに消費しかつ大きな労働力を必要とする。

したがって、落雷の効果を軽減し、かつ露出されたボンドラインにわたって生じる付随する電位を低減させる、ボンドラインに沿って複合構造を接続する方法に対する必要性が存在する。構造体の間のボンドラインの露出された部分を覆う封止剤に対する必要性を取り除く、複合構造を一緒に接着する方法に対する必要性がまた存在する。

開示される方法は、ボンドラインが接続する構造体に一致する導電率を有するボンドラインに沿って接続して一緒にされる複合構造を提供する。構造体のそれと一致する導電率を有するボンドラインの使用は、ボンドラインの露出された部分にわたる電位を低減させる。ボンドラインの露出された部分を覆う封止剤の使用は、低減され又は消去され得、それによって、航空機の重量及び製造コストを低減させる。

１つの開示される実施形態にしたがって、第１及び第２の繊維強化プラスチック樹脂積層板であって、各々がインピーダンスを有する、プラスチック樹脂積層板、並びに第１及び第２の積層板を接続して一緒にする構造ボンドラインを備える、複合積層構造が提供される。ボンドラインは、第１及び第２の積層板のインピーダンスと実質的に一致するインピーダンスを有する。第１及び第２の繊維強化プラスチック樹脂積層板のうちの各々における繊維強化材は、炭素繊維であって、かつボンドラインは、第１及び第２の積層板のインピーダンスと実質的に一致するインピーダンスを有する、接着剤に含浸されたスクリムを含む。ボンドラインの少なくとも一部分は、周囲環境に晒される。第１及び第２の積層板及びボンドラインは、Ｔ形状の接合部を形成し得る。第１及び第２の積層板は、オープンな内部空間を有する燃料タンクの部分を形成し得、かつここで、ボンドラインの一部分は、燃料タンクのオープンな内部空間に晒される。ボンドラインは、第１及び第２の積層板のＡＣ（交流）導電率と実質的に一致するＡＣ導電率を有する、接着剤に含浸されたスクリムを含む。

別の実施形態に従って、第１のインピーダンスを有する第１の炭素繊維強化プラスチック積層板、及び第１のインピーダンスと実質的に一致する第２のインピーダンスを有する第２の炭素繊維強化プラスチック積層板を備える、複合積層構造が提供される。積層構造は更に、第１及び第２の積層板の間のボンドラインを含む。接着剤は、第１及び第２のインピーダンスと実質的に一致する第３のインピーダンスを有する、接着剤及びスクリムを含む。第１及び第２の積層板は、燃料を蓄えるために適合された、オープンな内部空間を有する燃料タンクの部分を形成し得、かつここで、接着ボンドラインの一部分は、燃料タンクのオープンな内部空間に晒される。第１及び第２の積層板及び接着ボンドラインは、Ｔ形状の接合部を形成し得る。第１、第２、及び第３のインピーダンスのうちの各々は、抵抗成分及びリアクタンス成分を含む。抵抗成分は実質的に等しく、かつリアクタンス成分は実質的に等しい。スクリムは、炭素繊維から形成され得る。第１及び第２の積層板及びボンドラインは、実質的に同じＡＣ導電率を有する。

更に別の実施形態にしたがって、複合航空機の燃料タンクには避雷手段が提供される。避雷手段は、少なくとも第１の炭素繊維強化プラスチック積層壁、少なくとも第２の炭素繊維強化プラスチック積層壁、及び第１及び第２の積層壁を接続する接着ボンドラインを備え、接着ボンドラインは、第１及び第２の積層壁のうちの各々のインピーダンスと実質的に一致するインピーダンスを有する導電性スクリムを含む。接着ボンドラインの少なくとも一部分は、燃料タンク内部の燃料蒸気に晒されるように適合される。

更に別の実施形態にしたがって、２つの硬化された炭素繊維強化プラスチック積層板の間の接着接合部に対して避雷手段を提供する方法は、２つの炭素繊維強化プラスチック積層板のうちの各々のインピーダンスと実質的に一致するインピーダンスを有するスクリムを接着接合部の中に設置することを含む。スクリムを設置することは、スクリムを接着剤に含浸することを含む。接着剤は、フィムル接着剤及びペースト接着剤のうちの１つであり得る。スクリムは、炭素繊維から形成され得る。積層板及びスクリムは、実質的に同じ導電率を有する。接着接合部の中にスクリムを設置することは、２つの積層板をＴ形状の構成にアセンブリングすること、及び２つの積層板のうちの一方のエッジと、２つの積層板のうちの他方の面との間にスクリムを置くことを含む。

更なる実施形態にしたがって、２つの炭素繊維強化プラスチック積層板の間の露出されたボンドラインにわたる電位を低減させる方法が提供される。方法は、２つの積層板のうちの各々の導電率を決定すること、２つの積層板のうちの各々の決定された導電率と実質的に一致する導電率を有するスクリムを選択すること、２つの積層板の間にスクリム及び接着剤を設置すること、及び接着剤を硬化させることを含む。

また更なる実施形態にしたがって、落雷に対して防御された露出された接着部を有する複合構造を製作する方法が提供される。方法は、第１及び第２の炭素繊維強化プラスチックプリプレグ積層板をレイアップすること、第１及び第２のプリプレグ積層板を硬化させること、並びに第１及び第２の硬化された積層板を接着接合部に接続することを含む。第１及び第２の硬化された積層板を接着接合部に接続することは、第１及び第２の積層板のうちの各々のインピーダンスと実質的に一致するインピーダンスを有するスクリムを選択すること、スクリムを接着剤に含浸すること、ボンドラインを形成するために第１及び第２の積層板の間に含浸されたスクリムを設置すること、及び接着剤を硬化させることを含む。

例示的な実施形態の特徴と考えられる新規な特性は、添付の特許請求の範囲において説明される。しかしながら、例示的な実施形態と、好ましい使用モード、更にはその目的と特徴は、添付図面を参照しながら本開示の例示的な実施形態の以下の詳細な説明を読むことによって最もよく理解されるであろう。

開示される実施形態による、導電性スクリムを採用するボンドラインを有する接着された複合構造の斜視図である。 図１の中において図２と指定されている領域の端面図である。 開示されるスクリムを採用する重ね継ぎによって接続して一緒にされる２つの積層構造の断面図である。 ボンドラインを形成するために使用される接着剤の２つの層に沿ったスクリムの斜視図である。 典型的な落雷からもたらされる電流を示すグラフである。 インピーダンスの回路図である。 タンクの内装を明らかにするために、部分が取り払われた、航空機の燃料タンクの斜視図である。 ボンドラインに沿った２つの複合プリプレグを同時に硬化させる方法の流れ図である。 開示されるスクリムを採用する接着された予め硬化された構造体を製作する方法の流れ図である。 例示的な航空機の生産および保守方法を示す流れ図である。 航空機の例示的なブロック図である。

先ず図１及び図２を参照すると、複合構造２０は、第１及び第２の複合プリプレグ２４、２６を備え、それらは、ＣＦＲＰなどのプリプレグプライをレイアップすることによって形成され得る。この実施例において、第１及び第２のプリプレグ２４、２６は、第１のプリプレグ２４の面２９と、第２のプリプレグ２６のエッジ２７との間のボンドライン２２に沿って接続して一緒にされ、効果的に突き合わせ継手３１を形成する。ボンドライン２２は、ボンドライン２２の端部において露出された部分２８、３０を含み、それらは、取り囲む周囲環境に晒される。以下において議論されるように、ボンドライン２２は、第１及び第２のプリプレグ２４、２６のうちの各々の導電率σ２及びインピーダンスＺ２と実質的に一致する、導電率σ１及びインピーダンスＺ１を有する。導電率σ１、σ２及びインピーダンスＺ１、Ｚ２のこの一致は、ボンドライン２２の露出された部分２８、３０に沿ったプリプレグ２４、２６の間における、望ましくない電位又は帯電「Ｖ」（図２参照）のビルドアップを低減させ又は消去する。

開示されるボンドライン２２は、２つの積層構造の間に他のタイプの接着された接合部を形成するために採用され得る。例えば、図３を参照すると、開示されるボンドライン２２は、第１及び第２の複合プリプレグ２４、２６の間に重ね継ぎ３５を形成するために採用され得る。この実施例において、ボンドライン２２はまた、ボンドライン２２の導電率σ１及びインピーダンスＺ１が第１及び第２のプリプレグ２４、２６の導電率σ２及びインピーダンスＺ２と一致する結果として、密封される必要がない露出された部分２８、３０を有する。

今度は図４に注目すると、図４はボンドライン２２を形成するために使用される構成要素を示している。スクリム３２は、適切な構造用接着剤の２つの層３４、３６の間でサンドウィッチされる。スクリム３２は、例えば、非限定的に、導電性繊維の交差するストランドを備える、メッシュ、編んだマット、又はランダム繊維マットなどの、任意の数多くの構成のうちの１つであり得る。導電性繊維は、第１及び第２のプリプレグ２４、２６のＡＣ導電率σ２及びインピーダンスＺ２とそれぞれ一致する、ＡＣ導電率σ１及びインピーダンスＺ１を有する。繊維は、単一の材料を備え得、又はプリプレグ２４、２６のＡＣ導電率σ２及びインピーダンスＺ２と一致する必要とされるＡＣ導電率σ１及びインピーダンスＺ１を集合的に有する、複数のタイプの材料の繊維を備え得る。ＣＦＲＰを備える第１及び第２のプリプレグ２４、２６の場合において、その後、スクリム３２の繊維はまた、第１及び第２のプリプレグ２４、２６の中に炭素繊維強化材を形成するものと、類似するか又は同一な炭素繊維から形成され得る。スクリム３２の単一の層だけが図４の中において示される一方で、スクリム３２の複数の層が、単一のボンドライン２２の中において採用され得る。

接着層３４、３６のうちの各々は、プリプレグ２４、２６のＣＦＲＰプライに接着する、接着樹脂フィルム又は接着樹脂ペーストを備え得る。スクリム３２は、スクリム３２を接着層３４、３６の中へ圧し込むことなどによって、接着層３４、３６のうちの各々の中へ埋め込まれ、かつ各々に対して接着する。接着剤をスクリム３２に統合するための他の技術は、スクリム３２を接着剤に含浸することを含んで、可能である。スクリム３２は、ボンドライン２２を通して連続的な導電性を提供するように構成され、かつまた、バインディングマトリックスとして働き得る。

上述されたように、スクリム３２は、ボンドライン２２によって接続される、複合プリプレグのうちの各々の導電率σ２及びインピーダンスＺ２と実質的に一致する、ＡＣ導電率σ１及びインピーダンスＺ１を有する。導電率σは、電流を伝導する材料の能力の程度である。電流がプリプレグ２４、２６を通って、かつボンドライン２２を通って流れる原因となる落雷の場合において、電流の流れは、典型的には一定でなく、しかし交流（ＡＣ）に類似して変動する。例えば、図５は、典型的な落雷によって生み出される、時間３９にわたる電流の流れ３７を示すグラフである。最初の時間区間「Ａ」の間に、電流の流れは、最初の落雷のアタッチメント４１において鋭いスパイクを伴って開始され、その後、時間区間「Ｂ」の間にゆっくりと衰退し、時間区間「Ｃ」の間でほぼ一定になり得、かつその後、時間区間「Ｄ」の間に速く増加し、４７におけるデタッチメントの直前に別の鋭いスパイク４５を形成する。したがって、プリプレグ２４、２６、及びスクリム３２の各々は、それぞれのＡＣ導電率σ１、σ２、及びそれぞれのインピーダンスＺ１、Ｚ２（図２及び図３参照）を有する。

図６は、インピーダンスＺ１、Ｚ２のうちの各々の構成要素を表現する回路図である。インピーダンスＺは、抵抗成分ＲＸ及びリアクタンス成分Ｘの和であり、それ故、Ｚ＝ＲＸ＋Ｘである。リアクタンス成分Ｘ又は「リアクタンス」は、インダクタンスＬ及びキャパシタンスＣを含み、かつ回路で見られるように、落雷によってもたらされる電流の帯電又は電圧に対するスクリム３２のオポジションを表現する。スクリム３２のＡＣ導電率σ１及びインピーダンスＺ１、及びそれ故、ボンドライン２２のＡＣ導電率σ１及びインピーダンスＺ１は、それぞれ、第１及び第２のプリプレグ２４、２６のものと一致し、プリプレグ２４、２６を通る電流の流れは、ボンドライン２２の中の不連続を「見る」よりもむしろ、ボンドライン２２を滑らかに通過し、その不連続は、露出された部分２８、３０の領域の中のボンドライン２２をわたる望ましくない電位又は帯電「Ｖ」（図２参照）のビルドアップをもたらし得る。

「一致した」導電率σ１及び「一致した」インピーダンスＺ１を有する上述されたボンドライン２２は、落雷のための電流の流れの効果を軽減するために、広く様々な複合積層構造の中で使用され得る。例えば、開示されるボンドライン２２は、図７の中において示される複合航空機の燃料タンク４２の中において採用され得る。燃料タンク４２は、内部の容積５５を形成する、複合積層板の上端４４、下端４６、及び側部４８、５０を含む。燃料タンク４２は更に、バッフル壁５４のみならず内部のリブ５２を含み得、それらの各々は、図４の中において示されるスクリム３２を使用する、図１及び図２の中において示されるものと類似するＴ形状の接合部及びボンドライン２２によって、それぞれ、上端及び下端壁４４、４６に対するその上端及び下端エッジに沿って接着される。開示されたボンドライン２２はまた、ＣＦＲＰ積層板などの、基本的な複合構造に対して（図示せぬ）修復パッチを接着するために使用され得る。

今度は図８に注目すると、図８は、落雷の効果に晒される２つのプリプレグ２４、２６の間のボンドライン２２の露出された部分２８、３０の領域の中のボンドライン２２にわたる電位又は帯電のビルドアップを低減させる方法の全体のステップを示している。ステップ５６において、２つのプリプレグ２４、２６のうちの各々の導電率σ２が、決定される。次に５８において、２つのプリプレグ２４、２６のうちの各々の導電率σ２に実質的に一致する導電率σ１を有する、ボンドライン２２において使用されるスクリムが選択される。ステップ６０において、接着剤に沿ったスクリム３２がまた、プリプレグ２４、２６の間に設置され、それに引き続いて、ステップ６２において、プリプレグ２４、２６及び接着剤が同時に硬化される。

図９は、避雷手段が提供されるボンドライン２２を有するＣＦＲＰ積層構造２０を製作する方法のステップを広く示している。ステップ６４において、第１及び第２のＣＦＲＰプリプレグ２４、２６がレイアップされ、かつ必要とされるような形状へと形成される。ステップ６６において、第１及び第２のＣＦＲＰプリプレグ２４、２６のうちの各々は、積層板を形成するために硬化される。ステップ６８において、第１及び第２のプリプレグ積層板２４、２６のインピーダンスＺ２に実質的に一致するインピーダンスＺ１を有するスクリム３２が選択される。７０において、スクリム３２が含浸され、又はさもなければ、適切な接着剤の中へ統合される。ステップ７２において、含浸されたスクリムは、露出された部分２８、３０を含み得るボンドライン２２を形成するために、第１及び第２のプリプレグ積層板２４、２６の表面の間に設置される。最後に、７４において、接着剤が硬化される。

本開示の実施形態は、例えば、航空宇宙、船舶、及び自動車の用途、並びに複合部品のオートクレーブ硬化が使用され得る他の用途を含む、特に輸送産業の分野において、様々な潜在的用途において使用される可能性がある。それ故、今度は図１０及び図１１を参照すると、本開示の実施形態は、図１０において示される航空機の製造及び保守方法７６、及び図１１において示される航空機７８の文脈の中で使用され得る。開示された実施形態の航空機の用途は、例えば、非限定的に、航空機への落雷の効果に対する防御を必要とする接着接続を必要とする複合積層アセンブリ及びサブアセンブリの製作を含み得る。製造前の段階では、例示的な方法７６は、航空機７８の仕様及び設計８０と、材料の調達８２とを含むことができる。製造段階では、航空機７８の構成要素及びサブアセンブリの製造８４とシステムインテグレーション８６とが行われる。その後、航空機７８は認可及び納品８８を経て運航９０される。顧客により運航される間に、航空機７８は、改造、再構成、改修なども含み得る定期的な整備及び保守９２に対してスケジューリングされる。

方法７６の工程の各々は、システムインテグレーター、第三者、及び／又はオペレーター（例えば顧客）によって実行され得る。本明細書の目的のために、システムインテグレーターは、限定しないが、任意の数の航空機製造者、及び主要システムの下請業者を含んでもよく、第三者は、限定しないが、任意の数のベンダー、下請業者、及び供給業者を含んでもよく、オペレーターは、航空会社、リース会社、軍事団体、サービス機関などであってもよい。

図１１に示されるように、例示的な方法７６によって生産された航空機７８は、複数のシステム９６及び内装９８を有する機体９４を含む。高レベルのシステム９６の例には、推進システム１００、電気システム１０２、油圧システム１０４、及び環境システム１０６のうちの１以上が含まれる。任意の数の他のシステムが含まれてもよい。航空宇宙産業の例を示したが、本開示の原理は、船舶及び自動車産業などの他の産業にも適用し得る。

本明細書に具現化されたシステムと方法は、生産及び保守方法７６の任意の１以上の段階で採用されることができる。例えば、生産工程８４に対応する構成要素又はサブアセンブリは、航空機９６の運航中に生産される構成要素又はサブアセンブリに類似の方法で製作又は製造され得る。また、１以上の装置の実施形態、方法の実施形態、又はそれらの組み合わせは、例えば、航空機の組立てを実質的に効率化するか、又は航空機７８のコストを削減することにより、製造段階８４及び８６において利用されることができる。同様に、１以上の装置の実施形態、方法の実施形態、又はそれらの組み合わせを、航空機８４の運航中に、例えば整備及び保守９２だがそれだけに限定されない用途に、利用することができる。

種々の例示的な実施形態の説明が、例示及び説明の目的で提示されてきており、かつそれは開示された形の中の実施形態に対して包括的又は限定的であることを意図していない。当業者にとって、多くの修正及び変形が自明のものであろう。更に、種々の例示的な実施形態は、他の例示的な実施形態と比較して異なる利点を提供することができる。実施形態又は選択された複数の実施形態は、実施形態の原理、実際の用途を最もよく説明するため、及び他の当業者に対し、様々な実施形態の開示内容と、考慮される特定の用途に適した様々な修正との理解を促すために選ばれ、かつ記述されている。

Claims (11)

1. 第１のインピーダンスを有する、第１の炭素繊維強化プラスチック積層板と、
   前記第１のインピーダンスと実質的に一致する第２のインピーダンスを有する、第２の炭素繊維強化プラスチック積層板と、
   前記第１及び第２の積層板の間の接着ボンドラインであって、前記第１及び第２のインピーダンスと実質的に一致する第３のインピーダンスを有する接着剤及びスクリムを含む、接着ボンドラインとを備える、複合積層構造。
2. 前記第１及び第２の積層板は、燃料を蓄えるために適合された、オープンな内部空間を有する燃料タンクの部分を形成し、
   前記接着ボンドラインの一部分は、前記燃料タンクの前記オープンな内部空間に晒される、請求項１に記載の複合積層構造。
3. 前記第１及び第２の積層板、並びに前記接着ボンドラインは、Ｔ形状の接合部を形成する、請求項１又は２に記載の複合積層構造。
4. 前記第１、第２、及び第３のインピーダンスのうちの各々は、抵抗成分及びリアクタンス成分を含み、
   各前記抵抗成分は実質的に等しく、
   各前記リアクタンス成分は実質的に等しい、請求項１から３のいずれか一項に記載の複合積層構造。
5. 前記スクリムは炭素繊維から形成される、請求項１から４のいずれか一項に記載の複合積層構造。
6. 前記第１及び第２の積層板、並びに前記接着ボンドラインは、実質的に同じＡＣ導電率を有する、請求項１から５のいずれか一項に記載の複合積層構造。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の構造を備える、露出された接着接合部を有する航空機の燃料タンク。
8. 避雷手段を有する複合航空機の燃料タンクであって、
   少なくとも１つの第１の炭素繊維強化プラスチック積層壁と、
   少なくとも１つの第２の炭素繊維強化プラスチック積層壁と、
   前記第１及び第２の積層壁を接続する接着ボンドラインであって、前記第１及び第２の積層壁のうちの各々のインピーダンスと実質的に一致するインピーダンスを有する導電性スクリムを含む、接着ボンドラインとを備える、複合航空機の燃料タンク。
9. 前記接着ボンドラインの少なくとも一部分は、前記燃料タンク内部の燃料蒸気に晒されるように適合される、請求項８に記載の複合航空機の燃料タンク。
10. 落雷に対して防御された、露出された接着部を有する複合構造を製作する方法であって、
    第１及び第２の炭素繊維強化プラスチックプリプレグ積層板を積層することと、
    前記第１及び第２のプリプレグ積層板を硬化させることと、
    前記第１及び第２の硬化された積層板を接着接合部に接続することであって、
    前記第１及び第２の積層板のうちの各々のインピーダンスと実質的に一致するインピーダンスを有するスクリムを選択することと、
    前記スクリムを接着剤に含浸することと、
    ボンドラインを形成するために、前記第１及び第２の積層板の間に、含浸された前記スクリムを設置することと、
    前記接着剤を硬化させることと、を含む接続することとを含む、方法。
11. 請求項１０に記載の方法によって製造される、露出された接着接合部を有する航空機の燃料タンク。
    

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