JP6620020B2

JP6620020B2 - 複合部材

Info

Publication number: JP6620020B2
Application number: JP2016000853A
Authority: JP
Inventors: 中村　陽一; 陽一中村; 朝雄柿沼
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2016-01-06
Filing date: 2016-01-06
Publication date: 2019-12-11
Anticipated expiration: 2036-01-06
Also published as: JP2017121838A

Description

本発明は、複合部材に関する。

近年、航空機の軽量化を図ることを目的として、炭素繊維複合材が広く用いられている。炭素繊維複合材に含まれる炭素は、イオン化傾向が小さいために、炭素繊維複合材と金属部品を接触させるようにして配置すると、金属部品の腐食を助長する。特に、航空機に用いられるマグネシウム合金及びアルミニウム合金は、イオン化傾向が大きいため、これらの合金の腐食（電食）が問題となる。

このような問題を解決するために、アルミニウム合金からなるリブと、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）からなる外板との間に、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）からなる内面層を配置した複合材タンクが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−２３５１３３号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている複合材タンクでは、リブと外板を金属から形成されたファスナ部材を用いて締結している。このため、リブと外板は、ファスナ部材を介して、接触することになり、リブが腐食するという課題があった。

また、リブの腐食を防止するために、ファスナ部材をＣＦＲＰ製外板とイオン化傾向の近いチタン合金等の部材を用いたり、ファスナ部材が挿通する貫通孔に絶縁性のシーラントを塗布したりする等の電食対策を施す必要があり、多大な作業工程を要し、製造コストが高くなるという課題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、金属部材の腐食を抑制し、かつ、作業工程を簡略化することができ、製造コストを低減することができる、複合部材を提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明に係る複合部材は、接合部材によって、金属部材と接合される接合部分を有する複合部材であって、前記複合部材は、炭素繊維複合材と非導電性複合材から構成されており、前記接合部分は、前記非導電性複合材で構成されている。

これにより、金属部材は、非導電性複合材と接触しているので、金属部材の腐食が抑制される。また、接合部材に高額なチタン製合金等のＣＦＲＰ製外板とイオン化傾向の近いい部材を用いなくても、金属部材の腐食を抑制することができるため、製造コストを低減することができる。さらに、金属部材と炭素繊維複合材との接触部分、並びに金属部材、炭素繊維複合材、及び接合部材の接触部分にシーラントを塗布する作業を不要にすることができ、作業工程を簡略化することができ、製造コストを低減することができる。

本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施形態の詳細な説明から明らかにされる。

本発明に係る複合部材によれば、金属部材の腐食を抑制し、かつ、作業工程を簡略化することができ、製造コストを低減することができる。

図１は、本実施の形態１に係る複合部材の概略構成を示す正面図である。図２は、図１に示す複合部材のＡ−Ａ線断面図である。図３は、本実施の形態２に係る複合部材の概略構成を示す断面図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。また、全ての図面において、本発明を説明するために必要となる構成要素を抜粋して図示しており、その他の構成要素については図示を省略している場合がある。さらに、本発明は以下の実施の形態に限定されない。

（実施の形態１）
本実施の形態１に係る複合部材は、接合部材によって、金属部材と接合される接合部分を有する複合部材であって、前記複合部材は、炭素繊維複合材と非導電性複合材から構成されており、前記接合部分は、前記非導電性複合材で構成されている態様を例示するものである。

以下、本実施の形態１に係る複合部材の一例について、詳細に説明する。

［複合部材の構成］
図１は、本実施の形態１に係る複合部材の概略構成を示す正面図である。図２は、図１に示す複合部材のＡ−Ａ線断面図である。なお、図１においては、接合部分をハッチングで示している。

図１及び図２に示すように、本実施の形態１に係る複合部材１００は、板状に形成されていて、接合部材３００により、金属部材２００と接合されている。また、複合部材１００は、金属部材２００と接合される部分である接合部分１０１と、非接合部分１０２と、を有している。なお、本実施の形態１においては、複合部材１００の形状を板状としたがこれに限定されず、棒状等、どのような形状であってもよい。

接合部分１０１は、金属部材２００と接触する部分であり、非導電性複合材で構成されている。非導電性複合材としては、例えば、ガラス繊維強化プラスチック又はアラミド繊維強化プラスチックを用いることができる。

非接合部分１０２は、金属部材２００と接合されない部分、換言すると、金属部材２００と接触しない部分であり、導電性複合材で構成されている。導電性複合材としては、例えば、炭素繊維複合材（炭素繊維強化プラスチック；ＣＦＲＰ）を用いることができる。

接合部分１０１及び非接合部分１０２は、それぞれ、正面視にて矩形状に形成されている。接合部分１０１は、複合部材１００の軽量化を図り、複合部材１００の強度をより向上させる観点から、複合部材１００全体に対して接合部分１０１が占める割合が、非接合部分１０２よりも小さくてもよい。

なお、本実施の形態１においては、接合部分１０１及び非接合部分１０２を矩形状に形成された形態を採用したが、これに限定されない。接合部分１０１及び非接合部分１０２は、非接合部分１０２が金属部材２００と接触しないように、接合部分１０１と非接合部分１０２が形成されていればよく、接合部分１０１及び非接合部分１０２の形状は、特に限定されない。

接合部分１０１及び非接合部分１０２は、その断面形状が、台形状に形成されている。そして、接合部分１０１及び非接合部分１０２は、それぞれ、正面視にて、互いに重なり合う第１部位１０１Ａ、第１部位１０２Ａを有している。

第１部位１０１Ａ及び第１部位１０２Ａは、基端部分から先端部分に向かうにしたがって、その厚みが小さくなるように形成されている。換言すると、第１部位１０１Ａ及び第１部位１０２Ａは、互いに接触する面が、複合部材１００の主面の法線方向に対して垂直な方向（後述する貫通孔１０３の延伸方向）から見て、傾斜するように形成されている。また、第１部位１０２Ａは、金属部材２００との接触を抑制する観点から、傾斜面が複合部材１００の金属部材２００と接触しない側の主面に向かうように形成されている。

また、第１部位１０１Ａ及び第１部位１０２Ａは、任意の位置において、第１部位１０１Ａの厚み方向の長さと第１部位１０２Ａの厚み方向の長さとの和が、接合部分１０１及び非接合部分１０２の厚み方向の長さと同じになるように形成されている。

これにより、複合部材１００の金属部材２００と接触しない側の主面（以下、第１主面）を凹凸のない平面状（面一）に形成することができる。また、第１部位１０１Ａ及び第１部位１０２Ａが傾斜するように形成されていることにより、当該部位にかかる応力を分散することができる。

なお、第１部位１０１Ａ及び第１部位１０２Ａにおける、幅方向（基端部分から先端部分に向かう方向）の長さは、任意ではあるが、その長さは、応力の集中を抑制する観点と複合部材１００の強度を担保する観点から適宜設定される。また、第１部位１０１Ａ又は第１部位１０２Ａの先端部分の傾斜角は、応力の集中を抑制する観点と複合部材１００の強度を担保する観点から、小さくてもよい。

また、複合部材１００は、炭素繊維を含むシート状のプリグレフと非導電性繊維（ガラス繊維又はアラミド繊維）を含むシート状のプリグレフを積層した積層体をオートクレーブで加圧及び加熱することまたは、オーブンにより加熱することで、一体成形される。

接合部分１０１における第１部位１０１Ａ以外の部位の適所には、貫通孔１０３が設けられている。すなわち、貫通孔１０３は、接合部材３００が非接合部分１０２と接触しないように設けられている。

貫通孔１０３は、段状に形成されていて、第１主面側の開口面積が、金属部材２００と接触する側の主面（以下、第２主面）側の開口面積よりも大きくなるように形成されている。また、貫通孔１０３は、第１主面側の第１部分１０３Ａと、第２主面側の第２部分１０３Ｂと、を有している。

第１部分１０３Ａは、テーパー状に形成されていて、後述する接合部材３００を構成するボルト３０１の頭部３０１Ａが収容できるように形成されている。より詳細には、第１部分１０３Ａは、複合部材１００と金属部材２００が、接合部材３００により、接合されたときに、第１部分１０３Ａにボルト３０１の頭部３０１Ａが嵌合して、頭部３０１Ａの頂面と複合部材１００の第１主面とが面一になるように形成されている。また、第２部分１０３Ｂは、ボルト３０１の軸部３０１Ｂが挿通するように形成されている。

接合部分１０１の第２主面側には、金属部材２００が配置されている。金属部材２００は、板部材を直角に屈曲させてＬ字状になるように形成されていて、一方の板状部分の適所には、貫通孔２０１が設けられている。貫通孔２０１は、ボルト３０１の軸部３０１Ｂが挿通するように形成されている。

そして、金属部材２００は、接合部分１０１の貫通孔１０３と金属部材２００の貫通孔２０１が連通するように配設されている。複合部材１００と金属部材２００は、接合部材３００が、非接合部分１０２と接触しないように、接合部分１０１で接合されている。金属部材２００を構成する金属材料は、特に限定されない。例えば、金属部材２００は、アルミニウム合金又はマグネシウム合金で構成されていてもよい。

接合部材３００は、ボルト３０１、ワッシャ３０２、及びナット３０３を有している。ワッシャ３０２及びナット３０３は、金属部材２００の複合部材１００と接触しない側の主面側に配置されていて、ボルト３０１とナット３０３により、複合部材１００と金属部材２００は締結されている。

また、接合部材３００を構成する金属材料は、特に限定されない。接合部材３００は、例えば、アルミニウム合金で構成されていてもよい。なお、本実施の形態１においては、接合部材３００をボルト３０１、ワッシャ３０２、及びナット３０３で構成されている形態を採用したが、これに限定されない。接合部材３００が、リベットで構成されている形態を採用してもよい。この場合、接合部材３００は、沈頭リベットで構成されていてもよく、丸頭リベットで構成されていてもよい。

このように構成された、本実施の形態１に係る複合部材１００では、金属部材２００と接触する接合部分１０１が、非導電性複合材で構成されている。これにより、金属部材２００の腐食を抑制することができる。

また、本実施の形態１に係る複合部材１００では、接合部分１０１が、非導電性複合材で構成されているため、接合部材３００に高額なチタン製合金等の耐食性の高い部材を用いる必要がない。このため、本実施の形態１に係る複合部材１００を使用する航空機等の製造コストを低減することができる。

そして、接合部材３００として、アルミニウム合金製のボルトとナット又はリベット等を用いても、接合部材３００は、ＣＦＲＰで構成されている非接合部分１０２と接触しないので、接合部材３００を介した金属部材２００の腐食を抑制することができる。

さらに、本実施の形態１に係る複合部材１００では、接合部分１０１が、非導電性複合材で構成されているため、従来の複合部材のように、金属部材と炭素繊維複合材との接触部分、並びに金属部材及び炭素繊維複合材と接合部材との接触部分にシーラントを塗布する作業を不要にすることができる。これにより、本実施の形態１に係る複合部材１００を使用する航空機等では、作業工程を簡略化することができ、製造コストを低減することができる。

また、本実施の形態１に係る複合部材１００では、接合部分１０１の第１部位１０１Ａと非接合部分１０２の第１部位１０２Ａが、傾斜するように形成されている。

これにより、当該部位に応力が集中することを抑制することができる。また、複合部材１００の製造作業が容易となり、複合部材１００の製造コストを低減することができる。このため、本実施の形態１に係る複合部材１００を使用する航空機等の製造コストを低減することができる。

（実施の形態２）
図３は、本実施の形態２に係る複合部材の概略構成を示す断面図である。

図３に示すように、本実施の形態２に係る複合部材１００は、実施の形態１に係る複合部材１００と基本的構成は同じであるが、接合部分１０１の第１部位１０１Ａと非接合部分１０２の第１部位１０２Ａの形状が異なる。具体的には、第１部位１０１Ａは、複合部材１００の主面の法線方向に対して垂直な方向から見て、Ｖ字状に形成されている。第１部位１０２Ａは、第１部位１０１Ａの凹部と嵌合するように、凸状に形成されている。

これにより、接合部分１０１を構成する非導電性複合材と、非接合部分１０２を構成するＣＦＲＰと、の間で熱膨張率の差異があったとしても、複合部材１００を製造するときに、複合部材１００の変形を抑制することができる。

このように構成された、本実施の形態２に係る複合部材１００であっても、実施の形態１に係る複合部材１００と同様の作用効果を奏する。

なお、本実施の形態２においては、複合部材１００の第１部位１０１ＡをＶ字状に形成したが、これに限定されない。例えば、第１部位１０１ＡをＷ字状等の波状に形成してもよい。

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。したがって、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の形態を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の要旨を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。

本発明の複合部材は、金属部材の腐食を抑制し、かつ、作業工程を簡略化することができ、製造コストを低減することができるため、有用である。

１００複合部材
１０１接合部分
１０１Ａ第１部位
１０２非接合部分
１０２Ａ第１部位
１０３貫通孔
１０３Ａ第１部分
１０３Ｂ第２部分
２００金属部材
２０１貫通孔
３００接合部材
３０１ボルト
３０１Ａ頭部
３０１Ｂ軸部
３０２ワッシャ
３０３ナット

Claims

接合部材によって、金属部材と接合される接合部分を有する複合部材であって、
前記複合部材は、炭素繊維複合材と非導電性複合材から構成されており、
前記接合部分は、前記非導電性複合材で構成されていて、
前記接合部分には、前記接合部材が挿通される貫通孔が形成されていて、
前記貫通孔の延伸方向から見て、前記複合部材には、前記炭素繊維複合材と前記非導電性複合材が重なる第１部位を有し、
前記第１部位は、基端部分から先端部分に向かうにしたがって、その厚みが小さくなるように形成されている、又は前記炭素繊維複合材及び前記非導電性複合材のいずれか一方の断面が波状に形成されている、複合部材。
接合部材によって、金属部材と接合される接合部分を有する複合部材であって、
前記複合部材は、炭素繊維複合材と非導電性複合材から構成されており、
前記接合部分は、前記非導電性複合材で構成されていて、
前記接合部材は、前記金属部材と前記非導電性複合材を接合するように配設される、複合部材。
前記非導電性複合材は、ガラス繊維強化プラスチック又はアラミド繊維強化プラスチックで構成されている、請求項１又は２に記載の複合部材。
前記金属部材は、アルミニウム合金又はマグネシウム合金で構成されていて、
前記接合部材は、アルミニウム合金で構成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の複合部材。
前記炭素繊維複合材と前記非導電性複合材が一体成形されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の複合部材。
前記金属部材及び前記接合部材から離間された被接合部分をさらに有し、
前記被接合部分は前記炭素繊維複合材で構成されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の複合部材。
前記金属部材と前記非導電性複合材には、前記接合部材が挿通される貫通孔が形成されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の複合部材。
前記炭素繊維複合材は、前記接合部分で接合される前記金属部材と接触しないように構成されている、請求項１〜７のいずれか１項に記載の複合部材。
前記接合部材は、アルミニウム合金で構成されている、請求項７に記載の複合部材。