JP7090409B2 - 複合材の構造体 - Google Patents

Description

本開示は、複数のプライの端面が互いにずらされて積層されることで形成される段差部を有する複合材の構造体に関する。

複合材は、異質の材料を組み合わせることで、単一材料では得られない大きな比強度を得ることができるので、例えば航空機の構造材等に広く用いられている。特許文献１には、航空機の一対の主翼及び主翼同士を繋ぐ中央部分に、複合材の層が積層されること、該複合材の層が積層されることで肉厚部が形成されること、及び、該肉厚部が徐々に生じるようにすることが開示されている。

また、特許文献２には、いわゆるすき込み型の段差部を有する複合材の構造体が開示されている。すなわち、特許文献２の図１には、スキン全体を覆うように積層される複数のメインプライの間に、メインプライよりも小さい複数のサブプライをすき込むように配置することで段差部が形成されている複合材の構造体が開示されている。メインプライの間に配置される複数のサブプライの端面は、互いにずらされており、これにより段差部が形成されている。

特許第５１８４５２３号公報 特許第６０８９０３６号公報

一般的には、特許文献１に示されるように、複合材の層（プライ）が積層されて板厚が増減することにより生じる段差部は、勾配の傾斜角度が小さくなるように、すなわち、板厚の増減が緩やかになるように設計されている。理由としては、段差部の勾配の傾斜角度が大きいと、該段差部に応力が集中するので、層間方向の強度が低い複合材では、層間剥離が生じる虞があるからである。

しかしながら、層間剥離を防止するために、段差部の勾配の傾斜角度を小さくすると、段差部における複合材の各層の外形寸法が増大し、ひいては重量が増大するので、複合材の比強度を活かして軽量化を図ることができないという問題がある。このような問題は、各プライの端面が互いにずらされて積層されることで段差部が形成される、いわゆるパット型の段差部を有する複合材の構造体において特に顕著である。

上述した事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態の目的は、いわゆるパット型の段差部を有する複合材の構造体において、その段差部の勾配の傾斜角度が大きい場合でも層間剥離の発生を防止することができ、且つ、軽量化を図ることができる複合材の構造体を提供することにある。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る複合材の構造体は、
複数のプライの端面が互いにずらされて積層されることで形成される段差部を有する複合材の構造体であって、
前記複数のプライのうちの第１プライが最上層に積層される第１構造部、前記複数のプライのうち前記第１プライとは異なる第２プライであって、前記第１プライとは前記複数のプライが積層される方向である積層方向に離れて位置している第２プライが最上層に積層される第２構造部、及び前記第１構造部と前記第２構造部との間に設けられた前記段差部、を含む本体部と、
前記段差部を覆う被覆部、前記被覆部の一端部より前記積層方向と直交する方向に沿って延在する一端部、及び前記被覆部の他端部より前記積層方向と直交する方向に沿って延在する他端部、を含む第１カバープライであって、前記第１プライの表面の一部、又は前記第２プライの表面の一部だけを覆うように形成されている第１カバープライと、を備える。

上記（１）の構成によれば、本体部の段差部を覆う被覆部、被覆部の一端部より積層方向と直交する方向に沿って延在する一端部、及び被覆部の他端部より積層方向と直交する方向に沿って延在する他端部、を含む第１カバープライを備えることにより、いわゆるパッドアップ型の段差部を有する複合材の構造体において、段差部における層間強度を向上させることができる。段差部における層間強度を向上させることで、段差部の勾配の傾斜角度が大きい場合でも層間剥離の発生を防止することができる。そして、段差部の勾配の傾斜角度が大きい場合には、傾斜角度が小さい場合に比べて、段差部に生じる余分な肉厚を削減できるので、複合材の構造体の軽量化を図ることができる。また、第１カバープライが第１プライの表面の一部、又は第２プライの表面の一部だけを覆うように形成されていることにより、第１カバープライに余分な部分が生じることを回避できるので、複合材の構造体の軽量化を図ることができる。このような第１カバープライは、上述したいわゆるすき込み型の段差部を有する複合材の構造体には備えられていないものである。また、そもそもパッドアップ型の段差部は、複数のプライの端面が互いにずらされて積層されるので、段差部自体が所定の層間強度を有している。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記複合材の構造体は、
前記積層方向において、前記第１プライと前記第１カバープライとの間に配置される第２カバープライをさらに備え、
前記第２カバープライは、前記段差部を覆う被覆部、前記被覆部の一端部より前記積層方向と直交する方向に沿って延在する一端部、及び前記被覆部の他端部より前記積層方向と直交する方向に沿って延在する他端部であって、前記積層方向における前記第１プライと前記第２プライとの間に配置される前記複数のプライのうちの、２つのプライの間に差し込まれる他端部、を含む。

上記（２）の構成によれば、第１カバープライに作用する荷重の一部を分散し、第２カバープライに負担させることで、第１カバープライの負担を軽減させることができる。このため、第１カバープライの破壊を防止しながら、段差部における層間強度を向上させることができる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の構成において、
前記第１カバープライは、配向方向を有する強化繊維を含んで構成されており、
前記第１カバープライの前記配向方向は、前記積層方向における上方視において、前記第１構造部と前記第２構造部との距離が最短となる位置を通る基準線に直交する方向に対して交差する。

上記（３）の構成によれば、第１カバープライは、配向方向を有する強化繊維を含んで構成されているので、配向方向に沿った荷重に対して強化繊維が強い強度を発揮することができるが、配向方向に垂直な方向に沿った荷重に対しては強化繊維が強い強度を発揮することができない虞がある。第１カバープライの配向方向を、基準線に直交する直線に対して交差させることで、第１カバープライに加えられる荷重に対して、第１カバープライに含まれる強化繊維が強い強度を発揮することができる。よって、段差部における層間強度を向上させることができる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（３）の構成において、
前記積層方向における上方視において、前記基準線に対する前記第１カバープライの前記配向方向の角度をθ１とするとき、θ１が４５±１５°又は－４５±１５°の範囲内である。

上記（４）の構成によれば、基準線（段差部の勾配が最大となる位置を通る直線）に対する第１カバープライの配向方向の角度θ１を、４５±１５°又は－４５±１５°の範囲内にすることで、基準線に沿った荷重、及び、基準線に直交する直線に沿った荷重、の両方に対して、第１カバープライに含まれる強化繊維が強い強度を発揮することができる。よって、段差部における層間強度を向上させることができる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（３）の構成において、
前記積層方向における上方視において、前記基準線に対する前記第１カバープライの前記配向方向の角度をθ１とするとき、θ１が０±１５°の範囲内である。

上記（５）の構成によれば、基準線（段差部の勾配が最大となる位置を通る直線）に対する第１カバープライの配向方向の角度θ１を、０±１５°の範囲内にすることで、基準線に沿った荷重が第１カバープライに伝達されやすくなるため、段差部に層間方向の応力が集中することを防止することができる。よって、段差部における層間強度を向上させることができる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（３）～（５）の構成において、
前記複合材の構造体は、
前記積層方向において、前記第１カバープライに対して前記第１プライとは反対側に配置される第３カバープライをさらに備える。
上記（６）の構成によれば、複合材の構造体は、第１カバープライに対して第１プライとは反対側に配置される第３カバープライをさらに備える。このため、第１カバープライに作用する荷重の一部を分散し、第３カバープライに負担させることができるので、第１カバープライの負担を軽減させることができる。よって、第１カバープライの破壊を防止しながら、段差部における層間強度を向上させることができる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（６）の構成において、
前記第３カバープライは、配向方向を有する強化繊維を含んで構成されており、
前記積層方向における上方視において、前記基準線に対する前記第１カバープライの前記配向方向の角度をθ１、前記基準線に対する前記第３カバープライの前記配向方向の角度をθ３とするとき、θ３＝－θ１の関係を満たす。

上記（７）の構成によれば、第３カバープライは、配向方向を有する強化繊維を含んで構成されているので、配向方向に沿った荷重に対して強化繊維が強い強度を発揮することができる。また、基準線に対する第３カバープライの配向方向の角度θ３を、θ３＝－θ１の関係を満たすようにすることで、第１カバープライ及び第３カバープライの異方性による影響を小さくすることができ、荷重の作用方向に拘わらず第１カバープライや第３カバープライに含まれる強化繊維が強い強度を発揮することができる。よって、段差部における層間強度を向上させることができる。

（８）幾つかの実施形態では、上記（１）～（７）の構成において、
前記第１カバープライの前記被覆部は、
前記積層方向に沿った断面視において、前記第１カバープライの前記一端部に連続するとともに前記一端部に対して傾斜を有する第１被覆部と、
前記積層方向に沿った断面視において、前記第１カバープライの前記他端部に連続するとともに前記他端部に対して傾斜を有する第２被覆部と、を含み、
前記第１被覆部の前記一端部に対する前記傾斜は、前記第２被覆部の前記他端部に対する前記傾斜より緩やかに形成されている。

上記（８）の構成によれば、第１カバープライの一端部に連続する第１被覆部は、他端部に連続する第２被覆部に比べて応力集中の度合いが大きいものであるが、第１被覆部の一端部に対する傾斜を第２被覆部の他端部に対する傾斜より緩やかにすることで、第１カバープライの第１被覆部における破壊を防止しながら、段差部における層間強度を向上させることができる。

（９）幾つかの実施形態では、上記（１）～（８）の構成において、
前記段差部は、水平距離をＨ、垂直距離をＶとすると、前記水平距離と前記垂直距離の比であるＨ／Ｖが、１≦Ｈ／Ｖ＜３０の範囲内である。
上記（９）の構成によれば、段差部の水平距離と垂直距離の比であるＨ／Ｖが、上述した範囲内にあるような、勾配の傾斜角度が大きい場合であっても、第１カバープライによって層間剥離の発生を防止することができる。

（１０）幾つかの実施形態では、上記（１）～（９）の構成において、
前記第１カバープライが、前記積層方向における上方視において、前記段差部の全面にわたって覆うように形成されている。
上記（１０）の構成によれば、積層方向における上方視において、第１カバープライが段差部の一部のみを覆う場合に比べて、段差部における層間強度を向上させることができる。

（１１）幾つかの実施形態では、上記（１）～（９）の構成において、
前記第１カバープライが、前記積層方向における上方視において、前記段差部の一部のみを覆うように形成されている。
上記（１１）の構成によれば、段差部における層間強度を向上させるとともに、第１カバープライに余分な部分が生じることを回避できるので、複合材の構造体の軽量化を図ることができる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、いわゆるパット型の段差部を有する複合材の構造体において、その段差部の勾配の傾斜角度が大きい場合でも層間剥離の発生を防止することができ、且つ、軽量化を図ることができる段差部の勾配の傾斜角度が大きい場合でも層間剥離の発生を防止することができ、且つ、軽量化を図ることができる複合材の構造体が提供される。

本発明の一実施形態にかかる複合材の構造体の構成を説明するための図であって、図２に示すＡ－Ａ線に沿う概略的な断面図である。 本発明の一実施形態にかかる複合材の構造体の積層方向のおける上方から視た概略上面図である。 図２に示すＡ－Ａ線に沿う概略的な断面図であり、一実施形態にかかる複合材の構造体の構成を示す図である。 一実施形態におけるプライの配向方向を説明するための図であって、θ＝０°の状態を示す図である。 一実施形態におけるプライの配向方向を説明するための図であって、θ＝４５°の状態を示す図である。 一実施形態におけるプライの配向方向を説明するための図であって、θ＝－４５°の状態を示す図である。 図２に示すＡ－Ａ線に沿う断面図に相当する概略的な断面図であり、一実施形態にかかる複合材の構造体の構成を示す図である。 図２に示すＡ－Ａ線に沿う概略的な断面図であり、一実施形態にかかる複合材の構造体の構成を示す図である。 本発明の他の一実施形態にかかる複合材の構造体の積層方向のおける上方から視た概略上面図である。 本発明の他の一実施形態にかかる複合材の構造体の積層方向のおける上方から視た概略上面図である。 複合材の構造体の層間剥離評価試験に用いた試験片の一例の上面図である。 図１１に示すＢ－Ｂ線に沿う概略的な断面図であり、試験片の構成の一例を示す図である。 複合材の構造体の層間剥離評価試験から得られた各試験片の剥離進展開始荷重を示すグラフである。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

図１は、本発明の一実施形態にかかる複合材の構造体の構成を説明するための図であって、図２に示すＡ－Ａ線に沿う概略的な断面図である。図２は、本発明の一実施形態にかかる複合材の構造体の積層方向のおける上方から視た概略上面図である。ここで、図１、及び後述する図３、７、８には図中左側に数字を表示しているが、該数字は、後述する基準線ＬＳ（図４～６参照）に対する、プライ２５、第１カバープライ３、第２カバープライ４及び第３カバープライ５に含まれる強化繊維の配向方向の角度（°）を示している。

図１に示されるように、幾つかの実施形態にかかる複合材の構造体１は、複数のプライ２５の端面２５１が互いにずれされて積層されることで形成される段差部２３を有している。複合材の構造体１は、図１に示されるように、本体部２と、第１カバープライ３と、を備えている。

本体部２は、図１、２に示されるように、複数のプライ２５のうち、積層方向（図１中下側から上側に向かう方向、図２中紙面奥側から手前側に向かう方向）に互いに離れて位置している２つのプライ２５（第１プライ２６、第２プライ２７）の間に設けられた段差部２３を含んでいる。より詳細には、本体部２は、図１に示されるように、複数のプライ２５のうち第１プライ２６が最上層に積層される第１構造部２１、複数のプライ２５のうち第１プライ２６とは異なる第２プライ２７が最上層に積層される第２構造部２２、及び第１構造部２１と第２構造部２２との間に設けられた段差部２３、を含んでいる。ここで、第２プライ２７は、第１プライ２６とは積層方向に離れて位置している。換言すると、第２プライ２７は、第１プライ２６より上層に積層されている。なお、複合材の構造体１は、本体部２のみによって、設計上要求される面内強度を満足するようになっている。また、複数のプライ２５は、積層方向に直交する方向に沿って配向方向を有する強化繊維を含んで構成されており、炭素繊維等の強化用繊維を母材であるエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂（プラスチック）の中に入れて強度を向上させた繊維強化プラスチックを含んでいる。

図１に示される実施形態では、本体部２は、積層方向における第１プライ２６と第２プライ２７との間に配置される複数のプライ２５、及び第２プライ２７のいずれもが、第１プライ２６の上に積層し、積層方向に直交する方向に沿って延在し、且つ、各々の端面２５１が互いにずれされて積層される、いわゆる積層型（パッドアップ型）になっている。また、図１に示されるように、本体部２の第１プライ２６及び第１プライ２６に対して第２プライ２７とは反対側に位置する複数のプライ２５は、積層方向に直交する方向に沿って延在している。なお、本体部２の第１プライ２６及び第１プライ２６に対して第２プライ２７とは反対側に位置する複数のプライ２５は、上述したすき込み型になっていてもよい。また、複数のプライ２５、第１プライ２６、及び第２プライ２７の各々は、例えば別の部品の輪郭形状に沿うように、湾曲形状を有していてもよい。

第１カバープライ３は、図１に示されるように、本体部２の段差部２３を覆う被覆部３３、被覆部３３の第１構造部２１側に位置する一端部より積層方向と直交する方向に沿って延在する一端部３１、及び被覆部３３の第２構造部２２側に位置する他端部より積層方向と直交する方向に沿って延在する他端部３２、を含んでいる。なお、図１、及び後述する図３、７、８においては、説明の便宜上、一端部３１、被覆部３３及び他端部３２を二点鎖線で区切って示しているが、一端部３１、被覆部３３及び他端部３２は一体的に設けられている。

図１に示される実施形態では、第１カバープライ３は、図２に示されるように、積層方向における上方視において、第１プライ２６の表面２６１の全面ではなく、表面２６１の一部だけを覆うように形成されている。なお、図１に示される実施形態では、第１カバープライ３は、図２に示されるように、積層方向における上方視において、第２プライ２７の表面２７１の全面を覆うように形成されているが、後述する図９及び１０に示されるように、第２プライ２７の表面２７１の一部だけを覆うように形成されていても良い。また、第１カバープライ３は、複数のプライ２５と同じ材料により形成されており、炭素繊維等の強化用繊維を、母材（強化用繊維を包み込む材料）であるエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂（プラスチック）の中に入れて強度を向上させた繊維強化プラスチックを含んでいる。

図１に示される実施形態では、第１カバープライ３の一端部３１は、第１プライ２６に直接積層した状態で、第１カバープライ３に含まれる熱硬化性樹脂を加熱及び加圧して流動状に軟化させた後に、さらに加熱を続けて硬化させることにより第１プライ２６の表面２６１上に固着されている。同様に、第１カバープライ３の他端部３２は、第２プライ２７に直接積層した状態で、第２プライ２７の表面２７１に固着されている。第１カバープライ３に含まれる熱硬化性樹脂は、上述した加熱及び加圧をした際に第１カバープライ３から溶出することで、第１カバープライ３の被覆部３３と本体部２の段差部２３との間に形成される、図１中三角形状の隙間を充填する（溶出樹脂６）。これにより、第１カバープライ３の被覆部３３と本体部２の段差部２３とが固着される。また、第１カバープライ３の被覆部３３は、図１に示されるように、一端部３１及び他端部３２のそれぞれから折れ曲がって形成されており、本体部２の段差部２３の勾配に沿うような形状に形成されている。第１カバープライ３の被覆部３３は、図１中では直線状に形成されているが、本体部２の段差部２３に沿うような階段状に形成されていてもよい。複合材の構造体１は、本体部２のみでは段差部２３における層間強度が不足する場合でも、第１カバープライ３を備えることにより段差部２３における層間強度を向上させることができる。

段差部２３の勾配は、図１に示されるような、段差部２３に積層される複数のプライ２５のうちの２つのプライ２５の水平距離Ｈと垂直距離Ｖとの比であるＨ／Ｖにより表される。Ｈ／Ｖの値が小さくなるにつれて、段差部２３の勾配の傾斜角度が大きくなる。なお、一例として、段差部２３の勾配の傾斜角度が緩やかになるように設計される場合における、Ｈ／Ｖの値は３０以上である。

これに対して、幾つかの実施形態では、段差部２３は、水平距離Ｈと垂直距離Ｖとの比であるＨ／Ｖが、１≦Ｈ／Ｖ＜３０の範囲内である。好ましくはＨ／Ｖが、２≦Ｈ／Ｖ≦２０の範囲内である。さらに好ましくはＨ／Ｖが、３≦Ｈ／Ｖ≦１０の範囲内である。段差部２３の水平距離Ｈと垂直距離Ｖとの比であるＨ／Ｖが、上述したような範囲内にあるような場合でも、第１カバープライ３によって層間剥離の発生を防止することができる。

上述したように、幾つかの実施形態に係る複合材の構造体１は、上述した本体部２と、上述した第１カバープライ３と、を備えている。

上記の構成によれば、本体部２の段差部２３を覆う被覆部３３、被覆部３３の一端部より積層方向と直交する方向に沿って延在する一端部３１、及び被覆部３３の他端部より積層方向と直交する方向に沿って延在する他端部３２、を含む第１カバープライ３を備えることにより、いわゆるパッドアップ型の段差部２３を有する複合材の構造体１において、段差部２３における層間強度を向上させることができる。段差部２３における層間強度を向上させることで、段差部２３の勾配の傾斜角度が大きい場合でも層間剥離の発生を防止することができる。そして、段差部２３の勾配の傾斜角度が大きい場合には、傾斜角度が小さい場合に比べて、段差部２３に生じる余分な肉厚を削減できるので、複合材の構造体１の軽量化を図ることができる。また、第１カバープライ３が第１プライ２６の表面２６１の一部、又は第２プライ２７の表面２７１の一部だけを覆うように形成されていることにより、第１カバープライ３に余分な部分が生じることを回避できるので、複合材の構造体１の軽量化を図ることができる。このような第１カバープライ３は、上述したいわゆるすき込み型の段差部を有する複合材の構造体には備えられていないものである。また、そもそもパッドアップ型の段差部２３は、複数のプライ２５の端面２５１が互いにずれされて積層されるので、段差部２３自体が所定の層間強度を有している。

幾つかの実施形態では、図３に示されるように、複合材の構造体１は、第２カバープライ４をさらに備えている。ここで、図３は、図２に示すＡ－Ａ線に沿う概略的な断面図であり、一実施形態にかかる複合材の構造体の構成を示す図である。図３に示されるように、第２カバープライ４は、積層方向において、本体部２の第１プライ２６と第１カバープライ３との間に配置されている。第２カバープライ４は、本体部２の段差部２３を覆う被覆部４３、被覆部４３の第１構造部２１側に位置する一端部より積層方向と直交する方向に沿って延在する一端部４１、及び被覆部４３の第２構造部２２側に位置する他端部より積層方向と直交する方向に沿って延在する他端部４２、を含んでいる。なお、図３においては、説明の便宜上、一端部４１、被覆部４３及び他端部４２を二点鎖線で区切って示しているが、一端部４１、被覆部４３及び他端部４２は一体的に設けられている。また、第２カバープライ４は、複数のプライ２５と同じ材料により形成されており、炭素繊維等の強化用繊維を母材であるエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂（プラスチック）の中に入れて強度を向上させた繊維強化プラスチックを含んでいる。

図３に示される実施形態では、第２カバープライ４の一端部４１は、第１プライ２６に直接積層した状態で、第２カバープライ４に含まれる熱硬化性樹脂を加熱及び加圧して流動状に軟化させた後に、さらに加熱を続けて硬化させることにより第１プライ２６の表面２６１上に固着されている。また、第１カバープライ３の一端部３１は、第１プライ２６に間接的に積層されている。すなわち、第１カバープライ３の一端部３１は、第１カバープライ３又は第２カバープライ４に含まれていた熱硬化性樹脂により第２カバープライ４の一端部４１上に固着されている。なお、第１カバープライ３の一端部３１は、第１プライ２６の表面２６１上に固着されていてもよい。

第２カバープライ４の他端部４２は、積層方向における第１プライ２６と第２プライ２７との間に配置される複数のプライ２５のうちの、２つのプライ２５の間に差し込まれた状態で、第２カバープライ４に含まれる熱硬化性樹脂を加熱及び加圧して流動状に軟化させた後に、さらに加熱を続けて硬化させることにより、それら２つのプライ２５に固着されている。第２カバープライ４に含まれる熱硬化性樹脂は、上述した第１カバープライ３に含まれる熱硬化性樹脂と同様に、上述した加熱及び加圧をした際に第２カバープライ４から溶出することで、第２カバープライ４の被覆部４３と本体部２の段差部２３との間に形成される、図３中三角形状の隙間を充填する（溶出樹脂６）。これにより、第２カバープライ４の被覆部４３と本体部２の段差部２３とが固着される。また、第１カバープライ３の被覆部３３は、本体部２の段差部２３だけでなく、第２カバープライ４の被覆部４３との間に隙間が生じないように、第２カバープライ４の被覆部４３に固着する。また、第２カバープライ４の被覆部４３は、図３に示されるように、一端部４１及び他端部４２のそれぞれから折れ曲がって形成されており、本体部２の段差部２３の勾配に沿うような形状に形成されている。第２カバープライ４の被覆部４３は、図３中では直線状に形成されているが、本体部２の段差部２３に沿うような階段状に形成されていてもよい。なお、図３に示される実施形態では、複合材の構造体１は、第２カバープライ４を１枚備えているが、第２カバープライ４を複数枚備えていてもよい。

上記の構成によれば、第１カバープライ３に作用する荷重の一部を分散し、第２カバープライ４に負担させることで、第１カバープライ３の負担を軽減させることができる。このため、第１カバープライ３の破壊を防止しながら、段差部２３における層間強度を向上させることができる。

図４～６は、一実施形態におけるプライ（プライ２５、第１カバープライ３、第２カバープライ４及び第３カバープライ５）の配向方向を説明するための図である。ここで、図１に示されるように、本体部２の第１構造部２１と第２構造部２２との距離が最短となる位置を通る直線を、基準線ＬＳとしている。基準線ＬＳは、図２に示されるように、積層方向における上方視において、段差部２３の勾配が最大となる位置を通る直線になっている。また、図４～６に示されるように、複数のプライ２５の積層方向における上方視において、基準線ＬＳに直交する直線を直交線ＬＯとしている。また、積層方向における上方視において、基準線ＬＳに対するプライの配向方向の角度をθとしている。なお、θについては、説明の便宜上、図４～６における基準線ＬＳから反時計周り方向を正、時計回り方向を負としている。図４はθ＝０°の状態を示す図であり、図５はθ＝４５°の状態を示す図であり、また、図６はθ＝－４５°の状態を示す図である。また、基準線ＬＳに対するプライ２５の配向方向の角度をθ０としている。

幾つかの実施形態では、第１カバープライ３は、図４～６に示されるような、積層方向に直交する方向に沿って配向方向を有する強化繊維を含んで構成されている。第１カバープライ３の配向方向は、図４～６に例示されるように、積層方向における上方視において、直交線ＬＯに対して交差している。

上記の構成によれば、第１カバープライ３は、配向方向を有する強化繊維を含んで構成されているので、配向方向に沿った荷重に対して強化繊維が強い強度を発揮することができるが、配向方向に垂直な方向に沿った荷重に対しては強化繊維が強い強度を発揮することができない虞がある。第１カバープライ３の配向方向を、基準線ＬＳに直交する直線（直交線ＬＯ）に対して交差させることで、第１カバープライ３に加えられる荷重に対して、第１カバープライ３に含まれる強化繊維が強い強度を発揮することができる。よって、段差部２３における層間強度を向上させることができる。

なお、上述した幾つかの実施形態では、第１カバープライ３の配向方向として、直交線ＬＯに沿った方向を除外しているが、他の幾つかの実施形態では、第１カバープライ３の配向方向が直交線ＬＯに沿った方向になっていてもよいし、プライ２５、第２カバープライ４及び第３カバープライ５の配向方向が直交線ＬＯに沿った方向になっていてもよい。

図１、３、５～８に例示されるように、幾つかの実施形態では、積層方向における上方視において、基準線ＬＳに対する第１カバープライ３の配向方向の角度をθ１とすると、θ１が４５±１５°又は－４５±１５°の範囲内である。上記の構成によれば、基準線ＬＳ（段差部２３の勾配が最大となる位置を通る直線）に対する第１カバープライ３の配向方向の角度θ１を、４５±１５°又は－４５±１５°の範囲内にすることで、基準線ＬＳに沿った荷重、及び、基準線ＬＳに直交する直線（直交線ＬＯ）に沿った荷重、の両方に対して、第１カバープライ３に含まれる強化繊維が強い強度を発揮することができる。よって、段差部２３における層間強度を向上させることができる。

図４に例示されるように、幾つかの実施形態では、積層方向における上方視において、基準線ＬＳに対する第１カバープライ３の配向方向の角度をθ１とすると、θ１が０±１５°の範囲内である。上記の構成によれば、基準線ＬＳ（段差部２３の勾配が最大となる位置を通る直線）に対する第１カバープライ３の配向方向の角度θ１を、０±１５°の範囲内にすることで、基準線ＬＳに沿った荷重が第１カバープライ３に伝達されやすくなるため、段差部２３に層間方向の応力が集中することを防止することができる。よって、段差部２３における層間強度を向上させることができる。

幾つかの実施形態では、図７に示されるように、複合材の構造体１は、第３カバープライ５をさらに備えている。ここで、図７は、図２に示すＡ－Ａ線に沿う断面図に相当する概略的な断面図であり、一実施形態にかかる複合材の構造体の構成を示す図である。図７に示されるように、第３カバープライ５は、積層方向において、第１カバープライ３に対して第１プライ２６とは反対側に配置されている。

図７に示される実施形態では、第３カバープライ５は、第１カバープライ３に直接積層されている。より詳細には、第３カバープライ５は、図７に示されるように、第１カバープライ３の被覆部３３の外側から本体部２の段差部２３を覆う被覆部５３、被覆部５３の第１構造部２１側に位置する一端部より積層方向と直交する方向に沿って延在する一端部５１、及び被覆部５３の第２構造部２２側に位置する他端部より積層方向と直交する方向に沿って延在する他端部５２、を含んでいる。なお、図７においては、説明の便宜上、一端部５１、被覆部５３及び他端部５２を二点鎖線で区切って示しているが、一端部５１、被覆部５３及び他端部５２は一体的に設けられている。また、第３カバープライ５は、複数のプライ２５と同じ材料により形成されており、炭素繊維等の強化用繊維を母材であるエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂（プラスチック）の中に入れて強度を向上させた繊維強化プラスチックを含んでいる。

第３カバープライ５の一端部５１は、図７に示されるように、第１カバープライ３の一端部３１に直接積層した状態で、第３カバープライ５に含まれる熱硬化性樹脂を加熱及び加圧して流動状に軟化させた後に、さらに加熱を続けて硬化させることにより第１カバープライ３の一端部３１に固着されている。同様に、第３カバープライ５の他端部５２は、図７に示されるように、第１カバープライ３の他端部３２に直接積層した状態で、第１カバープライ３の他端部３２に固着されている。また、第３カバープライ５の被覆部５３は、第１カバープライ３の被覆部３３との間に隙間が生じないように、第１カバープライ３の被覆部３３に直接積層した状態で、第１カバープライ３の被覆部３３に固着されている。なお、第３カバープライ５の一端部５１は、第１プライ２６の表面２６１上に固着されていてもよいし、第３カバープライ５の他端部５２は、第２プライ２７の表面２７１上に固着されていてもよい。また、第３カバープライ５の被覆部５３は、図７に示されるように、一端部５１及び他端部５２のそれぞれから折れ曲がって形成されており、本体部２の段差部２３の勾配に沿うような形状に形成されている。第３カバープライ５の被覆部５３は、図７中では直線状に形成されているが、本体部２の段差部２３に沿うような階段状に形成されていてもよい。

上記の構成によれば、複合材の構造体１は、第１カバープライ３に対して第１プライ２６とは反対側に配置される第３カバープライ５をさらに備える。このため、第１カバープライ３に作用する荷重の一部を分散し、第３カバープライ５に負担させることができるので、第１カバープライ３の負担を軽減させることができる。よって、第１カバープライ３の破壊を防止しながら、段差部２３における層間強度を向上させることができる。

幾つかの実施形態では、上述した第３カバープライ５は、第１カバープライ３と同様に、配向方向を有する強化繊維を含んで構成されている。積層方向における上方視において、基準線ＬＳに対する第３カバープライ５の配向方向の角度をθ３とすると、θ３＝－θ１の関係を満たしている。例えば、第１カバープライ３の配向方向の角度θ１が図５に示されるようなθ１＝４５°の場合には、第３カバープライ５の配向方向の角度θ３は、図６に示されるようなθ３＝－４５°になっている。

上記の構成によれば、第３カバープライ５は、配向方向を有する強化繊維を含んで構成されているので、配向方向に沿った荷重に対して強化繊維が強い強度を発揮することができる。また、基準線ＬＳに対する第３カバープライ５の配向方向の角度θ３を、θ３＝－θ１の関係を満たすようにすることで、第１カバープライ３及び第３カバープライ５の異方性による影響を小さくすることができ、荷重の作用方向に拘わらず第１カバープライ３や第３カバープライ５に含まれる強化繊維が強い強度を発揮することができる。よって、段差部２３における層間強度を向上させることができる。

なお、図７に示される実施形態では、複合材の構造体１は、第３カバープライ５を１枚備えているが、第３カバープライ５を複数枚備えていてもよい。また、他の幾つかの実施形態では、第３カバープライ５の配向方向の角度θ３は、θ３＝－θ１の関係を満たしていなくてもよく、例えば、θ３＝θ１の関係を満たすようになっていてもよい。

また、上述した幾つかの実施形態において、第２カバープライ４は、第１カバープライ３と同様に、積層方向に直交する方向に沿って配向方向を有する強化繊維を含んで構成されている。積層方向における上方視において、基準線ＬＳに対する第２カバープライ４の配向方向の角度をθ２とすると、θ２＝－θ１の関係を満たしている。この場合には、第１カバープライ３及び第２カバープライ４の異方性による影響を小さくすることができ、荷重の作用方向に拘わらず第１カバープライ３や第２カバープライ４に含まれる強化繊維が強い強度を発揮することができる。よって、段差部２３における層間強度を向上させることができる。

幾つかの実施形態では、図８に示されるように、第１カバープライ３の被覆部３３は、第１被覆部３３１と、第２被覆部３３２と、を含んでいる。ここで、図８は、図２に示すＡ－Ａ線に沿う概略的な断面図であり、一実施形態にかかる複合材の構造体の構成を示す図である。第１被覆部３３１は、図８に示されるように、積層方向に沿った断面視において、第１カバープライ３の一端部３１に連続するとともに一端部３１から折れ曲がって形成されており、一端部３１に対して傾斜を有している。第２被覆部３３２は、図８に示されるように、積層方向に沿った断面視において、第１カバープライ３の他端部３２に連続するとともに他端部３２から折れ曲がって形成されており、他端部３２に対して傾斜を有している。そして、第１被覆部３３１の一端部３１に対する傾斜は、第２被覆部３３２の他端部３２に対する傾斜より緩やかに形成されている。第１被覆部３３１及び第２被覆部３３２は、図８中では直線状に形成されているが、本体部２の段差部２３に沿うような階段状に形成されていてもよい。

上記の構成によれば、第１カバープライ３の一端部３１に連続する第１被覆部３３１は、他端部３２に連続する第２被覆部３３２に比べて、応力集中の度合いが大きいものであるが、第１被覆部３３１の一端部３１に対する傾斜を第２被覆部３３２の他端部３２に対する傾斜より緩やかにすることで、第１カバープライ３の第１被覆部３３１における破壊を防止しながら、段差部２３における層間強度を向上させることができる。

上述した幾つかの実施形態では、図２、９に示されるように、第１カバープライ３が、積層方向における上方視において、本体部２の段差部２３の全面にわたって覆うように形成されている。ここで、図９は、本発明の他の一実施形態にかかる複合材の構造体の積層方向のおける上方から視た概略上面図である。図９に示される実施形態では、第１カバープライ３は、積層方向における上方視において、本体部２の段差部２３の全面にわたって覆うとともに、第１プライ２６の表面２６１の一部、及び第２プライ２７の表面２７１を構成する四辺に隣接する周縁部を覆うように形成されている。この場合には、積層方向における上方視において、第１カバープライ３が段差部２３の一部のみを覆う場合に比べて、段差部２３における層間強度を向上させることができる。

他の幾つかの実施形態は、図１０に示されるように、第１カバープライ３が、積層方向における上方視において、本体部２の段差部２３の一部のみを覆うように形成されている。ここで、図１０は、本発明の他の一実施形態にかかる複合材の構造体の積層方向のおける上方から視た概略上面図である。この場合には、段差部２３における層間強度を向上させるとともに、第１カバープライ３に余分な部分が生じることを回避できるので、複合材の構造体１の軽量化を図ることができる。

また、図１０に示される実施形態では、複合材の構造体１は、複数の第１カバープライ３を備えている。より詳細には、図１０に示されるように、複合材の構造体１は、第２プライ２７の表面２７１を構成する四辺それぞれについて、積層方向における上方視における第１構造部２１と第２構造部２２の距離が最短となる直線に沿って延在する第１カバープライ３を備えている。この場合には、段差部２３における勾配の傾斜角度が大きい部分を、個々の第１カバープライ３が覆うことができるので、段差部２３における層間強度を向上させるとともに、第１カバープライ３に余分な部分が生じることを回避できるので、複合材の構造体１の軽量化を図ることができる。

（層間剥離評価試験）
上述した幾つかに実施形態に係る複合材の構造体１について、図１１、１２に示されるような試験片１０を作製し、試験片１０を用いて層間剥離評価試験を実施した。ここで、図１１は、複合材の構造体の層間剥離評価試験に用いた試験片の一例の上面図である。図１２は、図１１に示すＢ－Ｂ線に沿う概略的な断面図であり、試験片の構成の一例を示す図である。

図１１、１２に示されるように、試験片１０は、複合材の構造体１の形状を層間剥離評価試験用に変更しているが、同様の構成については同様の符号を付し説明を省略する。試験片１０は、図１１に示すように、本体部２を備える長尺板状に形成されており、長手方向中央部に第２構造部２２が設けられ、長手方向中央部から両端部側に向かって順に段差部２３、第１構造部２１が設けられている。また、試験片１０は、図１２に示されるように、第１プライ２６に積層されたプライ２５の長手方向の一方の先端部（図中右側の端部）と第１プライ２６との間に、隙間が形成されるように人工欠陥１０１が設けられている。試験片１０は、図１１、１２に示されるように、長手方向両端部にグリップ１０２が設けられている。試験片１０は、２つのグリップ１０２を引張試験機により把持されて、長手方向の一方（図１０中左側）が固定されている。試験片１０は、長手方向の他方（図１０中右側）が、変位Ｄの増加量が一定になるように引張荷重Ｆを制御した状態で引っ張られる。そして、目視により試験片１０にき裂発生（剥離進展）が確認された際の荷重である剥離進展開始荷重を検出した。

試験片１０の中には、図１、８に示される複合材の構造体１と同様に、本体部２と、配向方向の角度θ１＝４５°である第１カバープライ３と、を備えて構成されている試験片１０Ａ及び試験片１０Ｂがある。試験片１０Ｂは、図８に示される複合材の構造体１と同様に、第１カバープライ３の被覆部３３が、上述した第１被覆部３３１と、上述した第２被覆部３３２と、を含んでいる。

また、試験片１０の中には、図３に示される複合材の構造体１と同様に、本体部２と、第１カバープライ３と、第２カバープライ４と、を備えて構成されている試験片１０Ｃがある。試験片１０Ｃは、第１カバープライ３の配向方向の角度θ１＝－４５°であり、第２カバープライ４の配向方向の角度θ２＝４５°である。

また、試験片１０の中には、図７に示される複合材の構造体１と同様に、本体部２と、第１カバープライ３と、第３カバープライ５と、を備えて構成されている試験片１０Ｄがある。試験片１０Ｄは、第１カバープライ３の配向方向の角度θ１＝４５°であり、第３カバープライ５の配向方向の角度θ３＝－４５°である。

試験片１０の中には、比較用として、第１カバープライ３を備えずに本体部２のみにより構成されている試験片２０Ａ及び試験片２０Ｂがある。試験片２０Ａは、上述した試験片１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄと同様にＨ／Ｖ＝５であり、試験片２０Ｂは、Ｈ／Ｖ＝３０である。

上述した層間剥離評価試験の結果から作成したグラフを図１３示す。ここで、図１３は、複合材の構造体の層間剥離評価試験から得られた各試験片の剥離進展開始荷重を示すグラフである。図１３では、各試験片１０の剥離進展開始荷重を、試験片２０Ａの剥離進展開始荷重を１．０とした比率で表している。図１３に示されるように、試験片２０Ａに比べてＨ／Ｖの値が大きく、段差部２３の勾配が緩やかな試験片２０Ｂは、試験片２０Ａより剥離進展開始荷重が大きい。また、試験片１０Ａ～１０Ｄのそれぞれは、本体部２のみにより構成され、且つ、Ｈ／Ｖの値が等しい試験片２０Ａに比べて剥離進展開始荷重が大きい。また、試験片１０Ａ～１０Ｄのそれぞれは、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ａ、１０Ｂの順に剥離進展開始荷重が大きい。

以上、本発明の好ましい形態について説明したが、本発明は上記の形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない範囲での種々の変更が可能である。

上述した幾つかの実施形態では、複数のプライ２５、第１カバープライ３、第２カバープライ４及び第３カバープライ５は、炭素繊維等の強化用繊維を、母材であるエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂（プラスチック）の中に入れて強度を向上させた繊維強化プラスチックを含んでいたがこれに限定されない。例えば、複数のプライ２５、第１カバープライ３、第２カバープライ４及び第３カバープライ５は、母材として不飽和ポリエステル、ポリアミド樹脂又はフェノール樹脂を含んでいてもよく、また、メチルメタアクリレート等の熱可塑性樹脂を含んでいてもよい。また、炭素繊維を強化用繊維とし、母材として炭素を用いる炭素繊維強化炭素複合材料を含んでもよい。また、複数のプライ２５、第１カバープライ３、第２カバープライ４及び第３カバープライ５は、強化用繊維としてガラス繊維やケブラーを含んでいてもよく、また、繊維強化プラスチック以外の複合材であってもよい。

また、他の幾つかの実施形態では、複数のプライ２５、第１カバープライ３、第２カバープライ４及び第３カバープライ５は、配向方向を有する強化繊維を含んで構成されていなくてもよい。また、第１カバープライ３、第２カバープライ４及び第３カバープライ５は、複数のプライ２５とは異なる材料により形成されていてもよい。また、他の幾つかの実施形態では、第１カバープライ３の被覆部３３、第２カバープライ４の被覆部４３及び第３カバープライ５の被覆部５３は、本体部２の段差部２３等に固着されていなくてもよい。また、第１カバープライ３、第２カバープライ４及び第３カバープライ５は、それらに含まれる熱硬化性樹脂によりプライ２５等に固着されていたが、例えば樹脂などを溶着させたり、接着材を用いて接着する等の他の方法により、プライ２５等に固着されていてもよい。

本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。

１ 複合材の構造体
２ 本体部
２１ 第１構造部
２２ 第２構造部
２３ 段差部
２５ プライ
２５１ 端面
２６ 第１プライ
２６１ 表面
２７ 第２プライ
２７１ 表面
３ 第１カバープライ
３１ 一端部
３２ 他端部
３３ 被覆部
３３１ 第１被覆部
３３２ 第２被覆部
４ 第２カバープライ
４１ 一端部
４２ 他端部
４３ 被覆部
５ 第３カバープライ
５１ 一端部
５２ 他端部
５３ 被覆部
６ 溶出樹脂
１０，１０Ａ～１０Ｄ，２０Ａ，２０Ｂ 試験片
１０１ 人工欠陥
１０２ グリップ
Ｄ 変位
Ｆ 引張荷重
Ｈ 水平距離
ＬＯ 直交線
ＬＳ 基準線
Ｖ 垂直距離

Claims (9)

1. 複数のプライの端面が互いにずらされて積層されることで形成される段差部を有する複合材の構造体であって、
   前記複数のプライのうちの第１プライが最上層に積層される第１構造部、前記複数のプライのうち前記第１プライとは異なる第２プライであって、前記第１プライとは前記複数のプライが積層される方向である積層方向に離れて位置している第２プライが最上層に積層される第２構造部、及び前記第１構造部と前記第２構造部との間に設けられた前記段差部、を含む本体部と、
   前記積層方向における上方視において前記段差部のすべてを覆う被覆部、前記被覆部の一端部より前記積層方向と直交する方向に沿って延在する一端部、及び前記被覆部の他端部より前記積層方向と直交する方向に沿って延在する他端部、を含む第１カバープライであって、前記第１プライの表面の一部、又は前記第２プライの表面の一部だけを覆うように形成されている第１カバープライと、
   を備え、
   前記一端部は、前記積層方向における上面視において、前記被覆部の全周に沿って連続的に延在する
   複合材の構造体。
2. 前記複合材の構造体は、
   前記積層方向において、前記第１プライと前記第１カバープライとの間に配置される第２カバープライをさらに備え、
   前記第２カバープライは、前記段差部を覆う被覆部、前記被覆部の一端部より前記積層方向と直交する方向に沿って延在する一端部、及び前記被覆部の他端部より前記積層方向と直交する方向に沿って延在する他端部であって、前記積層方向における前記第１プライと前記第２プライとの間に配置される前記複数のプライのうちの、２つのプライの間に差し込まれる他端部、を含む
   請求項１に記載の複合材の構造体。
3. 前記第１カバープライは、配向方向を有する強化繊維を含んで構成されており、
   前記第１カバープライの前記配向方向は、前記積層方向における上方視において、前記第１構造部と前記第２構造部との距離が最短となる位置を通る基準線に直交する方向に対して交差する
   請求項１又は２に記載の複合材の構造体。
4. 前記積層方向における上方視において、前記基準線に対する前記第１カバープライの前記配向方向の角度をθ１とするとき、θ１が４５±１５°又は－４５±１５°の範囲内である
   請求項３に記載の複合材の構造体。
5. 前記積層方向における上方視において、前記基準線に対する前記第１カバープライの前記配向方向の角度をθ１とするとき、θ１が０±１５°の範囲内である
   請求項３に記載の複合材の構造体。
6. 前記複合材の構造体は、
   前記積層方向において、前記第１カバープライに対して前記第１プライとは反対側に配置される第３カバープライをさらに備える
   請求項３乃至５の何れか１項に記載の複合材の構造体。
7. 前記第３カバープライは、配向方向を有する強化繊維を含んで構成されており、
   前記積層方向における上方視において、前記基準線に対する前記第１カバープライの前記配向方向の角度をθ１、前記基準線に対する前記第３カバープライの前記配向方向の角度をθ３とするとき、θ３＝－θ１の関係を満たす
   請求項６に記載の複合材の構造体。
8. 前記第１カバープライの前記被覆部は、
   前記積層方向に沿った断面視において、前記第１カバープライの前記一端部に連続するとともに前記一端部に対して傾斜を有する第１被覆部と、
   前記積層方向に沿った断面視において、前記第１カバープライの前記他端部に連続するとともに前記他端部に対して傾斜を有する第２被覆部と、を含み、
   前記第１被覆部の前記一端部に対する前記傾斜は、前記第２被覆部の前記他端部に対する前記傾斜より緩やかに形成されている
   請求項１乃至７の何れか１項に記載の複合材の構造体。
9. 前記段差部は、水平距離をＨ、垂直距離をＶとすると、前記水平距離と前記垂直距離の比であるＨ／Ｖが、１≦Ｈ／Ｖ＜３０の範囲内である
   請求項１乃至８の何れか１項に記載の複合材の構造体。
   

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