JPH01502014A - ハニカム表面シート材料およびそれによって形成されるハニカム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ハニカム表面シート材料および それによって形成されるハニカム 発明の背景 本発明は合成補強構造に関するものであり、特に、金属性ハニカムを強化するた めの表面シートに関するものである。

宇宙船中に用いられる構造材料および宇宙空間で組立てられる構造物は堅固で、 強く、そして極度に軽量でなければならない。地上から軌道上へ１ポンドの重量 を打上げるための費用は数千ドル以上であり、それ故要求される機械的性質と最 少重量とを適合させるように正確に構造材料を設計することによって非常な節約 と増加されたペイロードが確保される。

いくつかの宇宙船適用において、特定の位置での高い構造強度が必要とされる。

構造上の振動が宇宙船構造部品において誘起される。振動の振幅はそれらの周波 数に依存し、それは構造の堅固性（スチフネス）に幾分依存する。もし振幅が高 くなりすぎると、それらは構造を破壊する。堅固性は弾性率によって表されるこ とができ、材料の特性は弾性歪によって割られた弾性応力として定義される。振 動を制御するため、構造の堅固性は重量が最少にされなければならないという制 限において、正確に制御される。

多くの宇宙船は電力を生成するため太陽電池を利用する。

太陽電池は典型的には支持するため基盤ソーラパネル構造に取付けられなければ ならない薄いプレートである。基盤ソーラパネル構造を構成するための１方法は ハニカムを堅くするためおよび太陽電池を受けるためハニカムの開いた方の端部 へ接着された表面シートを有する軽量アルミニウムハニカム基板を用いることで ある。このような材料はソーラパネルにおける破壊的振動の発達に対して抵抗す る空間的堅固性に適合できる。

アルミニウムハニカム材料は、人工材料のセル壁がアルミニウムまたはその他の 軽量材料からできていることを除いて、蜜蜂のよく知られた蜂の巣（ハニカム） と同様に反復多孔性形態に構成される。セル壁は幾何学的−散性および強度のた め六角形多孔性パターンで配列されている。一般に、セル壁は約、０００フイン チの厚さの５０５６アルミニウムのような軽量アルミニウム合金であり、各セル の最大断面寸法は約３／８インチである。このような材料は様々な厚さで市販さ れており、厚さ１／２インチのピースは宇宙船ソーラパネル構造においてしばし ば用いられる。

表面シートは任意のいくつかの材料であり得る。最も一般的には、表面シートは 、表面シートおよびハニカム／表面シート構造が堅くされるように高い弾性率を 有する、ケブラー（Ｋｅｖｌａｒ　）のような合成繊維の堅く織られた織物であ る。

このような構造が必要な支持および高い堅固性を与えるが、軽量で、同等のまた は改良された構造特性を有する支持構造への別のアプローチを見出だすことが望 ましい。

従って、高い、制御可能な堅固性、寸法安定性、及び現存する材料と比較して減 少された重量を有する、改良された軽量構造材料の必要性が存在する。構造材料 は好ましい適用において、太陽電池の取付けおよびそれらの使用への現存するア プローチと一致していなければならない。更に一般的には、構造材料は様々な宇 宙船の応用において動作可能であることが望ましい。本発明はこの必要性を満た し、更に関連する利点を与える。

発明の概要 本発明は金属性ハニカム構造に用いるための表面材料として実施される。表面シ ートは高い、制御可能な弾性率、低い熱膨張率、適切な寸法安定性、および従来 の表面シート材料と比較して減少された重量を有する。表面シートはハニカムへ の堅い素子の接着を高めるため、ハニカム基板と共に使用するため特に構成され る。

本発明に従って、ハニカム表面シート材料は少なくとも繊維の直径の繊維間の平 均間隔の互いに織られたグラファイト繊維を有するグラファイト織り布と、前記 グファイト布に付着された一枚のグラファイト紙とを含み、前記布および前記グ ラファイト紙は硬化できる接着剤がしみ込ませである。

グラファイト繊維は好ましくは約、０２０インチの直径と、約、０８０インチの 繊維間隔とを有する。従って、繊維は約１０の繊維端部毎インチの平織りで配列 される。この繊維は好ましくは約７千万ポンド毎立方インチという高い弾性率で ある。ハニカムの各セルの横断面寸法が大きいので（例えば。

３７５インチ）、繊維間の間隔（例えば、０８０インチ）は極度であり、布の繊 維はグラファイト紙がなければそれらの長さの大きな割合いの部分でセル壁へ接 着することは容易にできることではない。実際、グラファイト紙がなければ繊維 長の小部分だけがセル壁の端部と接触し、そのためセル壁と繊維との間の荷重伝 達は不完全であり、機械的性質は貧弱なものとなる。

グラフフィト布とハニカム材料との間のグラファイト紙はそれ故いくつかの重要 な機能を実効する。この紙は薄いセル壁へのオープン織り布の繊維の充分な接着 を促進する接着素子である。グラファイト紙はハニカムのセル壁が繊維を切断す ることあるいはダメージを与えることを防ぐ。グラファイト紙は、製造、輸送、 およびハニカムへの適用の間、オーブン織り布構造を支持することを補助し、離 れて配置されたグラフフィト繊維の配列ミスおよび布のほつれを防ぐ。

グラフフィト繊維は好ましくは市販製品セリオンＲ（Ｃｅｌｉｏｎ　”　）ブラ ンドＧＹ７０ＳＥカーボン繊維である。この繊維はそれから所望された布へ織ら れる。グラファイト紙は好ましくはインターナショナルペーパー社（Ｉ　ｎｔｅ ｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｐ　ａｐｅｒ）製造の市販製品であり、重量は約０．２乃 至２．０オンス毎平方ヤード、最も好ましくは０．３オンス毎平方ヤードである 。グラファイト紙は一般に約０．７５乃至約１．０インチの長さを有する圧縮さ れたグラファイト繊維から形成される。

本発明の表面シートを有するハニカムの曲げ率は一般にケブラー（Ｋｅｖｌａｒ 　）の単層表面シートを用いて得られるより約４０％大きい。表面シートの重量 は単層ケブラーアプローチの代わりに、本発明のグラファイト布／グラファイト 紙二層構造を用いると約り５％小さい。従って、約２０乃至３０ポンドの重量に おける減少はヒユーズ・エアークラフト社ＭＳ−３９３通信衛星における本表面 シート材料およびハニカム構造を用いて達成されることが期待される。

本発明の表面シートおよび補強されたハニカムは宇宙船において使用するため堅 く、軽量の構造材料の分野において重要な前進を与えることが明らかである。よ り高い堅固性、より適切な寸法安定性、および軽量さが従来の単層アプローチの 代わりにこの二層アプローチを用いて得られる。本発明のその他の特徴および利 点は添付図面と結合して得られた以下の更に詳細な説明から明らかとされ、その 説明は本発明の原理を例示によって説明するものである。

図面の簡単な説明 第１図は本発明の表面シートの側部断面図である。

第２図は相互関係を説明するため段階的に剥ぎ取られた層で示した本発明の表面 シートによって補強されたハニカムの頂部から見た図である。

第３図は本発明の表面シートによって補強されたハニカムの側部断面図である。

好ましい実施例の詳細な説明 第１図および第２図において説明されるように、表面シート１０はグラファイト 織り布１２の層と、それへ接着されたグラファイト紙１４の層とを含む。グラフ ァイト布は各々直径が約、０２０インチであるオーブン織りのグラファイト繊維 １６である。繊維１Ｂは約、０８０インチ離され、そのため繊維の中心は約、１ ００インチ離される。織り方は繊維１６の２つの組１８から形成され、各組１８ の全繊維は実質的に互いに平行であり、一方の組１８ａは他方の組１８ｂに対し て９０度で配置される。布１２の平面を除いて繊維の組１８に対して直角な各方 向において、約１０繊維端部毎インチある。この種の織り方の布は、繊維がそれ らの直径より大きい距離によって横に離れて配置されており、オーブン織りと呼 ばれる。オーブン織りの一般的な例は窓やドアに用いられる網である。反対にク ローズ織りでは、繊維はその間が横に大きく離れることなく一緒に接近して置か れている。クローズ織りの一般的な例ｉｔ衣類に用いられる布である。

布１２中の繊維１６はグラファイト、即ちカーボンの形である。

各繊維は一束のまたはトウ（ｔｏｗ）のグラファイトのフィラメントであり、一 般に約３８４のフィラメントが各繊維を形成するため束にされる。この繊維は高 い弾性率、即ち約７乃至約８千万ポンド毎立方インチを有する。このような繊維 Ｃヨセリオン（Ｃｅｌｉｏｎ　Ｒ）ブランドＧＹ７０　Ｓ　Ｅカーボン繊維とし て市販されている。それらは一般に洋服に用（１られる綿布を製造するため用い られるものと同様の織機で所望されるオーブン織布へ織られる。

オーブン織りグラファイト布の使用は本発明にとって重要である。１０端部毎イ ンチのＧＹ７０ＳＥグラファイト繊維を有する布１２は所望される高い堅固性を 表面シートｌＯへ与えることがわかった。繊維のオーブン織りはクローズ織りよ り軽量で、本発明のオーブン織り布１２はまた構造の重量の意図された減少に貢 献する。繊維のクローズ織りは表面シートのより高い堅固性と最終構造に貢献す るが、このようなより高い堅固性は宇宙船設計には必要とされない。代わりに、 宇宙船構造の構成は可能な限り軽量で充分な堅固性の最適な結合を有する材料を 必要とする。

グラファイト紙１４はグラフフィト繊維を圧縮したものである。一般に約０．７ ５乃至約１インチの長さである。グラファイト紙の厚さは約、００３インチであ る。グラファイト紙はウッドバルブから作られたよく知られている紙と同様の方 法で製造され、そのためグラファイト繊維は一般に紙の平面に一般的にランダム に方向づけられる。グラファイト紙Ｅｉ重量の範囲において製造され、約０．　 ２乃至約２．０オンス毎平方ヤードの重量でインターナショナル・ベーノく一部 から市販されている。約０．３オンス毎ヤードの重量を有する紙ｉｔ表面シート １０において使用するのに適していること力くわ力１つた。

オーブン織りグラファイト布１２と結合してのグラファイト紙１４の使用は改良 された堅固性と表面シート１０を必要とする減少された重量を獲得するために重 要である。グラファイト布１２のオーブン織り構造が所望された強度を得るのに 使用できることが決定されたが、このようなオーブン織り布力（適切な方法でハ ニカムへ直接接着されることが不可能であることがわかった。

第２図はハニカム２２のオーブン端部２０に関して、グラフフィト布１２を作る 繊維の組１８における繊維１Ｂのスペーシングの相対的なスケールを示している 。明らかなように、繊維１６の間のスペースの寸法に対してハニカム２２の各セ ル２４の寸法は非常に大きい。結果的に、各繊維１６の短い長さのみが一連の間 隔を置いた接触点でセル２４の壁２６の一部へ接触することが期待できる。この 低い程度の接着は〕１ニカムおよび表面シート複合体の機械的特性を貧弱なもの とする。なぜなら荷重は構成物の２つの素子の間で容具に伝達できないからであ る。

れたグラファイト紙１４は布１２とハニカム２２との間で伝達される荷重を配分 するように機能する。紙１４は本質的にそれらの完全な長さに沿ってセル壁２６ のさらされた部分へ接着され、間隔を置かれた点の接触によって達成されるより も更に効果的な荷重の伝達を達成する。グラファイト紙はまた実質的にそれらの 完全な長さにわたってグラフフィト布１２の繊維を接触し、再び紙１４と布１２ との間の効果的な荷重伝達を促進する。

グラファイト紙１４は表面シート１０の重要な構造上の荷重伝達素子である。グ ラファイト紙１４はハニカム２２のセル壁２６の鋭い縁部でファイバ１６が切れ ること、欠けること、あるいはその他のダメージから保護する。繊維の強度は少 量のダメージによっても非常に減少されるが、繊維１Ｂとｌ＼ニカム２２との間 の紙１４はこのようなダメージを防ぐ。グラフフィトから作られているので、紙 １４はグラファイト布１２と化学的に一致しており、熱的不整合応力と加熱およ び冷却における歪みを減少するようなほぼ同じ低い熱膨張率を有し、同じく低い 密度を有する。

グラファイト紙１４はまた製造および取扱い中グラフフィト布１２を支持するこ とにおいて重要な機能を果たす。オーブン織り構造は織りの個々の繊維１６のシ フトに影響されやすく、それによって雄維は不整列状態になるかあるいは縁部で 布の本体からほつれる。グラフフィト紙１４の存在は、表面シート１０が製造さ れるとき、および表面シートがハニカム２２への適用の間取扱われるときシフト を減少させる。

表面シートの製造中、グラファイト布１２およびグラファイト紙】４は適切な接 着剤、好ましくは硬化可能なエポキシ、ポリサルファイド、またはポリイミド樹 脂で含浸される。エポキシ樹脂接着剤は表面シートｌｏへしみ込まされた粘性の 液体として供給される。接着剤は硬化の前でさえいくらかの粘着性があるので、 製造、輸送およびハニカム２２への適用の開繊維１６のシフトを防ぐため布１２ を紙１４へ接着するのを助ける。

表面シート１０がハニカム２２へ付加された後で、接着剤は表面シート１０とハ ニカム２２との間に強力な接着を形成するため、選択された接着剤に適切な状況 下で硬化される。

接着の強度は接着剤の量を増加することによって増加するが、重量もまた増加す る。樹脂がハニカム２２のセル２４内へ流れ込むことを防ぐため、周囲のおよび 硬化温度で低い流速を有するような粘性の接着剤を使用することは好ましい。フ ァイバライト（Ｆ　１ｂｒｉｔｅ）　９８４硬化可能なエポキシ樹脂接着剤はこ の適用に適切であることがわかった。この接着剤はハニカム２２から分離した材 料として表面シー）１０の製造巾約２．４乃至２．６オンス毎平方ヤードの量に おいて表面シート１０内へ含浸される。レリース（ｒｅｌｅａｓｅ　）紙２８は 通常、材料が製造中ロールにされるとき表面シート材料がそれ自身へ接着される ことを防ぐように表面シートの含浸中に設けられる。これは表面シートがハニカ ムへ加えられる前の輸送および貯蔵の間表面シートを保護する。

後に、第３図に示された硬化されたハニカム２２はレリースフィルム２８を剥が し、それからハニカム２２の開放端部上へ表面シートを置くことによって製造さ れ、グラファイト紙はハニカム２２に対するように下方へ配置される。この接着 剤は、表面シートを一緒にしハニカムへ接着するため、その接着剤へ適用可能な 標準的手続を用いて硬化される。好ましいとされるファイバライト９８４接看剤 の場合、硬化は表面シートおよびハニカムを真空パック（ｂａｇｇｉｎｇ　）　 Ｌ、約２時間の間、温度３５０”Ｆで約２乃至５ポンド毎立方インチの圧力で硬 化することによって達成される。この処理は、表面シート１０とハニカム２２と の間の接着を形成する接着剤が表面シートへ含浸された接着剤の一部であるので 共通硬化と呼ばれる。

前置硬化とよばれるもう１つの処理において、表面シート１０におけるエポキシ は表面シート１０をハニカム２２へつける前に完全に硬化される。接着剤のもう １つの層は予め硬化された表面シートｌＯとハニカム２２との間に置かれ、この 接着剤の層はそれに適切な手続を用いて硬化される。このアプローチは、もし共 通硬化アプローチを用いての接着が不十分であることが特定の適用において見出 されるなら、表面シート１０とハニカム２２との間の接着平面でより高い濃度の 接着剤を加えることの利点を有する。最初に表面シートへ含浸された接着剤の量 は前置硬化を実施するとき必要とされるので減少され、そのため用いられた接着 剤の総量は効果的に素子を一緒に接着するため要求されたものである。

いずれかのアプローチ（前置硬化または共通硬化）において、表面シート材料が ハニカムへの適用の容易ができている単層、二層または多層の表面シート材料と して提供される。

１以上のこれらの層はもし増加された強度（スティフネス）が要求されるならハ ニカムへ加えられる。即ち１つの接着動作においてハニカムへ多数の層を接着で きる。接着剤の過剰な層が必要に応じて加えられ、そのためこの処理は非常に柔 軟性が高く特定の適用の特定の必要性へ適合される。

多数のテストサンプルが記述された方法で行われた。単層、二層、三層の表面シ ートプリプレグは３層８インチセル寸法および５０５６アルミニウム合金から構 成された壁を有するハニカムの１層２インチの厚さのピースの各側部へ接着され た。グラファイトダブラ−（ｄｏｕｂｌｅｒ　）は中心部分での不十分を確実に するため各サンプルのグリップ部分へ接着された。

曲げ率と表面シートのシートの厚さとの積、Ｅｔは４点ベンディングにおける各 場合において測定された。表面シートの強度もまた決定された。

ハニカムの各側部上の単層の表面シートについてＥｔの平均値は幅の毎インチ当 り２２，１８９ポンドであり、平均強度は幅毎インチ当り１９．６ポンド（４５ のテストにおける平均値）であった。ハニカムの各端部の表面のシートの２層に ついて、Ｅｔの平均値は４２．１９２ボンド毎インチであり、平均強度は５６． ２ポンド毎インチ（１８のテストにおける平均値）であった。ハニカムの各端部 の３層の表面シートについて、Ｅｔの平均値は７４，００４ポンド毎インチであ り、強度の平均値は６０．３ポンド毎インチ（１３のテストにおける平均値）で あった。比較のため、ハニカムへ接着されたケブラー（Ｋｅｖｌａｒ　）の単層 についての平均Ｅｔ値は約１６，０００ボンド毎インチであり、本発明の材料の 平均２２．１８９ポンド毎インチよりはるかに下である。ケブラー材料について の強度値は現用の材料としてはすぐれているものであるが、現在の適用の臨界的 な考察から見ると堅固性はあっても強度はない。

熱膨張率および熱サイクルテストは、この発明の表面シートによって強化された ハニカムが宇宙船ソーラパネルにおいて使用するのに適切であるか否かを決定す るように行われ、それはそれらの寿命の期間中多数回反復された。熱テストはこ の材料が宇宙船における使用に適していることを確信させた。

本発明の表面シートおよび表面シート／ハニカム材料は重量が減少され、しかも 宇宙船適用において増加された堅固性および許容される強度を提供する。説明の ため本発明の特定の実施例が詳細に記述されたけれども、様々な修正が本発明の 技術的範囲から離れることなくなされても良い。従って、本発明は添付された請 求の範囲によってのみ制限されるものである。

国際調査報告 ＳＡ　ｉ９９１６

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. （１）繊維の直径以上の繊維の間の平均間隔の相互に織られたグラファイト繊維 を有するグラファイト布と、グラファイト布の前記層へ接着されたグラファイト 紙とを具備し、 前記布および前記グラファイト紙は硬化可能な接着剤で含浸されているハニカム 表面シート材料。
2. （２）前記繊維が約７０乃至約８０ミリオンポンド毎平方インチの弾性率を有す る請求項１記載の表面シート材料。
3. （３）前記繊維の各々がグラファイトの複数のフィラメントを含む、請求項１記 載の表面シート材料。
4. （４）前記繊維の直径が約．０２０インチで、前記繊維間の間隔が約．０８０イ ンチである請求項１記載の表面シート材料。
5. （５）前記グラファイト紙の重量が約０．２乃至約２．０オンス毎平方ヤードで ある請求項１記載の表面シート材料。
6. （６）前記グラファイト紙の重量が約０．３オンス毎平方ヤードである請求項１ 記載の表面シート材料。
7. （７）前記硬化可能な接着剤がエポキシ樹脂接着剤、ポリイミド接着剤、および ポリスルホン接着剤から成る群から選択される請求項１記載の表面シート材料。
8. （８）布の平面の繊維に対してそれぞれ直角な方向において１インチ当り約１０ 繊維となるように織られ、前記繊維の弾性率が約７０乃至８０ミリオンポンド毎 平方インチであるグラファイト繊維の層と、 前記繊維の層へ接着された約０．３オンス毎平方ヤードの重量を有するグラファ イト紙の層とを具備し、前記繊維および前記布はエポキシ樹脂で含浸されている ハニカム表面シート材料。
9. （９）金属ハニカム材料体と、 前記ハニカムの一表面へ接着されたグラファイト紙と、繊維の直径以上の繊維間 の平均間隔の織られたグラファイト繊維を有し前記グラファイト紙へ接着されて いるグラファイト布とを含む強化されたハニカム材料。
10. （１０）前記繊維は約７０ミリオンボンド毎平方インチの弾性率を有する請求項 ９記載の強化されたハニカム材料。
11. （１１）前記繊維の各々がグラファイトの複数のフィラメントを含む請求項９記 載の弦化されたハニカム材料。
12. （１２）繊維間の間隔が約．０８０インチである請求項９記載の堅くされたハニ カム材料。
13. （１３）グラファイト紙の重量が約０．２乃至２．０オンス毎平方ヤードである 請求項９記載の強化されたハニカム材料。
14. （１４）グラファイト紙の重量が約０．３オンス毎平方ヤードである請求項９記 載の強化されたハニカム材料。
15. （１５）複数の枚数のグラファイト紙および複数のグラファイト布が単一のハニ カム材料へ接着されている、請求項９記載の強化されたハニカム材料。
16. （１６）一枚のグラファイト紙が前記ハニカムの各綿へ接着され、一枚のグラフ ァイト布がグラファイト紙のそれぞれの露出面へ接着されている請求項１５の強 化されたハニカム材料。