JPH0455864B2 - - Google Patents

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JPH0455864B2
JPH0455864B2 JP63500649A JP50064988A JPH0455864B2 JP H0455864 B2 JPH0455864 B2 JP H0455864B2 JP 63500649 A JP63500649 A JP 63500649A JP 50064988 A JP50064988 A JP 50064988A JP H0455864 B2 JPH0455864 B2 JP H0455864B2
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honeycomb
graphite
fibers
topsheet
paper
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Puresuton Esu Deyuhon
Robaato Ii Ritsutaa
Burian Ee Matsugurasu
Bu Rento Jii Shatsufuaa
Keniisu Ee Saado Fuootsu
Jon Pii Sutatsufuoodo
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Hughes Aircraft Co
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Description

請求の範囲 １ グラフアイト繊維で織られ、繊維間の平均間
隔が繊維の直径以上であるグラフアイト布と、 このグラフアイト布の層に接着されたグラフア
イト紙とを具備し、 前記グラフアイト布および前記グラフアイト紙
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 前記繊維が約70乃至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 前記繊維の各々がグラフアイトの複数のフイ
ラメントを含む請求項１記載の表面シート材料。
４ 前記繊維の直径が約0.020インチで、前記繊
維間の間隔が約0.080インチである請求項１記載
の表面シート材料。
５ 前記グラフアイト紙の重量が約0.2乃至2.0オ
ンス毎平方ヤードである請求項１記載の表面シー
ト材料。
６ 前記グラフアイト紙の重量が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 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
剤からなる群から選択される請求項１記載の表面
シート材料。
８ 前記グラフアイト布は布の平面において繊維
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本の繊維を有するように織られ、 このグラフアイト布のグラフアイト繊維の弾性
率は約70乃至80ミリオンポンド毎平方インチであ
り、 前記グラフアイト布へ接着されたグラフアイト
紙は約0.3オンス毎平方ヤードの重量を有し、 前記含浸されている接着剤はエポキシ樹脂であ
る請求項１記載の表面シート材料。
９ 金属ハニカム材料体と、 このハニカム材料体の一表面へ接着されたグラ
フアイト紙と、 グラフアイト繊維で織られ、繊維間の平均間隔
が繊維の直径以上であり、前記グラフアイト紙へ
接着されているグラフアイト布とを含む強化され
たハニカム材料。
１０ 前記繊維は約70ミリオンポンド毎平方イン
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 前記繊維の各々がグラフアイトの複数のフ
イラメントを含む請求項９記載の強化されたハニ
カム材料。
１２ 前記繊維間の間隔が約0.080インチである
請求項９記載の強化されたハニカム材料。
１３ 前記グラフアイト紙の重量が約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 前記グラフアイト紙の重量が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 複数の枚数のグラフアイト紙および複数の
グラフア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 一枚のグラフアイト紙が前記ハニカムの各
面に接着され、一枚のグラフアイト布がグラフア
イト紙のそれぞれの露出面に接着されている請求
項１５記載の強化されたハニカム材料。
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
することによつ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
は弾性率によつて表されることができ、材料の特
性は弾性歪によつ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の太陽電池
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。セル壁は幾何学的一致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．0007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。
従つて、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、低い熱膨脹率、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。
本発明に従つて、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
織られたグラフアイト繊維を有するグラフアイト
織り布と、前記グラフアイト布に付着された一枚
のグラフアイト紙とを含み、前記布および前記グ
ラフアイト紙は硬化できる接着剤がしみ込ませて
ある。
グラフア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。
従つて、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、布の繊維はグラフアイト紙
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、グラフア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。
グラフアイト布とハニカム材料との間のグラフ
ア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
フア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
フアイト紙は、製造、輸送、およびハニカムへの
適用の間、オープ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アイト繊維の配
列ミスおよび布のほつれを防ぐ。
グラフアイト繊維は好ましくは市販製品セリオ
ンＲ（CelionR）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。グラフアイト紙は好ましくはインターナシヨ
ナルペーパー社（International Paper）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。グラフアイト紙は一般に約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アイ
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
発明のグラフアイト布／グラフアイト紙二層構造
を用いると約25％小さい。従つて、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HS−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、および軽量さが徒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つて説
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つて
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つて補強され
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はグラフアイト織り布１２の
層と、それへ接着されたグラフアイト紙１４の層
とを含む。グラフアイト布は各々直径が約．020
インチであるオープン織りのグラフアイト繊維１
６である。繊維１６は約．080インチ離され、そ
のため繊維の中心は約．100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つて横に離れて配置さ
れており、オープン織りと呼ばれる。オープン織
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は衣類に用いら
れる布である。
布１２中の繊維１６はグラフアイト、即ちカー
ボンの形である。各繊維は一束のまたはトウ
（tow）のグラフアイトのフイラメントであり、
一般に約384のフイ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
のような繊維はセリオン（CelionR）ブランド
GY70SE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い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
プン織布へ織られる。
オープン織りグラフアイト布の使用は本発明に
とつて重要である。10端部毎インチのGY70SEグ
ラフア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１０へ与えることがわかつ
た。繊維のオープン織りはクローズ織りより軽量
で、本発明のオープン織り布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。
グラフアイト紙１４はグラフアイト繊維を圧縮
したものである。一般に約0.75乃至約１インチの
長さである。グラフアイト紙の厚さは約．003イ
ンチである。グラフアイト紙はウツドパルプから
作られたよく知られている紙と同様の方法で製造
され、そのためグラフア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
アイト紙は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
ナシヨナル・ペーパー社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は表面シー
ト１０において使用するのに適していることがわ
かつた。
オープン織りグラフアイト布１２と結合しての
グラフアイト紙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。グラフアイト布１２の
オープ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、このようなオープ
ン織り布が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つた。
第２図はハニカム２２のオープン端部２０に関
して、グラフアイト布１２を作る繊維の組１８に
おける繊維１６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１
６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ハニカムおよび表面
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つの素子の間で容易に
伝達できないからである。
グラフアイト布１２とハニカム２２の開端部２
０との間に挿入されたグラフアイト紙１４は布１
２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
完全な長さに沿つてセル壁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つて達
成されるよりも更に効果的な荷重の伝達を達成す
る。グラフアイト紙はまた実質的にそれらの完全
な長さにわたつてグラフアイト布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。グラフアイト紙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
ラフアイト紙１４はハニカム２２のセル壁２６の
鋭い縁部でフアイバ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つても非常に減少
されるが、繊維１６とハニカム２２との間の紙１
４はこのようなダメージを防ぐ。グラフアイトか
ら作られているので、紙１４はグラフアイト布１
２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
同じ低い熱膨脹率を有し、同じく低い密度を有す
る。
グラフアイト紙１４はまた製造および取扱い中
グラフアイト布１２を支持することにおいて重要
な機能を果たす。オープ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
つて繊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。グラフアイト紙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、グラフアイト布１２およ
びグラフアイト紙１４は適切な接着剤、好ましく
は硬化可能なエポキシ、ポリサルフアイド、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１０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への適用の間繊維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、選択された接着剤の適
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つ
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
アイバライト（Fibrite）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つ
た。この接着剤はハニカム２２から分離した材料
として表面シート１０の製造中約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２
２はレリースフイルム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
によつて製造され、グラフアイト紙はハニカム２
２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アイバライト
984接着剤の場合、硬化は表面シートおよびハニ
カムを真空パツク（bagging）し、約２時間の
間、温度350〓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つて達成される。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１
０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１０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（ステイフネス）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3/8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1/2イン
チの厚さのピースの各側部へ接着された。グラフ
アイトタブラー（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ツプ部分へ
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点ベンデイ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22189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）であつた。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42192ポ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）であつた。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74004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）であつた。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16000ポンド毎イ
ンチであり、本発明の材料の平均22189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
ると堅固性はあつても強度はない。
熱膨脹率および熱サイクルテストは、この発明
の表面シートによつ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
つて、本発明は添付された請求の範囲によつての
み制限されるものである。
JP63500649A 1986-12-19 1987-11-20 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 Granted JPH01502014A (ja)

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