JPH0611522B2 - ハニカムコア構造体及びその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、多孔質のセル状材料のコアを有する繊維強化
複合材料物品の製造方法に係り、更に詳細にはハニカム
コアを有する繊維強化複合材料製のサンドイッチ構造の
物品を製造するに特に有用な方法に係る。

背景技術 繊維強化複合材料物品に於て軽量の構造部材として作用
するようハニカムコア構造体を使用することはよく知ら
れている。かかる構造体は繊維強化樹脂マトリックス材
料の層の間にサンドイッチ状に挾まれたアルミニウム、
フェノール樹脂、ノーメックス（Ｎomex（登録商
標））、又は他のオープンセル状の材料よりなるハニカ
ムコアを含んでいる。これらの構造体は、樹脂を硬化さ
せた完成した複合材料物品を形成するためには典型的に
は真空下及び加圧下にて加熱されなければならない未硬
化状態又はＢ段階状態の樹脂マトリックスと共に積層さ
れる。

発明が解決しようとする問題点 現在のところかかる複合材料に於ては厚さ約１inch（２
５．４mm）又はそれ以下のハニカムコアが使用されてい
る。かかる大きさのコアに関しては、複合材料物品に対
し硬化処理を行う際に必要な圧力及び真空による問題は
殆ど発生していない。しかし１inch（２５．４mm）以上
の厚さを有するハニカムコアを使用することが望ましい
ことが近年解っている。しかしながらかかる厚さのハニ
カムコアが使用される場合には、複合材料物品が所要の
真空及び加圧下にもたらされると硬化処理サイクル中に
種々の問題が生じる。かかる構造体に適用される５０ps
i（３．５kg／cm²）もの圧力によりハニカムコアの側部
が崩壊せしめられ、かかる崩壊時にハニカムコアが寸法
的に変形された状態になることが解っている。このこと
が第１図及び第２図に明瞭に示されており、第１図はプ
リプレグが積層された複合材料１であって、安定化され
ていないハニカムコア１０が使用され、ハニカムコアの
上面及び下面に黒鉛繊維層２０が配置された複合材料１
をそれが硬化処理される以前の状態にて示している。ま
た第１図は硬化処理された複合材料を示しており、特に
硬化処理により生じた変形を示している。この変形は一
般に「レモンシーディング（iemon seeding）」として
知られており、構造体の側部３０が硬化条件下に於て崩
壊せしめられる。

ハニカムを安定化させてハニカムコアが硬化プロセス中
に崩壊することを防止する多数の試みが従来より行われ
ている。かかる試みの一つはハニカムコアの外方部をエ
ポキャスト（Ｅpocast（登録商標））のエポキシ樹脂接
着剤の如き剛固な接着剤にて充填することであったが、
かかる方法に於ても積層体が硬化処理される際にハニカ
ムコアが崩壊され、構造体の重量が増大されるので、か
かる方法は良好には機能しなかった。他の一つの試みは
何れの材料が安定化された物品となるかを見極めるべ
く、幾つかの種々の材料の層を適用することであった。
試みられた幾つかの材料は金属ボンド、ガラス繊維、ケ
ブラー（Ｋevlar（登録商標）繊維であった。しかしこ
れらの何れもハニカムが崩壊するので満足し得る解決手
段とはならなかった。更に試みられた多数の材料は、そ
れらが有害なものであり、特定の複合材料物品の製造に
は必然的に使用し得ないものであり、物品の材料コスト
及び重量を増大させるという点から望ましくないもので
あった。

従って当技術分野に於て必要とされているものは、硬化
プロセス中に厚いハニカムコアを安定化させる単純にし
て低廉な方法である。

発明の概要 本発明によれば、複合材料の積層体の最終硬化処理時に
も実質的にレモンシーディングが発生せず、従って正味
の形状の硬化した複合材料を得ることができるよう、ハ
ニカムコア構造体を安定化させる方法が開示される。

本発明の方法は、オープンセルのハニカムのコアに対し
樹脂にて含浸された織られた黒鉛連続繊維の層を接合す
る過程と、樹脂を硬化させて安定化されたハニカムコア
を形成する過程と、安定化されたハニカムコアを正味の
形状に成形する過程と、正味の形状のハニカムコアに追
加の複合材料の所要の層を適用することにより所望の複
合材料物品を形成する過程と、樹脂を硬化させて最終の
複合材料物品を形成する過程とを含んでいる。

また本発明によれば、樹脂にて含浸された織られた黒鉛
連続繊維の層が接合されたオープンセルのハニカムコア
を含む安定化されたハニカムコアが開示される。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例について
詳細に説明する。

発明を実施するための最良の形態 安定化されるべきハニカムコアは、繊維強化ハニカムコ
ア複合材料構造体の製造に有用な従来より使用されてい
るオープンセルのハニカムの何れであってもよい。一般
にハニカムコアの構成材料はアルミニウム、ノーメック
ス、フェノール樹脂等、又は従来よりハニカム構造体の
製造に使用されている材料の何れであってもよい。一般
にハニカムコアの壁の厚さは０．００２〜０．００８in
ch（０．０５１〜０．２０mm）の範囲である。好ましい
ハニカム材料はノーメックス又はフェノール樹脂であ
る。本発明の方法は高さが１inch（２５．４mm）以上で
あるハニカム構造体との関連で使用されることが最も有
用なものである（この場合高さはオープンセルの壁の方
向である）。

硬化処理サイクル中にハニカムコアを安定化させるため
に使用されてよい黒鉛繊維層は従来の黒鉛繊維層の何れ
であってもよい。黒鉛繊維層の繊維は、繊維の最大圧縮
強さの方向がハニカムコアに与えられる圧縮力が最大に
なる方向になるよう配向されなければならない。かかる
ハニカムコアの一つの典型的な例は、形状が正方形又は
長方形であり、圧縮力が主として四つの側部に作用する
ハニカムコアである。かかる状況下に於ては、黒鉛繊維
は互いに他に対し±９０゜にて織られなければならず、
黒鉛繊維層はその繊維がハニカムコアの壁の側面に対し
±９０゜をなすようハニカムコアに取付けられなければ
ならない。円形のハニカム構造体に於ては、できるだけ
等方的な条件に近くなるよう黒鉛繊維を配向することが
好ましい。一般に織られた黒鉛繊維にて強化されたポリ
マーの圧縮強さは、ポリマーの硬化後に於ては約１００
０００〜１５００００psi（７０３０〜１０５００kg／c
m²）の範囲である。一般に織られた黒鉛繊維の厚さは約
０．００５〜０．０１４inch（０．１３〜０．３６mm）
であり、好ましい厚さは約０．０１４inch（０．３６m
m）である。

本明細書に於ては織られた黒鉛繊維よりなる布を用いて
本発明が説明されるが、所要の圧縮強さを与えてハニカ
ムを安定化させる強化系を構成すべく、互いに他に対し
適当な角度にて積層された一方向に配向された黒鉛繊維
の二つ又はそれ以上のプライが使用されてもよい。

黒鉛繊維層は樹脂にて含浸される。一般に黒鉛繊維層を
含浸させるために使用される樹脂は、複合材料構造体の
残りの部分に使用される樹脂と同一であるが、必ずしも
同一の樹脂に限定されるものではない。一般にかかる樹
脂系は熱硬化性材料（例えばエポキシ樹脂）であるが、
最後の正味の形状の複合材料物品の硬化処理プロセス中
にも十分な剛性を保持するものであれば、熱可塑性樹脂
が使用されてもよい。かかる樹脂系は従来より使用され
ているものであり、当業者に知られているものである。
黒鉛繊維層に含浸される樹脂の量は典型的には約４０〜
６０vol％の範囲である。しかし硬化した樹脂及び黒鉛
繊維層が複合材料の最終硬化処理中に黒鉛繊維層の圧縮
強さを保持し得る限り、樹脂の量はそれほど重要ではな
い。従来の樹脂系に加えて、接着剤として作用し黒鉛繊
維層をハニカムコアに接合する接着剤又は樹脂を含有す
る接着剤プリプレグ系が使用されてもよい。かかる接着
剤プリプレグ系によれば、後に説明する如く黒鉛繊維層
をハニカムコアに取付けることを補助するための独立の
接合層の必要性が排除される。

まずハニカムコアが特定の所要の寸法に切断される。次
いで黒鉛繊維層が最大の表面積を有するハニカムコアの
オープンセル面に取付けられる（効率が低くてもよい場
合には、より小さい面に黒鉛繊維層が取付けられてよ
い）。黒鉛繊維層の取付部は黒鉛繊維層とハニカムコア
とを密に接触させるものでなければならない。このこと
は典型的には黒鉛繊維層を適用する前にハニカムコアの
面に膜状接着剤の薄い層を適用することにより達成され
る。メタルボンド（Ｍetalbond（登録商標）１１１３、
ＡＦ１６３、ＦＭ１０００のエポキシ樹脂をベースとす
る接着剤の如く大抵の任意の両立可能な膜状接着剤が使
用されてよいが、ナームコ・コーポレイション（Ｎarmc
o Ｃorporation）より販売されているメタルボンド１
１１３が好ましい材料である。膜状接着剤層の厚さは一
般に約０．００３〜０．００８inch（０．０７６〜０．
２０mm）であり、約０．００３inch（０．０７６mm）が
好ましい厚さである。接着剤の厚さはそれほど重要では
ないが、接着剤の層が薄すぎる場合には黒鉛繊維層がハ
ニカムコアより剥離してしまい、接着剤の層が厚すぎる
場合には接着剤の層の圧縮強さが小さいことに起因して
黒鉛繊維層がハニカムコアに対し相対的に変位してしま
う。前述の如く、他の一つの方法は黒鉛繊維層の含浸材
として接着剤プリプレグ材料を使用し、これにより別個
の接着剤層を適用する必要性を排除することである。黒
鉛繊維層が適用された後、従来の真空バッグ法及び適正
な圧力を使用して接着剤が硬化され、これにより安定化
されたハニカムコアが形成される。一般に硬化処理プロ
セスには真空バッグに装入された物品をオートクレーブ
内に配置し、これにより約３５０゜F（１７７℃）の温
度及び約５０psi（３．５kg／cm²）までの圧力下にもた
らすことが含まれている。接着剤は硬化して黒鉛繊維層
をハニカムコアに接合する。

上述の安定化プロセスの結果として、ハニカムコアは或
る程度（ハニカムコアの高さに応じて約２０％〜１００
％）崩壊した状態又はレモンシーディングの状態にな
る。次いで安定化されたコアは崩壊した部分を除去する
ことにより所要の正味の形状に切断され、これにより開
いたハニカムの上面４０及び下面に配置された黒鉛繊維
の安定化層（図示せず）を有する第３図の安定化された
ハニカム構造体が形成される。

次いで安定化された正味の形状のハニカムコアはその上
面及び下面に予め含浸された繊維層の多数の層を配置し
て積層するが如き従来の方法により最終の複合材料構造
体に形成される。この積層体を型内に配置し、積層体を
バッグ内に装入して真空下、或る圧力及び温度下にもた
らして樹脂を硬化させ、かくして複合材料物品が形成さ
れる。かかる複合材料の硬化処理プロセスに関連する全
てのパラメータは一般的なパラメータであり、当業者に
知られている。典型的にはかかる構造体を硬化処理する
ために与えられる圧力は約５０psi（３．５kg／cm²）ま
での圧力であり、温度は約３５０゜F（１７７℃）であ
る。

ハニカムコアの全面を覆う他の一つの方法は、第４図に
示されている如く、安定化されるべき面の縁部の周りに
黒鉛繊維のリングを配置することである。この場合黒鉛
繊維層５０はハニカムの面６０のエッジの周りにのみ積
層され、これによりそれらのエッジが安定化されてハニ
カムコアの崩壊を阻止するに十分な圧縮強さが与えられ
る。

例 本発明を用いてハニカムコアを内部に含む複合材料物品
が以下の如く形成された。一つのノーメックスハニカム
コアが高さ２inch（５１mm）、長さ６feet（１８３c
m）、幅６feet（１８３cm）の寸法に切断された。この
材料はヘキセル・コーポレイション（Ｈexcell Ｃorpo
ration）より販売されている。次いでこのシートが型上
に配置され、ナームコ・コーポレイションより販売され
ているメタルボンド１１１３接着剤の層がハニカムコア
の一方の面に適用された。この膜状接着剤の厚さは０．
００３inch（０．０７６mm）であった。膜状接着剤の層
上に厚さ０．０１４inch（０．３６mmのナームコ５２２
５の層が２８５本の織られた黒鉛繊維よりなる布と共に
配置された。黒鉛繊維層の厚さは０．０１４inch（０．
３６mm）であり、黒鉛繊維層は温度３５０゜F（１７７
℃）、圧力５０psi（３．５kg／cm²）にて２時間に亘り
硬化処理されることによりハニカムコアの下面に接合さ
れた。

黒鉛繊維層がハニカムコアに接合された後、上述の膜状
接着剤と同一の膜状接着剤の層がハニカムコアの両面に
適用された。次いでナームコ・コーポレイションより販
売されている５２２５本の黒鉛繊維を含むエポキシ樹脂
プリプレグの四つのプライが膜状接着剤の各層上に積層
され、これにより積層体が形成された。次いでこの積層
体が真空バッグ内に配置され、真空バッグ及び積層体が
オートクレーブ内に配置され、真空バッグ内が真空化さ
れ、しかる後５０psi（３．５kg／cm²）の圧力及び３５
０゜F（１７７℃）の温度にて２時間の亘り硬化処理裡
が行われた。その結果得られた複合材料物品に於てはハ
ニカムの崩壊は認められなかった。

試験によって確認された訳ではないが、上述の如く得ら
れた構造体はサンドイッチ構造体に於ける主要な荷重伝
達経路である外周部に於て低いノックダウン係数（低減
されたラミネート特性、即ち引張り強さ及び圧縮強さで
あって、これらの特性が７０％ほど低減されている）を
有している。このことはセルの間に圧力を与え、これに
よりノックダウン効果を低減する薄膜を構成する安定化
された黒鉛繊維層によるものである。

以上に於ては本発明を特定の実施例について詳細に説明
したが、本発明はかかる実施例に限定されるものではな
く、本発明の範囲内にて他の種々の実施例が可能である
ことは当業者にとって明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は樹脂マトリックスの硬化処理前及び硬化処理後
に於けるハニカムコア複合材料積層体を示す平面図であ
る。 第２図は樹脂マトリックスの硬化処理前に於けるハニカ
ムコア複合材料積層体を示す側面図である。 第３図は樹脂マトリックスの硬化処理後に於ける安定化
用黒鉛材料の層を有するハニカムパネルを示している。 第４図はハニカムの周縁部の周りに黒鉛のリングを配置
することによりハニカムを安定化させる他の一つの方法
を示している。 １……複合材料，１０……ハニカムコア，２０……黒鉛
繊維層，３０……側部，４０……上面，５０……黒鉛繊
維層，６０……ハニカム面

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】１．０inch（２５．４mm）以上の厚さを有
   するハニカムコアを内部に有する複合材料を製造するこ
   とに用いられる構造的に安定なハニカムコア構造体にし
   て、オープンセルのハニカムコアと、前記ハニカムコア
   のオープンセル面の少なくとも一方に接合された硬化し
   た樹脂にて含浸された黒鉛繊維織物層とを有し、加熱下
   及び加圧若しくは真空下に於て実質的に非圧縮性を有す
   ることを特徴とする構造的に安定なハニカムコア構造
   体。
2. 【請求項２】１．０inch（２５．４mm）以上の厚さを有
   するハニカム構造のコアの上に繊維にて強化された樹脂
   マトリックス材料の少なくとも一つの層を積層し、真空
   及び圧力下にて加熱して前記樹脂マトリックスを硬化さ
   せてなる繊維強化複合材料物品を製造することに用いら
   れる構造的に安定なハニカムコア構造体を製造する方法
   にして、 樹脂にて含浸された黒鉛連続繊維織物の層をハニカムコ
   アのオープンセル面の少なくとも一方に接合する過程
   と、 前記樹脂を硬化させ、これにより前記ハニカムコアの構
   造を安定化させる過程と、 を含むことを特徴とする方法。