JPH07504621A - 高熱伝導率非金属ハニカム - 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】 本発明は一般に、構造体を通しての高い熱伝導率が必要である状態に用いるため の非金属ハニカム構造体に関する。さらに詳しくは、本発明はハニカム構造体中 に高伝導性ピッチベース（ｐｉｔｃｈ　ｂａｓｅｄ）炭素繊維を含めることによ る、複合材料製の非金属ハニカムの熱伝導率の改良に関する。

２、関連技術の説明 ハニカム構造体は周知であり、高強度の軽量物質が必要である多くの用途に広く 用いられている。ハニカム構造体に見られる軽量と強度との特徴の組合せはハニ カム構造体を航空機への使用に特に良好に適したものにする。ハニカム構造体は 例えばアルミニウムのような金属を含めた、広範囲な材料から製造されている。

樹脂を含浸させた繊維及び紙から製造された複合材料もハニカム構造体に広く用 いられている。これらの物質はそれらの軽量、高強度及び剛性のために航空機へ の使用に特に良好に適している。軽量と高強度との他に、非金属ハニカム構造体 は航空機構造体に用いられる良好な絶縁体であり、それらの絶縁性が航空機構造 体に有益である。

非金属ハニカムの絶縁性が多くの場合に望ましいが、高い熱伝導率を有する高強 度の軽量材料が望ましい状況が存在する。例えば、ジェット航空機エンジンは、 構造体の温度負荷を許容できるレベルに維持するために、エンジン構造体を通し ての高い熱伝導率を必要とする。従って、高温コアから外部エンジン室までのエ ンジン構造体は、極度に高強度で軽量であると同時に、高い熱伝導率を有さなけ ればならない。

アルミニウム製のハニカム構造体は強力であり、必要な熱負荷を高温コアから外 部エンジン室まで伝達するために充分な熱伝導率を有する。しかし、アルミニウ ムは腐食問題を受けやすい。種々なガラス繊維強化複合体ハニカム構造体及びポ リアクリロニトリル（ＰＡＮ）ベース炭素繊維強化複合材料がジェット航空機エ ンジンにおけるアルミニウムハニカム構造体の有力な代用品として示唆されてい る。しかし、このような非金属ハニカム構造体はそれらの不良な熱伝導率のため に適切ではない。

上記を考慮すると、高い熱伝達負荷が存在する用途にこのような構造体が使用可 能であるように、大きい熱伝導率を有する非金属ハニカム構造体が望ましい。

さらに、構造強度と軽量との望ましい特徴を維持する、このような、高い熱伝導 率の非金属ハニカム構造体を提供することが望ましい。

発明の概要 本発明によると、軽量、高強度であり、かつ高度の熱伝導率を示す非金属ハニカ ム構造体を提供する。本発明は、非金属複合材料中に高伝導性ピッチベース炭素 繊維を混入すると、ハニカム構造体に高レベルの伝導率を与えることができると いう発見に基づく。

本発明によると、複数の連続壁を含み、この壁に対して横断方向に伸びる長さ方 向と、この壁に対して平行に伸びる厚さ方向とを有する複数の連続ハニカムセル が画定される高熱伝導率非金属ハニカム構造体を提供する。ハニカム壁は低い熱 伝導率を有する複数の非金属繊維を高い熱伝導率を有する複数の非金属繊維と組 合せて含む。これらの繊維を樹脂マトリックス中に含浸させる。

本発明の一態様として、高熱伝導率繊維をハニカム構造体の実質的に長さ方向に 伸びるように配向させて、ハニカムを横切る方向の熱伝達を生じさせることがで きる。本発明の他の態様として、高熱伝導率繊維をハニカムの実質的に厚さ方向 に伸びるように配向させて、厚さ方向に、すなわちハニカムの長さに対して垂直 に、熱伝達又は伝導性を生じさせることができる。

本発明の他の態様として、高熱伝導率繊維をハニカム構造体の長さ方向に対しで ある角度をなして伸びるように配向させて、厚さと長さの両方向における熱伝達 の制御の他に、構造体に追加の構造強度を与えることができる。

非金属ハニカム構造体の伝導率を高めるためのピッチベース炭素繊維の使用は、 高度の伝導率を有する、高強度、軽量のハニカム構造体を形成し、これらの３種 類の性質を必要とする多様な用途にハニカム構造体を良好に適するものとする。

本発明の上記その他の多くの態様及び付随する利益は、下記詳細な説明を添付図 面に関連づけて参照することによって、さらに良く理解されるであろう。

図面の簡単な説明 図１は、高熱伝導率を有するピッチベース炭素繊維をハニカム構造体の厚さ方向 に配向させて、厚さ方向におけるハニカムを通る大きい熱伝達を生じさせる、本 発明による好ましい、具体的な非金属ハニカム構造体を示す。

図２は、図１に示したハニカム構造体の一部の詳細図である。

図３は、高熱伝導率を有するピッチベース炭素繊維をハニカム構造体の長さ方向 に配向させて、長さ方向におけるハニカム構造体を通る大きい熱伝達を生じさせ る、本発明による好ましい、具体的な第２実施態様を示す。

図４は、図３に示したハニカムの一部の詳細図である。

図５は、高熱伝導率を有するピッチベース炭素繊維を長さ方向に対して＋４５゜ 又は−４５°の角度に配置させて、高い構造強度と、ハニカム構造体を通る大き い多方向性熱伝達を生じさせる、本発明による好ましい、具体的な第３実施態様 を示す。

図６は、図５に示したハニカムの一部の詳細図である。

図７は、ハニカム波形の間に強化用フラットシートを挿入すること以外は、図１ に示したハニカム構造体と同じである、好ましい、具体的な第４実施態様を示す 。

好ましい実施態様の説明 本発明は、非金属ハニカム構造体中にピッチベース炭素繊維を混入すると、この ようなハニカム構造体に熱伝導率を高めることができるという発見に関係する。

さらに、ピッチベース炭素繊維を特定方向に配向させることによってハニカム構 造体を通る熱伝導性又は熱伝達を制御し、方向づけることかできることが判明し た。

本発明は、多くの種々な用途に用いられる非金属ハニカム構造体の熱伝導率を高 めるために広範囲に用いられる。本発明は、高温コアから外部エンジン室までの 熱伝達が望ましく、高強度で軽量の構造体が望ましいジェット航空機エンジンに 用いるために特に良好に適する。本発明はこのような航空機タイプの用途に特に 良好に適するが、本発明によって提供される熱伝導率の増加は強度、軽量及び大 きい熱伝達が要求される多くの状況に用いられる非金属ハニカム構造体の熱伝導 率の上昇と制御とに有効に用いられることは、当業者によって理解されるであろ う。

本発明は樹脂含浸ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）ベース炭素繊維から製造され るハニカム構造体の熱伝導率を高めるために特に良好に適する。本発明はまた、 例えば樹脂含浸ガラス繊維、樹脂含浸ポリアミド繊維及び樹脂含浸セラミック繊 維のような、他の非金属ハニカム構造体の熱伝導率を高め、制御するためにも用 いられる。これらの種類の複合材料に用いられる樹脂は典型的には熱硬化性又は 熱可塑性ポリマーである。適当なポリマーの例はフェノール樹脂、ポリイミド樹 脂及びエポキシ樹脂を含む。

ＰＡＮ、ガラス繊維及びセラミック繊維の熱伝導率は典型的に１００ワツト／ｍ ″に未満である。この範囲内の熱伝導率を有する非金属繊維は低い熱伝導率を有 すると考えられる。これらの繊維を含浸させてハニカム構造体を製造する樹脂も 、得られるハニカム構造体がこの比較的低い範囲内に入る紛然伝導率を有するよ うな、低い熱伝導率を有する。

本発明によると、上記低熱伝導率ハニカム構造体をピッチベース炭素繊維を用い て高熱伝導率ハニカム構造体に転化させる。ピッチベース炭素繊維は典型的に２ ００ワツト／ｍ″に〜約１２００ワット／ｍ’にの程度である高い熱伝導率を有 する。以下で詳述するように、熱伝達方向を必要に応じて制御することができる 高熱伝導率ハニカムを形成するために、ピッチベース炭素繊維を約１重量％〜約 ９０重量％の範囲内の量でハニカム構造体中に混入することができる。

図１は、好ましい例としてのハニカム構造体の小部分を１０に概略的に示す。

ハニカム構造体１０は３個のハニカムセル１２．１４．１６を含む。周知のよう に、ハニカム構造体は典型的に数百、数千のこのような連続ハニカムセルを含む 。

説明のために、３個のセルのみを示すが、ハニカム構造体を典型的に構成する連 続ハニカムセルの残部を図示しないことは理解されるであろう。

ハニカムセル１２．１４．１６は複数の連続壁１８によって形成される。ハニカ ムセルはハニカム壁１８に対して横断方向に伸び、図１にＬによって示す長さ方 向を有する。ハニカムセルはまた、壁１８に対して平行に伸び、図１にＴによっ て示す厚さ方向を有する。本発明によると、複数のピッチベース炭素繊維を、そ れらが実質的に厚さ方向Ｔに伸びるように、樹脂マトリックス中に含浸させる。

ハニカム構造体１０中のピッチベース炭素繊維の配向はＴ方向に伸びる垂直線２ ０によって示す。厚さ方向に実質的に平行な方向に伸びるピッチベース炭素繊維 ２０の配向は、ハニカム構造体を通る熱伝導性を高め、Ｔ方向に方向づけられた 熱伝達を生じさせる。

セル壁１８の一部を図２に詳細に示す。セル壁１８は繊維層と硬化樹脂とから構 成される。繊維層は通常の平織りパターンで示される非金属繊維２２を含む。

繊維２２は既述の低伝導率繊維のいずれでもよい。ＰＡＮベース炭素繊維が好ま しい。ＰＡＮベース炭素繊維は通常の織り目（ｗｅａｖｅ　ｐａｔｔｅｒｎ）の いずれでも織ることができるが、トウあたり約０．５に〜３にフィラメントが好 ましい。各トウに用いる個々のフィラメントは好ましくは約５〜９ミクロンの範 囲内の直径を有する。

特定の織り目、フィラメントサイズ及びトウサイズはハニカム構造体に必要な構 造強度と重量とに依存して広範囲に変化することができる。樹脂含浸ＰＡＮベー ス炭素繊維からのハニカム構造体の形成は技術上周知である。この好ましい第１ 実施態様では、ピッチベース炭素繊維２０を低熱伝導率繊維２２に織り合わせて 、高熱伝導率ピッチベース炭素繊維の一方向パターンを形成する。

ピッチベース炭素繊維は商業的に入手可能であるピッチベース炭素繊維のいずれ でもよい。このような繊維は例えばアモコ（ＡＭＯＣＯ）社から商品名トーネル 炭素繊維（ＴＨＯＲＮＥＬ　ＣＡＲＢＯＮ　ＦＩＢＥＲ）で入手可能である。ピ ッチベース炭素繊維は２００ワツト／ｍ’に〜約１２００ワット／ｍ″にの程度 の熱伝導率を有するべきである。個々のピッチベース炭素繊維は典型的に約１０ ミフロン〜約１１ミクロンの範囲内の直径を有し、布帛に織られたトウはそれぞ れ０゜５に〜２にフィラメントを有する。Ｐ１２０として識別されるピッチベー ス繊維が好ましいが、Ｐ７５繊維も受容される。

ＰＡＮベース炭素繊維布帛に織られるピッチベース炭素繊維量は必要な熱伝導性 度に依存して変動する。典型的に約１重量％〜約９０重量％のピッチベース炭素 繊維（硬化した複合材料の総重量を基準とする）が、複合材料の高強度と軽量の 特徴をなおも維持しながら、熱伝導率を実質的に増加させる。

好ましい第２ハニカム構造体を図３において３０で示す。この場合にも、非常に 大きいハニカム構造体の中の３個のセル３２．３４．３６のみを示す。このハニ カム構造体は、ピッチベース炭素繊維がハニカム構造体３０の長さ方向に配向す ることを除いて、図１と図２に示す非金属ハニカム構造体と基本的に同じである 。ピッチベース炭素繊維の配向はライン３８によって示される。この実施態様で は、ハニカム構造体３０を通る熱伝達はＬ一方向において最大になる。図１と図 ３に示す構造体から明らかであるように、本発明はハニカム構造体を通る熱伝導 性を厚さ方向又は長さ方向のいずれかで制御する可能性を提供する。

図３のハニカムセル壁４０の１つの詳細図を図４に示す。このセル壁４０は、既 述したセル壁１８と同様に、ポリエステル樹脂中に埋封されたＰＡＮベース炭素 繊維４２の織布を含む。

高熱伝導率ピッチベース炭素繊維３８は、ハニカム製造中に繊維３８がハニカム 構造体の長さ方向に均一に伸びるように、配向する。必要な場合には、高伝導率 ピッチベース炭素繊維を含む、同じ織物材料（ｗｏｖｅｎ　ｍａｔｅｒｉａｌ） を図１又は図３のハニカム構造体の製造に用いることができる。第１実施態様で は、含浸布帛層が製造プロセス中に、最終硬化ハニカム構造体中でピッチベース 炭素繊維２０が厚さ方向に伸びるように、配向する。同じピッチベース繊維が図 ３と図４に示すように長さ方向に伸びるように、同じ布帛を製造プロセス中に９ ０°回転させることができる。

本発明による好ましい、具体的な第３ハニカム構造体を図５において５０で示す 。既述した実施態様と同様に、３個のハニカムセル５２．５４．５６は数百、数 十個のセルを含む総ハニカム構造体を表す小部分にすぎない。ハニカム構造体５ ０は第１及び第２ハニカム実施態様の製造に用いた、同じ通常の製造方法によっ て製造される。

この第３ハニカム実施態様と上述の実施態様との間の主要な差は、セル壁５８の 形成に用いた布帛が長さ方向りと厚さ方向Ｔに対して＋４５“又は−４５°の角 度に配向するピッチベース炭素繊維を含むことである。ピッチベース繊維の配向 はライン６０によつて表す。樹脂含浸ハニカム壁の織り目の詳細図を図６に示す 。ポリアクリロニトリルベース炭素繊維の織り目は上述の実施態様と同じである 。しかし、既述したように、種々な非金属低熱伝導率繊維を用いた多様な織り目 が使用可能である。この実施態様では、ピッチベース炭素繊維は２方同性織り目 に配向して、ハニカム構造体の長さ方向と厚さ方向の両方における熱伝達を生じ させる。

図５に示したピッチ繊維の＋／−４５°配向が好ましい配向である。本発明によ ると、他の＋／−繊維配向角度が可能である。ハニカム構造体に構造強度と熱伝 達性との種々な異なる組合せを与えるために、例えば、３０°〜６０°の範囲内 の＋／−角度が可能である。また、ピッチベース繊維の全てを３０°〜６０゜範 囲内の十角度に配向させることができる、又はこの繊維の全てを３０°〜６０゜ 範囲内の一角度に配向させることができる。種々な量の十角度の繊維と一角度の 繊維との混合物を用いて、ハニカム構造体を通る熱伝達方向をさらに制御するこ とができる。

好ましい、具体的な第４ハニカム構造体を図７において７０で示す。ハニカム７ ０は、ハニカム構造体を形成する波形シートの間にフラットシート７２を挿入す ること以外は、図１に示したハニカム構造体と同じである。フラットシート７２ はセルの中央を通って伸び、必要な場合に、付加的な強化と熱伝達を与える。

フラットシート７０の形成に用いる布帛は、ハニカムの壁の形成に用いる非金属 複合材料から選択される。

実施例を以下に述べる： 実施例１ 図１に示す織り目を含む壁を有するハニカム構造体を製造した。この布帛は表１ に示す仕様を存した。

表１ 繊維の種類 縦糸　７３００　１に 横糸　Ｔａ２Ｏ１に：Ｐ１２０　２に 布帛構造　混成平織り ヤーンカウント 縦糸（１インチあたり）２２ 横糸（１インチあたり）　１５　（Ｔａ２Ｏ）：　７．５　（ｐ１２０）布帛見 かけの重量（計算値） ｇ／ｍ２　１９２ ｏｚ／平方ヤード　５．６５ Ｔ３００ＰＡＮ繊維はトレイ（Ｔｏｒａｙ）から入手した。布帛に３５重量％ポ リアミド樹脂を含浸させ、通常の製造方法によって図１に示すハニカム構造体に 形成した。得られたハニカム構造体は３６重量％のピッチベース炭素繊維（Ｐ１ ２０）を含み、Ｐ１２０繊維なしで製造した同じハニカム構造体よりも“Ｔ”方 向において有意に大きい熱伝導率を有した。Ｐ１２０繊維を用いて製造したハニ カムの構造強度はＰ１２０繊維なしで製造した同じハニカム構造体の構造強度に 等図５に示す織り目を含む壁を有するハニカム構造体を実施例１に用いた同じ布 帛と樹脂とを用いて製造した。得られたハニカム構造体は、十及び−４５°に走 るピッチベース炭素繊維を混入せずに製造した同じハニカム構造体よりもＴ及び Ｌ方向において実質的に大きい熱伝導率を有した。ピッチベース繊維を用いて製 造したハニカムの構造強度はピッチベース繊維なしで製造した同じハニカム構造 体の構造強度に等しかった。

実施例３ 図７に示す形状を有するハニカム構造体を実施例１で用いた同じ方法に従って製 造した。フラット強化層の形成に用いた布帛層（図７における７２）は表２に示 す仕様を有した。

繊維の種類 縦糸　７３００　３に 横糸　Ｔａ２Ｏ１に：Ｐ１２０　２に 布帛構造　混成平織り ヤーンカウント 縦糸（１インチあたり）　１２．５ 横糸（１インチあたり）　５．７５　（Ｔａ２Ｏ）：　７．５　（ｐ１２０）布 帛見かけの重ｊｌ（計算値） ハニカム壁の形成に用いた布帛は１０重量％のＰ１２０ピッチ炭素繊維を有する Ｔａ２Ｏ−３に、型式２８２　ＰＡＮを含有した。得られたノ＼ニカム構造体は ピ・ソチベース炭素繊維を混入せずに製造した同じノ＼ニカム構造体よりも有意 に大きい熱伝導率を有した。

このように本発明の具体的な実施態様を説明したが、開示の範囲内でこれらの実 施態様が例示に過ぎず、種々な他の代替え、調節及び変更が本発明の範囲内でな されうることは、当業者によって認められるであろう。従って、本発明はここに 説明した特定の実施態様に制限されず、下記の請求の範囲によってのみ限定され る。

４−　Ｌ＝−一一一一一一

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. １．壁に対して横断方向に伸びる長さ方向と、この壁に対して平行に伸びる厚さ 方向とを有する複数の連続ハニカムセルを画定する複数の連続壁を含み、前記連 続壁が、 低熱伝導率を有する複数の非金属繊維と；高熱伝導率を有する複数の非金属繊維 と；前記低熱伝導性繊維と前記高熱伝導性繊維とに含浸させて、熱伝導性のハニ カム構造体を形成するための樹脂マトリックスとを含む、高熱伝導率非金属ハニ カム構造体。
2. ２．前記複数の高熱伝導率繊維が実質的に前記長さ方向に伸びる、請求項１記載 の熱伝導性ハニカム構造体。
3. ３．前記複数の高熱伝導率繊維が実質的に前記厚さ方向に伸びる、請求項１記載 の熱伝導性ハニカム構造体。
4. ４．前記複数の高熱伝導率繊維が前記長さ方向に対して＋又は−３０°〜６０° の角度をなして伸びる、請求項１記載の熱伝導性ハニカム構造体。
5. ５．前記高熱伝導率繊維が本質的にピッチベース炭素から成る、請求項１記載の 熱伝導性ハニカム構造体。
6. ６．前記低熱伝導率繊維がポリアクリロニトリルベース炭素繊維、ガラス繊維、 ポリアラミド繊維及びセラミック繊維から成る群から選択される、請求項１記載 の熱伝導性ハニカム構造体。
7. ７．前記低熱伝導率繊維が本質的にポリアクリロニトリルベース炭素から成る、 請求項５記載の熱伝導性ハニカム構造体。
8. ８．前記ハニカムが約１〜９０重量％の前記ピッチベース繊維を含む、請求項７ 記載の熱伝導性ハニカム構造体。
9. ９．壁に対して横断方向に伸びる長さ方向と、この壁に対して平行に伸びる厚さ 方向とを有する複数の連続ハニカムセルを画定する複数の連続壁を含み、前記セ ル壁が樹脂マトリックス中で含浸させた複数の低熱伝導率非金属繊維を含む非金 属ハニカム構造体において、前記樹脂マトリックス中に複数の高熱伝導率非金属 繊維を混入することによって、ハニカム構造体に大きい熱伝導率を与える改良を 施した、前記ハニカム構造体。
10. １０．前記複数の高熱伝導率繊維が実質的に前記長さ方向に伸びる、請求項９記 載の改良熱伝導性ハニカム構造体。
11. １１．前記複数の高熱伝導率繊維が実質的に前記厚さ方向に伸びる、請求項９記 載の改良熱伝導性ハニカム構造体。
12. １２．前記複数の高熱伝導率繊維が前記長さ方向に対して＋又は−４５°の角度 をなして伸びる、請求項９記載の改良熱伝導性ハニカム構造体。
13. １３．前記高熱伝導率繊維が本質的にピッチベース炭素からなる、請求項９記載 の改良熱伝導性ハニカム構造体。
14. １４．前記低熱伝導率繊維がポリアクリロニトリルベース炭素繊維、ガラス繊維 、ポリアラミド繊維及びセラミック繊維から成る群から選択される、請求項９記 載の改良熱伝導性ハニカム構造体。
15. １５．前記低熱伝導率繊維が本質的にポリアクリロニトリルベース炭素からなる 、請求項１３記載の改良熱伝導性ハニカム構造体。
16. １６．前記ハニカムが約１〜９０重量％の前記ピッチベース繊維を含む、請求項 １５記載の改良熱伝導性ハニカム構造体。