JPS6179010A

JPS6179010A - 強化プラスチツク・リベツト

Info

Publication number: JPS6179010A
Application number: JP59201411A
Authority: JP
Inventors: ノーマン　スタンリイ　ストランド
Original assignee: Microdot Inc
Current assignee: Microdot Inc
Priority date: 1984-09-26
Filing date: 1984-09-26
Publication date: 1986-04-22
Also published as: JPS648203B2

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】従来の技術複合材料、例えば炭素繊維強化樹脂、の顕著な強度対重
量特性は、航空機産業におけるこの種材料の機体構造部
材への利用をもたらしている。しかし、炭素！Ｉｒ４強
化樹脂の使用は、この種材料を相互に、または別の材料
を使用する機体の構造部材に機械的に締結することの困
難さにより制約されている。在来の機械的な締結具は、
幾つかの理由で、不充分なものである。複合材料の一つ
の特性は、開口部の周縁に近接する材料が、比較的高い
単位圧力を加えられた時に破壊または破砕される、とい
うことである。在来の金属リベットは、リベット孔の周
縁に高い単位圧力を誘発する頭部アプセット作業に付随
する金属の流れをしばしば示す。リベット頭部の下また
はそれに隣接する複合構造体の割れは明白でないか直覚
さえできない可能性がある。しかし、通常の飛行条件の
中で遭遇する振動環境、または激しい天候条件の中で経
験されるような厳しい荷重の下に機体があることにより
、複合構造体の破損がもたらされる可能性がある。

金属ねじは、ねじ孔の単位応力が比較的高いので、複合
材料を締結するためには一般的には望ましくない。− ナツトをそなえた在来の金属ボルトは重量上の不利点を
そなえている。

前述の問題を解決するため、航空機工業界では現在、複
合諸要素を接合するために接着剤を使用している。しか
じ、接着によって結合された接合個所は一般に、構造体
の構成要素の破損に先立って破損するが、これは航空機
工業における基本的な設計の規準に反するものである。

前述の問題を解決する試みがプラスチック・す□ ベットを用いてなされたが、これまでに周知され且つ使
用されたようなリベットは、航空機への利用に適した充
分なせん断強さを示していない。

例えば、ブラインド・リベット（Ｂｌｉｎｄ　Ｒｉｖｅ
ｔ）と題し、本発明の譲受人に譲渡された特許出願箱３
４２．１７６号は、ｒＢＪ熱硬化性樹脂を先ず軟化させ
た後、充分に重合さするため、熱を加えることによって
プラスチック・リベットを形成することを教示している
。このリベットは、頭付き心棒に支持されたｒＢＪ熱硬
化性樹脂の中空な頭付き本体を具備する。リベット本体
の加熱後、心金は加工物と相対的に引かれ１、それによ
って加工物の見えない側に頭部を形成する。ｒＢＪ熱硬
化性樹脂はその後、熱硬化条件に対して充分に重合する
。この種のリベットは、１０５０　ｋｇｆ／ｃｍ２（１
５，０００ｐｓｉ　）の限度内のせん断強さを示す。

しカシ、３５００　ｋｇｆ／ｃ＋＋＋２　（５０，００
０ｐｓｉ　）のせん断強さを示す複合構成要素を比較的
低い強さのプラスチック・リベットで締結することによ
って、航空機の構造用に適した組立ては行われた。従っ
てリベットは、現今の複合材料と同様の物理的特性を示
す必要がある。

問題点を解決するための手段本発明のリベットには、不完全に重合された　。

ｒＢＪ熱硬化性樹脂マトリックス内に封入された炭素繊
維が用いられる。この炭素繊維は、編組されまたは平行
にされた束即ち「トウ」の形をとることができる。熱硬
化性樹脂マトリックスと炭素繊維とは、引張り強さが高
く且つモジュラ、スの低い材料のシース内に包まれ、そ
れがまたｒＢＪ熱硬化性樹脂マトリックス内に封入され
る。このシースは、リベット頭部の形成の際、炭素繊維
のたわみと突出とを抑制する。開示された本発明の実施
例の全てにおいて、熱を加えることによって和らげられ
るｒＢＪ熱硬化性樹脂マトリックスと周囲のシースとの
圧縮により、リベットのせん断部弁と一体であり且つ、
完全に重合された場合、比較的高いせん断強さを示すリ
ベット結合を形成する半径方向に延在するりベット頭部
が形成される。

実施例および作用第１図に詳細に示すように、本発明の実施例によるリベ
ット１０は、予備成形された頭部１２と、せん面部分１
４と、裏側の頭部形成部分１６と、心棒１８とを具備す
る。心棒１８は、その一端に７ンビル２０を、またその
他端に引張りステム２２を有する。心棒１８は、リベッ
ト１０の頭部１２とせん面部分１４と頭部形成部分１６
とを貫いて延在するこれと相補的な孔２４内に軸支され
る。リベット１０のせん面部分１４は、一対の加工物３
０．３２の累積厚さと同一長さとする。

心棒１８は、心棒１８を引く時にリベット１０の頭部１
２と契合してリベット１０を加工物３０に対して押し付
ける頭部３８を有する在来の設計の工具３６によって、
第２図に見られるように、左方に引くようにされる。図
でわかるように、心棒１８を左方に引張ることにより、
図示のきのこ形状への頭部形成部分１６の変形がもたら
される。

本発明の一つの特徴により、リベット１ｏの頭部１２と
せん面部分１４と頭部形成部分１６とは、部分的に重合
された、即ちｒＢＪ段階の熱硬化性樹脂マトリックス内
に含浸または封入された炭素［１ｉ４０の編組された束
、即ち「トウ」を包含する。

本発明の実施例においては、リベット１０が４．７６２
５＃１１１（０，１８７５ｉｎ）の直径を有し且つ各が
約１２，０００本の繊維を含む１２トウの炭素繊維を包
含している。この炭素繊維は黒鉛を基材とし、層間せん
所持性を向上させるために表面処理される。この繊維は
、１．３％の極限伸びと、１．７，７１５ｇ／ｃｍ３　
（０，０６４０１ｂ／１ｎ３）の密度とを示す。炭素繊
維のフィラメント直径は７ないし９μ、従ってトウの面
積は０．４８４ｘ１０−２ｃｍ”　　＜０．０７５ｘ１
０−２ｉｎ２）となる。前述の繊維とマトリックスとを
使用するエポキシ樹脂複合材料の代表的な特性は、繊維
量が６２％に等しい場合、１８．９Ｘ１０３ｋｇｆ／ｃ
ｍ　　（２７０ＸｊＯ３１ｂｓ／ｉｎ”）の曲げ強すト
、１　、３３Ｘ　１０　　　ｋｇｆ／ａｍ２（１９ｘ１
０　　　ｌｂｓ／１ｎ２）　（７）曲げ弾性率と、１９
．２５ｘｉｏ　　ｋａｆ／ｃ１１２（２７５ｘ１０３１
ｂｓ／１ｎ２）の引張り強さと、１．４３５Ｘ１０６　
ｋｇｆ／ｃｍ２（２０，５ｘ１０　　１ｂｓ／１ｎ２）
（７）引張す弾性率とで必る。適当な繊維は、バーキュ
リーズ・インコーホレイテッド（Ｈｅｒｃｕｌｅｓ　Ｉ
ｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ　）によりＡＳ４と表示され、
且つ「マグナマイト（ＨＡＧＮ＾旧ＴＥ）Ｊ（商標）と
して市販されている黒鉛繊維である。

本発明の実施例に用いられるマトリックスは、芳香族ア
ミン硬化剤を配合され且つ部分的に重合された熱硬化性
樹脂を包含する。代表的な材料および比率は、［シェル
・ケミカル・カンパニー（Ｓｈｅｌｌ　Ｃｈｅｍｉｃａ
ｌ　Ｃｏｍｐａｎｙ）　Ｊから入手できるシェル（５ｈ
ｅｌｌ）８２８エポキシ樹脂が１５７．５と、［ビー・
エイ・ニス・エフ・ワイアンドット・コーポレーション
（ＢＡＳＦ　Ｗｙａｎｄｏｔｔｅ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉ
ｏｎ）　Ｊから入手できるメチレン・ジアニリン（ｍｅｔｈｙｌｅｎｅ　ｄｉａｎｉｌｉｎｅ　）　Ｉｉ
！Ｉ！化剤が４２．５とである。

本発明の別の特徴によって、樹脂含浸炭素Ｉｌ維トウ４
０が、引張り強さが大きく、弾性率の低い材わ１で作ら
れた外側シース４２内に包まれる。第１図に示す実施例
の場合シース４２は、芳香族ポリアミド繊維の編組され
たトウ４４を具備する。

使用されている芳香族ポリアミド！［は、１．３８５ｇ
／ｃｍ　　（０，０５０１ｂ／１ｎ３）＋７）密度と、
１４．０６ｘ１０　　　ｋｏｆ／−ｃｎ＋”　　（２０
０ｘ１０　　１ｂｓ／１ｎ２）　（１）引張り強さと、
２．８１２Ｘ１０　　ｋ（Ｊｆ／Ｃ１１２（４０Ｘ１０
３１ｂｓ／１ｎ２）の圧縮強さと、０．２８１２Ｘ１０
３ｋｇｆ／ｃｍ２（４Ｘ　１０−　１ｂｓ／１ｎ２）の
横引張’）　強す、！：、０．４９２Ｘ１０　　　ｋｇ
ｆ／ｃｏ＋２　（７Ｘ１０３Ｉｂｓ／１ｎ２）　（７）
層間せん断強さと、０．３４のポアソン比と、０．７７
３３ｘ１０６　ｋｏｆ／ｃｍ２（１１ＸＩＯｌｂｓ／１
ｎ２）の弾性率と、０．０２１０９ｘ１０　　ｋｏｆ／
ｃｍ２　（０，３ｘ１０　　１ｂｓ／　１ｎ２）のせん
断弾性率とを示す。

適当な芳香族ポリアミド繊維が、デュポン・カンパニー
　＜　ｏｕｐｏｎｔ　Ｃｏｍｐａｎｙ）により「ケブラ
ー（にＥＶＬＡＲ）　Ｊ　　（商標名）として市販され
ている。

炭素繊維トウ４０のような編組された芳香族ポリアミド
・トウ４４が、上に論ｊホしたｒＢＪ熱硬化性エポキシ
樹脂マトリックスに含浸または封入されている。シース
４２は、炭素繊維トウ４０を包み、頭部１２の形成また
は１Ｒ側の頭部形成部分１６の変形に付随するいかなる
繊維の形状をも制御するととしに、その広がりを防止す
る。

第３図について説明する。本発明の第二実施例は、頭部
５２とけん頭部分５４と頭部形成部分５６とを有するリ
ベット５０を具備する。頭部５２とせん頭部分５４と頭
部形成部分５６とは、それらの中に、心棒６０を容れる
ための中心孔５８を有する。心棒６０は、心棒１８と同
様に、ｒＢＪ熱硬化性樹脂頭部形成部分５６の圧縮を行
うため、その上にアンビル６２を有する。裏側リベット
５０の寸法はリベット１０のそれと類似しているが、相
違点は、複数の炭素繊維トウ６４が、編組の配列とは対
照に、互いに平行に心棒６０の周りに配列されているこ
とである。炭素繊維の平１）りｉ配列により、リベット
５０の円筒形状の中に詰め込まれｊｑる繊維の数は最大
となる。炭素繊維トウ６４は繊維４０と類似のｊＢＪ熱
硬化性樹脂マトリックス内に封入され、シース４２と類
似の編んだ芳香族ポリアミド・シース６６によって包ま
れる。

第５図に示すように、リベット５０の頭部形成部分５６
内の炭素繊維６４は、頭部形成部分５６に対する加熱と
、心棒６０の引張りによるリベット５０の「硬化Ｊと、
それに続く樹脂マトリックスの完全な重合とに伴った概
ね「層状」の配列を保持する傾向を有することが望まし
い。

第６図に見られるように、本発明の更に別の実施例は、
せん頭部分７６の対向端に頭部形成部分７２．７４を有
するリベット７０を包含する。リベット７０のせん頭部
分７６は、並置された加工物７８．８０の累積厚さと同
一長さである。

リベット７０は、上に論述したように芳香族アミン硬化
剤を配合され且つ部分的に重合されたエポキシ熱硬化性
樹脂に含浸された炭素繊維の複数の平行なトウ８２を包
含する。炭素繊維トウ８２は、炭素繊維８２と同様にｒ
ＢＪ熱硬化性エポキシ樹脂マトリックスに含浸された芳
香族ポリアミド繊維の編組されたトウ８６を貝癩する外
側シース８４によって包まれる。シース８４は、炭素繊
？［ｌ−ウ４２を包み、頭部形成部分７２．７４の形状
＃ｉ＋制御を助けると共に、その変形に付随するその広
がりを防止する。

第７図に見られるように、一対の頭部成形工具８８．９
０が加熱された頭部形成部分７２．７４に圧し付けられ
、それによって図示の形状への同上部分の置換と二次成
形とが行われる。リベット７０への工具８８．９０の抑
圧は、なるべくなら、加工物７８．８０を「引き寄せＪ
且つそれを保持するｒＢＪ段階頭部形成部分７２．７４
の完全な重合を行うに必要な時間、持続されることが望
ましい。リベット７０の頭部形成部分７２．７４内の炭
素繊維トウ８２は、前に論述されたようにして、それに
対する加熱とリベット７０の「硬化」との際に概ね「層
状」の配列を保持する傾向を有する。

第８図に見られるように、本発明の更に別の実施例はせ
ん頭部分１０６の対向端に頭部形成部分１０２．１０４
を有するリベット１００を包含する。頭部形成アンビル
１１０を有する心棒１０８は、頭部形成部分１０２，１
０４とぜん頭部分１０６との中心孔１１２を貫いて延在
する頭部形成アンビル１１０を有する。リベット１　、
ＯＯのせん頭部分１０６は、並置された加工物１１４゜
１１６の蓄積厚さと同一長さである。

リベット１００は、上に論述したように芳香族アミン硬
化剤−を配合され且つ部分的に重合されたエポキシ熱硬
化性樹脂に含浸された炭素繊維の複数の平行なトウ１１
８を包含する。炭素繊維トウ１１８は、炭素繊維１１８
と同様にｒＢＪ熱硬化性エポキシ樹脂マトリックスに含
浸された芳香族ポリアミドｉｉｉの編組されたトウ１２
２を具備する外側シース１２０によって包まれる。シー
ス１２０は、炭素ｔｊａＨトウ１１８を包み、頭部形成
部分１０２．１０４の形状制御を助けると共に、その変
形に付随するその広がりを防止する。

第９図に見られるように、頭部成形工具１２２が加熱さ
れた頭部形成部分に圧し付けられ且つ心棒１０８が終点
に達し、それによって図示の形状への頭部形成部分１０
２，１０４の置換と二次成形とが行われる。ヘッド１０
２および心棒１０８へのｒ具１２２の押圧は、なるべく
なら、加工物１１４．１１６を１引き寄せ」且つそれを
保持するｒＢＪ段階頭部形成部分１０２．１０４の完全
な重合を行うに必要な時間、持続されることが望ましい
。

上に論述したリベット１０，５０．７０゜１００の頭部
形成部分の軟化と完全な重合とを開始するための加熱が
相対的な事柄であることは注意すべきである。例えば、
部分的に重合されたリベットを凍結させることによって
、未硬化のリベット１０．５０．７０またはｉｏｏの貯
蔵寿命を延長し、あるいは頭部形成部分の軟化を行うに
必葭な温度差を周囲温度と相対的に得ることができる。

更にまた、加熱の吊と時間とは、使用される特定のｒＢ
Ｊ熱硬化性エポキシ樹脂の関数である。

ある実施例においては、リベットが一１７’、７８℃（
０’Ｆ）の保管または「貯蔵」温度に保持された。その
後リベットは、リベットに対する加熱によって８２．２
３℃（１８０下）の温度まで昇温され、この温度で頭部
形成部分の軟化が立証された。次いで温度は、リベット
頭部の形成を容易にし且つ重合を完了させるため、約２
０４．４４℃（４００下）に上げられた。

上述の説明により、本発明のリベットが周知の複合材料
と同様の強度特性を示すことがあきらかとなるはずであ
る。このリベットは、加工物内の相補的な孔内に比較的
容易にセットされる。ｒ８Ｊ頭部形成熱硬化性樹脂マト
リックスの軟化とそれに続く完全な重合とは、リベット
の設計保管温度に比べて高温の熱を加えることにより達
成される。

リベットの単数または複数の頭部形成部分のきのこ状の
偏平化は、頭部形状の不変性を確保し且つリベットから
の炭素！１ｍの広がりを防止するため、引張り強さが大
きく弾性率の低いシースによって制御される。

本発明の好適な実施例を開示したが、本発明を添付フレ
イムの範囲から逸脱することなく修正し得ることを理解
すべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図は接合されるべき加工物に５連させた本発明の複
合リベットの一実施例の一部を断面とした正面図、第２
図はリベットに裏側の頭部を形成するためリベット心棒
を引っ張った後の第１図のリベットの図、第３図は平行
な炭素ｍＭを用いた本発明の別の実施例の第１図と同様
の図、第４図は第３図の線４−４についての図、第５図
はリベットに裏側の頭部を形成するためその心棒を引っ
張った後の第３図のリベットの図、第６図は平行な炭素
繊維を用いた本発明の別の実施例の第１図と同様の図、
第７図は対向両端に頭部５を形成した後の第６図のリベ
ットの図、第８図は本発明の更に別の実施例の図、第９
図は心棒を引っ張った後の第８図のリベットの図である
。１０：リベツ１− １６二頭部形成部分１８二心棒２０：頭部３ｏ：加工物３２：加工物４０：炭素繊維４２：シース４４：編組芳香族ポリアミドｌｌｆｆ５０：リベット６４：炭素１１Ｎ７０：リベット７２二頭部形成部分７４：頭部形成部分８２：炭素繊維８４：シース１００：リベット１０８：心棒

Claims

【特許請求の範囲】

（１）部分的に重合された熱硬化性樹脂マトリックス内
に封入された複数のほぼ連続した炭素繊維を包含し、前
記リベットの一部分を加熱の際それが変形可能且つ完全
に重合可能であるようにした強化プラスチック・リベッ
ト。
（２）特許請求の範囲第１項に記載のリベットにおいて
、前記リベットの本体が、引張り強さが大きく弾性率が
低い管状シース内に包まれるようにしたリベット。
（３）特許請求の範囲第２項に記載のリベットにおいて
、前記シースが、部分的に重合した熱硬化性樹脂マトリ
ックス内に封入された編組芳香族ポリアミド繊維を包含
するようにしたリベット。
（４）特許請求の範囲第３項に記載のリベットが、中心
に延在する心棒を有する管状本体部分を包含し、前記心
棒が、前記リベットに頭部を形成するため前記本体部分
に対して軸方向に動き得る頭部を有するようにしたリベ
ット。
（５）特許請求の範囲第１項に記載のリベットにおいて
、前記炭素繊維が編組配列に配設されるようにしたリベ
ット。
（６）特許請求の範囲第１項に記載のリベットにおいて
、前記炭素繊維が互いに平行に配設されるようにしたリ
ベット。
（７）特許請求の範囲第２項に記載のリベットにおいて
、前記シースが編組配列に配設された複数の繊維を包含
するようにしたリベット。
（８）特許請求の範囲第１項に記載のリベットにおいて
、その両端に部分的に重合した頭部形成部分が備えられ
るようにしたリベット。
（９）特許請求の範囲第８項に記載のリベットにおいて
、前記リベットがそれを貫いて延在する心棒を有する管
状の本体を具備し、前記リベット上の少なく共一つの頭
部が前記心棒によつて形成され得るようにしたリベット
。
（１０）特許請求の範囲第４項に記載のリベットにおい
て、その頭部を形成する変形可能な部分が加工物の裏側
で前記心棒によつて変形できるようにしたリベット。