WO2012086471A1 - 複合材成形治具 - Google Patents

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heat
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隆之 清水
勇也 永友
大輔 三輪
宗平 荒川
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三菱重工業株式会社
社団法人日本航空宇宙工業会
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    • B29K2907/00—Use of elements other than metals as mould material
    • B29K2907/04—Carbon

Definitions

  • the present invention relates to a composite material forming jig, and more particularly, to a forming jig for manufacturing a structure such as an aircraft or a windmill with a composite material.
  • the composite material is a molding material containing a binding material (matrix) and fine particles or a fibrous material.
  • a binding material matrix
  • fine particles or a fibrous material for example, it is composed of a plastic typified by an epoxy resin and hard fibers made of carbon or glass, and is used as a prepreg or the like.
  • a process of curing the matrix of the composite material in a high temperature and high pressure environment is essential.
  • One method of curing the matrix of the composite material at a high temperature is a method of directly heating the mold using an electric heater or the like.
  • RTM Resin Transfer Molding
  • a method of directly heating a mold is generally used.
  • a method of directly heating by embedding a heater in a press die is performed (see Patent Document 1).
  • an external atmosphere such as an autoclave method.
  • a molding jig in which a core material is coated with a composite material has been developed (see Patent Document 2).
  • a carbon foam is used as the core material. Since the carbon foam is lightweight, it has a feature that its heat capacity is smaller than that of a metal forming jig and the heating characteristics when the forming jig is used are good. Therefore, the molding jig using the carbon foam can more efficiently cure the molded product at a high temperature by directly heating the molding die not only in the RTM method and the hot press method but also in the autoclave method.
  • Carbon foam has a feature of low thermal conductivity. Therefore, when a heater is embedded in a molding jig having a carbon foam as a core material and heated, heat hardly moves in the carbon foam, and a large temperature difference occurs between the vicinity of the heater and a position away from the heater. If the temperature of the core material differs due to the difference in distance from the heater, the timing at which the molded product is cured at a high temperature will vary. As a result, residual deformation occurs in the molded product, leading to a reduction in quality.
  • This invention is made in view of such a situation, Comprising: Even if it is a case where a carbon foam is made into a core material, it aims at providing the shaping
  • the present invention provides a carbon foam disposed on the molded product side, and a core material composed of another carbon foam adhered and disposed on the back surface of the carbon foam, A heat source capable of transferring heat to the core material embedded in the core material, and a composite material layer formed by covering the surface of the core material with a fiber reinforced composite material, and the thermal conductivity of the carbon foam
  • the present invention provides a composite material forming jig having a thermal conductivity higher than that of the another carbon foam.
  • the core material is set as the structure which bonded the carbon foams from which heat conductivity differs.
  • a carbon foam having a high thermal conductivity is disposed on the side where the molded article of the core material is disposed. This facilitates movement of the heat released from the heat source through the carbon foam disposed on the molded product side, so that the heat uniformity on the molded product side is improved.
  • On the back side of the core material (the side opposite to the side on which the molded product is arranged), another carbon foam having a low thermal conductivity is arranged. By doing so, since another carbon foam works as a heat insulating material, heat does not escape to the back side, and it is possible to efficiently transfer the heat released from the heat source to the molded product side.
  • the molded product can be prevented from being contaminated by the carbon powder generated from the carbon foam.
  • a mesh member having higher thermal conductivity than the carbon foam is disposed between the surface of the carbon foam on the molded product side and the composite material layer, whereby an in-plane direction is obtained. It becomes easier to transfer heat to the core, and the heat uniformity on the molded product side of the core material is further improved.
  • the mesh member is disposed between the adhesive and another adhesive. Thereby, since the adhesive can penetrate into the mesh portion, the composite material layer can be adhered to the carbon foam even when the mesh member is interposed.
  • two carbon foams having different thermal conductivities are used as a core material, and the carbon foam having a high thermal conductivity is disposed on the molded product side, thereby improving the thermal uniformity on the molded product side. .
  • a molding jig capable of heating the molded product more evenly is obtained.
  • FIG. 1 is a schematic top view of a composite material forming jig according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. It is sectional drawing of the composite material formation jig
  • FIG. 1 is a schematic top view of a composite material forming jig according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
  • a composite material forming jig 1 according to an embodiment of the present invention includes a core material 2, a heat source 3, and a composite material layer 4.
  • the core material 2 has a structure in which two or more carbon foams having different thermal conductivities are bonded.
  • the carbon foam 5 having a high thermal conductivity is disposed on the molded product side.
  • Another carbon foam having a lower thermal conductivity than the carbon foam 5 disposed on the molded product side is provided on the back side of the carbon foam having a high thermal conductivity (that is, the side opposite to the side facing the molded product). 6 is disposed by bonding.
  • thermal conductivity and “low thermal conductivity” are expressions when the thermal conductivity of the carbon foams constituting the core material 2 is compared.
  • the absolute value of the thermal conductivity of the carbon foam that is said to be “high in thermal conductivity” is preferably higher.
  • the absolute value of the thermal conductivity of the carbon foam that is said to be “low in thermal conductivity” is preferably low.
  • CFOAM20 graphitized available from Touchstone Research Laboratory can be used.
  • CFOAM20 graphitized is a carbon foam having a relatively high thermal conductivity obtained by sintering carbon at a high temperature of about 3000 ° C.
  • CFOAM20 available from Touchstone Research Laboratory can be used.
  • CFOAM20 is a carbon foam having a lower thermal conductivity than CFOAM20 graphitized, in which the same raw materials as CFOAM20 graphitized are sintered at about 1000 ° C. to 1200 ° C.
  • the combination of the carbon foam 5 and another carbon foam 6 in the core material 2 is not limited to the above.
  • the carbon foams having different thermal conductivities may be combined with carbon foams having different degrees of foaming.
  • the thickness of the carbon foam 5 and another carbon foam 6 is set as appropriate.
  • the thickness is set to a desired bending rigidity.
  • the carbon foam 5 may have a thickness that ensures a predetermined distance at which heat can be uniformly dispersed on the molded product side.
  • the carbon foams constituting the core material 2 are bonded with an adhesive 7 for the core material.
  • the adhesive 7 may be an inorganic adhesive, for example, X-Pando available from X-Pando Products Company.
  • the heat source 3 is an electric resistance heating device or the like.
  • the shape of the heat source 3 is appropriately selected according to the shape and size of the molded product.
  • the heat source 3 it is preferable to use a long and thin flexible heater having flexibility that can be deformed by hand.
  • the heat source 3 is embedded in a predetermined position in the core material 2.
  • the predetermined position is appropriately set according to the thermal conductivity, size, heat capacity, weight, and the like of the core material 2.
  • CFOAM20 graphitized and CFOAM20 it is preferable to perform thermal analysis in advance based on the thermal conductivity and size of the core material 2 and set the arrangement of the heat source 3 in the in-plane direction and in the depth direction. By doing so, when the core material 2 is heated with a heater, the thermal uniformity on the molded product side of the core material 2 can be improved.
  • the heat source 3 can manage the temperature of the jig by feedback control.
  • the surface of the core material 2 in which the heat source 3 is embedded is covered with a composite material layer 4.
  • the composite material layer 4 is formed from a fiber reinforced composite material which is a material containing a fibrous material in a matrix.
  • the fiber reinforced composite material is preferably a material having a thermosetting resin as a matrix and containing carbon fibers.
  • An example of the thermosetting resin is an epoxy resin.
  • prepregs such as Hextool (manufactured by Hexcel), Duratool (manufactured by Cytec), TRK510 / 270 FMP (manufactured by Mitsubishi Rayon Co., Ltd.) can be used.
  • the composite material layer 4 is bonded to the core material through an adhesive 8 for bonding the composite material.
  • the adhesive 8 is thermosetting, and a material having heat resistance with respect to the curing temperature of the composite material after curing is used.
  • the adhesive 8 can be cured by means such as heating or a catalyst.
  • the adhesive 8 may be in the form of a gel, a sheet, or a film.
  • a thermosetting resin is mainly used, and a film adhesive that is cured by heating is used.
  • epoxy adhesive L-313 manufactured by JD Lincoln
  • 2550B manufactured by Cytec
  • a mesh member 9 may be disposed between the surface of the carbon foam 5 on the molded product side and the composite material layer 4.
  • the mesh member 9 is made of a material that exhibits higher thermal conductivity than the carbon foam.
  • the mesh member 9 is made of metal such as aluminum. The thickness, mesh size, and mesh size of the mesh member 9 are appropriately set within a range in which the surface of the carbon foam 5 on the molded product side and the composite material layer 4 can be bonded.
  • FIG. 4 shows an example of a method for manufacturing a composite material forming jig according to the present embodiment.
  • a groove 10 having a predetermined depth is formed from the carbon foam 5 side at a predetermined position of the core material 2.
  • the width of the groove 10 is set to a size capable of embedding the heat source 3 (FIG. 4B).
  • the heat source 3 is fitted into the groove 10, and the heat transfer cement 11 is applied and fixed to the heat source 3 (FIG. 4C).
  • a carbon foam member 12 cut out from a carbon foam of the same material as the carbon foam 5 is fitted on the heat transfer cement 11.
  • the upper part of the carbon foam member 12 and the gap between the carbon foam member 12 and the carbon foam 5 are filled with an adhesive 7 (FIG. 4D).
  • the carbon foam member 12 is preferably cut out in such a size that the upper portion of the carbon foam member 12 is lower than the upper surface of the carbon foam 5 when fitted into the groove 10.
  • the adhesive 7 filling the upper portion of the carbon foam member 12 is preferably finished so as to be slightly higher than the upper surface of the carbon foam 5.
  • a film-like adhesive 8 (hereinafter referred to as film adhesive 8) is disposed so as to cover the surface of the core material 2. It is preferable to arrange a plurality of film adhesives 8 in a stacked manner.
  • a plurality of film adhesives 8 are disposed so as to overlap each other. Then, the mesh member 9 is inserted.
  • a prepreg is disposed on the uppermost layer of the film adhesive 8 as a fiber reinforced composite material.
  • a plurality of prepregs may be arranged in a stacked manner, and the number of sheets and fiber direction are appropriately set.
  • the core material 2 on which the film adhesive 8 and the prepreg are arranged is covered with a back film and fixed with a sealant from the outside. Thereafter, the air inside the back film is removed and the pressure is reduced. This is carried into an autoclave, pressurized to 0.6 MPa, and heated to cure the film adhesive and the prepreg matrix (FIG. 4E).
  • the curing reaction may be performed as described in Japanese Patent Application No. 2010-151218. That is, the matrix of the prepreg is not liquefied, and the adhesive is cured by heating at a temperature at which the adhesive is cured, and then the matrix of the prepreg is cured by heating at a temperature at which the matrix of the prepreg is cured.
  • the curing condition of the adhesive is set by setting the predetermined curing degree of the adhesive by correlating the curing reaction formula of the adhesive created based on the heat quantity data of the adhesive and the viscosity profile of the adhesive. Based on this, it is preferable to set the adhesive to have a predetermined degree of curing or more.
  • the core material had a configuration in which another carbon foam was adhered to the back surface of the carbon foam, and the size was 500 mm ⁇ 310 mm ⁇ thickness 70 mm.
  • CFOAM20 having a thickness of 30 mm was used as a carbon foam to be disposed on the side in contact with the molded product.
  • CFOAM20 having a thickness of 40 mm was used as another carbon foam to be arranged on the back side.
  • a core material was prepared by bonding and drying a carbon foam and another carbon foam with an inorganic adhesive (X-Pando).
  • two grooves with a depth of 30 mm were formed in parallel along the longitudinal direction on the surface on which the molded product was in contact.
  • the interval between the grooves is 100 mm, and the center thereof overlaps the center in the short side direction of the core material.
  • a flex heater (diameter: 4.8 mm, Sakaguchi Electric Heat Co., Ltd., 1M-2-1500) was used.
  • the prepreg a plurality of TRK510-270GMP (available from Mitsubishi Rayon Co., Ltd.) was used.
  • the fiber direction of the prepreg was suitably 0 °, ⁇ 45 °, and + 90 °.
  • the film adhesive two layers of epoxy film adhesive (L-313) were used.
  • a film adhesive and a prepreg are laminated on the core material, and the composite material layer 4 having a thickness of 5 mm on the molded product side and a thickness of 2.5 mm on the back surface side.
  • the composite material layer 4 having a thickness of 5 mm on the molded product side and a thickness of 2.5 mm on the back surface side.
  • Thermocouples were installed on the surfaces of specimen 1 to specimen 3, and the temperature when heated by a heat source was measured.
  • the installation position of the thermocouple is shown in FIG.
  • the measurement results are shown in FIGS.
  • FIG. 6 shows the result of measurement with the specimen 1
  • FIG. 7 shows the result of measurement with the specimen 2
  • FIG. 1 shows the result of measurement with the specimen 1
  • FIG. 9 shows the relationship between L 2 / d 1.5 and the maximum temperature difference.
  • the thermal conductivity of the carbon foam disposed on the molded product side of the core material is 3 W / mK
  • the molded product of the core material is satisfied by satisfying L 2 / d 1.5 ⁇ 45.
  • the maximum temperature difference at the side can be within 5 ° C.
  • the thermal conductivity of the carbon foam disposed on the molded product side of the core material is 10 W / mK
  • the maximum temperature difference on the side of the molded product of the core material is satisfied by satisfying L 2 / d 1.5 ⁇ 80.
  • the thermal conductivity of the carbon foam disposed on the molded product side of the core material is 20 W / mK
  • the maximum temperature difference on the side of the molded product of the core material is satisfied by satisfying L 2 / d 1.5 ⁇ 150.
  • the required depth of the heater is 37 mm or more.
  • FIG. 10 the relationship between the thermal conductivity of the carbon foam arrange
  • FIG. 10 it was found that a linear relationship was established between the thermal conductivity of the carbon foam disposed on the molded product side of the core material and the reciprocal of the slope of each linear line in FIG. Therefore, it can be said that the temperature difference on the molding surface side of the core material can be within a desired range by setting the distance between the heaters and the heater depth so as to satisfy the formula (1).

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Abstract

炭素発泡体をコア材とした場合であっても、より均等に成形品を加熱できる成形治具を提供することを目的とする。複合材成形治具は、成形品側に配置される炭素発泡体（５）、及び、炭素発泡体（５）の背面に接着配置された別の炭素発泡体（６）で構成されたコア材（２）と、コア材（２）中に埋設されたコア材（２）に伝熱可能な熱源（３）と、繊維強化複合材料でコア材（２）の表面を被覆して形成した複合材層（４）と、を備え、炭素発泡体（５）の熱伝導率が、別の炭素発泡体（６）の熱伝導率よりも高いことを特徴とする。

Description

複合材成形治具
　本発明は、複合材成形治具に関し、特に、航空機もしくは風車などの構造物を複合材料で製造するための成形治具に関するものである。
　近年、航空機もしくは風車などの構造物の材料として、複合材料が利用されている。複合材料とは、結合材料（マトリックス）と、微粒子または繊維状材料とを含む成形材料である。例えば、エポキシ樹脂に代表されるプラスチックと、炭素やガラスからなる硬い繊維とから構成され、プリプレグなどとして用いられる。
　複合材料を成形品とするためには、複合材料のマトリックスを高温高圧環境下で硬化させる工程が必須となる。複合材料のマトリクスを高温硬化させる方法の１つとして、電熱ヒータ等により直接成形型を加熱する方法がある。ＲＴＭ（Ｒｅｓｉｎ　Ｔｒａｎｓｆｅｒ　Ｍｏｌｄｉｎｇ）法では、一般的に成形型を直接加熱する手法がとられている。ホットプレス法においても、プレス型にヒータを埋め込むことで直接加熱する方法が実施されている（特許文献１参照）。また、複合材料のマトリクスを高温硬化させる方法の１つとして、オートクレーブ法などのように、外部の雰囲気を加熱する方法がある。
　複合材料を成形するための治具として、コア材を複合材料で被覆した成形治具が開発されている（特許文献２参照）。コア材としては、炭素発泡体が用いられる。炭素発泡体は、軽量であるため、金属製の成形治具よりも熱容量が小さく、成形治具としたときの加熱特性が良いという特徴を有する。そのため、炭素発泡体を用いた成形治具は、ＲＴＭ法やホットプレス法のみならず、オートクレーブ法においても成形型を直接加熱することで、より効率的に成形品を高温硬化させることができる。
特開平９－２５４１７２号公報（請求項１） 特表２００７－５２１９８７号公報（請求項１）
　炭素発泡体は、熱伝導率が低いという特徴を有する。そのため、炭素発泡体をコア材とした成形治具にヒータを埋め込んで加熱した場合、熱が炭素発泡体中を移動しにくく、ヒータ近傍とヒータから離れた位置とで大きな温度差が生じる。ヒータからの距離の違いによってコア材の温度が異なると、成形品の高温硬化するタイミングにバラつきが生じることになる。それによって、成形品に残留変形が発生し、品質の低下を招く。
　本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、炭素発泡体をコア材とした場合であっても、より均等に成形品を加熱できる成形治具を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するために、本発明は、成形品側に配置される炭素発泡体、及び、前記炭素発泡体の背面に接着配置された別の炭素発泡体で構成されたコア材と、前記コア材中に埋設された前記コア材に伝熱可能な熱源と、繊維強化複合材料で前記コア材の表面を被覆して形成した複合材層と、を備え、前記炭素発泡体の熱伝導率が、前記別の炭素発泡体の熱伝導率よりも高い複合材成形治具を提供する。
　上記発明によれば、コア材は熱伝導率の異なる炭素発泡体同士を接着させた構成とされる。コア材の成形品が配置される側には、熱伝導率の高い炭素発泡体が配置される。それによって、熱源から放出された熱が成形品側に配置された炭素発泡体内を移動しやすくなるため、成形品側の均熱性が向上する。コア材の背面側（成形品が配置される側と反対の側）には、熱伝導率の低い別の炭素発泡体が配置される。そうすることで、別の炭素発泡体が断熱材として働くため、熱が背面側に逃げず、熱源から放出された熱を効率的に成形品側へ伝えることが可能となる。これにより、熱源の発熱量を抑制することができるため、製造コストを下げることが可能となる。
　コア材の表面は、複合材層で略覆われているため、炭素発泡体から発生する炭素粉によって成形品が汚染されることを防止することができる。
　上記発明の一態様において、前記炭素発泡体の成形品側の面と前記複合材層とが複数の接着剤を介して接着され、前記複数の接着剤同士の間に、前記炭素発泡体よりも高い熱伝導性を示す網目部材を配置することが好ましい。
　上記発明の一態様によれば、炭素発泡体の成形品側の面と複合材層との間に、炭素発泡体よりも高い熱伝導性を有する網目部材が配置されることで、面内方向への熱を伝えやすくなり、コア材の成形品側の均熱性が更に向上する。網目部材は、接着剤と別の接着剤との間に配置される。それによって、網目部分に接着剤が侵入することができるため、網目部材を介在させた場合であっても複合材層を炭素発泡体へと接着させることが可能となる。
　本発明によれば、熱伝導率の異なる２つの炭素発泡体をコア材とし、成形品側に熱伝導率の高い炭素発泡体を配置することで、成形品側の均熱性を高めることができる。それによって、より均等に成形品を加熱することのできる成形治具となる。
本発明の一実施形態に係る複合材成形治具の上面概略図である。 図１の線Ａ－Ａにおける断面図である。 網目部材を備えた複合材成形治具の断面図である。 本実施形態に係る複合材成形治具の製造方法を説明する図である。 熱電対の設置位置を示す図である。 供試体１の熱分布を計測した結果を示す図である。 供試体２の熱分布を計測した結果を示す図である。 供試体３の熱分布を計測した結果を示す図である。 Ｌ２／ｄ１．５と最大温度差との関係を示すグラフである。 コア材の成形品側に配置される炭素発泡体の熱伝導率と、図７の各線形線の傾きの逆数との関係を示す図である。
　本発明に係る複合材成形治具の一実施形態を、図面を用いて説明する。
　図１に、本発明の一実施形態に係る複合材成形治具の上面概略図を示す。図２に、図１の線Ａ－Ａにおける断面図を示す。本発明の一実施形態に係る複合材成形治具１は、コア材２、熱源３、及び複合材層４から構成されている。
　コア材２は、熱伝導率の異なる２以上の炭素発泡体が接着された構成とされる。コア材２において、成形品側に熱伝導率の高い炭素発泡体５が配置される。熱伝導率の高い炭素発泡体の背面側（すなわち、成形品に向く側と反対の側）には、成形品側に配置された炭素発泡体５よりも熱伝導率の低い別の炭素発泡体６が接着配置される。
　ここで、「熱伝導率が高い」及び「熱伝導率が低い」とは、コア材２を構成する炭素発泡体同士の熱伝導率を比較した場合の表現である。「熱伝導率が高い」とされる炭素発泡体の熱伝導率の絶対値は、高い方が好ましい。「熱伝導率が低い」とされる炭素発泡体の熱伝導率の絶対値は、低い方が好ましい。
　炭素発泡体５としては、タッチストーン　リサーチ　ラボラトリー社から入手できるＣＦＯＡＭ２０　ｇｒａｐｈｉｔｉｚｅｄを用いることができる。ＣＦＯＡＭ２０　ｇｒａｐｈｉｔｉｚｅｄは、炭素を３０００℃程度の高温で焼結させた熱伝導性能が比較的高い炭素発泡体である。
　ＣＦＯＡＭ２０　ｇｒａｐｈｉｔｉｚｅｄと組み合わせる別の炭素発泡体６としては、タッチストーン　リサーチ　ラボラトリー社から入手できるＣＦＯＡＭ２０を用いることができる。ＣＦＯＡＭ２０は、ＣＦＯＡＭ２０　ｇｒａｐｈｉｔｉｚｅｄと同様の原材料を１０００℃～１２００℃程度で焼結させた、ＣＦＯＡＭ２０　ｇｒａｐｈｉｔｉｚｅｄよりも熱伝導性能の低い炭素発泡体である。
　コア材２における炭素発泡体５と別の炭素発泡体６との組み合わせは、上記に限定されない。例えば、熱伝導率の異なる炭素発泡体同士であれば、発泡度のことなる炭素発泡体を組み合わせた構成とされても良い。
　炭素発泡体５及び別の炭素発泡体６の厚さは、適宜設定される。例えば、コア材２としたときに、所望の曲げ剛性となるような厚さとされる。炭素発泡体５は、成形品側に熱が均一に分散可能な所定の距離が確保される厚さとされると良い。
　コア材２を構成する炭素発泡体同士は、コア材用の接着剤７で接着されている。接着剤７は、無機系接着剤、例えば、Ｘ－Ｐａｎｄｏ　Ｐｒｏｄｕｃｔｓ　Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能なＸ－Ｐａｎｄｏを使用すると良い。
　熱源３は、電気抵抗加熱装置などとされる。熱源３の形状は、被成形品の形状や大きさなどに応じて適宜選択される。例えば、熱源３として、手で変形可能な柔軟性を有する長細い形状のフレキヒータを用いることが好適である。
　熱源３は、コア材２の中の所定位置に埋設されている。所定位置は、コア材２の熱伝導率、大きさ、熱容量、重量などに応じて適宜設定される。例えば、ＣＦＯＡＭ２０　ｇｒａｐｈｉｔｉｚｅｄ及びＣＦＯＡＭ２０を用いる場合、コア材２の熱伝導率及び大きさに基づいて予め熱解析を行い、熱源３の面内方向及び深さ方向の配置を設定すると良い。そうすることにより、ヒータでコア材２を加熱した場合に、コア材２の成形品側の均熱性を向上させることができる。熱源３は、フィードバック制御により治具の温度管理が可能である。
　熱源３が埋設されたコア材２の表面は、複合材層４で被覆されている。複合材層４は、マトリックスに繊維状材料を含む材料である繊維強化複合材料から形成される。繊維強化複合材料は、熱硬化性樹脂をマトリックスとし、且つ、炭素繊維が含まれている材料が好ましい。熱硬化性樹脂としては、エポキシ系の樹脂が挙げられる。例えば、Ｈｅｘｔｏｏｌ（Ｈｅｘｃｅｌ社製）、Ｄｕｒａｔｏｏｌ（Ｃｙｔｅｃ社製）、ＴＲＫ５１０／２７０ＦＭＰ（三菱レイヨン株式会社製）などのプリプレグを使用できる。
　複合材層４は、複合材接着用の接着剤８を介してコア材に接着されている。接着剤８は、熱硬化性であり、硬化後に複合材料の硬化温度に対して耐熱性を有する材料が用いられる。接着剤８は、加熱や触媒などの手段によって硬化され得る。また、接着剤８は、ゲル、シート、或いはフィルムなどの形状であって良い。本実施形態では、熱硬化性樹脂を主とし、加熱によって硬化されるフィルム接着剤が用いられる。例えば、エポキシ系接着剤である、Ｌ－３１３（Ｊ．Ｄ．Ｌｉｎｃｏｌｎ社製）や、２５５０Ｂ（Ｃｙｔｅｃ社製）を使用できる。接着剤８は、繊維強化複合材料よりも低い温度で硬化される材料が選択される。
　図３に示すように、炭素発泡体５の成形品側の面と複合材層４との間には、網目部材９が配置されても良い。
　網目部材９は、炭素発泡体よりも高い熱伝導性を示す材料からなる。例えば、網目部材９は、アルミなどの金属製とされる。網目部材９の厚さ、網目サイズ、網目の大きさは、炭素発泡体５の成形品側の面と複合材層４とが接着可能な範囲内で適宜設定される。
　図４に、本実施形態に係る複合材成形治具の製造方法の一例を示す。
　まず、接着剤７を用いて炭素発泡体５及び別の炭素発泡体６を接着させた後、対象となる被成形品の形にならって成形面を成形し、コア材２とする（図４（ａ））。
　コア材２の所定の位置に、炭素発泡体５側から所定の深さの溝１０を形成する。溝１０の幅は、熱源３を埋設可能なサイズとする（図４（ｂ））。
　熱源３を溝１０内に嵌め、熱源３に伝熱セメント１１を塗布して固定する（図４（ｃ））。伝熱セメント１１の上に、炭素発泡体５と同じ材質の炭素発泡体から切り出した炭素発泡部材１２を嵌め込む。炭素発泡部材１２の上部及び炭素発泡部材１２と炭素発泡体５との隙間には、接着剤７を充填する（図４（ｄ））。
　炭素発泡部材１２は、溝１０に嵌め込んだときにその上部が、炭素発泡体５の上面よりも低くなるような大きさに切りだしておくと良い。また、炭素発泡部材１２の上部に充填する接着剤７は、炭素発泡体５の上面よりも少し高くなるよう盛り気味に仕上げると良い。
　次に、コア材２の表面を覆うようにフィルム状の接着剤８（以下、フィルム接着剤８と称す）を配置する。フィルム接着剤８は、複数重ねて配置することが好ましい。
　コア材２の成形品側の面と複合材層４との間に網目部材９を配置する場合は、フィルム接着剤８は複数重ねて配置することとし、該重ねたフィルム接着剤８同士の間に、網目部材９を挿入する。
　次に、フィルム接着剤８の最上層の上に、繊維強化複合材料としてプリプレグを配置する。プリプレグは、複数層重ねて配置されて良く、枚数や繊維方向は適宜設定される。
　次に、フィルム接着剤８及びプリプレグを配置したコア材２をバックフィルムで覆い、外側からシーラントで固定する。その後、バックフィルムの内部の空気を抜いて減圧させる。これをオートクレーブに搬入し、０．６ＭＰａまで加圧し、加熱してフィルム接着剤及びプリプレグのマトリックスを硬化させる（図４（ｅ））。
　硬化反応は、特許文献の特願２０１０－１５１２１８に記載のように実施すると良い。すなわち、プリプレグのマトリックスが液状化せず、且つ、接着剤が硬化する温度で加熱して接着剤を硬化させた後、プリプレグのマトリックスが硬化する温度で加熱してプリプレグのマトリックスを硬化させる。接着剤の硬化条件は、接着剤の熱量データに基づき作成された接着剤の硬化反応式と接着剤の粘度プロファイルとを相関させて接着剤の所定の硬化度を設定し、上記硬化反応式に基づいて、接着剤が所定の硬化度以上となるように設定すると良い。
（実施例）
（１）供試体１
　コア材は、炭素発泡体の背面に別の炭素発泡体を接着させた構成とし、大きさを５００ｍｍ×３１０ｍｍ×厚さ７０ｍｍとした。
　成形品が接する側に配置する炭素発泡体として、厚さ３０ｍｍのＣＦＯＡＭ２０を用いた。背面側に配置する別の炭素発泡体として、厚さ４０ｍｍのＣＦＯＡＭ２０を用いた。炭素発泡体及び別の炭素発泡体を無機系接着剤（Ｘ－Ｐａｎｄｏ）で接着・乾燥させたものをコア材とした。
　コア材に、成形品が接する側の面に深さ３０ｍｍの２つの溝を長手方向に沿って平行に形成した。溝と溝との間隔は１００ｍｍとし、その中心はコア材の短辺側方向の中心と重なる。
　熱源には、フレキヒータ（径４．８ｍｍ、坂口電熱株式会社、１Ｍ－２－１５００）を用いた。
　プリプレグとしては、ＴＲＫ５１０－２７０ＧＭＰ（三菱レイヨン株式会社から入手可能）を複数重ねて用いた。プリプレグの繊維方向は０°、±４５°及び＋９０°を適当に用いた。フィルム接着剤としては、エポキシ系フィルム接着剤（Ｌ－３１３）を２層重ねて用いた。
　上記実施形態に従って、コア材に熱源を埋設した後、コア材上にフィルム接着剤及びプリプレグを積層し、成形品側の厚さが５ｍｍ、背面側の厚さが２．５ｍｍの複合材層４を形成して供試体１とした。
（２）供試体２
　成形品が接する側に配置する炭素発泡体として厚さ３０ｍｍのＣＦＯＡＭ２０　ｇｒａｐｈｉｔｉｚｅｄを用いたこと以外は、供試体１と同様に作製した。
（３）供試体３
　成形品が接する側に配置する炭素発泡体の成形品側の面上に、網目部材及びフィルム接着剤（Ｌ－３１３）を１層重ねた後、プリプレグを配置した。それ以外の工程は、供試体２と同様とした。網目部材は、５００ｍｍ×３１０ｍｍ×厚さ０．５ｍｍ、空孔率６２％のアルミメッシュを用いた。
　供試体１～供試体３の表面に熱電対を設置し、熱源で加熱した場合の温度を計測した。熱電対の設置位置を図５に示す。計測結果を図６～図８に示す。図６は供試体１、図７は供試体２、図８は供試体３で計測した結果である。
　図６によれば、供試体１では、フレキヒータの直上部（ＴＣ－０２）とフレキヒータ間の中心上部（ＴＣ－０３）とで最大３０℃程度の温度差があった。また、供試体１では、２５００秒経過した時点で、直上部よりも中心上部の温度の方が低かった。一方、図７及び図８によれば、供試体２及び供試体３では、フレキヒータの直上部とフレキヒータ間の中心上部との温度差は小さくなり、特に、供試体３では最大温度差が１０℃以下となった。また、供試体２及び供試体３では、直上部と中心上部との温度が供試体１よりも早い段階で等しくなることが確認できた。
　複合材料を成形する際には、熱源により成形治具の温度をフィードバック制御して温度分布を管理するため、非定常状態で温度を均一にすることが重要となる。上記結果によれば、コア材を加熱し始めてから最高温度に達するまでの非定常状態における早い段階で、成形品側の面の温度分布の偏りを少なくすることができる。
　供試体２を用いて計測した温度データ（ヒータ間距離：１００ｍｍ、ヒータ深さ：３０ｍｍ、熱伝導率３．０）に基づき、有限要素法（ＦＥＭ）熱解析モデルを作成し、熱源の設置位置の検討を行った。表１に、ＦＥＭ熱解析の結果を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１によれば、ヒータ間距離とヒータ深さとをＬ２／ｄ１．５と関係づけることで、最大温度差との間に線形関係が成立することがわかった。図９に、Ｌ２／ｄ１．５と最大温度差との関係を示す。
　図９によれば、コア材の成形品側に配置される炭素発泡体の熱伝導率が３Ｗ／ｍＫである場合、Ｌ２／ｄ１．５＜４５を満たすことで、コア材の成形品側面での最大温度差を５℃以内とすることができる。コア材の成形品側に配置される炭素発泡体の熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫである場合、Ｌ２／ｄ１．５＜８０を満たすことで、コア材の成形品側面での最大温度差を５℃以内とすることができる。コア材の成形品側に配置される炭素発泡体の熱伝導率が２０Ｗ／ｍＫである場合、Ｌ２／ｄ１．５＜１５０を満たすことで、コア材の成形品側面での最大温度差を５℃以内とすることができる。
　図９によれば、例えば、コア材の成形品側に配置される炭素発泡体として熱伝導率が３Ｗ／ｍＫ、許容温度差を５℃、ヒータ間距離を１００ｍｍとした場合、ヒータの必要深さは３７ｍｍ以上となる。
　図１０に、コア材の成形品側に配置される炭素発泡体の熱伝導率と、図７の各線形線の傾きの逆数との関係を示す。図１０によれば、コア材の成形品側に配置される炭素発泡体の熱伝導率と、図９の各線形線の傾きの逆数との間に線形関係が成立することがわかった。従って、式（１）を満たすようヒータ間距離とヒータ深さを設定することで、コア材の成形面側での温度差を所望の範囲内とできると言える。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
１　複合材成形治具
２　コア材
３　熱源
４　複合材層
５　炭素発泡体（成形品側）
６　別の炭素発泡体（背面側）
７　接着剤（コア材用）
８　接着剤（複合材層用）
９　網目部材
１０　溝
１１　伝熱セメント
１２　炭素発泡部材
 

Claims (3)

  1. 　成形品側に配置される炭素発泡体、及び、前記炭素発泡体の背面に接着配置された別の炭素発泡体で構成されたコア材と、
    　前記コア材中に埋設された前記コア材に伝熱可能な熱源と、
    　繊維強化複合材料で前記コア材の表面を被覆して形成した複合材層と、
    を備え、
    　前記炭素発泡体の熱伝導率が、前記別の炭素発泡体の熱伝導率よりも高い複合材成形治具。
  2. 　前記炭素発泡体の成形品側の面と前記複合材層とが複数の接着剤を介して接着され、
    　前記複数の接着剤同士の間に、前記炭素発泡体よりも高い熱伝導性を示す網目部材を配置する請求項１に記載の複合材成形治具。
  3. 　炭素発泡体、及び、前記炭素発泡体の背面に接着配置され、前記炭素発泡体よりも低い熱伝導率を有する別の炭素発泡体で構成されたコア材と、
    　前記コア材中に埋設された前記コア材に伝熱可能な熱源と、
    　繊維強化複合材料で前記コア材の表面を被覆して形成した複合材層と、
    を備える複合材成形治具を用いた複合材の製造方法であって、
    　前記複合材成形治具の前記炭素発泡体側に複合材料を配置する工程と、
    　前記熱源で前記複合材成形治具の温度分布を管理しながら加熱することで、前記複合材料を硬化させる工程と、
    を含む、複合材成形治具を用いた複合材の製造方法。
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