(57)【要約】耐雷性能を確保しながら、製造時における時間や手間を低減しつつ、重量を低減することが可能な構造体用構造材を提供することを目的とする。構造体用構造材は、補強材が炭素繊維を含み、マトリックスがプラスチックを含み、板厚方向の抵抗率が1Ωcm以上200Ωcm以下である炭素繊維強化プラスチックを備える。炭素繊維強化プラスチックは、板厚方向の抵抗率が100Ωcm以下でもよいし、炭素繊維強化プラスチックの表面に金属製フォイル又は金属製メッシュが設置されてもよい。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
補強材が炭素繊維を含み、マトリックスがプラスチックを含み、板厚方向の抵抗率が1Ωcm以上200Ωcm以下である炭素繊維強化プラスチックを備える構造体用構造材。
【請求項２】
前記炭素繊維強化プラスチックは、前記板厚方向の抵抗率が100Ωcm以下である請求項１に記載の構造体用構造材。
【請求項３】
前記炭素繊維強化プラスチックの表面に金属製フォイル又は金属製メッシュが設置される請求項１又は２に記載の構造体用構造材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素繊維強化プラスチックを備える構造体用構造材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
航空機、洋上風車、又は自動車・鉄道車両等の構造体に適用される構造材として、複合材、例えば炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）が適用されることがある。ＣＦＲＰは、補強材として炭素繊維が用いられ、マトリックスとして合成樹脂が用いられる。【０００３】
特許文献１では、３次元繊維強化樹脂複合材の発明であって、生産性を損なうことなく、繊維強化樹脂複合材に導電性を付与するため、耳糸が面内方向糸より導電性の高い導電性材料から構成される技術が開示されている。また、特許文献２及び３では、プリプレグ及び炭素繊維強化複合材料の発明であって、優れた耐衝撃性と導電性とを兼ね備えることを目的として、導電性の粒子又は繊維を含ませる技術が開示されている。更に、特許文献４では、改良型複合材料の発明であって、導電性を有し、標準の複合材料と比較してほとんど又は全く重量増加させないことを目的として、高分子樹脂中に分散した導電性粒子を含ませる技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３０１８３８号公報
【特許文献２】特開２０１０−２８０９０４号公報
【特許文献３】特開２０１１−２１９７６６号公報
【特許文献４】特開２０１１−１６８７９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＣＦＲＰを用いた構造体用構造材が雷撃を受けると、構造材内部に流れる電流によって、内部にジュール熱（ＲＩ２）が発生する。そして、この発熱の影響によって、着雷点近傍の構造材の外板から内部にかけて損傷が発生する。【０００６】
従来、雷撃による損傷を防ぐため、ＣＦＲＰの表面に金属製の耐雷メッシュ又は耐雷フォイルを取り付けて、構造材に導電性を付与していた。これにより、雷撃時、メッシュ又はフォイルに電流を流し、ＣＦＲＰの内部に電流を流さないようにしている。しかし、メッシュやフォイルの施工性は悪く、特にフォイルの場合は重量が重い。そのため、製造時において時間や手間がかかる上に、構造体全体の重量が増加するという問題があった。【０００７】
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、耐雷性能を確保しながら、製造時における時間や手間を低減しつつ、重量を低減することが可能な構造体用構造材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の構造体用構造材は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係る構造体用構造材は、補強材が炭素繊維を含み、マトリックスがプラスチックを含み、板厚方向の抵抗率が1Ωcm以上200Ωcm以下である炭素繊維強化プラスチックを備える。【０００９】
この発明によれば、炭素繊維強化プラスチックは、補強材が炭素繊維を含み、マトリックスがプラスチックを含んでおり、板厚方向の抵抗率が1Ωcm以上200Ωcm以下であることから、構造体用構造材は導電性が付与されている。したがって、構造体用構造材が雷撃を受けたとき、内部で発生するジュール熱を抑えることができる。導電性を高めて板厚方向の抵抗率を1Ωcm未満にすると、炭素繊維強化プラスチックに導電性を付与する方法の影響によって、構造体用構造材の強度を保つことができない。一方、導電性を低下させて板厚方向の抵抗率が200Ωcmを超えると、雷撃時に内部で発生するジュール熱が上昇し、構造体用構造材の損傷の程度が大きくなる。構造体用構造材は、例えば、航空機、洋上風車、又は自動車・鉄道車両等の構造体に適用される構造材である。【００１０】
上記発明において、前記炭素繊維強化プラスチックは、前記板厚方向の抵抗率が100Ωcm以下でもよい。【００１１】
この発明によれば、炭素繊維強化プラスチックの板厚方向の抵抗率が200Ωcmよりも低い100Ωcm以下であるから、構造体用構造材が雷撃を受けたとき、内部で発生するジュール熱を更に抑えることができる。【００１２】
上記発明において、前記炭素繊維強化プラスチックの表面に金属製フォイル又は金属製メッシュが設置されてもよい。【００１３】
この発明によれば、金属製フォイル又は金属製メッシュによって、構造体用構造材における導電性を補強することができる。上記発明において、炭素繊維強化プラスチックも導電性を有することから、構造体用構造材において、炭素繊維強化プラスチックが導電性を有しない場合に比べて、金属製フォイル又は金属製メッシュに要求される耐雷性能を緩和できる。例えば、金属製フォイルの厚さを薄くして軽量化を図ったり、金属製フォイルが要求されていたところを、金属製メッシュに代えたり、金属製メッシュの網目の大きさをより大きいものに変更したりすることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、構造体用構造材は、炭素繊維強化プラスチックによって導電性が付与されて、構造体用構造材が雷撃を受けたとき、内部で発生するジュール熱を抑えることができる。そのため、耐雷性能を確保しながら、製造時における時間や手間を低減しつつ、重量を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】試験体の板厚方向の抵抗率［Ωcm］と相対損傷面積［％］との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明に係る実施形態について説明する。
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態に係る構造体用構造材について説明する。
本発明の第１実施形態に係る構造体用構造材は、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）を備える。構造体用構造材は、例えば、航空機、洋上風車、又は自動車・鉄道車両等の構造体に適用される。したがって、構造体用構造材は、適用される構造体によって要求される強度を有する。
【００１７】
本実施形態の構造体用構造材に適用されるＣＦＲＰは、補強材が炭素繊維を有し、マトリックスがプラスチックを有する。ＣＦＲＰは、補強材及びマトリックスの少なくともいずれか一方が調整されて、導電性を有する。例えば、炭素繊維又はプラスチックの材料の種類、含有量、構造、特性等が調整される。
【００１８】
炭素繊維は、構造体用構造材の厚さ方向に複数層にわたって積層されてもよい。炭素繊維を積層する方法としては、例えば、連続炭素繊維が細かく切断された繊維をプラスチック層間に均一にまぶす方法や、連続炭素繊維に方向性を持たせて配列した炭素繊維層をプラスチックに浸潤させる方法がある。炭素繊維を用いてＣＦＲＰに導電性を付与する方法は、様々な技術を適用することができ、本明細書では詳細な説明を省略する。一例を挙げると、連続炭素繊維が細かく切断された繊維を用いることによって、ＣＦＲＰ全体に導電性を付与することができる。
【００１９】
マトリックスは、例えば、不飽和ポリエステル、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂等のプラスチックを有する。マトリックスに導電性を付与してもよく、熱硬化性樹脂等のプラスチックに対して導電性を付与する方法は、様々な技術を適用することができ、本明細書では詳細な説明を省略する。マトリックスに導電性を付与する方法としては、例えば、プラスチック内に導電性の粒子又は繊維を含ませる方法や、プラスチックそのものに導電性を付与する方法などがある。
【００２０】
構造体用構造材の板厚方向の抵抗率は、例えば1Ωcm以上200Ωcm以下であり、好ましくは、1Ωcm以上100Ωcm以下である。構造体用構造材の板厚方向の抵抗率が、これらの範囲であれば、構造体用構造材は、導電性が付与され抵抗率が低いことから、構造体用構造材が雷撃を受けたとき、内部で発生するジュール熱（ＲＩ２）を抑えることができる。なお、構造体用構造材の板厚方向とは、構造体用構造材の面内方向に対して垂直方向であり、雷撃時の雷電流が貫通する方向を想定して測定される方向である。
【００２１】
導電性を高めて板厚方向の抵抗率を1Ωcm未満にすると、ＣＦＲＰに導電性を付与する種々の材料等、導電性を付与する方法の影響によって、構造体用構造材の強度を保つことができない。そのため、構造体用構造材の板厚方向の抵抗率は、1Ωcm以上であることが望ましい。
【００２２】
一方、導電性を低下させて板厚方向の抵抗率が200Ωcmを超えると、雷撃時に内部で発生するジュール熱が上昇し、構造体用構造材の損傷の程度が大きくなる。そのため、構造体用構造材の板厚方向の抵抗率は、200Ωcm以下であることが望ましい。また、構造体用構造材の板厚方向の抵抗率が200Ωcmよりも低い100Ωcm以下であれば、構造体用構造材が雷撃を受けたとき、内部で発生するジュール熱を更に抑えることができ、構造体用構造材の損傷の程度もより小さくすることができる。
【００２３】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る構造体用構造材について説明する。
上述した第１実施形態に係る構造体用構造材は、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）を備え、ＣＦＲＰ表面に金属製フォイル又は金属製メッシュが設置されない場合について説明したが、本発明はこの例に限定されない。
本実施形態の構造体用構造材は、ＣＦＲＰと、ＣＦＲＰの表面に設置された金属製フォイル又は金属製メッシュを備える。
【００２４】
本実施形態の構造体用構造材に適用されるＣＦＲＰは、上述した第１実施形態のＣＦＲＰと同一であり、炭素繊維及びプラスチックの少なくともいずれか一方が調整されて、導電性を有する。ＣＦＲＰの詳細な説明は、上述の説明と重複するため、省略する。
【００２５】
金属製フォイル又は金属製メッシュ（以下、それぞれ「フォイル」又は「メッシュ」という。）は、例えば導電性の高い銅製である。フォイル又はメッシュは、ＣＦＲＰの全面又は一部分に表面に沿って設置される。フォイル又はメッシュが設けられることによって、構造体用構造材における導電性を補強することができる。
【００２６】
本実施形態では、構造体用構造材を構成するＣＦＲＰも導電性を有する。したがって、構造体用構造材においてＣＦＲＰが導電性を有しない従来例に比べて、ＣＦＲＰと共に設置されるフォイル又はメッシュに対して要求される耐雷性能を緩和できる。例えば、フォイルの厚さを薄くして軽量化を図ったり、フォイルの設置が必要とされていたところを、メッシュに代えたり、メッシュの網目をより大きなものに変更したりすることができる。
【実施例】
【００２７】
次に、本発明の第１実施形態と、従来例のそれぞれについて、試験体を作成し、耐雷試験を実施した結果について説明する。
本試験では、導電性が付与されたＣＦＲＰを備える構造体用構造材（第１実施形態）と、導電性が付与されていないＣＦＲＰを備える構造体用構造材（従来）の損傷の違いを比較した。いずれも金属製メッシュ又は金属製フォイルは設置していない。【００２８】
第１実施形態に基づく試験体（以下「第１実施例」という。）、従来例に基づく試験体とも、約50cm角、板厚約1.5mmの板状部材を試験対象とした。また、各試験体ともＣＦＲＰは、繊維層が8ply（８枚積層）構造である。
第１実施例は、導電性が付与されて、板厚方向の抵抗率が6Ωcmである。一方、従来例は、導電性が付与されておらず、板厚方向の抵抗率が3000Ωcmである。【００２９】
耐雷試験の試験方法は、SAE  internationalのAircraft  Lightning  Test  Methods（ARP5416）のアークエントリー試験（Arc  Entry  Test）の記載に従った。【００３０】
以下、試験結果について説明する。
目視によると、導電性が付与されていない従来例では、放電による電圧が印加された表面において、縦225mm×横250mmの範囲で損傷が生じた。また、電圧が印加された側と反対の裏面においても、表面よりも範囲が狭いものの損傷が生じた。
一方、導電性が付与された第１実施例では、放電による電圧が印加された表面において、縦130mm×横140mmの範囲で損傷が生じた。電圧が印加された側と反対の裏面においては、印加前と同じ状態に維持され、損傷が生じなかった。
したがって、目視の結果から、板厚方向の抵抗率が6Ωcmである導電性が付与されたＣＦＲＰでは、雷電流による損傷を低減できることが確認された。【００３１】
また、非破壊検査（NDI：Non-Destructive  Inspection）によると、導電性が付与された第１実施例の損傷面積は、導電性が付与されていない従来例に比べて、放電による電圧が印加された表面において半分であった。また、従来例では、損傷部分が表面から裏面にかけて貫通して生じていたが、導電性が付与された第１実施例では、表面側から２ply目までの損傷にとどまった。【００３２】
以上、耐雷試験によると、導電性が付与されたＣＦＲＰを備える構造体用構造材では、損傷部分が表層部分に限られ、その範囲も狭くできることが確認され、導電性を付与したことによって、ＣＦＲＰが耐雷効果を得られることが判明した。【００３３】
次に、図１を参照して、本発明の第１実施形態と、従来例のそれぞれについて、更に、試験体を作成し、耐雷試験を実施した結果について説明する。耐雷試験の試験方法は、上述と同様に、SAE  internationalのAircraft  Lightning  Test  Methods（ARP5416）のアークエントリー試験（Arc  Entry  Test）の記載に従った。【００３４】
図１は、試験体の板厚方向の抵抗率［Ωcm］と相対損傷面積［％］との関係を示している。板厚方向の抵抗率の異なる複数の試験体に対して耐雷試験を実施した結果、図１に示す結果が得られた。図１では、導電性が付与されていないＣＦＲＰを備える構造体用構造材の損傷面積を100％としたときの各試験体の損傷面積を割合で示している。【００３５】
試験結果によれば、導電性が付与されて、板厚方向の抵抗率が200Ωcm以下であれば、導電性が付与されたＣＦＲＰを備える構造体用構造材は、相対損傷面積を約60％以下に抑えられ、また、板厚方向の抵抗率が100Ωcm以下であれば、相対損傷面積を50％以下に抑えられることが分かる。
すなわち、板厚方向の抵抗率が200Ωcm以下である導電性が付与されたＣＦＲＰでは、導電性が付与されていないＣＦＲＰに比べて、雷電流による損傷を低減できることが確認され、板厚方向の抵抗率が約100Ωcm以下である導電性が付与されたＣＦＲＰでは、雷電流による損傷を更に低減できることが確認された。【００３６】
以上、本発明の第１及び第２実施形態によれば、従来設置していた金属製メッシュや金属製フォイルを省略しても、耐雷効果を得られることから、耐雷対策を大幅に削減できる。また、導電性が付与されたＣＦＲＰにメッシュやフォイルを設置する場合は、従来に比べて、フォイルの厚さを薄くして軽量化を図ったり、フォイルの設置が要求されていたところを、メッシュに代えたり、メッシュの網目をより大きなものに変更したりすることができる。よって、メッシュやフォイルの施工にかかる時間や手間を省略又は低減できる。また、メッシュやフォイルによる構造体全体の重量の増加を抑制できる。【００３７】
すなわち、本実施形態の構造体用構造材は、ＣＦＲＰによって導電性が付与されており、構造体用構造材が雷撃を受けたとき、内部で発生するジュール熱を抑えることができる。そのため、耐雷性能を確保しながら、製造時における時間や手間を低減しつつ、重量を低減することができる。
【図１】
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【国際調査報告】
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