(57)【要約】  互いに異なる４方向以上の繊維方向を有する炭素繊維を含んで構成されるハニカムコアにおいて、リボン方向をＸ軸方向、セル幅方向をＹ軸方向、リボン方向およびセル幅方向と直交する方向をＺ軸方向とし、Ｘ軸方向と炭素繊維の繊維方向とがなす角度をそれぞれ−４５度、０度、４５度、９０度である状態を基準状態とするとき、各繊維方向がＸ軸方向と平行にならないように、各繊維方向が基準状態から一定の回転角で回転した状態となるよう構成する。
2016185743.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに異なる４方向以上の繊維方向を有する炭素繊維を含んで構成されるハニカムコアであって、
前記ハニカムコアのリボン方向をＸ軸方向、前記リボン方向と直交するセル幅方向をＹ軸方向、前記リボン方向および前記セル幅方向と直交する方向をＺ軸方向とするとき、
前記Ｘ軸方向と平行方向のハニカムコア面における各繊維方向は、前記Ｘ軸方向および前記Ｚ軸方向で構成されるＸＺ平面と平行になり、
各繊維方向のうち、前記Ｘ軸方向となす角度が小さい順に第１繊維方向、第２繊維方向、第３繊維方向、第４繊維方向とし、
前記Ｘ軸方向と前記第１繊維方向とがなす角度が−４５度であり、前記Ｘ軸方向と前記第２繊維方向とがなす角度が０度であり、前記Ｘ軸方向と前記第３繊維方向とがなす角度が４５度であり、前記Ｘ軸方向と前記第４繊維方向とがなす角度が９０度である状態を基準状態とするとき、
各繊維方向が前記Ｘ軸方向と平行にならないように、各繊維方向が前記基準状態から一定の回転角で回転した状態となっている
ハニカムコア。
【請求項２】
前記第１繊維方向と前記第３繊維方向とが直交するように第１の炭素繊維束を編み込んで作製された集合体と、
前記第２繊維方向と前記第４繊維方向とが直交するように第２の炭素繊維束を編み込んで作製された集合体と、
を含んで構成される請求項１に記載のハニカムコア。
【請求項３】
前記回転角は、１２度以上３３度以下の範囲に含まれる
請求項１または２に記載のハニカムコア。
【請求項４】
前記炭素繊維は、引張弾性率が５００ＧＰａ以上である
請求項１から３のいずれか１項に記載のハニカムコア。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載のハニカムコアと、
前記ハニカムコアに接着されることで前記ハニカムコアを挟む一対の表皮と、
を備えたハニカムサンドイッチ構造体。
【請求項６】
炭素繊維に樹脂を含浸させたプリプレグシートと、
互いに平行に並んで形成された半六角柱形状の複数の突起を有する、第１の治具および第２の治具と、
六角柱形状の複数の中子と、
を用いて、互いに異なる４方向以上の繊維方向を有する前記炭素繊維を含んで構成されるハニカムコアを製造する方法であって、
前記ハニカムコアのリボン方向をＸ軸方向、前記リボン方向と直交するセル幅方向をＹ軸方向、前記リボン方向および前記セル幅方向と直交する方向をＺ軸方向とするとき、
前記複数の突起の短手方向は、前記Ｘ軸方向であり、前記複数の突起の長手方向が前記Ｚ軸方向であり、
各繊維方向のうち、前記Ｘ軸方向となす角度が小さい順に第１繊維方向、第２繊維方向、第３繊維方向、第４繊維方向とし、
前記Ｘ軸方向と前記第１繊維方向とがなす角度が−４５度であり、前記Ｘ軸方向と前記第２繊維方向とがなす角度が０度であり、前記Ｘ軸方向と前記第３繊維方向とがなす角度が４５度であり、前記Ｘ軸方向と前記第４繊維方向とがなす角度が９０度である状態を基準状態とするとき、
前記複数の中子を１つずつ前記Ｚ軸方向と平行に並べて介在させながら、前記プリプレグシートに含まれる前記炭素繊維の繊維方向が前記Ｘ軸方向と平行にならないように、各繊維方向が前記基準状態から一定の回転角で回転した状態となるよう前記プリプレグシートを前記第１の治具へ複数層分順次重ねあわせていき、前記第２の治具をさらに重ねあわせ、加圧下で加熱した後、前記複数の中子を抜き取ることで、前記ハニカムコアを製造する
ハニカムコアの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハニカムコア、そのハニカムコアを備えたハニカムサンドイッチ構造体、およびそのハニカムコアの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、様々な分野において、宇宙空間および地球上の高解像度の衛星画像に対する需要がますます高まっている。それに伴い、従来よりも高分解能な望遠鏡を搭載した観測衛星の開発が求められている。このような衛星において、望遠鏡の分解能を向上させるためには、鏡を大型化するだけでなく、宇宙空間への打上げ時に大型鏡を保持するために十分な剛性を有し、さらに熱的な寸法安定性を備えた望遠鏡構造が必要となる。【０００３】
宇宙環境下において、望遠鏡構造に温度分布が発生した場合、熱的な寸法安定性が低いと望遠鏡構造にひずみが発生し、衛星画像の解像度の低下につながるので、低熱膨張の望遠鏡構造の実現が重要となる。【０００４】
ここで、先行例として、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ；Ｃａｒｂｏｎ  Ｆｉｂｅｒ  Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  Ｐｌａｓｔｉｃｓ）製のハニカムコアと、ハニカムコアの両面両側を覆う一対のＣＦＲＰ製の表皮とから構成されるハニカムサンドイッチ構造体が提案されている（例えば、特許文献１参照）。【０００５】
特許文献１に記載のハニカムサンドイッチ構造体において、一対の表皮は、表皮用炭素繊維を疑似等方に配列した表皮用ＣＦＲＰで作製され、ハニカムコアは、コア用炭素繊維を疑似等方に配列したコア用ＣＦＲＰで作製される。従来、ハニカムコアは、コア高さ方向に対してコア用炭素繊維を斜交に配列したコア用ＣＦＲＰで作製されていた。しかしながら、特許文献１では、表皮表面と平行方向にコア用炭素繊維が配列されているだけでなく、表皮表面と直交方向にもコア用炭素繊維が配列された構成のコア用ＣＦＲＰとなっている。このように構成することで、面外方向にも高剛性かつ低熱膨張性を有するハニカムサンドイッチ構造体が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−１０１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来技術には以下のような課題がある。
特許文献１に記載の従来技術では、ＣＦＲＰ製のハニカムコアとＣＦＲＰ製の表皮とを用いて、コア用ＣＦＲＰを構成する炭素繊維の２方向の繊維方向のうちの一方を表皮表面と平行とし、他方を表皮表面と直交とするように構成している。このようにすることで、ハニカムサンドイッチ構造体の面内方向に加えて、面外方向の高剛性かつ低熱膨張性が実現可能となる。【０００８】
ここで、上記のハニカムサンドイッチ構造体を製造するためには、高弾性炭素繊維をコア用炭素繊維として使用することが必須である。しかしながら、高弾性炭素繊維に樹脂を含浸させた高弾性炭素繊維プリプレグの繊維方向をハニカムコアのリボン方向と平行にしながら、高弾性炭素繊維プリプレグをハニカムコア形状の金型に敷設する場合、繊維の弾性率が大きいために金型に沿って容易に敷設することができない。その結果、高弾性炭素繊維を使用したハニカムコアを容易に成形することができない。【０００９】
また、専用の治具等を用いて、高弾性炭素繊維プリプレグでハニカムコア形状を作り、加圧してハニカムコアを成形することが可能である。しかしながら、このような手法でハニカムコアを成形した場合、高弾性炭素繊維プリプレグに対して局所的にシワまたはテンションが発生するので、ハニカムコアの機械特性または熱特性といった特性の低下が起こってしまう。【００１０】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、材料となる炭素繊維プリプレグの引張弾性率の大きさによらず従来よりも容易に製造可能なハニカムコア、そのハニカムコアを備えたハニカムサンドイッチ構造体、およびそのハニカムコアの製造方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明におけるハニカムコアは、互いに異なる４方向以上の繊維方向を有する炭素繊維を含んで構成されるハニカムコアであって、ハニカムコアのリボン方向をＸ軸方向、リボン方向と直交するセル幅方向をＹ軸方向、リボン方向およびセル幅方向と直交する方向をＺ軸方向とするとき、Ｘ軸方向と平行方向のハニカムコア面における各繊維方向は、Ｘ軸方向およびＺ軸方向で構成されるＸＺ平面と平行になり、各繊維方向のうち、Ｘ軸方向となす角度が小さい順に第１繊維方向、第２繊維方向、第３繊維方向、第４繊維方向とし、Ｘ軸方向と第１繊維方向とがなす角度が−４５度であり、Ｘ軸方向と第２繊維方向とがなす角度が０度であり、Ｘ軸方向と第３繊維方向とがなす角度が４５度であり、Ｘ軸方向と第４繊維方向とがなす角度が９０度である状態を基準状態とするとき、各繊維方向がＸ軸方向と平行にならないように、各繊維方向が基準状態から一定の回転角で回転した状態となっているものである。【００１２】
また、本発明におけるハニカムサンドイッチ構造体は、ハニカムコアと、ハニカムコアに接着されることでハニカムコアを挟む一対の表皮と、を備えたものである。【００１３】
また、本発明におけるハニカムコアの製造方法は、炭素繊維に樹脂を含浸させたプリプレグシートと、互いに平行に並んで形成された半六角柱形状の複数の突起を有する、第１の治具および第２の治具と、六角柱形状の複数の中子と、を用いて、互いに異なる４方向以上の繊維方向を有する炭素繊維を含んで構成されるハニカムコアを製造する方法であって、ハニカムコアのリボン方向をＸ軸方向、リボン方向と直交するセル幅方向をＹ軸方向、リボン方向およびセル幅方向と直交する方向をＺ軸方向とするとき、複数の突起の短手方向は、Ｘ軸方向であり、複数の突起の長手方向がＺ軸方向であり、各繊維方向のうち、Ｘ軸方向となす角度が小さい順に第１繊維方向、第２繊維方向、第３繊維方向、第４繊維方向とし、Ｘ軸方向と第１繊維方向とがなす角度が−４５度であり、Ｘ軸方向と第２繊維方向とがなす角度が０度であり、Ｘ軸方向と第３繊維方向とがなす角度が４５度であり、Ｘ軸方向と第４繊維方向とがなす角度が９０度である状態を基準状態とするとき、複数の中子を１つずつＺ軸方向と平行に並べて介在させながら、プリプレグシートに含まれる炭素繊維の繊維方向がＸ軸方向と平行にならないように、各繊維方向が基準状態から一定の回転角で回転した状態となるようプリプレグシートを第１の治具へ複数層分順次重ねあわせていき、第２の治具をさらに重ねあわせ、加圧下で加熱した後、複数の中子を抜き取ることで、ハニカムコアを製造するものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、材料となる炭素繊維プリプレグの引張弾性率の大きさによらず従来よりも容易に製造可能なハニカムコア、そのハニカムコアを備えたハニカムサンドイッチ構造体、およびそのハニカムコアの製造方法を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態１におけるハニカムサンドイッチ構造体の構成を示す分解斜視図である。
【図２】図１のハニカムコアの材料であるハニカムコア用プリプレグシートを第１の治具に敷設している状態を示す斜視図である。
【図３】図２の状態から、複数の中子を介しながら、ハニカムコア用プリプレグシートを第１の治具にさらに重ねていくことで形成される積層体に、第２の治具を重ねたときの状態を、Ｚ軸方向からみたときの正面断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１におけるハニカムコア用プリプレグシートの第１の治具への敷設方法とは異なる敷設方法を比較例として示す説明図である。
【図５】本発明の実施の形態１におけるハニカムコア用プリプレグシートの第１の治具への敷設方法を示す説明図である。
【図６】図４に対して二層目のハニカムコア用プリプレグシートのみを回転角θだけ回転させてハニカムコアを作製する際の回転角θと、ハニカムサンドイッチ構造体の面外方向特性との関係を示すグラフである。
【図７】図４に対して一層目および二層目のハニカムコア用プリプレグシートをともに回転角θだけ回転させてハニカムコアを作製する際の回転角θと、ハニカムサンドイッチ構造体の面外方向特性との関係を示すグラフである。
【図８】本発明の実施の形態１におけるハニカムコアを作製するのに用いる炭素繊維の引張弾性率と熱膨張係数との関係を示すグラフである。
【図９】本発明の実施の形態１におけるハニカムサンドイッチ構造体の面外方向熱膨張係数を測定するための測定系の構成を示す断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態１におけるハニカムコアが成形可能なときのセル幅サイズと回転角θ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、本発明によるハニカムコア、ハニカムサンドイッチ構造体およびハニカムコアの製造方法を、好適な実施の形態にしたがって図面を用いて説明する。なお、図面の説明においては、同一部分または相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、本発明によるハニカムコアおよびハニカムサンドイッチ構造体の用途としては、例えば、航空宇宙用が挙げられる。
【００１７】
実施の形態１．
本実施の形態１におけるハニカムサンドイッチ構造体１は、ハニカムコア３と、ハニカムコア３に接着されることでハニカムコア３を挟む一対の表皮２とを備えて構成されている。具体的には、ハニカムサンドイッチ構造体１は、図１に示すように構成されている。図１は、本発明の実施の形態１におけるハニカムサンドイッチ構造体１の構成を示す分解斜視図である。
【００１８】
図１におけるハニカムサンドイッチ構造体１では、ＣＦＲＰを材料とする一対の表皮２は、シート状接着剤４を介して、ＣＦＲＰを材料とするハニカムコア３の高さ方向の両端面を覆うように配置されている。また、このように配置された一対の表皮２は、ハニカムコア３に固着している。
【００１９】
より具体的には、熱硬化性のシート状接着剤４を一対の表皮２の表面に敷設し、シート状接着剤４が敷設された一対の表皮２の一方の表面上にハニカムコア３に設置する。続いて、ハニカムコア３の上に、シート状接着剤４が敷設された一対の表皮２の他方を被せ、加圧下で加熱することでシート状接着剤４を硬化させることによって、ハニカムサンドイッチ構造体１を作製する。
【００２０】
ここで、ハニカムサンドイッチ構造体１の面内方向のうち、ハニカムコア３のリボン方向をＸ軸方向、ハニカムコア３のセル幅方向をＹ軸方向とする。また、ハニカムサンドイッチ構造体１の面外方向をＺ軸方向とする。なお、Ｘ軸方向およびＹ軸方向は互いに直交し、Ｚ軸方向はＸ軸方向およびＹ軸方向と直交する。
【００２１】
また、表皮２およびハニカムコア３のそれぞれに含まれる炭素繊維の繊維方向を示すために、表皮２では、０度方向をＸ軸方向とし、９０度方向をＹ軸方向とし、ハニカムコア３では、０度方向をＺ軸方向とし、９０度方向をＸ軸方向とする。
【００２２】
次に、ハニカムサンドイッチ構造体１の表皮２の製造方法の一例について説明する。まず、例えば、長さ方向が揃えられた高弾性炭素繊維Ｍ６０Ｊ（東レ製）の束を直交するように編み込んで作製された集合体に、シアネート樹脂ＥＸ１５１５（ＴＥＮＣＡＴＥ製）を含浸させて、直交する二軸配向の表皮用プリプレグシートを作製する。このとき、高弾性炭素繊維Ｍ６０Ｊは、直径５μｍから７μｍの長繊維（フィラメント）の束である。
【００２３】
続いて、このように作製された表皮用プリプレグシートを複数枚順次積み重ねることで形成される表皮用プリプレグシートの積層体を、３気圧程度の加圧下で、１２０℃から１８０℃程度の温度で加熱することで、硬化させる。このように表皮用プリプレグシートの積層体を硬化させることで、表皮２が作製される。
【００２４】
ここで、表皮用プリプレグシートを順次積み重ねる手法として、表皮用プリプレグシートを、例えば、最初の一枚を置いた方向を基準としてこれを０度とし、０度、６０度、−６０度、−６０度、６０度、０度の順で６枚重ねる。なお、表皮用プリプレグシートを、０度、４５度、−４５度、９０度、９０度、−４５度、４５度、０度の順で８枚重ねてもよい。このように表皮用プリプレグシートを積み重ねることで形成される積層体を硬化させることで作製されたＣＦＲＰからなる表皮２は、表皮表面と平行な全ての方向について性質をほぼ等しくする疑似等方性を有する。
【００２５】
なお、表皮２を構成する高弾性炭素繊維Ｍ６０Ｊの集合体に含浸されたシアネート樹脂ＥＸ１５１５が接着剤として機能する場合、シート状接着剤４を用いずに、一対の表皮２の一方、ハニカムコア３、一対の表皮２の他方の順に重ねて、加圧下で加熱することで、ハニカムサンドイッチ構造体１を作製してもよい。
【００２６】
次に、ハニカムサンドイッチ構造体１のハニカムコア３の製造方法の一例について、図２および図３を参照しながら説明する。図２は、図１のハニカムコア３の材料であるハニカムコア用プリプレグシート５を第１の治具６に敷設している状態を示す斜視図である。図３は、図２の状態から、複数の中子８を介しながら、ハニカムコア用プリプレグシート５を第１の治具６にさらに重ねていくことで形成される積層体に、第２の治具９を重ねたときの状態を、Ｚ軸方向からみたときの正面断面図である。
【００２７】
なお、図２には、第１の治具６に形成される突起７の短手方向をＸ軸方向とし、突起７の長手方向をＺ軸方向とする治具座標系も併せて図示されている。治具座標系におけるＸ軸方向およびＺ軸方向は、図１におけるＸ軸方向およびＺ軸方向と一致する。
【００２８】
まず、例えば、長さ方向が揃えられた高弾性炭素繊維ＹＳ８０Ａ（日本グラファイトファイバー製）の束を直交するように編み込んで作製された集合体に、シアネート樹脂ＮＭ−３１（ＪＸ日鉱日石エネルギー製）を含浸させて、直交する二軸配向のハニカムコア用プリプレグシート５（以降では、単にプリプレグシート５と略す）を作製する。このとき、高弾性炭素繊維ＹＳ８０Ａは、直径７μｍから１０μｍの長繊維（フィラメント）の束である。
【００２９】
続いて、第１の治具６、複数の中子８および第２の治具９を用いて、プリプレグシート５を、ハニカムコア３の形状に成形する。第１の治具６は、互いに平行に並んで形成された半六角柱形状の複数の突起７を有する定盤である。複数の中子８のそれぞれは、六角柱形状となっている。第２の治具９は、第１の治具６と同様に、互いに平行に並んで形成された半六角柱形状の複数の突起１０を有する。
【００３０】
具体的には、図２に示すように、少なくとも２層のプリプレグシート５を第１の治具６の形状に合わせて敷設し、その後、複数の中子８を１つずつ、隣り合う突起７の間の溝の位置に重ねる。続いて、複数の中子８が重ねられた第１の治具６の形状に合わせて少なくとも２層のプリプレグシート５を敷設し、その後、複数の中子８を１つずつ、突起７の位置に重ねる。このように、プリプレグシート５と複数の中子８とを重ねる工程を複数回繰り返した後、第１の治具６と対をなす第２の治具９を、複数の中子８が重ねられた第１の治具６の形状に合わせて重ねると、図３に示す状態となる。
【００３１】
続いて、図３に示す状態において、加圧下で加熱することで積層体を硬化させた後、複数の中子８を抜き取ることで、ハニカムコア３が作製される。
【００３２】
ここで、プリプレグシート５の第１の治具６への敷設方法として、プリプレグシート５は、プリプレグシート５に含まれる炭素繊維の繊維方向がＸ軸方向と平行とならないように、各繊維方向が後述する基準状態から後述する一定の回転角θで回転した状態となるよう第１の治具６へ敷設されている。例えば、繊維方向が０度方向および９０度方向であるプリプレグシートをあらかじめ切り出すことで、繊維方向がθ度および（９０＋θ）度になるようなプレグシート５を用意する。同様に、繊維方向が−４５度方向および４５度方向であるプリプレグシートをあらかじめ切り出すことで、繊維方向が（−４５＋θ）度および（４５＋θ）度になるようなプレグシート５を用意する。続いて、これらのプリプレグシート５は、第１の治具６へ敷設される際には、シート形状に合わせて積層される。
【００３３】
換言すると、複数の中子８を１つずつＺ軸方向と平行に並べて介在させながら、プリプレグシート５に含まれる炭素繊維の繊維方向がＸ軸方向と平行にならないように、各繊維方向が基準状態から一定の回転角θで回転した状態となるようプリプレグシート５を第１の治具６へ複数層分順次重ねあわせていき、第２の治具９をさらに重ねあわせる。続いて、加圧下で加熱した後、複数の中子８を抜き取ることで、互いに異なる４方向の繊維方向を有する炭素繊維を含んで構成されるハニカムコア３が作製される。
【００３４】
以下、このような敷設方法によって得られる効果について、図４および図５を参照しながら説明する。図４は、本発明の実施の形態１におけるプリプレグシート５の第１の治具６への敷設方法とは異なる敷設方法を比較例として示す説明図である。図５は、本発明の実施の形態１におけるプリプレグシート５の第１の治具６への敷設方法を示す説明図である。
【００３５】
なお、図４および図５には、炭素繊維の繊維方向において、０度方向をＺ軸方向とし、９０度方向をＸ軸方向とする材料座標系も併せて図示されている。材料座標系におけるＸ軸方向およびＺ軸方向は、図１におけるＸ軸方向およびＺ軸方向と一致する。
【００３６】
図４の比較例は、特許文献１に記載の従来技術に対応し、ＸＺ平面と平行に４５度ピッチで配列された互いに異なる４方向の繊維方向のうちの１方向は、Ｘ軸と平行となる炭素繊維を含んでハニカムコア３が構成されている。このように構成することで、ハニカムコア３の炭素繊維が疑似等方に配列することとなる。
【００３７】
このような構成を有するハニカムコア３を作製するためには、プリプレグシート５に含まれる炭素繊維の繊維方向と、Ｘ軸方向とのなす角が４５度および−４５度となるように、第１の治具６へ一層目のプリプレグシート５を敷設する必要がある。さらに、一層目のプリプレグシート５上に、炭素繊維の繊維方向と、Ｘ軸方向とのなす角が０度および９０度となるように、二層目のプリプレグシート５を敷設する必要がある。
【００３８】
ここで、一層目および二層目の各プリプレグシート５に着目したところ、以下のような知見を得ることができた。すなわち、一層目のプリプレグシート５は、Ｘ軸方向の伸縮性が良好（図中、白抜き矢印で示す）であるので、第１の治具６の型に沿って、第１の治具６へ敷設することができるものの、二層目のプリプレグシート５は、Ｘ軸方向に伸縮し難いので、第１の治具６の型に沿わせることが困難であるということを見出した。この場合、ハニカムコア３を容易に成形することができない。また、専用の治具を用いて、大きな荷重を負荷して二層目のプリプレグシート５を第１の治具６へ敷設したところ、二層目のプリプレグシート５中の炭素繊維が破断してしまった。この場合、ハニカムコア３を成形できるものの、機械特性または熱特性といった特性が低下してしまう。
【００３９】
これに対して、本願発明では、Ｘ軸方向と平行方向のハニカムコア面における４方向の繊維方向のそれぞれは、ＸＺ平面と平行になり、かつＸ軸方向と方向が異なる炭素繊維を含んでハニカムコア３が構成されている。このようにハニカムコア３を構成することで、プリプレグシート５に含まれる炭素繊維の繊維方向と、Ｘ軸方向とのなす角が０度とならないので、第１の治具６へプリプレグシート５を敷設する際に、第１の治具６の型に沿わせることができる。したがって、ハニカムコア３を容易に成形することができる。また、上記と異なり、一層目および二層目のいずれのプリプレグシート５中の炭素繊維の破断も起こらず、機械特性または熱特性といった特性が低下してしまうことも無い。
【００４０】
このように、互いに異なる４方向の繊維方向を有する炭素繊維を含んで構成されるハニカムコア３において、Ｘ軸方向と平行方向のハニカムコア面における各繊維方向がＸ軸方向と平行にならないように、各繊維方向が基準状態から一定の回転角θで回転した状態となるよう構成する。これにより、第１の治具６へプリプレグシート５を敷設する際において、第１の治具６の型に沿わせることができ、ハニカムコア３を容易に成形することができる。
【００４１】
なお、図４および図５では、ハニカムコア３に含まれる炭素繊維の各繊維方向のうち、Ｘ軸方向となす角度が小さい順に第１繊維方向、第２繊維方向、第３繊維方向、第４繊維方向とするとき、第１繊維方向と第３繊維方向とがなす角度と、第２繊維方向と第４繊維方向とがなす角度とは、いずれも９０度であるように構成する場合を例示している。また、図４に示すように、Ｘ軸方向と第１繊維方向とがなす角度が−４５度であり、Ｘ軸方向と第２繊維方向とがなす角度が０度であり、Ｘ軸方向と第３繊維方向とがなす角度が４５度であり、Ｘ軸方向と第４繊維方向とがなす角度が９０度である状態を基準状態と呼ぶこととする。
【００４２】
また、図４および図５では、第１繊維方向と第３繊維方向とが直交するように第１の炭素繊維束を編み込んで作製された集合体と、第２繊維方向と第４繊維方向とが直交するように第２の炭素繊維束を編み込んで作製された集合体とを含んでハニカムコア３を構成する場合を例示している。
【００４３】
ここで、特に、図５に示すように、図４に示す炭素繊維の繊維方向を、Ｘ軸方向に対して回転角θだけ回転するように、一層目および二層目の各プリプレグシート５を第１の治具６へ敷設する。すなわち、一層目のプリプレグシート５に含まれる炭素繊維の繊維方向と、Ｘ軸方向とのなす角度が（４５＋θ）度および（−４５＋θ）度となり、かつ二層目のプリプレグシート５に含まれる炭素繊維の繊維方向と、Ｘ軸方向とのなす角度がθ度および（９０＋θ）度となるようにする。つまり、各繊維方向がＸ軸方向と平行にならないように、各繊維方向が基準状態から一定の回転角θで回転した状態となっている。
【００４４】
この場合、炭素繊維の互いに異なる各繊維方向がＸ軸方向と平行とならないだけでなく、さらに、一層目の炭素繊維の繊維方向が互いに直交するとともに、二層目の炭素繊維の繊維方向も互いに直交する。このように工夫することで、第１の治具６へプリプレグシート５を敷設する際に、第１の治具６の型に沿わせることができ、ハニカムコア３を容易に成形可能であるとともに、さらに、炭素繊維が疑似等方に配列したハニカムコア３を作製することができる。
【００４５】
なお、鋭意検討の結果、プリプレグシート５の第１の治具６への敷設可能な回転角θの範囲は、ハニカムコア３のセル幅サイズによって変化することが分かった。具体例として、プリプレグシート５に含まれる炭素繊維が、引張弾性率が５００ＧＰａ以上の高弾性炭素繊維である場合、ハニカムコア３のセル幅サイズが９．５ｍｍのときには、回転角θが１２度以上３３度以下の範囲となり、ハニカムコア３のセル幅サイズが６．４ｍｍのときには、回転角θが１７度以上２８度以下の範囲となることを確認した。また、ハニカムコア３のセル幅サイズが４．８ｍｍのときには、回転角θが２０度以上２５度以下の範囲となることを確認した。図１０は、本発明の実施の形態１におけるハニカムコア３が成形可能なときのセル幅サイズと回転角θとの関係を示すグラフである。図１０では、上記の結果、すなわち、ハニカムコア３が成形可能なときのセル幅サイズおよび回転角θをプロットすることで、ＣＦＲＰ製のハニカムコア３が成形可能な領域を図示している。なお、図中、この領域をＣＦＲＰハニカムコア成形可能領域と表記している。
【００４６】
次に、ハニカムコア３を作製する際の回転角θと、そのハニカムコア３を備えたハニカムサンドイッチ構造体１の面外方向特性との関係について、図６および図７を参照しながら説明する。
【００４７】
図６は、図４に対して二層目のプリプレグシート５のみを回転角θだけ回転させてハニカムコア３を作製する際の回転角θと、ハニカムサンドイッチ構造体１の面外方向特性との関係を示すグラフである。図７は、図４に対して一層目および二層目のプリプレグシート５をともに回転角θだけ回転させてハニカムコア３を作製する際の回転角θと、ハニカムサンドイッチ構造体１の面外方向特性との関係を示すグラフである。なお、図６および図７では、ハニカムサンドイッチ構造体１の面外方向特性の変化として、引張弾性率および熱膨張係数のそれぞれの変化を示している。
【００４８】
ここで、第１の治具６への敷設が困難な二層目のプリプレグシート５、すなわち、炭素繊維の繊維方向とＸ軸方向とのなす角度が０度および９０度のプリプレグシート５のみを回転角θだけ回転させてハニカムコア３を作製する場合を考える。この場合、第１の治具６へプリプレグシート５を敷設する際に、第１の治具６の型に沿わせることができ、ハニカムコア３を容易に成形することができる。ただし、図６に示すように、回転角θの大きさによって、ハニカムサンドイッチ構造体１の面外方向の引張弾性率が低下している。
【００４９】
そこで、ハニカムサンドイッチ構造体１の面外方向の引張弾性率の低下を抑制するために、一層目および二層目のプリプレグシート５をともに回転角θだけ回転させてハニカムコア３を作製する。この場合も、第１の治具６へプリプレグシート５を敷設する際に、第１の治具６の型に沿わせることができ、ハニカムコア３を容易に成形することができる。さらに、炭素繊維が疑似等方に配列したハニカムコア３が作製されるので、図７に示すように、回転角θの大きさによって、ハニカムサンドイッチ構造体１の面外方向の引張弾性率は、低下することなく、一定に保たれる。
【００５０】
このように、Ｘ軸方向と平行方向のハニカムコア面における炭素繊維の各繊維方向がＸ軸方向と平行にならないように、各繊維方向が基準状態から一定の回転角θで回転した状態となるようハニカムコア３を構成する。これにより、ハニカムコア３を容易に成形可能であるとともに、さらに、炭素繊維が疑似等方に配列したハニカムコア３を作製することができる。
【００５１】
次に、ハニカムコア３に含まれる炭素繊維について、図８を参照しながら説明する。図８は、本発明の実施の形態１におけるハニカムコア３を作製するのに用いる炭素繊維の引張弾性率と熱膨張係数との関係を示すグラフである。図８に示すように、炭素繊維は、引張弾性率が大きくなるにつれて、熱膨張係数がマイナス方向に大きくなる特徴を有している。
【００５２】
ここで、ハニカムサンドイッチ構造体１の面外方向熱膨張係数は、二枚の表皮２の面外方向熱膨張係数と板厚との積と、二枚のシート状接着剤４の面外方向熱膨張係数と板厚との積と、ハニカムコア３の面外方向熱膨張係数と高さとの積との和を、ハニカムサンドイッチ構造体１の高さで除して求めた値である。
【００５３】
このとき、表皮２の面内方向熱膨張係数は、上記のように負の熱膨張係数である炭素繊維と正の熱膨張係数である樹脂とで相殺されてゼロに近い値になる。一方、表皮２の面外方向熱膨張係数は、炭素繊維が連続的に配列されていないために樹脂の熱膨張が支配的となり、正の熱膨張係数となる。また、シート状接着剤４の面内および面外熱膨張係数も正の熱膨張係数である。
【００５４】
そのため、二枚の表皮２およびシート状接着剤４の面外熱膨張係数は、例えば２０ｐｐｍ／℃から７０ｐｐｍ／℃程度の範囲の正値となる。したがって、ハニカムサンドイッチ構造体１の面外方向熱膨張係数をゼロに近づけるためには、ハニカムコア３の面外方向熱膨張係数をできるだけ大きな負値にする必要がある。
【００５５】
そこで、本願発明では、高弾性炭素繊維、すなわち大きな負の熱膨張係数を有する炭素繊維を用いてハニカムコア３を作製し、そのハニカムコア３を備えてハニカムサンドイッチ構造体１を作製している。これにより、面外方向に高剛性かつ低熱膨張性を有するハニカムサンドイッチ構造体１が実現可能となる。
【００５６】
また、ハニカムサンドイッチ構造体１の面内方向熱膨張係数は、二枚の表皮２と二枚のシート状接着剤４とハニカムコア３との、引張弾性率と面内方向熱膨張係数との関係で決まる値であり、面外方向熱膨張係数との調整をすることで、面内方向および面外方向に高剛性かつ低熱膨張性を有するハニカムサンドイッチ構造体１を実現することができる。
【００５７】
次に、ハニカムサンドイッチ構造体１の面外方向熱膨張係数を測定した結果の一例について、図９を参照しながら説明する。図９は、本発明の実施の形態１におけるハニカムサンドイッチ構造体１の面外方向熱膨張係数を測定するための測定系の構成を示す断面図である。
【００５８】
図９に示すように、ハニカムサンドイッチ構造体１は、レーザ反射鏡１３を一対の表皮２に接着固定されてサンプル支持台１１に載置され、恒温槽１２内に配置される。恒温槽１２内の温度を制御することで、ハニカムサンドイッチ構造体１の温度を変化させることが可能となる。また、レーザフォーカス変位計１４からレーザ光を照射し、レーザ反射鏡１３からの反射光を受光し、加熱によるハニカムサンドイッチ構造体１の変位量を測定することで、熱膨張係数を算出する。
【００５９】
なお、図９に示す測定系の測定対象であるハニカムサンドイッチ構造体１において、表皮２の厚さは０．７２ｍｍであり、シート状接着剤４の厚さは０．０６ｍｍである。
【００６０】
また、測定対象のハニカムサンドイッチ構造体１のハニカムコア３は、図５に示す材料座標系において、一層目および二層目のプリプレグシート５をともに回転角θとして２２．５度だけ回転させて作製されている。すなわち、一層目のプリプレグシート５に含まれる炭素繊維の繊維方向と、Ｘ軸方向とのなす角度が（４５＋２２．５）度および（−４５＋２２．５）度となり、かつ二層目のプリプレグシート５に含まれる炭素繊維の繊維方向と、Ｘ軸方向とのなす角度が（０＋２２．５）度および（９０＋２２．５）度となるように、各プリプレグシート５が第１の治具６へ敷設されて、ハニカムコア３が作製されている。さらに、ハニカムコアのセルサイズが１／４インチ、高さが１２２．０ｍｍである。
【００６１】
図９に示す測定系によって、このようなハニカムサンドイッチ構造体１の面外方向膨張係数を測定した結果、０．０８ｐｐｍ／℃であった。
【００６２】
また、ハニカムサンドイッチ構造体１において、ハニカムコア３のセルサイズを１／４インチから３／８インチに変化させた場合であっても、同様に、面外熱膨張係数は０．０８ｐｐｍ／℃であった。なお、通常、ハニカムコア３のセルサイズは、１／４インチまたは３／８インチとすることが多いが、これらの中間のサイズとしても、ほぼ同様の熱膨張係数を期待することができる。
【００６３】
このように、ハニカムサンドイッチ構造体１のハニカムコア３について、高弾性炭素繊維が含まれるプリプレグシートを用いてハニカムコア３を成形しても、局所的なシワやテンションを発生させることがない。そのため、ハニカムサンドイッチ構造体１の高剛性化を図るとともに、熱膨張係数をほぼゼロにすることができる。したがって、本願発明におけるハニカムコア３の構成によって、面外方向に高剛性かつ低熱膨張性を有するハニカムサンドイッチ構造体１が実現可能となる。
【００６４】
なお、本実施の形態１では、ハニカムコア３に含まれる炭素繊維として、引張弾性率が約７８５ＧＰａの高弾性炭素繊維ＹＳ８０Ａを用いた場合を例示したが、これに限定されず、ハニカムコア３に含まれる炭素繊維の引張弾性率の大きさによらず、本願発明を適用することができる。
【００６５】
特に、図８に示すように、引張弾性率が５００ＧＰａ以上の高弾性炭素繊維の熱膨張係数はほぼ一定である。したがって、引張弾性率が５００ＧＰａ以上の高弾性炭素繊維を材料とするハニカムコア３を用いれば、ハニカムサンドイッチ構造体１の面外方向熱膨張係数をほぼゼロにすることができる。そこで、ハニカムコア３に含まれる炭素繊維として、５００ＧＰａ以上の引張弾性率を有する炭素繊維を用いることが好ましい。
【００６６】
なお、本実施の形態１では、ハニカムコア３は、互いに異なる４方向の繊維方向を有する炭素繊維を含んで構成される場合を例示したが、これに限定されず、互いに異なる４方向以上の繊維方向を有する炭素繊維を含んで構成してもよい。例えば、図５において、一層目および二層目のプリプレグシート５に含まれる炭素繊維の繊維方向と一致しないように、三層目としてプリプレグシート５がさらに敷設されれば、ハニカムコア３に含まれる炭素繊維が互いに異なる６方向の繊維方向を有するようにすることが可能である。このように、ハニカムコア３に含まれる炭素繊維が、互いに異なる４方向以上の繊維方向を有するように構成される場合であっても、Ｘ軸方向と平行方向のハニカムコア面における４方向以上の繊維方向の各繊維方向は、ＸＺ平面と平行になり、さらに、各繊維方向がＸ軸方向と平行にならないように、各繊維方向が基準状態から一定の回転角θで回転した状態となるよう構成する。
【００６７】
なお、本実施の形態１では、炭素繊維の束を直交するように編み込んで作製された集合体が含まれる二軸配向のプリプレグシート５を用いる場合を例示したが、これに限定されない。すなわち、二軸配向のプリプレグシートであれば、炭素繊維の束を直交するように編み込んで作製された集合体が含まれるプリプレグシート５に限らず、どのようなプリプレグシートを用いてもよい。また、二軸配向のプリプレグシートにおいて、各繊維方向が互いに直交していなくてもよい。
【００６８】
なお、本実施の形態１では、二軸配向のプリプレグシート５を用いて、互いに異なる４方向の繊維方向を有する炭素繊維を含んでハニカムコア３が構成される場合を例示したが、これに限定されない。すなわち、一軸方向のプリプレグシートを用いて、互いに異なる４方向の繊維方向を有する炭素繊維を含んでハニカムコア３を構成してもよい。この場合、図５とは異なり、一軸方向のプリプレグシートを４層分用いることで、ハニカムコア３に含まれる炭素繊維が互いに異なる４方向の繊維方向を有するようにする。
【００６９】
なお、本実施の形態１では、一対の表皮２のそれぞれは、炭素繊維の繊維方向がＺ軸方向に対称となるように表皮用プリプレグシートを積層して構成される場合を例示したが、一対の表皮２は、炭素繊維の繊維方向がハニカムコア３を中心にしてＺ軸方向に対称となるように表皮用プリプレグシートを積層して構成されてもよい。
【００７０】
以上、本実施の形態１によれば、互いに異なる４方向以上の繊維方向を有する炭素繊維を含んで構成されるハニカムコアにおいて、Ｘ軸方向と炭素繊維の繊維方向とがなす角度をそれぞれ−４５度、０度、４５度、９０度である状態を基準状態とするとき、各繊維方向がＸ軸方向と平行にならないように、各繊維方向が基準状態から一定の回転角で回転した状態となるよう構成する。
【００７１】
このような構成を有するハニカムコアは、材料となる炭素繊維プリプレグの引張弾性率の大きさによらず従来よりも容易にハニカムコアを製造される。また、第１の治具、すなわち、ハニカムコア形状の金型にプリプレグシートを敷設してもシワやテンションを発生させること無く、プリプレグシートの金型への敷設を容易にし、その結果、ハニカムコアの容易な成形を可能にする。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【手続補正書】
【提出日】平成29年5月26日(2017.5.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
本発明におけるハニカムコアは、互いに異なる４方向以上の繊維方向を有する炭素繊維を含んで構成されるハニカムコアであって、ハニカムコアのリボン方向をＸ軸方向、リボン方向と直交するセル幅方向をＹ軸方向、リボン方向およびセル幅方向と直交する方向をＺ軸方向とするとき、Ｘ軸方向と平行方向のハニカムコア面における各繊維方向は、Ｘ軸方向およびＺ軸方向で構成されるＸＺ平面と平行になり、各繊維方向のうち、Ｘ軸方向となす角度が小さい順に第１繊維方向、第２繊維方向、第３繊維方向、第４繊維方向とし、Ｘ軸方向と第１繊維方向とがなす角度が−４５度であり、Ｘ軸方向と第２繊維方向とがなす角度が０度であり、Ｘ軸方向と第３繊維方向とがなす角度が４５度であり、Ｘ軸方向と第４繊維方向とがなす角度が９０度である状態を基準状態とするとき、各繊維方向がＸ軸方向と平行にならないように、各繊維方向が基準状態から一定の回転角で回転した状態となっており、ハニカムコアは、第１繊維方向と第３繊維方向とが直交するように第１の炭素繊維束が編み込まれた集合体と、第２繊維方向と第４繊維方向とが直交するように第２の炭素繊維束が編み込まれた集合体と、を含んで構成されるものである。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに異なる４方向以上の繊維方向を有する炭素繊維を含んで構成されるハニカムコアであって、
前記ハニカムコアのリボン方向をＸ軸方向、前記リボン方向と直交するセル幅方向をＹ軸方向、前記リボン方向および前記セル幅方向と直交する方向をＺ軸方向とするとき、
前記Ｘ軸方向と平行方向のハニカムコア面における各繊維方向は、前記Ｘ軸方向および前記Ｚ軸方向で構成されるＸＺ平面と平行になり、
各繊維方向のうち、前記Ｘ軸方向となす角度が小さい順に第１繊維方向、第２繊維方向、第３繊維方向、第４繊維方向とし、
前記Ｘ軸方向と前記第１繊維方向とがなす角度が−４５度であり、前記Ｘ軸方向と前記第２繊維方向とがなす角度が０度であり、前記Ｘ軸方向と前記第３繊維方向とがなす角度が４５度であり、前記Ｘ軸方向と前記第４繊維方向とがなす角度が９０度である状態を基準状態とするとき、
各繊維方向が前記Ｘ軸方向と平行にならないように、各繊維方向が前記基準状態から一定の回転角で回転した状態となっており、
前記ハニカムコアは、
前記第１繊維方向と前記第３繊維方向とが直交するように第１の炭素繊維束が編み込まれた集合体と、
前記第２繊維方向と前記第４繊維方向とが直交するように第２の炭素繊維束が編み込まれた集合体と、
を含んで構成される
ハニカムコア。
【請求項２】
前記回転角は、１２度以上３３度以下の範囲に含まれる
請求項１に記載のハニカムコア。
【請求項３】
前記炭素繊維は、引張弾性率が５００ＧＰａ以上である
請求項１または２に記載のハニカムコア。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載のハニカムコアと、
前記ハニカムコアに接着されることで前記ハニカムコアを挟む一対の表皮と、
を備えたハニカムサンドイッチ構造体。
【請求項５】
炭素繊維に樹脂を含浸させたプリプレグシートと、
互いに平行に並んで形成された半六角柱形状の複数の突起を有する、第１の治具および第２の治具と、
六角柱形状の複数の中子と、
を用いて、互いに異なる４方向以上の繊維方向を有する前記炭素繊維を含んで構成されるハニカムコアを製造する方法であって、
前記ハニカムコアのリボン方向をＸ軸方向、前記リボン方向と直交するセル幅方向をＹ軸方向、前記リボン方向および前記セル幅方向と直交する方向をＺ軸方向とするとき、
前記複数の突起の短手方向は、前記Ｘ軸方向であり、前記複数の突起の長手方向が前記Ｚ軸方向であり、
各繊維方向のうち、前記Ｘ軸方向となす角度が小さい順に第１繊維方向、第２繊維方向、第３繊維方向、第４繊維方向とし、
前記Ｘ軸方向と前記第１繊維方向とがなす角度が−４５度であり、前記Ｘ軸方向と前記第２繊維方向とがなす角度が０度であり、前記Ｘ軸方向と前記第３繊維方向とがなす角度が４５度であり、前記Ｘ軸方向と前記第４繊維方向とがなす角度が９０度である状態を基準状態とするとき、
前記複数の中子を１つずつ前記Ｚ軸方向と平行に並べて介在させながら、前記プリプレグシートに含まれる前記炭素繊維の繊維方向が前記Ｘ軸方向と平行にならないように、各繊維方向が前記基準状態から一定の回転角で回転した状態となるよう前記プリプレグシートを前記第１の治具へ複数層分順次重ねあわせていき、前記第２の治具をさらに重ねあわせ、加圧下で加熱した後、前記複数の中子を抜き取ることで、前記ハニカムコアを製造する
ハニカムコアの製造方法。
【国際調査報告】
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