(57)【要約】【課題】結合される金属製部品の表面に圧痕を形成させることがなく、金属製部品の疲労強度を向上させることができる三次元繊維強化複合材を提供する。【解決手段】面内糸１２及び厚さ方向糸１３からなる三次元織物に樹脂を含浸させて構成した三次元繊維強化複合材１において、厚さ方向糸１３に対して略垂直な表面１１に、樹脂及び金属紛を含有する特定層３０を設ける。三次元繊維強化複合材１と金属製部品２０とを結合させる際に、特定層３０を金属製部品２０側に配置し、厚さ方向糸１３が金属面２１に達するのを特定層３０によって阻止する。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の平面内に配向された面内糸と、前記面内糸に対して略垂直に配向された厚さ方向糸と、からなる三次元織物に樹脂を含浸させて構成した三次元繊維強化複合材において、
前記厚さ方向糸に対して略垂直な表面に、樹脂及び金属紛を含有する特定層が設けられてなることを特徴とする三次元繊維強化複合材。
【請求項２】
前記特定層は、
エポキシ樹脂及び銅紛を含有することを特徴とする請求項１に記載の三次元繊維強化複合材。
【請求項３】
前記特定層は、
エポキシ樹脂及び銅紛を含有する所定の溶剤を、前記厚さ方向糸に対して略垂直な表面に塗布して乾燥・硬化させたものであることを特徴とする請求項２に記載の三次元繊維強化複合材。
【請求項４】
前記特定層は、
表面が平滑に加工されていることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の三次元繊維強化複合材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、三次元繊維強化複合材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、所定の強化繊維の束や織物に樹脂を含浸させて構成した繊維強化複合材が、各種構造物の材料として広く使用されている。現在においては、所定平面内の複数方向に配向された面内糸と、この面内糸に対して略垂直方向に配向された厚さ方向糸と、から構成した三次元織物を用いた繊維強化複合材（以下、「三次元繊維強化複合材」という）が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
かかる三次元繊維強化複合材は、厚さ方向糸の効果により、二次元織物を用いた同じ厚さの繊維強化複合材と比較すると強度が格段に高いため、ロケットや航空機の構造材料に好適である。近年においては、三次元繊維強化複合材からなる桁フランジと、金属製の外板と、をリベット等のファスナで結合させることにより、航空機の主翼桁間ボックス構造を構成する技術等が実用化されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−２６９７５５号公報（第１頁、第１図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記したような主翼桁間ボックス構造を構成する際には、桁フランジの表面と、外板の表面と、を直接接触させた上でファスナ結合を行っているが、このように三次元繊維強化複合材の表面（以下、「複合材面」という）と、金属製部品の表面（以下、「金属面」という）と、を直接接触させて結合させる構造においては、以下のような問題がある。
【０００６】
図３は、三次元繊維強化複合材１００と、金属製部品２００と、の結合部分を示す拡大斜視図であり、図４は、図３のＩＶ部分の拡大図であって、複合材面１１０と金属面２１０とが直接接触している状態を示すものである。
【０００７】
図４に示した三次元繊維強化複合材１００は、面内糸１２０及び厚さ方向糸１３０からなる三次元織物を用いて構成されているが、厚さ方向糸１３０は面内糸１２０と比較すると格段に大きい板厚方向弾性率を有するので、板厚方向に外力が作用しても容易に変形しない。このため、板厚方向の外力によって複合材面１１０が金属面２１０に押し付けられると、面内糸１２０は容易に変形するが厚さ方向糸１３０は容易に変形しないので、複合材面１１０から厚さ方向糸１３０が金属面２１０側に突出し、この突出した厚さ方向糸１３０によって金属面２１０に局所的な圧痕２２０が形成される場合がある（図４参照）。
【０００８】
そして、かかる圧痕２２０が形成された状態で金属面２１０が繰り返し引張荷重を受けると、圧痕２２０に過大な応力集中が生じ、圧痕２２０が形成されない場合と比較すると金属製部品２００の疲労強度が極度に低下してしまう。従って、金属面２１０における圧痕形成防止のために、金属製部品２００を構成する金属材料を変更したり、三次元繊維強化複合材１００を構成する強化繊維の材料を変更したりする必要があった。
【０００９】
本発明の課題は、結合される金属製部品の表面に圧痕を形成させることがなく、金属製部品の疲労強度を向上させることができる三次元繊維強化複合材を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、所定の平面内に配向された面内糸と、前記面内糸に対して略垂直に配向された厚さ方向糸と、からなる三次元織物に樹脂を含浸させて構成した三次元繊維強化複合材において、前記厚さ方向糸に対して略垂直な表面に、樹脂及び金属紛を含有する特定層が設けられてなることを特徴とする。
【００１１】
請求項１に記載の発明によれば、厚さ方向糸に対して略垂直な表面に、樹脂及び金属紛を含有する特定層が設けられており、三次元繊維強化複合材と金属製部品とを結合させる際にこの特定層を金属製部品側に配置することによって、外力が作用して三次元繊維強化複合材が金属製部品に押し付けられた場合においても、厚さ方向糸が金属面に達するのを阻止することができる。この結果、金属面における圧痕の形成を阻止することができ、金属製部品の疲労強度を向上させることができる。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の三次元繊維強化複合材において、前記特定層は、エポキシ樹脂及び銅紛を含有することを特徴とする
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の三次元繊維強化複合材において、前記特定層は、エポキシ樹脂及び銅紛を含有する所定の溶剤を、前記厚さ方向糸に対して略垂直な表面に塗布して乾燥・硬化させたものであることを特徴とする。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項１から３の何れか一項に記載の三次元繊維強化複合材において、前記特定層は、表面が平滑に加工されていることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。
【００１６】
本実施の形態においては、板状の三次元繊維強化複合材（以下、「三次元複合材板」という）と、所定の金属製部品と、を図示されていないリベット等のファスナで結合させて構成した構造体について説明することとする。図１は、三次元複合材板１と、金属製部品２０と、の結合部分を示す拡大斜視図である。図２は、図１のＩＩ部分の拡大図であり、三次元複合材板１の表面２と、金属製部品２０の表面（金属面）２１と、が接触している状態を示すものである。
【００１７】
三次元複合材板１は、本発明における三次元繊維強化複合材であり、三次元織物に所定の樹脂を含浸させて成形した板状成形体１０の表面１１に、特定層３０を形成したものである（図２参照）。
【００１８】
板状成形体１０を構成する三次元織物は、所定の平面内の複数方向（例えば、配向角０°、４５°、９０°の方向）に配向された強化繊維製の面内糸１２と、これら面内糸１２に対して略垂直方向に配向された強化繊維製の厚さ方向糸１３と、から構成されている。面内糸１２及び厚さ方向糸１３を構成する強化繊維としては、ガラス繊維、カーボン繊維、アラミド繊維、アルミナ繊維などを挙げることができる。なお、本実施の形態における厚さ方向糸１３の重量は、糸全体の重量の１〜５％を占めている。
【００１９】
三次元織物に含浸されて板状成形体１０を構成する樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリウレタン、ポリイミド等を挙げることができる。
【００２０】
特定層３０は、本発明における主要部であり、板状成形体１０の厚さ方向糸１３に対して略垂直な表面１１に設けられた所定の樹脂及び金属紛を含有する層である（図２参照）。
【００２１】
特定層３０は、三次元複合材板１と金属製部品２０とを結合させる際に金属面２１側に配置され（すなわち板状成形体１０と金属製部品２０との間に介在され）、三次元複合材板１を金属製部品２０に結合させる際に、板状成形体１０の厚さ方向糸１３が金属面２１側に突出して金属面２１に圧痕を生じさせるのを阻止するという機能を果たすものである。
【００２２】
本実施の形態においては、所定の溶剤に樹脂及び金属紛を含有させた混合液を、スプレー塗り又は流し塗りによって板状成形体１０の表面１１に塗布し、乾燥・硬化させることによって特定層３０を形成している。金属紛は、硬化した際に芯材として樹脂を保持するという機能を果たす。
【００２３】
本実施の形態においては、特定層３０を構成する樹脂としてエポキシ樹脂を採用するとともに、金属紛として銅紛を採用しており、これらエポキシ樹脂と銅紛との重量比を、８５：１５としている。また、本実施の形態においては、溶剤としてメチルエチルケトンを採用しており、エポキシ樹脂及び銅紛からなる混合物と、この溶剤（メチルエチルケトン）と、の重量比を１０：３としている。
【００２４】
混合液は、オーブン等を用いた加熱処理によって乾燥・硬化させる。本実施の形態においては、混合液を板状成形体１０の表面１１に塗布した後、常温で３０分放置し、その後、（１）５０℃で１時間加熱する工程、（２）７０℃で１時間加熱する工程、（３）９０℃で１時間加熱する工程、（４）１１０℃で１時間加熱する工程、（５）１３０℃で１時間加熱する工程、（６）１５０℃で１時間加熱する工程、を順次経ることにより、混合液を乾燥・硬化させている。
【００２５】
また、本実施の形態においては、機械加工によって、特定層３０の表面を平滑にするとともに、特定層３０の厚さを約０．１ｍｍにしている。なお、負荷を受けない場合には、面内糸１２と厚さ方向糸１３とは面一である。このように平滑にされた特定層３０の表面は、金属製部品２０の金属面２１に接触する三次元複合材板１の表面２となる。
【００２６】
金属製部品２０は、鉄、アルミニウム、ステンレス鋼等の金属で製作される。金属製部品２０の金属面２１は、三次元複合材板１の表面２（すなわち特定層３０の表面）と接触させるため、機械加工によって平滑にされている。
【００２７】
以上説明した実施の形態における三次元複合材板１は、板状成形体１０の厚さ方向糸１３に対して略垂直な表面に、エポキシ樹脂及び銅紛を含有する特定層３０が設けられており、三次元複合材板１と金属製部品２０とを結合させる際に特定層３０を金属製部品２０側に配置することによって、ファスナの締結力が作用して三次元複合材板１が金属製部品２０に押し付けられた場合においても、厚さ方向糸１３が金属面２１に達するのを阻止することができる。（図２参照）。
【００２８】
従って、金属面２１における圧痕の形成を阻止することができ、金属製部品２０の疲労強度を向上させることができる。この結果、金属製部品２０を構成する金属材料を変更したり、三次元複合材板１を構成する強化繊維の材料を変更したりする等の対策を講じる必要がない。
【００２９】
なお、以上の実施の形態では、特定層３０を構成する金属紛として銅紛を採用しているが、これに限ることなく、エポキシ樹脂と容易に混合可能で、溶剤（メチルエチルケトン）に含有して塗布が可能で、乾燥・硬化した際に芯材としてエポキシ樹脂を保持可能な他の金属紛を採用することもできる。
【００３０】
また、以上の実施の形態では、溶剤としてメチルエチルケトンを採用したが、これに限ることなく、樹脂及び銅紛からなる混合物を含有させた状態での塗布が可能で、塗布後の乾燥・硬化工程において蒸散可能な他の溶剤を採用することもできる。
【００３１】
また、以上の実施の形態では、特定層３０におけるエポキシ樹脂と銅紛との重量比を８５：１５とし、エポキシ樹脂及び銅紛からなる混合物とメチルエチルケトンとの重量比を１０：３としたが、かかる重量比は、金属紛の種類、溶剤の種類等に応じて適宜変更することができる。また、特定層３０の厚さも、三次元複合材板１や金属製部品２０の規模によって適宜変更することができる。
【００３２】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、三次元繊維強化複合材と金属製部品とを結合させる際に、三次元繊維強化複合材の厚さ方向糸に対して略垂直な表面に設けられた特定層を金属製部品側に配置することによって、厚さ方向糸が金属面に達するのを阻止することができる。この結果、金属面における圧痕の形成を阻止することができ、金属製部品の疲労強度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に実施の形態における板状の三次元繊維強化複合材と、金属製部品と、の結合部分を示す拡大斜視図である。
【図２】図１のＩＩ部分の拡大図である。
【図３】従来の三次元繊維強化複合材と、金属製部品と、の結合部分を示す拡大斜視図である。
【図４】図３のＩＶ部分の拡大図である。
【符号の説明】
１        板状の三次元繊維強化複合材
１１        厚さ方向糸に対して略垂直な表面
１２        面内糸
１３        厚さ方向糸
３０        特定層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2004209766.tif 000006