(57)【要約】      （修正有）【課題】構造全体の強度が強化され、機械加工で形成される掘削箇所で連続的に繊維が断裂される構造性破壊に耐えられ、金属層と繊維層との間では、相互の接合面の結合が緩むという事態を減少させ、且つ製品表面が金属的外観を有する質感効果を有する複合材料構造を提供する。【解決手段】金属特性を有する単一の繊維プリプレグ材料１を指し、単一の繊維プリプレグ材料１は複数繊維２０が堆積される繊維層２及び金属層３を備える。金属層３は同じ複数金属材料３０を含み、複数金属材料３０は交錯積層方式により複数繊維２０と堆積されて一体となり、複数金属材料３０と複数繊維２０が交錯堆積された複合材料の構造が形成され、複合材料の構造の厚さは、複数繊維２０が堆積された繊維層２と１片の金属層３とを堆積したものの厚さと同じである。【選択図】図２
0003214987.tif 000002
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
金属特性を有する単一の繊維プリプレグ（prepreg）材料を指し、前記単一の繊維プリプレグ材料は複数繊維が堆積される繊維層及び金属層を備える複合材料構造であって、前記金属層は同じ複数金属材料を含み、前記複数金属材料は交錯積層方式により前記複数繊維と堆積されて一体となり、同様に複数繊維が堆積される繊維層に形成され、且つ１片の金属層の厚さが同じという規格で、複数金属材料及び複数繊維が交錯堆積される構造形態を有することを特徴とする複合材料構造。
【請求項２】
前記複数繊維として、炭素繊維(Carbon Fiber)、ガラス繊維(Glass Fiber)、または芳香族ポリアミド繊維(Kevlar；Twaron)の複合材料の内の１つが選択され、且つ採用される繊維は異なる等級の引張強度(Tensile Strength)及び引張係数((Tensile Module)であることを特徴とする、請求項１に記載の複合材料構造。
【請求項３】
前記複数金属材料として、チタン、チタン合金、銅、鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、マグナリウム合金の内の１つが選択されることを特徴とする、請求項１に記載の複合材料構造。
【請求項４】
前記繊維層の各層の繊維は全て熱硬化性樹脂(Thermoset)、または熱可塑性プラスチック(Thermoplastic)が含侵されて一体となることを特徴とする、請求項１に記載の複合材料構造。
【請求項５】
金属特性を有する単一の繊維プリプレグ材料を指し、前記単一の繊維プリプレグ材料は複数繊維が堆積される繊維層及び金属層を備える複合材料構造であって、前記金属層は同じ複数金属材料を含み、前記複数金属材料は交錯積層方式により前記複数繊維と堆積されて一体となり、前記金属材料の内の１つが最外層の表面に位置され、同様に複数繊維が堆積される繊維層に形成され、且つ１片の金属層の厚さが同じという規格で、複数金属材料及び複数繊維が交錯堆積される構造形態を有し、表面に機械加工処理を施したり、または表面に金属外観最適化の質感効果を施しやすくなることを特徴とする複合材料構造。
【請求項６】
金属特性を有する単一の繊維プリプレグ材料を指し、前記単一の繊維プリプレグ材料は複数繊維が堆積される繊維層及び金属層を備える複合材料構造であって、前記金属層は異なる複数金属材料を含み、前記複数金属材料は交錯積層方式により前記複数繊維と堆積されて一体となり、同様に複数繊維が堆積される繊維層に形成され、且つ１片の金属層の厚さが同じという規格で、複数金属材料及び複数繊維が交錯堆積される構造形態を有することを特徴とする複合材料構造。
【請求項７】
前記複数繊維として、炭素繊維(Carbon Fiber)、ガラス繊維(Glass Fiber)、芳香族ポリアミド繊維(Kevlar；Twaron)の複合材料の内の１つが選択され、且つ採用される繊維は異なる等級の引張強度(Tensile Strength)及び引張係数((Tensile Module)であることを特徴とする、請求項６に記載の複合材料構造。
【請求項８】
前記複数金属材料として、チタン、チタン合金、銅、鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、マグナリウム合金の内の１つが選択されることを特徴とする、請求項６に記載の複合材料構造。
【請求項９】
前記繊維層の各層の繊維は全て熱硬化性樹脂(Thermoset)、または熱可塑性プラスチック(Thermoplastic)が含侵されて一体となることを特徴とする、請求項６に記載の複合材料構造。
【請求項１０】
金属特性を有する単一の繊維プリプレグ材料を指し、前記単一の繊維プリプレグ材料は複数繊維が堆積される繊維層及び金属層を備える複合材料構造であって、前記金属層は異なる複数金属材料を含み、前記複数金属材料は交錯積層方式により前記複数繊維と堆積されて一体となり、前記金属材料の内の１つが最外層の表面に位置され、同様に複数繊維が堆積される繊維層に形成され、且つ１片の金属層の厚さが同じという規格で、複数金属材料及び複数繊維が交錯堆積される構造形態を有し、表面に機械加工処理を施したり、または表面に金属外観最適化の質感効果を施しやすくなることを特徴とする複合材料構造。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は、複合材料構造に関し、より詳しくは、金属特性を有する単一の繊維プリプレグ材料であり、前記単一の繊維プリプレグ材料の全体構造は、異なる材質の間では、環境温度の影響により膨張係数の差が極めて大きくなるため、内応力により結合が緩んでずれることで生じる破壊が有効的に低減され、製品に応用される際に掘削孔、リベット接合等の機械加工を施すことにより形成される掘削箇所で連続的に繊維が断裂される構造性破壊に耐えられ、製品表面に金属加工最適化処理を施しやすくする複合材料構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
複合材料は金属材料であり、炭素繊維材料またはガラス繊維材料等の２種類或いは２種類以上の材料が複合加工されることにより製造される材料である。各材料は性能面で互いの長短を補い合い、相乗効果を生み出す。複合材料の総合性能は単一材料よりも優れるため、様々な場面で応用可能である。従来の複合材料構造(Fiber Metal Laminate Structures；FML Structures )は多層の繊維が堆積される繊維プリプレグ素材であり、製品の応用は、掘削孔、リベット接合、ねじ止め、溶接等の機械加工処理が施しやすくなる。基本的に、前記繊維プリプレグ素材には厚い金属層が加えられ、金属特性を有する単一の繊維プリプレグ材料とする。前記金属特性を有する単一の繊維プリプレグ材料は、高い靭性、耐衝撃性、曲げ強さを提供し、且つ耐腐食性、断熱性、遮音性、耐振性、耐熱性、耐寒性等の多くの特徴を有する。
【０００３】
また、従来の前記金属特性を有する単一の繊維プリプレグ材料は各業界で広く使用され、例えば、航空宇宙産業、自動車、運動器具、電子製品、建築等に広く使用されている。
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前述した前記金属特性を有する単一の繊維プリプレグ材料は極めて好ましい物理特性及び化学特性を有するが、構造全体には瑕疵が存在する。例えば、図１に示すように、すなわち、従来の金属特性を有する単一の繊維プリプレグ材料５は複数繊維が堆積される繊維層を有し、単一の厚い金属層が加えられて複合の一体構造(FML Structures )となる。複数繊維が堆積される繊維層５１を有し、高い強度及び厚さを有する単一の厚い金属層５２が加えられて固結されて一体化するように形成される。応用の必要に応じて単一の繊維プリプレグ材料５が多層で堆積され、前記金属層５２の金属特性により、掘削孔、リベット接合、ねじ止め、溶接等の機械加工処理が施しやすくなる。ただし、前記繊維層５１は多方向に堆積されることにより傑出した径方向引張強度を実現させるが、軸方向の機械加工の耐久力は弱く、掘削孔、リベット接合、ねじ止め、溶接等の機械加工処理を施す場合、加工部材(リベット、ねじ止め等)が軸方向に打ち込まれる貫通力に耐えることができず、相互に堆積される繊維層５１の刺し通し点周囲が連続的に繊維が断裂され、断裂や脆性破壊等の繊維の破壊が生じ、不可逆的な構造性破壊に繋がり、互いの間の結合が弱くなり、全体的な強度も低下する。
【０００５】
一方、前記繊維層５１に前記単一の厚い金属層５２が加えられて固結されて一体となり、その結合面が環境温度の影響を受けやすく、材質の違いによる膨張係数の差が極めて大きいため、内応力の影響により、相互の接合面が緩んで互いの間の結合の安定性に影響が及んだ。更には、互いに剥離する現象が発生し、不可逆的な構造性破壊を引き起こした。
【０００６】
そこで、本考案者は上記の従来の複合材料構造の欠点が改善可能と考え、鋭意検討を重ねた結果、ついに革新的で実行可能な方法を提案した。単一の厚い金属層の厚さが同じという規格で、前記厚い金属層が薄型化された後、交錯積層方式により複数繊維と堆積されて一体となり、構造全体の強度及び靭性が強化され、応用される製品の品質が向上する。
【０００７】
本考案の主な目的は、上述の問題を解決するために、複合材料構造を提供することにある。すなわち、金属特性を有する単一の繊維プリプレグ材料を提供する。前記単一の繊維プリプレグ材料は金属特性を有し、構造全体の強度が強化され、製品に応用される際に機械加工により形成される掘削孔箇所が連続的に繊維が断裂されて生じる不可逆的な構造性破壊に耐えられる。また、金属層と繊維層との間では、材質の違いによる膨張係数の差が極めて大きいため、環境温度の影響により、内応力による結合が緩んでずれることで生じる破壊を減少させ、製品の表面に金属外観最適化の質感効果を施しやすくなる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、上記目的を達成するための本考案は、本考案に係る複合材料構造は、金属特性を有する単一の繊維プリプレグ材料を指し、前記単一の繊維プリプレグ材料は複数繊維が堆積される繊維層及び金属層を備える。前記金属層は同じ(或いは異なる)複数金属材料を含み、前記複数金属材料は交錯積層方式により前記複数繊維と堆積されて一体となり、従来の複合材料構造(FML Structures )と同様に複数繊維が堆積される繊維層に形成され、且つ追加される単一の厚い金属層の厚さが同じという規格で、複数金属材料及び複数繊維が交錯堆積される構造形態を有することを特徴とする。
【考案の効果】
【０００９】
本考案の複合材料構造によれば、交錯されて積層される際に前記金属材料が最外層の表面に位置され、金属表面に機械加工処理を施しやすくなり、応用される製品の表面が砂吹き処理、陽極処理、光輝仕上げ、コーティング、ヘアライン加工等の金属表面処理特性を有し、製品に金属表面加工最適化の効果を施しやすくなる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】従来の金属特性を有する単一の繊維プリプレグ材料が２個材料で積み重ねられる斜視図である。
【図２】本考案の第１実施形態に係る複合材料構造が２個材料で積み重ねられる斜視図である。
【図３】本考案の第１実施形態に係る複合材料構造が２個材料で積み重ねられた概略図である。
【図４Ａ】従来の複合材料及び本考案の複合材料が機械加工の掘削処理を行った後の比較図である。
【図４Ｂ】従来の複合材料及び本考案の複合材料が機械加工の掘削処理を行った後の比較図である。
【図５】本考案の第２実施形態に係る複合材料構造を示す断面図である。
【考案を実施するための形態】
【００１１】
以下に図面を参照して、本考案を実施するための形態について、詳細に説明する。なお、本考案は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。
【実施形態】
【００１２】
以下、本考案の実施形態を図２〜５に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図２及び図３は本考案に係る複合材料構造の第１実施形態を示す。まず、図２に示すように、本考案に係る複合材料構造は金属特性を有する単一の繊維プリプレグ材料１を指し、前記単一の繊維プリプレグ材料１は繊維層２及び金属層３を備える。前記繊維層２は複数繊維２０を有し、前記複数繊維２０として、炭素繊維(Carbon Fiber)、ガラス繊維(Glass Fiber)、または芳香族ポリアミド繊維(Kevlar；Twaron)の複合材料の内の１つが選択され、且つ各層の複数繊維２０は全て熱硬化性樹脂(Thermoset)、または熱可塑性プラスチック(Thermoplastic)が含浸される。前記金属層３は同じ複数の金属材料３０を含み、チタン、チタン合金、銅、鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、マグナリウム合金の内の１つが選択される。なお、本考案の特徴は、各前記同じ金属材料３０は交錯積層方式により前記複数繊維２０と堆積されて一体となり、従来の複合材料構造(FML Structures )と同様に複数繊維が堆積される繊維層が形成され、追加される単一の厚い金属層の厚さが同じという規格で、複数金属材料３０及び複数繊維２０が交錯堆積される構造形態を有する。換言すれば、本考案に係る単一の繊維プリプレグ材料１により形成される構造形態は、従来の複合材料構造(FML Structures )と同様に厚さが同じという規格で、複数の薄型化金属材料３０及び複数繊維２０が交錯堆積される構造形態を有する。このような構造形態では、金属層３と繊維層２との間では、環境温度の影響で、材質の違いによる膨張係数の差が極めて大きいために生じる内応力により、相互の接合面の結合が緩み、ずれることによる破壊を効果的に低減でき、これにより複合材料構造の構造全体の強度を高める。
【００１３】
図４Ａ及び図４Ｂは従来の単一の繊維プリプレグ材料５及び本考案に係る単一の繊維プリプレグ材料１が各２層ずつ堆積され、且つ機械加工の掘削処理が施された後の比較図である。同様に厚さが同じという規格で、従来の単一の繊維プリプレグ材料５(図４Ａ参照)は複数繊維層５１及び追加の単一の厚い金属層５２が固結されて一体となって形成されるが、ただし、掘削孔６０を経た後に加工部材(掘削孔、リベット接合、ねじ止め、溶接等)が軸方向に打ち込まれる貫通力に耐えられなくなり、相互に堆積される繊維層５１の刺し通し点周囲５１ａが連続的に繊維が断裂され、断裂、脆性破壊等の破壊が生じ、不可逆的な構造性破壊へと繋がり、互いの接合面の結合が弱まり、全体的な強度も弱まる。翻って、本考案に係る単一の繊維プリプレグ材料１(図４Ｂ参照)は従来の複合材料構造(FML Structures )と同様に厚さが同じという規格で、構造形態全体が異なるため、複数金属材料３０及び複数繊維２０が交錯堆積されることにより全体的な構造強度が強化される。これにより、掘削孔６１を経た後に軸方向に打ち込まれる貫通力が各層の複数繊維２０の刺し通し点周囲２０ａでは、金属材料３０が等方性材質であるため、掘削孔の貫通の影響を受けず、金属材料３０の刺し通し点周囲３０ａで上下に固結されて一体となって挟持されて支持され、各層の複数繊維２０の繊維は断裂箇所でも固結されて一体となって挟持されて支持される効果が形成され、上方が貫通されることで生じる軸方向の破壊力が有効的に低減され、且つ均等に分散されて受け止められる。これにより、互いの間の結合性及び全体的な強度に対する影響が有効的に軽減され、従来の機械加工処理では、例えば、リベット接合、掘削孔、ねじ止め等の応用においては、繊維層５１及び追加の単一の厚い金属層５２により繊維層５１で連続的に繊維が断裂され、軸方向の構造の破壊に耐えられず、不可逆的な構造性破壊が生じるという問題を解決させ、金属特性を有する単一の繊維プリプレグ材料により構造全体が強化される効果を達成させる。
【００１４】
本考案に係る複合材料構造は実際の製造においては様々なサイズが求められ、大きなサイズの場合では巻かれる繊維プリプレグ布となり、或いは小さなサイズの場合ではテープ(tapes)のように巻かれる繊維プリプレグテープ(Towpreg)となり、製品の応用は製品に必要な規格に合わせて選択可能になる。
【００１５】
（第２実施形態）
図５は本考案の第２実施形態に係る複合材料構造を示す断面図である。本実施形態の複合材料構造１'は第１実施形態の複合材料構造１と大方同じであり、同様に繊維層２' 及び金属層３'が交錯堆積される構造形態である。前記繊維層２'は複数繊維２０'を有し、前記金属層３'は異なる複数の金属材料３１を備え、前記金属層３'は異なる金属材料３１'の金属特性の違いにより、実際に応用される製品の構造強度の要求に合わせて採用でき、複数繊維２０'と交錯堆積されて一体化された後、構造全体が更に強化される。これにより、従来の複合材料構造(FML Structures )の単一の繊維プリプレグ材料５の構造形態(図４Ａの複数繊維層５１及び追加の単一の厚い金属層５２を有する)と比較し、同様に前記繊維層２' 及び金属層３'の間では、環境温度の影響により、材質の違いによる膨張係数の差が極めて大きいため、内応力の影響により、相互の接合面の結合が緩んでずれることで生じる破壊が効果的に低減され、これにより、複合材料構造の構造全体の強度が高まる。また、同様に、応用される製品が掘削孔、リベット接合、ねじ止め、溶接等の機械加工処理が施しやすくなり、応用される製品の表面に金属外観最適化の質感効果が施しやすくなる。
【００１６】
上述したように、本考案の第１実施形態及び第２実施形態で説明した複合材料構造は共に複数繊維及び複数金属材料が交錯積層されて設置され、交錯積層される際に前記金属材料が最外層の表面に位置され、金属表面の機械加工処理が施しやすくなり、応用される製品の表面が砂吹き処理、陽極処理、光輝仕上げ、コーティング、ヘアライン加工等の金属表面処理特性を有し、製品の金属表面加工最適化の効果も施しやすくなる。吹き付け塗装または焼き付け塗装の表面加工しかできない一般的な従来の繊維では、達成不可能な本物の金属質感である。
【００１７】
上述の実施形態は本考案の技術思想及び特徴を説明するためのものにすぎず、当該技術分野を熟知する者に本考案の内容を理解させると共にこれをもって実施させることを目的とし、本考案の実用新案登録請求の範囲を限定するものではない。従って、本考案の精神を逸脱せずに行う各種の同様の効果をもつ改良又は変更は、実用新案登録請求の範囲に含まれるものとする。
【符号の説明】
【００１８】
１、１'、５  単一の繊維プリプレグ材料
２、２'、５１  繊維層
３、３'、５２  金属層
２０、２０'  複数繊維
３０、３１'  金属材料
２０ａ、３０ａ、５１ａ  刺し通し点周囲
６０、６１  掘削孔
【図１】
0003214987.tif 000003
【図２】
0003214987.tif 000004
【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
0003214987.tif 000007
【図５】
0003214987.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成29年12月22日(2017.12.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】実用新案登録請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
金属特性を有する単一の繊維プリプレグ（prepreg）材料を指し、前記単一の繊維プリプレグ材料は複数繊維が堆積される繊維層及び金属層を備える複合材料構造であって、前記金属層は同じ複数金属材料を含み、前記複数金属材料は交錯積層方式により前記複数繊維と堆積されて一体となり、複数金属材料と複数繊維が交錯堆積された複合材料の構造が形成され、前記複合材料の構造の厚さは、複数繊維が堆積された繊維層と１片の金属層とを堆積したものの厚さと同じであることを特徴とする複合材料構造。
【請求項２】
前記複数繊維として、炭素繊維(Carbon Fiber)、ガラス繊維(Glass Fiber)、または芳香族ポリアミド繊維の複合材料の内の１つが選択され、且つ採用される繊維は異なる等級の引張強度(Tensile Strength)及び引張係数(Tensile Module)であることを特徴とする、請求項１に記載の複合材料構造。
【請求項３】
前記複数金属材料として、チタン、チタン合金、銅、鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、マグナリウム合金の内の１つが選択されることを特徴とする、請求項１に記載の複合材料構造。
【請求項４】
前記繊維層の各層の繊維は全て熱硬化性樹脂(Thermoset)、または熱可塑性プラスチック(Thermoplastic)が含侵されて一体となることを特徴とする、請求項１に記載の複合材料構造。
【請求項５】
金属特性を有する単一の繊維プリプレグ材料を指し、前記単一の繊維プリプレグ材料は複数繊維が堆積される繊維層及び金属層を備える複合材料構造であって、前記金属層は同じ複数金属材料を含み、前記複数金属材料は、交錯積層方式により前記複数繊維と堆積されて一体となり、前記金属材料の内の１つが最外層の表面に位置され、複数金属材料と複数繊維が交錯堆積された複合材料の構造が形成され、前記複合材料の構造の厚さは、複数繊維が堆積された繊維層と１片の金属層とを堆積したものの厚さと同じであり、表面に機械加工処理を施したり、または表面に金属外観最適化の質感効果を施しやすくなることを特徴とする複合材料構造。
【請求項６】
金属特性を有する単一の繊維プリプレグ材料を指し、前記単一の繊維プリプレグ材料は複数繊維が堆積される繊維層及び金属層を備える複合材料構造であって、前記金属層は異なる複数金属材料を含み、前記複数金属材料は交錯積層方式により前記複数繊維と堆積されて一体となり、複数金属材料と複数繊維が交錯堆積された複合材料の構造が形成され、前記複合材料の構造の厚さは、複数繊維が堆積された繊維層と１片の金属層とを堆積したものの厚さと同じであることを特徴とする複合材料構造。
【請求項７】
前記複数繊維として、炭素繊維(Carbon Fiber)、ガラス繊維(Glass Fiber)、芳香族ポリアミド繊維の複合材料の内の１つが選択され、且つ採用される繊維は異なる等級の引張強度(Tensile Strength)及び引張係数(Tensile Module)であることを特徴とする、請求項６に記載の複合材料構造。
【請求項８】
前記複数金属材料として、チタン、チタン合金、銅、鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、マグナリウム合金の内の１つが選択されることを特徴とする、請求項６に記載の複合材料構造。
【請求項９】
前記繊維層の各層の繊維は全て熱硬化性樹脂(Thermoset)、または熱可塑性プラスチック(Thermoplastic)が含侵されて一体となることを特徴とする、請求項６に記載の複合材料構造。
【請求項１０】
金属特性を有する単一の繊維プリプレグ材料を指し、前記単一の繊維プリプレグ材料は複数繊維が堆積される繊維層及び金属層を備える複合材料構造であって、前記金属層は異なる複数金属材料を含み、前記複数金属材料は交錯積層方式により前記複数繊維と堆積されて一体となり、前記金属材料の内の１つが最外層の表面に位置され、複数金属材料と複数繊維が交錯堆積された複合材料の構造が形成され、前記複合材料の構造の厚さは、複数繊維が堆積された繊維層と１片の金属層とを堆積したものの厚さと同じであり、表面に機械加工処理を施したり、または表面に金属外観最適化の質感効果を施しやすくなることを特徴とする複合材料構造。