(57)【要約】【課題】スキン材同士の間に発生した亀裂の進展を抑制することができる複合材料構造体及びその製造方法を提供すること。【解決手段】複合材料構造体１１は、繊維強化樹脂のスキン材１３同士の間にコア材１２を挟んだサンドイッチ構造を有する。この複合材料構造体１１において、コア材１２は両スキン材１３の一部に設けられ、コア材１２周りの少なくとも一部において、スキン材１３同士を繊維強化樹脂の結合部材１６で結合した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維強化樹脂のスキン材同士の間にコア材を挟んだサンドイッチ構造を有する複合材料構造体において、
前記コア材は両スキン材の一部に設けられ、
前記コア材周りの少なくとも一部において、前記スキン材同士を繊維強化樹脂の結合部材で結合したことを特徴とする複合材料構造体。
【請求項２】
前記スキン材同士の前記コア材が設けられていない部分の全体を前記結合部材で結合した請求項１に記載の複合材料構造体。
【請求項３】
前記結合部材は、前記スキン材同士を縫合する糸条繊維に樹脂を含浸させてなる請求項１又は請求項２に記載の複合材料構造体。
【請求項４】
繊維強化樹脂のスキン材同士の間にコア材を挟んだサンドイッチ構造を有する複合材料構造体の製造方法であって、
前記スキン材の材料であるスキン用繊維材料で前記コア材を挟み、
前記スキン用繊維材料同士を前記コア材周りの少なくとも一部において結合部材用繊維材料により結合し、
前記スキン用繊維材料及び結合部材用繊維材料に樹脂を含浸硬化させて該スキン用繊維材料及び結合部材用繊維材料を繊維強化樹脂とすることを特徴とする複合材料構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維強化樹脂のスキン材同士の間にコア材を挟んだサンドイッチ構造を有する複合材料構造体及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
軽量で高強度の素材として、サンドイッチ構造の構造体が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の複合パネルは、複合積層材料製の第１の層（スキン材）と第２の層（スキン材）との間の一部に、ハニカム構造体製のコア部分（コア材）が挟まれてなる。コア部分と第１及び第２の層とは、マトリックス樹脂によって硬化されるとともに、第１の層と第２の層において、コア部分を挟まない部分も互いに積層してマトリックス樹脂によって硬化して一体化されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１４９０７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、第１の層と第２の層のコア部分を挟まない部分において、特にコア部分に直近の部位には、コア部分と、第１及び第２の層との熱膨張係数の違いによる熱応力や、曲げ、衝撃等の外部荷重による応力集中が発生する。すると、硬化された第１の層と第２の層との間（層間）の樹脂に亀裂が生じてしまう場合があり、さらに、熱応力や外部荷重による応力集中が発生し続けると、亀裂がコア部分から離れる方向に向けて進展し、第１の層と第２の層とが剥離してしまう虞がある。
【０００５】
本発明は、スキン材同士の間に発生した亀裂の進展を抑制することができる複合材料構造体及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、繊維強化樹脂のスキン材同士の間にコア材を挟んだサンドイッチ構造を有する複合材料構造体において、前記コア材は両スキン材の一部に設けられ、前記コア材周りの少なくとも一部において、前記スキン材同士を繊維強化樹脂の結合部材で結合した。
【０００７】
また、請求項４に記載の発明は、繊維強化樹脂のスキン材同士の間にコア材を挟んだサンドイッチ構造を有する複合材料構造体の製造方法であって、前記スキン材の材料であるスキン用繊維材料で前記コア材を挟み、前記スキン用繊維材料同士を前記コア材周りの少なくとも一部において結合部材用繊維材料により結合し、前記スキン用繊維材料及び結合部材用繊維材料に樹脂を含浸硬化させて該スキン用繊維材料及び結合部材用繊維材料を繊維強化樹脂とする。
【０００８】
これによれば、スキン材同士は樹脂による硬化に加え結合部材によって機械的に結合された状態となる。このため、コア材とスキン材との熱膨張係数の違いによる熱応力や、外部荷重による応力集中がコア材周りに発生し、そのコア材周りで万一、スキン材同士の間に両者を剥離させる亀裂が生じても、結合部材による結合によってスキン材同士の結合が維持され、スキン材が剥離することが抑制される。したがって、結合部材によってスキン材同士を結合したことにより、スキン材同士の間に発生した亀裂が、コア材から離れる方向に向けて進展することが抑制される。
【０００９】
また、前記スキン材同士の前記コア材が設けられていない部分の全体を前記結合部材で結合してもよい。
これによれば、スキン材同士のコア材が設けられていない部分のどの位置で亀裂が生じても、結合部材による結合によって亀裂が進展しにくくなる。
【００１０】
また、前記結合部材は、前記スキン材同士を縫合する糸条繊維に樹脂を含浸させてなる。これによれば、糸条繊維によりスキン材同士が縫合されるため、糸条繊維に樹脂を含浸させて繊維強化樹脂製の結合部材としても、その結合部材がスキン材から抜けにくくなり、スキン材の結合状態が維持されやすい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、スキン材同士の間に発生した亀裂の進展を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】（ａ）は実施形態の複合材料構造体を示す断面図、（ｂ）は実施形態の複合材料構造体を示す平面図。
【図２】複合材料構造体の別例を示す断面図。
【図３】複合材料構造体の別例を示す断面図。
【図４】（ａ）及び（ｂ）は結合部材の配置の別例を示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図１にしたがって説明する。
図１（ａ）に示すように、複合材料構造体１１はコア材１２全体が、上下一対のスキン材１３それぞれの一部で挟持されつつ包囲されたサンドイッチ構造を有する。なお、コア材１２は、同一形状のセルの集合体であるハニカム構造体が用いられ、セルとしては、六角形、ＯＸ、フレックス、バイセクト、フェザーセルのいずれの形状であってもよい。また、コア材１２は、アルミニウムや樹脂で硬化させた紙等により形成されている。
【００１４】
スキン材１３は、炭素繊維、ガラス繊維、セラミック繊維等の無機繊維あるいは、アラミド繊維、ポリ−ｐ−フェニレンベンゾビスオキサゾール繊維、超高分子量ポリエチレン繊維等の高強度、高弾性率の有機繊維等で形成されたスキン用繊維織物（スキン用繊維材料）に樹脂を含浸硬化させて形成されている。スキン用繊維織物は、例えば繊維がＸ，Ｙ方向に配列された平織りの織物が使用され、複合材料構造体１１の目的とする物性に応じて１枚又は複数枚の所定枚数使用される。複数枚使用する場合、疑似等方積層材を構成するように、一部の織物を繊維の配列方向が複合材料構造体１１のＸ，Ｙ方向に対して±４５度となるように配置するのが好ましい。
【００１５】
図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、複合材料構造体１１において、上下のスキン材１３が互いに当接しあうように重ね合わされ、かつコア材１２を挟持しない部位であり、コア材１２を挟持した一部以外の部位（一対のスキン材１３の他部）を、スキン材１３同士の積層部１５とする。本実施形態では、積層部１５は、スキン材１３同士のコア材１２が設けられていない部分よりなるため、積層部１５はコア材１２を取り囲むように環状に設けられている。また、複合材料構造体１１において、コア材１２が設けられたスキン材１３同士の一部よりなるとともに、積層部１５以外の部位を被覆部１７とする。
【００１６】
複合材料構造体１１の積層部１５は、結合部材１６によって結合されている。詳細には、スキン材１３の材料となるスキン用繊維織物同士が、結合部材１６の材料となる結合部材用繊維材料によって縫合されている。結合部材用繊維材料は、糸条繊維よりなり、この糸条繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、セラミック繊維等を束ねたもの、又は撚ったものが使用される。そして、結合部材用繊維材料は、両スキン用繊維織物を貫通した状態で両端を各スキン用繊維織物の表面で抜け止めすることで、スキン用繊維織物同士を縫合するとともに、積層部１５となる部位は、その全体に亘って結合部材用繊維材料により複数箇所が縫合されている。そして、スキン用繊維織物同士が結合部材用繊維材料によって縫合された状態で、スキン用繊維織物、及び結合部材用繊維材料に樹脂を含浸硬化させることにより、スキン材１３同士による積層部１５が形成されるとともに、その積層部１５が結合部材１６によって結合されている。
【００１７】
積層部１５においては、四角錐台状の被覆部１７の四辺の基端縁に沿った複数箇所が結合部材１６により結合され、被覆部１７の基端を取り囲むように積層部１５が結合されている。さらに、積層部１５は、結合部材１６により、複合材料構造体１１の長辺方向及び短辺方向に沿って等間隔おきに結合されており、結合部材１６による結合部を、複合材料構造体１１の長辺方向及び短辺方向に延びる仮想線Ｃで繋ぐと、仮想線Ｃが格子状をなす。なお、結合部材１６による結合部の間隔は、複合材料構造体１１の目的とする物性に応じて適宜設定されるが、間隔が狭いほど、スキン材１３同士の積層を強固に維持できる。
【００１８】
上記のように構成された複合材料構造体１１は、スキン材１３に樹脂を含浸させてＦＲＰ（繊維強化樹脂）とし、積層部１５で重ね合わされたスキン材１３同士も硬化した樹脂によって一体化されるとともに、コア材１２がＦＲＰ板製のスキン材１３で挟持されたサンドイッチ構造の複合材料構造体１１となる。また、上述のように結合部材用繊維材料にも樹脂が含浸されて繊維強化樹脂の結合部材１６となり、一対のスキン材１３と結合部材１６とが一体に硬化する。なお、樹脂としては、例えばエポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ビニルエステル樹脂等の熱硬化性樹脂の他、ナイロンやＡＢＳ樹脂等の熱可塑性樹脂が使用される。また、熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂の混合樹脂も使用可能である。
【００１９】
次に、複合材料構造体１１の製造方法について説明する。
まず、下側のスキン材１３を形成するスキン用繊維織物と、上側のスキン材１３を形成するスキン用繊維織物とでコア材１２を挟む。そして、コア材１２の周りに位置する上下のスキン用繊維織物を重ね合わせ、スキン用繊維織物同士を結合部材用繊維材料によって縫合し、一体化する。そして、スキン用繊維織物とコア材１２とからなる中間体を、レジントランスファーモールディング（ＲＴＭ）法で用いられる成形金型内に載置する。この成形金型内に熱硬化性の樹脂を注入してスキン用繊維織物、結合部材用繊維材料に含浸させた後、加熱硬化させることで、複合材料構造体１１が得られる。
【００２０】
次に、複合材料構造体１１の作用について説明する。
複合材料構造体１１の積層部１５において、コア材１２周りに、コア材１２と、スキン材１３との熱膨張係数の違いによる熱応力や、曲げ、衝撃等の外部荷重による応力集中が発生したとする。このとき、熱応力や外部荷重による応力集中によって、上下のスキン材１３の間（層間）の樹脂には、スキン材１３同士を剥離させるように亀裂が生じてしまう場合がある。しかし、スキン材１３同士は、結合部材１６によって結合されているため、亀裂に対して最も近い結合部材１６の群列により、スキン材１３同士の剥離が抑制され、それら結合部材１６の群列よりもコア材１２から離れる方向に向けて亀裂が進展することが抑制される。
【００２１】
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）サンドイッチ構造を有する複合材料構造体１１において、スキン材１３同士の積層部１５を結合部材１６で結合し、機械的に結合した。このため、複合材料構造体１１の積層部１５において、コア材１２周りに熱応力や外部荷重による応力集中が発生し、万一、スキン材１３同士の間に両者を剥離させる亀裂が生じても、結合部材１６による縫合によってスキン材１３同士の結合が維持される。したがって、結合部材１６によるスキン材１３同士の結合により、亀裂がコア材１２から離れる方向に向けて進展することが抑制され、信頼性の高い複合材料構造体１１とすることができる。
【００２２】
（２）スキン材１３同士の積層部１５を結合部材１６で結合し、スキン材１３同士の間に発生した亀裂の進展を抑制することができる。したがって、亀裂の進展の抑制のために、高靭性樹脂を使用したり、被覆部１７（コア材１２）の立ち上がり角度を小さく抑えたりする必要が無くなる。その結果として、亀裂の進展を抑制するために高靭性樹脂を使用する場合と比べると、樹脂の選択幅が広がり、複合材料構造体１１の製造コストを低減することができ、被覆部１７（コア材１２）の立ち上がり角度を考慮する場合と比べると、複合材料構造体１１の設計自由度を高めることができる。
【００２３】
（３）複合材料構造体１１の製造時、スキン用繊維織物同士の間にコア材１２を挟み、そのコア材１２を取り囲むように結合部材用繊維材料でスキン用繊維織物同士を縫合して中間体を形成した。このため、中間体を成形金型内に載置するとき、結合部材用繊維材料による縫合により、コア材１２がスキン用繊維織物内で位置ずれすることが防止され、コア材１２をスキン用繊維織物の所定位置に位置決めした状態で樹脂を含浸することができる。
【００２４】
（４）積層部１５では、被覆部１７（コア材１２）の基端全体を取り囲むように結合部材１６で結合されている。このため、コア材１２を取り囲む位置のどの位置に熱応力や外部荷重による応力集中が発生し、亀裂が生じてもその亀裂の進展を抑制することができる。
【００２５】
（５）積層部１５はその全体に亘って結合部材１６によって結合されている。このため、積層部１５のどの位置で亀裂が生じても、結合部材１６によるスキン材１３の結合により亀裂が進展しにくくなる。
【００２６】
（６）複合材料構造体１１の製造時、スキン用繊維織物は結合部材用繊維材料によって縫合され、その結合部材用繊維材料は樹脂が含浸されると繊維強化樹脂製の結合部材１６となり一対のスキン材１３と一体硬化する。このため、結合部材１６はスキン材１３から抜けにくく、結合部材１６によるスキン材１３同士の結合をより強固に維持することができる。
【００２７】
（７）スキン材１３がスキン用繊維織物で構成されているため、それらスキン用繊維織物同士を、糸条繊維製の結合部材用繊維材料で縫合するのが容易になる。
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
【００２８】
○  図２に示すように、各スキン材１３は、複数枚のスキン用繊維織物（スキン用繊維材料）を、それらを貫通するＺ糸２０によって予め結合したものであってもよい。このＺ糸２０は、一方のスキン材１３の外面で折り返すように他方のスキン材１３の外面側からループ状に挿入される。
【００２９】
○  図３に示すように、コア材１２とスキン用繊維織物１３ａの中間体であり、スキン用繊維織物１３ａにおけるコア材１２が設けられてない部分（後の積層部１５）が、結合部材用繊維材料１６ａによって縫合されて縫合部１３ｃを有する中間体を形成する。そして、この中間体を上下に配置し、それら中間体の両縫合部１３ｃ同士の間にコ字状の連結部材２１を配置する。連結部材２１の両端側には、縫合部１３ｃと連結される連結片２１ａが板状に形成されている。そして、各連結部材２１の連結片２１ａと、各縫合部１３ｃとを、上記とは別の共用結合部材用繊維材料１６ｂによって縫合し、縫合部１３ｃと連結部材２１とを一体化する。そして、一対の中間体と、一対の連結部材２１とが一体化された中間基材を、ＲＴＭ法で用いられる成形金型内に載置する。この成形金型内に熱硬化性のマトリック樹脂を注入して複合材料構造体を製造する。
【００３０】
この複合材料構造体においては、一対の中間体と連結部材２１とを共用結合部材用繊維材料１６ｂで縫合している。このため、共用結合部材用繊維材料１６ｂに樹脂が含浸硬化された結合部材１６により、複合材料構造体を形成しつつ、積層部１５での亀裂の抑制機能も付与することができる。
【００３１】
○  図４（ａ）に示すように、積層部１５において、被覆部１７（コア材１２）の基端のうちの短辺に沿った位置のみを結合部材１６で縫合してもよい。なお、図示しないが、積層部１５において、被覆部１７（コア材１２）の基端のうちの長辺に沿った位置のみを結合部材１６で結合してもよい。
【００３２】
○  図４（ｂ）に示すように、積層部１５において、被覆部１７（コア材１２）の基端のうち角部を囲む位置のみを結合部材１６で結合してもよい。
○  実施形態では、積層部１５の全体を結合部材１６で結合したが、被覆部１７（１２）を取り囲む結合部材１６の群列が一列だけ形成されるように、結合部材１６で積層部１５を結合してもよい。
【００３３】
○  実施形態では、結合部材１６による結合部を、複合材料構造体１１の長辺方向及び短辺方向に延びる仮想線Ｃで繋ぐと、仮想線Ｃが格子状をなすような位置で積層部１５を結合したが、結合部が千鳥状をなすような位置で積層部１５を結合してもよい。さらには、積層部１５は、その全体に亘ってランダムな位置で結合部材１６によって結合されていてもよい。
【００３４】
○  実施形態では、結合部材用繊維材料は、両スキン用繊維材料を貫通した状態で両端を各スキン用繊維材料の表面で抜け止めすることでスキン用繊維材料同士を縫合したが、これに限らず、結合部材用繊維材料は両スキン用繊維材料の表面で交互に折り返す蛇行状態でスキン用繊維材料同士を縫合してもよい。
【００３５】
○  スキン用繊維材料及び結合部材用繊維材料にマトリックス樹脂を含浸させる方法としてＲＴＭ法以外に、ＲＦＩ（レジンフィルムインフュージョン）法を採用してもよい。
○  複合材料構造体１１のスキン材１３として、予め樹脂が含浸された繊維強化樹脂（プリプレグ）を用いて形成したものとしてもよい。
【００３６】
○  実施形態では、コア材１２としてハニカム構造体を採用したが、発泡体を採用してもよい。
○  結合部材用繊維材料によるスキン用繊維材料同士の縫い方は、どんな縫い方でもよく、例えば、ミシン縫いや手縫いであってもよい。
【００３７】
○  実施形態では、スキン用繊維材料として、スキン用繊維織物に具体化したが、織物ではなく直線状に配列された繊維により繊維層を形成するとともに、その繊維層が積層されたものに具体化してもよい。
【００３８】
○  実施形態では、結合部材として糸条繊維製の結合部材用繊維材料に具体化し、スキン用繊維材料を結合部材用繊維材料で縫合したが、結合部材として繊維にマトリックス樹脂を含浸させた棒状のピンに具体化してもよい。
【００３９】
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。
（イ）前記結合部材は、前記スキン材同士を複数箇所で等間隔おきに結合している請求項１〜請求項３のうちいずれか一項に記載の複合材料構造体。
【００４０】
（ロ）前記結合部材は、繊維強化樹脂のＺピンである請求項１〜請求項３、及び技術的思想（イ）のうちいずれか一項に記載の複合材料構造体。
【符号の説明】
【００４１】
１１…複合材料構造体、１２…コア材、１３…スキン材、１３ａ…スキン用繊維材料としてのスキン用繊維織物、１６…結合部材、１６ａ…結合部材用繊維材料。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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