(57)【要約】      （修正有）【課題】スキンパネルへの孔開け加工を全面的もしくは部分的に廃止し、製造コストを飛躍的に低減する繊維強化複合材料を用いたサンドイッチ型吸音パネルの製造技術を提供する。【解決手段】ヘルムホルツ型共鳴器の原理を利用したサンドイッチ型吸音パネルにおいて、繊維強化複合材料からなる表面板をあらかじめ意図的な隙間が形成されるような織物形態で製織する。【選択図】図１
2016009146.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヘルムホルツ型共鳴器の原理を利用したサンドイッチ型吸音パネルにおいて、繊維強化複合材料からなる表面板に対して、あらかじめ意図的な隙間が形成させるように織物形態で製織されることを特徴とするサンドイッチ型吸音パネルの製造方法。
【請求項２】
前記あらかじめ意図的な隙間が形成させるように織物形態は、繊維束で製織した織物に樹脂を含浸させ、硬化させるようにした請求項１に記載のサンドイッチ型吸音パネルの製造方法。
【請求項３】
前記あらかじめ意図的な隙間が形成させるように織物形態は、繊維束に樹脂を含浸させ、プリプレグ化して長尺材とし、半硬化させた状態で製織した後硬化させるようにした請求項１に記載のサンドイッチ型吸音パネルの製造方法。
【請求項４】
ヘルムホルツ型共鳴器の原理を利用したサンドイッチ型吸音パネルであって、繊維強化複合材料からなる表面板があらかじめ意図的な隙間が形成させるように織物形態で製織されていることを特徴とするサンドイッチ型吸音パネル。
【請求項５】
前記複合材表面板を構成する織物が、平織、綾織、または繻子織の二軸織物形態であることを特徴とする請求項４に記載のサンドイッチ型吸音パネル。
【請求項６】
前記複合材表面板を構成する織物が、１本の緯糸に対して２本の経糸が任意の角度で互いに交わっている三軸織物であることを特徴とする請求項４に記載のサンドイッチ型吸音パネル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、航空機のナセル、エンジン、機体などに用いられる吸音パネルに関する。
【背景技術】
【０００２】
航空機のエンジンやナセルなどに使用されている吸音パネルとして、多数の孔をあけたアルミ合金スキンパネルとアルミ合金等のハニカムからなるサンドイッチパネルが用いられている。この吸音パネル１の一般的な構造は図３の左に示されるようにハニカムコア材２にアルミ合金板を両面から内側表面板３と外側表面板４とで挟んで接着したものであるが、そのサンドイッチパネルの内側表面板３に、機械加工により多数の小孔を設けたもの(パーフォレート板)が使用される。この吸音パネル１は、音波が到達した際、ハニカムコア２材内の空洞部で発生する共鳴により吸音効果を得ることができる（図３の右参照）。これはヘルムホルツ型吸音パネルと呼ばれ、軽量かつ高性能であるため幅広く適用されている。
【０００３】
サンドイッチ型吸音パネルの重量を大幅に低減するために、アルミ合金のかわりに軽量のプラスチック材を用いることが求められているが、航空機のエンジンやナセルなどに使用されている吸音パネルの場合、機械的強度が要求されるため、繊維強化複合材料（CFRP：炭素繊維強化プラスチック  GFRP：ガラス繊維強化プラスチックなど、以下複合材と呼ぶ）をスキンパネルに適用することが検討されている。特許文献１には軽量で機械的特性に優れ、しかも優れた吸音効果等を有する、コア材と繊維強化複合材料を用いた、サンドイッチパネルを提供することを目的とした「サンドイッチパネル」が提示されている。この発明は、コア材とその両面に積層して接着された繊維強化複合板状部材とからなるサンドイッチパネルにおいて、この繊維強化複合板状部材の少なくとも一つが、強化繊維材料と有機系振動減衰剤を配合したマトリックス樹脂とからなる、制振性複合板状部材であることを特徴とするものである。
【０００４】
アルミ合金製のサンドイッチ型吸音パネルの重量比率は、挟まれるハニカム構造体２よりも両面の表面板３，４の方が大きく、この素材を軽量化することが重要である。一方の外側表面板４は単純な平板であるから繊維強化複合材料であっても、製造はモールドやシートの積層等により容易に製造できるが、もう一方内側表面板３の多数の孔が配列された有孔平板の場合は、そのような簡易な製造方法が採用できない。まず平板状のパネルを製造し、孔あけ加工を施すことになる。しかしながら複合材スキンパネルへの孔あけ加工は手間と時間がかかるため、それに伴う多大なコストが大きな課題となっている。
【０００５】
一般に、複合材の多孔板を製造するためには、複合材を成形硬化後にドリルで孔あけする方法が世界の主流となっているが、その他、多数の孔あけ用ピンの付いたプラスチック製ピンプレートを硬化前の複合材素材に突き刺した後に加熱硬化させ多孔板とする方法が考案されている。また、未硬化複合材素材（プリプレグ）を樹脂流れが悪くなるまで予備加熱後に平板状態でパンチにより孔あけし、その後曲面成形型に賦型して加熱硬化する方法も考案されている。しかしながら、前記の複合材素材を部品形状に成形硬化後にドリルで孔あけする方法は、加工に時間と費用がかかり、また成形品形状が三次元曲面（コンター）品だと加工が難しく、加工装置にＮＣ制御ドリルマシンを必要とし、その導入・維持管理が大変なものとなる。また、プラスチック製ピンプレートを硬化前の複合材素材に突き刺した後に加熱硬化させ多孔板とする方法は、ピンプレートを三次元コンターに合せて製作する必要があり、そのプレートの製作に多くの時間と費用がかかる。さらにプリプレグを予備加熱後に平板状態でパンチにより孔あけし、その後曲面成形型に腑形して加熱硬化する方法は、予備加熱によりプリプレグ全体が固く粘着力が無くなり、曲面成形型に賦型し貼付けするのが困難となるという課題がある。
【０００６】
このため、いずれの方法においても、複合材素材に孔あけをすることはコストの面で大きな負担となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−２８６９号公報  「サンドイッチパネル」  平成１８年１月５日公開
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上述した現状の問題点に鑑み、スキンパネルへの孔あけ加工を全面的、もしくは部分的に廃止し、製造コストを飛躍的に低減する繊維強化複合材料をスキンパネルとするサンドイッチ型吸音パネルの製造技術を提示することをその目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のサンドイッチ型吸音パネルの製造方法は、ヘルムホルツ型共鳴器の原理を利用したサンドイッチ型吸音パネルにおいて、繊維強化複合材料からなる表面板があらかじめ意図的な隙間が形成させるように織物形態で製織されることを特徴とする。
前記あらかじめ意図的な隙間が形成させるように織物形態として、繊維束で製織した織物に樹脂を含浸させ、硬化させる方法、または、繊維束に樹脂を含浸させ、プリプレグ化して長尺材とし、半硬化させた状態で製織した後硬化させる方法を提示した。
【００１０】
本発明のサンドイッチ型吸音パネルは、ヘルムホルツ型共鳴器の原理を利用したものであって、繊維強化複合材料からなる表面板があらかじめ意図的な隙間が形成させるように織物形態で製造されていることを特徴とする。
前記の複合材表面板を構成する織物が、平織、綾織、もしくは繻子織の二軸織物、又は１本の緯糸に対して２本の経糸が任意の角度で互いに交わっている三軸織物であるものを提示した。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のサンドイッチ型吸音パネルの製造方法によれば、複合材をスキンパネルとするサンドイッチ型吸音パネルにおいて、素材に複合材を採用したことで、軽量化を実現すると共に、複合材素材の加工前後における孔あけ加工を一切必要としない製法で提供できるので、複合材料を適用した吸音サンドイッチパネルの製造コストを飛躍的に低減することができる。
また、本発明のサンドイッチ型吸音パネルの製造方法によれば、孔あけ加工をしないことにより、繊維を不要に切断することがないので、パネルとしての機械的強度が高いものを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明のサンドイッチ型吸音パネルの斜視画図である。
【図２】サンドイッチ型吸音パネルサンプルの試験結果を示すグラフである。
【図３】一般的なサンドイッチ型吸音パネルの構造と吸音効果を説明する図である。
【図４】六つ目編みの竹籠と多孔構造の三軸織物を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
本発明は孔あけ加工をすることなく複合材の多孔板を製造する方法として、織物の手法を応用して網目状の孔を形成するという手法を提供する。
本出願人（JAXA）はサカセ・アドテック(株)と共同で研究を行い、火星探査機「のぞみ」のアンテナの反射鏡として三軸織を応用した構造体に金属箔を張ってアンテナとして開発した。三軸織物は１本のよこ糸に対して、２本の経糸が±60度の角度で交わっている織物である。この三軸構造は図４に示すように日本に従来からある六目編みの竹籠（図４の左）の編み方を応用して織った三軸織物（図４の右）となっている。炭素繊維やグラスファイバの繊維の束を糸に見立てて織物とし、樹脂を含浸させて構造体としている。宇宙では軽量化が極限まで求められることから、少ない繊維量で剛性が出せる三軸構造はアンテナなどに最適なものとされている。
【００１４】
本発明はこの三軸構造体が軽量で機械的強度があるということに加え、コア材となる繊維織物が多数の網目構造を持っていることに着目し、その網目を、サンドイッチ型吸音パネルの内側表面板３の孔に対応させ、そのコア材に用いることができるのではないかとの知見を得たものである。この三軸織物をコア材として樹脂を含浸させる時、網目部分に所望の大きさの孔が残るようにしてこれをサンドイッチ型吸音パネルの複合材スキンパネルに採用するものとした。
要するに本発明は、製織時、繊維束間に意図的な隙間を形成した織物を基礎構造体とし、それに樹脂を含浸させて硬化させ、複合材料パネルとするのであるが、前記隙間が塞がらないように孔を残してパネルを形成することに特徴がある。それにより、スキンパネルへの孔あけ加工を省略することができるものである。
【００１５】
本発明サンドイッチ型吸音パネルは、孔あけ加工を省略することができるようにあらかじめ多数の孔が配列して存在していることが必須の要件である。この要件を満たすためにはコア材となる繊維織物が三軸織物である必要はなく、平織、綾織、繻子織などの二軸織物であっても経糸と緯糸が密ではなく間隔を置いて織られたものであればサンドイッチ型吸音パネルの有孔表面板のコア材として用いることができる。なお、平織とは経糸と緯糸が一本ずつ交互に組み合って織られる基本的な織り方、綾織とは経糸と緯糸が三本以上で、繻子織とは経糸、緯糸ともにそれぞれ五本以上でおられた二軸織物のことである。この織物構造においては、図４の右に示すように必ず網目のように多数の孔が配列して形成される。共鳴により吸音効果を得る吸音パネルとして、空洞部で共鳴振動を発生させるためには、孔の開口面積は適度の大きさにする必要があるが、この孔の間隔（ピッチ）、大きさは、繊維束の幅や織物仕様を調整することによって、容易に制御することが可能である。繊維束の幅は、繊維束中の繊維数や、繊維束に対して開繊処理を施すことによって、調整することができる。また、孔の大きなパネルを二枚準備し、位置を適宜ずらせて重ねるなどの方法でも開口面積の調整は可能である。そして、三軸織物をコア材として用いたものは面内の弾性特性が擬似的に等方であるという特長も有する。
【００１６】
図１は、三軸織物をコア材にして形成した複合材パネルとアルミハニカムを用いて製作したサンドイッチ吸音パネルである。未硬化エポキシ樹脂フィルムを用いて三軸織物に樹脂を含浸してプリプレグを製作した後、接着剤を用いることなく樹脂自体の硬化によって接着させ、製作したものである。余剰のエポキシ樹脂によって三軸織物サンドイッチの孔がふさがれるようなこともなく、良好なサンドイッチパネルの試作が可能であることが確認されている。三軸織物は１本のよこ糸に対して、２本の経糸が±60度の角度で交わっている形態が一般的であるが、本発明はこれに限らず任意の角度で実施できる。
なお、アルミハニカムの重量はさほど重いものではないため、この試作品はそれを用いているが、特許文献１に示されたような複合材ハニカムを用いることができるのは当然である。同種の複合材同士であれば樹脂自体の硬化による接着もより堅固となる。
【００１７】
次に、繊維束を製織してコア材とする上記の方法の他に、サンドイッチ型吸音パネルの有孔表面板を製造する方法を以下に示す。グラスファイバ、炭素繊維のような繊維状補強材に、硬化剤、着剤材などの添加物を混合したエポキシなどの熱硬化性樹脂を均等に含浸させ、加熱または乾燥して半硬化状態にした強化プラスチック成形材料である長尺物プリプレグを手加工などで竹籠細工のように製織してパネル形状をつくり、その後加熱して硬化させる方法である。この方法によっても、二軸織物、三軸織物構造のものを製造することが可能である。また、この手法による場合も孔の開口面積は、繊維束の幅や織物仕様を調整することによって、あるいは、孔の大きなパネルを二枚準備し、位置を適宜ずらせて重ねるなどの方法によって容易に制御することが可能である。
【実施例】
【００１８】
三軸織物、アルミ合金ハニカム、平織織物を使用して吸音パネルを試作した。三軸織物の孔を利用した表面板がアルミ合金ハニカムに接着された吸音パネルを製作するためには、三軸織物の孔がエポキシ樹脂によって塞がれることがなく、かつ三軸織物の繊維束内にボイドが残留せず、更にはアルミ合金ハニカムと良好な接着が得られる量のエポキシ樹脂を三軸織物に含浸することが必要である。そこで、含浸するエポキシ樹脂量を変化させた三軸織物プリプレグを製作し、これをアルミ合金ハニカムに接着する試作実験を行い、上記の要求事項を満足するエポキシ樹脂含浸量を実験的に検討した。
【００１９】
一例として、東レ(株)製T-300繊維を1,000本（1K）束ねた繊維束から構成される1K−三軸織物（サカセ・アドテック(株)、SK-802）１プライと、東レ(株)製T-300繊維を3,000本（3K）束ねた繊維束から構成される3K−三軸織物（サカセ・アドテック(株)、SK-801）１プライを用いた場合を以下に説明する。
三軸織物の片面もしくは両面に未硬化エポキシ樹脂を付着させたフィルムを重ね、さらに離型フィルムで上下に挟んだものを金型に入れた。この金型を熱板温度80−130℃とした卓上型ホットプレスにセットし、0.1MPaの荷重を加え、２分間保持することで溶融した未硬化エポキシ樹脂を三軸織物に含浸し、三軸織物プリプレグを製作した。その後、三軸織物プリプレグをアルミ合金ハニカム（昭和飛行機(株)、セルサイズ1/8インチ、箔厚0.001インチ）の上面に載せ、さらに離形のためテフロン(登録商標)フィルムを載せたものを熱板温度130℃、0.5MPaの圧力下で１時間保持することにより三軸織物に含浸したエポキシ樹脂を硬化させ、同時に三軸織物とアルミ合金ハニカムを接着した。三軸織物に含浸するエポキシ樹脂量は、三軸織物の片面、もしくは両面に未硬化エポキシ樹脂フィルムを配置すること、両面から含浸した後に再度、含浸処理を行うことで変化させた。
なお、三軸織物に未硬化エポキシ樹脂を含浸する方法としては、上記のように所定量の未硬化エポキシ樹脂が塗布されたフィルムを用いること、また、刷毛やドクターブレード等を用いて三軸織物に塗布することによっても可能である。
また、孔なしとなる外側表面板には平織りの炭素繊維織物２プライを使用し、上記の手法によりエポキシ樹脂を適量含浸し、アルミ合金ハニカムと接着した。
【００２０】
その結果、1K−三軸織物１プライを表面板に用いる場合は、炭素繊維含有率が48％および54％となる量のエポキシ樹脂を含浸した場合に、3K−三軸織物１プライの場合は炭素繊維含有率が48％となる量のエポキシ樹脂を含浸した場合に、孔がエポキシ樹脂によって塞がれることがなく、かつ繊維束内にボイドが残留せず、さらにはアルミ合金ハニカムと良好に接着された有孔表面板付アルミ合金ハニカムが得られることを確認した。
【００２１】
これに対して、三軸織物に過剰なエポキシ樹脂を含浸した場合には、例えば1K−三軸織物１プライに炭素繊維含有率62％、3K−三軸織物１プライに54％となる量のエポキシ樹脂を含浸してアルミ合金ハニカムと接着した場合には、三軸織物の孔がエポキシ樹脂によって目詰まりすることを確認した。
【００２２】
1K−三軸織物（サカセ・アドテック(株)、SK-802）２プライ、または3K−三軸織物（サカセ・アドテック(株)、SK-801）２プライを孔あり表面板に用いる場合も、含浸するエポキシ樹脂量を適切にコントロールすることで、孔がエポキシ樹脂によって塞がれることがなく、かつ繊維束内にボイドが残留せず、さらにはアルミ合金ハニカムと良好に接着できることを確認した。
【００２３】
吸音パネルの表面板をアルミ合金から炭素繊維強化プラスチック（CFRP）に置き換えることによる軽量化は、アルミ合金の密度が約2.8ｇ/ｃｍ３であり、CFRPの密度が約1.5ｇ/ｃｍ３であることから、同じ厚さの表面板であれば、重量にして約54％となる。
【００２４】
吸音パネルは有孔内側表面板、ハニカム、孔なし外側表面板の三部材から構成される。一例として、表１の仕様の吸音パネルを考えると、表面板がアルミ合金の場合の吸音パネルの重量が１ｍ２あたり6.2Kgとなるのに対して、表面板をCFRPとすると１ｍ２あたり4.0Kgとなり、重量にして約64％となる。
【表１】
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【００２５】
本発明の吸音サンドイッチパネルの吸音効果を確認するため、吸音試験用サンプルを製作し、それぞれの吸音試験を行った結果を示す。
吸音特性の測定法としては、試験体面に対する音の入射条件が異なる垂直入射法と残響室法の２つがある。本試験では、リオン株式会社製、垂直入射吸音率計測システム(モデル9302型)を用いて、垂直入射法により吸音率と吸音周波数の計測を行った。
【００２６】
吸音試験用サンプルは外径が約29mmで、アルミ合金ハニカムコア高さは20mmである。有孔表面板は表２に示す（a)〜(e)の仕様とした。孔なしとなる外側表面板は平織りの炭素繊維織物２プライを使用した。(a)は3Ｋ−三軸繊維織物の２プライ、 (b)は1Ｋ−三軸織物の２プライ、(c)は1Ｋ−三軸織物の１プライと3Ｋ−三軸織物の１プライ、(d)は1Ｋ−三軸織物の１プライ(1Klply)、(e)は3Ｋ−三軸織物の１プライ(3K1ply)である。 なお、ここで１プライとは１枚ものであること、２プライとは２枚ものであることを意味する。
【表２】
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【００２７】
それぞれのサンプルの吸音試験結果を図２に示す。本図から有孔表面板を三軸織物２プライで製作したサンプル(ａ)(ｂ)は、１プライ(ｄ)(ｅ)のものと比較して吸音率が高いことが分かる。２プライサンプルは１プライサンプルと比較して孔の平均直径と開孔率が小さい。本試験で用いたアルミ合金ハニカムのセルサイズは1/8インチ（約3.2mm）であり、孔直径が大きい１プライサンプルでは、孔を通過しハニカムコア内に入射した音波がコア外に反射しやすいため吸音率が低下したと考えられる。
【００２８】
吸音ハニカムサンドイッチパネルの表面板として、多孔質な炭素繊維織物を使用することで、孔空け加工不要な吸音パネルサンプルを試作し、吸音効果を生むことが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明に係るサンドイッチ型吸音パネルは、航空機分野としては、エンジン内部、エンジンナセル、キャビンなどへの適用が期待される。また、民生用途としても、建築資材、建機、工作機械など幅広い産業分野への適用が期待される。
【符号の説明】
【００３０】
１  吸音サンドイッチパネル    ２  ハニカム構造体
３  内側表面板                ４  外側表面板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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