КОНСТРУКЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ СООРУЖЕНИЙ
STRUCTURAL MATERIAL FOR STRUCTURES

Область изобретения
[0001]
Настоящее изобретение относится к конструкционному материалу для сооружений, содержащему пластик, армированный углеродным волокном.
Предшествующий уровень техники
[0002]
Композитные материалы, такие как пластики, усиленные углеродным волокном (CFRP, carbon fiber reinforced plastics), иногда используются в качестве конструкционных материалов для сооружений, таких как самолеты, оффшорные ветровые турбины, автомобили и железнодорожные транспортные средства. CFRP включает в себя углеродное волокно в качестве армирующего материала и синтетическую смолу в качестве матрицы.
[0003]
Патентная литература (PTL, Patent Literature) 1 описывает изобретение, относящееся к композитному материалу из смолы, армированной трехмерным волокном, и раскрывает технологию, в которой для того, чтобы придать композитному материалу из смолы, армированной трехмерным волокном, проводимость без потери производительности, кромочную нить формируют из проводящего материала, имеющего более высокую проводимость, чем нити, направленные в плоскости. Кроме того, PTL 2 и 3 описывают изобретения, относящиеся к препрегам и армированным углеродом композиционным материалам, а также раскрывают способы включения проводящих частиц или волокна с целью достижения комбинации превосходной ударопрочности и проводимости. Кроме того, PTL 4 описывает изобретение, относящееся к улучшенному композитному материалу, и раскрывает технологию для включения распределенных проводящих частиц внутри полимерной смолы с целью получения композитного материала, который имеет проводимость, но характеризуется небольшим дополнительным весом или его отсутствием по сравнению со стандартными композитными материалами.
[Список Ссылок]
[Патентная литература]
[0004]
[PTL 1] Японская нерассмотренная патентная заявка, публикация №2007-301838
[PTL 2] Японская нерассмотренная патентная заявка, публикация №2010-280904
[PTL 3] Японская нерассмотренная патентная заявка, публикация №2011-219766
[PTL 3] Японская нерассмотренная патентная заявка, публикация №2011-168792
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[Техническая проблема]
[0005]
2
Когда конструкционный материал для сооружения, в котором используется CFRP, подвергается воздействию удара молнии, электрический ток, который течет через внутреннюю часть конструкционного материала, создает джоулево тепло (RI) во внутренней части. Из-за этого эффекта тепловыделения происходит повреждение конструкционного материала вблизи точки удара молнии, от наружной поверхности внутрь материала.
[0006]
Традиционно, для того чтобы предотвратить повреждение ударами молнии, на поверхность CFBP прикрепляют молниезащитную металлическую сетку или молниезащитную фольгу с целью придания проводимости конструкционному материалу. В результате, когда происходит удар молнии, электрический ток течет в сетку или фольгу и его поток во внутренней части CFRP предотвращается. Тем не менее, пригодность сеток и фольги невысока, и фольга, как правило, является особенно тяжелой. Вследствие этого возникают проблемы, связанные с тем, что в процесе производства требуется значительное количество времени и усилий, а общий вес сооружения возрастает.
[0007]
Настоящее изобретение было разработано с учетом указанных выше обстоятельств, и его целью является предложение конструкционного материала для сооружений, который делает возможным уменьшение веса при одновременном сокращении времени и усилий, необходимых в процессе производства с обеспечением подходящих характеристик в отношении защиты от молний.
[Решение проблемы]
[0008]
Для достижения указанной выше цели конструкционному материалу для сооружений согласно настоящему изобретению придают свойства, описанные ниже.
Другими словами, конструкционный материал для сооружений в соответствии с настоящим изобретением включает в себя пластик, армированный углеродным волокном, в котором армирующий материал включает в себя углеродное волокно, матрица включает в себя пластик, а удельное сопротивление в направлении толщины листа составляет по меньшей мере 1 Ом·см, но не более 200 Ом·см.
[0009]
В соответствии с настоящим изобретением, по причине того, что пластик, армированный углеродным волокном, содержит армирующий материал, который включает в себя углеродное волокно, и матрицу, которая включает в себя пластик, и имеет удельное сопротивление в направлении толщины листа, составляющее по меньшей мере 1 Ом·см но не более 200 Ом·см, конструкционный материал для сооружений наделен проводимостью. Соответственно, когда конструкционный материал для сооружений подвергают удару молнии, количество джоулева тепла, генерируемого внутри материала, может быть снижено. Если проводимость усиливается еще больше, настолько, что удельное сопротивление в направлении толщины листа становится меньше 1 Ом·см, то из-за эффектов способа, используемого для придания электропроводности пластику, армированному углеродным волокном, прочность конструкционного материала для сооружений не может поддерживаться на том же уровне. Напротив, если проводимость уменьшается таким образом, что удельное сопротивление в направлении толщины листа превышает 200 Ом·см, то количество джоулева тепла, генерируемого во внутренней части конструкционного материала при ударе молнии, возрастает, и степень повреждения конструкционного материала для сооружений увеличивается. Конструкционный материала для сооружений представляет собой, например, конструкционный материал, используемый в таких сооружениях, как летательный аппарат, оффшорная ветровая турбина, автомобиль или железнодорожное транспортное средство.
[0010]
В изобретении, описанном выше, пластик, армированный углеродным волокном, может иметь удельное сопротивление в направлении толщины листа не более 100 Ом·см.
[0011]
В соответствии с настоящим изобретением, так как сопротивление в направлении толщины листа пластика, армированного углеродным волокном, составляет даже менее 200 Ом·см и не более 100 Ом·см, когда конструкционный материал для сооружений подвергается удару молнии, количество джоулева тепла, генерируемого внутри материала, может быть дополнительно снижено.
[0012]
В изобретении, описанном выше, на поверхности пластика, армированного углеродным волокном, могут быть предусмотрены металлическая фольга или металлическая сетка.
[0013]
В соответствии с настоящим изобретением металлическая фольга или металлическая сетка могут повысить проводимость в конструкционном материале для сооружений. В изобретении, описанном выше, из-за того, что пластик, армированный углеродным волокном, также имеет проводимость, эффективность сопротивления молнии, требуемая для металлической фольги или металлической сетки, может быть снижена по сравнению со случаем, когда в конструкционном материале для сооружений пластик, армированный углеродным волокном, не имеет проводимости. Например, толщина металлической фольги может быть уменьшена для достижения меньшего веса в ситуациях, при которых обычно требуется металлическая фольга, может быть использована металлическая сетка, или металлическая сетка может быть заменена другой сеткой, имеющей больший размер ячейки.
[Полезные эффекты изобретения]
[0014]
В соответствии с настоящим изобретением структурному материалу для сооружений придают проводимость за счет пластика, армированного углеродным волокном, так что, когда конструкционный материал для сооружений подвергают удару молнии, количество джоулева тепла, генерируемого внутри материала, может быть снижено. В результате может быть уменьшен вес при одновременном сокращении времени и усилий, необходимых в процессе производства, и обеспечении подходящей устойчивости к молниям.
[Краткое описание чертежей]
[0015]
[Фиг. 1] График, иллюстрирующий зависимость между удельным сопротивлением (Ом·см) в направлении толщины листа и относительной площадью поврежденного участка (%) для серии образцов.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0016]
Варианты реализации в соответствии с настоящим изобретением описаны ниже.
[Первый вариант реализации]
Конструкционный материал для сооружений в соответствии с первым вариантом реализации настоящего изобретения описан ниже.
Конструкционный материал для сооружений в соответствии с первым вариантом реализации настоящего изобретения включает в себя пластик, армированный углеродным волокном (CFRP, Carbon Fiber Reinforced Plastic). Конструкционный материал для сооружений используется, например, в летательном аппарате, офшорной ветровой турбине, автомобиле или железнодорожном транспортном средстве. Таким образом, конструкционный материал для сооружений имеет достаточную прочность для структуры, в которой он используется.
[0017]
В CFRP, используемом в конструкционном материале для сооружений в этом варианте реализации, армирующий материал включает в себя углеродное волокно, а матрица включает в себя пластик. В CFRP по меньшей мере одну составляющую, армирующий материал или матрицу регулируют для достижения электрической проводимости. Например, могут регулировать тип, количество, состав, свойства и т.п. углеродного волокна или пластика.
[0018]
Углеродное волокно может быть ламинировано через множество слоев в направлении толщины конструкционного материала для сооружений. Примеры способа, используемого для ламинирования углеродного волокна, включают способ, в котором волокна, полученные с помощью измельчения непрерывного углеродного волокна, наносят равномерно между слоями пластика, и способ, в котором слой углеродного волокна, содержащий направленно выровненные непрерывные углеродные волокна, погружают в пластик. В качестве способов использования углеродного волокна для придания проводимости CFRP могут быть использованы различные техники, и их подробное описание опущено в этом описании. В одном примере всему CFRP может быть придана проводимость за счет измельченных волокон, полученных из непрерывного углеродного волокна.
[0019]
Матрица включает в себя пластик, такой как термореактивная смола, как ненасыщенный сложный полиэфир или эпоксидная смола. Матрице можно придать проводимость, и хотя в качестве способа придания проводимости пластику, такому как термореактивная смола, могут быть использованы разные техники, подробное описание опущено в этом описании. Примеры способов, используемых для придания матрице проводимости, включают в себя способ, в котором проводящие частицы или волокна включены в пластик, и способ, в котором самому пластику придают проводимость.
[0020]
2
Удельное сопротивление в направлении толщины листа конструкционного материала для сооружений составляет, например, по меньшей мере 1 Ом·см, но не более 200 Ом·см, и, предпочтительно, по меньшей мере, 1 Ом·см, но не более 100 Ом·см. При условии, что удельное сопротивление в направлении толщины листа конструкционного материала для сооружений находится в пределах этих диапазонов, конструкционный материал для сооружений имеет проводимость и низкое удельное сопротивление, а это означает, что, когда конструкционный материал для сооружений подвергается удару молнии, количество джоулева тепла (RI), генерируемого внутри материала, может быть уменьшено. Направление толщины листа конструкционного материала для сооружений относится к направлению, перпендикулярному к направлению в плоскости конструкционного материала для сооружений, и явлется тем направлением, в котором производится измерение, исходя из того, что это направление, в котором проникал бы ток молнии в случае удара молнии.
[0021]
Если проводимость усиливается еще больше, так что удельное сопротивление в направлении толщины листа становится меньше 1 Ом·см, то из-за эффектов способа, используемого для придания электропроводности CPRP, таких как использование различных материалов, придающих проводимость, прочность конструкционного материала для сооружений не может поддерживаться на том же уровне. Таким образом, удельное сопротивление в направлении толщины листа конструкционного материала для сооружений составляет, предпочтительно, по меньшей мере 1 Ом·см.
[0022]
С другой стороны, если проводимость уменьшается таким образом, что удельное сопротивление в направлении толщины листа превышает 200 Ом·см, то при ударе молнии количество джоулева тепла, генерируемого во внутренней части конструкционного материала, увеличивается, а степень повреждения конструкционного материала для сооружений возрастает. Таким образом, удельное сопротивление в направлении толщины листа конструкционного материала для сооружений составляет, предпочтительно, не более 200 Ом·см. Кроме того, если удельное сопротивление в направлении толщины листа структурного материала для сооружений составляет даже меньше 200 Ом·см и не более 100 Ом·см, то, когда конструкционный материал для сооружений подвергают удару молнии, количество джоулева тепла, генерируемого внутри материала, может быть дополнительно снижено и степень повреждения конструкционного материала для сооружений может быть дополнительно уменьшена.
[0023]
[Второй вариант реализации]
Далее приводится описание конструкционного материала для сооружений в соответствии со вторым вариантом реализации настоящего изобретения.
Конструкционный материал для сооружений в соответствии с первым вариантом реализации, описанным выше, содержал пластик, армированный углеродным волокном (CFRP), и был описан пример, в котором на поверхности CFRP нет ни металлической фольги, ни металлической сетки, но настоящее изобретение не ограничивается этим конкретным примером.
Конструкционный материал для сооружений согласно настоящему варианту реализации включает в себя CFRP и металлическую фольгу или металлическую сетку, предусмотренные на поверхности CFRP.
[0024]
CFRP, используемый в конструкционном материале для сооружений в этом варианте реализации, является таким же, как и CFRP из первого варианта реализации, описанного выше, где по меньшей мере одна составляющая, углеродное волокно или пластик регулируют таким образом, что CFRP обладает проводимостью. Подробное описание CFRP лишь повторило бы приведенное выше описание, и поэтому оно опускается.
[0025]
Металлическая фольга или металлическая сетка (далее упоминаемые как «фольга» или «сетка» соответственно) сформированы, например, из меди с высокой проводимостью. Фольга или сетка предусмотрены на поверхности CFRP и покрывают всю поверхность или часть поверхности. За счет применения фольги или сетки может быть повышена проводимость конструкционного материала для сооружений.
[0026]
В настоящем варианте реализации CFRP, который составляет конструкционный материал для сооружений, также имеет проводимость. Соответственно, эффективность сопротивления молнии, требуемая для фольги или сетки, предусмотренными вместе с CFRP, может быть снижена по сравнению с обычными примерами, в которых CFRP в конструкционном материале для сооружений не имеет проводимости. Например, толщина металлической фольги может быть уменьшена для достижения меньшего веса, в ситуациях, при которых обычно требуется металлическая фольга, может быть использована металлическая сетка, или металлическая сетка может быть заменена другой сеткой, имеющей больший размер ячейки.
[Примеры]
[0027]
Далее приведено описание результатов, полученных, когда образцы были приготовлены в соответствии с первым вариантом реализации настоящего изобретения и в соответствии с обычным примером, и эти образцы были затем подвергнуты испытанию ударом молнии.
В этом тесте оценивали разницу в повреждениях для конструкционного материала для сооружений, содержащего CFRP, наделенный проводимостью (первый вариант реализации), и для конструкционного материала для сооружений, содержащего CFRP, не наделенный проводимостью (обычный пример). Ни один материал не был снабжен ни металлической сеткой, ни металлической фольгой.
[0028]
И образец для испытаний на основе первого варианта реализации (далее именуемый «первый пример»), и образец для испытаний на основе обычного примера представляли собой листовидные элементы с площадью приблизительно 50 квадратных см и с толщиной листа около 1,5 мм. В каждом образце для испытаний CFRP имел 8-слойную структуру (8 ламинированных слоев) слоев волокон.
Первому примеру придали проводимость, и он имел удельное сопротивление в направлении толщины листа, равное 6 Ом·см. С другой стороны, обычному примеру не была придана проводимость, и он имел удельное сопротивление в направлении толщины листа, равное 3000 Ом·см.
[0029]
Способ испытания сопротивления молнии соответствовал способу, описанному в Arc Entry Test (тестирование электрической дугой) из Aircraft Lightning Test Methods (способы тестирования летательных аппаратов грозовыми импульсами (ARP5416) SAE International (Society of Automotive Engineers - международное сообщество автомобильных инженеров).
[0030]
Результаты испытаний приведены ниже.
Визуальный осмотр показал, что в обычном примере, не наделенном проводимостью, повреждение произошло в области длиной 225 мм и шириной 250 мм на поверхности, на которую подавалось напряжение от электрического разряда. Кроме того, повреждение и произошло в меньшей области на задней поверхности, противоположной поверхности, на которую подавалось напряжение.
С другой стороны, в первом примере, наделенном проводимостью, повреждение произошло в области длиной 130 мм и шириной 140 мм на поверхности, на которую подавалось напряжение от электрического разряда. Задняя поверхность напротив поверхности, на которую подавалось напряжение, поддерживалась в том же состоянии, что и до начала приложения напряжения, и не пострадала.
Соответственно, результаты визуального осмотра подтвердили, что в CFRP, наделенном проводимостью, который имеет удельное сопротивление в направлении толщины листа, равное 6 Ом·см, ущерб от тока молнии может быть снижен.
[0031]
Кроме того, в соответствии с неразрушающим контролем (NDI, nondestructive inspection) поверхности, на которую подавалось напряжение от электрического разряда, поврежденный участок в первом примере, наделенном проводимостью, был в два раза меньше такового для обычного примера, не наделенного проводимостью. Кроме того, в обычном примере, поврежденная часть проникла сквозь лист, от поверхности до задней поверхности, в то время как в первом примере, которому придали проводимость, повреждение проникло только лишь до второго слоя от поверхности.
[0032]
Как описано выше, тесты с ударами молнии подтвердили, что в конструкционном материале для сооружений, содержащем CFRP, наделенный проводимостью, поврежденная часть ограничивается поверхностной областью, и площадь этой поврежденной части также может быть уменьшена, что указывает на то, что придание CFRP проводимости дает возможность развить в CFRP эффект сопротивления молнии.
[0033]
Далее, были подготовлены дополнительные образцы для первого варианта реализации настоящего изобретения и для обычного примера; результаты проведенных затем тестов на устойчивость к молнии описаны со ссылкой на Фиг. 1. Таким же образом, как описано выше, способ тестирования на устойчивость к молнии соответствовал способу, описанному в Arc Entry Test (тестирование электрической дугой) из Aircraft Lightning Test Methods (способы тестирования летательных аппаратов грозовыми импульсами (ARP5416) SAE International.
[0034]
Фиг. 1 демонстрирует связь между сопротивлением (Ом·см) в направлении толщины листа и относительной поврежденной площадью (%) для серии образцов. В результате проведения тестов на устойчивость к молнии на множестве образцов, имеющих разные значения удельного сопротивления в направлении толщины листа, были получены результаты, показанные на Фиг. 1. На Фиг. 1 значение поврежденной площади каждого образца указано в процентах по отношению к значению 100%, за которое принимали поврежденную площадь конструкционного материала для сооружений, содержащего CFRP, не наделенного проводимостью.
[0035]
На основании результатов теста видно, что если конструкционному материалу для сооружений, содержащему CFRP, придали проводимость и он имеет удельное сопротивление листа в направлении толщины не более 200 Ом·см, относительная площадь повреждения может быть снижена до 60% или меньше, и, если удельное сопротивление в направлении толщины листа составляет не более 100 Ом·см, то относительная площадь повреждения может быть снижена до 50% или менее.
Другими словами, было подтверждено, что в CFRP, наделенном проводимостью, достаточной для того, чтобы удельное сопротивление в направлении толщины листа составляло не более 200 Ом·см, повреждение, вызванное током молнии, может быть уменьшено по сравнению с таковым, наблюдаемым в CFRP, не наделенном проводимостью, а в CFRP, наделенном проводимостью, достаточной для того, чтобы удельное сопротивление в направлении толщины листа составляло не более 100 Ом·см, повреждение, вызванное током молнии, может быть уменьшено еще сильнее.
[0036]
Как описано выше, в первом и втором вариантах реализации, эффект сопротивления молнии может быть получен даже тогда, когда тип металлической сетки или металлической фольги, который используют традиционно, исключают и, следовательно, меры противодействия для устойчивости к молнии могут быть значительно сокращены. Кроме того, если на CFRP, наделенном проводимостью, предусмотрены сетка или фольга, то по сравнению с обычными примерами толщина фольги может быть уменьшена для достижения меньшего веса, в ситуациях, при которых обычно требуется металлическая фольга, может быть использована металлическая сетка, или металлическая сетка может быть заменена другой сеткой, имеющей больший размер ячейки. Соответственно, время и усилия, необходимые для работы с сеткой или фольгой, могут быть уменьшены или устранены. Кроме того, может быть снижено любое увеличение веса общей структуры, связанное с сеткой или фольгой.
[0037]
Другими словами, конструкционному материалу для сооружений в соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения придают проводимость за счет CFRP, таким образом, что, когда конструкционный материал для сооружений подвергается удару молнии, количество джоулевого тепла, генерируемого внутри материала, может быть уменьшено. В результате можно уменьшить вес, одновременно уменьшая время и усилия, необходимые в процессе производства, и обеспечивая подходящие характеристики сопротивления молнии.