JP2013059949A - Composite material structural body, and method for producing the same - Google Patents
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Abstract
Description
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。 The present invention relates to a composite material structure having a sandwich structure in which a core material is sandwiched between fiber reinforced resin skin materials and a method for manufacturing the same.
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。 A sandwich structure is known as a lightweight and high-strength material (see, for example, Patent Document 1). In the composite panel of Patent Document 1, a core portion (core material) made of a honeycomb structure is provided between a first layer (skin material) and a second layer (skin material) made of a composite laminate material. It is sandwiched. The core portion and the first and second layers are cured by the matrix resin, and the portions of the first layer and the second layer that do not sandwich the core portion are also laminated to each other and cured by the matrix resin. It has become.
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。 However, in a portion where the core portions of the first layer and the second layer are not sandwiched, particularly in a portion closest to the core portion, heat due to a difference in thermal expansion coefficient between the core portion and the first and second layers. Stress concentration occurs due to stress and external loads such as bending and impact. Then, cracks may occur in the resin between the cured first layer and the second layer (interlayer). Furthermore, if stress concentration due to thermal stress or external load continues to occur, the cracks may occur. There is a possibility that the first layer and the second layer are peeled off due to progress in a direction away from the core portion.
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。 An object of the present invention is to provide a composite material structure capable of suppressing the progress of cracks generated between skin materials and a method for manufacturing the same.
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。 In order to solve the above problems, the invention according to claim 1 is a composite material structure having a sandwich structure in which a core material is sandwiched between fiber reinforced resin skin materials, wherein the core material is both skin materials. The skin material is bonded to each other by a fiber reinforced resin bonding member at least at a part around the core material.
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。 The invention according to claim 4 is a method for producing a composite material structure having a sandwich structure in which a core material is sandwiched between skin materials made of fiber reinforced resin, and is for a skin that is a material of the skin material. The core material is sandwiched between fiber materials, and the skin fiber materials are bonded to each other at least part of the periphery of the core material by a bonding member fiber material, and the skin fiber material and the bonding member fiber material are impregnated and cured. Thus, the fiber material for skin and the fiber material for bonding member are used as fiber reinforced resin.
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。 According to this, the skin materials are in a state of being mechanically coupled by the coupling member in addition to curing by the resin. For this reason, thermal stress due to the difference in thermal expansion coefficient between the core material and skin material and stress concentration due to external load occur around the core material. Even if a crack to be generated occurs, the bonding between the skin materials is maintained by the bonding by the coupling member, and the skin material is prevented from peeling off. Therefore, by joining the skin materials with the joining member, it is possible to prevent the cracks generated between the skin materials from progressing in the direction away from the core material.
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。
Moreover, you may couple | bond the whole part in which the said core material of the said skin materials is not provided with the said coupling member.
According to this, even if a crack occurs at any position of the portion where the core material between the skin materials is not provided, the crack is difficult to progress due to the coupling by the coupling member.
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。 In addition, the coupling member is formed by impregnating a resin into a yarn fiber that stitches the skin materials together. According to this, since the skin materials are stitched together by the yarn fibers, even if the yarn fibers are impregnated with a resin and used as a fiber reinforced resin coupling member, the coupling member is difficult to come off from the skin material. It is easy to maintain the combined state.
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。 According to the present invention, it is possible to suppress the progress of cracks generated between skin materials.
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。
Hereinafter, an embodiment embodying the present invention will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 1A, the
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。
The
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。
As shown in FIGS. 1A and 1B, in the
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。
The laminated
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。
In the laminated
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。
The
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。
Next, a method for manufacturing the
First, the
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。
Next, the operation of the
In the
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。
According to the above embodiment, the following effects can be obtained.
(1) In the
(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。
(2) The
(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。
(3) At the time of manufacturing the
(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。
(4) In the lamination | stacking
(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。
(5) The
(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。
(6) When the
(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。
(7) Since the
In addition, you may change the said embodiment as follows.
○ 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。
As shown in FIG. 2, each
○ 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。
As shown in FIG. 3, the portion of the
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。
In this composite material structure, the pair of intermediate bodies and the connecting
○ 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。
As shown in FIG. 4A, in the
○ 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。
As shown in FIG. 4B, in the
In the embodiment, the entire
○ 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。
In the embodiment, when the coupling portion by the
○ 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。 ○ In the embodiment, the fiber material for the binding member stitches the fiber materials for skin together by securing both ends with the surface of each skin fiber material in a state of penetrating both skin fiber materials. Instead, the fiber material for a binding member may be stitched together in a meandering state in which the fiber material for a binding member is alternately folded on the surfaces of both skin fiber materials.
○ 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。
O In addition to the RTM method, an RFI (resin film infusion) method may be employed as a method of impregnating the fiber material for skin and the fiber material for the binding member with the matrix resin.
O The
○ 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。
In the embodiment, a honeycomb structure is adopted as the
O The method of sewing the fiber material for skin with the fiber material for the binding member may be any sewing method, for example, sewing or hand sewing.
○ 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。 ○ In the embodiment, the skin fiber material is embodied as a skin fiber fabric, but the fiber layer is formed by fibers arranged in a straight line instead of the fabric, and the fiber layer is laminated. May be.
○ 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。 ○ In the embodiment, the fiber material for the coupling member made of yarn fiber is embodied as the coupling member, and the skin fiber material is stitched with the fiber material for the coupling member, but the rod-like material in which the fiber is impregnated with the matrix resin as the coupling member It may be embodied in a pin.
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。
Next, the technical idea that can be grasped from the above embodiment and other examples will be described below.
(A) The joint member is a composite material structure according to any one of claims 1 to 3, wherein the skin members are joined to each other at equal intervals at a plurality of locations.
(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。 (B) The coupling member is a Z pin of a fiber reinforced resin. The composite material structure according to any one of claims 1 to 3 and a technical idea (a).
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。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
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。 In a composite material structure having a sandwich structure in which a core material is sandwiched between skin materials of fiber reinforced resin,
The core material is provided in a part of both skin materials,
A composite material structure characterized in that the skin materials are bonded to each other by a fiber-reinforced resin bonding member in at least a part around the core material.
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。 A method for producing a composite material structure having a sandwich structure in which a core material is sandwiched between skin materials of fiber reinforced resin,
Sandwiching the core material with a skin fiber material that is a material of the skin material,
The fiber materials for skin are bonded to each other by a fiber material for a binding member in at least a part around the core material,
A method for producing a composite material structure, comprising impregnating and curing a resin in the fiber material for skin and the fiber material for bonding member, and using the fiber material for skin and the fiber material for bonding member as a fiber reinforced resin.
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