JP2023073774A - 複合材料構造体及び複合材料構造体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エッジグローの発生を適切に防止すること。【解決手段】複合材料構造体は、炭素繊維と樹脂を含む複合材料と、複合材料の少なくともエッジ部の表面に形成されたカーボンナノファイバを含む導電性プライマと、導電性プライマの表面に形成された導電材料を含む導電性シーラントと、を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、複合材料構造体及び複合材料構造体の製造方法に関する。

炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：Carbon Fiber Reinforced Plastic）等の複合材において、落雷時に部品端部の切り欠き面（エッジ）からエッジグローと呼ばれる火花の発生を防止する技術が知られている。例えば、特許文献１には、絶縁性のシーラントの代わりに、導電性を有するコーティング材を塗布することで、エッジグローの発生を防止する技術が開示されている。

特許第６７２２９８５号公報

特許文献１では、カーボンナノチューブや金属ナノワイヤなどの導電性材料を含む導電性のコーティング剤をＣＦＲＰの複合構造体の表面に薄く塗布することでエッジグローの発生を防止している。しかしながら、導電性材料が金属ナノワイヤである場合、金属ナノワイヤと、ＣＦＲＰの炭素繊維との電位差により電食などの腐食が発生する可能性がある。また、導電性材料がカーボンナノチューブである場合、分散性が低いため、塗装の作業性が悪化したり導電率にムラが生じたりする可能性がある。

そこで、本開示は、エッジグローの発生を適切に防止することのできる複合材料構造体及び複合材料構造体の製造方法を提供することを課題とする。

本開示の複合材は、炭素繊維と樹脂を含む複合材料と、前記複合材料の少なくともエッジ部の表面に形成されたカーボンナノファイバを含む導電性プライマと、前記導電性プライマの表面に形成された導電材料を含む導電性シーラントと、を備える。

本開示の複合材の製造方法は、炭素繊維と樹脂を含む複合材料の少なくともエッジ部の表面にブラスト処理を施すステップと、前記複合材料のブラスト処理が施された領域にカーボンナノファイバを含む導電性プライマを塗布するステップと、前記導電性プライマの表面に導電材料を含む導電性シーラントを塗布するステップと、を含む。

本開示によれば、エッジグローの発生を適切に防止することができる。

図１は、実施形態に係る複合材料構造体の断面の一例を模式的に示す図である。 図２は、実施形態の変形例に係る複合材料構造体の断面の一例を模式的に示す図である。 図３は、実施形態に係る複合材料構造体の製造方法の流れの一例を示すフローチャートである。

以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能であり、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせることも可能である。

［実施形態］
図１を用いて、実施形態に係る複合材料構造体の一例について説明する。図１は、実施形態に係る複合材料構造体の断面の一例を模式的に示す図である。

図１に示すように、実施形態に係る複合材料構造体１は、複合材料１０と、導電性プライマ１２と、導電性シーラント１４と、を含む。複合材料構造体１は、例えば、航空機、車両、船舶などの胴体に適用され得るが、その他の構造物に適用されてもよい。

複合材料１０は、炭素繊維と、樹脂とを含む。複合材料１０は、例えば、ＣＦＲＰなどの炭素繊維強化プラスチックである。複合材料１０が含む樹脂は、例えば、エポキシ樹脂である。複合材料１０が含む樹脂は、エポキシ樹脂に限定されず、ポリエステル樹脂、およびビニルエステル樹脂などの熱硬化性樹脂であってもよい。また、複合材料１０が含む樹脂は、熱硬化性樹脂に限定されず、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）樹脂、ＰＥＩ（ポリエーテルイミド）樹脂、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルファイド）樹脂などの熱可塑性樹脂であってもよい。複合材料１０は、導電性プライマ１２が形成されている領域において、炭素繊維が露出するように、サンディングなどのブラスト処理が施されている。

導電性プライマ１２は、複合材料１０の表面に形成されている、導電性のプライマである。導電性プライマ１２は、例えば、複合材料の表面のサンディングが施され炭素繊維が露出している領域に形成されている。導電性プライマ１２は、複合材料１０の積層したプリプレグ各層の炭素繊維が露出する部分、例えばエッジ部や切断加工部に形成される。エッジ部に導電層を形成する理由は、エッジグローの発生が、複合材料１０のプリプレグ各層間の導電性が乏しいため、層間電位差が大となり絶縁破壊することが要因のためである。その解決手段として、導電性プライマ１２の形成により、プリプレグ各層間の導通を確保し電位差解消を図っている。導電性プライマ１２は、例えば、少なくとも複合材料１０のエッジ部１０ａを含む範囲に形成されている。図１に示す例では、導電性プライマ１２は、複合材料１０の上面から下面にわたってエッジ部１０ａを含む。導電性プライマ１２は、例えば、エポキシ樹脂で形成されているが、これに限定されない。導電性プライマ１２の樹脂を、複合材料１０の樹脂と同系統にすることで、導電性プライマ１２を複合材料１０に対して良好に接着させることができる。本実施形態では、導電性プライマ１２の樹脂と、複合材料１０の樹脂とを、同系統の樹脂の中から任意に組み合わせて選択してもよい。導電性プライマ１２は、導電材料を含む。本実施形態において、導電性プライマ１２に含まれる導電材料は、カーボンナノファイバ（ＣＮＦ：Carbon Nano Fiber）である。

本実施形態において、カーボンナノファイバは、例えば、直径が３０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の炭素繊維のことを意味する。カーボンナノファイバは、例えば、長さが０．２μｍ以上７０μｍ以下である。具体的には、カーボンナノファイバは、例えば、長さが０．２μｍ以上７０μｍ以下の範囲に、導電性プライマ１２に含まれる全カーボンナノファイバのうち、５０個数％以上が分布しているカーボンナノファイバ群を形成していることが好ましい。

導電性プライマ１２の膜厚は、例えば、２０μｍ以上１００μｍ程度であるが、これに限定されない。導電性プライマ１２の電気伝導率は、１０^３ジーメンス／メートル程度であるが、これに限定されない。導電性プライマ１２の電気伝導率は、例えば、複合材料１０に含まれる炭素繊維の電気伝導率以下であることが好ましい。

カーボンナノファイバを含む導電性プライマ１２は、従来のカーボンナノチューブを含む導電性プライマに比べて、分散性が高い。このため、カーボンナノファイバを含む導電性プライマ１２を使用することにより、複合材料１０の表面に導電性プライマ１２を塗布する工程の作業性が向上する。また、複合材料１０に含まれる炭素繊維と、導電性プライマ１２に含まれるカーボンナノファイバは、それぞれ、炭素であるので、炭素繊維と、カーボンナノファイバとの間の電位差は小さい。そのため、複合材料１０と、導電性プライマ１２との間において、電食の発生を抑制することができる。

導電性シーラント１４は、導電性プライマ１２の表面に形成されている、導電性のシーラントである。すなわち、本実施形態では、複合材料構造体１は、導電性の材料で二層にコーティングされている。導電性シーラント１４は、導電材料を含む。導電性シーラント１４は、例えば、周知のシーラントに導電材料を含有させることで実現することができる。シーラントは、例えば、導電性プライマ１２との接着性が良好なものを選択すればよい。これにより、導電性シーラント１４を導電性プライマ１２に対して良好に接着させることができる。本実施形態において、導電性シーラント１４に含まれる導電材料は、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバであるが、これに限定されない。

導電性シーラント１４の膜厚は、例えば、導電性プライマ１２の膜厚が２０μｍ以上１００μｍ程度である場合には、１ｍｍ程度である。すなわち、導電性シーラント１４は、導電性プライマ１２よりも厚い。導電性シーラント１４は、導電性プライマ１２と比べて電気伝導率が低いため、導電性プライマ１２よりも厚くすることで、適切な電気伝導率に設定する。具体的には、導電性シーラント１４の電気伝導率は、導電性プライマ１２の電気伝導率が１０^３ジーメンス／メートルである場合には、１０^３ジーメンス／メートル以下である。すなわち、導電性シーラント１４の電気伝導率は、導電性プライマ１２の電気伝導率と同じ値または低い値とする。

通常、導電性シーラント１４は、複合材料１０との密着性が低いため、複合材料１０の表面に直接形成すると、複合材料１０から剥がれてしまう可能性がある。そこで、本実施形態では、導電性プライマ１２を下地とすることで、複合材料１０から導電性シーラント１４が剥離することを抑え、これにより複合材料１０と、導電性シーラント１４との間の電気的な接続を適切に維持することができる。これにより、本実施形態では、導電性シーラント１４の電気伝導率が、導電性プライマ１２の電気伝導率と同じ値または低い値をとるため、表皮効果が表れることを抑えることができ、導電性シーラント１４の内側の導電性プライマ１２に電流を留めやすくなるので、導電性シーラント１４の表面からのスパークを生じにくくなるので、エッジグローの発生を防止することができる。すなわち、本実施形態では、複合材料１０に含まれる炭素繊維、導電性プライマ１２、導電性シーラント１４の順に電気伝導率は低い。

なお、導電性シーラント１４の表面には、複合材料構造体１を外部環境から保護するための、コーティング材が形成されていてもよい。

複合材料構造体１では、導電性プライマ１２と、導電性シーラント１４との二層構造を有している。これにより、コーティングとしての厚みが増すので、信頼性が向上する。また、導電性プライマ１２に過電流が流れて、導電性プライマ１２が剥離または破壊された場合であっても、導電性シーラント１４が導電性プライマ１２の飛散を防止することができる。

［実施形態の変形例］
図２を用いて、実施形態の変形例に係る複合材料構造体の一例について説明する。図２は、実施形態の変形例に係る複合材料構造体の断面の一例を模式的に示す図である。

図２に示すように、実施形態の変形例に係る複合材料構造体１Ａは、複合材料１０と、導電性プライマ１２と、導電性シーラント１４と、を含む。

図２に示すように、複合材料構造体１Ａは、導電性シーラント１４が複合材料１０のエッジ部１０ａのみに形成されている点で、図１に示す複合材料構造体１とは異なる。複合材料構造体１Ａのように、導電性シーラント１４をエッジグローが発生しやすいエッジ部１０ａのみに形成することでも、エッジグローの発生を防止することができる。すなわち、本開示においては、導電性シーラント１４は、少なくともエッジ部１０ａに形成することで、エッジグローの発生を防止することができる。

図１及び図２に示す例において、複合材料１０のエッジ部１０ａは、Ｚ軸方向に平行なものとして示しているが、本開示はこれに限定されない。エッジ部１０ａは、Ｚ軸方向に対して斜めであってもよい。エッジ部１０ａがＺ軸方向に対して斜めであっても、エッジ部１０ａの表面に導電性プライマ１２を形成し、導電性プライマ１２の表面に導電性シーラント１４を形成することで、エッジグローの発生を抑制することができる。

［複合材料構造体の製造方法］
図３を用いて、実施形態に係る複合材料構造体の製造方法について説明する。図３は、実施形態に係る複合材料構造体の製造方法の流れの一例を示すフローチャートである。

まず、複合材料構造体１に使用する、複合材料１０を用意する（ステップＳ１０）。そして、ステップＳ１２に進む。

次いで、複合材料１０に対して、前処理を施す（ステップＳ１２）。具体的に、複合材料１０において、少なくともエッジ部１０ａを含む導電性プライマ１２を形成する領域に対してサンディングを施して樹脂を除去し、複合材料１０に含まれる炭素繊維を露出させる。そして、ステップＳ１４に進む。

次いで、複合材料１０において、サンディングを施した領域に導電性プライマ１２を形成する（ステップＳ１４）。具体的には、サンディングを施した領域にスプレー塗装やエアレス塗装により導電性プライマ１２を塗布する。本実施形態では、導電性プライマ１２に含まれている導電材料は、分散性に優れるカーボンナノファイバを使用している。そのため、本実施形態に係る導電性プライマ１２は、導電材料の沈降が少ないので塗料調合が容易であり、スプレー塗布の際にはノズル詰まりが発生しにくく、またタレ性も良好である。さらに、導電性プライマ１２は、分散性に優れるプライマのため、塗装ムラが少なく、安定した電気導電率を実現できる。また、ステップＳ１４では、エアレス塗装により導電性プライマ１２を複合材料１０に塗布することで、導電性プライマ１２をより厚く形成することができる。導電性プライマ１２を厚く形成することで、信頼性を向上させることができる。そして、ステップＳ１６に進む。

次いで、複合材料１０に塗布した導電性プライマ１２を乾燥させる（ステップＳ１６）。ステップＳ１６においては、周知の方法を用いて、導電性プライマ１２を乾燥させればよい。そして、ステップＳ１８に進む。

次いで、導電性プライマ１２の膜厚及び電気抵抗を計測する（ステップＳ１８）。具体的には、導電性プライマ１２の膜厚及び電気抵抗が、予め定めた基準値を満たすか否かを判定するために、導電性プライマ１２の膜厚及び電気抵抗を計測する。膜厚は、例えば、導電性プライマ１２の複数個所について計測するとよい。電気抵抗については、例えば、導電性プライマ１２の任意の２点間の電気抵抗を複数個所で測定するとよい。そして、ステップＳ２０に進む。

次いで、導電性プライマ１２の表面に導電性シーラント１４を形成する（ステップＳ２０）。具体的には、例えば、シーラントガンなどで導電性プライマ１２の表面に導電性シーラント１４を吐出することで、導電性プライマ１２の表面に導電性シーラント１４を形成する。すなわち、本実施形態では、複合材料１０に対して導電性プライマ１２と、導電性シーラント１４との二層のコーティング材を形成する。そして、ステップＳ２２に進む。

次いで、導電性プライマ１２の表面に形成した導電性シーラント１４を乾燥させる（ステップＳ２２）。ステップＳ２２においては、周知の方法を用いて、導電性シーラント１４を乾燥させる。そして、ステップＳ２４に進む。

次いで、導電性シーラント１４の膜厚及び電気抵抗を計測する（ステップＳ２４）。具体的には、導電性シーラント１４の膜厚及び電気抵抗が、予め定めた基準値を満たすか否かを判定するために、膜厚及び電気抵抗を計測する。膜厚は、例えば、導電性プライマ１２の複数個所について計測するとよい。電気抵抗については、例えば、導電性プライマ１２の任意の２点間の電気抵抗を複数個所で測定するとよい。そして、図３の処理を終了する。

本実施形態に記載の複合材料構造体または複合材料構造体の製造方法は、例えば、以下のように把握される。

第１の態様の複合材料構造体は、炭素繊維と樹脂を含む複合材料１０と、複合材料１０の少なくともエッジ部１０ａの表面に形成されたカーボンナノファイバを含む導電性プライマ１２と、導電性プライマ１２の表面に形成された導電材料を含む導電性シーラント１４と、を備える。

第１の態様の複合材料構造体は、複合材料１０の表面に形成されたカーボンナノファイバを含む導電性プライマ１２と、導電性プライマ１２の表面に形成された導電性シーラントとの二層構造を有する。これにより、第１の態様の複合材料構造体は、エッジグローの発生を抑制すると共に、複合材料１０と、導電性プライマ１２との間において電食の発生を抑制することができる。また、第１の態様の複合材料構造体は、コーティング材として導電性プライマ１２と、導電性シーラント１４との二層構造を有しているので、信頼性を向上させることができる。

第２の態様の複合材料構造体は、複合材料１０は、導電性プライマ１２との接触面において、炭素繊維が露出している。

第２の態様の複合材料構造体は、複合材料１０の炭素繊維と、導電性プライマ１２とを適切に電気的に接続することができる。これにより、第２の態様の複合材料構造体は、エッジグローの発生をより適切に抑制することができる。

第３の態様の複合材料構造体は、導電性プライマ１２は、複合材料１０の樹脂と同系統の樹脂を含む。

これにより、第３の態様の複合材料構造体は、導電性プライマ１２を複合材料１０に対して良好に接着させることができる。

第４の態様の複合材料構造体は、カーボンナノファイバは、直径が３０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。

これにより、第４の態様の複合材料構造体は、分散性が良好であり、かつ複合材料１０との間において電食の発生を抑制することのできる導電性プライマ１２を実現することができる。

第５の態様の複合材料構造体は、カーボンナノファイバは、導電性プライマ１２において、長さが０.２μｍ以上７０μｍ以下の範囲に全体の５０個数％が分布しているカーボンナノファイバ群を形成している。

これにより、第５の態様の複合材料構造体は、分散性が良好であり、かつ複合材料１０との間において電食の発生を抑制することのできる導電性プライマ１２を実現することができる。

第６の態様の複合材料構造体は、導電性プライマ１２の電気伝導率及び導電性シーラント１４の電気伝導率は、炭素繊維の電気伝導率よりも低い。

これにより、第６の態様の複合材料構造体は、導電性プライマ１２及び導電性シーラント１４に電流が集中して流れてしまうことを防止することができるので、信頼性を向上させることができる。

第７の態様の複合材料構造体は、導電性シーラント１４の電気伝導率は、導電性プライマ１２の電気伝導率以下である。

これにより、第７の態様の複合材料構造体は、表皮効果の発生を抑制することができるので、信頼性を向上させることができる。

第８の態様の複合材料構造体は、導電性シーラント１４の厚みは、導電性プライマ１２の厚みよりも厚い。

これにより、第８の態様の複合材料構造体は、導電性シーラント１４の電気伝導率を適切に設定することができるので、エッジグローの発生をより適切に抑制することができる。

第９の態様の複合材料構造体の製造方法は、炭素繊維と樹脂を含む複合材料１０の少なくともエッジ部１０ａの表面にブラスト処理を施すステップと、複合材料１０のブラスト処理が施された領域にカーボンナノファイバを含む導電性プライマ１２を形成するステップと、前記導電性プライマの表面に導電材料を含む導電性シーラントを形成するステップと、を含む。

これにより、第９の態様の複合材料構造体の製造方法は、複合材料１０の表面に形成されたカーボンナノファイバを含む導電性プライマ１２と、導電性プライマ１２の表面に形成された導電性シーラントとの二層構造を有する複合構造体を製造することができる。これにより、第９の態様の複合材料構造体の製造方法は、エッジグローの発生を抑制すると共に、複合材料１０と、導電性プライマ１２との間において電食の発生を抑制することができる複合材料構造体を得ることができる。また、第９の態様の複合材料構造体の製造方法は、コーティング材として導電性プライマ１２と、導電性シーラント１４との二層構造を有しているので、信頼性を向上させた複合材料構造体を得ることができる。

以上、本開示の実施形態を説明したが、これら実施形態の内容により本開示が限定されるものではない。また、前述した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、前述した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。さらに、前述した実施形態の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。

１，１Ａ 複合材料構造体
１０ 複合材料
１２ 導電性プライマ
１４ 導電性シーラント

Claims (9)

1. 炭素繊維と樹脂を含む複合材料と、
   前記複合材料の少なくともエッジ部の表面に形成されたカーボンナノファイバを含む導電性プライマと、
   前記導電性プライマの表面に形成された導電材料を含む導電性シーラントと、
   を備える、複合材料構造体。
2. 前記複合材料は、前記導電性プライマとの接触面において、前記炭素繊維が露出している、
   請求項１に記載の複合材料構造体。
3. 前記導電性プライマは、前記複合材料の樹脂と同系統の樹脂を含む、
   請求項１または２に記載の複合材料構造体。
4. 前記カーボンナノファイバは、直径が３０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の複合材料構造体。
5. 前記カーボンナノファイバは、前記導電性プライマにおいて、長さが０.２μｍ以上７０μｍ以下の範囲に全体の５０個数％が分布しているカーボンナノファイバ群を形成している、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の複合材料構造体。
6. 前記導電性プライマの電気伝導率及び前記導電性シーラントの電気伝導率は、前記炭素繊維の電気伝導率よりも低い、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の複合材料構造体。
7. 前記導電性シーラントの電気伝導率は、前記導電性プライマの電気伝導率以下である、
   請求項１から６のいずれか１項に記載の複合材料構造体。
8. 前記導電性シーラントの厚みは、前記導電性プライマの厚みよりも厚い、
   請求項１から７のいずれか１項に記載の複合材料構造体。
9. 炭素繊維と樹脂を含む複合材料の少なくともエッジ部の表面にブラスト処理を施すステップと、
   前記複合材料のブラスト処理が施された領域にカーボンナノファイバを含む導電性プライマを形成するステップと、
   前記導電性プライマの表面に導電材料を含む導電性シーラントを形成するステップと、
   を含む、複合材料構造体の製造方法。

Images