JP5852255B2 - 構造体用構造材、燃料タンク、主翼及び航空機 - Google Patents

Description

本発明は、炭素繊維強化プラスチックを用いた構造体用構造材、燃料タンク、主翼及び航空機に関するものである。

航空機の主翼は、燃料を収容することが可能な燃料タンクとして使用される場合がある。主翼と一体化し、翼構造を油が漏れない液密構造とした燃料タンクは、インテグラルタンクと呼ばれる。インテグラルタンクは、重量軽減を目的として、複合材、例えば炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）が適用される傾向にある。ＣＦＲＰは、補強材として炭素繊維が用いられ、マトリックスとして合成樹脂が用いられる。

特許文献１では、３次元繊維強化樹脂複合材の発明であって、生産性を損なうことなく、繊維強化樹脂複合材に導電性を付与するため、耳糸が面内方向糸より導電性の高い導電性材料から構成される技術が開示されている。また、特許文献２では、プリプレグ及び炭素繊維強化複合材料の発明であって、優れた耐衝撃性と導電性とを兼ね備えることを目的として、導電性の粒子又は繊維を含ませる技術が開示されている。更に、特許文献３では、改良型複合材料の発明であって、導電性を有し、標準の複合材料と比較してほとんど又は全く重量増加させないことを目的として、高分子樹脂中に分散した導電性粒子を含ませる技術が開示されている。

特開２００７−３０１８３８号公報 特開２０１０−２８０９０４号公報 特開２０１１−１６８７９２号公報

ところで、航空機の燃料タンクにおいて、ＣＦＲＰが使用されている場合、ＣＦＲＰ部品の表面、特に切削加工によって形成された切削面で、炭素繊維の端部が微少であるが燃料タンクの内部に露出する。

この場合、主翼への着雷時に、雷電流がＣＦＲＰ部品の表面又は切削面を流れると、炭素繊維の端部において、炭素繊維間で放電が発生するおそれがある。この放電対策として、ＣＦＲＰ部品の表面又は切削面にシーラントなどを塗布し、放電によって発生したスパークを内部に封じ込める方法が採用されている。しかし、放電によるスパークを封じ込めるためには、シーラントの厚みを確保する必要があり、燃料タンクの製造工程は、作業時間やコストが増加する。また、厚く塗布されたシーラントによって、主翼の重量が増える。

さらに、シーラント塗布による方法では、所定のシーラント厚さを確保できたとき、スパーク封じ込め能力を発揮するため、厚さに関する品質管理が厳密に要求される。そのため、品質検査時間が大幅にかかったり、コストが増加したりする。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、製造工程における作業時間やコストを低減し、重量の増加を防止することが可能な構造体用構造材、燃料タンク、主翼及び航空機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の構造体用構造材、燃料タンク、主翼及び航空機は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係る構造体用構造材は、補強材が炭素繊維を含み、マトリックスがプラスチックを含む炭素繊維強化プラスチックを備え、前記炭素繊維強化プラスチックの表面に、導電性が付与されている低粘度の表面保護材が塗布されたことを特徴とする。

この発明によれば、炭素繊維強化プラスチックは、補強材が炭素繊維を含み、マトリックスがプラスチックを含んでおり、炭素繊維強化プラスチックの表面に塗布された表面保護材は、導電性が付与され、かつ、低粘度である。表面に導電性の表面保護材が塗布されていることから、着雷時に雷電流が流れても、表面に存在する炭素繊維先端間において導通が確保され、炭素繊維先端間における放電の発生を防止できる。また、表面保護材は低粘度であることから、塗布性が良く、表面にて高い密着度で塗布される。さらに、表面保護材は、スパークを封じ込めるシーラント等と異なり、炭素繊維先端間の導通性を確保すればよいため、シーラント塗布に比べて厚さを薄くすることができ、かつ、塗布厚さの品質管理を緩和できる。

上記発明において、前記マトリックスは導電性が付与されてもよい。
この発明によれば、炭素繊維強化プラスチックのマトリックスに導電性が付与されているため、炭素繊維である補強材間の導通が確保され、構造部材の端部における放電の発生を防止できる。

上記発明において、体積抵抗率は0.5Ωcm以下でもよい。
この発明によれば、構造体用構造材の体積抵抗率が0.5Ωcm以下であることから、体積抵抗率が高い場合に比べて、スパーク発生電流値が高くなり、スパークが発生しにくい。

また、本発明に係る燃料タンクは、上述の構造体用構造材を備え、前記表面に前記表面保護材が塗布された塗布面は、燃料が収容される内部に面している。
この発明によれば、燃料タンクの構造体用構造材において、表面保護材の塗布面が、燃料が収容される内部に面していたとしても、表面保護材に導電性が付与されているため、炭素繊維先端間の導通が確保され、炭素繊維強化プラスチックの端部における放電の発生を防止できる。

また、本発明に係る主翼は、上述の燃料タンクを構造体とする。
この発明によれば、主翼の構造体が燃料タンクであり、燃料タンクの構造体用構造材は、炭素繊維強化プラスチックである。そして、炭素繊維強化プラスチックの表面に導電性の表面保護材が塗布されていることから、着雷時に雷電流が流れても、表面に存在する炭素繊維先端間において導通が確保され、炭素繊維先端間における放電の発生を防止できる。

また、本発明に係る航空機は、上述の主翼を備える。
この発明によれば、航空機の主翼は、構造体が燃料タンクであり、燃料タンクの構造体用構造材は、炭素繊維強化プラスチックである。そして、炭素繊維強化プラスチックの表面に導電性の表面保護材が塗布されていることから、着雷時に雷電流が流れても、表面に存在する炭素繊維先端間において導通が確保され、炭素繊維先端間における放電の発生を防止できる。

本発明によれば、炭素繊維強化プラスチックの表面に塗布された表面保護材に導電性が付与されているため、炭素繊維強化プラスチックの表面にて、炭素繊維である補強材間の導通が確保され、構造部材の端部において補強材間の放電の発生を防止でき、製造工程における作業時間やコストを低減し、重量の増加を防止することができる。

本発明の一実施形態に係る主翼を示す斜視図であり、一部を破断して示す。 同実施形態に係る主翼を示す縦断面図である。 同実施形態に係るリブのフランジを示す端面図であり、図５のIII−III線矢視図である。 同実施形態に係る上側スキン及びリブを示す部分縦断面図であり、図２のIV−IV線で切断した断面図である。 同実施形態に係るリブのフランジを示す上面図である。 従来のリブのフランジを示す上面図である。 相対スパーク発生電流［％］と試験体の体積抵抗率［Ωcm］との関係を示すグラフである。

以下に、本発明に係る実施形態について、図面を参照して説明する。
まず、本実施形態に係る航空機の主翼１の構成について説明する。
主翼１は、図１及び図２に示すように、上側スキン３と、下側スキン５と、前側スパー７と、後側スパー９と、複数のリブ１１などを備える。
上側スキン３及び下側スキン５は、主翼１の外形を構成し、空力面も兼ねる薄板である。上側スキン３及び下側スキン５は、前側スパー７、後側スパー９及びストリンガ（図示せず。）と共に主翼１に作用する引っ張り荷重や、圧縮荷重の一部を受け持つ。

前側スパー７及び後側スパー９は、図１に示すように、主翼１の翼長方向に延設される構造部材であって、上側スキン３及び下側スキン５との間に配置される。複数のストリンガは、上側スキン３又は下側スキン５の内側面に主翼１の翼長方向に延設される補助部材であって、前側スパー７と後側スパー９との間に配置される。

リブ１１は、図１に示すように、主翼１の翼幅方向に設けられる構造部材であって、上側スキン３及び下側スキン５の間に配置される。すなわち、リブ１１は、前側スパー７及び後側スパー９と略直交する方向に延設される構造部材であって、主翼１の縦断面形状に形成された板状の部材である。リブ１１には、図１や図２に示すように、長手方向に複数の開口部１４が形成されている。

主翼１では、前側スパー７、後側スパー９、上側スキン３及び下側スキン５で囲まれた部分が燃料を収容する燃料タンク１３として用いられる。燃料タンク１３は、機体構造物自体が容器とされており、インテグラルタンク（integral tank）と呼ばれている。そして、前側スパー７、後側スパー９、上側スキン３、下側スキン５及びリブ１１は、燃料タンク１３の構造部材でもある。燃料タンク１３は、燃料が外部に漏れない液密構造を有する。

燃料タンク１３の内側には、燃料を燃料タンク１３へ供給する燃料配管（図示せず。）、燃料油量を検出する複数の燃料油量計（図示せず。）、及び燃料油量計の配線（図示せず。）などが設置される。

次に、燃料タンク１３の構造部材について説明する。
燃料タンク１３の構造部材、すなわち、前側スパー７、後側スパー９、上側スキン３、下側スキン５及びリブ１１は、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）が用いられる。そして、燃料タンク１３に適用される本実施形態のＣＦＲＰは、図３に示すように、補強材１５が炭素繊維を含み、マトリックス１７がプラスチックを含む。図３では、リブ１１について示しているが、他の部材についても同様である。

なお、燃料タンク１３において、前側スパー７、後側スパー９、上側スキン３、下側スキン５及びリブ１１の全てをＣＦＲＰで形成しなくてもよく、部分的にアルミニウム合金等の金属で形成されてもよい。

マトリックス１７は、例えば、不飽和ポリエステル、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂等のプラスチックを含む。

燃料タンク１３のＣＦＲＰによる構造部材は、燃料が収容される燃料タンク１３の内部において、切削加工によって形成された切削面等が形成され、その切削面等には表面保護材１８（図５参照）が塗布されている。例えば、図４に示すように、リブ１１がフランジ１１Ａとウェブ１１Ｂ等からなる場合、フランジ１１Ａの端部における切削面１１ａにおいて表面保護材１８が塗布される。表面保護材１８が塗布された面は、燃料タンク１３の内部に面している。表面保護材１８は、切削加工によって形成された切削面のほか、孔明け加工面、ウォータージェット加工面などのＣＦＲＰ部品の表面に塗布される。

表面保護材１８は、導電性を有するプライマ又は塗料等である。表面保護材１８に導電性を付与する方法は、プライマ又は塗料等に対して導電性を付与する様々な技術を適用することができ、本明細書では詳細な説明を省略する。表面保護材１８に導電性を付与する方法としては、例えば、例えばフィラーにニッケルを用いる方法がある。

また、表面保護材１８は、粘度が低粘度である。これにより、表面保護材１８の塗布性が良く、ＣＦＲＰ部品の表面にて高い密着度で塗布される。すなわち、表面保護材１８がＣＦＲＰ部品の表面から浮いてしまうことを防止できる。なお、表面保護材１８の塗り残しなどを防止し、塗布を確実にするため、表面保護材１８の色をＣＦＲＰ部品と異なる色（例えばオレンジ色）などにしてもよい。これにより、目視で表面保護材１８の塗布の有無を確認できる。表面保護材１８の塗布は、ＣＦＲＰ部品への塗布後、室温にて１週間程度放置して乾燥することで完了する。

表面保護材１８によってＣＦＲＰ部品の表面に導電性が付与されているため、表面又は切削面１１ａが燃料タンク１３の内部に面していたとしても、補強材１５間の導通が確保され、構造部材の切削面１１ａにおける補強材１５間の放電の発生を防止できる。

なお、本実施形態は、ＣＦＲＰによる構造部材の表面にプライマとして帯電防止塗料を塗布することによって、帯電を防止しながら、電解的作用による腐食を防止する技術とは異なり、ＣＦＲＰによる構造部材の表面の導通を確保することによって、ＣＦＲＰに大電流が流れたとき（例えば着雷時）、炭素繊維を含む補強材１５の端部間に生じるスパークを電気的導通によって抑える技術である。

図６に示すように、主翼１のリブ１１への着雷時に、着雷地点Ｐから雷電流ＣがＣＦＲＰ部品の表面又は切削面１１ａを流れる際、補強材１５の端部において、補強材１５間で放電Ｄが発生するおそれがある。
従来、この放電対策として、図６に示すようにＣＦＲＰ部品の表面又は切削面１１ａにシーラント１２を塗布し、放電によって発生したスパークを内部に封じ込める方法が採用されている。しかし、放電によるスパークを封じ込めるためには、シーラント１２の厚みを確保する必要があり、燃料タンク１３の製造工程は、作業時間やコストが増加する。また、厚く塗布されたシーラント１２によって、主翼１の重量が増える。さらに、シーラント１２を塗布する方法では、シーラント１２の所定の厚さを確保できたとき、スパーク封じ込め能力を発揮するため、厚さに関する品質管理が厳密に要求される。そのため、品質検査時間が大幅にかかったり、コストが増加したりする。

これに対して、本実施形態によれば、ＣＦＲＰ部品の表面又は切削面１１ａに塗布された表面保護材１８は、導電性が付与され、かつ、低粘度である。表面又は切削面１１ａに導電性の表面保護材１８が塗布されていることから、着雷地点Ｐから雷電流ＣがＣＦＲＰ部品の表面又は切削面１１ａを流れても、ＣＦＲＰ部品の表面又は切削面１１ａに存在する補強材１５の端部間において導通が確保され、補強材１５の端部間における放電の発生を防止できる。また、表面保護材１８は低粘度であることから、塗布性が良く、表面又は切削面１１ａにて高い密着度で塗布される。さらに、表面保護材１８は、スパークを封じ込めるシーラント１２と異なり、補強材１５の端部間の導通性を確保すればよいため、シーラント１２の塗布に比べて厚さを薄くすることができ、かつ、塗布厚さの品質管理を緩和できる。その結果、塗布作業にかかる作業時間の短縮化や重量の低減化を図ることができ、品質検査時間も大幅に削減できる。また、これらにより、コスト削減が可能となる。

発明者らは、表面保護材１８について、導電率が0.36Ωcmであって硬化時間が５時間である表面保護材Ａと、導電率は不明であるが導電性が付与され硬化時間が３６時間である表面保護材Ｂを用いて、エッジグロー評価試験を行った。エッジグロー評価試験は、表面保護材Ａ，Ｂを塗布した試験体に対して電圧を印加し、スパークが発生し始めるときの電流値（スパーク発生電流値）を測定する。スパーク発生電流値が大きいほど、スパークが発生しにくいといえる。また、表面保護材Ａ，Ｂの硬化時間が短いほど、粘性が低い。スパーク発生電流値は、表面保護材Ａでは、5kAであり、表面保護材Ｂでは、30kAであった。いずれもスパーク発生電流値が大きく、スパークが発生しにくいという結果が得られた。

次に、図７を参照して、本実施形態に係る試験体について、耐雷試験を実施した結果について説明する。耐雷試験の試験方法としては、SAE internationalのARP5412A（Aircraft Lightning Environment and Related Test Waveforms）に準拠したコンポーネントＡ波形の電流を、ARP5416（Aircraft Lightning Test Methods）に準拠したConducted Entryにて試験体に印加する方法を採用した。そして、ARP5416に準拠してカメラにてスパークを確認した。

図７は、相対スパーク発生電流［％］と試験体の体積抵抗率［Ωcm］との関係を示している。試験体の体積抵抗率の異なる複数の試験体に対して耐雷試験を実施した結果、図７に示す結果が得られた。図７では、複数の試験体のうち体積抵抗率が最大の試験体のスパーク発生電流値を100％としたときの他の試験体のスパーク発生電流を割合で示している。

試験結果によれば、体積抵抗率が0.5Ωcm以下であれば、本実施形態に係る試験体は、体積抵抗率が約3Ωcmの試験体に比べて、スパーク発生電流が約２倍以上となることが分かる。
すなわち、体積抵抗率が0.5Ωcm以下である本実施形態に係る試験体では、体積抵抗率が高い試験体に比べて、よりスパークが発生しにくいことが確認された。

上述した本実施形態において、ＣＦＲＰのマトリックス１７は、導電性が低くてもよいが、マトリックス１７に導電性を付与することにより、燃料タンク１３の構造部材に用いられるＣＦＲＰが導電性を有するようにしてもよい。

マトリックス１７に導電性を付与する方法は、熱硬化性樹脂等のプラスチックに対して導電性を付与する様々な技術を適用することができ、本明細書では詳細な説明を省略する。マトリックス１７に導電性を付与する方法としては、例えば、プラスチック内に導電性の粒子又は繊維を含ませる方法や、プラスチックそのものに導電性を付与する方法などがある。マトリックス１７の抵抗率は、例えば数Ωcmである。

マトリックス１７に導電性が付与されていることから、図５に示すように、主翼１のリブ１１への着雷時に、着雷地点Ｐから雷電流ＣがＣＦＲＰ部品の表面又は切削面１１ａを流れる際、補強材１５間において電気的に導通する。その結果、ＣＦＲＰの切削面１１ａにおいて、補強材１５間で放電が発生しにくい。

燃料タンク１３の構造部材は、補強材１５が炭素繊維を含むＣＦＲＰであり、マトリックス１７がプラスチックを含み、かつ、導電性が付与されている。マトリックス１７に導電性が付与されているため、万一上述した表面保護材１８の塗り残し部分があり、切削面１１ａが燃料タンク１３の内部に露出していたとしても、補強材１５間の導通が確保され、構造部材の切削面１１ａにおける補強材１５間の放電の発生を防止できる。

なお、上記実施形態において、構造体用構造材は、例えば、航空機に適用される場合について説明したが、本発明はこの例に限定されず、洋上風車、又は自動車・鉄道車両等の構造体に適用されてもよい。

１ 主翼
３ 上側スキン
５ 下側スキン
７ 前側スパー
９ 後側スパー
１１ リブ
１１ａ 切削面
１１Ａ フランジ
１１Ｂ ウェブ
１２ シーラント
１３ 燃料タンク
１５ 補強材
１７ マトリックス
１８ 表面保護材

Claims (6)

1. 補強材が炭素繊維を含み、マトリックスがプラスチックを含む炭素繊維強化プラスチックを備え、
   前記炭素繊維強化プラスチックの前記炭素繊維の端部が露出する表面に、導電性が付与されているプライマ又は塗料である低粘度の表面保護材が塗布されたことを特徴とする構造体用構造材。
2. 前記マトリックスは導電性が付与されている請求項１に記載の構造体用構造材。
3. 体積抵抗率が０．５Ωｃｍ以下である請求項１に記載の構造体用構造材。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の構造体用構造材を備え、前記表面に前記表面保護材が塗布された塗布面は、燃料が収容される内部に面している燃料タンク。
5. 請求項４に記載の燃料タンクを構造体とする主翼。
6. 請求項５に記載の主翼を備える航空機。

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