JP6034910B2 - 複合材及びその製造方法 - Google Patents
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Description
しかしながら、上記先願発明では、互いに端部が剥離された複合材料の各層の端部に電極を設けるのに、サンディング処理(もしくはエッチング処理)をした後、メッキにより電極となる金属層を形成するようにしていた。そのため、接触抵抗およびそのバラツキが大きいとともに、電極の形成が面倒で供試体の製造に時間がかかるという課題があることが、その後の検討によって明らかとなった。
本発明の他の目的は、各層に流れる電流を測定可能な複合材であって、各層に電流を流し込むための電極部を備えた複合材を、再現性良くかつ効率良く製造することができる製造方法を提供することにある。
導電性を有する複合材料シートを複数積層してなる複合材であって、
複数枚の前記複合材料シートの長手方向の一方の端部間に、前記複合材料シートの当該一方の端部から所定長さにわたり、前記複合材料シート同士を離間するための2つ折りにした離間用部材が設けられているとともに、
前記複合材料シートの前記一方の端部である離間側端部に、金属シートが挟持された状態で設けられているようにしたものである。
あるいは、導電性を有する複合材料シートを複数積層してなる複合材であって、
前記複合材の長手方向の一方の端部における前記複合材料シート間に、前記複合材料シートの当該一方の端部から所定長さにわたり、前記複合材料シート同士を離間するための2つ折りにした離間用部材が設けられているとともに、
前記複合材料シートの前記一方の端部である離間側端部の表面および裏面の少なくとも一方に金属シートが接合されているようにしてもよい。
上記した複合材を用いれば、複合材の各層に流れる電流を測定して比率等を知ることができるため、電流測定結果から、使用を予定している複合材料の厚さ方向の電流分布を推定することができるようになる。また、電極となる金属シートを予め端部に挟持あるいは接合しているため、複合材料表面のサンディング処理が不要となり、電極部における接触抵抗を小さくかつそのバラつきを少なくして、電極部から均質な電流を流し込むことができる。
複数枚の前記複合材料シートの端部間に、前記複合材料シート同士を離間するための離間用部材が設けられているとともに、
前記複合材料シートの離間側端部に、金属シートが挟持された状態で設けられており、
複数枚の前記複合材料シートは長さが異なる短冊状をなし、それぞれの複合材料シートの前記離間用部材が設けられていない側の端部が一致した状態で積層され、前記離間用部材が設けられている側の端部間に、前記複合材料シート同士を離間するための離間用部材が設けられているとともに、
複数枚の前記複合材料シートのそれぞれの離間側端部に、金属シートが挟持された状態で設けられているようにしてもよい。
あるいは、導電性を有する複合材料シートを複数積層してなる複合材であって、
前記複合材の端部における前記複合材料シート間に、前記複合材料シート同士を離間するための離間用部材が設けられているとともに、
前記複合材料シートの離間側端部の表面および裏面の少なくとも一方に金属シートが接合されており、
複数枚の前記複合材料シートは長さが異なる短冊状をなし、それぞれの複合材料シートの前記離間用部材が設けられていない側の端部が一致した状態で積層され、前記離間用部材が設けられている側の端部間に、前記複合材料シート同士を離間するための離間用部材が設けられているとともに、
複数枚の前記複合材料シートのそれぞれの離間側端部の表面および裏面の少なくとも一方に金属シートが接合されているようにしてもよい。
また、望ましくは、前記複合材における前記複合材料シートが離間していない部分に、前記複合材に電流を印加するための共通導電線が電気的に接続される共通導電線接続部を有するようにする。
各々導電性を有する複合材料シートを複数積層してなる第1複合材と第2複合材とを有し、前記第1複合材と前記第2複合材を重ね合わせ、両複合材を貫通するように設けられた導電体で結合してなる複合材であって、
前記第2複合材の前記第1複合材との結合側と反対側の長手方向の一方の端部に、前記第2複合材の当該一方の端部から所定長さにわたり、前記複合材料シート同士を離間するための2つ折りにした離間用部材が設けられているとともに、
前記第2複合材を構成する各複合材料シートの前記第1複合材との結合側と反対側の前記一方の端部に、金属シートが挟持された状態で設けられているようにしたものである。
前記第2複合材に、前記第2複合材の長手方向の一方の端部から所定長さにわたり、前記複合材料シート同士を離間するための2つ折りにした離間用部材が設けられているとともに、
前記第2複合材を構成する各複合材料シートの前記第1複合材との結合側と反対側の前記一方の端部の表面および裏面の少なくとも一方に金属シートが接合されているようにしてもよい。
また、望ましくは、前記第1複合材に、前記複合材に電流を印加するための共通導電線が電気的に接続される共通導電線接続部が形成されている構成とする。
また、望ましくは、前記複合材料シートが導電性の繊維を含む構成とする。
導電性を有する2枚の複合材料プリプレグを、それらの長手方向の一方の端部間に金属シートを一部がはみ出した状態で挟み込んだものをプリプレグペアとなす第1工程と、
前記第1工程で形成されたプリプレグペアを、それらの前記一方の端部間に、前記複合材料プリプレグの前記一方の端部から所定長さにわたる2つ折りにした離間用部材を挟み込んだ状態で複数積層する第2工程と、
前記第2工程で積層されたプリプレグペアを加圧、加熱して成型を行う第3工程と、
を含むようにしたものである。
そして、望ましくは、前記第3工程の後に、前記金属シートの前記プリプレグペアの前記一方の端部よりはみ出している部位に導電線の一端を接続する第4工程を有するようにする。
前記第1工程で積層された複合材料プリプレグを加圧、加熱して成型を行う第2工程と、を含み、
前記第1工程では、前記複数枚の複合材料プリプレグの前記一方の端部に、少なくとも前記金属シートの一部が当該一方の端部より露出した状態で接合されるようにする。
そして、望ましくは、前記第2工程の後に、前記金属シートの前記複合材料プリプレグの前記一方の端部より露出している部位に導電線の一端を接続する工程を有するようにする。
また、望ましくは、前記複合材料プリプレグが導電性の繊維を含む構成とする。
上記した製造方法によれば、各層に流れる電流を測定可能な複合材であって、各層に電流を流し込むための電極部を備えた複合材を、再現性良くかつ効率良く製造することができるようになる。
また、本発明によれば、各層に流れる電流を測定可能な複合材であって、各層に電流を流し込むための電極部を備えた複合材を、再現性良くかつ効率良く製造することが可能となる。
さらに、本発明によれば、後述の供試体としての複合材のみならず、製品としての複合材においても先に電極となる金属シートを入れておくことで、運用途中での電流分布状態を把握することが可能となる。また、製品の導通(ボンディング)確認も可能となる。
(第1実施形態)
図1は、第1実施形態に係る電流測定対象となる複合材の供試体(試験片)を示した図である。
測定対象の複合材料は樹脂を導電性の繊維で強化した繊維強化プラスチックであり、本実施形態においては、炭素繊維を含む炭素繊維強化プラスチック(CFRP)である。図1(A)に示すように、供試体Mは短冊状をなしている。
具体的には、図2(A)に端部を拡大して示すように、プリプレグ層P1,P2……は、それぞれ2枚のプリプレグPa,Pbが重ね合わされてペアとされている。そして、ペアをなすプリプレグPa,Pbの端部に電極となる銅箔のような金属シートT1,T2……が挟み込まれているとともに、プリプレグ層P1〜P8の各層間に離間用部材F1〜F7が2つ折りの状態で配置されている。
電極となる上記金属シートT1〜T8は、例えばプリプレグとの重ね合わせ領域の長さl1が4cm程度、プリプレグの端部から突出した領域の長さl2が1cm程度となるように形成する。なお、l1とl2はこのような数値に限定されるものではない。電極として使用する金属シートT1〜T8の厚みは、銅箔の場合には例えば70μm以下とすることができる。また、加圧、加熱による成型を行う前に、金属シートT1〜T8の表面には、プリプレグとの接着性を良くするために、サンディングや酸を用いたエッチング処理を行なっておくのが望ましい。
離間用部材を取り除いた場合は、測定時に各層間の絶縁性を確保するため、絶縁性の部材を挿入しておくことが好ましい。
また、供試体の製造方法は、ウェットレイアップ等の常温硬化による手法でもよい。この場合、離間用部材は耐熱性が要求されることがなくなるため、広く部材を選択することができる。
図3は、上記供試体Mを対象とする電流測定装置の概略を示す。図3の電流測定装置は、直流電源11と、供試体の各CFRP層L1〜L8の端部に接続された導電線W1〜W8に流れる電流を検出するためのロゴスキーコイル12tと、ロゴスキーコイル12tに接続されたオシロスコープ14とを備える。なお、雷電流を模した電流波形(例えば航空機の雷波形の標準スペックSAE ARP 5412に準拠した波形)を供試体に印加して電流が流れる様子を調べたい場合には、雷波形の周波数帯域に対応したロゴスキーコイル12tをオシロスコープ14に接続すると良い。
図3(A)のように、一層ずつ電流を測定する場合には、直流電源11により毎回同一の電圧(例えば5V)を印加して電流値を測定する。一方、図3(B)のように各層L1〜L8に流れる電流を同時に測定する場合には、印加電圧を変化させることが可能な直流電源11vを使用して、対象の供試体Mが変わっても全体に流れる電流値が同一となるように、印加電圧を調整して測定すると良い。
図3(B)の測定方法においては、供試体M全体に流れる電流を検出するためのロゴスキーコイル12tと電流計13tを設け、該電流計13tによって測定した電流が所定値となるように、可変直流電源11vの電圧を制御するように構成すると良い。
そのため、電流測定結果から、使用を予定している複合材料の雷撃時の厚さ方向の電流分布を推定することができるようになる。
また、強度等の観点から既に使用する複合材料を決定しているような場合に、その材料が表面近傍により多くの電流が流れる特性を有するものであることが分かれば、表面に金属板を接合して表面層の電流密度を下げるなどの対策をとることができる。
そこで、例えば図4に示すように、全CFRP層L1〜L8を貫通する導電部材としての電極Eを設け、該電極Eに電流を印加して各層に流れる電流を測定するようにしても良い。
また、図5に示すように、供試体Mの層剥離側と反対側の端面に電極Eを付けて、該電極Eに電流を印加して各層に流れる電流を測定するようにしても良い。なお、図5において、破線E’で示されているのは、図3のように、供試体Mの表面から電流を印加する場合の電極の例である。さらに、途中にファスナーを設けた供試体を作成して、ファスナーがある場合の各層に流れる電流の分布を測定するようにしても良い。
また、上記実施形態では、CFRP層の剥離のために離型フィルムを使用したが、これに限定されることなく共試体Mの成型後に治具で剥離する等でもよい。
図6は、本発明の第2実施形態に係る複合材料の供試体(試験片)を示した図である。
本実施形態の複合材料は、第1実施形態と同様に、炭素繊維強化プラスチック(CFRP)等の繊維強化プラスチックである。本実施形態においては、図6に示すように、積層する複数のプリプレグP1〜P8の長さを異ならせて電極形成側(図では右側)の端部がずれるようにしている。プリプレグの他方(図では左側)の端部は一致している。また、上記第1実施形態では、供試体を構成する各プリプレグ層を2枚のプリプレグを重ねてペアとしているが、第2実施形態では各層P1〜P8を1枚のプリプレグで構成している。各プリプレグP1〜P8の端部のずれ量は任意であるが、例えば5mm〜50mmとすることが考えられる。
なお、第2実施形態においても、プリプレグP1〜P8の各層の厚みは1mm以下(例えば0.2mm)とすると良い。また、プリプレグP1〜P8の各層における炭素繊維の方向は任意であり、航空機等に使用を検討している実際の複合材料の構造に対応したものが選択される。プリプレグの積層数についても実際の複合材料の構造に対応して任意に選択される。
第2実施形態に係る複合材料からなる供試体(試験片)における電流測定方法は、第1実施形態と同じであるので、重複した説明は省略する。
図7は、本発明の第3実施形態に係る複合材の供試体(試験片)を示した図である。
本実施形態の複合材料は、第1実施形態と同様に、炭素繊維強化プラスチック(CFRP)等の繊維強化プラスチックである。本実施形態の供試体Mは、図7に示すように、2枚の複合材プレートC1,C2の端部同士を重ね合わせて金属製のファスナーFNにより結合したものである。複合材プレートC1,C2は、それぞれ複数枚のプリプレグを重ねて形成される。電極部の形成の仕方は、第1実施形態や第2実施形態と同じであり、金属シートT1〜T8と離型フィルムF1〜F7を、各プリプレグP1〜P8間に介在させて形成する。離型フィルムは、2つ折りにしたものに限定されるものでない。
図8(A)に示すように、本実施形態の供試体は、それぞれ短冊状をなす2枚の複合材プレートC1,C2の端部同士を重ね合わせて金属製のファスナーFNにより結合されている。複合材プレートC2の結合側と反対の端部(図8では右側端部)は、所定の長さDの範囲だけ、図7で説明したように各層間が離型フィルム等を使用した成型により分離されている。なお、複合材プレートC1に対しては各層に対する離型処理はなされない。
また、上記実施形態では、電流印加部として電極部Tcを説明したが、電流印加部はこれに限定されず、広義に電流が印加される部分、極端に言えば複合材プレートC1上に何も加工が施されていない状態のものも含まれる。例えば、雷撃試験を実施する際には、特に電極部が形成されていない複合材プレートC1上に放電電流を印加することで本発明の電流測定を行うことできる。
例えば上記実施形態では、供試体Mとして繊維配列方向が全層同一のものであってもよいが、繊維配列方向が互いに90°異なる層を積層させた供試体や、繊維配列方向が互い45°異なる4種の層を積層させた供試体でも良い。また、積層数も8層に限定されるものではない。成型前に金属シートに対して行う前処理は、使用する金属シートを構成する金属の種類に応じて決定すればよく、使用する金属に適したサンディング処理やエッチング処理を適用すればよい。同様に、電極に導電線を接続する前に行うエッチング処理に使用するエッチング液も、金属シートを構成する金属の種類に応じて決定すればよく、硫酸に限定されるものでない。
また、上記実施形態では、複合材料として樹脂を導電性の繊維で強化した繊維強化プラスチックを用いたが、繊維が不導体であって樹脂が導電体(導電性樹脂もしくは導電体を混練した樹脂)である複合材料を用いることもできる。また、導電性の繊維と導電性の樹脂で構成された複合材料を用いることもできる。
P1〜P8 複合材料のプリプレグ層(複合材料シート)
T1〜T8 金属シート
F1〜F8 離型フィルム
Li CFRP層
Wi 導電線
A 銀ペースト
E 電極
Tc 電極(共通導電線接続部)
11 直流電源
12 電流検出素子
12t ロゴスキーコイル
13t 電流計
14 オシロスコープ
C1,C2 複合材プレート
Claims (15)
- 導電性を有する複合材料シートを複数積層してなる複合材であって、
複数枚の前記複合材料シートの長手方向の一方の端部間に、前記複合材料シートの当該一方の端部から所定長さにわたり、前記複合材料シート同士を離間するための2つ折りにした離間用部材が設けられているとともに、
前記複合材料シートの前記一方の端部である離間側端部に、金属シートが挟持された状態で設けられていることを特徴とする複合材。 - 導電性を有する複合材料シートを複数積層してなる複合材であって、
前記複合材の長手方向の一方の端部における前記複合材料シート間に、前記複合材料シートの当該一方の端部から所定長さにわたり、前記複合材料シート同士を離間するための2つ折りにした離間用部材が設けられているとともに、
前記複合材料シートの前記一方の端部である離間側端部の表面および裏面の少なくとも一方に金属シートが接合されていることを特徴とする複合材。 - 導電性を有する複合材料シートを複数積層してなる複合材であって、
複数枚の前記複合材料シートの端部間に、前記複合材料シート同士を離間するための離間用部材が設けられているとともに、
前記複合材料シートの離間側端部に、金属シートが挟持された状態で設けられており、
複数枚の前記複合材料シートは長さが異なる短冊状をなし、それぞれの複合材料シートの前記離間用部材が設けられていない側の端部が一致した状態で積層され、前記離間用部材が設けられている側の端部間に、前記複合材料シート同士を離間するための離間用部材が設けられているとともに、
複数枚の前記複合材料シートのそれぞれの離間側端部に、金属シートが挟持された状態で設けられていることを特徴とする複合材。 - 導電性を有する複合材料シートを複数積層してなる複合材であって、
前記複合材の端部における前記複合材料シート間に、前記複合材料シート同士を離間するための離間用部材が設けられているとともに、
前記複合材料シートの離間側端部の表面および裏面の少なくとも一方に金属シートが接合されており、
複数枚の前記複合材料シートは長さが異なる短冊状をなし、それぞれの複合材料シートの前記離間用部材が設けられていない側の端部が一致した状態で積層され、前記離間用部材が設けられている側の端部間に、前記複合材料シート同士を離間するための離間用部材が設けられているとともに、
複数枚の前記複合材料シートのそれぞれの離間側端部の表面および裏面の少なくとも一方に金属シートが接合されていることを特徴とする複合材。 - 前記複合材における前記複合材料シートが離間していない部分に、前記複合材に電流を印加するための共通導電線が電気的に接続される共通導電線接続部を有することを特徴とする請求項3または4に記載の複合材。
- 各々導電性を有する複合材料シートを複数積層してなる第1複合材と第2複合材とを有し、前記第1複合材と前記第2複合材を重ね合わせ、両複合材を貫通するように設けられた導電体で結合してなる複合材であって、
前記第2複合材の前記第1複合材との結合側と反対側の長手方向の一方の端部に、前記第2複合材の当該一方の端部から所定長さにわたり、前記複合材料シート同士を離間するための2つ折りにした離間用部材が設けられているとともに、
前記第2複合材を構成する各複合材料シートの前記第1複合材との結合側と反対側の前記一方の端部に、金属シートが挟持された状態で設けられていることを特徴とする複合材。 - 各々導電性を有する複合材料シートを複数積層してなる第1複合材と第2複合材とを有し、前記第1複合材と前記第2複合材を重ね合わせ、両複合材を貫通するように設けられた導電体で結合してなる複合材であって、
前記第2複合材に、前記第2複合材の長手方向の一方の端部から所定長さにわたり、前記複合材料シート同士を離間するための2つ折りにした離間用部材が設けられているとともに、
前記第2複合材を構成する各複合材料シートの前記第1複合材との結合側と反対側の前記一方の端部の表面および裏面の少なくとも一方に金属シートが接合されていることを特徴とする複合材。 - 前記第1複合材に、前記複合材に電流を印加するための共通導電線が電気的に接続される共通導電線接続部が形成されていることを特徴とする請求項6または7に記載の複合材。
- 前記複合材料シートが導電性の繊維を含むことを特徴とする請求項1から8のいずれかに記載の複合材。
- 導電性を有する2枚の複合材料プリプレグを、それらの長手方向の一方の端部間に金属シートを一部がはみ出した状態で挟み込んだものをプリプレグペアとなす第1工程と、
前記第1工程で形成されたプリプレグペアを、それらの前記一方の端部間に、前記複合材料プリプレグの前記一方の端部から所定長さにわたる2つ折りにした離間用部材を挟み込んだ状態で複数積層する第2工程と、
前記第2工程で積層されたプリプレグペアを加圧、加熱して成型を行う第3工程と、
を含むことを特徴とする複合材の製造方法。 - 前記第3工程の後に、前記金属シートの前記プリプレグペアの前記一方の端部よりはみ出している部位に導電線の一端を接続する第4工程を有することを特徴とする請求項10に記載の複合材の製造方法。
- 導電性を有する複数枚の複合材料プリプレグを、それらの長手方向の一方の端部間に金属シートおよび前記複合材料プリプレグの前記一方の端部から所定長さにわたる2つ折りにした離間用部材をそれぞれ挟み込んだ状態で積層する第1工程と、
前記第1工程で積層された複合材料プリプレグを加圧、加熱して成型を行う第2工程と、を含み、
前記第1工程では、前記複数枚の複合材料プリプレグの前記一方の端部に、少なくとも前記金属シートの一部が当該一方の端部より露出した状態で接合することを特徴とする複合材の製造方法。 - 前記第2工程の後に、前記金属シートの前記複合材料プリプレグの前記一方の端部より露出している部位に導電線の一端を接続する工程を有することを特徴とする請求項12に記載の複合材の製造方法。
- 前記第1工程の前に、所定のエッチング液を用いて前記金属シートの表面に微細な凹凸を形成する前処理工程を有することを特徴とする請求項10から13のいずれかに記載の複合材の製造方法。
- 前記複合材料プリプレグが導電性の繊維を含むことを特徴とする請求項10から14のいずれかに記載の複合材の製造方法。
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