JP4974916B2

JP4974916B2 - 複合材料シートおよびそれを備える複合体部品

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Publication number: JP4974916B2
Application number: JP2008016183A
Authority: JP
Inventors: 洋次森永; 健荒木; 毅志尾崎
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-01-28
Filing date: 2008-01-28
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2028-01-28
Also published as: JP2009172950A

Description

本発明は複合材料シートおよびそれを備える複合体部品に関し、特に、航空機や車両等に搭載される各種機器を外部の衝撃から保護する複合材料シートに関する。

繊維強化プラスチックの中でも、炭素繊維強化プラスチックまたはアラミド繊維強化プラスチックは、軽量で、特に耐衝撃性に優れるという特徴を有しており、航空機や車両などの構造材料や、これらに搭載される各種機器を外部の衝撃から保護する複合材料シートとして利用されている。
特開２００２−２４０５６６号公報特開２００７−９０８１１号公報

しかしながら、更に耐衝撃性を向上させることが望まれている。例えば、Ａｌなどの金属から形成された被保護体の表面を保護するシートとして繊維強化プラスチック単体で形成されたシートを用いると、強い衝撃が加えられた際に、その衝撃を十分に吸収することができず、被保護体が変形する（陥没する）という問題があった。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、その主な目的は、従来の繊維強化プラスチック単体のシートよりも耐衝撃性に優れた複合材料シートを提供することにある。

本発明の複合材料シートは、被保護体の表面に配置され、外部の衝撃から前記被保護体を保護する複合材料シートであって、前記被保護体側に配置される、ポリカーボネートから形成された非繊維強化プラスチック層と、前記非繊維強化プラスチック層の前記被保護体とは反対の側に配置される、アラミド繊維または炭素繊維と樹脂とを含む繊維強化プラスチック層とを有することを特徴とする。

本発明の複合体部品は、金属から形成された被保護体と、前記被保護体の表面に設けられた複合材料シートとを有し、前記複合材料シートが上記の複合材料シートであることを特徴とする。

本発明の複合材料シートは、外側に配置される繊維強化プラスチック層と内側に配置されるポリカーボネート層とを有する。繊維強化プラスチック層の高弾性または高剛性が外部からの強い衝撃に対する被保護体側への押し込み量を抑制するとともに、内側のポリカーボネート層が衝撃を効果的に吸収する。従って、本発明の複合材料シートは、従来の繊維強化プラスチック単体のシートよりも耐衝撃性に優れる。

以下、図面を参照して、本発明における実施の形態の複合材料シートおよびそれを備える複合体部品の構成と特性を説明する。

［実施の形態１］
図１に本発明における実施の形態１の複合材料シート１０を備える複合体部品１００の模式的な断面図を示す。

複合体部品１００は、被保護体３０と、被保護体３０の表面に配置された複合材料シート１０とを有している。なお、ここでは、簡単のために被保護体３０としてＡｌ板を示している。Ａｌは塑性変形しやすいので、複合材料シート１０に高い耐衝撃性が求められる。

複合材料シート１０は、被保護体３０側に配置されたポリカーボネートから形成された非繊維強化プラスチック層（単に「ポリカーボネート層」ということがある）１４と、非繊維強化プラスチック層１４の外側（すなわち被保護体とは反対の側）に配置された繊維強化プラスチック層１２とを有している。繊維強化プラスチック層１２は、アラミド繊維または炭素繊維と樹脂とを含む。後述するように、繊維強化プラスチック層は単一の層から形成されてもよいし、複数の層からなる積層構造を有してもよい。

複合材料シート１０の厚さは１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲にあることが好ましい。この範囲よりも小さいと、十分な耐衝撃性が得られず、大きいと重量増加という問題が発生することがある。また、繊維強化プラスチック層１２の厚さは、複合材料シート１０の厚さの５０％以上８０％以下の範囲で特に被保護体３０側への押し込み量を抑制する効果が顕著になる。また、ポリカーボネート層１４の厚さは、複合材料シート１０の厚さの２０％以上５０％以下の範囲で特に衝撃吸収効果が顕著になる。

繊維強化プラスチック層１２に用いられる樹脂としては、熱硬化性樹脂および熱可塑性樹脂のいずれを用いても良い。熱硬化性樹脂としては、例えば、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、エポキシ樹脂およびフェノール樹脂を例示することができる。また、熱可塑性樹脂としては、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリスルホン、ポリアセタール、ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンスルフィド、ポリアリレート、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホンおよびポリエーテルケトン、さらにこれらのブレンドポリマーを例示することができる。
好ましくは、エポキシ樹脂である。

繊維強化プラスチック層１２中の繊維の体積分率は３０％以上７０％以下の範囲で特に被保護体３０側への押し込み量を抑制する効果が顕著になる。

非繊維強化プラスチック層１４は、例えば射出成形法により製造することができる。また、繊維強化プラスチック層１２は、例えばプリプレグ製造法により製造することができる。これらを積層させてなる複合材料シート１０は、例えば非繊維強化プラスチック層１４と繊維強化プラスチック層１２とを接着することにより製造することができる。

以下、具体的に実施例を示して、本発明における複合材料シートの構造と耐衝撃性を説明する。

［実施の形態２］
図２に本発明における実施の形態２の複合材料シート１０Ａを備える複合体部品１００Ａの模式的な断面図を示す。

複合体シート１０Ａは、単一の層から形成された繊維強化プラスチック層１２Ａを有しており、繊維強化プラスチック層１２Ａはアラミド繊維強化プラスチック層のみを有している。

ここでは、複合材料シート１０Ａの全厚さを２．０ｍｍとし、繊維強化プラスチック層１２Ａ（第１層；アラミド繊維強化プラスチック）およびポリカーボネート層１４（第２層；ポリカーボネート）の厚さを種々変えたテストピース（１００×１００ｍｍ）を作製した（実施例１−１、１−２、１−３）。被保護体３０として、厚さ３０ｍｍの純アルミ板を用いた。被保護体３０の上に複合材料シート１０Ａを配置し、直径１５ｍｍの領域に１００Ｊの衝撃を印加する落錘試験を行った。試験後に、被保護体３０の表面の陥没深さを測定した。

また、比較例１−１として、複合材料シート１０Ａに替えて、厚さ２．０ｍｍのアラミド繊維強化プラスチック層だけからなるテストピースを用意した。また、比較例１−４として、ポリカーボネート層１４のみからなるテストピースを用意した。これらを用いて上記実施例と同様に耐衝撃性を評価した。

また、比較例１−２、１−３として、図４に示す複合材料シート２０のように、被保護体３０側に配置される繊維強化プラスチック層１２（第２層）と、繊維強化プラスチック層１２の外側に配置されるポリカーボネート層１４（第１層）とを有する複合体部品２００の構造について耐衝撃性を上記と同様の方法で評価した。なお、比較例１−２と１−３は、繊維強化プラスチック層１２およびポリカーボネート層１４の厚さが異なっている。

表１は本実施の形態における、実施例および比較例の耐衝撃性を比較した特性表である。表１の結果から明らかなように、図２に示した構成を有する実施例の複合材料シート１０Ａは、外側から第１層目のアラミド繊維強化プラスチック層１２Ａが被保護体３０側への押し込み量を抑制し、加えて第２層目のポリカーボネート層１４が衝撃を吸収する効果により、比較例１−１〜１−４に比べていずれも被保護体３０の陥没深さが小さく、従来よりも耐衝撃性に優れていることがわかった。

さらに、外側から第１層目にポリカーボネート層１４を配置した比較例１−２、１−３では、ポリカーボネート層１４の大きな変形により、第２層目のアラミド繊維強化プラスチック層１２からポリカーボネート層１４が剥離し大きく膨らむという不良が発生したのに対し、実施例のテストピースではこのような不良は発生しなかった。

なお、特許文献１に記載されている技術は、繊維強化プラスチック層の表面の凹凸を防止、意匠性を高めるために、繊維強化プラスチック層の表面に非繊維強化樹脂層（例えばポリカーボネート層）を設けるものであり、一方、特許文献２に記載されている技術は、平滑な表面を得るために、２種類の繊維強化プラスチック層を配設するものである。しかし、これらは本発明とは構成が異なるだけでなく、表１の結果から分かるように、表面に繊維強化プラスチック層を設けたポリカーボネート層との２層構造にすることにより、優れた被保護体に対する損傷抑制効果を発揮する。例えば、表面にポリカーボネート層を設けると、繊維強化プラスチック層だけを用いる場合よりも被保護体３０の陥没深さが大きくなり、耐衝撃性を改善する効果は低い。ポリカーボネート層は強い衝撃に対して大きく変形するので、その結果として、被保護体の陥没量も大きくなったと考えられる。

上述したように、本実施の形態では、比較例１−１〜１−４に比べていずれも被保護体の陥没深さが小さく、従来よりも耐衝撃性能に優れていることがわかった。

［実施の形態３］
実施の形態３においても実施の形態２と同様に図２に示した構成を有しており、複合体シート１０Ａとして、繊維強化プラスチック層１２Ａが炭素繊維強化プラスチック層のみを有している点において異なっている。

先と同様に、複合材料シート１０Ａの全厚さを２．０ｍｍとし、繊維強化プラスチック層１２Ａ（第１層；炭素繊維強化プラスチック）およびポリカーボネート層１４（第２層）の厚さを種々変えたテストピース（１００×１００ｍｍ）を作製した（実施例２−１、２−２、２−３）。被保護体３０として、厚さ３０ｍｍの純アルミ板を用いた。被保護体３０の上に複合材料シート１０Ａを配置し、直径１５ｍｍの領域に１００Ｊの衝撃を印加する落錘試験を行った。試験後に、被保護体３０の表面の陥没深さを測定した。

また、比較例２−１として、複合材料シート１０Ａに替えて、厚さ２．０ｍｍの炭素繊維強化プラスチック層だけからなるテストピースを用意した。

また、比較例２−２、２−３として、図４に示す複合材料シート２０のように、被保護体３０側に配置される繊維強化プラスチック層１２（第２層）と、繊維強化プラスチック層１２の外側に配置されるポリカーボネート層１４（第１層）とを有する複合体部品２００の構造について耐衝撃性を上記と同様の方法で評価した。なお、比較例２−２と２−３は、繊維強化プラスチック層１２およびポリカーボネート層１４の厚さが異なっている。

表２は本実施の形態における、実施例および比較例の耐衝撃性を比較した特性表である。表２の結果から明らかなように、図２に示した構成を有する実施例の複合材料シート１０Ａは、外側から第１層目の炭素繊維強化プラスチック層１２Ａが被保護体３０側への押し込み量を抑制し、加えて第２層目のポリカーボネート層１４が衝撃を吸収する効果により、比較例２−１〜２−３に比べていずれも被保護体３０の陥没深さが小さく、従来よりも耐衝撃性に優れていることがわかった。

さらに、外側から第１層目にポリカーボネート層１４を配置した比較例２−２、２−３では、ポリカーボネート層１４の大きな変形により、第２層目の炭素繊維強化プラスチック層１２からポリカーボネート層１４が剥離し大きく膨らむという不良が発生したのに対し、実施例のテストピースではこのような不良は発生しなかった。

アラミド繊維強化プラスチック層に替えて炭素繊維強化プラスチック層を用いた本実施例でも、先の実施例と同様に、比較例２−１〜２−３に比べていずれも被保護体の陥没深さが小さく、従来よりも耐衝撃性能に優れていることがわかった。

［実施の形態４］
図３に本発明における実施の形態４の複合材料シート１０Ｂを備える複合体部品１００Ｂの模式的な断面図を示す。

複合体シート１０Ｂの繊維強化プラスチック層１２Ｂは積層構造を有している。繊維強化プラスチック層１２Ｂは、炭素繊維強化プラスチック層１２ａとアラミド繊維強化プラスチック層１２ｂとを含む。例えば、アラミド繊維強化プラスチック層１２ｂが２つの炭素繊維強化プラスチック層１２ａの間に挟まれた積層構造を有する。

ここでは、複合材料シート１０Ｂの全厚さを３．０ｍｍとし、繊維強化プラスチック層１２Ｂの全体の厚さを２．０ｍｍ、２つ炭素繊維強化プラスチック層１２ａの合計の厚さを１．０ｍｍ、中間層であるアラミド繊維強化プラスチック層１２ｂの厚さを１．０ｍｍ、ポリカーボネート層１４の厚さを１．０ｍｍとしたテストピース（１００×１００ｍｍ）を作製した（実施例３−１）。被保護体３０として、厚さ３０ｍｍの純アルミ板を用いた。被保護体３０の上に複合材料シート１０Ｂを配置し、直径１５ｍｍの領域に１００Ｊの衝撃を印加する落錘試験を行った。試験後に、被保護体３０の表面の陥没深さを測定した。

表３は本実施の形態における、実施例および比較例の耐衝撃性を比較した特性表である。なお、表３には、比較のために、図２に示した、中間層を有しない繊維強化プラスチック層１２Ａ（図２参照）としてアラミド繊維強化プラスチック層を用いたテストトピース（実施例１−４）、および炭素繊維強化プラスチック層を用いたテストピース（実施例２−４）についての評価結果を併せて示す。

表３から明らかなように、実施例３−１の陥没深さ最も小さい。すなわち、高剛性の炭素繊維強化プラスチック層１２ａで高弾性のアラミド繊維強化プラスチック１２ｂを挟んだサンドイッチ構造とすることで、他の実施例よりも被保護体の陥没深さがより小さくなり、耐衝撃性能がさらに向上することがわかった。

なお、積層構造はここで例示したものに限られず、繊維強化プラスチック層１２Ｂとして炭素繊維強化プラスチック層１２ａとアラミド繊維強化プラスチック層１２ｂとが交互に積層された構造を有するものを用いても同様の効果が得られる。

上記の表１〜３において、アラミド繊維強化プラスチックとしてはＴＥＮＣＡＴＥ社製ＬＭＲ１２０ｋｅｖ４９／Ｅ０４０３０９−１Ｍ（エポキシ樹脂、樹脂の含浸量３５重量％、残りはアラミド繊維）、ポリカーボネート層としては硝和硝子社製ポリカーボネート、炭素繊維強化プラスチックとしてはＴＯＲＡＹ社製Ｔ８００Ｓ／３９００−２（エポキシ樹脂、樹脂の含浸量３５重量％、残りは炭素繊維）をそれぞれ使用した。

なお、上記の実施の形態では、被保護品としてＡｌ板のみを例示したが、もちろんこれに限られず、本発明の実施の形態による複合材料シートは航空機や車両等に搭載される各種機器を保護するために用いられる。

本発明の複合材料シートは、航空機や車両等に搭載される各種機器を外部の衝撃から保護する複合材料シートとして好適に用いられる。

本発明による実施の形態１の複合材料シート１０を備える複合体部品１００の模式的な断面図である。本発明による実施の形態２の複合材料シート１０Ａを備える複合体部品１００Ａの模式的な断面図である。本発明による実施の形態４の複合材料シート１０Ｂを備える複合体部品１００Ｂの模式的な断面図である。本発明による実施の形態２および３の比較例の複合材料シート２０を備える複合体部品２００の模式的な断面図である。

符号の説明

１０、１０Ａ、１０Ｂ、２０複合材料シート
１２、１２Ａ、１２Ｂ、１２ａ、１２ｂ繊維強化プラスチック層
１４非繊維強化プラスチック層（ポリカーボネート層）
３０被保護体
１００、１００Ａ、１００Ｂ、２００複合体部品

Claims

被保護体の表面に配置され、外部の衝撃から前記被保護体を保護する複合材料シートであって、
前記被保護体側に配置される、ポリカーボネートから形成された非繊維強化プラスチック層と、
前記非繊維強化プラスチック層の前記被保護体とは反対の側に配置される、アラミド繊維または炭素繊維と樹脂とを含む繊維強化プラスチック層と
を有する複合材料シート。
前記繊維強化プラスチック層は単一の層から形成されている、請求項１に記載の複合材料シート。
前記繊維強化プラスチック層は積層構造を有している、請求項１に記載の複合材料シート。
前記積層構造は、炭素繊維強化プラスチック層とアラミド繊維強化プラスチック層とを含む、請求項３に記載の複合材料シート。
金属から形成された被保護体と、
前記被保護体の表面に設けられた複合材料シートと
を有し、
前記複合材料シートが請求項１から４のいずれかに記載の複合材料シートである、複合体部品。