JP7612498B2

JP7612498B2 - 複合材料構造体

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Publication number: JP7612498B2
Application number: JP2021070580A
Authority: JP
Inventors: 辰史青井; 一生山脇; 顕夫池田; 九史清水
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2021-04-19
Filing date: 2021-04-19
Publication date: 2025-01-14
Anticipated expiration: 2041-04-19
Also published as: JP2022165281A; US12089388B2; US20220338394A1

Description

本開示は、複合材料構造体に関するものである。

従来、２枚の繊維強化プラスチック樹脂積層板を接合する構造ボンドラインを備える複合積層構造が知られている（例えば、特許文献１参照）。構造ボンドラインは、２枚の積層板の電気インピーダンスと実質的に一致する電気インピーダンスを有している。構造ボンドラインは、例えば、接着樹脂が含浸された炭素繊維等のスクリムを含んでいる。上記の構造ボンドラインとすることで、構造ボンドラインに対する落雷の効果を軽減し、かつ露出された構造ボンドラインに生じる電位を低減させることができる。これにより、露出部分を覆う封止剤の使用を抑制でき、航空機の重量及び製造コストを低減できる。

国際公開第２０１４／０７０３１３号

しかしながら、特許文献１の構造ボンドラインでは、インピーダンスを一致させるために、使用する材料または施工に関する調整が必要となるため、作業が煩雑となり、作業効率が低下する可能性がある。また、一般的な複合材接着構造では、落雷等によって電流が流れる場合、この電流によって誘導起電力が発生し、発生した誘導起電力により接合部の周囲に電位差が発生してしまうことで、接合部において絶縁破壊が発生するおそれがある。

そこで、本開示は、落雷等によって雷電流が流れる場合であっても、接着層の周囲における電位差の発生を低減し、接着層の耐雷性の向上を簡易な構成で図ることができる複合材料構造体を提供することを課題とする。

本開示の複合材料構造体は、導電性を有する第１強化繊維に第１樹脂が含浸された第１複合材料と、導電性を有する第２強化繊維に第２樹脂が含浸された第２複合材料と、前記第１複合材料と前記第２複合材料との間に配置されて前記第１複合材料と前記第２複合材料とを接着する接着層と、前記接着層の外部に露出する露出部位の少なくとも一部を被覆する電磁遮蔽材と、を備え、前記第１複合材料及び前記第２複合材料の少なくとも一方には、落雷により発生する雷電流が流れる雷電流方向が予め規定され、前記電磁遮蔽材は、前記雷電流方向に直交する方向の端面となる側面の面内に亘って設けられる。

本開示によれば、落雷等によって雷電流が流れる場合であっても、接合部の周囲における電位差の発生を低減し、接合部の耐雷性の向上を簡易な構成で図ることができる。

図１は、実施形態１に係る複合材料構造体が適用される翼を示す概略構成図である。図２は、実施形態１に係る複合材料構造体の一例を模式的に表した斜視図である。図３は、実施形態１に係る複合材料構造体の一例を模式的に表した斜視図である。図４は、実施形態１に係る複合材料構造体の一例を模式的に表した斜視図である。図５は、実施形態１に係る複合材料構造体の一例を模式的に表した斜視図である。図６は、実施形態１に係る複合材料構造体の一例を模式的に表した斜視図である。図７は、実施形態１に係る複合材料構造体の一例を模式的に表した斜視図である。図８は、実施形態１に係る複合材料構造体の一例を模式的に表した斜視図である。図９は、実施形態２に係る複合材料構造体の一例を模式的に表した斜視図である。図１０は、実施形態２に係る複合材料構造体の一例を模式的に表した側面図である。図１１は、実施形態２に係る複合材料構造体の一例を模式的に表した側面図である。図１２は、実施形態３に係る複合材料構造体の一例を模式的に表した斜視図である。

以下に、本開示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１］
図１は、実施形態１に係る複合材料構造体が適用される翼を示す概略構成図である。図２から図８は、実施形態１に係る複合材料構造体の一例を模式的に表した斜視図である。以下に説明する複合材料構造体は、図１のように航空機の主翼に用いられるものが例示されるが、航空機の主翼に限定されるものではなく、例えば、自動車、車両、船舶、その他の構造物に適用することができる。

（複合材料構造体）
図１及び図２に示すように、複合材料構造体１０は、例えば、航空機の主翼に適用され、第１複合材料１１と、第２複合材料１２と、接着層１３と、電磁遮蔽材１４とを備える。ここで、複合材料構造体１０である主翼は、図１及び図２の左右方向が、長手方向（翼長方向）となっており、図１の上下方向（図２の前後方向）が、長手方向に直交する短手方向（翼幅方向）となっており、図１の前後方向（図２の上下方向）が、長手方向及び短手方向に直交する厚さ方向（翼厚方向）となっている。複合材料構造体１０には、落雷により発生する雷電流が流れる雷電流方向が予め規定されており、雷電流方向は長手方向となっている。主翼は、例えば、長手方向に沿って設けられるストリンガー、短手方向に沿って設けられるリブ、主翼の厚さ方向の上面及び下面に設けられる外板とを含むボックスビーム構造となっている。複合材料構造体１０となる主翼において、第１複合材料１１は、例えば、主翼のリブに適用され、第２複合材料１２は、例えば、主翼の外板に適用される。

図２に示すように、第１複合材料１１は、導電性を有する第１強化繊維と、第１強化繊維に含浸した第１樹脂とを有する。第１樹脂は、第１強化繊維を覆う場合がある。第１複合材料１１は、例えば、断面Ｉ字形状となる柱体となっている。具体的に、第１複合材料１１は、短手方向及び厚さ方向を含む面内に亘って設けられるウェブ部３１と、ウェブ部３１の厚さ方向の両側に設けられる一対のフランジ部３２と、が一体化されることで、断面Ｉ字形状の柱体となっている。ウェブ部３１は、雷電流方向に直交する面内に亘って設けられ、フランジ部３２は、外板となる第２複合材料１２と対向して設けられ、板状に形成されている。なお、第１複合材料１１は、断面Ｉ字形状に限定されるものではなく、第２複合材料１２に対して接続可能であり、一体化される面を有する形状であれば、いかなる形状であってもよい。

第２複合材料１２は、導電性を有する第２強化繊維と、第２強化繊維に含浸した第２樹脂とを有する。第２樹脂は、第２強化繊維を覆う場合がある。第２複合材料１２は、第１複合材料１１のフランジ部と対向しており、板形状となっている。なお、第２複合材料１２は、板形状に限定されるものではなく、第１複合材料１１に対して接続され、一体化される面を有する形状であれば、いかなる形状であってもよい。

第１強化繊維及び第２強化繊維は、いずれも、５μｍ以上７μｍ以下の基本繊維を数１００本から数１０００本程度束ねたものが例示される。第１強化繊維および第２強化繊維を構成する基本繊維は、導電性を有するカーボン繊維、及び、金属繊維が好適なものとして例示される。なお、第１複合材料１１および第２複合材料１２は、導電性を有する第１強化繊維及び第２強化繊維に加えて、ガラス繊維、アラミド繊維およびプラスチック繊維が混合されていてもよい。

第１樹脂及び第２樹脂は、いずれも、主要成分が熱硬化性樹脂であるものが例示され、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂およびビニルエステル樹脂が例示される。なお、第１樹脂および第２樹脂は、熱硬化性樹脂に加えて、熱可塑性樹脂が混合されていてもよい。ここで、混合される熱可塑性樹脂は、ポリアミド樹脂、ポリプロピレン樹脂、ＡＢＳ（Acrylonitrile Butadiene Styrene）樹脂、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、及びポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等が例示される。また、第１樹脂及び第２樹脂は、これに限定されず、その他の樹脂でもよい。

強化繊維に含浸される樹脂が熱硬化性樹脂の場合、熱硬化性樹脂は、軟化状態と、硬化状態と、半硬化状態と、になることができる。軟化状態は、熱硬化性樹脂を熱硬化させる前の状態である。軟化状態は、自己支持性を有さない状態であり、支持体に支持されていない場合に形状を保持できない状態である。軟化状態は、加熱されて、熱硬化性樹脂が熱硬化反応をすることができる状態である。硬化状態は、熱硬化性樹脂を熱硬化させた後の状態である。硬化状態は、自己支持性を有する状態であり、支持体に支持されていない場合でも形状を保持できる状態である。硬化状態は、加熱されても、熱硬化樹脂が熱硬化反応をすることができない状態である。半硬化状態は、軟化状態と硬化状態との間の状態である。半硬化状態は、硬化状態よりも弱い程度の熱硬化を熱硬化性樹脂にさせた状態である。半硬化状態は、自己支持性を有する状態であり、支持体に支持されていない場合でも形状を保持できる状態である。半硬化状態は、加熱されて、熱硬化性樹脂が熱硬化反応をすることができる状態である。以下において、強化繊維に未硬化の熱硬化性樹脂を含浸させた複合材の中間基材を、適宜、プリプレグと称する。

接着層１３は、第１複合材料１１と第２複合材料１２との間に設けられる。接着層１３は、互いに対向している第１複合材料１１のフランジ部３２と第２複合材料１２とを接着することで、第１複合材料１１と第２複合材料１２とを一体化する。接着層１３は、第１複合材料１１と第２複合材料１２とが接着される接着面の周縁が、外部に露出する露出部位となっている。

電磁遮蔽材１４は、接着層１３の外部に露出する露出部位の少なくとも一部を被覆している。具体的に、図２及び図３に示すように、電磁遮蔽材１４は、雷電流方向に直交する短手方向の端面となる側面の面内に亘って設けられる。電磁遮蔽材１４は、側面に対して後付けによる設置が可能となっている。電磁遮蔽材１４は、シート状に形成されており、側面の全面に設けられている。電磁遮蔽材１４としては、例えば、金属板、金属メッシュ、導電性塗料を塗布することで形成される塗布層等がある。なお、導電性塗料としては、例えば、Ａｇ、Ｃｕなどの高導電率を有する金属材の粉末または繊維を混ぜ込んだ樹脂状の塗料となっている。

図２は、電磁遮蔽材１４として、雷電流Ｉによって誘起される誘導電流Ｉａが流れる導電材料を含むものとなっており、例えば、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔｉなど高導電率を有する金属材料を用いた板材または金属メッシュとなっている。雷電流方向に雷電流Ｉが流れると、磁場Ｍが雷電流Ｉ周りに発生し、発生した磁場Ｍにより誘起される誘導電流Ｉａが電磁遮蔽材１４に流れる。電磁遮蔽材１４は、接着層１３周りに誘導電流Ｉａのパスを形成することができるため、接着層１３周りにおける電位差の発生を抑制する。

図３は、電磁遮蔽材１４として、雷電流Ｉによって誘起される磁場Ｍを遮蔽する磁性材料を含むものとなっており、例えば、パーマロイなどの高透磁率を有する磁性材料を用いた板材となっている。雷電流方向に雷電流Ｉが流れると、磁場Ｍが雷電流Ｉ周りに発生するが、発生した磁場Ｍが電磁遮蔽材１４により遮蔽される。電磁遮蔽材１４は、磁気結合を抑制することができるため、接着層１３周りにおける電位差の発生を抑制する。

次に、図４及び図５を参照して、複合材料構造体１０の他の一例について説明する。複合材料構造体１０は、短手方向の両側面に設けられる側面パネル４１をさらに備えている。電磁遮蔽材１４と側面パネル４１とは、短手方向に積層されて配置される。この場合、図４に示すように、側面パネル４１は、外側に、電磁遮蔽材１４は、内側（接着層１３側）に配置してもよい。図４に示す配置の場合、電磁遮蔽材１４は、接着層１３に接触する。また、図５に示すように、電磁遮蔽材１４は、外側に、側面パネル４１は、内側（接着層１３側）に配置してもよい。図５に示す配置の場合、電磁遮蔽材１４は、接着層１３に非接触となる。

次に、図６から図８を参照して、複合材料構造体１０の他の一例について説明する。図２から図５では、電磁遮蔽材１４を側面の全面に設けたが、図６から図８では、電磁遮蔽材１４を側面の一部に設けている。

図６では、電磁遮蔽材１４が、長手方向において、接着層１３が設けられる位置に設けられる一方で、接着層１３が設けられない位置には設けられていない。また、電磁遮蔽材１４は、厚さ方向に亘って設けられている。

図７では、電磁遮蔽材１４が、厚さ方向において、接着層１３が設けられる位置に設けられる一方で、接着層１３が設けられない位置には設けられていない。また、電磁遮蔽材１４は、長手方向に亘って設けられている。

図８では、電磁遮蔽材１４が、厚さ方向において、接着層１３が設けられる位置に設けられる一方で、接着層１３が設けられない位置には設けられていない。また、電磁遮蔽材１４は、長手方向において、接着層１３が設けられる位置に設けられる一方で、接着層１３が設けられない位置には設けられていない。つまり、図８では、接着層１３が設けられる位置にのみ電磁遮蔽材１４が配置されている。

なお、図６から図８では、電磁遮蔽材１４を側面の一部に設けたが、電磁遮蔽材１４は、接着層１３の露出部位の少なくとも一部を被覆すれば、何れの配置であってもよい。また、図６から図８において、電磁遮蔽材１４は、高導電率を有する金属材料を用いてもよいし、高透磁率を有する磁性材料を用いてもよい。

［実施形態２］
次に、図９から図１１を参照して、実施形態２について説明する。なお、実施形態２では、重複した記載を避けるべく、実施形態１と異なる部分について説明し、実施形態１と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。図９は、実施形態２に係る複合材料構造体の一例を模式的に表した斜視図である。図１０及び図１１は、実施形態２に係る複合材料構造体の一例を模式的に表した側面図である。

（複合材料構造体）
実施形態２の複合材料構造体５０は、実施形態１の電磁遮蔽材１４が、側面において環状に形成された電磁遮蔽材１４ａとなっている。電磁遮蔽材１４ａは、雷電流Ｉによって誘起される誘導電流Ｉａが流れる導電材料を含むものとなっている。電磁遮蔽材１４ａは、例えば、長手方向と厚さ方向と含む面内において、接着層１３同士を結ぶように環状に形成されたものとなっている。また、電磁遮蔽材１４ａは、第１複合材料１１の長手方向に沿って設けられる部位と、第２複合材料１２の厚さ方向に沿って設けられる部位とによって、環状に形成される。このため、雷電流Ｉによって誘起された誘導電流Ｉａは、環状となる電磁遮蔽材１４ａに沿って流れる。

次に、図１０及び図１１を参照して、複合材料構造体５０の他の一例について説明する。図１０では、電磁遮蔽材１４ａが、第１複合材料１１及び第２複合材料１２に沿って設けられている。つまり、電磁遮蔽材１４ａは、側面内において、外側の周縁に沿った環状となる環状部位５４と、環状部位５４の内側に設けられるバイパス部位５５とを含んでいる。環状部位５４は、第１複合材料１１の長手方向に沿って設けられる部位と、両外側の第２複合材料１２の厚さ方向に沿って設けられる部位とによって、環状に形成される。バイパス部位５５は、内側の第２複合材料１２の厚さ方向に沿って設けられる部位となっている。このため、図１０では、電磁遮蔽材１４ａにより複数のループが形成されることとなる。図１１では、電磁遮蔽材１４ａが、図１０のバイパス部位５５を省いた構成となっている。つまり、図１１の電磁遮蔽材１４ａは、環状部位５４からのみ構成されたものとなっている。

［実施形態３］
次に、図１２を参照して、実施形態３について説明する。なお、実施形態３では、重複した記載を避けるべく、実施形態１及び２と異なる部分について説明し、実施形態１及び２と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。図１２は、実施形態３に係る複合材料構造体の一例を模式的に表した斜視図である。

実施形態３の複合材料構造体６０は、実施形態１及び実施形態２の複合材料構造体１，５０に、第１複合材料１１と第２複合材料１２とを電気的に接続する導電性の接合部材６１を、さらに備えたものとなっている。

接合部材６１は、接着層１３を介して接合された第１複合材料１１と第２複合材料１２とを締結する締結部材としても機能している。接合部材６１は、具体的に、ピン、ボルト、ビス、ねじなどであり、金属材料を用いて形成されている。また、接合部材６１は、第１複合材料１１及び第２複合材料１２よりも低いインピーダンスとなっている。接合部材６１は、第１複合材料１１の長手方向、すなわち雷電流方向に沿って所定間隔を空けて複数設けられる。所定間隔としては、接着層１３の絶縁破壊電圧を超えないような間隔である。複数の接合部材６１は、第１複合材料１１の長手方向に沿って均等間隔を空けて設けられることが好ましい。接合部材６１には、雷電流が流れることから、必要十分な構造強度を有するものとなっている。なお、接合部材６１の露出面からの放電を抑制するために、露出部分を被覆するシール材をさらに設けてもよい。

以上のように、実施形態に記載の複合材料構造体１，５０，６０は、例えば、以下のように把握される。

第１の態様に係る偏波方向の複合材料構造体１，５０，６０は、導電性を有する第１強化繊維に第１樹脂が含浸された第１複合材料１１と、導電性を有する第２強化繊維に第２樹脂が含浸された第２複合材料１２と、前記第１複合材料１１と前記第２複合材料１２との間に配置されて前記第１複合材料１１と前記第２複合材料１２とを接着する接着層１３と、前記接着層１３の外部に露出する露出部位の少なくとも一部を被覆する電磁遮蔽材１４と、を備え、前記第１複合材料１１及び前記第２複合材料１２の少なくとも一方には、落雷により発生する雷電流が流れる雷電流方向が予め規定され、前記電磁遮蔽材１４は、前記雷電流方向に直交する方向の端面となる側面の面内に亘って設けられる。

この構成によれば、落雷等によって雷電流が流れる場合であっても、電磁遮蔽材１４により接着層１３の周囲における電位差の発生を低減することができ、接着層１３の耐雷性の向上を簡易な構成で図ることができる。また、電磁遮蔽材１４は、複合材料構造体１，５０，６０の側面に後付けで設置できることから、電磁遮蔽材１４の設置性の向上を図ることができる。

第２の態様として、前記電磁遮蔽材１４は、前記雷電流Ｉによって誘起される誘導電流Ｉａが流れる導電材料を含む。

この構成によれば、電磁遮蔽材１４は、接着層１３周りに誘導電流Ｉａのパスを形成することができるため、接着層１３周りにおける電位差の発生を抑制することができる。

第３の態様として、前記電磁遮蔽材１４は、前記雷電流Ｉによって誘起される磁場Ｍを遮蔽する磁性材料を含む。

この構成によれば、電磁遮蔽材１４は、磁気結合を抑制することができるため、接着層１３周りにおける電位差の発生を抑制することができる。

第４の態様として、前記第１複合材料１１は、長手方向に延在して設けられ、前記雷電流方向は、前記長手方向となっている。

この構成によれば、第１複合材料１１の長手方向を雷電流方向として設計することができるため、製品仕様に応じて接着層１３の耐雷性の向上を図ることができる。

第５の態様として、前記電磁遮蔽材１４は、シート状に形成されており、前記側面の全面に設けられている。

この構成によれば、電磁遮蔽材１４による接着層１３の耐雷性の向上を確実に図ることができる。

第６の態様として、前記電磁遮蔽材１４は、前記側面において環状に形成されている。

この構成によれば、電磁遮蔽材１４の重量低減を図ることができる。

第７の態様として、前記第１複合材料１１と前記第２複合材料１２とを電気的に接続する導電性の接合部材６１を、さらに備える。

この構成によれば、第１複合材料１１と第２複合材料１２との間の接着層１３の周囲における電位差が発生した場合であっても、接合部材６１により、第１複合材料１１と第２複合材料１２とを電気的に接続することで、電位差を抑制することができる。

第８の態様として、前記接合部材６１は、前記雷電流方向に沿って所定間隔を空けて複数設けられる。

この構成によれば、複数の接合部材６１により、接着層１３の周囲における電位差をより好適に抑制することができる。

１，５０，６０複合材料構造体
１１第１複合材料
１２第２複合材料
１３接着層
１４，１４ａ電磁遮蔽材
３１ウェブ部
３２フランジ部
４１側面パネル
５４環状部位
５５バイパス部位
６１接合部材

Claims

導電性を有する第１強化繊維に第１樹脂が含浸された第１複合材料と、
導電性を有する第２強化繊維に第２樹脂が含浸された第２複合材料と、
前記第１複合材料と前記第２複合材料との間に配置されて前記第１複合材料と前記第２複合材料とを接着する接着層と、
前記接着層の外部に露出する露出部位の少なくとも一部を被覆すると共に、雷電流によって誘起される誘導電流が流れる、電磁遮蔽材としての導電材料と、を備え、
前記第１複合材料は、長手方向と短手方向を有し、前記長手方向に延在して設けられ、
前記導電材料は、前記長手方向に直交する前記短手方向の端面の面内に亘って設けられる複合材料構造体。
導電性を有する第１強化繊維に第１樹脂が含浸された第１複合材料と、
導電性を有する第２強化繊維に第２樹脂が含浸された第２複合材料と、
前記第１複合材料と前記第２複合材料との間に配置されて前記第１複合材料と前記第２複合材料とを接着する接着層と、
前記接着層の外部に露出する露出部位の少なくとも一部を被覆すると共に、雷電流によって誘起される磁場を遮蔽する、電磁遮蔽材としての磁性材料と、を備え、
前記第１複合材料は、長手方向と短手方向を有し、前記長手方向に延在して設けられ、
前記磁性材料は、前記長手方向に直交する前記短手方向の端面の面内に亘って設けられる複合材料構造体。
前記電磁遮蔽材は、シート状に形成されており、前記端面の全面に設けられている請求項１または２に記載の複合材料構造体。
前記電磁遮蔽材は、前記端面において環状に形成されている請求項１または２に記載の複合材料構造体。
前記第１複合材料と前記第２複合材料とを電気的に接続する導電性の接合部材を、さらに備える請求項１から４のいずれか１項に記載の複合材料構造体。
前記接合部材は、前記長手方向に沿って所定間隔を空けて複数設けられる請求項５に記載の複合材料構造体。