JPH0433266B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、繊維強化樹脂マトリツクス複合材料
に係り、更に詳細には複合材料製の管状構造体に
係る。

背景技術 複合材料は損傷に対する許容性が必要とされる
領域に於て益々多量に使用されるようになつてき
ている。ヘリコプタロータに於て特に重要な部分
は、激しい損傷を受けた場合にその系の全体的な
故障や航空機の破壊を惹起こす虞れがあるブレー
ドや他の重要な構成要素である。軸線方向のひず
み性、即ち弾性の高い繊維材料を上述の如き複合
材料製の部材に組込むことにより、その損傷に対
する許容性が向上されることが知られている。し
かし一般にかかる高弾性の繊維は高引張り強度繊
維よりも剛性が小さい。従つて高弾性の繊維が複
合材料製の部材に使用されると、その部材の剛性
が低下する。剛性の低下を補償し、しかも高強度
繊維により与えられる優れた損傷に対する許容性
を維持すべく、複合材料製の部材内の高剛性の繊
維の層の量が増大されてよいが、このことにより
部材の重量及びコストが増大され、これらのこと
は航空機産業にとつて重要な欠点である。外形の
ジオメトリーが一定である管状構造体に余分な層
を追加する場合には、その余分の層は構造体の内
側の部分に追加される。複合材料製構造体の各層
は中心軸線、即ち中立軸線よりの距離の二乗の関
数として構成要素の全体としての剛性に影響す
る。従つて追加の層を増加することの影響は層が
追加されるごとに急激に減少し、これにより比／
重量の問題が複雑化される。

現在までのところ、ヘリコプタロータ用ブレー
ドの翼桁の如き複合材料製部材に約25wt％まで
の高強度繊維を導入することは有害ではないこと
が解つている。しかし上述の値よりも繊維の体積
率を高くする場合には、空気弾性的安定性を維持
するに必要な曲げ剛性及び捩り剛性を得るために
は、翼弦に対する厚さの比を増大させる必要があ
る。翼弦に対する厚さの比、従つてエーロフオイ
ルの厚さを増大させることは翼桁を構成する層を
その中央より更に外方へ広げる影響を有し、従つ
て曲げ剛性及び捩り剛性の点でより効果的であ
る。しかしこのことの欠点は、厚さが増大される
ことによつてブレードの抗力が増大し、また抗力
を低減すべくテーパ状の厚さが採用される場合に
は加工及び製造が複雑化されるということであ
る。従つて、繊維の量を更に一層多くすることに
より上述の如き構造体の損傷に対する許容性が増
大されることが解つているので、同一の剛性を有
するが高弾性繊維の量が多い上述の如き構造体を
製造する方法が必要とされている。

発明の開示 本発明は複数個の黒鉛繊維層及びポリアラミド
繊維層を有する繊維強化樹脂マトリツクス複合材
料製構造体に関するものである。繊維は長手方向
軸線に対し約±30°〜約±40°及び約±12°〜約±
16°にて配向される。

かかる繊維の配向により構造体内に組込まれる
ポリアラミド繊維の体積率をより高くすることが
でき、これにより捩り剛性及び曲げ剛性を維持し
つつ損傷に対する許容性を向上させることができ
る。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例
について詳細に説明する。

発明を実施するための最良の形態 繊維強化樹脂マトリツクス複合材料製の翼桁１
は17個の黒鉛繊維層及びポリアラミド繊維層より
なつている。黒鉛繊維層は長手方向軸線２０に対
し約±35°又は約±15°の角度にて配向されてい
る。この黒鉛繊維層の配向角度はその層が構造体
（翼桁）内にて果たすべき特定の機能次第である。
±35°にて配向された黒鉛繊維層は構造体全体に
高い捩り剛性を与え、しかも或る量の軸線方向剛
性を与え、他方±15°にて配向された黒鉛繊維層
はポリアラミド繊維の如き軸線方向及び捩り方向
により柔軟な繊維を多量に構造体に組込むことを
可能にするほど十分に軸線方向剛性を増大し、し
かもチタニウム製翼桁と同一の全体とての物理的
性質を維持する。ポリアラミド繊維の量が増大さ
れると翼桁の損傷に対する許容性が好ましく増大
する。

典型的には黒鉛繊維層は通常の黒鉛ロービング
又は黒鉛繊維にて形成されている。かかる繊維は
一般に約400000〜約600000psi（約28100〜約42200
Kg／cm²）の引張り強さを有しており、その直径は
約0.00025〜0.00030inch（約0.00635〜約0.00762mm）
の範囲である。このロービングは一般に約12000
本の繊維を含んでおり、フイラメントワインデイ
ングマシーンにて巻き付けられることが好ましい
ものである。好ましい黒鉛繊維はセラニーズ・コ
ーポレイシヨン（Celanese Corporation）より
販売されているCelion（商品名）であり、樹脂マ
トリツクスにて含浸されていない状態又は樹脂マ
トリツクスにて含浸された状態にて販売されてい
る。樹脂がより一層均一に分配された構造体が得
られるので、繊維又はロービングは樹脂にて予め
含浸されることが好ましい。使用されてよい他の
従来の黒鉛繊維は、ユニオン・カーバイド・コー
ポレイシヨン（Union Carbide Corporation）
より販売されているＴ−300（商品名）及びハーキ
ユリーズ・コーポレイシヨン（Hercules
Corporation）より販売されているAS−４（商品
名）である。

ポリアラミド繊維層は長手方向軸線に対し約±
14°にて配向された繊維を有している。何故なら
ば、かかる繊維の配向により製造プロセスと両立
する優れた軸線方向剛性が与えられ、しかもその
配向が損傷に対する許容性を翼桁に与えることが
維持されるからである。黒鉛繊維の場合と同様、
本発明を実施するために使用されてよいポリアラ
ミド繊維は従来のポリアラミド繊維の何れであつ
てもよい。これらの繊維はモノフイラメント又は
ロービングの何れの形態であつてもよく、好まし
い形態はロービングである。典型的にはこれらの
ロービングは約525000psi（36900Kg／cm²）の引張
り強さを有しており、樹脂マトリツクス材料にて
含浸された状態又は樹脂マトリツクス材料にて含
浸されていない状態にて販売されている。ポリア
ラミド繊維の場合も樹脂マトリツクス材料にて予
め含浸された形態が好ましい。好ましい材料はデ
ユポン社（Dupont Corporation）より販売され
ケブラー（Kevelar（登録商標））と呼ばれるポリ
アラミド繊維であり、その商品名はKevlar−49
である。

上述の如き構造体を製造する場合に有用である
樹脂マトリツクス材料は、ユー・エス・ポリメリ
ツク社（U.S.Polymeric）より販売されているＥ
−７−K8（商品名）の如きエポキシ樹脂である。
しかし5225の如き任意のナンバーのエポキシ樹脂
系が使用されてよい。

一般に翼桁は取外し可能なマンドレルの周りに
形成される。適用の容易性を確保し、より一層均
一な最終構造体を得るべく、黒鉛繊維及びポリア
ラミド繊維のロービングはワインデイング前に樹
脂にて予め含浸される。ワインデイングが好まし
い方法ではあるが、繊維をマンドレルの周りに巻
き付ける他の方法が採用されてもよい。繊維の各
層は所望の角度にてマンドレルの周りに樹脂にて
予め含浸されたヤーンを巻き付けることによつて
形成され、その結果層全体に亙り繊維又はヤーン
が連続的に延在した状態になる。各層の繊維の配
向及び或る与えられた層の組成は、最終物品に必
要とされる物理的性質次第である。各層の厚さは
ヤーンの厚さに応じて変化するが、典型的にはこ
れらの層の厚さは約0.020inch（0.51mm）である。

一つの種類の層の互いに他に対する関係での特
定の配置は構造体に必要とされる性質次第であ
る。

複合材料製構造体が多量のポリアラミド繊維を
有し、これにより構造体の損傷に対する許容性を
増大させ、しかも全体としての剛性、重量、ジオ
メトリーの如き所定の物理的パラメータを維持す
るのは、黒鉛繊維層及びポリアラミド繊維層の上
述の如きユニークな繊維配向である。同様の物品
に於ては、所望の結果を得るべく、層の数及び物
品内に於けるそれらの位置の他の組合せが採用さ
れてよい。しかし損傷に対する許容性を最も高く
するためには、主要な荷重作用方向に於ける構造
体のポリアラミド繊維含有量を最大にすることが
望ましい。

例 約98lb（44Kg）の重量を有する繊維強化樹脂マ
トリツクス複合材料製翼桁が以下の如く形成され
た。

翼桁は黒鉛繊維層及びポリアラミド繊維（ケブ
ラー）層をマンドレル１０の周りに巻き付けるこ
とによつて形成された。翼桁は17個の繊維層より
なつており、それらの繊維層のうち第１層、第４
層、第７層、第10層、第13層、第17層はアメリカ
合衆国ニユーヨーク州、ニユーヨーク所在のセラ
ニーズ・コーポレイシヨンより販売されておりユ
ー・エス・ポリメリツク・コーポレイシヨンより
販売されている約25wt％のＥ−７−K8エポキシ
樹脂に含浸されたCelion黒鉛繊維よりなつてい
た。これらの層３０に於ける繊維の配向は長手方
向軸線２０に対し約±35°であつた。これと同一
の黒鉛繊維及び樹脂系が図に於て符号４０にて示
された第２層、第３層、第16層を形成するために
使用され、これらの層は長手方向軸線２０に対し
約±15°の繊維配向を有していた。

図に於て符号５０にて示された残りの第５層、
第６層、第８層、第９層、第11層、第12層、第14
層、第15層はデユポン社よりKevlar−49として
販売されているKevlar（登録商標）ポリアラミド
繊維を含んでいた。これらの繊維も黒鉛繊維の場
合と同量の同一のエポキシ樹脂系にて予め含浸さ
れた。これらの層はそれらの繊維の角度が翼桁１
の長手方向軸線２０に対し約±14°となるよう巻
き付けられた。

全ての層はマクリーン・アンダーソン（Mc
Lean−Anderson）より販売されている通常のフ
イラメントワインデイングマシーンを使用してマ
ンドレルの周りに巻き付けられ、それらの厚さは
約0.020inch（0.51mm）であつた。得られた翼桁の
厚さは約0.5inch（12.7mm）であつた。次いで翼桁
の硬化していない樹脂が通常の要領にて硬化され
た。

本発明は高度の損傷に対する許容性を有し、し
かも高剛性で軽量であることが必要とされる複合
材料製物品を製造するための方策を提供するもの
である。所望の曲げ剛性及び捩り剛性を得るべ
く、約±35°及び±15°の繊維配向角度が使用さ
れ、±35°の角度の層は主として捩り剛性を確保す
るために使用され、±15°の角度の層は主として軸
線方向剛性、即ち曲げ剛性を確保するために使用
された。通常±45°の代りに±35°の角度が捩り剛
性を確保するための層に選定された。何故なら
ば、±35°の角度によれば捩り剛性が僅かに低下す
るが、その層の軸線方向剛性がほぼ２倍になり、
これにより必要とされる高剛性の軸線方向（±
15°）の層の数が低減されるからである。このこ
とにより軸線方向のポリアラミド繊維層の数を増
大させることができた。損傷したヘリコプタロー
タのブレードの主要な構造的要件は、遠心力によ
りブレードのアウトボードセクシヨンに作用する
荷重を担持するということである。かかる理由か
ら、ポリアラミド繊維は35°ではなく14°にて配向
され、このことは軸線方向荷重を担持する点に於
てより有効である。重量、大きさ、コストを過度
に増大させることなくより多量のポリアラミド繊
維を構造体内に組込み得ることにより、得られる
ブレードはより安全でより信頼性の高いものにな
る。

以上に於ては本発明を特定の実施例について詳
細に説明したが、本発明はかかる実施例に限定さ
れるものではなく、本発明の範囲内にて他の種々
の実施例が可能であることは当業者にとつて明ら
かであろう。

【図面の簡単な説明】

添付の図は本発明の複合材料製翼桁を示す解図
である。 １……翼桁、１０……マンドレル、２０……長
手方向軸線、３０，４０……黒鉛繊維層、５０…
…ポリアラミド繊維層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 回転翼航空機用ブレードの翼桁として使用さ
   れるよう構成された繊維強化樹脂マトリツクス複
   合材料製構造体にして、複数個の黒鉛繊維層及び
   ポリアラミド繊維層を含み、前記黒鉛繊維層は前
   記構造体の長手方向軸線に対し実質的に±30°〜
   実質的に±40°及び実質的に±12°〜実質的に±16°
   にて配向されており、前記ポリアラミド繊維層は
   前記長手方向軸線に対し実質的に±12°〜実質的
   に±16°にて配向されており、前記マトリツクス
   は熱硬化性樹脂であることを特徴とする繊維強化
   樹脂マトリツクス複合材料製構造体。 ２ 回転翼航空機用の翼桁として使用される繊維
   強化樹脂マトリツクス複合材料製構造体にして、
   中心軸線の周りに巻かれた複数個の交互の黒鉛繊
   維層及びポリアラミド繊維層を含み、前記黒鉛繊
   維層は前記構造体の長手方向軸線に対し実質的に
   ±30°〜実質的に±40°及び実質的に±10°〜実質的
   に±20°にて配向されており、前記ポリアラミド
   繊維層は前記長手方向軸線に対し実質的に±12°
   〜実質的に±16°にて配向されており、前記マト
   リツクスは熱硬化性樹脂であることを特徴とする
   繊維強化樹脂マトリツクス複合材料製構造体。