JPH05501994A - 複合材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 複　合　材　料 本発明は複合材料、たとえば航空機外面材料を形成するのにとくに適した複合材 料を製造する方法に関する。

“材料”なる語は適当な構成または構造、たとえば本発明の応用による積層継手 を含んでいる。

従来提案された複合材料は大きい弾性率を有する強度の大きい繊維を均質なマト リックス内に埋設することによって製造された。そのような材料の一例において 、繊維はカーボン、アラミドまたはボロンがら作られ、マトリックスはエポキシ 、ビスマレミダまたはポリイミド樹脂から形成することができる。

繊維は一方向の織成されたまたは繊維状マットとして供給され、マットは僅かに 硬化した樹脂を予め含浸され、中間繊維材料を形成している。この中間繊維材料 は可撓性かっ粘着性で内部の繊維フィラメントの位置は固定されない。これらの 中間繊維材料の層は型の中で重ねて組合わされ、ついで圧縮されかつ加熱される 。加熱作用は樹脂の硬化を促進し、加熱と圧縮の組合せは中間繊維材料を一緒に 接合して複合材料を形成する 本発明の目的は複合材料の進歩した製造方法を提供することである。

本発明によれば、それぞれ大きい弾性率を有する強度の大きい繊維を粘着性のあ る均質な樹脂マトリックス内に有する、複数の中間繊維材料の層を面を接して一 緒に設置し、蔚記暦を離れた位置で一緒に固定し、ついで層集合体を圧縮しかつ 加熱して樹脂を硬化させることを含む、複合材料を製造する方法が提供される。

前記層を一緒に固定する一型式は、クリンプ止め技術によるものである。本明細 書において、“クリンプ止め′とはファスナが静止または機械的回転をうけると きファスナの各脚部が少なくとも二つの重なった層を通して押込まれる工程を意 味している。ファスナの各脚部が重なった層を通しである距離突出するとき、制 御された方法でクリンプまたはバンチされ、クリンプまたは固定作用を生ずる。

クリンプファスナは適当な数、たとえば−、二または図８に示すように三本の脚 部を備えるか、または図９に示゛すようにスパイラルまたはヘリカル状とするこ とができる。ファスナは過当な材料、たとえば金属またはプラスチックのいずれ からも製造することができ、クリンプまたはバンチされて所要のクリンプまたは 固定作用を生ずる。

もし望むならば、ファスナは集合体が加熱されかつ圧縮される前に中間繊維材料 層によってカバーすることができる。

本発明の実施例を図面に基づいて下記に説明するが、その中で、 ！！ｌｌａ、ｌｂ、ｌｃは複合材料の製造における三つの段階を示し、 図２は複合材料の準備中の一段階を示す斜視図であり、 図３は成形器具内における複合材料の断面正面図であり、 図４は成形器具内に設置された複合材料の一部の詳細断面正面図であり、 図５は別の複合材料の準備中の一段階を示す斜視図であり、 図６および７は複合材料の準備中に使用するクリンプファスナの二つの例を示す 線図であり、図８および９は複合材料の準備中に使用するクリンプファスナの別 の例を示す線図であり、図１０は本発明の作業サイクルの線図であり、化構造の 例を示す線図であり、 図１２は本発明複合材料の例を示すＩ１図であり、そして 図１３は複合ファスナを使用する複合材料の製造における各段階を示す線図であ る。

図面とくに第１図を参照すると、一実施例において、中間繊維材料の横方向に離 れた堆積２および４はリリーズフイルム６上に供給される。これらの堆積は室温 において真空の下で圧縮または収縮される。この圧縮または収縮は各堆積に予定 の複合材料の集合を助けるある程度の構造的剛性を付与する。各堆積は面を接し て一緒に設置された複数の材料の層よりなる。中間繊維材料の各層は、大きい弾 性率を有する大きい強度の繊維をエポキシ、ビスアレミドまたはポリイミド樹脂 とすることのできる均質のマトリックス内に埋設することによって形成される。

繊維は一方向の、織成されたまたは繊維状マットとすることができ、繊維はカー ボン、アラミドまたはボロンのような材料から作ることができる。各中間繊維材 料層は僅かに硬化した樹脂マトリックスを供給され、繊維層が粘着性かつ可撓性 で、この段階においては確実にマトリックスの一定位置にないようにされる。堆 積２および４は長方形である。

リリーズフイルム６は堆積２および４から除去され、接着剤フィルムが堆積２の 側部８の下面および堆積４の側部１０の上面に取付けられる。これらの側部８お よび１０は図１ｂに示すように重ねて設置される。両側部分は適当な堆積２また は４の一端に平行に延びる条片の形のものである。これらの側部８および１０は 、側部８および１０に沿って離された複数のファスナ１２によって一緒に固定さ れる。図ＩＣに示すように、中間繊維材料の別の層１４および１６が側部８およ び１０の上に載置されファスナ１２をカバーする。

図３を参照すると、中間繊維材料のクリップ止めされた堆積２および４は基板１ ８および頂部型板２０を有する成形器具内に設置される。真空袋２２は頂部型板 ２０上に設置され、気密ンールが真空袋２２と基板１８の間に周辺ンールテーブ ２４によって形成される。

図４は図３の成形器具の一部の一層詳細な説明であり、明瞭のため、図３および ４の対応する要素は同じ参照符号を付されている。リリーズフイルム２６はクリ ンプ止めされた堆積２および４と型板２０の間に設置され、堆積の粘着性上面が 板２０に接着するのを防止している。同様に、リリーズ材２が堆積２および４の 下に設置され、これらの堆積が型基板１８に接着することを防止している。端部 吸排気口３０は真空袋２２の端部に隣接して基板１８の周りに延び、板形の表面 吸排気口３２は真空袋２２の上部付近に設置されている。この表面吸排気口３２ は真空袋２２の頂部の、面積より僅かに狭い面積を有する。図３を参照すると、 真空袋２２内部空間は真空袋２２一端の通路３４を通って空気を引出すことによ り排気される。端部吸排気口３０および表面吸排気口３２は空気が真空袋２２に よってカバーされたほぼ全区域から引出されることを、また真空袋２２が排気中 下具合に縮んだりまたは変形したりしないようにする。

作用において、真空袋２２の下方空間は排気され、クリンプ止めされた堆積２お よび４は型板１８および２０を近付けることにより圧縮され、成形器具および真 空袋集合体はオートクレーブ内において加熱され、クリップ止めされた堆積２お よび４を硬化する一方それらは圧力下にあって所要の複合材料を形成する。硬化 作業が完了した後、成形器具および真空袋集合体はオートクレーブから除去され 、真空袋２２は除去され、型板１８および２０は分離され、硬化した複合材料は 分離された型板１８および２０の間から除去される。

本発明はまたその範囲内に頂部型板２０が使用さハない複合材料を製造する上記 方法を含んでいる。この別の方法において、所要程度の圧縮は真空袋２２と基板 １８の間で得られる。頂部型板は、（１）両方の主要面を仕上加工された複合材 料を製造するため、（２）ファスナ１２を介するオートクレーブ圧力および堆積 ２および４を解消するため、（３）適用しつる一体的補強または構造要素を形成 するため使用される。

適当な形式のクリンプファスナを使用することができ、図６ないし９は適当な形 式のクリンプファスナを示す。

これらのクリンプファスナは互いに別々に堆積に取付けられ、通常の工業用くぎ 打ち機と同様のクリンプ機械への取付けを容易にしている。

図５は二つの中間繊維材料の堆積を一緒に固定する種々の工程を示している。し かしながら、図５の例において一方の堆積３６は平板の型式であり、他方の堆積 はＣ型断面の補強材またはガーダ−の型式である。

縮小したＣ型断面の堆積３８は、基板１８上に構造物を正確に位置決めするの助 けるため、縮小された平らな堆積３６にクリンプ止めされる。

上記のかつ図示された実施例の方法は、自己シールする複合材料を提供し、硬化 した構造物の経費のかかる事後のジグによる加工または穿孔を必要としない。

本発明方法によって得られる複合材料の代表的硬化サイクルにおいて、最大硬化 圧力は５．８６Ｘ　１０５ないし６．８９ｘ　１０５Ｎ　／　ｔｒｉの範囲で、 最高硬化温度　１７９±５℃は　１２０±５分間維持され、加熱割合は　０．５ から２．５℃／分で、最大冷却割合は２．５℃／分であった。°硬化圧力”はオ ートクレーブの内部圧力、したがって真空袋２２に加えられる外部圧力を意味す る。

完全真空が成形器具の内部および真空袋集合体に加えられる。これは１．０１３ 　Ｘ　１０”　Ｎ　／　ｆｄ　（１４，７ｐｓｉｇ）の外部圧力に等しく、この 圧力は真空袋２２に垂直に作用する空気柱によって生ずる。硬化サイクル開始前 にオートクレーブ内に設置された真空袋部分に許される最小圧力は、２０１１ｇ （０，６６７ｘ　１０５Ｎ　／　ｒｒｌ　）である。この真空はクリンプ止めさ れた堆積２および４上の袋、吸排気口等の位置を維持するのに役立つ。

袋部分と最低圧力０．６６７ｘ　１０５Ｎ　／　ｒｄを発生する真空ポンプを連 通する導管は、オートクレーブの内部圧力が１．３８Ｘ　１０５Ｎ　／　ａｌ　 （２０１１ｓｉｇ）に達するとオートクレーブ外側の待機に排気される。この操 作の理由は、オートクレーブ圧力が１．０１３　ｘ　ｔｏ５Ｎ　／　ｉ　（１４ ，７ｐｓｉｇ）を超えるともはや真空を加える利点がな（なるからである。

１真空袋の下の圧力をＯないしＪ４５Ｘ　１０　Ｎ　／　ｒｄに維持すること” は背圧を加えることである。圧力は加熱硬化によって放出される蒸発物によって 、またオートクレーブ圧力が排気導管から流される真空袋のわずかな漏洩によっ て真空袋下方に生ずる。この０ないし３４５Ｘ　１０５Ｎ　／　ｍの誤差は大き い背圧が製品を劣化するため超えてはならない。

本発明の上記のかつ図示された実施例は下記の有利な特徴を有する。すなわち、 （ａ）（ｉ）　改善された衝撃抵抗、引張り、剥離、剪断強度および改善された クラック拡大に対する抵抗性。

（ｉｉ）　これらのファスナの構造要素（ステーブルフラノノ）は標準的、機械 的ファスナの要素より使用される負荷に対して一層整合するように設置すること ができる。

（ｂ）　標準的、機械的継手に関する主要な課題の克服、すなわち （ｉ）　通常機械的ファスナ止めに必要な層の厚さの増加は絶対的最小値に減少 する（層に対する損傷は最少となりまたその程度は自己修復可能であるため）。

（１１）機械的ファスナ止めに関する代表的［Ｌすなわち、穿孔、ジグ加工、皿 穴、リベット止めなどに関する課題は回避される。

（ｉｉｉ）　継手は自己シール性で、したがって、環境に抗して使用するためま た燃料を収容する（翼内タンク）のに適当である。

（ｉｖ）　継手は他の機械的ファスナ止め継手より一層重量効果がよい。

（Ｖ）　継手は空気接触面において空力学的に平滑で、したがって、充填／フェ ザリング／平滑皿穴作業は必要ない。

（Ｃ）　継手は局部的補強のため、たとえば、補強要素の端部に使用することが できる。

（１）　剥離防止ファスナとして作用する（アルミニウム接合補強材と同様の役 割で使用される）。

（１１）構造要素を硬化作用前またその間に所定位１こ正確に固定する。

（ｄ）　機械的要素のファスナ止めは、有効な自動化された作業において完成さ れるため、他の機械的ファスナ止めより一層労働効率がよい。

（ｅ）　燃料電池設備におけるファスナに通常含まれる複雑さ、たとえば、アー クプラズマ風の危険は、ファスナを構造体に封入しうるため、回避される。

（ｆ）　余分な固定装置が必要であり、また、ファスナが通常使用されない、た とえば、ブレード、補強ウェブなどの区域に設置することができる。

（ｇ）　クリンプ止めは進歩した複合体の厚さ構造的強度を改善する（すなわち 、層の剥離を防止する）ため使用される 本発明の方法に対して推賞される硬化サイクルは下記のとおりである。すなわち 、 ＜ｓ＞　簡単な要素 ７００　ＩＮ／　ｄの圧力を加える。

工ないし２０℃／分で　１７５℃まで加熱する。

１７５℃で１時間硬化する。

圧力を除去して要素を排出する前に６０℃以下に冷却する。

（ｂ）　最善のサイクル・ 真空において１ないし２０℃／分で　１２０℃まで加熱する。

要素が　１２０℃に達したとき７００　ＩＮ／　ｒｄの圧力を加えて、要素を大 気に排気する。

１７５℃まで加熱を継続する。

１７５℃で１時間硬化し圧力を除去して要素を排出する前に６０℃まで冷却する 。

（ｃ）　厚い要素 １０■■以上の厚い要素における発熱を回避するため上記　（ｂ）の硬化サイク ルにおいて、２ないし３時間　１３０℃ないし　１３５℃に留めることが好まし い。

図１ないし１１に示された実施例のクリンプファスナは、適当な金属または合金 から作られる。

図１２および１３を参照すると、第２実施例において、複合材料の層は複合ファ スナによって一緒にファスナ止めされる。本明細書において“複合ファスナ。

は織成された一方向材料の複数の層から作られたファスナを意味している。各層 は、ケブラー、カーボンまたはボロンから作られた補強材を含む、熱硬化性また は熱可塑性材料から作ることができる。これらの層は面を接して一緒に設置され て堆積を形成し、堆積は成形器具に載置され所望の形状に硬化される。図１２は ファスナのいくつかの異なった形状を示し、図１３（８）はＺ型をなす層の堆積 の準備および硬化を示している。

図１３　（ｂ）および（Ｃ）を参照すると、硬化した堆積は切断され複数のＺ型 ファスナを形成する。層堆積の切断の間隔は、もちろん各ファスナの幅を決定す る。

図１３　（ｄ）に示すように、層状中間繊維材料の第１および第２のし型堆積は 、背中合わせに第３の層状中間繊維材料の全体的に平らな堆積上に設置される。

堆積組立体は、鋼基板の上に置かれる。この基板は図４に示され、かつ対応して 記載されたように成形器具の基板を構成する。一連の孔がパンチによって二つの Ｌ型堆積の基礎部分および第３堆積の同軸部分に形成される。

図１３　（ｃ）に記載されたＺ型ファスナはそれらの番孔を通して挿入され、図 １３　（ｅ）に示されたようなそれらの固定位１こ回転される。ファスナを堆積 に挿入するのを助けるため、堆積のすべての部分または一部は鋼基板から持上げ ることができる。ファナスは適当な形状のツイーザ型工具を使用して手で挿入さ れる。

三つの堆積および挿入された複合ファスナは圧縮されかつ前記のように加熱され る。

２２　２．４ ａ）尾ｕ／ＦＯＲＭＥＤ （ＳＩＮＧＬＥ　ＬＥＧ）　ＥＸＡＭＰＬＥ　７Ｔｔ＆　ＴＨＲＥＥ　Ｉｆ石ン 費彪 ＴＯＰ　ＨＡＴ　’ｒ’　５ＥＯＯＮ ’Ｊ’　５Ｅ（Ｔ１０Ｎ　７’ＳＥ（ＴＩＯＮ（ＬＪＲＥＤＳＴＲＩＰ　ＩＮＤ ＭαＩＡＬ　ＦＡＳＴＥＮＥ？要　約　書 複合材料は中間繊維材料の二つの堆積（２および４）から作られる。各堆積は面 を接して一緒に設置された複数の材料の層よりなる。各層は大きい弾性率を有す る大きい強度の繊維を樹脂マトリックスに埋設することによって形成される。堆 積（２および４）はリリーズフイルム（６）から除去され、接着剤フィルムが堆 積（２）の側部（８）の下面に貼付されまた堆積（４）の側部（ｌＯ）の上面に 貼付される。これらの側部（８および１０）は重ねて載置され、ついで複数のフ ァスナ（１２）によって−緒にクリップ止めされる。中間繊維材料の別の層（１ ４および１６）が側部（８および１０）上に設置されファスナ（１２）をカバー する。クリンプ止めされた堆積（２および４）は成形器具内に設置され、成形器 具は基板（１８）および頂部型板（２０）を有する。真空袋（２２）が頂部型板 （２０）上に設置され、気密ソールが真空袋（２２）と基板（１Ｂ）の間に周辺 ンールテーブ（２４）によって形成される。真空袋（２２）の内部空間は真空袋 （２２）一端の通路（３４）を通して排気される。ファスナ止めされた堆積（２ および４）は板を近付けることによって圧縮され、成形器具および真空袋集合体 はオートクレーブ内において加熱され、堆積（２および４）を硬化させ、一方そ れらは圧力下にあって所要の複合材料を形成Ｔる。

硬化作業が完了した後、成形器具および真空袋集合体はオートクレーブから除去 され、真空袋は除去され、型板（１８および２０）は分離され、硬化した複合材 料は除去される。

手続補正書（的） 平成　４年１２月２４日

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. １．それぞれ大きい弾性率を有する大きい強度の繊維を粘着性のある均等な樹脂 マトリックス内に有する、複数の中間繊維材料の層を面を接して一緒に設置し、 前記層を離れた位置で一緒にファスナ止めし、ついで層集合体を圧縮しかつ加熱 して樹脂を硬化させることを含む、複合材料を製造する方法
2. ２．層は前記離れた位置に設置された複数のファスナ（１２）によって一緒にフ ァスナ止めされ、各ファスナは少なくとも一つの脚部を有する請求項１に記載の 方法。
3. ３．ファスナの各脚部はファスナに加えられる直接の圧力によって少なくとも二 つの重なつた層に押込まれる請求項２に記載の方法。
4. ４．ファスナは脚部押込み作業中機械的回転をうける請求項３に記載の方法。
5. ５．各ファスナ脚部はそれが重ねられた層を通って所要の距離突出したとき制御 された方法で変形され、前記ファスナ止め作用を奏する請求項３または４に記載 の方法。
6. ６．各ファスナ脚部はクリンプ加工によって変形される請求項５に記載の方法。
7. ７．各ファスナ脚はパンチ加工によって変形される請求項５に記載の方法。
8. ８．ファスナは中間繊維材料の層集合体が圧縮され加熱される前に少なくとも一 つの中間繊維材料の少なくとも一つの付加的層（１４，１６）によってカバーさ れる請求項２ないし４のいずれか一項に記載の方法。
9. ９．接着剤の第１のフイルムを中間繊維材料層の第１の堆積（２）の側部の下面 に貼付け接着剤の第２のフイルムを中間繊維材料層の第１の堆積（４）の側部の 上面に貼付け、前記側部を重ねて設置し、その上の離れた位置において前記重な った側部を一諸にファスナ止めする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の方 法。
10. １０．　前記堆積（２，４）はりリーズフイルム（６）上にに横に離して設置さ れ、リリースフィルム（６）は接着剤が塗布される前に除去される請求項９に記 載の方法。
11. １１．層集合体は真空中で圧縮されかつ加熱される請求項１ないし４のいずれか 一項に記載の方法。
12. １２．孔は前記離れた位置において組立てられた層を通って形成され、Ｚ型ファ スナが各孔に挿入されファスナがファスナ止め位置に同転される請求項１に記載 の方法。
13. １３．少なくとも一つのファスナ（１２）が金属から作られ、少なくとも二つの 重ねられた層を貫通するのに適した少なくとも一つの脚を有する、請求項２に記 載の方法によって製造された複合ファスナ。
14. １４．各ファスナが繊成した一方向材料の複数の周から作られていることを特徴 とする請求項１２に記載の複合材料。
15. １５．各層が補強された熱硬化性材料から作られた請求項１４に記載の複合材料 。
16. １６．各層が補強された熱硬化性材料から作られた請求項１４に記載の複合材料 。
17. １７．実質的に添付図面を参照して記載した複合材料を製造する方法。
18. １８．実質的に添付図面を参照して記載した複合材料を製造する装置。
19. １９．実質的に添付図面に図示されかつ記載された複合材料。