JP2005022171A

JP2005022171A - 複合材サンドイッチパネル用コア、複合材サンドイッチパネル、及びその製造方法

Info

Publication number: JP2005022171A
Application number: JP2003188847A
Authority: JP
Inventors: Toshinobu Muraki; 俊宣村木; Kazuaki Kishimoto; 和昭岸本
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2003-06-30
Publication date: 2005-01-27

Abstract

【課題】高価な設備を用いずに製造可能な複合材サンドイッチパネル用コア、複合材サンドイッチパネル、及びその製造方法を提供する。
【解決手段】成形型上にて、マトリックス樹脂中に低密度付与充填材を内包するコア材の少なくとも２層間に、前記マトリックス樹脂の成形温度より高い融点を有する合成樹脂の繊維若しくはヤーンの不職布を挟み、その少なくとも片面ほぼ全域に繊維強化プラスチックスのプリプレグを配置し、バッグフィルムで全体を覆って気密化し、バッグフィルム内部を真空にしつつ加熱して一体成形することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術の分野】
本発明は、軽量・高強度な繊維強化樹脂複合材板状構造体及びその低コストな製造法に関し、特に複合材サンドイッチパネル用コア、複合材サンドイッチパネル、及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
軽量で高強度な繊維強化樹脂複合材は各種の産業分野で用途を広げているが、中でも航空機・宇宙産業では厳しく軽量と高強度の両立が要求されるので、重要視されてきている。加えて、大型の部材が必要なところから、該繊維強化樹脂複合材の構造および製造法には従来の技術で種々の工夫がなされている。
【０００３】
一般に、前記目的で大型の部材に成形された繊維強化樹脂複合材の構造は、軽量のコア材と高強度のスキン材との積層構造、特にコア材層の両面に繊維強化樹脂のスキン材層が配置一体化されたサンドイッチ構造となっている。また一般に、コア材には、アルミニウム合金製のハニカムコアや硬質プラスチック独立気泡発泡体が使用されるが、高い強度を要求される航空機部品には、マトリックス樹脂中に低密度付与充填材を内包するコア材（以下シンタクティック・フォーム）が使用される。このような高い強度を有する大きなサンドイッチ構造のパネルを一体で製造するには、大きなオートクレーブに材料を入れて、加圧・加温して行う必要があった。
【０００４】
その製造工程を模式的に描いた略図、図３でその製造方法を説明すると、成形型７上で、複数枚の、シンタクティック・フォーム１を中心に挟んで、複数枚の、繊維強化プラスチックスのプリプレグ２を積層する。その上を離型フィルム５で覆い、バッグフィルム４とシール部材６により前記積層物を密封する。全体をオートクレーブ１２中に入れて、バッグフィルム４内を図示してない真空装置８に繋ぎ内部を減圧し、全体を図示しない加圧源１３により加圧しながら、やはり図示しない熱源により加温して、成形硬化させる。この時樹脂その他から揮発性物質、空気などガス成分が発生して積層物間に移行滞留してくるが、オートクレーブによる圧力で、成形体の外に押し出し除外される。
【０００５】
温度、圧力などの成形条件は、使用する材料の質によるが、例えば航空機の構造材に用いられる炭素繊維とエポキシ樹脂からなる一般的な繊維強化プラスチックスの場合では、温度約１２０〜１８０℃の範囲で成形時に段階的に変化させ、圧力は０．３〜０．７Ｍｐａの範囲で加圧する。
【０００６】
このように、大型のオートクレーブを設置、運転して製造する方法は費用が嵩むので、圧力をかけないで、バッグ内を真空で引きつつ加熱だけで硬化成形する方法も行われるが、前記シンタクティック・フォームをサンドイッチした構造のパネルでは、シンタクティック・フォーム同士の積層面間が密に閉ざされるので、この部分（面）にガス成分が閉じ込められ硬化して、コア間にボイド（欠陥）が多数発生し、強度の低いパネルとなる。高い性能を保証しなければならない部材としては致命的である。
【０００７】
その成形体（パネル）の断面を模式的に描いた略図を図４（ｂ）に示す。図は、繊維強化プラスチックス２２にサンドイッチされたシンタクティック・フォーム２１の構造を有する成形体（パネル）であるが、シンタクティック・フォーム２１層間にボイド２３が発生している。
【０００８】
特許文献にはこの種の繊維強化プラスチックス構造体に関する開示は多数あるが、いずれも、ボイド欠陥に着眼して、解決した技術は見出されない。（例えば特許文献１、２、３及び４参照。）
【０００９】
【特許文献１】
特開平１１−１０７１０７号公報
【特許文献２】
特開平１１−１０７１０５号公報
【特許文献３】
特開平１１−２５４５６６号公報
【特許文献４】
特開平２０００−４３１７３号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、高価な設備を用いずに製造可能な複合材サンドイッチパネル用コア、複合材サンドイッチパネル、及びその製造方法及びその製造方法を提供することを目的とする。更に詳しくは、そのコア材の積層間に発生し易いボイド欠陥を排除した信頼性の高い、軽量高強度な、コストを抑制した複合繊維強化プラスチック構造体及びその製造方法の提供を目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、複合材サンドイッチパネルに用いるコアであって、マトリックス樹脂中に低密度付与充填材を内包するコア材の少なくとも２層と、該層間にある前記マトリックス樹脂の成形温度より高い融点を有する合成樹脂の繊維若しくはヤーンの不織布とよりなり、該不織布を介して前記コア材が前記マトリックス樹脂で一体化されたことを特徴とする。
【００１２】
前記マトリックス樹脂は特に限定はしないが、成形品の使用環境条件に応じて、必要な物理特性を有する材料を選択する。例えばエポキシ、不飽和ポリエステル、フェノール、ポリイミドなどの熱硬化性樹脂、ポリアミド、ＡＢＳ、ポリカーボネートなどの熱可塑性樹脂を選ぶ事ができる。但し、組み合わせるスキン層の材料も含めて、成形条件など製造に係る要素も考慮する必要がある。
【００１３】
また、低密度付与充填材は最終目的の成形品が極力軽量になり、しかもコアの強度がマトリックス樹脂の強度より低下しないように、（むしろ上昇することが好ましいが、）混合される充填材であって、主として無機の充填材が用いられる。例えば、ガラスビーズ、シリカ粉などが選ばれる。
【００１４】
このような、低密度付与充填材を内包するコア材は一般にシタクティック・フォームと呼ばれている。このコア材は０．２〜３ｍｍの板厚のものが、複数枚前記マトリックス樹脂の成形温度より高い融点を有する合成樹脂の繊維若しくはヤーンの不織布を介して積層されていることが好ましい。該合成樹脂の繊維若しくはヤーンの不織布は一般にスクリームクロスと言い、ポリアミドなどの繊維の不織布が選ばれるが、材質は他の有機若しくは無機繊維であってもかまわない。この不織布層は例えば０．１５〜０．２ｍｍの厚みを有する。
【００１５】
更に本発明の複合材サンドイッチパネル用コアは、前記マトリックス樹脂がエポキシ樹脂であることを特徴とする。特に高性能成形材を目的とした場合、エポキシ樹脂が耐熱性、接着性、耐久性などの点で好ましいからである。
【００１６】
更に本発明の複合材サンドイッチパネル用コアは、前記低密度付与充填材がガラスバルーン粒子であることを特徴とする。
【００１７】
更に本発明の複合材サンドイッチパネル用コアは、前記不織布を構成する繊維若しくはヤーンの合成樹脂がアミド結合を有する線状重合体であることを特徴とする。
【００１８】
そして、本発明の複合材サンドイッチパネルは、前記コアと該コアの少なくとも片面に配置一体化された繊維強化プラスチックスによってなることを特徴とする。いわゆるスキン層と呼ばれるこの層は、該構造物（サンドイッチパネル）の強度を担うものであるので、前記コア層とともに、使用目的に応じた材料を選ぶことが重要である。ここでは特に規定はしないが、炭素繊維強化エポキシ樹脂、炭化ケイ素繊維エポキシ樹脂、強化ガラス繊維強化ポリエステルなどを例として挙げることができる。そして前記繊維強化プラスチックスからなるスキン層の厚みは例えば０．５〜２．０ｍｍの程度である。
【００１９】
更に本発明の複合材サンドイッチパネルは、前記繊維強化プラスチックスの繊維が炭素繊維であることを特徴とする。炭素繊維は軽量で高強度且つ高い耐熱性を有するからである。
【００２０】
更に本発明の他の側面である複合材サンドイッチパネルの製造方法は、成形型上にて、マトリックス樹脂中に低密度付与充填材を内包するコア材の少なくとも２層間に、前記マトリックス樹脂の成形温度より高い融点を有する合成樹脂の繊維若しくはヤーンの不職布を挟み、その少なくとも片面ほぼ全域に繊維強化プラスチックスのプリプレグを配置し、バッグフィルムで全体を覆って気密化し、バッグフィルム内部を真空にしつつ加熱して一体成形することを特徴とする。
【００２１】
繊維強化プラスチックスのプリプレグは周知のように、繊維に未硬化若しくは半硬化の樹脂を含浸させ、加熱によって、成形体に硬化するように加工された中間材料であって、前記マトリックス樹脂中に低密度付与充填材を内包するコア材（シンタクティック・フォーム）とサンドイッチ状に積層して加熱し一体的に硬化成形ができる。本発明のように、前記マトリックス樹脂の成形温度より高い融点を有する合成樹脂の繊維若しくはヤーンの不職布（スクリーム・クロス）を挟み、加熱すれば、コア材間に浸出した前記揮発性成分、空気などのガス成分の拡散・移動が、該不職布層を介して容易に進み、最終的には一体的に硬化して、大きな圧力を必要とせずにコア層間にボイドのない成形体をうることができる。従って高価な加圧設備を必要としない。成形の温度は使用する材料によって変わるが、炭素繊維とエポキシ樹脂の真空成形用プリプレグを用いる場合の加熱温度は１２０〜１８０℃の範囲で、成形時に段階的に変化させる。
【００２２】
更に本発明の複合材サンドイッチパネルの製造方法は、成形型上にて、マトリックス樹脂中に低密度付与充填材を内包するコア材の少なくとも２層間に前記マトリックス樹脂の成形温度より高い融点を有する合成樹脂の繊維若しくはヤーンの不職布を挟み、その少なくとも片面ほぼ全域に繊維強化用ドライプリフォームを配置し、バッグフィルムで全体を覆って気密化し、バッグフィルム内部を真空にしつつ加熱して、繊維強化プラスチックス用の樹脂を注入して一体成形することを特徴とする。
【００２３】
前記したようなプリプレグを用いないで行う、いわゆるＶａＲＴＭ（真空アシスト・レジントランスファーモールド）法と一般に呼ばれる方法でも本発明の実施は可能である。前記プリプレグを用いる方法は中間品を保存するのに反応が進行しないよう、低温で行う必要があったが、スキン層の構成に繊維強化用ドライプリフォームを用いる本方法はその必要がない。ドライプリフォームは強化繊維（例えば炭素繊維）の織物、マット、ストランド、ロービングを用いる事ができる。繊維強化プラスチックス用の樹脂は繊維間に流動浸透し、加熱硬化するタイプの樹脂で、未硬化の液状熱硬化性樹脂、例えばエポキシ、不飽和ポリエステル、フェノール、ポリイミドなどの熱硬化性樹脂若しくは過熱して流動し繊維間に浸透し、温度を下げると硬化する熱可塑性樹脂、例えばポリアミド、ＡＢＳ、ポリカーボネートなどから選択する事ができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。但し、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りはこの発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
【００２５】
（実施例１）
図１は、本発明の一実施形態である真空成形による複合材サンドイッチパネルの製法を模式的に説明した略図であり、本実施例１に相当する。本図の成形型７の上に炭素繊維とエポキシ樹脂からなるプリプレグ２を載置し、その上にガラスビーズ充填エポキシ樹脂からなるシンタクティック・フォーム１、ナイロン製スクリーム・クロス３を載せ、更に同種のシンタクティック・フォーム１を重ね、最上部には最初に載置したのと同種のプリプレグ２を載置し図示のような積層構造を組み立てる。更に離型フィルム５で覆い、バッグフィルム４とシール６により、密封する。全体をオーブン９内に設置して、図示しない真空装置８に繋げて、真空に引きつつ、加熱する。温度を１２０〜１８０℃の範囲で段階的に上昇させて、合計この範囲に３時間保って、成形硬化させ、複合材サンドイッチパネルを製造した。
【００２６】
この成形品を冷却後切断して断面を見たものが、図４（ａ）である。２１の成形硬化後のシンタクティック・フォーム、２２の成形硬化後の繊維強化樹脂、３のスクリーム・クロスが積層体として観察され、ボイドなどの欠陥は見当たらなかった。
【００２７】
（実施例２）
図２は、本発明の一実施形態である真空成形による複合材サンドイッチパネルの製法を模式的に説明した略図であり、本実施例２に相当する。本実施例２はプリプレグの代りに、ドライプリフォームと未硬化樹脂を用いたＶａＲＴＭ法によるものである。本図の成形型７の上に炭素繊維のドライプリフォーム２’を載置し、その上にガラスビーズ充填エポキシ樹脂からなるシンタクティック・フォーム１、ナイロン製スクリーム・クロス３を載せ、更に同種のシンタクティック・フォーム１を重ね、最上部には最初に載置したのと同種のドライプリフォーム２’を載置し、図示のような積層構造を組み立てる。更に樹脂流通媒体（網）１０で覆い、バッグフィルム４とシール６により、密封する。全体をオーブン内に設置して、図示しない真空装置８に繋げて、真空に引きつつ、一方より、樹脂液（エポキシ樹脂）を注入しつつ加熱する。温度を７０〜１８０℃の範囲で段階的に上昇させた。上昇の初期１時間で樹脂液の所定全量を注入し終わり、次の２時間を加熱保持し、合計この範囲に３時間保って、成形硬化させ、複合材サンドイッチパネルを製造した。
【００２８】
この成形品を冷却後切断して断面を見たものが、図４（ａ）である。実施例１と同様、２１の成形硬化後のシンタクティック・フォーム、２２の成形硬化後の繊維強化樹脂、３のスクリーム・クロスが積層体として観察され、ボイドなどの欠陥は見当たらなかった。
【００２９】
（比較例１）
比較例として、実施例１と全く同様だが、スクリームクロスを入れないで複合材サンドイッチパネルを製造した。この成形品を冷却後切断して断面を見たものが、図４（ｂ）である。２１の成形硬化後のシンタクティック・フォーム、２２の成形硬化後の繊維強化樹脂が積層体として観察されるが、成形硬化後のシンタクティック・フォーム間にボイド２３が多数発見され、欠陥のある製品であった。
【００３０】
【発明の効果】
以上、詳しく説明したように、本発明により、コア材の積層間に発生し易いボイド欠陥を排除した信頼性の高い、軽量高強度な、コストを抑制した複合繊維強化プラスチック構造体及びその製造方法の提供又その製造方法の提供を可能にした。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態である真空成形による複合材サンドイッチパネルの製法を模式的に説明した略図。
【図２】本発明の他の実施形態である真空成形による複合材サンドイッチパネルの製法を模式的に説明した略図。
【図３】従来の加圧成形による複合材サンドイッチパネルの製法を模式的に説明した略図。
【図４】（ａ）本発明の複合材サンドイッチパネルの断面図
（ｂ）加圧成形によらずに従来の積層材構成で、複合材サンドイッチパネルを製造した時の製品の断面図
【符号の説明】
１シンタクティック・フォーム
２プリプレグ
２’ ドライフォーム
３スクリーム・クロス
４バッグフィルム
５離型フィルム
６シール
７成形型
８真空装置
９オーブン
１０樹脂流通媒体
１１樹脂液
１２オートクレーブ
１３加圧源
２１成形硬化後のシンタクティック・フォーム
２２成形硬化後の繊維強化樹脂
２３ボイド（欠陥）

Claims

複合材サンドイッチパネルに用いるコアであって、マトリックス樹脂中に低密度付与充填材を内包するコア材の少なくとも２層と、該層間にある前記マトリックス樹脂の成形温度より高い融点を有する合成樹脂の繊維若しくはヤーンの不織布とよりなり、該不織布を介して前記コア材が前記マトリックス樹脂で一体化されたことを特徴とする複合材サンドイッチパネル用コア。
前記マトリックス樹脂がエポキシ樹脂であることを特徴とする請求項１記載の複合材サンドイッチパネル用コア。
前記低密度付与充填材がガラスバルーン粒子であることを特徴とする請求項１記載の複合材サンドイッチパネル用コア。
前記不織布を構成する繊維若しくはヤーンの合成樹脂がアミド結合を有する線状重合体であることを特徴とする請求項１記載の複合材サンドイッチパネル用コア。
前記コアと該コアの少なくとも片面に配置一体化された繊維強化プラスチックスによってなることを特徴とする複合材サンドイッチパネル。
前記繊維強化プラスチックスの繊維が炭素繊維であることを特徴とする請求項５記載の複合材サンドイッチパネル。
成形型上にて、マトリックス樹脂中に低密度付与充填材を内包するコア材の少なくとも２層間に、前記マトリックス樹脂の成形温度より高い融点を有する合成樹脂の繊維若しくはヤーンの不職布を挟み、その少なくとも片面ほぼ全域に繊維強化プラスチックスのプリプレグを配置し、バッグフィルムで全体を覆って気密化し、バッグフィルム内部を真空にしつつ加熱して一体成形することを特徴とする複合材サンドイッチパネルの製造方法。
成形型上にて、マトリックス樹脂中に低密度付与充填材を内包するコア材の少なくとも２層間に前記マトリックス樹脂の成形温度より高い融点を有する合成樹脂の繊維若しくはヤーンの不職布を挟み、その少なくとも片面ほぼ全域に繊維強化用ドライプリフォームを配置し、バッグフィルムで全体を覆って気密化し、バッグフィルム内部を真空にしつつ加熱して、繊維強化プラスチックス用の樹脂を注入して一体成形することを特徴とする複合材サンドイッチパネルの製造方法。