ハニカムコアサンドイッチ構造体
【課題】この発明は、三次元的な低熱膨張特性を有する軽量のハニカムコアサンドイッチ構造体を得る。
【解決手段】一対の表皮２のそれぞれは、表皮用炭素繊維が擬似等方性を有するように配列された表皮用炭素繊維強化プラスチックで作製され、ハニカムコア３は、コア用炭素繊維をその長さ方向が互いに直交するように編み込んだ炭素繊維集合体に樹脂を含浸させてなるプリプレグシートをコア用炭素繊維の長さ方向が互いに４５°ずれるように回転させて積層一体化してなるコア用炭素繊維強化プラスチックで作製され、コア用炭素繊維強化プラスチックを構成する該コア用炭素繊維の長さ方向の一つが上記表皮の表面と平行となっている。ハニカムコア３は、超高弾性の炭素繊維をコア用炭素繊維として用いており、軸方向の熱膨張係数が負の熱膨張係数となっている。
【解決手段】一対の表皮２のそれぞれは、表皮用炭素繊維が擬似等方性を有するように配列された表皮用炭素繊維強化プラスチックで作製され、ハニカムコア３は、コア用炭素繊維をその長さ方向が互いに直交するように編み込んだ炭素繊維集合体に樹脂を含浸させてなるプリプレグシートをコア用炭素繊維の長さ方向が互いに４５°ずれるように回転させて積層一体化してなるコア用炭素繊維強化プラスチックで作製され、コア用炭素繊維強化プラスチックを構成する該コア用炭素繊維の長さ方向の一つが上記表皮の表面と平行となっている。ハニカムコア３は、超高弾性の炭素繊維をコア用炭素繊維として用いており、軸方向の熱膨張係数が負の熱膨張係数となっている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、航空宇宙用に適用される、三次元に低熱膨張特性を有する高剛性のハニカムコアサンドイッチ構造体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、様々な分野において、宇宙空間および地球上の高解像度の衛星画像に対する需要がますます高まっている。それにともない、従来よりも高分解能な望遠鏡を搭載した観測衛星の開発が求められている。このような衛星において、望遠鏡の分解能を向上させるためには、鏡を大型化するだけでなく、打ち上げ時に大型の鏡を保持するために十分な剛性を有し、さらに熱的な寸法安定性を備えた望遠鏡構造が必要となる。宇宙環境下において、望遠鏡構造に温度分布が発生した場合、熱的な寸法安定性が低いと望遠鏡構造に歪みが発生し、衛星画像の解像度の低下につながるので、低熱膨張の望遠鏡構造の実現が、重要となる。
【０００３】
従来、ハニカムコアと、ハニカムコアの両側表面を覆う表皮とで構成され、ハニカムコアと表皮の材料にインバー合金などの金属と比較して軽量、かつ熱による歪みが小さいＣＦＲＰ（Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ）を用い、表面に対して水平な全ての方向について、熱膨張係数を±０．５ｐｐｍ／Ｋ以内とするハニカムコアサンドイッチパネルが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−８１１９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のハニカムコアサンドイッチパネルでは、表面に対して水平な全ての方向について、熱膨張係数が±０．５ｐｐｍ／Ｋ以内である低熱膨張特性を実現しているが、ハニカムコアサンドイッチパネルの面外方向の熱膨張特性については、何ら考慮されていなかった。そのため、宇宙環境下において、衛星搭載光学機器用構造に温度分布が発生すると、構造に歪みが発生し、光学機器で取得した画像の解像度が低下するという不具合が生じる。
【０００６】
この発明は、このような課題を解決するためになされたものであって、三次元的な低熱膨張特性を有する軽量のハニカムコアサンドイッチ構造体を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明によるハニカムコアサンドイッチ構造体は、ハニカムコアと、該ハニカムコアの両側両面を覆う一対の表皮と、を有し、上記一対の表皮のそれぞれは、表皮用炭素繊維が擬似等方性を有するように配列された表皮用炭素繊維強化プラスチックで作製され、上記ハニカムコアは、コア用炭素繊維をその長さ方向が互いに直交するように編み込んだ炭素繊維集合体に樹脂を含浸させてなるプリプレグシートをコア用炭素繊維の長さ方向が互いに４５°ずれるように回転させて積層一体化してなるコア用炭素繊維強化プラスチックで作製され、該コア用炭素繊維強化プラスチックを構成する該コア用炭素繊維の長さ方向の一つが上記表皮の表面と平行となっており、軸方向の熱膨張係数が負である。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、コア用炭素繊維強化プラスチックを構成するコア用炭素繊維の長さ方向の一つが表皮の表面と平行となっているので、ハニカムコアの表皮の表面と平行な方向の引張り剛性が高められる。そこで、ハニカムコアの表皮との接合部近傍が、表皮の表面と平行な方向の熱変形に引きずられて変形することが抑えられる。
また、ハニカムコアの軸方向の熱膨張係数が負の熱膨張係数であり、表皮の表面と直交する方向の熱膨張係数は、含浸樹脂の熱膨張係数が支配的となり、正の熱膨張係数となる。そこで、表皮の表面と直交する方向に関し、表皮の正の熱膨張係数がハニカムコアの負の熱膨張係数により差し引かれ、零又は小さな値となる。
【０００９】
これらにより、ハニカムコアサンドイッチ構造体は、表皮の表面方向および表面と直交する方向、すなわち三次元的な低熱膨張特性を有し、宇宙環境下において、温度分布が発生しても、歪みの発生が抑制され、光学機器で取得した画像の解像度の低下が抑えられる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明の実施の形態１に係るハニカムコアサンドイッチパネルの構成を説明する分解斜視図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係るハニカムコアサンドイッチパネルにおけるハニカムコアの構成を説明する図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係るハニカムコアサンドイッチパネルにおけるハニカムコアの製造方法を説明する要部断面図である。
【図４】比較例のハニカムコアサンドイッチパネルのユニットセルにおける熱歪みを示す模式図である。
【図５】この発明の実施の形態１に係るハニカムコアサンドイッチパネルにおける熱膨張係数の測定方法を説明する図である。
【図６】この発明の実施の形態２に係るハニカムコアサンドイッチパネルの構成を説明する分解斜視図である。
【図７】この発明の実施の形態２に係るハニカムコアサンドイッチパネルにおけるハニカムコアの構成を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明によるハニカムコアサンドイッチ構造体の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
【００１２】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係るハニカムコアサンドイッチパネルの構成を説明する分解斜視図、図２はこの発明の実施の形態１に係るハニカムコアサンドイッチパネルにおけるハニカムコアの構成を説明する図であり、図２の（ａ）はハニカムコアを構成するＣＦＲＰの第１プリプレグシートの炭素繊維方向を示し、図２の（ｂ）はハニカムコアを構成するＣＦＲＰの第２プリプレグシートの炭素繊維方向を示している。図３はこの発明の実施の形態１に係るハニカムコアサンドイッチパネルにおけるハニカムコアの製造方法を説明する要部断面図、図４は比較例のハニカムコアサンドイッチパネルのユニットセルにおける熱歪みを示す模式図、図５はこの発明の実施の形態１に係るハニカムコアサンドイッチパネルにおける熱膨張係数の測定方法を説明する図である。
【００１３】
図１において、ハニカムコアサンドイッチ構造体としてのハニカムコアサンドイッチパネル１は、ＣＦＲＰからなる一対の表皮２を、シート状接着剤４を介して、ＣＦＲＰからなるハニカムコア３の軸方向の両端面を覆うように配置して、ハニカムコア３に固着して構成されている。
ここで、ハニカムコアサンドイッチパネル１の面内方向のうち、ハニカムコア３のリボン方向をＸ軸方向、ハニカムコア３のセル幅（セルサイズ）方向をＹ軸方向、パネルの面外方向をＺ軸方向とする。また、炭素繊維の配向方向を示すために、表皮２とハニカムコア３の座標系を示す。表皮２では、０°方向をＸ軸方向とし、９０°方向をＹ軸方向とする。ハニカムコア３では、０°方向をＺ軸方向とし、９０°をＸ軸方向とする。
【００１４】
つぎに、ハニカムコアサンドイッチパネル１の成形方法の一例について説明する。
まず、例えば、長さ方向が揃えられた表皮用炭素繊維としての高弾性炭素繊維Ｍ６０Ｊ（東レ製）の集合体に含浸樹脂としてのシアネート樹脂ＥＸ１５１５（ＴＥＮＣＡＴＥ製）を含浸させた１軸配向のシート（プリプレグシート）を作製する。このプリプレグシートは、炭素繊維の方向がプリプレグシートの長さ方向に一致している。ついで、プリプレグシートを前に置いたプリプレグシートに対して一定の角度をもつように順次積み重ね、重ねたプリプレグシートの積層体に１８０℃程度の熱、および３気圧程度の圧力をかけて硬化させて表皮２を作製する。ここで、プリプレグシートは、例えば、最初の１枚を置いた方向を基準としてこれを０°とし、０°、６０°、−６０°、−６０°、６０°、０°の順で６枚重ねる。あるいは、０°、４５°、−４５°、９０°、９０°、−４５°、４５°、０°の順で８枚重ねてもよい。このように作製されたＣＦＲＰからなる表皮２は、表面と平行な全ての方向について性質をほぼ等しくする擬似等方性を有する。
【００１５】
つぎに、例えば、長さ方向が揃えられたピッチ系のコア用炭素繊維としての超高弾性炭素繊維Ｋ１３Ｃ（三菱樹脂製）の束を直交するように編み込んで作製された集合体に含浸樹脂としてのシアネート樹脂ＥＸ１５１５（ＴＥＮＣＡＴＥ製）を含浸させて、直交する二軸配向のプリプレグシートを作製する。このように作製された２枚のプリプレグシートを、超高弾性炭素繊維Ｋ１３Ｃの長さ方向が互いに４５°の角度をもつように重ね、母材シート５を作製する。
【００１６】
この母材シート５は、所定長さ毎に切断される。そして、母材シート５は、図３に示されるように、６角柱状体７を介装して、多数枚重ねられる。そして、母材シート５が、加熱加圧により相互間を接合される。ついで、６角柱状体７を除去し、６角形のセルの平面的集合体よりなるＣＦＲＰからなるハニカムコア３が作製される。
【００１７】
このように作製されたＣＦＲＰからなるハニカムコア３は、表面と平行な全ての方向について性質をほぼ等しくする擬似等方性を有する。なお、このハニカムコア３では、図２の（ａ）に示されるように、炭素繊維９の長さ方向がハニカムコア３のセルの基準辺８に対して（＋４５°／−４５°）となるプリプレグシートと、図２の（ｂ）に示されるように、炭素繊維９の長さ方向がハニカムコア３のセルの基準辺８に対して（０°／９０°）となるプリプレグシートとを積層して構成されている。なお、基準辺８はＺ軸方向に一致する。
【００１８】
つぎに、熱硬化性のシート状接着剤４を表皮２の表面に敷き、ハニカムコア３をその上に置き、シート状接着剤４を敷いた表皮２をその上に被せ、加圧加熱してシート状接着剤４を硬化させ、ハニカムコアサンドイッチパネル１を作製する。なお、表皮２を構成する高弾性炭素繊維Ｍ６０Ｊの集合体に含浸されたシアネート樹脂ＥＸ１５１５が接着剤として機能する場合、シート状接着剤４を省略し、表皮２、ハニカムコア３、表皮２の順に重ねて、加圧加熱して、ハニカムコアサンドイッチパネル１を作製してもよい。
【００１９】
ここで、表皮２は、複数枚の１軸配向のプリプレグシートを、炭素繊維の配向方向をずらして積層一体化して作製されているので、表皮２の表面と平行な全ての方向について性質をほぼ等しくする擬似等方性を有する。表皮２は、正の熱膨張係数を有する含浸樹脂と、負の熱膨張係数を有する炭素繊維とから構成されている。そこで、表皮２は、面内方向では、含浸樹脂が有する正の熱膨張係数と炭素繊維が有する負の熱膨張係数とが相殺されてほぼ零の熱膨張係数を有し、面外方向では、含浸樹脂の熱膨張係数が支配的となり、正の熱膨張係数を有する。同様に、表皮２とハニカムコア３とを接着するシート状接着剤４も、面外方向では、正の熱膨張係数を有する。すなわち、表皮２はＸ軸方向およびＹ軸方向の熱膨張係数はほぼ零となり、Ｚ軸方向の熱膨張係数が正となる。また、シート状接着剤４のＺ軸方向の熱膨張係数が正となる。
【００２０】
ハニカムコア３は、直交する二軸配向のプリプレグシートを配向方向が４５°ずれるように積層した母材シート５を用いているので、母材シート５の表面と平行な全ての方向について性質をほぼ等しくする擬似等方性を有する。また、ハニカムコア３は、母材シート５を構成する炭素繊維９の配向方向の一つをＸ軸方向に一致するように構成されているので、ハニカムコア３のＸ軸方向の引張り剛性、すなわちハニカムコアサンドイッチパネル１の面内方向におけるハニカムコア３の引張り剛性が高められる。さらに、炭素繊維９として、大きな負の熱膨張係数を有する超高弾性炭素繊維Ｋ１３Ｃを用いているので、ハニカムコア３のＺ軸方向の熱膨張係数は、すなわちハニカムコアサンドイッチパネル１における面外方向におけるハニカムコア３の熱膨張係数は、含浸樹脂が有する正の熱膨張係数と炭素繊維９が有する負の熱膨張係数とが相殺されず、負となる。
【００２１】
このように構成されたハニカムコアサンドイッチパネル１では、ハニカムコア３を構成するＣＦＲＰが炭素繊維９の長さ方向をハニカムコア３のセルの基準辺８に対して（＋４５°／−４５°）とするプリプレグシートを備えているので、ハニカムコアサンドイッチパネル１に要求される剪断強度を確保することができる。また、ハニカムコアサンドイッチパネル１の面内方向におけるハニカムコア３の引張り剛性が高められるので、ハニカムコアサンドイッチパネル１の面内方向における表皮２とハニカムコア３との熱膨張差に起因するハニカムコア３の歪みの発生が抑えられる。さらに、ハニカムコアサンドイッチパネル１の面外方向における熱膨張係数に関して、表皮２とシート状接着剤４との正の熱膨張係数と、ハニカムコア３の負の熱膨張係数とが相殺されるので、零、あるいは小さな値となる。
【００２２】
そこで、ハニカムコアサンドイッチパネル１は、面内方向および面外方向に低熱膨張の構造体となるので、このハニカムコアサンドイッチパネル１を衛星搭載光学機器の支持構造体に適用した場合、宇宙環境下でハニカムコアサンドイッチパネル１に温度分布が発生しても、ハニカムコアサンドイッチパネル１に歪みの発生が抑えられ、光学機器で取得した画像の解像度の低下を防止できる。また、ハニカムコアサンドイッチパネル１は、ＣＦＲＰで作製されているので、軽量化が図られる。
【００２３】
ここで、比較例のハニカムコアサンドイッチパネルにおける熱変形について図４を用いて説明する。
【００２４】
長さ方向が揃えられたピッチ系の超高弾性炭素繊維Ｋ１３Ｃ（三菱樹脂製）の束を直交するように編み込んで作製された集合体にシアネート樹脂ＥＸ１５１５（ＴＥＮＣＡＴＥ製）を含浸させて、直交する二軸配向のプリプレグシートを作製した。ついで、超高弾性炭素繊維Ｋ１３Ｃの長さ方向が一致するように２枚のプリプレグシートを重ね、母材シートを作製した。そして、炭素繊維の配向方向がハニカムコアの基準辺に対して（＋４５°／−４５°）となるように母材シートを用いてハニカムコアを作製した。ついで、熱硬化性のシート状接着剤を表皮の表面に敷き、ハニカムコアをその上に置き、シート状接着剤を敷いた表皮をその上に被せ、加圧加熱してシート状接着剤を硬化させ、比較例のハニカムコアサンドイッチパネルを作製した。
【００２５】
この比較例のハニカムコアサンドイッチパネルは、炭素繊維の配向方向をセルの基準辺に対して（＋４５°／−４５°）とするＣＦＲＰで作製されたハニカムコアを用いている点を除いて、本ハニカムコアサンドイッチパネル１と同様に構成した。
【００２６】
比較例のハニカムコアサンドイッチパネルでは、面内方向における表皮とハニカムコアとの熱膨張係数が異なり、面内方向におけるハニカムコアの引張り剛性が表皮の引張り剛性より小さい。そこで、比較例のハニカムコアサンドイッチパネルが成形温度に対して低温状態となると、面内方向における表皮とハニカムコアとの熱膨張差から、表皮に接合されているハニカムコアの端部付近が表皮の面内方向の熱変形に引きずられ、図４に示されるように、ユニットセル１０に歪みが発生する。この歪みは、ハニカムコアの閉じた形状に依存して、ハニカムコアサンドイッチパネルの面内方向の変形だけでなく、面外方向の変形をもたらす。
【００２７】
そこで、このようなサンドイッチ構造体における面外方向の熱膨張係数は、表皮、接着剤、およびハニカムコアの面外方向の熱変形量と、ハニカムコアの歪みに起因する面外方向の熱変形量との総和を、熱変形前のハニカムコアサンドイッチパネルの厚さで除した値となる。
【００２８】
つぎに、図５に示した測定方法によりハニカムコアサンドイッチパネル１の面外方向の熱膨張係数を測定した結果について説明する。
ハニカムコアサンドイッチパネル１は、図５に示されるように、レーザ反射鏡１２を一対の表皮２に接着固定されてサンプル支持台１３に載置され、恒温槽１４内に配置される。恒温槽１４内の温度を制御して、ハニカムコアサンドイッチパネル１の温度を変化させる。そして、レーザフォーカス変位計１５からレーザ光を照射し、レーザ反射鏡１２からの反射光を受光し、加熱によるハニカムコアサンドイッチパネル１の変位量を測定し、熱膨張係数を算出した。
【００２９】
ハニカムコアサンドイッチパネル１の表皮２の厚さは０．８４ｍｍであり、シート状接着剤４の厚さは０．０２５ｍｍである。ハニカムコア３は、炭素繊維９の配向方向をハニカムコア３の基準辺８に対して（＋４５°／−４５°）と（０°／９０°）とする二層構造のＣＦＲＰで作製され、セルサイズ（セル幅）を１／４インチ、高さを５０．０ｍｍとした。このように作製されたハニカムコアサンドイッチパネル１の面外方向の熱膨張係数は、０．２８ｐｐｍ／Ｋであった。
【００３０】
ここで、炭素繊維の配向方向をハニカムコアの基準辺に対して（＋４５°／−４５°）としたハニカムコアを用いた比較例のハニカムコアサンドイッチパネルの面外方向の熱膨張係数は、０．６８ｐｐｍ／Ｋであった。なお、比較例のハニカムコアサンドイッチパネルは、表皮の厚さは０．８４ｍｍであり、シート状接着剤の厚さは０．０２５ｍｍである。ハニカムコアは、炭素繊維の配向方向をハニカムコアの基準辺に対して（＋４５°／−４５°）とする二層構造のＣＦＲＰで作製され、セルサイズ（セル幅）を１／４インチ、高さを５０．０ｍｍとした。
【００３１】
ハニカムコアサンドイッチパネル１と比較例のハニカムコアサンドイッチパネルとの測定結果から、面外方向の熱膨張係数の差分である０．４０ｐｐｍ／Ｋがハニカムコア３の歪みによる影響であることがわかる。
【００３２】
ここで、ハニカムコアサンドイッチパネル１では、ハニカムコア３を構成する二軸配向の二層構造のＣＦＲＰの炭素繊維９の配列方向の一つがＺ軸方向と直交しているので、面内方向におけるハニカムコア３の引張り剛性が高められる。その結果、ハニカムコア３の端部付近が表皮２の面内方向の熱変形に引きずられないので、歪みの発生が抑えられたものと推考される。
【００３３】
一方、比較例のハニカムコアサンドイッチパネルでは、ハニカムコアを構成する二軸配向の二層構造のＣＦＲＰの炭素繊維の配列方向がＺ軸方向に対して±４５°の角度となっているので、面内方向におけるハニカムコアの引張り剛性は、実施の形態１におけるハニカムコア３の引っ張り剛性より小さくなる。その結果、ハニカムコアの端部付近が表皮の面内方向の熱変形に引きずられ、大きな歪みが発生したものと推考される。
【００３４】
また、ハニカムコアサンドイッチパネル１では、炭素繊維として、大きな負の熱膨張係数を有する超高弾性炭素繊維Ｋ１３Ｃを用いているので、ハニカムコア３のＺ軸方向の熱膨張係数は、含浸樹脂が有する正の熱膨張係数と炭素繊維が有する負の熱膨張係数とが相殺されず、負となる。また、表皮２のＺ軸方向の熱膨張係数は、含浸樹脂が支配的となり、正の熱膨張係数となる。そこで、ハニカムコアサンドイッチパネル１におけるＺ軸方向の熱膨張係数は、表皮２および接着剤４の正の熱膨張係数とハニカムコア３が有する負の熱膨張係数とが相殺され、零、あるいは小さな値となる。その結果、表皮２および接着剤４とハニカムコア３とのＺ軸方向における熱膨張差に起因する熱変形が抑制され、ハニカムコアサンドイッチパネル１の面外方向の熱膨張係数の計測値が、０．２８ｐｐｍ／Ｋと小さな値となったものと推考される。
【００３５】
このように、ハニカムコアサンドイッチパネル１は、比較例のハニカムコアサンドイッチパネルに対して、面外方向の熱膨張係数を大幅に小さくできた。したがって、この実施の形態１によれば、面内方向のみならず、面外方向にも低熱膨張の、すなわち熱的寸法安定性に優れたハニカムコアサンドイッチパネル１を実現できる。
【００３６】
ここで、ハニカムコアサンドイッチパネル１の面内方向に関し、表皮２の引張り剛性がハニカムコア３の引張り剛性より大きい場合、ハニカムコア３の表皮２との接合部近傍が表皮２の熱変形に引きずられて変形する。そして、ハニカムコア３の引張り剛性が表皮２の引張り剛性に近づくにつれハニカムコア３の変形が少なくなる。また、ハニカムコア３の引張り剛性が表皮２の引張り剛性より大きくなると、ハニカムコア３の表皮２との接合部近傍は表皮２の熱変形に引きずられず、変形しない。つまり、ハニカムコア３のセルとの表皮２の接合部分は変形しない。一方、ハニカムコア３のセル内を覆っている表皮２の部分に変形を生じる。しかし、このハニカムコア３のセル内を覆っている表皮２の部分の変形は、ハニカムコアサンドイッチパネル１に支持される衛星搭載光学機器で取得した画像の解像度の低下には影響を及ぼさない。つまり、ハニカムコア３の表皮２との接合部分の変形を抑えることが、光学機器で取得した画像の解像度の低下を抑えることになる。
【００３７】
したがって、ハニカムコアサンドイッチパネル１の面内方向に関し、ハニカムコア３の引張り剛性が表皮２の引張り剛性と同等以上となるように、調整することが好ましい。
【００３８】
また、ハニカムコア３のＺ軸方向の熱膨張係数が、表皮２および接着剤４のＺ軸方向の正の熱膨張係数をほぼ相殺する大きさの負の熱膨張係数となるように、調整することが好ましい。
ここで、ハニカムコア３は、弾性率が約９００ＧＰａの超高弾性炭素繊維Ｋ１３Ｃを用いているので、ハニカムコア３のＺ軸方向の熱膨張係数が、表皮２および接着剤４のＺ軸方向の正の熱膨張係数をほぼ相殺する大きさの負の熱膨張係数となる。また、炭素繊維は、炭素繊維の弾性率が大きくなるほど熱膨張係数が小さくなり、弾性率が６００ＧＰａ以上で、熱膨張係数がほぼ一定となる特性を有する。そこで、ハニカムコア３を構成する炭素繊維には、６００ＧＰａ以上の弾性率を有する炭素繊維を用いることが好ましい。
【００３９】
なお、上記実施の形態１では、一対の表皮２のそれぞれは、炭素繊維の配向方向がＺ軸方向に対称となるようにプリプレグシートを積層して構成されているが、一対の表皮２は、炭素繊維の配向方向がハニカムコア３を中心にしてＺ軸方向に対称となるようにプリプレグシートを積層して構成されてもよい。
【００４０】
実施の形態２．
図６はこの発明の実施の形態２に係るハニカムコアサンドイッチパネルの構成を説明する分解斜視図、図７はこの発明の実施の形態２に係るハニカムコアサンドイッチパネルにおけるハニカムコアの構成を説明する図であり、図７の（ａ）はハニカムコアを構成するＣＦＲＰの第１プリプレグシートの炭素繊維方向を示し、図７の（ｂ）はハニカムコアを構成するＣＦＲＰの第２プリプレグシートの炭素繊維方向を示し、図７の（ｃ）はハニカムコアを構成するＣＦＲＰの第３プリプレグシートの炭素繊維方向を示している。
【００４１】
図６において、ハニカムコアサンドイッチ構造体としてのハニカムコアサンドイッチパネル１Ａは、ＣＦＲＰからなる一対の表皮２を、シート状接着剤４を介して、ＣＦＲＰからなるハニカムコア３Ａの軸方向の両端面を覆うように配置して、ハニカムコア３Ａに固着して構成されている。
【００４２】
つぎに、ハニカムコア３Ａの構造について説明する。
長さ方向が揃えられたピッチ系の超高弾性炭素繊維Ｋ１３Ｃ（三菱樹脂製）の束を直交するように編み込んで作製された集合体にシアネート樹脂ＥＸ１５１５（ＴＥＮＣＡＴＥ製）を含浸させて、直交する二軸配向のプリプレグシートを作製する。このように作製された３枚のプリプレグシートを、炭素繊維の長さ方向が互いに一致するように重ね、母材シートを作製する。
【００４３】
ついで、母材シートは、６角柱状体を介装して、多数枚重ねられる。そして、母材シートが、加熱加圧により相互間を接合される。その後、６角柱状体を除去し、６角形のセルの平面的集合体よりなるＣＦＲＰからなるハニカムコア３Ａが作製される。
【００４４】
このように作製されたＣＦＲＰからなるハニカムコア３Ａは、図７の（ａ）に示されるように、炭素繊維９の長さ方向がハニカムコア３Ａのセルの基準辺８に対して（＋４５°／−４５°）となる第１プリプレグシートと、図７の（ｂ）に示されるように、炭素繊維９の長さ方向がハニカムコア３Ａのセルの基準辺８に対して（＋４５°／−４５°）となる第２プリプレグシートと、図７の（ｃ）に示されるように、炭素繊維９の長さ方向がハニカムコア３Ａのセルの基準辺８に対して（＋４５°／−４５°）となる第３プリプレグシートとを積層して構成されている。
【００４５】
ここで、表皮２の厚さは０．８４ｍｍであり、シート状接着剤４の厚さは０．０２５ｍｍである。ハニカムコア３Ａは、炭素繊維９の配向方向をハニカムコア３Ａの基準辺８に対して（＋４５°／−４５°）とする三層構造のＣＦＲＰで作製され、セルサイズ（セル幅）を１／４インチ、高さを５０．０ｍｍとした。このように作製されたハニカムコアサンドイッチパネル１Ａの面外方向の熱膨張係数を図５に示される測定方法で測定したところ、０．３０ｐｐｍ／Ｋであった。
したがって、上述の比較例のハニカムコアサンドイッチパネルの面外方向の熱膨張係数（０．６８ｐｐｍ／Ｋ）との差分である０．３８ｐｐｍ／Ｋがハニカムコアの歪みによる影響である。
【００４６】
ハニカムコアサンドイッチパネル１Ａでは、ハニカムコア３Ａが二軸配向のプリプレグシートを三層構造としたＣＦＲＰを用いて作製されているので、ハニカムコア３Ａの面内方向の引張り剛性が大きくなる。そこで、ハニカムコアサンドイッチパネル１Ａの面内方向におけるハニカムコア３Ａの引張り剛性が表皮２の引張り剛性と同等以上となり、ハニカムコア３Ａの端部付近が表皮２の面内方向の熱変形に引きずられないので、歪みの発生が抑えられたものと推考される。さらに、ハニカムコア３Ａを構成するＣＦＲＰの炭素繊維として超高弾性炭素繊維Ｋ１３Ｃを用いているので、ハニカムコアサンドイッチパネル１Ａの面外方向に関して、表皮２とシート状接着剤４との正の熱膨張係数と、ハニカムコア３Ａの負の熱膨張係数とがほぼ相殺され、零、あるいは小さな値となったものと推考される。
【００４７】
このように、ハニカムコアサンドイッチパネル１Ａは、比較例のハニカムコアサンドイッチパネルに対して、面外方向の熱膨張係数を大幅に小さくできた。したがって、この実施の形態２においても、面内方向のみならず、面外方向にも低熱膨張の、すなわち熱的寸法安定性に優れたハニカムコアサンドイッチパネル１Ａを実現できる。
【００４８】
なお、上記実施の形態２において、二軸配向のプリプレグシートの積層数を３層以上とすれば、ハニカムコアの面内方向の引張り剛性を表皮の面内方向の引張り剛性と同等以上にできるので、二軸配向のプリプレグシートの積層数は３層以上とすることが好ましい。
【符号の説明】
【００４９】
１，１Ａ ハニカムコアサンドイッチパネル（ハニカムコアサンドイッチ構造体）、２ 表皮、３，３Ａ ハニカムコア、９ 炭素繊維。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、航空宇宙用に適用される、三次元に低熱膨張特性を有する高剛性のハニカムコアサンドイッチ構造体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、様々な分野において、宇宙空間および地球上の高解像度の衛星画像に対する需要がますます高まっている。それにともない、従来よりも高分解能な望遠鏡を搭載した観測衛星の開発が求められている。このような衛星において、望遠鏡の分解能を向上させるためには、鏡を大型化するだけでなく、打ち上げ時に大型の鏡を保持するために十分な剛性を有し、さらに熱的な寸法安定性を備えた望遠鏡構造が必要となる。宇宙環境下において、望遠鏡構造に温度分布が発生した場合、熱的な寸法安定性が低いと望遠鏡構造に歪みが発生し、衛星画像の解像度の低下につながるので、低熱膨張の望遠鏡構造の実現が、重要となる。
【０００３】
従来、ハニカムコアと、ハニカムコアの両側表面を覆う表皮とで構成され、ハニカムコアと表皮の材料にインバー合金などの金属と比較して軽量、かつ熱による歪みが小さいＣＦＲＰ（Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ）を用い、表面に対して水平な全ての方向について、熱膨張係数を±０．５ｐｐｍ／Ｋ以内とするハニカムコアサンドイッチパネルが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−８１１９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のハニカムコアサンドイッチパネルでは、表面に対して水平な全ての方向について、熱膨張係数が±０．５ｐｐｍ／Ｋ以内である低熱膨張特性を実現しているが、ハニカムコアサンドイッチパネルの面外方向の熱膨張特性については、何ら考慮されていなかった。そのため、宇宙環境下において、衛星搭載光学機器用構造に温度分布が発生すると、構造に歪みが発生し、光学機器で取得した画像の解像度が低下するという不具合が生じる。
【０００６】
この発明は、このような課題を解決するためになされたものであって、三次元的な低熱膨張特性を有する軽量のハニカムコアサンドイッチ構造体を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明によるハニカムコアサンドイッチ構造体は、ハニカムコアと、該ハニカムコアの両側両面を覆う一対の表皮と、を有し、上記一対の表皮のそれぞれは、表皮用炭素繊維が擬似等方性を有するように配列された表皮用炭素繊維強化プラスチックで作製され、上記ハニカムコアは、コア用炭素繊維をその長さ方向が互いに直交するように編み込んだ炭素繊維集合体に樹脂を含浸させてなるプリプレグシートをコア用炭素繊維の長さ方向が互いに４５°ずれるように回転させて積層一体化してなるコア用炭素繊維強化プラスチックで作製され、該コア用炭素繊維強化プラスチックを構成する該コア用炭素繊維の長さ方向の一つが上記表皮の表面と平行となっており、軸方向の熱膨張係数が負である。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、コア用炭素繊維強化プラスチックを構成するコア用炭素繊維の長さ方向の一つが表皮の表面と平行となっているので、ハニカムコアの表皮の表面と平行な方向の引張り剛性が高められる。そこで、ハニカムコアの表皮との接合部近傍が、表皮の表面と平行な方向の熱変形に引きずられて変形することが抑えられる。
また、ハニカムコアの軸方向の熱膨張係数が負の熱膨張係数であり、表皮の表面と直交する方向の熱膨張係数は、含浸樹脂の熱膨張係数が支配的となり、正の熱膨張係数となる。そこで、表皮の表面と直交する方向に関し、表皮の正の熱膨張係数がハニカムコアの負の熱膨張係数により差し引かれ、零又は小さな値となる。
【０００９】
これらにより、ハニカムコアサンドイッチ構造体は、表皮の表面方向および表面と直交する方向、すなわち三次元的な低熱膨張特性を有し、宇宙環境下において、温度分布が発生しても、歪みの発生が抑制され、光学機器で取得した画像の解像度の低下が抑えられる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明の実施の形態１に係るハニカムコアサンドイッチパネルの構成を説明する分解斜視図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係るハニカムコアサンドイッチパネルにおけるハニカムコアの構成を説明する図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係るハニカムコアサンドイッチパネルにおけるハニカムコアの製造方法を説明する要部断面図である。
【図４】比較例のハニカムコアサンドイッチパネルのユニットセルにおける熱歪みを示す模式図である。
【図５】この発明の実施の形態１に係るハニカムコアサンドイッチパネルにおける熱膨張係数の測定方法を説明する図である。
【図６】この発明の実施の形態２に係るハニカムコアサンドイッチパネルの構成を説明する分解斜視図である。
【図７】この発明の実施の形態２に係るハニカムコアサンドイッチパネルにおけるハニカムコアの構成を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明によるハニカムコアサンドイッチ構造体の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
【００１２】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係るハニカムコアサンドイッチパネルの構成を説明する分解斜視図、図２はこの発明の実施の形態１に係るハニカムコアサンドイッチパネルにおけるハニカムコアの構成を説明する図であり、図２の（ａ）はハニカムコアを構成するＣＦＲＰの第１プリプレグシートの炭素繊維方向を示し、図２の（ｂ）はハニカムコアを構成するＣＦＲＰの第２プリプレグシートの炭素繊維方向を示している。図３はこの発明の実施の形態１に係るハニカムコアサンドイッチパネルにおけるハニカムコアの製造方法を説明する要部断面図、図４は比較例のハニカムコアサンドイッチパネルのユニットセルにおける熱歪みを示す模式図、図５はこの発明の実施の形態１に係るハニカムコアサンドイッチパネルにおける熱膨張係数の測定方法を説明する図である。
【００１３】
図１において、ハニカムコアサンドイッチ構造体としてのハニカムコアサンドイッチパネル１は、ＣＦＲＰからなる一対の表皮２を、シート状接着剤４を介して、ＣＦＲＰからなるハニカムコア３の軸方向の両端面を覆うように配置して、ハニカムコア３に固着して構成されている。
ここで、ハニカムコアサンドイッチパネル１の面内方向のうち、ハニカムコア３のリボン方向をＸ軸方向、ハニカムコア３のセル幅（セルサイズ）方向をＹ軸方向、パネルの面外方向をＺ軸方向とする。また、炭素繊維の配向方向を示すために、表皮２とハニカムコア３の座標系を示す。表皮２では、０°方向をＸ軸方向とし、９０°方向をＹ軸方向とする。ハニカムコア３では、０°方向をＺ軸方向とし、９０°をＸ軸方向とする。
【００１４】
つぎに、ハニカムコアサンドイッチパネル１の成形方法の一例について説明する。
まず、例えば、長さ方向が揃えられた表皮用炭素繊維としての高弾性炭素繊維Ｍ６０Ｊ（東レ製）の集合体に含浸樹脂としてのシアネート樹脂ＥＸ１５１５（ＴＥＮＣＡＴＥ製）を含浸させた１軸配向のシート（プリプレグシート）を作製する。このプリプレグシートは、炭素繊維の方向がプリプレグシートの長さ方向に一致している。ついで、プリプレグシートを前に置いたプリプレグシートに対して一定の角度をもつように順次積み重ね、重ねたプリプレグシートの積層体に１８０℃程度の熱、および３気圧程度の圧力をかけて硬化させて表皮２を作製する。ここで、プリプレグシートは、例えば、最初の１枚を置いた方向を基準としてこれを０°とし、０°、６０°、−６０°、−６０°、６０°、０°の順で６枚重ねる。あるいは、０°、４５°、−４５°、９０°、９０°、−４５°、４５°、０°の順で８枚重ねてもよい。このように作製されたＣＦＲＰからなる表皮２は、表面と平行な全ての方向について性質をほぼ等しくする擬似等方性を有する。
【００１５】
つぎに、例えば、長さ方向が揃えられたピッチ系のコア用炭素繊維としての超高弾性炭素繊維Ｋ１３Ｃ（三菱樹脂製）の束を直交するように編み込んで作製された集合体に含浸樹脂としてのシアネート樹脂ＥＸ１５１５（ＴＥＮＣＡＴＥ製）を含浸させて、直交する二軸配向のプリプレグシートを作製する。このように作製された２枚のプリプレグシートを、超高弾性炭素繊維Ｋ１３Ｃの長さ方向が互いに４５°の角度をもつように重ね、母材シート５を作製する。
【００１６】
この母材シート５は、所定長さ毎に切断される。そして、母材シート５は、図３に示されるように、６角柱状体７を介装して、多数枚重ねられる。そして、母材シート５が、加熱加圧により相互間を接合される。ついで、６角柱状体７を除去し、６角形のセルの平面的集合体よりなるＣＦＲＰからなるハニカムコア３が作製される。
【００１７】
このように作製されたＣＦＲＰからなるハニカムコア３は、表面と平行な全ての方向について性質をほぼ等しくする擬似等方性を有する。なお、このハニカムコア３では、図２の（ａ）に示されるように、炭素繊維９の長さ方向がハニカムコア３のセルの基準辺８に対して（＋４５°／−４５°）となるプリプレグシートと、図２の（ｂ）に示されるように、炭素繊維９の長さ方向がハニカムコア３のセルの基準辺８に対して（０°／９０°）となるプリプレグシートとを積層して構成されている。なお、基準辺８はＺ軸方向に一致する。
【００１８】
つぎに、熱硬化性のシート状接着剤４を表皮２の表面に敷き、ハニカムコア３をその上に置き、シート状接着剤４を敷いた表皮２をその上に被せ、加圧加熱してシート状接着剤４を硬化させ、ハニカムコアサンドイッチパネル１を作製する。なお、表皮２を構成する高弾性炭素繊維Ｍ６０Ｊの集合体に含浸されたシアネート樹脂ＥＸ１５１５が接着剤として機能する場合、シート状接着剤４を省略し、表皮２、ハニカムコア３、表皮２の順に重ねて、加圧加熱して、ハニカムコアサンドイッチパネル１を作製してもよい。
【００１９】
ここで、表皮２は、複数枚の１軸配向のプリプレグシートを、炭素繊維の配向方向をずらして積層一体化して作製されているので、表皮２の表面と平行な全ての方向について性質をほぼ等しくする擬似等方性を有する。表皮２は、正の熱膨張係数を有する含浸樹脂と、負の熱膨張係数を有する炭素繊維とから構成されている。そこで、表皮２は、面内方向では、含浸樹脂が有する正の熱膨張係数と炭素繊維が有する負の熱膨張係数とが相殺されてほぼ零の熱膨張係数を有し、面外方向では、含浸樹脂の熱膨張係数が支配的となり、正の熱膨張係数を有する。同様に、表皮２とハニカムコア３とを接着するシート状接着剤４も、面外方向では、正の熱膨張係数を有する。すなわち、表皮２はＸ軸方向およびＹ軸方向の熱膨張係数はほぼ零となり、Ｚ軸方向の熱膨張係数が正となる。また、シート状接着剤４のＺ軸方向の熱膨張係数が正となる。
【００２０】
ハニカムコア３は、直交する二軸配向のプリプレグシートを配向方向が４５°ずれるように積層した母材シート５を用いているので、母材シート５の表面と平行な全ての方向について性質をほぼ等しくする擬似等方性を有する。また、ハニカムコア３は、母材シート５を構成する炭素繊維９の配向方向の一つをＸ軸方向に一致するように構成されているので、ハニカムコア３のＸ軸方向の引張り剛性、すなわちハニカムコアサンドイッチパネル１の面内方向におけるハニカムコア３の引張り剛性が高められる。さらに、炭素繊維９として、大きな負の熱膨張係数を有する超高弾性炭素繊維Ｋ１３Ｃを用いているので、ハニカムコア３のＺ軸方向の熱膨張係数は、すなわちハニカムコアサンドイッチパネル１における面外方向におけるハニカムコア３の熱膨張係数は、含浸樹脂が有する正の熱膨張係数と炭素繊維９が有する負の熱膨張係数とが相殺されず、負となる。
【００２１】
このように構成されたハニカムコアサンドイッチパネル１では、ハニカムコア３を構成するＣＦＲＰが炭素繊維９の長さ方向をハニカムコア３のセルの基準辺８に対して（＋４５°／−４５°）とするプリプレグシートを備えているので、ハニカムコアサンドイッチパネル１に要求される剪断強度を確保することができる。また、ハニカムコアサンドイッチパネル１の面内方向におけるハニカムコア３の引張り剛性が高められるので、ハニカムコアサンドイッチパネル１の面内方向における表皮２とハニカムコア３との熱膨張差に起因するハニカムコア３の歪みの発生が抑えられる。さらに、ハニカムコアサンドイッチパネル１の面外方向における熱膨張係数に関して、表皮２とシート状接着剤４との正の熱膨張係数と、ハニカムコア３の負の熱膨張係数とが相殺されるので、零、あるいは小さな値となる。
【００２２】
そこで、ハニカムコアサンドイッチパネル１は、面内方向および面外方向に低熱膨張の構造体となるので、このハニカムコアサンドイッチパネル１を衛星搭載光学機器の支持構造体に適用した場合、宇宙環境下でハニカムコアサンドイッチパネル１に温度分布が発生しても、ハニカムコアサンドイッチパネル１に歪みの発生が抑えられ、光学機器で取得した画像の解像度の低下を防止できる。また、ハニカムコアサンドイッチパネル１は、ＣＦＲＰで作製されているので、軽量化が図られる。
【００２３】
ここで、比較例のハニカムコアサンドイッチパネルにおける熱変形について図４を用いて説明する。
【００２４】
長さ方向が揃えられたピッチ系の超高弾性炭素繊維Ｋ１３Ｃ（三菱樹脂製）の束を直交するように編み込んで作製された集合体にシアネート樹脂ＥＸ１５１５（ＴＥＮＣＡＴＥ製）を含浸させて、直交する二軸配向のプリプレグシートを作製した。ついで、超高弾性炭素繊維Ｋ１３Ｃの長さ方向が一致するように２枚のプリプレグシートを重ね、母材シートを作製した。そして、炭素繊維の配向方向がハニカムコアの基準辺に対して（＋４５°／−４５°）となるように母材シートを用いてハニカムコアを作製した。ついで、熱硬化性のシート状接着剤を表皮の表面に敷き、ハニカムコアをその上に置き、シート状接着剤を敷いた表皮をその上に被せ、加圧加熱してシート状接着剤を硬化させ、比較例のハニカムコアサンドイッチパネルを作製した。
【００２５】
この比較例のハニカムコアサンドイッチパネルは、炭素繊維の配向方向をセルの基準辺に対して（＋４５°／−４５°）とするＣＦＲＰで作製されたハニカムコアを用いている点を除いて、本ハニカムコアサンドイッチパネル１と同様に構成した。
【００２６】
比較例のハニカムコアサンドイッチパネルでは、面内方向における表皮とハニカムコアとの熱膨張係数が異なり、面内方向におけるハニカムコアの引張り剛性が表皮の引張り剛性より小さい。そこで、比較例のハニカムコアサンドイッチパネルが成形温度に対して低温状態となると、面内方向における表皮とハニカムコアとの熱膨張差から、表皮に接合されているハニカムコアの端部付近が表皮の面内方向の熱変形に引きずられ、図４に示されるように、ユニットセル１０に歪みが発生する。この歪みは、ハニカムコアの閉じた形状に依存して、ハニカムコアサンドイッチパネルの面内方向の変形だけでなく、面外方向の変形をもたらす。
【００２７】
そこで、このようなサンドイッチ構造体における面外方向の熱膨張係数は、表皮、接着剤、およびハニカムコアの面外方向の熱変形量と、ハニカムコアの歪みに起因する面外方向の熱変形量との総和を、熱変形前のハニカムコアサンドイッチパネルの厚さで除した値となる。
【００２８】
つぎに、図５に示した測定方法によりハニカムコアサンドイッチパネル１の面外方向の熱膨張係数を測定した結果について説明する。
ハニカムコアサンドイッチパネル１は、図５に示されるように、レーザ反射鏡１２を一対の表皮２に接着固定されてサンプル支持台１３に載置され、恒温槽１４内に配置される。恒温槽１４内の温度を制御して、ハニカムコアサンドイッチパネル１の温度を変化させる。そして、レーザフォーカス変位計１５からレーザ光を照射し、レーザ反射鏡１２からの反射光を受光し、加熱によるハニカムコアサンドイッチパネル１の変位量を測定し、熱膨張係数を算出した。
【００２９】
ハニカムコアサンドイッチパネル１の表皮２の厚さは０．８４ｍｍであり、シート状接着剤４の厚さは０．０２５ｍｍである。ハニカムコア３は、炭素繊維９の配向方向をハニカムコア３の基準辺８に対して（＋４５°／−４５°）と（０°／９０°）とする二層構造のＣＦＲＰで作製され、セルサイズ（セル幅）を１／４インチ、高さを５０．０ｍｍとした。このように作製されたハニカムコアサンドイッチパネル１の面外方向の熱膨張係数は、０．２８ｐｐｍ／Ｋであった。
【００３０】
ここで、炭素繊維の配向方向をハニカムコアの基準辺に対して（＋４５°／−４５°）としたハニカムコアを用いた比較例のハニカムコアサンドイッチパネルの面外方向の熱膨張係数は、０．６８ｐｐｍ／Ｋであった。なお、比較例のハニカムコアサンドイッチパネルは、表皮の厚さは０．８４ｍｍであり、シート状接着剤の厚さは０．０２５ｍｍである。ハニカムコアは、炭素繊維の配向方向をハニカムコアの基準辺に対して（＋４５°／−４５°）とする二層構造のＣＦＲＰで作製され、セルサイズ（セル幅）を１／４インチ、高さを５０．０ｍｍとした。
【００３１】
ハニカムコアサンドイッチパネル１と比較例のハニカムコアサンドイッチパネルとの測定結果から、面外方向の熱膨張係数の差分である０．４０ｐｐｍ／Ｋがハニカムコア３の歪みによる影響であることがわかる。
【００３２】
ここで、ハニカムコアサンドイッチパネル１では、ハニカムコア３を構成する二軸配向の二層構造のＣＦＲＰの炭素繊維９の配列方向の一つがＺ軸方向と直交しているので、面内方向におけるハニカムコア３の引張り剛性が高められる。その結果、ハニカムコア３の端部付近が表皮２の面内方向の熱変形に引きずられないので、歪みの発生が抑えられたものと推考される。
【００３３】
一方、比較例のハニカムコアサンドイッチパネルでは、ハニカムコアを構成する二軸配向の二層構造のＣＦＲＰの炭素繊維の配列方向がＺ軸方向に対して±４５°の角度となっているので、面内方向におけるハニカムコアの引張り剛性は、実施の形態１におけるハニカムコア３の引っ張り剛性より小さくなる。その結果、ハニカムコアの端部付近が表皮の面内方向の熱変形に引きずられ、大きな歪みが発生したものと推考される。
【００３４】
また、ハニカムコアサンドイッチパネル１では、炭素繊維として、大きな負の熱膨張係数を有する超高弾性炭素繊維Ｋ１３Ｃを用いているので、ハニカムコア３のＺ軸方向の熱膨張係数は、含浸樹脂が有する正の熱膨張係数と炭素繊維が有する負の熱膨張係数とが相殺されず、負となる。また、表皮２のＺ軸方向の熱膨張係数は、含浸樹脂が支配的となり、正の熱膨張係数となる。そこで、ハニカムコアサンドイッチパネル１におけるＺ軸方向の熱膨張係数は、表皮２および接着剤４の正の熱膨張係数とハニカムコア３が有する負の熱膨張係数とが相殺され、零、あるいは小さな値となる。その結果、表皮２および接着剤４とハニカムコア３とのＺ軸方向における熱膨張差に起因する熱変形が抑制され、ハニカムコアサンドイッチパネル１の面外方向の熱膨張係数の計測値が、０．２８ｐｐｍ／Ｋと小さな値となったものと推考される。
【００３５】
このように、ハニカムコアサンドイッチパネル１は、比較例のハニカムコアサンドイッチパネルに対して、面外方向の熱膨張係数を大幅に小さくできた。したがって、この実施の形態１によれば、面内方向のみならず、面外方向にも低熱膨張の、すなわち熱的寸法安定性に優れたハニカムコアサンドイッチパネル１を実現できる。
【００３６】
ここで、ハニカムコアサンドイッチパネル１の面内方向に関し、表皮２の引張り剛性がハニカムコア３の引張り剛性より大きい場合、ハニカムコア３の表皮２との接合部近傍が表皮２の熱変形に引きずられて変形する。そして、ハニカムコア３の引張り剛性が表皮２の引張り剛性に近づくにつれハニカムコア３の変形が少なくなる。また、ハニカムコア３の引張り剛性が表皮２の引張り剛性より大きくなると、ハニカムコア３の表皮２との接合部近傍は表皮２の熱変形に引きずられず、変形しない。つまり、ハニカムコア３のセルとの表皮２の接合部分は変形しない。一方、ハニカムコア３のセル内を覆っている表皮２の部分に変形を生じる。しかし、このハニカムコア３のセル内を覆っている表皮２の部分の変形は、ハニカムコアサンドイッチパネル１に支持される衛星搭載光学機器で取得した画像の解像度の低下には影響を及ぼさない。つまり、ハニカムコア３の表皮２との接合部分の変形を抑えることが、光学機器で取得した画像の解像度の低下を抑えることになる。
【００３７】
したがって、ハニカムコアサンドイッチパネル１の面内方向に関し、ハニカムコア３の引張り剛性が表皮２の引張り剛性と同等以上となるように、調整することが好ましい。
【００３８】
また、ハニカムコア３のＺ軸方向の熱膨張係数が、表皮２および接着剤４のＺ軸方向の正の熱膨張係数をほぼ相殺する大きさの負の熱膨張係数となるように、調整することが好ましい。
ここで、ハニカムコア３は、弾性率が約９００ＧＰａの超高弾性炭素繊維Ｋ１３Ｃを用いているので、ハニカムコア３のＺ軸方向の熱膨張係数が、表皮２および接着剤４のＺ軸方向の正の熱膨張係数をほぼ相殺する大きさの負の熱膨張係数となる。また、炭素繊維は、炭素繊維の弾性率が大きくなるほど熱膨張係数が小さくなり、弾性率が６００ＧＰａ以上で、熱膨張係数がほぼ一定となる特性を有する。そこで、ハニカムコア３を構成する炭素繊維には、６００ＧＰａ以上の弾性率を有する炭素繊維を用いることが好ましい。
【００３９】
なお、上記実施の形態１では、一対の表皮２のそれぞれは、炭素繊維の配向方向がＺ軸方向に対称となるようにプリプレグシートを積層して構成されているが、一対の表皮２は、炭素繊維の配向方向がハニカムコア３を中心にしてＺ軸方向に対称となるようにプリプレグシートを積層して構成されてもよい。
【００４０】
実施の形態２．
図６はこの発明の実施の形態２に係るハニカムコアサンドイッチパネルの構成を説明する分解斜視図、図７はこの発明の実施の形態２に係るハニカムコアサンドイッチパネルにおけるハニカムコアの構成を説明する図であり、図７の（ａ）はハニカムコアを構成するＣＦＲＰの第１プリプレグシートの炭素繊維方向を示し、図７の（ｂ）はハニカムコアを構成するＣＦＲＰの第２プリプレグシートの炭素繊維方向を示し、図７の（ｃ）はハニカムコアを構成するＣＦＲＰの第３プリプレグシートの炭素繊維方向を示している。
【００４１】
図６において、ハニカムコアサンドイッチ構造体としてのハニカムコアサンドイッチパネル１Ａは、ＣＦＲＰからなる一対の表皮２を、シート状接着剤４を介して、ＣＦＲＰからなるハニカムコア３Ａの軸方向の両端面を覆うように配置して、ハニカムコア３Ａに固着して構成されている。
【００４２】
つぎに、ハニカムコア３Ａの構造について説明する。
長さ方向が揃えられたピッチ系の超高弾性炭素繊維Ｋ１３Ｃ（三菱樹脂製）の束を直交するように編み込んで作製された集合体にシアネート樹脂ＥＸ１５１５（ＴＥＮＣＡＴＥ製）を含浸させて、直交する二軸配向のプリプレグシートを作製する。このように作製された３枚のプリプレグシートを、炭素繊維の長さ方向が互いに一致するように重ね、母材シートを作製する。
【００４３】
ついで、母材シートは、６角柱状体を介装して、多数枚重ねられる。そして、母材シートが、加熱加圧により相互間を接合される。その後、６角柱状体を除去し、６角形のセルの平面的集合体よりなるＣＦＲＰからなるハニカムコア３Ａが作製される。
【００４４】
このように作製されたＣＦＲＰからなるハニカムコア３Ａは、図７の（ａ）に示されるように、炭素繊維９の長さ方向がハニカムコア３Ａのセルの基準辺８に対して（＋４５°／−４５°）となる第１プリプレグシートと、図７の（ｂ）に示されるように、炭素繊維９の長さ方向がハニカムコア３Ａのセルの基準辺８に対して（＋４５°／−４５°）となる第２プリプレグシートと、図７の（ｃ）に示されるように、炭素繊維９の長さ方向がハニカムコア３Ａのセルの基準辺８に対して（＋４５°／−４５°）となる第３プリプレグシートとを積層して構成されている。
【００４５】
ここで、表皮２の厚さは０．８４ｍｍであり、シート状接着剤４の厚さは０．０２５ｍｍである。ハニカムコア３Ａは、炭素繊維９の配向方向をハニカムコア３Ａの基準辺８に対して（＋４５°／−４５°）とする三層構造のＣＦＲＰで作製され、セルサイズ（セル幅）を１／４インチ、高さを５０．０ｍｍとした。このように作製されたハニカムコアサンドイッチパネル１Ａの面外方向の熱膨張係数を図５に示される測定方法で測定したところ、０．３０ｐｐｍ／Ｋであった。
したがって、上述の比較例のハニカムコアサンドイッチパネルの面外方向の熱膨張係数（０．６８ｐｐｍ／Ｋ）との差分である０．３８ｐｐｍ／Ｋがハニカムコアの歪みによる影響である。
【００４６】
ハニカムコアサンドイッチパネル１Ａでは、ハニカムコア３Ａが二軸配向のプリプレグシートを三層構造としたＣＦＲＰを用いて作製されているので、ハニカムコア３Ａの面内方向の引張り剛性が大きくなる。そこで、ハニカムコアサンドイッチパネル１Ａの面内方向におけるハニカムコア３Ａの引張り剛性が表皮２の引張り剛性と同等以上となり、ハニカムコア３Ａの端部付近が表皮２の面内方向の熱変形に引きずられないので、歪みの発生が抑えられたものと推考される。さらに、ハニカムコア３Ａを構成するＣＦＲＰの炭素繊維として超高弾性炭素繊維Ｋ１３Ｃを用いているので、ハニカムコアサンドイッチパネル１Ａの面外方向に関して、表皮２とシート状接着剤４との正の熱膨張係数と、ハニカムコア３Ａの負の熱膨張係数とがほぼ相殺され、零、あるいは小さな値となったものと推考される。
【００４７】
このように、ハニカムコアサンドイッチパネル１Ａは、比較例のハニカムコアサンドイッチパネルに対して、面外方向の熱膨張係数を大幅に小さくできた。したがって、この実施の形態２においても、面内方向のみならず、面外方向にも低熱膨張の、すなわち熱的寸法安定性に優れたハニカムコアサンドイッチパネル１Ａを実現できる。
【００４８】
なお、上記実施の形態２において、二軸配向のプリプレグシートの積層数を３層以上とすれば、ハニカムコアの面内方向の引張り剛性を表皮の面内方向の引張り剛性と同等以上にできるので、二軸配向のプリプレグシートの積層数は３層以上とすることが好ましい。
【符号の説明】
【００４９】
１，１Ａ ハニカムコアサンドイッチパネル（ハニカムコアサンドイッチ構造体）、２ 表皮、３，３Ａ ハニカムコア、９ 炭素繊維。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハニカムコアと、該ハニカムコアの両側両面を覆う一対の表皮と、を有するハニカムコアサンドイッチ構造体において、
上記一対の表皮のそれぞれは、表皮用炭素繊維が擬似等方性を有するように配列された表皮用炭素繊維強化プラスチックで作製され、
上記ハニカムコアは、コア用炭素繊維をその長さ方向が互いに直交するように編み込んだ炭素繊維集合体に樹脂を含浸させてなるプリプレグシートをコア用炭素繊維の長さ方向が互いに４５°ずれるように回転させて積層一体化してなるコア用炭素繊維強化プラスチックで作製され、該コア用炭素繊維強化プラスチックを構成する該コア用炭素繊維の長さ方向の一つが上記表皮の表面と平行となっており、軸方向の熱膨張係数が負であることを特徴とするハニカムコアサンドイッチ構造体。
【請求項２】
ハニカムコアと、該ハニカムコアの両側両面を覆う一対の表皮と、を有するハニカムコアサンドイッチ構造体において、
上記一対の表皮のそれぞれは、表皮用炭素繊維が擬似等方性を有するように配列された表皮用炭素繊維強化プラスチックで作製され、
上記ハニカムコアは、コア用炭素繊維をその長さ方向が互いに直交するように編み込んだ炭素繊維集合体に樹脂を含浸させてなるプリプレグシートをコア用炭素繊維の長さ方向を互いに一致するように３層以上積層一体化してなるコア用炭素繊維強化プラスチックで作製され、該コア用炭素繊維強化プラスチックを構成する該コア用炭素繊維の長さ方向が上記表皮の表面に直交する線分に対して±４５°傾斜しており、軸方向の熱膨張係数が負であることを特徴とするハニカムコアサンドイッチ構造体。
【請求項３】
上記ハニカムコアの面内方向の引張り剛性が上記表皮の面内方向の引張り剛性と同等以上となるように調整されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のハニカムコアサンドイッチ構造体。
【請求項４】
上記ハニカムコアの軸方向の負の熱膨張係数が上記表皮の面外方向の熱膨張係数を相殺する大きさに調整されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のハニカムコアサンドイッチ構造体。
【請求項５】
上記コア用炭素繊維は、６００ＧＰａ以上の弾性率を有することを特徴とする請求項４記載のハニカムコアサンドイッチ構造体。
【請求項１】
ハニカムコアと、該ハニカムコアの両側両面を覆う一対の表皮と、を有するハニカムコアサンドイッチ構造体において、
上記一対の表皮のそれぞれは、表皮用炭素繊維が擬似等方性を有するように配列された表皮用炭素繊維強化プラスチックで作製され、
上記ハニカムコアは、コア用炭素繊維をその長さ方向が互いに直交するように編み込んだ炭素繊維集合体に樹脂を含浸させてなるプリプレグシートをコア用炭素繊維の長さ方向が互いに４５°ずれるように回転させて積層一体化してなるコア用炭素繊維強化プラスチックで作製され、該コア用炭素繊維強化プラスチックを構成する該コア用炭素繊維の長さ方向の一つが上記表皮の表面と平行となっており、軸方向の熱膨張係数が負であることを特徴とするハニカムコアサンドイッチ構造体。
【請求項２】
ハニカムコアと、該ハニカムコアの両側両面を覆う一対の表皮と、を有するハニカムコアサンドイッチ構造体において、
上記一対の表皮のそれぞれは、表皮用炭素繊維が擬似等方性を有するように配列された表皮用炭素繊維強化プラスチックで作製され、
上記ハニカムコアは、コア用炭素繊維をその長さ方向が互いに直交するように編み込んだ炭素繊維集合体に樹脂を含浸させてなるプリプレグシートをコア用炭素繊維の長さ方向を互いに一致するように３層以上積層一体化してなるコア用炭素繊維強化プラスチックで作製され、該コア用炭素繊維強化プラスチックを構成する該コア用炭素繊維の長さ方向が上記表皮の表面に直交する線分に対して±４５°傾斜しており、軸方向の熱膨張係数が負であることを特徴とするハニカムコアサンドイッチ構造体。
【請求項３】
上記ハニカムコアの面内方向の引張り剛性が上記表皮の面内方向の引張り剛性と同等以上となるように調整されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のハニカムコアサンドイッチ構造体。
【請求項４】
上記ハニカムコアの軸方向の負の熱膨張係数が上記表皮の面外方向の熱膨張係数を相殺する大きさに調整されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のハニカムコアサンドイッチ構造体。
【請求項５】
上記コア用炭素繊維は、６００ＧＰａ以上の弾性率を有することを特徴とする請求項４記載のハニカムコアサンドイッチ構造体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１０１３（Ｐ２０１２−１０１３Ａ）
【公開日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１３４９７９（Ｐ２０１０−１３４９７９）
【出願日】平成２２年６月１４日（２０１０．６．１４）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【公開日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月１４日（２０１０．６．１４）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
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