航空機用構造材料及びその利用
【課題】耐雷撃性に優れた航空機用構造材料を提供する。
【解決手段】航空機用構造材料は、強化繊維及び樹脂を含む複合材料２と、高分子フィルムを熱処理して得られるグラファイトフィルム１と、を含む。
【解決手段】航空機用構造材料は、強化繊維及び樹脂を含む複合材料２と、高分子フィルムを熱処理して得られるグラファイトフィルム１と、を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、航空機に用いられる構造材料に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
航空機にとって運行中の雷撃による損傷の影響は無視できないものとなりつつある。一般的な航空機の構造材料としては、アルミニウムを主原料とした材料（ジュラルミン）が用いられてきたが、最近では、優れた機械的特性と軽量性とを併せ持つ複合材料の適用が急速に拡大しつつある。
【０００３】
複合材料とは、炭素繊維等の繊維をエポキシやポリイミド等の樹脂に含浸したものからなる材料である。このため、複合材料は、導電性が低く、被雷するとジュール熱が発生し、複合材料に損傷を与えてしまう。また、導電性に異方性を有するため、その損傷が複雑化してしまうという問題点もある。
【０００４】
このような問題に対して、従来、金属メッシュや金属箔を張り合わせる方法（例えば、特許文献１参照）や、金属平板を張り合わせる方法（例えば、特許文献２参照）等、金属と複合化することによって導電性を向上させ、複合材料の損傷を軽減させる方法が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２１９０７８号公報（２００６年 ８月２４日公開）
【特許文献２】特開２００１−０８８７９３号公報（２００１年 ４月 ３日公開）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、耐雷撃性、軽量化あるいは再利用のための便益性等の面でまだ改善の余地がある。このため、新たな航空機用構造材料の開発が求められていた。
【０００７】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、これまでに無い新たな航空機用構造材料及びその利用を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は上記課題を解決するために、鋭意検討を行った。ここで、本発明者は、取り扱い時に破れ易く、機械的強度が低いため、航空機の構造材料として今までに全く注目されてこなかったグラファイトに着目した。つまり、本発明者は、グラファイトは、銅等と比較して機械的強度は劣るが、電気伝導性及び熱伝導性の異方性を示すため、航空機の構造材料として用いられる複合材料とグラファイトとを組み合わせれば、当該構造材料を雷撃から効果的に保護することができると考えた。
【０００９】
そして、本発明者の検討の結果、特定のグラファイトフィルムを、航空機の構造材料として用いられる複合材料と組み合わせることによって、耐雷撃性に優れた航空機用構造材料を実現し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
即ち、本発明に係る航空機用構造材料は、上記課題を解決するために、強化繊維及び樹脂を含む複合材料と、高分子フィルムを熱処理して得られるグラファイトフィルムと、を含むことを特徴としている。
【００１１】
上記構成によれば、グラファイトは電気伝導性及び熱伝導性の異方性を示すため、雷による電気及び熱は当該グラファイトフィルムの面方向に素早く広がり、グラファイト以外の部材へ電気及び熱が伝わることを抑制することができる。よって、耐雷撃性に優れた航空機用構造材料を提供することができる。
【００１２】
また、グラファイトフィルムは金属と比較して比重が軽いため、従来の構成と比較して軽量化を図ることができる。
【００１３】
更には、グラファイトフィルムは沸点が高いため、雷撃による発熱の際に蒸発することを抑制することができる。
【００１４】
また、金属を含む従来の構成では、特に炭素繊維を用いた複合材料に対して適用した場合に金属と繊維との間における電位差に起因した電腐といった問題が発生していた。しかし、グラファイトは、炭素繊維と同様に炭素原子から構成されており、イオン化傾向はほぼ同じであるため、このような問題も抑制することができる。更には、グラファイトは化学的に非常に安定であるため、長期間使用した場合における腐食による劣化を著しく抑制することができる。
【００１５】
本発明に係る航空機用構造材料では、上記複合材料と上記グラファイトフィルムとは積層されており、上記グラファイトフィルムは、上記複合材料の最外層に設けられていることが好ましい。
【００１６】
上記構成によれば、構造材料を構成する複合材料へ電気及び熱が伝わることをより抑制することができる。また、上記の構成によれば、雷撃の影響の大部分は、最外層のグラファイトフィルムにより吸収することができる。このため、雷撃等によって航空機用構造材料の表層部分が破損した場合であっても、グラファイトフィルムを貼り替えることで、簡便に航空機用構造材料を補修し、再利用することができる。
【００１７】
本発明に係る航空機用構造材料では、上記グラファイトフィルムの表面側に、さらに保護層が設けられていることが好ましい。
【００１８】
上記構成によれば、グラファイトフィルムを外部からの衝撃から保護することができ、機械的強度を補強することができる。
【００１９】
本発明に係る航空機用構造材料では、上記グラファイトフィルムが、ポリイミド、ポリアミド、ポリオキサジアゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリベンゾビスチアゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾビスオキサゾール、ポリパラフェニレンビニレン、ポリベンゾイミダゾール、ポリベンゾビスイミダゾール及びポリチアゾールからなる群から選択される少なくとも１種の高分子の熱処理によって得られたものであることが好ましい。
【００２０】
本発明に係る航空機用構造材料では、上記グラファイトフィルムの面方向の電気伝導度が１，０００Ｓ／ｃｍ以上であることが好ましい。
【００２１】
本発明に係る航空機用構造材料では、上記グラファイトフィルムの厚さ方向の電気伝導度が１００Ｓ／ｃｍ以下であることが好ましい。
【００２２】
本発明に係る航空機用構造材料では、上記グラファイトフィルムの面方向の熱伝導度が１，０００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。
【００２３】
本発明に係る航空機用構造材料では、上記グラファイトフィルムの厚さが５μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。
【００２４】
本発明に係る航空機用構造材料では、上記グラファイトフィルムの単位面積あたりの重さが２０ｇ／ｍ2以上９０ｇ／ｍ2以下であることが好ましい。
【００２５】
本発明に係る航空機用構造材料では、上記グラファイトフィルムのＭＩＴ耐揉疲労試験結果が１０，０００回以上であることが好ましい。
【００２６】
本発明に係る航空機用構造材料では、コキュアによって、上記グラファイトフィルムと上記複合材料とが固定されていることが好ましい。
【００２７】
上記構成によれば、上記グラファイトフィルムと上記複合材料とをより強固に固定することができる。
【００２８】
本発明に係る航空機は、上述した本発明に係る航空機用構造材料を用いて得られたことを特徴としている。
【００２９】
上記構成によれば、本発明に係る航空機用構造材料を用いて得られているため、耐雷撃性に優れた航空機を提供することができる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明に係る航空機用構造材料は、以上のように、強化繊維及び樹脂を含む複合材料と、高分子フィルムを熱処理して得られるグラファイトフィルムと、を含むことを特徴としている。
【００３１】
このため、耐雷撃性に優れた航空機用構造材料を提供することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本実施の形態に係る航空機用構造材料の概略構成の一例を示す断面図である。
【図２】本実施の形態に係る航空機用構造材料の概略構成の別の一例を示す断面図である。
【図３】本実施の形態に係る航空機用構造材料の概略構成の更に別の一例を示す断面図である。
【図４】本実施の形態に係る航空機用構造材料の概略構成の更に別の一例を示す断面図である。
【図５】本実施の形態に係る航空機用構造材料（実施例）と複合材のみ（比較例）についての雷撃試験の結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明について詳しく説明する。尚、本明細書で挙げられている各種物性は、特に断りの無い限り後述する実施例に記載の方法により測定した値を意味する。
【００３４】
本発明に係る航空機用構造材料は、強化繊維及び樹脂を含む複合材料と、高分子フィルムを熱処理して得られるグラファイトフィルムと、を含む。
【００３５】
尚、本明細書において「航空機」とは、大気中あるいは宇宙空間を飛行する機械を意味し、具体的には、飛行機（固定翼機、回転翼機等）、飛行船、気球、ロケット、宇宙往還機及びスペースプレーン等が含まれる。また、「グラファイトフィルム」における「フィルム」とは、薄い膜状のものを意味し、シート状のものも含まれる。
【００３６】
（Ｉ）グラファイトフィルム
上記グラファイトフィルムは、高分子フィルムを熱処理して得られるものである。
【００３７】
当該高分子フィルムを構成する高分子としては、ポリイミド、ポリアミド、ポリオキサジアゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリベンゾビスチアゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾビスオキサゾール、ポリパラフェニレンビニレン、ポリベンゾイミダゾール、ポリベンゾビスイミダゾール、及びポリチアゾールからなる群から選択される少なくとも１種が挙げられる。
【００３８】
上記高分子フィルムとしては、ポリイミドフィルムが特に好ましい。ポリイミドフィルムは、他の有機材料を原料とする高分子フィルムよりも、炭化及び黒鉛化によりグラファイトの層構造が発達し易いためである。
【００３９】
更に、ポリイミドフィルムは複屈折率が０．０８以上であることが好ましい。複屈折率が０．０８以上であることによって、炭化及び黒鉛化が進行し易くなるため、グラファイト層が発達したグラファイトフィルムが得られ易くなる。その結果、電気伝導度及び熱伝導率が高くなり易い。また、結晶性に優れたグラファイトが得られるため、耐熱性及び折り曲げ性に優れ、複合材料と貼り合わせた場合に、表面からグラファイトが落ち難い。
【００４０】
高分子からグラファイトフィルムを得るには、まず、出発物質である高分子フィルムを減圧下若しくは不活性ガス中で予備加熱処理して炭素化する。この炭素化は、通常１０００℃程度の温度で行い、例えば、１０℃／分の速度で昇温した場合には１０００℃の温度領域で３０分程度の温度保持を行うことが望ましい。
【００４１】
その後のグラファイト化工程は、減圧下若しくは不活性ガス中で行われる。不活性ガスとしてはアルゴン、ヘリウムが適当である。
【００４２】
上記グラファイトフィルムの製造方法における熱処理温度としては、最低でも２０００℃が必要で、最終的には２４００℃以上、より好ましくは、２６００℃以上更に好ましくは２８００℃以上であり、このような熱処理温度にすることにより、熱伝導率に優れたグラファイトを得ることができる。
【００４３】
熱処理温度が高いほど良質のグラファイトへの転化が可能であるが、経済性の観点からはできるだけ低温で良質のグラファイトに転化できることが好ましい。２５００℃以上の超高温を得るには、通常はグラファイトヒーターに直接電流を流して、そのジュール熱を利用した加熱が行われる。
【００４４】
上記グラファイトフィルムの単位面積あたりの重さは、２０ｇ／ｍ2以上９０ｇ／ｍ2以下であることが好ましい。
【００４５】
（厚さ）
グラファイトフィルムの厚さは、５μｍ以上１００μｍ以下が好ましく、２０μｍ以上８０μｍ以下がより好ましい。厚さが５μ以上であれば、雷電流を効率的に伝達することができ、また、１００μｍ以下であれば、軽量性に優れる複合材料を提供することができる。
【００４６】
尚、本明細書では、上記グラファイトフィルムの厚さは、厚さゲージ（製品名：「ＨＥＩＤＥＮＴＨ：ＡＩＮ−ＣＥＲＴＯ」、ハイデンハイン（株）製）を用いて、２５℃の恒温室にて５０ｍｍ×５０ｍｍのフィルムの任意の１０点における平均厚さとして求められたものを意味する。
【００４７】
（電気伝導度）
グラファイトフィルムは、電気伝導性に優れているため、電気伝導度の低い複合材料に設けることによって複合材の耐雷性を向上させることができる。
【００４８】
特に、グラファイトフィルムは、グラファイト結晶が面方向に配列した層状構造であるため、電気伝導度に異方性を有し、グラファイトフィルムの面方向に大きな電気伝導度を示す。これにより、雷電流を優先的に面方向に広げ、厚さ方向への雷電流量を軽減することができ、その結果、複合材料の損傷をより効果的に軽減することができる。
【００４９】
グラファイトフィルムの面方向の電気伝導度は１，０００Ｓ／ｃｍ以上であることが好ましい。また、厚さ方向の電気伝導度が１００Ｓ／ｃｍ以下であれば、雷電流を優先的に面方向へ伝えることができ、損傷を軽減することができるため好ましい。
【００５０】
（熱伝導率）
グラファイトフィルムの面方向における熱伝導率は１，０００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましく、１，１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることがより好ましく、１，２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが特に好ましい。
【００５１】
被雷すると、ジュール熱が発生し、樹脂の蒸発、炭素繊維の昇華のため、複合材料の残留強度が低下してしまう。しかし、面方向の熱伝導度が１，０００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の材料を貼り合せることで、被雷部分の温度上昇が緩和され、樹脂の蒸発及び繊維の昇華が抑制され、残留強度の著しい低下を緩和することができる。
【００５２】
また、厚さ方向の熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であれば、被雷により発生するジュール熱を優先的に面方向へ伝えることができ、複合材料に対する損傷を軽減することができるため好ましい。
【００５３】
尚、グラファイトフィルムの熱伝導率は、下記式（１）によって算出することができる。
【００５４】
Ａ＝α×ｄ×Ｃｐ … （１）
ここで、Ａは熱伝導率、αは熱拡散率、ｄは密度、Ｃｐは比熱容量をそれぞれ表す。
【００５５】
グラファイトフィルムの熱拡散率及び比熱容量は以下に示す方法で求めることができる。
【００５６】
グラファイトフィルムの熱拡散率は、光交流法による熱拡散率測定装置（製品名：「ＬａｓｅｒＰｉｔ」、アルバック理工（株）製）を用い、４ｍｍ×４０ｍｍの形状に切り取ったグラファイトフィルムのサンプルについて、２０℃の雰囲気下で１０Ｈｚの交流条件で測定することができる。
【００５７】
グラファイトフィルムの比熱容量測定は、示差走査熱量計（製品名：「ＤＳＣ２２０ＣＵ」、エスアイアイナノテクノロジー（株）製）を使用して、２０℃から２６０℃まで１０℃／分の昇温条件で行うことができる。
【００５８】
（ＭＩＴ耐揉疲労試験）
グラファイトフィルムのＭＩＴ耐揉疲労試験結果（以下、「ＭＩＴ」と略する場合がある。）は、１０，０００回以上であることが好ましい。グラファイトフィルムのＭＩＴが１０，０００回以上であれば、例えば、グラファイトフィルムを曲げながら複合材料と貼り合わせる作業も行うこともできるため、グラファイトフィルムと複合材料との間に空気が入ることを抑制することができ、その結果、雷撃の衝撃によってグラファイトフィルムが破れるといった問題を軽減することができる。
【００５９】
本明細書では、グラファイトフィルムのＭＩＴ耐揉疲労試験結果とは、グラファイトフィルムを１．５ｃｍ×１０ｃｍにカットし、ＭＩＴ耐揉疲労試験機（型式Ｄ、東洋精機（株）製）を用いて、試験荷重１００ｇｆ（０．９８Ｎ）、速度９０回／分、折り曲げ半径Ｒ２ｍｍで行い、折り曲げ角度は左右へ１３５℃で行い、グラファイトフィルムが何回折り曲げに耐えることができたかを意味する。
【００６０】
（II）複合材料
本発明に係る航空機用構造材料で用いることができる複合材料は、強化繊維及び樹脂を含む材料であれば特には限定されず、航空機用耐雷複合材料に用いられている各種複合材料を採用することができる。
【００６１】
上記複合材料を構成する強化繊維としては、例えば、炭素繊維、アラミド繊維、ガラス繊維、合成繊維、天然繊維、ナイロン等が挙げられる。これらの繊維は機械的強度に優れており、また、強化繊維として炭素繊維を用いた場合、熱伝導性の特に優れた複合材料とすることもできる。
【００６２】
強化繊維としては、特に限定されないが、繊維の配向を一方向に引き揃えたもの、繊維束を織り合わせた「織物材」、異なる方向に引き揃えた繊維および繊維束を補助糸で固定したもの（ＮＣＦ等）等を用いることが望ましい。繊維の配向を一方向に引き揃えることで強化繊維層を均一な厚さとすることができる。また、このような強化繊維を複数積層した場合、これらの強化繊維をそれぞれ異なる方向に配置させることで何れの方向からの衝撃にも耐え得る材料とすることができる。
【００６３】
上記複合材料を構成する樹脂としては、例えば、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂が挙げられる。
【００６４】
上記熱硬化性樹脂としては、ＰＵ（ポリウレタン）、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン系樹脂、グアナミン樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル、オリゴエステルアクリレート、ジアリルフタレート、ＤＫＦ樹脂（レゾルシノール系樹脂の一種）、キシレン樹脂、エポキシ樹脂、フラン樹脂、ＰＩ（ポリイミド系）樹脂、ＰＥＩ（ポリエーテルイミド）樹脂、ＰＡＩ（ポリアミドイミド）樹脂等が挙げられる。中でもエポキシ樹脂を含む樹脂が、材料選択の幅が広く、強化繊維層とグラファイトとの密着性が優れるために好ましい。
【００６５】
エポキシ樹脂としては、室温において固体で、加熱すると溶融するエポキシ樹脂がよい。加熱溶融することで、エポキシ樹脂が強化繊維層及びグラファイトの内部にまで溶け込み、エポキシ樹脂を強化繊維層及びグラファイト表面にある僅かな隙間に浸透させることができる。更に、冷却することによって、強化繊維層とグラファイトとの隙間に浸透したエポキシ樹脂が固まり、エポキシ樹脂と強化繊維層とグラファイトとの間で高いアンカー効果を発現し、高い接着力が発現するため好ましい。
【００６６】
上記熱可塑性樹脂としては、アイオノマー、イソブチレン無水マレイン酸コポリマー、ＡＡＳ（アクリロニトリル−アクリル−スチレン共重合体）、ＡＥＳ（アクリロニトリル−エチレン−スチレン共重合体）、ＡＳ（アクリロニトリル−スチレン共重合体）、ＡＢＳ（アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体）、ＡＣＳ（アクリロニトリル−塩素化ポリエチレン−スチレン共重合体）、ＭＢＳ（メチルメタクリレート−ブタジエン−スチレン共重合体）、エチレン−塩化ビニル共重合体、ＥＶＡ（エチレン−酢酸ビニル共重合体）、ＥＶＡ系（エチレン−酢酸ビニル共重合体系）、ＥＶＯＨ（エチレンビニルアルコール共重合体）、ポリ酢酸ビニル、塩素化塩化ビニール、塩素化ポリエチレン、塩素化ポリプロピレン、カルボキシビニルポリマー、ケトン樹脂、ノルボルネン樹脂、プロピオン酸ビニル、ＰＥ（ポリエチレン）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＴＰＸ（ポリメチルペンテン）、ポリブタジエン、ＰＳ（ポリスチレン）、スチレン無水マレイン酸共重合体、メタクリル、ＥＭＡＡ（エチレン−メタクリル酸共重合体）、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニール）、ポリ塩化ビニリデン、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）、ポリビニルエーテル、ポリビニルブチラール、ポリビニルホルマール、セルロース系、ナイロン６、ナイロン６共重合体、ナイロン６６、ナイロン６１０、ナイロン６１２、ナイロン１１、ナイロン１２、共重合ナイロン、ナイロンＭＸＤ、ナイロン４６、メトキシメチル化ナイロン、アラミド、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＰＯＭ（ポリアセタール）、ポリエチレンオキシド、ＰＰＥ（ポリフェニレンエーテル）、変性ＰＰＥ（ポリフェニレンエーテル）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）、ＰＳＯ（ポリサルフォン）、ポリアミンサルフォン、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＡＲ（ポリアリレート）、ポリパラビニールフェノール、ポリパラメチレンスチレン、ポリアリルアミン、芳香族ポリエステル、液晶ポリマー、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体）、ＦＥＰ（テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体）、ＥＰＥ（テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン共重合体）、ＥＣＴＦＥ（エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体）、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオライド系）、ＰＶＦ（ポリビニルフルオライド）等が挙げられる。
【００６７】
エポキシ樹脂と混合して用いる場合には、高い密着力を発現できるためアミド系樹脂が好ましい。
【００６８】
複合材料の厚さは、用途によって適宜設定すればよいが、例えば、１．０ｍｍ〜５０ｍｍの範囲内とすることができる。
【００６９】
上記複合材料としては、特に、炭素繊維を用いた複合材料、すなわち、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ；Carbon fiber reinforced plastics）が強度や軽量化の面で好ましい。
【００７０】
（III）航空機用構造材料
本発明に係る航空機用構造材料において、上記複合材料と上記グラファイトフィルムとは積層されており、上記グラファイトフィルムは、上記複合材料の最外層に設けられていることが好ましい。
【００７１】
複合材料の表面にグラファイトフィルムを設けることによって、電気伝導度の低い複合材料への雷電流の到達を極力抑えることができる。また、グラファイトフィルムを複合材料内部に形成することで、外部からの衝撃に対する複合材料本来の強度を発揮することができる。上記の構成によれば、雷撃の影響の大部分は、最外層のグラファイトフィルムにより吸収することができる。それゆえ、雷撃によって構造材料の表層部分が破損した場合であっても、グラファイトフィルムを貼り替えることで、簡便に航空機用構造材料を補修し再利用することができる。また、グラファイトフィルムを用いているため、金属メッシュ等を用いる場合に比べて軽量化も達成できる。
【００７２】
グラファイトフィルムを複合材料の表面に設ける場合、複合材料が露出している面全てをグラファイトフィルムで覆うことが好ましい。このような構成とすることによって、被雷時に構造材料を構成する複合材料へ電気及び熱が伝わることをより抑制することができる。
【００７３】
強化繊維及び樹脂を含む複合材料の厚さ（Ｔｆ）と、グラファイトフィルムの厚さ（Ｔｇ）との比（Ｔｆ／Ｔｇ）は、８０〜４００とすることが好ましく、さらに１００〜２００とすることがより好ましい。
【００７４】
グラファイトフィルムと複合材料との積層は、図１に示すように、接着剤３を用いてグラファイトフィルム１と複合材料２とを貼り合せてもよいし、図２又は図３に示すように、複合材料成形プロセス中にコキュアによってグラファイトフィルム１を複合材料２へ積層させてもよい。
【００７５】
接着剤を用いて貼り合わせる場合、用いることができる接着剤としては、例えば、熱可塑性若しくは熱硬化性の樹脂接着剤が挙げられ、液体状、ペースト状、フィルム状の何れの形態であってもよい。熱硬化性の樹脂接着剤としては、常温硬化型のものが好ましい。
【００７６】
コキュアによって積層させる場合、例えば、グラファイトフィルムに、プリプレグ（強化繊維を熱硬化性樹脂に含浸させ、半硬化させたもの）を積層した後、オートクレーブ等を用いて完全に硬化させることによって行うことができる。コキュアによってグラファイトフィルムを接着させる場合、航空機用構造材料の製造工程を削減することができる。
【００７７】
また、上記グラファイトフィルムの表面側に、さらに保護層が設けられている形態であってもよい。かかる構成により、グラファイトフィルムを外部からの衝撃から保護することができ、機械的強度を補強することができる。保護層としては、常温硬化性樹脂、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、複合材料等を用いることができる。保護層として複合材料を用いる場合、複合材料と同じ材料から構成された複合材料を用いてもよいし、複合材料とは異なる材料から構成された複合材料を用いてもよい。なお、強度や扱い易さ等の面から、保護層としては、エポキシ樹脂が好ましい。
【００７８】
具体的には、図３に示すように、複合材料２の表面に貼付したグラファイトフィルム１の更に外側に、複合材料２を形成する態様を挙げることができる。また、その他の態様としては、図４に示すように、複合材料２の表面に貼付したグラファイトフィルム１の更に外側に保護層４を設ける形態を例示できる。
【００７９】
なお、グラファイトフィルムの表面に保護層を形成する手法については、当業者が利用可能な各種手法を好適に利用でき、特に限定されない。例えば、図４に示すように、直接グラファイトフィルムに樹脂層を形成・固化させてもよいが、これ以外にもグラファイトフィルム上に接着剤層を形成し、保護層を貼り付けてもよい。接着剤層としては、上述した熱硬化性及び／又は熱可塑性の接着剤を好適に利用できる。
【００８０】
また、本発明の航空機用構造材料は、被雷時に表面のグラファイトフィルムを意図的に破壊させることによって、複合材料を雷から保護するものであってもよい。この点は、従来の耐雷を付与する構造材料とは原理が異なる。例えば、グラファイトフィルムは層状構造を有する。このため、雷撃を受けた際の温度上昇に伴い、層間に存在する空気等の気体が膨張し、グラファイトフィルムの層間を押し広げる。その結果、雷撃の電流が大きい場合にはグラファイトフィルムが破壊される。つまり、雷電流を、グラファイトフィルムを破壊するエネルギーとして優先的に消費させるため、その下部に設ける複合材料の損傷を抑制することができる。
【００８１】
さらに、グラファイトフィルムは、複合材料から容易に剥がすことができる。このため、例えば、雷撃等によって航空機用構造材料の表層部分が破壊された場合、グラファイトフィルムあるいはグラファイトフィルムと破損した複合材料の一部のみを剥がし、貼りなおすことにより、航空機用構造材料全体を交換することなく再利用することができる。
【００８２】
（IV）航空機
本発明に係る航空機は、上述した本発明に係る航空機用構造材料を用いて得られたものである。本発明に係る航空機は、本発明に係る航空機用構造材料を用いたこと以外は、当業者が利用可能な種々の方法によって製造することができる。
【実施例】
【００８３】
以下、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００８４】
〔雷撃試験〕
雷撃試験は、２ｍｍのギャップで設置された電極間に航空機用構造材料を設置し、非接触放電（出力：４０ｋＡ、１００ｋＡ）を行うことにより実施した。Ｈａｅｆｅｌｙ社製インパルス大電流試験装置を用い、２ｍｍ間のギャップで設置された電極間に航空機用構造材料を設置して行った。雷撃波形は、８．０／２０．０μｍ、最大電流値は４０ｋＡ又は１００ｋＡで行った。
【００８５】
〔実施例１〕
航空機用構造材料は、以下の工程で作製した。まず、東邦テナックス製ＱＣ−１３３ＵＤプリプレグを積層構成〔４５／０／−４５／９０〕4Sの擬似等方性に積層した後、１８０℃、０．５ＭＰａにて２時間オートクレーブ成形を行い、複合材料としてＣＦＲＰを形成した。平均厚みは４．８ｍｍ、寸法は１５０ｍｍ×１００ｍｍであった。
【００８６】
その後、ＣＦＲＰ表面にエメリークロス（＃４００〜＃６００）による表面処理を行い、エポキシ樹脂フィルム接着剤（３Ｍ社製 ＡＦ１６３−２Ｍ）を定着後、カネカ社製グラファイトフィルム（厚み２５μｍ、密度４５ｇ／ｍ2、ＭＩＴ＞１００００回、熱伝導率１５００Ｗ／ｍ・Ｋ、電気伝導度１３００Ｓ／ｃｍ）を貼り合わせ、１２０℃、０．５ＭＰａの圧力下、６０分間、真空脱法を行うことにより接着した。
【００８７】
作製した航空機用構造材料について、出力４０ｋＡで雷撃試験を行った結果、図５に示すように、航空機用構造材料には損傷が無かった。
【００８８】
〔実施例２〕
実施例１で作製した航空機用構造材料について、出力１００ｋＡで雷撃試験を行った結果、図５に示すように、航空機用構造材料を構成するグラファイトフィルムは衝撃で破壊されたが、ＣＦＲＰ自体には損傷が無かった。このため、表面のグラファイトフィルムのみを貼り替えることでＣＦＲＰ全体を交換せずとも、航空機用構造材料を補修し、再利用できる。
【００８９】
〔比較例１〕
実施例１で用いた複合材料（ＣＦＲＰ）を用いて、出力４０ｋＡで雷撃試験を行った。その結果、図５に示すように、ＣＦＲＰは表面に軽度の損傷を受けた。損傷は軽度であるが、航空機用構造材料として利用するためには、損傷箇所を完全に排除し、望ましいスカーフ角度を持って、すり鉢上に加工した後、再度硬化前のＣＦＲＰを積層し硬化プロセスを実施することによって補修する必要がある。
【００９０】
〔比較例２〕
実施例１で用いた複合材料（ＣＦＲＰ）を用いて、出力１００ｋＡで雷撃試験を行った。その結果、図５に示すように、ＣＦＲＰの表面は重度の損傷を受けた。損傷の程度が大きいため、航空機用構造材料として利用するためには、損傷箇所を完全に排除し、望ましいスカーフ角度を持って、すり鉢上に加工した後、再度硬化前のＣＦＲＰを積層し硬化プロセスを実施することによって補修する必要がある。
【００９１】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
本発明の航空機用構造材料は、飛行機（固定翼機、回転翼機等）、飛行船、気球、ロケット、宇宙往還機及びスペースプレーン等の各種航空機の構造材料として好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００９３】
１ グラファイトフィルム
２ 複合材料
３ 接着剤
４ 保護層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、航空機に用いられる構造材料に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
航空機にとって運行中の雷撃による損傷の影響は無視できないものとなりつつある。一般的な航空機の構造材料としては、アルミニウムを主原料とした材料（ジュラルミン）が用いられてきたが、最近では、優れた機械的特性と軽量性とを併せ持つ複合材料の適用が急速に拡大しつつある。
【０００３】
複合材料とは、炭素繊維等の繊維をエポキシやポリイミド等の樹脂に含浸したものからなる材料である。このため、複合材料は、導電性が低く、被雷するとジュール熱が発生し、複合材料に損傷を与えてしまう。また、導電性に異方性を有するため、その損傷が複雑化してしまうという問題点もある。
【０００４】
このような問題に対して、従来、金属メッシュや金属箔を張り合わせる方法（例えば、特許文献１参照）や、金属平板を張り合わせる方法（例えば、特許文献２参照）等、金属と複合化することによって導電性を向上させ、複合材料の損傷を軽減させる方法が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２１９０７８号公報（２００６年 ８月２４日公開）
【特許文献２】特開２００１−０８８７９３号公報（２００１年 ４月 ３日公開）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、耐雷撃性、軽量化あるいは再利用のための便益性等の面でまだ改善の余地がある。このため、新たな航空機用構造材料の開発が求められていた。
【０００７】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、これまでに無い新たな航空機用構造材料及びその利用を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は上記課題を解決するために、鋭意検討を行った。ここで、本発明者は、取り扱い時に破れ易く、機械的強度が低いため、航空機の構造材料として今までに全く注目されてこなかったグラファイトに着目した。つまり、本発明者は、グラファイトは、銅等と比較して機械的強度は劣るが、電気伝導性及び熱伝導性の異方性を示すため、航空機の構造材料として用いられる複合材料とグラファイトとを組み合わせれば、当該構造材料を雷撃から効果的に保護することができると考えた。
【０００９】
そして、本発明者の検討の結果、特定のグラファイトフィルムを、航空機の構造材料として用いられる複合材料と組み合わせることによって、耐雷撃性に優れた航空機用構造材料を実現し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
即ち、本発明に係る航空機用構造材料は、上記課題を解決するために、強化繊維及び樹脂を含む複合材料と、高分子フィルムを熱処理して得られるグラファイトフィルムと、を含むことを特徴としている。
【００１１】
上記構成によれば、グラファイトは電気伝導性及び熱伝導性の異方性を示すため、雷による電気及び熱は当該グラファイトフィルムの面方向に素早く広がり、グラファイト以外の部材へ電気及び熱が伝わることを抑制することができる。よって、耐雷撃性に優れた航空機用構造材料を提供することができる。
【００１２】
また、グラファイトフィルムは金属と比較して比重が軽いため、従来の構成と比較して軽量化を図ることができる。
【００１３】
更には、グラファイトフィルムは沸点が高いため、雷撃による発熱の際に蒸発することを抑制することができる。
【００１４】
また、金属を含む従来の構成では、特に炭素繊維を用いた複合材料に対して適用した場合に金属と繊維との間における電位差に起因した電腐といった問題が発生していた。しかし、グラファイトは、炭素繊維と同様に炭素原子から構成されており、イオン化傾向はほぼ同じであるため、このような問題も抑制することができる。更には、グラファイトは化学的に非常に安定であるため、長期間使用した場合における腐食による劣化を著しく抑制することができる。
【００１５】
本発明に係る航空機用構造材料では、上記複合材料と上記グラファイトフィルムとは積層されており、上記グラファイトフィルムは、上記複合材料の最外層に設けられていることが好ましい。
【００１６】
上記構成によれば、構造材料を構成する複合材料へ電気及び熱が伝わることをより抑制することができる。また、上記の構成によれば、雷撃の影響の大部分は、最外層のグラファイトフィルムにより吸収することができる。このため、雷撃等によって航空機用構造材料の表層部分が破損した場合であっても、グラファイトフィルムを貼り替えることで、簡便に航空機用構造材料を補修し、再利用することができる。
【００１７】
本発明に係る航空機用構造材料では、上記グラファイトフィルムの表面側に、さらに保護層が設けられていることが好ましい。
【００１８】
上記構成によれば、グラファイトフィルムを外部からの衝撃から保護することができ、機械的強度を補強することができる。
【００１９】
本発明に係る航空機用構造材料では、上記グラファイトフィルムが、ポリイミド、ポリアミド、ポリオキサジアゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリベンゾビスチアゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾビスオキサゾール、ポリパラフェニレンビニレン、ポリベンゾイミダゾール、ポリベンゾビスイミダゾール及びポリチアゾールからなる群から選択される少なくとも１種の高分子の熱処理によって得られたものであることが好ましい。
【００２０】
本発明に係る航空機用構造材料では、上記グラファイトフィルムの面方向の電気伝導度が１，０００Ｓ／ｃｍ以上であることが好ましい。
【００２１】
本発明に係る航空機用構造材料では、上記グラファイトフィルムの厚さ方向の電気伝導度が１００Ｓ／ｃｍ以下であることが好ましい。
【００２２】
本発明に係る航空機用構造材料では、上記グラファイトフィルムの面方向の熱伝導度が１，０００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。
【００２３】
本発明に係る航空機用構造材料では、上記グラファイトフィルムの厚さが５μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。
【００２４】
本発明に係る航空機用構造材料では、上記グラファイトフィルムの単位面積あたりの重さが２０ｇ／ｍ2以上９０ｇ／ｍ2以下であることが好ましい。
【００２５】
本発明に係る航空機用構造材料では、上記グラファイトフィルムのＭＩＴ耐揉疲労試験結果が１０，０００回以上であることが好ましい。
【００２６】
本発明に係る航空機用構造材料では、コキュアによって、上記グラファイトフィルムと上記複合材料とが固定されていることが好ましい。
【００２７】
上記構成によれば、上記グラファイトフィルムと上記複合材料とをより強固に固定することができる。
【００２８】
本発明に係る航空機は、上述した本発明に係る航空機用構造材料を用いて得られたことを特徴としている。
【００２９】
上記構成によれば、本発明に係る航空機用構造材料を用いて得られているため、耐雷撃性に優れた航空機を提供することができる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明に係る航空機用構造材料は、以上のように、強化繊維及び樹脂を含む複合材料と、高分子フィルムを熱処理して得られるグラファイトフィルムと、を含むことを特徴としている。
【００３１】
このため、耐雷撃性に優れた航空機用構造材料を提供することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本実施の形態に係る航空機用構造材料の概略構成の一例を示す断面図である。
【図２】本実施の形態に係る航空機用構造材料の概略構成の別の一例を示す断面図である。
【図３】本実施の形態に係る航空機用構造材料の概略構成の更に別の一例を示す断面図である。
【図４】本実施の形態に係る航空機用構造材料の概略構成の更に別の一例を示す断面図である。
【図５】本実施の形態に係る航空機用構造材料（実施例）と複合材のみ（比較例）についての雷撃試験の結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明について詳しく説明する。尚、本明細書で挙げられている各種物性は、特に断りの無い限り後述する実施例に記載の方法により測定した値を意味する。
【００３４】
本発明に係る航空機用構造材料は、強化繊維及び樹脂を含む複合材料と、高分子フィルムを熱処理して得られるグラファイトフィルムと、を含む。
【００３５】
尚、本明細書において「航空機」とは、大気中あるいは宇宙空間を飛行する機械を意味し、具体的には、飛行機（固定翼機、回転翼機等）、飛行船、気球、ロケット、宇宙往還機及びスペースプレーン等が含まれる。また、「グラファイトフィルム」における「フィルム」とは、薄い膜状のものを意味し、シート状のものも含まれる。
【００３６】
（Ｉ）グラファイトフィルム
上記グラファイトフィルムは、高分子フィルムを熱処理して得られるものである。
【００３７】
当該高分子フィルムを構成する高分子としては、ポリイミド、ポリアミド、ポリオキサジアゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリベンゾビスチアゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾビスオキサゾール、ポリパラフェニレンビニレン、ポリベンゾイミダゾール、ポリベンゾビスイミダゾール、及びポリチアゾールからなる群から選択される少なくとも１種が挙げられる。
【００３８】
上記高分子フィルムとしては、ポリイミドフィルムが特に好ましい。ポリイミドフィルムは、他の有機材料を原料とする高分子フィルムよりも、炭化及び黒鉛化によりグラファイトの層構造が発達し易いためである。
【００３９】
更に、ポリイミドフィルムは複屈折率が０．０８以上であることが好ましい。複屈折率が０．０８以上であることによって、炭化及び黒鉛化が進行し易くなるため、グラファイト層が発達したグラファイトフィルムが得られ易くなる。その結果、電気伝導度及び熱伝導率が高くなり易い。また、結晶性に優れたグラファイトが得られるため、耐熱性及び折り曲げ性に優れ、複合材料と貼り合わせた場合に、表面からグラファイトが落ち難い。
【００４０】
高分子からグラファイトフィルムを得るには、まず、出発物質である高分子フィルムを減圧下若しくは不活性ガス中で予備加熱処理して炭素化する。この炭素化は、通常１０００℃程度の温度で行い、例えば、１０℃／分の速度で昇温した場合には１０００℃の温度領域で３０分程度の温度保持を行うことが望ましい。
【００４１】
その後のグラファイト化工程は、減圧下若しくは不活性ガス中で行われる。不活性ガスとしてはアルゴン、ヘリウムが適当である。
【００４２】
上記グラファイトフィルムの製造方法における熱処理温度としては、最低でも２０００℃が必要で、最終的には２４００℃以上、より好ましくは、２６００℃以上更に好ましくは２８００℃以上であり、このような熱処理温度にすることにより、熱伝導率に優れたグラファイトを得ることができる。
【００４３】
熱処理温度が高いほど良質のグラファイトへの転化が可能であるが、経済性の観点からはできるだけ低温で良質のグラファイトに転化できることが好ましい。２５００℃以上の超高温を得るには、通常はグラファイトヒーターに直接電流を流して、そのジュール熱を利用した加熱が行われる。
【００４４】
上記グラファイトフィルムの単位面積あたりの重さは、２０ｇ／ｍ2以上９０ｇ／ｍ2以下であることが好ましい。
【００４５】
（厚さ）
グラファイトフィルムの厚さは、５μｍ以上１００μｍ以下が好ましく、２０μｍ以上８０μｍ以下がより好ましい。厚さが５μ以上であれば、雷電流を効率的に伝達することができ、また、１００μｍ以下であれば、軽量性に優れる複合材料を提供することができる。
【００４６】
尚、本明細書では、上記グラファイトフィルムの厚さは、厚さゲージ（製品名：「ＨＥＩＤＥＮＴＨ：ＡＩＮ−ＣＥＲＴＯ」、ハイデンハイン（株）製）を用いて、２５℃の恒温室にて５０ｍｍ×５０ｍｍのフィルムの任意の１０点における平均厚さとして求められたものを意味する。
【００４７】
（電気伝導度）
グラファイトフィルムは、電気伝導性に優れているため、電気伝導度の低い複合材料に設けることによって複合材の耐雷性を向上させることができる。
【００４８】
特に、グラファイトフィルムは、グラファイト結晶が面方向に配列した層状構造であるため、電気伝導度に異方性を有し、グラファイトフィルムの面方向に大きな電気伝導度を示す。これにより、雷電流を優先的に面方向に広げ、厚さ方向への雷電流量を軽減することができ、その結果、複合材料の損傷をより効果的に軽減することができる。
【００４９】
グラファイトフィルムの面方向の電気伝導度は１，０００Ｓ／ｃｍ以上であることが好ましい。また、厚さ方向の電気伝導度が１００Ｓ／ｃｍ以下であれば、雷電流を優先的に面方向へ伝えることができ、損傷を軽減することができるため好ましい。
【００５０】
（熱伝導率）
グラファイトフィルムの面方向における熱伝導率は１，０００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましく、１，１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることがより好ましく、１，２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが特に好ましい。
【００５１】
被雷すると、ジュール熱が発生し、樹脂の蒸発、炭素繊維の昇華のため、複合材料の残留強度が低下してしまう。しかし、面方向の熱伝導度が１，０００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の材料を貼り合せることで、被雷部分の温度上昇が緩和され、樹脂の蒸発及び繊維の昇華が抑制され、残留強度の著しい低下を緩和することができる。
【００５２】
また、厚さ方向の熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であれば、被雷により発生するジュール熱を優先的に面方向へ伝えることができ、複合材料に対する損傷を軽減することができるため好ましい。
【００５３】
尚、グラファイトフィルムの熱伝導率は、下記式（１）によって算出することができる。
【００５４】
Ａ＝α×ｄ×Ｃｐ … （１）
ここで、Ａは熱伝導率、αは熱拡散率、ｄは密度、Ｃｐは比熱容量をそれぞれ表す。
【００５５】
グラファイトフィルムの熱拡散率及び比熱容量は以下に示す方法で求めることができる。
【００５６】
グラファイトフィルムの熱拡散率は、光交流法による熱拡散率測定装置（製品名：「ＬａｓｅｒＰｉｔ」、アルバック理工（株）製）を用い、４ｍｍ×４０ｍｍの形状に切り取ったグラファイトフィルムのサンプルについて、２０℃の雰囲気下で１０Ｈｚの交流条件で測定することができる。
【００５７】
グラファイトフィルムの比熱容量測定は、示差走査熱量計（製品名：「ＤＳＣ２２０ＣＵ」、エスアイアイナノテクノロジー（株）製）を使用して、２０℃から２６０℃まで１０℃／分の昇温条件で行うことができる。
【００５８】
（ＭＩＴ耐揉疲労試験）
グラファイトフィルムのＭＩＴ耐揉疲労試験結果（以下、「ＭＩＴ」と略する場合がある。）は、１０，０００回以上であることが好ましい。グラファイトフィルムのＭＩＴが１０，０００回以上であれば、例えば、グラファイトフィルムを曲げながら複合材料と貼り合わせる作業も行うこともできるため、グラファイトフィルムと複合材料との間に空気が入ることを抑制することができ、その結果、雷撃の衝撃によってグラファイトフィルムが破れるといった問題を軽減することができる。
【００５９】
本明細書では、グラファイトフィルムのＭＩＴ耐揉疲労試験結果とは、グラファイトフィルムを１．５ｃｍ×１０ｃｍにカットし、ＭＩＴ耐揉疲労試験機（型式Ｄ、東洋精機（株）製）を用いて、試験荷重１００ｇｆ（０．９８Ｎ）、速度９０回／分、折り曲げ半径Ｒ２ｍｍで行い、折り曲げ角度は左右へ１３５℃で行い、グラファイトフィルムが何回折り曲げに耐えることができたかを意味する。
【００６０】
（II）複合材料
本発明に係る航空機用構造材料で用いることができる複合材料は、強化繊維及び樹脂を含む材料であれば特には限定されず、航空機用耐雷複合材料に用いられている各種複合材料を採用することができる。
【００６１】
上記複合材料を構成する強化繊維としては、例えば、炭素繊維、アラミド繊維、ガラス繊維、合成繊維、天然繊維、ナイロン等が挙げられる。これらの繊維は機械的強度に優れており、また、強化繊維として炭素繊維を用いた場合、熱伝導性の特に優れた複合材料とすることもできる。
【００６２】
強化繊維としては、特に限定されないが、繊維の配向を一方向に引き揃えたもの、繊維束を織り合わせた「織物材」、異なる方向に引き揃えた繊維および繊維束を補助糸で固定したもの（ＮＣＦ等）等を用いることが望ましい。繊維の配向を一方向に引き揃えることで強化繊維層を均一な厚さとすることができる。また、このような強化繊維を複数積層した場合、これらの強化繊維をそれぞれ異なる方向に配置させることで何れの方向からの衝撃にも耐え得る材料とすることができる。
【００６３】
上記複合材料を構成する樹脂としては、例えば、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂が挙げられる。
【００６４】
上記熱硬化性樹脂としては、ＰＵ（ポリウレタン）、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン系樹脂、グアナミン樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル、オリゴエステルアクリレート、ジアリルフタレート、ＤＫＦ樹脂（レゾルシノール系樹脂の一種）、キシレン樹脂、エポキシ樹脂、フラン樹脂、ＰＩ（ポリイミド系）樹脂、ＰＥＩ（ポリエーテルイミド）樹脂、ＰＡＩ（ポリアミドイミド）樹脂等が挙げられる。中でもエポキシ樹脂を含む樹脂が、材料選択の幅が広く、強化繊維層とグラファイトとの密着性が優れるために好ましい。
【００６５】
エポキシ樹脂としては、室温において固体で、加熱すると溶融するエポキシ樹脂がよい。加熱溶融することで、エポキシ樹脂が強化繊維層及びグラファイトの内部にまで溶け込み、エポキシ樹脂を強化繊維層及びグラファイト表面にある僅かな隙間に浸透させることができる。更に、冷却することによって、強化繊維層とグラファイトとの隙間に浸透したエポキシ樹脂が固まり、エポキシ樹脂と強化繊維層とグラファイトとの間で高いアンカー効果を発現し、高い接着力が発現するため好ましい。
【００６６】
上記熱可塑性樹脂としては、アイオノマー、イソブチレン無水マレイン酸コポリマー、ＡＡＳ（アクリロニトリル−アクリル−スチレン共重合体）、ＡＥＳ（アクリロニトリル−エチレン−スチレン共重合体）、ＡＳ（アクリロニトリル−スチレン共重合体）、ＡＢＳ（アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体）、ＡＣＳ（アクリロニトリル−塩素化ポリエチレン−スチレン共重合体）、ＭＢＳ（メチルメタクリレート−ブタジエン−スチレン共重合体）、エチレン−塩化ビニル共重合体、ＥＶＡ（エチレン−酢酸ビニル共重合体）、ＥＶＡ系（エチレン−酢酸ビニル共重合体系）、ＥＶＯＨ（エチレンビニルアルコール共重合体）、ポリ酢酸ビニル、塩素化塩化ビニール、塩素化ポリエチレン、塩素化ポリプロピレン、カルボキシビニルポリマー、ケトン樹脂、ノルボルネン樹脂、プロピオン酸ビニル、ＰＥ（ポリエチレン）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＴＰＸ（ポリメチルペンテン）、ポリブタジエン、ＰＳ（ポリスチレン）、スチレン無水マレイン酸共重合体、メタクリル、ＥＭＡＡ（エチレン−メタクリル酸共重合体）、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニール）、ポリ塩化ビニリデン、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）、ポリビニルエーテル、ポリビニルブチラール、ポリビニルホルマール、セルロース系、ナイロン６、ナイロン６共重合体、ナイロン６６、ナイロン６１０、ナイロン６１２、ナイロン１１、ナイロン１２、共重合ナイロン、ナイロンＭＸＤ、ナイロン４６、メトキシメチル化ナイロン、アラミド、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＰＯＭ（ポリアセタール）、ポリエチレンオキシド、ＰＰＥ（ポリフェニレンエーテル）、変性ＰＰＥ（ポリフェニレンエーテル）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）、ＰＳＯ（ポリサルフォン）、ポリアミンサルフォン、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＡＲ（ポリアリレート）、ポリパラビニールフェノール、ポリパラメチレンスチレン、ポリアリルアミン、芳香族ポリエステル、液晶ポリマー、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体）、ＦＥＰ（テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体）、ＥＰＥ（テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン共重合体）、ＥＣＴＦＥ（エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体）、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオライド系）、ＰＶＦ（ポリビニルフルオライド）等が挙げられる。
【００６７】
エポキシ樹脂と混合して用いる場合には、高い密着力を発現できるためアミド系樹脂が好ましい。
【００６８】
複合材料の厚さは、用途によって適宜設定すればよいが、例えば、１．０ｍｍ〜５０ｍｍの範囲内とすることができる。
【００６９】
上記複合材料としては、特に、炭素繊維を用いた複合材料、すなわち、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ；Carbon fiber reinforced plastics）が強度や軽量化の面で好ましい。
【００７０】
（III）航空機用構造材料
本発明に係る航空機用構造材料において、上記複合材料と上記グラファイトフィルムとは積層されており、上記グラファイトフィルムは、上記複合材料の最外層に設けられていることが好ましい。
【００７１】
複合材料の表面にグラファイトフィルムを設けることによって、電気伝導度の低い複合材料への雷電流の到達を極力抑えることができる。また、グラファイトフィルムを複合材料内部に形成することで、外部からの衝撃に対する複合材料本来の強度を発揮することができる。上記の構成によれば、雷撃の影響の大部分は、最外層のグラファイトフィルムにより吸収することができる。それゆえ、雷撃によって構造材料の表層部分が破損した場合であっても、グラファイトフィルムを貼り替えることで、簡便に航空機用構造材料を補修し再利用することができる。また、グラファイトフィルムを用いているため、金属メッシュ等を用いる場合に比べて軽量化も達成できる。
【００７２】
グラファイトフィルムを複合材料の表面に設ける場合、複合材料が露出している面全てをグラファイトフィルムで覆うことが好ましい。このような構成とすることによって、被雷時に構造材料を構成する複合材料へ電気及び熱が伝わることをより抑制することができる。
【００７３】
強化繊維及び樹脂を含む複合材料の厚さ（Ｔｆ）と、グラファイトフィルムの厚さ（Ｔｇ）との比（Ｔｆ／Ｔｇ）は、８０〜４００とすることが好ましく、さらに１００〜２００とすることがより好ましい。
【００７４】
グラファイトフィルムと複合材料との積層は、図１に示すように、接着剤３を用いてグラファイトフィルム１と複合材料２とを貼り合せてもよいし、図２又は図３に示すように、複合材料成形プロセス中にコキュアによってグラファイトフィルム１を複合材料２へ積層させてもよい。
【００７５】
接着剤を用いて貼り合わせる場合、用いることができる接着剤としては、例えば、熱可塑性若しくは熱硬化性の樹脂接着剤が挙げられ、液体状、ペースト状、フィルム状の何れの形態であってもよい。熱硬化性の樹脂接着剤としては、常温硬化型のものが好ましい。
【００７６】
コキュアによって積層させる場合、例えば、グラファイトフィルムに、プリプレグ（強化繊維を熱硬化性樹脂に含浸させ、半硬化させたもの）を積層した後、オートクレーブ等を用いて完全に硬化させることによって行うことができる。コキュアによってグラファイトフィルムを接着させる場合、航空機用構造材料の製造工程を削減することができる。
【００７７】
また、上記グラファイトフィルムの表面側に、さらに保護層が設けられている形態であってもよい。かかる構成により、グラファイトフィルムを外部からの衝撃から保護することができ、機械的強度を補強することができる。保護層としては、常温硬化性樹脂、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、複合材料等を用いることができる。保護層として複合材料を用いる場合、複合材料と同じ材料から構成された複合材料を用いてもよいし、複合材料とは異なる材料から構成された複合材料を用いてもよい。なお、強度や扱い易さ等の面から、保護層としては、エポキシ樹脂が好ましい。
【００７８】
具体的には、図３に示すように、複合材料２の表面に貼付したグラファイトフィルム１の更に外側に、複合材料２を形成する態様を挙げることができる。また、その他の態様としては、図４に示すように、複合材料２の表面に貼付したグラファイトフィルム１の更に外側に保護層４を設ける形態を例示できる。
【００７９】
なお、グラファイトフィルムの表面に保護層を形成する手法については、当業者が利用可能な各種手法を好適に利用でき、特に限定されない。例えば、図４に示すように、直接グラファイトフィルムに樹脂層を形成・固化させてもよいが、これ以外にもグラファイトフィルム上に接着剤層を形成し、保護層を貼り付けてもよい。接着剤層としては、上述した熱硬化性及び／又は熱可塑性の接着剤を好適に利用できる。
【００８０】
また、本発明の航空機用構造材料は、被雷時に表面のグラファイトフィルムを意図的に破壊させることによって、複合材料を雷から保護するものであってもよい。この点は、従来の耐雷を付与する構造材料とは原理が異なる。例えば、グラファイトフィルムは層状構造を有する。このため、雷撃を受けた際の温度上昇に伴い、層間に存在する空気等の気体が膨張し、グラファイトフィルムの層間を押し広げる。その結果、雷撃の電流が大きい場合にはグラファイトフィルムが破壊される。つまり、雷電流を、グラファイトフィルムを破壊するエネルギーとして優先的に消費させるため、その下部に設ける複合材料の損傷を抑制することができる。
【００８１】
さらに、グラファイトフィルムは、複合材料から容易に剥がすことができる。このため、例えば、雷撃等によって航空機用構造材料の表層部分が破壊された場合、グラファイトフィルムあるいはグラファイトフィルムと破損した複合材料の一部のみを剥がし、貼りなおすことにより、航空機用構造材料全体を交換することなく再利用することができる。
【００８２】
（IV）航空機
本発明に係る航空機は、上述した本発明に係る航空機用構造材料を用いて得られたものである。本発明に係る航空機は、本発明に係る航空機用構造材料を用いたこと以外は、当業者が利用可能な種々の方法によって製造することができる。
【実施例】
【００８３】
以下、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００８４】
〔雷撃試験〕
雷撃試験は、２ｍｍのギャップで設置された電極間に航空機用構造材料を設置し、非接触放電（出力：４０ｋＡ、１００ｋＡ）を行うことにより実施した。Ｈａｅｆｅｌｙ社製インパルス大電流試験装置を用い、２ｍｍ間のギャップで設置された電極間に航空機用構造材料を設置して行った。雷撃波形は、８．０／２０．０μｍ、最大電流値は４０ｋＡ又は１００ｋＡで行った。
【００８５】
〔実施例１〕
航空機用構造材料は、以下の工程で作製した。まず、東邦テナックス製ＱＣ−１３３ＵＤプリプレグを積層構成〔４５／０／−４５／９０〕4Sの擬似等方性に積層した後、１８０℃、０．５ＭＰａにて２時間オートクレーブ成形を行い、複合材料としてＣＦＲＰを形成した。平均厚みは４．８ｍｍ、寸法は１５０ｍｍ×１００ｍｍであった。
【００８６】
その後、ＣＦＲＰ表面にエメリークロス（＃４００〜＃６００）による表面処理を行い、エポキシ樹脂フィルム接着剤（３Ｍ社製 ＡＦ１６３−２Ｍ）を定着後、カネカ社製グラファイトフィルム（厚み２５μｍ、密度４５ｇ／ｍ2、ＭＩＴ＞１００００回、熱伝導率１５００Ｗ／ｍ・Ｋ、電気伝導度１３００Ｓ／ｃｍ）を貼り合わせ、１２０℃、０．５ＭＰａの圧力下、６０分間、真空脱法を行うことにより接着した。
【００８７】
作製した航空機用構造材料について、出力４０ｋＡで雷撃試験を行った結果、図５に示すように、航空機用構造材料には損傷が無かった。
【００８８】
〔実施例２〕
実施例１で作製した航空機用構造材料について、出力１００ｋＡで雷撃試験を行った結果、図５に示すように、航空機用構造材料を構成するグラファイトフィルムは衝撃で破壊されたが、ＣＦＲＰ自体には損傷が無かった。このため、表面のグラファイトフィルムのみを貼り替えることでＣＦＲＰ全体を交換せずとも、航空機用構造材料を補修し、再利用できる。
【００８９】
〔比較例１〕
実施例１で用いた複合材料（ＣＦＲＰ）を用いて、出力４０ｋＡで雷撃試験を行った。その結果、図５に示すように、ＣＦＲＰは表面に軽度の損傷を受けた。損傷は軽度であるが、航空機用構造材料として利用するためには、損傷箇所を完全に排除し、望ましいスカーフ角度を持って、すり鉢上に加工した後、再度硬化前のＣＦＲＰを積層し硬化プロセスを実施することによって補修する必要がある。
【００９０】
〔比較例２〕
実施例１で用いた複合材料（ＣＦＲＰ）を用いて、出力１００ｋＡで雷撃試験を行った。その結果、図５に示すように、ＣＦＲＰの表面は重度の損傷を受けた。損傷の程度が大きいため、航空機用構造材料として利用するためには、損傷箇所を完全に排除し、望ましいスカーフ角度を持って、すり鉢上に加工した後、再度硬化前のＣＦＲＰを積層し硬化プロセスを実施することによって補修する必要がある。
【００９１】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
本発明の航空機用構造材料は、飛行機（固定翼機、回転翼機等）、飛行船、気球、ロケット、宇宙往還機及びスペースプレーン等の各種航空機の構造材料として好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００９３】
１ グラファイトフィルム
２ 複合材料
３ 接着剤
４ 保護層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強化繊維及び樹脂を含む複合材料と、
高分子フィルムを熱処理して得られるグラファイトフィルムと、
を含む航空機用構造材料。
【請求項２】
上記複合材料と上記グラファイトフィルムとは積層されており、
上記グラファイトフィルムは、上記複合材料の最外層に設けられている、請求項１に記載の航空機用構造材料。
【請求項３】
上記グラファイトフィルムの表面側に、さらに保護層が設けられている、請求項２に記載の航空機用構造材料。
【請求項４】
上記グラファイトフィルムが、ポリイミド、ポリアミド、ポリオキサジアゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾビスオキサゾール、ポリパラフェニレンビニレン、ポリベンゾイミダゾール、ポリベンゾビスイミダゾール及びポリチアゾールからなる群から選択される少なくとも１種の高分子の熱処理によって得られたものである、請求項１〜３の何れか１項に記載の航空機用構造材料。
【請求項５】
上記グラファイトフィルムの面方向の電気伝導度が１，０００Ｓ／ｃｍ以上である、請求項１〜４の何れか１項に記載の航空機用構造材料。
【請求項６】
上記グラファイトフィルムの厚さ方向の電気伝導度が１００Ｓ／ｃｍ以下である、請求項１〜５の何れか１項に記載の航空機用構造材料。
【請求項７】
上記グラファイトフィルムの面方向の熱伝導度が１，０００Ｗ／ｍ・Ｋ以上である、請求項１〜６の何れか１項に記載の航空機用構造材料。
【請求項８】
上記グラファイトフィルムの厚さが５μｍ以上１００μｍ以下である、請求項１〜７の何れか１項に記載の航空機用構造材料。
【請求項９】
上記グラファイトフィルムの単位面積あたりの重さが２０ｇ／ｍ2以上９０ｇ／ｍ2以下である、請求項１〜８の何れか１項に記載の航空機用構造材料。
【請求項１０】
上記グラファイトフィルムのＭＩＴ耐揉疲労試験結果が１０，０００回以上である、請求項１〜９の何れか１項に記載の航空機用構造材料。
【請求項１１】
コキュアによって、上記グラファイトフィルムと上記複合材料とが固定されている、請求項１〜１０の何れか１項に記載の航空機用構造材料。
【請求項１２】
請求項１〜１１の何れか１項に記載の航空機用構造材料を用いて得られた航空機。
【請求項１】
強化繊維及び樹脂を含む複合材料と、
高分子フィルムを熱処理して得られるグラファイトフィルムと、
を含む航空機用構造材料。
【請求項２】
上記複合材料と上記グラファイトフィルムとは積層されており、
上記グラファイトフィルムは、上記複合材料の最外層に設けられている、請求項１に記載の航空機用構造材料。
【請求項３】
上記グラファイトフィルムの表面側に、さらに保護層が設けられている、請求項２に記載の航空機用構造材料。
【請求項４】
上記グラファイトフィルムが、ポリイミド、ポリアミド、ポリオキサジアゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾビスオキサゾール、ポリパラフェニレンビニレン、ポリベンゾイミダゾール、ポリベンゾビスイミダゾール及びポリチアゾールからなる群から選択される少なくとも１種の高分子の熱処理によって得られたものである、請求項１〜３の何れか１項に記載の航空機用構造材料。
【請求項５】
上記グラファイトフィルムの面方向の電気伝導度が１，０００Ｓ／ｃｍ以上である、請求項１〜４の何れか１項に記載の航空機用構造材料。
【請求項６】
上記グラファイトフィルムの厚さ方向の電気伝導度が１００Ｓ／ｃｍ以下である、請求項１〜５の何れか１項に記載の航空機用構造材料。
【請求項７】
上記グラファイトフィルムの面方向の熱伝導度が１，０００Ｗ／ｍ・Ｋ以上である、請求項１〜６の何れか１項に記載の航空機用構造材料。
【請求項８】
上記グラファイトフィルムの厚さが５μｍ以上１００μｍ以下である、請求項１〜７の何れか１項に記載の航空機用構造材料。
【請求項９】
上記グラファイトフィルムの単位面積あたりの重さが２０ｇ／ｍ2以上９０ｇ／ｍ2以下である、請求項１〜８の何れか１項に記載の航空機用構造材料。
【請求項１０】
上記グラファイトフィルムのＭＩＴ耐揉疲労試験結果が１０，０００回以上である、請求項１〜９の何れか１項に記載の航空機用構造材料。
【請求項１１】
コキュアによって、上記グラファイトフィルムと上記複合材料とが固定されている、請求項１〜１０の何れか１項に記載の航空機用構造材料。
【請求項１２】
請求項１〜１１の何れか１項に記載の航空機用構造材料を用いて得られた航空機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−２４０６１０（Ｐ２０１２−２４０６１０Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１４８５０（Ｐ２０１１−１１４８５０）
【出願日】平成２３年５月２３日（２０１１．５．２３）
【出願人】（００００００９４１）株式会社カネカ (3,932)
【出願人】（５０３３６１４００）独立行政法人 宇宙航空研究開発機構 (453)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月２３日（２０１１．５．２３）
【出願人】（００００００９４１）株式会社カネカ (3,932)
【出願人】（５０３３６１４００）独立行政法人 宇宙航空研究開発機構 (453)
【Ｆターム（参考）】
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