JPS648203B2

JPS648203B2 -

Info

Publication number: JPS648203B2
Application number: JP59201411A
Authority: JP
Inventors: Sutanrii Sutorando Nooman
Original assignee: Microdot Inc
Current assignee: Microdot Inc
Priority date: 1984-09-26
Filing date: 1984-09-26
Publication date: 1989-02-13
Also published as: JPS6179010A

Description

【発明の詳細な説明】従来の技術複合材料、例えば炭素繊維強化樹脂、の顕著な
強度対重量特性は、航空機産業におけるこの種材
料の機体構造部材への利用をもたらしている。し
かし、炭素繊維強化樹脂の使用は、この種材料を
相互に、または別の材料を使用する機体の構造部
材に機械的に締結することの困難さにより制約さ
れている。在来の機械的な締結具は、幾つかの理
由で、不充分なものである。複合材料の一つの特
性は、開口部の周縁に近接する材料が、比較的高
い単位圧力を加えられた時に破壊または破砕され
る、ということである。在来の金属リベツトは、
リベツト孔の周縁に高い単位圧力を誘発する頭部
アプセツト作業に付随する金属の流れをしばしば
示す。リベツト頭部の下またはそれに隣接する複
合構造体の割れは目に見えないかあるいはすぐに
起きないこともある。しかし、通常の飛行条件の
中で遭遇する振動環境、または激しい天候条件の
中で経験されるような厳しい荷重の下に機体があ
ることにより、複合構造体の破損がもたらされる
可能性がある。

金属ねじは、ねじ孔の単位応力が比較的高いの
で、複合材料を締結するためには一般的には望ま
しくない。

ナツトをそなえた在来の金属ボルトは重量上の
不利点をそなえている。

前述の問題を解決するため、航空機工業界では
現在、複合諸要素を接合するために接着剤を使用
している。しかし、接着によつて結合された接合
個所は一般に、構造体の構成要素の破損に先立つ
て破損するが、これは航空機工業における基本的
な設計の規準に反するものである。

前述の問題を解決する試みがプラスチツク・リ
ベツトを用いてなされたが、これまでに周知され
且つ使用されたようなリベツトは、航空機への利
用に適した充分なせん断強さを示していない。

例えば、ブラインド・リベツト（Blind
Rivet）と題し、本発明の譲受人に譲渡された米
国特許出願第342176号は、「Ｂ」段階の熱硬化性
樹脂を加熱によつて先ず軟化させた後、充分に重
合させプラスチツク・リベツトを形成することを
教示している。このリベツトは、頭付き心棒に支
持された「Ｂ」段階の熱硬化性樹脂の中空な頭付
き本体を具備する。リベツト本体の加熱後、心金
は加工物と相対的に引かれ、それによつて加工物
の見えない側に頭部を形成する。「Ｂ」段階の熱
硬化性樹脂はその後、熱硬化状態に充分に重合す
る。この種のリベツトは、1050Kgｆ／cm²
（15000psi）の限度内のせん断強さを示す。

しかし、3500Kgｆ／cm²（50000psi）のせん断強
さを示す複合構成要素を比較的低い強さのプラス
チツク・リベツトで締結することは、航空機の構
造用に適した組立て体を作らないことは明らかで
ある。従つてリベツトが、現今の複合材料と同様
の物理的特性を有している必要性がある。

問題点を解決するための手段本発明のリベツトには、不完全に重合された、
すなわち「Ｂ」段階の熱硬化性樹脂マトリツクス
内に封入された炭素繊維が用いられる。この炭素
繊維は、編組されまたは平行にされた束即ち「ト
ウ」の形をとることができる。熱硬化性樹脂マト
リツクスと炭素繊維とは、引張り強さが高く且つ
モジユラスの低い材料のシース内に包まれ、シー
スがまた「Ｂ」段階の熱硬化性樹脂マトリツクス
内に封入される。このシースは、リベツト頭部の
形成の際、炭素繊維のたわみと突出とを制御す
る。開示された本発明の実施例の全てにおいて、
熱を加えることによつて軟化される「Ｂ」段階の
熱硬化性樹脂マトリツクスと周囲のシースとの圧
縮により、リベツトのせん断部分と一体であり且
つ、完全に重合された場合、比較的高いせん断強
さを示すリベツト結合を形成する半径方向に延在
するリベツト頭部が形成される。

実施例第１図に詳細に示すように、本発明の実施例に
よるリベツト１０は、予備成形された頭部１２
と、せん断部分１４と、裏側の頭部形成部分１６
と、心棒１８とを具備する。心棒１８は、その一
端に頭部２０を、またその他端に引張りステム２
２を有する。心棒１８は、リベツト１０の頭部１
２とせん断部分１４と頭部形成部分１６とを貫い
て延在するこれと相補的な孔２４内に軸支され
る。リベツト１０のせん断部分１４は、一対の加
工物３０，３２の累積厚さと同一長さとする。

心棒１８は、心棒１８を引く時にリベツト１０
の頭部１２と係合してリベツト１０を加工物３０
に対して押し付ける頭部３８を有する在来の設計
の工具３６によつて、第２図に見られるように、
左方に引くようにされる。図でわかるように、心
棒１８を左方に引張ることにより、図示のきのこ
形状への頭部形成部分１６の変形がもたらされ
る。

本発明の一つの特徴により、リベツト１０の頭
部１２とせん断部分１４と頭部形成部分１６と
は、部分的に重合された、即ち「Ｂ」段階の熱硬
化性樹脂マトリツクス内に含浸または封入された
炭素繊維４０の編組された束、即ち「トウ」を包
含する。

本発明の実施例においては、リベツト１０が
4.7625mm（0.1875in）の直径を有し且つ各が約
12000本の繊維を含む12本トウの炭素繊維を包含
している。この炭素繊維は黒鉛を基材とし、層間
せん断特性を向上させるために表面処理される。
この繊維は、1.3％の極限伸びと、1.7715ｇ／cm³
（0.0640lb／in³）の密度とを示す。炭素繊維のフ
イラメント直径は７ないし9μ、従つてトウの面
積は0.484×10^-2cm²（0.075×10^-2in²）となる。前
述の繊維とマトリツクスとを使用するエポキシ樹
脂複合材料の代表的な特性は、繊維量が62％に等
しい場合、18.9×10³Kgｆ／cm²（270×10³ lbs／
in²）の曲げ強さと、1.33×10⁶ Kgｆ／cm²（19×
10⁶ lbs／in²）の曲げ弾性率と、19.25×10³ Kg
ｆ／cm²（275×10³ lbs／in²）の引張り強さと、
1.435×10⁶ Kgｆ／cm²（20.5×10⁶ lbs／in²）の引
張り弾性率とである。適当な繊維は、ハーキユリ
ーズ・インコーポレイテツド（Hercules
Incorporated）によりAS4と表示され、且つ「マ
グナマイト（MAGNAMITE）」（商標）として
市販されている黒鉛繊維である。

本発明の実施例に用いられるマトリツクスは、
芳香族アミン硬化剤を配合され且つ部分的に重合
された熱硬化性樹脂を包含する。代表的な材料お
よび比率は、「シエル・ケミカル・カンパニー
（Shell Chemical Company）」から入手できるシ
エル（Shell）828エポキシ樹脂が157.5部と、「ビ
ー・エイ・エス・エフ・ワイアンドツト・コーポ
レーシヨン（BASF Wyandotte Corporation）」
から入手できるメチレン・ジアニリン
（methylene dianiline）硬化剤が42.5部とであ
る。

本発明の別の特徴によつて、樹脂含浸炭素繊維
トウ４０が、引張り強さが大きく、弾性率の低い
材料で作られた外側シース４２内に包まれる。第
１図に示す実施例の場合シース４２は、芳香族ポ
リアミド繊維の編組されたトウ４４を具備する。
使用されている芳香族ポリアミド繊維は、1.385
ｇ／cm³（0.050lb／in³）の密度と、14.06×10³
Kgｆ／cm²（200×10³ lbs／in²）の引張り強さと、
2.812×10³ Kgｆ／cm²（40×10³ lbs／in²）の圧
縮強さと、0.2812×10³ Kgｆ／cm²（４×10³
lbs／in²）の横引張り強さと、0.492×10³ Kg
ｆ／cm²（７×10³ lbs／in²）の層間せん断強さと、
0.34のポアソン比と、0.7733×10⁶ Kgｆ／cm²（11
×10⁶ lbs／in²）の弾性率と、0.02109×10⁶ Kg
ｆ／cm²（0.3×10⁶ lbs／in²）のせん断弾性率とを
示す。

適当な芳香族ポリアミド繊維が、デユポン・カ
ンパニー（Dupont Company）により「ケブラ
ー（KEVLAR）」（商標名）として市販されてい
る。

炭素繊維トウ４０のような編組された芳香族ポ
リアミド・トウ４４は、上に論述した「Ｂ」段階
の熱硬化性エポキシ樹脂マトリツクスに含浸また
は封入されている。シース４２は、炭素繊維トウ
４０を包み、頭部１２の形成または裏側の頭部形
成部分１６の変形に付随するいかなる繊維の形状
をも制御するとともに、その広がりを防止する。

第３図について説明する。本発明の第二実施例
は、頭部５２とせん断部分５４と頭部形成部分５
６とを有するリベツト５０である。頭部５２とせ
ん断部分５４と頭部形成部分５６とは、それらの
中に、心棒６０を容れるための中心孔５８を有す
る。心棒６０は、心棒１８と同様に、「Ｂ」段階
熱硬化性樹脂頭部形成部分５６の圧縮を行うた
め、その上に頭部６２を有する。リベツト５０の
寸法はリベツト１０のそれと類似しているが、相
違点は、複数の炭素繊維トウ６４が、編組の配列
とは対照に、互いに平行に心棒６０の周りに配列
されていることである。炭素繊維の平行な配列に
より、リベツト５０の円筒形状の中に詰め込まれ
得る繊維の数は最大となる。炭素繊維トウ６４は
炭素繊維トウ４０と類似の「Ｂ」段階の熱硬化性
樹脂マトリツクス内に封入され、シース４２と類
似の編んだ芳香族ポリアミド・シース６６によつ
て包まれる。

第５図に示すように、リベツト５０の頭部形成
部分５６内の炭素繊維６４は、頭部形成部分５６
に対する加熱と、心棒６０の引張りによるリベツ
ト５０の「硬化」と、それに続く樹脂マトリツク
スの完全な重合とに伴つた概ね「層状」の配列を
保持する傾向を有することが望ましい。

第６図に見られるように、本発明の更に別の実
施例は、せん断部分７６の対向端に頭部形成部分
７２，７４を有するリベツト７０である。リベツ
ト７０のせん断部分７６は、並置された加工物７
８，８０の累積厚さと同一長さである。

リベツト７０は、上に論述したように芳香族ア
ミン硬化剤を配合され且つ部分的に重合されたエ
ポキシ熱硬化性樹脂に含浸された炭素繊維の複数
の平行なトウ８２を包含する。炭素繊維トウ８２
は、炭素繊維トウ８２と同様に「Ｂ」段階の熱硬
化性エポキシ樹脂マトリツクスに含浸された芳香
族ポリアミド繊維の編組されたトウ８６を具備す
る外側シース８４によつて包まれる。シース８４
は、炭素繊維トウ８２を包み、頭部形成部分７
２，７４の形状制御を助けると共に、その変形に
付随するその広がりを防止する。

第７図に見られるように、一対の頭部成形工具
８８，９０が加熱された頭部形成部分７２，７４
に圧し付けられ、それによつて図示の形状への同
上部分の変位と二次成形とが行われる。リベツト
７０への工具８８，９０の押圧は、なるべくな
ら、加工物７８，８０を「引き寄せ」且つそれを
保持する「Ｂ」段階の頭部形成部分７２，７４の
完全な重合を行うに必要な時間、持続されること
が望ましい。リベツト７０の頭部形成部分７２，
７４内の炭素繊維トウ８２は、前に論述されたよ
うにして、それに対する加熱とリベツト７０の
「硬化」との際に概ね「層状」の配列を保持する
傾向を有する。

第８図に見られるように、本発明の更に別の実
施例はせん断部分１０６の対向端に頭部形成部分
１０２，１０４を有するリベツト１００である。
心棒１０８は、頭部形成部分１０２，１０４とせ
ん断部分１０６との中心孔１１２を貫いて延在す
る頭部１１０を有する。リベツト１００のせん断
部分１０６は、並置された加工物１１４，１１６
の蓄積厚さと同一長さである。

リベツト１００は、上に論述したように芳香族
アミン硬化剤を配合され且つ部分的に重合された
エポキシ熱硬化性樹脂に含浸された炭素繊維の複
数の平行なトウ１１８を包含する。炭素繊維トウ
１１８は、炭素繊維トウ１１８と同様に「Ｂ」段
階の熱硬化性エポキシ樹脂マトリツクスに含浸さ
れた芳香族ポリアミド繊維の編組されたトウ１２
２を具備する外側シース１２０によつて包まれ
る。シース１２０は、炭素繊維トウ１１８を包
み、頭部形成部分１０２，１０４の形状制御を助
けると共に、その変形に付随するその広がりを防
止する。

第９図に見られるように、頭部成形工具１２２
が加熱された頭部形成部分に圧し付けられ且つ心
棒１０８が終点に達し、それによつて図示の形状
への頭部形成部分１０２，１０４の変位と二次成
形とが行われる。ヘツド１０２および心棒１０８
への工具１２２の押圧は、なるべくなら、加工物
１１４，１１６を「引き寄せ」且つそれを保持す
る「Ｂ」段階の頭部形成部分１０２，１０４の完
全な重合を行うに必要な時間、持続されることが
望ましい。

上に論述したリベツト１０，５０，７０，１０
０の頭部形成部分の軟化と完全な重合とを開始す
るための加熱が相対的な事柄であることは注意す
べきである。例えば、部分的に重合されたリベツ
トを凍結させることによつて、未硬化のリベツト
１０，５０，７０または１００の貯蔵寿命を延長
し、あるいは頭部形成部分の軟化を行うに必要な
温度差を周囲温度と相対的に得ることができる。
更にまた、加熱の量と時間とは、使用される特定
の「Ｂ」段階の熱硬化性エポキシ樹脂の関数であ
る。ある実施例においては、リベツトが−17.78
℃（０〓）の保管または「貯蔵」温度に保持され
た。その後リベツトは、リベツトに対する加熱に
よつて82.23℃（180〓）の温度まで昇温され、こ
の温度で頭部形成部分の軟化が立証された。次い
で温度は、リベツト頭部の形成を容易にし且つ重
合を完了させるため、約204.44℃（400〓）に上
げられた。

上述の説明により、本発明のリベツトが周知の
複合材料と同様の強度特性を示すことがあきらか
となるはずである。このリベツトは、加工物内の
相補的な孔内に比較的容易にセツトされる。「Ｂ」
段階の頭部形成熱硬化性樹脂マトリツクスの軟化
とそれに続く完全な重合とは、リベツトの設計保
管温度に比べて高温の熱を加えることにより達成
される。リベツトの頭部形成部分のきのこ状の偏
平化は、引張り強さが大きく、低モジユラスのシ
ースによつて制御され、それにより頭部形状が一
定にされ、リベツトから炭素繊維が枝状に突出す
るのを防止される。

【図面の簡単な説明】

第１図は接合されるべき加工物に関連させた本
発明の複合リベツトの一実施例の一部を断面とし
た正面図、第２図はリベツトに裏側の頭部を形成
するためリベツト心棒を引つ張つた後の第１図の
リベツトの図、第３図は平行な炭素繊維を用いた
本発明の別の実施例の第１図と同様の図、第４図
は第３図の線４―４についての断面図、第５図は
リベツトに裏側の頭部を形成するためその心棒を
引つ張つた後の第３図のリベツトの図、第６図は
平行な炭素繊維を用いた本発明の別の実施例の第
１図と同様の図、第７図は対向両端に頭部を形成
した後の第６図のリベツトの図、第８図は本発明
の更に別の実施例の図、第９図は心棒を引つ張つ
た後の第８図のリベツトの図である。１０……リベツト、１６……頭部形成部分、１
８……心棒、２０……頭部、３０……加工物、３
２……加工物、４０……炭素繊維トウ、４２……
シース、４４……編組芳香族ポリアミド繊維ト
ウ、５０……リベツト、６４……炭素繊維トウ、
７０……リベツト、７２……頭部形成部分、７４
……頭部形成部分、８２……炭素繊維トウ、８４
……シース、１００……リベツト、１０８……心
棒。

Claims

【特許請求の範囲】１強化熱硬化性プラスチツクリベツトにおい
て、該リベツトが連続的に、長手方向に延在し、Ｂ段階の熱硬化
性樹脂のマトリツクス内に封入された複数の炭素
繊維と、長手方向に延在し、前記炭素繊維を包囲し、Ｂ
段階の熱硬化性樹脂のマトリツクス内に封入され
た複数の芳香族ポリアミド繊維から成るシースと
を有しており、該リベツトの少なくとも一部が加熱時にリベツ
ト頭部を形成するべく変形可能で熱硬化状態に重
合可能であり、前記シースがリベツト頭部の形成後も前記炭素
繊維を包囲して、該炭素繊維の枝状の突出を防止
している強化熱硬化性プラスチツクリベツト。２特許請求の範囲第１項に記載のプラスチツク
リベツトにおいて、該リベツトが、その中心に延
在した心棒にして、前記炭素繊維とポリアミド繊
維とに対して軸線方向に移動可能であつて該炭素
繊維とポリアミド繊維とを変位させて前記リベツ
トに頭部を形成する頭部形成部分を有した心棒を
有しているプラスチツクリベツト。