JPH0637100B2 - 炭素繊維強化プラスチック構造物 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 概 要 炭素繊維強化プラスチック構造物に関し、 宇宙空間等の高真空環境下でも他金属類と電蝕を発生す
ることなく、重量構造物を支持する剛性と被支持物から
発生する熱を他の部品に伝熱しにくくする断熱特性を有
する炭素繊維強化プラスチック構造物を提供することを
目的とし、 炭素繊維強化プラスチックのプリプレグ材を積層した構
造物において、繊維方向が一方向をプリプレグ材と繊維
方向を任意方向に複数有し、且つその複数の繊維方向が
各方向の力やモーメントに対して均一な強度を有するプ
リプレグ材とを積層して構成し、構造物断面の芯部は繊
維方向が各方向の力やモーメントに対して均一な強度を
有するプリプレグ材により成形し、両表面側は主に繊維
方向が一方向のプリプレグ材により成形すると共に、異
種金属と接触する部分にガラス繊維強化プラスチックを
設けて構成する。

産業上の利用分野 本発明は炭素繊維強化プラスチック構造物に関する。

宇宙空間に打上げられた人工衛星等において、モータ等
の発熱部品を支持する支持構造物は、宇宙空間の特殊な
環境にさらされるために、この環境に適合するような特
性及び構造が要求される。すなわち、発熱部品を搭載し
た支持構造物はベース上に載置されるが、発熱部品から
の熱が支持構造物を介してベースに伝導されると、この
ベースに載置された他の部品が熱膨張により変形してそ
の寸法制度が狂うことになるため、支持構造物にはベー
ス方向への熱伝導を有効に防止する断熱特性が要求され
る。更に、このような支持構造物を人工衛星に搭載しよ
うとすると、ロケット打上げ時に１５〜２０Ｇの重力加
速度が加わるために、地上の１５〜２０倍の重力加速度
に耐えるだけの強度が必要とされる。そこで、このよう
な宇宙空間での使用に耐え得る特性を有する支持構造物
が要望されている。

従来の技術 第３図は断熱特性を有する従来の支持構造物の模式図を
示しており、断熱部２を有する支持構造物１上にヒータ
あるいはモータ等の発熱部４を有する被支持物３を搭載
し、支持構造物１はベース５上に載置されている。６は
発熱部４で発生した熱を宇宙空間に放熱するためのヒー
トパイプ等の放熱部材である。

放熱部４で発生した熱は放熱経路Ａ，Ｂを通して外部へ
逃げるが、ベス５への伝熱はベース５上に搭載した他の
部品が熱膨脹することによりその位置制度の狂いが生じ
るため、この方向への熱伝導を断熱部２で防止してい
る。このような支持構造物１において、断熱部２の材料
として断熱特性を有するマイカ、ＧＦＲＰ（ガラス繊維
強化プラスチック）、ゴム、ガラス等が用いられてい
る。又支持構造物１の他の部分はＡｌ、ＳＵＳ等の金属
から構成されている。

発明が解決しようとする問題点 このような構造物を人工衛星に搭載しようとすると、ロ
ケット打上げ時に、支持構造物に１５〜２０Ｇの重力加
速度が加わると共に、ある範囲の周波数領域で振動を受
けるため、以下のような問題が発生する。

（イ）構造物の共振周波数と加振周波数が接近している
と、共振現象のため構造物が破壊する。

（ロ）地上の１５〜２０倍の重力加速度に耐えられるだ
けの強度を必要とする。

（ハ）人工衛星搭載物としての軽量化が必要とされる。

（ニ）宇宙空間の高真空状態では、構造物を金属から形
成すると、この構造物が接触する異種金属間で電蝕が発
生するという問題がある。

前記（イ）、（ロ）は構造物の強度を上げるためにその
体積・質量を増加する必要があり、（ハ）とは相反する
要求である。

本発明はこのような点に鑑みなされたものであり、その
目的とするところは、宇宙空間等の高真空環境下でも他
金属類と電蝕を発生することなく、重量構造物を支持す
る剛性と被支持物から発生する熱を他の部品に伝熱しに
くくする断熱特性を有する炭素繊維強化プラスチックを
提供することである。

問題点を解決するための手段 強度、断熱特性を有する材料として、ヤング率が大きく
熱伝導率の低い炭素繊維強化プラスチック（以下ＣＦＲ
Ｐという）を採用し、更に構造物の共振周波数を上げる
ため、密度が小さくヤング率の大きいＣＦＲＰの積層構
造とする。積層構造に関しては、大きいモーメントが表
面側に発生するため、高強度、高ヤング率を有する繊維
方向が一方向のプリプレグ材２２，２４を表面側に配置
し、芯材としては曲げ剛性よりも各方向の力やモーメン
トに対して均一の強度を有するように、主に繊維方向が
等方向のプリプレグ材２６を配置する積層構造とする。
又、ボルトやベース等の異種金属と構造物が接触する部
分には、絶縁物であるＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラス
チック）を貼り、構造物の炭素繊維と他の金属類が直接
接触するのを防止する。

作 用 構造物をＣＦＲＰの積層構造としたために、人工衛星搭
載物としての軽量化を十分に図れると共に、高強度のＣ
ＦＲＰを特殊な積層構造としているために、ロケット打
上げ時に印加される１５〜２０Ｇの重力加速に耐えるこ
とができる。又、ＣＦＲＰの特殊積層構造のために、構
造の共振現象を有効に防止することができる。更に、異
種金属と接触する部分にＧＦＲＰを貼付したことによ
り、宇宙空間での電蝕を有効に防止することができる。

実施例 以下本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

第１図はＣＦＲＰ構造物の実施例断面図であり、芯部１
２、内側表面部１４及び外側表面部１６は種類・特性が
異なるＣＦＲＰを積層して構成されている。第２図は第
１図の構造物を成形するためのＣＦＲＰのプリプレグ材
を示しており、図中の線は繊維方向を示している。尚第
２図の（Ａ）及び（Ｂ）は同一のＣＦＲＰプリプレグ材
を９０゜角度をずらして配置した状態を示している。第
１図の芯部１２、内側表面部１４及び外側表面部１６を
成形するために、第２図に示したプリプレグ材の組合せ
を変えている。内側表面１４及び外側表面部１６では、
曲げモーメントに強くなるように繊維方向が一方向であ
るプリプレグ材２２，２４を多く使用し、曲げ剛性の向
上を図っている。但し、繊維方向が一方向のプリプレグ
材２２，２４のみを多用すると、繊維方向と直角方向の
力（剪断力）に弱くなるため、第２図（Ｃ）、（Ｄ）の
プリプレグ材２６を適宜補強材として組合せている。一
方、芯部１２については、曲げ剛性よりも各方向の力や
モーメントに対し均一の強度を有するように、繊維方向
を一方向とせず、複数の任意方向に繊維方向を均一に有
する繊維方向とした第２図の（Ｃ）、（Ｄ）に示すプリ
プレグ材２６を多用している。

１８はボルト穴であり、構造物１０上に図示しない発熱
部を有する被支持物を搭載してボルト止めすると共に、
構造物１０をベース２０にボルト止めするために使用さ
れる。ボルト穴１８、構造物１０の最上層面及び構造物
１０がベース２０に接触する最下面には絶縁体であるＧ
ＦＲＰのプリプレグ材３０が貼付されている。このＧＦ
ＲＰのプリプレグ材は、大２図（Ｃ）に示すような繊維
方向がクロスしているプリプレグ材を用いるのが望まし
い。又、ボルト貫通穴１８は、ＧＦＲＰを貼付する代わ
りに、ＣＦＲＰの炭素繊維が表面に出ないようにボルト
穴部を逃げて編むようにし、ＣＦＲＰの樹脂成分がボル
ト山部に接するような構造にしてもよい。

ＣＦＲＰ及びＧＦＲＰのプリプレグ材は、その厚さが約
０．２mm程度であり、第１図の構造物を成形するために
は、シルクハット形状の雄型を作り、この雄型の上に順
々に第２図に示すようなプリプレグ材２２，２４を積層
し、熱と圧力を加えて成形するＳＭＣ法かハンドレイア
ップ法で成形する。

このように構成された構造物１０の断熱性は、ＣＦＲＰ
のプリプレグ材を積層しているため、構造物の厚さ方向
の熱伝導性が悪く断熱性が優れている。又、内側表面部
１４、外側表面部１６は高弾性材を使用しているので熱
伝導が良いが、これらの部分の断面積を小さくすること
により熱伝導を十分に抑えることができる。

本実施例によれば、ＣＦＲＰとＧＦＲＰを積層した構成
にすることにより、強度はアルミニウム構造物の３〜５
倍、質量は約１／２となり、断熱材としても充分な性能
を得ることができる。

発明の効果 本発明のＣＦＲＰ構造物は以上詳述したように構成した
ので、宇宙空間で使用した場合でも他の金属類との電蝕
を発生することなく、充分な断熱特性と充分な剛性とを
有するという効果を奏する。このため宇宙空間での特殊
環境で使用されるのに特に適している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例断面図、 第２図は実施例の構造物を成形するための各種プリプレ
グ材の斜視図、 第３図は断熱特性を有する従来の支持構造物の模式図で
ある。 １……支持構造物、２……断熱部、 ３……被支持物、４……発熱部、 ５……ベース、６……放熱部材、 １０……支持構造物、１２……芯部、 １４……内側表面部、１６……外側表面部、 １８……ボルト穴、２０……ベース、 ２２，２４，２６……プリプレグ材、 ３０……ＧＦＲＰ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】炭素繊維強化プラスチックのプリプレグ材
   を積層した構造物において、 繊維方向が一方向のプリプレグ材(22,24) と繊維方向を
   任意方向に複数有し、且つその複数の繊維方向が各方向
   の力やモーメントに対して均一な強度を有するプリプレ
   グ材(26)とを積層して構成し、 構造物断面の芯部(12)は主に繊維方向が各方向の力やモ
   ーメントに対して均一な強度を有するプリプレグ材(26)
   により成形し、両表面側(14,16) は主に繊維方向が一方
   向のプリプレグ材(22,24) により成形すると共に、 異種金属と接触する部分にガラス繊維強化プラスチック
   (30)を設けたことを特徴とする炭素繊維強化プラスチッ
   ク構造物。