CN104781316A - 复合基材 - Google Patents

复合基材 Download PDF

Info

Publication number
CN104781316A
CN104781316A CN201380035961.XA CN201380035961A CN104781316A CN 104781316 A CN104781316 A CN 104781316A CN 201380035961 A CN201380035961 A CN 201380035961A CN 104781316 A CN104781316 A CN 104781316A
Authority
CN
China
Prior art keywords
base material
carbon fiber
composite base
voidage
resin
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
CN201380035961.XA
Other languages
English (en)
Inventor
大木武
萩原克之
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Teijin Ltd
Original Assignee
Teijin Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Teijin Ltd filed Critical Teijin Ltd
Publication of CN104781316A publication Critical patent/CN104781316A/zh
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J5/00—Manufacture of articles or shaped materials containing macromolecular substances
    • C08J5/04—Reinforcing macromolecular compounds with loose or coherent fibrous material
    • C08J5/0405—Reinforcing macromolecular compounds with loose or coherent fibrous material with inorganic fibres
    • C08J5/042—Reinforcing macromolecular compounds with loose or coherent fibrous material with inorganic fibres with carbon fibres
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
    • B29C70/04—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
    • B29C70/06—Fibrous reinforcements only
    • B29C70/10—Fibrous reinforcements only characterised by the structure of fibrous reinforcements, e.g. hollow fibres
    • B29C70/12—Fibrous reinforcements only characterised by the structure of fibrous reinforcements, e.g. hollow fibres using fibres of short length, e.g. in the form of a mat
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
    • B29C70/04—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
    • B29C70/28—Shaping operations therefor
    • B29C70/40—Shaping or impregnating by compression not applied
    • B29C70/42—Shaping or impregnating by compression not applied for producing articles of definite length, i.e. discrete articles
    • B29C70/46—Shaping or impregnating by compression not applied for producing articles of definite length, i.e. discrete articles using matched moulds, e.g. for deforming sheet moulding compounds [SMC] or prepregs
    • B29C70/465—Shaping or impregnating by compression not applied for producing articles of definite length, i.e. discrete articles using matched moulds, e.g. for deforming sheet moulding compounds [SMC] or prepregs and impregnating by melting a solid material, e.g. sheets, powders of fibres
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J5/00—Manufacture of articles or shaped materials containing macromolecular substances
    • C08J5/04—Reinforcing macromolecular compounds with loose or coherent fibrous material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J5/00—Manufacture of articles or shaped materials containing macromolecular substances
    • C08J5/24—Impregnating materials with prepolymers which can be polymerised in situ, e.g. manufacture of prepregs
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K7/00—Use of ingredients characterised by shape
    • C08K7/02—Fibres or whiskers
    • C08K7/04—Fibres or whiskers inorganic
    • C08K7/06—Elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29K—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
    • B29K2101/00—Use of unspecified macromolecular compounds as moulding material
    • B29K2101/12—Thermoplastic materials
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29K—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
    • B29K2307/00—Use of elements other than metals as reinforcement
    • B29K2307/04—Carbon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2300/00—Characterised by the use of unspecified polymers
    • C08J2300/22—Thermoplastic resins
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2333/00—Characterised by the use of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical, or of salts, anhydrides, esters, amides, imides, or nitriles thereof; Derivatives of such polymers
    • C08J2333/18—Homopolymers or copolymers of nitriles
    • C08J2333/20—Homopolymers or copolymers of acrylonitrile
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2367/00—Characterised by the use of polyesters obtained by reactions forming a carboxylic ester link in the main chain; Derivatives of such polymers
    • C08J2367/02—Polyesters derived from dicarboxylic acids and dihydroxy compounds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2369/00—Characterised by the use of polycarbonates; Derivatives of polycarbonates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2377/00—Characterised by the use of polyamides obtained by reactions forming a carboxylic amide link in the main chain; Derivatives of such polymers
    • C08J2377/02—Polyamides derived from omega-amino carboxylic acids or from lactams thereof

Abstract

一种复合基材，包含：平均纤维长度为3mm以上且100mm以下的碳纤维；和牢固地固定至碳纤维的热塑性树脂，以100质量份碳纤维计，热塑性树脂的量为3至1000质量份，其中，空隙率为大于7vol％至小于100vol％。

Description

复合基材
技术领域
本发明涉及一种作为包含热塑性树脂作为基质的碳纤维增强复合材料的中间体的复合基材，此处的碳纤维增强复合材料是指直接用于成型的前驱体，并且本发明提供一种可操作性和平面内各向同性优异并且适用于制造不包含在平面内特定方向上定向的、并且平面内各向同性和机械特性优异的碳纤维增强复合材料的复合基材。
背景技术
在传统地使用金属材料的应用中，通过使用纤维增强复合材料，尤其是包含树脂和诸如碳纤维、芳纶纤维或玻璃纤维的增强纤维的纤维复合材料，来代替金属材料，在维持应用中所需的机械性能和生产率的同时实现减重是重要的技术挑战。
已知使用连续纤维或增加纤维体积含有率(Vf)的技术用于增强纤维增强复合材料的机械性能。在纤维增强复合材料中使用连续纤维的情况下，机械性能可能由于Vf的增加而增强。然而，使用连续纤维的织物和单向材料等通常存在由于纤维的各向异性所以以不同角度，例如以0°/+45°/-45°/90°，堆叠纤维，以及此外堆叠处理变得复杂，例如，平面对称地堆叠纤维，从而防止导致低生产率的成形制品的翘曲的问题。另一方面，在由切割纤维的的毡状材料获得纤维增强复合材料的情况下，由于纤维存在于三维方向上或者许多纤维缠结等，难以增加纤维体积含量。此外，当将切割纤维的毡状材料用作纤维增强复合材料的增强纤维时，存在由于相比于使用连续纤维的情况的纤维的不连续性而导致的增强纤维难以展现强度增强作用的问题，并且相对于理论值，成形件中的增强纤维的强度展现率为50％以下。例如，菲专利文献1描述了通过使用热固性树脂作为基质由碳纤维毡获得的纤维增强复合材料，但相对于理论值，这样的纤维增强复合材料的强度展现率约44％。
通过对被称作预浸料坯中间基材，使用压热釜根据情况进行2小时以上加热和加压，来获得传统地提出的、包含热固性树脂作为基质的纤维增强复合材料，在该中间基材中，预先以热固性树脂浸渍增强纤维基材。近年来，已经提出将未浸渍树脂的增强纤维基材设定在模具中、然后将热固性树脂注入其中的RTM方法，并且成型时间已经大幅缩短。然而，即使使用RTM方法时，成型一个部件也需要10分钟以上(专利文献1)。
因此，注意力集中在了包含热塑性树脂来代替传统的热固性树脂作为基质的复合材料上，特别是集中在了包含碳纤维作为增强纤维的复合材料(碳纤维增强复合材料)上。然而，与热固性树脂相比，由于高粘度，因此热塑性树脂需要长时间以利用树脂浸渍纤维基材，结果，成型的节拍时间不利地延长。此外，已知的是，碳纤维不在平面内的特定方向上定向的、具有平面内各向同性的碳纤维增强复合材料是优选的，但是当通过利用热塑性树脂浸渍碳纤维毡等来形成复合材料时，由于熔融状态下的热塑性树脂的高粘度，所以浸渍需要高压，并且存在由于归因于纤维和树脂在模具内流动而产生的纤维定向混乱而难以维持平面内各向同性的问题。
引用列表
专利文献
专利文献1：JP-A-2008-68720(此处所使用的术语“JP-A”是指“未审公开的日本专利申请”)
非专利文献
非专利文献1：复合材料A(Composite Part A)，38(2007)，pp.755-770
发明内容
本发明要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种复合基材，该复合基材具有优异的可操作性和平面内各向同性并适合用于碳纤维增强复合材料的制造，并且该复合基材不包含在平面内方向上的特定定向且具有优异的平面内各向同性和机械特性。
解决问题的技术方案
作为为了解决上述问题而进行广泛研究的结果，本发明人将注意力集中在了作为直接用于成型的成型材料的前驱体(纤维增强复合材料)之前的阶段的中间体上，并且发现由碳纤维和热塑性树脂构成的、并且具有特定空隙率的复合基材适于作为碳纤维增强复合材料的中间体。本发明已经基于该发现而完成。该发明的特点如下所述。
[1]一种复合基材，包含：碳纤维，该碳纤维具有3mm以上且100mm以下的平均纤维长度；和热塑性树脂，以100质量份所述碳纤维计，该热塑性树脂以3至1000质量份的量牢固地固定至所述碳纤维，其中，所述复合基材的空隙率为大于7vol％至小于100vol％。
[2]根据[1]所述的复合基材，其中，通过对毡状材料进行加热加压获得所述复合基材，在该毡状材料中，碳纤维毡与热塑性树脂结合，并且通过加热加压使得在一次加热加压处理中上述空隙率的降低不超过40vol％，来获得所述复合基材。
[3]根据[1]或[2]所述的复合基材，其中，通过对毡状材料进行加热加压来获得所述复合基材，在该毡状材料中，碳纤维毡与热塑性树脂结合，并且所述复合基材具有大于7vol％至小于80vol％的所述空隙率，所述复合基材是通过制备空隙率为60vol％以上的复合基材并进一步对该复合基材加热加压使得在一次加热加压处理中所述空隙率的降低不超过20vol％而获得的。
[4]根据[1]至[3]任一项所述的复合基材，其中，通过对毡状材料进行加热加压来获得所述复合基材，在该毡状材料中，碳纤维毡与热塑性树脂结合，并且所述复合基材是空隙率为大于7vol％至小于80vol％的复合基材，所述复合基材是通过制备空隙率为40vol％至小于60vol％的复合基材并从进一步对该复合基材加热加压使得在一次加热加压处理中所述空隙率的降低不超过30vol％而获得的。
[5]根据[1]至[4]任意一项所述的复合基材，其中，所述碳纤维的宽度为5mm以下，并且所述碳纤维的厚度为所述宽度的1/2以下。
[6]根据[1]至[5]任意一项所述的复合基材，其中，在所述碳纤维中，存在由不低于临界单纤维数的所述碳纤维构成的碳纤维束(A)，该临界单纤维数由下式(1)定义：
临界单纤维数＝600/D   (1)
其中，D为单碳纤维的平均纤维直径(μm)。
[7]根据[6]所述的复合基材，其中，所述碳纤维束(A)与所述复合基材中包含的所述碳纤维的总量的比率为大于0vol％至小于99vol％。
[8]根据[6]或[7]所述的复合基材，其中，所述碳纤维束(A)中的平均纤维数量(N)满足下式(2)：
0.7×104/D2＜N＜2×105/D2   (2)
其中，D为单碳纤维的平均纤维直径(μm)。
[9]根据[1]至[8]任意一项所述的复合基材，其中，所述碳纤维在毡状材料中，在该毡状材料中，所述碳纤维二维随机定向。
[10]一种复合材料，该复合材料通过对根据[1]至[9]任意一项所述的复合基材进行加压而获得。
[11]根据[]0所述的复合材料，其中，所述复合材料的空隙率为0至7vol％。
本发明的优点
本发明的复合基材适于作为碳纤维增强复合材料(以下，有时简称为“复合材料”)的中间体并且具有优异的可操作性和平面内各向同性。
附图说明
图1是切割步骤的示意图。
图2是示出具有螺旋刃的旋切机的一个实例的前表面和截面的示意图。
图3是示出具有分纤刃的旋切机的一个实例的前表面和截面的示意图。
图4是除了与纤维方向垂直的刃之外，还具有与纤维方向平行的刃且具有分条功能的分纤切割机的一个实例的示意图。
图5是示出加热/加压步骤的一个实例的示意图。
附图标记说明
1  碳纤维
2  压紧辊
3  橡胶辊
4  旋切机主体
5  刃
6  切割的碳纤维
7  刃的节距
8  平行于纤维方向的刃
9  加热/加压辊
10 复合基材
具体实施方式
以下顺次描述本发明的实施方式。在下文中，关于本发明，在某些地方使用术语“重量”，但重量总是表示质量。
[复合基材]
在本发明的复合基材中，3至1,000质量份的热塑性树脂牢固地固定于平均纤维长度为3mm以上且100mm以下的100质量份碳纤维，并且复合基材的空隙率为大于7vol％至小于100vol％。
空隙率是包含在本发明的复合基材中的空气的比率，其基于下式(3)而定义并且由体积百分比(vol％)表示。
空隙率(Vr)＝(t2-t1)/t2×100   (3)
(此处，t1是当复合基材的空隙率为0vol％时的理论厚度，其由包含在复合基材中的碳纤维和热塑性树脂的量计算，而t2为复合基材的平均厚度)。
在式(3)中，关于t1和t2，可以采用由诸如毫米(mm)、厘米(cm)和米(m)的各种长度单位所表示的数值量，但理所当然的是，t1和t2是由相同的单位所表示的数值量。此外，t1和t2是复合基材的每相同特定面积的复合基材的厚度。
本发明的复合基材的空隙率为如上所述的大于7vol％至小于100vol％，但优选为小于90vol％，更优选为80vol％以下，还更优选为75vol％以下，进一步还更优选为50vol％以下，并且甚至进一步还更优选为40vol％以下。
此外，本发明的复合基材的空隙率优选为10vol％以上且小于100vol％，更优选为10vol％以上且小于90vol％，还更优选为10vol％以上且80vol％以下，进一步还更优选为20vol％以上闩75vol％以下，甚至进一步还更优选为25vol％以上且50vol％以下，并且最优选为30vol％以上且40vol％以下。
在本发明的复合基材中，热塑性树脂处于牢固地固定于碳纤维的状态。如之后关于本发明的复合基材的制造方法所描述的，通过下列处理等获得该牢固地固定的状态。该处理包括：向碳纤维相互缠结的毡状材料(以下，有时称作“碳纤维毡”)供应热塑性树脂片材或熔融热塑性树脂并加热加压以进行浸渍的处理；和在不低于热塑性树脂的软化点(在本发明中，当树脂为晶体时软化点是指热塑性树脂的熔点，而当树脂为无定形时，软化点是指玻璃化转变温度)的温度下，加热其中热塑性树脂粉末或纤维附连至碳纤维相互缠结的毡状材料或与该毡状材料相缠结的混合毡状材料(在本发明中，混合毡状材料被称作“混合无序毡”，以下，除非另有说明，否则所使用的“无序毡”是指“混合毡状材料”)并根据情况结合加压的处理。牢固地固定的状态是指使热塑性树脂到达碳纤维的毡状材料中的纤维束之间的所有部位以及纤维束内部并与碳纤维一体化的状态。在本发明的复合基材中，由于复合基材的平面内各向同性优异并且由复合基材获得的复合材料也具有优异的平面内各向同性，所以包含二维随机定向的碳纤维的碳纤维毡或无序毡的情形是非常优选的。
对本发明的复合基材的形状没有特别限制，但其实例包括厚度方向上的尺寸比平面方向上尺寸小的板状材料，特别是典型的大致矩形的板状材料，并且该板状材料可以是所谓的长材料。
热塑性树脂的固体片材或片状熔融物层叠在碳纤维毡上的毡被称作“层叠无序毡”。
在本发明中，术语“复合无序毡”被用作包括上述混合无序毡和层叠无序毡的上位概念，并且是指碳纤维毡与热塑性树脂通过混合或堆叠等而结合的毡状材料。
[碳纤维]
构成本发明的复合基材的碳纤维是不连续的，并且平均纤维长度为3mm以上且100mm以下。本发明的复合基材的特征在于包含长至一定程度并且从而能够表现出增强功能的碳纤维，并且碳纤维的平均纤维长度优选为5mm以上且100mm以下，更优选为10mm以上且100mm以下，还更优选为15mm以上且80mm以下，进一步还更优选为20mm以上且60mm以下。尽管本发明的复合基材的制造方法将在后面描述，但当在其切割步骤中切割碳线股时，可以将线股切割至例如50mm的恒定切割长度。使用切割后的碳纤维线股获得的复合基材中的碳纤维的平均纤维长度变为上述切割长度。
在本发明的复合基材中，单位面积碳纤维重量优选为25g/m2以上且10,000g/m2以下，更优选为25g/m2以上且5,000g/m2以下，还更优选为25g/m2以上且3,000g/m2以下。
包含在本发明的复合基材中的碳纤维的平均纤维直径优选为3至12μm，更优选为5至9μm，还更优选为5至7μm。优选使用粘附有上浆剂的碳纤维。以100质量份碳纤维计，粘附的上浆剂的量优选为大于0质量份至10质量份。
此外，包含在本发明的复合基材中的碳纤维优选为进行了开纤的纤维。此处定义的开纤是指：如作为本发明的复合基材的制造方法的一个实例而后述的，例如，在将碳纤维束调整得宽且薄之后，将碳纤维线股通过分纤步骤等，从而调整至一定的纤维束与单纤维的量的比率以及一定的纤维束中集合的纤维的数量。本发明的复合基材优选为其中碳纤维(即碳纤维束或单纤维)相互缠结的毡状材料。尤其是，对于本发明的复合基材来说，这样的毡状材料是优选的：在该毡状材料中，如在将碳纤维线股切割至特定长度后喷撒并沉积碳纤维束等的情况下所见的那样，碳纤维束等在二维地相互缠结的同时被沉积，以形成伪(pseudo)平面，并且个体碳纤维在该伪平面内定向，即碳纤维束等二维随机定向。这是因为毡状材料中的碳纤维等的二维随机定向状态在复合基材中也得以维持，并且能够由这样的复合基材获得平面内各向同性和机械性质优异的复合材料。
取决于其前驱体，碳纤维包括聚丙烯腈系(以下，有时简称为“PAN系”)碳纤维、沥青系碳纤维或人造丝系碳纤维等，并且所有这些类型都能够用于本发明的复合基材，但在这些碳纤维中，从物理性质和成本的角度，PAN系碳纤维是优选的。
在本发明中，碳纤维线股为碳纤维丝(单丝)以1,000以上的单纤维数量集合的长碳纤维束，并且是指能够缠绕在线轴(筒状线轴)上以便运输或操作且具有足够长的长度，以使在后述的拓宽步骤等中能够在给定时间内进行连续处理的束。
[开纤程度]
通常，市售的碳纤维为集合几千至几万长丝(单丝)的碳纤维束的形式。重要的是，在获得薄壁复合材料的情况下，当原样使用纤维束形式的碳纤维时，纤维的缠结部位局部变厚并且不能获得薄壁制品。因此，使用开纤后的碳纤维是重要的，并且优选的是，本发明的复合基材形成为具有受控的开纤程度的复合基材并且以特定比率包含由不少于特定数量的碳纤维构成的碳纤维束和另一种开纤的碳纤维。
在本发明的说明中，以下有时也使用术语“分纤”，分纤是指将碳纤维束，尤其是碳纤维线股分离成两个以上的碳纤维束。当通过后述的拓宽和分纤二者处理碳纤维线股时，获得开纤的碳纤维(线股)。
即，本发明的复合基材中碳纤维优选地由下列构成：由不低于临界单纤维数的碳纤维构成的碳纤维束(A)，该临界单纤维数由下式(1)定义；和另一种开纤的碳纤维，即单纤维或由低于临界单纤维数的的碳纤维构成的纤维束。
临界单纤维数＝600/D   (1)
(此处，D为单碳纤维的平均纤维直径(μm)。)
关于本发明的复合基材中的碳纤维，碳纤维束(A)与所包含的碳纤维的总量的比率优选为大于0vol％且小于99vol％。若碳纤维束(A)的比率为99vol％以上，则纤维的缠结部位局部变厚并且可能无法获得薄壁制品。碳纤维束(A)的比率更优选为30vol％以上且小于95vol％，还更优选为50vol％以上且小于90vol％。
为了将碳纤维束的含量控制为目标比率，在后述的优选制造方法中，通过例如在开纤步骤等中吹送的空气的压力，能够控制该含量。此外，通过调节经历切割步骤的纤维束的尺寸，例如束宽或每宽度纤维数量，能够控制该含量。具体而言，其方法包括拓宽纤维束并且在切割步骤之前设置分条步骤的方法，还包括通过使用布置有许多短刃的所谓的分纤刃来切割纤维束的方法，和在切割的同时对纤维束进行分条的方法。优选的开纤条件在开纤步骤部分中描述。
此外，在本发明的复合基材中，碳纤维束(A)中的平均纤维数量(N)优选地满足下式(2)。
0.7×104/D2＜N＜2×105/D2   (2)
(此处，D为单碳纤维的平均纤维直径(μm)。)
如果纤维束(A)中的平均纤维数量(N)为0.7×104/D2以下，则变得难以获得高纤维体积含量(Vf)。如果纤维束(A)中的平均纤维数量(N)为2×105/D2以上，则局部地产生厚部，而倾向于产生空隙。
为了将纤维束(A)中的平均纤维数量(N)控制为目标数值量，在后述的优选制造方法中，能够通过调节经历切割步骤的纤维束的尺寸，例如束宽度或每宽度纤维数量，来控制该平均数量。具体而言，其方法包括拓宽纤维并在切割步骤之前设置分条步骤的方法。此外，还能够通过利用开纤步骤中吹送的空气的压力来调节切割纤维束的开纤程度，来控制纤维束(A)中的平均纤维数量(N)。优选的条件在切割步骤和开纤步骤的段落中描述。
以此方法，通过使用同时包含由不低于由式(1)定义的临界单纤维数的碳纤维构成的碳纤维束(A)和处于单纤维状态的或由低于临界单纤维数的碳纤维构成的碳纤维(B)的复合基材，能够提供具有良好的纤维填充效率、小的纤维密度发散和更优异的机械强度的复合材料。
此外，由不低于特定碳纤维数的碳纤维构成的碳纤维束与另一种开纤的碳纤维以特定比率同时存在，从而能够增加复合基材中碳纤维的含量，即纤维体积含有率(Vf)。
具体而言，在构成复合基材的碳纤维的平均纤维直径为5至7μm的情况下，临界单纤维数为86至120。
在碳纤维的平均纤维直径为5μm的情况下，纤维束中的平均纤维数量为大于280至小于8,000，优选为600至6,000。在碳纤维的平均纤维直径为7μm的情况下，纤维束中的平均纤维数量为大于142至小于4,082，优选为400至4,000。本发明的复合基材能够具有不同的厚度，并且通过使用这样的复合基材，能够获得甚至具有大约0.2至4mm的最终厚度的成形件。
[热塑性树脂]
在本发明的复合基材中，热塑性树脂以牢固地固定于碳纤维的状态存在，并且以100质量份碳纤维计，热塑性树脂的含量为3至1,000质量份，优选为以100质量份碳纤维计50至500质量份，还更优选为以100质量份碳纤维计50至300质量份。
后面详细描述本发明的复合基材的优选制造方法，但使用处于纤维形式、颗粒形式、熔融状态的片材形式或处于这些状态中的两种以上的形式的热塑性树脂，并且在获得复合无序毡后，对该复合无序毡进行加热加压，从而使复合无序毡中的热塑性树脂熔融并在碳纤维之间浸渍，以制造复合基材。在使用颗粒状热塑性树脂的情况下，平均粒径优选为0.01μm至3mm，更优选为0.1μm至1mm，还更优选为1μm至0.8mm。对颗粒状热塑性树脂的粒度分布没有特别限制，但出于获得更均质的复合基材的目的，具有窄分布的树脂是更优选的。通过进行诸如分级的处理，能够将颗粒状热塑性树脂用于本发明作为具有目标粒度分布的树脂。关于纤维状热塑性树脂，纤度优选为100至5,000dtex，更优选为1,000至2,000dtex。颗粒状热塑性树脂的平均纤维长度优选为0.5至50mm，更优选为1至10mm。在片状热塑性树脂的情况下，该片材布置在满足上述碳纤维的实施方式的毡的一个表面或两个表面上。片状热塑性树脂的厚度，根据最终成形制品的厚度和热塑性树脂相对于碳纤维的含量来适当地设定，但优选为0.1至10mm，更优选为0.5至4mm。
对热塑性树脂的种类没有特别限制，但如上所述，其形状能够为纤维形式、颗粒形式或片材形式的树脂是优选的，树脂可以单独使用或可以使用多种树脂。热塑性树脂包括，例如，氯乙烯树脂、偏氯乙烯树脂、乙酸乙烯酯树脂、聚乙烯醇树脂、聚苯乙烯树脂、丙烯腈-苯乙烯树脂(AS树脂)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯树脂(ABS树脂)、丙烯酸树脂、甲基丙烯酸树脂、聚乙烯树脂、聚丙烯树脂、聚酰胺4树脂、聚酰胺6树脂、聚酰胺11树脂、聚酰胺12树脂、聚酰胺26树脂、聚酰胺46树脂、聚酰胺66树脂、聚酰胺69树脂、聚酰胺610树脂、聚酰胺611树脂、聚酰胺612树脂、聚酰胺1212树脂、聚酰胺6T树脂、聚酰胺6I树脂、聚酰胺11树脂、聚酰胺912树脂、聚酰胺1012树脂、聚酰胺9T树脂、聚酰胺9I树脂、聚酰胺10T树脂、聚酰胺10I树脂、聚酰胺11T树脂、聚酰胺11I树脂、聚酰胺12T树脂、聚酰胺12I树脂、聚酰胺MXD6树脂、聚缩醛树脂、聚碳酸酯树脂、聚对苯二甲酸乙二酯树脂、聚萘二甲酸乙二酯树脂、聚对苯二甲酸丙二酯树脂、聚萘二甲酸丙二酯树脂、聚萘二甲酸丁二酯树脂、聚对苯二甲酸丁二酯树脂、聚(对苯二甲酸1，4-环己烷二甲酯)、聚乳酸树脂、聚芳酯树脂、聚萘二甲酸乙烯酯树脂、聚苯醚树脂、聚苯硫醚树脂、聚砜树脂、聚醚砜树脂、聚醚醚酮树脂、这些树脂的共聚物或改性制品、以及这些树脂的两种以上的共混物或聚合物合金。
在这些热塑性树脂中，优选的是：诸如聚酰胺4树脂、聚酰胺6树脂、聚酰胺11树脂、聚酰胺12树脂、聚酰胺26树脂、聚酰胺46树脂、聚酰胺66树脂、聚酰胺69树脂、聚酰胺610树脂、聚酰胺611树脂、聚酰胺612树脂、聚酰胺1212树脂、聚酰胺6T树脂、聚酰胺6I树脂、聚酰胺11树脂、聚酰胺912树脂、聚酰胺1012树脂、聚酰胺9T树脂、聚酰胺9I树脂、聚酰胺10T树脂、聚酰胺10I树脂、聚酰胺11T树脂、聚酰胺11I树脂、聚酰胺12T树脂、聚酰胺12I树脂和聚酰胺MXD6树脂的聚酰胺树脂，诸如聚对苯二甲酸乙二酯树脂、聚萘二甲酸乙二酯树脂、聚对苯二甲酸丙二酯树脂、聚萘二甲酸丙二酯树脂、聚萘二甲酸丁二酯树脂、聚对苯二甲酸丁二酯树脂、聚(对苯二甲酸1，4-环己烷二甲酯)、聚乳酸树脂和聚芳酯树脂的聚酯树脂，聚碳酸酯树脂，这些树脂的共聚物或改性制品，以及这些树脂的两种以上的共混物或聚合物合金。
[其他试剂]
以下，包含在本发明的复合基材中的热塑性树脂有时被简称为“基质树脂”。
在本发明的复合基材中，只要不损害本发明的目的，则可以加入各种纤维状填充剂，例如以玻璃纤维、陶瓷纤维和金属纤维为代表的除碳纤维之外的无机纤维，以及以芳纶纤维为代表的有机纤维；非纤维状填充剂；或诸如阻燃剂、耐UV剂、颜料、脱模剂、软化剂、塑化剂和表面活性剂的各种添加剂。
[制造方法]
以下描述获得本发明的复合基材的优选方法。例如，本发明的复合基材可以优选地通过下列步骤1至5来制造：
1.拓宽步骤：拓宽碳纤维线股的步骤，
2.切割步骤：切割碳纤维线股的步骤，
3.喷撒步骤：单独铺展/喷撒拓宽并切割的碳纤维线股以形成碳纤维毡的步骤，或将拓宽并切割的碳纤维线股与纤维状或粉末状的热塑性树脂一起铺展/喷撒以形成作为其混合物的(混合)无序毡的步骤。
4.传送步骤：传送(混合)无序毡的步骤，或传送碳纤维毡并在传送过程中将片状熔融的热塑性树脂供应到碳纤维毡的一个表面或两个表面的步骤，以及
5.加热/加压步骤：对传送的(混合)无序毡或传送的粘附到片状熔融热塑性树脂的碳纤维毡(层叠无序毡)进行加热加压，以获得复合基材的步骤。
[拓宽步骤]
当拓宽时，即例如通过施加物理力而宽且薄地布置纤维束时，诸如碳纤维的高机能纤维更有效地表现出其功能。在本发明的复合基材的制造中，优选地拓宽碳纤维线股。拓宽碳纤维线股，即使碳纤维束宽且薄的步骤可以与该步骤之后的步骤连续或不连续。
作为用于当制造本发明的复合基材时拓宽碳纤维线股的方法，可以采用已知的方法。例如，将从线轴抽出的多个碳纤维线股在特定张力下连续地接触多个棒，该多个棒布置为与线股的前进方向垂直并每个棒都具有圆形截面轮廓，从而能够多阶段地拓宽碳纤维线股。相对于从线筒抽出的碳纤维线股的宽度，拓宽的宽度优选为1.1至5倍，更优选为1.1至3倍。
[切割步骤]
以下描述切割拓宽的碳纤维线股的步骤。作为切割碳纤维线股的方法，可以采用已知的方法，但使用诸如旋切机的刀具的方法是优选的。
旋切机优选地以特定角度设置有螺旋刃或设置有具有在其中布置的多个短刃的所谓分纤刃。图1示出切割步骤的具体示意图。图2示出具有螺旋刃的旋切机的一个实例，而图3示出具有分纤刃的旋切机的一个实例。
优选地通过将经历切割步骤的纤维束的尺寸，例如束宽或单位宽度纤维数量调节至落入本发明的优选范围，来控制碳纤维束(A)中的平均纤维数量(N)。
作为用于切割的纤维束线股，优选地使用预先具有式(2)范围内的纤维束数量的线股。然而，一般来说，纤维束的数量越小，碳纤维的成本越高。因此，在使用能够廉价地获得的具有大纤维束数量的碳纤维线股的情况下，在切割步骤中使用的碳纤维线股优选为在调节宽度或每宽度纤维数量后经历切割步骤。具体而言，其方法包括通过上述拓宽步骤将碳纤维线股在宽度方面拓宽从而变薄，随后经历切割步骤的方法，和通过拓宽步骤之后的分条处理使碳纤维线股经历切割步骤的方法。在进行分条处理的方法中，在预先将纤维束数量调节至式(2)的范围之后使碳纤维线股经历切割步骤，因此可以使用诸如平刃和螺旋刃的不具有特殊结构的普通刃作为切割机。
此外，存在使用分纤刃来切割纤维束的方法，和使用具有分条功能的切割机在切割同时对纤维束进行分条的方法。
在使用分纤刃情况下，使用宽度窄的刀具能够降低平均纤维数量(N)，或者相反，使用宽度宽的刀具能够增加平均纤维数量(N)。
作为具有分条功能的切割机，图4示出除了与纤维方向垂直的刃之外，还具有与纤维方向平行的刃且具有分条功能的分纤切割机的实例。在该分纤切割机中，垂直于纤维方向的短刃以一定间隔设置，并且纤维在被这些刃切割的同时被垂直于纤维方向的刃分条。在图4所示的分纤切割机中，如图所示，旋切机的周向与刀具的布置方向之间的角度θ也是恒定的。
为了稳定地展现最终获得的复合材料的机械特性并获得表面外观优异的复合材料，纤维密度的不均匀性具有重要影响。在其中布置有普通平刃的旋切机中，不连续地切割碳纤维，并且当将碳纤维导入喷撒步骤中时，产生单位面积碳纤维重量的不均匀。因此，使用特定角度的刀具连续切割碳纤维，从而能够获得以小的纤维密度不均匀性的喷撒。由使用的碳纤维的宽度和刀具节距几何地计算的用于连续切割碳纤维的刀具角度，并且这些宽度和节距优选地处于下式(4)的关系中。周向上刀具的节距直接反应在碳纤维的纤维长度上。
碳纤维的纤维长度(刀具节距)＝碳纤维线股的宽度×tan(90-θ)(4)
此处，θ为周向与刀具的布置方向之间的角度。
图2至4为具有特定角度的刀具的实例，切割机的这些实例中的周向与刀具的布置方向之间的角度θ如图中所示。
在该步骤中将碳纤维切割至特定长度并且在随后不再切割碳纤维的情况下，如果形成本发明的复合基材，则复合基材中的碳纤维的平均纤维长度变为上述切割时的长度。
[喷撒步骤]
喷撤步骤是喷撤在碳纤维线股被分纤并且被切割至恒定长度之后获得的碳纤维的步骤。在喷撒步骤中，可以同时喷撒纤维状或粉末状热塑性树脂和碳纤维。通过将这些切割的碳纤维等喷撒在透气支撑物上，能够获得适用于本发明的复合基材的碳纤维毡或无序毡。
在于喷撒步骤中同时供应热塑性树脂和碳纤维的情况下，热塑性树脂的供应速率优选为以100质量份碳纤维计3至1,000质量份，更优选为以100质量份碳纤维计50至500质量份，还更优选为以100质量份碳纤维计50至300质量份。
在喷撒步骤中，通过适当地选择碳纤维的供应速率或碳纤维和热塑性树脂的供应速率，能够获得具有所期望的厚度的毡。
此处，优选地将碳纤维或将碳纤维和纤维状或粉末状热塑性树脂喷撒为二维定向。为了在二维定向的同时供应开纤的碳纤维，喷撒方法和以下固定方法是重要的。在碳纤维的喷撒方法中，优选地使用圆锥等形式的锥形管。在圆锥形等的管中，空气扩散并且其在管中的流速降低。通过利用该文丘里效应，以旋转力导入碳纤维，并且能够铺展并喷撒碳纤维。
在上述拓宽步骤和切割步骤中，调节了本发明中定义的开纤程度，但也可以在喷撒步骤中另外调节开纤程度。通过向导入到管中的碳纤维吹送空气对纤维束进行开纤。更具体地，这是将切割的碳纤维连续地导入管中、直接向纤维吹送压力空气、并且从而单独对纤维进行开纤的步骤。通过空气的压力等能够适当地控制开纤程度。
对碳纤维进行开纤的优选方法为直接向碳纤维吹送压缩空气的方法。具体而言，优选地以1至500m/sec的风速从压缩空气吹送孔吹送空气，从而能够对碳纤维进行开纤。优选地，在管的多个部分处形成直径约1mm的孔，碳纤维穿过这些了，并且从外侧施加大约0.01至0.8MPa的压力，以直接向纤维束吹送压缩空气，从而能够将纤维束开纤至任意开纤程度。
为了固定碳纤维毡或无序毡中的碳纤维和粉末状或纤维状热塑性树脂，优选地从碳纤维或碳纤维和热塑性树脂沉积在其上的透气支撑物的沉积部分的下方抽吸空气，从而固定碳纤维和热塑性树脂。由于这样从沉积表面的下方抽吸，所以能够获得高度二维定向的毡。同时，固定后的碳纤维毡或无序毡的空隙率为90％以上。此处使用的固定是指热塑性树脂粉末或纤维牢固地咬在碳纤维缠结的毡中并且当传送该毡时热塑性树脂粉末或纤维不容易脱落的状态。
关于这一点，当由于透气支撑物的构造一部分热塑性树脂颗粒穿过支撑物且不保留在毡中时，为了防止这样的问题，还可以在支撑物表面上单独地设定无纺布等，并且将碳纤维和热塑性树脂吹送在无纺布上并固定。
在此情况下，当无纺布由与热塑性树脂相同的树脂构成时，不需要从沉积的毡分离该无纺布并且通过在随后的加热/加压步骤中对该毡进行处理，由无纺布构成的纤维能够被用作热塑性树脂的一部分，被用于复合材料的基质。
通过上述在喷撒步骤中的处理，能够获得碳纤维二维随机定向的碳纤维毡或无序毡。
[传送步骤]
传送步骤是传送在上述喷撒步骤中获得的无序毡的步骤或传送在上述喷撒步骤中获得的碳纤维毡并且在传送过程中熔融状态的片状热塑性树脂片材供应至该碳纤维毡的一个表面或两个表面的步骤。
当在喷撒步骤中描述的透气支撑物由传送机构成，而该传送机由网组成时，在一个方向上连续移动支撑物的同时将碳纤维或碳纤维与热塑性树脂的混合物沉积在其上，从而连续地形成碳纤维毡或无序毡。
在喷撒步骤中仅喷撒碳纤维的情况下，设置将熔融状态的片状热塑性树脂供应至碳纤维毡的一个表面或两个表面的机构。用于供应熔融的热塑性树脂的方法为以下方法：使用T模等以给定宽度、厚度、和特定时间内的特定的供应速率，以片状的且熔融状态，将通过挤出机等熔融/传送的热塑性树脂或根据需要包含各种添加剂的热塑性树脂供应至碳纤维毡上，以获得具有固定的宽度和厚度的。在将热塑性树脂供应至碳纤维毡的两个表面的情况下，通过以下实现该步骤：利用上述方法将熔融的热塑性树脂片材供应在耐热带上、在保持碳纤维毡的形状的同时连续地将碳纤维毡布置于该熔融的热塑性树脂片材上，并且相似地将熔融的热塑性树脂片材也供应至碳纤维毡上来实现该步骤。
[加热/加压步骤]
加热/加压步骤是对如上所述传送的无序毡或粘附至熔融状态的片状热塑性树脂的碳纤维毡进行加热加压，以获得空隙率为大于7vol％且小于100vol％的复合基材的步骤。
为了通过对上述无序毡等进行加热/加压来获得本发明的复合基材，可以采用已知的对热塑性树脂或其复合材料进行加热/加压的方法，并且该方法既可以是采用分批型装置的方法也可以是采用连续装置的方法。
加热/加压步骤中的加压方法不受特别限制，但是优选地包括通过辊或压带机等控制间隙或控制所施加的压力的方法。在通过辊的方式来施加压力的情况下，优选地通过预先调节辊的间隙距离来施加压力，从而提供具有目标空隙率的复合基材。作为具体实例，在使用以一定间隙定位的一对上下辊作为加压装置、并目将无序毡等保持在该成对的辊之间的间隙中并穿过该间隙并由此加压的情况下，在式(3)中，可以将辊对(roller pairs)的间隙距离视作获得的复合基材的平均厚度t2：
空隙率(Vr)＝(t2-t1)/t2×100   (3)
(其中，t1是当复合基材的空隙率为0vol％时的理论厚度，其由包含在复合基材中的碳纤维和热塑性树脂的量计算，而t2为复合基材的平均厚度)。即，在通过辊施加压力的情况下，能够由式(3)的关系确定对应于目标空隙率的辊对的间隙距离。在使用该实例以外的加压方法的情况下，也可以将保持复合基材的夹具的间隙距离视作获得的复合基材的平均厚度t2。
对加热/加压步骤中的加热方法没有特别限制，但是优选地利用红外加热器或热风加热，或在加热的辊或加热的板上进行加热。对加热温度没有特别限制，但优选的地将温度设定成：诸如无序毡的基材的温度为基质树脂的熔点以上且熔点加100℃以下，更优选为基质树脂的熔点以上且熔点加50℃以下。
在加热/加压步骤中，通过预先将诸如无序毡的基材加热至不低于作为基质的热塑性树脂的熔点的温度，或在热塑性树脂为无定形的情况下将基材加热至不低于其玻璃化转变温度的温度，能够更加有效地进行处理。可以将加热/加压步骤中使用的且与诸如无序毡的基材接触的、诸如辊或带的装置部件，调节至不低于作为基质的热塑性树脂的软化点的温度或调节至低于该软化点的温度。更优选的是，通过将上述部件中的至少一个调节至不低于热塑性树脂的熔融温度的的温度，来进行连续的加热/加压步骤。图5示出通过辊的方式加热/加压的情况下的构造实例的示意图。
作为用于获得本发明的复合基材的加热/加压方法，以下方法是简单且优选的：在具有诸如上述的红外加热器或热风作为热源的加热炉中设置多个辊对，并且将无序毡等保持在辊对之间的间隙中并从间隙穿过。
可以对无序毡等进行一次或多次加热/加压处理，并且还可以通过一次以上的加热/加压处理获得本发明的空隙率为大于7vol％至小于100vol％的复合基材并且对该复合基材进一步加热/加压来获得本发明的具有更低的空隙率的复合基材。以下，在本发明中，当进行多次加热/加压处理时，有时将第一次对无序毡或粘附至熔融状态的片状热塑性树脂的碳纤维毡进行加热加压的处理称作第一阶段，并且有时将对通过第一阶段的处理而获得的复合基材进一步加热/加压的处理称作第二阶段。
由于当通过多次加热/加压处理将复合基材的空隙率降低至目标值时，能够获得在平面内各向同性方面特别优异的复合基材，所以本发明的复合基材优选为如上所述通过多次进行加热/加压处理而获得的复合基材。以下，例如，将用于空隙率为90vol％以上的无序毡的多次加热/加压处理作为优选的实施方式进行说明。
在第一阶段，将空隙含量为90vol％以上的无序毡调节至空隙率为75vol％以上且小于90vol％。这对应于将无序毡的厚度调节至当空隙率为0vol％时的厚度的4倍以上且小于10倍。此处优选地将施加至基材的压力调节至0.01至2.0MPa的范围内。如果空隙率大幅降低上述减少量以上的量，则向无序毡施加过量的压力而导致缺乏平面内各向同性或加热/加压步骤的操作失败。相反，如果空隙率的百分率的降低太小，则无序毡的温度升高效率极大地降低，导致能量浪费或装置的长度和尺寸的增加。在第二阶段和随后的阶段中，空隙率顺序地下降至40vol％以上且小于80vol％，30vol％以上且小于75vol％等，从而能够获得适用于获得平面内各向同性优异的复合材料的复合基材。
在加热/加压步骤中，由于容易地获得平面内各向同性优异的复合材料，所以通过一次加热/加压处理的空隙率的降低优选为低于40vol％。空隙率的降低更优选为32vol％以下，还更优选为23vol％以下，进一步还更优选为20vol％以下。
以上描述了本发明的复合基材的制造方法中的加热/加压步骤，但是仅通过加热而不进行加压也能够容易地获得本发明的空隙率为90vol％以上的复合基材。例如，热塑性树脂粉末或纤维粘附至碳纤维相互缠结的毡状材料或与该毡状材料相缠结的无序毡具有高空隙率，并且在许多情况下，具有90vol％以上的空隙率。因此，当对这样的无序毡仅进行加热而不加压时，获得本发明的空隙率为90vol％以上的复合基材。
在加热/加压步骤之后，本发明的复合基材可以直接用于复合材料的制造，或者可以在使用之前切割成适当的尺寸/形状。
[更优选的本发明的复合基材的实施方式]
作为通过对碳纤维毡与热塑性树脂结合的毡状材料加热加压而获得的复合基材，本发明的复合基材优选为通过加热加压使得在一次加热加压处理中空隙率的降低不超过40vol％而获得的复合基材，这是因为使用该复合基材能够获得具有降低的纤维定向和优异的平面内各向同性的复合材料。在本发明中，通过加热加压使得在一次加热加压处理中空隙率的降低变为32vol％以下而获得的复合基材是更优选的；通过加热加压使得空隙率的降低变为23vol％以下而获得的复合基材是还更优选的；而通过加热加压使得空隙率的降低变为20vol％以下而获得的复合基材是进一步还更优选的。
作为通过对碳纤维毡与热塑性树脂结合的毡状材料加热加压而获得的复合基材，本发明的复合基材优选为空隙率高于7vol％且低于80vol％的复合基材，该复合基材通过制备空隙率为60vol％以上的复合基材并进一步对该复合基材加热加压使得在一次加热加压处理中空隙率的降低不超过20vol％而获得，这是因为使用该复合基材能够获得具有更加降低的纤维定向和更优异的平面内各向同性的复合材料。
作为通过对碳纤维毡与热塑性树脂结合的毡状材料加热加压而获得的复合基材，本发明的复合基材优选为空隙率为高于7vol％且低于80vol％、优选为高于7vol％且低于50vol％的复合基材，该复合材料基材通过制备空隙率为40vol％以上且低于60vol％的复合基材并进一步对复合基材加热加压使得在一次加热加压处理中空隙率的降低不超过30vol％而获得，这是因为使用该复合基材能够获得具有更加降低的纤维定向和更优异的平面内各向同性的复合材料。
在本发明的复合基材中，包含在其中的碳纤维优选为宽度为5mm以下且厚度为宽度的1/2以下的碳纤维，这是因为使用该复合基材能够获得具有更加降低的纤维定向、更优异的平面内各向同性和更高的碳纤维的物理性质展现率的复合材料。在本发明中，碳纤维的宽度为与碳纤维的纵向垂直的截面内的两个正交的方向上的尺寸中较大的一个，而碳纤维的厚度为这些尺寸中较小的一个。在与碳纤维的纵向垂直的截面内的两个正交的方向上的尺寸相同的情况下，将一个任意方向上的尺寸取作碳纤维的宽度，而将另一个取作碳纤维的厚度。作为通过对碳纤维毡与热塑性树脂结合的毡状材料加热加压而获得的复合基材，本发明的复合基材优选为空隙率高于7vol％且低于80vol％的复合基材，该复合基材通过设置三次以上的加热加压步骤、并且在最后一个阶段中在不导致复合基材的空隙率降低的极弱的条件下加热加压的同时进行加压而获得，这是因为使用该复合基材能够获得具有更加降低的纤维定向和更加优异的平面内各向同性的复合材料。在不导致复合基材的空隙率降低的极弱的条件下的加压包括，例如，在对复合基材加热加压时，通过将某一辊对的间隙距离设定至与之前阶段中的辊对的间隙距离相同来进行处理的方法。
[复合材料]
对由此获得的本发明的复合基材进一步加压，从而能够获得复合材料，该复合材料被用作前驱体以获得用于各种应用的成形制品。
由本发明的复合基材获得的复合材料具有优选为0vol％以上且7vol％以下、更优选为0vol％以上且3vol％以下的、在式(3)中定义的空隙率，并且具有优异的平面内各向同性。通过对复合材料的试样测量两个相互正交的方向上的拉伸模量并确定它们之间的比率，能够定量地评价复合材料的平面内各向同性。当通过以复合材料的两个方向上的拉伸模量值中的较大值除以较小值而获得的比率(Eσ，以下有时称作拉伸模量比)不超过2时，将样品评价为平面内各向同性，而当该比率不超过1.3时，将样品评价为各向同性优异。
作为由本发明的复合基材获得复合材料的方法，可以在上述的复合基材的制造方法中的加热/加压步骤之后，随后在将复合基材保持在不低于基质树脂的软化点的温度下的同时进行加压，以获得复合材料。此时，将复合基材保持在不低于基质树脂的软化点的温度下的方法可以是在温度降低至低于基质树脂的软化点的温度之前迅速使用该复合基材用于制造复合材料的方法，或者理所当然地，可以是在不低于该软化点的温度下对复合基材进行保温或加热的方法。
通过对复合基材进行加压或加热加压而获得的复合材料优选地通过设置将复合材料保持在低于复合基材的基质树脂的软化点的温度下的冷却步骤来最终固化热塑性树脂的方法的复合材料，或者在具有加压或加热/加压步骤之后、随后在将复合材料冷却至低于基质树脂的软化点的温度下的情况下对复合材料加压以形成复合材料的方法而完成为复合材料。
在其形状方面对由本发明的复合基材获得的复合材料没有特别限制，但与复合基材相似，其典型实例包括板状材料、特别是大致矩形的板状材料，并且该板状材料可以是所谓的长材料。
[成形制品]
上述复合材料用作成形制品的前驱体。对成型该复合材料的方法没有特别限制，但是通过例如，真空成型、液压成型、热压或冷压对复合材料进行成型，从而能够适当地获得具有应用所必需的形状的成形制品。
在对复合材料进行成型时，通过适当地向复合材料整体或局部地添加多个层或热塑性树脂，能够获得厚度根据目的而不同的成形制品。对热塑性树脂没有特别限制，其可以是与复合基材中的基质相同的热塑性树脂，或者也可以与复合基材中的基质不相同。此外，所使用的树脂的形式也可以是熔融树脂或纤维状、粉末状或膜状树脂。成型时添加的热塑性树脂的具体实例与在关于复合基材中的热塑性树脂的段落中描述的热塑性树脂相同。
[层叠体]
作为本发明的复合材料，通过进一步将本发明的复合材料或单向碳纤材料量层叠在本发明的复合材料的至少一个表面的一部分或全部上而获得的层叠体也是优选的。该单向材料由热塑性树脂和连续碳纤维在一个方向上排列的单向材料构成。该单向材料可以是通过堆叠多个单向材料而获得的堆叠体，或者可以是多轴织物，在该多轴织物中，通过以不同角度堆叠由在一个方向上排列的纤维增强材料束而形成的片材而获得的堆叠体(多轴织物基材)被诸如尼龙纱线、聚酯纱线和玻璃纤维纱线的缝合纱线、在厚度方向上贯穿并且沿着该堆叠体的前侧与后侧之间的表面方向往复移动地缝合。
构成单向材料层的碳纤维的平均纤维直径优选为3至12μm，更优选为5至7μm。
单向材料中的热塑性树脂的含量优选为以100质量份碳纤维计3至400质量份。热塑性树脂的含量更优选为以100质量份碳纤维计10至100质量份。
构成单向材料的热塑性树脂可以与复合材料中的基质相同或不同。热塑性树脂的具体实例与在关于复合基材中的热塑性树脂的段落中描述的热塑性树脂相同。
层叠方法不受特别限制，但包括，例如利用热焊接或压结合的方法。
在热焊接的情况下，在加热无序毡的步骤中将基材与单向材料结合也是优选的。单向材料与基材之间的粘附部位可以是表面的一部分或整个表面。通过将本发明的复合材料与单向材料结合，能够在不过度增加重量的情况下集中地增强成型制品中所需的部分的机械特性。
实施例
以下示出实施例，但本发明不限于这些实施例，并且本领域技术人员能够在本发明的技术理念范围内进行各种改变。在以下的实施例和比较例中使用的碳纤维和热塑性树脂的密度如下所示。
PAN系碳纤维“Tenax”(注册商标)STS40-24KS：1.75g/cm3
聚对苯二甲酸丁二酯树脂：1.31g/cm3
聚碳酸脂：1.20g/cm3
聚酰胺6：1.14g/cm3
[确定空隙率的方法]
1)由包含在无序毡中的碳纤维和热塑性树脂的含量来计算由无序毡获得的空隙率为0％的复合基材的单位面积(1m2)理论厚度(t1)。
2)在不施加负重的情况下利用卡尺以100个点/m2将无序毡的整个区域或给定区域的厚度测量至1/100mm，由获得的值确定无序毡的平均厚度。将该平均厚度视为t2，使用在上述段落中确定的复合基材的空隙率为0％的理论厚度(t1)和所确定的平均厚度一起根据式(3)计算无序毡的空隙率。将获得的值定义为初始空隙率。
3)将复合基材的加热/加压步骤中的随后降低空隙率的处理时的复合基材的平均厚度视作t2，根据下式(2)由空隙含量(t2-t1)确定复合基材的空隙率(Vr)：
Vr＝(t2-t1)/t2×100   (3)
(其中，t1是当复合基材的空隙率为0vol％时由包含在复合基材中的碳纤维和热塑性树脂的量计算的理论厚度，而t2是复合基材的平均厚度。)
同时，对于加热加压步骤中的每个阶段的t2，将加压的辊对的间隙距离取作复合基材的平均厚度(t2)。
在实施例中，在某一加热/加压处理中的空隙率的减少值有时与该加热/加压处理之前与之后的空隙率相减的结果并不一致。这是因为复合基材的空隙率是通过将数值四舍五入为最接近的整数来表示的。然而，所采用的每个阶段的加热/加压处理中的空隙率的减少值，是将通过使用未四舍五入为最接近的整数的空隙率值所获得的计算结果四舍五入为的最接近的整数的数值。结果，有时会产生误差。
[确定复合基材中碳纤维束(A)与纤维总量的比率的方法]
1)将复合基材切割至100mm×100mm并且在炉中于500℃下处理约1小时以去除树脂。
2)在去除了树脂之后用镊子从复合基材抽出所有纤维束。
3)对所有纤维束测量并记录单个纤维束的长度(Li)和重量(Wi)。最后集中测量小至不能用镊子抽取的程度的纤维束的重量(Wk)。此时，使用能够测量至1/100mg的天平。由无序毡中使用的碳纤维的纤维直径(D)计算临界单纤维数，并将具有不低于临界单纤维数的碳纤维的碳纤维束(A)与其他纤维束分开。顺便提及，在使用两种以上碳纤维的情况下，根据种类区分纤维，并对每种纤维进行测量和评价。
4)在对所有种类进行测量之后，根据以下计算来确定碳纤维束(A)中的平均纤维数量(N)。根据式(5)由所使用的碳纤维的纤度(F)能够确定每种碳纤维束中的纤维数量(Ni)：
Ni＝Wi/(Li×F)   (5)
根据下式(6)由碳纤维束(A)的束的数量(I)确定碳纤维束(A)中的平均纤维数量(N)：
N＝∑Ni/I   (6)
此外，根据下式(7)使用碳纤维的纤维比重(ρ)来确定碳纤维束(A)与毡的全部纤维的比率(VR)：
VR＝∑(Wi/ρ)×100/((Wk+∑Wi)/ρ)   (7)
通过从复合基材去除树脂并抽出碳纤维，也能够如上所述测量复合基材中包含的碳纤维的宽度和厚度。
[复合材料中纤维定向的分纤]
作为复合材料进行成型后测量碳纤维的各向同性的方法，通过基于成形板的任意方向和与其正交的方向进行拉伸测试来测量拉伸模量，并测量通过以拉伸模量的测量值中的较大值除以较小值而获得的比率(有时称作Eσ或拉伸模量比)，从而能够确定平面内各向同性。拉伸模量比越接近1则表示材料的平面内各向同性越优异。
[实施例1]
使用由TOHO TENAX Co.，Ltd制造的PAN系碳纤维“Tenax”(注册商标)STS40-24KS(平均纤维直径：7μm，线股宽度：10mm)作为碳纤维。将该碳纤维线股拓宽至15至20mm的宽度，另外通过使用纵向分条机分条至0.8mm的宽度，然后切割至20mm的纤维长度。使用具有设置在其表面上的硬质合金制螺旋刀具的旋切机作为切割装置。
将通过旋切机的线股导入布置在旋切机正下方的柔性传送管中，并随后导入喷撒装置(空气喷嘴)中。作为喷撒装置，使用通过焊接具有不同直径的SUS304-制套管而制作的双管。在双管的内管中设置小孔，并使用压缩机在内管与外管之间供应压缩空气。此时，从小孔排出的空气的风速为50m/sec。将直径随着向下而增加的锥形管焊接至双管的下部。
从锥形管的侧面供应基质树脂。使用由Unitika Ltd.制造的尼龙6树脂“A1030”颗粒作为基质树脂。
将能够在给定方向上移动的的透气支撑物(以下称作固定网)布置在锥形管出口的下方并用风机从下方抽气，在以恒定速度移动的固定网的宽度方向上往复移动柔性传送管和锥形管的同时使切割的碳纤维和尼龙树脂的混合物在固定网上沉积为带状。
随后，分别将碳纤维的供应速率和基质树脂的供应速率设定为212g/min和320g/min，并运行装置，结果，由碳纤维和基质树脂(热塑性树脂)在固定网上无不均匀地混合而获得的无序毡连续地形成于在给定方向上移动的固定网上。无序毡的单位面积碳纤维重量为265g/m2。
检测获得的无序毡的碳纤维束(A)的比率和平均纤维数量(N)。然后，由式(1)定义的临界单纤维数为86，碳纤维束(A)与毡中纤维总量的比率为80vol％，并且碳纤维束(A)中的平均纤维数量(N)为600。此外，尼龙6颗粒几乎无不均匀地分散并牢固地固定在碳纤维中。初始空隙率为91vol％。
使用由钢带、辊和加热炉构成的装置对上述获得的无序毡进行加热/加压处理。该装置具有以下结构：在加热炉中布置多个上下辊对，每个辊对都以一间隙间隔地布置，并且钢带以在辊间隙中保持无序毡的方式连续地穿过辊对。通过调节布置在加热炉中的辊之间的间隙来调节通过钢带而作用在无序毡上的压力，以使复合基材具有目标空隙率。
如下所述，夹持6个无序毡的钢带穿过表面温度被设定为260至360℃的多个辊间隙，使得最终复合材料能够具有3mm的厚度。通过使用布置在加热炉中的钢带行进方向上的7个辊对并相对于无序毡的91vol％的初始空隙率以85vol％、80vol％、75vol％、70vol％、58vol％、47vol％和29vol％的阶梯式方式逐步降低空隙率，在7个阶段中进行用于获得复合基材的加热/加压处理，在不会导致处理失败的情况下获得热塑性树脂牢固地固定于碳纤维的复合基材。在一次加热/加压处理中，空隙率在第七阶段下降的最多，在该阶段中下降了18vol％。当对空隙率为60vol％以上的复合基材进一步加热加压时，在一次加热/加压处理中，空隙率在第五阶段下降的最多，在该阶段中下降12vol％。当对空隙率为40vol％以上且低于60vol％的复合基材进一步加热加压时，在一次加热/加压处理中，空隙率在第7阶段下降的最多，在该阶段中下降18vol％。
使用一对冷却辊在不高于热塑性树脂的软化点的温度下使上述获得的高温复合基材经历冷却/加压步骤。然后，获得厚度为3mm的复合材料板。从获得的复合材料板切割出测试片并根据JIS7164进行测量，结果，任意方向和与其正交的方向之间的拉伸模量比为1.07。
同时，获得的复合基材或复合材料中的碳纤维的平均纤维长度为20mm，该长度为切割碳纤维束线股时的长度。相似地，获得的复合基材或复合材料中的碳纤维的宽度明显窄于5mm，而碳纤维的厚度为宽度的1/2以下。
[实施例2]
使用实施例1所述的无序毡，如下所述，夹持6个无序毡的钢带穿过表面温度被设定为260至360℃的多个辊对的间隙，使得最终复合材料能够具有3mm的厚度。通过使用布置在加热炉中的钢带行进方向上的6个辊对并相对于无序毡的91vol％的初始空隙率以83vol％、78vol％、67vol％、50vol％、33vol％和19vol％的阶梯式方式逐步降低空隙率，在6个阶段中进行用于获得复合基材的加热/加压处理，在不会导致处理失败的情况下获得热塑性树脂牢固地固定于碳纤维的复合基材。在一次加热/加压处理中，空隙率在第四阶段和第五阶段下降的最多，在两个阶段中，空隙率都下降了17vol％。当对空隙率为60vol％以上的复合基材进一步加热/加压时，在一次加热/加压处理中，空隙率在第四阶段下降的最多，在该阶段中空隙率下降17vol％。当对空隙率为40vol％以上且低于60vol％的复合基材进一步加热/加压时，在一次加热/加压处理中，空隙率在第五阶段下降的最多，在该阶段中空隙率下降17vol％。
使用一对冷却辊在不高于热塑性树脂的软化点的温度下使上述获得的高温复合基材经历冷却/加压步骤。然后，获得厚度为3mm的复合材料板。从获得的复合材料板切割出测试片并根据JIS7164进行测量，结果，任意方向和与其正交的方向之间的拉伸模量比为1.12。
同时，获得的复合基材或复合材料中的碳纤维的平均纤维长度为20mm，该长度为切割碳纤维束线股时的长度。相似地，获得的复合基材或复合材料中的碳纤维的宽度明显窄于5mm，而碳纤维的厚度为宽度的1/2以下。
[实施例3]
使用实施例1所述的无序毡，如下所述，夹持6个无序毡的钢带穿过表面温度被设定为260至360℃的多个辊对的间隙，使得最终复合材料能够具有3mm的厚度。通过使用布置在加热炉中的钢带行进方向上的5个辊对并相对于无序毡的91vol％的初始空隙率以80vol％、78vol％、60vol％、41vol％和23vol％的阶梯式方式逐步降低空隙率，在5个阶段中进行用于获得复合基材的加热/加压处理，在不会导致处理失败的情况下获得热塑性树脂牢固地固定于碳纤维的复合基材。在一次加热/加压处理中，空隙率在第四阶段下降的最多，在该阶段中，空隙率下降了19vol％。当对空隙率为60vol％以上的复合基材进一步加热/加压时，在一次加热/加压处理中，空隙率在第四阶段下降的最多，在该阶段中空隙率下降19vol％。当对空隙率为40vol％以上且低于60vol％的复合基材进一步加热/加压时，在一次加热/加压处理中，空隙率在第五阶段下降的最多，在该阶段中空隙率下降18vol％。
使用一对冷却辊在不高于热塑性树脂的软化点的温度下使上述获得的高温复合基材经历冷却/加压步骤。然后，获得厚度为3mm的复合材料板。从获得的复合材料板切割出测试片并根据JIS7164进行测量，结果，任意方向和与其正交的方向之间的拉伸模量比为1.09。
同时，获得的复合基材或复合材料中的碳纤维的平均纤维长度为20mm，该长度为切割碳纤维束线股时的长度。相似地，获得的复合基材或复合材料中的碳纤维的宽度明显窄于5mm，而碳纤维的厚度为宽度的1/2以下。
[比较例1]
使用实施例1所述的无序毡，如下所述，夹持6个无序毡的钢带穿过表面温度被设定为260至360℃的多个辊对的间隙，使得最终复合材料能够具有3mm的厚度。通过使用布置在加热炉中的钢带行进方向上的6个辊对并相对于无序毡的91vol％的初始空隙率以80vol％、78vol％、60vol％、50vol％、33vol％和7vol％的阶梯式方式逐步降低空隙率，在6个阶段中进行用于获得复合基材的加热/加压处理，在不会导致处理失败的情况下获得复合基材。在一次加热/加压处理中，空隙率在第六阶段下降的最多，在该阶段中下降了26vol％。当对空隙率为60vol％以上的复合基材进一步加热/加压时，在一次加热/加压处理中，空隙率在第三阶段下降的最多，在该阶段中空隙率下降18vol％。当对空隙率为40vol％以上且低于60vol％的复合基材进一步加热/加压时，在一次加热/加压处理中，空隙率在第五阶段下降的最多，在该阶段中空隙率下降17vol％。
使用一对冷却辊在不高于热塑性树脂的软化点的温度下使上述获得的高温复合基材经历冷却/加压步骤。然后，获得厚度为3mm的复合材料板。根据JS7164对获得的复合材料板进行测量，结果，任意方向和与其正交的方向之间的拉伸模量比为1.43。通过目测观察复合材料的表面，确认碳纤维沿着在复合基材的制造过程中钢带的行进方向排列。
[参考例1]
使用实施例1所述的无序毡，如下所述，夹持6个无序毡的钢带穿过表面温度被设定为260至360℃的多个辊对的间隙，使得最终复合材料能够具有3mm的厚度。使用布置在加热炉中的钢带行进方向上的1个辊对试图由初始空隙率为91vol％的无序毡获得空隙率为67vol％的复合材料，但是发生了处理失败，即，被钢带夹持的无序毡不向辊间隙的下游前进，不能获得复合基材。
[参考例2]
使用实施例1所述的无序毡，使夹持6个无序毡的钢带穿过表面温度被设定为260至360℃的多个辊对的间隙，使得最终复合材料能够具有3mm的厚度。使用布置在加热炉中的钢带行进方向上的2个辊对、试图由相对于无序毡的91vol％的初始空隙率以83vol％和50vol％的阶梯式方式降低空隙率，但是在第二阶段的加热/加压时发生了与参考例1中同样的处理失败，不能获得可用于获得复合材料的复合基材。
[实施例4]
通过以与实施例1的无序毡的制造中相同的方式执行操作，区别在于将碳纤维的供应速率改变为236g/min并且将作为基质树脂尼龙6树脂“A1030”的供应速率改变为275g/min，来获得单位面积碳纤维重量为294g/m2且初始空隙率为88vol％的无序毡。获得的无序毡中的碳纤维束(A)的比率和平均纤维数量(N)与实施例1中的相同。在获得的无序毡中，尼龙6颗粒在几乎无不均匀的情况下，均匀地分散并牢固地固定在碳纤维中。
使用上述获得的无序毡，如下所述，使夹持8个无序毡的钢带穿过表面温度被设定为260至360℃的多个辊对的间隙，使得最终复合材料能够具有3.7mm的厚度。通过使用布置在加热炉中的钢带行进方向上的5个辊对中的3对并相对于无序毡的88vol％的初始空隙率以59vol％、59vol％、38vol％、38vol％和8vol％的阶梯式方式逐步降低空隙率，在5个阶段中进行用于获得复合基材的加热/加压处理，在这些阶段中的两个阶段中，在不导致空隙率降低的极弱加压的条件下进行处理，在不会导致处理失败的情况下获得热塑性树脂牢固地固定于碳纤维的复合基材。在一次加热/加压处理中，空隙率在第五阶段下降的最多，在该阶段中，空隙率下降了31vol％。当对空隙率为60vol％以上的复合基材进一步加热加压时，空隙率未降低。当对空隙率为40vol％以上且低于60vol％的复合基材进一步加热/加压时，在一次加热/加压处理中，空隙率在第三阶段下降的最多，在该阶段中空隙率下降21vol％。
使用一对冷却辊在不高于热塑性树脂的软化点的温度下使上述获得的高温复合基材经历冷却/加压步骤。然后，获得厚度为3.7mm的复合材料板。从获得的复合材料板切割出测试片并根据JIS7164进行测量，结果，任意方向和与其正交的方向之间的拉伸模量比为1.18。
同时，获得的复合基材或复合材料中的碳纤维的平均纤维长度为20mm，该长度为切割碳纤维束线股时的长度。相似地，获得的复合基材或复合材料中的碳纤维的宽度明显窄于5mm，而碳纤维的厚度为宽度的1/2以下。
[实施例5]
使用实施例4所述的无序毡，如下所述，使夹持6个无序毡的钢带穿过表面温度被设定为260至360℃的多个辊对的间隙，使得最终复合材料能够具有2.8mm的厚度。通过使用布置在加热炉中的钢带行进方向上的6个辊对并相对于无序毡的88vol％的初始空隙率以69vol％、69vol％、53vol％、53vol％、30vol％和20vol％的阶梯式方式逐步降低空隙率，在6个阶段中进行用于获得复合基材的加热/加压处理，在这些阶段中的两个阶段中，在不导致空隙率降低的极弱加压的条件下进行处理，在不会导致处理失败的情况下获得热塑性树脂牢固地固定于碳纤维的复合基材。在一次加热/加压处理中，空隙率在第五的阶段下降的最多，在该阶段中下降了23vol％。当对空隙率为60vol％以上的复合基材进一步加热/加压时，在一次加热/加压处理中，空隙率在第三阶段下降的最多，在该阶段中空隙率下降16vol％。当对空隙率为40vol％以上且低于60vol％的复合基材进一步加热/加压时，在一次加热/加压处理中，空隙率在第五阶段下降的最多，在该阶段中空隙率下降23vol％。
使用一对冷却辊在不高于热塑性树脂的软化点的温度下使上述获得的高温复合基材经历冷却/加压步骤。然后，获得厚度为2.8mm的复合材料板。从获得的复合材料板切割出测试片并根据JIS7164进行测量，结果，任意方向和与其正交的方向之间的拉伸模量比为1.09。
同时，获得的复合基材或复合材料中的碳纤维的平均纤维长度为20mm，该长度为切割碳纤维束线股时的长度。相似地，获得的复合基材或复合材料中的碳纤维的宽度明显窄于5mm，而碳纤维的厚度为宽度的1/2以下。
[实施例6]
使用实施例4所述的无序毡，如下所述，使夹持5个无序毡的钢带穿过表面温度被设定为260至360℃的多个辊对的间隙，使得最终复合材料能够具有2.3mm的厚度。通过使用布置在加热炉中的钢带行进方向上的6个辊对并相对于无序毡的88vol％的初始空隙率以74vol％、74vol％、62vol％、62vol％、43vol％和16vol％的阶梯式方式逐步降低空隙率，在6个阶段中进行用于获得复合基材的加热/加压处理，在这些阶段中的两个阶段中，在不导致空隙率降低的极弱加压的条件下进行处理，在不会导致处理失败的情况下获得热塑性树脂牢固地固定于碳纤维的复合基材。在一次加热/加压处理中，空隙率在第六阶段下降的最多，在该阶段中下降了26vol％。当对空隙率为60vol％以上的复合基材进一步加热/加压时，在一次加热/加压处理中，空隙率在第三阶段下降的最多，在该阶段中空隙率下降16vol％。当对空隙率为40vol％以上且低于60vol％的复合基材进一步加热/加压时，在一次加热/加压处理中，空隙率在第六阶段下降的最多，在该阶段中空隙率下降26vol％。
使用一对冷却辊在不高于热塑性树脂的软化点的温度下使上述获得的高温复合基材经历冷却/加压步骤。然后，获得厚度为2.3mm的复合材料板。从获得的复合材料板切割出测试片并根据JIS7164进行测量，结果，任意方向和与其正交的方向之间的拉伸模量比为1.13。
同时，获得的复合基材或复合材料中的碳纤维的平均纤维长度为20mm，该长度为切割碳纤维束线股时的长度。相似地，获得的复合基材或复合材料中的碳纤维的宽度明显窄于5mm，而碳纤维的厚度为宽度的1/2以下。
[实施例7]
使用实施例4所述的无序毡，如下所述，使夹持4个无序毡的钢带穿过表面温度被设定为260至360℃的多个辊对的间隙，使得最终复合材料能够具有1.9mm的厚度。通过使用布置在加热炉中的钢带行进方向上的6个辊对并相对于无序毡的88vol％的初始空隙率以79vol％、79vol％、68vol％、68vol％、53vol％和21vol％的阶梯式方式逐步降低空隙率，在6个阶段中进行用于获得复合基材的加热/加压处理，在这些阶段中的两个阶段中，在不导致空隙率降低的极弱加压的条件下进行处理，在不会导致处理失败的情况下获得热塑性树脂牢固地固定于碳纤维的复合基材。在一次加热/加压处理中，空隙率在第六阶段下降的最多，在该阶段中下降了32vol％。当对空隙率为60vol％以上的复合基材进一步加热/加压时，在一次加热/加压处理中，空隙率在第五的阶段下降的最多，在该阶段中空隙率下降16vol％。当对空隙率为40vol％以上且低于60vol％的复合基材进一步加热/加压时，在一次加热/加压处理中，空隙率在第六阶段下降的最多，在该阶段中空隙率下降32vol％。
使用一对冷却辊在不高于热塑性树脂的软化点的温度下使上述获得的高温复合基材经历冷却/加压步骤。然后，获得厚度为1.9mm的复合材料板。从获得的复合材料板切割出测试片并根据JIS7164进行测量，结果，任意方向和与其正交的方向之间的拉伸模量比为1.07。
同时，获得的复合基材或复合材料中的碳纤维的平均纤维长度为20mm，该长度为切割碳纤维束线股时的长度。相似地，获得的复合基材或复合材料中的碳纤维的宽度明显窄于5mm，而碳纤维的厚度为宽度的1/2以下。
[实施例8]
通过以与实施例1的无序毡的制造中相同的方式执行操作，区别在于将碳纤维的供应速率改变为945g/min并且将作为基质树脂尼龙6树脂“A1030”的供应速率改变为1,102g/min，来获得单位面积碳纤维重量为945g/m2目初始空隙率为93vol％的无序毡。获得的无序毡中的碳纤维束(A)的比率和平均纤维数量(N)与实施例1中的相同。在获得的无序毡中，尼龙6颗粒在几乎无不均匀的情况下，均匀地分散并牢固地固定在碳纤维中。
使用上述获得的无序毡，如下所述，使夹持1个无序毡的钢带穿过表面温度被设定为260至360℃的多个辊对的间隙，使得最终复合材料能够具有1.5mm的厚度。通过使用布置在加热炉中的钢带行进方向上的6个辊对并相对于无序毡的93vol％的初始空隙率以75vol％、75vol％、63vol％、63vol％、50vol％和25vol％的阶梯式方式逐步降低空隙率，在6个阶段中进行用于获得复合基材的加热/加压处理，在这些阶段中的两个阶段中，在不导致空隙率降低的极弱加压的条件下进行处理，在不会导致处理失败的情况下获得热塑性树脂牢固地固定于碳纤维的复合基材。在一次加热/加压处理中，空隙率在第六阶段下降的最多，在该阶段中下降了25vol％。当对空隙率为60vol％以上的复合基材进一步加热/加压时，在一次加热/加压处理中，空隙率在第五的阶段下降的最多，在该阶段中空隙率下降13vol％。当对空隙率为40vol％以上且低于60vol％的复合基材进一步加热/加压时，在一次加热/加压处理中，空隙率在第五阶段下降的最多，在该阶段中空隙率下降25vol％。
使用一对冷却辊在不高于热塑性树脂的软化点的温度下使上述获得的高温复合基材经历冷却/加压步骤。然后，获得厚度为1.5mm的复合材料板。从获得的复合材料板切割出测试片并根据JIS7164进行测量，结果，任意方向和与其正交的方向之间的拉伸模量比为1.04。
同时，获得的复合基材或复合材料中的碳纤维的平均纤维长度为20mm，该长度为切割碳纤维束线股时的长度。相似地，获得的复合基材或复合材料中的碳纤维的宽度明显窄于5mm，而碳纤维的厚度为宽度的1/2以下。
[实施例9]
通过以与实施例1的无序毡的制造中相同的方式执行操作，区别在于将碳纤维的供应速率改变为1,260g/min并且代替尼龙6树脂”A1030”使用聚碳酸脂(Panlite(注册商标)L-1225Y，由Teijin Chemicals Ltd.制造)作为基质树脂以1,560g/min的供应速率，来获得单位面积碳纤维重量为1,260g/m2且初始空隙率为91vol％的无序毡。获得的无序毡中的碳纤维束(A)的比率和平均纤维数量(N)与实施例1中的相同。在获得的无序毡中，聚碳酸脂颗粒在几乎无不均匀的情况下，均匀地分散并牢固地固定在碳纤维中。
使用上述获得的无序毡，如下所述，使夹持1个无序毡的钢带穿过表面温度被设定为260至360℃的多个辊对的间隙，使得最终复合材料能够具有2.0mm的厚度。通过使用布置在加热炉中的钢带行进方向上的6个辊对并相对于无序毡的91vol％的初始空隙率以80vol％、67vol％、50vol％、33vol％、20vol％，和9vol％的阶梯式方式逐步降低空隙率，在6个阶段中进行用于获得复合基材的加热/加压处理，在不会导致处理失败的情况下获得热塑性树脂牢固地固定于碳纤维的复合基材。在一次加热/加压处理中，空隙率在第三阶段和第四阶段下降的最多，在两个阶段中，空隙率都下降了17vol％。当对空隙率为60vol％以上的复合基材进一步加热/加压时，在一次加热/加压处理中，空隙率在第三阶段下降的最多，在该阶段中空隙率下降17vol％。当对空隙率为40vol％以上且低于60vol％的复合基材进一步加热/加压时，在一次加热/加压处理中，空隙率在第四阶段下降的最多，在该阶段中空隙率下降17vol％。
使用一对冷却辊在不高于热塑性树脂的软化点的温度下使上述获得的高温复合基材经历冷却/加压步骤。然后，获得厚度为2.0mm的复合材料板。从获得的复合材料板切割出测试片并根据JIS7164进行测量，结果，任意方向和与其正交的方向之间的拉伸模量比为1.08。
同时，获得的复合基材或复合材料中的碳纤维的平均纤维长度为20mm，该长度为切割碳纤维束线股时的长度。相似地，获得的复合基材或复合材料中的碳纤维的宽度明显窄于5mm，而碳纤维的厚度为宽度的1/2以下。
[实施例10]
通过以与实施例1的无序毡的制造中相同的方式执行操作，区别在于将碳纤维的供应速率改变为1,260g/min并且代替尼龙6树脂”A1030”使用聚对苯二甲酸丁二酯(Duranex(注册商标)2002，由WinTechPolymer Ltd.，制造，以下简称为PBT)作为基质树脂以1,703g/min的供应速率，来获得单位面积碳纤维重量为1,260g/m2且初始空隙率为91vol％的无序毡。获得的无序毡中的碳纤维束(A)的比率和平均纤维数量(N)与实施例1中的相同。在获得的无序毡中，PBT颗粒在几乎无不均匀地的情况下，均匀地分散并牢固地固定在碳纤维中。
使用上述获得的无序毡，如下所述，使夹持1个无序毡的钢带穿过表面温度被设定为260至400℃的多个辊对的间隙，使得最终复合材料能够具有2.0mm的厚度。通过使用布置在加热炉中的钢带行进方向上的5个辊对并相对于无序毡的91vol％的初始空隙率以72vol％、60vol％、43vol％、20vol％和10vol％的阶梯式方式逐步降低空隙率，在5个阶段中进行用于获得复合基材的加热/加压处理，在不会导致处理失败的情况下获得热塑性树脂牢固地固定于碳纤维的复合基材。在一次加热/加压处理中，空隙率在第四阶段下降的最多，在该阶段中，空隙率下降了23vol％。当对空隙率为60vol％以上的复合基材进一步加热/加压时，在一次加热/加压处理中，空隙率在第三阶段下降的最多，在该阶段中空隙率下降17vol％。当对空隙率为40vol％以上且低于60vol％的复合基材进一步加热/加压时，在一次加热/加压处理中，空隙率在第四阶段下降的最多，在该阶段中空隙率下降23vol％。
使用一对冷却辊在不高于热塑性树脂的软化点的温度下使上述获得的高温复合基材经历冷却/加压步骤。然后，获得厚度为2.0mm的复合材料板。从获得的复合材料板切割出测试片并根据JIS7164进行测量，结果，任意方向和与其正交的方向之间的拉伸模量比为1.05。
顺便提及，获得的复合基材或复合材料中的碳纤维的平均纤维长度为20mm，该长度为切割碳纤维束线股时的长度。相似地，获得的复合基材或复合材料中的碳纤维的宽度明显窄于5mm，而碳纤维的厚度为宽度的1/2以下。
工业应用性
本发明的复合基材适用于制造在诸如汽车结构部件的各种应用中有用的碳纤维增强复合材料。
尽管已经参考具体实施例对本发明进行了详细描述，但对本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的主旨和范围的情况下能够进行各种改变和改进。
本申请基于2012年7月5日提交的日本专利申请(专利申请号No.2012-151470)，其内容通过引用并入本文。
[表1]

Claims (11)

1.一种复合基材，包含：
碳纤维，该碳纤维具有3mm以上且100mm以下的平均纤维长度；和
热塑性树脂，以100质量份所述碳纤维计，该热塑性树脂以3至1000质量份的量牢固地固定至所述碳纤维，
其中，所述复合基材的空隙率为大于7vol％至小于100vol％。
2.根据权利要求1所述的复合基材，
其中，通过对毡状材料进行加热加压来获得所述复合基材，在该毡状材料中，碳纤维毡与热塑性树脂结合，并且
通过加热加压使得在一次加热加压处理中所述空隙率的降低不超过40vol％，来获得所述复合基材。
3.根据权利要求1或2所述的复合基材，
其中，通过对毡状材料进行加热加压来获得所述复合基材，在该毡状材料中，碳纤维毡与热塑性树脂结合，并且
所述复合基材具有大于7vol％至小于80vol％的所述空隙率，所述复合基材是通过制备空隙率为60vol％以上的复合基材并进一步对该复合基材加热加压使得在一次加热加压处理中所述空隙率的降低不超过20vol％而获得的。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的复合基材，
其中，通过对毡状材料进行加热加压来获得所述复合基材，在该毡状材料中，碳纤维毡与热塑性树脂结合，并且
所述复合基材是空隙率为大于7vol％至小于80vol％的复合基材，所述复合基材是通过制备空隙率为40vol％至小于60vol％的复合基材并从进一步对该复合基材加热加压使得在一次加热加压处理中所述空隙率的降低不超过30vol％而获得的。
5.根据权利要求1至4任意一项所述的复合基材，
其中，所述碳纤维的宽度为5mm以下，并且所述碳纤维的厚度为所述宽度的1/2以下。
6.根据权利要求1至5任意一项所述的复合基材，
其中，在所述碳纤维中，存在由不低于临界单纤维数的所述碳纤维构成的碳纤维束(A)，该临界单纤维数由下式(1)定义：
临界单纤维数＝600/D    (1)
其中，D为单碳纤维的平均纤维直径(μm)。
7.根据权利要求6所述的复合基材，
其中，所述碳纤维束(A)与所述复合基材中包含的所述碳纤维的总量的比率为大于0vol％至小于99vol％。
8.根据权利要求6或7所述的复合基材，
其中，所述碳纤维束(A)中的平均纤维数量(N)满足下式(2)：
0.7×104/D2＜N＜2×105/D2    (2)
其中，D为单碳纤维的平均纤维直径(μm)。
9.根据权利要求1至8任意一项所述的复合基材，
其中，所述碳纤维在毡状材料中，在该毡状材料中，所述碳纤维二维随机定向。
10.一种复合材料，该复合材料通过对根据权利要求1至9任意一项所述的复合基材进行加压而获得。
11.根据权利要求10所述的复合材料，
其中，所述复合材料的空隙率为0至7vol％。
CN201380035961.XA 2012-07-05 2013-07-02 复合基材 Withdrawn CN104781316A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012151470 2012-07-05
JP2012-151470 2012-07-05
PCT/JP2013/068572 WO2014007389A1 (ja) 2012-07-05 2013-07-02 複合基材

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN104781316A true CN104781316A (zh) 2015-07-15

Family

ID=49882139

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201380035961.XA Withdrawn CN104781316A (zh) 2012-07-05 2013-07-02 复合基材

Country Status (6)

Country Link
US (1) US9353231B2 (zh)
EP (1) EP2871202A4 (zh)
JP (1) JPWO2014007389A1 (zh)
KR (1) KR20150033618A (zh)
CN (1) CN104781316A (zh)
WO (1) WO2014007389A1 (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111433289A (zh) * 2017-11-29 2020-07-17 帝人株式会社 复合材料、成形体的制造方法以及复合材料的制造方法
CN112646329A (zh) * 2020-11-24 2021-04-13 江苏澳盛复合材料科技有限公司 用于激光熔接的碳纤维增强pbt复合材料和复合成型体

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8820192B2 (en) 2009-04-29 2014-09-02 Race Face Prerformance Products Inc. Bicycle crank arm and insert therefore
JP6269166B2 (ja) * 2014-02-28 2018-01-31 セイコーエプソン株式会社 シート製造装置
WO2016171060A1 (ja) * 2015-04-21 2016-10-27 三菱瓦斯化学株式会社 繊維強化熱可塑性樹脂組成物
ES2908473T3 (es) * 2015-10-21 2022-04-29 Mitsubishi Chem Corp Dispositivo de producción y método de producción para materiales formadores de resina reforzados con fibra
CN110625962B (zh) * 2015-11-17 2022-03-08 马尔哈吉尔有限责任公司 结构复合材料和方法
CN112517887A (zh) 2016-04-11 2021-03-19 福克斯制造有限公司 用于形成自行车前链轮组件的方法
KR20190021270A (ko) 2016-06-22 2019-03-05 도레이 카부시키가이샤 분섬 섬유 다발의 제조 방법과 분섬 섬유 다발, 및 분섬 섬유 다발을 사용한 섬유 강화 수지 성형 재료와 그의 제조 방법
EP3269859A1 (en) * 2016-07-15 2018-01-17 Toray Carbon Fibers Europe Carbon fiber random mat and carbon fiber composite material
FR3056142A1 (fr) * 2016-09-20 2018-03-23 Plastic Omnium Cie Systeme de decoupe de fibres de carbone pour procede smc
US11014628B2 (en) 2017-04-28 2021-05-25 Fox Factory, Inc. Cinch direct mount 2X ring system
US11359709B2 (en) * 2018-12-18 2022-06-14 Fox Factory, Inc. Chainring
US11680633B2 (en) 2019-02-08 2023-06-20 Fox Factory, Inc. Chainring
CN113276446B (zh) * 2021-03-31 2023-07-04 中国机械总院集团海西(福建)分院有限公司 一种单晶炉坩埚托盘原料处理装置

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI414543B (zh) * 2006-02-24 2013-11-11 Toray Industries 纖維強化熱可塑性樹脂成形體、成形材料及其製法
JP4788539B2 (ja) 2006-09-13 2011-10-05 トヨタ自動車株式会社 車体パネル構造
JP2011178890A (ja) * 2010-03-01 2011-09-15 Teijin Ltd 炭素繊維複合材料
JP5576147B2 (ja) * 2010-03-01 2014-08-20 帝人株式会社 炭素繊維複合材料
JP5851767B2 (ja) * 2011-08-30 2016-02-03 帝人株式会社 繊維強化基材
JP2013049751A (ja) 2011-08-30 2013-03-14 Teijin Ltd 繊維強化基材
US9193840B2 (en) * 2012-09-14 2015-11-24 Teijin Limited Carbon fiber composite material
US8829103B2 (en) 2012-09-14 2014-09-09 Teijin Limited Carbon fiber composite material

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111433289A (zh) * 2017-11-29 2020-07-17 帝人株式会社 复合材料、成形体的制造方法以及复合材料的制造方法
US11795279B2 (en) 2017-11-29 2023-10-24 Teijin Limited Composite material, production method for molded object, and production method for composite material
CN112646329A (zh) * 2020-11-24 2021-04-13 江苏澳盛复合材料科技有限公司 用于激光熔接的碳纤维增强pbt复合材料和复合成型体
CN112646329B (zh) * 2020-11-24 2023-04-18 江苏澳盛复合材料科技有限公司 用于激光熔接的碳纤维增强pbt复合材料和复合成型体

Also Published As

Publication number Publication date
US9353231B2 (en) 2016-05-31
EP2871202A4 (en) 2015-08-12
JPWO2014007389A1 (ja) 2016-06-02
KR20150033618A (ko) 2015-04-01
WO2014007389A1 (ja) 2014-01-09
EP2871202A1 (en) 2015-05-13
US20150152231A1 (en) 2015-06-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104781316A (zh) 复合基材
CN104105743B (zh) 无序毡和纤维增强复合材料
KR101444631B1 (ko) 랜덤 매트, 및 강화섬유 복합재료
CN103732375B (zh) 利用低压模制制造成形制品的方法
US10006677B2 (en) Method for manufacturing shaped product with maintained isotrophy
KR101536502B1 (ko) 강화 섬유 복합재료
JP5722732B2 (ja) 熱可塑性複合材料形成用等方性ランダムマットの製造方法
US20140004308A1 (en) Molded Product Having Thickness Gradient, and Method for Manufacturing the Same
CN104011273B (zh) 用于制造增强纤维股线的方法
JP4988229B2 (ja) 表面平滑性に優れたハイブリッド複合材料とその成形方法。
CN103764729B (zh) 具有竖立平面的成形制品和用于制造该成形制品的方法
CN104011276A (zh) 无序毡和纤维增强复合材料
US9193840B2 (en) Carbon fiber composite material
US8829103B2 (en) Carbon fiber composite material
KR20130131389A (ko) 복합 물품 제조를 위한 수지-용해성 베일 및 그 제조 방법
TWI532594B (zh) 熱塑性樹脂補強片材及其製造方法
CN109312508A (zh) 碳纤维无序毡及碳纤维复合材料
US20150258762A1 (en) Method of Producing Isotropic Random Mat for Forming Thermoplastic Composite Material
JP2013049750A (ja) 有機繊維ランダムマット及びこれを用いた繊維複合材料
CN107108915A (zh) 增强纤维复合材料
JP2013203942A (ja) 熱可塑性プリプレグとその製造方法
JPS5962112A (ja) 炭素繊維補強熱可塑性樹脂成形品の製造方法
KR20160083549A (ko) 인발성형 공정에 의한 복합소재 제조방법
CN116001141A (zh) 用于3d打印的异型连续纤维预浸料的生产装置及方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
EXSB Decision made by sipo to initiate substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C04 Withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WW01 Invention patent application withdrawn after publication

Application publication date: 20150715