CN107002319A - 纤维构造体以及纤维强化复合材料 - Google Patents

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Abstract

纤维构造体具备：多层织物制的主板部，该主板部层叠有多层包括主板用经纱以及主板用纬纱的纤维层；以及多层织物制的副板部，该副板部层叠有多层包括副板用经纱以及副板用纬纱的纤维层，上述主板部与上述副板部以交叉的状态编织为一体。在上述主板部与上述副板部之间的交叉部位处，与该交叉部位之外的部位相比，上述主板用纬纱以及副板用纬纱的体积密度小。

Description

纤维构造体以及纤维强化复合材料
技术领域
本发明涉及纤维构造体以及通过在该纤维构造体含浸基体树脂(matrix resin)而形成的纤维强化复合材料。
背景技术
纤维强化复合材料作为轻量的构造材料而被广泛使用。作为纤维强化复合材料用的强化基材，存在织物制的纤维构造体。由该纤维构造体与基体树脂形成的复合材料作为火箭、航空器、汽车、船舶以及建筑物的构造材料而使用。
作为纤维构造体，例如存在专利文献1中公开的纤维构造体。如图6的(a)所示，专利文献1的纤维构造体80具备平板状的基板部(主板部)81和T字状的肋(副板部)82，该肋(副板部)82借助厚度方向丝线83而与上述基板部81结合在一起。
T字状的肋82包括相互结合的两个L字状的纤维构造体82a。为了将肋82与基板部81结合，在与基板部81重叠的肋82的部位贯通有厚度方向丝线83。然而，贯通有厚度方向丝线83的肋82的部位会导致纤维构造体80的重量增加以及材料费增加。
专利文献2公开了一种利用预先编织为一体的多个纤维层制造主板部和与该主板部交叉的副板部的方法。如图6的(b)所示，在专利文献2公开的制造方法中，首先，集中编织构成水平的主板部的纤维层90和构成与主板部垂直的副板部的纤维层91。两个纤维层90、91分别通过对经纱与纬纱进行织造而形成。通过将该织物从两个纤维层90、91的交叉部打开而形成主板部以及副板部，从而制造所希望的形状的纤维构造体。
专利文献1：日本特开平11－269755号公报
专利文献2：特表2011－506784号公报
然而，在通过专利文献2公开的制造方法获得的纤维构造体中，在构成水平的主板部的纤维层90与构成垂直的副板部的纤维层91之间的交叉部位处，两个纤维层90、91各自的经纱与纬纱混杂在一起，交叉部位的重量增大，纤维构造体的重量也增大。另外，在交叉部位处，单位区域中的丝线的体积密度变高，存在于交叉部位的丝线容易屈曲，交叉部位处的强度降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够抑制交叉部位处的重量的增大以及强度的降低的纤维构造体以及纤维强化复合材料。
用于解决上述问题点的纤维构造体具备：多层织物制的主板部，该主板部层叠有多层包括主板用经纱以及主板用纬纱的纤维层；以及多层织物制的副板部，该副板部层叠有多层包括副板用经纱以及副板用纬纱的纤维层，上述主板部与上述副板部以交叉的状态编织为一体。在上述主板部与上述副板部之间的交叉部位处，与该交叉部位之外的部位相比，上述主板用纬纱以及副板用纬纱的体积密度小。
附图说明
图1是示出一个实施方式的纤维强化复合材料的立体图。
图2是示出主板部、副板部、交叉部位的剖视图。
图3中，(a)是示出相互交叉的主板部前体与副板部前体的立体图，(b)是示出主板部前体与相对于该主板部前体立起的副板部前体的立体图。
图4是示出将纬纱细径化了的其他例的纤维构造体的剖视图。
图5是示出纤维构造体的又一其他例的剖视图。
图6中，(a)以及(b)是示出背景技术的图。
具体实施方式
以下，根据图1～图3对将纤维构造体以及纤维强化复合材料具体化了的一个实施方式进行说明。
如图1所示，纤维强化复合材料M是通过在纤维构造体W含浸基体树脂Ma而形成的。
首先，对纤维构造体W进行说明。
如图1以及图2所示，纤维构造体W具备矩形平板状的主板部11和与该主板部11正交的矩形平板状的副板部21。主板部11与副板部21编织为一体。副板部21作为主板部11的加强肋发挥功能。纤维构造体W呈T字状。
主板部11是通过将主板用纤维层10层叠多层(4层)而构成的多层织物制品。各主板用纤维层10是通过对强化纤维制的多根主板用经纱12与强化纤维制的多根主板用纬纱13进行织造而形成的。“强化纤维”是指：在将主板部11作为纤维强化复合材料M的纤维基材使用时起到对纤维强化复合材料M的基体树脂Ma进行强化的作用的纤维束。在本实施方式中，作为强化纤维使用碳纤维，并且主板用经纱12与主板用纬纱13是由相同的碳纤维形成的相同的丝线。
另外，多根主板用经纱12由纤维束构成且相互平行地带有直进性地排列，多根主板用纬纱13也由纤维束构成且相互平行地在与主板用经纱12交叉(正交)的方向上带有直进性地排列。各主板用纤维层10通过主板用经纱12与主板用纬纱13的平纹编织形成。主板部11在主板用纤维层10的层叠方向两端具有平面11a。各平面11a由多根主板用经纱12与多根主板用纬纱13的表面形成为矩形状。
副板部21是通过将副板用纤维层20层叠多层(4层)而构成的多层织物制品。各副板用纤维层20是通过对强化纤维制的多根副板用经纱22与强化纤维制的多根副板用纬纱23进行织造而形成的。“强化纤维”是指：在将副板部21作为纤维强化复合材料M的纤维基材使用时起到对纤维强化复合材料M的基体树脂Ma进行强化的作用的纤维束。在本实施方式中，作为强化纤维使用碳纤维，并且副板用经纱22与副板用纬纱23是由相同的碳纤维形成的相同的丝线。
另外，多根副板用经纱22由纤维束构成且相互平行地带有直进性地排列，多根副板用纬纱23也由纤维束构成且相互平行地在与副板用经纱22交叉(正交)的方向上带有直进性地排列。各副板用纤维层20通过副板用经纱22与副板用纬纱23的平纹编织形成。副板部21在副板用纤维层20的层叠方向两端具有平面21a。各平面21a由多根副板用经纱22与多根副板用纬纱23的表面形成为矩形状。
将主板用经纱12在主板部11延伸的方向设为纤维构造体W的X方向，将副板用经纱22在副板部21延伸的方向设为纤维构造体W的Z方向。将主板用纬纱13以及副板用纬纱23在主板部11以及副板部21延伸的方向设为纤维构造体W的Y方向。在该情况下，X方向与Y方向正交，Y方向与Z方向正交，X方向与Z方向正交。由此，在纤维构造体W中，副板用经纱22在副板部21延伸的方向(Z方向)与主板用经纱12在主板部11延伸的方向(X方向)正交。
在主板部11中，Z方向是主板用纤维层10的层叠方向，主板部11在Z方向两端具有平面11a。在副板部21中，X方向是副板用纤维层20的层叠方向，副板部21在X方向两端具有平面21a。主板部11的平面11a与副板部21的平面21a正交(交叉)。
在主板部11中，主板用经纱12沿X方向以直进的状态延伸，具有直进性。在主板部11中，主板用纬纱13沿Y方向以直进的状态延伸，具有直进性。对于主板用经纱12与主板用纬纱13，即便通过平纹编织相互接触由此相互沿着对方弯曲，由于主板用经纱12以及主板用纬纱13沿着各方向直进，因此也可以说主板用经纱12以及主板用纬纱13具有直进性。
在副板部21中，副板用经纱22沿Z方向以直进的状态延伸，具有直进性。在副板部21中，副板用纬纱23沿Y方向以直进的状态延伸，具有直进性。对于副板用经纱22与副板用纬纱23，即便通过平纹编织相互接触由此相互沿着对方弯曲，由于副板用经纱22以及副板用纬纱23沿着各方向直进，因此也可以说副板用经纱22以及副板用纬纱23具有直进性。
如图2所示，纤维构造体W具有主板部11与副板部21相交的交叉部位30。交叉部位30是在将主板部11与副板部21编织为一体时形成的。在交叉部位30处，沿X方向延伸的主板用经纱12与沿Z方向延伸的副板用经纱22相交(正交)。在交叉部位30处，不存在沿Y方向延伸的丝线即主板用纬纱13以及副板用纬纱23。因此，交叉部位30形成为仅由主板用经纱12与副板用经纱22形成的二轴构造。另一方面，在纤维构造体W中，主板部11是由主板用经纱12与主板用纬纱13形成的二轴构造，副板部21是由副板用经纱22与副板用纬纱23形成的二轴构造。
在交叉部位30处，单位区域S所包含的、沿Y方向延伸的丝线(主板用纬纱13以及副板用纬纱23)的数量为零。因此，在交叉部位30处，表示在单位区域S沿Y方向延伸的丝线(主板用纬纱13以及副板用纬纱23)所占的体积的比例的体积密度为零。在主板部11中，在交叉部位30之外的部位的单位区域S，作为沿Y方向延伸的丝线存在主板用纬纱13，因此该单位区域S中的主板用纬纱13的体积密度是大于零的值。另外，虽未图示，但在副板部21中，在交叉部位30之外的部位的单位区域S，作为沿Y方向延伸的丝线存在副板用纬纱23，因此该单位区域S中的副板用纬纱23的体积密度是大于零的值。因此，交叉部位30处的主板用纬纱13以及副板用纬纱23的体积密度小于交叉部位30之外的部位处的主板用纬纱以及副板用纬纱的体积密度。单位区域S是指单位长度(例如10cm)的立方体区域。
如图1所示，纤维强化复合材料M是通过在上述结构的纤维构造体W含浸基体树脂Ma而形成的。作为基体树脂Ma使用热固性树脂。基体树脂Ma含浸于主板部11以及副板部21。
接下来，对纤维构造体W的制造方法进行说明。
首先，如图3的(a)所示，利用未图示的织机对主板用经纱12与主板用纬纱13进行平纹编织而织造主板用纤维层10。该主板用纤维层10的织造同时进行多个，制造主板用纤维层10的多层构造体即主板部前体41。
在制造主板部前体41的同时，对副板用经纱22与副板用纬纱23进行平纹编织而织造副板用纤维层20。该副板用纤维层20的织造同时进行多个，制造副板用纤维层20的多层构造体即副板部前体42。
主板部前体41与副板部前体42被制造为使得主板用经纱12与副板用经纱22沿X方向延伸且主板用纬纱13与副板用纬纱23沿Y方向延伸。结果，制造出主板部前体41与副板部前体42相互重叠的平板状的纤维前体40。
在纤维前体40的制造过程中，在主板部前体41与副板部前体42交叉的时刻，不投纬主板用纬纱13与副板用纬纱23。结果，在所获得的纤维前体40中，在主板部前体41与副板部前体42之间的交叉部位30不存在主板用纬纱13以及副板用纬纱23。
此外，在纤维前体40中，主板部前体41在X方向上隔着交叉部位30而存在于两侧。平板状的主板部前体41在主板用纤维层10的层叠方向两端具有平面11a，副板部前体42在副板用纤维层20的层叠方向两端具有平面21a。副板部前体42具有：从主板部前体41的一个平面11a延伸的第一突出部42a；以及从主板部前体41的另一个平面11a延伸的第二突出部42b。对第二突出部42b并不投纬副板用纬纱23，仅对第一突出部42a进行副板用纬纱23的投纬。
接下来，如图3的(b)所示，使副板部前体42的第一突出部42a相对于主板部前体41立起，使构成第一突出部42a的副板用经纱22相对于主板部前体41的主板用经纱12正交。另一方面，将副板部前体42的第二突出部42b从接近交叉部位30的根部切断，将第二突出部42b从纤维前体40切除。这样，利用主板部前体41与副板部前体42制造出T字状的纤维构造体W。
在T字状的纤维构造体W含浸热固性的基体树脂Ma并使其固化。基体树脂Ma的含浸固化通过RTM(树脂传递模塑，Resin TransferMolding)法进行。具体而言，将纤维构造体W封入于具有凹凸的模具，并向模具内注入热固性的基体树脂Ma且使之固化，由此制造出纤维强化复合材料M。
根据上述实施方式，能够获得如下的效果。
(1)在T字状的纤维构造体W中，主板部11与副板部21之间的交叉部位30不包括主板用纬纱13以及副板用纬纱23，主板用纬纱13以及副板用纬纱23的体积密度在交叉部位30处比在交叉部位30之外的部位小。因此，与在交叉部位30除了主板用经纱12与副板用经纱22之外还存在主板用纬纱13与副板用纬纱23的情况相比，能够减薄交叉部位30的厚度，减轻纤维构造体W的重量。
另外，与在交叉部位30存在主板用纬纱13与副板用纬纱23的情况相比，形成交叉部位30的主板用经纱12以及副板用经纱22变得难以弯曲。结果，在交叉部位30处，能够保证主板用经纱12以及副板用经纱22的直进性，能够抑制交叉部位30的强度降低。
(2)作为制造T字状的纤维构造体W的方法，如背景技术一栏中说明过的那样，存在将呈T字状的另行形成的织物与平板状的织物结合的方法。在该情况下，另行形成的织物形成为作为相对于平板状的织物的结合余量而具有凸缘的结构，因而纤维构造体的重量增加，材料费也增加。然而，本实施方式的纤维构造体W是通过将主板部11与副板部21编织为一体而形成的，因而不需要成为结合余量的凸缘，能够减少重量以及材料费。
此外，对于T字状的另行形成的织物，如在背景技术一栏中说明过的那样，存在将两个屈曲成L字状的织物结合在一起而形成的情况。在该情况下，在L字状的屈曲部处强度降低。纤维强化复合材料的强度为纤维构造体中强度最低的部位处的强度。因此，若在纤维构造体存在屈曲成L字状的部分，则即便凸缘与平板状的织物结合而该结合部处的强度比屈曲的部分的强度高，结合部也只不过是强度不必要地变高的部分，只会导致重量增加。
然而，本实施方式的纤维构造体W尽管呈T字状，但却是使主板部11以及副板部21交叉并编织为一体而形成的，不存在L字状的织物那样的屈曲部，因此强度降低的部分也消失，也不存在不需要的部分。
(3)在主板部11中，主板用经纱12保持直进性，在副板部21中，副板用经纱22保持直进性。因此，主板部11以及副板部21处的强度难以降低。
此外，上述实施方式可以按照以下方式变更。
○如图4所示，交叉部位30也可以包括主板用纬纱33。更具体而言，主板部11在交叉部位30处也可以具有包括主板用经纱12与主板用纬纱33的编织构造。在该情况下，存在于交叉部位30的主板用纬纱33比存在于交叉部位30以外的主板部11的主板用纬纱13以及存在于交叉部位30以外的副板部21的副板用纬纱23细，交叉部位30处的沿Y方向延伸的丝线(主板用纬纱33)的体积密度小于交叉部位30之外的部位处的体积密度。
在以这种方式构成的情况下，交叉部位30具有包括主板用纬纱33的编织构造，由此，与不存在沿Y方向延伸的丝线的情况相比，能够提高交叉部位30处的形状保持性。
在交叉部位30处使用的沿Y方向延伸的丝线也可以是副板部21所包含的副板用纬纱。即，副板部21在交叉部位30也可以具有包括副板用经纱22与副板用纬纱的编织构造。或者，在交叉部位30处使用的沿Y方向延伸的丝线也可以是构成主板部11的主板用纬纱33与构成副板部21的副板用纬纱双方。
○如图5所示，在主板部11中，多个主板用纤维层10彼此也可以借助厚度方向丝线14而在层叠方向(厚度方向)上结合在一起。在副板部21中，多个副板用纤维层20彼此也可以借助厚度方向丝线24而在层叠方向(厚度方向)上结合在一起。
在以这种方式构成的情况下，在织造纤维前体40时，能够抑制在主板部前体41中主板用纤维层10散开这一情况，且能够抑制在副板部前体42中副板用纤维层20散开这一情况。
○在实施方式中，主板部11中的主板用经纱12的延伸方向与副板部21中的副板用经纱22的延伸方向正交，但主板用经纱12的延伸方向与副板部21中的副板用经纱22的延伸方向也可以从正交稍稍偏离。
○在制造纤维前体40的交叉部位30之外的部位时，例如可以减慢(减少)主板用经纱12的送出速度(送出量)，增多主板用纬纱13的根数，从而增大沿Y方向延伸的丝线的体积密度。这样，在交叉部位30处，与交叉部位30之外的部位相比，主板用纬纱13的根数变少，沿Y方向延伸的丝线的体积密度比交叉部位30之外的部位小。
○主板部11以及副板部21的编织组织也可以不是平纹组织，可以是缎纹组织或斜纹组织。
○主板部11以及副板部21分别由平纹组织之类的编织组织形成，但并不限于此。例如，在主板部11中，可以在将多根主板用经纱12相互平行地排列而形成的纤维层上层叠将多根主板用纬纱13相互平行地排列而形成的纤维层，并将上述纤维层彼此利用厚度方向丝线结合从而形成为多层织物。在该情况下，主板部11为2轴取向，但并不限于此，也可以增加丝线而形成为3轴取向或4轴取向。同样，在副板部21中，可以在将多根副板用经纱22相互平行地排列而形成的纤维层上层叠将多根副板用纬纱23相互平行地排列而形成的纤维层，并将上述纤维层利用厚度方向丝线结合从而形成为多层织物。在该情况下，副板部21为2轴取向，但并不限于此，也可以增加丝线而形成为3轴取向或4轴取向。
○在实施方式中，作为基体树脂Ma使用了热固性树脂，但也可以使用其他种类的树脂。
○在实施方式中，主板部11的主板用纤维层10的数量为4层，但也可以为2层、3层或5层以上。副板部21的副板用纤维层20的数量为4层，但也可以为2层、3层或5层以上。
○在纤维构造体W含浸基体树脂Ma并使其固化从而制造纤维强化复合材料M的方法并不限于RTM法。

Claims (7)

1.一种纤维构造体，具备：
多层织物制的主板部，该主板部层叠有多层包括主板用经纱以及主板用纬纱的纤维层；以及
多层织物制的副板部，该副板部层叠有多层包括副板用经纱以及副板用纬纱的纤维层，
所述主板部与所述副板部以交叉的状态编织为一体，
所述纤维构造体的特征在于，
在所述主板部与所述副板部之间的交叉部位处，与该交叉部位之外的部位相比，所述主板用纬纱以及副板用纬纱的体积密度小。
2.根据权利要求1所述的纤维构造体，其特征在于，
所述交叉部位仅包括所述主板用经纱与所述副板用经纱。
3.根据权利要求1所述的纤维构造体，
所述交叉部位构成为不包括所述主板用纬纱以及所述副板用纬纱。
4.根据权利要求1所述的纤维构造体，其特征在于，
在所述交叉部位处，与该交叉部位之外的部位相比，所述主板用纬纱以及所述副板用纬纱中的至少一方较细。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的纤维构造体，其特征在于，
所述副板部相对于所述主板部正交，所述纤维构造体呈T字状。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的纤维构造体，其特征在于，
所述副板部作为加强肋发挥功能。
7.一种纤维强化复合材料，其特征在于，
具备权利要求1～6中任一项所述的纤维构造体以及含浸于所述纤维构造体的基体树脂。
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