CN108025463A - 具有孔的成型件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种包含碳纤维和热塑性树脂的成型件，所述成型件设置有孔h1，其中成型件具有围绕孔h1的区域a，区域a中板厚度方向的线性膨胀系数C1与区域a之外成型件区域中的线性膨胀系数C2之间的关系为C1/C2<1，并且区域a的碳纤维体积分数Vf1与区域a之外成型件区域的碳纤维体积分数Vf2的关系为0.2<Vf1/Vf2。

Description

具有孔的成型件及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种设置有孔的成型件，该成型件包括碳纤维和热塑性树脂，以及一种该成型件的制造方法
背景技术
近年来，分别包括碳纤维和热塑性树脂的所谓的纤维增强树脂成型件引起了注意。这些纤维增强树脂成型件由于热塑性树脂中碳纤维的存在而在机械性质方面优秀，并且作为汽车等的结构材料而引起注意。这些纤维增强树脂成型件能够使用包括冷压的压缩成型等而成型为目标形状。此外，作为纤维增强树脂成型件，已公知在成型件的一部分处具有孔的成型件。
作为这样的具有孔的纤维增强树脂成型件的制造方法，例如，专利文献1描述了一种发明，其中在成型材料上预先设置对应于成型件的开孔的开口部分，随后进行预加热，并且对成型材料进行压缩成型以获得成型件。
此外，专利文献2公开了一种紧固结构，其中通孔的周边部分有意地形成为薄弱部分并且容易被破坏。
背景技术文件
专利文献
专利文献1：JP-A-10-100175
专利文献2：JP-A-2015-44339
发明内容
本发明待解决的问题
然而，在专利文献1描述的方法中，在设置有开孔的成型件的流动成型时，成型材料中包含的纤维不流动并且开孔的周边部分仅由树脂的流动形成，使得开孔的周边部分变为富树脂状态并且因此开孔的周边部分的机械强度降低。
另一方面，在专利文献2描述的方法中，由于孔的周边部分与其他部分的线性膨胀系数相同，所以难以局部地改善孔部分的尺寸稳定性。
因此，本发明的目的是提供一种具有孔的成型件，其中实现了孔周边部分的机械强度和尺寸稳定性两者，以及一种该成型件的制造方法。
解决问题的手段
为了解决上述问题，本发明提供下列的方案。
[1]
一种成型件，包括碳纤维和热塑性树脂，所述成型件设置有孔h1，所述成型件具有孔h1周围的区域a，
其中所述区域a在所述板厚度方向中的线性膨胀系数C1和所述区域a之外的成型件区域在所述板厚度方向中的线性膨胀系数C2满足C1/C2<1的关系，并且
所述区域a中碳纤维的体积分数Vf1与所述区域a之外的成型件区域中碳纤维的体积分数Vf2满足0.2<Vf1/Vf2的关系。
[2]
根据[1]所述的成型件，其中所述碳纤维是重均纤维长度为Lw的不连续碳纤维，并且
所述区域a是所述孔h1的内壁面W1和假想的外壁面W2环绕的区域，所述假想的外壁面W2在与所述内壁面W1具有距离Lw的位置中平行于所述内壁面W1描绘。
[3]
根据[1]或者[2]所述的成型件，其中所述区域a中碳纤维的体积分数Vf1与所述区域a之外的成型件区域中碳纤维的体积分数Vf2满足0.2<Vf1/Vf2<1.2的关系。
[4]
根据[1]至[3]中任一项所述的成型件，其中所述热塑性树脂的线性膨胀系数Cm满足Cm/C2<1。
[5]
根据[1]至[4]中任一项所述的成型件，其中所述线性膨胀系数C1为22×10-5/℃以下。
[6]
根据[1]至[5]中任一项所述的成型件，其中所述碳纤维的重均纤维长度Lw为1至100mm。
[7]
根据[6]所述的成型件，其中包含在所述区域a之外的成型件区域中的碳纤维在面内方向二维随机分散；并且
所述区域a之外的成型件区域在所述面内方向中的线性膨胀系数C3为大于0且2.0×10-5/℃以下。
[8]
根据[1]至[7]中任一项所述的成型件，其中，所述成型件中包含的碳纤维是碳纤维束(A)、碳纤维束(B1)和/或单一碳纤维(B2)的混合物，所述碳纤维束(A)各自由下式(1)限定的临界单纤维数量以上的临界单纤维构成，所述碳纤维束(B1)各自由小于所述临界单纤维数量的单纤维构成，所述碳纤维束(A)与所有纤维的比例大于5vol％且小于99vol％，并且所述碳纤维束(A)中单纤维的平均数量(N)满足下式(2)的要求：
临界单纤维数量＝600/D (1)
0.6×104/D2<N<6×105/D2 (2)
其中D表示所述碳纤维的平均纤维直径(μm)。
[9]
一种通过冷压制造成型件的方法，所述成型件包含碳纤维和热塑性树脂，所述成型件设置有孔h1，所述方法包括：
向厚度为t的成型材料中钻孔h0；以及
在钻孔h0之后，将成型材料放置在一对雌雄模具中，所述雌雄模具中的至少一个具有用于形成孔h1的孔形成部件，使得所述孔h0对应于所述孔形成部件放置，其中
在将成型材料放置在所述模具中时，所述成型材料的孔h0的内壁面W0与孔形成部件之间的平均距离Lf为0<Lf<10t，
其中，所述成型件具有围绕所述孔h1的区域a，所述区域a在所述板厚度方向中的线性膨胀系数C1与所述区域a之外的成型件区域在所述板厚度方向中的线性膨胀系数C2之间满足关系C1/C2<1，并且所述区域a中碳纤维的体积分数Vf1与所述区域a之外的成型件区域中碳纤维的体积分数Vf2满足关系0.2<Vf1/Vf2。
[10]
根据[9]所述的制造成型件的方法，其中，在将成型材料放置在所述模具中时，所述成型材料的孔h0的内壁面W0与所述孔形成部件之间的平均距离Lf为大于0mm且Lmax以下，
其中Lmax是所述碳纤维的最大纤维长度。
[11]
根据[9]或者[10]所述的制造成型件的方法，其中所述碳纤维是重均纤维长度为Lw的不连续碳纤维，并且
所述区域a是所述孔h1的内壁面W1和假想的外壁面W2环绕的区域，所述假想的外壁面W2在与所述内壁面W1具有距离Lw的位置中平行于所述内壁面W1描绘。
[12]
根据[9]至[11]中任一项所述的制造成型件的方法，其中，在将成型材料放置在所述模具中时，所述成型材料的孔h0的内壁面W0与所述孔形成部件之间的平均距离Lf为所述碳纤维的最大纤维长度Lmax的十分之一以上且Lmax以下。
[13]
根据[9]至[12]中任一项所述的制造成型件的方法，其中所述孔h0在所述模具的拔模方向的投影面积相对于所述孔形成部件在所述模具的拔模方向的投影面积为101％以上且2,000％以下。
本发明的效果
根据本发明的设置有孔的成型件和该成型件的制造方法，在不降低孔周边部分的机械性质的情况下，能够将板厚度方向中的孔周边部分的线性膨胀系数设计为低的，并且板厚度方向中的孔周边部分的尺寸稳定性变得优秀。
附图说明
图1是示出本发明的成型件的实例的示意图。
图2是图1中“103-103'”的截面图。
图3是示出成型件的实例的制造方法的示意图。
图4是示出具有两个孔的成型件的实例的示意图。
图5是示出具有两个孔的成型件的实例的制造方法的示意图。
图6是本发明的各自设置有孔h1的两个成型件重叠并紧固的示意图。
图7是示出实施例11中成型材料的孔h0和孔形成部件的示意图。
图8是示出实施例12中成型材料的孔h0和孔形成部件的示意图。
附图标记说明
101 成型件
201 代表区域a的范围
301 设置有孔h0的成型材料
302 孔形成部件
303 模具的下模
304 模具的上模
305 成型材料的孔h0的内壁面W0与孔形成部件之间的距离
501 设置有孔h0和孔h0-2的成型材料
601 本发明的各自设置有孔h1的两个成型件重叠并紧固的紧固件
602 使用树脂铆钉叠铆的紧固棒
h0 设置于成型材料的孔
h0-2 设置于成型材料的孔h0之外的第二孔
h1 设置于成型件的孔
h1-2 设置于成型件的孔h1之外的第二孔
W1 内壁面
W2 假想的外壁面
W0 成型材料的孔h0的内壁面
具体实施方式
本说明书所示的“成型材料”是指对成型件进行成型之前的材料，并且也简称为“成型材料”。
[碳纤维]
作为在本发明中使用的碳纤维，公知聚丙烯腈(PAN)系碳纤维、石油和煤沥青系碳纤维、人造丝系碳纤维、纤维素系碳纤维、木质素系碳纤维、苯酚系碳纤维、气相生长碳纤维等。在本发明中，能够适当地使用任意这些类型的碳纤维。
其中，在本发明中，从优秀的拉伸强度的观点，优选使用聚丙烯腈(PAN)系碳纤维。在PAN系碳纤维用作碳纤维的情况下，其拉伸模量优选为在100GPa至600GPa的范围内，更优选为在200GPa至500GPa的范围内，并且进一步更优选为230GPa至450GPa的范围内。其拉伸强度优选为在2,000MPa至10,000MPa的范围内，并且更优选为在3,000MPa至8,000MPa的范围内。
本发明中使用的碳纤维可以是具有粘附至其表面的上浆剂的碳纤维。在使用具有粘附的上浆剂的碳纤维的情况下，上浆剂的类型能够根据碳纤维的类型和基质树脂的类型而适当地选择，而不特别限定。
(纤维长度)
本发明中使用的碳纤维的纤维长度不特别限定，并且能够使用连续纤维和不连续碳纤维。
本发明中使用的碳纤维是优选为具有1～100mm的重均纤维长度Lw的不连续碳纤维。不连续碳纤维的重均纤维长度优选为3～80mm，并且进一步更优选为5～60mm。当重均纤维长度为100mm以下时，成型材料的流动性不降低，并且在压模成型期间容易获得期望的成型件形状。另一方面，当重均纤维长度为1mm以上时，成型件的机械强度不降低，并且因此该情形是优选的。此外，可以组合使用具有1～100mm的重均纤维长度Lw的不连续碳纤维和连续碳纤维。
在本发明中，可以组合使用纤维长度彼此不同的碳纤维。换言之，本发明中待使用的碳纤维可以具有重均纤维长度的单一峰或者多个峰。
例如，能够通过从成型件随机提取100根碳纤维，用游标卡尺等测量每根碳纤维的长度至1mm的量级，并且基于下式(a)计算平均长度而确定碳纤维的平均纤维长度。
顺便提及，当由Li表示每根碳纤维的长度并且由j表示测量的碳纤维数量时，则使用下列公式(a)和(b)确定数均纤维长度(Ln)和重均纤维长度(Lw)。
Ln＝ΣLi/j...式(a)
Lw＝(ΣLi2)/(ΣLi)...式(b)
在纤维长度为恒定长度的情况下，数均纤维长度和重均纤维长度变为相同的值。
例如，能够通过在烤箱中对成型件进行约500℃的热处理1小时以去除树脂而进行从成型件的碳纤维提取。
(纤维直径)
可以根据碳纤维的类型适当地确定本发明中使用的碳纤维的纤维直径，并且不特别限定。通常，平均纤维直径典型地优选为在3μm至50μm的范围内，更优选为在4μm至12μm的范围内，并且进一步更优选为在5μm至8μm的范围内。此处，平均纤维直径是指单根碳纤维的直径。因此，在碳纤维为纤维束形式的情况下，该术语不是指纤维束的直径，而是指构成纤维束的碳纤维(单纤维)的直径。能够通过例如JIS R-7607:2000中描述的方法确定碳纤维的平均纤维直径。
(碳纤维的体积分数)
通过下式(c)限定的成型件(包括区域a和区域a之外的成型件区域两者的整个成型件)中包含的碳纤维的体积分数(以下有时简称为“Vf”)不特别限定，但是成型件中碳纤维的体积分数(Vf)优选为10～60vol％，更优选为20～50vol％，进一步更优选为25～45vol％。
碳纤维的体积分数(Vf)＝100×[(碳纤维体积)/(碳纤维体积+热塑性树脂体积)]式(c)
在成型件中碳纤维的体积分数(Vf)为10vol％以上的情况下，容易获得期望的机械性质。另一方面，在成型件中碳纤维的体积分数(Vf)不超过60vol％的情况下，在压模成型等中使用时的流动性是令人满意的，并且容易获得期望的成型件形状。
顺便提及，稍后将提及区域a中碳纤维的体积分数Vf1和区域a之外的成型件区域中碳纤维的体积分数Vf2之间的关系。
[单位面积重量]
不特别限定成型件中碳纤维的单位面积重量。然而，单位面积重量通常为25g/m2至10,000g/m2。
[纤维形式]
不论碳纤维的类型，本发明中使用的碳纤维可以为由单纤维构成的单纤维形式或者为各自由多个单纤维构成的纤维束形式。
本发明中使用的碳纤维可以包含纤维束形式的碳纤维。在使用纤维束形式的碳纤维的情况下，构成每根纤维束的单纤维的数量在每个纤维束中可以大致相同或者可以彼此不同。
在本发明中使用的碳纤维为纤维束形式的情况下，不特别限定构成每根纤维束的单纤维的数量。然而，其数量通常在1,000至100,000的范围内。
通常，可获得的碳纤维为分别由数千至数万根单丝聚集到一起构成的纤维束形式。当这样使用碳纤维时，纤维束缠结的部分变为局部增厚，并且因此有时难以获得薄的成型件。因此，这样的碳纤维通常在对纤维束进行扩宽或开纤后使用。
在使用前对纤维束进行开纤的情况下，不特别限定开纤的纤维束的开纤程度。然而，优选的是控制纤维束中的开纤程度使得待使用的碳纤维包括各自由特定数量以上的碳纤维构成的碳纤维束和各自由小于特定数量的碳纤维构成的碳纤维(单纤维)或者碳纤维束。在此情况下，具体地，通过下式(1)限定临界单纤维数量，将各自由临界单纤维数量以上的单纤维构成的碳纤维束(A)、各自由小于临界单纤维数量的单纤维构成的碳纤维束(B1)和/或单一碳纤维(B2)混合，并且碳纤维束(A)与所有纤维的比例优选为从大于0vol％至99vol％，更优选为从大于5vol％至99vol％，进一步更优选为20vol％以上且小于99vol％，特别优选为30vol％以上且小于95vol％。优选的是碳纤维束(A)与总纤维量的比例落入上述范围。此外，碳纤维束(A)中单纤维的平均数量(N)优选为满足下式(2)。
临界单纤维数量＝600/D (1)
0.6×104/D2<N<6×105/D2 (2)
其中D是碳纤维的平均纤维直径(μm)。
如上所述，当各自由特定数量以上的碳纤维构成的碳纤维束和开纤的碳纤维或者上述束之外的碳纤维束以特定比率共存时，变得能够增加成型件中碳纤维的含量，即，纤维的体积分数(Vf)，使得该情形是优选的。
此外，在碳纤维束(A)的单纤维的平均数量(N)大于0.6×104/D2的情况下，容易获得更高体积分数(Vf)的碳纤维，并且因此容易获得具有优秀的强度的纤维增强塑料。此外，在碳纤维束(A)中单纤维的平均数量(N)小于6×105/D2的情况下，产生局部增厚部分的倾向变小，并且发生空隙的倾向变小。单纤维的平均数量(N)更优选的范围为0.6×104/D2<N<1×105/D2。
(二维随机)
区域a之外的成型件区域包括的碳纤维优选为在成型件的面内方向内二维随机分散。然而，不需要碳纤维在区域a之外的成型件区域的所有范围内二维随机地分散，并且碳纤维可以在部分范围内二维随机地分散。
此处短语“二维随机地分散”是指碳纤维在成型件的面内方向无序定向而不在任意特定方向对齐的状态，并且布置为整体不显示任意的特定方向性。使用这样的二维随机地分散的不连续纤维获得的成型件为不具有面内各向异性的大致各向同性的成型材料。
此外，成型件的面内方向是垂直于成型件的板厚度方向的方向(图1和图4中的XY方向)。与指示明确方向的纵向和横向相反，术语“面内方向”指同一平面(垂直于板厚度方向的平行平面)中不确定的方向。
在本发明的成型件中，板厚度方向是成型件的厚度方向以及图1、图2和图4所示的Z方向。在取决于成型件的形状而存在多个厚度方向的情况下，所述方向是其中对象孔h1延伸的方向。
顺便提及，通过确定互相垂直的两个方向的拉伸模量的比率而评价二维随机状态的定向程度。在相对于成型件的任意方向和垂直于所述任意方向的方向测量的拉伸模量的值中，当用较大的值除以较小的值获得的比率(Eδ)为2以下，更优选为1.5以下，进一步更优选为1.3以下时，能够评价碳纤维是二维随机地分散的。
在碳纤维二维随机地分散的情况下，当制造具有第二孔h1-2的成型件时，相比于通过切割设置孔的情形，两个孔之间的距离的位置精度极大地提高。
[热塑性树脂]
不特别限定本发明中使用的热塑性树脂，并且能够根据例如成型件的应用而适当地选择并使用具有期望的软化点或者熔点的热塑性树脂。
作为热塑性树脂，通常使用软化点在180℃至350℃的范围内的热塑性树脂。然而，使用的热塑性树脂不限于此。
热塑性树脂的实例包括：聚烯烃系树脂，诸如聚乙烯树脂、聚丙烯树脂、聚丁二烯树脂、聚甲基戊烯树脂、氯乙烯树脂、偏二氯乙烯树脂、醋酸乙烯酯树脂、以及聚(乙烯醇)树脂；苯乙烯系树脂，诸如聚苯乙烯树脂、丙烯腈/苯乙烯树脂(AS树脂)、以及丙烯腈/丁二烯/苯乙烯树脂(ABS树脂)；聚酰胺系树脂，诸如聚酰胺-6树脂(尼龙-6)、聚酰胺-11树脂(尼龙-11)、聚酰胺-12树脂(尼龙-12)、聚酰胺-46树脂(尼龙-46)、聚酰胺-66树脂(尼龙-66)、以及聚酰胺-610树脂(尼龙-610)；聚酯树脂，诸如聚(对苯二甲酸乙二醇酯)树脂、聚(萘二甲酸乙二酯)树脂、聚(对苯二甲酸丁二醇酯)树脂、聚(对苯二甲酸丙二醇酯)树脂；以及液晶聚酯；聚缩醛树脂；聚碳酸酯树脂；聚甲醛树脂；(甲基)丙烯酸树脂，诸如聚(甲基丙烯酸甲酯)；聚芳酯树脂；聚(苯撑醚)树脂；改性的聚(苯撑醚)树脂；热塑性聚酰亚胺树脂；聚(酰胺-酰亚胺)树脂；聚醚酰亚胺树脂；聚醚腈树脂；酚氧树脂；聚(苯硫醚)树脂；聚砜树脂；改性的聚砜树脂；聚(醚砜)树脂；聚酮树脂；聚醚酮树脂；聚醚醚酮树脂；聚醚酮酮树脂；聚氨酯树脂；氟树脂，诸如聚四氟乙烯；以及聚苯并咪唑树脂。
一种热塑性树脂可以在本发明中单独用作热塑性树脂，或者在本发明中可以使用两种以上热塑性树脂。其中组合使用两种以上热塑性树脂的实施方式的实例包括其中组合使用不同软化点或者熔点的热塑性树脂的实施方式和其中组合使用平均分子量不同的热塑性树脂的实施方式。然而，实施方式不限于此。
[成型材料的制造方法]
本发明中使用的成型材料能够通过使用一般已知的方法制造。例如，US专利No.8946342和JP2013-49208A精确地描述了作为成型材料前体的二维随机布置的毡和该二维随机布置的毡的制造方法。
[成型件]
本发明中成型件是包括碳纤维和热塑性树脂的成型件，该成型件设置有孔h1，其中成型件具有围绕孔h1的区域a，其中区域a在板厚度方向中的线性膨胀系数C1和区域a之外的成型件区域在板厚度方向中的线性膨胀系数C2满足C1/C2<1的关系。
(孔h1)
本发明的孔h1是设置为向成型件的板厚度方向开口的孔，并且例如可以提及图1中h1示出的孔。孔h1优选为通孔。
不特别限定孔h1的形状并且从板厚度方向观察孔的形状可以是例如圆形、椭圆形、诸如三角形或者矩形的任意的各种多角形形状、或者不确定的形状。优选的形状是圆形、椭圆形、或者三角形，并且更优选的形状为圆形。此外，在形状是圆形的情况下，虽然其取决于稍后提及的孔形成部件，但是形状优选为直径为1mm以上且100mm以下的圆形，更优选为直径为5mm以上且50mm以下的圆形。
不特别限定孔h1的作用，但是例如，包括使紧固棒穿过孔的作用、确定参考位置的作用、避免与另一部件的干扰的作用、以及其他作用。
(区域a)
本发明中限定的区域a是孔h1的内壁面W1和在与内壁面W1具有距离Lw(Lw是成型件中包含的碳纤维的重均纤维长度)的位置中平行于内壁面W1描绘的假想的外壁面W2环绕的区域(例如，图2中的201)。
区域a优选为孔h1的内壁面W1与在与内壁面W1具有距离20mm的位置中平行于内壁面W1描绘的假想的外壁面W2环绕的区域。
在成型件的面内方向的任意面中，在板厚度方向上观看，由内壁面W1形成的图形和由假想的外壁面W2生成的图形彼此相似。
此外，区域a是从孔h1的内壁面W1连续的区域，并且区域a包括碳纤维在三维定向的部分。
(板厚度方向的线性膨胀系数)
在本发明中，区域a在板厚度方向中的线性膨胀系数C1和区域a之外的成型件区域在板厚度方向中的线性膨胀系数C2满足C1/C2<1的关系。
线性膨胀系数是通过增加或者降低温度导致的目标的膨胀或者收缩的比率与温度变化的比例，特别表示长度的变化，并且通过每单位温度应变表示。单位表示为/℃或者％/℃。其也称作线性膨胀系数。顺便提及，在作为预处理将测试样本在110℃下真空干燥24小时后，线性膨胀系数的测量可以如下进行。
测试样本的形状：样品切割为板厚度方向×面内方向×面内方向的长方体形状并且在板厚度方向被压缩(测量)。板厚度方向是图1、图2、及图4中的Z方向。
测试机的模型：TMA/SS7100(由Seiko Instruments Inc.制造)
温度增加率：5℃/min
测试负荷：49mN的压缩负荷
探针直径：2.9mm
测量气氛：氮气气氛下(100ml/分钟)
测试温度范围：25～200℃
(板厚度方向中线性膨胀系数的关系)
在C1/C2<1的情况下，在作为孔h1周边的区域a中的尺寸稳定性提高。传统上，仅控制整个成型件的线性膨胀系数，但是，在本发明中，相比于整个成型件的线性膨胀系数，线性膨胀系数仅在作为孔h1周边的区域a中降低。由于相比于提高整个成型件的板厚度方向中的尺寸稳定性的情形，可以局部地控制孔的周边部分的线性膨胀系数，所以这在生产上是极其有利的。
不特别限定实现C1/C2<1特定方法，但是可以提及将孔h0设置于稍后提及的成型材料中并且使成型材料在成型时流动以形成孔h1的方法，以及通过特别地仅在区域a中使用低线性膨胀系数的树脂或者通过仅在区域a中有意地朝着板厚度方向定向碳纤维。
为了有利于制造方法，优选的是将孔h0设置于稍后提及的成型材料中并且使成型材料在成型时流动以形成孔h1。
C1/C2优选为满足C1/C2<0.9，更优选为C1/C2<0.7，进一步更优选为C1/C2<0.5，最优选为C1/C2<0.3。
不特别限定线性膨胀系数C1的具体值，但是优选为22×10-5/℃以下，更优选为15×10-5/℃以下，进一步更优选为10×10-5/℃以下。当线性膨胀系数C1为22×10-5/℃以下时，例如，在将诸如树脂铆钉的紧固棒插入到孔h1中并且进行紧固的情况下，紧固是稳定的。
(热塑性树脂的线性膨胀系数)
本发明中的线性膨胀系数C2优选为满足Cm/C2<1，其中Cm表示热塑性树脂的线性膨胀系数。
线性膨胀系数C2大于线性膨胀系数Cm的事实表明，通过将碳纤维并入热塑性树脂增加了板厚度方向的线性膨胀系数。
作为满足Cm/C2<1的原因，本发明人考虑了下列的(i)和(ii)。
(i)是因为，在碳纤维不在板厚度方向定向并且向一个方向分散、或者在面内方向各向异性地分散、或者在面内方向中二维随机地分散的情况下，热塑性树脂难以向区域a之外的成型件区域中碳纤维的定向方向膨胀，并且因此热塑性树脂主动地向板厚度方向膨胀。
(ii)是因为，在碳纤维是不连续碳纤维的情况下，通过在区域a之外的成型件区域回弹，碳纤维容易向板厚度方向膨胀。顺便提及，“回弹”是在压缩和固定的碳纤维集合中，当固定失效或者变弱时，集合倾向于回到压缩前的状态的现象。
通过满足Cm/C2<1的事实，例如，在使用本发明的紧固件制造成型件的情况下，展现质量上极度不同的效果，即在孔h1的周边(区域a)维持尺寸稳定性的同时，在成型件的间隙中的高温下的密封效果提高。
图6示出特定实例。图6示出本发明的两个成型件的孔h1重叠并由铆钉紧固的截面示意图。在图6绘制的紧固件(图6中的601)中，制作各自设置有本发明的孔h1的两个成型件(图6中的101)并层叠，随后将由树脂等(图6中602)制成的铆钉插入到孔h1中，并且叠铆并紧固两个成型件。此时，由于在包括区域a的部分进行叠铆和紧固，板厚度方向中紧固部分周边的尺寸稳定性是优秀的。另一方面，在区域a之外的成型件区域中，特别是在高温下成型件倾向于在板厚度方向膨胀(图6中箭头方向)。从而，成型件(图6中的101)之间的间隙变窄并且因此紧固件处的密封效果增加。
顺便提及，相比于热塑性树脂的线性膨胀系数，热固性树脂的线性膨胀系数非常小。
(在面内方向中的线性膨胀系数C3)
在本发明的成型件中，优选的是包含在区域a之外的成型件区域中的碳纤维在面内方向中二维随机地分散，并且区域a之外的成型件区域在面内方向中的线性膨胀系数C3为大于0且2.0×10-5/℃以下。面内方向中的线性膨胀系数C3更优选为0.10×10-5/℃以上且2.0×10-5/℃以下。在该范围内时，在制造具有第二孔h1-2的成型件的情况下，因为孔的定位变得容易而展现优秀的效果(在图1和图4中面内方向为XY方向)。
然而，不需要使在区域a之外的成型件区域的全部范围内的在面内方向中的线性膨胀系数落入上述范围，并且成型件可以是线性膨胀系数部份地落入上述范围的成型件。
孔h1-2是不同于孔h1的另一个新孔，并且例如是指图4中的h1-2。
顺便提及，关于面内方向中线性膨胀系数C3的测量，在用于测量上面提及的板厚度方向中的线性膨胀系数的方法中，将压缩方向(测量方向)改变为面内方向就足以测量。
(成型件的厚度)
本发明的成型件的厚度不特别限定，并且优选为在0.01mm至100mm的范围内，优选为在0.01mm至10.0mm的范围内，并且更优选为在0.1至5.0mm的范围内。
此外，区域a中成型件的厚度T1与区域a之外的成型件区域中成型件的厚度T2不特别限定，但是优选为满足0.5<T1/T2<1.5，优选为0.8<T1/T2<1.2，并且进一步更优选为0.9<T1/T2<1.1(大致相同厚度)。
在本发明使用的成型件具有多层层叠的构造的情况下，上述厚度不是指每层的厚度而是指合计每层厚度的整个成型件的厚度。
本发明中使用的成型件可以具有由单层构成的单层结构，或者可以具有多层层叠的层叠结构。
成型件具有上述层叠结构的实施方式可以是具有相同组成的多层层叠的实施方式，或者组成互不相同的多层层叠的实施方式。
(区域a中碳纤维的体积分数Vf1与区域a之外的成型件区域中碳纤维的体积分数Vf2之间的关系)
在本发明中，如上文提及，成型件中包含的碳纤维的体积分数(Vf)不特别限定，但是区域a中碳纤维的体积分数Vf1与区域a之外的成型件区域中碳纤维的体积分数Vf2满足0.2<Vf1/Vf2的关系。
当满足0.2<Vf1/Vf2时，区域a的机械强度良好，而当满足0.2≥Vf1/Vf2(区域a富树脂)时，孔周围的纤维不足，使得孔本身的尺寸精度降低。
Vf1/Vf2优选为满足0.2<Vf1/Vf2<1.2，更优选为0.5<Vf1/Vf2≤1.0的关系。
顺便提及，在通过造纸法等使用碳纤维完全开纤状态下的成型材料进行成型的情况下，区域a变为富树脂并且紧固部分的机械强度降低。
[成型件的制造方法(冷压方法)]
作为优选的制造本发明的成型件的成型方法，采用使用冷压的按压成型。
在冷压方法中，例如，将加热至第一预定温度的成型材料投入设定为第二预定温度的模具中，并且随后加压并冷却。
具体地，在构成成型材料的热塑性树脂为晶体的情况下，第一预定温度为熔化温度以上并且第二预定温度低于熔化温度。当热塑性树脂为无定形时，第一预定温度为玻璃转化温度以上并且第二预定温度低于玻璃转化温度。
即，冷压方法至少包括下列的步骤A-1)和A-2)。
步骤A-1)：当树脂为晶体时将成型材料加热至热塑性树脂的熔化温度至分解温度的范围内的温度，而当树脂为无定形时将成型材料加热至热塑性树脂的玻璃转化温度至分解温度的范围内的温度的步骤。
步骤A-2)：当树脂为晶体时将在步骤A-1)中加热的成型材料放置在温度调整至低于热塑性树脂的熔化温度的模具中，而当树脂为无定形时将成型材料放置在温度调整至低于玻璃转化温度的模具中，并且对模具施加压力的步骤。
通过实施这些步骤，能够完成成型材料的成型。
顺便提及，在投入模具时，能够使用一个(单一的)或者两个以上的成型材料以适应目标成型件的板厚度。在使用两个以上成型材料的情况下，两个以上的成型材料可以预先层叠和加热，或者加热的成型材料可以层叠并随后投入模具中，或者加热的成型材料可以在模具中一一层叠。同时，在层叠两个以上成型材料的情况下，优选的是成型材料的底层和复合材料的顶层之间的温度差异较小。从这一观点，优选在将成型材料投入模具中之前进行层叠。
虽然需要前述步骤按上述顺序进行，但是那些步骤之间可以设置其他步骤。作为这样的其他步骤的示例，可以提及在步骤A-2)之前通过使用步骤A-2)中待使用的模具之外的成形模具预先将成型材料成形为步骤A-2)中待使用的模具的腔的形状的成形步骤。
此外，步骤A-2)是向成型材料施加压力以获得具有期望形状的成型件的步骤。不特别限定此时的成型压力，但是优选为小于20MPa，更优选为10MPa以下。
此外，理所当然地，可以在上述压模成型的步骤之间插入各种步骤，并且，例如，可以使用在实现真空的同时进行压模成型的真空压缩成型。
[制造成型件的方法]
制造本发明的成型件的方法优选为一种通过冷压制造成型件的方法，所述成型件包含碳纤维和热塑性树脂，所述成型件设置有孔h1，其中所述方法包括：
向厚度为t的成型材料中钻孔h0；以及在钻孔h0之后，将成型材料放置在一对雌雄模具中，所述雌雄模具中的至少一个具有用于形成孔h1的孔形成部件，使得所述孔h0对应于所述孔形成部件放置，其中
在将成型材料放置在所述模具中时，所述成型材料的孔h0的内壁面W0与孔形成部件之间的平均距离Lf为0<Lf<10t，
其中，所述成型件具有围绕所述孔h1的区域a，所述区域a在所述板厚度方向中的线性膨胀系数C1与所述区域a之外的成型件区域在所述板厚度方向中的线性膨胀系数C2之间满足关系C1/C2<1，并且所述区域a中碳纤维的体积分数Vf1与所述区域a之外的成型件区域中碳纤维的体积分数Vf2满足关系0.2<Vf1/Vf2。
此外，制造本发明的成型件的方法是
一种通过冷压制造成型件的方法，所述成型件包含具有最大纤维长度Lmax的碳纤维和热塑性树脂，所述成型件设置有孔h1，其中所述方法包括：
向成型材料中钻孔h0；以及
在钻孔h0之后，将成型材料放置在一对雌雄模具中，所述雌雄模具中的至少一个具有用于形成孔h1的孔形成部件，使得所述孔h0对应于所述孔形成部件放置，其中
在将成型材料放置在模具中时，成型材料的孔h0的内壁面W0与孔形成部件之间的平均距离优选设定为大于0且Lmax以下，条件是所述成型件具有围绕所述孔h1的区域a，所述区域a在所述板厚度方向中的线性膨胀系数C1与所述区域a之外的成型件区域在所述板厚度方向中的线性膨胀系数C2之间满足C1/C2<1，并且所述区域a中碳纤维的体积分数Vf1与所述区域a之外的成型件区域中碳纤维的体积分数Vf2满足关系0.2<Vf1/Vf2。
本发明的制造成型件的方法在待形成的孔h1的精度方面是优秀的。
(成型材料的孔h0)
成型材料的孔h0是在与成型件的孔h1对应的位置处预先设置的开孔h0。例如，其为图3A所示的孔h0。
作为在成型材料上设置孔h0的方法，能够使用诸如冲孔模、汤姆森刃、钻子或者端铣刀的切割工具、水力喷注或者激光切割。
(设置有孔h1的成型件的制造例)
用于在成型件的期望位置形成孔h1的孔形成部件可以设置于一对雌雄模具(即，上模或者下模)中的至少任一个上，并且例如，能够例示如图3B所示的下模的突出(302)。顺便提及，通过将销布置在模具上而设置孔形成部件，并且在一些情况下孔形成部件称为中心销。
用于制造成型件的模具的实例如图3所示，作为其截面图。模具由一对雌雄模具(303、304)构成，即附接至压型设备(图中未示出)的上模和下模，并且通常地，两者之一、可选择地两者均可在模具的打开和关闭方向上移动(在附图中，雄模具是固定的并且雌模具是可动的)。
这些模具分别具有对应于产物形状的腔面。在图3中，作为用于在预定的位置中形成开口的孔形成部件，在模具中在模具的打开和关闭方向上可动并且与成型件的目标孔h1具有相同截面形状的孔形成部件对应于成型件的目标孔h1的位置设置。
其上设置孔形成部件的模具可以是雌雄模具中的任一个，但是为了便于供给通过预加热处于软化状态的成型材料，优选的是将孔形成部件设置在布置成型材料的一侧上的模具上。此外，在一些情况下，孔形成部件可以设置于雌雄模具两者使得孔形成部件的端面在它们互相面对时进行接触。
以下，将描述在使用图3所示的模具的情况下的本发明的方法。使雌雄模具两者(303、304)处于打开状态并且成将型材料(301)放置于雄模具(303)的腔面。在对应于设置于模具的孔形成部件(302)的位置中，具有大于孔形成部件(302)的投影面积的投影面积的孔h0设置于成型材料(图3)，并且成型材料(301)随着将孔形成部件(302)插入孔h0中而放置于下模(图3B)。
短语“具有孔h0的成型材料布置在模具中以对应于孔形成部件”具体是指孔形成部件布置为穿过成型材料的孔h0。
在孔形成部件302已经插入孔h0中的成型材料布置于下模303的腔面之后，上模304开始下降。随着上模的下降，设置于下模的孔形成部件的端面与上模的成型面接触，并且当进一步继续下降时，孔形成部件容纳在已经预先设置于上模(图3和5中的304)的孔形成部件的容纳部分(图中未示出)中，并且成型材料(301)流动，使得制成具有孔h1的成型件。
在成型完成之后，通过打开雌雄模具两者并取出成型件而获得具有孔h1的成型件。
(放置成型材料的方法)
在将具有厚度t的成型材料(例如，图3中的301)放置在模具中时，优选的是成型材料的孔h0的内壁面W0和孔形成部件之间的平均距离Lf满足0<Lf<10t。这意味着，在成型材料的厚度大的情况下，能够延长成型材料的流动距离。例如，当成型材料的厚度为2.5mm时，平均距离Lf可以满足0<Lf<25mm。
平均距离Lf的上限更优选为小于7t，进一步优选为小于6t，进一步更优选为3t以下。
顺便提及，成型材料的厚度t不特别限定，但是通常优选为在0.01mm至100mm的范围内，优选为在0.01mm至10.0mm的范围内，更优选为在0.1至5.0mm的范围内。
在本发明使用的成型材料具有多层层叠的构造的情况下，上述厚度t不是指每层的厚度而是指合计每层厚度的整个成型件的厚度。本发明的成型材料可以具有由单层构成的单层结构，或者可以具有多层层叠的层叠结构。成型材料具有上述层叠结构的实施方式可以是具有相同组成的多层层叠的实施方式，或者组成互不相同的多层层叠的实施方式。
此外，在将成型材料(例如，图3中的301)放置在模具中时，优选的是成型材料的孔h0的内壁面W0和孔形成部件之间的平均距离Lf大于0且为最大纤维长度Lmax以下。
成型材料的孔h0的内壁面W0和孔形成部件之间的距离是从内壁面W0至孔形成部件的距离，例如，如图3B中305所示。即使当孔形成部件(302)和孔h0具有不确定的形状时，或者孔形成部件(302)不均匀地布置时，从内壁面W0至孔形成部件的距离平均作为其平均距离。
(平均距离Lf的下限)
成型材料的孔h0的内壁面W0和孔形成部件之间的平均距离Lf的下限更优选为最大纤维长度Lmax的十分之一以上，进一步优选为3mm以上，进一步更优选为5mm以上。
在成型材料布置在模具中时成型材料的孔h0的内壁面W0和孔形成部件之间的平均距离Lf控制为大于0mm的情况下，在碳纤维和树脂两者在成型时流动的同时，孔h0的内壁面W0接近孔形成部件，从而形成成型件的孔h1的内壁面W1。此时例如，在使用碳纤维在面内方向中二维随机地分散的成型材料的情况下，流动部改变为碳纤维在包括板厚度方向(图2中Z方向)的三维方向定向的状态。另一方面，在成型材料未流动地成型的部分(成型前后几乎不移动的部分)中，碳纤维保持其在面内方向中二维随机地分散的状态。
作为流动部中碳纤维向板厚度方向定向的结果，获得其中孔h1的周边(区域a中)在板厚度方向中的线性膨胀系数C1和区域a之外的成型件区域在板厚度方向中的线性膨胀系数C2满足C1/C2<1的关系的成型件。
即使当使用其中碳纤维不是二维随机地分散而是其中碳纤维在一个方向上布置的成型材料时，也相似的获得该结果。即，在区域a中碳纤维也向板厚度方向定向，但是在区域a之外的成型件区域中，碳纤维具有在成型完成时其在一个方向上定向的状态。因此，获得孔h1的周边(区域a)在板厚度方向中的线性膨胀系数C1与区域a之外的成型件区域在板厚度方向中的线性膨胀系数C2之间的关系满足C1/C2<1(具有一个方向上的定向)的成型件。
顺便提及，为了形成成型件的孔h1的内壁面W1，作为上述的在碳纤维和树脂在成型时流动的同时孔h0的内壁面W0接近孔形成部件的结果，优选的是碳纤维优选为各自由上式(1)限定的临界单纤维数量以上的单纤维构成的碳纤维束(A)、以及各自由小于临界单纤维数量的单纤维构成的碳纤维束(B1)和/或单一碳纤维(B2)的混合物，所述碳纤维束(A)与所有纤维的比例大于5vol％且小于99vol％，并且所述碳纤维束(A)中单纤维的平均数量(N)满足上式(2)的要求。
(平均距离Lf的上限)
成型材料的孔h0的内壁面W0和孔形成部件之间的平均距离Lf的上限优选为10t(t是成型材料的厚度)以下，更优选为最大纤维长度Lmax以下，进一步更优选为30mm以下，特别优选为20mm以下。当在最大纤维长度Lmax以下进行流动时，鉴于将成型材料放置在模具中变得方便并且至少一个不连续纤维几乎完全移动流动距离，其是有利的，使得在区域a中碳纤维能够更确实地向板厚度方向定向。
(上述制造方法的进一步优势)
在采用上述的优选的成型方法的情况下，不仅生产效率提高，并且相比于通过切割在成型件上设置孔的情形，孔的精度也提高。
即，在批量生产成型件的情况下，能够通过在成型时设置孔而省略切割单个成型件的切割步骤。此外，由于孔h1周边(区域a)的纤维的体积分数相对高，尺寸稳定性良好，并且保持设置于成型件的孔的高圆度。
(孔h0的投影面积)
孔h0的投影面积，即孔h0的大小优选为孔形成部件的投影面积的101％以上且2,000％以下。投影面积是向模具的拔模方向即图3A所示的Z方向的投影面积。
在孔h0的投影面积和孔形成部件的投影面积之间的关系落入上述范围的情况下，成型材料成型时的可操作性优秀，并且成型件中孔精度和孔周边的强度(区域a的强度)提高。当孔h0的投影面积为孔形成部件的投影面积的101％以上时，变得容易将成型材料具有的孔h0向孔形成部件布置，并且成型之后孔h1周边变厚的问题倾向于不发生。另一方面，当孔h0的投影面积为孔形成部件的投影面积的2,000％以下时，孔的周边不倾向于变薄，孔h0和孔形成部件之间的距离的差异倾向于不发生，并且因此变得容易保持孔精度。
此外，在孔形成部件设置于下模的情况下，能够提高成型件与下模的固定力，成型件在模具开口处的位置变得清晰，并且因此能够稳定地进行成型件的取出。从而，用于制造成型件的方法能够具有优秀的加工通过性。
孔h0的投影面积优选为孔形成部件的投影面积的105％以上且1,700％以下，更优选为110％以上且1,500％以下。
实施例
以下，将参考实施例具体地描述本发明，并且本发明不应当理解为受实施例限制。
1.下列的制造例和实施例中使用的原材料如下。顺便提及，分解温度是通过热重量分析测量的结果。
-PAN系碳纤维
碳纤维“Tenax”(注册商标)STS40-24K(平均纤维直径：7μm)，由Toho Tenax Co.,Ltd.制造
-聚酰胺-6
以下，有时简称为PA6。
结晶树脂，熔点：225℃，分解温度(空气中)：300℃，
线性膨胀系数：10×10-5/℃
2.根据下列方法确定本实施例中的各值。
(1)碳纤维的体积分数(Vf)的分析
成型件在500℃下在炉中加热1小时以燃烧并去除热塑性树脂，并且称重处理前后的样品质量，从而计算碳纤维部分和热塑性树脂的质量。然后，使用各个组成部分的比重，计算碳纤维和热塑性树脂的体积分数。对于成型材料，包含的碳纤维的体积分数也表示为Vf。
式(c)Vf＝100×(碳纤维体积)/[(碳纤维体积)+(热塑性树脂体积)]
顺便提及，在测量区域a和区域a之外的部分的Vf(Vf1和Vf2)的情况下，切割并取出成型件的各个位点并且随后测量。
(2)成型件中包含的碳纤维的重均纤维长度的分析
对于成型件中包含的碳纤维的重均纤维长度，在熔炉500℃下1小时去除热塑性树脂之后，通过游标卡尺和小型放大镜的方式将随机提取的100根碳纤维的每根的长度测量至1mm的单位并且记录。根据所有测量的碳纤维的每个的长度(Li，其中i为1至100的整数)，基于下式确定重均纤维长度(Lw)。
Lw＝(ΣLi2)/(ΣLi)...式(b)
顺便提及，也能够通过与上面提及的相同的方法测量成型材料中包含的碳纤维的重均纤维长度。
(3)线性膨胀系数的测量
作为预处理在110℃真空干燥测试样本24小时之后，在下列的测量条件下进行测量。
测试样本的形状：2.5mm(板厚度方向)×5mm(面内方向)×5mm(面内方向)
测试机模型：TMA/SS7100(由Seiko Instruments Inc.制造)
温度增加率：5℃/min
测试负荷：49mN的压缩负荷
探针直径：2.9mm
测量气氛：氮气气氛下(100ml/分钟)
测试温度范围：25～200℃
顺便提及，测量线性膨胀系数时的压缩方向是下列样本(i)至(iii)中的各个方向。
(i)线性膨胀系数C1：区域a中的板厚度方向
(ii)线性膨胀系数C2：区域a之外的成型件区域中的板厚度方向
(iii)线性膨胀系数C3：区域a之外的成型件区域中的面内方向
此外，在(i)中，从孔h1的内壁面W1向内壁面W1的法向外部切割四个测试样本并测量且随后确定其平均值。在(ii)和(iii)中，从离区域a50mm以上的位置切割测试样本。
(4)对于在不包括孔h1的位置处纤维增强树脂成型件的强度以及包括孔h1的位置(包括区域a的位置)处纤维增强树脂成型件的强度，根据JIS K7161:1994切割哑铃状并且测量拉伸强度。
此外，基于下式计算相对于不包括孔h1的位置处的拉伸强度的包括孔h1的位置处的拉伸强度下降率(％)。
拉伸强度下降率(％)＝[(不包括孔h1的位置处的拉伸强度)-(包括孔h1的位置处的拉伸强度)]÷(不包括孔h1的位置处的拉伸强度)×100
(5)紧固稳定性的评价
准备两个制造的成型件，层叠以重叠孔h1，并且使用树脂铆钉叠铆并紧固以制造紧固件。作为树脂铆钉，使用敲弯(clinch)铆钉(尼龙-6，由Mitsukawa Co.,Ltd.,制造，型号No.CR32-2-1)。
在将紧固件从常温(20℃)加热至170℃并随后降低温度的周期重复50次之后，将100μm或者180μm的厚度计插入到成型件和铆钉之间的间隙中，并且评价紧固稳定性。
优秀：不能插入100μm的厚度计。
良好：不能插入180μm的厚度计但是能够插入100μm的厚度计。
差：能插入180μm的厚度计。
(6)成型材料的孔h0的内壁面W0与孔形成部件之间的平均距离Lf
观察制造的成型件的孔h1的周边并且用尺子测量成型材料流动的范围。测量在均匀间隔的12个方向的法线方向的从孔h1(正圆)的距离并且计算平均值(mm)。顺便提及，视觉确认成型材料流动的范围。
(7)孔h1的精度的评价
在每个实施例和比较例中，制造100片成型件并且每一成型件分别设置一个孔h1，由此做出总共100个孔h1。使用CMM测量仪(三维测量仪，坐标测量仪，由Nikon InstechCo.,Ltd.制造的LKV20.15.10)，在制造的100个孔h1中，测量最初的10个孔h1的平均直径和最后10个孔h1的平均直径。
[制造例1]成型材料的制造
切割为20mm平均纤维长度的由Toho Tenax Co.,Ltd.制造的碳纤维“Tenax”(注册商标)STS40-24KS(平均纤维直径：7m，单纤维数：24,000)用作碳纤维。使用由Unichika,Ltd.制造的尼龙-6树脂A1030。根据US专利No.8946342描述的方法，制造碳纤维和尼龙-6树脂的成型材料前体，其具有1,456g/m2的碳纤维面积重量和1,620g/m2的尼龙-6树脂单位面积重量，其中碳纤维已经在二维随机定向。使用加热至260℃的压型设备在2.0MPa加热获得的成型材料前体5分钟以获得平均厚度2.5mm的成型材料(i)。
对于获得的成型材料，分析包含在其中的碳纤维。结果，发现以下：上式(1)限定的临界单纤维数量为86；各自由临界单纤维数量以上的单纤维构成的碳纤维束(A)中单纤维的平均数量(N)为820；以及各自由临界单纤维数量以上的单纤维构成的碳纤维束(A)的比例为所有碳纤维的80vol％。此外，碳纤维的体积分数(Vf)为35％，碳纤维的纤维长度恒定，并且重均纤维长度为20mm。
[制造例2]
在上述制造例1中制造成型材料前体之后，从成型材料前体切割60mm×60mm的部分，并且布置具有相同形状和相同体积的尼龙-6树脂粒料(pellet)以代替切割部分。使用加热至260℃的压型设备在2.0MPa加热这些5分钟以获得平均厚度2.5mm的成型材料(ii)。成型材料(ii)是具有成型材料(i)的一部分由尼龙-6树脂代替的部分的成型材料。
[制造例3]
仅使用由Unichika Ltd.制造尼龙-6树脂A1030进行注射成型。由此制备平均厚度2.5mm的注射成型板。
[制造例4]
除了在成型材料前体制造时增加纤维开纤程度地制造成型材料前体，以与制造例1相同的方式制备成型材料，并且成型材料视为成型材料(iii)。相对于获得的成型材料，分析包含在其中的碳纤维。结果，发现以下：上式(1)限定的临界单纤维数量为86；各自由临界单纤维数量以上的单纤维构成的碳纤维束(A)中单纤维的平均数量(N)为420；以及各自由临界单纤维数量以上的单纤维构成的碳纤维束(A)的比例为所有碳纤维的35vol％。此外，碳纤维的体积分数(Vf)为35％，碳纤维的纤维长度恒定，并且重均纤维长度为20mm。
[制造例5]
除了在成型材料前体制造时增加纤维开纤程度地制造成型材料前体，以与制造例1相同的方式制备成型材料，并且成型材料视为成型材料(iv)。相对于获得的成型材料，分析包含在其中的碳纤维。结果，发现以下：上式(1)限定的临界单纤维数量为86；各自由临界单纤维数量以上的单纤维构成的碳纤维束(A)中单纤维的平均数量(N)为100；以及各自由临界单纤维数量以上的单纤维构成的碳纤维束(A)的比例为所有碳纤维的5Vol％。此外，碳纤维的体积分数(Vf)为35％，碳纤维的纤维长度恒定，并且重均纤维长度为20mm。
[制造例6]
除了在成型材料前体制造时限制纤维开纤程度地制造成型材料前体，以与制造例1相同的方式制备成型材料，并且成型材料视为成型材料(iii)。相对于获得的成型材料，分析包含在其中的碳纤维。结果，发现以下：上式(1)限定的临界单纤维数量为86；各自由临界单纤维数量以上的单纤维构成的碳纤维束(A)中单纤维的平均数量(N)为200；以及各自由临界单纤维数量以上的单纤维构成的碳纤维束(A)的比例为所有碳纤维的10Vol％。此外，碳纤维的体积分数(Vf)为35％，碳纤维的纤维长度恒定，并且重均纤维长度为20mm。结果在表1中示出。
[制造例7]
除了调整碳纤维面积重量和尼龙树脂单位面积重量使成型材料平均厚度变为1mm地制造成型材料前体，以与制造例1相同的方式制备成型材料，并且成型材料视为成型材料(vi)。
[实施例1]
将在制造例1中获得的成型材料(i)切割为95mm×195mm的大小，并且在图3所示的位置处设置孔h0。孔h0的直径是40mm。在用热风干燥器在120℃干燥4小时之后，用红外线加热器将其加热至275℃。作为模具，使用具有100mm×200mm的平坦成型腔的模具，在如图3所示的位置处布置孔形成部件。顺便提及，孔形成部件在模具的拔模方向的投影面积为137mm2。当从模具的拔模方向观察时孔形成部件的形状为直径13.20mm的正圆。
模具的温度设定为140℃，并且将已经加热过的成型材料投入模具，并且在10MPa的压型压力下按压1分钟以获得具有孔h1(正圆形状)的成型件。此外，重复该操作100次以制造100件具有孔h1的成型件并且如上面提及的评价孔h1的精度。结果在表2中示出。
[实施例2]
除了将孔h0的直径改变为30mm的直径之外，以与实施例1相同的方式进行按压成型以获得成型件。结果在表2中示出。
[实施例3]
除了将孔h0的直径改变为16mm的直径之外，以与实施例1相同的方式进行按压成型以获得成型件。结果在表2中示出。
[实施例4]
除了将孔h0的直径改变为14mm的直径之外，以与实施例1相同的方式进行按压成型以获得成型件。结果在表2中示出。
[实施例5]
除了使用成型材料(iii)之外，以与实施例1相同的方式进行按压成型以获得成型件。结果在表2中示出。
[实施例6]
除了使用成型材料(v)之外，以与实施例1相同的方式进行按压成型以获得成型件。结果在表2中示出。
[实施例7]
除了将孔h0的直径改变为50mm之外，以与实施例1相同的方式进行按压成型以获得成型件。结果在表2中示出。
[实施例8]
除了将孔h0的直径改变为62mm之外，以与实施例1相同的方式进行按压成型以获得成型件。结果在表3中示出。
[实施例9]
除了将孔形成部件(正圆形状)的直径改变为5.20mm并且将孔h0的直径改变为30mm之外，以与实施例1相同的方式进行按压成型以获得成型件。结果在表3中示出。
[实施例10]
除了将孔形成部件(正圆形状)的直径改变为30.20mm并且将孔h0的直径改变为62mm之外，以与实施例1相同的方式进行按压成型以获得成型件。结果在表3中示出。
[实施例11]
将孔形成部件的形状形成为具有6mm的边长的正方形，并且将成型材料布置为孔h0沿着孔形成部件的形状使得成型材料的流动距离变为10mm(见图7)。除上述以外，以与实施例1相同的方式进行按压以获得成型件。结果在表4中示出。
[实施例12]
将孔形成部件的形状形成为具有6mm的边长的等边三角形，并且将成型材料布置为孔h0沿着孔形成部件的形状使得成型材料的流动距离变为10mm(见图7)。除上述以外，以与实施例1相同的方式进行按压以获得成型件。结果在表4中示出。
[实施例13]
除了使用成型材料(vi)并且将孔h0(正圆形状)的直径改变为14mm之外，以与实施例1相同的方式进行按压以获得成型件。结果在表4中示出。
[实施例14]
除了重叠两个成型材料(i)以将成型材料的厚度改变为至5mm之外，以与实施例1相同的方式进行按压以获得成型件。结果在表4中示出。
[实施例15]
除了重叠四个成型材料(i)以将成型材料的厚度改变为10mm并且将孔h0(正圆形状)的直径改变为150mm之外，以与实施例1相同的方式进行按压以获得成型件。结果在表4中示出。
[比较例1]
将成型材料(i)切割为95mm×195mm的大小并且不设置孔h0。在用热风干燥器在120℃干燥4小时之后，用红外线加热器将其加热至275℃。作为模具，使用具有100mm×200mm的平坦成型腔的模具，其未布置孔形成部件。模具的温度设定为140℃，并且将已经加热过的成型材料投入模具并在10MPa的压型压力下按压1分钟以获得不具有孔的成型件。
使用3轴加工中心处理获得的成型件。使用螺旋角度为0°、刀面角为10°、刃的数量(t)为4、并且直径为6mm的螺旋切割刃的端铣刀，进行切割(由于转数为8,000(1/分钟)所以进给速度为800mm/分钟)以在成型件上设置具有13.2mm直径的正圆孔。由于通过切割而设置孔，所以增加了一个步骤并且生产率不良。结果在表3中示出。
[比较例2]
将成型材料(ii)切割为包括被尼龙-6树脂代替的部分的95mm×195mm的大小，并且在被尼龙-6树脂代替的部分(60mm×60mm)处在图3所示的位置中设置孔h0(直径：40mm)。在用热风干燥器在120℃干燥4小时之后，用红外线加热器将其加热至275℃。具有100mm×200mm的平坦成型腔的模具用作模具，在如图3所示的位置处布置孔形成部件。顺便提及，孔形成部件在模具的拔模方向的投影面积为137mm2。
模具的温度设定为140℃，并且将已经加热过的成型材料投入模具，并在10MPa的压型压力下按压1分钟以获得成型件。此外，用端铣刀连续地切割100片成型件，但是此时端铣刀的刃逐渐磨损。结果，在形成最后10片时，由于磨损不能制造目标的正圆形(比目标正圆形小)。结果在表3中示出。
[比较例3]
对制造例3中获得的注射成型板进行切割，使用螺旋角度为0°、刀面角为10°、刃的数量(t)为4、并且直径为6mm的螺旋切割刃的端铣刀，进行切割(由于转数为8,000(1/分钟)所以进给速度为800mm/分钟)以在注射成型板上设置具有13mm直径的正圆孔。结果在表3中示出。
[比较例4]
除了使用成型材料(iv)之外，以与实施例1相同的方式进行按压成型以获得成型件。结果在表3中示出。
[表1]
[表2]
[表3]
[表4]
工业实用性
本发明的成型件和制造方法能够用于各种构成部件，例如，用于汽车的内部或外部板和构成部件，以及用于各种电子产品或者机械的框架或者壳体等。优选地，它们能够用作汽车部件。
虽然已经参考其具体实施方式详细地描述了本发明，但对本领域技术人员显而易见的是，能够在不背离本发明的精神和范围的情况下，对本发明进行各种变化或修改。
本发明基于2015年9月8日提交的日本专利申请No.2015-176617，该专利的全文通过引用并入本申请。

Claims (13)

1.一种成型件，包括碳纤维和热塑性树脂，所述成型件设置有孔h1，所述成型件具有孔h1周围的区域a，
其中，所述区域a在所述板厚度方向中的线性膨胀系数C1和所述区域a之外的成型件区域在所述板厚度方向中的线性膨胀系数C2满足C1/C2<1的关系，并且
所述区域a中碳纤维的体积分数Vf1与所述区域a之外的成型件区域中碳纤维的体积分数Vf2满足0.2<Vf1/Vf2的关系。
2.根据权利要求1所述的成型件，其中，所述碳纤维是重均纤维长度为Lw的不连续碳纤维，并且
所述区域a是所述孔h1的内壁面W1和假想的外壁面W2环绕的区域，所述假想的外壁面W2在与所述内壁面W1具有距离Lw的位置中平行于所述内壁面W1描绘。
3.根据权利要求1或2所述的成型件，其中，所述区域a中碳纤维的体积分数Vf1与所述区域a之外的成型件区域中碳纤维的体积分数Vf2满足0.2<Vf1/Vf2<1.2的关系。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的成型件，其中，所述热塑性树脂的线性膨胀系数Cm满足Cm/C2<1。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的成型件，其中，所述线性膨胀系数C1为22×10-5/℃以下。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的成型件，其中，所述碳纤维的重均纤维长度Lw为1至100mm。
7.根据权利要求6所述的成型件，其中，包含在所述区域a之外的成型件区域中的碳纤维在面内方向二维随机分散；并且
所述区域a之外的成型件区域在所述面内方向中的线性膨胀系数C3为大于0且2.0×10-5/℃以下。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的成型件，其中，所述成型件中包含的碳纤维是碳纤维束(A)、碳纤维束(B1)和/或单一碳纤维(B2)的混合物，所述碳纤维束(A)各自由下式(1)限定的临界单纤维数量以上的单纤维构成，所述碳纤维束(B1)各自由小于临界单纤维数量的单纤维构成，所述碳纤维束(A)与所有纤维的比例大于5vol％且小于99vol％，并且所述碳纤维束(A)中单纤维的平均数量(N)满足下式(2)的要求：
临界单纤维数量＝600/D (1)
0.6×104/D2<N<6×105/D2 (2)
其中D表示所述碳纤维的平均纤维直径(μm)。
9.一种通过冷压制造成型件的方法，所述成型件包含碳纤维和热塑性树脂，所述成型件设置有孔h1，所述方法包括：
向厚度为t的成型材料中钻孔h0；以及
在钻孔h0之后，将成型材料放置在一对雌雄模具中，所述雌雄模具中的至少一个具有用于形成孔h1的孔形成部件，使得所述孔h0对应于所述孔形成部件放置，其中
在将成型材料放置在所述模具中时，所述成型材料的孔h0的内壁面W0与孔形成部件之间的平均距离Lf为0<Lf<10t，
其中，所述成型件具有围绕所述孔h1的区域a，所述区域a在所述板厚度方向中的线性膨胀系数C1与所述区域a之外的成型件区域在所述板厚度方向中的线性膨胀系数C2之间满足关系C1/C2<1，并且所述区域a中碳纤维的体积分数Vf1与所述区域a之外的成型件区域中碳纤维的体积分数Vf2满足关系0.2<Vf1/Vf2。
10.一种根据权利要求9所述的制造成型件的方法，其中，在将成型材料放置在所述模具中时，所述成型材料的孔h0的内壁面W0与所述孔形成部件之间的平均距离Lf为大于0mm且Lmax以下，
其中Lmax是所述碳纤维的最大纤维长度。
11.根据权利要求9或10所述的制造成型件的方法，其中，所述碳纤维是重均纤维长度为Lw的不连续碳纤维，并且
所述区域a是所述孔h1的内壁面W1和假想的外壁面W2环绕的区域，所述假想的外壁面W2在与所述内壁面W1具有距离Lw的位置中平行于所述内壁面W1描绘。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的制造成型件的方法，其中，在将成型材料放置在所述模具中时，所述成型材料的孔h0的内壁面W0与所述孔形成部件之间的平均距离Lf为所述碳纤维的最大纤维长度Lmax的十分之一以上且Lmax以下。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的制造成型件的方法，其中所述孔h0在所述模具的拔模方向的投影面积相对于所述孔形成部件在所述模具的拔模方向的投影面积为101％以上且2,000％以下。
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