CN110382195A - 碳纤维强化树脂成形体及该碳纤维强化树脂成形体的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明的碳纤维强化树脂成形体由热塑性树脂与碳纤维的混合材料形成。并且，可提供在肋、凸台等不易产生缺陷，廉价且高强度的碳纤维强化树脂成形体，至少在其外形方向上具有立体复杂形状区域与大致平板状区域，上述混合材料在规定温度下形成上述大致平板状区域的混合材料的流动性比形成上述立体复杂形状区域的混合材料低。

Description

碳纤维强化树脂成形体及该碳纤维强化树脂成形体的制造 方法

技术领域

本发明涉及一种碳纤维强化树脂成形体及该碳纤维强化树脂成形体的制造方法，更详细来说，本发明涉及一种刚性提高且可以容易地形成肋、凸台等用于加强用的立体形状及复杂形状的碳纤维强化树脂成形体及该碳纤维强化树脂成形体的制造方法。

背景技术

碳纤维强化树脂成形体(以下有时称为CFRP)是一种划时代的轻量材料，与钢材等金属材料相比，具有优异的刚性、强度，但其作为通用材料时制造成本高而不易使用，因此，迫切希望降低CFRP的价格。

作为上述CFRP的制造方法，已知有高压釜法、树脂传递模塑(RTM)法，但这些制造方法使用的是碳纤维的纺布、无纺布等的片状物，上述碳纤维的片状物不易伸缩而难以成形，因此，需要工序与时间，导致CFRP的价格难以降低。

通过缩短用于CFRP的碳纤维，可以提高成形性、作业性，并且可降低成本。但是，对于可注塑成形的短强化纤维，即使通过肋、凸台等立体加强形状来加强，由于材料自身的强度低，而难以获得足够的强度。

在专利文献1的日本特开2015-231836号公报中，公开了一种在纤维强化树脂的板状部件的一面设置肋以提高刚性的车辆结构部件。

并且记载有：使用具有肋形成用凹部的下模和在对应于上述肋形成用凹部的部位具有凸部的上模来冲压片状的纤维强化树脂，并通过上模的凸部将纤维强化树脂压入肋形成用凹部内，由此，可向上述肋形成用凹部内填充纤维强化树脂而形成肋，并且可提高作业性。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2015-231836号公报

发明要解决的问题

专利文献1中记载的车辆结构部件中，通过上模的凸部局部地增加肋形成用凹部附近的冲压压力，向上述肋形成用凹部内压入纤维强化树脂而形成肋，可通过冲压成形来形成纤维强化树脂的车辆结构部件，因此，与上述高压釜法、树脂传递模塑(RTM)法相比，作业性提高。

但是，专利文献1记载的车辆结构部件中，上模的凸部的高度即压入深度不能大于板状部件厚度的一半，且使用了长度相同的强化纤维，因此，用于提高纤维强化树脂部件的强度的肋等的高度、形状受到限制，难以充分地提高刚性、强度。

发明内容

本发明是鉴于这样的现有技术存在的问题研究而成的，其目的在于提供一种可容易地形成肋、凸台等立体加强形状及复杂形状的高强度的碳纤维强化树脂成形体。

此外，本发明提供一种形状设计自由度高、可作业性良好地形成肋、凸台等立体加强形状及复杂形状的碳纤维强化树脂成形体的制造方法。

用于解决问题的方案

本发明人为了实现上述目的而进行了深入研究，其结果发现：通过使在具有立体复杂形状的区域使用流动性高的混合材料形成，在无较大的肋、凸台等的大致平板状区域使用流动性低的混合材料形成，可以作业性良好地制造整体刚性及强度高的碳纤维强化树脂成形体，从而完成了本发明。

即，本发明的碳纤维强化树脂成形体由热塑性树脂与碳纤维的混合材料形成。

并且，该碳纤维强化树脂成形体的特征在于，至少在其外形方向具有立体复杂形状区域和大致平板状区域，上述混合材料在规定温度下形成上述大致平板状区域的混合材料的流动性比形成上述立体复杂形状区域的混合材料低。

此外，本发明的碳纤维强化树脂成形体的制造方法是制造包含热塑性树脂和碳纤维的碳纤维强化树脂成形体的方法。

并且，该制造方法的特征在于，具有将包含热塑性树脂和碳纤维且规定温度下的流动性不同的多种混合材料配置于模具并进行冲压成形的工序，上述模具在面内方向具有立体复杂形状区域和大致平板状区域，配置于上述立体复杂形状区域的混合材料的流动性比配置于上述大致平板状区域的混合材料的流动性低。

发明效果

根据本发明，由于在具有立体复杂形状的区域使用流动性高的混合(混炼)材料，在无较大的肋、凸台等的大致平板状区域使用流动性低的混合材料，因此，可提供生产效率高的高强度的碳纤维强化树脂成形体

此外，根据本发明，由于在具有立体复杂形状的区域使用流动性高的混合材料，在无较大肋、凸台等的大致平板状区域使用流动性低的混合材料，因此，可提供立体加强形状及复杂形状的设计自由度高、且生产效率高的碳纤维强化树脂成形体的制造方法。

附图说明

图1是实施例中制作的车辆用底板的表面侧的立体图。

图2是实施例中制作的车辆用底板的背面侧的立体图。

图3是对评价车辆用底板的刚性的状态进行说明的图。

具体实施方式

以下详细地说明本发明的碳纤维强化树脂成形体。

上述碳纤维强化树脂成形体在其外形方向具有立体复杂形状区域与大致平板状区域。

并且，上述立体复杂形状区域的碳纤维强化树脂由流动性高的混合材料形成，上述大致平板状区域的碳纤维强化树脂由流动性比上述立体复杂形状区域的混合材料低的复合物形成。

本发明中，所谓“外形方向”是指碳纤维强化树脂成形体的外形表面的面内方向，并非碳纤维强化树脂成形体的厚度方向。

此外，本发明中，“具有立体复杂形状区域与大致平板状区域”是指具有混合材料的填充容易度相对不同的两个以上的区域，并非包含具有某种特定形状的区域。

上述“立体复杂形状区域”是指例如肋、凸台等立体加强形状、厚度不均部分等厚度急剧变化的复杂形状同时存在的整个区域，并非仅上述加强形状或复杂形状。

此外，上述“大致平板状区域”是指例如无上述加强形状及复杂形状、且形状无急剧变化的区域，也可以并非只有平板而是具有曲面或不影响成形性的小范围的凹凸。

本发明的碳纤维强化树脂成形体可通过Long Fiber Thermo plastic Directinline Compound(LFT-D)法制作。

上述LFT-D法中，将碳纤维与热塑性树脂一起投入混合搅拌机(混炼机)，并在熔融混合(熔融混炼)热塑性树脂的同时，通过螺杆的剪切力将碳纤维切割成合适的长度从而制作LFT-D混合材料(热塑性树脂与碳纤维的复合材料，以下有时称为“复合物”)。并且，该方法是在所述复合物冷却之前进行冲压成形而获得成形品。

像这样，与传统的典型CFRP方法不同，LFT-D法是通过将原料碳纤维与热塑性树脂的混合物冲压成形就能成形的简单方法，不制作如预浸料或预成型件这样的中间基材，因此，可以降低CFRP的成本。

然而，上述复合物包含热塑性树脂与碳纤维，具有如下特有的性质：除了碳纤维自身的高导热性之外，上述碳纤维的纤维长度长，因此容易冷却，在配置到模具上进行冲压之前其流动性会降低。

因此，难以通过冲压使复合物流动并填充到模具的每个角落，上述复合物尤其难以填充到形成肋等的凹部等难以局部施加冲压压力的部位。尤其是，当成形大型CFRP时，即使模具被加热，复合物也会冷却而导致流动性容易降低，从而容易产生缺陷。

本发明中，使用规定温度下的流动性不同的多种复合物，并根据成形区域的形状复杂度、即成形区域的成形的困难度，配置流动性适合此区域的复合物而进行冲压成形。

即，利用流动性高的复合物来形成难以施加冲压压力而难以填充复合物的复杂形状的区域，由此，即使是薄且高的肋等难以填充而难以成形的形状也能容易地成形，从而形状设计的自由度高。

此外，对于其它容易施加冲压压力而容易填充复合物的区域，与成形性相比，优先材料的物理特性，使用流动性低的复合物进行成形。

因此，本发明中，立体复杂形状区域的含有热塑性树脂与强化纤维的复合物容易流动，例如即使是外形面积为0.3m²～5m²的大型CFRP也能无缺陷地成形，通过结构形状赋予与碳纤维强化树脂材料的物理特性，可以获得使刚性、强度提高的轻量CFRP。

本发明中，上述流动性不同的复合物不是层叠的、而是以流动性不同的复合物彼此不重叠的方式沿模具上的碳纤维强化树脂成形体的外形方向排列配置，并冲压成形。

若将流动性不同的复合物层叠而冲压成形，则弹性模量、收缩率在CFRP的厚度方向上不同，从而容易导致翘曲或变形等，尺寸精度降低。但是，通过将流动性不同的复合物彼此不重叠地排列配置在模具上，厚度方向的弹性模量、收缩率不会变化，尺寸精度提高。

进而，根据本发明，CFRP的厚度可以根据模具的形状而连续地变化。即，不需要像金属材料那样焊接多块金属板，并且通过一次冲压就能使需要高强度的部位较厚，使不需要高强度的部位较薄，从而可获得兼具强度与轻量化的CFRP。

因此，本发明的CFRP可以替代现有利用金属材料形成的大型部件，适合用作例如车顶、底板、前隔板(防火墙)、后座椅背等汽车部件的框架部件。

上述复合物的流动性可以通过复合物中包含的碳纤维的纤维长度、碳纤维的纤维含量及热塑性树脂等来调节，但优选通过碳纤维的纤维长度来调节复合物的流动性。

当使用CFRP作为钢材等金属材料的替代部件的情况下，要求具有高刚性、高强度。并且，碳纤维的纤维含量对CFRP刚性、强度的影响大，若碳纤维的纤维含量变小，则刚性、强度显著降低。

因此，碳纤维的纤维含量不可大幅度变动，CFRP的实用纤维含量为50～60重量％的范围，因此，难以通过碳纤维的纤维含量来大幅度改变复合物的流动性。

此外，除了热塑性树脂的粘度对复合物的流动性的影响小之外，若使用粘度过低的热塑性树脂，则冲压中只有热塑性树脂流动而比重大的碳纤维留下，导致成形品中的碳纤维的浓度不均。此外，将制作出的复合物配置于模具上时，复合物变软而在搬送过程中容易垂落下，导致作业性降低。进而，若热塑性树脂的分子量过低，则复合物的一般物理特性下降，因此，难以通过热塑性树脂的分子量、分子结构等而大幅度改变复合物的流动性。

本发明中，由于立体复杂形状区域的碳纤维的纤维长度比平板状区域的碳纤维的纤维长度短，因此，立体复杂形状区域的复合物也容易流动，强化纤维在成形品整体均匀地分布，可以使立体复杂形状区域的强度达到期望的强度。

上述立体复杂形状区域的碳纤维的平均纤维长度并无特别限制，只要比大致平板状区域的碳纤维的平均纤维长度短，且能够形成碳纤维强化树脂成形体的立体复杂形状区域即可，优选为满足以下式(1)。

0.5(mm)≤平均纤维长度(mm)≤50(mm)/纵横比 (1)

其中，式(1)中，纵横比表示碳纤维强化树脂成形体上形成的肋高度(mm)/肋厚度(mm)或凸台高度(mm)/凸台直径(mm)，且表示为超过1且50以下。

另外，本发明中所谓肋或凸台的厚度是指成形肋、凸台的模具的凹部的入口、即开口部的厚度，肋或凸台的高度是指上述模具的凹部的深度。

通过将立体复杂形状区域的碳纤维的平均纤维长度设为0.5mm以上，可以制作高刚性、高强度的CFRP，通过设为50(mm)/纵横比以下，可以用实用冲压压力、具体来说5MPa～10MPa向模具的凹部内填充复合物。

上述大致平板状区域的碳纤维的平均纤维长度优选为3mm以上，更优选为10mm以上。通过设为3mm以上，可以制作高刚性、高强度的碳纤维强化树脂成形体。

此外，上述大致平板状区域的碳纤维的平均纤维长度的上限并无特别限制，只要能够形成碳纤维强化树脂成形体的大致平板状区域即可，其实用上限为100mm左右。

碳纤维的平均纤维长度可以通过复合物制作时的混合时间、螺杆的旋转速度等来调节。

具体来说，将缠绕在筒管上的连续的长碳纤维一边从筒管上抽出一边连续导入到将热塑性树脂熔融混合的双轴挤压混合搅拌机内中。然后，一边将碳纤维与热塑性树脂混合一边通过螺杆的剪切力切断为合适的长度，并从混合搅拌机挤出，由此，可以连续地制作包含期望长度的碳纤维的复合物。

作为上述碳纤维，可列举聚丙烯腈(PAN)类碳纤维、石油/煤沥青类碳纤维、人造丝类碳纤维、气相生长类碳纤维等，它们可以单独使用或者同时使用两种或两种以上。

作为上述热塑性树脂，例如可列举尼龙、热塑性聚酰胺树脂、聚烯烃树脂、聚苯乙烯树脂、热塑性聚酯树脂、聚缩醛树脂(聚甲醛树脂)、聚碳酸酯树脂、(甲基)丙烯酸树脂、聚芳酯树脂、聚苯醚树脂、聚醚腈树脂、苯氧基树脂、聚苯硫醚树脂、聚砜树脂、聚酮树脂、聚醚酮树脂、热塑性聚氨酯树脂、氟类树脂、热塑性聚苯并咪唑树脂等。

构成上述立体复杂形状区域的热塑性树脂与构成上述大致平板状区域的热塑性树脂优选为树脂种类相同。通过使用相同种类的树脂，由流动性高的复合物形成的部位与由流动性低的复合物形成的部位之间不会产生界面，可成形热塑性树脂连续的高刚性CFRP。

实施例

以下，通过实施例更详细地说明本发明，但本发明并不限定于下述实施例。

(立体复杂形状区域用复合物的制作)

通过双轴挤压混合搅拌机将热塑性树脂(尼龙6)与碳纤维熔融混合，得到含有50重量％的重量平均纤维长度为6.5mm的碳纤维的高流动性复合物A。

高流动性复合物A冷却固化时的杨氏模量(E)为15GPa。

(大致平板状区域用复合物的制作)

此外，改变混合条件及碳纤维的供给量，得到含有60重量％的重量平均纤维长度为15mm的碳纤维的高物理特性复合物B。

将高物理特性复合物B冷却固化时的杨氏模量(E)为32GPa。

将上述复合物配置于模具上并在6.5MPa的冲压压力下冲压成形，制作板厚2mm的车辆用底板。

图1是从车辆用底板的表面侧(乘客侧)观察的立体图，图2是从车辆用底板的背面侧观察的立体图。在图1、图2中，阴影区域是立体复杂形状区域1，白色区域是大致平板状区域2，11是肋，12是厚度不均部分。

该车辆用底板的肋的高度为10mm、厚度为2mm，纵横比为5。

[实施例1]

将高流动性复合物A与高物理特性复合物B如表1所示配置并冲压而制作车辆用底板。

[比较例1]

仅使用高物理特性复合物B制作车辆用底板。

[比较例2]

仅使用高流动性复合物A制作车辆用底板。

＜评价＞

如图3所示将上述实施例1、比较例1、2的车辆用底板切断，两边固定，并在图3中箭头所示位置施加150kg的负荷，测量底板背面侧的挠曲量。

将评价结果示于表1。

[表1]

	立体复杂形状区域	大致平板状区域	成形状态	挠曲量(mm)
					实施例1	复合物A	复合物B	良好	0.4mm
比较例1	复合物B	复合物B	不良(短射)	破损
					比较例2	复合物A	复合物A	良好	1.2mm

根据表1的结果，可知本发明的碳纤维强化树脂成形体可以无缺陷地形成肋、凸台等结构形状，且也可以使用高物理特性的碳纤维强化树脂，因此刚性高。

符号说明

1 立体复杂形状区域

11 肋

12 厚度不均部分

2 大致平板状区域

Claims (6)

1.一种碳纤维强化树脂成形体，由热塑性树脂和碳纤维的混合材料形成，其特征在于，

至少在其外形方向上具有立体复杂形状区域和大致平板状区域，

所述混合材料在规定温度下形成所述大致平板状区域的混合材料的流动性比形成所述立体复杂形状区域的混合材料低。

2.如权利要求1所述的碳纤维强化树脂成形体，其特征在于，

形成所述立体复杂形状区域的混合材料的平均纤维长度比形成所述大致平板状区域的混合材料的平均纤维长度短。

3.如权利要求2所述的碳纤维强化树脂成形体，其特征在于，

形成所述立体复杂形状区域的混合材料的平均纤维长度满足以下式(1)，

0.5(mm)≤平均纤维长度(mm)≤50(mm)/纵横比 (1)

其中，在式(1)中，纵横比为在碳纤维强化树脂成形体上形成的肋高度(mm)/肋厚度(mm)或者凸台高度(mm)/凸台直径(mm)，且为超过1且50以下。

4.如权利要求1～3中任一项所述的碳纤维强化树脂成形体，其特征在于，

构成所述立体复杂形状区域的热塑性树脂的树脂种类与构成所述大致平板状区域的热塑性树脂的树脂种类相同。

5.一种碳纤维强化树脂成形体的制造方法，该碳纤维强化树脂成形体包含热塑性树脂和碳纤维，该制造方法的特征在于，

具有将包含热塑性树脂和碳纤维且规定温度下的流动性不同的多种混合材料配置于模具并冲压成形的工序，

所述模具在面内方向具有立体复杂形状区域和大致平板状区域，

配置于所述立体复杂形状区域的混合材料的流动性比配置于所述大致平板状区域的混合材料的流动性低。

6.如权利要求5所述的碳纤维强化树脂成形体的制造方法，其特征在于，

还具有将热塑性树脂和碳纤维导入混合搅拌机内，将热塑性树脂熔融混合并将所述碳纤维切断，从而获得所述混合材料的工序。