CN110621902B - 能量吸收部件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能量吸收部件。该能量吸收部件受到冲击的瞬间的反冲小，且因冲击导致的破坏能够均匀地进行，从而能稳定地吸收冲击。能量吸收部件(21)由中空圆筒状的纤维强化复合材料构成，该纤维强化复合材料由拉伸强度S(GPa)、拉伸弹性模量M(GPa)及伸长率E(％)满足下述式(1)的强化纤维(22)和含浸于强化纤维(22)的固化性树脂组合物构成，所述纤维强化复合材料中的强化纤维(22)的体积含有率为30～80％。11.0≤S2×M1/8/E1/2≤22.0(1)。

Description

能量吸收部件
技术领域
本发明涉及一种能量吸收部件。
背景技术
被提出有以下一种方案：在作为吸收汽车碰撞时产生的碰撞能量的部件的碰撞盒中，使用由纤维强化树脂构成的圆筒状的能量吸收部件。
例如，在专利文献1中记载了一种由纤维强化树脂构成的能量吸收部件，该纤维强化树脂使用具备E玻璃组成(通常含有相对于玻璃总量为52.0～56.0质量％范围的SiO2、12.0～16.0质量％范围的Al2O3、合计为20.0～25.0质量％范围的MgO及CaO、以及合计为5.0～10.0质量％范围的B2O3)的玻璃纤维(以下，称作E玻璃纤维)作为强化纤维。另外，在专利文献2中记载了由将碳纤维用作强化纤维的纤维强化纤维构成的能量吸收部件。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平03－112743号公报
专利文献2：日本特开2008－267393号公报
发明内容
发明要解决的课题
然而，在将专利文献1的E玻璃纤维用作强化纤维的能量吸收部件中，存在由冲击导致的破坏的进行不均匀而形成无法稳定地吸收冲击的不良情况。
另一方面，在将专利文献2的碳纤维用作强化纤维的能量吸收部件中，存在受到冲击的瞬间的反冲大的不良情况。
本发明的目的在于，提供一种能够消除上述不良情况的能量吸收部件，该能量吸收部件承受冲击的瞬间的反冲小，且由冲击引起的破坏均匀地进行而能够稳定地吸收冲击。
用于解决课题的手段
为了实现上述目的，本发明的能量吸收部件的特征在于，其由中空圆筒状的纤维强化复合材料构成，该纤维强化复合材料由拉伸强度S(GPa)、拉伸弹性模量M(GPa)及伸长率E(％)满足下述式(1)的强化纤维和含浸于该强化纤维的固化性树脂组合物构成，所述纤维强化复合材料中的所述强化纤维的体积含有率为30～80％。
11.0≤S2×M1/8/E1/2≤22.0 (1)
根据本发明的能量吸收材料，上述拉伸强度S、拉伸弹性模量M和伸长率E满足上述式(1)，并且上述纤维强化复合材料中的上述强化纤维的体积含有率为上述的范围，由此，该能量吸收材料受到冲击的瞬间的反冲小，且由冲击导致的破坏均匀地进行，能够得到能稳定地吸收冲击的能量吸收部件。
这里，受到冲击的瞬间的反冲小是指：在用上侧夹具和下侧夹具夹持中空圆筒状的纤维强化复合材料，并使落锤从上侧夹具之上自由下落来在轴向施加冲击压缩载荷的大型落锤冲击试验中，在落锤的质量为200kg、并将自由下落高度设定为2.46m以使冲击速度为25km/h的试验条件下绘制载荷位移曲线的情况下，最大载荷点处的载荷(以下称为最大载荷)与紧接着该最大载荷点之后出现的极小点处的载荷(以下称为第1极小点载荷)之差为30kN以下。另外，因冲击导致的破坏均匀地进行而能够稳定地吸收冲击是指：在用上侧夹具和下侧夹具夹持中空圆筒状的纤维强化复合材料、使落锤从上侧夹具之上自由下落来在轴向施加冲击压缩载荷的大型落锤冲击试验中，在落锤的质量为200kg、并将自由下落高度设定为2.46m以使冲击速度为25km/h的试验条件下绘制载荷位移曲线的情况下，在刚达到最大载荷点之后出现的极小点之后且位移量达到70mm为止出现的多个极大点以及极小点中，载荷最大的极大点处的载荷(以下称为最大极大点载荷)与载荷最小的极小点处的载荷(以下称为最小极小点载荷)之差为25kN以下。
根据本发明的能量吸收材料，若上述纤维强化复合材料中的上述强化纤维的体积含有率小于30％，则冲击导致的破坏无法不均匀地进行，因而无法稳定地吸收冲击。另一方面，若上述强化纤维的体积含有率超过80％，则固化性树脂组合物无法充分含浸在强化纤维中，因而无法得到纤维强化复合材料。
另外，在本发明的能量吸收部件中，优选的是，多根所述强化纤维在所述纤维强化复合材料中被配设成螺旋状且被配设在相互交叉的方向上，相互交叉的所述强化纤维的交叉角度为100°以上且160°以下。
通过使上述交叉角度处于100°以上且160°以下的范围内，本发明的能量吸收部件能够得到因冲击导致的破坏能更均匀地进行从而能够更稳定地吸收冲击的能量吸收部件。
这里，因冲击导致的破坏能更均匀地进行从而能够更稳定地吸收冲击是指最大极大点载荷与最小极小点载荷之差为20kN以下。
另外，在本发明的能量吸收部件中，更优选多根所述强化纤维在所述纤维强化复合材料中被配设成螺旋状且被配设在相互交叉的方向上，相互交叉的所述强化纤维的交叉角度为70°以上且小于100°。
通过使上述交叉角度处于70°以上且小于100°的范围内，本发明的能量吸收部件受到冲击的瞬间的反冲变得更小，并且实现了极高的能量吸收量。
在此，受到冲击的瞬间的反冲进一步减小是指最大载荷与第1极小点载荷之差为20kN以下。
另外，这里，实现了极高的能量吸收量是指，用上侧夹具和下侧夹具夹持中空圆筒状的纤维强化复合材料，使落锤自由下落至上侧夹具之上来在轴向上施加冲击压缩载荷的大型落锤冲击试验中，在落锤的质量为200kg、并将自由下落高度设定为2.46m以使冲击速度为25km/h的试验条件下绘制载荷位移曲线的情况下，位移量达到70mm为止的能量吸收量(以下称为70mm时刻的总能量吸收量)是3300J以上。需要说明的是，所述70mm时刻的总能量吸收量也可以利用位移量即将达到70mm之前的位移量下的能量吸收量和位移量超过70mm之后的位移量下的能量吸收量的平均来求出。
另外，在本发明的能量吸收部件中，优选所述纤维强化复合材料中的所述强化纤维的体积含有率为50～70％。
通过使上述纤维强化复合材料中的上述强化纤维的体积含有率为50～70％，能够实现高能量吸收量。
在此，能够实现高能量吸收量是指上述70mm时刻的总能量吸收量为2500J以上。
另外，在本发明的能量吸收部件中，优选的是，所述强化纤维是玻璃纤维，所述玻璃纤维含有相对于所述玻璃纤维的总量为56.5～68.0质量％范围的SiO2、13.0～28.0质量％范围的Al2O3和5.0～12.0质量％范围的MgO，所述SiO2、Al2O3和MgO的合计含有率为77.0质量％以上，所述MgO的含有率相对于所述SiO2的含有率的比(MgO/SiO2)为0.09～0.18。
通过使上述强化纤维由SiO2、Al2O3和MgO的含有率满足上述条件的玻璃纤维构成，该玻璃纤维具有适当的拉伸强度、拉伸弹性模量和伸长率，将该玻璃纤维用作强化纤维的能量吸收部件受到冲击的瞬间的反冲变小，并且，因冲击导致的破坏均匀地进行，从而能够稳定地吸收冲击。
如果SiO2的含有率小于56.5质量％，则得到的玻璃纤维不具备适度的拉伸强度和伸长率，在将该玻璃纤维用作强化纤维的能量吸收部件中，无法实现稳定的能量吸收。另一方面，若SiO2的含有率超过68.0质量％，则在熔融构成玻璃纤维的玻璃组合物时，被熔融的玻璃组合物的粘性增高，玻璃纤维的制造本身变得困难。
若Al2O3的含有率小于13.0质量％，则得到的玻璃纤维不具备适度的拉伸强度、拉伸弹性模量和伸长率，在将该玻璃纤维用作强化纤维的能量吸收部件中，无法实现稳定的能量吸收。另一方面，若Al2O3的含有率超过28.0质量％，则在熔融构成玻璃纤维的玻璃组合物时容易发生失透(在玻璃中析出微小的结晶物的现象)，玻璃纤维的制造本身变得困难。另外，为了使玻璃组合物熔融所需的温度变高，产生熔融炉寿命变短的不良情况。
MgO的含有率低于5.0质量％时，得到的玻璃纤维不具备适度的拉伸强度、拉伸弹性模量和伸长率，在将该玻璃纤维用作强化纤维的能量吸收部件中，无法实现稳定的能量吸收。另一方面，若MgO的含有率超过12.0质量％，则在熔融构成玻璃纤维的玻璃组合物时容易发生失透，作业温度范围变窄，从而导致玻璃纤维的制造本身变得困难。
如果SiO2、Al2O3和MgO的合计含有率小于77.0质量％，则得到的玻璃纤维不具备适度的拉伸强度、拉伸弹性模量和伸长率，在将该玻璃纤维用作强化纤维的能量吸收部件中，无法实现稳定的能量吸收。
上述MgO/SiO2小于0.09时，得到的玻璃纤维不具备适度的拉伸强度、拉伸弹性模量和伸长率，在将该玻璃纤维用作强化纤维的能量吸收部件中，无法实现稳定的能量吸收。另一方面，若上述MgO/SiO2超过0.18，则在熔融构成玻璃纤维的玻璃组合物时容易发生失透，导致玻璃纤维的制造本身变得困难。
附图的简单说明
图1是表示在测定构成本发明的能量吸收部件的纤维强化复合材料中的强化纤维的拉伸强度S、拉伸弹性模量M和伸长率E时所使用的单丝试验片的图。
图2是表示构成本发明的能量吸收部件的纤维强化复合材料中的强化纤维的交叉角度和强化纤维相对于纤维强化复合材料的中心轴的角度的图。
具体实施方式
接着，参照附图进一步详细说明本发明的实施方式。
本实施方式的能量吸收部件由中空圆筒状的纤维强化复合材料构成，该纤维强化复合材料由拉伸强度S(GPa)、拉伸弹性模量M(GPa)、以及伸长率E(％)满足下述式(1)的强化纤维和含浸于该强化纤维的固化性树脂组合物构成，上述纤维强化复合材料中的上述强化纤维的体积含有率为30～80％。根据本实施方式的能量吸收部件，通过使上述拉伸强度S、拉伸弹性模量M及伸长率E满足下述式(1)且强化纤维的体积含有率处于上述范围，受到冲击的瞬间的反冲变小，且冲击导致的破坏均匀地进行而能够稳定地吸收冲击。
11.0≤S2×M1/8/E1/2≤22.0 (1)
在本实施方式的能量吸收部件中，上述强化纤维的拉伸强度S例如在3.7～5.5GPa的范围，优选在3.8～5.2GPa的范围，更优选在3.9～5.0GPa的范围，进一步优选在4.0～4.8GPa的范围。若上述S小于3.7GPa，则由冲击导致的破坏难以均匀地进行，因而难以稳定地吸收冲击。另一方面，若上述S超过5.5GPa，则受到冲击的瞬间的反冲变大。
需要说明的是，通过将强化纤维(在强化纤维由多根单丝形成的情况下，是指该单丝)被拉伸而断裂时的最大载荷除以强化纤维的截面积来计算出强化纤维的拉伸强度S。
特别是，在强化纤维为玻璃纤维的情况下，玻璃纤维的拉伸强度S可以通过以下的步骤来进行测定。
(拉伸强度S的测定方法)
(1－1)玻璃批料(将玻璃原料混合调配而成的材料)、或玻璃纤维(在玻璃纤维表面附着有有机物、或者玻璃纤维主要作为强化材料而包含于有机物(树脂)中的情况下，例如在300～630℃的马弗炉中加热2～24小时左右等，除去有机物后进行使用)放入铂坩埚中，然后在电炉中在1550℃的温度下保持6小时，一边搅拌一边使其熔融，由此得到均质的熔融玻璃。
(1－2)将得到的熔融玻璃流出到碳板上而制成碎玻璃后，将所得到的碎玻璃投入到容器底部具有1个圆形喷头的小型的筒型铂制衬套内，将衬套加热至规定温度，以使投入的碎玻璃的粘度为1000±150泊，使碎玻璃熔融而得到熔融玻璃。
(1－3)以使玻璃纤维径成为13±2μm的方式，使用卷取机以规定速度卷取从上述铂制衬套的喷头吐出的熔融玻璃，并一边拉伸一边冷却固化而得到具备正圆状的圆形截面的玻璃纤维。
(1－4)采集所述铂制衬套的喷头与卷取机之间的一根纤维(单丝)作为极力抑制了因接触或摩擦而导致的劣化的状态的玻璃纤维的拉伸强度评价用试样。
(1－5)如图1所示，将所得到的单丝F与连结衬纸P的短边的中心点O，O的线A1相一致地在长边方向上配置并粘接，制作单丝试验片11。在衬纸P的内部中央，以使得衬纸P的短边及长边与切除部12的短边及长边分别平行的方式具备切除部12，在切除部12的短边与衬纸P的短边之间具备要被设置在拉伸试验机的抓持工具上的抓持部13，在切除部12的长边与衬纸P的长边之间具备连接并支撑各抓持部13、13的支持部14。衬纸P的短边为25mm，长边为50mm；切除部12的短边为15mm，长边为25mm。另外，抓持部13的短边为12.5mm，长边为25mm；支持部14的短边为5mm，长边为25mm。
(1－6)用扫描型电子显微镜(日立株式会社制，商品名：S－3400)测定上述单丝F的直径，利用得到的直径计算出单丝F的截面积。
(1－7)将上述抓持部13、13设置到拉伸试验机(株式会社A&D制、桌上型材料试验机STB－1225S)的抓持工具间距被设定为25mm的上下抓持工具上，切除支持部14、14，形成抓持部13、13仅通过单丝F连接的状态后，以5mm/分钟的十字头速度进行拉伸试验。
(1－8)通过将单丝F断裂时的最大载荷值除以单丝F的截面积来算出拉伸强度S。需要说明的是，除去测定中发生脱线、断线等不完全断裂的单丝试验片11，将n＝30的平均值作为拉伸强度S的测定值。
在本实施方式的能量吸收部件中，上述强化纤维的拉伸弹性模量M例如在77～110GPa的范围，优选在78～100GPa的范围，更优选在79～95GPa的范围，进一步优选在80～90GPa的范围。若上述拉伸弹性模量M小于77GPa，则由冲击导致的破坏难以均匀地进行，因而难以稳定地吸收冲击。另一方面，若上述拉伸弹性模量M超过110GPa，则受到冲击的瞬间的反冲变大。
需要说明的是，强化纤维的拉伸弹性模量M通过下述方式求得：对强化纤维(在强化纤维由多根单丝形成的情况下，是指该单丝)施加载荷时的、2点间的应变ε1＝0.0005及ε2＝0.0025所对应的应力分别被设定为σ1、σ2时，将应力之差(σ2－σ1)除以应变之差(ε2－ε1)的值。
特别是，当强化纤维为玻璃纤维时，玻璃纤维的拉伸弹性模量M可以通过以下步骤来进行测定。
(拉伸弹性模量M的测定方法)
(2－1)通过与上述拉伸强度S的测定方法(1－1)～(1－4)相同的操作得到单丝。
(2－2)如图1所示，将所得到的单丝F与连结衬纸P的短边的中心点O，O的线A1相一致地在长边方向上配置并粘接，制作单丝试验片11。在衬纸P的内部中央，以使得衬纸P的短边及长边与切除部12的短边及长边分别平行的方式具备切除部12，在切除部12的短边与衬纸P的短边之间具备要被设置在拉伸试验机的抓持工具上的抓持部13，在切除部12的长边与衬纸P的长边之间具备连接并支撑各抓持部13、13的支持部14。衬纸P的短边为25mm，长边为75mm；切除部12的短边为15mm，长边为50mm。另外，抓持部13的短边为12.5mm，长边为25mm；支持部14的短边为5mm，长边为50mm。
(2－3)用扫描型电子显微镜(日立株式会社制，商品名：S－3400)测定上述单丝F的直径，利用得到的直径算出单丝F的截面积。
(2－4)将上述抓持部13、13设置在拉伸试验机(株式会社A&D制的桌上型材料试验机STB－1225S)的抓持工具间距被设定为50mm的上下抓持工具上，切除支持部14，在抓持部13、13仅通过单丝F连接的状态后，以5mm/分钟的十字头速度进行拉伸试验。
(2－5)将与2点间的应变ε1＝0.0005及ε2＝0.0025对应的应力分别设为σ1、σ2，通过将应力之差(σ2－σ1)除以应变之差(ε2－ε1)来算出拉伸弹性模量M。需要说明的是，除去测定中产生脱线的单丝试验片11，将n＝15的平均值作为拉伸弹性模量M的测定值。
在本实施方式的能量吸收部件中，上述强化纤维的伸长率E例如在3.0～7.0％的范围，优选在4.0～6.8％的范围，更优选在5.0～6.5％的范围，进一步优选在5.5～6.2％的范围。上述伸长率E小于3.0％时，受到冲击的瞬间的反冲容易变大。另一方面，若上述伸长率E超过7.0％，则相对于冲击载荷的变形过大，因此能量吸收部件的长度因设置场所的制约等而受限定，在由冲击载荷引起的可变形量受限定的情况下，则无法实现高能量吸收量。
需要说明的是，强化纤维的伸长率E通过下述方式计算出：进行与拉伸强度S的测定相同的操作，将单丝断裂时的位移除以抓持工具间距。
特别是，当强化纤维为玻璃纤维时，上述强化纤维的伸长率E可以通过计算出下述数值的方式进行测定：通过进行与上述玻璃纤维的拉伸强度S的测定相同的操作，求出在得到最大载荷值时的位移，并将该位移除以抓持工具间距(25mm)而得到的值的百分率。
在本实施方式的能量吸收部件中，在上述拉伸强度S、拉伸弹性模量M和伸长率E不满足式(1)的情况下，即在S2×M1/8/E1/2小于11.0的情况下，冲击导致的破坏不均匀地进行，无法稳定地吸收冲击。另一方面，在S2×M1/8/E1/2超过22.0的情况下，受到冲击的瞬间的反冲变大。
另外，在本实施方式的能量吸收部件中，从能够更可靠地使受到冲击的瞬间的反冲变小且能够更可靠地实现由冲击引起的破坏均匀地进行，从而能够稳定地吸收冲击的观点考虑，上述拉伸强度S、拉伸弹性模量M以及伸长率E优选满足下述式(2)。
11.5≤S2×M1/8/E1/2≤20.0…(2)
另外，在本实施方式的能量吸收部件中，上述拉伸强度S、拉伸弹性模量M和伸长率E更优选满足下述式(3)。
11.7≤S2×M1/8/E1/2≤19.0…(3)
另外，在本实施方式的能量吸收部件中，上述拉伸强度S、拉伸弹性模量M及伸长率E进一步优选满足下述式(4)。
12.0≤S2×M1/8/E1/2≤18.0…(4)
在本实施方式的能量吸收部件中，强化纤维的重量优选为10～10000tex(g/km)，更优选为100～4000tex，进一步优选为200～2500tex，特别优选为280～2300tex。若强化纤维的重量为该范围，则纤维强化复合材料的成型变得容易。
在本实施方式的能量吸收部件中，作为满足式(1)的强化纤维，可以使用下述玻璃纤维：该玻璃纤维含有相对于其总量为56.5～68.0质量％范围的SiO2、13.0～28.0质量％范围的Al2O3和5.0～12.0质量％范围的MgO，所述SiO2、Al2O3和MgO的合计含有率为77.0质量％以上，MgO的含有率相对于上述SiO2的含有率的比(MgO/SiO2)为0.09～0.18。
在本实施方式的能量吸收部件中，如果作为强化纤维的玻璃纤维的SiO2的含有率小于56.5质量％，则得到的玻璃纤维不具备适度的拉伸强度和伸长率，在将该玻璃纤维用作强化纤维的能量吸收部件中，无法实现稳定的能量吸收。另一方面，若SiO2的含有率超过68.0质量％，则在熔融构成玻璃纤维的玻璃组合物时，熔融的玻璃组合物的粘性变高，玻璃纤维的制造本身变得困难。
另外，在本实施方式的能量吸收部件中，作为强化纤维的玻璃纤维的SiO2的含有率优选为56.7～65.0质量％，更优选为56.9～63.0质量％，特别优选为57.0～61.5质量％，最优选为57.2～59.5质量％。
在本实施方式的能量吸收部件中，如果作为强化纤维的玻璃纤维的Al2O3的含有率小于13.0质量％，则得到的玻璃纤维不具备适度的拉伸强度、拉伸弹性模量和伸长率，在将该玻璃纤维用作强化纤维的能量吸收部件中时，无法实现稳定的能量吸收。另一方面，若Al2O3的含有率超过28.0质量％，则在熔融构成玻璃纤维的玻璃组合物时，容易发生失透，玻璃纤维的制造本身变得困难。另外，为了熔融玻璃组合物而所需的温度变高，产生熔融炉的寿命变短的不良情况。
另外，在本实施方式的能量吸收部件中，作为强化纤维的玻璃纤维的Al2O3的含有率优选为14.0～25.0质量％，更优选为14.5～22.0质量％，进一步优选为15.0～20.0质量％，特别优选为15.5～19.5质量％，最优选为16.0～19.2质量％。
在本实施方式的能量吸收部件中，如果作为强化纤维的玻璃纤维的MgO的含有率小于5.0质量％，则得到的玻璃纤维不具备适度的拉伸强度、拉伸弹性模量和伸长率，在将该玻璃纤维用作强化纤维的能量吸收部件中，无法实现稳定的能量吸收。另一方面，若MgO的含有率超过12.0质量％，则在熔融构成玻璃纤维的玻璃组合物时容易发生失透，作业温度范围变窄，因而玻璃纤维的制造本身变得困难。
另外，在本实施方式的能量吸收部件中，作为强化纤维的玻璃纤维的MgO的含有率优选为6.0～11.5质量％，更优选为7.0～11.0质量％，进一步优选为8.0～10.5质量％，特别优选为9.0～10.2质量％。
在本实施方式的能量吸收部件中，作为强化纤维的玻璃纤维的SiO2、Al2O3和MgO的合计含有率小于77.0质量％时，得到的玻璃纤维不具备适度的拉伸强度、拉伸弹性模量和伸长率，在将该玻璃纤维用作强化纤维的能量吸收部件中，无法实现稳定的能量吸收。
另外，在本实施方式的能量吸收部件中，作为强化纤维的玻璃纤维的SiO2、Al2O3和MgO的合计含有率优选为80.0质量％以上，更优选为82.0质量％以上，进一步优选为84.0质量％以上，特别优选为85.0质量％以上。
在本实施方式的能量吸收部件中，若作为强化纤维的玻璃纤维中的MgO的含有率相对于SiO2的含有率之比(MgO/SiO2)小于0.09，则得到的玻璃纤维不具备适度的拉伸强度、拉伸弹性模量和伸长率，在将该玻璃纤维用作强化纤维的能量吸收部件中，无法实现稳定的能量吸收。另一方面，若上述MgO/SiO2超过0.18，则在熔融构成玻璃纤维的玻璃组合物时容易发生失透，玻璃纤维的制造本身变得困难。
在本实施方式的能量吸收部件中，作为强化纤维的玻璃纤维中的MgO的含有率相对于SiO2的含有率之比(MgO/SiO2)优选为0.120～0.175的范围，更优选为0.130～0.170的范围，进一步优选为0.140～0.165的范围。
在本实施方式的能量吸收部件中，作为强化纤维的玻璃纤维可以含有例如6.0～14.0质量％范围的CaO，并优选含有8.0～13.0质量％范围的、更优选含有10.0～12.5质量％范围的CaO。
在本实施方式的能量吸收部件中，作为强化纤维的玻璃纤维含有例如0.1～2.0质量％范围的B2O3，优选含有0.5～1.5质量％范围的B2O3、更优选为0.8～1.2质量％范围。
在本实施方式的能量吸收部件中，作为强化纤维的玻璃纤维含有合计含有率为0.05～3.0质量％的Fe2O3、Na2O、K2O、Li2O、SrO和TiO2，这些成分Fe2O3、Na2O、K2O、Li2O、SrO和TiO2的合计含有率优选为0.1～0.8质量％、更优选为0.2～0.5质量％范围。
这里，针对玻璃纤维中的各成分的含有率的测定，使用ICP发光分光分析装置测定作为轻元素的B和Li的含有率，使用波长分散型荧光X射线分析装置测定其他元素的含有率。
作为测定方法，首先准备玻璃批料(混合玻璃原料调配而成的物质)、或者在玻璃纤维(在玻璃纤维表面附着有有机物的情况，或者在玻璃纤维主要作为强化材料而包含于有机物(树脂)中的情况下，例如在300～600℃的马弗炉中加热2～24小时左右等，从中除去有机物后进行使用)放入铂坩埚中，在电炉中在1550℃的温度下保持6小时，一边搅拌一边使其熔融，由此得到均质的熔融玻璃。接着，使得到的熔融玻璃流出到碳板上而制成碎玻璃后，进行粉碎使其粉末化。对于作为轻元素的B和Li，将玻璃粉末进行碱熔融分解后，使用ICP发光分光分析装置进行定量分析。在用冲压机将玻璃粉末成型为圆盘状之后，使用波长分散型荧光X射线分析装置对其他元素进行定量分析。将这些定量分析结果换算成氧化物，计算各成分的含量和总量，根据这些数值可以求出上述各成分的含有率。
在本实施方式的能量吸收部件中，作为强化纤维的玻璃纤维的纤维直径例如是3～30μm范围，并优选是6～25μm的范围，更优选是11～24μm的范围，进一步优选是13～23μm的范围。
这里，在形成玻璃纤维的玻璃丝的截面形状为正圆形或大致正圆形的情况下，玻璃纤维的纤维直径是指玻璃丝的直径。另一方面，在玻璃丝的截面形状为正圆形或大致正圆形以外的形状(例如椭圆形、长圆形等)的情况下，玻璃纤维的纤维直径是指具有与该截面形状的截面的面积相同的面积的正圆的直径(称为换算纤维直径)。
在本实施方式的能量吸收部件中，作为强化纤维的玻璃纤维的截面形状(通常，玻璃纤维是通过多根玻璃丝集束而成，将该玻璃丝的截面形状称为玻璃纤维的截面形状)不作特别限定。在本实施方式的能量吸收部件中，作为玻璃纤维可取的截面形状(即，玻璃丝可取的截面形状)，可以举出正圆形、椭圆形、长圆形。在玻璃纤维的截面形状为椭圆形或长圆形的情况下，截面形状的长径相对于截面形状的短径之比(长径/短径)例如在2.0～10.0的范围。
在本实施方式的能量吸收部件中，形成作为强化纤维的玻璃纤维的玻璃丝根数例如处于400～6000根的范围内，并优选处于600～3000根的范围内，更优选处于800～2000根的范围内。
在本实施方式的能量吸收部件中，为了实现提高强化纤维与含浸于该强化纤维的固化性树脂组合物的粘接性等目的，可以利用有机物被覆强化纤维的表面。作为上述有机物，可列举出淀粉、聚氨酯树脂、环氧树脂、不饱和聚酯树脂、乙酸乙烯酯树脂、丙烯酸树脂、改性聚丙烯(特别是羧酸改性聚丙烯)、(聚)羧酸(特别是马来酸)与不饱和单体的共聚物等。另外，在本实施方式的能量吸收部件中，强化纤维除了这些树脂以外，也可以被包含硅烷偶联剂、润滑剂、表面活性剂等的树脂组合物被覆。以未被树脂组合物被覆的状态下的玻璃纤维的质量为基准，这样的树脂组合物以0.1～2.0质量％的比例被覆玻璃纤维。需要说明的是，可以通过下述方式实施有机物对玻璃纤维的被覆：例如在玻璃纤维的制造工序中，使用辊型敷料器(Roller type applicator)等公知的方法对玻璃纤维赋予树脂溶液或树脂组合物溶液，然后对被赋予了树脂溶液或树脂组合物溶液的玻璃纤维进行干燥。
这里，作为硅烷偶联剂，可以举出氨基硅烷(γ－氨基丙基三乙氧基硅烷，N－β－(氨基乙基)－γ－氨基丙基三甲氧基硅烷、N－β－(氨基乙基)－N’－β－(氨基乙基)－γ－氨基丙基三甲氧基硅烷，γ－苯胺基丙氧基丙基三甲氧基硅烷等)、氯硅烷、环氧硅烷(β－(3，4－环氧环己基)乙基三甲氧基硅烷等)、乙烯基硅烷(乙烯基三甲氧基硅烷、N－β－(N－乙烯基苄基氨基乙基)－γ－氨基丙基三甲氧基硅烷等)、丙烯酸硅烷(γ－甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷等)。上述硅烷偶联剂可以单独使用，或者也可以并用2种以上。
作为润滑剂，可举出改性硅油、动物油(牛脂等)及其氢化物、植物油(大豆油、椰子油、菜籽油、棕榈油、蓖麻油等)及其氢化物、动物性蜡(蜜蜡，羊毛脂等)、植物性蜡(小烛树蜡、巴西棕榈蜡等)、矿物系蜡(石蜡，褐煤蜡等)、高级饱和脂肪酸与高级饱和醇的缩合物(月桂基硬脂酸酯等硬脂酸酯等)，聚乙烯亚胺、聚烷基多胺烷基亚麻衍生物、脂肪酸酰胺(例如，二亚乙基三胺、三亚乙基四胺、四亚乙基五胺等聚乙烯多胺与月桂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸、硬脂酸等脂肪酸的脱水缩合物等)，季铵盐(月桂基三甲基氯化铵等烷基胺盐等)。上述润滑剂可以单独使用，或者也可以并用2种以上。
作为表面活性剂，可列举出非离子系表面活性剂、阳离子系表面活性剂、阴离子系表面活性剂、两性表面活性剂。
作为非离子系表面活性剂，可以列举出环氧乙烷聚氧乙烯烷基醚、聚氧乙烯烷基醚、聚氧乙烯－聚氧丙烯－嵌段共聚物、烷基聚氧乙烯－聚氧丙烯－嵌段共聚物醚、聚氧乙烯脂肪酸酯、聚氧乙烯脂肪酸单酯、聚氧乙烯脂肪酸二酯、聚氧乙烯山梨糖醇酐脂肪酸酯、甘油脂肪酸酯环氧乙烷加成物、聚氧乙烯缩聚油醚、氢化蓖麻油环氧乙烷加成物，烷基胺环氧乙烷加成物、脂肪酸酰胺环氧乙烷加成物、甘油脂肪酸酯，聚甘油脂肪酸酯、季戊四醇脂肪酸酯、山梨糖醇脂肪酸酯，山梨糖醇酐脂肪酸酯、蔗糖脂肪酸酯、多元醇烷基醚、脂肪酸烷醇酰胺，炔二醇、乙炔醇、炔二醇的环氧乙烷加成物，乙炔醇的环氧乙烷加成物。
作为阳离子系表面活性剂，可以举出：烷基二甲基苄基铵、氯化烷基酯、烷基二甲基乙基铵乙基硫酸盐、高级烷基胺盐(乙酸盐、盐酸盐等)、向高级烷基胺加环氧乙烷的加成物、高级脂肪酸与聚亚烷基多胺的缩合物、高级脂肪酸与烷醇胺的酯盐、高级脂肪酸酰胺的盐、咪唑啉型阳离子性表面活性剂、烷基吡啶鎓盐。
作为阴离子系表面活性剂，可以列举出高级醇硫酸酯盐、高级烷基醚硫酸酯盐、α－烯烃硫酸酯盐、烷基苯磺酸盐、α－烯烃磺酸盐、脂肪酸卤化物与N－甲基丁基膦酸的反应产物、磺基琥珀酸二烷基酯盐、高级醇磷酸酯盐、高级醇环氧乙烷加成物的磷酸酯盐。
作为两性表面活性剂，可以列举出烷基氨基丙酸碱金属盐等氨基酸型两性表面活性剂、烷基二甲基甜菜碱等甜菜碱型、咪唑啉型两性表面活性剂。
上述表面活性剂可以单独使用，或者也可以并用2种以上。
在本实施方式的能量吸收部件中，若纤维强化复合材料中的强化纤维的体积含有率小于30％，则由冲击导致的破坏不均匀地进行，无法稳定地吸收冲击。另一方面，若强化纤维的体积含有率超过80％，则固化性树脂组合物无法充分地含浸在强化纤维中，无法得到纤维强化复合材料。
另外，在本实施方式的能量吸收部件中，从能够实现高能量吸收量的角度考虑，纤维强化复合材料中的强化纤维的体积含有率优选为45～75％，更优选为50～70％，进一步优选为55～65％。
需要说明的是，可以根据JISK7053来计算出纤维强化复合材料中的强化纤维的体积含有率。
在本实施方式的能量吸收部件中，固化性树脂组合物可以含有固化性树脂和强化纤维以外的添加剂。在本实施方式的能量吸收部件中，纤维强化复合材料中的固化性树脂的体积含有率例如为20～70％。另外，纤维强化复合材料中的强化纤维以外的添加剂的体积含有率例如为0～10％。
上述固化性树脂可以是热固化性树脂，也可以是光固化性树脂，但从厚度方向的成型自由度变高的角度考虑，优选为热固化性树脂。
作为上述固化性树脂，可以列举出：不饱和聚酯树脂、乙烯基酯树脂，环氧(EP)树脂、三聚氰胺(MF)树脂、酚醛树脂(PF)、聚氨酯树脂(PU)，多异氰酸酯、聚异氰尿酸酯、聚酰亚胺(PI)、脲(UF)树脂，硅酮(SI)树脂、呋喃(FR)树脂、苯并胍胺(BR)树脂、醇酸树脂，二甲苯树脂、双马来酰亚胺三嗪(BT)树脂、邻苯二甲酸二烯丙酯树脂(PDAP)等。
具体而言，作为不饱和聚酯，可以举出通过使脂肪族不饱和二羧酸与脂肪族二醇进行酯化反应而得到的树脂。
作为乙烯基酯树脂，可以举出：双酚系乙烯基酯树脂、酚醛清漆系乙烯基酯树脂。
作为环氧树脂，可以列举：双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、双酚E型环氧树脂、双酚S型环氧树脂、双酚M型环氧树脂(4，4’－(1，3－亚苯基二异丙叉基)双酚型环氧树脂)、双酚P型环氧树脂(4，4’－(1，4－亚苯基二异戊二烯)双酚型环氧树脂)、双酚Z型环氧树脂(4，4'－亚二甲苯基二苯酚型环氧树脂)、苯酚酚醛清漆型环氧树脂、甲酚酚醛清漆型环氧树脂、四酚基乙烷型酚醛清漆型环氧树脂、具有缩合环芳香族烃结构的酚醛清漆型环氧树脂，联苯型环氧树脂、亚二甲苯基型环氧树脂、苯基芳烷基型环氧树脂等芳烷基型环氧树脂、亚萘基醚型环氧树脂、萘酚型环氧树脂、萘二醇型环氧树脂、二官能至四官能环氧型萘树脂、联萘型环氧树脂、萘芳烷基型环氧树脂、蒽型环氧树脂、苯氧基型环氧树脂、二环戊二烯型环氧树脂、降冰片烯型环氧树脂、金刚烷型环氧树脂、芴型环氧树脂等。
作为三聚氰胺树脂，可以举出由三聚氰胺(2，4，6－三氨基－1，3，5－三嗪)与甲醛的缩聚形成的聚合物。
作为酚醛树脂，可以列举出：苯酚酚醛清漆树脂、甲酚酚醛清漆树脂、双酚A型酚醛清漆树脂等酚醛清漆型酚醛树脂、羟甲基型甲阶酚醛树脂、二亚甲基醚型甲阶酚醛树脂等甲阶型酚醛树脂、或芳基亚烷基型酚醛树脂等，可以是上述各酚醛树脂的其中的一种数值、或是组合了上述两种以上而得到的树脂。
作为尿素树脂，可以举出通过尿素与甲醛的缩合而得到的树脂。
上述固化性树脂可以单独使用，也可以组合使用两种以上。
作为上述强化纤维以外的添加剂，可以列举出：强化纤维以外的填充剂(例如，玻璃粉末，滑石、云母等)、阻燃剂、紫外线吸收剂、热稳定剂、抗氧化剂、抗静电剂、流动性改良剂、抗粘连剂、润滑剂、成核剂、抗菌剂、颜料、热塑性树脂等。
在本实施方式的能量吸收部件中，上述纤维强化复合材料可以通过下述方式制得：使用上述强化纤维和上述固化性树脂组合物，通过长丝缠绕成型、扁线缠绕(sheetwinding)成型、高压釜成型、注射(Infusion molding)成型、树脂转移模塑成型等得到。
在本实施方式的能量吸收部件中，纤维强化复合材料呈中空圆筒形状。在此，纤维强化复合材料的内径例如为50～200mm，优选为70～130mm。另外，纤维强化复合材料的外径例如为80～250mm，优选为100～150mm。另外，纤维强化复合材料的长度例如为100～150mm。
在本实施方式的能量吸收部件中，纤维强化复合材料中包含1根或多根、例如100～10000根强化纤维。各强化纤维是纤维长度至少为1000mm以上的连续纤维，在中空圆筒状的纤维强化复合材料的侧壁部内不切断地从侧壁部的上端配置到侧壁部的下端。
在本实施方式的能量吸收部件中，受到冲击的瞬间的反冲更为可靠地变小，并且，由冲击引起的破坏更为可靠地均匀地进行，从而能够稳定地吸收冲击。因此如图2所示，优选的是，构成能量吸收部件(纤维强化复合材料)21的强化纤维22被配设成多根强化纤维22在纤维强化复合材料中呈螺旋状且被配设在相互交叉的方向上。
这里，从使由冲击导致的破坏更为均匀地进行、从而能够更为稳定地吸收冲击的观点考虑，相互交叉的强化纤维2的交叉角度θ优选为100°以上且160°以下。另外，上述交叉角度θ更优选为处于105°以上140°以下的范围内，进一步优选为处于110°以上130°以下的范围内。
另外，从进一步减小受到冲击的瞬间的反冲、并且实现极高的能量吸收量的观点考虑，相互交叉的强化纤维的交叉角度θ优选为70°以上且小于100°，更优选为80°以上且95°以下。
另外，在本实施方式的能量吸收部件中，优选一方的强化纤维2相对于纤维强化复合材料的中心轴A2的角度θ1与另一方的强化纤维2相对于纤维强化复合材料的中心轴A2的角度θ2相同。通过使强化纤维2相对于所述纤维强化复合材料1的中心轴A2的角度θ1及角度θ2相同，能够得到能更稳定地吸收冲击的能量吸收部件。
作为本实施方式的能量吸收部件的用途，可以列举出：碰撞盒、前侧梁、后侧梁等。
接着，示出本发明的实施例和比较例。
(实施例1)
(能量吸收部件的成型方法)
使用表1所示的玻璃纤维GF－A作为强化纤维2，使用环氧树脂组合物(环氧树脂XNR6805(商品名，Nagase ChemteX株式会社制)、固化剂XNH6805(商品名，Nagase ChemteX株式会社制)和固化促进剂XNA6805(商品名，Nagase ChemteX株式会社制)以重量比100:100:2的方式混合的组合物)作为固化性树脂组合物。
首先，在将实施了微镜面精加工和脱模处理的外径100mm的SUS制芯棒(mandrel)设置于细丝缠绕装置后，在进行强化纤维的供给和张力控制的供纱装置中设置玻璃纤维GF－A，向细丝缠绕装置的树脂槽中投入通过上述比率调配而成的环氧树脂组合物。
接着，一边在树脂槽中使环氧树脂组合物含浸于玻璃纤维GF－A，一边施加张力，同时以卷绕角度相对于旋转轴方向以第一层为+60°、第二层为－60°的方式卷绕了2层(图2中的交叉角度θ＝120°、强化纤维2相对于中心轴A2的角度θ1＝角度θ2＝60°)。其中，将芯棒的旋转轴(中心轴A2)方向设定为0°。
接着，将含浸了所得到的环氧树脂组合物的玻璃纤维GF－A在85℃下加热4小时使其固化。
接着，使用脱芯机从芯棒上卸下含浸了环氧树脂组合物的玻璃纤维GF－A的固化物，得到外径130mm、内径100mm的中空圆筒状的纤维强化复合材料1。
为了确保两端部的平行度以及抑制两端部在半径方向的变形，在插入铝合金制的型芯的状态下，用车床将上述纤维强化复合材料1切断成长度为135mm而制成能量吸收部件1。
(能量吸收材料的评价方法)
能量吸收部件1的能量吸收特性通过使用大型落锤冲击试验装置的冲击试验进行评价。
在上述冲击试验中，利用上侧夹具和下侧夹具夹住能量吸收部件1，使质量200kg的落锤从高度2.46m以冲击速度25km/h自由下落至上侧夹具之上，在能量吸收部件的轴向上施加冲击压缩载荷。
利用安装于下侧夹具下面的测力传感器计测冲击载荷，通过对由高速照相机拍摄到的动态图像进行图像解析来计测位移。结果示于表2。
(实施例2)
除了将细丝缠绕装置对强化纤维2的卷绕角度设定成第一层为+45°、第二层为－45°(图2中的交叉角度θ＝90°、强化纤维2相对于中心轴A2的角度θ1＝角度θ2＝45°)以外，其余与实施例1完全相同地成型中空圆筒状的纤维强化复合材料1，并对其进行了评价。结果示于表2。
(比较例1)
除了使用表1所示的玻璃纤维GF－B作为强化纤维2以外，其余与实施例1完全相同地成型中空圆筒状的纤维强化复合材料1，并对其进行了评价。结果示于表2。
(比较例2)
除了使用碳纤维(东丽株式会社制，商品名：T700－SC、表2中标记为CF)作为强化纤维2以外，其余与实施例1完全相同地成型中空圆筒状的纤维强化复合材料1，并对其进行评价。结果示于表2。
(表1)
Figure BDA0002271113670000201
(表2)
Figure BDA0002271113670000202
由表2明显可知，强化纤维2的拉伸强度S(GPa)、拉伸弹性模量M(GPa)和伸长率E(％)满足下式(1)，且纤维强化复合材料中的强化纤维2的体积含有率为30～80％的实施例1、2中的能量吸收部件1的最大载荷与第1极小点载荷之差为30kN以下，受到冲击的瞬间的反冲较小，并且最大极大点载荷与最小极小点载荷之差为25kN以下，由冲击导致的破坏均匀地进行，能够稳定地吸收冲击。
11.0≤S2×M1/8/E1/2≤22.0 (1)
另一方面，S2×M1/8/E1/2的值小于11.0的比较例1中的能量吸收部件的最大极大点载荷与最小极小点载荷之差超过25kN，因冲击导致的破坏无法均匀地进行，无法稳定地吸收冲击。
另外，S2×M1/8/E1/2的值超过22.0的比较例2中的能量吸收部件的最大载荷与第1极小点载荷之差超过30kN，无法减小受到冲击时的反冲。
符号说明
11单丝试验片、12切除部、13抓持部、14支持部、21能量吸收部件、22强化纤维、F单丝、P衬纸。

Claims (6)

1.一种能量吸收部件，其特征在于，
由中空圆筒状的纤维强化复合材料构成，
该纤维强化复合材料由拉伸强度S(GPa)、拉伸弹性模量M(GPa)及伸长率E(％)满足下述式(1)的强化纤维和含浸于该强化纤维的固化性树脂组合物构成，
所述强化纤维在所述纤维强化复合材料中的体积含有率为30～80％，11.0≤S2×M1/8/E1/2≤22.0……(1)，
多根所述强化纤维在所述纤维强化复合材料中被配设成螺旋状且被配设在相互交叉的方向上，
相互交叉的所述强化纤维的交叉角度为100°以上且160°以下。
2.根据权利要求1所述的能量吸收部件，其特征在于，
所述强化纤维在所述纤维强化复合材料中的体积含有率为50～70％。
3.根据权利要求1或2所述的能量吸收部件，其特征在于，
所述强化纤维是玻璃纤维，
所述玻璃纤维含有相对于所述玻璃纤维的总量为56.5～68.0质量％范围的SiO2、13.0～28.0质量％范围的Al2O3和5.0～12.0质量％范围的MgO，
所述SiO2、Al2O3和MgO的合计含有率为77.0质量％以上，
所述MgO的含有率相对于所述SiO2的含有率的比MgO/SiO2为0.09～0.18。
4.一种能量吸收部件，其特征在于，
由中空圆筒状的纤维强化复合材料构成，
该纤维强化复合材料由拉伸强度S(GPa)、拉伸弹性模量M(GPa)及伸长率E(％)满足下述式(1)的强化纤维和含浸于该强化纤维的固化性树脂组合物构成，
所述强化纤维在所述纤维强化复合材料中的体积含有率为30～80％，11.0≤S2×M1/8/E1/2≤22.0……(1)，
多根所述强化纤维在所述纤维强化复合材料中被配设成螺旋状且被配设在相互交叉的方向上，
相互交叉的所述强化纤维的交叉角度为70°以上且小于100°。
5.根据权利要求4所述的能量吸收部件，其特征在于，
所述强化纤维在所述纤维强化复合材料中的体积含有率为50～70％。
6.根据权利要求4或5所述的能量吸收部件，其特征在于，
所述强化纤维是玻璃纤维，
所述玻璃纤维含有相对于所述玻璃纤维的总量为56.5～68.0质量％范围的SiO2、13.0～28.0质量％范围的Al2O3和5.0～12.0质量％范围的MgO，
所述SiO2、Al2O3和MgO的合计含有率为77.0质量％以上，
所述MgO的含有率相对于所述SiO2的含有率的比MgO/SiO2为0.09～0.18。
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