CN1938137B - 预成型体、frp及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种预成型体及使用该预成型体成型的FRP及其制造方法，所述预成型体为层叠多张至少由增强纤维纱线形成的增强纤维基材构成的预成型体，其特征为，在预成型体内的增强纤维基材层间具有以热塑性树脂为主要成分的树脂材料，且在预成型体的厚度方向上形成贯通多张增强纤维基材的孔。通过提高预成型体的板厚方向的含浸性，可以以高生产率制造各种力学特性及对基体树脂的含浸性两者均优良、品质更稳定的FRP。

Description

预成型体、FRP及其制造方法

技术领域

本发明涉及用于纤维增强塑料(以下记为FRP)成型的预成型体、由该预成型体得到的FRP及其制造方法。具体而言，本发明涉及能得到对基体树脂的含浸性优良且表现高力学特性、品质稳定的FRP的预成型体、及所得到的FRP及其制造方法。

背景技术

作为轻质且高强度的材料，FPR在各个产业领域受到关注，其中，碳纤维增强塑料(CFRP)由于具有优良的机械特性等而受关注。特别在航空器领域，适用部位逐渐扩大，而且今后还会进一步扩大。

以连续的碳纤维作为增强纤维的纤维增强塑料在纤维轴的面内方向上具有优良的机械特性，但是如果向层叠了碳纤维薄片的CFRP板的厚度方向上施加部分冲击，则由于冲击，有时在CFRP板的层间产生裂缝，发生层间剥离，目前已提出了各种强化层间的方法。

作为使用上述CFRP板的FRP的代表性制造方法，通常，使用预先层叠增强纤维基材成想要成型的FRP形状的预成型体，但是注入基体树脂成型时存在下述问题。即，通常基体树脂向预成型体内的含浸速度对预成型体的空隙率(预成型体内的空隙的比例)依赖性大，所以在增强纤维体积含有率(松密度)高的状态(即所谓的近净成型，Near Net Shape)下，空隙率小，从而含浸速度变慢。另外，还具有以下特点，即便是相同的空隙率，与增强纤维基材的面内的方向相比，板厚方向的含浸速度极其慢。因此，CFRP的注入成型中，尤其是近净成型或成型厚壁板时，由于向预成型体内的含浸速度慢，所以成型的循环时间变长，生产率下降，另外，最坏的情况为存在在树脂的适用期(pot life)范围内没有完成向预成型体整体的含浸，成型品中残留有未含浸部分的问题。

作为强化该情况下的基材层间的方法，有如专利文献1所示的方法，即向预成型体内的增强纤维层间添加以热塑性树脂为主要成分的树脂材料，提高层间的强度。该树脂材料不仅具有强化层间的效果，还具有将预成型体的增强纤维基材彼此粘合·固定的功能，所以在预成型体的制造上也是非常有利的材料。

但是，存在着下述问题：该预成型体的空隙率，以具有与未添加树脂材料的普通的增强纤维基材相同的增强纤维体积含有率的情形进行比较时，由于预成型体内的树脂材料的体积分数使预成型体内的空隙率变小，所以含浸性差。另外，在该预成型体的增强纤维的体积含有率(松密度)特别高的状态中，由于无论哪一种形态的树脂材料，都存在形成层间最薄的形态即膜状的情况，所以层间的树脂材料会阻碍在板厚方向流动的基体树脂向增强纤维层含浸。即，该预成型体虽然具有各种优良的力学特性，但是特别是在增强纤维体积含有率高的状态下，即进行所谓的近净成型时或成型厚壁的预成型体时，存在着在基体树脂的含浸工序中需要大量时间的问题。

另外，如专利文献2所记载，采用针刺法进行增强纤维起绒处理，将起绒的纱线纤维或短纤维网押入层间，层彼此桥接从而提高层间剪切强度、面外强度的方法。通过该方法，能利用起绒的纤维引起的毛细管现象提高板厚方向的含浸性，另外，可以利用起绒的纤维得到的锚定(anchor)效果提高层间强度。但是，采用该方法的情况下，因针刺时特意切断部分增强纤维进行起绒处理，所以反而会降低切断的纤维部分的强度。另外，由于在该部分易引起应力集中，所以尽管具有提高层间强度的效果，但作为其副作用存在着依赖于增强纤维量的一个方向的拉伸强度或压缩强度之类基本机械特性下降的问题。

专利文献1：特开2003-80607号公报

专利文献2：特开2003-39429号公报

发明内容

本发明的目的是解决上述现有技术的问题，通过提高预成型体的板厚方向的含浸性，提供各种力学特性与对基体树脂的含浸性两者均优良、品质更稳定的FRP及用于该FRP的预成型体及以高生产率制造上述FRP和预成型体的方法。

为了完成上述课题，本发明采用了以下各方法。

(1)一种用于热固性基体树脂的注入成型的预成型体的制造方法，其特征为，至少依次经下述工序(A)～(E)制造预成型体，

(A)形成多张至少由增强纤维纱线形成的增强纤维基材，同时使以热塑性树脂为主要成分的树脂材料分散在增强纤维基材的表面，在预成型体模内层叠多张上述基材的层叠工序；

(B)在预成型体模内配置层叠后的层叠体的配置工序；

(C)加热层叠体，至少部分地粘合含有增强纤维基材与以热塑性树脂为主要成分的树脂材料的各层的加热工序；

(D)冷却层叠体的冷却工序；

(E)在预成型体的厚度方向上形成贯通多张增强纤维基材的孔的贯通工序。

(2)一种用于热固性基体树脂的注入成型的预成型体的制造方法，其特征为，至少经下述工序(F)～(K)制造预成型体，

(F)形成多张至少由增强纤维纱线形成的增强纤维基材，同时使以热塑性树脂为主要成分的树脂材料分散在增强纤维基材的表面，在预成型体模内层叠多张上述基材的层叠工序；

(G)在层叠体的厚度方向上用针或钉贯通多张增强纤维基材的层叠体的贯通工序；

(H)在预成型体模内配置层叠体的配置工序；

(I)加热层叠体，至少部分地粘合含有增强纤维基材与以热塑性树脂为主要成分的树脂材料的各层的加热工序；

(J)冷却层叠体的冷却工序；

(K)除去针或钉的除去工序。

(3)如上述(1)或(2)所述的预成型体的制造方法，其特征为，在所述贯通工序中使用短轴的长度为0.1～3mm的针或钉。

(4)如上述(1)或(2)所述的预成型体的制造方法，其特征为，在所述贯通工序中边对针或钉施加超声波边形成贯通孔。

(5)如上述(1)或(2)所述的预成型体的制造方法，其特征为，将贯通工序中的针或钉与配设在预成型体或层叠体上的加压板形成为一体。

(6)如上述(1)或(2)所述的预成型体的制造方法，其特征为，贯通工序中的针或钉的长度设定为与所希望的预成型体的板厚相同，在配设在层叠体上的加压板与预成型体模之间桥接针或钉，控制预成型体的板厚。

(7)如上述(1)或(2)所述的预成型体的制造方法，其特征为，配置的预成型体模的一方为包材，另一方为雄模或雌模。

(8)如上述(1)或(2)所述的预成型体的制造方法，其特征为，在所述加热工序中，预先在配置工序(B)或(H)中将层叠体密封在预成型体模内，通过将预成型体模内减压至大气压以下，利用大气压加压预成型体。

(9)一种FRP的制造方法，其特征为使用利用上述(1)～(8)中的任一项所述的的预成型体制造方法得到的预成型体，至少经下述工序(L)～(N)制造FRP：

(L)在成型模内配置预成型体的设置工序；

(M)将液化的基体树脂注入成型模内，使预成型体含浸基体树脂的注入工序；

(N)使基体树脂固化的固化工序。

(10)如上述(9)中所述的FRP的制造方法，其特征为，在设置工序(L)中，成型模至少由雌模或雄模中的任一个及包材形成。

(11)如上述(9)或(10)中所述的FRP的制造方法，其特征为，

在设置工序(L)中，在预成型体的最表面上层叠树脂扩散介质；

在注入工序(M)中，首先，向树脂扩散介质中优先注入基体树脂，然后，通过贯通孔使其在预成型体的厚度方向上含浸，从贯通孔向预成型体的面内方向含浸，从而使预成型体整体含浸树脂。

根据本发明的预成型体、FRP及其制造方法，可以高生产率地得到各种力学特性、成型时的树脂含浸性两者均优良且品质稳定的FRP。

附图说明

图1为本发明的一个实施方式的预成型体的侧视图。

图2为图1的预成型体的沿A-A线的剖面图。

图3为图2的变形例的预成型体的剖面图。

图4为本发明的其他实施方式的预成型体的侧视图。

图5为图4的预成型体的沿B-B线的剖面图。

图6为本发明的一个实施方式的FRP的侧视图。

图7表示本发明一个实施方式的预成型体制造方法的预成型体制造装置的纵剖面简图。

图8表示图7的下一工序的纵剖面简图。

图9表示本发明其他实施方式中的预成型体制造方法的预成型体制造装置的纵剖面简图。

图10表示图7、9的下一工序例的纵剖面简图。

符号说明

1：预成型体

2：增强纤维层

3：树脂材料

4：贯通孔

5：密封剂(sealant)

6：真空泵

7：包材

8、8a：通气材料

8b：排气管路

9：加压板

41：阶梯部(垫高(pad up)部)

42：薄壁部

61：贯通孔的痕迹

71：预成型体模

72：贯通模

81：贯通针

82：保护板

91：钉

92：带有钉的加压板

101：树脂罐

102：树脂注入口

103：成型模

104：剥离层

105：树脂扩散介质

具体实施方式

以下参照附图说明本发明优选的实施方式。

图1表示本发明的一个实施方式的预成型体的侧视图，图2为图1的预成型体的沿A-A线的剖面图，图3为图2的变形例的预成型体的剖面图。

图1中，本发明的一个实施方式的预成型体1为在厚度方向层叠多张增强纤维基材2(以后详细叙述)，所述增强纤维基材2由连续的例如碳纤维或芳香族聚酰胺纤维等增强纤维纱线平行并纱而形成。本发明的预成型体的特征为在预成型体1的厚度方向上具有至少贯通多张增强纤维基材2的贯通孔4。

如图2所示，该贯通孔4沿预成型体1的板厚方向贯通至其底面，由于成型时能确保基体树脂在板厚方向的流路，故优选。另外，从分散集中的应力的观点考虑，如图3所示，贯通多张增强纤维基材2后，对其余的增强纤维基材2可以通过设置在其他部位的多个贯通孔4到达底面。

另外，贯通孔4的内侧面的增强纤维优选为实质上未切断。原因在于在贯通孔的周边增强纤维实质上未被切断，能更有效地显示成型体的物性。此处，对实质上未切断的状态进行说明。例如，将带钩的针刺入增强纤维基材等意图切断增强纤维时，切断的纤维在贯通孔的周边或贯通孔内弯曲，切断端附近的纤维取向成为贯通孔的方向，而实质上未切断纤维的状态是指即便切断增强纤维的一部分，在孔的周边也观察不到如上所述的取向急剧地变化的程度。

作为贯通孔4的大小、形状、间距(pitch)，只要基体树脂能充分地向板厚方向流动，且成型品能达到所希望的机械特性即可，没有特别限定，具体而言，考虑以下所述方面，贯通孔4优选根据使用的增强纤维基材与基体树脂引起的含浸特性、FRP所要求的强度进行设定。

较大地设定贯通孔4的情况下，成型为FRP时形成树脂富集(resin rich)部位，可能引起应力集中。另外，众所周知，FRP的强度依赖于纤维的取向角，所以随着在贯通孔4的与增强纤维的主轴垂直的方向的直径变大，纤维局部的取向角的角度变化对强度的影响变大，故优选在基体树脂充分含浸的大小的范围内设定为最低限。例如，当以贯通孔上的纤维间的间隙作为椭圆的短轴时，优选该短轴的长度为0.1～3mm。

作为贯通孔4的形状，只要能满足上述功能即可，没有特别限定。从减小局部取向角角度的偏差考虑，优选使与增强纤维的主轴垂直方向的直径变小，例如可以设定为椭圆形状等。

作为贯通孔4的间距，优选根据使用的增强纤维基材与基体树脂、贯通孔4的形状或大小等进行设定。例如，优选设定为流入贯通孔4的基体树脂向增强纤维基材2的面内方向扩散，并能从多个贯通孔4充分含浸在整个增强纤维基材2中的间距。需要说明的是，关于树脂的流动形态，在说明制造方法时进行详细说明。

另外，如果增强纤维基材各层的增强纤维被填塞，则上述贯通孔稳定地存在并难以受振动或经时变化等影响，故优选。填塞是指通过在增强纤维基材的至少单面上赋予薄膜状的室温下为液体或软质的树脂、或使单位重量低的热塑性树脂无纺布或分散粒子等热粘接至增强纤维基材的至少单面上之类的方法，限制增强纤维基材中的单纤维的聚集形态。如果能稳定上述贯通孔，则用于填塞的材料或形态不限定于上述方案，可以适当地使用热固性树脂、热塑性树脂等。

本发明优选如图1～图3所示在各层间具有以热塑性树脂为主要成分的树脂材料3(以后详细叙述)。如上所述，通过在层间配置树脂材料，可以提高层间的强度，除此效果之外，还可以发挥作为填塞剂的效果，具有保持贯通孔形状的功能，从而能更好地发挥本发明的效果。

本发明的预成型体1的增强纤维体积含有率Vpf优选在45～62％的范围内。通常基体树脂对增强纤维的含浸性，依赖于预成型体1内的空隙率，进而依赖于增强纤维的体积含有率，因此特别在增强纤维体积含有率高的区域能较好的发挥本发明的效果。如果增强纤维体积含有率Vpf小于45％，则由于预成型体1内的空隙率相当高，所以贯通孔4的效果变小。如果增强纤维体积含有率Vpf高于62％，则制造变得困难。预成型体1的增强纤维含有率Vpf与FRP的增强纤维体积含有率Vf之间的关系特别优选在Vf-5≤Vpf≤Vf+5的范围内。

所谓的近净成型预成型体由于能较好地发挥本发明的效果而优选。

作为用于本发明的增强纤维基材，可以举出以碳纤维、玻璃纤维等无机纤维或聚酰胺、芳香聚酰胺等有机纤维作为增强纤维的织物(单向、双向、多轴)、针织物、编织物、并纱到单个方向的薄片(单向薄片)、重叠2层以上单向薄片的多轴薄片(以下将上述织物或薄片等统称为布帛)。上述布帛可以通过利用缝合(stitch)纱线、结接纱线、粗平纹布、粘合剂等树脂等的各种接合方法，将多种材料整体化而得到。作为所述增强布帛的单向薄片为增强纤维纱线在一个方向上进行排列的状态，且利用树脂材料或其他方法稳定形态。

作为上述增强布帛的单向织物指增强纤维纱线沿增强布帛的长度方向即纵向排列，横向上交错排列比增强纤维纱线细的辅助纱线，构成织物组织。作为上述增强布帛的双向织物指增强纤维纱线在增强布帛的长度方向与宽度方向上交错排列，构成织物组织。

作为上述增强布帛的多轴缝合基材，例如，首先从下面开始在与长度方向成+α°角的方向将增强纤维纱线平行排列构成+α°层，然后在宽度方向上将增强纤维纱线平行排列构成90°层，接着在与长度方向成-α°角的方向将增强纤维纱线平行排列构成-α°层，然后在长度方向上将增强纤维纱线平行排列构成0°层，在层叠了上述排列方向相互不同的4层的状态下，通过缝合纱线进行整体化缝合而制得。此处，关于多轴缝合基材的增强纤维的构成，对+α°层/90°层/-α°层/0°层的4层结构进行了说明，但并不限定于此。

作为有机纤维布帛，例如有无纺布、无光织物(mat)、网状物(net)、网状织物(mesh)、织物、针织物、短纤维束等，也可以组合上述布帛。树脂材料3优选能与增强纤维基材2粘合。

作为树脂材料3的形态，只要具有能增加增强纤维的层间强度的功能、以及与增强纤维基材2之间的粘合性即可，没有特别限定。作为树脂材料3的形态，例如，可以使用具有粒子、有机纤维布帛或膜形态的材料。从可以提高预成型体的增强纤维体积含有率和可使用的热塑性树脂的种类的多样化考虑，较优选粒子形态，且优选平均粒径在1～500μm的范围内。

树脂材料3为热塑性树脂时，加热·加压预成型体1，解除树脂材料3对增强纤维层2的束缚，使板厚变化至所希望的板厚，然后，通过冷却·泄压使树脂材料3束缚增强纤维基材2，从而控制预成型体的增强纤维体积含有率Vpf。

作为上述热塑性树脂，可以选择与基体树脂配合性良好的材料。例如，可以使用聚酰胺、聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚砜、聚醚砜、聚苯醚、聚醚腈、聚醚醚酮及聚醚酮酮、上述材料的变性树脂、共聚合树脂等。另外，由于上述树脂材料3在预成型形态时为低玻化温度，成型FRP后变为高玻化温度，故优选用于制作预成型体1。例如，可以含有热固性树脂等除热塑性树脂以外的副成分。

从控制上述预成型体的增强纤维含有率的观点考虑，优选含有相对于预成型体1为1～20重量％的范围内的树脂材料3。树脂材料3小于1重量％时，存在下述问题：层间强度的增加效果小，另外，预成型体1的增强纤维体积含有率的控制幅度小。树脂材料3超过20重量％时会发生树脂材料3的体积变大从而无法提高增强纤维体积含有率的问题。需要说明的是，本发明所指的预成型体1中的增强纤维体积含有率Vpf为按照下式求得的值。此处所用的符号基于如下所述。用于测定的预成型体为实质上回弹量饱和的预成型体。

Vpf＝(W1×100)/(ρ×T1)(％)

此处，W1：每1cm²预成型体中的增强纤维的重量(g/cm²)

ρ：增强纤维的密度(g/m³)

T1：1大气压的负荷下测定的预成型体的板厚(cm)

然后，参照附图说明本发明的预成型体的变形例。

图4为图1的变形例中与图1形态不同的预成型体的侧视图，图5为图4的预成型体的沿B-B的剖面图。

如图4、图5所示，该变形例的预成型体为在图1的预成型体1上设置与增强纤维基材2的外形尺寸和层叠张数不同的阶梯部41，即在薄壁部42上设置作为所谓的垫高部41的预成型体。对于该变形例的预成型体，可以在预成型体的整体上设置贯通孔，也可以如图4、图5所示地局部设置贯通至底面的贯通孔4。以往，存在上述垫高部41的预成型体1的情况下，例如，在树脂的注入成型等情况下，由于在预成型体的面内沿板厚方向含浸基体树脂的距离不同，所以树脂含浸在垫高部41内的时间远远长于含浸在薄壁部42内所需要的时间。

因此，在垫高部41的含浸过程中，在超过树脂的适用期的情况下或先含浸在薄壁部42的基体树脂阻断了垫高部41内的增强纤维与真空管路而无法维持真空压的情况下，成型后常残留有未含浸部。但是，本发明的预成型体1中，填充在贯通孔4内的基体树脂直接沿各基材2的平面方向进入并含浸在其中，因此不会产生上述问题。关于贯通孔4，可以如上所述地在预成型体1的整体上设置贯通孔，但是从减少形成于贯通孔中的树脂富集部的观点考虑，只在垫高部41上局部地设置贯通孔4也有效。另外，可以通过适当地变更贯通孔的配置与其外径，使垫高部41与薄壁部42的基体树脂的含浸时间相同，也可以通过先含浸垫高部41，防止发生未含浸部。

然后，参照附图说明使用本发明的预成型体的FRP的优选实施形态。

图6为本发明的一个实施方式的FRP的侧视图，该FRP61是在预成型体1中含浸、固化基体树脂后所得。作为上述基体树脂的优选例，例如可以举出热固性树脂、RIM用热塑性树脂等，其中，优选选自适宜注入成型的环氧树脂、苯酚、乙烯基酯、不饱和聚酯、氰酸酯、双马来酰亚胺及苯并噁嗪中的至少1种。

作为上述FRP61的增强纤维体积含有率Vf，如果在45～70％的范围内，则可以较好地显示本发明的效果，故优选。较优选在45～62％的范围内，更优选在50～60％的范围内。另外，FRP的增强纤维体积含有率Vf为按照下式求得的值(单位为％)。此处所用的符号如下所述。

Vf＝(W2×100)/(ρ×T2)(％)

此处，W2：每1cm²FRP的增强纤维的重量(g/cm²)

ρ：增强纤维的密度(g/cm³)

T2：FRP的厚度(cm)

具有上述结构的本发明的FRP由于具有优良的力学特性且轻质，所以其用途是优选作为航空器、汽车、船舶的运输机器中的任一种的一次结构材料、二次结构材料、外装材料或内装材料。

下面说明本发明的预成型体的制造方法的第1实施方式。

图7、图8表示本发明第1实施方式的预成型体制造方法的预成型体制造装置的纵剖面简图，图7为其中的预成型体成型工序的剖面图，图8为其后的贯通工序的剖面图。

(A)层叠工序

如图7所示，首先在平板状的预成型体模71上，层叠多张由增强纤维纱线形成的增强纤维基材2，所述增强纤维基材2在至少一方表面上具有以热塑性树脂为主要成分的树脂材料3。

(B)配置工序

然后，在配置于上述预成型体模71上的增强纤维基材2上载置加压板9，进一步在其上覆盖包材7，用密封剂5密封其外周部。然后，在最下层的增强纤维基材上连接通气材料8a，经由排气管路8b，与设置在系统外的真空泵6连通。运行真空泵6，使包材7内部处于减压状态，使预成型体1的全体负荷由包材7内外的压力差产生的大气压，从而使预成型体1的层叠体整体在模71上压缩。另外，配置工序中，预成型体模71，其一方为包材7，另一方可以为雄模或雌模中的任一个，也可以为不使用包材7的雄模及雌模。另外，预成型体模71可以作为成型模使用，特别是大型FRP中，为了减少设备费用，优选使用兼用于预成型体化与成型的模。作为包材7，例如包括膜或柔软橡胶等，作为预成型体模71，可以使用金属模、木模、树脂模或FRP模等。

(C)加热工序

然后，如图7所示，利用热风等加热预成型体1的整体，主要由热塑性树脂形成的树脂材料3软化，从而减少预成型体1的厚度，部分地粘合含有增强纤维基材2与树脂材料3的各层。

在该加热工序中，优选加压增强纤维基材2，使增强纤维体积含有率Vpf在45～62％的范围内。作为上述预成型体1的加压方法，没有特别限定，特别是当作为预成型体模71使用包材7与雄模或雌模时，将层叠体封入预成型体模71内，通过将预成型体模71内减压至大气压以下，利用大气压加压预成型体1，该方法由于能使设备廉价而优选。预成型体模71为雄模及雌模时，可以采用向层叠体的厚度方向机械性加压的方法。考虑到能使树脂材料塑化、增强纤维能移动、能控制达到所希望的纤维体积含有率，加热温度优选在50～180℃的范围内。

(D)冷却工序

然后，层叠体整体达到所希望的厚度时，经冷却工序冷却预成型体1的整体，树脂材料3固化，从而固定了增强纤维基材2。

(E)贯通工序

如图8所示，在贯通工序中，在放置于保护板82上的预成型体1的厚度方向上，使用贯通针81，形成贯通了多张增强纤维基材2的孔4。具体而言，首先，经上述冷却工序冷却预成型体后，除去包材7与加压板9的覆盖，将预成型体1间隔保护板82重新放置在模72上。然后，在预成型体1上以适当的间距插入贯通针81直至针尖到达保护板82。此时，优选预先加热贯通针81。

作为贯通工序中使用的贯通针81的形状，没有特别限定，从FRP的机械强度的观点考虑，优选难以切断纤维、易于贯通纤维间隙的形状。例如，为了不切断纤维，可以使用无钩、孔、坑且对针尖实施了R加工的贯通针。除此之外，贯通针的直径优选短轴的直径为0.1～3mm，较优选在0.1mm～2mm的范围内，贯通间距优选在10mm～50mm的范围内，更优选贯通针的直径为0.5mm～1.5mm，贯通间距在10mm～40mm的范围内。

当打开贯通孔时，可以对贯通针施加超声波。通过施加超声波，可以不切断周围的纤维地使贯通针顺利地贯通至预成型体内。

用于保护贯通针81的保护板82，例如可以为发泡体，或可以预先在贯通模72上对应于贯通针81开孔。

图9表示本发明第2实施方式的预成型体制造方法中所用的预成型体制造装置的剖面简图，表示用于说明从层叠工序至冷却工序的结构。以下说明每一工序。

(F)层叠工序

首先与上述第1实施方式相同，在预成型体模71上层叠多张准备用于后工序的贯通工序的增强纤维基材2，所述增强纤维基材2在至少一方表面上具有以热塑性树脂为主要成分的树脂材料3，并由增强纤维纱线所形成。

(G)贯通工序

然后，将与钉91形成为一体的加压板92从层叠在上述预成型体模71上的增强纤维基材2的上面向厚度方向压合，使其贯通。该第2实施方式也和第1实施方式相同，优选采用在层叠的增强纤维基材2与预成型体模71之间配置保护板、使钉91完全贯通的方法。另外，钉91与第1实施方式的贯通针81相同，没有特别限定，钉91可以为单独的部件，也可以与预成型体模71构成为一体，在层叠工序中，可以边使钉91贯通增强纤维基材2边层叠，也可以与设置在层叠的增强纤维基材2上的加压板9构成为一体，还可以在配置加压板9时使钉91贯通。本发明的预成型体的制造方法中，钉91的长度可以设定为对应于所希望的增强纤维体积含有率Vpf的预成型体的板厚T1，控制预成型体1的板厚。用钉91贯通层叠体厚度TL中相当于所希望的预成型体板厚的钉91的长度TP部分的增强纤维基材2(多数情况为TL≥TP)。

(H)加热工序

然后将配置在预成型体模71上的被钉91贯通的层叠体用包材7覆盖并用密封剂5密封周围。利用通过通气材料8与预成型体1连通的真空泵6使包材7的内部成为减压状态，使预成型体1负荷由于包材7内外的压力差所致的大气压。然后，例如通过热风等加热层叠体，主要由热塑性树脂构成的树脂材料3软化，使预成型体1的厚度减少，并部分地粘合含有增强纤维基材2与树脂材料3的各层。

通过加热·加压层叠体，由热塑性树脂构成的树脂材料3软化或塑化并通过压力减少层叠体的板厚。钉91贯通层叠体的其余的增强纤维基材2，当层叠体的厚度为TP时，预成型体模71与加压板9通过钉91桥接，停止板厚的减少。

需要说明的是，作为钉的形状没有特别限定，优选以与上述贯通针相同的条件进行设定。

(I)冷却工序

然后，当在上述加热工序中层叠体达到所希望的厚度时，冷却层叠体，固化树脂材料3，从而固定增强纤维基材2。

(J)除去工序

然后，从固定了增强纤维基材2的层叠体上同时除去包材7、加热板92及钉91，可以得到具有贯通孔、精确控制板厚为TP的预成型体1。

另外，具有以热塑性树脂为主要成分的树脂材料3的由增强纤维纱线形成的增强纤维基材2，在室温的层叠体的状态下，由于热塑性粒子为非塑化，增强纤维之间没有粘合，所以存在当移动层叠体时等基材之间发生滑动而无法保持层叠体的形状的情况。但是，本制造方法中，可以通过钉91贯通层叠体，得到层叠体的保持功能这样的新效果。

本发明的实施方式中，利用树脂材料等的保持形状的功能，在不具有树脂材料的基材的情况下，如果为小孔，则由于纤维的回弹使孔关闭，但是利用由树脂材料的粘合得到的保持形状的功能，即使是小孔，也能得到充分保持孔形状的效果。特别是(F)～(J)的制造方法中，将钉91插入预成型体1内，在该状态下进行加热，使以热塑性树脂为主要成分的树脂材料塑化后，直接冷却，通过树脂材料固定基材，所以孔即使很小，除去钉91后也能保持孔。

即，在现有技术中，FRP成型时发生强度下降，但本发明的预成型体通过形成对强度没有影响的大小的贯通孔，能实现具有较大的树脂流路、且具有不引起强度下降的孔的预成型体。

然后参照附图说明使用上述本发明预成型体的本发明FRP的制造方法的一个实施方式。

图10表示本发明的一个实施方式的FRP制造方法的剖面图，表示向上述本发明的预成型体1中注入基体树脂成型时的情况。如果简要地说明，则首先经(K)设置工序，在成型模103上配置本发明的预成型体。然后经(L)注入工序，将液化的基体树脂注入成型模103内，使预成型体1含浸基体树脂。进一步经(M)固化工序使基体树脂固化。以下说明每一工序。

(K)设置工序

首先如图10所示，在成型模103上配置本发明的预成型体1。然后在预成型体1的至少最表面上层叠树脂扩散介质105，在预成型体1与树脂扩散介质105之间，配置剥离层104，使成型后树脂扩散介质105能简单地分离。然后通过树脂注入口102连通树脂罐101与树脂扩散介质105，在另一面，通过通气材料8连通预成型体1与真空泵6。然后，用包材7覆盖整体，并用密封剂密封周围。

另外，成型模103可以至少由雄模或雌模中的任一种与包材构成。使用包材7时，能使成型模103的费用减少，成型成本降低。

成型模103可以由含有雄模及雌模2个模构成，注入基体树脂时，由于可以施加大气压以上的压力，所以可以短循环成型。

(L)注入工序

然后，通过真空泵6对包材7内进行脱气，边保持真空边注入基体树脂101，首先，优先使树脂扩散介质105含浸基体树脂，然后通过预成型体1的贯通孔4在板厚方向含浸后，树脂扩散至各增强纤维层2的面内(层间)方向，从而在预成型体1整体中含浸树脂。

作为树脂扩散介质105，例如优选使用网状织物(mesh)、金属网等，并优选预先在树脂扩散介质105与预成型体1之间层叠能在成型后简单地分离树脂扩散介质105与FRP的剥离层104(例如，尼龙制的塔夫绸(taffeta))。

(M)固化工序

然后经固化工序固化基体树脂。使其固化时，为了提高固化效率优选加热的方法。根据需要且为了确实充分地固化基体树脂，可以经过重新加热FRP使其固化的后固化(after cure)(二次固化)工序。

以上为本发明的FRP的制造方法，在现有技术中，扩散进入扩散介质后，特别在厚壁的情况下，由于在板厚方向上含浸需要大量的时间，所以树脂注入时间非常长。但是本发明的预成型体中，由于基体树脂经贯通孔4内率先进入板厚方向，然后含浸在各基材层的平面方向，所以可以以没有空隙的状态充分含浸、并大幅度地缩短整体的含浸时间(例如为现有技术的含浸时间的20～50％以内的短时间)。由此可以实现短时间的制造循环，与以往相比成为成型成本低的制造方法。另外，由于本方法率先含浸在板厚方向，所以对于现有方法中非常困难的超厚壁的部件而言也是优异的制造方法。

如上所述，通过使用本发明的预成型体，在树脂的注入成型中，由于树脂通过贯通孔率先含浸在现有树脂含浸中需要花费大量时间的板厚方向，所以能大幅度地缩短整体的含浸时间，实现短时间的制造循环，与以往相比成为成型成本低的制造方法。另外，由于可以率先含浸在板厚方向，所以能应用于现有方法中非常困难的超厚壁的部件。

根据本发明，可以不发生由纤维的切断或孔引起的强度下降，所以能消除现有技术中部分机械强度特性下降的问题。

上述实施方式中，利用树脂材料的保持形态的功能，即便为对强度的影响可以完全忽略的小孔，也能充分保持形状直至树脂含浸，所以能确保树脂流路、即使具有贯通孔也能得到与没有贯通孔的预成型体相同的机械强度。

实施例

以下参照上述附图对本发明的实施例进行说明。

实施例1

首先，作为增强纤维基材2，准备64张×3套将单向碳纤维织物(东丽株式会社制)切成大小为150mm×150mm的增强纤维基材2。该织物是使用碳纤维T800S(东丽株式会社制，密度：1.8g/cm³)作为增强纤维纱线的碳纤维单位面积重量为190g/m²的单向织物，表面上以30g/m²的单位面积重量预先附着以热塑性树脂为主要成分的粒子状树脂材料3。使用该基材按照以下的要点制作3种预成型体1。

准备3套使上述织物附着有热塑性树脂的面朝上、在SUS制平面模上以[45°/0°/-45°/90°]8s的层叠结构进行近似于各方向均相同的层叠而得到的层叠物。该状态下的增强纤维体积含有率Vpf分别如下所示。

第一套：48％

第二套：48％

第三套：48％

将第一套用包材7与密封剂5密封，利用真空泵6使内部处于减压的状态，在温度设定为80℃的烘箱中加热120分钟。然后从烘箱中取出，冷却至室温后解除包材7，得到预成型体No.1。

将第二套用包材7与密封剂5密封，利用真空泵6使内部处于减压的状态，在温度设定为80℃的烘箱中加热120分钟。然后从烘箱中取出，冷却至室温后解除包材7。按下述顺序在整个面上实施间距为40mm的贯通孔，即：在该基材的下面铺设发泡芯材(foam core)，将外径为1mm的针从上面垂直刺入层叠面，形成贯通孔，然后拔出针，得到预成型体No.2。

第三套为在层叠的基材与平面模之间铺设发泡芯材，从基板的上面压合带有针的金属板(针的直径：1mm；针的间距：40mm)形成贯通孔，在该状态下用包材7与密封剂5密封整体，利用真空泵6使内部成为减压的状态，在温度设定为80℃的烘箱中加热120分钟。然后从烘箱中取出，冷却至室温后解除包材7，并取走带有针的板，得到预成型体No.3。

该状态下的各预成型体的增强纤维体积含有率Vpf分别如下所示。

预成型体No.1：54％

预成型体No.2：54％

预成型体No.3：54％

将上述3种预成型体分别设置为如图10所示的状态。另外，在注入的基体树脂中使用环氧树脂(80℃的初期强度为54mPa·s)。用夹子关闭树脂注入口，利用真空泵6使密封的内部为减压状态，投入温度设定为80℃的烘箱内，取下树脂注入口的夹子，开始注入树脂。

另外，在沿各预成型体的厚度方向的增强纤维基材2的第16张、第32张、第48张及最下层处配置确认树脂含浸至贯通孔最远部的树脂感应器。

其结果为，关于预成型体No.1，树脂注入开始1小时后树脂未到达抽吸口，该时刻关闭注入口截断注入。预成型体No.2及No.3，在树脂注入开始40分钟后时，全部感应器均确认了树脂到达。在该时刻关闭注入口，为了固化树脂将烘箱温度升温至130℃保持2小时后冷却至室温。

由此成型的CFRP，使用预成型体No.2、No.3的成型品均没有未含浸，Vf如下所示。

使用预成型体No.2的CFRP：55％

使用预成型体No.3的CFRP：55％

产业上的可利用性

本发明能更好地发挥适用于预成型体的特点而优选，所述预成型体用于制造航空器、汽车或船舶的运输机器中的FRP制结构体。除此之外，本发明也能适用于产业用途、体育用途等广泛的FRP制部件的制造用途中。

Claims (11)

1.一种用于热固性基体树脂的注入成型的预成型体的制造方法，其特征为，至少依次经下述工序(A)～(E)制造预成型体，

(A)形成多张至少由增强纤维纱线形成的增强纤维基材，同时使以热塑性树脂为主要成分的树脂材料分散在增强纤维基材的表面，在预成型体模内层叠多张上述基材的层叠工序；

(B)在预成型体模内配置层叠后的层叠体的配置工序；

(C)加热层叠体，至少部分地粘合含有增强纤维基材与以热塑性树脂为主要成分的树脂材料的各层的加热工序；

(D)冷却层叠体的冷却工序；

(E)在预成型体的厚度方向上形成贯通多张增强纤维基材的孔的贯通工序。

2.一种用于热固性基体树脂的注入成型的预成型体的制造方法，其特征为，至少经下述工序(F)～(K)制造预成型体，

(F)形成多张至少由增强纤维纱线形成的增强纤维基材，同时使以热塑性树脂为主要成分的树脂材料分散在增强纤维基材的表面，在预成型体模内层叠多张上述基材的层叠工序；

(G)在层叠体的厚度方向上用针或钉贯通多张增强纤维基材的层叠体的贯通工序；

(H)在预成型体模内配置层叠体的配置工序；

(I)加热层叠体，至少部分地粘合含有增强纤维基材与以热塑性树脂为主要成分的树脂材料的各层的加热工序；

(J)冷却层叠体的冷却工序；

(K)除去针或钉的除去工序。

3.如权利要求1或2所述的预成型体的制造方法，其特征为，在所述贯通工序中使用短轴的长度为0.1～3mm的针或钉。

4.如权利要求1或2所述的预成型体的制造方法，其特征为，在所述贯通工序中边对针或钉施加超声波边形成贯通孔。

5.如权利要求1或2所述的预成型体的制造方法，其特征为，将贯通工序中的针或钉与配设在预成型体或层叠体上的加压板形成为一体。

6.如权利要求1或2所述的预成型体的制造方法，其特征为，贯通工序中的针或钉的长度设定为与所希望的预成型体的板厚相同，在配设在层叠体上的加压板与预成型体模之间桥接针或钉，控制预成型体的板厚。

7.如权利要求1或2所述的预成型体的制造方法，其特征为，配置的预成型体模的一方为包材，另一方为雄模或雌模。

8.如权利要求1或2所述的预成型体的制造方法，其特征为，在所述加热工序中，预先在配置工序(B)或(H)中将层叠体密封在预成型体模内，通过将预成型体模内减压至大气压以下，利用大气压加压预成型体。

9.一种FRP的制造方法，其特征为使用利用权利要求1～8中的任一项所述的的预成型体制造方法得到的预成型体，至少经下述工序(L)～(N)制造FRP：

(L)在成型模内配置预成型体的设置工序；

(M)将液化的基体树脂注入成型模内，使预成型体含浸基体树脂的注入工序；

(N)使基体树脂固化的固化工序。

10.如权利要求9中所述的FRP的制造方法，其特征为，在设置工序(L)中，成型模至少由雌模或雄模中的任一个及包材形成。

11.如权利要求9或10中所述的FRP的制造方法，其特征为，

在设置工序(L)中，在预成型体的最表面上层叠树脂扩散介质；

在注入工序(M)中，首先，向树脂扩散介质中优先注入基体树脂，然后，通过贯通孔使其在预成型体的厚度方向上含浸，从贯通孔向预成型体的面内方向含浸，从而使预成型体整体含浸树脂。

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