JP2001181406A - Carbon fiber-reinforced plastic and member using the same - Google Patents
Carbon fiber-reinforced plastic and member using the sameInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、炭素繊維強化プラ
スチックに関するものである。特に、圧縮強さおよび耐
衝撃性に優れ、圧力容器、航空機構造材、その他の産業
用構造材や、ゴルフクラブ用シャフト、スキーポール、
その他のスポーツ用具などに用いられるのに適した高強
度炭素繊維強化プラスチック製部材に関するものであ
る。[0001] The present invention relates to a carbon fiber reinforced plastic. In particular, it has excellent compressive strength and impact resistance, pressure vessels, aircraft structural materials, other industrial structural materials, shafts for golf clubs, ski poles,
The present invention relates to a high-strength carbon fiber reinforced plastic member suitable for use in other sports equipment and the like.
【０００２】[0002]
【従来の技術】軽量、高強度、高弾性などの優れた特性
を持つ炭素繊維強化プラスチック製部材は、産業用構造
材やスポーツ用具として広く使用されている。これらの
構造材や用具に対して炭素繊維強化プラスチックを用い
ることにより、従来の材料を用いた構造材や部材に対し
て軽量化できるためである。2. Description of the Related Art Carbon fiber reinforced plastic members having excellent properties such as light weight, high strength and high elasticity are widely used as industrial structural materials and sports equipment. By using carbon fiber reinforced plastic for these structural materials and tools, it is possible to reduce the weight of structural materials and members using conventional materials.
【０００３】しかしながら、従来の炭素繊維強化プラス
チックは、圧縮強さや耐衝撃性の面で改良の余地があっ
た。すなわち、炭素繊維強化プラスチックは静的な強度
や弾性率の高さに相応の耐衝撃性を備えていることが少
なく、用途によっては炭素繊維強化プラスチックによる
軽量化が耐衝撃性の点から制限されることがあった。例
えば、ゴルフクラブ用シャフトは、使用状況によってシ
ャフトに直接木の枝や壁面などに衝突することがあり、
このときに衝撃力により折損する可能性が高い。また、
スキーポールは、滑走中にスキーいたのエッジとの衝突
により衝撃を受けるなどして損傷が蓄積し、破損に至る
ことがある。ガスボンベなどの圧力容器においては、容
器取り扱い時の落下などで衝撃力を受けることがあり、
航空機の構造材においては工程中での工具落下などによ
り衝撃損傷が残存し、強度低下の原因となることがあ
る。However, conventional carbon fiber reinforced plastics have room for improvement in terms of compressive strength and impact resistance. In other words, carbon fiber reinforced plastics rarely have impact resistance corresponding to their high static strength and high elastic modulus, and depending on the application, weight reduction by carbon fiber reinforced plastics is limited in terms of impact resistance. There was something. For example, a golf club shaft may collide directly with a tree branch or a wall surface depending on a use condition,
At this time, there is a high possibility of breakage due to the impact force. Also,
Ski poles may accumulate damage due to impact with a ski edge during skiing, which may lead to damage. Pressure vessels, such as gas cylinders, may receive impact forces due to dropping when handling the vessel,
In aircraft structural materials, impact damage may remain due to a tool drop during the process, which may cause a reduction in strength.
【０００４】このように多くの用途において炭素繊維強
化プラスチック製部材の耐衝撃性を向上することが望ま
れている。耐衝撃性を向上させる手段として、特開昭６
０−４７１０４号公報などには、マトリックス樹脂を高
靭性化させる方法が記載されている。しかしながら、本
発明者らの検討によれば、この方法による材料の耐衝撃
性は改良の余地があった。さらに、高温条件下での物性
や疲労特性などが低下することもあった。さらには、従
来と全く異なる樹脂を使用することになり、製造工程や
成型装置の変更が必要になって、製品コストの上昇や製
品品位の低下を招くこともあった。In many applications, it is desired to improve the impact resistance of carbon fiber reinforced plastic members. As means for improving impact resistance, JP-A-6
No. 0-47104 describes a method for increasing the toughness of a matrix resin. However, according to the study of the present inventors, the impact resistance of the material obtained by this method has room for improvement. Further, physical properties and fatigue properties under high-temperature conditions were sometimes reduced. Furthermore, since a completely different resin from the conventional one is used, the manufacturing process and the molding apparatus need to be changed, which may lead to an increase in product cost and a decrease in product quality.
【０００５】また、特開平３−１６８１６７号公報およ
び特開平６−１６８１６８号公報には、炭素繊維強化プ
ラスチック製のゴルフクラブ用シャフトの最内層および
／または最外層に有機系重合体からなるフィルムを配す
る方法がそれぞれ記載されている。さらに、特開平１０
−２３５７６７号公報には、炭素繊維強化プラスチック
製部材の表面（衝撃点を含む）に保護層を配すると、衝
撃点の表面圧力やその近傍の圧縮力が緩和されて耐衝撃
性が向上するとともに、部材内の引張力が引き金となっ
て部材が破壊するようになることに基づいたゴルフクラ
ブ用シャフトの強度向上の方法が記載されている。Japanese Patent Application Laid-Open Nos. Hei 3-168167 and Hei 6-168168 disclose a golf club shaft made of carbon fiber reinforced plastic, in which the innermost layer and / or outermost layer is made of an organic polymer film. The arrangement method is described respectively. Further, Japanese Patent Application Laid-Open
JP-A-235767 discloses that when a protective layer is disposed on the surface (including an impact point) of a member made of carbon fiber reinforced plastic, the surface pressure at the impact point and the compressive force in the vicinity thereof are reduced, and the impact resistance is improved. A method for improving the strength of a golf club shaft based on the fact that the member is broken by a tensile force in the member being triggered is described.
【０００６】しかし、これらの方法によれば、耐衝撃性
改良の効果は認められるとしても、ある程度の効果を得
るためにはフィルムの厚さを厚くしなければならず、重
量が増加して、炭素繊維強化プラスチックの軽量である
という特性を阻害してしまうことがあった。さらには、
耐衝撃性改良という点に関しても、改良の余地があっ
た。However, according to these methods, even if the effect of improving the impact resistance is recognized, the film must be thickened to obtain a certain effect, and the weight is increased. In some cases, the light weight characteristics of carbon fiber reinforced plastics are hindered. Moreover,
There was also room for improvement in terms of impact resistance improvement.
【０００７】[0007]
【発明が解決しようとする課題】このような観点から、
炭素繊維強化プラスチックの優れた特性を保持しなが
ら、上記のような問題点を解決しながら、さらに従来に
ない優れた圧縮強さと耐衝撃性を有する炭素繊維強化プ
ラスチック素材が求められていた。SUMMARY OF THE INVENTION From such a viewpoint,
There has been a demand for a carbon fiber reinforced plastic material having excellent compressive strength and impact resistance, which has not been achieved in the past while solving the above problems while maintaining the excellent properties of carbon fiber reinforced plastic.
【０００８】[0008]
【課題を解決するための手段】［発明の概要］ ＜要旨＞本発明の炭素繊維強化プラスチックは、炭素繊
維と、マトリックス成分とを含んでなる炭素繊維強化プ
ラスチックであって、前記マトリックス成分が、前記マ
トリックス成分の全重量を基準として５〜４０重量％の
無機質粒子を含んでなり、かつ縦弾性係数が4.1GPaを超
えていること、を特徴とするものである。また、本発明
は、前記の炭素繊維強化プラスチックからなる部材を具
備してなる、圧力容器、航空機用構造材、船舶用構造
材、ゴルフクラブ用シャフト、スキーポール、または釣
り竿にも関する。[Summary of the Invention] <Summary> The carbon fiber reinforced plastic of the present invention is a carbon fiber reinforced plastic comprising carbon fiber and a matrix component, wherein the matrix component is: It is characterized by comprising 5 to 40% by weight of inorganic particles based on the total weight of the matrix component, and having a longitudinal modulus of more than 4.1 GPa. The present invention also relates to a pressure vessel, a structural material for an aircraft, a structural material for a marine vessel, a shaft for a golf club, a ski pole, or a fishing rod, comprising a member made of the carbon fiber reinforced plastic.
【０００９】＜効果＞本発明によれば、軽量、高強度、
かつ高弾性の、特に耐衝撃性に優れた炭素繊維強化プラ
スチック、ならびにそれを具備した炭素繊維強化プラス
チック部材が提供される。<Effect> According to the present invention, light weight, high strength,
Also provided are a carbon fiber reinforced plastic having high elasticity, particularly excellent in impact resistance, and a carbon fiber reinforced plastic member having the same.
【００１０】［発明の具体的説明］一般の炭素繊維強化
プラスチックは、マトリックス成分を構成するマトリッ
クス樹脂と、そのマトリックス中に配合された炭素繊維
とからなる。本願発明の炭素繊維強化プラスチックは、
さらにそのマトリックス成分中に無機質粒子を含んでな
る。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION A general carbon fiber reinforced plastic comprises a matrix resin constituting a matrix component and carbon fibers blended in the matrix. The carbon fiber reinforced plastic of the present invention is:
Further, the matrix component contains inorganic particles.
【００１１】１．炭素繊維 本発明の炭素繊維強化プラスチックは炭素繊維を含んで
なる。この炭素繊維としては、任意の繊維を選択するこ
とができる。一般的には、ポリアクリロニトリル（以
下、ＰＡＮという）系繊維、ピッチ（石油または石炭中
の高沸点・芳香族成分）系繊維、セルロース系繊維、レ
ーヨン、およびその他のポリマー繊維が用いられる。本
発明の炭素繊維強化プラスチックにおいては、これらの
うちから用途に応じて任意のものを選択することができ
るが、異方性が大きいほど、炭素繊維強化プラスチック
製部材とした場合に、引張強度に比べて圧縮強さが低く
なり、圧縮強さ向上の効果が著しいため、異方性の大き
い高強度かつ高弾性率の繊維が好ましい。具体的には、
引張弾性率が200〜700GPa、引張強度が2000〜7000MPa、
破断伸び0.5〜２％であることが好ましい。[0011] 1. Carbon Fiber The carbon fiber reinforced plastic of the present invention comprises carbon fiber. As the carbon fiber, any fiber can be selected. Generally, polyacrylonitrile (hereinafter referred to as PAN) fibers, pitch (high-boiling / aromatic components in petroleum or coal) fibers, cellulosic fibers, rayon, and other polymer fibers are used. In the carbon fiber reinforced plastic of the present invention, any of these can be selected according to the intended use. Since the compressive strength is low and the effect of improving the compressive strength is remarkable, fibers having high anisotropy and high strength and high elastic modulus are preferable. In particular,
Tensile modulus is 200 ~ 700GPa, tensile strength is 2000 ~ 7000MPa,
The elongation at break is preferably 0.5 to 2%.
【００１２】炭素繊維の形態も任意であり、炭素繊維強
化プラスチックを成形して部材としたときの用途や負荷
のかかり方によって適切なものを選択することができ
る。具体的な形状としては、引き揃えられた連続繊維で
あっても、織物構造であっても、またそれらを組み合わ
せた構造であってもよい。しかし、引張強度が高い、引
き揃えられた連続繊維であることが好ましい。その引き
揃え方は１方向であっても、互いに異なる複数の方向で
あってもよい。The form of the carbon fiber is also arbitrary, and an appropriate one can be selected depending on the use when a carbon fiber reinforced plastic is molded into a member and the manner in which a load is applied. As a specific shape, it may be a continuous fiber that is aligned, a woven structure, or a structure in which they are combined. However, it is preferable that the continuous fibers have a high tensile strength and are aligned. The alignment may be in one direction or in a plurality of different directions.
【００１３】また、炭素繊維の直径は特に限定されない
が、通常、３〜15μｍ、好ましくは７〜10μｍ、であ
る。The diameter of the carbon fiber is not particularly limited, but is usually 3 to 15 μm, preferably 7 to 10 μm.
【００１４】炭素繊維強化プラスチックに配合される炭
素繊維の含有率は、本発明の効果を損なわない範囲で任
意に選択されるが、炭素繊維強化プラスチック全体の体
積を基準として、30〜85体積％であることが好ましく、
50〜65体積％であることがより好ましく、約55体積％で
あることが最も好ましい。炭素繊維の配合量が過度に高
いと炭素繊維強化プラスチック材料の成形時にボイドの
発生などの問題が起きることがあり、また過度に低いと
炭素繊維強化プラスチック材料の引張強度が低下するこ
とがあるので注意が必要である。[0014] The content of the carbon fiber blended in the carbon fiber reinforced plastic is arbitrarily selected within a range not to impair the effects of the present invention, but is 30 to 85% by volume based on the total volume of the carbon fiber reinforced plastic. Is preferably
More preferably, it is 50-65% by volume, most preferably about 55% by volume. If the compounding amount of the carbon fiber is excessively high, problems such as generation of voids may occur during molding of the carbon fiber reinforced plastic material, and if the compounding amount is excessively low, the tensile strength of the carbon fiber reinforced plastic material may decrease. Caution must be taken.
【００１５】２．マトリックス成分 （ｉ）マトリックス樹脂 本発明の炭素繊維強化プラスチックはマトリックス成分
を含んでなる。マトリックス成分に用いられるマトリッ
クス樹脂は任意に選択することができ、その具体的な例
としてはエポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリエステル
樹脂、ビニルエステル樹脂、およびその他の熱硬化樹脂
または熱可塑性樹脂が挙げられる。これらのうち、成形
が容易であり、物性が優れているエポキシ樹脂が好まし
い。[0015] 2. Matrix component (i) Matrix resin The carbon fiber reinforced plastic of the present invention comprises a matrix component. The matrix resin used for the matrix component can be arbitrarily selected, and specific examples thereof include an epoxy resin, a phenol resin, a polyester resin, a vinyl ester resin, and other thermosetting resins or thermoplastic resins. Among these, an epoxy resin which is easy to mold and has excellent physical properties is preferable.
【００１６】また、物性改良のために複数の樹脂を混合
して用いることもできる。例えば、エポキシ樹脂と熱可
塑性樹脂を混合することで耐衝撃性をさらに改良するこ
とができる場合がある。例えば、ポリビニルホルマール
やニトリルゴムをエポキシ樹脂にブレンドしたり、アミ
ノ基などの反応性末端基を有するポリエーテルスルホン
とエポキシ樹脂とのポリマーアロイなども本発明のマト
リックス樹脂として用いることができる。A plurality of resins can be mixed and used for improving physical properties. For example, in some cases, the impact resistance can be further improved by mixing an epoxy resin and a thermoplastic resin. For example, a blend of polyvinyl formal or nitrile rubber with an epoxy resin, or a polymer alloy of a polyether sulfone having a reactive terminal group such as an amino group and an epoxy resin can be used as the matrix resin of the present invention.
【００１７】（ｉｉ）無機質粒子 本発明の炭素繊維強化プラスチックは、マトリックス成
分中に分散された無機質粒子を含んでなる。ここで、無
機質粒子とは、実質的に金属またはセラミックスからな
る粒子をいう。ここで、実質的とは、本発明の効果を損
なわない範囲で他の物質を含んでいてもよいということ
である。金属としては、Li、Be、Mg、Al、Si、Ca、Ti、
V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Ru、
Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Hf、Ta、W、Ir、Pt、Au、お
よびその他、ならびにそれらの合金が挙げられる。ま
た、セラミックスとは、前記の金属の酸化物、窒化物、
炭化物、ホウ化物、またはフッ化物である。(Ii) Inorganic Particles The carbon fiber reinforced plastic of the present invention comprises inorganic particles dispersed in a matrix component. Here, the inorganic particles refer to particles substantially made of metal or ceramics. Here, “substantially” means that other substances may be contained as long as the effects of the present invention are not impaired. Metals include Li, Be, Mg, Al, Si, Ca, Ti,
V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Ru,
Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Hf, Ta, W, Ir, Pt, Au, and others, and alloys thereof. Ceramics are oxides, nitrides,
It is carbide, boride, or fluoride.
【００１８】これらの無機質粒子は、通常、微細な粒子
の形状でマトリックス成分に配合される。粒子の大きさ
は、顕微鏡観察により測定した平均粒径が、通常0.1〜
３μｍ、好ましくは0.8〜２μｍである。また、無機質
粒子の直径は、前記の炭素繊維の直径の１／２以下であ
ることが好ましく、１／３以下であることがより好まし
い。無機脂質粒子の平均粒径が過度に大きいと、炭素繊
維強化プラスチックの圧縮強さが低下することがある。These inorganic particles are usually blended with the matrix component in the form of fine particles. The size of the particles, the average particle size measured by microscopic observation, usually 0.1 ~
It is 3 μm, preferably 0.8 to 2 μm. The diameter of the inorganic particles is preferably １ ／ or less, more preferably １ ／ or less, of the diameter of the carbon fiber. If the average particle size of the inorganic lipid particles is excessively large, the compressive strength of the carbon fiber reinforced plastic may decrease.
【００１９】また、無機質粒子の配合量は、炭素繊維強
化プラスチック材料の用途によって選択されるが、マト
リックス成分の体積を基準にして、５〜40体積％の割合
である。無機質粒子の配合量が過度に低いと圧縮強さの
改良効果が不十分となることがあり、また過度に多いと
樹脂成分が少なくなりすぎて、本来の炭素繊維強化プラ
スチックの特性が発揮されなくなる傾向がある。The amount of the inorganic particles is selected depending on the use of the carbon fiber reinforced plastic material, but is 5 to 40% by volume based on the volume of the matrix component. If the amount of the inorganic particles is excessively low, the effect of improving the compressive strength may be insufficient, and if the amount is excessively large, the resin component becomes too small, and the properties of the original carbon fiber reinforced plastic are not exhibited. Tend.
【００２０】（ｉｉｉ）マトリックス成分 本願発明の炭素繊維強化プラスチックのマトリックス成
分は、前記のマトリックス樹脂と無機質粒子を含んでな
る。無機質粒子は、マトリックス樹脂に配合され、混練
などによりマトリックス成分中に分散する。(Iii) Matrix component The matrix component of the carbon fiber reinforced plastic of the present invention comprises the above matrix resin and inorganic particles. The inorganic particles are mixed with the matrix resin and dispersed in the matrix component by kneading or the like.
【００２１】本発明の炭素繊維強化プラスチックにおい
て、マトリックス成分は縦弾性係数が4.1GPaを超えるも
のである。このような縦弾性係数は、例えばレオメトリ
ックス社の粘弾性アナライザーにより測定することがで
きる。In the carbon fiber reinforced plastic of the present invention, the matrix component has a modulus of longitudinal elasticity exceeding 4.1 GPa. Such a longitudinal elastic modulus can be measured by, for example, a viscoelastic analyzer manufactured by Rheometrics.
【００２２】マトリックス樹脂に無機質粒子を分散させ
ることで、縦弾性係数を増加させることができるが、本
発明においては、無機質粒子の添加による縦弾性係数の
増加が25％以上であることが好ましい。このように無機
質粒子を添加することにより、炭素繊維強化プラスチッ
ク中のマトリックス成分と炭素繊維との界面状態が改良
され、圧縮力を受けた場合の繊維の微小座屈を防止でき
て、炭素繊維強化プラスチックの圧縮強さが向上するも
のと考えられる。The longitudinal elastic modulus can be increased by dispersing the inorganic particles in the matrix resin. In the present invention, the increase in the longitudinal elastic modulus due to the addition of the inorganic particles is preferably 25% or more. By adding the inorganic particles in this manner, the interface state between the matrix component and the carbon fiber in the carbon fiber reinforced plastic is improved, and the micro buckling of the fiber when subjected to a compressive force can be prevented. It is considered that the compressive strength of the plastic is improved.
【００２３】３．炭素繊維強化プラスチック 本願発明の炭素繊維強化プラスチックは、前記の炭素繊
維とマトリックス成分とを配合して、必要に応じて成形
し、硬化させたものである。さらなる成分として、本発
明の効果を損なわない範囲で、任意の添加剤を配合する
こともできる。このような添加剤としては、着色剤、安
定剤（例えば酸化防止剤、光安定剤、およびその他）、
帯電防止剤、滑剤、難燃剤、およびその他が挙げられ
る。これらの成分は、通常、マトリックス成分中に配合
される。[0023] 3. Carbon Fiber Reinforced Plastic The carbon fiber reinforced plastic of the present invention is obtained by blending the above carbon fiber and a matrix component, molding and curing as required. As an additional component, an optional additive may be blended as long as the effects of the present invention are not impaired. Such additives include colorants, stabilizers (eg, antioxidants, light stabilizers, and others),
Examples include antistatic agents, lubricants, flame retardants, and others. These components are usually blended into a matrix component.
【００２４】炭素繊維強化プラスチックを成形する方法
は、目的とする部材の形状などに応じて任意の方法によ
って行うことができる。具体的には、ハンドレイアップ
法、スプレーアップ法、またはプレス成形法などのバッ
チ式成形法、引き抜き成形法（プルトルージョン法）、
または連続パネル成形法などの連続成形法が挙げられ
る。The carbon fiber reinforced plastic can be molded by any method according to the shape of the target member. Specifically, a batch molding method such as a hand lay-up method, a spray-up method, or a press molding method, a pultrusion method (a pultrusion method),
Alternatively, a continuous forming method such as a continuous panel forming method may be used.
【００２５】成形された炭素繊維強化プラスチックは、
目的に応じて種々の構造を有することができるが、外部
からの衝撃を受けたときに、マトリックス成分と炭素繊
維との界面に生じる、局所的な微小座屈を防止するため
に、繊維の周囲を微細粒子が取り囲む構造であることが
好ましい。The molded carbon fiber reinforced plastic is
Although it can have various structures depending on the purpose, it is possible to prevent local micro buckling that occurs at the interface between the matrix component and the carbon fiber when an external impact is applied. Is preferably surrounded by fine particles.
【００２６】本発明の炭素繊維強化プラスチックは、耐
衝撃性がすぐれているものであるが、さらに曲げ強さに
おいても優れた性能を示す。すなわち、一般的に市販さ
れている従来の材料、例えば東レ社製炭素繊維T400-300
0だけを用いたもの、に対して1.2倍以上の曲げ強さを有
している。具体的には、本発明の炭素繊維強化プラスチ
ックは、好ましくは1700MPa以上、より好ましくは1800M
Pa以上、の曲げ強さを有しているものである。The carbon fiber reinforced plastic of the present invention has excellent impact resistance, but also shows excellent performance in bending strength. That is, conventional materials generally commercially available, for example, carbon fiber T400-300 manufactured by Toray
It has a bending strength of 1.2 times or more as compared with the case where only 0 is used. Specifically, the carbon fiber reinforced plastic of the present invention is preferably 1700 MPa or more, more preferably 1800 M
It has a bending strength of Pa or more.
【００２７】さらに本発明の炭素繊維強化プラスチック
は、シャルピー衝撃値が高く、すなわち、一般的に市販
されている従来の材料、例えば東レ社製炭素繊維T400-3
000だけを用いたもの、に対して、1.5倍以上のシャルピ
ー衝撃値を有する。具体的には、本発明の炭素繊維強化
プラスチックは、好ましくは78kJ/m2以上、より好まし
くは80kJ/m2以上、のシャルピー衝撃値を有するもので
ある。このシャルピー衝撃値は、例えばJIS K7077に従
って測定することができる。Further, the carbon fiber reinforced plastic of the present invention has a high Charpy impact value, that is, a conventional material which is generally commercially available, for example, carbon fiber T400-3 manufactured by Toray Industries, Inc.
It has a Charpy impact value that is 1.5 times or more that of those using only 000. Specifically, the carbon fiber reinforced plastic of the present invention is preferably 78kJ / m 2 or more, more preferably those having a Charpy impact value of 80 kJ / m 2 or more. This Charpy impact value can be measured, for example, according to JIS K7077.
【００２８】特に、本発明の一つの態様においては、炭
素繊維が実質的に１方向に引き揃えられており、一般的
に市販されている従来の材料、例えば東レ社製炭素繊維
T400-3000だけを用いたもの、に対して1.3倍以上、具体
的には1846MPa以上、の曲げ強さを有している。In particular, in one embodiment of the present invention, the carbon fibers are substantially aligned in one direction and generally commercially available conventional materials, such as carbon fibers manufactured by Toray Industries, Inc.
It has a bending strength of 1.3 times or more, specifically 1846 MPa or more, as compared with the case using only T400-3000.
【００２９】このような本発明の炭素繊維強化プラスチ
ックは、軽量、高強度、かつ高弾性であるという特質を
有しており、種々の用途、例えば産業用構造材（例えば
圧力容器、航空機用構造材、船舶用構造材、およびその
他）、スポーツ用品（例えばゴルフクラブ用シャフト、
スキーポール、釣り竿、およびその他）、に用いること
ができる。The carbon fiber reinforced plastic of the present invention has the characteristics of light weight, high strength and high elasticity, and can be used in various applications such as industrial structural materials (for example, pressure vessels, aircraft structural materials). Materials, marine structural materials, and others), sporting goods (eg, golf club shafts,
Ski poles, fishing rods, and others).
【００３０】本発明の炭素繊維強化プラスチックの圧縮
強さが優れているのは、以下の理由によるものと考えら
れる。すなわち、マトリックス成分中に分散された無機
質粒子により縦弾性係数が改良され、さらに、炭素繊維
の微小座屈が抑制されるために圧縮強さも改良される。The superior compressive strength of the carbon fiber reinforced plastic of the present invention is considered to be due to the following reasons. That is, the longitudinal elastic modulus is improved by the inorganic particles dispersed in the matrix component, and the compressive strength is also improved because the minute buckling of the carbon fiber is suppressed.
【００３１】一般に、部材に外部から衝撃力が加わる
と、衝撃点には局部的に大きな表面圧力が生じ、一方、
部材内部には変形に伴う圧縮および引張力が生じる。部
材内部の圧縮力は、通常、衝撃点の近傍で最も高くな
る。炭素繊維強化プラスチックの多くは引張強さに比べ
圧縮強さが低く、衝撃点近傍で圧縮力によって破壊が開
始し、それが部材全体に伝播することが多い。したがっ
て、本発明の炭素繊維強化プラスチックは、圧縮強さを
高めることにより、耐衝撃性をも改良できたのである。In general, when an external impact force is applied to a member, a large surface pressure is locally generated at the impact point, while
A compression and tensile force is generated inside the member due to the deformation. The compressive force inside the member is usually highest near the point of impact. Many of the carbon fiber reinforced plastics have a lower compressive strength than a tensile strength, and fracture starts by a compressive force near an impact point, which often propagates to the entire member. Therefore, the carbon fiber reinforced plastic of the present invention was able to improve the impact resistance by increasing the compressive strength.
【００３２】なお、圧縮強さは、必ずしも部材の全方向
について高い必要はなく、部材が受ける外力の方向に対
応していれば、少なくともひとつの方向について高けれ
ばよい場合が多い。すなわち、例えば外力として曲げ衝
撃荷重を受ける部材の場合には、曲げ変形によって圧縮
の力を受ける方向について部材の圧縮強さを高くするこ
とが好ましい。Note that the compressive strength does not necessarily need to be high in all directions of the member, but often needs to be high in at least one direction as long as it corresponds to the direction of external force applied to the member. That is, for example, in the case of a member that receives a bending impact load as an external force, it is preferable to increase the compressive strength of the member in a direction in which the member receives a compressive force due to bending deformation.
【００３３】[0033]
【発明の実施の形態】実施例１ まず、マトリックス樹脂として、エピコート828（商品
名：油化シェルエポキシ社製）、硬化剤MHAC-P（メチル
-ヒミック(R)無水物）、および2-エチル-4-メチルイミ
ダゾールを重量配合比が100:103.6:1となるように配合
した。これに、さらに無機質粒子として二酸化珪素（平
均直径0.8μｍ）をマトリックス成分の重量を基準にし
て25重量％となるように配合した。次に、ＰＡＮ系炭素
繊維（トレカT400-3000（商品名：東レ株式会社製）、
伸度2.1％、引張強度4900MPa、引張弾性率230GPa）と、
前記のマトリックス成分を体積比で55:45となるように
配合し、一次硬化70℃／12時間、二次硬化150℃／４時
間、三次硬化190℃／２時間の硬化条件で炭素繊維強化
プラスチック成形体とした。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Example 1 First, as a matrix resin, Epicoat 828 (trade name, manufactured by Yuka Shell Epoxy Co., Ltd.) and a curing agent MHAC-P (methyl
-Himic (R) anhydride) and 2-ethyl-4-methylimidazole were blended so that the weight blend ratio was 100: 103.6: 1. Further, silicon dioxide (average diameter 0.8 μm) as inorganic particles was blended so as to be 25% by weight based on the weight of the matrix component. Next, PAN-based carbon fiber (Trayka T400-3000 (trade name: manufactured by Toray Industries, Inc.)
Elongation 2.1%, tensile strength 4900MPa, tensile modulus 230GPa)
The above matrix components are blended in a volume ratio of 55:45, and carbon fiber reinforced plastic is cured under the conditions of primary curing of 70 ° C. for 12 hours, secondary curing of 150 ° C. for 4 hours, and tertiary curing of 190 ° C. for 2 hours. A molded article was obtained.
【００３４】このようにして得られた炭素繊維強化プラ
スチック成形体から厚さ３mmの試験片を切り出し、JIS
K7074に従って曲げ強さを測定した。室温（23℃）にお
ける曲げ強さは1850MPaであった。さらに、別の試験片
を切り出し、JIS K7077に従ってシャルピー衝撃値を測
定した。得られた衝撃値は83kJ/m2であった。A test piece having a thickness of 3 mm was cut out from the carbon fiber reinforced plastic molded body thus obtained, and was subjected to JIS.
Flexural strength was measured according to K7074. The bending strength at room temperature (23 ° C.) was 1850 MPa. Further, another test piece was cut out, and the Charpy impact value was measured according to JIS K7077. The obtained impact value was 83 kJ / m 2 .
【００３５】また、前記のマトリックス成分を成形した
プラスチック成形体から、別途44.5mm×6.4mm×1.6mmの
短冊型試験片を切り出し、レオメトリックス社製粘弾性
アナライザーを用いて、ダブルカンチレバー方式による
曲げ動的粘弾性試験を実施した。23℃で、試験片にひず
み振幅0.6％の繰り返し負荷を周波数１Hzで加え、縦弾
性係数を測定した。得られた縦弾性係数は4.19GPaであ
った。Further, a rectangular test piece of 44.5 mm × 6.4 mm × 1.6 mm was cut out separately from the plastic molded product obtained by molding the matrix component, and bent by a double cantilever method using a viscoelastic analyzer manufactured by Rheometrics. A dynamic viscoelasticity test was performed. At 23 ° C., a cyclic load having a strain amplitude of 0.6% was applied to the test piece at a frequency of 1 Hz, and the longitudinal elastic modulus was measured. The obtained longitudinal elastic modulus was 4.19 GPa.
【００３６】実施例２ 無機質粒子として、平均粒径0.6μｍのＡｌ2Ｏ3を用い
た他は、実施例１と同様に炭素繊維強化プラスチック成
形体を製造した。測定結果は下記の通りであった。 曲げ強さ（23℃） 1830 MPa シャルピー衝撃値 86 kJ/m2 マトリックス成分縦弾性係数 4.23 GPa Example 2 A carbon fiber reinforced plastic molding was produced in the same manner as in Example 1 except that Al 2 O 3 having an average particle diameter of 0.6 μm was used as the inorganic particles. The measurement results were as follows. Flexural strength (23 ℃) 1830 MPa Charpy impact value 86 kJ / m 2 matrix component longitudinal modulus 4.23 GPa
【００３７】実施例３ 無機質粒子として、平均粒径0.9μｍのＴｉＯ2を用いた
他は、実施例１と同様に炭素繊維強化プラスチック成形
体を製造した。測定結果は下記の通りであった。 曲げ強さ（23℃） 1790 MPa シャルピー衝撃値 82 kJ/m2 マトリックス成分縦弾性係数 4.15 GPa Example 3 A carbon fiber reinforced plastic molded product was produced in the same manner as in Example 1 except that TiO 2 having an average particle size of 0.9 μm was used as the inorganic particles. The measurement results were as follows. Flexural strength (23 ℃) 1790 MPa Charpy impact value 82 kJ / m 2 Matrix component longitudinal modulus 4.15 GPa
【００３８】実施例４ 無機質粒子として、平均粒径1.2μｍのSUS304相当ステ
ンレス鋼を用いた他は、実施例１と同様に炭素繊維強化
プラスチック成形体を製造した。測定結果は下記の通り
であった。 曲げ強さ（23℃） 1770 MPa シャルピー衝撃値 89 kJ/m2 マトリックス成分縦弾性係数 4.16 GPa Example 4 A carbon fiber reinforced plastic molding was produced in the same manner as in Example 1 except that stainless steel equivalent to SUS304 having an average particle diameter of 1.2 μm was used as the inorganic particles. The measurement results were as follows. Flexural strength (23 ℃) 1770 MPa Charpy impact value 89 kJ / m 2 Matrix component longitudinal modulus 4.16 GPa
【００３９】実施例５ 無機質粒子として、平均粒径1.0μｍのＴｉＮを用いた
他は、実施例１と同様に炭素繊維強化プラスチック成形
体を製造した。測定結果は下記の通りであった。 曲げ強さ（23℃） 1990 MPa シャルピー衝撃値 88 kJ/m2 マトリックス成分縦弾性係数 4.25 GPa Example 5 A carbon fiber reinforced plastic molding was produced in the same manner as in Example 1 except that TiN having an average particle size of 1.0 μm was used as the inorganic particles. The measurement results were as follows. Flexural strength (23 ° C) 1990 MPa Charpy impact value 88 kJ / m 2 Matrix component longitudinal modulus 4.25 GPa
【００４０】比較例１ 無機質粒子を配合しない他は、実施例１と同様にして、
炭素繊維強化プラスチック成形体を得た。得られた成形
体に対して、実施例１と同様に評価した。得られた結果
は下記の通りであった。 曲げ強さ（23℃） 1420 MPa シャルピー衝撃値 52 kJ/m2 マトリックス成分縦弾性係数 3.31 GPa Comparative Example 1 The procedure of Example 1 was repeated except that no inorganic particles were added.
A carbon fiber reinforced plastic molding was obtained. The obtained molded body was evaluated in the same manner as in Example 1. The results obtained were as follows. Flexural strength (23 ℃) 1420 MPa Charpy impact value 52 kJ / m 2 Matrix component longitudinal modulus 3.31 GPa
【００４１】比較例２ 二酸化珪素粒子の配合量を10重量％とした他は、実施例
１と同様にして、炭素繊維強化プラスチック成形体を得
た。得られた成形体に対して、実施例１と同様に評価し
た。得られた結果は下記の通りであった。 曲げ強さ（23℃） 1550 MPa シャルピー衝撃値 63 kJ/m2 マトリックス成分縦弾性係数 3.79 GPa Comparative Example 2 A carbon fiber reinforced plastic molded product was obtained in the same manner as in Example 1 except that the amount of silicon dioxide particles was changed to 10% by weight. The obtained molded body was evaluated in the same manner as in Example 1. The results obtained were as follows. Flexural strength (23 ° C) 1550 MPa Charpy impact value 63 kJ / m 2 Matrix component longitudinal modulus 3.79 GPa
【００４２】比較例３ 二酸化珪素粒子の配合量を15重量％とした他は、実施例
１と同様にして、炭素繊維強化プラスチック成形体を得
た。得られた成形体に対して、実施例１と同様に評価し
た。得られた結果は下記の通りであった。 曲げ強さ（23℃） 1650 MPa シャルピー衝撃値 69 kJ/m2 マトリックス成分縦弾性係数 3.98 GPa Comparative Example 3 A carbon fiber reinforced plastic molded product was obtained in the same manner as in Example 1 except that the amount of silicon dioxide particles was changed to 15% by weight. The obtained molded body was evaluated in the same manner as in Example 1. The results obtained were as follows. Bending strength (23 ℃) 1650 MPa Charpy impact value 69 kJ / m 2 Matrix component longitudinal modulus 3.98 GPa
【００４３】比較例４ 二酸化珪素粒子の配合量を45重量％とした他は、実施例
１と同様にして、炭素繊維強化プラスチック成形体を得
た。得られた成形体に対して、実施例１と同様に評価し
た。得られた結果は下記の通りであった。 曲げ強さ（23℃） 1350 MPa シャルピー衝撃値 43 kJ/m2 マトリックス成分縦弾性係数 4.79 GPa Comparative Example 4 A carbon fiber reinforced plastic molded product was obtained in the same manner as in Example 1 except that the amount of silicon dioxide particles was changed to 45% by weight. The obtained molded body was evaluated in the same manner as in Example 1. The results obtained were as follows. Flexural strength (23 ℃) 1350 MPa Charpy impact value 43 kJ / m 2 Matrix component longitudinal modulus 4.79 GPa
【発明の効果】本発明によれば、軽量、高強度、かつ高
弾性であり、特に耐衝撃性に優れた炭素繊維強化プラス
チック部材が提供されることは、［発明の概要］の項に
前記したとおりである。According to the present invention, there is provided a carbon fiber reinforced plastic member which is lightweight, high strength and high elasticity, and particularly excellent in impact resistance. As you did.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ０８Ｋ 7/06 Ｃ０８Ｋ 7/06 13/04 13/04 Ｃ０８Ｌ 63/00 Ｃ０８Ｌ 63/00 Ｃ Ｆ１６Ｊ 12/00 Ｆ１６Ｊ 12/00 Ｃ Ｆターム(参考） 2C002 AA05 CS03 MM02 MM04 MM07 PP01 SS04 3J046 AA01 CA01 CA04 CA06 DA10 4F072 AA04 AA07 AB10 AB15 AB22 AB27 AB28 AD13 AD23 AD34 AD37 AE06 AE23 AF02 AF03 AF04 AK12 AK13 AK14 AK17 AK18 AL02 AL04 AL05 4J002 CC031 CD001 CD201 CF001 DA016 DA077 DA087 DA097 DA107 DA117 DB017 DD037 DE047 DF017 DK007 FA046 FA087 FD017 GC00 GG01 GN00 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) C08K 7/06 C08K 7/06 13/04 13/04 C08L 63/00 C08L 63/00 C F16J 12/00 F16J 12/00 CF term (reference) 2C002 AA05 CS03 MM02 MM04 MM07 PP01 SS04 3J046 AA01 CA01 CA04 CA06 DA10 4F072 AA04 AA07 AB10 AB15 AB22 AB27 AB28 AD13 AD23 AD34 AD37 AE06 AE23 AF02 AF03 AF04 AK12 AK13 AL04 CC031 CD001 CD201 CF001 DA016 DA077 DA087 DA097 DA107 DA117 DB017 DD037 DE047 DF017 DK007 FA046 FA087 FD017 GC00 GG01 GN00
Claims (18)
なる炭素繊維強化プラスチックであって、前記マトリッ
クス成分が、前記マトリックス成分の全重量を基準とし
て５〜４０重量％の無機質粒子を含んでなり、かつ縦弾
性係数が4.1GPaを超えていることを特徴とする炭素繊維
強化プラスチック。1. A carbon fiber reinforced plastic comprising carbon fibers and a matrix component, wherein the matrix component contains 5 to 40% by weight of inorganic particles based on the total weight of the matrix component. A carbon fiber reinforced plastic having a modulus of longitudinal elasticity exceeding 4.1 GPa.
が、金属である、請求項１に記載の炭素繊維強化プラス
チック。2. The carbon fiber reinforced plastic according to claim 1, wherein the inorganic particles contained in the matrix component are metals.
が、セラミックスである、請求項１に記載の炭素繊維強
化プラスチック。3. The carbon fiber reinforced plastic according to claim 1, wherein the inorganic particles contained in the matrix component are ceramics.
る、請求項１〜３のいずれか１項に記載の炭素繊維強化
プラスチック。4. The carbon fiber reinforced plastic according to claim 1, wherein the carbon fibers are continuous fibers that are aligned.
向である、請求項４に記載の炭素繊維強化プラスチッ
ク。5. The carbon fiber reinforced plastic according to claim 4, wherein the alignment direction of the carbon fibers is substantially one direction.
複数の方向からなる、請求項４に記載の炭素繊維強化プ
ラスチック。6. The carbon fiber reinforced plastic according to claim 4, wherein the direction of aligning the carbon fibers comprises a plurality of different directions.
る、請求項１〜６のいずれか１項に記載の炭素繊維強化
プラスチック。7. The carbon fiber reinforced plastic according to claim 1, wherein the average particle diameter of the inorganic particles is 0.1 to 3 μm.
る、請求項１〜７のいずれか１項に記載の炭素繊維強化
プラスチック。8. The carbon fiber reinforced plastic according to claim 1, wherein the carbon fiber has an average diameter of 3 to 15 μm.
直径の１／２以下である、請求項１〜８のいずれか１項
に記載の炭素繊維強化プラスチック。9. The carbon fiber reinforced plastic according to claim 1, wherein the average particle diameter of the inorganic particles is 1/2 or less of the average diameter of the carbon fibers.
項１〜９のいずれか１項に記載の炭素繊維強化プラスチ
ック。10. The carbon fiber reinforced plastic according to claim 1, which has a bending strength of 1700 MPa or more.
る、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の炭素繊維強
化プラスチック。11. The carbon fiber reinforced plastic according to claim 1, which has a Charpy impact value of 78 kJ / m 2 or more.
れており、曲げ強さが1800MPa以上である、請求項１〜
１１のいずれか１項に記載の炭素繊維強化プラスチッ
ク。12. The carbon fiber according to claim 1, wherein the carbon fibers are substantially aligned in one direction, and have a bending strength of 1800 MPa or more.
12. The carbon fiber reinforced plastic according to any one of items 11 to 12.
れた炭素繊維強化プラスチックからなる部材を具備して
なることを特徴とする圧力容器。13. A pressure vessel comprising a member made of the carbon fiber reinforced plastic according to any one of claims 1 to 12.
れた炭素繊維強化プラスチックからなる部材を具備して
なることを特徴とする航空機用構造材。14. An aircraft structural material comprising a member made of the carbon fiber reinforced plastic according to any one of claims 1 to 12.
れた炭素繊維強化プラスチックからなる部材を具備して
なることを特徴とする船舶用構造材。15. A marine structural material comprising a member made of the carbon fiber reinforced plastic according to any one of claims 1 to 12.
れた炭素繊維強化プラスチックからなる部材を具備して
なることを特徴とするゴルフクラブ用シャフト。16. A golf club shaft comprising a member made of the carbon fiber reinforced plastic according to any one of claims 1 to 12.
れた炭素繊維強化プラスチックからなる部材を具備して
なることを特徴とするスキーポール。17. A ski pole comprising a member made of the carbon fiber reinforced plastic according to any one of claims 1 to 12.
れた炭素繊維強化プラスチックからなる部材を具備して
なることを特徴とする釣り竿。18. A fishing rod comprising a member made of the carbon fiber reinforced plastic according to any one of claims 1 to 12.
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|---|---|---|---|
| JP36536999A JP2001181406A (en) | 1999-12-22 | 1999-12-22 | Carbon fiber-reinforced plastic and member using the same |
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1999
- 1999-12-22 JP JP36536999A patent/JP2001181406A/en active Pending
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