JP2001303385A - 複合材料用三次元織編組物及び複合材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は繊維強化複合材製品を製造するため
の複合材料の繊維素材及び構造部品に関する。繊維強化
複合材製品の製法には、プリプレグと称されるシート状
素材を切断し、これを製品形状に積層して成形する方法
がある。しかしながら、素材間に十分な強度を得ること
ができない、あるいは複雑形状品の製造時には、それを
単純形状要素に分割して、形状要素毎にレイアップ作業
やデバルク作業等の予備成形作業が加わることにより、
作業手間、時間を多数要する不具合があった。本発明
は、従来の複合材料用素材による成形工程が生じる不具
合を解消できる繊維素材の提供を課題とする。 【解決手段】 本発明は、繊維強化複合材製品を形成す
る構成部材に成形され、構成部材を高強度、高弾性のも
のにする強化繊維１中に、接合面の靱性強度を向上さ
せ、破壊強度を向上させる機能をもつ結合力向上繊維２
を設けた。これにより、素材間の接合面が補強され、破
壊強度の大きい繊維強化複合材製品を安価に提供するこ
とができ、上述した不具合が解消される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、形状が複雑な繊維
強化樹脂系複合材料製品（以下、本明細書では繊維強化
複合材製品という）を低コストで製造するための複合材
料の繊維素材及び構造部品に関する。

【０００２】

【従来の技術】軽量で強靱な強度を有し、しかも複雑な
形状にされた繊維強化複合材製品の製造に当っては、一
般的に、連続繊維を一方向に並べたり、織り上げた物に
半硬化状態の樹脂を塗りつけてシート状にした素材であ
るプリプレグを、製造する製品形状に合せて積み重ねて
製作することが行われている。この場合、プリプレグ中
に途中で切断されてない真直ぐな連続繊維がある場合、
当該連続繊維に沿った方向について、特に、優れた力学
的強度が得られる反面、プリプレグを積み重ねて製作さ
れる製品の厚み方向の力学的強度は、プリプレグを構成
する樹脂の結合力のみに依存する場合が多く、このた
め、一般に厚み方向の力学的強度は強化繊維で補強され
た板内方向に比して小さい。

【０００３】このような不具合を解消し、製品の厚み方
向の力学的強度を向上させるために、プリプレグの表層
に熱可塑性樹脂を混在させて、この熱可塑性樹脂の結合
力で厚み方向の素材間の力学的強度、すなわち、繊維強
化複合材製品の破壊のしにくさである、靱性を向上させ
ることも提案されている。例えば、特開平１−１１０５
３７号「球状微粒子を有するプリプレグ」では、プリプ
レグの表層に、球状の熱可塑性樹脂の微粒子を、プリプ
レグで形成されている各層の厚みの表面から３０％以内
の深さに局在化させることにより、プリプレグシート間
の接合面の靱性を効果的に向上させ、シート状素材の接
合面における破壊強度を大きくして、高強度の繊維強化
複合材製品を製作するものが開示されている。

【０００４】しかしながら、プリプレグで複雑な立体形
状の製品を製作するには、プリプレグを所要寸法に切り
出して、製品形状を単純形状要素に分割した要素毎の形
状に積み重ねるレイアップ作業や、重ね合わせたプリプ
レグの間に取り込まれた空気を吸い出したりするデバル
ク作業等の予備成形工程を実施する必要があり、さらに
は、これらの単純形状要素を製品の最終的な立体形状に
組み上げた後においても、同様な作業を必要とし、製品
製作工程数の増加をきたし、より多くの作業時間や手間
を要し、製品の製造コストが嵩むという不具合がある。

【０００５】一方、シート状素材の積層により成形した
繊維強化複合材製品が厚み方向の強度を発現し難いこと
を克服するために、厚み方向を含めた立体的な方向に、
連続繊維を立体的に絡め合わせて製品形状に織編組製し
た繊維組織を樹脂で固めて、繊維複合材製品を製造し
て、厚み方向の力学的強度をも補強するようにした三次
元複合材の開発が進められている。しかしながら、この
ような三次元複合材にして、何れの方向の力学的強度に
対しても補強を行い、秀れた強度を有する繊維複合材製
品にするためには、特に、繊維強化複合材製品が複雑な
形状をしている場合において、連続繊維を製品形状に合
せて立体的な繊維組織に織編組製するための専用の道
具、設備を必要とし、さらには、複雑な形状の繊維複合
材製品に対応した立体的繊維組織を織編組製するために
は、多数の時間や手間を要し、プリプレグの場合と同
様、製造コストが高くなるという不具合がある。複雑な
立体的製品形状を、単純な形状要素に分割して、それぞ
れを厚み方向にも補強繊維が配列されるよう三次元的に
織編組製した織編組物となし、その織編組物を製品の最
終的な立体形状に組み上げて樹脂で固めることも可能で
あるが、この場合、要素とした織編組物間の力学的強度
は、樹脂の結合力のみに依存するので、強化繊維で補強
された部分の強度に比べて低くなるのが一般的である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、複雑な立体
形状をした繊維強化複合材製品の製造において、従来か
ら採用されている製品製造方法において生じている不具
合を解消するために、繊維強化複合材製品の単純形状要
素毎の、プリプレグの切り出し、要素毎の形状に積み重
ねるレイアップ作業、積み重ねられたプリプレグの接合
間毎の空気を吸い出すデバルク作業等の予備成形工程を
必要とせず、あるいは、複雑な製品形状の繊維強化複合
材製品に合せた立体的形状にするための連続繊維を織編
組製するための専用の道具や設備を必要とせず、また、
織編組製するための時間や手間が少なく、しかも、繊維
素材間にも充分な強度を有する、複雑な形状の繊維強化
複合材製品を安価に製造できる複合材料用三次元織編組
物、及び、この織編組物を用いて形成される構造部品を
提供することを課題とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】このため、本発明の複合
材料の繊維素材は次の手段を採用した。

【０００８】（１）弾性強度の大きい強化繊維からなる
複合材料用三次元織編組物であって、弾性強度は強化繊
維に劣るものの、一体成形時に樹脂との結合力が大き
く、強化繊維と一体となって靱性を向上させ、破壊強度
を増加させる結合力向上繊維が複合化された複合材料用
三次元織編組物。なお、本発明において、強化繊維から
なる複合材料用三次元織編組物であって、結合力向上繊
維が複合化された織編組物とは三次元織物にした強化繊
維に結合力向上繊維を織り込んだ織物にしたもの、又は
強化繊維を三次元編物にした強化繊維に結合力向上繊維
を編み込んだ編物にしたもの、あるいは三次元組物にし
た強化繊維に結合力向上繊維を組み込んだ組物にしたも
の、それぞれの織物、編物、あるいは組物と同等の組織
を有する強化繊維と結合力向上繊維の集合体を意味し、
強化繊維の糸条と結合力向上繊維の糸条を独立の糸条と
して同時に織編組製する、強化繊維の糸条の織編組物に
結合力向上繊維を追加する、あるいは強化繊維と結合力
向上繊維の糸条を引き揃えもしくは撚り合わせる等した
糸条を用いて織編組製する等の、種々の織編組製手順を
用いることが可能であり、織編組製の手順は問わない。

【０００９】（ａ）本発明の複合材料用三次元織編組物
は、上述（１）の手段にしたことにより、従来プリプレ
グの予備成形工程において必要とされていた、繊維強化
複合材製品形状を単純形状要素に分割し、要素毎の形状
に合せてプリプレグを所要寸法に切り出して積み重ねる
レイアップ作業や、所定数毎のレイアップ作業毎に行わ
れる重ね合わせたプリプレグの間の樹脂に取り込まれて
いる空気を吸い出すデバルグ作業等の予備成形工程にお
ける作業を不要とし、強化繊維と結合力向上繊維とを織
編組製した単純形状の織編組物を、製品形状に組み上げ
た後の、樹脂の含浸および硬化作業、いわゆる、成形作
業だけで製品形状の繊維強化複合材料が得られるため、
製品製作工程数が低減し、作業時間や手間を少くでき、
製造コストを低減する。

【００１０】また、本発明の複合材料用三次元織編組物
は、上述（１）の手段に加え、次の手段を採用した。

【００１１】（２）強化繊維は弾性率２００ＧＰａ以上
の高弾性繊維であり、結合力向上繊維は弾性率１００Ｇ
Ｐａ以下の繊維状熱可塑性樹脂からなり、成形された繊
維強化複合材製品の複合材料用三次元織編組物間の破壊
強度を向上させるものとした。

【００１２】（ｂ）本発明の複合材料用三次元織編組物
は、上述（２）の手段にしたことにより、上述（ａ）に
加え、このような複合材料用三次元織編組物で形成され
た繊維強化複合材製品は、強度的に航空宇宙分野、船
舶、スポーツ用品、および建築物の材料として好適な破
壊強度等の材料特性を具えるものとすることができ、特
に、軽量化が要求される航空宇宙分野に使用される製品
には、大幅な軽量化が図れる材料特性を具えることか
ら、これらの織編組物を繊維強化複合材製品に採用し製
作された航空機宇宙機器等の性能向上に寄与することが
できる。

【００１３】また、本発明の複合材料用三次元織編組物
は、上述（１）の手段又は上述（１）の手段および
（２）の手段とを具えたものに加え、次の手段を採用し
た。

【００１４】（３）強化繊維は樹脂未含浸の炭素繊維、
アラミド繊維若しくはガラス繊維のいずれか１つ若しく
はそれらの組み合わせからなり、また、結合力向上繊維
はポリアミド、ポリエステル、ポリエーテルエーテルケ
トン、ポリエーテルイミド若しくはポリイミドのいずれ
か１つ若しくはそれらの組合わせからなる熱可塑性樹脂
を繊維状にしたものとした。

【００１５】（ｃ）本発明の複合材料用三次元織編組物
は、上述（３）の手段にしたことにより、上述（ａ）又
は上述（ａ），（ｂ）に加え、立体的な繊維強化複合材
製品を形成する織編組物において、高強度、高弾性繊維
である炭素繊維、ガラス繊維、あるいはアラミド繊維か
らなり、構成部材の高強度、高弾性向上に効果を発揮
し、繊維強化複合材製品の構造強度及び弾性を向上させ
ることができる。

【００１６】また、強化繊維の組織中に、ポリアミド、
ポリエステル、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエー
テルイミド、あるいはポリイミドからなる熱可塑性樹脂
で形成された結合力向上繊維が織り込まれ、若しくは編
み込まれ、若しくは組み込まれて、繊維素材同士の接合
面における靱性強度が向上し、繊維強化複合材製品を形
成する構造部品の破壊強度を向上させることができ、特
に、組み合わせて繊維強化複合材製品を形成する構造部
品である織編組物間の接合面の破壊強度を向上させるこ
とができ、これらの複合材料用三次元織編組物を組み合
わせて成形された繊維強化複合材製品の靱性強度を向上
させ、破壊強度を向上させることができる。

【００１７】さらに、繊維強化複合材製品を一体的に製
作するとき、必要とする形状要素毎にプリプレグを所要
の寸法に切り出し、製作形状に合わせて積み重ねるレイ
アップ作業及び積み重ねたプリプレグ間の空気を抜き出
すデバルグ作業が不要になり、安価な製造コストで、特
に、形状が複雑な立体形状の繊維強化複合材製品を形成
することができる。

【００１８】また、本発明の複合材料用三次元織編組物
は、上述（１）の手段又は上述（１）の手段および
（２）の手段又は上述（１）の手段および（２）の手段
および（３）の手段とを具えたものに加え、次の手段を
採用した。

【００１９】（４）前記結合力強化繊維が、繊維素材各
部位の厚みにおいて表面から厚みの１／４深度まで、も
しくは表面から０．５ｍｍ深さまでのいずれか小さい方
の深さの空間における結合力強化繊維の体積占有率が、
繊維素材のその他の部分における結合力強化繊維の体積
占有率よりも大きい状態とした。

【００２０】（ｄ）本発明の複合材料の繊維素材は、上
述（４）の手段にしたことにより、上述（ａ）又は上述
（ａ），（ｂ）又は上述（ａ），（ｂ），（ｃ）に加
え、立体的な繊維強化複合材製品を形成するために組み
合わせる織編組物間ならびに繊維素材間近傍において、
結合力強化繊維を特に多く配置する事が可能となり、効
果的に織編組物間の靱性を向上することができる。

【００２１】（５）さらに、本発明の上述（１）の手段
又は上述（１），（２）の手段又は上述（１），
（２），（３）の手段又は上述（１），（２），
（３），（４）の手段にした複合材料用三次元織編組物
を使用して、形成する複合材料は、次の手段を採用し
た。強化繊維と結合力向上繊維とを複合化した複数の単
純形状の三次元織編組物を、所望の立体形状を呈するよ
うに組み合わせた後、立体形状に組み合わされている強
化繊維と結合向上繊維とからなる複合材料用織編組物
に、樹脂を含浸させて成形するものとした。

【００２２】（ｅ）本発明の複合材料は、上述（５）の
手段により成形するようにしたことにより、強化繊維と
結合力向上繊維とを複合化した三次元織編組物を用いる
ことにより、製品形状に組み合わせた後、樹脂で固める
ことにより、繊維強化複合材製品に形成された織編組物
の接合面における靱性強度が向上し、繊維強化複合材製
品の破壊強度を向上させることができる。

【００２３】さらに、シート状素材で複雑形状の繊維強
化複合材製品を製作するときに必要としていた、形状要
素毎にシート状素材を所要の寸法に切り出して、製作形
状に合わせて積み重ねるレイアップ作業や、シート状素
材を所定数積み重ねる毎に行う必要のあったシート状素
材間の空気を抜き出すデバルク作業等の予備成形工程作
業が不要になり、安価な製造コストで、形状が複雑な立
体形状の繊維強化複合材製品を形成でき、複合材料とす
ることができる。

【００２４】一方、強化繊維と結合力向上繊維とを複合
化した複数の簡素な形状にされた三次元織編組物を、所
望の立体形状を呈するよう組み合わせて、繊維強化複合
材製品が製作されるので、特に、複雑な形状の繊維強化
複合材製品を製作する場合において、複雑な三次元形状
の繊維強化複合材製品に対応した立体的繊維組織を織編
組製するために、従来必要としていた専用道具、設備が
不要になるとともに、織編組製等に要する時間および手
間を少なくでき、安価な製造コストで、特に、形状が複
雑な立体形状の繊維強化複合材製品の場合でも、短時間
でしかも容易に形成できる複合材料とすることができ
る。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の複合材料用三次元
織編組物及び複合材料の実施の一形態を図面にもとづき
説明する。

【００２６】図１は本発明の複合材料用三次元織編組物
の実施例で、第１形態として三次元織物を示す斜視図で
ある。図において、１は強化繊維で複合材料の強化材
（Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ）を構成する部分であ
り、炭素繊維、ガラス繊維あるいはアラミド繊維等の高
強度、高弾性の素材の何れか、若しくはこれらの素材を
組合せて形成された繊維である。２は結合力向上繊維
で、ポリアミド、ポリエステル、ポリエーテルエーテル
ケトン、ポリエーテルイミドあるいはポリイミドの何れ
かの熱可塑性樹脂等の靱性向上効果のある素材で形成さ
れた繊維である。

【００２７】上述した、強化繊維１、結合力向上繊維２
により、三次元織物１０ａに形成された複合材料用三次
元織物を、製品の形状に組み合わせた後、樹脂（基材：
マトリックス）で１度に固めることにより、素材間がよ
り強固に結合された高強度で破壊強度の大きい繊維強化
複合材製品を成形することができる。

【００２８】以上、三次元織物を例にして示したが、三
次元編物又は三次元組物として構成することもできる。
織編組物の形態や組織は、安価で構成する事が可能なも
のであれば、その種類は問わないものである。例えば、
本出願人等が、特開平１０−３２５０４１号「三次元繊
維」で提案した、安価で高性能複合材製品向けの繊維組
織の構成が可能な織機より織製される三次元織物を使用
するようにしても良いものである。

【００２９】強化繊維の三次元織編組物の組織内部へ結
合力向上繊維を複合化した場合、素材同士の結合面のみ
ならず、素材内部の靱性向上効果も得られ、これらの素
材を用いて製作された複合材製品全体を破壊強度に優れ
たものにすることもできる。さらに、特に、繊維強化複
合材製品が複雑な形状をしている場合において、従来技
術で必要であった、繊維強化複合材製品形状を単純形状
要素に分割し、要素毎に行われるレイアップ作業や、デ
バルク作業等の予備成形工程を実施することが不要にな
り、さらには、これらの単純形状要素を製品形状に組み
上げた後において行われる成形作業だけとなるために、
製品製作工程数の増加に伴う時間や手間が不要になり、
製品の製造コストが低減できる。

【００３０】あるいは、連続繊維を製品形状に合せて立
体的な繊維組織を織編組製する方法に比べても、専用の
道具設備が不要になり、さらには、織編組製するための
多数の時間がかからず、同様に製造コストが低減できる
という利点がある。

【００３１】次に、上述の構成にした本実施の第１形態
の複合材料用三次元織物１０ａ間の補強効果を確認する
為、台座部５と突起部６間の接合面剥離強度試験を実施
した結果について説明する。

【００３２】図２は、この剥離強度試験の原理を示す図
である。図に示すように、剥離強度試験に使用される供
試材料７には、前述した５軸三次元織物を長さ２００ｍ
／ｍ、幅５０ｍ／ｍ、厚み１．２ｍ／ｍに切り出した台
座部５に長さ７０ｍ／ｍ、幅５０ｍ／ｍ、厚み１．２ｍ
／ｍに切り出した突起部６を２枚積み重ね、一度に樹脂
で固めた（複合材成形した）ものを用い、５軸三次元織
物表面に結合力向上繊維２を挟んだものと、はさまない
ものの２種類の供試材料７を準備した。

【００３３】試験は、図に示すように供試材料７の台座
部５に設けた支持点１１で支持した後、反対側の中心か
ら１５ｍ／ｍ離隔した位置に設けた負荷点８より荷重９
を加え、台座部５から突起部６が剥がれる最大荷重９
_max を剥離強度として計測することとした。

【００３４】この結果、図３に示すように、台座部５と
突起部６との間に結合力向上繊維２としてのポリイミド
ファイバ繊維をはさみ込まなかった場合の最大荷重９
_max は、約３１ｋｇｆであったものが、ポリイミドファ
イバ繊維を組込んだ場合には、約３５ｋｇｆにまで大き
くなり、最大荷重９_max は約１３％向上することが判っ
た。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の複合材料
用三次元織編組物は、高強度、高弾性の強化繊維と、繊
維強化複合材製品の破壊強度を向上させる結合力向上繊
維を、複合化して織編組製されるものとした。これによ
り、複合材料用三次元織編組物同士を組合わせて形成す
る構造部品の接合面の相互結合が補強され、繊維強化複
合材製品の破壊強度を向上することができる。

【００３６】さらに、複雑な立体形状の繊維強化複合材
製品を成形するときの単純形状要素毎にプリプレグを所
要の寸法に切り出して積み重ねる作業、所定数積み重ね
たシート状素材間の空気の抜き出し作業等の予備成形工
程が不要になり、安価な製造コストで形状が複雑な立体
形状の繊維強化複合材製品を形成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の複合材料用三次元織編組物の実施例の
第１形態としての三次元織物を示す斜視図、

【図２】図１に示す複合材料用三次元織物の剥離強度試
験の原理を示す模式図、

【図３】図２に示す剥離強度試験でなされた試験結果を
示す図である。

【符号の説明】

１ 強化繊維 ２ 結合力向上繊維 ５ 台座部 ６ 突起部 ７ 供試材料 ８ 負荷点 ９ 荷重 １０ａ 三次元織物 １１ 支持点

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） Ｂ２９Ｋ 309:08 Ｂ２９Ｋ 309:08 (72)発明者 西山 茂 名古屋市港区大江町10番地 三菱重工業株 式会社名古屋航空宇宙システム製作所内 (72)発明者 田中 豊己 名古屋市港区大江町10番地 三菱重工業株 式会社名古屋航空宇宙システム製作所内 (72)発明者 桐山 裕之 名古屋市港区大江町10番地 三菱重工業株 式会社名古屋航空宇宙システム製作所内 (72)発明者 三谷 和民 名古屋市東区砂田橋四丁目１番60号 三菱 レイヨン株式会社商品開発研究所内 Ｆターム(参考） 4F072 AA01 AA06 AB02 AB04 AB06 AB09 AB10 AB27 AB33 AH21 4L048 AA03 AA05 AA25 AB07 AC09 BA22 CA01 DA41

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 強化繊維からなる複合材料用三次元織編
   組物であって、結合力向上繊維が複合化された複合材料
   用三次元織編組物。
2. 【請求項２】 前記強化繊維は弾性率２００ＧＰａ以上
   の繊維であり、前記結合力向上繊維は弾性率１００ＧＰ
   ａ以下の繊維状熱可塑性樹脂であることを特徴とする請
   求項１の複合材料用三次元織編組物。
3. 【請求項３】 前記強化繊維は炭素繊維、アラミド繊維
   若しくはガラス繊維のいずれか１つ若しくはそれらを組
   み合わせたものであり、前記結合力向上繊維はポリアミ
   ド、ポリエステル、ポリエーテルエーテルケトン、ポリ
   エーテルイミド若しくはポリイミドのいずれか１つ若し
   くはそれらの組合わせからなる熱可塑性樹脂を繊維状に
   したものであることを特徴とする請求項１又は２の複合
   材料用三次元織編組物。
4. 【請求項４】 複合材料用三次元織編組物の各部位の繊
   維素材各部位の厚みにおいて表面から厚みの１／４深度
   まで、もしくは表面から０．５ｍｍ深さまでのいずれか
   小さい方の深さの空間における、前記結合力強化繊維の
   体積占有率が、複合材料用三次元織編組物のその他の部
   分における結合力強化繊維の体積占有率よりも大きい請
   求項１から３のいずれか１項記載の複合材料用三次元織
   編組物。
5. 【請求項５】 請求項１から４のいずれか１項記載の複
   合材料用三次元織編組物を、所望の製品形状に組み合わ
   せた状態で、樹脂を含浸硬化した繊維強化複合材料。