JP2003056618A - 衝撃エネルギ吸収用複合部材 - Google Patents

衝撃エネルギ吸収用複合部材

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JP2003056618A
JP2003056618A JP2001244471A JP2001244471A JP2003056618A JP 2003056618 A JP2003056618 A JP 2003056618A JP 2001244471 A JP2001244471 A JP 2001244471A JP 2001244471 A JP2001244471 A JP 2001244471A JP 2003056618 A JP2003056618 A JP 2003056618A
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synthetic resin
impact energy
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JP2001244471A
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Yoshihisa Saeki
芳久 佐伯
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Honda Motor Co Ltd
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Honda Motor Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 車両の衝突時のような動的衝撃荷重に対して
十分な衝撃エネルギ吸収能を発揮することのできる複合
部材を提供する。 【解決手段】 複合部材は,合成樹脂よりなるマトリッ
クスと,そのマトリックスに分散する複数の炭素繊維と
を備えている。そのマトリックスは,衝撃速度5m/s
以上の動的衝撃荷重により延性破壊を惹起する合成樹脂
より構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】本発明は,衝撃エネルギ吸収
用複合部材,特に,合成樹脂よりなるマトリックスと,
そのマトリックスに分散する複数の炭素繊維とを備えた
ものの改良に関する。 【0002】 【従来の技術】従来,この種の複合部材としては,マト
リックスをエポキシ樹脂より構成したものが知られてい
る(特開平7−224874号公報参照)。 【0003】 【発明が解決しようとする課題】しかしながらエポキシ
樹脂マトリックスは衝撃荷重により脆性破壊を惹起する
ので,従来のものは,公報にも記載されているように衝
撃エネルギ速度10mm/min (約0.16mm/s)程度
の衝撃荷重,つまり静的衝撃荷重に対しては十分な衝撃
エネルギ吸収能を発揮するが,車両の衝突時のような衝
撃速度5m/s以上の衝撃荷重,つまり動的衝撃荷重に
対しては,動的に増したエネルギが大き過ぎてエネルギ
吸収能が不十分である,という問題があった。 【0004】 【課題を解決するための手段】本発明は,車両の衝突時
のような動的衝撃荷重に対して十分な衝撃エネルギ吸収
能を発揮することのできる前記衝撃エネルギ吸収用複合
部材を提供することを目的とする。 【0005】前記目的を達成するため本発明によれば,
合成樹脂よりなるマトリックスと,そのマトリックスに
分散する複数の炭素繊維とを備えた衝撃エネルギ吸収用
複合部材において,前記マトリックスを,衝撃速度5m
/s以上の動的衝撃荷重により延性破壊を惹起する合成
樹脂より構成した衝撃エネルギ吸収用複合部材が提供さ
れる。 【0006】前記のように構成すると,車両の衝突時の
ような衝撃速度5m/s以上といった動的衝撃荷重が複
合部材に作用したとき,合成樹脂マトリックスが延性破
壊を惹起して片状化され,これにより,その衝撃エネル
ギを十分に吸収することができる。 【0007】 【発明の実施の形態】図1,2において,衝撃エネルギ
吸収用複合部材1は貫通孔1aを持つ円筒状をなし,一
端部に円錐台形の被衝撃部1bを有する。その被衝撃部
1bの小径端の外径は貫通孔1aの内径にほぼ等しく,
またテーパ角度は90°であり,したがって傾斜角αは
α=45°である。複合部材1は合成樹脂よりなるマト
リックス2と,そのマトリックス2に分散する複数の炭
素繊維3とを備え,そのマトリックス2は,衝撃速度5
m/s以上の動的衝撃荷重により延性破壊を惹起する合
成樹脂より構成されている。この種の合成樹脂として
は,PC(ポリカーボネート),TPI(サーモプラス
チック・ポリイミド)等の熱可塑性合成樹脂が用いられ
る。 【0008】この複合部材1は,実施例では積層構造を
有するもので,主筒状部6と,その内周側に在る内側筒
状部7と,その外周側に在る外側筒状部8とよりなる。
主筒状部6は,図3に示すように複数の炭素繊維3を一
方向に配列させた板材9を,各炭素繊維3が軸線方向に
並ぶように円筒状に曲げ,この単層材を複数積層したも
のである。図中,10は合せ目を示す。一方,内,外側
筒状部7,8は,それぞれ図4に示すように前記板材9
を,各炭素繊維3が周方向に並ぶように円筒状に曲げた
単層材を用いて形成されたものである。被衝撃部1bは
等径部分に切削加工を施して形成される。 【0009】図5に示すように,複合部材1を,その被
衝撃部1bを上方に向けて基台11上に立設し,その被
衝撃部1bに短円柱状重錘12を落下させて,車両の衝
突時と同様の衝撃速度5m/s以上といった動的衝撃荷
重を作用させると,図6に示すように,被衝撃部1bに
おける合成樹脂マトリックス2の伸びに起因した潰れ,
その伸びの限界による合成樹脂マトリックス2の圧縮破
壊が連続的に発生し,このような延性破壊の現出により
前記動的衝撃荷重に伴う衝撃エネルギを十分に吸収する
ことができる。この延性破壊は,合成樹脂マトリックス
2の伸びを伴う現象であることから,破壊により生じた
樹脂片は細長いものとなり,またその量は,破壊により
生じた樹脂片総数の50%以上となる。 【0010】一方,合成樹脂マトリックス2がエポキシ
樹脂より構成されている場合には,図7に示すように,
衝撃速度5m/s以上といった動的衝撃荷重が被衝撃部
1bに作用すると,その合成樹脂マトリックス2は,伸
びを伴わない破壊,つまり脆性破壊を惹起し,そのため
前記動的衝撃荷重に伴う衝撃エネルギの吸収は小とな
る。この脆性破壊により合成樹脂マトリックスはほぼ粒
状化され,その粒状樹脂13のうちの約7割が部材1の
外側に,また3割が部材1の内側へそれぞれ落下する。 【0011】つまり,延性破壊性を持つ合成樹脂マトリ
ックスにおいては,衝撃エネルギが大となる程,そのエ
ネルギを受ける範囲が広がるため単位時間当りの衝撃エ
ネルギの分散・吸収力は衝撃エネルギが大になる程大と
なるが,脆性破壊性を持つ合成樹脂マトリックスは衝撃
エネルギの大小に拘らず,常に狭い範囲でその衝撃エネ
ルギを受けているので,衝撃エネルギが大になっても単
位時間当りの衝撃エネルギの分散・吸収力は変わらない
のである。 【0012】以下,具体例について説明する。 【0013】A.複合部材の製造 〔例−I〕引張強さ5.7GPa,引張弾性率290G
PaのPAN系炭素繊維と,合成樹脂マトリックスを構
成する比重1.2,引張強さ64MPa,伸び120%
のPCを用いて,PAN系炭素繊維のVfが60%で,
且つその繊維を一方向に配列させた厚さ約0.14mmの
シートを成形した。 【0014】このシートから14枚の板材を切出して,
積層・加熱・切削作業を行うことにより図1〜4に示し
た複合部材1を得た。この場合,主筒状部6における板
材9の積層枚数は12に,また加熱温度は260℃に,
さらに複合部材1の寸法は,外径約54mm,内径約50
mm,等径部の長さ98mmに,被衝撃部1bの長さ(高
さ)2mmにそれぞれ設定された。この複合部材1を実施
例(1)とする。 【0015】〔例−II〕例−IのPCを,比重1.3,
引張強さ88MPa,伸び50%のTPIに代え,また
加熱温度を420℃に設定したということ以外は例−I
と同様の方法で実施例(1)と同一寸法の複合部材1を
得た。この複合部材1を実施例(2)とする。 【0016】〔例−III 〕例−IのPCを,比重1.
2,引張強さ80MPa,伸び4%のエポキシ樹脂に代
え,また硬化温度を130℃に設定したということ以外
は例−Iと同様の方法で実施例(1)と同一寸法の複合
部材1を得た。この複合部材1を比較例(1)とする。 【0017】〔例−IV〕例−IのPCを,比重1.3,
引張強さ65MPa,伸び2%のPI(ポリイミド)に
代え,また硬化温度を310℃に設定したということ以
外は例−Iと同様の方法で実施例(1)と同一寸法の複
合部材1を得た。この複合部材1を比較例(2)とす
る。 【0018】B.複合部材の衝撃吸収性能 図5に示した場合と同様の方法で,基台11上に立設さ
れた複合部材1の被衝撃部1bに重錘12によって所定
の衝撃速度の静的または動的衝撃荷重を加え,その衝撃
速度に対応する衝撃エネルギ吸収量を算出した。この算
出はEs=1/V・ρ∫Pdu(P:荷重;V:複合部
材の破壊された部分の体積;ρ:複合部材の密度)の式
を用いて行った。したがって,衝撃エネルギ吸収量Es
は単位質量当りの吸収エネルギ吸収量に相当する。 【0019】表1は実施例1等の衝撃吸収性能を示す。 【0020】 【表1】 【0021】図8は表1をグラフ化したものであり,実
施例(1),(2)は,比較例(1),(2)に比べ
て,衝撃速度5m/s以上の動的衝撃荷重に対する衝撃
エネルギ吸収能が高いことが判る。実施例(1),
(2)において,衝撃速度5m/s未満の静的衝撃荷重
に対する衝撃エネルギ吸収能が低いのは,この衝撃速度
範囲では実施例(1),(2)において曲げと層間剥離
が生じているからである。 【0022】 【発明の効果】本発明によれば前記のように構成するこ
とによって,車両の衝突時のような動的衝撃荷重に対し
て十分な衝撃エネルギ吸収能を発揮することが可能な複
合部材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】 【図1】複合部材の斜視図である。 【図2】図1の2−2線拡大断面図である。 【図3】主筒状部用単層材の斜視図である。 【図4】内,外側筒状部用単層材の斜視図である。 【図5】複合部材と重錘との関係を示す側面図である。 【図6】実施例における合成樹脂マトリックスの破壊状
況を示す拡大断面図である。 【図7】比較例における合成樹脂マトリックスの破壊状
況を示す拡大断面図である。 【図8】衝撃速度と衝撃エネルギ吸収量との関係を示す
グラフである。 【符号の説明】 1………複合部材 2………マトリックス 3………炭素繊維
フロントページの続き Fターム(参考) 3J066 AA01 AA23 BA04 BB01 BC03 BD05 BG04 4F205 AA28 AA40 AD16 AE10 AH17 HA14 HA34 HA35 HB01 HC17 4J002 AA001 CD001 DA016 FA046 GN00

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 【請求項1】 合成樹脂よりなるマトリックス(2)
    と,そのマトリックス(2)に分散する複数の炭素繊維
    (3)とを備えた衝撃エネルギ吸収用複合部材におい
    て,前記マトリックス(2)を,衝撃速度5m/s以上
    の動的衝撃荷重により延性破壊を惹起する合成樹脂より
    構成したことを特徴とする衝撃エネルギ吸収用複合部
    材。
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