JP2004076805A - 衝撃エネルギー吸収用複合材料及び衝撃エネルギー吸収方法 - Google Patents

Abstract

【課題】衝突物に対し、大きなマイナスの加速度を与えない衝撃エネルギー吸収方法及び衝撃エネルギー吸収用複合材料を提供する。
【解決手段】材料が伸張されるに従い、異なる材料伸度において材料を構成する複数の強度保持部材が順次破断することによりエネルギーを吸収させる。また、衝撃エネルギー吸収用複合材料を、材料が伸張されるに従い、異なる材料伸度において順次破断するように組み合わされた複数の強度保持部材を含んで構成する。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば自動車用インパクトビーム、又は道路のガードレール等に用いることができる、衝撃エネルギーを吸収するための複合材料、及び衝撃エネルギーを吸収する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車等が衝突した場合に、その運動エネルギーを吸収するため、従来、例えば自動車等の車両のドア内部には、サイドドアビームが用いられ、また、自動車用道路にはガードレール等が設けられている。
【０００３】
上記サイドドアビームやガードレール等の衝撃吸収材としては、通常、パイプ状や波形曲面を有する板状の鉄鋼等の金属が用いられている。
【０００４】
また、車両用サイドドアビームには、高い耐衝撃性と軽量性が要求されるため、例えば実開平７−４１２６号公報には、繊維強化樹脂からなるサイドドアビーム本体、及び張力がかけられた繊維状樹脂からなる強度向上材を備え、繊維強化樹脂の耐衝撃力と合わせて、この繊維強化樹脂が破壊するほどの大きな変形が与えられても上記繊維状樹脂がその弾性によって衝撃力を吸収する構造とした車両用サイドドアビームが開示されている。
【０００５】
また、特開平１０−１７５４９０号公報には、自動車のピラーに用いる衝撃吸収部材として、衝撃吸収特性を持たせるためのサインカーブ曲面突起を有し、破砕可能な材料シートからなる衝撃吸収材が開示されている。さらに、特開平９−８６１７１号公報には、衝撃エネルギーを吸収するための高剛性材料と、この剛性材料に車両の乗員が直接衝突することを防止するための柔軟なガード材からなる、車両用インパクトビームが開示されている。
【０００６】
しかし、これら公知の衝撃エネルギー吸収材料は、金属等の高剛性材料を用いた場合には少ない変形量で大きな反力が発生するために、エネルギー吸収材料に衝突したものに大きなマイナスの加速度が加わり、例えば乗用車が衝突した場合、衝突した乗用車の乗員に安全上の問題が生じうる。
【０００７】
また、公知の繊維強化樹脂を衝撃吸収部材として用いる場合も、充分な耐衝撃強度を持たせるためには、重量が大きなものとなってしまい、特に車両等に使用する場合には好ましくない。
【０００８】
軽量、かつ高強度の材料としては、例えばエポキシ樹脂等のバインダー樹脂を用いて、炭素繊維等の繊維材料の方向を揃えてテープ状にした繊維テープ材料を積層して製造した複合材料が知られており、この材料は軽量、かつ高強度であり、構造部材として優れているが、この場合も、この複合材料の破断強度に達するまで、変形量に対して、反力はほぼ単調増加であり、この材料に衝突した車両等に大きなマイナスの加速度を与えることは避けられない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
すなわち本発明は、高い耐衝撃強度を有し、衝突物による衝撃エネルギーを吸収することができ、かつ衝突物に対して大きなマイナスの加速度を与えず、かつ軽量である、衝撃エネルギー吸収用複合材料、及び衝突物に対して大きなマイナスの加速度を与えず衝撃エネルギー吸収する方法を提供しようとするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の衝撃エネルギー吸収用複合材料は、材料が伸張されるに従い、異なる材料伸度において順次破断するように組み合わされた複数の強度保持部材を含んで構成されていることを特徴とする。
【００１１】
さらに、本発明の上記衝撃エネルギー吸収用複合材料を構成する、強度保持部材が有機繊維、無機繊維、及び金属繊維からなる群から選ばれる１種以上の繊維を含む繊維テープ材、並びに金属ワイヤーから選ばれた１種以上の材料であることが好ましい。
【００１２】
さらに、本発明の衝撃エネルギー吸収方法は、材料が伸張されるに従い、異なる材料伸度において前記材料を構成する複数の強度保持部材が順次破断することによりエネルギーを吸収することを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明は、衝撃エネルギー吸収用複合材料に、車両の衝突等の衝撃が加えられたときに、その材料が伸張するに従って、異なる伸度において、その衝撃エネルギー吸収用複合材料を構成している複数の強度保持部材が順次破断することによって、少ない変形量において大きな反力を発生させることなく、衝突エネルギーを吸収することができることを見出し、完成したものである。
【００１４】
すなわち、本発明の衝撃エネルギー吸収用複合材料は、材料が伸張されるに従い、異なる材料伸度において順次破断するように組み合わされた複数の強度保持部材を含んで構成されている。以下、図１を用いて本発明を説明する。
【００１５】
図１（Ａ）〜（Ｅ）は、一例として、強度保持部材として繊維テープ材を用い、この繊維テープ材を積層し、貼り合わせて製造した衝撃エネルギー吸収用複合材料、及びこの材料が含む積層された各層の繊維テープ材の状態をモデル的に示した図である。図１（Ａ）は板状の衝撃エネルギー吸収用複合材料１の平面図であり、図１（Ｂ）は、その正面図である。図１（Ａ）の材料の左右にあけられている穴２は、この材料をネジ、リベット等によって基材に取り付ける場合に使用する穴を示すが、この穴は必須ではなく、また、穴の数、位置、及び大きさ等も任意に決定できる。図１（Ｂ）の１０、２０、３０は、それぞれ積層構造を有する衝撃エネルギー吸収用複合材料１を構成している層を表す。図１（Ｃ）、図１（Ｄ）、及び図１（Ｅ）は、それぞれ、図１（Ｂ）に示した、衝撃エネルギー吸収用複合材料１を構成する層３０、２０、及び１０における繊維テープ材の並び方をモデル的に示した図である。また、４０、５０、及び６０は、積層されている繊維テープ材を表す。なお、本発明中、繊維テープ材とは、炭素繊維等の繊維材料が複数本、繊維方向を揃えて束ねられ、バインダー樹脂でテープ状に成形された複合材料をいう。
【００１６】
本発明の繊維テープ材としては、ナイロン繊維、アラミド繊維等の有機繊維材料、炭素繊維、炭化珪素繊維、ガラス繊維等の無機繊維材料、金属繊維などを、繊維方向を揃えて、不飽和ポリエステル樹脂、又はエポキシ樹脂等の樹脂を含浸させてテープ状にしたものが知られており、そのような公知の材料を任意に選択して用いることができるが、炭素繊維をエポキシ樹脂で固めてテープ状にした材料が、軽量かつ高強度であることから好ましい。本発明においては、これらの繊維テープ材に代えて、あるいはこれらの繊維テープ材とともに、ピアノ線やスチールワイヤー等の金属ワイヤーやそれをよりあわせたワイヤーロープ等（以下、金属ワイヤー等という。）を用いることができる。金属ワイヤー等を用いる場合も、繊維テープ材同様、長さの異なる金属ワイヤー等を組み合わせるのが好ましい。金属ワイヤー等を強度保持部材として用いて、衝撃エネルギー吸収用複合材料を構成する場合は、例えば、金属ワイヤー等を両端で固定するための、衝撃エネルギー吸収用複合材料の引張荷重方向側の両端に配置した１組の金属材料間に長さの異なる複数の金属ワイヤー等を張り、さらに必要に応じて全体を樹脂で固める等の方法が考えられるが、これに限定されない。さらに金属ワイヤー等は任意の太さのものを使用できる。
【００１７】
図１に示した衝撃エネルギー吸収用複合材料においては、樹脂を含浸させた一方向繊維テープ材を用いることができる。また上記繊維テープ材をバインダーとなる材料で積層して固めて製造することもできる。この場合バインダーとして用いる材料は、例えば、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、アラミド樹脂、ポリエステル樹脂等を用いることができる。
【００１８】
すなわち、図１（Ａ）に示した衝撃エネルギー吸収用複合材料１は、例えば以下のように製造される。必要であれば適当な基材上、又は後に離型可能な型の上などに、引張荷重がかかる方向に略平行に直線状に強度保持部材である繊維テープ材６０を適当なバインダー樹脂で貼り合わせて、層３０を形成する。次に、この層３０の上に、例えば適当な波形曲線の形状に繊維テープ材５０が密着するようにバインダー樹脂で貼り合わせて、層２０を形成する。さらに、この層２０の上に、層２０の波形曲線よりも大きな曲率の曲線からなる波形曲線の形状に繊維テープ材４０の幅方向が密着するようにバインダー樹脂で貼り合わせて、層１０を形成する。上記のように積層することによって、異なる長さを有する繊維テープ材４０、５０、及び６０が積層された衝撃エネルギー吸収用複合材料１が製造される。
【００１９】
繊維テープ材を貼り合わせて製造された衝撃エネルギー吸収用複合材料１の外面、すなわち表面には、さらに所望により、任意に選択した他の材料を貼り合わせることができ、例えば、高い靭性を有するアラミドクロス材を貼り合わせることが好ましい。これは、アラミドクロス材を表面に貼り合わせた場合、本発明の衝撃エネルギー吸収用複合材に加えられた衝撃のエネルギーを吸収し、変形・破断した材料の飛散防止や、大きく変形した材料による表層の曲げ破断の防止ができる場合があるからである。
【００２０】
さらに、例えば、炭素繊維テープ材をエポキシ樹脂で積層して製造した材料において、図１（Ａ）に示したように、この材料をねじ止め等するための孔を設ける場合、積層した繊維テープの繊維方向に平行な割れがその孔から発生することを防止するため、その材料引張荷重方向と４５度の角度に繊維方向を配向させた炭素繊維等の平織りクロス材を、その孔の周囲に貼り合わせることができる。
【００２１】
図１（Ａ）〜（Ｅ）に示した衝撃エネルギー吸収用複合材料を例にとって、衝撃エネルギーが吸収される様子を以下に図２に基づいて概念的に説明する。従来、車両のドアインパクトビームやガードレール等に用いられている鉄鋼材料の場合、衝撃エネルギーによる材料の変形量に応じて、反力が一気に大きくなり、ほぼ単調増加して材料破断に至る。したがって、少ない変形量でエネルギー吸収が起こるため、衝突等の場合には、衝突した相手側に大きなマイナスの加速度が発生する。これに対して、図１に示した、本発明の衝撃エネルギー吸収用複合材料においては、衝撃エネルギー吸収用複合材料に対して衝撃エネルギーが加えられることにより、材料に引張変形が加えられた場合、材料が伸張するに従い反力が大きくなるが、まず、層３０の繊維テープ材が破断伸度に達して破断される（図２のＡ）。このとき層２０及び層１０の繊維テープ材はまだ破断伸度に達していないため、材料の伸張に伴い再び反力が大きくなるが、次に層２０の繊維テープ材が破断伸度に達して破断される（図２のＢ）。以下同様に、さらに層１０の繊維テープ材が破断伸度に達して破断される（図２のＣ）。このとき、衝撃エネルギー吸収用複合材料を構成する各層の繊維テープ材が順次破断するようにし、反力が例えば鉄鋼材料と比較して大きくなることはないように、各層に用いる繊維テープ材の長さ及び繊維テープ材の破断強度を選択して材料を設計することができる。
【００２２】
なお、図１には、繊維テープ材を３層に貼り合わせ、各層ごとの繊維テープ材の長さを変え、３段階の材料伸度でそれぞれの繊維テープ材が破断する場合を想定したモデルを示したが、貼り合わせる繊維テープの層数は任意であり、同一の長さの繊維テープを複数の層にわたって積層することもできる。積層する繊維テープの長さは少なくとも３種類以上の異なる長さの繊維テープ材を含むことが好ましい。例えば、図１（Ｃ）〜（Ｅ）においては、繊維テープ材６０、５０、及び４０の長さは、この順に長い。また積層した各層の繊維テープ材が破断すると予想される材料の伸度は、各層に貼り合わせる繊維テープ材の長さを変えることで調節可能である。また、必ずしも各層内の繊維テープの長さを同じにする必要はなく、ランダムな長さの繊維テープ材をランダムに積層することもできる。
【００２３】
さらに、繊維テープ材を張り合わせる方向は、図１に示したような一方向に限られず、材料へかかる引張荷重の方向によっては、繊維テープ材を張り合わせる方向を直交、又は放射状にする等、任意の方向に繊維テープ材を張り合わせることもできる。
【００２４】
本発明の材料は、上記のような衝撃エネルギーの吸収特性に特徴があるだけでなく、その強度がきわめて大きなものを製造することができる。例えば、炭素繊維一方向プリプレグテープ材（東レ株式会社製繊維：Ｔ７００Ｓ、樹脂：＃３６３１）を用いて繊維含有率６０％で、４種類の長さの異なるテープ材を４層に積層して成形すると、幅５０ｍｍ、厚さ約２ｍｍで数トンの荷重に耐えることができた。しかも、この炭素繊維テープ材を積層して得られた材料は、同程度の強度を有する鉄鋼材のパイプ又は波板を用いた材料と比較して、１／１０程度の質量しか有さず、極めて軽量かつ高強度である。
【００２５】
本発明の衝撃エネルギー吸収用複合材料は、例えば、自動車用インパクトビームや、道路のガードレールに用いることができる。本発明の衝撃エネルギー吸収用複合材料は、この材料に衝突した自動車、オートバイ等の衝突エネルギーを吸収するときに、これら自動車等に与えるマイナスの加速度を従来の鉄鋼等よりも小さくできるため、これら自動車等の乗員に与えるダメージが少ない。
【００２６】
また、上記開示した、繊維テープ材を積層して得られる衝撃エネルギー吸収用複合材料において示した、材料の伸張に伴い強度保持部材が順次破断するようにした衝撃エネルギー吸収方法は、あらかじめ成形され、製造される材料への応用に限定されない。すなわち、材料が伸張されるに従い、異なる材料伸度において、その材料を構成する複数の強度保持部材が順次破断することによりエネルギーを吸収する衝撃エネルギー吸収方法は、衝撃吸収構造として、複数の部材が順次破断することによって、本発明の衝撃エネルギー吸収構造を有する構造物にも用いることができる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の衝撃エネルギー吸収用複合材料は、軽量で、かつ高い耐衝撃強度を有し、衝突物による衝撃エネルギーを吸収することができ、さらに、この材料を構成する強度保持部材が順次破断することによって、材料の伸張に伴って発生する反力を小さくすることができることから、この材料に衝突した乗用車等の乗員に対して大きなマイナスの加速度を与えることがない。また、本発明の衝撃エネルギー吸収方法は、強度保持部材が順次破断するようにすることによって、衝突物に対する大きなマイナスの加速度を与えずに済む。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（Ａ）は、本発明の実施の一形態である、板状の衝撃エネルギー吸収用複合材料の平面図をモデル的に表した図である。
図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示した衝撃エネルギー吸収用複合材料の正面図をモデル的に表した図である。
図１（Ｃ）は、図１（Ａ）に示した衝撃エネルギー吸収用複合材料を構成する層３０に貼られた繊維テープ材の状態をモデル的に表した図である。
図１（Ｄ）は、図１（Ａ）に示した衝撃エネルギー吸収用複合材料を構成する層２０に貼られた繊維テープ材の状態をモデル的に表した図である。
図１（Ｅ）は、図１（Ａ）に示した衝撃エネルギー吸収用複合材料を構成する層１０に貼られた繊維テープ材の状態をモデル的に表した図である。
【図２】図１（Ａ）〜（Ｅ）に示した衝撃エネルギー吸収用複合材料及び鉄鋼における、変形量及び反力の関係を概念的に示した図である。
【符号の説明】
１…衝撃エネルギー吸収用複合材料
２…穴
１０…衝撃エネルギー吸収用複合材料を構成する層の１つ
２０…衝撃エネルギー吸収用複合材料を構成する層の１つ
３０…衝撃エネルギー吸収用複合材料を構成する層の１つ
４０…繊維テープ材
５０…繊維テープ材
６０…繊維テープ材

Claims (3)

1. 材料が伸張されるに従い、異なる材料伸度において順次破断するように組み合わされた複数の強度保持部材を含んで構成されていることを特徴とする、衝撃エネルギー吸収用複合材料。
2. 前記強度保持部材が有機繊維、無機繊維、及び金属繊維からなる群から選ばれる１種以上の繊維を含む繊維テープ材、並びに金属ワイヤーから選ばれた１種以上の材料であることを特徴とする、請求項１記載の衝撃エネルギー吸収用複合材料。
3. 材料が伸張されるに従い、異なる材料伸度において前記材料を構成する複数の強度保持部材が順次破断することによりエネルギーを吸収することを特徴とする、衝撃エネルギー吸収方法。

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