JP2006026993A - 複合材料用プリフォーム製造方法および複合材料用プリフォーム - Google Patents

Abstract

【課題】従来のプリフォームの仮固定方法、すなわち（１）スティッチングによる縫付けによる方法、（２）タッキファイア等の仮賦形剤を用いる方法、（３）熱可塑性繊維（樹脂）を混合した繊維を用いて熱処理により仮賦形する方法、（４）ニードルパンチによる方法では、複合材料が製造された段階で強度が低下する。
【解決手段】強化繊維よりなる複合材料用プリフォームを製造する方法であって、編物または織物または組物よりなるシート状の繊維基材１・１の複数枚を、各繊維基材１の厚さ方向で積層し、その厚さ方向で圧縮を繰り返し行うことで仮接合して、複合材料用プリフォームを製造する。
【選択図】図３

Description

本発明は、強化繊維よりなる複合材料用プリフォームの技術と、この複合材料用プリフォームを製造する方法の技術と、に関する。

複合材料には、繊維で構成されるプリフォームを、樹脂等のマトリックスの強化材として用いて製造されるものがある。
このプリフォーム（複合材料用プリフォーム）の製造に用いられる繊維は、炭素繊維やガラス繊維、高強度有機繊維などの連続繊維である。そして、これらの連続繊維がシート状に成形された織物や組物を、厚み方向に積層して固定することで、厚みを有する立体形状のプリフォームを成形することが可能である。
なお、この固定は、プリフォームに樹脂等のマトリックスを含浸させる際等に、プリフォームが分離することを防止するための仮固定として、必要とされるものである。プリフォームにマトリックスの含浸が終了してマトリックスが硬化した状態では、マトリックス自体によりプリフォームが固定される。

従来、プリフォームを構成する連続繊維シートの仮固定の方法、より詳しくは、連続繊維シートの厚み方向での仮固定方法としては、次のような方法がある。
（１）スティッチングによる縫付けによる方法、
（２）タッキファイア等の仮賦形剤を用いる方法、
（３）熱可塑性繊維（樹脂）を混合した繊維を用いて熱処理により仮賦形する方法（特許文献１）、
（４）ニードルパンチによる方法（特許文献２）、等である。
特許第２６０５３８４号公報 特開２００４−６００５８号公報

従来の仮固定の方法には、次のような問題がある。
（１）の方法では、スティッチング工程に時間が掛かる、形状的に制限がある、樹脂含浸した後つまり複合材料が製造された段階で、複合材料の面内強度が落ちる、等の問題点がある。
（２）の方法では、タッキファイアが樹脂含浸を阻害する、含浸する樹脂に合わせてタッキファイアを適宜選択する必要がある（素材に制限がある）、等の問題点がある。
（３）の方法では、強化繊維に熱可塑性繊維（樹脂）を混合させる工程が別途必要である、溶融した熱可塑性繊維（樹脂）が樹脂含浸を阻害する恐れがある、等の問題点がある。
（４）の方法では、ニードルが強化繊維を傷つけ、樹脂含浸した後つまり複合材料が製造された段階で、複合材料の面内強度が落ちる、等の問題点がある。

つまり、解決しようとする問題点は、従来のプリフォームの仮固定方法では、複合材料が製造された段階で強度が低下する点である。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、
強化繊維よりなる複合材料用プリフォームを製造する方法であって、
編物または織物または組物よりなるシート状の繊維基材の複数枚を、各繊維基材の厚さ方向で積層し、その厚さ方向で圧縮して仮接合するものである。

請求項２においては、
前記圧縮を繰り返し行うものである。

請求項３においては、
強化繊維よりなる複合材料用プリフォームであって、
編物または織物または組物よりなるシート状の繊維基材の複数枚を、各繊維基材の厚さ方向で積層し、その厚さ方向で圧縮して仮接合することで製造されるものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

請求項１、３においては、プリフォームを構成する繊維基材間の仮接合に際して、繊維基材の構成繊維や樹脂マトリックスと異なる異物を用いることが無いので、樹脂含浸が阻害されることが無い。また、前記仮接合時にニードルパンチ法のように繊維基材が損傷することが無いので、繊維基材の面内強度が落ちることが無い。つまり、複合材料が製造された段階で強度低下が発生しない。

請求項２、３においては、繊維基材群に含浸される樹脂量が減少し、複合材料の軽量化が図れると共に、繊維体積含有率が向上して、複合材料の強度が向上する。

本発明の複合材料用プリフォーム製造方法を説明する。
まず、本発明における複合材料とは、繊維強化樹脂や繊維強化セラミックス等のように、繊維プリフォームをマトリックス（この場合、樹脂やセラミックス）の強化剤とする複合材料を意味する。
この繊維プリフォームが、本発明における複合材料用プリフォームであり、本発明の複合材料用プリフォーム製造方法は、前記の複合材料に用いられる繊維プリフォームの製造方法である。
本製造方法では、複合材料用プリフォームは、編物または織物または組物よりなるシート状の繊維基材の複数枚を、各繊維基材の厚さ方向で積層し、その厚さ方向で圧縮して仮接合（仮固定）することで、製造される。
以下、詳しく説明する。

前記シート状の繊維基材の成形について説明する。
この繊維基材は、単繊維もしくは繊維束が交差するように組み合わされて一体物と化した繊維の構造体、具体的には、編物または織物または組物により構成されるものである。

編物または織物または組物である繊維構造体は、次のようにしてシート状に成形される。
まず、織物は２次元の構造体であり、それ自体がシート状に成形されるものである。つまり、織物の場合は、それ自体が既にシート状の繊維基材となっている。
これに対して編物や組物は２次元の構造体に成形される場合と、３次元の構造体に成形される場合と、がある。例えば、ブレイディング製法により製造された筒状の組物は、３次元の繊維構造体である。
このような３次元構造の繊維構造体の場合は、一部を切断して展開することによりシート状に成形するか、一方向に押し付けることで３次元構造を押しつぶして２次元構造のシート状に成形することで、シート状の繊維基材を構成するものとする。

図１（ａ）には、ブレイディング製法により製造された筒状の組物１を示している。この筒状組物１の中心線Ｃに対する法線方向Ｎで、その筒状組物１を押しつぶすと、図１（ｂ）に示すように、矩形状（シート状）の繊維基材となる。

シート状繊維基材は、編物または織物または組物により構成されるため、繊維束の数倍程度の厚さしかない。
そこで、前記シート状の繊維基材を、各繊維基材の厚さ方向で積層して仮接合することで、厚みのある繊維プリフォームを製造することができる。なお、この仮接合方法については後述する。
単に複数枚のシート状繊維基材をそのまま（折曲することなく）積層することで、各シート状繊維基材の厚み方向に厚さが付与された立方体形状（壁状）の繊維プリフォームを形成することができる。

また、図２に示すように、シート状繊維基材を折曲して、このシート状繊維基材に、折曲部を境界とする複数の平板部を形成し、各平板部にシート状繊維基材を積層して仮接合することで、桁材となる繊維プリフォームを形成することができる。
なお、折曲により複数の平板部が形成された繊維基材の一例としては、例えば図２で図示されるコ字状繊維基材１Ａである。
また、桁材としての繊維プリフォームの製造に関しては、詳しくは、後述の実施例１（図２）で説明する。

次に、積層された繊維基材群を仮接合する方法について説明する。
積層された繊維基材群の仮接合は、各繊維基材を厚さ方向で圧縮することにより、行われる。積層された繊維基材群を、厚さ方向の両外側より挟み込んで押圧することで、積層された繊維基材群を圧縮するものである。
このような圧縮により、積層された繊維基材群が仮接合されるのであるが、これは次の理由による。各繊維基材を構成する繊維（繊維束の各繊維）は、各繊維基材の厚み方向に押し付けられることにより、隣り合う繊維基材の繊維と絡み合う。そして、隣り合った繊維基材間が固定される。三枚以上のシート状繊維基材が積層されて圧縮された場合でも、各繊維基材間で繊維の一部が絡み合って固定されるので、積層された繊維基材群全体が仮接合される。

図３を用いて、積層された繊維基材群の圧縮方法をより詳しく説明する。
図３（ａ）に示すように、積層された繊維基材１・１は、概略的には、一対の圧子１１・１２内に配置されて、自らの厚み方向の両外側より圧子１１・１２に挟み込まれて圧縮される。つまり、繊維基材１・１の全体の自然状態における厚みｄよりも、圧子１１・１２間の距離Ｄが狭められると、繊維基材１・１の全体は厚み方向で圧縮される。

ここで、圧子１１が可動であるのに対して圧子１２は固定とされている。
図３（ｂ）には、圧子１１の圧子１２に対する離間距離の変化を示しているが、この離間距離は、基準距離Ｄ０を中心に、振れ幅ｗで正弦曲線を描くように時間変化する。
また、基準距離Ｄ０は、繊維基材１・１の自然状態における厚みｄよりは広い距離となっている（Ｄ０＞ｄ）。ただし、基準距離Ｄ０は、振れ幅ｗの範囲で圧子１１が繊維基材１・１を圧縮可能な距離に設定されている（Ｄ０−ｗ＜ｄ）。

積層された繊維基材群の圧縮は、繊維基材群の両側を一対の圧子で挟み込んで、一定時間連続して押圧を継続することで行っても良い。
前述で、図３（ｂ）を用いて説明した場合では、繊維基材群の両側を挟み込む間隔を時間変化させて、すなわち押圧を断続的に行うことで、繰り返し圧縮するものとしている。このように、繰り返し圧縮した方が、（圧縮処理に要するエネルギーの観点より見て）効果的に圧縮できることが、実験的に確かめられている。

以上で説明した複合材料用プリフォームの製造方法をまとめる。
本製造方法は、編物または織物または組物よりなるシート状の繊維基材の複数枚を、各繊維基材の厚さ方向で積層して、その厚さ方向で圧縮することで、複合材料用のプリフォームを製造するものである。

このため、各繊維基材を構成する繊維の一部が、相互に絡み合って、プリフォームを構成する各繊維基材が仮接合される。
したがって、プリフォームを構成する繊維基材間の仮接合に際して、繊維基材の構成繊維や樹脂マトリックスと異なる異物を用いることが無いので、樹脂含浸が阻害されることが無い。また、前記仮接合時にニードルパンチ法のように繊維基材が損傷することが無いので、繊維基材の面内強度が落ちることが無い。つまり、複合材料が製造された段階で強度低下が発生しない。

また、積層された繊維基材群の圧縮は、繰り返し行われるものである。

このため、より効果的に繊維基材群が圧縮される。連続繊維がシート状に成形された織物や組物は繊維群に空隙部が生じやすく、また、これらのシート状の基材を厚み方向に積層して仮接合することで製造された厚みを有する立体状のプリフォームでは、積層したシート状基材の間に空隙を生じやすいものであるが、繊維基材群を圧縮または繰り返し圧縮することで、上記空隙部が減少する。
この結果、繊維基材群に含浸される樹脂量が減少し、複合材料の軽量化が図れると共に、繊維体積含有率が向上して、複合材料の強度が向上する。

以上の複合材料用プリフォーム製造方法で製造された複合材料用プリフォームも、以上と同様の作用・効果を有するものである。

図２を用いて、桁材１０とした繊維プリフォームを製造する製造装置の要部を説明する。
この製造装置は、桁材１０を構成するコ字状繊維基材１Ａ・１Ａ（後述）および一字状繊維基材１Ｂ・１Ｂ（後述）を、厚さ方向で圧縮することで仮接合して、桁材１０として一体化するものである。
図２において、右側より左側に向けて、コ字状繊維基材１Ａ・１Ａおよび一字状繊維基材１Ｂ・１Ｂが搬送されている。これらの繊維基材の搬送経路上には、一対の圧子が二組設けられており、この圧子群を通過することで、前記各繊維基材が仮接合されて、桁材１０が形成される。
以下、より詳しく説明する。

桁材１０は、長手方向に対する横断面が「エ」字状であり、四枚のシート状繊維基材より構成される。桁材１０を構成する繊維基材は、横断面が「コ」字状のコ字状繊維基材１Ａ・１Ａ、横断面が「一」字状の一字状繊維基材１Ｂ・１Ｂ、である。

各コ字状繊維基材１Ａは、それぞれ一枚のシート状繊維基材が二箇所で折曲されて、コ字状に形成されたものであり、仮に開放側を上側とすると、折曲部を基準として、底平板部１ａと側平板部１ｂ・１ｂとの三つの平板部を備えるものとなる。

そして、図２に示すように、前記製造装置において、一対のコ字状繊維基材１Ａ・１Ａの底平板部１ａ・１ａ同士が背面（非開放側面）同士で接触するように、一対のコ字状繊維基材１Ａ・１Ａが配置されて、一対の圧子により底平板部１ａ・１ａが圧縮される。各底平板部１ａ・１ａは、コ字状繊維基材１Ａ・１Ａの一部であるので、一対の圧子により積層されたコ字状繊維基材１Ａ・１Ａが圧縮されることになる。
なお、図２においては、可動側と固定側とからなる一対の圧子のうち、可動側の圧子１１Ａのみが図示されている。

また、一対のコ字状繊維基材１Ａ・１Ａには、両側にそれぞれ一対の側平面部１ｂ・１ｂが位置しているが、各側で、一対の側平面部１ｂ・１ｂと一字状繊維基材１Ｂとが、前記一対の圧子（圧子１１Ａを含む）を介して、一対の圧子１１Ｂ・１２Ｂにより圧縮される。
側平面部１ｂもコ字状繊維基材１Ａの一部であるので、一対の圧子１１Ｂ・１２Ｂにより、コ字状繊維基材１Ａと一字状繊維基材１Ｂとが圧縮されることになる。

なお、対向する一対の圧子間で、可動側圧子の振動頻度（周波数の逆数）は、桁材１０を構成する各繊維基材の搬送速度に比して十分大きく設定されており、各繊維基材は搬送中に略同一の個所を、繰り返し圧子により圧縮されるものである。
また、各繊維基材の搬送経路上で異なる位置に、前記圧子群（一対の圧子の二組）を設けて、複数箇所で桁材１０用の各繊維基材が圧縮されて相互に仮接合されるものとしてもよい。

図４を用いて、パネル用基材２０とした繊維プリフォームを製造する製造装置の要部を説明する。
この製造装置は、パネル用基材２０を構成する本体用繊維基材２１（後述）および圧肉部用繊維基材２２（後述）を、厚さ方向で圧縮することで仮接合して、パネル用基材２０として一体化するものである。
図４において、本体用繊維基材２１上に圧肉部用繊維基材２２が積層されている。また、両繊維基材２１・２２を挟み込むように一対の圧子１１・１２が配置されており、これらの圧子１１・１２が両繊維基材２１・２２の重複部（積層されている部位）を移動して、両繊維基材２１・２２の全体を圧縮する。

一対の圧子１１・１２のうち、圧子１２は固定側であり、圧子１１は可動側である。そして、圧子１１は、圧子１２と共に両繊維基材２１・２２の面方向に沿って平行移動しながら、圧子１２に接近・離間する方向（すなわち両繊維基材２１・２２の厚み方向）で振動して、両繊維基材２１・２２を圧縮する。

ブレイディング製法による筒状組物を示す図であり、（ａ）図は筒状状態を示す図、（ｂ）図はシート状に成形された状態を示す図である。 複合材料用プリフォームの製造装置の要部の構成を示す図である。（実施例１） 繊維基材群の圧縮方法を示す図であり、（ａ）図は圧縮に関わる装置の概略図、（ｂ）図は圧子の圧力の時間変化を示す図である。 複合材料用プリフォームの製造装置の要部の構成を示す図である。（実施例２）

符号の説明

１ 繊維基材
１Ａ コ字状繊維基材
１Ｂ 一字状繊維基材
１ａ 底平板部
１ｂ 側平板部
１０ 桁材
１１・１１Ａ・１１Ｂ 圧子
１２・１２Ａ・１２Ｂ 圧子

Claims (3)

1. 強化繊維よりなる複合材料用プリフォームを製造する方法であって、
   編物または織物または組物よりなるシート状の繊維基材の複数枚を、各繊維基材の厚さ方向で積層し、その厚さ方向で圧縮して仮接合する、
   ことを特徴とする複合材料用プリフォーム製造方法。
2. 前記圧縮を繰り返し行う、
   ことを特徴とする請求項１に記載の複合材料用プリフォーム製造方法。
3. 強化繊維よりなる複合材料用プリフォームであって、
   編物または織物または組物よりなるシート状の繊維基材の複数枚を、各繊維基材の厚さ方向で積層し、その厚さ方向で圧縮して仮接合することで製造される、
   ことを特徴とする複合材料用プリフォーム。

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