JP2007076312A - 衝撃エネルギー吸収性能を有する縫合組物ｆｒｐパイプ - Google Patents

Abstract

【課題】ブレイダー装置によるブレイディング処理によって組成される繊維強化プラスチック製の衝撃エネルギー吸収性能の高い縫合組物ＦＲＰパイプという具体的な構造物を提供すること。
【解決手段】軸線に対する組角度が±θ°の組糸４、４と、軸線に対する角度が０°の中央糸５とを選択的に組み合わせて、ブレイダー装置によって、組成の芯となるマンドレル上に複数層の組物層２からなる組物円筒状プリフォーム１を組成してなり、組物円筒状プリフォームを層厚方向に縫合糸により縫合処理し、樹脂材を含浸硬化して縫合組物ＦＲＰを形成してなることを特徴とする衝撃エネルギー吸収性能を有する縫合組物ＦＲＰパイプ。
【選択図】図１

Description

この発明は、ブレイダー装置を用いて炭素繊維等のＦＲＰ用繊維素材をブレイディング処理してなる繊維強化プラスチック(fiber reinforced plastics：以下、ＦＲＰという）製、より好ましくは、炭素繊維強化プラスチック( carbon fiber reinforced plastics：以下、ＣＦＲＰという）製の円筒状の縫合組物ＦＲＰパイプに関するものである。

周知のように、ＦＲＰは、炭素繊維あるいはガラス繊維などの繊維素材を種々のプラスチックのマトリックスでかためて成形した複合材料であり、軽量で且つ強度が高いという特性を有するＦＲＰ組成物構造材として開発されており、多産業分野において利用されてきている。このＦＲＰ組成物は、炭素繊維あるいはガラス繊維などの繊維素材をブレイダー装置にセットし、ブレイディング処理によってマンドレルのまわりに円筒状複数層の組織体として組成される。この円筒状複数層に組成されたＦＲＰ組織体によってプリフォームを成形する場合、当該ＦＲＰ組織体に樹脂材を含浸ないしは付着させた後、加熱加圧処理によって硬化、成形を行う。その後、マンドレルを抜き取り、円筒状の成形品を得る。

近年、車などの乗物の衝突事故が生じた場合、搭乗者への衝撃を緩和させるためのクラッシュエレメントの適応が提案されている。このクラッシュエレメントは、例えば、車などに適用される場合、バンパーと車体との間に介在設置され、自分自身が変形し破壊することで衝撃エネルギーを吸収するような構成部材として用いられている。一般に、このクラッシュエレメントは、アルミニウムや鉄などの金属材料によるものであったが、これらのアルミニウムや鉄などの金属材料に比べ、ＦＲＰ製のクラッシュエレメントは、優れたエネルギー吸収性能を有することが明らかにされ、このＦＲＰ製、より好ましくは、ＣＦＲＰ製によるクラッシュエレメントの開発が望まれている。

一方、組物によるＦＲＰでは、組糸の配向角度並びに樹脂材の高靱性化などにより、その性能の向上が図られている。ところが、このＦＲＰのエネルギー吸収性能の向上には、組糸の配向角度の調整や樹脂材の改良などだけでは限界があった。より高性能のクラッシュエレメントが開発されることで、軽量化や用途の拡大が期待できる。

従来、ＦＲＰプリフォームを成形するための方法に関して、特許文献１に記載のようなプリフォーム成形方法が知られている。この特許文献１に記載のプリフォーム成形方法は、ブレイダーによって複数層からなる筒状のプリフォームをブレイディング成形した後、これをマンドレルから抜き取る際、各層間の剥離あるいはずれを防止する目的で、プリフォームを仮止めするというものである。この技術は、あくまでもプリフォームを成形する際、ブレイディング成形の後、マンドレルから抜き取る前に、当該プリフォームの各層間を仮止めする工程を含むプリフォーム成形方法をカテゴリーとするものにすぎない。

特開２００１−３０３６１号公報（要約、図５〜図８）

そこで、この発明は、低コストかつ簡素な構造でありながら衝撃エネルギー吸収性能の高い縫合組物ＦＲＰパイプという具体的な構造物を提供しようとするものである。

この課題を解決すべく種々試行錯誤を重ねた結果、本発明者らは、従来の組物円筒状ＦＲＰのエネルギー吸収破壊後の詳細な断面観察より、断面中央部の亀裂（セントラルクラック）発生を抑えることがエネルギー吸収性能の向上に有効であるとの分析に至った。組物円筒状プリフォームに対して、アラミド繊維により縫合処理を行い、エポキシ樹脂を含浸硬化させ縫合組物ＦＲＰパイプを作製し、静的圧縮試験を行い、縫合を有さない組物ＦＲＰに比べ１５％〜２０％のエネルギー吸収性能の向上を得た。

この発明は、上記する目的を達成するにあたって、具体的には、軸線に対する組角度が±θ°の組糸と、軸線に対する角度が０°の中央糸とを選択的に組み合わせて、ブレイダー装置によって、組成の芯となるマンドレル上に複数層の組物層からなる組物円筒状プリフォームを組成してなり、前記複数層の組物層のうちの内側および外側の組物層における組糸の組角度が大きく、前記複数層の組物層のうちの中間の組物層における組糸の組角度が小さいものからなり、前記組物円筒状プリフォームを層厚方向に縫合糸により縫合処理し、樹脂材を含浸硬化して縫合組物ＦＲＰを形成してなることを特徴とする衝撃エネルギー吸収性能を有する縫合組物ＦＲＰパイプを構成するものである。

さらに、この発明において請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の縫合組物ＦＲＰパイプであって、前記複数層の組物層のうちの内側および外側の組物層における組糸の組角度が大きく、前記複数層の組物層のうちの中間の組物層における組糸の組角度が小さいものからなることを特徴とするものである。

さらに、この発明において請求項３に記載の発明は、請求項１あるいは請求項２に記載の縫合組物ＦＲＰパイプであって、前記縫合処理が、複数層の円筒状組物の層厚方向に縫合したものからなることを特徴とするものである。

さらにまた、この発明において請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の縫合組物ＦＲＰパイプであって、前記縫合糸が、アラミド繊維であることを特徴とするものである。

さらにまた、この発明において請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４のいずれかに記載の縫合組物ＦＲＰパイプであって、前記樹脂材が、熱硬化性樹脂であることを特徴とするものである。

さらにまた、この発明において請求項６に記載の発明は、請求項１〜請求項５のいずれかに記載の縫合組物ＦＲＰパイプであって、前記縫合組物ＦＲＰパイプが、車体用クラッシュエレメント、ヘリコプター用クラッシュエレメント、ドライブシャフト用クラッシュエレメントなどを構成することを特徴とするものでもある。

この発明になる衝撃エネルギー吸収性能を有する縫合組物ＦＲＰパイプは、複数層の組物層により構成し、当該複数層の組物層のうちの内側および外側の組物層における組糸の組角度が大きく、該複数層の組物層のうちの中間の組物層における組糸の組角度を小さくし、層厚方向に縫合糸により縫合処理し、樹脂材を含浸硬化してなるものであり、これを各種クラッシュエレメントに適用した場合、組物円筒状ＦＲＰのエネルギー吸収破壊後における断面中央部の亀裂発生を抑えることができ、エネルギー吸収性能の向上に極めて有効に作用するものといえ、例えば、車体用クラッシュエレメント、ヘリコプター用クラッシュエレメント、ドライブシャフト用クラッシュエレメントなどとして多用途的に利用することができる。

以下、この発明になる衝撃エネルギー吸収性能を有する縫合組物ＦＲＰパイプについて、図面に示す具体的な実施例に基づいて詳細に説明する。図１は、この発明になる縫合組物ＦＲＰパイプの製造過程において、ブレイディング工程により得られる複数層（７層）のＦＲＰ組織体の形態を示す概略的な斜視図である。一方、図６は、この発明になる縫合組物ＦＲＰパイプを製造するための多連式ブレイダー装置の基本構成の一例を示す概略的な側断面図である。

この発明では、例えば、炭素繊維を用いて、マンドレルの軸線に対する組角度が±θ°（ただし、組角度θは、０°＜θ°＜９０°）の一対の組糸Ｙ、Ｙ（４、４）と、軸線に対する角度が０°の中央糸ｙ（５）とにより、それぞれがブレイダー装置にセットされ、ブレイディングによってマンドレルのまわりにチューブ状のＦＲＰ組織体を製織する。

この発明になるＦＲＰ組織体の製造に用いられる多連式ブレイダー装置の一構成例について説明する。図６において、多連式ブレイダー装置は、マンドレル自動供給装置（図示せず）と、縦型の複数のブレイダーユニットＢＲと、振れ防止具Ｏｓと、プリフォーム自動取出し装置Ｐｕとを、図中右側から順番に直列に配置してある。前記ブレイダーユニットＢＲは、図６に示すように、マンドレルＭのまわりに組紐組物層２を形成するための一対の組糸Ｙ、Ｙ（４、４）および中央糸ｙ（５）を繰り出すものである。

前記ブレイダーユニットＢＲは、マンドレルＭが通過する中心孔２１ａを有し且つ中心孔２１ａの外側に形成した波形の環状軌道（図示せず）の２条を有する垂直な軌道面２１と、これら環状軌道に案内されて相互に逆方向へ走行する２群の多数のボビンキャリアー２２と、軌道面２１から立設したボビンスタンドと、軌道面２１の環状軌道に囲まれた中心から立設した複数本の中央糸供給用の筒体２３とを備えている。

前記ボビンキャリアー２２は、マンドレルＭの表面で組角度±θ°で斜め交差する組糸Ｙ、Ｙ（４、４）を繰り出すものであり、組糸Ｙを巻いた組糸用ボビンＢがセットされる。前記ボビンスタンドは、マンドレルＭの表面にマンドレルの長手方向に沿わせて中央糸ｙ（５）を繰り出すためのものであり、中央糸ｙを巻いた中央糸用ボビンｂがセットされる。

マンドレルＭは、図６中、右側のチャック（図示せず）で一定速度でおくられながら、表面に複数本の組糸Ｙ、Ｙが交差するように巻き付けられ、これに中央糸ｙが組み合わされ組紐組物層２が形成される。

前記振れ防止具Ｏｓは、相互に接近する方向へ押圧された振れ防止ローラ２７、２７の二組を備えている。この振れ防止具Ｏｓは、各組のローラ２７、２７でマンドレルＭの蛇行を防止するものである。前記プリフォーム自動取出し装置Ｐｕは、振れ防止具Ｏｓを出たマンドレルＭの先端を把持しつつ、マンドレルＭを前方へ引き出すためのチャック２８を備えている。

次いで、この発明になる組紐組織体の基本的構造について、図１に示す基本的な構成例にもとづいて詳細に説明する。図１に示す基本の組物円筒状プリフォーム１は、この発明の基本構成を特徴付けるべく、円筒状（パイプ状）組物層２を多数層（図に示す実施例において７層）に組成してなるものであり、図１は、各層を部分的に破断して示す概略的な斜視図である。

図１に示す基本的な構成例において、前記組物層２は、軸線に対する組角度が±θ°の組糸４、４と、軸線に対する角度が０°の中央糸５によって組織されるものである。これらの組糸４、４と中央糸５とは、図６に示すように、マンドレルＭのまわりに選択的に組み合わされ、マンドレルＭに沿って組物円筒状プリフォーム１として製織される。この発明において、好ましい実施例によれば、前記組糸４、４および中央糸５の素材として、炭素繊維などを主体とするＣＦＲＰ用繊維素材であることが有効である。

前記組物円筒状プリフォーム１は、図１に示すように、例えば、７層の組物層２によって構成されるものであり、それらは、内側から第１層の組物層２-1、第２層の組物層２-2、第３層の組物層２-3、第４層の組物層２-4、第５層の組物層２-5、第６層の組物層２-6、第７層の組物層２-7からなっている。図１において、前記第１層の組物層２-1および第７層の組物層２-7に関して、組糸に対して中央糸が組織されているが、この発明の最も好ましい実施例によれば、前記第１層、即ち、内側層と、前記第７層、即ち、外側層とに関しては、組糸４、４のみにより組成するものである。

さらに、この発明において重要な要素は、前記組物円筒状プリフォーム１における各層の層構造にある。即ち、この発明では、複数層の組物層２のうち内側（第１層）の組物層２-1および外側（第７層）の組物層２-7における組糸４、４の組角度±θ°（ただし、組角度θ°は、０°＜θ°＜９０°）が比較的大きい、例えば、θ＝±６０°の組糸４、４によって組織されるものであり、軸線に対する角度が０°の中央糸５については、比較的少ないか、あるいは全く用いずに、組糸４、４だけで組織される。上記構成になる内側の組物層２-1および外側の組物層２-7によれば、図３Ａに示すような試験条件において、軸方向衝撃圧力を受けた際、拡がり防止作用を担う組物層を形成する。このような組物層は、組糸４、４のみによって組織されるもので、軸線に対する角度が０°の中央糸を有しておらず、軸方向の弾性率が低く、破断歪の大きい層構造を形成する。一方、これに対して、前記中間（第２層〜第６層）の組物層２-2〜２-6は、軸線に対する組角度±θ°が比較的小さい、例えば、θ＝±１５°の組糸４、４と、軸線に対する角度が０°の中央糸５とによって組織されるものであり、同上試験条件において、軸方向衝撃圧力を受けた際に、軸方向の強度向上を担う組物層を形成するものである。このような組物層は、組糸４、４並びに軸線に対する角度が０°の中央糸５によって組織されるもので、軸方向の弾性率が高い層構造を形成する。

一般的に、ＦＲＰ組成物の積層構造体１において、軸方向の弾性率を規定する要因は、前記組糸の組角度±θ°、前記中央糸の有無並びに前記組糸に対する前記中央糸の割合の選択的な組み合わせによって得られる。例えば、当該ＦＲＰ組成物の積層構造体１における各組物層の軸方向弾性率は、前記組糸の組角度±θ°の設定によって調整されるものであり、組糸の組角度±θ°が小さい場合には高く、組糸の組角度±θ°が大きい場合には低い。また、当該ＦＲＰ組成物の積層構造体１における各組物層の軸方向弾性率は、前記組糸に対して前記中央糸を組み込むか否か、要するに、前記中央糸の有無によって調整されるものであり、前記組糸に対して中央糸を組み入れた場合には高く、前記中央糸を有しない場合には低い。さらにまた、当該ＦＲＰ組成物の積層構造体１における各組物層の軸方向弾性率は、前記組糸に対する前記中央糸の割合によって調整されるものであり、前記組糸に対する中央糸の割合が多い場合には高く、前記組糸に対する中央糸の割合が少ない場合には低い。

この発明では、軸線に対する組角度が±θ°の組糸４、４と、軸線に対する角度が０°の中央糸５とを選択的に組み合わせて、ブレイダー装置によって、組成の芯となるマンドレル上に複数層の組物層からなる組物円筒状プリフォーム１を組成してなり、この組物円筒状プリフォーム１を、図３に示すように、層厚方向に縫合糸６により縫合処理し、樹脂材を含浸硬化して縫合組物ＦＲＰを形成するものである。

即ち、この組物円筒状プリフォーム１は、図１に示すように複数層であるため各層の層間を固定する目的において、図２Ｂに示すように、前記組物円筒状プリフォーム１を層厚方向に縫合糸６により縫合処理がなされる。この縫合処理は、複数層の円筒状組物の層厚方向にステッチングすることにより構成される。このステッチングに用いられる縫合糸６は、例えば、アラミド繊維などであって、例えば、前記組物円筒状プリフォーム１の母線方向に沿って約４ｍｍ程度の縫合ピッチｐをおいて縫合し、前記組物円筒状プリフォーム１の円周方向に対して約４ｍｍ程度の縫合列間隔ｄをおいて縫合処理してある。図２Ｂに示すように、縫合ポイント７では、縫合処理により組物層の繊維の損傷や縫合糸６による樹脂リッチ部の発生がＦＲＰ成形品の内面特性の低下を招く。そこで、隣り合う縫合列で縫合ポイント７が一直線に並ばないようにずらして配列することで、縫合ポイント７での面内特性の低下がエネルギー吸収特性に与える影響を抑えた縫合ポイント配置としている。

一方、この組物円筒状プリフォーム１は、前記縫合糸６による縫合処理を前後して、樹脂材を含浸硬化して縫合組物ＦＲＰを形成する。この場合、前記樹脂材としては、例えば、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂が用いられ、当該エポキシ樹脂を溶剤（アセトン）で希釈した希釈樹脂液を組物円筒状プリフォーム１に対して含浸塗布する。

このようにして形成された縫合組物ＦＲＰは、軸方向に所望の長さ寸法に切断され、この発明になる衝撃エネルギー吸収性能を有する縫合組物ＦＲＰパイプとして形成される。

図２は、この発明の一実施例であって、組糸および中央糸が炭素繊維による縫合組物ＣＦＲＰパイプ１１を示すものであり、図２Ａは、縫合処理をしていない試験片Ｎの外観図であり、図２Ｂは、この発明に係るものであって、上記する構成になる縫合組物ＣＦＲＰパイプ１１に対して、その層厚方向に縫合糸６により縫合処理をした試験片ＳＴの外観図であり、図２Ｃは、図２Ｂにおいて円で囲んだ部分の拡大図である。

このようにして仕上げられた図２Ｂに示す縫合処理を施してある試験片ＳＴと、図２Ａに示す縫合処理を施していない試験片Ｎとを、図４に示す試験条件で行った試験の結果について説明する。まず、この試験のために作製した試験片の種類（内部構造的な要素）を表１に示す。

次いで、当該試験のために作製した試験片サンプルに関するそれぞれの寸法について、これを表２に示す。

これらの試験片サンプルの中から、縫合処理を施してある試験片ＳＴと、縫合処理を施していない試験片Ｎとについて、図４に示す試験条件のもとで試験を行った。その結果、図５Ａに示す荷重−変位曲線Ｎおよび図５Ｂに示す荷重−変位曲線ＳＴを得た。このグラフ図からも明らかなように、縫合処理を施してある試験片ＳＴによれば、縫合処理を施していない試験片Ｎと比較して、変位量に対する荷重が大きく、曲線下部の面積を大きくしており、衝撃エネルギー吸収性能が優れていることを示唆する。この試験による縫合処理を施してある試験片ＳＴと、縫合処理を施していない試験片Ｎを比較した表を表３に示す。

上記する構成になる衝撃エネルギー吸収性能を有する縫合組物ＦＲＰパイプは、例えば、車体用クラッシュエレメント、ヘリコプター用クラッシュエレメントあるいはドライブシャフト用クラッシュエレメントなどとして極めて有効に適用することができる。すなわち、車体用クラッシュエレメントとしては、バンパーと車体との間に、当該パイプを、その軸方向一端側をバンパー側に向けて、軸方向他端側を車体側に向けて設置しておくことにより、衝突事故が生じた場合、当該クラッシュエレメントにより衝撃を吸収して車体を保護することができ、効果的に作用する。

図１は、この発明のための複数層の組物層からなる組物円筒状プリフォームの基本構成を示すもので、各層を部分的に破断して示す概略的な斜視図である。 図２Ａは、縫合処理をしていない試験片Ｎの外観図であり、図２Ｂは、組物ＦＲＰパイプに対し、その層厚方向に縫合糸により縫合処理をした試験片ＳＴの外観図であり、図２Ｃは、図２Ｂにおいて円で囲んだ部分の拡大図である。 図３は、組物円筒状プリフォーム１に対して縫合糸６によって縫合処理を行う縫合形態を示す概略的な斜視図である。 図４は、試験片に対する試験条件を説明するための説明図である。 図５Ａは、試験片Ｎの荷重−変位曲線を示すグラフであり、図５Ｂは、試験片ＳＴの荷重−変位曲線を示すグラフである。 図６は、複数層の組物層からなる組物円筒状プリフォームを組成するための多連式ブレイダー装置の概略的な側断面図である。

符号の説明

１ 組物円筒状プリフォーム
２ 組物層
４、４ 軸線に対する組角度が±θ°の組糸
５ 軸線に対する角度が０°の中央糸
６ 縫合糸
７ 縫合ポイント
ｐ 縫合ピッチ
ｄ 縫合列間隔
１１ 縫合組物ＣＦＲＰパイプ
ＢＲ ブレイダーユニット
Ｙ 組糸
ｙ 中央糸
Ｂ 組糸用ボビン
ｂ 中央糸用ボビン
Ｍ マンドレル

Claims (6)

1. 軸線に対する組角度が±θ°の組糸と、軸線に対する角度が０°の中央糸とを選択的に組み合わせて、ブレイダー装置によって、組成の芯となるマンドレル上に複数層の組物層からなる組物円筒状プリフォームを組成してなり、前記組物円筒状プリフォームを層厚方向に縫合糸により縫合処理し、樹脂材を含浸硬化して縫合組物ＦＲＰを形成してなることを特徴とする衝撃エネルギー吸収性能を有する縫合組物ＦＲＰパイプ。
2. 前記複数層の組物層のうちの内側および外側の組物層における組糸の組角度が大きく、前記複数層の組物層のうちの中間の組物層における組糸の組角度が小さいものからなることを特徴とする請求項１に記載の衝撃エネルギー吸収性能を有する縫合組物ＦＲＰパイプ。
3. 前記縫合処理が、複数層の円筒状組物の層厚方向に縫合したものからなることを特徴とする請求項１あるいは請求項２に記載の衝撃エネルギー吸収性能を有する縫合組物ＦＲＰパイプ。
4. 前記縫合糸が、アラミド繊維であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の衝撃エネルギー吸収性能を有する縫合組物ＦＲＰパイプ。
5. 前記樹脂材が、熱硬化性樹脂であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の衝撃エネルギー吸収性能を有する縫合組物ＦＲＰパイプ。
6. 前記縫合組物ＦＲＰパイプが、車体用クラッシュエレメント、ヘリコプター用クラッシュエレメント、ドライブシャフト用クラッシュエレメントなどを構成することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の衝撃エネルギー吸収性能を有する縫合組物ＦＲＰパイプ。

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