JP2007168122A

JP2007168122A - 繊維強化プラスチック構造体

Info

Publication number: JP2007168122A
Application number: JP2005365103A
Authority: JP
Inventors: Kenji Uegaki; 賢治上柿
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-12-19
Filing date: 2005-12-19
Publication date: 2007-07-05
Anticipated expiration: 2025-12-19
Also published as: JP5028797B2

Abstract

【課題】エネルギー吸収性能を向上したＦＲＰ構造体を提供する。
【解決手段】ＦＲＰ構造体１０は、固化されたマトリックス樹脂１７と、マトリックス樹脂により形状維持された第１強化繊維基材１５と、マトリックス樹脂に接合され、引張り力の増大に応じてマトリックス樹脂から剥離した本数が増加する複数の第２繊維１６と、で構成されている。第２繊維１６は、複数の異なる繊維長さを有する複数種類の第２繊維１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ，１６Ｄを含んでいるため、引張り力の増大に応じてマトリックス樹脂から剥離した本数が増加する。
【選択図】図２

Description

本発明は、強化繊維及びマトリックス樹脂を含んで構成された繊維強化プラスチック構造体に関する。

特許文献１には、車両の側部に繊維強化プラスチック（Fiber Reinforced Plastics：ＦＲＰ）製のビーム部材を配設することで、側突時のエネルギーを吸収する技術が記載されている。このビーム部材では、ＣＦＲＰ材を形成するカーボン繊維の配向角を調整することにより、ＣＦＲＰ材が破壊される順番をコントロールしている。
特開２００５−２２５３６４号公報

上述した従来技術のＦＲＰ製のビーム部材では、衝撃的な荷重を受けたときに、ある程度のエネルギーを吸収することができる。しかし、ＦＲＰ製の構造体において、より大きなエネルギーを吸収可能とすることが要望されている。

そこで、本発明は、エネルギー吸収性能を向上したＦＲＰ構造体を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明に係る繊維強化プラスチック構造体は、固化されたマトリックス樹脂と、マトリックス樹脂により形状維持された第１強化繊維基材と、マトリックス樹脂により接合され、引張り力の増大に応じてマトリックス樹脂から剥離した本数が増加する複数の第２繊維と、で構成されることを特徴とする。

この構成によれば、繊維強化プラスチック構造体の第２繊維は、引張り力の増大に応じてマトリックス樹脂から剥離した本数が増加するため、繊維強化プラスチック構造体には変形に伴ってエネルギーを吸収する特性が付与されている。また、マトリックス樹脂により形状維持された第１強化繊維基材により、繊維強化プラスチック構造体の強度が維持されている。よって、繊維強化プラスチック構造体を、高強度で、且つエネルギーを吸収する構造とすることができる。

上述した繊維強化プラスチック構造体において、複数の第２繊維は、異なる繊維長さを有する複数種類の繊維を含んでおり、引張り力の増大に応じてマトリックス樹脂から剥離した本数が増加することが好ましい。この構成によれば、第２繊維は、異なる繊維長さを有する複数種類の繊維を含んでおり、引張り力の増大に応じてマトリックス樹脂から剥離した本数が増加するため、繊維強化プラスチック構造体には変形に伴ってエネルギーを吸収する特性が付与されている。よって、繊維強化プラスチック構造体を、高強度で、且つエネルギーを吸収する構造とすることができる。

また、上述した繊維強化プラスチック構造体において、複数の第２繊維は、異なる繊維方向を有する複数種類の繊維を含んでおり、引張り力の増大に応じてマトリックス樹脂から剥離した本数が増加することが好ましい。この構成によれば、第２繊維は、異なる繊維方向を有する複数種類の繊維を含んでおり、引張り力の増大に応じてマトリックス樹脂から剥離した本数が増加するため、繊維強化プラスチック構造体には変形に伴ってエネルギーを吸収する特性が付与されている。よって、繊維強化プラスチック構造体を、高強度で、且つエネルギーを吸収する構造とすることができる。

また、第１強化繊維基材を形成する複数の第１強化繊維では、引張り力が作用する方向に対して４０°〜５０°で傾斜している繊維の本数が、全本数の６０％以上であることが好ましい。この構成によれば、第１強化繊維のほとんどが、引張り力が作用する方向に対して４０°〜５０°の範囲で傾斜しているため、引張り力が作用すると第１強化繊維は大きく伸びる。よって、第１強化繊維が伸びる間に第２繊維の剥離本数が増加するため、繊維強化プラスチック構造体には変形に伴って良好にエネルギーを吸収することができる。なお、第１強化繊維基材を形成する複数の第１強化繊維では、引張り力が作用する方向に対して４２．５°〜４７．５°で傾斜している繊維の本数が、全本数の６０％以上であることがより好ましく、引張り力が作用する方向に対して４５°で傾斜している繊維の本数が、全本数の６０％以上であることがさらに好ましい。

また、上述した繊維強化プラスチック構造体において、第２繊維は、アラミド系繊維であることが好ましい。この構成によれば、第２繊維としてアラミド系繊維を用いている。アラミド系繊維は、マトリックス樹脂から剥離しやすい特性を有しているため、第２繊維として良好に用いることができる。

本発明によれば、繊維強化プラスチック構造体においてエネルギー吸収性能を向上することができる。

以下、図面を参照して、本発明のＦＲＰ構造体に係る好適な実施形態について説明する。

図１には、第１実施形態に係るＦＲＰ構造体１０が示されている。ＦＲＰ構造体１０は、コルゲート（波形）構造を有したパネルである。より詳しく説明すると、ＦＲＰ構造体１０は、一定間隔離間して並んで延びる複数筋の第１板部１１と、同じく一定間隔離間して並んで延びる複数筋の第２板部１２と、第１板部１１の端部から第２板部１２の端部までを横幅として延びる複数筋の側板部１３と、を備えている。複数筋の側板部１３の板面は、第１板部１１及び第２板部１２の板面に対してほぼ直角に傾斜している。第１板部１１、第２板部１２及び側板部１３は、繊維強化プラスチック（Fiber Reinforced Plastics：ＦＲＰ）を材質としており、複数枚積層された第１強化繊維からなる強化繊維基材１５（図２参照）にマトリックス樹脂を含浸してから固化することにより形成されている。

ここで、強化繊維基材とは、強化繊維が薄く一方向又は複数方向に並べられた素材形態や、強化繊維が織物状に編みこまれた素材形態である。また、強化繊維としては、本実施形態で用いられる炭素繊維の他に、ガラス繊維等の無機繊維や、ポリエチレン繊維、ポリアミド繊維などの有機繊維からなる強化繊維が挙げられる。さらに、マトリックス樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂や、ポリアミド樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリウレタン樹脂等の熱可塑性樹脂が挙げられる。

また、第１板部１１及び第２板部１２には、第２繊維１６（図２参照）がマトリックス樹脂により固着されている。ここで、第２繊維とは、第１強化繊維よりも単位面積当たりのマトリックス樹脂との接合強度が小さく、第１強化繊維よりもマトリックス樹脂から剥離しやすい特性を有する繊維である。本実施形態では、第２繊維として、ケブラー繊維とも呼ばれるアラミド系繊維を用いている。なお、第２繊維は、アラミド系繊維に限られるものではなく、他の種類の繊維を用いてもよい。また、本実施形態で用いられるアラミド系繊維は、アラミドを繊維の主要材料とするものであればよく、アラミドに若干の添加剤等が加えられたり、他の材料が混入されてもよい。

図２には、図１の領域Ｒが拡大して示されている。第１板部１１は、第１強化繊維基材１５及び第２繊維１６にマトリックス樹脂１７を含浸してから固化することにより形成されており、側板部１３は、第１強化繊維基材１５にマトリックス樹脂１７を含浸してから固化することにより形成されている。ここで、第１強化繊維基材１５は、平織りで編みこまれており、２つの異なる方向（第１，第２の方向）に延びる強化繊維１５Ａ，１５Ｂからなる。第１板部１１及び側板部１３において、第１の方向に延びる第１強化繊維１５Ａは、第１板部１１の長手方向に対して＋４５°に傾斜しており、第２の方向に延びる第１強化繊維１５Ｂは、第１板部１１の長手方向に対して−４５°に傾斜している。よって、第１の方向に延びる第１強化繊維１５Ａと、第２の方向に延びる第１強化繊維１５Ｂとは、互いに直交している。

なお、図示していないが、第１板部１１及び側板部１３には、第１板部１１の長手方向に沿って延設された第１強化繊維や、第１板部１１の長手方向に対して９０°に傾斜した方向に延設された第１強化繊維なども含まれており、あらゆる方向に強化されている。より詳しく説明すると、複数の第１強化繊維１５Ａ，１５Ｂにおいて、長手方向に対して４０°〜５０°で傾斜している繊維１５Ａ，１５Ｂの本数が、全本数の６０％以上を占めており、残りの繊維１５Ａ，１５Ｂが他の方向に延設されている。

また、多数の第２繊維１６のそれぞれは、第１板部１１の長手方向に沿って、第１板部１１の板面の各部に延設されている。多数の第２繊維群１６には、繊維長さが異なる複数種類の繊維が含まれており、繊維長さにバラツキが付与されている。一例として、具体的には、多数の第２繊維１６には、繊維長さが２ｃｍの第２繊維１６Ａと、繊維長さが４ｃｍの第２繊維１６Ｂと、繊維長さが６ｃｍの第２繊維１６Ｃと、繊維長さが８ｃｍの第２繊維１６Ｄとが含まれている。

各第２繊維１６Ａ〜１６Ｄのそれぞれは、数本〜数十本の単繊維が束ねられたものであり、第１板部１１の幅方向に所定間隔ごとに配列されている。このように配列された第２繊維１６Ａ〜１６Ｄを製作するためは、数本〜数十本の単繊維が束ねられた繊維束を所定間隔ごとに平行に配列してから、繊維束を互いにポリエステル糸で繋ぎ、繊維束の各部を切断することにより繊維長さを２ｃｍ，４ｃｍ，６ｃｍ，８ｃｍとすればよい。このようにすれば、繊維長さが短い第２繊維１６Ａ〜１６Ｄを、比較的容易に第１板部１１に配置することができる。

なお、第２板部１２は、第１板部１１と同じ構造である。つまり、第２板部１２は、第１強化繊維基材１５及び第２繊維１６にマトリックス樹脂１７を含浸してから固化することにより形成されている。第２板部１２の構造については、上述した第１板部１１の詳細な説明を参照することとして、第２板部１２の詳細な説明を省略する。

上述したＦＲＰ構造体１０が、車両のドア、ロッカー、ピラーなどに用いられた場合には、車両の衝突時に、ＦＲＰ構造体１０には図３に示されるような荷重が作用する。つまり、ＦＲＰ構造体１０は、両端付近で支持部材Ａ１，Ａ２により支持されているため、ＦＲＰ構造体１０がその中央付近で他部材Ａ３から押圧されると、ＦＲＰ構造体１０は全体として撓む。このとき、第１板部１１にはその長手方向に引張り力が作用し、第２板部１２にはその長手方向に圧縮力が作用する。また、側板部１３では、その板面において長手方向に対して４５°傾斜した方向が主応力方向となり、主応力方向で引張り力が最大となる。

車両の衝突時に、ＦＲＰ構造体１０の撓みが徐々に大きくなると、上述したＦＲＰ構造体１０は、次に説明するように変化する。先ず、ＦＲＰ構造体１０の撓みが徐々に大きくなると、第１板部１１に作用する引張り力が徐々に増大して、繊維長さが最短であり、表面積（言い換えればマトリックス樹脂１７と接合する面積）が最も小さい第２繊維１６Ａが、マトリックス樹脂１７から剥離する。さらに、第１板部１１に作用する引張り力が増大すると、２番目に短い第２繊維１６Ｂ、３番目に短い第２繊維１６Ｃ、繊維長さが最長の第２繊維１６Ｄの順に、マトリックス樹脂１７から剥離する。このように、引張り力の増大に応じて、マトリックス樹脂１７から剥離した第２繊維１６Ａ〜１６Ｄの本数が増加する。

第１板部１１に作用する引張り力が徐々に増大して、各第２繊維１６Ａ〜１６Ｄがマトリックス樹脂１７から剥離していく間に、第１板部１１にある第１強化繊維基材１５も同様に引張り力を受ける。但し、第１板部１１において第１強化繊維１５Ａ，１５Ｂの繊維方向は長手方向に対して４５°傾斜しているため、長手方向に１０％〜２０％程度延伸可能であり、引張り力により切断されない。

一方、ＦＲＰ構造体１０の撓みが徐々に大きくなると、側板部１３の主応力方向に作用する引張り力が徐々に増大する。これに対して、側板部１３にある第１強化繊維１５Ａ，１５Ｂは主応力方向に延設されているため、第１強化繊維１５Ａ，１５ＢはＦＲＰ構造体１０の曲げ剛性を高めている。各第２繊維１６Ａ〜１６Ｄがマトリックス樹脂１７から剥離していく間には、側板部１３にある第１強化繊維１５Ａ，１５Ｂは切断されないが、各第２繊維１６Ａ〜１６Ｄがマトリックス樹脂１７から剥離した後に、第１強化繊維１５Ａ，１５Ｂに作用する引張り応力が破断応力に至って、第１強化繊維１５Ａ，１５Ｂが破断する。

上述したようにＦＲＰ構造体１０が変化した際の、ＦＲＰ構造体１０の変形量と荷重の関係を、図４に概略的に示す。従来技術に係るＦＲＰ構造体では、あまり変形せずに破断してしまう。これに対して、上述した実施形態に係るＦＲＰ構造体１０では、大きく変形してから破断する。よって、ＦＲＰ構造体１０を、高強度で且つエネルギーを吸収する構造とすることができる。

上述した実施形態では、繊維長さが異なる複数種類の第２繊維１６Ａ〜１６Ｄを全て同じ方向に延設したが、本発明はこれに限定されない。例えば、第２繊維を全て同じ繊維長さとして、第２繊維を複数の異なる方向に延設してもよい。例えば、第２繊維の一部については第１板部１１の長手方向と同方向に延設し、第２繊維の他の一部については第１板部の長手方向から３０°傾斜した方向に延設し、第２繊維の他の一部については第１板部の長手方向から６０°傾斜した方向に延設し、第２繊維の他の一部については第１板部の長手方向から９０°傾斜した方向に延設する。

このように第２繊維を同じ繊維長さとして、第２繊維を複数の異なる方向に延設した場合には、第２繊維が延設された方向によって第２繊維がマトリックス樹脂から剥離する引張り力が異なる。よって、引張り力の増大に応じてマトリックス樹脂から剥離した本数が増加するため、ＦＲＰ構造体には変形に伴ってエネルギーを吸収する特性を付与することができ、ＦＲＰ構造体を高強度で且つエネルギーを吸収する構造とすることができる。さらに、他の実施形態では、第２繊維を複数の異なる繊維長さとして、第２繊維を複数の異なる方向に延設しても、同様に、ＦＲＰ構造体を高強度で且つエネルギーを吸収する構造とすることができる。

次に、上述した実施形態に係るＦＲＰ構造体１０の製造方法について説明する。ＦＲＰ構造体１０は様々な方法で製造することができるが、ここではその一例としてＲＴＭ成形法（Resin Transfer Molding）による製造方法について説明する。

先ず、プリフォーム工程では、炭素繊維のドライファイバーを編んで作られた織物と、異なる繊維長さを有する複数種類のアラミド短繊維束を簾状にポリエステル糸で繋いだ一方向材と、を交互に重ね合わせて積層マットを形成する。そして、積層マットをコルゲート状に折り曲げてから、粘性のある粉末状の樹脂を用いて仮固着することで、プリフォームを形成する。

次に、デバルク工程では、成形型の下型にプリフォームを載せてから、プリフォームを成形型の上型で押え込んで密閉する。次に、注入工程では、成形型内を真空引きしてから、エポキシ樹脂を注入する。次に、キュア工程では、成形型を昇温して、エポキシ樹脂をキュア（固化）させる。これにより、本実施形態の炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）が形成される。次に、脱型肯定では、成形型を開き、ＣＦＲＰを取り出す。次に、トリミング工程では、ＣＦＲＰから周辺部を削り取り、所望の製品形状とする。

次に、第２実施形態に係るＦＲＰ構造体について説明する。図５に示されるように、第２実施形態のＦＲＰ構造体２０は、ハット型ビームである。より詳しく説明すると、ＦＲＰ構造体２０は、間隔を空けて同方向に延びる２筋の第１板部２１と、第１板部２１と平行に延びる１筋の第２板部２２と、第１板部２１の端部から第２板部２２の端部までを横幅として延びる２筋の側板部２３と、を備えている。そして、第１実施形態と同様に、第１板部２１及び第２板部２２は、第１強化繊維基材及び第２繊維にマトリックス樹脂を含浸してから固化することにより形成されており、側板部２３は、第１強化繊維基材にマトリックス樹脂を含浸してから固化することにより形成されている。

次に、第３実施形態に係るＦＲＰ構造体について説明する。図６に示されるように、第２実施形態のＦＲＰ構造体３０は、Ｉ型ビームである。より詳しく説明すると、ＦＲＰ構造体３０は、１筋の第１板部３１と、第１板部３１と平行に延びる第２板部３２と、第１板部３１の中央から第２板部３２の中央までを横幅として延びる側板部３３と、を備えている。そして、第１実施形態と同様に、第１板部３１及び第２板部３２は、第１強化繊維基材及び第２繊維にマトリックス樹脂を含浸してから固化することにより形成されており、側板部３３は、第１強化繊維基材にマトリックス樹脂を含浸してから固化することにより形成されている。

次に、第４実施形態に係るＦＲＰ構造体について説明する。図７に示されるように、第２実施形態のＦＲＰ構造体４０は、箱型ビームである。より詳しく説明すると、ＦＲＰ構造体４０は、１筋の第１板部４１と、第１板部４１と平行に延びる第２板部４２と、第１板部４１の端部から第２板部４２の端部までを横幅として延びる２筋の側板部４３と、を備えている。そして、第１実施形態と同様に、第１板部４１及び第２板部４２は、第１強化繊維基材及び第２繊維にマトリックス樹脂を含浸してから固化することにより形成されており、側板部４３は、第１強化繊維基材にマトリックス樹脂を含浸してから固化することにより形成されている。

上述した第２〜第４実施形態のＦＲＰ構造体２０，３０，４０でも、ＦＲＰ構造体２０，３０，４０の撓みが徐々に大きくなると、第１板部２１，３１，４１に作用する引張り力が徐々に増大して、第２繊維が、繊維長さが短い順にマトリックス樹脂から剥離し、マトリックス樹脂から剥離した第２繊維の本数が増加する。そして、各第２繊維がマトリックス樹脂から剥離した後に、第１強化繊維に作用する引張り応力が破断応力に至って、第１強化繊維が破断する。よって、ＦＲＰ構造体２０，３０，４０を高強度で且つエネルギーを吸収する構造とすることができる。

第１実施形態に係るＦＲＰ構造体の斜視図である。第１実施形態に係るＦＲＰ構造体の拡大図である。ＦＲＰ構造体に荷重が作用する様子を示す斜視図である。ＦＲＰ構造体の変形量と荷重の関係を示すグラフである。第２実施形態に係るＦＲＰ構造体の斜視図である。第３実施形態に係るＦＲＰ構造体の斜視図である。第４実施形態に係るＦＲＰ構造体の斜視図である。

符号の説明

１０，２０，３０，４０…ＦＲＰ構造体、１１，２１，３１，４１…第１板部、１２，２２，３２，４２…第２板部、１３，２３，３３，４３…側板部、１５…第１強化繊維基材、１５Ａ，１５Ｂ…第１強化繊維、１６，１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ，１６Ｄ…第２繊維、１７…マトリックス樹脂。

Claims

固化されたマトリックス樹脂と、
前記マトリックス樹脂により形状維持された第１強化繊維基材と、
前記マトリックス樹脂に接合され、引張り力の増大に応じて前記マトリックス樹脂から剥離した本数が増加する複数の第２繊維と、
で構成されることを特徴とする繊維強化プラスチック構造体。
前記複数の第２繊維は、異なる繊維長さを有する複数種類の繊維を含んでおり、引張り力の増大に応じて前記マトリックス樹脂から剥離した本数が増加することを特徴とする請求項１に記載の繊維強化プラスチック構造体。
前記複数の第２繊維は、異なる繊維方向を有する複数種類の繊維を含んでおり、引張り力の増大に応じて前記マトリックス樹脂から剥離した本数が増加することを特徴とする請求項１に記載の繊維強化プラスチック構造体。
前記第１強化繊維基材を形成する複数の第１強化繊維では、引張り力が作用する方向に対して４０°〜５０°で傾斜している繊維の本数が、全本数の６０％以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の繊維強化プラスチック構造体。
前記第２繊維は、アラミド系繊維であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の繊維強化プラスチック構造体。