JP2007307778A - 繊維強化樹脂よりなる積層構造体および該積層構造体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】層間剥離の発生を抑制することができる、繊維強化樹脂よりなる積層構造体および該積層構造体の製造方法の提供。
【解決手段】（１）強化繊維含有層（５１）と表面の樹脂リッチ層（５２）とを備える繊維強化層モジュール（５０）を複数積層して作製され、強化繊維含有層（５１）で構成される繊維強化樹脂層２０と、隣り合う繊維強化層モジュール（５０）の樹脂リッチ層（５２）で構成される層間樹脂層３０と、を有し、両層２０，３０の境界面１に交差する方向に短繊維４０を層間樹脂層３０に配置した。（２）繊維強化層モジュール（５０）に短繊維４０を振り掛ける工程と、短繊維４０を振り掛けた繊維強化層モジュールとは異なる繊維強化層モジュール（５０）を、短繊維４０を振り掛けた繊維強化層モジュール（５０）に積層する工程と、を有する、繊維強化樹脂よりなる積層構造体の製造方法。
【選択図】 図２

Description

本発明は、繊維強化樹脂よりなる積層構造体および該積層構造体の製造方法に関する。

繊維強化樹脂よりなる積層構造体（板）では、曲げモーメントが加わると層間剥離が発生する。この層間剥離は、繊維と樹脂の強度差が大きいために生じる破壊形態である。層間剥離が発生すると、積層構造体の曲げ剛性が著しく低下するため、層間剥離が発生する前に比べて大きな撓みが生じる。これは、繊維によって強化される方向が積層面（板の面）に沿う方向のみであり、厚さ方向の剥離強度は樹脂の強度に依存するためである。このため、厚さ方向の剥離強度は、面方向の強度に比べて大幅に低くなる。

（ａ） 特開平７−４０４９１号公報は、積層構造体の層間が剥離破壊した場合、層間に充填されている接着剤カプセルが割れ、破壊部を修復する、繊維強化樹脂よりなる積層構造体を開示している。
（ｂ） 非破壊検査第５４巻５号（２００５）は、繊維強化樹脂層を厚さ方向に貫通する繊維によって、剥離強度を向上させた、繊維強化樹脂よりなる積層構造体を開示している。

しかし、従来の繊維強化樹脂よりなる積層構造体にはつぎの問題点がある。
（ａ） 特開平７−４０４９１号公報
修復後に再び同程度の荷重（曲げモーメント）が加わると、層間破壊が起こるという問題点がある。
（ｂ）非破壊検査第５４巻５号（２００５）
一定厚さ・形状の平板では実現可能であるが、立体的な形状を造る為に型に沿って積み重ねる場合、或いは部位毎に厚さを変える場合には、容易に繊維を貫通できないという問題点がある。
特開平７−４０４９１号公報 非破壊検査第５４巻５号（２００５）第２３５頁

本発明の目的は、層間剥離の発生を抑制することができる、繊維強化樹脂よりなる積層構造体および該積層構造体の製造方法を提供することにある。

上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１） 厚さ方向中央部の強化繊維含有層と該層の表面の樹脂リッチ層とを備える繊維強化層モジュールを複数積層して作製され、前記強化繊維含有層で構成される繊維強化樹脂層と、隣り合う前記繊維強化層モジュールの前記樹脂リッチ層で構成される層間樹脂層と、を有する、繊維強化樹脂よりなる積層構造体であって、
前記繊維強化樹脂層と前記層間樹脂層との境界面に交差する方向に前記層間樹脂層から前記繊維強化樹脂層まで延びる短繊維を前記層間樹脂層に配置した、繊維強化樹脂よりなる積層構造体。
（２） 前記短繊維は、前記積層構造体に曲げモーメントが加わった際に最も剥離する可能性が高い境界面に接する前記層間樹脂層のみに配置されている（１）記載の繊維強化樹脂よりなる積層構造体。
（３） 厚さ方向中央部の強化繊維含有層と該層の表面の樹脂リッチ層とを備える繊維強化層モジュールに短繊維を振り掛ける工程と、
前記短繊維を振り掛けた前記繊維強化層モジュールとは異なる繊維強化層モジュールを、前記短繊維を振り掛けた繊維強化層モジュールに積層して、前記強化繊維含有層で構成される繊維強化樹脂層と、隣り合う前記繊維強化層モジュールの前記樹脂リッチ層で構成される層間樹脂層と、を作製する工程と、
を有する、繊維強化樹脂よりなる積層構造体の製造方法。

上記（１）の繊維強化樹脂よりなる積層構造体によれば、繊維強化樹脂層と層間樹脂層との境界面に交差する方向に層間樹脂層から繊維強化樹脂層まで延びる短繊維を層間樹脂層に配置したため、積層構造体（板）を曲げることによって境界面に生じる積層面に垂直な応力を、突起状の短繊維に分担させることで、樹脂の分担応力が減少し、剥離の発生を抑制する（防ぐ）ことができる。また、短繊維を層間樹脂層に配置したため、層間樹脂層の強度を高めることができる。
上記（２）の繊維強化樹脂よりなる積層構造体によれば、短繊維が、最も剥離する可能性が高い境界面に接する層間樹脂層のみに配置されているため（短繊維が一部の層間樹脂層のみに配置されているため）、短繊維が全ての層間樹脂層に配置される場合に比べて、積層構造体の製作工程が簡易（簡素）になる。
上記（３）の繊維強化樹脂よりなる積層構造体の製造方法によれば、繊維強化樹脂層と層間樹脂層との境界面に交差する方向に層間樹脂層から繊維強化樹脂層まで延びる短繊維を層間樹脂層に配置できる。その結果、積層構造体を曲げることによって境界面に生じる積層面に垂直な応力を、突起状の短繊維に分担させることができ、樹脂の分担応力が減少し、剥離の発生を抑制する（防ぐ）ことができる。また、短繊維を層間樹脂層に配置でき、層間樹脂層の強度を高めることができる。

図１〜図３は、本発明実施例１の繊維強化樹脂よりなる積層構造体を示しており、図４は、本発明実施例２の繊維強化樹脂よりなる積層構造体を示しており、図５、図６は、本発明実施例２において、積層構造体に曲げモーメントが加わった際に最も剥離する可能性の高い境界面の認定に用いる積層構造体と応力分布を示している。ただし、図３は、本発明実施例２にも適用可能である。
本発明実施例１と本発明実施例２にわたって共通する部分には、本発明実施例１と本発明実施例２にわたって同じ符号を付してある。
まず、本発明実施例１と本発明実施例２にわたって共通する部分を、たとえば図１〜図４を参照して、説明する。

本発明実施例の繊維強化樹脂よりなる積層構造体１０は、図１に示すように、複数の繊維強化樹脂層２０と、繊維強化樹脂層２０間に位置する層間樹脂層３０と、短繊維４０と、を有する。積層構造体１０は、図３に示すように、厚さ方向中間部の強化繊維含有層５１と該層５１の表面の樹脂リッチ層５２とを備える繊維強化層モジュール５０を複数積層して作製されており、繊維強化樹脂層２０は強化繊維含有層５１で構成され、層間樹脂層３０は隣り合う繊維強化層モジュール５０の樹脂リッチ層５２で構成される。

繊維強化樹脂層２０は、積層構造体１０のうち、炭素繊維、ガラス繊維などの強化繊維によって強化されている部分である。繊維強化樹脂層２０を強化する強化繊維の配向方向は、積層面に沿う方向（繊維強化樹脂層２０の厚さ方向と直交または略直交する方向）である。隣り合う繊維強化樹脂層２０の繊維配向方向は、互いに異なっていてもよく同じであってもよい。隣り合う繊維強化樹脂層２０の繊維は、同種であってもよく異種であってもよい。
層間樹脂層３０は、繊維強化樹脂層２０を強化している強化繊維が存在しないまたはほとんど存在しない樹脂リッチな部分である。

短繊維４０は、繊維強化樹脂層２０を強化している強化繊維と同じ種類の繊維であってもよく、異なる種類の繊維であってもよい。また、短繊維４０は、１種類の繊維で構成されていてもよく、複数種類の繊維で構成されていてもよい。
短繊維４０は、図２に示すように、層間樹脂層３０に、境界面（界面）１に交差する方向に直線状に延びて配置（配合）されている。短繊維４０は複数設けられる。複数の短繊維４０の少なくとも一部は、層間樹脂層３０から該層間樹脂層３０に隣接する繊維強化樹脂層２０まで延びている（境界面１に突き刺さっている）。

短繊維４０は、図１に示すように、積層構造体１０の全ての層間樹脂層３０に配置されていてもよく（本発明実施例１）、図４に示すように、積層構造体１０の一部の層間樹脂層３０のみに配置されていてもよい（本発明実施例２）。

ここで、本発明実施例１と本発明実施例２にわたって共通する、積層構造体１０の製造方法を、図１と図３を参照して、説明する。
積層構造体１０の製造方法は、
強化繊維に樹脂を含浸させて、厚さ方向中央部の強化繊維含有層５１と強化繊維含有層５１の表面の樹脂リッチ層５２とを備える薄いシート状の繊維強化層モジュール５０を作製し、繊維強化層モジュール５０の上面（樹脂リッチ層５２の上面）に、短繊維４０を全体にわたって均一な密度になるように振り掛ける（ばら撒く）工程と、
別途作製しておいた繊維強化層モジュール５０を、短繊維４０が振り掛けられた繊維強化層モジュール５０に積層して、強化繊維含有層５１で構成される繊維強化樹脂層２０と、隣り合う繊維強化層モジュール５０の樹脂リッチ層５２で構成される層間樹脂層３０と、を作製する工程と、
を有する。

つぎに、本発明実施例１と本発明実施例２にわたって共通する作用を説明する。
強化繊維として炭素繊維を用いるＣＦＲＰの場合、炭素繊維の強度は樹脂のおよそ１００倍程度である。このため、強化繊維に引張り力が加わる場合は非常に高い強度を発揮するが、曲げ力が加わる場合は積層構造体（板）のたわみによって積層面に垂直な方向の応力（σｚ）が発生し、短繊維４０が設けられていない場合にはこの応力σｚによって強度が低い層間の樹脂（境界面１に位置する樹脂）が破壊する。つまり曲げ力が加わる場合、樹脂と強化繊維の強度差が大きいため強化繊維が破壊することなく層間の樹脂に亀裂が発生し層間剥離に至る。

この点、本発明実施例では、繊維強化樹脂層２０と層間樹脂層３０との境界面１に交差する方向に層間樹脂層３０から繊維強化樹脂層２０まで延びる短繊維４０を層間樹脂層３０に配置したため、積層構造体（板）１０を曲げることによって境界面１に生じる積層面に垂直な応力（σｚ）は、短繊維３０と樹脂の両方が分担する。この応力分担は両者の繊維の体積率（ｖ）によって決まる。式に表すと次のようになる。
σｚ＝（１−ｖ）σｍ＋ｖ・σｆ
ただし、σｍは、樹脂の分担する応力であり、σｆは、短繊維４０の分担する応力である。
上式から求められる樹脂の分担応力は、
σｍ＝{σｚ−ｖ・σｆ}／（１−ｖ）
であり、短繊維４０がない場合全ての垂直応力σｚが樹脂に加わることに比べ、樹脂の分担応力が減少し剥離の発生を抑制する（防ぐ）ことができる。

本発明実施例では、短繊維４０を層間樹脂層３０に配置したため、短繊維４０を配置しない場合に比べて、層間樹脂層３０の強度を高めることができる。

本発明実施例の積層構造体１０の製造方法では、繊維強化層モジュール５０の表面に短繊維を振り掛ける工程を有するため、境界面１に交差する方向に層間樹脂層３０から繊維強化樹脂層２０まで延びる短繊維４０を層間樹脂層３０に配置できる。その結果、積層構造体１０を曲げることによって境界面１に生じる積層面に垂直な応力を、突起状の短繊維４０に分担させることができ、樹脂の分担応力が減少し、剥離の発生を抑制する（防ぐ）ことができる。

また、本発明実施例の積層構造体１０の製造方法では、繊維強化層モジュール５０の表面に短繊維４０を振り掛ける工程を有するため、繊維強化層モジュール５０の表面に短繊維４０を振り掛けるだけで、短繊維４０を容易に層間樹脂層３０に配置できる。

次に、本発明各実施例に特有な部分を説明する。
[本発明実施例１]（図１〜図３）
本発明実施例１は、短繊維４０が積層構造体１０の全ての層間樹脂層３０に配置されている場合を示している。
ここで、本発明実施例１の積層構造体１０の製造方法を説明する。
本発明実施例１の積層構造体１０の製造方法は、
（ａ１） 繊維強化層モジュール５０の上面（樹脂リッチ層５２の上面）に、短繊維４０を全体にわたって均一な密度になるように振り掛ける（ばら撒く）工程と、
（ａ２） 別途作製しておいた繊維強化層モジュール５０を、短繊維４０が振り掛けられた繊維強化層モジュール５０に積層する工程と、
（ａ３） 積層した繊維強化層モジュール５０の上面に、短繊維４０を全体にわたって均一な密度になるように振り掛ける（ばら撒く）工程と、
（ａ４） 上記工程（ａ２）と工程（ａ３）を所定回数繰り返して、さらに別途作製しておいた繊維強化モジュール５０を一番上層にある繊維強化モジュール５０に積層する工程と、
（ａ５） 積層体全体を積層方向に加圧して熱をかける工程と、
を有する。

つぎに、本発明実施例１に特有な作用を説明する。
本発明実施例１では、短繊維４０が積層構造体１０の全ての層間樹脂層３０に配置されているため、全ての境界面１における樹脂の分担垂直応力（σｚ）を減少させることができる。

[本発明実施例２]（図４〜図６）
本発明実施例２は、短繊維４０が積層構造体１０の一部の層間樹脂層３０のみに配置されている場合を示している。さらに詳しくは、本発明実施例２は、短繊維４０が、積層構造体１０に曲げモーメントが加わった際に複数ある境界面１のうち最も剥離する可能性が高い境界面１に接する層間樹脂層３０（図４の符号３０ａ）のみに配置されている場合を示している。

ここで、積層構造体１０に曲げモーメントが加わった際に複数ある境界面１のうち最も剥離する可能性が高い境界面１は、つぎのようにして認定できる。
図５は、短繊維４０を配置させずに繊維強化層モジュール５０を１２枚積層して作製した板厚ｔの積層構造体に曲げ試験を行い、境界面に亀裂が発生し剥離した例を示す。図６は、有限要素法によって計算した垂直方向応力（σｚ）の分布である。
図５、図６から、垂直方向応力（σｚ）が高い位置にある境界面で亀裂が発生することがわかる。
したがって、垂直応力σｚが高い位置にある境界面が、積層構造体１０に曲げモーメントが加わった際に複数ある境界面１のうちの最も剥離する可能性が高い境界面であると認定できる。

ここで、本発明実施例２の積層構造体１０の製造方法を説明する。
本発明実施例２の積層構造体１０の製造方法は、
（ｂ１） 繊維強化層モジュール５０の上面（樹脂リッチ層５２の上面）に別途作製した繊維強化層モジュール５０を積層する工程を、所定回数繰り返す工程と、
（ｂ２） 上面の樹脂リッチ層５２が層間樹脂層３０ａを構成する繊維強化層モジュール５０を、一番上層にある繊維強化層モジュール５０に積層し、積層した繊維強化層モジュール５０の上面（樹脂リッチ層５２の上面）に、短繊維４０を全体にわたって均一な密度になるように振り掛ける（ばら撒く）工程と、
（ｂ３） 別途作製しておいた繊維強化層モジュール５０を、短繊維４０が振り掛けられた繊維強化層モジュール５０に積層する工程と、
（ｂ４） 一番上層にある繊維強化層モジュール５０の上面に別途作製した繊維強化層モジュール５０を積層する工程を、所定回数繰り返す工程と、
（ｂ５） 積層体全体を積層方向に加圧して熱をかける工程と、
を有する。

つぎに、本発明実施例２に特有な作用を説明する。
本発明実施例２では、短繊維４０が積層構造体１０の一部の層間樹脂層３０のみに配置されているため、短繊維４０が全ての層間樹脂層３０に配置される場合に比べて、積層構造体１０の製作工程が簡易（簡素）になる。

本発明実施例１の繊維強化樹脂よりなる積層構造体の断面図である。 本発明実施例１の繊維強化樹脂よりなる積層構造体の、１つの層間樹脂層とその近傍のみを示す部分拡大断面図である。 本発明実施例１の繊維強化樹脂よりなる積層構造体の、積層前の繊維強化層モジュールを示す断面図である。 本発明実施例２の繊維強化樹脂よりなる積層構造体の断面図である。 短繊維が設けられていない場合の、積層構造体に曲げ荷重を加えて境界面で剥離した状態を示す、断面図である。 図５の場合の、垂直方向応力の分布図である。

符号の説明

１ 境界面
１０ 積層構造体
２０ 繊維強化樹脂層
３０ 層間樹脂層
４０ 短繊維
５０ 繊維強化層モジュール
５１ 強化繊維含有層
５２ 樹脂リッチ層

Claims (3)

1. 厚さ方向中央部の強化繊維含有層と該層の表面の樹脂リッチ層とを備える繊維強化層モジュールを複数積層して作製され、前記強化繊維含有層で構成される繊維強化樹脂層と、隣り合う前記繊維強化層モジュールの前記樹脂リッチ層で構成される層間樹脂層と、を有する、繊維強化樹脂よりなる積層構造体であって、
   前記繊維強化樹脂層と前記層間樹脂層との境界面に交差する方向に前記層間樹脂層から前記繊維強化樹脂層まで延びる短繊維を前記層間樹脂層に配置した、繊維強化樹脂よりなる積層構造体。
2. 前記短繊維は、前記積層構造体に曲げモーメントが加わった際に最も剥離する可能性が高い境界面に接する前記層間樹脂層のみに配置されている請求項１記載の繊維強化樹脂よりなる積層構造体。
3. 厚さ方向中央部の強化繊維含有層と該層の表面の樹脂リッチ層とを備える繊維強化層モジュールに短繊維を振り掛ける工程と、
   前記短繊維を振り掛けた前記繊維強化層モジュールとは異なる繊維強化層モジュールを、前記短繊維を振り掛けた繊維強化層モジュールに積層して、前記強化繊維含有層で構成される繊維強化樹脂層と、隣り合う前記繊維強化層モジュールの前記樹脂リッチ層で構成される層間樹脂層と、を作製する工程と、
   を有する、繊維強化樹脂よりなる積層構造体の製造方法。

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