JP2008132705A - 炭素繊維積層体およびそれを用いた炭素繊維強化樹脂 - Google Patents

Abstract

【課題】樹脂硬化収縮時の退けの問題を解消して成形体の優れた表面品位を得ることが可能な炭素繊維積層体、およびそれを用いて製造された炭素繊維強化樹脂を提供する。
【解決手段】表層を、最表層を形成する炭素繊維不織布と、該最表層の直下に位置する層として炭素繊維が一方向に引き揃えられた一方向炭素繊維シートを有する表層基材とから形成したことを特徴とする炭素繊維積層体、およびそれを用いて製造された炭素繊維強化樹脂。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭素繊維積層体およびそれを用いた炭素繊維強化樹脂に関し、とくに、成形体の表面品位の向上をはかるために、表層の構成に工夫を加えた炭素繊維積層体、およびそれを用いて製造された、優れた表面品位を有する炭素繊維強化樹脂に関する。

炭素繊維強化樹脂（以下、ＣＦＲＰと略称することもある。）の成形においては、樹脂含浸用基材として炭素繊維織物の積層体を用いることが多いが、基材の表面を炭素繊維織物で形成すると、表面に織物の織り目部の凹凸が現れ、とくに凹部においては含浸した樹脂のみが存在することになり、樹脂の硬化収縮時に退けが生じ、それが成形体の表面に少なくとも模様として現れることになる。用途によっては、このような模様が現れることが嫌われることがある。

本出願人は、このような問題に対し、炭素繊維織物の織り目部の大きな凹部に低線膨張係数の粉体を充填し、それまで樹脂だけで形成されていたことによる該凹部の樹脂硬化収縮時の退けを低減し、ＣＦＲＰ成形体の（意匠面側の）表層の凹凸を低減する試みを行った（特許文献１）が、該織り目部の大きな凹部に低線膨張係数の粉体を満遍なく充填することが困難であるため、結果的に表層の大幅な表面品位向上が果たせなかった。

また、炭素繊維織物の表面にガラス繊維不織布（サーフェスマット）を配置する構成も知れているが、炭素繊維織物の織り目の凹部に対し十分な深さまで線径が炭素繊維よりも大きいガラス繊維で埋めることは難しく、ガラス繊維で埋められない空間が生じて、樹脂のみの部位が発生し、やはり樹脂硬化収縮時の退けの問題を解消し切れない。
特開２００５−３３６２１８号公報

そこで本発明の課題は、上述したような強化繊維基材の形態に起因した樹脂硬化収縮時の退けに係わる問題を解消して成形体の優れた表面品位を得ることが可能な炭素繊維積層体、およびそれを用いて製造された炭素繊維強化樹脂を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る炭素繊維積層体は、表層を、最表層を形成する炭素繊維不織布と、該最表層の直下に位置する層として炭素繊維が一方向に引き揃えられた一方向炭素繊維シートを有する表層基材とから形成したことを特徴とするものからなる。

すなわち、従来から最表層としてサーフェスマット等の不織布を配置する構成は知られていたが、その直下が織物であったため、前述の如く樹脂硬化収縮時の退けに係わる問題を解消し切れなかった。しかるに本発明では、最表層を形成する炭素繊維不織布の直下に一方向炭素繊維シートが配置される。一方向炭素繊維シートは、織成されたものではなく、炭素繊維のストランド等が単に一方向に引き揃えられたシートであるから、織物の織り目部におけるような大きな凹凸は存在せず、引き揃えられたストランド間に凹部が生じたとしても、その凹凸の程度は織物に比べ遙に小さい。したがって、炭素繊維不織布の炭素繊維が十分にその凹部を埋めることが可能になり、樹脂のみの部分が生じることが防止されて、樹脂硬化収縮時の退けに係わる問題が解消される。とくに、炭素繊維不織布における炭素繊維は、ガラス繊維のサーフェスマットに比べて、細い繊維で形成できるので、この面からも炭素繊維不織布の炭素繊維が十分に表面の凹部を埋めることが可能になる。

本発明に係る炭素繊維積層体においては、上記炭素繊維不織布と上記表層基材の一方向炭素繊維シートが熱可塑性樹脂からなる結着材で互いに固着されていることが好ましい。このようにすれば、炭素繊維不織布と一方向炭素繊維シートを一体物として取り扱うことが可能になり、一般に一方向炭素繊維シート単体では繊維がばらけやすく取り扱いにくいとされている問題も、同時に解消される。

この結着材としては、炭素繊維積層体に含浸されるマトリックス樹脂に相溶可能な熱可塑性樹脂からなることが好ましい。これによって、成形後の成形体におけるこの部分を、均質層に形成でき、機械特性の局部的なばらつきの発生が防止されると共に、不溶の場合に表面に生じる緩やかな凹凸感も解消される。

また、上記表層基材としては、炭素繊維を一方向に引き揃えた一方向炭素繊維シートが２層重ねられ、該２層の一方向炭素繊維シートが、層間に介在された熱可塑性樹脂からなる結着材で互いに固着された基材からなる構成とすることもできる。すなわち、２層の一方向炭素繊維シートが互いに固着されて一体的に取り扱われる形態となる。２層の一方向炭素繊維シートの炭素繊維が結着材を介して互いに固定・保持し合うことになるので、１層のみの一方向炭素繊維シートの場合に比べ、炭素繊維がばらけたり、割れ（糸間の隙間）が生じたりすることが防止あるいは抑制され、取扱い性が大幅に向上される。また、複雑な形状や曲面形状に賦形する際にも割れ（糸間の隙間）が生じにくくなり、割れが生じた場合の樹脂リッチ部分の樹脂硬化の際の退けも防止あるいは抑制される。とくに、成形体の表面形成部位にこのような２層一体型の表層基材を配置することにより、平滑な、かつ不都合な模様等が現れることのない、優れた表面品位が容易に得られることになる。

この一方向炭素繊維シート同士の結着材としても、前記同様、炭素繊維積層体に含浸されるマトリックス樹脂に相溶可能な熱可塑性樹脂からなることが好ましい。また、この２層の一方向炭素繊維シートの炭素繊維の配向方向は、互いに異なる方向に設定されていることが好ましい。とくに、上記２層の一方向炭素繊維シートの炭素繊維の配向方向が、上記炭素繊維積層体を用いて成形される成形体の負荷方向に対応させて設定されていることが好ましい。このようにすれば、異方性の高い一方向炭素繊維シートを用いる場合にあっても、成形される炭素繊維強化樹脂の機械特性を、必要とされる方向に対して最大限高く発揮させることが可能になる。

また、上記炭素繊維不織布としては、実質的に単糸レベルに分散された炭素繊維マットからなることが好ましい。このようにすれば、直下の一方向炭素繊維シートにストランド間凹部が存在する場合にあっても、その凹部を容易に埋めることが可能になる。また、上記炭素繊維不織布は、例えば、湿式の抄紙プロセスにより、望ましい形態にて容易に製造することが可能である。

さらに、上記炭素繊維不織布は、２５ｍｍ以下の長さの炭素繊維短繊維で構成されていることが好ましい。このような短繊維で構成されていることにより、直下の一方向炭素繊維シートにストランド間凹部が存在する場合にあっても、その凹部を比較的容易に埋めることが可能になる。

本発明に係る炭素繊維積層体においては、上記炭素繊維不織布と上記表層基材からなる表層の他に、さらに、他の炭素繊維基材も積層されている構成とすることができる。この他の炭素繊維基材としては、炭素繊維を一方向に引き揃えた一方向炭素繊維シートを用いることもできるし、炭素繊維織物を用いることもできるし、それらを組み合わせた形態とすることもできる。

また、多層に積層された炭素繊維積層体の中間層として、上記一方向炭素繊維シートを有する表層基材および／または隣接する他の炭素繊維基材よりも面方向への樹脂流動抵抗の低い樹脂流動媒体が配置されている構成を採用することもできる。一方向炭素繊維シートは、一般に織物基材に比べて隙間が少ないので樹脂が流動しにくいが、この樹脂の流動しにくさを、中間に配置した樹脂流動媒体によってカバーするのである。即ち、上記他の炭素繊維基材としてこのような樹脂の流動しにくい基材が存在する場合にも、その樹脂の流動しにくさを、中間に配置した樹脂流動媒体によってカバーすることができる。この樹脂流動媒体としては、例えば合成繊維製網状体を適用できる。

本発明は、上記のような炭素繊維積層体を用い、マトリックス樹脂を含浸、硬化させることにより製造された炭素繊維強化樹脂についても提供する。炭素繊維積層体の表面に凹凸が存在せず、樹脂のみの部分が生じることが防止された状態で成形されるので、不都合な模様等の現れない、優れた表面品位の炭素繊維強化樹脂が得られる。

このように本発明に係る炭素繊維積層体によれば、樹脂硬化収縮時の退けに係わる問題を防止でき、優れた表面品位の炭素繊維強化樹脂を得ることが可能になる。

以下に、本発明について、望ましい実施の形態とともに詳細に説明する。
本発明に係る炭素繊維積層体の基本構成の例を図１、図２に示す。図１に示す炭素繊維積層体１においては、最表層として、炭素繊維（ＣＦ）の短繊維から構成される不織布（マット状）シート２が配置され、この最表層直下に、炭素繊維一方向（ＵＤ）シート５を有する表層基材（本実施態様では、２層の炭素繊維ＵＤシート５を有する表層基材）が配設された構成とされる。但し、詳細は後述するが、ＣＦの長さは比較的短く、不織布の目付も比較的小さいものを用いる。表層が、ＣＦ短繊維不織布シート２とその直下の炭素繊維ＵＤシート５からなる表層基材からなり、それ以外の強化繊維積層構成は、例えば図１の様に総て同様な炭素繊維ＵＤシートの積層体からなる基材３からなる。該炭素繊維ＵＤ積層基材３は各層それぞれ所定の方向に配向されている。

図２に示す炭素繊維積層体４においては、最表層がＣＦ短繊維不織布（マット状シート）２／その直下の炭素繊維ＵＤシート５からなる表層基材からなり、それ以外の炭素繊維積層構成が、図１とは異なり、複数枚の炭素繊維織物６からなる。

最表層直下の炭素繊維ＵＤシート５からなる表層基材は、炭素繊維配向のバランス上、図１、図２に示す通り、繊維配向の方向が異なる少なくとも２層から形成されている。この２層の炭素繊維ＵＤシート５は、前述の如く、熱可塑性樹脂からなる結着材により互いに固着させておくことにより、繊維がばらけることなく、一体的に取り扱うことが可能になる。更に、炭素繊維積層体１、４は成形後のアンバランス基材配置による反りや変形を防止するために、上層と下層を、中間層を境に、ほぼ対象（鏡面関係）の繊維配向となるように基材配置とする方が良い。

炭素繊維不織布および炭素繊維ＵＤシートを有する表層基材、他の層として配置されるＵＤ基材や織物基材において用いられる炭素繊維としては、ＰＡＮ系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維のいずれも使用することができる。また、その品種も、高強度特性を発揮する炭化糸でも、高弾性率を発揮する黒鉛化糸のどちらも適用できる。特に、ＣＦ短繊維マット状シート２は表層の硬度を高める意味で、黒鉛化糸が望ましいが、コストとのバランスも考慮して決めればよい。

本発明の基本的な目的、狙いは、ＣＦＲＰ（炭素繊維強化樹脂）成形体の（意匠面側の）表層の凹凸を低減し、平滑性を向上することにある。即ち、従来の強化繊維形態として織物を用いた場合に生じる織り目部の大きな凹凸、ＵＤ基材でもストランド幅方向端部に生じる筋状の凹部を解消し、平坦な金属板表面の表面品位に一層近づけることにある。

図３、図４を参照しながら説明するに、前述の如く、本発明者らは、織物の織り目部の大きな凹部（織り目７）に低線膨張係数の粉体を充填し、それまで樹脂だけで形成されていたことによる該凹部の樹脂硬化退けを低減し、ＣＦＲＰ成形体の（意匠面側の）表層の凹凸を低減する試みを行った（特許文献１）が、該織り目部の大きな凹部（織り目７）に低線膨張係数の粉体を満遍なく充填することが困難なため、結果的に表層の表面品位向上が果たせなかった。また、周知の従来の表層形態を図４に示す。即ち、経糸と緯糸からなる炭素繊維織物６の表層にガラス繊維不織布２０（サーフェスマット：サーフェスと言うように、一般的に表層に配置される）を配置した構成をなす。該ガラス繊維不織布２０は、主に目付が８０〜２００ｇ／ｍ²のものが用いられている。図でも分かるとおり、炭素繊維織物６は、経糸と緯糸が交互に重なり合うので、織り目７に凹部が生じる。該織り目７の深さは、ストランド（炭素繊維単糸より構成される糸束）からなる経糸と緯糸の太さ（ストランドのデニール数）によって様々である（深さは、３〜10μm程度で様々）が、少なくとも図３に示す一方向基材、つまり、一方向炭素繊維シート５からなる基材（これもストランドを並列に並べた状態なので、扁平状の楕円形になり、ストランド端部にはストランド端部同士で微小な凹部が生じる）で生じるストランド端部の凹部の深さよりも、遙かに深い。従来の様に、炭素繊維織物６の表層にガラス繊維不織布２０を配置しても、織り目７まで該ガラス繊維不織布２０のガラス繊維が到達せず、図４に示すように織り目７には空隙が生じる。その様な状態の基材をＲＴＭ成形した場合、該隙間に樹脂が充填され、その樹脂の硬化収縮時に退けを生じて表層の平滑性を低下させる問題を有する。その原因は、表層基材が経糸と緯糸からなる織物であるため、織り目に深い凹部を生じることと、最表層の不織布の繊維単糸の径が炭素繊維等に比べて少々大きい（２倍〜５倍）ことが挙げられる。

その対策として、本発明においては、図３に示すように、
（１）織物の様な（織り目に凹部が生じる様な）織り目を保有しない、炭素繊維の一方向シート５からなる基材を表層に用いる。
（２）最外層（意匠面側）に単糸の径が小さい炭素繊維の不織布２を配置する。
（３）炭素繊維一方向基材（ＵＤ基材）でもストランド間に微小な凹部（0.5〜３μm程度）が生じるので、その凹部に炭素繊維の単糸が入り込む様に、下記の仕様をなす炭素繊維不織布とする。
（ａ）単糸の長さ；１〜50mm、とくに25mm以下が好ましい（一般的なガラス繊維等の不織布は２５〜２００mmが多い）。
（ｂ）目付； 15〜100ｇ／ｍ²／層（目付が高くなると、該不織布基材自体に凹凸が生じる）。
（ｃ）積層数；１〜３層（これ以上積層しても、ストランド間の微小な凹部を埋めることに影響が無くなる）。

更に、実用化のための改善として、次のような施策を講じることが好ましい。
（１）実用化のためには、取り扱い性を改善するために、各層の一体化を図ることが好ましい。
先ず、炭素繊維のＵＤ基材５１は単一方向のＵＤ基材より、配向のバランス上別方向のＵＤ基材と一体化して取り扱える様にする。例えば図５に示すように、配向方向の異なる２層のＵＤ炭素繊維シート５１，５２を各層間に熱可塑性樹脂からなる結着材８を配設して互いに固着する。他のＵＤ基材とも固着して積層体全体として取り扱う方法もあるが、複雑な形状に賦形する必要がある場合は、上述の様に２層単位で固着する方がよい。
（２）必須では無いが、場合によっては上記ＵＤ基材に炭素繊維不織布２を予め固着しておくと取り扱いがより改善される場合がある。
（３）また、その形態も、（１）項の様な２層積層体のＵＤ基材に該不織布を固着させる場合と、単にＵＤシート５１の１層に結着材９を介して固着した炭素繊維不織布２とＵＤ基材５１の積層体（結着材９も介在）として取り扱う場合もある。

結着材８、９の材質は熱可塑性樹脂であり、例えば以下の種類のものが使用できる。形態としても、繊維状（不織布、織布）、粒子状のどの形態でも適用できる。
例えばポリエステル、ポリオレフィン、スチレン系樹脂、ポリオキシメチレン、ポリアミド、ポリウレタン、ポリウレア、ポリジシクロペンタジエン、ポリカーボネート、ポリメチレンメタクリレート、ポリ塩化ビニル、ポリフェニレンサルファイド、ポリフェニレンエーテル、ポリエーテルイミド、ポリスルホン、ポリアリレート、ポリエーテルスルホン、ポリケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリアリレート、ポリエーテルニトリル、ポリイミド、ポリアミドイミド、フェノール、フェノキシ、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素系樹脂、更にエラストマー（好ましくはブタジエン・アクリロニトリル、そのカルボン酸またはアミン変性体、フルオロエラストマー、ポリシロキサンエラストマー）、ゴム（ブタジエン、スチレン・ブタジエン、スチレン・ブタジエン・スチレン、スチレン・イソプレン・スチレン、天然ゴム等）、ＲＩＭ用樹脂（例えばポリアミド６、ポリアミド１２、ポリウレタン、ポリウレア、ポリジシクロペンタジエンを形成する触媒等を含むもの）、環状オリゴマー（ポリカーボネート樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂等を形成する触媒等を含むもの）等や、これらの共重合体、変性体、および２種類以上ブレンドした樹脂等を使用することができる。中でも、不織布として入手が容易なポリアミド、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリフェニレンサルファイドから選ばれる少なくとも１種が好ましい。結着材８、９それぞれの材質は、必ずしも同一である必要はない。また、同一材質の場合には、使用分量を変えてもよい。

実用化のための更なる改善として、次のような施策を講じることも好ましい。
（１）例えば図６に示すように、炭素繊維の一方向基材５０を用いた場合は、織物の様なクリンプによる隙間が殆ど無いため、ＲＴＭ成形方法の様な樹脂注型による成形方法では樹脂の流路確保が難しいので、特に、基材長手方向への樹脂流動を補助する機材が必要である。
（２）強化繊維のＵＤ積層基材５０の長手方向（厚み方向ではなく）の樹脂流動を改善するために、図６に示すように一方向基材５０より長手方向の樹脂流動抵抗が低い樹脂流動媒体１０を炭素繊維積層基材１１（意匠面側には、表層に結着材９を介して炭素繊維不織布２を配設）の層間に配置する。層間ならどこでもよいが、厚み方向の中央部が流れのバランス上良い。また、積層枚数が多い場合（１０層以上の様に）は、該樹脂流動媒体１０を複数（２または３層）設けると効果的である。

（３）樹脂流動媒体１０は、強化繊維からなるＵＤ積層基材５０の面方向の樹脂流動抵抗より低い樹脂流動特性（例えば、ＵＤ積層基材５０に対して１／２〜１／２０の流動抵抗）をなす媒体であれば殆ど適用可能であるが、材質としてＦＲＰ成形品のマトリックス樹脂との接着性や濡れ性が所定の特性を下回らない様に選定する必要がある。その様な特性をクリアーすると共に経済性からも樹脂製が望ましいが、無機繊維の強化繊維を用いてもよい。樹脂製としては、低い流動抵抗をなすように構成しやすい織布や不織布が形成可能な熱可塑性樹脂が最適である。特に、短繊維又は連続繊維からなるマット形態や、連続繊維でもメッシュ状の織物等は好適である。また、樹脂充填量の観点から樹脂流動媒体１２の目付としては、１００〜１，０００ｇ／ｍ²の範囲とすることが好ましい。

樹脂流動媒体の具体的な材料としては、例えば下記のものが挙げられる。
（１）耐炎糸不織布：トラスコ中山（株）製カーボンフェルト５０ＣＦ（布帛の形態：フェルト状不織布、目付：６８０ｇ／ｍ²）。
（２）コンティニアスストランドマット：日本板硝子社製（布帛の形態：ガラス連続繊維不織布、目付：３００〜６００ｇ／ｍ²）。
（３）ガラス繊維不織布：日東紡社製サーフェスマットＭＦ３０Ｐ１００ＢＳ６（布帛の形態：ガラス連続繊維不織布、目付：３０ｇ／ｍ²）。適用時は５〜１５ｐｌｙ積層する。
（４）チョップドストランドマット：旭ファイバーグラス社製“ガラスロン”CM（布帛の形態：ガラス短繊維不織布、目付：３００〜６００ｇ／ｍ²）。
（５）メッシュ織物：ＮＢＣ社製ナイロンメッシュンＮＢ２０（布帛の形態：ナイロン平織物、厚み：５２０μm）。
また、該樹脂流動媒体１０の規定として、樹脂含浸係数が１×１０^-10 ｍ²以上の低樹脂流動抵抗のものが良い。

ここで樹脂含浸係数とは、以下の測定法により測定された値のことである。
樹脂の含浸過程において、基材に含浸する樹脂の挙動は下式に示すダルシー則に従うことが知られており、含浸速度は以下の式で得られる。
ｖ＝（Ｋ／μ）×（ΔＰ／ΔＬ）・・・（１）
ここで、ｖ（ｍ／ｓ）は含浸速度、Ｋ（ｍ²）は含浸係数、μは樹脂粘度（Ｐａ・ｓ）、ΔＰ（Ｐａ）／ΔＬ（ｍ）は単位長さ当たりの圧力勾配である。この式を時間ｔ（ｓ）で積分すれば、含浸係数は以下の式で得ることができる。
Ｋ＝（Ｌ×Ｌ×μ）／（２×Ｐ×ｔ）・・・（２）
ここで、Ｌ（ｍ）は樹脂注入口からフローフロント（流動樹脂の先端）までの距離である。（２）式から、樹脂注入口からフローフロントまでの距離とそこへの到達時間、樹脂粘度、成形圧力が分かれば、含浸係数が計算できる。よって含浸係数の測定は、一例として図８に示すような装置を用いて平板のような基本形状に対して含浸係数測定実験を行い、これらを測定することで含浸係数Ｋが測定できる。

図８に示すような樹脂含浸係数測定装置３１を用い、該装置３１内をゲージ圧で-100kPaよりも真空度の高い圧力を保持することで、圧力ΔＰを100kPaとする。また測定においては、実際の樹脂を用いて、成形温度中で測定することが好ましいが、予め成形温度下での樹脂粘度が分かっていれば、その粘度に調整した液体、例えばシリコンオイルやエーテル系合成油等を用いて測定することもできる。なお、樹脂中入口からフローフロントまでの距離Ｌは、本発明では、５００mmとし、この時の樹脂の到達した時間ｔを1/100secまで測定可能なディジタル式のストップウオッチで計測する。更にこれら測定は、計３回行った平均値を用いて、含浸係数を算出する。図８において、３１は含浸係数測定装置、３２は樹脂タンク、３３は真空ポンプ、３４は基材、３５は注入口、３６は排出口を、それぞれ示している。

本発明の表層基材構成（図３）と従来の表層基材構成（図４）で形成した積層基材を用い、ＲＴＭ成形方法でＣＦＲＰ成形体を試作した結果を示す。
成形条件と手順は以下の通りであり、本発明の表層基材構成と従来の表層基材基材構成で、ＲＴＭ成形に関する成形条件、手順などについては一切同じである。
試作品の形状、寸法：
形状は、図７に示す通り断面が段付き部を有する矩形状皿状体であり、寸法は、外周がほぼ70cm角で、最大深さが15cm。板厚が1.2〜1.5mmである。

成形手順（本発明の実施例）
（１）図６に示した炭素繊維積層体１１を作成する。
炭素繊維UD積層基材５０は、以下の仕様に基づく。
炭素繊維；東レ（株）炭素繊維“トレカ”Ｔ３００×６Ｋ糸を、ＵＤ積層体の目付が２００g/ｍ²になるように幅１ｍまで引き揃えた一方向シートを上下２層に配設した。上下２層の配向角度は互いの交差角度が９０度をなす。該炭素繊維UD積層基材５０を樹脂流動媒体１０を介在させて、６層積層して炭素繊維積層体５１を形成した。
層間の固着材；目付が８０ｇ／ｍ²、融点が２２０℃、溶融粘度が９０Ｐａ・ｓ（２７０℃、剪断速度１,０００／ｓ）のポリアミド６製不織布。
意匠面側の最表層（表面）の炭素繊維不織布；東レ（株）“トレカ”Ｔ７００×１２Ｋ糸をカット長３〜１２mmに切断してランダムに分散させ、所定の固着材で結束したランダムストランドマット。
炭素繊維不織布２と炭素繊維積層体５１の固着材；目付が５０ｇ／ｍ²、融点が２２０℃、溶融粘度が９０Ｐａ・ｓ（２７０℃、剪断速度１,０００／ｓ）のポリアミド６製不織布。

（２）この炭素繊維積層体１１を図７に示す成形体の形状に、予め賦形する。
その方法は、図示は省略するが、図７の下型１３と同等のAL製賦形型上に積層体１１を配置し、その上からバギング用フィルムを被せ、フィルムと型面とのシール処理をしてフィルム内をゆっくり減圧して行く。その際賦形型は、型内に内蔵したヒータにてUD積層体の固着材として用いた熱可塑性樹脂の軟化温度まで加熱しておく。減圧して真空圧で賦形された積層体１１は、型を冷却して賦形した形状（成形体の形状）に固定させる。

（３）賦形された積層体１１の強化繊維部の外周端部をほぼ成形品寸法まで鋏みにてトリミングする。一方中間層部に配置した樹脂流動媒体は、上記強化繊維部の外周端部より少々（５〜２０mm程度）大きめにトリミングする。

（４）賦形した後に外周端部をトリミングした積層体１１を、予め成形面上に離型剤が塗布されたRTM成形型の下型１３にレイアップする。

（５）レイアップ後、上型１２を下降させて下型１３に上記積層体１１を密着させるために押圧する。

（６）上下型が密着し締結した後、型内を減圧して型内の空気を排除する。

（７）型は当初より（約８０℃に）加熱しておき、型内の減圧が終了した後、直ちにエポキシ樹脂を約0.5ＭＰａの樹脂圧で型内への樹脂注入を開始する。

（８）樹脂を注入し、積層体１１への含浸が終了した時点から約４０分加熱保持する。

（９）その後、上型１２を上昇させて開放し、下型から成形品を脱型する。

成形手順（従来技術の場合：比較例）
（１）図６に示す積層体１１を作成する。
炭素繊維織物は、以下の仕様に基づく。
炭素繊維織物；東レ（株）炭素繊維“トレカ”Ｔ３００×６Ｋ糸からなる織物CO６３４３Ｂ（目付；約２００g/ｍ²；幅１ｍ）を樹脂流動媒体１０を介在して、６層積層して炭素繊維積層体５１を形成した。
織物の層間の固着材；上記実施例におけるＵＤ基材層間の固着材と同様
〔目付が８０ｇ／ｍ²、融点が２２０℃、溶融粘度が９０Ｐａ・ｓ（２７０℃、剪断速度１,０００／ｓ）のポリアミド６製不織布。〕
意匠面側の最表層（表面）の炭素繊維不織布；上記実施例と同様、但し、表層側の炭素繊維織物層上に配置
〔東レ（株）“トレカ”Ｔ７００×１２Ｋ糸をカット長３〜１６mmに切断してランダムに分散させ、所定の固着材で結束したランダムストランドマット。〕
炭素繊維不織布２と炭素繊維積層体５１の固着材；上記実施例と同様
〔目付が５０ｇ／ｍ²、融点が２２０℃、溶融粘度が９０Ｐａ・ｓ（２７０℃、剪断速度１,０００／ｓ）のポリアミド６製不織布。〕
2)〜9)に記載の各工程は、実施例に記載の工程と全く同様である。

成形品の比較
上記実施例と比較例に記載の炭素繊維積層体５１の基材の相違により、ＣＦＲＰ成形後の成形品を評価した結果、以下の相違が有った。
（評価結果）成形品の炭素繊維不織布２を配設した意匠面側の表面粗さは、本発明の実施例の構成の場合は0.2〜0.6μmであるのに対し、従来の織物基材に炭素繊維不織布２を配設した構成では0.8〜2.4μmであった。

上記成形品の表面粗さの測定結果の通り、本発明では表面品位が大きく改善される。特に、表面粗さが0.6μm以下に達していることから、自動車等の鋼板による外観品位と殆ど同等の品位が得られるようになった。

このような本発明によるＦＲＰ成形体の適用分野としては、例えば次のような分野が挙げられる。
(1) 航空機部材、鉄道車両部材、自動車部材、自動二輪車部材などの輸送用分野
(2) テニスラケット、ゴルフシャフト、スキー、スノーボード、ボートなどのスポーツ用品分野
(3) 風車ブレード、ロボットアーム、医療機器（X線天版など）、ロールなどの一般産業用分野
中でも、要求強度が高く、表面意匠性が問われる用途に競争力を発揮する。

本発明に係る炭素繊維積層体およびそれを用いた炭素繊維強化樹脂は、あらゆる炭素繊維強化樹脂の成形用に適用でき、とくに高い表面品位が要求される分野に好適なものである。

本発明の一実施態様に係る炭素繊維積層体の分解斜視図である。 本発明の別の実施態様に係る炭素繊維積層体の分解斜視図である。 本発明に係る炭素繊維積層体の表層部の基本形態例を示す概略断面図である。 従来の炭素繊維積層体の表層部の形態例を示す概略断面図である。 本発明における表層基材の構成例を示す概略断面図である。 本発明における多層積層形態例を示す概略断面図である。 実施例、比較例における成形の状態を示す概略断面図である。 含浸係数測定装置の概略構成図である。

符号の説明

１、４ 炭素繊維積層体
２ 炭素繊維不織布（マット状シート）
３ 一方向炭素繊維シートからなる基材
５ 一方向炭素繊維シート
６ 炭素繊維織物
８、９ 結着材
１０ 樹脂流動媒体
１１ 炭素繊維積層体
３１ 含浸係数測定装置
３２ 樹脂タンク
３３ 真空ポンプ
３４ 基材
３５ 注入口
３６ 排出口
５０ 基材（表層基材も含む）
５１ 基材の積層体

Claims (15)

1. 表層を、最表層を形成する炭素繊維不織布と、該最表層の直下に位置する層として炭素繊維が一方向に引き揃えられた一方向炭素繊維シートを有する表層基材とから形成したことを特徴とする炭素繊維積層体。
2. 前記炭素繊維不織布と前記表層基材の一方向炭素繊維シートが熱可塑性樹脂からなる結着材で互いに固着されている、請求項１に記載の炭素繊維積層体。
3. 前記結着材が、炭素繊維積層体に含浸されるマトリックス樹脂に相溶可能な熱可塑性樹脂からなる、請求項２に記載の炭素繊維積層体。
4. 前記表層基材が、炭素繊維を一方向に引き揃えた一方向炭素繊維シートが２層重ねられ、該２層の一方向炭素繊維シートが、層間に介在された熱可塑性樹脂からなる結着材で互いに固着された基材からなる、請求項１〜３のいずれかに記載の炭素繊維積層体。
5. 前記結着材が、炭素繊維積層体に含浸されるマトリックス樹脂に相溶可能な熱可塑性樹脂からなる、請求項４に記載の炭素繊維積層体。
6. 前記２層の一方向炭素繊維シートの炭素繊維の配向方向が、互いに異なる方向に設定されている、請求項４または５に記載の炭素繊維積層体。
7. 前記炭素繊維不織布が、実質的に単糸レベルに分散された炭素繊維マットからなる、請求項１〜６のいずれかに記載の炭素繊維積層体。
8. 前記炭素繊維不織布が、抄紙プロセスで製造された不織布からなる、請求項１〜７のいずれかに記載の炭素繊維積層体。
9. 前記炭素繊維不織布が、２５ｍｍ以下の長さの炭素繊維短繊維で構成されている、請求項１〜８のいずれかに記載の炭素繊維積層体。
10. 前記表層の他に、さらに、他の炭素繊維基材も積層されている、請求項１〜９のいずれかに記載の炭素繊維積層体。
11. 前記他の炭素繊維基材が、炭素繊維を一方向に引き揃えた一方向炭素繊維シートからなる、請求項１０に記載の炭素繊維積層体。
12. 前記他の炭素繊維基材が、炭素繊維織物からなる、請求項１０に記載の炭素繊維積層体。
13. 中間層として、前記一方向炭素繊維シートを有する表層基材および／または隣接する他の炭素繊維基材よりも樹脂流動抵抗の低い樹脂流動媒体が配置されている、請求項１０〜１２のいずれかに記載の炭素繊維積層体。
14. 前記樹脂流動媒体が合成繊維製網状体からなる、請求項１３に記載の炭素繊維積層体。
15. 請求項１〜１４のいずれかに記載の炭素繊維積層体を用い、マトリックス樹脂を含浸、硬化させることにより製造された炭素繊維強化樹脂。

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