JP2008230235A - サンドイッチ構造体、およびそれを用いた成形体、電子機器筐体 - Google Patents

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Abstract

【課題】軽量性、薄肉性に優れたサンドイッチ構造体を提供すること、および、このサンドイッチ構造体を他の部材と一体化することであり、しかも量産性よく製造することができるとともに、軽量性、薄肉性に優れた成形体を提供する。
【解決手段】ハニカム構造、島状構造、または、表面と平行方向に貫通した空隙部位を有する構造のうちの少なくとも1つの構造を形成してなる芯材(I)と、該芯材(I)の両面に配置された、連続した強化繊維(A)とマトリクス樹脂(B)で構成される繊維強化材(II)からなるサンドイッチ構造体(III)であって、該サンドイッチ構造体(III)の最大厚みが0.3〜2.0mmであるサンドイッチ構造体。
【選択図】なし

Description

本発明は、軽量性、薄肉性、剛性に優れたサンドイッチ構造体に関する。詳しくは、本発明のサンドイッチ構造体は、特定の芯材の両面に繊維強化材が配置されてなり、とりわけ軽量性と薄肉性に優れた特性を有する。
さらに、本発明は、前記サンドイッチ構造体からなり面形状を有する部材と、厚み方向に対してハニカム構造を有する部材とが一体化されてなる成形体に関する。この成形体は、電気・電子機器、オフィスオートメーション機器、家電機器、医療機器または自動車部品、航空機部品、建材などに好ましく用いられる。
連続した強化繊維群で強化された繊維強化樹脂(FRP)は、航空機、自動車、二輪車、自転車などの輸送機器用途、テニス、ゴルフ、釣り竿などのスポーツ用品用途、耐震補強材などの建設構造物用途など、軽量性と力学特性が要求される構造体の材料として、頻繁に使用されている。
力学特性を確保しつつ軽量性を高めた構造体として、軽量な芯材(コア)の表皮(スキン)に、FRPが配置されてなるサンドイッチ構造体が知られている。構造体の軽量化を図るため、より軽量な芯材の選択が行われ、特に圧縮特性に優れているハニカムコアコアなどが航空機の構造部材を初め自動車部材、建造物部材やパネル部材などに、広く用いられている。
特許文献1には、ハニカム構造をコアとしたサンドイッチ構造体が提案され、この構造体は、軽量で剛性の高い構造部材として有用であるとされている。
特許文献2には、樹脂からなるハニカムコアが提案され、このハニカムコアは曲面形状等の成形性に優れるため、自動車用のバンパー用途等の部材に有用である。
特許文献3には、プラスチック製ハニカムコアが提案されている。
しかしながら、これらのサンドイッチ構造体では、薄肉性と機械特性を両立させることが難しく、あるいは、薄肉で複雑な形状を有する成形体を、量産性よく製造するには限界があった。
特許文献1のサンドイッチ構造体は、ハニカム厚みが厚い板状成形体のため、薄肉性に劣る。また、ハニカムが厚いと、成形性に問題が生じるため複雑な形状を有する成形体の形成に用いることができない。
特許文献2のハニカムコアは、ハニカムの材質を樹脂にして、一部のセル壁に屈曲性を持たせることで、良好な成形性を発現させている反面、セル壁の屈曲部分の機械特性が不十分であるため、サンドイッチ構造体にした時の機械特性も不十分になる。
特許文献3のハニカムコアは、熱可塑性樹脂フィルムを多数層積層させた後、展張することで得られるが、やはり生産性、薄肉性に問題があった。
サンドイッチ構造体の薄肉性は、コアの厚みが大きく影響する。しかしながら、そもそものサンドイッチ構造体は、剛性向上の効果を高めるために、コア材は、ある程度の厚みを有していることが通常であり、軽量性と薄肉性との双方を満足し、かつ、実用性に優れたコア材は、提案されていない。従来知られているハニカムコアでは、厚さが薄いものを製造することが困難で、厚いハニカムをプレス成形して薄くしても、ハニカムのセルが破壊するなどの問題があり、薄肉化には限界があった。
一方で、FRPの用途として、パソコン、オフィスオートメーション機器、オーディオビジュアル機器、携帯電話、電話機、ファクシミリ、家電製品、玩具用品などの電気・電子機器の筐体がある。これらは、量産性、成形性、生産性、経済性が求められるだけでなく、近年は、薄型で軽量であることが要望されている。この要求に対し、薄肉性と、剛性に優れたマグネシウム合金が活用されているが、金属材料は比重が大きいために、軽量性の点では必ずしも満足するには至っていない。
特許文献4には、面形状のFRPと、熱可塑性の部材とを一体化することで、量産性を確保しつつ、薄肉性、剛性と軽量性に優れた電子機器筐体が提案されている。ノートパソコン、電話、情報端末などの電子機器の携帯化や、ユーザー層の高齢化が今後ますます加速することが予測され、これら携帯情報端末(PDA)に挙げられる電子機器筐体のさらなる軽量化が求められている。
特開平8−258189号公報 特開平8−142237号公報 特開昭56−98159号公報 特開2004−140255号公報
本発明の目的は、かかる従来技術に鑑み、軽量性、薄肉性に優れたサンドイッチ構造体を提供することにある。本発明の他の目的は、このサンドイッチ構造体を他の部材と一体化することであり、しかも量産性よく製造することができるとともに、軽量性、薄肉性に優れた成形体を提供することにある。
かかる課題を解決するための本発明は、以下の構成からなる。すなわち、
(1)ハニカム構造、島状構造、または、表面と平行方向に貫通した空隙部位を有する構造のうちの少なくとも1つの構造を形成してなる芯材(I)と、該芯材(I)の両面に配置された、連続した強化繊維(A)とマトリクス樹脂(B)で構成される繊維強化材(II)からなるサンドイッチ構造体(III)であって、該サンドイッチ構造体(III)の最大厚みが0.3〜2.0mmであるサンドイッチ構造体。
(2)前記サンドイッチ構造体(III)の、JIS−K 7181(2006)に基づく圧縮試験において、本明細書に記載の方法で測定した25%ひずみ時の比圧縮応力が5MPa以上である、(1)に記載のサンドイッチ構造体。
(3)前記芯材(I)のJIS−K 7181(2006)に基づく圧縮試験において、本明細書に記載の方法で測定した25%ひずみ時の比圧縮応力が15MPa以上である、(1)または(2)のいずれかに記載のサンドイッチ構造体。
(4)前記芯材(I)の最大厚みが0.1〜1.8mmである、(1)〜(3)のいずれかに記載のサンドイッチ構造体。
(5)前記サンドイッチ構造体(III)の比重が0.1〜1.5である、(1)〜(4)のいずれかに記載のサンドイッチ構造体。
(6)前記ハニカム構造を形成してなる芯材(I)の、セルの断面形状が真円状、楕円状、および六角形状から選択される少なくとも1種である、(1)〜(5)のいずれかに記載のサンドイッチ構造体。
(7)前記島状構造を形成してなる芯材(I)の島状形状が、正方形状、長方形状、波線状、真円状、および三角形状から選択される少なくとも1種である、(1)〜(5)のいずれかに記載のサンドイッチ構造体。
(8)前記表面と平行方向に貫通した空隙部位を有する構造を形成してなる芯材(I)の貫通した空隙部位の形状が、三角形状、正方形状、長方形状、真円状および、山形状から選択される少なくとも1種である、(1)〜(5)のいずれかに記載のサンドイッチ構造体。
(9)前記ハニカム構造、島状構造、または、表面と平行方向に貫通した空隙部位を有する構造のうちの少なくとも1つの構造を形成してなる芯材(I)の、下記式(1)〜(3)のいずれかで計算される空隙率が20〜95%である、(1)〜(8)のいずれかに記載のサンドイッチ構造体。
空隙率(%)=(ハニカム構造のセル内の総断面積/芯材の見かけ断面積)×100:式(1)
空隙率(%)=(1−(島状構造の総断面積/芯材の見かけ断面積))×100:式(2)
空隙率(%)=(表面と平行方向に貫通した空隙部位の総断面積/表面と平行方向における芯材の見かけ断面積)×100:式(3)。
(10)前記ハニカム構造、島状構造、または、表面と平行方向に貫通した空隙部位を有する構造のうちの少なくとも1つの構造を形成してなる芯材(I)の、セルの断面形状における最大長さ、島状構造の間隔、または、空隙部位における最大長さがのいずれか1〜10mmである、(1)〜(9)のいずれかに記載のサンドイッチ構造体。
(11)前記芯材(I)のセル壁厚、または、島状部分の幅の少なくとも一部が、0.05〜1mmである(1)〜(10)のいずれかに記載のサンドイッチ構造体。
(12)前記ハニカム構造、または、表面と平行方向に貫通した空隙部位を有する構造芯材(I)の、セルの断面積、または、空隙部分の断面積が25mm以下である、(1)〜(11)のいずれかに記載のサンドイッチ構造体。
(13)前記芯材(I)が、熱可塑性樹脂である、(1)〜(12)のいずれかに記載のサンドイッチ構造体。
(14)前記熱可塑性樹脂がポリオレフィン系樹脂、ポリエステル系樹脂、およびポリアミド樹脂から選択される少なくとも1種である、(13)記載のサンドイッチ構造体。
(15)前記ポリオレフィン系樹脂がポリプロピレン樹脂である、(14)記載のサンドイッチ構造体。
(16)前記強化繊維(A)が炭素繊維である、(1)〜(15)のいずれかに記載のサンドイッチ構造体。
(17)前記マトリクス樹脂(B)が熱硬化性樹脂である、(1)〜(16)のいずれかに記載のサンドイッチ構造体。
(18)前記芯材(I)と前記繊維強化材(II)の層間に、接着層が配置されてなる、(1)〜(17)のいずれかに記載のサンドイッチ構造体。
(19)前記接着層が、変性ポリオレフィン系樹脂、ポリエステル樹脂、およびポリアミド樹脂から選択される少なくとも1種から構成される、(18)記載のサンドイッチ構造体。
(20)前記接着層の一部が、前記繊維強化材(II)を構成する強化繊維(A)の繊維間に含浸されてなる、請求項18または19記載のサンドイッチ構造体。
(21)前記サンドイッチ構造体(III)が、曲率半径3mm以上の曲面部を有する、(1)〜(20)に記載のサンドイッチ構造体。
(22)(1)〜(21)のいずれかに記載のサンドイッチ構造体からなる第1の部材と、別の構造部材からなる第2の部材が接合されて一体化された成形体。
(23)(1)〜(21)のいずれかに記載のサンドイッチ構造体からなる面板と、フレーム部分とが一体化された成形体であって、電気・電子機器、オフィスオートメーション機器、家電機器、医療機器、自動車部品、航空機部品、または建材に用いられる成形体。
(24)(1)〜(21)のいずれかに記載のサンドイッチ構造体からなる天面と、熱可塑性樹脂からなるフレーム部分とを有する電子機器筐体であって、前記天面と前記フレーム部分とが一体化された電子機器筐体。
(25)前記サンドイッチ構造体と、前記フレーム部分とが熱可塑性樹脂層を介して一体化された(24)記載の電子機器筐体。
である。
本発明のサンドイッチ構造体は、その特徴的な構造に基づく、優れた力学特性、軽量性、ならびに、薄肉性を有する。さらに、軽量、薄肉である本発明のサンドイッチ構造体は比圧縮応力が非常に優れている。また、本発明のサンドイッチ構造体を用いた一体化成形体は、電気・電子機器の部品、部材や筐体として好適に用いられ、さらには、携帯電話、ノートパソコン等に挙げられる携帯情報端末(PDA)等に最も好適に用いられる。
以下に、本発明のサンドイッチ構造体、および、これを用いた一体化成形体について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明が図面に記載の発明に限定されるものでは無い。
(サンドイッチ構造体)
本発明のサンドイッチ構造体は、ハニカム構造、島状構造、または、表面と平行方向に貫通した空隙部位を有する構造のうちの少なくとも1つの構造を形成してなる芯材とその両面に配置された、連続した強化繊維(A)とマトリクス樹脂(B)で構成される繊維強化材(II)からなるサンドイッチ構造体(III)であって、該サンドイッチ構造体(III)の最大厚みが0.3〜2.0mmの範囲であるサンドイッチ構造体である。
本発明の芯材(I)は、芯材の厚み方向に貫通したセル(小部屋)を持つハニカム構造体を形成していること、または、芯材が島状に独立して存在する島状構造を形成していること、または、芯材の表面と平行方向に貫通した空隙部位を有する構造を形成していることを必須とする。空間部が芯材の上下左右に貫通し、また空間部を覆うセル壁、あるいは、空間部を埋める芯材壁が上下に連続して形成することで、軽量かつ機械特性が良好なサンドイッチ構造体を得ることができるからである。
本発明のサンドイッチ構造体の最大厚みは、薄肉性という観点からも0.3mm〜2mmの範囲が好ましく用いられ、0.3〜1.5mmがさらに好ましく、0.3〜1.2mmが最も好ましく用いられる。なお、サンドイッチ構造体の厚みが前記範囲を満足していれば、芯材(I)の厚み、および繊維強化材(II)の厚みは特に限定されるものではないが、芯材(I)の厚みは、下記(芯材(I)の厚み)の項で述べる範囲であることが好ましい。
ここで述べる最大厚みとは、ハニカム構造、島状構造、または、表面と平行方向に貫通した空隙部位を有する構造のうちの少なくとも1つの構造の芯材で構成される前記サンドイッチ構造体の最も厚い部分の厚みを指しており、リブ部や凹凸部、突起などの形状が意図的に付されている部分は含まない。
図1は、本発明のサンドイッチ構造体の一例を第1の部材として用いた本発明の成形体の一例を示す斜視図である。図1において、成形体3は、分解された状態で描かれている。図1の成形体3は、第1の部材(天板)1と、ボス部4とヒンジ部5を有する第2の部材(フレーム)2とからなるノートパソコン筐体を示している。
図2は、本発明のサンドイッチ構造体(III)の一例の斜視図である。図2において、本発明のサンドイッチ構造体(III)は、分解された状態で示されている。図2において、本発明のサンドイッチ構造体(III)8は、ハニカム構造の芯材(I)6と芯材(I)6の両面に配置された繊維強化材(II)7からなる。繊維強化材(II)7は、連続した強化繊維(A)とマトリックス樹脂(B)とから形成されている。芯材(I)6と繊維強化材(II)7とは接着され、サンドイッチ構造体(III)8が形成される。
図3および図4は、本発明のサンドイッチ構造体(III)の一例の斜視図である。図3および図4において、本発明のサンドイッチ構造体(III)は、分解された状態で示されている。図3および図4において、本発明のサンドイッチ構造体(III)8は、島状構造の芯材(I)6と芯材(I)6の両面に配置された繊維強化材(II)7からなる。繊維強化材(II)7は、連続した強化繊維(A)とマトリックス樹脂(B)とから形成されている。芯材(I)6と繊維強化材(II)7とは接着され、サンドイッチ構造体(III)8が形成される。
図5は、本発明のサンドイッチ構造体(III)の一例の斜視図である。図5において、本発明のサンドイッチ構造体(III)は、分解された状態で示されている。図5において、本発明のサンドイッチ構造体(III)8は、表面と平行方向に貫通した空隙部位を有する構造の芯材(I)6と芯材(I)6の両面に配置された繊維強化材(II)7からなる。繊維強化材(II)7は、連続した強化繊維(A)とマトリックス樹脂(B)とから形成されている。芯材(I)6と繊維強化材(II)7とは接着され、サンドイッチ構造体(III)8が形成される。
(サンドイッチ構造体の比圧縮応力)
本発明のサンドイッチ構造体は薄肉性、軽量性に優れ、とりわけ比圧縮応力が非常に優れている。なお、本発明におけるサンドイッチ構造体の比圧縮応力とは、次に説明する試験方法で検証できる。
芯材(I)と、連続した強化繊維(A)とマトリクス樹脂(B)で構成される繊維強化材(II)が該芯材(I)の両面に配置されてなる最大厚みが0.3〜2.0mmである、本発明に係るサンドイッチ構造体(III)の平板部分を打ち抜きポンチ(トラスコ中山(株)製“ベルトポンチ PO−29”)で打ち抜いて、外径φ29mmかつ、サンプル最大厚み0.3〜2.0mmの範囲に該当する円盤状サンプルを得る。
円盤状のサンプル最大厚みが0.8mm未満の場合には同一のサンプルを複数層積み重ねて0.8mm以上になるようにした状態で圧縮試験を行う。またサンプル最大厚みが0.8mm以上ある時はサンプル1枚で圧縮試験を行う。圧縮試験ジグには、直径50mm×厚み25mmの円筒形状のジグを用いて、平面部分が試験片の全面に当たるようにして圧縮試験を行う。
圧縮試験の試験条件はクロスヘッド試験速度を1mm/minにした以外はJIS−K 7181(2006)に基づき、引張試験装置“インストロン”(登録商標)5565型万能材料試験機(インストロン・ジャパン(株)製)にて圧縮試験を行う。圧縮応力が0.05MPa時のひずみを0%として、25%ひずみ時の圧縮応力を測定し、下記式(4)によって比圧縮応力を算出する。
比圧縮応力=25%ひずみ時の圧縮応力/サンドイッチ構造体の見かけ比重 :式(4)。
[サンドイッチ構造の見かけ比重の算出方法]
式(4)に用いられるサンドイッチ構造体の比重は、一般的にいう見かけ比重(嵩比重)のことであり、サンドイッチ内部に存在する空隙部の重量および体積も含まれた比重を意味する。サンドイッチ構造体の比重を算出するためには、サンドイッチ構造体の見かけ体積を算出する。ここで、サンドイッチ構造体の見かけ体積は、サンドイッチ構造体の平板部分を切り出し、外形を測定して見かけ体積を算出することにより求められる。
<1.平板形状のサンドイッチ構造体の場合>
サンドイッチ構造体の見かけ比重の算出は、サンドイッチ構造体をカットして、該サンドイッチ構造体の外形をノギスまたはマイクロメーターで測定し、該芯材の見かけの体積V1を算出する。さらに該芯材の重量W1を精密天秤で測定し、下記式(5)によって比重を算出する。
芯材の見かけ比重(平板)=(重量W1/体積V1)/水の密度 :式(5)
水の密度:重量W1・体積V1を測定した時の室温と同じ温度の水の密度(g/cm)。
<2.曲面形状のサンドイッチ構造体の場合>
サンドイッチ構造体が曲面部分のみで形成されており、外形測定からの見かけ体積算出が困難である場合、JIS−K 7112(2006)に記載のA法(水中置換法)によって、サンドイッチ構造体の見かけ体積を算出し、見かけ比重を算出する。
サンドイッチ構造体に良好な圧縮特性および軽量性を満足させるためには、比圧縮応力が5MPa以上であることが好ましく、6MPa以上であることがさらに好ましく、7MPa以上であることが最も好ましい。比圧縮応力の上限については特に限定はないが、比圧縮応力が50MPa程度であれば、軽量・剛性を発現する上では十分である。
(芯材の比圧縮応力)
本発明のサンドイッチ構造体に良好な機械特性および、薄肉性、軽量性を両立させるためには、サンドイッチ構造体に用いる芯材(I)も、機械特性および薄肉性、軽量性に優れていなければならない。
本発明のサンドイッチ構造体に用いられる芯材(I)の比圧縮応力とは、次に説明する試験方法で検証できる。
最大厚みが0.1〜1.8mmである芯材(I)の平板部分を打ち抜きポンチ(トラスコ中山(株)製“ベルトポンチ PO−29”)で打ち抜いて、外径φ29mmかつ、サンプル最大厚み0.1〜1.8mmの範囲に該当する円盤状サンプルを得る。
円盤状のサンプル最大厚みが0.3mm未満の場合には同一のサンプルを複数層積み重ねて0.3mm以上になるようにした状態で圧縮試験を行う。島状構造の芯材を評価する場合には、芯材を単独で切り出して空隙部分を維持した状態で扱うことが困難であるため、島状構造の形態を維持するように、上下面を両面テープや粘着テープで仮止めしたモデルを作成して評価する。またサンプル最大厚みが0.3mm以上ある時はサンプル1枚で圧縮試験を行う。圧縮試験ジグには、直径50mm×厚み25mmの円筒形状のジグを用いて、平面部分が試験片の全面に当たるようにして圧縮試験を行う。
圧縮試験の試験条件はクロスヘッド試験速度を1mm/minにした以外はJIS−K 7181(2006)に基づき、引張試験装置“インストロン”(登録商標)5565型万能材料試験機(インストロン・ジャパン(株)製)にて圧縮試験を行った。圧縮応力が0.05MPa時のひずみを0%として、25%ひずみ時の圧縮応力を測定し、下記式(6)によって比圧縮応力を算出する。
比圧縮応力=25%ひずみ時の圧縮応力/芯材の見かけ比重 :式(6)。
[芯材の見かけ比重の算出方法]
式(6)に用いられる芯材の比重は、一般的にいう見かけ比重(嵩比重)であり、サンドイッチ内部に存在する空隙部の重量および体積も含まれた比重を指す。芯材の比重を算出するためには、芯材の見かけ体積を算出する。芯材の見かけ体積は、芯材の平板部分を切り出し、外形を測定して見かけ体積を算出する。また、曲面形状を含む芯材で、外形からの体積算出が困難である場合は平板部分を切り出して、外形を測定し見かけ体積を算出する。芯材が島状構造である場合には、芯材を単独で切り出して空隙部分を維持した状態で扱うことが困難であるため、あらかじめ空隙部分の大きさを考慮して島状構造体部分と空隙部分とを図面に書き起こして、必要な見掛け体積を算出する。
芯材の見かけ比重の算出は、芯材をカットして、該芯材の外形をノギスまたはマイクロメーターで測定し、該芯材の見かけの体積V2を算出する。芯材が島状構造である場合には、芯材を単独で切り出して空隙部分を維持した状態で扱うことが困難であるため、あらかじめ空隙部分の大きさを考慮して島状構造体部分と空隙部分とを図面に書き起こして、必要な見掛け体積を算出する。さらに該芯材の重量W2を精密天秤で測定し、下記式(7)によって比重を算出する。
芯材の見かけ比重=(重量W2/体積V2)/水の密度 :式(7)
水の密度:重量W2・体積V2を測定した時の室温と同じ温度の水の密度(g/cm)。
本発明のサンドイッチ構造体に優れた比圧縮応力を発現するためには、芯材の比圧縮応力が15MPa以上であることが好ましく、18MPa以上であることがさらに好ましく、21MPa以上であることが最も好ましい。比圧縮応力の上限については特に限定はないが、比圧縮応力が100MPa程度であれば、軽量・剛性を発現する上では十分である。
(芯材(I)の厚み)
本発明におけるサンドイッチ構造体の薄肉性を満足させるためには、サンドイッチ構造体に用いられる芯材(I)の最大厚さも薄肉であることが望ましい。かかる観点から、芯材(I)の最大厚みは0.1mm〜1.8mmの範囲が好ましく用いられ、薄肉性の観点から0.1〜1.0mmがさらに好ましく、0.1〜0.7mmが最も好ましい。
ここで芯材(I)の厚みとは、サンドイッチ構造体の厚み方向の距離のうち、芯材に相当する部分の厚みのことである。例えば、ハニカム構造の場合は該構造の上下面間の距離、図2のhに例示される距離のことである。島状構造の場合は該島状構造において、サンドイッチ構造体の厚み方向距離、図3のhに例示される距離のことである。表面と平行方向に貫通した空隙部位を有する構造の場合には、芯材の上下面で規定される距離、例えば図10のhに例示される距離のことである。
(サンドイッチ構造体の比重)
本発明における、サンドイッチ構造体(III)において、剛性と軽量性を両立させるためには、芯材(I)の比重が、繊維強化材(II)のそれよりも低いことが重要である。芯材(I)の比重が小さいほど、高い軽量効果が得られる。芯材(I)の比重が1.5を超えると、サンドイッチ構造体(III)の十分な軽量性が得られないことがある。サンドイッチ構造体の比重は、芯材比重、繊維強化材比重だけでなく、芯材と繊維強化材の重量比でも変動するが、軽量性の観点からサンドイッチ構造体の比重は0.1〜1.5の範囲が好ましく用いられ、0.1〜1.0がさらに好ましく、0.1〜0.7が最も好ましく用いられ、前記比重の範囲にて適宜に選択することが出来る。
サンドイッチ構造体の比重は、上記[サンドイッチ構造の見かけ比重の算出方法]の項で述べた比重の算出方法の他、JIS−K 7112(2006)に記載されるA法(水中置換法)、B法(ピクノメータ−法)、C法(浮沈法)、D法(密度勾配法)のいずれかによって測定された比重を用いることが出来る。ここで述べたサンドイッチ構造体の比重は、一般的にいう見かけ比重(嵩比重)であり、サンドイッチ内部に存在する空隙部の重量および体積も含まれた比重を指す。従って、例えばA法にてサンドイッチ内部のセル内の空隙部分に水が浸入するような場合はこの方法では測定できない。
その他の比重の測定方法として、上記[サンドイッチ構造の見かけ比重の算出方法]の項で述べたように、サンドイッチ構造体のサンプルの外形をノギスまたはマイクロメーター等で測定し体積V3を算出し、該サンプルの重量W3を測定し、下記式(8)によって比重を算出しても良い。
サンドイッチ構造体の比重=(重量W3/体積V3)/水の密度 :式(8)
水の密度:重量W3・体積V3を測定した時の室温と同じ温度の水の密度(g/cm)。
(ハニカム形状)
通常、ハニカム構造とは、六角形のセル(小部屋)の集合体(図7(A)に参照)となっているものが一般的である。しかし、本発明のサンドイッチ構造体に用いる芯材のハニカム構造体においては、セル(小部屋)の形は特に限定されず、多角形(3〜12角形)(図7(C)に4角形の例が記載)、真円状(図7(B)に記載)、楕円状、不定形状、オーバー展張形状(OX)、吊鐘形状(フレキシブル)、バイセテッド、フェザー、ダイヤ(図8(D))、ヘリンボン(図8(E))、変形十ガスリ(図8(F))、扇形(図8(G))、十ガスリ(図8(H))、○十(図8(I))等のいかなるものでも用いることができ、1種類の形でも、複数の形やサイズが混合していても特に限定されない。その中でも、機械強度および量産性を考慮すると、セルの形状が六角形、真円状、楕円状のものが好ましく用いられる。
(島状構造の形状)
本発明のサンドイッチ構造体に用いる芯材の島状構造においては、その島状形状の形は特に限定されず、三角形、正方形、長方形などの多角形(3〜12角形)形状、真円状(図9(J)に記載、黒部分が芯材)、楕円状、不定形状、波形状(図3および図4に斜視図を記載)等のいかなるものでも用いることができ、1種類の形でも、複数の形やサイズが混合していても特に限定されない。その中でも、機械強度および量産性を考慮すると、島状形状が正方形状、長方形状、波線状、真円状および三角形状のものが好ましく用いられる。
(表面と平行方向に貫通した空隙部位を有する構造の形状)
本発明のサンドイッチ構造体に用いる芯材の表面と平行方向に貫通した空隙部位を有する構造の芯材の形状においては、その形は特に限定されず、空隙部位が三角形、正方形、長方形などの多角形(3〜12角形)形状、真円状(図10(K)に記載、黒部分が芯材、白部分は空隙)、楕円状、不定形状等のいかなるものでも用いることができ、1種類の形でも、複数の形やサイズが混合していても特に限定されない。その中でも、機械強度および量産性を考慮すると、正方形状、長方形状、真円状および不定形状のうちで山形状のものが好ましく用いられる。山形状とは、例えば芯材に波板形状のものを用いた場合などであり、例えば図10(L)に例示するような波長Lの波板形状の芯材を用いたときの空隙形状のことである。
本発明のサンドイッチ構造体に用いられるハニカム構造を形成してなる芯材の製造方法は、アルミハニカムやペーパーハニカム、アラミドハニカムと同様に展張方式やコルゲート方式を用いて製造することも出来るが、薄肉性のある芯材を製造することは非常に難しい。
本発明で用いられる芯材(I)は、シート状のものを打ち抜き加工またはプレス成形加工してなる芯材や、射出成形で製造される芯材が好ましく用いられる。さらに軽量性を達成するためにセル壁厚を小さくする場合、セル壁厚が小さくなるとセルを覆うセル壁が破れやすく、打ち抜き加工時にセルと隣接するセルが繋がる問題が生じる可能性がある。他にも、セル壁厚が薄いと、芯材がうねってしまう等の問題が発生してしまう可能性があるため、ハニカム構造の製造が困難になる場合が起こり得る。したがって、量産性、軽量性の観点からは、射出成形で作製される芯材を用いることが最も好ましい。
(芯材空隙率)
本発明のサンドイッチ構造体に用いられる芯材の空隙率は、下記式(1)〜式(3)のいずれかによって算出される。なお、芯材がハニカム構造を形成してなる場合にあっては、式(1)、芯材が島状構造を形成してなる場合にあっては、式(2)、芯材が表面と平行方向に貫通した空隙部位を有する構造を形成してなる場合にあっては、式(3)を用いる。また、本発明のサンドイッチ構造体に用いられる芯材の空隙率を、下記式(9)によって算出しても良い。
<空隙率測定方法1>
空隙率(%)=(ハニカム構造セル内の総断面積(総体積)/芯材の見かけ断面積(総体積))×100:式(1)
空隙率(%)=(1−(島状構造の総断面積/芯材の見かけ断面積))×100:式(2)
空隙率(%)=(表面と平行方向に貫通した空隙部位の総断面積/表面と平行方向における芯材の見かけ断面積)×100:式(3)。
式(1)〜式(3)中の芯材の見かけ断面積とは、ハニカム構造セル内の総断面積にセルを覆うセル壁(隔壁)の総断面積を加算したもの、または、ハニカム構造セル内の総体積にセルを覆うセル壁(隔壁)の総体積を加算したものを指す。
ハニカム構造セルの形状や大きさが厚み方向に変化しない場合は、断面積の比から空隙率が算出されるが、ハニカム構造セルの形状や大きさが厚み方向に変化する場合には、体積比から空隙率を算出する。
ハニカム構造セル内の総断面積、総体積は、どのような測定方法でも特に限定されないが、デジタルマイクロスコープ、デジタルカメラ等でハニカム構造セルを撮影し、画像処理ソフトにてセル内の総面積、総体積を測定する方法等を用いることができる。セル内の総体積は画像処理ソフト用いて、セル内の総面積と厚み方向の断面形状から算出する方法や、またはセルの形状と厚み方向のセル内の断面積から総体積を算出する方法等を用いることができる。
<空隙率測定方法2>
空隙率(%)=(1−γ/γ)×100 :式(9)
γ:芯材の見かけ比重
γ:芯材の真比重。
また、芯材の見かけ比重γの算出は、芯材をカットして、該芯材の外形をノギスまたはマイクロメーターで測定し、該芯材の空隙率が0%とした時の見かけの体積V4を算出する。さらに該芯材の重量W4を測定し、下記式(10)によって比重を算出することも出来る。
芯材の見かけ比重γ=(重量W4/体積V4)/水の密度 :式(10)
水の密度:重量W4・体積V4を測定した時の室温と同じ温度の水の密度(g/cm)。
芯材の真比重γは、JIS−K 7112(2006)に記載されるA法(水中置換法)、B法(ピクノメータ−法)、C法(浮沈法)、D法(密度勾配法)のいずれかによって測定された比重を用いることが出来る。
本発明のサンドイッチ構造体に用いられる芯材(I)の空隙率は20〜95%が好ましく、軽量性という観点から50〜95%がさらに好ましく、70〜95%の空隙率であることが最も好ましい。
(セル断面の最大長さ、島状構造の間隔または空隙部位における最大長さ)
本発明のサンドイッチ構造体に用いられる芯材(I)のセル(小部屋)の大きさ、島状構造の間隔または空隙部位の長さについては、セルサイズ、島状構造の間隔、空隙部位の長さが大きいと、隔壁と隔壁間で強化繊維材が弛んでしまい、サンドイッチ表面に裏写りする等の問題が生じ得る。そのため、セルの最長部分の長さ、島状構造の間隔または空隙部位における最大長さのいずれかが1〜10mmの範囲であることが好ましく、1〜5mmであることがさらに好ましく、1〜3mmであることが最も好ましく用いられる。ここで述べるセル断面の最長部分の長さとは、セルの中で最も長手方向になる時の長さを示している。例に挙げると、正方形ならば対角線、真円ならば直径、楕円ならば長径がセル断面の最大長さになる。また、島状構造の間隔とは、点在する島状構造体のある任意の島状構造体の端部点から、別の島状構造体までの距離のうちで最も短い距離Lのことを意味する。例に挙げると、図3におけるL、図9(J)における距離Lが相当する。また、空隙部位の最大長さとは、表面と平行方向に貫通した空隙部位を有する構造における空隙部位の長さにおいて最も長手方向になる時の長さを示している。例に挙げると、図10(L)における長さLが相当する。
(セル壁厚(隔壁)の厚さまたは島状部分の幅(壁の幅)
本発明のサンドイッチ構造体に用いられる芯材(I)のセル壁厚(隔壁厚)または島状部分の幅については、軽量性、量産性、該サンドイッチ表面の裏写り等の点を考慮すると、各セル(隔壁)または島状部分の幅の少なくとも一部のセル壁厚の厚みまたは島状部分の幅が、0.05〜1mmであることが好ましく、0.05〜0.5mmであることがさらに好ましく、0.05〜0.3mmであることが最も好ましい。またセル壁厚または島状部分の幅は、厚みまたは幅方向に一定の厚みまたは幅であっても、厚みまたは幅が変化していても特に限定されない。該サンドイッチ構造体(III)作製時に加熱プレス成形をする場合があるが、この時に、該芯材(I)の部分は、加熱・加圧の影響を受けて薄肉化し、セル壁厚または島状部分の幅が拡がる場合もある。この場合は、セル壁厚または島状部分の幅が拡がっていない部分のセル壁厚または島状部分の幅が前記範囲を満足していれば良い。
ここで、島状部分の幅とは、図3のWや図9のWで例示されるような、芯材の島状部分を形成する壁部分の幅のことである。また、表面と平行方向に貫通した空隙部位を有する構造の芯材の場合には、図10(K)のように、芯材にセルが存在する場合には、そのセル壁厚のことを意味し、図10(L)のように、芯材がセルを形成していない場合には、その形状を形成している板の厚みWのことを意味する。
(セルの断面積)
セル断面の最長部分の長さが長くても、最短部分の長さが短ければ、サンドイッチ表面の裏写りが解消できる。芯材(I)の少なくとも1個のセル内の面積が25mm以下であれば、サンドイッチ表面の裏写りが解消できるため好ましく、10mm以下がさらに好ましく、5mm以下が最も好ましい。
(芯材の材質)
本発明のサンドイッチ構造体に用いられるハニカム構造を形成する芯材(I)の材質は特に限定されず、金属または非金属のどちらでも用いることが出来る。芯材(I)の軽量性を考慮すると芯材(I)の少なくとも一部に、樹脂組成物を用いることが好ましく用いられる。量産性を考慮すると射出成形、押出成形が可能である熱可塑性樹脂組成物からなる芯材(I)がさらに好ましく用いられる。
本発明のサンドイッチ構造体に用いられる芯材(I)に好ましく用いられる熱可塑性樹脂組成物の群を例示する。すなわち、ポリエチレンテレフタレート(PET)樹脂、ポリブチレンテレフタレート(PBT)樹脂、ポリトリメチレンテレフタレート(PTT)樹脂、ポリエチレンナフタレート(PENp)樹脂、液晶ポリエステル等のポリエステル系樹脂や、ポリエチレン(PE)樹脂、ポリプロピレン(PP)樹脂、ポリブチレン樹脂等のポリオレフィン樹脂や、スチレン系樹脂、ウレタン樹脂の他や、ポリオキシメチレン(POM)樹脂、ポリアミド(PA)樹脂、ポリカーボネート(PC)樹脂、ポリメチルメタクリレート(PMMA)樹脂、ポリ塩化ビニル(PVC)樹脂、ポリフェニレンスルフィド(PPS)樹脂、ポリフェニレンエーテル(PPE)樹脂、変性PPE樹脂、ポリイミド(PI)樹脂、ポリアミドイミド(PAI)樹脂、ポリエーテルイミド(PEI)樹脂、ポリスルホン(PSU)樹脂、変性PSU樹脂、ポリエーテルスルホン(PES)樹脂、ポリケトン(PK)樹脂、ポリエーテルケトン(PEK)樹脂、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)樹脂、ポリエーテルケトンケトン(PEKK)樹脂、ポリアリレート(PAR)樹脂、ポリエーテルニトリル(PEN)樹脂、フェノール系樹脂、フェノキシ樹脂、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素系樹脂、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などであってもよい。上記群に例示された熱可塑性樹脂組成物の中でも、繊維強化材(II)との接着性、成形体の強度、耐衝撃性を考慮するとポリオレフィン系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリアミド樹脂等が好ましく用いられ、さらに芯材の軽量性を考慮すると比重が低く、耐熱性に優れているポリプロピレン(PP)樹脂が最も好ましく用いられる。
上記群に例示された熱可塑性樹脂組成物は、本発明の目的を損なわない範囲で、ガラス繊維、炭素繊維などの繊維強化剤、エラストマーあるいはゴム成分などの耐衝撃性向上剤、他の充填材や添加剤を含有しても良い。これらの例としては、無機充填材、難燃剤、導電性付与剤、結晶核剤、紫外線吸収剤、酸化防止剤、制振剤、抗菌剤、防虫剤、防臭剤、着色防止剤、熱安定剤、離型剤、帯電防止剤、可塑剤、滑剤、着色剤、顔料、染料、発泡剤、制泡剤、あるいは、カップリング剤が挙げられる。
(接着層)
本発明のサンドイッチ構造体に用いられる芯材(I)と繊維強化材(II)の層間に、接着層が配置されていることが好ましい。中でも、芯材(I)に、ポリオレフィン系樹脂を用いる場合、サンドイッチ構造体(III)の両面に配置される繊維強化材(II)と芯材(I)との接着性を高める目的で、芯材(I)と、繊維強化材(II)との層間に、変性ポリオレフィン系樹脂が配置されていることが好ましい。 変性ポリオレフィン系樹脂における変性による官能基量は、多いほど、接着力を高める観点から好ましい。ポリオレフィン系樹脂の変性方法としては、特に制限はなく、官能基含有化合物のグラフト反応や末端への付加反応、また官能基含有ブロックの共重合などが例示できる。なかでも、二重結合を有する官能基含有化合物の不飽和ポリオレフィンへのグラフト反応による変性技術が、官能基量を高める点でさらに好ましい。
官能基としては、カルボキシル基、酸無水物、水酸基、エポキシ基、アミノ基が好ましく例示できる。なお、官能基量は、酸価、OH価、エポキシ価、アミン価などを指標として確認することができる。変性ポリオレフィン系樹脂のうち、酸変性ポリオレフィン系樹脂が取扱性、変性の容易性から、最も好ましい。
変性ポリオレフィン系樹脂は、未変性のポリオレフィン系樹脂と混合して使用することができる。取扱いの観点から、酸変性ポリオレフィン系樹脂の配合量としては、20重量%以上が好ましく、30〜70重量%がさらに好ましい。このとき、酸変性ポリオレフィン系樹脂の酸価は、10以上が好ましく、20以上がさらに好ましく、30以上が最も好ましい。
また、芯材(I)に、ポリアミド系樹脂を用いる場合、サンドイッチ構造体(III)の両面に配置される繊維強化材(II)と芯材(I)との接着性を高める目的で、芯材(I)と、繊維強化材(II)との層間に、ポリアミド系樹脂が配置されていることが好ましく、具体的にはポリアミド6、66、610、612のいずれも好ましく用いられる。これらは単独で用いることが出来るが、例えばポリアミド6とポリアミド6の同系列のブレンド樹脂やまたは共重合樹脂、異なる系列のポリアミドを複数種類ブレンドした樹脂や共重合した樹脂もさらに好ましく用いられる。
さらに、芯材(I)に、ポリエステル系樹脂を用いる場合、サンドイッチ構造体(III)の両面に配置される繊維強化材(II)と芯材(I)との接着性を高める目的で、芯材(I)と、繊維強化材(II)との層間に、ポリエステル系樹脂が配置されていることが好ましく、前記ポリエステル樹脂は単独または2種以上のポリエステル樹脂からなり、少なくとも1種のポリエステル樹脂が芳香環型または脂環型の環式ジカルボン酸と次の一般式(i)
HO−R−OH (i)
(式中、RはC2n(n=2〜10の整数)で表される直鎖または分岐鎖を持つアルキレン基、またはC2n4n(nは1以上の整数)で表される直鎖アルキレンオキシド基を表す)で示されるジオールからなるハードセグメントと、芳香環型または炭素数2〜10のアルキレンジカルボン酸と、上記一般式(i)で示されるジオールのうちRが直鎖アルキレンオキシドであるジオールからなるソフトセグメントからなり前記ハードセグメントは50〜80重量%含有されている共重合ポリエステルがより好ましく用いられる。
(接着層の態様)
本発明のサンドイッチ構造体(III)を形成する芯材(I)と繊維強化材(II)との好ましい接合形態を図6に例示する。図6は、芯材11と繊維強化材12の層間に位置する接着樹脂層14を形成している接着樹脂が、繊維強化材12を構成する多数の強化繊維15の間隙に含浸された構造となっている。この接着樹脂の最大含浸長さ18は、10μm以上であることが好ましく、15μm以上であることがより好ましい。
(強化繊維(A)について)
本発明の繊維強化材(II)において使用される強化繊維(A)の群を例示する。すなわち、アルミニウム繊維、黄銅繊維、ステンレス繊維などの金属繊維、ガラス繊維、ポリアクリロニトリル系、レーヨン系、リグニン系、ピッチ系の炭素繊維や黒鉛繊維、芳香族ポリアミド繊維、ポリアラミド繊維、PBO繊維、ポリフェニレンスルフィド繊維、ポリエステル繊維、アクリル繊維、ナイロン繊維、ポリエチレン繊維などの有機繊維、および、シリコンカーバイト繊維、シリコンナイトライド繊維、アルミナ繊維、炭化珪素繊維、ボロン繊維などがある。これらは、単独または2種以上併用して用いられる。これらの繊維素材は、表面処理が施されているものであっても良い。表面処理としては、金属の被着処理、カップリング剤による処理、サイジング剤による処理、添加剤の付着処理などが挙げられる。
(マトリクス樹脂(B)について)
繊維強化材(II)のマトリックス樹脂(B)としては、後述する熱硬化性樹脂の群から選択される熱硬化性樹脂、または、後述する熱可塑性樹脂の群から選択される熱可塑性樹脂を用いることができる。
本発明のサンドイッチ構造体(III)に使用される熱硬化性樹脂の群を例示する。すなわち、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール(レゾール型)樹脂、ユリア・メラミン樹脂、ポリイミド樹脂などを好ましく用いることができる。これらの共重合体、変性体、および/または、これらの2種以上をブレンドした樹脂などを適用しても良い。
次に、本発明のサンドイッチ構造体(III)に使用される熱可塑性樹脂の群を例示する。すなわち、ポリエチレンテレフタレート(PET)樹脂、ポリブチレンテレフタレート(PBT)樹脂、ポリトリメチレンテレフタレート(PTT)樹脂、ポリエチレンナフタレート(PENp)樹脂、液晶ポリエステル等のポリエステル系樹脂や、ポリエチレン(PE)樹脂、ポリプロピレン(PP)樹脂、ポリブチレン樹脂等のポリオレフィン樹脂や、スチレン系樹脂、ウレタン樹脂の他や、ポリオキシメチレン(POM)樹脂、ポリアミド(PA)樹脂、ポリカーボネート(PC)樹脂、ポリメチルメタクリレート(PMMA)樹脂、ポリ塩化ビニル(PVC)樹脂、ポリフェニレンスルフィド(PPS)樹脂、ポリフェニレンエーテル(PPE)樹脂、変性PPE樹脂、ポリイミド(PI)樹脂、ポリアミドイミド(PAI)樹脂、ポリエーテルイミド(PEI)樹脂、ポリスルホン(PSU)樹脂、変性PSU樹脂、ポリエーテルスルホン(PES)樹脂、ポリケトン(PK)樹脂、ポリエーテルケトン(PEK)樹脂、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)樹脂、ポリエーテルケトンケトン(PEKK)樹脂、ポリアリレート(PAR)樹脂、ポリエーテルニトリル(PEN)樹脂、フェノール系樹脂、フェノキシ樹脂、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素系樹脂、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などであってもよい。とりわけ、耐熱性、耐薬品性の観点からは、PPS樹脂が、成形体外観、寸法安定性の観点からは、ポリカーボネート樹脂やスチレン系樹脂が、成形体の強度、耐衝撃性の観点からは、ポリアミド樹脂がより好ましく用いられる。
上記群に例示された熱硬化性樹脂および熱可塑性樹脂は、本発明の目的を損なわない範囲で、エラストマーあるいはゴム成分などの耐衝撃性向上剤、他の充填材や添加剤を含有しても良い。これらの例としては、無機充填材、難燃剤、導電性付与剤、結晶核剤、紫外線吸収剤、酸化防止剤、制振剤、抗菌剤、防虫剤、防臭剤、着色防止剤、熱安定剤、離型剤、帯電防止剤、可塑剤、滑剤、着色剤、顔料、染料、発泡剤、制泡剤、あるいは、カップリング剤が挙げられる。
上記群に例示した熱硬化樹脂及び熱可塑樹脂の中でも、サンドイッチ構造体(III)の剛性、強度、耐熱性などの特性や、成形用材料であるプリプレグの取扱の観点から、熱硬化性樹脂を用いるのが好ましく、特に、エポキシ樹脂は、成形体の力学特性や、耐熱性の観点から最も好ましい。エポキシ樹脂は、その優れた力学特性を発現するために、使用する樹脂の主成分として含まれるのが好ましく、具体的には、樹脂組成物当たり60重量%以上含まれることが好ましく、さらに、難燃剤を配合すると、電気・電子機器用途で求められる難燃性を付与することができる。
(サンドイッチ構造体の曲率半径、および成形)
図1に示されるように、本発明の成形体3は、サンドイッチ構造体(III)を第1の部材1とし、第1の部材1に接合される第2の部材2とからなる。成形体3の複雑な形状と、量産性、生産性を両立する目的で、第1の部材1であるサンドイッチ構造体(III)は、面形状であり、第2の部材2は、厚み方向に対して形状変化を有している。本発明のサンドイッチ構造体(III)は最大厚みが0.3〜2.0mmの範囲である面形状である。
面形状とは、図1の一体化成形体3に代表されるように、その投影面積の過半部分が、平面形状もしくは、なだらかな曲面形状を意味する。例えば、剛性を高める等の目的で曲率半径が1000m以内の曲面を形成していてもよく、これらの曲面は、断続的、間欠的に、成形体3の一つの面内に、複数個存在していてもよい。これらの面内に、剛性を高めることや、形状に自由度を出すこと等の目的で曲率半径が3mm以上の絞り(曲面部)が形成されていてもよい。
面形状は、これら複数の面形状からなる、全体が三次元の形態を呈していてもよい。
一方、第2の部材2は、第1の部材1に対し、成形体3に複雑な形状を付与する目的で、一体化される。複雑な形状とは、縦、横、高さの各方向に厚み変化を伴う形状を意味し、構造上の機構部分や、デザイン上の幾何学形状部分、さらには意図的に形成した突起、凹みなども含む。図1の第2の部材2に代表される、枠体(フレーム)部、立ち壁部、ヒンジ部、ボスリブ部などがこれに相当する。第2の部材2は、第1の部材1よりも比較的量産性、生産性に優れた方法にて製造されることが好ましい。
第2の部材2としては、特に制限されず、前述した熱硬化性樹脂の群から選択される熱硬化性樹脂、または、前述の熱可塑性樹脂の群から選択される熱可塑性樹脂、セメント、コンクリート、あるいは、それらの繊維強化品、木材、金属材料、紙材料などの公知のものが好ましく用いられる。成形性の観点から、熱可塑性樹脂が、力学特性を高める目的で、繊維強化熱可塑性樹脂が、また、軽量性には劣るものの成形体の力学特性をさらに高める目的で、金属材料が好ましく用いられる。とりわけ、不連続の強化繊維を熱可塑性樹脂中に均一に分散させた熱可塑性樹脂組成物を用いることが、量産性、成形性と、軽量性、力学特性が両立でき特に好ましい。この場合の強化繊維の配合比率としては、強化繊維が炭素繊維のとき、成形性、強度、軽量性とのバランスの観点から、熱可塑性樹脂組成物に対して、5〜75重量%が好ましく、15〜65重量%がより好ましい。
本発明の成形体3は、第1の部材1を主材として用いることが好ましい。成形体3の投影面積の50%以上が、第1の部材1で占有されていることが好ましく、投影面積の70%以上が、第1の部材1で占有されていることがより好ましい。
本発明の成形体3において、第1の部材1と第2の部材2とを接合し、一体化する際に、両者の間に、優れた接着性が存在していることが好ましい。従って、第1の部材1と第2の部材2との接合界面に、接着層が介在されていることが好ましい。接着層としては、アクリル系、エポキシ系、スチレン系などの良く知られている接着剤を用い、第1の部材と第2の部材とは独立した接着層を形成することができる。また、一体化の生産性をより高めるには、第1の部材の最表層に、熱可塑性樹脂層を設けることが好ましい。
特に、第1の部材1のマトリックス樹脂(B)に熱硬化性樹脂(例えば、エポキシ樹脂)を用い、第2の部材2に熱可塑性樹脂組成物を適用する場合には、第1の部材1の最外層に第2の部材2を構成する熱可塑性樹脂と親和性の良い熱可塑性樹脂層を設けることで、第1の部材1と第2の部材2との接合界面を熱可塑性樹脂同士とし、熱融着することができる。この場合、接合界面に、別途、接着剤層を設ける必要がなくなる。
第1の部材1の最外層に設ける接着層を第2の部材2の熱可塑性樹脂と同材質にすれば、接合強度を高めることも可能である。第1の部材1の最外層に設ける樹脂は、同一樹脂でなくとも相溶性が良いものであれば特に限定されるものではなく、第2の部材2を構成する熱可塑性樹脂の種類によって最適なものを選定することが好ましい。
第1の部材1の被接着面を形成する繊維強化材(II)において、マトリックス樹脂(B)として熱硬化性樹脂(例えば、エポキシ樹脂)を使用した場合には、接着層の熱可塑性樹脂は、マトリックス樹脂(B)との界面において、凸凹形状を有して接合されていることが好ましい。とりわけ、連続した強化繊維(A)のうち、多数本の強化繊維が、熱可塑性樹脂から形成される接着層に埋包される接合形態を形成する場合に、優れた接着強度が得られる。
本発明のサンドイッチ構造体、および、これを用いてなる成形体の好ましい用途群を例示すると、以下のようになる。
<電気・電子機器>
本発明のサンドイッチ構造体、および、これを用いてなる成形体は、例えば、各種ギヤー、各種ケース、センサー、LEDランプ、コネクター、ソケット、抵抗器、リレーケース、スイッチ、コイルボビン、コンデンサー、光ピックアップ、発振子、各種端子板、変成器、プラグ、プリント配線板、チューナー、スピーカー、マイクロフォン、ヘッドフォン、小型モーター、磁気ヘッドベース、パワーモジュール、半導体、ディスプレー、FDDキャリッジ、シャーシ、HDD、MO、モーターブラッシュホルダー、パラボラアンテナ、ノートパソコン、携帯電話、デジタルスチルカメラ、PDA、ポータブルMD、液晶ディスプレ−、プラズマディスプレー等の電気・電子機器製品、またはその部品、部材、筐体に好ましく用いられる。
<オフィスオートメーション機器>
また、本発明のサンドイッチ構造体、および、これを用いてなる成形体は、例えば、電話、ファクシミリ、コピー機、タイプライター、ワードプロセッサー等の事務製品、またはその部材および筐体に好ましく用いられる。
<家電機器>
また、本発明のサンドイッチ構造体、および、これを用いてなる成形体は、筐体、VTR、コピー機、テレビ、アイロン、ヘアードライヤー、炊飯器、電子レンジ、音響機器、掃除機、トイレタリー用品、レーザーディスク、コンパクトディスク、照明、冷蔵庫、エアコン等の家電製品、またはその部材および筐体に好ましく用いられる。
<医療機器>
また、本発明のサンドイッチ構造体、および、これを用いてなる成形体は、X線カセッテなどの医療機器製品またはその部品および部材に好ましく用いられる。
<自動車部品>
また、本発明のサンドイッチ構造体、および、これを用いてなる成形体は、モーター部品、オルタネーターターミナル、オルタネーターコネクター、ICレギュレーター、ライトディヤー用ポテンショメーターベース、サスペンション部品、排気ガスバルブなどの各種バルブ、燃料関係、排気系または吸気系各種パイプ、エアーインテークノズルスノーケル、エアクリーナーボックス、レゾネーター、インテークマニホールド、スタビライザー、各種アーム、各種フレーム、各種ヒンジ、各種軸受、燃料ポンプ、ガソリンタンク、CNGタンク、エンジン冷却水ジョイント、キャブレターメインボディー、キャブレタースペーサー、排気ガスセンサー、冷却水センサー、油温センサー、ブレーキパットウェアーセンサー、スロットルポジションセンサー、クランクシャフトポジションセンサー、エアーフローメーター、ブレーキバット磨耗センサー、エアコン用サーモスタットベース、暖房温風フローコントロールバルブ、ラジエーターモーター用ブラッシュホルダー、ウォーターポンプインペラー、タービンべイン、ワイパーモーター関係部品、ディストリビュター、スタータースィッチ、スターターリレー、トランスミッション用ワイヤーハーネス、ウィンドウオッシャーノズル、エアコンパネルスィッチ基板、燃料関係電磁気弁用コイル、ヒューズ用コネクター、バッテリートレイ、ATブラケット、ヘッドランプサポート、ペダルハウジング、ハンドル、ドアビーム、プロテクター、シャーシ、バルクヘッド、フレーム、サブフレーム、アームレスト、ホーンターミナル、ステップモーターローター、ランプソケット、ランプリフレクター、ランプハウジング、ブレーキピストン、ノイズシールド、ラジエターサポート、スペアタイヤカバー、シートシェル、ソレノイドボビン、エンジンオイルフィルター、点火装置ケース、アンダーカバー、スカッフプレート、ピラートリム、プロペラシャフト、ドライブシャフト、ホイール、ホイールカバー、フェンダー、ドアミラー、ルームミラー、フェイシャー、バンパー、バンパービーム、ボンネット、トランクフード、エアロパーツ、プラットフォーム、カウルルーバー、ルーフ、インストルメントパネル、スポイラーおよび各種モジュール等の二輪車を含む自動車部品、または自動車部材および外板に好ましく用いられる。
<航空機部品>
また、本発明のサンドイッチ構造体、および、これを用いてなる成形体は、ランディングギアポッド、ウィングレット、スポイラー、エッジ、ラダー、エレベーター、フェイリング、リブ等の航空機部品、または部材および外板に好ましく用いられる。
<建材>
また、本発明のサンドイッチ構造体、および、これを用いてなる成形体は、防音パネル、断熱パネルに挙げられるパネル等の建材用部材または部品に好ましく用いられる。
<その他>
さらに、本発明のサンドイッチ構造体、および、これを用いてなる成形体は、各種ラケット、ゴルフクラブシャフト、ヨット、ボード、スキー用品、釣り竿、自転車などのスポーツ関連部品、部材および人工衛星関連部品、パチンコ、スロットマシン、ゲーム機などの遊技または娯楽製品部品、部材および筐体、顕微鏡、双眼鏡、カメラ、時計などの光学機器、精密機械関連部品、部材および筐体等に好ましく用いられる。
すなわち、本発明に係るサンドイッチ構造体からなる面板と、フレーム部分が一体化された成形体は、上記電気・電子機器、オフィスオートメーション機器、家電機器、医療機器、自動車部品、航空機部品、または建材等に用いられることが好ましい。また、これらの中でも、軽量かつ高剛性が要求される、パソコン、ディスプレー、携帯電話、携帯情報端末などの電気・電子機器、オフィスオートメーション機器、家電機器、または医療機器の用途で好ましく用いられる。
さらに、上記用途の中でも、平面部が多い電子機器筐体の天面(天板)に、本発明に係るサンドイッチ構造体が用いられると、薄肉、軽量、高剛性の特徴を十分に発揮できるという点で好ましい。従って、本発明に係るサンドイッチ構造体からなる天面と、熱可塑性樹脂からなるフレーム部分とを有する成形体は、前記天面と前記フレーム部分とが一体化された電子機器筐体に好ましく用いられ、中でも、前記サンドイッチ構造体と、前記フレーム部分とが熱可塑性樹脂層を介して一体化された電子機器筐体により好ましく用いられる。
以下、実施例に基づき、本発明をさらに詳細かつ具体的に説明する。なお、実施例中に示される配合割合(%)は、別途特定している場合を除き、全て重量%に基づく値である。
実施例において用いられている対象物の評価方法は、次の通りである。
以下に、本発明の実施の態様を具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
(測定方法)
(1)比圧縮応力の測定
所定のサイズ(厚み0.3〜2mm)のサンドイッチ構造体を打ち抜きポンチで打ち抜いてφ29mmの円盤状サンプルを得た。
得られたサンプル1枚を、クロスヘッド試験速度を1mm/minにした以外はJIS−K 7181(2006)に基づき、引張試験装置にて、圧縮応力0.05MPa時のクロスヘッド変位を0%ひずみとして、25%ひずみ時の圧縮強度を測定し、下記式(9)でサンドイッチ構造体(III)の比圧縮応力、下記式(10)で芯材(I)の比圧縮応力を測定した。
(イ)サンドイッチ構造体(III)の比圧縮応力
比圧縮応力=25%ひずみ時の圧縮応力/サンドイッチ構造体の見かけ比重 :式(11)
(ロ)芯材(I)の比圧縮応力
比圧縮応力=25%ひずみ時の圧縮応力/芯材の見かけ比重 :式(12)。
(2)最大厚み
芯材またはハニカム形状の芯材が含まれるサンドイッチ構造体で、最も厚みの大きい部分をマイクロメーターにて測定した。
(3)比重測定(見かけ比重)
芯材またはサンドイッチ構造体の見かけ比重は、サンプルをカットして、該サンプルの外形をノギスまたはマイクロメーター等で測定し体積V5を算出する。さらに該サンプルの重量W5を測定し、下記式(13)によって比重を算出することも出来る。
比重=(重量W5/体積V5)/水の密度 :式(13)
水の密度:重量W5・体積V5を測定した時の室温と同じ温度の水の密度(g/cm)。
(4)セル断面形状
目視にて芯材のセルの断面形状を判定した。
(5)空隙率
芯材の空隙率の測定は、下記式(14)より算出した。
空隙率(%)=(1−γ/γ)×100 :式(14)
γ:芯材の見かけ比重
γ:芯材の真比重
なお芯材の真比重はJIS−K 7112(2006)の水中置換法に準じて測定した。
(6)セル断面の最大長さ、島状構造の間隔または空隙部位における最大長さ
デジタルマイクロスコープ(光学顕微鏡)を用いて、芯材中に含まれる1つのコア空隙部の最長部分を測定した。
(7)セル壁厚、島状構造の幅の測定
デジタルマイクロスコープ(光学顕微鏡)を用いて、1つのコアを覆うセル壁(隔壁)の交点間以外の部分のセル壁厚(隔壁厚)を測定した。島状構造についてはその幅をそのまま測定した。
(8)セルの断面積
デジタルマイクロスコープ(光学顕微鏡)を用いて、芯材中に含まれる1つのコアの空隙断面積を測定した。
(9)最大含浸長さ
サンドイッチ板を切断後、断面を研磨してサンドイッチ構造体断面を光学顕微鏡(×400倍)にて
断面観察し、図6に記載の最大含浸長さ18に相当する部分を測定した。
(10)総合判定
本発明のサンドイッチ構造体を薄肉性、機械特性の観点から下記基準によって判定した。
[薄肉性]
サンドイッチ構造体の最大厚みが2mm以下:○
サンドイッチ構造体の最大厚みが2mmより厚い:×
[機械特性]
<サンドイッチ構造体>
比圧縮応力(25%ひずみ時)が5MPa以上:○
比圧縮応力(25%ひずみ時)が5MPa未満:×
<芯材>
比圧縮応力(25%ひずみ時)が15MPa以上:○
比圧縮応力(25%ひずみ時)が15MPa未満:×。
(参考例1)
実施例に用いた接着層の作製方法を下記した。
[参考例1−1]
酸変性ポリプロピレン系樹脂(“ユーメックス1010”酸価約52、融点142℃、三洋化成(株)製)30重量%と、ポリプロピレン樹脂(“J229E”、融点155℃、三井化学(株)製)70重量%とを、日本製鋼所(株)製2軸押出機(TEX−30α)を用い、200℃で溶融混練したペレットを、150×150mmのサイズ、目付45g/mのフィルム(F−1)に加工した。
[参考例1−2]
ポリアミド樹脂(“CM8000”、4元共重合ポリアミド6/66/610/12、融点130℃、東レ(株)製)のペレットを、150×150mmのサイズ、目付50g/mのフィルム(F−2)に加工した。
[参考例1−3]
ポリエステル系ホットメルト接着剤(“ケミットR248”、東レファインケミカル(株)製)を150×150mmのサイズ、目付45g/mのフィルム(F−3)に加工した。
(参考例2)
実施例、比較例において用いた芯材(a)〜(e)について下に記載する。
芯材(a):ポリプロピレン樹脂“プライムポリプロJ830HV”(プライムポリマー(株)製)を射出成形して150×150mm、厚み1mmのハニカム構造を形成する芯材を得た。射出成形は、日本製鋼所(株)製J350EIII射出成形機を用いて行い、射出成形温度は220℃、金型温度70℃とした。セル形状は図7(A)に記載したような正六角形でセル壁厚(最薄部)は0.3mm、空隙率80%、セルサイズ3.2mm、芯材の比重は0.18であった。
芯材(b):ポリアミド樹脂“アミランCM1001(東レ(株)製)”を射出成形して、150×150mm、厚み0.5mmであるポリアミドシートを得た。射出成形は、日本製鋼所(株)製J150EII射出成形機を用いて行い、射出成形温度は260℃、金型温度80℃とした。さらに得られたポリアミドシートを図7(B)記載の60°千鳥配列と同様になるようにセンターピッチ4mm、セル壁厚(最薄部)が1mmで、セル断面の最大長さが3mm(外径3mm)になるように打ち抜きポンチ(トラスコ中山(株)製“ベルトポンチPO−3”“)で打ち抜いてポリアミド製パンチングシートを得た。芯材の空隙率51%、芯材の比重は0.56であった。
芯材(c):ポリエステル樹脂“トレコン1401X31(東レ(株)製)”を射出成形して150×150mm、最大厚み1.2mmのハニカム構造を形成する芯材を得た。射出成形は、日本製鋼所(株)製J350EIII射出成形機を用いて行い、射出成形温度は250℃、金型温度80℃とした。セル形状は図7(C)に記載したような正方形(4.5mm角)で、セル壁厚(最薄部)は0.9mm、空隙率69.4%、芯材の比重は0.41であった。
芯材(d):ポリプロピレン樹脂“プライムポリプロJ830HV(プライムポリマー(株)製)”を射出成形して150×150mm、厚み1mmであるポリプロピレンシートを得た。射出成形は、日本製鋼所(株)製J150EII射出成形機を用いて行い、射出成形温度は220℃、金型温度70℃とした。芯材の比重は0.91であった。
芯材(e):アラミドハニカム“アラミドハニカムSAH−1/8−1.8、厚み12mm(昭和飛行機(株)製)”を150×150mmにカットした。芯材の比重は0.029、セル形状は六角形、空隙率は88%であった。
芯材(g):ポリプロピレン樹脂“プライムポリプロJ830HV”(プライムポリマー(株)製)をプレス成形して、厚み1mmのフィルムを得た。これを打ち抜き加工し、直径3mmの円板状プレートを作成した。この円板状プレートを、プレス成形時に3mmの間隔となるように、図9(J)のように配置して芯材とした。
芯材(h):ポリプロピレン樹脂“プライムポリプロJ830HV”(プライムポリマー(株)製)をプレス成形して、波長Lが3mm、厚みhが2mm、幅Wが1mmの波形状フィルムを得た。
芯材(i):ポリプロピレン樹脂“プライムポリプロJ830HV”(プライムポリマー(株)製)をプレス成形して、厚み0.5mmのフィルムを得た。このポリプロピレン樹脂フィルム上に、直径3mmの円筒状のテフロン(登録商標)製スペーサーを並列して並べ、さらに上からもう一枚のポリプロピレン樹脂フィルムを重ね、プレス成形した。プレス成形後にテフロン(登録商標)製のスペーサーを引き抜いて、図10の38に示すような芯材を得た。
芯材(j):芯材(h)(Wが1mmの波形状のフィルム)を幅1mmとなるようにカットし、図3の6に示されるような波形状の島状構造体を作成した。
芯材(k):エポキシ樹脂(熱硬化性樹脂)が、一方向に配列された炭素繊維群に含浸されたプリプレグ(東レ(株)製“トレカ(登録商標)”プリプレグP3052S−12、東レ(株)製“トレカ(登録商標)”T700S使用、炭素繊維含量:67wt%、繊維重さ:125g/m)を200×200mmのサイズで8枚切り出した。これらのシートを用い、繊維方向を基準に0度/90度/90度/0度/0度/90度/90度/0度となるように、順次積層した。次に、離型フィルムとして、東レデュポン(株)製“テドラー(登録商標)”フィルムを、積層体の上下に配置して、SUS製のプレス成形用の波形状金型にセットし、150℃で30分間1MPaの面圧をかけてエポキシ樹脂を硬化させて、波長3mm、厚さ1mmの波形状の炭素繊維強化複合材料を得た。この波形状の炭素繊維複合材料を幅1mmとなるようにカットし、図3の6に示されるような波形状の島状構造体を作成した。
(実施例1)
エポキシ樹脂(熱硬化性樹脂)が、一方向に配列された炭素繊維群に含浸されたプリプレグ(東レ(株)製“トレカ(登録商標)”プリプレグP3052S−12、東レ(株)製“トレカ(登録商標)”T700S使用、炭素繊維含量:67wt%、繊維重さ:125g/m)から、所定の形状となるように、150×150mmのサイズで、プリプレグシートを4枚切り出した。これらのシートを用い、繊維方向を基準に、0度/90度/フィルム(F−1)/芯材(a)/フィルム(F−1)/90度/0度/フィルム(F−2)となるように、順次積層したものを準備した。
次に、離型フィルムとして、東レデュポン(株)製“テドラー(登録商標)”フィルムを、積層体の上下に配置して、SUS製のプレス成形用の平板にセットし、145℃で10分間、次いで130℃で20分間、0.02MPaの面圧をかけて、エポキシ樹脂を硬化させた。硬化終了後、室温で冷却した後、離型フィルムを除去して、サンドイッチ板を成形した。このサンドイッチ板から、所定サイズ(110(繊維方向)×140mm(繊維に直角方向)の天板1)を切り出し、サンドイッチ構造体(a)とした。
サンドイッチ構造体(a)の厚みは、1.48mmとなり、かつ、成形時の加熱、加圧の影響で、芯材(a)が、0.98mmに薄肉化し、サンドイッチ構造体(a)の比重は0.63であった。さらに芯材(a)およびサンドイッチ構造体(a)の、比圧縮応力の評価を行った結果、芯材(a)の比圧縮応力は25.0MPa、サンドイッチ構造体の比圧縮応力は8MPaであった。
サンドイッチ構造体(a)の、芯材(a)と繊維強化材との接合部分を切り出し、光学顕微鏡で断面を観察したところ、図6に示されるようにフィルム(F−1)を構成する熱可塑性樹脂が、繊維強化材の中でコントラストの異なる領域として観察された。この変性ポリオレフィン樹脂層の領域が、強化繊維束の厚み方向に含浸しており、最大含浸長さ18は、20μmであることが分かった。
得られたサンドイッチ構造体(a)を、射出成形金型にインサートし、長繊維ペレット(東レ(株)製TLP1146S、炭素繊維含量20重量%、ポリアミド樹脂マトリックス)を用いて、サンドイッチ構造体(a)の外周に、ボスリブ部4、ヒンジ部5を有するフレームとして第2の部材2を形成するように、アウトサート射出成形を行った。射出成形は、日本製鋼所(株)製J350EIII射出成形機を用いて行い、シリンダー温度は280℃とした。得られた成形体は、少なくとも前記フィルム(F−2)を配置した部分で、約5mmのオーバーラップ長で接合しており、強固に一体化していた。
(実施例2)
サンドイッチ積層板の積層構成を、0度/90度/フィルム(F−2)/芯材(b)/フィルム(F−2)/90度/0度/フィルム(F−2)となるように積層した以外は、実施例1と同様に成形しサンドイッチ構造体(b)を得た。
得られたサンドイッチ構造体(b)の厚みは、0.96mmとなり、かつ、成形時の加熱、加圧の影響で、芯材(b)が、0.48mmに薄肉化し、サンドイッチ構造体(b)の比重は1.07であった。さらに芯材(b)およびサンドイッチ構造体(b)の、比圧縮応力の評価を行った結果、芯材(b)の比圧縮応力は11.0MPa、サンドイッチ構造体(b)の比圧縮応力は6.3MPaであった。
このサンドイッチ構造体(b)の、芯材(b)と繊維強化材との接合部分を切り出し、光学顕微鏡で断面を観察したところ、図6に示されるようにフィルム(F−2)を構成する熱可塑性樹脂が、繊維強化材の中でコントラストの異なる領域として観察された。この変性ポリオレフィン樹脂層の領域が、強化繊維束の厚み方向に含浸しており、最大含浸長さ18は、25μmであることが分かった。
サンドイッチ構造体(a)をサンドイッチ構造体(b)にした他は、実施例1と同様にアウトサート成形して成形体(b)を作製したところ、サンドイッチ構造体(b)と第2の部材2は強固に一体化していた。
(実施例3)
サンドイッチ積層板の積層構成を、0度/90度/フィルム(F−3)/芯材(c)/フィルム(F−3)/90度/0度/フィルム(F−2)となるように積層した以外は、実施例1と同様に成形しサンドイッチ構造体(c)を得た。
得られたサンドイッチ構造体(c)の厚みは、1.65mmとなり、かつ、成形時の加熱、加圧の影響で、芯材(c)が、1.16mmに薄肉化し、サンドイッチ構造体(c)の比重は0.72であった。さらに芯材(c)およびサンドイッチ構造体(c)の、比圧縮応力の評価を行った結果、芯材(c)の比圧縮応力は14.1MPa、サンドイッチ構造体の比圧縮応力は7.8MPaであった。
このサンドイッチ構造体(c)の、芯材(c)と繊維強化材との接合部分を切り出し、光学顕微鏡で断面を観察したところ、図6に示されるようにフィルム(F−3)を構成する熱可塑性樹脂が、繊維強化材の中でコントラストの異なる領域として観察された。この変性ポリオレフィン樹脂層の領域が、強化繊維束の厚み方向に含浸しており、最大含浸長さ18は、20μmであることが分かった。
サンドイッチ構造体(a)をサンドイッチ構造体(c)にした他は、実施例1と同様にアウトサート成形して成形体(c)を作製したところ、サンドイッチ構造体(c)と第2の部材2は強固に一体化していた。
(実施例4)
エポキシ樹脂(熱硬化性樹脂)が、一方向に配列された炭素繊維群に含浸されたプリプレグ(東レ(株)製“トレカ(登録商標)”プリプレグP3052S−12、東レ(株)製“トレカ(登録商標)”T700S使用、炭素繊維含量:67wt%、繊維重さ:125g/m)から、所定の形状となるように、50×150mmのサイズで、プリプレグシートを4枚切り出した。芯材(a)を50×150mmにカットして芯材(f)を得た。これらのシートおよび芯材を用い、繊維方向を基準に、0度/90度/フィルム(F−1)/芯材(f)/フィルム(F−1)/90度/0度/フィルム(F−2)となるように、順次積層したものを準備した。
次に、離型フィルムとして、東レデュポン(株)製“テドラー(登録商標)”フィルムを、積層体の上下に配置して、予め150℃に余熱してある、図6に記載の金型(80mm角の凸状と110mm角の凹状の組み合わせ)を投入した後に型締して、145℃で10分間、次いで130℃で20分間、0.02MPaの面圧をかけて、エポキシ樹脂を硬化させた。硬化終了後、室温で冷却した後に脱型し、離型フィルムを除去して、図7に記載の立体的なサンドイッチ構造体(f)を成形した。サンドイッチ板(f)は曲率半径10mmの曲面を有しており、特に曲面形状部分は非常に高い剛性感を備えていた。
(実施例5)
フィルム(F−1)とフィルム(F−1)の間に芯材(g)の形状となるように芯材(g)用に作成した円板状プレートを配置したこと以外は、実施例1と同様にしてサンドイッチ構造体(g)を得た。
サンドイッチ構造体(g)の厚みは、1.48mmとなり、かつ、成形時の加熱、加圧の影響で、芯材(g)が、0.98mmに薄肉化し、サンドイッチ構造体(g)の比重は0.63であった。さらに芯材(g)およびサンドイッチ構造体(g)の、比圧縮応力の評価を行った結果、芯材(g)の比圧縮応力は16.0MPa、サンドイッチ構造体の比圧縮応力は6MPaであった。
サンドイッチ構造体(g)の、芯材(g)と繊維強化材との接合部分を切り出し、光学顕微鏡で断面を観察したところ、図6に示されるようにフィルム(F−1)を構成する熱可塑性樹脂が、繊維強化材の中でコントラストの異なる領域として観察された。この変性ポリオレフィン樹脂層の領域が、強化繊維束の厚み方向に含浸しており、最大含浸長さ18は、20μmであることが分かった。
サンドイッチ構造体(a)をサンドイッチ構造体(g)にした他は、実施例1と同様にアウトサート成形して成形体(d)を作製したところ、サンドイッチ構造体(g)と第2の部材2は強固に一体化していた。
(実施例6)
フィルム(F−1)とフィルム(F−1)の間に芯材(h)を用いた以外は、実施例1と同様にしてサンドイッチ構造体(h)を得た。
サンドイッチ構造体(h)の厚みは、1.48mmとなり、かつ、成形時の加熱、加圧の影響で、芯材(h)が、0.98mmに薄肉化し、サンドイッチ構造体(h)の比重は0.63であった。さらに芯材(h)およびサンドイッチ構造体(h)の、比圧縮応力の評価を行った結果、芯材(h)の比圧縮応力は16.0MPa、サンドイッチ構造体の比圧縮応力は6MPaであった。
サンドイッチ構造体(h)の、芯材(h)と繊維強化材との接合部分を切り出し、光学顕微鏡で断面を観察したところ、図6に示されるようにフィルム(F−1)を構成する熱可塑性樹脂が、繊維強化材の中でコントラストの異なる領域として観察された。この変性ポリオレフィン樹脂層の領域が、強化繊維束の厚み方向に含浸しており、最大含浸長さ18は、20μmであることが分かった。
サンドイッチ構造体(a)をサンドイッチ構造体(h)にした他は、実施例1と同様にアウトサート成形して成形体(e)を作製したところ、サンドイッチ構造体(h)と第2の部材2は強固に一体化していた。
(実施例7)
フィルム(F−1)とフィルム(F−1)の間に芯材(i)を配置したこと以外は、実施例1と同様にしてサンドイッチ構造体(i)を得た。
サンドイッチ構造体(i)の厚みは、1.48mmとなり、かつ、成形時の加熱、加圧の影響で、芯材(i)が、0.98mmに薄肉化し、サンドイッチ構造体(i)の比重は0.63であった。さらに芯材(i)およびサンドイッチ構造体(i)の、比圧縮応力の評価を行った結果、芯材(i)の比圧縮応力は16.0MPa、サンドイッチ構造体の比圧縮応力は6MPaであった。
サンドイッチ構造体(i)の、芯材(i)と繊維強化材との接合部分を切り出し、光学顕微鏡で断面を観察したところ、図6に示されるようにフィルム(F−1)を構成する熱可塑性樹脂が、繊維強化材の中でコントラストの異なる領域として観察された。この変性ポリオレフィン樹脂層の領域が、強化繊維束の厚み方向に含浸しており、最大含浸長さ18は、20μmであることが分かった。
サンドイッチ構造体(a)をサンドイッチ構造体(i)にした他は、実施例1と同様にアウトサート成形して成形体(f)を作製したところ、サンドイッチ構造体(i)と第2の部材2は強固に一体化していた。
(実施例8)
フィルム(F−1)とフィルム(F−1)の間に芯材(j)を配置したこと以外は、実施例1と同様にしてサンドイッチ構造体(j)を得た。
サンドイッチ構造体(j)の厚みは、1.48mmとなり、かつ、成形時の加熱、加圧の影響で、芯材(j)が、0.98mmに薄肉化し、サンドイッチ構造体(j)の比重は0.63であった。さらに芯材(j)およびサンドイッチ構造体(j)の、比圧縮応力の評価を行った結果、芯材(j)の比圧縮応力は16.0MPa、サンドイッチ構造体の比圧縮応力は6MPaであった。
サンドイッチ構造体(j)の、芯材(j)と繊維強化材との接合部分を切り出し、光学顕微鏡で断面を観察したところ、図6に示されるようにフィルム(F−1)を構成する熱可塑性樹脂が、繊維強化材の中でコントラストの異なる領域として観察された。この変性ポリオレフィン樹脂層の領域が、強化繊維束の厚み方向に含浸しており、最大含浸長さ18は、20μmであることが分かった。
サンドイッチ構造体(a)をサンドイッチ構造体(j)にした他は、実施例1と同様にアウトサート成形して成形体(g)を作製したところ、サンドイッチ構造体(j)と第2の部材2は強固に一体化していた。
(実施例9)
フィルム(F−1)とフィルム(F−1)の間に芯材(k)を配置したこと以外は、実施例1と同様にしてサンドイッチ構造体(k)を得た。
サンドイッチ構造体(k)の厚みは、1.5mmとなった。サンドイッチ構造体(k)の比重は0.63であった。さらに芯材(k)およびサンドイッチ構造体(k)の、比圧縮応力の評価を行った結果、芯材(k)の比圧縮応力は50MPa以上、サンドイッチ構造体の比圧縮応力は50MPa以上であった。
サンドイッチ構造体(k)の、芯材(k)と繊維強化材との接合部分を切り出し、光学顕微鏡で断面を観察したところ、フィルム(F−1)を構成する熱可塑性樹脂が、芯材(k)および繊維強化材の中でコントラストの異なる領域として観察された。この変性ポリオレフィン樹脂層の領域が、芯材(k)および強化繊維束の厚み方向に含浸しており、最大含浸長さは、20μmであることが分かった。
サンドイッチ構造体(a)をサンドイッチ構造体(k)にした他は、実施例1と同様にアウトサート成形して成形体(h)を作製したところ、サンドイッチ構造体(k)と第2の部材2は強固に一体化していた。
(比較例1)
エポキシ樹脂(熱硬化性樹脂)が、一方向に配列された炭素繊維群に含浸されたプリプレグ(東レ(株)製“トレカ(登録商標)”プリプレグP3052S−12、東レ(株)製“トレカ(登録商標)”T700S使用、炭素繊維含量:67wt%、繊維重さ:125g/m)から、所定の形状となるように、150×150mmのサイズで、プリプレグシートを4枚切り出した。これらのシートを用い、繊維方向を基準に、0度/90度となるような積層体をそれぞれ2組準備した。
次に、離型フィルムとして、東レデュポン(株)製“テドラー(登録商標)”フィルムを、積層体の上下に配置して、SUS製のプレス成形用の平板にセットし、145℃で10分間、次いで130℃で20分間、0.6MPaの面圧をかけて、エポキシ樹脂を硬化させた。硬化終了後、室温で冷却した後、離型フィルムを除去して、2層の積層体からなるスキン層を得た。
得られた2枚のスキン層の片面に接着剤である室温硬化型エポキシ系接着剤“ケミットエポキシTE2220”(東レファインケミカル(株)製)を塗布して、スキン層に塗布した接着剤が芯材に接するようにスキン層(0度/90度)/芯材(d)/スキン層(90度/0度)となるように順次積層させ、0.6MPaの面圧を保持したまま、25℃×24時間かけて接着剤を硬化させてサンドイッチ板を成形した。このサンドイッチ板から、所定サイズ[110(繊維方向)×140mm(繊維に直角方向)の天板1]を切り出し、サンドイッチ構造体(d)とした。
サンドイッチ構造体(d)の厚みは1.50mm、芯材(d)の厚みは、1.0mmであった。またサンドイッチ構造体(d)の比重は1.12であった。さらに芯材(d)およびサンドイッチ構造体(d)の、比圧縮応力の評価を行った結果、芯材(d)の比圧縮応力は6MPa、サンドイッチ構造体の比圧縮応力は4.3MPaであった。
サンドイッチ構造体(a)をサンドイッチ構造体(d)にした他は、実施例1と同様にアウトサート成形して成形体(d)を作製したところ、サンドイッチ構造体(d)と第2の部材2の間の接着不足のため第2の部材2が剥離した。
(比較例2)
エポキシ樹脂(熱硬化性樹脂)が、一方向に配列された炭素繊維群に含浸されたプリプレグ(東レ(株)製“トレカ(登録商標)”プリプレグP3052S−12、東レ(株)製“トレカ(登録商標)”T700S使用、炭素繊維含量:67wt%、繊維重さ:125g/m)から、所定の形状となるように、150×150mmのサイズで、プリプレグシートを4枚切り出した。これらのシートを用い、繊維方向を基準に、0度/90度となるような積層体をそれぞれ2組準備した。
次に、離型フィルムとして、東レデュポン(株)製“テドラー(登録商標)”フィルムを、積層体の上下に配置して、SUS製のプレス成形用の平板にセットし、150℃で5分間、0.02MPaの面圧をかけて、エポキシ樹脂を硬化させた。硬化終了後、室温で冷却した後、離型フィルムを除去して、2層の積層体からなるスキン層を得た。
得られた2枚のスキン層の片面に接着剤である室温硬化型エポキシ系接着剤“ケミットエポキシTE2220(東レファインケミカル(株)製)”を塗布して、スキン層の接着剤が芯材に接するようにスキン層(0度/90度)/芯材(e)/スキン層(90度/0度)となるように順次積層させ、0.02MPaの面圧を保持したまま、25℃×24時間かけて接着剤を硬化させてサンドイッチ板を成形した。このサンドイッチ板から、所定サイズ(繊維方向を長手方向として、110(繊維方向)×140mm(繊維に直角方向)の天板1)を切り出し、サンドイッチ構造体(e)とした。
サンドイッチ構造体(e)の厚みは、12.5mmとなり、サンドイッチ構造体(e)の比重は0.24であった。さらに芯材(e)およびサンドイッチ構造体(e)の、比圧縮応力の評価を行った結果、芯材(e)の比圧縮応力は50MPa、サンドイッチ構造体の比圧縮応力は5.5MPaであった。
実施例1〜3,5〜9、比較例1および2を表1にて各種項目を比較すると、実施例1〜3,5〜9に記載のサンドイッチ構造体は軽量性だけではなく、薄肉性と優れた比圧縮応力を両立することができた。また実施例4記載のサンドイッチ構造体は、その薄肉性を生かして曲面を持つ立体的な構造体を成形することが可能であった。反対に比較例1記載のサンドイッチ積層板は、その重量が重いことから比圧縮応力が著しく低下し、比較例2記載のサンドイッチ積層板は、機械特性は良好ではあるが、厚みが非常に厚く薄肉性に劣る。比較例1および2は薄肉性と比圧縮応力を両立することが出来なかった。
本発明のサンドイッチ構造体を用いた一体化成形品は、電気・電子機器、オフィスオートメーション機器、家電機器、医療機器、自動車部品、航空機部品、または建材等に用いられる成形体に限らず、鉄道車両・船舶等に挙げられる輸送機器への応用も可能であるが、その応用範囲がこれらに限られるものではない。
本発明の一体化成形品の一例の分解をした状態の斜視図。 本発明のサンドイッチ構造体の一例の分解をした状態の斜視図。 本発明のサンドイッチ構造体の一例の分解をした状態の斜視図。 本発明のサンドイッチ構造体の一例の分解をした状態の斜視図。 本発明のサンドイッチ構造体の一例の分解をした状態の斜視図。 本発明のサンドイッチ構造体の一例における芯材と繊維強化材との接合状態を説明するための接合部の断面図。 本発明のサンドイッチ構造体の一例における芯材の断面図(1)。 本発明のサンドイッチ構造体の一例における芯材の断面図(2)。 本発明の島状構造の芯材を用いたサンドイッチ構造体の一例の分解をした状態の斜視図。 本発明の表面と平行方向に貫通した空隙部位を有する構造の芯材を用いたサンドイッチ構造体の一例の分解をした状態の斜視図。 本発明のサンドイッチ構造体の一例における芯材と金型の断面図。 本発明のサンドイッチ構造体の一例における立体的サンドイッチ構造体の斜視図。
符号の説明
1 第1の部材
2 第2の部材
3 成形体
4 ボス部
5 ヒンジ部
6 芯材
7 繊維強化材
8 サンドイッチ構造体
11 芯材
12 繊維強化材
13 接合面
14 接着樹脂層
15、15a 強化繊維
16 マトリックス樹脂
17 界面
18 含浸長さ
19 外郭線
20 最大含浸部位
21 芯材断面図(六角形状ハニカム)
21−1 セルサイズ
21−2 セル断面の最大長さ
21−3 セル壁厚
22 芯材断面図(真円状ハニカム)
22−1 センターピッチ
22−2 セル壁厚
22−3 センターピッチ
22−4 セル断面の最大長さ
22−5 セル配列角度
22−6 セルの図心を通る中心線
23 芯材断面図(正方形ハニカム)
23−1 セル断面の最大長さ
23−2 セル壁厚
23−3 セルサイズ
31 芯材断面図(ダイヤ型ハニカム)
32 芯材断面図(ヘリンボン型ハニカム)
33 芯材断面図(変形十ガスリ型ハニカム)
34 芯材断面図(扇形型ハニカム)
35 芯材断面図(十ガスリ型ハニカム)
36 芯材断面図(○十型ハニカム)
37 島状構造の芯材
38 表面と平行方向に貫通した空隙部位を有する構造の芯材(空隙部分が真円状)
39 表面と平行方向に貫通した空隙部位を有する構造の芯材(波形状)
40 空隙部分
41 雌型金型断面図
42 芯材
43 雄型金型
44 立体型サンドイッチ構造体

Claims (25)

  1. ハニカム構造、島状構造、または、表面と平行方向に貫通した空隙部位を有する構造のうちの少なくとも1つの構造を形成してなる芯材(I)と、該芯材(I)の両面に配置された、連続した強化繊維(A)とマトリクス樹脂(B)で構成される繊維強化材(II)からなるサンドイッチ構造体(III)であって、該サンドイッチ構造体(III)の最大厚みが0.3〜2.0mmであるサンドイッチ構造体。
  2. 前記サンドイッチ構造体(III)の、JIS−K 7181(2006)に基づく圧縮試験において、本明細書に記載の方法で測定した25%ひずみ時の比圧縮応力が5MPa以上である、請求項1に記載のサンドイッチ構造体。
  3. 前記芯材(I)のJIS−K 7181(2006)に基づく圧縮試験において、本明細書に記載の方法で測定した25%ひずみ時の比圧縮応力が15MPa以上である、請求項1または2のいずれかに記載のサンドイッチ構造体。
  4. 前記芯材(I)の最大厚みが0.1〜1.8mmである、請求項1〜3のいずれかに記載のサンドイッチ構造体。
  5. 前記サンドイッチ構造体(III)の比重が0.1〜1.5である、請求項1〜4のいずれかに記載のサンドイッチ構造体。
  6. 前記ハニカム構造を形成してなる芯材(I)の、セルの断面形状が真円状、楕円状、および六角形状から選択される少なくとも1種である、請求項1〜5のいずれかに記載のサンドイッチ構造体。
  7. 前記島状構造を形成してなる芯材(I)の島状形状が、正方形状、長方形状、波線状、真円状および、三角形状から選択される少なくとも1種である、請求項1〜5のいずれかに記載のサンドイッチ構造体。
  8. 前記表面と平行方向に貫通した空隙部位を有する構造を形成してなる芯材(I)の貫通した空隙部位の形状が、三角形状、正方形状、長方形状、真円状、および山形状から選択される少なくとも1種である、請求項1〜5のいずれかに記載のサンドイッチ構造体。
  9. 前記ハニカム構造、島状構造、または、表面と平行方向に貫通した空隙部位を有する構造のうちの少なくとも1つの構造を形成してなる芯材(I)の、下記式(1)〜(3)のいずれかで計算される空隙率が20〜95%である、請求項1〜8のいずれかに記載のサンドイッチ構造体。
    空隙率(%)=(ハニカム構造のセル内の総断面積/芯材の見かけ断面積)×100:式(1)
    空隙率(%)=(1−(島状構造の総断面積/芯材の見かけ断面積))×100:式(2)
    空隙率(%)=(表面と平行方向に貫通した空隙部位の総断面積/表面と平行方向における芯材の見かけ断面積)×100:式(3)
  10. 前記ハニカム構造、島状構造、または、表面と平行方向に貫通した空隙部位を有する構造のうちの少なくとも1つの構造を形成してなる芯材(I)の、セルの断面形状における最大長さ、島状構造の間隔、または、空隙部位における最大長さのいずれかが1〜10mmである、請求項1〜9のいずれかに記載のサンドイッチ構造体。
  11. 前記芯材(I)のセル壁厚、または、島状部分の幅の少なくとも一部が、0.05〜1mmである請求項1〜10のいずれかに記載のサンドイッチ構造体。
  12. 前記ハニカム構造、または、表面と平行方向に貫通した空隙部位を有する構造を形成してなる芯材(I)の、セルの断面積、または、空隙部分の断面積が25mm以下である、請求項1〜11のいずれかに記載のサンドイッチ構造体。
  13. 前記芯材(I)が、熱可塑性樹脂である、請求項1〜12のいずれかに記載のサンドイッチ構造体。
  14. 前記熱可塑性樹脂がポリオレフィン系樹脂、ポリエステル系樹脂、およびポリアミド樹脂から選択される少なくとも1種である、請求項13記載のサンドイッチ構造体。
  15. 前記ポリオレフィン系樹脂がポリプロピレン樹脂である、請求項14記載のサンドイッチ構造体。
  16. 前記強化繊維(A)が炭素繊維である、請求項1〜15のいずれかに記載のサンドイッチ構造体。
  17. 前記マトリクス樹脂(B)が熱硬化性樹脂である、請求項1〜16のいずれかに記載のサンドイッチ構造体。
  18. 前記芯材(I)と前記繊維強化材(II)の層間に、接着層が配置されてなる、請求項1〜17のいずれかに記載のサンドイッチ構造体。
  19. 前記接着層が、変性ポリオレフィン系樹脂、ポリエステル樹脂、およびポリアミド樹脂から選択される少なくとも1種から構成される、請求項18記載のサンドイッチ構造体。
  20. 前記接着層の一部が、前記繊維強化材(II)を構成する強化繊維(A)の繊維間に含浸されてなる、請求項18または19記載のサンドイッチ構造体。
  21. 前記サンドイッチ構造体(III)が、曲率半径3mm以上の曲面部を有する、請求項1〜20に記載のサンドイッチ構造体。
  22. 請求項1〜21のいずれかに記載のサンドイッチ構造体からなる第1の部材と、別の構造部材からなる第2の部材が接合されて一体化された成形体。
  23. 請求項1〜21のいずれかに記載のサンドイッチ構造体からなる面板と、フレーム部分が一体化された成形体であって、電気・電子機器、オフィスオートメーション機器、家電機器、医療機器、自動車部品、航空機部品、または建材に用いられる成形体。
  24. 請求項1〜21のいずれかに記載のサンドイッチ構造体からなる天面と、熱可塑性樹脂からなるフレーム部分とを有する電子機器筐体であって、前記天面と前記フレーム部分とが一体化された電子機器筐体。
  25. 前記サンドイッチ構造体と、前記フレーム部分とが熱可塑性樹脂層を介して一体化された請求項24記載の電子機器筐体。
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