JP2009062483A - プリプレグの積層構造 - Google Patents

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Abstract

【課題】 プリプレグ同士の接合強度を向上させることができるプリプレグの積層構造を提供する。
【解決手段】 プリプレグ積層構造体１０は、プリプレグ２Ａ，２Ｂを積層した構造をなしている。プリプレグ２Ａの一面側には、引っ張り荷重が作用する荷重方向（０°方向とする）に強化繊維が引き揃えられた０°繊維層３が設けられ、プリプレグ２の他面側には、荷重方向に垂直な方向（９０°方向とする）に強化繊維が引き揃えられた９０°繊維層４が設けられている。プリプレグ積層構造体１０は、プリプレグ２Ａ，２Ｂを互いに面方向（荷重方向）にずらした状態でプリプレグ２Ａ，２Ｂの各０°繊維層３同士が接合されるように、プリプレグ２Ａ，２Ｂを積層した２層継ぎ合わせ構造をなしている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、強化繊維に樹脂を含浸させてなるプリプレグを複数枚積層するプリプレグの積層構造に関するものである。
従来におけるプリプレグの積層構造としては、例えば特許文献１に記載されているものが知られている。特許文献１に記載の積層構造は、繊維補強基材に反応樹脂材料を含浸・硬化させた繊維強化プラスチックパネル片を複数枚用意し、繊維強化プラスチックパネル片の継ぎ代繊維部が相互に重合するように複数枚の繊維強化プラスチックパネル片を配設し、重合させた継ぎ代繊維部上に接続用繊維材を積層し、その繊維積層部分に反応樹脂材料を含浸・硬化させるというものである。
特開２００６−２１８８２１号公報
ところで、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）等の複合材料を用いて構造物を製作する際、当該複合材料からなるフラットパターンを複数枚積層する場合には、各フラットパターン間に継ぎ部が生じ、この継ぎ部が強度的に弱い箇所となる。特に近年では、繊維が交絡するクロス材に比べて基材厚さ方向の繊維うねりが少なく高剛性が得られるＮＣＦ（Non Crimp Fabrics）基材が注目されているが、ＮＣＦ基材は層間剥離が生じ易く、各フラットパターン間の継ぎ部等で強化繊維の不連続による強度低下が起こりやすくなる。
上記従来技術においては、繊維積層部分に反応樹脂材料を供給する手順が必要となるため作業が複雑になることに加え、繊維積層部分における繊維の方向性については何ら考慮されていないため、強化繊維の不連続による強度低下が避けられず、破壊が発生する虞がある。
本発明の目的は、プリプレグ同士の接合強度を向上させることができるプリプレグの積層構造を提供することである。
本発明は、強化繊維に樹脂を含浸させてなるプリプレグを複数枚積層するプリプレグの積層構造であって、プリプレグは、プリプレグの一方の面側に設けられ、プリプレグの厚さ方向に垂直な第１方向に強化繊維が引き揃えられた第１繊維層と、プリプレグの他方の面側に設けられ、第１方向とは異なる第２方向に強化繊維が引き揃えられた第２繊維層とを有し、複数枚のプリプレグは、互いに接合された状態で積層されており、積層方向に隣り合うプリプレグの少なくとも一方の第１繊維層が接合されていることを特徴とするものである。
強化繊維に樹脂を含浸させてなるプリプレグ同士を接合するに際し、荷重が作用する方向（荷重方向）に対して強化繊維が角度をもった層が接合されると、その層には、強化繊維の引き揃え方向に対して横方向の剪断応力として働くようになる。このため、荷重の作用によってプリプレグ同士の接合部に破壊が生じやすく、プリプレグ同士の接合強度が低下し、プリプレグ同士の接合面における耐荷重が低下してしまう。
そこで本発明では、プリプレグの構造を、プリプレグの厚さ方向に垂直な第１方向に強化繊維が引き揃えられた第１繊維層と、第１方向とは異なる第２方向に強化繊維が引き揃えられた第２繊維層とを有する複数層構造とする。このとき、積層方向に隣り合うプリプレグの少なくとも一方の第１繊維層における強化繊維の引き揃え方向が荷重方向に一致するように当該第１繊維層を接合することで、荷重の作用時には強化繊維の引き揃え方向に剪断応力が働くため、プリプレグ同士の接合部において破壊が生じにくくなる。これにより、プリプレグ同士の接合強度を高くすることができる。
好ましくは、積層方向に隣り合うプリプレグの第１繊維層同士が強化繊維の引き揃え方向を一致させた状態で接合されている。この場合には、積層方向に隣り合うプリプレグの各第１繊維層における強化繊維の引き揃え方向が荷重方向に一致するように各第１繊維層を接合することで、プリプレグ同士の接合部において破壊が一層生じにくくなる。これにより、プリプレグ同士の接合強度をより高くすることができる。
また、好ましくは、積層方向に隣り合うプリプレグの接合部の少なくとも一部は、プリプレグ同士が互いに面方向にずれた状態で接合された継ぎ合わせ部を構成している。この場合には、プリプレグの第１繊維層における強化繊維の引き揃え方向を荷重方向に一致させることで、荷重の作用時にプリプレグ同士の継ぎ合わせ部の接合強度を高くすることができる。
プリプレグ同士の継ぎ合わせ部の長さは、第１繊維層及び第２繊維層の厚さとプリプレグ同士の接合形態とに基づいて規定されることが好ましい。プリプレグの第１繊維層及び第２繊維層の厚さが大きくなるほど、プリプレグ同士の継ぎ合わせ部の長さが一定の場合における継ぎ合わせ部の接合強度が高くなる。また、プリプレグの第１繊維層における強化繊維の引き揃え方向が荷重方向に一致する構造では、第１繊維層同士が接合される場合には、第１繊維層と第２繊維層とが接合される場合に比べて継ぎ合わせ部の接合強度が高くなる。従って、プリプレグの第１繊維層及び第２繊維層の厚さとプリプレグ同士の接合形態とに基づいて、プリプレグ同士の継ぎ合わせ部の長さを決定するのが好適である。
また、プリプレグ同士の継ぎ合わせ部の両側には隙間が形成されていることが好ましい。このような隙間を設けることで、プリプレグの積層構造体に曲げ変形が生じ、荷重伝達が均一化してプリプレグの積層構造体の曲げによる破損等を防止することができる。
このとき、隙間の寸法は、第１繊維層及び第２繊維層の厚さとプリプレグ同士の接合形態とプリプレグ同士の継ぎ合わせ部の連続性とに基づいて規定されることが好ましい。プリプレグの第１繊維層及び第２繊維層の厚さによって、プリプレグの積層構造体の撓みを生じさせる隙間寸法が異なる。また、プリプレグの第１繊維層における強化繊維の引き揃え方向が荷重方向に一致する場合、第１繊維層に撓みが発生すると、剪断応力による荷重の伝達に悪影響を与える。このため、積層方向に隣り合うプリプレグの第１繊維層同士が接合されており、各第１繊維層に隙間が連続して形成されている場合には、他の場合に比べて隙間寸法を小さくする必要がある。従って、プリプレグの第１繊維層及び第２繊維層の厚さとプリプレグ同士の接合形態とプリプレグ同士の継ぎ合わせ部の連続性とに基づいて、隙間の寸法を決定するのが好適である。
また、積層方向に隣り合うプリプレグの接合部には、隙間の両側に位置する第１繊維層同士を繋ぐ補強材が設けられていることが好ましい。例えば積層方向に隣り合うプリプレグの第１繊維層及び第２繊維層が接合されており、第１繊維層における強化繊維の引き揃え方向が荷重方向に一致している場合に、第１繊維層に隙間が形成されているために第１繊維層が分断されていると、プリプレグ同士の接合強度の低下につながる。従って、隙間の両側に位置する第１層同士を繋ぐように補強材を設けることにより、第１繊維層と第２繊維層とが接合されている場合におけるプリプレグ同士の接合強度を更に高くすることができる。
このとき、補強材は、第１繊維層と当該第１繊維層と積層方向に隣り合う層との間に介在されていることが好ましい。この場合には、積層方向に隣り合うプリプレグの接合部に補強材を容易に設けることができる。
また、補強材は、第１繊維層と積層方向に隣り合うと共に当該第１繊維層とは異なる方向に強化繊維が引き揃えられた層の一部分を置き換えて形成されていても良い。この場合には、プリプレグの積層構造体の厚みを増大させること無く、積層方向に隣り合うプリプレグの接合部に補強材を設けることができる。
本発明によれば、プリプレグ同士の接合強度を向上させることができる。これにより、例えば厚みのあるプリプレグを使用して積層構造体を製作する場合に有利となるため、プリプレグの積層枚数を減らし、生産性向上を図ることができる。
以下、本発明に係わるプリプレグの積層構造の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、図中、同一または同等の要素には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。
図１は、本発明に係わるプリプレグの積層構造の第１実施形態を示す側面図である。同図において、本実施形態のプリプレグの積層構造であるプリプレグ積層構造体は、例えば自動車のアンダーボディ等に使用されるものである。
プリプレグ積層構造体は、所定形状のフラットパターンで形成されたプリプレグを複数枚積層して形成される。ここで使用されるプリプレグは、例えば炭素強化繊維にエポキシ樹脂等を含浸させたもので、炭素強化繊維プラスチック（ＣＦＲＰ）の成形用材料である。プリプレグとしては、例えばＮＣＦ（Non Crimp Fabrics）基材が挙げられる。ＮＣＦ基材は、クロス材（平織りや綾織り等の織物材）のように繊維の交絡がなく、一方向に引き揃えられた強化繊維を複数積み重ねた構造となっているため、クロス材に比べて基材厚さ方向の繊維うねり（非直線性）が少なく高剛性が得られるものとして、近年注目されている。
図１（ａ）に示すプリプレグ積層構造体１０は、プリプレグ２Ａ，２Ｂ（以下、まとめてプリプレグ２と言うことがある）を積層した構造をなしている。プリプレグ２は、プリプレグ２の一面側に設けられ、引っ張り荷重が作用する荷重方向（０°方向（第１方向）とする）に強化繊維が引き揃えられた０°繊維層（第１繊維層）３と、プリプレグ２の他面側に設けられ、荷重方向に垂直な方向（９０°方向（第２方向）とする）に強化繊維が引き揃えられた９０°繊維層（第２繊維層）４とからなる２層構造を有している。０°繊維層３及び９０°繊維層４の何れにおいても、強化繊維はプリプレグ２の厚さ方向に対して垂直な方向に引き揃えられている。
０°繊維層３の厚さは例えば０．３ｍｍ程度であり、９０°繊維層４の厚さは例えば０．３ｍｍ程度である。このような厚目付け基材（比較的厚みのある基材）をプリプレグ２として使用することにより、少ない積層枚数で所定厚さのプリプレグ積層構造体１０が得られるため、生産性向上に寄与することができる。
プリプレグ積層構造体１０は、プリプレグ２Ａ，２Ｂを互いに面方向（荷重方向）にずらした状態でプリプレグ２Ａ，２Ｂの各０°繊維層３同士が接合されるように、プリプレグ２Ａ，２Ｂを積層した２層継ぎ合わせ構造をなしている。つまり、プリプレグ２Ａ，２Ｂ同士の接合部５は、継ぎ合わせ部を構成している。
このようなプリプレグ積層構造体１０を製造する場合には、プリプレグ２Ａ，２Ｂの各０°繊維層３における強化繊維の引き揃え方向が荷重方向に一致するように、プリプレグ２Ａ，２Ｂを互いに荷重方向にずらした状態でプリプレグ２Ａ，２Ｂの各０°繊維層３同士を対向配置する。そして、例えばプリプレグ２Ａ，２Ｂを厚さ方向に加圧して加熱することにより、プリプレグ２Ａ，２Ｂの各０°繊維層３同士を密着接合する。
図１（ｂ）に示すプリプレグ積層構造体１１は、プリプレグ２Ａ，２Ｂを互いに面方向（荷重方向）にずらした状態でプリプレグ２Ａの０°繊維層３とプリプレグ２Ｂの９０°繊維層４とが接合されるように、プリプレグ２Ａ，２Ｂを積層した２層継ぎ合わせ構造をなしている。プリプレグ積層構造体１１の製造方法については、上記のプリプレグ積層構造体１０と同様である。
図１（ａ）に示すプリプレグ積層構造体１０では、プリプレグ２Ａ，２Ｂの各０°繊維層３における強化繊維の引き揃え方向が荷重方向に一致するように各０°繊維層３同士を接合するようにしたので、プリプレグ２Ａ，２Ｂの継ぎ合わせ部（接合部）５の上下両側において、プリプレグ積層構造体１０に作用する引っ張り荷重が強化繊維の引き揃え方向の剪断応力として働くことになる。従って、その剪断応力が強化繊維に沿って直接的に十分伝わるようになり、プリプレグ２Ａ，２Ｂの継ぎ合わせ部５の接合強度が十分確保されるため、プリプレグ２Ａ，２Ｂの破壊を防止することができる。
また、図１（ｂ）に示すプリプレグ積層構造体１１では、プリプレグ２Ａの０°繊維層３における強化繊維の引き揃え方向が荷重方向に一致するようにプリプレグ２Ａの０°繊維層３とプリプレグ２Ｂの９０°繊維層４とを接合するようにしたので、プリプレグ２Ａ，２Ｂの継ぎ合わせ部（接合部）５の下側において、プリプレグ積層構造体１１に作用する引っ張り荷重が強化繊維の引き揃え方向の剪断応力として働くようになる。従って、図２に示すようにプリプレグ２Ａ，２Ｂの各９０°繊維層４同士を接合する構造に比べて、プリプレグ２Ａ，２Ｂの継ぎ合わせ部５の接合強度が確保されるため、プリプレグ２Ａ，２Ｂの破壊が発生しにくくなる。
図３は、上述した第１実施形態の変形例を示す側面図である。図３（ａ）に示すプリプレグ積層構造体１２は、実質的に図１（ａ）に示すプリプレグ積層構造体１０にプリプレグ２Ｃ，２Ｄを更に積層した２層構造をなしている。プリプレグ２Ｃ，２Ｄの構造は、プリプレグ２Ａ，２Ｂと同様である。プリプレグ２Ｃは、プリプレグ２Ａと同方向になるように０°繊維層３がプリプレグ２Ｂに接合され、プリプレグ２Ｄは、プリプレグ２Ｂと同方向になるように０°繊維層３がプリプレグ２Ａに接合されている。プリプレグ２Ａ，２Ｃ間、プリプレグ２Ｂ，２Ｄ間には、それぞれ隙間６が形成されている。つまり、プリプレグ２Ａ，２Ｂの継ぎ合わせ部５の左右両側には隙間６が存在することとなる。
図３（ｂ）に示すプリプレグ積層構造体１３は、実質的に図１（ｂ）に示すプリプレグ積層構造体１１にプリプレグ２Ｃ，２Ｄを更に積層した２層構造をなしている。プリプレグ２Ｃは、プリプレグ２Ａと同方向になるように０°繊維層３がプリプレグ２Ｂに接合され、プリプレグ２Ｄは、プリプレグ２Ｂと同方向になるように９０°繊維層４がプリプレグ２Ａに接合されている。プリプレグ２Ａ，２Ｃ間、プリプレグ２Ｂ，２Ｄ間には、それぞれ隙間６が形成されている。
このようにプリプレグ積層構造体に隙間６を設けることにより、プリプレグ積層構造体に曲げ変形が生じるため、プリプレグ２Ａ〜２Ｄの破損や破断等が発生しにくくなる。
図４は、上述した第１実施形態の他の変形例を示す側面図である。図４（ａ）に示すプリプレグ積層構造体１４は、実質的に図３（ａ）に示すプリプレグ積層構造体１２にプリプレグ２Ｅ，２Ｆを更に積層した３層構造をなしている。プリプレグ２Ｅ，２Ｆの構造は、プリプレグ２Ａ〜２Ｄと同様である。プリプレグ積層構造体１４は、プリプレグ２Ｅ，２Ｃを互いに面方向（荷重方向）にずらした状態でプリプレグ２Ｅの０°繊維層３とプリプレグ２Ｃの９０°繊維層４とが接合されるような継ぎ合わせ構造をなしている。プリプレグ２Ｆは、プリプレグ２Ｅと同方向になるように０°繊維層３がプリプレグ２Ｃに接合されている。プリプレグ２Ｅ，２Ｆ間には、隙間６が形成されている。
図４（ｂ）に示すプリプレグ積層構造体１５は、実質的に図３（ａ）に示すプリプレグ積層構造体１２にプリプレグ２Ｅ，２Ｆを更に積層した３層構造をなしている。プリプレグ積層構造体１５は、プリプレグ２Ｅ，２Ｃを互いに面方向（荷重方向）にずらした状態でプリプレグ２Ｅ，２Ｃの９０°繊維層４同士が接合されるような継ぎ合わせ構造をなしている。プリプレグ２Ｆは、プリプレグ２Ｅと同方向になるように９０°繊維層４がプリプレグ２Ｃに接合されている。プリプレグ２Ｅ，２Ｆ間には、隙間６が形成されている。
次に、上述したプリプレグ積層構造体１０〜１５におけるプリプレグ２同士の継ぎ合わせ部５の長さ（ラップ長）について考察する。
図１及び図２において、強化繊維が荷重方向に引き揃えられた０°繊維層３の厚さをｔ１、強化繊維が荷重方向に垂直な方向に引き揃えられた９０°繊維層４の厚さをｔ２（後述）、０°繊維層３同士が接合した継ぎ合わせ部５のラップ長をｄ１、０°繊維層３と９０°繊維層４とが接合した継ぎ合わせ部５のラップ長をｄ２、９０°繊維層４同士が接合した継ぎ合わせ部のラップ長をｄ３（後述）とすると、厚さｔ１，ｔ２が０．２〜０．４ｍｍの厚目付けプリプレグ（ＮＣＦ基材）に対して、
５０＜ｄ１／ｔ１＜２５０
５０＜ｄ２／ｔ１＜１５０
の関係を満たすのが望ましい。これらの数値は、本発明者等による実験を含む鋭意追究によって得られたものである。
なお、特に前述はしていないが、強化繊維が荷重方向に対して±４５°の方向に引き揃えられた４５°繊維層の厚さをｔ２（後述）、０°繊維層と４５°繊維層とが接合した継ぎ合わせ部のラップ長をｄ２、４５°繊維層と４５°繊維層とが接合した継ぎ合わせ部のラップ長をｄ３（後述）、９０°繊維層と４５°繊維層とが接合した継ぎ合わせ部のラップ長をｄ３（後述）とすると、上記の関係を満たすことができる。
図５及び図６は、プリプレグ同士の接合部における強化繊維の引き揃え方向及びそのラップ長に関する実験結果を表したグラフである。
図５（ａ）〜（ｃ）に示すグラフは、０°繊維層の厚さｔ１及び９０°繊維層の厚さｔ２を０．３ｍｍとした場合に、０°繊維層同士を接合させた構造（実線Ｐ）、０°繊維層と９０°繊維層とを接合させた構造（１点鎖線Ｑ）、９０°繊維層同士を接合させた構造（破線Ｒ）についての実験結果をそれぞれ表したものである。なお、同グラフにおいて、横軸は、継ぎ合わせ部のラップ長ｄを表し、縦軸は、最大引っ張り荷重Ｆｍａｘを表している。
図５（ａ）に示すグラフから明らかなように、プリプレグ同士の継ぎ合わせ部のラップ長ｄを同一にした条件では、０°繊維層同士を接合させた場合には、最大引っ張り荷重Ｆｍａｘが最も高くなる。また、０°繊維層と９０°繊維層とを接合させた場合でも、９０°繊維層同士を接合させた場合に比べて最大引っ張り荷重Ｆｍａｘが高くなる。
また、図５（ｂ）に示すグラフから明らかなように、最大引っ張り荷重Ｆｍａｘが収束するまでのラップ長ｄについては、０°繊維層同士を接合させた場合に最大引っ張り荷重Ｆｍａｘが収束するまでのラップ長ｄ１が最も長くなる。また、０°繊維層と９０°繊維層とを接合させた場合に最大引っ張り荷重Ｆｍａｘが収束するまでのラップ長ｄ２は、９０°繊維層同士を接合させた場合に最大引っ張り荷重Ｆｍａｘが収束するまでのラップ長ｄ３よりも長くなる。
また、図５（ｃ）に示すグラフから明らかなように、継ぎ合わせ部のラップ長ｄの増加に伴って得られる最大引っ張り荷重Ｆｍａｘの増加率については、０°繊維層同士を接合させた場合における最大引っ張り荷重Ｆｍａｘの増加率が最も高くなる。また、０°繊維層と９０°繊維層とを接合させた場合における最大引っ張り荷重Ｆｍａｘの増加率は、９０°繊維層同士を接合させた場合における最大引っ張り荷重Ｆｍａｘの増加率よりも高くなる。
以上のことから、０°繊維層同士を接合させた場合には、継ぎ合わせ部のラップ長ｄ１を大きくすることで継ぎ合わせ部の接合強度が高くなるという効果が十分得られ、０°繊維層と９０°繊維層とを接合させた場合にも、継ぎ合わせ部のラップ長ｄ２を大きくすることで継ぎ合わせ部の接合強度が高くなるという効果が得られる。一方、９０°繊維層同士を接合させた場合には、継ぎ合わせ部のラップ長ｄ３を大きくすることで継ぎ合わせ部の接合強度が高くなるという効果は少ないと言える。
図６に示すグラフは、０°繊維層と９０°繊維層とを接合させた構造において、９０°繊維層の厚さｔ２を一定値（０．３ｍｍ）とした条件で、０°繊維層の厚さｔ１を０．２ｍｍ（実線Ｓ）、０．３ｍｍ（１点鎖線Ｔ）、０．４ｍｍ（破線Ｕ）とした場合の実験結果をそれぞれ表したものである。なお、同グラフにおいて、横軸は、継ぎ合わせ部のラップ長ｄを表し、縦軸は、最大引っ張り荷重Ｆｍａｘを表している。
図６に示すグラフから明らかなように、０°繊維層の厚さｔ１を厚くするほど、継ぎ合わせ部のラップ長ｄ２の増加に伴って得られる最大引っ張り荷重Ｆｍａｘ及びその増加率が高くなる。
図７は、上述した第１実施形態の更に他の変形例を示す側面図である。図７（ａ）に示すプリプレグ積層構造体１６は、プリプレグ２Ｇ〜２Ｊ（以下、まとめてプリプレグ２と言うことがある）を積層してなる４層構造をなしている。プリプレグ２Ｇ〜２Ｊの構造は、上記プリプレグ２Ａ，２Ｂ等と同様である。プリプレグ積層構造体１６では、プリプレグ２Ｇの９０°繊維層４とプリプレグ２Ｈの０°繊維層３とが接合され、プリプレグ２Ｈ，２Ｉの９０°繊維層４同士が接合され、プリプレグ２Ｉの０°繊維層３とプリプレグ２Ｊの９０°繊維層４とが接合されている。プリプレグ２Ｉには、隙間６が形成されている。
図７（ｂ）に示すプリプレグ積層構造体１７は、図７（ａ）に示すプリプレグ積層構造体１６と同様に、プリプレグ２Ｇ〜２Ｊを積層してなる４層構造をなしている。プリプレグ２Ｈ，２Ｊには、隙間６が形成されている。
図７（ｃ）に示すプリプレグ積層構造体１８は、図７（ａ）に示すプリプレグ積層構造体１６と同様に、プリプレグ２Ｇ〜２Ｊを積層してなる４層構造をなしている。プリプレグ２Ｈ，２Ｉという連続した２つの層には、隙間６が形成されている。
このようなプリプレグ積層構造体１６〜１８に形成される隙間６の寸法について考察する。
０°繊維層３及び９０°繊維層４の厚さｔ（＝０．２〜０．４ｍｍ）の厚目付けプリプレグ（ＮＣＦ基材）に対して、図７（ａ）、（ｂ）に示すように積層方向に隣接するプリプレグにおいて隙間６が連続しない場合には、隙間６の寸法Ｗを下記（Ａ）式とするのが望ましい。
Ｗ≦２０×ｔ …（Ａ）
また、図７（ｃ）に示すように積層方向に隣り合うプリプレグ２において隙間６が連続する場合、隙間６の寸法Ｗを下記（Ｂ）式とするのが望ましい。
Ｗ≦１０×ｔ …（Ｂ）
なお、これらの数値も、本発明者等による実験を含む鋭意追究によって得られたものである。図７には示していないが、４５°繊維層（前述）が存在する場合も同様である。
このように隙間６の寸法Ｗを規定することにより、プリプレグ２の接合部５の接合強度が確保されるため、プリプレグ２の撓みを防止することができる。特にプリプレグ２の０°繊維層３については、引っ張り荷重が作用するときに生じる剪断応力が強化繊維によって直接伝達される層であるため、撓みにより強度に与える影響が大きくなる。従って、積層方向に隣接するプリプレグ２において隙間２が連続する構造では、０°繊維層３に形成される隙間６の寸法Ｗを小さくすることにより、０°繊維層３を有するプリプレグ２の撓みを十分抑制することができる。
図８は、プリプレグに形成される隙間に関する実験結果を表したグラフである。図８に示すグラフは、図７（ａ）〜（ｃ）に示すプリプレグ積層構造体について、隙間の寸法と最大引っ張り荷重Ｆｍａｘの変化（強度変化）との関係を表したものである。このとき、０°繊維層及び９０°繊維層の厚さｔは０．３ｍｍである。図中の四角印は、図７（ａ）に示すプリプレグ積層構造体の実験結果であり、図中の丸印は、図７（ｂ）に示すプリプレグ積層構造体の実験結果であり、図中の三角印は、図７（ｃ）に示すプリプレグ積層構造体の実験結果である。
図８に示すグラフから明らかなように、図７（ａ）、（ｂ）に示すように隣接するプリプレグにおいて隙間が連続しない場合には、隙間が大きくなっても強度低下は少なかったが、図７（ｃ）に示すように隣接するプリプレグにおいて隙間が連続する場合には、隙間が大きくなると、プリプレグ積層構造体の撓みが発生するため、強度低下が生じた。
図９は、本発明に係わるプリプレグの積層構造の第２実施形態を示す側面図である。同図において、本実施形態のプリプレグ積層構造体２０は、図４（ａ）に示すプリプレグ積層構造体１４に強化パッチ２１を挿入したものである。
強化パッチ２１としては、プリプレグ２と同種繊維のクロス材パッチや一方向（ＵＤ）材パッチを使用する。このようなパッチを使用する場合は、パッチにおける強化繊維の引き揃え方向がプリプレグ２の０°繊維層３における強化繊維の引き揃え方向と一致するようにパッチを配置する。
強化パッチ２１は、プリプレグ２Ｅ，２Ｆ間に形成された隙間６の左右両側に位置する０°繊維層３同士を繋ぐように、プリプレグ２Ａ，２Ｃとプリプレグ２Ｅ，２Ｆとの間に介在されている。このとき、０°繊維層３の厚さをｔ１としたときに、強化パッチ２１の長さＬを例えば下記のようにする。
５０×ｔ１≦Ｌ≦２５０×ｔ１
また、強化パッチ２１の厚みによっては、図９に示すように、プリプレグ２Ａ，２Ｃとプリプレグ２Ｅ，２Ｆとの間における強化パッチ２１以外の領域に樹脂（レジン）を充填させることで樹脂溜まり２２が生じるが、成形時の圧力によって流れ、隣り合う層と接合されるようになる。
このようにプリプレグ２Ｅ，２Ｆの０°繊維層３とプリプレグ２Ａ，２Ｃの９０°繊維層４との間に強化パッチ２１を介在させることにより、０°繊維層３に形成されている隙間６に起因した接合強度の低下が抑制される。つまり、プリプレグ積層構造体２０に引っ張り荷重が作用する際に生じる剪断応力が強化パッチ２１を介して十分伝わるようになる。これにより、プリプレグ２Ｃ，２Ｅの継ぎ合わせ部の接合強度が十分高くなる。
図１０（ａ）は、比較例を示す側面図である。図１０（ａ）において、プリプレグ積層構造体２５は、プリプレグ２Ｋ〜２Ｑ（以下、まとめてプリプレグ２と言うことがある）を積層してなる６層構造をなしている。プリプレグ２Ｌ，２Ｎ，２Ｏの構造は、プリプレグ２Ａ，２Ｂ等と同様に０°繊維層３及び９０°繊維層４からなっている。プリプレグ２Ｋ，２Ｍ，２Ｑは、プリプレグ２の一面側に設けられ、荷重方向に対して＋４５°の方向に強化繊維が引き揃えられた４５°繊維層７と、プリプレグ２の他面側に設けられ、荷重方向に対して−４５°の方向に強化繊維が引き揃えられた４５°繊維層８とからなる２層構造を有している。
プリプレグ積層構造体２５では、プリプレグ２Ｋの４５°繊維層８とプリプレグ２Ｌの０°繊維層３とが接合され、プリプレグ２Ｌの９０°繊維層４とプリプレグ２Ｍの４５°繊維層７とが接合され、プリプレグ２Ｍの４５°繊維層８とプリプレグ２Ｎの０°繊維層３とが接合され、プリプレグ２Ｎの９０°繊維層４とプリプレグ２Ｏの９０°繊維層４とが接合され、プリプレグ２Ｏの０°繊維層３とプリプレグ２Ｑの４５°繊維層７とが接合されている。プリプレグ２Ｌ，２Ｍ及びプリプレグ２Ｎ，２Ｏには、それぞれ隙間６が形成されている。
図１０（ｂ）は、上述した第２実施形態の変形例を示す側面図である。図１０（ｂ）において、本変形例のプリプレグ積層構造体２６は、図１０（ａ）に示すプリプレグ積層構造体２５において２枚の強化パッチ２１が挿入された構造を有している。具体的には、プリプレグ２Ｋの４５°繊維層８とプリプレグ２Ｌの０°繊維層３との間には、隙間６を覆うように強化パッチ２１が介在されている。また、プリプレグ２Ｏの０°繊維層３とプリプレグ２Ｑの４５°繊維層７との間には、隙間６を覆うように強化パッチ２１が介在されている。
図１１は、プリプレグ間への強化パッチの挿入に関する実験結果を表したグラフである。図１１に示すグラフは、図１０（ａ）、（ｂ）に示すプリプレグ積層構造体について最大引っ張り荷重Ｆｍａｘ（強度）を表したものである。このとき、図１０（ｂ）に示すプリプレグ積層構造体において、強化パッチとしてはＵＤ材パッチを使用した。
図１１に示すグラフから明らかなように、プリプレグの０°繊維層とプリプレグの４５°繊維層との間の隙間を覆うように強化パッチを介在させることにより、最大引っ張り荷重Ｆｍａｘが高くなり、プリプレグ同士の接合強度の改善が見られた。
図１２は、本発明に係わるプリプレグの積層構造の第３実施形態を示す側面図である。同図において、本実施形態のプリプレグ積層構造体３０は、プリプレグ２Ｒ〜２Ｔ（以下、まとめてプリプレグ２と言うことがある）を積層してなる３層構造をなしている。プリプレグ２Ｒ，２Ｔは、上記の０°繊維層３及び９０°繊維層４からなり、プリプレグ２Ｓは、上記の４５°繊維層７及び４５°繊維層８からなっている。
プリプレグ積層構造体３０では、プリプレグ２Ｒの０°繊維層３とプリプレグ２Ｓの４５°繊維層８とが接合され、プリプレグ２Ｓの４５°繊維層７とプリプレグ２Ｔの０°繊維層３とが接合されている。プリプレグ２Ｒ，２Ｔには、隙間６がそれぞれ形成されている。
プリプレグ２Ｓの一部分は、プリプレグ２Ｒ，２Ｔの０°繊維層３における強化繊維の引き揃え方向と同じ方向に強化繊維が引き揃えられた一方向プリプレグ３１に貼り換えられている。一方向プリプレグ３１は、プリプレグ２Ｒ，２Ｔに形成された各隙間６の左右両側に位置する０°繊維層３同士を繋ぐように置き換えられている。このとき、０°繊維層３の厚さをｔ１としたときに、一方向プリプレグ３１の長さＬを例えば下記のように設定する。
５０×ｔ１≦Ｌ≦２５０×ｔ１
また、一方向プリプレグ３１に代えて、プリプレグ２Ｒ〜２Ｔと同種繊維のクロス材パッチやＵＤ材パッチといった強化パッチを使用しても良い。この場合にも、強化パッチの長さＬは、上記と同様である。
このように０°繊維層３に隣接する４５°繊維層７，８の一部分を一方向プリプレグまたは強化パッチに置き換えるようにしたので、０°繊維層３に形成されている隙間６に起因した接合強度の低下が抑制される。これにより、上記第２実施形態と同様に、プリプレグ２の継ぎ合わせ部の接合強度を十分高めることができる。
図１３（ａ）は、比較例を示す側面図である。図１３（ａ）において、プリプレグ積層構造体３５は、プリプレグ２Ｕ〜２Ｘ（以下、まとめてプリプレグ２と言うことがある）を積層してなる４層構造をなしている。プリプレグ２Ｕ，２Ｘは、上記の４５°繊維層７及び４５°繊維層８からなり、プリプレグ２Ｖ，２Ｗは、上記の０°繊維層３及び９０°繊維層４からなっている。
プリプレグ積層構造体３５では、プリプレグ２Ｕの４５°繊維層８とプリプレグ２Ｖの０°繊維層３とが接合され、プリプレグ２Ｖ，２Ｗの９０°繊維層４同士が接合され、プリプレグ２Ｗの０°繊維層３とプリプレグ２Ｘの４５°繊維層７とが接合されている。プリプレグ２Ｕ〜２Ｘには、隙間６がそれぞれ形成されている。
図１３（ｂ）は、上述した第３実施形態の変形例を示す側面図である。図１３（ｂ）において、本変形例のプリプレグ積層構造体３６は、図１３（ａ）に示すプリプレグ積層構造体２５においてプリプレグ２Ｕ，２Ｘの一部分をプリプレグ３７に貼り換えた構造を有している。プリプレグ３７は、０°繊維層３８及び９０°繊維層３９からなっている。
具体的には、プリプレグ２Ｕの一部分は、以下のようにしてプリプレグ３７に貼り換えられている。即ち、プリプレグ２Ｖに形成された隙間６の両側に位置する０°繊維層３同士を繋ぐように、プリプレグ２Ｖの０°繊維層３とプリプレグ３７の０°繊維層３８とが接合されている。このとき、プリプレグ３７の両側において、プリプレグ２Ｕとの間に隙間６が形成されている。
プリプレグ２Ｘの一部分は、以下のようにしてプリプレグ３７に貼り換えられている。即ち、プリプレグ２Ｗに形成された隙間６の両側に位置する０°繊維層３同士を繋ぐように、プリプレグ２Ｗの０°繊維層３とプリプレグ３７の０°繊維層３８とが接合されている。このとき、プリプレグ３７の両側において、プリプレグ２Ｘとの間に隙間６が形成されている。
図１４は、０°繊維層を有するプリプレグまたは強化パッチの貼り換えに関する実験結果を表したグラフである。
図１４に示すグラフは、図１３（ａ）、（ｂ）に示すプリプレグ積層構造体について最大引っ張り荷重Ｆｍａｘ（強度）を表したものである。このとき、図１３（ｂ）に示すプリプレグ積層体において、０°繊維層及び９０°繊維層からなるプリプレグを貼り換え材として使用した。
図１４に示すグラフから明らかなように、プリプレグの０°繊維層とプリプレグの４５°繊維層との間の隙間を覆うように、プリプレグの一部分を他の補強用のプリプレグに貼り換えることにより、最大引っ張り荷重Ｆｍａｘが高くなり、プリプレグ同士の接合強度の改善が見られた。
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、一面側と他面側とで強化繊維の引き揃え方向が異なる２層構造のプリプレグを用いたが、互いに強化繊維の引き揃え方向が異なる３層以上の構造を有するプリプレグを使用しても良い。
本発明に係わるプリプレグの積層構造の第１実施形態を示す側面図である。 比較例としてのプリプレグの積層構造を示す側面図である。 図１に示したプリプレグの積層構造の変形例を示す側面図である。 図１に示したプリプレグの積層構造の他の変形例を示す側面図である。 プリプレグ同士の接合部における強化繊維の引き揃え方向及びそのラップ長に関する実験結果として、繊維層の厚さを０．３ｍｍとしたときの３つの積層形態について、ラップ長と最大引っ張り荷重との関係を表したグラフである。 プリプレグ同士の接合部における強化繊維の引き揃え方向及びそのラップ長に関する実験結果として、０°繊維層と９０°繊維層とを接合させた構造において０°繊維層の厚さを変えた場合に、ラップ長と最大引っ張り荷重との関係を表したグラフである。 図１に示したプリプレグの積層構造の更に他の変形例を示す側面図である。 プリプレグの繊維層に形成される隙間に関する実験結果を示したグラフである。 本発明に係わるプリプレグの積層構造の第２実施形態を示す側面図である。 図９に示したプリプレグの積層構造の変形例を比較例と共に示す側面図である。 プリプレグ間への強化パッチの挿入に関する実験結果を示したグラフである。 本発明に係わるプリプレグの積層構造の第３実施形態を示す側面図である。 図１２に示したプリプレグの積層構造の変形例を比較例と共に示す側面図である。 ０°繊維層を有するプリプレグまたは強化パッチの貼り換えに関する実験結果を示したグラフである。
符号の説明
２…プリプレグ、２Ａ〜２Ｘ…プリプレグ、３…０°繊維層（第１繊維層）、４…９０°繊維層（第１繊維層）、５…接合部（継ぎ合わせ部）、６…隙間、１０〜１８…プリプレグ積層構造体、２０…プリプレグ積層構造体、２１…強化パッチ（補強材）、２６…プリプレグ積層構造体、３０…プリプレグ積層構造体、３１…一方向プリプレグ（補強材）、３６…プリプレグ積層構造体、３７…プリプレグ。

Claims (9)

  1. 強化繊維に樹脂を含浸させてなるプリプレグを複数枚積層するプリプレグの積層構造であって、
    前記プリプレグは、前記プリプレグの一方の面側に設けられ、前記プリプレグの厚さ方向に垂直な第１方向に前記強化繊維が引き揃えられた第１繊維層と、前記プリプレグの他方の面側に設けられ、前記第１方向とは異なる第２方向に前記強化繊維が引き揃えられた第２繊維層とを有し、
    前記複数枚のプリプレグは、互いに接合された状態で積層されており、
    積層方向に隣り合うプリプレグの少なくとも一方の前記第１繊維層が接合されていることを特徴とするプリプレグの積層構造。
  2. 前記積層方向に隣り合うプリプレグの前記第１繊維層同士が前記強化繊維の引き揃え方向を一致させた状態で接合されていることを特徴とする請求項１記載のプリプレグの積層構造。
  3. 前記積層方向に隣り合うプリプレグの接合部の少なくとも一部は、前記プリプレグ同士が互いに面方向にずれた状態で接合された継ぎ合わせ部を構成していることを特徴とする請求項１または２記載のプリプレグの積層構造。
  4. 前記プリプレグ同士の継ぎ合わせ部の長さは、前記第１繊維層及び前記第２繊維層の厚さと前記プリプレグ同士の接合形態とに基づいて規定されることを特徴とする請求項３記載のプリプレグの積層構造。
  5. 前記プリプレグ同士の継ぎ合わせ部の両側には隙間が形成されていることを特徴とする請求項３記載のプリプレグの積層構造。
  6. 前記隙間の寸法は、前記第１繊維層及び前記第２繊維層の厚さと前記プリプレグ同士の接合形態と前記プリプレグ同士の継ぎ合わせ部の連続性とに基づいて規定されることを特徴とする請求項５記載のプリプレグの積層構造。
  7. 前記積層方向に隣り合うプリプレグの接合部には、前記隙間の両側に位置する前記第１繊維層同士を繋ぐ補強材が設けられていることを特徴とする請求項５または６記載のプリプレグの積層構造。
  8. 前記補強材は、前記第１繊維層と当該第１繊維層と積層方向に隣り合う層との間に介在されていることを特徴とする請求項７記載のプリプレグの積層構造。
  9. 前記補強材は、前記第１繊維層と積層方向に隣り合うと共に当該第１繊維層とは異なる方向に前記強化繊維が引き揃えられた層の一部分を置き換えて形成されていることを特徴とする請求項７記載のプリプレグの積層構造。
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