JP2011116986A

JP2011116986A - 繊維強化プラスチック材料

Info

Publication number: JP2011116986A
Application number: JP2010268064A
Authority: JP
Inventors: Erik Grove-Nielsen; グローヴ−ニールセンエリク; Martin Winther-Jensen; ヴィンター−イェンセンマルティン
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-12-01
Filing date: 2010-12-01
Publication date: 2011-06-16
Also published as: CN102079843A; EP2329936A1; US20110135488A1; CA2722860A1; NZ589511A

Abstract

【課題】本発明の課題は、繊維強化材料の疲れ抵抗を改善することである。
【解決手段】本発明の課題は、マトリックス材料（３）、このマトリックス材料（３）中に埋め込まれた第１の繊維（１）、及び、やはりこのマトリックス材料（３）中に埋め込まれた充填片（２、６）を含有する繊維強化プラスチック材料であって、この充填片（２、６）が、繊維強化プラスチック材料中での割れ伝播を妨げるために第１の繊維（１）の間に配置されている繊維強化プラスチック材料により解決される。
【選択図】なし

Description

本発明は、複合材料、特に繊維強化プラスチック及び繊維強化プラスチック材料の製造に関する。

繊維強化プラスチックは、硬質マトリックス中に埋め込まれた強化繊維を含有する多成分材料として説明されることができる。工学的用途において使用される大抵の複合材料は、ガラス、カーボン又はアラミド製の繊維を含む。この繊維は、バサルト（basalt）又は他の天然材料で製作されることもできる。

多様な範囲のポリマーが繊維強化プラスチック複合材料に対するマトリックスとして使用されることができ、これらは一般的には熱硬化性樹脂、例えばエポキシ、ポリエステル又は熱可塑性樹脂、例えばポリアミドとして分類される。

繊維強化プラスチック製の製品は軽量構造物のために使用される。このような製品の例は風力タービン翼である。

この繊維材料の比剛性（specific stiffness）及び比強度（specific strength）は、マトリックス材料の比剛性及び比強度よりもかなりより高い。そのため、可能な限り最も高いパーセンテージの強化繊維が、この生じる複合材料の可能な限り最も高い比剛性及び可能な限り最も高い比強度を達成するために要求される。

現在では、７０体積パーセントより多い繊維材料を有する繊維強化プラスチックが生産されることができる。しかしながら、複合材料の耐疲労性がこの繊維含有量を増加させることにより変化する可能性があることを考慮しなくてはならない。

ガラス繊維強化プラスチックの場合には、慣例では、約５６体積パーセントを超える繊維パーセンテージ（これは７５質量％に相当する）が、ラミネートのための減少した耐疲労性を生じることが示されている。これは、真空圧密化樹脂注入（vacuum consolidated resin injection）の場合に特に当てはまる。

したがって、高い比剛性及び高い非強度を有する繊維強化プラスチック材料を製造し、その一方で、この材料の耐疲労性を維持するか又は向上すらさせるための技術が必要される。

この分野においては、より良好な疲れ抵抗を達成するために複合材料の製造プロセスの間に更なるラミネートを添加することが知られている。不利なことに、これによりこの製品の質量が増加する。

前述した通り、繊維強化複合材料の疲れ抵抗は、繊維のパーセンテージが高いほど劣化する可能性がある。繊維の間にマトリックス材料がないと、マトリックス材料によりこの全表面で支持されていない近隣の繊維が動いたりフレッチング（fretting）したりする結果となる。結果として、この複合材料を通じて局部割れが伝播する可能性がある。

このため、マトリックスと繊維材料との間の力を移動させ、この繊維間に力を分配するために、このマトリックス材料が繊維を完全に囲み、かつ、全ての繊維に付着する必要がある。

しかしながら、繊維強化プラスチック材料中ではマトリックスが繊維に対する付着を有しない区域がしばしば生じ、これは特に繊維が相互に対して正接（tangent）する場所である。これらの領域では力の移動は妨げられる。これは、複合材料の局部応力勾配及びより低い疲れ抵抗を生じる可能性がある。

したがって、本発明の課題は、繊維強化材料の疲れ抵抗を改善することである。

本発明の課題は、マトリックス材料（３）、このマトリックス材料（３）中に埋め込まれた第１の繊維（１）、及び、やはりこのマトリックス材料（３）中に埋め込まれた充填片（２、６）を含有する繊維強化プラスチック材料であって、この充填片（２、６）が、繊維強化プラスチック材料中での割れ伝播（crack propagation）を妨げるために第１の繊維（１）の間に配置されている繊維強化プラスチック材料により達成される。本発明のプラスチック材料の更なる態様は次のとおりである；
充填片が、第１の繊維（１）の直径よりもより小さい直径を有する第２の繊維（２）を含む。
第２の繊維（２）の直径が、第１の繊維（１）の直径の８〜１／６の範囲内にある。
第２の繊維（２）がその直径において異なる。
第１の繊維（１）及び第２の繊維（２）がその材料において異なるプラスチック材料。
第２の繊維（２）が、第１の繊維（１）の材料の曲げ特性とは異なる曲げ特性を有する材料で製作されている。
充填片が粒子（６）を含む。
粒子（６）が、第１の繊維（１）の直径の１／１０までの長さ又は直径を有する。
粒子（６）がナノ粒子を含む。
粒子（６）が、繊維強化プラスチック材料の製造に使用される液化したマトリックス材料（３）中へと撹拌して分散されることができる。
マトリックス材料（３）がエポキシ、ポリエステル、ポリウレタン又は植物系樹脂を含む。
第１の繊維（１）の材料及び／又は第２の繊維（２）の材料が、ガラス、カーボン、アラミド又はバサルトを含む。
更に、本発明の主題は上述のいずれか１の繊維強化プラスチック材料で製作された風力タービン翼である。

本発明は、マトリックス材料及び第１の繊維を含有する繊維強化プラスチック材料に関する。第１の繊維はマトリックス材料中に埋め込まれる。本発明によれば、充填片がマトリックス材料３中に埋め込まれる。この充填片は、第１の繊維の間に配置され、これにより繊維強化プラスチック材料中の割れ伝播が妨げられる。

更に、充填片は、繊維の間の流れ経路（flow routes）を可能にし、かつ、繊維強化プラスチック材料の製造プロセスの間の向上した樹脂移動を可能にする。

更に、直接的なファイバーｔｏファイバー接触の接触表面が減少される。結果として、全体的な複合材料の疲労抵抗が向上される。

本発明は、以下において図面を参照して例示によりより詳細に説明されるものである。

この図面は、本発明の有利な構成を示すが、この範囲を限定しない。

図１は、本発明の一実施態様による繊維強化プラスチック材料の部分の断面図を示す図である。図２は、本発明の別の一実施態様による繊維強化プラスチック材料の部分の断面図を示す図である。図３は、本発明の更に別の一実施態様による繊維強化プラスチック材料の部分の断面図を示す図である。図４は、本発明の更なる一実施態様による繊維強化プラスチック材料の部分の断面図を示す図である。図５は、本発明のまた更なる一実施態様による繊維強化プラスチック材料の部分の断面図を示す図である。

本発明の一実施態様によると、図１に示される通り、繊維強化プラスチック材料は、繊維の第１の種類に応じた第１の繊維１、繊維の第２の種類に応じた第２の繊維２、及びマトリックス材料３を含有する。この繊維１、２は、マトリックス材料３中に埋め込まれている。

第１の繊維１は、原則的に強化繊維である。第２の繊維２は、第１の繊維１よりもより小さい直径を有する更なる繊維である。

第１及び第２の繊維１、２は、円筒状の延長形の（elongate）繊維、有利にはガラス繊維である。マトリックス材料３は、有利には、熱硬化性樹脂、例えばエポキシ、ポリエステル、ポリウレタン又は植物を基礎とする樹脂ですらある。

図１に示される通り、繊維１が相互に正接する領域においては、第１の繊維１の間には小さい隙間が存在する。

本発明のこの実施態様によると、この隙間は第２の繊維２で充填される。異なる直径を有する強化繊維のミックスが導入される。

有利には、第２の繊維２は、第１の繊維１の直径の約１／８〜１／６に等しい直径を有する。例えば、３μｍ〜４μｍの直径を有する第２の繊維２は、約２４μｍの直径を有する第１の繊維１の間の隙間を満たすことができる。更に、第２の繊維２は、その直径において異なる繊維を含有することができる。

本発明の更なる一実施態様において、第２の繊維は第１の繊維１とは別の材料から製作されている。第２の繊維２は、例えば、第１の繊維１の曲げ特性とは異なる曲げ特性を有する材料から製作されていることができる。

図１に示される通り、第１の繊維１及び第２の繊維２は、繊維フレッチングを回避する一方で、可能な限り高い充填密度を可能にするように配置されている。

第１の繊維の間の隙間を第２の繊維２で満たすことにより、割れ伝播の傾向は減少される。

その他に、第２の繊維２は第１の繊維１に対して繊維スペーサーとして機能する。このようにして、ファイバーｔｏファイバー接触の接触表面は減少される。結果として、最終的な複合材料の疲労抵抗が上昇する。

本発明の別の実施態様によると、図２に示される通り、繊維強化プラスチック材料は繊維１及びマトリックス材料３を含有する。繊維１はマトリックス材料３中に埋め込まれる。更に、粒子６がマトリックス材料３中に埋め込まれる。

繊維１は円筒状の延長形の繊維、有利にはガラス繊維である。このマトリックス材料３は、有利には、熱硬化性樹脂、例えばエポキシ、ポリエステル、ポリウレタン又は植物系樹脂ですらある。

粒子６は、繊維直径に比較して小さい粒子であるが、繊維１に対する繊維スペーサーとして機能する。

粒子６は、丸い、延長形の又は他の形状であることができる。有利にはこの粒子は、繊維直径の１／１０までの長さ又は直径を有する。粒子６は、１００ｎｍ以下のオーダーの１以上の寸法を有するナノ粒子を含むこともできる。

本発明のこの実施態様によると、粒子６は撹拌して、液化マトリックス材料３中へと分散されることができ、これは次いで強化プラスチック材料の製造のために使用される。

粒子６は、繊維１の間の隙間を満たす。このようにして、生じる複合材料の割れ伝播の傾向は減少される。

更に、粒子６は、繊維１の間の流れ経路を可能にし、かつ、繊維強化プラスチック材料の製造プロセスの間の向上した樹脂移動を可能にする。更に、直接的なファイバーｔｏファイバー接触の接触表面が減少される。結果として、全体的な複合材料の疲労抵抗が向上される。

本発明の更に別の実施態様によると、図３に示される通り、繊維強化プラスチック材料は繊維１及びマトリックス材料３を含有する。繊維１はこのマトリックス材料３中に埋め込まれ、更に、これらには保護外被４が備えられている。

保護外被４は、個々の繊維１を取り囲み、かつ、繊維スペーサーとして機能する。外被４の厚さは、有利には、この繊維直径の１〜１０パーセントの範囲内にある。

外被４は、マトリックス材料３に対して透過性であるように高度多孔性材料から製作されている。これにより、マトリックス材料３は、この外被４を浸透（penetrate）し、かつ、繊維表面を含浸することが可能になる。このようにして、外被４の内側の繊維１に対するマトリックス材料３の完全な付着が保証される。この結合マトリックスの層間剪断強度は、損なわれないままであることが求められる。

一般的には、繊維製造プロセス、例えばガラス繊維製造は、液体材料の押出と、その後の化学薬品溶液でのこのフィラメントのサイジングを含む。

サイジングプロセスの間に、コーティング又はプリマーの一種をフィラメントに設け、これらはフィラメントを保護し、かつ、マトリックス材料との適切な結合を保証する。

外被４は、有利には、この最初のサイジングプロセス後に繊維１に設けられる。これにより、外被４は、例えば、溶液又は分散物として設けられることができる。

代替的に、外被４は、共押出され、繊維１の延伸プロセスの間に適合されることができる。使用される外被材料はこれによりマトリックス材料３の適切な結合を保証する。

保護外被４を繊維に備えることにより、より大量の繊維１が、生じる複合材料の体積中に詰め込まれることができ、その一方で、全ての繊維１がマトリックス材料３によりその全表面で支持されることが保証される。

ファイバーｔｏファイバー接触は回避される。結果として、複合材料の疲労抵抗が向上される。

本発明の更なる一実施態様において、図４に示される通り、繊維強化プラスチック材料は繊維１及びマトリックス材料３を含有する。これにより、粒子７は繊維１の表面に付着する。この付着した粒子を有する繊維１は、マトリックス材料３中に埋め込まれる。

粒子７は繊維スペーサーとして機能する。これは、丸い、延長形の又は他の形状であることができる。有利にはこの粒子は、繊維直径の１／１０までの長さ又は直径を有する。粒子７は、１００ｎｍ以下のオーダーの１以上の寸法を有するナノ粒子又はナノ繊維も含むことができる。

本発明のこの実施態様によると、粒子７は繊維１の表面に付着することができる。これらは、例えば、この上に接着されることができる。有利には、これは繊維１の前述のサイジングプロセスの間に実施される。そのために、粒子は、この繊維表面に設けられるサイジング溶液中に含有される。

代替的に、粒子７は、エアロゾルの形で繊維表面１に設けられることができる。

この繊維表面に付着した粒子７は、マトリックス材料３が繊維１を完全に包囲しかつ支持することを可能にする。直接的なファイバーｔｏファイバー接触は回避される。結果として、複合材料の疲労抵抗が向上される。

本発明のまた更なる一実施態様において、図５に示される通り、繊維強化プラスチック材料は繊維１ａ及びマトリックス材料３を含有する。繊維１ａは、縦の溝５を有して設計され、かつ、マトリックス材料３中に埋め込まれる。

繊維１ａは円筒状の延長形の繊維、有利にはガラス繊維である。このマトリックス材料３は、有利には、熱硬化性樹脂、例えばエポキシ、ポリエステル、ポリウレタン又は植物系樹脂ですらある。

本発明のこの実施態様によると、縦の溝５は繊維１ａの表面に配置されている。

有利には、溝は繊維１ａの周囲全てに配置されている。これらは、例えば、繊維直径の多くとも１／１０の深さ及び幅を有することができる。

１つの利点としては、溝付けされた繊維１ａは、拡張された表面に対するマトリックス材料３の付着を可能にする。ファイバーｔｏファイバー接触の接触表面は減少され、この複合材料の疲労抵抗は向上される。

本発明の別の実施態様においては、向上した浸透及び／又は細管特性を有する樹脂材料が、この樹脂材料が全ての繊維の周囲を容易に流動し、かつ、これらを完全にカバーすることが保証されるように使用される。

前述の実施態様は、図１〜５に示される通り、無論、組み合わせることができる。

このような組み合わせの一例としては、繊維１は保護外被４を含むことができ、かつ更に、第２の繊維２は、第１の繊維１の間に導入されることができる。その上、全ての繊維、第１の繊維及び第２の繊維は、ファイバーｔｏファイバー接触を回避するために保護的な外被を有することができる。

この実施態様の組み合わせの別の例は、異なる直径を有する繊維１、２のミックスを有する繊維強化プラスチック材料であり、その際スペーサー粒子７はこの繊維表面に付着している。

この実施態様の可能な組み合わせの更なる例として、溝付けされた繊維１ａは、粒子６を含むマトリックス材料３との組み合わせにおいて使用されることができる。この溝付けされた繊維１ａは、異なる直径を有してもよい。

これらの例から明白になる通り、前述の実施態様の更なる組み合わせが可能である。

Claims

マトリックス材料（３）、このマトリックス材料（３）中に埋め込まれた第１の繊維（１）、及び、やはりこのマトリックス材料（３）中に埋め込まれた充填片（２、６）を含有する繊維強化プラスチック材料であって、この充填片（２、６）が、繊維強化プラスチック材料中での割れ伝播を妨げるために第１の繊維（１）の間に配置されている繊維強化プラスチック材料。
充填片が、第１の繊維（１）の直径よりもより小さい直径を有する第２の繊維（２）を含む請求項１記載のプラスチック材料。
第２の繊維（２）の直径が、第１の繊維（１）の直径の８〜１／６の範囲内にある請求項２記載のプラスチック材料。
第２の繊維（２）がその直径において異なる請求項２又は３記載のプラスチック材料。
第１の繊維（１）及び第２の繊維（２）がその材料において異なる請求項２から４までのいずれか１項記載のプラスチック材料。
第２の繊維（２）が、第１の繊維（１）の材料の曲げ特性とは異なる曲げ特性を有する材料で製作されている請求項５記載のプラスチック材料。
充填片が粒子（６）を含む請求項１記載のプラスチック材料。
粒子（６）が、第１の繊維（１）の直径の１／１０までの長さ又は直径を有する請求項６記載のプラスチック材料。
粒子（６）がナノ粒子を含む請求項６又は７記載のプラスチック材料。
粒子（６）が、繊維強化プラスチック材料の製造に使用される液化したマトリックス材料（３）中へと撹拌して分散されることができる請求項６から９までのいずれか１項記載のプラスチック材料。
マトリックス材料（３）がエポキシ、ポリエステル、ポリウレタン又は植物系樹脂を含む請求項１記載のプラスチック材料。
第１の繊維（１）の材料及び／又は第２の繊維（２）の材料が、ガラス、カーボン、アラミド又はバサルトを含む請求項１記載のプラスチック材料。
請求項１から１２までのいずれか１項記載の繊維強化プラスチック材料で製作された風力タービン翼。