JP2013059948A - 複合材料構造体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】軽量化を図ることができる複合材料構造体及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】複合材料構造体１１は、繊維強化樹脂のスキン材１３同士の間に中空部１２が形成された中空構造を有する。この複合材料構造体１１は、スキン材１３同士が、両スキン材１３及び中空部１２を貫通する繊維強化樹脂の結合部材１４により結合されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、繊維強化樹脂のスキン材同士の間に中空部が形成された中空構造を有する複合材料構造体及びその製造方法に関する。

軽量で高強度の素材として、サンドイッチ構造の構造体が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の複合材料構造体は、発泡体製のコア材がスキン材で挟持されたサンドイッチ構造に構成されている。スキン材とコア材とは両者を貫通して連続する繊維によって結合されている。そして、複合材料構造体では、スキン材は樹脂が含浸されてＦＲＰとなり、コア材がＦＲＰ板製のスキン材で挟持されている。

特開２００１−２４６６８６号公報

ところが、特許文献１に開示の複合材料構造体においては、上下スキン材の間に発泡体が挟まれており、重量が嵩むという問題があった。
本発明は、軽量化を図ることができる複合材料構造体及びその製造方法を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、繊維強化樹脂のスキン材同士の間に中空部が形成された中空構造を有する複合材料構造体であって、前記スキン材同士が、両スキン材及び前記中空部を貫通する繊維強化樹脂の結合部材により結合される。

これによれば、繊維強化樹脂の結合部材において、中空部を貫通する部位によってスキン材同士の間隔が維持されるとともに、スキン材同士の間隔を維持する方向への剛性が確保される。したがって、複合材料構造体では、間隔維持及び剛性確保のためのスペーサ（背景技術では発泡体）が不要になり、そのスペーサが不要な分だけ複合材料構造体の軽量化を図ることができる。

また、前記結合部材は糸条繊維に樹脂を含浸硬化させてなり、該結合部材は、前記中空部を挟む前記両スキン材の各外面で折り返されて前記スキン材同士を結合するように設けられていてもよい。

これによれば、結合部材を折り返すことにより、その折り返した部位がスキン材の外面に沿って配置されるため、折り返した方向へ結合部材が抜けにくくなる。そして、結合部材を折り返して両スキン材同士を結合することで、スキン材結合のための結合部材を共通化することができるとともに、結合部材とスキン材を効率良く一体化することができる。

また、前記両スキン材のうちの少なくとも一方の外面には、前記スキン材の外面に沿って延びる抜け止め部材が設けられるとともに、前記結合部材は前記抜け止め部材の外側を通り折り返されていてもよい。

これによれば、結合部材が、その折り返された方向へ抜け出ようとしても、抜け止め部材に引っ掛かるため、結合部材がスキン材から抜け出てしまうことを防止することができる。

また、前記中空部を挟んだ前記スキン材同士の間に、前記中空部を貫通した前記結合部材よりなる支持部が立設されていてもよい。
これによれば、支持部によって一方のスキン材に対し、他方のスキン材を支持することができ、支持部によって中空部の間隔を維持することができるとともに、複合材料構造体における支持部の立設方向への剛性を確保することができる。

また、請求項５に記載の発明は、繊維強化樹脂のスキン材同士の間に中空部が形成された中空構造を有する複合材料構造体の製造方法であって、前記スキン材の材料であるスキン用繊維材料で溶融材料製のコア材を挟み、前記スキン用繊維材料及び前記コア材を、該両スキン用繊維材料及び前記コア材を貫通する結合部材用繊維材料により結合し、前記スキン用繊維材料及び結合部材用繊維材料に樹脂を含浸硬化させて該スキン用繊維材料及び結合部材用繊維材料を繊維強化樹脂とし、前記コア材を溶融させることで前記中空部を形成するものである。

これによれば、繊維強化樹脂の結合部材において、中空部を貫通する部位によってスキン材同士の間隔が維持されるとともに、スキン材同士の間隔を維持する方向への剛性が確保される。したがって、複合材料構造体では、間隔維持及び剛性確保のためのスペーサ（背景技術では発泡体）が不要になり、そのスペーサが不要な分だけ複合材料構造体の軽量化を図ることができる。そして、この複合材料構造体は、コア材を溶融させることで中空部を形成することができ、軽量化の図られた複合材料構造体を簡単に製造することができる。

また、前記スキン用繊維材料及び前記結合部材用繊維材料に樹脂を含浸させる処理は、レジントランスファーモールディング法が採用されるのが好ましい。
これによれば、複合材料構造体をオートクレーブ成形で製造する場合と比べると、高価なオートクレーブのような機材や、プリプレグ、フィルム接着剤等の高価な材料を必要としないため、複合材料構造体を安価に製造することができる。

また、前記スキン用繊維材料及び前記結合部材用繊維材料に樹脂を含浸硬化させた後に、前記コア材を溶融させてもよい。

本発明によれば、軽量化を図ることができる。

実施形態の複合材料構造体を示す斜視図。 （ａ）はスキン用繊維織物とコア材を結合部材用繊維材料で結合し中間体を製造した状態を示す図、（ｂ）は中間体を成型金型内に配置した状態を示す図、（ｃ）はコア材を除去した状態を示す図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図１〜図２にしたがって説明する。
図１に示すように、複合材料構造体１１は、上下一対の繊維強化樹脂のスキン材１３の間に中空部１２が形成されるとともに、上下一対のスキン材１３が中空部１２を貫通した複数の繊維強化樹脂の結合部材１４により結合されてなる。そして、中空部１２を挟んだ上下一対のスキン材１３の間に、中空部１２を貫通した結合部材１４よりなる支持部Ｓが複数立設されている。各支持部Ｓ（結合部材１４）は、スキン材１３の表面に対し直交するように延び、この支持部Ｓによってスキン材１３の間隔が一定に維持されるとともに、複合材料構造体１１の上下方向（中空部１２の間隔を維持する方向）への剛性が確保されている。なお、複合材料構造体１１の対向する一対の側辺に沿った方向をＸ方向とするとともに、Ｘ方向に直交する方向をＹ方向とする。

スキン材１３は、炭素繊維、ガラス繊維、セラミック繊維等の無機繊維あるいは、アラミド繊維、ポリ−ｐ−フェニレンベンゾビスオキサゾール繊維、超高分子量ポリエチレン繊維等の高強度、高弾性率の有機繊維等で形成されたスキン用繊維織物（スキン用繊維材料）に樹脂を含浸硬化させて形成されている。スキン用繊維織物は、例えば繊維がＸ，Ｙ方向に配列された平織りの織物が使用され、複合材料構造体１１の目的とする物性に応じて１枚又は複数枚の所定枚数使用される。複数枚使用する場合、疑似等方積層材を構成するように、一部の織物を繊維の配列方向が複合材料構造体１１のＸ，Ｙ方向に対して±４５度となるように配置するのが好ましい。

結合部材１４は、結合部材用繊維材料（糸条繊維）としての炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、セラミック繊維等を束ねたもの、又は撚ったものに樹脂を含浸硬化させて形成されている。そして、複数の結合部材１４それぞれは、上下一対のスキン材１３のうち、一方（上方）のスキン材１３の外面（表面）からスキン材１３を厚み方向に貫通した後、スキン材１３の表面に対し直交する方向へ延びながら中空部１２を貫通し、さらに、他方（下方）のスキン材１３を厚み方向に貫通してその外面（表面）にまで挿入されている。さらに、各結合部材１４は、他方のスキン材１３の外面で折り返された後、上記と同様に他方のスキン材１３、中空部１２、及び一方のスキン材１３を貫通してその外面にまで挿入される。その後、スキン材１３の外面に沿ってＸ方向に延びた後、再び、一方のスキン材１３に挿入されて、以下、同様にスキン材１３及び中空部１２を貫通してスキン材１３同士を結合する。

一本の結合部材１４は、スキン材１３の外面に至る度に折り返されてスキン材１３同士を複数箇所で結合している。なお、結合部材１４をスキン材１３に挿入する位置の間隔は、１．５〜５０ｍｍに設定されるのが好ましい。この間隔が狭い程、スキン材１３同士の間に立設される支持部Ｓ（結合部材１４）の数が増え、複合材料構造体１１の剛性が向上するため、結合部材１４間の間隔は狭い方が好ましい。そして、複合材料構造体１１においては、支持部Ｓが複合材料構造体１１のＸ方向及びＹ方向に等間隔おきに設けられている。

複数の結合部材１４は、それぞれＸ方向に沿って延びるように配列されている。また、各結合部材１４は、両スキン材１３のうちの他方のスキン材１３の外面で折り返される際、結合部材１４の配列方向と直交（交差）する方向（Ｙ方向）に配列された複数の抜け止め部材１５（耳糸）の外面を通り折り返される。この抜け止め部材１５は、抜け止め部材用繊維材料１５ａ（糸条繊維）としての炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、セラミック繊維等を束ねたもの、又は撚ったものに樹脂を含浸硬化させて形成されている。よって、結合部材１４は、抜け止め部材１５によって他方のスキン材１３から抜け止めされている。

そして、複数の結合部材１４と抜け止め部材１５との共同で上下一対のスキン材１３が互いに近付く方向に引寄せられている。また、結合部材１４と抜け止め部材１５とにより、スキン材１３が互いに引寄せられながらも、スキン材１３間に立設された支持部Ｓ（結合部材１４）によりスキン材１３間の間隔が維持されている。

上記のように構成された複合材料構造体１１は、スキン材１３、結合部材１４、及び抜け止め部材１５が、樹脂を含浸硬化させたＦＲＰ（繊維強化樹脂）であり、中空部１２を有する複合材料構造体１１となっている。この樹脂の含浸処理は、レジントランスファーモールディング（ＲＴＭ）法が採用される。そして、一対のスキン材１３と複数の結合部材１４とが樹脂の硬化に伴い一体化されている。なお、樹脂としては、例えばエポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ビニルエステル樹脂等の熱硬化性樹脂の他、ナイロンやＡＢＳ樹脂等の熱可塑性樹脂が使用される。また、熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂の混合樹脂も使用可能である。

次に、複合材料構造体１１の作用について説明する。
複合材料構造体１１は、繊維強化樹脂のスキン材１３の間に中空部１２が形成された中空構造をなすとともに、繊維強化樹脂の結合部材１４（支持部Ｓ）によってスキン材１３間の間隔が維持されている。また、繊維強化樹脂の結合部材１４（支持部Ｓ）がスキン材１３間に複数箇所に立設されている。よって、スキン材１３の間にハニカム構造体等のコア材が無いため、複合材料構造体１１の軽量化が図られる。

次に、複合材料構造体１１の製造方法について説明する。
まず、図２（ａ）に示すように、溶融材料製のコア材１８の上下全面に、炭素繊維製のスキン用繊維織物１３ａを複数枚ずつ疑似等方積層で配置する。コア材１８は、樹脂の含浸処理後に溶融除去できる材料で形成され、熱溶融樹脂、水溶性樹脂、石膏等で形成される。次に、スキン用繊維織物１３ａとコア材１８とを、結合部材用繊維材料１４ａ、及び抜け止め部材用繊維材料１５ａを用いて結合して中間基材１９を形成し、コア材１８によってスキン用繊維織物１３ａ間の間隔を維持させる。次に、図２（ｂ）に示すように、中間基材１９をレジントランスファーモールディング（ＲＴＭ）法で用いられる成形金型３０内に載置する。その後、この成形金型３０内に熱硬化性の樹脂を注入してスキン用繊維織物１３ａ、結合部材用繊維材料１４ａ、及び抜け止め部材用繊維材料１５ａに樹脂を含浸させた後、加熱硬化させる。そして、図２（ｃ）に示すように、得られた成形体を成形金型３０から取り出し、その成形体を温水に浸漬させる。すると、コア材１８が溶けて、一対のスキン材１３と、結合部材１４と、抜け止め部材１５だけが残り、複合材料構造体１１が製造される。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）複合材料構造体１１は、繊維強化樹脂のスキン材１３同士の間に中空部１２が形成された中空構造をなすとともに、スキン材１３同士が、両スキン材１３及び中空部１２を貫通する繊維強化樹脂の結合部材１４により結合されている。そして、結合部材１４において、中空部１２を貫通する部位（支持部Ｓ）によって中空部１２の間隔が維持されるとともに、複合材料構造体１１における中空部１２の間隔を維持する方向（支持部Ｓの立設方向）への剛性が確保されている。すなわち、一対のスキン材１３を結合するための結合部材１４を用いてスキン材１３間の間隔を維持し、剛性を確保することができる。したがって、複合材料構造体１１では、間隔維持及び剛性確保のためのスペーサ（背景技術では発泡体）が不要になり、そのスペーサが不要な分だけ複合材料構造体１１の軽量化を図ることができる。

（２）スキン材１３同士の間に、複数本の支持部Ｓが柱のように立設されているため、スキン材１３同士の間に直方体状の発泡体を設けなくても、スキン材１３間の間隔を維持しつつ剛性を確保することができる。

（３）結合部材１４は、各スキン材１３の外面で折り返されている。このため、結合部材１４を折り返すことにより、その折り返した部位がスキン材１３の外面に沿って配置される。よって、結合部材１４が折り返された方向へ抜けようとしても、結合部材１４がスキン材１３の外面に引っ掛かるため、スキン材１３の外面から結合部材１４が抜けにくくなる。よって、結合部材１４により、スキン材１３同士をより安定した状態に一体化することができる。また、結合箇所を複数設けるため、それぞれの結合箇所を一本の結合部材１４で設ける場合と比べると、結合部材１４を共通化することができるとともに、結合部材１４とスキン材１３を効率良く一体化することができる。

（４）複合材料構造体１１において、スキン材１３の外面には、結合部材１４の配列方向（Ｘ方向）に直交する方向（Ｙ方向）に延びる抜け止め部材１５が設けられ、結合部材１４は、スキン材１３の外面で折り返される際に、抜け止め部材１５の外側を通る。このため、スキン材１３の外面で折り返された結合部材１４が、折り返された方向へ抜けようとしても抜け止め部材１５に引っ掛かるため、結合部材１４がスキン材１３から抜け出てしまうことを防止することができ、スキン材１３同士を結合部材１４で確実に結合することができる。

（５）複合材料構造体１１は、各スキン材１３を貫通した結合部材１４によってスキン材１３同士を結合して形成されている。すなわち、複合材料構造体１１は、スキン材１３同士の対向する内面を単に棒状部材で接着によって結合したのではない。したがって、本実施形態の複合材料構造体１１では、スキン材１３同士を棒状部材で接着した場合のようにスキン材１３と棒状部材とが剥離してしまうことが起こり得ない。よって、複合材料構造体１１は、スキン材１３と結合部材１４が強固に連結されており、信頼性が確保されている。

（６）複合材料構造体１１は、ＲＴＭ法によって製造される。このため、複合材料構造体１１をオートクレーブ成形で製造する場合のように高価なオートクレーブのような機材や、プリプレグ、フィルム接着剤等の高価な材料を必要とせず、複合材料構造体１１を安価に製造することができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ スキン用繊維織物１３ａ、結合部材用繊維材料１４ａ、及び抜け止め部材用繊維材料１５ａに樹脂を含浸させる方法として、ＲＴＭ法以外に、ＶａＲＴＭ法や、ＲＦＩ（レジンフィルムインフュージョン）法を採用してもよい。

○ 実施形態では、抜け止め部材１５を用いたが、抜け止め部材１５は無くてもよい。この場合、結合部材として、繊維強化樹脂のＺピンやタフティングの糸を用いてもよい。
○ 結合部材用繊維材料１４ａによるスキン材１３同士の縫い方は、どんな縫い方でもよく、例えば、ミシン縫いや手縫いであってもよい。

○ 実施形態では、結合部材１４において、中空部１２を貫通する部位（支持部Ｓ）は、スキン材１３の表面に対し直交する方向へ延びていたが、スキン材１３の表面に対し交差していれば、その交差する角度は任意に変更してもよい。

○ 実施形態では、結合部材１４を上下のスキン材１３で折り返し、一本の結合部材１４でスキン材１３同士の結合箇所を複数設けたが、結合部材１４を折り返さず、一本の結合部材１４ではスキン材１３同士を一度だけ結合するようにし、その結合箇所を複数箇所設けるようにしてもよい。

○ 実施形態では、複合材料構造体１１を上下一対のスキン材１３同士の間に中空部１２が形成された構成としたが、これに限らない。複合材料構造体１１は、例えば、一枚のスキン材１３を所望の形状に変形させ、そのスキン材１３の対向する内面間に中空部１２が形成された構成としてもよいし、２枚以上のスキン材１３を用いて中空部１２が形成された構成としてもよい。

○ 実施形態では、一対のスキン材１３のうち他方のスキン材１３の外面に抜け止め部材１５を設けるとともに、結合部材１４が抜け止め部材１５の外側を通るようにしたが、これに限らない。両スキン材１３の外面に抜け止め部材１５を設けるとともに、結合部材１４が各スキン材１３の外面で折り返される際に、それぞれ抜け止め部材１５の外側を通るようにしてもよい。

○ 実施形態では、スキン用繊維材料として、スキン用繊維織物１３ａに具体化したが、織物ではなく直線状に配列された繊維により繊維層を形成するとともに、その繊維層が積層されたものに具体化してもよい。

○ 実施形態では、複合材料構造体１１の製造工程では、スキン用繊維織物１３ａ、結合部材用繊維材料１４ａ、及び抜け止め部材用繊維材料１５ａに樹脂を含浸させた後にコア材１８を溶融させたが、これに限らない。例えば、スキン用繊維織物１３ａ、結合部材用繊維材料１４ａ、及び抜け止め部材用繊維材料１５ａに樹脂を含浸させる前に、コア材１８を溶融させたり、樹脂の含浸とコア材１８の溶融を同時に行ってもよい。

Ｓ…支持部、１１…複合材料構造体、１２…中空部、１３…スキン材、１３ａ…スキン用繊維材料としてのスキン用繊維織物、１４…結合部材、１４ａ…糸条繊維としての結合部材用繊維材料、１５…抜け止め部材、１８…コア材。

Claims (7)

1. 繊維強化樹脂のスキン材同士の間に中空部が形成された中空構造を有する複合材料構造体であって、
   前記スキン材同士が、両スキン材及び前記中空部を貫通する繊維強化樹脂の結合部材により結合される複合材料構造体。
2. 前記結合部材は糸条繊維に樹脂を含浸硬化させてなり、該結合部材は、前記中空部を挟む前記両スキン材の各外面で折り返されて前記スキン材同士を結合するように設けられている請求項１に記載の複合材料構造体。
3. 前記両スキン材のうちの少なくとも一方の外面には、前記スキン材の外面に沿って延びる抜け止め部材が設けられるとともに、前記結合部材は前記抜け止め部材の外側を通り折り返されている請求項２に記載の複合材料構造体。
4. 前記中空部を挟んだ前記スキン材同士の間に、前記中空部を貫通した前記結合部材よりなる支持部が立設されている請求項１〜請求項３のうちいずれか一項に記載の複合材料構造体。
5. 繊維強化樹脂のスキン材同士の間に中空部が形成された中空構造を有する複合材料構造体の製造方法であって、
   前記スキン材の材料であるスキン用繊維材料で溶融材料製のコア材を挟み、
   前記スキン用繊維材料及び前記コア材を、該両スキン用繊維材料及び前記コア材を貫通する結合部材用繊維材料により結合し、
   前記スキン用繊維材料及び結合部材用繊維材料に樹脂を含浸硬化させて該スキン用繊維材料及び結合部材用繊維材料を繊維強化樹脂とし、
   前記コア材を溶融させることで前記中空部を形成することを特徴とする複合材料構造体の製造方法。
6. 前記スキン用繊維材料及び前記結合部材用繊維材料に樹脂を含浸硬化させる処理は、レジントランスファーモールディング法が採用される請求項５に記載の複合材料構造体の製造方法。
7. 前記スキン用繊維材料及び前記結合部材用繊維材料に樹脂を含浸硬化させた後に、前記コア材を溶融させることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の複合材料構造体の製造方法。

Images