JP2014031495A - 炭素繊維強化複合材及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】軽量、薄肉且つ高剛性を担保しつつ、再加工性やリサイクル性に優れ且つ表面平滑性が良好な炭素繊維強化複合材を提供する。
【解決手段】少なくとも２枚の炭素繊維織物と熱可塑性樹脂とを含む炭素繊維強化複合材であって、前記少なくとも２枚の炭素繊維織物の各々が、炭素繊維束が解された開繊糸からなり、且つ、前記熱可塑性樹脂が前記少なくとも２枚の炭素繊維織物内に固化した状態にて含浸していることにより、前記炭素繊維強化複合材が全体として一体化している炭素繊維強化複合材とその製造方法。
【選択図】図１
【解決手段】少なくとも２枚の炭素繊維織物と熱可塑性樹脂とを含む炭素繊維強化複合材であって、前記少なくとも２枚の炭素繊維織物の各々が、炭素繊維束が解された開繊糸からなり、且つ、前記熱可塑性樹脂が前記少なくとも２枚の炭素繊維織物内に固化した状態にて含浸していることにより、前記炭素繊維強化複合材が全体として一体化している炭素繊維強化複合材とその製造方法。
【選択図】図１
Description
本発明は、再加工性やリサイクル性に優れ且つ表面平滑性が良好な炭素繊維強化複合材及びその製造方法に関する。
近年発達したモバイル電子機器は、野外での使用も想定される。そのため、筐体材料は、軽量、薄肉且つ高剛性である必要がある。例えば、特許文献１には、炭素繊維プリプレグを２枚積層し、その間に芯材として熱硬化性連続気泡発泡体を積層させたサンドイッチ構造体から形成される、軽量、薄肉、高剛性である炭素繊維強化複合材が提案されている。
しかしながら、特許文献１で提案された炭素繊維強化複合材は、芯材として熱硬化性樹脂を用いていたため、加熱して変形させることができず、再加工性やリサイクル性、後加工を行い所定形状に成形すること等が困難であった。そこで、本発明者らは、熱硬化性樹脂の代わりに熱可塑性樹脂を用いることを検討した。しかしながら、特許文献１に係る技術において、熱硬化性樹脂の代わりに熱可塑性樹脂を用いた場合には、樹脂の溶融・硬化過程を伴う、一次製造工程及び再加工工程において、表面平滑性が悪くなることが確認された。よって、本発明の目的は、軽量、薄肉且つ高剛性を担保しつつ、再加工性やリサイクル性に優れ且つ表面平滑性が良好な炭素繊維強化複合材を提供することである。
本発明者らは、熱硬化性樹脂の代わりに熱可塑性樹脂を用いた場合における表面平滑性悪化の原因が、樹脂の溶融過程での、炭素繊維強化複合材内部に残存するボイドであることを見出し、本発明を完成させたものである。
本発明は、
少なくとも２枚の炭素繊維織物と熱可塑性樹脂とを含む炭素繊維強化複合材であって、
前記少なくとも２枚の炭素繊維織物の各々が、炭素繊維束が解された開繊糸からなり、且つ、
前記熱可塑性樹脂が前記少なくとも２枚の炭素繊維織物内に固化した状態にて含浸していることにより、前記炭素繊維強化複合材が全体として一体化している
ことを特徴とする炭素繊維強化複合材である。
ここで、本発明に係る炭素繊維強化複合材の少なくとも一方の面上には、熱可塑性樹脂層が存在していてもよい。
また、本発明に係る炭素繊維強化複合材に含まれるすべての熱可塑性樹脂が同一種であってもよい。
また、本発明に係る炭素繊維強化複合材は、最大高さ（Ｒｍａｘ）が１２．０μｍ以下であり、十点平均粗さ（Ｒｚ）が６．０μｍ以下であってもよい。
また、本発明に係る炭素繊維強化複合材は、曲げ弾性率が２５ＧＰａ以上であり、曲げ強さが１７０ＭＰａ以上であってもよい。
また、本発明に係る炭素繊維強化複合材は、厚さが０．５ｍｍ以下であってもよい。
また、本発明に係る炭素繊維強化複合材は、固化した状態の熱可塑性樹脂が無発泡状態であってもよい。
更に、本発明は、
炭素繊維束が解された開繊糸からなる炭素繊維織物を少なくとも２枚含み、前記少なくとも２枚の炭素繊維織物間に発泡体状の熱可塑性樹脂が挟まれている積層体を、前記発泡体状の前記熱可塑性樹脂が溶融し且つ溶融した前記熱可塑性樹脂が前記少なくとも２枚の炭素繊維織物間に含浸する条件にて熱プレスする工程と、
前記２枚の炭素繊維織物間に含浸した、溶融状態にある前記熱可塑性樹脂を固化させる工程と
を含むことを特徴とする炭素繊維強化複合材の製造方法である。
また、本発明に係る炭素繊維強化複合材の製造方法は、発泡体状の熱可塑性樹脂が独立気泡発泡体であってもよい。
また、本発明に係る炭素繊維強化複合材の製造方法は、炭素繊維織物の少なくとも片面に熱可塑性樹脂フィルムが配されていてもよい。
ここで、「配した」とは、炭素繊維織物上に熱可塑性樹脂フィルムが接合（仮留めや点溶着を含む）している態様のみならず、接合していない態様（後述する実施例４のように、単に接触状態にある態様）をも包含する概念である。
また、本発明に係る炭素繊維強化複合材の製造方法は、積層体が、片面から順次、熱可塑性樹脂フィルム、炭素繊維織物、発泡体状の熱可塑性樹脂、炭素繊維織物、熱可塑性樹脂フィルムの少なくとも５層からなるものであってもよい。
また、本発明に係る炭素繊維強化複合材の製造方法は、積層体が、片面から順次、熱可塑性樹脂フィルム、炭素繊維織物、熱可塑性樹脂フィルム、発泡体状の熱可塑性樹脂、熱可塑性樹脂フィルム、炭素繊維織物、熱可塑性樹脂フィルムの７層のみからなるものであってもよい。
また、本発明に係る炭素繊維強化複合材の製造方法は、発泡体状の熱可塑性樹脂及び熱可塑性樹脂フィルムが同一種の熱可塑性樹脂であってもよい。
ここで、熱プレスを行う工程と、溶融した熱可塑性樹脂を固化させる工程とは、別々の工程であっても、連続的な工程であってもよく、更には、圧力をかけながら樹脂を固化させる等、一部又は全てが同時に行われるものであってもよい。
また、同一種とは、ポリマーを構成するモノマーが完全に同一である態様のみならず、ポリマーを構成するモノマー骨格が類似する態様｛例えば、モノマーの側鎖やモノマーを構成する元素（具体的には炭素）の個数等が相違する態様｝をも含む。
また、実質的に無発泡状態とは、目視観察で発泡が認められない状態をいう。
少なくとも２枚の炭素繊維織物と熱可塑性樹脂とを含む炭素繊維強化複合材であって、
前記少なくとも２枚の炭素繊維織物の各々が、炭素繊維束が解された開繊糸からなり、且つ、
前記熱可塑性樹脂が前記少なくとも２枚の炭素繊維織物内に固化した状態にて含浸していることにより、前記炭素繊維強化複合材が全体として一体化している
ことを特徴とする炭素繊維強化複合材である。
ここで、本発明に係る炭素繊維強化複合材の少なくとも一方の面上には、熱可塑性樹脂層が存在していてもよい。
また、本発明に係る炭素繊維強化複合材に含まれるすべての熱可塑性樹脂が同一種であってもよい。
また、本発明に係る炭素繊維強化複合材は、最大高さ（Ｒｍａｘ）が１２．０μｍ以下であり、十点平均粗さ（Ｒｚ）が６．０μｍ以下であってもよい。
また、本発明に係る炭素繊維強化複合材は、曲げ弾性率が２５ＧＰａ以上であり、曲げ強さが１７０ＭＰａ以上であってもよい。
また、本発明に係る炭素繊維強化複合材は、厚さが０．５ｍｍ以下であってもよい。
また、本発明に係る炭素繊維強化複合材は、固化した状態の熱可塑性樹脂が無発泡状態であってもよい。
更に、本発明は、
炭素繊維束が解された開繊糸からなる炭素繊維織物を少なくとも２枚含み、前記少なくとも２枚の炭素繊維織物間に発泡体状の熱可塑性樹脂が挟まれている積層体を、前記発泡体状の前記熱可塑性樹脂が溶融し且つ溶融した前記熱可塑性樹脂が前記少なくとも２枚の炭素繊維織物間に含浸する条件にて熱プレスする工程と、
前記２枚の炭素繊維織物間に含浸した、溶融状態にある前記熱可塑性樹脂を固化させる工程と
を含むことを特徴とする炭素繊維強化複合材の製造方法である。
また、本発明に係る炭素繊維強化複合材の製造方法は、発泡体状の熱可塑性樹脂が独立気泡発泡体であってもよい。
また、本発明に係る炭素繊維強化複合材の製造方法は、炭素繊維織物の少なくとも片面に熱可塑性樹脂フィルムが配されていてもよい。
ここで、「配した」とは、炭素繊維織物上に熱可塑性樹脂フィルムが接合（仮留めや点溶着を含む）している態様のみならず、接合していない態様（後述する実施例４のように、単に接触状態にある態様）をも包含する概念である。
また、本発明に係る炭素繊維強化複合材の製造方法は、積層体が、片面から順次、熱可塑性樹脂フィルム、炭素繊維織物、発泡体状の熱可塑性樹脂、炭素繊維織物、熱可塑性樹脂フィルムの少なくとも５層からなるものであってもよい。
また、本発明に係る炭素繊維強化複合材の製造方法は、積層体が、片面から順次、熱可塑性樹脂フィルム、炭素繊維織物、熱可塑性樹脂フィルム、発泡体状の熱可塑性樹脂、熱可塑性樹脂フィルム、炭素繊維織物、熱可塑性樹脂フィルムの７層のみからなるものであってもよい。
また、本発明に係る炭素繊維強化複合材の製造方法は、発泡体状の熱可塑性樹脂及び熱可塑性樹脂フィルムが同一種の熱可塑性樹脂であってもよい。
ここで、熱プレスを行う工程と、溶融した熱可塑性樹脂を固化させる工程とは、別々の工程であっても、連続的な工程であってもよく、更には、圧力をかけながら樹脂を固化させる等、一部又は全てが同時に行われるものであってもよい。
また、同一種とは、ポリマーを構成するモノマーが完全に同一である態様のみならず、ポリマーを構成するモノマー骨格が類似する態様｛例えば、モノマーの側鎖やモノマーを構成する元素（具体的には炭素）の個数等が相違する態様｝をも含む。
また、実質的に無発泡状態とは、目視観察で発泡が認められない状態をいう。
本発明によれば、軽量、薄肉且つ高剛性を担保しつつ、再加工性やリサイクル性に優れ且つ表面平滑性が良好な炭素繊維強化複合材を提供することが可能になるという効果を奏する。
以下、本発明に係る炭素繊維強化複合材の一形態について、図１〜４を用いて詳述する。尚、本発明の技術的範囲は、当該形態に何ら限定されない。
≪本形態に係る炭素繊維強化複合材≫
図１から４に示すように、本形態に係る面状の炭素繊維強化複合材１００は、熱可塑性樹脂を含浸した２枚の炭素繊維織物（開繊糸織物）１１１及び１１２と、当該２枚の開繊糸織物１１１及び１１２に挟まれた第一の熱可塑性樹脂層（中間熱可塑性樹脂層）１４５と、当該２枚の開繊糸織物１１１及び１１２それぞれの、第一の熱可塑性樹脂層１４５と接した面の反対面（炭素繊維強化複合材１００の外表面に相当）に設けられた第二の熱可塑性樹脂層（表層熱可塑性樹脂層）１５１及び１５２と、から構成される。そして、炭素繊維強化複合材１００は、第一の熱可塑性樹脂層、第二の熱可塑性樹脂層及び炭素繊維織物が熱可塑性樹脂によって一体化した構造を有している。尚、当該炭素繊維強化複合材１００の構造及び物性等については後述する。以下、本形態に係る炭素繊維強化複合材１００の製造方法、当該製造方法により得られた炭素繊維強化複合材（構造、性質）、本形態に係る炭素繊維強化複合材の使用方法（用途）、を順に説明する。
図１から４に示すように、本形態に係る面状の炭素繊維強化複合材１００は、熱可塑性樹脂を含浸した２枚の炭素繊維織物（開繊糸織物）１１１及び１１２と、当該２枚の開繊糸織物１１１及び１１２に挟まれた第一の熱可塑性樹脂層（中間熱可塑性樹脂層）１４５と、当該２枚の開繊糸織物１１１及び１１２それぞれの、第一の熱可塑性樹脂層１４５と接した面の反対面（炭素繊維強化複合材１００の外表面に相当）に設けられた第二の熱可塑性樹脂層（表層熱可塑性樹脂層）１５１及び１５２と、から構成される。そして、炭素繊維強化複合材１００は、第一の熱可塑性樹脂層、第二の熱可塑性樹脂層及び炭素繊維織物が熱可塑性樹脂によって一体化した構造を有している。尚、当該炭素繊維強化複合材１００の構造及び物性等については後述する。以下、本形態に係る炭素繊維強化複合材１００の製造方法、当該製造方法により得られた炭素繊維強化複合材（構造、性質）、本形態に係る炭素繊維強化複合材の使用方法（用途）、を順に説明する。
≪本形態に係る炭素繊維強化複合材の製造方法≫
本形態に係る炭素繊維強化複合材１００の製造方法は、開繊糸（織り目をほぐし目開きさせた炭素繊維束）からなる開繊糸織物１１０（１１１及び１１２）の、上面及び底面にフィルム状の熱可塑性樹脂（熱可塑性樹脂フィルム）１２０（１２１及び１２２）が配された、炭素繊維シート１３０（１３１及び１３２）間に、発泡体状の前記熱可塑性樹脂（熱可塑性樹脂発泡体）１４０が挟まれた積層体１０１を熱プレスすることで、前記発泡体状の前記熱可塑性樹脂１４０及び前記フィルム状の熱可塑性樹脂１２０を溶融させ且つ溶融したこれら熱可塑性樹脂を前記開繊糸織物１１０に含侵させ、その後開繊糸織物間に含浸した、溶融状態にある前記熱可塑性樹脂を冷却・固化するプロセスを含む。以下、当該製造方法の製造原料及び製造プロセスを詳述する。
本形態に係る炭素繊維強化複合材１００の製造方法は、開繊糸（織り目をほぐし目開きさせた炭素繊維束）からなる開繊糸織物１１０（１１１及び１１２）の、上面及び底面にフィルム状の熱可塑性樹脂（熱可塑性樹脂フィルム）１２０（１２１及び１２２）が配された、炭素繊維シート１３０（１３１及び１３２）間に、発泡体状の前記熱可塑性樹脂（熱可塑性樹脂発泡体）１４０が挟まれた積層体１０１を熱プレスすることで、前記発泡体状の前記熱可塑性樹脂１４０及び前記フィルム状の熱可塑性樹脂１２０を溶融させ且つ溶融したこれら熱可塑性樹脂を前記開繊糸織物１１０に含侵させ、その後開繊糸織物間に含浸した、溶融状態にある前記熱可塑性樹脂を冷却・固化するプロセスを含む。以下、当該製造方法の製造原料及び製造プロセスを詳述する。
＜製造原料＞
［開繊糸織物］
｛構造｝
（開織）
本形態に係る開繊糸織物は、開繊糸を平織りすることで形成される。織布繊維として開繊糸を使用することで、繊維厚みが薄くなり、目付け量も減少する。開繊糸織物を用いることにより、熱プレスプロセスにおいて、開いた織り目からボイドが脱泡され易くなる。その結果、炭素繊維強化複合材１００内部に残存するボイド量が少なくなる。そのため、再加工時加熱の際に、炭素繊維強化複合材１００内のボイドが表層に到達することに起因した、表面平滑性の悪化（欠肉、セルあれ）を防止できる。尚、本発明の開繊糸織物は、特開２０００−０９６３８７号、特開２０００−１１００４８号、特開２００１−１６４４４１号等に開示のものを利用できる。
［開繊糸織物］
｛構造｝
（開織）
本形態に係る開繊糸織物は、開繊糸を平織りすることで形成される。織布繊維として開繊糸を使用することで、繊維厚みが薄くなり、目付け量も減少する。開繊糸織物を用いることにより、熱プレスプロセスにおいて、開いた織り目からボイドが脱泡され易くなる。その結果、炭素繊維強化複合材１００内部に残存するボイド量が少なくなる。そのため、再加工時加熱の際に、炭素繊維強化複合材１００内のボイドが表層に到達することに起因した、表面平滑性の悪化（欠肉、セルあれ）を防止できる。尚、本発明の開繊糸織物は、特開２０００−０９６３８７号、特開２０００−１１００４８号、特開２００１−１６４４４１号等に開示のものを利用できる。
（厚さ）
開繊糸織物が厚すぎると、開繊糸織物中からのボイドの脱泡が進まず、炭素繊維強化複合材１００内部に残存するボイド量が多くなる。しかし、開繊糸織物が薄すぎると、炭素繊維強化複合材に必要な高剛性が発揮されなくなってしまう。そのため、開繊糸織物の厚さとしては、好適には、０．０５〜０．２０ｍｍであり、より好適には、０．０８〜０．１０ｍｍである。
開繊糸織物が厚すぎると、開繊糸織物中からのボイドの脱泡が進まず、炭素繊維強化複合材１００内部に残存するボイド量が多くなる。しかし、開繊糸織物が薄すぎると、炭素繊維強化複合材に必要な高剛性が発揮されなくなってしまう。そのため、開繊糸織物の厚さとしては、好適には、０．０５〜０．２０ｍｍであり、より好適には、０．０８〜０．１０ｍｍである。
｛物性・性質｝
（目付け）
開繊糸織物を用いることにより、炭素繊維強化複合材１００内部で形成されたボイドが脱泡されやすくなるが、開繊糸織物における目付けが小さすぎると高剛性が発揮され難くなる。開繊糸織物における目付けが大きすぎると、織り目が開いているものの嵩高になることから、ボイドの脱泡が進み難くなる。そのため、開繊糸織物の目付けは、好適には、７０〜４００ｇ／ｍ２であり、より好適には３０〜１６０ｇ／ｍ２であり、特に好適には４０〜９０ｇ／ｍ２である。
（目付け）
開繊糸織物を用いることにより、炭素繊維強化複合材１００内部で形成されたボイドが脱泡されやすくなるが、開繊糸織物における目付けが小さすぎると高剛性が発揮され難くなる。開繊糸織物における目付けが大きすぎると、織り目が開いているものの嵩高になることから、ボイドの脱泡が進み難くなる。そのため、開繊糸織物の目付けは、好適には、７０〜４００ｇ／ｍ２であり、より好適には３０〜１６０ｇ／ｍ２であり、特に好適には４０〜９０ｇ／ｍ２である。
｛原材料｝
本形態に係る開繊糸織物は、開繊糸を平織りすることで形成される。ここで、本形態に係る開繊糸織物の材質である開繊糸について詳述する。
本形態に係る開繊糸織物は、開繊糸を平織りすることで形成される。ここで、本形態に係る開繊糸織物の材質である開繊糸について詳述する。
〔開繊糸〕
“構造”
開繊糸は、１本または数本のヤーン（マルチフィラメント糸条）をモノフィラメントがほぼ直線状に且つ平行状態を保つように平坦に配置したものをいう。結果、モノフィラメントが微粘着され、炭素繊維束の織り目が開きやすくなった繊維糸である。
“構造”
開繊糸は、１本または数本のヤーン（マルチフィラメント糸条）をモノフィラメントがほぼ直線状に且つ平行状態を保つように平坦に配置したものをいう。結果、モノフィラメントが微粘着され、炭素繊維束の織り目が開きやすくなった繊維糸である。
・厚さ
開繊糸が厚いと開繊糸織物自体も厚くなり、形成された炭素繊維強化複合材において薄肉性が達成されない。そのため、開繊糸の厚みは、好適には１μｍ〜６０μｍである。
開繊糸が厚いと開繊糸織物自体も厚くなり、形成された炭素繊維強化複合材において薄肉性が達成されない。そのため、開繊糸の厚みは、好適には１μｍ〜６０μｍである。
・幅
開繊糸の幅は、好適には１ｍｍ〜６０ｍｍである。このような開繊糸幅とすることで、開繊糸のアスペクト比が好ましい形態となる。
開繊糸の幅は、好適には１ｍｍ〜６０ｍｍである。このような開繊糸幅とすることで、開繊糸のアスペクト比が好ましい形態となる。
・アスペクト比
本形態に係る炭素繊維強化複合材に用いる開繊糸において、開繊糸幅と開繊糸厚みの比（糸幅／糸厚み）であるアスペクト比は、好適には３０以上である。このようなアスペクト比にすることで、クリンプ角度が小さくなり優れた表面平滑性が得られる。
本形態に係る炭素繊維強化複合材に用いる開繊糸において、開繊糸幅と開繊糸厚みの比（糸幅／糸厚み）であるアスペクト比は、好適には３０以上である。このようなアスペクト比にすることで、クリンプ角度が小さくなり優れた表面平滑性が得られる。
“材質”
開繊糸の材質としては特に限定されず、ＰＡＮ系、ピッチ系、何れでもよいが、広く使用されているＰＡＮ系が好ましい。
開繊糸の材質としては特に限定されず、ＰＡＮ系、ピッチ系、何れでもよいが、広く使用されているＰＡＮ系が好ましい。
［熱可塑性樹脂フィルム］
｛構造｝
開繊糸織物１１０の上面及び底面には、熱プレスプロセス前に予め熱可塑性樹脂フィルムを配しておくことが好ましい。開繊糸織物の底面に熱可塑性樹脂フィルムを配することにより、炭素繊維強化複合材の樹脂の不足を補い、作業性や量産性を向上させることが出来る。開繊糸織物の上面に熱可塑性樹脂フィルムを配することにより、熱可塑性樹脂フィルムが含浸するだけでなく、炭素繊維強化複合材の表面、特に意匠面に熱可塑性樹脂層が積層、皮膜を形成することから、複合材の表面平滑性を向上させることが出来る。また、当該熱可塑性樹脂フィルムを開繊糸織物の上面及び底面に予め仮留めしておくことが好ましい。尚、本実施例では熱可塑性樹脂フィルムを開繊糸織物の上面に配した材料を用いたが、当該熱可塑性樹脂フィルムを用いずとも炭素繊維強化複合材の表面に熱可塑性樹脂層を形成させることが可能である。例えば、熱プレスプロセスにおいて熱可塑性樹脂発泡体を溶融させ、溶融した熱可塑性樹脂を開繊糸織物に十分に含浸させ固化させることで、炭素繊維強化複合材の表面に熱可塑性樹脂層を形成することが出来る。
｛構造｝
開繊糸織物１１０の上面及び底面には、熱プレスプロセス前に予め熱可塑性樹脂フィルムを配しておくことが好ましい。開繊糸織物の底面に熱可塑性樹脂フィルムを配することにより、炭素繊維強化複合材の樹脂の不足を補い、作業性や量産性を向上させることが出来る。開繊糸織物の上面に熱可塑性樹脂フィルムを配することにより、熱可塑性樹脂フィルムが含浸するだけでなく、炭素繊維強化複合材の表面、特に意匠面に熱可塑性樹脂層が積層、皮膜を形成することから、複合材の表面平滑性を向上させることが出来る。また、当該熱可塑性樹脂フィルムを開繊糸織物の上面及び底面に予め仮留めしておくことが好ましい。尚、本実施例では熱可塑性樹脂フィルムを開繊糸織物の上面に配した材料を用いたが、当該熱可塑性樹脂フィルムを用いずとも炭素繊維強化複合材の表面に熱可塑性樹脂層を形成させることが可能である。例えば、熱プレスプロセスにおいて熱可塑性樹脂発泡体を溶融させ、溶融した熱可塑性樹脂を開繊糸織物に十分に含浸させ固化させることで、炭素繊維強化複合材の表面に熱可塑性樹脂層を形成することが出来る。
（厚さ）
熱可塑性樹脂フィルムの厚さは特に制限されないが、所望の複合材肉厚部を得る上で、成形時のバリ、偏肉等の不良を少なくする必要がある。そのため、熱可塑性樹脂フィルムの厚さは、好適には１０〜５００μｍであり、より好適には１５〜４００μｍであり、特に好適には２０〜３００μｍである。
熱可塑性樹脂フィルムが薄いと、開繊糸織物への含浸が充分に行われない。また、熱可塑性樹脂フィルムが厚い場合、厚い複合材を得るのに開繊糸織物の目付けを大きくする必要があり、開繊糸織物が嵩高になるので、フィルムの樹脂量を増やす必要があるためである。複合材の平面積はあらかじめ決められているので、樹脂量を増すには厚みを厚くするしかない。
熱可塑性樹脂フィルムの厚さは特に制限されないが、所望の複合材肉厚部を得る上で、成形時のバリ、偏肉等の不良を少なくする必要がある。そのため、熱可塑性樹脂フィルムの厚さは、好適には１０〜５００μｍであり、より好適には１５〜４００μｍであり、特に好適には２０〜３００μｍである。
熱可塑性樹脂フィルムが薄いと、開繊糸織物への含浸が充分に行われない。また、熱可塑性樹脂フィルムが厚い場合、厚い複合材を得るのに開繊糸織物の目付けを大きくする必要があり、開繊糸織物が嵩高になるので、フィルムの樹脂量を増やす必要があるためである。複合材の平面積はあらかじめ決められているので、樹脂量を増すには厚みを厚くするしかない。
｛物性・性質｝
（感熱収縮率）
熱可塑性樹脂フィルムは、熱プレス成形時に熱収縮しないものが好ましく、熱収縮により開繊糸織物が位置ズレして皺等がよらないのが好ましい。熱可塑性樹脂フィルムは、熱プレス成形時に加熱圧縮して位置ズレすることなく、熔融含浸してマトリクスを形成する。
（感熱収縮率）
熱可塑性樹脂フィルムは、熱プレス成形時に熱収縮しないものが好ましく、熱収縮により開繊糸織物が位置ズレして皺等がよらないのが好ましい。熱可塑性樹脂フィルムは、熱プレス成形時に加熱圧縮して位置ズレすることなく、熔融含浸してマトリクスを形成する。
｛材質｝
熱可塑性樹脂フィルムは、熱可塑性である限り特に限定されず、例えば、ポリオレフィン系、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン；ポリアミド系、例えば、ナイロン；ポリエステル系、例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート；その他にも、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリフェニレンサルファイドを用いることが出来る。ここで、熱可塑性樹脂発泡体と同一種の熱可塑性樹脂を用いることで、熱プレスプロセスにおける表裏中間層にわたる樹脂の密着性が向上し、高剛性が得られる。求められる物性と合わせ、熱可塑性樹脂発泡体と同じ材質を選定する上で、熱可塑性樹脂フィルムの材質としては、ポリエチレン、ポリカーボネート、ポリアミドが特に好適である。
熱可塑性樹脂フィルムは、熱可塑性である限り特に限定されず、例えば、ポリオレフィン系、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン；ポリアミド系、例えば、ナイロン；ポリエステル系、例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート；その他にも、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリフェニレンサルファイドを用いることが出来る。ここで、熱可塑性樹脂発泡体と同一種の熱可塑性樹脂を用いることで、熱プレスプロセスにおける表裏中間層にわたる樹脂の密着性が向上し、高剛性が得られる。求められる物性と合わせ、熱可塑性樹脂発泡体と同じ材質を選定する上で、熱可塑性樹脂フィルムの材質としては、ポリエチレン、ポリカーボネート、ポリアミドが特に好適である。
［熱可塑性樹脂発泡体］
｛構造｝
（気泡）
熱可塑性樹脂発泡体を用いることにより、発泡体のバネ（スプリング）効果が発揮され、熱プレスプロセスにおいて、溶融樹脂が開繊糸織物を押し広げるように含浸し、ボイドのない均質な複合材となる。熱プレスプロセス時に、熱可塑性樹脂発泡体は熔融しながら緩衝層となる一方、炭素繊維への熱可塑性樹脂の含浸を確実なものとする。
また、熱可塑性樹脂発泡体は、独立気泡を有する発泡体であることが好ましい。このような構成とすることでボイドが脱泡され易くなる。また、連続気泡構造物も使用できる。発泡体は、化学発泡、物理発泡のいずれの製法のものでもよいが、独立気泡を形成後、物理的に気泡を粉砕して連通した連続気泡発泡体でもよい。
複合材の積層構造において、成形前に中間層として挟まれていた熱可塑性樹脂発泡体は、成形後、中間層を形成する。中間層を形成する熱可塑性樹脂発泡体は、上下の炭素繊維シートが接触、絡み合う程度まで圧縮される。その結果、炭素繊維シート中に熱可塑性樹脂が含浸した炭素繊維強化層が形成される。
｛構造｝
（気泡）
熱可塑性樹脂発泡体を用いることにより、発泡体のバネ（スプリング）効果が発揮され、熱プレスプロセスにおいて、溶融樹脂が開繊糸織物を押し広げるように含浸し、ボイドのない均質な複合材となる。熱プレスプロセス時に、熱可塑性樹脂発泡体は熔融しながら緩衝層となる一方、炭素繊維への熱可塑性樹脂の含浸を確実なものとする。
また、熱可塑性樹脂発泡体は、独立気泡を有する発泡体であることが好ましい。このような構成とすることでボイドが脱泡され易くなる。また、連続気泡構造物も使用できる。発泡体は、化学発泡、物理発泡のいずれの製法のものでもよいが、独立気泡を形成後、物理的に気泡を粉砕して連通した連続気泡発泡体でもよい。
複合材の積層構造において、成形前に中間層として挟まれていた熱可塑性樹脂発泡体は、成形後、中間層を形成する。中間層を形成する熱可塑性樹脂発泡体は、上下の炭素繊維シートが接触、絡み合う程度まで圧縮される。その結果、炭素繊維シート中に熱可塑性樹脂が含浸した炭素繊維強化層が形成される。
（厚さ）
熱可塑性樹脂発泡体が厚すぎると、熱プレスプロセスにおける発泡体の圧縮が困難になり、薄すぎると発泡体のバネ（スプリング）効果が発揮され難い。そのため、熱可塑性樹脂発泡体の厚さは、好適には１．５ｍｍ〜２．３ｍｍである。
熱可塑性樹脂発泡体が厚すぎると、熱プレスプロセスにおける発泡体の圧縮が困難になり、薄すぎると発泡体のバネ（スプリング）効果が発揮され難い。そのため、熱可塑性樹脂発泡体の厚さは、好適には１．５ｍｍ〜２．３ｍｍである。
｛物性・性質｝
熱可塑性樹脂発泡体の厚みが、厚い場合、熱プレスしたとしても２枚の開繊糸織物の間隔が遠く広がるため、一般に弾性率が高くなる傾向にある。一方、比較的厚みが薄い熱可塑性樹脂発泡体を採用すると、２枚の開繊糸織物の間隔が狭くなり弾性率が低くなる。熱可塑性樹脂発泡体の密度は、１５〜８０ｋｇ／ｍ３である。この密度範囲の発泡体を使用すると、所望厚みの複合材を成形するのに適度なバネ（スプリング）効果が得られるとともに、適度な含浸量とすることができ、所望の剛性を有する炭素繊維強化複合材が得られる。
（気泡構造）
熱プレスプロセスにおいて、熱可塑性樹脂発泡体はバネ（スプリング）効果を発揮する。即ち、熱可塑性樹脂発泡体のバネ（スプリング）効果により、開繊糸織物がプレス面に押し付けられる。その際に、開繊糸織物の上面及び底面に設けられた熱可塑性樹脂フィルムが、開繊糸織物に押し付けられるため、溶融した熱可塑性樹脂フィルムが開繊糸に含浸され易くなる。その結果、薄肉且つ高剛性であると共に、表面平滑性が良好な炭素繊維強化複合材が得られる。この様なバネ効果を発揮するのに適した熱可塑性樹脂発泡体は、独立気泡構造体が好ましい。独立気泡構造であることで、熱プレスによって熔融する時にプレス圧に応じてガス抜けが生じるとともに、独立気泡内に閉じ込められたエアが膨張しつつ、気泡が破裂すると思われ、バネ（スプリング）効果が得られるものと考える。
熱可塑性樹脂発泡体の厚みが、厚い場合、熱プレスしたとしても２枚の開繊糸織物の間隔が遠く広がるため、一般に弾性率が高くなる傾向にある。一方、比較的厚みが薄い熱可塑性樹脂発泡体を採用すると、２枚の開繊糸織物の間隔が狭くなり弾性率が低くなる。熱可塑性樹脂発泡体の密度は、１５〜８０ｋｇ／ｍ３である。この密度範囲の発泡体を使用すると、所望厚みの複合材を成形するのに適度なバネ（スプリング）効果が得られるとともに、適度な含浸量とすることができ、所望の剛性を有する炭素繊維強化複合材が得られる。
（気泡構造）
熱プレスプロセスにおいて、熱可塑性樹脂発泡体はバネ（スプリング）効果を発揮する。即ち、熱可塑性樹脂発泡体のバネ（スプリング）効果により、開繊糸織物がプレス面に押し付けられる。その際に、開繊糸織物の上面及び底面に設けられた熱可塑性樹脂フィルムが、開繊糸織物に押し付けられるため、溶融した熱可塑性樹脂フィルムが開繊糸に含浸され易くなる。その結果、薄肉且つ高剛性であると共に、表面平滑性が良好な炭素繊維強化複合材が得られる。この様なバネ効果を発揮するのに適した熱可塑性樹脂発泡体は、独立気泡構造体が好ましい。独立気泡構造であることで、熱プレスによって熔融する時にプレス圧に応じてガス抜けが生じるとともに、独立気泡内に閉じ込められたエアが膨張しつつ、気泡が破裂すると思われ、バネ（スプリング）効果が得られるものと考える。
｛材質｝
熱可塑性である限り特に限定されず、例えば、ポリオレフィン系、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン；ポリアミド系、例えば、ナイロン；ポリエステル系、例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート；その他にも、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリフェニレンサルファイドを用いることが出来る。ここで、熱可塑性樹脂フィルムと同一種の熱可塑性樹脂を用いることで、熱プレスプロセスにおける樹脂同士の密着性が向上し、高剛性が得られる。求められる物性と合わせ、熱可塑性樹脂フィルムと同じ材質を選定する上で、熱可塑性樹脂発泡体の材質はポリエチレン、ポリカーボネート、ポリアミドが特に好適である。
熱可塑性である限り特に限定されず、例えば、ポリオレフィン系、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン；ポリアミド系、例えば、ナイロン；ポリエステル系、例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート；その他にも、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリフェニレンサルファイドを用いることが出来る。ここで、熱可塑性樹脂フィルムと同一種の熱可塑性樹脂を用いることで、熱プレスプロセスにおける樹脂同士の密着性が向上し、高剛性が得られる。求められる物性と合わせ、熱可塑性樹脂フィルムと同じ材質を選定する上で、熱可塑性樹脂発泡体の材質はポリエチレン、ポリカーボネート、ポリアミドが特に好適である。
＜製造プロセス＞
［炭素繊維シート形成プロセス］
開繊糸織物１１０の上面及び底面に、熱可塑性樹脂フィルム１２０（１２１及び１２２）を積層させ、更に点溶着等により熱可塑性樹脂フィルムの仮留めを行い、炭素繊維シート１３０を形成する（図１）。
［炭素繊維シート形成プロセス］
開繊糸織物１１０の上面及び底面に、熱可塑性樹脂フィルム１２０（１２１及び１２２）を積層させ、更に点溶着等により熱可塑性樹脂フィルムの仮留めを行い、炭素繊維シート１３０を形成する（図１）。
［積層体形成プロセス］
次に、炭素繊維シート１３０（１３１及び１３２）を、熱可塑性樹脂独立発泡体１４０の上面及び底面に積層させ、積層体１０１を形成する（図２）。
次に、炭素繊維シート１３０（１３１及び１３２）を、熱可塑性樹脂独立発泡体１４０の上面及び底面に積層させ、積層体１０１を形成する（図２）。
［熱プレスプロセス］
積層体１０１を積層面方向から熱プレスすることで、炭素繊維シートに積層された各熱可塑性樹脂フィルム及び／又は熱可塑性樹脂独立発泡体の全て又は一部が溶融し、炭素繊維強化複合材の肉厚部を形成する樹脂となる。この際、熱可塑性樹脂独立発泡体は熱プレスにより圧縮されることでバネ効果を発揮する（図３）。
成形品の大きさ、成形品の厚さ等にもよるが、通常、加圧は０．２５〜０．７５ＭＰａ、雰囲気温度は環境温度であり１５〜３５℃、時間は３〜２０分間行なわれる。加熱は２００〜３００℃まで昇温される。本発明においては、０．２〜０．５ｍｍの比較的薄い平板を成形しており、プレス時にスペーサーを用いて所定の空間を確保することはない。
積層体１０１を積層面方向から熱プレスすることで、炭素繊維シートに積層された各熱可塑性樹脂フィルム及び／又は熱可塑性樹脂独立発泡体の全て又は一部が溶融し、炭素繊維強化複合材の肉厚部を形成する樹脂となる。この際、熱可塑性樹脂独立発泡体は熱プレスにより圧縮されることでバネ効果を発揮する（図３）。
成形品の大きさ、成形品の厚さ等にもよるが、通常、加圧は０．２５〜０．７５ＭＰａ、雰囲気温度は環境温度であり１５〜３５℃、時間は３〜２０分間行なわれる。加熱は２００〜３００℃まで昇温される。本発明においては、０．２〜０．５ｍｍの比較的薄い平板を成形しており、プレス時にスペーサーを用いて所定の空間を確保することはない。
［冷却プロセス］
熱プレスプロセスによって溶融した樹脂を、常温環境下に放置し、冷却・硬化させ、炭素繊維強化複合材１００を形成させる。
熱プレスプロセスによって溶融した樹脂を、常温環境下に放置し、冷却・硬化させ、炭素繊維強化複合材１００を形成させる。
≪本形態に係る炭素繊維強化複合材の構造≫
炭素繊維強化複合材１００は、熱可塑性樹脂によって一体化されており、炭素繊維強化複合材の表層には表層熱可塑性樹脂層１５１及び１５２が形成される。また、炭素繊維強化複合材１００における開繊糸織物１１１及び１１２は、熱可塑性樹脂発泡体のバネ効果により肉厚内の外側に配される（図４）。 熱炭素繊維強化複合材１００の中心部には、熱プレス過程において溶融されなかった熱可塑性樹脂発泡体の残渣やその他の熱可塑性樹脂によって構成される中間熱可塑性樹脂層１４５が存在する場合がある。尚、表層熱可塑性樹脂層は片面（例えば意匠面となる面）にのみ存在するなど、必ずしも炭素繊維強化複合材１００の表層両側に存在しなくともよい。
炭素繊維強化複合材１００は、熱可塑性樹脂によって一体化されており、炭素繊維強化複合材の表層には表層熱可塑性樹脂層１５１及び１５２が形成される。また、炭素繊維強化複合材１００における開繊糸織物１１１及び１１２は、熱可塑性樹脂発泡体のバネ効果により肉厚内の外側に配される（図４）。 熱炭素繊維強化複合材１００の中心部には、熱プレス過程において溶融されなかった熱可塑性樹脂発泡体の残渣やその他の熱可塑性樹脂によって構成される中間熱可塑性樹脂層１４５が存在する場合がある。尚、表層熱可塑性樹脂層は片面（例えば意匠面となる面）にのみ存在するなど、必ずしも炭素繊維強化複合材１００の表層両側に存在しなくともよい。
＜厚さ＞
炭素繊維強化複合材の肉厚が薄くなることで、電子機器等の筐体に使用した場合、軽量化とともに内容積が大きくなり、収納効率、内部設計の自由度が高まる。そのため、炭素繊維強化複合材の厚さは、好適には０．２〜０．５ｍｍ、より好適には０．２５〜０．４０ｍｍ、特に好適には０．２７〜０．３８ｍｍである。
炭素繊維強化複合材の肉厚が薄くなることで、電子機器等の筐体に使用した場合、軽量化とともに内容積が大きくなり、収納効率、内部設計の自由度が高まる。そのため、炭素繊維強化複合材の厚さは、好適には０．２〜０．５ｍｍ、より好適には０．２５〜０．４０ｍｍ、特に好適には０．２７〜０．３８ｍｍである。
≪本形態に係る炭素繊維強化複合材の物性・性質≫
開繊糸及び熱可塑性樹脂発泡体を合わせて用いることによって、相乗的な効果が生じ、表面平滑性が良好な炭素繊維強化複合材が得られる。即ち、熱可塑性樹脂発泡体のバネ効果と合わせて、炭素繊維束の目が開いていることで、開繊糸織物への溶融樹脂の含浸が速やかに進み、内部に存在するボイドが開繊糸の目を通して速やかに脱泡される。このため、肉厚内にボイドが少なくなり、一次生産工程や再加工工程中における、ボイドによる表面の凹凸が減少し、軽量、薄肉且つ高剛性を担保しつつも表面平滑性が良好な炭素繊維強化複合材が形成される。当該形態によって得られた炭素繊維強化複合材の、表面粗さに関しては、最大高さ（Ｒｍａｘ）は、５．０〜１２．０μｍ、十点平均粗さ（Ｒｚ）は、２．５〜６．０μｍ程度であり、曲げ弾性率が２５〜６５ＧＰａ程度であり、曲げ強さが１７０〜６６０ＭＰａ程度である。
開繊糸及び熱可塑性樹脂発泡体を合わせて用いることによって、相乗的な効果が生じ、表面平滑性が良好な炭素繊維強化複合材が得られる。即ち、熱可塑性樹脂発泡体のバネ効果と合わせて、炭素繊維束の目が開いていることで、開繊糸織物への溶融樹脂の含浸が速やかに進み、内部に存在するボイドが開繊糸の目を通して速やかに脱泡される。このため、肉厚内にボイドが少なくなり、一次生産工程や再加工工程中における、ボイドによる表面の凹凸が減少し、軽量、薄肉且つ高剛性を担保しつつも表面平滑性が良好な炭素繊維強化複合材が形成される。当該形態によって得られた炭素繊維強化複合材の、表面粗さに関しては、最大高さ（Ｒｍａｘ）は、５．０〜１２．０μｍ、十点平均粗さ（Ｒｚ）は、２．５〜６．０μｍ程度であり、曲げ弾性率が２５〜６５ＧＰａ程度であり、曲げ強さが１７０〜６６０ＭＰａ程度である。
≪本形態に係る炭素繊維強化複合材の用途≫
本発明は、再加工性やリサイクル性に優れると同時に、複合材内部にボイドが少なく、軽量、薄肉且つ高剛性を担保しつつも表面平滑性の良さを持つ炭素繊維強化複合材であり、モバイル電子機器を始めとする、あらゆる機器の筐体材料として有用である。
本発明は、再加工性やリサイクル性に優れると同時に、複合材内部にボイドが少なく、軽量、薄肉且つ高剛性を担保しつつも表面平滑性の良さを持つ炭素繊維強化複合材であり、モバイル電子機器を始めとする、あらゆる機器の筐体材料として有用である。
以下、本発明の具体例として実施例を説明する。尚、本発明の技術的範囲は本実施例により何ら限定されない。
≪実施例１≫
２４Ｋ（フィラメント数２４０００）のＰＡＮ系炭素繊維原糸（引張り強度：５８００ＭＰａ、引張り弾性率：２９０ＧＰａ）を開繊処理して開繊糸とする。この開繊糸を、開繊織布専用の織機（例えば、特開２００３−２５３５４７号開示）を用いて製織する。得られた開繊織布は、平織、目付け７８ｇ／ｍ２、厚さ０．１ｍｍの開繊糸織物である。
又、熱可塑性樹脂発泡体は、厚み２．０ｍｍ、密度５２ｋｇ／ｍ３のポリアミド（６ナイロン）独立気泡発泡体を用いた。熱可塑性樹脂フィルムとしては、２５μｍの、ユニチカ社製のポリアミドＥＭＢＬＥＭシートを用いた。
開繊糸織物の両面に熱可塑性樹脂フィルムを設け、炭素繊維シートを中間材料として形成した。その後、熱可塑性樹脂発泡体の上面及び底面に、上記中間材料である炭素繊維シートを積層させた積層体に対して熱プレスを行った。したがって、中心にある熱可塑性樹脂発泡体の表裏に熱可塑性樹脂が位置し、さらに、２枚の炭素繊維織物があって、最外装には、表裏に熱可塑性樹脂フィルムがある、合計７層からなる積層体を熱プレスした。
当該積層体に対して、加圧条件として、圧力０．４９ＭＰａ、加圧時間１０分、雰囲気２３℃、加熱条件として、温度２８０℃、時間１０分の熱プレスプロセスを行った。次に、型開きを行い、脱型ののち、常温環境下に放置して、冷却硬化させ、厚さ０．２７ｍｍの炭素繊維強化複合材を形成した。この炭素繊維強化複合材の表面粗さを測定したところ、最大高さ（Ｒｍａｘ）で６．９μｍ、十点平均高さ（Ｒｚ）で３．１μｍであった。
２４Ｋ（フィラメント数２４０００）のＰＡＮ系炭素繊維原糸（引張り強度：５８００ＭＰａ、引張り弾性率：２９０ＧＰａ）を開繊処理して開繊糸とする。この開繊糸を、開繊織布専用の織機（例えば、特開２００３−２５３５４７号開示）を用いて製織する。得られた開繊織布は、平織、目付け７８ｇ／ｍ２、厚さ０．１ｍｍの開繊糸織物である。
又、熱可塑性樹脂発泡体は、厚み２．０ｍｍ、密度５２ｋｇ／ｍ３のポリアミド（６ナイロン）独立気泡発泡体を用いた。熱可塑性樹脂フィルムとしては、２５μｍの、ユニチカ社製のポリアミドＥＭＢＬＥＭシートを用いた。
開繊糸織物の両面に熱可塑性樹脂フィルムを設け、炭素繊維シートを中間材料として形成した。その後、熱可塑性樹脂発泡体の上面及び底面に、上記中間材料である炭素繊維シートを積層させた積層体に対して熱プレスを行った。したがって、中心にある熱可塑性樹脂発泡体の表裏に熱可塑性樹脂が位置し、さらに、２枚の炭素繊維織物があって、最外装には、表裏に熱可塑性樹脂フィルムがある、合計７層からなる積層体を熱プレスした。
当該積層体に対して、加圧条件として、圧力０．４９ＭＰａ、加圧時間１０分、雰囲気２３℃、加熱条件として、温度２８０℃、時間１０分の熱プレスプロセスを行った。次に、型開きを行い、脱型ののち、常温環境下に放置して、冷却硬化させ、厚さ０．２７ｍｍの炭素繊維強化複合材を形成した。この炭素繊維強化複合材の表面粗さを測定したところ、最大高さ（Ｒｍａｘ）で６．９μｍ、十点平均高さ（Ｒｚ）で３．１μｍであった。
≪実施例２≫
熱可塑性樹脂発泡体として、厚み１．８ｍｍ、密度５５ｋｇ／ｍ３のポリエチレン独立気泡発泡体であるＺＯＴＥＫ、ＮＢ−５０｛（株）イノアック｝を用い、熱可塑性樹脂フィルムとして、厚み２５μｍの、ユニチカ社製のポリアミドＥＭＢＬＥＭシートを用いて、実施例１の製造方法に準じ、厚さ０．３６ｍｍの炭素繊維強化複合材を形成した。
熱可塑性樹脂発泡体として、厚み１．８ｍｍ、密度５５ｋｇ／ｍ３のポリエチレン独立気泡発泡体であるＺＯＴＥＫ、ＮＢ−５０｛（株）イノアック｝を用い、熱可塑性樹脂フィルムとして、厚み２５μｍの、ユニチカ社製のポリアミドＥＭＢＬＥＭシートを用いて、実施例１の製造方法に準じ、厚さ０．３６ｍｍの炭素繊維強化複合材を形成した。
≪実施例３≫
熱可塑性樹脂発泡体として、厚み２．０ｍｍ、密度５２ｋｇ／ｍ３のポリアミド（６ナイロン）独立気泡発泡体であるＺＯＴＥＫ、ＮＢ−５０｛（株）イノアック｝を用い、熱可塑性樹脂フィルムとして、厚み３０μｍの、インターナショナルケミカル社製ポリカーボネートシートを用いて、実施例１の製造方法に準じ、厚さ０．２８ｍｍの炭素繊維強化複合材を形成した。
熱可塑性樹脂発泡体として、厚み２．０ｍｍ、密度５２ｋｇ／ｍ３のポリアミド（６ナイロン）独立気泡発泡体であるＺＯＴＥＫ、ＮＢ−５０｛（株）イノアック｝を用い、熱可塑性樹脂フィルムとして、厚み３０μｍの、インターナショナルケミカル社製ポリカーボネートシートを用いて、実施例１の製造方法に準じ、厚さ０．２８ｍｍの炭素繊維強化複合材を形成した。
≪実施例４≫
熱可塑性樹脂発泡体として、厚み１．８ｍｍ、密度５５ｋｇ／ｍ３のポリエチレン独立気泡発泡体であるＺＯＴＥＫ、ＮＢ−５０｛（株）イノアック｝を用い、厚み３０μｍの、インターナショナルケミカル社製ポリカーボネートシートを用いて、厚さ０．３８ｍｍの炭素繊維強化複合材を形成した。ただし、熱プレス成形時には、中間材料としての炭素繊維シートを成形することなく、プレス型に、順次、熱可塑性樹脂フィルム、炭素繊維織物、熱可塑性樹脂発泡体、炭素繊維織物、熱可塑性樹脂フィルムを積層し、５層として、一気に熱プレス成形を行なった。得られた複合材の表面粗さを測定したところ、Ｒｍａｘで１０．４μｍ、Ｒｚで４．９μｍであった。
熱可塑性樹脂発泡体として、厚み１．８ｍｍ、密度５５ｋｇ／ｍ３のポリエチレン独立気泡発泡体であるＺＯＴＥＫ、ＮＢ−５０｛（株）イノアック｝を用い、厚み３０μｍの、インターナショナルケミカル社製ポリカーボネートシートを用いて、厚さ０．３８ｍｍの炭素繊維強化複合材を形成した。ただし、熱プレス成形時には、中間材料としての炭素繊維シートを成形することなく、プレス型に、順次、熱可塑性樹脂フィルム、炭素繊維織物、熱可塑性樹脂発泡体、炭素繊維織物、熱可塑性樹脂フィルムを積層し、５層として、一気に熱プレス成形を行なった。得られた複合材の表面粗さを測定したところ、Ｒｍａｘで１０．４μｍ、Ｒｚで４．９μｍであった。
≪評価試験≫
実施例１〜４で得た炭素繊維強化複合材において、曲げ弾性率、曲げ強さを比較した。また、熱可塑性樹脂発泡体を用いず、又開繊されていない炭素繊維織物を１枚のみ積層させ、マトリックス樹脂によって成形した炭素繊維強化複合材を、比較例とした。マトリックス樹脂がポリアミドであり、複合材の厚さが０．３２ｍｍである炭素繊維強化複合材を比較例１、マトリックス樹脂がポリカーボネートであり、複合材の厚さが０．３５ｍｍである炭素繊維強化複合材を比較例２として用意した。なお、比較例１において得られた複合材の表面粗さを測定したところ、開繊されていない炭素繊維織物の織り目が反映されており、Ｒｍａｘで４１．６μｍ、Ｒｚで３１．３μｍであった。
表１は、実施例１〜４及び比較例１〜２での結果である。尚、曲げ強さ、曲げ弾性率の測定方法は、ＪＩＳ規格のＫ７０１７（繊維強化プラスチック−曲げ特性の求め方）に準拠している。表面粗さは、ＪＩＳ０６０１−１９７６に準拠し、触針式表面粗さ測定器で計測した。
実施例１〜４で得た炭素繊維強化複合材において、曲げ弾性率、曲げ強さを比較した。また、熱可塑性樹脂発泡体を用いず、又開繊されていない炭素繊維織物を１枚のみ積層させ、マトリックス樹脂によって成形した炭素繊維強化複合材を、比較例とした。マトリックス樹脂がポリアミドであり、複合材の厚さが０．３２ｍｍである炭素繊維強化複合材を比較例１、マトリックス樹脂がポリカーボネートであり、複合材の厚さが０．３５ｍｍである炭素繊維強化複合材を比較例２として用意した。なお、比較例１において得られた複合材の表面粗さを測定したところ、開繊されていない炭素繊維織物の織り目が反映されており、Ｒｍａｘで４１．６μｍ、Ｒｚで３１．３μｍであった。
表１は、実施例１〜４及び比較例１〜２での結果である。尚、曲げ強さ、曲げ弾性率の測定方法は、ＪＩＳ規格のＫ７０１７（繊維強化プラスチック−曲げ特性の求め方）に準拠している。表面粗さは、ＪＩＳ０６０１−１９７６に準拠し、触針式表面粗さ測定器で計測した。
図５は、実施例１に係る炭素繊維強化複合材の断面図である。図６は、比較例３に係る炭素繊維強化複合材の断面図である。比較例３は、実施例１の開繊糸織物に換えて、通常の開繊していない炭素繊維織物を使用し、その他は実施例１と同じ構成とした。
ここで、同図において、略白色部が炭素繊維強化複合材の断面であり、当該炭素繊維強化複合材の断面に存在する略黒色点がボイドを示す。比較例３に係る炭素繊維強化複合材ではボイドによる欠点が観測され、実施例１に係る例炭素繊維強化複合材ではボイドによる欠点が観測されなかった。薄物複合材を成形するうえで厚みの小さい開繊糸織物を使用し、積層体の各層の厚みを小さくすることは、熱可塑性樹脂発泡体層におけるガス抜けを速やかなものとし、筐体等意匠面を有する成形物の成形加工において非常に効果がある。同様に、実施例２〜４、いずれの複合材においても、ボイドの発生はなかった。ボイドによる欠点数は格段に減少し、成形品そのものの不良率が半減した。
また、複合材の表面に熱可塑性樹脂層を位置させたことから、プレス型の平滑面が転写されており、開繊糸織物による凹凸がないことを目視で確認した。
ここで、同図において、略白色部が炭素繊維強化複合材の断面であり、当該炭素繊維強化複合材の断面に存在する略黒色点がボイドを示す。比較例３に係る炭素繊維強化複合材ではボイドによる欠点が観測され、実施例１に係る例炭素繊維強化複合材ではボイドによる欠点が観測されなかった。薄物複合材を成形するうえで厚みの小さい開繊糸織物を使用し、積層体の各層の厚みを小さくすることは、熱可塑性樹脂発泡体層におけるガス抜けを速やかなものとし、筐体等意匠面を有する成形物の成形加工において非常に効果がある。同様に、実施例２〜４、いずれの複合材においても、ボイドの発生はなかった。ボイドによる欠点数は格段に減少し、成形品そのものの不良率が半減した。
また、複合材の表面に熱可塑性樹脂層を位置させたことから、プレス型の平滑面が転写されており、開繊糸織物による凹凸がないことを目視で確認した。
１００：炭素繊維強化複合材
１０１：積層体
１１０〜１１２：開繊糸織物
１２１〜１２２：熱可塑性樹脂フィルム
１３０〜１３２：炭素繊維シート
１４０：熱可塑性樹脂発泡体
１４５：中間熱可塑性樹脂層
１５１〜１５２：表層熱可塑性樹脂層
１０１：積層体
１１０〜１１２：開繊糸織物
１２１〜１２２：熱可塑性樹脂フィルム
１３０〜１３２：炭素繊維シート
１４０：熱可塑性樹脂発泡体
１４５：中間熱可塑性樹脂層
１５１〜１５２：表層熱可塑性樹脂層
Claims (7)
- 少なくとも２枚の炭素繊維織物と熱可塑性樹脂とを含む炭素繊維強化複合材であって、
前記少なくとも２枚の炭素繊維織物の各々が、炭素繊維束が解された開繊糸からなり、且つ、
前記熱可塑性樹脂が前記少なくとも２枚の炭素繊維織物内に固化した状態にて含浸していることにより、前記炭素繊維強化複合材が全体として一体化している
ことを特徴とする、炭素繊維強化複合材。 - 前記炭素繊維強化複合材の少なくとも一方の面上には、熱可塑性樹脂層が存在する、請求項１記載の炭素繊維強化複合材。
- 前記炭素繊維強化複合材に含まれるすべての熱可塑性樹脂が同一種である、請求項１又は２記載の炭素繊維強化複合材。
- 最大高さ（Ｒｍａｘ）が１２．０μｍ以下であり、十点平均粗さ（Ｒｚ）が６．０μｍ以下である、請求項１〜３のいずれか１項記載の炭素繊維強化複合材。
- 曲げ弾性率が２５ＧＰａ以上であり、曲げ強さが１７０ＭＰａ以上である、請求項１〜４のいずれか１項記載の炭素繊維強化複合材。
- 厚さが０．５ｍｍ以下である、請求項１〜５のいずれか１項記載の炭素繊維強化複合材。
- 固化した状態の前記熱可塑性樹脂が実質的に無発泡状態である、請求項１〜５のいずれか１項記載の炭素繊維強化複合材。
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