JP2015033818A - 三次元繊維強化複合材 - Google Patents
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Abstract
Description
前記厚さ方向糸と、当該厚さ方向糸に隣り合う各強化繊維束層との間、及び前記厚さ方向糸が相反する方向に延びる部位の間に形成される隙間に含浸される前記マトリックス樹脂には、前記マトリックス樹脂よりも線膨張係数の小さい無機粒子が充填されており、前記マトリックス樹脂中の前記無機粒子の体積分率の上限を、樹脂が未硬化状態において74%×(1−樹脂の体積収縮率)に設定した。
上記三次元繊維強化複合材において、前記隙間に含浸された前記マトリックス樹脂によって前記隙間内に発生する内部応力と、前記三次元繊維構造体における前記隙間以外の部位に含浸された前記マトリックス樹脂によって前記隙間以外の部位に発生する内部応力との差に応じて前記無機粒子の体積分率を設定したことが好ましい。
上記三次元繊維強化複合材において、前記無機粒子はカーボンナノチューブであることが好ましい。
図1に示すように、三次元繊維強化複合材10は、複数の繊維(炭素繊維)が束ねられることで形成される繊維束が複数積層されてなる強化繊維束層11a,11b,11c,11dを有する。そして、各強化繊維束層11a,11b,11c,11dが積層されるとともに、各強化繊維束層11a,11b,11c,11dを厚さ方向糸12によって積層方向に結合することで三次元繊維構造体13が形成されている。三次元繊維構造体13は、配列角度0度の連続繊維からなる強化繊維束層11aと、配列角度90度の連続繊維からなる強化繊維束層11bと、配列角度45度の連続繊維からなる強化繊維束層11cと、配列角度−45度の連続繊維からなる強化繊維束層11dとが積層されて疑似等方性に構成されている。
図3に示すように、厚さ方向糸12は、複数の繊維12aが束ねられることで形成される繊維束である。なお、繊維12aとしては炭素繊維が用いられる。そして、カーボンナノチューブ33が混在した状態の溶融樹脂J1に厚さ方向糸12を浸すことで、厚さ方向糸12を形成する複数の繊維12aの間に、カーボンナノチューブ33が混在した溶融樹脂J1が含浸される。これにより、厚さ方向糸12にはカーボンナノチューブ33が付着している。なお、溶融樹脂J1は、硬化する前のエポキシ樹脂である。
隙間21,22に含浸されるマトリックス樹脂32に、マトリックス樹脂31,32よりも線膨張係数の小さいカーボンナノチューブ33が充填されている。このため、隙間21,22に含浸されるマトリックス樹脂32にカーボンナノチューブ33が充填されていない場合に比べると、線膨張係数が小さくなり、マトリックス樹脂32の硬化収縮等によって隙間21,22内に発生する内部応力が低減される。
(1)厚さ方向糸12と、当該厚さ方向糸12に隣り合う各強化繊維束層11a,11b,11c,11dとの間、及び厚さ方向糸12が相反する方向に延びる部位の間に形成される隙間21,22に含浸されるマトリックス樹脂32に、マトリックス樹脂32よりも線膨張係数の小さいカーボンナノチューブ33を充填した。これによれば、隙間21,22に含浸されるマトリックス樹脂32にカーボンナノチューブ33が充填されていない場合に比べると、線膨張係数が小さくなり、マトリックス樹脂32の硬化収縮等によって隙間21,22内に発生する内部応力を低減させることができる。そして、マトリックス樹脂32中のカーボンナノチューブ33の体積分率の上限を、樹脂が未硬化状態において74%×(1−樹脂の体積収縮率)に設定した。これによれば、カーボンナノチューブ33をマトリックス樹脂32に充填したことにより、マトリックス樹脂32の硬化収縮等によって隙間21,22内に発生する内部応力が却って高くなってしまうといった不具合を回避することができる。その結果、厚さ方向糸12の周辺でのクラックの発生を抑制することができる。
○ 図6(a)及び(b)に示すように、厚さ方向糸12を用いて、各強化繊維束層11a,11b,11c,11dを積層方向に結合してから、カーボンナノチューブ33を隙間21,22に添加してもよい。図6(a)に示すように、カーボンナノチューブ33は、添加装置41によって隙間22に向けて添加される。そして、図示しない加振装置によって三次元繊維構造体13を振動させる。すると、隙間22に添加されたカーボンナノチューブ33の一部が、厚さ方向糸12を形成する複数の繊維12a(図3参照)を通過して隙間21に到達する。続いて、図6(b)に示すように、三次元繊維構造体13を成形金型40内に載置する。そして、成形金型40内に溶融樹脂J2を注入して、三次元繊維構造体13における隙間21,22以外の部位、及び隙間21,22に溶融樹脂J2を含浸させる。その後、溶融樹脂J2を図示しない加熱装置によって加熱して硬化させる。これにより、三次元繊維構造体13における隙間21,22以外の部位にマトリックス樹脂31が形成されるとともに、隙間21,22にカーボンナノチューブ33が充填されたマトリックス樹脂32が形成され、三次元繊維強化複合材10が得られる。このようにして三次元繊維強化複合材10を形成してもよい。これによれば、隙間21,22にカーボンナノチューブ33を添加してから、マトリックス樹脂31,32を形成することで、図6(b)において拡大して示すように、隙間21,22全体にカーボンナノチューブ33を拡散させることができる。
○ 実施形態において、マトリックス樹脂31,32として熱硬化性樹脂以外の樹脂を用いてもよい。
○ 実施形態において、厚さ方向糸12が並縫いで各強化繊維束層11a,11b,11c,11dを積層方向に結合する構成としてもよい。要は、各強化繊維束層11a,11b,11c,11dを積層方向に結合する構成としては、厚さ方向糸12と抜け止め糸14とからなる構成に限らない。
(イ)前記三次元繊維強化複合材における各強化繊維束層と前記厚さ方向糸とを合わせた繊維の体積分率と等しくなるように、前記無機粒子の体積分率を設定する。
Claims (4)
- 複数の強化繊維束層が積層されるとともに、各強化繊維束層を厚さ方向糸によって積層方向に結合して形成された三次元繊維構造体にマトリックス樹脂を含浸させてなる三次元繊維強化複合材であって、
前記厚さ方向糸と、当該厚さ方向糸に隣り合う各強化繊維束層との間、及び前記厚さ方向糸が相反する方向に延びる部位の間に形成される隙間に含浸される前記マトリックス樹脂には、前記マトリックス樹脂よりも線膨張係数の小さい無機粒子が充填されており、
前記マトリックス樹脂中の前記無機粒子の体積分率の上限を、
樹脂が未硬化状態において74%×(1−樹脂の体積収縮率)に設定したことを特徴とする三次元繊維強化複合材。 - 前記隙間に含浸された前記マトリックス樹脂の体積分率が、前記三次元繊維構造体における前記隙間以外の部位に含浸された前記マトリックス樹脂の体積分率と等しくなるように、前記無機粒子の体積分率を設定したことを特徴とする請求項1に記載の三次元繊維強化複合材。
- 前記隙間に含浸された前記マトリックス樹脂によって前記隙間内に発生する内部応力と、前記三次元繊維構造体における前記隙間以外の部位に含浸された前記マトリックス樹脂によって前記隙間以外の部位に発生する内部応力との差に応じて前記無機粒子の体積分率を設定したことを特徴とする請求項1に記載の三次元繊維強化複合材。
- 前記無機粒子はカーボンナノチューブであることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の三次元繊維強化複合材。
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