JP2015098156A - 三次元繊維強化複合材 - Google Patents

Abstract

【課題】三次元繊維構造体に挿入された厚さ方向糸の周りに隙間が形成されてしまうことを抑制すること。【解決手段】強化繊維束層１２は、三次元繊維構造体１４に挿入された厚さ方向糸１３の周りに位置する繊維１１ａを切断することにより繊維１１ａに形成された切断部２０を有する。これによれば、切断部２０が形成された繊維１１ａは、切断部２０が形成される前と比べて張力が減少し、厚さ方向糸１３に倣うように変位する。【選択図】図３

Description

本発明は、三次元繊維強化複合材に関する。

軽量、高強度の材料として三次元繊維強化複合材が使用されている。図６に示すように、例えば特許文献１の三次元繊維強化複合材１００は、基準面内に積層された複数の強化繊維束層１０１と、各強化繊維束層１０１をその積層方向に結合する厚さ方向糸１０２とから形成された三次元繊維構造体１０３を有する。そして、三次元繊維構造体１０３にマトリックス樹脂１０４を含浸させて複合化することで三次元繊維強化複合材１００が形成されている。このため、三次元繊維強化複合材１００は、厚さ方向糸１０２を有さない二次元繊維強化複合材に比べて、厚さ方向糸１０２によって各強化繊維束層１０１の積層方向への強度が向上している。

特開２００７−１５２６７２号公報

図７に示すように、各強化繊維束層１０１は、複数の繊維１１０が束ねられることで形成される繊維束１１１を複数配列することで形成されている。厚さ方向糸１０２は、三次元繊維構造体１０３に挿入されている。具体的には、厚さ方向糸１０２は、繊維１１０の間を三次元繊維構造体１０３の厚さ方向に沿って挿入されている。このため、厚さ方向糸１０２が、繊維１１０の間を三次元繊維構造体１０３の厚さ方向に沿って挿入されることで、厚さ方向糸１０２の周りに位置する繊維１１０及びその外側の繊維１１０が厚さ方向糸１０２により押し広げられて蛇行する。

すると、三次元繊維構造体１０３に挿入された厚さ方向糸１０２の周りには、繊維１１０が蛇行することにより隙間１１２が形成される。そして、隙間１１２が形成された状態の三次元繊維構造体１０３にマトリックス樹脂１０４が含浸されると、これら隙間１１２がマトリックス樹脂１０４の樹脂溜まり（繊維１１０が存在せずマトリックス樹脂１０４がリッチとなる部分）となる。マトリックス樹脂１０４の樹脂溜まりは、繊維１１０が存在しない分だけ強度が弱いため、マトリックス樹脂１０４の樹脂溜まりが形成されると、三次元繊維強化複合材１００の強度が局所的に低下してしまう。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、三次元繊維構造体に挿入された厚さ方向糸の周りに隙間が形成されてしまうことを抑制することができる三次元繊維強化複合材を提供することにある。

上記課題を解決する三次元繊維強化複合材は、複数の繊維が束ねられることで形成される繊維束を複数配列することで形成される強化繊維束層が複数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、前記複数の強化繊維束層のうちの少なくとも一層の強化繊維束層は、前記三次元繊維構造体に挿入される前記厚さ方向糸の周りに位置する前記繊維を切断することにより前記繊維に形成された切断部を有する。

これによれば、三次元繊維構造体に挿入される厚さ方向糸の周りに位置する繊維を切断することにより、繊維に切断部を形成することで、切断部が形成された繊維は、切断部が形成される前と比べて張力が減少し、厚さ方向糸に倣うように変位する。その結果、三次元繊維構造体に挿入された厚さ方向糸の周りに隙間が形成されてしまうことを抑制することができる。

上記三次元繊維強化複合材において、前記切断部は、前記三次元繊維構造体に挿入される前記厚さ方向糸の周りに位置する前記繊維をそれぞれ一箇所切断することにより前記繊維に形成されていることが好ましい。

これによれば、三次元繊維構造体に挿入される厚さ方向糸の周りに位置する繊維をそれぞれ一箇所切断するだけで、複数の強化繊維束層のうちの少なくとも一層の強化繊維束層に、切断部が形成された繊維を形成することができる。

上記三次元繊維強化複合材において、前記三次元繊維構造体に挿入される厚さ方向糸の周りには、前記三次元繊維構造体に挿入される前記厚さ方向糸の周りに位置する前記繊維をそれぞれ前記厚さ方向糸を挟んで少なくとも二箇所切断することにより形成される繊維分断束が充填されていることが好ましい。これによれば、三次元繊維構造体に挿入される厚さ方向糸の周りを繊維分断束によって充填することができるため、樹脂溜まりを減らすことができる。

上記三次元繊維強化複合材において、前記繊維分断束が短繊維状に細分化されていることが好ましい。これによれば、三次元繊維構造体に挿入される厚さ方向糸の周りに繊維分断束を細かく分散させることができるため、樹脂溜まりをさらに減らすことができる。

上記三次元繊維強化複合材において、全ての強化繊維束層が前記切断部を有していることが好ましい。これによれば、三次元繊維構造体に挿入された厚さ方向糸の周りに隙間が形成されてしまうことを三次元繊維構造体の厚さ方向全体に亘って抑制することができる。

この発明によれば、三次元繊維構造体に挿入された厚さ方向糸の周りに隙間が形成されてしまうことを抑制することができる。

実施形態における三次元繊維強化複合材の断面図。 三次元繊維構造体の斜視図。 三次元繊維構造体に挿入された厚さ方向糸の周りを模式的に示す断面図。 別の実施形態における三次元繊維構造体に挿入された厚さ方向糸の周りを模式的に示す断面図。 別の実施形態における三次元繊維構造体に挿入された厚さ方向糸の周りを模式的に示す断面図。 従来例における三次元繊維強化複合材の断面図。 従来例における三次元繊維構造体に挿入された厚さ方向糸の周りを模式的に示す断面図。

以下、三次元繊維強化複合材を具体化した一実施形態を図１〜図３にしたがって説明する。
図１に示すように、三次元繊維強化複合材１０は、複数の繊維束１１よりなる強化繊維束層１２が複数積層されるとともに、各強化繊維束層１２を厚さ方向糸１３によって積層方向に結合することで形成された三次元繊維構造体１４を有する。そして、三次元繊維強化複合材１０は、三次元繊維構造体１４にマトリックス樹脂１５が含浸硬化されて複合化されることで形成されている。本実施形態では、マトリックス樹脂１５としてエポキシ樹脂が用いられている。

三次元繊維構造体１４は、配列角度０度の複数の繊維束１１を互いに平行に配列することで形成される強化繊維束層１２と、配列角度９０度の複数の繊維束１１を互いに平行に配列することで形成される強化繊維束層１２とを有する。さらに、三次元繊維構造体１４は、配列角度４５度の複数の繊維束１１を互いに平行に配列することで形成される強化繊維束層１２と、配列角度−４５度の複数の繊維束１１を互いに平行に配列することで形成される強化繊維束層１２とを有する。よって、三次元繊維構造体１４は、各強化繊維束層１２が積層されて疑似等方性に構成されている。

図２に示すように、厚さ方向糸１３は、三次元繊維構造体１４の外側に配列された抜け止め糸１６と係合している。そして、厚さ方向糸１３は、三次元繊維構造体１４に挿入されるピッチが一定間隔となるように折り返されて配列されている。抜け止め糸１６は、厚さ方向糸１３の配列面Ｐと交差する方向（本実施形態では直交方向）に配列されている。

図３に示すように、繊維束１１は、複数の繊維１１ａ（炭素繊維）が束ねられることで形成されている。厚さ方向糸１３は、繊維１１ａの間を三次元繊維構造体１４の厚さ方向に沿って挿入されている。なお、図３では、配列角度９０度の複数の繊維束１１を互いに平行に配列することで形成された強化繊維束層１２の繊維束１１を形成する繊維１１ａと、厚さ方向糸１３との関係を模式的に示している。

強化繊維束層１２は、三次元繊維構造体１４に挿入された厚さ方向糸１３の周りに位置する繊維１１ａを切断することにより繊維１１ａに形成された切断部２０を有する。切断部２０は、三次元繊維構造体１４に挿入された厚さ方向糸１３の周りに位置する繊維１１ａをそれぞれ一箇所切断することにより繊維１１ａに形成されている。なお、本実施形態では、全ての強化繊維束層１２において、三次元繊維構造体１４に挿入された厚さ方向糸１３の周りに位置する繊維１１ａを切断することにより繊維１１ａに形成された切断部２０を有している。三次元繊維構造体１４に挿入される厚さ方向糸１３の周りに位置する繊維１１ａの切断は、厚さ方向糸１３が、三次元繊維構造体１４に挿入された後に行われる。

次に、本実施形態の作用について説明する。
三次元繊維構造体１４に挿入された厚さ方向糸１３の周りに位置する繊維１１ａを切断することにより、繊維１１ａに切断部２０を形成することで、切断部２０が形成された繊維１１ａは、切断部２０が形成される前と比べて張力が減少し、厚さ方向糸１３に倣うように変位する。その結果、三次元繊維構造体１４に挿入された厚さ方向糸１３の周りに隙間１７が形成されてしまうことが抑制される。よって、マトリックス樹脂１５の樹脂溜まり（繊維１１ａが存在せずにマトリックス樹脂１５がリッチとなる部分）となり得る隙間１７が形成され難くなるため、マトリックス樹脂１５の樹脂溜まりが形成されることで、三次元繊維強化複合材１０の強度が局所的に低下してしまうことが抑制される。

上記実施形態では以下の効果を得ることができる。
（１）強化繊維束層１２は、三次元繊維構造体１４に挿入された厚さ方向糸１３の周りに位置する繊維１１ａを切断することにより繊維１１ａに形成された切断部２０を有する。これによれば、切断部２０が形成された繊維１１ａは、切断部２０が形成される前と比べて張力が減少し、厚さ方向糸１３に倣うように変位する。その結果、三次元繊維構造体１４に挿入された厚さ方向糸１３の周りに隙間１７が形成されてしまうことを抑制することができる。

（２）切断部２０は、三次元繊維構造体１４に挿入された厚さ方向糸１３の周りに位置する繊維１１ａをそれぞれ一箇所切断することにより繊維１１ａに形成されている。これによれば、三次元繊維構造体１４に挿入された厚さ方向糸１３の周りに位置する繊維１１ａをそれぞれ一箇所切断するだけで、強化繊維束層１２に、切断部２０が形成された繊維１１ａを形成することができる。

（３）全ての強化繊維束層１２が切断部２０を有している。これによれば、三次元繊維構造体１４に挿入された厚さ方向糸１３の周りに隙間１７が形成されてしまうことを三次元繊維構造体１４の厚さ方向全体に亘って抑制することができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 図４に示すように、三次元繊維構造体１４に挿入される厚さ方向糸１３の周りに、三次元繊維構造体１４に挿入される厚さ方向糸１３の周りに位置する繊維１１ａをそれぞれ厚さ方向糸１３を挟んで少なくとも二箇所切断することにより形成される繊維分断束２１が充填されていてもよい。これによれば、三次元繊維構造体１４に挿入される厚さ方向糸１３の周りを繊維分断束２１によって充填することができるため、樹脂溜まりを減らすことができる。

○ 図５に示すように、繊維分断束２１が短繊維状に細分化されていてもよい。これによれば、三次元繊維構造体１４に挿入される厚さ方向糸１３の周りに繊維分断束２１を細かく分散させることができるため、樹脂溜まりをさらに減らすことができる。

○ 実施形態において、切断部２０は、複数の強化繊維束層１２のうちの少なくとも一層に形成されていればよい。
○ 実施形態において、三次元繊維構造体１４に挿入される厚さ方向糸１３の周りに位置する繊維１１ａの切断は、厚さ方向糸１３が、三次元繊維構造体１４に挿入される前に行われてもよい。

○ 実施形態において、マトリックス樹脂１５としてエポキシ樹脂以外の熱硬化性樹脂を用いてもよい。
○ 実施形態において、マトリックス樹脂１５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１３が並縫いで各強化繊維束層１２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１２を積層方向に結合する構成としては、厚さ方向糸１３と抜け止め糸１６とからなる構成に限らない。

○ 実施形態において、繊維１１ａは炭素繊維に限らず、例えば、ガラス繊維や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、ポリアリレート繊維、超高分子量ポリエチレン繊維等の高強度の有機繊維であってもよい。

○ 実施形態において、強化繊維束層１２を織物又は編物で構成してもよい。

１０…三次元繊維強化複合材、１１…繊維束、１１ａ…繊維、１２…強化繊維束層、１３…厚さ方向糸、１４…三次元繊維構造体、１５…マトリックス樹脂、２０…切断部、２１…繊維分断束。

Claims (5)

1. 複数の繊維が束ねられることで形成される繊維束を複数配列することで形成される強化繊維束層が複数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、
   前記複数の強化繊維束層のうちの少なくとも一層の強化繊維束層は、前記三次元繊維構造体に挿入される前記厚さ方向糸の周りに位置する前記繊維を切断することにより前記繊維に形成された切断部を有することを特徴とする三次元繊維強化複合材。
2. 前記切断部は、前記三次元繊維構造体に挿入される前記厚さ方向糸の周りに位置する前記繊維をそれぞれ一箇所切断することにより前記繊維に形成されている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。
3. 前記三次元繊維構造体に挿入される厚さ方向糸の周りには、前記三次元繊維構造体に挿入される前記厚さ方向糸の周りに位置する前記繊維をそれぞれ前記厚さ方向糸を挟んで少なくとも二箇所切断することにより形成される繊維分断束が充填されている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。
4. 前記繊維分断束が短繊維状に細分化されていることを特徴とする請求項３に記載の三次元繊維強化複合材。
5. 全ての強化繊維束層が前記切断部を有していることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の三次元繊維強化複合材。