JP2015101700A - 繊維強化複合材料 - Google Patents

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Abstract

【課題】斜交織物層の積層方向において隣り合う斜交織物層同士の間で層間剥離が生じてしまうことを抑制すること。
【解決手段】織物基材１１は、第１〜第４斜交織物層２１，２２，２３，２４が、第１〜第４斜交織物層２１，２２，２３，２４の積層方向において隣り合う第１〜第４斜交織物層２１，２２，２３，２４の間では経糸２１ａ，２２ａ，２３ａ，２４ａ及び緯糸２１ｂ，２２ｂ，２３ｂ，２４ｂのどちらか一方の配列方向が同じ方向となるように積層されてなる。そして、積層方向において隣り合う第１〜第４斜交織物層２１，２２，２３，２４の間には、互いに一方向に平行に配列された複数の繊維束３１ａ，３２ａ，３３ａにより構成される第１〜第３一方向層３１，３２，３３が介在されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、互いに平行に配列された複数の第１強化繊維束と、第１強化繊維束に対して斜交する方向に互いに平行に配列された複数の第２強化繊維束とを製織して構成された斜交織物層を複数積層してなる織物基材を有する繊維強化複合材料に関する。
軽量、高強度の材料として繊維強化複合材料が使用されている。繊維強化複合材料は、複数の繊維が束ねられてな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を複数有している。そして、強化繊維束層が複数積層されてなる強化繊維基材にマトリックス樹脂を含浸させて複合化することにより、繊維強化複合材料が形成されている。強化繊維基材としては、繊維束としての複数の経糸（第１強化繊維束）と、繊維束としての複数の緯糸（第２強化繊維束）とを、平織り、綾織り、朱子織り等で製織して構成された織物層が複数積層されてなる織物基材が、例えば特許文献１及び特許文献２に開示されている。
特許文献１の織物基材は、例えば、配列方向０度の経糸と配列方向９０度の緯糸とで構成された織物層と、配列方向＋４５度の経糸と配列方向−４５度の緯糸とで構成された織物層とを複数積層するだけで織物基材に疑似等方性を持たせることができるため、製造コストや生産性の点で優れている。
また、特許文献２の織物基材は、経糸と緯糸とが狭角４５度、広角１３５度で交差する織物層（斜交織物層）を互いに４５度ずつずらして重ねることで形成されている。
特開平１−２２５５３８号公報 実開平７−４３５０１号公報
しかしながら、特許文献１の織物基材においては、織物層の積層方向において隣り合う織物層の間で経糸及び緯糸の配列方向が互いに異なる方向に延びているため、隣り合う織物層間の隣接角が大きく、織物層の積層方向において隣り合う織物層同士の間で内部応力が発生し、層間剥離が生じてしまう虞がある。
また、特許文献２の織物基材によれば、特許文献１の織物基材と比べて、隣り合う斜交織物層の間の隣接角を小さくすることができる。しかし、隣り合う斜交織物層の織目をしっかりと揃えなければ、糸の重なり面積が小さくなり、結局、隣り合う斜交織物層同士の間で層間剥離が生じてしまう虞がある。
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、斜交織物層の積層方向において隣り合う斜交織物層同士の間で層間剥離が生じてしまうことを抑制することができる繊維強化複合材料を提供することにある。
上記課題を解決する繊維強化複合材料は、互いに平行に配列された複数の第１強化繊維束と、前記第１強化繊維束に対して斜交する方向に互いに平行に配列された複数の第２強化繊維束とを製織して構成された斜交織物層を複数積層してなる織物基材を有する繊維強化複合材料であって、前記織物基材は、各斜交織物層が、前記斜交織物層の積層方向において隣り合う前記斜交織物層の間では前記第１強化繊維束及び前記第２強化繊維束のどちらか一方の配列方向が同じ方向となるように積層されてなり、前記斜交織物層の積層方向において隣り合う前記斜交織物層の間には、互いに一方向に平行に配列された複数の繊維束により構成される一方向層が介在されており、前記一方向層は、前記一方向層の前記繊維束の配列方向が、隣り合う前記斜交織物層の間で配列方向が互いに同じ方向である前記第１強化繊維束又は前記第２強化繊維束の配列方向と同じ方向となるように積層されている。
これによれば、隣り合う斜交織物層の織目を揃えなくても、斜交織物層の積層方向において隣り合う斜交織物層同士の間で、層間剥離抑制のための十分な糸の重なり面積を確保することができる。その結果、斜交織物層の積層方向において隣り合う斜交織物層同士の間で層間剥離が生じてしまうことを抑制することができる。
上記繊維強化複合材料において、全ての斜交織物層は、前記第１強化繊維束の配列方向に対して前記第２強化繊維束の配列方向が４５度の角度をなすように斜交していることが好ましい。
これによれば、１種類の斜交織物層を用いて、斜交織物層の積層方向において隣り合う斜交織物層同士で４５度ずつずれた状態で積層していくだけで、織物基材に疑似等方性を持たせつつも、斜交織物層の積層方向において隣り合う斜交織物層の間で第１強化繊維束及び第２強化繊維束の配列方向が同じ方向となるように積層することができる。
上記繊維強化複合材料において、前記一方向層は、前記斜交織物層の間に２層介在されていることが好ましい。これによれば、織物基材の疑似等方性をより向上させることができる。
この発明によれば、斜交織物層の積層方向において隣り合う斜交織物層同士の間で層間剥離が生じてしまうことを抑制することができる。
実施形態における繊維強化複合材料を示す断面図。 織物基材の一部を模式的に示す平面図。
以下、繊維強化複合材料を具体化した一実施形態を図１及び図２にしたがって説明する。
図１に示すように、繊維強化複合材料１０は、織物基材１１にマトリックス樹脂１２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１２としてエポキシ樹脂が用いられている。
図２に示すように、織物基材１１は、配列角度９０度で互いに平行に配列された複数の第１強化繊維束としての経糸２１ａと、経糸２１ａに対して斜交する配列角度−４５度で互いに平行に配列された複数の第２強化繊維束としての緯糸２１ｂとを平織りで製織して構成された斜交織物層としての第１斜交織物層２１を有する。また、織物基材１１は、配列角度−４５度で互いに平行に配列された複数の第１強化繊維束としての経糸２２ａと、経糸２２ａに対して斜交する配列角度０度で互いに平行に配列された複数の第２強化繊維束としての緯糸２２ｂとを平織りで製織して構成された斜交織物層としての第２斜交織物層２２を有する。
さらに、織物基材１１は、配列角度＋４５度で互いに平行に配列された複数の第１強化繊維束としての経糸２３ａと、経糸２３ａに対して斜交する配列角度０度で互いに平行に配列された複数の第２強化繊維束としての緯糸２３ｂとを平織りで製織して構成された斜交織物層としての第３斜交織物層２３を有する。また、織物基材１１は、配列角度９０度で互いに平行に配列された複数の第１強化繊維束としての経糸２４ａと、経糸２４ａに対して斜交する配列角度＋４５度で互いに平行に配列された複数の第２強化繊維束としての緯糸２４ｂとを平織りで製織して構成された斜交織物層としての第４斜交織物層２４を有する。
よって、第１〜第４斜交織物層２１，２２，２３，２４は、経糸２１ａ，２２ａ，２３ａ，２４ａの配列方向に対して緯糸２１ｂ，２２ｂ，２３ｂ，２４ｂの配列方向が４５度の角度をなすように斜交している。そして、織物基材１１は、第１〜第４斜交織物層２１，２２，２３，２４がこの順序で積層されて疑似等方性に構成されている。なお、経糸２１ａ，２２ａ，２３ａ，２４ａ及び緯糸２１ｂ，２２ｂ，２３ｂ，２４ｂは、複数の繊維（炭素繊維）が束ねられてなる繊維束である。
第２斜交織物層２２は、第１斜交織物層２１に対して、第１斜交織物層２１の緯糸２１ｂの配列方向と、第２斜交織物層２２の経糸２２ａの配列方向とが、同じ方向となるように積層されている。第３斜交織物層２３は、第２斜交織物層２２に対して、第２斜交織物層２２の緯糸２２ｂの配列方向と、第３斜交織物層２３の緯糸２３ｂの配列方向とが、同じ方向となるように積層されている。第４斜交織物層２４は、第３斜交織物層２３に対して、第３斜交織物層２３の経糸２３ａの配列方向と、第４斜交織物層２４の緯糸２４ｂの配列方向とが、同じ方向となるように積層されている。
第１斜交織物層２１と第２斜交織物層２２との間には、互いに配列角度−４５度である一方向に平行に配列された複数の繊維束３１ａにより構成された一方向層である第１一方向層３１が２層介在されている。よって、各第１一方向層３１は、繊維束３１ａの配列方向が、第１斜交織物層２１の緯糸２１ｂの配列方向及び第２斜交織物層２２の経糸２２ａの配列方向と同じ方向となるように積層されている。
第２斜交織物層２２と第３斜交織物層２３との間には、互いに配列角度０度である一方向に平行に配列された複数の繊維束３２ａにより構成された一方向層である第２一方向層３２が２層介在されている。よって、各第２一方向層３２は、繊維束３２ａの配列方向が、第２斜交織物層２２の緯糸２２ｂの配列方向及び第３斜交織物層２３の緯糸２３ｂの配列方向と同じ方向となるように積層されている。
第３斜交織物層２３と第４斜交織物層２４との間には、互いに配列方向＋４５度である一方向に平行に配列された複数の繊維束３３ａにより構成された一方向層である第３一方向層３３が２層介在されている。よって、各第３一方向層３３は、繊維束３３ａの配列方向が、第３斜交織物層２３の経糸２３ａの配列方向及び第４斜交織物層２４の緯糸２４ｂの配列方向と同じ方向となるように積層されている。
第１〜第４斜交織物層２１，２２，２３，２４の積層方向において、第１斜交織物層２１における第１一方向層３１とは反対側には、互いに配列角度９０度である一方向に平行に配列された複数の繊維束３４ａにより構成された第４一方向層３４が配置されている。よって、第４一方向層３４は、繊維束３４ａの配列方向が、第１斜交織物層２１の経糸２１ａの配列方向と同じ方向となるように配置されている。
第１〜第４斜交織物層２１，２２，２３，２４の積層方向において、第４斜交織物層２４における第３一方向層３３とは反対側には、互いに配列角度９０度である一方向に平行に配列された複数の繊維束３５ａにより構成された第５一方向層３５が配置されている。よって、第５一方向層３５は、繊維束３５ａの配列方向が、第４斜交織物層２４の経糸２４ａの配列方向と同じ方向となるように配置されている。なお、各繊維束３１ａ，３２ａ，３３ａ，３４ａ，３５ａは、複数の繊維（炭素繊維）が束ねられてなる。
次に、本実施形態の作用について説明する。
第１〜第４斜交織物層２１，２２，２３，２４の積層方向において隣り合う第１斜交織物層２１と第２斜交織物層２２とが、各２層の第１一方向層３１の繊維束３１ａを介して積層されている。第１斜交織物層２１の緯糸２１ｂは、その上に重ねられる第１一方向層３１の繊維束３１ａと重なり合うので、重なり合う箇所ではマトリックス樹脂１２が入り込むような間隔を形成しない。また、第２斜交織物層２２の経糸２２ａは、その下に重ねられる第１一方向層３１の繊維束３１ａと重なり合うので、重なり合う箇所ではマトリックス樹脂１２が入り込むような間隔を形成しない。その結果、第１〜第４斜交織物層２１，２２，２３，２４の積層方向において隣り合う第１斜交織物層２１と第２斜交織物層２２との間で層間剥離が生じてしまうことが抑制されている。
同様に、第１〜第４斜交織物層２１，２２，２３，２４の積層方向において隣り合う第２斜交織物層２２と第３斜交織物層２３とが、各２層の第２一方向層３２の繊維束３２ａを介して積層されている。また、第１〜第４斜交織物層２１，２２，２３，２４の積層方向において隣り合う第３斜交織物層２３と第４斜交織物層２４とが、各２層の第３一方向層３３の繊維束３３ａを介して積層されている。その結果、第２斜交織物層２２と第３斜交織物層２３との間や第３斜交織物層２３と第４斜交織物層２４との間でも層間剥離が生じてしまうことが抑制されている。
さらに、第１斜交織物層２１の経糸２１ａは、その下に重ねられる第４一方向層３４の繊維束３４ａと重なり合うので、重なり合う箇所ではマトリックス樹脂１２が入り込むような間隔を形成しない。同様に、第４斜交織物層２４の経糸２４ａは、その上に重ねられる第５一方向層３５の繊維束３５ａと重なり合うので、重なり合う箇所ではマトリックス樹脂１２が入り込むような間隔を形成しない。
上記実施形態では以下の効果を得ることができる。
（１）織物基材１１は、第１〜第４斜交織物層２１，２２，２３，２４が、第１〜第４斜交織物層２１，２２，２３，２４の積層方向において隣り合う第１〜第４斜交織物層２１，２２，２３，２４の間では、経糸２１ａ，２２ａ，２３ａ，２４ａ及び緯糸２１ｂ，２２ｂ，２３ｂ，２４ｂのどちらか一方の配列方向が同じ方向となるように積層されてなる。そして、第１〜第４斜交織物層２１，２２，２３，２４の積層方向において隣り合う第１〜第４斜交織物層２１，２２，２３，２４の間には、互いに一方向に平行に配列された複数の繊維束３１ａ，３２ａ，３３ａにより構成される第１〜第３一方向層３１，３２，３３がそれぞれ介在されている。第１〜第３一方向層３１，３２，３３は、繊維束３１ａ，３２ａ，３３ａの配列方向が、隣り合う第１〜第４斜交織物層２１，２２，２３，２４の間で配列方向が同じ方向である経糸２１ａ，２２ａ，２３ａ，２４ａ又は緯糸２１ｂ，２２ｂ，２３ｂ，２４ｂの配列方向と同じ方向となるように積層されている。これによれば、隣り合う第１〜第４斜交織物層２１，２２，２３，２４の織目を揃えなくても、第１〜第４斜交織物層２１，２２，２３，２４の積層方向において隣り合う第１〜第４斜交織物層２１，２２，２３，２４同士の間で、層間剥離抑制のための十分な糸の重なり面積を確保することができる。その結果、第１〜第４斜交織物層２１，２２，２３，２４の積層方向において隣り合う第１〜第４斜交織物層２１，２２，２３，２４同士の間で層間剥離が生じてしまうことを抑制することができる。
（２）第１〜第４斜交織物層２１，２２，２３，２４は、経糸２１ａ，２２ａ，２３ａ，２４ａの配列方向に対して緯糸２１ｂ，２２ｂ，２３ｂ，２４ｂの配列方向が４５度の角度をなすように斜交している。そして、１種類の第１〜第４斜交織物層２１，２２，２３，２４を用いて、第１〜第４斜交織物層２１，２２，２３，２４の積層方向において隣り合う第１〜第４斜交織物層２１，２２，２３，２４同士で４５度ずつずれた状態で積層していく。このように積層していくだけで、織物基材１１に疑似等方性を持たせつつも、第１〜第４斜交織物層２１，２２，２３，２４の積層方向において隣り合う第１〜第４斜交織物層２１，２２，２３，２４の間で経糸２１ａ，２２ａ，２３ａ，２４ａ及び緯糸２１ｂ，２２ｂ，２３ｂ，２４ｂのどちらか一方の配列方向が同じ方向となるように積層することができる。
（３）第１〜第３一方向層３１，３２，３３は、第１〜第４斜交織物層２１，２２，２３，２４の間に２層介在されている。これによれば、織物基材１１の疑似等方性をより向上させることができる。
（４）第１〜第４斜交織物層２１，２２，２３，２４の積層方向において、第１斜交織物層２１における第１一方向層３１とは反対側には、第４一方向層３４が配置されている。また、第１〜第４斜交織物層２１，２２，２３，２４の積層方向において、第４斜交織物層２４における第３一方向層３３とは反対側には、第５一方向層３５が配置されている。これによれば、第１斜交織物層２１や第４斜交織物層２４を織物基材１１の上下面に露出させた場合と比較して上下面の凹凸が減るため、織物基材１１の上下面側に形成される樹脂溜まりを低減させることができる。
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 実施形態において、第４一方向層３４及び第５一方向層３５を削除してもよい。
○ 実施形態において、第１〜第３一方向層３１，３２，３３が、第１〜第４斜交織物層２１，２２，２３，２４の間にそれぞれ１層だけ介在されていてもよい。
○ 実施形態では、第１〜第４斜交織物層２１，２２，２３，２４を平織りで製織して構成したが、織り方は、綾織りや朱子織りであってもよい。
○ 実施形態において、マトリックス樹脂１２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１２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、厚さ方向糸によって、第１〜第４斜交織物層２１，２２，２３，２４、及び第１〜第５一方向層３１，３２，３３，３４，３５を積層方向に結合するようにしてもよい。
○ 実施形態において、経糸２１ａ，２２ａ，２３ａ，２４ａ、緯糸２１ｂ，２２ｂ，２３ｂ，２４ｂ、及び繊維束３１ａ，３２ａ，３３ａ，３４ａ，３５ａを形成する繊維は炭素繊維に限らない。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、第１〜第４斜交織物層２１，２２，２３，２４は、経糸２１ａ，２２ａ，２３ａ，２４ａの配列方向に対して緯糸２１ｂ，２２ｂ，２３ｂ，２４ｂの配列方向が、例えば６０度の角度をなすように斜交していてもよい。要は、経糸２１ａ，２２ａ，２３ａ，２４ａの配列方向に対して緯糸２１ｂ，２２ｂ，２３ｂ，２４ｂの配列方向が斜交していればよい。
１０…繊維強化複合材料、１１…織物基材、２１…斜交織物層としての第１斜交織物層、２１ａ，２２ａ，２３ａ，２４ａ…第１強化繊維束としての経糸、２１ｂ，２２ｂ，２３ｂ，２４ｂ…第２強化繊維束としての緯糸、２２…斜交織物層としての第２斜交織物層、２３…斜交織物層としての第３斜交織物層、２４…斜交織物層としての第４斜交織物層、３１…一方向層としての第１一方向層、３１ａ，３２ａ，３３ａ…繊維束、３２…一方向層としての第２一方向層、３３…一方向層としての第３一方向層。

Claims (3)

  1. 互いに平行に配列された複数の第１強化繊維束と、前記第１強化繊維束に対して斜交する方向に互いに平行に配列された複数の第２強化繊維束とを製織して構成された斜交織物層を複数積層してなる織物基材を有する繊維強化複合材料であって、
    前記織物基材は、各斜交織物層が、前記斜交織物層の積層方向において隣り合う前記斜交織物層の間では前記第１強化繊維束及び前記第２強化繊維束のどちらか一方の配列方向が同じ方向となるように積層されてなり、
    前記斜交織物層の積層方向において隣り合う前記斜交織物層の間には、互いに一方向に平行に配列された複数の繊維束により構成される一方向層が介在されており、
    前記一方向層は、前記一方向層の前記繊維束の配列方向が、隣り合う前記斜交織物層の間で配列方向が互いに同じ方向である前記第１強化繊維束又は前記第２強化繊維束の配列方向と同じ方向となるように積層されていることを特徴とする繊維強化複合材料。
  2. 全ての斜交織物層は、前記第１強化繊維束の配列方向に対して前記第２強化繊維束の配列方向が４５度の角度をなすように斜交していることを特徴とする請求項１に記載の繊維強化複合材料。
  3. 前記一方向層は、前記斜交織物層の間に２層介在されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の繊維強化複合材料。
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