JP2016027956A - 擬似等方補強シート材及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】薄層のチョップドセミプリプレグシート材を用いて成形時における良好な流動性を実現する擬似等方補強シート材及びその製造方法の提供。
【解決手段】強化繊維材料及び熱可塑性樹脂材料からなるとともに熱可塑性樹脂材料が未含浸状態に設定されている複数のチョップドセミプリプレグシート材Ｃを、強化繊維材料の繊維方向が二次元方向にランダムに配向するように一体化して構成されており、チョップドセミプリプレグシート材Ｃが、厚さ方向の平均繊維本数が２本〜１０本の範囲に設定されているとともに厚さｔが含浸状態における厚さｔpに対してｔp＜ｔ≦２×ｔpの範囲に設定されており、複数のチョップドセミプリプレグシート材Ｃを強化繊維材料の繊維方向が二次元方向にランダムに配向するとともに厚さ方向の平均枚数が２枚〜１０枚の範囲となるように重ね合せた状態で接着一体化された層状体Ｍを備えている擬似等方補強シート材Ｔ。
【選択図】図２

Description

本発明は、強化繊維と熱可塑性樹脂からなる複合材料に係るもので、詳しくは、炭素繊維またはガラス繊維等の強化繊維と、ポリプロピレン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂等の熱可塑性樹脂とを複合化させたチョップドセミプリプレグシート材を、繊維方向が二次元方向にランダムに配向するように積層一体化させた擬似等方補強シート材及びその製造方法に関する。
繊維強化複合材料は、強化繊維材料とマトリクスとなる樹脂材料とを組み合せたもので、軽量で剛性が高く多様な機能設計が可能な材料である。そのため、航空宇宙分野、輸送分野、土木建築分野、運動器具分野等の幅広い分野で用いられている。
炭素繊維、ガラス繊維等の強化繊維と、ポリプロピレン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂等の熱可塑性樹脂とを複合化させた繊維強化複合材料に関する成形方法については、種々の方法が提案されている。こうした成形方法では、強化繊維の特性を最大限に活かすために長繊維の形態で使用することが望ましく、具体的には、強化繊維を長繊維の形態でシート状に配列した素材（例えば、強化繊維を一方向に引き揃えた一方向強化シート材又はこうした一方向強化シート材により織成した織物等）が用いられる。そして、シート状の素材に熱可塑性樹脂を含浸させてプリプレグシートを作成し、プリプレグシートを設計に応じて種々の方向に積層して積層物を作成する。その後、積層物を加熱加圧して所望の形状に成形することで成形品を得る、といった成形方法が代表的である。
しかし、こうした成形方法では、プリプレグシート材を種々の方向に積層する装置が高価であり、また、成形品の大きさによっては積層工程が非常に時間のかかる工程となってしまう。このため、得られる成形品は機械的特性には優れるが、一つの成形品を得る時間は長くなるため、製造コストが大きくなる。航空機関連部材等の高精度で信頼性を有する機械的特性が求められる成形品を製造する場合には好適な成形方法であるが、自動車、機械部品、建築部材関連等の分野の成形品を製造する場合には、製造コストを抑える必要があるため適当な成形方法とはいえない。
成形品の形状に対する適応性が高く、比較的安価な成形品が得られる成形方法としては、例えば、繊維束中に熱可塑性樹脂が含浸した所要幅及び長さのチョップドプリプレグシート材を擬似等方に配向して作成した擬似等方補強シート材を用いて成形品を得る方法が提案されている。こうした方法は、繊維が非連続になっているため成形時の流動性が向上し、複雑な形状のものが比較的短時間で成形できる利点がある。特許文献１では、機械的物性と均一性に優れる擬似等方補強シート材として、例えば、所要の長さ（１５〜１００ｍｍ）及び厚さ（０．１３ｍｍ以下）のチョップドストランドプリプレグを繊維配向が二次元ランダムにシート状に積層させ点溶着にて一体化させた繊維強化熱可塑性樹脂シートが記載されている。
図６は、強化繊維束中に樹脂材料が含浸して複合材料となる成形の基礎過程を示す説明図である。○印は強化繊維の断面を示しており、ハッチング部分は樹脂材料を示している。非特許文献１に説明されているように、強化繊維束及び樹脂材料を加圧状態に設定した場合に（図６（ａ））、成形過程では、大別すると、intimate contact（圧密化；図６（ｂ））→impregnation（含浸；図６（ｃ））→fusion（融合；図６（ｄ））の三つの過程を経て進行すると考えられている。
強化繊維束及び樹脂材料を加圧すると、まず、図６（ｂ）に示すように、強化繊維束が圧力により圧縮される圧密化過程となる。もし、強化繊維束内に大きな隙間があれば、その隙間には強化繊維が押し込まれて強化繊維同士がより接近した状態になると考えられる。次に、圧密化が所定のレベルに到達すると、溶融した樹脂材料が圧力によって繊維の隙間に入り込んでいく含浸過程となる。そして、樹脂材料が強化繊維束内を浸透していき、強化繊維束全体に浸透した段階で樹脂材料の含浸過程が完了する。樹脂材料の含浸過程が完了した後、各強化繊維は、全体に含浸した状態の樹脂材料内において再配列して樹脂材料内に均一に広がり樹脂中に繊維が分散したる融合過程となる。
強化繊維束中への樹脂材料の含浸過程に着目すると、強化繊維束全体に樹脂材料が浸透した状態を含浸状態とした場合に、含浸状態の前段階において強化繊維束中に樹脂材料が部分的に浸透してまだ完全に全体に浸透していない未含浸状態が存在する。未含浸状態では、強化繊維束には樹脂材料が浸透していない集束した部分が一部存在するとともに樹脂材料には強化繊維束内に浸透していない樹脂部分が一部存在している。特許文献１に記載のような従来のプリプレグシート材は、図６（ｃ）で示すような融合過程を経て、強化繊維束中に樹脂が浸透し、かつ樹脂中に繊維が分散した状態に設定されていると考えられる。
特開２００７−２６２３６０号公報
川邊和正他、「熱可塑性樹脂プリプレグ装置を開発するための熱可塑性樹脂含浸シミュレーション」、福井県工業技術センター、平成１２年度研究報告書、Ｎｏ．１７
従来の成形方法で用いられるチョップドプリプレグシート材は、通常炭素繊維束等の強化繊維束中に熱可塑性樹脂が含浸状態となったプリプレグシート材を所要の幅及び長さに切断して作成される。熱可塑性樹脂は、溶融状態における粘度が高いため、予め熱可塑性樹脂を含浸状態に設定したプリプレグシート材が用いられている。こうしたプリプレグシート材を用いることで、最終的に成形される成形品をボイド（空隙）のない良好な品質で安定して製造することができる。
一方、強化繊維束中に熱可塑性樹脂が含浸状態に設定された従来のチョップドプリプレグシート材は、強化繊維束全体に熱可塑性樹脂が浸透した状態となっているため、剛性が高くなる。具体的には、シートの厚さが０．１ｍｍ以上では、柔軟性の乏しい板状体のようになる。こうしたチョップドプリプレグシート材は、特許文献１に記載されているように、分散させて積層し点溶着させる場合、重ね合せたシート材同士が密着しにくく点溶着が不十分になりやすい。そのため、点溶着をした後にチョップドプリプレグシート材が脱落してしまうおそれがある。脱落を防止するために、点溶着を多数の箇所で行い、チョップドプリプレグシート材をしっかりと溶着することが考えられるが、点溶着した後に得られる繊維強化熱可塑性樹脂シート自体の剛性も高くなってしまい、ドレープ性がなくなって成形時の取扱いが悪くなる。
上述した擬似等方補強シート材は、１枚又は複数枚のチョップドプリプレグシート材を重ね合せて所要の厚さに形成されており、加熱加圧により成形して最終的に成形品を得るための中間材料である。そのため、製造された擬似等方補強シート材をロール状に巻いて取り扱うことが可能になれば、良好な品質の成形品を効率よく生産することができる。すなわち、ロール状に巻かれた擬似等方補強シート材を用いることで、所要の長さ分を引き出す工程、所要の大きさに切断する工程、切断したシートを積層して積層物を作成する工程を容易に自動化することができ、生産性の向上及び製造コストの低減が期待できる。
しかし、上述したように、剛性が高くドレープ性のほとんどない繊維強化熱可塑性樹脂シートからなる擬似等方補強シート材の場合には、ロール状の巻き形態での搬送が難しく、板状のカット品としての搬送にならざるを得ず、取り扱い性及び生産性が悪くなることは避けられない。
また、チョップドプリプレグシート材は、厚さが薄くなると柔軟性が得られるようになるが、一方向に引き揃えられた強化繊維束中に熱可塑性樹脂が含浸状態に設定されたチョップドプリプレグシート材の場合には、厚さが薄くなるに従い、また樹脂の含有率が下がるに従い、繊維方向に裂け目を生じやすくなる。すなわち、強化繊維束全体に熱可塑性樹脂が浸透した含浸状態では、強化繊維と強化繊維との間に熱可塑性樹脂が入り込み、厚さが薄いと、弱い衝撃でも簡単に分離して裂け目が生じるようになる。
例えば、一方向に引き揃えられた炭素繊維束中にポリアミド６樹脂（ＰＡ６）を含浸状態に設定したプリプレグシート材（厚さ５０μｍ及び繊維体積含有率５０％）を繊維と直交する方向に切断した場合、切断時の衝撃で繊維方向に裂け目が多数生じていた。つまり、厚さ０．１ｍｍ以下で繊維体積含有率の高いプリプレグシート材を使用して、良好な品質のチョップドプリプレグシート材を短時間のうちに多数作成することは困難である。また、得られたチョップドプリプレグシート材を分散させる際にも、チョップドプリプレグシート材に衝撃が加わって裂けてしまい、幅が細くなるおそれがある。こうした設計とは異なる幅のものが混在した擬似等方補強シート材は、設計とは異なるムラのある力学的特性を備えるようになり、安定した品質のシート材が得られないといった課題もある。
一方、薄層の一方向強化プリプレグシート材を積層した擬似等方積層板の力学的特性に関して良好なデータが得られており（S. Shin, R. Y. Kim, K. Kawabe, Stephen W. Tsai, “Experimental studies of thin-ply laminated composites”, Composite Science and Technology Vol.67, pp.996-1008, 2007.）、こうした結果から、薄層のチョップドプリプレグシート材を用いた擬似等方補強シート材についても、力学的物性の向上が期待される。しかし、薄層のチョップドプリプレグシート材の場合、チョップドプリプレグシート材が積層された状態では、隣接する他のチョップドプリプレグシート材の影響を受けやすくなる。例えば、擬似等方補強シート材を加熱加圧して成形する場合、チョップドプリプレグシート材が流動するようになるが、チョップドプリプレグシート材同士の接触状態はそれぞれ異なった状態となっているため、流動性が悪くなりやすく、また全体的に流動性が不均一になりやすくなる。そのため、得られた成形品の品質が不均一となるおそれがある。
また、薄層のチョップドプリプレグシート材を用いて所要厚みの成形材を得ようとした場合、薄層のチョップドプリプレグシート材の積層枚数は、厚いチョップドプリプレグシート材に比べて大変多くなる。例えば、厚さ２ｍｍの成形材を得ようとする場合、厚さ４０μｍのチョップドシート材では平均５０枚の積層枚数となるが、厚さ１２０μｍのチョップドシート材の積層枚数に比べて約３倍となる。厚さ方向の積層枚数が増えることは、特許文献１にも記載されているように、チョップドシート材の
繊維方向を満遍なくばらつくように配列させやすくなり、得られる補強シート材の擬似等方性がより向上する効果がある。
しかし、チョップドシート材を厚さ方向に５０枚積層する際に、繊維方向が満遍なくばらつくように配向させて積層させることは非常に難しい。チョップドシート材が同じような方向に偏向して配向されて積層すると薄層のチョップドシート材を用いた効果は損なわれ、また、積層枚数のムラも生じ易くなってしまうおそれがある。このような積層時の配向のムラや積層枚数のムラが存在する状態で成形する場合、チョップドシート材の流動性が不均一になるとともに、得られた成形材の力学的特性の低下やムラの原因ともなる。 そこで、本発明は、薄層のチョップドセミプリプレグシート材を用いて成形時における良好な柔軟性及び流動性を実現することができ、優れた力学的特性を有する成形材を得ることが可能な擬似等方補強シート材及びその製造方法を提供することを目的としている。
本発明に係る擬似等方補強シート材は、強化繊維材料及び熱可塑性樹脂材料からなるとともに熱可塑性樹脂材料が未含浸状態に設定されている複数のチョップドセミプリプレグシート材を一体化して実質的に形成されている擬似等方補強シート材であって、前記チョップドセミプリプレグシート材は、厚さ方向の平均繊維本数が２本〜１０本の範囲に設定されているとともに厚さｔが含浸状態における厚さｔpに対してｔp＜ｔ≦２×ｔpの範囲に設定されており、複数の前記チョップドセミプリプレグシート材を前記強化繊維材料の繊維方向が二次元方向にランダムに配向するとともに厚さ方向の平均枚数が２枚〜１０枚の範囲となるように重ね合せた状態で接着一体化された層状体を備えている。さらに、前記チョップドセミプリプレグシート材は、含浸状態における繊維体積含有率が３０％〜７０％の範囲に設定されている。さらに、前記チョップドセミプリプレグシート材は、前記熱可塑性樹脂材料の熱融着により互いに部分的に接着している。さらに、複数の前記層状体を積層一体化している。さらに、前記層状体は、内部における前記チョップドセミプリプレグシート材の接着状態が互いに異なっている。さらに、隣接する前記層状体の間には、少なくとも一部に樹脂層部分が形成されている。
本発明に係る擬似等方補強シート材の製造方法は、強化繊維材料及び熱可塑性樹脂材料からなるとともに熱可塑性樹脂材料が未含浸状態に設定されているセミプリプレグシート材を用いた擬似等方補強シート材の製造方法であって、厚さ方向の平均繊維本数が２本〜１０本の範囲に設定されているとともに厚さｔが含浸状態における厚さｔpに対してｔp＜ｔ≦２×ｔpの範囲に設定されている前記セミプリプレグシート材を所要幅及び長さで切断してチョップドセミプリプレグシート材を形成する切断工程と、複数の前記チョップドセミプリプレグシート材を前記強化繊維材料の繊維方向が二次元方向にランダムに配向するとともに厚さ方向の平均枚数が２枚〜１０枚の範囲となるように重ね合せた状態で接着一体化して層状体を形成する一体化工程とを備えている。さらに、前記セミプリプレグシート材は、含浸状態における繊維体積含有率が３０％〜７０％の範囲に設定されている。さらに、前記一体化工程では、前記チョップドセミプリプレグシート材を重ね合せて前記熱可塑性樹脂材料の熱融着により互いに部分的に接着させることで前記層状体を形成する。さらに、前記一体化工程は、複数の前記層状体を積層一体化する。さらに、前記一体化工程では、形成された前記層状体上に前記チョップドセミプリプレグシート材を前記強化繊維材料の繊維方向が二次元方向にランダムに配向するように重ね合せて次の前記層状体を形成することで複数の前記層状体を順次積層一体化する。さらに、前記一体化工程では、隣接する前記層状体の間の少なくとも一部に樹脂材料を層状に配置して積層一体化する。
本発明に係る擬似等方補強シート材は、上記の構成を備えることで、薄層のチョップドセミプリプレグシート材を用いて成形時における良好な柔軟性及び流動性を実現することができ、優れた力学的特性を有する成形材を得ることが可能となる。
未含浸状態の具体例を示す説明図である。 チョップドセミプリプレグシート材を用いて製造された擬似等方補強シート材に関する概略断面図である。 チョップドセミプリプレグシート材を用いて製造された別の擬似等方補強シート材に関する概略断面図である。 擬似等方補強シート材の製造装置に関する概略構成図である。 図４に示す製造装置の変形例に関する概略構成図である。 強化繊維束中に樹脂材料が含浸して複合材料となる成形の基礎過程を示す説明図である。
以下、本発明に係る実施形態について詳しく説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明を実施するにあたって好ましい具体例であるから、技術的に種々の限定がなされているが、本発明は、以下の説明において特に本発明を限定する旨明記されていない限り、これらの形態に限定されるものではない。
本発明に係る擬似等方補強シート材は、強化繊維材料及び熱可塑性樹脂材料からなるとともに熱可塑性樹脂材料が未含浸状態に設定されている複数のチョップドセミプリプレグシート材を、強化繊維材料の繊維方向が二次元方向にランダムに配向するように一体化して形成されている。強化繊維材料の繊維方向が二次元方向にランダムに配向されているので、二次元方向の力学特性が擬似等方性を有するようになる。そして、擬似等方補強シート材は、複数のチョップドセミプリプレグシート材を強化繊維材料の繊維方向が二次元方向にランダムに配向するように一体化するとともにチョップドセミプリプレグシート材の厚さ方向の平均枚数が２枚〜１０枚の範囲に設定された層状体を１層又は複数層備えている。
擬似等方補強シート材は、チョップドセミプリプレグシート材を重ね合せた状態で一体化することで、シート材の形態を保持するようになっており、チョップドセミプリプレグシート材により実質的にシート材が形成されているのであれば、上述したチョップドセミプリプレグシート材以外の素材を混在させることも可能である。
疑似等方補強シート材が複数層の層状体を積層一体化している場合には、隣接する層状体の間の少なくとも一部に樹脂層部分を配置するようにしてもよい。樹脂層部分は、層状体の間において全部又は一部に層状に形成されていればよく、こうした樹脂層部分を含むことで、疑似等方補強シート材の繊維堆積含有率を調整することができる。
チョップドセミプリプレグシート材は、熱可塑性樹脂材料が未含浸状態に設定されているセミプリプレグシート材を所要の幅及び長さで切断して作成される。セミプリプレグシート材は、強化繊維材料には熱可塑性樹脂材料が浸透していない集束した部分が一部存在するとともに熱可塑性樹脂材料には強化繊維材料の間に浸透していない樹脂部分が一部存在している。こうした樹脂部分が存在することで、チョップドセミプリプレグシート材は柔軟性を備えるとともに繊維方向に容易に裂けることのない強度を備えている。
チョップドセミプリプレグシート材に用いる強化繊維材料としては、炭素繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、アラミド繊維、ＰＢＯ（ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール）繊維、金属繊維等のＦＲＰに用いられる高強度・高弾性率の無機繊維や有機繊維等が挙げられる。
また、チョップドセミプリプレグシート材に用いる熱可塑性樹脂材料は母材（マトリックス）樹脂となるもので、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリアミド（ナイロン６、ナイロン６６、ナイロン１２等）、ポリアセタール、ポリカーボネート、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体(ＡＢＳ)、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、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン等が使用される。また、これらの熱可塑性樹脂を２種類以上混合して、ポリマーアロイにして母材（マトリックス）樹脂として使用してもよい。
セミプリプレグシート材は、強化繊維材料全体に熱可塑性樹脂材料が完全に浸透していない未含浸状態に設定されており、図１は、未含浸状態の具体例を示す説明図である。図１では、○印は強化繊維材料の断面を示しており、ハッチングで示す部分が熱可塑性樹脂材料を示している。
図１（ａ）に示す例では、集束した強化繊維材料の両表面にシート状の熱可塑性樹脂材料が存在し、熱可塑性樹脂材料の一部が表面部分の強化繊維材料の間に浸透し、中心部分の強化繊維材料の間には熱可塑性樹脂材料が浸透せずに集束した状態のままとされている。熱可塑性樹脂材料についても強化繊維材料の両表面側において一部浸透しないままとなっている。このような未含浸状態は、強化繊維束の両面に熱可塑性樹脂シート材を当接させた後加熱加圧して実現することができる。
図１（ｂ）に示す例では、集束した強化繊維材料の内部に熱可塑性樹脂材料が離散的に存在しており、熱可塑性樹脂材料は部分的に強化繊維材料の間に浸透している。このような未含浸状態は、粉体状又は短繊維状の熱可塑性樹脂材料を強化繊維材料の間に分散させた後加熱加圧して熱可塑性樹脂材料を溶融させることで、部分的に強化繊維材料の間に浸透させて実現することができる。
図１（ｃ）に示す例では、シート状の熱可塑性樹脂材料の両面に強化繊維材料が存在しており、熱可塑性樹脂材料の表面部分が強化繊維材料の間に部分的に浸透しており、強化繊維材料には熱可塑性樹脂材料が浸透していない部分が存在している。このような未含浸状態は、熱可塑性樹脂シート材の両面に強化繊維束を当接させた後加熱加圧して実現することができる。
図１に示す具体例では、強化繊維材料については、開繊処理により幅広で薄層のシート材に形成して用いることで、品質の良好なセミプリプレグシート材を得ることができる。また、セミプリプレグシート材は、具体例として示した３パターンのいずれかの状態であってもよいし、３パターンのうち複数のパターンが混在した状態であってもよい。
セミプリプレグシート材は、厚さ方向の平均繊維本数が２本〜１０本の範囲に設定されていることが好ましい。未含浸状態にあるセミプリプレグシート材において、厚さ方向の平均繊維本数が２本〜１０本の範囲に設定されているとき、熱可塑性樹脂材料が浸透していない繊維は数本単位となる。そのため、本セミプリプレグシート材をチョップドセミプリプレグシート材として作成される擬似等方補強シート材から複合材料成形品を得るとき、加熱加圧により未含浸状態から含浸状態と成形するが、含浸状態に至る時間が短時間となり、かつボイドの少ない含浸状態とすることができ、良好な品質の複合材料成形品を短時間で得ることが可能となる。
厚さ方向の平均繊維本数は、後述するように、含浸状態における厚さ、繊維体積含有率及び強化繊維材料の単糸直径に基づいて算出することができる。
上述したように、未含浸状態のセミプリプレグシート材は、熱可塑性樹脂材料において強化繊維材料に浸透していない樹脂部分が存在しているので、強化繊維の繊維方向の裂け目が生じにくくなる。未含浸状態のセミプリプレグシート材は、厚さ方向に圧縮して含浸状態となるため、含浸状態に比べて厚くなっている。そのため、含浸状態の厚さと比較することで未含浸状態の程度を定量的に設定することができる。
具体的には、セミプリプレグシート材の厚さｔは、含浸状態の厚さをｔpとすると、以下の式を満たすように設定することが好ましい。ｔp＜
ｔ≦２×ｔp当該セミプリプレグシート材は厚さ方向の平均繊維本数が２本〜１０本と少ない、つまり薄い状態に設定されている。このような状態にあるセミプリプレグシート材において、厚さｔが設定範囲内である場合には、セミプリプレグシート材は、チョップドセミプリプレグシート材を作成する際に強化繊維材料の繊維方向に沿って切断しても、切断面に強化繊維材料の毛羽等がほとんど発生しなくなる。厚さｔが含浸状態の厚さｔpの２倍を超える場合には、強化繊維材料の間に浸透する熱可塑性樹脂材料が少なく未含浸部分が多くなるため、繊維方向に沿って切断すると、切断面において強化繊維材料の毛羽が多くなる。チョップドプリプレグシート材の端面に毛羽が多くなると、後述するようにチョップドセミプリプレグシート材を分散する際に毛羽によって均一な分散がしにくくなる。そのため、チョップドセミプリプレグシート材が不均一に分散した補強シート材になり、成形品の力学的特性低下の原因になる。また、補強シート材を用いて成形する際に、チョップドセミプリプレグシート材の毛羽の影響で流動特性が悪くなるおそれがある。
セミプリプレグシート材又はチョップドセミプリプレグシート材（以下「対象シート材」という。）の厚さｔは、実測により求めることができる。例えば、ＪＩＳ Ｂ ７５０２（国際規格ＩＳＯ ３６１１に対応）に規定する最小表示量０．００１ｍｍの外側マイクロメータを用い、複数箇所で実測した厚さの平均値を算出して求めることができる。含浸状態における厚さｔpは、以下の２通りの方法で求めることができる。（１）対象シート材を加熱加圧して強化繊維材料全体に熱可塑性樹脂材料を浸透させた含浸状態のプリプレグシート材を作成し、作成されたプリプレグシート材を対象シート材と同様に複数個所で厚さを実測し、その平均値を算出して厚さｔpとする。（２）対象シート材に使用されている強化繊維材料の比重ρ1（ｇ／ｃｍ3）及び目付けＷ1（ｇ／ｍ2）、熱可塑性樹脂材料の比重ρ2（ｇ／ｃｍ3）及び目付けＷ2（ｇ／ｍ2）である場合に、含浸状態の厚さｔpは、以下の式で求める。ｔp（ｍｍ）＝（（Ｗ1／ρ1）＋（Ｗ2／ρ2））／１０００
また、対象シート材の含浸状態における繊維体積含有率は、３０％〜７０％に設定することが好ましい。繊維体積含有率が３０％より低くなると、長繊維の補強効果が小さくなり、繊維体積含有率が７０％を超えると、強化繊維束中への樹脂含浸が難しくなり、ボイドが発生しやすくなって品質が劣化する。
含浸状態における厚さｔp（ｍｍ）、繊維体積含有率Ｖｆ（％）及び単糸直径をφ（ｍｍ）である場合に、厚さ方向の平均繊維本数ｎは、以下の式で算出される。ｎ（本）＝（ｔp×（Ｖｆ／１００））／φ例えば、含浸状態における厚さ０．０５ｍｍ、繊維体積含有率６０％及び単糸直径７μｍの場合、厚さ方向の平均繊維本数ｎは、（０．０５×（６０／１００））／０．００７＝４．２９で、約４．３本と計算される。
なお、強化繊維材料として炭素繊維を用いた対象シート材を含浸状態とした場合における厚さｔpは、２０μｍ〜８０μｍの範囲に設定することが好ましい。炭素繊維の単糸直径が５μｍ〜７μｍ、繊維体積含有率が３０％〜７０％である場合、含浸状態における厚さ方向の平均繊維本数が２〜１０本の範囲に設定することを考えると、厚さｔpは、２０μｍ〜８０μｍの範囲となる。したがって、未含浸状態における厚さｔは、２０μｍ＜ｔ≦１６０μｍに設定される。
チョップドセミプリプレグシート材において、樹脂含浸後の厚さｔpが２０μｍ〜８０μｍと薄層であるとき、複合材料成形品になった際、チョップドセミプリプレグシート材が重なった部分の隙間を狭くすることができる。これにより、繊維の蛇行を少なくして繊維本来の特性を十分に活かすことが可能となったり、また、隙間空間に生じ易いボイドを防止できたりする。
チョップドセミプリプレグシート材は、セミプリプレグシート材を所要の幅及び長さに切断することによって得られる。具体的には、幅を１ｍｍ〜３０ｍｍ及び長さを５ｍｍ〜１００ｍｍの範囲に設定することが好ましい。幅が１ｍｍより小さくなるとセミプリプレグシート材を切断する際に毛羽の量が多くなり、擬似等方補強シート材として流動性が悪くなって、得られる複合材料成形品の力学的特性が低下する。幅３０ｍｍより大きくなると擬似等方補強シート材の力学的特性である擬似等方性が低下してしまう。長さが５ｍｍより小さくなると強化繊維材料の引張特性が十分に得られず、得られる複合材料成形品の力学的特性が低下する。長さが１００ｍｍより大きくなると、チョップドセミプリプレグシート材同士の重なりが多くなり流動する際の影響度合いが大きくなり、擬似等方補強シート材としての流動性が悪くなる。
図２は、上述したチョップドセミプリプレグシート材を用いて製造された擬似等方補強シート材に関する概略断面図である。この例では、擬似等方補強シート材Ｔは、複数のチョップドセミプリプレグシート材Ｃが、自然落下等により分散させてランダムに重ね合せることで、強化繊維材料の繊維方向が二次元方向にランダムに配向するように重ね合せた状態となっている。そして、重ね合せた状態で加熱加圧することでチョップドセミプリプレグシート材Ｃ同士が接着して全体が層状体Ｍとして一体化されている。
なお、層状体Ｍは、チョップドセミプリプレグシート材Ｃにより実質的にシート状の形態を維持するように一体化しており、チョップドセミプリプレグシート材Ｃにより実質的にシート状の形態が維持されているのであれば、上述したチョップドセミプリプレグシート材以外の素材を混在させることも可能である。
擬似等方補強シート材Ｔは、チョップドセミプリプレグシート材Ｃの厚さ方向の平均枚数が２枚〜１０枚の範囲に設定されていることが好ましく、さらに好ましくは３枚〜７枚の範囲に設定する。こうした枚数範囲に設定することで、加熱加圧する際の加圧力が小さくても確実に接着一体化することができ、強化繊維材料へのダメージを極力小さくすることが可能となる。そして、チョップドセミプリプレグシート材Ｃの厚さを０．１ｍｍより薄く設定することが好ましく、こうした薄いチョップドセミプリプレグシート材Ｃを重ね合せることで、擬似等方補強シート材Ｔ全体の厚さが薄くなって内部の隙間が小さくなり、柔軟性及びドレープ性を備えるようになる。そのため、ロール状に巻き取ることも可能となり、取扱いが格段に向上する。
また、擬似等方補強シート材Ｔを積層して成形する場合には、擬似等方補強シート材Ｔが薄く板状に形成されているため、積層した状態でも曲面状の成形に対して十分対応することができる。薄層のチョップドセミプリプレグシート材Ｃが平均枚数２枚〜１０枚の範囲で重ね合せた積層状態では、擬似等方補強シート材Ｔの表面はほぼ平面状に形成されている。そして、擬似等方補強シート材Ｔを積層した後加熱加圧して成形する場合に、擬似等方補強シート材Ｔの接触面では、チョップドセミプリプレグシート材Ｃの端縁等が突出して流動を妨げることがなく、スムーズに流動するようになり、良好な流動性を実現することができる。
また、セミプリプレグシート材を用いて得られるチョップドセミプリプレグシート材は、図１（ｂ）及び（ｃ）に示すように、両表面に熱可塑性樹脂材料が浸透していない繊維部分が露出している。チョップドセミプリプレグシート材同士が接触して露出した繊維部分が擦れると、繊維部分の擦れによる接触抵抗が生じるようになり、チョップドセミプリプレグシート材を重ね合せていくとランダムな方向にばらけにくくなる。そのため、チョップドセミプリプレグシート材を厚さ方向に重ね合せる平均枚数を２枚〜１０枚の範囲とすることで、繊維部分の擦れによる接触抵抗が軽減されて、チョップドセミプリプレグシート材がランダムな方向にばらけやすくなる。
図３は、上述したチョップドセミプリプレグシート材を用いて製造された別の擬似等方補強シート材に関する概略断面図である。この例では、擬似等方補強シート材Ｔ’は、複数のチョップドセミプリプレグシート材Ｃが、自然落下等により分散させてランダムに重ね合せることで、強化繊維材料の繊維方向が二次元方向にランダムに配向するように重ね合せた状態とし、重ね合せた状態で加熱加圧することでチョップドセミプリプレグシート材Ｃ同士を接着一体化した複数の層状体Ｍ１〜Ｍ３を積層一体化して構成されている。
擬似等方補強シート材Ｔ’は、層状体Ｍ１の上面の境界面Ｋ１及び層状体Ｍ２の上面の境界面Ｋ２により３層構造に形成されており、境界面Ｋ１及びＫ２により区分された層状体Ｍ１〜Ｍ３は、それぞれ重なり合った状態のチョップドセミプリプレグシート材Ｃを接着一体化して構成されている。そして、チョップドセミプリプレグシート材Ｃは、接着前の形態を維持したまま隣接するチョップドセミプリプレグシート材Ｃと接着しており、チョップドセミプリプレグシート材Ｃの間には隙間が形成されている。
また、境界面Ｋ１及びＫ２では、層状体内の接着状態（接着位置、接着力等）が隣接する層状体とは異なっており、加熱・加圧により凹凸の少ない表面に形成された層状体の上面にチョップドセミプリプレグシート材Ｃを重ね合せているため層状体間が層状体内に比べてずれやすくなっている。そのため、層状体間の自由度が層状体内よりも大きくなって、擬似等方補強シート材Ｔ’の柔軟性及びドレープ性を高めることができ、ロール状に巻き取ることができるようになり、取扱いが格段に向上する。また、擬似等方補強シート材Ｔ’を積層した後加熱加圧して成形する場合に、擬似等方補強シート材Ｔ’内の境界面及びシート材同士の接触面では互いのチョップドセミプリプレグシート材Ｃ同士が係合して流動しにくくなることが少なくなり、スムーズに流動するようになり、良好な流動性を実現することができる。
従来技術のように、チョップドセミプリプレグシート材Ｃを上述した３層分と同量だけ重ね合せ、加熱・加圧により一度に接着一体化した場合には、全体が同じ接着状態となるため、板状に形成されて柔軟性及びドレープ性が失われるが、厚さ方向の平均枚数を２枚〜１０枚の範囲となるように重ね合せた状態で順次接着一体化して複数の層状体を積層することで柔軟性及びドレープ性を維持した擬似等方補強シート材を得ることができる。
また、複数の層状体を重ね合せた状態に積層一体化する場合に、隣接する層状体の間の少なくとも一部に樹脂層部分を配置することもできる。例えば、２層以上の層状体が積層された部分の間全体に樹脂層部分を配置してもよく、また、隣接する層状体の間に部分的に樹脂層部分を配置するようにしてもよい。樹脂層部分は、樹脂のみが層状に形成されている部分や繊維体積含有率が周囲より低下した層状の樹脂リッチな部分に形成されている。
こうした樹脂層部分が層状体の間に存在することで、疑似等方補強シート材を用いた複合材料成形品では、繊維体積含有率を低下させるとともに力学特性を変化させることができる。例えば、成形品に対して曲げ変形が加えられた場合には、樹脂層部分がせん断変形することで湾曲変形しやすくなる。樹脂層部分を形成する場合には、フィルム状、シート状、粒状又は短繊維状の樹脂材料を層状体の間に配置して層状体とともに加熱・加圧することで、樹脂材料を融着させて樹脂層部分とすることができる。樹脂層部分には、チョップドセミプリプレグシート材に用いる熱可塑性樹脂材料と同じものを使用することができるが、異なる熱可塑性樹脂材料を使用することも可能である。
図４は、擬似等方補強シート材の製造装置に関
する概略構成図である。製造装置は、シート材供給機構１、シート材切断機構２、チョップ材搬送機構３、シート一体化機構４及びシート巻取機構５を備えている。シート材供給機構１は、３インチ紙管等に巻回されたセミプリプレグシート材Ｓを繰り出して供給する。シート材供給機構１は、シート材切断機構２における切断動作がスムーズに行われるようにセミプリプレグシート材Ｓに所要の張力を付与しながら供給する。例えば、モータ等の駆動手段によりセミプリプレグシート材Ｓを所定の供給速度で送り出すようにしてもよく、また、シート材切断機構２により引き出されるセミプリプレグシート材Ｓが所定の供給速度となるようにブレーキ機構を備えるようにすることもできる。
シート材切断機構２は、縦方向切断部６及び横方向切断部７を備えており、縦方向切断部６は、供給方向に沿ってセミプリプレグシート材Ｓを所定幅で帯状に切断する。縦方向切断部６としては、ギャングカット方式、シャーカット方式、スコアーカット方式といった公知のシート切断手段を用いることができる。ギャングカット方式は、回転丸刃である上刃と下刃をラップさせ、その間に微小なクリアランスを設けてセミプリプレグシート材Ｓを挟み、せん断力により切断する。シャーカット方式は、逃げ角がついた鋭角な刃先を持つ回転丸刃の上刃が、その先端を下刃（回転丸刃）側面に押し付けられるようにしてセットされ、その部分にセミプリプレグシート材Ｓを走行させて切断する。鋏で切断する機構に類似しており、シート材を逃がすことなく切断することができる。スコアーカット方式は、熱処理等により高硬度に形成された下刃ロールにセミプリプレグシート材Ｓを接触させながら走行させ、その部分に回転丸刃の上刃ロールを押さえ付けながら、セミプリプレグシート材Ｓを切断する。なお、セミプリプレグシート材Ｓが予めチョップドセミプリプレグシート材Ｃと同幅に切断された形態で紙管等に巻回されて供給される場合には、縦方向切断部６を使用する必要はない。
横方向切断部７は、供給方向に所定幅に切断されたセミプリプレグシート材Ｓを供給方向と直交する方向に切断して、所定長さのチョップドセミプリプレグシート材Ｃを作成する。横方向切断部７としては、例えば、周囲に複数の切断用刃物を所定間隔を置いて軸方向に沿うように配列されたカットロールを高硬度の回転ロールに対向配置した切断装置が挙げられる。回転ロールにセミプリプレグシート材Ｓを接触させて走行させながら、カットロールの切断用刃物を順次押し付けて切断することで、所定長さのチョップドセミプリプレグシート材Ｃを作成することができる。また、切断用刃物の取り付け間隔が異なるカットロールを用いることで、異なる長さのチョップドセミプリプレグシート材Ｃを作成することもできる。例えば、切断用刃物の取り付け間隔を１０ｍｍ、５０ｍｍ、１００ｍｍに設定することで、その間隔と同じ長さのチョップドセミプリプレグシート材Ｃを同じ割合で作成することができる。また、切断用刃物の取り付け間隔を１０ｍｍ、５０ｍｍ、１００ｍｍ、１００ｍｍと設定することで、１００ｍｍ長さのチョップドセミプリプレグシート材Ｃの割合を多くすることができる。異なる長さのチョップドセミプリプレグシート材Ｃを用いることで、得られる擬似等方補強シート材Ｔの力学的特性及び流動性をコントロールすることも可能となる。例えば、チョップドセミプリプレグシート材Ｃの長さが長い場合には、擬似等方補強シート材Ｔを用いた積層成形品は力学的特性が向上するが、成形時の流動性は低下する。逆に、チョップドセミプリプレグシート材Ｃの長さが短い場合には、擬似等方補強シート材Ｔを用いた積層成形品の力学的特性が低下するが、流動性は向上する。異なる長さのチョップドセミプリプレグシート材Ｃを混在させることで、力学的特性及び流動性のバランスが最適化された擬似等方補強シート材を得ることが可能となる。
チョップ材搬送機構３は、３つの分配コンベヤ８〜１０を備えており、切断されたチョップドセミプリプレグシート材Ｃを３つに分配して搬送する。各分配コンベヤに分配される量は、等量ずつとなるように設定することが好ましい。各分配コンベヤの搬出位置は、搬送方向に所定間隔を置いてずらして設定されている。チョップドセミプリプレグシート材Ｃは、各分配コンベヤにより連続搬送されて搬出位置において連続落下するようになる。落下するチョップドセミプリプレグシート材Ｃの単位時間当たりの搬出量は、チョップドセミプリプレグシート材Ｃの単位時間当たりの供給量及び分配コンベヤの搬送速度に基づいて設定される。
シート一体化機構４は、落下したチョップドセミプリプレグシート材Ｃを搬送ベルト１２により受けて搬送する搬送コンベヤ１１及び搬送されるチョップドセミプリプレグシート材Ｃを一体化する３つの接着ロール１３〜１５を備えており、複数のチョップドセミプリプレグシート材を強化繊維材料の繊維方向が二次元方向にランダムに配向させて重ね合せた状態で各接着ロールにより一体化して層状体を形成し、形成された３つの層状体を積層一体化する。
搬送コンベヤ１１は、チョップドセミプリプレグシート材Ｃの３つの搬出位置の下方に配置されて、無端状の搬送ベルト１２が一対の搬送ローラに張架されて構成されており、搬送ベルト１２の搬送方向が３つの搬出位置に沿うように設定されている。搬送ベルト１２は、耐熱ゴム材料、金属材料等の耐熱性を有する材料からなり、３つの搬出位置から落下するチョップドセミプリプレグシート材Ｃをそれぞれ３つの積層位置で受けるように設定されている。３つの積層位置は所定間隔を空けて配置されており、各積層位置の下流側に接着ロール１３〜１５がそれぞれ配置されている。各接着ロールは、搬送ベルト１２の搬送面側に配置された加熱ローラ及び搬送面とは反対側に配置された押圧ローラを備えている。そして、搬送ベルト１２により重なり合った状態で搬送されるチョップドセミプリプレグシート材Ｃを加熱ローラ及び押圧ローラで挟持して加熱加圧することで、チョップドセミプリプレグシート材Ｃを層状に接着一体化する。
各搬出位置から各積層位置に落下するチョップドセミプリプレグシート材Ｃは、繊維方向がランダムな方向に向きながら散るように落下し、搬送ベルト１２上において繊維方向が２次元方向にランダムに配向して重なり合うようになる。重なり合うチョップドセミプリプレグシート材Ｃは、均一に分散して重なり合っていることが好ましく、重なり合う厚さ方向の平均枚数を２枚〜１０枚の範囲となるように設定することが好ましい。さらに好ましくは、平均枚数を３枚〜７枚の範囲となるように設定するとよい。
チョップドセミプリプレグシート材Ｃの厚さ方向の平均枚数を２枚〜１０枚の範囲となるように設定することで、接着ロールによる接着一体化を行う際に、チョップドセミプリプレグシート材Ｃを構成する繊維方向の配向乱れを極力小さくすることが可能となる。また、１箇所の積層位置における厚さ方向の枚数を小さくして複数の積層位置で並行してチョップドセミプリプレグシート材Ｃを配置することで、擬似等方補強シート材の製造速度を高速化させることが可能となる。そして、チョップドセミプリプレグシート材Ｃの分散が均一となっており、加熱加圧して接着する際に均一な接着状態を実現することができる。
厚さ方向に重なり合うチョップドセミプリプレグシート材Ｃの平均枚数が１０枚より多くなると、重なり合うすべてのチョップドセミプリプレグシート材Ｃを熱融着等により接着させるために加圧力を高める必要があるが、加圧力が高くなるとチョップドセミプリプレグシート材Ｃ内の強化繊維が蛇行したり、場合によっては切断されてしまうおそれがある。また、厚さ方向の枚数が１０枚を超えると、重なり合うすべてのチョップドセミプリプレグシート材Ｃが所定の加熱温度まで到達するのに時間がかかり、確実に接着一体化するためには搬送速度を高速化することができなくなる。
また、厚さ方向の平均枚数を３枚以上に設定することで、積層位置においてチョップドセミプリプレグシート材で隙間なく重なり合うようにすることができ、厚さ方向の平均枚数を７枚以内に設定することで、重なり合ったチョップドセミプリプレグシート材Ｃを熱融着等により部分接着させる場合でも短時間で確実に接着一体化することが可能となる。
そして、厚さ方向の平均枚数は、落下するチョップドセミプリプレグシート材Ｃの単位時間当たりの搬出量に対して搬送コンベヤ１１の搬送速度を制御することで調整することができる。チョップドセミプリプレグシート材Ｃが落下する際に繊維方向がランダムな方向となるように、回転羽根により散らしたり、エアを吹き付けて散らすようにしてもよい。
分配コンベヤ８の搬出位置から落下して最も上流側の積層位置に重なり合ったチョップドセミプリプレグシート材Ｃは、搬送ベルト１２により搬送されながら接着ロール１３の加熱ローラ１３ａ及び押圧ローラ１３ｂにより加熱加圧され、チョップドセミプリプレグシート材Ｃに含まれる熱可塑性樹脂材料が加熱により部分的に溶融して互いに接着することで、層状に一体化して層状体Ｍ１が形成される。加熱ローラ１３ａの加熱温度は、搬送される重なり合った状態のチョップドセミプリプレグシート材Ｃが確実に接着一体化する温度に設定されている。また、押圧ローラ１３ｂによる加圧力は、重なり合った状態のチョップドセミプリプレグシート材Ｃを互いに密着させて加熱ローラ１３ａに押し付けるとともに、チョップドセミプリプレグシート材Ｃ内の強化繊維材料に影響が及ばない程度に設定されている。
図４に示す加熱ローラ１３ａは、周面が凹凸形状に形成されており、チョップドセミプリプレグシート材Ｃに凸部分を接触させて部分的に加熱し、熱融着させることで接着させて一体化させている。部分接着させる場合には、部分接着位置及び数は、チョップドセミプリプレグシート材Ｃが脱落しないように設定すればよく、具体的には、１つのチョップドセミプリプレグシート材Ｃに１〜５カ所程度の部分接着がされていればよい。なお、周面を円筒面として全面的に加熱してチョップドプリプレグシート材Ｃ同士を全面的に接着させることも可能で、また、加熱温度や加圧力をコントロールすることでチョップドセミプリプレグシート材Ｃを部分的に接着できるようにもなり、その部分的な範囲も制御できるようになる。
接着ロール１３により重なり合った状態のチョップドセミプリプレグシート材Ｃが層状に一体化された層状体Ｍ１は、搬送ベルト１２により搬送されていき、次の積層位置において、上面に分配コンベヤ９よりチョップドセミプリプレグシート材Ｃが落下して重なり合うように載置される。そして、層状体Ｍ１の上面にチョップドセミプリプレグシート材Ｃが重なり合った状態で搬送ベルト１２により搬送されながら接着ロール１４の加熱ローラ１４ａ及び押圧ローラ１４ｂにより加熱加圧される。加熱ローラ１４ａの加熱により重なり合った状態のチョップドセミプリプレグシート材Ｃは、熱可塑性樹脂材料が加熱により部分的に溶融して互いに接着することで、層状に一体化して層状体Ｍ２が形成される。加熱ローラ１４ａの加熱温度は、重なり合った状態のチョップドセミプリプレグシート材Ｃが確実に接着一体化するが、さらに、層状体Ｍ１と重なり合った状態のチョップドセミプリプレグシート材Ｃとの間の境界面においても接着状態となって層状体Ｍ１及びＭ２が一体化するようになる加熱温度に設定されている。
接着ロール１４により層状に一体化された層状体Ｍ１及びＭ２は、搬送ベルト１２により搬送されていき、次の積層位置において、上面に分配コンベヤ１０よりチョップドセミプリプレグシート材Ｃが落下して重なり合うように載置される。そして、層状体Ｍ２の上面にチョップドセミプリプレグシート材Ｃが重なり合った状態で搬送ベルト１２により搬送されながら接着ロール１５の加熱ローラ１５ａ及び押圧ローラ１５ｂにより
加熱加圧される。加熱ローラ１５ａの加熱により重なり合った状態のチョップドセミプリプレグシート材Ｃは、熱可塑性樹脂材料が加熱により部分的に溶融して互いに接着することで、層状に一体化して層状体Ｍ３が形成される。加熱ローラ１５ａの加熱温度は、重なり合った状態のチョップドセミプリプレグシート材Ｃが確実に接着一体化するが、さらに、層状体Ｍ２と重なり合った状態のチョップドセミプリプレグシート材Ｃとの間の境界面においても接着状態となって層状体Ｍ１〜Ｍ３が一体化するようになる加熱温度に設定されている。
こうして接着ロール１５により層状体Ｍ１〜Ｍ３が一体化された擬似等方補強シート材Ｔが形成される。上述したように、チョップドセミプリプレグシート材Ｃを３回に分けて順次重ね合せて接着一体化しているため、擬似等方補強シート材Ｔは、重なり合った状態のチョップドセミプリプレグシート材Ｃを接着一体化した層状体が３層積層して一体化している。
シート巻取機構５は、接着ロール１５により一体化されて形成された擬似等方補強シート材Ｔを紙管等に巻き付けてロール状に巻き取る。上述したように、擬似等方補強シート材Ｔは、柔軟性及びドレープ性を有しているため、従来の熱硬化性樹脂プリプレグシート材又は熱可塑性樹脂プリプレグシート材と同様に、直径３インチ（約７６ｍｍ）〜１２インチ（約３０５ｍｍ）の紙管等に巻き取ることができ、従来のプリプレグシート材と同様に容易に取り扱うことが可能となる。
図５は、図４に示す製造装置の変形例に関する概略構成図である。この例では、３つのシート材供給機構１Ａ〜１Ｃ及び３つのシート材切断機構２Ａ〜２Ｃを設置し、それぞれの機構においてチョップドセミプリプレグシート材Ｃを作成して、シート一体化機構４の積層位置に供給するようにしている。チョップドセミプリプレグシート材Ｃの作成速度が３倍となるため、擬似等方補強シート材の製造速度を高速化することが可能となる。
以上説明した例では、層状体を３層積層した擬似等方補強シート材を製造しているが、シート一体化機構の加熱ロールの設置数を適宜設定して各加熱ロールに対してチョップドセミプリプレグシート材を供給することで、２層以上の層状体を積層した擬似等方補強シート材を製造することができる。また、シート一体化機構に１層分のみチョップドセミプリプレグシート材Ｃを供給することで、図２に示す１つの層状体からなる擬似等方補強シート材を製造することもできる。
シート一体化機構では、隣接する層状体の間の少なくとも一部に樹脂材料を層状に配置して樹脂層部分を形成するようにしてもよい。例えば、チョップドセミプリプレグシート材により層状体を作成した後、その上面にフィルム状、シート状、粒状又は短繊維状の樹脂材料を供給して層状に配置して次の層状体を作成して積層することで、樹脂層部分を含む疑似等方補強シート材を製造することができる。
製造された擬似等方補強シート材を用いて複合材料成形品を成形する場合、擬似等方補強シート材を１枚もしくは厚さ方向に複数枚積層し、加熱加圧して成形することで複合材料成形品を得ることができる。擬似等方補強シート材は、上述したように柔軟性及びドレープ性を有しているため、平板形状以外の曲面形状や凹凸形状等の金型形状に対しても形状に沿わせて成形することが可能となる。
なお、疑似等方補強シート材を複数枚積層する際に、樹脂材料を間に配置して複合材料成形品を成形することで、複合材料成形品の内部の少なくとも一部に樹脂層部分を形成することができる。樹脂層部分は、疑似等方補強シート材の間において全部又は一部に層状に形成されていればよい。樹脂材料を疑似等方補強シート材の間に配置する場合には、フィルム状、シート状、粒状又は短繊維状の樹脂材料を供給して層状に配置すればよい。樹脂材料は、疑似等方補強シート材に含まれる樹脂とは異なる樹脂を用いてもよい。
擬似等方補強シート材及び樹脂シート材を必要箇所に必要枚数積層して、加熱加圧して得られる複合材料成形品は、加熱温度及び加圧力を調整することで、層状の樹脂層部分を形成することができる。形成される樹脂層部分は、樹脂のみが層状に形成されている部分や繊維体積含有率が周囲より低下した層状の樹脂リッチな部分に形成される。こうした樹脂が多くなった部分が存在することで、流動性が良くなり、成形時の賦形性が向上する。
また、チョップドセミプリプレグシート材の厚さを強化繊維材料の単糸直径の２倍〜１０倍の範囲に設定することで、加熱加圧して成形する際に、熱可塑性樹脂材料が強化繊維材料の間に含浸し易くなって、ボイドの発生を抑止することができる。そして、擬似等方補強シート材は、薄層のチョップドセミプリプレグシート材を厚さ方向の平均枚数２枚〜１０枚の範囲で重ね合せた層状体により構成されており、成形の際の流動性を高めることができる。例えば、図３に示す３層構造の擬似等方補強シート材を加熱加圧して成形する際に、擬似等方補強シート材が加圧加熱されて含浸状態となり、チョップドセミプリプレグシート材内の熱可塑性樹脂材料が溶融して強化繊維材料が流動するようになる。擬似等方補強シート材内の層状体間では、チョップドセミプリプレグシート材がずれやすくなっているため、層状体の境界面に沿う強化繊維材料の流動性が高められるとともに均一化される。そのため、擬似等方補強シート材を複数枚積層した場合でも、積層体全体の流動性が高くなるとともにムラがなくなり、良好な品質の成形品を得ることができる。
従来技術のように、チョップドセミプリプレグシート材を厚さ方向に数十枚重ね合せた状態で加熱加圧して成形する場合、２次元方向にランダムに配向された強化繊維材料が互いに影響し合うため、溶融した熱可塑性樹脂材料の流動性にもムラが生じるようになり、強化繊維材料の流動性が低下する。これに対して、上述したように、厚さ方向の平均枚数を２枚〜１０枚の範囲となるように重ね合せた状態で接着一体化した複数の層状体の層構造とすることで、数十枚重ね合せた場合でも流動性の向上及び均一化を図ることが可能となる。
また、強化繊維束中に樹脂が含浸したチョップドプリプレグシート材において、０．１ｍｍ以上の厚さのチョップドプリプレグシート材を重ね合せた場合、チョップドプリプレグシート材の間の隙間が大きくなり、加熱・加圧して成形する際に、隙間にチョップドプリプレグシート材が押し込まれて強化繊維材料が蛇行するおそれがあり、チョップドプリプレグシート材の変形により層状体の内部及び層状体間の境界面の形状が変化して、上述した流動性の向上及び均一化が得られなくなるおそれがある。そのため、チョップドプリプレグシート材の厚さは０．１ｍｍより薄くすることが好ましい。より具体的には、２０μｍ〜８０μｍの厚さが好ましい。
以上説明したように、本発明に係る擬似等方補強シート材は、未含浸状態のチョップドセミプリプレグシート材を用いており、チョップドセミプリプレグシート材は、内部に強化繊維材料の集束部分や熱可塑性樹脂材料の樹脂部分が一部存在しているため、柔軟性及びドレープ性を有している。そして、こうした特性を有するチョップドセミプリプレグシート材を厚さ方向の平均枚数が２枚〜１０枚の範囲に設定して重ね合せた状態で接着一体化することで層状体を形成しているので、層状体自体も柔軟性及びドレープ性を有しており、また層状体を複数積層した場合でも層状体間ではずれやすくなって自由度が大きくなるため、擬似等方補強シート材に柔軟性及びドレープ性を持たせることができる。さらに、層状体の接着部分と層状体同士の接着部分をずらす効果として、層状体間のずれやすさを向上させることができる。
また、本発明に係る擬似等方補強シート材を製造する場合に、未含浸状態のセミプリプレグシート材を用いることで、切断時の衝撃による裂け目等が生じることなく、良好な品質チョップドセミプリプレグシート材を得ることができる。
また、セミプリプレグシート材を切断する際に、セミプリプレグシート材は未含浸状態であるため、強化繊維材料の集束部分が切断により毛羽が発生しやすくなる。そのため、セミプリプレグシート材の厚さ方向の平均繊維本数が２本〜１０本の範囲に設定されるとともに、厚さｔが含浸状態の厚さｔpに対してｔp＜ｔ≦２×ｔpの範囲に設定することで、熱可塑性樹脂材料の浸透していない集束部分の繊維本数を少なくするとともに、樹脂が含浸していない部分の繊維方向の長さを短くしている。このような状態の集束部分では、切断による毛羽が生じにくくなるとともに毛羽となって飛び出す繊維長さが短くなって製造する際の影響が抑えられる。
また、本発明に係る擬似等方補強シート材は、チョップドセミプリプレグシート材を厚さ方向平均枚数が２枚〜１０枚の範囲で重ね合せて接着一体化した層状体により構成されているので、擬似等方補強シート材を加熱加圧して成形を行う際に層状体内では均一な流動性が得られるようになり、また複数の層状体を積層一体化している場合には層状体の境界面に沿う方向の流動性を均一化することができる。そのため、チョップドセミプリプレグシート材が境界面に沿ってスムーズに流動して強化繊維材料の配向の乱れが抑えられて真直性が維持されるようになり、擬似等方性が維持された状態で成形することが可能となる。
また、本発明に係る擬似等方補強シート材は、厚さ方向の平均繊維本数が２本〜１０本の範囲に設定されるチョップドセミプリプレグシート材を使用して厚さ方向の平均枚数が２枚〜１０枚の範囲で重ね合せて一体化している。薄層のチョップドセミプリプレグシート材を使用することにより、チョップドセミプリプレグシート材同士の重なりによる繊維の蛇行を極力小さくすることができ、チョップドセミプリプレグシート材を平面的に存在させて接着一体化することができる。そのため、擬似等方補強シート材を加熱加圧して成形を行う際にチョップドセミプリプレグシート材が面方向に沿ってスムーズに流動するようになり、擬似等方補強シート材の流動性を高めることができる。
本発明に係る擬似等方補強シート材は、厚さ方向の平均繊維本数が２本〜１０本の範囲に設定される薄層のチョップドセミプリプレグシート材を使用して、厚さ方向の平均枚数が２枚〜１０枚の範囲で重ね合せて接着一体化した層状体を備えており、こうした層状体を複数積層一体化して構成することもできる。擬似等方補強シート材により得られる複合材料成形品は、薄層のチョップドセミプリプレグシート材が二次元方向にランダムに積層されるとともに、厚さ方向にも均一に分散した状態となる。このため、複合材料成形品の力学的特性値は向上し、バラツキを少なくするこができる。
［実施例１］ 以下の材料を用いて、擬似等方補強シート材を製造した。＜使用材料＞ 強化繊維材料 炭素繊維束（三菱レイヨン株式会社製；ＴＲ５０Ｓ−１５Ｋ−ＪＪ １５０００本／束 単糸直径７μｍ）熱可塑性樹脂材料 ＰＡ６樹脂フィルム（三菱樹脂株式会社製；ダイアミロン 厚さ２０μｍ）
＜セミプリプレグシート材の製造方法＞ 公知の繊維束の開繊方法（例えば、特開２０１０−２７０４２０号公報参照）を用い、炭素繊維束４本をそれぞれ幅４８ｍｍに開繊して幅方向に並べシート状にした幅１９２ｍｍの開繊炭素繊維シートを２シート作成した。そして、開繊炭素繊維シートを２シート貼り合わせると同時にその間に幅２００ｍｍのＰＡ６樹脂フィルムを挿入し、２８０℃の加熱温度に設定された加熱加圧ロール間を連続走行させ、図１（ｃ）に示すような樹脂層の両面に炭素繊維層が存在する構造にして、両端を連続切断して幅１８０ｍｍのセミプリプレグシート材を作成した。
得られたセミプリプレグシート材は、繊維目付け約４３ｇ／ｍ2及び樹脂目付け約２３ｇ／ｍ2になる。また、含浸状態に
おける厚さは計算上約０．０４４ｍｍとなり、繊維体積含有率は約５５％である。なお、セミプリプレグシート材の含浸状態における厚さ方向の平均繊維本数は、計算上約３．５本となる。得られたセミプリプレグシート材の厚さは、最小表示目盛り０．００１ｍｍの外側マイクロメータ（株式会社ミツトヨ製）を用いて１０カ所を測定し、測定結果の平均値が約０．０７３ｍｍであった。含浸状態における厚さ０．０４４ｍｍの２倍以内であった。なお、１０カ所の測定値の最小値は０．０６０ｍｍで、最大値は０．０８１ｍｍであった。
＜擬似等方補強シート材の製造方法＞ 図５に示す製造装置の１つのシート材供給機構及びシート材切断機構を用いて、擬似等方補強シート材の層状体を作成した。得られた幅１８０ｍｍのセミプリプレグシート材を、繊維方向に沿って幅２５ｍｍに切断し、繊維方向と直交する方向に沿って長さ３０ｍｍに切断してチョップドプリプレグシート材を作成した。セミプリプレグシート材の供給速度は約３４ｍ／分に設定して行い、切断した残りの幅５ｍｍのセミプリプレグシート材は耳部として別に巻き取った。
次に、得られた幅２５ｍｍ×長さ３０ｍｍのチョップドセミプリプレグシート材を金網製の搬送ベルト上に自然落下させて分散させた。搬送ベルトは搬送速度３ｍ／分で走行し、幅４００ｍｍの範囲にチョップドセミプリプレグシート材を分散させた。幅１７５ｍｍのセミプリプレグシート材からチョップドセミプリプレグシート材を加工速度３４ｍ／分で作成して、幅４００ｍｍの擬似等方補強シート材を加工速度３ｍ／分で製造することから、搬送ベルト上に重ね合わされたチョップドセミプリプレグシート材の厚さ方向の平均枚数は約５枚であった。
その後、接着ロールとして、表面に５ｍｍ角凸部を多数形成した加熱ローラを加熱温度２８０℃に設定して、重ね合せた状態のチョップドセミプリプレグシート材を部分的に接着し一体化させ、擬似等方補強シート材を得た。得られた擬似等方補強シート材の目付は、約３３０ｇ／ｍ2であった。
＜擬似等方補強シート材の特性＞ 得られた擬似等方補強シート材は、幅２５ｍｍ×長さ３０ｍｍのチョップドセミプリプレグシート材が接着前の形態を維持したまま二次元方向にランダムに配向しており、厚さ方向の平均枚数が約５枚で積層した層状体となっていた。脱落するチョップドセミプリプレグシート材はなく、張力を付与して３インチ紙管に巻き取ることができた。なお、３インチ紙管に巻き取った状態から擬似等方補強シート材を引き出す際に、チョップドセミプリプレグシート材が外れる等のトラブルはなかった。
[実施例２］ 以下の材料を用いて、擬似等方補強シート材を製造した。＜使用材料＞ 実施例１と同じ材料を用いた。＜セミプリプレグシート材の製造方法＞ 実施例１と同様に製造した。
＜擬似等方補強シート材の製造方法＞ 図４に示す製造装置にて、擬似等方補強シート材を製造した。幅１８０ｍｍのセミプリプレグシート材を、繊維方向に沿って幅５ｍｍに切断し、繊維方向と直交する方向に沿って長さ３０ｍｍに切断してチョップドプリプレグシート材を作成した。セミプリプレグシート材の供給速度は、約７０ｍ／分に設定した。
次に、得られた幅５ｍｍ×長さ３０ｍｍのチョップドセミプリプレグシート材を３つに分配して金網製の搬送ベルト上の３箇所の積層位置に自然落下させて分散させた。搬送ベルトは搬送速度３ｍ／分で走行し、各積層位置において幅４００ｍｍの範囲にチョップドセミプリプレグシート材を分散させた。幅１８０ｍｍのセミプリプレグシート材からチョップドセミプリプレグシート材を加工速度７０ｍ／分で作成して３つに分配し、幅４００ｍｍの擬似等方補強シート材を加工速度２ｍ／分で製造することから、各積層位置においてチョップドセミプリプレグシート材を重ね合せて接着一体化により形成された層状体は厚さ方向の平均枚数は約５．２枚であった。
その後、各積層位置の下流側に設置された接着ロールとして、表面に５ｍｍ角凸部を多数形成した加熱ローラを加熱温度２８０℃に設定して、重ね合せた状態のチョップドセミプリプレグシート材を部分的に接着し一体化させ、擬似等方補強シート材を得た。得られた擬似等方補強シート材の目付は、約１０３０ｇ／ｍ2であった。
＜擬似等方補強シート材の特性＞ 得られた擬似等方補強シート材は、幅５ｍｍ×長さ３０ｍｍのチョップドセミプリプレグシート材が接着前の形態を維持したまま二次元方向にランダムに配向しており、厚さ方向の平均枚数が約５枚の層状体が３層積層して形成されていた。脱落するチョップドセミプリプレグシート材はなく、張力を付与して１２インチ紙管に巻き取ることができた。なお、１２インチ紙管に巻き取った状態から擬似等方補強シート材を引き出す際に、チョップドセミプリプレグシート材が外れる等のトラブルはなかった。
［実施例３］ 以下の材料を用いて、擬似等方補強シート材を製造し、得られた擬似等方補強シート材を用いて板状の成形品を成形した。＜使用材料＞ 実施例１と同じ材料を用いた。＜セミプリプレグシート材の製造方法＞ 実施例１と同様に製造した。＜擬似等方補強シート材の製造方法＞ 実施例２と同様に製造した。
＜擬似等方補強シート材を用いた複合材料成形品の成形方法＞ 幅５ｍｍ×長さ３０ｍｍのチョップドセミプリプレグシート材を二次元方向にランダムに配向して構成されるとともに、厚さ方向の平均枚数が約５．２枚の層状体が３層積層され部分接着にて一体化された擬似等方補強シート材から、１５０ｍｍ角の正方形状のシート片を３枚切り出し、切り出したシート片を厚さ方向に積層した積層物を作成した。得られた積層物を厚さ方向に加熱温度２８０℃及び加圧力２ＭＰａで加熱・加圧し、成形時間を５分間に設定して炭素繊維の間にＰＡ６樹脂を浸透させて含浸状態とした後除々に冷却することで板状体を成形した。
得られた板状成形体は、１５０ｍｍ角で厚さ２．０６ｍｍに成形されており、接着前のチョップドセミプリプレグシート材の炭素繊維の配向状態を維持した良好な品質で成形されていた。
＜板状成形体の流動試験方法＞ 得られた板状成形体から７５ｍｍ角の板状片を切り出し、加熱温度２８０℃に設定された平板状金型にセットして、板状片を接圧にて３分間加熱した後加圧力５ＭＰａで１分間加圧した。加熱・加圧して得られた板状成形体を取り出して、冷却された平板状金型にセットして板状成形体を急冷した。
＜板状成形体の特性＞ ７５ｍｍ角の板状片は、約１２０ｍｍ角の板状成形体に広がるように成形され、加圧による樹脂流動はほぼ均一であった。また、目視で確認したところ、チョップドセミプリプレグシート材の炭素繊維の蛇行等の流動による配向乱れが生じている部分は少なく、全体として板状体の良好な品質状態がほぼ維持されていた。
［実施例４］ 以下の材料を用いて、擬似等方補強シート材を製造し、得られた擬似等方補強シート材を用いて板状の成形品を成形した。＜使用材料＞ 実施例１と同じ材料を用いた。＜セミプリプレグシート材の製造方法＞ 実施例１と同様に製造した。＜擬似等方補強シート材の製造方法＞ 実施例２と同様に製造した。
＜擬似等方補強シート材を用いた複合材料成形品の成形方法＞ 実施例３で用いた層状体が３層積層され部分接着にて一体化された擬似等方補強シート材から、３００ｍｍ角の正方形状のシート片を３枚切り出し、切り出したシート片を厚さ方向に積層した積層物を作成した。得られた積層物を厚さ方向に加熱温度２８０℃及び加圧力２ＭＰａで加熱加圧し、成形時間を５分間に設定して炭素繊維の間にＰＡ６樹脂を浸透させて含浸状態とした後除々に冷却することで板状体を成形した。
得られた板状成形体は、３００ｍｍ角で厚さ２．０６ｍｍで成形されており、接着前のチョップドセミプリプレグシート材の炭素繊維の配向状態を維持した良好な品質で成形されていた。
＜板状成形体の引張試験＞ 得られた板状成形体から、幅２５ｍｍ×長さ２５０ｍｍの短冊形状に切り出した５本の試験片を用いて引張試験を行った。引張試験には、万能材料試験機（株式会社島津製作所製；ＡＵＴＯＧＲＡＰＨ；ロードセル１０トン）を用い、試験片のひずみは、軸伸び計（エムティエスジャパン株式会社製；ゲージ長さ１００ｍｍ）を用いて計測した。
＜板状成形体の引張試験結果＞ ５本の試験片の引張試験の結果、測定値の平均は、破断応力４４５ＭＰａ（標準偏差；３５．０）、破断ひずみ１．２９％（標準偏差；０．０８）、初期弾性率３５．１ＧＰａ（標準偏差；２．６３）であった。後述する比較例２の試験結果と比較して、破断応力、破断ひずみとも値は高く、また標準偏差値は小さい値を示した。このことから、得られた板状成形は、優れた力学特性を備えるとともに力学的特性のバラツキが小さくなっていることが確認された。
[実施例５］ 以下の材料を用いて、擬似等方補強シート材を製造し、得られた擬似等方補強シート材を用いて板状の成形品を成形した。＜使用材料＞ 実施例１と同じ材料を用いた。＜セミプリプレグシート材の製造方法＞ 実施例１と同様に製造した。
＜擬似等方補強シート材の製造方法＞ 図５に示す製造装置の１つのシート材供給機構及びシート材切断機構を用いて、擬似等方補強シート材の層状体を作成した。得られた幅１８０ｍｍのセミプリプレグシート材を、繊維方向に沿って幅５ｍｍに切断し、繊維方向と直交する方向に沿って長さ３０ｍｍに切断してチョップドプリプレグシート材を作成した。セミプリプレグシート材の供給速度は約３４ｍ／分に設定した。
次に、得られた幅５ｍｍ×長さ３０ｍｍのチョップドセミプリプレグシート材を金網製の搬送ベルト上に自然落下させて分散させた。搬送ベルトは搬送速度３ｍ／分で走行し、幅４００ｍｍの範囲にチョップドセミプリプレグシート材を分散させた。幅１８０ｍｍのセミプリプレグシート材からチョップドセミプリプレグシート材を加工速度３４ｍ／分で作成して、幅４００ｍｍの擬似等方補強シート材を加工速度３ｍ／分で製造した。搬送ベルト上に重ね合わされたチョップドセミプリプレグシート材の厚さ方向の平均枚数は約５．１枚であった。
その後、接着ロールとして、表面に５ｍｍ角凸部を多数形成した加熱ローラを加熱温度２８０℃に設定して、重ね合せた状態のチョップドセミプリプレグシート材を部分的に接着し一体化させ、擬似等方補強シート材を得た。得られた擬似等方補強シート材の目付は、約３３７ｇ／ｍ2であった。
＜擬似等方補強シート材を用いた複合材料成形品の成形方法＞ 幅５ｍｍ×長さ３０ｍｍのチョップドセミプリプレグシート材を二次元方向にランダムに配向して構成されるとともに、厚さ方向の平均枚数が約５．１枚の擬似等方補強シート材から１５０ｍｍ角の正方形状のシート片を８枚作成した。また、厚さ２０μｍのＰＡ６樹脂フィルムを５枚重ねて作成した厚さ１００μｍの樹脂シート材から１５０ｍｍ角の正方形状のシート片を切り出して７枚作成した。
そして、作成した擬似等方補強シート材及び樹脂シート材を、擬似等方補強シート材、樹脂シート材、擬似等方補強シート材、樹脂シート材・・・・樹脂シート材、擬似等方補強シート材と交互に積層した積層物を作成した。得られた積層物を厚さ方向に加熱温度２８０℃及び加圧力２ＭＰａで加熱・加圧し、成形時間を５分間に設定して炭素繊維の間にＰＡ６樹脂を浸透させて含浸状態とした後除々に冷却することで板状体を成形した。
得られた板状成形体は、１５０ｍｍ角で厚さ２．５ｍｍに成形されており、チョップドセミプリプレグシート材の炭素繊維の配向状態を維持した良好な品質で成形されていた。なお、得られた板状成形体は、繊維体積含有率５５％のセミプリプレグシートを使用しているが、板全体としては繊維体積含有
率（Ｖｆ）が計算上、約４０％となっている。
＜板状成形体の流動試験方法と断面観察＞ 実施例３と同様な方法により流動試験を実施した。また、得られた板状成形体から７５ｍｍ角の板状片を切り出し、その断面をデジタルマイクロスコープ（株式会社キーエンス製；ＶＨＸ−５０００）で観察した。
＜板状成形体の特性＞ ７５ｍｍ角の板状片は、約１４０ｍｍ角の板状成形体に広がるように成形され、加圧による樹脂流動はほぼ均一であった。また、目視で確認したところ、チョップドセミプリプレグシート材の炭素繊維の蛇行等の流動による配向乱れが生じている部分は少なく、全体として板状体の良好な品質状態がほぼ維持されていた。
また、板状成形体の断面を観察したところ、疑似等方補強シート材に対応する層の間に、樹脂のみからなる層状部分や層状の樹脂リッチ部分といった樹脂層部分が存在していることが確認できた。こうした樹脂層部分の存在によって、板状成形体を成形する際に、流動性が向上したものと考えられる。
［比較例１］ 以下の材料を用いて、複合材料成形品を成形した。＜使用材料＞ 実施例１と同じ材料を用いた。＜セミプリプレグシート材の製造方法＞ 実施例１と同様に製造した。
＜チョップドセミプリプレグシート材を用いた複合材料成形品の成形方法＞ 幅１８０ｍｍのセミプリプレグシート材を、繊維方向に沿って幅５ｍｍに切断し、繊維方向と直交する方向に沿って長さ３０ｍｍに切断してチョップドプリプレグシート材を作成した。
約６６ｇのチョップドセミプリプレグシート材を１５０ｍｍ角の正方形状の金型内に自然落下で分散させながら一度に投入し、積層物を作成した。作成された積層物を加熱温度２８０℃及び加圧力２ＭＰａで加熱・加圧し、成形時間を５分間に設定して炭素繊維の間にＰＡ６樹脂が浸透した含浸状態とした後徐々に冷却することで、１５０ｍｍ角で厚さ２ｍｍの板状体を成形した。
＜板状成形体の流動試験方法＞ 実施例３と同様に、得られた板状成形体から７５ｍｍ角の板状片を切り出し、加熱温度２８０℃に設定された平板状金型にセットして、板状片を接圧にて３分間加熱した後加圧力５ＭＰａで１分間加圧した。加熱・加圧して得られた板状成形体を取り出して、冷却された平板状金型にセットして板状成形体を急冷した。
＜板状成形体の特性＞ ７５ｍｍ角の板状片は、横約１３０ｍｍ×縦約１２０ｍｍの長方形状の板状成形体に広がるように成形された。板状成形体では加圧による樹脂流動が不均一で、流動し易い方向に多くの炭素繊維が流れたため、流動による炭素繊維の蛇行が多く生じており、チョップドセミプリプレグシート材の形態が崩れていることを目視で確認した。
［比較例２］ 以下の材料を用いて、複合材料成形品を成形した。＜使用材料＞ 実施例１と同じ材料を用いた。＜セミプリプレグシート材の製造方法＞ 実施例１と同様に製造した。
＜チョップドセミプリプレグシート材を用いた複合材料成形品の成形方法＞ 幅１８０ｍｍのセミプリプレグシート材を、繊維方向に沿って幅５ｍｍに切断し、繊維方向と直交する方向に沿って長さ３０ｍｍに切断してチョップドプリプレグシート材を作成した。
約６６ｇのチョップドセミプリプレグシート材を３００ｍｍ角の正方形状の金型内に自然落下で分散させながら一度に投入し、積層物を作成した。作成された積層物を加熱温度２８０℃及び加圧力２ＭＰａで加熱加圧し、成形時間を５分間に設定して炭素繊維の間にＰＡ６樹脂が浸透した含浸状態とした後徐々に冷却することで、３００ｍｍ角で厚さ１．９７ｍｍの板状成形体を成形した。
＜板状成形品の引張試験＞ 得られた板状成形について、実施例４と同様の引張試験を行った。
＜板状成形品の引張試験結果＞ ５本の試験片の引張試験の結果、測定値の平均は、破断応力３２０ＭＰａ（標準偏差；９４．２）、破断ひずみ０．８７％（標準偏差；０．１４）、初期弾性率３８．４ＧＰａ（標準偏差；８．０９）であった。破断応力及び破断ひずみは低い値となっており、また標準偏差の値により示されるように、同じ板状成形体から試験片を切り出したにもかかわらず、試験結果は大きくばらついている。
Ｃ・・・チョップドセミプリプレグシート材、Ｍ、Ｍ１〜Ｍ３・・・層状体、Ｓ・・・セミプリプレグシート材、Ｔ、Ｔ’・・・擬似等方補強シート材、１・・・シート材供給機構、２・・・シート材切断機構、３・・・チョップ材搬送機構、４・・・シート一体化機構、５・・・シート巻取機構、６・・・縦方向切断部、７・・・横方向切断部、８〜１０・・・分配コンベヤ、１１・・・搬送コンベヤ、１２・・・搬送ベルト、１３〜１５・・・接着ロール

Claims (16)

  1. 強化繊維材料及び熱可塑性樹脂材料からなるとともに熱可塑性樹脂材料が未含浸状態に設定されている複数のチョップドセミプリプレグシート材を一体化して実質的に形成されている擬似等方補強シート材であって、前記チョップドセミプリプレグシート材は、厚さ方向の平均繊維本数が２本〜１０本の範囲に設定されているとともに厚さｔが含浸状態における厚さｔpに対してｔp＜ｔ≦２×ｔpの範囲に設定されており、複数の前記チョップドセミプリプレグシート材を前記強化繊維材料の繊維方向が二次元方向にランダムに配向するとともに厚さ方向の平均枚数が２枚〜１０枚の範囲となるように重ね合せた状態で接着一体化された層状体を備えている擬似等方補強シート材。
  2. 前記チョップドセミプリプレグシート材は、含浸状態における繊維体積含有率が３０％〜７０％の範囲に設定されている請求項１に記載の擬似等方補強シート材。
  3. 前記チョップドセミプリプレグシート材は、前記熱可塑性樹脂材料の熱融着により互いに部分的に接着している請求項１又は２に記載の擬似等方補強シート材。
  4. 複数の前記層状体を積層一体化している請求項１から３のいずれかに記載の擬似等方補強シート材。
  5. 前記層状体は、内部における前記チョップドセミプリプレグシート材の接着状態が互いに異なっている請求項４に記載の擬似等方補強シート材。
  6. 隣接する前記層状体の間には、少なくとも一部に樹脂層部分が形成されている請求項４又は５に記載の疑似等方補強シート材。
  7. 請求項１から６のいずれかに記載された擬似等方補強シート材を加熱加圧して形成された層を備えている複合材料成形品。
  8. 複数の前記擬似等方補強シート材を加熱加圧して形成された層の間には、少なくとも一部に樹脂層部分が形成されている請求項７に記載の複合材料成形品。
  9. 強化繊維材料及び熱可塑性樹脂材料からなるとともに熱可塑性樹脂材料が未含浸状態に設定されているセミプリプレグシート材を用いた擬似等方補強シート材の製造方法であって、厚さ方向の平均繊維本数が２本〜１０本の範囲に設定されているとともに厚さｔが含浸状態における厚さｔpに対してｔp＜ｔ≦２×ｔpの範囲に設定されている前記セミプリプレグシート材を所要幅及び長さで切断してチョップドセミプリプレグシート材を形成する切断工程と、複数の前記チョップドセミプリプレグシート材を前記強化繊維材料の繊維方向が二次元方向にランダムに配向するとともに厚さ方向の平均枚数が２枚〜１０枚の範囲となるように重ね合せた状態で接着一体化して層状体を形成する一体化工程とを備えている擬似等方補強シート材の製造方法。
  10. 前記セミプリプレグシート材は、含浸状態における繊維体積含有率が３０％〜７０％の範囲に設定されている請求項９に記載の擬似等方補強シート材の製造方法。
  11. 前記一体化工程では、前記チョップドセミプリプレグシート材を重ね合せて前記熱可塑性樹脂材料の熱融着により互いに部分的に接着させることで前記層状体を形成する請求項９又は１０に記載の擬似等方補強シート材の製造方法。
  12. 前記一体化工程は、複数の前記層状体を積層一体化する請求項９から１１のいずれかに記載の擬似等方補強シート材の製造方法。
  13. 前記一体化工程では、形成された前記層状体上に前記チョップドセミプリプレグシート材を前記強化繊維材料の繊維方向が二次元方向にランダムに配向するように重ね合せて次の前記層状体を形成することで複数の前記層状体を順次積層一体化する請求項１２に記載の擬似等方補強シート材の製造方法。
  14. 前記一体化工程では、隣接する前記層状体の間の少なくとも一部に樹脂材料を層状に配置して積層一体化する請求項１２又は１３に記載の疑似等方補強シート材の製造方法。
  15. 請求項９から１４のいずれかに記載の製造方法により得られた擬似等方補強シート材を１枚又は複数枚積層した後加熱加圧することで一体化して成形する複合材料成形品の成形方法。
  16. 積層された複数枚の前記擬似等方補強シート材の間の少なくとも一部に樹脂材料を層状に配置して積層一体化する請求項１５に記載の複合材料成形品の成形方法。
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