JP2016101691A - 繊維強化複合材および繊維強化複合材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】繊維強化プリフォームから、基材部と基材部と一体形成され、基材部よりも物理的強度の低い衝撃吸収部とを備えることができる繊維強化複合材およびその製造方法の提供の提供にある。【解決手段】繊維強化プリフォームにマトリクス樹脂を含浸させることにより形成される繊維強化複合材１０において、基材部１１と、基材部１１と一体形成され、基材部１１よりも物理的強度の低い衝撃吸収部１２と、を備え、衝撃吸収部１２は、繊維強化プリフォームに予め含ませた発泡剤の発泡により形成される多数の空孔１３を有する。【選択図】 図２

Description

この発明は、繊維強化複合材および繊維強化複合材の製造方法に関し、特に、繊維強化プリフォームを成形することにより形成される繊維強化複合材および繊維強化複合材の製造方法に関する。

従来の繊維強化複合材に関する従来技術としては、例えば、特許文献１に開示された繊維強化複合材料の製造方法を挙げることができる。特許文献１には、繊維強化複合材料本体と、繊維強化複合材料本体よりも強度が低い脆弱性繊維強化複合材料を備える繊維強化複合材料が開示されている。この繊維強化複合材料本体は、デバルク温度下でプリプレグにバック圧をかけ、所定の含浸温度下で所定の含浸時間保持する含浸工程と、所定の硬化温度で所定の硬化時間保持する硬化工程を経て製造される。また、脆弱性繊維強化複合材料は、繊維強化複合材料本体を製造する際に含浸工程を省いて製造される。

特開２００８−２０１０４１号公報

しかしながら、特許文献１に開示された繊維強化複合材料は、樹脂を予め含浸し適度に半硬化させたプリプレグから製造される繊維強化複合材料であり、その製造方法は、繊維強化複合材料を含む繊維強化プリフォームに対して適用することができない。そして、基材部と、前記基材部と一体形成され前記基材部よりも物理的強度の低い衝撃吸収部とを備える繊維強化複合材を繊維強化プリフォームから製造することが望まれている。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、繊維強化複合材料を含む繊維強化プリフォームから、基材部と、前記基材部と一体形成され前記基材部よりも物理的強度の低い衝撃吸収部とを備えた繊維強化複合材および繊維強化複合材の製造方法の提供にある。

上記の課題を解決するために、本発明は、繊維強化プリフォームにマトリクス樹脂を含浸させることにより形成される繊維強化複合材において、基材部と、前記基材部と一体形成され、前記基材部よりも物理的強度の低い衝撃吸収部と、を備え、前記衝撃吸収部は、前記繊維強化プリフォームに予め含ませた発泡剤の発泡により形成された多数の空孔を有することを特徴とする。「強化繊維」とは、複合材の強化のために使用される繊維のことである。また、「発泡剤」とは、成形中の繊維強化プリフォームにおいて気泡を生じさせて繊維強化複合材に空孔を形成する材料である。

本発明によれば、繊維強化複合材は、繊維強化プリフォームにマトリクス樹脂を含浸させることにより形成される。繊維強化複合材は、基材部と、基材部と一体形成され、基材部よりも物理的強度の低い衝撃吸収部と、を備える。衝撃吸収部には繊維強化プリフォームに予め含ませた発泡剤の発泡により形成された多数の空孔が存在し、衝撃吸収部は変形して衝突時などにおける衝撃エネルギーを吸収することができる。

また、上記の繊維強化複合材において、前記衝撃吸収部は、衝撃が作用する衝撃作用端を備え、前記衝撃作用端から前記基材部へ向かうにつれて空孔率が低下するように形成されていることを特徴とする構成としてもよい。
この場合、衝撃作用端から基材部へ向かうにつれて衝撃吸収部における脆弱性を小さくすることができる。このため、衝撃作用端から衝撃を受けた場合に、衝撃作用端が衝撃による変形の起点とすることができ、衝撃エネルギーを十分に吸収することができるとともに、衝撃による基材部の破損を防止又は抑制することができる。

また、上記の繊維強化複合材において、前記発泡剤は、前記繊維強化プリフォームが備える繊維の表面にコーティング又は粒子付着され、前記空孔は、前記マトリクス樹脂の加熱に伴う前記発泡剤の発泡により形成された構成としてもよい。
この場合、ペースト状又は粉末状の発泡剤を繊維強化プリフォーム中に適切に存在させることができ、繊維強化複合材において適切な衝撃吸収部を形成することができる。

また、本発明は、基材部と、前記基材部と一体形成され、前記基材部よりも物理的強度の低い衝撃吸収部と、を備える繊維強化複合材の製造方法であって、繊維強化プリフォームの前記衝撃吸収部に対応する衝撃吸収部予定部に発泡剤を予め含有させ、前記繊維強化プリフォームにマトリクス樹脂を含浸させるとともに、前記マトリクス樹脂の加熱により前記発泡剤を発泡させて空孔を形成し、前記基材と前記衝撃吸収部とを形成することを特徴とする。

本発明によれば、基材部と一体形成され、基材部よりも物理的強度の低い衝撃吸収部と、を備える繊維強化複合材を繊維強化プリフォームから得ることができる。衝撃吸収部には繊維強化プリフォームに予め含ませた発泡剤の発泡により形成された多数の空孔が存在し、衝撃吸収部は衝突時などにおける衝突エネルギーを吸収することができる。

本発明によれば、繊維強化プリフォームから、基材部と、前記基材部と一体形成され前記基材部よりも物理的強度の低い衝撃吸収部とを備えた繊維強化複合材および繊維強化複合材の製造方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係る繊維強化複合材を示す斜視図である。 （ａ）は繊維強化複合材における衝撃吸収部の空孔を模式的に示す縦断面であり、（ｂ）衝撃吸収部における単位体積当たりの空孔数を示すグラフ図である。 繊維強化複合材の製造工程の一例を示す説明図である。

以下、本発明の実施形態に係る繊維強化複合材および繊維強化複合材の製造方法について図面を参照して説明する。本実施形態の繊維強化複合材は、例えば、車両における衝撃吸収用の構造部材（衝撃吸収体）として用いられる。

図１に示す角材状の繊維強化複合材１０は、基材部１１と、基材部１１と一体形成され、基材部１１よりも物理的強度の低い衝撃吸収部１２とを備える。基材部１１は、繊維強化プリフォーム１５にマトリクス樹脂を含浸させ、マトリクス樹脂を含浸させた繊維強化プリフォーム１５を成形することにより形成される（図３を参照）。繊維強化プリフォーム１５は、炭素繊維又はガラス繊維を用いた繊維基材を積層して立体形状を成し、所望の形状に賦形されたものである。マトリクス樹脂（図示せず）は、繊維強化プリフォーム１５に含浸される樹脂であり、例えば、熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂が用いられる。基材部１１は、繊維強化複合材１０として要求される十分な物理的強度を有する部位である。

衝撃吸収部１２は、図２（ａ）に示すように、内部に多数の空孔１３を有しており、基材部１１と比べて物理的強度の低い部位である。衝撃吸収部１２は、繊維強化複合材１０の端部となる衝撃作用端１４を備えている。衝撃作用端１４は、衝撃吸収部１２において基材部１１の反対に位置し、衝撃が入力される端部である。衝撃吸収部１２の内部に存在する多数の空孔１３は、繊維強化複合材１０の製造時における発泡剤１８の発泡により形成されている（図３を参照）。本実施形態の衝撃吸収部１２は、図２（ｂ）に示すように、衝撃作用端１４から基材部１１へ向かうにつれて空孔率（単位体積当たりの空孔数）が低下するように形成されている。このため、衝撃吸収部１２の強度は、衝撃作用端１４から基材部１１へ向かうにつれて大きくなる。なお、図１、図２（ａ）および図３では、説明の便宜上、基材部１１と衝撃吸収部１２との境界を明示したが、実際には、基材部１１と衝撃吸収部１２との境界は明示されるものではない。

次に、繊維強化複合材１０の製造方法について説明する。図３に示すように、本実施形態の繊維強化複合材１０の製造方法は、繊維強化プリフォーム１５を製作する工程と、繊維強化プリフォーム１５にマトリクス樹脂を含浸させる工程とを有する。繊維強化プリフォーム１５を製作する工程では、炭素繊維又はガラス繊維を用いた繊維基材１６を積層し、多数の繊維基材１６の積層により形成される繊維基材積層体１７を賦形することにより繊維強化プリフォーム１５が得られる。繊維基材１６は、例えば、炭素繊維又はガラス繊維の糸により織製された織布を用いる。

本実施形態では、繊維基材１６の積層に先立って繊維基材１６の表面の一部には、コーティング又は粒子付着により発泡剤１８を含有させる。繊維基材１６において発泡剤１８を包含させる部位は、繊維強化複合材１０において衝撃吸収部１２に対応する部位である。繊維基材１６において繊維強化複合材１０の基材部１１に対応する部位については発泡剤１８を含有させないようにする。「発泡剤」とは、成形中の繊維強化プリフォーム１５において気泡を生じさせて繊維強化複合材１０に空孔１３を形成する材料である。発泡剤１８は熱分解により気体を生じる発泡剤であり、例えば、セルマイク（登録商標、三協化成株式会社製熱分解型発泡剤）を用いている。本実施形態では、繊維強化複合材１０において衝撃吸収部１２の衝撃作用端１４から基材部１１へ向かうにつれて空孔率が低下するように、繊維基材１６に発泡剤１８がコーティング又は粒子付着される。つまり、発泡剤１８の繊維基材１６に対する分布密度は異なっている。例えば、繊維基材１６において衝撃吸収部１２の衝撃作用端１４に対応する部位に対しては発泡剤１８を厚く形成し、基材部１１に対応する部位へ向かうにつれて発泡剤１８を薄く形成すれば、発泡剤１８の繊維基材１６に対する分布密度は異なるようになる。特に、コーティングの場合には、溶剤を用いて発泡剤１８をペースト状にすることにより、発泡剤１８の分布密度の差を設定し易くすることが可能となる。繊維強化複合材１０における空孔１３の大きさや空孔数は、衝撃吸収部１２に要求される脆弱化度に応じて適宜設定される。

次に、多数の繊維基材１６の積層により形成される繊維基材積層体１７を賦形して繊維強化プリフォーム１５を得る。繊維強化プリフォーム１５には、図３に示すように、繊維強化複合材１０における基材部１１に対応する基材部予定部１９と、繊維強化複合材１０における衝撃吸収部１２に対応する衝撃吸収部予定部２０を備える。衝撃吸収部予定部２０は、衝撃作用端１４に対応する衝撃作用端予定端２１を備える。繊維強化プリフォーム１５では、衝撃吸収部予定部２０の衝撃作用端予定端２１から基材部予定部１９へ向かうにつれて単位体積当たりの発泡剤１８の密度が減少するように、発泡剤１８が予め含有されている。従って、衝撃吸収部予定部２０における衝撃作用端予定端２１から基材部予定部１９へ至る間において発泡剤１８の分布に差が存在する。

次に、繊維強化プリフォーム１５に液体のマトリクス樹脂（図示せず）を含浸して、その後、マトリクス樹脂を熱硬化性樹脂の場合には硬化して成形品としての繊維強化複合材１０を得る。繊維強化プリフォーム１５を成形する成形方法としては、レジン・トランスファー・モールディング法（ＲＴＭ法）や熱プレス成形法などが挙げられる。これらの成形方法は、いずれもマトリクス樹脂を含浸していない強化繊維によって製作されるドライプリフォームとしての繊維強化プリフォーム１５を使用することを特徴としている。従って、繊維強化プリフォーム１５は、樹脂を予め含浸し適度に半硬化させたプリプレグとは異なる。なお、マトリクス樹脂としては、例えば、熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂を用いることができる。ＲＴＭ法により繊維強化複合材１０を製造する場合、具体的には、繊維強化複合材１０と近い形状に加工した繊維強化プリフォーム１５を予め作製し、繊維強化プリフォーム１５を型内に配置してマトリクス樹脂を注入する。繊維強化プリフォーム１５へのマトリクス樹脂の含浸、熱硬化性樹脂の場合には硬化を行う成形時には、繊維強化プリフォーム１５は加熱される。繊維強化プリフォーム１５が加熱されることにより、発泡剤１８が熱分解により気体を生じる。発泡剤１８からの気体発生により、繊維強化プリフォーム１５は成形されると同時に内部に多数の空孔１３が形成される。なお、マトリクス樹脂が熱可塑性樹脂である場合は、溶融時の加熱により発泡剤を発泡させる。

繊維強化プリフォーム１５の成形により繊維強化複合材１０が得られる。繊維強化複合材１０は、基材部１１と、基材部１１と一体形成され、基材部１１よりも物理的強度の低い衝撃吸収部１２とを備える。衝撃吸収部１２は、内部に多数の空孔１３を有しており、基材部１１と比べて物理的強度が低い。衝撃吸収部１２は、衝撃作用端１４から基材部１１へ向かうにつれて空孔率が低下するように形成されている。このため、衝撃吸収部１２の強度は、衝撃作用端１４から基材部１１へ向かうにつれて大きくなる。

本実施形態では、衝撃吸収部１２の衝撃作用端１４に近い部位は、衝撃吸収部１２の基材部１１に近い部位と比較して空孔率が高いため、物理的強度が低く大きく変形し易い。衝撃吸収部１２は衝撃作用端１４から基材部１１へ向かうにつれて変形し難くなっている。従って、繊維強化複合材１０の衝撃作用端１４に基材部１１へ向かう衝撃が入力されたとき、衝撃吸収部１２の衝撃作用端１４に近い部位は、大きく変形して衝撃のエネルギーを吸収する。また、基材部１１は衝撃吸収部１２の衝撃作用端１４に衝撃が入力されても衝撃による損傷を受け難い。

本実施形態の繊維強化複合材１０および繊維強化複合材１０の製造方法によれば以下の作用効果を奏する。
（１）繊維強化複合材１０は、繊維強化プリフォーム１５にマトリクス樹脂を含浸させて熱硬化性樹脂の場合には硬化させることにより形成される。繊維強化複合材１０は、基材部１１と、基材部１１と一体形成され、基材部１１よりも物理的強度の低い衝撃吸収部１２と、を備える。衝撃吸収部１２には繊維強化プリフォーム１５に予め含ませた発泡剤１８の発泡により形成された多数の空孔１３が存在し、衝撃吸収部１２は変形して衝突時などにおける衝撃エネルギーを吸収することができる。

（２）衝撃作用端１４から基材部１１へ向かうにつれて衝撃吸収部１２における脆弱性を小さくすることができる。衝撃作用端１４から基材部１１へ向かう衝撃を受けた場合に、衝撃作用端１４が衝撃による変形の起点とすることができ、衝撃エネルギーを十分に吸収することができるとともに、衝撃による基材部１１の破損を防止又は抑制することができる。

（３）発泡剤１８は、繊維強化プリフォーム１５が備える繊維の表面にコーティング又は粒子付着され、多数の空孔１３は、マトリクス樹脂の熱硬化性樹脂の場合には硬化時の加熱、熱可塑性樹脂である場合には溶融時の加熱により形成される。このため、液状又は粉末状の発泡剤１８を繊維強化プリフォーム１５中に適切に存在させることができ、適切な衝撃吸収部１２を形成することができる。

（４）基材部１１と、基材部１１と一体形成され、基材部１１よりも物理的強度の低い衝撃吸収部１２と、を備える繊維強化複合材１０を繊維強化プリフォーム１５から得ることができる。繊維強化プリフォーム１５を成形することにより衝撃吸収部１２を基材部１１と同時に得ることができる。このため、成形後の加工等により衝撃吸収部１２を設ける必要がなく、繊維強化複合材１０の製作コストを低減することができる。繊維強化複合材１０は、例えば、車両における衝撃吸収用の構造部材（衝撃吸収体）としてのクラッシュボックスに好適である。

本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく発明の趣旨の範囲内で種々の変更が可能であり、例えば、次のように変更してもよい。

○ 上記の実施形態では、強化繊維複合材の形状を角柱体としたが、強化繊維複合材の形状については、特に制限はない。強化繊維複合材は、基材部およびこの基材部と一体形成される衝撃吸収部を備える形状であればよく、衝撃吸収部に衝撃作用端が設けられていればよい。
○ 上記の実施形態では、衝撃吸収部の衝撃作用端から基材部へ向かうにつれて空孔率が低下するように衝撃吸収部を形成したがこの限りではない。例えば、衝撃吸収部において空孔率が一定であってもよい。また、衝撃作用端から基材部へ向かうにつれて空孔率の低下は一定に限らない。
○ 上記の実施形態では、発泡剤として熱分解型発泡剤を用いたがこの限りではない。例えば、起泡剤と反応することにより発泡を行う発泡剤を用いてもよい。
○ 上記の実施形態では、発泡剤を繊維基材においてコーティング又は粒子付着させるようにしたがこの限りではない。例えば、発泡剤を混ぜた樹脂を繊維状にして繊維基材となる繊維糸に繊維状の発泡剤を混ぜ込むようにしてもよい。
○ 上記の実施形態では、マトリクス樹脂として熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂を用いたが、マトリクス樹脂はエポキシ樹脂に限定されない。マトリクス樹脂は、例えば、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂を用いてもよい。また、熱硬化性樹脂に代えて熱可塑性樹脂をマトリクス樹脂として用いてもよい。熱可塑性樹脂としては、ポリアミド、ポリブチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド樹脂、あるいはＡＢＳ樹脂等を使用してもよい。

１０ 繊維強化複合材
１１ 基材部
１２ 衝撃吸収部
１３ 空孔
１４ 衝撃作用端
１５ 繊維強化プリフォーム
１６ 繊維基材
１７ 繊維基材積層体
１８ 発泡剤
１９ 基材部予定部
２０ 衝撃吸収部予定部
２１ 衝撃作用端予定端

Claims (4)

1. 繊維強化プリフォームにマトリクス樹脂を含浸させることにより形成される繊維強化複合材において、
   基材部と、前記基材部と一体形成され、前記基材部よりも物理的強度の低い衝撃吸収部と、を備え、
   前記衝撃吸収部は、前記繊維強化プリフォームに予め含ませた発泡剤の発泡により形成された多数の空孔を有することを特徴とする繊維強化複合材。
2. 前記衝撃吸収部は、衝撃が作用する衝撃作用端を備え、
   前記衝撃作用端から前記基材部へ向かうにつれて空孔率が低下するように形成されていることを特徴とする請求項１記載の繊維強化複合材。
3. 前記発泡剤は、前記繊維強化プリフォームが備える繊維の表面にコーティング又は粒子付着され、
   前記空孔は、前記マトリクス樹脂の加熱に伴う前記発泡剤の発泡により形成されたことを特徴とする請求項１又は２記載の繊維強化複合材。
4. 基材部と、前記基材部と一体形成され、前記基材部よりも物理的強度の低い衝撃吸収部と、を備える繊維強化複合材の製造方法であって、
   繊維強化プリフォームの前記衝撃吸収部に対応する衝撃吸収部予定部に発泡剤を予め含有させ、
   前記繊維強化プリフォームにマトリクス樹脂を含浸させるとともに、前記マトリクス樹脂の加熱により前記発泡剤を発泡させて空孔を形成し、
   前記基材と前記衝撃吸収部とを形成することを特徴とする繊維強化複合材の製造方法。

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