JP2017115255A - 繊維強化複合材用の織物及び繊維強化複合材 - Google Patents

Abstract

【課題】厚みが連続的に変化する部分の強度低下を抑えることができる織物及び繊維強化複合材を提供すること。【解決手段】繊維強化複合材１０の強化基材としての積層織物１１は、経糸２１及び緯糸３１を有する織物２０を積層して構成されている。織物２０において、経糸２１は、糸長手方向に沿って糸の太さが徐変する太さ徐変部２２を一端部寄りに備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、経糸及び緯糸を有する織物を強化基材とした繊維強化複合材用の織物、及び織物を強化基材とした繊維強化複合材に関する。

繊維強化複合材は軽量の構造材料として広く使用されている。繊維強化複合材用の強化基材にマトリックス樹脂を含浸させた繊維強化複合材はロケット、航空機、自動車、船舶及び建築物の構造材として用いられている。また、繊維強化複合材では、使用される形状に合わせて厚みを変化させたものがある。繊維強化複合材は、強化基材の形状に沿ってマトリックス樹脂が含浸しているため、繊維強化複合材の厚みの変化に合わせて強化基材も厚みが変化している。

このような強化基材としては、例えば、特許文献１に開示の繊維積層体が挙げられる。図６に示すように、繊維積層体８０は、複数枚のシート状補強繊維８１を積み重ねて構成されている。この繊維積層体８０は、複数枚のシート状補強繊維８１を積み重ねて一様な厚みとされたベース８２と、複数枚のシート状補強繊維８１が端部を階段状にずらして積み重ねられた中間部８３と、ベース８２及び中間部８３の表面全体を覆う表層部８４と、を有する。この繊維積層体８０では、中間部８３で複数のシート状補強繊維８１の端部をずらすことで、繊維積層体８０の厚みを徐変させている。

実開平４−５３０号公報

ところが、強化基材において、特許文献１のように厚みを徐変させるために、各繊維層の端部をずらして積層すると、厚みが徐変する部分では、厚み方向に重なった繊維層の枚数が異なり、階段状になる。その結果、繊維積層体にマトリックス樹脂を含浸させた繊維強化複合材において、階段状の部分には、繊維層の端部付近にマトリックス樹脂のみが存在する樹脂リッチな部分が形成されてしまい、樹脂リッチな部分によって繊維強化複合材の強度が低下してしまう。

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、厚みが連続的に変化する部分の強度低下を抑えることができる織物及び繊維強化複合材を提供することにある。

上記問題点を解決するための繊維強化複合材用の織物は、経糸及び緯糸を有する織物を強化基材とした繊維強化複合材用の織物であって、前記経糸及び前記緯糸の少なくとも一方は、糸長手方向に沿って糸の太さが徐変する太さ徐変部を備えていることを要旨とする。

これによれば、織物において、厚みの徐変する部位は、太さ徐変部によって形成されている。このため、織物を強化基材とした繊維強化複合材では、太さ徐変部に合わせて厚みが徐変しており、織物の糸そのものの太さの変化によって厚みを徐変させることができる。その結果、繊維強化複合材において、厚みを徐変させるために、複数の繊維層を端部をずらして積層する必要がなく、複数の繊維層の端部が階段状に配置されることもない。よって、繊維強化複合材において、厚みが徐変する部分に樹脂リッチな部分が形成されることがなく、厚みが徐変する部分での強度低下を抑えることができる。

また、繊維強化複合材用の織物について、前記強化基材は、複数の前記織物を、該織物の厚み方向に積層して構成されていてもよい。
これによれば、織物の積層枚数を調節することで、強化基材の厚みを繊維強化複合材の所望する厚みに合わせることができる。

また、繊維強化複合材用の織物について、前記経糸又は前記緯糸が前記太さ徐変部を有していてもよい。
これによれば、太さ徐変部を備える糸の糸長手方向において、糸の太さが太くなる方向への力学的特性を高めることができる。

また、繊維強化複合材用の織物について、前記経糸及び前記緯糸が前記太さ徐変部を有していてもよい。
これによれば、経糸の糸長手方向、及び緯糸の糸長手方向の両方向において、太さ徐変部によって強化基材の厚みを徐変させることができる。

また、繊維強化複合材用の織物について、前記太さ徐変部を備える糸は、非連続繊維製であってもよい。
これによれば、非連続繊維の繊維束から糸を紡出する際に、紡出する糸の引き延ばし方（ドラフト量）を連続的に制御することで、糸に太さ徐変部を簡単に形成することができる。よって、太さ徐変部を備える糸を用いて、厚み徐変部を備える織物を簡単に形成することができる。

上記問題点を解決するための繊維強化複合材は、経糸及び緯糸を有する織物製の強化基材にマトリックス樹脂を含浸させた繊維強化複合材であって、前記織物が請求項１〜請求項５のうちいずれか一項に記載の繊維強化複合材用の織物であることを要旨とする。

これによれば、織物において、太さ徐変部で構成された部位は、太さ徐変部によって厚みが徐変している。このため、織物を強化基材とした繊維強化複合材では、太さ徐変部に合わせて厚みが徐変しており、織物の糸そのものの太さの変化によって厚みを徐変させることができる。その結果、繊維強化複合材において、厚みを徐変させるために、複数の繊維層を端部をずらして積層する必要がなく、複数の繊維層の端部が階段状に配置されることもない。よって、繊維強化複合材において、厚みが徐変する部分に樹脂リッチな部分が形成されることがなく、厚みが徐変する部分での強度低下を抑えることができる。

本発明によれば、厚みが連続的に変化する部分の強度低下を抑えることができる。

第１の実施形態の繊維強化複合材を示す側断面図。 第１の実施形態の織物を示す斜視図。 第１の実施形態の織物を示す平面図。 第２の実施形態の繊維強化複合材を示す斜視図。 第２の実施形態の織物を示す平面図。 背景技術を示す断面図。

（第１の実施形態）
以下、繊維強化複合材用の織物及び繊維強化複合材を具体化した第１の実施形態を図１〜図３にしたがって説明する。

図１に示すように、繊維強化複合材１０は、強化基材としての積層織物１１にマトリックス樹脂Ｍａを含浸させて形成されたものである。積層織物１１は、織物２０を三枚積層して構成されている。

図２又は図３に示すように、各織物２０は、複数の経糸２１と、複数の緯糸３１とを組み合わせたものであり、平面視四角形状である。経糸２１及び緯糸３１は、非連続繊維１１ａを紡出して形成されている。なお、経糸２１及び緯糸３１は、炭素繊維製であるが、ガラス繊維製や樹脂繊維製であってもよい。

経糸２１は、織物２０の第１方向Ｘに複数配列されている。複数の経糸２１は互いに平行である。経糸２１は、第１方向Ｘに直交した第２方向Ｙに糸長手方向が延びる。織物２０は、経糸２１の糸長手方向の一端部が位置する縁部に、それら経糸２１の一端部が揃って構成された第１縁部２０ａを備え、経糸２１の糸長手方向の他端部が位置する縁部に、それら経糸２１の他端部が揃って構成された第２縁部２０ｂを備える。また、織物２０は、緯糸３１の糸長手方向の一端部が位置する縁部に、それら緯糸３１の一端部が揃って構成された第３縁部２０ｃを備え、緯糸３１の糸長手方向の他端部が位置する縁部に、緯糸３１の他端部が揃って構成された第４縁部２０ｄを備える。

経糸２１は、糸長手方向の一端部寄りに、太さ徐変部２２を備え、太さ徐変部２２は繊維強化複合材１０の厚み徐変部１２の長さに応じた長さを有する。太さ徐変部２２は、糸長手方向に沿って一端部から他端部に向かうに従い徐々に太くなる。また、経糸２１は、糸長手方向に沿って太さが一定の基準部２３を備える。基準部２３は、経糸２１における基準太さの部位であり、太さ徐変部２２より太い部位である。したがって、経糸２１は、糸長手方向に沿って一端部から他端部に向かうに従い、太さ徐変部２２で太さが徐々に太くなった後、基準部２３で太さが一定となる。

経糸２１は、図示しない特殊糸製造装置を用い、非連続繊維１１ａ製の繊維束から製造される。なお、繊維束は、非連続繊維１１ａを一定の太さに引き揃えた材料である。特殊糸製造装置は、基本的にリング精紡機と同じに構成されている。特殊糸製造装置は、フロントローラとバックローラを備える。それらフロントローラとバックローラはそれぞれ別々の可変速モータによって駆動され、フロントローラとバックローラの周速度を変更することで所望するドラフト倍率が得られる。

そして、繊維束から経糸２１を紡出し、ボビンに巻き取っていく際に太さ徐変部２２を製造するには、バックローラの周速度を一定とした状態で、それよりフロントローラの周速度を連続的に速くすることで、フロントローラを通過した経糸２１の太さが、バックローラを通過した時点での太さより徐々に細くなる。

すると、紡出方向における下流側に向かうほど、紡出される糸の太さが徐々に細くなるように、繊維束の非連続繊維１１ａが引き延ばされることで、経糸２１の太さが徐々に細くなり、太さ徐変部２２が製造される。また、紡出方向における上流側ほど、繊維束のドラフト倍率が低いため、経糸２１の太さが、引き延ばされる前の繊維束の太さに近付いていく。そして、太さ徐変部２２が形成された後、フロントローラの周速度をバックローラと同じとしてドラフト比を一定とすると、太さを一定とした基準部２３が製造される。

緯糸３１は、糸長手方向に沿って太さが一定であり、かつ経糸２１より細い。そして、織物２０は、経糸２１と緯糸３１が平織されることで、互いに結合した一枚の繊維層を構成する。織物２０において、第１方向Ｘに並んだ経糸２１同士の間隔は一定であり、第２方向Ｙに並んだ緯糸３１同士の間隔は一定である。

各織物２０は、傾斜部２４と平坦部２５とを備え、傾斜部２４と平坦部２５は第２方向Ｙに連続している。傾斜部２４は、第２方向Ｙに沿って第１縁部２０ａから第２縁部２０ｂに向かうに従い厚みが連続的に滑らかに厚くなっている。一方、平坦部２５は第１方向Ｘに沿って厚みが一定である。傾斜部２４は、織物２０において、経糸２１の太さ徐変部２２と緯糸３１とを織って構成された部分によって構成されている。傾斜部２４は、第２方向Ｙに沿って太さ徐変部２２の太さが徐変することで形成されている。このため、傾斜部２４では、第２方向Ｙに沿って第１縁部２０ａから第２縁部２０ｂに向かうに従い、非連続繊維１１ａの量が増えている。一方、傾斜部２４では、第１方向Ｘに沿って厚みが徐変していないことから、非連続繊維１１ａの量は一定である。

平坦部２５は、織物２０において、経糸２１の基準部２３と緯糸３１とを織って構成された部分によって構成されている。よって、平坦部２５は、第１方向Ｘ及び第２方向Ｙに沿って厚みが一定であり、非連続繊維１１ａの量も一定である。

積層織物１１は、三枚の織物２０の第１縁部２０ａ同士、第２縁部２０ｂ同士、第３縁部２０ｃ同士、及び第４縁部２０ｄ同士を一致させた状態で、それら織物２０の厚み方向に織物２０を積層して構成されている。積層織物１１は、傾斜部２４が積層された部位と、平坦部２５が積層された部位とを備える。

繊維強化複合材１０は、製造された積層織物１１に、熱硬化性のマトリックス樹脂Ｍａを含浸硬化させて製造されている。マトリックス樹脂Ｍａの含浸硬化はＲＴＭ（レジン・トランスファー・モールディング）法で行われる。

図１に示すように、繊維強化複合材１０は、積層織物１１の傾斜部２４に対応した厚み徐変部１２と、平坦部２５に対応した本体部１３と、を備える。なお、積層織物１１は、織物２０を三枚積層し、プレスして所望する形状に賦形されている。

繊維強化複合材１０の厚み徐変部１２は、傾斜部２４と同様に、織物２０の第２方向Ｙに沿って第１縁部２０ａから第２縁部２０ｂに向かうに従い厚みが徐々に厚くなっている。よって、第２方向Ｙに沿って厚み徐変部１２の厚みが厚くなるのに対応して、経糸２１の太さが徐々に太くなっている。厚み徐変部１２では、第２方向Ｙに沿って厚みが厚くなるのに合わせて、非連続繊維１１ａの量も増えている。

厚み徐変部１２では、織物２０の第１方向Ｘに沿って厚みが徐変していない。よって、第１方向Ｘに沿って厚み徐変部１２の厚みが徐変しないのに対応して、第１方向Ｘに並設された経糸２１の太さは同じであり、緯糸３１の太さも同じである。繊維強化複合材１０の本体部１３は、平坦部２５と同様に、織物２０の第１方向Ｘ及び第２方向Ｙに沿って厚みが一定であり、非連続繊維１１ａの量も一定である。

次に、繊維強化複合材１０及び積層織物１１の作用を記載する。
積層織物１１の傾斜部２４、及び繊維強化複合材１０の厚み徐変部１２は、各織物２０の経糸２１について、その太さを徐変させた太さ徐変部２２によって形成されており、厚みを徐変させるために、積層される織物２０の端部をずらしていない。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）織物２０の傾斜部２４は、経糸２１の太さそのものを徐変させた太さ徐変部２２によって形成されている。このため、織物２０を積層した積層織物１１を強化基材とした繊維強化複合材１０において、厚み徐変部１２の厚みを徐変させるために、積層される織物２０の端部をずらす必要がなく、端部付近にマトリックス樹脂Ｍａのみが集まる樹脂リッチが形成されることが抑制される。よって、繊維強化複合材１０において、厚み徐変部１２の強度低下を抑えることができる。

（２）積層織物１１は、複数の織物２０を積層して構成され、厚み徐変部１２は、太さ徐変部２２を織った部分が積層されて構成されている。よって、織物２０の積層枚数を調節することで、厚み徐変部１２の厚みを調節できる。

（３）織物２０は、経糸２１と緯糸３１を織って形成され、その経糸２１が太さ徐変部２２を備える。そして、太さ徐変部２２は、第２方向Ｙに沿って第１縁部２０ａから第２縁部２０ｂに向かうに従い太くなっている。このため、繊維強化複合材１０において、第１縁部２０ａから第２縁部２０ｂに向かう方向への強度を高めることができる。

（４）経糸２１の太さ徐変部２２は、特殊糸製造装置によって、非連続繊維１１ａの繊維束から経糸２１を紡出する際、ドラフト倍率を連続的に調節して製造されている。よって、太さの徐変する経糸２１を簡単に製造することができる。

（第２の実施形態）
次に、繊維強化複合材用の織物及び繊維強化複合材を具体化した第２の実施形態を図４〜図５にしたがって説明する。なお、第２の実施形態は、第１の実施形態の構成と同様の部分についてはその詳細な説明を省略する。

図４に示すように、第２の実施形態の繊維強化複合材４０は、強化基材としての積層織物４１にマトリックス樹脂Ｍａを含浸させて形成されたものである。積層織物４１は、織物５０を二枚積層して構成されている。

図５に示すように、各織物５０は、複数の経糸２１と、複数の緯糸３１とを組み合わせたものであり、経糸２１は太さ徐変部２２を備えるとともに、緯糸３１も太さ徐変部３２を備える。織物５０は、経糸２１と緯糸３１が平織されることで、互いに結合した一枚の繊維層を構成する。織物５０において、第１方向Ｘに並んだ経糸２１同士の間隔は一定であり、第２方向Ｙに並んだ緯糸３１同士の間隔は一定である。織物５０は、経糸２１の糸長手方向の一端部が位置する縁部に第１縁部５０ａを備え、経糸２１の糸長手方向の他端部が位置する縁部に第２縁部５０ｂを備える。また、織物２０は、緯糸３１の糸長手方向の一端部が位置する縁部に第３縁部５０ｃを備え、緯糸３１の糸長手方向の他端部が位置する縁部に第４縁部５０ｄを備える。

図４に示すように、各織物５０は、全体が傾斜しており、織物５０の全体が傾斜部となっている。織物５０は、第２方向Ｙに沿って第１縁部５０ａから第２縁部５０ｂに向かうに従い厚みが連続的に厚くなっているとともに、第１方向Ｘに沿って第３縁部５０ｃから第４縁部５０ｄに向かうに従い厚みが連続的に厚くなっている。

積層織物４１は、二枚の織物５０の第１縁部５０ａ同士、第２縁部５０ｂ同士、第３縁部５０ｃ同士、及び第４縁部５０ｄ同士を一致させた状態で、それら織物５０の厚み方向に織物５０を積層して構成されている。積層織物４１の厚みは、第１方向Ｘ及び第２方向Ｙに沿って太さ徐変部２２，３２の太さが徐変することで徐々に変化している。このため、積層織物４１では、第１方向Ｘ及び第２方向Ｙに沿って非連続繊維１１ａの量が変化している。

繊維強化複合材４０は、製造された積層織物４１に、熱硬化性のマトリックス樹脂Ｍａを含浸硬化させて製造されている。マトリックス樹脂Ｍａの含浸硬化はＲＴＭ（レジン・トランスファー・モールディング）法で行われる。

繊維強化複合材４０は、全体が傾斜した積層織物４１を強化基材としているため、繊維強化複合材４０の全体が厚み徐変部となっている。繊維強化複合材４０は、織物５０の第１方向Ｘに沿って第３縁部５０ｃから第４縁部５０ｄに向かうに従い厚みが徐々に厚くなっている。また、繊維強化複合材４０は、織物５０の第２方向Ｙに沿って第１縁部５０ａから第２縁部５０ｂに向かうに従い厚みが徐々に厚くなっている。よって、第１方向Ｘ及び第２方向Ｙに沿って、繊維強化複合材４０の厚みが厚くなるのに対応して、経糸２１及び緯糸３１の太さが徐々に太くなっている。繊維強化複合材４０では、第１方向Ｘ及び第２方向Ｙに沿って厚みが厚くなるのに合わせて、非連続繊維１１ａの量も増えている。

従って、第２の実施形態によれば、第１の実施形態に記載の効果に加えて以下の効果を得ることができる。
（５）織物５０は、経糸２１と緯糸３１を織って形成され、その経糸２１が太さ徐変部２２を備え、緯糸３１も太さ徐変部３２を備える。よって、積層織物４１及び繊維強化複合材４０は、第１方向Ｘ及び第２方向Ｙに沿って厚みが徐変している。このため、繊維強化複合材４０において、第１方向Ｘ及び第２方向Ｙの２方向において、厚みが厚くなる方向への強度を高めることができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 各実施形態において、織物２０，５０の積層枚数は、繊維強化複合材１０，４０に要求される厚みに合わせて適宜変更してもよい。また、積層する織物に経糸や緯糸に太さ徐変部を有しない織物を混ぜてもよい。

○ 各実施形態において、繊維強化複合材１０，４０の強化基材を織物２０，５０一枚だけとしてもよい。
○ 各実施形態では、経糸２１及び緯糸３１を非連続繊維１１ａ製としたが、経糸２１及び緯糸３１を連続繊維製としてもよい。この場合、連続繊維に対し、連続繊維を切断した繊維片を貼り付けて太さ徐変部２２，３２を形成する。

○ 第２の実施形態において、第１方向Ｘに隣り合う経糸２１同士の間には緯糸３１が入り込んでいるが、緯糸３１において、経糸２１同士の間に入り込む部分だけ太さを細くし、経糸２１同士の間隔が第１方向Ｘに広がらないようにしてもよい。

○ 各実施形態では、強化基材を、織物２０，５０を積層した積層織物１１，４１としたが、経糸２１を並列させた複数の経糸繊維層と、緯糸３１を並列させた複数の緯糸繊維層とを同時に織った多層織を強化基材としてもよい。

○ 各実施形態では、積層織物１１，４１を、織物２０，５０を積層しただけとしたが、結合糸により、積層織物１１，４１を厚み方向に結合し、積層織物１１，４１の層間を結合してもよい。

○ 第２の実施形態において、経糸２１を、太さ徐変部２２だけでなく基準部２３を備えた糸とするとともに、緯糸３１を、太さ徐変部３２だけでなく基準部を備えた糸とする。そして、第２の実施形態の織物５０を、傾斜部と平坦部の両方を備えた構成としてもよい。

○ 経糸２１及び緯糸３１において、太さ徐変部２２，３２を設ける場所は、糸長手方向の一端部寄りに限らず、繊維強化複合材１０，４０の厚み徐変部１２を設ける場所に合わせて、太さ徐変部２２，３２を設ける場所を変更してもよい。

○ 第１の実施形態では、経糸２１が太さ徐変部２２を備える糸としたが、緯糸３１が太さ徐変部を備え、経糸２１は太さが一定であってもよい。
○ 経糸２１及び緯糸３１の少なくとも一方において、太さ徐変部をスラブ（節）状として、基準部より太さの太い部位とする。そして、織物において、厚みをその他の部位より厚くしたい部位を太さ徐変部で織って、厚みを厚くしてもよい。このように構成した場合、太さ徐変部の配置、太さを制御することで、繊維層の積層枚数を増やさずに厚みを制御することができる。

○ 織物２０，５０の織り方は平織以外に、綾織や朱子織であってもよい。

Ｍａ…マトリックス樹脂、１０，４０…繊維強化複合材、１１，４１…強化基材を構成する積層織物、１１ａ…非連続繊維、２０，５０…織物、２１…経糸、２２，３２…太さ徐変部、３１…緯糸。

Claims (6)

1. 経糸及び緯糸を有する織物を強化基材とした繊維強化複合材用の織物であって、
   前記経糸及び前記緯糸の少なくとも一方は、糸長手方向に沿って糸の太さが徐変する太さ徐変部を備えていることを特徴とする繊維強化複合材用の織物。
2. 前記強化基材は、複数の前記織物を、該織物の厚み方向に積層して構成される請求項１に記載の繊維強化複合材用の織物。
3. 前記経糸又は前記緯糸が前記太さ徐変部を有する請求項１又は請求項２に記載の繊維強化複合材用の織物。
4. 前記経糸及び前記緯糸が前記太さ徐変部を有する請求項１又は請求項２に記載の繊維強化複合材用の織物。
5. 前記太さ徐変部を備える糸は、非連続繊維製である請求項１〜請求項４のうちいずれか一項に記載の繊維強化複合材用の織物。
6. 経糸及び緯糸を有する織物製の強化基材にマトリックス樹脂を含浸させた繊維強化複合材であって、前記織物が請求項１〜請求項５のうちいずれか一項に記載の繊維強化複合材用の織物である繊維強化複合材。

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