JP2019171641A - 積層基材 - Google Patents

Abstract

【課題】プリプレグの賦形時にプリプレグの端部に発生する余剰部を解消する積層基材を提供する。【解決手段】一方向強化繊維基材からなり、少なくとも一つの角の角度が５度以上３０度未満である多角形のユニットを、前記一方向強化繊維の延在方向に隣り合う前記ユニット間の繊維方向の角度差が１０°以下となるように、かつ隣り合う前記ユニット間に隙間を設けて複数のユニットが配置されたユニット列とし、前記ユニット列を前記一方向強化繊維の延在方向と平行に隙間を設けて並べた基材を、少なくとも２層以上積層された積層基材。【選択図】図１

Description

本発明は、強化繊維を積層した積層基材に関する。

炭素繊維やアラミド繊維、ガラス繊維等を強化繊維として用いた強化繊維プリプレグは、その高い比強度・比弾性率を生かして、航空機や自動車等の構造材料、スポーツ用品あるいは一般産業用途の素材として利用されている。特に航空機産業においては燃料節約及び操業コストの削減を目的に、幅広く利用されている。

連続繊維からなるプリプレグは三次元形状に成形し難い材料であるため、プリプレグを数ｍｍの幅にまでスリットしてテープ状にし、三次元形状に並べて積層することで、幅の狭いテープ自体を実質二次元形状に沿わせるだけで良く、複雑形状であっても形状追従可能とするオートテープレイアップと呼ばれる技術が用いられる。しかしながら、大面積、厚肉部材の三次元形状にまで積層するには生産性が低いという問題があった。

一方、生産性に優れるプロセスとして、平板上に積層したプリプレグを一気に三次元形状に賦形するホットフォーミングが知られている。しかしながら、賦形時にプリプレグの変形能不足に起因するシワやブリッジング（繊維の突っ張り）が発生し、繊維強化繊維プラスチックの歩止まりが落ちるという問題があった。具体的には、形状変化のある部位、例えば屈曲部では、プリプレグ積層体の上下で周長差が生じる。プリプレグ積層体が固化され繊維強化プラスチックとなる過程で、プリプレグに含浸されたマトリックス樹脂の熱収縮による厚み減少が生じるものの、プリプレグ積層体は伸張性の低い強化繊維が連続しているため、周長差を解消させるには強化繊維自身が座屈してシワを発生させるか、ブリッジングを起こすといった成形不具合を引き起こしていた。また、ブリッジング直下は成形圧が加わり難いことから、ボイドが発生しやすいといったデメリットも併発していた。このボイド発生は真空ポンプを加圧手段としたオーブン成形など低圧成形においてより顕著な問題であった。

フォーミング中の皺を低減する技術として、平板上に積層したプリプレグの面外方向に圧縮力を加え続けることで、座屈を低減する方法が知られている（例えば、特許文献１）。特許文献１に開示された技術では、積層したプリプレグ上に引張材料を載置し外縁から張力を保持し続けることで、平板上に積層したプリプレグの面外方向に圧縮力を加え続け、座屈を低減することができる。

また、三次元形状への賦形性を向上させる技術として、プリプレグに複数の切込を挿入し面内変形能を高めることで皺を低減する方法が知られている（例えば、特許文献２）。特許文献２に開示された技術では、規則的な切込を挿入したプリプレグを積層しフォーミングすることで、三次元形状への賦形性に優れ、部材強度低下を引き起こすような成形欠陥を抑制する成形ロバスト性に優れた繊維強化プラスチックを得ることができる。

特表２０１６−５１４６３４号公報 ＷＯ２０１６／０４３１５６号

しかしながら、特許文献１に開示されるフォーミング中の皺を低減する方法は、
プリプレグを賦形した際に生じる余剰部を解消することができないという問題があった。

また、特許文献２に開示される三次元形状への賦形性を向上させる方法も、プリプレグ賦形した際に生じる余剰部を解消することができないという問題があった。

そこで本発明の課題は、プリプレグの賦形時に発生する余剰部を解消する積層基材を提供することにある。

上記課題を達成するために、本発明の積層基材は、以下の構成を採用する。すなわち、一方向強化繊維基材からなり、少なくとも一つの角の角度が５度以上３０度未満である多角形のユニットを、前記一方向強化繊維の延在方向に隣り合う前記ユニット間の繊維方向の角度差が１０°以下となるように、かつ隣り合う前記ユニット間に隙間を設けて複数のユニットが配置されたユニット列とし、前記ユニット列を前記一方向強化繊維の延在方向と平行に隙間を設けて並べた基材を、少なくとも２層以上積層された積層基材である。

本発明によれば、プリプレグの賦形時にプリプレグの端部に発生する余剰部を解消する積層基材を提供することができる。

本発明の一実施態様に係る積層基材の概略図である。 本発明の一実施態様に係る積層基材を構成するユニットとその配置状態を示した図であり、（ａ）は概略図を、（ｂ）はそれぞれのユニットの繊維配向を矢印で示し、ユニット同士の角度を図示している。 本発明の一実施態様に係る積層基材を構成するユニットの他の形態の概略図である。

以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。ただし、以下に示す実施態様は、あくまで本発明の望ましい実施の形態の例示であって、本発明は、これら実施態様に限定されるものではない。

積層基材１の概略斜視図を図１に示す。積層基材１は、一方向強化繊維基材からなり、少なくとも一つの角の角度が５度以上３０度未満である多角形のユニット２を、一方向強化繊維の延在方向に隣り合うユニット２との間の繊維方向の角度差が１０°以下となるように、かつ隣り合うユニット２との間に隙間を設けて複数のユニット２が配置されたユニット列３とし、ユニット列３を一方向強化繊維の延在方向と平行に隙間を設けて並べた基材（符号なし）を、少なくとも２層以上積層されたものである。

ユニット２は、一方向に引き揃えた強化繊維からなる一方向強化繊維基材を切断して得たものである。強化繊維としては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ケブラー繊維等を用いることが好ましい。また、一方向強化繊維基材としては、マトリックス樹脂が含浸されたプリプレグ、マトリックス樹脂が含浸されないドライ状態の強化繊維束やノンクリンプファブリック（ＮＣＦ）等を用いることができる。後述する積層時において、重なったユニット２同士を固着する方法としては、プリプレグの場合はタックを活用することができ、ドライ状態の強化繊維束やＮＣＦの場合は、バインダーを表面に散布する等して固着することができる。

ユニット２は、少なくとも一つの鋭角部２１を備える。図１では平行四辺形の形状を例示しているが、これに限定されず、図３に示す台形形状のほか、三角形、四角形、多角形も可能である。また、例えば台形と平行四辺形の繰り返し構造など、二つ以上の図形を組み合わせて配置することも可能である。

鋭角部２１の角度は小さいほど力学特性が向上することが知られているが、角度が小さくなりすぎると切断工程が困難になるため、鋭角部２１の角度は５度以上３０度未満であることが重要である。

また、図２に示すように、ユニット２の最長辺２２の長さの最短辺２３の長さに対する比が、下限値は１倍、上限値は２０倍であることが望ましい。２０倍を越えると、ユニット２内に生じた皺を外部に逃がすことが難しい。また、積層基材の変形能のバラつきを抑えたい場合、積層基材１を構成するユニット２は同形状であることが望ましく、積層基材１の変形能を、場所ごとに変化させたい場合、積層基材１を構成するユニット２自身の大きさを変えることや、ユニット２とユニット２の隙間の大きさを変化させることが望ましい。

次に、ユニット２の並べ方について説明する。１つの層内において、ユニット２を構成する一方向強化繊維の延在方向に隣り合うユニット２間の強化繊維の繊維方向の角度２５２の角度差が１０°以下となることが重要である。隣り合うユニット２同士が実質的に同方向に揃えて並べられていることが好ましい。

また、隣り合うユニット列３同士は平行であることが重要である。ただし、ユニット列３内の各ユニット２に着目した場合、隣り合うユニット列３との間のユニット２同士の角度２５１は、１０°以下となるように配置されることが好ましい。

さらに、ユニット２の配置にあたっては、隣り合うユニット２同士の間の隙間面積が小さくなるように配置することが好ましい。例えば図１で示すようにユニット２の形状が平行四辺形の場合においては、ユニット２同士の間の鋭角方向の斜辺の向きを揃えて並べることが好ましい。ユニット２の形状が図３に示すような台形の場合には、台形の上底と下底とを交互に並べることが好ましく、平行四辺形と台形とを組み合わせる場合には、斜辺の向きを揃えて並べることが好ましい。

このように配置した際におけるユニット２同士の間隔２４は０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが好ましい。０．５ｍｍ未満となると配置工程が困難となる。一方、１０ｍｍを超えると、得られる成形体の力学的特性が下がるため好ましくない。

ユニット２同士の間隔２４は、１つのユニット列３内における一方向強化繊維の延在方向に並べた際の隣り合うユニット２同士の間隔のみならず、隣り合うユニット列３同士の間隔２６は０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが好ましい。０．５ｍｍ未満となると配置工程が困難となる。一方、１０ｍｍを超えると、得られる成形体の力学的特性が下がるため好ましくない。

必要なユニット列３を同一平面内に並べて１層の基材（符号なし）とすることができる。１層あたりの基材の形態は特に限定されるものではないが、得られる成形体の最終形状と同等の形状（ニアネットシェイプ）となるように配置しておくと、後処理工程を削減できて好ましい態様である。

図１に示すように、１層目の基材の上に、２層目以降の基材を形成して積層する積層基材１とすることが重要である。このとき、２層目以降のユニット２の繊維配向の方向は任意であり、１層目の基材を構成するユニット２の繊維配向に対して平行でも良く、所定の角度で交わっても良い。なお、隣り合う基材同士のユニット２の繊維配向を平行に配置する場合には、ユニット列３同士の隙間が重ならないようにすることが好ましい。

また、積層基材１を構成する層として、最外層もしくは内部の任意の層に、例えば、織物、編物、不織布、一方向強化繊維基材、ノンクリンプファブリック（ＮＣＦ）を含んでも良い。

積層基材１は、ホットフォーミングやプレス等のフォーミング手法を用いて、型に押し付けることで、フォーミングすることができる。その後、オートクレーブやプレスを例とする成形手法を用いることで、成形体にすることが出来る。

本発明に係る、幾何学的に生じる繊維余りを解消する強化繊維多軸機材により、賦形工程が容易になり、航空機産業や自動車産業に適用できる。

１ 積層基材
２ ユニット
２１ 鋭角部
２２ 最長片
２３ 最短片
２４ 間隔
２５１ 隣り合うユニット列との間のユニット同士の角度
２５２ 一つのユニット列内での、隣り合うユニット同士の角度
２６ 隣り合うユニット列間同士の隙間
３ ユニット列

Claims (8)

1. 一方向強化繊維基材からなり、少なくとも一つの角の角度が５度以上３０度未満である多角形のユニットを、前記一方向強化繊維の延在方向に隣り合う前記ユニット間の繊維方向の角度差が１０°以下となるように、かつ隣り合う前記ユニット間に隙間を設けて複数のユニットが配置されたユニット列とし、前記ユニット列を前記一方向強化繊維の延在方向と平行に隙間を設けて並べた基材を、少なくとも２層以上積層された積層基材。
2. 前記ユニットの最長辺が最短辺に対して２０倍を越えないことを特徴とする、請求項１に記載の積層基材。
3. 前記ユニットが同形状であることを特徴とする、請求項１または２に記載の積層基材。
4. 前記ユニットが平行四辺形または台形であることを特徴とする請求項３に記載の積層基材。
5. 前記ユニット間の隙間、および前記ユニット列間の隙間がいずれも０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の積層基材。
6. 前記一方向強化繊維基材がプリプレグであることを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の積層基材。
7. 前記一方向強化繊維基材が繊維束もしくはノンクリンプファブリック（ＮＣＦ）であり、バインダーを用いて固着積層されていることを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の積層基材。
8. 前記請求項１から７のいずれかに記載の積層基材をフォーミングし、成形してなる成形体。