JP2022116535A - 繊維強化樹脂成形体 - Google Patents

Abstract

【課題】
複雑形状への良好な成形性と、優れた力学特性を両立し発現し得る繊維強化樹脂成形体を提供するものである。
【解決手段】
リブ状突起が形成された繊維強化樹脂成形体であって、
前記リブ状突起の延在方向と略一致する方向を繊維方向とする１層以上の連続繊維強化樹脂層Ａと、ｎ層（ｎは２以上の整数）の不連続繊維強化樹脂層とを有し、
前記ｎ層の不連続繊維強化樹脂層のうち、前記リブ状突起の最も先端側の層から順に、第１層、第２層とし、前記リブ状突起の最も基底側の層を第ｎ層としたとき、
第１層の不連続繊維の平均繊維長Ｌ１と、第ｎ層の不連続繊維の平均繊維長Ｌｎとが、Ｌ１＜Ｌｎを満たす、繊維強化樹脂成形体。
【選択図】図１

Description

本発明は、航空機部材、自動車部材、スポーツ用具等に用いられる、リブ状突起が形成された繊維強化樹脂成形体に関するものである。

近年、航空機や自動車部材の軽量化要求に伴う繊維強化樹脂（ＦＲＰ）の需要拡大に伴い、ＦＲＰ部材のハイサイクル生産技術開発が進んでいる。プリプレグによるＦＲＰ部材の成形においては脱オートクレーブ化が進み、プレス成形による高速成形技術の開発が進んでいる。しかしながら、一般的なＦＲＰ部材は、繊維束が連続繊維であるが故、優れた力学特性を有する一方、プレス成形により凹凸を有する複雑形状に成形することは難しかった。

このような点を踏まえ、近年は、単純なプレスによる成形が難しい複雑形状を有する自動車部材などを対象に、繊維束に切り込みを入れることで流動性を向上させたプリプレグや（特許文献１）、繊維束をチョップしてランダムに分散させた不連続繊維からなるシートモルディングコンパウンド（ＳＭＣ）等の（特許文献２）、不連続繊維を用いた中間基材の需要が増えている。しかしながら、不連続繊維を用いたＦＲＰ部材は、連続繊維を用いたＦＲＰ部材と比較し、力学特性では大きく劣る問題があった。

特許第５３１５６９２号公報 特許第６６５２０７１号公報

本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたもので、リブ状突起を有する複雑形状の繊維強化樹脂成形体において、良好な成形性と、優れた力学特性を両立させることを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下のいずれかの方法を採用するものである。すなわち、
（１）リブ状突起が形成された繊維強化樹脂成形体であって、前記リブ状突起の延在方向と略一致する方向を繊維方向とする１層以上の連続繊維強化樹脂層Ａと、ｎ層（ｎは２以上の整数）の不連続繊維強化樹脂層とを有し、前記ｎ層の不連続繊維強化樹脂層のうち、前記リブ状突起の最も先端側の層から順に、第１層、第２層とし、前記リブ状突起の最も基底側の層を第ｎ層としたとき、第１層の不連続繊維の平均繊維長Ｌ１と、第ｎ層の不連続繊維の平均繊維長Ｌｎとが、Ｌ１＜Ｌｎを満たす、繊維強化樹脂成形体。
（２）ｎが３以上の整数であり、Ｌ１＜Ｌ２・・・＜Ｌｎである、（１）に記載の繊維強化樹脂成形体。
（３）前記連続繊維強化樹脂層Ａと、前記不連続繊維強化樹脂層とが交互に積層された構造を少なくとも一部に有する、（１）または（２）に記載の繊維強化樹脂成形体。
（４）前記連続繊維強化樹脂層Ａと前記不連続繊維強化樹脂層の全積層枚数の中央に存在する層または層間を境に対称に積層された構造を有する、（１）～（３）のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形体。
（５）前記第ｎ層の不連続繊維強化樹脂層よりもさらに前記リブ状突起の基底側に、前記リブ状突起の延在方向と略直交する方向を繊維方向とする１層以上の連続繊維強化樹脂層Ｂを有する、（１）または（２）に記載の繊維強化樹脂成形体。
（６）前記連続繊維強化樹脂層Ａと、前記不連続繊維強化樹脂層とが交互に積層された構造を少なくとも一部に有する、（５）に記載の繊維強化樹脂成形体。
（７）前記連続繊維強化樹脂層Ａに含まれる連続繊維および前記不連続繊維強化樹脂層に含まれる不連続繊維の少なくとも一部が前記リブ状突起に嵌入しており、前記連続繊維強化樹脂層Ｂに含まれる連続繊維が前記リブ状突起に嵌入していない、（５）または（６）に記載の繊維強化樹脂成形体。
（８）前記連続繊維強化樹脂層Ａと前記連続繊維強化樹脂層Ｂの合計積層数に占める、前記連続繊維強化樹脂層Ａの割合が５０～９９％であり、前記連続繊維強化樹脂層Ｂの割合が１～５０％である、（５）～（７）のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形体。
（９）前記Ｌ１～Ｌｎの全てが１～３０ｍｍの範囲にある、（１）～（８）のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形体。
（１０）前記不連続繊維強化樹脂層のうち少なくとも一部の層が、前記リブ状突起の延在方向と略直交する方向に配向した不連続繊維を含む層である、（１）～（９）のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形体。
（１１）前記不連続繊維強化樹脂層のうち少なくとも一部の層が、ランダムに配向した不連続繊維を含む層である、（１）～（１０）のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形体。
（１２）前記リブ状突起の高さｈが、（全積層材合計厚さ×１.５）＜ｈを満たす、（１）～（１１）のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形体。
（１３）前記リブ状突起の幅ｗが、（全積層材合計厚さ×３．０）＞ｗを満たす、（１）～（１１）のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形体。
（１４）リブ状突起が形成された繊維強化樹脂成形体の製造方法であって、１層以上の連続繊維強化樹脂層Ａと、ｎ層（ｎは２以上の整数）の不連続繊維強化樹脂層とを、前記連続繊維強化樹脂層Ａの繊維方向が形成すべき前記リブ状突起の延在方向と略一致し、かつ、前記ｎ層の不連続繊維強化樹脂層のうち、リブ状突起形成面側の層から順に、第１層、第２層とし、最もリブ状突起非形成面側の層を第ｎ層としたとき、第１層の不連続繊維の平均繊維長Ｌ１と、第ｎ層の不連続繊維の平均繊維長Ｌｎとが、Ｌ１＜Ｌｎを満たすよう積層したプリフォームを、前記リブ状突起に対応する凹陥部を有する成形型に供して加熱・加圧成型する繊維強化樹脂成形体の製造方法。
（１５）前記第ｎ層の不連続繊維強化樹脂層のさらにリブ状突起非形成面側に、前記リブ状突起の延在方向と略直交する方向を繊維方向とする連続繊維強化樹脂層Ｂをさらに積層したプリフォームを、前記成形型に供する、（１４）に記載の繊維強化樹脂成形体の製造方法。

本発明の繊維強化樹脂成形体は、リブ状突起を有する複雑形状への良好な成形性と、優れた力学特性を両立し得る。

本発明の実施形態に係る、繊維強化樹脂成形体の断面図である。 本発明の実施形態に係る、繊維強化樹脂成形体の断面図である。 本発明の実施形態に係る、プリフォーム基材とプレス成形型である。 本発明の実施形態に係る、プリフォーム基材とプレス成形型である。 実施例１の解析モデルである。 実施例１のシミュレーション変形図である。 比較例１の解析モデルである。 比較例１のシミュレーション変形図である。 比較例２の解析モデルである。 比較例２のシミュレーション変形図である。

以下に、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

本発明の繊維強化樹脂成形体（以下、単に「成形体」という場合がある）は、リブ状突起が形成された繊維強化樹脂成形体であって、リブ状突起の延在方向と略一致する方向（以下、「リブ方向」という）を繊維方向とする１層以上の連続繊維強化樹脂層Ａと、２層以上の不連続繊維強化樹脂層とを有する。リブ状突起とは、複数の繊維強化樹脂層からなるプリフォームを図３または４に示すような狭長形状の凹陥部２３、３３を有する成形型に供して加熱・加圧成型する際、当該凹陥部にプリフォームの少なくとも一部の層が引き込まれるように嵌入することで当該凹陥部の形状に略対応するよう形成される狭長形状の突出部である。また、本明細書において、「リブ方向」とは、図３および図４においてＸ方向として示されるような、リブ状突起の狭長形状の長手方向、すなわちリブ状突起の延在方向を意味し、より具体的にはリブ状突起の始点と終点、すなわち端と端におけるリブ状突起の幅方向の中心点を結ぶ直線（以下、このような直線を「リブの近似直線」という）の方向を意味するものとする。リブ状突起の形状は、全体として狭長形状をなす突出部である限り特に限定されず、平面視で直線状である形状に限らず曲線状であってもよいが、典型的には、リブの近似直線の長さを１とした場合、リブ状突起始点から終点まで高さ方向の尾根に沿った長さが１．２以下の、略直線的な形状が想定される。

成形品におけるリブ状突起の役割は、剛性や強度等の機械特性の担保であり、リブ状突起の高さが極端に小さいと役割期待に対する効果が低い。本発明は、リブ状突起の高さｈが、（全積層材合計厚さ×１.５）＜ｈを満たす成形体に適用することが好ましい。なお、リブ状突起の高さとは、図１、図２において、ｈとして示されるように、成形体におけるリブ状突起の基底側の面と、リブ状突起の頂点（リブ状突起の高さが同一のリブ内で変動する場合には、最も高い部分の頂点）とを結ぶ最短距離を指す。

また、リブ状突起の幅が極端に大きいと、成形型の凹陥部２３、３３にプリフォームの少なくとも一部の層が引き込まれるように嵌入しにくくなる。本発明は、リブ状突起の幅ｗが、（全積層材合計厚さ×３）＞ｗを満たす成形体に適用することが好ましい。なお、リブ状突起の幅ｗとは、リブ状突起の突出高ａの中間点における、リブ直交方向のリブ厚さを指す。リブ状突起の突出高ａとは、図１、図２において、ａとして示されるように、前リブ状突起の高さｈから、成形体においてリブ状突起が形成されておらず、実質的に厚みの変動がない平板部における成形体の厚みtを引いた高さである。

本明細書において、連続繊維強化樹脂層、不連続強化繊維樹脂層等の「層」とは、複数枚の繊維強化樹脂基材を積層したプリフォームにおける各々の基材１枚、あるいは当該プリフォームを成形して得られた成形体における各々の基材１枚に由来する部分を指す概念である。

連続繊維強化樹脂層（本明細書において、単に「連続繊維強化樹脂層」と記載する場合は、後述する連続繊維強化樹脂層ＡおよびＢの総称である）は、連続繊維に樹脂が含浸されてなる層である。本明細書において、連続繊維とは、分断なく成形体の略全長において連続して存在する強化繊維を集合的に呼称する表現である。

連続繊維強化樹脂層に含まれる強化繊維種は特に限定されないが、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ポリパラフェニレン・ベンゾビス・オキサゾール（ＰＢＯ）繊維などを用いることができ、これらのうち２種類以上を併用してもよい。

また、連続繊維強化樹脂層に含まれる樹脂種も特に規定されず、熱硬化性、熱可塑性いずれの樹脂であってもよい。熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂などを用いることができ、繊維との接着性や成形性を考慮するとエポキシ樹脂やビニルエステル樹脂を用いることが好ましい。また、熱可塑性樹脂としては、ＡＢＳ樹脂、ナイロン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリオレフィン樹脂などを用いることができる。なお、樹脂としてこれら列挙した樹脂種を２種類以上併用してもよい。

本発明の繊維強化樹脂成形体は、リブ方向と略一致する方向を繊維方向とする１層以上の連続繊維強化樹脂層Ａを有する。（すなわち、本明細書においてはリブ方向と略一致する方向を繊維方向とする連続繊維強化樹脂層を、連続繊維強化樹脂層Ａと呼称する。）これにより、繊維強化樹脂成形体の成形過程において流動変形を必要とする、図１から図４に示すＹ方向が弾性率の低い繊維直交方向となるため、リブ状突起の形成が容易になる。ここで、リブ方向と略一致する方向とは、前述のリブの近似直線を０°として±４５°未満の角度をなす方向であり、好ましくは±３０°未満、より好ましくは±２０°未満の角度をなす方向である。

一方、不連続繊維強化樹脂層は、不連続繊維に樹脂が含浸されてなる層である。不連続繊維とは、成形体の全長において連続せず、分断されて存在する繊維であり、典型的には繊維長が３０ｍｍ以下の繊維である。一般的に、連続繊維のみからなる繊維強化樹脂の成形においては、弾性率の高い繊維方向には流動変形し難く、弾性率が低い繊維直交方向には流動変形し易い。本発明の繊維強化樹脂成形体においては、不連続繊維強化樹脂層を設けることで繊維方向にも流動変形し易くしている。

不連続繊維強化樹脂層は、一方向に配列した連続繊維が分断されることによって不連続とされた不連続繊維を含む層、あるいは分散した不連続繊維を含む層であることができる。一方向に配列した連続繊維が分断されることによって不連続とされた不連続繊維は、典型的には、一方向に配列した連続繊維を含むプリプレグに挿入された切込等によって当該連続繊維が分断された状態にある不連続繊維である。分散した不連続繊維とは、予め所定の繊維長に切断した不連続繊維を分散させて配置した状態にある不連続繊維である。前者の不連続繊維を含む不連続繊維強化樹脂層を形成するための基材の例としては、いわゆる切込プリプレグが挙げられ、後者の不連続繊維を含む不連続繊維強化樹脂層を形成するための基材の例としては、いわゆるシートモルディングコンパウンド（ＳＭＣ）が挙げられる。なお、分散した不連続繊維という場合、不連続繊維は完全に等方的に配向して分散している必要はなく、分散された不連続繊維が方向性をもって配向した状態を含むものとする。

不連続繊維強化樹脂層に含まれる繊維種および樹脂種については、前述の連続繊維強化樹脂層と同様であるため、改めての説明を省略する。

ここで、リブ状突起の形成過程において、リブ状突起の先端側の層はリブ状突起の内部に大きく嵌入するため、形成し易さへの影響が大きく、リブ状突起の基底側の層になるほどリブ状突起の内部には嵌入しにくいため、リブ状突起の形成し易さへの影響が小さくなる。また、不連続繊維は繊維長が短い程流動変形し易く、繊維長が長い程流動変形し難い。以上を踏まえると、リブ状突起の先端側の不連続繊維強化樹脂層においは繊維長を短くし、基底側の不連続繊維強化樹脂層では繊維長を長くすることによって、リブ状突起の形成し易さと弾性率や強度等の力学特性を両立できる。なお、図中では、リブ状突起の先端側はＺ方向を指し、リブ状突起の基底側は反対の－Ｚ方向を指す。

具体的には、本発明においては、繊維強化樹脂成形体がｎ層（ｎは２以上の整数）の不連続繊維強化樹脂層を有するとしたとき、ｎ層の不連続繊維強化樹脂層のうち、リブ状突起の最も先端側の層から順に、第１層、第２層とし、リブ状突起の最も基底側の層を第ｎ層としたとき、第１層の不連続繊維の平均繊維長Ｌ１と、第ｎ層の不連続繊維の平均繊維長Ｌｎとが、Ｌ１＜Ｌｎを満たす。特に、３層以上の不連続繊維強化樹脂層を有する場合（ｎが３以上の整数である場合）は、繊維長変化による弾性率や強度等の力学特性の急激な変化を回避するために、Ｌ１＜Ｌ２・・・＜Ｌｎであることがさらに好ましい。

ただし、不連続繊維強化樹脂層に含まれる不連続繊維の繊維長が極端に小さいと、繊維が負担する応力が低下し、弾性率や強度等の力学特性が大幅に低下する懸念がある。逆に、不連続繊維の繊維長が大きすぎると、不連続繊維としたが故の流動変形し易さの効果が発現しにくくなる。この点を踏まえると、不連続繊維強化樹脂層に含まれる不連続繊維の繊維長は１～３０ｍｍの範囲であることが好ましい。すなわち、前述のＬ１～Ｌｎは、全て１～３０ｍｍの範囲に収まることが好ましい。

また、２層以上の不連続繊維強化樹脂層のうち少なくとも一部の層が、リブ方向と直交する方向、すなわち前述のリブの近似直線と９０°の角度をなす方向（以下、「リブ直交方向」という）に配向した不連続繊維を含む層であることが好ましい。リブ方向を繊維方向とする繊維を含む層は、流動変形の方向が弾性率の高い繊維方向のため流動変形し難く、リブ状突起は形成し難い。従って、リブ直交方向を繊維方向とする繊維を含む層を、連続繊維層と比較し繊維方向にも流動変形し易い不連続繊維層とすることにより、リブ状突起が成形しやすくなる。なお、不連続繊維がリブ直交方向に配向している、とは、不連続繊維の配向方向がリブ直交方向を０°として±４５°未満、好ましくは±３０°未満、より好ましくは±１０°未満の角度をなすことを意味する。不連続繊維層が分散した不連続繊維を含む層である場合は、分散された不連続繊維のうち２５％以上がリブ直交方向に配向していることが好ましく、５０％以上がリブ直交方向に配向していることがより好ましい。 このような繊維強化樹脂成形体は、一例として、１層以上の連続繊維強化樹脂層Ａと、ｎ層（ｎは２以上の整数）の不連続繊維強化樹脂層とを、前記連続繊維強化樹脂層Ａの繊維方向がリブ状方向と略一致し、かつ、前記ｎ層の不連続繊維強化樹脂層のうち、リブ状突起形成面側の層から順に、第１層、第２層とし、最もリブ状突起非形成面側の層を第ｎ層としたとき、第１層の不連続繊維の平均繊維長Ｌ１と、第ｎ層の不連続繊維の平均繊維長Ｌｎとが、Ｌ１＜Ｌｎを満たすよう積層したプリフォームを、図３、図４に示すような、リブ状突起に対応する凹陥部を有する成形型に供して加熱・加圧成型する製造方法により得ることができる。ここで、連続繊維強化樹脂層、不連続繊維強化樹脂層については、含まれる繊維種や樹脂種は前述の通りであるが、これらに含まれる樹脂が熱硬化性樹脂である場合、プリフォームの段階では硬化が完了していないいわゆるプリプレグの状態を指すものとする。

本発明の繊維強化樹脂成形体は、第ｎ層の不連続繊維強化樹脂層、すなわちリブ状突起の最も基底側に位置する不連続繊維強化樹脂層よりもさらに基底側に、リブ方向と略直交する方向を繊維方向とする１層以上の連続繊維強化樹脂層Ｂを有することが好ましい。（すなわち、本明細書においてはリブ状突起の最も基底側に位置する不連続繊維強化樹脂層よりもさらに基底側に位置する、リブ方向と略直交する方向を繊維方向とする連続繊維強化樹脂層を、連続繊維強化樹脂層Ｂと呼称する。）本発明の繊維強化樹脂成形体は、不連続繊維強化樹脂層のうちリブ状突起の基底側の層に含まれる不連続繊維の繊維長を相対的に長くすることで力学特性の低下を抑制している。しかしながら、連続繊維強化樹脂層のみからなる成形体と比較した場合、不連続繊維強化樹脂層の存在による力学特性の低下は避けられない。そこで、成形性への影響が比較的小さいリブ状突起の基底側に、リブ直交方向を繊維方向とする連続繊維強化樹脂層を配置することが好ましい。ここで、リブ方向と略直交する方向を繊維方向とする、とは、リブ直交方向を０°として±４５未満の角度をなす方向であり、好ましくは±３０°未満、より好ましくは±１０°未満の角度をなす方向である。

ただし、連続繊維強化樹脂層Ｂによって構成される厚み領域が拡大しすぎると、リブ状突起の形成し易さを低下させる可能性がある。従って、連続繊維強化樹脂層Ｂは、不連続繊維強化樹脂層の層数ｎより２層以上少ない、すなわち（ｎ－２）層以下であることが好ましい。また、連続繊維強化樹脂層Ａと連続繊維強化樹脂層Ｂの合計積層数に占める、連続繊維強化樹脂層Ａの割合が５０～９９％であり、連続繊維強化樹脂層Ｂの割合が１～５０％であることが好ましい。

連続繊維強化樹脂層Ｂを有する場合、好ましくは連続繊維強化樹脂層Ａに含まれる連続繊維および不連続繊維強化樹脂層に含まれる不連続繊維の少なくとも一部は、リブ状突起に嵌入している。一方で、力学特性担保の役割期待がある連続繊維強化樹脂層Ｂに含まれる連続繊維は、繊維座屈による弾性率や強度等の力学特性の低下を避けるために、リブ状突起に嵌入していないことが好ましい。なお、繊維がリブ状突起に嵌入している、とは、リブ状突起の延在方向に並行な断面において、リブ状突起の隆起の開始点を結んだ直線より当該突起の先端側に繊維の少なくとも一部が存在していることを意味する。

このような連続繊維強化樹脂層Ｂを含む成形体は、一例として、前述の繊維強化樹脂成形体の製造方法において、第ｎ層の不連続繊維強化樹脂層のさらにリブ状突起の基底側に、リブ方向と略直交する方向を繊維方向とする連続繊維強化樹脂層Ｂをさらに積層したプリフォームを図３または図４に示すような成形型に供する製造方法により作製することができる。

連続繊維強化樹脂層（連続繊維強化樹脂層ＡおよびＢを含む）と不連続繊維強化樹脂層の積層数は特に限定されないが、連続繊維強化樹脂層（連続繊維強化樹脂層ＡおよびＢを含む）と不連続繊維強化樹脂層の合計積層数が３～５０の範囲内であることが好ましく、前述した連続繊維強化樹脂層（連続繊維強化樹脂層ＡおよびＢを含む）と不連続繊維強化樹脂層の積層数、積層割合の関係を満たすことがさらに好ましい。

連続繊維強化樹脂層（連続繊維強化樹脂層ＡおよびＢを含む）と不連続繊維強化樹脂層との積層順は、不連続繊維強化樹脂層同士が前述の関係を満たす限り特に限定されないが、連続繊維強化樹脂層と不連続繊維強化樹脂層が交互に積層された構造を少なくとも一部に有することが好ましい。また、連続繊維強化樹脂層と不連続繊維強化樹脂層の全積層枚数の中央に存在する層または層間を境に、対称に積層されることも好ましい。さらに、当該中央となる層または層間を境に、連続繊維強化樹脂層Ａと不連続繊維強化樹脂層が交互に積層された構造が対称に積層されている態様も好ましい。 以下、図面を用いて本発明の実施態様を具体的に説明するが、本発明は以下の説明によって何ら限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施形態に係る繊維強化樹脂成形体１の断面斜視図（Ａ）および図１（Ａ）中に枠線８で示す領域の拡大断面図（Ｂ）である。繊維強化樹脂成形体１は、リブ状突起の高さｈが、（全積層材合計厚さ×１.５）＜ｈを満たし、リブ状突起の幅ｗが、（全積層材合計厚さ×３．０）＞ｗを満たす、リブ状突起２を有し、リブ状突起２の延在方向（Ｘ軸方向）を繊維方向とする連続繊維５に樹脂７が含侵してなる連続繊維強化樹脂層３と、不連続繊維６に樹脂７が含侵してなる不連続繊維強化樹脂層４とをそれぞれ４層有する。この４層の不連続繊維強化樹脂層４のうち、リブ状突起２の最も先端側、すなわちＺ方向側の層から順に、第１層、第２層、第３層、第４層としたとき、第１層の不連続繊維６の平均繊維長Ｌ１と、第４層の不連続繊維６の平均繊維長Ｌ４とが、Ｌ１＜Ｌ４を満たすが、本実施態様においてはさらに、Ｌ１～Ｌ４は、Ｌ１＜Ｌ２＜Ｌ３＜Ｌ４を満たすものとなっている。なお、本実施態様における４層の連続繊維強化樹脂層３は全てリブ状突起２の延在方向と一致する方向を繊維方向とする層であるため、前述の連続繊維強化樹脂層Ａに該当する。そして、連続繊維強化樹脂層３と不連続繊維強化樹脂層４とは、連続繊維強化樹脂層３の第２層と第３層の層間を境とした先端側と基底側でそれぞれ交互に積層された構造を有するとともに、当該層間を境として対称に積層されている。

図２は、図１に示す実施態様の不連続繊維強化樹脂層の第４層に相当するリブ状突起１２の最も基底側の層が、連続繊維強化樹脂層１５となっている点において相違する。すなわち、本実施態様における連続繊維強化樹脂層１５は、前述の連続繊維強化樹脂層Ｂに該当する。この態様においては、不連続繊維強化樹脂層１４中の不連続強化繊維はリブ状突起１２に嵌入しているが、連続繊維強化樹脂層１５中の連続強化繊維はリブ状突起１２に嵌入していない。

本発明の効果である成形性と力学特性の両立を確認するために、有限要素法により、成形性の確認としてプレス成型シミュレーションを、力学特性の確認として単純引張試験シミュレーションを実施した。なお、全ての連続繊維強化樹脂層と不連続繊維強化樹脂層に含まれる繊維および樹脂は、全て同一の力学特性を有するものとして評価した。

（実施例１）
図５は、本発明の実施形態に係る実施例１の解析モデル４１を示している。解析モデル４１は、リブ方向を繊維方向とする４層の連続繊維強化樹脂層４２（連続繊維強化樹脂層Ａ）と、リブ直交方向を繊維方向とする３層の不連続繊維強化樹脂層４３を備えている。３層の不連続繊維強化樹脂層４３に含まれる不連続繊維の平均繊維長は、リブ状突起の最も先端側の層から順に、５ｍｍ、１０ｍｍ、２０ｍｍとした。そして、さらに第３層の不連続繊維強化樹脂層４３よりもさらにリブ状突起の最も基底側に、リブ直交方向を繊維方向とする１層の連続繊維強化樹脂層４４（連続繊維強化樹脂層Ｂ）を有している。なお本実施例における不連続繊維強化樹脂層４３は、一方向に配列した連続繊維に切込部４５を設けることで繊維方向に分断した。

図６は、実施例１の解析モデル４１に対しプレス成型シミュレーションを行った後の変形状態５１を示す図である。実施例１は、問題無くリブ状突起が形成された。また、連続繊維強化樹脂層４４に含まれる連続繊維はリブ状突起へ嵌入せず、最小限の繊維座屈に留まることが確認できた。以下、実施例１のシミュレーションによって形成されたリブ状突起の高さｈを絶対数１００とし、他構成の比較例と後述で比較する。

つぎに、解析モデル４１で単純引張試験シミュレーションを実施した。リブ直交方向を繊維方向とする不連続繊維強化樹脂層４３による強度低下度合と、リブ状突起の最も基底側の層に配置された連続繊維強化樹脂層４４の効果を確認するために、引張方向はリブ直交方向とした。単純引張試験の結果についても、本発明の効果を確認するため、シミュレーションより得られた実施例１の弾性率を１００とし、他構成の比較例と後述で比較する。

（比較例１）
図７は、比較例１の解析モデル６１を示している。解析モデル６１は、リブ方向を繊維方向とする連続繊維強化樹脂層６２と、リブ直交方向を繊維方向とする連続繊維強化樹脂層６３から構成される。積層の構成としては、リブ状突起の最も先端側の層から順に、連続繊維強化樹脂層６３と連続繊維強化樹脂層６２が交互に積層され、基材厚み方向の中心位置を境に対称に積層される。

図８は、比較例１のプレス成型シミュレーションを行った後の変形状態７１を示す図である。実施例１のリブ状突起の高さ５２を絶対数１００とすると、比較例１のリブ状突起の高さｈ２は、約６７である。本例においては、リブ直交方向を繊維方向とする連続繊維強化樹脂層６３であるが故流動変形し難く、リブ状突起は形成し難い。

次に、単純引張試験シミュレーションを実施した。実施例１の弾性率を１００とすると、比較例１の弾性率は約３３３である。引張方向であるリブ直交方向は連続繊維強化樹脂層６３であり、不連続繊維強化樹脂層と比較して、連続繊維強化樹脂層６３の力学特性が高い。

以上をまとめると、リブ直交方向を繊維方向とする連続繊維強化樹脂層６３を設けた比較例１は、単純引張試験シミュレーションでの弾性率は高く、力学特性に有利なものの、プレス成型シミュレーションでのリブ状突起は形成し難く、成形性と力学特性の両立は難しい。

（比較例２）
図９は、比較例２の解析モデル８１を示している。解析モデル８１は、リブ方向を繊維方向とする連続繊維強化樹脂層８２と、リブ直交方向を繊維方向とする、繊維長が全て同一な不連続繊維強化樹脂層８３から構成される。不連続繊維強化樹脂層８３の繊維長は、全て５ｍｍで構成される。積層の構成としては、リブ状突起の最も先端側の層から順に、不連続繊維強化樹脂層８３と連続繊維強化樹脂層８２が交互に積層され、基材厚み方向の中心位置を境に対称に積層される。なお本比較例における不連続繊維強化樹脂層８３は、一方向に配列した連続繊維に切込部８４を設けることで繊維方向に分断した。

図１０は、比較例２のプレス成型シミュレーションを行った後の変形状態９１を示す。実施例１のリブ状突起の高さ５２を絶対数１００とすると、リブ状突起の高さｈ３は、約１００である。

次に、単純引張試験シミュレーションを実施した。実施例１の弾性率を１００とすると、比較例１の弾性率は約１７である。引張方向であるリブ直交方向は不連続繊維強化樹脂層８３であり、同方向の繊維を連続繊維強化樹脂層とした比較例１と比較し、不連続繊維強化樹脂層８３の力学特性の低下は顕著である。

以上をまとめると、不連続繊維強化樹脂層８３の繊維長を各層で全て同一とした比較例２は、プレス成型シミュレーションでのリブ状突起は形成し易いものの、単純引張試験シミュレーションでの弾性率は低く、力学特性に不利であり、成形性と力学特性の両立は難しい。

以上の実施例と比較例を纏めたのが次の表１である。

本発明の実施形態である実施例１は、リブ状突起の形成性し易さに起因するリブ直交方向を不連続繊維強化樹脂層とした比較例２と同等のリブ状突起の高さを得ることができ、リブ状突起の形成し易さを確認した。

本発明の実施形態である実施例１は、単純引張試験シミュレーションの引張方向である、リブ直交方向を連続繊維強化樹脂層とした比較例１には劣るものの、リブ直交方向を不連続繊維強化樹脂層とした比較例２と比較し、約５倍高い弾性率を有し、力学特性の高さを確認した。

１ 繊維強化樹脂成形体
２ リブ状突起
３ 連続繊維強化樹脂層Ａ
４ 不連続繊維強化樹脂層
５ 連続繊維強化樹脂層Ａを構成する連続繊維
６ 不連続繊維強化樹脂層を構成する不連続繊維
７ 樹脂
８ 拡大断面図を示す領域
１１ 繊維強化樹脂成形体
１３ 連続繊維強化樹脂層Ａ
１４ 不連続繊維強化樹脂層
１５ 連続繊維強化樹脂層Ｂ
１６ 連続繊維強化樹脂層Ａを構成する連続繊維
１７ 不連続繊維強化樹脂層を構成する不連続繊維
１８ 連続繊維強化樹脂層Ｂを構成する連続繊維
１９ 樹脂
２０ 拡大断面図を示す領域
２１ プレス成形前のプリフォーム基材
２２ プレス成形型
２３ 凹陥部
３１ プレス成形前のプリフォーム基材
３２ プレス成形型
３３ 凹陥部
４１ 実施例１の解析モデル
４２ 連続繊維強化樹脂層Ａ
４３ 不連続繊維強化樹脂層
４４ 連続繊維強化樹脂層Ｂ
４５ 切込部
５１ 実施例１の変形状態
６１ 比較例１の解析モデル
６２ 連続繊維強化樹脂層
６３ 連続繊維強化樹脂層
７１ 比較例１の変形状態
８１ 比較例２の解析モデル
８２ 連続繊維強化樹脂層
８３ 不連続繊維強化樹脂層
９１ 比較例２の変形状態
ｈ リブ状突起の高さ
ｗ リブ状突起の幅
ａ リブ状突起の突出高
ｔ 平板部における成形体の厚み
ｈ１ 解析モデル４１のリブ状突起の高さ
ｈ２ 解析モデル６１のリブ状突起の高さ
ｈ３ 解析モデル８１のリブ状突起の高さ

Claims (15)

1. リブ状突起が形成された繊維強化樹脂成形体であって、
   前記リブ状突起の延在方向と略一致する方向を繊維方向とする１層以上の連続繊維強化樹脂層Ａと、ｎ層（ｎは２以上の整数）の不連続繊維強化樹脂層とを有し、
   前記ｎ層の不連続繊維強化樹脂層のうち、前記リブ状突起の最も先端側の層から順に、第１層、第２層とし、前記リブ状突起の最も基底側の層を第ｎ層としたとき、
   第１層の不連続繊維の平均繊維長Ｌ１と、第ｎ層の不連続繊維の平均繊維長Ｌｎとが、Ｌ１＜Ｌｎを満たす、繊維強化樹脂成形体。
2. ｎが３以上の整数であり、Ｌ１＜Ｌ２・・・＜Ｌｎである、請求項１に記載の繊維強化樹脂成形体。
3. 前記連続繊維強化樹脂層Ａと、前記不連続繊維強化樹脂層とが交互に積層された構造を少なくとも一部に有する、請求項１または２に記載の繊維強化樹脂成形体。
4. 前記連続繊維強化樹脂層Ａと前記不連続繊維強化樹脂層の全積層枚数の中央に存在する層または層間を境に対称に積層された構造を有する、請求項１～３のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形体。
5. 前記第ｎ層の不連続繊維強化樹脂層よりもさらに前記リブ状突起の基底側に、前記リブ状突起の延在方向と略直交する方向を繊維方向とする１層以上の連続繊維強化樹脂層Ｂを有する、
   請求項１または２に記載の繊維強化樹脂成形体。
6. 前記連続繊維強化樹脂層Ａと、前記不連続繊維強化樹脂層とが交互に積層された構造を少なくとも一部に有する、請求項５に記載の繊維強化樹脂成形体。
7. 前記連続繊維強化樹脂層Ａに含まれる連続繊維および前記不連続繊維強化樹脂層に含まれる不連続繊維の少なくとも一部が前記リブ状突起に嵌入しており、
   前記連続繊維強化樹脂層Ｂに含まれる連続繊維が前記リブ状突起に嵌入していない、
   請求項５または６に記載の繊維強化樹脂成形体。
8. 前記連続繊維強化樹脂層Ａと前記連続繊維強化樹脂層Ｂの合計積層数に占める、前記連続繊維強化樹脂層Ａの割合が５０～９９％であり、
   前記連続繊維強化樹脂層Ｂの割合が１～５０％である、
   請求項５～７のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形体。
9. 前記Ｌ１～Ｌｎの全てが１～３０ｍｍの範囲にある、
   請求項１～８のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形体。
10. 前記不連続繊維強化樹脂層のうち少なくとも一部の層が、前記リブ状突起の延在方向と略直交する方向に配向した不連続繊維を含む層である、
    請求項１～９のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形体。
11. 前記不連続繊維強化樹脂層のうち少なくとも一部の層が、ランダムに配向した不連続繊維を含む層である、
    請求項１～１０のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形体。
12. 前記リブ状突起の高さｈが、（全積層材合計厚さ×１.５）＜ｈを満たす、
    請求項１～１１のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形体。
13. 前記リブ状突起の幅ｗが、（全積層材合計厚さ×３．０）＞ｗを満たす、
    請求項１～１１のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形体。
14. リブ状突起が形成された繊維強化樹脂成形体の製造方法であって、
    １層以上の連続繊維強化樹脂層Ａと、ｎ層（ｎは２以上の整数）の不連続繊維強化樹脂層とを、
    前記連続繊維強化樹脂層Ａの繊維方向が形成すべき前記リブ状突起の延在方向と略一致し、かつ、
    前記ｎ層の不連続繊維強化樹脂層のうち、リブ状突起形成面側の層から順に、第１層、第２層とし、最もリブ状突起非形成面側の層を第ｎ層としたとき、第１層の不連続繊維の平均繊維長Ｌ１と、第ｎ層の不連続繊維の平均繊維長Ｌｎとが、Ｌ１＜Ｌｎを満たすよう積層したプリフォームを、
    前記リブ状突起に対応する凹陥部を有する成形型に供して加熱・加圧成型する繊維強化樹脂成形体の製造方法。
15. 前記第ｎ層の不連続繊維強化樹脂層のさらにリブ状突起非形成面側に、
    前記リブ状突起の延在方向と略直交する方向を繊維方向とする連続繊維強化樹脂層Ｂをさらに積層したプリフォームを、
    前記成形型に供する、請求項１４に記載の繊維強化樹脂成形体の製造方法。
    

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