JP2023022652A - 繊維構造体および繊維強化複合材 - Google Patents

Abstract

【課題】コストを低減できる繊維構造体および繊維強化複合材を提供することにある。【解決手段】繊維構造体１０は、本体部３０と、分岐部４０と、を備える第１繊維基材１１と、第２繊維基材８０と、を備える。第２繊維基材８０は、分岐部４０を覆っている。分岐部４０は、第２繊維基材８０から離間する第１曲面４２を備える。第１繊維束１２は、非連続繊維の束にカバーリング糸１４を巻回して形成されている。第１曲面４２は、カバーリング糸１４が巻回される間隔を本体部３０よりも広くした部位を含む。【選択図】図２

Description

この発明は、繊維構造体および繊維強化複合材に関する。

特許文献１に開示されている繊維構造体および繊維強化複合材は、第１繊維基材と第２繊維基材と隙間充填部材とを備える。第１繊維基材は、繊維層を複数積層した本体部を有するとともに、本体部を繊維層の積層方向に沿って二股状に分岐させた分岐部を有する。第２繊維基材は、分岐部を覆って第１繊維基材に一体化されている。隙間充填部材は、分岐部と第２繊維基材とで画成される隙間に充填される。隙間に充填された隙間充填部材により、隙間が補強されている。特許文献１の隙間充填部材は、非連続繊維の繊維束であることから紐状である。このため、隙間充填部材を隙間に配置する作業が簡単になる。

特開２０２１-３０４７８号公報

しかしながら、特許文献１の繊維構造体および繊維強化複合材は隙間充填部材を必要とするため、製造コストが嵩む。

上記課題を解決するための繊維構造体は、複数の第１繊維束を配列した第１繊維層を複数積層した本体部と、前記本体部から延出し、かつ積層された複数の前記第１繊維層が二股状に分岐された分岐部と、を備える第１繊維基材と、第２繊維束を有する第２繊維基材と、を備え、前記第２繊維基材は、前記分岐部を覆っており、前記分岐部は、前記第２繊維基材から離間する曲面を備え、前記第１繊維束は、非連続繊維の束にカバーリング糸を巻回して形成され、前記曲面は、前記カバーリング糸が巻回される間隔を前記本体部よりも広くした部位を含むことを要旨とする。

これにより、各第１繊維束では、間隔を空けて巻回されたカバーリング糸の間から非連続繊維が毛羽として突出している。繊維構造体では、分岐部が第２繊維基材によって覆われることにより、分岐部と第２繊維基材との間に隙間が画成される。この隙間には、分岐部の曲面が位置している。そして、隙間には、第１繊維束から突出する毛羽が配置される。曲面は、本体部を形成する部位に比べて、カバーリング糸の間隔の広い部位を含む。このため、曲面から隙間に突出する毛羽の量を、本体部から突出する毛羽の量より多くできる。その結果、繊維構造体にマトリックス材料を含浸させて形成される繊維強化複合材では、毛羽によって隙間を補強できる。したがって、隙間を補強するための作業の手間や部品コストを低減することができるため、繊維構造体のコストを低減できる。

また、繊維構造体について、前記第１繊維層における前記第１繊維束の配列方向は、前記本体部および前記分岐部に沿う方向に直交してもよい。
これにより、本体部に比べて、分岐部の曲面から毛羽が生じやすくなる。

また、繊維構造体について、前記第１繊維層における前記第１繊維束の配列方向は、前記本体部および前記分岐部に沿う方向に沿ってもよい。
これにより、分岐部の曲面に位置する第１繊維束については、本体部に位置する第１繊維束に比べてカバーリング糸の間隔を広くするが、非連続繊維の束の軸方向の全体に亘って間隔を広くすればよい。つまり、分岐部の曲面に位置する第１繊維束について、非連続繊維の束の軸方向の全体に亘って間隔を一定にできる。よって、分岐部の曲面に位置する第１繊維束について、非連続繊維の束の軸方向に沿ってカバーリング糸の間隔を変化させる必要がなくなる。

上記課題を解決するための繊維強化複合材は、繊維構造体にマトリックス材料を含浸させて構成される繊維強化複合材であって、前記繊維構造体は、請求項１～請求項３のいずれか一項に記載の繊維構造体であることを要旨とする。

これにより、各第１繊維束では、間隔を空けて巻回されたカバーリング糸の間から非連続繊維が毛羽として突出している。繊維構造体では、分岐部が第２繊維基材によって覆われることにより、分岐部と第２繊維基材との間に隙間が画成される。この隙間には、分岐部の曲面が位置している。そして、隙間には、第１繊維束から突出する毛羽が配置される。曲面は、本体部を形成する部位に比べて、カバーリング糸の間隔の広い部位を含む。このため、曲面から隙間に突出する毛羽の量を、本体部から突出する毛羽の量より多くできる。その結果、繊維構造体にマトリックス材料を含浸させて形成される繊維強化複合材では、毛羽によって隙間を補強できる。したがって、隙間を補強するための作業の手間や部品コストを低減することができるため、繊維強化複合材のコストを低減できる。

本発明によれば、コストを低減できる。

実施形態の繊維強化複合材を示す断面図。 繊維構造体を示す図。 第１繊維層を示す斜視図。 曲り部を示す図。 第１繊維束を示す平面図。 第１繊維束を示す斜視図。 繊維構造体の別例を示す図。 第１繊維層の別例を示す斜視図。

以下、繊維構造体および繊維強化複合材を具体化した一実施形態について図面を参照して説明する。
＜繊維強化複合材＞
図１に示すように、繊維強化複合材１００は、繊維構造体１０に含浸させたマトリックス材料１０１を硬化させて形成されている。マトリックス材料１０１は、例えば、樹脂やセラミックである。

＜繊維構造体の全体＞
図２に示すように、繊維構造体１０は、第１繊維基材１１と第２繊維基材８０とを備えている。第１繊維基材１１はＴ形である。第２繊維基材８０は平板状である。第２繊維基材８０は、第１繊維基材１１の一部を覆うように第１繊維基材１１に連結されている。

＜第１繊維基材＞
図３に示すように、第１繊維基材１１は、第１繊維層２０を複数備える。第１繊維層２０は、複数の第１繊維束１２を配列して形成されている。第１繊維層２０において複数の第１繊維束１２が配列された方向を配列方向Ｘとする。第１繊維層２０の複数の第１繊維束１２は、連結糸１５によって第１繊維束１２の軸方向が揃うように配列方向Ｘに配列されて連結されている。

図５及び図６に示すように、第１繊維束１２は、強化繊維の非連続繊維１３と、非連続繊維１３に巻回されるカバーリング糸１４を有する。非連続繊維１３の長さは、例えば、３０～４０ｍｍである。カバーリング糸１４は、非連続繊維１３の束の軸方向に隣り合うカバーリング糸１４同士を離して、非連続繊維１３の束に巻回されている。

第１繊維束１２では、束の軸方向に隣り合うカバーリング糸１４同士の間から非連続繊維１３が毛羽１６となって突出している。
強化繊維は、有機繊維又は無機繊維を使用してもよいし、異なる種類の有機繊維、異なる種類の無機繊維、又は有機繊維と無機繊維を混繊した混繊繊維を使用してもよい。有機繊維としては、アクリル繊維、ナイロン繊維、ポリエステル繊維、アラミド繊維、ポリ－ｐ－フェニレンベンゾビスオキサゾール繊維、超高分子量ポリエチレン繊維等が挙げられ、無機繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、セラミック繊維等が挙げられる。本実施形態では、非連続繊維１３は、炭素繊維で形成されている。カバーリング糸１４は、複数の非連続繊維１３を巻回できればよく、例えば、強化繊維によって構成されていてもよい。

図１及び図２に示すように、第１繊維基材１１は、Ｔ形である。第１繊維基材１１は、平板状の本体部３０と、本体部３０における第１繊維束１２の軸方向において、本体部３０から延出する分岐部４０と、を備えている。本体部３０は、複数の第１繊維束１２を配列した第１繊維層２０を複数積層して形成されている。

本体部３０において、第１繊維層２０の積層する方向を積層方向Ｙ１とする。本体部３０は、積層方向Ｙ１の両面のうちの一方に第１面３１を備えるとともに、他方に第２面３２を備えている。

分岐部４０は、本体部３０における第１繊維束１２の軸方向において、本体部３０から延出し、かつ積層された複数の第１繊維層２０が二股状に分岐されて形成される。分岐部４０は、２つの曲り部４１と２つの水平部６０を備えている。２つの曲り部４１は、本体部３０に対し曲げられた部位である。２つの曲り部４１の各々は、第１曲面４２および第２曲面４３を備えている。２つの第１曲面４２の各々は、本体部３０から二股に分岐を開始する位置から延びる面である。２つの第１曲面４２は、本体部３０から離れるに従い互いに離間するように湾曲している。２つの第２曲面４３の一方は、本体部３０の第１面３１に連続する面であるとともに、他方の第２曲面４３は、本体部３０の第２面３２に連続する面である。第１曲面４２は、第２曲面４３よりも面積が大きい。

２つの水平部６０の各々は、平板状である。各水平部６０は、各曲り部４１から本体部３０の積層方向Ｙ１に延出している。水平部６０において、第１繊維層２０の積層する方向を積層方向Ｙ２とする。水平部６０は、水平部６０での第１繊維層２０の積層方向Ｙ２の両面のうちの一方に第１面６１を備えるとともに、他方に第２面６２を備えている。

各曲り部４１の第１曲面４２は、連続する水平部６０の第１面６１に繋がっている。各曲り部４１の第２曲面４３は、連続する水平部６０の第２面６２に繋がっている。
第１繊維基材１１において、各第１繊維束１２の軸方向は、第１繊維基材１１の本体部３０、曲り部４１および水平部６０に沿う方向に延びている。なお、本体部３０、曲り部４１および水平部６０に沿う方向を延設方向Ｚと記載する。第１繊維層２０での第１繊維束１２の配列方向Ｘは、本体部３０、曲り部４１および水平部６０に沿う方向、つまり延設方向Ｚに直交している。

第１繊維基材１１は、第１繊維束１２の軸方向に沿って、本体部３０、曲り部４１および水平部６０が連続して形成されている。言い換えると、本体部３０、曲り部４１および水平部６０は、それぞれ第１繊維束１２の一部によって形成される。

＜第２繊維基材＞
第２繊維基材８０は、第２繊維層９０を複数積層して形成されている。第２繊維基材８０において、第２繊維層９０の積層する方向を積層方向Ｙ３とする。第２繊維層９０は、複数の第２繊維束８１を配列して形成されている。第２繊維束８１は、複数の強化繊維が束ねられてなる繊維束である。第２繊維束８１を形成する強化繊維としては、第１繊維束１２を形成する強化繊維と同様のものが使用される。第２繊維層９０の複数の第２繊維束８１は、図示しない連結糸によって第２繊維束８１の軸方向が揃うように連結されている。第２繊維基材８０は、第２繊維層９０の積層方向Ｙ３の両面のうちの一方に第１面８２を備えるとともに、他方に第２面８３を備えている。

＜繊維構造体の詳細＞
繊維構造体１０において、分岐部４０は、本体部３０とは反対側から第２繊維基材８０によって覆われている。各曲り部４１の第１曲面４２および水平部６０の第１面６１は、第２繊維基材８０の第２面８３と対向する。２つの曲り部４１の第１曲面４２の各々は、第２繊維基材８０の第２面８３と離間している。

図４に示すように、全ての第１繊維束１２において、曲り部４１を形成する部位を第１部位１２ａとする。また、全ての第１繊維束１２において、本体部３０及び水平部６０を形成する部位を第２部位１２ｂとする。第１部位１２ａは、第２部位１２ｂに挟まれた部位である。曲り部４１は、第１曲面４２において、カバーリング糸１４が巻回される間隔を本体部３０及び水平部６０よりも広くした部位として、第１部位１２ａを備える。本実施形態では、曲り部４１の全てが第１部位１２ａによって形成されている。

全ての第１繊維束１２において、第１部位１２ａでのカバーリング糸１４の間隔が、第２部位１２ｂでのカバーリング糸１４の間隔に比べて広い。このため、第１部位１２ａから突出する非連続繊維１３の毛羽１６の本数は、第２部位１２ｂから突出する非連続繊維１３の毛羽１６の本数より多くなる。毛羽１６の長さは、例えば、５～１０ｍｍである。なお、毛羽１６の長さは、少なくとも第１繊維束１２を構成する非連続繊維１３の長さ未満であればよい。毛羽１６の本数が多いことから、第１部位１２ａの太さは第２部位１２ｂよりも細い。

次に、本実施形態の作用について説明する。
繊維構造体１０において、２つの曲り部４１それぞれの第１曲面４２と、第２繊維基材８０の第２面８３とで画成される隙間４４には、第１曲面４２から突出した毛羽１６が位置している。繊維強化複合材１００では、隙間４４に充填されたマトリックス材料１０１には毛羽１６が含まれている。

本実施形態によれば以下の効果を奏する。
（１）各第１繊維束１２では、間隔を空けて巻回されたカバーリング糸１４の間から非連続繊維１３が毛羽１６として突出している。繊維構造体１０の隙間４４には、第１繊維束１２から突出する毛羽１６が配置される。第１曲面４２を形成する第１部位１２ａは、本体部３０及び水平部６０を形成する第２部位１２ｂに比べて、カバーリング糸１４が巻回される間隔が広い。このため、第１曲面４２から隙間４４に突出する毛羽１６の量を、本体部３０及び水平部６０から突出する毛羽１６の量より多くできる。その結果、繊維構造体１０にマトリックス材料１０１を含浸させて形成される繊維強化複合材１００では、毛羽１６によって隙間４４を補強できる。したがって、隙間４４を補強するための作業の手間や部品コストを低減することができるため、繊維構造体１０及び繊維強化複合材１００のコストを低減できる。

（２）第１繊維層２０での第１繊維束１２の配列方向Ｘは、本体部３０、曲り部４１および水平部６０が沿う延設方向Ｚに直交する。これにより、第１曲面４２の毛羽１６は、本体部３０、および水平部６０に比べて生じやすくなる。その結果、隙間４４を補強するための作業の手間や部品コストの低減をすることができる。

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。
○ 図７及び図８に示すように、第１繊維層２０での第１繊維束１２の配列方向Ｘは、本体部３０および分岐部４０に沿う方向、つまり延設方向Ｚに沿っていてもよい。分岐部４０は、本体部３０の第１繊維束１２の配列方向Ｘにおいて、本体部３０から延出している。曲り部４１を形成する第１繊維束１２を曲り部用繊維束１２ｃと記載する。また、本体部３０を形成する第１繊維束１２を本体部用繊維束１２ｄと記載する。水平部６０を形成する第１繊維束１２を水平部用繊維束１２ｅと記載する。

曲り部用繊維束１２ｃ、本体部用繊維束１２ｄ及び水平部用繊維束１２ｅのカバーリング糸１４の間隔は、それらの軸方向の全体に亘って一定である。曲り部用繊維束１２ｃでのカバーリング糸１４の間隔は、本体部用繊維束１２ｄ及び水平部用繊維束１２ｅでのカバーリング糸１４の間隔より広い。

そして、第１曲面４２を形成する曲り部用繊維束１２ｃは、本体部３０を形成する本体部用繊維束１２ｄ及び水平部６０を形成する水平部用繊維束１２ｅに比べて、カバーリング糸１４が巻回される間隔が広い。このため、第１曲面４２から隙間４４に突出する毛羽１６の量を、本体部３０及び水平部６０から突出する毛羽１６の量より多くできる。その結果、繊維構造体１０にマトリックス材料１０１を含浸させて形成される繊維強化複合材１００では、毛羽１６によって隙間４４を補強できる。したがって、隙間４４を補強するための作業の手間や部品コストを低減することができるため、繊維構造体１０及び繊維強化複合材１００のコストを低減できる。

曲り部用繊維束１２ｃについては、本体部用繊維束１２ｄ及び水平部用繊維束１２ｅに比べてカバーリング糸１４の間隔を広くするが、非連続繊維１３の束の軸方向の全体に亘って間隔を広くすればよい。つまり、曲り部用繊維束１２ｃについて、非連続繊維１３の束の軸方向の全体に亘って間隔を一定にできる。よって、曲り部用繊維束１２ｃについて、非連続繊維１３の束の軸方向に沿ってカバーリング糸１４の間隔を変化させる必要がなくなる。そのため、曲り部用繊維束１２ｃは、カバーリング糸１４の間隔を変えるための作業の手間が低減される。

○ 第１繊維基材１１の全ての第１繊維層２０のうち、第１曲面４２を形成する第１繊維層２０だけカバーリング糸１４の間隔を広くしてもよい。
○ 第１繊維束１２は、第１部位１２ａ全体ではなく、第１部位１２ａの一部だけカバーリング糸１４の間隔を広くしてもよい。

○ 第１曲面４２だけでなく、本体部３０や水平部６０にカバーリング糸１４の間隔が広い部位があってもよい。
○ 第２繊維基材８０の第２繊維束８１も第１繊維束１２と同じように非連続繊維１３の束をカバーリング糸１４で巻回して形成してもよい。そして、隙間４４に向けて第２繊維基材８０の第２繊維束８１から毛羽１６を突出させてもよい。

○ 第２繊維基材８０は、１枚の第２繊維層９０によって形成されていてもよい。
○ 第２繊維層９０は、複数の第２繊維束８１によって形成された織物又は編み物でもよい。

○ 第２繊維基材８０は、複数の第２繊維層９０を積層し、かつ積層方向Ｙ３に層間結合糸によって結合されて形成されていてもよい。
○ 実施形態では、分岐部４０は、本体部３０における第１繊維束１２の軸方向において本体部３０から延出しているとしたが、これに限らない。例えば、分岐部４０は、本体部３０における、第１繊維束１２の軸方向に沿う途中から延出していてもよい。この場合、分岐部４０は、本体部３０における第１繊維束１２の軸方向に対して交差する方向に第１繊維層２０が延出するとともに、本体部３０の第１面３１及び第２面３２の少なくとも一方から延出する。また、分岐部４０は、本体部３０の１箇所から延出するだけでなく、複数箇所から延出していてもよい。

○ 分岐部４０は、水平部６０を備えない曲り部４１だけの構成であってもよい。この場合、延設方向Ｚは、本体部３０および曲り部４１に沿う方向となる。また、この場合、実施形態では、第１繊維層２０での第１繊維束１２の配列方向Ｘは、本体部３０および曲り部４１に沿う延設方向Ｚに直交することになる。また、図７及び図８に示す形態では、第１繊維層２０での第１繊維束１２の配列方向Ｘは、本体部３０および曲り部４１に沿う延設方向Ｚに沿うことになる。

○ 第１繊維束１２が有するカバーリング糸１４は、複数本であってもよい。
上記実施形態及び変更例から把握できる技術的思想について記載する。
○ 前記第２繊維基材は、前記第２繊維層を複数積層して形成されている。

Ｘ…配列方向、Ｚ…本体部および分岐部に沿う方向としての延設方向、１０…繊維構造体、１１…第１繊維基材、１２…第１繊維束、１３…非連続繊維、１４…カバーリング糸、２０…第１繊維層、３０…本体部、４０…分岐部、４２…第１曲面、８０…第２繊維基材、８１…第２繊維束、１００…繊維強化複合材、１０１…マトリックス材料。

Claims (4)

1. 複数の第１繊維束を配列した第１繊維層を複数積層した本体部と、
   前記本体部から延出し、かつ積層された複数の前記第１繊維層が二股状に分岐された分岐部と、を備える第１繊維基材と、
   第２繊維束を有する第２繊維基材と、を備え、
   前記第２繊維基材は、前記分岐部を覆っており、
   前記分岐部は、前記第２繊維基材から離間する曲面を備え、
   前記第１繊維束は、非連続繊維の束にカバーリング糸を巻回して形成され、
   前記曲面は、前記カバーリング糸が巻回される間隔を前記本体部よりも広くした部位を含むことを特徴とする繊維構造体。
2. 前記第１繊維層における前記第１繊維束の配列方向は、前記本体部および前記分岐部に沿う方向に直交することを特徴とする請求項１に記載の繊維構造体。
3. 前記第１繊維層における前記第１繊維束の配列方向は、前記本体部および前記分岐部に沿う方向に沿うことを特徴とする請求項１に記載の繊維構造体。
4. 繊維構造体にマトリックス材料を含浸させて構成される繊維強化複合材であって、前記繊維構造体は、請求項１～請求項３のいずれか一項に記載の繊維構造体である繊維強化複合材。

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