JP2566705B2

JP2566705B2 - 一方向プリプレグと炭素繊維強化樹脂複合材料及びそれらの製造方法

Info

Publication number: JP2566705B2
Application number: JP4140617A
Authority: JP
Inventors: 健二久保村; 浩巳木村; 英男大曽根; 美樹男島
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd; Nippon Steel Corp
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd; Nippon Steel Corp
Priority date: 1992-02-07
Filing date: 1992-06-01
Publication date: 1996-12-25
Anticipated expiration: 2011-12-25
Also published as: JPH05278032A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一方向プリプレグ及び
その製造方法と、それを用いた炭素繊維強化樹脂複合材
料に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】炭素繊維強化樹脂複合材料（以下ＣＦＲ
Ｐと略す）は、比強度、比剛性が高いという特徴があ
り、種々の分野への適用が行なわれている。炭素繊維を
ＣＦＲＰとして利用する場合、その製造はプリプレグと
呼ばれる、炭素繊維にあらかじめ未硬化状態のエポキシ
樹脂等を含浸させたシート状の中間素材を用い、これを
所定枚数積層したのち、加圧、加熱して成形する方法を
用いる場合がほとんどである。高性能のＣＦＲＰを得る
ためには、炭素繊維を一方向に配した一方向プリプレグ
が用いられる。繊維を織ったクロス材や編んだブレーダ
ー材では、繊維のうねりやそれに伴う局部的な応力集中
のために、高性能ＣＦＲＰとして十分な性能を得ること
ができない。

【０００３】現在ＣＦＲＰに使用されている炭素繊維と
しては、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）繊維を原料と
して製造されるＰＡＮ系炭素繊維が主流となっている。
しかしながら、ＰＡＮ系炭素繊維は原料のポリアクリロ
ニトリル繊維が高価で、しかも炭化収率が低いために必
然的に高価格なものとなっており、その用途は、航空・
宇宙関係、スポーツ・レジャー関係等の限られた分野に
なっている。

【０００４】一方、炭素質ピッチを原料とするピッチ系
炭素繊維は、原料が安くしかも炭化収率が高いために、
安価に製造できるという特徴を持っている。特に原料と
してメソフェースを４０％以上、好ましくは６０％以上
含有するメソフェースピッチを用いたメソフェースピッ
チ系炭素繊維は、安価でしかも高性能な炭素繊維を与え
る可能性を持つものとして注目されている。一般にメソ
フェースピッチ系炭素繊維においては、原料であるメソ
フェースピッチの持つ易配向性、易黒鉛化性を利用する
ことによって容易に高配向でしかも高黒鉛化性を持つ炭
素繊維が製造でき、従って弾性率の高い繊維が製造でき
ることが知られている。例えば、特開昭４９−１９１２
７号公報には炭素層面が３次元に発達し、黒鉛化性が高
く、また弾性率に優れるメソフェースピッチ系炭素繊維
及びその製造方法が開示されている。

【０００５】しかしながらメソフェースピッチ系炭素繊
維（以下ピッチ系炭素繊維）は易黒鉛化性という特徴を
活かして高弾性率品が開発されてきているものの、高弾
性になるほどそのＣＦＲＰは圧縮強度が低くなるという
相反する性質があり、ＰＡＮ系の炭素繊維のようにＣＦ
ＲＰの引張強度と圧縮強度のバランスが取れていない。

【０００６】第１５回複合材料シンポジウム講演要旨
集，１０５（１９９０）で報告されているように最近の
詳細な研究によると、ピッチ系高弾性炭素繊維を用いた
一方向ＣＦＲＰの圧縮の応力−歪み線図には歪みの増加
に伴って傾きが減少する負の非線形性がある。一般に引
張弾性率４００GPa 以上のピッチ系炭素繊維において
は、圧縮破断時の傾きが、初期の傾きの６０％以下に減
少する。このために平板の圧縮試験では、試験片が剪断
座屈等のモードで破壊を起こし、圧縮強度及び破断歪み
が小さく測定されるものと考えられる。前記のピッチ系
炭素繊維は、現状では引張強度が２０００MPa 以上に対
し、一方向ＣＦＲＰの圧縮強度が８００MPa 以下である
ため、構造材料として用いられるためには特性の改善が
要求されている。

【０００７】炭素繊維の圧縮強度を改善する手法とし
て、ハイブリッドとよばれる、異種繊維を組み合わせる
手法がある。例えば特公平２−４２０９８号公報には、
異なるグレード品の炭素繊維の組み合わせにより、炭素
繊維を補強して曲げ強度を向上させる例が開示されてい
るが、異種繊維の分布状況や具体的な製造方法は開示さ
れていない。前記公報によると、補強用の繊維径は大き
いほど、補強のためには有利である。

【０００８】また、特開平２−２９２３３７号公報に
は、炭素繊維に、圧縮強度の高い異種繊維を一様に分散
させることにより、曲げ強度が向上することが開示され
ている。前記公報によると、圧縮強度の向上のためには
炭素繊維と異種繊維が一様に分散していることが不可欠
である。一つの層内に炭素繊維の領域と異種繊維の領域
を隣接して形成されたいわゆる層内ハイブリッドや、炭
素繊維の層と異種繊維の層とを積層して成形されたいわ
ゆる層間ハイブリッドでは、弱い繊維から順に低い破断
歪みで破断するため、圧縮強度の向上は不十分である。

【０００９】従って、炭素繊維を用いてハイブリッドに
より圧縮強度を向上させるためには、太径の繊維を一様
に分散させることが不可欠であり、必然的に、一様に分
散させるために装置上や生産性の面から高価格なものに
なり、かつ太径繊維を用いるため、釣竿やゴルフシャフ
トの製造上で要求されるような薄物のプリプレグを生産
することは困難であった。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、繰り
返し負荷に耐え得る、圧縮強度を向上させた、安価で且
つ薄物化が可能な一方向プリプレグと、それを用いたＣ
ＦＲＰ、及びそれらの製造方法を提供するものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、繊維の引張弾
性率が４００GPa 以上、引張強度が２０００MPa 以上、
直径が４μｍ以上１５μｍ以下で、且つ該繊維の束に樹
脂を含浸硬化した一方向強化複合材料の圧縮強度が１０
０MPa 以上８００MPa 以下のピッチ系炭素繊維Ａの繊維
束と、繊維の引張弾性率が２００GPa 以上、直径が炭素
繊維Ａの直径よりも小さく、且つ該繊維の束に樹脂を含
浸硬化した一方向強化複合材料の圧縮強度及び圧縮破壊
歪みが炭素繊維Ａの繊維束に樹脂を含浸硬化した一方向
強化複合材料よりも高いポリアクリロニトリル系炭素繊
維Ｂの繊維束が、隣接して配設され、樹脂が含浸されて
いる一方向プリプレグ、及びその製造方法である。さら
には、前記プリプレグを積層、成形して製造したＣＦＲ
Ｐ、及びその製造方法である。

【００１２】尚、本発明で規定される繊維引張強度及び
繊維引張弾性率は、ＪＩＳＲ７６０１で規定される樹
脂含浸ストランド法により得られた値である。また、本
発明で規定される一方向強化複合材料の圧縮強度は、Ａ
ＳＴＭＤ３４１０Ａで規定される所謂セラニーズ法に
従って圧縮試験を行なった結果を、繊維体積含有率６０
％に換算した値である。また、圧縮破壊歪みは、圧縮試
験時に試験片に歪みゲージを貼付して測定した値であ
る。

【００１３】本発明の方法によると、補強用繊維とし
て、ピッチ系炭素繊維よりも繊維径が小さい場合でも有
効に効果を発揮するため、薄物のプリプレグの製作が容
易であり、補強用として特に太径の繊維や部分接着した
繊維を予め作製する必要がない。

【００１４】また、本発明の方法によると、その補強形
態としては特開平２−２９２３３７号公報に示されてい
る如く一様に分散していなくても有効に作用するだけで
なく、本発明の方法を用いた場合、一様に分散した場合
よりも物性が向上する。

【００１５】一様に分散した場合よりも物性が向上する
のは、炭素繊維Ａは繊維として非常に脆いため、特開平
２−２９２３３７号公報に開示されている方法によりプ
リプレグを製造した場合、繊維が損傷を受けやすいた
め、引張及び圧縮の強度特性が低下するものと考えられ
る。

【００１６】本発明のプリプレグは製造上特別な装置を
必要とせず現状の装置で製造でき、且つ特別な装置を必
要としないため生産性の向上を図ることができ、さらに
は繊維に無用な損傷を与えて物性低下をきたすことがな
い。

【００１７】以下、本発明のプリプレグの製造方法を、
図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明による一
方向プリプレグの製造方法の概念を示す側面図である。
１は炭素繊維Ａによる繊維束であり、２は炭素繊維Ｂに
よる繊維束である。炭素繊維Ａ及び炭素繊維Ｂは、多数
本の単繊維をまとめた繊維束をそのまま使用することが
本発明の効果を発揮する上で望ましい。

【００１８】繊維束中の炭素繊維の本数は、装置上や製
造上の都合等により選択が可能であり、一般的には、５
００本から２４０００本程度のものが使用される。ま
た、繊維束として用いる場合、取り扱いの都合上、サイ
ジング処理を施して集束したものが望ましい。

【００１９】炭素繊維束１または炭素繊維束２を巻いた
ボビンの必要本数を、クリールスタンド８に装着する。
クリールスタンド８より解舒された炭素繊維束１及び炭
素繊維束２は、コーム７及びローラー６により一定幅に
引き揃えられる。この時、炭素繊維束１と炭素繊維束２
は一定の組み合わせを持つように配置される。

【００２０】例えば図２に示されるごとく、炭素繊維束
１と炭素繊維束２は交互に揃えられる。しかし交互であ
る必要はなく、例えば図３に示されるごとく炭素繊維束
１を１条と炭素繊維束２を３条の組み合わせでもよい。

【００２１】この組み合わせ方は、必要とする物性、特
に圧縮強度により、任意に選ぶことができる。繊維体積
含有率の比Ｒは、Ｒ＝（Ｔ₁Ｄ₂）／（Ｔ₂Ｄ₁）×ｒ_1/2 ……………（１）で表すことができる。ここで、Ｔ₁，Ｔ₂はそれぞれ炭
素繊維束１及び炭素繊維束２の繊度、Ｄ₁，Ｄ₂はそれ
ぞれ炭素繊維束１及び炭素繊維束２の比重、ｒ_1/ ₂は炭
素繊維束１の数の炭素繊維束２の数に対する比である。
Ｒは、繊維軸方向に必要な圧縮強度により決定される。

【００２２】コーム７により揃えられた炭素繊維束１及
び２は、樹脂コート紙３を添付した後、ホットプレスロ
ーラー６を経る。これにより、樹脂コート紙３上の未硬
化のマトリックス樹脂が繊維束中に含浸される。樹脂コ
ート紙３は、あらかじめホットメルトタイプの未硬化熱
硬化性樹脂を一定厚みに離型紙等にコートしたものであ
る。

【００２３】熱硬化性樹脂としては、硬化剤を混練した
エポキシ樹脂が広く用いられるが、必要であれば、硬化
剤を混練した不飽和ポリエステル樹脂や、フェノール樹
脂、ポリイミド樹脂等を用いることもできる。また、た
とえばエポキシ樹脂をポリイミド樹脂やフェノール樹
脂、ゴム成分等で変成して用いることもできる。マトリ
ックス樹脂は、使用条件により任意に選択すればよい。

【００２４】ホットプレスローラー６により未硬化樹脂
が含浸した多数条の炭素繊維束は、一方向プリプレグと
してマンドレル４に巻き取られる。また、それに先だっ
て、樹脂を含浸した後のコート紙はマンドレル５に巻き
取られる。

【００２５】本発明に使用される炭素繊維Ａは、ピッチ
系炭素繊維であり、繊維の引張弾性率が４００GPa 以
上、好ましくは４５０GPa 以上であり、引張強度が２０
００MPa 以上、直径が４μｍ以上１５μｍ以下で、且つ
該繊維の束に樹脂を含浸硬化した一方向強化複合材料の
圧縮強度が１００MPa 以上８００MPa 以下である。

【００２６】即ち、引張弾性率が４００GPa 以上のピッ
チ系炭素繊維Ａは、引張強度は構造材料として用いられ
るに充分な２０００MPa 以上を達成することができる
が、その場合でも、圧縮強度はそれに比べて極度に低
く、一方向ＣＦＲＰの圧縮強度は８００MPa 以下にしか
ならない。炭素繊維Ａとしては、例えば新日本製鐵
（株）製ピッチ系炭素繊維「エノカイノスＮＴ−５０」
及び同「ＮＴ−６０」などが使用できる。

【００２７】このような機械的特性を示すピッチ系炭素
繊維は、応力−歪み線図において、圧縮破断時の傾きが
初期の傾きの６０％以下に減少するため、後述するよう
に炭素繊維Ｂによって補強効果が生じる。この場合、繊
維径は４μｍ以上１５μｍ以下、好ましくは７μｍ以上
１１μｍ以下のものが用いられる。１５μｍを超える繊
維径では取り扱いの上で不利であり、例えば製造された
プリプレグはしなやかさに欠けるためゴルフシャフトや
釣竿等の製造は非常に難しい。また４μｍ未満の繊維径
では炭素繊維の製造が困難である。

【００２８】なお、圧縮強度の下限は特に規定されるべ
きものではないが、圧縮強度があまりに低すぎた場合、
構造材料として使用されるに充分な強度まで強化される
ことができないため、ピッチ系炭素繊維Ａの束に樹脂を
含浸硬化した一方向ＣＦＲＰの圧縮強度が１００MPa 以
上、好ましくは２００MPa 以上のものが使用される。

【００２９】本発明において補強の目的に使用される繊
維としては、物性のバランスの面から炭素繊維であるこ
とが望ましいが、炭素繊維Ｂは、その繊維束に樹脂を含
浸硬化した一方向強化ＣＦＲＰの圧縮強度と圧縮破壊歪
みの両方が、炭素繊維Ａの繊維束に樹脂を含浸硬化した
一方向強化ＣＦＲＰよりも高いことが必要である。

【００３０】この条件を満足するものであれば炭素繊維
としてとくに規定されるものではないが、現状の特性を
鑑みると、前記炭素繊維は、ポリアクリロニトリルを原
料とするＰＡＮ系炭素繊維を用いることがよい。その場
合、炭素繊維Ａとの引張弾性率のバランスの面から、前
記炭素繊維の引張弾性率は２００GPa 以上のものがよ
い。また、繊維径としては、直径が炭素繊維Ａの直径よ
りも小さいものがよい。本発明による炭素繊維Ａと炭素
繊維Ｂの組み合わせでは、補強用に用いられる炭素繊維
Ｂは、特公平２−４２０９８号公報に示されているよう
な炭素繊維Ａよりも太い繊維である必要はない。従っ
て、製造されるプリプレグがしなやかであり且つ薄物の
プリプレグを製造可能とするためには、炭素繊維Ｂは炭
素繊維Ａよりも細いことが好ましい。また、４μｍ未満
のあまり細い径の炭素繊維は製造が困難である。炭素繊
維Ｂとしては、例えば東レ（株）製ＰＡＮ系炭素繊維
「トレカＴ−３００」及び同「Ｍ−５０Ｊ」などが使用
できる。

【００３１】プリプレグの製造方法としては上述の方法
のみに規定されるものではない。炭素繊維束１及び２を
組み合わせてプリプレグとするものであれば他のいずれ
の方法でも使用可能である。例えばウェット法と称され
る方法で製造可能である。これは、未硬化樹脂を溶剤に
溶解しておき、これに炭素繊維束を浸漬したのち乾燥工
程を経て樹脂を含浸させる方法である。

【００３２】また、炭素繊維束の多数条を引き揃えて一
度に製造する方法ではなく、ドラムワインダーと呼ばれ
る装置を用い、炭素繊維束の１条または数条をドラムに
巻き付けることにより製造することでもよい。

【００３３】本発明によるプリプレグは、積層成形する
ことによりＣＦＲＰとして製造することができる。すな
わち、本発明によるプリプレグを所定の寸法に切断後、
所定の配向角に積層し、オートクレーブ、ホットプレス
等で加熱、加圧して所望の形状に成形する。

【００３４】プリプレグの積層の仕方は、特に規定され
るものではなく、設計等の都合により選択すればよい。
例えば、擬似等方性や、一方向、±４５°積層等が用い
られる。但し、同一方向に２層以上を積層する場合に
は、同種の炭素繊維が重ならないように積層すること
が、強化効率の面から望ましい。

【００３５】繊維強化樹脂複合材料による成形体の形状
としては、平板、円筒形状等のほか、プリプレグの積層
成形によって得られる３次元形状が挙げられる。繊維の
配向角及び厚さは、得られるＣＦＲＰの必要性能により
決定すればよい。

【００３６】

【作用】本発明のプリプレグを用いてＣＦＲＰを成形す
ることにより、ピッチ系高弾性炭素繊維Ａを用いた一方
向ＣＦＲＰの繊維軸方向の、圧縮強度と圧縮破断歪みの
両方を高めることができる。プリプレグの薄物化が容易
に達成できる上、炭素繊維Ａは、ＣＦＲＰ全体が圧縮破
壊するまでは破壊せずに保持されるため、繰り返し負荷
に耐えることができる。

【００３７】特開平２−２９２３３７号公報に示されて
いるごとく、ハイブリッドにより圧縮強度の補強効果を
発揮するためには、繊維を一様に分布させる必要がある
が、本発明の方法によれば、一様に分布させず、繊維束
単位で各炭素繊維の領域を隣接させることによって補強
効果を発揮させることができる。

【００３８】その詳細な理由は明らかではないが、以下
のように考えられる。すなわち、最近の詳細な研究によ
ると、炭素繊維Ａを用いた一方向ＣＦＲＰの圧縮の応力
−歪み線図には歪みの増加に伴って傾きが減少する負の
非線形性があり（例えば第１５回複合材料シンポジウム
講演要旨集，１０５（１９９０））、このためにセラニ
ーズ法による平板の圧縮試験では、試験片が剪断座屈等
のモードで破壊を起こし、圧縮強度及び破断歪みが小さ
く測定されるものと考えられる。

【００３９】従って、材料が本来有する圧縮破断歪みは
平板の圧縮試験で得られる値より大きいものと推定され
る。そのため、圧縮時に、炭素繊維を、圧縮強度と圧縮
破壊歪みの大きい炭素繊維で支持することにより、材料
が本来持っていた圧縮歪みを発現しやすくなるものと考
えられる。

【００４０】これを図示すると、図４のようになる。図
４は、ＣＦＲＰの圧縮における応力−歪み線図の一例で
ある。図４において９は炭素繊維１単味、１０は炭素繊
維２単味、１１は例として炭素繊維１と炭素繊維２を体
積比１：１に混合した場合（Ｒ＝１）のＣＦＲＰの曲線
である。９には負の非線形性が見られる。従って、炭素
繊維１単味でのＣＦＲＰのセラニーズ法による平板の圧
縮試験では、応力１の時点で試験片の破壊に至る。この
ときの歪みは歪み１である。

【００４１】一方、炭素繊維２には非線形性はあまり見
られず、応力２、歪み２の時点で破壊する。炭素繊維１
と炭素繊維２を体積比１：１に混合してＣＦＲＰにした
場合、炭素繊維１は歪み１と歪み２の間である歪み３ま
で破壊せず保持され、この時点（応力３）で炭素繊維２
が破壊し、全体の試験片が破壊するものと考えられる。
この場合、応力３は応力１と応力２の間に位置する。

【００４２】炭素繊維Ａ以外の炭素繊維にも圧縮におけ
る負の非線形性が若干認められるものの、その率は大き
くない。そのため、ハイブリッドにより圧縮強度の向上
を図る場合、補強効果がそれほど大きくない上、補強繊
維を分散させることにより炭素繊維と補強繊維の接触面
積を増やす必要があるものと考えられる。

【００４３】ところが、炭素繊維Ａの場合には、非線形
性が非常に大きく、その潜在的歪み量が大きいために、
補強繊維による補強効果が大きく、また、それが一様に
分散せずに繊維束単位程度で分散している場合でも、充
分な補強効果を発揮するものと考えられる。

【００４４】また、繊維束単位程度で分散させる場合、
製造上、繊維に無用な損傷を与えることがないため、ハ
イブリッド化することにより却って特性が落ちるという
ことがないものと考えられる。

【００４５】この場合、歪み１以上の圧縮歪みを受けた
炭素繊維Ａは、歪み３において試験片全体が破壊するま
では破壊することなく保持されている。従って、歪み１
以上の圧縮歪みを受けた試験片について引張荷重をかけ
た場合でも、もとの強度、剛性を保持している。即ち、
本発明によるプリプレグを用いたＣＦＲＰは、静的な繰
り返し負荷にも耐えうるものである。

【００４６】

【実施例】本実施例で示される繊維軸方向引張り弾性率
は、ＪＩＳＲ７６０１で規定される樹脂含浸ストラン
ド法により得られた値である。また、一方向強化ＣＦＲ
Ｐの繊維軸方向圧縮強度は、ＡＳＴＭＤ３４１０Ａで
規定される所謂セラニーズ法に従って圧縮試験を行なっ
た結果を繊維体積含有率６０％に換算した値である。ま
た、圧縮破壊歪みは、圧縮試験時に試験片に歪みゲージ
を貼付して測定した値である。

【００４７】実施例１図１の装置を用いてプリプレグを製造した。１は、繊維
軸方向引張弾性率が６００GPa 、繊維軸方向引張強度が
３３００MPa 、一方向ＣＦＲＰの繊維軸方向圧縮強度が
５２５MPa 、圧縮破壊歪みが０．２％であるピッチ系炭
素繊維の３０００本の繊維束であり、樹脂との接着性を
向上させるための表面処理と、サイジング処理が施され
ている。

【００４８】２は、繊維軸方向引張弾性率４８０GPa 、
繊維軸方向引張強度が４０００MPa、一方向ＣＦＲＰの
繊維軸方向圧縮強度９００MPa 、圧縮破壊歪みが０．５
％であるＰＡＮ系炭素繊維の６０００本の繊維束であ
る。それぞれの繊維の繊維径及び比重は表１に示すとお
りである。

【００４９】

【表１】

【００５０】ボビンより解舒した炭素繊維束１及び２
は、コーム７により揃えた。その組み合わせは、図３に
示されるように、炭素繊維束１が１本に対し、炭素繊維
束２が３本である。すなわち、（１）式で規定されるｒ
_1/2が１／３である。引き揃えられた炭素繊維束には、
１２０℃硬化型のエポキシ樹脂を含浸して、プリプレグ
とした。得られたプリプレグは、繊維目付が１５０ｇ／
ｍ²であり、（１）式で規定される体積比Ｒが０．６０
９であった。

【００５１】得られたプリプレグを用い、一方向に１６
層積層し、オートクレーブにより成形して、平板形状の
厚さ２．０mmの一方向ＣＦＲＰを得た。その繊維体積含
有率は６０％であった。この一方向ＣＦＲＰをＡＳＴＭ
Ｄ３４１０Ａ法に従って圧縮試験を行なったところ、
７４０MPa の圧縮強度と、０．４％の圧縮破壊歪みが得
られた。

【００５２】これは、炭素繊維１によるＣＦＲＰよりも
４１％高い圧縮強度、１００％高い圧縮破壊歪みであ
り、満足な圧縮強度及び圧縮破壊歪みの向上が認められ
た。また、試験片に６５０MPa の応力を加えた後試験治
具より取り外したが、試験片中の炭素繊維の破断は認め
られなかった。

【００５３】実施例２実施例１のプリプレグを用い６層を±４０°に配向させ
た、内径１０mmのパイプをシートワインディング法によ
り成形した。肉厚は１．６mm、繊維体積含有率は６０％
であった。このパイプについて捩じり試験を行なったと
ころ４３．６Nmのトルクにて繊維の軸方向の圧縮破壊に
より破壊した。

【００５４】比較例として、炭素繊維束１のみで作製し
たプリプレグ±４０°に配向させた内径１０mmのパイプ
を、シートワインディング法により成形した。肉厚は
１．６mm、繊維体積含有率は６０％であった。このパイ
プについて捩じり試験を行なったところ２６．６Nmのト
ルクにて繊維の軸方向の圧縮破壊により破壊した。

【００５５】この２種類の積層によるパイプの捩じり剛
性はほぼ同等であった。この結果から、炭素繊維１及び
２を組み合わせてパイプを成形することにより、炭素繊
維１を単独で用いたパイプよりも大幅に（６４％）捩じ
り強度の向上したパイプを得ることができた。

【００５６】実施例３実施例１と同様にしてプリプレグを製造した。１は、繊
維軸方向引張弾性率が５００GPa 、繊維軸方向引張強度
が３３００MPa 、一方向ＣＦＲＰの繊維軸方向圧縮強度
が５００MPa 、圧縮破壊歪みが０．３５％であるピッチ
系炭素繊維の３０００本の繊維束であり、樹脂との接着
性を向上させるための表面処理と、サイジング処理が施
されている。

【００５７】２は、繊維軸方向引張弾性率が２３０GPa
、繊維軸方向引張強度が３５００MPa 、一方向ＣＦＲ
Ｐの繊維軸方向圧縮強度が１４００MPa 、圧縮破壊歪み
が１．２５％であるＰＡＮ系炭素繊維の１２０００本の
繊維束である。それぞれの繊維の繊維径及び比重は表２
に示すとおりである。

【００５８】

【表２】

【００５９】その組み合わせは、図２に示されるよう
に、炭素繊維束１が１本に対し、炭素繊維束２が１本で
ある。

【００６０】得られたプリプレグを用い、一方向に１６
層積層し、オートクレーブにより成形して、平板形状の
厚さ２．０mmの一方向ＣＦＲＰを得た。その繊維体積含
有率は６０％であった。この一方向ＣＦＲＰをＡＳＴＭ
Ｄ３４１０Ａ法に従って圧縮試験を行なったところ、
８００MPa の圧縮強度と、０．９５％の圧縮破壊歪みが
得られた。

【００６１】これは、炭素繊維１によるＣＦＲＰよりも
３３％高い圧縮強度、１７１％高い圧縮破壊歪みであ
り、満足な圧縮強度及び圧縮破壊歪みの向上が認められ
た。また、試験片に７００MPa の応力を加えたのち試験
治具より取り外したが、試験片中の炭素繊維の破断は認
められなかった。

【００６２】

【発明の効果】本発明のプリプレグを用いてＣＦＲＰを
成形することにより、ＣＦＲＰの繊維軸方向の圧縮強度
を高めることができる。また、そのことにより、炭素繊
維をＦＲＰの強化繊維として使用する際の設計の自由度
が高まり、強化繊維としての炭素繊維の用途拡大に寄与
する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるプリプレグ製造方法の概念図であ
る。

【図２】種類の異なる炭素繊維の組み合わせ方の例を示
す図であり、製造したプリプレグの断面図である。

【図３】種類の異なる炭素繊維の組み合わせ方の例を示
す図であり、製造したプリプレグの断面図である。

【図４】一方向ＣＦＲＰの圧縮の応力−歪み線図であ
る。

【符号の説明】

１ピッチ系炭素繊維２ピッチ系炭素繊維１より圧縮強度及び圧縮歪みの
大きい炭素繊維３樹脂コート紙４プリプレグ巻き取り用マンドレル５離型紙巻き取り用マンドレル６ホットプレスローラー７コーム８クリールスタンド９炭素繊維１を用いたＣＦＲＰの曲線１０炭素繊維２を用いたＣＦＲＰの曲線１１炭素繊維１と炭素繊維２を体積比１：１に混合し
たＣＦＲＰの曲線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大曽根英男川崎市中原区井田1618番地新日本製鐵株式会社先端技術研究所内 (72)発明者島美樹男君津市陽光台３−３−２−11

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】繊維の引張弾性率が４００GPa 以上、引
張強度が２０００MPa 以上、直径が４μｍ以上１５μｍ
以下で、且つ該繊維の束に樹脂を含浸硬化した一方向強
化複合材料の圧縮強度が１００MPa 以上８００MPa 以下
であるピッチ系炭素繊維（Ａ）の繊維束と、繊維の引張
弾性率が２００GPa 以上、直径が炭素繊維（Ａ）の直径
よりも小さく、且つ該繊維の束に樹脂を含浸硬化した一
方向強化複合材料の圧縮強度及び圧縮破壊歪みが炭素繊
維（Ａ）の繊維束に樹脂を含浸硬化した一方向強化複合
材料よりも高いポリアクリロニトリル系炭素繊維（Ｂ）
の繊維束が、隣接して配設され、樹脂が含浸されている
ことを特徴とする一方向プリプレグ。
【請求項２】繊維の引張弾性率が４００GPa 以上、引
張強度が２０００MPa 以上、直径が４μｍ以上１５μｍ
以下で、且つ該繊維の束に樹脂を含浸硬化した一方向強
化複合材料の圧縮強度が１００MPa 以上８００MPa 以下
であるピッチ系炭素繊維（Ａ）の繊維束と、繊維の引張
弾性率が２００GPa 以上、直径が炭素繊維（Ａ）の直径
よりも小さく、且つ該繊維の束に樹脂を含浸硬化した一
方向強化複合材料の圧縮強度及び圧縮破壊歪みが炭素繊
維（Ａ）の繊維束に樹脂を含浸硬化した一方向強化複合
材料よりも高いポリアクリロニトリル系炭素繊維（Ｂ）
の繊維束を、隣接して配設し、樹脂を含浸することを特
徴とする一方向プリプレグの製造方法。
【請求項３】繊維の引張弾性率が４００GPa 以上、引
張強度が２０００MPa 以上、直径が４μｍ以上１５μｍ
以下で、且つ該繊維の束に樹脂を含浸硬化した一方向強
化複合材料の圧縮強度が１００MPa 以上８００MPa 以下
であるピッチ系炭素繊維（Ａ）の繊維束と、繊維の引張
弾性率が２００GPa 以上、直径が炭素繊維（Ａ）の直径
よりも小さく、且つ該繊維の束に樹脂を含浸硬化した一
方向強化複合材料の圧縮強度及び圧縮破壊歪みが炭素繊
維（Ａ）の繊維束に樹脂を含浸硬化した一方向強化複合
材料よりも高いポリアクリロニトリル系炭素繊維（Ｂ）
の繊維束が、隣接して配設され、樹脂が含浸されている
一方向プリプレグを、積層し成形してなることを特徴と
する炭素繊維強化樹脂複合材料。
【請求項４】繊維の引張弾性率が４００GPa 以上、引
張強度が２０００MPa 以上、直径が４μｍ以上１５μｍ
以下で、且つ該繊維の束に樹脂を含浸硬化した一方向強
化複合材料の圧縮強度が１００MPa 以上８００MPa 以下
であるピッチ系炭素繊維（Ａ）の繊維束と、繊維の引張
弾性率が２００GPa 以上、直径が炭素繊維（Ａ）の直径
よりも小さく、且つ該繊維の束に樹脂を含浸硬化した一
方向強化複合材料の圧縮強度及び圧縮破壊歪みが炭素繊
維（Ａ）の繊維束に樹脂を含浸硬化した一方向強化複合
材料よりも高いポリアクリロニトリル系炭素繊維（Ｂ）
の繊維束が、隣接して配設され、樹脂が含浸されている
一方向プリプレグを、積層して成形することを特徴とす
る炭素繊維強化樹脂複合材料の製造方法。