JP3724663B2

JP3724663B2 - Ｆｒｐ形材

Info

Publication number: JP3724663B2
Application number: JP14645796A
Authority: JP
Inventors: 彰彦北野; 信彦清水; 実中村
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 1995-11-22
Filing date: 1996-05-17
Publication date: 2005-12-07
Anticipated expiration: 2016-05-17
Also published as: JPH09203159A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭素繊維を含有する繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製形材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
構造物や建造物の軽量化あるいは組立や建設現場での省力化を目的として、軽量構造材として注目されている。なかでも、ガラス繊維強化プラスチック（以下、ＧＦＲＰと略す。）製の長尺のビーム状部材（以下、形材と称する。）、例えば、パイプ、角パイプ、アングル、チャネル、Ｕ形、Ｔ形、Ｉビーム、平板、バー、支柱、桁材などは、鉄骨材よりも軽量で、木材よりも高剛性であり、かつまた断面形状が同一でかつ単純であるため大量生産に向いており、一般構造物や建造物用の形材として注目されている。
【０００３】
しかしながら、ＧＦＲＰ製の形材は、鉄骨材等の金属製の形材に比べ剛性が低いため、構造物や建造物の剛性を確保するには不十分であることが多い。例えば、ＧＦＲＰ製の形材を床の桁材として使用した場合には、床の変形量大きすぎて、桁材の本数を鉄骨の場合よりも増やす必要が生じ、軽量化効果がなくなると同時に作業量が増えてしまう。
【０００４】
さらに、ＧＦＲＰはクリープ変形が比較的大きいので、形材が変形し、構造物や建造物が当初よりも変形してしまうおそれがあるという問題もある。上記の床の桁材を例にとれば、床上に高重量の家具類等を長期に設置しておくと、床が徐々に沈みこんでいく場合がある。このクリープ変形は、使用前にも、たとえばＧＦＲＰ形材を倉庫などで保管する場合にも生じることがある。したがって、ＧＦＲＰ製の形材を保管する場合の枕木の配置間隔、倉庫の温湿度など保管保存環境に神経および経費を使う必要を生じさせている。
【０００５】
また、ＧＦＲＰ製の形材に、現場施工性のよいボルト接合を施した場合には、ボルトの効きが時間と共に低下していくという問題もある。
【０００６】
さらに、直射日光が当たったり、外気に晒されているなどして、温度変化が大きい部位にＧＦＲＰ製の形材を使用すると、熱変形により、接合している他の部位に予想以上の力が作用して、結果として構造物や建造物の寿命を短くするという問題をもはらんでいる。
【０００７】
さらにまた、一般に構造物の使用年数を延ばすために、構造用の形材は、風、地震、あるいは水災害により損傷や破損をしたり、経年とともに自然損傷した場合に、その一部または全部を定期的あるいは不定期的に補修、補強あるいは交換する必要があるが、その根拠となる損傷の程度を評価する手法がないのが現状である。
【０００８】
損傷が進行して構造材の強度が極度に低下してしまった状態で、地震などに遭遇すれば、予想以上の災害を招くという可能性がある。超音波探傷法をＦＲＰに使用する試みが航空機用部材の分野でなされているが、特殊で高価な装置あるいは熟練技術者が必要であるため、一般構造用部材や建築用部材には不適であり、簡便で廉価でかつ正確な手法が求められている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、従来の上述した問題点を解決し、軽量で高剛性、高疲労、耐腐食性に優れるのは勿論のこと、耐クリープ性にも優れ、ボルト接合部の閉まり具合にも優れ、かつ損傷の評価が容易なＦＲＰ形材を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明のＦＲＰ形材は、炭素繊維を含む少なくとも２種類の補強繊維を有するＦＲＰ形材であって、炭素繊維の少なくとも一部が形材の長手方向に配列されており、かつ、前記長手方向に配列された炭素繊維のみに通電することにより前記炭素繊維配列方向の損傷の検出が可能に構成されていることを特徴とするものからなる。
【００１１】
このＦＲＰ形材においては、層構造をなす、少なくとも炭素繊維を含む補強繊維層を有している構成、あるいは、形材横断面において炭素繊維がランダムに分布している構成、さらには、形材横断面において、トウ単位の炭素繊維を含む部分が散在している構成、のいずれの構成も採り得る。
【００１２】
トウ単位の炭素繊維を含む部分が散在している場合には、該トウ単位の炭素繊維を含む部分（トウ単位部）が市松模様を形成するように分布させることもできる。
【００１３】
上記炭素繊維の含有量は、とくに限定されないが、全補強繊維に占める上記炭素繊維の体積含有率が５〜５０％の範囲にあるとよい。５％未満では、効果的な補強が期待できない。上限は、５０％を超えてもよいが、余り多くしすぎると、２種以上の補強繊維を含有させた効果が小さくなる。
【００１４】
上記炭素繊維の機械的特性としては、たとえば、炭素繊維の引張弾性率が１８０〜３００ＧＰａ、引張強度が２，４００〜６，０００ＭＰａの範囲にあることが好ましい。
【００１５】
また、炭素繊維は炭素繊維束の形態で含有されることが好ましく、その場合、フィラメント数が３０，０００〜２４０，０００本の範囲にある炭素繊維束を有することが好ましい。
【００１６】
また、他の補強繊維としては、たとえばガラス繊維やアラミド繊維、ポリエチレン繊維等を用いることができる。これら他の補強繊維は、たとえば、織物の形態やマットの形態で含有させることができる。
【００１７】
このような本発明に係るＦＲＰ形材は、各種横断面形状を有するものに形成できる。そして、横断面形状に応じて、機械的特性やサイズを最適な範囲に設計できる。
【００１８】
たとえばＵ形横断面を有するＦＲＰ形材の場合には、曲げ剛性率が０．１〜１，０００ｋＮ・ｍ²の範囲にあり、Ｕ形横断面の幅が２０〜２００ｍｍの範囲にあることが好ましい。
【００１９】
Ｉ形横断面を有するＦＲＰ形材の場合には、曲げ剛性率が０．５〜３，５００ｋＮ・ｍ²の範囲にあり、Ｉ形横断面の高さが３０〜３００ｍｍの範囲にあることが好ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明のＦＲＰ形材の望ましい形態について、図面を参照しながら説明する。
本発明のＦＲＰ形材は、一般構造物や建造物用の形材として用いられる。一般構造物用ＦＲＰ形材は、各種構造物の骨材や枠材、梁、ビーム、支柱、脚、レール、ガイド材として用いることができる。
【００２１】
また、建設用形材としては、木造、鉄骨、セメントモルタル、レンガ作りの個人用家屋はもとより、鉄筋コンクリート作りの大型ビル、高層建築ビル、化学工場などの工場、倉庫、車庫、農業用のビニールハウスや園芸ハウス、ソーラーハウス、歩道橋、電話ボックス、移動式の簡易トイレ、シャワー室、ガレージ、テラス、ベンチ、ガードレール、広告塔、小屋、ペット小屋、テント小屋、物置、プレハブ等の小型・簡易建物などあらゆる建造物に使用できる部材をさす。
【００２２】
形材の使用箇所としては、ビルの屋上の貯水槽の補強材、ダクト補強材、プール材、ドアや窓の枠、軒の桟、天井や床の梁、敷居、間仕切り材、側壁材、鴨居、支柱、部屋を仕切るためのパーティションの枠、雨樋、足場等々、多種多様である。
【００２３】
図１は、本発明の一実施態様に係る形材の概略横断面図である。図１においては、ＦＲＰ形材１は、Ｉ形の横断面形状を有している。このＦＲＰ形材１は、形材の長手方向ＬＤに配列された炭素繊維と樹脂からなる炭素繊維強化プラスチック（以下、ＣＦＲＰ部と略す。）部（黒色部）２と、炭素繊維以外のガラス繊維、アラミド繊維、ポリエチレン繊維などからなるＦＲＰ部（白色部）３とが層構造をなしている。
【００２４】
横断面の形状は長手方向にほぼ均一で、図１のＩ形以外、Ｚ形、Ｔ形、箱形、Ｃ形、Ｕ形、Ｈ形、Ｌ形、フラット形でもよい。本発明においては、Ｉ形とＨ形をまとめてＩ形として扱い、Ｃ形とＵ形をまとめてＵ形として扱う。図１に示すようなＩ形横断面の場合、幅Ａが３０〜２００ｍｍの範囲、高さＢが３０〜３００ｍｍの範囲にあることが好ましい。長さは短尺のものから長尺のものまで自由に選ぶことができる。
【００２５】
上記においてＣＦＲＰ部２は、形材に作用する荷重を負担し、形材の強度及び剛性を高める作用をもち、かつ、形材を軽量化するとともに、形材のクリープ変形を抑え、ボルト接合の接合効率を高め、耐環境性（耐酸性、耐溶剤性）、疲労特性を向上させ、さらに、損傷の検出が困難な建設用形材の損傷を簡便に検出するための導電性を付与する役割も果たすものである。
【００２６】
ＣＦＲＰ部２を構成する炭素繊維は、ポリアクリルニトリル繊維やピッチを原料として、耐炎化、炭化／黒鉛化工程等を経て製造される炭素繊維（グラファイト繊維とも呼ばれる）などが適用できるが、本発明においては、単繊維の直径が５〜１０μｍで、強度と弾性率のバランスのよい、弾性率が１８０〜３００ＧＰａの範囲にあるＰＡＮ系の炭素繊維が好ましい。とくに、弾性率が１８０〜３００ＧＰａで、引張強度が２，４００〜６，０００ＭＰａのものが好ましい。
【００２７】
一般に、炭素繊維は、単繊維（モノフィラメント）を数千〜数十万本単位に束ねたストランド形態で使用する。後述のトウ単位部を形成する場合も含めて、フィラメント数が、たとえば３０，０００〜２４０，０００本の範囲にある炭素繊維束を使用できる。
【００２８】
また、本発明においては、炭素繊維としてストランド形態及びストランドを束ねたロービング形態のものが適用できるが、特公平１−２７２８６７号公報に示されている測定方法で得られるストランドの毛羽が３０個／ｍ以下であることが好ましい。毛羽がこれ以上であると、成形中に糸切れが発生し、長尺の形材が得にくい。また、毛羽の多い炭素繊維を使用した形材は、後述する形材の電気伝導性利用上好ましくない。
【００２９】
また、繊維強化用のプラスチックは、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂などの熱硬化性樹脂、あるいは、ポリエチレン、ポリプロピレン樹脂、ポリアミド樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリカーボネート等の樹脂などの熱可塑性樹脂が適用できる。
【００３０】
なかでも後述の引き抜き成形性に適し、かつ、耐薬品性、耐候性などに優れるポリエステル樹脂とビニルエステル樹脂が好ましい。また、フェノール樹脂も難燃性に優れ、燃焼時の発生ガスも少ないので建設用に好ましい。
【００３１】
上記樹脂には、例えば、リン酸エステル、ハロゲン化炭化水素、酸化アンチモンやホウ酸亜鉛、含リンポリオール、含臭素ポリオール、四塩化無水フタル酸、四臭化無水フタル酸のような公知の難燃剤を配合して難燃性を付与してもよい。
【００３２】
次に、ＦＲＰ部３には、炭素繊維以外のガラス繊維、アラミド繊維、ポリエチレン繊維などを使用でき、これら補強繊維の長繊維、短繊維、織物、マット状にしたもの（あるいはこれら形態の混合）などを樹脂中に規則的または、不規則的に配置させた補強繊維を貼り付けたいわゆるハニカム材や、プラスチック発泡体中に補強繊維を含有させたフォーム材などが適用でき、後述する炭素繊維との一体成形に耐えうる形態安定性を有するものであることが好ましい。
【００３３】
この補強繊維としては、ガラス繊維が価格が安く、圧縮あるいは引張の強度バランスが良いので好ましい。なお、上記のガラス繊維は、二酸化珪素（ＳｉＯ₂）を主成分とするいわゆるＥガラス、Ｃガラス、Ｓガラスなどの繊維状ガラスであることが好ましく、繊維径は５〜２０μｍ程度のものが好ましい。中でも、ガラスマットは、後述する炭素繊維の損傷の伝播を止めることができると同時に、成形時の樹脂の含浸性を向上させ、補強繊維間の残留応力を緩和させて、機械的特性をより向上させるので特に好ましい。また、ガラスマットは耐衝撃性の向上にも役立つ。
【００３４】
強度、剛性という面からは、ＦＲＰ部３は、長繊維形態、たとえば織物の形態の補強繊維を含むＦＲＰが好ましい。中でもガラス繊維を含み、上記のＣＦＲＰ部２と同一の樹脂からなる長繊維補強ＦＲＰであることが好ましい。樹脂を同一とすることで、一体成形が容易になるコスト低減ができ、熱収縮による残留応力を低減させることもできて、形材の耐久性、耐疲労性を向上させることができるからである。
【００３５】
さて、上記のごとく、本発明は形材の長手方向に配列する炭素繊維を補強繊維とするＣＦＲＰ部２を有する。形材の剛性および強度は、長手方向に配列する炭素繊維の割合が大きいほど大きくなるが、軽量化効果、剛性および強度の向上効果、クリープ性能、経済性などのバランスを考慮すると、全補強繊維に占める長手方向に配列する炭素繊維の体積含有量は５〜５０％の範囲にあることが好ましい。
【００３６】
なお、ここで言う長手方向Ａとは形材の軸方向に対してなす角度が０度±１５度の範囲内であることを意味する。この範囲で剛性の向上効果が著しいからである。
【００３７】
５％未満では、軽量化効果、剛性あるいは強度の向上が不十分であったり、長期のクリープ性能が十分でない場合がある。また、５０％を超えると機械的な物性は著しく向上するものの、高価になる。また、５０％を超えると炭素繊維の破壊に伴い解放されるエネルギーが大きくなり、形材の破壊が突発的になりやすい。
【００３８】
さて、形材の剛性は、長手方向に配列する炭素繊維が形材の中立軸から遠い方に分布させることで著しく向上させることができる。すなわち、炭素繊維を含むＦＲＰ部２を図１のように層状の形材の上部および／または下部近傍に配すれば剛性の高い形材が得られる。なお、層状構造にした場合、炭素繊維を含む層から開始したクラックは形材全体に伝播する可能性が高いため、炭素繊維を含む層との層間に、プラスチックやゴムの緩和層を設けてもよい。また、このような緩和層には、層間応力を緩和させる役割や、残留熱応力を緩和させる役割を併せ持たせることができる。
【００３９】
上記炭素繊維は規則的または不規則に散在させても好ましい形材が得られる。図２はに示すＦＲＰ形材１１は、炭素繊維を不規則的に（ランダムに）散在させたものであり、図３に示すＦＲＰ形材２１は、規則的に散在させた例を示している。なお、図２においては、四角、三角、丸、菱形、偏平形状など、ＣＦＲＰ部１２の横断面形状を異にしてＦＲＰ部１３中に不規則的に散在させてある。図３においては、実質的に同一横断面形状のＣＦＲＰ部２２を、Ｉ形横断面の上下部のＦＲＰ部２３中に規則的に散在させてある。
【００４０】
前記したように、一部の炭素繊維が損傷した場合、損傷がＣＦＲＰ部全体に伝搬し、形材が瞬時に全体破壊してしまうことを効果的に防げる。現実的には、形材断面において、樹脂を含浸した炭素繊維からなるトウ単位部（より具体的にはストランド単位あるいはロービング単位）（四角、三角、丸など黒色部分で示したものがトウ単位である）が散在していることが好ましい。この場合、単繊維の破壊はトウ単位部内では伝播するものの、隣接するトウまでは伝播せず、形材の破損モードをより段階的な破壊とし、全体破壊に至るまでの時間を長くすることができたり、全体破壊をくい止めたりすることができる。破壊モードを段階的なものとすることで、形材の破壊を認知した人物が避難するなど何らかの防御対策を講ずる時間が稼げる。なお、ここでいう散在とは、厳密にはトウ単位のＣＦＲＰ部同士が接触していないことを意味するが、断面をみたときにトウ間隔が１ｍｍ以上であればよい。なお、製造効率との関係でＣＦＲＰ部同士が接触していないようにすることが不可能な場合には、接触しているトウ数（間隔が１ｍｍ以下のトウ数）は全トウ数の１／２０以下に抑えることが好ましい。１／２０より大きいと上記の破壊伝播を抑える効果が顕著でなくなる可能性があるからである。
【００４１】
さらに、後述の電気伝導性による形材の破壊の検出においても、炭素繊維束を散在させることで、炭素繊維束同士が接触することがなくなり、損傷検出の確度が向上する。さらに、炭素繊維束を散在させることで、残留熱応力を分散させることができて、残留応力による形材の反りが低減できる、また、ＦＲＰ形材をボルト接合した場合の接合効率の経時変化がより少なくなるという効果もある。
【００４２】
なお、炭素繊維を、トウ単位で散在させる場合にも、全補強繊維に占める長手方向に配列する炭素繊維の体積含有率は、前記と同様、軽量化効果、剛性、強度の向上効果、クリープ性能、経済性などのバランスを考慮して、５〜５０％の範囲にあることが好ましい。
【００４３】
このように、炭素繊維と樹脂からなるトウ単位部が、形材の断面において、規則的または、不規則的に散在していることも好ましい。
【００４４】
図１〜図３に示したようなＩ形横断面を有するＦＲＰ形材にあっては、ＣＦＲＰ部の割合や配置によって機械的特性を実質的に自由に設けることが可能であるが、Ｉ形横断面のＦＲＰ形材の場合、曲げ剛性率が、たとえば０．５〜３，５００ｋＮ・ｍ²の範囲にあることが好ましい。
【００４５】
さて、本発明の炭素繊維を補強材とするＦＲＰ形材の全体破壊は、高弾性、高強度である炭素繊維の単糸あるいは、炭素繊維と樹脂からなるトウ単位の部分の破壊から始まるが、炭素繊維の電気伝導性を利用して形材中の単糸あるいは、炭素繊維と樹脂からなるトウ単位部の破壊を簡便、確実にかつ低価格で検出することができる。
【００４６】
具体的には、形材端や形材に設けた切り欠き部などの炭素繊維の露出部を利用して炭素繊維の電気抵抗、あるいは電流を測定する方法である。炭素繊維が切断すれば、電気抵抗が増大し、電流は低下する。
【００４７】
この際、炭素繊維単糸の電気特性に注目するよりは、上述したように、ＣＦＲＰ部をトウ単位で形材中に散在させて、トウ単位部間が絶縁された状態で、あるトウ単位部に注目した方が、通電の仕方が容易になるとともに、より高精度で炭素繊維の切断、あるいは損傷が検出できる。
【００４８】
ただし、形材に使用する炭素繊維ストランドは、特公平１−２７２８６７号公報に示されている測定方法で得られる毛羽数が３０個／ｍ以下であることが好ましい。毛羽がこれ以上であると、ストランド同士が電気的に短絡する確率が大きくなり、１本のストランドが破断しても電気抵抗や電流値の変化がみかけ上小さくなることがあるからである。
【００４９】
なお、形材中の炭素繊維束は構造物や建造物中において、かならずしも露出しているとは限らないので、あらかじめ単数あるいは、複数の炭素繊維に通電のための端子を接続しておけばより容易に形材の検査ができる。
【００５０】
また、通電することで、炭素繊維は発熱するので、形材を発熱により乾燥させるということも可能である。
【００５１】
図４ないし図９に、本発明に係るＣ形を含む概念としてのＵ形横断面を有するＦＲＰ形材の各実施態様を示す。図４においては、ＦＲＰ形材３１のＵ形横断面の上下部がＣＦＲＰ部３２で構成されており、他の部分がＦＲＰ部３３で構成されている。図５においては、ＦＲＰ形材４１のＦＲＰ部４３中にランダムにＣＦＲＰ部４２が散在されている。図６においては、ＦＲＰ形材５１の上下ＦＲＰ部５３中に規則的にＣＦＲＰ部５２が散在されている。図７においては、ＦＲＰ形材６１のＣ形横断面の上下部がＣＦＲＰ６２で構成されており、他の部分がＦＲＰ部６３で構成されている。図８においては、ＦＲＰ形材７１のＦＲＰ部７３中にランダムにＣＦＲＰ部７２が散在されている。図９においては、ＦＲＰ形材８１の上下ＦＲＰ部８３中に規則的にＣＦＲＰ部８２が散在されている。
【００５２】
これらＵ形横断面を有するＦＲＰ形材３１〜８１の場合、曲げ剛性率は、たとえば０．１〜１，０００ｋＮ・ｍ²の範囲にあることが好ましい。また、Ｕ形横断面の幅Ａ（図４に図示）としては、２０〜２００ｍｍの範囲にあることが好ましい。ただし、図１〜図９に示した例は、単に横断面の形状や炭素繊維の配置の例を示したものであり、本発明はこれら図示例に限定されるものではない。
【００５３】
なお、本発明に係るＦＲＰ形材を製造する方法としては、プルトルージョン法、プルワインド法、フィラントワインディング法、ハンドレイアップ法等、公知のあらゆる成形技術を用いることができる。中でも、炭素繊維を含む繊維束を樹脂を含浸させながら一体成形する、引き抜き（プルトルージョン）成形法、プルワインド成形法を用いることが経済的である。また、少量の生産や複雑で特殊な構造に対しては、ハンドレイアップ法が適している。
【００５４】
【実施例】
次に、本発明のＦＲＰ形材を実施例に基づいて説明する。
実施例１
炭素繊維からなる平織クロス及びガラス繊維からなる平織クロスにポリエステル樹脂を含浸させて、ハンドレイアップ法により、高さ＝１５０ｍｍ、幅＝１５０ｍｍ、肉厚＝１０ｍｍ、長さ＝２０００ｍ、のＨ形（本発明ではＩ形に含まれる概念）の形材２本を成形した。炭素繊維とガラス繊維の体積比率はほぼ５０：５０であり、形材の重さはともに１４ｋｇであった。
【００５５】
この形材のうち１本を、スパン間隔＝１５００ｍｍで、形材中央に荷重を付加して３点曲げ試験を行った。このとき、荷重撓み曲線より算出される梁の曲げ剛性（梁剛性）＝２１０ｋＮ・ｍ²、破壊荷重＝３３ｋＮであった。
【００５６】
もう１本は、スチール製支柱を用いてスパン間隔＝１８００ｍｍでボルト接合し、中央に５０ｋＮの負荷を３０日間かけた後、除荷して残存する撓み量を測定するクリープ試験を行った。その結果、残存撓み量は０．５ｍｍであった。
【００５７】
実施例２
実施例１で用いたものと同様の平織ガラス繊維クロスにポリエステル樹脂を含浸させて、ハンドレイアップ法により、実施例１と同一形状の形材２本を成形した。形材の重さは、それぞれ１６ｋｇであった。
【００５８】
本形材の１本を、実施例１と同様にして１本を曲げ試験したところ、梁剛性＝１００ｋＮ・ｍ²、破壊荷重＝１７ｋＮであった。
【００５９】
もう１本は、実施例１と同様にクリープ試験したところ、残存撓み量は３．０ｍｍであった。
【００６０】
実施例３
糸本数６，９００本（Ｔｅｘ：２，３１０ｇ／ｋｍ）のガラス繊維糸束（弾性率＝７０ＧＰａ、比重＝２．５４、糸径＝１３μｍ）１，８２０束と、糸本数１２，０００本（Ｔｅｘ：８００ｇ／ｋｍ）の炭素繊維束（弾性率２３０ＧＰａ、比重＝１．７５、糸径７μｍ）７８０束にポリエステル樹脂を含浸させて、温度１３０℃のダイ（長さ１ｍ）に引き通すプルトルージョン法により、実施例１と同一形状で、重さ１５ｋｇの形材を成形した。プルトルージョン成形時の引き抜き速度は１ｍ／分で、炭素繊維束がガラス繊維束に対して市松模様状に規則的に散在して分布するよう、繊維束はそれぞれポリエチレン製の板に穴を開けたガイドを経由してダイに通した。ダイは耐摩耗性の良いスチール製のものを用い、成形物の表面性状を高めるために、表面に離型剤（フリーコート）を塗布した。
【００６１】
この形材端部を断面方向に切断して、倍率１０００倍にて光学顕微鏡で観察したところ、炭素繊維束は概ね市松模様状に規則的に散在して分布しており、炭素繊維束同士の接触は観察出来なかった。また、断面写真より求めた形材の長手方向に配列する炭素繊維の全補強繊維に占める割合は、３０％であった。
【００６２】
次に、この形材を実施例１と同様にして曲げ試験した。なお、このとき、形材断面中の最下面に近い所に分布している炭素繊維束の両端面部分に、銀ペーストを塗布して通電し、試験中の電気抵抗をモニターした。
【００６３】
この試験の結果、形材の剛性は３６０ｋＮ・ｍ²、破壊荷重は７０ｋＮであった。また、破壊は中央負荷点下で発生した。
【００６４】
また、破壊荷重の約７０％である５０ｋＮで、電気抵抗は２６μΩ／ｍから無限大へと変化した。
【００６５】
実施例４
実施例３と同様のガラス繊維束を用いて、プルトルージョン法により、同一形状の形材を成形した。形材の重さは１７ｋｇであった。
【００６６】
この形材のうち１本を、実施例１と同様にして曲げ試験したところ、梁剛性＝２１０ｋＮ・ｍ²、破壊荷重＝７０ｋＮであった。
【００６７】
実施例５
実施例３において炭素繊維束の体積含有率を１５％とした以外は全て同様にして、同一形状の形材を得た。重量は１６ｋｇであった。
【００６８】
この形材を実施例３と同様に試験中の電気抵抗をモニターしながら曲げ試験したところ、形材の剛性は２８０ｋＮ・ｍ²、破壊荷重は５６ｋＮであった。また、破壊は中央負荷点下で発生した。
【００６９】
また、電気抵抗は破壊荷重の約７０％である４０ｋＮで、２２μΩ／ｍから無限大へと変化した。
【００７０】
実施例６
炭素繊維束の体積含有率を５０％とした以外は実施例３と同様にして、同一形状の形材を作成した。重量は１４ｋｇであった。
【００７１】
この形材を実施例３と同様に試験中の電気抵抗をモニターしながら曲げ試験したところ、形材の剛性は４５０ｋＮ・ｍ²、破壊荷重は９０ｋＮであった。また、破壊は中央負荷点下で発生した。
【００７２】
また、破壊荷重の約９０％である８０ｋｇで、電気抵抗は２５μΩ／ｍから無限大へと変化した。
【００７３】
実施例７
実施例６において、ガラスクロスを厚さ２４μｍのガラスマットに置き換えた以外は全て同様にして、同一形状の形材を得た。この形材の重量は７ｋｇであった。このうち１本を実施例１と同様にして試験したところ、梁剛性は４００ｋＮ・ｍ²、破壊荷重は７８ｋＮであった。
【００７４】
【発明の効果】
本発明によれば、従来のＧＦＲＰ製の形材に比べ、より軽量化でき、かつ、強度、剛性、及びクリープ性能を著しく向上させることが可能となる。さらに、従来から困難とされてきた形材の損傷の検出を電気特性により検出することが可能となり、これまでにないＦＲＰ形材の用途展開、及び大量普及が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施態様に係るＦＲＰ形材の概略横断面図である。
【図２】本発明の他の実施態様に係るＦＲＰ形材の概略横断面図である。
【図３】本発明のさらに他の実施態様に係るＦＲＰ形材の概略横断面図である。
【図４】本発明のさらに他の実施態様に係るＦＲＰ形材の概略横断面図である。
【図５】本発明のさらに他の実施態様に係るＦＲＰ形材の概略横断面図である。
【図６】本発明のさらに他の実施態様に係るＦＲＰ形材の概略横断面図である。
【図７】本発明のさらに他の実施態様に係るＦＲＰ形材の概略横断面図である。
【図８】本発明のさらに他の実施態様に係るＦＲＰ形材の概略横断面図である。
【図９】本発明のさらに他の実施態様に係るＦＲＰ形材の概略横断面図である。
【符号の説明】
１、１１、２１、３１、４１、５１、６１、７１、８１ＦＲＰ形材
２、１２、２２、３２、４２、５２、６２、７２、８２ＣＦＲＰ部（黒色部）
３、１３、２３、３３、４３、５３、６３、７３、８３ＦＲＰ部（白色部）
ＬＤ長手方向

Claims

炭素繊維を含む少なくとも２種類の補強繊維を有するＦＲＰ形材であって、炭素繊維の少なくとも一部が形材の長手方向に配列されており、かつ、前記長手方向に配列された炭素繊維のみに通電することにより前記炭素繊維配列方向の損傷の検出が可能に構成されていることを特徴とするＦＲＰ形材。
層構造をなす、少なくとも炭素繊維を含む補強繊維層を有している、請求項１のＦＲＰ形材。
横断面において、炭素繊維がランダムに分布している、請求項１のＦＲＰ形材。
横断面において、トウ単位の炭素繊維を含む部分が散在している、請求項１のＦＲＰ形材。
トウ単位の炭素繊維を含む部分が市松模様を形成するように分布している、請求項４のＦＲＰ形材。
全補強繊維に占める炭素繊維の体積含有率が５〜５０％の範囲にある、請求項１ないし５のいずれかに記載のＦＲＰ形材。
炭素繊維の引張弾性率が１８０〜３００ＧＰａ、引張強度が２，４００〜６，０００ＭＰａの範囲にある、請求項１ないし６のいずれかに記載のＦＲＰ形材。
フィラメント数が３０，０００〜２４０，０００本の範囲にある炭素繊維束を有する、請求項１ないし７のいずれかに記載のＦＲＰ形材。
ガラス繊維を含む、請求項１ないし８のいずれかに記載のＦＲＰ形材。
ガラス繊維の織物を含む、請求項９のＦＲＰ形材。
ガラス繊維のマットを含む、請求項９または１０のＦＲＰ形材。
Ｕ形横断面を有する、請求項１ないし１１のＦＲＰ形材。
曲げ剛性率が０．１〜１，０００ｋＮ・ｍ²の範囲にある、請求項１２のＦＲＰ形材。
Ｕ形横断面の幅が２０〜２００ｍｍの範囲にある、請求項１２または１３のＦＲＰ形材。
Ｉ形横断面を有する、請求項１ないし１１のいずれかに記載のＦＲＰ形材。
曲げ剛性率が０．５〜３，５００ｋＮ・ｍ²の範囲にある、請求項１５のＦＲＰ形材。
Ｉ形横断面の高さが３０〜３００ｍｍの範囲にある、請求項１５または１６のＦＲＰ形材。
Ｔ形またはＬ形横断面を有する、請求項１ないし１１のいずれかに記載のＦＲＰ形材。
構造物用、建造物用または建設用である、請求項１ないし１８のいずれかに記載のＦＲＰ形材。