JP3915614B2

JP3915614B2 - 変形部分を有する繊維構造体及び複合材

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Publication number: JP3915614B2
Application number: JP2002197200A
Authority: JP
Inventors: 隆太神谷
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2002-07-05
Filing date: 2002-07-05
Publication date: 2007-05-16
Anticipated expiration: 2022-07-05
Also published as: JP2004036055A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、変形部分を有する繊維構造体及び複合材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
繊維強化複合材は軽量の構造材料として広く使用されている。繊維強化複合材には、強化材として連続繊維でない単に短繊維あるいは長繊維を使用するものと、織物あるいは不織布を強化材として使用するものと、三次元織物（三次元繊維構造体）を強化材として使用するものとがある。
【０００３】
単に短繊維や長繊維を強化材として用いた場合は、マトリックス樹脂中に強化材が存在する板状の素材を、加熱プレスすることで三次元の繊維強化複合材を得ることができる。しかし、短繊維や長繊維を強化材として用いた繊維強化複合材は強度的に不十分であるとともに、繊維に樹脂が含浸された板状の素材を成形する際に、繊維の取り扱いが不便である。
【０００４】
チョップドファイバーを用いた不織布や牽切糸を用いた織物等、二次元の繊維構造体を強化材とした場合は、単に短繊維や長繊維を強化材とした繊維強化複合材に比較して強度が高く、素材のハンドリングも良くなる。しかし、牽切糸を用いる場合、力学的特性が低下するとともに切断工程がコストアップの要因となる。また、これらの繊維強化複合材は、最終製品の厚さが厚い場合は、不織布や織物を複数枚積層して強化材として使用するため、厚さ方向の強度が弱く、曲げ強度も弱い。
【０００５】
特開平８−３３７６６６号公報には、補強繊維をたて糸及びよこ糸とする２方向性織物を含む深絞り成形されたプリフォームが開示されている。このプリフォームは、前記たて糸及びよこ糸の少なくとも一方に、熱可塑性ポリマーを、線状に、かつ連続又は不連続に付着せしめ、かつ、その補強織物の２方向に延びる織糸の最小交角が２０〜４０度であることを特徴とする。しかし、強化材として織物を使用する場合は、目を粗くしても拘束が存在するため、変形に限度があるとともに、配列方向が異なる糸（繊維）同士が干渉するため、繊維が真っ直ぐに配列されず、繊維強化複合材を高強度にするのが難しい。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
連続繊維を用いた三次元繊維構造体を強化材とした繊維強化複合材は、二次元繊維構造体を強化材とした繊維強化複合材に比較して強度が優れているが、三次元繊維構造体は二次元繊維構造体に比べてさらに変形し難い。そのため、連続繊維を用いた三次元繊維構造体を強化材とした繊維強化複合材は、三次元繊維構造体に樹脂を含浸させる際あるいはその後に変形させる必要がないように、予め製品形状に合わせた形状で製作する必要があった。ところが、この場合製品形状に合わせて繊維構造体の製造装置や治具などが必要になるため、製造コストが高くなる。
【０００７】
本発明は前記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その第１の目的は、連続繊維を用いた強度の高い繊維強化複合材を低コストで製造することを可能にする繊維構造体を提供することにある。また、第２の目的は連続繊維を用いた強度の高い立体的な形状の繊維強化複合材をプレス加工により低コストで製造することを可能にする複合材（プリプレグ）を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記第１の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、連続繊維から成る繊維束が少なくとも２軸に配列された積層繊維群と、前記積層繊維群を結合するため厚さ方向に配列された厚さ方向糸とを備えて板状に構成された変形部分を有する繊維構造体であって、前記厚さ方向糸は前記繊維構造体から立体的な形状の繊維強化複合材を形成する際に変形が不要な部分及び変形が必要な部分に配列され、前記変形が不要な部分に配列された前記厚さ方向糸は非熱可塑性繊維で形成され、前記変形が必要な部分に配列された前記厚さ方向糸は熱可塑性繊維で形成されている。
【０００９】
ここで、「糸」とは、撚りが掛かった糸のみを意味するのではなく、多数本の繊維が束となって撚りが実質掛かっていない繊維束（所謂ロービング）をも含む。また、「立体的な形状」とは、平面状ではなく平面が屈曲された形状を意味する。
【００１０】
この発明では、厚さ方向糸が繊維構造体の全面に配列されているため繊維構造体の形状保持機能が高くなり、ハンドリングがより容易になる。また、立体的な形状の繊維強化複合材を形成する際に変形が必要な部分に配列されている厚さ方向糸は熱可塑性繊維であるため、加熱成形時に当該厚さ方向糸は軟化あるいは溶融する。その結果、当該厚さ方向糸による結合機能が低下あるいは無くなり、繊維構造体が容易に所定の形状に変形する。
この発明の繊維構造体を型に入れてプレス成形すると、熱可塑性繊維で形成される厚さ方向糸が挿入されている部分が変形され、目的の形状に成形される。従って、連続繊維を用いた強度の高い繊維強化複合材を低コストで製造することが可能になる。繊維強化複合材のマトリックスとなる樹脂は、繊維構造体を型に入れて成形した後に含浸させても、繊維構造体をプレス成形する前に樹脂を含浸させてもよい。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記変形が不要な部分に配列されている厚さ方向糸は、少なくとも前記繊維構造体の長さ方向及び幅方向のうち少なくともいずれか一方の両側に配列されている。この発明では、繊維構造体の長さ方向及び幅方向のうち少なくともいずれか一方の両側に厚さ方向糸が配列されて積層繊維群が結合されているため、繊維構造体のハンドリングが良好になる。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記変形が必要な部分に配列されている厚さ方向糸の配列密度は、前記変形が不要な部分に配列されている厚さ方向糸の配列密度よりも粗い配列密度で配列されている。
【００１５】
また、前記第２の目的を達成するため、請求項４に記載の発明の複合材は、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の変形部分を有する繊維構造体に熱可塑性樹脂が含浸されている。従って、この発明の複合材を使用すれば、平板状の複合材を加熱状態でプレス加工することにより、連続繊維を用いた強度の高い繊維強化複合材を低コストで製造することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した一実施の形態を図１〜図３に従って説明する。
図１（ａ）に示すように、繊維構造体１は、連続繊維から成る繊維束が２軸に配列された積層繊維群２と、積層繊維群２を結合するため積層繊維群２の厚さ方向に配列された厚さ方向糸３とを備えて板状に構成されている。図１（ｂ）に示すように、連続繊維から成る繊維束としてのｘ糸４ａが、繊維構造体１の厚さ方向（図１（ｂ）の上下方向）と直交する面内に一方向（図１（ｂ）において紙面に垂直な方向）に配列されてｘ糸層４を形成している。連続繊維から成る繊維束としてのｙ糸５ａは、ｘ糸４ａと直交する状態で繊維構造体１の厚さ方向と直交する面内に一方向に配列されてｙ糸層５を形成している。ｘ糸層４とｙ糸層５は交互に複数層積層されて２軸配向の積層繊維群２を形成している。２軸はお互いに直交している。
【００１７】
厚さ方向糸３は積層繊維群２の全面ではなく、繊維構造体１を強化材として立体的な形状の繊維強化複合材６（図３に図示）を形成する際に変形が不要な部分に配列されている。この実施の形態では厚さ方向糸３は繊維構造体１の両側に配列されている。厚さ方向糸３は積層繊維群２の一方の面（図１（ｂ）では下面）でＵ字に折り返されており、他方の面（図１（ｂ）では上面）では厚さ方向糸３の配列ピッチだけ離れた挿入位置で再び積層繊維群２に挿入された状態で連続している。抜け止め糸７は厚さ方向糸３がＵ字に折り返されている部分に挿通されている。厚さ方向糸３と抜け止め糸７が締め付けられることにより、ｘ糸層４とｙ糸層５が結合されている。
【００１８】
厚さ方向糸３、ｘ糸４ａ、ｙ糸５ａ及び抜け止め糸７として連続繊維が使用されている。この実施の形態では連続繊維として炭素繊維が使用されている。炭素繊維はフィラメント数が３０００〜２４０００本程度である。厚さ方向糸３の配列ピッチは３〜５ｍｍ程度である。繊維構造体１の厚さは５ｍｍ程度である。
【００１９】
次に繊維構造体１の製造方法を説明する。
図２（ａ）、（ｂ）に示すように、多数のピン８ａが所定ピッチで着脱可能に立設された矩形状の枠体８を使用して先ず積層繊維群２を形成する。ピン８ａのピッチはｘ糸４ａ及びｙ糸５ａのピッチに合わせてある。
【００２０】
図２（ａ）に示すように、ｘ糸４ａはピン８ａと係合する状態で折り返されて一方向に配向されたｘ糸層４が形成される。図２（ｂ）に示すように、ｙ糸５ａも同様にしてピン８ａと係合する状態で折り返されてｘ糸４ａと直交する一方向に配向されてｙ糸層５が形成される。これを所定の回数繰り返して積層繊維群２が形成される。図２（ａ），（ｂ）では、ｘ糸４ａ及びｙ糸５ａの配列間隔が広く図示されているが、実際は隣接して配列されたｘ糸４ａ同士あるいはｙ糸５ａ同士が接触する状態で配列される。従って、図１（ｂ）に示すように、厚さ方向糸３が配列されていない部分では隣接するｘ糸４ａ同士及びｙ糸５ａ同士は相互に接している。
【００２１】
次に積層繊維群２に、例えば特開平８−２１８２４９号公報に開示されている方法により厚さ方向糸３が挿入される。詳述すれば、積層繊維群２の厚さ方向に、先端に孔を備え前記孔に厚さ方向糸３を掛止した図示しない挿入針を挿入する。挿入針は厚さ方向糸３が掛止された挿入針の孔が積層繊維群２を貫通するまで前進し挿入される。その後、挿入針はわずかに後退される。その結果、厚さ方向糸３はＵ字状のループを形成した状態となる。
【００２２】
次に図示しない抜け止め糸針が前記Ｕ字状のループ内を通過し、積層繊維群２の端部まで到達した時点で停止する。この時抜け止め糸７が抜け止め糸針の先端に掛止される。そして、抜け止め糸針が引き戻され、抜け止め糸７が厚さ方向糸３のＵ字状ループ内に挿通された状態になる。その状態で挿入針が引き戻され、厚さ方向糸３により抜け止め糸７が締め付けられて各糸層が結合される。この厚さ方向糸３挿入作業が積層繊維群２の所定の領域に対して、即ち繊維構造体１を強化材として立体的な形状の繊維強化複合材６を形成する際に変形が不要な部分となる領域に行われ、積層繊維群２の各糸層４，５が厚さ方向糸３で結合された繊維構造体１が製作される。
【００２３】
この繊維構造体１は、三次元繊維構造体を強化材とした繊維強化複合材の製造に使用される。複合材のマトリックス樹脂として熱可塑性樹脂を使用する場合は、繊維構造体１に溶融含浸成形法など一般の含浸法で熱可塑性樹脂が含浸され、冷却されて成形用の板状の素材としての複合材（プリプレグ）が形成される。次に前記素材が成形前に加熱され軟化された後、プレス成形機でプレス成形され、冷却されて、図３に示すように製品形状の繊維強化複合材６を得る。繊維構造体１に樹脂が含浸された板状の素材を型に入れてプレス成形すると、厚さ方向糸３が挿入されていない部分が容易に変形され、目的の形状に成形される。従って、連続繊維を用いた強度の高い繊維強化複合材を低コストで製造することが可能になる。熱可塑性樹脂としては、例えば、ナイロン、ポリブチレンテレフタレート、ポリカーボネートなどが使用される。
【００２４】
この実施の形態では以下の効果を有する。
（１）繊維構造体１は、連続繊維から成る繊維束が２軸に配列された積層繊維群２と、積層繊維群２を結合するため厚さ方向に配列された厚さ方向糸３とを備えて板状に構成され、厚さ方向糸３は繊維構造体１から立体的な形状の繊維強化複合材６を形成する際に変形が不要な部分に配列されている。従って、繊維構造体１を型に入れてプレス成形すると、厚さ方向糸３が挿入されていない部分が容易に変形され、目的の形状に成形される。その結果、連続繊維を用いた強度の高い繊維強化複合材を低コストで製造することが可能になる。
【００２５】
（２）厚さ方向糸３は繊維構造体１の両側に配列され、積層繊維群２はその両側が厚さ方向糸３で結合されているため、繊維構造体１に樹脂が含浸されない状態においても繊維構造体１のハンドリング性が良好になる。
【００２６】
（３）繊維構造体１のハンドリング性が良いため、繊維構造体１の運搬等が簡単になり、繊維構造体１を製造する者と、繊維構造体１を強化材とする繊維強化複合材６を製造する者とが別であっても作業に支障を来すことがない。
【００２７】
（４）変形が必要な部分には厚さ方向糸３が挿入されていないためその領域は厚さ方向糸３が配列されている部分に比較して強度は低くなる。しかし、連続繊維が配列され、また、他の領域には厚さ方向糸３が配列されているため、製品形状で連続繊維の三次元繊維構造体を強化材とした繊維強化複合材としての強度が保たれる。
【００２８】
（５）繊維構造体１に予め熱可塑性樹脂を含浸させた素材（複合材）を使用して繊維強化複合材６が製造されるため、ハンドリング性や保管性が繊維構造体１の状態で行う場合に比較して向上する。また、繊維強化複合材６を製造する者は、前記素材を購入することで既存のプレス機を利用して繊維強化複合材６の製造を簡単に行うことができる。
【００２９】
実施の形態は前記に限らず、例えば次のように構成してもよい。
○ マトリックスとなる熱可塑性樹脂を予め繊維構造体１に含浸させた素材をプレス成形して繊維強化複合材６を製造する方法に代えて、繊維構造体１を型に入れて成形した後に樹脂を含浸させる方法としてもよい。この方法では、マトリックス樹脂として熱可塑性樹脂だけでなく熱硬化性樹脂も使用できる。そして、マトリックス樹脂として熱硬化性樹脂を使用すれば、熱可塑性樹脂を使用した場合よりも高強度な繊維強化複合材６を製造できる。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、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、ビニルエステル樹脂等が使用される。
【００３０】
○ 図４に示すように、厚さ方向糸３を、繊維構造体１から立体的な形状の繊維強化複合材６を形成する際に変形が不要な部分だけでなく、変形が不要な部分に加えて、変形が必要な部分にも配列する。厚さ方向糸３の配列密度は、変形が不要な部分と同じでもよいが、図４に示すように、変形が不要な部分より粗い密度で配列してもよい。そして、変形が不要な部分に配列された厚さ方向糸３を非熱可塑性繊維で形成し、変形が必要な部分に配列された厚さ方向糸を熱可塑性繊維で形成してもよい。この場合、厚さ方向糸３が繊維構造体１の全面に配列されているため、繊維構造体１の形状保持機能が高くなり、ハンドリング性がより向上する。また、立体的な形状の繊維強化複合材６を形成する際に変形が必要な部分に配列されている厚さ方向糸３は熱可塑性繊維のため、加熱成形時に当該厚さ方向糸３は軟化あるいは溶融する。その結果、当該厚さ方向糸による結合機能が低下あるいは無くなり、繊維構造体１が容易に所定の形状に変形する。また、前記変形が不要な部分に配列されている厚さ方向糸３は非熱可塑性繊維のため、繊維構造体１の加熱成形の際に軟化や溶融せず、繊維強化複合材６の物性は前記変形が不要な部分にのみ非熱可塑性繊維の厚さ方向糸３を配列したものと同等になる。
【００３１】
○ 厚さ方向糸３を前記変形が不要な部分に加えて、変形が必要な部分にも配列した繊維構造体１において、全ての厚さ方向糸３を熱可塑性繊維で形成されたものとする。この場合も、厚さ方向糸３が繊維構造体１の全面に配列されているため、前記の構成と同様にハンドリング性がより向上する。また、厚さ方向糸３が全て熱可塑性繊維で形成されているため、加熱成形時に繊維構造体１がより変形し易くなり、複雑な形状に対応可能となる。
【００３２】
○ 厚さ方向糸３として熱可塑性繊維を使用する場合、熱可塑性繊維は繊維強化複合材６を製造する際のマトリックス樹脂と同じ熱可塑性樹脂で形成されているものを使用する。この場合、繊維強化複合材６のマトリックス樹脂中に異質の樹脂が存在しないため、熱可塑性繊維をマトリックス樹脂と別の熱可塑性樹脂で形成した場合に比較して繊維強化複合材６の物性が向上する。
【００３３】
○ 厚さ方向糸３は、繊維構造体１の長さ方向及び幅方向のうち少なくともいずれか一方の両側に配列されていればよい。例えば、図５に示すように、厚さ方向糸３を変形が不要な両側部分の他に、変形が必要な部分の両端部に配列してもよい。このように厚さ方向糸３を配列すると、繊維構造体１の形状安定性が向上する。また、変形が必要な部分であっても、その両端部のみに配列された厚さ方向糸３は繊維構造体１の変形に殆ど支障を及ぼさない。
【００３４】
○ 連続繊維は炭素繊維でなくてもよい。例えば、ガラス繊維、ポリアラミド繊維、セラミック繊維等でもよい。
○ ｘ糸４ａ及びｙ糸５ａとして同じ繊維を使用せず、異なる繊維を使用してもよい。例えば、繊維強化複合材６に要求される物性に対応して、一方の繊維を他方の繊維より強度の低いものとしてもよい。この場合、繊維強化複合材６を過剰品質とせずに製造コストを低減できる。
【００３５】
○ 厚さ方向糸３は必ずしもｘ糸４ａやｙ糸５ａの配列ピッチと同じピッチで配列する必要はなく、繊維強化複合材６に要求される物性に対応して任意のピッチで配列してもよい。厚さ方向糸３の配列を密にした場合は積層繊維群２に対する結合力が強く、厚さ方向糸３の配列を疎にした場合は結合力が弱くなるため、結合力の調整ができる。
【００３６】
○ 積層繊維群２は少なくとも２軸配向されていればよく、互いに直交するように配列されたｘ糸４ａからなるｘ糸層４と、ｙ糸５ａからなるｙ糸層５の２種類の糸層で形成される必要はない。例えば、配列糸が互いに直交しない状態に配列された糸層で積層繊維群２を形成してもよい。
【００３７】
○ 積層繊維群２を３軸以上の配向としてもよい。例えば、製品に必要とされる強度に応じてバイアス糸層を入れてもよい。
○ 繊維構造体１は平板でなくてもよい。曲率が小さな曲面状に形成されたものでもよい。
【００３８】
○ 抜け止め糸７を使用せずに、厚さ方向糸３のみで各糸層を一般的な縫合によって結合してもよい。
○ 厚さ方向糸３は、繊維構造体１の一端から他端まで連続した状態で配列されていなくてもよい。不連続であっても、各糸層を貫通して結合していればよい。
【００３９】
○ 繊維強化複合材６を製造する場合、１枚の繊維構造体１で１個の繊維強化複合材６（製品）を形成することに限らない。製品形状あるいは要求性能に応じて、繊維構造体１を複数枚並べたり、重ねたりして成形してもよい。
【００４０】
○ 繊維強化複合材６としてマトリックスを樹脂以外のもの、例えば金属としてもよい。この場合、繊維構造体１を構成する繊維は、マトリックス金属の溶融温度で損傷しない炭素繊維やセラミック繊維等が使用される。
【００４１】
前記実施の形態から把握できる技術的思想（発明）について以下に記載する。
（１）請求項１〜３のいずれか一項に記載の繊維構造体を強化材として使用し、マトリックス樹脂として厚さ方向糸の材質と同じ熱可塑性樹脂を使用した繊維強化複合材。
【００４２】
（２）請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の繊維構造体を強化材とした繊維強化複合材。
（３）前記技術的思想（２）に記載の繊維強化複合材はマトリックスとして樹脂が使用されている。
【００４３】
【発明の効果】
以上、詳述したように、請求項１〜請求項３に記載の発明によれば、連続繊維を用いた強度の高い繊維強化複合材を低コストで製造することが可能になる。また、請求項４に記載の発明によれば、連続繊維を用いた強度の高い立体的な形状の繊維強化複合材をプレス加工により低コストで製造することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は繊維構造体の模式斜視図、（ｂ）は繊維構造体の模式部分断面図。
【図２】（ａ）はｘ糸層の配列状態を示す模式図、（ｂ）はｙ糸層の配列状態を示す模式図。
【図３】繊維強化複合材の模式斜視図。
【図４】別の実施の形態の繊維構造体の模式斜視図。
【図５】別の実施の形態の繊維構造体の模式斜視図。
【符号の説明】
１…繊維構造体、２…積層繊維群、３…厚さ方向糸、４ａ…連続繊維から成る繊維束としてのｘ糸、５ａ…同じくｙ糸、６…繊維強化複合材。

Claims

連続繊維から成る繊維束が少なくとも２軸に配列された積層繊維群と、前記積層繊維群を結合するため厚さ方向に配列された厚さ方向糸とを備えて板状に構成された変形部分を有する繊維構造体であって、
前記厚さ方向糸は前記繊維構造体から立体的な形状の繊維強化複合材を形成する際に変形が不要な部分及び変形が必要な部分に配列され、
前記変形が不要な部分に配列された前記厚さ方向糸は非熱可塑性繊維で形成され、前記変形が必要な部分に配列された前記厚さ方向糸は熱可塑性繊維で形成されている変形部分を有する繊維構造体。
前記変形が不要な部分に配列されている厚さ方向糸は、少なくとも前記繊維構造体の長さ方向及び幅方向のうち少なくともいずれか一方の両側に配列されている請求項１に記載の変形部分を有する繊維構造体。
前記変形が必要な部分に配列されている厚さ方向糸の配列密度は、前記変形が不要な部分に配列されている厚さ方向糸の配列密度よりも粗い配列密度で配列されている請求項１又は請求項２に記載の変形部分を有する繊維構造体。
請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の変形部分を有する繊維構造体に熱可塑性樹脂が含浸されていることを特徴とする複合材。