JP4164572B2

JP4164572B2 - 複合材料およびその製造方法

Info

Publication number: JP4164572B2
Application number: JP2003188106A
Authority: JP
Inventors: 政大荒井; 守信遠藤
Original assignee: Shinshu University NUC
Current assignee: Shinshu University NUC
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2003-06-30
Publication date: 2008-10-15
Anticipated expiration: 2023-06-30
Also published as: JP2005022141A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は層間強度を向上させることができる複合材料およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
樹脂材料中に、カーボンやガラスの長繊維束（ストランド）を補強体として配列させた強化樹脂複合体が知られている。これらは、一方向に配向した長繊維束に樹脂を塗布、含浸させてシート状に形成したプリプレグシートを、所要複数枚積層し、加圧、加熱して一体化したものである。通常は、長繊維が同一方向に並んだプリプレグシートを複数枚積層した積層体を複数準備し、これら積層体を長繊維の方向がある角度で交差するようにさらに複数積層し、これを加圧加熱（焼成）して一体化するようにしている。このようにすることで、縦横方向に強度を増大させることができる。
しかし、上記複合材料では、一般的に、シートに垂直な方向には補強材が入っていないので、各シート間の接着強度は十分なものではない。そこで、気相成長法による炭素繊維（以下ＣＮＴ；カーボンナノチューブということがある）を樹脂材料中に予め均一に混入させ、この樹脂材料を長繊維束に塗布、含浸して層間剪断強度を高めるようにしたものも知られている（例えば特開平７−４１５６４）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−４１５６４
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記ＣＮＴを混入した従来の強化樹脂複合体は、ＣＮＴを添加することにより全体的に強度を向上させ得ると言えるが、ＣＮＴ添加量の割りには期待したほどの強度の向上は望めなかった。
また、ＣＮＴは高価であるという課題がある。
そこで、本発明は上記課題を解決すべくなされたもので、その目的とするところは、ＣＮＴの添加量を少なくしても強度を得ることができると共に、コストの低減化が可能な複合材料およびその製造方法を提供するにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る複合材料は、樹脂材料中に長繊維束が配列されたプリプレグシートが複数枚積層された複合材料において、前記プリプレグシート間に気相成長法による炭素繊維が添加されてなることを特徴としている。
気相成長法による炭素繊維（ＣＮＴ）は、例えば昭和電工製ＶＧＣＦを用いることができ、直径が数十ｎｍ〜数百ｎｍで、アスペクト比が数十〜数百の非常に細い繊維状物質である。
プリプレグシート間（の界面）にＣＮＴを添加することでＣＮＴの配合量を減じることができ、コストの低減化が図れる。
【０００６】
複合材料の全体的な強度は長繊維が担っている。発明者による検討では、隣接するプリプレグシート間で剥離現象が生じ、これが全体的な強度を低下させていることがわかった。さらに詳細に検討すると、一般的に、複合材料には、長繊維に対して直角方向に、直接の引き剥がし力が作用するということは少なく、長繊維に対して平行な方向、あるいは曲げ方向に力が作用することが多い。このような力が作用することは、プリプレグシート間に剪断力が作用することを意味する。
【０００７】
プリプレグシート中には長繊維が整然と並んでおり、樹脂により密に接着されているので、プリプレグシート内においては剪断力が作用したとしてもこれら長繊維が強度部材として作用し、プリプレグシート内においては破断等が容易に生じない。したがって、プリプレグシート内に、さらなる強度部材としてＣＮＴを混入させてもそれ程意味がない。このことが従来、ＣＮＴを添加してもそれ程強度を向上させ得ない原因であったと考えられる。むしろ、ＣＮＴは長繊維のような直接的な強度部材として作用するものではないと考えられる。
【０００８】
上記のように、複合材料には一般的に、プリプレグシート間に剪断力が作用するのである。
ところで、隣接するプリプレグシート間には繊維等の補強材が存在せず、樹脂が存在しているのみであり、この樹脂の一部に小さな傷があったとすると、この部位に剪断力が加わることによって、傷が伸長し、これによってプリプレグシート間に剥離現象が生じると考えられる。
【０００９】
本発明では上記のように、このプリプレグシート間にＣＮＴを添加（配合）している。加圧成形前においては、添加されたＣＮＴは両シート間に単に層状をなして存在しているが、このプリプレグシート積層体を加圧、加熱して焼成し、複合材料に形成すると、このＣＮＴが両プリプレグシートの樹脂層に食い込み、ＣＮＴの配向方向がアトランダム（シート界面に対して傾斜するＣＮＴ成分が多い）となって両シート間をブリッジすることによって、上記剪断力に抗することができ、両シート間の剥離を効果的に防止できるのである。
すなわち、直接的な強度部材の役目は長繊維が担い、一方ＣＮＴはこの長繊維が存在しないシート間の強度（剪断力に抗する強度）を補填する役目を担っていて、この長繊維とＣＮＴとが協同して全体的な強度向上に寄与しているのである。
【００１０】
なお、長繊維は、ＰＡＮ系、ピッチ系などのカーボン繊維が好ましいが、これに限定されず、ガラス繊維、その他の長繊維を用いることができる。
また、樹脂材料は、各種エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂を好適に用いることができる。あるいは樹脂材料として、ＰＥＥＫ等の熱可塑性樹脂を用いてもよい。
【００１１】
なお、ＣＮＴは、全てのプリプレグシート間に添加してもよいが、例えば１層置きにするとか、任意のプリプレグシート間に添加することもできる。
特に、長繊維の配向方向が異なるプリプレグシート間の界面にＣＮＴを添加するようにすると好適である。長繊維の配向方向が異なるプリプレグシート間では剪断力が複雑な方向に作用すると考えられ、特に剥離が生じやすいからである。
【００１２】
前記界面におけるＣＮＴの添加密度は２〜２０ｇ／ｍ²の範囲になるように、一層好適には、５〜１０ｇ／ｍ²の範囲になるように調整すると好適である。添加密度が２ｇ／ｍ²よりも少ないと剥離防止効果が少なくなり、２０ｇ／ｍ²より多くしても、逆に層間靭性値は低下する。
上記プリプレグの積層体を加圧加熱して、熱硬化させることによって複合材料として完成される。
複合材料の強度は、上記積層体を焼成して初めて発現するが、上記では便宜上プリプレグシートの表現で説明した。
なお、市場に流通する製品としては、焼成した複合材料としてばかりでなく、焼成前のプリプレグシートの積層体としても流通する（請求項１〜３）。
【００１３】
また、本発明に係る複合材料の製造方法は、樹脂材料中に長繊維束が配列されたプリプレグシートの表面に、気相成長法による炭素繊維（ＣＮＴ）を添加する工程と、該ＣＮＴが添加されたプリプレグシートを含む複数枚のプリプレグシートを積層する工程と、該積層体を圧縮成形する工程を含むことを特徴とする。
圧縮成形は、積層体の形状を保持するために行うもので、真空中で圧縮成形するのが好ましい。
プリプレグシートは例えばトレカプリプレグなど、市販品を用いることができる。なお、樹脂材料中に適当な添加剤を添加することを妨げるものではない。
また、ＣＮＴも例えば昭和電工製ＶＧＣＦなどの市販品を用いることができる。
【００１４】
ＣＮＴの添加は、ＣＮＴをそのままプリプレグシートの表面に均一に散布して行うことができる。この場合、プリプレグシートが半乾きのときにＣＮＴを散布するようにすると好適である。
あるいは、ＣＮＴを静電気によりプリプレグシート表面に付着させるようにしてもよい。
あるいはまた、ＣＮＴを接着性樹脂中に混合した複合シート（厚さは例えば１０〜２０μｍ）を前もって作成しておき、これを積層時にプリプレグシート間に挟み込むようにしてもよい。
【００１５】
また、ＣＮＴを、アルコール等の揮発性液体に分散した後、プリプレグシート表面に塗布するようにすると均一に添加できて好適である。なお、ＣＮＴを揮発性液体に良好に分散させるためには、ＣＮＴを揮発性液体中に浸漬した後、超音波エネルギーを付加して分散させるようにすると好適である。
また、揮発性液体を用いることにより、塗布後、揮発性液体を揮発させることにより、ＣＮＴのみをプリプレグシート表面上に残すことができ、焼成後のシート間に余計なものが存在せず、余計なものが存在することによる強度低下を防止しうる。
上記積層体を加圧加熱することで複合材料として完成できる。
【００１６】
【実施例】
試験片の作成：
東レプリプレグ（トレカ、Ｔ７００Ｓ／♯２５００）を２０枚（２０ply）積層し、この積層体１２ａ（図１）表面に、昭和電工ＶＧＣＦ（登録商標）１４を約１０ｇ／ｍ²の密度となるように塗布し、この積層体１２ａの表面に（同じ）２０plyの別のプリプレグ積層体１２ｂをカーボンファイバー（長繊維）１６の向きが直交するように積層し、この積層体を常法により加圧、加熱して複合材料１０の試験サンプルを得た。なお、ＶＧＣＦ１４は、少量のエチルアルコールを加えてペースト状にした後、これを積層体１２ａの表面に均一に塗布した。塗布後、室温にて乾燥させエチルアルコールを揮発させることで、積層体１２ａ表面にＶＧＣＦ１４を均一に添加するようにした。
比較サンプルとして、上記複合材料１０とは、両積層体の間にＶＧＣＦを添加しない点でのみ異なる通常の複合材料を作成した。
両サンプルの積層体界面にあらかじめ小さな傷１８を形成し、この両サンプルのモードII層間破壊試験（両端２点支持で中央部に直角方向から力を加え、剥離が進行し始めるまでの臨界荷重（靭性値）を測定する）を行い、靭性値を計測した。
その結果、比較サンプルでは１５０９Ｊ／ｍ²であったのが、試験サンプルでは２２０９Ｊ／ｍ²という高い値が得られ、積層体１２ａ、１２ｂの層間にＶＧＣＦ１４を添加することによって、強度（靭性）が約５０％も向上することが確認された。
【００１７】
【参考例】
参考のため、ＶＧＣＦ（登録商標）をプリプレグシートの樹脂剤中全体に均一に混入させた場合の強度（曲げ強度）を計測したところ、ＶＧＣＦを添加しないものに比して、ＶＧＣＦを５wt％添加したもので約１５％、ＶＧＣＦを１０wt％添加したもので約２５％向上したが、全体的な強度（曲げ強度）としてはそれ程顕著には向上していない。これは、全体的な強度は長繊維が担い、ＶＧＣＦ（ＣＮＴ）は全体的な強度にはそれ程寄与し得ないことを意味する。
【００１８】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、プリプレグシート間にＣＮＴを添加することで、層間に作用する剪断力に対する抗力を増大でき、強度（靭性）を向上させることができる。また、ＣＮＴの配合量を減じることができ、コストの低減化が図れる。
特に、長繊維の配向方向が異なるプリプレグシート間にＣＮＴを添加することにより、層間の剥離を効果的に防止することができる。
本発明に係る複合材料は、航空宇宙分野、自動車分野等の高機能、高強度の構造材料が要求される分野への適用、応用が期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】試験サンプルの模式的な断面図である。
【符号の説明】
１０複合材料
１２ａ、１２ｂプリプレグシート
１４ＶＧＣＦ（登録商標）
１６カーボンファイバー（長繊維）
１８傷

Claims

樹脂材料中に長繊維束が配列されたプリプレグシートが複数枚積層された複合材料において、
前記プリプレグシート間に気相成長法による炭素繊維が添加されてなる複合材料。
前記長繊維の配向方向が異なる前記プリプレグシート間に前記気相成長法による炭素繊維が添加されてなる請求項１記載の複合材料。
前記気相成長法による炭素繊維の添加密度が２〜２０ｇ／ｍ²であることを特徴とする請求項１または２記載の複合材料。
前記積層体を加圧加熱してなる請求項１、２または３記載の複合材料。
前記添加された気相成長法による炭素繊維の向きが、隣接するシート間でアトランダムに配向して、両シート間を接合していることを特徴とする請求項４記載の複合材料。
樹脂材料中に長繊維束が配列されたプリプレグシートの表面に、気相成長法による炭素繊維を添加する工程と、
該気相成長法による炭素繊維が添加されたプリプレグシートを含む複数枚のプリプレグシートを積層する工程と、
該積層体を圧縮成形する工程を含むことを特徴とする複合材料の製造方法。
前記気相成長法による炭素繊維を、アルコール等の揮発性液体に分散し、プリプレグシート表面に塗布することを特徴とする請求項６記載の複合材料の製造方法。
塗布後、前記揮発性液体を揮発させることを特徴とする請求項７記載の複合材料の製造方法。
気相成長法による炭素繊維を接着性樹脂中に混合した複合シートを作成しておき、これを積層時にプリプレグシート間に挟み込むようにすることで、プリプレグシートの表面に、気相成長法による炭素繊維を添加することを特徴とする請求項６記載の複合材料の製造方法。
圧縮成形した積層体を加圧加熱する工程を含むことを特徴とする請求項６〜９いずれか１項記載の複合材料の製造方法。