JP4322632B2

JP4322632B2 - 多軸強化繊維積層体

Info

Publication number: JP4322632B2
Application number: JP2003380082A
Authority: JP
Inventors: 正康石橋; 和令守本; 宏一橋本
Original assignee: Shikibo Ltd
Current assignee: Shikibo Ltd
Priority date: 2003-11-10
Filing date: 2003-11-10
Publication date: 2009-09-02
Anticipated expiration: 2023-11-10
Also published as: JP2005138547A

Description

本発明は、三次元形状を有する複合材料のためのプリフォームを得るのに好適な多軸強化繊維積層体に関するものである。

複雑な三次元形状を持つ複合材料を得るための多軸強化繊維積層体としては、長繊維を製織し、縦糸、横糸によってなる、ある程度変形可能な織物を用いて三次元形状を得る方法がある。この場合は、織物の変形は縦糸と横糸に制限されるため、強化繊維が配向されている方向に対しては変形が難しく、それ以外の方向に変形させることは可能であるが、深絞りを必要とされるような変形には追従させるのが難しかった。また、織物を得るためには製織工程を必要とするし、ある程度厚みを持った繊維構造体や、複雑な繊維配向を持った多軸強化繊維積層体を得るためには、織物をカット、積層する工程が必要となり、非常に高コストとなりがちであった。さらに、織物は縦糸と横糸が上下に交互に折り重なっているため、強化繊維の直線性を出しにくく、強化繊維が直線である場合と比べると強度が劣る場合もあるなどの問題点があった。（例えば、特許文献１参照。）。

また、樹脂を含浸させて半硬化させたプリプレグを裁断し、それを三次元形状に積層し構成する方法などがある（例えば、特許文献２参照。）。これらはいずれも三次元形状を得ることは可能であるが、強化繊維が面内湾曲するような変形には追従が難しいため、強化繊維を裁断する必要が出てくる場合がある。そのような場合には、強化繊維が裁断されているために、強化繊維が連続しているものと比較すると強度が低くなる場合もある。また、プリプレグに含浸してある樹脂のライフ管理との関係で製造工程や製造期間が制約されてしまい、ロス率が多くなる傾向があり、高コストとなりがちである場合もあるなどの問題点もあった。

また、ブレード材を複数枚積層したり、巻回したりして、三次元形状を得る方法もあるが、繊維配向に限界があるし、カットしたり積層したりするし、製織工程を必要とするため、高コストとなりがちであるなどの問題点があった（例えば、特許文献３参照。）。

また、多方向に強化繊維を配向し、それらを無秩序に接着した多軸繊維不織布もあるが、接着するための樹脂の量も多くなりがちであるし、それに応じて含まれる接着剤の水分率も増え、温度変化が激しい環境下での使用が困難な場合もあるなどの問題点があった。（例えば、特許文献４参照）。

特開２００２―９６４１３号公報特開平７−８１５６６号公報特開平１０―２９０８５１号公報国際公開ＷＯ００／２１７４２号公報

本発明は以上の問題点を解決して、深絞り成形が可能な優れた成形性を有し、強化繊維以外の不純物が少なく大きな機械的強度を有し、取り扱い性に優れ、低価格である複合材料用の多軸強化繊維積層体を提供することを目的とするものである。

前記課題を解決するため本発明は、複合材料用の多軸強化繊維積層体において、強化繊維を任意の繊維配向に等間隔で敷き並べて構成されている多軸強化繊維層の各層間のうち、ある層間は隣接する強化繊維層と異なる角度で配向して敷き並べられた線状の熱可塑性樹脂繊維のみからなる層によって任意形状の全面に渡って接着され、またある層間は熱可塑性樹脂繊維のみからなる層によって任意形状の一部分を接着されていることによって、変形能を有しかつ取り扱い性が良好であることを特徴とする多軸強化繊維積層体とした（請求項１）。

ここで、上記の「多軸強化繊維積層体」なる用語は、強化繊維が２軸、３軸、４軸などの多軸に配向された強化繊維積層体を意味する。２軸強化繊維積層体は、強化繊維が経方向に配向された強化繊維層と、強化繊維が緯方向に配向された強化繊維層とを積層したものである。３軸強化繊維積層体は、強化繊維が経方向配向された強化繊維層と、強化繊維が斜交方向に配向された強化繊維層とを積層したものである。４軸強化繊維積層体は、強化繊維が経方向に配向された強化繊維層と、強化繊維が緯方向に配向された強化繊維層と、強化繊維が斜交方向に配向された強化繊維層とを積層したものである。なお、各強化繊維層は、要求される強度などによって任意の積層数とすることができる。さらに、各強化繊維は、マルチフィラメントなどを主に使用する。また、各強化繊維の番手や配向ピッチは、同一でもよいし異なっていてもよい。

また、上記の「隣接する強化繊維層と異なる角度で敷き並べられた多軸強化繊維積層体に対して重量比で１％未満の伸縮可能な線状の熱可塑性樹脂繊維で接着されている、」なる用語は、熱可塑性樹脂繊維が線状の形状を有して、隣接する強化繊維と異なる角度で交差する部分のみが熱可塑性樹脂繊維によって部分的に接着されていることを意味するものである。なお、熱可塑性樹脂繊維は、モノフィラメント、マルチフィラメントのいずれでもよい。また、各強化繊維層間を接着する熱可塑性樹脂繊維の番手や配向ピッチは、同一でもよいし異なっていてもよい。

なお、伸縮可能な熱可塑性樹脂繊維が、多軸強化繊維積層体の重量に対して１％を超える場合は、熱可塑性樹脂繊維が多くなるので、後に強化繊維積層体を成形した複合材料製品に樹脂を含浸する際に樹脂の流路が妨げられて樹脂の含浸性が悪くなる、熱可塑性樹脂繊維による接着部分が多くなると当然変形量も少なくなって変形性・賦形性が悪くなる、強化繊維の層間に存在する熱可塑性樹脂量が大きくなるので、Ｖｆ（多軸強化繊維積層体の容積に対する強化繊維の容積含有率％）が上がらない、などの不都合が生じるので、多軸強化繊維積層体に対する伸縮可能な熱可塑性樹脂繊維の重量比は１％未満に限定される。

ここで、上記の「任意形状」なる用語は、多軸強化繊維積層体の形状を意味するもので、「熱可塑性樹脂繊維によって任意形状の一部分を接着されている」なる用語は、任意形状の強化繊維層の縁部のみが部分的に接着されている場合や、縁部以外の他の部分、例えば中央部のみが部分的に接着されている場合などを含むものである。変形量が多い部分に関して、取り扱い性を維持し、多軸強化繊維積層体の一体性を保つのに必要な分量と接着位置を設定することで熱可塑性樹脂繊維の量を限界まで減らすことができる。この強化繊維層の一部が接着されている強化繊維層間は、２以上が連続していてもよいし、熱可塑性樹脂繊維を介在して接着する強化繊維層間と交互に配されていてもよい。

また、本発明は、複合材料用の多軸強化繊維積層体において、熱可塑性樹脂繊維の含有率が重量比で０．５％未満であることを特徴とする請求項１に記載の多軸強化繊維積層体とした（請求項２）。

ここで、熱可塑性樹脂繊維の含有率が、重量比で０．５％を超えると、寸法精度と強度が要求され、深絞りが必要な形状に使用する用途に使用することとなった場合に、接着量が多いと十分な変形性が得られず、しかも急激な温度変化によって、熱融着樹脂繊維が膨張、収縮などを起こして、構造材自体の形状変化などが生じ、十分な強度が得られなくなるの場合があるので、熱可塑性樹脂繊維の含有率は、重量比で０．５％未満に限定される。

また、本発明は、複合材料用の多軸強化繊維積層体において、同方向に強化繊維が配向された状態の隣接する強化繊維層の層間が、隣接する強化繊維層と異なる角度で敷き並べられた熱可塑性樹脂繊維によって接着されていることを特徴とする、請求項１に記載の多軸強化繊維積層体とした（請求項３）。

なお、本発明で、強化繊維の容積含有率が５０％未満であると、強度が必要とされる場合に構造体の弾性が減少してしまうので、強化繊維の容積含有率は５０％以上が望ましい。強化繊維の割合が増大するほど、強化繊維積層体を成形して得た複合強化製品の機械的強度が大きくなる。

本発明の多軸強化繊維積層体によれば、強化繊維を複数層に渡って多軸に積層し、各層間をごく微量の樹脂によって規則正しく接着しているために、三次元形状へ変形させる際の変形の自由度が大きく、しかも変形後の強化繊維の配置が規則正しいため、設計の自由度が大きく、強化繊維が持つ強度を十分発揮でき、しかも不純物としての接着樹脂をごく微量しか持たないため、樹脂成形後も強化繊維とマトリックス樹脂の強度を妨げることが無い複合材料用の多軸強化繊維積層体を提供することができる。特に、各強化繊維層間の内のある層間は熱可塑性樹脂繊維で接着し、また、ある層間は熱可塑性樹脂繊維によって任意形状の一部分を接着されていることによって、熱可塑性樹脂繊維による結合部分が少なくなって成形性が向上するとともに、強化繊維積層体における熱可塑性樹脂繊維の比率がさらに低減して、強化繊維積層体の強度を向上することができる。

以下に本発明に係る多軸強化繊維積層体について図面を参照して説明する。

図１は本発明に係る多軸強化繊維積層体１００の一例を理解し易いように一面側から各層ごとに段階的に切り開いて模式的に示した部分平面図であり、図２は図１の多軸強化繊維積層体１００を製造するための加圧・加熱前の多軸強化繊維積層前駆体１００′の一例
を理解し易いように一面側から各層ごとに段階的に切り開いて模式的に示した部分平面図である。図２の多軸強化繊維積層前駆体１００′は、強化繊維層の一例としての第１〜第
８の炭素繊維層１，３，５，７，９，１１，１３，１５と、熱可塑性樹脂繊維層の一例としての第１〜第７のポリアミド樹脂繊維層２，４，６，８，１０，１２，１４とを交互に積層することによって構成されている。この場合に使用される炭素繊維層１〜１５の炭素繊維ａ及びポリアミド樹脂繊維層２〜１４の熱可塑性樹脂繊維ｂの配向、配列ピッチ、各繊維ａ，ｂの仕様は、表１に示されるとおりである。

すなわち、炭素繊維層１〜１５を構成する各炭素繊維ａは、比重１．７ｇ／ｃｍ³、８００ｔｅｘのものを４ｍｍピッチで平行に配置し、ポリアミド樹脂繊維層２〜１４を構成する各ポリアミド樹脂繊維ｂは、３０デニール、融点１１０〜１２０℃のものを２０ｍｍピッチで平行に配置している。図１，図２では、炭素繊維ａとポリアミド樹脂繊維ｂとの番手およびピッチの違いを理解し易いように、炭素繊維ａは太く、かつ、小さいピッチで示し、ポリアミド樹脂繊維ｂは細く、かつ、大きいピッチで示している。

また、炭素繊維層１〜１５を構成する各炭素繊維ａおよびポリアミド樹脂繊維層２〜１４を構成する各ポリアミド樹脂繊維ｂは、第１の強化繊維層１は＋４５°、第１の熱可塑性樹脂繊維層２は９０°、第２の強化繊維層３は−４５°、第２の熱可塑性樹脂繊維層４は９０°、第３の強化繊維層５は０°、第３の熱可塑性樹脂繊維層６は＋４５°、第４の強化繊維層７は９０°、第４の熱可塑性樹脂繊維層８は０°、第５の強化繊維層９は９０°、第５の熱可塑性樹脂繊維層１０は＋４５°、第６の強化繊維層１１は０°、第６の熱可塑性樹脂繊維層１２は９０°、第７の強化繊維層１３は−４５°、第７の熱可塑性樹脂繊維層１４は９０°、第８の強化繊維層１５は＋４５°にそれぞれ配向されている。

表１の繊維層番号順に炭素繊維層１〜１５とポリアミド樹脂繊維層２〜１４とを交互に敷き並べていき、合計１５層の多軸強化繊維積層前駆体１００′を得る。この構成によってなる多軸強化繊維積層前駆体１００′は、炭素繊維によってなる層が、２００ｇ／ｍ²であり、ポリアミド樹脂繊維によってなる層が、０．１６５ｇ／ｍ²となるので、ポリアミド樹脂繊維の含有率が０．０８％と非常に低い。したがって、この多軸強化繊維積層前駆体１００′は、強化繊維ａの占有率が高く、しかも、各繊維ａ，ｂは直線状で、規則正しく等間隔で配置されている。表１は、多々ある積層構成のほんの一例を示したものである。

表１の構成によって積層された多軸強化繊維積層前駆体１００′は、ニップローラーによって、ポリアミド樹脂繊維ｂの融点以上の温度で加圧・加熱されることによって、ポリアミド樹脂繊維ｂが溶融される。この場合のニップローラーの加熱温度は１１０℃〜１５０℃である。その後、冷却用のニップローラーによって冷却しながら加圧することによって、図１に示すように、上下で交差する炭素繊維ａ，ａどうしが、それらと交差する熱可塑性樹脂繊維ｂが加圧・加熱溶融された線状の熱可塑性樹脂繊維ｃによって密接に接着される。

こうして得られた多軸炭素繊維積層体１００を図１に示す。図１では、熱可塑性樹脂繊維ｂが加圧・加熱されて押し広げられた状態を模式的に示すために、熱可塑性樹脂繊維ｃを図２の熱可塑性樹脂繊維ｂよりも太く描いている。この多軸炭素繊維積層体１００を用いて、図３（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）に示すような平板状の一部に円筒状の深絞り部を有する三次元形状の複合材料プリフォーム２００を、図３（Ｅ）に示すように多軸炭素繊維積層前駆体１００′の周縁部を図示しない治具で固定しておき、凸お椀形の雄型３００で加圧・加熱して製造する実験を行った結果、非常に良好な変形性が確認された。しかも、炭素繊維ａがポリアミド樹脂繊維ｃによって規則正しく接着されているために、三次元形状に変形後も各炭素繊維ａ，ａ間のピッチの広がりはスムーズであった。こうして得られた複合材料プリフォーム２００は、強化繊維ａが曲面に沿って規則正しく配置されるため、高強度であり、強度設計の自由度も高い。また、不純物であるポリアミド樹脂繊維ｂが非常に微量であるために、複合材料プリフォーム２００の強度は不純物によって阻害されること無く、大きな機械的強度が得られる。

なお、上記実施形態は、本発明の一実施形態を示したものであってこれに限定されるものではなく、本発明の精神を逸脱することなく、各種の変形が可能である。

例えば、上記実施形態では、強化繊維として炭素繊維、熱可塑性樹脂繊維としてポリアミド樹脂繊維を用いる場合について説明したが、強化繊維としては炭素繊維の他にガラス繊維、アラミド繊維、その他の強化繊維を用いることができ、熱可塑性樹脂繊維としてはポリアミド樹脂繊維の他にポリエステル、ポリプロピレン、その他の伸縮性を有する樹脂繊維を用いることができる。

また、強化繊維層１〜１５の強化繊維ａや熱可塑性樹脂繊維層２〜１４の熱可塑性樹脂繊維ｂの配向方向は、上記以外の配向方向であっても良い。例えば、上記実施形態は各繊維ａ，ｂを典型的な＋４５°、−４５°、９０°、０°に配向する場合について説明したが、それぞれ＋２５°〜＋６５°、−２５°〜−６５°、７０°〜１１０°、＋２０°〜−２０°の範囲内で任意に設定することができる。要は、隣接する層の強化繊維ａまたは熱可塑性樹脂繊維ｂの配向と異なる角度で交差するような角度で配向すればよい。

同様に、強化繊維層１〜１５の強化繊維ａや熱可塑性樹脂繊維層２〜１４の熱可塑性樹脂繊維ｂの配向順序は、隣接する層の強化繊維ａまたは熱可塑性樹脂繊維ｂの配向と異なる角度で交差するような順序であれば、任意の配向順序とすることができる。

また、表１に示される構成で得られた多軸強化繊維積層体１００は、前述のとおり十分な変形性を備えているが、さらに複雑で大きな変形が必要とされる場合には、熱可塑性樹脂繊維層２，６，１０，１４の中の少なくとも１つの熱可塑性樹脂繊維層を省略した構成にすることで、さらに大きな変形性が得られる。熱可塑性樹脂繊維層２，６，１０，１４のすべてを省略した構成にした場合、強化繊維層１と３、強化繊維層５と７、強化繊維層９と１１、強化繊維層１３と１５間の熱可塑性樹脂繊維ｃが存在しないため、熱可塑性樹脂繊維の含有率は強化繊維積層体１００に対して重量比で０．５％未満に低減することができ、三次元形状へ変形させる際の変形の自由度がさらに大きく、しかも変形後の強化繊維の配置が規則正しいため、設計の自由度が大きく、強化繊維が持つ強度を十分発揮でき、しかも不純物としての接着樹脂をごく微量しか持たないため、樹脂成形後も強化繊維とマトリックス樹脂の強度を妨げることが無い複合材料用の多軸強化繊維積層体を提供することができる。なお、強化繊維層１と３、強化繊維層５と７、強化繊維層９と１１、強化繊維層１３と１５層間の熱可塑性樹脂繊維ｃを省略することにより層間の接着が無くなり、取り扱い性が悪くなる恐れがあるが、多軸強化繊維積層前駆体１００′の外縁にごく微量のポリアミド樹脂繊維を配置しておくことで、強化繊維層の端部どうしが接着されて、良好な取り扱い性を維持することができる。縁部の代りに、強化繊維層間の他の部分，例えば中央部の一部分のみを接着することによっても、同様の結果を得ることができる。

また、上記実施形態では、複合材料プリフォームとして、深絞り状の３次元形状について説明したが、図４（Ａ）に示すＩ形複合材料プリフォーム２０１、図４（Ｂ）に示すＪ形複合材料プリフォーム２０２、図４（Ｃ）に示す変形Ｃ形複合材料プリフォーム２０３、図４（Ｄ）に示すお椀形複合材料プリフォーム２０４、図４（Ｅ）に示す三角錐形複合材料プリフォーム２０５、その他の任意の形状にすることができる。

図４（Ａ）に示すＩ形複合材料プリフォーム２０１は、図５（Ａ）に示すように本発明の複数枚の多軸強化繊維積層体１００ａ，１００ｂを重ね合わせて、それぞれの両端を互いに反対方向に９０°折り曲げて製造することができる。図４（Ｂ）のＪ形複合材料プリフォーム２０２は、図５（Ｂ）に示すように本発明の複数枚の多軸強化繊維積層体１００ａ，１００ｂを重ね合わせて、それぞれの一方端を互いに反対方向に９０°折り曲げるとともに、他方端を同一方向に９０°折り曲げることによって製造することができる。図４（Ｃ）の変形Ｃ形複合材料プリフォーム２０３は、図５（Ｃ）に示すように本発明の１枚または複数枚の多軸強化繊維積層体１００（または１００ａおよび１００ｂ）の両端を同一方向に９０°折り曲げ、さらにその一部を９０°折り曲げることによって製造することができる。また、図４（Ｃ）の形状を持つダイを使用して連続的に引き抜き樹脂成形を行うことも可能である。図４（Ｄ）に示すお椀形複合材料プリフォーム２０４は、図５（Ｄ）に示すように本発明の多軸強化繊維積層体１００を凸お椀形の雄型３１０と凹お椀形の雌型３２０とで加圧・加熱して製造することができる。図４（Ｅ）に示す三角錐形複合材料プリフォーム２０５は、図５（Ｅ）に示すように本発明の多軸強化繊維積層体１００を凸三角錐形の雄型３３０と凹三角錐形の雌型３４０とで加圧・加熱して製造することができる。なお、図５（Ｄ）（Ｅ）において、多軸強化繊維積層体１００を張設している場合は、雌型３２０，３４０を省略することができる。また、多軸強化繊維積層体を凸三角錐形の雌型３４０に巻きつけることによって、ノズル状の多軸強化繊維積層体を得ることができる。

本発明の実施形態の多軸強化繊維積層体を各層ごとに段階的に切り開いて示した部分平面図である。本発明の実施形態の多軸強化繊維積層体を製造するための加圧・加熱前の多軸強化繊維積層前駆体を各層ごとに段階的に切り開いて示した部分平面図である。（Ａ）は本発明の多軸強化繊維積層体の斜視図、（Ｂ）は（Ａ）の本発明の多軸強化繊維積層体のＡ視正面図、（Ｃ）は本発明の多軸強化繊維積層体によって成形した３次元形状を有する複合材料プリフォームの斜視図、（Ｄ）は（Ｃ）の複合材料プリフォームのＢ視正面図、（Ｅ）は本発明の多軸強化繊維積層体によって３次元形状を有する複合材料プリフォームを製造する工程を模式的に示す断面図である。（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は本発明の多軸強化繊維積層体によって製造可能な他の複合材料プリフォームの正面図、（Ｄ）（Ｅ）は同じく斜視図である。（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）（Ｅ）はそれぞれ図４（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）（Ｅ）の複合材料プリフォームの製造過程における正面図または断面図である。

１，３，５，７，９，１１，１３，１５強化繊維層（炭素繊維層）
２，４，６，８，１０，１２，１４熱可塑性樹脂繊維層（ポリアミド樹脂繊維層）
１００多軸強化繊維積層体（多軸炭素繊維積層体）
１００′ 多軸強化繊維積層前駆体（多軸炭素繊維積層前駆体）
２００，２０１，２０２，２０３，２０４，２０５複合材料プリフォーム
ａ強化繊維
ｂ加圧・加熱前の熱可塑性樹脂繊維
ｃ加圧・加熱後の熱可塑性樹脂繊維

Claims

複合材料用の多軸強化繊維積層体において、強化繊維を任意の繊維配向に等間隔で敷き並べて構成されている多軸強化繊維層の各層間のうち、ある層間は隣接する強化繊維層と異なる角度で配向して敷き並べられた線状の熱可塑性樹脂繊維のみからなる層によって任意形状の全面に渡って接着され、またある層間は熱可塑性樹脂繊維のみからなる層によって任意形状の一部分を接着されていることによって、変形能を有しかつ取り扱い性が良好であることを特徴とする多軸強化繊維積層体。
複合材料用の多軸強化繊維積層体において、熱可塑性樹脂繊維の含有率が重量比で０．５％未満であることを特徴とする請求項１に記載の多軸強化繊維積層体。
複合材料用の多軸強化繊維積層体において、強化繊維が同方向に配向された隣接する強化繊維層の層間が、前記隣接する強化繊維層と異なる角度で配向して敷き並べられた熱可塑性樹脂繊維のみからなる層によって接着されていることを特徴とする、請求項１に記載の多軸強化繊維積層体。