JP4615398B2 - 炭素繊維複合材料成形体 - Google Patents

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Description

本発明は、炭素繊維の体積含有率が５〜５０％からなる連続繊維を用いた炭素繊維複合材料成形体及びその製造方法に関するものである。
炭素繊維は、優れた機械的特性（強度、弾性率）を有しているが、単独では製品形状を賦形できないといった問題がある。
そこで、このような問題を解決するために、樹脂をマトリクス成分とした炭素繊維複合材料が報告され（例えば、特許文献１参照。）、一部の航空機、自動車、スポーツ用品等の工業部品分野に利用されている。
特開平０７−４１５７号公報
しかしながら、上記の炭素繊維複合材料は、炭素繊維の嵩高さ（収束厚さ）が薄いために、成型時の積層作業に多大な時間を要している。また、炭素繊維の体積含有量（以下、Ｖｆ）が５０％以上となり、高い物性を有しているが、このような物性を必要としない汎用分野への利用が望まれている。
よって、本発明は、積層体の嵩（厚さ）を稼ぐことにより、高価な炭素繊維の配合比（Ｖｆ）を低減することができ、高物性を必要としない汎用分野への適用が容易である炭素繊維複合材料成形体を提供することを目的としている。また、本発明は、積層数の低減により、製造プロセスが簡易化された炭素繊維複合材料成形体の製造方法を提供することも目的としている。
本発明の炭素繊維複合材料成形体は、表皮層を形成する２層の炭素繊維層の間に不織布からなるコア層が狭持されて積層体をなし、この積層体が含浸用樹脂を含浸して硬化した炭素繊維複合材料成形体において、前記炭素繊維複合材料成形体における前記炭素繊維の体積含有率が５〜５０％であることを特徴としている。また、本発明の炭素繊維複合材料成形体の製造方法は、表皮層を形成する２層の炭素繊維層の間に不織布からなるコア層を挟み込んで積層体とする工程と、粘度が１００〜２００００ｍＰａ・ｓの含浸用樹脂を、上記積層体に含浸させる工程と、上記含浸用樹脂を硬化する工程とを備えることにより、炭素繊維複合材料成形体における前記炭素繊維の体積含有率を５〜５０％とすることを特徴としている。
本発明の炭素繊維複合材料成形体によれば、積層体の板厚中央部にコア層を挿入することにより、任意の織物厚さにおいて炭素繊維のＶｆを５０％以下に低減させたにもかかわらず、積層体の嵩（厚さ）を稼ぐことができ、これにより、面内圧縮強度に優れ、Ｖｆが５０％を超える成形体と同等の曲げ強度や弾性率を実現することができる。その結果、汎用用途への廉価で高弾性率な材料を提供することができる。また、複合材料の密度が低くなり、部品の軽量化が可能となるといった効果も奏する。さらに、本発明の製造方法によれば、成型時の積層作業が不要となり、製造工程が簡素化され、作業時間が短縮される。
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。
図１は、本発明の炭素繊維複合材料成形体の一実施形態の概念を示す断面図である。この炭素繊維複合材料成形体１は、表皮層を形成する２層の炭素繊維層２の間にコア層３が狭持された構成であり、この積層体に含浸用樹脂が含浸され、この樹脂の硬化とともに成形されている。本発明においては、炭素繊維複合材料成形体における炭素繊維含有率が５〜５０％であることが好ましい態様である。また、このような成形体は、表皮層を形成する２層の炭素繊維層の間にコア層を挟み込む工程と、粘度が１００〜２００００ｍＰａ・ｓの含浸用樹脂を、上記積層体に含浸させる工程と、上記含浸用樹脂を硬化する工程とを備えた本発明の炭素繊維複合材料成形体の製造方法により好適に製造することができる。
本発明における炭素繊維シートは、従来のプリプレグを用いることも可能であるが、複数の炭素繊維層が積層され、これら繊維シートが積層方向に貫通するステッチ糸によって縫い合わせられることにより一体化された、炭素繊維マットであることが好ましい。
上記の炭素繊維層としては、一方向に延びる多数の炭素繊維が並列されてなるもので、この場合の繊維は、例えば、径が約７μｍの繊維を千〜４８０００本程度束ねたトウである。用いられる繊維の具体例としては、多数本のフィラメントが収束されたトータル繊度が７０〜３０００Ｔｅｘの比較的太いトウ状のフィラメント束が挙げられる。繊維シートは、このような繊維が、積層されない状態で一面に並列されて構成される。繊維シートを製造する方法としては、繊維が巻かれて蓄積されたボビンから繊維を引き出し、これを所定のスパンで往復させ、並列させるといった方法が挙げられる。
このような炭素繊維マットにおいては、炭素繊維シートの繊維の配向角度が、６０°ずつずらして積層されている。具体的には、炭素繊維マットの長手方向を基準とすると、最も外側の２枚の炭素繊維シートの繊維は、その基準方向に対して３０°の方向に延び、この炭素繊維シートの内側の２枚の炭素繊維シートの繊維は、−３０°の方向に延び、最も内側の２枚の炭素繊維シートの繊維は、９０°の方向に延びている。このような炭素繊維シートの積層状態により、繊維の配向は、炭素繊維シートの積層方向の中心、すなわち真ん中の２枚のシートの間を対称面として、対称となっている。
上記のように、複数の炭素繊維シートが、それぞれの炭素繊維シートの繊維の配向を６０°ずつずらした状態で、かつ、繊維の配向が、積層方向の中心を対称面として対称の状態に積層されていることにより、炭素繊維マットは、疑似等方性を有する構造となっている。また、繊維の配向角度及び積層数は、上記に限定されるものではなく、適宜設定される。
各炭素繊維シートを一体化させるステッチ糸は、例えば、ステッチ用ニードルを用いて、鎖編み、あるいはトリコット編み等の編み方により、各炭素繊維シートを貫通して縫い込まれる。ステッチ糸は、複数列が炭素繊維マットの長手方向に沿って縫い込まれる。その配列の数および相互間隔は任意であるが、これらの条件は、炭素繊維シートが強固に一体化され、形態安定性が向上することと、樹脂の含浸のし易さを鑑みて適宜に設定される。
ステッチ糸の繊維の種類は特に限定されないが、ポリアミド繊維、ポリエステル繊維、ポリアラミド繊維等が用いられる。またステッチ糸は、伸縮性を有していることが好ましく、捲縮加工糸が好適に用いられる。また、炭素繊維層の目付は、例えば５０〜５００ｇ／ｍ２程度の目付であることが好ましい。
また、本発明の炭素繊維複合材料成形体におけるコア層は、上記の炭素繊維シートの織り工程において、積層体の板厚中央部に狭持させることが好ましい。ただし、コア層の断面配置位置は、板厚中央部に限定されるものではなく、最外層、炭素繊維間等に適宜分割配置することも可能である。
本発明におけるコア層の材料としては、柔軟性があり、含浸樹脂を吸収保持できる素材であることが必要であり、具体的には、不織布、裁断繊維、軟質発泡体（スポンジ等）、ペーパー等が挙げられる。なお、従来の航空機、レーシングカー等で使用される炭素繊維複合材料成形体において発泡ウレタンをコア材に用いるものがあったが、これは、上記用途のように部材が平板形状の集合構造においては問題ないが、例えば、自動車のフェンダーやフロアといった曲面形状を有した場合には、形状の成立が難しく、予め、別金型を作製し、ウレタンを型内で発泡させて形状物を成形するか、または、ウレタン発泡コアを形状物に切削加工する必要があり、製造プロセスが複雑になり、不合理である。
また、本発明における含浸用樹脂としては、不飽和ポリエステル、エポキシ樹脂、ビニルエステル、ポリメタクリル酸メチル、フェノール樹脂、及びこれらの変性物等が挙げられ、この樹脂の粘度は、含浸時において、１００〜２００００ｍＰａ・ｓであることが好ましく、５００〜１００００ｍＰａ・ｓであることがより好ましい。この粘度が１００ｍＰａ・ｓよりも低いと、樹脂粘度が低すぎて所望のＶｆは成立しない。一方、この粘度が２００００ｍＰａ・ｓを超えると、炭素繊維収束内への樹脂含浸が困難となる。
以下、実施例及び比較例を用いて本発明の炭素繊維複合材料成形体について詳細に説明する。
１．炭素繊維複合材料成形体の作製
＜実施例１＞
コア層として、ＴＯＹＯＢＯ社製のスパンボンド４１６１Ｎ（目付け：１６１ｇ／ｍ２）とスパンボンド６４０１（目付け：４０ｇ／ｍ２）とを用い、ＬＩＢＡ社製のマルチアクシャル織り機により、炭素繊維（商品名：ＨＴＡ−Ｓ１２Ｋ−Ｆ２０２、東邦テナックス社製）を１層当たり目付２２０．５ｇ／ｍ２で、繊維の配向角度が−３０°／３０°／９０°／上記コア層／９０°／３０°／−３０°の構成となるように織り、炭素繊維積層体を作製した。
次に、月島機械社製のＳＭＣ含浸機を用いて、粘度が２８００ｍＰａ・ｓ（２５℃時）の不飽和ポリエステルを、塗布量：２１８０ｇ／ｍ２、ライン速度：２ｍ／ｍｉｎ、塗布幅：４００ｍｍで、上記炭素繊維積層体に含浸させた。
続いて、上記の樹脂含浸させた炭素繊維積層体を□２９０ｍｍに裁断し、川崎油工業社製の１００ｔｏｎプレスを用いて、金型キャビティ寸法：□３００ｍｍの金型中央部に載置し、金型温度：１２０℃、型締め時間：４ｍｉｎ、型締め圧力：１０ＭＰａで、含浸樹脂を硬化するとともに圧縮成型して、実施例１の炭素繊維複合体材料成形体を作製した。
＜比較例１＞
ＬＩＢＡ社製のマルチアクシャル織り機を用いて、炭素繊維（商品名：ＨＴＡ−Ｓ１２Ｋ−Ｆ２０２、東邦テナックス社製）を１軸当たり目付２２０．５ｇ／ｍ２で、繊維の配向角度が−３０°／３０°／９０°／９０°／３０°／−３０°の構成となるように織ることにより、炭素繊維積層体を作製した。
次に、月島機械社製のＳＭＣ含浸機を用いて、粘度が２８００ｍＰａ・ｓ（２５℃時）の不飽和ポリエステルを、塗布量：９４０ｇ／ｍ２、ライン速度：２ｍ／ｍｉｎ、塗布幅：３５０ｍｍで、上記炭素繊維積層体に含浸させた。
続いて、上記の樹脂含浸させた炭素繊維積層体を□２９０ｍｍに裁断し、川崎油工業社製の１００ｔｏｎプレスを用いて、金型キャビティ寸法：□３００ｍｍの金型中央部に載置し、金型温度：１２０℃、型締め時間：４ｍｉｎ、型締め圧力：１０ＭＰａで、含浸樹脂を硬化するとともに圧縮成型して、比較例１の炭素繊維複合体材料成形体を作製した。
＜比較例２＞
プリプレグ（商品名：Ｗ３１０１／Ｑ１１２Ｊ、東邦テナックス社製）を、繊維の配向角度が０°／９０°の構成となるように１０枚積層して、□３００ｍｍの炭素繊維積層体を作製した。
次に、一般的なオートクレーブを用いて、硬化温度：１３０℃、硬化時間：２時間、圧力：０．４９ＭＰａで、上記炭素繊維積層体を成型して、比較例２の炭素繊維複合体材料成形体を作製した。
２．評価
上記のようにして作製した実施例及び比較例の炭素繊維複合体材料成形体について、コア層、織物及び炭素繊維積層体の厚さ、Ｖｆ、曲げ強度、弾性率、引張り強度、並びに、圧縮強度を、下記の方法により測定し、評価を行った。これらの結果は、表１に示した。
（１）コア層、織物及び炭素繊維積層体の厚さ
コア層の厚さ、織物１枚の厚さ、炭素繊維積層体の厚さについては、ミツトヨ社製のシックネスゲージ５４７−３２１により試料を挟み込んで測定した。
（２）Ｖｆ（炭素繊維体積含有率）
まず、ＭＩＲＡＧＥ社製のＳＤ−１２０Ｌにより、各炭素繊維複合材料成形体を構成する含浸用樹脂及び炭素繊維の密度を測定した。次いで、ダイヤモンドカッターで各炭素繊維複合材料成形体を□１５ｍの試験片に切り出し、ＡＮＤ社製のＨＭ−３００により、重量を測定した。また、後述するガラスフィルターについても同様に重量を測定した。
次に、上記試験片を２００ｍｌトールビーカーに入れ、硫酸（大成化学社製、純度９５％以上）を５０ｍｌ加え、ヒーターで加熱して、含浸樹脂を溶解させた。全ての含浸樹脂が溶解したことを確認した後、過酸化水素水（関東化学社製）をピペットで６０ｍｌ加え中和し、これをアスピレーターで吸引しながら、炭素繊維をガラスフィルターによって分別濾過し、これを蒸留水及びアセトンで洗浄した。次いで、この炭素繊維をガラスフィルターごと恒温槽に入れ、１００℃で２時間乾燥させた。その後、この炭素繊維をガラスフィルターごと、上記試験片の測定と同様に重量を測定し、Ｖｆを下記計算式により算出した。
炭素繊維重量＝上記乾燥後の測定値−ガラスフィルター重量
樹脂重量＝炭素繊維複合材料成形体重量−炭素繊維重量
炭素繊維体積＝炭素繊維重量／炭素繊維密度
樹脂体積＝樹脂重量／樹脂密度
Ｖｆ＝炭素繊維体積／（炭素繊維体積＋樹脂体積）×１００（％）
（３）曲げ強度及び弾性率
ＪＩＳ Ｋ７０７４に準拠して、ダイヤモンドカッターで各炭素繊維複合材料成形体を幅１５ｍｍ、長さ１００ｍｍの試験片に切り出し、この試験片について、島津製作所社製のオートグラフＡＧ５０００Ｅを用いて、試験速度：５ｍｍ／ｍｉｎ、下支点スパン：板厚×４０ｍｍで、４点曲げ試験を行い、Ｂ法計算式から曲げ強度及び弾性率を算出した。
（４）引張り強度
ＪＩＳ Ｋ７０７３に準拠して、ダイヤモンドカッターで各炭素繊維複合材料成形体を幅２５ｍｍ、長さ２００ｍｍの試験片に切り出し、この試験片について、インストロン社製の５８８２を用いて、試験速度：１ｍｍ／ｍｉｎ、チャックスパン：１００ｍｍで、引張り試験を行い、測定値から引張り強度を算出した。
（５）圧縮強度
ＪＩＳ Ｋ７０７６に準拠して、ダイヤモンドカッターで各炭素繊維複合材料成形体を幅１２．５ｍｍ、長さ７８ｍｍの試験片に切り出し、次いで、この試験片とＧＦＲＰ製タブとの接着面を＃３００の紙やすりで研磨した後、アセトン脱脂し、エポキシ系接着剤で両者を接着した。次に、このタブ付き試験片について、島津製作所社製のオートグラフＡＧ５０００Ｅを用いて、試験速度：１ｍｍ／ｍｉｎ、タブ間スパン：８ｍｍで、Ａ法により圧縮試験を行い、測定値から圧縮強度を算出した。
Figure 0004615398
表１からも明らかなように、実施例１の炭素繊維複合材料成形体では、コア層を狭持させることにより、コア層を備えていない比較例１や従来のプリプレグである比較例２に比べてＶｆ（炭素繊維含有率）を低減しているにもかかわらず、曲げ弾性率は最も高く、曲げ強度及び圧縮強度は比較例１とほぼ同等であることが示された。すなわち、曲げ強度、曲げ弾性率、引張り強度及び圧縮強度が従来のプリプレグほど要求されない用途においては、従来よりも廉価にかつ簡易な工程で製造することが可能な本願発明の炭素繊維複合材料成形体が優れていることが示された。
本発明の炭素繊維複合材料成形体の一実施形態の概念を示す断面図である。
符号の説明
１…炭素繊維複合材料成形体
２…炭素繊維シート
３…コア層

Claims (2)

  1. 表皮層を形成する２層の炭素繊維層の間に不織布からなるコア層が狭持されて積層体をなし、この積層体に含浸用樹脂を含浸して硬化した炭素繊維複合材料成形体において、前記炭素繊維複合材料成形体における前記炭素繊維の体積含有率が５〜５０％であることを特徴とする炭素繊維複合材料成形体。
  2. 炭素繊維複合材料成形体の製造方法であって、
    表皮層を形成する２層の炭素繊維層の間に不織布からなるコア層を挟み込んで積層体とする工程と、
    粘度が１００〜２００００ｍＰａ・ｓの含浸用樹脂を、上記積層体に含浸させる工程と、
    上記含浸用樹脂を硬化する工程とを備えることにより、炭素繊維複合材料成形体における前記炭素繊維の体積含有率を５〜５０％とすることを特徴とする炭素繊維複合材料成形体の製造方法。
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