JP4658620B2 - 構造部材、構造部材の形成方法 - Google Patents

Description

本発明は、強化繊維を用いた複合材と他の材料とを組み合わせて形成される構造部材、およびその形成方法に関する。

旧来より、各種構造物を構成する材料として、金属、樹脂、ゴム等があり、これらの材料は、その用途に応じて求められる特性（強度、重量、振動吸収性、導電性等）や、加工性、コスト等、様々な条件から最適なものが選択されて用いられている。
また、例えば、強度と振動吸収等、複数の特性を満足することが要求される場合、金属とゴムを組み合わせることも行われており、このような材料は、多機能材料と称されることもある。

近年、軽量かつ高強度を有した材料として、ＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ）、ＣＦＲＰ（Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ）等の複合材料が、航空機の主翼、船舶、大型風車の回転翼、鉄道車両、建築分野の構造部材等をはじめとする様々な分野で多用されている。ＦＲＰ、ＣＦＲＰ（以下、単にＦＲＰと総称する）は、ガラス繊維やカーボン繊維等の強化繊維からなるテープ状、あるいはマット状の強化繊維基材を型によって成形にした状態で、熱硬化性樹脂等の樹脂を含浸させ、これを硬化させることで、所定形状に形成される。
このようなＦＲＰ材料においても、金属、ポリエチレン、ガラスウールやロックウール等と組み合わせることで、目的に応じた特性を発揮できる多機能材料が種々提案されている（例えば、特許文献１、２参照。）。

特開平８−４８００２号公報（請求項１等） 特開平８−９４２９５号公報（請求項１等）

しかしながら、従来の多機能材料では、それぞれの材料を別々に製造した後、これらを接着剤等で貼り合わせることが多い。このような手法では、多機能材料を形成するのに手間がかかるという問題がある。
また、異種材料を接着剤等で貼り合わせたのでは、双方の材料間の接合強度が弱く、長期にわたる使用の間に双方の材料が剥離してしまい、耐久性に問題が生じることもある。

さらに、強度と電波吸収性能が要求される用途の材料としては、金属（主に鉄）で強度を確保し、その表面に電波吸収塗料を塗布するのが一般的であった。しかし、金属が主体であることから、振動吸収性に劣り、また軽量化も困難であるという問題があった。

本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、電波透過性、振動吸収性等に優れ、しかも高強度を有し、軽量化にも寄与できる構造部材、およびそのような構造部材を効率良く形成することのできる構造部材の形成方法を提供することを目的とする。

かかる目的のもと、本発明の構造部材は、強化繊維基材に樹脂が含浸されることで形成された第一の層と、第一の層に積層され、第一の層を構成する樹脂により第一の層に接合された、ゴム系材料またはウレタン材料からなる第二の層と、一端が第二の層側から第一の層に挿入されて当該第一の層を非貫通とし、他端が第一の層側から第二の層に挿入されて当該第二の層を非貫通とすることで、第一の層と第二の層の双方に埋め込まれ、第一の層と第二の層の接合強度を補強する補強部材と、を備えることを特徴とする。
このような構造部材は、強化繊維から形成された強化繊維基材と、ゴム系材料またはウレタン材料からなるシートを型の表面に沿わせた状態で積層する工程と、強化繊維基材およびシートを、気密性を有する気密シートで覆い、気密シートの外周部を型に対して気密にシールする工程と、気密シートと型の間の空間の雰囲気を吸引し、空間を負圧とする工程と、空間に樹脂を注入し、空間内の強化繊維基材に樹脂を含浸させる工程と、を含む構造部材の形成方法により形成できる。
つまり、強化繊維基材に樹脂を含浸させることによって第一の層を構成する複合材料を形成する工程で、強化繊維基材とともにシートをセットし、ここに樹脂を注入することで、複合材料の形成と同時に、注入した樹脂によって複合材料とシートを一体に接合できる。
このような樹脂としては、複合材料を構成するのに用いられる、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、フェノール樹脂のいずれかを用いるのが好ましい。

さらに、第二の層に、一方向に連続する溝を一以上形成しておけば、樹脂を注入し、強化繊維基材に含浸させる工程で、この溝が強化繊維基材に対する樹脂の供給経路として機能し、樹脂の供給・含浸を効率よく行える。
このようにして形成された構造部材は、第二の層に、一方向に連続する溝が一以上形成され、樹脂が溝に充填された構成を有することになる。

このような構造部材は、強化繊維基材に樹脂が含浸された複合材料から形成される第一の層によって、高強度を有し、かつ金属に比較して大幅な軽量化を図ることができ、さらに、ゴム系材料またはウレタン材料から形成される第二の層により、電波透過性、振動吸収性等を有することができる。
特に、このように電波透過性能を有した構造部材は、一般に電波反射率が高くなってしまう、全体として平面形状を有するものを形成する場合に好適である。本発明の構造部材によれば、平面においても、電波透過率を７０％以上とできるからである。

本発明によれば、強化繊維基材と樹脂を含む複合材料から形成される層と、ゴム系材料またはウレタン材料からなる層を、複合材料を構成する樹脂で接合することによって構造部材を形成することで、この構造部材を、電波透過性、振動吸収性等に優れ、しかも高強度を有し、軽量化にも寄与するものとすることができる。また、複合材料を形成する工程で、強化繊維基材にゴム系材料またはウレタン材料からなるシートを重ねた状態で、ここに樹脂を注入することで、前記の構造部材を効率良く形成することが可能となる。

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図１は、本実施の形態における多機能材料（構造部材）１００の構成を説明するための図である。
図１（ａ）に示すように、多機能材料１００は、所定形状に成形されており、ＦＲＰ層（第一の層）１１０と、電波や音等を吸収（減衰）する吸収層（第二の層）１２０とが厚さ方向に積層されて一体化した構成を有している。

図１（ｂ）に示すように、ＦＲＰ層１１０は、ＦＲＰ材料で形成されたもので、ＦＲＰ材料は、ガラス繊維やカーボン繊維等の強化繊維をテープ状、あるいはマット状とし、これを一層あるいは複数層に積層させることで形成された強化繊維基材１１１と、この強化繊維基材１１１に含浸した樹脂１１２とから形成される複合材料である。強化繊維基材１１１は、強化繊維を複数層に積層することで、例えば厚さ１０〜１００ｍｍの厚板状のものとすることもできる。また、樹脂１１２には、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等、レジン材料として用いられるものを好適に用いることができる。

吸収層１２０は、ポリウレタン、発泡ウレタン等のウレタン系材料、発泡ゴム、空気泡入りゴム等のゴム系材料で形成された吸収シート１２１によって構成される。この吸収層１２０は、例えば、ウレタン系材料の場合は２０〜５０ｍｍ、ゴム系材料の場合には、２００〜５００ｍｍとすることができる。

図１（ａ）に示すように、このような多機能材料１００において、ＦＲＰ層１１０と吸収層１２０は、接着層１３０を介して一体に接合されている。図１（ｂ）に示すように、接着層１３０は、ＦＲＰ層１１０を構成する樹脂１１２によって形成されている。すなわち、ＦＲＰ層１１０を形成する際に、強化繊維基材１１１に含浸させる樹脂１１２により、ＦＲＰ層１１０と吸収層１２０を接着しているのである。なお、図１（ａ）においては、接着層１３０が、ＦＲＰ層１１０とは別体であるかのような図示を行っているが、ＦＲＰ層１１０に吸収層１２０を接合するという接着層１３０の機能の理解を助けるためであり、実際には、図１（ｂ）に示すような構造を有している。

このような多機能材料１００は、ＦＲＰ層１１０を複数層備えるようにしても良い。その場合、図２に示すように、ＦＲＰ層１１０で、吸収層１２０を挟み込むようなサンドイッチ構造とすることもできる。

また、ＦＲＰ層１１０と吸収層１２０の接合強度を高めるため、図３（ａ）に示すように、ピン（補強部材）１４０をＦＲＰ層１１０と吸収層１２０の双方に埋め込むように設ける。さらには、図３（ｂ）に示すように、ピン１４０の断面形状を例えばＩ型として端部に側方に張り出す張り出し部１４０ａを設けることによって、ピン１４０の引き抜き抵抗を大きいものとし、これをＦＲＰ層１１０と吸収層１２０に埋め込むようにしても良い。これ以外にもピン１４０の表面に凹凸を形成する等して、ピン１４０の引き抜き抵抗を高めても良い。

このような多機能材料１００は、所定の形状、大きさを有したパネル状とし、これを複数並べて連結することで、構造物を構成することもできる。そのような場合、パネル状の多機能材料１００の端部に、連結のための構造を備えるのが好ましい。
例えば、図４（ａ）に示すように、ＦＲＰ層１１０、吸収層１２０を互い違いに側方に突出させ、突出させた端部にピン孔１５０を形成する。そして、多機能材料１００同士を連結するときには、図４（ｂ）に示すように、一方の多機能材料１００の端部と、他方の多機能材料１００の端部を噛み合わせて、ＦＲＰ層１１０、吸収層１２０のそれぞれのピン孔１５０を合致させた状態でピン１５１をピン孔１５０に刺し込む。これにより、パネル状の多機能材料１００を容易かつ確実に連結できる。
もちろん、パネル状の多機能材料１００同士を連結するための構造はこれに限るものではなく、適宜他の構成を採用することができる。

さて、上記したような多機能材料１００は、以下のようにして形成することができる。
本実施の形態において、多機能材料１００は、真空成形法によって形成する。
図５は、真空成形法により多機能材料１００を形成するための成形装置１０の構成を示すものである。
成形装置１０は、ＦＲＰ部材の形成に用いられるもので、型１１と、シート状のバッグ材（気密シート）１２を備えており、通常のＦＲＰ部材の形成の際には、型１１とバッグ材１２とで強化繊維基材１１１を挟み込んだ状態で型１１とバッグ材１２の間の空間Ｓに樹脂１１２を導入して強化繊維基材１１１に樹脂を含浸させることでＦＲＰ部材を形成する。
この成形装置１０において、型１１は、形成すべきＦＲＰ部材の形状に応じた成形面１１ａを有している。図１において成形面１１ａは略平面状とされているが、もちろん、形成すべきＦＲＰ部材の形状に応じ、湾曲面や凹凸面等、成形面１１ａを様々な形状とすることができる。また、バッグ材１２は、ゴム系材料等、可撓性と気密性を有した材料で形成されている。このバッグ材１２は、その外周部を、シール材１３を介して型１１の成形面１１ａに固定できるようになっている。
さらに、成形装置１０は、型１１の成形面１１ａとバッグ材１２の内面との間の空間Ｓに樹脂１１２を注入するための樹脂注入機構（図示無し）と、空間Ｓの雰囲気を吸引するための吸引機構（図示無し）とを備えている。

本実施の形態においては、この成形装置１０において、ＦＲＰ層１１０を形成するとともに、吸収層１２０をＦＲＰ層１１０に積層して一体化し、多機能材料１００を形成する。以下、その方法について説明する。
まず、図５に示すように、型１１の成形面１１ａ上に、ＦＲＰ層１１０を構成する強化繊維基材１１１を沿わせた状態でセットし、さらに強化繊維基材１１１上に吸収層１２０を構成する吸収シート１２１を重ねてセットする。さらに、重ねた強化繊維基材１１１および吸収シート１２１に、バッグ材１２を被せてセットし、その外周部を型１１に対し気密にシールする。

この後、吸引機構（図示無し）により、空間Ｓ内の雰囲気の吸引を開始し、その雰囲気圧を減圧していく。そして、空間Ｓ内の雰囲気圧が所定の真空圧（負圧）にまで到達した後、樹脂注入機構（図示無し）により、空間Ｓへの樹脂１１２の注入を開始する。

すると、空間Ｓ内に注入された樹脂１１２は、空間Ｓを埋めていき、さらに強化繊維基材１１１に含浸していく。その結果、図１（ｂ）に示したように、注入された樹脂１１２は、強化繊維基材１１１と吸収シート１２１の間に介在することになる。
しかる後は、得られた積層物に熱を加える等して樹脂１１２を硬化させることで、所定形状の多機能材料１００を形成することができる。このようにして、強化繊維基材１１１に含浸した樹脂１１２が硬化するＦＲＰ層１１０が形成される。また、強化繊維基材１１１と吸収シート１２１の間に介在する樹脂１１２によって接着層１３０が形成され、これによってＦＲＰ層１１０と吸収シート１２１が積層状態で一体化される。したがって、この後、バッグ材１２を型１１から取り外し、成形された多機能材料１００を取り出せばよい。

ところで、上記のようにして真空成形法を用いて多機能材料１００を形成する場合、図６（ａ）に示すように、吸収シート１２１の、強化繊維基材１１１に面する側に、複数の溝１２２を形成するのが有効である。このようにすることで、図６（ｂ）に示すように、成形装置１０によって上記と同様に樹脂１１２の注入・含浸を行うに際し、雰囲気の吸引および樹脂１１２の注入をこの溝１２２を通して行うことが可能となり、その効率を高めることができる。特に、樹脂１１２の注入に対して溝１２２は有効であり、強化繊維基材１１１に複数個所（複数方向）から樹脂１１２を含浸させることが可能となり、樹脂１１２の含浸を確実かつ効率よく行える。
このようにして形成される多機能材料１００は、図６（ｃ）に示すように、吸収層１２０を形成する吸収シート１２１の溝１２２に、接着層１３０を形成する樹脂１１２が入り込んだ構成を有することになる。これによって、吸収層１２０とＦＲＰ層１１０の剥離強度を高める効果もある。さらに、溝１２２を、ＦＲＰ層１１０から離間するにしたがいその幅が大きくなるような、いわゆる逆テーパ状の断面を有するものとすれば、吸収層１２０とＦＲＰ層１１０の剥離強度はさらに高くなる。

上述したように、多機能材料１００はＦＲＰ層１１０と吸収層１２０とが積層されて一体化された構成となっているので、ＦＲＰ層１１０の有する高強度（高剛性）、軽量という特徴と、吸収層１２０によって発揮される電波透過性、吸音性、振動吸収性という特徴とを兼ね備えた、多機能なものとすることができる。
しかも、ＦＲＰ層１１０と吸収層１２０は、ＦＲＰ層１１０を構成する樹脂１１２によって一体に接合されているため、ＦＲＰ層１１０を形成する工程で、同時に吸収層１２０を積層・接合することができ、非常に効率良く多機能材料１００を形成することができる。
また、多機能材料１００を形成するには、真空成形法を用いるようにしたので、樹脂１１２の充填、およびＦＲＰ層１１０に対する樹脂１１２の含浸を迅速かつ確実に行うことができる。

さらにまた、ピン１４０をＦＲＰ層１１０と吸収層１２０の双方向に埋め込む（刺し込む）ことで、ＦＲＰ層１１０と吸収層１２０の剥離強度を高めることができ、耐久性を大幅に向上させることができる。

なお、上記実施の形態では、多機能材料１００をあたかもパネル状であるかのように示したが、もちろんこれに限るものではなく、湾曲形状、凹凸形状等、多機能材料１００で形成すべき構造物に対応した形状とすることができるのは言うまでもない。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。

本実施の形態における多機能材料の断面を示す図である。 積層数を増やした多機能材料の断面を示す図である。 補強部材によってＦＲＰ層と吸収層の接合強度を高めた多機能材料の例を示す断面図である。 パネル状の多機能材料を接合するための構造の例を示す図である。 多機能材料を形成するための成形装置を示す断面図である。 吸収シートに溝を形成し、樹脂の含浸効率を高める例を示す図である。

符号の説明

１０…成形装置、１１…型、１２…バッグ材（気密シート）、１００…多機能材料（構造部材）、１１０…ＦＲＰ層（第一の層）、１１１…強化繊維基材、１１２…樹脂、１２０…吸収層（第二の層）、１２１…吸収シート、１２２…溝、１３０…接着層、１４０…ピン（補強部材）

Claims (5)

1. 強化繊維基材に樹脂が含浸されることで形成された第一の層と、
   前記第一の層に積層され、前記第一の層を構成する前記樹脂により前記第一の層に接合された、ゴム系材料またはウレタン材料からなる第二の層と、
   一端が前記第二の層側から前記第一の層に挿入されて当該第一の層を非貫通とし、他端が前記第一の層側から前記第二の層に挿入されて当該第二の層を非貫通とすることで、前記第一の層と前記第二の層の双方に埋め込まれ、前記第一の層と前記第二の層の接合強度を補強する補強部材と、
   を備えることを特徴とする構造部材。
2. 前記樹脂が、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、フェノール樹脂のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の構造部材。
3. 前記第二の層に、一方向に連続する溝が一以上形成され、前記樹脂が前記溝に充填されていることを特徴とする請求項１または２に記載の構造部材。
4. 全体として平面形状を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の構造部材。
5. 電波透過率が７０％以上であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の構造部材。

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