JP5078865B2 - 積層複合材料及び積層複合材料の製造方法 - Google Patents
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Description
ただし前記強化繊維プラスチックは、繊維の方向の引張には強いが、繊維と直角方向の引張には弱いため、板状の前記強化繊維プラスチックの層(一方向繊維強化層)を繊維方向が異なるように複数枚積層してから硬化させた積層複合材料が用いられている。このとき、前記強化繊維プラスチックは、前記繊維の方向が厚さ方向に対称となるように積層する。
一方向繊維強化層を、前記繊維の方向が厚さ方向に対称となるように、且つ円弧からなるR部を形成するように複数積層して成型される繊維強化層積層部を有する積層複合材料構造において、前記R部の円弧の始端から終端の範囲に、前記繊維強化層積層部のみによって形成されるR部よりもR部の厚さが大となるように補強材を配置したことを特徴とする。
前記補強材としては、一方向繊維強化層を1層又は複数層積層して形成した部材などを挙げることができる。この場合、補強材における繊維方向は問わない。
σr,max=3×M/(2×t×w×(Ri×(Ri+t)^0.5) ・・・(1)
(但し、MはR部に働く曲げモーメント、tはR部の板厚、wはR部の板幅、RiはR部における内Rの径である。)
Composites,Vol.20,No.6,November 1989,pp.527−536,「Flexure of Simply Curved Composites Shapes」
従って、前記R部の始端から終端の範囲に、前記繊維強化層積層部のみによって形成されるR部よりもR部の厚さが大となるように補強材を配置することで、R部のt及びRiを局所的に大きくすることができ、R部で耐えうるMを大きくすることができる。
すなわち、前記補強材は、前記R部の円弧の周方向と直交する方向に繊維の方向性を有する一方向強化層を1層又は複数層積層して形成した部材であり、前記繊維強化層積層部の厚さ方向中心線よりも外側に配置されることを特徴とする。
また、一方向繊維強化層を繊維の方向が厚さ方向に非対称に積層した積層複合材料を形成した場合、成型後に積層複合材料全体が反るように変形することが知られている。これは各一方向繊維強化層の面内の線膨張率が異なるためである。
ここで、前記補強材をR部の始端から終端の範囲よりも狭い範囲に配置するとスプリング・インの変形を抑制する効果が充分ではなく、樹脂層をR部の始端から終端よりも広い範囲に配置するとR部以外の積層複合材料が反るように変形してしまうため、補強材を配置する範囲はR部の始端から終端の範囲が有効である。
なお、スプリング・インが発生しない前記R部以外の範囲においては、繊維の方向が厚さ方向に対称となっているため変形は発生しにくい。
また、前記補強材を、前記繊維強化層積層部を形成する一方向繊維強化層間に挟みこんだことを特徴とする。
前記補強材を前記一方向繊維強化層間に樹脂層を挟みこむことで、形成される積層複合材料の見栄えがいいことに加えて、積層複合材料の表面に補強材が位置しないため補強材が剥がれ落ちるというトラブルが発生しない。
これにより、繊維強化層積層部の形状によらず積層複合材料のR部形状を形成することができるため、R部外形形状の形成が簡単になる。
前記R部を形成するための治具に、前記複数枚の一方向繊維強化層と、補強材による層とを、該補強材によって形成される層が前記R部の円弧の始端から終端の範囲に位置するように積層し、前記繊維強化層積層部のみによって形成されるR部よりもR部の厚さを大とすることを特徴とする。
さらに、前記治具を使用することにより、目的通りのR部形状に成形することができる。前記治具はオス型治具又はメス型治具を使用することができる。
すなわち、前記補強材を、前記R部の円弧の周方向と直交する方向に繊維の方向性を有する一方向強化層を1層又は複数層積層して形成し、前記繊維強化層積層部の厚さ方向中心線よりも外側に積層することを特徴とする。
ここで、前記補強材をR部の始端から終端の範囲よりも狭い範囲に配置するとスプリング・インの変形を抑制する効果が充分ではなく、補強材をR部の始端から終端よりも広い範囲に配置するとR部以外の積層複合材料が反るように変形してしまうため、補強材を配置する範囲はR部の始端から終端の範囲有効である。
なお、スプリング・インが発生しない前記R部以外の範囲においては、繊維の方向が厚さ方向に対称となっているため変形は発生しにくい。
また、前記補強材を、前記繊維強化層積層部形成する一方向繊維強化層間に挟みこんだことを特徴とする。
前記補強材を前記一方向繊維強化層間に挟みこむことで、形成される積層複合材料の見栄えがいいことに加えて、積層複合材料の表面に補強材が位置しないため補強材が剥がれ落ちるというトラブルが発生しない。
これにより、繊維強化層積層部の形状によらず積層複合材料のR部形状を形成することができるため、R部外形形状の形成が簡単になる。
積層複合材料2は、繊維を方向性を持たせたままプラスチックの中に入れて強化することで形成される一方向繊維強化層を該繊維の方向が厚さ方向に対称となるように複数枚積層して形成した繊維強化層積層部4と、前記繊維強化層積層部に対して90°方向の繊維の方向性を有する一方向強化層を1層又は複数層積層して形成した部材からなるフィラー層6とから構成される。
前記繊維強化層積層部4はR部8を有しており、前記フィラー層6は前記R部8の始端部から終端部の範囲に位置するようにR部8の外側表面に配置される。
その後、高温高圧状態とし、さらに常温常圧状態とすることで前記繊維強化層積層部4と樹脂層6を一体化するとともに硬化させて積層複合材料2とする。
このとき、R部8における耐荷重を大きくすることができるとともに、R部8にはスプリング・インを低減させることができる。
まず、図2及び図3を用いて実施例2に係る積層複合材料の製造方法について説明する。
前記一方向繊維強化層16としては、前記繊維にガラス繊維を使用したGFRP、前記繊維に炭素繊維を使用したCFRPなどを使用することができる。
フィラー層18は、繊維強化層積層部14を形成してから挿入してもいいが、一方向繊維強化層16を積層して繊維強化層積層部14を形成する際に、一方向繊維強化層16の間に挟みこむようにして積層して繊維強化層積層部14を形成するとフィラー層18の配置を簡単に行うことができる。
また、前記フィラー層18は、繊維強化層積層部14の厚さ方向中心線よりもR部20の外側(図3におけるB方向)に位置する一方向繊維強化層間であればどの一方向繊維強化層間に形成してもよいが、特に前記複数枚の一方向繊維強化層16のうち最下層から1番目と2番目、即ちR部を形成する一方向繊維強化層16のうちのうちR部最外側と外側から2番目の一方向繊維強化層16の間に形成すると、少量の樹脂で後述するスプリング・インの抑制が可能であるとともに、R部20の成形が容易であるため好ましい。この場合、メス型治具12上に一方向繊維強化層を1枚敷き、その上にフィラー層18を形成する90°層を配置し、さらのその上に一方向繊維強化層を積層していく。
前記脱気が終了すると、繊維強化層積層部14全体を治具10とともにオートクレーブを用いて高温高圧状態にし、常温常圧状態に戻すことで前記繊維強化層積層部14を硬化させて積層複合材料とする。
このとき、R部20における耐荷重を大きくすることができるとともに、R部20にはスプリング・インを低減させることができる。
また、フィラー層18は、R部と直交する方向に強化繊維が入っているため、フィラー層18がR部20と直交する方向へのスプリング・インを助長していたと考えられるが、R部20のR径が約15mmであり、R部20と直交する方向へのR径が約5000mmである場合にはR分20と直交する方向へのスプリング・インは実用上問題ない程度であった。
さらに治具10を使用することにより、繊維強化層積層部14の形状によらず積層複合材料のR部20形状を形成することができるため、R部外形形状を目的形状に形成することができる。
形成される複合材料の見栄え以外は図2に示した実施例2と同等の効果が得られる。
その他の構成、及び製造方法は実施例2と同じとした。
このとき、実施例2と同様にR部20における耐荷重を大きくすることができるとともに、R部20で発生するスプリング・インを低減させることができる。また、樹脂層は、R部と直交する方向に強化繊維などが入っていないので、樹脂層がR部20と直交する方向へのスプリング・インを助長することは無い。さらに治具10を使用することにより、繊維強化層積層部14の形状によらず積層複合材料のR部20形状を形成することができるため、R部外形形状を目的形状に形成することができる。
さらに、樹脂層18を一方向繊維強化層16の間に挟みこんだことにより、形成される積層複合材料の見栄えがいいことに加えて、積層複合材料の表面に樹脂層が位置しないため樹脂層が剥がれ落ちることを防止できる。
さらに、90°層を繊維強化層積層部14の厚さ方向中心線よりもR部20の外側に配置するとともに、0°層を繊維強化層積層部14の厚さ方向中心線よりもR部20の内側に配置し、前記90°層及び0°層は何れもR部の始端部から終端部の範囲に位置するように配置しても同様の効果が得られる。
積層複合材のスプリング・イン量は以下の(2)式で表され、熱変形に起因するものと、体積収縮に起因するものとで主に構成される。今回は、熱変形に起因するものに対して、フィラー挿入のスプリング・インの抑制に対する効果を検討する。
(但し、αIは周方向の線膨張係数、αtは板厚方向の線膨張係数、βIは周方向の体積収縮、βtは板厚方向の体積収縮である。)
前記フィラー層18を形成しないこと以外は全て実施例2と同じ手法で比較例における積層複合材料を形成した。これは従来から用いられている積層複合材料である。
図6に示したように実施例2において形成した積層複合材料のR部においては、繊維強化層積層部16によって形成されるR部20の外側表面に樹脂層18が配置されるようにモデル化している。また、R径は、繊維強化層積層部16内側部はRi=15mm、繊維強化層積層部16外側部はRo=18.3mm、フィラー層18外側部はRcf=3mmであり、繊維強化層積層部16厚みはt=3.3mmであって、これらの数値は実施例2において形成した積層複合材料における実測値を使用した。
4、14 繊維強化層積層部
6、18 フィラー層
8、20 R部
10 治具
12 メス部
Claims (14)
- 一方向繊維強化層を、前記繊維の方向が厚さ方向に対称となるように、且つ円弧からなるR部を形成するように複数積層して成型される繊維強化層積層部を有する積層複合材料構造において、
前記R部の円弧の始端から終端の範囲に、前記繊維強化層積層部のみによって形成されるR部よりもR部の厚さが大となるように補強材を配置したことを特徴とする積層複合材料構造。 - 前記補強材は、前記繊維強化層積層部の厚さ方向中心線よりも外側または内側に配置されるとともに、外側に配置される場合には前記繊維強化層積層部より厚さ方向の線膨脹係数が高い部材であり、内側に配置される場合には前記繊維強化層積層部より厚さ方向の線膨脹係数が低い部材であり、熱処理による硬化の際に前記R部の角度変化を抑制するように構成したことを特徴とする請求項1記載の積層複合材料構造。
- 前記補強材は、前記R部の円弧の周方向と直交する方向に繊維の方向性を有する一方向強化層を1層又は複数層積層して形成した部材であり、前記繊維強化層積層部の厚さ方向中心線よりも外側に配置されることを特徴とする請求項1または2記載の積層複合材料構造。
- 前記補強材は、前記R部の円弧の周方向と同一方向に繊維の方向性を有する一方向強化層を1層又は複数層積層して形成した部材であり、前記繊維強化層積層部の厚さ方向中心線よりも内側に配置されることを特徴とする請求項1または2記載の積層複合材料構造。
- 前記補強材は、強化繊維が入っていない樹脂層を1層又は複数層積層して形成した部材であり、前記繊維強化層積層部の厚さ方向中心線よりも外側に配置されることを特徴とする請求項1または2記載の積層複合材料構造。
- 前記補強材を、前記繊維強化層積層部を形成する一方向繊維強化層間に挟みこんだことを特徴とする請求項1〜5何れか1項に記載の積層複合材料構造。
- 前記繊維強化層積層部のみによるR部外形形状と異なる外形形状のR部を、前記補強材によって形成させることを特徴とする請求項1〜6何れかに記載の積層複合材料構造。
- 一方向繊維強化層を、前記繊維の方向が厚さ方向に対称となるように、且つ円弧からなるR部を形成するように複数枚積層して成型される繊維強化層積層部を有する積層複合材料の製造方法において、
前記R部を形成するための治具に、前記複数枚の一方向繊維強化層と、補強材による層とを、該補強材によって形成される層が前記R部の円弧の始端から終端の範囲に位置するように積層し、前記繊維強化層積層部のみによって形成されるR部よりもR部の厚さを大とすることを特徴とする積層複合材料の製造方法。 - 前記補強材を、前記繊維強化層積層部の厚さ方向中心線よりも外側または内側に配置するとともに、外側に配置する場合には前記繊維強化層積層部より厚さ方向の線膨脹係数が高い部材を、内側に配置される場合には前記繊維強化層積層部より厚さ方向の線膨脹係数が低い部材を配置して、熱処理による硬化の際に前記R部の角度変化を抑制することを特徴とする請求項8記載の積層複合材料の製造方法。
- 前記補強材を、前記R部の円弧の周方向と直交する方向に繊維の方向性を有する一方向強化層を1層又は複数層積層して形成し、前記繊維強化層積層部の厚さ方向中心線よりも外側に積層することを特徴とする請求項8または9記載の積層複合材料の製造方法。
- 前記補強材を、前記R部の円弧の周方向と同一方向に繊維の方向性を有する一方向強化層を1層又は複数層積層して形成し、前記繊維強化層積層部の厚さ方向中心線よりも内側に積層することを特徴とする請求項8または9記載の積層複合材料の製造方法。
- 前記補強材を、強化繊維が入っていない樹脂層を1層又は複数層積層して形成し、前記繊維強化層積層部の厚さ方向中心線よりも外側に積層することを特徴とする請求項8または9記載の積層複合材料の製造方法。
- 前記補強材を、前記繊維強化層積層部形成する一方向繊維強化層間に挟みこんだことを特徴とする請求項8〜12何れか1項に記載の積層複合材料の製造方法。
- 前記繊維強化層積層部のみによるR部外形形状と異なる外形形状のR部を、前記補強材によって形成するように、前記複数枚の一方向繊維強化層と前記補強材とを積層することを特徴とする請求項8〜13何れかに記載の積層複合材料の製造方法。
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