JP5900327B2 - プリプレグ、プリプレグの製造方法および炭素繊維強化複合材料の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、プリプレグ、プリプレグの製造方法および炭素繊維強化複合材料の製造方法に関する。

炭素繊維強化複合材料は、強度、剛性および導電性等に優れている。炭素繊維強化複合材料は、航空機構造部材、風車の羽根、自動車外板、ならびにＩＣトレイおよびノートパソコンの筐体（ハウジング）などのコンピュータ用途等に広く展開され、その需要は年々増加しつつある。

炭素繊維強化複合材料は、強化繊維である炭素繊維とマトリックス樹脂から構成されるプリプレグを成形する方法により得られる不均一材料をその一態様としている。この場合、強化繊維の配列方向の物性とそれ以外の方向の物性との間に大きな差が存在する。例えば、落錘衝撃に対する抵抗性で示される耐衝撃性は、炭素繊維強化複合材料の層間の板端剥離強度等で定量される層間剥離強度によって支配されるため、強化繊維の強度を向上させるのみでは、抜本的な改良に結びつかないことが知られている。特に、熱硬化性樹脂をマトリックス樹脂とする炭素繊維強化複合材料は、マトリックス樹脂の低い靭性を反映し、強化繊維の配列方向以外からの応力に対し、破壊され易い性質を持っている。そのため、強化繊維の配列方向以外からの応力に対応することができる炭素繊維強化複合材料物性の改良を目的に、種々の技術が提案されている。

その中の一つとして、表面部分に樹脂微粒子を分散させたプリプレグが提案されている。例えば、ナイロン等の熱可塑性樹脂からなる樹脂微粒子を表面に分散させたプリプレグを用いて、耐熱性の良好な高靭性複合材料を与える技術が提案されている（特許文献１参照）。また別に、ポリスルホンオリゴマーの添加により靭性が改良されたマトリックス樹脂と熱硬化性樹脂からなる樹脂微粒子との組み合わせによって、炭素繊維強化複合材料に高度の靭性を発現させる技術が提案されている（特許文献２参照）。

ところが、これらの技術を適用して得られる炭素繊維強化複合材料においては、耐衝撃性は改善されるものの、層間に絶縁性の樹脂層が生じる。そのため、プリプレグの積層方向の導電性が著しく劣る。

そこで、層間の導電性を向上させる方法として、予めマトリックス樹脂に金属粒子およびカーボン粒子などの導電性粒子を配合する方法（特許文献３，４参照）や、予めマトリックス樹脂に導電性フィルムを配合する方法（特許文献５参照）が提案されている。

米国特許第５,０２８,４７８号明細書 特開平３−２６７５０号公報 特開２００８−２３１３９５号公報 特表２０１０−５０８４１６号公報 特開２００９−０６２４７３号公報

成形技術、および得られる成形品の要求レベルの高度化に伴い、さらに高度なレベルで耐衝撃性と導電性を両立するプリプレグの設計が求められるようになってきた。従来のプリプレグは、そのような要求に対して十分に満足できるものではなかった。

そこで、本発明は、優れた耐衝撃性と積層方向の良好な導電性とを兼ね備えた炭素繊維強化複合材料を製造できるプリプレグを提供する。

本発明は、複数の炭素繊維と、この複数の炭素繊維に含浸しているマトリックス樹脂と、を有するシート状のプリプレグに関する。マトリックス樹脂は、熱硬化性樹脂、硬化剤、導電性粒子および熱可塑性樹脂の粒子を含有し、前記導電性粒子は、平均粒径１μｍ以下の導電性粒子と、平均粒径５μｍ以上の導電性粒子とを含む。
本発明の一態様では、前記プリプレグ中に含まれる前記平均粒径５μｍ以上の導電性粒子のうちの９０〜１００質量％および前記熱可塑性樹脂の粒子のうちの９０〜１００質量％が、このプリプレグの厚さ方向において、このプリプレグの両方の主面のそれぞれからこのプリプレグの厚さに対して２０％の深さまでの範囲内に存在しており、
前記プリプレグ中に含まれる前記平均粒径１μｍ以下の導電性粒子のうちの９０〜１００質量％が、このプリプレグの厚さ方向において、このプリプレグの両方の主面のそれぞれに最も近い位置にある前記炭素繊維よりも内側に存在している。
また、本発明の別の一態様では、前記プリプレグ中に含まれる前記平均粒径５μｍ以上の導電性粒子のうちの９０〜１００質量％および前記熱可塑性樹脂の粒子のうちの９０〜１００質量％が、このプリプレグの厚さ方向において、このプリプレグの片方の主面からこのプリプレグの厚さに対して２０％の深さまでの範囲内に存在しており、
前記プリプレグ中に含まれる前記平均粒径１μｍ以下の導電性粒子のうちの９０〜１００質量％が、このプリプレグの厚さ方向において、このプリプレグの両方の主面のそれぞれに最も近い位置にある前記炭素繊維よりも内側に存在している。

また、本発明はプリプレグの製造方法に関する。本発明のプリプレグの製造方法は、複数の炭素繊維と、この複数の炭素繊維に含浸しており熱硬化性樹脂、硬化剤および平均粒径が１μｍ以下の第１の導電性粒子を含有する第１の樹脂と、を有するシート状の一次プリプレグの片面上又は両面上に、熱硬化性樹脂、硬化剤、平均粒径が５μｍ以上の第２の導電性粒子および熱可塑性樹脂の粒子を含有する第２の樹脂の層を設ける工程を備える。

また、本発明は２枚以上のシート状のプリプレグから炭素繊維複合材料を製造する方法に関する。本発明の炭素繊維強化複合材料の製造方法は、２枚以上のプリプレグを含む積層体を加熱および加圧する工程を備え、この積層体の中の少なくとも２枚以上のプリプレグが、本発明のプリプレグまたは本発明の製造方法により得ることのできるプリプレグであり、これら本発明のプリプレグ、または本発明の製造方法により得たプリプレグのうちの少なくとも２枚を隣接して配置させる。

本発明によれば、優れた耐衝撃性と積層方向の良好な導電性とを兼ね備えた炭素繊維強化複合材料が得られる。また、本発明によれば、そのような炭素繊維強化複合材料を製造できるプリプレグが得られる。また、本発明によれば、本発明のプリプレグを容易に製造できる。

図１は、本発明のプリプレグの一実施形態を示す断面図である。

以下、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されない。

図１は、本発明のプリプレグの一実施形態を示す断面図である。図１に示すプリプレグ１００は、シート状に引き揃えられた複数の炭素繊維１と、複数の炭素繊維１によって形成された炭素繊維層１０に含浸しているマトリックス樹脂５とを備える。プリプレグ１００は、対向する一対の主面Ｓ１，Ｓ２を有するシート状のプリプレグである。

プリプレグ１００は、両主面Ｓ１，Ｓ２側の表層に形成された炭素繊維１を含まない層間形成層５０を有している。この層間形成層５０の作用により、２枚以上のプリプレグを積層して炭素繊維強化複合材料を形成したときに、隣り合う炭素繊維層１０の間に炭素繊維が含まれない層間領域が形成される。この層間領域に熱可塑性樹脂の粒子３０が存在することにより、複合材料の耐衝撃性が高められる。層間形成層５０は、プリプレグ１００の片面側にのみ形成されていてもよいが、炭素繊維強化複合材料を製造するときの利便性向上の観点から、プリプレグ１００の表裏両面に存在することが好ましい。層間形成層５０がプリプレグ１００の片面側のみに形成されている場合、その層間形成層５０の厚さは、プリプレグ１００の厚さＴに対して３０％以下が好ましい。より好ましくは２０％以下である。層間形成層５０がプリプレグ１００の表裏両面に形成されている場合、それぞれの層間形成層５０の厚さは、プリプレグ１００の厚さＴに対して３０％以下が好ましい。より好ましくは２０％以下である。

層間形成層の厚さは次の方法により求める。複数枚積層したプリプレグを、２枚の表面の平滑なポリ四フッ化エチレン樹脂板の間に挟持して互いに密着させ、その状態で７日間かけて徐々に硬化温度まで温度を上昇させることにより樹脂をゲル化および硬化させて板状のプリプレグ硬化物を作製する。この硬化プリプレグの断面写真を観察して、層間形成層の厚さを測定する。具体的には、写真上で隣り合う炭素繊維層１０の間の距離を任意に選んだ少なくとも１０カ所で測り、その平均を層間形成層の厚さとする。

炭素繊維１は、より高い導電性を発現することから、２６０ＧＰａ以上の引張弾性率を有する炭素繊維であることが好ましい。耐衝撃性との両立の点からは、炭素繊維１の引張弾性率は４４０ＧＰａ以下であることが好ましい。同様の観点から、炭素繊維１の引張弾性率は、より好ましくは２８０〜４００ＧＰａである。また、耐衝撃性に優れ、高い剛性および機械強度を有する複合材料が得られることから、炭素繊維１は、引張強度が４．４〜６．５ＧＰａであり、引張伸度が１．７〜２．３％の高強度高伸度炭素繊維であることが好ましい。従って、高い導電性および耐衝撃性を両立する点から、引張弾性率が２８０ＧＰａ以上で、引張強度が４．４ＧＰａで、引張伸度が１．７％以上である炭素繊維が最も適している。引張弾性率、引張強度および引張伸度は、ＪＩＳ Ｒ７６０１−１９８６に記載されるストランド引張試験により測定することができる。

プリプレグ１００における炭素繊維の質量分率は４０〜９０％が好ましい。より好ましくは５０〜８０％である。炭素繊維の質量分率が低すぎると、得られる複合材料の重量が過大となり、比強度および比弾性率に優れる繊維強化複合材料の利点が損なわれる可能性がある。また、炭素繊維の質量分率が高すぎると、樹脂の含浸不良が生じ、得られる複合材料がボイドの多いものとなり易く、その力学特性が大きく低下することがある。また、プリプレグの単位面積当たりの炭素繊維の質量は１００〜３００ｇ／ｍ^２が好ましい。

マトリックス樹脂５は、絶縁性の熱硬化性樹脂組成物３と、平均粒径が１μｍ以下の第１の導電性粒子２１と、平均粒径が５μｍ以上の導電性粒子２２と、熱可塑性樹脂の粒子３０とを含有する。

第１の導電性粒子２１は、プリプレグ１００の厚さ方向において、プリプレグ１００の両方の主面Ｓ１，Ｓ２のそれぞれに最も近い位置にある炭素繊維１よりも内側に偏って分布している。言い換えると、第１の導電性粒子２１は、炭素繊維層１０内に偏って分布している。ここで、「炭素繊維層１０内に偏って分布している」とは、プリプレグ１００内に存在する第１の導電性粒子２１のうちの５０質量％より多くが、炭素繊維１０内に存在していることである。第１の導電性粒子２１は、プリプレグ１００内に存在する第１の導電性粒子２１のうちの９０〜１００質量％が、炭素繊維層１０内に存在している。

第２の導電性粒子２２および熱可塑性樹脂の粒子３０は、プリプレグ１００の厚さ方向において、それぞれプリプレグ１００の表層に偏って分布している。ここで、「第２の導電性粒子２２が表層に偏って分布している」とは、プリプレグ１００内に存在する第２の導電性粒子２２のうちの５０質量％より多く、および熱可塑性樹脂の粒子３０のうちの５０質量％より多くが、プリプレグ１００の厚さ方向において、プリプレグ１００の両方の主面Ｓ１，Ｓ２のそれぞれからプリプレグ１００の厚さＴに対して２０％の深さまでの範囲内に存在していることである。つまり、主面Ｓ１から２０％の深さまでの範囲内に存在する第２の導電性粒子２２の量と、主面Ｓ２から２０％の深さまでの範囲内に存在する第２の導電性粒子２２の量との合計値が５０質量％より多いことである。したがって、主面Ｓ１から２０％の深さまでの範囲内に第２の導電性粒子２２が存在しないが、主面Ｓ２から２０％の深さまでの範囲内に第２の導電性粒子２２の５０質量％より多くが存在していてもよい。あるいは、主面Ｓ２から２０％の深さまでの範囲内に第２の導電性粒子２２が存在しないが、主面Ｓ１から２０％の深さまでの範囲内に第２の導電性粒子２２の５０質量％より多くが存在していてもよい。同様に、「熱可塑性樹脂の粒子３０が表層に偏って分布している」とは、主面Ｓ１から２０％の深さまでの範囲内に存在する熱可塑性樹脂の粒子３０の量と、主面Ｓ２から２０％の深さまでの範囲内に存在する熱可塑性樹脂の粒子３０の量との合計値が５０質量％より多いことである。

第２の導電性粒子２２は、炭素繊維層１０の外側に偏って分布している。言い換えると、第２の導電性粒子２２は、層間形成層５０内に偏って分布している。ここで、「第２の導電性粒子２２が層間形成層５０に偏って分布している」とは、プリプレグ１００内に存在する第２の導電性粒子２２のうちの５０質量％より多くが、層間形成層５０に存在していることである。つまり、主面Ｓ１側の層間形成層５０に存在する第２の導電性粒子２２の量と、主面Ｓ２側の層間形成層５０に存在する第２の導電性粒子２２の量との合計値が５０質量％より多いことである。したがって、主面Ｓ１側の層間形成層５０に第２の導電性粒子２２が存在しないが、主面Ｓ２側の層間形成層５０に第２の導電性粒子２２の５０質量％より多くが存在していてもよい。あるいは、主面Ｓ２側の層間形成層５０に第２の導電性粒子２２が存在しないが、主面Ｓ１側の層間形成層５０に第２の導電性粒子２２の５０質量％より多くが存在していてもよい。

同様に、熱可塑性樹脂の粒子３０は、炭素繊維層１０の外側に偏って分布している。言い換えると、熱可塑性樹脂の粒子３０は、層間形成層５０内に偏って分布している。この詳細な意味は、前述の第２の導電性粒子２２が層間形成層５０に偏って分布していることの説明において、「第２の導電性粒子２２」を「熱可塑性樹脂の粒子３０」に読み替えた場合と同じである。

また、第２の導電性粒子２２は、プリプレグ１００内に存在する第２の導電性粒子２２のうちの９０〜１００質量％が、プリプレグ１００の厚さ方向において、プリプレグ１００の両方の主面Ｓ１，Ｓ２のそれぞれからプリプレグ１００の厚さＴに対して２０％の深さまでの範囲内に存在している。つまり、主面Ｓ１から２０％の深さまでの範囲内に存在する第２の導電性粒子２２の量と、主面Ｓ２から２０％の深さまでの範囲内に存在する第２の導電性粒子２２の量との合計値が９０〜１００質量％である。したがって、主面Ｓ１から２０％の深さまでの範囲内に第２の導電性粒子２２が存在しないが、主面Ｓ２から２０％の深さまでの範囲内に第２の導電性粒子２２の９０〜１００質量％が存在していてもよい。あるいは、主面Ｓ２から２０％の深さまでの範囲内に第２の導電性粒子２２が存在しないが、主面Ｓ１から２０％の深さまでの範囲内に第２の導電性粒子２２の９０〜１００質量％が存在していてもよい。

同様に、熱可塑性樹脂の粒子３０は、プリプレグ１００内に存在する熱可塑性樹脂の粒子３０のうちの９０〜１００質量％が、プリプレグ１００の厚さ方向において、プリプレグ１００の両方の主面Ｓ１、Ｓ２のそれぞれからプリプレグの厚さに対して２０％の深さまでの範囲内に存在している。この詳細な意味は、前述の第２の導電性粒子２２の９０〜１００質量％が、２０％の深さの範囲内に存在していることの説明において、「第２の導電性粒子２２」を「熱可塑性樹脂の粒子３０」に読み替えた場合と同じである。

第２の導電性粒子２２が、プリプレグ１００の表層に偏って分布していることで、層間形成層５０に含まれる第２の導電性粒子２２が隣り合う炭素繊維層間に導電パスを形成することから、炭素繊維強化複合材料に対して積層方向における高い導電性が付与されると考えられる。

また、熱可塑性樹脂の粒子３０が、プリプレグ１００の表層に偏って分布していることで、炭素繊維強化複合材料の耐衝撃性が向上する。

炭素繊維層１０内に存在している第１の導電性粒子２１の割合（存在率）、ならびに、プリプレグ１００の表面から２０％の深さまでの範囲内に存在している第２の導電性粒子２２の割合（存在率）および熱可塑性樹脂の粒子３０の割合（存在率）は、下記の方法により評価する。

１枚のプリプレグを２枚の表面の平滑なポリ四フッ化エチレン樹脂板の間に挟持し、その状態で７日間かけて徐々に硬化温度まで温度を上昇させることにより、樹脂をゲル化および硬化させて、板状のプリプレグ硬化物を作製する。このプリプレグ硬化物の、主面の垂線方向の断面の拡大写真を撮影する。得られた断面写真において、プリプレグ全体にわたって存在する第１の導電性粒子の合計面積Ｓ_１０、第２の導電性粒子の合計面積Ｓ_２０、熱可塑性樹脂の粒子の合計面積Ｓ_３０を求める。そして、炭素繊維層１０内に含まれる第１の導電性粒子の合計面積Ｓ_１を求める。Ｓ_１のＳ_１０に対する割合（質量％）を、炭素繊維層１０内に存在する第１の導電性粒子の割合（存在率）とする。また、プリプレグ硬化物の表面からプリプレグ硬化物の厚さの２０％の深さ位置に、プリプレグの表面と平行な線を２本引く。これら２本の線それぞれと、プリプレグの表面との間に存在する第２の導電性粒子の合計面積Ｓ_２および熱可塑性樹脂の粒子の合計面積Ｓ_３を求める。なお、２０％深さ位置の線をまたいでいる第２の導電性粒子および熱可塑性樹脂の粒子は、それぞれ合計面積Ｓ_２および合計面積Ｓ_３に含める。Ｓ_２のＳ_２０に対する割合（質量％）を、プリプレグ１００の表面から２０％の深さまでの範囲内に存在している第２の導電性粒子２２の割合（存在率）とする。Ｓ_３のＳ_３０に対する割合（質量％）を、プリプレグ１００の表面から２０％の深さまでの範囲内に存在している熱可塑性樹脂の粒子の割合（存在率）とする。

上記方法において、各粒子の合計面積は、断面写真から刳り抜いた粒子部分の質量から換算して求めることができる。樹脂中に分散する粒子の写真撮影後の判別が困難な場合は、粒子を染色する手段も採用できる。

本明細書において、粒子の「粒径」は、粒子を任意の方向から見たときに、粒子が外接する円の直径を意味する。粒径は、例えば、走査型電子顕微鏡などの顕微鏡により１０００倍以上に拡大し写真撮影することにより測定できる。平均粒径は、５０個以上の粒子を無作為に選び、それらの粒径の平均値とする。以下、本明細書において、「粒径」は全て「平均粒径」を意味するものとする。

第１の導電性粒子２１の粒径は１μｍ以下である。好ましくは０．５μｍ以下である。第１の導電性粒子２１の粒径が小さいと、炭素繊維の間に効率良く分散するという効果が得られる。第１の導電性粒子２２の粒径は好ましくは０．０１μｍ以上である。第１の導電性粒子が０．０１μｍ以上であることにより、粒子同士がストラクチャーを形成し導電性が向上するという効果が得られる。

第２の導電性粒子の粒径２２は１００μｍ以下が好ましい。より好ましくは７０μｍ以下、特に好ましくは４０μｍ以下である。第２の導電性粒子の粒径が大きくなりすぎると、炭素繊維の配列が乱れたり、炭素繊維強化複合材料における層間が過度に厚くなったりして、材料の物性低下を招く可能性がある。第２の導電性粒子２２の粒径は５μｍ以上である。好ましくは１０μｍ以上、より好ましくは２０μｍ以上である。第２の導電性粒子の粒径が小さすぎると、導電性向上の効果が小さくなる傾向がある。

第１の導電性粒子２１および第２の導電性粒子２２は、良好な導電体であればよく、その形状は特に限定されない。また、これら導電性粒子は、導体のみからなる粒子に限定されない。第１の導電性粒子２１と第２の導電性粒子は、同種の粒子であってよいし、異なる種類の粒子であってもよい。これら導電性粒子の体積固有抵抗値は１０〜１０^−９Ωｃｍが好ましい。より好ましくは１〜１０^−９Ωｃｍ、特に好ましくは１０^−１〜１０^−９Ωｃｍである。体積固有抵抗は、４探針電極を有する円筒型セルに試料をセットし、試料に６０ＭＰａの圧力を加えた状態で試料の厚さと抵抗値を測定し、測定された値から算出することができる。

導電性粒子は、例えば、金属粒子、ポリアセチレン粒子、ポリアニリン粒子、ポリピロール粒子、ポリチオフェン粒子、ポリイソチアナフテン粒子およびポリエチレンジオキシチオフェン粒子等の導電性ポリマー粒子、カーボン粒子、ならびに、無機材料又は有機材料の核粒子と該核粒子を被覆する導電層とを有する複合粒子から選らばれる少なく１種である。これらの中でも、高い導電性および安定性を示すことから、カーボン粒子、または、無機材料もしくは有機材料の核粒子とこの核粒子を被覆する導電層とを有する複合粒子が好ましい。

カーボン粒子としては、例えば、チャネルブラック、サーマルブラック、ファーネスブラックおよびケッチェンブラックなどのカーボンブラックが挙げられる。

複合粒子を構成する核粒子の無機材料としては、例えば、無機酸化物、無機有機複合物、および炭素が挙げられる。無機酸化物としては、例えば、シリカ、アルミナ、ジルコニア、チタニア、シリカ・アルミナ、シリカ・ジルコニア等の、単一の無機酸化物、および２種以上の金属を含む複合無機酸化物が挙げられる。無機有機複合物としては、例えば、金属アルコキシドおよび／または金属アルキルアルコキシドを加水分解して得られるポリオルガノシロキサンが挙げられる。炭素は、好ましくは、結晶質炭素又は非晶質炭素である。非晶質炭素としては、例えば、“ベルパール（登録商標）”Ｃ−６００、Ｃ−８００、Ｃ−２０００（エア・ウォーター（株）製）、“ＮＩＣＡＢＥＡＤＳ（登録商標）”ＩＣＢ、ＰＣ、ＭＣ（日本カーボン（株）製）、グラッシーカーボン（東海カーボン（株）製）、高純度人造黒鉛ＳＧシリーズ、ＳＧＢシリーズ、ＳＮシリーズ（ＳＥＣカーボン（株）製）、真球状カーボン（群栄化学工業（株）製）などが挙げられる。

複合粒子を構成する核粒子の有機材料としては、例えば、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、ベンゾオキサジン樹脂、フェノール樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂およびポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂、ポリアミド樹脂、フェノール樹脂、アミノ樹脂、アクリル樹脂、エチレン−酢酸ビニル樹脂、ポリエステル樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、アルキド樹脂、ポリイミド樹脂、ウレタン樹脂およびジビニルベンゼン樹脂等の熱可塑性樹脂が挙げられる。これらは２種類以上組みあせてもよい。なかでも、優れた耐熱性を有するアクリル樹脂およびジビニルベンゼン樹脂、ならびに、優れた耐衝撃性を有するポリアミド樹脂が好ましい。

導電性粒子としての複合粒子を構成する導電層は、良好な導電体として振舞う材料から形成されていればよく、必ずしも導体のみから形成されているとは限らない。導電層を構成する材料の固有抵抗値は１０〜１０^−９Ωｃｍが好ましい。より好ましくは１〜１０^−９Ωｃｍ、さらに好ましくは１０^−１〜１０^−９Ωｃｍである。

導電層を形成する導電性物質は、例えば、炭素および金属から選ばれる。導電層は連続した膜状であってもよいし、繊維状または粒子状の導電性物質が集合したものであってもよい。

導電層を形成する炭素は、好ましくは、チャネルブラック、サーマルブラック、ファーネスブラックおよびケッチェンブラックなどのカーボンブラック、ならびに、中空カーボンファイバー等から選ばれる。

導電層が金属から形成される場合、導電層は好ましくはメッキにより形成される金属層である。金属は、炭素繊維との電位差による金属の腐蝕を防止できることから、白金、金、銀、銅、錫、ニッケル、チタン、コバルト、亜鉛、鉄、クロム、アルミニウムおよびこれらの組み合わせから選ばれる。これらの中でも、体積固有抵抗が１０〜１０^−９Ωｃｍという高い導電性および安定性を示すことから、白金、金、銀、銅、錫、ニッケルおよびチタンが特に好ましい。これら金属は単独で用いられてもよいし、これら金属を主成分とする合金として用いられてもよい。

熱可塑性樹脂の粒子３０は球状でもよいし、繊維状および針状等の非球状でもよい。また、熱可塑性樹脂の粒子３０は多孔質であってもよい。熱硬化性樹脂の流動特性を低下させ難いこと、および、特に高い耐衝撃性を発現する炭素繊維強化複合材料が得られ易いことから、熱可塑性樹脂の粒子は球状であることが好ましい。

熱可塑性樹脂の粒子３０は、好ましくは、ポリアミドの粒子である。ポリアミドの中でも、ナイロン６、ナイロン１２、ナイロン１１およびナイロン６／１２共重合体が、炭素繊維強化複合材料の耐衝撃性の向上効果が高いため好ましい。

第２の導電性粒子２２の質量に対する熱可塑性樹脂の粒子３０の質量の比は１〜１０００が好ましい。この質量比が１よりも小さくなると、炭素繊維強化複合材料の耐衝撃性向上の効果が小さくなる傾向がある。質量比が１０００よりも大きくなると、炭素繊維強化複合材料の導電性向上の効果が小さくなる傾向がある。同様の観点から、上記質量比はより好ましくは１０〜５００、特に好ましくは１０〜１００である。

熱硬化性樹脂組成物３は、熱硬化性樹脂およびその硬化剤を含む。熱硬化性樹脂は、熱により架橋反応が進行して、少なくとも部分的に三次元架橋構造を形成する樹脂であれば特に限定されない。熱硬化性樹脂は、加熱により自己硬化するものであってもよいし、硬化剤および／又は硬化促進剤の作用により硬化するものであってもよい。かかる熱硬化性樹脂としては、例えば、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、ベンゾオキサジン樹脂、フェノール樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂およびポリイミド樹脂等が挙げられる。これらの変性体および２種類以上ブレンドした樹脂なども用いることができる。

これらの熱硬化性樹脂の中でも、耐熱性、力学特性および炭素繊維との接着性のバランスに優れているエポキシ樹脂が好ましい。特に、アミン類、フェノール類、炭素−炭素二重結合を有する化合物を前駆体とするエポキシ樹脂が好ましい。

アミン類を前駆体とするグリシジルアミン型エポキシ樹脂として、テトラグリシジルジアミノジフェニルメタン、トリグリシジル−ｐ−アミノフェノールおよびトリグリシジルアミノクレゾールの各種異性体が挙げられる。テトラグリシジルジアミノジフェニルメタンは、耐熱性に優れているため航空機構造材としての複合材料用樹脂として好ましい。

熱硬化性樹脂として、フェノールを前駆体とするグリシジルエーテル型エポキシ樹脂も好ましい。このようなエポキシ樹脂として、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＳ型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂およびレゾルシノール型エポキシ樹脂が挙げられる。

液状のビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂およびレゾルシノール型エポキシ樹脂は、低粘度であるために、他のエポキシ樹脂と組み合わせることが好ましい。

室温（２５℃程度）で固形のビスフェノールＡ型エポキシ樹脂は、室温（２５℃程度）で液状のビスフェノールＡ型エポキシ樹脂に比較して架橋密度の低い構造を与えるため、硬化樹脂の耐熱性を低下させる傾向があるものの、硬化樹脂の靭性より高くなる傾向がある。そのため、固形のビスフェノールＡ型エポキシ樹脂は、グリシジルアミン型エポキシ樹脂、液状のビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、およびビスフェノールＦ型エポキシ樹脂等と組み合わせることが好ましい。

ナフタレン骨格を有するエポキシ樹脂は、低吸水率かつ高耐熱性の硬化樹脂を与える。ビフェニル型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、フェノールアラルキル型エポキシ樹脂およびジフェニルフルオレン型エポキシ樹脂も、低吸水率の硬化樹脂を与えることができる。ウレタン変性エポキシ樹脂およびイソシアネート変性エポキシ樹脂は、破壊靱性と伸度の高い硬化樹脂を与えることができる。

これらエポキシ樹脂は、単独で用いてもよいし２種以上を組み合わせて用いてもよい。

エポキシ樹脂の硬化剤として、エポキシ基と反応し得る活性基を有する化合物を用いることができる。硬化剤としては、アミノ基、酸無水物基およびアジド基を有する化合物が適している。硬化剤としては、より具体的には、例えば、ジシアンジアミド、ジアミノジフェニルメタンやジアミノジフェニルスルホンの各種異性体、アミノ安息香酸エステル類、各種酸無水物、フェノールノボラック樹脂、クレゾールノボラック樹脂、ポリフェノール化合物、イミダゾール誘導体、脂肪族アミン、テトラメチルグアニジン、チオ尿素付加アミン、メチルヘキサヒドロフタル酸無水物のようなカルボン酸無水物、カルボン酸ヒドラジド、カルボン酸アミド、ポリメルカプタンおよび三フッ化ホウ素エチルアミン錯体のようなルイス酸錯体などが挙げられる。これらの硬化剤は、単独で使用しても２種以上を併用してもよい。

芳香族ジアミンを硬化剤として用いることにより、耐熱性の良好な硬化樹脂が得られる。特に、ジアミノジフェニルスルホンの各種異性体は、耐熱性の良好な硬化樹脂を得るため最も適している。芳香族ジアミンの添加量は、化学量論的に当量となるように添加することが好ましいが、場合によって、例えば、当量比０．７〜０．８付近を用いることにより高弾性率の硬化樹脂が得られる。

また、ジシアンジアミドと尿素化合物、例えば、３，４−ジクロロフェニル−１，１−ジメチルウレアとの組合せ、あるいはイミダゾール類を硬化剤として用いることにより、比較的低温で硬化しながら高い耐熱耐水性が得られる。酸無水物を用いて硬化することは、アミン化合物硬化に比べ吸水率の低い硬化樹脂を与える。その他、これらの硬化剤を潜在化したもの、例えば、マイクロカプセル化したものを用いることにより、プリプレグの保存安定性が良くなり、特にタック性やドレープ性が室温放置しても変化しにくい。

熱硬化性樹脂組成物３は、熱硬化性樹脂組成物中に溶解した熱可塑性樹脂をさらに含んでいてもよい。この熱可塑性樹脂としては、一般に、主鎖に、炭素−炭素結合、アミド結合、イミド結合、エステル結合、エーテル結合、カーボネート結合、ウレタン結合、チオエーテル結合、スルホン結合およびカルボニル結合から選ばれた結合を有する熱可塑性樹脂であることが好ましい。熱可塑性樹脂は、部分的に架橋構造を有していてもよいし、結晶性を有していて非晶性であってもよい。特に、ポリアミド、ポリカーボナート、ポリアセタール、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリアリレート、ポリエステル、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、フェニルトリメチルインダン構造を有するポリイミド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアラミド、ポリエーテルニトリルおよびポリベンズイミダゾールからなる群から選ばれた少なくとも１種の熱可塑性樹脂が好ましい。

本発明のプリプレグは、好ましくは、シート状に引き揃えられた複数の炭素繊維に、熱硬化性樹脂、硬化剤および粒径が１μｍ以下の第１の導電性粒子を含有する第１の樹脂を含有させて、シート状の一次プリプレグを得る工程と、この一次プリプレグの片面上又は両面上に、熱硬化性樹脂、硬化剤、粒径が５μｍ以上の第２の導電性粒子および熱可塑性樹脂の粒子を含有する第２の樹脂の層を設ける工程と、を有する方法により製造される。

第１の樹脂および第２の樹脂は、それぞれの成分を配合し混錬する通常の方法により調製することができる。第１の樹脂および第２の樹脂のうち、導電性粒子および熱可塑性樹脂の粒子以外の成分および配合比は、互いに同一であってもよいし異なっていてもよい。

一次プリプレグは、例えば、第１の樹脂を離型紙などの基材上にコーティングして第１の樹脂のフィルムを形成する工程と、第１の樹脂のフィルムをシート状に引き揃えた複数の炭素繊維の両面又は片面に当て、加熱および加圧して第１の樹脂を炭素繊維に含浸させる工程とを含む方法により得ることができる。

第２の樹脂の層（主として層間形成層）は、例えば、第２の樹脂を離型紙などの基材上にコーティングして第２の樹脂のフィルムを形成する工程と、第２の樹脂のフィルムを一次プリプレグの片面又は両面に貼着する工程とを含む方法により設けられる。

第１の樹脂における第１の導電性粒子の比率は、第１の樹脂の質量に対して０．０１〜２０質量％が好ましい。第２の樹脂における第２の導電性粒子の比率は、第２の樹脂の質量に対して０．０１〜５０質量％が好ましい。

本発明の炭素繊維強化複合材料は、本発明のプリプレグを２枚以上含む積層構成を有する。炭素繊維強化複合材料は、本発明のプリプレグ以外のプリプレグに由来する層を含んでいてもよいが、本発明のプリプレグのみから構成されることが好ましい。なお、炭素繊維複合強化材料に含まれる「本発明のプリプレグ」には、本発明の製造方法により得られるプリプレグも含まれる。

炭素繊維強化複合材料は、本発明のプリプレグを２枚以上含む積層体を形成する工程と、この積層体を加熱および加圧して、積層体中の第１の樹脂および第２の樹脂を硬化する工程とを有する方法により製造することができる。上記積層体において、２枚以上の本発明のプリプレグのうち少なくとも２枚は、隣り合う位置に積層される。

積層体の加熱および加圧は、プレス成形法、オートクレーブ成形法、バッギング成形法、ラッピングテープ法および内圧成形法等の方法により行うことができる。特にボイドが少ない成形体が得られることからオートクレーブ成形法が好ましい。

得られる炭素繊維強化複合材料において、２枚の隣り合う本発明のプリプレグの間には、層間形成層５０に主として由来し、スペーサーとして機能する熱可塑性樹脂の粒子３０および第２の導電性粒子２２が配置されている層間領域が形成される。

この層間領域において、層間領域に存在する第２の導電性粒子のうちの３０％以上の個数が、隣接する２枚のプリプレグの境界面を挟んで、この２枚のプリプレグのそれぞれに含まれていた隣り合う炭素繊維の両方と接触していることが好ましい。これにより、積層方向の高い導電性が得られる。

本発明の炭素繊維強化複合材料は、強度、剛性、耐衝撃性および導電性等に優れていることから航空宇宙用途、一般産業用途等に広く用いられる。より具体的には、航空宇宙用途では、胴体、主翼、尾翼およびフロアビーム等の航空機一次構造部材用途、フラップ、エルロン、カウル、フェアリングおよび内装材等の航空機二次構造部材用途、ロケットモーターケースおよび人工衛星構造材用途等に炭素繊維強化複合材料が好ましく用いられる。このような航空宇宙用途の中でも、特に耐衝撃性および耐雷性が必要な航空機一次構造材用途、特に胴体スキン、主翼スキン、および尾翼スキンにおいて、本実施形態に係る炭素繊維強化複合材料が特に好ましく用いられる。また、一般産業用途では、自動車、船舶および鉄道車両等の移動体の構造材、ドライブシャフト、板バネ、風車の羽根、圧力容器、フライホイール、製紙用ローラ、屋根材、ケーブル、補強筋、ＩＣトレイやノートパソコンの筐体（ハウジング）などのコンピュータ用途および補修補強材料等の土木・建築材料用途等に炭素繊維強化複合材料が好ましく用いられる。これらの中でも、自動車外板、船舶外板、鉄道外板、風車の羽根、および、ＩＣトレイやノートパソコンの筐体（ハウジング）において、本実施形態に係る炭素繊維強化複合材料が特に好ましく用いられる。

本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変形できる。

以下、実施例を挙げて本発明についてさらに具体的に説明する。ただし、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

プリプレグおよび炭素繊維強化複合材料の作製方法、衝撃後圧縮強度の評価方法、体積固有抵抗の評価方法を次に示す。プリプレグの作製環境および評価は、特に断りのない限り、温度２５℃±２℃、相対湿度５０％の雰囲気で行った。

１．原材料
（１）炭素繊維
・“トレカ（登録商標）”Ｔ８００Ｓ−２４Ｋ−１０Ｅ（繊維数２４０００本、引張強度５．９ＧＰａ、引張弾性率２９０ＧＰａ、引張伸度２．０％の炭素繊維、総繊度１．０３ｇ／ｍ、東レ（株）製）。

（２）マトリックス樹脂
＜［Ａ］熱硬化性樹脂＞
・ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（“ｊＥＲ（登録商標）”８２５（ジャパンエポキシレジン（株）製）
・テトラグリシジルジアミノジフェニルメタン（ＥＬＭ４３４、住友化学（株）製）。

＜［Ｂ］硬化剤＞
・４，４’−ジアミノジフェニルスルホン（三井化学ファイン（株）製）。

＜熱可塑性樹脂＞
・末端に水酸基を有するポリエーテルスルホン、“スミカエクセル（登録商標）”ＰＥＳ５００３Ｐ、住友化学（株）製）。

＜［Ｃ１］粒径が１μｍ以下の導電性粒子（第１の導電性粒子）＞
・三菱カーボンブラック＃３０３０Ｂ（カーボンブラック、三菱化学（株）製、平均粒径：５５ｎｍ）
・三菱カーボンブラック＃３２３０Ｂ（カーボンブラック、三菱化学（株）製、平均粒径：２３ｎｍ）
・カーボンＥＣＰ（カーボンブラック、ライオン（株）製）（平均粒径：４０ｎｍ）
・カーボンＥＣＰ６００ＪＤ（カーボンブラック、ライオン（株）製、平均粒径：３４ｎｍ）
・銀ナノ粒子Ａ（ＤＯＷＡエレクトロニクス（株）製、平均粒径３００ｎｍ）
・銀ナノ粒子Ｂ（ＤＯＷＡエレクトロニクス（株）製、平均粒径１００ｎｍ）
・銀ナノ粒子Ｃ（ＤＯＷＡエレクトロニクス（株）製、平均粒径６０ｎｍ）
・銀ナノ粒子Ｄ（ＤＯＷＡエレクトロニクス（株）製、平均粒径２０ｎｍ）。

＜［Ｃ２］粒径が５μｍ以上の導電性粒子（第２の導電性粒子）＞
・“ＮＩＣＡＢＥＡＤＳ（登録商標）”ＩＣＢ−２０２０（日本カーボン（株）製）（平均粒径：２６．６９μｍ、変動係数：４．８７％）
上記の粒子は分級を繰り返し、粒径の変動係数を５％以下にしてから使用した。
・“ＮＩＣＡＢＥＡＤＳ（登録商標）”ＭＣ−２０２０（日本カーボン（株）製）（平均粒径：２４．３５μｍ、変動係数：２．１２％）
上記の粒子は分級を繰り返し、粒径の変動係数を５％以下にしてから使用した。
・“ＮＩＣＡＢＥＡＤＳ（登録商標）”ＰＣ−２０２０（日本カーボン（株）製）（平均粒径：２５．０５μｍ、変動係数：３．８７％）
上記の粒子は分級を繰り返し、粒径の変動係数を５％以下にしてから使用した。
・グラッシーカーボン（東海カーボン（株）製）（平均粒径：２５．５７μｍ、変動係数：３．８３％）
上記の粒子は分級を繰り返し、粒径の変動係数を５％以下にしてから使用した。
・真球状カーボン（群栄化学工業（株）製）（平均粒径：２６．２７μｍ、変動係数：４．１８％）
上記の粒子は分級を繰り返し、粒径の変動係数を５％以下にしてから使用した。
・フェノール樹脂の粒子（マリリン ＨＦ−０５０、群栄化学工業（株）製）を２０００℃で焼成し、分級を繰り返して得られたカーボン粒子Ａ（平均粒径：２５．０２μｍ、変動係数：３．５４％）
・フェノール樹脂の粒子（“ベルパール（登録商標）”Ｒ−８００、エア・ウォーター（株）製）を２０００℃で焼成し、分級を繰り返して得られたカーボン粒子Ｂ（平均粒径：２４．３７μｍ、変動係数：４．８７％）
・フェノール樹脂の粒子（“ベルパール（登録商標）”Ｓ−８７０、エア・ウォーター（株）製）を２０００℃で焼成し、分級を繰り返して得られたカーボン粒子Ｃ（平均粒径：２６．１２μｍ、変動係数：３．１１％）
・“ミクロパール（登録商標）”ＡＵ２２５（ポリジビニルベンゼン粒子およびポリジビニルベンゼン粒子を覆う金層を有する複合粒子、平均粒径：２５．０μｍ）。

＜［Ｄ］熱可塑性樹脂の粒子＞
・ナイロン１２粒子 ＳＰ−１０（東レ（株）製、形状：真球）
・下記の方法で得られたエポキシ変性ナイロン粒子Ａ
透明ポリアミド（商品名“グリルアミド（登録商標）”−ＴＲ５５、エムザベルケ社製）９０質量部、エポキシ樹脂（商品名“ｊＥＲ（登録商標）”８２８、ジャパンエポキシレジン（株）製）７．５質量部および硬化剤（商品名“トーマイド（登録商標）”＃２９６、富士化成工業（株）社製）２．５質量部を、クロロホルム３００質量部とメタノール１００質量部の混合溶媒中に添加して、均一な溶液を得た。塗装用のスプレーガンを用いて霧状にした溶液を、３０００質量部のｎ−ヘキサンの液面に向かって、良く撹拌しながら吹き付けて、溶質を固体粒子として析出させた。析出した固体粒子を濾別し、ｎ−ヘキサンでよく洗浄した後に、１００℃で２４時間の真空乾燥を行い、エポキシ変性ナイロン粒子Ａを得た（平均粒径：１２．５μｍ）。

＜カップリング剤＞
・Ｚ−６０１１（３−アミノプロピルトリエトキシシラン、東レ・ダウコーニング（株）製）。

（３）導電性フィルム
・導電性フィルムＢ（厚さ：１３．７μｍ、体積固有抵抗値：３．８×１０^−５Ωｃｍ）（特許文献５の実施例１０に記載の導電性フィルムと同一の導電性フィルム）。

２．評価方法
（１）プリプレグの厚さに対して２０％の深さの範囲に存在する粒径５μｍ以上の導電性粒子および熱可塑性樹脂粒子の存在率
２枚のポリ四フッ化エチレン樹脂板の間に、プリプレグを、ポリ四フッ化エチレン樹脂板の平滑な表面に密着するように挟持した。この状態で７日間かけて徐々に１５０℃まで温度を上昇させ、プリプレグ中の樹脂をゲル化および硬化させて、樹脂硬化物を含む板状の試験片を作製した。この試験片を厚さ方向に切断し、その断面を研磨後、光学顕微鏡で２００倍以上に拡大し試験片の上下面が視野内に納まるように写真撮影した。同様な操作により、断面写真の横方向の５ヵ所でポリ四フッ化エチレン樹脂板間の間隔を測定し、その平均値（ｎ＝５）をプリプレグの厚さとした。

断面写真において、プリプレグの両面それぞれから厚さの２０％の深さの位置に、プリプレグの表面と平行な線を２本引いた。引いた２本の線それぞれとプリプレグの両面との間に存在する粒径５μｍ以上の導電性粒子の合計面積Ｓ_Ｘ（両側の合計面積）と、プリプレグの厚さ全体にわたって存在する粒径５μｍ以上の導電性粒子の合計面積Ｓ_ｘ０とを求めた。なお、２０％深さ位置の線をまたいでいる粒径５μｍ以上の導電性粒子は、合計面積Ｓ_Ｘに含める。Ｓ_Ｘ０に対するＳ_Ｘの比率（質量％）を、プリプレグの表面から２０％の深さの範囲に存在する粒径５μｍ以上の導電性粒子の存在率とした。同様にして、引いた２本の線それぞれとプリプレグの両面との間に存在する熱可塑性樹脂粒子の合計面積Ｓ_Ｙ（両側の合計面積）と、プリプレグの厚さ全体にわたって存在する熱可塑性樹脂粒子の合計面積Ｓ_Ｙ０とを求めた。なお、２０％深さ位置の線をまたいでいる熱可塑性樹脂粒子は、合計面積Ｓ_Ｙに含める。Ｓ_Ｙ０に対するＳ_Ｙの比率（質量％）を、プリプレグの表面から２０％の深さの範囲に存在する熱可塑性樹脂粒子の存在率とした。それぞれの粒子の合計面積は、断面写真から刳り抜いた粒子部分の質量から換算して求めた。マトリックス樹脂中に分散する粒子の写真撮影後の判別が困難な場合は、粒子を染色する手段を用いた。また、断面写真により粒径５μｍ以上の導電性粒子と熱可塑性樹脂粒子の区別は、コントラストの違いにより判別した。

（２）プリプレグの厚さ方向に対して、両方の主面のそれぞれに最も近い位置にある炭素繊維よりも内側に存在する粒径１μｍ以下の導電性粒子の存在率
上記（１）と同様にしてプリプレグの断面写真を撮影し、プリプレグの厚さを求めた。

断面写真において、プリプレグの両方の主面のそれぞれに最も近い位置にある炭素繊維の位置に、プリプレグの表面と平行な線を２本引いた。引いた２本の線の間に存在する粒子の合計面積Ｓ_Ｚと、プリプレグの厚さ全体にわたって存在する粒子の合計面積Ｓ_Ｚ０とを求めた。Ｓ_Ｚ０に対するＳ_Ｚの比率（質量％）を、プリプレグの厚さ方向に対して、両方の主面のそれぞれに最も近い位置にある炭素繊維よりも内側に存在している粒径１μｍ以下の導電性粒子の存在率とした。粒子の合計面積は、断面写真から刳り抜いた粒子部分の質量から換算して求めた。マトリックス樹脂中に分散する粒子の写真撮影後の判別が困難な場合は、粒子を染色する手段を用いた。あるいは、ＳＥＭ−ＥＤＸやＴＥＭの手段を用いた。

（３）炭素繊維強化複合材料の衝撃後圧縮強度測定
一方向プリプレグを、［＋４５°／０°／−４５°／９０°］_３Ｓの構成で、擬似等方的に２４プライ積層した。この積層体をオートクレーブにて、１８０℃の温度で２時間、０．５９ＭＰａの圧力下、昇温速度１．５℃／分で成形して２５個の平板状の炭素繊維複合材料を作製した。これらの各複合材料から、縦１５０ｍｍ×横１００ｍｍ（厚さ４．５ｍｍ）のサンプルを切り出し、ＳＡＣＭＡ ＳＲＭ ２Ｒ−９４に従い、サンプルの中心部に６．７Ｊ／ｍｍの落錘衝撃を与え、衝撃後圧縮強度を求めた。

（４）炭素繊維強化複合材料の導電性測定
一方向プリプレグを、それぞれ［＋４５°／０°／−４５°／９０°］_２Ｓの構成で、擬似等方的に１６プライ積層した。この積層体をオートクレーブにて、１８０℃で２時間、０．５９ＭＰａの圧力下、昇温速度１．５℃／分の条件で成形して、２５個の平板状の炭素繊維強化複合材料を作製した。これらの各複合材料から、縦４０ｍｍ×横４０ｍｍ（厚さ３．０ｍｍ）のサンプルを切り出し、両表面の樹脂層をサンドブラスターにより除去後、両面に導電性ペースト“ドータイト（登録商標）”Ｄ−５５０（藤倉化成（株）製）を塗布して、導電性評価用のサンプルを作製した。これらのサンプルの積層方向の抵抗を、アドバンテスト（株）製Ｒ６５８１デジタルマルチメーターを用いて四端子法により測定し、測定値を炭素繊維複合材料の体積固有抵抗とした。

（５）炭素繊維の層間の導電性の粒子と、それぞれの炭素繊維との接触の判定
（４）で作製した炭素繊維強化複合材料を炭素繊維の層と炭素繊維の層が観察できるよう積層方向とは垂直に切断した。その断面を研磨後、レーザー顕微鏡（ＫＥＹＥＮＣＥ ＶＫ−９５１０）で２００倍以上に拡大し炭素繊維の層と炭素繊維の層が２層以上視野内に納まるようにして写真撮影した。同様の操作から導電性の粒子が存在する１００箇所を任意に選択した。導電性の粒子は、平均粒径よりも小さい粒径の断面で切断される確率が高いため、導電性の粒子を平均粒径のサイズとみなし、そのサイズの導電性の粒子がそれぞれの炭素繊維と接する、あるいは、交差するとき、それらは接触しているとして接触の有無を判定した。判定基準として、導電性の粒子１００個の内、導電性の粒子が層間の上面の炭素繊維と下面の炭素繊維の両方で接している数が、７０個以上（７０％以上）の場合はＡＡＡ、６９個〜５０個（５０％以上７０％未満）の場合はＡＡ、４９個〜３０個（３０％以上５０％未満）の場合はＡ、３個〜２９個（３％以上３０％未満）の場合はＢ、２個以下（３％未満）の場合はＣとした。

（実施例１）
[第１の樹脂の調製]
混練装置内で、エポキシ樹脂である５０質量部の“ｊＥＲ”８２５および５０質量部のＥＬＭ４３４の混錬物に、１０質量部のＰＥＳ５００３Ｐを加え、エポキシ樹脂中に溶解させた。その後、樹脂を混錬しながら、１質量部の三菱カーボンブラック ＃３０３０Ｂを加え、さらに４０質量部の４，４’−ジアミノジフェニルスルホンを加えて、第１の樹脂を調製した。

[第２の樹脂の調製]
混練装置内で、エポキシ樹脂である５０質量部の“ｊＥＲ”８２５および５０質量部のＥＬＭ４３４の混錬物に、１０質量部のＰＥＳ５００３Ｐを加え、エポキシ樹脂中に溶解させた。その後、樹脂を混錬しながら、２０質量部のエポキシ変性ナイロン粒子Ａおよび１．５質量部の“ＮＩＣＡＢＥＡＤＳ”ＩＣＢを加え、さらに４０質量部の４，４’−ジアミノジフェニルスルホンを加えて、第２の樹脂を調製した。

[プリプレグの作製]
第１の樹脂を、ナイフコーターを用いて離型紙上に塗布して、単位面積当たりの質量が３１．５ｇ／ｍ^２の樹脂フィルムを２枚作製した。次に２枚の樹脂フィルムを、シート状に一方向に配列させた炭素繊維（Ｔ８００Ｓ−２４Ｋ−１０Ｅ）の両面から重ね、加熱および加圧により第１の樹脂を炭素繊維に含浸させて、炭素繊維の単位面積当たりの質量が１９０ｇ／ｍ^２で、マトリックス樹脂の質量分率が２４．９％である一次プリプレグを作製した。
続いて、第２の樹脂を、ナイフコーターを用いて離型紙上に塗布して、単位面積当たりの質量が２０．５ｇ／ｍ^２の樹脂フィルムを２枚作製した。この２枚の樹脂のフィルムを、上記一次プリプレグの両面から重ねて、加熱および加圧により第２の樹脂を炭素繊維に含浸させて、二次プリプレグを作製した。得られた二次プリプレグの単位面積当たりの炭素繊維の質量は１９０ｇ／ｍ²で、マトリックス樹脂の重量分率は３５．４％であった。

[評価]
得られたプリプレグ（二次プリプレグ）を用い、プリプレグの両方の表面それぞれから２０％の深さの範囲に存在する粒径５μｍ以上の導電性粒子の存在率Ｘおよび熱可塑性樹脂粒子の存在率Ｙ、プリプレグの厚さ方向に対して、両方の主面のそれぞれに最も近い位置にある炭素繊維よりも内側に分布している粒径１μｍ以下の導電性粒子の存在率Ｚを、上記「２．（１）」、「２．（２）」項の方法により測定した。さらに、プリプレグを用いて炭素繊維強化複合材料を作製し、上記「２．（３）」、「２．（４）」又は「２．（５）」の方法により、衝撃後圧縮強度、導電性（体積固有抵抗）および炭素繊維の層間の導電性の粒子と、それぞれの炭素繊維との接触の判定を記載の通り実施した。結果を表１に示す。

（実施例２〜２０）
第１の樹脂および第２の樹脂の各原料の種類および配合比を表１〜６に示す通りに変更したこと以外は実施例１と同様にして、二次プリプレグを作製した。作製した二次プリプレグを用いて、実施例１と同様にして各種測定および評価を行った。結果を表１〜６にまとめて示す。

（実施例２１）
[第１の樹脂の調製]
実施例１と同様にして第１の樹脂を調製した。
[第２の樹脂の調製]
実施例１と同様にして第２の樹脂を調製した。
[プリプレグの作製]
実施例１と同様にして一次プリプレグを作成した。続いて、第２の樹脂を、ナイフコーターを用いて離型紙上に塗布して、単位面積当たりの質量が４１ｇ／ｍ^２の樹脂フィルムを１枚作製した。この１枚の樹脂のフィルムを、上記一次プリプレグの片面から重ねて、加熱および加圧により第２の樹脂を炭素繊維に含浸させて、二次プリプレグを作製した。得られた二次プリプレグの単位面積当たりの炭素繊維の質量は１９０ｇ／ｍ^２で、マトリックス樹脂の重量分率は３５．４％であった。

[評価]
得られたプリプレグ（二次プリプレグ）を用い、プリプレグの第２の樹脂を重ねた側の主面から２０％の深さの範囲に存在する粒径５μｍ以上の導電性粒子の存在率Ｘおよび熱可塑性樹脂粒子の存在率Ｙ、プリプレグの厚さ方向に対して、両方の主面のそれぞれに最も近い位置にある炭素繊維よりも内側に分布している粒径１μｍ以下の導電性粒子の存在率Ｚを、上記「２．（１）」、「２．（２）」項の方法により測定した。さらに、プリプレグを用いて炭素繊維強化複合材料を作製し、上記「２．（３）」、「２．（４）」又は「２．（５）」の方法により、衝撃後圧縮強度、導電性（体積固有抵抗）および炭素繊維の層間の導電性の粒子と、それぞれの炭素繊維との接触の判定を記載の通り実施した。プリプレグは、プリプレグの粒子層を片面のみに存在させるため、粒子層が存在する面が同じ方向に向くようにプリプレグを積層した。結果を表６に示す。

（比較例１〜１２）
第１の樹脂および第２の樹脂の各原料の種類および配合比を表７〜１０に示す通りに変更したこと以外は実施例１と同様にして、二次プリプレグを作製した。作製した二次プリプレグを用いて、実施例１と同様にして各種測定と評価を行った。結果を表７〜１０にまとめて示す。

表１〜６に示すように、実施例で製作したプリプレグはいずれも、粒子の存在率Ｘ、Ｙは、それぞれ９０質量％を超えていた。すなわち、粒径５μｍ以上の導電性粒子および熱可塑性樹脂の粒子が、プリプレグの厚さ方向において、プリプレグの表層に偏って分布していた。また、粒子の存在率Ｚは９０質量％を超えていた。すなわち、粒径１μｍ以下の導電性粒子のうち９０質量％が、プリプレグの厚さ方向において、プリプレグの両方の主面のそれぞれに最も近い位置にある炭素繊維よりも内側に分布していることが確認された。

以上の実験結果から明らかなように、粒径が１μｍ以下の第１の導電性粒子（Ｃ１）を含む第１の樹脂、および粒径が５μｍ以上の第２の導電性粒子（Ｃ２）を含む第２の樹脂を用いて作製した各実施例のプリプレグによれば、高い導電性を有する炭素繊維複合材料を製造することができる。さらには、第２の導電性粒子（Ｃ２）と熱可塑性樹脂の粒子との相乗的な効果により、優れた耐衝撃性が達成されることが確認された。

１：炭素繊維
３：熱硬化性樹脂組成物
５：マトリックス樹脂
１０：炭素繊維層
２１：第１の導電性粒子（粒径１μｍ以下の導電性粒子）
２２：第２の導電性粒子（粒径５μｍ以上の導電性粒子）
３０：熱可塑性樹脂の粒子
５０：層間形成層
１００：プリプレグ
Ｓ１，Ｓ２：プリプレグの主面

Claims (10)

1. 複数の炭素繊維と、この複数の炭素繊維に含浸しているマトリックス樹脂と、を有するシート状のプリプレグにおいて、
   前記マトリックス樹脂が、熱硬化性樹脂、硬化剤、導電性粒子および熱可塑性樹脂の粒子を含有し、
   前記導電性粒子が、平均粒径１μｍ以下の導電性粒子と、平均粒径５μｍ以上の導電性粒子と、を含み、
   前記プリプレグ中に含まれる前記平均粒径５μｍ以上の導電性粒子のうちの９０〜１００質量％および前記熱可塑性樹脂の粒子のうちの９０〜１００質量％が、このプリプレグの厚さ方向において、このプリプレグの両方の主面のそれぞれからこのプリプレグの厚さに対して２０％の深さまでの範囲内に存在しており、
   前記プリプレグ中に含まれる前記平均粒径１μｍ以下の導電性粒子のうちの９０〜１００質量％が、このプリプレグの厚さ方向において、このプリプレグの両方の主面のそれぞれに最も近い位置にある前記炭素繊維よりも内側に存在している、プリプレグ。
2. 複数の炭素繊維と、この複数の炭素繊維に含浸しているマトリックス樹脂と、を有するシート状のプリプレグにおいて、
   前記マトリックス樹脂が、熱硬化性樹脂、硬化剤、導電性粒子および熱可塑性樹脂の粒子を含有し、
   前記導電性粒子が、平均粒径１μｍ以下の導電性粒子と、平均粒径５μｍ以上の導電性粒子と、を含み、
   前記プリプレグ中に含まれる前記平均粒径５μｍ以上の導電性粒子のうちの９０〜１００質量％および前記熱可塑性樹脂の粒子のうちの９０〜１００質量％が、このプリプレグの厚さ方向において、このプリプレグの片方の主面からこのプリプレグの厚さに対して２０％の深さまでの範囲内に存在しており、
   前記プリプレグ中に含まれる前記平均粒径１μｍ以下の導電性粒子のうちの９０〜１００質量％が、このプリプレグの厚さ方向において、このプリプレグの両方の主面のそれぞれに最も近い位置にある前記炭素繊維よりも内側に存在している、プリプレグ。
3. 前記導電性粒子が、カーボン粒子、および、無機材料又は有機材料の核粒子とこの核粒子を被覆する導電層とを有する複合粒子からなる群から選ばれる少なくとも１種である、請求項１又は２のプリプレグ。
4. 前記プリプレグ中の前記平均粒径５μｍ以上の導電性粒子の質量に対する前記熱可塑性樹脂の粒子の質量の比が１〜１０００である、請求項１〜３のいずれかのプリプレグ。
5. 複数の炭素繊維と、この複数の炭素繊維に含浸しており熱硬化性樹脂、硬化剤および平均粒径が１μｍ以下の第１の導電性粒子を含有する第１の樹脂と、を有するシート状の一次プリプレグの片面上又は両面上に、熱硬化性樹脂、硬化剤、平均粒径が５μｍ以上の第２の導電性粒子および熱可塑性樹脂の粒子を含有する第２の樹脂の層を設ける工程を備える、プリプレグの製造方法。
6. 前記第２の樹脂に含まれる前記第２の導電性粒子の比率が、前記第２の樹脂の質量に対して０．０１〜５０質量％である、請求項５のプリプレグの製造方法。
7. 前記第２の導電性粒子の平均粒径が１００μｍ未満である、請求項５又は６のプリプレグの製造方法。
8. ２枚以上のプリプレグを含む積層体を加熱および加圧する工程を備える炭素繊維強化複合材料の製造方法であって、
   前記積層体の中の少なくとも２枚以上のプリプレグが、請求項１〜４のいずれかのプリプレグであり、これら請求項１〜４のいずれかのプリプレグのうちの少なくとも２枚を隣接して配置させる、炭素繊維強化複合材料の製造方法。
9. ２枚以上のプリプレグを含む積層体を加熱および加圧する工程を備える炭素繊維強化複合材料の製造方法であって、
   前記積層体の中の少なくとも２枚以上のプリプレグが、請求項５〜７のいずれかの方法により得たプリプレグであり、これら請求項５〜７のいずれかの方法により得たプリプレグのうちの少なくとも２枚を隣接して配置させる、炭素繊維強化複合材料の製造方法。
10. 前記隣接する２枚のプリプレグの境界面を挟んで隣り合っていた前記炭素繊維と炭素繊維との間に存在する前記平均粒径５μｍの導電性粒子のうち、その３０％以上の個数を、前記両方の炭素繊維と接触するように配置させる、請求項８又は９の炭素繊維強化複合材料の製造方法。

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