JP5900624B2 - 三次元繊維強化複合材 - Google Patents

Description

本開示は、結合糸によって積層方向に結合された積層体にマトリックス樹脂を含浸させて形成される三次元繊維強化複合材に関する。

軽量かつ高強度の材料として三次元繊維強化複合材が使用されている。三次元繊維強化複合材は、マトリックス樹脂中に、複数の繊維束層を結合糸で結合して形成された積層体を有する。このため、三次元繊維強化複合材は、マトリックス樹脂のみを含む素材に比べて力学的特性（機械的特性）に優れるため、構造部品として好ましい。また、三次元繊維強化複合材は、二次元繊維強化複合材と比較して、結合糸によって積層方向における強度が向上している。

この種の三次元繊維強化複合材としては、例えば、特許文献１に開示されたものが挙げられる。図５に示すように、特許文献１の三次元繊維強化複合材８０は平板状の３次元織布８６を有し、この３次元織布８６は、複数のたて糸８１と複数のよこ糸８２とからなる面内方向糸８３と、面内方向糸８３の基準面に対して直交する複数の面外方向糸８４と、面外方向糸８４を固定する耳糸８５とから形成される。この３次元織布８６に樹脂が含浸され、樹脂が硬化されて三次元繊維強化複合材８０が形成されている。

特開２００７−１５２６７２号公報

ところで、三次元繊維強化複合材８０において、面外方向糸８４を３次元織布８６に挿入して縫い進めていく際、面外方向糸８４は３次元織布８６の面に沿う方向に引っ張られる。このため、面外方向糸８４が相反する方向に延びる部位（二股をなす部位）には、引っ張りによって大きな隙間が形成されてしまう。３次元織布８６に樹脂が含浸されると、その隙間に樹脂が残存して樹脂溜まり８７が形成される。この樹脂溜まり８７は、繊維を含まないため三次元繊維強化複合材８０の機械的強度が低い部位である。従って、樹脂溜まり８７を小さくすることが望まれている。

本開示の目的は、二股部での樹脂溜まりを小さくすることができる三次元繊維強化複合材を提供することにある。

前記の目的を達成するための三次元繊維強化複合材は、積層方向に積層された複数の繊維束層を有する積層体であって、第１及び第２の最外層を含む前記積層体と、前記積層体に含浸されたマトリックス樹脂と、前記第１の最外層の表面に沿って配設される第１抜け止め糸と、前記第２の最外層の表面に沿って配設される第２抜け止め糸と、前記繊維束層を積層方向に結合する結合糸と、を有する。前記結合糸は、前記第１抜け止め糸の積層方向の外側を通るように折り返される折り返し部と、前記折り返し部に連続し、前記積層体内で前記第１抜け止め糸と前記第２抜け止め糸との間において積層方向に延びる第１横断糸部及び第２横断糸部と、前記第２の最外層の表面に沿って前記第２抜け止め糸と略直交する方向へ延びる表層糸部と、前記第２の最外層の表面に形成され、前記第１横断糸部及び第２横断糸部に連続する二股部と、を有する。前記二股部は、前記表層糸部が前記第２抜け止め糸の積層方向の外側で相反する方向に向けて延び、かつ互いに交差することで形成される。

上記の三次元繊維強化複合材においては、結合糸を縫い進めていく際、結合糸が積層体の面に沿う方向に引っ張られたとき、二股部を形成する表層糸部の部分は、それぞれ相反する方向に引っ張られ、第２抜け止め糸を締付けるように引っ張られる。しかし、第２抜け止め糸によって表層糸部が移動することが抑制される。さらに、表層糸部が引っ張られても、表層糸部と第２抜け止め糸との摩擦抵抗により表層糸部の移動が抑制される。その結果、結合糸が引っ張られても二股部が広がることを抑制される。
また、前記第１及び第２の最外層は、繊維束を有していてもよい。

また、前記第１抜け止め糸と前記第２抜け止め糸との間で、前記第１横断糸部と前記第２横断糸部とが交差していてもよい。

これによれば、結合糸が積層体の面に沿う方向に引っ張られたとき、互いに交差する第１横断糸部と第２横断糸部とが第１抜け止め糸を締付けるように引っ張られる。さらに、第１及び第２横断糸部が引っ張られても、第１及び第２横断糸部と第１抜け止め糸との摩擦抵抗により第１及び第２横断糸部の移動が妨げられる。その結果、結合糸が引っ張られても二股部が広がることが抑制される。

また、前記積層体が、前記積層方向において前記二股部の近くに位置する保持層を含んでいてもよい。

これによれば、結合糸を縫い進めていく際、結合糸が積層体の面に沿う方向に引っ張られても、保持層によって二股部の形状が保持され、二股部が広がることを抑制することができる。

実施形態の三次元繊維強化複合材の積層体を示す分解斜視図。 実施形態の三次元繊維強化複合材を示す斜視図。 図２の三次元繊維強化複合材を示す断面図。 別例の三次元繊維強化複合材を示す断面図。 背景技術を示す図。

以下、三次元繊維強化複合材の一実施形態を図１〜図５にしたがって説明する。

図２及び図３に示すように、三次元繊維強化複合材１０は、積層体２０及びマトリックス樹脂３０を含む。積層体２０は、シート状をなす複数の繊維束層、すなわち第１〜第４の強化繊維束層１１〜１４と、保持層１５とを積層するとともに、それら第１〜第４の強化繊維束層１１〜１４と保持層１５とを、結合糸２１を用いて結合することにより形成される。マトリックス樹脂３０は、積層体２０に樹脂を含浸させることにより形成されている。

図１に示すように、第１〜第４の強化繊維束層１１〜１４は、各層において同じ方向に延びる複数本の第１〜第４の強化繊維束１１ａ〜１４ａを含む。なお、「強化繊維束」とは、第１〜第４の強化繊維束層１１〜１４を三次元繊維強化複合材１０の繊維基材として使用した際に、三次元繊維強化複合材１０のマトリックス樹脂３０を強化する役割を担う繊維束を意味する。本実施形態では、強化繊維として炭素繊維が使用されている。以下の説明において、三次元繊維強化複合材１０の面に沿う方向のうち、三次元繊維強化複合材１０の一辺に沿う方向をＸ方向とし、このＸ方向に直交する方向をＹ方向とする。さらに、三次元繊維強化複合材１０において、Ｘ方向及びＹ方向に直交し、第１〜第４の強化繊維束層１１〜１４が積層された方向を積層方向とする。

図１に示すように、第１の強化繊維束層１１は、互いに平行に並べられるとともに真っ直ぐに延びる第１の強化繊維束１１ａにより形成されている。第１の強化繊維束１１ａは、扁平状の断面を有する。第１の強化繊維束１１ａは、三次元繊維強化複合材１０のＸ方向に対し９０度の角度をなして延びる。複数の第１の強化繊維束１１ａ同士は、それら第１の強化繊維束１１ａの配列方向に延びる補助糸１１ｂによって連結されている。

第２の強化繊維束層１２は、互いに平行に並べられるとともに真っ直ぐに延びる第２の強化繊維束１２ａにより形成されている。第２の強化繊維束１２ａは扁平状の断面を有する。第２の強化繊維束１２ａは、三次元繊維強化複合材１０のＸ方向に延びる。複数の第２の強化繊維束１２ａ同士は、それら第２の強化繊維束１２ａの配列方向に延びる補助糸１２ｂによって連結されている。

第３の強化繊維束層１３は、互いに平行に並べられるとともに真っ直ぐに延びる第３の強化繊維束１３ａにより形成されている。第３の強化繊維束１３ａは扁平状の断面を有する。第３の強化繊維束１３ａは、三次元繊維強化複合材１０のＸ方向に対し＋４５度の角度をなして延びる。複数の第３の強化繊維束１３ａ同士は、それら第３の強化繊維束１３ａの配列方向に延びる補助糸１３ｂによって連結されている。

第４の強化繊維束層１４は、互いに平行に並べられるとともに真っ直ぐに延びる第４の強化繊維束１４ａにより形成されている。第４の強化繊維束１４ａは扁平状の断面を有する。第４の強化繊維束１４ａは、三次元繊維強化複合材１０のＸ方向に対し−４５度の角度をなして延びる。複数の第４の強化繊維束１４ａ同士は、それら第４の強化繊維束１４ａの配列方向に延びる補助糸１４ｂによって連結されている。

保持層１５は、複数の経糸１５ａ（第１の糸）と、複数の緯糸１５ｂ（第２の糸）とを一本ずつ交互に織り合わせた平織りである。また、複数の経糸１５ａは、それぞれ繊維束からなり、互いに平行に並べられるとともにＹ方向に延びる。複数の緯糸１５ｂもそれぞれ繊維束からなり、互いに平行に並べられるとともに、経糸１５ａと交差（直交）する方向（Ｘ方向）に延びる。経糸１５ａ及び緯糸１５ｂの繊維束は、炭素繊維によって形成されている。

図２及び図３に示すように、積層体２０は、積層された第１〜第４の強化繊維束層１１〜１４及び保持層１５が複数の結合糸２１で積層方向に結合されて形成されている。積層体２０の積層方向の２つの最外層のうち、第１の最外層である第４の強化繊維束層１４の表面上には、複数の第１抜け止め糸２２がＹ方向に沿って互いに平行に延び、かつＸ方向に間隔を空けて設けられている。第２の最外層である保持層１５の表面上には、複数の第２抜け止め糸２３がＹ方向に沿って互いに平行に延び、かつＸ方向に間隔を空けて設けられている。第２抜け止め糸２３は、第１抜け止め糸２２と同じ方向に延びるとともに、積層方向において第１抜け止め糸２２に対向するように配置されている。結合糸２１、第１抜け止め糸２２及び第２抜け止め糸２３は、炭素繊維で形成されている。

次に、結合糸２１について詳細に説明する。結合糸２１は、保持層１５及び第４の強化繊維束層１４の面に沿う方向であり、かつ、第１及び第２抜け止め糸２２，２３の延びる方向と直交する方向（Ｘ方向）に縫い進められていく。結合糸２１が縫い進められていく方向を、進行方向と称する。

複数の結合糸２１それぞれは、第２抜け止め糸２３に対し、進行方向において第２抜け止め糸２３より先方の位置において保持層１５の表面から積層体２０内に挿入されている。そして、結合糸２１は積層体２０を積層方向に貫通した後、進行方向において第１抜け止め糸２２より後方の位置において第４の強化繊維束層１４の表面に引き出されている。結合糸２１は、第１抜け止め糸２２の積層方向の外側を通って折り返され、進行方向において第１抜け止め糸２２より先方の位置において積層体２０に挿入されている。

さらに、結合糸２１は、積層体２０を積層方向に貫通した後、進行方向において第２抜け止め糸２３より後方の位置において保持層１５の表面に引き出されている。そして、結合糸２１は、第２抜け止め糸２３の積層方向の外側を通って進行方向に延びている。したがって、一本の結合糸２１は、第４の強化繊維束層１４の表面で繰り返し折り返され、保持層１５の表面では繰り返し挿入及び引出されている。よって、一本の結合糸２１は、積層体２０を複数箇所で結合している。

図３に示すように、積層体２０に結合糸２１が通された状態において、結合糸２１は、第１抜け止め糸２２の積層方向の外側で折り返される部位である折り返し部２１ａを含む。また、結合糸２１は、折り返し部２１ａに連続し、かつ第１抜け止め糸２２及び第２抜け止め糸２３の間を積層体２０内で積層方向に延びる部位である第１横断糸部２１ｂ及び第２横断糸部２１ｃを含む。さらに、結合糸２１は、保持層１５の表面に沿って第１抜け止め糸２２及び第２抜け止め糸２３と直交する方向へ延びる部位である表層糸部２１ｄを含む。また、保持層１５の表面で第２抜け止め糸２３から互いに反対方向へ延びる表層糸部２１ｄの部分は二股部２１ｅを形成している。折り返し部２１ａ、第１横断糸部２１ｂ、第２横断糸部２１ｃ及び二股部２１ｅからなる組は、第１抜け止め糸２２及び第２抜け止め糸２３と同様にＸ方向に沿って等間隔を空けて配置されている。

二股部２１ｅは、第２抜け止め糸２３の外側で相反する方向に延びる表層糸部２１ｄが交差することで形成されている。第２抜け止め糸２３は、表層糸部２１ｄ、第１横断糸部２１ｂ、及び第２横断糸部２１ｃによって取り囲まれている。また、第１抜け止め糸２２の内側では第１横断糸部２１ｂと第２横断糸部２１ｃとが交差して交差部Ｋが形成されている。よって、第１抜け止め糸２２は、折り返し部２１ａと、その折り返し部２１ａに連続し、かつ交差部Ｋを形成する第１横断糸部２１ｂ及び第２横断糸部２１ｃとによって取り囲まれている。交差部Ｋが形成されることにより、結合糸２１は、第１抜け止め糸２２と第２抜け止め糸２３との間で１回捻られている。さらに、結合糸２１は、第１抜け止め糸２２を第２抜け止め糸２３に連結しているとともに、積層体２０を積層方向に補強している。

第１抜け止め糸２２、第２抜け止め糸２３、及び結合糸２１によって積層方向に結合された積層体２０は、レジントランスファーモールディング（ＲＴＭ）法で用いられる成形金型内に載置される。この成形金型内に熱硬化性樹脂が注入されて積層体２０の各強化繊維束層１１〜１４、保持層１５、結合糸２１、第１抜け止め糸２２、及び第２抜け止め糸２３に含浸された後、熱硬化性樹脂が加熱硬化すると、マトリックス樹脂３０が形成される。その結果、マトリックス樹脂３０が各強化繊維束層１１〜１４、保持層１５、結合糸２１、第１抜け止め糸２２、及び第２抜け止め糸２３の周りで硬化し、三次元繊維強化複合材１０が形成される。

次に、三次元繊維強化複合材１０の作用を記載する。

第２抜け止め糸２３の積層方向の外側では、第２抜け止め糸２３から相反する方向に延びる表層糸部２１ｄが交差している。結合糸２１を積層体２０に縫い進めていく際、結合糸２１が積層体２０の面に沿う方向に引っ張られたとき、二股部２１ｅを形成する表層糸部２１ｄの部分は、それぞれ相反する方向に引っ張られる。しかし、第２抜け止め糸２３によって各表層糸部２１ｄの移動は抑制される。また、各表層糸部２１ｄが引っ張られても、表層糸部２１ｄと第２抜け止め糸２３との摩擦抵抗により各表層糸部２１ｄの移動が抑制される。その結果、二股部２１ｅが広がることを抑制される。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。

（１）結合糸２１によって積層方向に結合された積層体２０において、第４の強化繊維束層１４の表面に沿って第１抜け止め糸２２を設けるとともに、保持層１５の表面に沿って第２抜け止め糸２３を設けた。そして、結合糸２１の二股部２１ｅは、第２抜け止め糸２３の外側で交差する表層糸部２１ｄによって形成されている。このため、結合糸２１で積層体２０を結合する際、二股部２１ｅを形成する表層糸部２１ｄは、それぞれ相反する方向に引っ張られるが、第２抜け止め糸２３によって各表層糸部２１ｄが移動することが抑制される。したがって、二股部２１ｅにマトリックス樹脂３０が含浸されて樹脂溜まりが形成されても、二股部２１ｅにおいて表層糸部２１ｄが交差していない場合と比べると樹脂溜まりの大きさが小さくなり、三次元繊維強化複合材１０としては繊維体積含有率を均質にすることができる。よって、三次元繊維強化複合材１０の機械的強度の低下を防止することができる。また、結合糸２１を引っ張っても二股部２１ｅが広がることを抑制できるため、二股部２１ｅが広がらないように結合糸２１の引っ張りが不十分になることがない。

（２）各表層糸部２１ｄが引っ張られても、表層糸部２１ｄと第２抜け止め糸２３との摩擦抵抗により各表層糸部２１ｄの移動が抑制される。その結果、二股部２１ｅが広がることを抑制することができる。

（３）積層体２０の積層方向における第１抜け止め糸２２と第２抜け止め糸２３との間で、第１横断糸部２１ｂと第２横断糸部２１ｃとが交差して交差部Ｋが形成されている。このため、結合糸２１が積層体２０の面に沿う方向に引っ張られたとき、互いに交差する第１横断糸部２１ｂと第２横断糸部２１ｃとが第１抜け止め糸２２を締付けるように引っ張られる。したがって、第２抜け止め糸２３の外側で表層糸部２１ｄを交差させることに加えて、第１横断糸部２１ｂと第２横断糸部２１ｃとを交差させることで、二股部２１ｅが広がることを効果的に抑制することができる。

（４）積層体２０の両最外層のうちの一方として保持層１５を設け、結合糸２１によって保持層１５も第１〜第４の強化繊維束層１１〜１４に対して結合した。結合糸２１の二股部２１ｅは保持層１５の近くに位置して保持層１５によって保持されている。この保持層１５は自身の形状を保持可能に形成されている。したがって、結合糸２１を縫い進めて行く際に、結合糸２１が積層体２０の面に沿う方向へ引っ張られても、保持層１５の形状が保持されることによって二股部２１ｅの形状が保持され、二股部２１ｅが広がることが抑制される。その結果、第２抜け止め糸２３の外側で表層糸部２１ｄを交差させ、さらに、第１横断糸部２１ｂと第２横断糸部２１ｃを交差させることに加え、保持層１５を設けることで、二股部２１ｅが広がることを効果的に抑制することができる。

（５）保持層１５を、経糸１５ａと緯糸１５ｂとを平織りして形成された織物とした。このため、結合糸２１が引っ張られたとき、経糸１５ａと緯糸１５ｂとの交錯部に発生する摩擦抵抗によって、二股部２１ｅの広がりを抑制することができる。

（６）保持層１５は、経糸１５ａと緯糸１５ｂとを平織して形成された織物である。このため、経糸１５ａ及び緯糸１５ｂは、経糸１５ａ及び緯糸１５ｂにより区画される間隔が広がることを抑制しているため、結合糸２１が引っ張られても、保持層１５自体が広がらず、二股部２１ｅが広がることを抑制することができる。

（７）保持層１５は、積層体２０の最も外側に配設されている。よって、保持層１５は二股部２１ｅに一番近く、結合糸２１が引っ張られたときの二股部２１ｅの広がりを効率良く抑制することができる。

（８）第１抜け止め糸２２及び第２抜け止め糸２３を炭素繊維で形成した。このため、結合糸２１によって第１抜け止め糸２２及び第２抜け止め糸２３が引っ張られても、第１抜け止め糸２２及び第２抜け止め糸２３は切断されにくく、積層体２０を結合された状態に維持することができる。

（９）第１〜第４の強化繊維束層１１〜１４、保持層１５、結合糸２１、第１抜け止め糸２２、及び第２抜け止め糸２３を炭素繊維で形成した。このため、積層体２０は炭素材料のみで形成される。したがって、炭素材料以外の材料が混在することによる三次元繊維強化複合材１０の強度低下を無くすことができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。

実施形態では、積層体２０において第１抜け止め糸２２と第２抜け止め糸２３との間に、第１横断糸部２１ｂと第２横断糸部２１ｃとの交差部Ｋを形成したが、図４に示すように、交差部Ｋは形成しなくてもよい。

実施形態では、第１抜け止め糸２２と第２抜け止め糸２３とを同じ方向に延びる状態に配設したが、第１抜け止め糸２２と第２抜け止め糸２３とは多少延びる角度が異なっていてもよい。

結合糸２１、第１抜け止め糸２２、第２抜け止め糸２３及び第１〜第４の強化繊維束１１ａ〜１４ａを構成する繊維は炭素繊維に限らない。各繊維は、例えば、三次元繊維強化複合材１０に要求される物性に応じて、アラミド繊維、ポリ−ｐ−フェニレンベンゾビスオキサゾール繊維、及び超高分子量ポリエチレン繊維等から選択される高強度の有機繊維や、ガラス繊維及びセラミック繊維等から選択される無機繊維を使用してもよい。

実施形態では、経糸１５ａを第１の糸とし、緯糸１５ｂを第２の糸としたが、経糸１５ａを第２の糸とし、緯糸１５ｂを第１の糸としてもよい。

保持層１５をガラス繊維で形成してもよい。三次元繊維強化複合材１０がアルミニウム部材と接触して用いられた場合、積層体２０の最も外側に位置するとともにガラス繊維により形成された保持層１５によって電食を抑制することができる。

保持層１５は、朱子織りや綾織りであってもよい。

保持層１５は、不織布や樹脂膜で形成されていてもよい。

実施形態では、積層体２０の最も外側に保持層１５を設けたが、積層体２０において、抜け止め糸２２よりも二股部２１ｅの近くに位置しているのであれば、保持層１５は積層体２０の最外層よりも積層方向内側に設けられていてもよい。

実施形態では、第１〜第４の強化繊維束層１１〜１４を補助糸１１ｂ〜１４ｂでそれぞれ連結したが、これに限らない。例えば、第１〜第４の強化繊維束層１１〜１４の片面に設けた融着糸によって各強化繊維束１１ａ〜１４ａを連結してもよい。また、第１〜第４の強化繊維束層１１〜１４において、各強化繊維束１１ａ〜１４ａの軸方向の両端にピンを設け、このピンに連結糸を引っ掛けて各強化繊維束１１ａ〜１４ａを連結してもよい。

実施形態では、マトリックス樹脂３０として熱硬化性樹脂を用いたが、その他の種類の樹脂を用いてもよい。

結合糸２１、第１抜け止め糸２２、及び第２抜け止め糸２３は一本だけでもよい。

積層体２０は、２層又は３層の強化繊維束層を有しても良いし、５層以上の強化繊維束層を有していてもよい。

積層体２０とマトリックス樹脂３０とからなる三次元繊維強化複合材１０を製造する方法はＲＴＭ法に限らない。

Claims (7)

1. 積層方向に積層された複数の繊維束層を有する積層体であって、第１及び第２の最外層を含む前記積層体と、
   前記積層体に含浸されたマトリックス樹脂と、
   前記第１の最外層の表面に沿って配設される第１抜け止め糸と、
   前記第２の最外層の表面に沿って配設される第２抜け止め糸と、
   前記繊維束層を積層方向に結合する結合糸と、を有し、
   前記結合糸は、
   前記第１抜け止め糸の積層方向の外側を通るように折り返される折り返し部と、
   前記折り返し部に連続し、前記積層体内で前記第１抜け止め糸と前記第２抜け止め糸との間において積層方向に延びる第１横断糸部及び第２横断糸部と、
   前記第２の最外層の表面に沿って前記第２抜け止め糸と略直交する方向へ延びる表層糸部と、
   前記第２の最外層の表面に形成され、前記第１横断糸部及び第２横断糸部に連続する二股部と、を有し、
   前記二股部は、前記表層糸部が前記第２抜け止め糸の積層方向の外側で該第２抜け止め糸から相反する方向に向けて延び、かつ互いに交差することで形成される三次元繊維強化複合材。
2. 前記第１及び第２の最外層は、繊維束を有している三次元繊維強化複合材。
3. 前記第１抜け止め糸と前記第２抜け止め糸との間で、前記第１横断糸部と前記第２横断糸部とが交差している請求項１又は請求項２に記載の三次元繊維強化複合材。
4. 前記積層体が、前記積層方向において前記二股部の近くに位置する保持層を含む請求項１〜請求項３のうちいずれか一項に記載の三次元繊維強化複合材。
5. 前記保持層が第２の最外層である請求項４に記載の三次元繊維強化複合材。
6. 前記保持層は、互いに平行に並べられた複数の第１の糸と、互いに平行に並べられるとともに前記第１の糸と交差する方向に延びる複数の第２の糸とを備える織物であり、
   前記第１及び第２の糸の各々は繊維束である請求項４又は請求項５に記載の三次元繊維強化複合材。
7. 前記繊維束層、前記第１抜け止め糸、前記第２抜け止め糸、前記結合糸、及び前記保持層は、炭素繊維で形成されている請求項４〜請求項６のうちいずれか一項に記載の三次元繊維強化複合材。

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