JP5983305B2 - 三次元繊維構造体 - Google Patents

Description

本発明は、三次元繊維構造体に係り、詳しくは補強用のリブを有する三次元繊維構造体に関するものである。

繊維強化複合材は軽量の構造材料として広く使用されている。複合材用の強化基材として三次元織物（三次元繊維構造体）がある。この三次元織物を強化基材として、樹脂あるいは無機物をマトリックスとした複合材はロケット、航空機、自動車、船舶及び建築物の構造材として用いられている。そして、航空機や自動車等に使用される繊維強化複合材は燃費低減のため軽量化の要求が強い。

従来、軽量化を図るため、図６に示すように、基板部（ベース部）５１にＴ字状の補強リブ５２が厚さ方向糸ｚにより結合された三次元繊維構造体Ｗが提案されている（特許文献１参照）。三次元繊維構造体Ｗは、基板部５１及び補強リブ５２とも、それぞれ複数の糸層を積層して形成された面内４軸の配向となる積層糸群と、その厚さ方向に配列された厚さ方向糸ｚで構成されている。補強リブ５２と基板部５１とはその平面部が対応する位置においては、厚さ方向糸ｚが基板部５１の厚さ方向と平行に配列されている。また、屈曲部５４と対応する位置においては、厚さ方向糸ｚが基板部５１の厚さ方向に対して交差する状態で、屈曲部５４及び基板部５１を貫通するように配列されている。

特開平１１−２６９７５５号公報

特許文献１の三次元繊維構造体Ｗは、基板部５１上に複数のＴ字状の補強リブ５２が、隣り合う補強リブ５２同士が間隔を置いて厚さ方向糸ｚにより結合されている。そして、基板部５１及び補強リブ５２を形成する積層繊維層を結合する厚さ方向糸ｚの長さは、基板部５１のみの箇所と、基板部５１及び補強リブ５２のフランジ部５２ａが重なる箇所とでは異なる長さになる。そのため、厚さ方向糸ｚを挿入する場合、基板部５１のみの箇所と、基板部５１及び補強リブ５２のフランジ部５２ａが重なる箇所とで厚さ方向糸ｚの挿入条件の変更調整を行う必要があり、挿入の工数が大きくなる。

本発明は、前記の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、ベース部及びリブを有する三次元繊維構造体の製造時に、リブのフランジ部とベース部とを結合する結合糸を容易に挿入することができる三次元繊維構造体を提供することにある。

上記課題を解決する三次元繊維構造体は、ベース部及び前記ベース部と直交する複数のリブを有し、前記ベース部及び前記複数のリブは繊維層が積層された少なくとも２軸配向となる積層繊維層が結合糸で結合されて構成されている。そして、前記リブはリブ本体及びフランジ部を有するリブ中間体を２個結合してＩ型状又は逆Ｔ字状に形成され、隣り合う前記リブの前記フランジ部の先端同士が付き合わされており、前記フランジ部が前記ベース部のリブ取り付け面を全て覆った状態で、かつ前記ベース部と前記フランジ部とが重なった部分の厚さが一定の状態で、前記結合糸により結合されている。

この構成によれば、リブのフランジ部がベース部のリブ取り付け面を全て覆った状態で、かつベース部とフランジ部とが重なった部分の厚さが一定の状態で、結合糸により結合されるため、リブのフランジ部とベース部とを結合するために、ベース部の厚さ方向と平行に挿入される結合糸の挿入長さが一定になる。したがって、ベース部及びリブを有する三次元繊維構造体の製造時に、リブのフランジ部とベース部とを結合する結合糸を容易に挿入することができる。

前記リブの厚さは、前記フランジ部及び前記ベース部が重なった部分と同じ厚さに形成されていることが好ましい。この構成によれば、リブの本体部、即ちフランジ部で支えられてベース部に固定される部分への結合糸の挿入を、フランジ部及びベース部の重なり部に結合糸を挿入する際と同じストロークで行うことができる。

前記ベース部及び前記リブは、連続繊維からなる繊維層が積層された少なくとも２軸配向となる積層繊維層が結合糸としての厚さ方向糸で結合されて構成されており、前記リブは、隣り合う前記リブの前記フランジ部の先端同士が突き合わされる端面に段差部を有することが好ましい。この構成によれば、三次元繊維構造体を強化基材として繊維強化複合材を形成した際に、フランジ部の先端同士が突き合わされる端面が平坦な場合に比べて、フランジ部の突き合わせ位置と対応する箇所における曲げ強度が高くなる。

本発明によれば、ベース部及びリブを有する三次元繊維構造体の製造時に、リブのフランジ部とベース部とを結合する結合糸を容易に挿入することができる。

（ａ）は一実施形態の三次元繊維構造体の模式斜視図、（ｂ）はリブの模式斜視図、（ｃ）は積層繊維層と結合糸との関係を示す拡大部分模式図、（ｄ）はリブにおける結合糸の挿入状態を示す模式図、（ｅ）は三次元繊維構造体における結合糸の挿入状態を示す模式図。 別の実施形態の三次元繊維構造体の模式斜視図。 別の実施形態の三次元繊維構造体の模式斜視図。 別の実施形態の三次元繊維構造体の模式図。 別の実施形態の三次元繊維構造体の模式図。 従来技術の三次元繊維構造体の模式図。

以下、三次元繊維構造体の一実施形態を図１にしたがって説明する。
図１（ａ）に示すように、三次元繊維構造体１０は、ベース部１１及びベース部１１と直交するリブ１２を有する。図１（ａ）に示すように、ベース部１１は、長手方向と直交する断面形状がコ字状に形成されている。図１（ｂ）に示すように、リブ１２は、断面形状がコ字状のリブ中間体１３を２個結合して略Ｉ型状に形成され、リブ本体１２ａの上下両端にフランジ部１２ｂを有し、上下対称、かつ左右対称の形状に形成されている。

リブ本体１２ａの厚さ及びフランジ部１２ｂとベース部１１とが重なった部分の厚さは、三次元繊維構造体１０を強化基材として使用する繊維強化樹脂の要求強度に適した厚さに設定される。この実施形態では、リブ本体１２ａの厚さ及びフランジ部１２ｂとベース部１１とが重なった部分の厚さは同じに設定されている。即ち、ベース部１１の厚さｔ及びフランジ部１２ｂの厚さｔは、リブ本体１２ａの厚さ２ｔの１／２に設定されている。

ベース部１１及びリブ１２は、図１（ｃ）に示すように、連続繊維からなる繊維層１４が積層された少なくとも２軸配向となる積層繊維層１５が結合糸としての厚さ方向糸ｚで結合されて構成されている。この実施形態では、積層繊維層１５は、配列角度が０度、９０度、±４５度の繊維層１４が複数積層されて４軸配向に形成されている。積層繊維層１５は、厚さが、例えば、５〜１０ｍｍ程度に形成されている。連続繊維及び厚さ方向糸ｚとしては、例えば、炭素繊維が使用される。炭素繊維はフィラメント数が数百〜数万本程度であり、要求性能に適した本数の繊維束が選択される。なお、図１（ａ），（ｂ）においては、厚さ方向糸ｚの図示を省略している。

図１（ａ），（ｅ）に示すように、リブ１２は、フランジ部１２ｂがベース部１１のリブ取り付け面１１ａを全て覆った状態で、かつベース部１１とフランジ部１２ｂとが重なった部分の厚さが一定の状態で、図１（ｅ）に示すように厚さ方向糸ｚで結合されている。

図１（ｄ）に示すように、リブ１２は、リブ本体１２ａとフランジ部１２ｂの部分とで厚さ方向糸ｚの挿入密度が異なり、フランジ部１２ｂの部分の挿入密度が小さくなっている。これは、フランジ部１２ｂに対しては、リブ１２をベース部１１と結合する際に、ベース部１１及びフランジ部１２ｂを貫通するように厚さ方向糸ｚが挿入されるため、その分、挿入密度が小さくなっている。

次に前記のように構成された三次元繊維構造体１０の製造方法の一例を説明する。三次元繊維構造体１０を製造する場合、ベース部１１の形状に対応した枠体を使用して、ベース部１１を製作し、リブ１２を左右半分にした形状に対応した枠体を使用して、リブ中間体１３を製作する。そして、図１（ｄ）に示すように、２つのリブ中間体１３を厚さ方向糸ｚで結合してリブ１２を形成する。積層繊維層１５に厚さ方向糸ｚを挿入する厚さ方向糸挿入装置として、例えば、特許文献１に記載された装置と基本的に同様の装置を使用することができる。ただし、厚さ方向糸ｚは、リブ本体１２ａの部分を除き、ハンドリングを可能にする程度の粗い間隔で予備的に挿入される。

次に図１（ｅ）に示すように、複数のリブ１２を、隣り合うリブ１２のフランジ部１２ｂの先端同士を突き合わせた状態で、複数のリブ１２がベース部１１のリブ取り付け面１１ａを全て覆った状態にセットする。そして、厚さ方向糸挿入装置により、厚さ方向糸ｚをベース部１１とフランジ部１２ｂとが重なった部分に挿入してリブ１２をベース部１１に結合する。

ベース部１１及びフランジ部１２ｂは厚さが一定に形成されているため、厚さ方向糸ｚの挿入長さが一定の状態でベース部１１とフランジ部１２ｂとが結合される。そのため、従来技術のように隣り合うリブ１２のフランジ部１２ｂが離れた状態でベース部１１上に配置されたリブ１２を厚さ方向糸ｚで結合する場合と異なり、ベース部及びリブを有する三次元繊維構造体の製造時に、リブ１２のフランジ部１２ｂとベース部１１とを結合する厚さ方向糸ｚの挿入が容易になる。なお、リブ１２の屈曲部と対応する箇所には、必要に応じて厚さ方向糸ｚがベース部１１の厚さ方向に対して傾斜する状態で挿入される。

従来技術では、ベース部１１の必要強度はベース部１１のみで確保する必要があり、フランジ部１２ｂの部分は製品の重量増加に繋がった。しかし、前記のように構成された三次元繊維構造体１０は、ベース部１１の厚さとフランジ部１２ｂの厚さの合計が製品の必要強度に対応するように設計することで、製品の軽量化を図ることができる。

前記のように構成された三次元繊維構造体１０は、繊維強化複合材、例えば、繊維強化樹脂の強化基材として使用される。繊維強化樹脂のマトリックス樹脂としては、熱硬化性樹脂、例えば、エポキシ樹脂が使用される。三次元繊維構造体１０は、リブ１２のフランジ部１２ｂがベース部１１のリブ取り付け面１１ａを全て覆った状態で、かつベース部１１とフランジ部１２ｂとが重なった部分の厚さが一定の状態で、厚さ方向糸ｚにより結合されているため、従来技術と異なり、段差部がない。そのため、得られた繊維強化樹脂は、応力集中が起こり難い。

この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）三次元繊維構造体１０は、ベース部１１及びベース部１１と直交するリブ１２を有し、ベース部１１及びリブ１２は繊維層１４が積層された少なくとも２軸配向となる積層繊維層１５が結合糸（厚さ方向糸ｚ）で結合されて構成されている。そして、リブ１２はフランジ部１２ｂを有し、フランジ部１２ｂがベース部１１のリブ取り付け面１１ａを全て覆った状態で、かつベース部１１とフランジ部１２ｂとが重なった部分の厚さが一定の状態で、厚さ方向糸ｚにより結合されている。そのため、リブ１２のフランジ部１２ｂとベース部１１とを結合するために、ベース部１１の厚さ方向と平行に挿入される厚さ方向糸ｚの挿入長さが一定になる。したがって、ベース部１１及びリブ１２を有する三次元繊維構造体１０の製造時に、リブ１２のフランジ部１２ｂとベース部１１とを結合する厚さ方向糸ｚを容易に挿入することができる。また、ベース部１１の厚さとフランジ部１２ｂの厚さの合計が製品の必要強度に対応するように設計することで、製品の軽量化を図ることができる。

（２）リブ１２の厚さは、フランジ部１２ｂ及びベース部１１が重なった部分と同じ厚さに形成されているため、リブ１２のリブ本体１２ａ、即ちフランジ部１２ｂで支えられてベース部１１に固定される部分への結合糸（厚さ方向糸ｚ）の挿入を、フランジ部１２ｂ及びベース部１１の重なり部に結合糸を挿入する際と同じストロークで行うことができる。そのため、結合糸の挿入がより容易になる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ ベース部１１の形状は長手方向と直交する断面形状がコ字状に限らず、例えば、図２に示すように、長手方向と直交する断面形状がＬ字状であってもよい。この場合、リブ１２も略Ｉ字状の形状ではなく、断面逆Ｔ字状の形状に形成される。

○ ベース部１１の形状は立体的な形状に限らず、平面状であってもよい。例えば、図３に示すように、平板状のベース部１１上に、断面逆Ｔ字状に形成されたリブ１２がフランジ部１２ｂにおいて結合された構成としてもよい。

○ リブ１２は、フランジ部１２ｂの端面が平坦に限らず、例えば、図４に示すように、フランジ部１２ｂが段差部１６を有する状態に形成されていてもよい。フランジ部１２ｂの端面が平坦な場合、隣り合うリブ１２のフランジ部１２ｂの突き合わせ面がベース部１１に垂直な一平面上に位置する状態になり、リブ１２を構成する繊維でその平面を跨ぐように配列されたものがない。一方、フランジ部１２ｂが段差部１６を有する状態に形成された場合は、隣り合うリブ１２のフランジ部１２ｂの突き合わせ面がずれた状態となり、任意の位置においてベース部１１に垂直な一平面を跨ぐように配列された繊維が必ず存在する状態となる。そのため、三次元繊維構造体１０を強化基材として繊維強化複合材を形成した際に、フランジ部１２ｂの端面が平坦な場合に比べて、フランジ部１２ｂの突き合わせ位置と対応する箇所における曲げ強度が高くなる。

○ リブ１２の形状は、リブ本体１２ａの端部両側にフランジ部１２ｂを有する略Ｉ字状や逆Ｔ字状に限らない。例えば、図５に示すように、略Ｕ字状、即ち一対のリブ本体１２ａの端部が１つのフランジ部１２ｂで連結された形状であってもよい。このリブ１２を使用する場合は、ハンドリングが容易な数の隣り合うリブ１２のリブ本体１２ａ同士を予め厚さ方向糸ｚ結合した物をベース部１１上に配置して、ベース部１１とフランジ部１２ｂとを厚さ方向糸ｚで結合してもよい。しかし、リブ１２をフランジ部１２ｂにおいてベース部１１に厚さ方向糸ｚで結合した後、リブ本体１２ａ同士を厚さ方向糸ｚで結合してもよい。

○ リブ１２の形状はベース部１１から垂直に突出する部分（リブ本体１２ａ）が単純な平板に限らず、先端側が屈曲した形状であってもよい。
○ リブ１２の厚さは、フランジ部１２ｂ及びベース部１１が重なった部分と同じ厚さに限らない。リブ１２及びベース部１１に要求される強度によって、リブ１２の厚さをフランジ部１２ｂ及びベース部１１が重なった部分の厚さに比べて厚くしたり、薄くしたりしてもよい。

○ 三次元繊維構造体１０を構成するベース部１１及びリブ１２を構成する積層繊維層１５は繊維の配列角度が０度、９０度、±４５度の４軸配向に限らず、少なくとも２軸配向であればよい。例えば、配列角度が０度、６０度及び−６０度に配列した連続繊維で面内３軸配向としたり、配列角度が０度と９０度の２軸配向としたりしてもよい。しかし、４軸配向の方が擬似等方性となるため好ましい。

○ 結合糸としての厚さ方向糸ｚは、抜け止め糸と共同で各繊維層１４を締め付けるように配列されたものに限らない。例えば、特開平６−１８４９０６号公報に開示された繊維構造体のように、チェーンステッチ方式で厚さ方向糸ｚ自身が抜け止め機能を果たすように各糸層を貫通して締め付ける構成としてもよい。また、針を用いて１本の結合糸（厚さ方向糸ｚ）が積層繊維層１５に一方の面から挿通され、他方の面で貫通位置を変えて折り返すように挿通されることを繰り返すステッチ糸であってもよい。

○ 結合糸（厚さ方向糸ｚ）の挿入間隔（密度）は、目的とする複合材に要求される強度に対応して設定される。
○ 積層繊維層１５は、配列角度が同じ連続繊維がそれぞれ一平面上に位置するように配列されて構成された繊維層１４が積層された構成に限らず、繊維層１４として織物が積層された構成であってもよい。織物としては、例えば、平織りの織物に限らず、二重織り等の多層織りで形成された織物を積層してもよい。この場合、連続繊維を配列した繊維層を積層して積層繊維層１５を構成するより、積層繊維層１５の形成を短時間で行うことができる。

○ 繊維強化樹脂のマトリックス樹脂は熱硬化性樹脂に限らず、熱可塑性樹脂、例えば、ナイロンを使用しても良い。
以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。

（１）請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の発明の三次元繊維構造体を強化基材とした繊維強化複合材。

１０…三次元繊維構造体、１１…ベース部、１１ａ…リブ取り付け面、１２…リブ、１２ｂ…フランジ部、１４…繊維層、１５…積層繊維層、１６…段差部。

Claims (3)

1. ベース部及び前記ベース部と直交する複数のリブを有し、前記ベース部及び前記複数のリブは繊維層が積層された少なくとも２軸配向となる積層繊維層が結合糸で結合されて構成された三次元繊維構造体であって、
   前記リブはリブ本体及びフランジ部を有するリブ中間体を２個結合してＩ型状又は逆Ｔ字状に形成され、隣り合う前記リブの前記フランジ部の先端同士が付き合わされており、前記フランジ部が前記ベース部のリブ取り付け面を全て覆った状態で、かつ前記ベース部と前記フランジ部とが重なった部分の厚さが一定の状態で、前記結合糸により結合されていることを特徴とする三次元繊維構造体。
2. 前記リブの厚さは、前記フランジ部及び前記ベース部が重なった部分と同じ厚さに形成されている請求項１に記載の三次元繊維構造体。
3. 前記ベース部及び前記リブは、連続繊維からなる繊維層が積層された少なくとも２軸配向となる積層繊維層が結合糸としての厚さ方向糸で結合されて構成されており、前記リブは、隣り合う前記リブの前記フランジ部の先端同士が突き合わされる端面に段差部を有する請求項１又は請求項２に記載の三次元繊維構造体。