JP6217254B2

JP6217254B2 - 繊維強化プラスチック製部材

Info

Publication number: JP6217254B2
Application number: JP2013184707A
Authority: JP
Inventors: 守神田; 昇朝日; 博英和田; 寛越智
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 2013-09-06
Filing date: 2013-09-06
Publication date: 2017-10-25
Anticipated expiration: 2033-09-06
Also published as: JP2015051550A

Description

本発明は、磁気シールド性を持つ繊維強化プラスチックからなる部材に関する。

従来、強力な磁界が発生する核磁気共鳴画像法（MRI）による診断設備や、その他の各種超伝導磁石等を利用した設備・機器等においては、周囲の電子機器の誤作動を防いだり、操作室や試験室、人体等を保護したりする目的で、特定の磁場をシールドするシールド材料が適用されてきた。シールド材料として好適に用いられる強磁性体には、酸化鉄、酸化クロム、コバルト、フェライトなどがあるが、いずれも比重の大きな金属である。特に車両や航空機など、軽量化が強く求められる構造体では、重量的に有利な金属製の磁気異方性材料を使用しても、部材の軽量化には限界がある。また、これらの材料は、変形させることで磁気特性が変化するため、通常の金属材料のようにプレス成形などで曲げることにより、薄板で剛性を高める構造の採用も困難である。このため必要な剛性を確保する点から薄肉化に限界があり、これに伴って部材の軽量化は通常の金属部材よりも困難である。

特許文献１によれば、繊維形状の磁性体の場合、形状を反映した形状磁気異方性が支配的になり、繊維の長手方向が磁化容易方向となる。材料中に繊維形状の強磁性体が配向した場合、この材料は磁気異方性を呈し、この磁気異方性の大きさは配向度に依存する。つまり、磁気異方性を測定することで材料中の強磁性体繊維の配向度を測定することが可能なことが示されている。しかしながら、特許文献１では、強磁性体繊維を配向させることの有意な利用方法にまでは言及されていない。

また、非特許文献１に示されるように、静磁場をシールドするためには、強磁性体を設置してそこに磁束を集めることにより、その他の部分の磁界を低減することが必要となる。特に、シールドしたい場所の磁界の流れを把握して、必要な方向に磁化容易軸を持つ磁気異方性材料の使用が、材料使用量や重量軽減の点で望ましいことが示されている。

特開２００１−９１５０２号公報

「磁界の流れを探る」笹川卓、公益財団法人鉄道総合技術研究所、ＲＲＲ２００８年１月号

そこで本発明は、上記の問題点に鑑み、形状に制約されることなく必要な磁気シールド性能を発揮することができるとともに、構造体として必要な物理特性を有し、さらにできる限りの軽量化を達成する材料、またその材料を用いた部材を提供することを目的とする。

鋭意検討の結果、強磁性体からなる強化繊維を有する繊維強化プラスチックとすることで、上記課題を解決することが可能なことを見出した。
つまり、本発明は、少なくとも１種類の強磁性体からなる強化繊維４と、少なくとも１種類の非磁性体からなる強化繊維５とを含み、強磁性体からなる強化繊維４が引き揃えられた連続繊維であるとともに磁気異方性を有することを特徴とする繊維強化プラスチック製部材を用いるものである。
ここで、強磁性体からなる強化繊維４が連続繊維であると、配向させた方向に対して荷重を効率的に分担するため、繊維強化プラスチック全体の剛性や強度が向上する。
また、強磁性体からなる強化繊維４が、引き揃えられていくつかの方向に配向されていると、様々な方向の磁気性能を自由に設計できる。

強磁性体の、磁気異方性の発生要因は主に２通りある。１つは結晶の対称性を反映した結晶磁気異方性であり、もう１つは強磁性体の形状を反映した形状磁気異方性である。

一般的に用いられている金属製の磁気異方性材料は、通常平板として供給されるが、これは磁気性能に対する形状の与える影響が少なく、結晶の対称性により磁気異方性を実現している。このため、曲げ加工など塑性変形を施すと、磁気性能が変化する可能性がある。

一方、繊維形状の強磁性体の場合、形状に拠る磁気異方性が支配的になり、繊維の長手方向が磁化容易軸方向となる。このため、本発明で用いるように、強磁性体からなる強化繊維４を引き揃えることによって、これを含む繊維強化プラスチックは、その引き揃えた特定方向の磁化容易軸を持つ磁気異方性材料となる。ここで、繊維状の強磁性体を用いているため、曲面に成形しても形状による磁気異方性発現効果は保たれ、曲面形状の部材でも磁気異方性の方向を設計できる。

この場合、磁化容易軸方向の磁気特性（透磁率や飽和磁束密度など）を決定するのは、使用する強磁性体の材質と、強磁性体としての強化繊維の径や長さ、および部材中における含有量である。つまり、本発明では、強磁性体からなる強化繊維４の材質、径、長さ、さらには部材中における強化繊維４の含有量、および引き揃える方向を調整することで、繊維強化プラスチックに特有の、強度や剛性の設計自由度の高さと同様に、磁気特性についても、その方向や大きさについて高い設計自由度を有する材料とすることができる。
また、磁界の流れが概ね一方向に限定されている磁場においては、強磁性体からなる強化繊維４を一方向に含んだ強化繊維プラスチックが、軽量化や材料費用の面から好ましいことになる。つまり、強磁性体からなる強化繊維４が配向されている方向のうち、少なくとも１つの方向を、部材が配置される箇所の磁界の流れの場に沿った方向とすることで、強化繊維４の使用量を抑えつつ、高い磁気シールド性能を持つ部材を提供することができる。
また、強磁性体からなる強化繊維を用いた繊維強化プラスチックの磁化容易軸方向は、通常、強磁性体を有する繊維の長手方向となる。このとき、反磁界の影響を小さくする観点から、短手方向における磁化の大きさと、長手方向の磁化の大きさとの異方性は大きい方が好ましく、長手方向の磁化の大きさが、短手方向との比で１０倍以上有することが好ましい。この場合の磁化の異方性とは、板状に形成した繊維強化プラスチックの面方向における磁化の大きさを測定することにより求めることができる。磁化の大きさの測定には、例えば振動式磁力計（（株）東栄科学産業製、ＰＶ−Ｍ２０−５）を用いることができる。
このとき、強磁性体からなる強化繊維４を特定方向に引き揃えた繊維強化プラスチックは、強度や弾性率においても、同じ方向の異方性を有しており、そのままでは他方向の強度・弾性率が不足する場合がある。この場合は、強度・弾性率が必要な、磁化容易軸方向とは異なる方向にも、強化繊維を配向しなければならない。しかしながら、磁化容易軸とは異なる方向の強度・弾性率を高めるためには、上述した磁化の大きさの異方性を確保することも考慮すると、特定方向に引き揃えた強磁性体からなる強化繊維とは異なる種類の強化繊維を用いることが好ましい。より好ましくは、非磁性体からなる強化繊維５が、強磁性体からなる強化繊維４の配向されていない方向に引き揃えられていると、磁化の大きさの異方性を確保しつつ、磁化容易軸方向以外にも高い強度・弾性率を有する材料を提供することができる。すなわち、強化繊維４の配向された方向以外の磁気シールド性と、繊維強化プラスチック自身の高強度、高弾性率といった材料特性とを両立し得ることができる。
また、強磁性体からなる強化繊維４の材質が軟磁性タイプであると繊維の使用量を抑えつつ、高い磁気シールド性能を持つ部材を提供することができるため好ましく、中でも保磁力が１０Ａ／ｍ以下の材質を用いることが好ましい。本発明では、Ｆｅ（カルボニル鉄）、Ｆｅ−Ｎｉ合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｍｏ合金、Ｆｅ−Ｃｏ合金、Ｆｅ−Ｃｒ合金、Ｆｅ−Ｓｉ合金、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ合金、Ｆｅ−Ａｌ合金、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｓｉ合金、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金、Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ合金などのＦｅ合金類、Ｆｅ基アモルファス、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｓｉ−ＢなどのＣｏ基アモルファス合金、Ｍｇ−Ｚｎフェライト、Ｍｎ−Ｚｎフェライト、Ｍｎ−Ｍｇフェライト、Ｃｕ−Ｚｎフェライト、Ｍｇ−Ｍｎ−Ｓｒフェライト、Ｎｉ−Ｚｎフェライト、Ｂａフェライトなどの各種フェライトを用いることができる。なかでも、高強度の特性を持つ磁性材料が好ましく、Ｆｅ基アモルファス合金やＣｏ基アモルファス合金を用いることが好ましい。また、これらの強磁性強化繊維を２種類以上組み合わせて使用しても良い。
強磁性体からなる強化繊維４の径は、０．００１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下であることが好ましい。０．００１ｍｍ以上あれば繊維の強度を低下させることなく繊維強化プラスチックを形成することができる。０．３ｍｍ以下であれば反磁界の影響が小さく、磁化容易方向の磁束を集める効果を大きくすることができる。また、径の異なる繊維を２種類以上組み合わせることで、強磁性体からなる強化繊維の密度を向上させることができる。つまり、適切な繊維径とすることで、本発明により提供される部材の磁気シールド効果を高めることが可能になる。

このとき、強磁性体からなる強化繊維４は、必ずしも単一の素材からなるものでなく、強化繊維そのものが一種の複合材料からなっていてもよい。例えば、強化繊維として一般的なガラス繊維や炭素繊維の表面に、一般的な技術を用いてニッケルなどの強磁性体素材をコーティングして、強磁性体からなる強化繊維４とすることも出来る。この場合、強磁性体素材の含有量は少なくなるため、磁気性能としては低下するが、繊維強化プラスチック部材の重量は軽量化することが出来る。

ここで、本発明の繊維強化プラスチックに用いられる強化繊維４および５は、単繊維の状態でも、それが束になったストランドの状態でも良い。また、いずれの場合も、繊維そのままの形状でなく、例えば織物や組紐状の中間基材を形成していても良い。中間基材は、強磁性体からなる強化繊維４と、非磁性体からなる強化繊維５の混織状態とすることも出来る。この場合、繊維強化プラスチック製部材に必要な、磁気異方性の方向が実現できるように、中間基材を適切に設計する必要がある。
また、非磁性体からなる強化繊維５の比重が、強磁性体からなる強化繊維４の比重よりも小さければ、繊維強化プラスチック部材全体の軽量化を図ることが出来る。特に強度・弾性率を維持しながら軽量化を図るためには、非磁性体からなる強化繊維５は、強磁性体からなる強化繊維４よりも比強度・比弾性率が高い強化繊維を配向することが好ましい。例えば、炭素繊維やガラス繊維など、繊維強化プラスチックに一般的に使用されている強化繊維は非磁性体であり、強磁性体からなる強化繊維１に比べて、一般的に高い比強度・比弾性率を有しているので、これらの強化繊維を用いることが望ましい。

ここで、構造体としての用途にもよるが、板状の部材には、面外方向の曲げ剛性の高さが求められることが多く、かつ、方向によって曲げ剛性が異なる異方性を持たせることが最適設計につながる場合が多い。本発明では、少なくとも２種類の強化繊維を、一体の繊維強化プラスチック部材に用いることになるので、部材が板状である場合は、より弾性率の高い強化繊維を板厚中心から遠い最表層、または表層に近い位置に配置することで、曲げ剛性を効率的に高める設計が可能である。
同様の観点から、曲げ剛性を高めるための手段として、通常の繊維強化プラスチックに採用される、コア材を用いたサンドイッチ構造とすることも出来る。

本発明の繊維強化プラスチックに用いられるマトリクス樹脂は、一般的な繊維強化プラスチックのマトリックス樹脂として利用可能な種類の樹脂であれば特に限定されない。例えばエポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂などの熱硬化性樹脂を用いることも出来る。また、ナイロン樹脂やポリカーボネート樹脂などの熱可塑樹脂も用いることが出来る。

本発明の繊維強化プラスチックの成形方法は特に限定されない。プリプレグ化してオートクレーブやホットプレスで成形する方法や、レジントランスファーモールディング（ＲＴＭ）法、その他フィラメントワインディング法、引抜成形法、ハンドレイアップ法、など、一般的な繊維強化プラスチックの成形法が適用可能である。

本発明によれば、必要な磁気シールド性能を持ちながら、形状に制約されることなく必要な磁気シールド性能を発揮することができるとともに、構造体として必要な物理特性を有し、さらにできる限りの軽量化を達成する材料、またその材料を用いた部材を提供することができる。

本発明の実施態様を示す繊維強化プラスチック平板の概略斜視図である。強磁性体からなる強化繊維を引き揃える方法の一例を示す概略斜視図である。本発明の一つの実施態様からなる繊維強化プラスチック製平板１の磁化量の測定結果である。比較例１における０．３ｍｍ厚鉄板の磁化量の測定結果である。実施例２において、投入ワイヤー量を実施例１の半分にしたサンプルの磁化量の測定結果である。実施例３において、投入ワイヤーの長さを実施例２の８０％にしたサンプルの磁化量の測定結果である。

以下、本発明の実施の態様について実施例を用いて説明する。

（実施例１）
図１は、本発明に係る実施態様における、繊維強化プラスチック製の平板を示す。繊維強化プラスチック製平板１は、中央層２と、炭素繊維強化プラスチックからなる両面の表層３からなる。

図２は、中央層２の成形方法を示す。強化繊維４は、一般的に「番線＃３０」と呼ばれる、鉄製の直径約０．３ｍｍのワイヤーである。これを、事前に離型剤を塗布したアルミ製の平板マンドレル６に、重ならないようにかつ隙間が開かないように、張力をかけながら必要な幅に巻きつけ、その後エポキシ樹脂を塗布して、フィルムでマンドレルごと包み、ホットプレス機で硬化させた。エポキシ樹脂の硬化後に、マンドレル端部の連続するワイヤーと樹脂を切断し、マンドレル両面からワイヤーを強化繊維とした繊維強化プラスチック板２枚を得、うち１枚を１００ｍｍ角にトリミングして、中央層２を製作した。

製作した中央層２の両面に、片面あたり２層の合計４層の１００ｍｍ角に切断した東レ（株）製“トレカ（登録商標）”プリプレグＰ３０５２Ｓ−１５を、プリプレグの炭素繊維が中央層２の強化繊維４であるワイヤーと直交する方向に配置し、ホットプレス機により硬化、同時接着して、繊維強化プラスチック製平板１を得た。繊維強化プラスチック製平板１の重量は、約２６ｇ、厚さは約０．９ｍｍであった。このうちワイヤーの重量は約１６ｇを占めていた。

得られた繊維強化プラスチック製平板１から９ｍｍ角の磁気特性測定用サンプルを切り出し、振動式磁力計（（株）東栄科学産業製、ＰＶ−Ｍ２０−５）用いて、中央層２に配置した強化繊維４であるワイヤーの方向と、それに直交する方向の磁化の大きさを測定した。測定結果を図３に示す。横軸にサンプルに加えた磁場の大きさを、縦軸にサンプルの磁化の大きさを示す。サンプルの磁化が未飽和状態である２０ｍＴの印加磁場で比較した場合、ワイヤー方向の磁化の値は１６．９ｍＴ、直交する方向の磁化の値は１．６ｍＴであった。また磁化の最大値は２４．６ｍＴであった。つまり、ワイヤー方向の磁化の大きさは、その垂直方向に比べ１０倍以上の大きさとなる１０．５倍であり、磁化の大きな異方性を確認することが出来た。
（比較例１）
実施例１で用いた「番線＃３０」と呼ばれるワイヤーと同材質で、厚さ０．３ｍｍの鉄板より、９ｍｍ角の磁気特性測定用サンプルを切り出し、振動式磁力計（（株）東栄科学産業製、ＰＶ−Ｍ２０−５）を用いて同様に磁化の大きさを測定した。このとき、１００ｍｍ角の鉄板の重量は約２２ｇであった。

測定結果は図４に示すとおり、磁化の最大値は２４．６ｍＴであった。これは実施例１における中央層の強化繊維であるワイヤー方向の磁化量測定結果とほぼ一致した。これより、強磁性体の形状効果により、特定の方向の磁化特性を、強磁性体の投入量対比向上できることが分かった。
（実施例２）
実施例１と同じ構成で、「番線＃３０」と呼ばれるワイヤーの投入量を実施例１の半分、すなわち１００ｍｍ角あたり約８ｇとした繊維強化プラスチック製平板１を作成し、これより９ｍｍ角の磁気特性測定用サンプルを切り出し、振動式磁力計（（株）東栄科学産業製、ＰＶ−Ｍ２０−５）を用いて同様に磁化の大きさを測定した。

測定結果は図５に示すとおり、磁化の最大値は１４．１ｍＴであった。これは、実施例１における中央層２に配置した強化繊維４であるワイヤー方向の磁化量測定結果に対し、およそ半分の磁化量であった。これより、強磁性体の形状が同じであれば、磁化量は強磁性体の投入量におよそ比例することが分かった。
（実施例３）
実施例２と同じ構成、かつ同じワイヤー投入量とした繊維強化プラスチック製平板１を作成し、これよりワイヤー方向が７ｍｍ、ワイヤーと垂直な方向が９ｍｍの磁気特性測定用サンプルを切り出し、振動式磁力計（（株）東栄科学産業製、ＰＶ−Ｍ２０−５）を用いて同様に磁化の大きさを測定した。ワイヤーの投入量は約２０％の減少となった。

測定結果は図６に示すとおり、磁化の最大値は９．７ｍＴであった。実施例２に対して磁化量は約３０％減少した。これより、強磁性体の形状効果としては、単純に比例はしないが、形状が細長い方が特定の方向の磁化特性を、強磁性体の投入量対比向上できることが分かった。

１：繊維強化プラスチック製平板
２：中央層（強磁性体からなる強化繊維を含む繊維強化プラスチック層）
３：表層（非磁性体からなる強化繊維を含む繊維強化プラスチック層）
４：強磁性体からなる強化繊維
５：非磁性体からなる強化繊維
６：成形用マンドレル

Claims

少なくとも１種類の強磁性体からなる強化繊維と、少なくとも１種類の非磁性体からなる強化繊維とを含み、前記強磁性体からなる強化繊維が引き揃えられた連続繊維であるとともに磁気異方性を有することを特徴とする繊維強化プラスチック製部材。
前記強磁性体からなる強化繊維が、いくつかの方向に配向されていることを特徴とする、請求項１に記載の繊維強化プラスチック製部材。
前記強磁性体からなる強化繊維が配向されている方向の内少なくとも１方向が、部材が配置される箇所の磁界の流れの場に沿った方向であることを特徴とする、請求項２に記載の繊維強化プラスチック部材。
前記強磁性体からなる強化繊維が配置された方向における磁化の大きさが、前記方向に直交する方向の１０倍以上であることを特徴とする請求項２または３に記載の繊維強化プラスチック部材。
前記非磁性体からなる強化繊維が、前記強磁性体からなる強化繊維の配向されていない方向に引き揃えられて配向されていることを特徴とする、請求項２〜４のいずれかに記載の繊維強化プラスチック製部材。
前記強磁性体からなる強化繊維の材質が、軟磁性材料であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の繊維強化プラスチック製部材。
強磁性体からなる強化繊維の径が０．００１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の繊維強化プラスチック製部材。
非磁性体からなる強化繊維の比重が、強磁性体からなる強化繊維の比重よりも小さいことを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の繊維強化プラスチック製部材。
少なくとも１種類の強磁性体からなる強化繊維と、少なくとも１種類の非磁性体からなる強化繊維とを含み、前記強磁性体からなる強化繊維が磁気異方性を有する外皮層と、外皮層に挟まれたコア層とが一体化されてサンドイッチ構造を有することを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の繊維強化プラスチック製部材。