JP6252325B2 - 繊維強化複合材 - Google Patents

Description

本発明は、繊維強化複合材料からなる部材（以下、「繊維強化複合材」と称する）に関する。

繊維強化複合材は、航空機や車両などの構造部材として広く採用されており、自動車分野では、例えば、ピラーなどのフレーム部材やルーフパネルなどの板状部材として採用されている。特許文献１は、繊維強化複合材を自動車側部のピラーに適用した例を開示している。

特許４１１８２６３号公報

ところで、ルーフパネルなど長方形の外形を有する板状の繊維強化複合材では、その剛性を高めるために、対角同士を結ぶ２本の直線（対角線）に平行に強化繊維の配向方向を設定することがある。しかし、そのように強化繊維の配向方向を設定すると、繊維強化複合材の面内剛性の等方性が損なわれるために、熱成形後に樹脂の熱収縮によるひずみが生じる恐れがあった。

本発明は、繊維強化複合材の剛性を高めつつ熱成形後の樹脂の熱収縮によるひずみを抑制することを目的とする。

本発明の第１の態様は、２本の対角線のなす角のうち小さい方の角（以下、「交差角」ともいう）が６０°より小さい四角形状の外形を有する繊維強化複合材である。この繊維強化複合材では、対角線のなす角のうち大きい方の角（以下、「交差角の補角」ともいう）の二等分線と平行に配向された第３繊維材の剛性が、対角線に平行に配向された第１及び第２繊維材の剛性より高く設定されている。

本発明の第２の態様は、２本の対角線の交差角が６０°より大きくかつ９０°より小さい四角形状の外形を有する繊維強化複合材である。この繊維強化複合材では、交差角の補角の二等分線と平行に配向された第３繊維材の剛性が、対角線に平行に配向された第１及び第２繊維材の剛性より低く設定されている。

上記繊維強化複合材では、第１及び第２繊維材がそれぞれ対角線に平行に配向されているので、対角同士を結ぶように第１繊維材または第２繊維材が架設されて、繊維強化複合材の剛性が向上する。また、対角線の交差角が６０°より小さい場合は、第３繊維材の剛性を第１繊維材の剛性より高くかつ第２繊維材の剛性より高く設定し、対角線の交差角が６０°より大きくかつ９０°より小さい場合は、第３繊維材の剛性を第１繊維材の剛性より低くかつ第２繊維材の剛性より低く設定したので、繊維強化複合材の面内剛性を等方的に分布させることができ、熱成形後の樹脂の熱収縮によるひずみを抑制することができる。

図１は、本発明の実施形態にかかるルーフパネルを示す図であり、（ａ）は、ルーフパネルの平面図、（ｂ）は、Ａ部の拡大図である。 図２は、図１のルーフパネルの積層構造を示す図である。 図３は、本発明の第１実施形態にかかるルーフパネルにおける強化繊維の配向方向と面内剛性分布の関係を説明する図である。 図４は、本発明の第２実施形態にかかるルーフパネルにおける強化繊維の配向方向と面内剛性分布の関係を説明する図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。なお、図面は模式的なものであり、各寸法の関係や比率などは実際のものとは異なる場合がある。

＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態にかかるルーフパネル１Ａについて、図１乃至図３を参照して説明する。

ルーフパネル１Ａは、図１に示すように、平面視において車両前後方向に長い略矩形状の外形を有している。ルーフパネル１Ａでは、右前側の角部Ｃ１と左後側の角部Ｃ３とを結ぶ直線Ｌ１と、左前側の角部Ｃ２と右後側の角部Ｃ４とを結ぶ直線Ｌ２との交差角（対角線Ｌ１，Ｌ２のなす角のうち小さい方の角）Ｂ１は、６０°より小さくなっている。

ルーフパネル１Ａの前側の角部Ｃ１，Ｃ２は、一対のルーフサイドレール３を介して左右のフロントピラー５，６にそれぞれ連結されており、後側の角部Ｃ３，Ｃ４は、同じく一対のルーフサイドレール３を介して左右のリアピラー７，８にそれぞれ連結されている。ルーフパネル１Ａには、これら各ピラーとの連結部を介して面内荷重または面外荷重が入力される。

ルーフパネル１Ａは、炭素繊維強化プラスチック製である。ルーフパネル１Ａは、強化繊維材として、対角線Ｌ１と平行に配向された複数本の第１強化繊維Ｒ１からなる第１繊維材１１と、対角線Ｌ２と平行に配向された複数本の第２強化繊維Ｒ２からなる第２繊維材１２とを備えている。また、ルーフパネル１Ａは、強化繊維材として、交差角Ｂ１の補角の二等分線と平行に配向された複数本の第３強化繊維Ｒ３からなる第３繊維材１３を備えている。

ルーフパネル１Ａは、図２に示すように、第１の層２１と第２の層２２との間に第３の層２３を挟むようにして積層したものを複数重ねて構成されている。ルーフパネル１Ａの最表層には、第１の層２１または第２の層２２が配置されている。第１の層２１は、第１繊維材１１を強化繊維として有しており、第２の層２２は、第２繊維材１２を強化繊維として有しており、第３の層２３は、第３繊維材１３を強化繊維として有している。各層の強化繊維は連続繊維（長繊維）であり、各層ごとに一方向に引き揃えられている。

本実施形態では、第３繊維材１３の剛性が、第１繊維材１１の剛性より高く、かつ、第２繊維材１２の剛性より高く設定されている。すなわち、ルーフパネル１Ａを構成する炭素繊維強化プラスチック（或いはその単位体積内）において、第３繊維材１３の弾性率が第１及び第２繊維材１１，１２の弾性率より高くなるように設定されている。このような剛性（弾性率）の配分は、例えば、各繊維材１１，１２，１３の体積分率が略同等であれば、第１強化繊維Ｒ１及び第２強化繊維Ｒ２をＰＡＮ系の炭素繊維とし、第３強化繊維Ｒ３をピッチ系の炭素繊維とすることで得ることができる。なお、各繊維材１１，１２，１３の弾性率の値は、ルーフパネル１Ａの全方位における面内剛性がより均一に分布するように（後述する図３のグラフにおいて曲線Ｆ１の振幅がより小さくなるように）、解析・試験等を通じて適宜設定可能である。

ルーフパネル１Ａは、ホットプレス成形法やオートクレーブ成形法など公知の方法を用いて、一体的に成形することができる。具体的には、例えば、各層ごとに予めマトリックス樹脂を繊維材に含浸させたプリプレグを用意し、これを所定形状に裁断したものを所定枚数積層して、加熱プレスやオートクレーブ内で加熱・加圧することで一体成形する。また、各繊維材１１，１２，１３を所定の配向方向で３次元に配列した繊維プリフォームを金型に封入し、金型内にマトリックス樹脂を加圧注入する方法（レジントランスファー成形法）でこれらを一体成形してもよい。マトリックス樹脂は、特に限定されず、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリアミド（ＰＡ）樹脂、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）樹脂など公知の熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂を用いることができる。

以下、図３を参照して、第１実施形態の作用効果を説明する。図３は、ルーフパネル１Ａを構成する炭素繊維強化プラスチックにおける強化繊維の配向方向と面内剛性分布の関係を説明する図である。図３のグラフにおいて、太一点鎖線で示された波形ｄ１１は、第１の配向方向Ｄ１１（配向角：−Ｘ°）に配向された繊維材による面内剛性への寄与を示している。また、太実線で示された波形ｄ１２は、第２の配向方向Ｄ１２（配向角：＋Ｘ°）に配向された繊維材による面内剛性への寄与を示し、太二点鎖線で示された波形ｄ１３は、第３の配向方向Ｄ１３（配向角：０°）に配向された繊維材による面内剛性への寄与を示している。実線の曲線Ｆ１は、上記３つの波形ｄ１１，ｄ１２，ｄ１３を合成した波形であり、ルーフパネル１Ａの材料である炭素繊維強化プラスチックの面内剛性の特性（分布）を示している。

一般に繊維強化複合材は、強化繊維の配向方向同士のなす角を均等に配分する（配向方向がＮ個あれば各配向方向の角度差を１８０°／Ｎとする）ことにより、面内剛性を配向方向によらず略一定とする（弾性率を等方的にする）ことができる。本実施形態のように強化繊維の配向方向が３個である場合は、配向方向同士のなす角を６０°に設定することにより、面内剛性を等方的に分布させることができる。一方、強化繊維の配向方向が３個である場合において、配向方向同士のなす角に６０°以外のものが含まれると、面内剛性の等方性が損なわれる。例えば、図３において、Ｘの値が６０°＜Ｘ＜９０°の範囲にあり、第１の配向方向Ｄ１１と第２の配向方向Ｄ１２とのなす角Ｂ１’が６０°より小さくなっている場合、面内剛性は、破線の曲線Ｅ１で示すように第３の配向方向Ｄ１３（０°方向または１８０°方向）において相対的に低くなる。そのため、面内剛性の分布に偏りが生じ、熱成形後の樹脂の熱収縮によるひずみが生じやすくなる。なお、曲線Ｅ１は、上記波形ｄ１１，ｄ１２に、細二点鎖線で示された波形ｄ１３’を合成した波形を示している。波形ｄ１３’は、第３の配向方向Ｄ１３に配向された繊維材の剛性が第１及び第２の配向方向Ｄ１１，Ｄ１２に配向された繊維材の剛性と等しい場合における、当該第３の配向方向Ｄ１３に配向された繊維材による面内剛性への寄与を示している。

本実施形態では、６０°より小さい角度で交差する２本の対角線のなす角のうち大きい方の角の二等分線に沿った方向、すなわち、図３における第３の配向方向Ｄ１３に相当する方向に平行に配向された第３繊維材１３の剛性を、対角線Ｌ１に平行に配向された第１繊維材１１の剛性よりも高く、かつ、対角線Ｌ２に平行に配向された第２繊維材１２の剛性より高く設定したので、面内剛性の分布を、図３に曲線Ｆ１で示すように、全方位において略均等にする（面内剛性の等方性を高める）ことができ、熱成形後の樹脂の熱収縮によるひずみを抑制することができる。

また、本実施形態によれば、第１及び第２繊維材１１，１２が、対角線Ｌ１，Ｌ２にそれぞれ平行に配向されている。このため、ルーフパネル１Ａの対角同士（角部Ｃ１と角部Ｃ３または角部Ｃ２と角部Ｃ４）の間に対角同士を結ぶように第１繊維材１１または第２繊維材１２が架設される。これにより、ルーフパネル１Ａの剛性、特に、ねじり剛性や面内せん断変形に対する剛性を効率よく向上させることができる。

さらに、ルーフパネル１Ａを構成する各層では、第１繊維材１１を強化繊維として有する第１の層２１と第２繊維材１２を強化繊維として有する第２の層２２との間に、第３繊維材１３を強化繊維として有する第３の層２３が配置されている。そのため、熱成形後の樹脂の熱収縮によるひずみを効率よく抑制することができる。

また、ルーフパネル１Ａの最表層には、対角線Ｌ１，Ｌ２に平行に配向された強化繊維を有する第１の層２１または第２の層２２が配置される。そのため、ルーフパネル１Ａの剛性、特に、曲げ剛性やねじり剛性など面外荷重に対する剛性を効率的に高めることができる。

＜第２実施形態＞
本発明の第２実施形態にかかるルーフパネル１Ｂについて、図１、図２及び図４を参照して説明する。なお、以下の説明において、第１実施形態と同様の構成には同様の符号を付して詳細な説明を省略する。

本実施形態にかかるルーフパネル１Ｂは、ルーフパネル１Ａと同様に、平面視において車両前後方向に長い略矩形状の外形を有しているが（図１参照）、車両前後方向の長さに対する車幅方向の幅の比がルーフパネル１Ａのそれより大きい。そのため、２本の対角線Ｌ１，Ｌ２の交差角Ｂ２は、６０°より大きくかつ９０°より小さくなっている。

また、本実施形態では、交差角Ｂ２の補角の二等分線に沿った方向に平行に配向された第３繊維材１３の剛性が、２本の対角線Ｌ１，Ｌ２に平行に配向された第１及び第２繊維材１１，１２の剛性より低く設定されている（図１、図２参照）。すなわち、ルーフパネル１Ｂを構成する炭素繊維強化プラスチック（或いはその単位体積内）において、第３繊維材１３の弾性率が、第１及び第２繊維材１１，１２の弾性率より低くなるように設定されている。このような剛性（弾性率）の配分は、例えば、各繊維材１１，１２，１３の体積分率が略同等であれば、第１強化繊維Ｒ１及び第２強化繊維Ｒ２をピッチ系の炭素繊維とし、第３強化繊維Ｒ３をＰＡＮ系の炭素繊維とすることで得ることができる。なお、各繊維材１１，１２，１３の弾性率の値は、ルーフパネル１Ｂの全方位における面内剛性がより均一に分布するように（後述する図４のグラフにおいて曲線Ｆ２の振幅がより小さくなるように）、解析・試験等を通じて適宜設定可能である。

他の構成に関しては、第１実施形態のものと同様であるので、図示及び説明を省略する。

以下、図４を参照して、第２実施形態の作用効果を説明する。図４は、ルーフパネル１Ｂを構成する炭素繊維強化プラスチックにおける強化繊維の配向方向と面内剛性分布の関係を説明する図である。図４のグラフにおいて、太一点鎖線で示された波形ｄ２１は、第１の配向方向Ｄ２１（配向角：−Ｙ°）に配向された繊維材による面内剛性への寄与を示している。また、太実線で示された波形ｄ２２は、第２の配向方向Ｄ２２（配向角：＋Ｙ°）に配向された繊維材による面内剛性への寄与を示し、太二点鎖線で示された波形ｄ２３は、第３の配向方向Ｄ２３（配向角：０°）に配向された繊維材による面内剛性への寄与を示している。実線の曲線Ｆ２は、上記３つの波形ｄ２１，ｄ２２，ｄ２３を合成した波形であり、ルーフパネル１Ｂの材料である炭素繊維強化プラスチックの面内剛性の特性（分布）を示している。

上述の通り、強化繊維の配向方向が３個である場合において、配向方向同士のなす角に６０°以外のものが含まれると、面内剛性の等方性が損なわれる。例えば、図４において、Ｙの値が４５°＜Ｙ＜６０°の範囲にあり、第１の配向方向Ｄ２１と第２の配向方向Ｄ２２とのなす角Ｂ２’が６０°より大きくかつ９０°より小さくなっている場合、面内剛性は、破線の曲線Ｅ２で示すように、第３の配向方向Ｄ１３（０°方向または１８０°方向）において相対的に高くなる。そのため、面内剛性の分布に偏りが生じ、熱成形後の樹脂の熱収縮によるひずみが生じやすくなる。なお、曲線Ｅ２は、上記波形ｄ２１，ｄ２２に、細二点鎖線で示された波形ｄ２３’を合成した波形を示している。波形ｄ２３’は、第３の配向方向Ｄ１３に配向された繊維材の剛性が第１及び第２の配向方向Ｄ１１，Ｄ１２に配向された繊維材の剛性と等しい場合における、当該第３の配向方向Ｄ１３に配向された繊維材による面内剛性への寄与を示している。

本実施形態では、６０°より大きくかつ９０°より小さい角度で交差する２本の対角線のなす角のうち大きい方の角の二等分線に沿った方向、すなわち、図４における第３の配向方向Ｄ２３に相当する方向に平行に配向された第３繊維材１３の剛性を、対角線Ｌ１に平行に配向された第１繊維材１１の剛性よりも低く、かつ、対角線Ｌ２に平行に配向された第２繊維材１２の剛性より低く設定したので、面内剛性の分布を、図４に曲線Ｆ２で示すように、全方位において略均等にする（面内剛性の等方性を高める）ことができ、熱成形後の樹脂の熱収縮によるひずみを抑制することができる。

また、本実施形態によれば、第１実施形態と同様に、第１及び第２繊維材１１，１２が対角線Ｌ１，Ｌ２にそれぞれ平行に配向されているため、ルーフパネル１Ｂの対角同士を結ぶように第１繊維材１１または第２繊維材１２が架設されることになる。これにより、ルーフパネル１Ｂの剛性、特に、ねじり剛性や面内せん断変形に対する剛性を効率よく向上させることができる。さらに、ルーフパネル１Ｂの最表層に第１の層２１または第２の層２２が配置されるので、ルーフパネル１Ｂの曲げ剛性などを効率的に高めることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、これらの実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載された単なる例示に過ぎず、本発明は、それらの実施形態に限定されるものではない。本発明の技術的範囲は、上記実施形態で開示した具体的な技術事項に限らず、そこから容易に導きうる様々な変形、変更、代替技術なども含むものである。

例えば、上記実施形態では、自動車のルーフパネル１Ａ，１Ｂを例にとって説明したが、本発明の適用対象はこれに限らない。本発明は、四角形状の外形を有する板状の繊維強化複合材であって、２本の対角線の交差角が上述の条件を満たすものであれば、ダッシュパネル、リアシートバックパネル、リアパーセルシェルフ等にも適用することができる。

また、上記実施形態では、略矩形状のルーフパネル１Ａ，１Ｂを例にとって説明したが、繊維強化複合材の形状はこれに限らず、台形状、平行四辺形状、ひし形状など他の四角形状であってもよい。

さらに、上記実施形態では、各繊維材を構成する炭素繊維の種類（ＰＡＮ系またはピッチ系）を異なるものとすることで第３繊維材１３の剛性を他の繊維材１１，１２の剛性と異なるものとしていたが、各繊維材の剛性の設定方法はこれに限らない。例えば、各繊維材に同種の炭素繊維を用いた場合でも、単位体積中に含まれる第３強化繊維Ｒ３の量を他の強化繊維Ｒ１，Ｒ２の量と異なるものとすることで、各繊維材の剛性を調節してもよい。

また、上記実施形態では、各繊維材１１，１２，１３を炭素繊維から構成した例を説明したが、強化繊維の種類は特に限定されない。各繊維材１１，１２，１３は、例えば、ガラス繊維、ポリアラミド繊維、アルミナ繊維、シリコンカーバイド繊維、ボロン繊維、炭化ケイ素繊維などで構成してもよい。従って、各繊維材１１，１２，１３の剛性は、異なる種類の強化繊維を組み合わせることで調節してもよい。

さらに、上記実施形態では、各繊維材１１，１２，１３を構成する強化繊維は、層ごとに一方向に引き揃えられた連続繊維であったが、強化繊維の形態は特に限定されない。強化繊維の形態は、織物、３Ｄ織物等であってもよく、また、連続繊維、織物等に短繊維、フェルト等を組み合わせたものであってもよい。

１Ａ，１Ｂ ルーフパネル
Ｌ１，Ｌ２ 対角線
Ｒ１ 第１強化繊維（強化繊維）
Ｒ２ 第２強化繊維（強化繊維）
Ｒ３ 第３強化繊維（強化繊維）
１１ 第１繊維材
１２ 第２繊維材
１３ 第３繊維材
２１ 第１の層
２２ 第２の層
２３ 第３の層

Claims (3)

1. ２本の対角線のなす角のうち小さい方の角が６０°より小さい四角形状の外形を有し、
   前記２本の対角線のうち一方と平行に配向された強化繊維からなる第１繊維材と、前記２本の対角線のうち他方と平行に配向された強化繊維からなる第２繊維材と、前記２本の対角線のなす角のうち大きい方の角の二等分線と平行に配向された強化繊維からなる第３繊維材と、を備え、
   前記第３繊維材の剛性が、前記第１繊維材の剛性より高く、かつ、前記第２繊維材の剛性より高く設定されていることを特徴とする繊維強化複合材。
2. ２本の対角線のなす角のうち小さい方の角が６０°より大きくかつ９０°より小さい四角形状の外形を有し、
   前記２本の対角線のうち一方と平行に配向された強化繊維からなる第１繊維材と、前記２本の対角線のうち他方と平行に配向された強化繊維からなる第２繊維材と、前記２本の対角線のなす角のうち大きい方の角の二等分線と平行に配向された強化繊維からなる第３繊維材と、を備え、
   前記第３繊維材の剛性が、前記第１繊維材の剛性より低く、かつ、前記第２繊維材の剛性より低く設定されていることを特徴とする繊維強化複合材。
3. 前記第１繊維材を強化繊維として含む第１の層と、前記第２繊維材を強化繊維として含む第２の層と、前記第３繊維材を強化繊維として含む第３の層と、を互いに積層して構成されており、
   前記第１の層または第２の層を最表層として配置したことを特徴とする請求項１または２に記載の繊維強化複合材。

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