JP6409687B2

JP6409687B2 - 衝撃吸収用炭素繊維樹脂構造体

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Publication number: JP6409687B2
Application number: JP2015117520A
Authority: JP
Inventors: 力河村
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2015-06-10
Filing date: 2015-06-10
Publication date: 2018-10-24
Anticipated expiration: 2035-06-10
Also published as: JP2017002998A

Description

本発明は、第１炭素繊維層と第１炭素繊維層の炭素繊維に交差して炭素繊維が延びるように配列された第２炭素繊維層とを備えた衝撃吸収用炭素繊維樹脂構造体に関する。

従来より、フロントサイドフレーム等の車両のフレーム構造において、衝突安全性能を向上させるために、フレーム先端に設けられたクラッシュカン（衝撃吸収体）を軸方向に圧縮破壊させることによりエネルギ吸収量（以下、ＥＡ（Energy Absorption）量という）を増加させることが行われている。このクラッシュカンは、通常、金属製大型部品として形成されているため、車体重量の増加を伴う。
そこで、車体重量の軽量化を狙いとして、衝撃吸収体を強化繊維樹脂で構成することが検討されている。

強化材として使われる強化繊維は、ガラス繊維、炭素繊維、金属繊維等があり、母材（マトリックス）と組み合わせることによって強化繊維樹脂が形成される。
このような強化繊維樹脂では、強化繊維が強度等の力学的特性を分担し、母材樹脂が繊維間の応力伝達機能と繊維の保護機能を分担している。
特に、炭素繊維樹脂（Carbon-Fiber-Reinforced-Plastic： CFRP）は、高比強度（強度／比重）と高比剛性（剛性／比重）、所謂軽さと強度・剛性とを併せ持つ特性を有するため、航空機や車両等の構造材料として広く使用に供されている。

特許文献１の衝撃吸収体は、連続する炭素繊維からなる繊維束が配向０度（圧縮荷重入力）方向、配向９０度（圧縮荷重入力直交）方向、配向４５度方向になるように配列された繊維層を夫々準備し、これら繊維層間を厚さ方向糸で結合した複数の積層繊維群と、これら複数の積層繊維群を多層に重ね合わせて厚さ方向に貫通するように配列された拘束糸とを備え、マトリックス樹脂としてエポキシ系樹脂が用いられている。
これにより、圧縮荷重を受ける状態のとき、剥離破壊が厚さ方向に貫通する拘束糸が切断される荷重を超えた状態で発生するため、剥離破壊の発生エネルギをエネルギ吸収に利用することができ、ＥＡ量が増加される。

特許第４１３３８４０号公報

衝撃吸収体に要求される性能は、ＥＡ量が大きいことであり、更には、逐次的に圧縮破壊が進行する逐次破壊によって安定的にエネルギを吸収することである。
そこで、本発明者は、炭素繊維樹脂構造体の逐次破壊挙動のメカニズムを検討するにあたり、第１，第２の検証試験を行った。
まず、第１の検証試験の基本的な考え方について説明する。
図１２に示すように、円筒状の試験片Ａ１〜Ａ３を試験装置５０の支持台５１に固定し、昇降可能な加圧部５２を一定速度（３０ｍｍ／ｍｉｎ及び１５ｋｍ／ｈ）の下降移動させることによって試験片Ａ１〜Ａ３の圧縮破壊を行い、試験片Ａ１〜Ａ３のＥＡ量の計測及び破壊現象の撮像を行った。
尚、試験片Ａ１〜Ａ３は、熱硬化性エポキシ系合成樹脂を母材としてオートクレーブ成形したＣＦＲＰ材を使用し、径を６０ｍｍ、高さを１５０ｍｍの円筒構造体に形成した。

試験片Ａ１は、圧縮荷重入力方向に炭素繊維が延びるように配列された複数の配向０度炭素繊維層を積層した配向０度繊維強化樹脂板材（図１３（ａ））によって形成した。
試験片Ａ２は、圧縮荷重入力方向に炭素繊維が延びるように配列された配向０度炭素繊維層と、圧縮荷重入力方向に対して４５度交差した方向に炭素繊維が延びるように配列された配向４５度炭素繊維層と、圧縮荷重入力直交方向に炭素繊維が延びるように配列された配向９０度炭素繊維層と、圧縮荷重入力方向に対して−４５度交差した方向に炭素繊維が延びるように配列された配向−４５度炭素繊維層とを順に積層した擬似等方繊維強化樹脂板材（図１３（ｂ））によって形成した。
試験片Ａ３は、圧縮荷重入力方向に炭素繊維が延びるように配列された配向０度炭素繊維層と、圧縮荷重入力直交方向に炭素繊維が延びるように配列された配向９０度炭素繊維層とを交互に積層した０／９０度繊維強化樹脂板材（図１３（ｃ））によって形成した。

次に、第１の検証試験結果について説明する。
試験片Ａ１のＥＡ量は試験片Ａ２のＥＡ量よりも大きく、試験片Ａ２のＥＡ量は試験片Ａ３のＥＡ量よりも大きくなることが確認された。
図１４（ａ）〜図１４（ｃ）に示すように、試験片Ａ１，Ａ２には、板厚方向中間部分に加圧部５２に略直交して圧縮破壊される柱状部（以下、ピラー部という）と、板厚方向両端部分においてピラー部から剥離されて加圧部５２に略湾曲状に当接する枝部（以下、フロンズ部という）が観察され、試験片Ａ３には、ピラー部が殆ど観察されなかった。
また、試験片Ａ１のピラー部の幅は、試験片Ａ２のピラー部の幅よりも広く形成されていることが可視的に確認された。
以上により、ピラー部の幅が広い（太い）程、所謂フロンズ部が薄い程、ＥＡ量が大きくなることが知見された。

次に、第２の検証試験について説明する。
図１５（ａ），図１５（ｂ）に示すように、先端がテーパ状のＣＦＲＰ製試験片Ｂ１と、直方体状のＣＦＲＰ製試験片Ｂ２とを準備し、試験装置５０（図１２参照）によって圧縮破壊を行い、試験片Ｂ１，Ｂ２の変位と反力とを夫々計測した。
試験片Ｂ１は、圧縮荷重入力方向に炭素繊維が一様に延びるように配列された複数の配向０度炭素繊維層を積層した繊維強化樹脂板材（図１３（ａ）参照）によって直方体構造を形成し、その先端部を上方程幅狭になるテーパ形状に加工した。
試験片Ｂ２は、試験片Ｂ１と同様に、圧縮荷重入力方向に炭素繊維が一様に延びるように配列された複数の配向０度炭素繊維層を積層した繊維強化樹脂板材によって直方体構造を形成した。

次に、第２の検証試験結果について説明する。
図１６（ａ）に示すように、試験片Ｂ１は、先端部が加圧部５２に押圧されることにより、板厚方向中間部分に剥離破壊の起点が形成され、この起点が加圧部５２の下降移動に伴って下方に移行する。つまり、荷重による影響に先行して剥離破壊の起点が下方に移行するため、試験片Ｂ１の起点よりも下方部分には荷重が殆ど作用することなく、強度低下が発生しない。それ故、試験片Ｂ１は、剥離破壊によって一定の反力（荷重）を発生させることができ、安定した逐次破壊を進行させることができるものと推測される。
図１６（ｂ）に示すように、試験片Ｂ２は、先端部が一様に加圧部５２に対して面当接するため、先端部には剥離破壊の起点が形成されない。それ故、応力が中段部分に集中し、試験片Ｂ２は剥離破壊を生じることなく、中段部分に座屈が発生するものと推測される。
以上により、安定的な逐次破壊を発生させるためには、荷重伝搬に追従且つ先行して安定的に剥離破壊する起点を形成する必要があることが知見された。

特許文献１の衝撃吸収体は、剥離破壊が生じる場合には、入力した荷重を剥離破壊の発生エネルギとして吸収し、衝撃吸収体のＥＡ効率を増加することが可能である。
しかし、通常、剥離破壊が発生するか否かは成り行き任せであるため、剥離破壊が発生しない場合には、剥離破壊の発生エネルギをエネルギ吸収に利用することができず、座屈が発生することにより、十分なＥＡ量を確保することができない虞がある。
しかも、剥離破壊が発生する場所についても任意に設定することができないため、例え、剥離破壊を発生させることができたとしても、ピラー部の幅を安定的に広く確保することができず、ピラー部の幅が細い場合やピラー部が発生しない場合等には、期待するＥＡ量を確保できない虞もある。

本発明の目的は、圧縮荷重が入力されたとき、繊維強化樹脂板材の厚さ方向両端部を確実且つ安定的に剥離破壊させることにより、ＥＡ量を増加可能な衝撃吸収用炭素繊維樹脂構造体等を提供することである。

請求項１の発明は、圧縮荷重入力方向に炭素繊維が延びるように配列された複数の第１炭素繊維層と、これら第１炭素繊維層の炭素繊維に交差して炭素繊維が延びるように配列された複数の第２炭素繊維層とを備えた繊維強化樹脂板材で形成された炭素繊維樹脂構造体において、圧縮荷重が入力されたとき、前記繊維強化樹脂板材の厚さ方向両端部分を前記第２炭素繊維層を介して夫々剥離させるように、前記繊維強化樹脂板材の厚さ方向一端側近傍部分と他端側近傍部分とに１以上の前記第２炭素繊維層を夫々配設し、前記繊維強化樹脂板材が、前記繊維強化樹脂板材の厚さ方向中間部分に前記第１炭素繊維層によって形成された中間部と、前記繊維強化樹脂板材の厚さ方向一側端部に前記第１炭素繊維層によって形成された第１端部と、前記繊維強化樹脂板材の厚さ方向他側端部に前記第１炭素繊維層によって形成された第２端部と、前記中間部と第１端部との間に前記第２炭素繊維層によって形成された第１途中部と、前記中間部と第２端部との間に前記第２炭素繊維層によって形成された第２途中部とを備え、前記中間部は、前記第１又は第２途中部よりも積層数が多くなるように形成され、前記第１，第２途中部は、前記第１又は第２端部よりも積層数が多くなるように夫々形成されたことを特徴としている。

請求項１の発明によれば、圧縮荷重が入力されたとき、繊維強化樹脂板材の厚さ方向両端部分を圧縮荷重入力方向に交差する方向に炭素繊維が延びる第２炭素繊維層を介して夫々剥離させるように、繊維強化樹脂板材の厚さ方向一端側近傍部分と他端側近傍部分とに１以上の第２炭素繊維層を夫々配設したため、第２炭素繊維層の圧縮荷重入力方向に対する強度を第１炭素繊維層の圧縮荷重入力方向に対する強度よりも意図的に低下させることができ、確実且つ安定的に剥離破壊の起点を形成することができる。
これにより、第２炭素繊維層を境界部分として、第２炭素繊維層よりも板厚方向内側の第１炭素繊維層によってピラー部を形成することができ、第２炭素繊維層よりも板厚方向外側の第１炭素繊維層によってフロンズ部を形成することができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記第２炭素繊維層の炭素繊維が前記第１炭素繊維層の炭素繊維に対して４５〜９０度で交差するように配列されたことを特徴としている。
この構成によれば、第２炭素繊維層の圧縮荷重入力方向に対する強度を第１炭素繊維層の圧縮荷重入力方向に対する強度よりも一層低下させることができ、確実に第２炭素繊維層を剥離破壊の起点にすることができる。

請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、前記第１，第２途中部は、前記繊維強化樹脂板材の長さ方向一端から他端に亙って夫々形成されていることを特徴としている。
この構成によれば、確実に第２炭素繊維層を剥離破壊の起点にすることができる。
請求項４の発明は、請求項１〜３の何れか１項の発明において、前記中間部は、前記第１炭素繊維層を１０層以上積層して形成され、前記第１，第２端部は、単一層の前記第１炭素繊維層により夫々形成されたことを特徴としている。
この構成によれば、第２炭素繊維層によって形成された第１，第２途中部を境界部分として、中間部をピラー部、第１，第２端部をフロンズ部に形成することができる。

本発明の炭素繊維樹脂構造体によれば、圧縮荷重によって繊維強化樹脂板材の厚さ方向両端側部分に剥離破壊の起点を意図的に形成することにより、繊維強化樹脂板材の厚さ方向両端部を確実且つ安定的に剥離破壊させ、ＥＡ量を増加することができる。

実施例１に係るクラッシュカンの斜視図である。図１に示す領域Ｚの要部拡大図である。クラッシュカンの製造工程の説明図である。圧縮破壊時におけるクラッシュカンの撮像画像に基づく平面図である。図４に示すピラー部の領域Ｘの要部拡大図である。図４に示すフロンズ部の領域Ｙの要部拡大図である。実施例１に係るクラッシュカンと軟鋼製クラッシュカンとの変位と反力に関する比較グラフである。実施例１に係るクラッシュカンと軟鋼製クラッシュカンとのＥＡ効率に関する比較グラフである。実施例１に係るクラッシュカンと軟鋼製クラッシュカンとのストローク効率に関する比較グラフである。実施例２に係るクラッシュカンの斜視図である。図１０のXI−XI線断面図である。第１の検証実験の説明図である。炭素繊維樹脂板材の説明図であって、（ａ）は試験片Ａ１の炭素繊維層の構成、（ｂ）は試験片Ａ２の炭素繊維層の構成、（ｃ）は試験片Ａ３の炭素繊維層の構成を示す。圧縮破壊時の撮像画像であって、（ａ）は試験片Ａ１の縦断面画像、（ｂ）は試験片Ａ２の縦断面画像、（ｃ）は試験片Ａ３の縦断面画像を示す。第２の検証実験に係る試験片の説明図であって、（ａ）は試験片Ｂ１の斜視図、（ｂ）は試験片Ｂ２の斜視図を示す。第２の検証実験結果の説明図であって、（ａ）は試験片Ｂ１の変位と反力に関するグラフ、（ｂ）は試験片Ｂ２変位と反力に関するグラフを示す。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
以下の説明は、本発明を車両のクラッシュカンに適用したものを例示したものであり、本発明、その適用物、或いは、その用途を制限するものではない。
尚、図において、矢印Ｆは前方を示し、矢印Ｌは左方を示し、矢印Ｕは上方を示すものとして説明する。

以下、本発明の実施例１について図１〜図９に基づいて説明する。
車両（図示略）には、左右１対のフロントサイドフレーム（図示略）の前端に左右１対のクラッシュカン１（炭素繊維樹脂構造体）の後端が夫々取り付けられている。
前方からの軽衝突等のように衝撃荷重が比較的小さい場合には、フロントサイドフレームを破損させることなく、クラッシュカン１のみが潰れることによって衝撃を吸収し、また、クラッシュカン１の変形のみで衝撃を吸収できない場合には、フロントサイドフレームが屈曲変形することにより衝撃を吸収して、車室に伝達される衝撃荷重を低減している。
左右１対のクラッシュカン１は、左右対称構造であるため、右側のクラッシュカン１について主に説明する。

図１に示すように、クラッシュカン１は、前後方向に直交する面に沿った断面が略波型に構成されている。このクラッシュカン１は、略水平状の上端壁と下端壁との間に２つの略水平状の中間壁を有し、これらの左右方向端部同士が互い違いに上下に延びる縦壁によって連結されている。これにより、クラッシュカン１は、左側（車幅方向内側）に開口する２つの上下１対の凹部と右側（車幅方向外側）に開口する中間凹部とが上下方向に交互に形成された開断面構造に形成されている。
クラッシュカン１は、炭素繊維２１〜２５を強化材とした炭素繊維樹脂（CFRP）板材１０（繊維強化樹脂板材）を成形（例えばホットプレス等）することによって形成されている。

次に、炭素繊維樹脂板材１０について説明する。
図２に示すように、炭素繊維樹脂板材１０は、左右方向中間部分に設けられた中間部１１と、左右両側端部に夫々設けられた第１，第２端部１２，１３と、中間部１１と第１端部１２との間の左側部分に設けられた第１途中部１４と、中間部１１と第２端部１３との間の右側部分に設けられた第２途中部１５とを備えている。
車両の正突時、クラッシュカン１に対して前方から後方に向かう圧縮荷重が入力されるため、以下、前後方向を炭素繊維樹脂板材２の圧縮荷重入力方向（配向０度）、左右方向を炭素繊維樹脂板材２の厚さ方向（配向９０度）として説明する。
尚、図２では、説明の便宜上、母材（マトリックス）１６を省略している。

中間部１１には、前後方向に延びる複数の炭素繊維２１が配設され、第１，第２端部１２，１３には、前後方向に延びる複数の炭素繊維２２，２３が夫々配設され、第１，第２途中部１４，１５には、上下方向に延びる複数の炭素繊維２４，２５が夫々配設されている。

炭素繊維２１〜２５は、何れも同じ仕様で形成されている。
炭素繊維２１〜２３は、炭素繊維樹脂板材１０の前端から後端に亙って連続して一様に延びる単繊維（フィラメント）が所定数（例えば１２ｋ）束ねられた繊維束（トウ）で構成され、炭素繊維２４，２５は、炭素繊維樹脂板材１０の上端から下端に亙って連続して一様に延びる単繊維が所定数束ねられた繊維束で構成されている。
炭素繊維２１〜２５の単繊維の直径は、例えば７〜１０μｍである。
炭素繊維樹脂板材１０の母材１６には、熱硬化性エポキシ系合成樹脂が使用されている。

上下方向に整列された炭素繊維２１（２２，２３）は、左右方向に対して直交するように配設された第１炭素繊維層２０ａを構成している。
中間部１１は、左右方向に１８層積層された第１炭素繊維層２０ａによって形成され、第１，第２端部１２，１３は、単一の第１炭素繊維層２０ａによって夫々形成されている。
前後に整列された炭素繊維２４（２５）は、左右方向に対して直交するように配設された第２炭素繊維層２０ｂを構成している。
第１，第２途中部１４，１５は、左右方向に２層積層された第２炭素繊維層２０ｂによって夫々形成されている。
これにより、第１，第２途中部１４，１５の前後方向の強度を中間部１１及び第１，第２端部１２，１３の前後方向の強度よりも数桁低く設定している。

次に、クラッシュカン１の製造工程について説明する。
図３に示すように、クラッシュカン１の製造工程は、プリプレグ工程と、積層工程と、成形工程とからなっている。
プリプレグ工程では、炭素繊維２１〜２５を、一旦、一方向に揃えた状態で配列し、これら一方向に配列された炭素繊維２１〜２５を合成樹脂と一体化することによりフィルム状の一次中間体を形成する。そして、一次中間体の炭素繊維２１〜２５に母材１６（例えば、熱硬化性エポキシ系合成樹脂）を含浸させたプリプレグ（第１炭素繊維層２０ａ，第２炭素繊維層２０ｂに相当）を作成する。

積層工程では、炭素繊維２１〜２５が夫々規定された配向方向に整列するように各プリプレグを積層する。１８層積層された配向０度のプリプレグ積層体（中間部１１に相当）の両方の端面に２層の配向９０度のプリプレグ積層体（第１，第２途中部１４，１５に相当）を夫々重ね合わせた後、配向９０度のプリプレグの各々の端面に単一の配向０°のプリプレグ（第１，第２端部１２，１３に相当）を夫々重ね合わせている。
成形工程では、プリプレグ積層体を所定の熱間プレス機にセットし、加熱しながらプレス加工する。これらの工程により、炭素繊維樹脂板材１０を素材としたクラッシュカン１を生産している。

次に、本実施例のクラッシュカン１における作用、効果について説明する。
作用、効果の説明に当り、試験装置５０（図１２参照）によって実施例１に係るクラッシュカン１の圧縮破壊を行い、クラッシュカン１の破壊現象を撮像すると共にクラッシュカン１の変位（ｍｍ）と反力（ｋＮ）を計測した。

図４に示すように、クラッシュカン１の前端側部分には、加圧部５２に圧縮破壊されたピラー部に相当する中間部１１と、この中間部１１の圧縮破壊に先行して中間部１１の左右両側から剥離破壊されたフロンズ部に相当する第１，第２端部１２，１３が観察された。
左右のフロンズ部は、第１，第２端部１２，１３に対応するように略一定で且つ中間部１１の左右幅に対して非常に小さな左右幅を形成し、左右幅の大きなピラー部を安定的に形成している。

図５に示すように、ピラー部に相当する中間部１１は、加圧部５２に対して略直交状に衝突するため、この衝突部分において略直交状に屈曲される。それ故、炭素繊維２１が短スパンで切断されることから、炭素繊維２１の切断エネルギをエネルギ吸収に利用でき、単位重量当りで大きなＥＡ量を確保している。

図６に示すように、フロンズ部に相当する第１，第２端部１２，１３は、加圧部５２に対して鋭角状に衝突するため、緩湾曲状に湾曲される。それ故、炭素繊維２２，２３が長スパンで切断されることから、単位重量当りで中間部１１よりも小さなＥＡ量になる。
ここで、炭素繊維樹脂板材１０の左右幅（板厚）は設計上規定された固定値であるため、第１，第２端部１２，１３の左右幅を最小にすること自体、中間部１１の左右幅を最大化することと同等であり、結果的に、クラッシュカン１として最大のＥＡ量を確保している。
しかも、剥離破壊が生じる際、剥離破壊の起点となる第１途中部１４の炭素繊維２４が、中間部１１の炭素繊維２１と第１端部１２の炭素繊維２２とを連結するファイバーブリッジ２６を形成し、第２途中部１５の炭素繊維２５が、中間部１１の炭素繊維２１と第２端部１３の炭素繊維２３とを連結するファイバーブリッジ２６を形成しているため、炭素繊維２２，２３の切断エネルギをエネルギ吸収に利用してＥＡ量の増加を図っている。

これにより、図７に示すように、本実施例のクラッシュカン１（実線）は、軟鋼製のクラッシュカン（破線）のように座屈発生に起因した反力の落ち込みを生じることなく、安定した反力を維持することができる。また、図８に示すように、クラッシュカン１は軟鋼製のクラッシュカンの略５倍のＥＡ質量効率を示し、図９に示すように、クラッシュカン１は軟鋼製のクラッシュカンよりもストローク効率が約１７％向上している。
即ち、クラッシュカン１は、衝突時、高い衝撃エネルギ吸収性能を発揮しつつ、潰れ残りが少ないことが確認された。

以上により、クラッシュカン１によれば、圧縮荷重が入力されたとき、炭素繊維樹脂板材１０の第１，第２端部１２，１３（第１炭素繊維層２０ａ）を第１，第２途中部１４，１５（第２炭素繊維層２０ｂ）を介して夫々剥離させるように、炭素繊維樹脂板材１０の左端側近傍部分と右端側近傍部分とに第１，第２途中部１４，１５を夫々配設したため、第１，第２途中部１４，１５の圧縮荷重入力方向に対する強度を中間部１１及び第１，第２端部１２，１３の圧縮荷重入力方向に対する強度よりも意図的に低下させることができ、確実且つ安定的に剥離破壊の起点を形成することができる。
これにより、第１，第２途中部１４，１５を境界部分として、第１，第２途中部１４，１５よりも板厚方向内側の中間部１１によってピラー部を形成することができ、第１，第２途中部１４，１５よりも板厚方向外側の第１，第２端部１２，１３によってフロンズ部を形成することができる。

第１，第２途中部１４，１５の炭素繊維２４，２５が中間部１１及び第１，第２端部１２，１３の炭素繊維２１〜２３に対して９０度で交差するように配列されたため、第１，第２途中部１４，１５の圧縮荷重入力方向に対する強度を中間部１１及び第１，第２端部１２，１３の圧縮荷重入力方向に対する強度よりも一層低下させることができ、確実に第１，第２途中部１４，１５を剥離破壊の起点にすることができる。

炭素繊維樹脂板材２が、左右方向中間部分に第１炭素繊維層２０ａによって形成された中間部１１と、左側端部に第１炭素繊維層２０ａによって形成された第１端部１２と、右側端部に第１炭素繊維層２０ａによって形成された第２端部１３と、中間部１１と第１端部１２との間に第２炭素繊維層２０ｂによって形成された第１途中部１４と、中間部１１と第２端部１３との間に第２炭素繊維層２０ｂによって形成された第２途中部１５とを備え、圧縮荷重が入力されて第１端部１２と第２端部１３とが中間部１１から剥離したとき、第１，第２途中部１４，１５の炭素繊維２４，２５が、中間部１１と第１端部１２との間及び中間部１１と第２端部１３との間にファイバーブリッジ２６を夫々形成している。
この構成によれば、第２炭素繊維層２０ｂによって形成された第１，第２途中部１４，１５を境界部分として、中間部１１をピラー部、第１，第２端部１２，１３をフロンズ部に形成することができる。
しかも、第１，第２途中部１４，１５の第２炭素繊維層２０ｂの炭素繊維２４，２５を中間部１１の炭素繊維２１と第１端部１２の炭素繊維２２及び中間部１１の炭素繊維２１と第２端部１３の炭素繊維２３とに夫々連結できるため、剥離破壊の発生エネルギを増加することができ、エネルギ吸収性能を一層向上させることができる。

次に、実施例２に係るクラッシュカン１Ａについて図１０，図１１に基づいて説明する。
実施例１のクラッシュカン１は、前後方向に直交する面に沿った断面が略波型に構成されたのに対し、実施例２のクラッシュカン１Ａは、前後方向に直交する面に沿った断面が円型に構成されている。
尚、実施例１と同じ部材には、同じ符号を付している。

図１０，図１１に示すように、クラッシュカン１Ａは、炭素繊維４１〜４５を強化材とした炭素繊維樹脂板材１０Ａを成形することによって形成されている。
炭素繊維樹脂板材１０Ａは、径方向中間部分に設けられた中間部３１と、径方向外側端部に設けられた外側端部３２と、径方向内側端部に設けられた内側端部３３と、中間部３１と外側端部３２との間に設けられた外側途中部３４と、中間部３１と内側端部３３との間に設けられた内側途中部３５とを備えている。
クラッシュカン１Ａは、炭素繊維樹脂板材１０Ａの周方向一側端部と周方向他側端部とを突き合わせて接合することにより略円筒状に構成されている。

中間部３１には、前後方向に延びる複数の炭素繊維４１が配設され、外側及び内側端部３２，３３には、前後方向に延びる複数の炭素繊維４２，４３が夫々配設され、外側及び内側途中部３４，３５には、周方向に延びる複数の炭素繊維４４，４５が夫々配設されている。外側端部３２の前端は、径方向外側程、前方に移行するように略テーパ状に形成され、中間部３１、内側端部３３、外側及び内側途中部３４，３５の前端部は、前後方向に直交するように略平坦状に形成されている。

炭素繊維４１〜４３は、炭素繊維樹脂板材１０Ａの前端から後端に亙って連続して延びる単繊維が所定数束ねられた繊維束で構成され、炭素繊維４４，４５は、炭素繊維樹脂板材１０Ａの周方向に亙って連続して延びる単繊維が所定数束ねられた繊維束で構成されている。炭素繊維樹脂板材１０Ａの母材１６は、熱硬化性エポキシ系合成樹脂である。

周方向に整列された炭素繊維４１（４２，４３）は、径方向に直交するように配設された第１炭素繊維層４０ａを構成している。
中間部３１は、径方向に１８層積層された第１炭素繊維層４０ａによって形成され、外側及び内側端部３２，３３は、単一の第１炭素繊維層４０ａによって夫々形成されている。
前後に整列された炭素繊維４４（４５）は、径方向に直交するように配設された第２炭素繊維層４０ｂを構成している。
外側及び内側途中部３４，３５は、径方向に２層積層された第２炭素繊維層４０ｂによって夫々形成されている。
これにより、外側及び内側途中部３４，３５によって外側及び内側端部３２，３３の剥離破壊の起点を確実に形成でき、特に外側端部３２の剥離破壊を促進することができる。

次に、前記実施形態を部分的に変更した変形例について説明する。
１〕前記実施形態においては、本発明を車両のクラッシュカンに適用した例を説明したが、これに限られず、衝撃吸収機能が必要な構造フレーム等の衝撃吸収体に適用することができる。

２〕前記実施形態においては、中間部を１８層、第１，第２（外側及び内側）端部を単層，第１，第２（外側及び内側）途中部を２層で構成した炭素繊維樹脂板材の例を説明したが、第１，第２途中部は３層以上又は単層でも良く、少なくとも剥離破壊の起点を形成できれば良い。また、フロンズ部を形成する第１，第２端部も、２層以上でも良く、剥離破壊の起点を形成するための第１，第２途中部と圧縮荷重入力方向の強度差を形成可能な範囲において、層数を決定することができる。

３〕前記実施形態においては、配向０度の第１炭素繊維層と配向９０度の第２炭素繊維層とを用いた例を説明したが、少なくとも第１炭素繊維層の炭素繊維の配向角度が圧縮荷重入力方向に対して強度的に有利であれば良く、第２炭素繊維層の炭素繊維の配向角度は第１炭素繊維層の炭素繊維の配向角度に対して交差するように配列されれば良い。好ましくは、第２炭素繊維層の炭素繊維の配向角度は第１炭素繊維層の炭素繊維の配向角度に対して４５〜９０の範囲であれば、高い効果を奏することができる。

４〕前記実施形態においては、プリプレグ積層体を形成し、この積層体を熱間プレスして衝撃吸収用のクラッシュカンを成形した例を説明したが、プリプレグ積層体をバッキング処理し、このバッキングされたプリプレグ積層体を真空引きしながら加熱加工する真空バック法を用いても良い。
また、プリプレグを用いなくても成形は可能である。一般に知られているＣＦＲＰの成形方法を使用しても良い。例えば、炭素繊維のプリフォームを上下分離可能な成形型のキャビティ内にセットし、このキャビティ内に溶融させた合成樹脂を射出するＲＴＭ法によって成形しても良い。

５〕前記実施形態においては、炭素繊維樹脂板材の一端から他端に亙って連続して延びる炭素繊維の例を説明したが、炭素繊維樹脂板材の一端から他端に亙って少なくとも強度的に連続していれば良く、圧縮荷重入力側の炭素繊維の長さが炭素繊維樹脂板材の圧縮荷重入力方向長さの少なくとも半分以上存在すれば本発明の効果を奏することができる。

６〕その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施形態に種々の変更を付加した形態や各実施形態を組み合わせた形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態も包含するものである。

１，１Ａクラッシュカン
１０，１０Ａ炭素繊維樹脂板材
１１中間部
１２第１端部
１３第２端部
１４第１途中部
１５第２途中部
２０ａ，４０ａ第１炭素繊維層
２０ｂ，４０ｂ第２炭素繊維層
２１〜２５炭素繊維
２６ファイバーブリッジ
３１中間部
３２外側端部
３３内側端部
３４外側途中部
３５内側途中部
４１〜４５炭素繊維

Claims

圧縮荷重入力方向に炭素繊維が延びるように配列された複数の第１炭素繊維層と、これら第１炭素繊維層の炭素繊維に交差して炭素繊維が延びるように配列された複数の第２炭素繊維層とを備えた繊維強化樹脂板材で形成された炭素繊維樹脂構造体において、
圧縮荷重が入力されたとき、前記繊維強化樹脂板材の厚さ方向両端部分を前記第２炭素繊維層を介して夫々剥離させるように、前記繊維強化樹脂板材の厚さ方向一端側近傍部分と他端側近傍部分とに１以上の前記第２炭素繊維層を夫々配設し、
前記繊維強化樹脂板材が、前記繊維強化樹脂板材の厚さ方向中間部分に前記第１炭素繊維層によって形成された中間部と、前記繊維強化樹脂板材の厚さ方向一側端部に前記第１炭素繊維層によって形成された第１端部と、前記繊維強化樹脂板材の厚さ方向他側端部に前記第１炭素繊維層によって形成された第２端部と、前記中間部と第１端部との間に前記第２炭素繊維層によって形成された第１途中部と、前記中間部と第２端部との間に前記第２炭素繊維層によって形成された第２途中部とを備え、
前記中間部は、前記第１又は第２途中部よりも積層数が多くなるように形成され、
前記第１，第２途中部は、前記第１又は第２端部よりも積層数が多くなるように夫々形成されたことを特徴とする衝撃吸収用炭素繊維樹脂構造体。
前記第２炭素繊維層の炭素繊維が前記第１炭素繊維層の炭素繊維に対して４５〜９０度で交差するように配列されたことを特徴とする請求項１に記載の衝撃吸収用炭素繊維樹脂構造体。
前記第１，第２途中部は、前記繊維強化樹脂板材の長さ方向一端から他端に亙って夫々形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の衝撃吸収用炭素繊維樹脂構造体。
前記中間部は、前記第１炭素繊維層を１０層以上積層して形成され、
前記第１，第２端部は、単一層の前記第１炭素繊維層により夫々形成されたことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の衝撃吸収用炭素繊維樹脂構造体。