JP6488696B2 - 繊維強化複合材料成形体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、繊維強化複合材料成形体の製造方法に関する。

スポーツやレジャー用途（釣り竿、ゴルフクラブシャフト等）、産業用途（自動車、航空機等）、電気電子機器や家電機器の筐体用途（ノートブック型ＰＣ等）等の様々な分野において、軽量、高強度、かつ高剛性である繊維強化複合材料成形体が用いられている。繊維強化複合材料成形体としては、例えば、平板部と、前記平板部の側縁部から立ち上がる側板部とを備えるものが知られている（特許文献１）。

このような、平板部と側板部を備える繊維強化複合材料成形体を製造する方法としては、例えば、プリプレグ基材を積層してプリプレグ積層体を得る積層工程と、前記プリプレグ積層体を、その端部を折り曲げつつ加熱加圧して成形し、前記端部を前記側板部とした繊維強化複合材料成形体を得る成形工程、を有する方法が挙げられる。

国際公開第２００４／０６０６５８号

しかし、前記した製造方法では、得られる繊維強化複合材料成形体の側板部の先端部において、外側の強化繊維の密度が内側の強化繊維の密度に比べて低くなり、側板部の強度が低下することがある。特に側板部が立ち上がる部位の、外周曲率半径が小さい場合にこのような問題が生じやすい。

本発明は、平板部から立ち上がる側板部の先端部において、外側の強化繊維の密度が内側の強化繊維の密度に比べて低くなることを抑制でき、より強度の高い側板部を形成できる繊維強化複合材料成形体の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の繊維強化複合材料成形体の製造方法は、平板部と、前記平板部の側縁部から立ち上がる側板部とを備える繊維強化複合材料成形体の製造方法であって、該側板部の立ち上がり部の、外周曲率半径が５ｍｍ以下であり、強化繊維基材にマトリクス樹脂組成物が含浸されたシート状のプリプレグ基材が積層されたプリプレグ積層体を、該プリプレグ積層体における前記側板部を形成する端部を折り曲げつつ加熱加圧して成形して繊維強化複合材料成形体を得る成形工程を有し、前記プリプレグ積層体における前記側板部を形成する端部の先端面を、当該端部における前記側板部の外側面を形成する面が、前記側板部の内側面を形成する面に対して面方向に外方に長くなるように傾斜させることを特徴とする。
前記平板部及び側板部の厚さは、各々０．５〜２．０ｍｍであることが好ましい。

本発明の繊維強化複合材料成形体の製造方法は、前記プリプレグ基材を積層してプリプレグ積層体を得る積層工程と、前記積層工程で得たプリプレグ積層体における前記側板部を形成する端部を切断して、前記端部の先端面を傾斜させる切断工程と、を前記成形工程の前に有することが好ましい。
また、前記切断工程において、枠状のトムソン刃を備えるトムソン型により、前記プリプレグ積層体を前記側板部の内側面を形成する側の面から打ち抜いて、該プリプレグ積層体における前記側板部を形成する端部の先端面を傾斜させることが好ましい。

本発明の繊維強化複合材料成形体の製造方法によれば、平板部から立ち上がる側板部の先端部において、外側の強化繊維の密度が内側の強化繊維の密度に比べて低くなることを抑制でき、より強度の高い側板部を備える繊維強化複合材料成形体を製造できる。

本発明の製造方法により製造する繊維強化複合材料成形体の一例を示した断面図である。 本発明の繊維強化複合材料成形体の製造方法におけるプリプレグ積層体を示した断面図である。 図２のプリプレグ積層体の端部を切断して、該端部の先端面を傾斜させる様子を示した断面図である。 図３のプリプレグ積層体の端部における強化繊維の状態を示した概略断面図である。 図４のプリプレグ積層体を成形して得た繊維強化複合材料成形体の側板部における強化繊維の状態を示した概略断面図である。 プリプレグ積層体の端部を切断しないときの強化繊維の状態を示した概略断面図である。 図６のプリプレグ積層体を成形して得た繊維強化複合材料成形体の側板部における強化繊維の状態を示した概略断面図である。 本発明の繊維強化複合材料成形体の製造方法におけるプリプレグ基材の積層方法の一例を示した断面図である。 実施例１における繊維強化複合材料成形体の側板部の断面写真である。 比較例１における繊維強化複合材料成形体の側板部の断面写真である。 本発明の繊維強化複合材料成形体における、内周曲率半径、外周曲率半径及び該成形体の平板部の厚みを示す断面図である。

本発明の繊維強化複合材料成形体の製造方法は、平板部と、前記平板部の側縁部から立ち上がる側板部とを備える繊維強化複合材料成形体の製造方法である。
［繊維強化複合材料成形体］
本発明の製造方法により製造する繊維強化複合材料成形体は、強化繊維基材にマトリクス樹脂組成物を含浸させたシート状のプリプレグ基材を積層したプリプレグ積層体を、その端部を折り曲げつつ加熱加圧して成形することで、平板部の側縁部から立ち上がる側板部が形成された成形体である。

本発明の製造方法により製造する繊維強化複合材料成形体としては、例えば、図１に例示した繊維強化複合材料成形体１（以下、成形体１という。）が挙げられる。
成形体１は、平板部２と、平板部２の対向する側縁部の両側から、外周曲率半径５ｍｍ以下で垂直に立ち上がる一対の側板部３，３とを備える。このように、成形体１では、側板部３，３の立ち上がり部の、外周曲率半径が５ｍｍ以下になっている。

（強化繊維基材）
強化繊維基材を構成する強化繊維としては、特に限定されず、例えば、無機繊維、有機繊維、金属繊維、又はこれらを組み合わせたハイブリッド構成の強化繊維等が挙げられる。
無機繊維としては、炭素繊維、黒鉛繊維、炭化珪素繊維、アルミナ繊維、タングステンカーバイド繊維、ボロン繊維、ガラス繊維等が挙げられる。有機繊維としては、アラミド繊維、高密度ポリエチレン繊維、その他一般のナイロン繊維、ポリエステル繊維等が挙げられる。金属繊維としては、ステンレス、鉄等の繊維が挙げられ、また金属を被覆した炭素繊維でもよい。
強化繊維としては、軽量で剛性に優れる点から、炭素繊維が好ましい。
強化繊維は、１種を単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。

強化繊維は、長繊維であってもよく、短繊維であってもよく、剛性に優れる点から、長繊維が好ましい。強化繊維基材の形態としては、多数の長繊維を一方向に揃えてＵＤシート（一方向シート）とする形態、長繊維からなるクロス材（織物）とする形態、短繊維からなる不織布とする形態等が挙げられる。クロス材の織り方としては、例えば、平織、綾織、朱子織、三軸織等が挙げられる。
複数のＵＤシートを用いる場合は、剛性に優れる点から、厚み方向に隣り合うＵＤシートにおける強化繊維が互いに直交するように積層されることが好ましい。

（マトリクス樹脂組成物）
マトリクス樹脂組成物としては、熱硬化性樹脂組成物を用いてもよく、熱可塑性樹脂組成物を用いてもよい。なかでも、剛性の点から、マトリクス樹脂は熱硬化性樹脂が好ましい。
熱硬化性樹脂としては、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、ポリイミド樹脂、マレイミド樹脂、フェノール樹脂等が挙げられる。補強繊維として炭素繊維を用いる場合は、炭素繊維との接着性の点から、エポキシ樹脂又はビニルエステル樹脂が好ましい。
熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリアミド樹脂、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン（ＡＢＳ）樹脂、アクリロニトリル・エチレン−プロピレン−ジエン・スチレン（ＡＥＳ）樹脂、アクリロニトリル・スチレン・アクリレート（ＡＳＡ）樹脂等が挙げられる。
マトリクス樹脂組成物は、１種を単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。

マトリクス樹脂組成物には、難燃性材料が配合されることが好ましい。これにより、得られる繊維強化複合材料成形体は難燃性能が得られる。
難燃性材料としては、例えば、臭素系化合物、リン及び窒素を含む化合物、リン系化合物、金属水酸化物、シリコーン系化合物、及びヒンダードアミン化合物等が挙げられる。

繊維強化複合材料成形体における平板部及び側板部の厚さは、用途に応じて適宜設定すればよく、例えば、０．５〜２．０ｍｍとすることができ、０．５〜１．５ｍｍの場合、本発明の効果がより顕著に現れるため好ましい。

［製造方法］
以下、本発明の繊維強化複合材料成形体の製造方法の一例を示して説明する。
本実施形態の繊維強化複合材料成形体の製造方法は、下記の積層工程、切断工程及び成形工程を有する。
積層工程：強化繊維基材にマトリクス樹脂組成物が含浸されたプリプレグ基材を積層してプリプレグ積層体を得る工程。
切断工程：前記プリプレグ積層体における繊維強化複合材料成形体の側板部を形成する端部を切断し、前記端部の先端面を、当該端部における前記側板部の外側面を形成する面が、前記側板部の内側面を形成する面に対して面方向に外方に長くなるように傾斜させる工程。
成形工程：前記切断工程後のプリプレグ積層体を、前記側板部を形成する端部を折り曲げつつ加熱加圧して成形して繊維強化複合材料成形体を得る工程。

（積層工程）
積層工程では、強化繊維基材にマトリクス樹脂組成物が含浸されたシート状のプリプレグ基材を積層してプリプレグ積層体を形成する。
一例を示すと、成形体１を製造する場合、例えば、図２に示すように、強化繊維基材にマトリクス樹脂組成物が含浸されたシート状の３枚のプリプレグ基材１２を積層してプリプレグ積層体１０を形成する。

プリプレグ基材としては、特に限定されず、一方向に揃えられた強化繊維からなる強化繊維基材にマトリクス樹脂組成物が含浸されたプリプレグ基材（以下、一方向プリプレグという。）、クロス材（織物）にマトリクス樹脂組成物が含浸されたプリプレグ基材（以下、織物プリプレグという。）、不織布にマトリクス樹脂組成物が含浸されたプリプレグ基材（以下、不織布プリプレグという。）等を使用できる。また、これらプリプレグ基材は、１種を単独で使用してもよく、２種以上を組み合わせて使用してもよい。複数の一方向プリプレグを積層する場合は、剛性に優れる点から、厚み方向に隣り合う一方向プリプレグにおける強化繊維が互いに直交するように積層することが好ましい。
なお、一方向プリプレグを用いる場合、該一方向プリプレグの強化繊維の繊維軸方向は特に限定されない。

プリプレグ積層体の形成には、異なるプリプレグ基材を接合した接合シートを用いてもよい。接合シートを複数積層する場合は、得られる繊維強化複合材料成形体の強度が高くなる点から、厚さ方向に隣り合う接合シートにおけるそれぞれの接合境界線の位置をずらすことが好ましい。
また、一方向プリプレグ同士が接合された接合シートを用いる場合、接合シートにおいては、接合される互いのプリプレグ基材の強化繊維の繊維軸方向を直交させることが好ましい。これにより、繊維強化複合材料成形体の外観がより良好になる。

また、プリプレグ積層体においては、各プリプレグ基材における強化繊維の種類や繊維軸方向、マトリクス樹脂の種類等が、できるだけ厚さ方向に対称となるようにプリプレグ基材を積層することが好ましい。これにより、強度の高い繊維強化複合材料成形体が得られやすくなる。

プリプレグ積層体におけるプリプレグ基材の積層数は、特に限定されない。図２に例示したプリプレグ積層体１０では３層としたが、２層であってもよく、４層以上であってもよい。

（切断工程）
切断工程では、積層工程で得たプリプレグ積層体における、繊維強化複合材料成形体の側板部を形成する端部を切断する。このとき、プリプレグ積層体の端部における切断により形成される先端面（切断面）を、当該端部における繊維強化複合材料成形体の側板部の外側面を形成する面が、該側板部の内側面を形成する面に対して面方向に外方に長くなるように傾斜させる。該切断工程で形成される傾斜した先端面は、傾斜した平面からなる。
一例を示すと、例えば、図３及び図４に示すように、プリプレグ積層体１０の両方の端部１０ａを切断して、端部１０ａにおける成形体１の側板部３の外側面３ａを形成する面１０ｃが、側板部３の内側面３ｂを形成する面１０ｄに対して面方向に外方に長くなるように傾斜した先端面１０ｂを形成する。

例えば図１１において、繊維強化複合材料成形体の内周曲率半径をｒ_１、外周曲率半径をｒ_２、平板部の厚みをｔとし、プリプレグ積層体の端部における傾斜した先端面と、該端部における繊維強化複合材料成形体の側板部の外側面を形成する面とのなす角度（図４参照）をθとすると、θの最も好ましい値θ_０は下記式により求められる。

ｒ_２−ｒ_１≦ｔの場合、本発明におけるθはθ_０±１０°であることが好ましい。またｒ_２−ｒ_１＞ｔの場合、θ_０−２０°≦θ≦θ_０＋３０°であることが好ましく、θ_０−２０°≦θ≦θ_０＋２０°であることがより好ましい。なお、いずれの場合もθは９０°を超えない。前記角度θが前記範囲内であれば、側板部の強度が高い繊維強化複合材料成形体が得られやすい。
プリプレグ積層体１０であれば、端部１０ａにおける先端面１０ｂと、成形体１における側板部３の外側面３ａを形成する面１０ｃとのなす角度θ（図４）を前記範囲内とすることが好ましい。

プリプレグ積層体の端部を切断して傾斜した先端面を形成する方法としては、枠状のトムソン刃（抜き刃）を備えるトムソン型（抜き型）により、プリプレグ積層体を繊維強化複合材料成形体の側板部の内側面を形成する側の面から打ち抜く方法が好ましい。トムソン型は、公知のものが使用でき、例えば、支持基板の一方の面側に目的の打ち抜き形状に沿った形状の溝を形成し、帯状の鋼製の刃における一方の側端を前記溝に埋め込んで固定して枠状のトムソン刃としたもの等が挙げられる。
トムソン型によりプリプレグ積層体を打ち抜く際には、枠状のトムソン刃がプリプレグ積層体に食い込むにつれて、先端が外側に広がるようにトムソン刃が撓むため、プリプレグ積層体における端部の先端面を容易に傾斜させることができる。
プリプレグ積層体の端部を切断して傾斜した先端面を形成する方法は、トムソン型を用いる方法には限定されない。

（成形工程）
成形工程では、切断工程で得たプリプレグ積層体を、端部を折り曲げながら加熱加圧して成形し、側板部を備える繊維強化複合材料成形体を得る。例えば、端部１０ａを切断後のプリプレグ積層体１０を、端部１０ａを面１０ｄ側に折り曲げながら加熱加圧して成形し、側板部３を備える成形体１を得る。
プリプレグ積層体を加熱加圧して成形する方法は、特に限定されず、例えば、目的の繊維強化複合材料成形体の形状と相補的な形状のキャビティを形成する上型及び下型からなる金型を用いたプレス成形等が挙げられる。

（作用効果）
前述したように、従来の製造方法では、平板部と、該平板部の側縁部から立ち上がる側板部とを備える繊維強化複合材料成形体を製造する際に、側板部の強度が低下することがある。これは、得られる繊維強化複合材料成形体の側板部の先端部において、外側の強化繊維の密度が内側の強化繊維の密度に比べて低くなるためである。
具体例として、例えば、図２及び図６に示すように、一方の端部１０ａから他方の端部１０ａに向かって強化繊維１１が一方向に揃えられているプリプレグ積層体１０の場合について説明する。この場合、プリプレグ積層体１０の端部１０ａに傾斜した先端面を形成せずに、端部１０ａを面１０ｄ側に折り曲げながら成形すると、図７に示すように、得られる成形体１０１では、マトリクス樹脂は金型内で流動するために側板部３が先端部まで形成される。しかし、側板部３の基端部近傍では内側面３ｂ側に比べて外側面３ａ側の方が大回りであるため、側板部３の先端部において外側面３ａに近いほど強化繊維１１が先端まで届かなくなる。これにより、側板部３の先端部において外側の強化繊維１１の密度が内側の強化繊維１１の密度に比べて低くなるため、側板部３の強度が低下する。

これに対して、本発明では、プリプレグ積層体における側板部を形成する端部の先端面を、当該端部における側板部の外側面を形成する面が、側板部の内側面を形成する面に対して面方向に外方に長くなるように傾斜させる。このように、プリプレグ積層体の端部において、側板部の外側面を形成する面が、側板部の内側面を形成する面に対して長いことで、側板部の先端部において外側の強化繊維の密度が内側の強化繊維の密度に比べて低くなることが抑制される。その結果、より強度の高い側板部を備える繊維強化複合材料成形体が得られる。
具体的には、図３及び図４に示すように、プリプレグ積層体１０の端部１０ａに、端部１０ａにおける成形体１の側板部３の外側面３ａを形成する面１０ｃが、側板部３の内側面３ｂを形成する面１０ｄに対して面方向に外方に長くなるように傾斜した先端面１０ｂを形成する。このように、プリプレグ積層体１０の端部１０ａにおいて、成形において曲げられる際に大回りとなる側の面１０ｄが、面１０ｃに比べて面方向に外方に長いことで、端部１０ａを面１０ｄ側に折り曲げながら成形したときに、図５に示すように、側板部３の外側面３ａ側においても強化繊維１１が先端まで届きやすくなる。そのため、側板部３の強度が充分に高くなる。

なお、本発明の繊維強化複合材料成形体の製造方法は、前記した方法には限定されない。
例えば、本発明の繊維強化複合材料成形体の製造方法は、積層工程において、プリプレグ基材をその端部の先端が徐々にずれるように積層して、プリプレグ積層体の端部の先端面を階段状に傾斜させる方法であってもよい。具体的には、例えば図８に示すように、複数のプリプレグ基材１２を、それら各々の端部の先端が下方に向かうにつれて面方向に外方にずれるように積層して、端部１０ａの先端面１０ｂを、側板部３の外側面３ａを形成する面１０ｃが、側板部３の内側面３ｂを形成する面１０ｄに対して面方向に外方に長くなるように階段状に傾斜させたプリプレグ積層体１０Ａを得る方法であってもよい。
このように積層工程においてプリプレグ積層体の端部の先端面を傾斜させる場合は、前記した切断工程は必要ない。

また、本発明の繊維強化複合材料成形体の製造方法は、平板部における１つの側縁部のみから側板部が立ち上がる繊維強化複合材料成形体を製造する方法であってもよく、平板部における全ての側縁部から側板部が立ち上がる繊維強化複合材料成形体を製造する方法であってもよい。
また、本発明の繊維強化複合材料成形体の製造方法は、平板部から側板部が垂直に立ち上がる繊維強化複合材料成形体の製造には限定されない。

以下、実施例によって本発明を詳細に説明するが、本発明は以下の記載によっては限定されない。
［プリプレグ基材］
本実施例においては、以下のプリプレグ基材を用いた。
プリプレグ基材Ａ：一方向に揃えられた炭素繊維（三菱レイヨン（株）製、製品名：ＴＲ５０Ｓ）に熱硬化性樹脂（エポキシ樹脂＃３５２、三菱レイヨン（株）製）が含浸された一方向プリプレグ（厚さ１００μｍ、三菱レイヨン（株）製、製品名：ＴＲ３５２Ｅ１１５Ｓ）。

［実施例１］
９枚のプリプレグ基材Ａを、互いの炭素繊維の繊維軸方向が揃うように積層して、図２に示したようなプリプレグ積層体１０を形成した。次いで、トムソン型により前記プリプレグ積層体を打ち抜き、端部１０ａに全周にわたって、図４に示すような傾斜した先端面１０ｂを有する平面視矩形状のプリプレグ積層体１０を得た。前記端部１０ａの先端面１０ｂと、該端部１０ａにおける側板部の外側面を形成する面１０ｃとのなす角度は、５７．５°であった。
次いで、成形後の形状が、厚さ１．２ｍｍの平板部と、該平板部の側縁部から、外周曲率半径が２ｍｍ、内周曲率半径が１ｍｍで立ち上がる側板部を有する成形体となる下型及び上型を備える金型を用いて、前記先端面１０ｂを有するプリプレグ積層体１０を、強化繊維１１（炭素繊維）の先端が位置する端部１０ａが面１０ｄ側に折り曲げられるように、１４０℃で加熱しながら３ＭＰａの圧力で４分間プレスして、側板部を備える繊維強化複合材料成形体を得た。
得られた繊維強化複合材料成形体における側板部近傍を、炭素繊維の繊維軸方向と平行に切断した断面をキーエンス社製デジタルマイクロスコープにより撮影した写真を図９に示す。

［比較例１］
プリプレグ積層体１０の端部に傾斜した先端面を形成しなかった以外は、実施例１と同形状の平面視矩形状のプリプレグ積層体を作製し、実施例１と同様にして側板部を備える繊維強化複合材料成形体を得た。
得られた繊維強化複合材料成形体における側板部近傍を、炭素繊維の繊維軸方向と平行に切断した断面をキーエンス社製デジタルマイクロスコープにより撮影した写真を図１０に示す。

図９及び図１０に示すように、実施例１の繊維強化複合材料成形体における側板部においては、比較例１の繊維強化複合材料成形体の側板部に比べて、先端部において外側の炭素繊維の密度が内側の炭素繊維の密度に比べて低くなることが抑制されていた。

１ 繊維強化複合材料成形体
２ 平板部
３ 側板部
３ａ 外側面
３ｂ 内側面
１０ プリプレグ積層体
１０ａ 端部
１０ｂ 先端面
１０ｃ 面
１０ｄ 面
１１ 強化繊維
１２ プリプレグ基材

Claims (4)

1. 平板部と、前記平板部の側縁部から立ち上がる側板部とを備える繊維強化複合材料成形体の製造方法であって、
   該側板部の立ち上がり部の、外周曲率半径が５ｍｍ以下であり、
   強化繊維基材にマトリクス樹脂組成物が含浸されたシート状のプリプレグ基材が積層されたプリプレグ積層体を、該プリプレグ積層体における前記側板部を形成する端部を折り曲げつつ加熱加圧して成形して繊維強化複合材料成形体を得る成形工程を有し、
   前記プリプレグ積層体における前記側板部を形成する端部の先端面を、当該端部における前記側板部の外側面を形成する面が、前記側板部の内側面を形成する面に対して面方向に外方に長くなるように傾斜させ、
   前記側板部の立ち上がり部の内周曲率半径をｒ _１ （ｍｍ）、外周曲率半径をｒ _２ （ｍｍ）、前記平板部の厚みをｔ（ｍｍ）、前記先端面と前記側板部の外側面とのなす角度をθ（°）、下記式で表される角度をθ _０ （°）としたとき、
   ｒ _２ −ｒ _１ ≦ｔの場合はθ _０ −１０≦θ≦θ _０ ＋１０であり、ｒ _２ −ｒ _１ ＞ｔの場合はθ _０ −２０≦θ≦θ _０ ＋３０である、繊維強化複合材料成形体の製造方法。
   
2. 前記平板部及び側板部の厚さが各々０．５〜２．０ｍｍである、請求項１に記載の繊維強化複合材料成形体の製造方法。
3. 前記プリプレグ基材を積層してプリプレグ積層体を得る積層工程と、
   前記積層工程で得たプリプレグ積層体における前記側板部を形成する端部を切断して、前記端部の先端面を傾斜させる切断工程と、を前記成形工程の前に有する、請求項１又は２に記載の繊維強化複合材料成形体の製造方法。
4. 前記切断工程において、枠状のトムソン刃を備えるトムソン型により、前記プリプレグ積層体を前記側板部の内側面を形成する側の面から打ち抜いて、該プリプレグ積層体における前記側板部を形成する端部の先端面を傾斜させる、請求項３に記載の繊維強化複合材料成形体の製造方法。