JP6490413B2 - 繊維強化複合材料製シャフト - Google Patents
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Description
本発明は、繊維強化複合材料製シャフトに関する。
ゴルフクラブのシャフト等に用いられる繊維強化複合材料製シャフトがある。このようなシャフトは、軽量化されるとともに、曲げ強度を維持することが望まれている。特許文献１に記載の繊維強化複合材料製シャフトでは、ストレート層に補強層を設けることにより、軽量化に伴う曲げ強度の不足を補っている。
ところで、所望の曲げ剛性を得るために、シャフトの曲げ剛性を調整することが望まれている。特許文献１に記載の繊維強化複合材料製シャフトでは、用いられる補強層によって曲げ剛性が決定されるので、曲げ剛性の調整は困難である。
本発明は、曲げ剛性の調整が可能な構造を有する繊維強化複合材料製シャフトを提供する。
本発明の一態様に係る繊維強化複合材料製シャフトは、軸方向に配向された強化繊維を有するストレート層と、ストレート層の外側に設けられ、第１炭素繊維を有する第１補強層と、第１補強層の外側に設けられ、第２炭素繊維を有する第２補強層と、を備える。第１炭素繊維の引張弾性率及び第２炭素繊維の引張弾性率は、互いに異なっており、ストレート層の強化繊維の引張弾性率よりも小さい。
この繊維強化複合材料製シャフトでは、第１補強層の第１炭素繊維の引張弾性率及び第２補強層の第２炭素繊維の引張弾性率は、互いに異なっている。このため、第１補強層の積層数及び第２補強層の積層数の比率を変えることより、繊維強化複合材料製シャフトの曲げ剛性を調整することができる。
第２炭素繊維の引張弾性率は第１炭素繊維の引張弾性率よりも小さくてもよい。この場合、より低弾性率の炭素繊維を含む層が外側に位置することになる。ところで、シャフトの曲げ破壊は、圧縮側から引き起こされることが知られている。また、層に含まれる炭素繊維の引張弾性率が小さいほど圧縮破壊が生じにくい。このため、第２炭素繊維の引張弾性率が第１炭素繊維の引張弾性率よりも小さい場合には、圧縮破壊が抑制され、曲げ強度のさらなる向上が可能となる。
第１炭素繊維の引張弾性率及び第２炭素繊維の引張弾性率は、１０〜２００ＧＰａであってもよい。第１炭素繊維の引張弾性率及び第２炭素繊維の引張弾性率が１０〜２００ＧＰａの範囲内にある場合でも、曲げ強度の向上とともに曲げ剛性の調整が可能となる。
本発明によれば、曲げ剛性の調整が可能となる。
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態が詳細に説明される。図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号が用いられ、重複する説明は省略される。
図１は、一実施形態に係る繊維強化複合材料製シャフトを示す概略断面図である。図１に示されるように、繊維強化複合材料製シャフト１は、軸方向ＡＸに延びる長尺の管体であり、例えばゴルフクラブのシャフトに用いられる。繊維強化複合材料製シャフト１の幅は、例えば基端１ａから先端１ｂに向かって漸減している。繊維強化複合材料製シャフト１がゴルフクラブ用シャフトに用いられる場合、基端１ａはグリップ側の端部であり、先端１ｂはヘッド側の端部である。
繊維強化複合材料製シャフト１は、バイアス層３と、ストレート層４と、第１補強層５と、第２補強層６と、を備えている。
バイアス層３は、繊維強化複合材料製シャフト１の最内層であり、繊維強化複合材料製シャフト１の軸方向ＡＸの全長に亘って設けられている。バイアス層３は、第１バイアス層３１と、第２バイアス層３２と、を備えている。バイアス層３では、第１バイアス層３１及び第２バイアス層３２が１層又は２層以上の複数層毎に交互に積層されている。一組のバイアス層３の積層数は、例えば１〜１０層であってもよく、２〜８層であってもよい。ここで、積層数とは、バイアス層３等の特定の層が平均して何層積層されているか、つまり繊維強化複合材料製シャフト１の軸回りを何回巻回しているかを意味し、積層数が小数ということもあり得る。
第１バイアス層３１は、正のバイアス層である。第１バイアス層３１は、軸方向ＡＸに対して傾斜して配向された強化繊維を有するプリプレグから構成されている。第１バイアス層３１は、強化繊維の配向が軸方向ＡＸに対して例えば１５°〜７５°、２０°〜６０°、又は３０°〜５０°になるように積層されている。
第２バイアス層３２は、負のバイアス層である。第２バイアス層３２は、軸方向ＡＸに対して傾斜するとともに、第１バイアス層３１の強化繊維の配向方向と交差するように配向された強化繊維を有するプリプレグから構成されている。第２バイアス層３２は、強化繊維の配向が軸方向ＡＸに対して例えば−１５°〜−７５°、−２０°〜−６０°、又は−３０°〜−５０°になるように積層されている。ここで、繊維強化複合材料製シャフト１の太径側から細径側にかけて左巻き、つまり左ネジ方向に積層されるプリプレグを正のバイアス層とし、繊維強化複合材料製シャフト１の太径側から細径側にかけて右巻き、つまり右ネジ方向に積層されるプリプレグを負のバイアス層とする。
第１バイアス層３１及び第２バイアス層３２を構成するプリプレグとしては、一方向プリプレグ又はクロスプリプレグが用いられる。一方向プリプレグはクロスプリプレグよりも配向角を制御しやすい。第１バイアス層３１及び第２バイアス層３２の強化繊維の引張弾性率は、例えば２００〜１０００ＧＰａ程度であってもよく、４００〜８００ＧＰａ程度であってもよい。このような強化繊維としては、軽量でかつ高引張弾性率であることから炭素繊維が用いられる。炭素繊維としては、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系炭素繊維、及びピッチ系炭素繊維のいずれも用いられ得る。炭素繊維に代えて、金属繊維、炭化珪素繊維、アルミナ繊維、ボロン繊維、チタン酸カリウム繊維等が用いられてもよい。
ストレート層４は、バイアス層３の外側に設けられている。ストレート層４は、例えばバイアス層３の外周面に沿って、繊維強化複合材料製シャフト１の軸方向ＡＸの全長に亘って設けられている。ストレート層４は、軸方向ＡＸに配向された強化繊維を有するプリプレグから構成されている。つまり、ストレート層４は、強化繊維の配向が軸方向ＡＸに対して例えば０°〜±５°になるように積層されている。ストレート層４の積層数は、例えば１〜１０層であってもよく、２〜８層であってもよい。ストレート層４の積層厚さは、基端１ａ側と先端１ｂ側とで異なってもよいが、一定であってもよい。
ストレート層４を構成するプリプレグとしては、一方向プリプレグが用いられる。ストレート層４の強化繊維の引張弾性率は、例えば２００〜６００ＧＰａ程度であってもよく、２３０〜３００ＧＰａ程度であってもよい。このような強化繊維としては、軽量であることから炭素繊維が用いられる。炭素繊維としては、ＰＡＮ系炭素繊維、及びピッチ系炭素繊維のいずれも用いられ得る。炭素繊維に代えて、金属繊維、炭化珪素繊維、アルミナ繊維、ボロン繊維、チタン酸カリウム繊維等が用いられてもよい。
第１補強層５は、ストレート層４の外側に設けられている。第１補強層５は、例えばストレート層４の外周面に沿って、繊維強化複合材料製シャフト１の先端１ｂ側に設けられている。第１補強層５は、低引張弾性率の第１炭素繊維を有するプリプレグから構成されている。この第１炭素繊維は、例えば軸方向ＡＸに対して略平行（例えば０°〜±５°程度）に配向されている。第１補強層５の積層数は、目的に応じて決定され、例えば１〜１０層である。第１補強層５の積層数は、細径側で１〜１０層とし、太径側では０〜１層となるように太径側の積層数を減少させてもよい。
第１補強層５を構成するプリプレグとしては、一方向プリプレグ又はクロスプリプレグが用いられる。第１補強層５を構成するプリプレグは、例えば１枚〜５枚程度の同一又は非同一の裁断形状を積層して成されてもよい。第１補強層５の炭素繊維の引張弾性率は、ストレート層４の強化繊維の引張弾性率よりも小さく、例えば１０〜２００ＧＰａ程度である。第１補強層５の炭素繊維の引張強度は、曲げ強度を向上させるために例えば０．５〜１０ＧＰａであってもよく、０．８〜１０ＧＰａであってもよく、１〜１０ＧＰａであってもよい。炭素繊維としては、例えばピッチ系炭素繊維が用いられる。なお、炭素繊維の引張弾性率及び引張強度は、ＪＩＳ Ｒ ７６０８「炭素繊維−樹脂含浸ヤーン試料を用いた引張特性試験方法」に準じて測定される。
第２補強層６は、第１補強層５の外側に設けられている。第２補強層６は、例えば第１補強層５の外周面に沿って、繊維強化複合材料製シャフト１の先端１ｂ側に設けられている。第２補強層６は、低引張弾性率の第２炭素繊維を有するプリプレグから構成されている。この第２炭素繊維は、例えば軸方向ＡＸに対して略平行（例えば０°〜±５°程度）に配向されている。第２補強層６の積層数は、目的に応じて決定され、例えば１〜１０層である。第２補強層６の積層数は、細径側で１〜１０層とし、太径側では０〜１層となるように太径側の積層数を減少させてもよい。
第２補強層６を構成するプリプレグとしては、一方向プリプレグ又はクロスプリプレグが用いられる。第２補強層６を構成するプリプレグは、例えば１枚〜５枚程度の同一又は非同一の裁断形状を積層して成されてもよい。第２補強層６の炭素繊維の引張弾性率は、ストレート層４の強化繊維の引張弾性率よりも小さく、例えば１０〜２００ＧＰａであってもよく、３０〜２００ＧＰａ程度であってもよい。第２補強層６の炭素繊維の引張強度は、曲げ強度を向上させるために例えば０．５〜１０ＧＰａであってもよく、０．８〜５ＧＰａであってもよく、１〜３ＧＰａであってもよい。第２補強層６の引張弾性率は、第１補強層５の引張弾性率と異なっている。第２補強層６の引張弾性率は、曲げ強度をさらに向上させるために第１補強層５の引張弾性率よりも小さくてもよい。炭素繊維としては、例えばピッチ系炭素繊維が用いられる。
第１補強層５及び第２補強層６は繊維強化複合材料製シャフト１の細径側（先端１ｂ側）に位置している。第１補強層５及び第２補強層６の占有範囲の下限は、例えば先端１ｂから繊維強化複合材料製シャフト１の全長の１／２０以上であってもよく、１／１０以上であってもよい。第１補強層５及び第２補強層６の占有範囲の上限は、例えば先端１ｂから繊維強化複合材料製シャフト１の全長の２／３以下であってもよく、１／２以下であってもよい。第１補強層５及び第２補強層６は、例えば先端１ｂから繊維強化複合材料製シャフト１の全長の１／５〜１／３程度であってもよい。
第１補強層５及び第２補強層６の占有範囲が上述の範囲を超えると、補強を必要としない部分にも補強を施すことになり、繊維強化複合材料製シャフト１全体の重量を増加させる。また第１補強層５及び第２補強層６の占有範囲が上述の範囲に満たない場合には繊維強化複合材料製シャフト１の先端１ｂ側の曲げ強度が不足するおそれがある。
次に、繊維強化複合材料製シャフト１の製造方法について説明する。図２は、マンドレルの平面形状及び繊維強化複合材料製シャフト１の各層に用いられるプリプレグの裁断形状を示す図である。図２に示されるように、まず、各層に用いられる強化繊維をプリプレグとして形成する。各プリプレグは、各強化繊維にマトリックス樹脂を含浸させ、シート状にすることにより形成される。
各プリプレグに使用されるマトリックス樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル、フェノール樹脂、シリコーン樹脂、ポリウレタン樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂等の熱硬化性樹脂が用いられる。これらのプリプレグの強化繊維の目付は特に制限されないが、例えば３０〜１８０ｇ／ｍ２であってもよく、５０〜１５０ｇ／ｍ２であってもよい。プリプレグの強化繊維の目付が上述の範囲より大きい場合、シャフトの裁断形状及び重量設計における自由度が制限され、繊維強化複合材料製シャフト１の製造時におけるプリプレグのマンドレルＭへの巻き付き性も劣ることがある。
続いて、各プリプレグを各層の積層数及び積層範囲（占有範囲）に従って裁断する。第１バイアス層３１のプリプレグＰ３１、第２バイアス層３２のプリプレグＰ３２及びストレート層４のプリプレグＰ４の裁断形状は、例えば繊維強化複合材料製シャフト１の全長と同じ高さを有する台形を呈している。第１補強層５のプリプレグＰ５及び第２補強層６のプリプレグＰ６の裁断形状は、例えば三角形を呈している。
続いて、第１バイアス層３１のプリプレグＰ３１及び第２バイアス層３２のプリプレグＰ３２を、金属製のマンドレルＭ（芯金）の円周の半分の長さで互いにずらして貼り合わせ、バイアス層３のプリプレグとしてマンドレルＭに巻き付ける。そして、先に巻き付けたバイアス層３のプリプレグの外側にストレート層４のプリプレグＰ４を巻き付ける。そして、先に巻き付けたストレート層４のプリプレグＰ４の外側に第１補強層５のプリプレグＰ５を巻き付け、先に巻き付けた第１補強層５のプリプレグＰ５の外側に第２補強層６のプリプレグＰ６を巻き付ける。
その後、第２補強層６のプリプレグＰ６、第１補強層５のプリプレグＰ５、ストレート層４のプリプレグＰ４の外側に熱収縮テープを巻き付けて各層を固定する。この状態で、加熱炉の中に入れて加熱することによって、各層に含まれるマトリックス樹脂を硬化する。そして、室温まで冷却したのち、熱収縮テープを除去し、マンドレルＭを抜き取ることにより、繊維強化複合材料製シャフト１が作製される。
以上のように構成された繊維強化複合材料製シャフト１では、第１補強層５の炭素繊維の引張弾性率及び第２補強層６の炭素繊維の引張弾性率は、互いに異なっている。そして、炭素繊維の引張弾性率が大きいほど、曲げ剛性は大きい。このため、第１補強層５の炭素繊維の引張弾性率と第２補強層６の炭素繊維の引張弾性率とが互いに異なる場合、第１補強層５の積層数と第２補強層６の積層数との比率を変更することにより、繊維強化複合材料製シャフト１の曲げ剛性を調整することができる。
また、第１補強層５の炭素繊維の引張弾性率及び第２補強層６の炭素繊維の引張弾性率はストレート層４の強化繊維の引張弾性率よりも小さい。さらに、第２炭素繊維の引張弾性率は、第１炭素繊維の引張弾性率よりも低いことが望ましい。ここで、第１補強層の第１炭素繊維、及び第２補強層の第２炭素繊維の圧縮破断ひずみに着目すると、引張弾性率が小さいほど大きい数値となる。言い換えると、より弾性率が低い炭素繊維ほど、圧縮破壊しにくい特性を有する（ここで、炭素繊維の圧縮破断ひずみを比較すると、日本グラファイトファイバーＸＮ−０５：２．９％、ＸＮ−１０：２．１％、ＸＮ−１５：１．７５％、三菱レイヨンＴＲ５０Ｓ：１．２％、日本グラファイトファイバーＸＮ−６０：０．１５％という値となる。）。繊維強化複合材料製シャフトが曲げ荷重を受けた場合、圧子直下で圧縮応力集中が発生し、この部分から圧縮破壊が起こしやすい。すなわち、繊維強化複合材料製シャフトの曲げ強度は、圧縮破断ひずみ支配であるといえる。このことから、最外部に、より弾性率が小さい炭素繊維、すなわち、圧縮破断ひずみが大きい圧縮破断ひずみを有する炭素繊維を配置するほど、繊維強化複合材料製シャフトの曲げ強度が向上する効果を得ることができることになる。ここで、高い曲げ強度を得ようとするため、より引張弾性率の小さい炭素繊維を補強層に使用した場合、曲げ強度は向上するものの、曲げ剛性も低くなり、曲げ剛性の調整範囲も狭くなる。これに対して、２種類の低弾性炭素繊維を使用し、外側の第２炭素繊維を有する第２補強層には、より引張弾性率が低い低弾性炭素繊維を使用し、内側の第１補強層の第１炭素繊維として、第２炭素繊維と比べて高い引張弾性率を有する炭素繊維を使用することにより、高い曲げ強度を得ながら、適度に高い曲げ剛性を得ること、また曲げ剛性を広い範囲で調整することが可能なる。
シャフトの曲げ破壊は、圧縮側から引き起こされることが知られている。また、層に含まれる炭素繊維の引張弾性率が小さいほど圧縮破壊が生じにくい。このため、第２補強層６の炭素繊維の引張弾性率が第１補強層５の炭素繊維の引張弾性率よりも小さい場合、より低弾性率の炭素繊維を含む層が外側に位置することになるので、圧縮破壊が抑制され、曲げ強度のさらなる向上が可能となる。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、繊維強化複合材料製シャフト１はゴルフクラブ用シャフトだけでなく、様々なシャフトとして用いられ得る。
また、繊維強化複合材料製シャフト１は、バイアス層３、ストレート層４、第１補強層５及び第２補強層６に加えて、他の層をさらに備えていてもよい。他の層は、バイアス層３よりも内側又は各層の間に位置してもよい。他の層として、例えば、軸方向ＡＸに対して略９０°に配向された炭素繊維を有するフープ層等が挙げられる。
また、繊維強化複合材料製シャフト１は、第２補強層６の外側にさらに１以上の補強層を備えていてもよい。この１以上の補強層は、炭素繊維を有するプリプレグから構成されており、炭素繊維の引張弾性率はストレート層４の強化繊維の引張弾性率よりも小さい。
上記実施形態では、第１補強層５の軸方向ＡＸにおける長さは、第２補強層６の軸方向ＡＸにおける長さと略同じであるが、これに限定されない。
図３は、繊維強化複合材料製シャフトの一変形例を示す概略断面図である。図４は、マンドレルの平面形状及び図３の繊維強化複合材料製シャフトの各層に用いられるプリプレグの裁断形状を示す図である。図３及び図４に示されるように、上記実施形態と比較して、第１補強層５及び第２補強層６の軸方向ＡＸに沿った長さの関係が異なる。具体的には、先端１ｂから軸方向ＡＸに沿った第１補強層５の長さは、先端１ｂから軸方向ＡＸに沿った第２補強層６の長さよりも大きい。この変形例においても、上記実施形態と同様の効果が奏される。
図５は、繊維強化複合材料製シャフトの別の変形例を示す概略断面図である。図６は、マンドレルの平面形状及び図５の繊維強化複合材料製シャフトの各層に用いられるプリプレグの裁断形状を示す図である。図５及び図６に示されるように、上記実施形態と比較して、第１補強層５及び第２補強層６の軸方向ＡＸに沿った長さの関係が異なる。具体的には、先端１ｂから軸方向ＡＸに沿った第１補強層５の長さは、先端１ｂから軸方向ＡＸに沿った第２補強層６の長さよりも小さい。この変形例においても、上記実施形態と同様の効果が奏される。
（実施例）
以下、実施例及び比較例に基づいて本発明がより具体的に説明されるが、本発明は以下の実施例に限定されない。
以下、実施例及び比較例に基づいて本発明がより具体的に説明されるが、本発明は以下の実施例に限定されない。
（プリプレグ）
実施例及び比較例の繊維強化複合材料製シャフトに用いた材料を以下に示す。表１は、実施例及び比較例の繊維強化複合材料製シャフトに用いた材料を示す表である。
実施例及び比較例の繊維強化複合材料製シャフトに用いた材料を以下に示す。表１は、実施例及び比較例の繊維強化複合材料製シャフトに用いた材料を示す表である。
プリプレグＡ：炭素繊維プリプレグ Ｅ０５２ＡＡ−１０Ｎ（日本グラファイトファイバー株式会社製、炭素繊維目付１００ｇ／ｍ２、樹脂含有率３７重量％、プリプレグ厚さ０．１０９ｍｍ）
プリプレグＢ：炭素繊維プリプレグ Ｅ１０２６Ａ−０９Ｎ（日本グラファイトファイバー株式会社製、炭素繊維目付９５ｇ／ｍ２、樹脂含有率３７重量％、プリプレグ厚さ０．１０２ｍｍ）
プリプレグＣ：炭素繊維プリプレグ Ｅ１５２６Ｃ−１０Ｎ（日本グラファイトファイバー株式会社製、炭素繊維目付１００ｇ／ｍ２、樹脂含有率３３重量％、プリプレグ厚さ０．０９４ｍｍ）
プリプレグＤ：炭素繊維プリプレグ ＮＴ６１２５０−５２５Ｓ（日本グラファイトファイバー株式会社製、炭素繊維目付１２５ｇ／ｍ２、樹脂含有率２５重量％、プリプレグ厚さ０．０９３ｍｍ）
プリプレグＥ：炭素繊維プリプレグ Ｆ２４Ｎ１２５（ＪＸ日鉱日石エネルギー株式会社製、炭素繊維目付１２５ｇ／ｍ２、樹脂含有率２５重量％、プリプレグ厚さ０．１０３ｍｍ）
プリプレグＢ：炭素繊維プリプレグ Ｅ１０２６Ａ−０９Ｎ（日本グラファイトファイバー株式会社製、炭素繊維目付９５ｇ／ｍ２、樹脂含有率３７重量％、プリプレグ厚さ０．１０２ｍｍ）
プリプレグＣ：炭素繊維プリプレグ Ｅ１５２６Ｃ−１０Ｎ（日本グラファイトファイバー株式会社製、炭素繊維目付１００ｇ／ｍ２、樹脂含有率３３重量％、プリプレグ厚さ０．０９４ｍｍ）
プリプレグＤ：炭素繊維プリプレグ ＮＴ６１２５０−５２５Ｓ（日本グラファイトファイバー株式会社製、炭素繊維目付１２５ｇ／ｍ２、樹脂含有率２５重量％、プリプレグ厚さ０．０９３ｍｍ）
プリプレグＥ：炭素繊維プリプレグ Ｆ２４Ｎ１２５（ＪＸ日鉱日石エネルギー株式会社製、炭素繊維目付１２５ｇ／ｍ２、樹脂含有率２５重量％、プリプレグ厚さ０．１０３ｍｍ）
プリプレグＡは、ＸＮ−０５（日本グラファイトファイバー株式会社製、引張弾性率５４ＧＰａ、引張強度１．１ＧＰａ）の炭素繊維に、マトリックス樹脂としてエポキシ樹脂（ＪＸ日鉱日石エネルギー株式会社製、硬化温度１３０℃）を含浸させた炭素繊維プリプレグである。プリプレグＢは、ＸＮ−１０（日本グラファイトファイバー株式会社製、引張弾性率１１０ＧＰａ、引張強度１．７ＧＰａ）の炭素繊維に、マトリックス樹脂としてエポキシ樹脂（ＪＸ日鉱日石エネルギー株式会社製、硬化温度１３０℃）を含浸させた炭素繊維プリプレグである。プリプレグＣは、ＸＮ−１５（日本グラファイトファイバー株式会社製、引張弾性率１５５ＧＰａ、引張強度２．４ＧＰａ）の炭素繊維に、マトリックス樹脂としてエポキシ樹脂（ＪＸ日鉱日石エネルギー株式会社製、硬化温度１３０℃）を含浸させた炭素繊維プリプレグである。
プリプレグＤは、ＸＮ−６０（日本グラファイトファイバー株式会社製、引張弾性率６２０ＧＰａ、引張強度３．４ＧＰａ）の炭素繊維に、マトリックス樹脂としてエポキシ樹脂（ＪＸ日鉱日石エネルギー株式会社製、硬化温度１３０℃）を含浸させた炭素繊維プリプレグである。プリプレグＥは、ＴＲ５０Ｓ（三菱レイヨン株式会社製、引張弾性率２４０ＧＰａ、引張強度４．９ＧＰａ）の炭素繊維に、マトリックス樹脂としてエポキシ樹脂（ＪＸ日鉱日石エネルギー株式会社製、硬化温度１３０℃）を含浸させた炭素繊維プリプレグである。
（試験パイプの製造方法）
上述のプリプレグを用いて、繊維強化複合材料製シャフトの先端側を模擬した中空のＣＦＲＰ試験パイプ（実施例１〜５及び比較例１〜２）を作製した。
上述のプリプレグを用いて、繊維強化複合材料製シャフトの先端側を模擬した中空のＣＦＲＰ試験パイプ（実施例１〜５及び比較例１〜２）を作製した。
まず、直径５．５ｍｍ、長さ１０５０ｍｍのＳＵＳ３０４製のマンドレルに、以下の順序でプリプレグを巻き付けた。バイアス層プリプレグとして、＋４５°のプリプレグ及び−４５°のプリプレグを、マンドレルの円周の半分の長さ（８．６ｍｍ）で互いにずらして貼り合わせ、マンドレルに巻き付けた。続いて、ストレート層プリプレグを、先に巻き付けたバイアス層プリプレグの外側に巻き付けた。そして、第１補強層プリプレグを、先に巻き付けたストレート層プリプレグの外側に巻き付けた。さらに、第２補強層プリプレグを、先に巻き付けた第１補強層プリプレグの外側に巻き付けた。
各層のプリプレグを巻き付け終わった後、ポリプロピレン及びＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）製の熱収縮テープを巻き付けて、プリプレグを固定した。この状態で、加熱炉のなかに入れ、１３０℃で１時間、加熱することにより、マトリックス樹脂であるエポキシ樹脂を硬化した。続いて、室温まで冷却した後、熱収縮テープを除去し、マンドレルを抜き取ることにより、長さ１０５０ｍｍのＣＦＲＰパイプを作製した。このＣＦＲＰパイプを、長さ３５０ｍｍで三等分に切断することにより、長さ３５０ｍｍの試験パイプを得た。
（実施例１）
実施例１では、以下の積層構成とした。バイアス層プリプレグとしてプリプレグＤを用い、＋４５°のプリプレグの積層数を２層、−４５°のプリプレグの積層数を２層とした。ストレート層プリプレグとしてプリプレグＥを用い、積層数を３層とした。第１補強層プリプレグとしてプリプレグＣを用い、積層数を２層とした。第２補強層プリプレグとしてプリプレグＡを用い、積層数を２層とした。バイアス層の厚さは０．３７ｍｍ、ストレート層の厚さは０．３１ｍｍ、第１補強層の厚さは０．１９ｍｍ、第２補強層の厚さは０．２２ｍｍであった。パイプ内径は５．５ｍｍ、パイプ外形は７．７ｍｍであった。
実施例１では、以下の積層構成とした。バイアス層プリプレグとしてプリプレグＤを用い、＋４５°のプリプレグの積層数を２層、−４５°のプリプレグの積層数を２層とした。ストレート層プリプレグとしてプリプレグＥを用い、積層数を３層とした。第１補強層プリプレグとしてプリプレグＣを用い、積層数を２層とした。第２補強層プリプレグとしてプリプレグＡを用い、積層数を２層とした。バイアス層の厚さは０．３７ｍｍ、ストレート層の厚さは０．３１ｍｍ、第１補強層の厚さは０．１９ｍｍ、第２補強層の厚さは０．２２ｍｍであった。パイプ内径は５．５ｍｍ、パイプ外形は７．７ｍｍであった。
（実施例２）
実施例２では、以下の積層構成とした。バイアス層プリプレグとしてプリプレグＤを用い、＋４５°のプリプレグの積層数を２層、−４５°のプリプレグの積層数を２層とした。ストレート層プリプレグとしてプリプレグＥを用い、積層数を３層とした。第１補強層プリプレグとしてプリプレグＢを用い、積層数を２層とした。第２補強層プリプレグとしてプリプレグＡを用い、積層数を２層とした。バイアス層の厚さは０．３７ｍｍ、ストレート層の厚さは０．３１ｍｍ、第１補強層の厚さは０．２０ｍｍ、第２補強層の厚さは０．２２ｍｍであった。パイプ内径は５．５ｍｍ、パイプ外形は７．７ｍｍであった。
実施例２では、以下の積層構成とした。バイアス層プリプレグとしてプリプレグＤを用い、＋４５°のプリプレグの積層数を２層、−４５°のプリプレグの積層数を２層とした。ストレート層プリプレグとしてプリプレグＥを用い、積層数を３層とした。第１補強層プリプレグとしてプリプレグＢを用い、積層数を２層とした。第２補強層プリプレグとしてプリプレグＡを用い、積層数を２層とした。バイアス層の厚さは０．３７ｍｍ、ストレート層の厚さは０．３１ｍｍ、第１補強層の厚さは０．２０ｍｍ、第２補強層の厚さは０．２２ｍｍであった。パイプ内径は５．５ｍｍ、パイプ外形は７．７ｍｍであった。
（実施例３）
実施例３では、以下の積層構成とした。バイアス層プリプレグとしてプリプレグＤを用い、＋４５°のプリプレグの積層数を２層、−４５°のプリプレグの積層数を２層とした。ストレート層プリプレグとしてプリプレグＥを用い、積層数を３層とした。第１補強層プリプレグとしてプリプレグＣを用い、積層数を２層とした。第２補強層プリプレグとしてプリプレグＢを用い、積層数を２層とした。バイアス層の厚さは０．３７ｍｍ、ストレート層の厚さは０．３１ｍｍ、第１補強層の厚さは０．１９ｍｍ、第２補強層の厚さは０．２０ｍｍであった。パイプ内径は５．５ｍｍ、パイプ外形は７．６ｍｍであった。
実施例３では、以下の積層構成とした。バイアス層プリプレグとしてプリプレグＤを用い、＋４５°のプリプレグの積層数を２層、−４５°のプリプレグの積層数を２層とした。ストレート層プリプレグとしてプリプレグＥを用い、積層数を３層とした。第１補強層プリプレグとしてプリプレグＣを用い、積層数を２層とした。第２補強層プリプレグとしてプリプレグＢを用い、積層数を２層とした。バイアス層の厚さは０．３７ｍｍ、ストレート層の厚さは０．３１ｍｍ、第１補強層の厚さは０．１９ｍｍ、第２補強層の厚さは０．２０ｍｍであった。パイプ内径は５．５ｍｍ、パイプ外形は７．６ｍｍであった。
（実施例４）
実施例４では、以下の積層構成とした。バイアス層プリプレグとしてプリプレグＤを用い、＋４５°のプリプレグの積層数を２層、−４５°のプリプレグの積層数を２層とした。ストレート層プリプレグとしてプリプレグＥを用い、積層数を３層とした。第１補強層プリプレグとしてプリプレグＣを用い、積層数を３層とした。第２補強層プリプレグとしてプリプレグＡを用い、積層数を１層とした。バイアス層の厚さは０．３７ｍｍ、ストレート層の厚さは０．３１ｍｍ、第１補強層の厚さは０．２８ｍｍ、第２補強層の厚さは０．１１ｍｍであった。パイプ内径は５．５ｍｍ、パイプ外形は７．６ｍｍであった。
実施例４では、以下の積層構成とした。バイアス層プリプレグとしてプリプレグＤを用い、＋４５°のプリプレグの積層数を２層、−４５°のプリプレグの積層数を２層とした。ストレート層プリプレグとしてプリプレグＥを用い、積層数を３層とした。第１補強層プリプレグとしてプリプレグＣを用い、積層数を３層とした。第２補強層プリプレグとしてプリプレグＡを用い、積層数を１層とした。バイアス層の厚さは０．３７ｍｍ、ストレート層の厚さは０．３１ｍｍ、第１補強層の厚さは０．２８ｍｍ、第２補強層の厚さは０．１１ｍｍであった。パイプ内径は５．５ｍｍ、パイプ外形は７．６ｍｍであった。
（実施例５）
実施例５では、以下の積層構成とした。バイアス層プリプレグとしてプリプレグＤを用い、＋４５°のプリプレグの積層数を２層、−４５°のプリプレグの積層数を２層とした。ストレート層プリプレグとしてプリプレグＥを用い、積層数を３層とした。第１補強層プリプレグとしてプリプレグＣを用い、積層数を１層とした。第２補強層プリプレグとしてプリプレグＡを用い、積層数を３層とした。バイアス層の厚さは０．３７ｍｍ、ストレート層の厚さは０．３１ｍｍ、第１補強層の厚さは０．０９ｍｍ、第２補強層の厚さは０．３３ｍｍであった。パイプ内径は５．５ｍｍ、パイプ外形は７．７ｍｍであった。
実施例５では、以下の積層構成とした。バイアス層プリプレグとしてプリプレグＤを用い、＋４５°のプリプレグの積層数を２層、−４５°のプリプレグの積層数を２層とした。ストレート層プリプレグとしてプリプレグＥを用い、積層数を３層とした。第１補強層プリプレグとしてプリプレグＣを用い、積層数を１層とした。第２補強層プリプレグとしてプリプレグＡを用い、積層数を３層とした。バイアス層の厚さは０．３７ｍｍ、ストレート層の厚さは０．３１ｍｍ、第１補強層の厚さは０．０９ｍｍ、第２補強層の厚さは０．３３ｍｍであった。パイプ内径は５．５ｍｍ、パイプ外形は７．７ｍｍであった。
（比較例１）
比較例１では、以下の積層構成とした。バイアス層プリプレグとしてプリプレグＤを用い、＋４５°のプリプレグの積層数を２層、−４５°のプリプレグの積層数を２層とした。ストレート層プリプレグとしてプリプレグＥを用い、積層数を３層とした。第１補強層プリプレグとしてプリプレグＢを用い、積層数を４層とした。バイアス層の厚さは０．３７ｍｍ、ストレート層の厚さは０．３１ｍｍ、第１補強層の厚さは０．４１ｍｍであった。パイプ内径は５．５ｍｍ、パイプ外形は７．７ｍｍであった。
比較例１では、以下の積層構成とした。バイアス層プリプレグとしてプリプレグＤを用い、＋４５°のプリプレグの積層数を２層、−４５°のプリプレグの積層数を２層とした。ストレート層プリプレグとしてプリプレグＥを用い、積層数を３層とした。第１補強層プリプレグとしてプリプレグＢを用い、積層数を４層とした。バイアス層の厚さは０．３７ｍｍ、ストレート層の厚さは０．３１ｍｍ、第１補強層の厚さは０．４１ｍｍであった。パイプ内径は５．５ｍｍ、パイプ外形は７．７ｍｍであった。
（比較例２）
比較例２では、以下の積層構成とした。バイアス層プリプレグとしてプリプレグＤを用い、＋４５°のプリプレグの積層数を２層、−４５°のプリプレグの積層数を２層とした。ストレート層プリプレグとしてプリプレグＥを用い、積層数を３層とした。第１補強層プリプレグとしてプリプレグＥを用い、積層数を４層とした。バイアス層の厚さは０．３７ｍｍ、ストレート層の厚さは０．３１ｍｍ、第１補強層の厚さは０．４１ｍｍであった。パイプ内径は５．５ｍｍ、パイプ外形は７．７ｍｍであった。
比較例２では、以下の積層構成とした。バイアス層プリプレグとしてプリプレグＤを用い、＋４５°のプリプレグの積層数を２層、−４５°のプリプレグの積層数を２層とした。ストレート層プリプレグとしてプリプレグＥを用い、積層数を３層とした。第１補強層プリプレグとしてプリプレグＥを用い、積層数を４層とした。バイアス層の厚さは０．３７ｍｍ、ストレート層の厚さは０．３１ｍｍ、第１補強層の厚さは０．４１ｍｍであった。パイプ内径は５．５ｍｍ、パイプ外形は７．７ｍｍであった。
（静的三点曲げ試験）
図７は、実施例１〜実施例５及び比較例１〜２の繊維強化複合材料製シャフトの試験装置の概略構成図である。図７に示されるように、試験装置５０は、静的三点曲げ試験を実施するための装置であって、一対の支持部材５１と、圧子５２と、を備えている。一対の支持部材５１は、繊維強化複合材料製シャフトの試験パイプ１０を支持する部材である。支持部材５１の上端は半径が５ｍｍの曲面を成している。一対の支持部材５１間の距離、つまり支点間距離は３００ｍｍである。圧子５２は、繊維強化複合材料製シャフトの試験パイプ１０に上から荷重を加える部材である。圧子５２の下端は半径が７５ｍｍの曲面を成している。各支持部材５１と圧子５２との距離、つまり支点と荷重点との距離は、１５０ｍｍである。圧子５２は、試験パイプ１０に荷重を加えるために下方に移動する。
図７は、実施例１〜実施例５及び比較例１〜２の繊維強化複合材料製シャフトの試験装置の概略構成図である。図７に示されるように、試験装置５０は、静的三点曲げ試験を実施するための装置であって、一対の支持部材５１と、圧子５２と、を備えている。一対の支持部材５１は、繊維強化複合材料製シャフトの試験パイプ１０を支持する部材である。支持部材５１の上端は半径が５ｍｍの曲面を成している。一対の支持部材５１間の距離、つまり支点間距離は３００ｍｍである。圧子５２は、繊維強化複合材料製シャフトの試験パイプ１０に上から荷重を加える部材である。圧子５２の下端は半径が７５ｍｍの曲面を成している。各支持部材５１と圧子５２との距離、つまり支点と荷重点との距離は、１５０ｍｍである。圧子５２は、試験パイプ１０に荷重を加えるために下方に移動する。
試験装置５０を用いて静的三点曲げ試験を実施した。具体的には、一対の支持部材５１上に試験パイプ１０を載置し、圧子５２により試験パイプ１０に荷重を加えた。圧子５２の移動速度は１ｍｍ／ｍｉｎとした。実施例１〜実施例５及び比較例１〜比較例２について、曲げ破壊荷重、破断たわみ、曲げ剛性及び吸収エネルギーを測定した。実施例１〜実施例５及び比較例１〜比較例２の繊維強化複合材料製シャフトの測定結果を表２に示す。
実施例１〜実施例５及び比較例１〜比較例２では、いずれも補強層の積層数は４層であったが、実施例１〜実施例５では、補強層（第１補強層及び第２補強層）は引張弾性率の異なる２種類の炭素繊維を含んでいたのに対し、比較例１〜比較例２では、補強層は１種類の炭素繊維だけを含んでいた。表２に示されるように、実施例１〜実施例５の曲げ破壊荷重は、比較例１〜比較例２のいずれの曲げ破壊荷重よりも大きかった。また、実施例１〜実施例５の破断たわみは、比較例１〜比較例２のいずれの破断たわみよりも大きかった。さらに、実施例１〜実施例５の吸収エネルギーは、比較例１〜比較例２のいずれの吸収エネルギーよりも大きかった。このように、実施例１〜実施例５では、比較例１〜比較例２よりも曲げ強度（曲げ破壊荷重、破断たわみ及び吸収エネルギー）が向上されることが確認された。
また、実施例１、実施例４及び実施例５では、第１補強層及び第２補強層に同じプリプレグが用いられたが、各層の積層数の比率が異なっていた。このため、実施例１、実施例４及び実施例５の曲げ剛性は、互いに異なっていた。このように、第１補強層の積層数と第２補強層の積層数との比率を変更することにより、曲げ剛性を幅広い範囲で制御できることが確認された。
１…繊維強化複合材料製シャフト、３…バイアス層、４…ストレート層、５…第１補強層、６…第２補強層、ＡＸ…軸方向。
Claims (6)
- 軸方向に配向された強化繊維を有するストレート層と、
前記ストレート層の外側に設けられ、第１炭素繊維を有する第１補強層と、
前記第１補強層の外側に設けられ、第２炭素繊維を有する第２補強層と、
を備え、
前記第１炭素繊維の引張弾性率及び前記第２炭素繊維の引張弾性率は、互いに異なっており、前記ストレート層の前記強化繊維の引張弾性率よりも小さく、
前記第２炭素繊維の引張弾性率は前記第１炭素繊維の引張弾性率よりも小さく、
前記第２補強層の圧縮破断ひずみは、前記第１補強層の圧縮破断ひずみよりも大きい、繊維強化複合材料製シャフト。 - 前記軸方向における前記第１補強層の長さ及び前記軸方向における前記第２補強層の長さのそれぞれは、前記軸方向における前記ストレート層の長さよりも短い、請求項１に記載の繊維強化複合材料製シャフト。
- 前記第１補強層は、前記ストレート層を覆っており、
前記第２補強層は、前記第１補強層を覆っており、
前記軸方向における前記第２補強層の長さは、前記軸方向における前記第１補強層の長さよりも長い、請求項１又は請求項２に記載の繊維強化複合材料製シャフト。 - 前記第１補強層は、前記ストレート層を覆っており、
前記第２補強層は、前記第１補強層を覆っている、請求項１又は請求項２に記載の繊維強化複合材料製シャフト。 - 前記軸方向の回りに積層され、それぞれが強化繊維を有する複数の層を備え、
前記複数の層は、前記ストレート層、前記第１補強層、及び前記第２補強層を含み、
前記第２補強層は、前記複数の層のうちの最外層である、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の繊維強化複合材料製シャフト。 - 前記第１炭素繊維の引張弾性率及び前記第２炭素繊維の引張弾性率は、１０〜２００ＧＰａである、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の繊維強化複合材料製シャフト。
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