JP6652000B2

JP6652000B2 - 繊維強化複合材用プリフォーム及び繊維強化複合材

Info

Publication number: JP6652000B2
Application number: JP2016128459A
Authority: JP
Inventors: 弘樹石本
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2016-06-29
Filing date: 2016-06-29
Publication date: 2020-02-19
Anticipated expiration: 2036-06-29
Also published as: JP2018001475A

Description

本発明は、繊維強化複合材用プリフォーム及び繊維強化複合材に関する。

一般に、軽量、高強度の材料として繊維強化複合材が使用されている。繊維強化複合材は強化繊維にマトリックス樹脂が含浸されて複合化されることで形成される。繊維強化複合材はマトリックス樹脂と比較して力学的特性が向上するため構造部品として好ましい。

繊維強化複合材の強化基材としては、強化繊維を含む経糸及び強化繊維を含む緯糸を製織した織物からなる繊維強化複合材用プリフォームがある。強化繊維を含む経糸及び強化繊維を含む緯糸としては、例えば、特許文献１に開示の複合紡績糸がある。特許文献１に開示の複合紡績糸は無撚の強化繊維からなる短繊維束状物の外周部において、合成繊維からなる連続糸を捲回して構成される。該複合紡績糸は短繊維束状物の強化繊維を撚って形成される撚糸よりも、糸主軸方向に強化繊維が配向されている。そのため、該撚糸を製織してなる繊維強化複合材用プリフォームと比較して該複合紡績糸を製織してなる繊維強化複合材用プリフォームは経方向及び緯方向について力学特性が優れる。

特開平７−１１８９７９号公報

ところで、特許文献１に開示の複合紡績糸を経糸及び緯糸として用いて製織されたプリフォームを強化基材とする場合、成形工程（例えばＲＴＭ（Resin Transfer Molding）成形や熱プレス成形）において複合紡績糸の連続糸が加熱により溶ける場合がある。複合紡績糸の連続糸が加熱により溶ける場合、短繊維束状物は連続糸からの拘束がなくなり短繊維束状物の繊維配向がずれやすくなる。そのため、例えば樹脂をプリフォームへ含浸させた後、型締めによるプレス圧によって樹脂が流動して強化基材としてのプリフォームの周縁が解れる可能性がある。強化基材としてのプリフォームの周縁が解れた箇所では力学特性が低下してしまうので均一な力学特性を保つためには成形工程の後に繊維強化複合材の該強化基材の周縁を切り出す必要がある。

本発明の目的は、上述した事情を鑑みてなされたものであり、成形工程の際に強化基材の周縁の解れを低減する繊維強化複合材用プリフォーム及び繊維強化複合材を提供することにある。

上記目的を達成する繊維強化複合材用プリフォームは、非連続繊維である強化繊維と、前記強化繊維をカバーリングし、成形工程において熱溶融するカバーリング糸とを含む無撚糸からなる強化基材部と、前記強化基材部の周縁に配設され、非連続繊維である強化繊維を含む撚糸からなる形状保持部と、を備えることを特徴とする。

かかる構成によれば、成形工程において、強化基材部の周縁に配設されている形状保持部を構成する撚糸は撚りによって強化繊維が解れることがないので、該形状保持部により強化基材部の周縁では強化基材部を構成する無撚糸が拘束されて無撚糸の強化繊維の解れが抑制される。これにより強化基材部の周縁の解れ低減が可能となる。

前記形状保持部は前記繊維強化複合材用プリフォームの最外周に配設される経糸及び緯糸からなってもよい。

かかる構成によれば、強化基材部の周縁の解れを低減しつつ、繊維強化複合材用プリフォームにおける形状保持部の割合を最小限にできるので、経方向及び緯方向について形状保持部と比較して力学特性が優れる強化基材部の割合を最大限とすることが可能となる。

上記目的を達成する繊維強化複合材は、強化繊維を有するプリフォームにマトリックス樹脂を含浸させた繊維強化複合材であって、前記プリフォームが請求項１又は請求項２に記載の繊維強化複合材用プリフォームであることを特徴とする。

かかる構成によれば、成形工程において、繊維強化複合材用プリフォームの周縁に配設されている撚糸の撚りによる拘束で強化基材部の強化繊維の流動が抑制される。これにより、強化基材部の周縁の解れ低減が可能となる。

この発明によれば、成形工程の際に強化基材の周縁の解れを低減する繊維強化複合材用プリフォーム及び繊維強化複合材の提供が可能である。

（ａ）は繊維強化複合材用プリフォームの平面図。（ｂ）は無撚糸の拡大平面図。（ｃ）は撚糸の拡大平面図。繊維強化複合材の平面図。（ａ）は繊維強化複合材用プリフォームの変形例を示す平面図。（ｂ）は（ａ）に示す繊維強化複合材用プリフォームのＡ−Ａ線断面図。

以下、繊維強化複合材用プリフォーム及び繊維強化複合材を具体化した第１の実施形態を図１及び図２に従って説明する。

まず、繊維強化複合材用プリフォーム１１を構成する無撚糸１３及び撚糸１４について説明する。図１（ｂ）に示すように、無撚糸１３は、強化繊維１５を紡出して無撚の束状物とした後、カバーリング糸１６を無撚の強化繊維１５に捲回して形成されている。強化繊維１５は非連続繊維であり、例えば炭素繊維やガラス繊維から構成される。カバーリング糸１６は例えばナイロンから構成される。無撚糸１３の強化繊維１５の繊維配向は糸主軸方向に配向されている。

図１（ｃ）に示すように、撚糸１４は、強化繊維１５を所定の撚角に撚って形成されている。強化繊維１５は非連続繊維であり、例えば、炭素繊維やガラス繊維から構成される。撚糸１４の強化繊維１５の繊維配向は所定の撚角に沿って配向されている。

次に、無撚糸１３及び撚糸１４を使用した繊維強化複合材用プリフォーム１１を説明する。図１（ａ）に示すように、繊維強化複合材用プリフォーム１１は、複数の無撚糸１３及び複数の撚糸１４が平織されることで形成されている。

図１（ａ）に示すように、経糸及び緯糸を無撚糸１３として平織することで強化基材部１７が形成される。強化基材部１７は経糸及び緯糸を無撚糸１３として平織しているため、緯方向Ｘ及び経方向Ｙに強化繊維１５が配向している。強化基材部１７は、緯方向Ｘと経方向Ｙの２方向に強化繊維１５が配向している中心１８と、中心１８の外周にあって、緯方向Ｘ又は経方向Ｙのいずれかの方向に強化繊維１５が配向している周縁１９からなる。

強化基材部１７の周縁１９において、強化基材部１７の最外周に配設される撚糸１４である経糸及び緯糸から形状保持部２０が形成されている。

図２に示すように、繊維強化複合材１０は、成形工程において、繊維強化複合材用プリフォーム１１に熱硬化性のマトリックス樹脂１２を含浸硬化させることで形成されている。マトリックス樹脂１２を繊維強化複合材用プリフォーム１１に含浸、硬化させる製造方法の一例として、ＲＴＭ（Resin Transfer Molding）成形法がある。ＲＴＭ成形法では、樹脂含浸用型内に繊維強化複合材用プリフォーム１１を配置した状態で型内に液状のマトリックス樹脂１２を注入する。熱硬化性のマトリックス樹脂１２は、例えばエポキシ樹脂が使用される。型内にマトリックス樹脂１２を注入した後、加熱硬化することで繊維強化複合材１０が形成される。

次に、本実施形態の作用を説明する。
ＲＴＭ成形法にて繊維強化複合材用プリフォーム１１にマトリックス樹脂１２を含浸させた後、型内を加熱することで無撚糸１３のカバーリング糸１６が熱溶融する。その後、型締めによるプレス圧によりマトリックス樹脂１２は型内を流動する。マトリックス樹脂１２の型内の流動の際、形状保持部２０を構成する撚糸１４は、非連続繊維である強化繊維１５が撚られているため、マトリックス樹脂１２の流動によっても強化繊維１５が解れることがない。強化基材部１７の周縁では無撚糸１３同士による拘束が弱いためマトリックス樹脂１２の型内での流動により無撚糸１３の強化繊維１５が解れようとするが、形状保持部２０を構成する撚糸１４が強化基材部１７の周縁における無撚糸１３を拘束するため、非連続繊維である強化繊維１５は緯方向Ｘ及び経方向Ｙの繊維配向を保つ。

上記実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）繊維強化複合材用プリフォーム１１において、無撚糸１３で構成される強化基材部１７の周縁１９には撚糸１４で構成される形状保持部２０が配設されている。
これにより、成形工程において、繊維強化複合材用プリフォーム１１にマトリックス樹脂１２を含浸硬化させて繊維強化複合材１０を形成する際に、強化基材部１７の周縁１９に配設された形状保持部２０を構成する撚糸１４は撚りによって強化繊維１５が解れることがない。そのため、強化基材部１７の周縁１９では形状保持部２０により強化基材部１７を構成する無撚糸１３が拘束されて無撚糸１３の強化繊維１５の解れが抑制される。よって、マトリックス樹脂１２の流動による強化基材部１７の周縁１９の解れが低減される。

（２）形状保持部２０は強化基材部１７の周縁１９の最外周に配設されている撚糸１４から構成されている。
これにより、繊維強化複合材用プリフォーム１１における形状保持部２０の割合を最小限にできるので強化基材部１７の周縁１９の解れを低減しつつ、緯方向Ｘと経方向Ｙの２方向に強化繊維１５が配向している中心１８の割合を最大限にすることが可能となる。

なお、上記実施形態は以下のように変更しても良い。
○ 形状保持部２０を構成する撚糸１４は強化基材部１７の周縁の最外周に配設されている撚糸１４に限らず、強化基材部１７の周縁に配設される撚糸１４であれば良い。

○ 無撚糸１３及び撚糸１４の製織方法は平織に限らず、例えば綾織や朱子織であっても良い。

○ 繊維強化複合材１０の成形方法はＲＴＭ成形に限らず、熱プレス成形でも良い。

○ カバーリング糸１６はナイロンに限らず、成形工程において熱溶融する材質で構成されていれば良い。

○ 繊維強化複合材用プリフォーム１１は賦形されてから繊維強化複合材１０を成形しても良い。

○ 繊維強化複合材用プリフォーム１１は三次元織物から構成されていても良い。例えば、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、繊維強化複合材用プリフォーム１１は複数の無撚糸１３及び複数の撚糸１４からなる繊維強化複合材用織物２１を厚さ方向Ｚに積層して形成されている。繊維強化複合材用プリフォーム１１は例えば図示しないステッチ糸や接着剤等で層間が結合されている。

１０…繊維強化複合材、１１…繊維強化複合材用プリフォーム、１２…マトリックス樹脂、１３…無撚糸、１４…撚糸、１５…強化繊維、１７…強化基材部、１９…周縁、２０…形状保持部、Ｘ…緯方向、Ｙ…経方向。

Claims

非連続繊維である強化繊維と、前記強化繊維をカバーリングし、成形工程において熱溶融するカバーリング糸とを含む無撚糸からなる強化基材部と、
前記強化基材部の周縁に配設され、非連続繊維である強化繊維を含む撚糸からなる形状保持部と、を備える
ことを特徴とする繊維強化複合材用プリフォーム。
前記形状保持部は前記繊維強化複合材用プリフォームの最外周に配設される経糸及び緯糸からなる
請求項１に記載の繊維強化複合材用プリフォーム。
強化繊維を有するプリフォームにマトリックス樹脂を含浸させた繊維強化複合材であって、前記プリフォームが請求項１又は請求項２に記載の繊維強化複合材用プリフォームである
ことを特徴とする繊維強化複合材。