JP6700615B2 - 繊維構造体及び繊維強化複合材 - Google Patents

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Description

本発明は、経糸層及び緯糸層を有する多層織物製の繊維構造体、及び該繊維構造体を強化基材とした繊維強化複合材に関する。
繊維強化複合材は軽量の構造材料として広く使用されている。繊維強化複合材用の強化基材にマトリックス樹脂を含浸させた繊維強化複合材はロケット、航空機、自動車、船舶及び建築物の構造材として用いられている。また、繊維強化複合材では、使用される形状に合わせて厚みを変化させたものがある。
厚みを変化させた繊維強化複合材用の繊維構造体としては、例えば、特許文献１に開示されている。図５に示すように、特許文献１に開示された三次元織物８０は、複数群に纏められた経糸８１と、複数層に分けられた緯糸８２と、外層の緯糸８２を拘束する絡み糸８３とで織製されている。三次元織物８０は、織り方向に厚さの異なるテーパ部８４を備える。テーパ部８４は、纏められた複数群からなる経糸８１を、群毎に順次分割してその分割された経糸８１の間に新たに緯糸８２を挿通して形成されている。テーパ部８４は、薄肉部８５から厚肉部８６側へと織物の層数が順次増加させることで厚みがテーパ状に増加している。
特開平０９−１５７９９３号公報
しかし、特許文献１の三次元織物８０は、テーパ部８４を製造するために、複数群に纏められた経糸８１を分割したり、分割された経糸８１の間に緯糸８２を挿通したりと製造が非常に煩雑である。また、三次元織物８０では、テーパ部８４及び厚肉部８６を製造するために、複数群に纏められた経糸８１が薄肉部８５で必要となるのに加え、テーパ部８４及び厚肉部８６を製造するために緯糸８２の本数を徐々に増やす必要があり、製造が非常に煩雑である。
本発明の目的は、厚みの異なる部分を有していても簡単に製織できる繊維構造体及び繊維強化複合材を提供することにある。
上記問題点を解決するための繊維構造体は、繊維強化複合材の強化基材であり、経糸層及び緯糸層を有する多層織物よりなる繊維構造体であって、前記経糸層又は前記緯糸層において経糸又は緯糸が隣り合う方向を一方向とすると、前記一方向に沿って連続する第１の部分と第２の部分とを有し、前記第２の部分の経糸は第１の部分の経糸より糸の厚みが厚く、及び／又は前記第２の部分の緯糸は第１の部分の緯糸より糸の厚みが厚く、前記一方向に隣り合う糸の糸主軸同士の距離をピッチとすると、前記第２の部分の前記ピッチは前記第１の部分の前記ピッチより狭いことを要旨とする。
これによれば、第１の部分と第２の部分とでピッチを異ならせることにより、第１の部分と第２の部分とで糸の幅（厚みに直交する方向の寸法）が変化し、その変化に伴って糸の厚みが変化する。この糸の厚みの変化により、第１の部分の厚みに対し第２の部分の厚みを変化させることができる。また、多層織物の厚さ方向における糸の本数を異ならせて厚みを変化させる場合と比べると、織機による織製が容易であるとともに、製造コストを抑えることができる。
また、繊維構造体について、前記多層織物の厚み方向に積層された繊維層同士は、結束糸により前記厚み方向に一体化されており、前記結束糸において、前記多層織物の厚み内で前記一方向に隣り合う部分同士間の距離を糸間距離とすると、前記第２の部分と前記第１の部分とで前記糸間距離が異なる。
これによれば、結束糸は、厚み方向に重なる経糸又は緯糸に沿って多層織物の厚みを貫通する。このため、第１の部分と第２の部分とで一方向に配列された糸となる経糸又は緯糸のピッチが異なる場合には、結束糸の糸間距離も異なることになる。よって、ピッチが異なり、厚みが異なる第１の部分と第２の部分であっても、結束糸により厚み方向に結束できる。
上記問題点を解決するための繊維強化複合材は、繊維構造体製の強化基材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、前記繊維構造体が請求項１又は請求項２に記載の繊維構造体であることを要旨とする。
これによれば、第１の部分と第２の部分とで、一方向に配列された糸のピッチを異ならせることで、第１の部分の厚みを第２の部分に対し変化させることができる。このため、繊維強化複合材において、繊維構造体製の強化基材の織機による織製が容易であるとともに、製造コストを抑えることができる。
本発明によれば、厚みの異なる部分を有していても簡単に製織できる。
実施形態の繊維強化複合材を示す断面図。 多層織物製の繊維構造体の一般部及び補強部を示す拡大断面図。 織機を模式的に示す図。 （ａ）は筬打ちする前の状態を示す部分断面図、（ｂ）は一般部を形成するために筬打ちした状態を示す部分断面図、（ｃ）は補強部を形成するための移動量を示す部分断面図、（ｄ）は補強部を形成するために筬打ちした状態を示す部分断面図。 単層織物製の繊維構造体の一般部及び補強部を示す拡大断面図。
以下、繊維構造体及び繊維強化複合材を具体化した一実施形態を図１〜図４にしたがって説明する。
図１に示すように、繊維強化複合材１０は、多層織物製の繊維構造体１１がマトリックス樹脂１２に複合化されて構成されている。マトリックス樹脂としては、例えば、熱硬化性樹脂のエポキシ樹脂が使用される。繊維構造体１１は、強化繊維からなる緯糸１３と、強化繊維からなる経糸１４とで構成されている。緯糸１３及び経糸１４は互いに直交する方向に延びている。この実施形態では強化繊維として炭素繊維が使用されている。全ての経糸１４は同じ繊度の糸であり、全ての緯糸１３は同じ繊度の糸である。なお、繊度とは、単位長さ当たりの重量のことである。また、緯糸１３及び経糸１４は炭素繊維を繊維束とした連続糸である。
繊維構造体１１は、複数本の緯糸１３が互いに平行に配列された第１緯糸層２１と、第１緯糸層２１より下方に配置された第２緯糸層２２と、第２緯糸層２２より下方に配置された第３緯糸層２３とを有する。第１〜第３緯糸層２１，２２，２３は、多層織物を構成する繊維層である。また、繊維構造体１１は、複数本の経糸１４が互いに平行に配列された第１経糸層３１と、第１経糸層３１より下方に配置された第２経糸層３２とを有する。第１経糸層３１及び第２経糸層３２は、多層織物を構成する繊維層である。
繊維構造体１１は、上から下へ第１緯糸層２１、第１経糸層３１、第２緯糸層２２、第２経糸層３２、第３緯糸層２３の順番で積層されている。これら第１緯糸層２１、第１経糸層３１、第２緯糸層２２、第２経糸層３２、及び第３緯糸層２３は、経糸の一部を構成する結束糸１５で結束されている。結束糸１５は、繊維構造体１１の形状保持用であって、非強化繊維で構成されている。結束糸１５は、各経糸１４と平行に配列されるとともに、繊維構造体１１を構成する最上層の経糸１４（第１経糸層３１）より上の位置で第１緯糸層２１の緯糸１３の外面を通って折り返すように配置されている。また、結束糸１５は、最下層の経糸１４（第２経糸層３２）より下の位置で第３緯糸層２３の緯糸１３の外面を通って折り返すように配置されている。結束糸１５は多層織物の経糸の一部を構成している。
前記のように構成された繊維構造体１１は、必要な本数の経糸１４と、必要な本数の結束糸１５を配列した状態で、緯糸１３を緯入れする多層織りで形成される。前記のように構成された多層織物製の繊維構造体１１は、マトリックス樹脂を含浸硬化させて、繊維強化複合材１０となる。よって、繊維強化複合材１０は繊維構造体１１製の強化基材にマトリックス樹脂を含浸させて形成されている。なお、マトリックス樹脂の含浸硬化は、例えば、ＲＴＭ（レジン・トランスファー・モールディング）法で行なわれる。
繊維構造体１１にマトリックス樹脂１２が含浸硬化されることにより、繊維構造体１１の緯糸１３及び経糸１４は、マトリックス樹脂と複合化して繊維強化複合材１０となる。そして、繊維強化複合材１０は、例えば、航空機や乗用車等の移動体の外板として使用される。
繊維構造体１１において、複数本の緯糸１３が配列された方向を長手方向Ｙ１とし、第１緯糸層２１、第１経糸層３１、第２緯糸層２２、第２経糸層３２、及び第３緯糸層２３が積み重なった方向を厚み方向Ｙ２とする。なお、長手方向Ｙ１は、経糸１４の糸主軸が延びる方向でもある。また、繊維構造体１１において、厚み方向Ｙ２への寸法を厚みとする。繊維構造体１１は、長手方向Ｙ１に沿う一部に第１の部分としての一般部４１を備えるとともに、一般部４１以外の部分に第２の部分としての補強部５１を備える。
一般部４１と補強部５１は、長手方向Ｙ１に連続して形成されており、一般部４１と補強部５１は、一方向に連続しているといえる。本実施形態において、一方向とは、第１〜第３緯糸層２１〜２３において緯糸１３が隣り合う方向である。一般部４１の厚みは、長手方向Ｙ１に沿って一定である。補強部５１の厚みは、長手方向Ｙ１に沿って一定であるとともに、一般部４１の厚みより厚い。
図２に示すように、一般部４１を構成する緯糸１３を一般部用緯糸１３ａとする。一般部用緯糸１３ａについて、糸主軸Ｒに直交する断面視は横長扁平状である。長手方向Ｙ１に沿った一般部用緯糸１３ａの寸法のうち、最大寸法を幅Ｗ１とする。厚み方向Ｙ２に沿った一般部用緯糸１３ａの寸法のうち、最大寸法を厚みＨ１とする。また、一般部４１において、長手方向Ｙ１に隣り合う一般部用緯糸１３ａの糸主軸Ｒ同士間の距離を一般部ピッチＰ１とする。
補強部５１を構成する緯糸１３を補強部用緯糸１３ｂとする。なお、一般部用緯糸１３ａと補強部用緯糸１３ｂとは、同じ繊度の緯糸１３であり、断面形状が異なるだけである。補強部用緯糸１３ｂについて、糸主軸Ｒに直交する断面視は横長扁平状であるが、一般部用緯糸１３ａよりも幅狭な扁平状である。長手方向Ｙ１に沿った補強部用緯糸１３ｂの寸法のうち、最大寸法を幅Ｗ２とする。また、厚み方向Ｙ２に沿った補強部用緯糸１３ｂの寸法のうち、最大寸法を厚みＨ２とする。
また、補強部５１において、長手方向Ｙ１に隣り合う補強部用緯糸１３ｂの糸主軸Ｒ同士間の距離を補強部ピッチＰ２とすると、補強部ピッチＰ２（第２の部分のピッチ）は、一般部ピッチＰ１（第１の部分のピッチ）より狭い。その結果として、補強部用緯糸１３ｂの幅Ｗ２は、一般部用緯糸１３ａの幅Ｗ１より狭く、補強部５１における補強部用緯糸１３ｂの厚みＨ２は、一般部４１における一般部用緯糸１３ａの厚みＨ１より厚い。言い換えると、補強部５１において、長手方向Ｙ１に配列された補強部用緯糸１３ｂの厚みは、一般部４１において、長手方向Ｙ１に配列された一般部用緯糸１３ａの厚みより厚い。したがって、一般部４１と補強部５１とでは、一般部用緯糸１３ａを備えた一般部４１の厚みＴ１は、補強部用緯糸１３ｂを備えた補強部５１の厚みＴ２より薄い。言い換えると、補強部５１は一般部４１より厚い。
よって、長手方向Ｙ１における単位長さ当たりに存在する緯糸１３の量は、補強部５１の方が一般部４１よりも多く、補強部５１における糸密度は、一般部４１における糸密度より高い。
また、長手方向Ｙ１に何度も折り返された結束糸１５において、繊維構造体１１の厚み方向Ｙ２に延びる部分を直線部１５ａとし、繊維構造体１１の厚み方向Ｙ２の両端で緯糸１３の外面を通って折り返された部分を返し部１５ｂとする。この場合、結束糸１５が織り進む方向、すなわち長手方向Ｙ１に隣り合う直線部１５ａ同士間の距離を糸間距離Ｋ３とする。一般部４１の一般部用緯糸１３ａは、補強部５１の補強部用緯糸１３ｂより幅広であるため、一般部４１での糸間距離Ｋ３は、補強部５１での糸間距離Ｋ３より広い。
次に、繊維構造体１１の製造方法について説明する。
図３に示すように、織機６０において、送り出された経糸１４は、綜絖６１、筬６２へ案内される。緯入れされた緯糸１３は、筬６２によって筬打ちされ、製織された織布Ｔは、巻取りローラ６３に巻き取られる。
織機６０によって繊維構造体１１を製造する際、緯糸１３が緯入れされ、筬６２によって筬打ちされる。なお、以下の説明において、緯入れされる緯糸１３は、全て一般部用緯糸１３ａと同じ幅Ｗ１の横長扁平状である。また、筬打ち場所Ｐは、図４（ａ）の２点鎖線Ｌ１に示す位置であり、常に同じ位置である。そして、緯糸１３は、筬打ち場所Ｐ、すなわち２点鎖線Ｌ１よりも織布Ｔから離れる側に緯入れされる。
一般部４１の製造では、まず、巻取りローラ６３により、既に織製された織布Ｔが巻き取られ、織布Ｔの先端Ｇが筬打ち場所Ｐから巻取りローラ６３側へ移動する。一般部４１を製造するときの織布Ｔの移動量を第１移動量Ｋ１とする。この第１移動量Ｋ１は、一般部用緯糸１３ａの幅Ｗ１と同じである。
なお、織布Ｔの移動量は、巻取りローラ６３の巻取り速度を調節することで変化させることができる。例えば、巻取りローラ６３の巻取り速度を速めると、一定時間当たりの織布Ｔの移動量が多くなり、巻取りローラ６３の巻取り速度を遅くすると、一定時間当たりの織布Ｔの移動量が少なくなる。
そして、図４（ｂ）に示すように、緯入れされた緯糸１３が筬打ち場所Ｐで筬打ちされるが、緯入れされた緯糸１３は筬打ち場所Ｐから飛び出さない状態となる。よって、緯糸１３は押し潰されず、幅Ｗ１のままとなる。その結果、一般部用緯糸１３ａによって一般部４１の一部が形成される。
次に、補強部５１が製造される。図４（ｃ）に示すように、補強部５１の製造では、巻取りローラ６３により、織布Ｔの移動量を、一般部４１製造時の第１移動量Ｋ１より少なくする。補強部５１を製造するための織布Ｔの移動量を、第２移動量Ｋ２とする。第２移動量Ｋ２は、一般部用緯糸１３ａの幅Ｗ１より短く、補強部用緯糸１３ｂの幅Ｗ２と同じである。そして、織布Ｔが巻き取られると、織布Ｔの先端Ｇと筬打ち場所Ｐとの間には、幅Ｗ２に相当する隙間Ｓ１が形成される。
そして、図４（ｄ）に示すように、緯入れされた緯糸１３が筬打ち場所Ｐで筬６２によって筬打ちされると、図４（ｄ）の２点鎖線に示すように、筬打ち場所Ｐから飛び出した緯糸１３が、筬６２によって押し潰される。その結果、補強部用緯糸１３ｂが形成されるとともに、補強部用緯糸１３ｂの幅Ｗ２となる。補強部５１を形成する本数の補強部用緯糸１３ｂが形成されると、補強部５１の一部が形成される。
次に、繊維構造体１１の作用を記載する。
繊維構造体１１において、強度を高めたい補強部５１について、補強部５１を形成する補強部用緯糸１３ｂの断面形状は、一般部４１を形成する一般部用緯糸１３ａよりも縦長の扁平状である。補強部用緯糸１３ｂと同じ繊度の一般部用緯糸１３ａで形成された一般部４１において、一般部用緯糸１３ａの断面形状は横長扁平状である。このため、補強部５１の厚みは、一般部４１の厚みより厚く、一般部４１より強度が高められている。
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）繊維構造体１１において、補強部ピッチＰ２が一般部ピッチＰ１より狭くなるように補強部５１及び一般部４１を形成した。このため、補強部用緯糸１３ｂの厚みＨ２を一般部用緯糸１３ａの厚みＨ１より厚くできる。よって、補強部５１の厚みを一般部４１の厚みより厚くできる。そして、一般部４１と補強部５１が、緯糸１３と経糸１４を使った同じ織り方であることから、織り方を異ならせて、補強部５１の厚みを一般部４１と異ならせる場合と比べると、綜絖６１の動かし方を変える必要もなく織機６０による織製が容易である。また、一般部４１と補強部５１とで、同じ繊度の糸を使い、厚み方向Ｙ２について同じ本数である。このため、繊度の異なる糸で厚みを異ならせたり、緯入れする緯糸１３の本数を異ならせて厚みを変化させる場合と比べると、織機６０による織製が容易であるとともに、製造コストを抑えることができる。
（２）補強部５１は、緯糸１３の糸密度を一般部４１より増やすことで厚みを厚くし、強度を高めている。このため、強度を高めたい部分に、繊維構造体１１とは別の補強織物等を接合する場合と比べて、補強織物の追加分、補強織物を接合するための手間を省くことができる。
（３）補強部５１の製造は、織機６０による織製時、巻取りローラ６３による織布Ｔの巻取り速度を調節し、筬打ち時に緯糸１３が押し潰される位置に緯入れ可能とすることで実現可能である。よって、織り方を変えることなく、補強部５１を製造できる。
（４）結束糸１５は、厚み方向に重なる緯糸１３に沿って一般部４１及び補強部５１を貫通する。このため、一般部４１と補強部５１とで緯糸１３のピッチが異なる場合には、結束糸１５の糸間距離Ｋ３も異なることになる。よって、ピッチが異なり、厚みが異なる一般部４１と補強部５１とであっても、結束糸１５により厚み方向に結束できる。
（５）繊維構造体１１は、繊度が同じ緯糸１３及び経糸１４によって形成され、厚み増加のために他の種類の糸を追加することがない。このため、繊維構造体１１を強化基材とした繊維強化複合材１０において、繊維構造体１１の緯入れする緯糸１３の本数を異ならせて厚みを変化させる場合と比べると、織機６０による製織が容易であるとともに、製造コストを抑えることができる。
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 補強部５１を形成する補強部用緯糸１３ｂ同士で厚みを異ならせ、長手方向Ｙ１に補強部５１の厚みを異ならせてもよい。この場合、補強部５１を通る結束糸１５における直線部１５ａ同士の糸間距離Ｋ３も補強部用緯糸１３ｂの厚みに応じて異なる。
○ 実施形態では、第１〜第３緯糸層２１〜２３において緯糸１３が隣り合う方向を（長手方向Ｙ１）を一方向とし、その緯糸１３のピッチを異ならせて一般部４１と補強部５１を形成したが、これに限らない。第１経糸層３１及び第２経糸層３２において、経糸１４が隣り合う方向を一方向とするとともに、経糸１４が隣り合う方向に一般部４１と補強部５１を連続して形成して繊維構造体１１を形成する。そして、補強部５１における経糸１４の厚みを、一般部４１における経糸１４の厚みより厚くし、それら経糸１４のピッチを一般部４１と補強部５１とで異ならせてもよい。なお、経糸１４のピッチの調節は、筬密度を調節して行われる。
又は、第１〜第３緯糸層２１〜２３において緯糸１３が隣り合う方向を一方向とした場合、緯糸１３が隣り合う方向に一般部４１と補強部５１を形成し、補強部５１における緯糸１３及び経糸１４の厚みを、一般部４１における緯糸１３及び経糸１４の厚みより厚くし、それら緯糸１３及び経糸１４のピッチを一般部４１と補強部５１で異ならせてもよい。
若しくは、第１経糸層３１及び第２経糸層３２において、経糸１４が隣り合う方向を一方向とした場合、経糸１４が隣り合う方向に一般部４１と補強部５１を形成し、補強部５１における緯糸１３及び経糸１４の厚みを、一般部４１における緯糸１３及び経糸１４の厚みより厚くする。そして、それら緯糸１３及び経糸１４のピッチを一般部４１と補強部５１で異ならせてもよい。
○ 実施形態では、巻取りローラ６３による織布Ｔの移動速度を調節することで、筬打ち場所Ｐからの緯糸１３の突出量を調節して緯糸１３を押し潰すようにしたが、押し潰す方法は変えてもよい。例えば、筬打ちストロークを変えて緯糸１３を押し潰す量を調節してもよい。
○ 実施形態では、一般部４１の一般部用緯糸１３ａは、筬打ち時に押し潰されなかったが、一般部４１の一般部用緯糸１３ａを押し潰して厚み調整してもよい。
○ 多層織物製の繊維構造体１１において、積層する緯糸層及び経糸層の数や積層する緯糸層及び経糸層の順番は適宜変更してもよい。
○ 繊維構造体１１を繊維強化複合材１０の強化基材として使用する場合、マトリックス樹脂の種類や繊維強化複合材１０の製造方法に、特に規制はない。
○ 緯糸１３及び経糸１４を構成する繊維束は、繊維強化複合材１０に要求される物性に対応して、アラミド繊維、ポリ−ｐ−フェニレンベンゾビスオキサゾール繊維、超高分子量ポリエチレン繊維等の高強度の有機繊維、ガラス繊維やセラミック繊維等の無機繊維を使用してもよい。
○ 緯糸１３及び経糸１４は、連続糸ではなく紡績糸であってもよい。
○ 緯糸１３及び経糸１４は、同じ繊度の糸でなくてもよく、繊度の異なる糸であってもよい。
○ 緯入れされる緯糸１３は横長扁平状に限らない。例えば、緯糸１３は扁平形状や円形状、縦長扁平状であってもよい。
○ 結束糸１５は強化繊維で構成されていてもよい。
○ 結束糸１５は緯方向の糸であってもよい。
○ 結束糸１５による折り返しは、多層織物の厚み方向両端の最外層で折り返されていなくてもよく、途中で折り返されていてもよい。
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。
（１）前記第１の部分と前記第２の部分とで糸の断面形状が異なる繊維構造体。
（２）前記第１の部分と前記第２の部分とで糸密度が異なる繊維構造体。
Ｐ１…一般部ピッチ、Ｐ２…補強部ピッチ、Ｒ…糸主軸、Ｋ３…糸間距離、Ｙ１…一方向としての長手方向、１０…繊維強化複合材、１１…繊維構造体、１２…マトリックス樹脂、１３…緯糸、１４…経糸、１５…結束糸、２１〜２３…第１〜第３緯糸層、３１〜３２…第１〜第２経糸層、４１…第１の部分としての一般部、５１…第２の部分としての補強部、６０…織機。

Claims (3)

  1. 繊維強化複合材の強化基材であり、経糸層及び緯糸層を有する多層織物よりなる繊維構造体であって、
    前記経糸層又は前記緯糸層において経糸又は緯糸が隣り合う方向を一方向とすると、
    前記一方向に沿って連続する第１の部分と第２の部分とを有し、
    前記第２の部分の経糸は第１の部分の経糸より糸の厚みが厚く、
    及び／又は
    前記第２の部分の緯糸は第１の部分の緯糸より糸の厚みが厚く、
    前記一方向に隣り合う糸の糸主軸同士の距離をピッチとすると、
    前記第２の部分の前記ピッチは前記第１の部分の前記ピッチより狭いことを特徴とする繊維構造体。
  2. 前記多層織物の厚み方向に積層された繊維層同士は、結束糸により前記厚み方向に一体化されており、前記結束糸において、前記多層織物の厚み内で前記一方向に隣り合う部分同士間の距離を糸間距離とすると、前記第２の部分と前記第１の部分とで前記糸間距離が異なる請求項１に記載の繊維構造体。
  3. 繊維構造体製の強化基材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、前記繊維構造体が請求項１又は請求項２に記載の繊維構造体であることを特徴とする繊維強化複合材。
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