JP6757581B2 - 繊維強化部材 - Google Patents
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Description
上記繊維強化部材は、ベース部材は、管状部材である。
<繊維強化部材の構成>
図1を参照して、実施の形態1に係る繊維強化部材100について説明する。繊維強化部材100は、圧力容器(タンク部材)である。繊維強化部材100は、ベース部材1と、ベース部材1を囲むように形成された第1繊維強化樹脂層(第1FRP層2a)および第2繊維強化樹脂層(第2FRP層2b)とを主に備える。
次に、繊維強化部材100の作用効果について説明する。繊維強化部材100は、外周面が軸方向Aに沿って略平行に延びる筒状領域を有するベース部材1と、ベース部材1の外周面を覆うように巻回されたテープ状部材よりなる第1FRP層2aと、外周面を覆うように巻回されたテープ状部材よりなる第2FRP層2bとを備える。第1FRP層2aと第2FRP層2bとは、ベース部材1の径方向から視たときに、互いに交差するように形成されている。第1FRP層2aは、ベース部材1の径方向から視たときに、軸方向Aに対して第1角度θ1を成すように交差する第1方向に沿って延びるように形成されている。第2FRP層2bは、径方向から視たときに軸方向Aに対して第2角度θ2を成すように交差する第2方向に沿って延びるように形成されている。第1方向と第2方向とは、径方向から視たときにベース部材1の軸Oに対して互いに鏡像の関係である。第1角度θ1および第2角度θ2は、30度以上80度以下である。第1FRP層2aは、トウ繊維(第1トウ繊維)が拡幅された第1繊維束11aと、第1繊維束11aに含浸された第1樹脂部12aとを含む。第2FRP層2bは、トゥ繊維が拡幅された第2繊維束11bと、第2繊維束11bに含浸された第2樹脂部12bとを含む。第1繊維束11aは、第1方向における一部分が第1方向に沿って延在しており、かつ第1方向における他の一部分が第1方向と交差する方向に沿って延在している第1繊維線を有している。第2繊維束11bは、第2方向における一部分が第2方向に沿って延在しており、かつ第2方向における他の一部分が第2方向と交差する方向に沿って延在している第2繊維線を有している。第1FRP層2aを形成しているテープ状部材の第1方向に垂直な方向における幅の寸法、および第2FRP層2bを形成しているテープ状部材の第2方向に垂直な方向における幅の寸法のそれぞれは、第1FRP層2aおよび第2FRP層2bを形成しているテープ状部材の平均厚みの寸法の100倍以上400倍以下である。
<筒状部材の構成>
図6を参照して、本実施の形態の繊維強化部材200は、たとえば炭素繊維と樹脂との複合材料により構成されたゴルフクラブシャフト、またはパイプである。すなわち、繊維強化部材200は、実施の形態1に係る繊維強化部材100と比べて、外径が小さい。繊維強化部材200は、第1繊維強化樹脂層としての第4FRP層4と、第4FRP層の内周側に位置するベース部材の第3繊維強化樹脂層としての第5FRP層5(図7参照)とを有している。第4FRP層4は、外周側に位置し、トウプリプレグテープからなる。第5FRP層5は、内周側に位置し、シートプリプレグテープからなる。なお第4および第5FRP層は、上記の炭素繊維に限らず、たとえばガラス繊維、アラミド繊維、あるいはバルカン繊維と樹脂との複合材料により構成されてもよい。また、繊維強化部材200のベース部材は、金属またはプラスチックなどで構成されていてもよい。
h=H/n・・・(1)
の関係が成立する。
W2=Wv×sinθ3・・・(2)
の関係が成り立つ。
h=H/n・・・(1)
の関係がある。その結果、第4FRP層4成形後のトウプリプレグテープは、幅W2が大きくテープ平均厚みhが小さくなり、幅W2の寸法はテープ平均厚みhの寸法の100倍以上400倍以下となる。
次に、以上の製造方法を用いて形成された繊維強化部材200の実施例の断面写真について説明する。
次に、図19の比較例を参照しながら、本実施の形態の作用効果について説明する。
図20〜図22を参照して、本実施の形態の繊維強化部材300は、基本的に実施の形態2の繊維強化部材200と同様の構成を有しているが、以下の点において異なっている。つまり繊維強化部材300は、たとえば実施の形態2の図9(第3例)と同様に、円筒形状のシートプリプレグの外側にトウプリプレグテープが巻回された構成を有している。しかし繊維強化部材300は、シートプリプレグの表面の一部のみ(図20における左側の領域のみ)を覆うようにシートプリプレグの表面上に巻回されている。すなわち本実施の形態においては、繊維強化部材300の円筒形状の軸方向に沿った方向に関する全体ではなく、その一部分のみにトウプリプレグテープが巻回されている。
<試験片>
実施の形態1を用いた試験片として、図1および図2に示す繊維強化部材100と同様の構成を有する試験片(考案品)が準備された。具体的には、ポリエチレン製であって、軸方向における長さが641mm、軸方向の中央部の外径が300mm、厚みが10mmであるライナが準備された。次に、繊維密度が1.8g/cm2であり、外径が7μm以上10μm以下であるPAN系の炭素繊維からなるフィラメントが36000本束ねられており、かつ予め樹脂(主剤:XNR6805)を含浸させたトウプリプレグが準備された。次に、当該トウプリプレグに所定の接圧を印加することにより拡幅された繊維束が、延在方向において張力が印加された状態でライナ上に巻回された。初めに、いわゆるフープ巻により、上記繊維束がライナ上にライナの径方向から視たときにライナの軸方向に垂直な方向に巻回された。フープ巻による巻回数は、24回とした。続いて、いわゆるヘリカル巻により、上記繊維束がライナ上にライナの径方向から視たときにライナの軸方向に対して略鏡像の関係となるように、かつ第1角度θ1および第2角度θ2がそれぞれ30度以上60度以下となるように、巻回された。なお、上記繊維束の巻回方向の切り替えは軸方向の両端部に近い領域上で行った。これにより当該領域上に巻回された繊維束は、第1角度θ1および第2角度θ2が80度以下となるように巻回された。ヘリカル巻による巻回数は、第1方向に16回、第2方向に16回の合計32回とした。その後、硬化炉において熱処理されて、成形された。熱処理は135℃を6時間保持することによりなされた。これにより、ベース部材1を構成する第3FRP層と、第3FRP層上に交互に積層された第1FRP層2aおよび第2FRP層2bとを備える繊維強化部材100としての試験片(タンク)が形成された。当該試験片において第1FRP層2aおよび第2FRP層2bの上記W/h比は、100であった。当該試験片は、軸方向における長さが895mm、軸方向の中央部の外径が370mmであった。また、タンクの筒状領域上における各FRP層の厚みは、第3FRP層が20mm、第1FRP層2aおよび第2FRP層2bの合計の厚みが15mmであった。なお、タンクの軸方向における長さは、後述する破裂試験においてタンク内に試験液体を注入するための口金を含んでいる。また、筒状領域上の各FRP層は、試験片上に形成された各FRP層の厚みの最薄部とした。
上記の各試験片に対し、高圧ガス保安協会の圧縮水素蓄圧器用複合圧力容器に関する技術文書KHKTD5202(2014)規格に基づく破裂試験を行った。試験液体(腐食性及び危険性のない液体)は水とした。各試験片のタンクの内部に水を充満させた後、加圧装置を用いて均等な速度で徐々に圧力を加え、各試験片が破裂するまで昇圧した。昇圧速度は約0.15MPaとした。試験温度は常温とした。各試験片が破裂したときの圧力(破裂圧力)を測定した。
比較例の試験片の破裂圧力が269MPaであった。これに対し、実施例の試験片の破裂圧力は285MPaであった。実施例の試験片は、比較例の試験片と比べて、破裂圧力が大幅に向上していることが確認された。なお、各試験片は、いずれも第1FRP層または第2FRP層において層間剥離が確認された。
実施の形態2を用いた試験片として、シートプリプレグからなる第6FRP層6、第5FRP層5と、その表面(外側)を覆うように形成されたトウプリプレグテープからなる第4FRP層4とを備える、図7に示す繊維強化部材200と同様の構成を有する試験片(考案品)が準備された。
次に上記の各試験片に対する強度の測定試験について説明する。強度の測定は、島津製作所製の3点曲げ試験機を用いてなされた。具体的には図25を参照して、1対の支点Sの間の距離aが600mmであり、1対の支点Sの中央に圧子Aが設置された(つまり1対の支点Sのそれぞれから圧子Aまでの距離bが300mmとなるように設置された)設備が準備された。その設備における1対の支点Sに支持されるように、試験片である繊維強化部材200(考案品および比較品の双方を含む)がセットされた。
ε=(x*D)/(b2+x2)……(4)
なお考案品、比較品ともにサンプルが3つずつ用意され、それぞれに対して同様の試験がなされた。その結果を以下の表1および表2、および図26に示す。
Claims (10)
- 外周面が軸方向に沿って略平行に延びる筒状領域を有するベース部材と、
拡幅されたテープ状部材としてのトウプリプレグが、前記ベース部材の径方向から視たときに、前記軸方向に対して交差する所定の方向に沿って、前記ベース部材の前記外周面を覆うように重なりながら巻回されてなる繊維強化樹脂層とを備え、
前記繊維強化樹脂層を形成している前記テープ状部材の幅の寸法は、前記繊維強化樹脂層を形成している前記テープ状部材の前記径方向における厚みの寸法の100倍以上400倍以下であり、
前記繊維強化樹脂層を形成している前記テープ状部材は、1本の繊維線を有し、
前記1本の繊維線が、前記所定の方向における前記繊維強化樹脂層の一部分において前記一部分が延在する方向に沿って延びている部分と、前記所定の方向における前記繊維強化樹脂層の他の一部分において前記他の一部分が延在する方向と交差する方向に沿って延在している部分とを有している、繊維強化部材。 - 前記繊維強化樹脂層は、前記ベース部材の径方向から視たときに、前記軸方向に対して第1角度で巻回される前記テープ状部材よりなる第1繊維強化樹脂層と、前記径方向から視たときに前記軸方向に対して前記第1角度とは角度が正負に異なる第2角度で巻回されるテープ状部材よりなる第2繊維強化樹脂層とよりなり、
前記第1繊維強化樹脂層を形成している前記テープ状部材と前記第2繊維強化樹脂層を形成している前記テープ状部材とは、前記ベース部材の径方向から視たときに、互いに交差しており、
前記第1繊維強化樹脂層を形成している前記テープ状部材は、前記第1角度が示す方向と交差する方向に沿って延在している第1繊維線を有し、
前記第2繊維強化樹脂層を形成している前記テープ状部材は、前記第2角度が示す方向と交差する方向に沿って延在している第2繊維線を有し、
前記第1繊維強化樹脂層を形成している前記テープ状部材の幅の寸法は、前記第1繊維強化樹脂層を形成している前記テープ状部材の厚みの寸法の100倍以上400倍以下であり、
前記第2繊維強化樹脂層を形成している前記テープ状部材の幅の寸法は、前記第2繊維強化樹脂層を形成している前記テープ状部材の厚みの寸法の100倍以上400倍以下である、請求項1に記載の繊維強化部材。 - 前記第1繊維強化樹脂層および前記第2繊維強化樹脂層の樹脂含有量は、29重量%以上32重量%以下である、請求項2に記載の繊維強化部材。
- 前記第1角度と前記第2角度は、絶対値が30度以上80度以下である、請求項2に記載の繊維強化部材。
- 前記第1繊維強化樹脂層と前記第2繊維強化樹脂層とは、前記筒状領域の径方向において交互に積層するように形成されている、請求項2または3に記載の繊維強化部材。
- 前記繊維強化樹脂層を形成している前記テープ状部材は、前記軸方向に沿った方向に関して互いに隣り合うように巻回される1対のループのうちの一方が他方の少なくとも一部の上に重畳されるように巻回されている、請求項1に記載の繊維強化部材。
- 前記ベース部材の径方向から視たときに、前記外周面上において前記軸方向に沿って延びる中心線に対して前記繊維強化樹脂層が成す第3角度は、30°以上80°以下である、請求項6に記載の繊維強化部材。
- 前記ベース部材は、第3繊維強化樹脂層を含み、
前記第3繊維強化樹脂層は、第3繊維束を有し、
前記軸方向に対し前記第3繊維束の延在方向が成す第3角度は、前記第1角度と異なる、請求項2〜5のいずれか1項に記載の繊維強化部材。 - 前記ベース部材は、中空状のタンク部材である、請求項1〜7のいずれか1項に記載の繊維強化部材。
- 前記ベース部材は、管状部材である、請求項1〜7のいずれか1項に記載の繊維強化部材。
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