JP6799769B2 - 複合シート材料およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、着色複合シート材料およびその複合シート材料の製造方法に関する。本発明はまた、前記複合シート材料を含む着色複合構造体、およびそのような構造の製造方法に関する。

複合材料、特に炭素繊維複合材料は、その構造特性のために非常に人気のある材料である。このような材料は高い強度対重量比を有し、非常に汎用性がある。複合材料は、マトリックス材料内に埋め込まれた繊維強化材料から形成される。一般的な例は、エポキシベースのマトリックスに埋め込まれた織物炭素繊維マットである。炭素繊維複合材料は、モータースポーツ、航空、工業／風、スポーツ用品、およびハイエンド消費者製品などの高性能産業において広く使用されている。

多くの複合材料は繊維強化材料の織物構造により、非常に特徴的な外観を有する。この外観は、複合材料で形成された高性能製品との関連においてより望ましい。しかし、炭素繊維複合材料の外観は、現在、炭素繊維の色による制限がある。炭素繊維は、その製造に使用される炭化プロセスのために、自然には黒色である。したがって、この材料は、クリエイティブな産業に対してあまり魅力がない。

特有の織物繊維の外観を保持しながら、明るい色を有する複合材料を製造するために広範な研究が行われてきた。炭素繊維に関しては、炭素繊維が着色されるように炭素繊維を化学的に改変するための公知の方法は無いと考えられる。着色して見える織物炭素繊維布帛を製造するために種々の試みがなされてきた。例えば、着色糸を炭素繊維と織り合わせることができる。その結果は、伝統的な炭素繊維がぼやけて着色されたバージョンである。あるいは、現在Ｆ１カーにあるように、炭素繊維部品を塗装することができる。しかしながら、塗料は、炭素繊維材料の織物の外観を隠す。さらに、塗料は、製品に実質的な重量およびコストを付加する可能性がある。

本出願人による出願の公開である国際公開ＷＯ２０１４／１８１１１４には、着色複合構造体の製造方法が記載されている。この複合構造体は、炭素繊維複合材料と着色された透光性の熱可塑性層との間に、織物ガラス繊維の層を含む。ガラス繊維は白色または銀色の天然状態を有し、熱可塑性層のための明るい裏材を提供する。しかし、織物ガラス繊維は、炭素繊維ほど軽量ではなく、炭素繊維ほど大きな機械的剛性および強度を構造に提供しない。本質的に、織物ガラス繊維は、熱可塑性層に対して黒色のバックグラウンドを有することを避けるために提供される中間層を表す。したがって、被覆された炭素繊維の選択肢は、好ましい選択肢とみなすことができる。

さらに、本出願人による出願の公開である国際公開ＷＯ２０１４／１８１１１４には、比較的低い温度を使用し、比較的長い硬化サイクルを使用して部品を硬化する製造プロセスが記載されている。このアプローチはエネルギーコストを低減するために、非常に少量で製造される大型部品に対して許容可能であり得る。しかしながら、硬化サイクルは、自動車、工業、およびスポーツ用品用途のための従来の部品には長すぎ、はるかに短い硬化サイクルが必要である。

本発明の目的は、上記の問題に対処することである。

本発明の第１の態様によれば、複合シート材料の製造方法が提供される。この方法は、不透明材料の不透明層を繊維材料の層の第１の面に設けるステップと、不透明材料の層の繊維材料の層とは反対側の面に、透明または透光性のプラスチック材料の層を設けるステップとを含む。不透明材料の層の前記面は、プラスチック材料の層を通して見ることができる。不透明層は繊維材料の色とは異なる色である。不透明層の層およびプラスチック材料の層が相互作用して、複合シート材料に着色された外観を提供する。不透明材料の層の前記面の輪郭が線材料の第１の面の形状に対応するように、不透明材料の層が繊維材料の層の第１の面にコーティングされる。

上述の問題に対処するだけでなく、不透明層は、強度を有利に増加させ、透明または透光性のプラスチック材料に亀裂が生じる可能性を低減する。

プラスチック材料は、熱可塑性材料であってもよい。あるいは、プラスチック材料は熱硬化性材料であってもよい。

不透明材料の層を設けることは、繊維材料の層の第１の面への不透明材料の蒸着によって行うことができる。あるいは、薄いフォイル（箔）を繊維材料上に積層することによって、不透明材料の層を設けることができる。

複合構造体を製造する方法がさらに提供される。この方法は、前記複合シート材料の製造方法と、繊維材料の層の第２の面にプリプレグを接着するステップと、プリプレグおよび複合シート材料を硬化および／または成形して複合構造体を形成するステップとを含む。上記のプリプレグの接着は、好ましくは、複合シート材料が型内にある間に行われる。

この方法は、接着するステップの前工程として、複合シート材料を、例えば金型の表面に対して、必要な形状に成形するステップを含んでもよい。

透明または透光性層のプラスチック材料は熱可塑性であってもよく、この場合、複合シート材料はプリプレグが接着される前に型内で成形されてもよい。複合シート材料の成形は、成形を容易にするために、熱可塑性プラスチックのビカート軟化点より上で複合シート材料を軟化させることを含んでもよい。例えば、成形温度は、１６０℃より大きく３００℃未満、好ましくは２００℃未満であってよい。透明または透光性層のプラスチック材料は熱硬化性であってもよく、この場合、プラスチック材料は型内に配置されたときに部分的に硬化または未硬化であってもよく、次いで、完全に硬化されてもよい。

プリプレグを接着する前に複合シート材料を成形／硬化させる場合、この方法はさらに、プリプレグを繊維材料の層の第２の面に接着する前に、成形された複合シート材料の欠陥を検査するステップと、欠陥が存在しない場合、プリプレグを繊維材料の層の第２の面に接着するステップとを含んでもよい。

複合構造体は平面であってもよい。あるいは、複合構造体は、非平面、特に管状であってもよい。この場合、複合シート材料は、一対の長手方向縁部を有し、前記方法は、プリプレグを細長い工具の周囲に配置するステップをさらに含んでもよい。プリプレグを繊維材料の層の第２の面に接着するステップは、プリプレグの上に複合シート材料を接着することを含む。複合シート材料は、複合シート材料がプリプレグの上に配置されるときに、上記の長手方向縁部が互いに近接して配置されるように成形される。硬化中および／または長手方向縁部が互いに近接して、硬化または成形後に、長手方向縁部で透明または透光性材料が互いに融合するように成形される。

複合構造体が管状である場合、複合シート材料は、長手方向縁部が重なり合うように成形することができる。この場合、透明または透光性層は好ましくは硬化中に軟化し、その結果、長手方向縁部は、接合部が実質的に見えないように融合する。

上記の複合構造体を平面上または他の形状にする方法のいずれにおいても、プリプレグは熱硬化性プリプレグであり得る。この場合、硬化は、少なくとも８５℃から１６５℃未満、好ましくは１５０℃未満の温度で行われる。

プラスチック材料層は、熱硬化性層であってもよい。この場合、硬化はまた、少なくとも８５℃から１６５℃未満、好ましくは１５０℃未満の温度で実施される。

あるいは、プリプレグは熱可塑性プリプレグであってもよく、プラスチック材料層は熱可塑性材料であってもよい。この場合、熱可塑性プリプレグおよびプラスチック材料層の両方の成形は、１６０℃から３００℃、好ましくは２２０℃未満、好ましくはさらに２００℃未満の温度で一緒に行うことができる。

しかしながら、プリプレグは熱硬化性プリプレグとして、プラスチック材料層を熱可塑性材料としてもよい。この場合、熱硬化性プリプレグの硬化は、熱可塑性材料のビカート軟化点を超えない温度で行うことが好ましい。

本発明の第２の態様によれば、複合シート材料が提供される。この複合シート材料は、繊維材料の層と、不透明材料の層と、透明または透光性プラスチック材料の層とを含む。不透明材料の層の第１の面が繊維材料の層の第１の面に結合される。プラスチック材料の層が、不透明材料の層の第２の面に対向して配置される。不透明材料の層の第２の面は、プラスチック材料の層を通して見ることができる。不透明層は、繊維材料の色とは異なる色である。不透明層およびプラスチック材料の層は、相互作用して複合シート材料に着色された外観を提供する。繊維材料の層の第１の面はテクスチャ加工され、不透明材料の第２の面の輪郭は繊維材料の層の第１の面の形状に対応する。プラスチック材料は、熱硬化性材料であってもよく、部分的または全体的に硬化されてもよい。

さらに、複合構造体が提供される。この複合構造体は、前記第２または第３の態様の複合シート材料と、前記織物炭素繊維材料の第２の面に接着された複合材料とを含む。前記複合材料はプリプレグ材料として前記第２の面に対して配置され、前記複合材料および前記複合シート材料は前記複合構造体を成形するために一緒に硬化および／または成形されている。複合構造体は管状であってもよい。

本発明の第４の態様によれば、複合構造体の製造方法が提供される。この製造方法は、プリプレグを複合シート材料に接着するステップであって、前記複合シート材料は前記第２の態様の複合シート材料を含み、前記接着は前記繊維層の第２の面にあるステップと、前記プリプレグおよび前記複合シート材料を硬化および／または成形して、前記複合構造体を成形するステップとを含む。

前記複合シート材料は、本発明の第２または第３の態様による複合シート材料であってもよい。

複合構造体を作製する方法が提供され得る。ここで、複合構造体は非平面である。この製造方法は、上述の第３の態様の方法と、前記プリプレグを細長いツールの周囲に円周方向に配置するステップとを含む。前記複合シート材料は一対の長手方向縁部を有する。前記プリプレグを繊維材料の層の第２の面に接着するステップは、プリプレグの上に複合シート材料を接着するステップを含んでもよい。複合シート材料は長手方向縁部が互いに近接して配置されるように成形される。硬化および／または成形は、複合シート材料およびプリプレグを硬化および／または成形することを含んでもよい。長手方向縁部は硬化および／または成形中に互いに近接し、その結果、硬化または成形後、長手方向縁部の透明または透光性材料が互いに融合する。

複合シート材料は長手方向縁部が重なり合うように成形されてもよく、この場合、透明または透光性の層は硬化中に軟化し、長手方向縁部は実質的に目に見える接合部を持つことなく融合する。

プリプレグは、熱硬化性プリプレグであってもよい。この場合、硬化は、少なくとも８５℃から１６５℃未満、好ましくは１５０℃未満の温度で行われる。

プリプレグは熱可塑性プリプレグとすることができ、プラスチック材料層は熱可塑性材料とすることができる。この場合、硬化および成形は、１６０℃から２２０℃、好ましくは２００℃未満の温度で行うことができる。

プラスチック材料層は、熱可塑性材料から形成することができる。プリプレグが熱硬化性プリプレグである場合、熱硬化性プリプレグの硬化は、熱可塑性材料の軟化点を超えない温度で行われることが好ましい。

本発明の任意の態様において、不透明層は金属層であってもよく、好ましくはアルミニウム、ニッケル、クロム、錫、インジウム、銀、金、および白金のうちの１つからなる単一元素金属層であってよい。不透明層は、厚さが１００ナノメートル未満であってもよい。不透明層は、厚さが１０ナノメートルより大きくてもよい。

本発明のいずれの態様においても、プラスチック材料の層は、透光性で着色されていることが好ましい。

本発明の任意の態様において、繊維材料は、好ましくは織物繊維材料または一方向繊維の不織シートである。繊維材料は、炭素繊維、ガラス繊維、ポリプロピレン、アラミドおよびホウ素のうちの１つ以上を含むことができる。織物繊維材料中の個々のトウ（ｔｏｗ）は全体が繊維で構成されていてもよいし、或る形態の薬剤によって安定化されていてもよい。あるいは、トウは、織る前に熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂によって含浸されてもよい。トウが含浸される場合、熱可塑性樹脂は、その固有の非粘着性の性質のために好ましい。

本発明の任意の態様において、プリプレグは、熱硬化性または熱可塑性炭素繊維プリプレグであってもよい。

本発明をより良く理解するために、添付の図面を参照して、単なる例として、実施形態を説明する。
図１は着色炭素繊維複合シートの例示的な断面図である。 図２は、一実施形態による複合シート材料の製造プロセスにおけるステップを示すフローチャートである。 図３は、別の実施形態による複合シート材料の製造プロセスのステップを示すフローチャートである。 図４は別の実施形態による複合シートデータの製造プロセスのステップを示すフローチャートである。 図５は、別の実施形態による複合シートデータの製造プロセスのステップを示すフローチャートである。

全体を通して、同様のステップは同様の参照番号によって示される。

種々の炭素繊維複合構造体及びそれらの製造を、本発明の異なる実施形態に従って以下に説明する。図１は従来の炭素繊維複合材の構造的品質を保持するが、高品質の着色外観を提供する着色炭素繊維複合材シートの断面図である。図１の図は、いくつかの異なる実施形態の説明で使用される。

複合シートは、炭素繊維層１０と、アルミニウム層１２と、透光性層１４とを含む。アルミニウム層１２の第１の面は、炭素繊維層１０の第１の面上に位置する。透光性層１４の第１の面は、炭素繊維層１０の反対側のアルミニウム層１２の第２の面に対して配置される。保護仕上げ層１６は透光性層１４の、アルミニウム層１２とは反対側の第２の面に位置し、外観面を提供する。

複合層２０は、接着フィルム１８の層によって炭素繊維層１０の第２の面に結合される。複合層２０は、複合シート材料を外側として使用して複合部品または構造体を製造するためのものである。

炭素繊維層１０は、織物炭素繊維フィラメントから形成される。炭素繊維はあや織（例えば、２／２）、サテン、または平織、あるいは他の種類の織りに織ることができる。あるいは、炭素繊維は、一方向不織布であってもよい。

アルミニウム層１２は、透光性層１４を通して見ることができる、明るくニュートラルな裏打ち色を提供する。透光性層１４は着色されていてもよい。透光性層１４およびアルミニウム層１２は複合シートに色を与えるように相互作用し、この色は、織物炭素繊維の色とは異なる。透光性層１４が透明である場合、複合材料の全体的な色は、アルミニウム、すなわち銀の色である。実施形態において、層１４は、透光性ではなく、透明であってもよい。

図１は、アルミニウム層１２が炭素繊維層１０の平坦な表面上に位置する平坦な層であることを示唆しているが、実際には炭素繊維層１０の表面がテクスチャ加工されているので、これは当てはまらない。アルミニウム層１２は、薄いコーティングの形態であり、下にある炭素繊維層１０の繊維の輪郭またはパターンを明確に見ることができる。この結果、複合材料は非常に特徴的な外観を有する。アルミニウム層は、厚さが１０ナノメートルより大きいことが好ましい。アルミニウム層は、１００ナノメートル未満の厚さであることが好ましい。アルミニウム層１２は非常に薄いので、複合シートの重量および体積をほとんど増加させない。アルミニウムはまた、成形／硬化プロセス中に加熱しても変形しないことが有用である。

透光性層１４は、熱可塑性材料で形成される。透光性層１４の色は特定の熱可塑性樹脂の固有の特性として存在してもよく、または例えば、熱可塑性樹脂に顔料を添加することによって提供されてもよい。本発明の実施形態は、透光性層が着色されるいかなる特定の方法にも限定されない。熱可塑性材料は例えば、熱可塑性ポリウレタン（ＴＰＵ）であってもよい。透光性層１４は、アルミニウム層と相互作用して色を与えるだけでなく、アルミニウム層１２を保護する働きをする。

仕上げ層１６は審美的に改善された仕上げを提供し、外面の硬度を増加させる。典型的には、仕上げ層１６はポリウレタンのようなラッカーである。変形実施形態では、仕上げ層１６は省略される。

複合シート材料の製造、次いで、複合シート材料を組み込んだ複合構造体の製造を、第１の製造プロセスに従って説明する。図２を参照すると、ステップ１００において、炭素繊維層１０が提供される。炭素繊維層１０は、当該技術分野で知られている方法で、例えば斜め織りで織られるか、または一方向不織布で形成される。

次に、ステップ１０２において、アルミニウム層１２を蒸着によって炭素繊維層１０に付着させる。蒸着において、炭素繊維層１０はガス状アルミニウム源上を通過し、ガス状アルミニウムは、例えばロールツーロールウェブシステムを使用して、炭素繊維層１０の第１の面で凝縮する。堆積されるアルミニウムの量は例えば、他の要因の中でも、炭素繊維層１０が供給源上を通過する速度を制御することによって、正確に制御することができる。

透光性層１４は、ステップ１０４において、フィルム化およびラミネート工程を用いて設けられる。この方法では、熱可塑性樹脂をフィルムに押し出し、次いで加熱し、アルミニウム層１２の第２の面に押し付ける。フィルムの厚さは、好ましくは０．１ｍｍ〜１０ｍｍであり、より好ましくは０．２５ｍｍ〜０．３ｍｍである。

次に、ステップ１０６において、複合シートを型内に置くことによって、複合シートを必要な形状に成形する。複合シートは、型に入れる前に切断することもできる。複合シートは金型との良好な嵌合および必要な表面仕上げを確実にするために、熱および／または真空を使用して必要な形状に熱成形することができる。例えば、複合シートを１５０℃に加熱して、熱可塑性層１４を軟化させ、必要な形状への成形を可能にすることができる。例えば、シリコンマンドレルまたはマッチモールドされた構成要素等の増圧器が、モールドの表面に対して必要とされる適合性を得るべく、モールドに対して複合体を押し付けるために利用され得る。平面形状が必要とされる場合、ステップ１０６は省略されてもよい。

複合構造体を成形するために、ステップ１０８において、接着フィルム１８が炭素繊維層１０の第２の面に接着される。ステップ１１０において、炭素繊維熱硬化性プリプレグの形態の未硬化複合材料の層が複合シート上に積層され、接着フィルム１８で複合シートに接着される。炭素繊維熱硬化性プリプレグは炭素繊維強化材を含む。炭素繊維強化材は、炭素繊維織布であってもよく、または一方向不織布の形態であってもよく、熱硬化性樹脂、例えばエポキシ樹脂を含む。典型的には、プリプレグは、それが複合シートの上に積層されるとき、Ｂステージの、部分的に硬化した形態である。この場合、Ｂステージプリプレグは部分的にのみ硬化されるので、粘着性のままである。場合によってはプリプレグの粘着性表面が積層プロセス中に接着フィルム１８の省略を可能にし、これはステップ１０８が省略されることを意味する。熱硬化性プリプレグと炭素繊維層１０の第２の面との間の連続結合は、従来の積層／レイアップおよび成形技術を用いて達成される。最終結果は、硬化の準備ができた複合材「プリフォーム」である。

ステップ１１２において、プリフォームは、次いで、既知の技術に従って熱および／または真空を使用して型内で硬化され、硬化された複合片を成形する。金型内の硬化温度は熱可塑性層１４の厚さが維持されるように、熱可塑性層の材料の軟化点より低いことが好ましい。硬化は、８５℃を超える温度で行われ、１００℃を超えてもよい。硬化は、１５５℃未満の温度で行われ、１３５℃未満であってもよい。一般に、温度が高いほど、必要とされる硬化時間は短くなり、定義される正確な温度および圧力は、使用される特定の炭素繊維プリプレグに依存し得る。１５５℃で、複合材料を５〜３０分間加熱して、複合片を得ることができる。８５℃で８時間加熱することができる。加えられる圧力は、典型的には１バール〜１０バールである。

複合シートは熱可塑性層１４を軟化させ、別の形状への成形を可能にするために、例えば１５０℃に加熱されてもよいことは上述した。しかしながら、複合シートは、より高い温度に加熱されてもよい。ステップ１０６の後およびステップ１０８および１１０の前に行われる任意の追加のステップでは、複合シートが型内で少なくとも１５０℃、好ましくは少なくとも１６０℃、およびおそらく最低１８０℃および好ましくは２２０℃未満、おそらく２００℃未満に加熱され、その結果、複合シートが実質的に軟化し、新しい形状が達成され得る二段階加熱プロセスが使用され得る。次いで、複合シートを周囲温度まで冷却し、型から取り出して検査することができる。熱成形された複合シートに欠陥がある場合、その複合シートを廃棄することができる。欠陥は、例えば透光性層１４の外側から見ることができる傷のような、外見的なものであってもよい。このような欠陥は、例えば、アルミニウム層１２または透光性層１４の損傷であり、複合シートを連続製造に適さないものにする。欠陥は構造的であってもよい。この段階でコンポジットシートを廃棄することは、後続のステップが実行されず、副層で使用される追加の物質が浪費されないことを手段する。成形された複合シートが受け入れられる場合、すなわち、シートが廃棄されるべきであることを意味する欠陥がない場合、シートは型に戻され（または別の型に置かれ）、製造プロセスはステップ１０８に続く。

別の実施形態では、複合構造体の透光性層１４が熱可塑性材料で成形される代わりに、透光性層１４が熱硬化性プラスチック材料で形成される。図３を参照すると、ステップ２０４において、透光性層１４は、熱硬化性樹脂がフィルムに押し出され、次いで、加熱され、アルミニウム層１２の第２の面に押し付けられる高精度のフィルミングおよびラミネートプロセスを用いて適用される。フィルムの厚さは、好ましくは０．１ｍｍ〜１０ｍｍであり、なお好ましくは０．２５ｍｍ〜０．３ｍｍである。一般に、層１４が熱可塑性樹脂で形成される実施形態と同じまたは類似の積層条件を使用することができる。しかし、温度は一般に低い。

熱硬化性透光性層１４はアルミニウム層１２上に積層された後、部分的に硬化される、すなわち、Ｂステージである。これは、熱硬化性材料が積層プロセス中に既に加熱されているためである。部分的に硬化された熱硬化性層１４は例えば、３０〜４０％硬化されてもよい。熱硬化性層は型内にレイアップされる前に部分的に硬化され、熱硬化性層１４の表面が粘着性であり、型内に容易に配置することができるという点で有利である。また、複合シートは取り扱いに対してより安定であり、金型内の熱硬化性層を硬化させるのに必要な時間が短縮される。

実際には、部分的に硬化されたプリプレグを有するこのような複合シートが一方の当事者によって作製され、次いで、他方の当事者に供給され得る。次いで、その他の当事者は、製造プロセスにおける後続のステップを実行することができる。

いくつかの実施形態では、透光性層１４の熱硬化性材料の粘度が閾値粘度よりも大きくなるように、硬化中に熱硬化性透光性層１４の粘度を増加させるために、添加剤を熱硬化性透光性層１４に有用に添加してもよい。熱硬化性材料は、そのような添加剤が使用される場合、その厚さをより良好に維持する。

ステップ１１０において炭素繊維層１０の第２の面に適用される複合層２０を構成するプリプレグは、Ｂステージ熱硬化性プリプレグであってもよい。この場合、有利には、必要とされる硬化条件が透光性層１４のＢステージ熱硬化性材料を硬化させるのに必要とされるものと非常に類似しているか、または同じであり得る。透光性層１４の熱硬化性材料の粘度を増加させるために添加剤が使用される場合、プリプレグ中の熱硬化性材料の粘度は、好ましくは透光性層１４の熱硬化性材料の粘度よりも低く、その結果、複合層２０のプリプレグの熱硬化性材料は硬化中に流動するが、透光性層１４の熱硬化性材料は実質的に流動しない。

他の実施形態では、透光性層１４の熱硬化性材料の粘度を変化させるために添加剤を使用する代わりに、流れを制限するように硬化条件を設定することができる。

変形実施形態では、熱硬化性プリプレグの代わりに、熱可塑性プリプレグを炭素繊維層１０の第２の面に適用することができる。上述のように、透光性層１４の熱硬化性材料の粘度は、硬化条件の観点から変更または流動制限することができる。

変形実施形態では、ステップ１１０で層２０のプリプレグが追加される前に、複合シート材料を検査できるようにするために、上述したものと同様の二段階プロセスを実行することができる。この場合、熱硬化性材料の透光性層１４を含む複合シートは、金型内に積み重ねられ、複合シートは完全に硬化される。次いで、複合シートを金型から取り出し、傷について検査する。コンポジットシートが許容可能であれば、コンポジットシートはモールドに戻され、プリプレグ（熱硬化性または熱可塑性）が炭素繊維層１０の第２の面に加えられてコンポジット層２０を形成し、プリプレグはモールド内で硬化または成形される。変形例では硬化された複合シートが取り外された後、異なる金型内に配置され、プリプレグはその金型内で硬化または成形されてもよい。

別の実施形態では複合構造体の透光性層１４が図２を参照して説明した実施形態と同様の熱可塑性材料で成形され、この別の実施形態では、炭素繊維プリプレグ２０は、熱硬化性プリプレグの代わりに熱可塑性プリプレグである。図４を参照すると、ステップ３１０において、炭素繊維熱可塑性プリプレグ２０が複合シート上に積み重ねられる。また、ステップ３１２において、複合シートおよび複合層２０の炭素繊維プリプレグは、１６０℃より高い温度で成形される。成形温度は２２０℃より高く、好ましくは２００℃より低い。熱可塑性材料に有利な熱硬化性材料の不存在はより高い成形温度が使用されることを可能にし、部品のためのより速いサイクルをもたらす。成形サイクルは、部品を加熱するプレスの能力によって駆動され、好ましくは少なくとも１分で３０分未満である。成形サイクルの長さは、溶融温度および使用される特定の熱可塑性材料に依存する。好ましい実施形態では、透光性層１４に使用される熱可塑性プラスチックのタイプがプリプレグで使用される熱可塑性プラスチック、例えばＴＰＵと同じである。この場合、複合構造体のこれらの部分の両方に対して同じ成形条件が適切である。

複合層２０の熱可塑性プリプレグおよび透光性層１４の熱可塑性材料は金型内で同じ成形ステップで成形されてもよいが、上述のものと同様の二段階プロセスを実行して、層２０のプリプレグがステップ１１０で加えられる前に、複合シート材料を成形し検査できるようにしてもよい。この場合、複合シートは最初に、熱および圧力を加える第１の工程で成形され、欠陥が検査され、次いで、ステップ３１０および３１２が実行される。使用される温度は典型的には上記の熱可塑性プラスチックを成形するための範囲、例えば、１６０〜２２０℃である。

別の実施形態では管状構造が図１に示す断面を有する複合シート材料で形成され、透光性層１４は熱硬化性プラスチックで形成される。チューブを製造するには、まず、図３に関して説明したように、ステップ１００、１０２および２０４で複合シートを作製し、熱硬化性プラスチックを部分的に、すなわちＢステージで硬化させる。

次いで、ステップ４０６において、炭素繊維熱硬化性プリプレグをマンドレルの周りに巻き付ける。これは、マンドレルの周りに熱硬化性樹脂で予め含浸された炭素繊維シートを巻くことによって行われる。プリプレグの粘着性は、巻き付け工程中に材料をマンドレル上に保持するのを助ける。あるいは、乾燥炭素繊維フィラメントまたは布帛をマンドレルの周囲に巻き付け、二次工程で熱硬化性樹脂を含浸させてもよい。

次いで、着色された複合シートは、ステップ４０８において、プリプレグの上でマンドレルの周りに巻き付けられる。次いで、複合シートの長手方向縁部を隣接させるか、またはわずかに重ね合わせる。複合シートは巻き付けられる前に切断されてもよいし、巻き付けられた後に切断されてもよい。複合シートは透光性層１４を軟化させて包装を容易にするために加熱されてもよく、例えば、複合シートは５０℃に加熱されてもよい。熱硬化性樹脂の粘着性はこれを不要にするかもしれないが、接着剤を炭素繊維層１０の第２の面に適用してもよい。複合シートの長手方向縁部の重なり合いは０ｍｍだけであることが好ましく、２ｍｍ以下である。

複合シートがマンドレルの周囲に巻き付けられた後、複合シートが巻き付けられたマンドレルは、対応する雌型に置かれるか、または例えばプラスチックＯＰＰ（延伸ポリプロピレン）テープに収容される。次いで、マンドレルを加熱し、ステップ１１２と同じ範囲の温度で、ステップ４１０で複合シートおよびプリプレグを完全に硬化させる。透光性層１４は軟化し、長手方向縁部は、２つの長手方向縁部間に目に見える接合部がないかまたはほとんどないように互いに融合する。

管状構造は、円筒管であってもよく、又は別の種類の管状断面を有する可能性がある。同様の方法を使用して、他の形状を有する複合構造体を製造することができる。

上述の全ての実施形態において、複合構造体が硬化され、任意の型またはオートクレーブから取り除かれた後、仕上げコーティング１６は、追加のステップで透光性層１４の外面に塗布されてもよい。しかし、変形実施形態では、仕上げコーティング１６を省略することができ、したがってこのステップを省略することができる。

上述した実施形態に対して種々の変更を加えることができる。

炭素繊維層１０において、炭素繊維は、ガラス繊維、アラミド、ポリプロピレンまたはホウ素などの他の種類の繊維材料と混合または織り合わされてもよい。特定の用途に好ましい代替実施形態では、層１０が炭素繊維で形成されず、代わりに、ガラス繊維、ポリプロピレン、アラミドまたはホウ素などの代替繊維材料で形成されてもよい。層１０は、炭素繊維、アラミド、ガラス繊維、ポリプロピレンおよびホウ素などの２種類以上の繊維材料の組み合わせを含むことができる。層１０は、炭素繊維を含むかまたは除外するかに関わらず、これらの繊維材料または一方向不織繊維のいずれか１種以上の短繊維を含む繊維マットで形成することができる。

代替実施形態では層１２がアルミニウム以外の不透明材料、好ましくは単一元素金属層から形成されてもよいが、必ずしもその必要はない。例えば、層は、ニッケル、クロム、スズ、インジウム、銀、金、および白金のうちの１つから形成されてもよい。アルミニウムと同様に、アルミニウムとは異なる色の材料は、透光性材料と相互作用して、透光性層１４の外面を見たときに複合シートに色を与える。このような金属は、蒸着技術を用いて繊維層１０に適用することができる。

変形実施形態では、アルミニウム層１２は、炭素繊維層１０の第１の面に他の方法で形成することができる。アルミニウム層１２、あるいは言及した金属のいずれかの層を、陽極酸化によって形成することができる。薄いフォイル（箔）を用意し、フォイルの第１の面に接着層を適用し、次いで、例えば、フォイルの第２の面に対して高い空気圧を適用することによって、炭素繊維層１０の第１の面に対してその面をしっかりと押し付けることによって、下にある繊維材料の特徴的な外観を保持しながら、アルミニウムまたは他の金属層１２を付着させることも可能であり得る。あるいは、金属粒子を炭素繊維材料１０の第１の面に噴霧してもよい。本発明の実施形態はアルミニウム、または変形実施形態では他の金属または材料が適用されるいかなる特定の方法にも限定されない。

層２０のプリプレグは炭素繊維プリプレグである必要はなく、その代わりに、樹脂を予め含浸させた別の種類の繊維強化材であってもよい。例えば、繊維強化材は、アラミド、ポリプロピレン、ホウ素またはガラス繊維であってもよい。繊維強化材は、炭素繊維、ガラス繊維、ポリプロピレン、ホウ素およびアラミドのうちの１つ以上を含み得る繊維材料の組み合わせであり得る。熱可塑性プリプレグ用の一般的な樹脂としては、ＴＰＵ、ＰＰ、ＰＥＴ、ＰＥ、ＰＰＳ、およびＰＥＥＫが挙げられる。熱硬化性プリプレグの一般的な樹脂はエポキシ樹脂である。他の熱硬化性樹脂および熱可塑性樹脂が当技術分野で知られている。

選択されたプリプレグがその性質上接着性であり、硬化ステップ中に複合シートに接着する場合、接着層１８を含む必要はない。この場合、接着層１８、ひいては接着層１８を塗布するステップ１１０を省略することができる。例えば、炭素繊維プリプレグにエポキシ樹脂を含浸させる場合には、接着層１８を省略してもよい。

上述のプロセスに従って製造された複合構造体は従来の炭素繊維複合材料の構造的品質を保持するが、高品質の着色外観を提供する。

ある温度で硬化する間、複合層２０が作られるプリプレグは、繊維層１０を通って移動することができる。アルミニウム層の存在は、これからの色劣化を防止する。しかし、繊維層１０へのプリプレグの転写は複合構造体の機械的強度を有利に増大させることができ、したがって望ましい。また、アルミニウム層１２が存在しない場合、透光性層１４の材料は、成型または硬化の間に移動する可能性があり、これもまた色劣化をもたらす。アルミニウム層１２はこれを防止する。

透光性層１４を形成するための熱可塑性または熱硬化性材料の使用、および層２０における熱可塑性または熱硬化性プリプレグの使用は、特定の用途に依存する。熱硬化性プリプレグの使用は、熱硬化性樹脂が粘着性であり、炭素繊維層１０の第２の面に容易に接着することができる点において、熱可塑性プリプレグの使用よりも有利であり、このことは、接着層１８を省くことができることが多いことを意味する。硬化熱硬化性樹脂はまた、典型的には、形成された熱可塑性樹脂よりも良好な機械的特性を有する。しかしながら、熱可塑性樹脂のみが存在する場合、複合構造体はより高い温度でより速く成形できるので、複合構造体にのみ熱可塑性樹脂を使用することは利点を有する。また、熱可塑性樹脂を用いた場合には化学反応がないため、望ましくない副生成物が生成されない。また、透光性層１４に熱可塑性プラスチックが使用される場合、その層の厚さは、典型的には完成した複合構造体においてより良好に維持される。厚さの変動は、透光性層１４の色におけるより暗いパッチおよびより明るいパッチを引き起こすので、層１４における熱可塑性材料の使用は、熱硬化性材料の使用よりも良好な外観をもたらし得る。

ここで、複合構造体が熱硬化性複合層２０を含み、および／または透光性層１４が熱硬化性材料から形成される場合、硬化ステップが必要とされることを理解されたい。プリプレグまたは透光性層１４に熱可塑性プラスチックが使用される場合、これは、硬化されるのではなく成形される。「成形」および「硬化」という用語の使用は、文脈において相応に解釈されるべきである。

上記の成形および／または硬化ステップは、オートクレーブ中で行うことができる。あるいは、それらはオートクレーブ外プロセスを用いて行われてもよい。例えば、樹脂トランスファーモールディング（ＲＴＭ）プロセスが使用され得る。ホットプレスも使用できる。また、真空注入プロセスを使用してもよい。構造が非平面である複合シートを成形するステップ、および成形および／または硬化するステップは、他の公知のプロセスを用いて行うことができる。

本特許請求の範囲外ではあるが、上述のプロセスはアルミニウム層であってもよい不透明層を、複合シート材料から排除するように変更されてもよい。この場合、透光性または透明層は、織物繊維上に直接成形または硬化させることができる。いくつかの新規で有利な複合シート材料および構造は、不透明層が存在しないにもかかわらず、上述のプロセスから達成し得る。

本出願人は本明細書で説明される個々の特徴またはステップ、および２つ以上のそのような特徴の任意の組み合わせを、そのような特徴またはステップ、または特徴および／またはステップの組み合わせが、そのような特徴またはステップ、または特徴および／またはステップの組み合わせが、本明細書で開示される任意の問題を解決するかどうかにかかわらず、特許請求の範囲に限定されることなく、当業者の共通の一般知識に照らして、本明細書全体に基づいて実施することができる範囲で、本明細書で単独で開示する。出願人は、本発明の態様が任意のそのような個々の特徴またはステップ、あるいは特徴および／またはステップの組み合わせから成ることができることを示す。上記の説明を考慮すると、本発明の範囲内でいろいろな変形例があり得ることは当業者には明らかであろう。

Claims (19)

1. 複合シート材料の製造方法であって、
   不透明材料の不透明層を繊維材料の層の第１の面に形成するステップと、
   透明または透光性のプラスチック材料の層を、不透明層において繊維材料の層とは反対の面に形成するステップとを含み、
   前記繊維材料の層は、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド、ポリプロピレンおよびホウ素のうちの少なくとも１つを含み、
   前記不透明層の前記面はプラスチック材料の層を通して見ることができ、
   前記不透明層は繊維材料の色とは異なる色であり、前記不透明層およびプラスチック材料の層は複合シート材料に着色された外観を提供するように相互作用し、
   前記繊維材料の層の前記第１の面がテクスチャ加工されており、
   前記不透明層の前記面の表層の凹凸形状が前記繊維材料の層の第１の面の前記テクスチャ加工の凹凸形状に対応するように、前記不透明層が、前記繊維材料の層の第１の面にコーティングされた、複合シート材料の製造方法。
2. 前記プラスチック材料が熱可塑性材料または熱硬化性材料である、請求項１に記載の複合シート材料の製造方法。
3. 前記不透明層が、アルミニウム、ニッケル、クロム、スズ、インジウム、銀、金、および白金のうちの１つからなる、先行する請求項のいずれか１つに記載の複合シート材料の製造方法。
4. 不透明材料の不透明層を形成するステップが、繊維材料の層の第１の面への不透明材料の蒸着によって行われる、先行する請求項のいずれか一項に記載の複合シート材料の製造方法。
5. 前記プラスチック材料が熱硬化性材料であり、前記熱硬化性材料の形成後に、前記熱硬化性材料が部分的に硬化される、先行する請求項のいずれか一項に記載の方法。
6. プラスチック材料の層が透光性で着色されている、先行する請求項のいずれか一項に記載の複合シート材料の製造方法。
7. 複合構造体の製造方法であって、
   先行する請求項のいずれか一項に記載の方法と、
   プリプレグを繊維材料の層の第２の面に接着し、プリプレグおよび複合シート材料を硬化および／または成形して、複合構造体を形成するステップとを含む、複合構造体の製造方法。
8. 請求項１から４のいずれか一項に従属する、請求項７に記載の複合構造体の製造方法であって、
   前記透明または透光性層の前記プラスチック材料が熱可塑性樹脂であり、
   前記複合シート材料を必要な形状に成形するステップをさらに含み、前記成形は、複合シート材料を前記熱可塑性樹脂の軟化点より上で軟化させることを含む、複合構造体の製造方法。
9. プリプレグを繊維材料の層の第２の面に接着する前に、複合シート材料を成形または硬化させるステップと、
   成形または硬化された複合シート材の欠陥を検査するステップと
   欠陥が存在しない場合、プリプレグを繊維材料の層の第２の面に接着し、接着した複合シート材料でプリプレグを硬化または成形するステップとをさらに含む、請求項７または８に記載の複合構造体の製造方法。
10. 前記複合構造体が管状であり、前記複合シート材料が一対の長手方向縁部を有し、
    プリプレグを細長い工具の周囲に配置するステップを含み、
    プリプレグを繊維材料の層の第２の面に接着するステップが、プリプレグの上に複合シート材料を接着するステップを含み、複合シート材料は、複合シート材料がプリプレグの上に配置されるときに長手方向縁部が互いに近接して配置されるように成形され、
    硬化および／または成形中、長手方向縁部は、長手方向縁部において透明または透光性材料が硬化または成形後に互いに融合するように、互いに近接して配置される、請求項８に記載の複合構造体の製造方法。
11. 前記複合シート材料は、前記複合シート材料が前記プリプレグの上に位置するときに前記長手方向縁部が重なり合うように成形され、前記長手方向縁部が硬化中に一緒に融合して接合部が見えなくなる、請求項１０に記載の複合構造体の製造方法。
12. 前記プリプレグが熱硬化性プリプレグである、請求項７、１０、および１１のいずれか一項に記載の複合構造体の製造方法。
13. 請求項１〜４のいずれか一項に従属する、請求項７に記載の複合構造体の製造方法であって、
    前記プラスチック材料層が熱可塑性材料であり、
    前記接着は、熱可塑性プリプレグを繊維材料の層の第２の面に接着することを含み、前記硬化および／または成形は、熱可塑性プリプレグおよび複合シート材料を成形して複合構造体を形成する、複合構造体の製造方法。
14. 熱可塑性プリプレグを接着する前に、複合シート材料を必要な形状に成形するステップをさらに含む、請求項１３に記載の複合構造体の製造方法。
15. 請求項１〜４のいずれか一項に従属する、請求項９〜１５および請求項７に記載の複合構造体の製造方法であって、
    前記プリプレグが熱硬化性プリプレグであり、前記プラスチック材料層は熱可塑性材料で形成され、前記熱硬化性プリプレグの硬化が前記熱可塑性材料の軟化点を超えない温度で行われる、複合構造体の製造方法。
16. 前記プリプレグが炭素繊維プリプレグである、請求項７〜１５のいずれか一項に記載の複合構造体の製造方法。
17. 繊維材料の層と、不透明材料の不透明層と、透明または透光性プラスチック材料の層とを含み、
    不透明材料の層の第１の面が繊維材料の層の第１の面に結合され、プラスチック材料の層が不透明材料の層の第２の面に対向して配置され、
    前記繊維材料の層は、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド、ポリプロピレンおよびホウ素のうちの少なくとも１つを含み、
    不透明材料の不透明層の第２の面がプラスチック材料の層を通して見ることができ、
    不透明層は繊維材料の色とは異なる色であり、不透明層およびプラスチック材料の層は相互作用して着色された外観を複合シート材料に提供し、
    繊維材料の層の第１の面がテクスチャ加工され、不透明材料の第２の面の表層の凹凸形状が、繊維材料の層の第１の面の前記テクスチャ加工の凹凸形状に対応する、複合シート材料。
18. 複合構造体であって、
    請求項１７に記載の複合シート材料と、
    前記複合シート材料の第２の面に接合された複合材料とを含み、
    前記複合材料は、プリプレグ材料として第２の面に対して配置され、前記複合材料および複合シート材料は一緒に硬化および／または成形されて、複合構造体を形成する、複合構造体。
19. 請求項１７に記載の複合シート材料の繊維層の第２の面へプリプレグを接着するステップと、
    プリプレグおよび複合シート材料を硬化および／または成形して複合構造体を形成するステップとを含む、複合構造体の製造方法。

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