JP6888364B2 - 強化繊維シート - Google Patents

Description

本開示は、強化繊維シートに関し、特にＲＴＭ成形に好適な強化繊維シートに関するものである。

従来、生産性に優れた繊維強化プラスチック（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ：「ＦＲＰ」と称することがある。）の成形方法として、いわゆるＲＴＭ（Ｒｅｓｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｌｄｉｎｇ）が知られている。ＲＴＭにおいては、強化繊維布帛からなる基材積層体を成形型内に配置し、成形型内にマトリックス樹脂を注入して、基材積層体に含浸させ、樹脂を硬化させた後、成形品を脱型させる。

一般には、平板状に形成された基材積層体（例えば、複数枚の強化繊維基材）を所定形状に賦形して、プリフォームを作製する。そして、そのプリフォームを成形型内に配置して、マトリックス樹脂を型内に注入し、基材に含浸した樹脂を硬化させる。

ＲＴＭにおいて用いられる強化繊維布帛として、織物やノンクリンプファブリック（Ｎｏｎ Ｃｒｉｍｐ Ｆａｂｒｉｃ：「ＮＣＦ」と称することがある。）がある。織物においては、強化繊維束の縦糸と緯糸とが織り合わさることで布帛形態が形成される。一方、ＮＣＦにおいては、一方向に引きそろえられた強化繊維束からなる層が２層以上積層され、ステッチ糸もしくは樹脂バインダ等を用いて厚み方向に接合されることで、布帛形態が形成される。

これらの布帛形態の違いにより生じる強化繊維布帛の特徴の違いとして、外力を受けた際の強化繊維布帛のせん断変形のしやすさがあげられる。織物においては、それぞれの強化繊維束が別の強化繊維束と接合されておらず、互いの接触部における摩擦により、強化繊維束間で外力が伝搬される。このため、織物は、縦糸と緯糸とが規定する平面内において、せん断変形することができる。

一方、ＮＣＦにおいては、それぞれの強化繊維束が別の強化繊維束と接合されており、強化繊維束同士が拘束されている。せん断力を受けた場合には、ＮＣＦは、接合箇所の近傍においてヨレながら変形する。このため、ＮＣＦは、織物にくらべて、縦糸と緯糸とが規定する平面内において、せん断変形しにくい。よって、とりわけ複雑な形状のプリフォームを製作する際には、変形性に優れた布帛形態である織物が好適であった。

これらの強化繊維布帛は、織機もしくは経編機等により、一定幅のものが連続的に生産され、ロールに巻き取られて保持され、搬送される。このため、前記のプリフォームを製造する場合には、ロールから必要な量だけ強化繊維布帛が引き出され、所望の形状に裁断されて、積層される。

ところが、上記の方法においては、一定幅の（すなわち、略矩形の）強化繊維布帛から製品形状の強化繊維布帛を切り出した後に残る端材が多く生成され、強化繊維の廃棄量が増加する。このため、上記の方法は、製造コストが高いという課題があった。

そこで、一定幅の（すなわち、略矩形の）強化繊維布帛から製品形状の強化繊維布帛を切り出すのではなく、最初から製品形状に合わせて必要箇所に強化繊維束を順次配置していく、ファイバープレイスメント法が注目されている。ファイバープレイスメント法によれば、廃棄される端材の量を大幅に低減することができる。

ファイバープレイスメント法でプリフォームを生成する場合には、（ｉ）３次元形状を有する型に強化繊維束を直接貼り付けていくことにより、３次元形状の基材積層体（プリフォーム）を得る方法と、（ｉｉ）平面状の強化繊維シートを作製し、これを積層して基材積層体を生成したのちに、これを賦形して３次元形状のプリフォームを得る方法と、が知られている。

３次元形状を有する型に強化繊維束を直接貼り付ける場合には、例えば、タック性を有する強化繊維束を型上にダイレクトに配置し、強化繊維層を型に固着させながら成形品形状に形成していく。このため、賦形によりプリフォームを作製する工程が不要である。しかし、強化繊維束を型上に配置する際には、強化繊維束を配置するヘッドを、３次元空間内において、型の形状に沿わせて動かす必要がある。このため、以下のような課題がある。すなわち、型の形状が複雑な場合には、強化繊維束配置ヘッドと型が干渉するため、強化繊維束を配置できないことがある。また、型の形状が複雑な場合には、強化繊維束を高速に配置することができず、生産性が低い。

一方、平面状のシートを作製する場合においては、以下のような処理が行われる。タック性を有する強化繊維束もしくはドライの（すなわち、タック性を有さない）強化繊維束を、一方向に沿って、平面状かつ所望の２次元形状に並べて、ひとつの強化繊維層を形成する。その際、隣り合う強化繊維束が拘束される。そして、複数の前記強化繊維層が積層されて、層同士が拘束される。その結果、シート形態、すなわち平板状の基材積層体が形成される。この技術においては、強化繊維束配置ヘッドは３次元的に動く必要がないため、強化繊維束は高速に配置され得る。ただし、後工程として、平板状の基材積層体を賦形してプリフォームを製作する工程が必要となる。

このように、ファイバープレイスメント法は、製品の形状に合わせて、必要箇所に強化繊維束を順次配置していくため、所望の形状の強化繊維布帛を得るために矩形形状の強化繊維布帛から端材を切り離す必要がない。よって、ファイバープレイスメント法は、廃棄量を大幅に低減できるという特徴がある。しかし、ファイバープレイスメント法は、強化繊維束を順次配置していく方式であるために、製作できるシート形態には制限がある。すなわち、ファイバープレイスメント法で製造された強化繊維布帛は、織物のような、強化繊維同士が立体的に交差する織構造のシート形態をとることができない。このため、ファイバープレイスメント法によって製造されるシートは、ＮＣＦ同様、ステッチ糸もしくは樹脂バインダ等を用いて厚み方向に強化繊維束を接合した形態に制限される。そのため、ファイバープレイスメント法で製作した強化繊維シートは、外力を受けた際の平面内でのせん断変形しにくいという課題があった。

これらの課題を解決する手段として、ノンクリンプファブリックの形態で製作した強化繊維シートの変形性を向上する試みがなされている。例えば、一方向に引きそろえられた強化繊維層の２層以上を、ステッチ糸で厚み方向に接合する際、ステッチ糸の種類やステッチパターンを選択することで、シートの変形のしやすさを向上させる方法が提案されている（特許文献１参照）。この方法では、ステッチ糸によるシートの拘束具合をコントロールすることで、変形の必要性に併せてシートの変形しやすさを制御することができる。

また、複数積層された基材がステッチ糸により厚み方向に一体化された多軸ステッチ基材において、ステッチ糸が一部切断されている技術が提案されている（特許文献２参照）。この方法では、積層基材の厚み方向にステッチ糸で一定の拘束を与えつつも、ステッチ糸が一部切断されているため、ステッチ糸の切断具合をコントロールすることで、変形の必要性に併せてシートの変形しやすさを制御することができる。

特表２０１１−５３００１４号公報 特開２００７−０９２２３２号公報

ステッチ糸によるシートの拘束具合を緩めて変形性を向上させる特許文献１の技術においては、外力を受けた場合に、強化繊維束がヨレながら変形しやすい一方で、シート全体のせん断変形性を十分向上させることはできない。また、特許文献２の技術においても、外力を受けた場合に、強化繊維束がヨレながら変形しやすくなる一方で、シート全体のせん断変形性を十分向上させることはできない。そのため、ファイバープレイスメント法で製作される強化繊維シートは、外力を受けた際の変形性に関して、依然として、改善の余地があった。

本開示は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、強化繊維シートが提供される。この強化繊維シートは：互いに略平行に配される複数の第１のストランドを備え、前記強化繊維シートの一方の表面に位置する第１の強化繊維層と；互いに略平行に配される複数の第２のストランドを備え、前記強化繊維シートの他方の表面に位置する第２の強化繊維層と；互いに重ならないように略平行に配される複数の第３のストランドをそれぞれ備え、前記第１の強化繊維層と前記第２の強化繊維層との間に位置する１以上の第３の強化繊維層と、を備える。前記第３のストランドと前記第１のストランドとがなす角の大きさは、前記第２のストランドと前記第１のストランドとがなす角の大きさよりも、９０度に近い。前記複数の第１のストランドと前記複数の第２のストランドとは、それぞれ前記複数の第３のストランドに接合されず、前記複数の第３のストランドの間の複数の部位において、互いに接合されている。
このような態様とすれば、第３のストランドは、第３の強化繊維層の層内かつ第３のストランドの長手方向に垂直な方向については、第１のストランドと第２のストランドとが互いに接合されている複数の部位によって位置を拘束される。そして、第３のストランドは、強化繊維シートの厚み方向については、第１のストランドと第２のストランドの間の位置に配される。そして、複数の第３のストランドは、互いに重ならないように配され、第１のストランドと第２のストランドにも接合されていない。このため、複数の第３のストランドは、長手方向については、相対的に変位することができる。また、複数の第３のストランドは、第１のストランドと第２のストランドに対して傾くことができる。よって、強化繊維シートがシートの面内で作用するせん断力を受けた際に、複数の第３のストランドが互いに変位することによって、強化繊維シートは、複数の第３のストランドの相対位置が固定されている態様に比べて、より容易に、せん断変形することができる。

（２）上記形態の強化繊維シートにおいて、前記各第１のストランドと前記各第２のストランドとは、互いに平行かつ向かい合うように配されている、態様とすることができる。このような態様においては、相互に接合される第１のストランドと第２のストランドの複数の組は、長手方向について、相対的に変位することができる。よって、強化繊維シートがシートの面内で作用するせん断力を受けた際に、第１と第２のストランドの複数の組が互いに変位することによって、強化繊維シートは、第１と第２のストランドの複数の組の相対位置が固定されている態様に比べて、より容易に、せん断変形することができる。

（３）上記形態の強化繊維シートにおいて、複数の前記第３の強化繊維層を備え、前記複数の第３の強化繊維層がそれぞれ備える前記複数の第３のストランドは、互いに略平行に配されている、態様とすることができる。このような態様とすれば、複数の第３の強化繊維層の複数の第３のストランドは、互いの変位を阻害することなく、長手方向について、相対的に変位することができる。よって、強化繊維シートがシートの面内で作用するせん断力を受けた際に、複数の第３の強化繊維層の複数の第３のストランドが互いに略平行ではない態様に比べて、強化繊維シートは、より容易に、せん断変形することができる。

（４）上記形態の強化繊維シートにおいて、前記複数の第１のストランドと前記複数の第２のストランドとが接合されている前記複数の部位は、一つの前記第３の強化繊維層の前記複数の第３のストランドの向きと平行に並ぶ、態様とすることができる。このような態様とすれば、第１と第２のストランドが接合されている複数の部位が、第３のストランドの向きと平行ではない態様と比べて、第３のストランドは、接合部位の間において、長手方向に垂直な方向により大きく変位することができる。よって、強化繊維シートがシートの面内で作用するせん断力を受けた際に、強化繊維シートは、より容易に、せん断変形することができる。

（５）上記形態の強化繊維シートにおいて、前記複数の第１のストランドと前記複数の第２のストランドとが接合されている前記複数の部位は、前記第１のストランドの長手方向について、等間隔に配されている、態様とすることができる。このような態様とすれば、第１と第２のストランドが接合されている複数の部位が、第１と第２のストランドの長手方向について等間隔ではない態様と比べて、複数の第３のストランドは、接合部位の間において、長手方向に垂直な方向に互いに同程度に変位することができる。よって、強化繊維シートがシートの面内で作用するせん断力を受けた際に、強化繊維シートは、より容易に、せん断変形することができる。

（６）上記形態の強化繊維シートにおいて、前記複数の第１のストランドと前記複数の第２のストランドとは樹脂バインダで接合されている、態様とすることができる。

本発明は、強化繊維シート以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、強化繊維シートの製造方法、強化繊維シートを使用して製造された繊維強化樹脂成形体等の形態で実現することができる。

本開示によれば、外力を受けた際のせん断変形性が良好な強化繊維シートが得られる。

本開示の一実施態様に係る強化繊維シート１００を模式的に示す断面図である。 本開示の一実施態様に係る強化繊維シート１００を模式的に示す平面図である。 本開示に係る強化繊維シート１００が面内方向の外力を受けた際のせん断変形の様子を示す平面図である。 本開示の他の実施態様に係る強化繊維シート３００を模式的に示す平面図である。 本開示の他の実施態様に係る強化繊維シート４００を模式的に示す平面図である。 本開示の他の実施態様に係る強化繊維シート５００を模式的に示す断面図である。 本開示の他の実施態様に係る強化繊維シート５００を模式的に示す平面図である。

Ａ．実施形態：
本開示の強化繊維シートは、１方向に引きそろえた強化繊維層を少なくとも３層以上積層し、層間の一部を接合した強化繊維シートであって、次の条件を満たす強化繊維シートである。

Ａ)最外層同士が少なくとも一部接合されている。
Ｂ)内層のストランド間に隙間を有する。
Ｃ)最外層の接合位置は、内層の隙間位置に含まれる。

以下で、本開示の強化繊維シートを実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。

Ａ１．第１の実施形態：
図１は、本開示の一実施態様に係る強化繊維シート１００を模式的に示す断面図である。図２は、本開示の一実施態様に係る強化繊維シート１００を模式的に示す平面図である。強化繊維シート１００は、強化繊維層が少なくとも３層以上積層されることにより形成される。各強化繊維層１０１，１０２，１０３は、一方向に引き揃えられた複数の強化繊維束（以下、「ストランド」という）を備える。各層内のストランドの幅は略一定である。最外層の強化繊維層を強化繊維層１０１，１０２として示す。すなわち、強化繊維層１０１，１０２は、強化繊維シート１００の表面に位置する。強化繊維層１０１，１０２の間に位置する内層としての強化繊維層を、強化繊維層１０３として示す。

強化繊維層１０３のストランド１０３ｓと強化繊維層１０１のストランド１０１ｓとがなす角の大きさは、９０度である（図２参照）。なお、本明細書において、二つのストランドがなす角の大きさは、二つのストランドがなす二つの角度のうちの小さい方の角度の大きさである。また、一つのストランドの向きは、ストランドの両端におけるストランドの幅方向の中央の点を結んだ直線によって、規定される。

強化繊維層１０２のストランド１０２ｓと強化繊維層１０１のストランド１０１ｓとがなす角は、０である。すなわち、ストランド１０２ｓとストランド１０１ｓは、互いに平行に配される（図２参照）。そして、強化繊維層１０２の各ストランド１０２ｓと強化繊維層１０１の各ストランド１０１ｓとは、互いに向かい合うように配される（図２参照）。すなわち、ストランド１０２ｓとストランド１０１ｓとは、ストランド１０３ｓの長手方向（図２において上下方向）について、同じ位置に配される。互いに向かい合う一対のストランド１０１ｓ，１０２ｓを、ストランド対１０７ｓと呼ぶ。

強化繊維層１０３のストランド１０３ｓ同士は、互いに隙間１０４を有している。すなわち、強化繊維層１０３のストランド１０３ｓ同士は、互いに重ならないように配されている。最外層の強化繊維層１０１，１０２のストランド１０１ｓ，１０２ｓは、互いに複数の部位１０５において、接合されている。接合される部位１０５は、円形であることが好ましい。強化繊維層１０１，１０２，１０３の積層方向に沿ってみたときに、強化繊維層１０１，１０２のストランド１０１ｓ，１０２ｓの長手方向（図１および図２の左右方向）について、各接合部位１０５は、強化繊維層１０３の隙間１０４の範囲内に含まれる（図２参照）。

強化繊維シート１００においては、内層の強化繊維層１０３のストランド１０３ｓは、最外層の強化繊維層１０１，１０２のストランド１０１ｓ，１０２ｓとは接合されていない。すなわち、強化繊維層１０３のストランド１０３ｓは、最外層の強化繊維層１０１，１０２のストランド１０１ｓ，１０２ｓとは接触するのみである。その結果、ストランド１０３ｓと、ストランド１０１ｓ，１０２ｓとは、互いに独立している。

一方、最外層の強化繊維層１０１，１０２のストランドのうち、互いに向かい合う一対のストランド１０１ｓ，１０２ｓであるストランド対１０７ｓは、一部の部位１０５において接合されている。しかし、一つのストランド対１０７ｓは、他のストランド対１０７ｓとは、接合されていない。

図３は、本開示に係る強化繊維シート１００が面内方向の外力を受けた際のせん断変形の様子を示す平面図である。上記のような構成を備える結果、強化繊維シート１００が、強化繊維シート１００の面の方向に沿ったせん断力である外力１０６を受けたとき、強化繊維層１０３の複数のストランドは、それぞれ相対的に変位し得る。また、強化繊維層１０１，１０２の複数のストランド対１０７ｓも、それぞれ相対的に変位し得る。そして、強化繊維層１０３の複数のストランドと、強化繊維層１０１，１０２の複数のストランド対１０７ｓとは、互いの接触部での摩擦により外力を伝搬する。このため、強化繊維シート１００は、繊維束同士が干渉することなく布帛全体でせん断変形することができる。すなわち、本開示に係る強化繊維シート１００は、一方向に引き揃えられた複数のストランドからなる層を複数積層したノンクリンプ構造でありながら（図１〜図３参照）、織物と類似したせん断変形をすることができる。

ここで、強化繊維層１０１，１０２，１０３において用いられる強化繊維としては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、金属繊維、アルミナ繊維および窒化珪素繊維などが挙げられる。特に、より成形体を軽量化できることから、強化繊維層１０１，１０２，１０３において用いられる強化繊維としては、炭素繊維が好ましく用いられる。

また、強化繊維層１０１，１０２，１０３において用いられるストランドとして、複数種の強化繊維または強化繊維と有機繊維の合繊糸から構成されるストランドを用いることもできる。その場合に用いられる有機繊維としては、例えば、ポリアミド系合成繊維、ポリオレフィン系合成繊維、ポリエステル系合成繊維、ポリフェニルスルフォン系合成繊維、ポリベンゾオキサジン系合成繊維、アセテート、アクリロニトリル系合成繊維、モダクリル繊維、ポリ塩化ビニル系合成繊維、ポリ塩化ビニリデン系合成繊維、ポリビニルアルコール系合成繊維、ポリウレタン繊維、ポリクラール繊維、タンパク−アクリロニトリル共重合系繊維、フッ素系繊維、ポリグリコール酸繊維、フェノール繊維、およびパラ系アラミド繊維などが挙げられる。

ストランドを構成する強化繊維の単繊維数は、３０００本〜６００００本であることが好ましく、１００００本〜６００００本であることがより好ましい態様である。ストランドが細くなるほど、ファイバープレイスメントでのシート製作時に、強化繊維層の形状を製品形状に合わせた所望の形状に近づけることができ、繊維の廃棄量を減少させることができる。一方、ストランドが細くなるほど、より多くの本数のストランドを配置することとなる。その結果、ストランドの配置に時間を要し、生産性を低下させる。

ストランドとしては、例えば、事前にサイジング処理、開繊処理およびバインダ付与等の前処理を施したストランドを用いることもできる。例えば、サイジング処理を施すことにより、ストランドの集束性を向上させ、毛羽の発生を抑制させることができる。また、開繊処理を施すことにより、前記ストランドの厚みと幅の比（アスペクト比）を調整して、後工程のプリフォーム工程、ＲＴＭ成形工程の条件に適したアスペクト比に設定することができる。さらに、バインダ付与等の前処理を施すことにより、ストランド間の固着状態を均一なものにすることができる。

本実施形態の強化繊維層１０１が、［課題を解決するための手段］における「第１の強化繊維層」に対応する。強化繊維層１０１に含まれるストランド１０１ｓが、「第１のストランド」に対応する。強化繊維層１０２が、「第２の強化繊維層」に対応する。強化繊維層１０２に含まれるストランド１０２ｓが、「第２のストランド」に対応する。強化繊維層１０３が、「第３の強化繊維層」に対応する。強化繊維層１０３に含まれるストランド１０３ｓが、「第３のストランド」に対応する。

Ａ２．第２の実施形態：
図４は、本開示の他の実施態様に係る強化繊維シート３００を模式的に示す平面図である。強化繊維シート３００においては、最外層の強化繊維層３０１，３０２の間に位置する強化繊維層３０３ａ，３０３ｂは、２層ある。

強化繊維層３０３ａの各ストランド３０３ａｓと強化繊維層３０３ｂの各ストランド３０３ｂｓとは、互いに向かい合うように配される。すなわち、ストランド３０３ａｓとストランド３０３ｂｓとは、最外層の強化繊維層３０１のストランド３０１ｓの長手方向（図４において左右方向）について、同じ位置に配される。ストランド３０３ａｓとストランド３０３ｂｓとは、互いに接合されていない。

このような態様とすることにより、複数の強化繊維層３０３ａ，３０３ｂの複数のストランド３０３ａｓ，３０３ｂｓは、互いの変位を阻害することなく、長手方向について、相対的に変位することができる。よって、強化繊維シート３００がシートの面内で作用するせん断力を受けた際に、ストランド３０３ａｓ，３０３ｂｓが互いに略平行ではない態様に比べて、強化繊維シートは、より容易に、せん断変形することができる。

また、強化繊維シート３００においては、強化繊維シートを構成する最外層の強化繊維層３０１，３０２のストランド３０１ｓ，３０２ｓの向きが図１および図２の強化繊維シート１００とは異なる。

強化繊維層３０１，３０２のストランド３０１ｓ，３０２ｓは、互いに平行ではない。すなわち、強化繊維層３０２のストランド３０２ｓは、強化繊維層３０１のストランド３０１ｓに対して、約５度の角度をなすように配される。強化繊維層３０１のストランド３０１ｓは、強化繊維層３０１，３０２に挟まれた内層の強化繊維層３０３ａ，３０３ｂのストランド３０３ａｓ，３０３ｂｓに対して、９０度の角度をなすように配される。強化繊維層３０２のストランド３０２ｓは、ストランド３０３ａｓ，３０３ｂｓに対して、９０度より小さい角度（約８５度」）をなすように配される。

強化繊維シート３００においては、一つのストランド３０２ｓは、２以上のストランド３０１ｓと接合される。一つのストランド３０１ｓは、２以上のストランド３０２ｓと接合される。

強化繊維シート３００の他の点は、強化繊維シート１００と同じである。すなわち、最外層の強化繊維層３０１，３０２を構成するストランド３０１ｓ，３０２ｓは、複数の向かい合う部位３０５において、接合されている。接合部位３０５は、強化繊維層３０１，３０２に挟まれた内層の強化繊維層３０３ａ，３０３ｂのストランド３０３ａｓ，３０３ｂｓの層内の隙間３０４内に位置する。そして、ストランド３０３ａｓ，３０３ｂｓは、強化繊維層３０１，３０２のストランド３０１ｓ，３０２ｓとは接合されていない。

本開示の強化繊維シートを構成する最外層の繊維束の向きは特に制限されていない。たとえば、図４の強化繊維シート３００のように最外層の強化繊維層３０１，３０２のストランド３０１ｓ，３０２ｓの配向が異なっていてもかまわない。しかし、最外層同士が複数のストランドをまたぐように接合されると、接合された複数のストランドが一体となり拘束されてせん断変形しにくくなる。また、シートの形態保持が安定しにくくなる。このため、最外層の繊維配向は一致することが特に好ましい（図２参照）。

本実施形態の強化繊維層３０１が、［課題を解決するための手段］における「第１の強化繊維層」に対応する。強化繊維層３０１に含まれるストランド３０１ｓが、「第１のストランド」に対応する。強化繊維層３０２が、「第２の強化繊維層」に対応する。強化繊維層３０２に含まれるストランド３０２ｓが、「第２のストランド」に対応する。強化繊維層３０３ａ，３０３ｂが、「第３の強化繊維層」に対応する。強化繊維層３０３ａ，３０３ｂに含まれるストランド３０３ａｓ，３０３ｂｓが、「第３のストランド」に対応する。

Ａ３．第３の実施形態：
図５は、本開示の他の実施態様に係る強化繊維シート４００を模式的に示す平面図である。強化繊維シート４００は、強化繊維シートを構成する最外層の強化繊維層４０１，４０２に挟まれた強化繊維層４０３ａ，４０３ｂの数、ならびに強化繊維層４０３ａのストランド４０３ａｓの向きが、図１および図２の強化繊維シート１００とは異なる。なお、図５において、強化繊維層４０１は、もっとも奥に位置する層であるため、明示的に示されていない。強化繊維層４０１は、ストランド４０１ｓによって構成される層である。

強化繊維シート４００においては、最外層の強化繊維層４０１，４０２の間には、二つの強化繊維層４０３ａ，４０３ｂが存在する。そして、強化繊維層４０３ａ，４０３ｂのストランド４０３ａｓ，４０３ｂｓは、互いに約３度の角度をなすように配される。強化繊維層４０３ｂのストランド４０３ｂｓは、強化繊維層４０１，４０２のストランド４０１ｓ，４０２ｓに対して、９０度の角度をなすように配される。強化繊維層４０３ａのストランド４０３ａｓは、強化繊維層４０１，４０２のストランド４０１ｓ，４０２ｓに対して、９０度より小さい角度（約８７度）をなすように配される。

強化繊維シート４００の他の点は、強化繊維シート１００と同じである。すなわち、最外層の強化繊維層４０１，４０２を構成するストランド４０１ｓ，４０２ｓは、複数の向かい合う部位４０５において、接合されている。そして、強化繊維層４０１，４０２に挟まれた内層の強化繊維層４０３ａ，４０３ｂのストランド４０３ａｓ，４０３ｂｓは、強化繊維層４０１，４０２のストランド４０１ｓ，４０２ｓとは接合されていない。

本開示の強化繊維シートを構成する最外層以外の繊維配向は特に制限されていない。たとえば、図５の強化繊維シート４００のように、最外層に挟まれた強化繊維層４０３ａ，４０３ｂのストランド４０３ａｓ，４０３ｂｓの向きが異なっていてもかまわない。しかし、最外層に挟まれた強化繊維層４０３ａ，４０３ｂのストランド４０３ａｓ，４０３ｂｓの向きが異なると、内層としての強化繊維層４０３ａ，４０３ｂにおける隙間４０４が狭まって、強化繊維層４０３ａ，４０３ｂ内の隣のストランドと接触しやすくなる。その結果、強化繊維シート４００のせん断変形のしやすさが低下する。このため、最外層に挟まれた強化繊維層４０３ａ，４０３ｂのストランドは、互いに平行であることが特に好ましい。

本実施形態の強化繊維層４０１が、［課題を解決するための手段］における「第１の強化繊維層」に対応する。強化繊維層４０１に含まれるストランド４０１ｓが、「第１のストランド」に対応する。強化繊維層４０２が、「第２の強化繊維層」に対応する。強化繊維層４０２に含まれるストランド４０２ｓが、「第２のストランド」に対応する。強化繊維層４０３ａ，４０３ｂが、「第３の強化繊維層」に対応する。強化繊維層４０３ａ，４０３ｂに含まれるストランド４０３ａｓ，４０３ｂｓが、「第３のストランド」に対応する。

Ａ４．第４の実施形態：
図６は、本開示の他の実施態様に係る強化繊維シート５００を模式的に示す断面図である。図７は、本開示の他の実施態様に係る強化繊維シート５００を模式的に示す平面図である。強化繊維シート５００においては、最外層の強化繊維層５０１，５０２を構成するストランド５０１ｓ，５０２ｓの接合部位５０５が、図１および図２の強化繊維シート５００の接合部位１０５とは異なる。強化繊維シート５００の他の点は、強化繊維シート１００と同じである。

強化繊維シート５００においては、最外層の強化繊維層５０１，５０２を構成するストランド５０１ｓ，５０２ｓの接合部位５０５は、強化繊維層５０１，５０２に挟まれた内層の強化繊維層５０３のストランド５０３ｓの長手方向に沿って配されている。ストランド５０３ｓの長手方向に沿って配されている複数の接合部位５０５を、図７において、破線で囲んだ領域５０６で示す。強化繊維層５０３の隣接するストランド５０３ｓ，５０３ｓの間に配される接合部位５０５は、強化繊維層５０３のストランド５０３ｓと平行に並んで配される。

接合部位５０５が強化繊維層５０３の隣り合うストランド５０３ｓ，５０３ｓの間にランダムに配されていると（図２参照）、強化繊維層５０３のストランドの長手方向に垂直な方向（図６および図７において左右方向）について、強化繊維層５０３のストランド５０３ｓと隣接する隙間５０４にある任意の接合部位５０５との最短距離が小さくなる。すなわち、強化繊維層５０３のストランド５０３ｓが、その長手方向に垂直な方向に変位しうる余地が小さくなる。その結果、強化繊維シートのせん断変形のしやすさが低下する。

これに対して、強化繊維シート５００においては、最外層の強化繊維層５０１，５０２を構成するストランド５０１ｓ，５０２ｓの接合部位５０５は、強化繊維層５０１，５０２に挟まれた内層の強化繊維層５０３の長手方向に沿って配されている。すなわち、強化繊維層５０３のストランド５０３ｓと隣接する隙間５０４にある任意の接合部位５０５との最短距離が最大化されている。このため、強化繊維層５０３のストランド５０３ｓが、その長手方向に垂直な方向に変位しうる余地が大きい。その結果、強化繊維シート５００がせん断変形しやすい。

また、向かい合う一対のストランド５０１ｓ，５０２ｓであるストランド対５０７ｓにおいて、接合部位５０５は、両端の部位を除いて等間隔に配されている。そして、接合部位５０５は、隣り合うストランド５０３ｓ，５０３ｓのすべての間に配されている。このような態様とすれば、ストランド５０１ｓ，５０２ｓが接合されている複数の部位５０５が、ストランド５０１ｓ，５０２ｓの長手方向について等間隔ではない態様と比べて、複数のストランド５０３ｓは、接合部位５０５の間において、長手方向に垂直な方向（図７において左右方向）に互いに同程度に変位することができる。よって、強化繊維シート５００がシートの面内で作用するせん断力を受けた際に、全体として均等に、せん断変形することができる。

なお、強化繊維層５０３の長手方向に沿って伸びる複数の領域５０６の並びの間隔は、均一であり、強化繊維層５０３のストランド５０３ｓの幅の１．２倍よりも大きいことが好ましい。複数の領域５０６の間隔は、強化繊維層５０３のストランド５０３ｓの幅の１．５倍よりも大きいことが、さらに好ましい。領域５０６の間隔が強化繊維層５０３のストランドの幅の１．２倍未満の場合、強化繊維層５０３のストランド５０３ｓが隣のストランド５０３ｓと接触しやすくなり、強化繊維シート５００のせん断変形のしやすさが低下するためである。なお、本明細書において、ストランドの「幅」とは、ストランドを強化繊維シートの積層方向に沿ってみたときの、ストランドの長手方向に垂直な方向の寸法である。領域同士の「間隔」とは、それぞれの領域に含まれる互いに最も近い地点の距離である。

本実施形態の強化繊維層５０１が、［課題を解決するための手段］における「第１の強化繊維層」に対応する。強化繊維層５０１に含まれるストランド５０１ｓが、「第１のストランド」に対応する。強化繊維層５０２が、「第２の強化繊維層」に対応する。強化繊維層５０２に含まれるストランド５０２ｓが、「第２のストランド」に対応する。強化繊維層５０３が、「第３の強化繊維層」に対応する。強化繊維層５０３に含まれるストランド５０３ｓが、「第３のストランド」に対応する。

Ａ５．強化繊維層の接合：
本開示の強化繊維シートにおいては、強化繊維層もしくはストランドの少なくとも片面に、樹脂バインダが存在していることが好ましい。樹脂バインダは、強化繊維層もしくはストランドの表層に固着させることができ、強化繊維シートの最外層同士を固着して接合する作用を得ることができるものである。樹脂バインダとしては、例えば、熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂が挙げられる。

熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリアミド、ポリスルフォン、ポリエーテルイミド、ポリフェニレンエーテル、ポリイミドおよびポリアミドイミドなどの樹脂が挙げられる。また、熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂やビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂およびフェノール樹脂などが挙げられる。

強化繊維シートの層間および表層に存在する樹脂バインダの付与量は、前記の強化繊維シートが１００質量部であるのに対して、０．１〜２０質量部の範囲であることが好ましい。固着材としての樹脂バインダの付与量が０．１質量部より小さい場合は、強化繊維層同士および／またはストランド同士を樹脂バインダで結合しても、強化繊維シートとして形状を保持することが困難となる。一方、固着材としての樹脂バインダの付与量が２０質量部よりも大きい場合、強化繊維シート全体における樹脂バインダの拘束が強いために、型への形状追従性を阻害する可能性がある。特に、樹脂バインダの付与量が、強化繊維シートが１００質量部に対して、２〜１０質量部であるとき、シートの形状を保ちつつ型への形状追従性が比較的良好なため、より好ましい態様である。

樹脂バインダの形態は、例えば、粉末状や線状であってもよい。また、樹脂バインダは、不織布形態として層間に配することもできる。

樹脂バインダを強化繊維に付着する際の付着方法は、例えば、前処理としてストランドに樹脂バインダを散布して付着させてもよく、ファイバープレイスメント法でストランドを引き揃えた後に、強化繊維層の上に樹脂バインダを散布して、ストランドに樹脂バインダを付着させることもできる。

樹脂バインダによって強化繊維シートの層間を固着する方法としては、例えば、強化繊維シートの層間に樹脂バインダが存在する状態で、赤外線ヒータを用いて樹脂バインダを加熱し溶融する方法や、加熱した金属平板で強化繊維シートの全面を加熱し加圧する方法が挙げられる。

前記の強化繊維シートとマトリックス樹脂を用いて繊維強化樹脂成形体を作製する場合、使用するマトリックス樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂やビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂に限らず、アクリル樹脂やポリアミド樹脂、およびポリオレフィン樹脂等の熱可塑性樹脂も使用することができる。

本開示の強化繊維シートは、ＲＴＭ成形方法による繊維強化樹脂成形体を作製する場合に用いられ、その繊維強化樹脂成形体の用途は、例えば、自動車のフード、ルーフ、ドア、フェンダ、トランクリッド、サイドパネル、リアエンドパネル、アッパーバックパネル、フロントボディー、アンダーボディー、各種ピラー、各種メンバ、各種フレーム、各種ビーム、各種サポート、各種レール、各種ヒンジなどの、自動車外板、自動車ボディー部品、および自動車構造材などに用いられる。

Ｂ．実施例：
次に、本開示の強化繊維シートについて、実施例に基づいて説明する。

（実施例１）
＜強化繊維＞
強化繊維として、予めサイジング処理を施した、東レ株式会社製炭素繊維“トレカ”（登録商標）Ｔ８００ＳＣを使用した。実施例においては、ストランドの幅が６．５ｍｍで、一つのストランドの単繊維数が２４０００本のストランドを使用した。

＜樹脂バインダ付与＞
散布装置を用いて、エポキシ樹脂粒子（Ｈｕｎｔｓｍａｎ社製ＬＴ３３６６、粒径：１００μｍ、融点：８０℃）をストランドに散布し、赤外線ヒータを用いて、表層の強化繊維層を１３０℃の温度の状態で３０秒間加熱して、エポキシ樹脂粒子をストランド上に付着した。

＜強化繊維層＞
ファイバープレイスメントヘッドを用いて、架台上にストランドを一方向に沿って配し、２００ｍｍ×３００ｍｍの長方形形状となるように強化繊維層を作製した。その際、１層内における隣接するストランド同士の隙間が６．５ｍｍになるようストランドを配した。そのような強化繊維層を３層積層した。

＜積層と固着＞
最下層の強化繊維層の上に、繊維束の向きが１層目の繊維束の向きに対して９０度となるように、２層目の強化繊維層を形成した。２層目の強化繊維層の上に、繊維束の向きが１層目と一致するように、３層目の強化繊維層を形成した。２層目の強化繊維同士の隙間において、ランダムな位置で１層目と３層目の層間を固着して強化繊維シートを製作した。

＜賦形＞
湾曲形状の凹部を有する型(幅：１００ｍｍ、高さ：７０ｍｍ、長さ：１０００ｍｍ、曲率：３０００ｍｍ)の上に作製した強化繊維シートを配置して、型温度が２０℃であることを確認した後、プレス賦形を実施した。その後、型を１１０℃に加熱し、５０ｋＰａで加圧し、３０秒間保持することにより、プリフォームを作製した。型を３０℃まで冷却し、プリフォームを取り出した。強化繊維シートはせん断変形により繊維束のアライメントを失うことなく型形状に沿うことができ、良好な賦形性能を有することが確認できた。

＜成形＞
上記プリフォームを１１０℃の温度に保ったＲＴＭ成形用両面型の下型に載置し、上型を閉じ、真空ポンプによって型内の空気を排出した。次いで、型内に２液性エポキシ樹脂（主剤：Ｍｏｍｅｎｔｉｖｅ社製、硬化剤：東レ株式会社製、酸無水物系硬化剤）を、注入圧０．５ＭＰａで注入し、プリフォームに含浸させ、１０分間放置した。このようにして、繊維強化樹脂成形品を得た。

得られた繊維強化樹脂成形品は、表面に見えるストランドに大きな乱れはなくシワも存在しない滑らかな表面を有しており、繊維強化樹脂成形品として特に優れたものであった。

Ｃ．他の実施形態：
（１）強化繊維シート１００（図２参照）においては、強化繊維層１０３のストランド１０３ｓと、強化繊維層１０１のストランド１０１ｓと、がなす角の大きさは９０度である。一方、強化繊維層１０２のストランド１０２ｓと、強化繊維層１０１のストランド１０１ｓと、がなす角は０である。強化繊維シート５００においても同様である。

これに対して、強化繊維シート３００（図４参照）においては、強化繊維層３０３のストランド３０３ａｓ，３０３ｂｓと、強化繊維層３０１のストランド３０１ｓと、がなす角の大きさは９０度である。強化繊維層３０３のストランド３０３ａｓ，３０３ｂｓと、強化繊維層３０２のストランド３０２ｓと、がなす角の大きさは約８５度である。一方、強化繊維層３０２のストランド３０２ｓと、強化繊維層３０１のストランド３０１ｓと、がなす角は約５度である。

また、強化繊維シート４００（図５参照）においては、強化繊維層４０３ｂのストランド４０３ｂｓと、強化繊維層４０１，４０２のストランド４０１ｓ，４０２ｓとがなす角の大きさは、９０度である。強化繊維層４０３ａのストランド４０３ａｓと、強化繊維層４０１，４０２のストランド４０１ｓ，４０２ｓとがなす角の大きさは、約８７度である。一方、強化繊維層４０２のストランド４０２ｓと強化繊維層４０１のストランド４０１ｓとがなす角は、０である。

しかし、各層のストランドのなす角は、上記の態様に限られない。すなわち、本開示においては、内層の第３のストランドと一方の最外層の第１のストランドとがなす角の大きさは、他方の最外層の第２のストランドと第１のストランドとがなす角の大きさ（たとえば、強化繊維シート１００，４００，５００において０。強化繊維シート３００において約５度）よりも、９０度に近ければよい。

（２）上記実施形態においては、最外層である強化繊維層１０１，３０１，４０１，５０１のストランド１０１ｓ，３０１ｓ，４０１ｓ，５０１ｓは、互いに離れている。しかし、最外層の複数の第１のストランドは、互いに重なっていてもよい。

上記実施形態においては、最外層である強化繊維層１０２，３０２，４０２，５０２のストランド１０２ｓ，３０２ｓ，４０２ｓ，５０２ｓは、互いに離れている。しかし、最外層の複数の第２のストランドは、互いに重なっていてもよい。

（３）上記強化繊維シート３００においては、一つのストランド３０２ｓは、２以上のストランド３０１ｓは、と接合される。一つのストランド３０１ｓは、２以上のストランド３０２ｓは、と接合される。その結果、３以上のストランド３０１ｓ，３０２ｓが互いに固定され得る。しかし、強化繊維シート１００，４００，５００のように、互いに向かい固定されているストランド対１０７ｓ，４０７ｓ，５０７ｓが、他のストランド対に対して固定されていないことが好ましい。

（４）上記実施形態においては、最外層の強化繊維層は、樹脂バインダで接合される。しかし、最外層の強化繊維層は、互いに縫合されて接合されてもよいし、ステープラーなどの部材によって結合されてもよい。

本開示は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１００…強化繊維シート
１０１…強化繊維層
１０１ｓ…ストランド
１０２…強化繊維層
１０２ｓ…ストランド
１０３…強化繊維層
１０３ｓ…ストランド
１０４…隙間
１０５…接合部位
１０６…外力
１０７ｓ…ストランド対
３００…強化繊維シート
３０１…強化繊維層
３０１ｓ…ストランド
３０２…強化繊維層
３０２ｓ…ストランド
３０３ａ…強化繊維層
３０３ａｓ…ストランド
３０３ｂ…強化繊維層
３０３ｂｓ…ストランド
３０５…接合部位
４００…強化繊維シート
４０１…強化繊維層
４０１ｓ…ストランド
４０２…強化繊維層
４０２ｓ…ストランド
４０３…強化繊維層
４０３ａ…強化繊維層
４０３ａｓ…ストランド
４０３ｂ…強化繊維層
４０３ｂｓ…ストランド
４０４…隙間
４０５…接合部位
４０７ｓ…ストランド対
５００…強化繊維シート
５０１…強化繊維層
５０１ｓ…ストランド
５０２…強化繊維層
５０２ｓ…ストランド
５０３…強化繊維層
５０３ｓ…ストランド
５０４…隙間
５０５…接合部位
５０６…領域
５０７ｓ…ストラインド対

Claims (2)

1. 強化繊維シートであって、
   互いに略平行に配される複数の第１のストランドを備え、前記強化繊維シートの一方の表面に位置する第１の強化繊維層と、
   互いに略平行に配される複数の第２のストランドを備え、前記強化繊維シートの他方の表面に位置する第２の強化繊維層と、
   互いに略平行に配される複数の第３のストランドをそれぞれ備え、前記第１の強化繊維層と前記第２の強化繊維層との間に位置する１以上の第３の強化繊維層と、を備え、
   前記第３のストランドと前記第１のストランドに垂直な方向から見たときの、前記第３のストランドと前記第１のストランドとがなす二つの角度のうち小さい方の角度の大きさは、前記第２のストランドと前記第１のストランドに垂直な方向から見たときの、前記第２のストランドと前記第１のストランドとがなす二つの角度のうち小さい方の角度の大きさよりも、９０度に近く、
   前記複数の第１のストランドと前記複数の第２のストランドとは、
   互いに平行かつ向かい合うように配されており、
   それぞれ前記複数の第３のストランドに接合されず、
   前記複数の第３のストランドの間の複数の部位において、互いに接合されており、
   前記複数の第３の強化繊維層がそれぞれ備える前記複数の第３のストランドは、一つの第３の強化繊維層内において互いに重ならず、かつ、互いに略平行に配されており、
   前記複数の第１のストランドと前記複数の第２のストランドとが接合されている前記複数の部位は、一つの前記第３の強化繊維層の前記複数の第３のストランドの向きと平行に並び、かつ、前記第１のストランドの長手方向について、等間隔に配されており、
   前記複数の第１のストランドと前記複数の第２のストランドとが接合されている前記複数の部位の、前記複数の第３のストランドの向きと平行な並びの間隔は、均一であって、前記第３のストランドの幅の１．２倍より大きい、強化繊維シート。
2. 請求項１に記載の強化繊維シートであって、
   前記複数の第１のストランドと前記複数の第２のストランドとは樹脂バインダで接合されている、強化繊維シート。

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