JP6962191B2 - 繊維強化プラスチックの製造方法および繊維強化プラスチック - Google Patents
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Description
一方向に配向した強化繊維と樹脂とを含むプリプレグの、少なくとも一部の領域に強化繊維を分断する複数の切込が挿入されたプリプレグを切込プリプレグとすると、切込プリプレグを含むプリプレグ群を、複数枚積層してプリプレグ積層体を得る積層工程と、
プリプレグ積層体を、上面と側面を含む型の上面に配置又は下面と側面を含む型の下面に配置し、側面に沿って曲げ賦形し、略型形状としたプリフォームを得る賦形工程と、
賦形工程で用いた型とは異なる型にプリフォームを配置し、固化する、固化工程を含み、切込プリプレグの前記領域内から任意に選択される、10個の直径10mmの円形の小領域内に含まれる切込の個数の平均値が10以上、かつ変動係数が20%以内である、繊維強化プラスチックの製造方法、である。
樹脂と強化繊維とを含み、平面部と曲面部とを有する繊維強化プラスチックであって、
繊維強化プラスチックは、少なくとも一部が分断された強化繊維が一方向に配向し、かつ強化繊維の配向方向に隣接する繊維束間に樹脂部Pが存在し、
樹脂部Pの端部同士を結んだ線分が、強化繊維の配向方向に対して斜めに配置された樹脂部Pを有する層を層Aとするとき、繊維強化プラスチックは曲面部の内周よりも外周に近い側に層Aを含み、層Aの面内の任意の樹脂部Pにおいて、該樹脂部Pの輪郭と接し、距離が最短となる2本の平行線を描いたとき、平行線の距離の平均値が0.2mm以下である、繊維強化プラスチック、である。
“トレカ”(商標登録)プリプレグシートP3052S−15(強化繊維:T700S、樹脂:2500、強化繊維の体積含有率:56%、片面離型紙を積層)に、所定の位置に刃を配置した回転刃ローラーに押し当てて、プリプレグを貫通する切込を挿入した。切込領域はプリプレグ全域とし、全ての強化繊維を切込によって切断した。いずれの実施例においても、200mm×200mmの切込プリプレグの樹脂を400℃にて焼き飛ばした際、200mmの強化繊維が残っておらず、全ての強化繊維が分断されていることを確認した。
切込プリプレグの表面を倍率10倍のデジタルマイクロスコープで複数枚撮影し、画面上で画像を連結し、切込プリプレグの表面50mm×50mmを画面上に表示させ、計測ソフトウェアを用いて直系10mmの円を、ボーリングのピンの配置のように、隣接する3つ円の中心が正三角形を描くように10個描いた。隣接する円の中心間距離は12mmとした。各円に含まれる、もしくは接する切込の数をカウントして母集団とし、母集団の平均値と変動係数を算出した。
図9の上面と側面を含み、C型の断面が長手方向に続く形状の型の上面に、プリプレグ積層体の0°が長手方向となるようにプリプレグ積層体を配置し、側面に沿って曲げ賦形し、略型形状のプリフォームを得た。賦形方法は図10のように、板の上に型を置き、その上にプリプレグ積層体を置き、バグフィルムで密封後に真空引きを行いバグフィルムが型に吸い寄せられると同時にプリプレグ積層体が曲げ賦形される方法とした。面外変形が生じた場合は手作業でせん断力を加えながら型に押し付けて、平坦化した。この賦形工程は、60℃に温調されたオーブンの中で行った。型は、図9中のhが2mmの型と6mmの型を準備した。完成したプリフォームの三次元形状追従性について、以下の3段階で評価した。
A:一度目の曲げ賦形で形状に追従することができた。
B:一度目の曲げ賦形後は面外変形が生じたが、せん断力を与えながら型に押し付けることで面外変形を平坦化することができた。
C:一度目の曲げ賦形後は面外変形が生じたので、せん断力を加えながら型に押し付けたが、面外変形を平坦化することができず、面外変形が残った。
上記プリフォームを型から取り外し、曲げ賦形に用いた型とは別の雌型にセットし、型ごとバグフィルムで被って真空引きを行いながらオートクレーブで130℃、1.5時間で硬化した。製造された繊維強化プラスチックの表面を目視で確認し、以下の3段階に分けた。強化繊維のうねりとは、繊維強化プラスチックの表面において、強化繊維の配向に乱れが生じ、表面品位を悪化させているものを指す。
A:切込の開口がほとんど認識できず、強化繊維のうねりも発生していない
B:切込の開口が認識されるが、強化繊維のうねりが発生していない
C:強化繊維のうねりが発生している。
得られた繊維強化プラスチックにおいて、図9における型の上面の傾斜のある箇所の中央部を長手方向に垂直な平面で切断し、矩形の断面を得た。さらに、上面に相当する箇所を10mm×10mmで切り出し、曲面部において外周に近い側となっている8層について、強化繊維の断面形状を観察した。各層において、無作為に選んだ100個の強化繊維の断面の長径を計測し、長径の変動係数が20%以下の場合に、該層は強化繊維が一方向であるとみなした。
強化繊維の配向状態評価で、強化繊維が一方向であるとみなされた層に対して、表層から順番に研磨機で層の表面を削りだした。樹脂部Pが確認できた層について、10個ずつ樹脂部Pの幅を測定して平均値を算出した。
樹脂部Pの幅の測定と同時に、樹脂部Pの長さの測定を行った。10mm×10mmの正方形の表面の画像内に含まれる全ての樹脂部Pの幅×長さ×1/2の和を計算し、100mm2で割ることで、層Aに含まれる樹脂部Pの体積の割合を計算した。
曲面部を有する繊維強化プラスチックの強度比較が困難であるため、平板状の試験片を準備し引張試験を行った。350mm×350mmに切り出した切込プリプレグを積層構成が[+45°/0°/−45°/90°]2sとなるように積層し、オートクレーブで130℃、1.5時間で硬化させた。
切込パターンが図5(a)に示すパターンで、分断された強化繊維の長さは20mm、切込を強化繊維の配向方向に直角な平面に投影した投影長さWs=5mm、切込と強化繊維の配向方向とのなす角度θが45°の切込プリプレグでプリプレグ積層体を構成した。
切込パターンが図5(a)に示すパターンで、分断された強化繊維の長さは20mm、切込を強化繊維の配向方向に直角な平面に投影した投影長さWs=0.2mm、切込と強化繊維の配向方向とのなす角度θが14°の切込プリプレグでプリプレグ積層体を構成した。切込分布評価では、母集団の平均値は17.5、変動係数は8%であった。
切込パターンが図5(b)に示した切込プリプレグでプリプレグ積層体を構成した。全ての切込の長さは、分断された強化繊維の長さは20mm、切込を強化繊維の配向方向に直角な平面に投影した投影長さWs=0.2mm、切込と強化繊維の配向方向とのなす角度θが20°である。さらに、θが正である正切込とθが負である負切込を略同数含み、切込の延長線上に存在する切込同士の間隔が、正切込(2.8mm)と負切込(17mm)とで異なる。切込分布評価では、母集団の平均値は15.1、変動係数は6%であり 、高密度かつ均質に切込が分布していた。
実施例2と同じ切込プリプレグ積層体を用いて、賦形工程で曲げ賦形だけでなく、フランジ部も賦形し、図6(b)のようにフランジのあるプリフォ ームを作製した。プリフォームの端に面外変形が残っており、その高さはプリプレグ積層体の厚みの1.8倍であった。面外からせん断力を与えることで面外変形を少なくすることも可能であると思えたが、労力を要するため、面外変形が存在したままフランジにも圧力を与えることのできる雌型にセットし、参考例1および実施1、2と同じように繊維強化プラスチックを製造した。その結果、フランジに存在していた面外変形は消え、平坦なフランジを有する繊維強化プラスチックを製造することができた。
切込の入っていないプリプレグのみでプリプレグ積層体を構成した。h=2mm、6mmの場合共に、面外変形が生じ、平坦化もできなかった。硬化後の表面品位はh=2mm、6mmの場合共に繊維のうねりが確認できた。
2:型の上面
3:型の側面
4:プリフォーム
5:型の長手方向
6:切込プリプレグ
7:切込
8:切込領域
9:小領域
10:最近接する切込間に存在する帯部の幅
11:最近接する切込間距離
12:正切込
13:負切込
14:正切込を含む直線
15:負切込を含む直線
16:賦形中のプリプレグ積層体の端面
17:面外変形
18:せん断力
24:バグフィルム
25:図9に示した型
26:フランジ部
27:樹脂部Pの幅
28:樹脂部Pの長さ
Claims (6)
- 一方向に配向した強化繊維と樹脂とを含むプリプレグの、少なくとも一部の領域に強化繊維を分断する複数の切込が挿入されたプリプレグを切込プリプレグとすると、切込プリプレグを含むプリプレグ群を、複数枚積層してプリプレグ積層体を得る積層工程と、
プリプレグ積層体を、上面と側面を含む型の上面に配置又は下面と側面を含む型の下面に配置し、側面に沿って曲げ賦形し、略型形状としたプリフォームを得る賦形工程と、
賦形工程で用いた型とは異なる型にプリフォームを配置し、固化する、固化工程を含み、切込プリプレグの前記領域内から任意に選択される、10個の直径10mmの円形の小領域内に含まれる切込の個数の平均値が10以上、かつ変動係数が20%以内である、繊維強化プラスチックの製造方法。 - 切込と強化繊維の配向方向とのなす角度θの絶対値が、実質的に同一であり、θが正である正切込とθが負である負切込を略同数含み、任意の切込と、当該切込の延長線上に存在する最近接する別の切込との間隔について、正切込同士の間隔と負切込同士の間隔とで長さが異なる、請求項1に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
- プリフォームに面外変形が少なくとも一つ含まれ、該面外変形の高さがプリプレグ積層体の平均厚みの0.5倍以上3倍以下である請求項1または2に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
- 賦形工程において、略型形状としたプリフォームの少なくとも一部に対して、せん断力を加えながら前記型に押し付けて平坦化する、請求項1〜3のいずれかに記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
- 樹脂と強化繊維とを含み、平面部と曲面部とを有する繊維強化プラスチックであって、
繊維強化プラスチックは、少なくとも一部が分断された強化繊維が一方向に配向し、かつ強化繊維の配向方向に隣接する繊維束間に樹脂部Pが存在し、
樹脂部Pの端部同士を結んだ線分が、強化繊維の配向方向に対して斜めに配置された樹脂部Pを有する層を層Aとするとき、繊維強化プラスチックは曲面部の内周よりも外周に近い側に層Aを含み、層Aの面内の任意の樹脂部Pにおいて、該樹脂部Pの輪郭と接し、距離が最短となる2本の平行線を描いたとき、平行線の距離の平均値が0.2mm以下である、繊維強化プラスチック。 - 層A中の樹脂部Pの体積の合計が、該層Aの体積の5%以下である、請求項5に記載の繊維強化プラスチック。
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