JP7024959B2 - 繊維強化樹脂管状体 - Google Patents

Description

本発明は、繊維強化樹脂により形成された繊維強化樹脂管状体に関する。

従来、この種の繊維強化樹脂管状体として、繊維強化樹脂をマンドレルに巻き付けて製造するＦＲＰ筒体が知られている（特許文献１）。このＦＲＰ筒体は、強化繊維のパイプの軸方向両端部における巻角度Ａを±８０～９０°、中央部における巻角度Ｂを±５～２０°、両端部と中央部との間における巻角度を巻角度Ａから巻角度Ｂに徐々に変化する巻角度Ｃにそれぞれ設定している。

特開平８－９９３７３号公報

しかし、前述した特許文献１に記載のＦＲＰ筒体は、端部以外の領域の曲げ強度が高いため、曲げ予定領域の樹脂が加熱により塑性変形が可能となった状態で曲げ加工したときに、曲げ予定領域を形成する強化繊維が破断し、曲げ予定領域が座屈し易いという問題がある。

そこで、本発明は、上記の問題を解決するために創出されたものであって、曲げ予定領域の樹脂が加熱により塑性変形が可能となった状態で曲げ加工したときに、曲げ予定領域を形成する強化繊維が破断し難く、曲げ予定領域が座屈し難い繊維強化樹脂管状体を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本願発明に係る繊維強化樹脂管状体は、繊維強化熱可塑性樹脂により形成されており、曲げ予定領域の熱可塑性樹脂が加熱により塑性変形が可能となった状態で曲げ予定領域の曲げ加工が可能になる繊維強化樹脂管状体であって、繊維強化熱可塑性樹脂は、少なくとも連続強化繊維と熱可塑性樹脂とから形成されたフィラメントであり、当該繊維強化樹脂管状体の軸線に対する連続強化繊維の配向角度が、曲げ予定領域以外の領域よりも曲げ予定領域の方が大きくなるようにフィラメントがフィラメントワインディングされていることにより、曲げ加工に対する連続強化繊維間が、曲げ予定領域以外の領域よりも曲げ予定領域の方が相対変位し易くなっていることを第１の特徴とする。
上記の「連続強化繊維間が、・・相対変位し易くなっている」とは、換言すると、加熱により塑性変形が可能となった熱可塑性樹脂の中で連続強化繊維が動き易い（滑り易い）という意味である。

上記第１の特徴を備える繊維強化樹脂管状体は、曲げ予定領域の熱可塑性樹脂が加熱により塑性変形が可能となった状態で曲げ予定領域の曲げ加工が可能になる繊維強化樹脂管状体であって、繊維強化熱可塑性樹脂は、少なくとも連続強化繊維と熱可塑性樹脂とから形成されたフィラメントであり、当該繊維強化樹脂管状体の軸線に対する連続強化繊維の配向角度が、曲げ予定領域以外の領域よりも曲げ予定領域の方が大きくなるようにフィラメントがフィラメントワインディングされていることにより、曲げ加工に対する連続強化繊維間が、曲げ予定領域以外の領域よりも曲げ予定領域の方が相対変位し易くなっている。
つまり、当該繊維強化樹脂管状体の軸線に対する連続強化繊維の配向角度が、曲げ予定領域以外の領域よりも曲げ予定領域の方が大きいため、曲げ予定領域を形成する連続強化繊維間は、加熱により塑性変形が可能となった熱可塑性樹脂の中で、曲げ加工するときの曲げ荷重に追従して相対変位し易く破断し難いため、曲げ予定領域が座屈し難い。
さらに、曲げ予定領域においてシワが発生し難い。

また、本願発明に係る繊維強化樹脂管状体は、前述の第１の特徴において、連続強化繊維の体積含有率が、曲げ予定領域以外の領域よりも前記曲げ予定領域の方が小さいことを第２の特徴とする。

上記第２の特徴を備える繊維強化樹脂管状体は、連続強化繊維の体積含有率が、曲げ予定領域以外の領域よりも曲げ予定領域の方が小さい。
このため、曲げ予定領域を形成する連続強化繊維間は、加熱により塑性変形が可能となった熱可塑性樹脂の中で、曲げ加工するときの曲げ荷重に追従してより相対変位する際に干渉し合う（相対変位の妨げとなる）連続強化繊維が、曲げ予定領域以外の領域よりも少ないために相対変位し易く破断し難い。
したがって、曲げ予定領域が座屈し難い。

また、本願発明に係る繊維強化樹脂管状体は、前述の第１の特徴を有する繊維強化樹脂管状体に対して、熱可塑性樹脂を伴った強化繊維を織って形成されたテープが、その一部が重なるように螺旋状に捲回されたことを第３の特徴とする。

上記第３の特徴を備える繊維強化樹脂管状体は、前述の第１の特徴を有する繊維強化樹脂管状体に対して、熱可塑性樹脂を伴った強化繊維を織って形成されたテープが、その一部が重なるように螺旋状に捲回されている。
したがって、前述の第１の特徴を有する繊維強化樹脂管状体の圧縮強度をより一層高めることができる。

また、本願発明に係る繊維強化樹脂管状体は、前述の第２の特徴を有する繊維強化樹脂管状体に対して、熱可塑性樹脂を伴った強化繊維を織って形成されたテープが、その一部が重なるように螺旋状に捲回されたことを第４の特徴とする。

上記第４の特徴を備える繊維強化樹脂管状体は、前述の第２の特徴を有する繊維強化樹脂管状体に対して、熱可塑性樹脂を伴った強化繊維を織って形成されたテープが、その一部が重なるように螺旋状に捲回されている。
したがって、前述の第２の特徴を有する繊維強化樹脂管状体の圧縮強度をより一層高めることができる。

本願発明に係る繊維強化樹脂管状体を実施すれば、曲げ予定領域の樹脂が加熱により塑性変形が可能となった状態で曲げ加工したときに、曲げ予定領域を形成する連続強化繊維が破断し難く、曲げ予定領域が座屈し難く、さらに、曲げ予定領域においてシワが発生し難い繊維強化樹脂管状体を提供することができる。

本発明の第１実施形態における実験１に使用した繊維強化樹脂管状体の説明図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。 本発明の第１実施形態に係る繊維強化樹脂管状体を形成する連続炭素繊維の配向角度の説明図であり、（ａ）は連続炭素繊維が捲回された繊維強化樹脂管状体の正面図、（ｂ），（ｃ）は曲げ予定領域における連続強化繊維の配向角度の説明図、（ｄ），（ｅ）は曲げ予定領域以外の領域における連続強化繊維の配向角度の説明図である。 本発明の各実験において使用した曲げ加工装置の概念図である。 図３に示す曲げ加工装置が繊維強化樹脂管状体を曲げ加工した状態を示す概念図である。 本発明の第３実施形態に係る繊維強化樹脂管状体の説明図であり、（ａ）は繊維強化樹脂管状体の正面図、（ｂ）は（ａ）に示す繊維強化樹脂管状体の一部を拡大して示す拡大図、（ｃ）は（ａ）に示すテープを形成する炭素繊維の説明図、（ｄ）はテープのずらし幅および重なり幅の説明図である。 図５（ａ）に示す繊維強化樹脂管状体を形成するテープの変位を説明するための説明図であり、（ａ）は変位前のテープの説明図、（ｂ）は変位後のテープの説明図である。 曲げ加工された繊維強化樹脂管状体の説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は、（ａ）のＪ－Ｊ矢視断面図である。 実験結果をまとめた図表である。

以下の各実施形態における繊維強化樹脂管状体は、ＣＦＲＴＰ(Carbon Fiber Reinforced Thermo Plastics：炭素繊維強化熱可塑性樹脂)により形成されており、曲げ予定領域の熱可塑性樹脂が加熱により塑性変形が可能となった状態で曲げ予定領域の曲げ加工が可能になる繊維強化樹脂管状体である。また、以下の各実施形態における繊維強化樹脂管状体は、曲げ予定領域の方が曲げ予定領域以外の領域よりも、曲げ加工に対して炭素繊維間が相対変位し易くなっている炭素繊維の配置構造を有する。

〈第１実施形態〉
本発明の第１実施形態に係る繊維強化樹脂管状体について図を参照しつつ説明する。
本実施形態の繊維強化樹脂管状体は、ＣＦＲＴＰにより形成されており、繊維強化樹脂管状体の軸線に対する連続炭素繊維の配向角度が、曲げ予定領域以外の領域よりも曲げ予定領域の方が大きい連続強化繊維の配置構造を有することを特徴とする。
図１に示すように、本実施形態の繊維強化樹脂管状体１は、縦断面形状が円形の円筒形状（中空パイプ状）に形成されている。繊維強化樹脂管状体１の全長はＬ、外径はφ１、内径はφ２である。繊維強化樹脂管状体１には、曲げ加工を行う予定の領域、つまり、曲げ予定領域ＶＥが設定されている。符号Ｃにて示す点は、曲げ半径の中心である。繊維強化樹脂管状体１の左端から右端に向けてＬ１移動した位置から曲げ予定領域ＶＥが始まっており、その幅はＬ２に設定されている。

繊維強化樹脂管状体１は、公知のフィラメントワインディングによって形成されている。本実施形態においてフィラメントワインディングに用いるフィラメントは、複数本の連続炭素繊維がマトリックス樹脂である熱可塑性樹脂によって被覆されたもの、もしくは、連続炭素繊維および熱可塑性樹脂繊維が混繊されたものである。管状体は、フィラメントワインダーに設けられた加熱装置を使ってフィラメントの樹脂部分を溶融させながらワインディング成形される。これにより、ＣＦＲＴＰ(Carbon Fiber Reinforced Thermo Plastics：炭素繊維強化熱可塑性樹脂)製の管状体が形成される。
図２（ａ）は、本実施形態の繊維強化樹脂管状体１の説明図であるが、フィラメントの捲回状態が分かるように模式的に表されている。図２において、符号θ１，θ２は、繊維強化樹脂管状体１を形成する連続炭素繊維の配向角度を示す。ここで、配向角度とは、繊維強化樹脂管状体１の軸線Ｇ（繊維強化樹脂管状体１の長手方向に沿った中心軸）に対する連続炭素繊維の角度である。図２（ｂ），（ｃ）は、それぞれ曲げ予定領域ＶＥにおける配向角度を示し、図２（ｄ），（ｅ）は、それぞれ曲げ予定領域以外の領域Ｅ１，Ｅ２における配向角度を示す。なお、フィラメントをマンドレルにヘリカル巻きする場合、フィラメントはマンドレルの軸線に沿って両端を往復するため、マンドレルの左端から右端に向けて巻くとき（往路）の角度をθ１，θ２で示し、右端から左端に向けて巻くとき（復路）の角度を－θ１，－θ２で示す。図示のように、曲げ予定領域ＶＥに捲回された連続炭素繊維の配向角度θ１は、曲げ予定領域ＶＥ以外の領域Ｅ１，Ｅ２に捲回された連続炭素繊維の配向角度θ２よりも大きい。たとえば、配向角度θ１は４５度であり、配向角度θ２は２０度である。

［実験１］
本願発明者らは、連続炭素繊維の配向角度が曲げ加工に及ぼす影響を調べる実験を行った。
（実験内容）
本実験では、繊維強化樹脂管状体１を形成するフィラメントとして、連続ＰＡＮ（ポリアクリロニトリル）系炭素繊維がポリアミド樹脂繊維と混繊されたフィラメントを使用した。連続強化繊維およびポリアミド樹脂の体積含有率は、それぞれ５０％である。フィラメントの幅は５～６ｍｍであり、厚さは０．３～０．４ｍｍである。また、旭化成エンジニアリング株式会社製のフィラメントワインディング装置を使用した。
フィラメントワインディングでは、加熱によりフィラメントに含まれるポリアミド樹脂を溶融させながら、ヘリカル巻きによりマンドレルに４層捲回し、自然冷却によりポリアミド樹脂を固化させ、繊維強化樹脂管状体１を作成した。
作成した繊維強化樹脂管状体１は、全長Ｌが５１０ｍｍ、外径φ１が３１．０ｍｍ、内径φ２が２７．２ｍｍの中空パイプ形状である。また、繊維強化樹脂管状体１の縦断面形状は真円であり、扁平度は１である。また、図１（ａ）に示したＬ１＝２１０～２２０ｍｍであり、Ｌ２＝約１５０ｍｍである。また、曲げ加工時に繊維強化樹脂管状体１の変形を防止するため、芯材（中子）を繊維強化樹脂管状体１に充填した。本実験では、芯材として、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）樹脂製で直径が１ｍｍ前後で縦断面形状が円形の線状の素材を束ねたものを芯材として使用した。
また、本実験では、連続炭素繊維の配向角度が曲げ予定領域ＶＥおよび曲げ予定領域以外の領域Ｅ１，Ｅ２の総てにおいて２０度の繊維強化樹脂管状体（第１実施形態（１））と、曲げ予定領域ＶＥにおける配向角度θ１が４５度であり、曲げ予定領域以外の領域Ｅ１，Ｅ２における各配向角度θ２がそれぞれ２０度の繊維強化樹脂管状体（第１実施形態（２））とを使用した。

また、曲げ加工装置として、図３に示すものを使用した。この曲げ加工装置２は、金型３と、固定クランプ４と、移動クランプ５と、スライド装置（図示省略）とを備える。本実験では、曲げ加工対象を金型に巻き付けて曲げ加工するストレッチベンド方式を用いた。繊維強化樹脂管状体１の左端は固定クランプ４に、右端は移動クランプ５によってそれぞれ保持される。固定クランプ４および移動クランプ５は、前後に移動可能な独立したスライド装置にそれぞれ設けられている。金型３のＲ部３ａの曲率半径は２８４ｍｍである。また、繊維強化樹脂管状体１の曲げ条件は、曲げ角度θ３（図７（ａ））が１０度、曲げ方向の内側の曲げ半径ｒ、つまり、曲げ中心Ｃ（図７（ａ））の曲率半径が３００ｍｍである。

先ず、繊維強化樹脂管状体１の左端を固定クランプ４に右端を移動クランプ５にそれぞれ取付け、繊維強化樹脂管状体１の曲げ予定領域ＶＥを加熱装置（図示省略）によって加熱する。そして、曲げ予定領域ＶＥが２４０℃に達し、曲げ予定領域ＶＥを形成しているポリアミド樹脂が溶融してからスライド装置を前方（図３において矢印Ｆ１で示す方向）、つまり金型３の方へ移動させる。そして、図４に示すように、繊維強化樹脂管状体１が金型３に当接すると、左側の固定クランプ４が取付けられたスライド装置が停止する。一方、右側の移動クランプ５が取付けられたスライド装置は前進し、繊維強化樹脂管状体１には矢印Ｆ２で示す方向に引張荷重が掛かり、曲げ予定領域ＶＥが金型３のＲ部３ａに沿って曲がる。本実験では、移動クランプ５を介して繊維強化樹脂管状体１の右端に３５００Ｎの引張荷重を掛けて曲げ加工を行った。そして、自然冷却後、固定クランプ４および移動クランプ５から繊維強化樹脂管状体１を外した。

（実験結果）
本願発明者らは、上述した手法によって曲げ加工された繊維強化樹脂管状体１の曲げ方向の内外方向の外径Ａと、曲げ方向の上下方向の外径Ｂ（図７（ｂ））と、曲げ半径ｒとを測定した。また、扁平度（＝Ｂ／Ａ）を計算した。また、曲がった領域にシワ、座屈および破断などが発生しているか否かを調べた。扁平度は、図７に示すように、繊維強化樹脂管状体１の曲がった領域の曲げ中心Ｃを縦方向に切断し、内外方向の外径Ａと、上下方向の外径Ｂとの比（Ｂ／Ａ）を扁平度として計算した。曲げ加工を行う前の繊維強化樹脂管状体１は、潰れていないため、扁平度は１である。
そして、曲がった領域が座屈または破断しているか否かを検査した結果に基づいて各実験結果を評価した。つまり、曲がった領域に座屈および破断が無い場合は、曲げ加工状態が良好であると判定し、曲げ性の判定結果として○を記した。また、曲がった領域に座屈または破断が発生した場合、規定の引張荷重を掛けても曲がらなかった場合、および曲げ半径ｒが３００ｍｍ以上だった場合のいずれかに該当する場合は曲げ性の判定結果として×を記した。

その結果、図８に示すように、連続炭素繊維の配向角度が曲げ予定領域ＶＥおよび曲げ予定領域以外の領域Ｅ１，Ｅ２の総てにおいて２０度の繊維強化樹脂管状体（１）は、曲げることができず、曲げ性の判定結果は×である。
一方、曲げ予定領域ＶＥが４５度であり、曲げ予定領域以外の領域Ｅ１，Ｅ２が２０度の繊維強化樹脂管状体（２）は、曲げ条件に沿って曲げることができ、曲がった領域に座屈および破断が発生しなかったため、曲げ性の判定結果は○である。また、曲がった領域においてシワも殆ど発生しなかった。

（考察）
本願発明者らは、上述した実験結果に基づき、連続炭素繊維の配向角度と曲げ性との関係について考察した。
本実施形態の繊維強化樹脂管状体１を曲げ加工する際は、曲げ予定領域ＶＥが塑性変形可能な状態になるまで曲げ予定領域ＶＥを加熱する。具体的には、曲げ予定領域ＶＥに捲回されているフィラメントのポリアミド樹脂が溶融した状態になるまで曲げ予定領域ＶＥを加熱する。このため、曲げ予定領域ＶＥを形成するポリアミド樹脂が溶融した状態になると、曲げ予定領域ＶＥを形成する連続炭素繊維は、溶融したポリアミド樹脂の中を動く（滑る）ことが可能な状態になる。換言すると、曲げ予定領域ＶＥを形成する連続炭素繊維間は、溶融したポリアミド樹脂の中で相対変位可能な状態になる。その結果、溶融したポリアミド樹脂の中では、連続炭素繊維は配向角度が大きい方が曲げ加工するときの曲げ荷重に追従して動き易く、連続炭素繊維の伸びやせん断変形が小さく抑制されるために破断し難いと推測した。また、曲げ加工を行うと、曲げ予定領域ＶＥの外側では連続炭素繊維に対する引張方向への荷重が大きくなるが、曲げ予定領域ＶＥにおける連続炭素繊維の配向角度が大きいため、連続炭素繊維は配向角度を小さくなる様に変位させることにより、その荷重に追従することができるので、破断にまで至らないと推測した。また、曲げ予定領域ＶＥの内側でも同様に荷重に追従して連続炭素繊維が変位しやすくなることが、連続炭素繊維の折れ、座屈および破断を妨げたと推測した。
つまり、連続炭素繊維の配向角度が大きい方が連続炭素繊維間が相対変位し易いために破断し難く、よって曲げ予定領域に座屈や破断が発生し難く、かつ、シワも発生し難いと推測した。

（結論）
本願発明者らは、上述した実験結果および考察から、曲げ予定領域における強化繊維の配置構造が、強化繊維間が前記曲げ予定領域以外の領域よりも曲げ加工に対して相対変位し易くなっている配置構造を有する繊維強化樹脂管状体を作成すれば、曲げ予定領域に座屈および破断が発生し難い繊維強化樹脂管状体を提供することができると結論した。

〈第２実施形態〉
次に、本発明の第２実施形態に係る繊維強化樹脂管状体について図を参照しつつ説明する。
本実施形態の繊維強化樹脂管状体は、ＣＦＲＴＰにより形成されており、連続炭素繊維の体積含有率が、曲げ予定領域以外の領域よりも曲げ予定領域の方が小さい連続強化繊維の配置構造を有することを特徴とする。

［実験２］
本願発明者らは、連続炭素繊維の体積含有率が曲げ加工に及ぼす影響を調べる実験を行った。
（実験内容）
本実験では、実験１において使用したフィラメントと同じフィラメントを使用し、実験１と同じ寸法の繊維強化樹脂管状体を作成した。
また、本実験では、総ての領域における連続強化繊維の配向角度が２０度であり、連続炭素繊維の体積含有率が曲げ予定領域ＶＥおよび曲げ予定領域以外の領域Ｅ１，Ｅ２の各領域においてそれぞれ５０％の繊維強化樹脂管状体（第２実施形態（１））と、総ての領域における連続強化繊維の配向角度が２０度であり、連続炭素繊維の体積含有率が曲げ予定領域ＶＥにおいて４０％であり、曲げ予定領域以外の領域Ｅ１，Ｅ２においてそれぞれ５０％の繊維強化樹脂管状体（第２実施形態（２））と、総ての領域における連続強化繊維の配向角度が２０度であり、連続炭素繊維の体積含有率が曲げ予定領域ＶＥにおいて３０％であり、曲げ予定領域以外の領域Ｅ１，Ｅ２においてそれぞれ５０％の繊維強化樹脂管状体（第２実施形態（３））とを使用した。また、本実験は、実験１と同じ実験装置および手順にて行った。

（実験結果）
図８に記載したとおり、第２実施形態（１）および第２実施形態（２）の各繊維強化樹脂管状体は、いずれも規定の引張荷重を掛けても曲がらなかったが（曲げ性の判定が×）、第２実施形態（３）の繊維強化樹脂管状体は曲がり、曲げ性の判定は○であった。

（考察）
本願発明者らは、上述した実験結果に基づき、連続炭素繊維の体積含有率と曲げ性との関係ついて考察した。
本実施形態の繊維強化樹脂管状体１を曲げ加工する際は、曲げ予定領域ＶＥが塑性変形可能な状態になるまで曲げ予定領域ＶＥを加熱する。具体的には、曲げ予定領域ＶＥに捲回されているフィラメントのポリアミド樹脂が溶融した状態になるまで曲げ予定領域ＶＥを加熱する。このため、曲げ予定領域ＶＥを形成するポリアミド樹脂が溶融した状態になると、曲げ予定領域ＶＥを形成する連続炭素繊維は、溶融したポリアミド樹脂の中を動く（滑る）ことが可能な状態になる。換言すると、曲げ予定領域ＶＥを形成する連続炭素繊維間は、溶融したポリアミド樹脂の中で相対変位可能な状態になる。その結果、溶融したポリアミド樹脂の中では、連続炭素繊維の体積含有率が小さい方が、曲げ加工するときの曲げ荷重に追従して相対変位する際に干渉し合う（相対変位の妨げとなる）連続炭素繊維が少ないために相対変位し易く破断し難いと推測した。つまり、連続炭素繊維の体積含有率が小さい方が連続炭素繊維間が相対変位し易いために破断し難く、よって曲げ予定領域に座屈や破断が発生し難いと推測した。

（結論）
本願発明者らは、上述した実験結果および考察から、曲げ予定領域の方が曲げ予定領域以外の領域よりも、連続炭素繊維の体積含有率が小さい連続炭素繊維の配置構造を有する繊維強化樹脂管状体を作成すれば、曲げ予定領域に座屈や破断が発生し難い繊維強化樹脂管状体を提供することができると結論した。

〈第３実施形態〉
本発明の第３実施形態に係る繊維強化樹脂管状体について図を参照しつつ説明する。
本実施形態の繊維強化樹脂管状体は、ＣＦＲＴＰ製のテープが、その一部が重なるように螺旋状に捲回された炭素繊維の配置構造を有することを特徴とする。

図５（ａ）に示すように、本実施形態の繊維強化樹脂管状体１は、ＣＦＲＴＰ製のテープＴが、その一部が重なるように螺旋状に捲回されることにより形成されている。繊維強化樹脂管状体１は、テープＴをフープ巻きによりマンドレルに熱可塑性樹脂を加熱溶融させながら捲回し、冷却して固化させることにより形成されている。図５（ｂ）に示すように、テープＴは、緯糸ｗｅおよび経糸ｗａを交互に浮き沈みさせて織る、いわゆる平織りにより形成されている。緯糸ｗｅおよび経糸ｗａは、マトリックス樹脂として熱可塑性エポキシ樹脂を使ったＰＡＮ系炭素繊維フィラメントである。図５（ｃ）に示すように、緯糸ｗｅは、テープＴの幅相当の長さであるのに対して、経糸ｗａは、テープＴの長さ相当の長さであり、捲回開始から捲回終了まで連続している。つまり、経糸ｗａを形成する炭素繊維は連続炭素繊維であり、緯糸ｗｅを形成する炭素繊維は短繊維である。
図５（ｄ）に示すように、テープＴの幅をｄとすると、テープＴは、幅ｄ１にて重なっており、幅Δｄにてずれている。つまり、テープＴは、１回（マンドレル１周）の捲回につき、幅Δｄずらしながら捲回されている。

［実験３］
本願発明者らは、繊維強化樹脂管状体を形成するテープの幅および重なり幅が曲げ加工に及ぼす影響を調べる実験を行った。
（実験内容）
本実験では、前述したテープＴを使用して実験１と同じ寸法の繊維強化樹脂管状体を作成した。
また、本実験では、テープＴを、完成される繊維強化樹脂管状体の軸線Ｇ（マンドレルの軸線）に対する捲回角度が約８０度となるように捲回した。そして、テープ幅ｄが１０ｍｍのテープＴを重なり幅ｄ１が５ｍｍ（ずらし幅Δｄが５ｍｍ）にて捲回して作成した繊維強化樹脂管状体（第３実施形態（１））と、テープ幅ｄが１５ｍｍのテープＴを重なり幅ｄ１が１０ｍｍ（ずらし幅Δｄが５ｍｍ）にて捲回して作成した繊維強化樹脂管状体（第３実施形態（２））と、テープ幅ｄが１５ｍｍのテープＴを重なり幅ｄ１が５ｍｍ（ずらし幅Δｄが１０ｍｍ）にて捲回して作成した繊維強化樹脂管状体（第３実施形態（３））と、テープ幅ｄが２０ｍｍのテープＴを重なり幅ｄ１が１５ｍｍ（ずらし幅Δｄが５ｍｍ）にて捲回して作成した繊維強化樹脂管状体（第３実施形態（４））と、テープ幅ｄが２０ｍｍのテープＴを重なり幅ｄ１が１０ｍｍ（ずらし幅Δｄが１０ｍｍ）にて捲回して作成した繊維強化樹脂管状体（第３実施形態（５））とを使用した。また、本実験は、実験１と同じ実験装置および手順にて行った。

（実験結果）
図８の実験結果に示すように、第３実施形態（１）の繊維強化樹脂管状体は、曲げ予定領域が折れたが（曲げ性判定が×）、第３実施形態（２）～（５）の繊維強化樹脂管状体はそれぞれ曲がった（曲げ性の判定が○）。

（考察）
本願発明者らは、上述した実験結果に基づき、テープの幅および重なり幅と曲げ性との関係ついて考察した。
本実験において曲げ加工に成功した第３実施形態（２）～（５）の繊維強化樹脂管状体を形成するテープＴを観察したところ、曲げ加工により、テープＴ間が相対変位していることが分かった。図６は、図５（ａ）に示す繊維強化樹脂管状体を形成するテープの変位を説明するための説明図であり、（ａ）は変位前のテープの説明図、（ｂ）は変位後のテープの説明図である。なお、図６において符号Ｔ１～Ｔ３は、捲回されたテープＴの１巻き分を示す。また、図６は、テープＴの変位状態を分かり易くするため、実際の変位量よりも大きい変位量にて記載されている。図６（ａ）に示すように、曲げ加工を行う前のテープＴ（Ｔ２，Ｔ３）の重なり幅をｄ１とすると、図６（ｂ）に示すように、曲げ加工を行った後では、曲げた領域の曲げ方向の外側におけるテープＴ（Ｔ２，Ｔ３）の重なり幅ｄ２は、曲げ加工前の重なり幅ｄ１よりも小さくなっていた（ｄ２＜ｄ１）。また、曲げた領域の曲げ方向の内側におけるテープＴの重なり幅ｄ３は、曲げ加工前の重なり幅ｄ１よりも大きくなっていた（ｄ３＞ｄ１）。
本願発明者らは、上記の観察結果から、テープＴ間は、繊維強化樹脂管状体１に矢印Ｆ２で示す方向の引張荷重が掛かったときに相対変位することで、曲げ荷重が吸収され、曲げ予定領域ＶＥを形成する炭素繊維が破断しなかったため、曲げ予定領域ＶＥに座屈や破断が発生しなかったと推測した。

また、曲げ予定領域ＶＥを形成する熱可塑性エポキシ樹脂が溶融した状態になると、曲げ予定領域ＶＥを形成する緯糸ｗｅおよび経糸ｗａは、溶融した熱可塑性エポキシ樹脂の中を動く（滑る）ことが可能な状態になる。換言すると、曲げ予定領域ＶＥを形成する緯糸ｗｅ間および経糸ｗａ間は、溶融した熱可塑性エポキシ樹脂の中で相対変位可能な状態になる。前述したように、完成される繊維強化樹脂管状体の軸線Ｇに対してテープＴの捲回角度が４５度以上であるため、経糸ｗａの配向角度は、４５度以上になっていると推測できる。このため、実験１の考察において述べたように、連続炭素繊維である経糸ｗａは、配向角度が大きいほど、曲げ加工するときの曲げ荷重に追従して動き易いために破断し難いと推測した。一方、緯糸ｗｅは、テープ幅の長さしかなく、不連続であり、緯糸ｗｅ間の繋がりが殆ど無いため、曲げ荷重によっては破断していないと推測した。

（結論）
本願発明者らは、上述した実験結果および考察から、熱可塑性樹脂を伴った炭素繊維を織って形成されたテープが、その一部が重なるように螺旋状に捲回された配置構造を有する繊維強化樹脂管状体を作成すれば、曲げ予定領域に座屈や破断が発生し難い繊維強化樹脂管状体を提供することができると結論した。

〈第４実施形態〉
本発明の第４実施形態に係る繊維強化樹脂管状体について図を参照しつつ説明する。
本実施形態の繊維強化樹脂管状体は、前述した第１実施形態の繊維強化樹脂管状体に対して、熱可塑性樹脂を伴った強化繊維を織って形成されたテープが、その一部が重なるように螺旋状に捲回されたことを特徴とする。

［実験４］
本願発明者らは、本実施形態の繊維強化樹脂管状体の曲げ性を調べる実験を行った。
（実験内容）
本実験では、前述した第１実施形態と同じ方法により、曲げ予定領域ＶＥおよび曲げ予定領域ＶＥ以外の領域Ｅ１，Ｅ２を形成する連続炭素繊維の配向角度をそれぞれ４５度に設定された繊維強化樹脂管状体を作成した。そしてさらに、前述した第３実施形態において使用したテープＴを、完成される繊維強化樹脂管状体の軸線Ｇ（マンドレルの軸線）に対する捲回角度が約８０度となるように捲回した（第４実施形態（１））。使用したテープＴのテープ幅ｄは２０ｍｍであり、重なり幅ｄ１は１０ｍｍ（ずらし幅Δｄが１０ｍｍ）である。そして、前述した実験１と同じ装置および方法により、曲げ加工を行った。

（実験結果）
図８の実験結果に示すように、第４実施形態（１）の繊維強化樹脂管状体は曲がった（曲げ性の判定が○）。

（考察）
本願発明者らは、上述した実験結果に基づき、本実施形態の繊維強化樹脂管状体の構造と曲げ性との関係について考察した。
第４実施形態（１）の繊維強化樹脂管状体は、曲げ予定領域ＶＥを形成する連続炭素繊維の配向角度が４５度であることに加え、さらに曲げ予定領域ＶＥに捲回されたテープＴの捲回角度が約８０度、つまり、テープＴを形成する連続炭素繊維の配向角度が約８０度であるため、曲げ予定領域ＶＥを形成する連続強化繊維は総て４５度以上になっている。このため、曲げ予定領域ＶＥを形成する連続炭素繊維間は、溶融した熱可塑性樹脂の中で曲げ荷重に追従して相対変位し易いために破断し難く、よって曲げ予定領域ＶＥに座屈や破断が発生しないと推測した。さらに、曲げ予定領域ＶＥには、捲回されたテープＴにより、軸線Ｇの方向に沿った緯糸ｗｅ（図５（ｃ））が配置されているため、曲げ予定領域ＶＥにおける曲げ強度（剛性）を高めることができたと推測した。さらに、曲げ予定領域ＶＥ以外の領域Ｅ１，Ｅ２を形成している連続炭素繊維の配向角度も４５度であり、配向角度を４５度よりも小さい、たとえば２０度とした場合と比較すると、曲げ強度（剛性）の点では劣るものの、曲げ予定領域ＶＥ以外の領域Ｅ１，Ｅ２にはテープＴが捲回されているため、曲げ強度の低下を抑制できたと推測した。

（結論）
本願発明者らは、上述した実験結果および考察から、曲げ加工に対して強化繊維間が相対変位し易くなる配向角度にて連続炭素繊維を捲回して繊維強化樹脂管状体の母体を形成し、さらに、フィラメントを平織りしたテープを母体の上に捲回することにより、繊維強化樹脂管状体を作成すれば、曲げ予定領域に座屈や破断が発生し難く、かつ、曲げ強度（剛性）の高い繊維強化樹脂管状体を提供することができると結論した。

〈他の実施形態〉
（１）第１実施形態において作成した繊維強化樹脂管状体を母体とし、その母体にテープＴを捲回することにより繊維強化樹脂管状体を作成することもできる。この繊維強化樹脂管状体を実施すれば、曲げ予定領域ＶＥに座屈や破断が発生し難く、かつ、圧縮強度の高い繊維強化樹脂管状体を提供することができる。また、曲げ予定領域ＶＥだけにテープＴを捲回しても良い。
（２）第２実施形態において作成した繊維強化樹脂管状体を母体とし、その母体にテープＴを捲回することにより繊維強化樹脂管状体を作成することもできる。この繊維強化樹脂管状体を実施すれば、曲げ予定領域ＶＥに座屈や破断が発生し難く、かつ、圧縮強度の高い繊維強化樹脂管状体を提供することができる。また、曲げ予定領域ＶＥだけにテープＴを捲回しても良い。

（３）ＰＡＮ系炭素繊維に代えてピッチ系炭素繊維を用いることもできる。
（４）熱可塑性樹脂として、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエステル、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリオキシメチレン、ＡＢＳ、ＰＥＳ、ＰＥＥＫ、ポリイミド、ＰＭＭＡなどを用いることもできる。
（５）炭素繊維に代えてガラス繊維、ＰＢＯ（ポリパラフェニレンベンズオキサゾール）繊維、ポリアリレート繊維、アラミド繊維、ポリイミド繊維、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）繊維、フッ素繊維、鉱物繊維などを用いることもできる。
（６）繊維強化樹脂管状体の曲げ方式としてストレッチベンド方式に代えて、曲げ加工対象に金型を押し当てて曲げる、いわゆるスライドベンド方式を用いることもできる。
（７）繊維強化樹脂管状体の両端に引張荷重を掛けて曲げ加工する方法を用いることもできる。

［特許請求の範囲と実施形態との対応関係］
ＣＦＲＴＰが請求項１に記載の繊維強化熱可塑性樹脂に対応し、ポリアミド樹脂または熱可塑性エポキシ樹脂が熱可塑性樹脂に対応し、炭素繊維が強化繊維に対応する。

１ 繊維強化樹脂管状体
２ 曲げ加工装置
３ 金型
３ａ Ｒ部
４ 固定クランプ
５ 移動クランプ
Ｅ１，Ｅ２ 曲げ予定領域以外の領域
Ｓ 連続炭素繊維
Ｔ テープ
ＶＥ 曲げ予定領域
ｗａ 経糸
ｗｅ 緯糸
θ１，θ２ 配向角度
θ３ 曲げ角度

Claims (4)

1. 繊維強化熱可塑性樹脂により形成されており、曲げ予定領域の熱可塑性樹脂が加熱により塑性変形が可能となった状態で前記曲げ予定領域の曲げ加工が可能になる繊維強化樹脂管状体であって、
   前記繊維強化熱可塑性樹脂は、少なくとも連続強化繊維と熱可塑性樹脂とから形成されたフィラメントであり、
   当該繊維強化樹脂管状体の軸線に対する前記連続強化繊維の配向角度が、前記曲げ予定領域以外の領域よりも前記曲げ予定領域の方が大きくなるように前記フィラメントがフィラメントワインディングされていることにより、曲げ加工に対する連続強化繊維間が、前記曲げ予定領域以外の領域よりも前記曲げ予定領域の方が相対変位し易くなっていることを特徴とする繊維強化樹脂管状体。
2. 前記連続強化繊維の体積含有率が、前記曲げ予定領域以外の領域よりも前記曲げ予定領域の方が小さいことを特徴とする請求項１に記載の繊維強化樹脂管状体。
3. 請求項１に記載の繊維強化樹脂管状体に対して、前記熱可塑性樹脂を伴った強化繊維を織って形成されたテープが、その一部が重なるように螺旋状に捲回されたことを特徴とする繊維強化樹脂管状体。
4. 請求項２に記載の繊維強化樹脂管状体に対して、前記熱可塑性樹脂を伴った強化繊維を織って形成されたテープが、その一部が重なるように螺旋状に捲回されたことを特徴とする繊維強化樹脂管状体。

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