JP7056721B2 - 複合材料成形品及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本願は、2018年3月27日に、日本出願された特願2018-060422号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
本願は、2018年7月5日に、日本出願された特願2018-128580号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
本願は、2018年8月28日に、日本出願された特願2018-159482号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
本願は、2018年8月28日に、日本出願された特願2018-159083号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
・単繊維繊度が1.0~2.4dtex、単繊維の繊維軸に垂直な断面の真円度が0.70以上0.90以下である炭素繊維束とマトリックス樹脂組成物とからなるSMC(特許文献1)。
・炭素繊維からなる繊維基材と、エポキシ(メタ)アクリレート樹脂及び不飽和ポリエステル樹脂の少なくともいずれかと、特定形状の無機充填材と、ポリイソシアネート化合物とを含む成形材料からなるSMC(特許文献2)。
特許文献6には、短繊維強化熱可塑性樹脂の射出成形品におけるウェルド部の補強方法として、所定の連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料からなる強化部材をインサート成形する方法が開示されている。
特許文献7には、SMC用の成形型のキャビティに、軟化したSMCの流動方向が変化する方向と異なる方向に樹脂溜まり部を設けて、ウェルド部等の流れが変化する部分で割れにくい成形品を成形できるようにしたSMC用の成形型及びこれを用いたSMC成形品の製造方法が開示されている。
特許文献2のSMCは、材料の処方の制約が大きいデメリットがある。
したがって、SMC用途で一般的な材料を用いた場合でも、機械物性に優れた複合材料成形品が得られる技術が求められる。
なお、特許文献3では、SMCを用いた複合材料成形品の機械物性を向上させることは検討されていない。
特許文献6に記載の方法は、インサート成形を行うため、プレス成形により短時間で部材に加工可能できるというSMCの特長が活かせない問題がある。また、特許文献6に記載の方法は、連続繊維を含む複合材料を用いるため、複雑な形状には対応できない問題もある。
特許文献7に記載の方法は、特殊な成形型が必要であり、成形型に依存せずにウェルドラインを低減することはできない。また、成形後に、樹脂溜まり部に形成された樹脂部等を除去する必要があり、工程数が多くなる問題もある。
また、本発明は、特定部分における反りが抑制された複合材料成形品及びその製造方法を提供することを目的とする。
<1>樹脂と繊維とを含む成形材料の成形物を含み、
前記成形物の下記領域Aの下記繊維配向度fの平均値が0.10以上1以下である、複合材料成形品。
領域A:前記成形物の第1の端部の表面における周縁各部のそれぞれの一点から、その場所の側端面に対して垂直方向に、他方の端部の周縁に向けて成形物の表面に沿って距離を測り、前記それぞれの一点を起点とするその距離の3.0%に相当する各点を前記成形物の前記第1の端部の周縁に沿って結ぶ線と、前記成形物の周縁とで囲まれた領域。
繊維配向度f:前記垂直方向を90°方向、前記垂直方向と直交する方向を0°方向としたときに、X線回折法により回折角2θが25.4°の回折X線を検出し、下式(1)、(2)及び(3)により求められる、0°方向を基準にした繊維配向度。
<2>前記領域Aが、前記成形物の第1の端部の表面における周縁各部のそれぞれの一点から、その場所の側端面に対して垂直方向に2mmとなる各点を前記成形物の前記第1の端部の周縁に沿って結ぶ線と、前記成形物の周縁とで囲まれた領域である、前記<1>の複合材料成形品。
<3>前記成形物の前記領域Aの下記関数の傾きが負の値である、前記<1>又は<2>の複合材料成形品。
関数:前記領域A内の、前記垂直方向に沿った直線上の両端部の2点と前記2点より内側にある2点以上について、前記繊維配向度fを測定し、各点の前記第1の端部の側端面からの距離(mm)をx軸に、繊維配向度fをy軸にとってプロットし、最少二乗法で線形近似して得られる一次関数。
<4>樹脂と繊維とを含む成形材料の成形体である複合材料成形品であって、
前記複合材料成形品は、樹脂会合部を含む第1領域を有し、
前記第1領域は、前記樹脂会合部に沿って延在し、前記樹脂会合部と交差する方向において前記繊維の平均繊維長の2倍の長さとなる領域であり、
かつ、前記第1領域における繊維配向度の平均値が0.19以上である複合材料成形品。
<5>前記第1領域の、前記樹脂会合部と交差する第1方向の引張弾性率に対する、前記第1方向と交差する第2方向の引張弾性率の比は、1.5以上6.0以下である、<4>の複合材料成形品。
<6>前記複合材料成形品は、前記第1領域を挟んで、前記樹脂会合部と交差する方向に配置された2つの第2領域を有し、
前記第1領域での繊維配向度の平均値は、前記第2領域での繊維配向度の平均値よりも大きい、<4>又は<5>の複合材料成形品。
<7>樹脂と繊維とを含む成形材料を用いた複合材料成形品であって、
前記複合材料成形品の表面の面内の第2方向を0°方向、前記第2方向と直交する第1方向を90°方向とし、前記第1方向に沿った複数箇所について、X線回折法により0°方向を基準にした繊維配向度を測定して前記第1方向における前記繊維配向度の分布を取得し、前記繊維配向度の分布を正規分布で近似したときの半値全幅が、5mm以上である、複合材料成形品。
<8>前記表面にウェルドラインが存在し、
前記第2方向が、前記ウェルドラインに沿った方向である、<7>の複合材料成形品。
<9>シートモールディングコンパウンドの硬化物である、<1>~<8>のいずれかの複合材料成形品。
<10>前記繊維は、炭素繊維である、<1>~<9>のいずれかの複合材料成形品。
<11>前記繊維は、前記複合材料成形品の総量に対し、20質量%以上65質量%以下である、<1>~<10>のいずれかの複合材料成形品。
<12>樹脂と繊維とを含む成形材料の平均繊維長に対する下記繊維流動長の比Rが0.2~15.0の範囲となるように、成形材料を成形金型にチャージし、加熱加圧成形する、複合材料成形品の製造方法。
繊維流動長:成形金型にチャージされた成形材料の繊維が、加熱加圧成形により、成形品の周縁部又は樹脂会合部における所定の部位まで移動する距離。
<13>樹脂と繊維とを含む成形材料の平均繊維長に対する、成形時における前記繊維の成形金型の周縁部又は樹脂会合部に沿った移動距離の比rが0.2~12.0の範囲となるように、成形材料を成形金型にチャージし、加熱加圧成形する、複合材料成形品の製造方法。
<14>樹脂と繊維とを含む成形材料を成形金型に、下記チャージ率が10~80%となるようにチャージし、加熱加圧成形する、複合材料成形品の製造方法。
チャージ率:前記成形金型の面積に対する前記成形材料の面積の割合。
<15>樹脂と繊維とを含む成形材料の成形体である複合材料成形品の製造方法であって、
前記成形材料を含む複数の基材を成形金型内に配置し、複数の前記基材を圧縮成形することで、流動する複数の前記基材の流体の融合により樹脂会合部が形成されるとともに、前記基材は、前記樹脂会合部に沿った方向に流動し、
前記成形体の前記樹脂会合部を含む第1領域は、前記樹脂会合部に沿って延在し、前記樹脂会合部と交差する方向において前記繊維の平均繊維長の2倍の長さとなる領域であり、
かつ、前記第1領域における繊維配向度の平均値が0.19以上である、複合材料成形品の製造方法。
<16>前記成形材料がシートモールディングコンパウンドである、<12>~<15>のいずれかに記載の複合材料成形品の製造方法。
<1> 樹脂と繊維とを含む成形材料の成形物を含み、
前記成形物の下記領域Aの下記繊維配向度fの平均値が0.10以上1以下であり、0.10以上0.80以下が好ましく、0.12以上0.70以下がより好ましく、0.15以上0.60以下がさらに好ましく、0.20以上0.50以下が特に好ましい、複合材料成形品。
領域A:前記成形物の上面と、前記成形物の一方の側面とが形成する角Aから、前記成形物の幅方向の全長D1に対して3.0%までの長さD2において、前記成形物を垂直方向に切断した場合に得られる領域。
繊維配向度f:X線回折法により測定される、前記領域Aを切り出して試験片Aとし、前記奥行方向を0°方向としたときに、前記試験片Aの重心を通る厚み方向に沿った軸を基準にして前記試験片Aを回転させた際の回折角2θが25.4°の回折X線を検出し、下式(1)、(2)、(3)及び(4)により求められる、0°方向を基準にした繊維配向度f。
<2> 前記長さD2が2~10mmである、<1>に記載の複合材料成形品。
<3> 式(AB)で表される一次関数の傾きaが負である、<1>又は<2>に記載の複合材料成形品。
y=ax+b ・・・(AB)
式(AB)は、前記領域A内の、前記角A上の一点から幅方向に沿った2点以上の位置における繊維配向度fを測定し、前記角A上の一点から前記位置までの距離をx軸に、前記繊維配向度fをy軸としてグラフを作成し、最少二乗法で線形近似して得られる一次関数である。
<4> 前記複合材料成形品が直方体である、<1>~<3>のいずれかに記載の複合材料成形品。
<5> 前記複合材料成形品は、樹脂会合部を含む第1領域を有し、
前記第1領域の奥行方向は、前記樹脂会合部に沿って延在する方向であり、前記第1領域の幅方向は、前記奥行方向に直交する方向であり、前記第1領域の幅は、前記繊維の平均繊維長の2倍の長さであり、
前記第1領域における下記繊維配向度f1の平均値が0.19以上であり、好ましくは0.19以上0.50以下であり、より好ましくは0.20以上0.30以下である、<1>~<4>のいずれか一項に記載の複合材料成形品。
繊維配向度f1:X線回折法により測定される、前記第1領域を切り出して試験片1とし、幅方向を0°方向としたときに、前記試験片1の重心を通る厚み方向に沿った軸を基準にして前記試験片1を回転させた際の、回折角2θが25.4°の回折X線を検出し、下式(5)、(6)、(7)及び(8)により求められる、0°方向を基準にした繊維配向度f1。
<6> Ey/Exで表される、前記第1領域の、前記幅方向の引張弾性率Exに対する、前記奥行方向の引張弾性率Eyの比は、1.5以上6.0以下であり、好ましくは1.6以上5.0以下である、<1>~<5>のいずれかに記載の複合材料成形品。
<7> 前記複合材料成形品は、前記第1領域を幅方向から挟む第2領域2a及び第2領域2bを有し、
前記第1領域での繊維配向度f1の平均値は、前記第2領域での下記繊維配向度f2aの平均値よりも大きく、かつ、
前記第1領域での繊維配向度f1の平均値は、前記第2領域2bでの下記繊維配向度f2bの平均値よりも大きい、<1>~<6>のいずれかに記載の複合材料成形品。
繊維配向度f2a:X線回折法により測定される、前記第2領域2aを切り出して試験片2aとし、奥行方向を0°方向としたときに、前記試験片2aの重心を通る厚み方向に沿った軸を基準にして前記試験片2aを回転させた際の、回折角2θが25.4°の回折X線を検出し、下式(9)、(10)、(11)及び(12)により求められる、0°方向を基準にした繊維配向度f2a。
繊維配向度f2b:X線回折法により測定される、前記第2領域2bを切り出して試験片2bとし、幅方向を90°方向としたときに、前記試験片2bの重心を通る厚み方向に沿った軸を基準にして前記試験片2bを回転させた際の、回折角2θが25.4°の回折X線を検出し、下式(13)、(14)、(15)及び(16)により求められる、0°方向を基準にした繊維配向度f2b。
<8> 樹脂と繊維とを含む成形材料を成形して得られる複合材料成形品であって、
前記複合材料成形品の奥行方向を0°方向、前記複合体材料成形品の幅方向を90°方向とした場合において、前記90°方向に沿った複数箇所の各点における、前記0°方向を基準とした繊維配向度fwをそれぞれ測定し、前記90°方向における繊維配向度の分布を取得した場合において、前記繊維配向度の分布を正規分布で近似したときの半値全幅が5mm以上であり、5mm以上10000mm未満が好ましく、20mm以上8000mm未満がより好ましく、40mm以上6000mm以下がさらに好ましく、100mm以上4000mm以下がさらに好ましく、200mm以上3000mm以下が特に好ましく、1000mm以上2000mm未満が最も好ましい、<1>~<7>のいずれかに記載の複合材料成形品。
繊維配向度fw:X線回折法により測定される、前記各点を含む試験片を前記複合体材料成形品から切り出し、前記奥行方向を0°方向としたときに、前記試験片の重心を通る厚み方向に沿った軸を基準にして前記試験片を回転させた際の回折角2θが25.4°の回折X線を検出し、下式(17)、(18)、(19)及び(20)により求められる、0°方向を基準にした繊維配向度fw。
<9> 樹脂と繊維とを含む成形材料の成形体である複合材料成形品であって、
前記複合材料成形品は、樹脂会合部を含む第1領域を有し、
前記第1領域の奥行方向は、前記樹脂会合部に沿って延在する方向であり、前記第1領域の幅方向は、前記奥行方向に直交する方向であり、前記第1領域の幅は、前記繊維の平均繊維長の2倍の長さであり、
かつ、前記第1領域における下記繊維配向度f1の平均値が0.19以上であり、好ましくは0.19以上0.50以下であり、より好ましくは0.20以上0.30以下である複合材料成形品。
繊維配向度f1:X線回折法により測定される、前記第1領域を切り出して試験片1とし、奥行方向を0°方向としたときに、前記試験片1の重心を通る厚み方向に沿った軸を基準にして前記試験片1を回転させた際の、回折角2θが25.4°の回折X線を検出し、下式(5)、(6)、(7)及び(8)により求められる、0°方向を基準にした繊維配向度f1。
<10> Ey/Exで表される、前記第1領域の、前記幅方向の引張弾性率Exに対する、前記奥行方向の引張弾性率Eyの比は、1.5以上6.0以下であり、好ましくは1.6以上5.0以下である、<9>に記載の複合材料成形品。
<11> 前記複合材料成形品は、前記第1領域を幅方向に挟む第2領域2a及び第2領域2bを有し、
前記第1領域での繊維配向度f1の平均値は、前記第2領域での下記繊維配向度f2aの平均値よりも大きく、かつ、
前記第1領域での繊維配向度f1の平均値は、前記第2領域2bでの下記繊維配向度f2bの平均値よりも大きい、<9>又は<10>に記載の複合材料成形品。
繊維配向度f2a:X線回折法により測定される、前記第2領域2aを切り出して試験片2aとし、奥行方向を0°方向としたときに、前記試験片2aの重心を通る厚み方向に沿った軸を基準にして前記試験片2aの厚み方向に前記試験片2を回転させた際の、回折角2θが25.4°の回折X線を検出し、下式(9)、(10)、(11)及び(12)により求められる、0°方向を基準にした繊維配向度f2a。
繊維配向度f2b:X線回折法により測定される、前記第2領域2bを切り出して試験片2bとし、奥行方向を0°方向としたときに、前記試験片2bの重心を通る厚み方向に沿った軸を基準にして前記試験片2bの厚み方向に前記試験片2を回転させた際の、回折角2θが25.4°の回折X線を検出し、下式(13)、(14)、(15)及び(16)により求められる、0°方向を基準にした繊維配向度f2b。
<12> 樹脂と繊維とを含む成形材料を成形して得られる複合材料成形品であって、
前記複合材料成形品の奥行方向を0°方向、前記複合体材料成形品の幅方向を90°方向とした場合において、前記90°方向に沿った複数箇所の各点における、前記0°方向を基準とした繊維配向度fwをそれぞれ測定し、前記90°方向における繊維配向度の分布を取得した場合において、前記繊維配向度の分布を正規分布で近似したときの半値全幅が5mm以上であり、5mm以上10000mm未満が好ましく、20mm以上8000mm未満がより好ましく、40mm以上6000mm以下がさらに好ましく、100mm以上4000mm以下がさらに好ましく、200mm以上3000mm以下が特に好ましく、1000mm以上2000mm未満が最も好ましい、複合材料成形品。
繊維配向度fw:X線回折法により測定される、前記各点を含む試験片を前記複合体材料成形品から切り出し、前記奥行方向を0°方向としたときに、前記試験片の重心を通る厚み方向に沿った軸を基準にして前記試験片を回転させた際の回折角2θが25.4°の回折X線を検出し、下式(17)、(18)、(19)及び(20)により求められる、0°方向を基準にした繊維配向度fw。
<13> 表面にウェルドラインが存在し、前記0°方向が前記ウェルドラインに沿った方向である、<12>に記載の複合材料成形品。
<14> シートモールディングコンパウンドの硬化物である、<1>~<13>のいずれかに記載の複合材料成形品。
<15> 前記繊維が、炭素繊維である、<1>~<14>のいずれかに記載の複合材料成形品。
<17> 樹脂と繊維とを含む成形材料の平均繊維長に対する下記繊維流動長の比Rが0.2~15.0、好ましくは0.3~12.0、より好ましくは0.5~10.0、さらに好ましくは0.8~9.0、特に好ましくは1.0~8.0、の範囲となるように、成形材料を成形金型にチャージし、加熱加圧成形する、複合材料成形品の製造方法。
繊維流動長:成形金型にチャージされた成形材料の端部の各繊維が、前記チャージされた際の位置P0から、成形金型の周縁部又は樹脂会合部まで移動した後の位置P1までの長さL0-1と、成形終了時までに、さらに前記位置P1から成形金型の周縁部又は樹脂会合部に沿って移動した後の位置P2までの長さL1-2との合計。
<18> 樹脂と繊維とを含む成形材料の平均繊維長に対する、下記移動距離の比rが0.2~12.0、好ましくは0.4~10.0、より好ましくは0.8~8.0、さらに好ましくは1.0~6.0、特に好ましくは1.2~4.0の範囲となるように、成形材料を成形金型にチャージし、加熱加圧成形する、複合材料成形品の製造方法。
移動距離:前記位置P1から、前記位置P2までの長さL1-2。
<19> 樹脂と繊維とを含む成形材料を成形金型に、下記チャージ率が10~80面積、好ましくは10~70面積%、より好ましくは10~60面積%、さらに好ましくは10~50面積%、特に好ましくは15~40面積%、最も好ましくは20~35面積%、となるように配置し、加熱加圧成形する、複合材料成形品の製造方法。
チャージ率:前記成形金型の表面積に対する前記成形材料の表面積の割合。
<20> 前記成形金型が平面視で長方形であり、前記成形材料を、前記成形金型上の複数の位置Pmに配置する、<19>に記載の複合材料成形品の製造方法。
<21> 前記Pmのうち少なくとも1つは前記成形金型の一つの角を含む領域であり、少なくとも1つは前記成形金型の幅方向に位置する他の角を含む領域である、<19>又は<20>に記載の複合材料成形品の製造方法。
<22> 樹脂と繊維とを含む成形材料の成形体である複合材料成形品の製造方法であって、
前記成形材料を含む複数の基材を成形金型内に配置し、複数の前記基材を圧縮成形することで、流動する複数の前記基材の流体の融合により樹脂会合部が形成されるとともに、前記基材は、前記樹脂会合部に沿った方向に流動し、
前記成形体の前記樹脂会合部を含む第1領域の奥行方向は、前記樹脂会合部に沿って延在する方向であり、前記第1領域の幅方向は、前記奥行方向に直交する方向であり、前記第1領域の幅は、前記繊維の平均繊維長の2倍の長さであり、
かつ、前記第1領域における下記繊維配向度f1の平均値が0.19以上である、複合材料成形品の製造方法。
繊維配向度f1:X線回折法により測定される、前記第1領域を切り出して試験片1とし、幅方向を0°方向としたときに、前記試験片1の重心を通る厚み方向に沿った軸を基準にして前記試験片1の厚み方向に前記試験片1を回転させた際の、回折角2θが25.4°の回折X線を検出し、下式(5)、(6)、(7)及び(8)により求められる、0°方向を基準にした繊維配向度f1。
<23> 前記成形材料がシートモールディングコンパウンドである、<17>~<22>のいずれかに記載の複合材料成形品の製造方法。
複合材料成形品1は、樹脂と繊維とを含む成形材料としてSMCの成形物10を含む。SMCについては後で詳しく説明する。
図2Aにおける領域Aは、第1の端部14の表面における周縁各部(第1の端部14の側端面13である平面部13aと主面11とが交わる部分、および平面部13aと主面12とが交わる部分)のそれぞれの一点から、その場所の側端面13(平面部13a)の接線に対して垂直方向に、他方の端部の周縁(前記垂直方向において第1の端部14とは反対側の端部の側端面13である平面部13bと主面11とが交わる部分、および平面部13bと主面12とが交わる部分)に向けて成形物10の表面に沿って距離D1を測り、前記それぞれの一点を起点とするその距離D1の3.0%に相当する各点を成形物10の第1の端部14の周縁(平面部13aの周縁)に沿って結ぶ線と、成形物10の周縁とで囲まれた領域である。つまり、平面部13aに対して垂直方向において、平面部13aからの距離D2が、距離D1に対して3.0%である位置(図2A、2B中の一点鎖線の位置)から、平面部13aまでの領域である。例えば、距離D1が60~400mmである場合、距離D2は1.8~12.0mmである。距離D1が67~333mmである場合には、距離D2が2~10mmが好ましい。
以下、平面部13aに対して垂直方向(平面部13aから平面部13bへの方向、図2A、2B中の左右方向)を第1方向、第1方向と直交する方向(平面部13cから平面1部13dへの方向、図2A、2B中の上下方向)を第2方向ともいう。第1方向及び第2方向はそれぞれ、成形物10の厚さ方向と直交する。
繊維配向度f:第1方向を90°方向、第2方向を0°方向としたときに、X線回折法により回折角2θが25.4°の回折X線を検出し、下式(1)、(2)及び(3)により求められる、0°方向を基準にした繊維配向度。
N=360/dφ ・・・(4)
成形物10の第1の端部14から、平面部13aを含む縦1cm×横1cm程度の大きさの試験片を切り出す。次いで、X線装置を用い、前記試験片の領域Aに透過法でX線を照射しながら、前記試験片を、その厚さ方向を軸に回転させ、回折角2θ=25.4°に配置した検出器で回折X線を取り込み、i番目の回転角度(φi)における輝度(I(φi))を測定する。ただし、I(φi)は、式(3)で表される、積分強度が10000になるように規格化されたものとする。回折X線の取り込み条件は、後述する実施例に記載の条件とする。次いで、測定したI(φi)を用いて、式(2)により配向係数aを求める。さらに、得られた配向係数aを用いて、式(1)により繊維配向度fを算出する。
試験片を切り出す位置は、第1の端部14の第2方向における中心付近(例えば、平面部13c、13dそれぞれから、第2方向における成形物10の長さに対して10%以上離れた位置)とする。
領域Aの繊維配向度fの平均値が0.10以上であれば、強化繊維の配向に異方性があるため、従来のSMCの硬化物に比べ、機械物性に優れる。
領域Aの各部分の繊維配向度fの平均値は0.10以上であるのが好ましく、0.12以上であるのがより好ましく、0.15以上であるのがさらに好ましく、0.20以上であるのが特に好ましい。繊維配向度fは、すべての繊維が0°方向を向いているときの値1が上限である。
繊維配向度fが大きいほど複合材料成形品の機械特性に優れる。しかし、繊維配向度fが大きい複合材料成形品は製造が難しく生産性が悪い。
領域Aの各部分の繊維配向度fの平均値は0.80以下であるのが好ましく、0.70以下であるのがより好ましく、0.60以下であるのがさらに好ましく、0.50以下であるのが特に好ましい。
したがって、領域Aの繊維配向度fの平均値は、0.10以上0.80以下が好ましく、0.12以上0.70以下がより好ましく、0.15以上0.60以下がさらに好ましく、0.20以上0.50以下が特に好ましい。繊維配向度fが前記範囲内であれば、複合材料成形品の機械特性及び生産性に優れる。
この繊維配向度fは、領域Aにおける平均値であるが、領域Aの各部分の値が上記範囲内であるのが好ましい。
領域Aの繊維配向度fは、後述する製造方法におけるチャージ率、圧力等によって調整できる。チャージ率が低いほど、成形時の金型内での強化繊維の流動距離が長くなり、領域Aの繊維配向度fが大きくなる傾向がある。
なお、成形物10の第1の端部14以外の端部において、領域Aに対応する領域は、繊維配向度fが0.10以上1.0以下であってもよく、0.10未満であってもよい。
関数:前記領域A内の、前記垂直方向(第1方向)に沿った直線上の両端部の2点と前記2点より内側にある2点以上について、前記繊維配向度fを測定し、各点の前記第1の端部の側端面からの距離(mm)をx軸に、繊維配向度fをy軸にとってプロットし、最少二乗法で線形近似して得られる一次関数。
両端部は、領域Aの両端(平面部13aの位置、及び平面部13aからの距離がD2である位置)それぞれから1.0mm以内の領域である。
前記関数は、y=ax+bで表される。aは一次関数の傾きを示し、bは一次関数の切片(x=0のときのyの値)を示す。
前記関数の傾きaは、具体的には、以下の手順で求められる。
得られた測定点に対して前記の一次関数y=ax+bで近似する際に、各測定点における繊維配向度の実測値yと近似関数から得られる値y(x)の差の平方の和Σ(y-y(x))2が最少となるような係数a,bを求め、傾きaを算出する。
前記関数の傾きaは、-0.040以上0未満が好ましく、-0.020以上-0.010未満がより好ましい。前記関数の傾きaが前記範囲内であれば、機械強度がより優れる。
領域Aの繊維配向度fは、後述する製造方法におけるチャージ率、繊維流動長、圧力等の条件によって調整できる。チャージ率が低いほど、成形時の金型内での強化繊維の流動距離が長くなり、領域Aの繊維配向度fが大きくなる傾向がある。
なお、成形物10の第1の端部14以外の端部において、領域Aに対応する領域は、前記関数の傾きが負の値でもよく正の値でもよい。
成形材料は、樹脂と繊維とを含むものであり、詳しくは、樹脂としてのマトリックス樹脂を含み、繊維として短繊維の強化繊維とを含むものである。
このマトリックス樹脂としては、熱可塑性樹脂もしくは熱硬化型樹脂を用いることができる。
熱可塑性樹脂の場合、化学反応を伴うことなく冷却固化して形状を決定するので、短時間成形が可能であり、生産性に優れる。このような熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリアミド(ナイロン6、ナイロン66等)、ポリオレフィン(ポリエチレン、ポリプロピレン等)、変性ポリオレフィン、ポリエステル(ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート等)、ポリカーボネート、ポリアミドイミド、ポリフェニレンオキシド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリスチレン、ABS、ポリフェニレンサルファイド、液晶ポリエステルや、アクリロニトリルとスチレンの共重合体を用いることができる。また、これらの混合物を用いてもよい。さらに、ナイロン6とナイロン66との共重合ナイロンのように共重合した物であってもよい。なかでもポリプロピレン樹脂を好ましく使用することができる。
熱硬化型樹脂の場合、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノキシ樹脂、アルキド樹脂、ウレタン樹脂、尿素性樹脂、メラミン樹脂、マレイミド樹脂、シアネート樹脂等が挙げられ、なかでも、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂を好ましく使用することができる。これらの樹脂を用いることにより、成形の際に樹脂が良好に流動する。このため、成形物は、繊維配向度や引張弾性率を制御することができる。
また、成形物の要求特性に応じて、難燃剤、耐候性改良剤、その他酸化防止剤、熱安定剤、紫外線吸収剤、可塑剤、滑剤、着色剤、相溶化剤、導電性フィラーなどを添加しておくこともできる。
SMCは、シート状の未硬化の複合材料であり、典型的には、複数の繊維束で形成されたシート状繊維束群に、熱硬化性樹脂を含むマトリックス樹脂組成物が含浸されたものである。
繊維束は、複数の短繊維の強化繊維を束ねたものである。
無機繊維としては、炭素繊維、黒鉛繊維、炭化珪素繊維、アルミナ繊維、タングステンカーバイド繊維、ボロン繊維、ガラス繊維等が挙げられる。有機繊維としては、アラミド繊維、高密度ポリエチレン繊維、その他一般のナイロン繊維、ポリエステル繊維等が挙げられる。金属繊維としては、ステンレス、鉄等の繊維が挙げられ、また金属を被覆した炭素繊維でもよい。これらの中では、複合材料成形品の強度等の機械物性を考慮すると、炭素繊維が好ましい。
これら繊維は、1種を単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
即ち、無作為に抽出した100本の繊維の繊維長を、ノギス等を用いて1mm単位まで測定し、その平均値を求める。
電気炉等で複合材料成形品を加熱してマトリックス樹脂(マトリックス樹脂組成物の成形物)を分解させ、残存した繊維束から無作為に10本の繊維束を選択する。10本の繊維束のそれぞれについて、繊維軸方向の両端部と中央部の3箇所で厚みをノギスにて測定し、それら測定値の全てを平均して平均厚みとする。
平均厚みの測定と同様にして得た10本の繊維束のそれぞれについて、繊維軸方向の両端部と中央部の3箇所で幅をノギスにて測定し、それら測定値の全てを平均して平均幅とする。
熱硬化性樹脂としては、特に限定されず、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノキシ樹脂、アルキド樹脂、ウレタン樹脂、尿素性樹脂、メラミン樹脂、マレイミド樹脂、シアネート樹脂等が挙げられる。熱硬化性樹脂は、1種を単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
熱硬化性樹脂以外の成分としては、炭酸カルシウム等の充填剤、低収縮化剤、離型剤、硬化開始剤、増粘剤等が挙げられる。
マトリックス樹脂組成物中、熱硬化性樹脂以外の成分の含有量は、例えば、熱硬化性樹脂100質量部に対し、0~150質量部であってよい。
SMCにおける縦300mm×横300mmの範囲内から、縦15mm×横15mmの試験片を等間隔で25個切り出す(N=25)。X線装置を用い、前記試験片に透過法でX線を照射しながら、前記試験片をその厚さ方向を軸に回転させ、回折角2θ=25.4°に配置した検出器で回折X線を取り込み、i番目の回転角度(φi)における輝度(I(φi))を測定する。ただし、I(φi)は、式(3)で表される、積分強度が10000になるように規格化されたものとする。次いで、測定したI(φi)を用いて、25個の試験片それぞれについて式(2)により配向係数aを求める。さらに、得られた配向係数aを用いて、25個の試験片それぞれについて式(1)により繊維配向度faを求め、それらの平均値と標準偏差を算出する。
繊維配向度faの平均値と標準偏差の合計値は、0.06以上が好ましく、0.08以上がより好ましい。
繊維束の結晶配向度faの平均値と標準偏差の合計値は、0.12以下が好ましく、0.11以下がより好ましい。
本発明の複合材料成形品は、例えば、樹脂と繊維とを含むSMC等の成形材料を前記繊維の平均繊維長に対する下記繊維流動長の比Rが0.2~15.0の範囲となるように成形金型にチャージし、加熱加圧成形することにより製造できる。
繊維流動長は、成形金型にチャージされた成形材料の繊維が、加熱加圧成形により、成形品の周縁部又は樹脂会合部における所定の部位まで移動する距離であるが、ここでは、チャージされた成形材料の周縁部から成形金型の周縁部までの最短距離と、この繊維が成形時に成形金型の周縁部に沿ってこの所定の部位まで移動する距離との合計値である。
図33Aは繊維流動長を説明するための模式図である。図33Aにおいて、成形材料は、成形金型上の一か所に配置されている。ここで、繊維流動長とは、成形金型の一角にチャージされた成形材料の繊維が、チャージされた際の位置P0から、成形金型の周縁部まで移動した後の位置P1までの長さL0-1と、成形終了までにさらに位置P1から、成形金型の周縁部に沿って移動した後の位置P2までの長さL1-2とを合計した値である。
図33Bは繊維流動長を説明するための模式図である。図33Bにおいて、成形材料は、成形金型上の2か所に配置されている。ここで、繊維流動長とは、成形金型の一角にチャージされた成形材料の繊維が、チャージされた際の位置P0から、受理会合部まで移動した後の位置P1までの長さL0-1と、成形終了までにさらに位置P1から、樹脂会合部に沿って移動した後の位置P2までの長さL1-2とを合計した値である。
なお、繊維の位置P0、P1、P2は、チャージされた成形材料に含まれる繊維を平面視で見たときに、繊維の中心となる位置を、繊維の位置P0、P1、P2とみなすこととする。
言い換えれば、繊維流動長は、成形金型にチャージされた成形材料の端部の各繊維が、前記チャージされた際の位置P0から、成形金型の周縁部又は樹脂会合部まで移動した後の位置P1までの長さL0-1と、成形終了時までに、さらに前記位置P1から成形金型の周縁部又は樹脂会合部に沿って移動した後の位置P2までの長さL1-2との合計である。
この繊維流動長は、事前の試験成形や樹脂流動シミュレーションにより求めることができる。
一方、Rが15.0以下であれば、前記領域Aにおける複合材料成形品の中の繊維の分布ムラを低減させることができ、欠陥部分の発生を抑えることができる傾向にある。好ましくは12.0以下であり、より好ましくは10.0以下であり、さらに好ましくは9.0以下であり、特に好ましくは8.0以下である。
Rは、0.3~12.0が好ましく、0.5~10.0がより好ましく、0.8~9.0がさらに好ましく、1.0~8.0が特に好ましい。
別の態様では、比Rは、0.2~15.0が好ましく、0.3~12.0がより好ましく、0.5~10.0がさらに好ましく、0.8~9.0が特に好ましく、1.0~8.0が最も好ましい。
この移動距離は、成形金型にチャージされた成形材料の端部の各繊維が、前記位置P1から、前記位置P2までの長さL1-2である。
この移動距離L1-2は、事前の試験成形や樹脂流動シミュレーションにより求めることができる。
比rは、0.2~12.0が好ましく、0.4~10.0がより好ましく、0.8~8.0がさらに好ましく、1.0~6.0が特に好ましく、1.2~4.0が最も好ましい。
従って、上記の繊維流動長には、成形金型の周縁部に沿った移動距離を含むのが好ましい。
前記繊維の平均繊維長に対する、この移動距離の比をrとした場合、このrの値は0.2~12.0の範囲とするのが好ましい。より好ましくは、0.4~10.0であり、さらに好ましくは0.8~8.0であり、特に好ましくは1.0~6.0であり、最も好ましくは1.2~4.0である。
rが0.2以上であれば、前記領域Aにおける繊維配向度fを充分に高めることができ、複合材料成形品の機械特性が向上する傾向にある。より好ましくは0.4以上であり、さらに好ましくは0.8以上であり、特に好ましくは1.0以上であり、最も好ましくは1.2以上である。
一方、rが12.0以下であれば、前記領域Aにおける複合材料成形品の中の繊維の分布ムラを低減させることができ、欠陥部分の発生を抑えることができる傾向にある。より好ましくは10.0以下であり、さらに好ましくは8.0以下であり、特に好ましくは6.0以下であり、最も好ましくは4.0以下である。
チャージ率が80%以下であれば、成形時に成形材料が大きく流動し、成形金型の端部に向かうにつれて強化繊維の配向方向が揃い、成形物10の第1の端部14における繊維配向度fが高くなる。好ましくは、70%以下であり、より好ましくは60%以下であり、さらに好ましくは50%以下であり、特に好ましくは40%以下であり、最も好ましくは35%以下である。
一方、チャージ率が10%以上であれば、成形時に成形材料が金型全体に行き渡りやすい。より好ましくは15%以上であり、さらに好ましくは20%以上である。
チャージ率は、10~70%が好ましく、10~60%がより好ましく、10~50%がさらに好ましく、15~40%が特に好ましく、20~35%が最も好ましい。
成形金型の形状、つまり成形物10の形状は、平面視矩形(正方形、長方形等)が好ましいが、これに限定されるものではなく、任意の形状であってよい。
SMCの面積(平面視での大きさ)は、成形時のチャージ率に応じて設定される。
SMCの形状は、典型的には、成形金型の形状と同様である。
成形金型にチャージするSMCは、1枚でもよく複数枚でもよい。
SMCは、SMCの中心と成形金型の中心とを一致させて成形金型に配置してもよく、SMCの中心と成形金型の中心とをずらして成形金型に配置してもよい。成形金型の、平面部13aに対応する面とSMCとの距離が、平面部13bに対応する面とSMCとの距離よりも長くなるようにSMCを配置することが好ましい。これにより、領域Aの繊維配向度fを大きくしやすい。
SMCの製造方法は、特に限定されるものではないが、例えば、国際公開第2016/208731号に記載されている方法を採用することができる。
図3は、SMCの製造方法に用いるSMCの製造装置101の構成を示す側面図である。以下の説明においては、XYZ直交座標系を設定し、このXYZ直交座標系を参照しつつ各部材の位置関係について説明する。
複数の貼合ローラ133は、ペーストM1が塗工された第2のシートS12の背面に接触した状態で搬送方向に並んで配置されている。また、複数の貼合ローラ133は、第1のシートS11に対して第2のシートS12が徐々に接近するように配置されている。
なお、含浸部は、繊維束が散布された第1のシートS11の上に、ペーストM1が塗工された第2のシートS12をさらに重ね合わせることなくペーストM1及び繊維束群を加圧して、繊維束の間にペーストM1を含浸させる含浸部であってもよい。
塗工ステップ:第1の搬送部119によって搬送される第1のシートS11の上にペーストM1を塗工する。
裁断ステップ:長尺の繊維束CFを裁断機113Aで裁断する。
含浸ステップ:第1のシートS11上のペーストM1と散布された繊維束群F1を加圧して、繊維束CFの間にペーストM1を含浸させる。
第1のシート供給部111により、第1の原反ロールR11から長尺の第1のS11を巻き出して第1の搬送部119へと供給し、第1の塗工部112によりペーストM1を所定の厚みで塗工する。第1の搬送部119により第1のシートS11を搬送することにより、第1のシートS11上に塗工されたペーストM1を走行させる。第1のシートS11の面上に塗工したペーストM1の厚みは、特に限定されない。
繊維束供給部110により、長尺の繊維束CFを複数のボビン117から引き出して裁断部113へと供給し、裁断機113Aにおいて所定の長さとなるように繊維束CFを連続的に裁断する。
第2のシート供給部114により、第2の原反ロールR12から長尺の第2のシートS12を巻き出して第2の搬送部128へと供給する。第2の塗工部115により、第2のシートS12の上にペーストM1を所定の厚みで塗工する。第2のシートS12の面上に塗工したペーストM1の厚みは、特に限定されない。
なお、含浸ステップは、繊維束が散布された第1のシートS11の上に、ペーストM1が塗工された第2のシートS12をさらに重ね合わせることなくペーストM1及び繊維束群を加圧して、繊維束の間にペーストM1を含浸させる含浸ステップであってもよい。
また、SMCの製造方法は、前記したような長尺のSMCを連続的に製造する方法には限定されず、枚葉のSMCを製造する方法であってもよい。
図13は、複合材料成形品の実施形態に係る成形体を模式的に示す平面図である。図14は、成形体に含まれる繊維束を模式的に示す平面図である。図15は、成形体に含まれる繊維束の他の例を模式的に示す平面図である。図16は、成形体の第1方向の位置と、繊維配向度との関係を示すグラフである。図17は、成形体の樹脂会合部の断面写真である。図18は、成形体の樹脂会合部を有さない部分の断面写真である。
なお、この繊維配向度f1は、第1領域RS1における平均値であるが、第1領域RS1の各部分の値が上記範囲内であるのが好ましい。
また、本実施形態の成形体201は、繊維配向度が大きい第1領域RS1において、樹脂会合部204に沿った方向の引張弾性率Eyが、樹脂会合部204と交差する方向の引張弾性率Exよりも大きくなる。引張弾性率の比Ey/Exは、1.5以上6.0以下である。より好ましくは、引張弾性率の比Ey/Exは、1.6以上5.0以下である。
図19は、実施形態に係る成形体の製造方法を示す、金型内での基材の配置例を示す説明図である。図20は、実施形態に係る成形体の製造方法を説明するための説明図である。図21は、樹脂の流動と、繊維の向きの関係を説明するための説明図である。
繊維流動長は、成形金型にチャージされた成形材料の繊維が、加熱加圧成形により、成形品の周縁部又は樹脂会合部における所定の部位まで移動する距離であるが、ここでは、チャージされた成形材料の周縁部から樹脂会合相当部までの最短距離と、この繊維が成形時に樹脂会合相当部に沿ってこの所定の部位まで移動する距離との合計値である。
言い換えれば、繊維流動長は、成形金型にチャージされた成形材料の端部の各繊維が、前記チャージされた際の位置P0から、成形金型の周縁部又は樹脂会合部まで移動した後の位置P1までの長さL0-1と、成形終了時までに、さらに前記位置P1から成形金型の周縁部又は樹脂会合部に沿って移動した後の位置P2までの長さL1-2との合計である。
この繊維流動長は、事前の試験成形や樹脂流動シミュレーションにより求めることができる。
一方、Rが15.0以下であれば、前記第1領域における複合材料成形品の中の繊維の分布ムラを低減させることができ、欠陥部分の発生を抑えることができる傾向にある。好ましくは12.0以下であり、より好ましくは10.0以下であり、さらに好ましくは9.0以下であり、特に好ましくは8.0以下である。
Rは、0.3~12.0が好ましく、0.5~10.0がより好ましく、0.8~9.0がさらに好ましく、1.0~8.0が特に好ましい。
別の態様では、比Rは、0.2~15.0が好ましく、0.3~12.0がより好ましく、0.5~10.0がさらに好ましく、0.8~9.0が特に好ましく、1.0~8.0が最も好ましい。
移動距離は、成形金型にチャージされた成形材料の端部の各繊維が、前記位置P1から、前記位置P2までの長さL1-2である。
この移動距離L1-2は、事前の試験成形や樹脂流動シミュレーションにより求めることができる。
比rは、0.2~12.0が好ましく、0.4~10.0がより好ましく、0.8~8.0がさらに好ましく、1.0~6.0が特に好ましく、1.2~4.0が最も好ましい。
従って、上記の繊維流動長には、樹脂会合部に沿った移動距離を含むのが好ましい。
前記繊維の平均繊維長に対する、この移動距離の比をrとした場合、このrの値は0.2~12.0の範囲とするのが好ましい。より好ましくは、0.4~10.0であり、さらに好ましくは0.8~8.0であり、特に好ましくは1.0~6.0であり、最も好ましくは1.2~4.0である。
rが0.2以上であれば、前記第1領域における繊維配向度fを充分に高めることができ、複合材料成形品の機械特性が向上する傾向にある。より好ましくは0.4以上であり、さらに好ましくは0.8以上であり、特に好ましくは1.0以上であり、最も好ましくは1.2以上である。
一方、rが12.0以下であれば、前記第1領域における複合材料成形品の中の繊維の分布ムラを低減させることができ、欠陥部分の発生を抑えることができる傾向にある。より好ましくは10.0以下であり、さらに好ましくは8.0以下であり、特に好ましくは6.0以下であり、最も好ましくは4.0以下である。
チャージ率は、成形金型の面積に対する成形材料の面積の割合である。
チャージ率が80%以下であれば、成形時に成形材料が大きく流動し、樹脂会合部に向かうにつれて強化繊維の配向方向が揃い、成形体201の第1領域RS1における繊維配向度fが高くなる。好ましくは、70%以下であり、より好ましくは60%以下であり、さらに好ましくは50%以下であり、特に好ましくは40%以下であり、最も好ましくは35%以下である。
一方、チャージ率が10%以上であれば、成形時に成形材料が金型全体に行き渡りやすい。より好ましくは15%以上であり、さらに好ましくは20%以上である。
チャージ率は、10~70%が好ましく、10~60%がより好ましく、10~50%がさらに好ましく、15~40%が特に好ましく、20~35%が最も好ましい。
前記複合材料成形品の表面の面内の第2方向を0°方向、前記第2方向と直交する第1方向を90°方向とし、前記第1方向に沿った複数箇所について、X線回折法により0°方向を基準にした繊維配向度を測定して前記第1方向における前記繊維配向度fwの分布を取得し、前記繊維配向度の分布を正規分布で近似したときの半値全幅が、5mm以上である、複合材料成形品である。
また、前記複合材料成形品の表面にウェルドラインが存在し、前記第2方向が、前記ウェルドラインに沿った方向である、複合材料成形品である。なお、本明細書において、ウェルドラインに沿った方向とは、ウェルドラインが直線の場合は、これと平行な方向であり、ウェルドラインが曲線の場合は、ウェルドラインの接線方向である。
さらに、SMCのような樹脂と繊維とを含む成形材料を、下記チャージ率が10~80%となるように金型のキャビティにチャージし、加熱加圧して前記キャビティの中で少なくとも2方向から合流するように流動させ、複合材料成形品を成形する、複合材料成形品の製造方法である。
チャージ率:前記金型のキャビティの面積に対する前記成形材料の面積の割合。
成形材料は、樹脂と繊維とを含むものであり、詳しくは、樹脂としてのマトリックス樹脂を含み、繊維として短繊維の強化繊維とを含むものである。
このマトリックス樹脂としては、熱可塑性樹脂もしくは熱硬化型樹脂を用いることができる。
熱硬化型樹脂の場合、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノキシ樹脂、アルキド樹脂、ウレタン樹脂、尿素性樹脂、メラミン樹脂、マレイミド樹脂、シアネート樹脂等が挙げられ、なかでも、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂を好ましく使用することができる。これらの樹脂を用いることにより、成形の際に樹脂が良好に流動する。このため、成形物は、繊維配向度や引張弾性率を制御することができる。
また、成形物の要求特性に応じて、難燃剤、耐候性改良剤、その他酸化防止剤、熱安定剤、紫外線吸収剤、可塑剤、滑剤、着色剤、相溶化剤、導電性フィラーなどを添加しておくこともできる。
一方、予めマトリックス樹脂が含浸した強化繊維束をマトリックス樹脂シートに分散させて成形材料を製造する場合、マトリックス樹脂としては、熱可塑性樹脂が好ましい。
無機繊維としては、炭素繊維、黒鉛繊維、炭化珪素繊維、アルミナ繊維、タングステンカーバイド繊維、ボロン繊維、ガラス繊維等が挙げられる。炭素繊維としては、ポリアクリロニトリル(PAN)系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維等が挙げられる。有機繊維としては、アラミド繊維、高密度ポリエチレン繊維、その他一般のナイロン繊維、ポリエステル繊維等が挙げられる。金属繊維としては、ステンレス、鉄等の繊維が挙げられる。ハイブリッド構成の強化繊維としては、金属を被覆した炭素繊維が挙げられる。強化繊維は、1種を単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
これらの中では、複合材料成形品の強度等の機械物性を考慮すると、炭素繊維が好ましい。
また、成形材料に用いる繊維の平均繊維長は、5~100mmが好ましく、10~75mmがより好ましく、20~60mmがさらに好ましい。この平均繊維長が前記下限値以上であれば、引張強度、弾性率等の機械物性に優れた複合材料成形品が得られ、前記上限値以下であれば、成形時に成形材料がより流動しやすくなるため、成形が容易になる。
強化繊維が炭素繊維である場合、炭素繊維の含有量は、成形材料の総質量に対し、例えば20~60質量%であってよい。
本発明の複合材料成形品は、SMC等の成形材料を用いた成形品である。
本発明の複合材料成形品は、典型的には、SMCのプレス成形品である。
本発明の複合材料成形品の形状は、特に限定されず、例えばシート状、部分的に肉厚の異なる形状、リブやボスを有する形状等であってよい。
ウェルドラインは、成形時に金型のキャビティの中で流動するSMC等の成形材料が2方向から合流することにより形成されたライン状に観察される合流部である。
ウェルドラインは、例えば、プレス成形において、金型のキャビティにチャージした成形材料を、加熱加圧してキャビティの中で少なくとも2方向から合流するように流動させた場合に形成される。
ウェルドラインの場所は、目視でわかる場合もあれば、キャビティに対する成形材料のチャージパターンから数学的に、又はシミュレーション等を用いて類推することができる。
半値全幅:複合材料成形品の表面内の第2方向を0°方向とし、前記第2方向と直交する第1方向を90°方向とし、この第1方向に沿った複数箇所について、X線回折法により0°方向を基準にした繊維配向度(以下、繊維配向度fwともいう。)を測定し、前記第1方向における繊維配向度fwの分布を取得し、繊維配向度fwの分布を正規分布で近似したときの半値全幅。
従来、SMC等を用いた複合材料成形品のウェルドライン付近は、強化繊維がウェルドラインに沿って配向するため、ウェルドラインに沿った方向(第2方向)に比べ、ウェルドラインと直交する方向(第1方向)の機械強度が低下する問題があった。また、ウェルドラインによる外観不良の問題もあった。
SMCを用いた複合材料成形品のウェルドラインは、実際には「線」として観測されず、ある程度の幅をもって観測される。その幅が機械特性や外観不良に大きく影響する。
前記半値全幅は、ウェルドラインと直交する方向において繊維配向度が比較的高い領域の幅の指標であり、ウェルドラインの幅の指標といえる。
本発明者らの検討によれば、前記半値全幅が広いほど、ウェルドラインと直交する方向における機械強度の低下が抑制されており、結果として、複合材料成形品の機械強度が、ウェルドラインに沿った方向及びウェルドラインと直交する方向のいずれにおいても優れる。また、前記半値全幅が大きいほど、ウェルドラインの幅が広く、ウェルドラインが目立ちにくくなり、外観が良好となる。
一方、前記半値全幅が5mm未満であると、強化繊維がウェルドラインに沿った方向に大きく配向し、かつその領域が狭いことから、ウェルドラインと直交する方向の引張強度を測定する際に、ウェルドラインが応力集中点となって破壊の起点となる。
また、前記半値全幅は10000mm未満が好ましく、8000mm未満がより好ましく、6000mm未満がさらに好ましく、4000mm未満がさらに好ましく、3000mm未満が特に好ましく、2000mm未満が最も好ましい。
具体的には、5mm以上10000mm未満であるのが良く、20mm以上8000mm未満が好ましく、40mm以上6000mm以下がより好ましく、100mm以上4000mm以下がさらに好ましく、200mm以上3000mm以下が特に好ましく、1000mm以上2000mm未満が最も好ましい。
ここで、ウェルドラインが存在しない複合材料成形品において、任意の場所を中心に直線で50mmの範囲で繊維配向度fwの分布を取得して前記半値全幅を算出すると、前記半値全幅は1000mm以上となる。つまり、前記半値全幅が1000mm以上となると、ウェルドラインの存在は無視できる程度になる。
一方、前記半値全幅が10000mm以上の複合材料成形品を得るには、SMC等の成形材料の段階で強化繊維を高度に均一分散させる技術や、流動シミュレーションにもとづいて金型を精密に設計する技術の開発が新たに必要となり、開発コストの増加につながる問題がある。開発コストを抑制できる点では、前記半値全幅は、10000mm未満であるのが良く、2000mm未満が好ましい。
前記半値全幅は、後述する製造方法におけるチャージ率、チャージパターン等によって調整できる。SMCが2方向から合流する場合、その合流部の角度である会合角が小さいほど前記半値全幅が大きくなる傾向がある。
複合材料成形品から、第1方向に沿って試験片を切り出し、得られた試験片を、第1方向にn等分にカットしてn個の評価サンプルを作製する。nは、5以上の整数である。次いで、各評価サンプルについて、以下の手順で繊維配向度fを求める。
X線装置を用い、前記評価サンプルに透過法でX線を照射しながら、前記評価サンプルを、その厚さ方向を軸に回転させ、回折角2θ=25.4°に配置した検出器で回折X線を取り込み、i番目の回転角度(φi)における輝度(I(φi))を測定する。ただし、I(φi)は、前記式(3)で表される、積分強度が10000になるように規格化されたものとする。また、φ=0°は第2方向であり、φ=90°は第1方向である。回折X線の取り込み条件は、後述する実施例に記載の条件とする。次いで、測定したI(φi)を用いて、前記式(2)により配向係数aを求める。さらに、得られた配向係数aを用いて、前記式(1)により繊維配向度fを算出する。
前記試験片の第1方向の一端の位置を0mmとしたときの各評価サンプルの第1方向中心位置(mm)を横軸に、各評価サンプルの繊維配向度fを縦軸にプロットして、第1方向における繊維配向度fの分布を得る。
得られた繊維配向度fの分布を正規分布で近似し、得られた正規分布の半値全幅、つまり最大値の1/2の繊維配向度fにおける幅(mm)を算出する。正規分布の近似と半値全幅の算出は、フィッティングソフトを用いて実施できる。
第2方向における切り出し位置を変更して切り出した4個の試験片について上記と同様に半値全幅を算出し、それらの平均値を、複合材料成形品の半値全幅とする。
試験片の長さ(第1方向における長さ)は、50mm以上が好ましい。
nの値、つまり第1方向における測定点数は、繊維配向度の分布を正規分布で近似するため、5点以上が好ましい。nの値は、第1方向における評価サンプルの長さ、つまり隣り合う測定点間の距離が、5~10mmとなるように設定されることが好ましい。
複合材料成形品の表面にウェルドラインが存在する場合、試験片は、ウェルドラインの位置が試験片の第1方向中心部になるように切り出されることが好ましい。
複合材料成形品の繊維配向度fの分布において、第2方向の機械特性を得たい場合は、第2方向における各部分の繊維配向度fが、0.1~0.6の範囲内であることが好ましく、0.2~0.4の範囲内であることがより好ましいが、第2方向における繊維配向度fの平均値が、この範囲内であれば良い。
本発明の第三の実施態様に係る複合材料成形品は、例えば、SMCを金型のキャビティに、チャージ率が10~80%となるようにチャージし、加熱加圧して前記キャビティの中で少なくとも2方向から合流するように流動させ、複合材料成形品を成形する方法により製造できる。
チャージ率が80%以下であれば、SMCの流動性を活かした部材の成形が可能である。これよりも高いチャージ率は、金型キャビティにSMCを精密に配置する作業負荷が生じる。より好ましくは、75%以下であり、さらに好ましくは70%以下である。
一方、チャージ率が10%以上であれば、成形時にSMCがキャビティ全体に行き渡りやすい。より好ましくは20%以上であり、さらに好ましくは30%以上である。特に好ましくは25%以上である。
チャージ率は、10~80%が好ましく、15~75%がより好ましく、20~75%がさらに好ましく、25~70%が特に好ましい。
繊維流動長は、成形金型にチャージされた成形材料の繊維が、加熱加圧成形により、成形品の周縁部又は樹脂会合部における所定の部位まで移動する距離であるが、ここでは、チャージされた成形材料の周縁部から樹脂合流(ウェルドライン)相当部までの最短距離と、この繊維が成形時に樹脂会合相当部に沿ってこの所定の部位まで移動する距離との合計値である。
言い換えれば、繊維流動長は、成形金型にチャージされた成形材料の端部の各繊維が、前記チャージされた際の位置P0から、成形金型の周縁部又は樹脂会合相当部まで移動した後の位置P1までの長さL0-1と、成形終了時までに、さらに前記位置P1から成形金型の周縁部又は樹脂会合相当部に沿って移動した後の位置P2までの長さL1-2との合計である。
この繊維流動長は、事前の試験成形や樹脂流動シミュレーションにより求めることができる。
一方、Rが15.0以下であれば、前記領域における複合材料成形品の中の繊維の分布ムラを低減させることができ、欠陥部分の発生を抑えることができる傾向にある。好ましくは12.0以下であり、より好ましくは10.0以下であり、さらに好ましくは9.0以下であり、特に好ましくは8.0以下である。
Rは、0.3~12.0が好ましく、0.5~10.0がより好ましく、0.8~9.0がさらに好ましく、1.0~8.0が特に好ましい。
別の態様では、比Rは、0.2~15.0が好ましく、0.3~12.0がより好ましく、0.5~10.0がさらに好ましく、0.8~9.0が特に好ましく、1.0~8.0が最も好ましい。
移動距離は、成形金型にチャージされた成形材料の端部の各繊維が、前記位置P1から、前記位置P2までの長さL1-2である。
この移動距離L1-2は、事前の試験成形や樹脂流動シミュレーションにより求めることができる。
従って、上記の繊維流動長には、樹脂合流(ウェルドライン)相当部に沿った移動距離を含むのが好ましい。
前記繊維の平均繊維長に対する、この移動距離の比をrとした場合、このrの値は0.2~12.0の範囲とするのが好ましい。より好ましくは、0.4~10.0であり、さらに好ましくは0.8~8.0であり、特に好ましくは1.0~6.0であり、最も好ましくは1.2~4.0である。
rが0.2以上であれば、前記領域における繊維配向度fを充分に高めることができ、複合材料成形品の機械特性が向上する傾向にある。より好ましくは0.4以上であり、さらに好ましくは0.8以上であり、特に好ましくは1.0以上であり、最も好ましくは1.2以上である。る。
一方、rが12.0以下であれば、前記領域における複合材料成形品の中の繊維の分布ムラを低減させることができ、欠陥部分の発生を抑えることができる傾向にある。より好ましくは10.0以下であり、さらに好ましくは8.0以下であり、特に好ましくは6.0以下であり、最も好ましくは4.0以下である。
キャビティの形状、つまり複合材料成形品の形状は、平面視矩形(正方形、長方形等)が好ましいが、これに限定されるものではなく、任意の形状であってよい。
SMCの製造方法は広く知られており、例えば国際公開第2016/208731号を参考に製造することが可能である。
SMCの面積(平面視での大きさ)は、成形時のチャージ率に応じて設定される。
キャビティにチャージするSMCは、1枚でもよく複数枚でもよい。
キャビティ内部にピンがあると、流動するSMCがピンで分岐し、ピンを通り越したところで合流する。キャビティ内部にピンがある場合、得られる複合材料成形品は、ピンに対応した形状の孔を有する。
ただし、本発明におけるチャージパターンはこれに限定されるものではない。本発明のポイントは、その会合角が0°であっても機械強度に優れた複合材料成形品が得られることにある。
ウェルドラインが機械強度に与える影響を調べるには、半値全幅を求める際に、試験片の中央部にウェルドラインが入るように切り出せばよい。さらに、試験片の機械強度を、ウェルドラインが存在しない場合の機械強度で除することで機械特性の保持率を求めることができる。ウェルドラインが存在しない場合の機械強度としては、SMCを金型のキャビティに対して隙間なくチャージする(チャージ率100%)以外は同じ成形条件で成形した複合材料成形品の機械強度を用いることができる。
ウェルドラインが外観に与える影響を調べるには目視でSMCを用いた成形品の表面を観察して判断することができる。
成形材料A:製品名「STR120N131-KA6N」(三菱ケミカル(株)製)。
縦296mm×横296mm×厚さ2mmの金型を用意した。
製造例1では、前記成形材料A(SMC)を、チャージ率が33%になる大きさ(縦171mm×横171mm)にカットし、図7に示すように、カットしたSMCの3枚(合計236g)を積層し、金型100の一隅に、金型との間に数mm程度の隙間が空くように寄せて配置し、以下の成形条件で成形し、複合材料成形品を得た。
製造例2では、前記成形材料A(SMC)を、チャージ率が96%になる大きさにカットし、図8に示すように、カットしたSMCの1枚(236g)を、金型100の中央に配置し、以下の成形条件で成形し、複合材料成形品を得た。
製造例3では、前記成形材料A(SMC)を、チャージ率が49%になる大きさにカットし、図9に示すように、カットしたSMCの2枚(合計236g)を積層した以外は製造例1と同様にして、複合材料成形品を得た。
金型温度:140℃
圧力:8MPa
加圧時間:3分間
得られた複合材料成形品の端部のうち、図7~9中に符号4a~4cで示した位置に対応する部分を、金属カッターで縦1cm×横1cm程度に切り出し、繊維配向度fの測定のための試験片とした。得られた試験片の、側端面からの距離が異なる4箇所について、以下の測定装置を用い、以下の手順で繊維配向度fを測定した。前記4箇所は、前記側端面に対して垂直な垂線に沿った直線上にある。
試験片の所定の測定範囲に透過法でX線を照射しながら、試験片を、その厚さ方向を軸に回転させ、以下の測定条件で回折X線を取り込み、i番目の回転角度(φi)における輝度(I(φi))を測定した。ただし、I(φi)は、前記式(3)で表される、積分強度が10000になるように規格化されたものとする。次いで、測定したI(φi)を用いて、前記式(2)により配向係数aを求めた。さらに、得られた配向係数aを用いて、前記式(1)により繊維配向度fを算出した。
X線回折装置:Empyrean(PANalytical社製)
スキャンレンジ(°):0.00-359.60
ステップサイズ(°):0.40
積算時間/1ステップ(s):4.00
2θ(°):25.4
電圧(kV):45
電流(mA):40
(フィルター)
Beta-filter Nickel
材質:Ni
厚さ(mm):0.02
マイクロゲージ絞り(mm):0.5
また、図10に、実施例1~2及び比較例1における測定位置(mm)を横軸(x軸)に、繊維配向度fを縦軸(y軸)にとってプロットしたグラフを示す。このグラフから線形近似により得た一次関数を図10中に併記した。R2は決定係数を示す。
Rの算出に用いる繊維流動長は、金型にチャージした成形材料(SMC)の繊維が、加熱加圧成形により、成形品の周縁部又は樹脂会合部における所定の部位まで移動する距離であるが、ここでは、チャージされた成形材料の周縁部から成形金型の周縁部までの最短距離と、この繊維が成形時に成形金型の周縁部に沿ってこの所定の部位まで移動する距離との合計値とした。
rの算出にも必要となる、繊維が成形時に成形金型の周縁部に沿って所定の部位まで移動する距離は、樹脂流動シミュレーションソフトである3DTIMON(東レエンジニアリング製)を用いて、実際の成形材料の成形時のような金型の下型と上型の間に存在する空間をオイラーメッシュと呼ばれる要素で表現し、その中に成形材料が配置され、上下型が閉じた時の形状まで圧縮成形された時の流動挙動を予測することで算出した。
複合材料成形品の機械物性として耐衝撃性を以下の手順で評価した。結果を表2に示す。
耐衝撃性試験:表2に示す各場所から縦1.5cm×横1.5cm×厚さ2mmの複合材料成形品のサンプルを切り出した。各サンプルを、図12に示すように、複合材料成形品の側端面の面Eが上になるように床に固定し、各サンプルの面Eの真上69.5cmの位置から508gの鉄球を自由落下させて面Eに当てた。
評価方法:図12に示すように、各サンプルの面E(衝撃を受けた面)の長手方向両側それぞれにおいて面Eと隣り合う側面F,Gそれぞれに亀裂が発生しているかどうかを目視で観察した。また、側面F,Gそれぞれにおける、面Eに対して垂直方向の亀裂の長さの値L1,L2(mm)を読み取り、それらの和(L1+L2)を求め、耐衝撃性の指標とした。L1+L2が0(mm)であることは、亀裂が発生しなかったことを示す。
各サンプルそれぞれの(L1+L2)の値を表2に示す。また、これらの結果から、以下の基準で耐衝撃性を評価した。
A:L1+L2が20以下。
B:L1+L2が20より大きい。
図22は、実施例21に係る成形体の製造方法を示す、金型内での基材の配置例を示す説明図である。図23は、実施例22に係る成形体の製造方法を示す、金型内での基材の配置例を示す説明図である。図24は、比較例21に係る成形体の製造方法を示す、金型内での基材の配置例を示す説明図である。図25は、比較例21に係る成形体の製造方法を説明するための説明図である。図26は、比較例22に係る成形体の製造方法を示す、金型内での基材の配置例を示す説明図である。図27は、実施例及び比較例に係る成形体の、繊維配向度と反りの関係を示すグラフである。図28は、成形体の反り形状の一例を示す、第2方向の位置と、高さとの関係を示すグラフである。
本実施例において、SMCとしては、下記のものを使用した。
製品名「STR120N131-KA6N」(三菱ケミカル(株)製)。
<SMCを用いたサンプル(複合材料成形品)の作製>
図29Aに示すように、30mm(縦)×200mm(横)の長方形状にカットしたSMCを2枚積層した積層物3011を、金型のキャビティ3020(120mm(縦)×200mm(横)×2mm(厚さ))に、キャビティ3020の縦方向の両端の位置にチャージした。次いで、以下の成形条件で成形し、120mm(縦)×200mm(横)×2mm(厚さ)の複合材料成形品を得た。
なお、このようにチャージした場合、複合材料成形品の縦方向(第1方向)の中央部分にウェルドラインが生じることが容易に類推できる。後述する実施例32~33においても同様である。したがって、実施例31~33においては、複合材料成形品の横方向を第2方向、縦方向を第1方向とした。実際、実施例31~33で得られた複合材料成形品の縦方向の中央部分の表面には、横方向に延びるウェルドラインが存在していた。
金型温度:140℃
圧力:8MPa
加圧時間:3分間
図30に示すように、得られた複合材料成形品3010から4つの引張試験片D1、D2、D3、D4を切り出した。D1、D2、D3、D4はそれぞれ、図31に示すように、標線間距離l1が40mm、標線間部分の幅wが10mm、チャック間距離l2が70mm、全長l3が120mmのダンベル形状の試験片である。D1、D2、D3、D4は、複合材料成形品3010の横方向(第2方向)の一端(図30中の左端)から、各引張試験片の幅w方向の中心までの距離L1、L2、L3、L4がそれぞれ47.5mm、82.5mm、117.5mm、152.5mmとなる位置から切り出した。
D1~D4について、引張速度2mm/minで引張試験を行い、引張強度を求めた。
引張試験後の引張試験片を、長さ方向(第1方向)に7等分し、評価サンプルとした。ここで評価サンプルの大きさは幅(第2方向)10mmで長さ(第2方向)が約16mmである。なお、7等分にした評価サンプルのうち1つは引張試験時の破断によってサンプルがさらに分割された状態にある。この場合はより大きいものを評価サンプルとした。また引張試験時の破断によって評価に供することができない程度に損傷したものについては、これは評価サンプルとはせず、当初予定していた評価サンプルの位置から第2方向に沿って両端からそれぞれ幅15mmで長さが約16mmに切り出したものを評価サンプルとした。
得られた7個または8個評価サンプルについて、以下の測定装置を用い、以下の手順で繊維配向度fを測定した。
評価サンプルに透過法でX線を照射しながら、評価サンプルを、その厚さ方向を軸に回転させ、以下の測定条件で回折X線を取り込み、i番目の回転角度(φi)における輝度(I(φi))を測定した。ただし、I(φi)は、前記式(3)で表される、積分強度が10000になるように規格化されたものとする。次いで、測定したI(φi)を用いて、前記式(2)により配向係数aを求めた。さらに、得られた配向係数aを用いて、前記式(1)により繊維配向度fを算出した。なお、前述のように引張試験時の破断によって評価に供することができない程度に損傷したものについては、両端から切り出した2つの評価サンプルについてそれぞれfを算出して、その平均値を採用することとした。
X線回折装置:Empyrean(PANalytical社製)。
スキャンレンジ(°):0.0-359.6
ステップサイズ(°):0.4
積算時間/1ステップ(s):4.0
2θ(°):25.4
電圧(kV):45
電流(mA):40
「フィルター」
Beta-filter Nickel
材質:Ni
厚み(mm):0.02
マイクロゲージ絞り(mm):2.0
7点の評価位置、つまり複合材料成形品の縦方向の一端(図30中の上端)からの距離(mm)を横軸に、繊維配向度fを縦軸にプロットし、繊維配向度fの分布を得た。得られた繊維配向度fの分布を図32Aに示す。図32Aより、評価サンプルの中央付近で繊維配向度fが高いことが分かる。
得られた繊維配向度fの分布を正規分布で近似して半値全幅を求めた。また、D1~D4の半値全幅及び引張強度それぞれについて、平均値及び標準偏差を算出した。結果を表3に示す。
下記式により、強度保持率を算出した。結果を表3に示す。
強度保持率=(実施例31の引張強度の平均値(MPa)/金型のキャビティに対してSMCを隙間なくチャージした場合の引張強度(MPa))×100
得られた複合材料成形品の外観を目視で確認し、以下の基準で評価した。結果を表1に示す。
A(良好):SMCの合流部は特定できない。
B(可):SMCの合流部は特定できるが、第1方向に対して合流部の幅が目視では算出できない。
C(不可):SMCの合流部は特定でき、第1方向に対して合流部の幅が目視で算出できる。
図32Bに示すように、直角をはさむ2辺の長さが60mm(縦)×200mm(横)の直角三角形状にカットしたSMCを2枚積層した積層物3012を、金型のキャビティ3020の2か所に、直角の頂点の位置をキャビティ3020の隅に合わせてチャージしたこと以外は実施例31と同様の操作を行った。
実施例32における繊維配向度fの分布を図32Bに示す。図32Aと図32Bとの対比から、実施例32では、実施例31に比べて繊維配向度fの分布がブロードであることが分かる。
D1~D4の半値全幅及び引張強度、それぞれの平均値及び標準偏差、強度保持率、外観の評価結果を表3に示す。
図29Cに示すように、直角をはさむ2辺の長さが60mm(縦)×100mm(横)の直角三角形状にカットしたSMCを4枚積層した積層物3013を、金型のキャビティ3020の2か所に、直角の頂点の位置をキャビティ3020の隅に合わせてチャージしたこと以外は実施例31と同様の操作を行った。
実施例33における繊維配向度fの分布を図32Cに示す。図32Bと図32Cとの対比から、実施例33では、実施例32に比べてさらに繊維配向度fの分布がブロードであることが分かる。
D1~D4の半値全幅及び引張強度、それぞれの平均値及び標準偏差、強度保持率、外観の評価結果を表3に示す。
また、実施例31~33の複合材料成形品の外観は問題無いものであった。各複合材料成形品に充填不良部等は存在せず、金型のキャビティ端部までSMCが流動して硬化していた。
2,3,5,6,7,8 カットしたSMC
10 成形物
13 側端面
13a,13b,13c,13d 平面部
14 第1の端部
100 金型(成形金型)
202 樹脂
203、203A 繊維束
2031、2031A 繊維
204 樹脂会合部
205、205A、205B、205C、205D 基材
2010a、2010b、2010c、2010d 辺
20100、20100A 金型
20101、20101A 下型
20101a 底部
20101b 壁部
20101c 凹部
20101Aa 基部
20101Ab 凸部
20102、20102A 上型
20102a 基部
20102b 凸部
20102Aa 上部
20102Ab 壁部
20102Ac 凹部
Lf、Lfa、Lsa、Lsb 長さ
Wf、Wfa、Wsa、Wsb 幅
RS1 第1領域
RS2 第2領域
RS3 第3領域
3011,3012,3013 カットしたSMCを積層した積層物
3020 金型のキャビティ
Claims (26)
- 樹脂と炭素繊維とを含む成形材料の成形物を含み、
前記成形物の下記領域Aの下記繊維配向度fの平均値が0.10以上1以下である、複合材料成形品。
領域A:前記成形物の上面と、前記成形物の一方の側面とが形成する角Aから、前記成形物の幅方向の全長D1に対して3.0%までの長さD2において、前記成形物を垂直方向に切断した場合に得られる領域。
繊維配向度f:X線回折法により測定される、前記領域Aを切り出して試験片Aとし、奥行方向を0°方向としたときに、前記試験片Aの重心を通る厚み方向に沿った軸を基準にして前記試験片Aを回転させた際の回折角2θが25.4°の回折X線を検出し、下式(1)、(2)、(3)及び(4)により求められる、0°方向を基準にした繊維配向度f。
- 前記長さD2が2~10mmである、請求項1に記載の複合材料成形品。
- 下式(AB)で表される一次関数の傾きaが負である、請求項1又は2に記載の複合材料成形品。
y=ax+b ・・・(AB)
式(AB)は、前記領域A内の、前記角A上の一点から幅方向に沿った2点以上の位置における繊維配向度fを測定し、前記角A上の一点から前記位置までの距離をx軸に、前記繊維配向度fをy軸としてグラフを作成し、最少二乗法で線形近似して得られる一次関数である。 - 前記複合材料成形品が直方体である、請求項1~3のいずれか一項に記載の複合材料成形品。
- 前記複合材料成形品は、樹脂会合部を含む第1領域を有し、
前記第1領域の奥行方向は、前記樹脂会合部に沿って延在する方向であり、前記第1領域の幅方向は、前記奥行方向に直交する方向であり、前記第1領域の幅は、前記炭素繊維の平均繊維長の2倍の長さであり、
前記第1領域における下記繊維配向度f1の平均値が0.19以上である、請求項1~4のいずれか一項に記載の複合材料成形品。
繊維配向度f1:X線回折法により測定される、前記第1領域を切り出して試験片1とし、幅方向を0°方向としたときに、前記試験片1の重心を通る厚み方向に沿った軸を基準にして前記試験片1を回転させた際の、回折角2θが25.4°の回折X線を検出し、下式(5)、(6)、(7)及び(8)により求められる、0°方向を基準にした繊維配向度f1。
- Ey/Exで表される、前記第1領域の、前記幅方向の引張弾性率Exに対する、前記奥行方向の引張弾性率Eyの比は、1.5以上6.0以下である、請求項5に記載の複合材料成形品。
- 前記複合材料成形品は、前記第1領域を幅方向から挟む第2領域2a及び第2領域2bを有し、
前記第1領域での繊維配向度f1の平均値は、前記第2領域2aでの下記繊維配向度f2aの平均値よりも大きく、かつ、
前記第1領域での繊維配向度f1の平均値は、前記第2領域2bでの下記繊維配向度f2bの平均値よりも大きい、請求項5又は6に記載の複合材料成形品。
繊維配向度f2a:X線回折法により測定される、前記第2領域2aを切り出して試験片2aとし、奥行方向を0°方向としたときに、前記試験片2aの重心を通る厚み方向に沿った軸を基準にして前記試験片2aを回転させた際の、回折角2θが25.4°の回折X線を検出し、下式(9)、(10)、(11)及び(12)により求められる、0°方向を基準にした繊維配向度f2a。
繊維配向度f2b:X線回折法により測定される、前記第2領域2bを切り出して試験片2bとし、幅方向を90°方向としたときに、前記試験片2bの重心を通る厚み方向に沿った軸を基準にして前記試験片2bを回転させた際の、回折角2θが25.4°の回折X線を検出し、下式(13)、(14)、(15)及び(16)により求められる、0°方向を基準にした繊維配向度f2b。
- 樹脂と炭素繊維とを含む成形材料を成形して得られる複合材料成形品であって、
前記複合材料成形品の奥行方向を0°方向、前記複合材料成形品の幅方向を90°方向とした場合において、前記90°方向に沿った複数箇所の各点における、前記0°方向を基準とした繊維配向度fwをそれぞれ測定し、前記90°方向における繊維配向度の分布を取得した場合において、前記繊維配向度の分布を正規分布で近似したときの半値全幅が5mm以上である、請求項1~7のいずれか一項に記載の複合材料成形品。
繊維配向度fw:X線回折法により測定される、前記各点を含む試験片を前記複合材料成形品から切り出し、前記奥行方向を0°方向としたときに、前記試験片の重心を通る厚み方向に沿った軸を基準にして前記試験片を回転させた際の回折角2θが25.4°の回折X線を検出し、下式(17)、(18)、(19)及び(20)により求められる、0°方向を基準にした繊維配向度fw。
- 樹脂と炭素繊維とを含む成形材料の成形体である複合材料成形品であって、
前記複合材料成形品は、樹脂会合部を含む第1領域を有し、
前記第1領域の奥行方向は、前記樹脂会合部に沿って延在する方向であり、前記第1領域の幅方向は、前記奥行方向に直交する方向であり、前記第1領域の幅は、前記炭素繊維の平均繊維長の2倍の長さであり、
かつ、前記第1領域における下記繊維配向度f1の平均値が0.19以上である複合材料成形品。
繊維配向度f1:X線回折法により測定される、前記第1領域を切り出して試験片1とし、奥行方向を0°方向としたときに、前記試験片1の重心を通る厚み方向に沿った軸を基準にして前記試験片1を回転させた際の、回折角2θが25.4°の回折X線を検出し、下式(5)、(6)、(7)及び(8)により求められる、0°方向を基準にした繊維配向度f1。
- Ey/Exで表される、前記第1領域の、前記幅方向の引張弾性率Exに対する、前記奥行方向の引張弾性率Eyの比は、1.5以上6.0以下である、請求項9に記載の複合材料成形品。
- 前記複合材料成形品は、前記第1領域を幅方向に挟む第2領域2a及び第2領域2bを有し、
前記第1領域での繊維配向度f1の平均値は、前記第2領域2aでの下記繊維配向度f2aの平均値よりも大きく、かつ、
前記第1領域での繊維配向度f1の平均値は、前記第2領域2bでの下記繊維配向度f2bの平均値よりも大きい、請求項9又は10に記載の複合材料成形品。
繊維配向度f2a:X線回折法により測定される、前記第2領域2aを切り出して試験片2aとし、奥行方向を0°方向としたときに、前記試験片2aの重心を通る厚み方向に沿った軸を基準にして前記試験片2aの厚み方向に前記試験片2を回転させた際の、回折角2θが25.4°の回折X線を検出し、下式(9)、(10)、(11)及び(12)により求められる、0°方向を基準にした繊維配向度f2a。
繊維配向度f2b:X線回折法により測定される、前記第2領域2bを切り出して試験片2bとし、奥行方向を0°方向としたときに、前記試験片2bの重心を通る厚み方向に沿った軸を基準にして前記試験片2bの厚み方向に前記試験片2を回転させた際の、回折角2θが25.4°の回折X線を検出し、下式(13)、(14)、(15)及び(16)により求められる、0°方向を基準にした繊維配向度f2b。
- 樹脂と炭素繊維とを含む成形材料を成形して得られる複合材料成形品であって、
前記複合材料成形品の奥行方向を0°方向、前記複合材料成形品の幅方向を90°方向とした場合において、前記90°方向に沿った複数箇所の各点における、前記0°方向を基準とした繊維配向度fwをそれぞれ測定し、前記90°方向における繊維配向度の分布を取得した場合において、前記繊維配向度の分布を正規分布で近似したときの半値全幅が5mm以上である、複合材料成形品。
繊維配向度fw:X線回折法により測定される、前記各点を含む試験片を前記複合材料成形品から切り出し、前記奥行方向を0°方向としたときに、前記試験片の重心を通る厚み方向に沿った軸を基準にして前記試験片を回転させた際の回折角2θが25.4°の回折X線を検出し、下式(17)、(18)、(19)及び(20)により求められる、0°方向を基準にした繊維配向度fw。
- 表面にウェルドラインが存在し、前記0°方向が前記ウェルドラインに沿った方向である、請求項12に記載の複合材料成形品。
- シートモールディングコンパウンドの硬化物である、請求項1~13のいずれか一項に記載の複合材料成形品。
- 前記炭素繊維は、前記複合材料成形品の総質量に対し、20質量%以上65質量%以下である、請求項1~14のいずれか一項に記載の複合材料成形品。
- 樹脂と繊維とを含む成形材料を成形金型にチャージし、加熱加圧成形する、複合材料成形品の製造方法であって、
前記成形材料の平均繊維長に対する下記繊維流動長の比Rが0.2~15.0の範囲となるように、前記成形材料を前記成形金型上に配置する、製造方法。
繊維流動長:成形金型にチャージされた成形材料の端部の各繊維が、前記チャージされた際の位置P0から樹脂会合部まで移動した後の位置P1までの長さL0-1と、成形終了時までに、さらに前記位置P1から樹脂会合部に沿って移動した後の位置P2までの長さL1-2との合計。 - 樹脂と繊維とを含む成形材料を成形金型にチャージし、加熱加圧成形する、複合材料成形品の製造方法であって、
前記成形材料の平均繊維長に対する下記繊維流動長の比Rが0.2~15.0の範囲となるように、前記成形材料を前記成形金型上の複数の位置に配置する、製造方法。
繊維流動長:成形金型にチャージされた成形材料の端部の各繊維が、前記チャージされた際の位置P0から、成形金型の周縁部又は樹脂会合部まで移動した後の位置P1までの長さL0-1と、成形終了時までに、さらに前記位置P1から成形金型の周縁部又は樹脂会合部に沿って移動した後の位置P2までの長さL1-2との合計。 - 樹脂と繊維とを含む成形材料を成形金型にチャージし、加熱加圧成形する、複合材料成形品の製造方法であって、前記成形材料の平均繊維長に対する下記移動距離の比rが0.2~12.0の範囲となるように、前記成形材料を前記成形金型上に配置する、製造方法。
移動距離:成形金型にチャージされた成形材料の端部の各繊維が、前記チャージされた際の位置から樹脂会合部まで移動した後の位置P1から、成形終了時までに、さらに前記位置P1から樹脂会合部に沿って移動した後の位置P2までの長さL1-2。 - 樹脂と繊維とを含む成形材料を成形金型にチャージし、加熱加圧成形する、複合材料成形品の製造方法であって、前記成形材料の平均繊維長に対する下記移動距離の比rが0.2~12.0の範囲となるように、前記成形材料を前記成形金型上の複数の位置に配置する、製造方法。
移動距離:成形金型にチャージされた成形材料の端部の各繊維が、前記チャージされた際の位置から前記成形金型の周縁部または樹脂会合部まで移動した後の位置P1から、成形終了時までに、さらに前記位置P1から成形金型の周縁部又は樹脂会合部に沿って移動した後の位置P2までの長さL1-2。 - 熱硬化性樹脂と炭素繊維とを含む成形材料を成形金型にチャージし、加熱加圧成形する、複合材料成形品の製造方法であって、
下記チャージ率が10~50面積%となるように、かつ、前記成形材料の平均繊維長に対する下記繊維流動長の比Rが0.2~15.0の範囲となるように、前記成形材料を前記成形金型上に配置する、製造方法。
チャージ率:前記成形金型のキャビティの面積に対する前記成形材料の表面積の割合。
繊維流動長:成形金型にチャージされた成形材料の端部の各炭素繊維が、前記チャージされた際の位置P0から、成形金型の周縁部まで移動した後の位置P1までの長さL0-1と、成形終了時までに、さらに前記位置P1から成形金型の周縁部に沿って移動した後の位置P2までの長さL1-2との合計。 - 熱硬化性樹脂と炭素繊維とを含む成形材料を成形金型に配置し、加熱加圧成形する、複合材料成形品の製造方法であって、
下記チャージ率が10~50面積%となるように、かつ、前記成形材料の平均繊維長に対する下記移動距離の比rが0.2~12.0の範囲となるように、前記成形材料を前記成形金型上に配置する、製造方法。
チャージ率:前記成形金型のキャビティの面積に対する前記成形材料の表面積の割合。
移動距離:成形金型にチャージされた成形材料の端部の各炭素繊維が、前記チャージされた際の位置から前記成形金型の周縁部まで移動した後の位置P1から、成形終了時までに、さらに前記位置P1から成形金型の周縁部に沿って移動した後の位置P2までの長さL1-2。 - 樹脂と繊維とを含む成形材料を成形金型に、下記チャージ率が10~80面積%となるように配置し、加熱加圧成形する、複合材料成形品の製造方法であり、
前記成形金型が平面視で長方形であり、前記成形材料を、前記成形金型上の複数の位置Pmに配置する、複合材料成形品の製造方法。
チャージ率:前記成形金型のキャビティの面積に対する前記成形材料の表面積の割合。 - 前記Pmのうち少なくとも1つは前記成形金型の一つの角を含む領域であり、少なくとも1つは前記成形金型の幅方向に位置する他の角を含む領域である、請求項22に記載の複合材料成形品の製造方法。
- 樹脂と繊維とを含む成形材料を成形金型に、下記チャージ率が10~80面積%となるように配置し、加熱加圧成形する、複合材料成形品の製造方法であり、
前記成形材料を前記成形金型上の複数の位置に配置する、製造方法。
チャージ率:前記成形金型のキャビティの面積に対する前記成形材料の表面積の割合。 - 樹脂と炭素繊維とを含む成形材料の成形体である複合材料成形品の製造方法であって、
前記成形材料を含む複数の基材を成形金型内に配置し、複数の前記基材を圧縮成形することで、流動する複数の前記基材の流体の融合により樹脂会合部が形成されるとともに、前記基材は、前記樹脂会合部に沿った方向に流動し、
前記成形体の前記樹脂会合部を含む第1領域の奥行方向は、前記樹脂会合部に沿って延在する方向であり、前記第1領域の幅方向は、前記奥行方向に直交する方向であり、前記第1領域の幅は、前記炭素繊維の平均繊維長の2倍の長さであり、
かつ、前記第1領域における下記繊維配向度f1の平均値が0.19以上である、複合材料成形品の製造方法。
繊維配向度f1:X線回折法により測定される、前記第1領域を切り出して試験片1とし、幅方向を0°方向としたときに、前記試験片1の重心を通る厚み方向に沿った軸を基
準にして前記試験片1の厚み方向に前記試験片1を回転させた際の、回折角2θが25.4°の回折X線を検出し、下式(5)、(6)、(7)及び(8)により求められる、0°方向を基準にした繊維配向度f1。
- 前記成形材料がシートモールディングコンパウンドである、請求項16~25のいずれか一項に記載の複合材料成形品の製造方法。
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