JP7359619B2 - 繊維強化樹脂複合材及び繊維強化樹脂複合材の製造方法 - Google Patents

繊維強化樹脂複合材及び繊維強化樹脂複合材の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、繊維強化樹脂を用いた繊維強化樹脂複合材及び繊維強化樹脂複合材の製造方法に関する。
近年、乗用車等の車両の軽量化を目的として、センターピラー等の車体の構造材を、炭素繊維等の強化繊維を含有する繊維強化樹脂を用いて製造することが検討されている。繊維強化樹脂製の部材は、高い剛性を有し、特に繊維の配向方向に作用する引張応力に対して高い強度を発揮する。
かかる繊維強化樹脂複合材の一態様として、複合材を構成する複数の平面又は曲面それぞれを、異なる強度特性を有するＣＦＲＰ（炭素繊維強化樹脂）材で構成した自動車用衝撃吸収部材がある。繊維強化樹脂シートは、連続繊維の配向方向によって得られる強度特性が異なる。したがって、繊維強化樹脂複合材を構成するそれぞれの面に配置される繊維強化樹脂シートの連続繊維の配向方向を異ならせることにより、面ごとに強度特性を異ならせることができる。
特開２００５－２２５３６４号公報
上記のような繊維強化樹脂複合材を製造する際に、繊維強化樹脂シートを一つ又は複数の面ごとに積層して繊維強化樹脂を硬化させた場合、面と面との境界となる角部分である稜線部において、繊維強化樹脂の積層体の非連続部分が形成される。このような非連続部分では繊維が途切れており、繊維強化樹脂複合材に荷重が付加された際に稜線部が破壊の起点になるおそれがある。
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、複数の繊維強化樹脂シートを積層して形成される繊維強化樹脂複合材において、稜線部の強度の低下を抑制可能な、繊維強化樹脂複合材及び繊維強化樹脂複合材の製造方法を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、車体構造に用いられる長手方向を有する繊維強化樹脂複合材において、複数の繊維強化樹脂シートからなる第１の積層体と、複数の繊維強化樹脂シートからなる第２の積層体と、が長手方向に交差する方向に繋げられて閉断面を有する筒状体として構成され、筒状体は、車体の衝突時に主として圧縮応力を受ける圧縮面と、車体の衝突時に主として引張応力を受ける引張面と、圧縮面と引張面とを繋ぐ側面と、圧縮面と側面とにより形成される長手方向に沿う第１の稜線部と、引張面と側面とにより形成される長手方向に沿う第２の稜線部と、を有し、圧縮面は、長手方向に略沿う方向に沿って配置された繊維に樹脂を含侵させた一方向材、及び、それぞれ長手方向に対して傾斜して互いに交差する複数の方向に沿って配置された繊維に樹脂を含侵させたクロス材を少なくとも含み、クロス材よりも一方向材の構成比率が高い第１の積層体により構成され、引張面は、一方向材及びクロス材を少なくとも含み、一方向材よりもクロス材の構成比率が高い第２の積層体により構成され、第１の積層体に含まれる繊維強化樹脂シートの繊維が、第１の稜線部をまたぐように配置されており、第１の積層体と第２の積層体との接続部は側面に設けられ、側面において第１の積層体及び第２の積層体のそれぞれの繊維強化樹脂シートの端部を交互にオーバーラップさせるとともに、第１の積層体又は第２の積層体の少なくとも一方の複数の繊維強化樹脂シートの端部をずらすことにより接続部の厚さを漸次変化させてなる繊維強化樹脂複合材が提供される。
上記繊維強化樹脂複合材において、第１の積層体の複数の繊維強化樹脂シートの端部は、第２の稜線部に位置し、第２の積層体の複数の繊維強化樹脂シートは、第１の積層体の複数の繊維強化樹脂シートの端部を覆うように第２の稜線部をまたいで接続部に至るように配置されてもよい。
上記繊維強化樹脂複合材において、側面において、第２の積層体に含まれる繊維強化樹脂シートは、表層に近いほど圧縮面に近づけられてもよい。
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、車体構造に用いられる長手方向を有する繊維強化樹脂複合材の製造方法であって、複数の繊維強化樹脂シートからなる第１の積層体と、複数の繊維強化樹脂シートからなる第２の積層体と、が長手方向に交差する方向に繋げられて閉断面を有する筒状体として構成され、筒状体は、車体の衝突時に主として圧縮応力を受ける圧縮面と、車体の衝突時に主として引張応力を受ける引張面と、圧縮面と引張面とを繋ぐ側面と、圧縮面と側面とにより形成される長手方向に沿う第１の稜線部と、引張面と側面とにより形成される長手方向に沿う第２の稜線部と、を有する繊維強化樹脂複合材の製造方法において、長手方向に略沿う方向に沿って配置された繊維に樹脂を含侵させた一方向材、及び、それぞれ長手方向に対して傾斜して互いに交差する複数の方向に沿って配置された繊維に樹脂を含侵させたクロス材を少なくとも含み、クロス材よりも一方向材の構成比率が高い第１の積層体からなる圧縮面を構成する複数の繊維強化樹脂シートと、一方向材及びクロス材を少なくとも含み、一方向材よりもクロス材の構成比率が高い第２の積層体からなる引張面を構成する複数の繊維強化樹脂シートと、を側面において第１の積層体及び第２の積層体のそれぞれの繊維強化樹脂シートの端部を交互にオーバーラップさせるとともに、第１の積層体又は第２の積層体の少なくとも一方の複数の繊維強化樹脂シートの端部をずらすことにより第１の積層体と第２の積層体との接続部の厚さが漸次変化するように繊維強化樹脂シートを積層する工程と、繊維強化樹脂シートを硬化させる工程と、を備える、繊維強化樹脂複合材の製造方法が提供される。
以上説明したように本発明によれば、複数の繊維強化樹脂シートを積層して形成される繊維強化樹脂複合材において、稜線部の強度の低下を抑制することができる。
車体側部構造の外観を示す模式図である。 本実施形態に係る繊維強化樹脂複合材を用いたセンターピラーをＹ方向に見た模式図である。 車両の側面衝突時のセンターピラーの様子を示す説明図である。 センターピラーの筒状部の構成を示す断面図である。 センターピラーの筒状部の構成を示す模式図である。 第１の積層体の構成例を示す説明図である。 第２の積層体の構成例を示す説明図である。 筒状部の参考例を示す説明図である。 参考例に係る筒状部が破壊する様子を示す説明図である。 筒状部の別の参考例を示す説明図である。 本実施形態に係る繊維強化樹脂複合材としての筒状部の製造方法の一例を示す説明図である。 ホットプレス成形法により繊維強化樹脂層を形成する例を示す説明図である。 オートクレーブ成形法により繊維強化樹脂層を形成する例を示す説明図である。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
＜繊維強化樹脂複合材＞
以下、本発明の実施の形態に係る繊維強化樹脂複合材の一例として、繊維強化樹脂複合材を用いたセンターピラーを例に採って説明する。図１及び図２は、センターピラーの全体構成を説明するために示す図である。図１は、車体側部構造１の外観を示す模式図である。図１に示す車体側部構造１は、車両の左側部の構造の一部を概略的に示している。図２は、センターピラー３を、車両の外側から車幅方向に見た図である。なお、図１及び図２に示すように、本明細書において、車幅方向をＹ方向、車両の前後方向（車長方向）をＸ方向、車高方向をＺ方向と表記する場合がある。
車体側部構造１は、ルーフサイドレール５、リアピラー４、フロントピラー２、センターピラー３及びサイドシル６等により構成されている。ルーフピラー５は、車両の車室空間の上部にＸ方向に沿って延在し、車両の屋根のサイド部分を形成している。サイドシル６は、車両の側部の下部にＸ方向に沿って延在する。
フロントピラー２は、下端がサイドシル６の前端に接続され、上端がルーフサイドレール５の前端に接続されている。フロントピラー２は、車両の車室空間を構成する前部を形成し、フロントガラスのサイドを支持するように配置される。リアピラー４は、下端がサイドシル６の後端に接続され、上端がルーフサイドレール５の後端に接続される。センターピラー３は、下端がサイドシル６のＸ方向中央部に接続され、上端がルーフサイドレール５のＸ方向中央部に接続される。
サイドシル６、ルーフピラー５、フロントピラー２及びセンターピラー３の間には、フロントドア用の開口部が形成されている。また、サイドシル６、ルーフピラー５、リアピラー４及びセンターピラー３の間には、リアドア用の開口部が形成されている。
かかる車体側部構造１において、センターピラー３は、Ｚ方向に沿う長手方向を有し、略筒状に形成されている。センターピラー３は、上端に設けられたルーフサイドレール接続部１６と、下端に設けられたサイドシル接続部１４と、ルーフサイドレール接続部１６とサイドシル接続部１４との間に位置するピラー本体部１２とを有する。本実施形態において、センターピラー３は、繊維強化樹脂を用いて成形されている。
センターピラー３のルーフピラー接続部１６及びサイドシル接続部１４は、いずれも軸方向がＸ方向に沿って配置された略筒状を有する。ピラー本体部１２は、軸方向がＺ方向に沿って配置された略筒状を有する。ルーフサイドレール接続部１６及びサイドシル接続部１４は、中空の筒状であってもよく、中実の筒状であってもよい。ピラー本体部１２は、本実施形態に係る繊維強化樹脂複合材として構成された筒状部４０と、筒状部４０のＸ方向の両側に設けられたフランジ部２１，３１とを有する。フランジ部２１，３１は、例えば接着剤により筒状部４０の側面に接合されている。フランジ部２１，３１は、例えば、フロントドア及びリアドアの戸当たりとしての機能を有している。少なくとも筒状部４０は、強化繊維に熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂を含浸させた繊維強化樹脂を用いて構成された複合材料であり、高強度、かつ、軽量化を実現可能になっている。
図３は、車両の側面衝突時のセンターピラー３の様子を示す説明図である。図３に示すように、ピラー本体部１２の上部に位置する領域（「第１の領域」ともいう）Ａは、少なくとも乗用車のバンパの高さに対応する側面衝突想定部位Ｃよりも上方に位置する。また、ピラー本体部１２の下部に位置する領域（「第２の領域」ともいう）Ｂは、側面衝突想定部位Ｃを含む。第１の領域Ａは、第２の領域Ｂに比べて変形しにくく、側面衝突時において搭乗者の頭部を保護する機能を有する。第２の領域Ｂは、第１の領域Ａに比べて変形しやすく、側面衝突時に入力される衝突荷重を吸収する機能を有する。
車両の側面衝突時において、ピラー本体部１２に衝突荷重が入力されると、ピラー本体部１２のうち、車室側（インナ側）に位置する側面は、主としてＺ方向への引張応力が発生する引張面となる一方、車外側（アウタ側）に位置する側面は、主としてＺ方向の圧縮応力が発生する圧縮面となる。また、インナ側の側面とアウタ側の側面とを繋ぐ２つの側面は、衝突荷重の入力時において、引張場及び圧縮場の両方が存在する。このため、本実施形態に係るセンターピラー３において、アウタ側に位置するピラー本体部１２の側面は、主として圧縮応力に対する強度が高められて構成されている。また、インナ側に位置するピラー本体部１２の側面は、主として引張応力に対する強度が高められて構成されている。
図４及び図５は、図２に示すＩ－Ｉの位置におけるピラー本体部１２の筒状部４０を矢印方向に見た断面図を示している。つまり、図４及び図５は、ピラー本体部１２の第２の領域Ｂの断面図を示している。なお、図４は、筒状部４０の断面を示す説明図であり、図５は、筒状部４０の積層構造の理解を容易にするために示す模式図である。
筒状部４０は、芯材４１と、芯材４１の周囲に設けられた繊維強化樹脂層４３とを備える。芯材４１は、例えば、筒状部４０の強度を高めるため、あるいは、筒状部４０の成形を容易にするために備えられるが、その機能は特に限定されるものではない。芯材４１は、例えば、樹脂、金属、多孔質材料、ハニカム構造材又は木材等で構成されていてもよい。なお、センターピラー３は、芯材４１を備えていなくてもよい。
繊維強化樹脂層４３は、芯材４１の周囲の全周に亘って形成されている。このため、筒状部４０は、閉断面構造を有している。繊維強化樹脂層４３は、連続繊維を含む繊維強化樹脂シートの積層体を硬化させて成形されている。連続繊維を含む繊維強化樹脂シートは、連続する繊維にマトリックス樹脂を含浸させたシートである。繊維強化樹脂層４３は、連続繊維以外にも短繊維を含んでいてもよい。使用可能な連続繊維としては、代表的には炭素繊維が挙げられるが、他の繊維であってもよく、さらには、複数の繊維が組み合わせられて用いられてもよい。ただし、炭素繊維は機械特性に優れていることから、強化繊維が炭素繊維を含むことが好ましい。
繊維強化樹脂シートのマトリックス樹脂には、熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂が用いられる。熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ＡＢＳ樹脂（アクリロニトリル－ブタジエン－スチレン共重合合成樹脂）、ポリスチレン樹脂、ＡＳ樹脂（アクリロニトリル－スチレン共重合合成樹脂）、ポリアミド樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエステル樹脂、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂、フッ素樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリエーテルケトン樹脂、又はポリイミド樹脂等が例示される。
マトリックス樹脂としては、これらの熱可塑性樹脂のうちの１種類、あるいは２種類以上の混合物が使用され得る。あるいは、マトリックス樹脂は、これらの熱可塑性樹脂の共重合体であってもよい。熱可塑性樹脂が混合物である場合には、さらに相溶化剤が併用されてもよい。さらに、熱可塑性樹脂には、難燃剤として臭素系難燃剤、シリコン系難燃剤、赤燐などが加えられてもよい。
また、熱硬化性樹脂としては、例えば、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、フェノール樹脂、ポリウレタン樹脂、シリコン樹脂等が例示される。マトリックス樹脂としては、これらの熱硬化性樹脂のうちの１種類、あるいは２種類以上の混合物が使用され得る。これらの熱硬化性樹脂が用いられる場合、熱硬化性樹脂に、適宜の硬化剤や反応促進剤が加えられてもよい。
繊維強化樹脂層４３のうち、アウタ側に位置する側面は、少なくともピラー本体部１２の長手方向に略沿うＺ方向に沿って配置された繊維に樹脂を含侵させた一方向材を含む複数の繊維強化樹脂シートからなる第１の積層体４５により構成されている。また、インナ側に位置するピラー本体部１２の側面が、少なくとも互いに交差する複数の方向に配向された繊維に樹脂を含侵させたクロス材を含む複数の繊維強化樹脂シートからなる第２の積層体４７により構成されている。
図６に示すように、第１の積層体４５は、主としてＺ方向に沿って配置された連続繊維にマトリックス樹脂を含侵させた一方向材４６ｕを含む複数の繊維強化樹脂シートの積層体である。図６に示した例では、第１の積層体４５は、４枚の一方向材４６ｕ及び１枚のクロス材４６ｃを含む積層体となっている。クロス材４６ｃは、一方向材４６ｕに含まれる連続繊維の配向方向であるＺ方向に対して、例えばプラスマイナス４５°の方向にそれぞれ配置された連続繊維を含む。衝突荷重の入力時に圧縮面となるアウタ側の側面を、主として一方向材４６ｕを用いて構成することにより、圧縮応力に対する強度を高めることができる。
なお、図６に示した構成は一例であり、一方向材４６ｕの構成比率が高い限り、一方向材４６ｕとクロス材４６ｃとの構成比率は適宜変更可能である。また、連続繊維がＺ方向に沿って配置された一方向材４６ｕ以外に、適宜の方向に沿って連続繊維が配置された一方向材を含んでいてもよい。
図７に示すように、第２の積層体４７は、主として互いに交差する複数の方向に沿って配置された連続繊維にマトリックス樹脂を含侵させたクロス材４８ｃを含む複数の繊維強化樹脂シートの積層体である。図７に示した例では、第２の積層体４７は、３枚のクロス材４８ｃ及び２枚の一方向材４８ｕを含む積層体となっている。衝突荷重の入力時に引張面となるインナ側の側面を、主としてクロス材４８ｃを用いて構成することにより、引張応力に対する強度を高めることができる。
なお、図７に示した構成は一例であり、クロス材４８ｃの構成比率が高い限り、クロス材４８ｃと一方向材４８ｕとの構成比率は適宜変更可能である。また、一方向材４８ｕの連続繊維の配向方向は、Ｚ方向に限られない。
図４及び図５に戻り、筒状部４０の断面は略矩形状を有しており、筒状部４０は、それぞれ長手方向に沿う４つの稜線部４２ａ－４２ｄ（以下、特に区別を要しない場合には稜線部４２と総称する）と、稜線部４２ａ－４２ｄに連続して設けられた４つの平面部４４ａ－４４ｄとを含んで構成されている。ここで、それぞれの平面部４４ａ－４４ｄとは、完全な平面のみを意味するものではなく、わずかに屈曲あるいは湾曲する面も含むものとする。
繊維強化樹脂層４３を構成する第１の積層体４５及び第２の積層体４７は、筒状部４０の長手方向に交差する周方向に繋げられている。第１の積層体４５と第２の積層体４７との接続部４９は、稜線部４２以外の平面部４４ｃ，４４ｄに設けられ、それぞれの繊維強化樹脂シートを交互にオーバーラップさせて構成されている。また、第１の積層体４５又は第２の積層体４７の少なくとも一方を構成する複数の繊維強化樹脂シートの端部をずらすことにより、接続部４９の厚さが漸次変化するように構成される。
本実施形態において、圧縮面となる平面部４４ａを構成する第１の積層体４５は、平面部４４ａから圧縮場及び引張場の両方が存在する平面部４４ｃ，４４ｄに延長されている。また、引張面となる平面部４４ｂを構成する第２の積層体４７は、平面部４４ｂから圧縮場及び引張場の両方が存在する平面部４４ｃ，４４ｄに延長されている。第１の積層体４５と第２の積層体４７とは、当該平面部４４ｃ，４４ｄにおいて接続されている。第１の積層体４５と第２の積層体４７とが、それぞれの繊維強化樹脂シートを交互にオーバーラップさせて接続することにより、第１の積層体４５と第２の積層体４７との連続性が生じ、衝突荷重の入力時に破壊の起点となることを抑制することができる。
例えば、図８に示す参考例では、第１の積層体１４５と第２の積層体１４７とが、それぞれの繊維強化樹脂シートをオーバーラップさせることなく、端部１４５ａ，１４７ａを突き合わせて接続されている。このように端部を突き合わせて接続しただけでは、第１の積層体１４５と第２の積層体１４７との連続性が小さく、図９に示すように、衝突荷重の入力時に、第１の積層体１４５と第２の積層体１４７との接続部分が破壊の起点となりやすい。これに対して、第１の積層体４５及び第２の積層体４７それぞれの繊維強化樹脂シートを交互にオーバーラップさせることによって、当該接続部４９に応力が作用した場合であっても、破壊の起点になることを抑制することができる。
第１の積層体４５と第２の積層体４７との接続部４９を稜線部４２に連続して設けられた平面部４４ａ－４４ｄに設けるにあたり、接続部４９の位置は特に限定されるものではなく、引張面となる平面部４４ａ又は圧縮面となる平面部４４ｂに接続部４９が設けられてもよい。ただし、アウタ側の圧縮面における圧縮応力に対する強度を向上させ、インナ側の引張面における引張応力に対する強度を向上させるには、当該接続部４９を、引張面と圧縮面とを繋ぐ平面部４４ｃ，４４ｄに設けることが好ましい。また、当該平面部４４ｃ，４４ｄは、衝突荷重の入力時に圧縮場及び引張場の両方が混在する面となることから、第１の積層体４５及び第２の積層体４７をそれぞれ当該平面部４４ｃ，４４ｄまで延長させて接続することによって、当該平面部４４ｃ，４４ｄに作用する引張応力及び圧縮応力それぞれに対する強度を得ることができる。
また、第１の積層体４５と第２の積層体４７との接続部４９を稜線部４２以外の平面部４４ａ－４４ｄに設けることにより、衝突荷重の入力時に応力が集中しやすい稜線部４２を一つの積層体で連続的に構成することができる。このため、稜線部４２に作用する応力によって、接続部４９が破壊の起点となることを抑制することができる。
また、第１の積層体４５と第２の積層体４７との接続部４９を稜線部４２以外の平面部４４ａ－４４ｄに設けることにより、それぞれの稜線部４２において、第１の積層体４５又は第２の積層体４７に含まれる繊維強化樹脂シートの連続繊維が稜線部４２を交差するように稜線部４２を跨いで配置される。このため、それぞれの稜線部４２が連続繊維で補強され、衝突荷重の入力時に稜線部４２に応力が作用した場合に、稜線部４２が破壊の起点となることを抑制することができる。
また、第１の積層体４５又は第２の積層体４７の少なくとも一方を構成する複数の繊維強化樹脂シートの端部をずらし、接続部４９の厚さを漸次変化させることにより、繊維強化樹脂層４３の厚さが急激に変化することが避けられ、衝突荷重の入力時に接続部４９に応力が集中して、接続部４９が破壊の起点となることを抑制することができる。
図１０は、複数の繊維強化樹脂シートの端部の位置をずらすことなくオーバーラップさせた別の参考例を示している。当該別の参考例では、第２の積層体２４７を構成する複数の繊維強化樹脂シートが、端部の位置をずらされることなく、第１の積層体２４５を構成する複数の繊維強化樹脂シートと交互に重ねられている。このため、厚さＴ１を有する第１の積層体２４５の領域から、厚さＴ２を有する第１の積層体２４５と第２の積層体２４７との接続部２４９の領域へと、厚さが急激に変化している。この場合、衝突荷重の入力時において、厚さが急激に変化する段差部分に応力が集中して、接続部２４９が破壊の起点になりやすい。
これに対して、図５に示すように、本実施形態において、引張面を構成する第２の積層体４７に含まれる複数の繊維強化樹脂シートの端部の位置は、表層に近いほど圧縮面側に近づくようにずらされている。このため、図４に示すように、成形後の繊維強化樹脂層４３の接続部４９の厚さが漸次変化するようになり、厚さが急激に変化しない構成となっている。これにより、衝突荷重の入力時に、段差部分への応力の集中が低減される。
第１の積層体４５又は第２の積層体４７の少なくとも一方を構成する複数の繊維強化樹脂シートの端部をずらすにあたり、ずれ量が小さすぎると、接続部４９に形成される段差部分の厚さの変化が比較的急激になって、衝突荷重の入力時に段差部分に作用する応力が大きくなるおそれがある。また、ずれ量が大きすぎると、段差部分の厚さの変化が緩やかになるものの、繊維強化樹脂シートの使用量が多くなって、軽量化に対して不利となるおそれがある。したがって、ずれ量は、上記の観点から適切な範囲に設定されるとよい。
また、本実施形態に係るセンターピラー３の筒状部４０では、第１の積層体４５を構成する複数の繊維強化樹脂シートの端部が、稜線部４２の近傍に配置されている。換言すれば、第１の積層体４５を構成する複数の繊維強化樹脂シートそれぞれの端部が、第２の積層体４７を構成する複数の繊維強化樹脂シートの折り曲がり位置に位置している。このため、第１の積層体４５を構成する複数の繊維強化樹脂シートの端部の位置を大きくずらすことなく、繊維強化樹脂層４３の表面に急激な段差が形成されることが抑制される。言うまでもなく、第１の積層体４５を構成する複数の繊維強化樹脂シートの端部の位置をずらすことにより、繊維強化樹脂層４３の厚さの急激な変化を抑制してもよいが、繊維強化樹脂シートの端部の位置をずらすことなく、稜線部４２に合わせて配置することができるため、製造工程を容易にすることができる。
このように、本実施形態に係る繊維強化樹脂複合材からなる筒状部４０を備えたセンターピラー３は、圧縮応力に対する所望の強度を有する第１の積層体４５と引張応力に対する所望の強度を有する第２の積層体４７とが、稜線部４２以外の平面部４４ａ－４４ｄにおいて、それぞれの繊維強化樹脂シートを交互にオーバーラップさせて接続されている。このため、第１の積層体４５と第２の積層体４７との連続性が得られるとともに、衝突荷重の入力時に稜線部４２に作用する応力によって稜線部４２が破壊の起点になることを抑制することができる。また、第１の積層体４５又は第２の積層体４７の少なくとも一方を構成する複数の繊維強化樹脂シートの端部をずらすことにより、第１の積層体４５と第２の積層体４７との接続部４９に、厚さが急激に変化する段差が形成されることがなくなり、衝突荷重の入力時に接続部４９に応力が集中することを抑制することができる。
＜繊維強化樹脂複合材の製造方法＞
次に、本実施形態に係る繊維強化樹脂複合材からなる筒状部４０の製造方法の一例を説明する。
図１１及び図１２は、筒状部４０の製造方法を示す説明図である。筒状部４０の製造方法は、芯材４１の周囲に繊維強化樹脂シートを積層する工程と、繊維強化樹脂シートを硬化させる工程と、を含む。なお、図１１及び図１２に示す説明図は、製造される筒状部４０を、図４に示した断面図に対応させて示したものである。
図１１に示すように、まず、製造する筒状部４０において圧縮面となる芯材４１の面４１ａに繊維強化樹脂シート４６－１を配置する。繊維強化樹脂シート４６－１は、圧縮面となる面４１ａだけでなく、稜線部４２ａ，４２ｂを跨いで、圧縮面となる面４１ａと引張面となる面４１ｂとを繋ぐ両側面４１ｃ，４１ｄに至るまで延長して配置する。
次いで、引張面となる面４１ｂに繊維強化樹脂シート４８－１を配置する。繊維強化樹脂シート４８－１は、引張面となる面４１ｂだけでなく、稜線部４２ｃ，４２ｄを跨いで、両側面４１ｃ，４１ｄに至るまで延長して配置する。このとき、両側面４１ｃ，４１ｄにおいて、繊維強化樹脂シート４８－１の端部が繊維強化樹脂シート４６の端部に重なるようにして繊維強化樹脂シート４８－１を配置する。
次いで、圧縮面となる面４１ａに繊維強化樹脂シート４６－２を積層する。このとき、両側面４１ｃ，４１ｄにおいて、繊維強化樹脂シート４６－２の端部が繊維強化樹脂シート４８－１の端部に重なるようにして繊維強化樹脂シート４６－２を積層する。さらに、引張面となる面４１ｂに繊維強化樹脂シート４８－２を積層する。このとき、両側面４１ｃ，４１ｄにおいて、繊維強化樹脂シート４８－２の端部が繊維強化樹脂シート４６－２の端部に重なるようにして繊維強化樹脂シート４８－２を配置する。また、繊維強化樹脂シート４８－２の端部を、繊維強化樹脂シート４８－１の端部よりも圧縮面となる面４１ａの方にずらして配置する。
以降、圧縮面となる面４１ａに形成される第１の積層体を構成する複数の繊維強化樹脂シート４６－３，４６－４と、引張面となる面４１ｂに形成される第２の積層体を構成する複数の繊維強化樹脂シート４８－３，４８－４とを、稜線部４２以外の位置において、交互にオーバーラップさせるとともに、少なくとも第２の積層体を構成する複数の繊維強化樹脂シート４８－１～４８－４の端部をずらしながら積層する。
第１の積層体を構成する複数の繊維強化樹脂シート４６－１～４６－４は、主として筒状部４０の長手方向に沿って配置された連続繊維を含む一方向材４６ｕを含むように選択される。また、第２の積層体を構成する複数の繊維強化樹脂シート４８－１～４８－４は、主として複数の方向に沿って配置された連続繊維を含むクロス材４８ｃを含むように選択される。クロス材４８ｃは、例えば、筒状部４０の長手方向に対してプラスマイナス４５°の方向に沿って配置された連続繊維を含む。
なお、第１の積層体を構成する複数の繊維強化樹脂シート４６－１～４６－４と第２の積層体を構成する複数の繊維強化樹脂シート４８－１～４８－４とは、１枚ずつ交互に積層してもよく、適宜の枚数をまとめて交互に積層してもよい。ただし、筒状部４０の外表面に段差が形成されにくくするには、１枚ずつ交互に積層することが好ましい。
次いで、図１２に示すように、周囲に繊維強化樹脂積層体４３´が積層された芯材４１を成形型５１，５３に投入し、加圧しながら加熱することによって、繊維強化樹脂複合材としての筒状部４０を型成形する。例えば、熱硬化性樹脂及び連続繊維からなる繊維強化樹脂シートを用いて繊維強化樹脂層４３を形成する場合、ホットプレス成形法を採用することができる。なお、図１２は、マトリックス樹脂として熱硬化性樹脂を含む繊維強化樹脂シートを用いて、ホットプレス成形法により繊維強化樹脂層４３を形成する例を示している。
あるいは、熱硬化性樹脂及び連続繊維からなる繊維強化樹脂シートを用いて繊維強化樹脂層４３を形成する場合、例えばオートクレーブ成形法を採用することもできる。図１３は、マトリックス樹脂として熱硬化性樹脂を含む繊維強化樹脂シートを用いて、オートクレーブ成形法により繊維強化樹脂層４３を形成する例を示す。
図１３に示すように、周囲に繊維強化樹脂積層体４３´が形成された芯材４１を成形型５７に投入してバッギングした後、オートクレーブ装置内でバッグ５９内を真空状態にしながら加熱することによって繊維強化樹脂積層体４３´を硬化させる。これにより、所望の形状を有する筒状部４０を成形することができる。
このように、芯材４１の周囲に配置した繊維強化樹脂シートを硬化させて繊維強化樹脂層４３を形成することにより、稜線部４２に連続して設けられた平面部４４ｃ，４４ｄに、それぞれの繊維強化樹脂シートを交互にオーバーラップさせて接続した第１の積層体４５と第２の積層体４７との接続部４９を有する筒状部４０を得ることができる。
以上説明したように、本実施形態に係る繊維強化樹脂複合材によれば、圧縮応力に対する所望の強度を有する第１の積層体４５と、引張応力に対する所望の強度を有する第２の積層体４７とが、稜線部４２に連続して設けられた平面部４４ｃ，４４ｄにおいて、それぞれの繊維強化樹脂シートを交互にオーバーラップさせて接続されている。したがって、第１の積層体４５と第２の積層体４７との連続性が得られ、衝突荷重の入力時に稜線部４２が破壊の起点になることを抑制することができる。
また、本実施形態に係る繊維強化樹脂複合材は、第１の積層体４５又は第２の積層体４７の少なくとも一方を構成する複数の繊維強化樹脂シートの端部をずらすことによって接続部４９の厚さが漸次変化させられているために、衝突荷重の入力時に接続部４９に応力が集中して、接続部４９が破壊の起点になることを抑制することができる。
また、本実施形態に係る繊維強化樹脂複合材の製造方法によれば、第１の積層体４５を構成する複数の繊維強化樹脂シートと、第２の積層体４７を構成する複数の繊維強化樹脂シートとを、稜線部４２に連続して設けられた平面部４４ｃ，４４ｄにおいて交互にオーバーラップさせつつ、第１の積層体４５又は第２の積層体４７の少なくとも一方の複数の繊維強化樹脂シートの端部をずらすことにより第１の積層体４５と第２の積層体４７との接続部４９の厚さが漸次変化するように繊維強化樹脂シートを積層することにより、衝突荷重の入力時に接続部４９が破壊の起点になりにくい繊維強化樹脂複合材を製造することができる。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は係る例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。また、上記の実施形態及び各変形例を互いに組み合わせた態様も、当然に本発明の技術的範囲に属する。
例えば、上記実施形態では、筒状部４０に芯材４１が残存する例を説明したが、本発明は係る例に限定されない。繊維強化樹脂複合材の製造時にのみ芯材４１が用いられ、製造後には芯材が除去されていてもよい。
また、上記実施形態では、第２の積層体４７を構成する複数の繊維強化樹脂シートの端部のみをずらして接続部４９の厚さを漸次変化させていたが、本発明は係る例に限定されない。第１の積層体４５を構成する複数の繊維強化樹脂シートの端部のみをずらしてもよく、第１の積層体４５及び第２の積層体４７それぞれを構成する複数の繊維強化樹脂シートの端部をずらしてもよい。
また、車体構造に用いられる長手方向を有する繊維強化樹脂構造体は、センターピラーに限られるものではなく、他の構造部材であってもよい。
４０ 筒状部（繊維強化樹脂複合材）
４１ 芯材
４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ 側面
４２ 稜線部
４３ 繊維強化樹脂層
４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄ 平面部
４５ 第１の積層体
４６ｕ 繊維強化樹脂シート（一方向材）
４６ｃ 繊維強化樹脂シート（クロス材）
４７ 第２の積層体
４８ｕ 繊維強化樹脂シート（一方向材）
４８ｃ 繊維強化樹脂シート（クロス材）
４９ 接続部

Claims (4)

  1. 車体構造に用いられる長手方向を有する繊維強化樹脂複合材において、
    複数の繊維強化樹脂シートからなる第１の積層体と、複数の繊維強化樹脂シートからなる第２の積層体と、が前記長手方向に交差する方向に繋げられて閉断面を有する筒状体として構成され、
    前記筒状体は、車体の衝突時に主として圧縮応力を受ける圧縮面と、前記車体の衝突時に主として引張応力を受ける引張面と、前記圧縮面と前記引張面とを繋ぐ側面と、前記圧縮面と前記側面とにより形成される前記長手方向に沿う第１の稜線部と、前記引張面と前記側面とにより形成される前記長手方向に沿う第２の稜線部と、を有し、
    前記圧縮面は、前記長手方向に略沿う方向に沿って配置された繊維に樹脂を含侵させた一方向材、及び、それぞれ前記長手方向に対して傾斜して互いに交差する複数の方向に沿って配置された繊維に樹脂を含侵させたクロス材を少なくとも含み、前記クロス材よりも前記一方向材の構成比率が高い前記第１の積層体により構成され、
    前記引張面は、前記一方向材及び前記クロス材を少なくとも含み、前記一方向材よりも前記クロス材の構成比率が高い前記第２の積層体により構成され、
    前記第１の積層体に含まれる繊維強化樹脂シートの繊維が、前記第１の稜線部をまたぐように配置されており、
    前記第１の積層体と前記第２の積層体との接続部は前記側面に設けられ、前記側面において前記第１の積層体及び前記第２の積層体のそれぞれの前記繊維強化樹脂シートの端部を交互にオーバーラップさせるとともに、前記第１の積層体又は前記第２の積層体の少なくとも一方の前記複数の繊維強化樹脂シートの端部をずらすことにより前記接続部の厚さを漸次変化させてなる、繊維強化樹脂複合材。
  2. 前記第１の積層体の前記複数の繊維強化樹脂シートの端部は、前記第２の稜線部に位置し、
    前記第２の積層体の前記複数の繊維強化樹脂シートは、前記第１の積層体の複数の繊維強化樹脂シートの端部を覆うように前記第２の稜線部をまたいで前記接続部に至るように配置される、請求項１に記載の繊維強化樹脂複合材。
  3. 前記側面において、前記第２の積層体に含まれる繊維強化樹脂シートの端部は、表層に近いほど前記圧縮面に近づく、請求項１又は２に記載の繊維強化樹脂複合材。
  4. 車体構造に用いられる長手方向を有する繊維強化樹脂複合材の製造方法であって、
    複数の繊維強化樹脂シートからなる第１の積層体と、複数の繊維強化樹脂シートからなる第２の積層体と、が前記長手方向に交差する方向に繋げられて閉断面を有する筒状体として構成され、前記筒状体は、車体の衝突時に主として圧縮応力を受ける圧縮面と、前記車体の衝突時に主として引張応力を受ける引張面と、前記圧縮面と前記引張面とを繋ぐ側面と、前記圧縮面と前記側面とにより形成される前記長手方向に沿う第１の稜線部と、前記引張面と前記側面とにより形成される前記長手方向に沿う第２の稜線部と、を有する繊維強化樹脂複合材の製造方法において、
    前記長手方向に略沿う方向に沿って配置された繊維に樹脂を含侵させた一方向材、及び、それぞれ前記長手方向に対して傾斜して互いに交差する複数の方向に沿って配置された繊維に樹脂を含侵させたクロス材を少なくとも含み、前記クロス材よりも前記一方向材の構成比率が高い前記第１の積層体からなる前記圧縮面を構成する複数の繊維強化樹脂シートと、前記一方向材及び前記クロス材を少なくとも含み、前記一方向材よりも前記クロス材の構成比率が高い前記第２の積層体からなる前記引張面を構成する複数の繊維強化樹脂シートと、を前記側面において前記第１の積層体及び前記第２の積層体のそれぞれの前記繊維強化樹脂シートの端部を交互にオーバーラップさせるとともに、前記第１の積層体又は前記第２の積層体の少なくとも一方の前記複数の繊維強化樹脂シートの端部をずらすことにより前記第１の積層体と前記第２の積層体との接続部の厚さが漸次変化するように繊維強化樹脂シートを積層する工程と、
    前記繊維強化樹脂シートを硬化させる工程と、
    を備える、繊維強化樹脂複合材の製造方法。
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