JP7473416B2

JP7473416B2 - 繊維強化複合材料の製造方法

Info

Publication number: JP7473416B2
Application number: JP2020129348A
Authority: JP
Inventors: 幸一稲沢; 路治石井; 拓也新谷
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Priority date: 2020-07-30
Filing date: 2020-07-30
Publication date: 2024-04-23
Anticipated expiration: 2040-07-30
Also published as: JP2022026067A

Description

本願は繊維強化複合材料の製造方法を開示する。

特許文献１には、シート状のＣＦＲＰ層（プリプレグ層）を形成し、複数のＣＦＲＰ層の間に樹脂が未含浸の不織布を介装してプリプレグ積層体を形成し、当該プリプレグ積層体を加圧成形することにより、表面平滑性に優れるＳＭＣ成形品を得る技術が開示されている。特許文献２にも、平滑性に優れる繊維強化プラスチック部材を得る技術が開示されている。

特開２００８－２４６９８１号公報特開２００７－０９０８１１号公報

ＳＭＣ成形品においては部分的な強度が必要とされる場合がある。この場合、樹脂部品においてはリブの形成や厚肉化等によって強度向上を図るが、成形品の配置やスペース等の制約上、リブの形成や厚肉化等を実施することができない場合がある。また、ＳＭＣ成形品の場合は、リブにカーボンが入りにくい、肉厚化しても、層間の密着が悪く強度向上が図りづらいという課題がある。

本願は上記課題を解決するための手段の一つとして、
強化繊維材料に樹脂を含浸してなる少なくとも２つのプリプレグ層を、樹脂を含浸していない炭素繊維不織布を介在させつつ積層して、プリプレグ積層体を得ること、及び、
前記プリプレグ積層体を加圧すること、
を含み、
前記炭素繊維不織布の目付が２００ｇ／ｍ^２以上３００ｇ／ｍ^２以下であり、
前記少なくとも２つのプリプレグ層の間において、前記プリプレグ層の全面のうちの一部にのみ、前記炭素繊維不織布を介在させる、
繊維強化複合材料の製造方法
を開示する。

本開示の技術によれば繊維強化複合材料の強度を部分的に向上可能である。

加圧前のプリプレグ積層体の構成の一例を概略的に示している。加圧後のプリプレグ積層体の構成の一例を概略的に示している。

図１及び２に示されるように、本開示の繊維強化複合材料の製造方法は、強化繊維材料に樹脂を含浸した少なくとも２つのプリプレグ層１０を、樹脂を含浸していない炭素繊維不織布２０を介在させつつ積層して、プリプレグ積層体３０を得ること（図１）、及び、プリプレグ積層体３０を加圧すること（図２）、を含む。本開示の製造方法においては、炭素繊維不織布２０の目付は２００ｇ／ｍ^２以上３００ｇ／ｍ^２以下である。また、本開示の製造方法においては、少なくとも２つのプリプレグ層１０の間において、プリプレグ層１０の全面のうちの一部にのみ、炭素繊維不織布２０を介在させる。

１．積層
図１に示されるように、本開示の製造方法においては、強化繊維材料に樹脂を含浸した少なくとも２つのプリプレグ層１０を、樹脂を含浸していない炭素繊維不織布２０を介在させつつ積層して、プリプレグ積層体３０を得る。

１．１プリプレグ層
プリプレグ層１０は、強化繊維材料に樹脂を含浸してなる。プリプレグ層１０は、従来のＳＭＣ成形品に用いられるプリプレグ層と同様のものであってもよい。図１に示されるように、プリプレグ層１０は、シート状であってよい。プリプレグ層１０は、積層方向と交差する方向に表面及び裏面を有し得る。プリプレグ層１０の厚みや大きさや形状は特に限定されるものではなく、目的とする用途に応じて適宜決定されればよい。複数のプリプレグ層１０は、厚みや大きさや形状が互いに同じであっても、異なっていてもよい。

プリプレグ層１０を構成する強化繊維材料の形態は特に限定されるものではない。例えば、無機繊維、有機繊維、金属繊維、又は、これらの組み合わせが挙げられる。具体的には、炭素繊維、ガラス繊維、炭化ケイ素繊維、アルミナ繊維、炭化タングステン繊維、ボロン繊維、バサルト繊維、アラミド繊維、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール繊維、ポリアリレート繊維、ポリフェニレンサルファイド繊維、ポリイミド繊維、フッ素樹脂繊維、ステンレス鋼繊維、鉄繊維等である。これらの中でも、例えば、炭素繊維は強度が高く軽量である。炭素繊維は、ＰＡＮ系炭素繊維であっても、ピッチ系炭素繊維であってもよい。特に、ＰＡＮ系炭素繊維は強度と弾性率のバランスに優れる。また、プリプレグ層１０に用いられる強化繊維材料はチョップドファイバーであってもよい。プリプレグ層１０に占める強化繊維材料の体積分率（Ｖｆ値）は特に限定されるものではなく、目的とする強度等に応じて適宜決定されればよい。

プリプレグ層１０を構成する樹脂（マトリックス樹脂）の種類は特に限定されるものではなく、各種硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、又は、これらの組み合わせであってもよい。硬化性樹脂は例えば熱硬化性樹脂であってよい。硬化性樹脂や熱可塑性樹脂の種類は特に限定されるものではなく、繊維強化複合材料の用途等に応じて適宜決定されればよい。硬化性樹脂を用いる場合において、当該硬化性樹脂そのものが低粘度である場合は、当該硬化性樹脂に上記の強化繊維材料を浸漬すること等によってプリプレグ層１０を得てもよい。或いは、硬化性樹脂が高粘度である場合は、当該硬化性樹脂を溶媒に溶解して低粘度化したうえで強化繊維材料を浸漬すること等によってプリプレグ層１０を得てもよい。一方、熱可塑性樹脂を用いる場合は、加熱によって低粘度化させた熱可塑性樹脂に強化繊維材料を浸漬すること等によってプリプレグ層１０を得てもよい。その他に、強化繊維材料に対して樹脂の塗付、転写、噴霧等を行うことでプリプレグ層１０を得てもよい。低粘度化された状態における樹脂の粘度（後述する加圧時の樹脂の粘度であってもよい）は特に限定されるものではないが、例えば、０．００１～１００Ｐａ・ｓであってもよい。

プリプレグ層１０は、必要に応じて種々の添加剤を含んでいてもよい。添加剤としては、例えば、各種モノマーやポリマー、セラミックスや金属粉末などの充填剤、顔料や染料などの着色剤、相溶化剤、分散剤、耐候剤、紫外線吸収剤、導電材、増粘剤、帯電防止剤などが挙げられる。

１．２炭素繊維不織布
本開示の繊維強化複合材料の製造方法においては、上記のプリプレグ層１０の間に炭素繊維不織布２０を挟み込む。炭素繊維不織布２０は、ガラス繊維等の炭素繊維以外の強化繊維からなる不織布と比べて、高強度且つ軽量である。

炭素繊維不織布２０はプリプレグ層１０の間に介在させる前において樹脂に含浸していない。後述する加圧時に、プリプレグ層１０を構成する樹脂の一部が炭素繊維不織布２０に浸透することで、プリプレグ層１０と炭素繊維不織布２０とが一体化され得る。

炭素繊維不織布２０を構成する炭素繊維は、ＰＡＮ系炭素繊維であっても、ピッチ系炭素繊維であってもよい。特に、ＰＡＮ系炭素繊維は、強度と弾性率のバランスに優れる。炭素繊維の長さ、断面形状、断面の大きさは特に限定されるものではないが、繊維の長さについては、繊維が絡まりやすい２５ｍｍ以上５０ｍｍ以下程度が望ましい。炭素繊維不織布２０は、炭素繊維のみからなっていてもよいし、炭素繊維と他の繊維とが組み合わされてなるものであってもよい。例えば、炭素繊維不織布２０において、炭素繊維が繊維状バインダーによって結着されていてもよい。炭素繊維不織布２０は、炭素繊維の含有量が８０体積％以上であってもよい。

炭素繊維不織布２０は不織布として種々の形態を採り得る。例えば、カーディングによって炭素繊維が絡まったものや、湿式で形成したものであってもよい。

炭素繊維不織布２０は、その目付が少な過ぎると、品質のばらつき等によって繊維が不足する部位が発生し、そこに強度が不足することがある。また、その目付が多過ぎると、不織布が厚くなり過ぎ、プリプレグ層１０との一体成形の際に樹脂が浸透し難くなる。本発明者の知見では、特に、炭素繊維不織布２０の目付が２００ｇ／ｍ^２以上３００ｇ／ｍ^２以下の場合に、顕著に高い強度を確保しつつ、樹脂の浸透性を高めることができる。炭素繊維不織布２０の目付は、２００ｇ／ｍ^２超又は２２０ｇ／ｍ^２以上であってもよく、３００ｇ／ｍ^２未満又は２８０ｇ／ｍ^２以下であってもよい。当該目付は、少なくとも、１８０ｇ／ｍ^２以上３２０ｇ／ｍ^２以下、特に、２２０ｇ／ｍ^２以上２８０ｍ^２以下が望ましい。

１．３プリプレグ積層体
本開示の製造方法においては、少なくとも２つのプリプレグ層１０の間において、プリプレグ層１０の全面のうちの一部にのみ、炭素繊維不織布２０を介在させる。すなわち、図１に示されるように、プリプレグ積層体３０において、２つのプリプレグ層１０は、その全面のうち炭素繊維不織布２０と接触している領域と、炭素繊維不織布２０とは接触していない領域とを有してもよい。本開示の製造方法においては、このように、プリプレグ層１０の間において、炭素繊維不織布２０を部分的に介在させることで、繊維強化複合材料を部分的に補強することができる。プリプレグ積層体３０において、炭素繊維不織布２０は、プリプレグ層１０の面に対して直接接触していてよい。

図１には、プリプレグ積層体３０において、２つのプリプレグ層１０の間に１つの炭素繊維不織布２０を部分的に介在させた形態を示したが、プリプレグ積層体の形態はこれに限定されるものではない。プリプレグ積層体３０は、その全体の中の少なくとも一部に、プリプレグ層１０の間に炭素繊維不織布２０を部分的に介在させた部分があればよい。例えば、３つ以上のプリプレグ層１０を積層する場合、これらの間の各々に炭素繊維不織布２０を部分的に介在させてもよい。或いは、３つ以上のプリプレグ層１０を積層する場合、プリプレグ層１０の間のうち少なくとも１つの間にのみ炭素繊維不織布２０を部分的に介在させてもよい。例えば、プリプレグ層１０の間に炭素繊維不織布２０が部分的に介在した部分に加えて、炭素繊維不織布２０が介在せずにプリプレグ層１０の全面同士が密着する部分があってもよいし、或いは、プリプレグ層１０の全面に亘って炭素繊維不織布２０が介在する部分があってもよい。また、プリプレグ積層体３０において、プリプレグ層１０の間に介在させる炭素繊維不織布２０の数は１つに限られず、面方向や積層方向に２つ以上の炭素繊維不織布２０を介在させていてもよい。

上述したように、本開示の製造方法においては、プリプレグ層１０の間において、炭素繊維不織布２０を、補強のために部分的に介在させる。すなわち、プリプレグ積層体３０において炭素繊維不織布２０が存在する部分は、繊維強化複合材料のうち、補強が必要と判断される部分と対応する。繊維強化複合材料において補強が必要と判断される部分は、その用途等に応じて適宜決定されればよい。

２．加圧
図２に示されるように、本開示の製造方法においては、プリプレグ積層体３０を加圧することにより、プリプレグ層１０と炭素繊維不織布２０とを一体化し得る。例えば、プリプレグ層１０の積層方向に向かって加圧することで、プリプレグ層１０を構成する樹脂の一部を炭素繊維不織布２０へと浸透させ、プリプレグ層１０と炭素繊維不織布２０とを一体化することができる。加圧の形態は特に限定されるものではない。図２に示されるような、プレス型４０、５０を用いたプレス成形に限られず、種々の方法によってプリプレグ積層体３０を加圧すればよい。加圧の際の圧力も特に限定されず、ボイドの回避や目的とする強度等に応じて適宜決定されればよい。

３．その他
本開示の製造方法においては、加圧と同時に加熱してもよい。加圧及び加熱によって、例えば、プリプレグ積層体３０に含まれる熱可塑性樹脂を低粘度化させて、炭素繊維不織布２０へと浸透させ易くなる。或いは、加圧及び加熱によって、例えば、プリプレグ積層体３０を成形すると同時に、プリプレグ積層体３０に含まれる熱硬化性樹脂を硬化することができる。

本開示の方法により製造される繊維強化複合材料は、上記の積層及び加圧に係る工程を経て製造されたものであればよい。繊維強化複合材料が硬化樹脂を含む場合、当該硬化樹脂は硬化反応前の状態であってもよいし、硬化反応後の状態であってもよい。また、繊維強化複合材料は、上記のプリプレグ積層体に由来する部分に加えて、その他の層や材料を備えていてもよい。また、上記の積層及び加圧に係る工程を経て一体化された繊維強化複合材料をさらに樹脂に含浸させてもよい。また、上記の積層及び加圧に係る工程を経て一体化された繊維強化複合材料を別の形に成形してもよい。

以上の通り、本開示の製造方法によれば、プリプレグ層１０の間に炭素繊維不織布２０を部分的に介在させることで、繊維強化複合材料の強度を部分的に向上させることができる。本開示の製造方法においては、例えば、リブの形成や厚肉化といった形状変化を伴う補強法を採用しなくてもよい。また、本開示の製造方法によれば、炭素繊維不織布の目付量を所定範囲内とすることで、炭素繊維不織布２０の不足部分が生じ難く、且つ、プリプレグ層１０と炭素繊維不織布２０とを適切に一体化することができ、繊維強化複合材料の強度を部分的により顕著に向上させることができる。

尚、プリプレグ層における強化繊維材料を増加させることで、繊維強化複合材料の全体としての強度を向上させることもあり得るが、この場合、コストアップや成形性の問題が生じ易くなる。これに対し、本開示の製造方法においては、プリプレグ層１０における強化繊維材料の量を増加させずとも、プリプレグ層１０の間に炭素繊維不織布２０を部分的に介在させることで、繊維強化複合材料の強度を部分的に向上させることができることから、コストアップや成形性の問題も生じ難い。

１．実施例１
図１に示されるように、２つのＳＭＣプリプレグ（マトリックス樹脂：ビニルエステル、強化繊維材料：ＰＡＮ系炭素繊維、Ｖｆ：４０％、厚み：２ｍｍ）の間に、ＰＡＮ系炭素繊維不織布（繊維長５０ｍｍ）を部分的に介在させてプリプレグ積層体を得た。ＰＡＮ系炭素繊維不織布の目付は２００ｇ／ｍ^２であった。得られたプリプレグ積層体をプレス金型によって１５０℃、５ＭＰａで加熱加圧硬化する工程を経て、評価用の成形品を得た。

２．実施例２
目付が３００ｇ／ｍ^２であるＰＡＮ系炭素繊維不織布を用いたこと以外は、実施例１と同様にして評価用の成形品を得た。

３．比較例１
ＰＡＮ系炭素繊維不織布を介在させずに、２つのＳＭＣプリプレグのみを直接積層して実施例１と同様にして評価用の成形品を得た。

４．評価結果
実施例１、２及び比較例１の各々の成形品に対して常温３点曲げ強度を測定した。尚、実施例１、２については、ＰＡＮ系炭素繊維不織布を配置した部分の曲げ強度を測定した。結果を下記表１に示す。下記表１では、比較例１に係る曲げ強度を基準（１００）として、実施例１、２に係る曲げ強度を相対化した。

表１に示される通り、ＳＭＣプリプレグの間に炭素繊維不織布を部分的に介在させることで、炭素繊維不織布を介在させなかった場合と比較して、当該部分における曲げ強度を約２倍に顕著に増加させることができた。

本発明者は炭素繊維不織布の目付についても検討した。その結果、炭素繊維不織布の目付が２００ｇ／ｍ^２を大きく下回ると、炭素繊維不織布を部分的に介在させたとしても、当該部分の強度向上効果がみられない傾向にあった。また、炭素繊維不織布の目付が３００ｇ／ｍ^２を大きく上回ると、ＳＭＣプリプレグから炭素繊維不織布に樹脂が浸透し難くなり、プリプレグ積層体を一体化することが難しくなる傾向にあった。

以上の通り、（１）少なくとも２つのプリプレグ層の間において、プリプレグ層の全面のうちの一部にのみ、炭素繊維不織布を介在させること、及び、（２）目付が２００ｇ／ｍ^２以上３００ｇ／ｍ^２以下の炭素繊維不織布を用いること、によって、繊維強化複合材料の強度を部分的に顕著に向上させることが可能といえる。

１０プリプレグ層
２０炭素繊維不織布
３０プリプレグ積層体
４０、５０プレス型

Claims

強化繊維材料に樹脂を含浸してなる少なくとも２つのプリプレグ層を、樹脂を含浸していない炭素繊維不織布を介在させつつ積層して、プリプレグ積層体を得ること、及び、
前記プリプレグ積層体を加圧すること、
を含み、
前記炭素繊維不織布の目付が２００ｇ／ｍ^２以上３００ｇ／ｍ^２以下であり、
前記少なくとも２つのプリプレグ層の間において、前記プリプレグ層の全面のうちの一部にのみ、前記炭素繊維不織布を介在させる、
繊維強化複合材料の製造方法。