JP7511601B2 - 炭素繊維強化プラスチック板および炭素繊維強化プラスチック板の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明の炭素繊維強化プラスチック板は、第1炭素繊維強化プラスチック層と、第2炭素繊維強化プラスチック層と、第3炭素繊維強化プラスチック層と、が積層しており、前記炭素繊維強化プラスチック板の表面は、前記第1炭素繊維強化プラスチック層および前記第3炭素繊維強化プラスチック層が配置されている。
本発明の炭素繊維強化プラスチック板の曲げ弾性率は、70GPa~150GPaである。70GPaは、アルミニウムに相当する曲げ弾性率であり、70GPa以上の曲げ弾性率の炭素繊維強化プラスチック板であれば、これを部品に加工することにより、アルミニウム製の部品をCFRP製の部品へ代替することができる。曲げ弾性率が70GPa未満の場合、強度が足りないため、アルミニウム製の部品をCFRP製の部品へ代替することができない。
炭素繊維織布は、炭素繊維を糸とし、糸を縦横に組み合わせて織った織物である。炭素繊維は、軽くて強いという長所があり、例えば鉄と比較すると比重で1/4倍、比強度で10倍、比弾性率が7倍ある。その他にも、耐摩耗性、耐熱性、熱伸縮性、耐酸性、電気伝導性に優れる。例えば、アクリル繊維またはピッチを原料とし、原料を高温で炭化して作ることが可能であり、炭素繊維としては有機繊維の前駆体を加熱炭素化処理して得られる、質量比で90%以上が炭素で構成される繊維が挙げられる。
炭素繊維不織布は、炭素繊維を織らずニードルパンチ法等によって3次元に絡み合わせたシート状の布である。炭素繊維の詳細については、(炭素繊維織布)の項目において説明した内容と同様であるため、ここでは説明は省略する。
CFRP板において、母材は炭素繊維の間隙を充填する材料であり、合成樹脂や天然樹脂を用いることができる。CFRP板としての強度を確保する観点から、エポキシ樹脂やウレタン樹脂等の熱硬化性樹脂を母材として用いることができる。また、炭素繊維との相溶性の点から、ポリブチレンサクシネート(PBS)やポリフェニレンサルファイド(PPS)も用いることができる。
第1炭素繊維強化プラスチック層は、ピッチ系炭素繊維織布および母材を有する層である。炭素繊維として織布を採用し、母材と組み合わせた複合材料層とすることで強靭な層となるため、強化層としてCFRP板の強度を確保することができる。
第2炭素繊維強化プラスチック層は、PAN系炭素繊維織布および/またはPAN系炭素繊維不織布ならびに母材を有する層である。炭素繊維と母材と組み合わせて、複合材料層とする。ピッチ系炭素繊維織布よりも安価なPAN系炭素繊維織布および/またはPAN系炭素繊維不織布を用いることで、曲げ弾性率を70GPa~150GPaの範囲内としつつ、CFRP板のコストを抑えることができる。
第3炭素繊維強化プラスチック層は、ピッチ系炭素繊維織布および母材を有する層である。炭素繊維として織布を採用し、母材と組み合わせた複合材料層とすることで強靭な層となるため、強化層としてCFRP板の強度を確保することができる。
本発明の炭素繊維強化プラスチック板は、これまで説明した第1炭素繊維強化プラスチック層~第5炭素繊維強化プラスチック層に加え、他の構成を備えてもよい。例えば、第1炭素繊維強化プラスチック層、第2炭素繊維強化プラスチック層および第3炭素繊維強化プラスチック層を接着して積層する場合には、これらの層の間に母材との相性の良い樹脂系の接着剤層を備えることができる。また、第1炭素繊維強化プラスチック層や第3炭素繊維強化プラスチック層の表面に傷が発生したり、表面が汚染されないよう、炭素繊維強化プラスチック板を使用する直前まで表面を保護する保護層や保護フィルム等を備えてもよい。
次に、上記した本発明の炭素繊維強化プラスチック板について、その製造方法を説明する。
硬化工程は、母材を含浸させたピッチ系炭素繊維織布、PAN系炭素繊維織布および/またはPAN系炭素繊維不織布を硬化させる工程である。例えば母材が熱硬化性樹脂であれば、加熱させることで硬化させることができる。また、熱可塑性樹脂であれば、この樹脂を加熱溶融させた状態で、ピッチ系炭素繊維織布、PAN系炭素繊維織布および/またはPAN系炭素繊維不織布に含浸させた後に、常温まで冷却することで硬化させることができる。
本発明では、硬化工程後、第1炭素繊維強化プラスチック層および/または第3炭素繊維強化プラスチック層をフライス加工する工程を設けてもよい、CFRP板の表面平滑性を向上させるべく、例えば表面の平面度は100mmあたり0.005~0.05mmにする場合には、フライス加工を行えばよい。
本発明の炭素繊維強化プラスチック板の製造方法は、硬化工程やフライス加工工程に加え、他の構成を備えてもよい。例えば、上記した炭素繊維の織布と不織布を積層する工程や、積層した炭素繊維へ母材を含浸させる含浸工程が挙げられる。
(実施例1)
金型(内部寸法:500×500×12mm)内にピッチ系炭素繊維織布(日本グラファイトファイバー株式会社製 PF-XN80-400を7層重ね、さらにPAN系炭素繊維織布(FORMOSA株式会社製 ECCF)を28層重ね、さらにピッチ系炭素繊維織布(日本グラファイトファイバー株式会社製 PF-XN80-400)を7層重ねて、ピッチ系-PAN系-ピッチ系の3層構造とした炭素繊維を金型に配置した。そして、エポキシ樹脂主剤(ハンツマン株式会社 Araldite LY3585)と硬化剤(ハンツマン株式会社 Aradur 3475)を質量比で100:21の割合で混合した樹脂を、80℃に加熱して密閉した金型内に注入した。そして、混合した樹脂の注入後、80℃で10分の加熱硬化を行った。これらの工程により、第1炭素繊維強化プラスチック層10と、第2炭素繊維強化プラスチック層20と、第3炭素繊維強化プラスチック層30が積層した3層構造からなる積層体を備える、実施例1の炭素繊維強化プラスチック板100を得た。
金型(内部寸法:500×500×12mm)内にPAN系炭素繊維織布(FORMOSA株式会社製 ECCF)を42層重ね、単一層構造とした炭素繊維を金型に配置した。そして、エポキシ樹脂主剤(ハンツマン株式会社 Araldite LY3585)と硬化剤(ハンツマン株式会社 Aradur 3475)を質量比で100:21の割合で混合した樹脂を、80℃に加熱して密閉した金型内に注入した。そして、混合した樹脂の注入後、80℃で10分の加熱硬化を行った。これらの工程により、単一層からなる比較例1の炭素繊維強化プラスチック板を得た。
金型(内部寸法:500×500×12mm)内にピッチ系炭素繊維織布(日本グラファイトファイバー株式会社製 PF-XN80-400)を28層重ね、単一層構造とした炭素繊維を金型に配置した。そして、エポキシ樹脂主剤(ハンツマン株式会社 Araldite LY3585)と硬化剤(ハンツマン株式会社 Aradur 3475)を質量比で100:21の割合で混合した樹脂を、80℃に加熱して密閉した金型内に注入した。そして、混合した樹脂の注入後、80℃で10分の加熱硬化を行った。これらの工程により、単一層からなる比較例2の炭素繊維強化プラスチック板を得た。
金型(内部寸法:500×500×12mm)内にPAN系炭素繊維不織布(日本ポリマー産業株式会社 CFZ-500SE)を13層重ね、単一層構造とした炭素繊維を金型に配置した。そして、エポキシ樹脂主剤(ハンツマン株式会社 Araldite LY3585)と硬化剤(ハンツマン株式会社 Aradur 3475)を質量比で100:21の割合で混合した樹脂を、80℃に加熱して密閉した金型内に注入した。そして、混合した樹脂の注入後、80℃で10分の加熱硬化を行った。これらの工程により、単一層からなる比較例1の炭素繊維強化プラスチック板を得た。
実施例1、比較例1~3のCFRP板について、JIS K7074に基づき以下の条件にて曲げ試験を実施した。
試験速度:5mm/分
支点間距離L:L=40×h(80mm)
圧子の半径R1:R1=5mm
支持台の半径R2:R2=2mm
曲げ弾性率:接線法
製造した実施例1の炭素繊維強化プラスチック板100を3体使用し、第1炭素繊維強化プラスチック層10の表面に対し、第1炭素繊維強化プラスチック層10の厚さが10mmとなるまで、以下の条件によりフライス加工を行った。また、比較例1~3のCFRP板についても3体使用し、実施例1のCFRP板と同条件のフライス加工を行った。
装置:スクリューオン式汎用正面フライス(三菱マテリアル製)
カッタ型式:ASX44R10005D
インサート:SEGT13T3AGFN-JP HTi10
回転数:S=615min-1(V=193m/min)
送り速度:F=369mm/min
実施例1においては、曲げ弾性率が70GPa以上の条件を満たし、フライス加工後の100mmあたりの平面度は0.033mmで平面性は非常に高く、また、切削加工性および原価の評価はいずれも〇の評価であった。そのため、実施例1の炭素繊維強化プラスチック板は、アルミニウムに相当する曲げ弾性率を有し、切削加工性も満たすと共に、コストを抑えることのできる、炭素繊維強化プラスチック板であることは明らかである。
図3は、CFRP板100の厚み100Hに対する第1CFRP層10の厚み10Hと第3CFRP層30の厚み30Hの合計の割合を変化させたCFRP板100を作成し、そのCFRP板100の曲げ弾性率を測定した結果である。測定に用いたCFRP板は、上記の割合を変えた以外は全く同じ条件で作成した。X軸がCFRP板100の厚み100Hに対する第1CFRP層10の厚み10Hと第3CFRP層30の厚み30Hの合計の割合(式と符号で示すと、((10H+30H)/100H)×100(%))である。Y軸が上記と同条件により測定した曲げ弾性率の値である。
このように、本発明の炭素繊維強化プラスチック板であれば、加工性、加工後の平滑性および強度を満足することができる。そして、このような炭素繊維強化プラスチック板をより安価に提供することができる。そのため、例えばプレス金型のダイセット部品等に利用可能であり、従来のアルミニウム製プレートと比べると重量は半分以下で、高速駆動する金型部品等に用いる等すれば、位置決め精度を高めることができる。
20 第2炭素繊維強化プラスチック層
30 第3炭素繊維強化プラスチック層
40 第4炭素繊維強化プラスチック層
50 第5炭素繊維強化プラスチック層
100 炭素繊維強化プラスチック板
110 炭素繊維強化プラスチック板
10H 第1炭素繊維強化プラスチック層10の厚み
20H 第2炭素繊維強化プラスチック層20の厚み
30H 第3炭素繊維強化プラスチック層30の厚み
100H 炭素繊維強化プラスチック板100の厚み
110H 炭素繊維強化プラスチック板110の厚み
Claims (10)
- 炭素繊維強化プラスチック板であって、
ピッチ系炭素繊維織布および母材を有する第1炭素繊維強化プラスチック層と、
PAN系炭素繊維織布および/またはPAN系炭素繊維不織布ならびに母材を有する第2炭素繊維強化プラスチック層と、
ピッチ系炭素繊維織布および母材を有する第3炭素繊維強化プラスチック層と、が積層しており、
前記炭素繊維強化プラスチック板の表面は、前記第1炭素繊維強化プラスチック層および前記第3炭素繊維強化プラスチック層が配置されており、
前記第1炭素繊維強化プラスチック層の厚みと前記第3炭素繊維強化プラスチック層の厚みの比が4~6:6~4であり、
前記炭素繊維強化プラスチック板の曲げ弾性率が70GPa~150GPaであり、
前記母材が熱硬化性樹脂である、
炭素繊維強化プラスチック板。 - 順に、前記第1炭素繊維強化プラスチック層と、前記第2炭素繊維強化プラスチック層と、前記第3炭素繊維強化プラスチック層と、が積層した3層構造からなる積層体を備える、請求項1に記載の炭素繊維強化プラスチック板。
- 炭素繊維強化プラスチック板の厚みに対する前記第1炭素繊維強化プラスチック層の厚みと前記第3炭素繊維強化プラスチック層の厚みの合計の割合が、10%~60%である、請求項1に記載の炭素繊維強化プラスチック板。
- 前記第1炭素繊維強化プラスチック層において、炭素繊維織布の繊維体積含有率が40~60体積%であり、
前記第2炭素繊維強化プラスチック層において、炭素繊維織布および/または炭素繊維不織布の繊維体積含有率が40~60体積%であり、
前記第3炭素繊維強化プラスチック層において、炭素繊維織布の繊維体積含有率が40~60体積%である、請求項1に記載の炭素繊維強化プラスチック板。 - 厚みが10mm~100mmである、請求項1に記載の炭素繊維強化プラスチック板。
- 前記第1炭素繊維強化プラスチック層の厚みと前記第3炭素繊維強化プラスチック層の厚みの比が5:5である、請求項1に記載の炭素繊維強化プラスチック板。
- 前記第1炭素繊維強化プラスチック層と前記第3炭素繊維強化プラスチック層は、同じピッチ系炭素繊維織布および同じ母材からなり、炭素繊維織布の繊維体積含有率が同じである、請求項6に記載の炭素繊維強化プラスチック板。
- 前記第1炭素繊維強化プラスチック層および前記第3炭素繊維強化プラスチック層の平面度は、100mmあたり0.005~0.05mmである、請求項1に記載の炭素繊維強化プラスチック板。
- 請求項1に記載の炭素繊維強化プラスチック板の製造方法であって、
母材を含浸させたピッチ系炭素繊維織布、PAN系炭素繊維織布および/またはPAN系炭素繊維不織布を硬化させる硬化工程を含む、炭素繊維強化プラスチック板の製造方法。 - 前記硬化工程後、前記第1炭素繊維強化プラスチック層および/または前記第3炭素繊維強化プラスチック層をフライス加工するフライス加工工程を含む、請求項9に記載の炭素繊維強化プラスチック板の製造方法。
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