JPH01225538A - 複合材料用プリフォーム材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、炭素繊維強化プラスチック（ｃＦＲＰ）や
炭素繊維強化炭素（ｃＦＲＣ）　、炭素繊維強化金属（
ｃＦＲＭ＞等の複合材料を成形する際に使用するプリフ
ォーム材に関する。

［従来の技術］ 複合材料を成形する際に、炭素繊維織物等からなるシー
ト状補強基材を使用することがよくある。

その場合、たとえば米国特許筒４，６２２．２５４号明
細書に記載されているように、補強基材を積層し、縫糸
で一体に縫合してプリフォーム材としておくことがある
。そうすると、成形時に補強基材をいちいち積層する手
間が省けるばかりでなく、縫糸による、プリフォーム材
、ひいては複合材料の層間剪断強度や層間剥離強度等の
向上が期待できるからである。

ところで、そのようなプリフォーム材を製造するときに
使用する縫糸としては、ガラス繊維糸や、ポリエステル
繊維糸等の有機繊維糸が使われることもあるが、これら
は、吸水性が大きかったり、耐熱性が低かったり、複合
材料の、たとえばマトリクス樹脂との接着性が悪かった
り、炭素繊維との熱膨脹差が大きいために熱サイクル疲
労による複合材料の特性劣化があったり、強度や弾性率
等の力学的特性が劣っているなどの問題があるため、そ
のような心配の少ない炭素繊維糸の使用が最も好ましい
とされている。ところが、炭素繊維糸を単なる繊維束の
形態のまま使用すると、炭素繊維は大変脆いために、縫
合時に擦過によって単繊維切れを起こしたり、著しい毛
羽立ちを生じたりして、プリフォーム材、ひいては複合
材料の機械的特性や信頼性はなかなか向上しない。

［発明が解決しようとする課題］ この発明の目的は、従来のプリフォーム材の上述した問
題点を解決し、縫合時の単繊維切れや毛羽立ちの心配が
少ないゆえに、プリフォーム材、ひいては複合材料の機
械的特性を向上させることができ、また、信頼性を向上
させることができるプリフォーム材を提供するにおる。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、この発明においては、複数
枚の、炭素繊維からなるシート状補強基材が層状に配置
され、かつ、縫糸によって一体に縫合されており、上記
縫糸は、 （ａ＞　　炭素繊維束からなる複数本の単糸を有し、 （ｂ）　　上撚を有し、 （ｃ）　　ｉｊｉ度が３０００デニール以下であり、（
ｄ＞　　結節強度が１ｇ／デニール以上であり、各上記
単糸は、 （イ）　上記上撚とは逆方向の撚を有し、（ロ）　単１
維の繊度が０．５デニール以下であり、 （ハ）　単繊維の破断伸度が２．５％以上でおる、 ことを特徴とする複合材料用プリフォーム材が提供され
る。

この発明の詳細な説明するに、この発明のプリフォーム
材は、複数枚の、炭素繊維からなるシート状補強基材の
層状構成を有する。しかして、すべての補強基材は縫糸
によって一体に縫合されている。プリフォーム材の形状
は、通常、平板状であるが、そのような形状に限るもの
ではなく、用途等に応じて、たとえば、曲板状や、管状
や、Ｈ型、■型、Ｔ型等の型材形状など、いろいろな形
状を採ることができるものである。なお、補強基材は、
７１〜リクス、たとえば樹脂が含浸されたプリプレグで
あってもよい。

補強基材は、平織物、綾織物、朱子織物等の織物や、編
物、マットなどからなっている。織物の場合、通常の、
いわゆる２方向性織物のみならず、一方向性織物や、バ
イアス織物や、特公昭５７−５２２２１号公報に記載さ
れている、いわゆるノンクリンプ織物等を使用すること
ができる。また、編物は、たとえば特開昭５９−１５７
３６１号公報に記載されているような、複数本の炭素繊
維束を互いに並行かつシート状に引き揃えてなる糸条群
を、複数個、隣接する群間で炭素繊維束の方向が互いに
交差するように層状配置するとともに、編糸で編組織し
てなるようなものであってもよい。

これらの織物や編物、マット等からなる補強基材は、単
独で用いてもよく、組み合わせて用いてもよい。

補強基材が、特に織物や編物からなるものである場合、
それを構成している織糸ヤ編糸、つまり炭素繊維束は、
単繊維径にもよるが、単繊維数が３０００〜３００００
本程度であるのが好ましい。

また、炭素繊維束は、複合材料を成形する際のマトリク
スの含浸性を向上させるために、無撚でおるのが好まし
い。多くても、１５タ一ン／ｍ以下であるようにする。

また、ＪＩＳ　　Ｒ７６０１に規定される方法に準じて
測定した引張強度が３５０ＫＭｍｍ２以上、引張弾性率
が２０Ｘ１０３にｇ／ｍｍ２以上であるような、高強度
、高弾性率炭素繊維束であるのが好ましい。炭素繊維束
には、後述する縫糸もそうであるが、サイジング剤が付
与されていてもよい。なお、そのような炭素繊維束から
なる織糸や編糸として、繊度が５００〜３６ＯＯデニー
ル程度のものを用いることや、織物の場合、目付が、２
方向性織物で１６０〜４００ｇ／ｍ２、一方向性織物で
８０〜２００ｇ／ｍ２程度のものを用いることは、縫糸
による縫合時の形態安定性を向上させ、プリフォーム材
、ひいては複合材料の機械的特性を向上させるうえで好
ましいことである。

また、補強基材が織物や編物からなるものである場合に
は、それを構成している炭素繊維束が任意の方向を向く
ように積層する。たとえば、プリフォーム材、ひいては
複合材′１３１に疑似等方性を与えたい場合に・は、隣
接する補強基材間で、炭素繊維束の方向が、たとえば４
５°づつずれるように積層することができる。積層数は
任意に選び得るが、厚み方向中心からみたとき、炭素繊
維束の方向が鏡面対称になるようにすると、複合材料に
したときの反りが防止されるようになるので好ましい。

さて、層状に配置された補強基材は、上述したように、
縫糸によって一体に縫合されている。縫合は、単環縫い
か本縫いによって行われる。好ましいのは、プリフォー
ム材の中でよ糸と下糸とが絡み合わない単環縫いである
。縫合ピッチは、５〜２Ｑｍｍ程度でよい。また、縫合
は、通常、補強基材の全面にわたって５〜２０ｍｍ程度
の間隔で一様に行うが、要所、たとえば、端面に近い部
分や、孔を有するような場合にはその孔の周りにおいて
縫合間隔を密にするようなこともできる。

さて、縫糸は、繊度が３０００デニール以下であり、結
節強度が１ｇ／デニール以上であるものでなければなら
ない。このような縫糸を使用するのは、次のような理由
による。

すなわち、縫糸はプリフォーム材の面に位置することに
なるため、３０００デニールよりも太いと、プリフォー
ム材、ひいては複合材料の表面の凹凸が大きくなってマ
トリクス過多の部分ができやすくなり、機械的特性や信
頼性に優れた複合材料を得ることができなくなる。下限
は、縫糸として使用に耐えるのでおればいかほどでもよ
い。また、結節強度が１ｇ／デニールよりも低いような
縫糸では、縫合時に切れたり、切れないまでも単繊維切
れや毛羽立ちが著しくなって、やはり、プリフォーム材
、ひいては複合材料の機械的特性や信頼性が大きく低下
するようになる。なお、結節強度は、ＡＳＴＭ　　Ｄ　
　２２５６によって測定する。

また、縫糸は、炭素繊維束からなる複数本の単糸を有し
、かつ合撚による上撚を有している。しかして、上記単
糸は、上撚とは逆方向の撚を有する。このような上撚の
方向と単糸の撚の方向との関係は、単繊維を拘束して単
繊維切れや毛羽立ちを有効に防止するうえで、また、縫
糸自身の解撚トルクと単糸が縫糸に与える解撚トルクと
をバランスさせて縫糸のねじれを防止し、縫合操作を容
易にするうえで、また、製品間におけるばらつきを少な
くして複合材料の信頼性を向上させるうえで、さらには
、機械的特性に優れた複合材料を得るうえで必須の要件
である。単糸の好ましい撚数は、２０〜１８０タ一ン／
ｍの範囲で、かつ上撚数の０．１〜０．８倍である。

縫糸を構成している単糸は、単繊維の繊度が０゜５デニ
ール以下で、破断伸度が２．５％以上、好ましくは３．
５％以上でおるものでなければならない。すなわち、繊
度が０．５デニールを越えるような太い単繊維では、縫
合時の曲げによる発生応力が大きいために、単繊維切れ
や毛羽の発生を有効に防止することができなくなる。加
えて、単繊維切れや毛羽の発生の防止には、繊度が０．
５デニール以下であるということのみでは十分でなく、
破断伸度が２．５％以上であることも合わせて必要であ
る。すなわち、単繊維が縫合時に曲げられると、その単
繊維には引張と圧縮の応力が同時に発生することになる
が、引張と圧縮を繰り返し受けたときの単繊維切れや毛
羽の発生は、破断伸度が２．５％以上と大きい単繊維で
なければ防止することができない。

ここで、単繊維の破断伸度は、いわゆる単Ｉｌｉ維ルー
プ試験法によって測定する。この方法は、グリセリンを
１〜２滴たらしたガラス板上に単繊維をそれがループを
１回形成するように置き、その上にプレパラートを置き
、顕微鏡で上記ループを視野にとらえながら単繊維の両
端を一定速度で引張って破断させ、次式から求める方法
である。

ε＝１．０６６Ｘ　（ｄ１／ｄ２）Ｘ’ｌＯＯただし、
ε　：破断伸度（％〉 ｄｌ：単繊維の直径（μｍ） ｄ２：破断直前のループの平均直径 （μｍ〉 縫糸は、また、任意の一定長をみたとき、それを構成し
ている各単糸間に、長さのばらつき、いわゆる糸長差が
全くないか、あっても０．１％以内と非常に少ないもの
であるのが好ましい。そうすると、縫糸に作用する力が
各単糸に均一に加わるようになって、糸切れ等を防止す
ることができるようになるのはもちろん、複合材料の信
頼性や機械的特性をも向上させることができるようにな
る。

この発明のプリフォーム材は、たとえば、それにエポキ
シ樹脂や不飽和ポリエステル樹脂等の熱硬化性樹脂を含
浸し、加熱、加圧成形することによってＣＦＲＰとする
ことができる。また、たとえば、フェノール樹脂やフラ
ン樹脂、ピッチ等を含浸した俊、加熱、焼成して上記樹
脂やピッチ等を炭素化することによってＣＦＲＣとする
ことができる。ざらに、たとえば、型内でマトリクスと
なる金属の溶湯を含浸し、凝固させることによってＣＦ
ＲＭとすることができる。成形自体は、従来からよく知
られた方法によることができるものでおる。

（実施態様） 第１図において、プリフォーム材は、補強基材として、
７枚の、通常の２方向性炭素繊維織物１〜７を有する。

織物１〜７は、層状に配置されているが、織物１はその
経糸がプリフォーム材の長手方向に対してＯｏになるよ
うに配置されている。

同様に、織物２は４５°になるように、織物３はＯｏに
なるように、織物４は４５°になるように、織物５はＯ
ｏになるように、織物６は４５°になるように、織物７
はＯｏになるように、それぞれ配置されている。いわゆ
る疑似等方積層でおる。

しかして、このプリフォーム材は、厚み方向中心にある
織物４からみたとき、各織物の炭素繊維束の方向が鏡面
対称になっている。

積層された織物１〜７は、プリフォーム材の長手方向に
沿って延びる縫糸８によって単環縫いされ、一体に縫合
されている。この縫糸は、炭素繊維束からなる複数本の
単糸を有し、上撚を有し、繊度が３０００デニール以下
で、結節強度が１ｇ／デニール以上であって、かつ、各
単糸が、上撚とは逆方向の撚を有し、単繊維の繊度が０
．５デニール以下で、単繊維の破断伸度が２．５％以上
であるものである。

第２図は、上述した縫糸を示すもので、２本の単糸９．
１０を有する。単糸の撚はＳ撚であるが、上撚はＺ撚で
あり、撚方向が逆になっている。

（発明の効果） この発明の補強基材は、複数枚の、層状に配置されたシ
ート状補強繊維基材を、特定の構成をもつ縫糸、すなわ
ち、炭素繊維束からなる複数本の単糸を有し、上撚を有
し、繊度が３０００デニール以下で、活部強度が１ｇ／
デニール以上であって、各上記単糸が、上記上撚とは逆
方向の撚を有し、単繊維の繊度が０．５デニール以下で
、単繊維の破断伸度が２．５％以上でおる、単繊維切れ
や毛羽立ち、ねじれがほとんどない縫糸で縫合してなる
ものであるから、強度や弾性率といった機械的特性の優
れた複合材料を得ることができるようになる。また、縫
糸も炭素繊維からなっているから、複合材料の耐候性、
耐水性、耐熱性等も向上する。さらに、マトリクスの補
強作用をもつ炭素繊維束からなる縫糸がプリフォーム材
の厚み方向に延びているから、プリフォーム材、ひいて
は複合材料の層間剪断強度や層間剥離強度等の層間強度
も向上する。ざらにまた、上述した縫糸は、縫合操作が
容易であるから、信頼性に優れ、製品間における特性の
ばらつきの小さい複合材料を得ることができるようにな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明のプリフォーム材の一実施態様を示
す概略斜視図、第２図は、上記第１図に示した縫糸の概
略正面図である。 １：織物（シート状補強基材） ２：織物（シート状補強基材） ３：織物（シート状補強基材） ４：織物（シート状補強基材） ５：織物（シート状補強基材） ６：織物（シート状補強基材） ７：織物（シート状補強基材） ８：ｆｉ！糸 ９：単糸 １０：単糸

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数枚の、炭素繊維からなるシート状補強基材が
   層状に配置され、かつ、縫糸によつて一体に縫合されて
   おり、前記縫糸は、 （ａ）炭素繊維束からなる複数本の単糸を有し、 （ｂ）上撚を有し、 （ｃ）繊度が３０００デニール以下であり、 （し）結節強度が１ｇ／デニール以上であり、各前記単
   糸は、 （イ）前記上撚とは逆方向の撚を有し、 （ロ）単繊維の繊度が０．５デニール以下であり、 （ハ）単繊維の破断伸度が２．５％以上である、 ことを特徴とする複合材料用プリフォーム材。
2. （２）請求項（１）記載のプリフオーム材を有する複合
   材料。