JPH022986B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、繊維強化複合材料等として利用する
ための三次元的多層構造繊維配列基材を製造する
方法及びその装置に関するものである。

［従来の技術］ 単一の素材では十分な強度を得ることのできな
い樹脂などの素材を、繊維や織物などの強化用繊
維集合体（いわゆる基材）で強化する繊維強化複
合材料の製造に際し、強化される素材（いわゆる
マトリツクス）に対する繊維の充填率が大きく、
比較的高強度の複合材料を得るために多用されて
いる強化法に、ロービングのような連続繊維束を
巻取るフイラメントワインデイング方式や、織物
を所要の厚さに積層して用いる織物積層方式など
がある。

これらの方式による複合材料は、繊維の配列方
向に大きな強度が得られる反面、ロービングや織
物を所要の厚さに積み重ねた積層構造であるた
め、ロービングとロービングまたは織物との織物
との間の結合力（層間強度）が小さく、ロービン
グや織物の積層面に直角な方向に作用する剥離力
や、積層された面と直角な方向に作用するせん断
力に対して抵抗力が小さく、積層面での剥離やす
べりを生じ易い欠点を有している。

このような欠点を補つた強化用基材として、所
要の厚さに積層した織物をミシンによつて縫合し
た多層織物や、織物の厚さの方向にも糸やロービ
ングを織り込んだ三次元織物が提案されている。
しかし、ミシンを用いた縫合方式では、縫合に際
して織物を貫通する針により積層織物の繊維及び
縫合用の繊維が切断され、あるいは、ミシンを用
いることに起因して縫合する織物の厚さが制約さ
れるとか、縫合用の繊維によつて積層した織物が
締め付けられたり、その繊維配列が乱されたりす
るなどの欠点を有している。また、上記三次元織
物においては、糸やロービングを三次元的に組織
する製織動作が煩雑であり、そのための装置も複
雑化して、高速化や自動化に際して大きな障害と
なる。さらに、機構上、織物の形状や大きさに対
する多様化が得がたいなどの欠点がある。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明の技術的課題は、積層された繊維集合体
の厚さの方向にも繊維を配列するに際して、ジエ
ツト流を用いた流体的手法により短繊維を挿入し
て三次元的繊維配列化を行い、それによつて繊維
の損傷が少なく、また製品の大きさや厚さ、形状
についての制約が少なく、簡単な装置で製品形状
についての多様性が得られ、さらに従来例に比し
て高速化や自動化を図ることも容易な方法及び装
置を得ることにある。

［課題を解決するための手段］ 上記課題を解決するための本発明の三次元的多
層構造繊維配列基材の製造方法は、ロービングや
編織物を積層してなる積層基材上に、短繊維から
なる層間強化用繊維のウエブを積層し、この積層
体に高圧ジエツト流を作用させることにより、層
間強化用繊維を積層基材の積層面に対して直角な
方向に配向して該積層基材内にランダムに挿入
し、積層基材の層間に該層間強化用繊維による連
接状態を与えることを特徴とし、また上記積層基
材を多段に重ねて、それらに対し層間強化用繊維
による連接状態を与えることを特徴とするもので
ある。

さらに、本発明の三次元的多層構造繊維配列基
材の製造装置は、ロービングや編織物を積層して
なる積層基材上に、短繊維からなる層間強化用繊
維のウエブを積層する手段と、上記積層基材とウ
エブからなる積層体を支持する支持体と、上記支
持体上に載置した積層体に対してその積層面に直
角な方向に高圧ジエツト流を作用させるノズルと
を備えたことを特徴とし、また上記積層基材を多
段に重ねて、それらに対し層間強化用繊維による
連接状態を与えることを可能にしたことを特徴と
するものである。

［作用］ ロービングや編織物からなる積層基材の上に層
間強化用繊維のウエブを積層した積層体に、高圧
ジエツトを作用させると、層間強化用繊維が積層
基材内にその積層面に対して直角の方向に配向し
て挿入され、積層基材の層間に層間強化用繊維に
よる連接状態が与えられる。

それによつて、繊維の損傷が少なく、また製品
の大きさや厚さ、形状についての制約が少なく、
簡単な装置で製品形状についての多様性が得ら
れ、さらに従来例に比して高速化や自動化を図る
ことも容易な三次元的多層構造繊維配列基材の製
造方法及び装置を得ることができる。

［実施例］ 以下、図面に基づいて本発明の方法及び装置を
詳細に説明する。

本発明に係る三次元的多層構造繊維配列基材
は、第１図ないし第３図からわかるように、ロー
ビングや織物の単位積層材２を多層に積層してな
る積層基材１上に、短繊維からなる層間強化用繊
維３，３，…のウエブ４を積層して、その上から
全面的に高圧のジエツト流１２を作用させ、多数
の層間強化用繊維３，３，…を積層基材１の積層
面に対して直角な方向にランダムに挿入すること
により得られるものである。

第３図は、本発明によつて製造された三次元的
多層構造繊維配列基材の構成例を模式的に示すも
ので、この三次元的多層構造繊維配列基材は、単
位積層材２を多層に積層してなる積層基材１内
に、その積層面に対して直角な方向に配向した多
数の短繊維からなる層間強化用繊維３，３，…を
ランダムに挿入し、それによつて積層基材１の各
層間に該層間強化用繊維３，３，…による優れた
連接状態を与えている。

上記積層基材１を構成する繊維としては、各種
複合材料用強化繊維を、例えば、炭素繊維やガラ
ス繊維などの無機繊維、ポリアミドや高延伸ポリ
エチレンなどの有機繊維、さらには、ステンレ
ス、チタンなどの金属繊維等を用いることができ
る。

また、積層基材１としては、それらの繊維から
なるチヨツプドストランド、ロービング、編織物
を用いることができる。チヨツプドストランドの
場合は、マツト状に成形したチヨツプドストラン
ド・マツトを多数枚積層したものが使用される。
ロービングの場合は、通常のフイラメントワイン
デイングの手法によつて、直接円筒状支持体（第
１図及び第２図参照）に所要数の層に巻き取つて
使用される。この場合、ロービングの配向角を製
品の要求性能に合せることができる。

積層基材１として用いる編織物は、平織、朱子
織りなどの各種織物、並びに織物であり、これら
の編織物を、織物の配向方向を考慮して、糸軸の
方向を変えて積層することにより、製品の性能に
合せた等方性、異方性が得られる。

一方、層間強化用繊維３としては、上述した積
層基材１と同質または異質の繊維を所要長に切断
した短繊維が用いられ、これらの繊維を要求性能
に合せて組み合せて使用することができる。層間
強化用繊維３の繊維長は、それによつて強化され
る積層基材の単位積層材２の厚さ（ｔ）と、それ
を積層した積層基材１の厚さ（Ｔ）との間が一応
の基準になるが、積層基材１中での折り曲り等を
考慮して、ｔ〜2Tの範囲が採用される。

本発明において用いられるジエツト流１２は、
得られた繊維配列基材とマトリツクスとの複合化
に際して、悪影響の少ない液体で、粘度が小さ
く、積層基材１内での流動が容易な液体、例えば
水が使用されるが、マトリツクスとして使用する
素材がエポキシ樹脂のように、低粘度で、かつジ
エツト処理時の温度では硬化したり、粘度に変化
のない液体の場合は、それをジエツト処理液とし
て使用し、その後、樹脂の硬化に必要な温度に高
めて、直接硬化し、複合材料を形成することがで
きる。

また、例えば繊維の表面処理剤等もジエツト処
理液として用いることができ、それによつて繊維
配列基材の製造後の処理と兼用することもでき
る。

ジエツト流による層間強化用繊維の再配列化は
ジエツト流の作用力が大きいほど効果的であり、
流量が大であるほど、即ち、ノズルの孔径、流速
が大であるほど大きな作用力が得られるが、過度
の流量は、積層基材中の繊維を乱したり、層間強
化用繊維を積層基材の外部へ流出させることにな
り、効果的層間補強効果が得られなくなる。

水流によつて効果的なジエツト処理を行う場
合、例えば、ノズル径0.04〜0.10mmφ、射出圧
100〜1000Kg／cm²程度が適している。

なお、上述した三次元的多層構造繊維配列基材
は、一般的には、繊維強化複合材料の強化用基材
として用いられるものであるが、他の用途に使用
できることは勿論である。

第１図及び第２図に示す装置及びその装置によ
り円筒状の三次元的多層構造繊維配列基材を製造
する方法についてさらに詳細に説明すると、積層
基材１を支持する支持体１０は、適宜駆動装置に
より積層基材１の巻き取り方向に回転駆動される
円筒状とし、所要の厚さに積層した積層基材１と
層間強化用繊維３のウエブ４との積層体がその円
筒状支持体１０に逐次巻き上げながら保持され
る。

ロービングや編織物を積層してなる積層基材１
上に、短繊維からなる層間強化用繊維のウエブ４
を積層する手段としては、第２図に一例として示
すように、積層基材１上に層間強化用繊維３を空
気流により分散飛動させる飛動装置７を設け、積
層基材１の下方に上記飛動装置７で飛動した繊維
３を吸引により積層基材１上に捕捉する吸引ダク
ト８を設けるなどの手段を利用することができる
が、カードマシンやウエーブフオーマ等を用い、
層間強化用繊維３を予め不織布状としたうえで、
積層基材１に重ねて供給するなど、各種手段を用
いることができる。

積層基材１の上に積層した層間強化用繊維のウ
エブ４に対しては、水等の高圧ジエツト流１２を
射出するノズル１１が対向配置され、層間強化用
繊維３は、そのノズル１１から噴射される細いジ
エツト流１２の作用を受けて積層基材１の内部へ
入射される。この場合に、積層基材１内において
ジエツト流１２の進行方向に位置する繊維及び繊
維束は、その高圧ジエツト流の圧力によつて変位
し、ジエツト流は支持体１０に向かつて直進す
る。そして、積層基材１内に入射された層間強化
用繊維３は、支持体１０の表面へ向かつて直進す
る高圧ジエツト流１２の推力を受け、ジエツト流
に沿つて移動し、積層基材１の積層面に対して直
交する姿勢で再配列される。

ジエツト流１２が支持体１０の表面にまで達し
たときは、ジエツト流が支持体表面に衝突して減
速し、その一部は反射流に、一部は支持体の表面
に沿つた流れとなつて流出するが、ジエツト流の
減速の結果、上記再配列された層間強化用繊維
３，３，…は、積層基材１の繊維による拘束力が
ジエツト流１２による作用力より大きくなるた
め、積層面に直交する姿勢が保持される。

上記ノズル１１からの細い高圧ジエツト流１２
は、支持体１０の回転動と該支持体の回転軸に沿
うノズル１１の往復移動により、積層基材１との
相対的位置を変えながら射出され、積層基材１に
対して全面的に高圧ジエツト流１２の作用が与え
られる。

上記積層基材１を多段に重ねて、それらに対し
層間強化用繊維３，３，…による連接状態を与え
るためには、高圧ジエツト流１２を作用させるこ
とにより層間強化用繊維を挿入した積層基材１の
上に、ウエブ４を積層した積層基材１を重ねて巻
き付け、この積層体に高圧ジエツト流１２を作用
させればよく、それにより、最初の積層基材１に
重ねた積層基材１内及び両積層基材１，１間に層
間強化用繊維３，３，…をランダムに挿入し、各
積層基材の層間及び両積層基材間に層間強化用繊
維による連接状態を与えることができ、三次元的
多層構造繊維配列基材の厚さを自由に調整するこ
とができる。

また、支持体１０の形状を変形させて適宜回転
体形状とし、その表面に積層基材１を巻き付ける
ことにより、任意回転体形状の三次元的多層構造
繊維配列基材を得ることができる。

さらに、支持体を回転させることなく、任意形
状の静止した支持体とし、そのうえにウエブ４及
び積層基材１を載置して同様のジエツト処理を行
うことにより、任意形状の三次元的多層構造繊維
配列基材を得ることができる。

上記実施例で述べた積層基材は数層の単位積層
材２の最上層に層間強化用繊維のマツトを積層し
た構成であるが、その積層数が多い場合、または
積層基材の繊維配列密度が大きい場合には、単位
積層材の各層または数層毎に層間強化用繊維３を
配したサンドイツチ状の構成とすることにより、
効果的層間強化を行うことができる。

なお、図中、１３，１３はジエツトの作用域外
での繊維の離脱、飛散を防止するために設置した
ローラ、１４はジエツト流を発生させるための高
圧発生装置（図示せず）とノズル１１とを連結す
る高圧ホース、１５はノズル１１をトラバースす
るためのガイドである。

第４図の実施例は、上記積層基材を多段に重ね
た平面状とし、それらを層間強化用繊維により連
接するようにしたもので、積層基材１ａ，１ｂ，
１ｃとウエブ４ａ，４ｂ，４ｃからなる積層体を
支持するための支持体２０を、駆動装置により直
線的に駆動される平面状のコンベヤとし、前記実
施例の場合と同様な飛動装置７及び吸引ダクト８
により各積層基材上に層間強化用繊維のウエブを
積層した積層体を、上記支持体２０上に間隔を置
いて順次重ねて供給可能にすると共に、支持体２
０上に供給した各積層体に対してそれぞれ高圧ジ
エツト流１２を作用させるノズル１１を対向配置
している。

このように構成すると、高圧ジエツト流１２を
作用させることにより層間強化用繊維を挿入した
積層基材１ａの上に、同様の層間強化用繊維のウ
エブ４ｂを積層した積層基材１ｂを重ね、この積
層体に高圧ジエツト流１２を作用させて、最初の
積層基材１ａに重ねた積層基材１ｂ内及び両積層
基材１ａ，１ｂ間に層間強化用繊維をランダムに
挿入し、各積層基材１ａ，１ｂ，１ｃ内の単位積
層材層間及び各積層基材相互間に層間強化用繊維
による連接状態を与えることができる。

次に、第５図に基づいて、試作した三次元的多
層構造繊維配列基材の層間剥離力に関する実験結
果について説明する。

積層基材としては、3000本のフイラメントから
なる炭素繊維ロービングをたて糸密度５本／cm、
よこ糸密度５本／cmで製織した織物を積層して用
い、また、層間強化用繊維としては、積層基材の
織物に用いた炭素繊維ロービングと同じロービン
グを40mmに切断して作成した短繊維のウエブ
（104ｇ／m²）を使用した。上記の積層基材を直径
10cmのシリンダに５層に巻き取り、その最外周に
層間強化用繊維である上記短繊維ウエブの１層を
重ね、高圧ジエツト流を作用させた。高圧ジエツ
ト流による処理は、ノズル径0.1mm、ジエツト射
出圧400Kgｆ／cm²の条件で行つた。

上記条件で処理した試料について、剥離力をＴ
テスト法によつて行つた結果を第４図に示してい
る。同図では、層間の結合力（層間強度）に相当
する剥離力を縦軸にとり、各層の剥離力を示して
いるが、３層までの層間に大きな剥離力が得られ
ており、層間の強化効果が認められる。

［発明の効果］ 上述した本発明によれば、極めて簡単な手段に
より積層基材の積層面に直交するよう層間強化用
繊維を配列して、層間剥離強度の大きな繊維強化
複合材料用の三次元的繊維配列基材を得ることが
でき、従来の織物積層方式の強化複合材料が層間
せん断や層間剥離に弱いという欠点を大きく改善
し、複合材料の性能が高められる。

また、本発明では、積層基材の形状に合わせた
支持体の回転と高圧ノズルの相対的移動という簡
単な機構によつて目的を達成できる利便性を有
し、従来の各種の機械的手段による三次元織物
が、複雑な機構を必要とする機構上の制約から、
基材（織物）の大きさが限定され、あるいはその
製織装置の自動化が困難である点に対する改善策
を与えるものである。

さらに、本発明においては、積層基材を支持す
る支持体の形状を構造要素や最終製品の形状に合
わせて高圧ジエツト処理を行うことにより、製品
の形状に合わせた立体的三次元繊維配列基材を直
接得ることができ、これを基材とした複合材料は
裁断や接合に伴う欠陥発生の危惧がなく、製品に
対する信頼性の向上が図られる。

また、積層体の形成に際して、その繊維配列方
向を最終製品の要求性能に合わせることにより、
繊維複合材料の製造工程が理想的としているニヤ
ーネトシエーブの手法に近づき、製品の設計資料
に基づいた成形が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明に係る三次元的多層
構造繊維配列基材を製造する装置の正面図及び側
面図、第３図は本発明によつて製造される三次元
的多層構造繊維配列基材の模式的断面図、第４図
は他の装置の実施例を示す正面図、第５図は試作
した三次元的多層構造繊維配列基材の層間剥離力
に関する実験結果のグラフである。 １，１ａ，１ｂ，１ｃ……積層基材、３……層
間強化用繊維、４，４ａ，４ｂ，４ｃ……ウエ
ブ、１０，２０……支持体、１１……ノズル、１
２……ジエツト流。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ロービングや編織物を積層してなる積層基材
   上に、短繊維からなる層間強化用繊維のウエブを
   積層し、この積層体に高圧ジエツト流を作用させ
   ることにより、層間強化用繊維を積層基材の積層
   面に対して直角な方向に配向して該積層基材内に
   ランダムに挿入し、積層基材の層間に該層間強化
   用繊維による連接状態を与えることを特徴とする
   三次元的多層構造繊維配列基材の製造方法。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の方法によつて製
   造した三次元的多層構造繊維配列基材上に、同様
   の層間強化用繊維のウエブを積層した積層基材を
   重ね、この積層体に高圧ジエツト流を作用させる
   ことにより、その層間強化用繊維を最初の積層基
   材に重ねた積層基材内及び両積層基材間にランダ
   ムに挿入し、各積層基材の層間及び両積層基材間
   に層間強化用繊維による連接状態を与えることを
   特徴とする三次元的多層構造繊維配列基材の製造
   方法。 ３ ロービングや編織物を積層してなる積層基材
   上に、短繊維からなる層間強化用繊維のウエブを
   積層する手段と、上記積層基材とウエブからなる
   積層体を支持する支持体と、上記支持体上に載置
   した積層体に対してその積層面に直角な方向に高
   圧ジエツト流を作用させるノズルとを備えたこと
   を特徴とする三次元的多層構造繊維配列基材の製
   造装置。 ４ 特許請求の範囲第３項記載の装置において、
   積層基材とウエブからなる積層体を支持する支持
   体を、駆動装置によりその積層体を巻き取る方向
   に回転駆動される円筒状の支持体としたことを特
   徴とする三次元的多層構造繊維配列基材の製造装
   置。 ５ 特許請求の範囲第３項記載の装置において、
   積層基材とウエブからなる積層体を支持する支持
   体を、駆動装置により直線的に駆動される平面状
   の支持体とし、積層基材上に層間強化用繊維のウ
   エブを積層した積層体を上記支持体上に間隔を置
   いて順次重ねて供給可能にすると共に、支持体上
   に供給した各積層体に対してそれぞれ高圧ジエツ
   ト流を作用させるノズルを対向配置したことを特
   徴とする三次元的多層構造繊維配列基材の製造装
   置。