JPH0339821B2

JPH0339821B2 -

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Publication number: JPH0339821B2
Application number: JP61309279A
Authority: JP
Priority date: 1986-12-27
Filing date: 1986-12-27
Publication date: 1991-06-17
Also published as: JPS62189124A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は３次元繊維強化樹脂複合材料の製造法
に関するものである。従来、炭素をマトリツクスとし、ガラス繊維、
炭素繊維、その他の繊維を強化材とした繊維強化
樹脂複合材料は広く知られており、製造材料とし
て実用化されている。一般的繊維強化樹脂複合材
料は、強化材として、繊維の織物、不織布の如き
ランダムウエブ、一方向配向繊維等を平面又は曲
面に積層し、且つ未硬化樹脂を含浸させて、これ
を加圧加熱して該樹脂を硬化させ、樹脂複合材料
とする。このものは、更にこれを非酸化性雰囲気
中で焼成して炭素繊維強化炭素複合材料
（CFRC）とすることができる。しかし、このような方法で得られた樹脂複合材
料は、強化材の積層面での剥離がおこり易く、ま
た、面方向の強度、弾性等は充分に持たせ得る
が、面と直角方向の強度、弾性等は強化材の影響
が少く平面的用途以外の用途には不向であつた。このような問題点を改良する方法として、強化
材繊維にて予め３次元織物を作り、これに未硬化
樹脂を含浸させ、次いで硬化、炭化させる方法が
ある。しかし、このような方法において、３次元織物
の構造を密にすると樹脂の含浸が困難となり、複
合材料の中に気泡が生じ易く、さればといつて樹
脂の含浸を容易にすべく織物の構造を疎にすると
複合材料本来の性能が得られ難く、また、樹脂硬
化時の加圧圧縮により加圧方法に繊維が傾斜して
しまう傾向がある。更に他の方法として、予め成
形された棒状の複合材料を３次元方向に組み立
て、樹脂で固定する方法も提案されている（例え
ば特開昭54−159489号）。しかし、この方法は、非常に手数がかかるうえ
に繊維含有量を高めることが困難で、更に棒状複
合材料の間に強化材を含まない部分が生ずるとい
う問題が残る。本発明者等はこのような問題点を改良するため
に研究の結果、予め成形された繊維束ニードルと
未硬化樹脂を含浸した織物、マツト等とを組み合
わせて使用することにより容易に３次元複合材料
とすることができ且つ充分な性能を有する炭素複
合材料とすることができることを見出した。本発明は下記の通りである。未硬化樹脂を含浸した織物又はマツト状繊維を
積層し、更に、繊維束を強化材としたFRPニー
ドルを、各積層間を貫通して刺し込むことにより
配し、次いで、該ニードルの方向に加圧、加熱し
て未硬化樹脂を硬化することを特徴とする３次元
繊維強化樹脂複合材料の製造法。このような複合材料は、積層面方向のみならず
各層間に貫通されたニードルによつて面に対し、
直角方向にも所望の性能をもたせることができ
る。本発明において使用される強化材としての繊維
は、炭素繊維、ガラス繊維、炭化硅素繊維、ボロ
ン繊維、アルミナ繊維、高弾性有機繊維（例えば
ケブラー）等であり、これらの織物、不織布、マ
ツト等を積層し、又は１方向引き揃えプリプレグ
を多方向に積層し、次いで各層間にニードルを貫
通させる。当然のことではあるが、２種以上の繊
維を用いて成形することもできる。マトリツクスとしての樹脂材料は、エポキシ、
ポリエステル、ビニルエステル、フエノール、フ
ランポリイミドの如き熱硬化性樹脂が使用され
る。ニードルを成形する際に用いられるマトリツ
クスと、織物等に含浸し積層硬化される樹脂と
は、同一系統の樹脂であることが好ましい。これ
は、ニードルのマトリツクス樹脂と織物等に含浸
された樹脂との親和性を高め、ひいては複合材料
の各方向への特性を均質化させ得るためである。本発明の複合材料の特性は、強化材織物等の積
層面方向のみならず該面の直角方向にもニードル
の量を調整することによつて充分な機械的特性を
保有させ得ることにある。本発明の複合材料は、織物、不織布等を平面的
に積層された強化材と、該強化材の各層を貫通し
各面に対しほぼ直角方向に繊維束強化材を有する
複合材料である。平面積層された強化材と各層を
貫通して設けられた繊維束強化材の量は、その複
合材料の用途により、要求される性能に応じて選
定できるが、繊維束強化材は、直径0.1〜５mm程
度のニードルとして配置し、でき得れば、なるべ
く細い状態で多数に分散し均一に配設することが
好ましい。このような複合材料は３次元方向に対
しバランスのとれた機械的特性を与えることがで
きる。例えば直径約7μの炭素繊維フイラメント
〔6000本からなる東邦レーヨン(株)ベスフアイト
HTA6000〕を、たて、よこ625本／ｍ打込んだ
炭素繊維織物（８枚朱子、目付500ｇ／m²）にフ
エノール樹脂を含浸させたプリプレグを200層積
層し、硬化させたものと、積層後別に成形した
Vf＝65％、直径1.0mmのニードルを積層面と直角
方向に貫通する如く刺し込だ後硬化させたものと
を対比して、強度を比較すると、次の如くであ
る。尚、成形物のVfは60％となる如く、厚みを
調整して硬化させた。

【表】各成形物の空隙率は１％以下であつた。このように面積層された各層を貫通して設けら
れた繊維束強化材（ニードル）の量によつて、高
さ方向（厚さ方向）の性能は変つてくる。また、
繊維束強化材は、各積層に対し直角方向に配して
いることが理想的であるが、製造段階での加圧に
より傾斜することがある。用途により積層面に対
し60度程度までの傾斜なら許容できる場合があ
る。しかし、加圧の過程で繊維束強化材が傾斜す
ると、面積層された強化材の配向や均一性が乱れ
均一な性能の複合材料とはなり難い。本発明の樹脂複合材料の製造法を以下に述べ
る。未硬化の樹脂を含浸した織物、不織布、マツ
ト、１方向プリプレグ等を通常の方法により平面
的に積層する。この際、繊維方向は、直交から面
内等方性まで自由に変え得るが、１方向のみの積
層は目的に合致しない。次いで、該樹脂が未硬化のうちに、予め成形さ
れた繊維束を強化材としたニードルを各層に貫通
して配設する。ニードルの成形に使用されたマトリツクス樹脂
は織物等に含浸している樹脂と同一又は同一系統
の樹脂が好ましい。ニードルの成形は、繊維束に樹脂を含浸させ、
必要により樹脂量を調整するためにノズル孔を通
過させ、フレームに巻くなどして硬化させるか、
又は引抜成形法によることもできる。織物の積層及びニードルの配置を行つて後、加
圧加熱し、未硬化の樹脂を硬化させる。この際、
加圧はニードルの方向に加圧するのが好ましい。
それは、ニードルが傾斜するのを防ぐためであ
る。図面によつて説明する。第１図は、本発明樹脂複合材料の強化材の配置
を示す分離展開図であり、第２図は前記強化材が
組合された状態の示す断面図である。図面におい
て１はニードルを示し、２は平面積層された強化
材を示している。本発明樹脂複合材料の製造法では、予め、成形
されたFRPニードル１を多数準備し、予定され
る複合材料の厚みに切断しておく、一方、織物、
マツト又はUD（１方向）のプリプレグ等は多方
向に積層される。ここへ、準備したFRPニード
ル１を多数刺し込み加圧する。又は、予備的に加
圧し、樹脂のしぼり出し等を行つた後、FRPニ
ードル１を刺し込み、更に加圧し、所定の厚さと
する。加圧後の状態は、FRPニードルの長さまでと
するのが好ましい。これは、それ以上に加圧する
と、FRPニードルが折れ、又は曲つたり傾斜し
たりするからである。以上の如くして得られた樹脂複合材料は、特に
強化材が炭素繊維であり、フラン樹脂、フエノー
ル樹脂の如き炭化可能な樹脂は、更に非酸化性雰
囲気中で炭化処理し、炭素をマトリツクスとする
複合材料（CFRC）とすることができる。本発明の３次元樹脂複合材料は、３次元の種々
の方向に応力の働く、種々の構造材料、層間剪断
応力の働く構造材料（例えば短かくして肉厚のビ
ーム）摩擦材料に使用可能である。このものを炭
化した炭素複合材料は、ロケツトノズルやノーズ
コーン等ロケツトの材料として有効である。以下本発明を実施例にて説明する。実施例１東邦レーヨン(株)炭素繊維ベスフアイト
HTA6000をフエノール樹脂（スミライトレジン
PR−50273）に含浸後170℃で30分硬化させ、直
径1.0mm、Vf65％、長さ100mmのニードルを成形し
た。また、同炭素繊維を経緯625本打込んだ炭素繊
維織物（８枚朱子、目付500ｇ／m²）に同フエノ
ール樹脂の75％メタノール溶液を750ｇ／m²で塗
布した後、70℃１時間加熱して溶剤を除去した。該炭素繊維織物133層積層後、前記炭素繊維ニ
ードルを40本／cm²で織物積層面と直角方向に打込
んでホツトプレスで厚さ100mmになるように加圧
し、170℃で１時間加熱成形して３次元炭素繊維
強化樹脂複合材料を得た。この複合材料の曲げ強度は積層面たて、よこ及
び厚み方向それぞれ41、39、42Kg／mm²であつた。
またVfは各方向共19％であり、空隙率は１％以
下であつた。実施例２東邦レーヨン(株)製炭素繊維ベスフアイト
HTA3000をフラン樹脂（ヒタフランVF302）に
含浸させ170℃で40分硬化させ直径0.7mm、Vf65％
長さ100mmのニードルを成形した。また、東邦レ
ーヨン(株)製炭素繊維スパンヤーン織物（目付300
ｇ／m²）に上記フラン樹脂（触媒0.3重量％含有）
を400ｇ／m²で塗布後、65℃で40分予備硬化後350
層積層して、予備圧縮を行ない厚さ100mmにした。
この積層物に上記ニードルを28本／cm²で積層面と
直角になるように打込んだ後、ホツトプレスで厚
さ100mmになるように加圧、170℃で３時間加熱し
て３次元炭素繊維強化樹脂複合材料を得た。この
複合材料の積層面内たて、よこ及び厚さ方向の曲
げ強度は52.7、50.8、22.2Kg／mm²であつた。また
Vfはそれぞれ29.0、29.0、7.1％で、空隙率は１％
以下であつた。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明樹脂複合材料強化材の配置を
示す分離展開図である。第２図は前記強化材が組
合された状態を示す横断面図であ。

Claims

【特許請求の範囲】

１未硬化樹脂を含浸した織物又はマツト状繊維
を積層し、更に、繊維束を強化材としたFRPニ
ードルを、各積層間を貫通して刺し込むことによ
り配し、次いで、該ニードルの方向に加圧、加熱
して未硬化樹脂を硬化することを特徴とする３次
元繊維強化樹脂複合材料の製造法。