【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]
〔産業上の利用分野〕
本発明は、人工衛生等宇宙構造体、OA機器、
自動車、ゴルフクラブなどのレジヤー用品の構造
材料に用いる繊維強化複合材料に関するものであ
る。
〔従来の技術〕
CERPなどの繊維強化複合材料は、カーボンや
ガラス繊維などの無機繊維又はアラミド繊維など
の有機繊維をエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポ
リエーテルエーテルケトン樹脂などの樹脂で固形
化したものである。
繊維強化複合材料は、従来の金属構造材料に比
較して軽量・高強度である、繊維配向角を制御す
ることにより所望の機械特性を実現できる点で優
れている。このため、強く軽量化が要求される宇
宙公造物・航空機・自動車・レジヤー用品などの
構造材料に巾広く用いられるようになつた。
〔発明が解決しようとする課題〕
この種複合材料で作製した構造体の用途の拡大
に伴い、構造体の振動が問題となつている。
繊維強化複合材料は軽量であり、従来の金属構
造材料と同程度の小さな振動減衰特性（損失係数
η＝0.001〜0.01）をもつため、振動を生じ易い。
また、構造物を一体成形で作製することが多く、
従来の金属構造材料の場合とは異なり、継手部で
の摩擦による振動減衰（構造減衰）を期待できな
い。このため、人工衛星などの宇宙構造物では、
構造体の振動による搭載機器の破損、アンテナの
位置精度の低下などが生じている。このため、繊
維強化複合材料の振動減衰特性増加は重要な課題
となつている。
これら問題を解決する目的で、マトリツクス樹
脂の振動減衰を増加させて複合材料の振動減衰を
増加させる手法が検討されている。これは、マト
リツクス樹脂にポリエチレングリコール・ポリプ
ロピレングリコール・液状ゴムなどの可撓性付与
剤を添加し、振動減衰を増加させた樹脂を用いて
複合材料を作製する手法である。しかし、可撓性
付与剤の添加により樹脂の振動減衰特性は最大
100倍程度に大きく増加するものの、複合材料の
振動減衰特性は数倍程度の増加しか得られず効果
的ではない。
本発明は前記問題点を解決するものであり、そ
の目的とするところは、大きな振動減衰特性を有
する繊維強化複合材料を提供することある。
〔課題を解決するための手段〕
本発明はカーボン繊維、ガラス繊維などの無機
繊維又はアラミド繊維などの有機繊維を樹脂に充
填した複合材料層と拘束型制振材料層とを積層一
体化したことを特徴とする繊維強化複合材料であ
る。
〔作用〕
一方向繊維強化複合材料に曲げ振動を加えた場
合、振動減衰特性ηcは、マトリツクス樹脂の振動
減衰特性ηn（損失係数）及び弾性率En、繊維の振
動減衰特性ηf、及び弾性率Efをそれぞれ用いて次
式で表わされる。
ηc＝ηn（１−νf）＋Ef／En・ηf・νf／１−νf
＋Ef／En・νf(1)
ここでνfは繊維の体積含有率である。例えば、
カーボン繊維を50Vol％充填した場合を考える。
樹脂の弾性率は200Kg／ｍn2程度であるので、弾
性率比Ef／Enは〜100となる。この場合(1)式は次
式のように書き換えられる。
ηc＝ηn＋100ηf／101≒ηn／100＋ηf (2)
通常、樹脂の振動減衰特性ηnは0.01以下であ
り、またカーボン繊維のηfは0.002程度であるの
で、(2)式よりηcは0.002程度になる。また可撓性
を付与し、樹脂のηnを増加させても、(2)式より
明らかなように、ηcの大きな増加は期待できな
い。
本発明の複合材料では、拘束型制振材料層を設
けているため、材料内部で前記制振材料のせん断
変形による振動減衰が生じる。この場合、繊維と
樹脂とからなる複合材料層は拘束板及び基板に相
当し、拘束板（又は基板）と拘束型制振材料とを
組合せて積層されたものと考えることができる。
一つのユニツト（拘束板／制振材／基板）の制
振特性ηuは次式で表わすことができる。
ηu＝13E3h3／E1h1（h1＋2h2＋h3／2h1）2・ｇ・η2／
（１＋ｇ）2＋（ｇ・η2）2(3)
ｇ＝G2h1／4πfE3h3h2√E1／3ρ1 (4)
ここでＥ；ヤング率、ｈ；厚み、Ｇ；せん断弾
性率、ｆ；周波数、ρ；密度、η；振動減衰特性
（損失係数）である。また添字１、２、３はそれ
ぞれ拘束板、制振材、基板を表わす。
多層にした場合の制振特性は、前述のユニツト
を新たな拘束板又は基板として考えて計算し、こ
れらの操作を繰り返すことにより求めることがで
きる。ただしその場合、(3)式及び(4)式におけるヤ
ング率Ｅは、損失を考慮した複素弾性率ER*で考
える必要がある。
いずれにしても、(3)式より明らかなように、複
合材料の振動減衰特性は各層の厚みに依存するの
で、弾性率の低下を考慮し、最も効果的な特性が
得られるような構成を求めて作製することが重要
である。
拘束型制振材料としては、ビスフエノール型エ
ポキシ樹脂、ポリオールまたはその重合体のポリ
グリシジルエーテルであるエポキシ樹脂、ポリイ
ソシアネート化合物とポリオール樹脂とを反応さ
せて得られるポリウレタン系樹脂などの熱硬化性
樹脂をベースにしたもの、又は、ポリオレフイン
樹脂、塩化ビニル樹脂、アクリル樹脂などの熱可
塑性樹脂をベースにしたもの等公知のものが使用
できる。また、これら材料としては、弾性率50Kg
ｆ／mm2以下、好ましくは10Kgｆ／mm2以下のもの、
力学的損失tanδは0.1以上のもの、好ましくは0.5
以上のものが使用できる。
複合材料層は、強化用繊維にエポキシ樹脂、ポ
リイミド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂
などの高強度樹脂を予め含浸し、各種形状に加熱
成形したものを使用する。エポキシ樹脂やポリイ
ミド樹脂のような熱硬化性樹脂では、強化繊維に
これら樹脂を含浸後、温和な加熱によりやや硬化
反応を進めたいわゆるＢステージ状態のプリプレ
グとして使用してもよい。
強化繊維は、公知のものが使用でき、炭素繊
維、アルミナ繊維、炭化ケイ素繊維、などの無機
繊維、アラミド繊維などの有機繊維が使用でき
る。これら繊維の利用形態としては、一方向に引
揃えたもの、織物（平織、あや織、しゆす織、な
ど）や切断した短繊維、短繊維をマツト状に加工
したものが使用できる。
本発明の複合材料として、上記成形物又はプリ
プレグに拘束型制振材料樹脂を塗布の上積層して
成形しても良いし、Ｂステージ状態または熱接着
性を有する拘束型制振材料シートを上記成形物又
はプリプレグと共に積層し成形することも可能で
ある。
〔実施例〕
以下に、本発明の実施例を図によつて説明す
る。
第１図に本発明繊維強化複合材料の断面図を示
す。図において、実施例はエポキシ樹脂にカーボ
ン繊維（一方向）を充填した複合材料層１と、拘
束型制振材料層２とを積層一体化した例を示して
いる。拘束型制振材料層２には、ポリオール樹脂
をポリイソシアネート化合物と反応させて作製た
ポリウレタン樹脂系制振材料を用いた。
なお実施例ではカーボン繊維のプリプレグに前
記制振材料層２をコーテイングしたものを重ね合
せ、圧力下で加熱硬化させて一体化した。
複合材料層１の厚みは平均で100μｍ、制振材
料層２の厚みは平均で10μｍである。
第２図は制振材料層２を一層だけ設けた例であ
る。実施例は数層を重ね合せた複合材料層１の間
に制振材料層２を設けている。なお、実施例にお
いて、２種類のみの構成について述べたが、この
構成は限定されるものではない。他に無数の組合
せを考えることが可能である。また、作製方法も
実施例はプリプレグを用いたが、他の作製方法
（例えばハンドレイアツプ法）を適用することが
できる。
第３図に第１図に示す実施例の繊維強化複合材
料と、従来のエポキシ樹脂−カーボン繊維による
複合材料の振動伝達関数の比較を示す。図中、破
線３は従来の複合材料の特性、実線４は本発明複
合材料の特性である。測定は、300×30×５mmの
ビーム材を用いて行つた。400Hz付近及び800Hz付
近にビームの固有振動が見られる。一次モード
（〜400Hz）の固有振動数及び伝達関数の半値巾よ
り求めた、曲げ弾性率及び振動減衰特性を表１に
示す。
[Industrial Application Field] The present invention is applicable to space structures such as artificial hygiene, OA equipment,
This invention relates to fiber-reinforced composite materials used as structural materials for leisure goods such as automobiles and golf clubs. [Conventional technology] Fiber-reinforced composite materials such as CERP are made by solidifying inorganic fibers such as carbon and glass fibers or organic fibers such as aramid fibers with resins such as epoxy resin, polyimide resin, and polyether ether ketone resin. be. Fiber-reinforced composite materials are superior in that they are lighter and stronger than conventional metal structural materials, and desired mechanical properties can be achieved by controlling the fiber orientation angle. For this reason, it has come to be widely used as a structural material for space structures, aircraft, automobiles, leisure goods, etc., which strongly require weight reduction. [Problems to be Solved by the Invention] With the expansion of the uses of structures made of this type of composite material, vibration of the structures has become a problem. Fiber-reinforced composite materials are lightweight and have vibration damping characteristics (loss coefficient η = 0.001 to 0.01) comparable to those of conventional metal structural materials, so they are susceptible to vibration.
In addition, structures are often manufactured by integral molding,
Unlike conventional metal structural materials, vibration damping (structural damping) due to friction at joints cannot be expected. For this reason, in space structures such as artificial satellites,
Vibrations in the structure have caused damage to onboard equipment and reduced antenna positioning accuracy. Therefore, increasing the vibration damping properties of fiber-reinforced composite materials has become an important issue. In order to solve these problems, methods are being considered to increase the vibration damping of composite materials by increasing the vibration damping of matrix resins. This is a method of manufacturing a composite material using a resin that has increased vibration damping by adding a flexibility agent such as polyethylene glycol, polypropylene glycol, or liquid rubber to a matrix resin. However, by adding a flexibility agent, the vibration damping properties of the resin can be maximized.
Although the vibration damping properties of the composite material are greatly increased by about 100 times, the vibration damping properties of the composite material are only increased by several times and are not effective. The present invention solves the above-mentioned problems, and its purpose is to provide a fiber-reinforced composite material with high vibration damping properties. [Means for Solving the Problems] The present invention includes a composite material layer in which a resin is filled with inorganic fibers such as carbon fibers and glass fibers, or organic fibers such as aramid fibers, and a constrained vibration damping material layer, which are laminated and integrated. It is a fiber-reinforced composite material characterized by: [Operation] When bending vibration is applied to a unidirectional fiber-reinforced composite material, the vibration damping property η c is the vibration damping property η n (loss coefficient) and elastic modulus E n of the matrix resin, the vibration damping property η f of the fiber, It is expressed by the following formula using the elastic modulus E f and the elastic modulus E f respectively. η c = η n (1−ν f )+E f /E n・η f・ν f /1−ν f
+E f /E n ·ν f (1) Here, ν f is the volume content of the fiber. for example,
Consider the case where carbon fiber is filled at 50Vol%.
Since the elastic modulus of the resin is about 200 Kg/ mn2 , the elastic modulus ratio E f /E n is ~100. In this case, equation (1) can be rewritten as the following equation. η c = η n +100η f /101≒η n /100+η f (2) Normally, the vibration damping characteristic η n of resin is 0.01 or less, and η f of carbon fiber is about 0.002, so Equation (2) Therefore, η c becomes approximately 0.002. Furthermore, even if flexibility is imparted and η n of the resin is increased, a large increase in η c cannot be expected, as is clear from equation (2). In the composite material of the present invention, since the constrained vibration damping material layer is provided, vibration damping occurs within the material due to shear deformation of the vibration damping material. In this case, the composite material layer made of fibers and resin corresponds to a restraining plate and a substrate, and can be considered to be a combination of a restraining plate (or a substrate) and a restraining type vibration damping material laminated. The damping characteristic η u of one unit (restraint plate/damping material/substrate) can be expressed by the following equation. η u =13E 3 h 3 /E 1 h 1 (h 1 +2h 2 +h 3 /2h 1 ) 2・g・η 2 /
(1+g) 2 + (g・η 2 ) 2 (3) g=G 2 h 1 /4πfE 3 h 3 h 2 √E 1 /3ρ 1 (4) where E: Young's modulus, h: thickness, G; Shear modulus, f: frequency, ρ: density, η: vibration damping characteristic (loss coefficient). Further, subscripts 1, 2, and 3 represent a restraining plate, a damping material, and a substrate, respectively. The damping characteristics when multi-layered can be calculated by considering the above-mentioned unit as a new restraining plate or substrate, and by repeating these operations. However, in that case, the Young's modulus E in equations (3) and (4) needs to be considered as a complex modulus of elasticity ER * that takes loss into consideration. In any case, as is clear from equation (3), the vibration damping properties of composite materials depend on the thickness of each layer, so the structure that provides the most effective properties should be designed by taking into account the decrease in the elastic modulus. It is important to find and create it. As constrained vibration damping materials, thermosetting resins such as bisphenol epoxy resins, epoxy resins that are polyglycidyl ethers of polyols or their polymers, and polyurethane resins obtained by reacting polyisocyanate compounds and polyol resins are used. Known materials such as those based on polyolefin resins, vinyl chloride resins, acrylic resins, and other thermoplastic resins can be used. In addition, these materials have an elastic modulus of 50Kg
f/mm 2 or less, preferably 10Kgf/mm 2 or less,
Mechanical loss tanδ is 0.1 or more, preferably 0.5
More than one can be used. For the composite material layer, reinforcing fibers are impregnated in advance with a high-strength resin such as epoxy resin, polyimide resin, or polyether ether ketone resin, and then heated and molded into various shapes. Thermosetting resins such as epoxy resins and polyimide resins may be used as prepregs in a so-called B-stage state, in which reinforcing fibers are impregnated with these resins and then the curing reaction progresses slightly by mild heating. Known reinforcing fibers can be used, including inorganic fibers such as carbon fibers, alumina fibers, and silicon carbide fibers, and organic fibers such as aramid fibers. These fibers can be used in the form of unidirectionally aligned fibers, woven fabrics (plain weave, twill weave, shimmer weave, etc.), cut short fibers, or short fibers processed into a mat shape. The composite material of the present invention may be formed by coating the above-mentioned molded product or prepreg with a constrained vibration damping material resin, or by laminating the above molded product or prepreg with a constrained vibration damping material sheet in a B-stage state or having thermal adhesive properties. It is also possible to laminate and mold together with a molded article or prepreg. [Example] Hereinafter, an example of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a cross-sectional view of the fiber-reinforced composite material of the present invention. In the figure, the example shows an example in which a composite material layer 1 in which an epoxy resin is filled with carbon fibers (unidirectionally) and a constrained vibration damping material layer 2 are laminated and integrated. For the constrained vibration damping material layer 2, a polyurethane resin vibration damping material produced by reacting a polyol resin with a polyisocyanate compound was used. In the example, a carbon fiber prepreg coated with the damping material layer 2 was laminated and integrated by heating and curing under pressure. The average thickness of the composite material layer 1 is 100 μm, and the average thickness of the damping material layer 2 is 10 μm. FIG. 2 shows an example in which only one damping material layer 2 is provided. In the embodiment, a vibration damping material layer 2 is provided between composite material layers 1 in which several layers are stacked one on top of the other. In addition, although only two types of configurations have been described in the embodiment, this configuration is not limited. Countless other combinations are possible. Further, although prepreg was used in the example as a manufacturing method, other manufacturing methods (for example, hand lay-up method) can be applied. FIG. 3 shows a comparison of the vibration transfer functions of the fiber-reinforced composite material of the example shown in FIG. 1 and a conventional composite material made of epoxy resin and carbon fiber. In the figure, the broken line 3 is the characteristic of the conventional composite material, and the solid line 4 is the characteristic of the composite material of the present invention. The measurements were carried out using a beam material measuring 300 x 30 x 5 mm. Natural vibrations of the beam can be seen around 400Hz and 800Hz. Table 1 shows the bending elastic modulus and vibration damping characteristics determined from the natural frequency of the first mode (~400 Hz) and the half width of the transfer function.
〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕
以上のように本発明によれば、振動減衰の大き
な繊維強化複合材料を実現することが可能とな
り、人工衛星などの宇宙構造物における搭載機器
の破損やアンテナの位置精度の低下、自動車など
の騒音問題を解消できる効果を有するものであ
る。
As described above, according to the present invention, it is possible to realize a fiber-reinforced composite material with high vibration damping, which can cause damage to onboard equipment in space structures such as artificial satellites, decrease in antenna position accuracy, and reduce noise caused by automobiles. This has the effect of solving the problem.
【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]
第１図は本発明の第１の実施例を示す断面図、
第２図は第２の実施例を示す断面図、第３図は第
１図の実施例の複合材料と従来の複合材料
（CFRP）との振動伝達関数を比較した図である。
１……複合材料層、２……拘束型制振材料層。
FIG. 1 is a sectional view showing a first embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a sectional view showing the second embodiment, and FIG. 3 is a diagram comparing the vibration transfer functions of the composite material of the embodiment shown in FIG. 1 and a conventional composite material (CFRP). 1... Composite material layer, 2... Constrained damping material layer.