JPH06508404A

JPH06508404A - 改良繊維強化製品の非対称編組形成

Info

Publication number: JPH06508404A
Application number: JP4507832A
Authority: JP
Inventors: アール，ジョージ　エー　３; クルージ，オーガスト　エッチ; ストックトン，ジョン　イー; クルージ，デボラ　シー
Original assignee: ユー・エス　コンポジッツ　コーポレーション
Priority date: 1991-03-04
Filing date: 1992-03-03
Publication date: 1994-09-22
Also published as: AU662520B2; US5419231A; EP0574535A1; EP0574535A4; WO1992015740A1; TW209258B; CA2104669A1; AU1568892A

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】改良繊維強化製品の非対称編組形成発明の技術分野この発明はとぎれのない強化繊維（トウおよび糸）の配置および向きを定める編上げ技術を用いた製品の製造に関し、とくにこの種の製品の二軸および三輪非対象編組形成に関する。

発明の背景最も厳密な意味で複合体（ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ）は最終材料形成のためにいろいろの割合で組み合わされた２つ以上の固相の混合物から成り、これら固相の特性の組合せがその混合物に現われる。木や鋼鉄などの複合体は何千年もの間使われてきた。高性能構造物においては、とぎれのない繊維で強化した繊維強化複合体材料が木および金属に代わって多く使われている。すなわち、それら材料が秀れた強度と、軽減された重量と、個別用途向は特性調整可能性とを備えるからである。最近では、「複合体」という用語は、プラスチック（熱硬化性および熱可塑性の両方）、金属、セラミックスなどの母材を強化繊維あるいはホイスカーで強化した材料の部類を定義するものとして主に使われている。

この明細書において、「繊維」という用語は、一様なストランド（例えば素線）と撚ったフィラメント（糸）または撚ってないフィラメント（トウ）から成る線状製品との両特表平６−５０８４０４　（３）方を含めた意味で用いる。母材全体にわたって分散させた短フィラメントでも機械的特性は改善されるが、改善の度合は限られている。したがって、強度特性を最大にするにはとぎれのない強化繊維の使用が必要である。そのようなとぎれのない強化繊維の母材への配置には、未含浸材料の人手による積上げ、ロボットによるテープの積上げ、フィラメント巻付け、編上げなど種々の方法が用いられてきた。

例えば、航空宇宙およびスポーツ産業用の高性能複合体の製造には、最近まで人手による積上げ法が優勢であった。

高度に労働集約的ではあるものの、人手による積上げ法は最適機械特性実現のための正確な繊維配置を可能にする。

テープ積上げ法はある程度自動化できるが、ロボット式積上げ機は比較的高価であり、またこの機械に必要となる予め含浸した（「既含浸」）材料も高価である。フィラメント巻付は法および管状編上げ法は両方とも原料（繊維および合成樹脂）をそのまま使うことができ、また自動化も容易であり、複合体部品を多量に費用効率よく製造するのに使われている。

上述の最後の２つの方法のうち、フィラメント巻付は法は繊維体積分率を大きくできる利点があり特性の最適化に適している。しかも、巻き付けられた繊維は互いに比較的平らに積み重ねられるので、最終製品における繊維係数（ｍｏｄｕｌｕｓ）の並進がよくなる。しかし、フィラメント巻付は法には製造の面からみていくつかの欠点がある。すなわち、巻き付けられる繊維は測地線、すなわち曲面上の２点を結ぶ最短曲線上に留まる必要があり、そうでない場合は所望の巻付は方向から横にずれる。繊維をこのように上記測地線上に保つことは巻付けの心棒が先細状や段付きゃ波状などのものの場合はとくに難しい。さらに、巻付は繊維プリフォームを樹脂トランスファモールド（ｒＲＴＭ」）法により複合体に変換する場合は、製造面で別の問題が生ずる。すなわち、巻付は繊維プリフォームの一体性維持能力は非常に低く、繊維がハンドリング中にまたはモールド工程におけるプリフォームへの樹脂の注入の際の流れの圧力により簡単にずれてしまいやすい。繊維複合体の強度、剛性、熱的性質、対湿性質は角度変化に弱いのでフィラメント巻付は法はＲＴＭプリフォーム形成には通常不向きである。フィラメント巻付は法のこれら欠点のために、編上げ法が繊維強化製品製造、とくに複雑な管状のもの（先細状、段付き、波状など）の製造やＲＴＭモールド工程用のプリフォーム製造に代替手段として広く使われるようになった。

管状編上げ機２は中央部空間８のまわりで交叉蛇行経路を通る２組の繊維キャリア４および６を備える。これら２組のキャリアからの繊維は第７図に示すとおり２軸編組体を形成するようにキャリアの動きによって織り合わされる。

３軸編組体を形成するように編組体の軸に平行に３つ目の繊維系を導入することもできる。

編上げによって、先細状、非球面または段付きの心棒にも合致した自己安定性ある編組体が形成される。編上げ法に特有のこの形状−散性によって、複合体の管やシャフトと一体のねじ山などの複雑な構造上の特徴を形成できるようになった。編上げ法による編組体は秀れた一体性維持能力を有するので樹脂トランスファモールド（ＲＴＭ）などの方法による複合体に上記編組体を変換する際にも歪みを最小にできる。この相互組合せの繊維構造は巻付は法または積層法による複合体に比べて高い非平面時強度と秀れた耐衝撃性とを備える。

しかし、これら利点は平面時の剛性および強度を犠牲にして得られたものである。平面時剛性および強度の低下は編上げ繊維体における繊維の起伏に主として起因する。とくに３軸編組体においては繊維の起伏が実効繊維体積率を減少させるので編組織椎体の構造上の効率も低下する。黒鉛などの高係数繊維を使う場合にこの問題はさらに太き（なる。編上げ工程における交叉重ね合わせかとくに高モジユール繊維に損傷を与える。摩擦による損傷は編上げキャリアの数の増加とともに増加する。すなわち、編上げ集中点に達する前の交叉重ね合わせの数がそれだけ増加するからである。したがって、高係数繊維で編上げできる構造体の寸法には限度がある。この出願の出願人が見出したところによると、ごく高い係数の黒鉛繊維（ＨＨＭ、バーキュリーズ）は小型の編上げ機（１６個のキャリア付き）ではうまく編上げできるが大型の編上げ機（１４４個のキャリア付き）では繊維の損傷が非常に深刻になり使用不可能である。

編上げ工程中の摩耗損傷を抑えるために、繊維に撚りをかけることが多い。撚りをかけると強度は低下し個々の繊維が平らになることが妨げられ、編組体における繊維の起伏が太き（なる。また、良好なずりおよび圧縮特性の実現には繊維束に樹脂を完全に浸み込ませる必要があるが、上記撚りによってこの樹脂含浸に支障が生ずる。

このように、編上げ法にもいくつかの不利な点がある。

第１に、繊維係数の並進が編組体の中の繊維の起伏のために最適値からずれる、 −そのために複合体の実現できる強度と剛性が低下する。第２に、編上げ工程中における交叉重ね合わせにより繊維の損傷がとくに高係数繊維の場合に大きくなる。第３に、繊維の損傷を抑えるために繊維に加えられた撚りが強度を低下させ個々の繊維束が平らになるのを妨げる、−そのためにほぼ円形の繊維束が起伏の大きい太い撚りを形成する結果になる。

樹脂モールド繊維型または繊維強化型の複合体構造などの非対称編上げによる製品をつくるためにいろいろの試みがなされてきた。それらの試みは次の米国特許に例示される。すなわち、米国特許第２．４９４．３８９号「編上げ製品およびその製造方法」、１９５０年１月１０日発行、米国特許第２．６０８．１２４号「編上げ製品およびその製造方法Ｊ　、１９５９年８月２６日発行、米国特許第４．５５０．６３９号「成型機械圧縮バッキング」、１９８５年１１月５日発行、特表十〇−５０８４０４（４）米国特許第４．６７２．８７９号「成型機械圧縮バッキング」、１９８７年６月１６日発行、米国特許第４．７１９．８３７号「複雑形状編組体構造Ｊ　、１９８８年１月１９日発行、米国特許第４．７２９．２７７号「成型機械圧縮バッキング」、１９８８年３月８日発行、米国特許第４．７５４．６８５号「耐摩耗性編上げスリーブ」、１９８８年６月５日発行、および米国特許第４．８３６．０８０号「耐振動摩耗性繊維被覆材」、１９８９年６月６日発行。

米国特許第２．４９４．３８９号および同第２．６０８．１２４号は製品の長さ方向に変化する直径を有する管状物の長さ一杯にわたる編組を心棒のまわりに施した編上げにより形成する方法を開示している。この編上げ方法は複数の撚り糸を使用し、それらのうちの少なくともいくつかは管状の編上げ繊維体を形成するために複数の互いに別個のストランドで構成し、編上げ加工に入る撚り糸の少なくともいくつかを形成するストランドの数を変化させることによって編上げ体の直径を変化させる。

米国特許第４．５５０．６３９号、同第４．６７２．８７９号、および同第４．７２９．２７７号はいずれも概ね方形の断面形状の機械圧縮バッキングの形で製品を製造する方法に向けられており、複数の軸方向たて糸を所定の非対称形状に配置し内側角部近傍の角部充填材の量に相対するバッキング材料の外側角部分近傍に追加の角部充填材が配置されるように製品を形成するものである。この非対称性によって、回転軸のまわりの漏れの防止にバッキングを用いた場合のバッキングの寿命が延びシャフトの摩耗が減少する。

米国特許第４．７１９．８３７号は相互組合せ形状を通じた編上げ糸の複数の組に関して軸方向の糸の互いに異なる数の組を用いた複雑形状の編組体の製造に向けられており、この製造方法においては編上げ用糸の各々はアレイを通じて編組体構造の外周に至る斜め方向の経路に延びそののちにそれら編上げ用糸は裏返し点から他の斜め方向の経路に延びるようになっている。

米国特許第４．７５４．６８５号および同４．８３６．０８０号は別々の糸の直径を変えることによって非対称性を与えた非対称管状製品を製造するものであり、これら特許においては、この編組体スリーブを形成するポリエステル糸よりも少なくとも２ミルだけ大きい直径をもつナイロン糸が用いである。

発明の概要この発明は編上げ法の上記欠点すなわち大きい起伏角度および摩耗損傷を非対称編上げにより実質的に解消できることを発明者らが発見したことに基づいており、この非対称編上げにおいては、一つの方向に動（キャリアに装着される繊維と反対方向に動くキャリアに装着される繊維とに互いに大幅に異なる断面形状（使用材料の種類を変える選択もある）を与えるなどによっている。さらに、発明者らは編組複合体の諸係数を予測するために開発した分析用モデルを利用した。繊維起伏による平面時係数の軟化はこれらモデルにより予測できる。装着方向に対して傾斜している繊維トウ部分の測定手段として「表面うねり率ＪＷＲを用いている。この表面うねり率は！！＋　／ｉ’ｌ　＋１Ｍで表わされる。ここで１１はうねりを含むトウの長さ、ｌ、はうねりのないトウの長さをそれぞれ示す。

編組体についてのＷＲ値はＮＡＳＡにおいて行われた研究から派生した。ジョン　Ｄ、ウィトコム（Ｊｏｈｎ　Ｄ。

Ｗｈｉｔｃｏｍｂ）著１９８９年１１月発行ＮＡＳＡ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｍｅｍｏｒａｎｄｕｍ１０１６７２　ｒスリーダイメンショナル・ストレス・アナリシス・オブ・プレイン・ウィーブ　コンボジッッ（ＴｈｒｅｅＤｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　５ｔｒｅｓｓ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｐｌａｉｎ　Ｗｅａｖｅ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ）Ｊを参照されたい。

起伏角、α＝編組体の面（または編組体装着対象の物体表面の接平面）からの最大角度。第２図参照。

変数αは強度、係数、靭性などの性能因子の評価に重要な変数である。分析結果によると、複合体の縦係数Ｅ、はうねりの増大とともにほぼ直線状に減少する。

すなわち、並みの表面うねり率について正規化係数Ｅ１は次のとおり変化する：１、　（ｈ　（Ｌ　／ｌ＋　＋１ｔ　）　Ｅｘｌ　２　０．３３　０．８４１　３　０．２５　０．８８１　４　０．２０　０．９０１　５　０．１７　０．９２１　１０　０．０９　０．９６したがって、編上げ工程中には繊維への損傷など他の影響はないので理論上の剛性値の９０％を達成するには表面うねり率は大きくとも０．２０でなければならない。

従来技術による２軸および３軸編上げは「従来技術」と見出しをつけた第１図〜第４図に示しである。糸のアスペクト比ＡＲ（すなわちＡ＝１＝円形、ＡＲ＞１は楕円形）により、２軸編上げの表面うねり率はおよそ０．３がら０．４となり、したがって係数の減少１５％〜２０％を見込める。

ｂ　トウの半分厚みこの式は編上げトウを実験的に得られたアスペクト比をもつ楕円形断面のものとしてかなり精度高くつくることができることに基づいている。本願出願人の法人譲受人ニー・ニス　コンボジッッ社のコンピュータプログラム「編上げ」にとって、上記アスペクト比は重要な変数である。すなわち、このプログラムは２軸および３軸編上げの両方について合板形成薄板材の厚み、繊維体積分率、およびこれと同様の構造上生産性上のデータを予測するものであるか特表平ｔ；−５ｏｇ４ｏ４（５）らである。

脆い高係数繊維を用いると摩耗損傷がかなり太き（なり、したがって複合体の機械的特性がさらに低下する。

上述の３軸編上げにおいては、表面うねり率が０．６〜０．７程度まで増加する。この増加は、軸方向に走る繊維がほぼ円形断面に巻かれ、２軸繊維の通過路の下にある大きいリブ類似の束を形成することに起因する。

編上げ法は種々の織物の製造のための繊維工業上の方法として永（使われてきた。最近では、周知のこの方法、すなわち自動化した繊維配置の利点をもたらし軸について非対称的な向きをもつ相互組合せトウの継ぎ目なし補強をもたらすこの方法は複合体構造の製造における繊維の配置のための費用効率のよい方法として使われるようになった。

種々の断面形状をもつ弯曲形状および弯曲部品を形成するのに編上げ法は使える。この技術をスキーの製造に用いた例が米国特許第４．６９０．８５０号に記載されている。同特許に言及することによって同特許の開示事項をこの出願の明細書にとり込む。

この発明においては、発明者らは改変した編上げ法を用い、１方向に動くキャリアには「主強化繊維」を装着し、反対方向に動くキャリアには断面面積の著しく小さい、すなわち「主強化繊維」の断面の４分の１以下で望ましくはその１０分の１以下の断面面積の抑止繊維を装着した。これに関連して注意すべきことは、小さい断面積の抑止繊維は上記反対方向に動くキャリアの各々に装着する必要はなく、多くの場合、それらキャリアのいくつかは繊維装着のないままにしておき主強化繊維に対する抑止繊維の比を１：２以下にするのが有利であることである。

この発明の非対称編上げ法が秀れたねじれ特性および疲労特性をもたらし、したがって先細状の筒状スポーツ用品の形成にとくに適していることを発明者らは確認した。ここに、「筒状スポーツ用品」とは、（ａ）ゴルフクラブシャフト、すなわち一般に長さが８９〜１１７ｃｍ、外径が太い方の端部て１．５〜１．６ｃｍ、細い方の端部で０．８３〜０．９５０の先細状のクラブシャフト、および（ｂ）長さと外径が例えば長さ１２０〜３４０ａｎ、太い端部の外径０．６〜２．６国というように広い範囲の値をもつ釣竿などである。

この発明の好適な実施例においては、非対称編上げは一方向に動くキャリアに大きいトウ寸法の「主強化繊維」を装着し反対方向に動くキャリアに小さいトウ寸法の「抑止繊維」を部分的に装着することによって行う。非対称編上げは次の特徴と利点とを備える。

（１）主強化繊維は十分な編上げの形成のために撚る必要はない。したがって、従来の対称編上げに比べて繊維束をより平坦にできる。繊維の起伏は著しく少な（なり、より大きい強度と剛性を実現できる。起伏の減少の程度はもちろん上記主強化繊維の断面積に対する抑止繊維の断面積の比で定まる−この断面積比は１：４０よりも小さくするのが最も好ましい。

（２）反対方向繊維、すなわち抑止繊維は、従来技術による対称編上げ法におけるそれと同様の相互組合せ作用を与えることによって自己安定性を維持する。また、この抑止繊維によって強化繊維の正確な間隔と並び具合とが保たれる。一様な間隔の強化繊維を有する複合体は強度と剛性にばらつきが少ない。また、部分部分にわたる一様性が種々の応用分野において貴重となる。すなわち、設計者は強度の許容値を算出するのに強度の平均値から３つの標準偏差値を減算する手法を一般に採るからである。フィラメント巻付は法、とくに先細状または複雑形状の心棒に施こされる巻付は法では、強化繊維の間のギャップの発生を防ぐことは難しいので、強度試験結果のばらつきは往々にして大きくなる。さらに、この発明の非対称編上げは、上述のとおり、編上げに引続く工程、たとえば樹脂トランスファモールドや圧縮モールドなどの工程の期間中において強化用繊維の安定化をもたらす。

（３）抑止繊維を主強化繊維とは異なる材料で形成し、混ぜ織りの混成複合体をつくることもできる。特定の性能要求がある場合はこの混成複合体が有利になる。例えば、主強化繊維がカーボン繊維である場合はＫｅｖｌａｒの低デニール（細い）トウを抑止繊維として使える。Ｋｅｖｌａｒはき裂の広がりに抵抗を与えるので複合体の衝撃による損傷を抑える。

したがって、この発明の目的は編組体の表面うねり率を従来技術によるこの種の編組体に比べて大幅に抑えることによって、大きい起伏角や過大な摩耗損傷などの深刻な問題を伴うことなく管状編上げの利点のすべてを達成することである。

上に引用し略述した米国特許に対比して上述の本発明が容易に区別できることが認められよう。例えば、米国特許第４．７５４．６８５号は編上げ用の糸の太さの範囲について検討してはいるものの、直径ｏ、　ｏ　ｉ　ｏインチのポリエステル弾性モノフィラメントを直径０．０１５インチのナイロンモノフィラメントに置換することを述べているにすぎない。その結果、面積比は１：２．２５であって、特許請求の範囲記載の比、すなわち１：４が許容する最大比よりもかなり大きい。また、後述の説明から把握されるとおり、フィラメント装着パターンは同じではない。本発明は編上げ工程における厳密性を緩和し、また選択的に相互重ね合わせの数を減らすことによって摩耗損傷を軽減している。米国特許第４．７５４．６８５号においては、上記厳密性は逆に増加し相互重ね合わせの数も減っていない。

米国特許第４．８３６．０８０号については、可撓性編上げ糸に対する（製品使用中の）摩耗損傷の防止のために金属細線で保護網を形成した混成編上げ体を記載している。本願発明においては、対照的に、とぎれのない封入体形成用の固体材料（例えばエポキシ樹脂）を母材として用いている。

強化繊維により強化すると、強度の大きい複合体が形成され母材の存在により個々の糸の相対的な動きが防止される。

米国特許第４．８３６．０８０号においては、これと対照的に上記相対的動きが可能であるだけでなくむしろその動きが意図されている。

７Ｓ表千６−５０８４０４　（５）米国特許第２．４９４．３８９号および同第２．６０８．１２４号記載の技術は編組形成部分の長さ方向の互いに異る位置で管状編組パターンに入る糸を含むストランドの数や種類を変動させている。そのようなパターンを形成するにはストランドにとぎれを要するであろう。とぎれによって局部的な応力集中が生じ、その編組で形成された複合体の強度と剛性は低下する。すなわち、この技術は、とぎれのない繊維だけを用い非対称編組パターンによって複合体への変換後の編組形成部の強度と剛性を増大させている本発明の技術とは正反対である。さらに、上記特許第２．４３４．３８９号および同第２．６０８．１２４号においては、従来の編組形成機械にキャリアあたりのボビン数の増加という変更を加える必要がある。

本願方法はそのような変更を要しない。

米国特許第４．５５０．６３９号、同第４．６７２．８７９号、および同第４．７２９．２７７号においては、編組パターン内の互いに異なる位置におけるたて糸の数を変動させることによって編上げ圧縮バッキングの非対称性を達成している。しかしながら、２軸トウの全数を用いており、しかもこれらトウをすべて同じ寸法にしている。したがって、本願発明が達成した起伏の低減も相互重ね合わせ数の低減も達成できない。

したがって、これら３件の特許のパターンでも編組つき複合体の強度または剛性の増大を達成することはできない。

さらに、この発明ではたて糸繊維の有無は問題でなくなる。

すなわち、本発明は２軸の繊維を非対称パターンに配置ししたがってたて糸繊維を含まない２軸編組にもたて糸繊維を含む３軸編組にも適用できる。

米国特許第４．７５４．６８５号および同第４．８３６．６８５号は耐摩耗性を改善した管状編組付きスリーブ、すなわち弾性糸と耐摩耗性糸とを互いに異なる比で含むスリーブを記載している。このスリーブを形成するには、編上げ機を完全装着にして時計まわりキャリアと反時計まわりキャリアの装着パターンを対称的にする必要がある。そうでない場合は、スリーブにねじれと歪みが生じ、ホースや線材の被覆に不適となる。本発明は非対称装着パターンに向けられており、時計まわりであれ反時計まわりであれ、１方向に動くキャリアにはひとつの型の繊維を装着し逆方向に動くキャリアにはそれと異なる型の繊維を装着する。しかも、それらキャリアの全部に繊維を装着する必要はない。さらに、上記米国特許におけるスリーブに必要な対称的装着パターンでは繊維の起伏は低減されず交叉重ね合わせも減少しない。

米国特許第４．７１９．８３７号は編組形成用の糸を繰返し２段階パターンで動かし編組体構造で斜め方向に延びる糸の多層アレイを通じた斜め方向の経路を編組形成用の糸がたどるようにして複合体への変換用の編組体を形成する。三次元の編組体を作るには特別の機器を必要とする。本発明は発明者らの新規な方法を用いて従来型の管状編上げ機に形成する単層で二次元の編組体に向けられている。

図面の簡単な説明第１図は従来技術による上２本下２本編組複合体の平面図であり、第２図は第１図の線２−２におけるこの編組複合体の断面図であり、第３図は従来技術による３軸編組の平面図であり、第４図は第３図の線４−４におけるこの３軸編組の断面図であり、第５図はこの発明の好適な実施例を構成する起伏低減非対称編組の平面図であり、第６図は第５図の線６−６におけるこの非対称編組の一部分の断面図であり、第７図は従来技術による編上げ機のキャリア経路の概略図である。

好適な実施例の説明本発明の非対称編上げ方法は第１−４図に示すような従来技術による編上げ技術と著しい対照をなしている。すなわち、概括的に参照数字１０で示した従来技術による上２本下２本編組複合体、および第１図、第２図の２軸編組複合体１０においては、互いに交叉し互いに斜め向きに相対して供給されるトウフィラメントまたは繊維１２．１４が表面うねり率を定義し、そのうねり率の式において長さ！。

はうねりを含むトウの長さ、ｈはうねりのないトウの長さを表わす。従来技術による２軸編組複合体では、うねりを含むトウの長さ！、は直線状トウのそれのおよそ１／２である。複合体１０においては、フィラメントまたは繊維１２．１４の他に剛性ある編組複合体形成のために慣用の方法により硬化する含浸樹脂が含まれているものとする。

第３図および第４図に移ると、従来の３軸編組複合体が参照数字１１０で示しである。トウ１１２および１１４は従来技術による２軸編組複合体と全く同様であって、第１図および第２図に参照数字１２．１４で示したものと相等しい。この３軸編組複合体において、軸方向またはたて糸繊維１１８は断面楕円形であっても、第４図に示すとおり、はぼ円形の断面に丸まりやすく、うね状の大きい束を形成しその上を２軸トウ繊維またはフィラメントを通さなければならなくなる。

また、３軸編組複合体１１０においては、硬化した樹脂１１６が２軸トウ繊維１１２，１１４および軸方向たて繊維１１８に浸み込ませである。

上記２軸編組複合体１０および３軸編組複合体１１０は第５図および第６図に示した本発明の好適な実施例を形成する起伏低減非対称編組複合体２１０とは著しい対称を成している。

発明者らによる起伏低減非対称編組形成技術は改良された繊維強化製品を製造するのに管状編上げの概念を使っている。この技術は強度および剛性がともに高く破損の際の伸びの小さい炭素繊維、黒鉛繊維、Ｋｅｖｌａｒ、　ＮＩＣＡＬＯＮ（ダウコーニング社）などの改良型繊維にとくに利用価値が高い。

高係数繊維を編上げる能力が改善されているので、確立ずみのまたは新規採用中の数多くの母材溶浸方法を用いた複合体への変換に非対称編組プリフォームが有用である。例？Ｓ表十６−５０８４０４　（７）えば、樹脂トランスファモールド（ｒＲＴＭＪ　）を用いた熱硬化樹脂、混合糸、加圧モールド、粉状スラリー含浸、低分子量前駆物質を用いた熱可塑性樹脂、化学的蒸着／溶浸（ｒＣＶＤ／ＣＶＩＪ　）法およびゾル・ゲル法を用いたセラミック母材、液状金属溶浸、金属噴霧／加圧モールドおよび原位置反作用を用いた金属間母材などの母材溶浸方法が用いられる。

非対称編組は米国特許第４．６９０．８５０号記載のもののような管状編上げ機に繊維を意図的に不均一形状に装着することによって形成される。強化繊維は互いに同一方向（時計まわりまたは反時計まわり）に動くキャリアに装着される。

反対方向に動くキャリアは異なった装着を施される。このようにして次の方法により非対称編組が作られる。すなわち、反対方向のキャリアには異なる寸法（異なる材料も任意選択可）の強化繊維を装着し、それら反対方向のキャリアのいくつかは無装着にするなどの方法である。非対称３軸編組は軸方向繊維（たて糸）を非対称２軸編組に導入することによって作られる。典型的な非対称の下面・背面２軸編組複合体は第５，６図に示すとおり大きいトウ寸法の強化用繊維２１２，２１４と反対方向キャリアに部分装着したごく細いトウ寸法の繊維２１８，２２０とを有する。

表面うねり率の大幅な低減が可能である。第５，６図に示すとおり、編み上げたトウは楕円形の束に形成することができる。第５，６図の２軸編組体については、繊維束の断面積はＡ＝πａｂである。互いに異なる断面積のトウ２１２゜２１８を用いることによって、アスペクト比ＡＲが等しい場合はトウの幅が面積比の平方根に比例すること、すなわち、１：１０　１：３．１５１：４０　１：６．３２になることが明らかである。

面積比１：４のときは、トウ幅の比は１：２となり表面うねり率は約０．２は低下する。発明者らはこれによって係数効率が９０％になることを確認した。したがって比１：４は２軸編組で低減した起伏から大幅な改善効果を得る最小面積比と見ることができる。

上述のとおり、本発明においては一つの方向に動くキャリアには主強化繊維の断面積の４分の１以下、望ましくは１０分の１以下というように著しく小さい断面積の抑止繊維を装着して従来の編上げ機を改変している。しかも、小さい断面積の抑止繊維を上記逆方向に動くキャリアの全部に装着する必要はなく、多くの場合、主強化繊維２１２対抑止繊維２１８の比が２：１以上になるように逆向き駆動キャリアのいくつかを装着なしにするほうが有利である。

この発明による非対称編上げは、秀れたねじり特性および疲労特性を実現するので、この発明の方法は先細円筒状のスポーツ器具、たとえば（ａｌ長さが一般に８９から１１７■で太い端部の外径が１．５から１６　ｃｍで細い端部の外径か０．８３から０．９５ａｎのゴルフクラブシャフトや、（ｂｌ長さが１２０から３４０ａｎで太い端部の外径が０．６から２．６ａｎの長さ外径ともに大幅に変わる釣り竿などの製造に適している。

好適な実施例において、非対称編組体は一方向に動くキャリアに装着される「下」動用の大断面積の主強化繊維２１２と、逆方向に動く反対側キャリアに部分的に装着される細いトウ寸法の抑止繊維２１８とを備える。これら繊維２１２，２１８を用いたもう一つの繊維経路によって２重編組体が第５，６図に示すとおり形成され、この編組体は硬化樹脂２１６により完成する。

この非対称編組体は次のような特性および利点を備える。

（１１主強化繊維は編上げ機への馴染みをよくするためのねじりをほとんど要しないので従来技術による対称編組よりも繊維束か平らになる。繊維の起伏は著しく低減され、したがってより大きい強度と剛性が得られる。上記起伏の低減の度合はもちろん補強繊維の断面積に依存する。−すなわち断面積比は１：４０以下がもっとも好ましい。構造効率（すなわち比剛性率および比強度）は平らなトウがより大きい繊維体積分率を実現するので上記非対称編組の利用により改善できる。編上げ工程中の摩耗損傷は、糸の相互重ね合わせの数を減らし、太い強化繊維の間をくぐり抜ける細い抑止繊維の上下動を最小に抑えることによって大幅に低減できる。米国特許第４．４９４．４３６号の樹脂塗布リングの動作は非対称編上げによって機能強化され、編組形成繊維のねじりの必要を軽減することによって樹脂含浸が改善される。編み上げられたトウは樹脂塗布リングの表面と接触を維持する必要があるので、摩耗損傷の問題は自由空間で相互重ね合わせを生ずる乾式編上げの場合よりも深刻になる。したがって、この発明の非対称編上げによる相互重ね合わせ損傷の軽減は高係数繊維においてとくに有利である。

（２）逆向きあるいは「抑止」繊維は、従来技術の対称編組と同様の相互組合せ作用により編組の自己安定性を保持する。また、抑止繊維は強化繊維の正確な間隔と位置合わせとを保持する。強化繊維を一様な間隔で施した複合体においては、強度と剛性のばらつきが最小になる。複合体の部分部分における一様性が重要である。すなわち、設計段階において強度の許容値を算出するのに強度平均値から三つの標準偏差値を減算する手法をとるからである。フィラメント巻付は法、とくに先細状または複雑形状の心棒に適用したこの方法は強化繊維相互間の空隙の発生を避けることは困難であり、強度にそれだけばらつきが生ずる。さらに、既述のとおり、この発明の非対称編組は編上げ工程後の加工、すなわち樹脂トランスファモールドや加圧モールドなどの加工中に強化繊維の安定化をもたらす。

（３）抑止繊維を主強化繊維とは異なる材料で形成し、混成複合体を作ることもできる。このような混成複合体は特定の性能要求がある場合に有利となる。例えば、炭素繊維から成る主強化繊維に対して低デニール（細）のＫｅｖｌａｒ糸特表十６−５０８４０４　（８）を抑止繊維に用いることができる。Ｋｅｖｌａｒはき裂の広がりに対する抵抗をもたらし、積層体の衝撃損傷を軽減する。

（４）本発明による非対称構造を用いる場合は、編上げ機の繊維通路の各々を２つの通路で置換する必要がある。しかし、摩耗損傷が軽減されるので編上げ速度は向上し、追加の加工時間を最短にする。

実例この発明の適用可能性は次の実施例を参照することによってさらによく把握されよう。

（ｉ）ゴルフクラブシャフトの製造−スポーツ用器具の製作に複合体のもたらす利点（軽量、優れた減衰など）はよく知られている。したがって、はとんど全てのテニスラケット、釣竿、棒高跳用ポールなどが複合体によって作られる。しかし、１０年はど前に製造された複合体ゴルフクラブシャフトは選択可能な材料としてスチールにとって代わることはできなかった。その主たる理由は複合体シャフトのねじり剛性が劣っており、その結果、クラブヘッドのねじれや不規則なショットパターンが生じたからであった。

今日の技術によれば、スチールシャフトと同程度のねじり剛性をもつ複合体シャフトの形成が可能である。したがって、複合体ゴルフシャフトは、かなり高価ではあるものの、重要になってきている。複合体シャフトの大部分は現在のところ人手による積層形成技術により主として黒鉛強化繊維の含浸ずみ層の６層乃至１４層の重ね合わせを用いて製造されている。含浸ずみ層のこのような重ね合わせは不均一な断面のシャフトを作り出すことになり、クラブヘッドのフェースに対するシャフトの向きによって異なるたわみ特性をもつシャフトを作り出すことになる。

上述のとおり、高いねじり剛性値を達成することが最も重要であるので、人手による積層形成技術で製造された最も高価な複合体シャフトにおいては、所要のねじり剛性を実現するためにホウ素が用いられるようになっている。人手によるこの積層技術の利用に内在する特性の不均一性を克服するために、製造業者らはゴルフクラブシャフトの製造のためのフィラメント巻付は法と編上げ法とを開発している。編上げ法を用いた複合体ゴルフシャフトの製造においては、軸方向繊維および螺旋状繊維の両方とも小さい外径の先細状の軸に米国特許第４．６９０．８５０号記載のそれと類似の方法で位置および向きを適宜合わせて配置し、曲げおよびねじり強度および剛性の所要の割合を実現している。このような編上げ法を用いる場合は、シャフトのねじり特性を左右するのは螺旋状繊維である。螺旋状に配置され編み上げられたトウの大きい繊維起伏角度はねじり剛性を大幅に低下させ、一方非対称編上げはそのような起伏を実質的に解消することによってねじり剛性と疲労特性に著しい改善をもたらしたものと推定された。慣用されている管状編組に比べて、この発明における平らな幅広の強化繊維は最小の繊維起伏により最大の編組面を形成する。しかも、形成される編組体は薄いので編上げ密度は高まりフィラメント巻き付は法による場合と同程度に高い体積分率を実現できる。

上記推定した改善を実証するために、２本のシャフトを片方は慣用の編上げ法により他の片方はこの発明の非対称編上げ技術により作成した。これらシャフトは両方とも３つの基礎層、すなわち螺旋状に巻き付けた（±４５°）繊維の内側層を有する。また、両方とも１２に１高係数（５８ＭＳ　Ｉ）炭素繊維から成る強化繊維を含む。上記「慣用」法によるサンプルでは螺旋状繊維は時計まわりおよび反時計まわりの両方向の各々について１２に繊維の８つのスプールをキャリア１６個付きの管状編上げ機に装着することによってシャフトにとりつけた。上記「非対称」サンプルでは、螺旋状巻付はトウ、すなわち２層の各々における±４５°薄層は同じくキャリア１６個付きの管状編上げ機に一つの回転方向には１２に繊維の８つのスプールを、逆の回転方向にはＤ４５０　１１０ガラス繊維の４つのスプールをそれぞれ装着して４つの螺旋状繊維薄層（各層につき±４５°の２つの薄層）の各々につき抑止繊維を配置するようにとりつけた。強化繊維と抑止繊維との断面積比はおよそ１００：１てあった。繊維配置の終了ののちこれらのサンプルは型の中に置かれ同一のエポキシ樹脂により同一の樹脂注入圧力および硬化工程の下で樹脂トランスファモールドされた。次にこれらサンプルは、当業界慣用の試験により、（１）ねじり剛性および（２）疲労耐性の両方につき試験方の端部で固定し、荷重棒をシャフトの細い方の端部から１インチの点にシャフトと垂直にとり付けた。約１フイートポンドのトルクを与えるようにシャフトの軸から１フイートの距離で上記荷重棒に１ポンドの重りを載せた。このトルクによってシャフトに生じたねじりの度合は角度目盛りで読み取った。すなわち、ねじり剛性の優れたシャフトは小さいねじれ角を示すようにした。この試験の結果、「慣用」方法により作成したシャフトはねじれ角３．３７゜（４つの読取り角度の平均値）を示し、「非対称」方法により作成したシャフトはねじれ角２．９６°　（４つの読取角度の平均値）を示した。この発明による製品は１２パーセントを超えるねじり剛性の改善を示した。

（ｂｌ　疲労耐性−これは破壊試験であり、クラブヘッドをとり付けて行う。グリップ（太い方の端部）を機械にとり付け、この機械によって７．６２メ一トル／秒のスイング速度でボールを毎分およそ１３回打つように組立てずみのゴルフクラブを振り上げる。重量１０７１グラム（通常のゴルフボールの重量４０グラムと対比）のボールは曲線状の経路を上下に滑動し、最初の位置に戻り試験対象のクラブに再び打たれる。ボール打ちはシャフトの破損が生ずるか、１０．０００回に達するまで続けられる。代表的な試験結果として、良質の普通の重さのスチイールシャフトでは１，０００打で破損、軽量スチールシャフトで３００打、良質の複合体シャフトで５，０００から１０，０００打などの数字が挙げられる。

特表平６−５０８４０４　（９）（ｉｉ）油圧ホースの製造−油圧ホースは通常２つの構造のいずれか１つ、すなわちエラストーマ−のライナーの上に編組繊維強化を施したものか、同様のエラストーマ−のライナーの上に螺旋状に巻き付けた繊維を備えたものかである。後者は繊維起伏を最小にでき巻付は密度（繊維体積分率）を最大にできるので理論的には高い強化効率を有する。しかし、そのような利点があるにも拘らず螺旋状巻付は構造はホースの変電なる曲げによって強化繊維の巻付部分が分離して弱点を形成しそこからホースが破裂するので、市場には広く受け入れられていない。

この発明の方法に基づく「非対称」編上げの利用により、繊維起伏の悪影響は最小となり最適の繊維編上げ密度を達成でき、一方、繰返しかけられる加圧および曲げの期間における繊維の並び具合の安定性も維持できる。

（ｉ）衝撃不感弾薬の製造　弾薬類は通常の使用条件（圧力、温度など）の下では所要の強度をもち事故の際にはその強度を失するケースや容器に保管するのが望ましい。

すなわち、銃弾の衝撃や火災など事故状況に遭遇した際にその方が安全であるからである。アルミニウムケース入すの慣用の２．７５インチ高射砲ロケットを第３，４図の従来技術による３軸編組で強化したＫｅｖｌａｒ／エポキシ複合体のケースで置換した。アルミニウムケースと同等の曲げ剛性を与えるために軸方向黒鉛繊維／エポキシの層１つを上記構造に含めた。この編組強化複合体ケースは大ていの面で良好な性能を示したが、衝撃不感弾薬（Ｉ　Ｍ）性能についてはこのケースの異常に高い靭性特性がむしろ不利な結果をもたらすこととなった。すなわち、２０叩弾丸衝撃試験では編組強化を施したケースは原形を保った。その結果、弾丸がロケット推進薬を発火させ、ロケットが爆発した。

最適の１Ｍ性能では、ケースが破壊されて飛散し推進薬のフレア状燃焼を誘発する。この発明の発明者らの非対称編上げ技術によるとこの「靭性による不利」は克服できる。

すなわち、この技術においては、通常は靭性を増大させるような構造強化をもたらす相互重ね合わせによる「抑止」繊維がモールド工程中に設計により消失するのである。すなわち、モールド工程の最終段階で強度を著しく失う「抑止繊維」を利用することによって、１Ｍ性能の改良が達成できるのである。たとえば、発明者らは、アライドスペクトラ■すなわち長尺ポリエチレン繊維が２５０°Ｆまで高い強度を示し、樹脂トランスファモールド工程中の繊維薄層の歪みを最小に抑えるための非対称編上げの抑止繊維として使えることを確認した。また、硬化性ある樹脂系、すなわち２５０°Ｆ以下の温度で初期ゲル化を達成でき主強化繊維を正確な並び合わせに安定化させる樹脂系を選んだ。

初期ゲル化ののち樹脂は例えば５０°から１００°高０温度で後硬化にかけられ樹脂の性能を全面的に備えるに至る。

この後硬化温度において抑止用スペクトラ繊維は非可逆的に強度を失い、したがってこれら繊維の相互重ね合わせは例えばロケットケースのような最終製品の靭性増大をもたらさないのである。したがって、弾丸衝撃を受けた際（こ低破壊靭性の樹脂そのものはエネルギの吸収ができず、ケースそのものの広範囲にわたる離層が一挙に生ずるのである。

上述の実例は複合体の形成に樹脂含浸なしの編上げと樹脂トランスファモールドを用いたものとして説明した。しかし、この発明の主な利点の１つ、すなわち、起伏角の除去または低減は、他の公知の複合体製造方法においても実現できることは理解されよう。例えば、米国特許第４、４９４．４３６号記載の樹脂含浸ずみの繊維による編組形成にもこの発明の非対称編上げは適用できる。その場合には、繊維配置に先立って繊維束全部に樹脂を塗布し、後工程における塗布を不要にする。樹脂含浸ずみ繊維による編組形成部は、次に、（ｉ）テープで包んで炉内で直接硬化させるか（現在人手による積層形成複合体ゴルフシャフトの硬化に使われている方法と類似）、（ｉｉ）可撓性ある袋に収め外部から加圧加熱して樹脂を圧密し固化させる。

この発明を詳細に特定の実施例について上に述べてきたが、この発明の真意と範囲から逸脱することなく種々の変更と改変が可能であることは当業者には明らかである。

平成５年９月２日

Claims

【特許請求の範囲】

１．実質的にとぎれのない向きの揃った強化繊維により強化された母材から成る少なくとも１つの複合体層を有する物品の製造方法であって、繊維を互いに斜めに交叉させ起伏ある織合せパターンに編み上げる工程と前記少なくとも１つの複合体層を形成するように前記繊維に硬化性ある母材を浸み込ませる工程とを含む前記物品の製造方法において、前記編上げ工程が前記起伏の振幅を実質的に減らすように互いに異なる断面積を有し互いに斜めに交叉する繊維を非対称的に編み上げる工程、すなわち一方向に向きの揃った抑止繊維の断面積をこれと斜めに補完的な主強化繊維の断面積の四分の一以下にしてこれら繊維を編み上げる工程から成る改良。
２．非対称３軸構造を形成するように前記編上げ工程による生成物に軸方向（たて糸）繊維を導入する工程をさらに含む請求項１の方法。
３．前記繊維への浸み込ませ工程が熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、セラミック母材材料および金属母材材料から成る群の少なくとも１つの母材による繊維への浸み込ませ工程である請求項１の方法。
４．前記抑止繊維の断面積が主強化繊維の断面積の十分の一以下である請求項１の方法。
５．前記抑止繊維が前記主強化繊維とは異なる材料から成る請求項４の方法。
６．前記編上げ工程が前記主強化繊維の引張係数よりも実質的に小さい引張係数をもつ抑止繊維を編み上げる工程を含む請求項５の方法。
７．前記編上げ工程が前記主強化繊維および前記母材のうちの一方の劣化温度よりも実質的に低い温度で著しく劣化する強度特性を有する材料の抑止繊維の編上げを含む請求項５の方法。
８．抑止繊維と主強化繊維との比が＜１：２である請求項４の方法。
９．抑止繊維の断面積が斜めに補完的な強化繊維の断面積の四十分の一よりも小さい請求項４の方法。
１０．実質的にとぎれのない向きの揃った強化繊維により強化された母材から成る少なくとも１つの複合体層を有する物品の製造方法であって、繊維を互いに斜めに交叉させ起伏ある織合せパターンに編み上げる工程と、前記少なくとも１つの複合体層を形成するように前記繊維に硬化性ある母材を浸み込ませる工程とを含む前記物品の製造方法において、前記編上げ工程が前記起伏の振幅を実質的に減らすように互いに異なる断面積を有し互いに斜めに交叉する繊維を非対称的に編み上げる工程、すなわち一方向に向きの揃った抑止繊維の断面積をこれと斜めに補完的な主強化繊維の断面積の四分の一以下にしてこれら繊維を編み上げる工程と、前記編上げ工程にかける繊維に熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、セラミック母材材料および金属母材材料から成る群の少なくとも１つの母材材料を浸み込ませる工程とを含む改良方法によって製造された８９ｃｍを超える長さの円筒状の物品。
１１．実質的にとぎれのない向きの揃った強化繊維により強化された母材から成る少なくとも１つの複合体層を有する物品の製造方法であって、繊維を互いに斜めに交叉させ起伏ある織合せパターンに編み上げる工程と前記繊維に硬化性ある母材を浸み込ませる工程とを含む前記物品の製造方法において、前記編上げ工程が前記起伏の振幅を実質的に減らすように互いに異なる断面積を有し互いに斜めに交叉する繊維を非対称的に編み上げる工程、すなわち一方向に向きの揃った抑止繊維の断面積をこれと斜めに補完的な主強化繊維の断面積の四十分の一以下にしてこれら繊維を編み上げる工程から成る改良方法によって製造された８９ｃｍを超える長さの円筒状の物品。
１２．少なくとも１つの編上げ繊維層を互いに斜めに交叉する繊維で起伏ある編組パターンに編み上げる工程と前記繊維に硬化性ある母材材料を浸み込ませる工程とを含む物品形成方法において、前記斜めに交叉する繊維を編み上げる工程が、前記起伏の振幅を実質的に減らすように互いに異なる断面積の繊維を非対称的に編み上げる工程、すなわち一方向に向きの揃った抑止繊維の断面積をこれと斜めに補完的な主強化繊維の断面積の四分の一以下にしてこれら繊維を編み上げる工程から成る改良。
１３．前記起伏の振幅を実質的に減らすために互いに異なる断面積の繊維を非対称的に編み上げる工程が一方向に向きの揃った抑止繊維の断面積をこれと斜めに補完的な主強化繊維の断面積の十分の一以下にしてこれら繊維の斜め交叉を非対称的に編み上げる工程から成る請求項１２の方法。
１４．互いに斜めに交叉する少なくとも一つの繊維編上げ層を起伏ある互いに異なる断面積の編上げパターンにその起伏の振幅が実質的に減るように非対称的に編み上げる工程、すなわち一方向に向きの揃った抑止繊維の断面積をこれと斜めに補完的な強化繊維の断面積の四分の一以下にしてこれら繊維を編み上げる工程と、これら繊維に硬化性ある母材を浸み込ませる工程とを含む方法により製造された８９ｃｍを超える長さの製品。