JPH0724943A

JPH0724943A - Ｆｒｐ円筒体

Info

Publication number: JPH0724943A
Application number: JP5169265A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Noguchi; 健一野口; Takehiko Hirose; 武彦広瀬; Akihiko Kitano; 彰彦北野
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 1993-07-08
Filing date: 1993-07-08
Publication date: 1995-01-27
Anticipated expiration: 2017-04-30
Also published as: JP3278985B2

Abstract

(57)【要約】【目的】ねじり強度やねじり弾性率等のねじり特性と曲
げ弾性率等の曲げ特性とのバランスに優れ、しかも、直
径方向における圧縮強度に優れた円筒体を提供する。【構成】積層中心に対して鏡面対称をなすように、積層
中心を挟んでその積層中心の各側に±θ₁゜（１０≦θ
₁≦８０）の第１の炭素繊維層を配置し、その第１の炭
素繊維層の外側にθ₂゜（８５≦θ₂≦９５）の第２の
炭素繊維層を配置し、その第２の炭素繊維層の外側にθ
₃゜（−５≦θ₃≦５）の第３の炭素繊維層を配置した
ＦＲＰ円筒体。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、航空機、自動車、自
転車、ゴルフクラブ、スキーポール、釣竿、テント等に
おける各種フレーム、パイプ、シャフトとして好適なＦ
ＲＰ円筒体に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）の円筒
体、たとえばゴルフシャフトは、特開昭５２−２４２７
２号公報に記載されるように、内層として補強繊維を円
筒軸方向に対して±４５゜の角度で配列した、いわゆる
±４５゜層を配置し、その上に、外層として補強繊維を
円筒軸方向に配列した、いわゆる軸方向層を配置した非
対称の層状構成とされている。±４５゜層は主としてね
じり特性を向上させるように作用し、軸方向層は主とし
て曲げ特性を向上させるように作用するが、ねじりを受
けたときの横断面における変形が大きく、ねじり強度や
ねじり弾性率等のねじり特性が必ずしも十分でない。一
方、ねじり特性を向上させようとすると、こんどは曲げ
弾性率等の曲げ特性が著しく低下してくる。すなわち、
上記従来の円筒体は、決められた肉厚において、ねじり
強度、ねじり弾性率等のねじり特性と、曲げ弾性率等の
曲げ特性とを同時に満足することはなかなか困難であっ
た。また、上記従来の円筒体は、直径方向に衝撃力が加
わると比較的容易に破壊してしまうという問題もある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】この発明の目的は、従
来のＦＲＰ円筒体の上述した問題点を解決し、ねじり強
度やねじり弾性率等のねじり特性と曲げ弾性率等の曲げ
特性とのバランスに優れ、しかも、直径方向における圧
縮強度に優れたＦＲＰ円筒体を提供するにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明は、マトリクス樹脂中に埋没された、積層
中心に対して鏡面対称をなす複数の補強繊維層を含み、
それら複数の補強繊維層は、ａ．積層中心を挟んでその積層中心の各側に配置され
た、補強繊維が円筒軸方向に対して±θ₁゜（１０≦θ
₁≦８０）の角度で配列された第１の層と、ｂ．上記第１の層の外側に配置された、補強繊維が円
筒軸方向に対してθ₂゜（８５≦θ₂≦９５）の角度で
配列された第２の層と、ｃ．上記第２の層の外側に配置された、補強繊維が円
筒軸方向に対してθ₃゜（−５≦θ₃≦５）の角度で配
列された第３の層と、を含んでいることを特徴とするＦＲＰ円筒体を提供す
る。したがって、円筒体の内側からみると、第３の層、
第２の層、第１の層、第１の層、第２の層、第３の層が
この順序で配置されていることになる。

【０００５】好ましくは、各層の補強繊維の含有率が４
０〜７０体積％の範囲にあり、かつ、全補強繊維量に対
する補強繊維量が、第１の層においては４０〜６０％の
範囲にあり、第２の層においては２〜２５％の範囲にあ
り、第３の層においては５〜４０％の範囲にある。もっ
とも、ねじり強度を特に向上させたい場合には、第１、
第２の層の補強繊維は、第３の層の補強繊維よりも引張
強度の高い補強繊維とし、補強繊維の含有率を、第１、
第２の層においては４０〜７０体積％の範囲にし、第３
の層においては５０〜７０体積％の範囲にし、かつ、全
補強繊維量に対する補強繊維量を、第１の層においては
４０〜６０％の範囲にし、第２の層においては２〜２５
％の範囲にし、第３の層においては５〜４０％の範囲に
するのが好ましい。また、ねじり弾性率を特に向上させ
たい場合には、第１、第３の層の補強繊維は、第２の層
の補強繊維よりも引張弾性率の高い補強繊維とし、補強
繊維の含有率を、第１、第２の層においては４０〜７０
体積％の範囲にし、第３の層においては５０〜７０体積
％の範囲にし、かつ、全補強繊維量に対する補強繊維量
を、第１の層においては４０〜６０％の範囲にし、第２
の層においては２〜２５％の範囲にし、第３の層におい
ては５〜４０％の範囲にするのが好ましい。この発明に
おいて、樹脂は、ＦＲＰのマトリクスを構成するもの
で、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、その他の
熱硬化性樹脂を使用することができる。なかでも、耐熱
性、耐水性、接着性に優れたエポキシ樹脂が好ましい。

【０００６】また、補強繊維としては、炭素繊維、ガラ
ス繊維、ポリアラミド繊維、その他の高強度、高弾性率
繊維を使用することができる。なかでも、比強度、比弾
性率に優れた炭素繊維が好ましい。なお、これらの補強
繊維は、異なる種類のものを併用することができる。ま
た、同じ種類のものであっても、特性の異なるものを併
用することができる。

【０００７】さて、この発明の円筒体は、少なくとも、
積層中心を挟んでその積層中心の各側に配置された、補
強繊維が円筒軸方向に対して±θ₁゜（１０≦θ₁≦８
０）の角度で配列された第１の層と、この第１の層の外
側に配置された、補強繊維が円筒軸方向に対してθ₂゜
（８５≦θ₂≦９５）の角度で配列された第２の層と、
この第２の層の外側に配置された、補強繊維が円筒軸方
向に対してθ₃゜（−５≦θ₃≦５）の角度で配列され
た第３の層とを有する。第１の層は、主としてねじり特
性を向上させるように作用し、第２、第３の層は、主と
して直径方向における圧縮強度や曲げ特性を向上させる
ように作用する。そのためには、上記±θ₁゜、θ
₂゜、θ₃゜はそれぞれ±４５゜、９０゜、０゜である
のがよいということになるが、これらの角度は、補強繊
維の種類や、補強繊維量や、樹脂の種類等にも依存し、
組み合せとして上記範囲をとり得る。なお、第１の層の
角度θ₁゜が上記範囲にないときは、せん断弾性率が低
くなり、ねじり特性が低くなる。また、第２の層の角度
θ₂゜および第３の層の角度θ₃゜が上記範囲にないと
きは、圧縮強度が低くなる。

【０００８】補強繊維層は、積層中心に対して鏡面対称
をなすように配置される。たとえば、内側から順に、０
゜層（第３の層）、９０゜層（第２の層）、±４５゜層
（第１の層）、±４５゜層（第１の層）、９０゜層（第
２の層）、０゜層（第３の層）が配置されているとき、
積層中心は、２個の±４５゜層（第１の層）の間という
ことになる。すなわち、第１の層は、積層中心を挟んで
その積層中心の各側に配置される。

【０００９】各層の補強繊維の含有率は、４０〜７０体
積％の範囲にあるのが好ましい。４０体積％より低くて
も、また、７０体積％を超えても、円筒体の力学的物性
は低下する。補強繊維の利用率を考えると、６０体積％
前後が好ましい。

【００１０】また、全補強繊維量に対する各層の補強繊
維量は、第１の層においては主としてねじり特性を考慮
して４０〜６０％の範囲にし、第２の層においては主と
して直径方向における圧縮強度を考慮して２〜２５％の
範囲にし、第３の層においては主として曲げ特性を考慮
して５〜４０％の範囲にするのが好ましい。すなわち、
ねじり特性の向上のみを考えるならば第１の層の補強繊
維量を多くすればよく、直径方向の圧縮強度の向上のみ
を考えるならば第２の層の補強繊維量を多くすればよ
く、曲げ特性の向上のみを考えるならば第３の層の補強
繊維量を多くすればよいということになるが、用途等に
応じ、全体のバランスを考えねばならない。たとえば、
ゴルフシャフトに適用するときは、曲げ弾性率の低下を
できるだけ抑えながら直径方向における圧縮強度を向上
させ、ねじり特性を向上させるために、第１の層におい
ては５５体積％前後とし、第２の層においては１５体積
％前後とし、第３の層においては３０体積％前後とする
のが好ましい。

【００１１】さて、用途等によっては、特にねじり強度
を重点的に向上させたい場合がある。その場合には、第
１、第２の層に第３の層の補強繊維よりも引張強度の高
い補強繊維を使用し、補強繊維の含有率を、第１、第２
の層においては４０〜７０体積％の範囲にし、第３の層
においては５０〜７０体積％の範囲にし、かつ、全補強
繊維量に対する補強繊維量を、第１の層においては４０
〜６０％の範囲にし、第２の層においては２〜２５％の
範囲にし、第３の層においては５〜４０％の範囲にする
のが好ましい。

【００１２】同様に、ねじり弾性率を特に向上させたい
場合には、第１、第３の層に第２の層の補強繊維よりも
引張弾性率の高い補強繊維を使用し、補強繊維の含有率
を、第１、第２の層においては４０〜７０体積％の範囲
にし、第３の層においては５０〜７０体積％の範囲に
し、かつ、全補強繊維量に対する補強繊維量を、第１の
層においては４０〜６０％の範囲にし、第２の層におい
ては２〜２５％の範囲にし、第３の層においては５〜４
０％の範囲にするのが好ましい。

【００１３】このように、この発明の円筒体は、鏡面対
称をなす第１の層を挟むように、やはり鏡面対称をなす
ように第２、第３の層を配置することによって応力を受
けたときに第１の層にかかる力を低減させ、かつ、その
第１の層の変形を拘束し、かかる作用の相乗によってね
じり強度とねじり弾性率を向上させる。同時に、第２の
層によって直径方向における圧縮強度を向上させて直径
方向における変形を抑え、また、第３の層によって曲げ
弾性率に対してもその低下を抑え、もって、曲げ弾性率
を大きく低下させることなくねじり強度やねじり弾性率
を向上させるとともに直径方向における圧縮強度を向上
させる。

【００１４】なお、各層間に、樹脂の層や粒子の層を配
したり、それら樹脂と粒子との混合層を配すると、ねじ
り強度をさらに向上させることができる。これは、これ
らを配すると層間の靭性が向上し、ねじり破壊に至る層
間剥離を抑えることができるためであると考えられる。
樹脂の層は、マレイミド樹脂、アセチレン末端を有する
樹脂、ビニル末端を有する樹脂、シアン酸エステルを有
する樹脂等の熱硬化性樹脂や、ポリアミド樹脂、ポリエ
ステル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエーテルイミド樹
脂、ポリスルホン樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポ
リエーテルエーテルケトン樹脂等の熱可塑性樹脂、また
は、これらの熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂との混合樹脂
からなる、厚みが１０〜５０μｍ程度の層である。粒子
の層は、平均粒子径が１０〜５０μｍ程度の、上述した
熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂からなる粒子を１０〜５０
ｇ／ｍ²程度の目付で配したものである。また、樹脂と
粒子との混合層は、厚みが１０〜５０μｍ程度で、粒子
の樹脂に対する量が１〜５０重量％程度の層である。

【００１５】この発明の円筒体は、マンドレルにプリプ
レグを巻き付ける、周知のプリプレグ法によって容易に
製造することができる。層間に樹脂および／または粒子
の層を配するときは、前に形成した層の上に、次に層を
形成する前に、樹脂シートや粒子入り樹脂シートを巻き
付けたり、粒子を散布するなどすればよい。

【００１６】

【実施例】

実施例１：東レ株式会社製炭素繊維“トレカ”Ｍ４６Ｊ
−６ｋ（平均単糸径：５μｍ、引張強度：４３０kgf ／
mm²、引張弾性率：４４，５００kgf ／mm²）を互いに
並行かつシート状に引き揃えたものにＢステージのエポ
キシ樹脂を含浸してなる一方向性プリプレグを用意し
た。以下、これをプリプレグＡという。このプリプレグ
Ａは、厚みが０．１３３mmで、炭素繊維の含有率が５７
体積％である。

【００１７】次に、外径１０mm、長さ１，０００mmのマ
ンドレルに、上記プリプレグＡをその炭素繊維の方向が
マンドレルの軸方向に対して０゜になるように１層巻き
付け、次に９０゜になるように１層巻き付け、次に±４
５゜になるように２層巻き付け、次に９０゜になるよう
に１層巻き付け、次に０゜になるように１層巻き付け、
さらにラッピングテープを巻き付け、１３０℃で１２０
分間加熱して成形し、この発明に係る、内径１０mm、外
径１２mm、長さ１００mmの円筒体を得た。以下、この円
筒体を円筒体Ａという。この円筒体Ａの各層の炭素繊維
含有率は５８体積％であり、全炭素繊維量に対する各層
の炭素繊維量は、±４５゜層（第１の層）においては５
０％、９０゜層（第２の層）においては１５％、０゜層
（第３の層）においては３５％であった。

【００１８】次に、上記円筒体Ａについて、ねじり速度
１０．８゜／分でねじり試験をしたところ、ねじり破壊
トルクは４，５００kgf ・mm、ねじり弾性率は３，１５
０kgf ／mm²であった。また、スパン長２２０mm、負荷
速度１mm／分で３点曲げ試験をしたところ、曲げ弾性率
は８，５００kgf ／mm²であった。さらに、長さ１０mm
の試験片を作り、直径方向における圧壊試験をしたとこ
ろ、圧壊強さは３４kgf であった。

【００１９】一方、比較のため、上記プリプレグＡをそ
の炭素繊維の方向がマンドレルの軸方向に対して０゜に
なるように４層巻き付け、次に±４５゜になるように２
層巻き付け、以下、上記と同様にして、内径１０mm、外
径１２mm、長さ１００mmの円筒体を得た。以下、これを
参照品Ａという。この参照品Ａの各層の炭素繊維含有率
は５８体積％であり、全炭素繊維量に対する各層の炭素
繊維量は、０゜層においては５０％、±４５゜層におい
ては５０％であった。

【００２０】次に、この参照品Ａについて上記と同様に
試験をしたところ、ねじり破壊トルクは３，６００kgf
・mm、ねじり弾性率は２，７００kgf ／mm²、曲げ弾性
率は１０，５００kgf ／mm、圧壊強さは２５kgf であっ
た。この参照品Ａと円筒体Ａとを比較すると、円筒体Ａ
は、参照品Ａに対し、ねじり破壊トルクで２３％、ねじ
り弾性率で１４％、圧壊強さで３５％も向上しているの
に対し、曲げ弾性率の低下は１９％におさまっている。

【００２１】実施例２東レ株式会社製炭素繊維“トレカ”Ｍ４０Ｊ−６ｋ（平
均単糸径：５μｍ、引張強度：４５０kgf ／mm²、引張
弾性率：３８，５００kgf ／mm²）を互いに並行かつシ
ート状に引き揃えたものにＢステージのエポキシ樹脂を
含浸してなる一方向性プリプレグを用意した。以下、こ
れをプリプレグＢという。このプリプレグＢは、厚みが
０．１３１mmで、炭素繊維の含有率が６０体積％であ
る。

【００２２】次に、このプリプレグＢを±４５゜層（第
１の層）および９０゜層（第２の層）の形成に使用し、
実施例１で使用したプリプレグＡを０゜層（第３の層）
の形成に使用し、実施例１と同様にして、この発明に係
る、内径１０mm、外径１２mm、長さ１００mmの円筒体を
得た。以下、これを円筒体Ｂという。この円筒体Ｂの各
層の炭素繊維含有率は、±４５゜層および９０゜層が５
８体積％、０゜層が６７体積％であり、全炭素繊維量に
対する各層の炭素繊維量は、±４５゜層においては５０
％、９０゜層においては１０％、０゜層においては４０
％であった。

【００２３】次に、この円筒体Ｂについて実施例１と同
様の試験をしたところ、ねじり破壊トルクは４，８００
kgf ・mm、ねじり弾性率は３，０００kgf ／mm²、曲げ
弾性率は１０，５００kgf ／mm、圧壊強さは２５kgf で
あった。

【００２４】一方、比較のため、実施例１で用いたプリ
プレグＡをその炭素繊維の方向がマンドレルの軸方向に
対して０゜になるように４層巻き付け、次に上記プリプ
レグＢを±４５゜になるように２層巻き付け、以下、実
施例１と同様にして、内径１０mm、外径１２mm、長さ１
００mmの円筒体を得た。以下、これを参照品Ｂという。
この参照品Ｂの各層の炭素繊維含有率は、０゜層が６７
体積％、±４５゜層が５８体積％であり、全炭素繊維量
に対する各層の炭素繊維量は、０゜層においては５０
％、±４５゜層においては５０％であった。

【００２５】次に、参照品Ｂについて実施例１と同様に
試験したところ、ねじり破壊トルクは３，８００kgf ・
mm、ねじり弾性率は２，６００kgf ／mm²、曲げ弾性率
は１０，５００kgf ／mm、圧壊強さは２５kgf であっ
た。この参照品Ｂと上述した円筒体Ｂとを比較すると、
円筒体Ｂは、参照品Ｂに対し、ねじり破壊トルクで２６
％、ねじり弾性率で１４％、圧壊強さで２８％も向上し
ているのに対し、曲げ弾性率の低下は１４％におさまっ
ている。

【００２６】実施例３東レ株式会社製炭素繊維“トレカ”Ｍ５０Ｊ−６ｋ（平
均単糸径：５μｍ、引張強度：４１０kgf ／mm²、引張
弾性率：４８，５００kgf ／mm²）を互いに並行かつシ
ート状に引き揃えたものにＢステージのエポキシ樹脂を
含浸してなる一方向性プリプレグを用意した。以下、こ
れをプリプレグＣという。このプリプレグＣは、厚みが
０．１２３mmで、炭素繊維の含有率が６０体積％であ
る。

【００２７】次に、このプリプレグＣを±４５゜層（第
１の層）および０゜層（第３の層）の形成に使用し、実
施例１で使用したプリプレグＡを９０゜層（第３の層）
の形成に使用し、実施例１と同様にして、この発明に係
る、内径１０mm、外径１２mm、長さ１００mmの円筒体を
得た。以下、これを円筒体Ｃという。この円筒体Ｃの各
層の炭素繊維含有率は、±４５゜層および０゜層が５８
体積％、９０゜層が６７体積％であり、全炭素繊維量に
対する各層の炭素繊維量は、±４５゜層においては５０
％、９０゜層においては１０％、０゜層においては４０
％であった。

【００２８】次に、この円筒体Ｃについて実施例１と同
様の試験をしたところ、ねじり破壊トルクは４，２００
kgf ・mm、ねじり弾性率は３，６００kgf ／mm²、曲げ
弾性率は１２，０００kgf ／mm、圧壊強さは２９kgf で
あった。

【００２９】一方、比較のため、上記プリプレグＣをそ
の炭素繊維の方向がマンドレルの軸方向に対して０゜に
なるように４層巻き付け、次に±４５゜になるように２
層巻き付け、以下、実施例１と同様にして、内径１０m
m、外径１２mm、長さ１００mmの円筒体を得た。以下、
これを参照品Ｃという。この参照品Ｃの各層の炭素繊維
含有率は、０゜層が６７体積％、±４５゜層が５８体積
％であり、全炭素繊維量に対する各層の炭素繊維量は、
０゜層においては５０％、±４５゜層においては５０％
であった。

【００３０】次に、参照品Ｃについて実施例１と同様に
試験したところ、ねじり破壊トルクは３，５００kgf ・
mm、ねじり弾性率は３，１００kgf ／mm²、曲げ弾性率
は１２，５００kgf ／mm、圧壊強さは２４kgf であっ
た。この参照品Ｃと円筒体Ｃとを比較すると、円筒体Ｃ
は、参照品Ｃに対し、ねじり破壊トルクで２０％、ねじ
り弾性率で１６％、圧壊強さで２８％も向上しているの
に対し、曲げ弾性率の低下はわずかに４％におさまって
いる。

【００３１】

【発明の効果】この発明の円筒体は、鏡面対称をなす第
１の層の両側に、やはり鏡面対称をなすように第２、第
３の層を配置しているから、応力を受けたときに第１の
層にかかる力が低減され、かつ、その第１の層の変形が
拘束され、かかる作用の相乗によってねじり強度とねじ
り弾性率が大きく向上する。同時に、第２の層によって
直径方向における圧縮強度を向上させて直径方向におけ
る変形を抑え、また、第３の層によって曲げ弾性率に対
してもその低下を抑えているから、曲げ弾性率を大きく
低下させることなくねじり強度やねじり弾性率を向上さ
せることができるとともに、直径方向における圧縮強度
も向上する。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マトリクス樹脂中に埋没された、積層中心
に対して鏡面対称をなす複数の補強繊維層を含み、それ
ら複数の補強繊維層は、ａ．積層中心を挟んでその積層中心の各側に配置され
た、補強繊維が円筒軸方向に対して±θ₁゜（１０≦θ
₁≦８０）の角度で配列された第１の層と、ｂ．上記第１の層の外側に配置された、補強繊維が円
筒軸方向に対してθ₂゜（８５≦θ₂≦９５）の角度で
配列された第２の層と、ｃ．上記第２の層の外側に配置された、補強繊維が円
筒軸方向に対してθ₃゜（−５≦θ₃≦５）の角度で配
列された第３の層と、を含んでいることを特徴とするＦＲＰ円筒体。
【請求項２】各層の補強繊維の含有率が４０〜７０体積
％の範囲にあり、かつ、全補強繊維量に対する補強繊維
量が、第１の層においては４０〜６０％の範囲にあり、
第２の層においては２〜２５％の範囲にあり、第３の層
においては５〜４０％の範囲にある、請求項１のＦＲＰ
円筒体。
【請求項３】第１、第２の層の補強繊維は、第３の層の
補強繊維よりも引張強度の高い補強繊維であり、補強繊
維の含有率が、第１、第２の層においては４０〜７０体
積％の範囲にあり、第３の層においては５０〜７０体積
％の範囲にあり、かつ、全補強繊維量に対する補強繊維
量が、第１の層においては４０〜６０％の範囲にあり、
第２の層においては２〜２５％の範囲にあり、第３の層
においては５〜４０％の範囲にある、請求項１のＦＲＰ
円筒体。
【請求項４】第１、第３の層の補強繊維は、第２の層の
補強繊維よりも引張弾性率の高い補強繊維であり、補強
繊維の含有率が、第１、第２の層においては４０〜７０
体積％の範囲にあり、第３の層においては５０〜７０体
積％の範囲にあり、かつ、全補強繊維量に対する補強繊
維量が、第１の層においては４０〜６０％の範囲にあ
り、第２の層においては２〜２５％の範囲にあり、第３
の層においては５〜４０％の範囲にある、請求項１のＦ
ＲＰ円筒体。
【請求項５】第１、第２、第３の層の層間に樹脂および
／または粒子の層が配されている、請求項１、２、３ま
たは４のＦＲＰ円筒体。