JPH0919970A - 繊維強化複合材料及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 比較的簡単に繊維強化複合材料とインサート
部品との接着強度を上げ、高い信頼性の得られる繊維強
化複合材料及びその製造方法を提供する。 【解決手段】 繊維強化複合材料１は、例えば成形用部
材２と、繊維集合体に挿入・配置されたインサ−ト部品
３と、インサ−ト部品３に固定された繊維４とから構成
されている。この複合材料１は、延在方向が異なる第１
の延在部分１ａと、第２の延在部分１ｂと、第３の延在
部分１ｃとを含む異形状に構成されている。これらの延
在部分のすべての部分には、連続した第２の繊維が延在
方向に沿って配置（配向）されている。上述のインサ−
ト部品３は、例えば両端にフランジを有する筒状部３ａ
と、筒状部３ａの外周面に放射状（十字状）に突出する
異形状の固定部３ｂとから構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、繊維強化複合材
料及びその製造方法に関し、特に自転車用フレ−ム材，
ロボットア−ムなどのように機械的な力が加わる構造材
料や機械・装置類に埋設されるインサ−ト部品の結合強
度を改善できる埋設構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ガラス繊維，炭素繊維などの繊
維で強化した繊維強化複合材料は、繊維の持つ優れた特
性を生かした材料であり、軽量，高強度という特徴を有
している。特に、強さ及び弾性率を密度で割った比強
度，比弾性率に優れている。

【０００３】ところで、このような繊維強化複合材料を
構造材料や機械・装置類の部材として組み合わせて利用
する場合には、金属製のインサ−ト部品を繊維強化複合
材料の中に埋設して配置しなければならない。

【０００４】インサ−ト部品を繊維強化複合材料へ埋設
・配置する方法としては、種々の提案がなされている。
例えば後加工によって得た挿入部にインサ−ト部品を挿
入し接着剤などで取り付ける方法、成形加工時にインサ
−ト部品と一緒に一体成形する方法、インサ−ト部品の
形状を工夫して繊維強化複合材料への接着強度を高める
方法、などが提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述の一体化方法によ
れば、一応の埋設強度が得られるものの、例えば自転車
用フレ−ムやロボット用ア−ムなどのように大きな機械
的な力が作用する構造材料や機械・装置類では満足し得
る強度が得られないものである。

【０００６】例えば第１の方法では、繊維強化複合材料
の挿入部とインサ−ト部品との界面において十分の接着
強度が得られず、使用中に両者間に緩みが生じたり、場
合によってはインサ−ト部品が繊維強化複合材料から外
れるという問題があるのみならず、挿入部を後加工によ
って形成しなければならないために、量産性に欠けると
いう問題もある。

【０００７】又、第２の方法では、生産性には優れてい
るものの、成形用部材として熱可塑性樹脂を用いる場合
には樹脂の流動性が不十分であるために、インサ−ト部
品と樹脂との喰いつきが弱く、満足し得る強度が得られ
ないという問題がある。

【０００８】さらに、第３の方法では、ある程度の強度
改善は望めるものの、成形用部材として熱可塑性樹脂を
用いる場合には第２の方法に伴う問題が残るものであ
る。

【０００９】それ故に、本発明の目的は、比較的に簡単
な構成によって繊維強化複合材料とインサ−ト部品との
接着強度を上げ、高い信頼性の得られる繊維強化複合材
料及びその製造方法を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】従って、本発明は、上述
の目的を達成するために、異形状の固定部を有するイン
サ−ト部品と、インサ−ト部品の固定部に固定した繊維
と、インサ−ト部品の所望部分を埋設する成形用部材と
を具備し、前記インサ−ト部品とこのインサ−ト部品に
固定した繊維と成形用部材とを一体化したことを特徴と
するものであり、本発明の第２の発明は、前記繊維に、
ガラス繊維，炭素繊維，アラミット繊維，セラミックス
繊維，セルロ−ス繊維などの強化用繊維を含むことを特
徴とし、第３の発明は、前記繊維に、強化用繊維と、熱
可塑性樹脂繊維とを含むことを特徴とし、第４の発明
は、前記成形用部材は、熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂
を母材として含むことを特徴とする。

【００１１】又、本発明の第５の発明は、インサ−ト部
品の固定部に繊維を固定した後、成形用部材にてインサ
−ト部品の所望部分が埋設されるように一体成形するこ
とを特徴とする繊維強化複合材料の製造方法である。

【００１２】さらに、本発明の第６の発明は、延在方向
の異なった複数の延在部分を有し、延在部分のすべての
部分に連続した第２の繊維を配置してなる繊維集合体
と、異形状の固定部を有するインサ−ト部品と、インサ
−ト部品の固定部に固定した繊維とを具備し、前記繊維
を固定したインサ−ト部品を繊維集合体の所望部分に配
置し、繊維集合体とインサ−ト部品とを一体化したこと
を特徴とする。

【００１３】

【発明の実施の形態】次に、本発明の１実施例について
図１〜図２を参照して説明する。同図において、１は繊
維強化複合材料であって、例えば成形用部材２と、後述
する繊維集合体に挿入・配置されたインサ−ト部品３
と、インサ−ト部品３に固定された繊維４とから構成さ
れている。この複合材料１は、延在方向が異なる第１の
延在部分１ａと、第２の延在部分１ｂと、第３の延在部
分１ｃとを含む異形状に構成されている。これらの延在
部分のすべての部分には、後述する連続した第２の繊維
が延在方向に沿って配置（配向）されている。上述のイ
ンサ−ト部品３は、例えば両端にフランジを有する筒状
部３ａと、筒状部３ａの外周面に放射状（十字状）に突
出する異形状の固定部３ｂとから構成されている。尚、
特に、インサ−ト部品３は金属にて形成することが望ま
しい。そして、インサ−ト部品３の固定部３ｂには、繊
維４の一端を巻き付けたり、絡ませたり、結び付けたり
して固定されている。この繊維４は、主としてガラス繊
維，炭素繊維，アラミット繊維，セラミックス繊維，セ
ルロ−ス繊維などの強化用繊維にて構成されているが、
熱可塑性樹脂繊維などを含めて構成することもできる。
特に、この繊維４は強化用繊維にて構成されているが、
種類の異なった強化用繊維を混ぜ合わせて使用すること
もできるし、又、成形用部材となる樹脂で形成された繊
維を、原綿の状態で強化用繊維と混ぜ合わせて糸にした
り、或いはそれぞれを撚り合せ繊維としたりすることも
できる。さらには、強化用繊維の表面に熱可塑性樹脂な
どをコ−ティングすることもできる。

【００１４】特に、インサ−ト部品は適用される繊維集
合体の形態などに左右されるものであるが、例えば図３
（ａ）〜（ｄ）に示すように構成することもできる。同
図（ａ）のインサ−ト部品３Ａは、部品本体より延びる
軸３Ａａと軸３Ａａの外周面に放射状に突設された固定
部３Ａｂとから構成されており、固定部３Ａｂには繊維
４が、その一端を巻き付けたり，結び付けたり，絡ませ
たりして固定されている。又、同図（ｂ）のインサ−ト
部品３Ｂは、部品本体より延びる軸３Ｂａと軸３Ｂａの
外周面に形成した溝状の固定部３Ｂｂとから構成されて
おり、固定部３Ｂｂには繊維４が、その一端を絡ませた
り，巻き付けたりして固定されている。又、同図（ｃ）
のインサ−ト部品３Ｃは、部品本体にほぼＵ字形の固定
部３Ｃａを一体化して構成されており、固定部３Ｃａに
は繊維４が、その一端を結び付けることによって固定さ
れている。さらに、同図（ｄ）のインサ−ト部品３Ｄ
は、部品本体にチャック機能を有する一対の把持部材
（固定部）３Ｄａ，３Ｄａを結合して構成されており、
把持部材３Ｄａ，３Ｄａには繊維４の一端が挟持した
り，噛み込ませたりして固定されている。

【００１５】次に、繊維強化複合材料１の製造方法につ
いて図４〜図７を参照して説明する。まず、図４
（ａ），（ｂ）に示すように、第１，第２の保持片５
ａ，５ｂよりなる保持具５にて連続した第２の繊維４Ａ
の一端を保持する。尚、この繊維４Ａは、複数本を束ね
てなる集束体の複数を一定の間隔で並べて保持すること
が望ましいが、１本でもよい。次に、この繊維保持体
は、図５に示すように、治具に配置される。この治具は
プレ−ト６の所定部分に第１群の支柱７，第２群の支柱
８，第３群の支柱９，第４群の支柱１０を立設して構成
されている。図示例では、各群の支柱は５本となってい
るが、必要に応じて適宜に増減できる。即ち、繊維保持
体の保持具５を第１群の支柱７の外側に位置させると共
に、プレ−ト６の上に載置させる。そして、複数の繊維
集束体（４Ａ）を第２群の支柱８の方向に延在させると
共に、それぞれの支柱８の左側ないし下側に張架し、さ
らに、第３群の支柱９を経て第４群の支柱１０に巻き付
けるなどして固定する。尚、繊維集束体は、第４群の支
柱１０に引っ掛けて第３群の支柱９，第２群の支柱８を
経て第１群の支柱７に戻る操作を適宜の回数繰り返して
所望の繊維量とすることもできる。

【００１６】次いで、図６に示すように、例えば図２に
示すインサ−ト部品３を所定位置に配置すると共に、イ
ンサ−ト部品３に固定された繊維４を放射状に配置す
る。この際、配置場所によっては繊維４Ａを掻き分けて
配置することもある。そして、インサ−ト部品３にマス
キングを施した後、固定化処理を行なう。この固定化処
理は、例えば樹脂系のバインダ−１１をスプレ−や塗布
などによって被着することによりそれぞれの繊維集束体
を接着・一体化する。この固定化処理は、繊維４，４Ａ
に熱可塑性樹脂よりなる繊維が含まれる場合には繊維集
束体をホットプレスなどにより加熱処理することによっ
て熱可塑性樹脂繊維を溶融させて強化用繊維と一体化さ
せる方法なども採用できる。固定化処理後、繊維４Ａを
保持具５の内側部分及び第４群の支柱１０の部分から切
断し、治具から取り外すと、図７に示す繊維集合体１Ａ
が製造される。尚、同図において、８ａ，９ａは支柱
８，９の抜き孔を示している。

【００１７】次に、この繊維集合体１Ａは、周知の成形
方法によって図１に示す繊維強化複合材料１が製造され
る。成形方法としては、例えば繊維集合体１Ａを、他の
成形材料（例えば樹脂、又は樹脂の他に繊維を含む成形
用部材）と一緒に積層するハンドレアップ法，金型内に
セッティングしてから樹脂を注入し加熱する樹脂注入
法，金型で加熱・加圧して賦形する圧縮成形法，成形材
料と一緒にバック内に入れて圧力釜で加熱・加圧するオ
−トクレ−ブ成形法などがあるが、これ以外の方法を利
用して成形することもできる。ここで、使用できる樹脂
としては、エポキシ樹脂，フェノ−ル樹脂，不飽和ポリ
エステル樹脂などの熱硬化性樹脂の他、熱可塑性樹脂が
使用できる。熱可塑性樹脂としては、一般に汎用エンジ
ニアリングプラスチックと呼ばれているナイロン，ポリ
アセタ−ル，ポリカ−ボネイトなどの他、ポリエ−テル
スルホン（ＰＥＳ），ポリフェニレンサルファイド（Ｐ
ＰＳ），ポリエ−テルエ−テルケトン（ＰＥＥＫ），ポ
リアミドイミド（ＰＡＩ），ポリエ−テルイミド（ＰＥ
Ｉ）などのス−パ−エンジニアリングプラスチックなど
も使用できる。尚、図示例の繊維強化複合材料１はロボ
ットア−ムである。

【００１８】この方法によれば、異形状の固定部３ｂに
繊維４が固定されたインサ−ト部品３が繊維集合体１Ａ
に配置されると共に、繊維４が第２の繊維４Ａや成形用
部材２と一体化されるために、固定部３ｂの異形状と相
俟って、繊維強化複合材料とインサ−ト部品３との接着
強度を上げることができ、大きな機械的な力が作用する
構造材料や機械・装置類に適用しても、使用中に両者間
に緩みが生じたり、外れるという事故を回避できる。

【００１９】特に、成形用部材２として、加熱時の粘度
が高くかつ部品との濡れ性が低い熱可塑性樹脂を用いて
も、繊維４が繊維集合体や成形用部材２と一体化される
ために、上述のように、十分に満足し得るインサ−ト部
品３の抜止め効果が得られる。

【００２０】又、インサ−ト部品３は、繊維集合体など
に対して、繊維４が広がるように配置した上で成形すれ
ばよく、生産性も向上できる。

【００２１】さらには、それぞれの支柱７〜１０に張架
される第２の繊維４Ａは、連続している上、すべての延
在部分において連続状態であるために、繊維の優れた特
性を利用でき、高特性が得られるのみならず、種々多様
な形態にも支柱の配置を変更するだけで容易に対応する
ことができる。

【００２２】尚、本発明は、何ら上記実施例に制約され
ることなく、例えばインサ−ト部品は金属の他、樹脂，
セラミックスなども利用できるし、その形態も用途に応
じて適宜の形態を採用できる。又、インサ−ト部品の固
定部は繊維を確実に固定できる機能を有すれば、その形
態・構造はどのようであってもよい。又、インサ−ト部
品に固定される繊維は１本づつ固定する他、複数本を束
ねて固定したりすることもできる。さらには、複合材料
に異なる延在部分を有する場合には、延在部分のすべて
の部分に連続した強化用繊維を配向することが望ましい
が、それの形態によっては、省略することもできる。

【００２３】

【実施例】次に第１の実験例について図８〜図９を参照
して説明する。まず、図８（ａ）に示すように、部品本
体に鉤状の固定部３Ｅａを有するインサ−ト部品３Ｅを
用意する。そして、このインサ−ト部品３Ｅの固定部３
Ｅａに同図（ｂ）に示すように、東レ株式会社製の商品
名「トレカＴ−３００」（炭素繊維）のフィラメント糸
を６ヵ所に巻き付けて固定する。東レ株式会社製の商品
名「トレカクロス＃６３４１」（炭素繊維で作ったクロ
ス材）を１０枚重ねたものを２組作り、それぞれの真ん
中に同図（ａ）及び（ｂ）のインサ−ト部品３Ｅを挟
み、日本チバガイギ−株式会社製の商品名「アラルダイ
トＬＹ５５６」１００部と日本チバガイギ−株式会社製
の商品名「ハ−ドナ−ＨＴ９７２」２７部とからなるエ
ポキシ樹脂浴に浸漬し含浸させた後、９０℃で１時間加
熱処理し、さらに１２０℃で３時間、後硬化処理を行
い、図９に示す試験片を得た。

【００２４】このそれぞれの試験片について、成形部分
（２Ａ）を固定し、部品本体の孔を利用して引っ張り試
験を行なったところ、繊維４を巻き付けた本発明品が５
８３Ｋｇまで耐え、巻き付けないものに比べてほぼ８５
％改善できた。

【００２５】次に第２の実験例について説明する。ま
ず、図３（ａ），（ｂ）に示すインサ−ト部品３Ａ，３
Ｂを用意する。そして、トレカＴ−３００のフィラメン
ト糸とナイロン６６よりなる糸を体積含有率で１：１の
割合で混ぜたものを、同図（ａ），（ｂ）のようにイン
サ−ト部品３Ａ，３Ｂに絡ませたものと、絡ませないも
のとを製作する。これらを別々に、炭素繊維とナイロン
６６の樹脂よりなる繊維を、体積含有率で１：１の割合
で混ぜ合わせたフェルトに挟み、２７０℃で３分加熱処
理した後、２５０℃のホットプレス装置で３分間、１０
０Ｋｇ／ｃｍ² で加圧し、図９に類似の試験片を得た。

【００２６】このそれぞれの試験片について、成形部分
（２Ａ）を固定し、部品本体を利用して引っ張り試験を
行なったところ、引っ張り強さは、繊維４を巻き付けた
図３（ａ），（ｂ）のインサ−ト部品３Ａ，３Ｂを用い
た本発明品がそれぞれ５５６Ｋｇ，５２５Ｋｇであり、
巻き付けないものに比べてそれぞれ２２０％，２５４％
改善できた。

【００２７】これは、成形用部材の樹脂分よりなる熱可
塑性樹脂繊維が含まれた繊維をインサ−ト部品に絡ま
せ、一体成形時のホットプレスなどによる加熱処理によ
って、含まれている熱可塑性繊維が溶解し、一緒に存在
する強化用繊維を強力に接着するためと推測される。

【００２８】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、インサ
−ト部品の固定部に絡ませたり，巻き付けたり，結んだ
り，挟み込んだりなどして固定された繊維が成形用部材
と一体化されるために、繊維集合体とインサ−ト部品と
の接着強度を著しく高めることができる。このために、
大きな機械的な力が作用する構造材料や機械・装置類に
適用しても使用中に緩んだり、外れたりするなどの事故
を事前に回避でき、信頼性を高めることができる。

【００２９】しかも、繊維を固定する固定部は異形状に
構成されているために、上述の繊維による効果と相俟っ
て一層の接着強度の向上を期待できる。

【００３０】又、延在方向の異なった複数の延在部分の
すべての部分に連続した第２の繊維を配置してなる繊維
集合体に、繊維を固定したインサ−ト部品が適用される
場合には、インサ−ト部品と繊維集合体との接着強度が
改善できる上に、それぞれの延在部分に最適な繊維配向
が得られ、繊維の特性を効果的に利用した高特性が得ら
れる。

【００３１】その上、連続した第２の繊維は、複数の支
柱を利用することで適宜の方向に延在させることで、要
求特性に応じた繊維配向を容易に実現でき、多種多様な
形態への適用が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（ａ）は本発明の１実施例を示す正面図、
図１（ｂ）は図１（ａ）のＩ−Ｉ断面図。

【図２】図２（ａ）は繊維を固定した状態を示すインサ
−ト部品の側断面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のII−II
側面図。

【図３】図３（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）はインサ
−ト部品のそれぞれ異なった実施例を示す側面図。

【図４】図４（ａ）は第２の繊維を保持具で保持した状
態を示す平面図、図４（ｂ）は図４（ａ）の側面図。

【図５】第２の繊維を治具の支柱に張架した状態を示す
平面図。

【図６】バインダ−でインサ−ト部品及び繊維を一体化
した状態を示す平面図。

【図７】プレ−トから取り外した状態を示す繊維集合体
の平面図。

【図８】本発明にかかるインサ−ト部品のさらに異なっ
た実施例を示すもので、同図（ａ）は繊維を固定してい
ない状態の側面図、同図（ｂ）は繊維を固定した状態の
側面図。

【図９】図８のインサ−ト部品を成形用部材にて成形し
た状態を示す側面図。

【符号の説明】

１ 繊維強化複合材料 １Ａ 繊維集合体 １ａ，１ｂ，１ｃ 延在部分 ２，２Ａ 成形用部材 ３，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ，３Ｅ インサ−ト部品 ３ｂ，３Ａｂ，３Ｂｂ，３Ｃａ，３Ｄａ，３Ｅａ 固定
部 ４ 繊維 ４Ａ 第２の繊維 ５ 保持具 ６ プレ−ト ７，８，９，１０ 支柱 １１ バインダ−

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 神 善治 大阪府大阪市中央区備後町３丁目２番６号 敷島紡績株式会社内

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 異形状の固定部を有するインサ−ト部品
   と、インサ−ト部品の固定部に固定した繊維と、インサ
   −ト部品の所望部分を埋設する成形用部材とを具備し、
   前記インサ−ト部品とこのインサ−ト部品に固定した繊
   維と成形用部材とを一体化したことを特徴とする繊維強
   化複合材料。
2. 【請求項２】 前記繊維は、ガラス繊維，炭素繊維，ア
   ラミット繊維，セラミックス繊維，セルロ−ス繊維など
   の強化用繊維を含むことを特徴とする請求項１記載の繊
   維強化複合材料。
3. 【請求項３】 前記繊維は、強化用繊維と、熱可塑性樹
   脂繊維とを含むことを特徴とする請求項１記載の繊維強
   化複合材料。
4. 【請求項４】 前記成形用部材は、熱可塑性樹脂又は熱
   硬化性樹脂を母材として含むことを特徴とする請求項１
   記載の繊維強化複合材料。
5. 【請求項５】 インサ−ト部品の固定部に繊維を固定し
   た後、成形用部材にてインサ−ト部品の所望部分が埋設
   されるように一体成形することを特徴とする繊維強化複
   合材料の製造方法。
6. 【請求項６】 前記繊維は、ガラス繊維，炭素繊維，ア
   ラミット繊維，セラミックス繊維，セルロ−ス繊維など
   の強化用繊維を含むことを特徴とする請求項５記載の繊
   維強化複合材料の製造方法。
7. 【請求項７】 前記繊維は、強化用繊維と、熱可塑性樹
   脂繊維とを含むことを特徴とする請求項５記載の繊維強
   化複合材料の製造方法。
8. 【請求項８】 延在方向の異なった複数の延在部分を有
   し、延在部分のすべての部分に連続した第２の繊維を配
   置してなる繊維集合体と、異形状の固定部を有するイン
   サ−ト部品と、インサ−ト部品の固定部に固定した繊維
   とを具備し、前記繊維を固定したインサ−ト部品を繊維
   集合体の所望部分に配置し、繊維集合体とインサ−ト部
   品とを一体化したことを特徴とする繊維強化複合材料。
9. 【請求項９】 前記第２の繊維は、ガラス繊維，炭素繊
   維，アラミット繊維，セラミックス繊維などの強化用繊
   維を含むことを特徴とする請求項８記載の繊維強化複合
   材料。
10. 【請求項１０】 前記第２の繊維は、強化用繊維と、熱
    可塑性樹脂繊維とを含むことを特徴とする請求項８記載
    の繊維強化複合材料。