JPH10121371A - Fiber structure for fiber-reinforced composite material and production of fiber reinforced composite material - Google Patents

Fiber structure for fiber-reinforced composite material and production of fiber reinforced composite material

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JPH10121371A
JPH10121371A JP9117653A JP11765397A JPH10121371A JP H10121371 A JPH10121371 A JP H10121371A JP 9117653 A JP9117653 A JP 9117653A JP 11765397 A JP11765397 A JP 11765397A JP H10121371 A JPH10121371 A JP H10121371A
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JP
Japan
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fiber
fibers
reinforced
composite material
reinforced composite
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Application number
JP9117653A
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Japanese (ja)
Inventor
Yukinori Kude
幸徳 久手
Yoshiho Hayata
喜穂 早田
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Eneos Corp
Original Assignee
Nippon Oil Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a fiber-reinforced composite material different in mechanical or thermal physical properties between the inner part and outer part by subjecting a fiber structure comprising a reinforced fiber and a non-reinforced fiber to physical or chemical treatment before or after impregnating into a matrix resin. SOLUTION: A fiber structure such as a one-way woven fabric or a two-dimensional woven fabric or a three dimensional woven fabric or network-like structure is formed by using a reinforcing fiber such as carbon fiber and a non-reinforcing fiber such as aramid fiber. The fiber structure is subjected to high temperature heating treatment before or after impregnating into a matrix resin such as phenol resin and the aramid fiber as the non-reinforcing fiber is substantially decomposed to provide the objective carbon/carbon composite.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は繊維強化複合材料用
繊維構造体および繊維強化複合材料の製造法に関する。
The present invention relates to a fiber structure for a fiber-reinforced composite material and a method for producing the fiber-reinforced composite material.

【0002】[0002]

【従来の技術】繊維強化複合材料は、軽量でありながら
高強度、高弾性率など、強度特性に優れるだけでなく、
熱伝導率を高くしたり、熱膨張率を低くすることが可能
であるなどの熱的特性に優れた工業用材料として知られ
ている。しかしながら従来の繊維強化複合材料は、織物
の繊維軸数を一定に保った材料であり、繊維強化複合材
料の内部と外部表面とで織物構造を変える材料ではなか
った。したがって繊維強化複合材料の内部と外部表面と
で強度特性や熱的特性が変化することはなく、物性は均
一であった。このため異種材料との接合を実施する場
合、熱膨張率が低すぎたり、弾性率が高すぎたりするこ
とが多いために、充分な強度特性を示す接合が不可能で
あったり、また表面近傍の一定方向への熱伝導率が所望
の値以上をとることが難しい場合がほとんどであった。
また従来の一方向繊維強化複合材料は繊維を一方向に引
き揃えるために多大な労力を要し、また均一な繊維含有
量を有する一方向繊維強化複合材料を製造することが困
難であった。
2. Description of the Related Art Fiber-reinforced composite materials are not only excellent in strength characteristics such as high strength and high elastic modulus, but also lightweight.
It is known as an industrial material having excellent thermal characteristics, such as being capable of increasing the thermal conductivity and decreasing the coefficient of thermal expansion. However, the conventional fiber reinforced composite material is a material in which the number of fiber axes of the woven fabric is kept constant, and is not a material that changes the woven structure between the inner surface and the outer surface of the fiber reinforced composite material. Therefore, the strength and thermal characteristics did not change between the inside and the outside surface of the fiber reinforced composite material, and the physical properties were uniform. For this reason, when performing joining with dissimilar materials, the coefficient of thermal expansion is often too low or the elastic modulus is too high, so that joining with sufficient strength characteristics is impossible, or near the surface In most cases, it is difficult to make the thermal conductivity in a certain direction higher than a desired value.
Further, the conventional unidirectional fiber reinforced composite material requires a great deal of labor to align fibers in one direction, and it has been difficult to produce a unidirectional fiber reinforced composite material having a uniform fiber content.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
の従来の繊維強化複合材料が有する不利な点を改善する
ことにあり、特に繊維強化複合材料の内部と外部表面と
で繊維強化次元を変化させ、繊維強化複合材料の内部と
外部表面とで機械的物性や熱的物性が異なる繊維強化複
合材料の製造法を提供することにある。本発明の更なる
目的は上記従来の一方向繊維強化複合材料を製造する際
の不利な点を改善することにあり、特に簡便で安価な一
方向繊維強化複合材料の製造方法を提供することにあ
る。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to remedy the disadvantages of the above-mentioned conventional fiber-reinforced composite materials. And to provide a method for producing a fiber-reinforced composite material having different mechanical and thermal properties between the inside and the outside surface of the fiber-reinforced composite material. A further object of the present invention is to improve the disadvantages of producing the above-mentioned conventional unidirectional fiber-reinforced composite material, and in particular to provide a simple and inexpensive method for producing a unidirectional fiber-reinforced composite material. is there.

【0004】[0004]

【課題を解決するための手段】本発明は強化繊維および
非強化繊維によって一体的に構成された繊維構造体に物
理的処理あるいは化学的処理を行って前記非強化繊維を
実質的に除去あるいは変性させることを特徴とする繊維
強化複合材料用繊維構造体の製造方法に関する。さらに
本発明は強化繊維および非強化繊維によって一体的に構
成された繊維構造体にマトリックスを含浸させる前ある
いは含浸させた後に物理的処理あるいは化学的処理をす
ることによって前記非強化繊維を実質的に除去あるいは
変性させることを特徴とする繊維強化複合材料の製造方
法に関する。
SUMMARY OF THE INVENTION According to the present invention, a fibrous structure integrally constituted by reinforced fibers and non-reinforced fibers is subjected to physical treatment or chemical treatment to substantially remove or modify the non-reinforced fibers. The present invention relates to a method for producing a fiber structure for a fiber-reinforced composite material, wherein Furthermore, the present invention provides a physical treatment or a chemical treatment before or after impregnating the matrix into the fibrous structure integrally constituted by the reinforcing fibers and the non-reinforced fibers to substantially reduce the non-reinforced fibers. The present invention relates to a method for producing a fiber-reinforced composite material, which is characterized by being removed or modified.

【0005】[0005]

【発明の実施の形態】本発明でいう繊維構造体とは、経
糸に対して緯糸を疎に編んだ実質的なUD材製作のため
の一方向織物、2次元織物、3次元織物あるいは網目状
構造体である。3次元織物とは、強化繊維のみあるいは
強化繊維および非強化繊維によって立体的に織られた織
物であり、該織物を構成する繊維軸の数によって組紐の
ような1軸織り、2軸織り、3軸織り、4軸以上の繊維
によって織られた3次元織物を含む。2次元織物とは、
強化繊維のみあるいは強化繊維および非強化繊維によっ
て実質的に平面に織られた織物であり、該織物を構成す
る繊維軸の数によって1軸織り、2軸織り、3軸以上の
繊維によって織られた2次元織物を含む。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION A fiber structure according to the present invention is a unidirectional woven fabric, a two-dimensional woven fabric, a three-dimensional woven fabric or a mesh-like fabric for producing a substantial UD material in which a weft is sparsely knitted with respect to a warp. It is a structure. A three-dimensional woven fabric is a woven fabric three-dimensionally woven only with reinforced fibers or reinforced fibers and non-reinforced fibers, and has a uniaxial weave such as a braid, a biaxial weave, or a three-dimensional weave according to the number of fiber axes constituting the woven fabric. Shaft weave includes three-dimensional fabrics woven with four or more axes of fibers. What is a two-dimensional fabric?
A woven fabric which is woven substantially in a plane by only the reinforcing fibers or the reinforced fibers and the non-reinforced fibers, and is woven by uniaxial weaving, biaxial weaving, and triaxial or more fibers according to the number of fiber axes constituting the woven fabric. Includes two-dimensional fabrics.

【0006】本発明では該織物の他に強化繊維を井桁状
のように2繊維軸方向あるいは3繊維軸以上の方向から
積層して熱可塑性樹脂等で交点を融着した組布などの網
目状構造体を用いることもできる。本発明は典型的に
は、例えば3次元あるいは2次元的に織られた3軸繊維
織物、2軸繊維織物、1軸繊維織物の3種類の軸数の異
なる織物のうち、任意の2種類以上を同一材料中で一体
的に組み合わせ、同一材料中の機械的物性や熱的物性、
場合によっては電磁気的物性を材料の特定部位で変化さ
せることができる繊維強化複合材料あるいは繊維強化複
合材料用織物の製造方法を提供するものであるが、該織
物内部で繊維軸数が変化する界面において少なくとも一
つの繊維軸の繊維が連続し、一体的に強化されているこ
とが好ましい。これは同一材料内に存在する界面に起因
する物性の著しい変化を緩和する役割を果たすこととな
る。
In the present invention, in addition to the woven fabric, a reinforcing fiber is laminated in a double-girder shape from the direction of two fiber axes or three or more fiber axes and the intersection is fused with a thermoplastic resin or the like to form a mesh-like fabric. Structures can also be used. The present invention typically employs any two or more of three types of woven fabrics having different numbers of axes, such as three-dimensional or two-dimensionally woven triaxial fiber woven fabric, biaxial fiber woven fabric, and one-axis fiber woven fabric. Are combined in the same material, and mechanical and thermal properties in the same material,
In some cases, the present invention provides a method for producing a fiber reinforced composite material or a woven fabric for a fiber reinforced composite material in which the electromagnetic properties can be changed at a specific portion of the material. It is preferable that the fibers of at least one fiber axis are continuous and integrally reinforced. This plays a role in mitigating a remarkable change in physical properties due to an interface existing in the same material.

【0007】本発明における物理的処理あるいは化学的
処理とは、該処理によって強化繊維の形状や材料物性を
実質的に安定に維持しつつ非強化繊維を実質的に除去あ
るいは変性することのできる処理をいう。具体的には炭
化処理、加熱処理などの熱処理、燃焼、酸化剤などによ
る酸化処理、還元剤などによる還元処理、硫酸、硝酸な
どによる酸処理、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムな
どによるアルカリ処理、可溶化処理などの溶剤処理、電
解処理などの電気的処理などが挙げられる。またこれら
の物理的、化学的処理を促進させるために超音波処理や
加温、冷却、加圧、減圧などの処理を組み合わせること
もできる。
[0007] The physical treatment or the chemical treatment in the present invention is a treatment capable of substantially removing or modifying non-reinforced fibers while maintaining the shape and material properties of the reinforced fibers substantially stably by the treatment. Say. Specifically, heat treatment such as carbonization treatment and heat treatment, combustion, oxidation treatment with an oxidizing agent, etc., reduction treatment with a reducing agent, acid treatment with sulfuric acid, nitric acid, etc., alkali treatment with sodium hydroxide, potassium hydroxide, etc. Examples of the method include a solvent treatment such as a solubilization treatment and an electric treatment such as an electrolytic treatment. Further, in order to promote these physical and chemical treatments, ultrasonic treatment and treatments such as heating, cooling, pressurizing, and depressurizing can be combined.

【0008】非強化繊維を実質的に除去あるいは変性す
るとは繊維を構成する成分の通常50wt%以上、好ま
しくは60wt%以上、より好ましくは80wt%以上
を熱的、化学的分解や炭化、熱処理などの変性によって
除去あるいは変性し、非強化繊維自体が該処理前に本来
備えていた材料物性の機能的あるいは量的に一部あるい
は全部を発揮しなくなる機能的発現が他より劣ることを
意味する。本発明で用いる強化繊維は物理的処理あるい
は化学的処理によって実質的に変性あるいは除去されな
い繊維であり、好ましくは前記処理によって繊維の材料
物性が実質変化しない繊維である。
[0008] Substantially removing or modifying the non-reinforced fibers means that 50% by weight or more, preferably 60% by weight or more, more preferably 80% by weight or more of the components constituting the fibers are thermally, chemically decomposed, carbonized, heat-treated, or the like. Means that the non-reinforced fiber itself does not exhibit some or all of the physical or quantitative properties of the material inherently provided before the treatment, which means that the non-reinforced fiber itself is inferior to others in terms of functional expression. The reinforcing fiber used in the present invention is a fiber that is not substantially modified or removed by a physical treatment or a chemical treatment, and is preferably a fiber that does not substantially change the material properties of the fiber by the treatment.

【0009】本発明で用いる強化繊維として物理的処理
あるいは化学的処理によって実質的に変性あるいは除去
されない繊維とは繊維を構成する成分の通常50wt%
を超える量、好ましくは80wt%以上、より好ましく
は90wt%以上が熱的、化学的分解によって除去ある
いは変性せずに残留し、強化繊維自体が該処理前に本来
備えていた材料物性を発揮するような繊維を意味する。
配置する強化繊維束の間隔は0〜100mm、好ましく
は0〜10mmであり、撚り、解撚りを加えてもよく、
無撚りでもよい。撚り回数は0.1〜20回/mであ
り、無撚りの場合は開繊繊維を使用することもできる。
強化繊維径は通常4〜30μm、好ましくは6〜15μ
mであり100〜100,000本、好ましくは500
〜30,000本の強化繊維を束ねて使用することもで
き、強化繊維に集束剤を使用することもできる。具体的
な強化繊維としては、有機繊維、セラミック繊維、炭素
繊維、金属繊維などが挙げられるが、用いる前記処理と
の組合せによって選ばれる繊維は異なる。有機繊維とし
ては、例としてナイロン繊維、ポリアクリロニトリル繊
維、アラミド繊維、ポリエチレン繊維、テフロン繊維な
どが挙げられ、これらの繊維は電解処理、酸処理などに
よって除去あるいは変性されにくい。セラミック繊維と
しては、例として炭化珪素繊維、アルミナ繊維、ガラス
繊維、炭化チタン繊維、窒化硼素繊維などが挙げられ、
これらの繊維は酸処理、酸化処理などによって除去ある
いは変性されにくい。炭素繊維としては、例えば石油ピ
ッチ系、石炭ピッチ系、ポリアクリロニトリル系、ある
いはレーヨン系などの炭素繊維あるいはこれらの前駆体
繊維である不融化繊維、全炭化繊維などが挙げられ、こ
れらの繊維は酸処理、炭化処理などによって除去あるい
は変性されにくい。
The fibers which are not substantially modified or removed by a physical treatment or a chemical treatment as the reinforcing fibers used in the present invention are usually 50 wt% of the components constituting the fibers.
Amount, preferably 80 wt% or more, more preferably 90 wt% or more remains without being removed or denatured by thermal or chemical decomposition, and the reinforcing fibers themselves exhibit the material properties originally provided before the treatment. Means such fibers.
The interval between the reinforcing fiber bundles to be arranged is 0 to 100 mm, preferably 0 to 10 mm, and twisting and untwisting may be added.
It may be non-twisted. The number of twists is 0.1 to 20 times / m, and in the case of non-twist, an opened fiber can be used.
The reinforcing fiber diameter is usually 4 to 30 μm, preferably 6 to 15 μm.
m and 100-100,000, preferably 500
Up to 30,000 reinforcing fibers can be bundled and used, and a sizing agent can be used for the reinforcing fibers. Specific reinforcing fibers include organic fibers, ceramic fibers, carbon fibers, metal fibers, and the like, but the fibers selected vary depending on the combination with the treatment used. Examples of the organic fiber include a nylon fiber, a polyacrylonitrile fiber, an aramid fiber, a polyethylene fiber, a Teflon fiber, and the like. These fibers are hardly removed or modified by electrolytic treatment, acid treatment, or the like. Examples of the ceramic fiber include silicon carbide fiber, alumina fiber, glass fiber, titanium carbide fiber, boron nitride fiber, and the like.
These fibers are not easily removed or modified by acid treatment, oxidation treatment or the like. Examples of the carbon fibers include petroleum pitch-based, coal pitch-based, polyacrylonitrile-based, and rayon-based carbon fibers, or infusible fibers and precursor carbonized fibers thereof, and all-carbonized fibers. Hardly removed or denatured by treatment or carbonization.

【0010】金属繊維としては、様々なものが挙げられ
るが、例えばステンレス繊維、銅繊維、アルミニウム繊
維、ニッケル繊維、チタン繊維、タングステン繊維など
が挙げられ、これらの繊維は燃焼、炭化処理などの熱処
理によって除去あるいは変性されにくい。強化繊維とし
ては、用いる前記処理に応じ、これらのいずれの繊維も
用いうるが、なかでも軽量でかつ化学的、物理的処理に
対して比較的安定しており、熱伝導率や弾性率にも優れ
る炭素繊維が好ましい。また2種類、3種類、あるいは
それ以上の種類の強化繊維を組み合わせることもでき
る。この場合材料の特定部位だけ独立して他の部位とは
異なる種類の強化繊維を組合せることもできる。
Various types of metal fibers can be used, for example, stainless steel fiber, copper fiber, aluminum fiber, nickel fiber, titanium fiber, tungsten fiber, and the like. These fibers are subjected to heat treatment such as combustion and carbonization. Hardly removed or denatured. Depending on the treatment used, any of these fibers can be used as the reinforcing fiber, but among them, it is lightweight and relatively stable to chemical and physical treatments, and also has a thermal conductivity and an elastic modulus. Excellent carbon fibers are preferred. Two, three, or more types of reinforcing fibers can be combined. In this case, a specific portion of the material may be independently combined with a different type of reinforcing fiber from the other portions.

【0011】本発明で用いる非強化繊維は、物理的処理
あるいは化学的処理によって実質的に変性あるいは除去
される繊維であり、好ましくは前記処理によって繊維の
材料物性が実質変化するような繊維である。非強化繊維
は、強化繊維と織り易い繊維であることが好ましく、通
常引張り強度が好ましくは10MPa〜10GPa,よ
り好ましくは40MPa〜10GPa,さらにより好ま
しくは50HPa〜10GPa,最も好ましくは100
MPa〜8GPaのものが用いることができる。非強化
繊維は繊維直径が通常4〜30μm、好ましくは6〜1
5μmのものを1〜10000本、好ましくは500〜
5000本束ねて使用でき、該繊維束の径は通常4〜5
000μm、好ましくは500〜2500μmとするこ
とができる。非強化繊維を配置した間隔は非強化繊維に
よって強化繊維を安定に固定できかつ、容易にマトリッ
クスが含浸できるような間隔であればよく、好ましくは
0〜200mm、さらに好ましくは0〜50mmであ
る。緯糸間隔が前記範囲未満であるとマトリックス含浸
性が低下してしまい、十分な補強効果が得られず、前記
範囲を超える場合は強化繊維の保持性が低下してしまい
製造時の作業性が低下してしまい好ましくない。非強化
繊維は前記処理によって、非強化繊維は実質的に除去あ
るいは変性して繊維としての機能が著しく変化すればよ
く、必ずしも全て除去される必要がないが、繊維の残留
率は通常50wt%以下、好ましくは40wt%以下、
より好ましくは20wt%以下である。具体的な非強化
繊維としては有機繊維、炭素繊維、金属繊維などが挙げ
られるが、前記処理によって選ばれる繊維は異なる。通
常は強化繊維とは異なる種類に属する繊維が非強化繊維
として選ぶことができ、例えば強化繊維が炭素繊維の場
合、非強化繊維として有機繊維、金属繊維を選ぶことが
できる(表1参照)。
The non-reinforced fiber used in the present invention is a fiber that is substantially modified or removed by a physical treatment or a chemical treatment, and is preferably a fiber whose material properties are substantially changed by the treatment. . The non-reinforced fiber is preferably a fiber that is easily woven with the reinforcing fiber, and usually has a tensile strength of preferably 10 MPa to 10 GPa, more preferably 40 MPa to 10 GPa, still more preferably 50 HPa to 10 GPa, and most preferably 100 MPa to 10 GPa.
Mpa to 8 GPa can be used. The non-reinforced fiber usually has a fiber diameter of 4 to 30 μm, preferably 6 to 1 μm.
1 to 10,000 of 5 μm, preferably 500 to
5000 bundles can be used, and the diameter of the fiber bundle is usually 4 to 5
000 μm, preferably 500 to 2500 μm. The interval at which the non-reinforced fibers are arranged may be any interval at which the reinforcing fibers can be stably fixed by the non-reinforced fibers and the matrix can be easily impregnated, and is preferably 0 to 200 mm, more preferably 0 to 50 mm. If the weft spacing is less than the above range, the matrix impregnation property will be reduced, and a sufficient reinforcing effect will not be obtained.If the weft spacing exceeds the above range, the retention of the reinforcing fibers will be reduced and workability during production will be reduced. It is not preferable. The non-reinforced fibers may be substantially removed or denatured by the above treatment, so that the function as the fibers may be significantly changed, and it is not always necessary to remove all of them. However, the residual ratio of the fibers is usually 50 wt% or less. , Preferably 40 wt% or less,
More preferably, it is at most 20 wt%. Specific non-reinforced fibers include organic fibers, carbon fibers, metal fibers and the like, but the fibers selected by the treatment are different. Usually, fibers belonging to a type different from the reinforcing fibers can be selected as the non-reinforced fibers. For example, when the reinforcing fibers are carbon fibers, organic fibers and metal fibers can be selected as the non-reinforced fibers (see Table 1).

【0012】有機繊維としては、例としてナイロン繊
維、ポリアクリロニトリル繊維、アラミド繊維、ポリエ
チレン繊維などの合成繊維や綿糸、絹糸などの天然繊維
あるいはこれらの組合せが挙げられ、これらの繊維は酸
処理により分解除去あるいは熱的な処理によって燃焼除
去あるいは炭化変性されやすい。炭素繊維としては、例
えば石油ピッチ系、石炭ピッチ系、ポリアクリロニトリ
ル系、あるいはレーヨン系などの炭素繊維あるいはこれ
らの前駆体繊維である不融化繊維、前炭化繊維などが挙
げられ、これらの繊維は酸化処理などによって除去ある
いは変性されやすい。金属繊維としては様々なものが挙
げられるが、例えばアルミニウム繊維、ニッケル繊維、
鉄繊維、亜鉛繊維、銅繊維などが挙げられ、これらの繊
維は酸、アルカリ処理などによって除去あるいは変性さ
れやすい。
Examples of the organic fibers include synthetic fibers such as nylon fibers, polyacrylonitrile fibers, aramid fibers, and polyethylene fibers, and natural fibers such as cotton yarns and silk yarns, and combinations thereof. These fibers are decomposed by acid treatment. It is easily burned away or carbonized by removal or thermal treatment. Examples of the carbon fiber include petroleum pitch-based, coal pitch-based, polyacrylonitrile-based or rayon-based carbon fibers or infusible fibers or precursor carbonized fibers that are precursor fibers thereof, and these fibers are oxidized. It is easily removed or denatured by treatment. As the metal fiber, various things can be mentioned, for example, aluminum fiber, nickel fiber,
Examples thereof include iron fibers, zinc fibers, and copper fibers. These fibers are easily removed or modified by an acid or alkali treatment.

【0013】非強化繊維としては、用いる前記処理との
組合せに応じこれらのいずれの繊維も用いうるが、有機
繊維が最も好ましい。その効果として例えば強化繊維と
して炭素繊維を用い、非強化繊維としてアラミド繊維を
用いて熱処理することにより繊維強化複合材料の内部と
外部表面とで物性の異なる無機物繊維強化複合材料を製
造する場合には、織物を構成する繊維として製織を可能
とし形状保持性を付加する効果、800℃以上の熱処理
によりアラミド繊維が分解するまでの間マトリックスを
含浸する際のマトリックスこぼれ防止機能を付加する効
果、アラミド繊維が熱処理により分解した後は強化繊維
としての機能を実質果たすことはなく材料の機械的物性
や熱的物性さらには電磁気的物性に寄与することが少な
くなる効果などが挙げられる。非強化繊維として有機繊
維を用いる場合、その種類によって熱分解に係わる分解
温度、残留物の繊維強化複合材料の物性に及ぼす影響が
異なり、酸処理などの化学的処理による有機繊維の耐性
も異なるため、その繊維強化複合材料に用いるマトリッ
クスの種類や物理的あるいは化学的処理条件、製造中の
熱履歴などに応じて、有機繊維の種類を使い分けること
もできる。
As the non-reinforced fibers, any of these fibers can be used depending on the combination with the above-mentioned treatment to be used, but organic fibers are most preferred. As an effect, for example, when manufacturing an inorganic fiber reinforced composite material having different physical properties between the inside and the outside surface of the fiber reinforced composite material by performing heat treatment using carbon fiber as the reinforcing fiber and aramid fiber as the non-reinforced fiber, The effect of adding a shape retention property by enabling weaving as a fiber constituting the woven fabric, the effect of adding a matrix spill prevention function when impregnating the matrix until the aramid fiber is decomposed by heat treatment at 800 ° C. or more, the aramid fiber Does not substantially function as a reinforcing fiber after being decomposed by the heat treatment, and has an effect that the material hardly contributes to the mechanical, thermal, and electromagnetic properties of the material. When organic fibers are used as non-reinforced fibers, the decomposition temperature involved in thermal decomposition, the effect of the residue on the physical properties of the fiber-reinforced composite material differs depending on the type, and the resistance of organic fibers due to chemical treatment such as acid treatment also differs. Depending on the type of matrix used for the fiber-reinforced composite material, physical or chemical treatment conditions, heat history during production, etc., the type of organic fiber can be properly selected.

【0014】これら非強化繊維を強化繊維と製織する場
合には3次元織物、2次元織物を主に強化繊維で構成
し、該織物の特定の繊維軸に属する繊維群の一部を非強
化繊維で構成することができ、逆に非強化繊維を主体と
して強化繊維と織物にすることもできる。強化繊維と非
強化繊維の具体的な組み合わせとしては例えば強化繊維
として炭素繊維を用い、非強化繊維として炭化変性可能
な有機繊維を用いる組み合わせ、強化繊維としてセラミ
ック繊維を用い、非強化繊維として酸化除去可能な炭素
繊維を用いる組み合わせ、強化繊維として炭素繊維を用
い、非強化繊維として酸により分解可能な金属繊維を用
いる組み合わせ、強化繊維として金属繊維を用い、非強
化繊維として炭化変性可能な有機繊維を用いる組み合わ
せなどが挙げられる。好ましい組合せ例を表1に示す。
When weaving these non-reinforced fibers with reinforcing fibers, the three-dimensional woven fabric and the two-dimensional woven fabric are mainly made of reinforcing fibers, and a part of the fiber group belonging to a specific fiber axis of the woven fabric is partially replaced with the non-reinforced fibers. And conversely, a non-reinforced fiber as a main component and a reinforced fiber and a woven fabric can also be used. As a specific combination of the reinforcing fiber and the non-reinforced fiber, for example, a carbon fiber is used as the reinforcing fiber, a carbon fiber-modified organic fiber is used as the non-reinforced fiber, a ceramic fiber is used as the reinforcing fiber, and the non-reinforced fiber is oxidized and removed. Combination using possible carbon fiber, using carbon fiber as reinforcing fiber, using metal fiber decomposable by acid as non-reinforced fiber, using metal fiber as reinforcing fiber, and carbonizing and denaturable organic fiber as non-reinforced fiber Combinations to be used are given. Table 1 shows a preferred combination example.

【0015】[0015]

【表1】 [Table 1]

【0016】また一方向材、二次元織物など平面的なあ
るいはシート状の繊維構造体の場合には、マトリックス
樹脂、好ましくは熱可塑性樹脂あるいは熱硬化性樹脂な
どのマトリックス樹脂を含浸したプリプレグを積層後に
あるいはマトリックス樹脂を含浸しないまま積層してマ
トリックス樹脂を含浸した後に熱処理を行いあるいは行
わないでマトリックス樹脂を硬化させ、さらに物理的あ
るいは化学的処理を行うことで前記非強化繊維を実質的
に除去あるいは変性させることで目的の繊維強化複合材
料を得ることができる。該一方向材および二次元織物の
織り方はどのような織り方でもよく、具体的には平織
り、綾織り、朱子織りなどを用いることができる。
In the case of a planar or sheet-like fibrous structure such as a unidirectional material or a two-dimensional woven fabric, a prepreg impregnated with a matrix resin, preferably a matrix resin such as a thermoplastic resin or a thermosetting resin, is laminated. Subsequent or laminating without impregnating the matrix resin and curing the matrix resin with or without heat treatment after impregnating the matrix resin, and substantially removing the non-reinforced fibers by further performing physical or chemical treatment Alternatively, the desired fiber-reinforced composite material can be obtained by modification. The weave of the one-way material and the two-dimensional fabric may be any weave, specifically, a plain weave, a twill weave, a satin weave, or the like.

【0017】本発明における繊維強化複合材料用繊維構
造体あるいは繊維強化複合材料は、通常長さ10mm以
上の長繊維で形成することが好ましいが、長繊維に短繊
維を混合しても構わない。また2次元織物や網目状構造
体の積層体は間にフェルトなどの不織布を積層すること
もできる。本発明では材料の特定の部分を非強化繊維お
よび強化繊維で構成することができ、その範囲は材料自
身の大きさによって異なるが、その範囲の厚さの下限は
通常0.2cm以上、好ましくは2cm以上、さらに好
ましくは20cm以上を構成することができ、上限は特
に限定されないが、通常100cm以下、好ましくは5
0cm以下である。また繊維構造体を構成する強化繊維
の繊維軸数が変化する界面は任意の形状が可能であり平
面であってもよいし、曲面でも構わない。
The fiber structure for a fiber-reinforced composite material or the fiber-reinforced composite material of the present invention is usually preferably formed of long fibers having a length of 10 mm or more, but short fibers may be mixed with long fibers. In addition, a two-dimensional woven fabric or a laminate of a network structure may be formed by laminating a nonwoven fabric such as a felt. In the present invention, a specific part of the material can be composed of unreinforced fibers and reinforced fibers, the range of which depends on the size of the material itself, but the lower limit of the thickness of the range is usually 0.2 cm or more, preferably 2 cm or more, more preferably 20 cm or more, and the upper limit is not particularly limited, but is usually 100 cm or less, preferably 5 cm or less.
0 cm or less. Further, the interface at which the number of fiber axes of the reinforcing fibers constituting the fiber structure changes can have any shape and may be flat or curved.

【0018】本発明の繊維構造体あるいは繊維強化複合
材料の内部とは、材料内から選び出した所望形状を有す
る立体的空間のすべての材料部分を指す。本発明におけ
る繊維強化複合材料は、例えば内部が3次元3軸繊維強
化複合材料または3次元2軸繊維強化複合材料であり、
材料の内部は従来の繊維強化複合材料の優れた機械的物
性や熱的物性を備えていながら、材料の所望の外部表面
近傍は3次元1軸繊維強化複合材料として内部と異なる
繊維強化方式をとることができ、これにより内部の機械
的物性や熱的物性と異なる物性を有し、かつ強化繊維の
繊維軸数が異なりながらも一体的に構成された複合材料
を得ることができる。
The inside of the fibrous structure or the fiber-reinforced composite material of the present invention refers to all material portions of a three-dimensional space having a desired shape selected from the materials. The fiber-reinforced composite material in the present invention is, for example, a three-dimensional three-axis fiber-reinforced composite material or a three-dimensional two-axis fiber-reinforced composite material inside,
While the inside of the material has the excellent mechanical and thermal properties of the conventional fiber-reinforced composite material, the vicinity of the desired outer surface of the material uses a different fiber-reinforced method from the inside as a three-dimensional uniaxial fiber-reinforced composite material. This makes it possible to obtain a composite material having physical properties different from the internal mechanical properties and thermal properties, and integrally formed with different numbers of fiber axes of the reinforcing fibers.

【0019】繊維強化複合材料を構成する要素は主とし
て強化繊維とマトリックスである。マトリックスは繊維
強化複合材料を構成するために欠くことのきないもので
あり、繊維と繊維を結合あるいは固定する役割を果た
し、強化繊維の配向配列を有効に発現させるために、そ
の性質が繊維強化複合材料に与える影響は小さくない。
マトリックスは周知の繊維強化複合材料に用いられるも
のであれば、特に限定されないが、本発明の物理的ある
いは化学的処理により本質的に除去あるいは変性されな
いものが好ましい。例としては有機物、セラミックス、
炭素、金属などが挙げられる。
The elements constituting the fiber-reinforced composite material are mainly a reinforcing fiber and a matrix. The matrix is indispensable for constituting the fiber-reinforced composite material, and plays a role of binding or fixing the fibers to each other. The effect on the composite material is not small.
The matrix is not particularly limited as long as it is used for a well-known fiber-reinforced composite material, but a matrix that is not essentially removed or modified by the physical or chemical treatment of the present invention is preferable. Examples are organics, ceramics,
Examples include carbon and metal.

【0020】前記有機物としては、熱可塑性樹脂、熱硬
化性樹脂などを用いることができ、具体的には、エポキ
シ樹脂、フェノール樹脂、フラン樹脂、尿素樹脂、ナイ
ロン樹脂、石油ピッチ、コールタールピッチ、合成ピッ
チなどが挙げられる。前記セラミックスとしては、炭化
珪素、窒化珪素、炭化硼素、窒化硼素、アルミナ、イッ
トリア、ジルコニア、ムライトなどが挙げられる。前記
金属としては銅、アルミニウム、ニオブ、タングステ
ン、ニッケル、チタンなどの金属、白銅、黄銅、ステン
レスなどの合金、チタンアルミ、ニオブアルミなどの金
属間化合物なども挙げることができる。前記炭素は化学
的、物理的処理に対して安定しているだけでなく繊維の
配向方向とほぼ同じ方向にマトリックスとして配向し易
く、繊維強化複合材料の物性発現に大きく寄与すること
が知られており、炭素が最も好適なマトリックス素材で
ある。
As the organic substance, a thermoplastic resin, a thermosetting resin, or the like can be used. Specifically, epoxy resin, phenol resin, furan resin, urea resin, nylon resin, petroleum pitch, coal tar pitch, Synthetic pitch and the like can be mentioned. Examples of the ceramics include silicon carbide, silicon nitride, boron carbide, boron nitride, alumina, yttria, zirconia, and mullite. Examples of the metal include metals such as copper, aluminum, niobium, tungsten, nickel, and titanium; alloys such as copper, brass, and stainless steel; and intermetallic compounds such as titanium aluminum and niobium aluminum. It is known that the carbon is not only stable to chemical and physical treatments but also easily oriented as a matrix in substantially the same direction as the orientation direction of the fiber, and greatly contributes to the development of physical properties of the fiber-reinforced composite material. And carbon is the most preferred matrix material.

【0021】なお該炭素はその製造方法により様々な性
質を持つ。有機物の熱分解によるものとしては、大別し
て2種類あり、1つは熱硬化性樹脂の熱分解によるもの
であり、具体的にはフェノール樹脂、フラン樹脂などの
熱分解によるものが挙げられる。もう1つは熱可塑性樹
脂の熱分解によるものであり、具体的には石油系ピッ
チ、石炭系ピッチなどの熱分解によるものが挙げられ
る。さらに気相析出によるものも有効で、具体的にはメ
タン、プロパン、ブタン、四塩化炭素、ベンゼンなどの
気相析出によるものが挙げられる。
The carbon has various properties depending on the production method. Thermal decomposition of organic substances is roughly classified into two types, one of which is due to thermal decomposition of a thermosetting resin, specifically, the one due to thermal decomposition of a phenol resin, a furan resin or the like. The other is based on the thermal decomposition of a thermoplastic resin, and specifically includes those based on the thermal decomposition of petroleum pitch, coal pitch, and the like. Further, a method by vapor deposition is also effective, and specific examples include a method by vapor deposition of methane, propane, butane, carbon tetrachloride, benzene, or the like.

【0022】このように本発明の繊維強化複合材料を構
成するマトリックスとしては、多くの種類を挙げること
ができ、いすれも有効である。これらのマトリックスは
単独でも2種類以上を組み合わせて用いることもでき
る。本発明では強化繊維の配向を制御しやすいことから
繊維構造体にマトリックスを含浸した後に物理的あるい
は化学的処理を施すことが好ましいが、マトリックスが
前記処理に対して不安定である場合は、繊維構造体に前
期処理を施した後に、マトリックスを含浸させることも
できる。本発明により該織物を物理的あるいは化学的に
処理することによって非強化繊維を実質的に除去あるい
は変性することで、同一材料中で機械的物性や熱的物
性、場合によっては電磁気的物性を材料の内部と外部表
面とで変化させることができる。
As described above, as the matrix constituting the fiber-reinforced composite material of the present invention, many types can be mentioned, and any of them is effective. These matrices can be used alone or in combination of two or more. In the present invention, since it is easy to control the orientation of the reinforcing fibers, it is preferable to perform a physical or chemical treatment after impregnating the fiber structure with the matrix, but if the matrix is unstable with respect to the treatment, the fiber The matrix may be impregnated after the structure has been pretreated. By physically or chemically treating the woven fabric according to the present invention to substantially remove or modify the non-reinforced fibers, mechanical properties and thermal properties, and in some cases, electromagnetic properties in the same material can be improved. Can be varied between the interior and exterior surfaces of the device.

【0023】本発明の繊維強化複合材料は、より具体的
には、以下に記載する方法によって製造することができ
る。強化繊維および非強化繊維によって一体的に製織さ
れた3次元織物にマトリックスを含浸させた後に物理的
処理あるいは化学的処理をすることによって前記非強化
繊維を実質的に除去あるいは変性させることにより、例
えば図1に示すような外部表面のいずれか1面以上を実
質的に3次元的に集合した一方向材、3次元1軸織物も
しくは3次元2軸織物で構成し、内部を3次元3軸織物
あるいは3次元4軸以上の織物で一体的に構成し、該繊
維の構成の違いによって物性を変化させた繊維強化複合
材料を得ることができる。また、強化繊維および非強化
繊維によって一体的に製織された2次元織物を積層して
マトリックスを含浸させた後に物理的処理あるいは化学
的処理をすることによって前記非強化繊維を実質的に除
去あるいは変性させることにより、例えば外部表面のい
ずれか1面以上の、実質的に一方向材積層物で構成し、
内部を2次元2軸織物あるいは2次元3軸の織物積層物
で一体的に構成し、該繊維の構成の違いによって物性を
変化させた繊維強化複合材料を得ることもできる。
The fiber-reinforced composite material of the present invention can be more specifically manufactured by the method described below. By impregnating the matrix into a three-dimensional woven fabric integrally woven with reinforced fibers and non-reinforced fibers, and then physically or chemically treating the non-reinforced fibers, for example, One or more of the outer surfaces as shown in FIG. 1 are made of a unidirectional material, a three-dimensional uniaxial fabric or a three-dimensional biaxial fabric, which is substantially three-dimensionally assembled, and the interior is a three-dimensional triaxial fabric. Alternatively, it is possible to obtain a fiber reinforced composite material which is integrally formed of a woven fabric having three or more four axes and whose physical properties are changed by the difference in the structure of the fiber. Further, the two-dimensional woven fabric integrally woven with the reinforcing fibers and the non-reinforced fibers is laminated and impregnated with the matrix, and then physically or chemically treated to substantially remove or modify the non-reinforced fibers. By doing so, for example, at least one of the outer surfaces, substantially composed of a unidirectional laminate,
It is also possible to obtain a fiber reinforced composite material in which the inside is integrally formed of a two-dimensional biaxial woven fabric or a two-dimensional triaxial woven fabric laminate, and the physical properties of which are changed by the difference in the fiber configuration.

【0024】さらに、強化繊維および非強化繊維によっ
て一体的に構成された網目状構造体を積層してマトリッ
クスを含浸させた後に物理的処理あるいは化学的処理を
することによって前記非強化繊維を実質的に除去あるい
は変性させることにより、例えば外部表面のいずれか1
面以上を、実質的に一方向材積層物で構成し、内部を2
軸組布あるいは3軸組布の織物積層物で一体的に構成
し、該繊維の構成の違いによって物性を変化させた繊維
強化複合材料を得ることもできる。この結果、本発明に
より得られる繊維強化複合材料は、従来の繊維強化複合
材料では得られなかった異種材料との接合性が著しく改
善されるだけでなく、熱伝導の面でも所望の方向に選択
的に高い熱伝導率を得ることが可能な材料とすることが
できる。なお、2次元織物を積層するときにはニードル
パンチ処理やジェット流処理などを施して積層した織物
間の結合処理をすることもできる。
Further, the non-reinforced fibers are substantially treated by physical treatment or chemical treatment after laminating a network-like structure integrally constituted by reinforced fibers and non-reinforced fibers and impregnating the matrix. By removing or denaturing, for example, any one of the external surfaces
The surface or more consists essentially of a unidirectional laminate, the interior of which is 2
It is also possible to obtain a fiber reinforced composite material which is integrally formed of a woven fabric laminate of a framed fabric or a triaxial fabric, and whose physical properties are changed by the difference in the fiber configuration. As a result, the fiber-reinforced composite material obtained according to the present invention not only significantly improves the bondability with dissimilar materials that could not be obtained with the conventional fiber-reinforced composite material, but also selects the desired direction in terms of heat conduction. It is possible to use a material capable of obtaining a high thermal conductivity. When laminating the two-dimensional fabrics, it is also possible to perform a bonding process between the laminated fabrics by performing a needle punching process, a jet flow process, or the like.

【0025】該織物から構成された繊維強化複合材料の
強化繊維体積含有率(Vf )は各繊維軸方向についてそ
れぞれ異なった値をとることができる。例を挙げれば、
材料の内部が3次元3軸直交繊維強化複合材料(以下3
D−3A部と呼ぶ)であり、材料の外部表面の1面が実
質的に3次元1軸繊維強化複合材料(以下3D−1A部
と呼ぶ)であるような3D−3A部と3D−1A部が一
体的に構成された繊維強化複合材料の場合は、3D−3
A部のVf はX繊維軸、Y繊維軸、Z繊維軸の3繊維軸
方向それぞれ0.1〜96%、好ましくは1〜70%、
さらに好ましくは3〜60%が適当であり、3D−1A
部のVf は0.1〜96、好ましくは10〜90%、さ
らに好ましくは10〜70%が適当である。この場合、
3D−3A部のX繊維軸、Y繊維軸、Z繊維軸の3繊維
軸方向のV f は同じ値をとる必要性はなく、それぞれ独
立した値をとるのが通常であるが、3方向のVf 値の合
計は、通常96%以下、好ましくは80%以下、さらに
好ましくは70%以下が適当である。
The fiber-reinforced composite material composed of the woven fabric
Reinforced fiber volume content (Vf) Indicates the direction of each fiber axis.
Each can have a different value. For example,
The inside of the material is a three-dimensional three-axis orthogonal fiber reinforced composite material (hereinafter referred to as 3
D-3A), and one of the outer surfaces of the material is actually
Qualitatively three-dimensional uniaxial fiber reinforced composite material (hereinafter referred to as 3D-1A part)
3D-3A part and 3D-1A part
In the case of a physically reinforced fiber reinforced composite material, 3D-3
Part A VfIs the three fiber axis of X fiber axis, Y fiber axis and Z fiber axis
0.1-96% in each direction, preferably 1-70%,
More preferably, 3 to 60% is appropriate, and 3D-1A
Part VfIs 0.1 to 96, preferably 10 to 90%,
More preferably, 10% to 70% is appropriate. in this case,
3D-3A part X fiber axis, Y fiber axis, Z fiber axis
Axial V fNeed not be the same,
It is normal to take a standing value, but V in three directionsfSum of values
The total is usually 96% or less, preferably 80% or less,
Preferably, 70% or less is appropriate.

【0026】本発明によれば繊維強化複合材料での同一
材料内の内部と外部表面とで材料物性を変化させること
ができるが、該材料物性としては、機械的物性、熱的物
性、電磁気的物性などがある。機械的物性としては、例
えば引張強度、引張弾性率、圧縮強度、圧縮弾性率、硬
度、層間せん断強度、シャルピー衝撃強度、急冷急加熱
時における衝撃強度などが挙げられる。熱物性としては
熱伝導率、熱膨張率、熱容量などが挙げられる。電磁気
的物性としては電気抵抗率、磁気抵抗率、磁化率、誘電
率などが挙げられる。なお本発明における繊維強化複合
材料の各材料物性は、用途によって個々に変化させるこ
とが可能である。
According to the present invention, the physical properties of the fiber-reinforced composite material can be changed between the inside and the outside of the same material, but the physical properties include mechanical properties, thermal properties, and electromagnetic properties. There are physical properties. The mechanical properties include, for example, tensile strength, tensile modulus, compressive strength, compressive modulus, hardness, interlaminar shear strength, Charpy impact strength, impact strength during rapid cooling and rapid heating, and the like. Examples of thermophysical properties include thermal conductivity, thermal expansion coefficient, and heat capacity. Examples of the electromagnetic properties include electrical resistivity, magnetic resistivity, magnetic susceptibility, and dielectric constant. The material properties of the fiber-reinforced composite material according to the present invention can be individually changed depending on the application.

【0027】前記物性を変化させる好ましい例を挙げれ
ば、材料の内部がX繊維軸方向、Y繊維軸方向、Z繊維
軸方向で構成される3次元3軸直交繊維強化複合材料
(以下3D−3A部と呼ぶ)であり、材料の外部表面の
1面が3D−3A部のX繊維軸方向の強化繊維と連続で
ある3次元一軸繊維強化複合材料(以下3D−1A部と
呼ぶ)であるような3D−3A部と3D−1A部が一体
的に構成された繊維強化複合材料の場合の熱伝導率の値
は、室温付近で3D−3A部のX繊維軸方向で1〜12
00W/m・K、好ましくは10〜1200W/m・
K、さらに好ましくは100〜1200W/m・Kの値
をとり、Y繊維軸方向で1〜1000W/m・K、好ま
しくは10〜800W/m・K、さらに好ましくは20
〜700W/m・Kの値をとり、Z繊維軸方向で1〜1
000W/m・K、好ましくは10〜800W/m・
K、さらに好ましくは20〜700W/m・Kの値をと
り、一方で3D−1A部は繊維強化方向であるX繊維軸
方向で10〜1500W/m・K、好ましくは10〜1
200W/m・K、さらに好ましくは100〜1200
W/m・Kの値をとることができる。
A preferred example of changing the physical properties is a three-dimensional three-axis orthogonal fiber reinforced composite material (hereinafter referred to as 3D-3A) in which the inside of the material is constituted by the X fiber axis direction, the Y fiber axis direction, and the Z fiber axis direction. Portion), and one surface of the outer surface of the material is a three-dimensional uniaxial fiber reinforced composite material (hereinafter, referred to as a 3D-1A portion) in which the reinforcing fiber in the X fiber axis direction of the 3D-3A portion is continuous. The value of the thermal conductivity in the case of the fiber-reinforced composite material in which the 3D-3A portion and the 3D-1A portion are integrally formed is 1 to 12 in the X fiber axis direction of the 3D-3A portion near room temperature.
00W / m · K, preferably 10 to 1200W / m ·
K, more preferably 100 to 1200 W / m · K, and 1 to 1000 W / m · K, preferably 10 to 800 W / m · K, more preferably 20 in the Y fiber axis direction.
Take a value of ~ 700 W / m · K, and 1-1 in the Z fiber axis direction.
000 W / m · K, preferably 10-800 W / m ·
K, more preferably 20 to 700 W / m · K, while the 3D-1A portion is 10 to 1500 W / m · K, preferably 10 to 1 W / m · K in the X fiber axis direction which is the fiber reinforcing direction.
200 W / m · K, more preferably 100 to 1200
It can take the value of W / m · K.

【0028】他の例として前記と同様の3D−3A部と
3D−1A部からなる繊維強化複合材料の場合の熱膨張
係数は、3D−3A部では室温付近でX繊維軸方向、Y
繊維軸方向、Z繊維軸方向でほぼ同じで0.01×10
-6〜20×10-6-1、好ましくは0.01×10-6
15×10-6-1、さらに好ましくは0.05×10 -6
〜12×10-6-1の値をとり、3D−1A部では室温
付近でX繊維軸方向、Y繊維軸方向、Z繊維軸方向で値
が異なり、X繊維軸方向で0.01×10-6〜5×10
-6-1、好ましくは0.01×10-6〜4×10
-6-1、さらに好ましくは0.1×10-6〜4×10-6
-1の値をとり、Y繊維軸方向、Z繊維軸方向で0.1
×10-6〜25×10-6-1、好ましくは1×10-6
20×10-6 -1、さらに好ましくは2×10-6〜10
×10-6-1の値をとる。さらに他の例として前記と同
様の3D−3A部と3D−1A部からなる繊維強化複合
材料の場合の熱膨張係数は、3D−3A部では室温付近
でX繊維軸方向、Y繊維軸方向、Z繊維軸方向でほぼ同
じで5〜300GPaの値をとり、3D−1A部では室
温付近でX繊維軸方向、Y繊維軸方向、Z繊維軸方向で
値が異なり、X繊維軸方向50〜300GPa、Y繊維
軸方向、Z繊維軸方向で1〜100GPaの値をとる。
As another example, the same 3D-3A unit as described above
Thermal expansion in case of fiber reinforced composite material consisting of 3D-1A part
In the 3D-3A part, the coefficient is in the X fiber axis direction near room temperature,
0.01 × 10, almost the same in the fiber axis direction and Z fiber axis direction
-6~ 20 × 10-6° C-1, Preferably 0.01 × 10-6~
15 × 10-6° C-1, More preferably 0.05 × 10 -6
~ 12 × 10-6° C-1And the room temperature in the 3D-1A section
Near X fiber axis direction, Y fiber axis direction, Z fiber axis direction
Is different, and 0.01 × 10-6~ 5 × 10
-6° C-1, Preferably 0.01 × 10-6~ 4 × 10
-6° C-1, More preferably 0.1 × 10-6~ 4 × 10-6
° C-1And the value of 0.1 in the Y fiber axis direction and the Z fiber axis direction.
× 10-6~ 25 × 10-6° C-1, Preferably 1 × 10-6~
20 × 10-6° C -1, More preferably 2 × 10-6-10
× 10-6° C-1Take the value of As still another example, the same as above
Fiber reinforced composite consisting of 3D-3A part and 3D-1A part
The coefficient of thermal expansion of the material is around room temperature in the 3D-3A part
X axis direction, Y fiber axis direction, Z fiber axis direction
Takes the value of 5 to 300 GPa in the same way,
In the X fiber axis direction, Y fiber axis direction, and Z fiber axis direction around temperature
X-fiber axis direction 50-300 GPa, Y fiber
It takes a value of 1 to 100 GPa in the axial direction and the Z fiber axis direction.

【0029】[0029]

【発明の効果】本発明の結果、繊維強化複合材料の内部
と外部表面とで繊維強化次元を変化させ、繊維強化複合
材料の内部と外部表面とで機械的物性や熱的物性が異な
る繊維強化複合材料の内部と外部表面とで機械的物性や
熱的物性が異なる繊維強化複合材料あるいは簡便で安価
な製造方法により一方向繊維強化複合材料を提供するこ
とできる。本発明により得られる繊維強化複合材料は航
空・宇宙用材料、耐熱材料などとして用いられ、その形
状は板状、柱状、ロッド状、管状、T字状、I字状、蜂
の巣状など様々な形状にすることができる。
As a result of the present invention, the fiber reinforced dimensions are changed between the inside and the outside surface of the fiber reinforced composite material, and the fiber reinforced composite material has different mechanical and thermal properties between the inside and the outside surface. A one-way fiber reinforced composite material can be provided by a fiber reinforced composite material having different mechanical and thermal physical properties between the inner and outer surfaces of the composite material or a simple and inexpensive manufacturing method. The fiber-reinforced composite material obtained according to the present invention is used as an aerospace material, a heat-resistant material, and the like, and has various shapes such as a plate shape, a column shape, a rod shape, a tubular shape, a T shape, an I shape, and a honeycomb shape. Can be

【0030】[0030]

【実施例】以下に、実施例を挙げて本発明をさらに具体
的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定される
ものではない。
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.

【0031】(実施例1)引張弾性率40×103kgf/
mm2 である繊維直径10ミクロンのピッチ系炭素繊維
を3000本の束として用いて、各々空間ベクトルが9
0度ずつ異なるX,Y,Zの3方向に配置、配列させ、
織物サイズX繊維軸方向70mm×Y繊維軸方向70m
m×Z繊維軸方向500mmの直方体形状に織り上げ
た。この時Y繊維軸方向とZ繊維軸方向とで形成される
平面の2面分につき、外部表面から15mmの範囲の空
間範囲について、Y繊維軸方向、Z繊維軸方向のピッチ
系炭素繊維の替わりに同じ束太さのアラミド繊維を用い
て、この外部表面の部分のみは炭素繊維をX繊維軸方向
にのみに有するように製織した。なおできあがった織物
の繊維体積含有率Vf は、それぞれ繊維軸方向別にVfX
=30%、VfY=12%、VfZ=12%であった。この
織物にエタノール溶液に溶解したフェノール樹脂を含浸
し、真空乾燥を10回繰り返した。この後に窒素雰囲気
常圧で1000℃に加熱炭化焼成、2500℃で黒鉛化
焼成した。このフェノール樹脂の含浸、加熱炭化焼成、
黒鉛化焼成は8回繰り返し、一体成形されたC/Cコン
ポジットを作製した。得られたC/Cコンポジットのう
ち、3軸織物で構成された内部中心部近傍のY繊維軸方
向の熱膨張係数は室温付近で0.5×10-6-1、1軸
織物で構成された外部表面のY繊維軸方向の熱膨張係数
は室温付近で4.0×10-6-1であった。
(Example 1) Tensile modulus of elasticity 40 × 10 3 kgf /
with fiber diameter 10 micron pitch-based carbon fiber is mm 2 as 3000 in the bundle, each space vector 9
It is arranged and arranged in three directions of X, Y, Z different by 0 degree,
Fabric size X fiber axis direction 70mm x Y fiber axis direction 70m
It was woven into a rectangular parallelepiped shape of 500 mm in the mxZ fiber axis direction. At this time, for two planes formed by the Y fiber axis direction and the Z fiber axis direction, the pitch-based carbon fibers in the Y fiber axis direction and the Z fiber axis direction are replaced in a spatial range of 15 mm from the outer surface. Were woven so that only the outer surface portion had carbon fibers only in the X fiber axis direction. The fiber volume content Vf of the completed woven fabric is V fx
= 30%, V fY = 12 %, was V fZ = 12%. The woven fabric was impregnated with a phenol resin dissolved in an ethanol solution, and vacuum drying was repeated 10 times. Thereafter, the mixture was heated and carbonized at 1000 ° C. in a nitrogen atmosphere at normal pressure, and graphitized and fired at 2500 ° C. Impregnation of this phenolic resin, heating carbonization firing,
Graphitization firing was repeated eight times to produce an integrally molded C / C composite. In the obtained C / C composite, the coefficient of thermal expansion in the Y fiber axis direction near the inner central portion composed of a triaxial woven fabric is 0.5 × 10 −6 ° C. -1 near room temperature, and is composed of a uniaxial woven fabric. The coefficient of thermal expansion in the Y fiber axis direction of the outer surface thus determined was 4.0 × 10 −6 ° C. -1 near room temperature.

【0032】(実施例2)繊維直径15ミクロンのSi
C繊維を1000本の束として用いて、各々平面ベクト
ルが90度異なるX,Yの2方向に配置、配列させ、織
物サイズX繊維軸方向300mm×Y繊維軸方向300
mmの平織り形状に織り上げた。この時Y繊維軸方向端
部2面分につき、外部表面から20mmの範囲の平面範
囲について、Y繊維軸方向のSiC繊維を、同じ束太さ
のポリアクリロニトリル系炭素繊維に置き換え、この外
部表面の部分のみはSiC繊維をX繊維軸方向のみに有
するように製織した。できあがった織物に金属銅を表面
に20ミクロン分無電解メッキし、30枚を積層して、
900℃で真空ホットプレス成形し、厚さ30mmの2
次元繊維強化銅を得た。得られた繊維強化銅を酸素中6
00℃で加熱処理し、外部表面に存在する炭素繊維を燃
焼除去して2次元織物の積層物で一体的に構成された繊
維強化銅が得られた。得られた繊維強化銅のうち、2軸
織物の積層物で構成された内部中心部近傍のY繊維軸方
向の熱膨張係数は室温付近で4.5×10-6-1、1軸
織物の積層物で構成された外部表面のY繊維軸方向の熱
膨張係数は室温付近で11.0×10 -6-1であった。
(Example 2) Si having a fiber diameter of 15 microns
Using C fibers as a bundle of 1,000 fibers,
Are arranged and arranged in two directions, X and Y, which differ by 90 degrees.
Object size X fiber axis direction 300mm x Y fiber axis direction 300
mm plain weave shape. At this time, the Y fiber axial end
A flat area within a range of 20 mm from the external surface
Regarding the area, SiC fibers in the Y fiber axis direction are
Of polyacrylonitrile-based carbon fiber
Only the surface of the part has SiC fibers in the X fiber axis direction only.
Weaved so that Metallic copper on the finished fabric surface
Electroless plating for 20 microns, and laminating 30 sheets,
Vacuum hot press molding at 900 ° C, 30mm thick 2
One-dimensional fiber reinforced copper was obtained. The obtained fiber reinforced copper was placed in oxygen 6
Heat treatment at 00 ° C to burn carbon fibers on the outer surface
Textiles that are integrally composed of two-dimensional woven fabric laminate
Wei-enhanced copper was obtained. Biaxial of the obtained fiber reinforced copper
Axial direction of Y-fiber near the inner center made of woven laminate
Thermal expansion coefficient is 4.5 × 10 around room temperature-6° C-1, One axis
Heat in the Y-fiber axial direction on the outer surface composed of a woven laminate
Expansion coefficient is 11.0 × 10 around room temperature -6° C-1Met.

【0033】(実施例3)引張弾性率70×103kgf/
mm2 である繊維直径10ミクロンのピッチ系炭素繊維
を9000本の束として用いて、X繊維軸方向に配置配
列させ、そのX繊維軸方向に対して空間ベクトルが90
度ずつ異なるX,Zの2方向に引張弾性率25×103k
gf/mm2 である繊維直径7ミクロンのポリアクリロニ
トリル(PAN)系炭素繊維を6000本の束として用
いて配置、配列させ、織物サイズX繊維軸方向1000
mm×Y繊維軸方向100mm×Z繊維軸方向500m
mの直方体形状に織り上げた。この時X繊維軸方向10
00mmの内、両端部20mm幅2ケ所と、端部から4
80mm〜520mmの位置すなわち中央部の40mm
幅の空間範囲について、Y繊維軸方向、Z繊維軸方向の
PAN系炭素繊維の替わりに同じ束太さの綿糸を用いて
製織し、この空間範囲の部分のみは、炭素繊維をX繊維
軸方向のみに有するように製織した。できあがった織物
の繊維体積含有率Vf は、それぞれ繊維軸方向別にVfX
=40%、VfY=10%、VfZ=8%であった。この織
物に溶融した石油ピッチを含浸して得られる繊維強化複
合材料から、水酸基を持つ綿糸を、80mol%の濃硫
酸溶液を用い、70℃で加水分解除去し、3軸強化部と
1軸強化部とが一体的に構成された繊維強化複合材料と
した。
Example 3 Tensile modulus of elasticity 70 × 10 3 kgf /
with fiber diameter 10 micron pitch-based carbon fiber is mm 2 as 9,000 bundle, is located arranged in the X fiber axis direction, the space vector with respect to the X fiber axis 90
Tensile modulus of elasticity 25 × 10 3 k in two directions of X and Z that differ by degrees
A polyacrylonitrile (PAN) -based carbon fiber having a gf / mm 2 fiber diameter of 7 μm is arranged and arranged as a bundle of 6000 fibers, and the fabric size X 1000 in the fiber axial direction.
mm × Y fiber axis direction 100 mm × Z fiber axis direction 500 m
m in a rectangular parallelepiped shape. At this time, the X fiber axis direction 10
00mm, two 20mm widths at both ends and 4mm from the end
80 mm to 520 mm position, ie, 40 mm at the center
The width of the space is woven using cotton yarn of the same bundle thickness in place of the PAN-based carbon fiber in the Y fiber axis direction and the Z fiber axis direction. Weave only to have. The fiber volume content Vf of the finished woven fabric is VfxX for each fiber axis direction.
= 40%, V fY = 10%, V fZ = 8%. From a fiber reinforced composite material obtained by impregnating a melted petroleum pitch into the woven fabric, a cotton thread having a hydroxyl group is hydrolyzed and removed at 70 ° C. using an 80 mol% concentrated sulfuric acid solution, and the triaxial reinforced portion and the uniaxial reinforced material are removed. The fiber reinforced composite material was integrally formed with the portion.

【0034】さらにこの後に、1000kgf/cm2
の高圧アルゴン雰囲気中で800℃で加熱炭化焼成、2
500℃で黒鉛化焼成した。このピッチの含浸、加熱炭
化焼成、黒鉛化焼成は5回繰り返し、C/Cコンポジッ
トを作製した。得られたC/CコンポジットはX繊維軸
方向1000mmの内、両端部20mm幅2ケ所と、端
部から480mm〜520mmの位置すなわち中央部の
40mm幅の空間範囲の1ケ所は1軸織物で構成された
C/Cコンポジットであり、他の部分は3軸織物で構成
されたC/Cコンポジットとなった。この得られたC/
CコンポジットのX繊維軸方向1000mmの内、端部
から480mm〜520mmの位置すなわち中央部の4
0mm幅の中央の位置、すなわち端部から500mmの
位置でC/Cコンポジットを2等分し、両端部20mm
の2ケ所が1軸繊維強化されたC/Cコンポジットであ
り、中央部460mmが3軸繊維強化されたC/Cコン
ポジットである一体成形されたC/Cコンポジットを、
X繊維軸方向500mm×Y繊維軸方向100mm×Z
繊維軸方向500mmの直方体形状で2個得た。この2
個のC/Cコンポジットの内部中心部近傍のX繊維軸方
向の熱伝導率は室温付近で600W/m・K、外部表面
のX繊維軸方向の熱伝導率は室温付近で800W/m・
Kであった。
After this, 1000 kgf / cm 2
Baking by heating at 800 ° C in a high-pressure argon atmosphere
It was graphitized and fired at 500 ° C. This pitch impregnation, heating carbonization firing, and graphitization firing were repeated five times to produce a C / C composite. The obtained C / C composite is composed of a uniaxial woven fabric at 1000 mm in the X-fiber axial direction and two places of 20 mm width at both ends and 480 mm to 520 mm from the end, that is, one place in the space of 40 mm width at the center. The other part was a C / C composite composed of a triaxial woven fabric. The resulting C /
Among the 1000 mm in the X fiber axis direction of the C composite, a position 480 mm to 520 mm from the end, that is, 4 at the center.
The C / C composite is bisected at the center position of 0 mm width, that is, 500 mm from the end, and both ends are 20 mm.
Is a uniaxial fiber reinforced C / C composite, and the central part 460 mm is a triaxial fiber reinforced C / C composite.
X fiber axis direction 500mm × Y fiber axis direction 100mm × Z
Two pieces were obtained in a rectangular parallelepiped shape with a fiber axis direction of 500 mm. This 2
The thermal conductivity in the X fiber axis direction near the center of the interior of each C / C composite is 600 W / m · K near room temperature, and the thermal conductivity in the X fiber axis direction on the outer surface is 800 W / m · K near room temperature.
It was K.

【0035】(実施例4)ピッチ系炭素繊維15,00
0本を束ねて経糸とし、この経糸を隙間なく配列した。
次に、融点80℃のホットメルト繊維と絹糸の混織糸を
緯糸として、緯糸間隔10mmで経糸に織り込み、目付
け量250g/m2 の一方向に炭素繊維の並んだシート
を作製した。このシートにフェノール樹脂を含浸させた
後に、シートを10枚積層させ、積層構造体を製作し
た。積層構造体を室温から1000℃まで2℃/min
で熱処理し、実質的に緯糸を変性させ、繊維強化金属用
プリフォームとしての一方向繊維強化複合材料用繊維強
化複合材料を得た。
Example 4 Pitch-based carbon fiber 15,000
Zero warp was bundled to form a warp, and the warp was arranged without gaps.
Next, a mixed yarn of hot melt fiber and silk having a melting point of 80 ° C. was used as a weft and woven into a warp at a weft interval of 10 mm to prepare a sheet in which carbon fibers were arranged in one direction in a basis weight of 250 g / m 2 . After impregnating the sheet with a phenol resin, ten sheets were laminated to produce a laminated structure. 2 ° C / min from room temperature to 1000 ° C
To substantially modify the weft to obtain a fiber reinforced composite material for unidirectional fiber reinforced composite material as a preform for fiber reinforced metal.

【0036】(実施例5)ピッチ系炭素繊維12,00
0本を束ねて経糸とし、この経糸を隙間なく配列した。
次に、融点80℃のホットメルト繊維と絹糸の混織糸を
緯糸として、緯糸間隔10mmで経糸に織り込み、目付
け量200g/m2 の一方向に炭素繊維の並んだシート
を作製した。このシートを40枚積層させ冶具で固定化
した後に、石油系ピッチを含浸させ積層構造体を製作し
た。積層構造体を室温から800℃まで5℃/minで
熱処理し、実質的に緯糸を変性させ、C/Cコンポジッ
ト用プリフォームとしての一方向繊維強化複合材料用繊
維構造体を得た。この繊維構造体をさらにピッチの含
浸、加熱炭化焼成、黒鉛化焼成を3回繰り返し、C/C
コンポジットを作製した。
Example 5 Pitch-based carbon fiber 12,000
Zero warp was bundled to form a warp, and the warp was arranged without gaps.
Next, a mixed yarn of hot melt fiber having a melting point of 80 ° C. and silk was used as a weft and woven into a warp at a weft interval of 10 mm to produce a sheet in which carbon fibers were arranged in one direction in a basis weight of 200 g / m 2 . After forty sheets of this sheet were laminated and fixed with a jig, a petroleum pitch was impregnated to produce a laminated structure. The laminated structure was heat-treated from room temperature to 800 ° C. at 5 ° C./min to substantially modify the weft to obtain a fiber structure for unidirectional fiber reinforced composite material as a preform for C / C composite. This fiber structure was further subjected to pitch impregnation, heating carbonization firing, and graphitization firing three times to obtain a C / C
A composite was made.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の結果得られる繊維強化複合材料の繊維
強化形態の例を示した説明図。
FIG. 1 is an explanatory diagram showing an example of a fiber-reinforced form of a fiber-reinforced composite material obtained as a result of the present invention.

【図2】強化繊維を経糸とし、非強化繊維を緯糸とした
一方向繊維構造体の積層断面図。
FIG. 2 is a laminated cross-sectional view of a unidirectional fiber structure in which reinforcing fibers are used as warps and non-reinforced fibers are used as wefts.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1:経糸(強化繊維束) 2:緯糸(非強化繊維束) 1: Warp (reinforced fiber bundle) 2: Weft (non-reinforced fiber bundle)

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI D06M 15/41 B29C 67/14 X // B29K 105:08 ──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code FI D06M 15/41 B29C 67/14 X // B29K 105: 08

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 強化繊維および非強化繊維によって一体
的に構成された繊維構造体に物理的処理あるいは化学的
処理を行って前記非強化繊維を実質的に除去あるいは変
性させることを特徴とする繊維強化複合材料用繊維構造
体の製造方法。
1. A fiber, wherein a physical structure or a chemical treatment is performed on a fibrous structure integrally constituted by a reinforced fiber and a non-reinforced fiber to substantially remove or modify the non-reinforced fiber. A method for producing a fiber structure for a reinforced composite material.
【請求項2】 強化繊維および非強化繊維によって一体
的に構成された繊維構造体にマトリックスを含浸させる
前あるいは含浸させた後に物理的処理あるいは化学的処
理をすることによって前記非強化繊維を実質的に除去あ
るいは変性させることを特徴とする繊維強化複合材料の
製造方法。
2. The non-reinforced fiber is substantially treated by a physical treatment or a chemical treatment before or after the impregnation of the matrix into the fiber structure integrally constituted by the reinforcing fiber and the non-reinforced fiber. A method for producing a fiber-reinforced composite material, comprising:
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