JPS59165647A - 複合材料用補強材 - Google Patents

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】 本発明は複合材料用補強材に関し、さらに詳しくは、繊
維強化プラスチツク用として好適な補強材に関する。

繊維強化プラスチック（以下、ＦＲＰという）は、従来
、たとえば次のようにして成形している、すなわち、補
強繊維の織物にＢ−ステージの熱硬化性樹脂を含浸して
なる織物プリプレグや、補強繊維を一方向に互に並行か
つシート状に引き揃えたものにＢ−ステージの熱硬化性
樹脂を含浸してなる一方向性プリプレグなどの補強基材
を用い、これら基材をその補強ＵＡＨが所望の方向を向
くように複数枚重ね合わせ、加圧加熱して上記熱硬化性
樹脂を硬化することによって成形している。織物プリプ
レグの代わりに生織物を用い、それを重ね合わせた後に
８−ステージの熱硬化性樹脂を含浸する場合もある。し
かしながら、このようにして成形したＦＲＰは、厚み方
向の強度、特に層間剥離強度や層間剪断強度が低いとい
う欠点がある。

すなわち、ＦＲＰは、補強繊維の軸方向には強度や弾性
率といった特性が十分に発現されるが、これらの特性は
、軸方向からＭｉｌｌれる（軸方向に対して角度をもつ
）にしたがって急激に低下するという、極めて異方性の
大きな材料である。しかるに、上記従来のＦＲＰは、面
方向には補強繊維が存在するが、厚み方向には全く存在
していないので、この厚み方向の強度はほとんど樹脂の
みが支えているわけである。

一方、近年になって、上記方法のように成形時に基材を
重ね合わせてゆくのではなく、複数枚の基材を予め一体
に縫合しておいた補強材を使用する方法、すなわち、複
数枚の織物基材をその補強繊維が所望の方向を向くよう
に重ね合わせ、その重ね合せ体の厚み方向に補強繊維の
縫糸を貫通させて一体に縫合してなる補強材を用いる方
法が提案されている。この方法によれば、成形時に基材
を１枚１枚重ね合わせてゆく手間を省くことができるば
かりか、縫糸による補強効果によってＦＲＰの厚み方向
の強度が向上する。しかしながら、ＦＲＰ全体としてみ
た強度を向上することには必ずしもならない。

すなわち、織物からなるＦＲＰ用の補強基材、特に航空
機用ＦＲＰ構造材を成形するような場合に使用する織物
基材は、一般に、経糸および緯糸の密度、つまり織密度
が小さいか、または織糸同志の拘束力の小さい朱子組織
を採用している。そのため、経糸と緯糸の交錯による組
織の形態保持性が大変小さく、目ずれを起こしやすい。

上記織物基材が常用されている主たる理由は、そのよう
な織物は経糸と緯糸の交錯部における織糸、つまり補強
繊維の屈曲が小さいので、その屈曲部への応力集中が小
さく、補強繊維の特性があますところなく発現されて、
薄くても強度が高く、かつ信頼性の高いＦＲＰが得られ
るからである。しかして、そのような織物基材の重ね合
せ体を縫合する場合、あまり緩く縫合したのではＦＲＰ
を成形した場合にＦＲＰの厚み方向において縫糸が弛ん
で補強の意味をなさず、かといってあまり強く縫合する
と縫糸の貫通部分で重ね合せ体の表面にへこみができて
ＦＲＰを成形した場合にその部分が樹脂のみになってし
まい、いずれの場合も強度の高いＦＲＰを得ることがで
きないので、縫糸に張力をかけながら、ＦＲＰを成形し
た場合の厚みの０９〜１．１倍程度の厚みになるように
縫合している。しかしながら、そうすると、基材の織物
は上述したように目ずれを大変起こしやすいので、縫糸
に引っ張られて織糸の配列が大きく乱れてしまう。しか
して、ＦＲＰは上述したように異方性が極めて大きな材
料であるから、その面方向強度が大きく低下する。その
低下は、ときとして縫糸による厚み方向強度の向上分を
上回わるほどである。

したがって、縫合によって厚み方向の強度を向上するこ
とができても、ＦＲＰ全体としてみた強度を向上するこ
とには必ずしもならない。基材が上記織物にＢ−ステー
ジの熱硬化性樹脂を含浸してなる織物プリプレグである
場合でも、縫合の際に、縫合を行いやすくするために重
ね合せ体を熱硬化性樹脂のゲル化渇痕未渦の温度に予熱
し、樹脂の粘度を下げることから、やはり同様の不都合
を生ずる。

上述したような、縫合による補強繊維の曲がりの問題は
、基材が、補強繊維の配列がＢ−ステージの熱硬化性樹
脂のみによって維持されている一方向性プリプレグの場
合には一層顕著に起こる。

特に、縫糸による縫い方向が補強ｌＪ雑の引き揃え方向
と一致する場合には、縫糸が補強繊維間にめり込んでし
まい、縫合そのものが困難になること５− さえある。

本発明の目的は、従来の補強材の上記欠点を解決し、面
方向強度および厚み方向強度がともに高く、全体強度を
大きく向上させることができるばかりか、信頼性の高い
複合材料を得ることができる補強材を提供するにある。

上記目的を達成するための本発明は、補強繊維の織物、
織物プリプレグまたは一方向性ブリプレグからなる複合
材料用シート状補強基材の重ね合せ体と、この重ね合せ
体の少なくとも一面に重ね合せ配置したシートと、前記
基材およびシートを一体に縫合している補強繊維の縫糸
とを有し、かつ前記シートは、ピン孔成長抵抗度が２０
０〜２０００ｑ／ｍｍである織物、織物プリプレグまた
は樹脂フィルムからなる複合材料用補強材を特徴とする
ものである。

本発明において、ビン孔成長抵抗度とは、次のようにし
て測定したものである。

すなわち、まず、シート、つまり織物、織物プリプレグ
または樹脂フィルムを、後述する縫糸の−６＝ 延在方向が長手方向になるように長さ１２０＋１１１１
１、幅５Ｑｍｍに切り出し、その長手方向一端から１１
０ｌ１１までの部分全体をチャックで挾み、上記一端か
ら２０ｍｍの位置で、かつ幅方向の中心位置に、横断面
が円形で、かつ先端のみがとがった外径１　ｍｍ。

長さ４Ｑｍｍの剛直なピンをシート面に垂直に２０ｍｍ
はど刺し込み、固定する。次に、チャックを、シートの
面方向で、かつ上記ピンから離反する方向に１０１１１
ｍ／分の一定速度で移動させながら、チャックの移動量
とそれに加わる荷重との関係をチャートに記録する。次
に、チャックが２ｍｌ１１移動したときにそのチャック
に加わる荷重（ｌを測定し、その荷重を移動ｆｆ１２ｎ
＋ｎ＋で除した値をビン孔成長抵抗度と定義する。たと
えば、上記荷重が４０００であれば、ピン孔成長抵抗度
は２００ｏ／ｍｍということになる。上記測定は、シー
トがプリプレグである場合には、シートを８０℃の温度
に３分間晒した直後に行う。チャックが２ＩＩ１ｍ移動
するまでの間に織糸が切断したり（織物や織物プリプレ
グの場合）、破れたり（樹脂フィルムの場合）する場合
には、そのようなことが起こる直前の荷重をチャート上
から読み取り、これを同じくチャート上から読み取った
そのときのチャックの移動量で除し、これをビン孔成長
抵抗度と定義する。

本発明の補強材をさらに詳細に説明するに、図面（一部
破断した概略斜視図）はＦＲＰ用補強材を示すもので、
補強材１は、補強繊維の織物からなる基材２．３．４．
５．６を、それらの経糸および緯糸を構成している補強
［ｔの方向が、厚み方向にあって交互にＯ０／９ｏ０、
±４５°であるように重ね合わせてなる重ね合せ体７と
、この重ね合せ体７の上下両面に臣ね合わせて配置した
、ピン孔成長抵抗度が２００〜２０００ｑ／ｌｌ１ｍで
ある薄い織物からなるシート８．９と、上記基材２．３
．４．５．６とシート８．９を一体に縫合している補強
繊維の縫糸１０，１１．１２．１３を有している。上記
一体縫合は単環縫いによって行われており、縫糸１０．
１１．１２．１３がそれぞれ補強材１の上面から下面へ
、また下面から上面へと繰り返し貫通しながら補強材１
の長手方向に等ピッチで延在している。この縫糸１０，
１１．１２．１３の延在方向が、上述したビン孔成長抵
抗度の測定に際して切り出される測定片の長手方向であ
る。また、上記縫糸１０１１１．１２．１３は、補強材
の幅方向においては互に等間隔で配置されている。

上記において、基材を構成している補強ａｉｍは、炭素
繊維、ガラス繊維、有機高弾性繊維（たとえば、ポリア
ラミド繊維など）、シリコンカーバイド５１１ｍ、アル
ミナＩｌ維等の高強度、高弾性繊維のマルチフィラメン
トからなっている。そして、上記補強繊維は、ＦＲＰを
成形する際の樹脂の含浸性をよくするため、またＦＲＰ
中における体積含有率を高くするため、さらには縫合に
よる切断や損傷を防止するため、撚数ができるだけ少な
いのが好ましい。特に、補強繊維が炭素繊維である場合
には、炭素繊維は弾性率が極めて高く、かつ破断伸度が
小さいために曲げの力に対して弱いので、実質的に無撚
りであるのが好ましい。

基材たる織物は、平織物、朱子織物、綾織物な９− ど、いずれの織組織の織物であってもよいが、上述した
ように、経糸と緯糸の交錯部における織糸、つまり補強
繊維の屈曲が小さいと、その屈曲部への応力集中が小さ
くなり、補強繊維の特性が余すところなく発現されて、
薄くても強度が高く、かつ信頼性の高いＦＲＰが得られ
るので、上記シートと同様に定義したピン孔成長抵抗麿
が１０〜１８００／ｎ＋ｎ＋である、特に朱子織物であ
るのが好ましい。なお、織物が炭素！ｉｉ紺からなるも
のである場合、上記応力集中は［補強繊維の弾性率／樹
脂の弾性率］に比例して大きくなることから、ピン孔成
長抵抗度がより低い１０〜１５０ｏ／ｍｍの範囲にある
のが好ましい。

また、織物として、特公昭５７−５２２２１号公報に記
載されているような、実質的に屈曲を有しない真直ぐな
補強繊維を互に並行かつシート状に引き揃えてなる少な
くとも２個の糸条群を補助糸によって一体に織成した、
いわゆるノンクリンプ織物を使用すると、補強繊維が応
力の集中するような屈曲を有していないために、特に補
強材の１０− 面方向において補強繊維の特性が余すところなく発現さ
れ、ＦＲＰの面方向強度が一層向上するので好ましい。

基材は、上記織物にＢ−ステージ（たとえば、「プラス
チック工業辞典」、第１０７頁、１９７３年９月２５日
、株式会社工業調査会刊）の熱硬化性樹脂を含浸してな
る織物プリプレグであってもよい。熱硬化性樹脂は、た
とえば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェ
ノール樹脂、ポリイミド樹脂のようなものである。基材
はまた、上記補強繊維を一方向に互に並行かつシート状
に引き揃えたものにＢ−ステージの上記熱硬化性樹脂を
含浸してなる、いわゆる一方向性プリプレグであっても
よい。

上述したような基材の重ね合せ枚数は、成形したいＦＲ
Ｐの厚みに応じて任意に選べばよい。また、重ね合わせ
る際の補強繊維の方向は、すべての基材についてその補
強繊維の方向が同一方向を向くように重ね合わせてもよ
いし、ある基材については補強材の長手方向を向くよう
にし、またある基材については長手方向に対しである角
度をもつようにするなど、任意の角度の組み合せとして
重ね合わせてもよい。たとえば、図面に示したような０
°／９０°、±４５°の組み合せは、面方向に疑似等方
性のＦＲＰを成形する場合に好適である。また、ねじり
強度を重視する場合には、すべての基材をその補強１Ａ
Ｉｉａｔが±３０°〜±６００、好ましくは±４５°の
方向を向くように重ね合わせる。なお、基材は、補強材
の長手方向および／または幅方向において重ね合せ枚数
が異なっていてもよい。すなわち、同一寸法の基材を用
いる必要は必ずしもない。また、図面に示したようにシ
ート状または平板状に重ね合わせる必要は必ずしもなく
、１枚の基材を渦巻状に、または複数枚の基材の重ね合
せ体を渦巻状に巻回することであってもよい。換言すれ
ば、本発明の補強材は、シート状または平板状であって
も、筒状であってもよいものである。

シートたる上記織物は、縫合の際に縫糸によって基材の
補強繊維の配列が乱されるのを防止するもので、基材を
構成しているのと同様の上記補強繊維や、ポリエステル
繊維、ナイロン繊維、レーヨン繊維、アクリル繊維、ア
セテート繊維、フェノール繊維、ビニロン繊維、フッ素
繊維、ポリビニルアルコールｍ頼などの平織物、朱子織
物、綾織物などからなっている。これらの織物は、成形
時における樹脂の含浸性をよくしたり、基材との接着性
をよくするために、繊維の製造工程でサイジング剤が使
用される場合にはそれを除去したり、シラン等で処理し
ておくのが好ましい。シートはまた、上記織物にＢ−ス
テージの上記熱硬化性樹脂を含浸してなる織物プリプレ
グであってもよい。

また、ポリエステル樹脂、ポリフロロエチレン樹脂、ポ
リプロピレン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリスチレン
樹脂、ポリカーボネート樹脂、ナイロン樹脂、ポリイミ
ド樹脂などの樹脂フィルムであってもよい。樹脂フィル
ムを使用する場合、基材への重ね合せ時またはＦＲＰ成
形時における樹脂との接着性をよくするため、少なくと
も基材への重ね合せ面をコロナ放電処理し、有機チタニ
ウ１３− ムエステル系、ポリイソシアネート系、ポリビニルエー
テル系などの樹脂を下塗りする、いわゆるプライマー処
理を施しておくのが好ましい。なお、基材との組み合せ
においては、基材が織物である場合にはシートもやはり
織物であるのがよく、基材がプリプレグである場合には
シートはプリプレグまたは樹脂フィルムであるのが好ま
しい。

シートは、ビン孔成長抵抗度が２００〜２０００ｑ／ｍ
ｍである必要がある。好ましくは２００〜１２００Ｃ］
／である。すなわち、上記抵抗度が２００ｑ／ｍｍ未満
では、縫合時に縫糸に引っ張られて目ずれが容易に起こ
り、それにつれて基材の補強ｔＭＨの配列が乱れてしま
う。また、２０００ＣＩ／ｍｍを越えるような高いビン
孔成長抵抗度のシートを使用すると、縫合を行いにくく
なるばかりか、縫合時の縫糸とシートとの摩擦が極端に
大きくなって縫糸が傷付けられ、縫糸の強度が低下して
、ＦＲＰの厚み方向強度を向上させるという縫合の意味
が失われてしまう。特に、縫糸として、結節強度が低く
、毛羽立ちやすい炭素繊維を使用する１４− 場合にはこの傾向が著しく顕著になる。

シートは、１５０℃における熱収縮率が５％以下である
のが好ましい。さらに好ましいのは、１％以下である。

すなわち、基材を構成している補強繊維は一般に熱収縮
率が小さいので、シートの熱収縮率が大きいと、成形時
の加熱によってシートのみが大きく収縮し、それによっ
て基材の補強繊維の配列が乱されることがある。また、
シートには縫合時に孔があくが、その孔に応力が集中し
てそこから補強材の破壊が進行するのを防止するため、
基材よりも破断伸度の大きなものであるのが好ましい。

縫糸は、補強材の厚み方向に伸びていて、ＦＲＰを成形
した場合にその厚み方向の強度を向上させ、ひいてはＦ
ＲＰ全体の強度を向上させるものである。そのような縫
糸は、炭素繊組、ガラス繊維、有機高弾性繊維などの高
強度、高弾性繊維のマルチフィラメントからなっている
。単糸径は、３〜１５μであるのが好ましい。特に、ガ
ラス繊維からなるものである場合には、ガラス繊維は結
節強度が小さいので、７μ以下の細いものであるのが好
ましい。有機高弾性繊維の場合には、同様の理由から単
糸径１０〜１５μのものが好ましい。

なお、縫糸は大きく屈曲しているので、補強材に加わる
応力が集中してその縫糸から補強材の破壊が進行するこ
とがある。そのため、縫糸は基材を構成している補強繊
維よりも大きな破断伸度を有するものであるのが好まし
い。たとえば、基材が炭素ｍ雑からなるものである場合
、縫糸はガラスｌ１Ｍまたは有機高弾性繊維であるのが
好ましい。

また、縫糸は、縫合時の単糸切れや糸割れを防止するた
めに、３０回／ｍ以上の上撚りを有しているのが好まし
い。しかしながら、上撚り数があまり多くなると横断面
形状が丸くなり、ＦＲＰ中における補強ｍＭの体積含有
率が低くなるので、７０回／ｍ以下であるのが好ましい
。

さらに、縫糸は、基材の重ね合せ枚数が少ない場合には
、その太さが補強材の厚み、ひいてはＦＲＰの上記繊維
体積含有率に影響を与えるようになるので、横断面積が
０．００８〜０．１２ｎ＋ｍ２程度の細いものを使用し
、縫い密度を高くするようにするのが好ましい。さらに
好ましい横断面積は、０．００８〜０．０６１１１ｍ２
である。基材の重ね合せ枚数が略５枚以上と多い場合に
は、縫糸の上記影響は少ないので、横断面積が０．０５
〜０゜３５ｍｍ２、好ましくは０．０５〜０．２５１０
ｍ２（７）比較的太いものを使用し、縫い密度を低くし
たほうが縫合時における基材の補強繊維の損傷を少なく
することができるので好ましい。

縫糸による縫合は、縫糸が抜けにくいという意味で単環
縫いまたは本縫いによって行うのが好ましい。なかでも
、上記実施例に示した単環縫いは、重ね合せ体の厚み方
向において上糸と下糸が交錯して１８０°屈曲する本縫
いとは異なり、厚み方向にあって屈曲することがないの
で、縫糸の強度や弾性率といった特性を余すところなく
利用することができ、ＦＲＰの厚み方向強度の向上効果
が大きいので好ましい。なお、′単環縫いを採用した場
合、図面において、シートは下面のみに重ね合わせても
よい。すなわち、下面においては、２本１７− の縫糸が互に反対方向に９０’曲がる形で縫い目を形成
しており、縫糸の張力が互に反対方向に作用して基材の
補強ｔｍｌｆｆを拡げるように働いているので、そのよ
うな面にのみシートを重ね合わせるようにすると、より
薄肉のＦＲＰを成形することができるばかりか、成形作
業も容易になる。換言すれば、シートは基材の重ね合せ
体の必要な一面のみに重ね合わせることであってよい。

また、縫糸の特性をそのまま発現させるために、縫糸は
基材の重ね合せ体の而に垂直な方向に対して一１５°〜
＋１５°の角度をなしているのが好ましい。最も好まし
いのはＯｏである。すなわち、ＦＲＰは補強繊維の軸方
向に最も高強度であるから、ＦＲＰの厚み方向強度を効
果的に向上させるためには、上記角度が０°であるのが
最も好ましいのである。

縫糸による補強材の縫合厚みは、ＦＲＰを成形した場合
の厚みの０．９〜１．１倍程度になるようにするのが好
ましい。すなわち、あまり強く縫合すると、後の樹脂含
浸が困難になったり、ＦＲ１８− Ｐを成形した場合に補強材表面の縫糸貫通部に樹脂溜り
を生ずることがあり、また弱すぎるとＦＲＰを成形した
場合にその厚み方向で縫糸が弛んでしまい、厚み方向強
度の向上効果が低くなる。

縫合は、通常、ニードルを使用して行う。このとき、基
材やシートがプリプレグであると、Ｂ−ステージの熱硬
化性樹脂のためにニードルが貫通しにくいので、プリプ
レグおよび／またはニードルを、プリプレグの樹脂のゲ
ル化温度未満の温度に加熱しておくとよい。基材および
／またはシートをプリプレグ化しておく主たる理由は、
ＦＲＰ中における樹脂分布をより一様にすることができ
、またＦＲＰ中に残存するボイドがより少なくなるとい
うことにあるが、縫合は若干行いにくくなる。

本発明の補強材を使用した一ＦＲＰの成形は、金型成形
法、レジンインジェクション成形法、オートクレイプ成
形法など、周知の成形法を用いて行うことができる。

以上においては、補強材がＦＲＰ用である場合について
説明したが、本発明の補強材は、補強繊維や縫糸の種類
を適宜選択することによって、繊維強化炭素材料や繊維
強化金属材料用として使用することができるものである
。たとえば、基材、シートおよび縫糸に炭素繊維を用い
たものは、炭素１ＩｉＨ強化炭素材料用補強材として使
用することができる。すなわち、上記基材を用いてＦＲ
Ｐを成形した後、マトリクスたる樹脂を焼成して炭化　
。

すればよい。

以上説明したように、本発明の補強材は、複合材料用シ
ート状基材の重ね合せ体の少なくとも一面に、ビン孔成
長抵抗度が２００〜２００００／ｍｌｌ１であるシート
を重ね合せ配置し、かつそれら基材およびシートを補強
繊維の縫糸によって一体に縫合してなるものであるから
して、縫合時に縫糸の張力がかかることによる基材の補
強Ｒｍの配列の乱れが防止されており、縫糸の存在とあ
いまって、面方向強度および厚み方向強度がともに高く
、しかも信頼性の高い複合材料を得ることができる。

したがって、複合材料全体の強度も著しく向上する。ま
た、複合材料を製造する際に基材を１枚１枚重ね合わせ
る必要がないから、製造工程を簡素化できる。

本発明の補強材は、いろいろな用途の複合材料を得る場
合に使用することができるが、たとえば、ＦＲＰ製の、
航空機の主翼のスキン材、Ｈ型や■型桁材などの一次構
造材や、各種パイプや、自動車、自動二輪車、自転車な
どのプロペラシャフト、ホイールまたはリムや、圧力容
器や、遠心分離機の回転胴等の各種高速回転体や、シー
ルリングなどを成形する場合に特に好適である。

【図面の簡単な説明】

図面は、本発明の補強材の一実施例を示す一部破断した
概略斜視図である。 １：補強材 ２．３．４．５．６：１ｍ物（基材） ７：重ね合せ体 ８．９：織物（シート） １０．１１．１２．１３：ｍ糸 特許出願人　　東し株式会社 ２１−

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 補強繊維の織物、織物プリプレグまたは一方向性プリプ
   レグからなる複合材料用シート状補強基材の重ね合せ体
   と、この重ね合せ体の少なくとも一面に重ね合せ配置し
   たシートと、前記基材およびシートを一体に縫合してい
   る補強繊維の縫糸とを有し、かつ前記シートは、ピン孔
   成長抵抗度が２００〜２０００ｑ／ｌｌ１ｍであル織物
   、Ｉ　物７　Ｉ）　’７レグまたは樹脂フィルムからな
   ることを特徴とする複合材料用補強材。