JPS6021057B2 - 複合材料の成形方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は複合材料の成形方法に関する。

強化材と樹脂とからなるいわゆる強化樹脂は航空宇宙、
機械または電気関係等の用途分野における構造材料とし
て広く用いられている。

この強化樹脂の成形はフィラメントワインディソグ法、
加圧モールディング法またはプリプレグ積層法等の成形
方法により所定の成形体に賦形して用いられる。とくに
プリプレグ積層法は予め樹脂舎浸操作が行われているの
で、成形工程上取扱いが簡便であり、前記用途において
し‘よいま用いられる。本発明は熱硬化性樹脂を用いる
ところの所謂プリプレグ積層体に限定することなく、本
来流動性を有する樹脂と強化材とからなる複合材料を用
いる成形に係わるものである。従って本発明における樹
脂とは常温もしくは加熱状態において流動性を有し、か
つ適当な処理により最終的に賦形されて成形体となるも
のであればすべての樹脂が用いられるのであり、ェポキ
シ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等の
熱硬化性樹脂、ポリアミド樹脂、飽和ポリエステル樹脂
、ポリァセタール樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂等の熱可塑
性樹脂、あるいはブチルゴム、ニトリルゴム、天然ゴム
等のゴム資材料等が例示される。一方本発明における強
化材は、金属、無機物または有機物からなる繊維または
粒子および両者の混合物であり、前記樹脂より耐熱性に
富みかつ剛性を有するものであればとくに限定する必要
はなく、例えばガラス繊維、スチール繊維、炭素繊維、
ボロン繊維、ポリエステル繊維あるいは炭酸カルシウム
、雲母、ガラスビーズ、ァルミナ、酸化チタン等および
これらの混合物が挙げられる。

本発明における複合材料は少くとも前記の強化材および
樹脂とからなるものであるが、目的に応じてさらに金属
板、ハニカムコァ、合成樹脂体等の異種材料を併用する
ことも可能である。この複合材料は通常複数個を積層し
て用いられるが、積層時に層間に気泡が含まれることは
避けられない。

この気泡の存在は成形して得た成形体の強度、そくに眉
間製断強度を低下させる。従来の成形法においては成形
時に圧力を高めるかあるいは適当な加熱条件において樹
脂をゲル化状態となして、ある程度流動性を抑制しなが
ら圧力を加えることにより気泡を除去していた。しかし
ながら成形時に単に圧力を高めても気泡は成形体のいず
こかに必ず存在するものであり、またゲル化状態におい
て圧力を負荷する方法は有効な方法であるが、加熱条件
と圧力を負荷する時期における条件の決定が困難であり
、工業的に用いることは不適当であった。さらに従来の
方法においては成形時の圧力により樹脂が流出し甚しき
場合には強化材も同時に流出する欠点があった。この場
合、成形体の寸法に再現性がないばかりか、成形体の強
度、とくに層間敷断強度が劣る。本発明の主たる目的は
複合材料を用いて工業的に安定に成形することにあり、
かつ得られた成形体中に気泡が存在せず、寸法安定性お
よび強度、とくに層間数断強度に優れた成形体を得るこ
とにある。

本発明の目的を明らかにするために、まず従法について
具体的に図面に塞いて説明する。

第ｌｂ図は従来の複合材料を用いる成形におけるシート
被覆状態を図示したもので、１は剛性のある合板、２は
複合材料積層体の流出を防ぐための断面形状が矩形のダ
ムで、通常ゴム物質からなり、その内側は目的とする成
形体の形状にあわせて形取られる。３は複合材料の積層
体である。

４は複合材料より排出される流動性樹脂を吸収すること
により成形体中の強化材の存在割合を制御するところの
クロスであって、成形時において強度の劣化しない合成
繊維または無機質繊維から作られる。

このクロスは通常プリダークロスと称されるもので、前
記作用の外に複合材料積層体の流出を防ぐ作用をも有す
るものであり、従来法においては必要不可欠なものであ
る。５は圧力を負荷して賭形するために用いられる剛性
のある物質からなるコールプレートで、通常鉄またはア
ルミニウム等の金属材料より構成される。

６は外圧に対して柔軟に変形しかつ気密性を有するシー
トで、通常ゴムまたはプラスチックフィルムより作られ
る。

７は複合材料積層体中の気泡をとり除く真空ラインであ
る。

３〜５は重合せ面において類似の形状を有し、これらか
らなる重合せた物の周囲に密接して２のダムが配置され
る。

次いで１〜５の配置物の全体を６のシートで覆う。この
シートで覆われた状態のものは例えば成形用熱板上に薄
かれ、７よりシート被覆内部を真空に吸引しながら「気
体によりシートの外部より外圧を負荷して成形する。真
空に吸引する目的は複合材料積層体中の気泡を除去する
と共に、外圧に対し６のシートと熱板との間に密閉状態
を生ぜしめることにある。実際に従釆法において成形す
る場合には、気体圧力を負荷する時期を厳密に決定する
必要がある。

強化材として炭素繊維を、樹脂としてェポキシ樹脂を使
用した樹脂が中間硬化状態にある所謂プリプレグを用い
た場合について本発明者が従来法に従って実験した結果
によると、第２ｂ図の如きであった。第２ｂ図において
曲線は一定温度に保たれた雰囲気中にシート被覆状態の
ものを置いたとき樹脂の粘度が時間の経過すなわちシー
ト被覆内部のプリプレグの温度上昇にともなって変化す
る状態を示しており、斜線部分は気泡のない良好な成形
体を得ることが可能な圧力と加圧開始時間の範囲を示す
。図中負の圧力側に引かれた直線はシート被覆内部が真
空で引かれ減圧状態下にあることを示すものである。図
中の斜線部分より早い時期に圧力を加えて得た成形体は
樹脂の横流れが著しく、成形体中に気泡が多く存在する
。逆に図中斜線部分より遅い時期に圧力を加えると、樹
脂の硬化が進行し始めているために、プリプレグ同志の
密着度が低下し、巨大な気泡が成形体に認められる。圧
力については、斜線に示す範囲内であれば、気泡が存在
しない成形体を得ることができる。しかしながら斜線部
分に示す期間は樹脂の状態によるが、通常のプリプレグ
では１〜２分という極めて短いものであり、従って加圧
時期を適確に判断する必要がある。しかしプリプレグに
おいては貯蔵の仕方により、樹脂の状態は常に変化して
いるために、成形毎に加圧時期を調べる必要があるが、
かくの如き手順は面倒であり、工業的に使う方法として
は不利である。多くの場合、経験的に加圧時期を決めて
いたために成形体の寸法および強度等については再現性
がとほしかったが、その理由は最適加圧時期の範囲がい
まいま変動し、しかもその事実を適確に把握し得なかっ
たことにある。本発明者らは、従釆法におけるかかる欠
点を鱗消すべく鋭意検討した結果、従釆法においてはか
かる欠点が複合材料積層体に静水圧平衡状態が具 ・現
されていないことによるためであり、更にその、因は用
いるダムによることを見し、出し、本発明に到達したも
のである。

本発明の要点は、外圧を加えた場合において複合材料積
層体が周囲から均等に圧力を受けた状態すなわち複合材
料積層体に静水圧平衡状態を具現することにある。

そのために、特定断面形状のダムを用い以下詳述する如
き状態にて成形するものである。すなわち、本発明の要
旨は強化材と流動性を有する樹脂からなる複合材料積層
体を合板上に載直し、底部より上部の壁厚が高さ方向に
減少する断面形状のダムをこの積層体の周囲に密接して
配置し、柔軟な気密シートにより全体を覆って気密シー
ト被覆内部の系を減圧に保ちつつ気密シート外部より外
圧を加えたのち賦形する方法にある。

本発明においては、まず賦形のために必要な剛し・金属
もしくは合成樹脂製の合板の上に複合材料を積層して教
層し、底部より上部の壁厚が高さ方向に減少する断面形
状を有するダムをこの積層体の周囲に密接して配置する
。このダムは、外圧を加えた際適当に変形しうる弾性を
有する材料であればとくに限定する必要はなく、通常ゴ
ムまたは合成樹脂でよい。このダムの断面形状は従来用
いられていた如き矩形形状のものでは、外圧を加えたと
きに被圧物に均等に圧力が加わらず好ましくなく、本発
明においては例えば扇形状、三角形状、台形状等の底部
の壁厚より上部の壁厚が高さ方向に連続的に又は段階的
に減少する断面形状であることが必要である。その場合
、ダムの底部は合板面に密着する必要があり、また内壁
は後述する気密シートで覆ったのち外圧を加えた時に少
くとも外側に額斜しないような角度をもち、複合材料積
層体と密接させることが必要である。次いで合板上のダ
ムで囲まれた複合材料積層体の全体をゴムまたは合成樹
脂製の柔軟な気密シートにより覆う。なお、複合材料積
層体の上に薄いプラスチックフィルムをはさみ、さらに
その上に合成樹脂もしくは金属製のコールプレートを置
くことは好ましい方法である。

また、プラスチックフィルムを使用する場合において、
前記ダムを分割し、分割したダムの間にプラスチックフ
ィルムをはさむことも可能である。これらの方法は本発
明において有効に利用され得る。本発明による成形にお
けるシート被覆状態の一例を第ｌａ図に示す。図中１は
合板、２はダム、３は複合材料積層体である。４はブリ
ダークロスであるが、本発明においては必要条件ではな
い。

５はコールプレートであり、目的に応じ使用される。

６は柔軟な気密シートである。

７は複合材料積層体中の気泡をとり除くための真空ライ
ンである。

８はポリエステル、ナイロン等の耐熱性を有するプラス
チックフィルムであるが必要に応じて用いる。

かくの如くして得られるシート被覆状態のものの内部を
減圧状態に保ちつつ、樹脂が流後状態にある間にシート
の外部より外圧を加える。

外圧を加える方法としては、気体もしくは液体により圧
力を加えられるものであれば限定する必要はないが、オ
ートクレープを使用するのが好ましい。圧力は２ｋ９／
係以上が一般に好ましいが、流動性のある樹脂について
はこれより低い圧力でも可能である。本発明の方法によ
れば、従来法において記述した通常のプリプレグシート
の樹脂の硬化が進行しない範囲でのいかなる状態におい
ても外圧を加えることができ、第２ａ図の如き、極めて
工業的に有利な結果を有する。

図中斜線部において、従来法に比較して格段に作業条件
は緩かになっていることが明らかである。すなわち、本
発明の方法によれば工業的に安定に成形体を得ることが
できる。かくの如くして複合材料積層体に容易に静水圧
平衡状態を具現することができ、そのまま熱硬化させ賦
形することも可能であり、あるいは一旦オートクレープ
から取り出した後適当に加工処理を施したり、熱処理等
を行って賦形することもできる。

静水圧平衡状態を具現した事実は、成形後の成形体に横
流れがないことにより確められる。かくの如くして得ら
れた成形体中には気泡が存在しないばかりか、樹脂の横
方向への流出も見られず、寸法安定性に優れるという全
く新規な効果を有する。さらに、かくの如き性能を有す
る故に成形体の強度とくに層間勢断強度値は従来法より
向上したものである。以下実施例により本発明を具体的
に説明する。

比較例４比九角、厚さ１肌の鋼製合板上にＤＸ−２１０
（シェル化学製ェポキシ樹脂）を４の重量％含有したＧ
ＲＡＦ比Ａ−Ｓ （コートルヅ社製炭素繊維）プリプレ
グシート１３枚を２０狐角に切断して積層し、薮遣した
。

なお、プリプレグシート中の繊維はすべて一方向に配列
されている。その上に２０角のＳＬＳ２１２（旭ファイ
バーグラス社製朱子織ガラスクロス）３枚を重ね、さら
に２比又角、厚さ０．５肌の鋼製コールプレートを重ね
た。これらの周囲に密接してニトリルゴム製の壁高１伽
、壁２肌の矩形断面を有するダムを配置し、これらの全
体を厚さ０．２肌のニトリルゴムシートで覆い、このシ
ートと合板の間にシリコングリースをぬりガスシール処
理を施した。真空ポンプで合板下面からシート被覆物の
内部の空気を抜きながらオ−トクレーブ中に入れ、１７
０００に加熱した。加熱開始後の適当な時期に４ｋ９／
地の圧力を加え、そのまま１時間加熱した。その後冷却
してオートクレープよりとり出し、得られたパネルの寸
法を測定し、元のプリプレグシートからの変化率を求め
た。さらに得られたパネルから長さ方向を繊維方向に一
致させ中／弧、長さ１．５伽の試験片３ケを切り出し、
東洋ポールドゥィン社製抗折給具を用いてスパン１弧と
して５柵／分の速度で圧力を加えた時の被断満車Ｐｋ９
より次式から層間数断強度を求めた。層間酸断強度（ｋ
９／柵）＝班／４ｂＤ ここで ｂ：試験片の中（柳） Ｄ：試験片の厚（帆） 試験片の横断面を予め反射顕微鏡により観察し、気泡の
存在を確めた。

以上の結果を第１表にまとめた。オートクレープ中での
圧力開始時期により、パネルの性能が大中に変化するこ
とは明白である。第１表 実施例 １ 合板およびプリプレグシートは比較例１と同様のものを
使用した。

壁高３肋、底部壁厚３肌の第ｌａ図の如き角度９０ｏの
扇形の断面形状のニトリルゴム製ダムをプリプレグ積層
体に密着して配置した。ブリダークロスを用いないで２
０触角のテフロンシートをプリプレグ積層体上に載せ、
その他は比較例１と同様にした。その結果を第２表に示
した。第２表 実施例 ２ 実施例１において比較例のブリダークロスをプリプレグ
積層体上においた他は実施例１と同様に操作した。

圧力開始時期は加熱後６分であったパネルより５仰角の
試験片をとり出し、トルェン、四塩化炭素、二臭化エチ
レンの混合液よりなる密度勾配管に入れ、密度を測定し
たところ、密度は実施例１に比べ９％増加しており、繊
維含有率が増加していることが認められた。パネルの寸
法は変化なく、気泡は認められなかった。実施例 ３ 実施例２においてプリダークロスの上に厚さ４０ミクロ
ンのナイロンフィルムを置き、さらに比較例のコールプ
レートを置いた上に比較例のゴムシートで覆い、第ｌａ
図に示す如きシート被覆状態のものを得た。

このシート被覆状態のものに対し実施例２と同様の操作
を行った。得られたパネルの寸法は加圧前後で変化なく
、気泡も認められなかつた。実施例 ４ 実施例３において用いたダムと同形状で壁高５肋、底部
壁厚５肋のダムを合板より高さ３肌の部分で合板に平行
に切断して分割し、その間に実施例３のナイロンフィル
ムをはさんだ他は実施例３と同様に行った。

得られたパネルの寸法は加圧前後で変化なく気泡も認め
られなかった。実施例 ５ ２５肌角のガラスクロス（旭ファイバーグラス社Ｓは２
１２）２の女を積層したものを実施例１と同じ合板上に
配置し、壁高５肋、底部壁厚１５風の直角三角形状の断
面形状を有するニトリルゴム製ダムを積層体の周囲に密
接して配置した。

なお、ガラスクロスには予めアップジョン社製ポリィミ
ド樹脂、品番２０８０を重量で５０％合浸付着せしめた
。

ガラスクロスの上に同じ大きさのアルミニウム板（厚さ
５脚）を置き、さらにその上にシリコンゴムシートをか
ぶせた。かくの如くして得られたシート被覆物の内部を
真空に引きながら１５０ｏｏに保たれたオートクレープ
中に入れ、８ｋ９／地の圧力を直に加えた。この状態で
２時間保持した後、室温まで冷却しオートクレープより
取出して得た成形体は光透過性にすぐれ、気泡が存在し
ないことを確めた。また成形体の寸法に変化はなかった
。この成形体は硬化不充分であるため、さらに３４０ｑ
ｏに保たれたプレス機中に鉄板と共にはさみ、１００ｋ
９／地の圧力を５分間加え硬化を完了した。かくの如く
して賦形して得られたパネルには気泡がなく、比較例で
述べた方法により層間敷断強度を測定したところ、７．
３ｋ９／めであつた。比較のために、本実施例における
プレス機中での加熱のみの成形により得られたパネルに
は気泡が多く存在し、寸法は成形前後で７％の差があっ
た。

パネルの層間敷断強度は５．６ｋ９／ゆであった。

【図面の簡単な説明】

第ｌａ図は本発明の成形における気密シート被覆状態図
を例示したものであり、第ｌｂ図は従来法における状態
図を例示したものである。 第２ａ図は本発明における成形方法において圧力を負荷
する時期を示した図であり、第２ｂ図は従来法における
圧力を負荷する時期を示した図である。１・・・・・・
合板、２・・・・・・ダム、３・・・・・・複合材料積
層体、４……プリダークロス、５……コールプレート、
６・・・・・・気密シート、７…・・・真空ライン。 夫／（の図矛′（夕）図 矛２（の図 矛２（＃）図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 強化材と流動性を有する樹脂からなる複合材料積層
   体を台板上に載置し、底部より上部の壁厚が高さ方向に
   減少する断面形状のダムを該積層体の周囲に密接して配
   置し、柔軟な気密シートにより全体を覆つて気密シート
   被覆内部の系を減圧に保ちつつ気密シート外部より外圧
   を加えたのち賦形することを特徴とする複合材料の成形
   方法。