JPS6360743A - 軽量複合材料 - Google Patents
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- JPS6360743A JPS6360743A JP61206454A JP20645486A JPS6360743A JP S6360743 A JPS6360743 A JP S6360743A JP 61206454 A JP61206454 A JP 61206454A JP 20645486 A JP20645486 A JP 20645486A JP S6360743 A JPS6360743 A JP S6360743A
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
産業上の利用分野
この発明は、密度が低く、比強度や比弾性率が大きく、
しかもそれらの特性のむらが少なく、航空機や、自動車
等の車両や、マリンバ、シロホン等の音板楽器用音板や
、ギター等の弦楽器の響胴用甲板や、ピアノ等の響板や
、スピーカー用撮動板や、サーフィンボード、卓球ラケ
ット、卓球台、スキー等のスポーツ用品などの補強材料
や構成材料として好適な複合材料に関する。
しかもそれらの特性のむらが少なく、航空機や、自動車
等の車両や、マリンバ、シロホン等の音板楽器用音板や
、ギター等の弦楽器の響胴用甲板や、ピアノ等の響板や
、スピーカー用撮動板や、サーフィンボード、卓球ラケ
ット、卓球台、スキー等のスポーツ用品などの補強材料
や構成材料として好適な複合材料に関する。
従来の技術
たとえば、楽器の構成材料として使用されている軽量複
合材料としては、従来、特開昭49−127612号公
報、同55−9504号公報、同56−99656号公
報、同56−162644号公報に記載されているよう
なものが知られている。この従来の材料は、樹脂と補強
用繊維とを複合してなるものであるが、マトリクスたる
樹脂が発泡されていて、独立気泡を有するものとなって
いるため、軽量で、また比強度や比弾性率が高いという
特長をもっている。ところが、一方で、比強度や比弾性
率といった特性のばらつきが大きいという問題がある。
合材料としては、従来、特開昭49−127612号公
報、同55−9504号公報、同56−99656号公
報、同56−162644号公報に記載されているよう
なものが知られている。この従来の材料は、樹脂と補強
用繊維とを複合してなるものであるが、マトリクスたる
樹脂が発泡されていて、独立気泡を有するものとなって
いるため、軽量で、また比強度や比弾性率が高いという
特長をもっている。ところが、一方で、比強度や比弾性
率といった特性のばらつきが大きいという問題がある。
すなわち、この従来の材料は均質性に劣る。これは、独
立気泡の分布や大きさのむらが大きいためである。
立気泡の分布や大きさのむらが大きいためである。
独立気泡の分布6大きさのむらが大きく、特性のばらつ
きが大きくなるのは、製造上の理由によるところが大き
い。すなわち、上述した従来の材料は、発泡剤を入れた
樹脂と補強用繊維とを複合し、加熱して発泡と成形とを
同時に行うが、そのとき生ずる気泡は、繊維の軸方向に
はよく移動し、その他の方向には移動しにくいので、大
きな分布ができたり、気泡同士が合体して大きく成長し
たりするのである。
きが大きくなるのは、製造上の理由によるところが大き
い。すなわち、上述した従来の材料は、発泡剤を入れた
樹脂と補強用繊維とを複合し、加熱して発泡と成形とを
同時に行うが、そのとき生ずる気泡は、繊維の軸方向に
はよく移動し、その他の方向には移動しにくいので、大
きな分布ができたり、気泡同士が合体して大きく成長し
たりするのである。
また、従来の材料は、密度を低くしようとして発泡率を
上げると、気泡の合体が著しくなって気泡が連続化し、
連続気泡となって比強度や比弾性率が大きく低下すると
いう問題もある。そのため、この従来の材料の密度の下
限は、せいぜい0.9Cl/Cm3でしかない。
上げると、気泡の合体が著しくなって気泡が連続化し、
連続気泡となって比強度や比弾性率が大きく低下すると
いう問題もある。そのため、この従来の材料の密度の下
限は、せいぜい0.9Cl/Cm3でしかない。
ざらに、上記従来の材料は、製造上、発泡率、したがっ
て気孔率の制御が難しく、特性の揃ったものを得にくい
という問題もある。
て気孔率の制御が難しく、特性の揃ったものを得にくい
という問題もある。
発明が解決しようとする問題点
この発明の目的は、従来の材料の上記欠点を解決し、密
度が低く、また比強度や比弾性率が高いばかりか、それ
らの特性のばらつきが少ない軽量複合材料を提供するに
ある。
度が低く、また比強度や比弾性率が高いばかりか、それ
らの特性のばらつきが少ない軽量複合材料を提供するに
ある。
問題点を解決するための手段
上記目的を達成するためのこの発明は、ランダムな方向
に分散された補強用短繊維をそれらの交点においてバイ
ンダーで結着してなる多孔質繊維層と補強用繊維の繊維
強化樹脂層との層状構成を有する軽量複合材料を特徴と
するもので必る。
に分散された補強用短繊維をそれらの交点においてバイ
ンダーで結着してなる多孔質繊維層と補強用繊維の繊維
強化樹脂層との層状構成を有する軽量複合材料を特徴と
するもので必る。
この発明をさらに詳細に説明するに、この発明の材料は
、二次元平面内においてランダムな方向に、おるいは三
次元的にランダムな方向に分散された補強用短繊維をそ
れらの交点においてバインダーで結着してなる多孔質繊
維層と、補強用繊維の繊維強化樹脂層(FRP層)との
層状構成を有している。
、二次元平面内においてランダムな方向に、おるいは三
次元的にランダムな方向に分散された補強用短繊維をそ
れらの交点においてバインダーで結着してなる多孔質繊
維層と、補強用繊維の繊維強化樹脂層(FRP層)との
層状構成を有している。
層構成は、たとえばFRP層/多孔質繊維層といった2
層構成か、FRP層/多孔質繊維層ZFRP層といった
3層構成か、またはFRP層/多孔質繊維層/FRP層
/多孔質繊維!/FRP層といった、いわゆる交互積層
構成になっている。
層構成か、FRP層/多孔質繊維層ZFRP層といった
3層構成か、またはFRP層/多孔質繊維層/FRP層
/多孔質繊維!/FRP層といった、いわゆる交互積層
構成になっている。
2層構成のものは、構造物に多孔質繊維層が内側になる
ように貼り付けてその構造材を補強するような場合に適
する。また、3層以上の構成のものは汎用性をもつが、
その場合、応力、たとえば曲げ応力が最も大きくなる雨
量外層をFRP層とすることが好ましい。
ように貼り付けてその構造材を補強するような場合に適
する。また、3層以上の構成のものは汎用性をもつが、
その場合、応力、たとえば曲げ応力が最も大きくなる雨
量外層をFRP層とすることが好ましい。
上記多孔質繊維層は、好ましくは完全に解繊され、かつ
二次元平面内においてランダムな方向に、あるいは三次
元的に全くランダムな方向に分散された補強用短繊維同
士を、それらの交点においてバインダーで結着してなる
。短繊維は、炭素繊維、ガラス繊維、シリコンカーバイ
ド繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、アルミナ繊維、ジ
ルコニア繊維、アモルファス金属繊維などの高強度、高
弾性繊維の少なくとも1種からなる。平均繊維長は5Q
mmまででおるが、これにはミルドファイバーも含まれ
る。なかでも、比重が小さく、かつ比較的高強度、高弾
性でおる炭素繊維短繊維が最も好ましい。なお、炭素繊
維は、原料繊維を500〜1200℃程度の比較的低温
で焼成した、いわゆる低温炭化型炭素繊維であってもよ
い。
二次元平面内においてランダムな方向に、あるいは三次
元的に全くランダムな方向に分散された補強用短繊維同
士を、それらの交点においてバインダーで結着してなる
。短繊維は、炭素繊維、ガラス繊維、シリコンカーバイ
ド繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、アルミナ繊維、ジ
ルコニア繊維、アモルファス金属繊維などの高強度、高
弾性繊維の少なくとも1種からなる。平均繊維長は5Q
mmまででおるが、これにはミルドファイバーも含まれ
る。なかでも、比重が小さく、かつ比較的高強度、高弾
性でおる炭素繊維短繊維が最も好ましい。なお、炭素繊
維は、原料繊維を500〜1200℃程度の比較的低温
で焼成した、いわゆる低温炭化型炭素繊維であってもよ
い。
短繊維同士をそれらの交点において結着しているバイン
ダーは、補強用短繊維マット等の製造において通常使用
される、たとえばポリビニルアルコールなどの樹脂でお
ってもよいが、多孔質繊維層の密度を小さくでき、また
材料の振動減衰性を向上させることができるという理由
で、ポリビニルアルコール樹脂、フェノール樹脂、フラ
ン樹脂などを焼成して得られる炭化物であるのが最も好
ましい。
ダーは、補強用短繊維マット等の製造において通常使用
される、たとえばポリビニルアルコールなどの樹脂でお
ってもよいが、多孔質繊維層の密度を小さくでき、また
材料の振動減衰性を向上させることができるという理由
で、ポリビニルアルコール樹脂、フェノール樹脂、フラ
ン樹脂などを焼成して得られる炭化物であるのが最も好
ましい。
多孔質繊維層の厚みは、0.1〜2.5mm程度でおる
。また、多孔質であることの目安となる空隙率は、50
〜90%程度である。
。また、多孔質であることの目安となる空隙率は、50
〜90%程度である。
一方、FRP層は、上述した、多孔質繊維層に使用した
のと同様の高強度、高弾性補強用繊維を一方向に互いに
並行かつシート状に引き揃えたものや、平織、朱子織、
綾織などの織物や、短繊維もしくは長繊維マットと樹脂
とのFRPからなる。
のと同様の高強度、高弾性補強用繊維を一方向に互いに
並行かつシート状に引き揃えたものや、平織、朱子織、
綾織などの織物や、短繊維もしくは長繊維マットと樹脂
とのFRPからなる。
すなわち、補強用繊維は連続繊維であっても短繊維であ
ってもよい。また、製造上はSMC(シート・モールデ
ィング・コンパウンド)を使用することもできる。連続
繊維を使用する場合、その方向は任意でよい。要するに
、繊維の形態や方向は、用途や層構成などに応じて決め
ればよい。たとえば、スピーカー撮動板として使用する
場合には、FRP層/多孔質繊維層/FRP層の3層構
成とし、かつFRP層に平織物を使用するとともに両F
RP層で繊維の方向が45°ずれるようにする。
ってもよい。また、製造上はSMC(シート・モールデ
ィング・コンパウンド)を使用することもできる。連続
繊維を使用する場合、その方向は任意でよい。要するに
、繊維の形態や方向は、用途や層構成などに応じて決め
ればよい。たとえば、スピーカー撮動板として使用する
場合には、FRP層/多孔質繊維層/FRP層の3層構
成とし、かつFRP層に平織物を使用するとともに両F
RP層で繊維の方向が45°ずれるようにする。
なお、繊維がFRP層中に占める割合は、30〜70体
積%程度でおる。
積%程度でおる。
FRP層においてマトリクスとして使用する樹脂は、エ
ポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂
、ポリイミド樹脂などの熱硬化性樹脂や、ポリアミド樹
脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリスチ
レン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、アクリルニトリル・ブ
タジェン・スチレン樹脂などの熱可塑性樹脂である。後
述する製造時における、多孔質繊維層への樹脂の著しい
浸入を防止するため、溶融粘度の高いものが好ましい。
ポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂
、ポリイミド樹脂などの熱硬化性樹脂や、ポリアミド樹
脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリスチ
レン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、アクリルニトリル・ブ
タジェン・スチレン樹脂などの熱可塑性樹脂である。後
述する製造時における、多孔質繊維層への樹脂の著しい
浸入を防止するため、溶融粘度の高いものが好ましい。
もっとも、これらの樹脂には、用途などに応じて、いわ
ゆる改質剤が混入されていてもよい。
ゆる改質剤が混入されていてもよい。
たとえば、エポキシ樹脂に10〜20重量%のポリエチ
レングリコールやポリプロピレングリコール、ポリサル
ファイド、ポリエーテルサルフオン、ポリプロピレンサ
ルファイド、CTBN (末端カルボキシル基ブタジェ
ンニトリルゴム)などを混入せしめると、FRP層、ひ
いては材料の振動減衰性が向上するようになり、スピー
カー用振動板などに適した材料が得られる。また、耐衝
撃性も向上し、航空機や自動車などの補強材料や構造材
料として適した材料が得られるようになる。
レングリコールやポリプロピレングリコール、ポリサル
ファイド、ポリエーテルサルフオン、ポリプロピレンサ
ルファイド、CTBN (末端カルボキシル基ブタジェ
ンニトリルゴム)などを混入せしめると、FRP層、ひ
いては材料の振動減衰性が向上するようになり、スピー
カー用振動板などに適した材料が得られる。また、耐衝
撃性も向上し、航空機や自動車などの補強材料や構造材
料として適した材料が得られるようになる。
FRP層の厚みは、用途や層構成などによっても異なる
ものの、通常、0.01〜1mm程度である。楽器用途
など、強度もさることながら、軽量であることが特に要
求される用途では、o、01〜0.05mm程度とする
のが好ましい。
ものの、通常、0.01〜1mm程度である。楽器用途
など、強度もさることながら、軽量であることが特に要
求される用途では、o、01〜0.05mm程度とする
のが好ましい。
この発明の材料は、いろいろな方法によって製造するこ
とができる。
とができる。
たとえば、まず、補強用繊維のプリプレグシートを用意
する。一方、補強用短繊維を解繊、堆積させ、それに、
必要に応じて溶媒で希釈した、たとえばフェノール樹脂
を噴霧した後、800〜2500℃で焼成してフェノー
ル樹脂を炭化し、短繊維同士がそれらの交点において炭
化物で結着された多孔質繊維シートを得る。このとき、
大量のフェノール樹脂を噴霧すると短繊維間の目が埋ま
つてしまい、空隙率が低下して材料の密度が大きくなっ
たり、また少なすぎると結着されない短繊維が存在する
ようになって材料の強度や弾性率が低下するようになる
ので、そうならないようフェノール樹脂の噴霧量を制御
する。次に、上記プリプレグシートと多孔質繊維シート
とを所望の層構成になるように積層し、加熱、加圧し、
プリプレグシートの樹脂を硬化させるとともに、両シー
トの一体化を行う。プリプレグシートがFRP層を、多
孔質繊維シートが多孔質繊維層をそれぞれ形成するので
おるが、両者の一体化をより完全に行うため、各層間に
プリプレグシートに使用しているのと同じ樹脂を塗布し
ておいてもよい。なお、加圧を大きな力で行うとプリプ
レグシートの樹脂が多孔質繊維シート中にめり込んでし
まうので、そのようなことが起こらないよう、加熱温度
との関係において加圧力を制御する必要がある。
する。一方、補強用短繊維を解繊、堆積させ、それに、
必要に応じて溶媒で希釈した、たとえばフェノール樹脂
を噴霧した後、800〜2500℃で焼成してフェノー
ル樹脂を炭化し、短繊維同士がそれらの交点において炭
化物で結着された多孔質繊維シートを得る。このとき、
大量のフェノール樹脂を噴霧すると短繊維間の目が埋ま
つてしまい、空隙率が低下して材料の密度が大きくなっ
たり、また少なすぎると結着されない短繊維が存在する
ようになって材料の強度や弾性率が低下するようになる
ので、そうならないようフェノール樹脂の噴霧量を制御
する。次に、上記プリプレグシートと多孔質繊維シート
とを所望の層構成になるように積層し、加熱、加圧し、
プリプレグシートの樹脂を硬化させるとともに、両シー
トの一体化を行う。プリプレグシートがFRP層を、多
孔質繊維シートが多孔質繊維層をそれぞれ形成するので
おるが、両者の一体化をより完全に行うため、各層間に
プリプレグシートに使用しているのと同じ樹脂を塗布し
ておいてもよい。なお、加圧を大きな力で行うとプリプ
レグシートの樹脂が多孔質繊維シート中にめり込んでし
まうので、そのようなことが起こらないよう、加熱温度
との関係において加圧力を制御する必要がある。
別の方法として、プリプレグシートをあらかじめFRP
化しておき、それと多孔質繊維シートとを接着すること
も可能で必る。
化しておき、それと多孔質繊維シートとを接着すること
も可能で必る。
以下、実施例に基いてこの発明をざらに詳細に説明する
。
。
実施例
東し株式会社製の炭素繊維“トレカ”Ta2O(平均単
糸径ニアμm、単糸数:3000本)を一方向に互いに
並行かつシート状に引き揃え、これにBステージのエポ
キシ樹脂を含浸した1多押圧ロ一ル間に通して十分に拡
幅してなる、厚みが0゜02mmの一方向性ブリプレグ
シートを得た。
糸径ニアμm、単糸数:3000本)を一方向に互いに
並行かつシート状に引き揃え、これにBステージのエポ
キシ樹脂を含浸した1多押圧ロ一ル間に通して十分に拡
幅してなる、厚みが0゜02mmの一方向性ブリプレグ
シートを得た。
一方、上記炭素繊維を12mm長の短繊維に切断しつつ
過量気流中に落下させて解繊しながら、かつ厚みが0.
5mm、目付が50g/m2になるようにネット上に堆
積させた後、フェノール樹脂の20重量%メタノール溶
液をフェノール樹脂の含有量が約55重量%になるよう
に噴霧し、さらに1500℃で30分加熱してフェノー
ル樹脂を炭化し、短繊維同士がそれらの交点においてフ
ェノール樹脂の炭化物で結着された多孔質繊維シートを
得た。この多孔質繊維シートは、炭化物の含有量が30
重句%であり、また空隙率は70?6であった。
過量気流中に落下させて解繊しながら、かつ厚みが0.
5mm、目付が50g/m2になるようにネット上に堆
積させた後、フェノール樹脂の20重量%メタノール溶
液をフェノール樹脂の含有量が約55重量%になるよう
に噴霧し、さらに1500℃で30分加熱してフェノー
ル樹脂を炭化し、短繊維同士がそれらの交点においてフ
ェノール樹脂の炭化物で結着された多孔質繊維シートを
得た。この多孔質繊維シートは、炭化物の含有量が30
重句%であり、また空隙率は70?6であった。
次に、上記プリプレグシートと多孔質繊維シートとを、
交互に、かつ両辺外層がプリプレグシートになるように
、プリプレグシートを6枚、多孔性繊維シートを5枚積
層した。このとき、プリプレグシートはその繊維軸方向
を揃えるとともに、各積層間に30 g/m2の割合で
エポキシ樹脂を介在させた。
交互に、かつ両辺外層がプリプレグシートになるように
、プリプレグシートを6枚、多孔性繊維シートを5枚積
層した。このとき、プリプレグシートはその繊維軸方向
を揃えるとともに、各積層間に30 g/m2の割合で
エポキシ樹脂を介在させた。
次に、上記積層体を金型に入れ、130℃の温度下に2
KC7/cm2の圧力で60分間加熱、加圧し、プリプ
レグシートのFRP化と各シートの一体化とを行った。
KC7/cm2の圧力で60分間加熱、加圧し、プリプ
レグシートのFRP化と各シートの一体化とを行った。
かくして、この発明の材料を得た。
上記材料は、多孔質繊維層の厚みが1.6mmで、FR
PIIの厚みが0.1mmであり、全体厚みは1.gm
mであった。また、密度は0.6g/Cm3であった。
PIIの厚みが0.1mmであり、全体厚みは1.gm
mであった。また、密度は0.6g/Cm3であった。
また、FRP層の繊維軸方向における引張強度は20K
g/mm2であり、引張弾性率は2000Kg/mm2
であった。また、均質性をみるため、10か所から試料
片を切り出し、密度を測定したところ、密度のばらつき
は10%以下であった。発泡樹脂を使用した、上述した
従来の材料のそれが50%近いことを考えると、ばらつ
きが極めて小さいといえる。
g/mm2であり、引張弾性率は2000Kg/mm2
であった。また、均質性をみるため、10か所から試料
片を切り出し、密度を測定したところ、密度のばらつき
は10%以下であった。発泡樹脂を使用した、上述した
従来の材料のそれが50%近いことを考えると、ばらつ
きが極めて小さいといえる。
また、上記材料をフォークギターの四周の表甲板として
使用したところ、速達性のある大きな音量が得られ、音
の立ち上がりがよく、また低音域で重量感がおり、高音
域で伸びのある音色が得られた。
使用したところ、速達性のある大きな音量が得られ、音
の立ち上がりがよく、また低音域で重量感がおり、高音
域で伸びのある音色が得られた。
及服五四】
この発明の材料は、ランダムな方向に分散された補強用
短繊維をそれらの交点においてバインダーで結着してな
る多孔質繊維層と補強用繊維の繊維強化樹脂層との層状
構成を有するものであるからして、実施例にも示したよ
うに、密度が小さく、比強度や比弾性率が大きい。また
、上述した従来の材料のように、樹脂を発泡させるもの
ではなく、したがって製造時における気泡の移動や合体
による気孔分布の不均一や大きざの不揃いなどを生ずる
ことがなく、−六条孔質繊維層やFRP層は比較的均質
なものを得ることができるから、上述した特性のばらつ
きを少なくでき、均質性が向上する。さらに、発泡率の
制御など、やっかいな操作を必要としないので製造も簡
単である。
短繊維をそれらの交点においてバインダーで結着してな
る多孔質繊維層と補強用繊維の繊維強化樹脂層との層状
構成を有するものであるからして、実施例にも示したよ
うに、密度が小さく、比強度や比弾性率が大きい。また
、上述した従来の材料のように、樹脂を発泡させるもの
ではなく、したがって製造時における気泡の移動や合体
による気孔分布の不均一や大きざの不揃いなどを生ずる
ことがなく、−六条孔質繊維層やFRP層は比較的均質
なものを得ることができるから、上述した特性のばらつ
きを少なくでき、均質性が向上する。さらに、発泡率の
制御など、やっかいな操作を必要としないので製造も簡
単である。
Claims (1)
- ランダムな方向に分散された補強用短繊維をそれらの
交点においてバインダーで結着してなる多孔質繊維層と
補強用繊維の繊維強化樹脂層との層状構成を有すること
を特徴とする軽量複合材料。
Priority Applications (6)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP61206454A JPS6360743A (ja) | 1986-09-02 | 1986-09-02 | 軽量複合材料 |
DE8787307650T DE3768589D1 (de) | 1986-09-02 | 1987-08-28 | Zusammengestelltes leichtgewichtmaterial. |
ES87307650T ES2022365B3 (es) | 1986-09-02 | 1987-08-28 | Material compuesto ligero de peso. |
EP87307650A EP0259121B1 (en) | 1986-09-02 | 1987-08-28 | Light-weight composite material |
KR1019870009672A KR950010575B1 (ko) | 1986-09-02 | 1987-09-01 | 경량복합재료 |
US07/092,398 US4770929A (en) | 1986-09-02 | 1987-09-02 | Light-weight composite material |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP61206454A JPS6360743A (ja) | 1986-09-02 | 1986-09-02 | 軽量複合材料 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS6360743A true JPS6360743A (ja) | 1988-03-16 |
JPH0380621B2 JPH0380621B2 (ja) | 1991-12-25 |
Family
ID=16523642
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP61206454A Granted JPS6360743A (ja) | 1986-09-02 | 1986-09-02 | 軽量複合材料 |
Country Status (6)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US4770929A (ja) |
EP (1) | EP0259121B1 (ja) |
JP (1) | JPS6360743A (ja) |
KR (1) | KR950010575B1 (ja) |
DE (1) | DE3768589D1 (ja) |
ES (1) | ES2022365B3 (ja) |
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