JPWO2012105716A1

JPWO2012105716A1 - 車両骨格部材

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Publication number: JPWO2012105716A1
Application number: JP2012556005A
Authority: JP
Inventors: 正山路; 穣八木; 雅智手島; 鈴木　康司; 康司鈴木; 金子　徹; 徹金子
Original assignee: Teijin Ltd
Current assignee: Teijin Ltd
Priority date: 2011-02-03
Filing date: 2012-02-01
Publication date: 2014-07-03
Also published as: EP2671779B1; CN103339023A; US20130313862A1; EP2671779A4; JP2016005955A; WO2012105716A1; US8991900B2; EP2671779A1; KR20140043318A; CN103339023B

Abstract

熱可塑性樹脂と炭素繊維との複合材料からなる車両骨格部材であって、複合材料における炭素繊維の形態が連続繊維を一方向に引き揃えたものである一方向材炭素繊維複合材料（Ａ）および／または複合材料における炭素繊維の形態が不連続繊維を二次元ランダムに配置したものであるランダム材炭素繊維複合材料（Ｂ）である車両骨格部材。

Description

本発明は、熱可塑性樹脂と炭素繊維との複合材料からなる車両骨格部材に関する。

現在、自動車には、衝突安全基準を満たしつつ、環境負荷を下げるために、車体重量を軽減することが求められている。そのような安全性と軽量化との両立のため、自動車の車両骨格について、板金加工された鋼鉄製の構造材料の適当な箇所に、補強部品をスポット溶接することで車体剛性を高めるという手法が汎用されている。
更に大幅な軽量化を達成するため、鋼鉄の代わりに、より軽量な材料である炭素繊維複合材料を車両骨格部材の材料に適用する試みがなされている。しかし、車両骨格部材は複雑な形状をしていたり、極めて大型であったりするため、これを炭素繊維複合材料で製造するためには、高価な炭素繊維織物を用いる必要があった。更に、マトリックス成分が熱可塑性樹脂である炭素繊維複合材料の成形技術は、充分に確立されていなかったので、熱硬化性樹脂をマトリックス成分とする炭素繊維複合材料を用いて、生産性の低いハンドレイアップやオートクレーブ法を使って成形することも必要であった。その結果、炭素繊維複合材料製の車両骨格部材は、生産性や経済性の面で非常に不利であり、その普及は極めて限定的なものとならざるを得なかった。
最近では、ＲＴＭ法（ＲｅｓｉｎＴｒａｎｓｆｅｒＭｏｌｄｉｎｇ法）などを用いることで生産性を改善する試みもなされているが（例えば、特許文献１参照）、マトリックスとして用いる熱硬化性樹脂の硬化反応時間の長さが生産性における重大な支障となっており、汎用車両に適用可能な技術として完成していない。
樹脂と強化繊維との複合材料の生産性を向上するための手段として、マトリックス成分として熱可塑樹脂を用いた熱可塑性複合材料が開発されている。そのような熱可塑性複合材料は加熱して可塑化させた後に、スタンピング成形により短タクトで形状を付与することが可能であり、スタンピング時に必要なプレス圧力がスチールのスタンピング成形よりも低いため、車両用フロア程度の大きさであれば、一体成形することが可能である。また、引抜成形法によって、連続繊維の形状の強化繊維を一方向に引き揃えた熱可塑性複合材料を高い生産性で製造することが可能である。
しかし、前述のとおり、車両骨格部材は複雑な形状であったり、極めて大型であったりして成形が難しい上に、安全性や強度への要求水準が極めて高く、熱可塑性樹脂と強化繊維との複合材料からなる車両骨格部材として、実用性があるものは得られていなかった。
特開２００８−６８７２０号公報

本発明は、熱可塑性樹脂と炭素繊維との複合材料からなる車両骨格部材であって、これを用いて車両骨格を構成することにより、車両構造が十分な強度を有するものとなり、かつ、車体の大幅な軽量化が達成される車両骨格部材を提供することを目的とする。

本発明者らは、熱可塑性樹脂と炭素繊維との複合材料からなる車両骨格部材を提供するに際し、連続繊維である炭素繊維が、熱可塑性樹脂中に一方向に配置されている形態となっている複合材料、不連続繊維である炭素繊維が、熱可塑性樹脂中で二次元ランダムに配向している形態となっている複合材料、または、これらを積層するなどしてさらには組み合わせた複合材料を用いることで標記課題を解決できることを見出した。すなわち、本発明は、熱可塑性樹脂と炭素繊維との複合材料からなる車両骨格部材であって、複合材料における炭素繊維の形態が連続繊維を一方向に引き揃えたものである一方向材炭素繊維複合材料（Ａ）、および／または複合材料における炭素繊維の形態が不連続繊維を二次元ランダムに配置したものであるランダム材炭素繊維複合材料（Ｂ）である車両骨格部材である。さらに好ましくは複合材料として積層体、なかでもサンドイッチ材を部分的に用いた車両骨格部材である。

本発明の熱可塑性樹脂と炭素繊維との複合材料からなる車両骨格部材にて、車両骨格を構成することにより、車両構造が十分な強度を有するものとなり、かつ、車体の大幅な軽量化が達成される。
また、本発明により、炭素繊維の形態が異なる複合材料を適切に選択し、さらに好ましくは組み合わせて用いて、積層したり、更には、サンドイッチ材としたりすることで、更に強度と軽量性に優れ、複雑形状にも適応した車両骨格部材を提供することができる。

図１は、車両骨格部材の模式図である。
図２は、アンダーフロア構造部品の模式図である。
図３は、アッパーフロア構造部品の模式図である。
図４は、サイドシル構造部品の模式図である。
図５は、車体上部構造部品の模式図である。
図６は、サンドイッチ材の積層例（断面模式図）である。
図７は、積層の具体例（断面模式図）である。
図８は、積層の具体例（断面模式図）である。

１車両骨格部材
２アンダーフロア構造部品
（２ａ、２ｂ、２ｃ部品）
３アッパーフロア構造部品
（３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ部品）
４サイドシル構造部品
（４ＲＨ右部品４ＬＨ左部品４ＲＨａ、４ＲＨｂ、４ＲＨｃ、４ＬＨａ、４ＬＨｂ、４ＬＨｃ部品）
５車体上部構造部品（ピラー・ルーフ）
（５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ部品）
（ａ）サンドイッチ材ＡＢを用いる部位
（ｂ）サンドイッチ材ＢＣを用いる部位

以下に、本発明の実施の形態について順次説明する。
＜＜本発明の車両骨格部材＞＞
本発明の車両骨格部材とは、熱可塑性樹脂と炭素繊維との複合材料からなる車両骨格部材であって、複合材料における炭素繊維の形態が連続繊維を一方向に引き揃えたものである一方向材炭素繊維複合材料（Ａ）および／または複合材料における炭素繊維の形態が不連続繊維を二次元ランダムに配置したものであるランダム材炭素繊維複合材料（Ｂ）である車両骨格部材である。
ここで、車両骨格部材とは、自動車の車体を構成する部材であり、好ましい具体例としてはフロア構造部品、サイドシル構造部品、ダッシュボード構造部品、ピラーやルーフ、及びルーフレール等を含む車体上部構造部品、並びにそれらの複合体、例えば、車両上部の形状となったもの（上部車体）や、車両下部の形状となったもの（下部車体）、そして上記の構造部品を組み立てて車両骨格の形状としたもの等からなる群より選ばれる１種以上のものがあげられる。フロア構造部品として、アンダーフロア構造部品、およびアッパーフロア構造部品などからなる群より選ばれる１種以上のフロア構造用のダブルデッキ形式部品が好ましいものとして挙げられる。
車両骨格部材は、熱可塑性樹脂と炭素繊維との複合材料から構成される部材を１つ以上含み、さらにはこれら複数の複合材料からなる部材を締結した部位を有しているものであると好ましい。該部材を締結する方法としては、方法としては接着剤を用いる方法、ボルト・ナットなどによる機械的に締結する方法、複合材料のマトリックス成分である熱可塑性樹脂を加熱溶解させて接着させるなどの公知の方法を用いることができる。なかでも、マトリックス成分である熱可塑性樹脂を、振動溶着により加熱溶解させて接着させ締結させる方法が好ましい。
本発明の車両骨格部材には、熱可塑性樹脂と強化繊維との複合材料から構成される部材以外に、本発明の目的を損なわない範囲で金属やセラミクスといった複合材料以外の材質で構成される部材、ガラス繊維複合材料、マトリックス成分が熱硬化性樹脂である複合材料などを有していても良い。ただし、車体の軽量化といった観点からは、車両骨格部材における複合材料から構成される部材の比率が高いことが好ましい。具体的には車両骨格部材における複合材料から構成される部材の重量比率は５０％以上であると好ましく、より好ましくは８０％以上１００％以下である。
［炭素繊維複合材料］
本発明の車両骨格部材を構成する複合材料は熱可塑性樹脂と炭素繊維との複合材料からなる。複合材料における炭素繊維／熱可塑性樹脂の重量比は、２０／８０〜８０／２０であることが好ましい。より好ましくは３０／７０〜７０／３０である。後記の一方向材炭素繊維複合材料（Ａ）、ランダム材炭素繊維複合材料（Ｂ）のいずれにおいても、含まれる炭素繊維としては、平均繊維直径３〜１２μｍのものが好ましい。
複合材料における炭素繊維の形態は連続繊維を一方向に引き揃えたもの（Ａ）、および／または不連続繊維を二次元ランダムに配置したもの（Ｂ）となるが、これらについては下記に詳述する。
本発明の車両骨格部材を構成する複合材料のマトリックス成分である熱可塑性樹脂は、具体的には、ポリカーボネート樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、ポリ乳酸、ポリアミド樹脂（脂肪族ポリアミド樹脂については、ナイロン樹脂とも言う）、ＡＳＡ樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリエーテルケトン樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリフェニレンオキサイド樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリアミドイミド樹脂およびこれらの樹脂から選ばれる２種類以上の樹脂組成物が挙げられるが特に制限はない。樹脂組成物としては、ポリカーボネート樹脂とポリエステル樹脂の組成物、ポリカーボネート樹脂とＡＢＳ樹脂との組成物、ポリフェニレンエーテル樹脂とポリアミド樹脂の組成物、ポリアミド樹脂とＡＢＳ樹脂の組成物、およびポリエステル樹脂とポリアミド樹脂の組成物等からなる群から選択された少なくとも１種が好ましい。
車両骨格部材がフロア構造の部品、またはサイドシル構造の部品である場合、複合材料における熱可塑性樹脂は脂肪族ポリアミド樹脂であることが好ましく、具体的にはナイロン６、ナイロン６６などが挙げられる。
車両骨格部材がピラー・ルーフといった車体上部構造の部品である場合、複合材料における熱可塑性樹脂としてポリオレフィンを使用することもできる。ポリオレフィンとしては、ポリエチレン、ポリプロピレン、およびポリスチレンからなる群より選ばれる１種以上のものが好ましく挙げられる。
［一方向材炭素繊維複合材料（Ａ）］
複合材料中の炭素繊維の形態が連続繊維を一方向に引き揃えたものである一方向材炭素繊維複合材料（Ａ）（以下、“一方向材Ａ”のように略記することがある）について述べる。一方向材炭素繊維複合材料（Ａ）は単体で、好ましくは後述するとおり他の複合材料を積層して、より好ましくはサンドチッチ材として、用いられる。
ここで炭素繊維は連続繊維であるが、本発明において、連続繊維とは、繊維長１００ｍｍ超のものを指す。該連続繊維の繊維長の上限は特に無いが、殆どの本発明の車両骨格部材において１５０００ｍｍ以下で充分であり、５０００ｍｍ以下で充分な場合も多く、２０００ｍｍ以下の長さで充分な場合も少なくない。連続繊維の場合は、織編物、ストランドの一方向配列シート状物及び多軸織物等のシート状、または不織布状の形態が好ましい。なお、多軸織物とは、一般に、一方向に引き揃えた繊維強化材の束をシート状にして角度を変えて積層したもの（多軸織物基材）を、ナイロン糸、ポリエステル糸、ガラス繊維糸等のステッチ糸で、この積層体を厚さ方向に貫通して、積層体の表面と裏面の間を表面方向に沿って往復しステッチした織物をいう。
一方向材炭素繊維複合材料（Ａ）は適用する部位に発生する応力状態に応じて繊維配向を任意に選択することが可能である。具体的には主応力が作用する主方向に繊維配向を一致させることが好ましい。また、適用する部位に発生する応力状態に応じて、異なる繊維配向を有する一方向材炭素繊維複合材料（Ａ）を積層して使用することも可能である。この場合、各層の一方向材炭素繊維複合材料（Ａ）が織り成す角度は３０〜１５０度が好ましく、６０〜１２０度がさらに好ましく、８０〜１００度であることが一層好ましい。適用部位としては、フロア構造部品、サイドシル構造部品、および車体上部構造部品などからなる群より選ばれる１種以上のものに好ましく使用可能である。
［ランダム材炭素繊維複合材料（Ｂ）］
複合材料における炭素繊維の形態が不連続繊維を二次元ランダムに配置したものであるランダム材炭素繊維複合材料（Ｂ）（以下、“ランダム材Ｂ”のように略記することがある）について述べる。ランダム材炭素繊維複合材料（Ｂ）は単体で、もしくは後述するとおり他の複合材料を積層して、より好ましくはサンドチッチ材として、用いられる。ランダム材炭素繊維複合材料（Ｂ）単体は、機械物性が等方性であることが求められる部位に好ましく用いられる。
ここでいう二次元ランダム（配向）とは、炭素繊維束をカットし、開繊し、散布して得られる堆積物などに見られる、不連続な炭素繊維が２次元状に絡み合って疑似平面を形成しつつ堆積し、各々の炭素繊維が当該疑似平面内に配向した状態を意味する。炭素繊維が二次元ランダムに配置したものであるランダム材炭素繊維複合材料の板状試料について、その平面内において互いに直行する二方向の引張弾性率を測定し、得られた引張弾性率の値のうち大きいものを小さいもので割って求めた比が２以下となる。
ランダム材炭素繊維複合材料を構成する不連続繊維は、具体的には繊維長が０．１〜１０ｍｍ未満の短繊維もしくは、繊維長が１０ｍｍ〜１００ｍｍの長繊維である。不連続繊維の場合は、チョップドストランド等を用いて、抄紙されたペーパーや、二次元ランダムマットの形態が好ましい。なかでも炭素繊維が繊維長１０〜１００ｍｍの不連続の炭素繊維から構成され、炭素繊維が２５〜３０００ｇ／ｍ^２の目付けにて実質的に２次元ランダムに配向していることを特徴とするランダムマットの形態であることが好ましい。さらに熱可塑性樹脂マトリクス中の炭素繊維の開繊程度をコントロールし、特定本数以上の炭素繊維束で存在するものと、それ以外の開繊された炭素繊維を特定の割合で含むランダムマットであることが好ましい。
当該ランダムマットは
１．炭素繊維束をカットする工程（カット工程）、
２．カットされた炭素繊維を管内に導入し、空気を繊維に吹き付ける事により、繊維束を開繊させる工程（開繊工程）、
３．開繊させた炭素繊維を拡散させると同時に、粒子状や繊維状等の熱可塑性樹脂とともに吸引しつつ、炭素繊維と熱可塑性樹脂を同時に散布する散布工程、
４．散布された炭素繊維および熱可塑性樹脂を定着させる工程（定着工程）、により好ましく得ることができ、これを熱成形することでランダム材炭素繊維複合材料を得ることができる。なお、上記の散布工程で、吸引を充分に行えば、炭素繊維および熱可塑性樹脂を定着させられるので、その場合は定着工程を省略することができる。
［積層体］
本発明の車両骨格部材における複合材料は、複合材料における炭素繊維の形態が連続繊維を一方向に引き揃えた一方向材炭素繊維複合材料（Ａ）および／または複合材料における炭素繊維の形態が不連続繊維を二次元ランダムに配置したランダム材炭素繊維複合材料（Ｂ）であるが、これらを基層とした積層体の形態で好ましく用いられる。すなわち本発明は一方向材炭素繊維複合材料（Ａ）の積層体、および／またはランダム材炭素繊維複合材料（Ｂ）の積層体からなる車両骨格部材を包含する。
一方向材炭素繊維複合材料（Ａ）の積層体の具体例としては、一方向材炭素繊維複合材料（Ａ）を複数積層したもの、ならびに一方向材炭素繊維複合材料（Ａ）を、ランダム材炭素繊維複合材料（Ｂ）、有機繊維と熱可塑性樹脂との複合材料（Ｃ）（以下、“有機繊維熱可塑性樹脂複合材料Ｃ”のように略記することがある）、ガラス繊維と熱可塑性樹脂との複合材料、ニートの熱可塑性樹脂層からなる群から選択される少なくとも一層と積層した積層体が挙げられる。
なかでも一方向材炭素繊維複合材料（Ａ）をスキン層としコア材がランダム材炭素繊維複合材料（Ｂ）としたサンドイッチ材（以下サンドイッチＡＢということがある）、一方向材炭素繊維複合材料（Ａ）をスキン層としコア材を有機繊維と熱可塑性樹脂との複合材料（Ｃ）としたサンドイッチ材（以下サンドイッチＡＣということがある）が好ましく挙げられる。
ランダム材炭素繊維複合材料（Ｂ）の積層体の具体例としては、ランダム材炭素繊維複合材料（Ｂ）を複数積層したもの、ならびにランダム材炭素繊維複合材料（Ｂ）を、一方向材炭素繊維複合材料（Ａ）、有機繊維と熱可塑性樹脂との複合材料（Ｃ）、ガラス繊維と熱可塑性樹脂との複合材料、ニートの熱可塑性樹脂層からなる群から選択される少なくとも一層と積層した積層体が挙げられる。
なかでもランダム材炭素繊維複合材料（Ｂ）をコア材とし、一方向材炭素繊維複合材料（Ａ）をスキン層としたサンドイッチ材（上記のサンドイッチＡＢ）、ランダム材炭素繊維複合材料（Ｂ）をスキン層とし、コア材を有機繊維と熱可塑性樹脂との複合材料（Ｃ）としたサンドイッチ材（以下サンドイッチＢＣということがある）が好ましく挙げられる。
これらの積層体は複数積層することもでき、サンドイッチ材の積層例を図６に示す。図中のかっこ内の角度は一方向材の繊維方向である。一方向材炭素繊維複合材料（Ａ）は、複数枚積層することも好ましく、その場合は、面対称となるように積層することが好ましい。図７、図８に重ね合わせる場合の具体例を示す。
車両骨格部材が、一方向材炭素繊維複合材料（Ａ）と、ランダム材炭素繊維複合材料（Ｂ）との積層体、なかでも一方向材炭素繊維複合材料（Ａ）をスキン層とし、ランダム材炭素繊維複合材料（Ｂ）をコア材とするサンドイッチ材の適用箇所として特に好ましいのは、車両骨格部材の中で車体前後方向および／または車体左右方向に配置された特に強度を必要とする部品である。具体的にはアンダーフロア構造部品、アッパーフロア構造部品、サイドシル構造部品、および車体上部構造部品などからなる群より選ばれる１種以上のものに配置される補強構造部であるが、特に限定無く使用することが可能である。
車両骨格部材が、一方向材炭素繊維複合材料（Ａ）と、有機繊維と熱可塑性樹脂との複合材料（Ｃ）との積層体、なかでも一方向材炭素繊維複合材料（Ａ）をスキン層とし、有機繊維と熱可塑性樹脂との複合材料（Ｃ）をコア材とするサンドイッチ材の適用箇所として特に好ましいのは車両骨格部材の中で補強構造と衝撃吸収構造とを併せ持った性能が必要とされる部品である。具体的にはアンダーフロア構造部品の外板部、アッパーフロア構造部品の室内側補強構造部品、サイドシル構造部品、および車体上部構造部品のルーフレールなどからなる群より選ばれる１種以上のものであるが、特に限定無く使用することができる。
車両骨格部材が、ランダム材炭素繊維複合材料（Ｂ）と、有機繊維と熱可塑性樹脂との複合材料（Ｃ）との積層体、なかでもランダム材炭素繊維複合材料（Ｂ）をスキン層とし有機繊維と熱可塑性樹脂との複合材料（Ｃ）をコア材とするサンドイッチ材の適用箇所として特に好ましいのは複雑形状で衝撃吸収構造が必要とされる部分である。具体的にはアッパーフロア構造部品のバルクヘット部、フロア部、サイドシル構造部品の外板部、および車体上部構造部品のピラーの外板部などからなる群より選ばれる１種以上のものであるが、特に限定無く使用することができる。
［有機繊維と熱可塑性樹脂との複合材料（Ｃ）］
上記のとおりサンドイッチ材のコア材として用いられる有機繊維と熱可塑性樹脂との複合材料（Ｃ）について述べる。
有機繊維としては、パラ系、メタ系のアラミド繊維、ポリエチレンテレフタレート、およびポリエチレンナフタレートなどからなる群より選ばれる１種以上のものが挙げられる。マトリクスの熱可塑性樹脂は上記の炭素繊維複合材料と同様のものが用いられる。複合材料中の有機繊維の形態は連続繊維の織物、編物、不織布、一方向材、あるいは不連続繊維のランダム材などが挙げられる。
有機繊維と熱可塑性樹脂との複合材料（Ｃ）をコア材とするサンドイッチ材は、衝撃時にパーツが搭乗者側に突出してくるのを防ぐことや、衝撃を吸収することが可能であるので、フロア構造部品、サイドシル構造部品、ピラー・ルーフといった車体上部構造部品のなかで居住空間に近い場所や、車体構造部品の外板部などに配置することが好ましい。また電池ボックスの蓋などに配置することが好ましい。
［その他の任意成分］
本発明の車両骨格部材を構成する複合材料は、上述した炭素繊維や有機繊維のほか、ガラス繊維、ボロン繊維、またはアルミナ繊維などの非炭素系の無機繊維や、繊維状ではないフィラー類や、酸化防止剤などの各種添加剤なども、本発明の目的に支障を与えるものでない限り含んでいてもよい。
［本発明の車両骨格構造の実施形態］
本発明の車両骨格構造の実施形態の具体例について図１〜図８を用いて説明する。図中の部品は熱可塑性樹脂と炭素繊維との複合材料から構成されているが、上述したとおり熱可塑性樹脂と炭素繊維との複合材料以外の材質からなる部材を含んでいても良い。なお、以下の図１〜８に関して、特に記載が無い限り、使用された炭素繊維の平均繊維直径は７μｍである。
図１は車両骨格部材がダブルデッキ形式である場合の構造部品の模式図であり、締結して組み立てようとする車両骨格部材１は、アンダーフロア構造部品２と、アッパーフロア構造部品３と、左右から成るサイドシル構造部品４ＲＨ・４ＬＨと、ピラー・ルーフといった車体上部構造部品５から製作する。
図２は締結して組み立てようとする車両骨格部材がアンダーフロア構造部品である場合の模式図である。アンダーフロア構造部品２を得るにはまず部品２ｂと部品２ｃとを締結し、そこで得た部品を２ａの下面に締結することによって製作することができる。図中の−（ａ）で示した部位は、一方向材炭素繊維複合材料（Ａ）をスキン層（厚みが０．３ｍｍ、炭素繊維の重量含有量が５０重量％、ナイロン６樹脂を使用）とし、ランダム材炭素繊維複合材料（Ｂ）をコア材（厚みが１．０ｍｍ、炭素繊維長が２０ｍｍ、炭素繊維の重量含有量が４０重量％、ナイロン６樹脂を使用）とするサンドイッチ材（厚みが１．６ｍｍ）を用いている。これ以外の部位は、ナイロン６樹脂を使用した、炭素繊維長が２０ｍｍ、繊維の重量含有量が４５重量％、厚みが１．６ｍｍのランダム材炭素繊維複合材料（Ｂ）単体を用いている。
図３は締結して組み立てようとする車両骨格部材がアッパーフロア構造部品である場合の模式図である。アッパーフロア構造部品３を得るには部品３ａと部品３ｂと部品３ｃと部品３ｄと部品３ｅと部品３ｆと部品３ｇとを締結し製作することができる。図中の−（ａ）で示した部位は、一方向材炭素繊維複合材料（Ａ）をスキン層（厚みが０．３ｍｍ、炭素繊維の重量含有量が５０重量％、ナイロン６樹脂を使用）とし、ランダム材炭素繊維複合材料（Ｂ）をコア材（厚みが１．０ｍｍ、炭素繊維長が２０ｍｍ、炭素繊維の重量含有量が４０重量％、ナイロン６樹脂を使用）とするサンドイッチ材（厚みが１．６ｍｍ）を用いている。また図中の−（ｂ）で示した部位は、ランダム材炭素繊維複合材料（Ｂ）をスキン層（厚みが０．５ｍｍ、炭素繊維長が２０ｍｍ、炭素繊維の重量含有量が４５重量％、ナイロン６樹脂を使用）とし、有機繊維と熱可塑性樹脂との複合材料（Ｃ）をコア材（厚みが０．６ｍｍ、ポリエステル平織物、ポリエステル繊維の重量含有量が５０重量％、ナイロン６樹脂を使用）とするサンドイッチ材（厚みが１．６ｍｍ）を用いている。これ以外の部位は、ナイロン６樹脂を使用した、炭素繊維長が２０ｍｍ、繊維の重量含有量が４５重量％、厚みが１．６ｍｍのランダム材炭素繊維複合材料（Ｂ）単体を用いている。
図４は締結して組み立てようとする車両骨格部材がサイドシル構造部品である場合の模式図である。左右からなるサイドシル構造部品の４ＲＨと４ＬＨを得るには、部品４ＲＨａと部品４ＲＨｂと４ＲＨｃを締結し４ＲＨを製作し、同じく部品４ＬＨａと部品４ＬＨｂと４ＬＨｃを締結し４ＬＨを製作する。これらは、ナイロン６樹脂を使用した、炭素繊維長が２０ｍｍ、繊維の重量含有量が４５重量％、厚みが１．６ｍｍのランダム材炭素繊維複合材料（Ｂ）単体を用いている。
図５は締結して組み立てようとする車両骨格部材がピラー・ルーフといった車体上部構造部品である場合の模式図である。車体上部構造部品５を得るには部品５ａと部品５ｂと部品５ｃと部品５ｄと部品５ｅを締結し製作する。図中の−（ａ）で示した部位は、一方向材炭素繊維複合材料（Ａ）をスキン層（厚みが０．３ｍｍ、炭素繊維の重量含有量が５０重量％、ポリプロピレン樹脂を使用）とし、ランダム材炭素繊維複合材料（Ｂ）をコア材（厚みが１．０ｍｍ、炭素繊維長が２０ｍｍ、炭素繊維の重量含有量が４０重量％、ポリプロピレン樹脂を使用）とするサンドイッチ材（厚みが１．６ｍｍ）を用いている。ジョイント部品５ｃと部品５ｅ以外の部位はポリプロピレン樹脂を使用した、炭素繊維長が２０ｍｍ、繊維の重量含有量が４５重量％、厚みが１．６ｍｍのランダム材炭素繊維複合材料（Ｂ）単体を用いている。
図６は、本発明の車両骨格部材に適用可能な種々のサンドイッチ材の積層例についての断面模式図であり、上から順に、
・スキン層が０°の一方向材炭素繊維複合材料（Ａ）で、コア層がランダム材炭素繊維複合材料（Ｂ）である積層例、
・スキン層が＋４５°／−４５°の一方向材炭素繊維複合材料（Ａ）で、コア層がランダム材炭素繊維複合材料（Ｂ）である積層例、
・スキン層が０°の一方向材炭素繊維複合材料（Ａ）で、コア層が有機繊維と熱可塑性樹脂との複合材料（Ｃ）である積層例、
・スキン層がランダム材炭素繊維複合材料（Ｂ）であり、コア層が有機繊維と熱可塑性樹脂との複合材料（Ｃ）である積層例、
を示したものである。なお、ここで、「０°の一方向材炭素繊維複合材料（Ａ）」などいう場合の、「０°」等の角度とは、本発明の車両骨格部材で一方向材炭素繊維複合材料（Ａ）から構成されるものの設計や取り扱いにおいて、便宜上定められる基準の方向に対して、その一方向材炭素繊維複合材料（Ａ）中の炭素繊維（連続繊維）がなす角度であり、−９０°より大きく９０°以下の範囲の数値にて表現される。
図７および図８は、本発明の車両骨格部材が積層体からなるものである場合に適用可能な、種々の積層の具体例の断面模式図である。なお、本発明の車両骨格部材が積層体からなるもので、かつ、当該積層体中に、一方向材炭素繊維複合材料（Ａ）の層、ランダム材炭素繊維複合材料（Ｂ）の層、または有機繊維と熱可塑性樹脂との複合材料（Ｃ）の層が複数ある場合、それぞれの層は、完全に同一の複合材料によるものであっても良く、また、組成などが異なる複数種類のもの、例えば、ランダム材炭素繊維複合材料（Ｂ）に該当するものではあるが、炭素繊維の含有量やマトリックス成分である熱可塑性樹脂が異なるような複数の種類のもの等、であってもよい。

本発明の車両骨格部材は、自動車用の車両骨格の形成に好適であり、軽量のうえ、車体の強度に優れた自動車を製造することを可能にするものである。

Claims

熱可塑性樹脂と炭素繊維との複合材料からなる車両骨格部材であって、複合材料における炭素繊維の形態が連続繊維を一方向に引き揃えたものである一方向材炭素繊維複合材料（Ａ）および／または複合材料における炭素繊維の形態が不連続繊維を二次元ランダムに配置したものであるランダム材炭素繊維複合材料（Ｂ）である車両骨格部材。
車両骨格部材が、一方向材炭素繊維複合材料（Ａ）と、ランダム材炭素繊維複合材料（Ｂ）との積層体を含む請求項１に記載の車両骨格部材。
車両骨格部材が、一方向材炭素繊維複合材料（Ａ）と、有機繊維と熱可塑性樹脂との複合材料（Ｃ）との積層体を含む請求項１に記載の車両骨格部材。
車両骨格部材が、ランダム材炭素繊維複合材料（Ｂ）と、有機繊維と熱可塑性樹脂との複合材料（Ｃ）との積層体を含む請求項１に記載の車両骨格部材。
車両骨格部材がアンダーフロア構造部品、アッパーフロア構造部品、サイドシル構造部品、および車体上部構造部品からなる群より選択される少なくとも一種であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の車両骨格部材。
車両骨格部材がアンダーフロア構造部品、アッパーフロア構造部品、サイドシル構造部品、および車体上部構造部品に配置される補強構造部からなる群より選択される少なくとも一種であることを特徴とする請求項２に記載の車両骨格部材。
車両骨格部材がアンダーフロア構造部品の外板部、アッパーフロア構造部品の室内側補強構造部品、サイドシル構造部品、および車体上部構造部品のルーフレールからなる群より選択される少なくとも一種であることを特徴とする請求項３に記載の車両骨格部材。
車両骨格部材がアッパーフロア構造部品のバルクヘット部、フロア部、サイドシル構造部品の外板部、および車体上部構造部品のピラーの外板部からなる群より選択される少なくとも一種であることを特徴とする請求項４記載の車両骨格部材。
車両骨格部材がアッパーフロア構造部品、アンダーフロア構造部品、またはサイドシル構造部品であって、複合材料における熱可塑性樹脂が脂肪族ポリアミドである請求項１〜４のいずれかに記載の車両骨格部材。
車両骨格部材が車体上部構造部品であって、複合材料における熱可塑性樹脂がポリオレフィンである請求項１〜４のいずれかに記載の車両骨格部材。