JPWO2013140786A1 - 炭素繊維プリフォーム、炭素繊維強化プラスチック、炭素繊維プリフォームの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁部材を有するプリフォームを簡素な構成の装置で製造可能とする。【解決手段】炭素繊維プリフォームは、複数の炭素繊維シートが積層され、熱可塑特性を有する接着樹脂を介して互いに接着されている。この炭素繊維プリフォームは、複数の炭素繊維シートの少なくとも１つの層間、および、表層の少なくとも一方に配置され、炭素繊維シートよりも積層の方向に電気抵抗が大きい抵抗領域と、積層の方向に通電可能な通電領域とを、積層の方向と直交する面方向に有する部分通電層を備える。面方向における、通電領域および通電領域の周辺に対応する領域内で、複数の炭素繊維シートが接着樹脂を介して接着されている。通電領域および通電領域の周辺に対応する領域を除く領域では、複数の炭素繊維シートは、接着樹脂を介して接着されていない。【選択図】図２

Description

本発明は、炭素繊維プリフォームに関する。

樹脂の強度を向上させた複合材料として、炭素繊維強化プラスチックが広く知られている。かかる炭素繊維強化プラスチックは、例えば、炭素繊維を含む基材（以下、「炭素繊維プリフォーム」、または、単に「プリフォーム」ともいう）に熱硬化性樹脂を含浸させ、加熱することにより製造される。また、炭素繊維プリフォームの一種として、複数の炭素繊維シートを積層し、各シート間を接着することで製造するタイプが知られている。積層された複数の炭素繊維シートを接着する方法としては、複数の炭素繊維シートの積層体を、加熱した金型に配置して加圧する方法、通電加熱法、誘導加熱法、超音波溶着法などを例示できる。これらの手法では、炭素繊維シートと炭素繊維シートとの層間に配された樹脂や、炭素繊維シートの表面に配された樹脂、または、炭素繊維シートに含浸させた樹脂を、加熱および溶融させた後に、冷却して、樹脂を固化させることにより、炭素繊維シート同士を固着させる手法が一般的である。

特開昭５８−１５５９２６号公報 特開昭５９−２８１５号公報 特開２００９−７３１３２号公報

河越正羽、外３名、「ＣＦＲＰ継手の電気抵抗を利用した融着法に関する基礎的研究」、第２回複合材料合同会議ＪＣＣＭ−２講，論文集２０１１，Ｐａｐｅｒ＃２Ｂ−０７

しかしながら、上述した種々の手法には、それぞれ一長一短がある。このため、従来は、積層された複数の炭素繊維シートを接着する方法を、炭素繊維プリフォームの用途に応じて選択しなければならなかった。例えば、加熱した金型を使用する方法では、金型の温度の上昇および下降に長い時間と大きなエネルギーとを必要とする。一方、通電加熱法、誘電加熱法、および超音波溶着法は、比較的短時間で接着が可能である。しかし、超音波溶着法では、超音波の発信源となる器具（ホーン）が必要になり、誘導加熱法では、磁界の発信源となる器具（コイル）が必要になる。その結果、装置が高価になってしまう。また、超音波溶着法では、平面形状の炭素繊維シートの接着は容易ではあるが、立体的な形状を有する炭素繊維シートに対しては、型への配置が難しく、制約が多い。

それに比べて、通電加熱法では、型自体を電極として使用し、複数の炭素繊維シートの層間の接触抵抗を利用して発熱させるので、使用する装置の構成が簡素である。一方で、通電加熱法は、通電経路の途中に絶縁性の部材が介在するタイプのプリフォーム（たとえば、積層された炭素繊維シートの間または、積層体の表層にガラス繊維シートが配されたプリフォーム）の製造には、適さない。積層方向に通電することができず、その結果、接着樹脂としての樹脂を、抵抗発熱を利用して加熱および溶融することができないからである。この場合、炭素繊維シートの面方向に通電することで、炭素繊維シートの固有抵抗を利用して発熱させ、樹脂を加熱および溶融することが可能である。しかし、このような手法では、複数の炭素繊維シートの１枚ごとに電極が必要になり、装置の構成が複雑化する。

さらに、通電加熱法により、炭素繊維シートの全面を接着する場合、炭素繊維シートの電気抵抗が小さいために大電流が流れるので、瞬間的に膨大なエネルギーが必要になる。このため、面積が大きい炭素繊維シートを接着することが困難である。また、炭素繊維シートの全面を接着した場合、全面が固定されることになる。その結果、プリフォームを製造した後に実施される樹脂成形工程において、成形型にプリフォームを配置した際に必要となる、厚さ方向（積層方向）への反発力を確保しにくい。成形型内のプリフォームの厚さ方向の反発力が不足していると、プリフォームと上型の間およびプリフォームと下型の間に隙間ができる。その結果、成形時に注入した樹脂が、その隙間に多く残り、不良の原因となる。

以上のことから、絶縁部材を有するプリフォームを簡素な構成の装置で製造可能とすることが求められている。また、プリフォームの製造後の工程にかかる時間を鑑みて、当該プリフォームを短時間で製造可能とすることが求められている。また、炭素繊維シートの積層方向の反発力が確保されたプリフォームが求められている。また、プリフォームの製造に必要なエネルギーを低減することが求められている。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］複数の炭素繊維シートが積層され、熱可塑特性を有する接着樹脂を介して互いに接着された炭素繊維プリフォームにおいて、
前記炭素繊維シートよりも前記積層の方向についての電気抵抗が高い抵抗領域と、前記抵抗領域よりも前記積層の方向の電気抵抗が低い通電領域とが、前記積層の方向と直交する面方向に分布している部分通電層を、前記複数の炭素繊維シートのうち少なくとも１組の隣り合う炭素繊維シートの間の位置と、前記炭素繊維プリフォームの表層上の位置と、の少なくとも一方に備え、
前記部分通電層に設けられた前記通電領域内および前記通電領域の周辺に対応する領域内において、前記複数の炭素繊維シートが前記接着樹脂を介して接着されている、炭素繊維プリフォーム。

かかる構成の炭素繊維プリフォームは、通電加熱法によって製造することができる。具体的には、部分通電層のうちの通電領域を通じて、炭素繊維シートの積層の方向に通電し、炭素繊維シートを接着することができる。したがって、炭素繊維プリフォームを比較的短時間で製造できる。また、通電加熱法に使用する電極は、積層の方向に１対設ければ足りるので、炭素繊維プリフォームを簡素な構成の装置で製造できる。なお、積層の方向についての電気抵抗が抵抗領域よりも低い通電領域は、「通電可能な領域」または「通電容易な領域」として把握することもできる。積層の方向についての通電領域の電気抵抗は、炭素繊維シートの電気抵抗よりも小さくてもよいし、炭素繊維シートの電気抵抗よりも大きくてもよい。また、部分通電層は、さらに、抵抗領域の抵抗の大きさと通電領域の抵抗の大きさとの間の大きさの抵抗を有する領域を、備えていてもよい。

［適用例２］適用例１に記載の炭素繊維プリフォームであって、
前記抵抗領域内の少なくとも一部において、前記複数の炭素繊維シートが前記接着樹脂を介して接着されていない、炭素繊維プリフォーム。
なお、抵抗領域内の他の一部において、炭素繊維シートが接着樹脂を介して接着されていてもよい。

このような態様とすれば、炭素繊維シートの全面が接着される場合と比べて、炭素繊維シートの積層の方向の反発力を確保できる。

［適用例３］適用例１または適用例２に記載の炭素繊維プリフォームであって、
前記部分通電層は、絶縁シートで構成され、
前記通電領域は、前記絶縁シートを前記積層の方向に貫通する開口部を含む、炭素繊維プリフォーム。

かかる構成の炭素繊維プリフォームによれば、部分通電層を簡単な構成とすることができる。その結果、炭素繊維プリフォームのコストを低減することができる。また、炭素繊維プリフォームの製造工程を簡素化することができる。

［適用例４］適用例１から適用例３のいずれかに記載の炭素繊維プリフォームであって、
前記通電領域の面積は、前記炭素繊維シートの面積の１％より大きい、炭素繊維プリフォーム。

かかる構成の炭素繊維プリフォームによれば、通電領域が１％を超えることによって、プリフォームの形態を保持できる程度に炭素繊維シート間を接着させることができる。

［適用例５］適用例１から適用例４のいずれかに記載の炭素繊維プリフォームであって、
前記通電領域の面積は、前記炭素繊維シートの面積の２０％以下である、炭素繊維プリフォーム。

かかる構成の炭素繊維プリフォームによれば、製造工程で必要となるエネルギーを低減できる。具体的には、通電加熱に必要な電力量を低減できる。

また、本発明は、適用例６〜適用例９の炭素繊維強化プラスチックとしても構成することができる。適用例６〜適用例９の炭素繊維強化プラスチックは、それぞれに対応する適用例１〜４の炭素繊維プリフォームと同様の効果を奏する。

［適用例６］複数の炭素繊維シートが積層された炭素繊維強化プラスチックにおいて、
前記炭素繊維シートよりも前記積層の方向についての電気抵抗が高い抵抗領域と、前記抵抗領域よりも前記積層の方向の電気抵抗が低い通電領域とが、前記積層の方向と直交する面方向に分布している部分通電層を、前記複数の炭素繊維シートのうち少なくとも１組の隣り合う炭素繊維シートの間の位置と、前記炭素繊維強化プラスチックの表層上の位置と、の少なくとも一方に備えたことを特徴とする炭素繊維強化プラスチック。
なお、部分通電層を、前記複数の炭素繊維シートのうち少なくとも１組の隣り合う炭素繊維シートの間の位置と、前記複数の炭素繊維シートのうち１以上の炭素繊維シートの表層上の位置と、の少なくとも一方に備える態様とすることもできる。

［適用例７］適用例６記載の炭素繊維強化プラスチックであって、
前記部分通電層は、絶縁シートで構成され、
前記通電領域は、前記絶縁シートを前記積層の方向に貫通する開口部を含む、炭素繊維強化プラスチック。

［適用例８］適用例６または適用例７に記載の炭素繊維強化プラスチックであって、
前記通電領域の面積は、前記炭素繊維シートの面積の１％より大きい、炭素繊維強化プラスチック。

［適用例９］適用例６から適用例８のいずれかに記載の炭素繊維強化プラスチックであって、
前記通電領域の面積は、前記炭素繊維シートの面積の２０％以下である、炭素繊維強化プラスチック。

また、本発明は、適用例１０〜適用例１３の炭素繊維プリフォームの製造方法としても実現することができる。適用例１０〜適用例１３の製造方法は、それぞれ対応する適用例３、適用例２、適用例４、適用例５と同様の効果を奏する。なお、本発明は、炭素繊維強化プラスチックの製造方法としても実現可能である。

［適用例１０］絶縁シートと、複数の炭素繊維シートとを、熱可塑特性を有する接着樹脂を介して積層した積層体を用意し、
前記絶縁シートおよび前記複数の炭素繊維シートの積層体に電圧を印加するための電極として機能する、向かい合う２つの型で前記積層体を挟み込み、
前記２つの型が有する型形状を前記積層体に転写する、炭素繊維プリフォームの製造方法において、
前記絶縁シートとして、前記積層の方向に貫通する開口部が形成された絶縁シートを使用して、前記積層体を用意し、前記２つの型内に配置する工程と、
前記２つの型により、前記積層体を前記積層の方向に加圧するとともに、前記２つの型に電圧を印加して前記積層体に電流を流し、前記複数の炭素繊維シートを発熱させることで、前記開口部を含む通電領域内および前記通電領域の周辺に対応する領域内で、前記接着樹脂を溶融および固着させて、前記複数の炭素繊維シート間を、前記接着樹脂を介して接着する工程と
を備える、炭素繊維プリフォームの製造方法。

［適用例１１］
適用例１０に記載の炭素繊維プリフォームの製造方法であって、
前記複数の炭素繊維シート間を接着する工程は、前記通電領域以外の少なくとも一部の領域で、前記接着樹脂を溶融させない状態で実行される、炭素繊維プリフォームの製造方法。
なお、複数の炭素繊維シート間を接着する工程は、通電領域以外の他の一部の領域で、接着樹脂を溶融させて実行されてもよい。

［適用例１２］適用例１０または適用例１１に記載の炭素繊維プリフォームの製造方法であって、
前記開口部の開口面積は、前記炭素繊維シートの面積の１％より大きい、炭素繊維プリフォームの製造方法。

［適用例１３］適用例１０から適用例１２のいずれかに記載の炭素繊維プリフォームの製造方法であって、
前記開口部の開口面積は、前記炭素繊維シートの面積の２０％以下である、炭素繊維プリフォームの製造方法。

本発明の炭素繊維プリフォームの実施例としてのプリフォーム２０の外観を示す説明図である。 プリフォーム２０の断面構成を模式的に示す説明図である。 プリフォーム２０の製造手順を示す工程図である。 絶縁シート４０の構造を示す説明図である。 積層体６０を示す説明図である。 積層体６０を金型７０内に配置して加圧し、電圧を印加する様子を示す説明図である。 開口部４１の開口部面積率と、必要電流との関係を示す図表である。 変形例としての絶縁シート１４０の構造を示す説明図である。 変形例としての絶縁シート２４０の構造を示す説明図である。 変形例としての部分通電織物９０の構造を示す説明図である。

Ａ．実施例：
図１は、本発明の炭素繊維プリフォームの実施例としてのプリフォーム２０の概略構成を示す。プリフォーム２０は、炭素繊維強化プラスチックを製造する際に使用される。かかる炭素繊維強化プラスチックは、例えば、ＲＴＭ（Resin Transfer Molding）法を使用して、製造することができる。具体的には、まず、プリフォーム２０を、プリフォーム２０の形状に対応する形状を有するキャビティを備えた型内に配置する。そして、キャビティに熱硬化性樹脂を注入して、プリフォーム２０に熱硬化性樹脂を含浸させ、その後、加熱する。その結果、炭素繊維強化プラスチックが完成する。このため、プリフォーム２０の形状は、完成品としての炭素繊維強化プラスチックの形状に対応した形状となっている。本実施例では、プリフォーム２０は、平坦部２１と突出部２２とを備えている。

平坦部２１は、平坦な板状の部位である。平坦部２１の外縁は、矩形形状を有している。突出部２２は、平坦部２１から一方の側に突出した部位である。突出部２２におけるプリフォーム２０の厚みは、平坦部２１の厚みとほぼ同一である。つまり、突出部２２の突出する側と反対の側には、突出部２２の形状に対応する形状の空洞が形成されている。突出部２２は、略円形である基端部２３から同心円状に突出した略円形の平坦な頂面を有する。言い換えれば、突出部２２の形状は、ほぼ円錐台である。突出部２２において、頂面と側面の境界を先端部２４と呼ぶ。なお、プリフォーム２０の形状は、所望の任意の形状とすることができる。

図２は、プリフォーム２０の断面構成を模式的に示す。図２は、プリフォーム２０を厚み方向に切断した断面を示している。図２では、技術の理解を容易にするため、図示される各構成要素の大きさおよび厚みと、実際の大きさおよび厚みとは、必ずしも一致していない。プリフォーム２０は、多層構造を有している。具体的には、プリフォーム２０は、４つの炭素繊維シート３１〜３４と、１つの絶縁シート４０とを積層した構造を有している。炭素繊維シート３１〜３４および絶縁シート４０を積層する方向を「積層方向」ともいう。

炭素繊維シート３１〜３４は、本実施例では、炭素繊維を編み込んだシート状の部材である。炭素繊維シートの形態は、本実施例では炭素繊維からなる織物である。しかし、炭素繊維シートの形態は、これに限るものではない。例えば、炭素繊維シートの形態は、（ｉ）織物、（ｉｉ）編み物、（ｉｉｉ）組み物、（ｉｖ）不織布、（ｖ）一方向に引き揃えられた強化繊維シートをバインダや融着性不織布、ステッチ糸などで形態を安定化した一方向性シート、（ｖｉ）ランダム配向の短繊維で構成されるマットなどとしてもよい。

絶縁シート４０は、本実施例では、絶縁体からなるシート状の部材である。本実施例では、絶縁シート４０として、ガラス繊維からなるマットを使用した。しかし、絶縁シートとして、例えば、綿、麻、竹などの天然繊維や、ポリエステル、ナイロンなどの合成繊維などが使用されてもよい。また、絶縁シート４０の材料は、これらの材料に限られるものではなく、種々の絶縁部材を絶縁シート４０の材料として使用することができる。かかる絶縁部材の態様は、織物、不織布、フィルム等のシート状のものが好ましい。ただし、絶縁部材の態様は、シート状に限るものではない。すなわち、変形性を持ち、シート自体が柔軟にその形状を変化させることがものであれば、様々な絶縁部材を採用しうる。また、完全な絶縁材料だけでなく、炭素繊維シートに比べて、抵抗の高い材料であっても良い。本実施例では、絶縁シート４０は、炭素繊維シート３２と炭素繊維シート３３との間、つまり、炭素繊維シート３１〜３４および絶縁シート４０からなる５層構造のうちの中央（第３層）に位置している。

かかる絶縁シート４０には、開口部４１が複数形成されている。本実施例では、開口部４１は、絶縁シート４０を厚み方向（積層方向）に貫通する貫通孔である。

炭素繊維シート３１〜３４および絶縁シート４０を含む各層の間には、接着樹脂５０が介在している。図２において、接着樹脂５０は、模式的に丸で表現されている。接着樹脂５０は、本実施例では、炭素繊維シート３１〜３４および絶縁シート４０の面方向（以下、単に「面方向」ともいう）に分散して存在する。接着樹脂５０は、炭素繊維シート同士の接着に使用される。例えば、接着樹脂５０として、加熱により溶融され、さらに冷却されて固化されることにより、各層を接着する接着機能を発揮する部材を、使用することができる。接着樹脂５０は、「タッキファイヤ」とも呼ばれる。本実施例では、接着樹脂５０は、粒子状の熱可塑性樹脂である。熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリオレフィン樹脂、スチレン系樹脂、ナイロン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリウレタン樹脂などを使用できる。接着樹脂５０に使用する熱可塑性樹脂は、これらの材料に限られるものではなく、種々の熱可塑性樹脂を使用することができる。また、接着樹脂５０に使用する熱可塑性樹脂として、これらの熱可塑性樹脂を組み合わせて使用することもできる。さらに、接着樹脂５０の材料は、熱可塑性樹脂に限るものではない。例えば、接着樹脂５０の材料として、熱硬化性樹脂が使用されてもよい。こうした熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂などを例示できる。また、接着樹脂５０の形態は、粒子状に限るものではなく、適宜設定可能である。例えば、接着樹脂５０は、繊維状であってもよい。また、接着樹脂５０は、層間以外の場所に存在してもよく、接着樹脂５０の形態は、特に限定されるものではない。例えば、接着樹脂５０は、炭素繊維シート内にランダムに分散されて配されていてもよい。あるいは、接着樹脂５０が繊維状である場合、炭素繊維シートの中に接着樹脂繊維を引き揃えたり、織物の補助糸（縦糸、または、横糸）として接着樹脂繊維を使用したり、炭素繊維シートに接着樹脂繊維のスティッチングを実施したりしてもよい。

プリフォーム２０において、炭素繊維シート３１〜３４および絶縁シート４０の各層は、面方向において、開口部４１およびその周辺に対応する位置において、接着樹脂５０を介して接着されている。つまり、開口部４１およびその周辺に対応する位置に存在する接着樹脂５０が、溶融および冷却固化されて、接着機能を発揮している。その他の電気抵抗が高い領域においては、電気抵抗が高く、ほとんど通電されないため、接着樹脂５０が溶融されていない。このため、それらの領域については、炭素繊維シート３１〜３４および絶縁シート４０の各層は、接着されないか、または、部分的には接着された部位があっても、その部位は、プリフォーム２０として形態を固定できる程度の接着力を発揮するまでには至らない。図２では、接着機能を発揮している接着樹脂５０に対応する丸のみを黒色で塗りつぶして表示している。この構成は、プリフォーム２０の製造方法に起因する。プリフォーム２０の製造方法については後述する。

図２において、炭素繊維シート３２と炭素繊維シート３３とは、直接的には、接触していないように図示している。つまり、炭素繊維シート３２と炭素繊維シート３３との間に接着樹脂５０が存在しない部分においては、炭素繊維シート３２と炭素繊維シート３３とは接触していないように図示している。しかし、実際には、炭素繊維シート３２，３３の繊維の配向は、完全にはシートの面内の方向に沿って一定してはいない。このため、炭素繊維シート３２，３３は、積層方向に延びる一部の繊維により、通常は、相互に接触する。炭素繊維シート３１，３２の間、炭素繊維シート３３，３４の間についても、同様である。

絶縁シート４０に形成された開口部４１ａの内部において、絶縁シート４０の両脇に配置された炭素繊維シート３２と炭素繊維シート３３とは、接着機能を発揮している接着樹脂５０を介して、接着されている。一方、開口部４１ｂの内部において、炭素繊維シート３２と炭素繊維シート３３とは、接着されていない。これは、開口部４１ｂの内部には、接着機能を発揮している接着樹脂５０が存在しないためである。つまり、本実施例においては、炭素繊維シート３２と炭素繊維シート３３とは、必ずしも、すべての開口部４１の内部で接着樹脂５０を介して接着されていなくてもよい。炭素繊維シートと炭素繊維シートとが一部の開口部において接着されている態様は、接着樹脂の使用量を少なくすることにより、または、接着樹脂を層間の面方向について偏在させることにより、実現されることができる。

図３は、上述したプリフォーム２０の製造手順を示す。プリフォーム２０の製造においては、まず、炭素繊維シート３１〜３４および絶縁シート４０が用意される（ステップＳ１１０）。この段階での炭素繊維シート３１〜３４および絶縁シート４０は、図１に示したプリフォーム２０の形状を有していない。つまり、炭素繊維シート３１〜３４および絶縁シート４０のシート面は、全面が平坦である矩形形状を有している。本実施例では、炭素繊維シート３１〜３４および絶縁シート４０は、ほぼ同一の面積を有している。ただし、必ずしも、炭素繊維シート３１〜３４および絶縁シート４０の面積は、ほぼ同一でなくてもよい。例えば、炭素繊維シート３１〜３４の面積は、絶縁シート４０の面積よりも大きくてもよいし、小さくてもよい。

炭素繊維シート３１〜３４の目付、すなわち、単位面積当たりの重量は、本実施例では、２００ｇ／ｍ²である。絶縁シート４０の目付は、本実施例では、６０ｇ／ｍ²である。ただし、炭素繊維シート３１〜３４および絶縁シート４０の目付は、後述するステップＳ１５０において炭素繊維シート３２と炭素繊維シート３４とが開口部４１の内部で接触して通電できる程度の、炭素繊維シート３１〜３４および絶縁シート４０の目付の関係の範囲内で、設定されていればよい。例えば、炭素繊維シート３１〜３４の目付を７０〜５００ｇ／ｍ²程度とし、絶縁シート４０の目付を３０〜１８０ｇ／ｍ²程度としても、上述の関係を確保できる。

図４は、ステップＳ１１０で用意される絶縁シート４０の具体例を示す。絶縁シート４０のシート面は、矩形形状を備えている。絶縁シート４０には、上述したとおり、シート面を貫通する複数の開口部４１が形成されている（図２参照）。本実施例では、各々の開口部４１は、円形に形成されている。また、本実施例では、各々の開口部４１は、絶縁シート４０のシート面上に、ほぼ均等な間隔で分散配置されている。各々の開口部４１の大きさは、本実施例では、直径４．５ｍｍ（面積は、約１６ｍｍ²）である。ただし、開口部４１の大きさは、後述するステップＳ１５０において炭素繊維シート３２と炭素繊維シート３４とが開口部４１の内部で接触して通電できる程度の大きさに、設定されていればよい。例えば、各々の開口部４１の面積を１０ｍｍ²以上とすれば、確実に通電できる。

本実施例では、各々の開口部４１の面積の合計値が、炭素繊維シート３１〜３４の面積（１つのシートの面積）に占める割合（以下、「開口部面積率」ともいう）は、６％である。開口部面積率は、１％より大きくすることが望ましい。また、開口部面積率は、２０％以下とすることが望ましい。その理由については、後述する。なお、絶縁シート４０の面積が、炭素繊維シート３１〜３４の面積よりも小さい場合には、各々の開口部４１の面積の合計値と、炭素繊維シート３１〜３４の面積と絶縁シート４０の面積との差分値（正の数）との総合計値が、炭素繊維シート３１〜３４の面積に占める割合を、「開口部面積率」とする。

ここで、説明をプリフォーム２０の製造手順（図３）に戻す。炭素繊維シート３１〜３４および絶縁シート４０を用意すると、次に、炭素繊維シート３１〜３４に、接着樹脂５０が付与される（ステップＳ１２０）。接着樹脂５０の付与は、吹き付け、塗布などの手法を利用することができる。接着樹脂５０の付与は、炭素繊維シート３１〜３４の両面に対して行ってもよいし、片面に対して行ってもよい。また、接着樹脂５０の付与は、炭素繊維シート３２，３３に対して行う代わりに、絶縁シート４０に対して行ってもよい。つまり、接着樹脂５０は、炭素繊維シート３１〜３４および絶縁シート４０を積層した際に、各層間に接着樹脂５０が介在するように、付与されればよい。ただし、炭素繊維シート３１〜３４および絶縁シート４０を積層した積層体６０の表面、すなわち、炭素繊維シート３１の２面のうちの絶縁シート４０と反対側の面、および、炭素繊維シート３４の２面のうちの絶縁シート４０と反対側の面には、接着樹脂５０は付与されない。接着樹脂５０の付与量は、炭素繊維シート３１〜３４および絶縁シート４０の全面が、接着樹脂５０で覆われない程度の量、つまり、後述するステップＳ１５０において積層体６０の積層方向に通電が可能な程度の量の範囲内で、設定すればよい。また、接着樹脂５０の付与量は、開口部４１に対応する位置の各々に確実に付与される程度の量とすることが望ましい。なお、接着樹脂５０は、例えば、炭素繊維シート３１〜３４や絶縁シート４０に含浸させてもよい。あるいは、絶縁シート４０自体が接着樹脂で構成されてもよい。これらの場合には、ステップＳ１１０で用意される炭素繊維シート３１〜３４や絶縁シート４０に接着樹脂が含まれるので、ステップＳ１２０は省略可能である。

図５は、炭素繊維シート３１〜３４および絶縁シート４０を積層して、積層体６０を作成する様子を示す。接着樹脂５０を付与すると、次に、図５に示すように、炭素繊維シート３１〜３４および絶縁シート４０が積層され、積層体６０を作成される（図３のステップＳ１３０）。なお、図５では、接着樹脂５０の図示を省略している。

図６は、積層体６０を金型７０内に配置した様子を示す。積層体６０を作成すると、次に、図６に示すように、積層体６０が金型７０内に配置される（図３のステップＳ１４０）。金型７０は、上型７１と下型７２とを備えている。上型７１および下型７２は、プリフォーム２０の形状（図１参照）に対応する形状を有している。この上型７１および下型７２は、トランス８２を介して、電源８１に接続されている。上型７１および下型７２は、プレス金型として作用する。つまり、上型７１および下型７２は、自身が有する形状を積層体６０に転写する機能を有する。また、上型７１および下型７２は、電極として作用する。電源８１の電圧は、トランス８２によって調整され、整流器８３を介して上型７１および下型７２に印加される。

積層体６０を金型７０内に配置すると、積層体６０を積層方向に加圧するとともに、上型７１および下型７２に電圧が印加される（図３のステップＳ１５０）。本実施例では、加圧は、油圧シリンダなどのアクチュエータ（図６では図示を省略）によって、下型７２の方向への押圧力を上型７１に作用させることによって行う。なお、上型７１と下型７２との両方、または下型７２のみに押圧力を作用させる構成でもよい。積層体６０は、積層方向に加圧されることによって、プリフォーム２０の形状にプレス成形される。

上型７１および下型７２に電圧を印加することで、積層体６０には、積層方向に電流が流れる。積層体６０に電流が流れると、炭素繊維シート３１〜３４は、接触抵抗によって発熱する。上型７１および下型７２は、金型７０を積層方向に加圧しているので、炭素繊維シート３１と炭素繊維シート３２との接触の程度が増し、炭素繊維シート３１と炭素繊維シート３２との間は、積層方向に確実に通電される。炭素繊維シート３３と炭素繊維シート３４との間についても同様である。絶縁シート４０の両側に配置された、炭素繊維シート３２および炭素繊維シート３３が上型７１および下型７２が積層体６０を加圧することにより、炭素繊維シート３２および炭素繊維シート３３の一部分が、絶縁シート４０に形成された開口部４１の内部に入り込む。その結果、炭素繊維シート３２と炭素繊維シート３３とは、開口部４１の内部で確実に接触する。このため、炭素繊維シート３２と炭素繊維シート３３との間も積層方向に確実に通電される。

以上の説明からも明らかなように、ステップＳ１５０において、積層体６０には、図６において黒い矢印で示すように、絶縁シート４０に形成された開口部４１を通る経路で積層方向に電流が流れる。このため、上述した炭素繊維シート３１〜３４の発熱は、面方向において、開口部４１に対応する位置、および、その周辺に対応する位置を中心に生じる。その結果、面方向において、開口部４１に対応する領域、および、その周辺に対応する領域に存在する接着樹脂５０が、炭素繊維シート３１〜３４の発熱によって溶融する。開口部４１およびその周辺に対応する領域以外の領域ついては、ほとんど通電されないため、それらの領域に存在する接着樹脂５０は、ほとんど溶融しない。積層体６０への電圧の印加は、所要時間、すなわち、上述の位置の接着樹脂５０が溶融するのに必要な時間だけ、維持される。この所要時間は、通常、数秒程度である。

そして、所要時間、電圧が印加されると、次に、所要時間だけ積層体６０および金型７０は放置される（ステップＳ１６０）。ここでの所要時間とは、溶融した接着樹脂５０が冷却固化するのに必要な時間である。この所要時間は、通常、数秒程度である。所要時間を経過すると、接着樹脂５０の固化によって、炭素繊維シート３１〜３４および絶縁シート４０のうち隣り合う層が、全面のうち開口部４１およびその周辺に対応する領域内で、接着される。「開口部４１およびその周辺に対応する領域内で」とは、「開口部４１に対応する領域内のみ」であってもよいし、「開口部４１の周辺に対応する領域内のみ」であってもよいし、「開口部４１に対応する領域内、および、その周辺に対応する領域内の両方」であってもよいことを意味する。例えば、接着樹脂５０の付与密度や、開口部４１の開口面積によっては、開口部４１に対応する領域には接着樹脂５０が存在せず、開口部４１の周辺に対応する領域に接着樹脂５０が存在する、という状況も想定し得る。このような場合には、開口部４１の周辺に対応する領域においてのみ、炭素繊維シート３１〜３４および絶縁シート４０のうちの隣り合う層が、接着されてもよい。

このように、炭素繊維シート３１〜３４および絶縁シート４０が、隣り合う層間で接着されると、プリフォーム２０が完成する。かかる方法では、通電により積層体６０を発熱させるので、金型７０を加熱する必要はない。したがって、プリフォーム２０の完成後、即時に脱型することができる。

図７は、上述した絶縁シート４０について、開口部面積率を変化させた場合の、開口部面積率と、積層体６０（炭素繊維シート３１〜３４および絶縁シート４０）の接着に必要な電流（以下、「必要電流」ともいう）との関係を示す。図示するデータのうちの、開口部面積率が１％〜１２％のデータについては、実測データである（図７では、ハッチングで示した）。つまり、開口部面積率が１％〜１２％の場合の必要電流は、接着のために実際に要した電流値である。かかる実測データの前提となる実験条件は、以下の通りである。開口部面積率が２０％以上のデータについては、実測データに基づく計算結果である。
（実験条件）
炭素繊維シート３１〜３４の面積：４０，０００ｍｍ²
１つの開口部４１の面積：約１６ｍｍ²（直径４．５ｍｍ）
通電時間：３秒

図７に示す実験データによれば、開口部面積率が大きくなるにしたがい、必要電流は大きくなる。図７に示すように、開口部面積率を１％とした場合、必要電流は１２８Ａ（アンペア）であった。同様に、開口部面積率を２％，３％，４％，５％，６％，１０％，１２％とした場合、必要電流は、それぞれ２５６Ａ，３８４Ａ，５００Ａ，６４０Ａ，８００Ａ，１２８０Ａ，１３００Ａであった。開口部面積率を１％に設定した場合、積層体６０の各層の接着は可能であることが確認された。しかし、積層体６０の各層の接着力は弱く、また、プリフォーム２０の形状が所定時間経過すると保持できないことが確認された。一方、開口部面積率を２％以上に設定した場合には、積層体６０の各層は、良好な接着力によって接着され、剥がれにくく、また、プリフォーム２０の形状も安定することが確認された。かかる実験結果から、開口部面積率は、１％よりも大きくすることが望ましい。開口部面積率を１％よりも大きくすることで、プリフォーム２０の形態を保持できる程度に積層体６０間を接着させることができる。

一方、開口部面積率が２０％の場合には、必要電流は、２，５６０Ａとの計算結果が得られた。同様に、開口部面積率が３０％および５０％の場合には、必要電流は、それぞれ３，８４０Ａ、６，４００Ａとの計算結果が得られた。必要電力が３，０００Ａを越える場合には、使用する電源の容量のランクを１ランク上げる必要がある。つまり、装置が大型化し、消費されるエネルギーも増大してしまう。したがって、開口部面積率は、２０％以下とすることが望ましい。こうすれば、通電加熱に必要な消費電力を抑制することができ、コストの低減、消費エネルギーの節約に資する。開口部面積率が５０％以上の場合には、必要電流が１０，０００Ａを越える計算結果が得られた。かかる態様は、コストや消費エネルギーの節約の観点からは、現実的ではなくなる。

以上から、開口部面積率は、１％、および、３０％以上かつ７５％未満の場合には、評価「Ｃ」（採用可能）との評価が得られる。７５％以上の場合には、評価「Ｄ」（現実的ではない）との評価が得られる。開口部面積率が１％よりも大きく、２０％以下の範囲では、評価「Ｂ」（良好）以上の評価が得られる。特に、確実に接着力および形状保持力が得られるとともに、必要電流もある程度低減できる５％以上、６％以下の開口部面積率の範囲では、評価「Ａ」（優れている）との評価が得られる。

上述したプリフォーム２０は、通電加熱法によって製造することができる。具体的には、絶縁シート４０には、開口部４１が形成されているので、開口部４１を介して、積層体６０に積層方向に沿って電流を流すことにより、接着樹脂５０を溶融し、炭素繊維シート３１〜３４および絶縁シート４０のうちの隣り合う層同士を接着することができる。通電加熱法は、比較的短時間で接着が可能であることから、絶縁シート４０の製造時間を短くすることができる。また、溶融した接着樹脂５０は、僅かな時間で温度が低下するので、特別な冷却工程を必要としない。また、通電加熱法に使用する電極は、積層方向に１対設ければ足りる。つまり、上型７１および下型７２を、通電加熱法に使用する電極として利用できる。このため、プリフォーム２０を簡素な構成の装置で製造できる。また、誘導加熱法や超音波溶着法のように、特別な装置を必要としない。また、かかる製造方法では、立体形状のプリフォーム２０を好適に製造できる。

なお、開口部４１は、「抵抗領域よりも積層の方向の電気抵抗が低い通電領域」として機能し、「通電可能な通電領域」として機能する。ここで、「通電可能」とは、プリフォーム２０に外力を作用させない状態で通電可能な構成に限定されない。例えば、開口部４１の内部において、炭素繊維シート３２と炭素繊維シート３３とが接触していない場合であっても、プリフォーム２０を積層方向に加圧することにより、炭素繊維シート３２と炭素繊維シート３３とが接触して、通電可能となる構成も、「通電可能」な構成に含まれる。また、絶縁シート４０の面積（Ｓ１とする）が炭素繊維シート３１〜３４の面積（Ｓ２とする）よりも小さい場合には、面方向において、炭素繊維シート３１〜３４が存在する位置（領域）に対応し、絶縁シート４０の外部にある領域（Ｓ２−Ｓ１の領域）についても、「通電可能な通電領域」と捉えてよい。

また、プリフォーム２０は、面方向において、絶縁シート４０に形成された開口部４１およびその周辺に対応する領域内で、炭素繊維シート３１〜３４および絶縁シート４０が接着され、その他の領域内では、接着は行われない。したがって、炭素繊維シートの全面が接着される場合と比べて、プリフォーム２０の積層方向の反発力を確保できる。

また、開口部４１は、絶縁シート４０の面方向において、分散して複数形成されているので、炭素繊維シート３１〜３４および絶縁シート４０の接着箇所も分散配置される。したがって、プリフォーム２０の形状が維持されやすい。

また、プリフォーム２０は、開口部面積率を調節することにより、通電加熱、すなわち、積層体６０の接着に必要なエネルギー量を調節することができる。

かかるプリフォーム２０を使用すれば、炭素繊維シート３１〜３４の層間に絶縁シート４０を備えた炭素繊維強化プラスチックを製造することができる。プリフォーム２０を使用して、ＲＴＭ法によって炭素繊維強化プラスチックを製造する場合、絶縁シート４０は、型内に注入された熱硬化性樹脂の面方向への進入を促進する効果も奏する。その結果、熱硬化性樹脂の含浸速度を高めることができる。あるいは、熱硬化性樹脂の含浸について、均一性を高めることができる。

Ｂ：変形例：
Ｂ−１．変形例１：
上述した実施例では、炭素繊維シート３２と炭素繊維シート３３との間に、絶縁シート４０が配置された。しかし、絶縁シート４０の配置は、かかる例に限らない。絶縁シート４０は、炭素繊維シート３１〜３４の任意の層間に配置することができる。さらに、絶縁シート４０は、必ずしも炭素繊維シート３１〜３４の層間に配置されなくてもよい。絶縁シート４０は、炭素繊維シート３１〜３４の表面に配置されてもよい。例えば、積層体６０は、絶縁シート４０、炭素繊維シート３１〜３４の順に積層されて構成されてもよい。また、炭素繊維シートの数は、複数であればよく、２以上の任意の数に設定可能である。

Ｂ−２．変形例２：
上述の実施例では、複数の炭素繊維シート３１〜３４と、１つの絶縁シート４０とを積層して、積層体６０を構成した。ただし、積層体６０は、複数の絶縁シート４０を備えていてもよい。例えば、炭素繊維シート３１と炭素繊維シート３２の間と、炭素繊維シート３３と炭素繊維シート３４との間に、それぞれ絶縁シート４０が配置されてもよい。

Ｂ−３．変形例３：
上述の実施例では、絶縁シート４０に形成される複数の開口部４１は、面方向に均一に分散して配置された。しかし、複数の開口部４１の配置は、かかる態様に限られない。複数の開口部４１の配置は、任意に設定可能である。また、複数の開口部４１の開口面積は、同一である必要はなく、開口部４１のそれぞれについて、開口面積が任意に設定されてもよい。開口部４１の配置や開口面積は、製造されるプリフォーム２０の形状に合わせて、適宜設定されてもよい。

図８は、変形例としての絶縁シート１４０の構造を示す。絶縁シート１４０を使用して製造されるプリフォームは、実施例に示したプリフォーム２０（図１参照）と同一の形状である。絶縁シート１４０には、複数の開口部１４１が形成されている。図８に示す絶縁シート１４０において、二点鎖線で示すラインは、基端部２３および先端部２４（図１参照）がそれぞれ形成される位置を示している。この例では、基端部２３および先端部２４が形成される位置の周辺に、他の部分よりも高い密度で開口部１４１が形成されている。

このように、積層体の全面のうち、形状転写前の初期状態（全面が平坦なシート形状）から加工によって変形する箇所の周辺に、重点的に開口部が配置される構成としてもよい。かかる構成によれば、積層体において、変形する箇所の周辺が重点的に接着されるので、加工後の形状が維持されやすくなる。また、比較的狭い領域である、基端部２３の内側の領域に形成された開口部１４１ｂの面積は、比較的広い領域である、基端部２３の外側の領域に形成された開口部１４１ａの面席よりも小さく設定されている。このように、プリフォームの加工形状に合わせて、開口部の面積を調節することで、接着箇所の配置の自由度が向上する。なお、図８の態様では、基端部２３および先端部２４の周辺に開口部１４１を配置した。しかし、基端部２３および先端部２４が形成される位置上に開口部１４１を配置しても、同様の効果が得られる。

Ｂ−４．変形例４：
上述の実施例では、絶縁シート４０に形成される開口部４１の形状は、円形であった。しかし、開口部４１の形状は、任意に設定可能である。図９は、変形例としての絶縁シート２４０の構造を示す。図示する例では、矩形形状を有する複数の開口部２４１が形成されている。勿論、開口部２４１の形状も、上述した変形例３と同様に、製造されるプリフォーム２０の加工形状に合わせて、設定されてもよい。例えば、積層体の全面のうちで初期状態から加工によって変形する箇所に沿って、開口部２４１が形成されてもよい。さらに具体的には、例えば、基端部２３の外周に沿って、環状に開口部２４１が形成されてもよい。

Ｂ−５．変形例５：
上述の実施例では、炭素繊維シート３１〜３４の層間に絶縁シート４０を配置する構成を例示した。しかし、絶縁シート４０に代えて、部分通電シートが配置されてもよい。「部分通電シート」とは、シートの全領域の中に、絶縁体からなる絶縁領域と、導電性部材からなる通電領域と、を有するシートである。絶縁領域と通電領域とは、面方向について異なる位置に配置される。例えば、部分通電シートは、絶縁シート４０の開口部４１の位置に導電性部材を有するシートとすることができる。導電性部材としては、炭素繊維が使用されてもよい。

Ｂ−６．変形例６：
上述の実施例では、炭素繊維シート３１〜３４の層間に絶縁シート４０を配置する構成を例示したが、絶縁シート４０に代えて、炭素繊維シートよりも積層の方向に電気抵抗が高い部材が使用されてもよい。通常、炭素繊維シート１層辺りの厚さ方向の電気抵抗は１０〜３００Ω／ｃｍ²の範囲（炭素繊維目付：３３０ｇ／ｍ²，炭素繊維本数：１２００本，押し付け圧：０．１〜０．５ＭＰａの場合）である。こうしても、上述した効果をある程度奏することができる。また、変形例５で述べた部分通電シートは、炭素繊維シートよりも積層の方向に電気抵抗が高い部材からなる高抵抗領域と、通電領域とを有するシートとして構成されてもよい。

Ｂ−７．変形例７：
図１０は、変形例としての部分通電織物９０の構造を示す説明図である。図１０の下段に、部分通電層としての部分通電織物９０の平面図を示す。図１０の上段に、下段の図中の線９１における部分通電織物９０の断面図を示す。上述の実施例では、部分通電層として、ガラス繊維からなる絶縁シート４０に開口部４１を設けた構成をしめした。しかし、図１０に示すように、主にガラス繊維４２からなる織物組織に、炭素繊維３５を部分的に織り込んだ部分通電織物９０を、部分通電層として使用してもよい。織物構造の中に部分的に炭素繊維３５を用いることで、電流が流れる経路を確保できる。炭素繊維が存在する領域が通電領域となり、一方で炭素繊維が存在しない部分は抵抗領域となる。更に良い効果として、この部分通電層自身がガラス繊維や炭素繊維のような強化繊維によって構成されることにより、最終的に繊維強化プラスチックとなった際に、部品強度の発現に寄与することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、このような実施形態に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができる。例えば、上述した各適用例の構成要素や、実施形態中の要素は、本願の課題の少なくとも一部を解決可能な態様、または、上述した各効果の少なくとも一部を奏する態様において、適宜、組み合わせ、省略、上位概念化を行うことが可能である。

２０…プリフォーム
２１…平坦部
２２…突出部
２３…基端部
２４…先端部
３１〜３４…炭素繊維シート
３５…炭素繊維
４０，１４０，２４０…絶縁シート
４１，４１ａ，４１ｂ，１４１，１４１ａ，１４１ｂ，２４１…開口部
４２…ガラス繊維
５０…接着樹脂
６０…積層体
７０…金型
７１…上型
７２…下型
８１…電源
８２…トランス
８３…整流器
９０…部分通電織物
９１…断面線

Claims (13)

1. 複数の炭素繊維シートが積層され、熱可塑特性を有する接着樹脂を介して互いに接着された炭素繊維プリフォームにおいて、
   前記炭素繊維シートよりも前記積層の方向についての電気抵抗が高い抵抗領域と、前記抵抗領域よりも前記積層の方向の電気抵抗が低い通電領域とが、前記積層の方向と直交する面方向に分布している部分通電層を、前記複数の炭素繊維シートのうち少なくとも１組の隣り合う炭素繊維シートの間の位置と、前記炭素繊維プリフォームの表層上の位置と、の少なくとも一方に備え、
   前記部分通電層に設けられた前記通電領域内および前記通電領域の周辺に対応する領域内において、前記複数の炭素繊維シートが前記接着樹脂を介して接着されている炭素繊維プリフォーム。
2. 請求項１に記載の炭素繊維プリフォームであって、
   前記抵抗領域内の少なくとも一部において、前記複数の炭素繊維シートが前記接着樹脂を介して接着されていない、炭素繊維プリフォーム。
3. 請求項１または請求項２に記載の炭素繊維プリフォームであって、
   前記部分通電層は、絶縁シートで構成され、
   前記通電領域は、前記絶縁シートを前記積層の方向に貫通する開口部を含む、炭素繊維プリフォーム。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の炭素繊維プリフォームであって、
   前記通電領域の面積は、前記炭素繊維シートの面積の１％より大きい、炭素繊維プリフォーム。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の炭素繊維プリフォームであって、
   前記通電領域の面積は、前記炭素繊維シートの面積の２０％以下である、炭素繊維プリフォーム。
6. 複数の炭素繊維シートが積層された炭素繊維強化プラスチックにおいて、
   前記炭素繊維シートよりも前記積層の方向についての電気抵抗が高い抵抗領域と、前記抵抗領域よりも前記積層の方向の電気抵抗が低い通電領域とが、前記積層の方向と直交する面方向に分布している部分通電層を、前記複数の炭素繊維シートのうち少なくとも１組の隣り合う炭素繊維シートの間の位置と、前記炭素繊維強化プラスチックの表層上の位置と、の少なくとも一方に、備えたことを特徴とする炭素繊維強化プラスチック。
7. 請求項６記載の炭素繊維強化プラスチックであって、
   前記部分通電層は、絶縁シートで構成され、
   前記通電領域は、前記絶縁シートを前記積層の方向に貫通する開口部を含む、炭素繊維強化プラスチック。
8. 請求項６または請求項７に記載の炭素繊維強化プラスチックであって、
   前記通電領域の面積は、前記炭素繊維シートの面積の１％より大きい、炭素繊維強化プラスチック。
9. 請求項６から請求項８のいずれかに記載の炭素繊維強化プラスチックであって、
   前記通電領域の面積は、前記炭素繊維シートの面積の２０％以下である、炭素繊維強化プラスチック。
10. 絶縁シートと、複数の炭素繊維シートとを、熱可塑特性を有する接着樹脂を介して積層した積層体を用意し、
    前記絶縁シートおよび前記複数の炭素繊維シートの積層体に電圧を印加するための電極として機能する、向かい合う２つの型で前記積層体を挟み込み、
    前記２つの型が有する型形状を前記積層体に転写する、炭素繊維プリフォームの製造方法において、
    前記絶縁シートとして、前記積層の方向に貫通する開口部が形成された絶縁シートを使用して、前記積層体を用意し、前記２つの型内に配置する工程と、
    前記２つの型により、前記積層体を前記積層の方向に加圧するとともに、前記２つの型に電圧を印加して前記積層体に電流を流し、前記複数の炭素繊維シートを発熱させることで、前記開口部を含む通電領域内および前記通電領域の周辺に対応する領域内で、前記接着樹脂を溶融および固着させて、前記複数の炭素繊維シート間を、前記接着樹脂を介して接着する工程と
    を備える、炭素繊維プリフォームの製造方法。
11. 請求項１０に記載の炭素繊維プリフォームの製造方法であって、
    前記複数の炭素繊維シート間を接着する工程は、前記通電領域以外の少なくとも一部の領域で、前記接着樹脂を溶融させない状態で実行される、炭素繊維プリフォームの製造方法。
12. 請求項１０または請求項１１に記載の炭素繊維プリフォームの製造方法であって、
    前記開口部の開口面積は、前記炭素繊維シートの面積の１％より大きい、炭素繊維プリフォームの製造方法。
13. 請求項１０から請求項１２のいずれかに記載の炭素繊維プリフォームの製造方法であって、
    前記開口部の開口面積は、前記炭素繊維シートの面積の２０％以下である、炭素繊維プリフォームの製造方法。

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