JPWO2014136876A1 - 炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料、及びそれを用いた成型体 - Google Patents

Abstract

熱可塑性樹脂であるために成型時間が短く、剛性、強度、熱伝導率のバランスに優れた複合材料を提供することを目的とする。一方向に配向した炭素繊維（Ａ）及び熱可塑性樹脂（Ｃ−１）を含む層（Ｉ）と、一方向に配向した炭素繊維（Ｂ）及び熱可塑性樹脂（Ｃ−２）を含む層（ＩＩ）とを有し、前記炭素繊維（Ａ）は、前記炭素繊維（Ｂ）よりも弾性率が高い炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料及びそれを用いた成型体である。

Description

本発明は、剛性と強度のバランスに優れた炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料と成型体に関する。
本願は、２０１３年３月７日に日本に出願された特願２０１３−４５３７４号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

炭素繊維複合材料、特に炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）は、軽量で且つ高強度であるという特徴から、航空機、自動車、スポーツ、レジャー及びその他各種工業用途に利用されている。また、炭素繊維複合材料は、それを構成する炭素繊維集束体の配向性によって特徴ある異方性光沢を有し、更に表面に塗装等の処理を施すことによって深みのある重厚な外観を与え、また導電性、Ｘ線透過性及び電磁波遮蔽性等の特徴を有している。一般に炭素繊維複合材料は、積層板やハニカムサンドイッチ板などの形態で各種工業用途に利用されている。しかしながら、その殆どはマトリックスとして熱硬化性樹脂を用いたものであるので、これらを成型するためには、樹脂の硬化反応を伴うような比較的成型時間の長い、すなわちオートクレーブ成型に代表されるような多量生産に向かない方法が用いられてきた。

一方、熱可塑性樹脂をマトリックスにするような複合材料及びその成型品も多く提案されている。例えば、特許文献１に開示された技術では一方向に引き揃えられた強化繊維と熱可塑性樹脂からなるプリプレグ及びそれを用いた構造材が提案されている。

また特許文献２では、特定のピッチ系炭素繊維（Ａ）よりなる一方向プリプレグと、ポリアクリロニトリル系炭素繊維である炭素繊維（Ｂ）よりなる一方向プリプレグを、組み合わせて積層して成型してなる炭素繊維強化樹脂複合材料が提案されており、実施例ではマトリックス樹脂として熱硬化性エポキシ樹脂が使用されている。

日本国特許第４３２４６４９号公報 日本国特許第２５５４８２１号公報

本発明は、上述の背景に鑑みて、上述した複合材料の利点を得つつ、成型時間をより短くし、多量生産等に向いた複合材料を得るものである。すなわち、本発明は、マトリックスが熱可塑性樹脂であるために成型時間が短く、剛性、強度、熱伝導率のバランスに優れた複合材料を提供するものである。

本発明の上記目的は、下記の本発明の各態様によって達成される。
（１） 一方向に配向した炭素繊維（Ａ）及び熱可塑性樹脂（Ｃ−１）を含む層（Ｉ）と、一方向に配向した炭素繊維（Ｂ）及び熱可塑性樹脂（Ｃ−２）を含む層（ＩＩ）とを有し、前記炭素繊維（Ａ）は、前記炭素繊維（Ｂ）よりも弾性率が高い炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。
（２） 前記炭素繊維（Ａ）の弾性率が３５０ＧＰａ以上で、前記炭素繊維（Ｂ）の弾性率が２００ＧＰａ以上３５０ＧＰａ未満である（１）に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。
（３） 前記炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料の厚みに対して１／３以下を前記層（Ｉ）が占める（１）又は（２）に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。
（４） 前記炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料の少なくとも片側の表面から前記炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料の厚みの１０％を占める部位において、前記部位の厚みに対して１／３以上を前記層（Ｉ）が占める（１）から（３）のいずれか１項に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。
（５） 前記炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料の両側の表面から前記炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料の厚みの１０％を占める部位について、前記部位のそれぞれの厚みのうち１／３以上を前記層（Ｉ）が占める（４）に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。
（６） 前記炭素繊維（Ｂ）はポリアクリルニトリル系炭素繊維である（１）〜（５）のいずれか１項に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。
（７） 前記炭素繊維（Ａ）はピッチ系炭素繊維である（１）〜（５）のいずれか１項に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。
（８） 前記炭素繊維（Ａ）はピッチ系炭素繊維であり、かつ、前記炭素繊維（Ｂ）はポリアクリルニトリル系炭素繊維である（１）〜（５）のいずれか１項に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。
（９） 前記層（Ｉ）の厚さが０．１〜０．３ｍｍである（１）〜（８）のいずれか１項に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。
（１０） 前記炭素繊維（Ａ）の熱伝導率が２０Ｗ／ｍＫ以上６００Ｗ／ｍＫ以下で、前記炭素繊維（Ｂ）の熱伝導率が３Ｗ／ｍＫ以上２０Ｗ／ｍＫ未満である（１）から（９）のいずれか１項に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。
（１１） 前記炭素繊維（Ａ）は連続した炭素繊維であり、前記炭素繊維（Ｂ）の平均繊維長が１０〜５０ｍｍである（１）から（１０）のいずれか１項に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。
（１２） 炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料は、３点曲げ試験において最大荷重の７０％の荷重を加えた後の弾性率が前記荷重を加える前の弾性率に比べて２０〜６０％である（１）から（１１）のいずれか１項に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。
（１３） 炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料は、２００ｍｍ×３２０ｍｍの試料板の略中央部に１０Ｎの荷重をかけた場合の前記荷重をかけた部位の移動量が０．８８ｍｍとなる場合の前記試料板の重量である等価剛性重量が８０〜９２ｇである（１）から（１２）のいずれか１項に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。
（１４） 少なくとも２層の前記層（Ｉ）の間に少なくとも１層の前記層（ＩＩ）が挟まれてなる（１）から（１３）のいずれか１項に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。
（１５） 少なくとも２層の前記層（Ｉ）の間に２層以上の前記層（ＩＩ）が挟まれてなる（１４）に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。
（１６） 前記層（Ｉ）及び層（ＩＩ）が重ねられてなり、前記層（Ｉ）と層（ＩＩ）とが直接重なった二層において、それぞれの層に含まれる炭素繊維の繊維方向が互いに略直交している（１）から（１５）のいずれか１項に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。
（１７） （１）から（１６）のいずれか１項に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料を熱成型してなる成型体。
（１８） いずれかの面の表面に高さ３ｍｍ以上の凸部を有する（１７）に記載の成型体。
（１９） （１７）又は（１８）に記載の成型体を含む電子機器筐体用部材。

また、本発明の別の側面は、以下の態様を有する。
（２０） 一方向に配列したピッチ系炭素繊維（Ａ１）と熱可塑性樹脂（Ｃ−１）からなる層と、一方向に配列したポリアクリロニトリル系炭素繊維（Ｂ１）と熱可塑性樹脂（Ｃ−２）からなる層を有する炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。
（２１） （２０）に記載の複合材料からなる成型体。
（２２） 一方向に配列したピッチ系炭素繊維（Ａ１）と熱可塑性樹脂（Ｃ−１）からなる熱可塑性プリプレグと、一方向に配列したポリアクリロニトリル系炭素繊維（Ｂ１）と熱可塑性樹脂（Ｃ−２）からなる熱可塑性プリプレグを組み合わせて積層する事を特徴とする（２０）に記載の複合材料の製造方法。

本発明により、剛性、強度、熱伝導率のバランスに優れた成型体を、短い成型時間で得る事が可能となる。

本発明の実施形態に係る炭素繊維強化熱構成樹脂複合材料を示す概略斜視図である。 本発明の実施形態に係る炭素繊維強化熱構成樹脂複合材料及びそれを成型した成型体を示す概略斜視図である。 本発明の実施形態に係る電子機器筐体用部材の一例を示す概略斜視図である。

以下、実施形態を示して本発明を具体的に説明する。

本実施形態に係る炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料は、一方向に配向した炭素繊維（Ａ）及び熱可塑性樹脂（Ｃ−１）を含む層（Ｉ）と、一方向に配向した弾性率が前記炭素繊維（Ａ）よりも小さい炭素繊維（Ｂ）及び熱可塑性樹脂（Ｃ−２）を含む層（ＩＩ）とを有する。
本実施形態では、図１に示すように、炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料１は、層（Ｉ）２Ａ及び２Ｂと、層（ＩＩ）３を備えてなる。図に示した例では、炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料１の両面の表面が層（Ｉ）２Ａ及び２Ｂを備え、その層（Ｉ）２Ａ及び２Ｂの間に２以上（図に示した例では６層）の層（ＩＩ）３が挟まれてなる。
以下、各層の構成について説明する。

（層（Ｉ））
層（Ｉ）は、一方向に配向した炭素繊維（Ａ）及び熱可塑性樹脂（Ｃ−１）を含む。本実施形態において、一方向に配向したとは、炭素繊維等の繊維からなる素材において、繊維の長尺の方向がほぼ平行であることである。ほぼ平行であるとは、具体的には、層（Ｉ）、層（ＩＩ）等の層が含有する後述する繊維のうち９０〜１００％の長尺の方向が−５°〜＋５°の範囲内に収まっていることであり、好ましくは層に含まれる炭素繊維のうち、９５〜１００％の長尺の方向が−２°〜＋２°の範囲に収まっていることである。
本実施形態では特に、後述するプリプレグの製造方法において、繊維をよせあわせた繊維束に張力をかけることにより方向をほぼ揃えてある（この状態を、繊維が一方向に引き揃えられている、ともいう）ことが好ましい。

本実施形態の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料に用いることができる炭素繊維（Ａ）は、後述する炭素繊維（Ｂ）よりも弾性率が高いものを用いる。本実施形態の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料は、弾性率が高い層と、より弾性率が低く強度が高めの層を積層することで、弾性率と強度のバランスに優れるという効果がある。ここで炭素繊維の弾性率とは、ＪＩＳ Ｒ７６０８：２００７（ＩＳＯ１６０１８：２００４）のＢ法により測定される炭素繊維の引張弾性率である。

炭素繊維（Ａ）の弾性率は、３５０ＧＰａ以上であることが好ましい。また、炭素繊維（Ａ）の弾性率は４００ＧＰａ以上がさらに好ましく、６００ＧＰａ以上が特に好ましい。このような炭素繊維を用いることにより、本実施形態の効果を有効に発揮する。引張弾性率の上限は実質的に規定されるものではなく、弾性率の高いものほど本実施形態が有効に効果を発揮するが、目安としては、９００ＧＰａ以下が挙げられる。炭素繊維（Ａ）の弾性率は、設計上、製造上の都合等により選択すればよい。また、炭素繊維（Ａ）の強度（引張強度）は２０００ＭＰａ以上が好ましい。ここで炭素繊維の強度とは、ＪＩＳ Ｒ７６０８：２００７（ＩＳＯ１６０１８：２００４）により測定される引張強さである。

本実施形態の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料に用いられる炭素繊維（Ａ）は、ピッチ系炭素繊維であることが好ましい。ここでピッチ系炭素繊維であるとは、「メソフェーズピッチすなわち石油タール、石炭タール等を処理して生じた部分的に液晶構造を示す樹脂、または、人工的に合成されたメソフェーズピッチを紡糸して、不融化して、さらに炭化させて生成した、黒鉛結晶構造が繊維軸方向に高度に発達した実質的に炭素のみからなるフィラメント繊維」を主たる成分として構成される繊維の集合体であることを意味する。ピッチ系炭素繊維は、弾性率が高く熱膨張が少ないといった利点がある。さらに、後述するように、層（Ｉ）の炭素繊維（Ａ）にピッチ系炭素繊維を用い、これと併用して層（ＩＩ）の炭素繊維（Ｂ）にポリアクリロニトリル系炭素繊維を用いることで、本実施形態の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料は高い曲げ弾性率、曲げ強さを示す。炭素繊維（Ａ）は、実質的に「メソフェーズピッチすなわち石油タール、石炭タール等を処理して生じた部分的に液晶構造を示す樹脂、または、人工的に合成されたメソフェーズピッチを紡糸して、不融化して、さらに炭化させて生成した、黒鉛結晶構造が繊維軸方向に高度に発達した実質的に炭素のみからなるフィラメント繊維」のみから構成される繊維の集合体であることがさらに好ましい。

炭素繊維（Ａ）は、繊維の長さ方向の熱伝導率が２０Ｗ／ｍＫ以上６００Ｗ／ｍＫ以下であることが好ましい。熱伝導率がこの範囲であることで、層（Ｉ）の一部に与えられた熱を層（Ｉ）に含まれる炭素繊維（Ａ）の繊維の長さ方向に拡散し易いという効果がある。ここで熱伝導率は、温度勾配に沿って生じる、温度勾配当たりの熱流束の大きさとして定義され、レーザーフラッシュ法、定常熱流法、熱線法などの方法により測定される値である。

また、炭素繊維（Ａ）の破断伸びは、１．５％以下が好ましく、１．０％以下がさらに好ましい。炭素繊維の破断伸びがこの範囲のものであれば、工業的に製造する事が可能である。ここでいう炭素繊維の破断伸びとは、炭素繊維の強度を炭素繊維の弾性率で除して得られる値である。炭素繊維（Ａ）の破断伸びは、目安としては０．３％以上の値があり得る。

炭素繊維（Ａ）を構成するフィラメント繊維の最大フェレ径を炭素繊維（Ａ）の直径とした場合、炭素繊維（Ａ）の直径は、４μｍ以上１５μｍ以下である事が好ましい。さらに好ましくは７μｍ以上１１μｍ以下である。１５μｍを超える直径では取扱いの上で不利であり、また４μｍ未満の直径では炭素繊維の製造が困難である。

炭素繊維（Ａ）を構成するフィラメント繊維の長尺方向の長さは、２ｍｍ以上が好ましく、１０ｍｍ以上がさらに好ましい。炭素繊維（Ａ）を構成するフィラメント繊維が短すぎる場合には、十分な剛性（ここで剛性は、主には後述する等価剛性重量を目安として表されるものを指す）、強度、熱伝導率が得られない場合がある。また、連続繊維でない場合の目安として、長さは５０ｍｍ以下が好ましい。

炭素繊維（Ａ）は、連続した炭素繊維であることが好ましい。連続した炭素繊維であるとは、複合材料の端部から端部まで炭素繊維を構成するフィラメント繊維がほぼ連続した状態として定義される。
炭素繊維（Ａ）の形態は、上述の形態であればいかなる形態であってもよく、例えば針状、糸状の形態で、層（Ｉ）内で一方向に配向するようになっていてもよい。本実施形態では、炭素繊維（Ａ）を構成するフィラメント繊維は直径が４μｍ以上、１５μｍ以下程度で、長さが１ｍｍ以上のいわゆる糸状で、別の箇所に後述するように、一方向に引き揃えられて平面状に配列され、プリプレグを形成している。炭素繊維（Ａ）を構成するフィラメント繊維の長さは１ｍｍ以上であれば、長い方が良いが、複合材料の端部から端部の最大の長さによって制限を受ける。

以上のような性質を有する炭素繊維（Ａ）として好適に用いられている市販品としては、ダイアリード（登録商標）Ｋ１３５２Ｕ、Ｋ１３９２Ｕ、Ｋ１３Ｃ２Ｕ、Ｋ１３Ｄ２Ｕ、Ｋ１３３１２、Ｋ６３７１２、Ｋ６３Ａ１２（以上、商品名、三菱樹脂社製）などが挙げられる。

本実施形態に係る炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料は、層（Ｉ）に熱可塑性樹脂（Ｃ−１）を含む。
本実施形態における熱可塑性樹脂（Ｃ−１）として用いることができる熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリスチレン、（メタ）アクリル酸エステル／スチレン共重合体、アクリロニトリル／スチレン共重合体、スチレン／無水マレイン酸共重合体、ＡＢＳ、ＡＳＡ若しくはＡＥＳ等のスチレン系樹脂；ポリメタクリル酸メチル等のアクリル系樹脂；ポリカーボネート系樹脂；ポリアミド系樹脂；ポリエチレンテレフタレート若しくはポリブチレンテレフタレート等のポリエステル系樹脂；ポリフェニレンエーテル系樹脂；ポリオキシメチレン系樹脂；ポリスルフォン系樹脂；ポリアリレート系樹脂；ポリフェニレンスルフィド系樹脂；熱可塑性ポリウレタン系樹脂；ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン、ポリ−４−メチルペンテン、エチレン／プロピレン共重合体若しくはエチレン／ブテン共重合体等のポリオレフィン系樹脂；エチレン／酢酸ビニル共重合体、エチレン／（メタ）アクリル酸エステル共重合体、エチレン／無水マレイン酸共重合体若しくはエチレン／アクリル酸共重合体等のα−オレフィンと各種単量体との共重合体類；ポリ乳酸、ポリカプロラクトン若しくは脂肪族グリコール／脂肪族ジカルボン酸共重合体等の脂肪族ポリエステル系樹脂；又は、生分解性セルロース、ポリペプチド、ポリビニルアルコール、澱粉、カラギーナン若しくはキチン・キトサン質等の生分解性樹脂が挙げられる。強度と加工性の観点から、結晶性樹脂が好ましく、さらに好ましくはポリプロピレン又はポリアミド系樹脂である。熱可塑性樹脂（Ｃ−１）には、さらに必要に応じて、種々の樹脂添加剤を配合する事ができる。樹脂添加剤としては、例えば着色剤、酸化防止剤、金属不活性剤、カーボンブラック、造核剤、離型剤、滑剤、帯電防止剤、光安定剤、紫外線吸収剤、耐衝撃性改質剤、溶融張力向上剤又は難燃剤等が挙げられる。

本実施形態の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料で用いることができる一方向に配向した炭素繊維（Ａ）及び熱可塑性樹脂（Ｃ−１）を含む層（Ｉ）は、例えば、熱可塑性樹脂（Ｃ−１）内に、炭素繊維（Ａ）が一方向に配向しつつ分散していてもよいし、炭素繊維（Ａ）が配向した隙間に熱可塑性樹脂（Ｃ−１）が充填されていてもよい。本実施形態では、一方向に引き揃えられて平面状に配列された炭素繊維（Ａ）に熱可塑性樹脂（Ｃ−１）が含浸されてなる層として、シート状プリプレグであることが好ましい。
層（Ｉ）に含まれる炭素繊維の含有割合は、層（Ｉ）の全体体積に対して、２５〜６５体積％が好ましく、さらに好ましくは３０〜６０体積％である。この範囲内である事で、剛性、強度、熱伝導率のバランスに優れた成型体を得る事が可能となる。層（Ｉ）の厚さに特に制限は無いが、賦形性と強度向上効果を兼ね備える観点から、５０〜３００μｍが好ましく、さらに好ましくは１００〜２００μｍである。

（層（ＩＩ））
本実施形態の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料は、層（ＩＩ）に炭素繊維（Ｂ）を含む。炭素繊維（Ｂ）は、上述したように一方向に配向している。

前記炭素繊維（Ｂ）の弾性率は、２００ＧＰａ以上、３５０ＧＰａ未満であることが好ましい。この場合、前記したように炭素繊維（Ａ）の弾性率が３５０ＧＰａ以上であるときに、層（Ｉ）と層（ＩＩ）の弾性率と強度のバランスがとれる。より具体的には、本実施形態の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料である一方向強化ＣＦＲＰは、その圧縮強さと最大圧縮ひずみの両方を、強化繊維として前記炭素繊維（Ａ）のみを用いた一方向強化ＣＦＲＰの圧縮強さと最大圧縮ひずみよりも高くすることができる。ここで一方向強化ＣＦＲＰの圧縮強さとは、圧縮試験中に試験片に加わる最大の圧縮応力と定義され、ＪＩＫ７０７６：１９９１（炭素繊維強化プラスチックの面内圧縮試験方法）により測定される圧縮強さである。最大圧縮ひずみとは、圧縮強さに対応する圧縮ひずみとして定義され、同じくＪＩＫ７０７６により測定される最大圧縮ひずみである。炭素繊維（Ａ）と炭素繊維（Ｂ）の弾性率及び強度のさらに具体的な値は、本実施形態の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料である一方向強化ＣＦＲＰの圧縮強さと最大圧縮ひずみのバランスから決定することが特に好ましい。具体的には、強化繊維として前記炭素繊維（Ｂ）のみを用いた一方向強化ＣＦＲＰの圧縮強さと最大圧縮ひずみが、強化繊維として前記炭素繊維（Ａ）のみを用いた一方向強化ＣＦＲＰに比べて１．５倍以上の関係にあることである。

本実施形態の炭素繊維（Ｂ）は、ポリアクリロニトリル系炭素繊維であることが好ましい。ここでポリアクリロニトリル系炭素繊維であるとは、「アクリロニトリルを主成分として重合させたポリアクリルニトリル系樹脂からなる繊維を、不融化させて、さらに炭化させて生成した実質的に炭素のみからなるフィラメント繊維」を主たる成分として構成される繊維の集合体であることを意味する。ポリアクリロニトリル系炭素繊維は、低密度及び高比強度といった利点がある。このとき、前述した炭素繊維（Ａ）にピッチ系炭素繊維を用いた場合に、本実施形態の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料は高い曲げ弾性率、曲げ強さを示す。炭素繊維（Ｂ）は、実質的に「アクリロニトリルを主成分として重合させたポリアクリルニトリル系樹脂からなる繊維を、不融化させて、さらに炭化させて生成した実質的に炭素のみからなるフィラメント繊維」のみから構成される繊維の集合体であることがさらに好ましい。

炭素繊維（Ｂ）の形態は、上述の炭素繊維（Ａ）において説明した形態のものであればいかなる形態であってもよく、例えば針状、糸状の形態で、層（ＩＩ）内で一方向に配向するようになっていてもよい。

本実施形態の炭素繊維（Ｂ）を構成するフィラメント繊維の最大フェレ径を炭素繊維（Ｂ）の直径とした場合、炭素繊維（Ｂ）の直径が炭素繊維（Ａ）の直径よりも小さいものが好ましい。炭素繊維（Ｂ）の直径は１μｍ以上２０μｍ以下が好ましく、４μｍ以上１５μｍ以下がさらに好ましく、特に好ましくは５μｍ以上８μｍ以下である。

炭素繊維（Ｂ）を構成するフィラメント繊維の繊維長は、１ｍｍ以上である。さらに前記繊維長は２ｍｍ以上が好ましく、さらに好ましくは１０ｍｍ以上である。炭素繊維（Ｂ）を構成するフィラメント繊維が短すぎる場合には、十分な剛性、強度が得られない場合がある。特に、また、連続繊維でない場合の目安としては、炭素繊維（Ｂ）を構成するフィラメント繊維の平均繊維長は１００ｍｍ以下であることが好ましく、さらに好ましくは５０ｍｍ以下である。ここで平均繊維長は炭素繊維を構成するフィラメント繊維のそれぞれの長さを光学顕微鏡等で測定し、各フィラメント繊維の繊維長の二乗の総和を各フィラメント繊維の繊維長の総和で除するという方法により測定される値である。

炭素繊維（Ｂ）は、熱伝導率が３Ｗ／ｍＫ以上２０Ｗ／ｍＫ未満であることが好ましい。熱伝導率がこの範囲であることで、層（ＩＩ）の一部に与えられた熱を層（ＩＩ）に含まれる炭素繊維（Ｂ）の繊維の長さ方向に拡散し易いという効果がある。

炭素繊維（Ｂ）としては市販品を用いても良く、パイロフィル（登録商標）ＴＲ３０Ｓ ３Ｌ、ＴＲ５０Ｓ ６Ｌ、ＴＲＨ５０ １２Ｌ、ＴＲＨ５０ １８Ｍ、ＴＲ５０Ｓ １２Ｌ、ＴＲ５０Ｓ １５Ｌ、ＭＲ４０ １２Ｍ、ＭＲ６０Ｈ ２４Ｐ、ＭＳ４０ １２Ｍ、ＨＲ４０ １２Ｍ、ＨＳ４０ １２Ｐ、Ｐ３３０ ６０Ｋ、ＷＣＦ ５０Ｋ（以上、製品名、三菱レイヨン社製）などが挙げられる。

本実施形態の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料は、層（ＩＩ）に熱可塑性樹脂（Ｃ−２）を含む。
本実施形態の熱可塑性樹脂（Ｃ−２）は、上述の熱可塑性樹脂（Ｃ−１）に用いることのできる熱可塑性樹脂として例示したものから選択してよく、熱可塑性樹脂（Ｃ−１）と異なる樹脂でも構わない。しかし、熱可塑性樹脂（Ｃ−１）と熱可塑性樹脂（Ｃ−２）とは、相溶性に優れた組み合わせのものを選択することが好ましい。相溶性に優れた組み合わせとは、溶解度パラメーター（ＳＰ値）の差が１．０（Ｊ／ｃｍ^３）^０．５以下である組み合わせが挙げられる。溶解度パラメーターは、Ｆｅｄｏｒｓ、Ｖａｎ Ｋｒｅｖｅｌｅｎなどの方法により求める事が可能であり、何れかの方法を用いる事ができる。また、熱可塑性樹脂として、ブロック共重合体やグラフト共重合体などの共重合体を用いる場合には、各共重合体の何れかの部分構造の溶解度パラメーターの差が１．０（Ｊ／ｃｍ^３）^０．５以下であれば、相溶性に優れる。
加えて、本実施形態の熱可塑性樹脂（Ｃ−２）は、熱可塑性樹脂（Ｃ−１）と同一の化合物を用いる事がさらに好ましい。

本実施形態の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料で用いることができる一方向に配向した炭素繊維（Ｂ）及び熱可塑性樹脂（Ｃ−２）を含む層（ＩＩ）は、例えば、熱可塑性樹脂（Ｃ−２）内に、炭素繊維（Ｂ）が一方向に配向しつつ分散していてもよいし、炭素繊維（Ｂ）が配向した隙間に熱可塑性樹脂（Ｃ−２）が充填されていてもよい。本実施形態では、一方向に引き揃えられて平面状に配列された炭素繊維（Ｂ）に熱可塑性樹脂（Ｃ−２）が含浸されてなるシート状プリプレグであることが好ましい。
層（ＩＩ）に含まれる炭素繊維の含有割合は、層（ＩＩ）の全体体積に対して、２５〜６５体積％が好ましく、さらに好ましくは３０〜６０体積％である。この範囲内である事で、剛性、強度、熱伝導率のバランスに優れた成型品を得る事が可能となる。層（ＩＩ）の厚さ、すなわち他の層と重ねる方向の長さに特に制限は無いが、賦形性と強度向上効果を兼ね備える観点から、５０〜３００μｍが好ましく、さらに好ましくは１００〜２００μｍである。

本実施形態の層（ＩＩ）は、表面にスリット（切込）を有していてもよい。スリットとは、各層の強化繊維を横切る方向に該層の厚みを貫通する深さの切れ目状の構造である。スリットは各層の強化繊維を切断するように設けられていてもよい。スリットは長さが１０〜１００ｍｍが好ましい。スリットは層（ＩＩ）の５ｃｍ×５ｃｍの表面に対してスリット長の総和が５ｃｍ以上、４０ｃｍ以下が好ましい。スリットは、その長さ方向が層（ＩＩ）の炭素繊維（Ｂ）の繊維の方向に対して平行でなく、３０〜６０°をなしていてもよいが、約４５°（４２〜４８°）の角度をなしていることが特に好ましい。層（ＩＩ）がスリットを有することで、炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料を後述の成型体とする際に成型性が向上する、具体的には高さ３ｍｍ以上の凸部を成形可能になるという効果が得られる。強化繊維がスリットにより短く切断されている場合には、成形の際に熱可塑性樹脂と共に強化繊維が移動しやすいので、層（ＩＩ）の成形性がさらに高まる。

（炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料の構造）
本実施形態の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料は、上述した層（Ｉ）及び層（ＩＩ）を有する。

本実施形態の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料は、炭素繊維（Ａ）及び熱可塑性樹脂（Ｃ−１）を含む層（Ｉ）と、炭素繊維（Ｂ）及び熱可塑性樹脂（Ｃ−２）を含む層（ＩＩ）とを有する。炭素繊維（Ａ）はピッチ系炭素繊維（Ａ１）、炭素繊維（Ｂ）はポリアクリロニトリル系炭素繊維（Ｂ１）であることが好ましい。ピッチ系炭素繊維（Ａ１）とポリアクリロニトリル系炭素繊維（Ｂ１）は、その物性が著しく異なるので、その目的に応じて積層構成を設計する事が可能である。例えば、ピッチ系炭素繊維（Ａ１）と熱可塑性樹脂（Ｃ−１）からなる層を外層、ポリアクリロニトリル系炭素繊維（Ｂ１）と熱可塑性樹脂（Ｃ−２）からなる層を内層とするため、ピッチ系炭素繊維（Ａ１）の使用量が少ないにも関わらず、複合材料の剛性が高い。

本実施形態の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料は、炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料の厚みのうち１／３以下を前記層（Ｉ）が占めることが好ましい。前記厚みのうち１／３を超える厚みを層（Ｉ）が占めていると、炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料の弾性率と強度のバランスをとることができず、特に弾性率は高いが強度が不足してしまうことがある。特に、前記厚みのうち１／４以下を層（Ｉ）が占めていることが好ましい。例えば、層（Ｉ）の１層の厚みと層（ＩＩ）の１層の厚みが等しい場合、炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料が層（Ｉ）を２層、層（ＩＩ）を６層以上（例えば６〜１６層）含む構成であってもよい。

本実施形態の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料は、少なくとも片側の表面から前記炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料の厚みの１０％を占める部位について、前記部の厚みのうち１／３以上を層（Ｉ）が占めていることが好ましい。すなわち、炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料の最も表面が層（Ｉ）である必要はないが、表面から計測して１０％までの厚みの部位に層（Ｉ）が含まれていることが好ましく、この部位のうち１／３以上を層（Ｉ）が占めていることが好ましい。表面に近い部位について、この部位に弾性率の高い層（Ｉ）が含まれ、その占める割合が１／３以上であることで、弾性率と強度のバランスを良好に発揮することができ、また、炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料が表面から加えられる衝撃等に対して強くなる。前記層（Ｉ）が占める部位は前記１０％までの厚みの部位の１／２以上であることがさらに好ましく、２／３以上であっても特に好ましい。例えば、炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料の表面から１０％は表面から順番に後述の保護層、層（Ｉ）及び層（ＩＩ）の一部が占め、このうち層（Ｉ）が厚みの２／３以上を占めているという構成であってもよい。

また、本実施形態の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料は、両側の表面について、上述の前記炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料の厚みの１０％を占める部位について、前記部の厚みのうち１／３以上を層（Ｉ）が占めていることが好ましい。両側の表面近くの層（Ｉ）がある程度含まれることで、弾性率と強度のバランスをさらに良好に発揮することができ、両面において衝撃等に対して強くなる。

本実施形態の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料に含まれる層（Ｉ）は、厚みよりも幅と長さが大きいシート状であれば、平面、円筒面、三次元曲面等どのような形状であってもよい。層（Ｉ）の大きさについては、幅と長さは炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料の用途に応じて特に制限されないが、厚みは０．１〜０．３ｍｍであることが好ましい。弾性率の高い炭素繊維（Ａ）を用いた層（Ｉ）がこの厚みの範囲であることで、弾性率を良好に発揮できる。層（ＩＩ）の形状及び大きさについては、上述の層（Ｉ）のものと同様に適宜選択できる。

本実施形態の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料は、少なくとも２層の層（Ｉ）の間に少なくとも１層の層（ＩＩ）が挟まれてなることが好ましい。特に、層（Ｉ）の間に２以上の前記層（ＩＩ）が挟まれてなることが好ましい。複数層の層（ＩＩ）が両表面の層（Ｉ）に挟まれてなることで、炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料に層（ＩＩ）による高い強度が得られると共に、この材料の表面では層（Ｉ）による高い剛性が得られるとともに、表面から加えられる衝撃による破損が起こりにくい。図に示した例では層（Ｉ）２Ａ及び２Ｂの間に６層の層（ＩＩ）３が挟まれている。さらに高い強度を得るには７〜１８層、例えば１６層の層（ＩＩ）を有していてもよい。

なお、この他に、材料内における層（Ｉ）及び層（ＩＩ）の構成は、所望に応じて決定する事が可能であり、全面を同じ積層構成としても構わないし、部分的に層（Ｉ）または層（ＩＩ）が多くなるように積層しても構わない。また、連続繊維からなる層（Ｉ）または層（ＩＩ）を積層する構成、層（Ｉ）または層（ＩＩ）にスリットを入れたものを積層する構成、層（Ｉ）または層（ＩＩ）からなるバンドルをランダムに配置する構成などをとってもよい。

さらに、上述の層（Ｉ）及び層（ＩＩ）は、隣り合う層の炭素繊維の繊維方向が略直交していることが好ましい。略直交とは、繊維が互いにおよそ９０°をなすように交差していることで、具体的には８５〜９５°程度であってもよい。図に示した例では、図の上側の表面に配置されている層（Ｉ）２Ａの繊維２１の方向が、隣り合っている、すなわち直下の層（ＩＩ）３の繊維３１Ａの方向と直交している。繊維３１Ａの方向は、隣り合っている、その直下の層（ＩＩ）３の繊維３１Ｂの方向と直交している。以下の層の繊維の方向についても同様である。
繊維の方向が略直交していることで、それぞれの曲げ方向の力が加わることに対して強度及び弾性が最大限に発揮できる。層（ＩＩ）の複数層、特に７〜１８層が積層されている場合は、隣り合う層の炭素繊維の繊維方向が略直交している層が多数存在することで強度及び弾性が高まる効果がさらに大きくなる。なお、製造過程を簡略化するため等の目的によっては、隣り合う層の炭素繊維の繊維方向が略平行であってもよい。

本実施形態の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料は、層（Ｉ）及び層（ＩＩ）の他に適宜他の素材による層を有していてもよい。例えば、上述の両表面のそれぞれの層（Ｉ）のさらに表面に、層（ＩＩ）と同様の素材による保護層、又は、樹脂等のコーティングによる保護層を有していてもよい。層（Ｉ）の表面に保護層を有することで、表面に加えられる衝撃や引っ掻き等に対して層（Ｉ）がさらに破損しにくい。保護層の素材としては、ウレタン塗料、アクリル塗料、アクリル樹脂フィルム、ポリカーボネート樹脂フィルム、ナイロン樹脂フィルム、ポリプロピレン樹脂フィルム等が挙げられる。
保護層の他に、これらの層（Ｉ）及び層（ＩＩ）以外の選択的な層の素材としては、加飾フィルム、導電塗装、メッキ等が挙げられる。

本実施形態の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料は、３点曲げ試験において最大荷重の７０％の荷重を加えた後の試験片の弾性率が初期弾性率の２０〜６０％であることが好ましい。ここで、３点曲げ試験は例えばＡＳＴＭ Ｄ７９０などの規定により３点曲げについて試験を行い測定した結果を指す。
本実施形態の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料は、この特性を満たすことで、破損の予見が容易となるという効果がある。すなわち、最大荷重の７０％などの、炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料が完全に破壊されない程度の一定荷重が加わると、強度が低い層（Ｉ）が先に破損することで、弾性率が高い層（Ｉ）の効果が失われ、炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料の弾性率が低下する。
特に、炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料が上述のように表面近くの一定の厚みを層（Ｉ）が占めている場合、最大荷重より低い一定荷重がかかった時点で表面近くの層（Ｉ）が破損したことが表面近くの観察により判明するので、最大荷重によって炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料が破損するより前に破損を予見することができる。このため、炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料を用いた成型体や部品について、部分的な破損を検知でき、早期に交換などの対処を行うことが可能となる。

本実施形態の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料は、２００ｍｍ×３２０ｍｍの試料板の中央部に１０Ｎの荷重をかけた場合の前記試料板の前記荷重をかけた部位の移動量が０．８８ｍｍとなる試料板の重量である等価剛性重量が８０〜９２ｇであることが好ましい。２００ｍｍ×３２０ｍｍとは、例えば０°方向２００ｍｍ、９０°方向３２０ｍｍであることである。この測定の際には試料板の周囲四方は移動しないよう完全拘束されていることが好ましい。荷重をかけた部位の移動量は、主に中央部が荷重にしたがって荷重方向に移動した量であり、試料板の変形量ともいう。等価剛性重量は、試料板の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料を構成する各層の、炭素繊維の方向、炭素繊維の体積含有率、樹脂含有率、空隙率を一定に、また、各層の単位面積当たりに含まれる炭素繊維の質量（以下、ＦＡＷという。）の各層間の比率を一定とするという質的拘束条件のもとで定まる。本実施形態では、試料板の０°方向と９０°方向のそれぞれについて３点曲げ試験により得られる弾性率を用いて０°方向２００ｍｍ、９０°方向３２０ｍｍ、厚み１ｍｍの試料板の周囲四方を固定（完全拘束）し、略中央に１０Ｎを負荷した際の変形量を計算する。上記の質的拘束条件のもとでは試料板の剛性は厚さの３乗に比例することを利用して変形量が０．８８ｍｍとなる厚さを求め、その厚さの２００ｍｍ×３２０ｍｍ寸法の試料板の重量を算出し等価剛性重量とている。但し、便宜的に、せん断弾性率を２ＧＰａ、ポアソン比を０．３として計算している。
このようにして得られる等価剛性重量が８０〜９２ｇであると、炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料の重量あたりの剛性が高く、すなわち、軽量化効果が高いため好ましい。

本実施形態の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料は、中間材料として用いる事が可能である。本実施形態の複合材料を加熱、賦形、冷却する事で所望の形状を得る事が可能である。この加熱、賦形、冷却のプロセスは一段階である必要は無く、必要に応じて繰り返し実施し、より複雑な構造を形成する事も可能である。また、切削や切断などの機械加工を行なっても良い。

本実施形態の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料は、上述の層（Ｉ）の炭素繊維（Ａ）と上述の層（ＩＩ）の炭素繊維（Ｂ）をいずれも含む事で、剛性、強度及び熱伝導率のバランスに優れた複合材料となる。また、この炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料は、熱可塑性樹脂を含むため、熱成型が可能であるという利点がある。

（炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料の製造方法）
本実施形態の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料の製造方法は、一方向に配向した炭素繊維（Ａ）及び熱可塑性樹脂（Ｃ−１）を含む熱可塑性プリプレグ（Ｉ）と、一方向に配向した炭素繊維（Ｂ）及び熱可塑性樹脂（Ｃ−２）を含む熱可塑性プリプレグ（ＩＩ）を組み合わせて積層し、炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料を得る。
本実施形態では、炭素繊維（Ａ）としては上述のピッチ系炭素繊維を用い、炭素繊維（Ｂ）としてはポリアクリロニトリル系炭素繊維を用いることができる。

本実施形態の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料に用いることができる熱可塑性プリプレグ（Ｉ）は、炭素繊維（Ａ）及び熱可塑性樹脂（Ｃ−１）を含むものであれば良いが、炭素繊維（Ａ）の集合体に熱可塑性樹脂（Ｃ−１）が含浸しているものが好ましい。このプリプレグ（Ｉ）の製造方法は、例えば炭素繊維（Ａ）と熱可塑性樹脂（Ｃ−１）とを加熱及び加圧する方法を用いる。加熱及び加圧は一般に２００〜３００℃で行い、加熱ロール、ダブルベルトプレスのような装置を用いて行う。
さらに具体的なプリプレグ（Ｉ）の製造方法は以下のようなものである。
（１ａ）一方向に引き揃えた炭素繊維（Ａ）に、熱可塑性樹脂（Ｃ−１）のフィルムを積層し、加熱・加圧を行なう方法、
（１ｂ）一方向に引き揃えた炭素繊維（Ａ）に、熱可塑性樹脂（Ｃ−１）の不織布を積層し、加熱・加圧を行なう方法、
（１ｃ）一方向に引き揃えた炭素繊維（Ａ）に、熱可塑性樹脂（Ｃ−１）の溶融体を塗布する方法、
（１ｄ）一方向に引き揃えた炭素繊維（Ａ）に、熱可塑性樹脂（Ｃ−１）の溶液を塗布した後に溶媒を除去する方法、
（１ｅ）炭素繊維（Ａ）と熱可塑性樹脂（Ｃ−１）繊維のコミングル繊維を一方向に引き揃え、加熱・加圧を行なう方法、
などが挙げられる。生産性と機械特性のバランスから、上述の（１ａ）、（１ｂ）又は（１ｃ）の方法を用いるのが好ましい。

本実施形態の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料に用いることができる熱可塑性プリプレグ（ＩＩ）は、炭素繊維（Ｂ）及び熱可塑性樹脂（Ｃ−２）を含むものであれば良いが、炭素繊維（Ｂ）の集合体に熱可塑性樹脂（Ｃ−２）が含浸しているものが好ましい。このプリプレグ（ＩＩ）の製造方法は、例えば炭素繊維（Ｂ）と熱可塑性樹脂（Ｃ−２）とを加熱及び加圧する方法を用いる。加熱及び加圧する際の条件は上述したプリプレグ（Ｉ）の条件と同様である。
さらに具体的なプリプレグ（ＩＩ）の製造方法は以下のようなものである。
（２ａ）一方向に引き揃えた炭素繊維（Ｂ）に、熱可塑性樹脂（Ｃ−２）のフィルムを積層し、加熱・加圧を行なう方法、
（２ｂ）一方向に引き揃えた炭素繊維（Ｂ）に、熱可塑性樹脂（Ｃ−２）の不織布を積層し、加熱・加圧を行なう方法、
（２ｃ）一方向に引き揃えた炭素繊維（Ｂ）に、熱可塑性樹脂（Ｃ−２）の溶融体を塗布する方法、
（２ｄ）一方向に引き揃えた炭素繊維（Ｂ）に、熱可塑性樹脂（Ｃ−２）の溶液を塗布した後に溶媒を除去する方法、
（２ｅ）炭素繊維（Ｂ）と熱可塑性樹脂（Ｃ−２）繊維のコミングル繊維を一方向に引き揃え、加熱・加圧を行なう方法、
などが挙げられる。生産性と機械特性のバランスから、上述の（２ａ）、（２ｂ）又は（２ｃ）の方法を用いるのが好ましい。

例えば、（１ａ）及び（２ａ）の方法において、炭素繊維を一方向に引き揃える際には、繊維を配向させて張力をかける等の手法により行う。具体的には、繊維をよせ合わせた繊維束に対して、その両端を固定し張力をかける、繊維束をある程度緊張させた状態で螺旋状にロールに巻きつける、等の方法を用いる。この方法において、熱可塑性樹脂のフィルムを積層する際には、例えば、上述の両端が固定された繊維束、又はロールに巻きつけられた繊維束に、フィルムを押し付け、ついで加熱して熱可塑性樹脂を溶融させるといった方法を用いてもよい。さらに具体的には、両端が固定された繊維束にフィルムを重ね合わせ、樹脂が溶融可能な温度に加熱して加圧する。この際には、加熱ロール、ダブルベルトプレスといった装置を用いてもよい。この場合には、装置に樹脂が融着する事を防ぐために、離型紙や離型フィルムを用いても良い。または、上述の両端が固定された繊維束、又はロールに巻きつけられた繊維束に対して、溶融した熱可塑性樹脂を塗布し、固化させるといった方法を用いてもよい。さらに具体的には、押出機の先端にＴダイを設けた製膜機を用いて、繊維束に溶融した熱可塑性樹脂を塗布するように行う。この際には、単軸押出機、二軸押出機といった装置を用いてもよい。

本実施形態の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料の製造方法は、これらのプリプレグ（Ｉ）及び（ＩＩ）を組み合わせて積層する事を特徴とする。プリプレグ（Ｉ）及び（ＩＩ）は、それぞれ炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料における上述の層（Ｉ）及び（ＩＩ）にあたるものになる。炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料の製造工程において、プリプレグを積層する構成は、所望に応じて決定する事が可能であり、全面を同じ積層構成としても構わないし、部分的に炭素繊維（Ａ）または炭素繊維（Ｂ）が多くなるように積層しても構わない。また、連続繊維からなるプリプレグを積層する方法、プリプレグとして後述する成型体に用いるスリットを入れたものを積層する方法、プリプレグからなるバンドルをランダムに配置する方法などが挙げられる。

（成型体）
本実施形態の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料は、成型体として用いる事が可能である。必要な剛性、強度、熱伝導率に応じて、炭素繊維（Ａ）と炭素繊維（Ｂ）を配置する事で、より効率的な構造を設計する事が可能となる。

本実施形態の成型体の製造方法では、本実施形態の複合材料を熱成型し、成型体を得る。本実施形態の複合材料は、熱可塑性であるために、所望により熱成型する事が可能である。熱成型とは、加熱、賦形及び冷却等を伴うものである。例えば、プレス成型、真空成型、圧空成型又は射出成型などが挙げられるが、炭素繊維の持つ弾性率、強度および熱伝導率を有効活用するために、プレス成型、真空成型又は圧空成型が好ましく、プレス成型が特に好ましい。成型における加熱及び加圧は、例えば加熱温度 ２００〜３５０℃、加圧力 ５〜３０ＭＰａの条件で行う。

本実施形態の成型体は、層（Ｉ）及び（ＩＩ）が熱可塑性樹脂を含んでいるため、熱を加えた加工により成型が容易である。特に、スタンピング成型により複雑形状の成型が可能である。また、加熱、賦形及び冷却を複数回繰り返すことにより多段階の成型も可能であり、形状の自由度が高くなる。スタンピング成型では、金型に接さない内側の層の材料が流動し易い。

本実施形態の成型体は、両面のうちいずれか一方の面の表面に高さ３ｍｍ以上の凸部を有する。凸部の形状は例えばリブ、ボス、立面等の形状が挙げられ、特に電子機器の筐体の部材の各種の構造となる形状のものが挙げられる。高さ３ｍｍ以上とは具体的に４〜８ｍｍ程度のものである。
本実施形態の成型体は成型が特に容易であるため、高さが３ｍｍをこえる大きな凸部を容易に形成することができ、製造工程やコストの面で特に有利である。

図２に示した例では、層（Ｉ）２Ａ及び２Ｂに挟まれた層（ＩＩ）３を有する炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料１０Ａを熱加工により成型して、成型体１００を得る。この成型体１００は、炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料１０Ａに含まれている熱可塑性樹脂が加熱、加圧により変形し成型されてなる凸部３３が形成されている。ここでは、凸部３３は成型体１００の片側の表面（図では上の面）の縁部、及びその表面を２分するような畝部として形成されている。図の例では、凸部３３に含まれる繊維は、層（ＩＩ）にスリットを設ける際に短く切断されているものとして、繊維を含む層（ＩＩ）の断面又は表面をドットを設けた面で表しているが、凸部３３に関しては繊維の方向がどのような炭素繊維（Ｂ）でも含み得る。例えば、凸部３３はその畝部の長尺方向に沿った炭素繊維（Ｂ）を多く含んでいてもよい。

本実施形態の成型体は、電子機器筐体用部材に特に好適に使用できる。電子機器機筐体とは、主に電子計算機、パーソナルコンピュータ、タブレット等、又はその周辺機器などで、特に可搬型の機器の筐体を指す。電子機器筐体筐体用部材とは、これらの筐体を構成する部材であり、特に表面パネル等を指す。表面パネルとは、例えば外部表面の平面部分を含む部位を構成するパネル状の部材等を指す。図３は、電子機器筐体用部材の一例を示す。電子機器筐体用部材１００Ａは、パーソナルコンピュータの表面パネルのひとつで、上述の凸部３３Ａを有している。電子機器筐体に内部部品を固定するためにはネジ止め可能なボスが必要であり、部分的に剛性を高くする場合にはリブが必要である。これらの形状はいずれも凸部であり、本実施形態ではこれらの形状を同時に成形する事が可能である。電子機器筐体用部材は、部材の厚さは０．５〜２．５ｍｍであり、１面以上が無いか、または孔が開いた略立方体の形状を有し、５０〜２５０ｍｍ×１００〜４００ｍｍ×５〜３０ｍｍの寸法からなる大きさを有していることが好ましい。これらの形状及び大きさを有することで、熱伝導率、軽量化効果、弾性率及び強度を特に好適に兼ね備えることができる。
本実施形態の成型体を電子機器筐体用部材に用いることで、これらの筐体の弾性率及び強度が両立し、軽量であるためこれらの機器の携帯において特に利便性が高く、熱伝導率（放熱性）が高いため熱の滞留が問題となりやすいこれらの機器の問題を解決することができ、かつ、破損を予期できるため、破損が予期された際に部品の交換を容易に行うことができる。これら上述のそれぞれの効果の相乗効果により、本実施形態の成型体は電子機器筐体用部材への使用において特に有効である。

以下、実施例により本実施形態をさらに詳細に説明する。なお、物性等の測定は以下のように行った。
（曲げ試験）
成型体から繊維配向方向に長さ１００ｍｍ、幅２５ｍｍに切り出したものを用いて、ＡＳＴＭ Ｄ７９０に準じて三点曲げ試験を行った。
（熱伝導率）
１００ｍｍ×１００ｍｍの試料を用いて、熱線法により、京都電子工業株式会社製 迅速熱伝導率計ＱＴＭ−５００の測定装置を用いて測定した。
実施例における、０°方向の熱伝導率とは、試料板の表面の層の炭素繊維に対して直交する方向に熱線を配置して測定して得られる値であり、９０°方向の熱伝導率とは、試料板の表面の層の炭素繊維に平行する方向に熱線を配置して測定して得られる値である。

（試験例１）
（製造例１：ピッチ系炭素繊維５６体積％含有プリプレグの製造方法）
炭素繊維（Ａ）としてピッチ系炭素繊維（三菱樹脂社製、製品名：ダイアリード（登録商標） Ｋ６３７１２、目付２０００ｍｇ／ｍ、引張弾性率６４０ＧＰａ、引張強度２６００ＭＰａ、破断伸び０．５％、密度２．１２ｇ／ｃｍ^３）を、単位面積当たりに含まれる炭素繊維の質量（ＦＡＷ）が２１８ｇ／ｍ^２となるように一方向に引き揃えて並べ、厚さ４０μｍの酸変性ポリプロピレンフィルム２枚で挟んで、重ね合わせて、２５０℃で加熱加圧する事で、炭素繊維を５６体積％含有するシート状プリプレグ（Ｉ）を製造した。このシート状プリプレグ（Ｉ）の厚さは、０．１８ｍｍであった。

（製造例２：ポリアクリロニトリル系炭素繊維３３体積％含有プリプレグの製造方法）
炭素繊維（Ｂ）としてポリアクリロニトリル系炭素繊維（三菱レイヨン社製、製品名：パイロフィル（登録商標） ＴＲ５０Ｓ１５Ｌ、目付１０００ｍｇ／ｍ、引張弾性率２４０ＧＰａ、引張強度４９００ＭＰａ、破断伸び２．０％、密度１．８２ｇ／ｃｍ^３）を、ＦＡＷが７２ｇ／ｍ^２となるように一方向に引き揃えて並べ、厚さ４０μｍの酸変性ポリプロピレンフィルム２枚と重ね合わせて、２５０℃で加熱加圧する事で、炭素繊維を３３体積％含有するシート状プリプレグ（ＩＩ）を製造した。このシート状プリプレグ（ＩＩ）の厚さは、０．１２ｍｍであった。

（実施例１：ピッチ系炭素繊維プリプレグを外層に有する複合材料）
第１層と第１６層を製造例１で得られたピッチ系炭素繊維を含有するプリプレグ（Ｉ）、第２層から第１５層までを製造例２で得られたポリアクリロニトリル系炭素繊維を含有するプリプレグ（ＩＩ）とした、合計１６層のプリプレグを、繊維を引き揃えた方向を互いに合わせて重ね合わせて金型内に配置した。この金型を２２０℃に設定したプレス成型機内で３分間加熱し、さらに２２０℃、２ＭＰａの圧力で７分間プレスし、引き続き、３０℃、２ＭＰａの圧力で３分間プレスし、厚さ１．９ｍｍの複合材料を得た。
曲げ試験、熱伝導率の測定の結果を、表１に示す。

（実施例２：ピッチ系炭素繊維プリプレグを内層に有する複合材料）
第２層、第１５層を製造例１で得られたピッチ系炭素繊維を含有するプリプレグ（Ｉ）、第１層、第３層から第１４層まで、第１６層を製造例２で得られたポリアクリロニトリル系炭素繊維を含有するプリプレグ（ＩＩ）とする以外は実施例１と同様に実施し、厚さ１．９ｍｍの複合材料を得た。
曲げ試験、熱伝導率の測定の結果を、表１に示す。

（比較例１：ポリアクリロニトリル系炭素繊維プリプレグのみからなる複合材料）
製造例１で得られたピッチ系炭素繊維を含有するプリプレグ（Ｉ）を用いず、第１層から第１６層までを製造例２で得られたポリアクリロニトリル系炭素繊維を含有するプリプレグ（ＩＩ）とする以外は実施例１と同様に実施し、厚さ１．９ｍｍの複合材料を得た。曲げ試験、熱伝導率の測定の結果を、表１に示す。

実施例１〜２に記載の本実施形態の複合材料においては、炭素繊維（Ａ）として弾性率が高いピッチ系炭素繊維と、炭素繊維（Ｂ）として強度の高いポリアクリロニトリル系炭素繊維を併用しているために、高い曲げ弾性率、曲げ強さを示す。比較例１においては、ピッチ系炭素繊維を用いていないために、曲げ弾性率が劣る。熱伝導率については、ピッチ系炭素繊維の層を有する実施例１及び２において、ピッチ系炭素繊維を用いていない比較例２よりも大きく向上している。特に、両方の表面の層にピッチ系炭素繊維を用いている実施例１ではより良好な値が得られた。これらの結果から、本実施例では熱伝導率すなわち放熱性が良好となることが示された。

（試験例２）
（製造例３：ピッチ系炭素繊維４５体積％含有プリプレグの製造方法）
炭素繊維（Ａ）としてピッチ系炭素繊維（三菱樹脂社製、製品名：ダイアリード（登録商標） Ｋ１３３１２、目付１５６０ｍｇ／ｍ、引張弾性率４２０ＧＰａ、引張強度３２００ＭＰａ、破断伸び０．８％、密度２．０６ｇ／ｃｍ^３）を、単位面積当たりに含まれる炭素繊維の質量（ＦＡＷ）が１００ｇ／ｍ^２となるように一方向に引き揃えて並べ、厚さ３０μｍのポリカーボネートフィルム（ポリカーボネート樹脂にリン系難燃剤を混練した後に製膜してフィルム化したもの）２枚で挟んで、重ね合わせて、２８０℃で加熱加圧する事で、炭素繊維を４５体積％含有するシート状プリプレグ（Ｉ）を製造した。このシート状プリプレグ（Ｉ）の厚さは、０．１２ｍｍであった。

（製造例４：ポリアクリロニトリル系炭素繊維４８体積％含有プリプレグの製造方法）
炭素繊維（Ｂ）としてポリアクリロニトリル系炭素繊維（三菱レイヨン社製、製品名：パイロフィル（登録商標） ＴＲ５０Ｓ１５Ｌ、目付１０００ｍｇ／ｍ、引張弾性率２４０ＧＰａ、引張強度４９００ＭＰａ、破断伸び２．０％、密度１．８２ｇ／ｃｍ^３）を、ＦＡＷが１００ｇ／ｍ^２となるように一方向に引き揃えて並べる点を除いては製造例３と同様に、炭素繊維を４８体積％含有するシート状プリプレグ（ＩＩ）を製造した。このシート状プリプレグ（ＩＩ）の厚さは、０．１２ｍｍであった。
各層について、用いる炭素繊維を下記の表２に示すものに変更し、製造例３、製造例４で製造したプリプレグを用いて、２５０℃に設定したプレス成型機内で３分間加熱し、さらに２５０℃、２ＭＰａの圧力で７分間プレスし、引き続き、８０℃、２ＭＰａの圧力で３分間プレスした他は上述の実施例１と同様にした実施例３及び４、比較例２及び３を作成した。構成［０］_１６は積層構成で１６層のそれぞれの層の炭素繊維の方向が０°（平行）であることを示す。それぞれの実施例及び比較例について、試験例１と同様に曲げ弾性率（０°）及び曲げ強度（０°）を測定し、その測定値を炭素繊維の含有率が６０体積％の場合に換算した結果を表２に示す。

上述の結果から、実施例３及び４に示すようにポリカーボネート樹脂を用いても、実施例１及び２に示す酸変性ポリプロピレンを用いた場合と同様に弾性率及び強度のバランスに優れていた。これに対して、ポリアクリロニトリル系の炭素繊維のみ用いている比較例３では曲げ弾性率が低く、ピッチ系の炭素繊維のみ用いている比較例４では曲げ強度が低くなり、弾性率及び強度を実施例３及び４ほどに両立するバランスは得られなかった。

（試験例３）
表３に示すような条件において、実施例５及び６、比較例４及び５を作成した。Ｖｆ４５％は炭素繊維の体積含有率が４５％であることを示す。４５°スリットは、内層（第２〜１５層）である層（ＩＩ）には、それぞれ層（ＩＩ）の炭素繊維の繊維方向とおよそ４５°をなすスリット（個々のスリットの長さ４２ｍｍで、プリプレグ（ＩＩ）の５ｃｍ×５ｃｍに対してスリット長の総和が平均して１４ｃｍ）が配置されていることを示す。構成の[0/90/90/90]sは最外層（０°）に対して６層からなる内層がいずれも９０°（直交）の繊維方向、[0/90/0/90]sは最外層（０°）に対して９０°の繊維方向、ついでその層に対して９０°の繊維方向（即ち０°）、ついでその層に対して９０°の繊維方向（即ち９０°）として、ついでその層に対して平行（即ち９０°）、ついでその層に対して９０°の繊維方向（即ち０°）、ついでその層に対して９０°の繊維方向（即ち９０°）、ついでその層に対して９０°の繊維方向（即ち０°）を反対側の最外層とされていることを指す。なお、単独の炭素繊維のみ用いている比較例４及び５の曲げ弾性率は各炭素繊維の性能値からの推測値である。等剛性厚さｔ（ｍｍ）は、比較例４を基準（１．０００ｍｍ）としてその値からの比で計測した。変形量は２００ｍｍ×３００ｍｍ×１ｍｍの試料片の周囲を完全拘束とし、中央に１０Ｎの荷重をかけ、せん断弾性率を２ＧＰａ、ポアソン比を０．３として計算した。

表３に示すように、実施例５及び６ではいずれも等価剛性重量が９２ｇ以下の良好な値を示し、軽量化の効果が高いことが示された。

本発明により、剛性、強度、熱伝導率のバランスに優れた成型体を、短い成型時間で得る事が可能となる。

１、１０ 炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料
２Ａ、２Ｂ 層（Ｉ）
３ 層（ＩＩ）
２１、３１Ａ、３１Ｂ 炭素繊維
３２ スリット
３３、３３Ａ 凸部
１００ 成型体
１００Ａ 電子機器筐体用部材

本発明の上記目的は、下記の本発明の各態様によって達成される。
（１） 一方向に配向した炭素繊維（Ａ）及び熱可塑性樹脂（Ｃ−１）を含む層（Ｉ）と、一方向に配向した炭素繊維（Ｂ）及び熱可塑性樹脂（Ｃ−２）を含む層（ＩＩ）とを有し、前記炭素繊維（Ａ）は連続した炭素繊維であり、前記炭素繊維（Ｂ）の平均繊維長が１０〜５０ｍｍであり、前記炭素繊維（Ａ）は、前記炭素繊維（Ｂ）よりも弾性率が高い炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。
（２） 前記炭素繊維（Ａ）の弾性率が３５０ＧＰａ以上で、前記炭素繊維（Ｂ）の弾性率が２００ＧＰａ以上３５０ＧＰａ未満である（１）に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。
（３） 前記炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料の厚みに対して１／３以下を前記層（Ｉ）が占める（１）又は（２）に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。
（４） 前記炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料の少なくとも片側の表面から前記炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料の厚みの１０％を占める部位において、前記部位の厚みに対して１／３以上を前記層（Ｉ）が占める（１）から（３）のいずれか１項に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。
（５） 前記炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料の両側の表面から前記炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料の厚みの１０％を占める部位について、前記部位のそれぞれの厚みのうち１／３以上を前記層（Ｉ）が占める（４）に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。
（６） 前記炭素繊維（Ｂ）はポリアクリルニトリル系炭素繊維である（１）〜（５）のいずれか１項に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。
（７） 前記炭素繊維（Ａ）はピッチ系炭素繊維である（１）〜（５）のいずれか１項に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。
（８） 前記炭素繊維（Ａ）はピッチ系炭素繊維であり、かつ、前記炭素繊維（Ｂ）はポリアクリルニトリル系炭素繊維である（１）〜（５）のいずれか１項に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。
（９） 前記層（Ｉ）の厚さが０．１〜０．３ｍｍである（１）〜（８）のいずれか１項に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。
（１０） 前記炭素繊維（Ａ）の熱伝導率が２０Ｗ／ｍＫ以上６００Ｗ／ｍＫ以下で、前記炭素繊維（Ｂ）の熱伝導率が３Ｗ／ｍＫ以上２０Ｗ／ｍＫ未満である（１）から（９）のいずれか１項に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。
（１１） 炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料は、３点曲げ試験において最大荷重の７０％の荷重を加えた後の弾性率が前記荷重を加える前の弾性率に比べて２０〜６０％である（１）から（１０）のいずれか１項に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。
（１２） 炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料は、２００ｍｍ×３２０ｍｍの試料板の略中央部に１０Ｎの荷重をかけた場合の前記荷重をかけた部位の移動量が０．８８ｍｍとなる場合の前記試料板の重量である等価剛性重量が８０〜９２ｇである（１）から（１１）のいずれか１項に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。
（１３） 少なくとも２層の前記層（Ｉ）の間に少なくとも１層の前記層（ＩＩ）が挟まれてなる（１）から（１２）のいずれか１項に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。
（１４） 少なくとも２層の前記層（Ｉ）の間に２層以上の前記層（ＩＩ）が挟まれてなる（１３）に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。
（１５） 前記層（Ｉ）及び層（ＩＩ）が重ねられてなり、前記層（Ｉ）と層（ＩＩ）とが直接重なった二層において、それぞれの層に含まれる炭素繊維の繊維方向が互いに略直交している（１）から（１４）のいずれか１項に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。
（１６） （１）から（１５）のいずれか１項に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料を熱成型してなる成型体。
（１７） いずれかの面の表面に高さ３ｍｍ以上の凸部を有する（１６）に記載の成型体。
（１８） （１６）又は（１７）に記載の成型体を含む電子機器筐体用部材。

また、本発明の別の側面は、以下の態様を有する。
（１９） 一方向に配列したピッチ系炭素繊維（Ａ１）と熱可塑性樹脂（Ｃ−１）からなる層と、一方向に配列したポリアクリロニトリル系炭素繊維（Ｂ１）と熱可塑性樹脂（Ｃ−２）からなる層を有する炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。
（２０） （１９）に記載の複合材料からなる成型体。
（２１） 一方向に配列したピッチ系炭素繊維（Ａ１）と熱可塑性樹脂（Ｃ−１）からなる熱可塑性プリプレグと、一方向に配列したポリアクリロニトリル系炭素繊維（Ｂ１）と熱可塑性樹脂（Ｃ−２）からなる熱可塑性プリプレグを組み合わせて積層する事を特徴とする（１９）に記載の複合材料の製造方法。

Claims (19)

1. 一方向に配向した炭素繊維（Ａ）及び熱可塑性樹脂（Ｃ−１）を含む層（Ｉ）と、一方向に配向した炭素繊維（Ｂ）及び熱可塑性樹脂（Ｃ−２）を含む層（ＩＩ）とを有し、
   前記炭素繊維（Ａ）は、前記炭素繊維（Ｂ）よりも弾性率が高い炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。
2. 前記炭素繊維（Ａ）の弾性率が３５０ＧＰａ以上で、前記炭素繊維（Ｂ）の弾性率が２００ＧＰａ以上３５０ＧＰａ未満である請求項１に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。
3. 前記炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料の厚みに対して１／３以下を前記層（Ｉ）が占める請求項１又は２に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。
4. 前記炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料の少なくとも片側の表面から前記炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料の厚みの１０％を占める部位において、前記部位の厚みに対して１／３以上を前記層（Ｉ）が占める請求項１から３のいずれか１項に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。
5. 前記炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料の両側の表面から前記炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料の厚みの１０％を占める部位について、前記部位のそれぞれの厚みのうち１／３以上を前記層（Ｉ）が占める請求項４に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。
6. 前記炭素繊維（Ｂ）はポリアクリルニトリル系炭素繊維である請求項１〜５のいずれか１項に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。
7. 前記炭素繊維（Ａ）はピッチ系炭素繊維である請求項１〜５のいずれか１項に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。
8. 前記炭素繊維（Ａ）はピッチ系炭素繊維であり、かつ、前記炭素繊維（Ｂ）はポリアクリルニトリル系炭素繊維である請求項１〜５のいずれか１項に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。
9. 前記層（Ｉ）の厚さが０．１〜０．３ｍｍである請求項１〜８のいずれか１項に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。
10. 前記炭素繊維（Ａ）の熱伝導率が２０Ｗ／ｍＫ以上６００Ｗ／ｍＫ以下であり、前記炭素繊維（Ｂ）の熱伝導率が３Ｗ／ｍＫ以上２０Ｗ／ｍＫ未満である請求項１から９のいずれか１項に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。
11. 前記炭素繊維（Ａ）は連続した炭素繊維であり、前記炭素繊維（Ｂ）の平均繊維長が１０〜５０ｍｍである請求項１から１０のいずれか１項に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。
12. 前記炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料は、３点曲げ試験において最大荷重の７０％の荷重を加えた後の弾性率が前記荷重を加える前の弾性率に比べて２０〜６０％である請求項１から１１のいずれか１項に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。
13. 前記炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料は、２００ｍｍ×３２０ｍｍの試料板の略中央部に１０Ｎの荷重をかけた場合の前記荷重をかけた部位の移動量が０．８８ｍｍとなる場合の前記試料板の重量である等価剛性重量が８０〜９２ｇである請求項１から１２のいずれか１項に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。
14. 少なくとも２層の前記層（Ｉ）の間に少なくとも１層の前記層（ＩＩ）が挟まれてなる請求項１から１３のいずれか１項に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。
15. 少なくとも２層の前記層（Ｉ）の間に２層以上の前記層（ＩＩ）が挟まれてなる請求項１４に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。
16. 前記前記層（Ｉ）及び層（ＩＩ）が重ねられてなり、前記層（Ｉ）と層（ＩＩ）とが直接重なった二層において、それぞれの層に含まれる炭素繊維の繊維方向が互いに略直交している請求項１から１５のいずれか１項に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。
17. 請求項１から１６のいずれか１項に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料を熱成型してなる成型体。
18. いずれかの面の表面に高さ３ｍｍ以上の凸部を有する請求項１７に記載の成型体。
19. 請求項１７又は１８に記載の成型体を含む電子機器筐体用部材。

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