JPWO2018051445A1

JPWO2018051445A1 - 複合材料の成形方法および複合材料

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Publication number: JPWO2018051445A1
Application number: JP2018539014A
Authority: JP
Inventors: 上原　茂高; 茂高上原
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2016-09-14
Filing date: 2016-09-14
Publication date: 2019-06-24
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Abstract

【課題】複合材料の表面の凹凸を解消して外観品質を向上することができる複合材料の成形方法および複合材料を提供する。【解決手段】複合材料１０の成形方法によれば、第１のプリプレグシート２１の表面の少なくとも一部に第２のプリプレグシート３１を積層し、積層した第１のプリプレグシートと第２のプリプレグシートとを加熱して硬化させる。これによって、第１のプリプレグシートによって構成されるベース層２０の表面に、第２のプリプレグシートによって構成される表面層３０を一体的に形成する。ここに、第２のプリプレグシートは、第１のプリプレグシートに積層したときに、第１のプリプレグシートと第２のプリプレグシートとの間の界面４０を含んだ単位体積Ｖ１、Ｖ２あたりにおいて、第２のプリプレグシートにおける第２の樹脂３３の量の方が、第１のプリプレグシートにおける第１の樹脂２３の量よりも多い。【選択図】図２

Description

本発明は、複合材料の成形方法および複合材料に関する。

近年、自動車の車体軽量化のために強化基材に樹脂を含浸させた複合材料が自動車部品として用いられている。自動車部品の中でも特に、ルーフやボンネット等の外板部品は高い外観品質が求められる。

複合材料は、成形する際に、樹脂が硬化して収縮し、樹脂と強化基材との収縮率の差によって表面に微小な凹凸が形成されることがある。表面の微小な凹凸は、塗装後の外観品質を悪化させる要因となる。

複合材料の表面の凹凸を解消する方法として、例えば、下記特許文献１に開示される方法が知られている。この方法にあっては、強化基材に樹脂が含浸されていないドライ基材を中間層とし、この中間層を、強化基材に樹脂が含浸されたプリプレグシートで挟んだ後に、樹脂を射出してＲＴＭ成形する。中間層に含浸させた樹脂が硬化して収縮した場合に、プリプレグシートにおける樹脂がプリプレグシートから中間層に向かって流れ出すことがないようにして、表面の凹凸を解消することを試みている。

特開２０１０−２２１４８９号公報

しかしながら、上記特許文献１に係る方法では、成形を行うために金型が高温となっていることから、材料を金型内に設置すると直ぐに樹脂の溶融が開始する。中間層は樹脂が含浸されていないドライ基材であるため、表層のプリプレグシートに含浸された樹脂は、直ちに溶融し、中間層に向かう流動が始まる。樹脂の流動は、強化繊維の乱れを引き起こす。このため、繊維のしわやよれ、内部ボイドが生じ、複合材料の外観品質の低下を招く虞がある。

さらに、上記特許文献１に係る方法では、ＲＴＭ成形工法を前提としている。ＲＴＭ成形工法は、樹脂を注入ゲートから金型内に射出注入することから、そもそも樹脂の流動が生じており、強化繊維の乱れを引き起こしやすい工法である。

そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、複合材料の表面の凹凸を解消して外観品質を向上することができる複合材料の成形方法および複合材料を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明に係る複合材料の成形方法は、まず、第１の強化基材に第１の樹脂が含浸され、ベース層を構成する第１のプリプレグシートを準備し、第２の強化基材に第２の樹脂が含浸され、表面層を構成する第２のプリプレグシートを準備する。ここに、前記第２のプリプレグシートは、前記第１のプリプレグシートに積層したときに、前記第１のプリプレグシートと前記第２のプリプレグシートとの間の界面を含んだ単位体積あたりにおいて、前記第２のプリプレグシートにおける前記第２の樹脂の量の方が、前記第１のプリプレグシートにおける前記第１の樹脂の量よりも多い。そして、前記第１のプリプレグシートの表面の少なくとも一部に前記第２のプリプレグシートを積層し、積層した前記第１のプリプレグシートと前記第２のプリプレグシートとを加熱して硬化させる。これによって、前記第１のプリプレグシートによって構成される前記ベース層の表面に、前記第２のプリプレグシートによって構成される前記表面層を一体的に形成する。

また、上記目的を達成する本発明に係る複合材料は、第１の強化基材と第１の樹脂とを含むベース層と、前記ベース層の表面の少なくとも一部に一体的に形成され、第２の強化基材と第２の樹脂とを含む表面層と、を有する。ここに、前記ベース層と前記表面層との間の界面を含んだ単位体積あたりにおいて、前記表面層における前記第２の樹脂の量の方が、前記ベース層における前記第１の樹脂の量よりも多い。

本実施形態に係る複合材料の構成を示す概略断面図である。第１のプリプレグシートの構成を示す概略断面図である。第２のプリプレグシートの構成を示す概略断面図である。複合材料の要部を示す断面図である。複合材料の成形装置を示す概略図である。複合材料の成形方法を示すフローチャートである。複合材料の成形装置を用いて複合材料を成形する手順を説明するための図であり、成形工程を示す概略図である。複合材料を成形する様子を示す図であって、一方向材を最表層に備える複合材料を成形する際の樹脂の硬化前（左図）および樹脂の硬化後（右図）を示す概略図である。図６Ａに示す左図のＡ１−Ａ１線に沿う部分断面図（左図）および図６Ａに示す右図のＡ２−Ａ２線に沿う部分断面図（右図）である。織物材とした第２の強化基材が第１の強化基材を押さえつけている様子を示す部分断面図である。織物材とした第２の強化基材を示す平面図である。織物材の目付量（単位面積あたりの繊維重量（ｇ／ｍ^２））が比較的多い場合の第２の強化基材を示す平面図である。実施形態に係る成形方法によって成形される複合材料の適用例を示す図であり、複合材料を使用した各種の自動車部品を示す図である。実施形態に係る成形方法によって成形される複合材料の適用例を示す図であり、複合材料を使用した各種の自動車部品を接合して形成した車体を示す図である。

以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、以下の記載は特許請求の範囲に記載される技術的範囲や用語の意義を限定するものではない。また、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

周知のように、複合材料は、強化基材と、樹脂とを有している。樹脂を強化基材と組み合わせることによって、樹脂単体に比べて高い強度および剛性を備える複合材料となる。図９Ａ、図９Ｂに示すように、複合材料は、例えば、自動車の車体４００のルーフ４０１やボンネット４０２等の外板部品に適用される。複合材料を適用することによって、鉄鋼材料を使用した場合に比べて車体４００の大幅な軽量化が可能となる。

本実施形態に係る複合材料１０は、概説すると、図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃ、および図２に示すように、第１の強化基材２２と第１の樹脂２３とを含むベース層２０と、ベース層２０の表面の少なくとも一部に一体的に形成され、第２の強化基材３２と第２の樹脂３３とを含む表面層３０と、を有する。この複合材料１０にあっては、ベース層２０と表面層３０との間の界面４０を含んだ単位体積Ｖ１、Ｖ２（Ｖ１＝Ｖ２）あたりにおいて、表面層３０における第２の樹脂３３の量の方が、ベース層２０における第１の樹脂２３の量よりも多い。

ベース層２０は、第１の強化基材２２に第１の樹脂２３が含浸された第１のプリプレグシート２１によって構成される。表面層３０は、第２の強化基材３２に第２の樹脂３３が含浸された第２のプリプレグシート３１によって構成される。ここに、第２のプリプレグシート３１は、第１のプリプレグシート２１に積層したときに、第１のプリプレグシート２１と第２のプリプレグシート３１との間の界面４０を含んだ単位体積Ｖ１、Ｖ２（Ｖ１＝Ｖ２）あたりにおいて、第２のプリプレグシート３１における第２の樹脂３３の量の方が、第１のプリプレグシート２１における第１の樹脂２３の量よりも多い。第１のプリプレグシート２１における第１の樹脂２３は、未硬化または半硬化の状態である。同様に、第２のプリプレグシート３１における第２の樹脂３３は、未硬化または半硬化の状態である。そして、第１のプリプレグシート２１の表面の少なくとも一部に第２のプリプレグシート３１を積層し、積層した第１のプリプレグシート２１と第２のプリプレグシート３１とを加熱して硬化させる。複合材料１０は、ベース層２０の表面に表面層３０を一体化することによって形成される。なお、図示例では、ベース層２０は、複数枚の第１のプリプレグシート２１を積層して構成され、表面層３０は、１枚の第２のプリプレグシート３１から構成されている。以下の説明においては、第１の樹脂２３を「母材樹脂２３」と称し、第２の樹脂３３を「被覆樹脂３３」と称する。

図２を参照して、ベース層２０と表面層３０とが積層された断面において、表面層３０における被覆樹脂３３が界面４０上に存在する範囲は、ベース層２０における母材樹脂２３が界面４０上に存在する範囲よりも大きい。単位体積Ｖ１、Ｖ２を示す破線によって示される矩形の範囲に着目して、被覆樹脂３３が占める面積は、母材樹脂２３が占める面積よりも大きい。ベース層２０と表面層３０とが積層された断面においてこのような状態にある場合には、上記の「ベース層２０と表面層３０との間の界面４０を含んだ単位体積Ｖ１、Ｖ２あたりにおいて、表面層３０における被覆樹脂３３の量の方が、ベース層２０における母材樹脂２３の量よりも多い。」ということができる。さらに、成形前の第２のプリプレグシート３１に関して、「第１のプリプレグシート２１に積層したときに、第１のプリプレグシート２１と第２のプリプレグシート３１との間の界面４０を含んだ単位体積Ｖ１、Ｖ２あたりにおいて、第２のプリプレグシート３１における被覆樹脂３３の量の方が、第１のプリプレグシート２１における母材樹脂２３の量よりも多い。」ということができる。

複合材料１０に適用する強化基材は、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ポリアミド（ＰＡ）繊維、ポリプロピレン（ＰＰ）繊維、アクリル繊維等によって形成することができる。

本実施形態では、第１の強化基材２２として、炭素繊維の長繊維を使用した例を説明する。炭素繊維は、熱膨張係数が小さく、寸法安定性に優れ、高温下においても機械的特性の低下が少ないという特徴があるため、自動車の車体４００（図９Ｂを参照）に使用される複合材料１０の第１の強化基材２２として好適に使用することができる。

第２の強化基材３２として、ガラス繊維を使用した例を説明する。

第１のプリプレグシート２１に適用される第１の強化基材２２、および第２のプリプレグシート３１に適用される第２の強化基材３２としては、繊維を縦横に織り込んで平織りまたは綾織りにした織物材１２（図８Ａを参照）や、繊維が一方向に引き揃えられた一方向材１３（図６Ａの左図を参照）を使用することができる。

本実施形態では、図１Ａ、図１Ｂに示すように、第１の強化基材２２として、一方向材１３を用いている。また、図１Ａ、図１Ｃに示すように、第２の強化基材３２として、繊維を織り込んだ織物材１２を用いている。織物材１２である第２の強化基材３２を含む第２のプリプレグシート３１は、成形時には、第１の強化基材２２を含む第１のプリプレグシート２１を押さえつけている。

母材樹脂２３は、所望の材料特性に合わせて、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂が用いられる。同様に、被覆樹脂３３も、所望の材料特性に合わせて、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂が用いられる。

本実施形態にあっては、母材樹脂２３は、熱硬化性樹脂である、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等を用いている。本実施形態においては、機械的特性、寸法安定性に優れたエポキシ樹脂を用いている。エポキシ樹脂は２液タイプが主流であり、主剤および硬化剤を混合して使用する。主剤はビスフェノールＡ型のエポキシ樹脂、硬化剤はアミン系のものが一般的に用いられるが、これに限定されるものではなく、所望の材料特性に合わせて適宜選択できる。

本実施形態にあっては、被覆樹脂３３は、熱可塑性樹脂である、例えば、ポリプロピレン（ＰＰ）樹脂、ＡＢＳ樹脂等を用いている。

一般的に、熱可塑性樹脂は、熱硬化性樹脂に比べて耐衝撃性に優れている。自動車用の外板部品には、自動車の走行時に跳ね上げられた飛び石などによる衝撃によって損傷を受けるチッピングが生じる。表面層を熱硬化性樹脂から形成した複合材料と比べて、耐衝撃性に優れるため、チッピングによって受ける損傷を低減することができる。また、熱可塑性樹脂は、熱硬化性樹脂に比べてき裂進展を抑える効果もあるため、長期使用における外観の品質悪化を抑えることができる。

表面層３０に関して、表面３０ａと表面３０ａに面する第２の強化基材３２との間の領域における被覆樹脂３３の量は、ベース層２０との間の界面４０と界面４０に面する第２の強化基材３２との間の領域における被覆樹脂３３の量よりも多い。

図２を参照して、表面層３０の断面において、表面３０ａから表面３０ａに面する第２の強化基材３２に達するまでの平均距離Ｌａは、界面４０から界面４０に面する第２の強化基材３２に達するまでの平均距離Ｌｂよりも大きい。表面層３０の断面においてこのような状態にある場合には、上記の「表面３０ａと表面３０ａに面する第２の強化基材３２との間の領域における被覆樹脂３３の量は、ベース層２０との間の界面４０と界面４０に面する第２の強化基材３２との間の領域における被覆樹脂３３の量よりも多い。」ということができる。さらに、成形前の第２のプリプレグシート３１に関して、「最表面３０ａと第２の強化基材３２との間の領域における被覆樹脂３３の量は、当該第２のプリプレグシート３１の裏面３０ｂと第２の強化基材３２との間の領域における被覆樹脂３３の量よりも多い。」ということができる。

表面層３０は製品強度に寄与する層ではないため、最表面３０ａと第２の強化基材３２との間の領域における被覆樹脂３３の量を適宜調整することによって、第２のプリプレグシート３１の表面３０ａ側における樹脂含有量が比較的多い状態、いわゆる樹脂リッチの状態にすることができる。

図３を参照して、本実施形態に係る成形装置１００は、成形型１６０と、成形装置１００全体の作動を制御する制御部１５０と、を有する。

成形型１６０は、開閉可能な一対の上型１６１（移動型）と、下型１６２（固定型）と、上型１６１および下型１６２の少なくとも一方の温度を調整する温度調整部１６３と、を有する。

温度調整部１６３は、成形型１６０を母材樹脂２３の硬化温度かつ被覆樹脂３３の軟化温度まで加熱し、積層した第１のプリプレグシート２１と第２のプリプレグシート３１とを加熱し、第１のプリプレグシート２１の母材樹脂２３を硬化する。温度調整部１６３は、例えば、上型１６１、下型１６２内を循環する油や水等の熱媒体と、熱媒体を加熱する電気ヒーターとによって構成されている。

制御部１５０は、ＲＯＭやＲＡＭから構成されるメモリ、ＣＰＵ等から構成され、成形型１６０の駆動系、温度調整部１６３等に電気的に接続されて、成形装置１００全体の作動を制御する。

以下、複合材料１０の成形方法について説明する。

プリプレグシートを用いた熱プレス成形工法の場合には、ＲＴＭ成形工法のように外部から樹脂を注入しない。これに加えて、すべての層にプリプレグシートを用いているため、材料を金型内に設置した後に樹脂の溶融が開始しても、プリプレグシートの積層体の内部における樹脂の流動は比較的少ない。このため、外観品質が要求されない部品であれば、この複合材料を何ら支障なく用いることができる。しかしながら、樹脂の流動が比較的少ないといっても、依然として、僅かながらの樹脂の流動は発生している。後工程において塗装を施す場合など、複合材料の外観品質が要求されるときには、僅かながらの樹脂の流動によって引き起こされた繊維の乱れが、外観品質の低下の要因となってしまう。そこで、本実施形態にあっては、熱プレス成形工法によって複合材料を次のように成形している。

図４に示すように、複合材料１０の成形方法は、準備工程（ステップＳ１０）と、積層工程（ステップＳ２０）と、成形工程（ステップＳ３０）と、脱型（ステップＳ４０）と、を有する。以下、各工程について詳述する。

準備工程（ステップＳ１０）では、図１Ｂ、図１Ｃに示すように、第１の強化基材２２に母材樹脂２３が含浸された第１のプリプレグシート２１と、第２の強化基材３２に被覆樹脂３３が含浸された第２のプリプレグシート３１とを準備する。ここに、第２のプリプレグシート３１は、第１のプリプレグシート２１に積層したときに、第１のプリプレグシート２１と第２のプリプレグシート３１との間の界面４０を含んだ単位体積Ｖ１、Ｖ２あたりにおいて、第２のプリプレグシート３１における被覆樹脂３３の量の方が、第１のプリプレグシート２１における母材樹脂２３の量よりも多い。第２のプリプレグシート３１における樹脂含有量は、特に限定されるものではないが、例えば、５０〜７５ｗｔ％である。

本実施形態では、上述したように、第１の強化基材２２は、炭素繊維の長繊維からなり、一方向材１３を用いている。第２の強化基材３２は、ガラス繊維からなり、織物材１２を用いている。母材樹脂２３は熱硬化性樹脂であり、被覆樹脂３３は熱可塑性樹脂である。さらに、最表面の第２のプリプレグシート３１に関しては、表面３０ａ側をいわゆる樹脂リッチの状態としてある。実施形態では第２のプリプレグシート３１を１枚だけ用いているので、この第２のプリプレグシート３１が「最表面の第２のプリプレグシート」に相当する。したがって、表面層３０の表面３０ａは、「最表面の第２のプリプレグシート３１の表面」でもあり、「最表面」でもある。

積層工程（ステップＳ２０）では、複数枚の第１のプリプレグシート２１を積層し、第１のプリプレグシート２１の表面の少なくとも一部（図中の上面）に第２のプリプレグシート３１を積層する。

成形工程（ステップＳ３０）では、積層した第１のプリプレグシート２１と第２のプリプレグシート３１とを、成形型１６０の下型１６２に配置する。成形型１６０は、温度調整部１６３によって予め所定の温度に加熱しておく。図５に示すように、成形型１６０の上型１６１を閉じて、積層した第１と第２のプリプレグシート２１、３１を熱プレス成形する。温度調整部１６３によって上型１６１および下型１６２を母材樹脂２３の硬化温度まで加熱し、第１のプリプレグシート２１の母材樹脂２３を硬化する。これによって、第１のプリプレグシート２１によって構成されるベース層２０の表面に、第２のプリプレグシート３１によって構成される表面層３０を一体的に形成する。

最後に、成形型１６０の上型１６１を開き、成形型１６０から複合材料１０を脱型して成形が完了する（ステップＳ４０）。

本実施形態に係る複合材料１０の成形方法によれば、第１のプリプレグシート２１の表面の少なくとも一部に第２のプリプレグシート３１を積層し、積層した第１のプリプレグシート２１と第２のプリプレグシート３１とを加熱して硬化させ、第１のプリプレグシート２１によって構成されるベース層２０の表面に、第２のプリプレグシート３１によって構成される表面層３０を一体的に形成する。このとき、第２のプリプレグシート３１は、第１のプリプレグシート２１に積層したときに、第１のプリプレグシート２１と第２のプリプレグシート３１との間の界面４０を含んだ単位体積Ｖ１、Ｖ２あたりにおいて、第２のプリプレグシート３１における被覆樹脂３３の量の方が、第１のプリプレグシート２１における母材樹脂２３の量よりも多い。

このように構成した複合材料１０の成形方法によれば、成形工程においては、第１と第２のプリプレグシート２１、３１を用いた熱プレス成形が行われる。ベース層２０を構成する第１のプリプレグシート２１に既に母材樹脂２３が含浸されており、表面層３０を構成する第２のプリプレグシート３１から第１のプリプレグシート２１に直ちに被覆樹脂３３が流れ込むことを抑制することができる。被覆樹脂３３および母材樹脂２３が一緒に流動することによって生じるしわやよれを抑制し、被覆樹脂３３が第１の強化基材２２に含浸することによって形成される表面層３０の表面３０ａの凹凸を抑制することができる。このように、表面層３０の表面３０ａを平滑にすることができるため、複合材料１０の外観品質を向上させることができる。

また、第１のプリプレグシートの表面に第２の強化基材のみを積層した場合、あるいは第１のプリプレグシートよりも少ない樹脂含有量の第２のプリプレグシートを積層した場合には、第２の強化基材が母材樹脂を吸い上げてしまう。このため、第１のプリプレグシートに内部ボイドが生じ、ベース層の強度低下を招く虞がある。本実施形態によれば、第２のプリプレグシート３１は、第１のプリプレグシート２１に積層したときに、第１のプリプレグシート２１と第２のプリプレグシート３１との間の界面４０を含んだ単位体積Ｖ１、Ｖ２あたりにおいて、第２のプリプレグシート３１における被覆樹脂３３の量の方が、第１のプリプレグシート２１における母材樹脂２３の量よりも多く設定してある。したがって、第２の強化基材３２が母材樹脂２３を吸い上げてしまうことがなく、第１のプリプレグシート２１に内部ボイドが発生しない。これにより、複合材料１０の外観品質を向上させることができ、ベース層２０の強度低下も防止できる。

さらに、表面層３０は製品強度に寄与する層ではないことから、第２のプリプレグシート３１の被覆樹脂３３の量を適宜調整することによって、表面３０ａに光沢を与えることができ、複合材料１０の外観品質をさらに向上することができる。

なお、第２のプリプレグシート３１における被覆樹脂３３の量の方が、第１のプリプレグシート２１における母材樹脂２３の量よりも多いことに起因して、被覆樹脂３３が第１のプリプレグシート２１に流れ込み、第２のプリプレグシート３１においていわゆる樹脂枯れが生じ、外観の悪化を招くのではないかとも考えられる。しかしながら、ベース層２０および表面層３０はともにプリプレグシートから構成されることから、第１のプリプレグシート２１と第２のプリプレグシート３１との間の樹脂密度差は比較的小さい。このため、表面層３０からベース層２０への樹脂移動は比較的少ないと考えられる。しかも、仮に被覆樹脂３３がベース層２０に移動するとしても、その量を見込んだ樹脂を第２のプリプレグシート３１に含浸させればよい。このようにすることによって、第２のプリプレグシート３１においていわゆる樹脂枯れが生じることはなく、表面３０ａの外観の悪化を引き起こすことがない。

複合材料１０は、強化基材２２、３２と、未硬化または半硬化の状態の樹脂２３、３３と、を含む第１と第２のプリプレグシート２１、３１によって形成される。強化基材に樹脂を射出し含浸させて成形するＲＴＭ成形法に比べて、複合材料の成形時間を短縮することができる。また、プリプレグシートを使用することによって、一方向材１３を使用することができるため、繊維配向の選択の幅を広げることができる。

第２の強化基材３２は、ガラス繊維からなる。強化繊維としてガラス繊維を用いることによって、炭素繊維を用いる場合に比べて、第２の強化基材３２を安価に形成することができ、さらには複合材料１０を安価に形成することができる。

成形工程において、母材樹脂２３が硬化するまでの間、母材樹脂２３は熱によって軟化して第１の強化基材２２の繊維間を流動する。仮に、第１のプリプレグシート２１の最表層に、図６Ａの左図に示すように複数の繊維が束ねられた繊維束２２ａが同じ方向に複数配列された一方向材１３を配置した場合、一方向材１３は繊維の配向方向に対して直交方向の拘束力が弱い。このため、図６Ａの右図に示すように、僅かな母材樹脂２３の流動でも容易に繊維の配向が乱されてしまう。また、繊維の配向が乱れることによって、図６Ｂの左図に示すように繊維束２２ａ内において単繊維レベルでの引き剥がしが生じる。第１の強化基材２２の繊維配向の乱れは、しわやよれとなってベース層２０の表面に現れたり、局所的な強度低下の要因となったりする。また、繊維が引き剥がされた部位には、図６Ｂの右図に示すような局所的なヒケＳを引き起こして、表面層３０の表面３０ａの外観品質を悪化させる場合がある。

本実施形態では、第２の強化基材３２は、繊維を織り込んだ織物材１２である。図７に示すように、成形時には、織物材１２とした第２の強化基材３２が第１の強化基材２２に交差して第１の強化基材２２を押さえつけることになる。これにより、織物材１２が配置された部分において、母材樹脂２３の流動によって生じる繊維の乱れを抑制できる。第１の強化基材２２として一方向材１３を配置した場合であっても、成形工程において生じる母材樹脂２３の流動によって一方向材１３の繊維が配向方向と直交方向に乱れることが抑制される。このため、第１のプリプレグシート２１の最表層の表面に生じるしわやよれの発生を抑制し、繊維の引き剥がしによる表面凹凸を防ぐことができる。この結果、第２のプリプレグシート３１の表面３０ａに凹凸が生じることがなく、複合材料１０の外観品質を向上することができる。

さらに、第２の強化基材３２に織物材１２を用いることによって、不織布を用いる場合に比べて繊維配向を制御できることから、第２の強化基材３２の厚みバラツキを小さくできる。この観点からも、表面層３０のより平滑な表面３０ａを得ることができ、複合材料１０の外観品質を向上することができる。

図８Ｂに示すように、織物材１２の目付量（単位面積あたりの繊維重量（ｇ／ｍ^２））が比較的多い場合には、繊維束２２ａが交差する部位（破線で示す部分）に気泡が残存しやすく、複合材料１０の表面３０ａに微小な凹凸が形成されて、外観品質が低下する虞がある。

本実施形態では、図８Ａに示すように、表面層３０は製品強度に寄与する層ではないため、織物材１２の目付量を比較的小さくすることができる。このため、繊維束２２ａが交差する部位に気泡が残存することが少なく、複合材料１０の表面３０ａに微小な凹凸が生じることを抑制し、複合材料１０の外観品質を向上させることができる。

被覆樹脂３３は、熱可塑性樹脂である。複合材料１０の最表層に熱可塑性樹脂を配置することによって、熱硬化性樹脂を配置する場合に比べて耐衝撃性に優れた複合材料１０を成形することができる。また、チッピング等による層間はく離やき裂進展を抑制することができるため、複合材料１０を適用した外板部品の長期使用における外観の品質劣化を抑制することができる。

さらに、熱可塑性樹脂である被覆樹脂３３は軟化している。溶融した被覆樹脂３３は、ベース層２０の表面の凹凸に入り込む。ベース層２０の表面に生じた凹凸を被覆樹脂３３が埋めて補填することによって表面３０ａが平滑になる。これにより、ベース層２０の表面の凹凸を解消し、表面層３０の表面３０ａが平滑になり、複合材料１０の塗装後の外観品質を向上することができる。

なお、母材樹脂２３は熱硬化性樹脂によって構成され、被覆樹脂３３は熱可塑性樹脂によって構成されているので、母材樹脂２３と被覆樹脂３３とが一緒に流動してしまい、熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂との粘度や熱収縮率の違いによって、熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂との界面４０でしわやよれが生じやすいとも考えられる。しかしながら、表面層３０は製品強度に寄与する層ではないことから、第２のプリプレグシート３１の被覆樹脂３３の量を適宜調整することができる。これによって、母材樹脂２３を熱硬化性樹脂によって構成し、被覆樹脂３３を熱可塑性樹脂によって構成したとしても、複合材料１０の表面３０ａに凹凸が形成されることを抑制でき、複合材料１０の外観品質の低下を招くことはない。

最表面の第２のプリプレグシート３１に関して、最表面３０ａと第２の強化基材３２との間の領域における被覆樹脂３３の量は、当該第２のプリプレグシート３１の裏面３０ｂと第２の強化基材３２との間の領域における被覆樹脂３３の量よりも多い。表面層３０は製品強度に寄与する層ではないため、第２のプリプレグシート３１の表面３０ａ側をいわゆる樹脂リッチの状態にすることができる。表面３０ａ側を樹脂リッチ状態とすることによって、表面３０ａの凹凸発生を避けることができ、さらに表面３０ａに光沢をもたせることができる。これらによって、外観品質が向上する。

第１の強化基材２２は、炭素繊維の長繊維からなる。繊維の配向がランダムである短繊維を用いる場合に比べて、繊維配向性を均一化しやすい。このため、繊維の乱れに起因するしわやよれを抑制し、ベース層２０の表面の凹凸を抑制することができる。この結果、複合材料１０の外観品質を向上することができる。

第１の強化基材２２は、繊維が一方向に引き揃えられた一方向材１３である。第１の強化基材２２に用いられる繊維が一方向材１３であることから、織物材１２を用いる場合に比べて、ベース層２０の表面に現れる凹凸が少なくなる。ベース層２０の表面の凹凸を抑制することができる結果、複合材料１０の外観品質を向上することができる。

母材樹脂２３は、熱硬化性樹脂である。熱硬化性樹脂は、一般的に熱可塑性樹脂に比べて、耐熱性が高く、寸法安定性に優れている。したがって、耐熱性が高く、寸法安定性に優れた複合材料１０を成形できる。

本実施形態の複合材料１０は、第１の強化基材２２と母材樹脂２３とを含むベース層２０と、ベース層２０の表面の少なくとも一部に一体的に形成され、第２の強化基材３２と被覆樹脂３３とを含む表面層３０と、を有している。ここに、ベース層２０と表面層３０との間の界面４０を含んだ単位体積Ｖ１、Ｖ２あたりにおいて、表面層３０における被覆樹脂３３の量の方が、ベース層２０における母材樹脂２３の量よりも多い。

このように構成した複合材料１０によれば、被覆樹脂３３および母材樹脂２３が一緒に流動することによって生じるしわやよれが抑制されており、表面層３０の表面３０ａには、被覆樹脂３３が第１の強化基材２２に含浸することによって形成される凹凸が生じていない。このように、表面層３０の表面３０ａが平滑であることから、外観品質を向上させた複合材料１０を提供できる。

また、ベース層２０には内部ボイドが発生しておらず、ベース層２０の強度を維持しつつ外観品質を向上させた複合材料１０を提供できる。

さらに、表面層３０は製品強度に寄与する層ではないことから、被覆樹脂３３の量を適宜調整することによって、表面３０ａに光沢を与えることができ、外観品質をさらに向上させた複合材料１０を提供できる。

図２に示したように、ベース層２０と表面層３０とが積層された断面において、表面層３０における第２の樹脂３３が界面４０上に存在する範囲は、ベース層２０における第１の樹脂２３が界面４０上に存在する範囲よりも大きい。ベース層２０と表面層３０とが積層された断面においてこのような状態にある場合には、複合材料１０は「ベース層２０と表面層３０との間の界面４０を含んだ単位体積Ｖ１、Ｖ２あたりにおいて、表面層３０における被覆樹脂３３の量の方が、ベース層２０における母材樹脂２３の量よりも多い。」とみなすことができる。さらに、成形前の第２のプリプレグシート３１に関して、「第１のプリプレグシート２１に積層したときに、第１のプリプレグシート２１と第２のプリプレグシート３１との間の界面４０を含んだ単位体積Ｖ１、Ｖ２あたりにおいて、第２のプリプレグシート３１における被覆樹脂３３の量の方が、第１のプリプレグシート２１における母材樹脂２３の量よりも多い。」とみなすことができる。

表面層３０の断面において、表面３０ａから表面３０ａに面する第２の強化基材３２に達するまでの平均距離Ｌａは、界面４０から界面４０に面する第２の強化基材３２に達するまでの平均距離Ｌｂよりも大きい。表面層３０の断面においてこのような状態にある場合には、複合材料１０は「表面３０ａと表面３０ａに面する第２の強化基材３２との間の領域における被覆樹脂３３の量は、ベース層２０との間の界面４０と界面４０に面する第２の強化基材３２との間の領域における被覆樹脂３３の量よりも多い。」とみなすことができる。さらに、成形前の第２のプリプレグシート３１に関して、「最表面３０ａと第２の強化基材３２との間の領域における被覆樹脂３３の量は、当該第２のプリプレグシート３１の裏面３０ｂと第２の強化基材３２との間の領域における被覆樹脂３３の量よりも多い。」とみなすことができる。

以上、実施形態を通じて複合材料１０の成形方法および複合材料１０を説明したが、本発明は実施形態において説明した構成のみに限定されることはなく、特許請求の範囲の記載に基づいて適宜変更することが可能である。

ベース層２０を構成する母材樹脂２３は、熱硬化性樹脂に限定されず、熱可塑性樹脂を使用することができる。この場合、熱可塑性樹脂である母材樹脂２３を加熱して軟化した状態で成形型１６０を閉じて、冷却して硬化させることによって成形体を形成することができる。

また、表面層３０を構成する被覆樹脂３３は、熱可塑性樹脂に限定されず、熱硬化性樹脂を使用することができる。

また、第１のプリプレグシート２１と第２のプリプレグシート３１との積層構成は前述した実施形態に限定されない。第１のプリプレグシート２１の片側表面にのみ第２のプリプレグシート３１を積層する形態を示したが、第１のプリプレグシート２１の両側表面に第２のプリプレグシート３１を積層し、ベース層２０の両側表面に表面層３０を形成した複合材料１０とすることができる。

１０複合材料、
１２織物材、
１３一方向材、
２０ベース層、
２１第１のプリプレグシート、
２２第１の強化基材、
２３母材樹脂（第１の樹脂）、
３０表面層、
３０ａ表面層の表面、最表面の第２のプリプレグシートの表面、最表面
３１第２のプリプレグシート、
３２第２の強化基材、
３３被覆樹脂（第２の樹脂）、
４０第１のプリプレグシートと第２のプリプレグシートとの間の界面、
１００成形装置、
１５０制御部、
１６０成形型、
１６１上型、
１６２下型、
１６３温度調整部、
４００車体、
４０１ルーフ、
４０２ボンネット、
Ｌａ表面層の表面から第２の強化基材に達するまでの平均距離、
Ｌｂ界面から第２の強化基材に達するまでの平均距離、
Ｖ１、Ｖ２界面を含んだ単位体積。

Claims

第１の強化基材に第１の樹脂が含浸され、ベース層を構成する第１のプリプレグシートを準備し、
第２の強化基材に第２の樹脂が含浸され、表面層を構成する第２のプリプレグシートを準備し、ここに、前記第２のプリプレグシートは、前記第１のプリプレグシートに積層したときに、前記第１のプリプレグシートと前記第２のプリプレグシートとの間の界面を含んだ単位体積あたりにおいて、前記第２のプリプレグシートにおける前記第２の樹脂の量の方が、前記第１のプリプレグシートにおける前記第１の樹脂の量よりも多く、
前記第１のプリプレグシートの表面の少なくとも一部に前記第２のプリプレグシートを積層し、
積層した前記第１のプリプレグシートと前記第２のプリプレグシートとを加熱して硬化させ、前記第１のプリプレグシートによって構成される前記ベース層の表面に、前記第２のプリプレグシートによって構成される前記表面層を一体的に形成する、複合材料の成形方法。
前記第２の強化基材は、ガラス繊維からなる、請求項１に記載の複合材料の成形方法。
前記第２の強化基材は、繊維を織り込んだ織物材である、請求項１または請求項２に記載の複合材料の成形方法。
前記第２の樹脂は、熱可塑性樹脂である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の複合材料の成形方法。
最表面の前記第２のプリプレグシートに関して、最表面と前記第２の強化基材との間の領域における前記第２の樹脂の量は、当該第２のプリプレグシートの裏面と前記第２の強化基材との間の領域における前記第２の樹脂の量よりも多い、請求項１〜４のいずれか１項に記載の複合材料の成形方法。
前記第１の強化基材は、炭素繊維の長繊維からなる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の複合材料の成形方法。
前記第１の強化基材は、繊維が一方向に引き揃えられた一方向材である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の複合材料の成形方法。
前記第１の樹脂は、熱硬化性樹脂である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の複合材料の成形方法。
第１の強化基材と第１の樹脂とを含むベース層と、
前記ベース層の表面の少なくとも一部に一体的に形成され、第２の強化基材と第２の樹脂とを含む表面層と、を有し、
前記ベース層と前記表面層との間の界面を含んだ単位体積あたりにおいて、前記表面層における前記第２の樹脂の量の方が、前記ベース層における前記第１の樹脂の量よりも多い、複合材料。
前記ベース層と前記表面層とが積層された断面において、前記表面層における前記第２の樹脂が前記界面上に存在する範囲は、前記ベース層における前記第１の樹脂が前記界面上に存在する範囲よりも大きい、請求項９に記載の複合材料。
前記第２の強化基材は、ガラス繊維からなる、請求項９または請求項１０に記載の複合材料。
前記第２の強化基材は、繊維を織り込んだ織物材である、請求項９〜１１のいずれか１項に記載の複合材料。
前記第２の樹脂は、熱可塑性樹脂である、請求項９〜１２のいずれか１項に記載の複合材料。
前記表面層に関して、表面と前記表面に面する前記第２の強化基材との間の領域における前記第２の樹脂の量は、前記ベース層との間の前記界面と前記界面に面する前記第２の強化基材との間の領域における前記第２の樹脂の量よりも多い、請求項９〜１３のいずれか１項に記載の複合材料。
前記表面層の断面において、前記表面から前記表面に面する前記第２の強化基材に達するまでの平均距離は、前記界面から前記界面に面する前記第２の強化基材に達するまでの平均距離よりも大きい、請求項１４に記載の複合材料。
前記第１の強化基材は、炭素繊維の長繊維からなる、請求項９〜１５のいずれか１項に記載の複合材料。
前記第１の強化基材は、繊維が一方向に引き揃えられた一方向材である、請求項９〜１６のいずれか１項に記載の複合材料。
前記第１の樹脂は、熱硬化性樹脂である、請求項９〜１７のいずれか１項に記載の複合材料。