JPWO2019078242A1 - 繊維強化プラスチック成形品 - Google Patents

Abstract

薄肉の繊維強化プラスチックにリブを設けることで、軽量かつ高い力学特性を有する繊維強化プラスチック成形品を提供することを課題とする。繊維強化プラスチック構造部を含む繊維強化プラスチック成形品であって、前記繊維強化プラスチック構造部は、繊維と樹脂とを含み、板状部と板状部の表面から突出したリブとを有するものであり、前記板状部は、繊維の体積含有率が５０〜７０％、平均厚さが１．５ｍｍ以下であり、前記リブは、平均幅が０．１〜１．５ｍｍであり、前記板状部と前記リブにわたって存在し、リブ内における高さが０．５ｍｍ以上に達する繊維を含む、繊維強化プラスチック成形品。【選択図】図１

Description

本発明は、薄肉の板状部の表面に突出部であるリブが設けられた繊維強化プラスチック成形品に関する。

強化繊維と樹脂とからなる繊維強化プラスチックは、比強度、比剛性が高く、力学特性に優れること、耐候性、耐薬品性などの高機能特性を有することなどから産業用途においても注目され、航空機、宇宙機、自動車、鉄道、船舶、電化製品、スポーツ等の構造用途に展開され、その需要は年々高まっている。

繊維強化プラスチックにおいても、金属やプラスチックと同様に、構造としてリブを設けることで、同じ重量でも高い剛性を発現することができ、より軽量化の効果が期待できる。例えば、特許文献１では、不連続な強化繊維と熱可塑性樹脂とからなる成形材料を、リブを成形するための開口部を有する型に配置し、プレス成形によってリブを成形している。その際に、２種以上の成形材料を用いることで、表面外観や寸法精度に優れる成形品を得ている。特許文献２でも同様に２種以上の成形材料からリブを有する成形品を得ており、複数のリブが交差するように繊維強化プラスチック成形品を成形することで、反りの抑制効果を見出している。また、特許文献３では、一方向に配向した強化繊維と樹脂とからなり、切込によって強化繊維を不連続とした切込プリプレグをプレスすることで、リブを有する成形品を得ている。切込プリプレグを積層した際の層構造を保つことから、高い力学特性を有するリブを成形可能である。

特開２０１３−１７６９８４号公報 国際公開第２０１６／１５９１１８号パンフレット 国際公開第２００８／０３８４２９号パンフレット

しかしながら、特許文献１に記載の発明に係る成形品では、リブ内で不連続繊維がランダムに配向されていることから、強化繊維の体積含有率（Ｖｆ）が低いものとなる傾向があり、具体例においては５０％を遥かに下回るため、成形品の薄肉化、軽量化に限界があった。
特許文献２ではリブに樹脂のみからなる部分が存在するため、軽量であるが、力学特性は十分でないものであった。
また、特許文献３では、繊維の体積含有率が４５〜６５％と比較的高いが、薄肉の構造体へのリブ成形は実現していないものであった。

したがって、本発明の課題は、極限に薄肉化されながらも、十分な力学特性を示す繊維強化プラスチック成形品を提供することにある。

本発明者らは、かかる課題を解決するため、下記の繊維強化プラスチック成形品を提供する。すなわち、繊維強化プラスチック構造部を含む繊維強化プラスチック成形品であって、前記繊維強化プラスチック構造部は、繊維と樹脂とを含み、板状部と板状部の表面から突出したリブとを有するものであり、前記板状部は、繊維の体積含有率が５０〜７０％、平均厚さが１．５ｍｍ以下であり、前記リブは、平均幅が０．１〜１．５ｍｍであり、
前記板状部と前記リブにわたって存在し、リブ内のリブの高さ方向における高さが０．５ｍｍ以上に達する繊維を含む、繊維強化プラスチック成形品である。

本発明によれば、薄肉の繊維強化プラスチックである板状部にリブを設けることで、軽量かつ高い力学特性を有する繊維強化プラスチック成形品を提供することができる。

本発明の繊維強化プラスチック成形品の概念図である。 実施例で成形した繊維強化プラスチック構造部の形状である。 実施例で成形した曲面の板状部の形状である。

本発明に係る繊維強化プラスチック成形品の実施形態について以下に説明する。なお、以降、繊維強化プラスチック成形品を単に成形品、繊維強化プラスチック成形品に含まれる強化繊維を単に繊維、と略記することもある。

本発明の繊維強化プラスチック成形品は、繊維と樹脂とを含む繊維強化プラスチック構造部を含み、かかる繊維強化プラスチック構造部は、板状部および板状部から突出したリブを含む。繊維強化プラスチック成形品は、繊維強化プラスチック構造部を含んでいれば、金属など繊維強化プラスチックではない部品や部材との接合体や、リブを含まない繊維強化プラスチック製の部品との接合体であってもよく、一方で、繊維強化プラスチック構造部のみで形成されていてもよい。

前記繊維強化プラスチック構造部の板状部とは、本発明では板状体の繊維強化プラスチックを指し、これにリブを設けたものが本発明に係る繊維強化プラスチック構造部の主要部となる。なお、以降、繊維強化プラスチック構造部の板状部を、単に板状部と略記することもある。本発明においては、繊維の体積含有率（以下、Ｖｆという）は５０〜７０％である。Ｖｆが該範囲であることで、繊維の力学特性を効率よく発現でき、板状部が薄肉であっても十分な力学特性を得ることができる。好ましいＶｆの範囲としては、５３〜６３％である。より好ましくは５５％〜６０％である。なお、Ｖｆの範囲は、上記の上限と下限のいずれを組み合わせた範囲であってもよい。

本発明において、板状部の平均厚さは１．５ｍｍ以下である。通常、板状部の平均厚さが厚いと、力学特性は向上するが、重量が増加する。また、成形前の基材厚みが厚いほど、リブへより多くの基材が流入するため、リブの成形性は向上する。従って、成形後の繊維強化プラスチック構造部において、板状部の厚さが１．５ｍｍより大きくなるような場合は、容易に多くのリブを設けることができるものの、成形品全体としての重量は比較的大きくなる。これに対し本発明の繊維強化プラスチック成形品では、繊維強化プラスチック構造部の板状部の厚さを１．５ｍｍ以下としても、リブの平均幅と板状部とリブにわたって存在する繊維の状態を特定の範囲とすることにより、成形可能なリブ構造と重量のバランスが良く、高い剛性を有しながらも軽量性が維持された成形品が得られることを見いだしたものである。繊維強化プラスチック構造部の板状部の厚さを１．５ｍｍ以下としたものを用いて、上記の構造用途に求められる力学特性を実現することは容易なことではないが、本発明では、リブの構造及び高い繊維体積含有率により、平均厚さが１．５ｍｍ以下でも十分力学特性を保持できる。繊維強化プラスチック成形品の重量の観点から、繊維強化プラスチック構造部の板状部の平均厚さは０．９ｍｍ以下であることが好ましい。一方で、繊維強化プラスチック構造部の板状部の平均厚さが薄すぎる場合は、板状部そのものが割れる恐れがないとはいえないため、板状部の平均厚さは０．２ｍｍ以上が好ましい。より好ましい板状部の平均厚さとしては、０．２５〜０．７５ｍｍであり、さらに好ましくは０．３５〜０．５５ｍｍである。なお、板状部の平均厚さは、上記の上限と下限のいずれを組み合わせた範囲であってもよい。板状部は、平均厚さが１．５ｍｍ以下であれば、１．５ｍｍ以上の厚さとなる箇所が含まれていても良い。板状部の平均厚さの測定方法は、実施例にて後述するとおりである。

板状部は、積層構造を有していてもよいし、積層構造を有していなくてもよい。繊維の配向方向については、一方向のみに繊維が配向していても良いが、その場合、非繊維方向に割れやすくなってしまうため、クロスプライを有する積層構成や、擬似等方の積層構成を有することが好ましい。積層数は、各層の厚さに依存するが、４層以上含まれることが、板状部の剛性を多方向において高くすることができるために好ましい。現実的な積層数の最大は２０層である。Ｖｆが５０〜７０％の場合、積層構造において各層の厚さが薄い場合でも、各層内に十分な量の強化繊維を含むことができ、積層設計の自由度が向上する。

本発明において、個々のリブの平均幅は０．１〜１．５ｍｍである。ここでの「リブの幅」とは、リブの長手方向ではなく、横方向の長さ（リブを面板とみた場合における厚さ）であり、測定点において測定値が最小となる方向で測定した値である。リブの平均幅は、リブの幅が略一定の場合、リブの長手方向においてリブの端から１０〜３０％、３０〜７０％、７０〜９０％の３箇所におけるそれぞれ任意に選んだ位置（以降、リブの長手方向の測定位置と略記することもある）において、リブの高さ方向３０〜７０％の範囲（以降、リブの高さ方向の測定位置と略記することもある）から各１箇所ずつ測定位置を選択し測定した幅の値を平均することにより得ることができる。ここでの「リブの高さ方向」とは、板状部の表面に対して垂直な方向を指す。なお、リブの幅がリブの高さ方向で変化する形状を有する場合は、リブの高さ方向にリブの高さの５０％の位置でのリブの幅の値を用いて平均値を算出するものとし、リブの幅が長手方向において変化する形状を有する場合は、リブの長手方向の全体に亘って１０点の測定箇所を均等間隔で取り、１０点の幅の値を平均するものとする。リブの平均幅は大きいほど補強効果が高くなるが、リブの平均幅が大きすぎると成形品の重量が増加するため、１．５ｍｍ以下が好ましい。リブの平均幅は小さすぎるとリブが折れてしまう場合があるため、０．１ｍｍ以上が好ましい。より好ましいリブの平均幅は、０．３〜１．２ｍｍ、さらに好ましくは０．５〜１．０ｍｍである。リブは、平均幅が０．１〜１．５ｍｍであれば、リブ内に０．１〜１．５ｍｍの範囲外の幅となる領域が含まれていても良い。なお、リブの平均幅は上記の上限と下限のいずれを組み合わせた範囲であってもよい。

また、本発明において、リブの幅がリブの根元からリブの先端に向かって次第に薄くなる場合は、繊維強化プラスチック成形品製造時にプレス金型からの脱型が容易になるため好ましい。

リブ内における繊維の体積含有率（Ｖｆ）は、特に限定はないが、３０％よりも大きいことが、力学特性を維持するために好ましい。より好ましいリブ内のＶｆとしては、板状部と同様に５０〜７０％である。Ｖｆの測定方法は、実施例にて後述するとおりである。
本発明において繊維強化プラスチック構造部のリブは、リブと板状部との両方にわたって存在し、かつリブ内においてリブの高さ方向における高さが０．５ｍｍ以上に達する繊維を含む。リブ内に、板状部にもわたって存在する繊維が含まれることで、リブと板状部との接合強度が高くなり、リブが折れにくくなる。ここで接合強度とはリブと板状部の間の破壊に対する抵抗性を表す概念である。なお、本発明の繊維強化プラスチック構造部においてリブは一体成形により板状部から突出したものであり接合したものではないが、リブと板状部の間の破壊に対する抵抗性は、リブと板状部が接合されたものにおける接合強度に対応する特性であるので、便宜的に接合強度と表現している。リブ内において、該繊維が達する高さが高いほど、リブは折れにくくなる。板状部から連続し、リブ内において１．０ｍｍ以上に達する繊維が含まれることが好ましい。さらに好ましくは、１．５ｍｍ以上である。板状部とリブの両方にわたって存在する繊維は、５ｍｍ以上が板状部に含まれることが好ましい。より好ましくは８ｍｍ以上である。板状部とリブの両方にわたって存在する繊維で、板状部に含むことのできる長さの現実的な最大値は５０ｍｍである。

板状部とリブの両方にわたって存在する繊維は、リブの断面から、その存在を確認することができる。リブの平均幅を測定する際と同様に、リブの長手方向においてリブの端からもう一方の端までの距離の１０〜３０％、３０〜７０％、７０〜９０％の３箇所のそれぞれにおいて、板状部を含む断面を１箇所ずつ抽出し、マイクロスコープで観察する。板状部が層構造を有する場合は、少なくとも一つの層が、リブの高さ方向において０．５ｍｍ以上に達している場合、板状部から連続し、高さが０．５ｍｍ以上に達する繊維を含むとみなしてよい。

図１は、板状部１とリブ２を有する、本発明における繊維強化プラスチック構造部の例を示しており、リブの中には板状部とリブとの両方にわたって存在する繊維３が含まれている。繊維３がリブ内において達する高さＬは、板状部のリブのない方の表面４から、繊維３のリブ内において最大高さに達するまでの距離から、板状部の平均厚さを引くことで算出することができる。

リブには、板状部とリブの両方にわたって存在せず、リブのみに存在する繊維が含まれていてもよい。そのような繊維はリブの長手方向の剛性を向上させる効果がある。
リブは積層構造を有していてもよいし、積層構造を有していなくてもよい。リブの幅が細くなるほど積層構成のあるリブを成形することが困難となる。板状部とリブの両方にまたがる繊維を含むために、少なくともリブの根元の繊維強化プラスチック構造部は積層構造を有することが好ましい。ここで、リブの根元の繊維強化プラスチック構造部とは、繊維強化プラスチック構造部において、リブの直下の板状部におけるリブが形成されていない側の板状部の表面４を基準面とし、その基準面とその基準面からリブが形成されている表面側へ、後述の実施例に記載の方法で計測した板上部の平均厚さ分だけ離れた位置との間の領域を指す。

リブの高さとしては、特に限定はなく、高ければ高いほど剛性向上の効果がある一方で、高すぎるとリブ自体が折れやすくもなる。一般には、リブの高さが３ｍｍ以上であれば、リブの直下の板状部を人力で曲げることが難しい程度の剛性を得ることができる。厳密には現実的なリブの最大高さは板状部の大きさに依存するが、５０ｍｍ以下であることが好ましい。

ここでリブの高さとは、板状部のリブを有する側の表面からリブの先端までの、リブの高さ方向の距離を指す。板状部の形状が曲面や凹凸面を有する場合や、リブ形状が複雑な場合は、リブの高さを計測する位置によって異なる値をとる可能性があるが、そのような場合はリブ長手方向の全体に亘って１０点の測定箇所を均等間隔で取り、１０点のリブの高さの値の最大値をリブの高さとするものとする。繊維強化プラスチック成形品に複数のリブが設けられている場合は、それら全てのリブについてリブの高さを計測し、それらの値の最大値を繊維強化プラスチック成形品のリブの高さとする。

本発明において繊維はガラス繊維、ケブラー繊維、炭素繊維、グラファイト繊維またはボロン繊維等の一般的に繊維強化プラスチックの強化繊維として用いられる繊維を意味する。この内、比強度及び比弾性率の観点からは、炭素繊維が好ましい。複数種の繊維が混在していてもよい。

本発明において、繊維強化プラスチック構造部に含まれる樹脂は、熱硬化性樹脂でも熱可塑性樹脂でもよい。熱硬化性樹脂としては、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、エポキシ樹脂、ベンゾオキサジン樹脂、フェノール樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂及びポリイミド樹脂等が挙げられる。これらの樹脂の変形および２種以上のブレンドの樹脂を用いることもできる。また、これらの熱硬化性樹脂は熱により自己硬化する樹脂であってもよいし、硬化剤や硬化促進剤等を含むものであってもよい。熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリアミド（ＰＡ）、ポリアセタール、ポリアクリレート、ポリスルフォン、ＡＢＳ、ポリエステル、アクリル、ポリブチレンテレフタラート（ＰＢＴ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、液晶ポリマー、塩化ビニル、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素系樹脂、シリコーンなどが挙げられる。

この中でも、熱硬化性樹脂であることが好ましく、エポキシ樹脂組成物であることが特に好ましい。熱硬化性樹脂に、熱可塑性樹脂がブレンドされていてもよい。樹脂を熱硬化性樹脂とすることで、繊維強化プラスチック構造部は強化繊維との密着性に優れ、高い耐熱性を有する繊維強化プラスチックとすることができる。

本発明において、リブは、例えば図２（ａ）に示されるような１本の場合に限定はされず、図２（ｂ）〜（ｅ）のように複数本存在することが好ましい。複数本のリブが存在することで、板状部を厚くすることなく、繊維強化プラスチック構造部の剛性を向上させることが容易に達成できる。リブの本数に関しては特に限定はない。一方、板状部の凹みを抑制できるように、適度な間隔で配置されることが好ましい。複数のリブは、それぞれ異なる幅、異なる長さ、異なる高さであってもよいし、それらが同じ形状のリブであってもよい。また、複数本のリブのうち一部または全部が交差するように設けられていても良い。例えば、図２の（ｅ）に２本のリブが交差する場合の例を挙げる。

リブが複数本存在する場合の好ましい態様としては、リブが３本以上存在し、そのうち、少なくとも３本が互いに交差しない態様が挙げられる。交差しないリブを３本以上設けることで、板状部の比較的広い範囲をリブで補強することができる。

さらに、３本以上のリブのうち、少なくとも３本が互いに交差しない場合で好ましい態様としては、リブの間の距離が１５ｍｍ以下の箇所を含む態様が挙げられ、より好ましくは１３ｍｍ以下の箇所を含む態様である。さらに好ましくは、いずれのリブの間においても、その距離が任意の箇所で１５ｍｍ以下の態様である。かかる態様においては、リブが略平行であればとりわけ好ましい。複数本のリブが存在することで、板状部の広い範囲を補強することができるが、リブの間の距離を１５ｍｍ以下とすることで、板状部においてリブの直下でない箇所にもリブの補強効果を及ぼすことができ、より強固に板状部を補強することができる。特に好ましくは、いずれのリブの間においても、その距離が１３ｍｍ以下である。現実的なリブの間の最小距離としては３ｍｍである。該３本以上のリブは、板状部の補強が必要な箇所に設けて、板状部を補強するものである。好ましくは、該３本以上のリブで囲まれた面積が板状部の面積の６０％以上の面積を有することが好ましい。３本以上のリブで囲まれた面積とは、３本以上のリブのうちで最も離れた２本のリブの辺と、隣接する各リブの長手方向端部同士を結んだ線分からなる辺とで囲まれた領域の面積である。

リブが複数本存在する場合の別の好ましい態様としては、少なくとも２本のリブが交差している態様が挙げられる。より好ましくは、リブが４本以上存在し、互いに交差しない３本以上のリブと、それらのリブと交差するリブが並存する態様である。交差するリブを有することで、複数の方向に対して剛性を向上させることができる。

本発明において、板状部は曲面形状を有していてもよい。曲面形状の板状部へリブを設けることで、曲面の凹みを抑制することができ重量増加が少なく、好ましい。板状部が曲面形状を有する場合、リブは長手方向における高さの変動があってもよい。特に、板状部がドーム形状である場合、リブを側面方向から見たときに長手方向に延びる三日月形状を有するものであってもよい。板状部が曲面形状を有する場合も、リブが複数本存在していることが好ましい。より好ましくは、互いに交差しない３本以上のリブが存在しており、さらに好ましくは、互いに交差しない３本以上のリブと、それらのリブと交差するリブが存在する曲面形状の板状部である。

本発明の繊維強化プラスチック成形品において、繊維強化プラスチック構造部の板状部の、リブを有していない方の表面に金属が積層されていてもよい。金属のみで十分に剛性の高い成形品を得ようとする場合よりも、繊維強化プラスチックで補強する方が、同等の剛性であるにも関わらずより軽い成形品を得ることができ、リブを含む繊維強化プラスチック構造部であれば、繊維強化プラスチック成形品をさらに軽量化しつつ同等の剛性を得ることができる。

金属と繊維強化プラスチック構造部との間は、接着剤を用いて接着されていてもよいし、板状部の樹脂によって接着されていてもよい。

金属の材質は特に限定されないが、アルミニウム、鉄、銅、チタン、モリブデン、クロム、マグネシウム、ニッケル、亜鉛、鉛、錫などの純金属が挙げられる。また、炭素鋼、高張力鋼、クロム鋼、クロムモリブデン鋼、ニッケルクロム鋼、ニッケルクロムモリブデン鋼、ジューコール鋼、ハッドフィールド鋼、超強靱鋼、ステンレス鋼、鋳鉄、銅合金（例えば真鍮、すず青銅、アルミニウム青銅など）、アルミニウム合金、マグネシウム合金、チタン合金、ニッケル合金、亜鉛合金、鉛合金、すず合金などの少なくとも２種以上の金属の合金、または非金属と金属との合金であってもよい。

このなかでも、軽量性や強度、耐衝撃性に優れている点で、チタン、ステンレス鋼、ジュラルミンまたはチタン合金が好ましく用いられる。用途に応じて適宜炭素が配合されていてもよいし、表面または成分のうち一部が酸化されていてもよい。

金属の厚さとしては特に限定はないが、厚すぎると繊維強化プラスチック成形品が重くなってしまうため、３ｍｍよりも小さいことが好ましい。一方で薄すぎると磨耗などでたやすく削り取られてしまうため、０．５ｍｍ以上であることが好ましい。

本発明における繊維強化プラスチック構造部は、例えば一方向に配向した繊維と樹脂とからなる連続繊維プリプレグに複数の切込を挿入することで、繊維を不連続（平均長さが１０〜５０ｍｍ）となるようにした切込プリプレグを複数枚積層した切込プリプレグ積層体をプレス成形することで得ることができる。切込プリプレグにおける不連続繊維の平均長さは、１０〜５０ｍｍであることが好ましい。より好ましい不連続繊維の平均長さは、１０〜３０ｍｍである。切込プリプレグをプレス成形することで、成形時に切込プリプレグ中の不連続な繊維が流動し、リブを有しながらも繊維の体積含有率（Ｖｆ）が大きい繊維強化プラスチック構造部を得ることができる。

切込プリプレグにおけるＶｆを５０〜７０％とすることで、得られる繊維強化プラスチック構造部のＶｆも５０〜７０％とすることができる。切込プリプレグの厚さは、０．０５ｍｍ〜１．５ｍｍとすることが好ましい。薄すぎると成形時の積層数が多くなり、手間となる。厚すぎると積層構成を選ぶ自由度が小さくなる。

切込プリプレグにおいて、切込と繊維とのなす角度の絶対値は２〜６０°であることが好ましい。基材の流動性と力学特性との両立の観点から、切込と繊維とのなす角度の絶対値が２〜４５°であることがより好ましい。特に切込と繊維とのなす角度の絶対値が２５°以下であることで、力学特性の向上が著しく、かかる観点から切込と繊維とのなす角度の絶対値が２〜２５°であることがさらに好ましい。

切込プリプレグの積層構成は成形時の熱変形を抑制するために、対称積層であることが好ましい。金属と接合した繊維強化プラスチック成形品とする際には、必ずしも対称積層でなくともよく、特に金属と同時に加熱し硬化と接着を同時に行う場合は、金属の熱収縮とＦＲＰの熱収縮が同等になるように積層構成を調節することが好ましい。

また、板状部のリブを有していない方の表面は、必ずしも切込プリプレグを用いる必要はなく、切込の入っていない連続繊維プリプレグであってもよい。

プレス成形時には、リブを形成するための凹部を有する型（リブ型）を用いる必要がある。以下、切込プリプレグに含まれる繊維が一方向に配向する場合について述べる。この場合、リブ型に接触する切込プリプレグ（以下、表層の切込プリプレグという）に含まれる一方向に配向した繊維の配向方向が、前記リブ型の凹部における長手方向となす鋭角側の角度の絶対値をθｓとすると、θｓが６０°よりも小さいことが好ましい。上記θｓを６０°より小さくすることで、リブ型の凹部に繊維が流入しやすくなり、樹脂中に繊維が充填された高いリブを突出せしめることができる。該角度は４５°以下がより好ましい。複数の凹部が存在するリブ型を用いる場合でも、各凹部における長手方向と表層の切込プリプレグに含まれる一方向に配向した繊維の配向方向を６０°よりも小さくすることで、各凹部へ繊維が流入しやすくなる。特に、リブ型が細幅の凹部を有する場合には顕著な効果がある。本態様は、凹部の長手方向に直角方向の幅が０．１〜１．５ｍｍの場合に好ましく適用することができる。

板状部からリブが突出する際、リブの内部へ板状部の繊維を引き込むため、その量が多すぎると、板状部の力学特性が低くなる場合がある。突出させるリブが細いほど、板状部の力学特性を保ったままリブを突出させることができる。構造体として、一般には、太幅のリブを一つ配置するより、細幅のリブを複数配置する方が、表面積が大きくなり、放熱効果も期待できる。

さらに本発明では、切込プリプレグの一方向に配向した繊維の配向方向がリブ型の凹部における長手方向とのなす鋭角側の角度の絶対値をθとすると、θが４５°以下の切込プリプレグが、θが４５°より大きい切込プリプレグと同数またはより多く含まれることが好ましく、より多く含まれる態様がより好ましい。さらに好ましい態様は、切込プリプレグ積層体における表層の切込プリプレグ、すなわちプレス成形時において、リブ型に最も近い位置に配置された切込プリプレグのθが６０°よりも小さく、かつ、複数枚の切込プリプレグにおいて、θが４５°以下のプリプレグが、θが４５°より大きいプリプレグと同数またはより多く含まれる態様であり、より多く含まれる態様がより好ましい。表層の切込プリプレグだけでなく、内側の切込プリプレグにおける繊維の方向も凹部における長手方向と近い角度とすることで、リブを板状部から突出させやすくなり、これによりリブの力学特性も向上する。一方で、リブに対して直角に近い方向の力学特性を維持するために、切込プリプレグ積層体中の少なくとも１層の切込プリプレグは、θが４５°より大きいことが好ましい。別の態様としては、基材積層体中に少なくとも１層がθが６０°以上の切込プリプレグである場合に、θが３０°以下の切込プリプレグが、θが６０°より大きい切込プリプレグと同数またはより多く含まれる態様である。本態様においても、上記と同じく凹部の長手方向に直角方向の幅が０．１〜１．５ｍｍの場合に好ましく適用することができる。

金属と繊維強化プラスチック構造部を一体化した繊維強化プラスチック成形品をプレス成形によって得る際は、金属板の弾性率（ＧＰａ）と厚み（ｍｍ）の積が、５０〜３００であることが好ましい。この積が５０未満であると、切込プリプレグ積層体を加圧し、リブを突出させる際に、リブを突出させることによるヒケの痕が残る場合がある。金属表面のヒケは、リブの周辺の繊維がリブへ流入する際に、金属に圧縮荷重を与えてしまうことが原因と推定され、金属の厚みが厚いほど、弾性率が高いほど、金属表面にリブを突出させることによるヒケの痕が残りにくくなり、金属表面の外観が向上する。この積が３００よりも大きい場合は、重量が重くなりすぎる場合や、金属のみで十分な剛性を有する場合が考えられ、繊維強化プラスチックのリブによる補強効果が得られにくい。より好ましい、金属板の弾性率（ＧＰａ）と厚み（ｍｍ）の積としては、６０〜２５０である。なお、金属板の弾性率（ＧＰａ）と厚み（ｍｍ）の積は、上記の上限と下限のいずれを組み合わせた範囲であってもよい。

以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は実施例に記載の発明に限定される訳ではない。

＜プリプレグの製造＞
以下に示す原料を用いてエポキシ樹脂組成物および、プリプレグを製造した。

まず、エポキシ樹脂（ジャパンエポキシレジン（株）製“エピコート（登録商標）”８２８：４０質量部、ジャパンエポキシレジン（株）製“エピコート（登録商標）”１００７ＦＳ：２５質量部、ＤＩＣ（株）製“ＥＰＩＣＬＯＮ（登録商標）”Ｎ７４０：３５質量部）と、熱可塑性樹脂ポリビニルホルマール（チッソ（株）製“ビニレック（登録商標）”Ｋ：３重量部）とを、ビーカー内に投入し、８０℃まで昇温させ３０分加熱混練を行った。

樹脂温度を３０℃まで降温した後、硬化剤シジミンジアミド（ジャパンエポキシレジン（株）製ＤＩＣＹ７）３．５質量部と硬化促進剤２，４−トルエンビス（ジメチルウレア）（ピイ・ティ・アイジャアン（株）製”オミキュア（商標登録）”２４）２質量部とを加え、１０分間攪拌させることで、ニーダー中から取り出してエポキシ樹脂組成物を得た。

得られたエポキシ樹脂組成物を、リバースロールコーターを用いてシリコーンコーティングされた厚さ１００μｍの離型紙上に塗布し、２０ｇ／ｍ^２の樹脂フィルムを作製した。

次に、シート状に一方向に整列させた炭素繊維（東レ（株）製“トレカ（登録商標）”Ｔ７００Ｓ−１２Ｋ−５０Ｃ）の両面から樹脂フィルムを重ね、加熱加圧することで樹脂組成物を含浸させ、炭素繊維目付け１００ｇ／ｍ^２、炭素繊維の重量分率が６７％、炭素繊維の体積含有率Ｖｆが５７．５％の、炭素繊維が一方向に配向したプリプレグを作成した。

＜切込プリプレグの製造＞
所定の位置に複数の刃が配置された回転刃を押し当てることでプリプレグにプリプレグを貫通する切込を挿入した。回転刃は、回転方向の進行方向となす角度が＋１４°の刃と−１４°の刃とが交互に配置されており、刃はプリプレグの全ての繊維が１５ｍｍに切断されるように配置されているものを用いた。

＜プレス成形＞
切込プリプレグをサイズが１００ｍｍ×１００ｍｍに裁断し、各実施例に記載の構成で積層した切込プリプレグ積層体を、リブを形成するための凹部を有する上型と、凹部を有さない下型を用いてプレス成形した。実施例３〜６、１０〜１２、比較例４、６はそれぞれ複数のリブを形成する例であるが、これらの例では、リブを形成するための複数の溝及び溝を形成する壁面が、それぞれ平行となるように設けられた上型を使用した。図２または図３に示す形状の繊維強化プラスチックを得ており、ラインＡを横方向、ラインＢを縦方向とした。上型と下型は予め１５０℃に加熱しておき、積層基材を上型と下型の間に挟み、その状態で２０秒保持した後、板状部に対して６ＭＰａの圧力が付与されるように加圧した。加圧しながら２０分保持してから脱型した。いずれの実施例においても、１００ｍｍ×１００ｍｍの板状部と、樹脂中に炭素繊維が充填されたリブとからなる繊維強化プラスチック構造部を得ることができた。成形時に樹脂が流れ出ており、製造したプリプレグよりもＶｆが高くなっていることが想定された。繊維強化プラスチック構造部に装飾や金属などの接着を行わない場合は、繊維強化プラスチック構造部が繊維強化プラスチック成形品となる。一方、金属が接着された実施例８、９においては、繊維強化プラスチック構造部に金属が接着されたものが繊維強化プラスチック成形品となる。

＜Ｖｆの測定＞
板状部のＶｆは、画像処理によって繊維と樹脂とを２値化により分離し、板状部に含まれる繊維の面積率として求めた。
画像処理を行う対象として、リブの直下ではない板状部を３箇所切り出し、バフ研磨を行うことで断面を観察した際に繊維と樹脂の境界が明確に分離できる程度の表面粗さに処理し、デジタルマイクロスコープを用いて撮影したデジタル画像を用いた。
画像処理によって得た３箇所のＶｆの平均値を板状部のＶｆの代表値とした。

＜板状部の平均厚さ測定＞
板状部のリブの直下でない４点を任意に選び、点接触式のマイクロメータで測定し、平均値を板状部の厚さとした。実施例８、９、１０においては、金属層の厚さはカタログ値通りとし、金属層を含めた板状部の厚さから金属層の厚さを引いた値とした。
なお、本実施例では点接触式のマイクロメータを用いたが、板状部の厚さの測定方法は任意の測定装置を用いて測定可能である。例えば、繊維強化プラスチック構造部のみで構成された繊維強化プラスチック成形品、あるいは、繊維強化プラスチック成形品から繊維強化プラスチック構造部を分離できる場合で、板状部が平面の場合はノギスも利用できる。板状部が曲面の場合は、点接触式のマイクロメータで測定する方法が好ましく用いられる。繊維強化プラスチック成形品から繊維強化プラスチック構造部を分離できない場合は、上記の通り、金属などの成形品の他の構成要素の厚さをカタログ値通りとして差し引けばよいが、カタログ値が不明の場合は、繊維強化プラスチック構造部を含む繊維強化プラスチック成形品の断面を切り出し、マイクロスコープで測定する方法を用いることができる。

＜リブの高さ測定＞
リブの高さは、得られた繊維強化プラスチック構造体の板状部を含むリブの高さから、板状部の平均厚さを引くことで算出した。実施例１〜６、１０、１２では、それぞれ立ったリブの高さがほぼ同じであったため、板状部を含むリブの高さは、本実施例ではリブは全て同じ高さとみなし、ノギスで板状部を含みいずれかのリブを挟み込むことで測定し、測定値を採用した。実施例７〜９、１１は板上部が曲面形状を有することやリブの形状が複雑であることから、リブの高さが測定箇所によって変化したため、上記記載の方法に則り１０箇所計測した数値の最大値を採用した。

＜板状部とリブの両方にわたって存在する繊維がリブ内で達する高さの測定＞
板状部のＶｆの測定時と同様に研磨し、画像処理によって、リブ内を観察した。本実施例に係る繊維強化プラスチック構造部においては、板状部から連続した層がリブ内にも入り込んでおり、その層が達する高さを、板状部とリブの両方にわたって存在する繊維がリブ内で達する高さＬとして代用した。Ｌは上述のように、板状部のリブを有していない方の表面から、板状部から連続した層がリブ内で達する最大高さまでの距離と、板状部の平均厚さとの差とした。

＜リブの平均幅の測定＞
リブの平均幅は、リブの長手方向においてリブの端から１０〜３０％、３０〜７０％、７０〜９０％の３箇所におけるそれぞれ任意に選んだ断面において、リブの高さ方向３０〜７０％の範囲から１箇所ずつ選択した箇所の幅の平均値とした。各箇所のリブの幅はノギスを用いて測定した。
なお、本実施例ではノギスを用いたが、任意の測定装置を用いた方法が利用でき、例えばマイクロメータや、断面の写真等を取得して画像解析により測定してもよい。

＜隣接するリブ同士の距離の測定＞
繊維強化プラスチック構造部における交差しないリブを対象として、隣接するリブ同士の距離を、定規を用いて、リブの先端から他のリブの先端までの距離として測定した。本実施例３〜６、実施例１０〜１２では隣接するリブは平行であるとみなし、任意に選んだ３箇所を測定し、その平均値を代表値とした。

＜曲げ剛性ＥＩ、単位重量あたり曲げ剛性の計算＞
繊維強化プラスチック成形品の力学特性として、曲げ剛性ＥＩと単位重量あたり曲げ剛性を取得した。成形品から求めることが困難であるため、板状部が平面であり、同じ断面形状が続く場合において、断面二次モーメントＩを算出し、弾性率Ｅとの積をＥＩとした。

本実施例及び比較例では、比較例４を除いて、Ｅのおよその値として、繊維強化プラスチック構造部、アルミニウム部共に７０ＧＰａとした。繊維強化プラスチック成形品の断面二次モーメントは、板状部の厚さｆ（ｍｍ）、リブの平均幅ｔ（ｍｍ）、断面におけるリブの本数Ｎ、リブの高さｈ（ｍｍ）を用いて式１で計算した。単位重量あたり曲げ剛性は、ＥＩを繊維強化プラスチック成形品の重量で除して算出した。

ＥＩを計算する断面は図２のラインＡ、Ｂで示した断面とし、各断面のＥＩをＥＩＡ、ＥＩＢ、各断面の単位面積あたりのＥＩを単位面積あたりのＥＩＡ、単位面積あたりのＥＩＢとした。計算に用いるｆ、ｔ、Ｎ、ｈは上述の観察で得られた代表値を用いた。ただし、リブが存在しない場合はＮ＝１、ｔ＝０として計算した。

（実施例１）
切込プリプレグ積層体の積層構成を、縦方向を０°として、［０°／９０°／０°／９０°／０°／９０°／０°／９０°／０°／９０°／０°／９０°／０°］に積層し、上型は凹部を１つ有する金型とし、下型は板状部が平面となる金型として、プレス成形で表１、２及び図２（ａ）に示す形状、特性を有する繊維強化プラスチック構造部を得て、これを繊維強化プラスチック成形品とした。

Ａの断面に直角な方向に簡単には曲がらず、高い剛性を有することが確認できた。

（実施例２）
切込プリプレグ積層体の積層構成を、縦方向を０°として、［０°／９０°／０°／９０°／０°／９０°／０°／９０°／０°］に積層したこと以外は実施例１と同様にプレス成形で表１、２及び図２（ａ）に示す形状、特性を有する繊維強化プラスチック構造部を得て、これを繊維強化プラスチック成形品とした。

実施例１で得られた繊維強化プラスチック成形品に比べ軽量な成形品が得られた。ＥＩＡが低下したものの、Ａの断面に直角な方向に簡単には曲がらず、十分な剛性を有していた。

（実施例３）
切込プリプレグ積層体の積層構成を、縦方向を０°として、［０°／９０°／０°／９０°／０°／９０°／０°／９０°／０°］に積層し、プレス成形で表１、２及び図２（ｂ）に示す形状、特性を有する繊維強化プラスチック構造部を得て、これを繊維強化プラスチック成形品とした。

上型は凹部を２つ有する金型とし、凹部はそれぞれ平行に設けられていた。下型は板状部が平面となる金型とした。
実施例２で得られた繊維強化プラスチック成形品とほぼ同じ重量であるが、ＥＩＡが向上していることが確認できた。

（実施例４）
切込プリプレグ積層体の積層構成を、縦方向を０°として、［０°／９０°／０°／９０°／０°／９０°／０°／９０°／０°］に積層し、プレス成形で表１、２及び図２（ｃ）に示す形状、特性を有する繊維強化プラスチック構造部を得て、これを繊維強化プラスチック成形品とした。

プレス成形には、上型は凹部を３つ有し、凹部はそれぞれ平行に設けられた金型を、下型は板状部が平面となる金型を用いた。
実施例３で得られた繊維強化プラスチック成形品よりもさらにＥＩＡが向上していることが確認できた。

（実施例５）
切込プリプレグ積層体の積層構成を、縦方向を０°として、［０°／９０°／０°／９０°／０°］に積層し、プレス成形で表１、２及び図２（ｃ）に示す形状、特性を有する繊維強化プラスチック構造部を得て、これを繊維強化プラスチック成形品とした。

プレス成形には、上型は凹部を３つ有し、凹部はそれぞれ平行に設けられた金型を、下型は板状部が平面となる金型を用いた。

１０ｇに満たない重量であるが、手で押してもリブの直下は凹まない剛性があることが確認できた。ただし、リブの直下でない板状部は若干凹む感触があった。

（実施例６）
切込プリプレグ積層体の積層構成を、縦方向を０°として、［０°／９０°／０°／９０°／０°］に積層し、プレス成形で表１、２及び図２（ｄ）に示す形状、特性を有する繊維強化プラスチック構造部を得て、これを繊維強化プラスチック成形品とした。

プレス成形には、上型は凹部を７つ有し、凹部はそれぞれ平行に設けられた金型を、下型は板状部が平面となる金型を用いた。

軽量であるが、単位重量あたりのＥＩＡは実施例１、２、３、５で得られた繊維強化プラスチック成形品よりも高くなった。実施例５で得られた繊維強化プラスチック成形品ではリブの直下でない板状部が若干凹んだが、本実施例６で得られた繊維強化プラスチック成形品では板状部のどこを押しても凹むことはなかった。ただし、ラインＢ方向に沿っては曲がりやすかった。

（実施例７）
切込プリプレグ積層体の積層構成を、縦方向を０°として、［＋４５°／−４５°／＋４５°／−４５°／＋４５°／−４５°／＋４５°／−４５°／＋４５°］に積層し、プレス成形で表１、２及び図２（ｅ）に示す形状、特性を有する繊維強化プラスチック構造部を得て、これを繊維強化プラスチック成形品とした。

プレス成形には、上型は直角に交差する凹部を２つ有する金型を、下型は板状部が平面となる金型を用いた。

Ａの断面もＢの断面も高いＥＩを有していることが確認でき、実際に手で押さえてたわむことはなかった。

（実施例８）
切込プリプレグ積層体の積層構成を、縦方向を０°として、［＋４５°／−４５°／＋４５°／−４５°／＋４５°／−４５°／＋４５°／−４５°／＋４５°］に積層し、プレス成形時に厚さ０．５ｍｍのアルミニウム板を切込プリプレグ硬化と同時に板状部のリブを有していない方の表面へ接着させ、繊維と樹脂とからなる繊維強化プラスチック構造部にアルミニウム板が接着した、表１、２及び図２（ｅ）に示す形状、特性を有する繊維強化プラスチック成形品を得た。

上型、下型は実施例７と同じものを用いた。

若干反ったものの、アルミニウムが繊維強化プラスチック構造部で補強され、高い剛性を有する成形品であった。

（実施例９）
切込プリプレグ積層体の積層構成を、縦方向を０°として、［＋４５°／−４５°／＋４５°／−４５°／＋４５°／−４５°／＋４５°／−４５°／＋４５°］に積層し、プレス成形時に厚さ０．５ｍｍのアルミニウム板を切込プリプレグ硬化と同時に板状部のリブを有していない方の表面へ接着させ、繊維と樹脂とからなる繊維強化プラスチック構造部にアルミニウム板が接着した、表１、２に示す形状、特性を有する繊維強化プラスチック成形品を得た。

上型は直角に交差する凹部を２つ有する金型とし、下型は板状部が曲面となる金型とした。プリプレグ積層体の縦方向が金型に設けられた一方の溝に沿うように配置し、得られた繊維強化プラスチック成形品は図３（ａ）のような形状となった。

反りなどは見られず、実施例８で得られた繊維強化プラスチック成形品と同様にアルミニウムの外観を有し、押しても凹まない、高い剛性を有する成形品であった。

（実施例１０）
プレス成形時に厚さ０．５ｍｍのアルミニウム板を切込プリプレグ硬化と同時に板状部のリブを有していない方の表面へ接着させること以外は、実施例６と同様に、繊維強化プラスチック成形品を得た。

実施例８で得られた繊維強化プラスチック成形品と同様に、アルミニウムの外観を有していた。板状部が同じサイズで、リブのない０．５ｍｍのアルミニウムの曲げ剛性の上記計算の結果は２９２であり、これを考慮すると、わずか７ｇの繊維強化プラスチック構造部によって飛躍的な剛性上昇効果が得られることがわかった。

（実施例１１）
切込プリプレグ積層体の積層構成を、縦方向を０°として、［０°／９０°／０°／９０°／０°］に積層し、プレス成形で表１、２に示す形状、特性を有する繊維強化プラスチック構造部を得て、これを繊維強化プラスチック成形品とした。

上型は凹部を７つ有する金型とし、凹部はそれぞれ平行に設けられていた。下型は板状部が曲面となる金型とした。プリプレグ積層体の縦方向が金型に設けられた凹部が伸びる方向に沿うようにプリプレグ積層体を配置し、得られた繊維強化プラスチック成形品は図３（ｂ）のような形状となった。

実施例６で得られた繊維強化プラスチック成形品では、ラインＢに沿っては曲がりやすかったが、曲面にすることで、リブと直角方向も曲がりにくい繊維強化プラスチック成形品となった。

（実施例１２）
切込プリプレグ積層体の積層構成を、縦方向を０°として、［０°／９０°／０°／９０°／０°／９０°／０°／９０°／０°／９０°／０°／９０°／０°／９０°／０°］としたこと以外は実施例６と同様にプレス成形で表１に示す形状、特性を有する繊維強化プラスチック構造部を得て、これを繊維強化プラスチック成形品とした。
実施例６で得られた繊維強化プラスチック成形品に比べＥＡＩやＥＩＢが改善されたが、重量がやや増加した。

（比較例１）
実施例２で用いた切込プリプレグ積層体と同じ切込プリプレグ積層体を２枚重ねて、実施例２の２倍の厚さの切込プリプレグ積層体として、実施例２で得られた繊維強化プラスチック成形品と同様の形状で板状部の厚い繊維強化プラスチック成形品を得た。

非常に硬い成形品を得られ、実施例２で得られた繊維強化プラスチック成形品と比べてＥＩＡは約２．５倍となっていたが、実施例２で得られた繊維強化プラスチック成形品でも、指で押さえた際に容易にはたわまない程度の剛性は得られていた。しかし、金属と一体化していないにもかかわらず、重量増加の顕著さが印象に残った。

（比較例２）
実施例５で用いた切込プリプレグ積層体と同じ切込プリプレグ積層体を、凹部を有さない上型を用いて、リブのない繊維強化プラスチック成形品を得た。

手で簡単に曲がる繊維強化プラスチック成形品であった。

（比較例３）
実施例６で得られた繊維強化プラスチック成形品と同じ形状を有するアルミニウムのＥＩを計算した。アルミニウムの密度を２．７ｇ／ｃｍ^３とすると、単位重量あたりのＥＩＡは実施例６で得られた繊維強化プラスチック成形品よりも低かった。

（比較例４）
Ｖｆを３５％とした以外は実施例５で得られた繊維強化プラスチック成形品と同じ形状を有する繊維強化プラスチック構造部のＥＩを計算した。弾性率Ｅ＝４０ＧＰａとした。繊維強化プラスチック構造部の密度は、Ｖｆ＝５９％である実施例５で得られた繊維強化プラスチック成形品では１．６ｇ／ｃｍ^３としたが、Ｖｆ＝３５％である本例の繊維強化プラスチック成形品では１．４ｇ／ｃｍ^３とした。

計算結果としては、ＥＩＡは実施例５で得られた繊維強化プラスチック成形品より劣り、単位重量あたりＥＩＡも劣っていた。

（比較例５）
プリプレグ積層体の縦方向が金型に設けられた凹部が伸びる方向と９０°で交わるように金型に配置したこと以外は、実施例４で用いたものと同じ型を用いてプレス成形を行った。ところが、リブ内に繊維と樹脂とが充填せず、実施例４で得られた繊維強化プラスチック成形品と同様の形状を得ることはできなかった。

（比較例６）
実施例２で用いた切込プリプレグ積層体と同じ積層体を３枚重ねて、実施例２で用いた切込プリプレグ積層体の３倍の厚さの切込プリプレグ積層体を使用したこと以外は、実施例１２と同様にプレス成形で表１に示す形状、特性を有する繊維強化プラスチック構造部を得て、これを繊維強化プラスチック成形品とした。実施例６で得られた繊維強化プラスチック成形品に比べてリブの平均幅やリブの高さの大きい成形品が得られた。
非常にＥＩＡの高い成形品が得られたが、実施例１２で得られた繊維強化プラスチック成形品に比べ板状部の厚さがあまり変わらないにも関わらず、重量の重い成形品が得られた。

１：板状部
２：リブ
３：板状部とリブの両方にわたって存在する繊維
４：板状部の、リブのない方の表面

Claims (8)

1. 繊維強化プラスチック構造部を含む繊維強化プラスチック成形品であって、
   前記繊維強化プラスチック構造部は、繊維と樹脂とを含み、板状部と板状部の表面から突出したリブとを有するものであり、
   前記板状部は、繊維の体積含有率が５０〜７０％、平均厚さが１．５ｍｍ以下であり、
   前記リブは、平均幅が０．１〜１．５ｍｍであり、
   前記板状部と前記リブにわたって存在し、リブ内のリブの高さ方向における高さが０．５ｍｍ以上に達する繊維を含む、繊維強化プラスチック成形品。
2. 前記樹脂が熱硬化性樹脂である、請求項１に記載の繊維強化プラスチック成形品。
3. 前記リブが複数本存在する、請求項１または２に記載の繊維強化プラスチック成形品。
4. 前記リブが３本以上存在し、そのうち少なくとも３本が互いに交差しない、請求項３に記載の繊維強化プラスチック成形品。
5. 前記複数本のリブのうち少なくとも２本の隣接するリブの間の距離が１５ｍｍ以下である、請求項４に記載の繊維強化プラスチック成形品。
6. 前記複数本のリブのうち少なくとも２本のリブが交差している、請求項３〜５のいずれかに記載の繊維強化プラスチック成形品。
7. 前記板状部が曲面形状を有する、請求項１〜６のいずれかに記載の繊維強化プラスチック成形品。
8. 前記板状部のリブを有していない方の表面に金属が積層されている、請求項１〜７のいずれかに記載の繊維強化プラスチック成形品。

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