KR102149543B1 - 에너지 흡수부재 - Google Patents

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Abstract

충격을 받은 순간의 반동이 작고 또한 충격에 의한 파괴가 균일하게 진행되어 안정적으로 충격을 흡수할 수 있는 에너지 흡수부재를 제공한다. 에너지 흡수부재(21)는 인장 강도 S(GPa), 인장 탄성률 M(GPa), 및 신률 E(%)가, 하기 식 (1)을 만족시키는 강화 섬유(22)와 강화 섬유(22)에 함침된 경화성 수지 조성물로 구성되는 중공 원통형의 섬유 강화 복합재로 이루어진다. 상기 섬유 강화 복합재에서의 강화 섬유(22)의 체적 함유율이 30~80%이다.
11.0≤S2×M1/8/E1/2≤22.0 ···(1)

Description

에너지 흡수부재
본 발명은 에너지 흡수부재에 관한 것이다.
자동차 충돌시에 발생하는 충돌 에너지를 흡수하는 부재인 크래쉬 박스에서, 섬유 강화 수지로 구성된 원통 형상의 에너지 흡수부재를 사용하는 것이 제안되었다.
예를 들어 특허문헌 1에는 E 유리 조성(통상, 유리의 전량에 대해 52.0~56.0 질량% 범위의 SiO2와, 12.0~16.0 질량% 범위의 Al2O3와, 합계로 20.0~25.0 질량% 범위의 MgO 및 CaO와, 5.0~10.0 질량% 범위의 B2O3를 포함하는 조성)을 구비하는 유리 섬유(이하, E 유리 섬유라 함)를 강화 섬유로서 사용한 섬유 강화 수지에 의해 구성된 에너지 흡수부재가 기재되어 있다. 또한 특허문헌 2에는 탄소 섬유를 강화 섬유로서 사용한 섬유 강화 수지에 의해 구성된 에너지 흡수부재가 기재되어 있다.
특허문헌 1 : 일본 특허출원공개 평03-112743호 공보 특허문헌 2 : 일본 특허출원공개 제2008-267393호 공보
그러나, 특허문헌 1의 E 유리 섬유를 강화 섬유로서 사용한 에너지 흡수부재에서는 충격에 의한 파괴의 진행이 균일하지 않아 안정적으로 충격의 흡수를 할 수 없는 문제가 있었다.
한편, 특허문헌 2의 탄소섬유를 강화 섬유로서 사용한 에너지 흡수부재에서는 충격을 받은 순간의 반동이 큰 문제가 있었다.
본 발명은 이와 같은 문제를 해소하여 충격을 받은 순간의 반동이 작고 충격에 의한 파괴가 균일하게 진행되어 안정적으로 충격을 흡수할 수 있는 에너지 흡수부재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 에너지 흡수부재는 인장 강도 S(GPa), 인장 탄성률 M(GPa), 및 신률 E(%)이 하기 식 (1)을 만족시키는 강화 섬유와 이 강화 섬유에 함침된 경화성 수지 조성물로 구성되는 중공 원통형의 섬유 강화 복합재로 이루어지는 에너지 흡수부재로서, 상기 섬유 강화 복합재에서의 상기 강화 섬유의 체적 함유율이 30~80%인 것을 특징으로 한다.
11.0≤S2×M1/8/E1/2≤22.0 ···(1)
본 발명의 에너지 흡수재에 의하면, 상기 인장 강도 S, 인장 탄성률 M 및 신률 E가 상기 식 (1)을 만족시키고 상기 섬유 강화 복합재에서의 상기 강화 섬유의 체적 함유율이 상기 범위에 있어, 충격을 받은 순간의 반동이 작고 충격에 의한 파괴가 균일하게 진행되어 안정적으로 충격을 흡수할 수 있는 에너지 흡수부재를 얻을 수 있다.
여기서, 충격을 받은 순간의 반동이 작다는 것은, 중공 원통형의 섬유 강화 복합재를 상측 지그와 하측 지그로 그것들 사이에 고정하고, 상측 지그 위에 추(falling weight)를 자유 낙하시켜 축 방향으로 충격 압축 하중을 가하는 대형 낙추 충격 시험에서, 추의 질량을 200kg, 충격 속도가 25㎞/h가 되도록 자유낙하 높이를 2.46m로 하는 시험 조건에서 하중 변위 곡선을 그린 경우에, 최대 하중점에서의 하중(이하 최대 하중이라 함)과 이 최대 하중점의 직후에 나타나는 극소점에서의 하중(이하 제1 극소점 하중이라 함)의 차이가 30kN 이하인 것을 의미한다. 또한 충격에 의한 파괴가 균일하게 진행되어 안정적으로 충격을 흡수할 수 있다는 것은, 중공 원통형의 섬유 강화 복합재를 상측 지그와 하측 지그로 그것들 사이에 고정하고, 상측 지그 위에 추를 자유낙하시켜 축 방향으로 충격 압축 하중을 가하는 대형 낙추 충격 시험에서, 추의 질량을 200kg, 충격 속도가 25㎞/h가 되도록 자유낙하 높이를 2.46m로 하는 시험 조건에서 하중 변위 곡선을 그린 경우에, 최대 하중점의 직후에 나타나는 극소점보다 후이고 변위량이 70㎜에 도달하기까지 출현하는 복수의 극대점 및 극소점에 있어서 하중이 최대가 되는 극대점에서의 하중(이하 최대 극대점 하중이라 함)과 하중이 최소가 되는 극소점에서의 하중(이하 최소 극소점 하중이라 함)과의 차이가 25kN 이하인 것을 의미한다.
본 발명의 에너지 흡수재에 의하면, 상기 섬유 강화 복합재에서의 상기 강화 섬유의 체적 함유율이 30% 미만이면 충격에 의한 파괴가 균일하게 진행되지 않아 안정적으로 충격을 흡수할 수 없다. 한편, 상기 강화 섬유의 체적 함유율이 80%를 넘으면 강화 섬유에 경화성 수지 조성물이 충분히 함침되지 않아 섬유 강화 복합재를 얻을 수 없다.
또한 본 발명의 에너지 흡수부재에서는, 복수의 상기 강화 섬유가 상기 섬유 강화 복합재중에서 나선형으로 또한 서로 교차하는 방향으로 배치되어 있고, 서로 교차하는 상기 강화 섬유의 교차 각도가 100° 이상 160° 이하인 것이 바람직하다.
본 발명의 에너지 흡수부재는 상기 교차 각도가 100° 이상 160° 이하의 범위에 있어, 충격에 의한 파괴가 보다 균일하게 진행되어 보다 안정적으로 충격을 흡수할 수 있는 에너지 흡수부재를 얻을 수 있다.
여기서, 충격에 의한 파괴가 보다 균일하게 진행되어 보다 안정적으로 충격을 흡수할 수 있다는 것은, 최대 극대점 하중과 최소 극소점 하중과의 차이가 20kN 이하인 것을 의미한다.
또한 본 발명의 에너지 흡수부재에서는, 복수의 상기 강화 섬유가 상기 섬유 강화 복합재중에서 나선형으로 또한 서로 교차하는 방향으로 배치되어 있고, 서로 교차하는 상기 강화 섬유의 교차 각도가 70° 이상 100° 미만인 것이 더욱 바람직하다.
본 발명의 에너지 흡수부재는 상기 교차 각도가 70° 이상 100° 미만의 범위에 있어 충격을 받은 순간의 반동이 보다 작아지고, 또한 극히 높은 에너지 흡수량이 실현된다.
여기서, 충격을 받은 순간의 반동이 보다 작아진다는 것은, 최대 하중과 제1 극소점 하중과의 차이가 20kN 이하인 것을 의미한다.
또한 여기서, 극히 높은 에너지 흡수량이 실현된다는 것은, 중공 원통형의 섬유 강화 복합재를 상측 지그와 하측 지그로 그것들 사이에 고정하고, 상측 지그 위에 추를 자유낙하시켜 축 방향으로 충격 압축 하중을 가하는 대형 낙추 충격 시험에서 추의 질량을 200kg, 충격 속도가 25㎞/h가 되도록 자유낙하 높이를 2.46m로 하는 시험 조건에서 하중 변위 곡선을 그린 경우에 변위량이 70㎜에 이를 때까지의 에너지 흡수량(이하 70㎜시점 총 에너지흡수량이라 함)이 3300J 이상인 것을 의미한다. 아울러 상기 70㎜시점 총 에너지흡수량은 변위량이 70㎜가 되기 직전의 변위량에서의 에너지 흡수량과 변위량이 70㎜를 넘은 직후의 변위량에서의 에너지 흡수량과의 평균으로 구할 수도 있다.
또한 본 발명의 에너지 흡수부재에서는 상기 섬유 강화 복합재에서의 상기 강화 섬유의 체적 함유율이 50~70%인 것이 바람직하다.
상기 섬유 강화 복합재에서의 상기 강화 섬유의 체적 함유율이 50~70%임에 따라 높은 에너지 흡수량이 실현된다.
여기서, 높은 에너지 흡수량이 실현된다는 것은, 상기 70㎜시점 총 에너지흡수량이 2500J 이상인 것을 의미한다.
또한 본 발명의 에너지 흡수부재에서는, 상기 강화 섬유가 유리 섬유이고, 상기 유리 섬유가 상기 유리 섬유의 전량에 대해서 56.5~68.0 질량% 범위의 SiO2와, 13.0~28.0 질량% 범위의 Al2O3와, 5.0~12.0 질량% 범위의 MgO를 포함하고, 상기 SiO2, Al2O3 및 MgO의 합계 함유율이 77.0 질량% 이상이고, 상기 SiO2의 함유율에 대한 MgO의 함유율의 비(MgO/SiO2)가 0.09~0.18인 것이 바람직하다.
상기 강화 섬유가 SiO2, Al2O3 및 MgO의 함유율에 대해 상기 조건을 만족시키는 유리 섬유임에 따라, 이 유리 섬유가 적절한 인장 강도, 인장 탄성률 및 신률을 갖고, 이 유리 섬유를 강화 섬유로서 사용한 에너지 흡수부재는 충격을 받은 순간의 반동이 작아지고 또한 충격에 의한 파괴가 균일하게 진행되어 안정적으로 충격을 흡수할 수 있다.
SiO2의 함유율이 56.5 질량% 미만이면, 얻어진 유리 섬유가 적절한 인장 강도 및 신률을 갖지 못해 이 유리 섬유를 강화 섬유로서 사용한 에너지 흡수부재에서는 안정적인 에너지 흡수를 실현할 수 없다. 한편, SiO2의 함유율이 68.0 질량%를 넘으면, 유리 섬유를 구성하는 유리 조성물을 용융시켰을 때, 용융된 유리 조성물의 점성이 높아져 유리 섬유의 제조 자체가 어려워진다.
Al2O3의 함유율이 13.0 질량% 미만이면, 얻어진 유리 섬유가 적절한 인장 강도, 인장 탄성률 및 신률을 갖지 못해 이 유리 섬유를 강화 섬유로서 사용한 에너지 흡수부재에서는 안정적인 에너지 흡수를 실현할 수 없다. 한편, Al2O3의 함유율이 28.0 질량%를 넘으면, 유리 섬유를 구성하는 유리 조성물을 용융시켰을 때에 실투(devitrification)(유리중에 미소한 결정물이 석출되는 현상)가 발생하기 쉬어 유리 섬유의 제조 자체가 어려워진다. 또한 유리 조성물을 용융시키기 위해 필요한 온도가 높아져 용융로의 수명이 짧아지는 문제가 발생한다.
MgO의 함유율이 5.0 질량% 미만이면, 얻어진 유리 섬유가 적절한 인장 강도, 인장 탄성률 및 신률을 갖지 못해 이 유리 섬유를 강화 섬유로서 사용한 에너지 흡수부재에서는 안정적인 에너지 흡수를 실현할 수 없다. 한편, MgO의 함유율이 12.0 질량%를 넘으면, 유리 섬유를 구성하는 유리 조성물을 용융시켰을 때에 실투가 발생하기 쉽고 작업 온도 범위가 좁아짐으로써 유리 섬유의 제조 자체가 어려워진다.
SiO2, Al2O3 및 MgO의 합계 함유율이 77.0 질량% 미만이면, 얻어진 유리 섬유가 적절한 인장 강도, 인장 탄성률 및 신률을 갖지 못해 이 유리 섬유를 강화 섬유로서 사용한 에너지 흡수부재에서는 안정적인 에너지 흡수를 실현할 수 없다.
상기 MgO/SiO2가 0.09 미만이면, 얻어진 유리 섬유가 적절한 인장 강도, 인장 탄성률 및 신률을 갖지 못해 이 유리 섬유를 강화 섬유로서 사용한 에너지 흡수부재에서는 안정적인 에너지 흡수를 실현할 수 없다. 한편, 상기 MgO/SiO2가 0.18을 넘으면 유리 섬유를 구성하는 유리 조성물을 용융시켰을 때에 실투가 발생하기 쉬어 유리 섬유의 제조 자체가 어려워진다.
도 1은 본 발명의 에너지 흡수부재를 구성하는 섬유 강화 복합재에서의 강화 섬유의 인장 강도 S, 인장 탄성률 M 및 신률 E를 측정할 때에 사용하는 모노필라멘트 시험편을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 에너지 흡수부재를 구성하는 섬유 강화 복합재에서의 강화 섬유의 교차 각도 및 섬유 강화 복합재의 중심 축에 대한 강화 섬유의 각도를 나타낸 도면이다.
이어서, 첨부의 도면을 참조하면서 본 발명의 실시의 형태에 대해 보다 상세히 설명한다.
본 실시형태의 에너지 흡수부재는 인장 강도 S(GPa), 인장 탄성률 M(GPa), 및 신률 E(%)이 하기 식 (1)을 만족시키는 강화 섬유와 이 강화 섬유에 함침된 경화성 수지 조성물로 구성되는 중공 원통형의 섬유 강화 복합재로 이루어지는 에너지 흡수부재로서, 상기 섬유 강화 복합재에서의 상기 강화 섬유의 체적 함유율이 30~80%이다. 본 실시형태의 에너지 흡수부재에 의하면, 상기 인장 강도 S, 인장 탄성률 M 및 신률 E가 하기 식 (1)을 만족시키고 강화 섬유의 체적 함유율이 상기 범위에 있음에 따라, 충격을 받은 순간의 반동이 작아지고 또한 충격에 의한 파괴가 균일하게 진행되어 안정적으로 충격을 흡수할 수 있다.
11.0≤S2×M1/8/E1/2≤22.0 ···(1)
본 실시형태의 에너지 흡수부재에서, 상기 강화 섬유의 인장 강도 S는 예를 들어 3.7~5.5GPa의 범위에 있고, 바람직하게는 3.8~5.2GPa의 범위에 있고, 보다 바람직하게는 3.9~5.0GPa의 범위에 있고, 더욱 바람직하게는 4.0~4.8GPa의 범위에 있다. 상기 S가 3.7GPa 미만이면 충격에 의한 파괴가 균일하게 진행되기 어려워 안정적으로 충격을 흡수하기 어려워진다. 한편, 상기 S가 5.5GPa를 넘으면 충격을 받은 순간의 반동이 커진다.
아울러 강화 섬유의 인장 강도 S는 강화 섬유(강화 섬유가 복수의 모노필라멘트로 형성되는 경우에는, 이 모노필라멘트를 의미함)가 인장 파단될 때의 최대 하중을 강화 섬유의 단면적으로 나눔으로써 산출된다.
특히, 강화 섬유가 유리 섬유인 경우에는 유리 섬유의 인장 강도 S는 다음의 절차에 의해 측정할 수 있다.
〔인장 강도 S의 측정 방법〕
(1-1) 유리 배치((batch)(유리 원료를 혼합하여 조제한 것) 또는 유리 섬유(유리 섬유 표면에 유기물이 부착되어 있는 경우 또는 유리 섬유가 유기물(수지) 중에 주로 강화재로서 포함되어 있는 경우에는 예를 들어 300~630℃의 머플로(Muffle Furnace)에서 2~24시간 정도 가열하는 등을 통해 유기물을 제거하고 나서 사용함)를 백금 도가니에 넣고 전기로 내에서 1550℃의 온도에 6시간 보존시키고 교반을 가하면서 용융시킴으로써 균질한 용융 유리를 얻는다.
(1-2) 얻어진 용융 유리를 카본 플레이트 상으로 흘려 유리 컬릿(glass cullet)을 제작한 후, 얻어진 유리 컬릿을 용기 저부에 1개의 원형 노즐 팁을 갖는 소형의 통형 백금제 부싱(bushing)내에 투입하고, 투입한 유리 컬릿의 점도가 1000±150 포이즈가 되도록 소정의 온도로 부싱을 가열하고 유리 컬릿을 용융시켜 용융 유리를 얻는다.
(1-3) 상기 백금제 부싱의 노즐 팁을 통해 토출된 용융 유리를 유리 섬유 직경이 13±2㎛가 되도록 권취기로 소정의 속도로 감고 잡아 늘이면서 냉각 고체화하여 진원(perfect circle)형의 원형 단면을 갖는 유리 섬유를 얻는다.
(1-4) 상기 백금제 부싱의 노즐 팁과 권취기 사이의 한 가닥의 섬유(모노필라멘트)를 채취하고, 접촉이나 마찰에 의한 열화를 최대한 억제한 상태의 유리 섬유를 인장 강도 평가용 샘플로서 채취한다.
(1-5) 도 1에 도시된 바와 같이, 얻어진 모노필라멘트(F)를 판지(pasteboard)(P)의 단변의 중심점(O), O를 연결하는 선(A1)에 맞추어 장변 방향으로 배치하여 접착시켜 모노필라멘트 시험편(11)을 제작한다. 판지(P)는 내부의 중앙에 컷팅부(12)를, 판지(P)의 단변 및 장변과 컷팅부(12)의 단변 및 장변이 각각 평행이 되도록 구비하고, 컷팅부(12)의 단변과 판지(P)의 단변과의 사이에, 인장 시험기의 그립구(gripper)에 세트되는 그립부(13)을 구비하고, 컷팅부(12)의 장변과 판지(P)의 장변과의 사이에, 각 그립부(13, 13)를 접속시켜 지지하는 서포트부(14)를 구비한다. 판지(P)는 단변이 25㎜, 장변이 50㎜이고, 컷팅부(12)는 단변이 15㎜, 장변이 25㎜이다. 또한 그립부(13)는 단변이 12.5㎜, 장변이 25㎜이고, 서포트부(14)는 단변이 5㎜, 장변이 25㎜이다.
(1-6) 상기 모노필라멘트(F)의 직경을 주사형 전자현미경(히타치주식회사, 상품명: S-3400)으로 측정하고, 얻어진 직경으로부터 모노필라멘트(F)의 단면적을 산출한다.
(1-7) 상기 그립부(13, 13)를 인장 시험기(주식회사 에이앤드디, 탁상형 재료 시험기 STB-1225S)의 그립구 사이의 거리가 25㎜로 설정된 상하 그립구에 세트하고, 서포트부(14, 14)를 절제하여 모노필라멘트(F)만으로 그립부(13, 13)가 접속된 상태로 한 후, 크로스헤드 속도 5㎜/분으로 인장 시험을 수행한다.
(1-8) 모노필라멘트(F)가 파단된 때의 최대 하중치를 모노필라멘트(F)의 단면적으로 나눔으로써 인장 강도 S를 산출한다. 아울러 측정중에 실 빠짐이나 실 꺾임 등의 불완전한 파단이 생긴 모노필라멘트 시험편(11)은 제외시키고 n=30의 평균치를 인장 강도 S의 측정치로 한다.
본 실시형태의 에너지 흡수부재에서, 상기 강화 섬유의 인장 탄성률 M은, 예를 들어 77~110GPa의 범위에 있고, 바람직하게는 78~100GPa의 범위에 있고, 보다 바람직하게는 79~95GPa의 범위에 있고, 더욱 바람직하게는 80~90GPa의 범위에 있다. 상기 인장 탄성률 M이 77GPa 미만이면 충격에 의한 파괴가 균일하게 진행되기 어려워 안정적으로 충격을 흡수하기 어려워진다. 한편, 상기 인장 탄성률 M이 110GPa를 넘으면 충격을 받은 순간의 반동이 커진다.
아울러 강화 섬유의 인장 탄성률 M은 강화 섬유(강화 섬유가 복수의 모노필라멘트로 형성되는 경우에는, 이 모노필라멘트를 의미함)에 하중을 걸었을 때의 2점간의 왜곡 ε1=0.0005 및 ε2=0.0025에 대응하는 응력을 각각 σ1, σ2로 할 때, 응력의 차이(σ2-σ1)를 왜곡의 차이(ε2-ε1)로 나눔으로써 얻을 수 있다.
특히, 강화 섬유가 유리 섬유인 경우에는, 유리 섬유의 인장 탄성률 M은 다음의 절차에 의해 측정할 수 있다.
〔인장 탄성률 M의 측정 방법〕
(2-1) 상기 인장 강도 S의 측정 방법(1-1)~(1-4)와 동일한 조작으로 모노필라멘트를 얻는다.
(2-2) 도 1에 도시된 바와 같이, 얻어진 모노필라멘트(F)를 판지(P)의 단변의 중심점(O), O를 연결하는 선(A1)에 맞추어 장변 방향으로 배치하여 접착시켜 모노필라멘트 시험편(11)을 제작한다. 판지(P)는 내부의 중앙에 컷팅부(12)를, 판지(P)의 단변 및 장변과 컷팅부(12)의 단변 및 장변이 각각 평행이 되도록 구비하고, 컷팅부(12)의 단변과 판지(P)의 단변과의 사이에, 인장 시험기의 그립구에 세트되는 그립부(13)를 구비하고, 컷팅부(12)의 장변과 판지(P)의 장변과의 사이에, 각 그립부(13, 13)을 접속시켜 지지하는 서포트부(14)를 구비한다. 판지(P)는 단변이 25㎜, 장변이 75㎜이고, 컷팅부(12)는 단변이 15㎜, 장변이 50㎜이다. 또한 그립부(13)는 단변이 12.5㎜, 장변이 25㎜이고, 서포트부(14)는 단변이 5㎜, 장변이 50㎜이다.
(2-3) 상기 모노필라멘트(F)의 직경을 주사형 전자현미경(히타치주식회사, 상품명: S-3400)으로 측정하고, 얻어진 직경으로부터 모노필라멘트(F)의 단면적을 산출한다.
(2-4) 상기 그립부(13, 13)를 인장 시험기(주식회사 에이앤드디, 탁상형 재료 시험기 STB-1225S)의 그립구 사이의 거리가 50㎜로 설정된 상하 그립구에 세트하고 서포트부(14)를 절제하여 모노필라멘트(F)만으로 그립부(13, 13)가 접속된 상태로 한 후 크로스헤드 속도 5㎜/분으로 인장 시험을 수행한다.
(2-5) 2점 간의 왜곡 ε1=0.0005 및 ε2=0.0025에 대응하는 응력을 각각 σ1, σ2로 하고, 응력의 차이(σ2-σ1)를 왜곡의 차이(ε2-ε1)로 나눔으로써 인장 탄성률 M를 산출한다. 아울러 측정중에 실 빠짐이 발생한 모노필라멘트 시험편(11)은 제외시키고 n=15의 평균치를 인장 탄성률 M의 측정치로 하였다.
본 실시형태의 에너지 흡수부재에서, 상기 강화 섬유의 신률 E는, 예를 들어 3.0~7.0% 범위에 있고, 바람직하게는 4.0~6.8% 범위에 있고, 보다 바람직하게는 5.0~6.5% 범위에 있고, 더욱 바람직하게는 5.5~6.2% 범위에 있다. 상기 신률 E가 3.0% 미만이면, 충격을 받은 순간의 반동이 커지기 쉽다. 한편, 상기 신률 E가 7.0%를 넘으면, 충격 부하에 대한 변형이 너무 크기 때문에 설치 장소의 제약 등에 의해 에너지 흡수부재의 길이가 한정되고, 충격 부하에 의한 변형 가능량이 한정되는 경우 높은 에너지 흡수량을 실현할 수 없다.
아울러 강화 섬유의 신률 E는, 인장 강도 S의 측정과 동일한 조작을 수행하여 모노필라멘트가 파단된 때의 변위를 그립구 사이의 거리로 나눔으로써 산출한다.
특히, 강화 섬유가 유리 섬유인 경우에는 상기 유리 섬유의 인장 강도 S의 측정과 동일한 조작을 수행하여 최대 하중치를 얻었을 때의 변위를 구하고, 그 변위를 그립구 사이의 거리(25㎜)로 나눈 값의 백분율을 산출함으로써 측정할 수 있다.
본 실시형태의 에너지 흡수부재에서, 상기 인장 강도 S, 인장 탄성률 M 및 신률 E가 식 (1)을 만족시키지 않는 경우, 즉, S2×M1/8/E1/2가 11.0 미만인 경우에는, 충격에 의한 파괴가 균일하게 진행되지 않아 안정적으로 충격을 흡수할 수 없다. 한편, S2×M1/8/E1/2가 22.0을 넘는 경우에는 충격을 받은 순간의 반동이 커진다.
또한 본 실시형태의 에너지 흡수부재에서, 보다 확실하게 충격을 받은 순간의 반동이 작아지고 또한 보다 확실하게 충격에 의한 파괴가 균일하게 진행되어 안정적으로 충격을 흡수할 수 있게 됨에 따라 상기 인장 강도 S, 인장 탄성률 M 및 신률 E가 하기 식 (2)을 만족시키는 것이 바람직하다.
11.5≤S2×M1/8/E1/2≤20.0 ···(2)
또한 본 실시형태의 에너지 흡수부재에서 상기 인장 강도 S, 인장 탄성률 M 및 신률 E가 하기 식 (3)을 만족시키는 것이 보다 바람직하다.
11.7≤S2×M1/8/E1/2≤19.0 ···(3)
또한 본 실시형태의 에너지 흡수부재에서, 상기 인장 강도 S, 인장 탄성률 M 및 신률 E가 하기 식 (4)을 만족시키는 것이 더욱 바람직하다.
12.0≤S2×M1/8/E1/2≤18.0 ···(4)
본 실시형태의 에너지 흡수부재에서, 강화 섬유의 중량은 10~10000tex(g/㎞)인 것이 바람직하고, 100~4000tex인 것이 보다 바람직하고, 200~2500tex인 것이 더욱 바람직하고, 280~2300tex인 것이 특히 바람직하다. 강화 섬유의 중량이 상기 범위이면 섬유 강화 복합재의 성형이 용이해진다.
본 실시형태의 에너지 흡수부재에서, 식 (1)을 만족시키는 강화 섬유로서, 그 전량에 대해, 56.5~68.0 질량% 범위의 SiO2와, 13.0~28.0 질량% 범위의 Al2O3와, 5.0~12.0 질량% 범위의 MgO를 포함하고, 상기 SiO2, Al2O3 및 MgO의 합계 함유율이 77.0 질량% 이상이고, 상기 SiO2의 함유율에 대한 MgO의 함유율의 비(MgO/SiO2)가 0.09~0.18인 유리 섬유를 바람직하게 사용할 수 있다.
본 실시형태의 에너지 흡수부재에서 강화 섬유인 유리 섬유의 SiO2의 함유율이 56.5 질량% 미만이면, 얻어진 유리 섬유가 적절한 인장 강도 및 신률을 갖지 못해 이 유리 섬유를 강화 섬유로서 사용한 에너지 흡수부재에서는 안정적인 에너지 흡수를 실현할 수 없다. 한편, SiO2의 함유율이 68.0 질량%를 넘으면, 유리 섬유를 구성하는 유리 조성물을 용융시켰을 때, 용융된 유리 조성물의 점성이 높아져 유리 섬유의 제조 자체가 어려워진다.
또한 본 실시형태의 에너지 흡수부재에서, 강화 섬유인 유리 섬유의 SiO2의 함유율은 56.7~65.0 질량%인 것이 바람직하고, 56.9~63.0 질량%인 것이 보다 바람직하고, 57.0~61.5 질량%인 것이 더욱 바람직하고, 57.1~60.0 질량%인 것이 특히 바람직하고, 57.2~59.5 질량%인 것이 가장 바람직하다.
본 실시형태의 에너지 흡수부재에서, 강화 섬유인 유리 섬유의 Al2O3의 함유율이 13.0 질량% 미만이면, 얻어진 유리 섬유가 적절한 인장 강도, 인장 탄성률 및 신률을 갖지 못해 이 유리 섬유를 강화 섬유로서 사용한 에너지 흡수부재에서는 안정적인 에너지 흡수를 실현할 수 없다. 한편, Al2O3의 함유율이 28.0 질량%를 넘으면, 유리 섬유를 구성하는 유리 조성물을 용융시켰을 때에 실투가 발생하기 쉬어 유리 섬유의 제조 자체가 어려워진다. 또한 유리 조성물을 용융시키기 위해 필요한 온도가 높아져 용융로의 수명이 짧아지는 문제가 발생한다.
또한 본 실시형태의 에너지 흡수부재에서, 강화 섬유인 유리 섬유의 Al2O3의 함유율은 14.0~25.0 질량%인 것이 바람직하고, 14.5~22.0 질량%인 것이 보다 바람직하고, 15.0~20.0 질량%인 것이 더욱 바람직하고, 15.5~19.5 질량%인 것이 특히 바람직하고, 16.0~19.2 질량%인 것이 가장 바람직하다.
본 실시형태의 에너지 흡수부재에서, 강화 섬유인 유리 섬유의 MgO의 함유율이 5.0 질량% 미만이면, 얻어진 유리 섬유가 적절한 인장 강도, 인장 탄성률 및 신률을 갖지 못해 이 유리 섬유를 강화 섬유로서 사용한 에너지 흡수부재에서는 안정적인 에너지 흡수를 실현할 수 없다. 한편, MgO의 함유율이 12.0 질량%를 넘으면, 유리 섬유를 구성하는 유리 조성물을 용융시켰을 때에 실투가 발생하기 쉽고 작업 온도 범위가 좁아짐으로써 유리 섬유의 제조 자체가 어려워진다.
또한 본 실시형태의 에너지 흡수부재에서, 강화 섬유인 유리 섬유의 MgO의 함유율은 6.0~11.5 질량%인 것이 바람직하고, 7.0~11.0 질량%인 것이 보다 바람직하고, 8.0~10.5 질량%인 것이 더욱 바람직하고, 9.0~10.2 질량%인 것이 특히 바람직하다.
본 실시형태의 에너지 흡수부재에서, 강화 섬유인 유리 섬유의 SiO2, Al2O3 및 MgO의 합계 함유율이 77.0 질량% 미만이면, 얻어진 유리 섬유가 적절한 인장 강도, 인장 탄성률 및 신률을 갖지 못해 이 유리 섬유를 강화 섬유로서 사용한 에너지 흡수부재에서는 안정적인 에너지 흡수를 실현할 수 없다.
또한 본 실시형태의 에너지 흡수부재에서, 강화 섬유인 유리 섬유의 SiO2, Al2O3 및 MgO의 합계 함유율은, 80.0 질량% 이상인 것이 바람직하고, 82.0 질량% 이상인 것이 보다 바람직하고, 84.0 질량% 이상인 것이 더욱 바람직하고, 85.0 질량% 이상인 것이 특히 바람직하다.
본 실시형태의 에너지 흡수부재에서, 강화 섬유인 유리 섬유에서의 SiO2의 함유율에 대한 MgO의 함유율의 비(MgO/SiO2)가 0.09 미만이면, 얻어진 유리 섬유가 적절한 인장 강도, 인장 탄성률 및 신률을 갖지 못해 이 유리 섬유를 강화 섬유로서 사용한 에너지 흡수부재에서는 안정적인 에너지 흡수를 실현할 수 없다. 한편, 상기 MgO/SiO2가 0.18을 넘으면, 유리 섬유를 구성하는 유리 조성물을 용융시켰을 때에 실투가 발생하기 쉬어 유리 섬유의 제조 자체가 어려워진다.
본 실시형태의 에너지 흡수부재에서, 강화 섬유인 유리 섬유에서의 SiO2의 함유율에 대한 MgO의 함유율의 비(MgO/SiO2)는 0.120~0.175의 범위에 있는 것이 바람직하고, 0.130~0.170의 범위에 있는 것이 보다 바람직하고, 0.140~0.165의 범위에 있는 것이 더욱 바람직하다.
본 실시형태의 에너지 흡수부재에서, 강화 섬유인 유리 섬유는 CaO를 예를 들어 6.0~14.0 질량% 범위, 바람직하게는 8.0~13.0 질량% 범위, 보다 바람직하게는 10.0~12.5 질량% 범위로 포함할 수도 있다.
본 실시형태의 에너지 흡수부재에서, 강화 섬유인 유리 섬유는 B2O3을 예를 들어 0.1~2.0 질량% 범위, 바람직하게는 0.5~1.5 질량% 범위, 보다 바람직하게는 0.8~1.2 질량% 범위로 포함할 수도 있다.
본 실시형태의 에너지 흡수부재에서, 강화 섬유인 유리 섬유는 Fe2O3, Na2O, K2O, Li2O, SrO, TiO2를 이들의 합계 함유율이 0.05~3.0 질량%, 바람직하게는 0.1~0.8 질량%, 보다 바람직하게는 0.2~0.5 질량%가 되는 범위로 포함할 수도 있다.
여기서, 유리 섬유중의 각 성분의 함유율의 측정은, 경원소인 B 및 Li에 대해서는 ICP 발광 분광 분석장치를 이용하고, 그 외의 원소는 파장 분산형 형광 X선 분석장치를 이용하여 수행할 수 있다.
측정 방법으로서는, 먼저 유리 배치(유리 원료를 혼합하여 조제한 것), 또는 유리 섬유(유리 섬유 표면에 유기물이 부착되어 있는 경우 또는 유리 섬유가 유기물(수지) 중에 주로 강화재로서 포함되어 있는 경우에는, 예를 들어 300~600℃의 머플로에서 2~24시간 정도 가열하는 등을 통해 유기물을 제거하고 나서 사용함)를 백금 도가니에 넣고 전기로중에서 1550℃의 온도로 6시간 보존시키고 교반을 가하면서 용융시킴으로써 균질한 용융 유리를 얻는다. 이어서, 얻어진 용융 유리를 카본 플레이트 상으로 흘려 유리 컬릿을 제작한 후 분쇄하여 분말화한다. 경원소인 B 및 Li에 대해서는 유리 분말을 알칼리 용융 분해한 후 ICP 발광 분광 분석장치를 이용하여 정량 분석한다. 그 외의 원소는 유리 분말을 프레스기로 원반형으로 성형한 후, 파장 분산형 형광 X선 분석장치를 이용하여 정량 분석한다. 이 정량 분석 결과들을 산화물 환산하여 각 성분의 함유량 및 전량을 계산하고, 이 수치들로부터 전술한 각 성분의 함유율을 구할 수 있다.
본 실시형태의 에너지 흡수부재에서, 강화 섬유인 유리 섬유의 섬유 직경은 예를 들어 3~30㎛의 범위에 있고, 바람직하게는 6~25㎛의 범위에 있고, 보다 바람직하게는 11~24㎛의 범위에 있고, 더욱 바람직하게는 13~23㎛의 범위에 있다.
여기서, 유리 섬유를 형성하는 유리 필라멘트의 단면 형상이 진원 형상 또는 거의 진원 형상인 경우, 유리 섬유의 섬유 직경은 유리 필라멘트의 직경을 의미한다. 한편, 유리 필라멘트의 단면 형상이 진원 형상 또는 거의 진원 형상 외(예를 들어 타원 형상, 긴 타원 형상 등)인 경우에는 유리 섬유의 섬유 직경은 이 단면 형상의 면적과 동일한 면적을 갖는 진원의 직경(환산 섬유 직경이라고 함)을 의미한다.
본 실시형태의 에너지 흡수부재에서, 강화 섬유인 유리 섬유의 단면 형상(통상, 유리 섬유는 복수개의 유리 필라멘트가 집속되어 구성되어 있고, 이 유리 필라멘트의 단면 형상을 유리 섬유의 단면 형상이라 함)은 특별히 한정되지 않는다. 본 실시형태의 에너지 흡수부재에서, 유리 섬유가 취할 수 있는 단면 형상(즉, 유리 필라멘트가 취할 수 있는 단면 형상)으로서는, 진원형, 타원형, 긴 타원형을 들 수 있다. 유리 섬유의 단면 형상이 타원형 또는 긴 타원형인 경우, 단면 형상의 짧은 직경에 대한 긴 직경의 비(긴 직경/짧은 직경)는 예를 들어 2.0~10.0의 범위에 있다.
본 실시형태의 에너지 흡수부재에서, 강화 섬유인 유리 섬유를 형성하는 유리 필라멘트 개수는 예를 들어 400~6000개의 범위에 있고, 바람직하게는 600~4500개의 범위에 있고, 보다 바람직하게는 800~3000개의 범위에 있고, 더욱 바람직하게는 800~2000개의 범위에 있다.
본 실시형태의 에너지 흡수부재에서, 강화 섬유는 강화 섬유와 이 강화 섬유에 함침된 경화성 수지 조성물과의 접착성의 향상 등을 목적으로 그 표면을 유기물로 피복할 수도 있다. 이러한 유기물로서는 전분, 우레탄 수지, 에폭시 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 초산비닐 수지, 아크릴 수지, 변성 폴리프로필렌(특히 카본산 변성 폴리프로필렌), (폴리)카본산(특히 말레산)과 불포화 단량체와의 공중합체 등을 들 수 있다. 또한 본 실시형태의 에너지 흡수부재에서, 강화 섬유는 이러한 수지에 더하여, 실란 커플링제, 윤활제, 계면활성제 등을 포함하는 수지 조성물로 피복되어 있을 수도 있다. 이러한 수지 조성물은 수지 조성물에 피복되어 있지 않은 상태에서의 유리 섬유의 질량을 기준으로 하여, 0.1~2.0 질량%의 비율로 유리 섬유를 피복한다. 아울러 유기물에 의한 유리 섬유의 피복은 예를 들어 유리 섬유의 제조 공정에서 롤러형 어플리케이터 등의 공지의 방법을 이용하여 수지 용액 또는 수지 조성물 용액을 유리 섬유에 부여하고, 그 후, 수지 용액 또는 수지 조성물 용액이 부여된 유리 섬유를 건조시킴으로써 수행할 수 있다.
여기서, 실란 커플링제로서는, 아미노실란(γ-아미노프로필트리에톡시실란, N-β-(아미노에틸)-γ-아미노프로필트리메톡시실란, N-β-(아미노에틸)-N＇-β-(아미노에틸)-γ-아미노프로필트리메톡시실란, γ-아닐리노프로필트리메톡시실란 등), 클로로실란(γ-글리시독시프로필트리메톡시실란 등), 에폭시실란(β-(3,4-에폭시시클로헥실) 에틸트리메톡시실란 등), 메르캅토실란(γ-클로로프로필트리메톡시실란 등의 γ-메르캅토트리메톡시실란 등), 비닐실란(비닐트리메톡시실란, N-β-(N-비닐벤질아미노에틸)-γ-아미노프로필트리메톡시실란 등), 아크릴실란(γ-메타크릴옥시프로필트리메톡시실란 등)을 들 수 있다. 상기 실란 커플링제는 단독으로 사용할 수도 있고 또는 2 종류 이상을 병용할 수도 있다.
윤활제로서는 변성 실리콘 오일, 동물유(우지 등) 및 이 수소 첨가물, 식물유(대두유, 야자유, 유채씨유, 팜유, 피마자유 등) 및 이 수소 첨가물, 동물성 왁스(밀랍, 라놀린 등), 식물성 왁스(칸델릴라 왁스, 카르나바 왁스 등), 광물계 왁스(파라핀 왁스, 몬탄 왁스 등), 고급 포화 지방산과 고급 포화 알코올의 축합물(라우릴스테아레이트 등의 스테아르산 에스테르 등), 폴리에틸렌이민, 폴리알킬폴리아민알킬아마이드 유도체, 지방산 아미드(예를 들어 디에틸렌트리아민, 트리에틸렌테트라민, 테트라에틸렌펜타민 등의 폴리에틸렌폴리아민과, 라우르산, 미리스트산, 팔미트산, 스테아르산 등의 지방산과의 탈수 축합물 등), 제4급 암모늄염(라우릴트리메틸암모늄클로라이드 등의 알킬트리메틸암모늄염 등)을 들 수 있다. 상기 윤활제는 단독으로 사용할 수도 있고 또는 2 종류 이상을 병용할 수도 있다.
계면활성제로서는 비이온계 계면활성제, 양이온계 계면활성제, 음이온계 계면활성제, 양성 계면활성제를 들 수 있다.
비이온계 계면활성제로서는, 에틸렌옥사이드프로필렌옥사이드알킬에테르, 폴리옥시에틸렌알킬에테르, 폴리옥시에틸렌-폴리옥시프로필렌-블록 공중합체, 알킬폴리옥시에틸렌-폴리옥시프로필렌-블록 공중합체 에테르, 폴리옥시에틸렌지방산 에스테르, 폴리옥시에틸렌지방산 모노에스테르, 폴리옥시에틸렌지방산 디에스테르, 폴리옥시에틸렌소르비탄지방산 에스테르, 글리세롤지방산 에스테르 에틸렌옥사이드 부가물, 폴리옥시에틸렌 캐스터오일 에테르, 경화 피마자유 에틸렌옥사이드 부가물, 알킬아민에틸렌옥사이드 부가물, 지방산 아미드에틸렌옥사이드 부가물, 글리세롤지방산 에스테르, 폴리글리세린지방산 에스테르, 펜타에리트리톨지방산 에스테르, 소르비톨지방산 에스테르, 소르비탄지방산 에스테르, 자당지방산 에스테르, 다가알코올알킬에테르, 지방산알칸올아미드, 아세틸렌글리콜, 아세틸렌알코올, 아세틸렌글리콜의 에틸렌옥사이드 부가물, 아세틸렌알코올의 에틸렌옥사이드 부가물을 들 수 있다.
양이온계 계면활성제로서는, 염화알킬디메틸벤질암모늄, 염화알킬트리메틸암모늄, 알킬디메틸에틸암모늄에틸설페이트, 고급알킬아민염(초산염이나 염산염 등), 고급알킬아민에 대한 에틸렌옥사이드 부가물, 고급지방산과 폴리알킬렌폴리아민과의 축합물, 고급지방산과 알칸올아민과의 에스테르의 염, 고급지방산아미드의 염, 이미다졸린형 양이온성 계면활성제, 알킬피리디늄염을 들 수 있다.
음이온계 계면활성제로서는, 고급알코올황산에스테르염, 고급알킬에테르황산에스테르염, α-올레핀황산에스테르염, 알킬벤젠술폰산염, α-올레핀술폰산염, 지방산할라이드와 N-메틸타우린과의 반응 생성물, 설포숙신산디알킬에스테르염, 고급알코올인산에스테르염, 고급알코올에틸렌옥사이드 부가물의 인산에스테르염을 들 수 있다.
양성 계면활성제로서는, 알킬아미노프로피온산 알칼리 금속염 등의 아미노산형 양성 계면활성제, 알킬디메틸베타인 등의 베타인형, 이미다졸린형 양성 계면활성제를 들 수 있다.
상기 계면활성제는 단독으로 사용할 수도 있고 또는 2 종류 이상을 병용할 수도 있다.
본 실시형태의 에너지 흡수부재에서, 섬유 강화 복합재에서의 강화 섬유의 체적 함유율이 30% 미만이면, 충격에 의한 파괴가 균일하게 진행되지 않아 안정적으로 충격을 흡수할 수 없다. 한편, 강화 섬유의 체적 함유율이 80%를 넘으면, 강화 섬유에 경화성 수지 조성물이 충분히 함침되지 않아 섬유 강화 복합재를 얻을 수 없다.
또한 본 실시형태의 에너지 흡수부재에서, 높은 에너지 흡수량이 실현되는 점에서 섬유 강화 복합재에서의 강화 섬유의 체적 함유율은 45~75%인 것이 바람직하고, 50~70%인 것이 보다 바람직하고, 55~65%인 것이 더욱 바람직하다.
아울러 섬유 강화 복합재에서의 강화 섬유의 체적 함유율은 JISK7053에 준거하여 산출할 수 있다.
본 실시형태의 에너지 흡수부재에서, 경화성 수지 조성물은 경화성 수지, 및 강화 섬유 이외의 첨가제를 포함할 수도 있다. 본 실시형태의 에너지 흡수부재에서, 섬유 강화 복합재에서의 경화성 수지의 체적 함유율은 예를 들어 20~70%이다. 또한 섬유 강화 복합재에서의 강화 섬유 이외의 첨가제의 체적 함유율은 예를 들어 0~10%이다.
상기 경화성 수지는 열 경화성 수지일 수도 광 경화성 수지일 수도 있으나, 두께 방향의 성형 자유도가 높아지는 점에서 열 경화성 수지인 것이 바람직하다.
상기 경화성 수지로서는 불포화 폴리에스테르 수지, 비닐에스테르 수지, 에폭시(EP) 수지, 멜라민(MF) 수지, 페놀 수지(PF), 우레탄 수지(PU), 폴리이소시아네이트, 폴리이소시아누레이트, 폴리이미드(PI), 우레아(UF) 수지, 실리콘(SI) 수지, 푸란(FR) 수지, 벤조구아나민(BR) 수지, 알키드 수지, 크실렌 수지, 비스말레이미드트리아진(BT) 수지, 디알릴프탈레이트 수지(PDAP) 등을 들 수 있다.
구체적으로, 불포화 폴리에스테르로서는 지방족 불포화 디카본산과 지방족 디올을 에스테르화 반응시킴으로써 얻어지는 수지를 들 수 있다.
비닐에스테르 수지로서는 비스계 비닐에스테르 수지, 노볼락계 비닐에스테르 수지를 들 수 있다.
에폭시 수지로서는 비스페놀 A형 에폭시 수지, 비스페놀 F형 에폭시 수지, 비스페놀 E형 에폭시 수지, 비스페놀 S형 에폭시 수지, 비스페놀 M형 에폭시 수지(4,4'-(1,3-페닐렌디이소프로피리딘)비스페놀형 에폭시 수지), 비스페놀 P형 에폭시 수지(4, 4'-(1,4-페닐렌디이소프로피리딘)비스페놀형 에폭시 수지), 비스페놀 Z형 에폭시 수지(4,4'-시클로헥시리딘비스페놀형 에폭시 수지), 페놀 노볼락형 에폭시 수지, 크레졸 노볼락형 에폭시 수지, 테트라페놀기 에탄형 노볼락형 에폭시 수지, 축합환 방향족 탄화수소 구조를 갖는 노볼락형 에폭시 수지, 비페닐형 에폭시 수지, 크실렌형 에폭시 수지나 페닐 아랄킬형 에폭시 수지 등의 아랄킬형 에폭시 수지, 나프틸렌에테르형 에폭시 수지, 나프톨형 에폭시 수지, 나프탈렌 디올형 에폭시 수지, 2 관능 내지 4 관능 에폭시형 나프탈렌 수지, 비나프틸형 에폭시 수지, 나프탈렌아랄킬형 에폭시 수지, 안트라센형 에폭시 수지, 페녹시형 에폭시 수지, 디시클로펜타디엔형 에폭시 수지, 노보넨형 에폭시 수지, 아다만탄형 에폭시 수지, 플루오렌형 에폭시 수지 등을 들 수 있다.
멜라민 수지로서는 멜라민(2,4,6-트리아미노-1,3,5-트리아진)과 포름알데히드와의 중축합으로 이루어지는 중합체를 들 수 있다.
페놀 수지로서는 페놀 노볼락 수지, 크레졸 노볼락 수지, 비스페놀 A형 노볼락 수지 등의 노볼락형 페놀 수지, 메틸올형 레졸 수지, 디메틸렌에테르형 레졸 수지 등의 레졸형 페놀 수지, 또는 아릴알킬렌형 페놀 수지 등을 들 수 있고, 이들 중 1종 혹은 2종 이상을 조합한 것을 들 수 있다.
우레아 수지로서는 요소와 포름알데히드와의 축합에 의해 얻어지는 수지를 들 수 있다.
상기 경화성 수지는 단독으로 사용할 수도 있고 2종 이상 조합하여 사용할 수도 있다.
상기 강화 섬유 이외의 첨가제로서는 강화 섬유 이외의 충전제(예를 들어 유리 파우더, 탈크, 마이카 등), 난연제, 자외선 흡수제, 열안정제, 산화방지제, 대전방지제, 유동성 개량제, 안티블로킹제, 윤활제, 핵제, 항균제, 안료, 열가소성 수지 등을 들 수 있다.
본 실시형태의 에너지 흡수부재에서, 상기 섬유 강화 복합재료는 상기 강화 섬유 및 상기 경화성 수지 조성물을 사용하고, 필라멘트 와인딩 성형, 시트 와인딩 성형, 오토클레이브 성형, 인퓨전 성형, 레진 트랜스퍼 몰딩 성형 등에 의해 얻을 수 있다.
본 실시형태의 에너지 흡수부재에서, 섬유 강화 복합재료는 중공 원통 형상을 취한다. 여기서, 섬유 강화 복합재료의 내경은 예를 들어 50~200㎜이고, 바람직하게는 70~130㎜이다. 또한 섬유 강화 복합재료의 외경은 예를 들어 80~250㎜이고, 바람직하게는 100~150㎜이다. 또한 섬유 강화 복합재료의 길이는 예를 들어 100~150㎜이다.
본 실시형태의 에너지 흡수부재에서, 섬유 강화 복합재중에 강화 섬유는 1개, 또는 복수개 예를 들어 100~10000개가 포함된다. 각각의 강화 섬유는 섬유 직경이 적어도 1000㎜ 이상의 연속 섬유로서, 중공 원통형인 섬유 강화 복합재의 측벽부 내에, 측벽부의 상단에서 하단까지 절단되지 않고 배치되어 있다.
본 실시형태의 에너지 흡수부재에서, 보다 확실하게 충격을 받은 순간의 반동이 작아지고 또한 보다 확실하게 충격에 의한 파괴가 균일하게 진행되어 안정적으로 충격을 흡수할 수 있게 됨으로써, 도 2에 도시된 바와 같이, 에너지 흡수부재(섬유 강화 복합재)(21)를 구성하는 강화 섬유(22)는 복수의 강화 섬유(22)가 섬유 강화 복합재중에서 나선형으로 또한 서로 교차하는 방향으로 배치되어 있는 것이 바람직하다.
여기서, 충격에 의한 파괴를 보다 균일하게 진행시켜 보다 안정적으로 충격을 흡수할 수 있도록 하는 관점에서는, 서로 교차하는 강화 섬유(2)의 교차 각도(θ)가 100° 이상 160° 이하인 것이 바람직하다. 또한 상기 교차 각도(θ)는 105° 이상 140° 이하의 범위에 있는 것이 보다 바람직하고, 110° 이상 130° 이하의 범위에 있는 것이 더욱 바람직하다.
또한 충격을 받은 순간의 반동을 보다 작게 하고 또한 극히 높은 에너지 흡수량이 실현되는 관점에서는, 서로 교차하는 강화 섬유의 교차 각도(θ)가 70° 이상 100° 미만인 것이 바람직하고, 80° 이상 95° 이하인 것이 보다 바람직하다.
또한 본 실시형태의 에너지 흡수부재에서, 섬유 강화 복합재의 중심축(A2)에 대한 일측의 강화 섬유(2)의 각도(θ1)와 타측 강화 섬유(2)의 각도(θ2)는 동일한 것이 바람직하다. 상기 섬유 강화 복합재(1)의 중심축(A2)에 대한 강화 섬유(2)의 각도(θ1) 및 각도(θ2)가 동일함에 따라 보다 안정적으로 충격을 흡수할 수 있는 에너지 흡수부재를 얻을 수 있다.
본 실시형태의 에너지 흡수부재의 용도로서는 크래쉬 박스, 프론트 사이드 멤버, 리어 사이드 멤버 등을 들 수 있다.
이어서 본 발명의 실시예 및 비교예를 나타낸다.
실시예
〔실시예 1〕
〔에너지 흡수부재의 성형 방법〕
강화 섬유(2)로서 표 1에 나타내는 유리 섬유 GF-A를 사용하고, 경화성 수지 조성물로서 에폭시 수지 조성물(에폭시 수지 XNR6805(상품명, 나가세켐텍스 주식회사), 경화제 XNH6805(상품명, 나가세켐텍스주식회사), 경화 촉진제 XNA6805(상품명, 나가세켐텍스주식회사)를 중량비 100:100:2로 혼합한 것)을 사용했다.
먼저, 정밀 경면 마무리와 이형 처리가 실시된 외경 100㎜의 SUS제 맨드렐을 필라멘트 와인딩 장치에 설치한 후, 강화 섬유의 공급과 장력 제어를 수행하는 급사 장치(yarn feeding device)에 유리 섬유 GF-A를 설치하고, 필라멘트 와인딩 장치의 레진 배스(bath)에 상기 비율로 조제된 에폭시 수지 조성물을 투입했다.
이어서, 레진 배스에서 유리 섬유 GF-A에 에폭시 수지 조성물을 함침시키면서, 장력을 걸면서 감김 각도가 맨드렐의 회전축(중심축(A2)) 방향을 0°로 했을 때에 회전축 방향에 대해 첫번째 층은 ＋60°, 두번째 층은 -60°이 되도록 2층 감았다(도 2에서의 교차 각도(θ)=120°, 중심축(A2)에 대한 강화 섬유(2)의 각도(θ1)=각도(θ2)=60°).
이어서, 얻어진 에폭시 수지 조성물이 함침된 유리 섬유 GF-A를 85℃에서 4시간 가열하여 경화시켰다.
이어서, 에폭시 수지 조성물이 함침된 유리 섬유 GF-A의 경화물을 탈심기를 이용하여 맨드렐로부터 분리하고, 외경 130㎜, 내경 100㎜의 중공 원통형의 섬유 강화 복합재(1)를 얻었다.
중공 원통형의 섬유 강화 복합재(21)는, 양단부의 평행도 확보와 반경 방향의 변형을 억제하기 위해 알루미늄 합금제의 중심을 삽입한 상태에서 길이가 135㎜가 되도록 선반에서 절단하여, 에너지 흡수부재(21)로 제작했다.
〔에너지 흡수재의 평가방법〕
에너지 흡수부재(21)의 에너지 흡수 특성은 대형 낙추 충격 시험 장치를 이용하는 충격 시험에 의해 평가했다.
상기 충격 시험에서는, 에너지 흡수부재(21)를 상측 지그와 하측 지그로 그것들 사이에 고정하고, 상측 지그 위에 질량 200kg의 추를 높이 2.46m에서 충격 속도 25㎞/h로 자유낙하시켜 에너지 흡수부재의 축 방향으로 충격 압축 하중을 가했다.
충격 하중은 하측 지그 아래에 설치한 로드 셀을 통해 계측하고, 변위는 고속도 카메라로 촬영한 동영상을 화상 해석함으로써 계측했다. 결과를 표 2에 나타낸다.
〔실시예 2〕
필라멘트 와인딩 장치에 의한 강화 섬유(22)의 와인딩 각도를 첫번째 층은 ＋45°, 두번째 층은 -45°(도 2에서의 교차 각도(θ)=90°, 중심축(A2)에 대한 강화 섬유(22)의 각도(θ1)=각도(θ2)=45°)로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 완전히 동일하게 하여 중공 원통형의 섬유 강화 복합재(21)를 성형하고, 평가를 실시했다. 결과를 표 2에 나타낸다.
〔비교예 1〕
강화 섬유(22)로서 표 1에 나타낸 유리 섬유 GF-B를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 완전히 동일하게 하여 중공 원통형의 섬유 강화 복합재(21)를 성형하고, 평가를 실시했다. 결과를 표 2에 나타낸다.
〔비교예 2〕
강화 섬유(22)로서 탄소섬유(토오레주식회사, 제품명: T700-SC, 표 2에서 CF로 표기함)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 완전히 동일하게 하여 중공 원통형의 섬유 강화 복합재(21)를 성형하고, 평가를 실시했다. 결과를 표 2에 나타낸다.
GF-A GF-B
유리섬유 조성 SiO2(wt%) 59.3 54.6
Al2O3(wt%) 19.0 14.1
MgO(wt%) 10.0 1.2
CaO(wt%) 11.0 22.4
B2O3(wt%) 0.5 6.1
その他(wt%) 0.2 1.4
SiO2+Al2O3+MgO(wt%) 88.3 69.9
MgO/SiO2 0.169 0.02
유리섬유 직경(㎛) 23 23
필라멘트 단면형상 진원 진원
필라멘트 집속 수(가닥) 2000 2000
중량(tex) 2250 2250
표면처리 실란 커플링제
불포화 폴리에스테르 수지		 실란 커플링제
불포화 폴리에스테르 수지
실시예1 실시예2 비교예1 비교예2
강
화
섬
유		 종류 GF-A GF-A GF-B CF
인장 강도S(GPa) 4.3 4.3 3.2 4.9
인장 탄성률M(GPa) 83 83 75 230
신률E(%) 5.9 5.9 4.7 2.1
S2×M1/8/E1/2 13.2 13.2 8.1 32.7
교차 각도θ(°) 120 90 120 120
중심축(A2)에 대한 강화섬유(2)의 각도 θ1(°) 60 45 60 60
θ2(°) 60 45 60 60
강화섬유 체적 함유율(%) 60 60 60 60
최대 하중-제1극소점 하중(kN) 25.5 13 18.8 41.9
최대 극대점 하중-최소 극소점 하중(kN) 16.4 21 33.1 22.9
70㎜시점 총 에너지흡수량(J) 3268 3492 2963 3145
표 2로부터 자명한 바와 같이, 강화 섬유(22)의 인장 강도 S(GPa), 인장 탄성률 M(GPa) 및 신률 E(%)이 하기 식 (1)을 만족시키고, 섬유 강화 복합재에서의 강화 섬유(22)의 체적 함유율이 30~80%인 실시예 1, 2의 에너지 흡수부재(21)는, 최대 하중과 제1 극소점 하중과의 차이가 30kN 이하로서, 충격을 받은 순간의 반동이 작고, 또한 최대 극대점 하중과 최소 극소점 하중과의 차이가 25kN 이하로서, 충격에 의한 파괴가 균일하게 진행되어 안정적으로 충격을 흡수할 수 있다.
11.0≤S2×M1/8/E1/2≤22.0 ···(1)
한편, S2×M1/8/E1/2의 값이 11.0 미만인 비교예 1의 에너지 흡수부재는 최대 극대점 하중과 최소 극소점 하중과의 차이가 25Kn 초과로서, 충격에 의한 파괴가 균일하게 진행되지 않아 안정적으로 충격을 흡수할 수 없다.
또한 S2×M1/8/E1/2의 값이 22.0을 넘는 비교예 2의 에너지 흡수부재는 최대 하중과 제1 극소점 하중과의 차이가 30kN 초과로서, 충격을 받았을 때의 반동을 작게 할 수 없다.
11 모노필라멘트 시험편, 12 컷팅부, 13 그립부, 14 서포트부, 21 에너지 흡수부재, 22 강화 섬유, F 모노필라멘트, P 판지

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 인장 강도 S(GPa), 인장 탄성률 M(GPa), 및 신률 E(%)가 하기 식 (1)을 만족시키는 강화 섬유와, 이 강화 섬유에 함침된 경화성 수지 조성물로 구성되는 중공 원통형의 섬유 강화 복합재로 이루어지는 에너지 흡수부재로서,
    11.0≤S2×M1/8/E1/2≤22.0 ···(1)
    상기 섬유 강화 복합재에서의 상기 강화 섬유의 체적 함유율이 30~80%이고,
    상기 인장 탄성률 M이 77~110 GPa이며,
    복수의 상기 강화 섬유가 상기 섬유 강화 복합재중에서 나선형으로 또한 서로 교차하는 방향으로 배치되어 있고,
    서로 교차하는 상기 강화 섬유의 교차 각도가 100° 이상 160° 이하인 것을 특징으로 하는 에너지 흡수부재.
  3. 인장 강도 S(GPa), 인장 탄성률 M(GPa), 및 신률 E(%)가 하기 식 (1)을 만족시키는 강화 섬유와, 이 강화 섬유에 함침된 경화성 수지 조성물로 구성되는 중공 원통형의 섬유 강화 복합재로 이루어지는 에너지 흡수부재로서,
    11.0≤S2×M1/8/E1/2≤22.0 ···(1)
    상기 섬유 강화 복합재에서의 상기 강화 섬유의 체적 함유율이 30~80%이고,
    상기 인장 탄성률 M이 77~110 GPa이며,
    복수의 상기 강화 섬유가 상기 섬유 강화 복합재중에서 나선형으로 또한 서로 교차하는 방향으로 배치되어 있고,
    서로 교차하는 상기 강화 섬유의 교차 각도가 70° 이상 100° 미만인 것을 특징으로 하는 에너지 흡수부재.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 섬유 강화 복합재에서의 상기 강화 섬유의 체적 함유율이 50~70%인 것을 특징으로 하는 에너지 흡수부재.
  5. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 강화 섬유가 유리 섬유이고,
    상기 유리 섬유가 상기 유리 섬유의 전량에 대해서 56.5~68.0 질량% 범위의 SiO2와, 13.0~28.0 질량% 범위의 Al2O3와, 5.0~12.0 질량% 범위의 MgO를 포함하고,
    상기 SiO2, Al2O3 및 MgO의 합계 함유율이 77.0 질량% 이상이고,
    상기 SiO2의 함유율에 대한 MgO의 함유율의 비(MgO/SiO2)가 0.09~0.18인 것을 특징으로 하는 에너지 흡수부재.
  6. 인장 강도 S(GPa), 인장 탄성률 M(GPa), 및 신률 E(%)가 하기 식 (1)을 만족시키는 강화 섬유와, 이 강화 섬유에 함침된 경화성 수지 조성물로 구성되는 중공 원통형의 섬유 강화 복합재로 이루어지는 에너지 흡수부재로서,
    11.0≤S2×M1/8/E1/2≤22.0 ···(1)
    상기 섬유 강화 복합재에서의 상기 강화 섬유의 체적 함유율이 30~80%이고,
    상기 인장 탄성률 M이 77~110 GPa이며,
    상기 강화 섬유가 유리 섬유이고,
    상기 유리 섬유가 상기 유리 섬유의 전량에 대해서 56.5~68.0 질량% 범위의 SiO2와, 13.0~28.0 질량% 범위의 Al2O3와, 5.0~12.0 질량% 범위의 MgO를 포함하고,
    상기 SiO2, Al2O3 및 MgO의 합계 함유율이 77.0 질량% 이상이고,
    상기 SiO2의 함유율에 대한 MgO의 함유율의 비(MgO/SiO2)가 0.09~0.18인 것을 특징으로 하는 에너지 흡수부재.
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