KR102206337B1 - 중공 구조체 및 차량용 부품 - Google Patents

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Abstract

섬유 강화 수지 재료로 이루어지고, 경량화와 뛰어난 강도를 양립할 수 있는 중공 구조체를 제공한다. 제 1 강화 섬유와 제 1 매트릭스 수지를 함유하는 제 1 섬유 강화 수지 재료로 이루어지는 제 1 성형체와 제 2 강화 섬유와 제 2 매트릭스 수지를 함유하는 제 2 섬유 강화 수지 재료로 이루어지는 제 2 성형체와 결합되어 지고 중공 구조를 갖는 중공 구조체로서, 상기 중공 구조체의 축 방향에 대해 수직 방향의 임의의 단면에 있어서 상기 제 1 성형체의 구조의 압축 강도 Sc 및 상기 제 2 성형체의 구조의 인장 강도 St의 비 Sc / St가 다음 식 (1)을 만족하는 것을 특징으로 하는 중공 구조체. (σc / σt) × (Hc / Ht) <(Sc / St) <(σt / σc) × (Hc / Ht) (1)

Description

중공 구조체 및 차량용 부품{HOLLOW STRUCTURE BODY AND COMPONENT FOR VEHICLE}
본 발명은 강화 섬유와 매트릭스 수지를 함유하는 섬유 강화 수지 재료로 구성된 중공 구조체에 관한 것으로, 보다, 상세하게는 소정의 강도를 최소한의 섬유 강화 수지 재료의 사용량으로 달성 가능한 중공 구조체에 관한 것이다.
최근 전기 자동차 등의 개발 진행에 따라 연비 향상 등을 목적으로 차량 구조체에 대해서도 새로운 경량화가 요구되고 있으며, 종래의 철재로 대표되는 금속 재료 대신에, 수지 재료를 사용이 검토되고 있다. 그 중에서도 섬유 강화 수지 재료는 가볍고 강도가 뛰어나므로 금속 재료로 대체하는 재료로서 다방면에 채용이 검토되고 있다.
상기 섬유 강화 수지 재료를 이용하여 차량 골격의 측면 프레임 구조체와 같은 굽힘 부재를 제조하는 경우 원하는 성능 지표(예를 들어, 강도와 강성, 에너지 흡수 특성 등)와 경량화를 양립하기 위해 중공 구조체로 하는 경우가 일반적이다. 예를 들어, 특허 문헌 1에는 섬유 강화 수지 재료를 이용하여 중공 구조체로 된 차량용 에너지 흡수 부품이 개시되어있다. 이러한 종래의 중공 구조체는 각 성형품의 두께와 모양이 동일인 것이 일반적이었다.
[특허 문헌 1] 일본 특개 2006-27433 호 공보
그런데, 상술한 바와 같이 섬유 강화 수지 재료는 경량이면서 뛰어난 강도를 갖추고 있기 때문에 금속 재료의 대체 재료로서 검토되고 있지만, 그 물성에는 금속 재료에는 없는 섬유 강화 수지 재료 특유의 성질이 있다. 즉 섬유 강화 수지 재료는 뛰어난 인장 강도를 갖지만, 반면 압축 강도는 상대적으로 약하다는 면이 있고, 압축 강도와 인장 강도에 현저한 차이가 있다는 특성을 갖고 있다.
이러한 섬유 강화 수지 재료의 특성에서 상술한 바와 같은 종래의 중공 구조체는 경량이면서 뛰어난 강도를 갖춘다고 하는 섬유 강화 수지 재료의 특성을 충분히 발휘할 수 없다고 하는 문제점이 있었다. 즉, 예를 들면 두께 및 형상이 동일한 2 개의 섬유 강화 수지 재료로 이루어지는 성형품을 결합해서 얻을 수 있는 중공 구조체에 있어서는 해당 중공 구조체에 임의의 한 방향에서 압축 외력이 부가된 경우 압축을 받는 쪽에 배치된 성형품에는 압축 응력이 걸리고 다른 성형품에는 인장 응력이 걸리게 된다. 이때, 상술한 섬유 강화 수지 재료의 특성에 기인하여 압축을 받는 쪽에 배치된 성형품의 압축 강도가 다른 성형품의 인장 강도 보다 낮아지는 경우가 많았다. 그리고 이 경우 해당 중공 구조체의 전반적인 강도는 압축을 받는 쪽에 배치된 성형품의 압축 강도에 지배되는 것으로 되어 버리는 것으로부터, 섬유 강화 수지 재료의 우수한 인장 강도를 충분히 발휘할 수 없다는 문제점이 있었다. 이외에도, 상술한 섬유 강화 수지 재료의 특성상 두께 및 형상이 동일한 2 개의 섬유 강화 수지 재료로 이루어지는 성형품을 결합해서 얻을 수 있는 중공 구조체에 있어서는 인장 응력을 받는 측의 성형 제품의 두께가 과도하게 두꺼워 지기 때문에 충분한 경량화를 도모할 수 없다는 문제점이 있었다.
본 발명은 이러한 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 섬유 강화 수지 재료로 이루어지고, 경량화와 뛰어난 강도를 양립할 수 있는 중공 구조체를 제공하는 것을 주목적으로 하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은 제 1 강화 섬유와 제 1 매트릭스 수지를 함유하는 제 1 섬유 강화 수지 재료로 구성되는 제 1 성형체와, 제 2 강화 섬유와 제 2 매트릭스 수지를 함유하는 제 2 섬유 강화 수지 재료로 구성되는 제 2 성형체가 결합되어 지며, 중공 구조를 갖는 중공 구조체로서, 상기 중공 구조의 축 방향에 대해서 수직 방향의 임의의 단면에 있어서, 상기 제 1 성형체의 구조의 압축 강도 Sc 및 상기 제 2 성형체의 구조의 인장 강도 St의 비(比) Sc / St가 다음 식 (1)을 만족하는 것을 특징으로 하는 중공 구조체를 제공한다.
(σc / σt) × (Hc / Ht) <(Sc / St) <(σt / σc) × (Hc / Ht) (1)
여기서, 상기 식 (1)의 각 기호는 다음과 같다.
　　　　　　Hc = 제 1 성형체의 높이
　　　　　　Ht = 제 2 성형체의 높이
　　　　　　σc = 제 1 섬유 강화 수지 재료의 상기 축 방향의 압축 강도
　　　　　　σt = 제 2 섬유 강화 수지 재료의 상기 축 방향의 인장 강도
　　　　　　Ac = 제 1 성형체의 상기 단면의 단면적
　　　　　　At = 제 2 성형체의 상기 단면의 단면적
　　　　　　Sc = σc × Ac 제 1 성형체의 구조의 압축 강도
　　　　　　St = σt × At 제 2 성형체의 구조의 압축 강도
본 발명에 있어서는 상기 제 1 성형체의 높이 Hc와 상기 제 2 성형체의 높이 Ht와 동일한 경우에, 상기 식 (1)을 만족하는 상기 단면에 있어서 다음의 식 (2)를 만족하는 것이 바람직하다.
(σc / σt) <(Tc × σc) / (Tt × σt) <(σt / σc) (2)
여기서, 상기 식 (2)의 각 기호는 다음과 같다.
Tc = 제 1 성형체의 상기 단면의 평균 두께
Tt = 제 2 성형체의 상기 단면의 평균 두께
본 발명의 중공 구조체에 있어서는 상기 제 1 강화 섬유 및 상기 제 2 강화 섬유가 2 차원 랜덤 배열하여 있는 것이 바람직하다. 또한 이 경우 상기 비 Sc / St가 1.04 × (σc / σt) × (Hc / Ht) ≤ (Sc / St) ≤ 0.96 × (σt / σc) × (Hc / Ht)인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 중공 구조체에 있어서는 상기 제 1 섬유 강화 수지 재료에서의 상기 제 1 강화 섬유의 체적 함유율 Vfc와 상기 제 2 섬유 강화 수지 재료에서의 상기 제 2 강화 섬유의 체적 함유율 Vft가 Vfc> Vft을 만족하는 것이 바람직하고, 상기 제 1 강화 섬유의 평균 섬유 길이 Lc와 상기 제 2 강화 섬유의 평균 섬유 길이 Lt가 Lc> Lt를 만족 것이 바람직하고, 또한 상기 제 1 강화 섬유의 평균 섬유 직경 Dc와 상기 제 2 강화 섬유의 평균 섬유 직경 Dt가 Dc <Dt를 만족 것이 바람직하고,
또한 본 발명은 상기 본 발명에 따른 중공 구조체가 사용된 것을 특징으로 하는 차량용 부품을 제공한다.
본 발명의 중공 구조체는 소정의 강도를 최소한의 섬유 강화 수지 재료의 사용량으로 달성함으로써 강도와 경량화를 양립할 수 있다는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 중공 구조체의 일례를 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 중공 구조체의 다른 예를 나타내는 개략도이다.
도 3은 중공 구조체의 굴곡 강도의 평가 방법을 설명하는 설명도이다.
도 4는 각 실시예 및 비교예에서 중공 구조체의 형상을 설명하는 설명도이다.
이하, 본 발명의 중공 구조체 및 차량용 부품에 대해 설명한다.
제 1 중공 구조체
우선, 본 발명의 중공 구조체를 설명한다. 상술한 바와 같이 본 발명의 중공 구조체는 제 1 강화 섬유와 제 1 매트릭스 수지를 함유하는 제 1 섬유 강화 수지 재료로 이루어지는 제 1 성형체와 제 2 강화 섬유와 제 2 매트릭스 수지를 함유 제 2 섬유 강화 수지 재료로 이루어지는 제 2 성형체가 결합되어 중공 구조를 갖는 것이며, 상기 중공 구조체의 축 방향에 대해 수직 방향의 임의의 단면에 있어서, 상기 제 1 성형체의 구조 압축 강도 Sc 및 상기 제 2 성형체의 구조의 인장 강도 St의 비 Sc / St가 상기 식 (1)을 만족하는 것을 특징으로 하는 것이다.
이러한 본 발명의 중공 구조체에 대한 도면을 참조하면서 설명한다. 도 1은 본 발명의 중공 구조체의 일례를 나타내는 개략도이다. 도 1에 예시한 바와 같이, 본 발명의 중공 구조체(10)는 제 1 성형체(11)와 제 2 성형체(12)가 결합함으로써 중공 구조체로 된 것이다. 여기서, 상기 제 1 성형체(11)는 제 1 강화 섬유와 제 1 매트릭스 수지를 함유하는 제 1 섬유 강화 수지 재료로 이루어지는 것이며, 상기 제 2 성형체(12)는 제 2 강화 섬유와 제 2 매트릭스 수지를 함유하는 제 2 섬유 강화 수지 재료로 이루어지는 것이다.
또한, 도 1에 예시한 바와 같이, 본 발명의 중공 구조체(10) 상기 중공 구조의 축 방향 X에 수직 방향의 단면은 제 1 성형체(11) 및 제 2 성형체(12)가 결합됨으로써 개방 단면으로 되어있는 바, 본 발명의 중공 구조체(10)는 그 단면에 있어서 제 1 성형체(11)의 구조의 압축 강도 Sc 및 상기 제 2 성형체(12)의 구조의 인장 강도 St의 비 Sc / St가 상기 식 (1)을 만족하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 상기 도 1 중, Y는 제 1 성형체(11) 및 제 2 성형체(12)의 경계면을 나타내는 것이다. 또한 동 도면의 Tc, Tt는 각각 제 1 성형체(11) 및 제 2 성형체(12)의 두께를 나타내며, Hc, Ht는 각각 제 1 성형체(11) 및 제 2 성형체(12)의 높이를 나타낸다.
본 발명에 있어서 "중공 구조체의 축 방향"은 상기 도 1 중 X에서 나타낸 바와 같이 중공 구조체의 중공 부의 중심선 방향을 의미하는 것이다.
또한, 도 1은 본 발명의 중공 구조체의 일례로서 상기 중공 구조체의 축 방향으로 단면 형상이 균일하다는 예를 나타냈지만, 물론, 본 발명의 중공 구조체는 이러한 예에 한정되는 것이 아니라 중공 구조체의 축 방향으로 단면 형상이 변화하는 양태도 포함된 것이다. 그리고 이와 같이 중공 구조체의 축 방향에서 단면 형상이 변화하는 양태의 경우, 상기 비 Sc / St는 모든 단면에서 상기 식 (1)을 만족해야하는 것이 아니라 어떤 하나의 단면에서 상기 식 (1)을 만족하면 좋은 것이다.
또한, 상기 식 (1)은 제 1 성형체의 높이 Hc 및 제 2 성형체의 높이 Ht를 포함하지만, 이들은 각각 제 1 성형체 및 제 2 성형체의 경계면에 대해서 수직 방향이며, 또한 제 1 성형체 및 제 2 성형체의 각각 까지의 거리 중 최대 거리를 의미하는 것이다. 이것을 도 1에서 설명하면, 본 발명의 중공 구조체(10)에 있어서, 상기 제 1 성형체(11)의 높이 Hc 및 제 2 성형체(12)의 높이 Ht는 각각 제 1 성형체(11) 및 제 2 성형체(12)의 경계면 Y를 기준으로 각각, 도 1 중 Ht, Hc로 표시되는 거리이다.
본 발명의 중공 구조체는 상기 제 1 성형체의 구조의 압축 강도 Sc 및 상기 제 2 성형체의 구조의 인장 강도 St의 비 Sc / St가 상기 식 (1)을 만족하는 것에 의해 상기 제 1 성형체 쪽에서 본 발명의 중공 구조체에 외력이 가해질 때 상기 제 1 성형체가 상기 제 2 성형체보다 먼저 파괴하는 것을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 중공 구조체는 상기 식 (1)을 만족하는 것에 의해 소망의 강도를 달성하기 위해 섬유 강화 수지 재료를 과도하게 사용하는 것을 억제하고 최소한의 섬유 강화 수지 재료의 사용량으로 중공 구조체 전체적으로 소망의 강도를 달성할 수 있다.
이러한 점에서 본 발명의 중공 구조체는 소정의 강도를 최소한의 섬유 강화 수지 재료의 사용량으로 달성함으로써 강도와 경량화와 양립할 수 있다는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 중공 구조체는 상기 식 (1)을 만족하는 것에 의해 일반적으로 중립면이 제 1 성형체와 제 2 성형체의 경계면 근처에 위치하게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 중공 구조체는 상기 식 (1)을 만족하는 것에 의해 상기 제 1 성형체로부터 본 발명의 중공 구조체에 외력이 가해질 때 상기 제 1 성형체가 먼저 파괴하는 것을 억제할 수 있는 것이다. 따라서, 본 발명의 중공 구조체는 제 1 성형체로부터 압축 응력이 부하되는 용도에 사용됨으로써 우수한 강도를 나타내는 것이다.
본 발명의 중공 구조체는 상기 비 Sc / St가 상기 식 (1)을 만족하는 것을 특징으로 하는 것이다. 여기서, 상기 식 (1)은 다음의 식 (3)으로부터 도출된 것이다.
　　　　　　(Sc / St) = k (Hc / Ht) (3)
이 상기 식 (3)은 다음의 개념을 기반으로 도출된 것이다. 즉, 본 발명의 중공 구조체를 구성하는 제 1 성형체의 구조의 압축 강도와 제 2 성형체의 구조의 인장 강도의 비율 (Sc / St)가 성형체의 형상 매개 변수 (Hc / Ht)로서 상기 식 (3)의 관계를 만족하면, 중공 구조체를 구성하는 제 1 섬유 강화 수지 재료의 압축 강도 및 제 2 섬유 강화 수지 재료의 인장 강도를 모두 중공 구조체의 구조체 강도 발현에 활용할 수 있으며, 이렇게 설계·제조된 섬유 강화 수지 재료의 중공 구조체는 소정 강도를 만족하는 점에서 가장 좋은 경량화 효과를 얻을 수 있다.
여기서, 상기 식 (3)의 기호 k는 계수이며, 이상적으로는 k = 1이다. 또한 k는 다음 식 (4)에 나타내는 범위 내에 있는 것에 의해 경량화 효과를 얻을 수 것이다.
　　　　　　(σc / σt) <k <(σt / σc) (4)
이러한 점에서 상기 식 (1)은 상기 식 (4)를 상기 식 (3)에 대입하여 도출된 것이다.
또한, 제 1 성형체와 제 2 성형체와의 경계면과 중공 구조체의 중립면이 일치하지 않는 경우, 상기 식 (3)은, 엄밀하게는 다음과 같이 기재될 것이다 .
(Sc / St) = k ((Hc + E) / (Ht-E)) (3')
여기서, 상기 E는 제 1 성형체 및 제 2 성형체의 경계면과 중공 구조체의 중립면 사이의 거리이다. 상기 식 (3)은 상기 E가 무시할 정도로 작은 경우가 많음을 고려하여 E의 기재를 생략한 것이다. 또한, 상기 (3') 식에서 E는 중립면이 제 1 성형체와 제 2 성형체와의 경계면보다 제 2 성형체 쪽 (인장 쪽)에 있는 경우 "+"가 되고, 제 1 성형체 쪽 (압축 쪽)의 경우 "-"가 된다.
본 발명의 중공 구조체는 상기 중공 구조체의 축 방향에 대해 수직 방향의 임의의 단면에 있어서, 상기 비 Sc / St가 상기 식 (1)을 만족하는 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 것이다 . 본 발명에 있어서, 상기 비 Sc / St를 상기 식 (1)의 범위로 하고 있는 것은, 상기 비 Sc / St가 상기 식 (1)의 범위를 벗어나면, 중공 구조체의 제 1 성형체의 구조의 압축 강도와 제 2 성형체의 구조체의 인장 강도의 균형이 극히 악화되므로, 제 1 성형체 쪽에서 압축 응력이 더해진 때 항상 제 1 성형체 또는 제 2 성형체 중 하나 한편 가 먼저 파괴되어 버릴 우려가 있기 때문이다. 예를 들어, (Sc / St) ≤ (σc / σt) × (Hc / Ht)의 경우는, 제 1 성형체가 먼저 파괴되어 버리는 경향이 있는 반면, (Sc / St) ≥ ( σt /?? σc) × (Hc / Ht)의 경우는 제 2 성형체가 먼저 파괴되어 버리는 경향이 있기 때문이다.
또한 제 1 성형체의 구조의 압축 강도와 제 2 성형체의 구조의 인장 강도의 균형이 나쁘고, 어느 한쪽의 강도가 과도하게 크다는 것은 제 1 성형체 및 제 2 성형체의 재료가 동일하다고 가정하면 강도가 과도한 쪽의 성형체의 중량이 과다하다는 것과 동의이다. 따라서, 상기 비 Sc / St가 상기 식 (1)의 범위를 벗어난다는 것은 중공 구조체에 소망의 강도를 발현시키기 위해 섬유 강화 플라스틱소재가 잉여로 사용되는 것과 동의이며, 충분한 경량화 효과를 얻을 수 없기 때문이다.
본 발명에서의 상기 비 Sc / St는 상기 식 (1)을 만족 범위 내이면 특히 한정되는 것은 아니지만, 특히 1.04 × (σc / σt) × (Hc / Ht) ≤ ( Sc / St) ≤ 0.96 × (σt / σc) × (Hc / Ht)의 범위 내인 것이 보다 바람직하다. 특히 본 발명에서는 후술하는 제 1 강화 섬유 및 제 2 강화 섬유가 2 차원 랜덤 배열하여 존재하고 있는 경우에는 상기 비 Sc / St가 1.04 × (σc / σt) × (Hc /Ht) ≤ (Sc/St) ≤ 0.96×(σt/σc)×(Hc/Ht) 인 것이 바람직하다. 상기 비 Sc / St가 이러한 범위 내에 있음으로써, 중공 구조체 전체로서 소망의 강도를 더욱 경량으로 달성할 수 있기 때문이다.
또한, 본 발명에서는 상기 제 1 섬유 강화 수지 재료로서 압축 강도는 250MPa 정도의 것이 이용되고, 또한 상기 제 2 섬유 강화 수지 재료로서 인장 강도는 350MPa 정도의 것이 사용되는 경우, 상기 비 Sc / St는 0.74 × (Hc / Ht) ≤ (Sc / St) ≤ 1.34 × (Hc / Ht)의 범위 내인 것이 바람직하다. 상기 비 Sc / St가 이러한 범위 내에 있음으로써, 상기 제 1 섬유 강화 수지 재료 및 상기 제 2 섬유 강화 수지 재료가 사용된 경우 중공 구조체 전체로서 소망의 강도를 더욱 경량으로 달성할 수 있기 때문이다.
또한, 본 발명의 중공 구조체는 상기 중공 구조의 축 방향에 대해 수직 방향의 임의의 단면에 있어서, 상기 비 Sc / St가 상기 식 (1)을 만족하는 것을 특징으로 하는 것이다. 따라서, 본 발명의 중공 구조체에서는 상기 식 (1)을 만족하는 상기 단면이 한 곳이라도 존재하면 좋고, 상기 식 (1)을 만족하지 않는 단면을 갖고 있어도 좋다. 본 발명의 중공 구조체에 있어서, 상기 식 (1)을 만족하는 단면의 존재 비율은 본 발명의 중공 구조체의 용도에 따라 적절히 결정할 수 있는 것이며, 특히 한정되는 것은 아니다. 그러나, 상술 한 바와 같이, 본 발명의 중공 구조체는 제 1 성형체에 압축 하중이 걸리는 그러한 용도에 적합하기 때문에 용도에 따라 상기 성형체의 압축 부하 범위의 상기 단면에서는 상기 식 (1)을 만족하는 것이 바람직하다. 무엇보다 뛰어난 강도와 경량화를 양립한다고 하는 본 발명의 목적을 충분히 달성하기 위해서는 중공 구조체의 축 방향의 전체 범위에 있어서, 상기 식 (1)을 만족하는 것이 가장 바람직하다.
1. 제 1 성형체 및 제 2 성형체
본 발명에 사용되는 제 1 성형체 및 제 2 성형체는 양자가 결합되는 것에 의해 중공 구조체를 형성하는 것이다. 이하, 이러한 제 1 성형체 및 제 2 성형체에 대해 설명한다. 또한, 제 1 성형체 및 제 2 성형체를 구성하는 상기 제 1 섬유 강화 수지 재료 및 제 2 섬유 강화 수지 재료에 대해서는 후술한다.
본 발명에 사용되는 제 1 성형체 및 제 2 성형체는 양자가 결합되는 것에 의해 중공 구조체를 형성할 수 있는 형상을 갖는 것이면 특히 한정되는 것은 아니다. 특히 본 발명에서는 상기 제 1 성형체의 높이 Hc와 제 2 성형체의 높이 Ht가 동일한 경우, 상기 식 (1)을 만족하는 단면에서 다음의 식 (2)를 만족 것이 바람직하다.
(σc / σt) <(Tc × σc) / (Tt × σt) <(σt / σc) (2)
이에 따라 상기 제 1 성형체의 평균 두께 Tc와 제 2 성형체의 평균 두께 Tt를 조정하는 것만으로, 보다 경량으로 소망의 구조체 강도를 달성할 수 있기 때문이다.
또한, 상기 식 (2)에서 Tc, Tt는 각각 제 1 성형체 및 제 2 성형체의 상기 식 (2)를 만족하는 단면에서의 평균 두께이다.
본 발명에 있어서, 상기 비 (Tc × σc) / (Tt × σt)를 상기 식 (2)의 범위내로하는 경우는 1.04 × (σc / σt) ≤ (Tc × σc) / (Tt × σt) ≤ 0.96 × (σt / σc) 인 것이 보다 바람직하고, (Tc × σc) / (Tt × σt) = 1 인 것이 더욱 바람직하다. 상기 비 (Tc × σc) / (Tt × σt)가 이러한 범위 내인 것으로 인하여 소망의 중공 구조체의 강도를 더욱 경량으로 달성할 수 있기 때문이다.
또한, 본 발명에서는 상기 제 1 섬유 강화 수지 재료로서 압축 강도는 250MPa 정도의 것이 이용되고, 또한 상기 제 2 섬유 강화 수지 재료로서 인장 강도는 350MPa 정도의 것이 사용되는 경우는 0.74 ≤ (Tc × σc) / (Tt × σt) ≤ 1.34인 것이 바람직하고, (Tc × σc) / (Tt × σt) = 1인 것이 바람직하다. 상기 비 (Tc × σc) / (Tt × σt)가 이러한 범위 내에 있는 것에 의해, 상기 제 1 섬유 강화 수지 재료 및 상기 제 2 섬유 강화 수지 재료가 사용된 경우에 소망의 중공 구조체의 강도를 더욱 경량으로 달성할 수 있기 때문이다.
본 발명에 사용되는 제 1 성형체 및 제 2 성형체의 형상은 양자가 결합함으로써 중공 구조체를 형성할 수 있고 또한, 상기 식 (1)을 만족할 수 있는 형상이면 특히 한정되는 것은 아니다. 따라서, 상기 제 1 성형체 및 제 2 성형체의 각각의 형상은 본 발명의 중공 구조체의 용도나 상기 제 1 섬유 강화 수지 재료 및 제 2 섬유 강화 수지 재료의 조성 등에 따라 적절히 결정 수 있지만, 그 중에서도 개방 단면을 갖는 형상인 것이 바람직하다. 이것에 의해 제 1 성형체 및 제 2 성형체를 각각 갖는 개 단면의 개구부 측이 서로 마주 보도록 결합함으로써 쉽게 중공 구조체를 형성할 수 있기 때문이다.
본 발명에 사용되는 제 1 성형체 및 제 2 성형체의 형상이 개방 단면을 갖는 것인 양태로서는 제 1 성형체 및 제 2 성형체를 결합함으로써 중공 구조체를 형성할 수 있으며, 한편 상기 식 (1)을 만족할 수 있는 양태이면 특히 한정되는 것은 아니다. 이런 양태로서는, 예를 들어, 제 1 성형체 및 제 2 성형체의 형상이, 저면 부, 상면 부 및 상기 저면 부 및 상면 부를 연결하는 입면 부를 갖는 모자 형상, 반원 형상의 오목부를 갖는 형상 등을 들 수 있다. 본 발명에 사용되는 제 1 성형체 및 제 2 성형체의 형상은 이들의 어느 형상에도 적합하게 사용할 수 있는 것으로, 본 발명의 중공 구조체의 용도 등에 따라 적당히 적절한 모양을 선택할 수 있는 것이다. 또한 본 발명에서는 상기 제 1 성형체 및 제 2 성형체의 형상이 동일하여도 좋고, 또는 서로 상이해도 좋은 것이다.
본 발명에서는 상기 제 1 성형체 및 제 2 성형체가 모두 상기 모자 형상인 것이 바람직하다. 제 1 성형체 및 제 2 성형체로서 모자 형상을 갖는 것을 사용함으로써 본 발명의 중공 구조체의 단면 2 차 모멘트를 향상시킬 수 있어서 재료를 유효하게 활용할 수 있기 때문이다.
제 1 성형체 및 제 2 성형체가 모두 상기 모자 형상인 측면에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다. 도 2는 본 발명의 중공 구조체에 있어서, 상기 제 1 성형체 및 상기 제 2 성형체가 모자 형상을 갖는 경우의 일례를 나타내는 개략도이다. 도 2에 예시한 바와 같이, 본 발명의 중공 구조체(10)는 상기 제 1 성형체(11) 및 상기 제 2 성형체(12)가 각각 저면 부(11a, 12a). 상면 부(11b, 12b), 입면 부(11c, 12c)를 가진 모자 형상인 것이 바람직하다. 이 경우, 본 발명의 중공 구조체(10)는 상기 제 1 성형체(11)의 저면 부(11a)와 상기 제 2 성형체(12)의 저면 부(12a)가 닿도록 결합된 중공 구조를 갖는 것이 된다. 또한, 상기 제 1 성형체(11)의 높이 Hc 및 제 2 성형체(12)의 높이 Ht는 각각 제 1 성형체 및 제 2 성형체의 경계면 Y를 기준으로 한, 도 2에서 나타내는 거리가 된다.
본 발명에 사용되는 제 1 성형체 및 제 2 성형체가 모두 상기 모자 형상을 갖는 것인 경우, 제 1 성형체의 높이 Hc와 제 2 성형체의 높이 Ht와의 관계는 Ht ≥ Hc 인 것이 바람직하다. 따라서 본 발명의 중공 구조체에 있어서 상기 식 (1)을 충족시키는 것이 용이하게 되는 결과 본 발명의 중공 구조체의 용도에 관계없이 높은 강도와 경량화의 양립을 충분히 용이하게 도모할 수 있기 때문이다.
2. 제 1 섬유 강화 수지 재료 및 제 2 섬유 강화 수지 재료
다음으로, 본 발명에 사용되는 제 1 섬유 강화 수지 재료 및 제 2 섬유 강화 수지 재료에 대해 설명한다. 본 발명에 사용되는 제 1 섬유 강화 수지 재료는 제 1 강화 섬유와 제 1 매트릭스 수지를 함유하는 것이며, 본 발명에 사용되는 제 2 섬유 강화 수지 재료는 제 2 강화 섬유와 제 2 매트릭스 수지를 함유하는 것이다.
이하, 본 발명에 사용되는 제 1 섬유 강화 수지 재료 및 제 2 섬유 강화 수지 재료의 각각에 대해 설명한다.
또한, 이하의 설명에서는 제 1 섬유 강화 수지 재료와 제 2 섬유 강화 수지 재료를 합해서「섬유 강화 수지 재료」라고 칭하는 경우가 있으며, 제 1 강화 섬유와 제 2 강화 섬유를 합해서「강화 섬유」라고 칭하는 경우가 있으며, 제 1 매트릭스 수지와 제 2 매트릭스 수지를 합해서「매트릭스 수지」라고 칭하는 경우가 있다.
(1) 강화 섬유
본 발명에 사용되는 강화 섬유는 섬유 강화 수지 재료의 압축 강도 및 인장 강도를 원하는 범위 내로 할 수 있으며, 또한 상기 식 (1)을 만족할 수 있는 것이면 특히 한정되는 것 아니다. 따라서 본 발명에 사용되는 강화 섬유로는 무기 섬유 또는 유기 섬유의 어느 것이라도 바람직하게 사용할 수 있다.
상기 무기 섬유로서는, 예를 들어 탄소 섬유, 활성탄 섬유, 흑연 섬유, 유리 섬유, 텅스텐카바이드 섬유, 실리콘카바이드 섬유 (탄화 규소 섬유), 세라믹 섬유, 알루미나 섬유, 천연 섬유, 현무암 등의 광물 섬유, 보론 섬유, 질화 붕소 섬유, 탄화 붕소 섬유 및 금속 섬유 등을 들 수 있다. 상기 금속 섬유로서는, 예를 들어 알루미늄 섬유, 구리 섬유, 황동 섬유, 스테인리스 섬유, 스틸 섬유를 들 수 있다. 상기 유리 섬유로서는 E 유리, C 유리, S 유리, D 유리, T 유리, 석영 유리 섬유, 붕 규산 유리 섬유 등으로 이루어지는 것을 들 수 있다.
상기 유기 섬유로서는, 예를 들면, PBO(폴리파라페닐렌벤조옥사졸) 등의 폴리벤졸, 아라미드, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에스테르, 아크릴, 폴리아미드, 폴리올레핀, 폴리비닐알코올, 폴리아릴레이트 등의 수지 재료로 이루어지는 섬유를 들 수 있다.
본 발명의 섬유 강화 수지 재료에 사용되는 강화 섬유는 1 종류 이어도 좋고, 또는 2 종류 이상 이어도 좋다. 섬유 강화 수지 재료에 2 개 이상의 강화 섬유를 이용하는 경우는 여러 종의 무기 섬유를 병용하여도 좋고, 여러 종의 유기 섬유를 병용하여도 좋고, 무기 섬유와 유기 섬유를 병용하여도 좋다. 여러 종의 무기 섬유를 병용하는 형태로서는, 예를 들어 탄소 섬유와 금속 섬유를 병용하는 양태, 탄소 섬유와 유리 섬유를 병용하는 양태 등을 들 수 있다. 한편, 여러 종류의 유기 섬유를 병용하는 양태로서는, 예를 들어, 아라미드 섬유 및 기타 유기 물질로 이루어진 섬유를 병용하는 양태 등을 들 수 있다. 또한, 무기 섬유와 유기 섬유를 병용하는 양태으로서는, 예를 들어 탄소 섬유와 아라미드 섬유를 병용하는 양태을 들 수 있다.
본 발명에서는 상기 강화 섬유로 탄소 섬유를 이용하는 것이 바람직하다. 탄소 섬유는 경량이면서 강도가 뛰어난 섬유 강화 수지 재료를 얻을 수 있기 때문이다. 상기 탄소 섬유로는 일반적으로 폴리아크릴로니트릴(PAN)계 탄소 섬유, 석유·석탄피치계 탄소 섬유, 레이온계 탄소 섬유, 셀룰로오스계 탄소 섬유, 리그닌계 탄소 섬유, 페놀계 탄소 섬유, 기상성장계 탄소 섬유 등이 알려져 있지만, 본 발명에서는 이들 중 어느 것의 탄소 섬유에도 적합하게 사용할 수 있다.
본 발명에 사용되는 강화 섬유는 표면에 사이징제가 부착되어있는 것이어도 좋다. 사이징제가 부착되어있는 강화 섬유를 사용하는 경우, 해당 사이징제의 종류는 강화 섬유와 매트릭스 수지의 종류에 따라 적절하게 선택할 수 있는 것이며, 특히 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 사용되는 강화 섬유의 평균 섬유 길이는 특히 한정되는 것은 아니지만, 1 ~ 100mm 범위 내인 것이 바람직하고, 5 ~ 75mm의 범위 내인 것이 보다 바람직하고, 10 ~ 50mm의 범위 내에 있는 것이 더욱 바람직하다.
본 발명의 평균 섬유 길이는 수 평균 섬유 길이어도, 중량 평균 섬유 길이어도 좋지만, 섬유 길이가 긴 것을 중시하도록 계산한 중량 평균 섬유 길이로 측정하는 것이 바람직하다 . 여기에서 개별 탄소 섬유의 섬유 길이를 Li 측정 개수를 j하면 수 평균 섬유 길이(Ln)와 중량 평균 섬유 길이(Lw)는 다음의 식 (a), (b)에 의해 구해진다.
Ln = ΣLi / j ... (a)
Lw = (ΣLi2) / (ΣLi) ··· (b)
또한, 강화 섬유를 로터리 커터로 절단 한 경우 등, 섬유 길이가 일정 길이의 경우는 수 평균 섬유 길이와 중량 평균 섬유 길이는 동일 값으로 된다.
또한, 본 발명에 사용되는 강화 섬유의 평균 섬유 길이가 여러 피크 값을 갖는 경우 적어도 피크 값 중 하나가 상술한 범위 내인 것이 바람직하다.
본 발명에 사용되는 제 1 강화 섬유의 평균 섬유 길이 Lc와 제 2 강화 섬유의 평균 섬유 길이 Lt와의 관계는 양자가 동일하여도 좋고, 또는 차이가 있어도 좋다. 양자가 다른 경우, 대소 관계는 특히 한정되는 것은 아니지만, 특히 본 발명에서는 Lc > Lt를 만족하는 것이 바람직하다. Lc > Lt인 것에 의해 제 1 섬유 강화 수지 재료의 압축 강도를 보다 높이고, 제 2 섬유 강화 수지 재료의 인장 강도를 보다 낮게 조정하는 것이 가능하기 때문에, 제 1 섬유 강화 수지 재료의 압축 강도와 제 2 섬유 강화 수지 재료의 인장 강도와의 차이를 더 줄일 수 있게 된다. 이에 따라 제 1 성형체의 구조의 압축 강도와 제 2 성형체의 구조체의 인장 강도의 균형을 맞추는 것이 쉽게 되므로 본 발명의 중공 구조체를 더 경량으로 뛰어난 구조 강도를 갖게 할 수 있기 때문이다.
본 발명에 사용되는 강화 섬유의 평균 섬유 직경은 강화 섬유의 종류 등에 따라 적절하게 결정하면 되고, 특히 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 강화 섬유로서 탄소 섬유가 사용되는 경우 평균 섬유 직경은 일반적으로 3μm ~ 50μm의 범위 내인 것이 바람직하고, 4μm ~ 12μm의 범위 내인 것이 보다 바람직하고, 5μm ~ 8μm 범위 내인 것이 더욱 바람직하다. 한편, 강화 섬유로서 유리 섬유를 사용하는 경우, 평균 섬유 직경은 일반적으로 3μm ~ 30μm의 범위 내인 것이 바람직하다. 여기서, 상기 평균 섬유 직경은 강화 섬유의 단사의 직경을 가리킨다. 따라서, 강화 섬유가 섬유 다발 형상인 경우는 섬유 다발의 직경이 아니라 섬유 다발을 구성하는 강화 섬유(단사)의 직경을 가리키는 것이다. 강화 섬유의 평균 섬유 직경은 예를 들어, JIS R7607 : 2000에 기재된 방법에 의해 측정할 수 있다. 또한, JIS R7607 : 2000의 내용은 여기에 참조로 포함된다.
본 발명에 사용되는 제 1 강화 섬유의 평균 섬유 직경 Dc와 제 2 강화 섬유의 평균 섬유 직경 Dt와의 관계는 양자가 동일하여도 좋고, 또는 차이가 있어도 좋다. 양자가 다른 경우, 그 대소 관계는 특히 한정되는 것은 아니지만, 특히 본 발명에서는 Dc <Dt를 만족하는 것이 바람직하다. 일반적으로 강화 섬유의 섬유 직경이 굵어짐에 따라 섬유 강화 수지 재료의 강도가 저하하는 것으로 알려져 있다. 따라서 Dc <Dt인 것에 의해 제 1 섬유 강화 수지 재료의 압축 강도를 보다 높이고, 제 2 섬유 강화 수지 재료의 인장 강도를 보다, 낮게 조정하는 것이 가능하기 때문에 제 1 섬유 강화 수지 재료 압축 강도와 제 2 섬유 강화 수지 재료의 인장 강도의 차이를 더 줄일 수 있게 된다. 이에 따라 제 1 성형체의 구조의 압축 강도와 제 2 성형체의 구조의 인장 강도의 균형을 맞추는 것이 쉬워지므로, 본 발명의 중공 구조체를 보다 경량으로 뛰어난 강도를 갖게 할 수 있기 때문이다.
본 발명에 사용되는 강화 섬유는 그 종류에 관계없이 단사로 이루어진 단 사 형상이어도 좋고, 복수의 단사로 이루어진 섬유 다발 형상이어도 좋다. 또한, 본 발명에 사용되는 강화 섬유는 단사 형상의 것만이라도 좋고, 섬유 다발 형상의 것만이라도 좋고, 양자가 혼재하고 있어도 좋다. 섬유 다발 형상의 것을 사용하는 경우, 각 섬유 다발을 구성하는 단사의 수는 각 섬유 다발에서 거의 균일하여도 좋고, 혹은 차이가 있어도 좋다. 본 발명에 사용되는 강화 섬유가 섬유 다발 형상인 경우, 각 섬유 다발을 구성하는 단사의 수는 특히 한정되는 것은 아니지만, 일반적으로 1000 ~ 10 만개의 범위 내로 된다.
일반적으로 탄소 섬유는 수천 ~ 수만 개의 필라멘트(단사)가 집합한 섬유 다발 형상으로 되어 있다. 강화 섬유로서 탄소 섬유를 이용하는 경우에 탄소 섬유를 그대로 사용하면 섬유 다발의 교락부(交絡部)가 국부적으로 두껍게 되어 얇은 섬유 강화 재료를 얻는 것이 곤란하게 되는 경우가 있다. 따라서 강화 섬유로 탄소 섬유를 이용하는 경우는 섬유 다발의 폭을 넓히거나 또는 개섬(開纖 )하거나 하여 사용하는 것이 일반적이다.
탄소 섬유 다발을 개섬하여 사용할 경우 개섬 후의 탄소 섬유 다발의 개섬 정도는 특히 한정되는 것은 아니지만, 섬유 다발의 개섬 정도를 제어하고 특정 개수 이상의 탄소 섬유로 이루어진 탄소 섬유 다발과, 그 이하의 탄소 섬유(단사) 또는 탄소 섬유 다발을 포함하는 것이 바람직하다. 이 경우, 구체적으로는 다음 식 (i)에서 정의된 임계 단사 수 이상으로 구성되는 탄소 섬유 다발 (A)과, 그 이외의 개섬된 탄소 섬유, 즉 단사 상태 또는 임계 단사수 미만으로 구성되는 섬유 다발로 이루어지는 것이 바람직하다.
임계 단사수 = 600 / D (i)
(여기서 D는 탄소 섬유의 평균 섬유 직경 (μm)이다)
또한, 본 발명에서는 섬유 강화 수지 재료 중의 탄소 섬유 전량에 대한 탄소 섬유 다발(A)의 비율이 0 Vol% 이상 99 Vol% 미만인 것이 바람직하고, 20 Vol% 이상 99 Vol% 미만인 것이 보다 바람직하고, 30 Vol% 이상 9 5Vol% 미만인 것이 보다 더 바람직하고, 50 Vol% 이상 90 Vol% 미만인 것이 가장 바람직하다. 이처럼 특정 개수 이상의 탄소 섬유로 이루어진 탄소 섬유 다발과 그 이외의 개섬된 탄소 섬유 또는 탄소 섬유 다발을 특정 비율로 공존시킴으로써 섬유 강화 수지 재료의 탄소 섬유의 존재량 즉 섬유 체적 함유율(Vf)을 높이는 것이 가능하기 때문이다.
탄소 섬유의 개섬 정도는 섬유 다발의 개섬 조건을 조정함으로써 목적의 범위로 할 수 있다. 예를 들어, 섬유 다발에 공기를 분사하여 섬유 다발을 개섬하는 경우는 섬유 다발에 분사 공기 압력 등을 제어함으로써 개섬 정도를 조정할 수 있다. 이 경우, 공기의 압력을 강하게 함으로써 개섬 정도가 높게(각 섬유 다발을 구성하는 단사 수가 적게)되고, 공기의 압력을 약하게 함으로써 개섬 정도가 낮게(각 섬유 다발을 구성하는 단사 수가 많게)되는 경향이 있다.
본 발명에 있어서 강화 섬유로서 탄소 섬유를 사용하는 경우, 탄소 섬유 다발(A) 중 평균 섬유 수(N)는 본 발명의 목적을 해치지 않는 범위에서 적절하게 결정할 수 있는 것이며, 특히 한정되는 것은 아니다. 탄소 섬유의 경우, 상기 N은 보통 1 < N < 12000의 범위 내로 되는데 아래의 식 (ii)를 만족하는 것이, 보다, 바람직하다.
0.6 × 104 / D2 < N < 1 × 105 / D2 (ii)
(여기서 D는 탄소 섬유의 평균 섬유 직경(μm)이다).
(2) 매트릭스 수지
다음으로, 본 발명에 사용되는 매트릭스 수지에 대해 설명한다. 본 발명에 사용되는 매트릭스 수지로서는 상기 식 (1)을 만족하는 섬유 강화 수지 재료를 얻을 수 있는 것이면 특히 한정되는 것은 아니며, 강화 섬유의 종류 등에 따라 적절히 선택 사용할 수 있다. 따라서, 본 발명에 사용되는 매트릭스 수지로서는 열가소성 수지를 사용하여도 좋고, 열경화성 수지를 사용해도 좋다.
(열가소성 수지)
본 발명에 사용되는 열가소성 수지로서는 예를 들면, 폴리올레핀 수지, 폴리스티렌 수지, 열가소성 폴리아미드 수지, 폴리에스테르 수지, 폴리아세탈 수지 (폴리옥시메틸렌 수지), 폴리카보네이트 수지, (메타)아크릴 수지, 폴리아릴레이트 수지, 폴리페닐렌에테르 수지, 폴리이미드 수지, 폴리에테르니트릴 수지, 페녹시 수지, 폴리페닐렌설파이드 수지, 폴리술폰 수지, 폴리케톤 수지, 폴리에테르케톤 수지, 열가소성 우레탄 수지, 불소계 수지, 열가소성 폴리벤조이미다졸 수지 등을 들 수 있다 .
상기 폴리올레핀 수지로는 예를 들면, 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리부타디엔 수지, 폴리메틸펜텐 수지, 염화비닐 수지, 염화비닐리덴 수지, 초산비닐 수지, 폴리비닐알코올 수지 등을 들 수 있다.
상기 폴리스티렌 수지로서는 예를 들면, 폴리스티렌 수지, 아크릴로니트릴-스티렌 수지(AS 수지), 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 수지(ABS 수지) 등 을들 수 있다. 상기 폴리아미드 수지로는 예를 들면, 폴리아미드 6 수지(나일론 6), 폴리아미드 11 수지(나일론 11), 폴리아미드 12 수지(나일론 12), 폴리아미드 46 수지(나일론 46), 폴리아미드 66 수지(나일론 66), 폴리아미드 610 수지(나일론 610) 등을 들 수 있다. 상기 폴리에스테르 수지로는 예를 들어, 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지, 폴리에틸렌나프탈레이트 수지, 폴리부틸렌테레프탈레이트 수지, 폴리트리메틸렌테레프탈레이트 수지, 액정 폴리에스테르 등을 들 수 있다. 상기 (메타)아크릴 수지로는, 예를 들면, 폴리메틸메타크릴레이트를 들 수 있다. 상기 변성 폴리페닐렌에테르 수지로서는 예를 들면, 변성 폴리페닐렌에테르 등을 들 수 있다. 상기 열가소성 폴리이미드 수지로서는, 예를 들면, 열가소성 폴리이미드, 폴리아미드이미드 수지, 폴리에테르이미드 수지 등을 들 수 있다. 상기 폴리술폰 수지로서는 예를 들면, 변성 폴리술폰 수지, 폴리에테르술폰 수지 등을 들 수 있다. 상기 폴리에테르케톤 수지로서는, 예를 들면, 폴리에테르케톤 수지, 폴리에테르에테르케톤 수지, 폴리에테르케톤케톤 수지를 들 수 있다. 상기 불소계 수지로는 예를 들어, 폴리테트라플루오로에틸렌 등을 들 수 있다.
본 발명에 사용되는 열가소성 수지는 1 종류만이어도 좋고, 2 종류 이상 이어도 좋다. 따라서 제 1 섬유 강화 수지 재료 및 제 2 섬유 강화 복합 재료의 각각에 있어서 열가소성 수지가 1 종류만 사용되어도 좋고, 2 종류 이상이 사용되어도 좋다. 2 종류 이상의 열가소성 수지를 병용하는 양태으로서는, 예를 들어 상호 연화점 또는 융점이 다른 열가소성 수지를 병용하는 양태과 상호 평균 분자량이 다른 열가소성 수지를 병용하는 양태 등을 들 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
(열경화성 수지)
본 발명에 사용되는 열경화성 수지의 예로서는 예를 들면, 열경화성 수지의 경우, 에폭시 수지, 비닐에스테르 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 디알릴프탈레이트 수지, 페놀 수지, 말레이미드 수지, 시아네이트 수지, 벤조옥사진 수지, 디시클로펜타디엔 수지 등의 경화물 및 이들의 변성체를 들 수 있다. 상기 에폭시 수지로서는 분자 중에 에폭시기를 갖는 것이면 특히 한정되지 않고, 예를 들면, 비스페놀 A형 에폭시 수지, 비스페놀 F형 에폭시 수지, 페놀노볼락 형 에폭시 수지, 크레졸노볼락 형 에폭시 수지, 비스페놀 AD 형 에폭시 수지, 비 페닐 형 에폭시 수지, 나프탈렌 형 에폭시 수지, 지환식(脂環式) 에폭시 수지, 글리시딜에스테르계 수지, 글리시딜아민계에폭시 수지, 복소환식(複素環式) 에폭시 수지, 디아릴술폰 형 에폭시 수지, 히드로퀴논 형 에폭시 수지 및 그 변성물 등을 들 수 있다. 또한, 열가소성 수지의 경우와 마찬가지로, 본 발명에 사용되는 열경화성 수지는 제 1 섬유 강화 수지 재료 및 제 2 섬유 강화 복합 재료의 각각에 있어서 1 종류만이어도 좋고, 2 종류 이상이어도 좋다.
(3) 섬유 강화 수지 재료
상술한 바와 같이, 본 발명에 사용되는 섬유 강화 수지 재료는 강화 섬유와 매트릭스 수지를 함유하는 것이지만, 본 발명에서는 상기 매트릭스 수지로서 열가소성 수지가 사용되는 것이 바람직하다. 상기 매트릭스 수지로서 열가소성 수지가 사용됨으로써, 예를 들어, 제 1 성형체 및 제 2 성형체를 프레스 성형에 의해 제조하는 경우에 성형 시간을 단축할 수 있는 등의 장점이 있기 때문이다. 또한 매트릭스 수지로서 열가소성 수지를 이용하여 제 1 성형체 및 제 2 성형체를 재활용 또는 재사용할 수 있는 경우가 있기 때문이다.
본 발명의 제 1 섬유 강화 수지 재료의 압축 강도 σc는 상기 식 (1)을 만족하는 범위 내이면 특히 한정되는 것은 아니지만, 그 중에서도 150MPa 이상인 것이 바람직하고, 200MPa 이상인 것이 보다 바람직하고, 250MPa 이상인 것이 더욱 바람직하다. 제 1 섬유 강화 수지 재료의 압축 강도 σc를 상기 범위 내로 하려면, 예를 들면, 제 1 섬유 강화 수지 재료 중 제 1 강화 섬유의 함유량을 조정하거나, 평균 섬유 길이를 조정하거나, 또는 제 1 강화 섬유 또는/및 제 1 매트릭스 수지의 종류를 변경하는 등의 방법으로 달성된다. 보다 구체적으로는 제 1 강화 섬유의 함유량을 높이는, 평균 섬유 길이를 길게 하는, 또는 보다 압축 강도가 큰 제 1 강화 섬유 또는/및 제 1 매트릭스 수지를 이용하는 것으로 압축 강도를 크게 할 수 있다.
본 발명에서의 제 2 섬유 강화 수지 재료의 인장 강도 σt에 대해서도 상기 식 (1)을 만족 범위 내이면 특히 한정되는 것은 아니지만, 제 1 섬유 강화 수지 재료의 압축 강도 σc의 차이가 작을수록 바람직하고, 특히 σt = σc 인 것이 바람직하다.
제 2 섬유 강화 수지 재료의 인장 강도 σt를 상기 범위 내로 하려면, 예를 들어, 제 2 섬유 강화 수지 재료 중의 제 2 강화 섬유의 함유량을 조정하거나, 평균 섬유 길이를 조정하거나, 또는 제 2 강화 섬유 또는/및 제 2 매트릭스 수지의 종류를 변경하는 등의 방법으로 달성된다. 보다 구체적으로는 제 2 강화 섬유의 함유량을 높이는, 평균 섬유 길이를 길게 하는, 또는 보다 인장 강도가 큰 제 2 강화 섬유 또는/및 제 2 매트릭스 수지를 이용하는 것으로 인장 강도를 크게 할 수 있다. 반대로, 제 2 강화 섬유의 함유량을 낮추는, 평균 섬유 길이를 짧게 하는, 섬유의 직경을 굵게 하는, 또는 보다 인장 강도가 작은 제 2 강화 섬유 또는/및 제 2 매트릭스 수지를 이용하는 것으로, 그 인장 강도를 제 1 섬유 강화 수지 재료의 압축 강도에 가까워지도록 작게 할 수 있다.
또한, 제 1 섬유 강화 수지 재료의 압축 강도 σc는 예를 들어, JISK7076: 1991에 기재된 방법에 의해 측정할 수 있다. 또한 제 2 섬유 강화 수지 재료의 인장 강도 σt는 예를 들어, JIS K7164 : 2005에 기재된 방법에 의해 측정할 수 있다. 또한, JIS K7076 : 1991 및 JIS K7164 : 2005의 내용은 여기에 참조로 포함된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 사용되는 섬유 강화 수지 재료는 적어도 강화 섬유와 매트릭스 수지를 포함하는 것이지만, 본 발명의 목적을 해치지 않는 범위 내라면 필요에 따라 각종 첨가제를 포함하여도 좋다. 상기 각종 첨가제는 섬유 강화 수지 재료에 소망의 기능 또는 특성 등을 부여할 수 있는 것이면 특히 한정되는 것은 아니다. 본 발명에 사용되는 각종 첨가제로는 예를 들어, 용융점도 저하제, 정전기 방지제, 안료, 연화제, 가소제, 계면 활성제, 도전성 입자, 필러, 카본 블랙, 커플링제, 발포제, 윤활제, 부식 방지제, 결정핵제, 결정화 촉진제, 이형제, 안정제, 자외선 흡수제, 착색제, 착색 방지제, 산화 방지제, 난연제, 난연 보조제, 적하 방지제, 윤활제, 형광증백제(螢光增白劑), 축광 안료, 형광 염료, 유동성 개질제, 무기 및 유기 항균제, 방충제, 광촉매계 방오제, 적외선 흡수제, 포토크로믹(photochromic) 제 등을 들 수 있다.
또한, 본 발명에 사용되는 섬유 강화 수지 재료는 상기 각종 첨가제로서 섬유 길이가 짧은 단섬유가 포함되어 있어도 좋다. 여기에서 사용되는 단섬유는 상술한 강화 섬유보다 평균 섬유 길이(중량 평균 섬유 길이 몇 평균 섬유 길이)가 짧은 것을 제외하고는 상술한 강화 섬유와 같은 것을 사용할 수 있다. 해당 단섬유는 상술한 강화 섬유보다 섬유 길이가 짧은 것으로, 예를 들면, 평균 섬유 길이(중량 평균 섬유 길이 몇 평균 섬유 길이)가 1mm 이하인 것을 예시할 수 있다.
본 발명에 사용되는 섬유 강화 수지 재료 중에 있어서 매트릭스 수지의 존재 량은 매트릭스 수지의 종류와 강화 섬유의 종류 등에 따라 적절하게 결정할 수 있는 것이며, 특히 한정되는 것은 아니지만, 통상 강화 섬유 100 질량부에 대하여 3 질량부 ~ 1000 질량부 범위로 한다.
본 발명에 사용되는 섬유 강화 수지 재료 중에 있어서의 강화 섬유의 체적 함유율(Vf)은 10 ~ 70 Vol% 인 것이 바람직하다. 섬유 강화 수지 재료 중에 있어서의 강화 섬유의 체적 함유율이 10Vol % 미만인 경우 원하는 압축 강도 또는 인장 강도를 얻지 못하고 제 1 성형체 및 제 2 성형체 및 중공 구조체의 구조체 강도가 불충분하게 되어 버리는 경우가 있기 때문이다. 한편, 70 Vol%를 초과하면 섬유 강화 수지 재료의 유동성이 저하되어 버려, 성형시에 소망의 형상을 얻는 것이 곤란하게 되는 경우가 있기 때문이다. 섬유 강화 수지 재료 중에 있어서의 강화 섬유의 체적 함유율보다 바람직한 범위는 20 ~ 60 Vol%이며, 더욱 바람직한 범위는 30 ~ 50 Vol%이다.
여기서, 제 1 섬유 강화 수지 재료의 제 1 강화 섬유의 체적 함유율 Vfc 및 제 2 섬유 강화 수지 재료에 있어서 상기 제 2 강화 섬유의 체적 함유율 Vft와의 관계는 양자가 동일하여도 좋고 또는 차이가 있어도 좋다. 양자가 다른 경우, 대소 관계는 특히 한정되는 것은 아니지만, 특히 본 발명에서는 Vfc > Vft을 만족하는 것이 바람직하다. Vfc> Vft인 것에 의해 제 1 섬유 강화 수지 재료의 압축 강도를 보다, 높이고, 제 2 섬유 강화 수지 재료의 인장 강도를 낮게 조정하는 것이 가능하기 때문에 제 1 섬유 강화 수지 재료의 압축 강도와 제 2 섬유 강화 수지 재료의 인장 강도의 차이를 보다, 작게 하는 것이 가능하게 된다. 이것에 의해 제 1 성형체의 구조의 압축 강도와 제 2 성형체의 구조의 인장 강도의 균형을 맞추는 것이 용이하게 되기 때문에, 본 발명의 중공 구조체를 보다 경량으로 뛰어난 구조체 강도를 갖는 것으로 할 수 있기 때문이다.
또한 섬유 강화 수지 재료 중의 강화 섬유의 존재 상태는 특히 한정되는 것은 아니고, 예를 들어, 한 방향으로 배열된 상태여도 좋고, 또는 랜덤으로 배열한 상태여도 좋다. 특히 본 발명은 중공 구조체의 형상 강성이나 강도의 균일성 측면에서 강화 섬유의 장축 방향이 섬유 강화 수지 재료의 면내 방향에서 랜덤으로 배열된 2 차원 랜덤 배열 상태에 있는 것이 바람직하다. 여기서, 섬유 강화 수지 재료에 있어서의 강화 섬유의 2 차원 랜덤 배열은 예를 들어, 섬유 강화 수지 재료의 임의의 방향 및 이와 직교하는 방향을 기준으로 인장 시험을 실시하여 인장 탄성률을 측정한 후 측정한 인장 탄성률 값 중 큰 것을 작은 것들로 나눈 비율(Eδ)을 측정함으로써 확인할 수 있다. 탄성률의 비가 2 미만인 경우에 탄소 섬유가 2 차원 랜덤 배열하고 있다고 평가할 수 있으며, 탄성률의 비가 1.3 미만인 경우에는 뛰어난 2 차원 랜덤 배열로 평가된다.
(섬유 강화 수지 재료의 제조 방법)
다음에 본 발명에 사용되는 섬유 강화 수지 재료의 제조 방법에 대해 설명한다. 본 발명에 사용되는 섬유 강화 수지 재료는 일반적으로 공지의 방법을 이용하여 제조할 수 있다. 예를 들어, 매트릭스 수지로서 열가소성 수지를 사용하는 경우, 1. 강화 섬유를 절단하는 공정, 2. 절단된 강화 섬유를 개섬시키는 공정 3. 개섬시킨 강화 섬유와 섬유형상 또는 입자형상의 매트릭스 수지를 혼합 한 후 가열 압축하는 방법을 들 수 있다.
한편, 매트릭스 수지로서 열경화성 수지를 사용하는 경우 예를 들어, 강화 섬유에 열경화성 수지를 함침시켜 가압하여 일체화하는 방법을 들 수 있다.
3. 중공 구조체의 제조 방법
다음에 본 발명의 중공 구조체의 제조 방법에 대해서 설명한다. 본 발명의 중공 구조체는 먼저 제 1 성형체 및 제 2 성형체를 제조 한 후, 양자를 결합하여 접합하고 중공 구조체로 함으로써 제조할 수 있다.
　제 1 성형체 및 제 2 성형체를 제조하는 방법으로서는 제 1 매트릭스 수지 및 제 2 매트릭스 수지로서 열가소성 수지를 사용하는 경우는, 예를 들어 제 1 섬유 강화 수지 재료 및 제 2 섬유 강화 수지 재료를 미리 연화점 이상의 온도로 가열하여 제 1 섬유 강화 수지 재료 및 제 2 섬유 강화 수지 재료를 구성하는 열가소성 수지의 연화점 이하의 온도를 갖는 금형 콜드 프레스 방법에 의해 제조할 수 있다. 또한 제 1 섬유 강화 수지 재료 및 제 2 섬유 강화 수지 재료를 열가소성 수지의 연화점 이상의 온도를 갖는 금형 내에 투입하여 프레스한 후 열가소성 수지의 연화점 미만의 온도까지 냉각하는 핫 프레스 법에 따라서도 제조할 수 있다.
한편, 상기 제 1 매트릭스 수지 및 제 2 매트릭스 수지로서 열경화성 수지를 사용하는 경우는, 예를 들면 제 1 섬유 강화 수지 재료 및 제 2 섬유 강화 수지 재료를 금형 내에 배치하고, 가열함으로써 열 경화성 수지를 경화시킴과 동시에 성형함으로써 제조할 수 있다.
이어서, 상기 제 1 성형체 및 제 2 성형체를 결합하여 접합하는 방법으로서는 예를 들면, 진동 용착 방법, 초음파 용착 방법, 통전 용착 방법 등의 용착 방법이나 접착제를 이용하는 접착 법이나 볼트 너트를 이용하는 기계 체결 방법 등의 일반적으로 공지의 방법을 사용할 수 있다.
4 중공 구조체의 용도
상술한 바와 같이, 본 발명의 중공 구조체는 상기 식 (1)을 만족하는 것에 의해 상기 제 1 성형체측으로부터 본 발명의 중공 구조체에 외력이 가해질 때 상기 제 1 성형체가 먼저 파괴하는 것을 억제할 수 있는 것이다. 따라서, 본 발명의 중공 구조체는 제 1 성형체측에서 압축 응력이 부하되는 용도에 사용되는 것으로, 우수한 강도를 나타낸다고 하는 효과를 얻을 수 있는 것이다. 이러한 본 발명의 중공 구조체의 용도로서는 예를 들어, 프레임, 빔 등과 같은 굴곡 부재 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제 2 차량용 부품
다음으로, 본 발명의 차량용 부품에 대해 설명한다. 상술 한 바와 같이, 본 발명의 차량용 부품은 상기 본 발명에 따른 중공 구조체가 사용된 것을 특징으로 하는 것이다. 본 발명의 차량용 부품으로서는 본 발명의 중공 구조체가 사용되고 있는 것이면 특히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어, 프론트 범퍼, 리어 범퍼, 각 필러, 사이드 실, 플로어 크로스 멤버 등을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 차량용 부품은 상술 한 본 발명의 중공 구조체가 사용되고 있으면 좋은 것이기 때문에 예를 들면, 본 발명의 중공 구조체만으로 이루어진 것이어도 좋고, 혹은 본 발명의 중공 구조체와 다른 부품과 결합된 것이어도 좋다. 또한 해당 다른 부품은 본 발명의 차량용 부품의 용도에 따라 적절히 결정되는 것으로 특히 한정되는 것은 아니다. 또한, 해당 다른 부품을 구성하는 재료에 대해서도, 본 발명의 차량용 부품의 용도에 따라 적절히 결정하면 되고 임의의 수지 재료 또는 임의의 금속 재료를 사용할 수 있다.
본 발명은 상기 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 상기 실시형태는 예시이며, 본 발명의 특허 청구 범위에 기재된 기술적 사상과 실질적으로 동일한 구성을 갖고 유사한 작용 효과를 나타내는 것은 어떠한 양태이라도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.
[실시 예]
이하, 실시예 및 비교예를 나타냄으로써, 본 발명에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
각 실시예 및 비교예에 있어서 각 값은 다음의 방법에 따라 구한다.
1 각 섬유 강화 수지 재료 중의 강화 섬유의 평균 섬유 길이
각 섬유 강화 수지 재료 중의 강화 섬유의 평균 섬유 길이는 섬유 강화 수지 재료를 500℃의 로내에서 1 시간 가열하여 열가소성 수지를 제거한 후 무작위로 추출한 강화 섬유 100개의 길이를 노기스(calipers)에서 1mm 단위까지 측정하여 그 평균값으로 한다. 평균 섬유 길이가 1mm를 밑도는 경우는 광학 현미경으로 0.1mm 단위까지 측정한다.
또한, 본 실시 예에서, 일정한 절단 길이를 사용하고 있기 때문에, 수 평균 섬유 길이와 중량 평균 섬유 길이는 일치한다.
2 각 섬유 강화 수지 재료 중의 강화 섬유의 체적 함유율
각 섬유 강화 수지 재료 중의 강화 섬유의 체적 함유율은 수중 치환 법에 의해 섬유 강화 수지 재료의 밀도를 구하고, 미리 측정 한 강화 섬유 단독의 밀도와 수지 단독의 밀도와의 관계에서 강화 섬유의 부피 함유율을 산출한다.
3 각 섬유 강화 수지 재료의 인장 강도와 압축 강도
각 섬유 강화 수지 재료의 인장 강도와 압축 강도는 사전에 80℃ 진공 하에서 24 시간 건조시킨 시험편을 각각 JIS K7164 : 2005 및 JIS K7076 : 1991에 준거하여 측정한다.
4 중공 구조체의 구조체 강도 평가
각 실시예 및 비교예의 중공 구조체의 구조체 강도는 도 3과 같은 세 점 굴곡 시험을 이용하여 평가한다. 3 점 굴곡 시험을 실시할 때 중공 구조체를 그 제 1 성형체의 상면 측에 수직으로 외력 P를 직접 주도록 3 점 굴곡 시험장치에 설치하고, 제 1 성형체 또는 제 2 성형 몸의 어느 한쪽이 먼저 파괴했을 때의 외력의 크기를 중공 구조체의 굴곡 강도로 한다. 도 3 중, L은 L = 500.0mm이다.
[참고예 1]
강화 섬유로서 평균 섬유 길이 20mm로 절단한 토호 테낙스 사제의 PAN 계 탄소 섬유 "테낙스 (등록 상표)"STS40-24KS (평균 섬유 직경 7μm 밀도는 약 1750kg/m3)를 사용하여 열가소성 수지로서, 유니 티카 사의 나일론 6 수지 A1030 (밀도는 약 1130kg/m3)를 사용하여 280 ℃로 가열 프레스 장치에서 압력 2.0MPa에서 5 분간 가열 압축하여 면내 방향으로 탄소 섬유 이 2 차원 랜덤 배향된 섬유 강화 수지 재료 1을 제작하였다.
얻어진 섬유 강화 수지 재료 1 강화 섬유의 체적 함유율은 약 30 Vf%, 평균 섬유 길이는 약 20mm, 인장 강도는 350MPa 압축 강도는 250MPa되고, 밀도는 1340kg/m3가 되었다.
[참고예 2]
참고 예 1과 같은 강화 섬유와 열가소성 수지를 사용하며 참고 예 1과 동일한 방법으로 면내 방향에 탄소 섬유가 2 차원 랜덤 배향된 강화 섬유의 체적 함유율이 22 Vf%의 섬유 강화 수지 재료 2를 제작하였다.
얻어진 섬유 강화 수지 재료 2의 강화 섬유의 평균 섬유 길이는 약 20mm, 인장 강도는 255MPa 압축 강도는 154MPa되고, 밀도는 1280kg/m3가 되었다.
<섬유 강화 수지 재료 중공 구조체의 형상>
다음의 각 실시 예 및 비교 예의 중공 구조체의 주요 치수를 나타내는 각 값 (W1, W2, Wc, Hc, Ht, Tc, Tt)는 도 4와 같다. 또한 각 실시 예 및 비교 예에서 중공 구조체의 길이는 일률적으로 600.0mm로 했다.
[실시예 1]
제 1 섬유 강화 수지 재료 및 제 2 섬유 강화 수지 재료로서 참고예 1의 섬유 강화 수지 재료 1 이용하고 이것을 280 ℃로하고 10MPa의 압력으로 60초 콜드 프레스 성형에 의해 모자 형상의 제 1 성형체 및 제 2 성형체로 하고, 제 1 성형체 및 제 2 성형체를 그 저면 부를 마주하게 진동 용착으로 접합시켜 닫힌 단면을 갖는 중공 구조체로 했다. 이때, 중공 단면의 주요 치수는 W1 = 150.0mm, W2 = 120.0mm, Wc = 100.0mm, Hc = 55mm, Ht = 53.6mm, Tc = 5.0mm, Tt = 3.6mm , Ac = 1146.0mm2, At = 825.0mm2로 했다. 구조체로서의 중량은 1585g가 되었다. 또한 본 실시 예의 중공 구조체의 비 (Sc / St) = (Ac × σc) / (At × σt) ≒ 1.0가 되었다.
실시 예 1의 중공 구조체의 굴곡 강도를 상술 한 3 점 굽힘 시험에서 평가하면 제 1 성형체와 제 2 성형체와 거의 동시에 파괴했다. 또한 중공 구조체의 굴곡 강도는 29.7kN가 되었다.
[실시예 2]
제 1 섬유 강화 수지 재료 및 제 2 섬유 강화 수지 재료로서 참고예 1의 섬유 강화 수지 재료 1 이용하고 이것을 280 ℃로하고, 실시예 1과 동일한 방법에 의해 닫힌 단면을 갖는 중공 구조체로 했다. 각부의 치수는 W1 = 150.0mm, W2 = 120.0mm, Wc = 100.0mm, Hc = 54.2mm, Ht = 70mm, Tc = 4.8mm, Tt = 3.2mm, Ac = 1113.0mm2 , At = 820.0mm2로 했다. 구조체로서의 중량은 1547g되었다. 또한 본 실시 예의 중공 구조체는 (Sc / St) = 0.97이 되었다.
실시예 2의 중공 구조체의 굴곡 강도를 3 점 굴곡 시험에서 평가하면 제 1 성형체와 제 2 성형체가 거의 동시에 파괴했다. 또한 중공 구조체의 굴곡 강도는 31.4kN가 되었다
[실시예 3]
제 1 섬유 강화 수지 재료로 상기 섬유 강화 수지 재료 1을 이용하고 이것을 280℃로 하여 실시예 1과 동일한 조건에서의 냉간 성형에 의해 모자 형상의 제 1 성형체로 하고, 제 2 섬유 강화 수지 재료로 상기 섬유 강화 수지 재료 2를 이용하고, 이것을 280 ℃로 상기와 같은 조건에서의 냉간 성형으로 모자 형상의 제 2 성형체로 제 1 성형체 1과 제 2 성형체 2를 그 저면부를 마주하게 진동 용착으로 접합시켜 닫힌 단면을 갖는 중공 구조체로 했다. 각부의 치수는 W1 = 150.0mm, W2 = 120.0mm, Wc = 100.0mm, Hc = 55.0mm, Ht = 55.0mm, Tc = 5.0mm, Tt = 4.9mm, Ac = 1146.0mm2, At = 1123.0mm2로 했다. 중공 구조체로서의 중량은 1802g가 되었다. 또한 본 실시 예의 중공 구조체는 (Sc / St) = 1.0가 되었다.
실시예 3의 중공 구조체의 굴곡 강도를 3 점 굴곡 시험에서 평가하면 제 1 성형체와 제 2 성형체가 동시에 파괴했다. 또한 중공 구조체의 굴곡 강도는 30.3kN가 되었다.
[비교예 1]
제 1 섬유 강화 수지 재료 및 제 2 섬유 강화 수지 재료로서 참고예 1의 섬유 강화 수지 재료 1 이용하고, 이것을 280℃로 하여 실시예 1과 동일한 성형과 진동 용착 조건에서 닫힌 단면을 갖는 중공 구조체로 했다. 각부의 치수는 W1 = 150.0mm, W2 = 120.0mm, Wc = 100.0mm, Hc = 55.0mm, Ht = 55.0mm, Tc = 5.0mm, Tt = 5.0mm, Ac = 1146.0mm2, At = 1146.0mm2로 했다. 중공 구조체로서의 중량은 1843g가 되었다. 또한, 본 비교예의 중공 구조체는 (Sc / St) = 0.71가 되었다.
비교예 1의 중공 구조체의 굴곡 강도를 3 점 굴곡 시험에서 평가하면 외력이 약 30.5kN가 된 시점에서 중공 구조체의 제 1 성형체가 먼저 파괴하고 제 2 성형체는 파괴되지 않았다. 해당 중공 구조체의 굴곡 강도는 30.5kN가 되었다.
[비교예 2]
제 1 섬유 강화 수지 재료 및 제 2 섬유 강화 수지 재료로서 참고예 1의 섬유 강화 수지 재료 1 이용하고, 이것을 280 ℃로하고, 실시예 1과 동일한 방법에 의해 닫힌 단면을 갖는 중공 구조체로 했다. 각부의 치수는 W1 = 150.0mm, W2 = 120.0mm, Wc = 100.0mm, Hc = 53.6mm, Ht = 56.4mm, Tc = 6.4mm, Tt = 3.3mm, Ac = 1477.0mm2, At = 753.0mm2로 했다. 중공 구조체로서의 중량은 1795g되었다. 또한, 본 비교 예의 중공 구조체는 (Sc / St) = 1.39가 되었다.
비교예 2의 중공 구조체의 굴곡 강도를 3 점 굴곡 시험에서 평가하면 외력이 약 31.4kN 된 시점에서 인장 측의 제 2 성형체가 먼저 파괴하고 압축 측의 제 1 성형체는 파괴되지 않았다. 해당 중공 구조체의 굴곡 강도는 31.4kN가 되었다.
[산업상 이용 가능성]
본 발명의 중공 구조체는 제 1 성형체가 압축 응력을 받는 측에 배치되는 용도에 적합하게 사용할 수 있다. 이러한 용도로는 예를 들어, 차량 부품 등을 들 수 있다.
이상 본 발명의 실시예를 상세히 설명했지만 이는 어디 까지나 일 예시이며, 본 발명은 그 취지를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변경을 가한 양태로 실시 가능하다. 본 출원은 2014 년 3 월 18일에 출원된 일본 특허 출원 (특원 2014-054962)에 따른 것이며, 그 내용은 여기에 참조로 포함된다.
10 중공 구조체
11 제 1 성형체
12 제 2 성형체
11a, 12a 저면부
11b, 12b 상면부
11c, 12c 입면부
X 중공 구조체의 축 방향
Y 제 1 성형체와 제 2 성형체와의 경계면

Claims (8)

  1. 제 1 강화 섬유와 제 1 매트릭스 수지를 함유하는 제 1 섬유 강화 수지 재료로 이루어지며, 개방 단면을 가지는 형상인 제 1 성형체와, 제 2 강화 섬유와 제 2 매트릭스 수지를 함유하는 제 2 섬유 강화 수지 재료로 이루어지며, 개방 단면을 가지는 형상인 제 2 성형체가, 각각이 가지는 개방 단면의 개구부측이 서로 마주보도록 결합되는 것에 의해 형성된 중공 구조를 가지는 중공 구조체로서,
    상기 중공 구조의 축 방향에 대해서 수직 방향의 임의의 단면에서, 상기 제 1 성형체의 구조의 압축 강도 Sc 및 상기 제 2 성형체의 구조의 인장 강도 St의 비 Sc/St가 이하의 식 (1)을 만족시키는 것을 특징으로 하는 중공 구조체.
    (σc/σt)×(Hc/Ht)<(Sc/St)<(σt/σc)×(Hc/Ht) (1)
    여기서, 상기 식 (1)에서의 각 기호는 다음과 같다. Hc=제 1 성형체와 제 2 성형체의 경계면에 대해서 수직 방향의, 경계면으로부터의 최장 거리인 제 1 성형체의 높이, Ht=제 1 성형체와 제 2 성형체의 경계면에 대해서 수직 방향의, 경계면으로부터의 최장 거리인 제 2 성형체의 높이, σc=제 1 섬유 강화 수지 재료의 상기 축 방향에서의 압축 강도, σt=제 2 섬유 강화 수지 재료의 상기 축 방향에서의 인장 강도, Ac=제 1 성형체의 상기 단면에서의 단면적, At=제 2 성형체의 상기 단면에서의 단면적, Sc=σc×Ac, St=σt×At.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 성형체의 높이 Hc와, 상기 제 2 성형체의 높이 Ht가 동일한 경우에, 상기 식 (1)을 만족시키는 상기 단면에서, 이하의 식 (2)를 만족시키는 것을 특징으로 하는 중공 구조체.
    (σc/σt)<(Tc×σc)/(Tt×σt)<(σt/σc) (2)
    여기서, 상기 식 (2)에서의 각 기호는 이하와 같다. Tc=제 1 성형체의 상기 단면에서의 평균 두께, Tt=제 2 성형체의 상기 단면에서의 평균 두께.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제 1 강화 섬유 및 상기 제 2 강화 섬유가 2차원 랜덤 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 중공 구조체.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 비 Sc/St가 1.04×(σc/σt)×(Hc/Ht)≤(Sc/St)≤0.96×(σt/σc)×(Hc/Ht)인 것을 특징으로 하는 중공 구조체.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제 1 섬유 강화 수지 재료에서의 상기 제 1 강화 섬유의 체적 함유율 Vfc과, 상기 제 2 섬유 강화 수지 재료에서의 상기 제 2 강화 섬유의 체적 함유율 Vft이, Vfc>Vft을 만족시키는 것을 특징으로 하는 중공 구조체.
  6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제 1 강화 섬유의 평균 섬유 길이 Lc와, 상기 제 2 강화 섬유의 평균 섬유 길이 Lt가, Lc>Lt를 만족시키는 것을 특징으로 하는 중공 구조체.
  7. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제 1 강화 섬유의 평균 섬유 직경 Dc과, 상기 제 2 강화 섬유의 평균 섬유 직경 Dt이, Dc<Dt를 만족시키는 것을 특징으로 하는 중공 구조체.
  8. 청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 중공 구조체가 사용된 것을 특징으로 하는, 차량용 부품.
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