KR20180007000A - 섬유 강화 복합 재료의 제조 방법 및 섬유 강화 복합 재료 - Google Patents

섬유 강화 복합 재료의 제조 방법 및 섬유 강화 복합 재료 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 섬유 사행이나 주름 등의 외관 불량을 억제하면서, 높은 생산성으로, 입체 형상으로 성형되고, 외관이나 기계 특성이 우수한 섬유 강화 복합 재료를 얻는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 섬유 강화 복합 재료의 제조 방법에서는, 연속하여 배열된 복수본의 강화 섬유에 매트릭스 수지 조성물이 함침된 복수의 시트상의 프리프레그(X)가, 섬유 방향이 상이하도록 적층된 스택(12)을, 하형(110) 및 상형(112)을 구비하는 성형형(100)에 의해 입체 형상으로 성형할 때에, 스택(12)에 이용하는 수지 필름(Y)나, 신축 시트(10)를 이용한다. 본 발명의 섬유 강화 복합 재료의 제조 방법에서는, 스택을 예비 성형하여 프리폼으로 하고, 추가로 상기 프리폼을 압축 성형하여 섬유 강화 복합 재료를 얻어도 된다.

Description

섬유 강화 복합 재료의 제조 방법 및 섬유 강화 복합 재료
본 발명은 섬유 강화 복합 재료의 제조 방법 및 섬유 강화 복합 재료에 관한 것이다.
본원은 2015년 7월 8일에 일본에 출원된 특허출원 2015-136824호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
항공기 부재, 자동차 부재 등의 다양한 분야에 있어서, 예를 들면, 강화 섬유 및 열경화성 수지를 함유하는 시트상의 프리프레그, 또는 상기 프리프레그의 적층체로 이루어지는 스택이 가열, 가압되어, 삼차원 형상 등의 복잡한 형상으로 성형된 섬유 강화 복합 재료가 이용되고 있다. 섬유 강화 복합 재료의 제조에 있어서는, 특히 삼차원 곡면 형상, 반구상 등, 전단 변형을 수반하는 것과 같은 복잡한 형상의 섬유 강화 복합 재료로 하는 경우는 한 번에 성형하는 것이 곤란하다. 이 경우, 최종 형상으로 하는 압축 성형에 앞서, 최종 형상에 입각한 중간적인 형상으로 상기 스택을 예비 성형한 프리폼이 제조된다.
그러나, 섬유 강화 복합 재료나 프리폼의 제조에 있어서는, 성형 시에 스택 중의 강화 섬유가 변형에 다 추종하지 않아, 얻어지는 섬유 강화 복합 재료나 프리폼에 섬유 사행이나 주름이 생겨 외관 불량이 되는 경우가 있다. 특히, 강화 섬유가 1방향 또는 2방향 이상으로 배향하고 있는 프리프레그를 이용하는 경우에, 강화 섬유가 배향하고 있지 않는 방향으로의 변형에 대해서 강화 섬유가 추종하기 어려워진다.
구체적으로는, 성형에는, 기계 특성의 등방성이 우수한 섬유 강화 복합 재료를 얻을 목적으로, 예를 들면, 강화 섬유가 1방향으로 당겨 정렬된 시트상의 UD 프리프레그를, 평면시(平面視)에서의 각 층의 섬유 방향이 [0°/45°/90°/135°]가 되는 일반적인 의사 등방으로 적층한 스택이 이용된다. 그러나, 이 스택을, 곡면을 갖는 입체 형상으로 성형하면, 얻어지는 프리폼에 주름이 발생하기 쉽다. 또한, 이 프리폼을 압축 성형하여 얻어진 섬유 강화 복합 재료에는, 강화 섬유의 사행이 발생하기 쉬워, 섬유 강화 복합 재료의 외관이나 기계 특성이 크게 저하되는 경우가 있다. 이 문제는, 일반적인 의사 등방 대신에, UD 프리프레그를 각 층의 섬유 방향이 [0°/90°/45°/135°]가 되도록 적층한 스택을 성형하는 것에 의해 부분적으로 개선되지만, 그 개선 효과에는 한계가 있다.
적층한 UD 프리프레그의 섬유 방향이 [0°/90°]가 되는 쌍 부분과 [45°/135°]가 되는 쌍 부분으로 나누어, 각각의 쌍 부분을 성형하면, 주름의 발생을 억제하면서 곡면을 갖는 입체 형상으로 성형하는 것이 가능하다. 이는, 성형 시에 [0°/90°]의 쌍 부분은 45° 및 135° 방향으로, [45°/135°]의 쌍 부분은 0° 및 90° 방향으로 비교적 용이하게 늘리거나 땅기게 하거나 할 수 있기 때문이라고 생각된다. 그러나, 이 방법은 복수의 쌍 부분을 각각 성형할 필요가 있기 때문에, 작업 시간의 증가나 비용 상승으로 이어진다.
한편, 프리폼을 제조할 때에, 성형하는 스택에 대해서 장력을 부여하여, 강화 섬유가 배향하고 있지 않는 방향으로의 추종성을 촉진해서 성형성을 향상시키는 방법도 제안되어 있다(특허문헌 1, 2).
그러나, 상기 방법에서는, 성형하는 스택을 그때마다 클램프로 파지할 필요가 있기 때문에, 제조 공정이 번잡하게 된다. 또한, 장력을 부여하기 위해서 스택을 클램프로 직접 파지하기 때문에, 파지된 부분에 있어서 강화 섬유가 사행하거나 손상이 생기거나 하는 경우가 있다. 스택에, 미리 제품이 되는 부분에 더하여 잉여 부분을 마련해 두고, 상기 잉여 부분을 클램프로 파지하는 방법도 있다. 그러나, 상기 방법은 성형 후에 잉여 부분을 절단 제거할 필요가 있어, 공정이 더 증가해서 제조가 보다 번잡화되기 때문에, 양산화에는 적합하지 않다.
일본 특허공개 2014-51077호 공보 일본 특허공개 2014-73580호 공보
본 발명은, 섬유 사행이나 주름 등의 외관 불량을 억제하면서, 높은 생산성으로, 입체 형상, 특히 가전면(可展面)이 아닌 곡면(복수의 평면의 조합을 포함함)을 갖는 삼차원 곡면 형상으로 성형되고, 외관이나 기계 특성이 우수한 섬유 강화 복합 재료를 제조할 수 있는 섬유 강화 복합 재료의 제조 방법을 제공하는 것, 및 우수한 외관과 우수한 기계 특성이 양립된 섬유 강화 복합 재료를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 이하의 구성을 갖는다.
[1] 연속하여 배열된 복수본의 강화 섬유에 매트릭스 수지 조성물이 함침된 복수의 시트상의 프리프레그(X)가, 섬유 방향이 상이하도록 적층된 스택을, 한 쌍의 형(型)을 구비하는 성형형에 의해 입체 형상으로 성형하는, 섬유 강화 복합 재료의 제조 방법.
[2] 상기 스택을 예비 성형하여 프리폼으로 하고, 추가로 상기 프리폼을 압축 성형하여 섬유 강화 복합 재료를 얻는, [1]에 기재된 섬유 강화 복합 재료의 제조 방법.
[3] 상기 스택으로서, 복수의 상기 프리프레그(X)와, 수지 조성물로 이루어지는 1개 이상의 수지 필름(Y)(단, 상기 프리프레그(X)를 제외한다.)가 적층된 스택을 이용하는, [1] 또는 [2]에 기재된 섬유 강화 복합 재료의 제조 방법.
[4] 상기 스택으로서, 프리프레그(X)/프리프레그(X)/수지 필름(Y)/프리프레그(X)/프리프레그(X)의 5층 구성의 적층 유닛을 포함하고, 제1층의 프리프레그(X)의 섬유 방향을 0°로 했을 때, 제2층, 제4층 및 제5층의 프리프레그(X)의 섬유 방향이 각각 15∼165°이고, 또한 각 층의 섬유 방향이 상이한 스택을 이용하는, [3]에 기재된 섬유 강화 복합 재료의 제조 방법.
[5] 상기 제2층의 프리프레그(X)의 섬유 방향이 85∼95°이고, 상기 제4층의 프리프레그(X)의 섬유 방향이 30∼60°이고, 상기 제5층의 프리프레그(X)의 섬유 방향이 120∼150°인, [4]에 기재된 섬유 강화 복합 재료의 제조 방법.
[6] 상기 스택으로서, 2개 이상의 상기 적층 유닛을 포함하고, 또한 두께 방향으로 이웃하는 상기 적층 유닛 사이에 상기 수지 필름(Y)가 끼도록 적층된 스택을 이용하는, [4] 또는 [5]에 기재된 섬유 강화 복합 재료의 제조 방법.
[7] 상기 스택으로서, 동일한 적층 구성의 2개의 상기 적층 유닛을 포함하고, 또한 그들 적층 유닛이, 각각의 적층 순서가 두께 방향에 있어서 대칭이 되도록 적층된 스택을 이용하는, [4]∼[6] 중 어느 하나에 기재된 섬유 강화 복합 재료의 제조 방법.
[8] 상기 스택으로서, 상기 제4층의 섬유 방향과 상기 제5층의 섬유 방향의 각도의 차가 90°인 적층 유닛을 포함하는 스택을 이용하는, [5]∼[7] 중 어느 하나에 기재된 섬유 강화 복합 재료의 제조 방법.
[9] 상기 스택을, 평면으로 전개할 수 없는 입체 형상으로 성형하는, [1]∼[8] 중 어느 하나에 기재된 섬유 강화 복합 재료의 제조 방법.
[10] 상기 프리프레그(X)에 포함되는 매트릭스 수지 조성물과 상기 수지 필름(Y)에 포함되는 수지 조성물의 조성이 동일한, [3]∼[9] 중 어느 하나에 기재된 섬유 강화 복합 재료의 제조 방법.
[11] 상기 수지 필름(Y)의 두께가 0.1∼1mm인, [3]∼[10] 중 어느 하나에 기재된 섬유 강화 복합 재료의 제조 방법.
[12] 상기 프리프레그(X)로서 클로스(cloth) 프리프레그를 이용하는, [1]∼[11] 중 어느 하나에 기재된 섬유 강화 복합 재료의 제조 방법.
[13] 하기 수지층 A∼E가 이 순번으로 적층되고, 수지층 A, B, D, E의 각각의 2층간에 있어서 평면시에서 강화 섬유의 섬유 방향이 이루는 각도 중, 최소의 각도가 45° 이하인, 섬유 강화 복합 재료.
수지층 A, B, D, E: 1방향으로 당겨 정렬된 강화 섬유를 포함하는 수지층.
수지층 C: 1방향으로 당겨 정렬된 강화 섬유를 포함하지 않는 수지층.
[14] 상기 수지층 A의 강화 섬유의 섬유 방향을 0°로 했을 때, 상기 수지층 B, 상기 수지층 D 및 상기 수지층 E의 강화 섬유의 섬유 방향이 각각 15∼165°인, [13]에 기재된 섬유 강화 복합 재료.
[15] 상기의 최소의 각도가 15∼45°인, [13] 또는 [14]에 기재된 섬유 강화 복합 재료.
[16] 상기 성형형을 구성하는 상기 한 쌍의 형 중의 한쪽 형과 상기 스택 사이에, 수지제 또는 고무제의 신축 시트를 특정 방향으로 긴장시키면서 배치한 상태에서 상기 한 쌍의 형을 근접시키고, 상기 한 쌍의 형에 의해 상기 신축 시트를 당겨 늘이면서 상기 스택을 성형하는, [1]∼[12] 중 어느 하나에 기재된 섬유 강화 복합 재료의 제조 방법.
[17] 상기 한 쌍의 형이 하형과 상형으로 이루어지고, 상기 하형의 성형면에 있어서의 상형에 대향하는 부분에 상기 신축 시트가 부분적으로 접하도록, 상기 신축 시트를 긴장시키면서 배치하고, 상기 신축 시트 상에 상기 스택을 배치한 상태에서, 상기 상형과 상기 하형을 근접시켜 상기 스택을 성형하는, [16]에 기재된 섬유 강화 복합 재료의 제조 방법.
[18] 상기의 신축 시트를 이용한 예비 성형에 의해 프리폼을 얻은 후에, 상기 신축 시트를 배치하지 않은 상태에서 상기 한 쌍의 형에 의해 상기 프리폼을 다시 압축 성형하여 섬유 강화 복합 재료로 하는, [16] 또는 [17]에 기재된 섬유 강화 복합 재료의 제조 방법.
[19] 상기 스택 중의 강화 섬유가 2방향 이상으로 당겨 정렬되어 있는, [16]∼[18] 중 어느 하나에 기재된 섬유 강화 복합 재료의 제조 방법.
[20] 상기 스택에 있어서의 각 프리프레그(X)의 섬유 방향과 상기 신축 시트를 긴장시키는 방향이 이루는 각도가 15∼75°가 되도록, 1방향 이상의 방향으로 상기 신축 시트를 긴장시킨 상태에서 상기 스택을 성형하는, [16]∼[19] 중 어느 하나에 기재된 섬유 강화 복합 재료의 제조 방법.
[21] 상기 스택에 있어서의 각 프리프레그(X)의 섬유 방향과 상기 신축 시트를 긴장시키는 방향이 이루는 각도가 30∼60°인, [20]에 기재된 섬유 강화 복합 재료의 제조 방법.
본 발명의 섬유 강화 복합 재료의 제조 방법에 의하면, 섬유 사행이나 주름 등의 외관 불량을 억제하면서, 높은 생산성으로, 입체 형상, 특히 가전면이 아닌 곡면(복수의 평면의 조합을 포함함)을 갖는 삼차원 곡면 형상으로 성형되고, 외관이나 기계 특성이 우수한 섬유 강화 복합 재료를 제조할 수 있다.
본 발명의 섬유 강화 복합 재료는 섬유 사행이나 주름 등의 외관 불량이 억제되고, 우수한 외관과 우수한 기계 특성이 양립되어 있다.
도 1은 본 발명의 섬유 강화 복합 재료의 제조 방법에 이용하는 적층 유닛의 일례를 나타낸 단면도이다.
도 2a는 적층 유닛에 있어서의 제1층의 프리프레그(X)를 나타낸 평면도이다.
도 2b는 적층 유닛에 있어서의 제2층의 프리프레그(X)를 나타낸 평면도이다.
도 2c는 적층 유닛에 있어서의 제4층의 프리프레그(X)를 나타낸 평면도이다.
도 2d는 적층 유닛에 있어서의 제5층의 프리프레그(X)를 나타낸 평면도이다.
도 3a는 본 발명의 제조 방법에 의해 제조하는 섬유 강화 복합 재료의 일례를 나타낸 평면도이다.
도 3b는 도 3a의 섬유 강화 복합 재료의 정면도이다.
도 3c는 도 3a의 섬유 강화 복합 재료의 측면도이다.
도 4는 본 발명의 제조 방법에 의해 제조하는 섬유 강화 복합 재료의 일례를 나타낸 사시도이다.
도 5는 본 발명의 섬유 강화 복합 재료의 제조에 이용하는 성형형의 일례를 나타낸 사시도이다.
도 6은 본 발명의 섬유 강화 복합 재료의 제조 방법의 일 공정을 나타낸 사시도이다.
도 7은 본 발명의 섬유 강화 복합 재료의 제조 방법의 일 공정을 나타낸 사시도이다.
도 8은 본 발명의 섬유 강화 복합 재료의 제조 방법의 일 공정을 나타낸 사시도이다.
도 9는 본 발명의 섬유 강화 복합 재료의 제조 방법의 일 공정을 나타낸 사시도이다.
도 10은 본 발명의 섬유 강화 복합 재료의 제조 방법의 일 공정을 나타낸 사시도이다.
도 11은 프리폼의 제작의 일 실시형태예에 있어서의 일 공정을 나타내는 도면이다.
도 12는 프리폼의 제작의 일 실시형태예에 있어서의 일 공정을 나타내는 도면이다.
도 13은 프리폼의 제작의 일 실시형태예에 있어서의 일 공정을 나타내는 도면이다.
도 14는 프리폼의 제작의 일 실시형태예에 있어서의 일 공정을 나타내는 도면이다.
도 15는 프리폼의 제작의 일 실시형태예에 있어서의 일 공정을 나타내는 도면이다.
도 16은 프리폼의 제작의 일 실시형태예에 있어서의 일 공정을 나타내는 도면이다.
도 17은 프리폼의 제작의 일 실시형태예에 있어서의 일 공정을 나타내는 도면이다.
본 명세서에 있어서, 스택 중의 프리프레그의 섬유 방향은, 스택을 제1층측으로부터 평면시했을 때의 반시계 방향을 양으로 한다.
프리프레그의 섬유 방향이란, 강화 섬유가 1방향으로 당겨 정렬된된 UD 프리프레그의 경우는 그 강화 섬유의 배향 방향으로 한다. 강화 섬유가 직교하도록 제직된 클로스 프리프레그의 경우는, 그 날실의 강화 섬유의 배향 방향을 섬유 방향으로 한다. 그 밖의 강화 섬유 포백을 기재로 한 프리프레그의 경우는, 프리프레그의 시트면 내에 있어서의 상기 프리프레그를 좌우 대칭으로 2분하는 대칭축으로서, 섬유축 방향이 당해 대칭축의 방향으로 되어 있는 강화 섬유의 성분이 최대인 대칭축의 방향을 섬유 방향으로 한다.
[섬유 강화 복합 재료의 제조 방법]
본 발명의 섬유 강화 복합 재료의 제조 방법은, 연속하여 배열된 복수본의 강화 섬유에 매트릭스 수지 조성물이 함침된 복수의 시트상의 프리프레그(X)가, 섬유 방향이 상이하도록 적층된 스택을, 한 쌍의 형을 구비하는 성형형에 의해 입체 형상으로 성형하여 섬유 강화 복합 재료를 얻는 방법이다. 본 발명의 섬유 강화 복합 재료의 제조 방법은, 스택을 한 번의 압축 성형으로 섬유 강화 복합 재료로 하는 방법이어도 되고, 스택을 예비 성형하여 프리폼으로 하고, 추가로 상기 프리폼을 압축 성형하여 섬유 강화 복합 재료를 얻는 방법이어도 된다. 섬유 사행이나 주름 등의 외관 불량을 억제하면서, 가전면이 아닌 곡면을 갖는 삼차원 곡면 형상 등의 섬유 강화 복합 재료를 얻기 쉬운 점에서는, 스택을 예비 성형하여 프리폼으로 하고, 추가로 상기 프리폼을 압축 성형하여 섬유 강화 복합 재료를 얻는 방법이 바람직하다.
(스택)
스택은, 연속하여 배열된 복수본의 강화 섬유에 매트릭스 수지 조성물이 함침된 복수의 시트상의 프리프레그(X)가, 섬유 방향이 상이하도록 적층된 것이다. 이와 같은 스택을 이용함으로써, 기계 특성이 우수한 입체 형상의 섬유 강화 복합 재료를 제조할 수 있다.
스택으로서는, 복수의 프리프레그(X)와, 수지 조성물로 이루어지는 1개 이상의 수지 필름(Y)(단, 프리프레그(X)를 제외한다.)가 적층된 스택을 이용하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 주름 등의 외관 불량이 억제된 섬유 강화 복합 재료를 보다 단시간에 제조할 수 있다.
복수의 프리프레그(X)와 1개 이상의 수지 필름(Y)가 적층된 스택으로서는, 프리프레그(X)/프리프레그(X)/수지 필름(Y)/프리프레그(X)/프리프레그(X)의 5층 구성의 적층 유닛을 포함하는 스택이 바람직하다. 상기 적층 유닛에 있어서는, 제1층의 프리프레그(X)의 섬유 방향을 0°로 했을 때, 제2층, 제4층 및 제5층의 프리프레그(X)의 섬유 방향이 각각 15∼165°이고, 또한 각 층의 섬유 방향이 상이하다. 이와 같은 적층 유닛을 포함하는 스택을 이용함으로써, 강화 섬유가 의사 등방으로 배열된, 우수한 기계 특성과 우수한 외관이 양립된 입체 형상의 섬유 강화 복합 재료를 제조할 수 있다.
적층 유닛에 있어서는, 제2층의 프리프레그(X)의 섬유 방향이 85∼95°이고, 제4층의 프리프레그(X)의 섬유 방향이 30∼60°이고, 제5층의 프리프레그(X)의 섬유 방향이 120∼150°인 것이 보다 바람직하다. 즉, [0°/θ1/수지 필름(Y)/θ2/θ3](단, θ1∼θ3은 제1층의 프리프레그(X)의 섬유 방향을 0°로 했을 때의 제2층, 제4층 및 제5층의 프리프레그(X)의 섬유 방향이고, θ1=85∼95°, θ2=30∼60°, θ3=120∼150°이다.)의 적층 구성의 적층 유닛이 보다 바람직하다.
한편, [0°/θ1/수지 필름(Y)/θ2/θ3]에 있어서의 0°는 섬유 방향이 0°인 프리프레그(X)를 의미한다. θ1, θ2 및 θ3도 마찬가지로, 각각 섬유 방향이 θ1, θ2, θ3인 프리프레그(X)를 의미한다.
제2층의 프리프레그(X)의 섬유 방향의 각도 θ1은, 주름 등의 외관 불량을 억제하면서, 우수한 기계 특성과 우수한 외관이 양립된 입체 형상의 섬유 강화 복합 재료를 얻기 쉬운 점에서, 85∼95°가 바람직하고, 87.5∼92.5°가 보다 바람직하며, 90°가 특히 바람직하다.
제4층의 프리프레그(X)의 섬유 방향의 각도 θ2는, 주름 등의 외관 불량을 억제하면서, 우수한 기계 특성과 우수한 외관이 양립된 입체 형상의 섬유 강화 복합 재료를 얻기 쉬운 점에서, 30∼60°가 바람직하고, 40∼50°가 보다 바람직하며, 45°가 특히 바람직하다.
제5층의 프리프레그(X)의 섬유 방향의 각도 θ3은, 주름 등의 외관 불량을 억제하면서, 우수한 기계 특성과 우수한 외관이 양립된 입체 형상의 섬유 강화 복합 재료를 얻기 쉬운 점에서, 120∼150°가 바람직하고, 130∼140°가 보다 바람직하며, 135°가 특히 바람직하다.
또한, θ2 및 θ3이 상기 범위 내이면, 제4층 및 제5층의 부분을 전단 변형시키기 쉬워, 4축으로 강화 섬유가 배향되어 있는 적층 유닛을 포함하는 스택이더라도 주름의 발생을 억제하면서 용이하게 성형할 수 있다. 또한, 얻어지는 섬유 강화 복합 재료에는, 4축 방향으로 강화 섬유가 비교적 균등하게 배향되기 때문에, 기계 특성을 균등하게 할 수 있다.
제4층의 섬유 방향과 제5층의 섬유 방향의 각도의 차는 90°인 것이 보다 바람직하다. 이에 의해, 제4층 및 제5층의 부분을 전단 변형시키기 쉬워져, 주름의 발생을 억제하면서 기계 특성이 우수한 섬유 강화 복합 재료를 용이하게 제조할 수 있다.
적층 유닛으로서는, 섬유 강화 복합 재료의 기계 특성이 가장 균등하게 되기 때문에, 도 1, 및 도 2a∼도 2d에 나타내는 바와 같이, 적층 구성이 [0°/90°/수지 필름(Y)/45°/135°]인 적층 유닛(1)이 특히 바람직하다. 즉, 제1층으로부터 순차로 프리프레그(X)(2), 프리프레그(X)(3), 수지 필름(Y)(4), 프리프레그(X)(5) 및 프리프레그(X)(6)가 적층되고, 프리프레그(X)(3)의 섬유 방향인 θ1이 90°, 프리프레그(X)(5)의 섬유 방향인 θ2가 45°, 프리프레그(X)(6)의 섬유 방향인 θ3이 135°인 적층 유닛(1)이 특히 바람직하다.
한편, 도 2a∼도 2d에 있어서의 파선은 강화 섬유의 섬유 방향을 의미한다.
스택으로서는, 적층 유닛의 단체(單體)여도 되고, 적층 유닛을 2개 이상 포함하는 것이어도 된다. 스택으로서는, 2개 이상의 적층 유닛을 포함하는 경우, 두께 방향으로 이웃하는 적층 유닛 사이에 수지 필름(Y)가 끼도록 적층된 스택으로 해도 된다. 이 경우, 적층 유닛 내에 이용하는 수지 필름(Y)의 두께와 적층 유닛 사이에 이용하는 수지 필름(Y)의 두께는 동일해도 되고, 상이해도 된다.
스택으로서는, 동일한 적층 구성의 2개의 적층 유닛을 포함하고, 또한 그들 적층 유닛이, 각각의 적층 순서가 두께 방향에 있어서 대칭이 되도록 적층된 스택이어도 된다. 즉, 스택으로서는, 2개의 적층 유닛을 포함하고, 한쪽 적층 유닛의 적층 순서와 다른 쪽 적층 유닛의 적층 순서가 서로의 적층면에 대해서 경면 대칭이 되어 있는 스택이어도 된다. 구체적으로는, 예를 들면, [0°/θ1/수지 필름(Y)/θ2/θ3/수지 필름(Y)/θ3/θ2/수지 필름(Y)/θ1/0°)]의 적층 구성의 스택으로 해도 된다. 또한, 적층 유닛 사이의 수지 필름(Y)가 없는 스택이어도 되고, 예를 들면 [0°/θ1/수지 필름(Y)/θ2/θ3/θ3/θ2/수지 필름(Y)/θ1/0°)]의 적층 구성의 스택으로 해도 된다.
또한, 스택으로서는, [0°/θ1/수지 필름(Y)/θ2/θ3/θ2/수지 필름(Y)/θ1/0°]의 적층 구성의 스택으로 해도 된다.
<프리프레그(X)>
스택에 이용하는 프리프레그(X)는, 연속하여 배열된 복수본의 강화 섬유에 매트릭스 수지 조성물이 함침된 시트상의 프리프레그이다.
프리프레그(X)의 형태는 강화 섬유가 1방향으로 당겨 정렬된 UD 프리프레그여도 되고, 강화 섬유가 직교하도록 제직된 클로스 프리프레그여도 된다. 또한, 프리프레그(X)는 그 밖의 바이어스 클로스, 3축 클로스, Multi-axial Warp Knit 등의 강화 섬유 포백을 기재로 한 프리프레그여도 된다.
프리프레그(X)의 두께는 0.03∼1.0mm가 바람직하고, 0.1∼0.5mm가 보다 바람직하다. 스택에 이용하는 복수의 프리프레그(X)의 두께는 모두 동일해도 되고, 서로 상이해도 된다. 후술의 적층 유닛을 포함하는 스택에 있어서는, 전단 변형의 제어가 용이하게 되는 점에서, 제1층 및 제2층의 프리프레그(X)는 동일한 두께인 것이 바람직하고, 또한 제4층 및 제5층의 프리프레그(X)는 동일한 두께인 것이 바람직하다.
프리프레그(X)에 이용하는 강화 섬유로서는, 예를 들면, 탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유, 고강도 폴리에스터 섬유, 보론 섬유, 알루미나 섬유, 질화규소 섬유, 나일론 섬유 등을 들 수 있다. 이들 중에서도, 비강도 및 비탄성이 우수하기 때문에, 탄소 섬유가 바람직하다.
매트릭스 수지 조성물로서는, 예를 들면, 에폭시 수지, 불포화 폴리에스터 수지, 아크릴 수지, 바이닐에스터 수지, 페놀 수지, 벤즈옥사진 수지 등을 포함하는 것을 들 수 있다. 이들 중에서도, 경화 후의 강도를 높게 할 수 있기 때문에, 에폭시 수지를 포함하는 수지 조성물이 바람직하다.
<수지 필름(Y)>
스택에 이용하는 수지 필름(Y)를 형성하는 수지 조성물로서는, 예를 들면, 에폭시 수지, 불포화 폴리에스터 수지, 아크릴 수지, 바이닐에스터 수지, 페놀 수지, 벤즈옥사진 수지 등을 포함하는 것을 들 수 있다. 이들 중에서도, 경화 후의 강도를 높게 할 수 있기 때문에, 에폭시 수지를 포함하는 수지 조성물이 바람직하다. 수지 필름(Y)를 형성하는 수지 조성물은 프리프레그(X)를 형성하는 매트릭스 수지 조성물과 동일해도 되고, 상이해도 된다. 얻어지는 섬유 강화 복합 재료를 구성하는 각 층간의 밀착성의 관점에서는, 프리프레그(X)에 포함되는 매트릭스 수지 조성물과 동일한 수지 조성의 수지 필름(Y)를 이용하는 것이 바람직하다.
수지 필름(Y)로서는, 상기의 수지 조성물에 강화 섬유의 단섬유가 분산된 시트 몰딩 콤파운드(SMC)를 사용할 수도 있다. SMC에 이용하는 강화 섬유의 종류로서는, 예를 들면, 프리프레그(X)에서 든 것과 동일한 것을 들 수 있다. 이 SMC의 사용에 의해, 성형 시의 연화성을 유지하면서, 얻어지는 섬유 강화 복합 재료의 기계 특성을 보다 향상시키는 것이 가능하다.
수지 필름(Y)는, 수지 필름(Y)를 경계로 나누어진 프리프레그(X)의 적층 부분(쌍 부분)이, 각각 성형 시에 서로의 영향을 받지 않고 움직일 수 있도록, 프리폼이나 섬유 강화 복합 재료의 성형 시의 온도 조건에 있어서 연화되는 것이 바람직하다.
구체적으로는, 적층 구성이 [0°/θ1/수지 필름(Y)/θ2/θ3]인 적층 유닛을 포함하는 스택을 성형하는 경우, [0°/θ1]의 적층 구성인 제1층 및 제2층의 쌍 부분과 [θ2/θ3]의 적층 구성인 제4층 및 제5층의 쌍 부분이, 성형 시에 서로의 영향을 받지 않고 서로 독립하여 움직일 수 있도록, 수지 필름(Y)가 연화되는 것이 바람직하다. 이에 의해, 예비 성형 시나 압축 성형 시에, 제1층 및 제2층의 쌍 부분은, 45° 및 135° 방향으로 다소 늘리거나 땅기게 하거나 하여 전단 변형하기 쉬워진다. 또한, 제4층 및 제5층의 쌍 부분은, (θ3-θ2)/2 방향 및 (θ3-θ2)/2+90° 방향으로 다소 늘리거나 땅기게 하거나 하여 전단 변형하기 쉬워진다. 그 결과, 4축 이상으로 강화 섬유가 배향되어 있는 스택이더라도 주름을 발생시키지 않고 용이하게 성형하는 것이 가능해진다.
수지 필름(Y)를 프리프레그(X)의 매트릭스 수지 조성물과 상이한 수지 조성의 수지 필름으로 하는 것에 의해, 제1층 및 제2층의 쌍 부분과 제4층 및 제5층의 쌍 부분이, 성형 시에 서로의 영향을 받지 않고 서로 독립하여 움직이는 독립성의 정도를 제어할 수도 있다.
수지 필름(Y)의 두께는 0.1∼1.0mm가 바람직하고, 0.15∼0.7mm가 보다 바람직하다. 수지 필름(Y)의 두께가 상기 하한치 이상이면, 제1층 및 제2층의 쌍 부분과 제4층 및 제5층의 쌍 부분의 각각이, 서로의 영향을 받지 않고 독립하여 움직이는 자유도가 향상된다. 수지 필름(Y)의 두께가 상기 상한치 이하이면, 주름의 발생을 억제할 수 있다. 스택 중에 이용하는 수지 필름(Y)의 두께는 모두 동일해도 되고, 서로 상이해도 된다.
(제조 방법)
섬유 강화 복합 재료의 제조 방법으로서는, 예를 들면, 이하의 공정(1)∼(6)을 갖는 방법을 들 수 있다.
(1) 프리프레그(X) 2매를, 한쪽의 섬유 방향을 0°로 하고, 다른 한 매의 프리프레그(X)의 섬유 방향이 θ1이 되도록 적층한다. 단, θ1은 85∼95°로 한다.
(2) 공정(1)에서 얻은 적층체에 있어서의 섬유 방향이 θ1인 프리프레그(X) 상에, 수지 필름(Y)를 적층한다.
(3) 공정(2)에서 적층한 수지 필름(Y) 상에, 섬유 방향이 θ2가 되도록 프리프레그(X)를 적층하고, 섬유 방향이 θ3이 되도록 프리프레그(X)를 더 적층하여, 5층 구성의 적층 유닛으로 한다. 단, θ2는 30∼60°, θ4는 120∼150°로 한다.
(4) 필요에 따라서 적층 유닛과 수지 필름(Y)를 겹쳐 스택으로 한다.
(5) 공정(4)에서 얻은 스택을 예비 성형하여 프리폼을 얻는다.
(6) 공정(5)에서 얻은 프리폼을 한 쌍의 형을 구비하는 성형형으로 압축 성형하여, 입체 형상을 갖는 섬유 강화 복합 재료를 얻는다.
공정(1)∼(4)에 있어서 스택을 형성할 때, 최종적으로 얻어지는 섬유 강화 복합 재료의 기계 특성의 저하를 억제하기 쉽기 때문에, 층간의 에어를 배제할 수 있도록 프리프레그(X) 및 수지 필름(Y)를 적층하는 것이 바람직하다. 에어를 배제하는 방법으로서는, 예를 들면, 형성한 스택을 평면형으로 협압(挾壓)하여 스택 내부에 포함되는 에어를 제거하는 방법, 스택을 배깅 필름으로 덮고, 상기 배깅 필름 내를 진공 탈기하는 방법(이하, 「진공 백법」이라고 한다.) 등을 들 수 있다. 그 중에서도, 에어를 효율적으로 배제할 수 있기 때문에 진공 백법이 바람직하다.
공정(1)∼(4)는 하나의 예이고, 개개의 프리프레그(X) 및 수지 필름(Y)를 적층하는 수순은 불문한다. 또한, 공정(4)는, 스택이 1개의 적층 유닛으로 이루어지는 경우는 생략된다.
공정(5)에 있어서 스택을 예비 성형하여 프리폼을 얻는 방법으로서는, 예를 들면, 일손에 의해 스택을 성형형에 꽉 누르듯이 붙여 넣는 방법, 성형형에 스택을 배치하고, 그 위에 고무막 등을 배치한 후에 내부를 진공으로 하여 스택을 성형형에 압착시키는 방법, 한 쌍의 형(암수형)으로 이루어지는 성형형에 의해 스택을 협압하는 방법 등을 들 수 있다. 그 중에서도, 예비 성형이 단시간에 행해지기 때문에, 성형형으로 스택을 협압하는 방법이 바람직하다. 이 경우, 후술과 같이 수지제 또는 고무제의 신축 시트를 이용하는 것이 보다 바람직하다.
한편, 암수형이란, 한쪽 형의 볼록부 또는 오목부에, 다른 쪽의 오목부 또는 볼록부가 대응하는 한 쌍의 형을 의미한다.
예비 성형에 이용하는 성형형은, 최종적으로 얻는 섬유 강화 복합 재료의 형상에 대응하고 있으면 되고, 섬유 강화 복합 재료의 형상에 상보적인 형상으로 되어 있을 필요는 없다. 예비 성형에 이용하는 성형형의 재질로서는, 특별히 한정되지 않고, 금속, 케미컬 우드 등을 들 수 있다. 그 중에서도, 재료가 염가인 것 및 가공이 용이한 것으로부터, 케미컬 우드가 바람직하다.
예비 성형에 있어서는, 필요에 따라서 스택을 가열하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 프리프레그(X)나 수지 필름(Y)가 연화된다. 예를 들면, 적층 구성이 [0°/θ1/수지 필름(Y)/θ2/θ3]인 적층 유닛을 예비 성형할 때, 프리프레그(X) 및 수지 필름(Y)의 연화에 의해, 제1층 및 제2층의 쌍 부분과 제4층 및 제5층의 쌍 부분 각각이, 서로의 영향을 받지 않고 독립하여 움직이기 쉬워져, 각각 독립적으로 전단 변형되는 자유도가 증가한다. 그 결과, 4축 이상으로 강화 섬유가 배향되어 있는 스택이라도 주름을 발생시키지 않고 예비 성형하는 것이 용이하게 된다.
스택의 가열 방식으로서는, 예를 들면, 열풍식, 적외선식 등을 들 수 있다. 가열 방식으로서는, 신속히 적층체를 가열할 수 있는 점에서, 적외선식이 바람직하다.
공정(6)에서는, 예를 들면, 공정(5)에서 얻은 프리폼을 섬유 강화 복합 재료의 형상에 따른 클리어런스가 설정되어 있는 성형형 내에 설치하고, 프레스기를 이용하여 소정의 온도, 압력에서 가열 가압함으로써 프리폼을 경화시켜, 섬유 강화 복합 재료를 얻는다.
그때, 성형형은 소정의 온도로 조온해 두고, 압축 성형한 후, 그 온도인 채로 섬유 강화 복합 재료를 취출하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 성형형의 승강온(昇降溫)을 행할 필요가 없어져 성형 사이클을 높일 수 있어, 생산성이 높아진다.
본 발명의 섬유 강화 복합 재료의 제조 방법은 공정(5)의 예비 성형을 행하지 않고 스택을 압축 성형하여 섬유 강화 복합 재료를 얻는 방법이어도 된다.
본 발명에 의해 제조하는 섬유 강화 복합 재료의 형상으로서는, 특별히 한정되지 않는다. 섬유 강화 복합 재료의 형상으로서는, 예를 들면, 도 3a∼도 3c에 예시한 섬유 강화 복합 재료(30)나, 도 4에 예시한 섬유 강화 복합 재료(40)와 같은, 평면상의 스택의 성형 시에 각 층에 전단 변형을 수반하는, 평면 전개할 수 없는 곡면(복수의 평면의 조합을 포함함)을 갖는 형상, 즉 삼차원 곡면 형상을 들 수 있다. 또한, 섬유 강화 복합 재료의 형상은 전단 변형시키지 않고 절곡하거나 함으로써 성형할 수 있는 것과 같은 평면 전개 가능한 곡면의 형상이어도 된다. 본 발명의 제조 방법은 삼차원 곡면 형상의 섬유 강화 복합 재료의 제조, 즉 스택을 평면으로 전개할 수 없는 형상으로 성형하는 경우에 특히 유효하다.
프리폼 및 섬유 강화 복합 재료에 있어서는, 스택의 제1층의 섬유 방향인 0° 방향은 어느 방향을 향하고 있어도 되고, 임의로 설정할 수 있다.
적층 유닛을 포함하는 스택을 이용한 제조 방법으로 얻어지는 섬유 강화 복합 재료로서는, 하기 수지층 A∼E가 이 순번으로 적층되고, 수지층 A, B, D, E의 각각의 2층간에 있어서 평면시에서 강화 섬유의 섬유 방향이 이루는 각도 중, 최소의 각도가 45° 이하인 것이 바람직하다.
수지층 A, B, D, E: 1방향으로 당겨 정렬된 강화 섬유를 포함하는 수지층.
수지층 C: 1방향으로 당겨 정렬된 강화 섬유를 포함하지 않는 수지층.
수지층 A, B, D, E의 각각의 2층간에 있어서 평면시에서 강화 섬유의 섬유 방향이 이루는 각도 중, 최소의 각도란, 이하의 각도 α1∼α6 중 가장 작은 각도이다.
각도 α1: 수지층 A의 강화 섬유의 섬유 방향과 수지층 B의 강화 섬유의 섬유 방향이 이루는 각도.
각도 α2: 수지층 A의 강화 섬유의 섬유 방향과 수지층 D의 강화 섬유의 섬유 방향이 이루는 각도.
각도 α3: 수지층 A의 강화 섬유의 섬유 방향과 수지층 E의 강화 섬유의 섬유 방향이 이루는 각도.
각도 α4: 수지층 B의 강화 섬유의 섬유 방향과 수지층 D의 강화 섬유의 섬유 방향이 이루는 각도.
각도 α5: 수지층 B의 강화 섬유의 섬유 방향과 수지층 E의 강화 섬유의 섬유 방향이 이루는 각도.
각도 α6: 수지층 D의 강화 섬유의 섬유 방향과 수지층 E의 강화 섬유의 섬유 방향이 이루는 각도.
이 섬유 강화 복합 재료는, 1방향으로 당겨 정렬된 강화 섬유를 포함하지 않는 수지층 C를 갖기 때문에, 우수한 외관을 가짐과 더불어, 복잡한 입체 형상을 가질 수 있는 것이다.
상기 수지층 A∼E를 갖는 섬유 강화 복합 재료로서는, 보다 우수한 기계 특성이 얻어지는 점에서, 수지층 A의 강화 섬유의 섬유 방향을 0°로 했을 때, 수지층 B, 수지층 D 및 수지층 E의 강화 섬유의 섬유 방향이 각각 15∼165°인 것이 바람직하다.
또한, 각도 α1∼α6 중 최소의 각도는, 보다 우수한 기계 특성이 얻어지는 점에서, 15∼45°가 바람직하다.
또한, 본 발명의 섬유 강화 복합 재료의 제조 방법은, 섬유 사행이나 주름 등의 외관 불량을 억제하기 쉬운 점에서, 이하의 방법이 바람직하다. 프리프레그(X)가 섬유 방향이 상이하도록 적층된 스택을, 한 쌍의 형을 구비하는 성형형에 의해 입체 형상의 섬유 강화 복합 재료를 제조함에 있어서, 상기 한 쌍의 형 중의 한쪽 형과 상기 스택 사이에, 수지제 또는 고무제의 신축 시트를 특정 방향으로 긴장시키면서 배치한 상태에서 상기 한 쌍의 형을 근접시키고, 상기 한 쌍의 형에 의해 상기 신축 시트를 당겨 늘이면서 상기 스택을 성형한다.
본 실시형태의 섬유 강화 복합 재료의 제조 방법은, 프리프레그(X)를 포함하는 스택을 압축 성형하여 섬유 강화 복합 재료를 얻는 데 앞서, 한 쌍의 형을 구비하는 성형형에 의해 상기 스택을 예비 성형하여 프리폼을 제조하는 데 적합한 방법이다.
또한, 본 실시형태의 섬유 강화 복합 재료의 제조 방법은 상기한 수지 필름(Y)를 포함하는 스택을 이용하는 방법과 조합할 수도 있다.
본 실시형태에 있어서는, 성형형의 한 쌍의 형 중의 한쪽 형과 스택 사이에, 수지제 또는 고무제의 신축 시트를 특정 방향으로 긴장시키면서 배치한 상태에서 한 쌍의 형을 근접시키고, 상기 한 쌍의 형에 의해 신축 시트를 당겨 늘이면서 스택을 성형한다. 이와 같이, 성형 시에 신축 시트가 당겨 늘여짐으로써, 스택이 상기 신축 시트의 늘어남에 추종하여 성형형의 외측을 향해 인장된다. 이에 의해, 스택 중의 강화 섬유가, 강화 섬유가 배향하고 있지 않는 방향으로의 변형에도 추종하기 쉬워짐으로써, 프리폼이나 강화 섬유 복합 재료에 섬유 사행이나 주름의 발생 등의 외관 불량이 발생하는 것이 억제된다.
본 실시형태의 제조 방법의 일 태양으로서는, 예를 들면, 성형형에 있어서의 한 쌍의 형으로서, 스택을 끼워 넣어 가압함으로써 원하는 형상으로 성형할 수 있는 성형면을 구비하는 상형과 하형을 이용하여, 이하와 같이 성형을 행하는 태양을 들 수 있다. 하형의 성형면에 있어서의 상형에 대향하는 부분에 신축 시트가 부분적으로 접하도록, 신축 시트를 긴장시키면서 배치하고, 상기 신축 시트 상에 상기 스택을 배치한 상태에서, 상형과 하형을 근접시켜 스택을 성형한다. 이와 같은 태양은 스택의 성형이 보다 안정되게 행해져, 프리폼이나 강화 섬유 복합 재료에 섬유 사행이나 주름의 발생 등의 외관 불량이 발생하는 것을 억제하기 쉽다.
본 실시형태에 있어서는, 스택보다도 사이즈가 큰 신축 시트를 이용하는 것이 바람직하다. 이 경우, 성형형에 있어서의 신축 시트에 가까운 측의 형에 관해서는, 신축 시트를 충분히 당겨 늘이기 위해서, 평면시에서 스택을 성형하는 성형면의 외측에도 신축 시트가 접하는 평면 영역을 구비하는 것이 바람직하다.
본 실시형태의 강화 섬유 복합 재료의 제조 방법에 있어서는, 성형 시의 스택에 있어서 특히 큰 전단 변형이 걸리는 부분에 신축 시트를 배치하여 성형을 행하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 목적하는 프리폼의 형상의 삼차원 CAD 데이터에 기초하여 성형 시뮬레이션을 행하고, 산출된 응력값(Von Mises Stress)이 100MPa 이상이 되는 부분에 신축 시트를 배치하여 성형을 행하는 것이 바람직하다. 성형 시뮬레이션에는, 예를 들면, 비선형 해석 소프트(Livermore Softtware Techology Corporation사제, 제품명: LS-DYNA)를 이용할 수 있다.
본 발명의 제조 방법의 구체예로서, 예를 들면, 도 5에 예시한 성형형(100)을 이용하는 태양에 대해 설명한다. 성형형(100)은 프리폼의 제조에 이용된다.
성형형(100)은 하형(110)과 상형(112)을 구비한다. 이 예의 성형형에 있어서는, 하형(110)은 고정형이고, 상형(112)은 가동형이다.
하형(110)은, 평면시 형상이 대략 장방형인 본체부(114)와, 본체부(114)의 상면에 길이 방향으로 나란히 마련된 2개의 볼록부(116, 118)를 구비하고 있다. 하형(110)의 본체부(114)의 상면에 있어서의 볼록부(116)와 볼록부(118) 사이에는 오목부(120)가 형성되어 있다. 볼록부(116)는, 평면시 형상이 직사각 형상이고, 또한 정면시 형상이 사다리꼴 형상이며, 사각뿔의 상부가 수평으로 노치된 것과 같은 형상으로 되어 있다. 볼록부(118)의 형상은 볼록부(116)의 형상과 마찬가지로 되어 있다.
하형(110)에 있어서는, 볼록부(116)의 정면측의 표면과 상면에 있어서의 오목부(120) 근처의 부분, 오목부(120)의 표면, 본체부(114)에 있어서의 오목부(120)에 대응하는 부분, 및 볼록부(118)의 정면측의 표면과 상면에 있어서의 오목부(120) 근처의 부분이, 스택을 성형하는 성형면(122)이 되고 있다.
하형(110)에는 복수의 나사구멍(111)이 마련되어 있다.
상형(112)은 메인형(124)과 서브형(126)을 구비한다.
메인형(124)은 하형(110)과의 사이에 스택을 끼워 넣은 상태에서 가압하여 성형하기 위한 부재로서, 상형(112)에 있어서 스택에 특히 큰 전단 변형을 거는 부분이다. 메인형(124)의 하면측의 부분에는, 하형(110)의 성형면(122)에 있어서의 정면측의 부분과 상보적인 요철 형상의 성형면(128)이 형성되어 있다.
서브형(126)은 메인형(124)과 함께 스택을 성형하기 위한 부재로서, 성형 시에 신축 시트 및 스택이 어긋나지 않도록 고정하는 고정용 지그로서도 기능하는 부분이다. 서브형(126)의 하면형의 부분에는, 하형(110)의 성형면(122)에 있어서의 배면측의 부분과 상보적인 요철 형상의 성형면(130)이 형성되어 있다.
서브형(126)에는, 하형(110)에 마련된 나사구멍(111)에 대응하는 위치에 복수의 관통구멍(127)이 마련되어 있다. 서브형(126)을 하형(110)에 근접시킨 상태에서, 관통구멍(127)에 나사(도시하지 않음)를 통과시켜, 하형(110)에 마련한 나사구멍(111)에 비틀어 박아 조임으로써, 서브형(126)을 하형(110) 상에서 고정할 수 있도록 되어 있다.
성형형의 형재로서는, 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 금속, 석고, 케미컬 우드 등을 들 수 있다. 그 중에서도, 비용과 가공성의 점에서, 케미컬 우드가 바람직하다.
성형형(100)을 이용하는 프리폼의 제조는, 예를 들면, 이하의 방법으로 행한다.
도 6에 나타내는 바와 같이, 하형(110) 상에, 성형면(122) 전체를 덮도록 신축 시트(10)를 배치한다. 이어서, 신축 시트(10) 상에 스택(12)을 배치한 후, 상형(112)에 있어서의 서브형(126)을 하형(110)의 상면에 있어서의 배면측의 부분에 설치하여, 신축 시트(10) 및 스택(12)을 어긋나지 않도록 고정한다.
이어서, 도 7에 나타내는 바와 같이, 장력 부여 수단이 구비하는 클램프(132, 134)에 의해 신축 시트(10)를 파지하여 장력을 부여하고, 볼록부(116)와 볼록부(118)의 상면에 신축 시트(10)가 부분적으로 접하도록 하여 신축 시트(10)를 긴장시킨다.
신축 시트에 장력을 부여하여 긴장시킬 때에는, 신축 시트를 연신하는 것이 바람직하다. 이 경우의 신축 시트의 연신 배율은, 성형 시에 하형(110)과 상형(112)에 의해 신축 시트가 당겨 늘여졌을 때에, 그 변형이 상기 신축 시트의 탄성 영역을 초과하지 않도록 조절하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 프리폼에 섬유 사행이나 주름의 발생 등의 외관 불량이 발생하는 것을 억제하는 효과가 충분히 얻어지기 쉬워진다.
신축 시트에 대해서 장력을 부여하는 방향은, 신축 시트가 균일하게 긴장되어, 신축 시트에 주름이나 이완 부분이 발생하지 않도록 할 수 있으면, 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 도 7에 나타내는 바와 같은 상태에 있어서는, 신축 시트(10)를 클램프(132, 134)에 고정하고, 도 7에 기재된 화살표의 방향으로 신축 시트(10)를 연신하는 것이 바람직하다.
또한, 신축 시트에 대해서 장력을 부여하는 방향은, 한 쌍의 형이 합쳐지는 방향에 대해서 수직인 면의 방향, 즉, 도 7과 같은 경우에서는, 하형(110)의 볼록부(116) 및 볼록부(118)의 상면과 신축 시트의 접촉 면적이 가급적 커지는 방향(수평 방향)에 가능한 한 가까운 것이 바람직하다. 이에 의해, 성형 시에 하형과 상형에 의해 신축 시트가 균일하게 잡아 늘여지기 쉬워지기 때문에, 프리폼에 섬유 사행이나 주름의 발생 등의 외관 불량이 발생하는 것을 억제하는 효과가 얻어지기 쉬워진다.
이 경우, 신축 시트에 대해서 장력을 부여하는 방향과 수평 방향이 이루는 각도는 45° 이하가 바람직하고, 1° 이하가 보다 바람직하다.
이어서, 스택(12)을 가열하여, 스택(12)에 함유되어 있는 매트릭스 수지 조성물을 연화시킨다. 이때, 신축 시트(10)와 하형(110)도 동시에 가열되어도 된다.
스택의 가열 온도는 매트릭스 수지 조성물이 연화되는 온도이면 되고, 매트릭스 수지 조성물의 종류에 따라서 상이하지만, 65∼80℃가 바람직하고, 70∼75℃가 보다 바람직하다. 스택의 가열 온도가 하한치 이상이면, 매트릭스 수지 조성물이 연화되어, 성형형에 기초하는 프리폼의 형상의 재현성이 양호해진다. 스택의 가열 온도가 상한치 이하이면, 프리폼의 성형 중에 매트릭스 수지 조성물의 경화가 개시되는 것을 억제하기 쉽다.
스택을 가열하는 방법은 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 적외선 히터에 의한 가열, 열풍 가열, 프리프레그에 대한 통전 가열 등을 들 수 있다.
이어서, 도 8에 나타내는 바와 같이, 스택(12)이 가열된 상태에서, 상형(112)에 있어서의 메인형(124)을 하형(110)의 정면측의 부분에 근접시키고, 하형(110)과 상형(112)으로 신축 시트(10) 및 스택(12)을 끼워 넣어 가압하여 예비 성형한다. 이때, 신축 시트(10)를 긴장시키고 있음으로써, 하형(110)과 상형(112)에 의해 신축 시트(10)가 당겨 늘여지면서 스택(12)이 성형된다. 이에 의해, 스택(12)이 신축 시트(10)의 늘어남에 추종하여 형의 외측(이 예에서는 형의 전면측)을 향해 인장되어, 스택(12) 중의 강화 섬유가 변형에도 추종하기 쉬워진다. 그 때문에, 얻어지는 프리폼에 섬유 사행이나 주름의 발생 등의 외관 불량이 발생하는 것이 억제된다.
스택의 예비 성형 시의 면압은 0.01∼0.1MPa이 바람직하고, 0.03∼0.04MPa이 보다 바람직하다. 면압이 하한치 이상이면, 스택이 충분히 형상 추종할 수 있다. 면압이 상한치 이하이면, 예비 성형의 단계에서 강화 섬유가 넓어지는 것을 억제하기 쉽다.
성형 후에는 프리폼(20)을 냉각하고, 하형(110)으로부터 상형(112)을 떼어놓은 후에 하형(110)으로부터 탈형함으로써, 도 9에 나타내는 프리폼(20)이 얻어진다. 프리폼(20)의 양산성을 중시하는 경우는, 이것을 탈형할 때에 있어서도, 신축 시트(10)에 부여한 장력은 그대로 유지하는 것이 바람직하다. 한편, 프리폼(20)의 형상의 정밀도를 중시하는 바와 같은 경우는, 프리폼(20)을 탈형할 때에 있어서, 신축 시트(10)에 부여한 장력은 적절히 해제해도 된다.
하형으로부터 떼어낼 때의 프리폼의 온도는 30℃ 이하가 바람직하고, 23℃ 이하가 보다 바람직하다.
프리폼을 냉각하는 방법은 특별히 한정되지 않고, 예를 들면 방랭에 의해 냉각할 수 있다.
본 실시형태에 있어서는, 스택에 있어서의 각 프리프레그(X)의 섬유 방향과 신축 시트를 긴장시키는 방향이 이루는 각도 φ가 15∼75°가 되도록, 1방향 이상의 방향으로 상기 신축 시트를 긴장시킨 상태에서 상기 스택을 성형하는 것이 바람직하다.
상기 각도 φ를 15° 이상으로 함으로써, 최종적으로 얻는 섬유 강화 복합 재료의 형상이 복잡하더라도 충분한 성형성이 얻어지기 쉬운 경향이 있다. 상기 각도 φ는 보다 바람직하게는 30° 이상이다.
또한, 상기 각도 φ를 75° 이하로 함으로써, 스택의 성형 시의 강화 섬유의 사행이나 프리프레그의 찢어짐을 막기 쉬운 경향이 있다. 상기 각도 φ는 보다 바람직하게는 60° 이하이다.
더욱이, 신축 시트를 이용하는 태양에 있어서는, 스택의 성형 시에 신축 시트의 긴장 상태가 균일하게 유지되는 것이 보다 바람직하기 때문에, 2방향 이상의 방향으로 신축 시트를 긴장시킨 상태를 유지하면서, 스택을 성형하는 것이 보다 바람직하다.
한편, 신축 시트를 이용한 예비 성형 후의 프리폼의 형상이 완전히는 성형형의 성형면의 형상을 따르지 않는 경우가 있지만, 이와 같은 경우에는, 필요에 따라서, 신축 시트를 이용한 한 번째의 성형 후의 일차 성형물을, 신축 시트를 배치하지 않은 상태에서 한 쌍의 형에 의해 다시 성형하여 프리폼의 형태를 정돈해도 된다.
예를 들면, 성형형(100)을 이용하는 경우, 도 10에 나타내는 바와 같이, 신축 시트(10)를 이용한 성형 후에 하형(110)으로부터 탈형시킨 일차 성형물(20A)을, 신축 시트(10)를 배치하고 있지 않는 하형(110) 상에 배치한다. 이어서, 상형(112)에 있어서의 서브형(126)을 하형(110)의 상면에 있어서의 배면측의 부분에 설치하여, 일차 성형물(20A)을 어긋나지 않도록 고정한다.
이어서, 일차 성형물(20A)을 가열하여, 일차 성형물(20A) 중의 매트릭스 수지 조성물을 연화시킨다. 이때, 하형(110)도 동시에 가열되어도 된다.
일차 성형물의 가열 온도는 매트릭스 수지 조성물이 연화되는 온도이면 되고, 매트릭스 수지 조성물의 종류에 따라서 상이하지만, 65∼80℃가 바람직하고, 70∼75℃가 보다 바람직하다. 일차 성형물의 가열 온도가 하한치 이상이면, 매트릭스 수지 조성물이 연화되어, 성형형에 기초하는 프리폼의 형상의 재현성이 양호해진다. 일차 성형물의 가열 온도가 상한치 이하이면, 프리폼의 성형 중에 매트릭스 수지 조성물의 경화가 개시되는 것을 억제하기 쉽다.
일차 성형물을 가열하는 방법은 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 스택의 가열 방법과 동일한 방법을 들 수 있다.
이어서, 신축 시트(10)를 이용한 한 번째의 성형의 경우와 마찬가지로, 일차 성형물(20A)이 가열된 상태에서, 상형(112)에 있어서의 메인형(124)을 하형(110)의 정면측의 부분에 근접시키고, 하형(110)과 상형(112)으로 일차 성형물(20A)을 끼워 넣고 가압하여 성형한다.
일차 성형물의 성형 시의 면압은 0.01∼0.1MPa이 바람직하고, 0.03∼0.04가 보다 바람직하다. 면압이 하한치 이상이면, 스택이 충분히 형상 추종할 수 있다. 면압이 상한치 이하이면, 예비 성형의 단계에서 강화 섬유가 넓어지는 것을 억제할 수 있다.
성형 후에는 프리폼(20)을 냉각하고, 하형(110)으로부터 상형(112)을 떼어놓아 프리폼(20)(이차 성형물)을 하형(110)으로부터 탈형한다.
하형으로부터 떼어낼 때의 프리폼(이차 성형물)의 온도는 30℃ 이하가 바람직하고, 23℃ 이하가 보다 바람직하다.
프리폼(이차 성형물)을 냉각하는 방법은 특별히 한정되지 않고, 예를 들면 방랭에 의해 냉각할 수 있다.
상기한 방법으로 얻은 프리폼을, 섬유 강화 복합 재료의 형상에 따른 클리어런스가 설정되어 있는 성형형 내에 설치하고, 프레스기를 이용하여 소정의 온도, 압력에서 가열 가압함으로써, 섬유 강화 복합 재료가 얻어진다. 압축 성형에 이용하는 성형형은 소정의 온도로 조온해 두고, 압축 성형한 후, 그 온도인 채로 섬유 강화 복합 재료를 취출하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 성형형의 승강온을 행할 필요가 없어져 성형 사이클을 높일 수 있어, 생산성이 높아진다.
(스택)
본 실시형태의 제조 방법에 이용하는 스택은, 강화 섬유에 매트릭스 수지 조성물이 함침된 시트상의 프리프레그(X)가, 섬유 방향이 상이하도록 2매 이상 적층된 적층체이다.
강화 섬유로서는, 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 무기 섬유, 유기 섬유, 금속 섬유, 또는 이들을 조합한 하이브리드 구성의 강화 섬유를 사용할 수 있다.
무기 섬유로서는, 탄소 섬유, 흑연 섬유, 탄화규소 섬유, 알루미나 섬유, 텅스텐 카바이드 섬유, 보론 섬유, 유리 섬유 등을 들 수 있다. 유기 섬유로서는, 아라미드 섬유, 고밀도 폴리에틸렌 섬유, 기타 일반의 나일론 섬유, 폴리에스터 섬유 등을 들 수 있다. 금속 섬유로서는, 스테인리스, 철 등의 섬유를 들 수 있고, 또한 금속을 피복한 탄소 섬유여도 된다. 이들 중에서는, 섬유 강화 복합 재료의 강도 등의 기계 물성을 고려하면, 탄소 섬유가 바람직하다.
매트릭스 수지 조성물을 함침시키는 강화 섬유 기재의 형태로서는, 다수의 강화 섬유(장섬유)를 1방향으로 정렬하여 UD 시트(1방향 시트)로 하는 형태, 강화 섬유(장섬유)를 제직하여 클로스재(직물)로 하는 형태 등을 들 수 있다.
이 UD 시트로서는, 1방향으로 당겨 정렬한 강화 섬유에 매트릭스 수지 조성물을 함침시켜 프리프레그로 한 후에 절입을 넣어, 프리프레그 중의 강화 섬유를 짧게 분단한 것을 이용해도 된다. 이 경우, 절입과 절입 사이의 강화 섬유의 섬유 길이는 10∼100mm의 범위로 하는 것이 바람직하다. 강화 섬유의 섬유 길이가 상기 하한치 이상이면, 얻어진 프리폼을 이용하여 제조한 섬유 강화 복합 재료의 기계 특성이 충분히 높아지기 쉽다. 또한, 강화 섬유의 섬유 길이가 상기 상한치 이하이면, 스택을 삼차원 형상 등의 복잡한 형상으로 성형하기 쉽다.
스택으로서는, 강화 섬유가 2방향으로 당겨 정렬되어 있는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 1방향으로 당겨 정렬된 강화 섬유에 매트릭스 수지 조성물이 함침된 프리프레그(UD 프리프레그)가, 섬유축의 방향이 2방향이 되도록 복수 적층된 프리프레그(X)의 적층체가 바람직하다. 또한, 프리프레그(X)로서 2축 방향으로 강화 섬유가 짜진 클로스 프리프레그를 이용한 스택도 바람직하다.
복수의 UD 프리프레그가 적층된 스택을 이용하는 경우는, 강화 섬유가 2방향으로 당겨 정렬된 상태가 되도록 UD 시트를 배치하는 것이, 예비 성형 시의 눈 열림, 섬유 사행이 보다 저감됨과 더불어, 프리폼의 성형성(성형형에 대한 추종성)이 양호하여, 보다 우수한 외관의 프리폼을 제조할 수 있는 경향이 있어 바람직하다. 이 경우, 2방향으로 당겨 정렬된 강화 섬유의 섬유축끼리가 이루는 각도는 60∼120°가 바람직하고, 80∼100°가 보다 바람직하다. 상기 각도의 전형은 90°이다.
프리프레그(X)로서 클로스 프리프레그를 이용하는 경우에 있어서도, 스택 전체로서, 강화 섬유가 대략 2방향으로 당겨 정렬된 상태가 되어 있는 것이, 상기와 마찬가지의 이유에서 바람직하다.
즉, 클로스 프리프레그를 구성하는 클로스재를 짜는 방법으로서는, 예를 들면, 평직, 능직, 주자직, 3축직 등을 들 수 있지만, 그 중에서도 2축 방향으로 강화 섬유가 짜진, 평직, 능직, 주자직의 클로스재를 이용하는 것이, 보다 우수한 외관의 프리폼을 제조할 수 있는 경향이 있어 바람직하다.
매트릭스 수지 조성물로서는, 열경화성 수지 조성물을 이용해도 되고, 열가소성 수지 조성물을 이용해도 된다. 그 중에서도, 섬유 강화 복합 재료의 강성이 우수한 점에서, 매트릭스 수지는 열경화성 수지가 바람직하다.
열경화성 수지로서는, 예를 들면, 에폭시 수지, 바이닐에스터 수지, 불포화 폴리에스터 수지, 폴리이미드 수지, 말레이미드 수지, 페놀 수지, 아크릴 수지 등을 들 수 있다. 보강 섬유로서 탄소 섬유를 이용하는 경우는, 탄소 섬유와의 접착성의 점에서, 에폭시 수지 또는 바이닐에스터 수지가 바람직하다.
열가소성 수지로서는, 예를 들면, 폴리아마이드 수지, 아크릴로나이트릴·뷰타다이엔·스타이렌(ABS) 수지, 아크릴로나이트릴·에틸렌-프로필렌-다이엔·스타이렌(AES) 수지, 아크릴로나이트릴·스타이렌·아크릴레이트(ASA) 수지 등을 들 수 있다.
매트릭스 수지 조성물로서는, 1종을 단독으로 사용해도 되고, 2종 이상을 병용해도 된다.
매트릭스 수지 조성물에는, 필요에 따라서 난연성 재료를 배합할 수도 있다.
이 난연성 재료로서는, 예를 들면, 브로민계 화합물, 인 및 질소를 포함하는 화합물, 인계 화합물, 금속 수산화물, 실리콘계 화합물, 및 힌더드 아민 화합물 등을 들 수 있다.
스택에 있어서의 수지 중량 함유율(R.C.)은 10∼60질량%가 바람직하고, 30∼40질량%가 보다 바람직하다. R.C.가 하한치 이상이면, 얻어진 프리폼을 이용하여 제조한 섬유 강화 복합 재료의 기계 특성이 충분히 높아지기 쉽다. R.C.가 상한치 이하이면, 스택을 삼차원 형상 등의 복잡한 형상으로 성형하기 쉽다.
한편, 스택에 있어서의 R.C.는 JIS K 7071 5.1에 기재된 측정 방법 등에 의해 측정되는 값을 의미한다.
(신축 시트)
신축 시트는 신축성을 갖는 수지제 또는 고무제의 시트이다.
신축 시트로서는, 성형형에 있어서의 한쪽 형과 스택 사이에 긴장시키면서 배치한 상태에서 성형형에 의해 당겨 늘여졌을 때에, 그 변형이 탄성 영역을 초과하지 않는 것을, 성형형의 형상에 따라서 선택하는 것이 바람직하다.
수지제의 신축 시트로서는, 예를 들면, 연질 폴리염화바이닐 시트, 연질 폴리올레핀 시트, 에스터계 유레테인 시트 등을 들 수 있다.
고무제의 신축 시트로서는, 실리콘 고무 시트, 천연 고무 시트, 나이트릴 고무 시트 등을 들 수 있다.
신축 시트로서는, 스택에 대한 밀착성이 높은 것이 바람직하다. 이에 의해, 성형 시에 신축 시트가 성형형에 의해 당겨 늘여졌을 때에 신축 시트 상의 스택이 미끄러져 추종하기 어려워지는 것이 억제되기 쉬워진다.
신축 시트 두께는 0.01mm∼10mm의 범위로 하는 것이 바람직하다. 이는, 신축 시트 두께를 0.01mm 이상으로 하는 것에 의해, 스택의 성형 중에 신축 시트가 파손되기 어려워지기 때문이다. 보다 바람직한 신축 시트 두께는 0.1mm 이상이다. 또한, 신축 시트 두께를 10mm 이하로 하는 것에 의해, 성형형에 대응한 형상의 프리폼이 얻어지는 경향이 있기 때문이다. 보다 바람직한 신축 시트 두께는 2mm 이하이다.
또한, 신축 시트의 인장 탄성률은 0.1∼40MPa의 범위로 하는 것이 바람직하다. 이는, 신축 시트의 인장 탄성률을 0.1MPa 이상으로 하는 것에 의해, 성형 중의 스택에 장력을 부여할 수 있어, 얻어지는 프리폼에 주름 등이 발생하기 어려워지는 경향이 있기 때문이다. 신축 시트의 인장 탄성률은 보다 바람직하게는 10MPa 이상이다. 또한, 신축 시트의 인장 탄성률을 40MPa 이하로 하는 것에 의해, 성형 시에 있어서의 스택의 면압의 과도한 상승이 억제됨과 더불어 신축 시트의 유연한 움직임이 얻어져, 프리폼의 섬유 사행이 발생하기 어려워지는 경향이 있기 때문이다. 신축 시트의 인장 탄성률은 보다 바람직하게는 20MPa 이하이다.
한편, 인장 탄성률은 JIS K 6251에 의해 측정되는 값이다.
더욱이, 본 실시형태에서 사용하는 신축 시트로서, 그 두께와 인장 탄성률의 곱(두께[mm]×인장 탄성률[MPa])이 1∼6의 범위인 것을 사용하는 것에 의해, 외관이 양호하고, 또한 형상의 균일성이 우수한 프리폼을 안정되게 제조하는 것이 용이하게 된다. 이는, 이 값을 1 이상으로 하는 것에 의해, 성형 시에 있어서 스택에 적당한 장력을 균일하게 부여할 수 있는 경향이 있기 때문이다. 상기 두께와 인장 탄성률의 곱은 보다 바람직하게는 2 이상이다. 또한, 두께와 인장 탄성률의 곱을 6 이하로 하는 것에 의해, 신축 시트가 유연하게 신축함으로써, 프리폼의 예비 성형에 필요하고도 충분한 전단 변형을 스택에 줄 수 있는 경향이 있기 때문이다. 두께와 인장 탄성률의 곱은 보다 바람직하게는 4 이하이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태의 섬유 강화 복합 재료의 제조 방법은, 성형형의 한쪽 형과 스택 사이에 신축 시트를 특정 방향으로 긴장시키면서 배치한 상태에서, 성형형에 의해 신축 시트를 당겨 늘이면서 스택을 성형하는 것이다. 본 실시형태의 제조 방법은 특히 예비 성형에 의해 일단 프리폼을 제조하는 경우에 유용한 것이다. 본 실시형태에서는, 신축 시트가 당겨 늘여짐과 더불어 스택이 신축 시트에 추종하여 형의 외측을 향해 인장되기 때문에, 스택 중의 강화 섬유는 강화 섬유가 배향하고 있지 않는 방향으로의 변형에도 추종하기 쉬워진다. 그 결과, 섬유 강화 복합 재료에 섬유 사행이나 주름의 발생 등의 외관 불량이 발생하는 것이 억제된다.
또한, 본 실시형태의 섬유 강화 복합 재료의 제조 방법에 있어서는, 스택을 그때마다 파지하여 장력을 부여할 필요가 없어, 파지에 의한 스택의 손상이 생기는 것이 억제된다. 또한, 신축 시트를 긴장시킨 상태를 유지하면서 복수의 스택을 연속 성형할 수 있기 때문에, 높은 생산성으로 프리폼 등을 제조할 수 있다.
한편, 본 실시형태의 섬유 강화 복합 재료의 제조 방법은 상기한 성형형(100)을 이용하는 방법으로는 한정되지 않는다.
본 실시형태의 섬유 강화 복합 재료의 제조 방법은 전단 변형을 수반하지 않는 2차원 곡면 형상의 프리폼 및 섬유 강화 복합 재료를 얻는 방법이어도 상관없다.
이하, 실시예에 의해 본 발명을 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이하의 기재에 의해서는 한정되지 않는다.
[실시예 1]
본 실시예에서는, 스택을 도 3에 예시한, 평면 전개할 수 없는 입체 형상(평면의 조합으로 구성된 삼차원 곡면 형상)의 섬유 강화 복합 재료(30)를 제조했다. 프리프레그(X)로서 하기의 프리프레그(X1)을 이용하고, 수지 필름(Y)로서 하기의 수지 필름(Y1)을 이용했다.
프리프레그(X1): 탄소 섬유를 1방향으로 당겨 정렬하여 에폭시 수지 조성물을 함침시켜 얻어진 시트상의 UD 프리프레그(미쓰비시레이온 주식회사제, 제품명: TR391E250S).
수지 필름(Y1): 프리프레그(X1)에 포함되어 있는 것과 동일한 에폭시 수지 조성물(미쓰비시레이온 주식회사제, 수지명: ＃391)을 60℃로 조온하고, 코터로 두께가 0.3mm가 되도록 제막하여 얻은 수지 필름.
도 2a∼도 2d에 나타내는 바와 같이, 프리프레그(X1)을 재단하여, 사이즈가 세로 250mm×가로 250mm이고, 각각의 섬유 방향이 0°, 90°, 45°, 135°가 되는 4매의 프리프레그(X)(2, 3, 5, 6)를 얻었다.
이어서, 수지 필름(Y1)을 사이즈가 세로 250mm×가로 250mm가 되도록 재단하여, 수지 필름(Y)(4)를 얻었다.
이어서, 도 11에 나타내는 바와 같이, 재단 후의 4매의 프리프레그(X)(2, 3, 5, 6)와 재단 후의 수지 필름(Y)(4)를, 적층 구성이 [0°/90°/수지 필름(Y1)/45°/135°]가 되도록, 각각의 4변의 위치를 맞추어 적층하여 적층 유닛(1)을 얻었다. 즉, 위로부터 순차로 프리프레그(X)(2)/프리프레그(X)(3)/수지 필름(Y)(4)/프리프레그(X)(5)/프리프레그(X)(6)의 적층 구성이 되도록 적층하여 적층 유닛(1)을 얻었다.
이어서, 적층 유닛(1)을 평면 상에 놓고, 배깅 필름으로 덮고, 배깅 필름 내를 45분간 진공 탈기해서 각 층간의 에어를 배제하여, 스택(12)으로 했다.
도 5에 예시한 성형형(100)을 이용하여, 얻어진 스택(12)을 예비 성형하여 프리폼을 제작했다. 구체적으로는, 도 12에 나타내는 바와 같이, 케미컬 우드를 깎아내서 제작한 하형(110)에, 제1층의 프리프레그(X)(2)의 0° 방향이 화살표 방향이 되도록 스택(12)을 배치한 후, 작업자가 손으로 하형(110)의 상부의 홈에 맞추어 스택(12)을 꽉 눌러 첩부했다.
이어서, 도 13에 나타내는 바와 같이, 서브형(126)으로 스택(12)을 누르고, 서브형(126)에 마련한 관통구멍(127)에 나사(도시하지 않음)를 통과시켜, 하형(110)에 마련한 나사구멍(111)에 비틀어 박아 조여, 고정했다.
이어서, 적외선 히터를 이용하여 스택(12) 전체를 표면 온도가 60℃가 되도록 가열했다.
이어서, 도 14에 나타내는 바와 같이, 에어 실린더(도시하지 않음)로 상하하는 상형(112)의 메인형(124)을 하강시켜 하형(110)에 가까이 대고, 스택(12)을 상형(112)과 하형(110)으로 협압하여 예비 성형했다.
도 15에 나타내는 바와 같이, 메인형(124)을 하형(110)으로부터 뗀 후, 도 16에 나타내는 바와 같이, 관통구멍(127)에 통과시킨 나사를 떼어내어 서브형(126)을 떼었다.
이어서, 도 17에 나타내는 바와 같이, 프리폼(50)을 하형(110)으로부터 탈형했다. 얻어진 프리폼(50)에는 주름의 발생이 없었다.
이어서, 목적하는 섬유 강화 복합 재료(30)의 두께 1.1mm에 맞춘 클리어런스가 마련된 압축 성형용 성형 금형을 140℃로 가열하고, 압축 성형용 성형 금형의 하형에 프리폼(50)을 설치하여 압축 성형용 성형 금형을 닫고, 설정 압력 4MPa로 눌러 자르고 가압해서 10분간 유지하여, 섬유 강화 복합 재료를 얻었다. 얻어진 섬유 강화 복합 재료는 외관이 우수하고, 각 방향의 기계 특성도 안정되어 있었다.
[실시예 2]
실시예 1과 마찬가지의 방법으로, 적층 유닛(1)을 3개와, 추가로 사이즈가 세로 250mm×가로 250mm인 수지 필름(Y)를 2매를 제작했다. 이어서, 적층 유닛(1)/수지 필름(Y)/적층 유닛(1)/수지 필름(Y)/적층 유닛(1)의 적층 구성의 스택으로 한 것 이외에는, 실시예 1과 동일한 수순으로 프리폼을 얻었다. 스택에 있어서의 3개의 적층 유닛(1)은 모두 위로부터 [0°/90°/수지 필름(Y1)/45°/135°]의 적층 순서로 했다. 또한, 압축 성형용 성형 금형의 클리어런스를 4.1mm로 설정한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 섬유 강화 복합 재료를 얻었다.
얻어진 프리폼에는 주름의 발생이 없었다. 또한, 얻어진 섬유 강화 복합 재료는 외관이 우수하고, 각 방향의 기계 특성도 안정되어 있었다.
[실시예 3]
실시예 1과 마찬가지로 하여 적층 유닛(1)을 2개 제작하고, 그들 2개의 적층 유닛(1)의 제5층의 프리프레그(X)(6)를 서로 마주 보게 하여, 두께 방향에 있어서 적층 순서가 대칭이 되는 적층 구성의 스택으로 한 것 이외에는, 실시예 1과 동일한 수순으로 프리폼을 얻었다. 또한, 압축 성형용 성형 금형의 클리어런스를 2.3mm로 설정한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 섬유 강화 복합 재료를 얻었다.
얻어진 프리폼에는 주름의 발생이 없었다. 또한, 얻어진 섬유 강화 복합 재료는 외관이 우수하고, 각 방향의 기계 특성도 안정되어 있었다.
[실시예 4]
적층 유닛(1)에 있어서의 제4층의 프리프레그(X)(5)의 섬유 방향을 30°, 제5층의 프리프레그(X)(5)의 섬유 방향을 120°로 한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 프리폼 및 섬유 강화 복합 재료를 제작했다.
얻어진 프리폼에는 주름의 발생이 없었다. 또한, 얻어진 섬유 강화 복합 재료는 외관이 우수하고, 각 방향의 기계 특성도 안정되어 있었다.
[실시예 5]
적층 유닛(1)에 있어서의 제4층의 프리프레그(X)(5)의 섬유 방향을 60°, 제5층의 프리프레그(X)(5)의 섬유 방향을 150°로 한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 프리폼 및 섬유 강화 복합 재료를 제작했다.
얻어진 프리폼에는 주름의 발생이 없었다. 또한, 얻어진 섬유 강화 복합 재료는 외관이 우수하고, 각 방향의 기계 특성도 안정되어 있었다.
[실시예 6]
적층 유닛(1)에 있어서의 제4층의 프리프레그(X)(5)의 섬유 방향을 50°, 제5층의 프리프레그(X)(5)의 섬유 방향을 130°로 한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 프리폼 및 섬유 강화 복합 재료를 제작했다.
얻어진 프리폼에는 주름의 발생이 없었다. 또한, 얻어진 섬유 강화 복합 재료는 외관이 우수하고, 각 방향의 기계 특성도 안정되어 있었다.
[실시예 7]
수지 필름(Y1) 대신에, 에폭시 수지 조성물(미쓰비시레이온 주식회사제, 수지명: ＃395)로 이루어지는 수지 필름을 이용한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 프리폼 및 섬유 강화 복합 재료를 제작했다.
얻어진 프리폼에는 주름의 발생이 없었다. 또한, 얻어진 섬유 강화 복합 재료는 외관이 우수하고, 각 방향의 기계 특성도 안정되어 있었다.
[실시예 8]
수지 필름(Y1) 대신에, 두께가 0.5mm인 것 이외에는 수지 필름(Y1)과 동일한 수지 필름을 이용한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 프리폼을 얻었다. 또한, 압축 성형용 성형 금형의 클리어런스를 1.3mm로 설정한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 섬유 강화 복합 재료를 얻었다.
얻어진 프리폼에는 주름의 발생이 없었다. 또한, 얻어진 섬유 강화 복합 재료는 외관이 우수하고, 각 방향의 기계 특성도 안정되어 있었다.
[실시예 9]
수지 필름(Y1) 대신에, 두께가 1.0mm인 것 이외에는 수지 필름(Y1)과 동일한 수지 필름을 이용한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 프리폼을 얻었다. 또한, 압축 성형용 성형 금형의 클리어런스를 1.8mm로 설정한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 섬유 강화 복합 재료를 얻었다.
얻어진 프리폼에는 주름의 발생이 없었다. 또한, 얻어진 섬유 강화 복합 재료는 외관이 우수하고, 각 방향의 기계 특성도 안정되어 있었다.
[실시예 10]
프리프레그(X1) 대신에, 섬유가 직교하도록 탄소 섬유를 제직하여 얻어진 직물에 에폭시 수지 조성물이 함침된 시트상의 클로스 프리프레그(미쓰비시레이온 주식회사제, 제품명: TR3110 391GMP)를 이용한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 프리폼을 얻었다. 또한, 압축 성형용 성형 금형의 클리어런스를 1.2mm로 설정한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 섬유 강화 복합 재료를 얻었다.
얻어진 프리폼에는 주름의 발생이 없었다. 또한, 얻어진 섬유 강화 복합 재료는 외관이 우수하고, 각 방향의 기계 특성도 안정되어 있었다.
각 예의 스택의 적층 조건과 프리폼 및 섬유 강화 복합 재료의 평가 결과를 표 1에 나타낸다. 프리폼의 평가는, 주름의 발생이 보이지 않았던 것을 양호, 주름의 발생이 보였던 것을 불량으로 했다. 섬유 강화 복합 재료의 평가는, 외관이 우수하고, 각 방향의 기계 특성도 안정되어 있는 것을 불량으로 하고, 외관이 불량이거나, 또는 강도가 불균일하거나 또는 저하되는 것을 불량으로 했다.
Figure pct00001
[제조예 1: 스택의 제조]
1방향으로 당겨 정렬된 탄소 섬유(미쓰비시레이온사제, 제품명: TR50S)에 열경화성 수지 조성물(미쓰비시레이온사제, 수지명: ＃361)이 함침된 UD 프리프레그(두께 약 220μm, 미쓰비시레이온사제, 제품명: TR361E250S) 5매를, 섬유 방향이 0°/90°/0°/90°/0°의 순서가 되도록 적층하여, 평면시에서 세로 250mm×가로 250mm의 프리프레그 적층체로 이루어지는 스택을 얻었다.
[실시예 11]
도 5에 예시한 성형형(100)을 이용하여 프리폼을 제조했다. 성형형(100)에서는, 평면시에서 볼록부(116) 및 볼록부(118)의 상면에 있어서 프리폼이 배치되는 부분의 외측에 175mm∼190mm의 폭으로 신축 시트가 접하도록 잉여 영역을 마련했다. 또한, 하형(110)의 높이는 목적하는 프리폼의 정면시에서의 높이에 대해서 2배∼2.5배의 높이로 하여, 당겨 늘여진 신축 시트가 접하는 잉여 영역을 마련했다.
하형(110) 상에, 성형면(122) 전체를 덮도록 폴리염화바이닐 시트(신축 시트(10), 오카모토사제, 제품명: 일반용 PVC 투명·이지(梨地) 클리어 플라스틱 필름(필름의 두께: 0.2mm, 인장 탄성률: 18.0MPa), 세로 400mm×가로 400mm×두께 0.2mm)를 배치하고, 추가로 그 위에 제조예 1에서 얻은 스택(스택(12))을 배치했다. 이어서, 서브형(126)에 의해 신축 시트(10) 및 스택(12)을 고정했다. 장력 부여 수단이 구비하는 클램프(132, 134)에 의해 신축 시트(10)를 파지하여 장력을 부여하고, 볼록부(116)와 볼록부(118)의 상면에 신축 시트(10)가 부분적으로 접하도록 하여 신축 시트(10)를 긴장시켰다. 클램프(132, 134)에 의해 장력을 부여하는 방향은, 스택 중의 강화 섬유의 섬유축 방향(0°, 90°)에 대해서 45°가 되도록 했다. 신축 시트(10)에 대해서 장력을 부여하는 방향과 수평 방향이 이루는 각도는 0°로 했다.
이어서, 적외선 히터에 의해 스택(12)을 70℃로 가열하고, 상형(112)의 메인형(124)을 하형(110)의 정면측의 부분에 근접시키고, 하형(110)과 상형(112)에 의해 신축 시트(10)를 당겨 늘이면서 스택(12)을 성형했다. 성형된 일차 성형물의 온도가 23℃가 되고 나서 상형(112)을 하형(110)으로부터 이간시켜, 일차 성형물을 탈형했다.
이어서, 일차 성형물을, 신축 시트(10)를 배치하고 있지 않는 하형(110) 상에 다시 배치하고, 서브형(126)에 의해 고정했다. 적외선 히터에 의해 일차 성형물을 70℃로 가열하고, 상형(112)의 메인형(124)을 하형(110)의 정면측의 부분에 근접시키고, 하형(110)과 상형(112)에 의해 일차 성형물을 성형했다. 성형된 프리폼의 온도가 23℃가 되고 나서 상형(112)을 하형(110)으로부터 이간시켜, 프리폼을 탈형했다.
[실시예 12]
신축 시트로서 폴리염화바이닐 시트 대신에 실리콘 고무 시트(TORR사제, 제품명: EL78, 인장 탄성률: 16.0MPa, 세로 300mm×가로 300mm×두께 1.6mm)를 이용한 것 이외에는, 실시예 11과 마찬가지로 하여 프리폼을 얻었다.
[실시예 13]
신축 시트로서 폴리염화바이닐 시트 대신에 실리콘 고무 시트(TORR사제, 제품명: EL78, 인장 탄성률: 16.0MPa, 세로 300mm×가로 300mm×두께 1.6mm)를 이용하고, 더욱이 종이 테이프에 의해 시트를 면방향에 있어서의 전(全)방향으로 인장하여 긴장시킨 것 이외에는, 실시예 11과 마찬가지로 하여 프리폼을 얻었다.
[실시예 14]
신축 시트로서 폴리염화바이닐 시트 대신에 천연 고무 시트(시테크사제, 제품명: RN111(인장 탄성률: 약 10MPa, 세로 300mm×가로 300mm×두께 1.0mm)를 이용한 것 이외에는, 실시예 11과 마찬가지로 하여 프리폼을 얻었다.
[외관 평가]
각 예에서 얻어진 프리폼의 외관을 육안으로 확인하여, 이하의 평가 기준으로 평가했다.
(평가 기준)
○: 프리폼에 주름이 보이지 않는다.
△: 프리폼에 근소하게 주름이 보이지만, 문제없는 레벨이다.
×: 프리폼에 주름이 보인다.
실시예의 제조 조건 및 평가 결과를 표 2에 나타낸다.
Figure pct00002
표 2에 나타내는 바와 같이, 신축 시트를 이용하여 프리폼을 제조한 실시예 11∼14에서는, 프리폼에 주름이 발생하는 것이 억제되어, 외관이 우수했다.
[실시예 15]
실시예 1에서 사용한 스택을 사용한 것 이외에는, 실시예 11과 마찬가지의 조건에서 프리폼을 얻었다. 또한, 얻어진 프리폼으로부터, 실시예 1과 마찬가지의 조건에서 섬유 강화 복합 재료를 제작했다. 얻어진 프리폼과 섬유 강화 복합 재료는 어느 것도 주름이 발생하고 있지 않아 외관이 양호하고, 이 섬유 강화 복합 재료에 있어서는, 각 방향의 기계 특성도 안정되어 있었다.
1: 적층 유닛
2, 3, 5, 6: 프리프레그(X)
4: 수지 필름(Y)
10: 신축 시트
12: 스택
100: 성형형
110: 하형
112: 상형
114: 본체부
116, 118: 볼록부
120: 오목부
122: 성형면
124: 메인형
126: 서브형
128, 130: 성형면
132, 134: 클램프

Claims (21)

  1. 연속하여 배열된 복수본의 강화 섬유에 매트릭스 수지 조성물이 함침된 복수의 시트상의 프리프레그(X)가, 섬유 방향이 상이하도록 적층된 스택을, 한 쌍의 형을 구비하는 성형형에 의해 입체 형상으로 성형하는, 섬유 강화 복합 재료의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스택을 예비 성형하여 프리폼으로 하고, 추가로 상기 프리폼을 압축 성형하여 섬유 강화 복합 재료를 얻는, 섬유 강화 복합 재료의 제조 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 스택으로서, 복수의 상기 프리프레그(X)와, 수지 조성물로 이루어지는 1개 이상의 수지 필름(Y)(단, 상기 프리프레그(X)를 제외한다.)가 적층된 스택을 이용하는, 섬유 강화 복합 재료의 제조 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 스택으로서, 프리프레그(X)/프리프레그(X)/수지 필름(Y)/프리프레그(X)/프리프레그(X)의 5층 구성의 적층 유닛을 포함하고,
    제1층의 프리프레그(X)의 섬유 방향을 0°로 했을 때, 제2층, 제4층 및 제5층의 프리프레그(X)의 섬유 방향이 각각 15∼165°이고, 또한 각 층의 섬유 방향이 상이한 스택을 이용하는, 섬유 강화 복합 재료의 제조 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제2층의 프리프레그(X)의 섬유 방향이 85∼95°이고, 상기 제4층의 프리프레그(X)의 섬유 방향이 30∼60°이고, 상기 제5층의 프리프레그(X)의 섬유 방향이 120∼150°인, 섬유 강화 복합 재료의 제조 방법.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 스택으로서, 2개 이상의 상기 적층 유닛을 포함하고, 또한 두께 방향으로 이웃하는 상기 적층 유닛 사이에 상기 수지 필름(Y)가 끼도록 적층된 스택을 이용하는, 섬유 강화 복합 재료의 제조 방법.
  7. 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스택으로서, 동일한 적층 구성의 2개의 상기 적층 유닛을 포함하고, 또한 그들 적층 유닛이, 각각의 적층 순서가 두께 방향에 있어서 대칭이 되도록 적층된 스택을 이용하는, 섬유 강화 복합 재료의 제조 방법.
  8. 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스택으로서, 상기 제4층의 섬유 방향과 상기 제5층의 섬유 방향의 각도의 차가 90°인 적층 유닛을 포함하는 스택을 이용하는, 섬유 강화 복합 재료의 제조 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스택을, 평면으로 전개할 수 없는 입체 형상으로 성형하는, 섬유 강화 복합 재료의 제조 방법.
  10. 제 3 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프리프레그(X)에 포함되는 매트릭스 수지 조성물과 상기 수지 필름(Y)에 포함되는 수지 조성물의 조성이 동일한, 섬유 강화 복합 재료의 제조 방법.
  11. 제 3 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수지 필름(Y)의 두께가 0.1∼1mm인, 섬유 강화 복합 재료의 제조 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프리프레그(X)로서 클로스 프리프레그를 이용하는, 섬유 강화 복합 재료의 제조 방법.
  13. 하기 수지층 A∼E가 이 순번으로 적층되고, 수지층 A, B, D, E의 각각의 2층간에 있어서 평면시에서 강화 섬유의 섬유 방향이 이루는 각도 중, 최소의 각도가 45° 이하인, 섬유 강화 복합 재료.
    수지층 A, B, D, E: 1방향으로 당겨 정렬된 강화 섬유를 포함하는 수지층.
    수지층 C: 1방향으로 당겨 정렬된 강화 섬유를 포함하지 않는 수지층.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 수지층 A의 강화 섬유의 섬유 방향을 0°로 했을 때, 상기 수지층 B, 상기 수지층 D 및 상기 수지층 E의 강화 섬유의 섬유 방향이 각각 15∼165°인, 섬유 강화 복합 재료.
  15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    상기의 최소의 각도가 15∼45°인, 섬유 강화 복합 재료.
  16. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 성형형을 구성하는 상기 한 쌍의 형 중의 한쪽 형과 상기 스택 사이에, 수지제 또는 고무제의 신축 시트를 특정 방향으로 긴장시키면서 배치한 상태에서 상기 한 쌍의 형을 근접시키고,
    상기 한 쌍의 형에 의해 상기 신축 시트를 당겨 늘이면서 상기 스택을 성형하는, 섬유 강화 복합 재료의 제조 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 형이 하형과 상형으로 이루어지고,
    상기 하형의 성형면에 있어서의 상형에 대향하는 부분에 상기 신축 시트가 부분적으로 접하도록, 상기 신축 시트를 긴장시키면서 배치하고, 상기 신축 시트 상에 상기 스택을 배치한 상태에서, 상기 상형과 상기 하형을 근접시켜 상기 스택을 성형하는, 섬유 강화 복합 재료의 제조 방법.
  18. 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서,
    상기의 신축 시트를 이용한 예비 성형에 의해 프리폼을 얻은 후에, 상기 신축 시트를 배치하지 않은 상태에서 상기 한 쌍의 형에 의해 상기 프리폼을 다시 압축 성형하여 섬유 강화 복합 재료로 하는, 섬유 강화 복합 재료의 제조 방법.
  19. 제 16 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스택 중의 강화 섬유가 2방향 이상으로 당겨 정렬되어 있는, 섬유 강화 복합 재료의 제조 방법.
  20. 제 16 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스택에 있어서의 각 프리프레그(X)의 섬유 방향과 상기 신축 시트를 긴장시키는 방향이 이루는 각도가 15∼75°가 되도록, 1방향 이상의 방향으로 상기 신축 시트를 긴장시킨 상태에서 상기 스택을 성형하는, 섬유 강화 복합 재료의 제조 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 스택에 있어서의 각 프리프레그(X)의 섬유 방향과 상기 신축 시트를 긴장시키는 방향이 이루는 각도가 30∼60°인, 섬유 강화 복합 재료의 제조 방법.
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