TW201617387A - 強化纖維複合材料 - Google Patents

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Abstract

一種強化纖維複合材料，其特徵為由含有不連續強化纖維集合體的不連續強化纖維與基質樹脂構成，當將該不連續強化纖維集合體予以2次元投影時，相對於該不連續強化纖維集合體之寬度為最狹窄的最窄部之縱橫比，具有不連續強化纖維集合體之至少單側端部的縱橫比(不連續強化纖維集合體的寬度/不連續強化纖維集合體的厚度)成為1.5倍以上的扇狀部之扇狀不連續強化纖維集合體(A)，係在前述不連續強化纖維中含有5重量%以上。可提供一種強化纖維複合材料，其可平衡良好地達成成形時的優異流動性與成形品的高機械特性、2次元各向同性之全部，而且其機械特性的偏差亦少而優異。

Description

強化纖維複合材料
本發明關於包含不連續強化纖維與基質樹脂之強化纖維複合材料，特別地關於強化纖維複合材料，其係藉由使不連續強化纖維以從前所沒有的特定之集合體形態含於強化纖維複合材料中，而機械強度、2次元各向同性、均勻性優異，使用其來製作成形品時，可使高的流動性與機械特性並存。
包含強化纖維與基質樹脂之強化纖維複合材料，由於得到高的機械特性，而使用於各種的成形品之製造，於各式各樣的領域中需求係每年增加。
作為具有高機能特性的強化纖維複合材料之成形方法，將稱為預浸漬物的在連續強化纖維中含浸有基質樹脂的半硬化狀態之中間基材予以積層，藉由在高溫高壓釜中加熱加壓而使基質樹脂硬化，將連續纖維強化複合材料予以成形之高壓釜成形係最一般進行者。又，近年來，以生產效率的提高為目的，亦進行使預先賦有構件形狀的連續纖維基材含浸基質樹脂及硬化之RTM(樹脂轉移模塑)成形等。由此等之成形法所得的強化纖維複合材料，因為是連續纖維而具有優異的力學物 性。另外，由於連續纖維為規則的排列，故可按照基材的配置來設計所需要的力學物性，力學物性之偏差亦小。然而另一方面，由於是連續纖維，故難以形成3次元形狀等的複雜形狀，應用係限於主要接近平面形狀的構件。
作為適合3次元形狀等的複雜形狀之成形方法，有使用SMC(片模塑複合)或可沖壓片之成形等。SMC成形品係藉由將強化纖維的股束(strand)例如以纖維長度成為25mm左右之方式在纖維正交方向中切斷，使此短切股束含浸熱硬化性樹脂之基質樹脂，使用加熱型加壓機將成為半硬化狀態的片狀基材(SMC)予以加熱加壓而得。可沖壓片成形品係藉由例如使經切斷成25mm程度的短切股束或不連續的強化纖維所成之不織布蓆等含浸熱塑性樹脂，將所成之片狀基材(可沖壓片)一次以紅外線加熱器等加熱至熱塑性樹脂的熔點以上，於指定溫度的模具中冷卻加壓而得。
於多數的情況中，在加壓前將SMC或可沖壓片切斷成比成形體的形狀小，配置於成形模具上，藉由加壓來拉伸(使流動)成為成形體之形狀而進行成形。因此，藉由該流動而亦可追隨3次元形狀等的複雜形狀。然而，SMC或可沖壓片由於在其片化步驟中，必然地發生短切股束(chopped strand)或不織布蓆的分布不均、配向不均，故力學物性降低，或其值的偏差會變大。再者，由於該分布不均、配向不均，特別地在薄物的構件中，容易發生翹曲、收縮等。
為了消除如上述的材料之缺點，例如專利 文獻1、2中提案將作為強化纖維束的碳纖維束予以一次擴幅後，在寬度方向中分割，藉由切割而規定不連續碳纖維蓆中的特定碳纖維束之重量平均纖維寬度的碳纖維蓆。然而，如該專利文獻1、2中記載，若在寬度方向中分割碳纖維束，則隨著所得之碳纖維複合材料中的碳纖維彼此的接點數增加，流動性係惡化。又，碳纖維蓆中的寬度及厚度係以對於纖維集合體的長度方向(纖維長度方向)，剖面形狀為矩形狀或橢圓圓狀所構成之大致均勻的柱狀體作為前提，纖維寬度細的碳纖維蓆係纖維厚度愈薄則使用其所製造的碳纖維複合材料成形品之機械特性愈優異，但成形時的流動性低，成形性差。此係因為強化纖維的碳纖維充分地分散而應力難以集中，充分發揮碳纖維的補強效果，但另一方面，碳纖維彼此交叉而限制互相的行動，變難以活動。
又，纖維寬度為寬廣的碳纖維蓆，係纖維彼此的接觸面積容易變廣，由於限制互相的行動而變難以活動，成形時的流動性係難以展現，成形性差。另外，纖維厚度愈厚，則使用其所製造的碳纖維複合材料成形品之成形時的流動性優異，但對用於成形為肋(rib)等複雜形狀或厚度薄的成形體之模具的追隨性差，機械特性低。此係因為碳纖維束粗大，碳纖維彼此不形成網絡，故在流動初期容易活動，但在成形為肋等的複雜形狀或厚度薄的成形體時，碳纖維束彼此交絡，阻礙基質樹脂的流動，而且應力容易集中在碳纖維束的端部。
又，專利文獻3中陳述將股束開纖後，進 行裁斷，使含浸有熱硬化性樹脂的碳纖維複合材料及其製造方法，但與前述專利文獻1、2同樣地，碳纖維寬度及厚度係以對於纖維集合體的長度方向(纖維長度方向)，剖面為大致矩形狀的大致均勻之柱狀體作為前提，纖維寬度為寬廣的碳纖維片，係纖維厚度愈厚，使用其所製造的碳纖維複合材料成形品之成形時的流動性愈優異，但對於用成形為肋等的複雜形狀或厚度薄的成形體之模具的追隨性差，機械特性低。另外，纖維厚度愈薄，使用其所製造的碳纖維複合材料成形品之機械特性愈優異，但流動性差。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]WO2014/201315號公報
[專利文獻2]WO2014/021316號公報
[專利文獻3]日本特開2008-254191號公報
因此，本發明之課題在於提供一種強化纖維複合材料，其可使以往之包含強化纖維與樹脂之強化纖維複合材料所無法達成的成形時之高流動性與高機械特性以高水準並存，特別地在流動成形時具備優異的流動性，顯示優異的機械特性之最適合條件。
為了解決上述課題，本發明之強化纖維複 合材料係特徵為包含至少含有不連續強化纖維集合體的不連續強化纖維與基質樹脂，當將該不連續強化纖維集合體予以2次元投影時，相對於對該不連續強化纖維的配向方向交叉之方向的該不連續強化纖維集合體之寬度為最狹窄的最窄部之縱橫比(m/h)，具有不連續強化纖維集合體之至少單側端部的縱橫比(後述之第1(B)、(C)圖中所示，不連續強化纖維集合體的寬度Mn/不連續強化纖維集合體的厚度Hn，於此，n表示不連續強化纖維集合體之任一方的端部之位置，n=1或2)成為1.5倍以上的扇狀部之扇狀不連續強化纖維集合體(A)，係在前述不連續強化纖維中含有5重量%以上。
於如此的本發明之強化纖維複合材料中，強化纖維若進入基質樹脂中，則在成形時複合材料的流動性降低，但其流動性的降低係可藉由增加不連續強化纖維為集合體形態的不連續強化纖維之配合量而抑制，良好的流動性之實現成為可能。然而，不連續強化纖維集合體，例如若與對於長度方向的剖面形狀為矩形或略圓形所構成的柱狀體之樣子，且對於強化纖維集合體的長度方向(纖維配向方向)而言集合體的寬度及厚度為一定的情況比較下，則集合體之寬度為寬廣，厚度為厚時，機械特性差，但流動性優異，相反地，集合體之寬度為寬廣，厚度為薄時，機械特性優異，但有流動性差之傾向。又，集合體之寬度為狹窄，厚度為厚時，機械特性差，但流動性優異，集合體之寬度為狹窄，厚度為薄時，機械特性優異，但有流動性差之傾向。即，重視 良好流動性的不連續強化纖維集合體之最適合形態與重視高機械特性的不連續強化纖維集合體之最適合形態係未必成為相同的形態，綜合地考慮此等，尤其以使良好流動性與高機械特性平衡良好地並存之方式，優化強化纖維複合材料中的不連續強化纖維之構造。
不連續強化纖維中所含有的不連續強化纖維集合體，係當將至少單側端部的縱橫比(不連續強化纖維集合體之寬度/不連續強化纖維集合體的厚度)予以2次元投影時，相對於對長度方向而言不連續強化纖維集合體之寬度最狹窄的最窄部之縱橫比，具有單側端部的縱橫比/最窄部縱橫比為1.5以上且小於50的扇狀部之扇狀不連續強化纖維集合體(A)較佳為在不連續纖維中至少含有5重量%以上。為了展現高的強度及流動性，扇狀不連續強化纖維集合體(A)係至少單側端部的縱橫比相對於扇狀不連續強化纖維集合體(A)的最窄部縱橫比，即單側端部之縱橫比/最窄部縱橫比更佳為2以上且小於50，尤佳為2.5以上且小於50，尤更佳為3以上且小於50。由於至少單側端部之縱橫比相對於最窄部之縱橫比而言變大，扇狀不連續強化纖維集合體(A)端部的強化纖維表面積增加，施加荷重時，集中於端部的應力係被緩和，故容易展現強化纖維複合材料的強度，而且對於纖維集合體的長度方向(纖維長度方向)而言強化纖維寬度及厚度，係比對於長度方向而言剖面形狀為矩形或略圓形所成的柱狀體，在更多方向中纖維配向，故所得之強化纖維複合材料更容易成為2次元各向同性。
又，詳細係如後述，不連續強化纖維集合體由於至少在單側端部以外的區域中，因強化纖維彼此的纏繞或附著於強化纖維的上漿劑等而一體化，故在流動成形時，尤其在流動開始時，以集合體單位開始流動，由於至少單側端部被部分地分纖及開纖，在流動中端部成為起點，不連續強化纖維集合體邊被分纖及開纖邊容易流動，不阻礙基質樹脂的流動，而展現優異的流動性。至少單側端部之縱橫比相對於最窄部之縱橫比，若單側端部之縱橫比/最窄部縱橫比小於1.5，則在不連續強化纖維集合體端部容易發生應力集中，強度展現效果為不充分，若為50以上，則纖維間的交絡係容易鬆開，無法得到不連續強化纖維集合體之形態，與纖維間的接點數增加有關聯，或與流動性惡化有關聯。
相對於強化纖維複合材料中所含有的不連續強化纖維全量，強化纖維複合材料中所含有的扇狀不連續強化纖維集合體(A)較佳為至少5重量%以上100%以下，更佳為10重量%以上100重量%以下，尤佳為20重量%以上100重量%以下。若小於5重量%，則扇狀不連續強化纖維集合體(A)所致的高流動性及高強度展現效果為不充分。本發明之扇狀不連續強化纖維集合體(A)不是絨毛等的單絲附著於短切股束及短切股束經擴幅及分纖的短切股束上之短切股束，而是意圖地使端部作分纖及擴幅之不連續強化纖維集合體。
為了展現更高的強度及流動性，扇狀不連續強化纖維集合體(A)係在2次元平面上投影時，至少單 側端部較佳為被分岔成2條以上。由於扇狀不連續強化纖維集合體(A)的至少單側端部被分岔成2條以上，在該端部中強化纖維所佔有的表面積增加，由於集中於扇狀不連續強化纖維集合體(A)之端部的應力係被緩和，而展現強化纖維複合材料的強度。又，由於至少單側端部被分岔成2條以上，所得之強化纖維複合材料係更成為2次元各向同性。再者，本發明中，於扇狀不連續強化纖維集合體(A)的至少單側端部被分岔成2條以上之情況，算出其端部之縱橫比時的該端部之寬度係以包含分岐部間的空間部在內的端部全寬來規定。
為了展現更高的強度，前述扇狀不連續強化纖維集合體(A)係至少單側端部之縱橫比較佳為超過30且小於1000。不連續強化纖維集合體之至少單側端部的縱橫比更佳為超過30且小於800，尤佳為超過40且小於600。不連續強化纖維集合體之至少單側端部的縱橫比若為30以下，則在不連續強化纖維集合體端部容易發生應力集中，強度展現效果不充分，若為1000以上則纖維間的交絡係容易鬆開，無法得到前述扇狀不連續強化纖維集合體(A)之形態，與纖維間的接點數增加有關聯，或與流動性惡化有關聯。
又，為了更確實地展現高的強度，前述扇狀不連續強化纖維集合體(A)在2次元投影時之至少單側端部的寬度，相對於該扇狀不連續強化纖維集合體(A)的長度方向中之最窄部的寬度，係單側端部寬度/最窄部寬度較佳為1.5以上且小於50，更佳為1.8以上且小於50 ，尤佳為2以上且小於50。扇狀不連續強化纖維集合體(A)之至少單側端部的集合體寬度，相對於最窄部的集合體寬度，若單側端部寬度/最窄部寬度小於1.5，則在扇狀不連續強化纖維集合體(A)之端部容易發生應力集中，強度展現效果不充分，若為50以上則纖維間的交絡係容易鬆開，無法得到扇狀不連續強化纖維集合體(A)之形態，與纖維間的接點數增加有關聯，或與流動性惡化有關聯。
再者，為了確實地展現高的強度，扇狀不連續強化纖維集合體(A)之至少單側端部厚度相對於最窄部厚度，係單側端部厚度/最窄部厚度較佳為0.01以上且小於0.9，更佳為0.02以上且小於0.85，尤佳為0.03以上且小於0.8。扇狀不連續強化纖維集合體(A)之至少單側端部的厚度相對於最窄部的厚度，若單側端部厚度/最窄部厚度成為小於0.01，則纖維間的交絡係容易鬆開，無法得到扇狀不連續強化纖維集合體(A)之形態，與纖維間的接點數增加有關聯，或流動性惡化。若單側端部厚度/最窄部厚度為0.9以上，則扇狀不連續強化纖維集合體(A)之端部的擴幅為不充分，難以貢獻強度展現，強度差。
還有，為了使強度與流動性平衡良好地並存，自將扇狀不連續強化纖維集合體(A)予以2次元投影時的至少單側端部之寬度與該扇狀不連續強化纖維集合體(A)之前述最窄部的寬度所算出的擴幅角度較佳為在超過5°且小於90°之範圍。於此，擴幅角度=tan-1{(Mn-m)/2/Ln}(L係自最窄部到單側端部為止之距離，n表示不連續強化纖維集合體的任一方 之端部的位置，n=1或2)，即：擴幅角度=tan-1{(單側端部的寬度-最窄部寬度)/2/單側端部與最窄部間距離}。
更佳為超過8°且小於85°，尤佳為超過10°且小於80°。擴幅角度若為5°以下，則在不連續強化纖維集合體端部容易發生應力集中，強度展現效果不充分，若為90°以上則纖維間的交絡係容易鬆開，無法得到扇狀不連續強化纖維集合體(A)之形態，與纖維間的接點數增加有關聯，流動性惡化。
又，為了使強度與流動性平衡良好地並存，不連續強化纖維之數平均纖維長度較佳為5mm以上且小於100mm。數平均纖維長度若小於5mm，則於將不連續強化纖維集合體端部擴幅之際，纖維間的交絡係容易鬆開，強化纖維會充分地分散，與纖維間的接點數增加有關聯，或與流動性惡化有關聯。數平均纖維長度若超過100mm，則強化纖維的纖維間之接點數增加，與流動性惡化有關聯。
又，為了確實地使強度與流動性平衡良好地並存，扇狀不連續強化纖維集合體(A)2次元投影時的形狀係如後述的第2圖所示，較佳為I、X、Y、V、N、M形狀及組合此等的形狀之任一者。由於扇狀不連續強化纖維集合體(A)為由此等形狀所構成，端部的強化纖維表面積係進一步增加，由於集中於不連續強化纖維的端部之應力係被緩和，可展現強化纖維複合材料之強度，而且在流動成形時，尤其在流動開始時，以集合體單位流 動，故流動性優異。
再者，為了更確實地使高的強度與流動性平衡良好地並存，扇狀不連續強化纖維集合體(A)的各端部之縱橫比與最窄部之縱橫比的比(端部縱橫比/最窄部縱橫比)較佳為兩端部皆1.5以上且小於50。為了更確實展現強度，端部縱橫比/最窄部縱橫比較佳為兩端部皆1.8以上且小於50，更佳為2以上且小於50。
還有，為了確實地展現強度，扇狀不連續強化纖維集合體(A)之端部(尤其兩端部)相對於不連續強化纖維集合體之長度方向(纖維配向方向)，較佳為以具有2°~30°之角度θ來切割。由於以具有角度θ來切割，扇狀不連續強化纖維集合體(A)端部的強化纖維表面積增加，藉由與後述的強化纖維集合體端部之擴幅及分纖組合而進一步的相乘效果，集中於不連續強化纖維之端部的應力係被緩和，展現強化纖維複合材料之強度。
於本發明之強化纖維複合材料中，作為不連續強化纖維，為了形成纖維強化複合材料而使用的一切強化纖維之使用係可能，但特別地本發明係在不連續強化纖維由碳纖維所構成時，適合於含有碳纖維作為不連續強化纖維之情況。
如此地，藉由本發明之強化纖維複合材料，可提供一種強化纖維複合材料，其可平衡良好地達成成形時的優異流動性與成形品的高機械特性、2次元各向同性之全部，而且其機械特性的偏差亦少而優異。
1‧‧‧扇狀不連續強化纖維集合體(A)
2‧‧‧最窄部
2A1、2A2、2B、2C、2D、2E、2F‧‧‧各形態中的最窄部
3、4‧‧‧單側端部
5‧‧‧自(B)方向之投影圖
6‧‧‧自(C)方向之投影圖
21a、21b、22、23、24、25、26‧‧‧扇狀不連續強化纖維集合體(A)的各形態
31‧‧‧搬送輥
32‧‧‧刀具
33‧‧‧強化纖維股束
34‧‧‧空氣頭
35‧‧‧端部擴幅及/或分纖用壁
36‧‧‧刀具用台
37‧‧‧輸送帶
41‧‧‧扇狀不連續強化纖維集合體端部
51‧‧‧最窄部的厚度測定點
52‧‧‧端部的厚度測定點
53‧‧‧端部寬度大於測微計的壓頭直徑之2倍時的端部厚度測定點
M1、M2‧‧‧扇狀不連續強化纖維集合體(A)在2次元投影時之至少單側端部的寬度
m‧‧‧相對扇狀不連續強化纖維集合體(A)的長度方向中之最窄部的寬度
L1、L2‧‧‧自最窄部2到各端部為止之距離
H1、H2‧‧‧單側端部厚度
h‧‧‧最窄部厚度
第1圖(A)係顯示本發明中的扇狀不連續強化纖維集合體之一例的斜視圖，(B)係(A)所示的扇狀不連續強化纖維集合體朝向(B)方向(朝向水平面)的2次元投影圖，(C)係(A)所示的扇狀不連續強化纖維集合體朝向(C)方向(朝向垂直面)的2次元投影圖。
第2圖係顯示本發明中的扇狀不連續強化纖維集合體之形態例的概略2次元投影圖。
第3圖係顯示本發明所用的不連續強化纖維片製造裝置之一例的概略構成圖。
第4圖係顯示使本發明中的不連續強化纖維集合體之端部具有角度θ被切割的一例之概略2次元投影圖。
第5圖係顯示本發明中的不連續強化纖維集合體之端部及最窄部的厚度測定地方之例的概略2次元投影圖。
[實施發明之形態]
以下，對於本發明，與實施例、比較例一起詳細地說明。
首先，於本發明中，強化纖維複合材料係由不連續強化纖維與基質樹脂所構成。不連續強化纖維之特徵為以指定的比例包含至少如第1圖所示的成為指定集合體形狀之扇狀不連續強化纖維集合體(A)。
本發明中之扇狀不連續強化纖維集合體(A)包含至少含有不連續強化纖維集合體的不連續強化纖維與基質樹脂，當將該不連續強化纖維集合體予以2 次元投影時，相對於對該不連續強化纖維的配向方向交叉之方向的該不連續強化纖維集合體之寬度為最狹窄的最窄部之縱橫比(m/h)，具有不連續強化纖維集合體之至少單側端部的縱橫比(不連續強化纖維集合體的寬度Mn/不連續強化纖維集合體的厚度Hn，於此，n表示不連續強化纖維集合體之任一方的端部之位置，n=1或2)成為1.5倍以上的扇狀部之扇狀不連續強化纖維集合體(A)，係在前述不連續強化纖維中含有5重量%以上。於此，單側端部之縱橫比/最窄部縱橫比較佳為1.5以上且小於50。由於至少單側端部之縱橫比相對於最窄部之縱橫比而言變大1.5倍以上，扇狀不連續強化纖維集合體(A)之端部變大的強化纖維表面積增加，施加荷重之際，作為強化纖維複合材料時成為破壞起點的集中於不連續強化纖維端部的應力係被緩和，容易展現強化纖維複合材料的強度。又，於對強化纖維集合體的長度方向(纖維長度方向)而言強化纖維寬度及厚度內，由於對長度方向的剖面形狀係比由矩形或略圓形的一定形狀所成的柱狀體，在更多方向中纖維配向，故所得之強化纖維複合材料更容易成為2次元各向同性，由於縱橫比小於50倍，不連續強化纖維集合體係至少在單側端部以外的區域中藉由強化纖維彼此的纏繞或附著於強化纖維的上漿劑等，而容易一體化。
再者，於流動成形時，具體地以不連續強化纖維集合體單位開始流動時，由至少單側端部被部分地分纖及開纖，此端部成為起點，扇狀不連續強化纖維 集合體(A)邊被開纖及分纖邊繼續流動，不阻礙基質樹脂之流動，展現優異的流動性。而且，即使為肋等的複雜形狀，於流動中自扇狀不連續強化纖維集合體(A)所開纖及分纖的不連續纖維係容易順著複雜形狀流入，展現優異的成形性。扇狀不連續強化纖維集合體(A)係至少單側端部之縱橫比相對於最窄部縱橫比，即單側端部之縱橫比/最窄部縱橫比更佳為2以上且小於50，更佳為2.5以上且小於50，尤佳為3以上且小於50。
於此，進一步說明扇狀不連續強化纖維集合體(A)之縱橫比。如第1圖(A)中所示，將扇狀不連續強化纖維集合體(A)1放置於水平面H，對於水平面H鉛直向下(圖中之箭號(B)方向)投影之2次元投影圖為第1圖(B)。此第1圖(B)所示的水平面之2次元投影係以第5圖測定，將不連續強化纖維集合體(A)之各端部3、4的寬度當作Mn(n=1、2)，將最窄部2的寬度當作m。於此，所謂「對該不連續強化纖維的配向方向交叉之該不連續強化纖維集合體寬度為最狹窄的最窄部」，典型地相當於端部不成為扇狀的不連續強化纖維集合體之粗細，即相當於與不連續強化纖維集合體之纖維配向方向呈正交的寬度。於具有後述第2圖(A)~(F)之形態時，將相當於不連續強化纖維集合體的寬度且與纖維配向方向交叉的不連續強化纖維集合體之左右端的最短距離當作最窄部。再者，第1圖(B)中的L1、L2表示自最窄部2到各端部為止之距離。
又，第1圖(A)中投影於垂直面P方向(圖中之箭號(C)方向)的2次元投影圖為第1圖(C)。將此第1圖 (C)中所示的垂直面之2次元投影圖6所測定的不連續強化纖維集合體(A)之各端部3、4的厚度當作Hn(n=1、2)，將最窄部2的厚度當作h。
相對於強化纖維複合材料中所含有的不連續強化纖維全量，強化纖維複合材料中所含有的扇狀不連續強化纖維集合體(A)較佳為至少5重量%以上100%以下。由於相對於不連續強化纖維全量，扇狀不連續強化纖維集合體(A)係以至少5重量%以上含有，扇狀不連續強化纖維集合體(A)所致的高流動性及高強度係充分地展現。扇狀不連續強化纖維集合體(A)更佳為10重量%以上100重量%以下，尤佳為20重量%以上100重量%以下。
不連續強化纖維係除了扇狀不連續強化纖維集合體(A)，還可包含將在作成不連續強化纖維片時以單絲水準所開纖的不連續強化纖維或股束直接切割之短切股束、短切股束在寬度方向中經分割的分纖短切股束、至少單側端部經分割及擴幅但不滿足集合體形狀的短切股束、短切股束全體經擴幅的擴幅短切股束、短切股束全體經擴幅、分割之擴幅分割股束等。
另外，扇狀不連續強化纖維集合體(A)係在2次元平面上投影時，至少單側端部可被分岔成2條以上。由於扇狀不連續強化纖維集合體(A)之至少單側端部被分岔成2條以上，該端部之強化纖維所佔有的表面積增加，由於集中於扇狀不連續強化纖維集合體(A)之端部的應力係被緩和，而更容易展現強化纖維複合材料的強度。又，由於至少單側端部被分岔成2條以上，構成扇狀不 連續強化纖維集合體(A)的不連續強化纖維係在多方向中配向，故所得之強化纖維複合材料更成為2次元各向同性而較佳。
扇狀不連續強化纖維集合體(A)之至少單側端部的縱橫比較佳為超過30且小於1000。由於至少單側端部之縱橫比超過30，端部之強化纖維表面積增加，強化纖維複合材料之強度容易展現。又，由於至少單側端部之縱橫比小於1000，在流動成形時，尤其在流動開始時，扇狀不連續強化纖維集合體(A)係以集合體單位開始流動，展現優異的流動性。較佳為至少單側端部之縱橫比超過30且小於800，更佳為超過40且小於600。
上述扇狀不連續強化纖維集合體(A)在2次元投影時之至少單側端部的寬度(第1圖(B)中的M1或M2)，相對於該扇狀不連續強化纖維集合體(A)的長度方向中之最窄部的寬度(m)，係單側端部寬度/最窄部寬度較佳為1.5以上且小於50。由於單側端部寬度/最窄部寬度為1.5以上，端部的強化纖維表面積更增加，強化纖維複合材料之強度容易展現。又，由於單側端部寬度/最窄部寬度為小於50倍，在流動成形時，尤其在流動開始時，扇狀不連續強化纖維集合體(A)係以集合體單位開始流動，展現優異的流動性。單側端部寬度/最窄部寬度更佳為1.8以上且小於50，尤佳為2以上且小於50。
上述扇狀不連續纖維集合體(A)係至少單側端部厚度(第1圖(B)中的H1或H2)相對於最窄部厚度(h)，即單側端部厚度/最窄部厚度較佳為0.01以上且小於0.9 。由於單側端部厚度/最窄部厚度小於0.9，扇狀不連續強化纖維集合體(A)端部之強化纖維表面積增加，作為強化纖維複合材料時成為破壞起點的集中於不連續強化纖維端部的應力係被緩和，強化纖維複合材料的強度係容易展現。又，由於單側端部厚度/最窄部厚度為0.01以上，在流動成形時，尤其在流動開始時，扇狀不連續強化纖維集合體(A)係以集合體單位開始流動，展現優異的流動性。單側端部厚度/最窄部厚度更佳為0.02以上且小於0.85，尤佳為0.03以上且小於0.8。
上述扇狀不連續纖維集合體(A)係自至少單側端部的寬度與最窄部寬度所算出的擴幅角度較佳為超過5°且小於90°。於此，擴幅角度=tan-1{(Mn-m)/2/Ln}(L表示自最窄部到單側端部為止之距離，n表示不連續強化纖維集合體的任一方之端部的位置，n=1或2)。由於擴幅角度超過5°，端部的強化纖維表面積增加，強化纖維複合材料的強度係容易展現，而且由於不連續強化纖維在更廣的範圍中配向，所得之強化纖維複合材料更成為2次元各向同性而較佳。由於擴幅角度小於90°，扇狀不連續纖維集合體(A)係維持集合體形狀，展現優異的流動性。更佳為超過8°且小於85°，尤佳為超過10°且小於80°。
作為上述扇狀不連續強化纖維集合體(A)之形態，2次元投影時的形狀係如第2圖(A)~(F)中例示，較佳為I型形狀21a、21b、X型形狀22、Y型形狀23、V型形狀24、N型形狀25、M型形狀26及/或組合此等之形 狀。第2圖(A)~(F)中所示的I、X、Y、V、N、M型形狀，只要是端部更細地分纖之形狀，例如X型形狀，則亦包含單側或兩側端部經分纖成3個以上之形態。由於扇狀不連續強化纖維集合體(A)係由此等形狀所構成，端部的強化纖維表面積更增加，作為強化纖維複合材料時成為破壞起點的集中於不連續強化纖維之端部的應力係被緩和，故強化纖維複合材料之強度係展現，而且在流動成形時，尤其在流動開始時，以集合體單位進行流動，故流動性優異。再者，第2圖(A)~(F)中的2A1、2A2、2B、2C、2D、2E、2F各自表示各形態中的最窄部。
上述扇狀不連續強化纖維集合體(A)係端部之縱橫比相對於最窄部之縱橫比，即各自的端部之縱橫比/最窄部縱橫比較佳為兩端部皆1.5以上且小於50。由於端部之縱橫比/最窄部縱橫比係兩端部皆1.5以上，作為強化纖維複合材料時成為破壞起點的集中於不連續強化纖維之端部的應力係被緩和，故強化纖維複合材料展現優異的強度。由於端部之縱橫比/最窄部縱橫比係兩端部皆小於50，於流動成形前，扇狀不連續纖維集合體(A)係維持集合體形狀，在流動成形時，尤其在流動開始時，扇狀不連續強化纖維集合體(A)係以集合體單位開始流動，隨著流動而兩端部成為起點，扇狀不連續強化纖維集合體(A)邊被開纖及分纖邊容易流動，展現優異的流動性。端部之縱橫比/最窄部縱橫比較佳為兩端部皆1.8以上且小於50，更佳為2以上且小於50。
於此，在本發明中為了得到強化纖維複合 材料而使用的強化纖維係沒有特別的限定，可使用碳纖維、玻璃纖維、芳香族聚醯胺纖維等，由於以高強度為目標，較佳為包含碳纖維。作為碳纖維，並沒有特別的限定，但可使用高強度、高彈性模數碳纖維，此等係可併用1種或2種以上。其中，可舉出聚丙烯腈(PAN)系、瀝青系、嫘縈系等之碳纖維。從所得之成形品的強度與彈性模數之平衡的觀點來看，較佳為PAN系碳纖維。碳纖維的密度較佳為1.65~1.95g/cm3，更佳為1.7~1.85g/cm3。密度過大者係所得之碳纖維複合材料的輕量性能差，過小者係所得之碳纖維複合材料的機械特性有變低之情況。
又，為了得到本發明之強化纖維複合材料而使用的強化纖維，從生產性之觀點來看，較佳為單絲經收束的強化纖維股束，強化纖維股束中的單絲數多者為佳。成為強化纖維股束時的單絲數係可以1,000~100,000條之範圍內使用，特佳為以10,000~70,000條之範圍內使用。強化纖維係可按照需要對強化纖維股束使用股束分纖用縱切機(slitter)等，分割成所欲的股束數，將所分割的分纖強化纖維股束切割成指定的長度而使用。由於將股束分纖成所欲的股束數，與未處理的股束比較下，成為強化纖維複合材料時的均勻性升高，機械特性優異，故為可例示作為較佳例。
強化纖維的單絲彎曲剛性較佳在1×10-11~3.5×10-11Pa．m4之範圍內，更佳為2×10-11~3×10-11Pa．m4。由於單絲彎曲剛性為上述範圍內，在製造後述的 強化纖維集不織布片之步驟中，可使所得之強化纖維集不織布片的品質安定。
又，為了得到強化纖維複合材料而使用的強化纖維股束，以提高與基質樹脂的接著性等為目的，較佳為進行表面處理。作為表面處理之方法，有電解處理、臭氧處理、紫外線處理等。又，以防止強化纖維股束的起毛，或提高強化纖維股束的收束性，或提高與基質樹脂的接著性等為目的，亦可給予上漿劑。作為上漿劑，並沒有特別的限定，可使用具有環氧基、胺基甲酸酯基、胺基、羧基等的官能基之化合物，此等係可併用1種或2種以上。
此處所謂的上漿處理，就是使經表面處理步驟與水洗步驟等所水潤濕的含水率20~80重量%左右之水潤濕強化纖維股束進行乾燥後，使附著含有上漿劑的液體(上漿液)之處理方法。
作為上漿劑之給予手段，並沒有特別的限定，例如有藉由輥浸漬於上漿液中之方法，使接觸附著有上漿液的輥之方法，使上漿液成為霧狀而噴吹之方法等。又，可為分批式、連續式之任一種，但較佳為生產性良好且可減小偏差的連續式。此時，較佳為以上漿劑有效成分對於強化纖維股束的附著量在恰當範圍內均勻均附著之方式，控制上漿液濃度、溫度、絲條張力等。另外，於上漿劑給予時，更佳為以超音波使強化纖維股束振動。
乾燥溫度與乾燥時間係可按照化合物的 附著量來調整，但從一方面縮短上漿劑之給予中所用的溶劑之完全去除、乾燥所需要的時間，一方面防止上漿劑的熱降解，防止強化纖維股束變硬而束的擴展性惡化之觀點來看，乾燥溫度較佳為150℃以上350℃以下，更佳為180℃以上250℃以下。
相對於僅強化纖維股束之質量，上漿劑附著量較佳為0.01質量%以上10質量%以下，更佳為0.05質量%以上5質量%以下，尤佳為0.1質量%以上5質量%以下。0.01質量%以下時難以出現接著性提高效果。10質量%以上時，會使成形品的物性降低。
於本發明中，作為用於強化纖維複合材料的基質樹脂，使用熱塑性樹脂或/及熱硬化性樹脂。作為熱塑性樹脂，並沒有特別的限制，可在不使成形品的機械特性大幅降低之範圍內適宜選擇。若例示的話，可使用聚乙烯樹脂、聚丙烯樹脂等之聚烯烴系樹脂、尼龍6樹脂、尼龍6,6樹脂等之聚醯胺系樹脂、聚對苯二甲酸乙二酯樹脂、聚對苯二甲酸丁二酯樹脂等之聚酯系樹脂、聚苯硫樹脂、聚醚酮樹脂、聚醚碸樹脂、芳香族聚醯胺樹脂等。其中，較佳為由聚醯胺樹脂、聚丙烯樹脂、聚苯硫樹脂之任一者所構成。
作為熱硬化性樹脂，並沒有特別的限制，可在不使成形品的機械特性大幅降低之範圍內適宜選擇。若例示的話，可使用環氧樹脂、不飽和聚酯樹脂、乙烯酯樹脂、酚樹脂、環氧丙烯酸酯樹脂、胺基甲酸酯丙烯酸酯樹脂、苯氧樹脂、醇酸樹脂、胺基甲酸酯樹脂、 馬來醯亞胺樹脂、氰酸酯樹脂等。其中，較佳為由環氧樹脂、不飽和聚酯樹脂、乙烯酯樹脂、酚樹脂之任一者或此等的混合物所構成。用於熱硬化性樹脂之混合物時，較佳為所混合的熱硬化性樹脂彼此具有相溶性、或親和性高者。
本發明所用之熱硬化性樹脂的黏度係沒有特別的限制，但常溫(25℃)的樹脂黏度較佳為100~100000mPa．s。
於本發明所使用的基質樹脂中，只要是可達成本發明目的之範圍，亦可按照其用途，於熱塑性樹脂或/及熱硬化性樹脂中，添加各種的添加劑。例如，可添加雲母、滑石、高嶺土、水滑石、絹雲母、膨潤土、硬矽鈣石、海泡石、綠土、蒙脫石、矽鈣石、矽石、碳酸鈣、玻璃珠、玻璃碎片、玻璃微氣球、黏土、二硫化鉬、氧化鈦、氧化鋅、氧化銻、聚磷酸鈣、石墨、硫酸鋇、硫酸鎂、硼酸鋅、硼酸亞鈣、硼酸鋁晶鬚、鈦酸鉀晶鬚及高分子化合物等之填充材；金屬系、金屬氧化物系、碳黑及石墨粉末等導電性賦予材；溴化樹脂等之鹵素系難燃劑；三氧化銻或五氧化銻等之銻系難燃劑；聚磷酸銨、芳香族磷酸酯及紅磷等之磷系難燃劑；有機硼酸金屬鹽、羧酸金屬鹽及芳香族磺醯亞胺金屬鹽等之有機酸金屬鹽系難燃劑；硼酸鋅、鋅、氧化鋅及鋯化合物等之無機系難燃劑；三聚氰酸、異三聚氰酸、三聚氰胺、三聚氰胺三聚氰酸酯、三聚氰胺磷酸酯及氮化胍等之氮系難燃劑；PTFE等之氟系難燃劑；聚有機矽氧烷 等之聚矽氧系難燃劑；氫氧化鋁或氫氧化鎂等之金屬氫氧化物系難燃劑；以及其他的難燃劑；氧化鎘、氧化鋅、氧化亞銅、氧化銅、氧化亞鐵、氧化鐵、氧化鈷、氧化錳、氧化鉬、氧化錫及氧化鈦等之難燃助劑；顏料、染料、滑劑、脫模劑、相溶化劑、分散劑、雲母、滑石及高嶺土等之結晶核劑；磷酸酯等之可塑劑；熱安定劑、抗氧化劑、防著色劑、紫外線吸收劑、流動性改質劑、發泡劑、抗菌劑、減振劑、防臭劑、滑動性改質劑及聚醚酯醯胺等之抗靜電劑等。
又，使用熱硬化性樹脂作為基質樹脂時，只要是本發明之目的可達成之範圍，則可含有前述的熱塑性樹脂、其他的低收縮化劑等之添加物。
作為得到不連續強化纖維片之步驟，只要是本發明之目的可達成之範圍，則沒有特別的限制。例如，如第3圖中所示，例示具有搬送強化纖維股束33之搬送輥31、31、將強化纖維股束切割成指定的尺寸之刀具32與刀具用台36、對至少單側端部進行擴幅及/或分纖的端部處理之空氣頭34、端部擴幅及/或分纖用壁35、將不連續強化纖維累積到片狀之輸送帶37作為較佳一例。
此處，搬送輥31只要是本發明之目的可達成之範圍，則沒有特別的限制，可例示以輥間夾住及搬送之機構。此時可例示將單側輥設為金屬輥，將另一側的輥設為橡膠輥者當作較佳例。強化纖維股束往後述的刀具32搬送之角度，只要不妨礙本發明之課題，則沒有特別的限制，可將搬送強化纖維股束的方向設為0°方向 ，使切割用的刀刃之方向具有90°以外的角度。具有90°以外的角度時，可例示2°~30°的角度當作較佳例。由於以具有90°以外的角度被切割，股束端部的端面之強化纖維表面積係增加，由於與後述的強化纖維集合體端部之擴幅及分纖組合，而進一步的相乘效果，故集中於不連續強化纖維集合體之端部的應力係被緩和，由於展現強化纖維複合材料的強度，可例示作為較佳例。
作為刀具32，只要不妨礙本發明之課題，則沒有特別的限制，可例示斷頭台刀刃式或旋轉刀具式。如前述，相對於搬送強化纖維股束之方向，切割用的刀刃之方向係沒有特別的限制，可使與搬送前述強化纖維股束的機構同樣地具有角度，於旋轉刀具式中，可以螺旋狀排列刀刃。
又，為了使強度與流動性平衡良好地並存，不連續強化纖維之數平均纖維長度較佳為5mm以上且小於100mm。數平均纖維長度若小於5mm，則將不連續強化纖維端部予以擴幅時，纖維間的交絡係容易鬆開，強化纖維會充分地分散，與纖維間的接點數增加有關聯，或與流動性惡化有關聯。數平均纖維長度若為100mm以上，則強化纖維的纖維間之接點數增加，與流動性惡化有關聯。
空氣頭34只要是本發明之目的可達成之範圍，則沒有特別的限制，較佳為於切割所送出的強化纖維股束之際，將空氣間歇地噴吹至單側端部或切割地方之機構。間歇地噴吹之空氣，只要不妨礙本發明之課 題，則沒有特別的限制，可例示0.01MPa~1MPa之壓力範圍。空氣的壓力若過弱，則不連續強化纖維集合體之端部係不充分擴幅及/或分纖，空氣的壓力若過強，則強化纖維間的交絡係容易鬆開，無法得到扇狀不連續強化纖維集合體(A)之形態。
端部擴幅及/或分纖用壁35只要是本發明之目的可達成之範圍，則沒有特別的限制，亦可具有振動機能，壁的形狀係可例示平板或圓柱、橢圓柱、波浪板等。作為確實地將不連續強化纖維集合體端部予以擴幅及/或分纖的較佳方法之一個，可例示於將所送出的強化纖維股束予以切割之際，使強化纖維股束前端部碰撞振動的壁後，更對於已碰撞壁的端部，間歇地噴吹空氣，而將端部擴幅及/或分纖之方法。此外，亦可例示將所送出的強化纖維股束切割成指定的尺寸之際，藉由端部分纖用縱切機等將端部予以物理地擴幅及/或分纖之方法等。
扇狀不連續強化纖維集合體(A)係可使兩端部擴幅及/或分纖。此時，除了前述方法，還可例示在切割強化纖維股束之前及/或與切割同時，用空氣或縱切機等將切割部予以部分地擴幅及/或分纖之方法。
作為將不連續強化纖維累積到片狀之輸送帶37，只要不妨礙本發明之課題，則沒有特別的限制，可例示落下至在XY平面上自由行進的金屬線上之方法。此處，於金屬線下設置抽吸箱，抽吸使股束端部擴幅及分纖時所使用的空氣或散布所切割之不連續強化纖維 時所使用的空氣，亦可降低片之體積。又，代替在XY平面上自由行進的金屬線上，亦可例示使刀具32與空氣頭34經一體化的複合機構在X方向(股束走行方向)中來回，使金屬線在Y方向(與股束走行方向呈正交的方向)中行進者作為一例。
於得到不連續強化纖維片時，不連續強化纖維片亦可僅由不連續強化纖維所構成，為了形態保持，亦可含有由熱塑性樹脂或/及熱硬化性樹脂所構成的結合材。用於結合材的熱塑性樹脂或/及熱硬化性樹脂較佳為使用與用於強化纖維複合材料的基質樹脂相同的樹脂、或與基質樹脂有相溶性的樹脂、與基質樹脂的接著性高之樹脂。
於本發明中，於使不連續強化纖維片含浸基質樹脂時，可製作含有結合材的不連續強化纖維片，將不連續強化纖維片中所含有的結合材之樹脂直接使用作為基質樹脂，也可作成不含結合材的不連續強化纖維片，於製造強化纖維複合材料的任意階段中含浸基質樹脂。又，即使為使用含有結合材的不連續強化纖維片時，亦可在製造強化纖維複合材料的任意階段中含浸基質樹脂。
於製造強化纖維複合材料時，使如上述的不連續強化纖維片含浸基質樹脂，形成強化纖維複合材料之含浸步驟，只要是本發明之目的可達成的範圍，則沒有特別的限定，可使用一般者。
於基質樹脂中使用熱塑性樹脂時，可使用 具有加熱機能的加壓機來實施樹脂含浸。作為加壓機，只要是能實現基質樹脂之含浸時所需要的溫度、壓力者，則沒有特別的限制，可使用上下具有平面狀的壓台之通常的加壓機，或具有1對的循環鋼帶行進機構之所謂的雙帶加壓機。於該含浸步驟中，亦可採用使基質樹脂成為薄膜、不織布、織物等之片狀後，與不連續強化纖維片積層，於該狀態下使用上述加壓機等，使基質樹脂成為一體，進行熔融．含浸者，或將不連續強化纖維片與基質樹脂預先一體化的片狀者予以積層，進行熔融．含浸者，於不連續強化纖維片與基質樹脂預先一體化的片狀者上，更積層使基質樹脂成為薄膜、不織布、織物等之片狀者，而進行熔融．含浸之方法。
於基質樹脂中使用熱硬化性樹脂時，只要是能實現基質樹脂之含浸時所需要的溫度、壓力者，則沒有特別的限制，可使用上下具有平面狀的壓台之通常的加壓機，或具有1對的循環鋼帶行進機構之所謂的雙帶加壓機，或以上下輥夾入之加壓輥等。於該含浸步驟中，可例示使基質樹脂在脫模薄膜上成為片狀後，以基質樹脂片夾入不連續強化纖維片，加壓、含浸之方法。此時，為了更確實地進行含浸，減壓至真空，抽掉片內部的空氣後，進行加壓之方法係可例示作為較佳例之一個。
又，於本發明中，只要不妨礙本發明之課題，則在不連續強化纖維片中，亦可與連續強化纖維片或不連續強化纖維片成為夾芯構造，而作為強化纖維複合材料。夾芯構造係可在表層與芯層任一者中使用不連 續強化纖維片，由於在表層中使用連續強化纖維片，在芯層中使用不連續強化纖維片，而在成為強化纖維複合材料時，機械特性或表面品質優異，故可例示作為較佳一例。此處，用於連續強化纖維片或不連續強化纖維片的強化纖維，係沒有特別的限定，例如可使用碳纖維、玻璃纖維、芳香族聚醯胺纖維、氧化鋁纖維、碳化矽纖維、硼纖維、金屬纖維、天然纖維、礦物纖維等，此等係可併用1種或2種以上。連續強化纖維片之強化纖維形態，只要不妨礙本發明之課題，則可使用一般者。例如，可例示在單向中強化纖維配向之單向強化纖維片及將單向強化纖維片在多方向中積層之強化纖維積層片、織有強化纖維的織物強化纖維片等。不連續強化纖維片之強化纖維形態，只要不妨礙本發明之課題，則可使用一般者。例如，可例示將股束切割成指定的長度，使用經散布的短切股束片、梳理裝置或氣流成網裝置所製造之乾式不連續強化纖維片、使用抄紙裝置所製造之濕式不連續強化纖維片等。
接著，說明本發明之實施例、比較例。首先，說明實施例、比較例所用的特性、測定方法。
(1)不連續強化纖維集合體的寬度之測定
自強化纖維複合材料切出100mm×100mm的樣品，將所切出的樣品在經加熱到550℃的電爐中加熱1至2小時左右，而燒掉基質樹脂等的有機物。自燒掉後的樣品取出不連續強化纖維片，使用鑷子等，自不連續強化纖維片中以集合體單位皆形狀不崩壞的方式謹慎地取出不連 續強化纖維，自不連續強化纖維片中以鑷子抽出全部的不連續強化纖維集合體。將所抽出的全部之不連續強化纖維集合體，放置在平坦的台上，使用能測定到0.1mm為止的游標卡尺，測定不連續強化纖維集合體的兩端部之寬度及將不連續強化纖維集合體投影在2次元平面上時的對於長度方向呈正交的該不連續強化纖維集合體寬度為最狹窄的地方(最窄部)之寬度。此時，為了更正確地測定寬度，亦可將不連續強化纖維的集合體放置在平坦的台上，使用數位顯微鏡(KEYENCE公司製)，測定投影在2次元平面上時的纖維集合體之寬度。將所得之最窄部及兩端部的寬度記載於記錄用紙上。對於最窄部的束寬小於0.1mm之不連續強化纖維，整理選出作為經開纖到單絲水準為止的不連續強化纖維(B)。
此時，寬度與厚度之判斷係將不連續強化纖維集合體端部的纖維方向剖面之長邊當作寬度，將短邊當作厚度，當以具有角度θ來切割不連續強化纖維集合體端部時，如第4圖中所示，成為相對於將不連續強化纖維集合體投影在2次元平面上時的長度方向呈正交方向之寬度。於圖示例中，符號2表示扇狀不連續強化纖維集合體的最窄部，M1表示具有角度來切割股束時的經擴幅．分纖的扇狀不連續強化纖維集合體端部41之寬度。
自強化纖維複合材料不順利地取出不連續強化纖維片時，可不含浸基質樹脂，自不連續強化纖維片來同樣地測定。
(2)不連續強化纖維集合體的厚度之測定
對於已測定前述端部及最窄部的寬度之不連續強化纖維集合體全部，對於其端部及最窄部，使用測微計測定不連續強化纖維集合體的厚度。此時，以集合體形狀不崩壞的方式謹慎地取出不連續強化纖維，如第5圖中所示，以端部的端點間之中點成為測微計的壓頭之中心的方式，用鑷子調整位置，測定不連續強化纖維集合體之端部厚度。其次，對於不連續強化纖維集合體的最窄部，亦同樣地以最窄部間之中點成為測微計的壓頭之中心的方式，調整位置，測定最窄部的厚度。測定端部經比測微計的壓頭直徑寬2倍以上的分纖及擴幅之不連續強化纖維集合體時，測定端部之兩端點及中點的厚度3點，使用其平均值。即，於第5圖所示的例中，符號51表示最窄部2的厚度測定點，符號52表示作為端部的厚度測定點之端點間的中點，其符號52與符號53各自表示端部寬度為測微計的壓頭直徑之2倍以上大時的端部厚度測定點。與前述寬度同樣地，將所得之兩端部及最窄部的厚度記載於記錄用紙上。對於端部的厚度測定為困難之不連續強化纖維集合體，可進行最窄部的厚度測定，自最窄部的厚度與寬度、端部的寬度之比，使用下述式算出端部的厚度。
端部厚度=最窄部厚度×最窄部寬度/端部寬度
(3)扇狀不連續強化纖維集合體(A)之判定及重量比例之測定方法
自如上述所得之不連續強化纖維集合體的寬度與厚度，使用下述式，相對於不連續強化纖維集合體，算出 全部的最窄部之縱橫比及端部之縱橫比。
最窄部之縱橫比=最窄部的寬度/最窄部的厚度
端部之縱橫比=端部的寬度/端部的厚度
自所算出的縱橫比，將不連續強化纖維集合體分類為至少單側端部之縱橫比相對於最窄部之縱橫比成為1.5倍以上之扇狀不連續強化纖維集合體(A)與其以外之非扇狀不連續強化纖維集合體(C)。分類後，使用能測定到1/10000g為止的天平，測定扇狀不連續強化纖維集合體(A)之總重量及非扇狀不連續強化纖維集合體(C)、經開纖到單絲水準為止的不連續強化纖維(B)之總重量。測定後，使用下述式來算出扇狀不連續強化纖維集合體(A)佔全部不連續強化纖維重量之重量比例。
扇狀不連續強化纖維集合體(A)之比例=扇狀不連續強化纖維集合體(A)總重量/(扇狀不連續強化纖維集合體(A)總重量+非扇狀不連續強化纖維集合體(C)總重量+經開纖到單絲水準為止的不連續強化纖維(B)總重量)
此時，於扇狀不連續強化纖維集合體(A)之中，同樣地測定至少單側端部之縱橫比相對於最窄部之縱橫比為1.8倍以上之扇狀不連續強化纖維集合體(A-2)、2.0倍以上之扇狀不連續強化纖維集合體(A-3)、及兩端部之縱橫比相對於最窄部之縱橫比成為1.5倍以上之兩端扇狀不連續強化纖維集合體(A-4)的總重量，與上述扇狀不連續強化纖維集合體(A)同樣地算出A-2~A-4佔全部不連續纖維重量之重量比例。
(4)擴幅角度之算出
自上述扇狀不連續強化纖維集合體(A)之端部寬度與最窄部寬度，使用下述式，算出每扇狀不連續強化纖維集合體(A)之端部擴幅角度。
擴幅角度=tan-1{(單側端部的寬度-最窄部寬度)/2/單側端部與最窄部間距離}
於此，與前述A-2~A-4同樣地測定扇狀不連續強化纖維集合體(A)中之至少單側端部的擴幅角度為超過5°且小於90°的扇狀不連續強化纖維集合體(A-5)之總重量，算出佔全部不連續纖維重量之重量比例。
(5)Vf(強化纖維複合材料中的強化纖維之含有率(%))
自強化纖維複合材料切出約2g的樣品，測定其質量。然後，將樣品在經加熱到500~600℃電爐中加熱1至2小時左右，而燒掉基質樹脂等的有機物。冷卻至室溫為止後，測定殘留的不連續強化纖維之質量。測定不連續強化纖維之質量相對於燒掉基質樹脂等的有機物之前的樣品之質量的比率，當作強化纖維之含有率(%)。
(6)彎曲強度、彎曲彈性模數、CV值、各向同性
依據JIS-K7171，測定彎曲強度、彎曲彈性模數。關於彎曲強度，亦算出彎曲強度的CV值(變動係數[%])。將彎曲強度的CV值小於10%判定為彎曲強度的偏差小且良好(○)，將10%以上判定為彎曲強度的偏差大且不良(×)。
進行彎曲試驗的樣品係對於2次元平面的 任意方向(0°方向)與0°方向，對於90°方向，進行測定，將0°方向的平均值/90°方向的平均值在1.3~0.77之範圍內時判定為各向同性(○)，將其以外判定為各向異性(×)。
(7)流動性之評價
<基質樹脂為熱塑性樹脂時>
將1片的尺寸100mm×100mm×2mmt(厚度)之不連續強化纖維複合材料配置在經升溫至熱塑性樹脂的熔點+40℃的壓盤，對於尺寸100mm×100mm，以10MPa加壓300秒，然後於經加壓的狀態下冷卻至熱塑性樹脂的固化溫度-50℃為止，取出樣品。測定此加壓後的面積A2與加壓前之片的面積A1，將A2/A1/2mmt當作流動性(%/mm)。
<基質樹脂為熱硬化性樹脂時>
將1片的尺寸100mm×100mm×2mmt(厚度)且基質樹脂未硬化的不連續強化纖維複合材料前驅物配置於壓盤，該壓盤已升溫至自基質樹脂的流動開始到硬化為止硬化時間在300~400秒之範圍內的溫度，對於尺寸100mm×100mm，以10MPa加壓600秒。測定此加壓後的面積A2與加壓前之片的面積A1，將A2/A1/2mmt當作流動性(%/mm)。
(8)數平均纖維長度測定方法
自不連續強化纖維複合材料切出100mm×100mm的樣品，然後將樣品在經加熱到500℃的電爐中加熱1~2小時左右，而燒掉基質樹脂等的有機物。冷卻至室溫為止後，自殘留的不連續強化纖維片中隨意地用鑷子抽出400條的不連續強化纖維，用光學顯微鏡或掃描型電子顯 微鏡測定其長度到0.1mm單位為止，以數平均纖維長度=ΣLi/400來計算不連續強化纖維的數平均纖維長度。此處，Li係所測定的纖維長度。
[實施例]
首先，說明本發明之實施例、比較例所用的強化纖維、基質樹脂。
碳纖維股束(1)(於後述的表中簡稱碳纖維(1))：
使用纖維直徑7μm、拉伸彈性模數230GPa、纖絲數12,000條之連續碳纖維股束。
碳纖維股束(2)(於後述的表中簡稱碳纖維(2))：
使用纖維直徑7.2μm、拉伸彈性模數242GPa、纖絲數50,000條之連續碳纖維股束。
基質樹脂(1)：
使用尼龍樹脂(東麗(股)製，CM1001，商品名「Amilan」(註冊商標))。
基質樹脂(2)：
使用混合有100質量份的乙烯酯(VE)樹脂(DOW化學(股)製，「Derakan」(註冊商標)790)、1質量份的第三丁基過氧苯甲酸酯(日本油脂(股)製，「Perbutyl」(註冊商標)Z)、2質量份的硬脂酸鋅(堺化學工業(股)製，SZ-2000)、4質量份的氧化鎂(協和化學工業(股)製，MgO # 40)之樹脂。
實施例1：
使用如第3圖所示之裝置來作成不連續碳纖維片。對碳纖維股束(1)之前端部，間歇地噴吹0.4MPa的空氣壓力 0.2秒，而使單側端部擴幅及分纖後，以成為纖維長度20mm的方式，用刀具切斷，連續地生產扇狀不連續碳纖維集合體，使堆積於輸送帶上，得到單位面積重量100g/m2之不連續碳纖維片。所得之不連續碳纖維片係含有扇狀不連續碳纖維集合體的不連續碳纖維片。其次，使用薄膜製膜機，作成由基質樹脂(1)所構成之單位面積重量100g/m2的基質樹脂薄膜，以所得之碳纖維複合材料平板成為厚度2mm、Vf=40%之方式，積層所得之不連續碳纖維片與基質樹脂薄膜，於經升溫至260℃的加壓機之平板模具內預熱300秒，邊施加5MPa的壓力邊加壓300秒，於加壓狀態下冷卻至50℃為止，得到厚度2mm的碳纖維複合材料之平板。所得之碳纖維複合材料中的碳纖維含量為Vf=40%。所得之平板沒有翹曲，自碳纖維複合材測定0°與90°方向的彎曲強度，結果0°與90°方向的彎曲強度之平均值為520MPa，各方向的彎曲強度之CV值小於5%，且對於彎曲強度及彎曲彈性模數，0°方向的平均值/90°方向的平均值係在1.3~0.77之範圍內的2次元各向同性。
其次，自所得之碳纖維複合材料平板切出100mm×100mm的樣品，將所切出的樣品在經加熱到550℃的電爐中加熱2小時，而燒掉基質樹脂，取出不連續碳纖維片。自所取的出的不連續碳纖維片，使用鑷子，取出不連續碳纖維片中的不連續碳纖維集合體全部，測定寬度、厚度，測定扇狀不連續碳纖維集合體(A)、扇狀不連續碳纖維集合體(A-2)、扇狀不連續碳纖維集合體 (A-3)及兩端扇狀不連續碳纖維集合體(A-4)佔不連續碳纖維片之重量比例。此時，不連續碳纖維片中的扇狀不連續碳纖維集合體(A)之重量比例為13重量%，扇狀不連續碳纖維集合體(A-2)為12重量%，扇狀不連續碳纖維集合體(A-3)為12重量%，及兩端扇狀不連續碳纖維集合體(A-4)為1重量%。
再者，自碳纖維複合材料平板切出100mm×100mm的樣品，進行流動性之評價，結果流動率為150%/mm。表1中顯示條件、評價結果。
實施例2：
除了對股束前端部，間歇地噴吹0.25MPa的空氣壓力0.2秒，得到含有單側端部經擴幅及分纖的扇狀不連續碳纖維集合體之不連續碳纖維片以外，與實施例1同樣地製造碳纖維複合材料平板，實施評價。表1中顯示結果。
實施例3：
除了將切斷長度設為30mm，於切割前使股束端部碰撞以10Hz振動之壁，預先使端部預備擴幅及分纖後，對股束前端部，間歇地噴吹0.1MPa的空氣壓力0.1秒，得到含有單側端部經擴幅及分纖的扇狀不連續碳纖維集合體之不連續碳纖維片以外，與實施例1同樣地製造碳纖維複合材料平板，實施評價。表1中顯示結果。
實施例4：
除了於切割前使股束端部碰撞以10Hz振動之壁，預先使端部預備擴幅及分纖後，對股束端部，間歇地噴吹0.07MPa的空氣壓力0.1秒，得到含有單側端部經擴幅及 分纖的扇狀不連續碳纖維集合體之不連續碳纖維片以外，與實施例1同樣地製造碳纖維複合材料平板，實施評價。表1中顯示結果。
實施例5：
除了將切斷長度設為30mm，於切割前使股束前端部碰撞以10Hz振動之壁，預先使端部預備擴幅及分纖後，對股束前端部，間歇地噴吹0.1MPa的空氣壓力0.1秒，於切割後對另一側端部，間歇地噴吹0.1MPa的空氣壓力0.1秒，得到含有兩側端部經擴幅及分纖的兩端扇狀不連續碳纖維集合體之不連續碳纖維片以外，與實施例1同樣地製造碳纖維複合材料平板，實施評價。表1中顯示結果。
實施例6：
除了將切斷長度設為30mm，於切割前使股束前端部碰撞以10Hz振動之壁，預先使端部預備擴幅及分纖後，對股束前端部，間歇地噴吹0.07MPa的空氣壓力0.1秒，於切割後對另一側端部，間歇地噴吹0.07MPa的空氣壓力0.1秒，得到含有兩側端部經擴幅及分纖的兩端扇狀不連續碳纖維集合體之不連續碳纖維片以外，與實施例1同樣地製造碳纖維複合材料平板，實施評價。表1中顯示結果。
實施例7：
除了使股束前端部碰撞以5Hz振動之壁，預先使端部預備擴幅及分纖後，對股束端部，間歇地噴吹0.1MPa的空氣壓力0.1秒，而使單側端部擴幅及分纖後，相對於刀刃，使搬送股束的角度成為15°，具有角度進行切割，得到含有扇狀不連續碳纖維集合體之不連續碳纖維片以外 ，與實施例1同樣地製造碳纖維複合材料平板，實施評價。表1中顯示結果。
實施例8：
對股束前端部，間歇地噴吹0.2MPa的空氣壓力0.1秒，而得到含有單側端部經擴幅及分纖的扇狀不連續碳纖維集合體之不連續碳纖維片。其次，使用刮板，將基質樹脂(2)糊塗布於聚丙烯製的脫模薄膜上，以相對於不連續碳纖維片而言所得之碳纖維複合材料中的碳纖維含量成為Vf=40%之方式，調整薄膜的單位面積重量，作成基質樹脂(2)薄膜。以基質樹脂(2)薄膜夾入積層有所得之不連續碳纖維片的不連續碳纖維片積層體，使基質樹脂(2)含浸至不連續碳纖維片積層體內後，藉由40℃×24小時靜置，使基質樹脂(2)充分地增黏化，得到片狀之碳纖維複合材料前驅物。接著，除了於模具已升溫至135℃的加壓機之平板模具內，將裝料率(自上方觀看模具時，相對於模具面積，片狀的成形材料之面積的比例)設定在50%，邊施加5MPa的壓力邊加壓600秒，得到厚度2mm、Vf=40%的碳纖維複合材料之平板以外，與實施例1同樣，製造碳纖維複合材料平板，實施評價。表1中顯示結果。
實施例9：
除了使用碳纖維股束(2)，對股束前端部，間歇地噴吹0.2MPa的空氣壓力0.1秒，得到含有單側端部經擴幅及分纖的扇狀不連續碳纖維集合體之不連續碳纖維片以外，與實施例1同樣地製造碳纖維複合材料平板，實施評價。表1中顯示結果。
實施例10：
除了使用碳纖維股束(2)，使股束前端部碰撞以5Hz振動之壁，預先使端部預備擴幅及分纖後，對股束端部，間歇地噴吹0.1MPa的空氣壓力0.1秒，得到含有單側端部經擴幅及分纖的扇狀不連續碳纖維集合體之不連續碳纖維片以外，與實施例1同樣地製造碳纖維複合材料平板，實施評價。表1中顯示結果。
比較例1：
將碳纖維股束(1)直接切割成20mm的纖維長度，得到不連續碳纖維集合體之形態係對於長度方向(纖維長度方向)具有大致均勻的寬度及厚度之短切股束不連續碳纖維片。除了於所得之不連續碳纖維片上，以所得之碳纖維複合材料中之碳纖維含量成為Vf=40%之方式，積層由基質樹脂(1)所成的單位面積重量100g/m2之樹脂薄膜，於經升溫到260℃的加壓機之模具內預熱300秒，邊施加5MPa的壓力邊加壓300秒，於加壓狀態下冷卻至50℃為止，得到厚度2mm的碳纖維複合材料之平板以外，與實施例1同樣地製造碳纖維複合材料平板，實施評價。表2中顯示結果。所得之碳纖維複合材料係彎曲強度、彎曲彈性模數，CV值之偏差亦大，不是2次元各向同性。
比較例2：
以10Hz振動的振動棒，使碳纖維股束(1)振動擴幅，得到碳纖維股束寬度為15m之擴幅碳纖維股束(1)。除了對於所得之擴幅碳纖維束(1)，使用圓盤狀的分割刀刃，以0.5mm間隔縱切，將經縱切的碳纖維股束(1)切割成 15mm的纖維長度，而得到不連續碳纖維片以外，與實施例1同樣地製造碳纖維複合材料平板，實施評價。表2中顯示結果。所得之不連續碳纖維片，係由構成的不連續碳纖維之大部分對於長度方向(纖維長度方向)，具有大致均勻的寬度之在寬度方向中經分割的分割短切股束、至少單側端部經分割及擴幅但不滿足集合體形狀的短切股束所構成，所得之碳纖維複合材料係流動性差。
比較例3：
除了以10Hz振動的振動棒，使碳纖維股束(1)振動擴幅，將碳纖維股束寬度為11m的擴幅碳纖維股束(1)切割成20mm之纖維長度，得到不連續碳纖維片以外，與實施例1同樣地製造碳纖維複合材料平板，實施評價。表2中顯示結果。所得之碳纖維複合材料係流動性差。
比較例4：
除了使用碳纖維股束(2)以外，與比較例1同樣地製造碳纖維複合材料平板，實施評價。表2中顯示結果。
[產業上之可利用性]
本發明之強化纖維複合材料係可適用於習知技術所無法達成之要求高流動性與機械特性之並存、少的機械特性偏差之一切纖維強化成形品之製造。
1‧‧‧扇狀不連續強化纖維集合體(A)
2‧‧‧最窄部
3、4‧‧‧單側端部
5‧‧‧自(B)方向之投影圖
6‧‧‧自(C)方向之投影圖
M1、M2‧‧‧扇狀不連續強化纖維集合體(A)在2次元投影時之至少單側端部的寬度
m‧‧‧相對扇狀不連續強化纖維集合體(A)的長度方向中之最窄部的寬度
L1、L2‧‧‧自最窄部2到各端部為止之距離
H1、H2‧‧‧單側端部厚度
h‧‧‧最窄部厚度

Claims (11)

  1. 一種強化纖維複合材料，其特徵為包含至少含有不連續強化纖維集合體的不連續強化纖維與基質樹脂，當將該不連續強化纖維集合體予以2次元投影時，相對於對該不連續強化纖維的配向方向交叉之方向的該不連續強化纖維集合體之寬度為最狹窄的最窄部之縱橫比(m/h)，具有不連續強化纖維集合體之至少單側端部的縱橫比(不連續強化纖維集合體的寬度Mn/不連續強化纖維集合體的厚度Hn，於此，n表示不連續強化纖維集合體之任一方的端部之位置，n=1或2)成為1.5倍以上的扇狀部之扇狀不連續強化纖維集合體(A)，係在該不連續強化纖維中含有5重量%以上。
  2. 如請求項1之強化纖維複合材料，其中將該扇狀不連續強化纖維集合體(A)投影在2次元平面上時，至少單側端部係被分岔成2條以上。
  3. 如請求項1之強化纖維複合材料，其中該扇狀不連續強化纖維集合體(A)係至少單側端部之縱橫比超過30。
  4. 如請求項1至3中任一項之強化纖維複合材料，其中關於將該扇狀不連續強化纖維集合體(A)予以2次元投影時之至少單側端部的寬度與該扇狀不連續強化纖維集合體(A)之該最窄部的寬度，單側端部寬度/最窄部寬度係在1.5以上且小於50之範圍。
  5. 如請求項1之強化纖維複合材料，其中該扇狀不連續強化纖維集合體(A)之至少單側端部的厚度係與該扇狀不連續強化纖維集合體(A)之該最窄部的厚度有關，單 側端部厚度/最窄部厚度在0.01以上且小於0.9之範圍。
  6. 如請求項1之強化纖維複合材料，其中自將該扇狀不連續強化纖維集合體(A)予以2次元投影時之至少單側端部的寬度與該扇狀不連續強化纖維集合體(A)之該最窄部的寬度所算出的擴幅角度係在超過5°且小於90°之範圍；於此，擴幅角度=tan-1{(Mn-m)/2/Ln}(L表示自最窄部到單側端部為止之距離，n表示不連續強化纖維集合體的任一方之端部的位置，n=1或2)。
  7. 如請求項1之強化纖維複合材料，其中該不連續強化纖維之數平均纖維長度係在5mm以上且小於100mm之範圍。
  8. 如請求項1之強化纖維複合材料，其中該扇狀不連續強化纖維集合體(A)之2次元投影時的形狀係I、X、Y、V、N、M形狀及組合此等的形狀之任一者。
  9. 如請求項1之強化纖維複合材料，其中該扇狀不連續強化纖維集合體(A)的各端部之縱橫比與該最窄部之縱橫比的比(端部縱橫比/最窄部縱橫比)係兩端部皆在1.5以上且小於50之範圍。
  10. 如請求項1之強化纖維複合材料，其中相對於不連續強化纖維集合體之長度方向，該扇狀不連續強化纖維集合體(A)之端部係以具有2°~30°的角度θ被切割。
  11. 如請求項1至10中任一項之強化纖維複合材料，其中包含碳纖維作為該不連續強化纖維。
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