TW202130715A - 纖維強化複合材料及三明治結構體 - Google Patents

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Abstract

本發明之目的係得到以高水準兼具輕量性與力學特性之纖維強化複合材料。本發明係一種纖維強化複合材料，其具有： 包含樹脂(A)與強化纖維(B)，且具有面內配向部與面外配向部之纖維強化結構部，其中該面內配向部係強化纖維(B)之平均纖維配向角為0°以上45°以下，該面外配向部係強化纖維(B)之平均纖維配向角大於45°且為90°以下；以及 藉由該纖維強化結構部之前述面內配向部及前述面外配向部而區劃之空洞部。

Description

纖維強化複合材料及三明治結構體
本發明係關於兼具輕量性與力學特性之纖維強化複合材料。
使用熱硬化性樹脂、熱塑性樹脂作為基質並且與碳纖維、玻璃纖維等強化纖維組合之纖維強化複合材料由於在輕量的同時，強度、剛性等力學特性和阻燃性、耐蝕性優異，因此應用於航空・宇宙、汽車、鐵路車輛、船舶、土木建築、電子儀器、產業機械、及運動用品等眾多領域。另一方面，從燃費之改善和可攜性的觀點來看，以構件、殼體而言追求更進一步的輕量化，亦開發於內部形成空孔之多孔質的纖維強化複合材料。然而，這樣的多孔質的纖維強化複合材料有以輕量化為目的，空孔之比例愈大力學特性愈顯著降低之課題。因此，追求不僅使纖維強化複合材料輕量化，更兼具力學特性之技術。
作為兼具纖維強化複合材料之輕量化與力學特性之技術，專利文獻1揭示一種具有強化纖維、樹脂與空孔，並且具有用來補強之突出部的複合結構體。專利文獻2揭示一種由硬化樹脂與不織片所構成之剖面為鋸齒狀的核狀結構體。專利文獻3揭示一種由包含異徑剖面之碳纖維的紙所構成之結構體、與將其以剖面成為鋸齒狀的方式彎折之核狀結構體。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]國際公開第2018/117181號 [專利文獻2]日本特表2012-500864號公報 [專利文獻3]日本特表2013-511629號公報
[發明欲解決之課題]
專利文獻1係藉由增加微細的空孔之總量而達成輕量化之技術，有因應輕量化之力學特性大幅降低之課題。在此，雖然採取凸條和凸座等補強結構，但其為配置於複合結構體之表面的補強結構，需要特定的成形模具，或在薄型化方面具有課題。在專利文獻2及專利文獻3所記載之方法中，不控制空孔之徑、量而含浸樹脂，而且若採鋸齒狀的結構，則因彎曲方向之載重而鋸齒狀的結構易於開孔，以兼具輕量化與力學特性而言不充分。本發明之目的係提供兼具輕量性與力學特性之纖維強化複合材料。 [用以解決課題之手段]
用來解決該課題之本發明係一種纖維強化複合材料，其具有： 包含樹脂(A)與強化纖維(B)，且具有面內配向部與面外配向部之纖維強化結構部，其中該面內配向部係強化纖維(B)之平均纖維配向角為0°以上45°以下，該面外配向部係強化纖維(B)之平均纖維配向角大於45°且為90°以下；以及 藉由該纖維強化結構部之前述面內配向部及前述面外配向部而區劃之空洞部。 [發明之效果]
藉由本發明，可得到以高水準兼具輕量性與力學特性之纖維強化複合材料。
[用以實施發明的形態]
＜纖維強化複合材料＞ 本發明之纖維強化複合材料係由以下所構成： 包含樹脂(A)與強化纖維(B)，且具有面內配向部與面外配向部之纖維強化結構部，其中該面內配向部係強化纖維(B)之平均纖維配向角為0°以上45°以下，該面外配向部係強化纖維(B)之平均纖維配向角大於45°且為90°以下；以及 藉由該纖維強化結構部之前述面內配向部及前述面外配向部而區劃之空洞部。
以下一邊適當參照圖式一邊說明本發明之纖維強化複合材料，惟本發明不限定於此等圖式。然而，如本發明所屬技術領域中具有通常知識者可輕易理解，圖式所記載之實施形態之相關說明，以作為上位概念之本發明之纖維強化複合材料之相關說明而言亦可發揮機能。
圖1係將本發明之纖維強化複合材料之一種實施形態與纖維強化結構部之放大影像一同表示之示意圖。顯示藉由纖維強化結構部6而區劃之剖面(定義後述)為略三角形狀的空間之空洞部4。如放大影像所示，纖維強化結構部6包含樹脂(A)2與強化纖維(B)3。此外，在圖1之實施形態中，纖維強化結構部6亦包含微多孔5。
圖3係圖1之實施形態之纖維強化複合材料之垂直於空洞部之延伸方向的剖面之剖面示意圖。又，圖2係將區劃空洞部之纖維強化結構部之一種實施形態放大之示意圖。此外，在本說明書中，以下未特別說明之情形，纖維強化複合材料之「剖面」係指垂直於空洞部之延伸方向的剖面。亦即，本發明之纖維強化複合材料之空洞部係延伸而存在。
在纖維強化複合材料之剖面中，可觀察到空洞部之開口部、與包圍該開口部之纖維強化結構部。亦即，空洞部係作為被纖維強化結構部所包圍之隧道狀的空間而存在。
空洞部係以剖面開口部之最大長度之平均值大於500μm為較佳。在此，剖面開口部之最大長度係在纖維強化複合材料之剖面中的開口部內可畫直線的最大長度。若開口部之最大長度之平均值大於500μm，則可得到大幅度的輕量化之效果。空洞部之剖面開口部之最大長度之平均值係以1000μm以上10000μm以下為較佳，1500μm以上6500μm以下為更佳，2500μm以上4500μm以下為進一步較佳。
在圖3所示之實施形態中，在剖面中，空洞部之開口部係圖示為藉由纖維強化結構部包圍三邊而成之略三角形狀。又，在圖13所示之實施形態中，在剖面中，空洞部之開口部係圖示為藉由纖維強化結構部而構成三邊之略梯形狀。
如上述，本發明之空洞部係被纖維強化結構部所包圍者，但即使上述的開口部係藉由纖維強化結構部而構成三邊之略梯形狀的空洞部(即一邊未包圍之空洞部)，如後述，在纖維強化結構部具有平均纖維配向角為0°以上45°以下的面內配向部、與平均纖維配向角大於45°且為90°以下的面外配向部之情形下，亦當作本發明之空洞部。本發明之空洞部係以被纖維強化結構部所包圍者為較佳。
空洞部之剖面開口部之形狀並未特別限定，而以略多角形狀或略橢圓形狀(包含略圓形狀)為較佳，略三角形狀或略圓形狀為更佳。
在本發明中，纖維強化結構部具有強化纖維(B)之纖維配向(即平均纖維配向角)不同的面內配向部與面外配向部，空洞部係藉由該面內配向部與面外配向部而區劃。
在此，平均纖維配向角係當在纖維強化複合材料之剖面中，於面內方向假設一基準線(0°)，並著眼於與該基準線交差之強化纖維時，為該基準線與該強化纖維所成之銳角之算術平均值。
具有纖維強化結構部之部分為面內配向部或面外配向部之判定方法係如以下。如圖2所示，首先求出在剖面中觀察之纖維強化複合材料之厚度7之算術平均值，將纖維強化結構部分割為以該厚度7之算術平均值之1/5的長度作為1邊之正方形狀的方格。以下，將如此分割之纖維強化結構部之剖面稱為「分割剖面」。然後，在每一分割剖面，一邊使上述基準線朝厚度方向移動一邊測定平均纖維配向角，將具有平均纖維配向角為0°以上45°以下的分割剖面之部分設為面內配向部，將具有大於45°且為90°以下的分割剖面之部分設為面外配向部。
例如在圖2中，若針對如上述般分割之1個纖維強化結構部之分割剖面6A而舉例，則針對該分割剖面而求出平均纖維配向角，決定該分割剖面為面內配向部或面外配向部。
在本發明之纖維強化複合材料中，空洞部係藉由如上述般識別之面內配向部及面外配向部而區劃之空間。換言之，空洞部係面對1個以上的面內配向部及1個以上的面外配向部。空洞部係較佳為藉由平均纖維配向角為0°以上30°以下的面內配向部而區劃，更佳為藉由0°以上15°以下的面內配向部而區劃。又，空洞部係較佳為藉由平均纖維配向角為60°以上90°以下的面外配向部而區劃，更佳為藉由75°以上90°以下的面外配向部而區劃。
再者，空洞部係較佳為藉由平均纖維配向角為0°以上30°以下的面內配向部及平均纖維配向角60°以上90°以下的面外配向部而區劃，更佳為藉由平均纖維配向角為0°以上15°以下的面內配向部及75°以上90°以下的面外配向部而區劃。再者，空洞部係較佳為僅藉由平均纖維配向角為0°以上30°以下的面內配向部及平均纖維配向角60°以上90°以下的面外配向部而區劃，更佳為僅藉由平均纖維配向角為0°以上15°以下的面內配向部及75°以上90°以下的面外配向部而區劃。藉由具有該結構，可提高強化纖維(B)所致之空洞部之補強效果。
再者，藉由求出纖維強化結構部之分割剖面6A之剖面積，可知面內配向部及面外配向部之剖面積。針對觀察影像中全部的分割剖面進行同樣的判定與剖面積之測定，藉由分別求出面內配向部與面外配向部之和，可求出纖維強化複合材料之觀察影像所佔之面內配向部之剖面積、與面外配向部之剖面積。在本發明之纖維強化複合材料之剖面中，纖維強化結構部之面外配向部之剖面積係以面內配向部之剖面積之0.5倍以上10倍以下為較佳，0.6倍以上2倍以下為更佳，0.6倍以上0.8倍以下為進一步較佳。藉由設為該範圍，可對面內方向與面外方向兩者得到補強效果，兼具空洞部所致之輕量化與空孔之變形抑制，變得能以高水準兼具輕量化與力學特性降低之抑制，因而較佳。
在本發明中，構成纖維強化結構部之基質的樹脂(A)可為熱塑性樹脂亦可為熱硬化性樹脂，而以熱塑性樹脂為較佳。當將樹脂(A)設為熱硬化性樹脂時，雖然耐熱性優異，但若在使用後述的預浸漬物之製造方法中樹脂(A)硬化，則有不佳之情形。預浸漬物包含樹脂(A)、與薄片狀的強化纖維(B)之強化纖維基材(B’)，但若樹脂(A)硬化，則有預浸漬物之強化纖維基材(B’)之折疊結構之復原力未顯現之情形。藉由將樹脂(A)設為熱塑性樹脂，加熱成形中的樹脂(A)之熔融、軟化能夠安定地進行，可得到輕量性優異的纖維強化複合材料，因而較佳。
作為熱塑性樹脂，例如可列舉：聚對苯二甲酸乙二酯、聚對苯二甲酸丁二酯等聚酯系樹脂、聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、改性聚丙烯等聚烯烴、聚甲醛、聚醯胺6、聚醯胺66等聚醯胺、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、聚苯硫醚等聚伸芳基硫醚、聚苯醚、改性聚苯醚、聚醯亞胺、聚醯胺醯亞胺、聚醚醯亞胺、聚碸、改性聚碸、聚醚碸、聚酮、聚醚酮、聚醚醚酮、聚醚酮酮等聚伸芳基醚酮、聚芳酯、聚醚腈、苯氧基樹脂等。又，此等熱塑性樹脂可為共聚物、改性物、及/或摻合2種以上而成之樹脂等。
此等之中，從成形加工性與耐熱性、力學特性之平衡來看，熱塑性樹脂係以選自包含聚烯烴、聚碳酸酯、聚酯、聚伸芳基硫醚、聚醯胺、聚甲醛、聚醚醯亞胺、聚醚碸、聚伸芳基醚酮之群組的至少1種為更佳，從生產性與成本的觀點來看，係以聚丙烯為進一步較佳。
樹脂(A)可進一步因應用途等而在未損及本發明之目的之範圍適當含有其它填充材、添加劑。例如可列舉：無機填充材、阻燃劑、導電性賦予劑、結晶成核劑、紫外線吸收劑、抗氧化劑、制震劑、抗菌劑、防蟲劑、防臭劑、抗著色劑、熱安定劑、脫模劑、抗靜電劑、塑化劑、潤滑劑、著色劑、顏料、染料、發泡劑、消泡劑、偶合劑等。
使用作為樹脂(A)之熱塑性樹脂之熔點係以100℃以上400℃以下為較佳，120℃以上300℃以下為更佳，140℃以上250℃以下為進一步較佳。藉由設為該溫度範圍，變得可兼具成形為纖維強化複合材料之成形加工性與所得之纖維強化複合材料之耐熱性，因而較佳。又，作為使用作為樹脂(A)之熱塑性樹脂之玻璃轉移溫度，係以0℃以上250℃以下為較佳，50℃以上200℃以下為更佳，100℃以上160℃以下為進一步較佳。尤其當樹脂(A)為非晶性熱塑性樹脂時，藉由將熱塑性樹脂之玻璃轉移溫度設為該範圍，變得可兼具成形為纖維強化複合材料之成形加工性與所得之纖維強化複合材料之耐熱性，因而較佳。
強化纖維(B)可列舉：碳纖維、玻璃纖維、金屬纖維、芳香族聚醯胺纖維、聚芳醯胺纖維、氧化鋁纖維、碳化矽纖維、硼纖維、玄武岩纖維等。此等可單獨使用，亦可適當併用2種以上而使用。從輕量性與力學特性優異的觀點來看，此等之中又以強化纖維(B)為碳纖維為較佳。強化纖維(B)係以彈性係數200GPa以上為較佳。又，作為強化纖維，係以碳纖維為較佳，彈性係數200GPa以上的碳纖維為特佳。
在本發明中，強化纖維(B)係以非連續纖維為較佳，更具體而言係以數量平均纖維長度1mm以上50mm以下為較佳，數量平均纖維長度為3mm以上20mm以下為更佳，4mm以上10mm以下為進一步較佳。藉由設為該範圍，變得易於擴展強化纖維(B)間之間隔，變得易於控制微多孔之形成，因而較佳。又，在纖維強化結構部中，係以非連續纖維無規地分散為較佳。藉由非連續纖維無規地分散，樹脂(A)與強化纖維(B)之濃度不均小，可得到各向同性優異的纖維強化複合材料。
如圖1所示，纖維強化結構部6係以在包含強化纖維(B)3與作為基質之樹脂(A)2的同時，在樹脂(A)2中具有大量的微多孔5為較佳。此外，纖維強化結構部沒有必要在其全體具有微多孔，只要在存在強化纖維(B)之區域形成微多孔即可。例如如圖3所示，當不僅存在強化纖維(B)3之區域之內部，在存在強化纖維(B)3之區域之外部有僅包含樹脂(A)2之區域時，在本說明書中係將兩者(存在強化纖維(B)3之區域及僅包含樹脂(A)2之區域)統稱為纖維強化結構部，但後者之僅包含樹脂(A)2之區域可不形成微多孔。
如圖4所示，纖維強化結構部係以在藉由強化纖維(B)而構成之網絡之間含浸有樹脂(A)，且在前述強化纖維(B)間之樹脂(A)中具有微多孔為較佳。藉由作成該結構，在以多孔質體而言達成輕量化的同時，變得可發揮強化纖維(B)所致之補強效果。
纖維強化結構部係以具有藉由壓汞法而測定之平均細孔直徑為500μm以下的微多孔為較佳。平均細孔直徑係以200μm以下為較佳，10μm以上150μm以下為更佳，30μm以上100μm以下為進一步較佳。若平均細孔直徑過小則有輕量化效果不充分之情形，若過大則有力學特性降低之情形。
壓汞法係使用壓汞式孔隙儀而進行之細孔徑之測定方法，使汞以高壓注入樣品，可從施加之壓力與注入之汞之量求出細孔徑。平均細孔直徑係可從下述式(1)求出之值。 (平均細孔直徑)＝4×(細孔容積)/(比表面積)・・・式(1)。
又，在本發明中，纖維強化結構部之比重係以0.3g/cm3 以上0.8g/cm3 以下為較佳，0.4g/cm3 以上0.7g/cm3 以下為更佳。若小於該範圍則有力學特性降低之情形，若大於該範圍則有輕量化效果變得不充分之情形。在此之比重係僅切出纖維強化結構部之樣品之質量[g]除以從樣品形狀求出之體積[cm3 ]之值，係任意地抽出之5個樣品所測定之比重的算術平均值。
以纖維強化複合材料全體而言，比重係以0.001g/cm3 以上0.2g/cm3 以下為較佳，0.01g/cm3 以上0.15g/cm3 以下為更佳，0.01g/cm3 以上0.1g/cm3 以下為進一步較佳。若小於該範圍則有力學特性變得不充分之情形。若大於該範圍則有輕量化效果變得不充分之情形。當比重為0.1g/cm3 以下時，一般而言使力學特性顯現變得尤其困難，可有效率地發揮本發明之效果，因而較佳。在此之比重係樣品質量[g]除以從樣品形狀求出之體積[cm3 ]之值。
又，本發明之纖維強化複合材料係以將樹脂(A)設為100質量份時的強化纖維(B)為10質量份以上100質量份以下為較佳，強化纖維(B)為20質量份以上50質量份以下為更佳。若小於該範圍，則有強化纖維(B)所致之補強效果變得不充分之情形。若大於該範圍則有強化纖維(B)所致之輕量化效果變得不充分之情形。
纖維強化複合材料之厚度係以0.1mm以上5mm以下為較佳，0.6mm以上3mm以下為更佳。藉由設為該範圍，可有效率地發揮即使薄型亦輕量且力學特性優異的本發明之效果，因而較佳。尤其具有空孔之纖維強化複合材料，在如加壓步驟般使其它材料壓接之步驟中，有難以維持壓力的傾向。藉由控制空孔，兼具輕量性與力學特性之本發明之纖維強化複合化材料亦能夠理想地適用於這樣的壓接步驟，因而較佳。
再者，本發明之纖維強化複合材料係以具有在剖面中空洞部之開口部朝面內方向排列之結構為較佳，再者，也可以具有：將具有如此結構之層積層多層而成之積層結構。藉由具有該積層結構，可輕易得到厚型或有厚度偏差之成形品，因而較佳。又，更佳為具有：將開口部朝面內方向排列之層以各層為單位改變空洞部之延伸方向並同時積層之積層結構；進一步更佳為具有：以各層為單位使空洞部之延伸方向以呈正交的方式積層而成之積層結構。此時，在上述的本發明之纖維強化複合材料之相關說明中，使用空洞部之延伸方向而說明之內容應理解為以各層為單位之說明。作為積層數，係以2層以上50層以下為較佳，2層以上10層以下為更佳。
積層方法並無特別限制，可例示：將預浸漬物積層後加熱之方法；預先加熱，使成形之纖維強化複合材料積層之方法。積層時各層間之接合並無特別限制，可例示：利用接著劑之接合、熱熔接等。尤其如後述般膨脹力優異的本發明之纖維強化複合材料，在熱熔接時的加熱加壓程序中，空孔之保持能力亦優異，因而較佳。
＜三明治結構體＞ 本發明之纖維強化複合材料亦較佳為作成在其兩面配置包含其它纖維強化樹脂之表層的三明治結構體。較佳為表層係彈性係數比纖維強化複合材料更高的層。將表層接合之方法並無特別限制，可例示：利用接著劑之接合、熱熔接等。尤其後述的膨脹力優異的本發明之纖維強化複合材料和其積層體，在熱熔接時的加熱加壓程序中，空孔之保持能力亦優異，因而較佳。
作為表層之纖維強化樹脂所包含之強化纖維，可理想地使用與前述的強化纖維(B)同種者，從輕量性與力學特性、經濟性的觀點來看係以碳纖維為較佳。構成表層之纖維強化樹脂的強化纖維係以數量平均纖維長度100mm以上為較佳，150mm以上為較佳。強化纖維之長度之上限並無特別限制，強化纖維可連續遍及纖維配向方向之表層之全寬，亦可在中途間斷。此外，從三明治結構體之力學特性的觀點來看，係以連續的強化纖維朝一方向配列為較佳。又，從力學特性之各向同性的觀點來看，表層係以強化纖維朝一方向配列之纖維強化樹脂層具有一邊改變積層角度(即一邊改變各層之強化纖維之配列方向)一邊多層積層而成之結構為特佳。
又，表層之纖維強化樹脂所包含之樹脂係以熱硬化性樹脂為較佳。作為熱硬化性樹脂，例如有：不飽和聚酯樹脂、乙烯酯樹脂、環氧樹脂、苯酚樹脂、脲樹脂、三聚氰胺樹脂、熱硬化聚醯亞胺樹脂、氰酸酯樹脂、雙馬來醯亞胺樹脂、苯并㗁𠯤樹脂、或此等之共聚物、改性物、及摻合此等之至少2種而成之樹脂。作為熱硬化性樹脂，其中又以力學特性和耐熱性、與強化纖維之接著性優異的環氧樹脂為較佳。
＜纖維強化複合材料之製造方法＞ 作為一例，本發明之纖維強化複合材料係樹脂(A)含浸於薄片狀的強化纖維(B)之強化纖維基材(B’)而成之預浸漬物，強化纖維基材(B’)可藉由在預浸漬物中，將在具有折角為0°以上且小於90°的多個折痕之折疊狀態下存在之預浸漬物，加熱為樹脂(A)熔融或軟化之溫度以上並成形而製造。藉由強化纖維基材(B’)以0°以上且小於90°的折角所折疊，之後欲回到折疊前的結構而折痕將要伸展的復原力，即折角擴大之方向之力會被釋放，在預浸漬物成形為纖維強化複合材料之成形中，可得到預浸漬物之厚度方向之膨脹力。此外，預浸漬物中的強化纖維基材(B’)係經過該加熱、成形而成為纖維強化複合材料之纖維強化結構部中的強化纖維(B)。
以下針對這樣的預浸漬物進行說明。此外，本說明書中的折角係指觀看垂直於折痕之方向的剖面(以下在本說明書中除了特別說明之情形，預浸漬物之「剖面」係意指垂直於折痕之方向的剖面)時，如圖5所示，以強化纖維基材(B’)3之折痕31為中心之彎曲部所成之角度θ。強化纖維基材(B’)之折角係以0°以上75°以下為較佳，0°以上45°以下為更佳，0°以上15°以下為進一步較佳，1°以上5°以下為特佳。藉由設為該範圍，可提高成形為纖維強化複合材料之成形中的膨脹力，因而較佳。
強化纖維基材(B’)係以在剖面中，當將任意選擇之折痕設為第1折痕時，在依序將鄰接於該第1折痕之兩側的2個折痕計為第2折痕，將進一步鄰接於該第2折痕之外側的2個折痕計為第3折痕，將進一步鄰接於該第3折痕之外側的2個折痕計為第4折痕之情形下，以前述第1折痕與第n(n為4以上的整數)之2個折痕之中的至少一者接近之形態折疊為較佳。藉由如此折疊，折痕伸展時被折入接近的折痕間之區域係變得易於形成空間，變得易於形成空洞部。此外，在本說明書中，「接近」之用語係使用作為表示亦包含接觸之情形的概念之用語。又，以下在本說明書中，針對以這樣的形式接近的第1折痕與接近第1折痕的第n折痕，有簡稱為「接近的一對折痕」之情形。又，當強化纖維基材(B’)為略梯形狀時，對應於較短的底邊之兩端的一對折痕係對應「接近的一對折痕」。
又，此時，在剖面中，當將接近的一對折痕間之直線距離設為Lr，將接近的一對折痕間沿著強化纖維基材(B’)連結之距離設為Lf時，較佳係Lr/Lf為0.3以下且Lf為1mm以上200mm以下。Lr/Lf係以0.2以下為更佳，0.05以下為進一步較佳。Lf係以1mm以上100mm以下為更佳，2mm以上50mm以下為進一步較佳，3mm以上10mm以下為特佳。藉由設為該範圍，變得易於控制成形為纖維強化複合材料之成形中的空孔徑，因而較佳。
以下為了更容易理解，一邊參照具體圖示強化纖維基材(B’)之折疊狀態的圖式一邊說明強化纖維基材(B’)之折疊狀態。強化纖維基材(B’)之折疊狀態並未因此等圖式而有所限定。
圖6係為了說明一種實施形態中的在預浸漬物中之強化纖維基材(B’)之折疊狀態，僅取出強化纖維基材(B’)而圖示之立體示意圖。又，圖7係同實施形態之預浸漬物的剖面示意圖，圖8係進一步將其一部分放大之剖面示意圖。
在本實施形態中，強化纖維基材(B’)係採取在剖面中，當將任意選擇之折痕設為第1折痕時，包含將第1折痕、與鄰接於該第1折痕的第2折痕之中一者設為彎曲點之Z字狀結構的折疊狀態。例如：若將圖8中31A所示之折痕設為第1折痕，則強化纖維基材(B’)係在該剖面中，以形成將該第1折痕、與鄰接於該第1折痕的第2折痕之中一者的31B所示之折痕設為彎曲點之Z字狀結構的方式折疊。藉由作成這樣的折疊結構，Z字狀結構產生欲朝上下伸展之力，變得易於形成纖維強化複合材料中的空洞部。若強化纖維基材(B’)係在這樣的Z字狀結構連續而成之折疊狀態下存在，則以全體而言可得到大量的復原力。
更詳細而言，在本實施形態中，強化纖維基材(B’)係在剖面中，將某折痕設為第1折痕時，在將鄰接於第1折痕之兩側的2個折痕設為第2折痕，將進一步鄰接於該第2折痕之外側的2個折痕設為第3折痕，將進一步鄰接於該第3折痕之外側的2個折痕設為第4折痕之情形下，具有包含藉由前述第1折痕與前述第4折痕之中一者接近而形成之略三角形狀的結構之彎折結構。例如：若將圖8中31A所示之折痕設為第1折痕，則第2折痕之中一者成為31B所示之折痕，第3折痕之中一者成為31C所示之折痕，第4折痕之中一者成為31D所示之折痕，強化纖維基材(B’)具有包含藉由第1折痕31A與第4折痕31D接近而形成之略三角形結構的彎折結構。在此，第1折痕31A與第4折痕31D可緊鄰，亦可間隔一定程度。亦即，若仿照前述的說明，則在本實施形態中，折痕31A與折痕31D係接近的一對折痕。前者之情形，可說是藉由第1折痕31A與第4折痕31D之接點、第2折痕31B、及第3折痕31C而形成略三角形狀結構；後者之情形，可說是藉由第1折痕31A與第4折痕31D間隔而形成一端開口之略三角形狀結構。在本說明書中，「略三角形狀」係使用作為包含這樣的結構之用語。藉由作成這樣的折疊結構，略三角形狀結構產生欲朝上下伸展之力，可得到復原力。
再者，在本實施形態中，如圖7所示，強化纖維基材(B’)具有：包含該略三角形狀結構之彎折結構一邊翻轉一邊連續而成之折疊結構。藉由像這樣具有規則的折疊結構，變得易於將膨脹力控制為所欲之方向。此外，不限於本實施形態，為了得到均等的膨脹力，係以強化纖維基材(B’)遍及預浸漬物全體具有規則的折疊結構為較佳。
又，在本實施形態中，若將第1折痕與接近該第1折痕之第4折痕之直線距離設為Lr，將從第1折痕至第4折痕沿著強化纖維基材(B’)連結之距離設為Lf，則較佳係Lr/Lf為0.3以下且Lf為1mm以上200mm以下。Lr係如圖8所示，為接近的1對折痕中強化纖維基材(B’)表面彼此之最短距離。Lf係對應於接近的1對折痕間，即圖8中從第1折痕31A至第4折痕31D之強化纖維基材(B’)之長度。Lr/Lf係以0.2以下為較佳，0.05以下為更佳。Lf係以1mm以上100mm以下為更佳，2mm以上50mm以下為進一步較佳，3mm以上10mm以下為特佳。藉由將Lr相對於Lf之比設為該範圍，因互相抵消面內方向之復原力而變得易於抑制朝面內方向之膨脹，變得易於形成具有對應於Lf之周長的空洞部，變得易於控制空洞部之孔徑。
又，在將第1折痕與接近的第4折痕之直線距離設為Lr時，將存在於與測定從第1折痕至第4折痕沿著強化纖維基材(B’)連結之距離Lf之方向相反的方向之第2折痕與第1折痕之直線距離設為Ls。此時，沿著預浸漬物之表面，前述Lr與Ls成為交互連續之構成。例如：若將圖12中31A所示之折痕設為第1折痕，則第2折痕之中一者成為31B所示之折痕，第3折痕之中一者成為31C所示之折痕，第4折痕之中一者成為31D所示之折痕，強化纖維基材(B’)具有包含藉由第1折痕31A與第4折痕31D接近而形成之剖面為略三角形結構的彎折結構。另一方面，第2折痕之中另一者31E與31A之直線距離成為Ls。
Ls係以0.1mm以上50mm以下為較佳，1mm以上10mm以下為更佳，2mm以上5mm以下為進一步較佳。再者，Lr/Ls係以0以上且小於0.8為較佳，0以上0.3以下為更佳，0以上0.2以下為進一步較佳。藉由設為該範圍，在使預浸漬物膨脹而得之纖維強化複合材料中，變得可控制剖面開口部之最大長度和面內配向部與面外配向部之比率，變得可控制載重時撓度，因而較佳。
強化纖維基材(B’)係以藉由非連續的強化纖維(B)所構成之不織布為較佳。圖9係將前述的預浸漬物所包含之強化纖維基材(B’)之一種實施形態、與含浸於其之樹脂(A)一同放大之示意圖。在本實施形態中，強化纖維基材(B’)係藉由非連續的強化纖維所構成之不織布。含浸樹脂(A)且在壓縮狀態下之強化纖維基材(B’)係藉由樹脂(A)熔融或軟化以釋放壓縮狀態而產生回彈(spring back)。藉由該回彈，如圖4所示，在強化纖維間和樹脂(A)中形成微細的空孔。亦即，在強化纖維基材(B’)中形成微多孔。作為強化纖維基材(B’)，係以非連續的強化纖維(B)無規地分散而成之不織布形狀為特佳，該不織布可藉由氣流成網法、梳棉法、抄紙法等而製造。
又，本發明之纖維強化複合材料所具有之空洞部，可藉由前述的預浸漬物中的強化纖維基材(B’)之折疊結構欲伸展之復原力而形成。圖3係表示使用圖7所示之預浸漬物而成形之纖維強化複合材料之一例的剖面示意圖。藉由加熱預浸漬物而樹脂(A)成為熔融或軟化之狀態，強化纖維基材(B’)之折疊結構之復原力被釋放。該復原力成為預浸漬物之厚度方向之膨脹力，藉由該膨脹力而形成由強化纖維基材(B’)所略包圍之空洞部。
因此，強化纖維基材之折疊結構係與前述的預浸漬物中的折疊結構略相同，關於折疊結構之說明係比照前述的預浸漬物中的記載。但是，當使用前述的預浸漬物而成形時，強化纖維基材(B’)之折角因成形而變大。
再者，在本實施形態中，樹脂(A)係含浸於強化纖維基材(B’)之樹脂，更具體而言係含浸於強化纖維基材(B’)之內部、與藉由前述的強化纖維基材(B’)之折疊而形成於強化纖維基材(B’)間之空間兩者之樹脂。再者，空洞部較佳係如圖3所示，採取強化纖維(B)之接近的1對折痕31之間藉由樹脂(A)而結合之結構。藉由作成該結構，在對纖維強化複合材料施加載重時，可抑制在接近的1對折痕中之開孔所致之變形。
作為一例，如上述般的預浸漬物可藉由依序具有以下的步驟[1]及[2]之製造方法而製造。 步驟[1]：將強化纖維基材(B’)折疊而形成具有多個折痕之折疊狀態之步驟； 步驟[2]：使樹脂(A)複合化至折疊狀態之強化纖維基材(B’)之步驟。
在步驟[1]中，將強化纖維基材(B’)折疊為前述的折疊狀態。一般而言，彈性係數愈高的強化纖維係伸度愈低，有易於因彎曲而破壞之傾向。在步驟[1]中，由於預先折疊強化纖維基材(B’)，變得可藉由強化纖維間之空隙而抑制強化纖維單紗之曲率並抑制纖維之破壞而折疊。
在步驟[2]中，作為使樹脂(A)複合化至強化纖維基材(B’)之方法，可列舉：使熔融狀態之樹脂(A)直接注入強化纖維基材(B’)之方法；使薄膜狀、粉末狀、或纖維狀的樹脂(A)複合化至於強化纖維基材(B’)，藉由加熱熔融而使其含浸之方法。從製造之容易性的觀點來看，較佳係在加熱為樹脂(A)熔融或軟化之溫度以上的狀態下賦予壓力，使其含浸於強化纖維基材(B’)之方法。作為用來實現該含浸方法之設備，可理想地使用：加壓成形機、雙帶加壓機。批次式之情形為前者，藉由設為將加熱用與冷卻用之2台以上並列而成的間歇式加壓系統而謀求提升生產性。連續式之情形為後者，因可輕易地進行連續加工而連續生產性優異。
本發明之纖維強化複合材料可藉由將前述的預浸漬物加熱為樹脂(A)熔融或軟化之溫度以上並成形而製造。由於樹脂(A)加熱為熔融或軟化之溫度以上而軟化，強化纖維基材(B’)之折疊結構欲回到折疊前的結構之復原力，即折角擴大之方向之力會被釋放。該復原力成為預浸漬物之厚度方向之膨脹力，藉由該膨脹力，預浸漬物因強化纖維基材(B’)而以受到強化纖維基材(B’)上推之形式膨脹。圖3係表示使用圖7所示之預浸漬物而成形之纖維強化複合材料之一例的剖面示意圖。像這樣，藉由加熱預浸漬物而樹脂(A)軟化，強化纖維基材(B’)朝強化纖維基材(B’)之折角擴大之方向變形，預浸漬物膨脹。典型而言係如圖3所示，在藉由該膨脹而形成具有面內配向部與面外配向部之纖維強化結構部的同時，形成藉由纖維強化結構部之面內配向部及面外配向部而區劃之空洞部4。
具體而言，當樹脂(A)為結晶性熱塑性樹脂時，樹脂(A)熔融或軟化之溫度只要是比熔點更高的溫度即可，但以比熔點高20℃以上的溫度為較佳。又，當樹脂(A)為非晶性熱塑性樹脂時，只要是比玻璃轉移溫度更高的溫度即可，但以比玻璃轉移溫度高20℃以上的溫度為較佳。作為上限溫度，係以賦予樹脂(A)之熱分解溫度以下的溫度為較佳。
又，在成形中，係以進行藉由加熱而膨脹之預浸漬物之厚度調整為較佳。作為進行厚度控制之方法，只要所得之纖維強化複合材料可控制為目的之厚度則方法不拘，但從製造之簡便性的觀點來看，係以使用金屬板等而限制厚度之方法、藉由調節加壓力而直接控制厚度之方法等為較佳。作為用來實現該方法之設備，可理想地使用：加壓成形機、雙帶加壓機。批次式之情形為前者，藉由設為將加熱用與冷卻用之2台以上並列而成的間歇式加壓系統而謀求提升生產性。連續式之情形為後者，因可輕易地進行連續加工而連續生產性優異。 [實施例]
實施例及比較例所使用之材料係如以下。
[PP樹脂] 使用包含聚丙烯(Prime Polymer(股)製「Prime Polypro」(註冊商標)J105G)80質量%、與酸改性聚丙烯(三井化學(股)製「Admer」QB510)20質量%，且根據JIS K7121(2012)而測定之熔點為160℃之結晶性的聚丙烯樹脂組成物。該聚丙烯樹脂組成物係製作為：將熱塑性樹脂的聚丙烯與酸改性聚丙烯作為原料並以前述質量比混合，利用圓筒溫度200℃的雙軸擠製機使其熔融混練而成之樹脂顆粒。再者，將該樹脂顆粒使用以模具表面溫度成為180℃、薄膜厚度成為0.22mm的方式調節之加壓成形機而加壓成形，製作布重200g/cm2 之PP樹脂薄膜。
[PC樹脂] 使用包含聚碳酸酯(Mitsubishi Engineering-Plastics(股)製「Iupilon」(註冊商標)H-4000)，且根據JIS K7121(2012)而測定之玻璃轉移溫度為150℃之非晶性的聚碳酸酯樹脂。將熱塑性樹脂的聚碳酸酯之樹脂顆粒，使用以模具表面溫度成為240℃、薄膜厚度成為0.17mm的方式調節之加壓成形機而加壓成形，製作布重200g/cm2 之PC樹脂薄膜。
[碳纖維不織布] 從將聚丙烯腈作為主成分之共聚物進行紡紗、燒製處理、及表面氧化處理，得到總單紗數12,000根之碳纖維束。該碳纖維束之特性係根據JIS R7608(2007)而測定之拉伸彈性係數為220GPa，為單纖維直徑7μm之圓形剖面。使用前述碳纖維束，利用美工刀來裁切為6mm長，得到短碳纖維。製作包含水與界面活性劑(Nacalai Tesque(股)製，聚氧乙烯月桂醚(商品名))之濃度0.1質量%的分散液，使用該分散液與短碳纖維，製作碳纖維基材。製造裝置係具備於容器下部具有開閉旋塞之直徑1000mm之圓筒狀的容器作為分散槽，並具備將分散槽與抄紙槽連接之直線狀的輸送部(傾斜角30°)。於分散槽之頂面的開口部附有攪拌機，可從開口部投入短碳纖維及分散液(分散介質)。抄紙槽具備於底部具有寬500mm之抄紙面的網式輸送機，將可搬運碳纖維基材(抄紙基材)的輸送機連接至網式輸送機。抄紙係將分散液中的碳纖維濃度設為0.05質量%而進行。經抄紙之碳纖維基材係在200℃之乾燥爐乾燥30分鐘，作成碳纖維之單紗之配向方向無規地分散而成之碳纖維不織布。
[使用於表層之熱硬化性預浸漬物] 從將聚丙烯腈作為主成分之共聚物進行紡紗、燒製處理、及表面氧化處理，得到總單紗數12,000根之碳纖維束。該碳纖維束之特性係根據JIS R7608(2007)而測定之拉伸彈性係數為220GPa，為單纖維直徑7μm之圓形剖面。
於環氧樹脂(Japan Epoxy Resins(股)製「Epikote(註冊商標)」828：30質量份、「Epikote(註冊商標)」1001：35質量份、「Epikote(註冊商標)」154：35質量份)中，將聚乙烯醇縮甲醛(Chisso(股)製「Vinylec(註冊商標)」K)：5質量份利用捏合機來加熱混練而使聚乙烯醇縮甲醛均勻溶解後，將硬化劑二氰二胺(Japan Epoxy Resins(股)製DICY7)：3.5質量份、與硬化劑4,4-亞甲基雙(苯基二甲基脲)(PTI Japan(股)「Omicure」(註冊商標)52)：7質量份利用捏合機來混練而製備未硬化之環氧樹脂組成物。由此使用刀塗機而製作布重132g/m2 之環氧樹脂薄膜。
然後，準備使碳纖維束朝一方向配向而成之薄片，藉由對其兩面分別重疊環氧樹脂薄膜，進行加熱、加壓而使環氧樹脂含浸，作成每單位面積的碳纖維之質量為125g/m2 、纖維體積含有率60%、厚度0.125mm之熱硬化性預浸漬物。
各實施例・比較例中的結構、物性等的評價方法係如以下。
[折角之評價] 以垂直於碳纖維不織布之折痕的剖面成為觀察面的方式從預浸漬物切出樣品，以可觀察碳纖維不織布之折痕之剖面的方式進行研磨。將所得之樣品以雷射顯微鏡(Keyence(股)製，VK-9510)觀察，在觀察影像中，藉由裝置附設之軟體而進行角度之測定，針對各折痕，如圖5所示，求出以碳纖維不織布3之折痕31為中心之彎曲部所成之角度θ。針對總計20處之折痕求出折角，求出算術平均值。
[Lr及Lf之評價] 以垂直於碳纖維不織布之折痕的剖面成為觀察面的方式從預浸漬物切出樣品，以可觀察碳纖維不織布之接近的1對折痕、與該接近的1對折痕間由連續之碳纖維不織布連結而成之剖面的方式進行研磨。將所得之樣品以雷射顯微鏡(Keyence(股)製，VK-9510)觀察，在觀察影像中，藉由裝置附設之軟體而進行長度測定，求出接近的1對折痕間之直線距離(Lr)、與該接近的1對折痕間沿著碳纖維不織布連結之距離(Lf)。針對總計20處之接近的折痕求出Lr、Lf及Lr/Lf，求出算術平均值。
[Ls之評價] 以垂直於碳纖維不織布之折痕的剖面成為觀察面的方式從預浸漬物切出樣品，以可觀察碳纖維不織布之接近的1對折痕連結多處之剖面的方式進行研磨。將所得之樣品以雷射顯微鏡(Keyence(股)製，VK-9510)觀察，在觀察影像中，藉由裝置附設之軟體而進行長度測定。以接近的1對折痕之一折痕作為起點，求出存在於與成對之折痕相反方向的另一折痕為止之直線距離(Ls)。以總計20處之不同的接近的折痕作為起點求出Ls，求出算術平均值。再者，利用前述Lr之算術平均值而求出Lr/Ls。
[空洞部之評價] 以垂直於空洞部之延伸方向的剖面成為觀察面的方式從纖維強化複合材料切出樣品，以可觀察碳纖維不織布之接近的1對折痕、與該接近的1對折痕間由連續之碳纖維不織布連結而成之剖面的方式進行研磨。藉由將所得之樣品以雷射顯微鏡(Keyence(股)製，VK-9510)觀察，而將空洞部之剖面作為平面狀的剖面開口部進行觀察。藉由裝置附設之軟體而進行長度測定，求出可在剖面開口部內畫出之最大的直線之長度。針對總計20處之剖面開口部進行測定，將其算術平均值作為剖面開口部之最大長度。此外，使用於算術平均之值係準備朝接近的各剖面開口部、深度方向間隔5cm以上之樣品，使用此等之測定結果。
[面內配向部與面外配向部之評價] 藉由以平行於纖維強化複合材料之厚度方向的剖面(即垂直於纖維強化複合材料之空洞部之延伸方向的剖面)成為觀察面的方式研磨而製作觀察樣品。使用觀察樣品而進行纖維強化結構部之剖面觀察，觀察係使用雷射顯微鏡(Keyence(股)製，VK-9510)而進行。從在剖面中觀察之纖維強化複合材料之總計10處求出厚度之算術平均值，將纖維強化結構部之剖面分割為以該厚度之算術平均值之1/5的長度作為1邊之正方形狀的方格。
在每一分割剖面中，於面內方向假設一基準線(0°)，並著眼於與該基準線交差之各個強化纖維，以400倍的放大影像測定定義為該基準線與該強化纖維所成之銳角的纖維配向角。此外，當在剖面影像中僅露出強化纖維(B)之剖面時，設置內切強化纖維(B)之剖面的橢圓作為近似於強化纖維(B)之配向方向的纖維橢圓，針對該纖維橢圓之長軸長度/短軸長度所表示之長寬比為20以上的強化纖維(B)，求出纖維橢圓之長軸方向與前述基準方向所成之角作為該強化纖維(B)之纖維配向角。在每一分割剖面針對總計400根之強化纖維(B)測定纖維配向角，求出此等之算術平均值作為平均纖維配向角。藉由該方法而將平均纖維配向角為0°以上45°以下的分割剖面設為面內配向部，將大於45°且為90°以下的分割剖面設為面外配向部。
其次，從觀察影像分別求出面內配向部之剖面積與面外配向部之剖面積。面內配向部之剖面積比率係作為面內配向部之剖面積除以面內配向部之剖面積與面外配向部之剖面積之和並乘以100之比率(%)而求出，面外配向部之剖面積比率係作為面外配向部之剖面積除以面內配向部之剖面積與面外配向部之剖面積之和並乘以100之比率(%)而求出。面外配向部之剖面積相對於面內配向部之剖面積之倍率係藉由面外配向部之剖面積除以面內配向部之剖面積而求出。
再者，合併前述面內配向部之強化纖維(B)之纖維配向角而再度計算算術平均值，將其作為面內配向部全體之平均纖維配向角。又，合併前述面外配向部之強化纖維(B)之纖維配向角而再度計算算術平均值，將其作為面外配向部全體之平均纖維配向角。
[平均細孔直徑之評價] 使用Micromeritics公司製AutoPore IV9510作為壓汞式孔隙儀，在壓汞壓力4kPa至400MPa之範圍進行細孔徑之測定。平均細孔直徑係從作為測定結果所得之細孔容積與比表面積，藉由式(1)而求出。 (平均細孔直徑)＝4×(細孔容積)/(比表面積)・・・式(1)。
[纖維強化結構部之比重之評價] 纖維強化結構部之比重係準備從纖維強化複合材料切出纖維強化結構部而成之樣品，將樣品質量[g]除以從樣品之外周求出之體積[cm3 ]之值，藉由任意地抽出之5個樣品所測定之比重的算術平均值而得。
[纖維強化複合材料之比重之評價] 纖維強化複合材料之比重可作為將纖維強化複合材料之質量[g]除以從纖維強化複合材料之外周求出之體積[cm3 ]之值而求出。
[強化纖維(B)之數量平均纖維長度之評價] 從纖維強化複合材料以質量成為2g的方式切出樣品，藉由將該樣品在電爐內在500℃下加熱1小時而燒除樹脂(A)，將強化纖維(B)分離。使用雷射顯微鏡(Keyence(股)製，VK-9510)觀察，藉由裝置附設之軟體而針對總計400根之強化纖維(B)測定纖維長度，求出此等之算術平均值作為強化纖維(B)之數量平均纖維長度。
[載重時撓度之評價] 使用「Instron」(註冊商標)5565型萬能材料試驗機(Instron Japan(股)製)作為試驗機，在具有1邊100mm之正方形狀的內徑之下壓件之上以覆蓋前述內徑的方式設置樣品，從前述正方形狀之內徑的對角線之交點之正上方，藉由平面之面積為10mm2 之圓筒狀的上壓件而慢慢施加載重，將從50N載重時的位移減去0.1N載重時(接觸開始時)的位移之值作為撓度[mm]，利用以下的3階段來評價，將good及fair設為合格。 good：撓度為2mm以下。 fair：撓度大於2mm且為3mm以下。 bad：撓度大於3mm。
以下針對實施例及比較例所製作之預浸漬物、纖維強化複合材料及三明治結構體進行說明。
[實施例1] 準備將如上述般製作之碳纖維不織布以成為圖10所示之剖面結構的方式折疊而成之布重100g/cm2 之折疊基材作為強化纖維基材(B’)。此時，在作成預浸漬物時，在強化纖維基材(B’)之接近的1對折痕8中，以接近的1對折痕間之直線距離(Lr)為0mm(即接觸)的方式折疊，並且以該接近的1對折痕間沿著碳纖維不織布連結之距離(Lf)成為10mm，以接近的1對折痕之一折痕作為起點直到存在於與成對之折痕相反方向的另一折痕為止之直線距離(Ls)成為5mm的方式折疊。再者，以合併折疊基材之表裡所見之接近的1對折痕之構成比率9成為對稱結構的方式折疊。亦即，在一面中，以在接近的1對折痕與配置於其旁邊之接近的1對折痕之中間，配置另一面之接近的1對折痕並重複的方式折疊。其次於碳纖維不織布，積層布重為200g/cm2 之PP樹脂薄膜作為樹脂(A)，進行加熱加壓。在加熱加壓步驟中係藉由在模具溫度180℃、壓力3MPa下加壓10分鐘，使PP樹脂含浸於碳纖維不織布而得到1邊200mm之預浸漬物。
又，使用以模具表面溫度成為180℃、成形品厚度成為2.8mm的方式調節之加壓成形機，使所得之預浸漬物1片加熱膨脹10分鐘，藉此將纖維強化複合材料成形。所得之纖維強化複合材料具有如圖1所示般藉由纖維強化結構部包圍三邊而成之剖面為略三角形狀的開口部。空洞部之開口部朝面內方向排列。將評價結果示於表1。
[實施例2] 除了以Lr成為1mm、Lf成為9mm的方式變更折疊基材之構成作為強化纖維基材(B’)以外，與實施例1同樣地進行加工，得到預浸漬物與纖維強化複合材料。所得之纖維強化複合材料具有如圖1所示般藉由纖維強化結構部包圍三邊而成之剖面為略三角形狀的開口部。空洞部之開口部朝面內方向排列。將評價結果示於表1。
[實施例3] 除了以Lr成為2mm、Lf成為8mm的方式變更折疊基材之構成作為強化纖維基材(B’)以外，與實施例1同樣地進行加工，得到預浸漬物與纖維強化複合材料。所得之纖維強化複合材料具有如圖13所示般藉由纖維強化結構部而構成三邊之剖面為略梯形狀的開口部。空洞部之開口部朝面內方向排列。將評價結果示於表1。
[實施例4] 使用與實施例1相同的折疊基材作為強化纖維基材(B’)，積層布重為200g/cm2 之PC樹脂薄膜作為樹脂(A)，進行加熱加壓。在加熱加壓步驟中係藉由在模具溫度240℃、壓力3MPa下加壓10分鐘，使PC樹脂含浸於碳纖維不織布而得到1邊200mm之預浸漬物。使用以模具溫度成為240℃、成形品厚度成為2.2mm的方式調節之加壓成形機，使所得之預浸漬物1片加熱膨脹10分鐘，藉此將纖維強化複合材料成形。所得之纖維強化複合材料具有如圖1所示般藉由纖維強化結構部包圍三邊而成之剖面為略三角形狀的開口部。空洞部之開口部朝面內方向排列。將評價結果示於表1。
[實施例5] 將實施例1所得之預浸漬物積層2片而作成預形體，使用以模具溫度成為180℃、成形品厚度成為4.8mm的方式調節之加壓成形機，加熱10分鐘，藉此將積層體之纖維強化複合材料成形。所得之纖維強化複合材料具有如圖1所示般藉由纖維強化結構部包圍三邊而成之剖面為略三角形狀的開口部，其為積層為2層之結構。空洞部之開口部朝面內方向排列。將評價結果示於表1。
[實施例6] 除了以Lr成為3mm、Lf成為7mm的方式變更折疊基材之構成作為強化纖維基材(B’)以外，與實施例1同樣地進行加工，得到預浸漬物與纖維強化複合材料。所得之纖維強化複合材料具有如圖13所示般藉由纖維強化結構部而構成三邊之剖面為略梯形狀的開口部。空洞部之開口部朝面內方向排列。將評價結果示於表1。
[實施例7] 將實施例1所得之纖維強化複合材料使用於芯層，於其外側配置如上述般製作之熱硬化性預浸漬物作為表層，將一表層之表面的強化纖維之配向方向設為0°而作為基準，以積層構成成為[0°/90°/纖維強化複合材料/90°/0°]的方式積層。其次，藉由在模具溫度150℃、壓力1MPa下加熱加壓10分鐘，使熱硬化性預浸漬物硬化，得到三明治結構體。所得之三明治結構體中的纖維強化複合材料之厚度為2.4mm，在作成三明治結構體時亦不壓壞而可良好地使用作為芯層。
[實施例8] 將實施例5所得之積層體之纖維強化複合材料使用於芯層，於其外側配置熱硬化性預浸漬物作為表層，將一表層之表面的強化纖維之配向方向設為0°而作為基準，以積層構成成為[0°/90°/纖維強化複合材料/90°/0°]的方式積層。其次，藉由在模具溫度150℃、壓力1MPa下加熱加壓10分鐘，使熱硬化性預浸漬物硬化，得到三明治結構體。所得之三明治結構體中的積層體之厚度為4.3mm，在作成三明治結構體時亦不壓壞而可良好地使用作為芯層。
[比較例1] 準備對碳纖維不織布以成為圖11所示之具有鋸齒結構之頂點10之剖面結構的方式附加折痕之布重100g/cm2 之基材。此時，以鋸齒結構之頂點間之重複間隔11成為等間隔5mm的方式附加折痕。其次於前述基材，積層布重為200g/cm2 之PP樹脂薄膜，進行加熱加壓。在加熱加壓步驟中係藉由在模具溫度180℃、壓力3MPa下加壓10分鐘，使PP樹脂含浸於前述基材而得到1邊200mm之預浸漬物。使用以模具溫度成為180℃、成形品厚度成為2.8mm的方式調節之加壓成形機，使所得之預浸漬物1片加熱膨脹10分鐘，藉此將纖維強化複合材料成形。所得之纖維強化複合材料係如圖14所示般纖維強化結構部6之剖面為鋸齒結構。將評價結果示於表1。
[比較例2] 於平面狀且無折痕的100g/cm2 之碳纖維不織布上，積層布重為200g/cm2 之PP樹脂薄膜，進行加熱加壓。在加熱加壓步驟中係藉由在模具溫度180℃、壓力3MPa下加壓10分鐘，使PP樹脂含浸於前述基材而得到1邊200mm之預浸漬物。使用模具溫度調節為180℃之加壓成形機，使所得之預浸漬物1片加熱膨脹10分鐘，藉此將纖維強化複合材料成形。將模具之上模具與下模具之距離設為2.8mm，以成形品厚度2.8mm為目的進行成形，但預浸漬物未膨脹至模具之上模具與下模具之間之厚度，於所得之纖維強化複合材料未形成空洞部而厚度止於0.9mm。將評價結果示於表1。
[比較例3] 除了以Lr成為4mm、Lf成為6mm的方式變更折疊基材之構成作為強化纖維基材(B’)以外，與實施例1同樣地進行加工，得到預浸漬物與纖維強化複合材料。所得之纖維強化複合材料係如圖14所示般纖維強化結構部之剖面為鋸齒結構。將評價結果示於表1。
[比較例4] 將比較例1所得之纖維強化複合材料使用於芯層，於其外側配置熱硬化性預浸漬物作為表層，將一表層之表面的強化纖維之配向方向設為0°而作為基準，以熱硬化性預浸漬物之積層構成成為[0°/90°/纖維強化複合材料/90°/0°]的方式積層。其次，藉由在模具溫度150℃、壓力1MPa下加熱加壓10分鐘，使熱硬化性預浸漬物硬化，得到三明治結構體。所得之三明治結構體中的纖維強化複合材料之厚度為0.6mm，因作成三明治結構體之成形壓力而壓壞，無法使用作為芯層。
[表1]
實施例1 實施例2 實施例3 實施例4 實施例5 比較例1 比較例2 實施例6 比較例3
面內配向部之剖面積比率 % 57 59 69 63 39 100 100 50 100
面外配向部之剖面積比率 % 43 41 31 37 61 0 0 50 0
面外配向部相對於面內配向部之剖面積比 倍 0.75 0.69 0.45 0.59 1.6 0 0 1 0
面內配向部之平均纖維配向角 ° 8 10 14 5 5 34 0 12 31
面外配向部之平均纖維配向角 ° 60 71 86 48 52 - - 71 -
剖面開口部之最大長度 μm 4200 3600 3100 4500 4400 5000 - 5000 8000
平均細孔直徑 μm 58 58 58 60 52 63 70 58 58
纖維強化結構部之比重 g/cm3 0.4 0.4 0.4 0.5 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4
纖維強化複合材料之比重 g/cm3 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.4 0.1 0.1
折角 ° 5 6 8 5 5 110 - 8 8
Lr mm 0 1 2 0 0 5 - 3 4
Lf mm 10 9 8 10 10 6 - 7 6
Lr/Lf - 0 0.11 0.25 0 0 0.83 - 0.43 0.67
Ls mm 5 5 5 5 5 5 - 5 5
Lr/Ls - 0 0.2 0.4 0 0 1.0 - 0.6 0.8
樹脂(A) - PP PP PP PC PP PP PP PP PP
強化纖維(B)之含量 質量份 50 50 50 50 50 50 50 50 50
強化纖維(B)之數量平均纖維長度 mm 6 6 6 6 6 6 6 6 6
纖維強化複合材料之厚度 mm 2.8 2.8 2.8 2.2 4.8 2.8 0.9 2.8 2.8
載重時撓度 - good good fair good good bad bad fair bad
[產業上利用之可能性]
本發明之纖維強化複合材料可理想地適用於：飛機結構構件、風車之扇葉、汽車結構構件及IC承載盤、筆記型電腦之殼體等之用途等。
1:預浸漬物 2:樹脂(A) 3:強化纖維(B)或強化纖維基材(B’) 31:強化纖維(B)之折痕或強化纖維基材(B’)之折痕 31A:強化纖維基材(B’)之折痕(第1折痕) 31B:強化纖維基材(B’)之折痕(第2折痕) 31C:強化纖維基材(B’)之折痕(第3折痕) 31D:強化纖維基材(B’)之折痕(第4折痕) 31E:強化纖維基材(B’)之折痕(另一第2折痕) Lr:第1折痕與最接近的折痕(第4折痕)之距離 Lf:從第1折痕至最接近第1折痕的折痕(第4折痕)沿著強化纖維基材(B’)連結之距離 Ls:以接近的1對折痕之一折痕作為起點直到存在於與成對之折痕相反方向的另一折痕為止之直線距離 θ:折角 4:剖面為略三角形狀的空間(空洞部) 5:微多孔 6:纖維強化結構部 6A:纖維強化結構部之分割剖面 7:纖維強化複合材料之厚度 8:強化纖維基材(B’)之接近的1對折痕 9:合併折疊基材之表裡所見之接近的1對折痕之構成比率 10:鋸齒結構之頂點 11:鋸齒結構之頂點間之重複間隔 12:剖面為略梯形狀的空間(空洞部)
圖1係表示本發明之纖維強化複合材料之一種實施形態的示意圖。 圖2係將區劃本發明之纖維強化複合材料之空洞部的纖維強化結構部之一種實施形態放大之示意圖。 圖3係表示本發明之纖維強化複合材料之一種實施形態的剖面示意圖。 圖4係將本發明之纖維強化複合材料之一種實施形態中的纖維強化結構部放大之示意圖。 圖5係用來說明預浸漬物之一種實施形態中的強化纖維基材(B’)之折角的示意圖。 圖6係表示預浸漬物之一種實施形態中的強化纖維基材(B’)之折疊狀態的示意圖。 圖7係表示預浸漬物之一種實施形態的剖面示意圖。 圖8係將圖7所示之實施形態之預浸漬物的一部分放大之剖面示意圖。 圖9係將預浸漬物之一種實施形態中的強化纖維基材(B’)之周邊放大之示意圖。 圖10係表示實施例1所製作之預浸漬物中的強化纖維基材(B’)之折疊狀態的示意圖。 圖11係表示比較例1所製作之預浸漬物中的強化纖維基材(B’)之折疊狀態的示意圖。 圖12係將圖7所示之實施形態之預浸漬物的一部分放大之剖面示意圖。 圖13係表示本發明之纖維強化複合材料之一種實施形態的示意圖。 圖14係表示比較例1及3所製作之纖維強化複合材料之一種實施形態的示意圖。
2:樹脂(A)
3:強化纖維(B)或強化纖維基材(B’)
4:剖面為略三角形狀的空間(空洞部)
5:微多孔
6:纖維強化結構部

Claims (15)

  1. 一種纖維強化複合材料，其具有： 包含樹脂(A)與強化纖維(B)，且具有面內配向部與面外配向部之纖維強化結構部，其中該面內配向部係強化纖維(B)之平均纖維配向角為0°以上45°以下，該面外配向部係強化纖維(B)之平均纖維配向角大於45°且為90°以下；以及 藉由該纖維強化結構部之該面內配向部及該面外配向部而區劃之空洞部。
  2. 如請求項1之纖維強化複合材料，其中在垂直於該空洞部之延伸方向的剖面中，面外配向部之剖面積相對於面內配向部之剖面積為0.5倍以上10倍以下。
  3. 如請求項1或2之纖維強化複合材料，其中該空洞部係藉由平均纖維配向角為0°以上30°以下的面內配向部及平均纖維配向角為60°以上90°以下的面外配向部而區劃。
  4. 如請求項1至3中任一項之纖維強化複合材料，其中樹脂(A)為熱塑性樹脂。
  5. 如請求項4之纖維強化複合材料，其中該熱塑性樹脂為選自包含聚烯烴、聚碳酸酯、聚酯、聚伸芳基硫醚、聚醯胺、聚甲醛、聚醚醯亞胺、聚醚碸、及聚伸芳基醚酮之群組的至少1種熱塑性樹脂。
  6. 如請求項1至5中任一項之纖維強化複合材料，其中強化纖維(B)係數量平均纖維長度為1mm以上50mm以下的非連續纖維。
  7. 如請求項6之纖維強化複合材料，其中在該纖維強化結構部中，強化纖維(B)係無規地分散。
  8. 如請求項1至7中任一項之纖維強化複合材料，其中強化纖維(B)為碳纖維。
  9. 如請求項1至8中任一項之纖維強化複合材料，其中該纖維強化結構部具有平均細孔直徑為500μm以下的微多孔。
  10. 如請求項1至9中任一項之纖維強化複合材料，其中該纖維強化結構部之比重為0.3g/cm3 以上0.8g/cm3 以下。
  11. 如請求項1至10中任一項之纖維強化複合材料，其中該空洞部之剖面開口部之最大長度之平均值為1000μm以上10000μm以下。
  12. 如請求項1至11中任一項之纖維強化複合材料，其中比重為0.001g/cm3 以上0.2g/cm3 以下。
  13. 如請求項1至12中任一項之纖維強化複合材料，其中厚度為0.1mm以上5mm以下。
  14. 如請求項1至13中任一項之纖維強化複合材料，其中在垂直於該空洞部之延伸方向的剖面中，具有：將空洞部之開口部朝面內方向排列之層積層多層而成之積層結構。
  15. 一種三明治結構體，其係於如請求項1至14中任一項之纖維強化複合材料之兩面配置表層而成。
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