TWI547371B - 碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料、使用其的成型體、以及電子設備框體用構件 - Google Patents

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Description

碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料、使用其的成型 體、以及電子設備框體用構件
本發明是有關於一種剛性與強度達到優異平衡的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料及成型體。
本申請案是主張基於2013年3月7日向日本提出申請的特願2013-45374號的優先權，並將其內容引用於此。
碳纖維複合材料、特別是碳纖維強化塑膠(carbon fibre reinforced plastics，CFRP)具有重量輕且強度高的特徵，因此用於航空器、自動車、體育運動、休閒娛樂及其他各種工業用途。而且，碳纖維複合材料藉由構成其的碳纖維捆束體的配向性而帶有具有特徵的各向異性光澤，此外藉由對表面實施塗飾等處理而賦予有深度的厚重的外觀，且具有導電性、X射線透射性及電磁波屏蔽性等特徵。通常，碳纖維複合材料是以積層板或蜂巢夾心板(honeycomb sandwich plate)等的形態用於各種工業用途。但是，上述碳纖維複合材料的大部分是使用熱硬化性樹脂作為基質 (matrix)，因此為了使上述碳纖維複合材料成型，一直使用如伴隨著樹脂的硬化反應般的成型時間比較長的方法，即以高壓釜(autoclave)成型為代表的不適合於大量生產的方法。
另一方面，亦提出有許多以熱可塑性樹脂為基質的複合材料及其成型品。例如，在專利文獻1所揭示的技術中，提出有一種包含沿一方向並排的強化纖維及熱可塑性樹脂的預浸體(prepreg)及使用其的構造材料。
又，在專利文獻2中，提出有一種碳纖維強化樹脂複合材料，使包含特定的瀝青系碳纖維(pitch-based carbon fiber)(A)的一方向預浸體、及包含聚丙烯腈系碳纖維(polyacrylonitrile-based carbon fiber)即碳纖維(B)的一方向預浸體組合起來進行積層而成型，在實施例中是使用熱硬化性環氧樹脂作為基質樹脂。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利第4324649號公報
[專利文獻2]日本專利第2554821號公報
本發明鑒於上述背景，一方面獲得上述複合材料的優點，一方面進一步縮短成型時間而獲得適合於大量生產等的複合材料。即，本發明提供一種複合材料，由於基質為熱可塑性樹脂，因此成型時間短，且剛性、強度及導熱率達到優異平衡。
本發明的上述目的是藉由下述本發明的各實施形態而達成。
(1)一種碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料，包括：層(I)，包含沿一方向配向的碳纖維(A)及熱可塑性樹脂(C-1)；以及層(II)，包含沿一方向配向的碳纖維(B)及熱可塑性樹脂(C-2)；且上述碳纖維(A)的彈性模數高於上述碳纖維(B)的彈性模數。
(2)如(1)所述的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料，其中上述碳纖維(A)的彈性模數為350GPa以上，上述碳纖維(B)的彈性模數為200GPa以上且小於350GPa。
(3)如(1)或(2)所述的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料，其中上述層(I)相對於上述碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料的厚度而佔有1/3以下。
(4)如(1)至(3)中任一項所述的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料，其中在自上述碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料的表面起佔有上述碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料的厚度的10%的部位之中至少一側，上述層(I)相對於上述部位的厚度而佔有1/3以上。
(5)如(4)所述的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料，其中在自上述碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料的表面起佔有上述碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料的厚度的10%的部位之中兩側，上述層(I)佔有上述部位的各厚度之中的1/3以上。
(6)如(1)至(5)中任一項所述的碳纖維強化熱可塑性樹 脂複合材料，其中上述碳纖維(B)為聚丙烯腈系碳纖維。
(7)如(1)至(5)中任一項所述的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料，其中上述碳纖維(A)為瀝青系碳纖維。
(8)如(1)至(5)中任一項所述的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料，其中上述碳纖維(A)為瀝青系碳纖維，且上述碳纖維(B)為聚丙烯腈系碳纖維。
(9)如(1)至(8)中任一項所述的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料，其中上述層(I)的厚度為0.1mm~0.3mm。
(10)如(1)至(9)中任一項所述的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料，其中上述碳纖維(A)的導熱率為20W/mK以上且600W/mK以下，上述碳纖維(B)的導熱率為3W/mK以上且小於20W/mK。
(11)如(1)至(10)中任一項所述的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料，其中上述碳纖維(A)為連續的碳纖維，上述碳纖維(B)的平均纖維長度為10mm~50mm。
(12)如(1)至(11)中任一項所述的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料，其中碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料在三點彎曲試驗中，施加了最大負載的70%的負載後的彈性模數與施加上述負載前的彈性模數相比為20%~60%。
(13)如(1)至(12)中任一項所述的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料，其中碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料的等值剛性(equivalent stiffness)重量為80g~92g，其中，對200mm×320 mm的試樣板的大致中央部施加有10N的負載，在此施加有上述負載的部位的移動量相當於0.88mm時的上述試樣板的重量作為上述等值剛性重量。
(14)如(1)至(13)中任一項所述的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料，其中在至少兩層的上述層(I)之間夾有至少一層的上述層(II)。
(15)如(14)所述的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料，其中在至少兩層的上述層(I)之間夾有兩層以上的上述層(II)。
(16)如(1)至(15)中任一項所述的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料，其中上述層(I)及層(II)相重疊，且在上述層(I)與層(II)直接重疊的兩層中，各層中所含的碳纖維的纖維方向為彼此大致正交。
(17)一種成型體，對如(1)至(16)中任一項所述的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料進行熱成型而成。
(18)如(17)所述的成型體，其中在任一個面的表面上具有高度為3mm以上的凸部。
(19)一種電子設備框體用構件，包括如(17)或(18)所述的成型體。
又，本發明的另一方面具有以下的實施形態。
(20)一種碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料，包括包含沿一方向排列的瀝青系碳纖維(A1)及熱可塑性樹脂(C-1)的層、以及包含沿一方向排列的聚丙烯腈系碳纖維(B1)及熱可塑性樹 脂(C-2)的層。
(21)一種成型體，包含如(20)所述的複合材料。
(22)如(20)所述的複合材料的製造方法，其中使包含沿一方向排列的瀝青系碳纖維(A1)及熱可塑性樹脂(C-1)的熱可塑性預浸體、與包含沿一方向排列的聚丙烯腈系碳纖維(B1)及熱可塑性樹脂(C-2)的熱可塑性預浸體組合起來而進行積層。
根據本發明，可在短暫的成型時間內獲得剛性、強度及導熱率達到優異平衡的成型體。
1、10‧‧‧碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料
2A、2B‧‧‧層(I)
3‧‧‧層(II)
21、31A、31B‧‧‧碳纖維
32‧‧‧狹縫
33、33A‧‧‧凸部
100‧‧‧成型體
100A‧‧‧電子設備框體用構件
圖1是表示本發明的實施形態的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料的概略立體圖。
圖2是表示本發明的實施形態的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料及使其成型而得的成型體的概略立體圖。
圖3是表示本發明的實施形態的電子設備框體用構件的一例的概略立體圖。
以下，揭示實施形態而對本發明進行具體說明。
本實施形態的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料包括：層(I)，包含沿一方向配向的碳纖維(A)及熱可塑性樹脂(C-1)；以及層(II)，包含沿一方向配向且彈性模數小於上述碳 纖維(A)的碳纖維(B)及熱可塑性樹脂(C-2)。
在本實施形態中，如圖1所示，碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料1包括層(I)2A及層(I)2B、以及層(II)3。在圖示的示例中，碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料1的兩面的表面包括層(I)2A及層(I)2B，且在上述層(I)2A及層(I)2B之間夾有兩個以上(在圖示的示例中為6層)的層(II)3。
以下，對各層的構成進行說明。
(層(I))
層(I)包括沿一方向配向的碳纖維(A)及熱可塑性樹脂(C-1)。在本實施形態中，所謂沿一方向配向，是指在包含碳纖維等纖維的原材料中，纖維的長度方向為大致平行。所謂大致平行，具體而言，是指層(I)、層(II)等層所含有的下述纖維之中90%~100%的長度方向處於-5°~+5°的範圍內，較佳為層中所含的碳纖維之中95%~100%的長度方向處於-2°~+2°的範圍內。
在本實施形態中，特佳為在下述預浸體的製造方法中，藉由對使纖維匯聚而成的纖維束施加張力而使方向大致一致(將上述狀態亦稱為纖維沿一方向並排)。
可用於本實施形態的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料中的碳纖維(A)是使用彈性模數高於下述碳纖維(B)的碳纖維。本實施形態的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料藉由對彈性模數高的層與彈性模數更低而強度提高的層進行積層，而具有彈性模數與強度達到優異平衡的效果。此處，所謂碳纖維的彈性模 數，是指藉由日本工業標準(Japanese Industrial Standards，JIS)R7608：2007(國際標準化組織(International Standardization Organization，ISO)16018：2004)的B法而測定的碳纖維的拉伸彈性模數。
碳纖維(A)的彈性模數較佳為350GPa以上。又，碳纖維(A)的彈性模數更佳為400GPa以上，特佳為600GPa以上。藉由使用此種碳纖維，來有效發揮本實施形態的效果。拉伸彈性模數的上限實質上並無規定，彈性模數越高越有效發揮本實施形態的效果，但作為目標，可舉出900GPa以下。碳纖維(A)的彈性模數只要根據設計上、製造上的情況等來選擇即可。又，碳纖維(A)的強度(拉伸強度)較佳為2000MPa以上。此處所謂碳纖維的強度，是指藉由JIS R7608：2007(ISO16018：2004)而測定的拉伸強度。
本實施形態的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料中所使用的碳纖維(A)較佳為瀝青系碳纖維。此處所謂瀝青系碳纖維，是指以如下的「樹脂」或「長絲纖維(filament fiber)」為主要成分而構成的纖維的集合體，上述「樹脂」是「對中間相瀝青(mesophase pitch)即石油溚(petroleum tar)、煤溚(coal tar)等進行處理而產生，局部呈現液晶構造」，上述「長絲纖維」是「對人工合成的中間相瀝青進行紡絲(spin)，並進行不熔化處理，進而使其碳化而生成，其石墨晶體構造沿纖維軸方向高度發達，且其實質上僅由碳所構成」。瀝青系碳纖維具有彈性模數高且熱膨張少等的優點。 此外，如下所述，藉由將瀝青系碳纖維用於層(I)的碳纖維(A)，且與其併用而將聚丙烯腈系碳纖維用於層(II)的碳纖維(B)，來使本實施形態的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料呈現高彎曲彈性模數及彎曲強度。碳纖維(A)更佳為實質上僅由如下的「樹脂」或「長絲纖維」所構成的纖維的集合體，上述「樹脂」是「對中間相瀝青即石油溚、煤溚等進行處理而產生，局部呈現液晶構造」，上述「長絲纖維」是「對人工合成的中間相瀝青進行紡絲，並進行不熔化處理，進而使其碳化而生成，其石墨晶體構造沿纖維軸方向高度發達，且其實質上僅由碳所構成」。
碳纖維(A)較佳為纖維的長度方向的導熱率為20W/mK以上且600W/mK以下。藉由導熱率處於上述範圍，而具有如下效果：使賦予至層(I)的一部分的熱容易沿層(I)中所含的碳纖維(A)的纖維的長度方向擴散。此處，導熱率定義為按照溫度梯度而產生的每個溫度梯度的熱通量(heat flux)的大小，是藉由雷射閃光法(laser flash method)、穩態熱流法、熱線法(hot wire method)等方法而測定的值。
又，碳纖維(A)的斷裂伸度較佳為1.5%以下，更佳為1.0%以下。只要碳纖維的斷裂伸度處於上述範圍，即可在工業上進行製造。此處所謂碳纖維的斷裂伸度，是指將碳纖維的強度除以碳纖維的彈性模數所得的值。關於碳纖維(A)的斷裂伸度，作為目標，可具有0.3%以上的值。
當將構成碳纖維(A)的長絲纖維的最大費雷特直徑 (Feret's diameter)設為碳纖維(A)的直徑時，碳纖維(A)的直徑較佳為4μm以上且15μm以下。更佳為7μm以上且11μm以下。若直徑大於15μm，則不利於操作，又，若直徑小於4μm則難以製造碳纖維。
構成碳纖維(A)的長絲纖維的長度方向的長度較佳為2mm以上，更佳為10mm以上。當構成碳纖維(A)的長絲纖維過短時，存在無法獲得充分的剛性(此處剛性主要是指以下述等值剛性重量為向導而表示者)、強度、導熱率的情況。又，作為非連續纖維的情形時的向導，長度較佳為50mm以下。
碳纖維(A)較佳為連續的碳纖維。所謂連續的碳纖維，是定義為自複合材料的端部至端部為止構成碳纖維的長絲纖維為大致連續的狀態。
碳纖維(A)的形態只要為上述形態，即可為任意形態，例如亦可為以針狀、線狀的形態，在層(I)內沿一方向配向。在本實施形態中，構成碳纖維(A)的長絲纖維是以直徑為4μm以上且15μm以下左右、長度為1mm以上的所謂線狀，在其它部位如下所述般沿一方向並排而排列成平面狀，從而形成預浸體。構成碳纖維(A)的長絲纖維的長度若為1mm以上，則越長越好，但是因複合材料的端部至端部的最大長度而受到限制。
作為適合用作具有如上所述的性質的碳纖維(A)的市售品，可舉出Dialead(註冊商標)K1352U、K1392U、K13C2U、K13D2U、K13312、K63712、K63A12(以上為商品名，三菱樹脂 公司製)等。
本實施形態的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料在層(I)中含有熱可塑性樹脂(C-1)。
作為可用作本實施形態中的熱可塑性樹脂(C-1)的熱可塑性樹脂，例如可舉出：聚苯乙烯、(甲基)丙烯酸酯/苯乙烯共聚物、丙烯腈/苯乙烯共聚物、苯乙烯/順丁烯二酸酐共聚物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(acrylonitrile butadiene styrene，ABS)、丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸脂(acrylonitrile styrene acrylate，ASA)或丙烯腈-乙烯-苯乙烯(acrylonitrile ethylene styrene，AES)等苯乙烯系樹脂；聚甲基丙烯酸甲酯等丙烯酸系樹脂；聚碳酸酯系樹脂；聚醯亞胺系樹脂；聚對苯二甲酸乙二醇酯或聚對苯二甲酸丁二醇酯等聚酯系樹脂；聚苯醚系樹脂；聚甲醛系樹脂；聚碸系樹脂；聚芳酯系樹脂；聚苯硫醚系樹脂；熱可塑性聚氨酯系樹脂；聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚-4-甲基戊烯、乙烯/丙烯共聚物或乙烯/丁烯共聚物等聚烯烴系樹脂；乙烯/乙酸乙烯酯共聚物、乙烯/(甲基)丙烯酸酯共聚物、乙烯/順丁烯二酸酐共聚物或乙烯/丙烯酸共聚物等α-聚烯烴與各種單體的共聚物類；聚乳酸、聚已酸內酯或脂肪族乙二醇/脂肪族二羧酸共聚物等脂肪族聚酯系樹脂；或生物降解性纖維素、多肽、聚乙烯醇、澱粉、卡拉膠(carrageenan)或甲殼質．殼聚糖(chitin．chitosan)等生物降解性樹脂。自強度及加工性的角度考慮，較佳為晶體性樹脂，更佳為聚丙烯或聚醯亞胺系樹脂。在熱可塑性樹脂(C-1)中，可進而視需要調配各種樹脂添加劑。 作為樹脂添加劑，例如可舉出著色劑、抗氧化劑、金屬減活化劑(metal deactivator)、碳黑(carbon black)、成核劑、脫模劑、潤滑劑、抗靜電劑、光穩定劑、紫外線吸收劑、抗衝擊改性劑、熔融張力增強劑或阻燃劑等。
可在本實施形態的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料中使用的包含沿一方向配向的碳纖維(A)及熱可塑性樹脂(C-1)的層(I)中，例如既可為碳纖維(A)一面沿一方向配向，一面分散於熱可塑性樹脂(C-1)內，亦可為將熱可塑性樹脂(C-1)填充於碳纖維(A)已配向的間隙。在本實施形態中，作為將熱可塑性樹脂(C-1)浸漬於沿一方向並排而排列成平面狀的碳纖維(A)中而成的層，較佳為片材狀預浸體。
層(I)中所含的碳纖維的含有比例較佳為相對於層(I)的整個體積為25體積%~65體積%，更佳為30體積%~60體積%。藉由處於上述範圍內，可獲得剛性、強度及導熱率達到優異平衡的成型體。對層(I)的厚度並無特別限制，但是自兼顧賦形性、強度提高效果的角度考慮，層(I)的厚度較佳為50μm~300μm，更佳為100μm~200μm。
(層(II))
本實施形態的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料在層(II)中包含碳纖維(B)。碳纖維(B)如上所述沿一方向進行配向。
上述碳纖維(B)的彈性模數較佳為200GPa以上且小於350GPa。此時，如上所述當碳纖維(A)的彈性模數為350GPa 以上時，層(I)與層(II)的彈性模數與強度達到平衡。更具體而言，本實施形態的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料即一方向強化CFRP，可使其壓縮強度及最大壓縮應變(strain)此兩者高於僅使用上述碳纖維(A)作為強化纖維的一方向強化CFRP的壓縮強度及最大壓縮應變。此處所謂一方向強化CFRP的壓縮強度定義為在壓縮試驗中施加至試驗片的最大壓縮應力(stess)，是藉由JIK7076：1991(碳纖維強化塑膠的面內壓縮試驗方法)而測定的壓縮強度。所謂最大壓縮應變，定義為與壓縮強度相對應的壓縮應變，同樣地是藉由JIK7076而測定的最大壓縮應變。碳纖維(A)與碳纖維(B)的彈性模數及強度的更具體的值特佳為，根據本實施形態的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料即一方向強化CFRP的壓縮強度與最大壓縮應變的平衡來確定。具體而言，僅使用上述碳纖維(B)作為強化纖維的一方向強化CFRP的壓縮強度與最大壓縮應變與僅使用上述碳纖維(A)作為強化纖維的一方向強化CFRP相比處於1.5倍以上的關係。
本實施形態的碳纖維(B)較佳為聚丙烯腈系碳纖維。此處所謂聚丙烯腈系碳纖維，是指以「長絲纖維」為主要成分而構成的纖維的集合體，上述「長絲纖維」是「對包含以丙烯腈為主要成分聚合而成的聚丙烯腈系樹脂的纖維進行不熔化處理，進而使其碳化而生成，實質上僅由碳所構成」。聚丙烯腈系碳纖維具有低密度及高比強度等優點。此時，當將瀝青系碳纖維用於上述碳纖維(A)時，本實施形態的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料呈現高 彎曲彈性模數及彎曲強度。碳纖維(B)更佳為實質上僅由「長絲纖維」構成的纖維的集合體，上述「長絲纖維」是「對包含以丙烯腈為主要成分聚合而成的聚丙烯腈系樹脂的纖維進行不熔化處理，進而使其碳化而生成，實質上僅由碳所構成」。
碳纖維(B)的形態只要為在上述碳纖維(A)中所說明的形態即可為任意形態，例如亦可為以針狀、線狀的形態，在層(II)內沿一方向配向。
當將構成本實施形態的碳纖維(B)的長絲纖維的最大費雷特直徑設為碳纖維(B)的直徑時，較佳為碳纖維(B)的直徑小於碳纖維(A)的直徑。碳纖維(B)的直徑較佳為1μm以上且20μm以下，更佳為4μm以上且15μm以下，特佳為5μm以上且8μm以下。
構成碳纖維(B)的長絲纖維的纖維長度為1mm以上。上述纖維長度更佳為2mm以上，進而更佳為10mm以上。當構成碳纖維(B)的長絲纖維過短時，存在無法獲得充分的剛性、強度的情況。再者，特別是作為非連續纖維的情形時的向導，構成碳纖維(B)的長絲纖維的平均纖維長度較佳為100mm以下，更佳為50mm以下。此處，平均纖維長度是藉由如下方法而測定的值：利用光學顯微鏡等對構成碳纖維的長絲纖維的各長度進行測定，將各長絲纖維的纖維長度的平方的總和除以各長絲纖維的纖維長度的總和。
碳纖維(B)的導熱率較佳為3W/mK以上且小於20 W/mK。藉由導熱率處於上述範圍，而具有如下效果，即，使賦予至層(II)的一部分的熱容易沿層(II)中所含的碳纖維(B)的纖維的長度方向擴散。
作為碳纖維(B)，亦可使用市售品，可舉出PYROFIL(註冊商標)TR30S 3L、TR50S 6L、TRH50 12L、TRH50 18M、TR50S 12L、TR50S 15L、MR40 12M、MR60H 24P、MS40 12M、HR40 12M、HS40 12P、P330 60K、WCF 50K(以上為產品名，三菱麗陽(Mitsubishi Rayon)公司製)等。
本實施形態的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料在層(II)中含有熱可塑性樹脂(C-2)。
本實施形態的熱可塑性樹脂(C-2)可選自作為可用於上述熱可塑性樹脂(C-1)的熱可塑性樹脂而例示的樹脂，亦可為與熱可塑性樹脂(C-1)不同的樹脂。但是，熱可塑性樹脂(C-1)及熱可塑性樹脂(C-2)較佳為選擇相容性優異的組合的樹脂。所謂相容性優異的組合，可舉出溶解度參數(solubility parameter)(SP值)的差為1.0(J/cm3)0.5以下的組合。溶解度參數可藉由費多斯(Fedors)、範克裏弗倫(Van Krevelen)等的方法而求出，可使用任一方法。又，當使用嵌段共聚物或接枝共聚物等共聚物作為熱可塑性樹脂時，只要各共聚物中的任一部分構造的溶解度參數的差為1.0(J/cm3)0.5以下，即相容性優異。
此外，本實施形態的熱可塑性樹脂(C-2)更佳為使用與熱可塑性樹脂(C-1)相同的化合物。
可在本實施形態的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料中使用的且包含沿一方向配向的碳纖維(B)及熱可塑性樹脂(C-2)的層(II)例如可為碳纖維(B)一面沿一方向配向，一面分散於熱可塑性樹脂(C-2)內，亦可為將熱可塑性樹脂(C-2)填充於碳纖維(B)已配向的間隙。在本實施形態中，較佳為將熱可塑性樹脂(C-2)浸漬於沿一方向並排而排列成平面狀的碳纖維(B)中而成的片材狀預浸體。
層(II)中所含的碳纖維的含有比例較佳為相對於層(II)的整個體積為25體積%~65體積%，更佳為30體積%~60體積%。藉由處於上述範圍內，可獲得剛性、強度及導熱率達到平衡的成型品。對層(II)的厚度、即對與其他層重疊的方向上的長度並無特別限定，但自兼顧賦形性與強度提高效果的角度考慮，層(II)的厚度較佳為50μm~300μm，更佳為100μm~200μm。
本實施形態的層(II)亦可在表面上包含狹縫(切痕)。所謂狹縫，是裂口狀的構造，其深度為沿橫切各層的強化纖維的方向貫通該層的厚度。狹縫亦可以切斷各層的強化纖維的方式而設置。狹縫的長度較佳為10mm~100mm。狹縫較佳為相對於層(II)的5cm×5cm的表面，狹縫長度的總和為5cm以上且40cm以下。狹縫的長度方向亦可不與層(II)的碳纖維(B)的纖維的方向平行，而與上述纖維的方向成30°~60°，特佳為與上述纖維的方向約成45°(42°~48°)的角度。藉由層(II)包含狹縫，可獲得如下效果：在將碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料製成下述 成型體時成型性提高，具體而言可成形高度為3mm以上的凸部。當強化纖維被狹縫切短時，在成形時強化纖維容易與熱可塑性樹脂一併進行移動，因此層(II)的成形性進一步升高。
(碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料的構造)
本實施形態的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料包括上述層(I)及層(II)。
本實施形態的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料包括：層(I)，包含碳纖維(A)及熱可塑性樹脂(C-1)；以及層(II)，包含碳纖維(B)及熱可塑性樹脂(C-2)。碳纖維(A)較佳為瀝青系碳纖維(A1)，碳纖維(B)較佳為聚丙烯腈系碳纖維(B1)。瀝青系碳纖維(A1)及聚丙烯腈系碳纖維(B1)由於其物性顯著不同，因此可根據其目的而設計積層構成。例如，將包含瀝青系碳纖維(A1)及熱可塑性樹脂(C-1)的層設為外層，將包含聚丙烯腈系碳纖維(B1)及熱可塑性樹脂(C-2)的層設為內層，因此儘管瀝青系碳纖維(A1)的用量少，但複合材料的剛性高。
本實施形態的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料較佳為上述層(I)佔有碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料的厚度之中的1/3以下。若層(I)佔有上述厚度之中大於1/3的厚度，則存在如下情況，即，無法使碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料的彈性模數與強度達到平衡，特別是彈性模數高而強度不足。特佳為層(I)佔有上述厚度之中的1/4以下。例如，當層(I)的一層的厚度與層(II)的一層的厚度相等時，碳纖維強化熱可塑性樹脂複 合材料亦可為使層(I)包含兩層，使層(II)包含6層以上(例如6層~16層)的構成。
本實施形態的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料較佳為，在自表面起佔有上述碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料的厚度的10%的部位之中至少一側，層(I)佔有上述部位的厚度之中的1/3以上。即，雖不需要碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料的最表面為層(I)，但較佳為在自表面起測量至10%為止的厚度的部位含有層(I)，且較佳為層(I)佔有上述部位中的1/3以上。關於接近於表面的部位，在上述部位含有彈性模數高的層(I)，且其所佔的比例為1/3以上，藉此可較佳地發揮彈性模數與強度的平衡，並且，碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料抵抗自表面被施加的衝擊等的能力增強。上述層(I)所佔的部位更佳為至上述10%為止的厚度的部位的1/2以上，特佳為2/3以上。例如，亦可為如下的構成：自表面起依次為下述保護層、層(I)及層(II)的一部分佔有自碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料的表面起10%的部分，其中層(I)佔有厚度的2/3以上。
又，本實施形態的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料較佳為，對於兩側的表面，在上述的佔有上述碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料的厚度的10%的部位之中，層(I)佔有上述部位的厚度之中的1/3以上。藉由某種程度上含有位於兩側的表面附近的層(I)，可更佳地發揮彈性模數與強度的平衡，且在兩面上抵抗衝擊等的能力增強。
本實施形態的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料中所含的層(I)若為寬度及長度大於厚度的片材狀，則亦可為平面、圓筒面、三維曲面等形狀。關於層(I)的大小，寬度及長度是根據碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料的用途而無特別限制，但厚度較佳為0.1mm~0.3mm。藉由使用彈性模數高的碳纖維(A)的層(I)處於上述厚度的範圍內，可較佳地發揮彈性模數。關於層(II)的形狀及大小，可與上述層(I)的形狀及大小同樣地進行適當選擇。
本實施形態的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料較佳為在至少兩層的層(I)之間夾有至少一層的層(II)。特佳為在層(I)之間夾有兩個以上的上述層(II)。藉由將多層的層(II)夾於兩表面的層(I)之間，可在碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料中藉由層(II)而獲得高強度，且在上述材料的表面上藉由層(I)而獲得高剛性，並且不易因自表面被施加的衝擊而引起破損。在圖示的示例中，在層(I)2A及層(I)2B之間夾有6層的層(II)3。為了獲得更高的強度，亦可包含7層~18層的層(II)，例如包含16層的層(II)。
再者，此外，材料內的層(I)及層(II)的構成可根據所需來確定，既可將整個面設為相同的積層構成，亦可以在局部使層(I)或層(II)增多的方式而進行積層。又，亦可設為如下構成：對包含連續纖維的層(I)或層(II)進行積層的構成、對在層(I)或層(II)中設置狹縫而成的層進行積層的構成、將包 含層(I)或層(II)的小束(bundle)進行無規配置的構成等。
此外，上述層(I)及層(II)較佳為相鄰的層的碳纖維的纖維方向為大致正交。所謂大致正交，是指纖維以彼此成約90°的方式而交叉，具體而言可為85°~95°左右。在圖示的示例中，配置於圖的上側的表面上的層(I)2A的纖維21的方向與相鄰的層(II)3、即正下方的層(II)3的纖維31A的方向正交。纖維31A的方向與相鄰的其正下方的層(II)3的纖維31B的方向正交。關於以下的層的纖維的方向亦相同。
藉由纖維的方向大致正交，而可相對於施加各個彎曲方向的力的情況，最大限度地發揮強度及彈性。當積層有多層的層(II)，特別是7層~18層的層(II)時，大量存在相鄰的層的碳纖維的纖維方向為大致正交的層，藉此強度及彈性提高的效果進一步增大。再者，根據用以簡化製造過程等目的，相鄰的層的碳纖維的纖維方向亦可為大致平行。
本實施形態的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料中，除了層(I)及層(II)以外，亦可適當包含由其他原材料所構成的層。例如，亦可在上述兩表面的各個層(I)的更外方的表面上，含有由與層(II)相同的原材料所構成的保護層、或由樹脂等的塗層(coating)所構成的保護層。藉由在層(I)的表面上具有保護層，而使得層(I)對於施加至表面的衝擊或劃刮等更不易破損。作為保護層的原材料，可舉出胺基甲酸乙脂塗料、丙烯酸塗料、丙烯酸樹脂薄膜、聚碳酸酯樹脂薄膜、尼龍樹脂薄膜、聚丙烯樹 脂薄膜等。
除了保護層以外，作為上述層(I)及層(II)以外的選擇性的層的原材料，可舉出裝飾薄膜、導電塗飾、鍍敷等。
本實施形態的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料較佳為，在三點彎曲試驗中施加了最大負載的70%的負載後的試驗片的彈性模數為初始彈性模數的20%~60%。此處，三點彎曲試驗例如是指藉由ASTM D790等的規定而對三點彎曲進行試驗而測定的結果。
本實施形態的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料藉由滿足上述特性，而具有容易預知破損的效果。即，當施加有最大負載的70%等碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料不會完全破壞的程度的固定負載時，強度低的層(I)先發生破損，藉此彈性模數高的層(I)的效果喪失，從而碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料的彈性模數下降。
特別是在碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料如上所述層(I)佔有表面附近的相當的厚度時，在施加有低於最大負載的相當的負載的時點，可藉由觀察表面附近而判明表面附近的層(I)發生破損，因此可在碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料因最大負載而發生破損之前預知破損。因此，可對使用有碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料的成型體或零件察覺局部的破損，從而可提早進行更換等處理。
本實施形態的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料較佳 為等值剛性重量為80g~92g，其中，對200mm×320mm的試樣板的中央部施加有10N的負載，在此上述試樣板的施加有上述負載的部位的移動量相當於0.88mm時的試樣板的重量作為上述等值剛性重量。所謂200mm×320mm，例如是在0°方向上為200mm，在90°方向上為320mm。在上述測定時，較佳為試樣板的周圍四方被完全束縛以防止移動。施加有負載的部位的移動量主要是中央部隨著負載而沿負載方向移動的量，亦稱為試樣板的變形量。等值剛性重量是基於如下性質上的拘束條件而確定：使構成試樣板的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料的各層的碳纖維的方向、碳纖維的體積含有率、樹脂含有率、孔隙率為固定，且使各層的每單位面積內所含的碳纖維的質量(以下稱為織物面積重量(FAW，fabric area weight))於各層間的比率為固定。在本實施形態中，關於試樣板的0°方向與90°方向，分別利用藉由三點彎曲試驗而獲得的彈性模數，來計算變形量，上述變形量是對在0°方向上為200mm、在90°方向上為320mm、厚度為1mm的試樣板的周圍四方進行固定(完全束縛)，且在大致中央負載10N時的變形量。於上述性質上的拘束條件下基於如下現象，即試樣板的剛性與厚度的三次方成比例的現象，求出變形量相當於0.88mm的厚度，並算出該厚度下為200mm×320mm尺寸的試樣板的重量而設為等值剛性重量。但是，為方便起見，將剪切彈性模數設為2GPa，將帕松比(Poisson ratio)設為0.3來進行計算。
當如上所述而獲得的等值剛性重量為80g~92g時，碳纖維 強化熱可塑性樹脂複合材料的每單位重量的剛性高，即，輕量化效果高，因而較佳。
本實施形態的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料可用作中間材料。藉由對本實施形態的複合材料進行加熱、賦形、冷卻而可獲得所需的形狀。上述加熱、賦形、冷卻的製程不需要為一個階段，亦可視需要而反覆實施，從而形成更複雜的構造。又，亦可進行切削或切斷等機械加工。
本實施形態的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料藉由含有上述層(I)的碳纖維(A)及上述層(II)的碳纖維(B)這兩者，而形成為剛性、強度及導熱率達到優異平衡的複合材料。又，上述碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料包含熱可塑性樹脂，因此具有可進行熱成型的優點。
(碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料的製造方法)
本實施形態的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料的製造方法是使包含沿一方向配向的碳纖維(A)及熱可塑性樹脂(C-1)的熱可塑性預浸體(I)、與包含沿一方向配向的碳纖維(B)及熱可塑性樹脂(C-2)的熱可塑性預浸體(II)組合起來進行積層，而獲得碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料。
在本實施形態中，作為碳纖維(A)可使用上述瀝青系碳纖維，作為碳纖維(B)可使用聚丙烯腈系碳纖維。
可用於本實施形態的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料的熱可塑性預浸體(I)只要包含碳纖維(A)及熱可塑性樹脂 (C-1)即可，但較佳為熱可塑性樹脂(C-1)浸漬於碳纖維(A)的集合體者。上述預浸體(I)的製造方法例如是使用對碳纖維(A)及熱可塑性樹脂(C-1)進行加熱及加壓的方法。加熱及加壓通常是在200℃~300℃下進行，並利用如加熱輥、雙帶壓力機(double belt press)之類的裝置來進行。
更具體的預浸體(I)的製造方法如下。
可舉出如下方法等：(1a)在沿一方向並排的碳纖維(A)上積層熱可塑性樹脂(C-1)的薄膜，並進行加熱及加壓；(1b)在沿一方向並排的碳纖維(A)上積層熱可塑性樹脂(C-1)的不織布，並進行加熱及加壓；(1c)在沿一方向並排的碳纖維(A)上塗佈熱可塑性樹脂(C-1)的熔融體；(1d)在沿一方向並排的碳纖維(A)上塗佈熱可塑性樹脂(C-1)的溶液之後去除溶劑；以及(1e)使碳纖維(A)與熱可塑性樹脂(C-1)纖維的混合纖維沿一方向並排，並進行加熱及加壓。
自生產率與機械特性的平衡考慮，較佳為使用上述(1a)、上述(1b)或上述(1c)的方法。
可用於本實施形態的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料的熱可塑性預浸體(II)只要包含碳纖維(B)及熱可塑性樹脂(C-2)即可，但較佳為熱可塑性樹脂(C-2)浸漬於碳纖維(B) 的集合體中者。上述預浸體(II)的製造方法例如是使用對碳纖維(B)及熱可塑性樹脂(C-2)進行加熱及加壓的方法。進行加熱及加壓時的條件與上述預浸體(I)的條件相同。
更具體的預浸體(II)的製造方法如下。
可舉出如下方法等：(2a)在沿一方向並排的碳纖維(B)上積層熱可塑性樹脂(C-2)的薄膜，並進行加熱及加壓；(2b)在沿一方向並排的碳纖維(B)上積層熱可塑性樹脂(C-2)的不織布，並進行加熱及加壓；(2c)在沿一方向並排的碳纖維(B)上塗佈熱可塑性樹脂(C-2)的熔融體；(2d)在沿一方向並排的碳纖維(B)上塗佈熱可塑性樹脂(C-2)的溶液之後去除溶劑；以及(2e)使碳纖維(B)與熱可塑性樹脂(C-2)纖維的混合纖維沿一方向並排，並進行加熱及加壓。
自生產率與機械特性的平衡考慮，較佳為使用上述(2a)、上述(2b)或上述(2c)的方法。
例如，在(1a)及(2a)的方法中，使碳纖維沿一方向並排時，是藉由使纖維配向而施加張力等的方法來進行。具體而言，使用如下之類的方法：對使纖維匯聚而成的纖維束，在對其兩端進行固定而施加張力且使纖維束某種程度張緊的狀態下呈螺旋狀捲繞於輥上。在上述方法中，對熱可塑性樹脂的薄膜進行積 層時，例如亦可使用如下之類的方法：將薄膜按壓至上述兩端經固定的纖維束或捲繞於輥上的纖維束，接著進行加熱而使熱可塑性樹脂熔融。更具體而言，使薄膜與兩端經固定的纖維束重疊，加熱至樹脂可熔融的溫度並進行加壓。此時，亦可使用加熱輥、雙帶壓力機之類的裝置。此時，為了防止樹脂熔接於裝置上，亦可使用脫模紙或脫模薄膜。或者，亦可使用如下之類的方法：對上述兩端經固定的纖維束或捲繞於輥上的纖維束，塗佈經熔融的熱可塑性樹脂，並使其固化。更具體而言，以如下方式而進行：利用在擠壓機的前端設有T形模的製膜機，在纖維束上塗佈經熔融的熱可塑性樹脂。此時，亦可使用單軸擠壓機、雙軸擠壓機之類的裝置。
本實施形態的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料的製造方法的特徵在於：使上述預浸體(I)及預浸體(II)組合起來而進行積層。預浸體(I)及預浸體(II)分別相當於碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料中的上述層(I)及層(II)。在碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料的製造步驟中，對預浸體進行積層的構成可視需要來確定，既可將整個面設為相同的積層構成，亦可以在局部使碳纖維(A)或碳纖維(B)增多的方式而積層。又，可舉出如下方法等：對包含連續纖維的預浸體進行積層；對作為預浸體而用於下述成型體的設有狹縫者進行積層；以及對包含預浸體的捆束進行無規配置。
(成型體)
本實施形態的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料可用作成型體。藉由根據所需的剛性、強度、導熱率，對碳纖維(A)及碳纖維(B)進行配置，而可設計更有效率的構造。
在本實施形態的成型體的製造方法中，是對本實施形態的複合材料進行熱成型，而獲得成型體。本實施形態的複合材料由於具有熱可塑性，因此可根據所需而進行熱成型。所謂熱成型，是伴隨著加熱、賦形及冷卻等的成型。例如，可舉出壓製成型、真空成型、壓空成型或射出成型等，但是為了有效利用碳纖維所具有的彈性模數、強度及導熱率，較佳為壓製成型、真空成型或壓空成型，特佳為壓製成型。成型時的加熱及加壓例如是在加熱溫度為200℃~350℃、加壓力為5MPa~30MPa的條件下進行。
本實施形態的成型體由於層(I)及層(II)含有熱可塑性樹脂，故而藉由施加有熱的加工而容易成型。特別是可藉由衝壓(stamping)成型而進行複雜形狀的成型。又，亦可藉由反覆進行多次加熱、賦形及冷卻而進行多個階段的成型，從而形狀的自由度提高。在衝壓成型時，與模具不接觸的內側的層的材料容易流動。
本實施形態的成型體在兩面中的任一個面的表面上具有高度為3mm以上的凸部。凸部的形狀例如可舉出凸條(rib)、凸台(boss)、隆起面等形狀，特別是可舉出成為電子設備的框體的構件的各種構造的形狀。所謂高度為3mm以上，具體而言是指4mm~8mm左右的高度。
本實施形態的成型體特別容易成型，因此可容易形成高度大於3mm的大的凸部，且在製造步驟或成本的方面特別有利。
在圖2所示的示例中，藉由熱加工而使碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料10成型，從而獲得成型體100，上述碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料10含有夾於層(I)2A及層(I)2B之間的層(II)3。上述成型體100形成有凸部33，上述凸部33是碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料10中所含的熱可塑性樹脂藉由加熱、加壓而變形並成型而成。此處，凸部33形成為成型體100的一側的表面(圖中為上表面)的緣部、以及將上述表面一分為二的凸棱部。在圖例中，凸部33中所含的纖維作為在層(II)中設置狹縫時被切短的纖維，以設有點的面來表示包含該纖維的層(II)的剖面或表面，但關於凸部33，可包含纖維的方向為任意的碳纖維(B)。例如，凸部33亦可大量包含沿上述凸棱部的長度方向的碳纖維(B)。
本實施形態的成型體特別適合用於電子設備框體用構件。所謂電子設備框體，主要是電子計算機、個人電腦、輸入板(tablet)等或其周邊設備等的框體，特別是指可移動型的設備的框體。所謂電子設備框體用構件，是構成上述框體的構件，特別是指表面面板(surface panel)等。所謂表面面板，例如是指構成包含外部表面的平面部分在內的部位的面板狀的構件等。圖3表示電子設備框體用構件的一例。電子設備框體用構件100A是個人電腦的表面面板之一，包含上述凸部33A。為了將內部零件固 定於電子設備框體內，需要可旋緊的凸台，當局部地提高剛性時則需要凸條。上述形狀均為凸部，在本實施形態中可使上述形狀同時成形。電子設備框體用構件較佳為構件的厚度為0.5mm~2.5mm，具有缺少1個面以上，或者開設有孔的大致立方體的形狀，且具有由50mm~250mm×100mm~400mm×5mm~30mm的尺寸所構成的大小。藉由具有上述形狀及大小，可特佳地兼顧導熱率、輕量化效果、彈性模數及強度。
藉由將本實施形態的成型體用於電子設備框體用構件，而使得上述框體的彈性模數與強度得以兼顧，且由於重量輕，故在攜帶上述設備時便利性特佳，由於導熱率(散熱性)高，故可解決熱的滯留容易成為問題的上述設備的問題，並且由於可預知破損，故可在預知到破損時容易進行零件的更換。藉由該些上述各效果的相乘效應，本實施形態的成型體在用於電子設備框體用構件時特別有效。
[實施例]
以下，藉由實施例來更詳細地說明本實施形態。再者，物性等的測定是以如下所述的方式來進行。
(彎曲試驗)
自成型體沿纖維配向方向切出長度100mm、寬度25mm的部分，按照ASTM D790進行三點彎曲試驗。
(導熱率)
使用100mm×100mm的試樣，藉由熱線法，利用京都電子工 業股份有限公司製的快速導熱率計QTM-500的測定裝置進行測定。
實施例中的所謂0°方向的導熱率，是沿與試樣板的表面的層的碳纖維正交的方向配置熱線進行測定而獲得的值，所謂90°方向的導熱率，是指沿與試樣板的表面的層的碳纖維平行的方向配置熱線進行測定而獲得的值。
(試驗例1)
(製造例1：含有瀝青系碳纖維56體積%的預浸體的製造方法)
將瀝青系碳纖維(三菱樹脂公司製，產品名：Dialead(註冊商標)K63712，基重2000mg/m，拉伸彈性模數640GPa，拉伸強度2600MPa，斷裂伸度0.5%，密度2.12g/cm3)作為碳纖維(A)，以每單位面積所含的碳纖維的質量(FAW)為218g/m2的方式而沿一方向並排而排列，並利用兩塊厚度為40μm的酸改質聚丙烯薄膜加以夾持，並使其重疊，且在250℃下進行加熱加壓，藉此製造含有56體積%的碳纖維的片材狀預浸體(I)。上述片材狀預浸體(I)的厚度為0.18mm。
(製造例2：含有聚丙烯腈系碳纖維33體積%的預浸體的製造方法)
將聚丙烯腈系碳纖維(三菱麗陽公司製，產品名：PYROFIL(註冊商標)TR50S15L，基重1000mg/m，拉伸彈性模數240GPa，拉伸強度4900MPa，斷裂伸度2.0%，密度1.82g/cm3)作 為碳纖維(B)，以FAW為72g/m2的方式沿一方向並排而排列，並使其與兩塊厚度為40μm的酸改質聚丙烯薄膜重疊，且在250℃下進行加熱加壓，藉此製造含有33體積%的碳纖維的片材狀預浸體(II)。上述片材狀預浸體(II)的厚度為0.12mm。
(實施例1：在外層含有瀝青系碳纖維預浸體的複合材料)
將合計16層的預浸體使纖維並排的方向彼此一致地重疊而配置於模具內，上述合計16層的預浸體是將第1層及第16層設為製造例1中獲得的含有瀝青系碳纖維的預浸體(I)，將第2層至第15層設為製造例2中獲得的含有聚丙烯腈系碳纖維的預浸體(II)。將上述模具在設定為220℃的壓製成型機內加熱3分鐘，進而在220℃、2MPa的壓力下壓製7分鐘，接著在30℃、2MPa的壓力下壓製3分鐘，而獲得厚度為1.9mm的複合材料。
將彎曲試驗、導熱率的測定的結果示於表1。
(實施例2：在內層含有瀝青系碳纖維預浸體的複合材料)
將第2層、第15層設為製造例1中獲得的含有瀝青系碳纖維的預浸體(I)，將第1層、第3層至第14層、第16層設為製造例2中獲得的含有聚丙烯腈系碳纖維的預浸體(II)，除此以外與實施例1同樣地進行實施，獲得厚度為1.9mm的複合材料。
將彎曲試驗、導熱率的測定的結果示於表1。
(比較例1：僅由聚丙烯腈系碳纖維預浸體所構成的複 合材料)
不使用製造例1中獲得的含有瀝青系碳纖維的預浸體(I)，而將第1層至第16層設為製造例2中獲得的含有聚丙烯腈系碳纖維的預浸體(II)，除此以外與實施例1同樣地進行實施，獲得厚度為1.9mm的複合材料。將彎曲試驗、導熱率的測定的結果示於表1。
在實施例1~實施例2中所記載的上述本實施形態的複合材料中，由於併用作為碳纖維(A)的高彈性模數的瀝青系碳纖維、以及作為碳纖維(B)的高強度的聚丙烯腈系碳纖維，故呈現高彎曲彈性模數及彎曲強度。在比較例1中，由於未使用瀝青系碳纖維，故彎曲彈性模數差。關於導熱率，在含有瀝青系碳纖維的層的實施例1及實施例2中，與未使用瀝青系碳纖維的比較例2相比大幅提高。特別是在兩個表面的層中使用有瀝青系碳纖維的實施例1中獲得更佳的值。由上述結果顯示，在本實施例中導熱率即散熱性較佳。
(試驗例2)
(製造例3：含有瀝青系碳纖維45體積%的預浸體的製造方法)
將瀝青系碳纖維(三菱樹脂公司製，產品名：Dialead(註冊商標)K13312，基重1560mg/m，拉伸彈性模數420GPa，拉伸 強度3200MPa，斷裂伸度0.8%，密度2.06g/cm3)作為碳纖維(A)，以每單位面積所含的碳纖維的質量(FAW)為100g/m2的方式沿一方向並排而排列，並利用兩塊厚度為30μm的聚碳酸酯薄膜(將磷系阻燃劑捏合於聚碳酸酯樹脂中之後進行製膜而薄膜化者)加以夾持，並使其重疊，且在280℃下進行加熱加壓，藉此製造含有45體積%的碳纖維的片材狀預浸體(I)。上述片材狀預浸體(I)的厚度為0.12mm。
(製造例4：含有聚丙烯腈系碳纖維48體積%的預浸體的製造方法)
將聚丙烯腈系碳纖維(三菱麗陽公司製，產品名：PYROFIL(註冊商標)TR50S15L，基重1000mg/m，拉伸彈性模數240GPa，拉伸強度4900MPa，斷裂伸度2.0%，密度1.82g/cm3)作為碳纖維(B)，以FAW為100g/m2的方式沿一方向並排而排列，除此以外，與製造例3同樣地製造含有48體積%的碳纖維的片材狀預浸體(II)。上述片材狀預浸體(II)的厚度為0.12mm。
製作如下的實施例3及實施例4、比較例2及比較例3：關於各層，將所使用的碳纖維變更為下述表2所示者，利用製造例3、製造例4中所製造的預浸體，在設定為250℃的壓製成型機內加熱3分鐘，進而在250℃、2MPa的壓力下壓製7分鐘，接著，在80℃、2MPa的壓力下壓製3分鐘，除此以外與上述實施例1相同。構成[0]16表示在積層構成中16層的各層的碳纖維的方向為0°(平行)。關於各個實施例及比較例，與試驗例1同樣地測定彎曲彈性 模數(0°)及彎曲強度(0°)，且將其測定值換算成碳纖維的含有率為60體積%的情況，將其換算結果示於表2。
根據上述結果，即使如實施例3及實施例4所示使用聚碳酸酯樹脂，亦與實施例1及實施例2中所示的使用酸改質聚丙烯的情況同樣，彈性模數與強度達到優異平衡。與此相對，在僅使用聚丙烯腈系的碳纖維的比較例3中彎曲彈性模數降低，在僅使用瀝青系的碳纖維的比較例4中彎曲強度降低，從而與實施例3及實施例4相比未獲得兼顧彈性模數與強度的平衡。
(試驗例3)
在如表3所示的條件下，製作實施例5及實施例6、比較例4及比較例5。Vf45%表示碳纖維的體積含有率為45%。45°狹縫表示在作為內層(第2層~第15層)的層(II)上，分別配置有與層(II)的碳纖維的纖維方向大致成45°的狹縫(各個狹縫的長度為42mm，相對於預浸體(II)的5cm×5cm，狹縫長度的總和平均為14cm)。構成[0/90/90/90]s是指相對於最外層(0°)由6層 構成的內層的纖維方向均設為90°(正交)，[0/90/0/90]s是指相對於最外層(0°)將纖維方向設為90°，接著相對於上述層將纖維方向設為90°(即0°)，接著相對於上述層將纖維方向設為90°(即90°)，接著相對於上述層將纖維方向設為平行(即90°)，接著相對於上述層將纖維方向設為90°(即0°)，接著相對於上述層將纖維方向設為90°(即90°)，接著相對於上述層將相反側的最外層設為90°的纖維方向(即0°)。再者，僅使用單獨的碳纖維的比較例4及比較例5的彎曲彈性模數是根據各碳纖維的性能值而得出的推測值。等剛度厚度t(mm)是以比較例4為基準(1.000mm)，藉由與上述值的比來進行測量。變形量是使200mm×300mm×1mm的試樣片的周圍為完全束縛，且在中央施加10N的負載，將剪切彈性模數設為2GPa，將帕松比設為0.3而進行計算。
如表3所示，在實施例5及實施例6中等值剛性重量均顯示92g以下的較佳值，從而表示輕量化的效果好。
[產業上之可利用性]
根據本發明，可在短暫的成型時間內獲得剛性、強度及導熱率達到優異平衡的成型體。
1‧‧‧碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料
2A、2B‧‧‧層(I)
3‧‧‧層(II)
21、31A、31B‧‧‧碳纖維
32‧‧‧狹縫

Claims (18)

  1. 一種碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料，包括：層(I)，包含沿一方向配向的碳纖維(A)及熱可塑性樹脂(C-1)，上述層(I)相對於上述碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料的厚度而佔有1/3以下；以及層(II)，包含沿一方向配向的碳纖維(B)及熱可塑性樹脂(C-2)，且上述碳纖維(A)的彈性模數高於上述碳纖維(B)的彈性模數。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料，其中上述碳纖維(A)的彈性模數為350GPa以上，上述碳纖維(B)的彈性模數為200GPa以上且小於350GPa。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料，其中在自上述碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料的表面起佔有上述碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料的厚度的10%的部位之中至少一側，上述層(I)相對於上述部位的厚度而佔有1/3以上。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料，其中在自上述碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料的表面起佔有上述碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料的厚度的10%的部位之中兩 側，上述層(I)佔有上述部位的各厚度之中的1/3以上。
  5. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料，其中上述碳纖維(B)為聚丙烯腈系碳纖維。
  6. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料，其中上述碳纖維(A)為瀝青系碳纖維。
  7. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料，其中上述碳纖維(A)為上述瀝青系碳纖維，且上述碳纖維(B)為上述聚丙烯腈系碳纖維。
  8. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料，其中上述層(I)的厚度為0.1mm~0.3mm。
  9. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料，其中上述碳纖維(A)的導熱率為20W/mK以上且600W/mK以下，上述碳纖維(B)的導熱率為3W/mK以上且小於20W/mK。
  10. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料，其中上述層(II)在表面上包含狹縫，上述狹縫為以切斷各層的強 化纖維的方式而設置，上述狹縫的長度為10mm~100mm，且相對於上述層(II)的5cm×5cm的表面，上述狹縫的總和為5cm以上且40cm以下。
  11. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料，其中上述碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料在三點彎曲試驗中，施加了最大負載的70%的負載後的彈性模數與施加上述負載前的彈性模數相比為20%~60%。
  12. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料，其中上述碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料的等值剛性重量為80g~92g，其中，對200mm×320mm的試樣板的大致中央部施加有10N的負載，在此施加有上述負載的部位的移動量相當於0.88mm時的上述試樣板的重量作為上述等值剛性重量。
  13. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料，其中在至少兩層的上述層(I)之間夾有至少一層的上述層(II)。
  14. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料，其中在至少兩層的上述層(I)之間夾有兩層以上的上述層(II)。
  15. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述的碳纖維強 化熱可塑性樹脂複合材料，其中上述層(I)及上述層(II)相重疊，且在上述層(I)與上述層(II)直接重疊的兩層中，各層中所含的上述碳纖維的纖維方向為彼此大致正交。
  16. 一種成型體，對如申請專利範圍第1項至第15項中任一項所述的碳纖維強化熱可塑性樹脂複合材料進行熱成型而成。
  17. 如申請專利範圍第16項所述的成型體，其中在任一個面的表面上具有高度為3mm以上的凸部。
  18. 一種電子設備框體用構件，包括如申請專利範圍第16項或第17項所述的成型體。
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