TWI751250B - 複合構造體及其製造方法 - Google Patents

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TWI751250B
TWI751250B TW106145213A TW106145213A TWI751250B TW I751250 B TWI751250 B TW I751250B TW 106145213 A TW106145213 A TW 106145213A TW 106145213 A TW106145213 A TW 106145213A TW I751250 B TWI751250 B TW I751250B
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Abstract

本發明提供彎曲剛性及輕量性及形狀賦形性優異之複合構造體及其製造方法。本發明之複合構造體係在由第1強化纖維與第1樹脂所構成的構造體之至少一表面上，配置有積層體之複合構造體，其中該積層體具有複數的由第2強化纖維與第2樹脂所構成的層，前述第1強化纖維為不連續纖維，且厚度方向的平均纖維配向角為5~60°之範圍內，前述第2強化纖維為不連續纖維，且厚度方向的平均纖維配向角為0~5°之範圍內，前述構造體之密度為0.01~1g/cm3之範圍內，前述積層體之強化纖維量的體積含有率之變動率為0~10%之範圍內，在前述積層體之與前述構造體相接的面之對向面上具有突出部。

Description

複合構造體及其製造方法
本發明關於複合構造體及其製造方法，該複合構造體係在由強化纖維與樹脂所構成的構造體之至少一表面上，配置有具有複數的由強化纖維與樹脂所構成的層之積層體者。
近年來，關於汽車、航空器、運動製品等之產業用製品，對於剛性和輕量性的提高之市場要求係逐年升高。為了應付如此的要求，剛性和輕量性優異的纖維強化樹脂係廣泛利用於各種產業用途。具體而言，為了滿足輕量性、剛性，檢討利用具有輕量性的纖維強化基材作為三明治構造體之芯材(參照專利文獻1)。另一方面，作為關於已考慮形狀賦形性的纖維強化樹脂積層體之技術，有揭示於摻合有填充劑的樹脂片材之表面上，使用由連續的強化纖維與樹脂所構成的所謂預浸漬物之技術(參照專利文獻2)。再者，作為提高對於複雜形狀的賦形性之技術，有揭示於包含強化纖維與熱塑性樹脂的預浸漬物之至少一表面上，積層具有空隙的片狀物之積層基材(參照專利文獻3)。
先前技術文獻 專利文獻
專利文獻1 國際公開第2015/029634號
專利文獻2 國際公開第2015/083707號
專利文獻3 國際公開第2015/083820號
然而，於專利文獻1記載之方法中，為了對應於各種的製品，必須賦形成複雜、複數之形狀，故必須考慮皮材的形狀賦形性。又，專利文獻2記載之方法為藉由在預浸漬物中設置切口，而在成型步驟中隨著樹脂片材之流動而賦形之技術，但是樹脂片為了擔保力學特性，必須摻合密度高的無機物之填充劑，故無助於輕量化。再者，專利文獻3記載之方法由於在將積層基材成形為成形品時，空隙會消失，故無法達成輕量化。
根據以上，當務之急為提供一種複合構造體，其雖然滿足剛性及輕量性，但是當考慮製品化時形狀賦形性優異。因此，本發明係鑒於上述課題而完成者，其目的在於提供彎曲剛性及輕量性及形狀賦形性優異之複合構造體及其製造方法。
為了解決前述課題，本發明係如以下。
一種複合構造體，其係在由第1強化纖維與第1樹脂所構成的構造體之至少一表面上，配置積層體而一體化之複合構造體，該積層體具有複數的由第2強化纖維與第2樹脂所構成的層， 前述第1強化纖維為不連續纖維，且厚度方向的平均纖維配向角為5~60°之範圍內，前述第2強化纖維為不連續纖維，且厚度方向的平均纖維配向角為0~5°之範圍內，前述構造體之密度為0.01~1g/cm3之範圍內，前述積層體之第2強化纖維的體積含有率之變動率為0~10%之範圍內，在前述積層體之與前述構造體相接的面之對向面上具有突出部。
依照本發明，可提供剛性、輕量性及形狀賦形性優異之複合構造體及其製造方法。
1、1A、1B‧‧‧複合構造體
2‧‧‧第1樹脂
3‧‧‧第1強化纖維
4‧‧‧空隙
5、5B‧‧‧構造體
6-1、6-2‧‧‧積層體(強化纖維係未圖示)
7‧‧‧肋(突出部)
7A‧‧‧凸起物(突出部)
7B‧‧‧突出部
8a、8b、8c、8d‧‧‧彎曲部
圖1係顯示本發明之實施形態的複合構造體之剖面構造的示意圖。
圖2係本發明之實施形態的變形例1之複合構造體的立體圖。
圖3係本發明之實施形態的變形例2之複合構造體的立體圖。
圖4係本發明之複合構造體的厚度方向之剖面構造之一例的示意圖。
實施發明的形態
以下，說明本發明之複合構造體及複合構造體之製造方法。
本發明係一種複合構造體，其係在由第1強化纖維與第1樹脂所構成的構造體之至少一表面上，配置積層體而一體化之複合構造體，該積層體具有複數的由第2強化纖維與第2樹脂所構成的層。
關於複合構造體中的積層體與構造體之配置關係，在本發明中，只要在構造體之至少一面上配置積層體，就沒有特別的限制，但一般而言，可採用在構造體的一表面側配置積層體之法式下酒菜(canapé)構造，或以積層體夾入構造體之三明治構造。從力學特性的保持之觀點來看，較佳為三明治構造，從一邊確保所需最低限度的力學特性，一邊達成輕量性之觀點來看，較佳為法式下酒菜構造。
複合構造體係在積層體之與構造體相接的面之對向面上，具有從該面所突出的突出部。所謂的突出部，就是指由複合構造體的平面或曲面部分往面外方向突出的部分。藉由積層體上配置突出部，除了確保前述的力學特性，還可以擴充製品化時的構造設計。不具有突出部時，即複合構造體僅以平板形狀、半球形狀構成時，對於彎曲剛性設有設計上的限制。
再者，從複合構造體的形狀賦形性、形狀賦形後的複合構造體之力學特性的觀點來看，突出部較佳為肋(rib)及/或凸起物(boss)。於複合構造體中，藉由設置肋及/或凸起物，由於可對於彎曲剛性賦予因形狀所 致的剛性提高效果而較佳。即，可展現比從構造體或積層體而來的彎曲剛性更好的彎曲剛性。
圖1係顯示本發明之實施形態的複合構造體1之剖面構造的示意圖。複合構造體1係在由第1樹脂2、第1強化纖維3與空隙4所成的構造體5之表面側及背面側，分別配置積層體6-1、6-2，在表面側的積層體6-1之與構造體5B相接的面之對向平面f1上，設置從平面f1突出的肋7。肋7係相當於本發明中的突出部。還有，於圖1中，省略構成積層體6-1、6-2的第2樹脂及第2強化纖維之圖示。肋7係可在積層體6-1的平面f1之中央部，在長度方向的全長中(從一端部到另一端為止)設置，但亦可在長度方向的一部分中設置。又，肋7係成為直線狀，但不受此所限定，亦可為鋸齒狀、波狀。再者，可複數條平行地設置肋7，另外亦可將肋設成格子狀。又，當複合構造體為半球狀時，亦可從中心起以放射狀設置肋。
圖2係本發明之實施形態的變形例1之複合構造體1A的立體圖。複合構造體1A係在構造體5之表面側及背面側，分別配置積層體6-1A、6-2，在表面側的積層體6-1A之與構造體5相接的面之對向平面f1上，設置複數的從平面f1所突出的凸起物7A。凸起物7A係相當於突出部。凸起物7A係成為圓柱狀，但不受此所限定，亦可為六角柱狀等的角柱狀，也可內部成為空洞狀。
圖3係本發明之實施形態的變形例2之複合構造體1B的立體圖。複合構造體1B係在構造體5之 表面側及背面側，分別配置積層體6-1B、6-2，在表面側的積層體6-1B之與構造體5相接的面之對向平面f1上，形成突出部7B。突出部7B係藉由彎曲為略直角之彎曲部8a、8b、8c、8d而形成。於變形例2中，彎曲部係彎曲為略直角，使突出部突出積層體之面外，但彎曲角度亦可為銳角或鈍角，彎曲之方向也可為積層體的內部方向。突出部係除了如圖3所示的矩形狀，還可為帽子或波板形狀。上述的肋、凸起物及突出部係例如除了作為補強部之機能，還相當於收納、設置螺絲等的機能零件之地方。
再者於本發明中，突出部的80體積%以上100體積%以下較佳為含有積層體。藉由突出部含有80體積%以上100體積%以下的積層體，可良好地展現力學特性，尤其有助於彎曲剛性的彎曲彈性模數。基於上述之觀點，更佳的突出部中之積層體的體積含有率為90體積%以上100體積%以下，尤佳為100體積%。
本發明之複合構造體，從複合構造體的製作容易度之觀點或使複合構造體的彎曲剛性成為充分值之觀點來看，複合構造體之具有突出部的面(稱為投影面)之投影面積(Ap)與前述投影面中的實測面積(As)之比(As)/(Ap)為大於1且2.5以下之範圍內的面積比。例如，於圖2之複合構造體1A中，投影面積(Ap)為積層體6-1A的平面f1之面積，實測面積(As)為凸起物7A的側面積之合計與積層體6-1A的平面f1之面積之和。該比(As)/(Ap)大於1時，由於可製作複合構造體為平板形狀 以外的突出部，可增廣製品設計之範圍而較佳。基於上述之觀點，比(As)/(Ap)更佳為大於1且1.5以下之範圍內。藉由比(As)/(Ap)為大於1且2.5以下之範圍內，由積層體與構造體所成的複合構造體係具有高的賦形性能等具有特別的效果。
再者，於複合構造體中，將構成積層體之第2強化纖維的質量平均纖維長度當作Ls，將構成構造體之第1強化纖維的質量平均纖維長度當作Lc時，比Ls/Lc為1~50之範圍內者，由於複合構造體的形狀賦形性優異而較佳。藉由成為如此的範圍，在積層體中的第2強化纖維與構造體中的第1強化纖維之長度，沒有大的差異，積層體容易追隨製品形狀。藉由將比Ls/Lc設為上述之範圍，當積層體中的第2強化纖維隨著第2樹脂而變形成突出部之形狀時，可減小構造體中的第1強化纖維對於積層體的變形之阻礙。即，可防止推開在突出部所配置的積層體，而構造體侵入突出部(例如，矩形形狀部)。基於上述之觀點，Ls/Lc之比較佳為1~30，特佳為1~15。
[積層體]
構成本發明之複合構造體的積層體係具有複數的由第2強化纖維與第2樹脂所構成的層。而且，積層體中的層之數只要是複數，即2以上，則沒有特別的限定。還有，當積層體中的層為僅1層時，於製作複合構造體之際，缺乏積層體的賦形性而難以得到所欲的形狀，故積層體中的層之數為複數。
積層體中的層之數只要是2層以上，就沒有特別的限定，但從有助於彎曲剛性的彎曲彈性模數之均質化的觀點來看，積層體中的層較佳為模擬等向地積層。具體而言，為了均質地得到高彎曲剛性，積層體中的層較佳為以[0/90]、[+45/0/-45/90]、[0/±60]作為單位之正交積層或等向積層。
構成本發明之複合構造體的積層體之第2強化纖維為不連續纖維，且厚度方向的平均纖維配向角為0°~5°之範圍內。藉由第2強化纖維為不連續纖維，當將外力施加於積層體而成形時，對於複雜形狀的賦形變容易。再者，藉由第2強化纖維對於積層體的厚度方向之平均纖維配向角為0°~5°之範圍內，積層體本身的力學特性尤其彎曲特性優異。高於5°時，由於第2強化纖維在厚度方向中配向變過多，有無法滿足彎曲特性之情況。從進一步滿足力學特性之觀點來看，第2強化纖維的平均纖維配向角較佳為3°以下。
此處，第2強化纖維的厚度方向之平均纖維配向角係可藉由求出積層體的剖面方向(厚度方向)中的第2強化纖維之配向角度而獲得。所謂的平均纖維配向角，就是對於積層體的剖面方向之傾斜程度，換言之，強化纖維對於厚度方向之傾斜程度。值愈大表示愈偏向厚度方向站立，在0°以上90°以下之範圍中給予。即，藉由將第2強化纖維的厚度方向之平均纖維配向角設為0°~5°之範圍內，可更有效果地展現在積層體中的補強機能。鑒於成為積層體時的彎曲剛性之展現，第2強化纖 維的厚度方向之平均纖維配向角為5°以下。再者，較佳為3°以下。
積層體中的第2強化纖維的平均纖維配向角係可根據對於積層體的面方向而言垂直剖面(厚度方向)之觀察而測定。圖4係顯示本發明之積層體的厚度方向及纖維長度方向所形成的面(圖4(a))以及厚度方向及垂直於纖維長度方向的方向所形成的面(圖4(b))之剖面構造的一例之示意圖。圖4(a)中，第2強化纖維9a、9b之剖面係為了使測定成為簡便而近似橢圓形狀。此處，第2強化纖維9a之剖面係橢圓縱橫比(=橢圓長軸α/橢圓短軸β)看起來小，相對地第2強化纖維9b之剖面係橢圓縱橫比看起來大。另一方面，依照圖4(b)，第2強化纖維9a係對於平面方向(垂直於纖維長度方向的方向)Y具有幾乎平行的斜度，第2強化纖維9b係對於平面方向(纖維長度方向)Y具有一定量的斜度。此時，關於第2強化纖維9b，構造體的平面方向(纖維長度方向)X與纖維主軸(橢圓中的長軸方向)α所成之角度θx係與第2強化纖維9b的厚度方向之配向角度θf大致相等。另一方面，關於第2強化纖維9a，角度θx與配向角度θf所顯示的角度係大大地背離，不能說角度θx反映配向角度θf。因此，自對於構造體的平面方向呈垂直剖面來讀取配向角度θf時，藉由抽出纖維剖面的橢圓縱橫比為一定值以上者，可提高配向角度θf的檢測精度。
於本發明中，作為複合構造體，與構造體一體化的積層體中之第2強化纖維的體積含有率之變動 率為0~10%之範圍內。藉由成為如此的樣態，以彎曲彈性模數為代表的力學特性係成為均質。再者，第2強化纖維的體積含有率之變動率為0~10%，就是指在成為複合構造體時，因測定地方所致的第2強化纖維的體積含有率之偏差少，換言之在最終製品的設計容易性或形狀安定性上顯示良好的結果。基於上述之觀點，積層體中之第2強化纖維的體積含有率較佳為5%以下，更佳為0%。
此處，第2強化纖維的體積含有率之變動率係可藉由已知的方法獲得。例如，可預先以水中置換法求出從複合構造體中取出的積層體之密度，從所測定的體積含有率之平均值、測定數、標準偏差，算出作為偏差的指標之變動係數(CV值(%))，採用其作為體積含有率之變動率。
本發明的積層體中之各層較佳為實質上全部的第2強化纖維被切口所分割，經前述切口所分割之第2強化纖維的質量平均纖維長度Ls為10~100mm之範圍內。藉由第2強化纖維被切口所分割，當得到複合構造體時，積層體中之第2強化纖維係容易隨著第2樹脂而變形，故賦形性提高。積層體之各層為了優異的彎曲剛性、在積層體對於突出部的體積含有率之變動率或賦形性上展現優異的效果，較佳為在由經單向並絲的第2強化纖維與第2樹脂所構成之單向性預浸漬物或由縱紗與橫紗所成之織物預浸漬物中，導入切口。
再者，所謂「實質上全部的第2強化纖維被切口所分割」，就是表示關於構成積層體的各層中之第2強化纖維，未被切口所分割的第2強化纖維之面積小於該層的佔有面積之比例的5%。
從賦形性與力學特性之平衡來看，經切口所分割之第2強化纖維的質量平均纖維長度Ls較佳為10~100mm之範圍內，更佳為20~60mm之範圍內。於積層體中，雖然比質量平均纖維長度Ls較短的第2強化纖維亦存在，但是小於10mm或大於100mm的長度之第2強化纖維愈少愈佳，小於10mm或大於100mm的長度之第2強化纖維存在的面積較佳為小於第2強化纖維存在的層之佔有面積的比例之5%。
又，形成積層體的各層之厚度較佳為30~300μm之範圍內。本發明的積層體之各層由於具有切口，若被分割的層之厚度大，則有生產性降低之傾向。因此，各層之厚度較佳設為300μm以下。另一方面，各層之厚度即使小於30μm也沒有問題，但是安定地製造極薄的層係非常困難。因此，從生產性之觀點來看，較佳為30μm以上。從生產性之觀點來看，各層之厚度更佳為50~150μm。
本發明的積層體係如前述為具有複數的由第2強化纖維與第2樹脂所構成的層之積層體。而且，積層體係積層體中的1個層之第2強化纖維的配向方向與和該層相鄰的層之強化纖維的配向方向所形成的角度為4°以上90°以下之範圍內，此係因為積層體的彎曲剛 性優異而較佳。因為積層體彎曲剛性優異，結果可提高複合構造體的彎曲剛性而較佳。
從賦形性之觀點來看，積層體中之各層係切口與第2強化纖維所成的角度θ之絕對值較佳為2~25°。藉由為25°以下，在力學特性之提高上，展現較佳的效果。另一方面，角度θ之絕對值小於2°時，雖然既可得到流動性，也可得到力學特性，但是會難以安定地導入切口。此係因為若相對於第2強化纖維，切口過度銳角，則在導入切口時，第2強化纖維與刀刃的接觸不安定。又，為了使第2強化纖維的質量平均纖維長度Ls成為10~100mm，若角度θ之絕對值小於2°，則至少切口彼此之距離變過小，缺乏生產安定性。又，若切口彼此之距離小，則有積層體的操作性變困難之問題。因此，積層體中之各層係切口與第2強化纖維所成的角度θ之絕對值較佳為2~25°，鑒於切口的控制容易性與彎曲剛性之關係，更佳為5~15°之範圍內。
再者，構成積層體之各層，從彎曲剛性的展現之觀點來看，第2強化纖維的纖維體積含有率較佳為45~65%之範圍內。若第2強化纖維的纖維體積含有率低於45%，則用於展現積層體的彎曲剛性所需要的第2強化纖維之量少，故彎曲剛性差。另一方面，若高於65%，則製造積層體時的第2樹脂對於第2強化纖維之含浸變困難，因此不宜。
作為在本發明的積層體中插入切口之方法，首先，製作在經單向並絲的連續第2強化纖維中含 浸有第2樹脂之積層體前驅物(所謂的預浸漬物基材)，然後，可例示藉由使用切刀的手作業或裁切機，在預浸漬物基材中導入切口之方法；將在指定位置配置有刀刃的旋轉輥連續地推壓至預浸漬物基材之方法。又，預浸漬物基材係在完全分割膠帶狀的預浸漬物基材後，可再排列成所欲的構成，或從一定的高度使其自由落下而無規地配置。另一方面，於第2強化纖維中導入切口後，亦可使其含浸第2樹脂。
再者，本發明的積層體中之各層較佳係第2強化纖維為碳纖維，第2樹脂為熱硬化性樹脂。使用碳纖維作為第2強化纖維，從可成為彎曲彈性模數與密度之平衡優異的積層體之觀點來看較佳。又，使用熱硬化性樹脂作為第2樹脂，從所得之積層體的力學特性之可靠性的觀點或積層體的製作容易度來看較佳。
[構造體]
本發明中的構造體之密度為0.01~1g/cm3之範圍內。構造體之密度ρ大於1g/cm3時，意指構造體的質量增加，結果招致作為複合構造體時的質量之增加，因此不宜。低於密度之下限值的0.01g/cm3時，雖然構造體本身之密度優異，但是構造體中的第1強化纖維與第1樹脂之體積比例變過少，故力學特性的保持變困難。從保持構造體的力學特性之觀點來看，構造體之密度較佳為0.03g/cm3以上，再者若考慮密度與力學特性之平衡，則構造體之密度較佳為0.1g/cm3以上。
構造體中的第1強化纖維為不連續纖維，質量平均纖維長度為1~15mm，因為可提高第1強化纖維對於構造體的補強效率，給予構造體優異的力學特性而較佳。藉由第1強化纖維的質量平均纖維長度為1mm以上，可高效率地形成構造體中的空隙，故可降低密度，換言之，由於可容易得到相同質量且同時為所欲厚度的構造體而較佳。另一方面，第1強化纖維的質量平均纖維長度為15mm以下時，構造體中第1強化纖維不易因本身重量而彎曲，不阻礙力學特性的展現而較佳。第1強化纖維的質量平均纖維長度係可與第2強化纖維的質量平均纖維長度同樣地測定。
於本發明中，為了將構造體之密度控制在0.01~1g/cm3之範圍內，亦較佳為構造體具有空隙。
此處，所謂的空隙，就是指經由第1樹脂所被覆的第1強化纖維成為柱狀的支撐體，藉由其進行疊合或交叉而形成的空間。例如將在第1強化纖維中預先含浸有第1樹脂的構造體前驅物予以加熱而得到構造體時，藉由加熱所伴隨的第1樹脂之熔融或軟化，第1強化纖維起毛而形成空隙。此係基於在構造體前驅物中，因加壓而成為壓縮狀態之內部的第1強化纖維係藉由源自其彈性模數的起毛力而起毛之性質。
再者，具有空隙的構造體較佳為將第1強化纖維、第1樹脂及空隙的合計體積當作100體積%時，第1強化纖維的體積含有率為0.5體積%以上55體積%以下，第1樹脂的體積含有率為2.5體積%以上85體積 %以下，空隙的體積含有率為10體積%以上97體積%以下。對於此進行說明。
於構造體中，第1強化纖維的體積含有率在0.5體積%以上55體積%以下之範圍內者，從滿足構造體的第1強化纖維之補強效果或輕量性之觀點來看較佳。若第1強化纖維的體積含有率為0.5體積%以上，則來自第1強化纖維的補強效果可成為充分，因此較佳。另一方面，第1強化纖維的體積含有率為55體積%以下時，相對於第1強化纖維而言第1樹脂的體積含有率係相對地變多，可黏接構造體中的第1強化纖維彼此，使第1強化纖維的補強效果成為充分，故可滿足構造體的力學特性，尤其彎曲特性而較佳。
又，構造體中之第1樹脂的體積含有率較佳在2.5體積%以上85體積%以下之範圍內。第1樹脂的體積含有率為2.5體積%以上時，可黏接構造體中的第1強化纖維彼此，使第1強化纖維的補強效果成為充分，故可滿足構造體的力學特性，尤其彎曲彈性模數而較佳。另一方面，藉由第1樹脂的體積含有率為85體積%以下，可不阻礙空隙之形成而較佳。
再者，構造體中之空隙的體積含有率較佳為10體積%以上97體積%以下之範圍內。藉由空隙的體積含有率為10體積%以上，構造體之密度變小，故可滿足輕量性而較佳。另一方面，空隙的體積含有率為97體積%以下時，被覆第1強化纖維的周圍之第1樹脂的厚度變充分，故可充分地進行構造體中之第1強化纖維彼此的補強，力學特性變高而較佳。
從成為複合構造體時的彎曲剛性與輕量性的平衡之觀點來看，本發明之構造體係將彎曲彈性模數當作Ec，將密度當作ρ時，以Ec1/3‧ρ-1表示的比彎曲剛性較佳為3以上20以下之範圍內，且構造體的彎曲彈性模數Ec較佳為3GPa以上。構造體之比彎曲剛性小於3時，即使彎曲彈性模數高，也為密度亦高之狀態，會得不到所欲的輕量化效果。另一方面，構造體之比彎曲剛性大於20時，雖然輕量化效果充分，但是表示彎曲彈性模數低，難以保持作為構造體所欲的形狀，或構造體本身之彎曲彈性模數差。一般而言，鋼材或鋁之比彎曲剛性為1.5以下，本發明之複合構造體中的構造體之比彎曲剛性具有比此等的金屬材料更極優異的比彎曲剛性。從輕量化效果與比彎曲剛性之平衡來看，本發明之複合構造體中的構造體之比彎曲剛性較佳為4以上，更佳為5以上。
再者，構造體的彎曲彈性模數Ec較佳為3GPa以上，更佳為6GPa以上。構造體的彎曲彈性模數Ec小於3GPa時，在作為複合構造體使用的範圍會發生限制。又，為了使複合構造體的設計成為容易，構造體的彎曲彈性模數較佳為具有等向性。在彎曲彈性模數之上限雖然不設限制，但一般於由第1強化纖維與第1樹脂所成之構造體中，由其構成成分的第1強化纖維及第1樹脂各自之彈性模數所算出的值可作為上限。於本發明之構造體中，為了使用構造體本身的彎曲彈性模數進行構件之設計而供實用，只要有5GPa即為充分。
本發明中的第1強化纖維為不連續纖維，且厚度方向的平均纖維配向角為5°~60°之範圍內。藉由第1強化纖維為不連續纖維，當將外力施加於構造體而成形時，對於複雜形狀的賦形變容易。再者，藉由將第1強化纖維的厚度方向之平均纖維配向角設為5°~60°之範圍內，經由第1強化纖維所形成的空隙係緻密化，同時可高效率地生成空隙，變容易控制構造體之密度。即，於構造體中，藉由第1強化纖維為不連續纖維且具有特定範圍內之平均纖維配向角，可將在構造體中的第1強化纖維之纖維束端所可能發生之力學上脆弱的部分予以極小化，故除了優異的補強效率及可靠性，亦賦予等向性。
構造體中的第1強化纖維之纖維配向角，係可用與積層體中的第2強化纖維之纖維配向角同樣之方法進行測定。
再者，第1強化纖維為略單絲狀且無規地分散者，可將構造體均質化，可確保彎曲剛性的安定性，因此較佳。此處，所謂的略單絲狀，就是指強化纖維單紗(single yarn)以少於500條的細纖度股束(strand)存在。更佳為單絲(monofilament)狀地分散。
本發明中的第1強化纖維採取不織布狀的形態者，從第1樹脂對於第1強化纖維的周圍之含浸容易度之觀點來看較佳。再者，由於第1強化纖維具有不織布狀的形態，除了不織布本身的操縱性之容易度，還有即使作為第1樹脂，使用一般被視為高黏度的熱塑性 樹脂時，也可容易含浸，因此較佳。此處，所謂之不織布狀的形態，就是指第1強化纖維的股束及/或單絲不規則性地分散成面狀之形態，可例示短切股束墊、連續股束墊、抄紙墊、梳理墊、氣流成網墊等(以下，將此等統稱為強化纖維墊)。
作為構成構造體的強化纖維墊之製造方法，例如有將第1強化纖維預先分散成股束及/或略單絲狀，製造強化纖維墊之方法。作為強化纖維墊之製造方法，可舉出下述方法作為眾所周知技術：將第1強化纖維以空氣流分散片化之氣流成網法；或一邊將第1強化纖維予以機械地梳分一邊調整形狀而片化之梳理法等的乾式製程；在水中攪拌第1強化纖維及抄紙的濕式製程。作為使第1強化纖維更接近單絲狀之手段，於乾式製程中，可例示設置開纖棒之方法或進一步使開纖棒振動之方法；再進一步使梳理機之縫變細之方法；或調整梳理機的旋轉速度之方法等。於濕式製程中，可例示調整第1強化纖維的攪拌條件之方法；將分散液的強化纖維濃度予以稀薄化之方法；調整分散液的黏度之方法；於移送分散液之際抑制渦流之方法等。強化纖維墊特佳以濕式製程製造，藉由增加投入纖維的濃度，或調整分散液的流速(流量)與網狀輸送帶的速度，可容易地調整強化纖維墊的第1強化纖維之比例。例如，藉由相對於分散液的流速，減慢網狀輸送帶的速度，所得之強化纖維墊中的纖維之配向係變得難以朝向牽引方向，可製造大體積的強化纖維墊。強化纖維墊係可由第1強化纖維 單體所構成，也可將第1強化纖維與粉末形狀或纖維形狀的基質樹脂成分混合，或將第1強化纖維與有機化合物或無機化合物混合，或第1強化纖維彼此被樹脂成分所填縫。
再者，亦可於強化纖維墊中預先含浸第1樹脂，成為構造體前驅物。作為製造如此的構造體前驅物之方法，使用對於強化纖維墊，以熔融或加熱至軟化溫度以上之狀態，給予第1樹脂壓力，使其含浸至強化纖維墊之方法者，從製造的容易度之觀點來看較佳。具體而言，較佳可例示自強化纖維墊之厚度方向的兩側，使配置有第1樹脂的積層物中之第1樹脂熔融含浸至強化纖維墊之方法。
作為用於實現上述各方法的設備，可適宜使用壓縮成形機或雙帶壓機。分批式之情況為前者，藉由並列有加熱用與冷卻用的2機以上之間歇式加壓系統，可謀求生產性的提高。連續式之情況為後者，由於可容易地進行連續的加工，而連續生產性優異。
再者，本發明之構造體較佳係第1強化纖維為碳纖維，第1樹脂為熱塑性樹脂。使用碳纖維作為第1強化纖維，可成為力學特性與輕量性之平衡優異的構造體，因此較佳。又，使用熱塑性樹脂作為第1樹脂，從構造體之製造容易度、成為複合構造體時之厚度調整的容易度之觀點來看較佳。
[第1強化纖維及第2強化纖維]
作為本發明之複合構造體中的構成構造體之第1強化纖維及構成積層體之第2強化纖維，可例示鋁、不鏽鋼等之金屬纖維、PAN系、縲縈系、木質素系、瀝青系之碳纖維、石墨纖維、玻璃等之絕緣性纖維、芳香族聚醯胺、PBO、聚苯硫等之有機纖維、碳化矽、氮化矽等之無機纖維。又，亦可對於此等纖維施予表面處理。作為表面處理，除了作為導電體的金屬之黏附處理，還有藉由偶合劑的處理、藉由上漿劑的處理、藉由捆紮劑的處理、添加劑之附著處理等。又，此等之纖維係可單獨使用1種類，也可併用2種類以上。其中，從輕量化效果之觀點來看，較佳使用比強度、比剛性優異的PAN系、瀝青系、縲縈系等之碳纖維。另外，從提高所得之構造體的經濟性之觀點來看，較佳使用玻璃纖維，尤其從力學特性與經濟性之平衡來看，較佳併用碳纖維與玻璃纖維。再者，從提高所得之構造體的衝擊吸收性或賦形性之觀點來看，較佳使用芳香族聚醯胺纖維，尤其從力學特性與衝擊吸收性之平衡來看，較佳併用碳纖維與芳香族聚醯胺纖維。還有，從提高所得之構造體的導電性之觀點來看，亦可使用被覆有鎳或銅或鐿等的金屬之強化纖維。於此等之中，可更佳使用強度與彈性模數等之力學特性優異的PAN系碳纖維。
[第1樹脂及第2樹脂]
於本發明之複合構造體中，作為構成構造體之第1樹脂及構成積層體之第2樹脂，可例示熱塑性樹脂或熱硬化性樹脂。又，於本發明中，亦可摻合熱硬化性樹脂與熱塑性樹脂，此時，於分別構成第1樹脂或第2樹脂的成分之中，將佔大於50質量%之量的成分當作樹脂之名稱。再者，使用熱硬化性樹脂作為第1樹脂時，構造體中的熱硬化性樹脂意指其硬化物，同樣地，使用熱硬化性樹脂作為第2樹脂時，積層體中的熱硬化性樹脂意指其硬化物。
本發明中的第1樹脂及第2樹脂係可包含至少1種類以上的熱塑性樹脂。作為熱塑性樹脂，可例示由以下所選出的熱塑性樹脂：「聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚對苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚對苯二甲酸丙二酯(PTT)、聚萘二甲酸乙二酯(PEN)、液晶聚酯等之聚酯、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚丁烯等之聚烯烴、聚甲醛(POM)、聚醯胺(PA)、聚苯硫(PPS)等之聚芳硫、聚酮(PK)、聚醚酮(PEK)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚醚腈(PEN)、聚四氟乙烯等之氟系樹脂、液晶聚合物(LCP)」等之結晶性樹脂、「除了苯乙烯系樹脂以外，還有聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯醚(PPE)、聚醯亞胺(PI)、聚醯胺醯亞胺(PAI)、聚醚醯亞胺(PEI)、聚碸(PSU)、聚醚碸、聚芳酯(PAR)」等之非晶性樹脂，還有酚系樹脂、苯氧樹脂，更且聚苯乙烯系、聚烯烴系、聚胺基甲酸酯系、聚酯系、聚醯胺系、聚丁二烯系、聚異戊二烯系、氟系樹 脂及丙烯腈系等之熱塑性彈性體等，或此等的共聚物及改質體等。其中，從所得之複合構造體的輕量性之觀點來看，較佳為聚烯烴，從強度之觀點來看，較佳為聚醯胺，從表面外觀之觀點來看，較佳為如聚碳酸酯或苯乙烯系樹脂之非晶性樹脂，從耐熱性之觀點來看，較佳為聚芳硫，從連續使用溫度之觀點來看，較佳為聚醚醚酮，再者從耐藥品性之觀點來看，較佳使用氟系樹脂。
本發明中的第1樹脂及第2樹脂係可包含至少1種類以上的熱硬化性樹脂。作為熱硬化性樹脂，可例示不飽和聚酯、乙烯酯、環氧樹脂、酚樹脂、尿素樹脂、三聚氰胺樹脂、熱硬化性聚醯亞胺、此等之共聚物、改質體及摻合有此等的至少2種類之樹脂。從所得之複合構造體的力學特性之觀點來看，可較佳使用環氧樹脂。又，從表面設計之觀點來看，可較佳使用不飽和聚酯、乙烯酯、環氧樹脂。從難燃性之觀點來看，可較佳使用酚樹脂。
又，於不損害本發明目的之範圍內，在第1樹脂及第2樹脂中，亦可含有彈性體或橡膠成分等之耐衝擊性提高劑、其它的填充材或添加劑。作為填充材或添加劑之例，可例示無機填充材、難燃劑、導電性賦予劑、結晶核劑、紫外線吸收劑、抗氧化劑、減振劑、抗菌劑、防蟲劑、防臭劑、防著色劑、熱安定劑、脫模劑、抗靜電劑、塑化劑、滑劑、著色劑、顏料、染料、發泡劑、抑泡劑或偶合劑。
再者，構成本發明中的構造體之第1樹脂，從形狀賦形性、構造體之製作容易度之觀點來看，較佳為熱塑性樹脂。另一方面，構成積層體之第2樹脂，從力學特性的安定性、可靠性、賦形性之觀點來看，較佳為熱硬化性樹脂。
[複合構造體之製造方法]
本發明中的複合構造體係可採用至少依順序進行以下的步驟1、步驟2、步驟3之製造方法，從製造的容易度或所製造的複合構造體之厚度控制及製造速度之觀點來看較佳。
步驟1：在具有作為第1樹脂的熱塑性樹脂及第1強化纖維，且實質上不具有空隙的構造體前驅物之至少一面上，將具有作為第2樹脂的熱硬化性樹脂及第2強化纖維之積層體前驅物予以積層，而成為積層構造體之積層步驟，步驟2：將前述積層構造體配置於至少在前述積層構造體的積層方向具有彎曲形狀、凹凸形狀(凸起物等)或肋形狀之模具中，藉由加熱及加壓，一邊將前述積層構造體賦形至前述模具之形狀，一邊使前述熱硬化性樹脂硬化之步驟，步驟3：藉由以使前述熱塑性樹脂熔融或軟化之狀態，進行厚度調整，使前述構造體前驅物膨脹而成為構造體，得到複合構造體之步驟。
再者，步驟1所用之構造體前驅物為「實質上不具有空隙」者，就是指構造體前驅物中之空隙的體積含有率為5體積%以下。若空隙的體積含有率為5體積%以下，則即使於步驟1中，構造體前驅物之厚度為薄時，也彎曲彈性模數充分，故滿足操作性。
又，步驟1所用之積層體前驅物中的熱硬化性樹脂為未硬化的熱硬化性樹脂，在步驟2中被硬化。
步驟1係得到積層有構造體前驅物與積層體前驅物的積層構造體之步驟，步驟2係使用步驟1中所得的積層構造體，於具有彎曲形狀、凸起物等的凹凸形狀或肋形狀等的補強或機能構件形狀之由公母一對所構成的模具中，配置積層構造體，藉由加熱加壓而形狀賦形。於步驟2中，較佳為給予充分的熱量，以便構成積層體的熱硬化性樹脂形成交聯構造及硬化。步驟2之壓力係積層構造體、較佳積層前驅物往突出部流入程度之壓力為充分，亦有0.3~10MPa為充分。
步驟3係藉由以加熱步驟2所得之複合構造體前驅物的狀態，進行厚度調整，使構造體前驅物膨脹，成為具有空隙的構造體，得到複合構造體之步驟。此時的加熱溫度，從所製造的複合構造體之厚度控制及製造速度之觀點來看，係給予充分的熱量而使得構成構造體的熱塑性樹脂熔融或軟化較佳，具體而言，較佳為給予相對於熱塑性樹脂(第1樹脂)的熔融溫度而言高10℃以上且為熱塑性樹脂(第1樹脂)的熱分解溫度以下之溫度。又，壓力係防止厚度控制時模具開放的程度之壓力為充分，只要有3~10MPa即為充分。
作為進行步驟2及步驟3之方法，只要是藉由加熱而積層體前驅物中的熱硬化性樹脂形成交聯構造及硬化，使構造體前驅物中的熱塑性樹脂膨脹，可將複合構造體控制在目的之厚度，則不論方法為何，但從製造的簡便性之觀點來看，可例示使用金屬板等來拘束厚度之方法、藉由給予複合構造體前驅物的壓力而厚度控制之方法等當作較佳的方法。作為實現上述方法用的設備，可適宜使用壓縮成形機。分批式之情況為前者，藉由並列有加熱用與冷卻用的2機以上之間歇式加壓系統，可謀求生產性的提高。
從彎曲剛性或對於複雜形狀的賦形性之觀點來看，本發明之複合構造體，較佳使用於汽車內外裝、電氣‧電子機器殼體、自行車、運動用品用構造材、航空器內裝材、輸送用箱體。其中，尤其適合由複數的零件所構成之模組構件。
實施例
以下，藉由實施例更具體地說明本發明。
(1)複合構造體中之第1強化纖維及第2強化纖維的平均纖維配向角
從實施例、比較例所製作的複合構造體中，藉由磨削而取出積層體及構造體，切出寬度25mm的小片。
藉由分別剖面觀察所切出的積層體與構造體，測定第1強化纖維及第2強化纖維的平均纖維配向角。再者，小片係包埋於環氧樹脂中後，以平行於厚度方向的剖面 成為觀察面之方式，研磨而製作試料。觀察係用雷射顯微鏡(KEYENCE(股)製，VK-9510)，將試料放大至400倍。
再者，積層體的平均纖維配向角係以試料中最靠近構造體之側的層成為第2強化纖維的纖維長度方向的方式進行觀察。纖維配向角之測定係將積層體與構造體的邊界面當作基準(0°)，對於所抽出的觀察試料，對於合計400條的第2強化纖維，測定基準與第2強化纖維所成的角，求出其算術平均值，當作第2強化纖維的平均纖維配向角。
用雷射顯微鏡(KEYENCE(股)製，VK-9510)，將試料放大至400倍，進行纖維剖面形狀之觀察。將觀察影像在通用影像解析軟體上展開，利用已編入軟體內的程式，抽出在觀察影像中能看到的各個纖維剖面，設置內接於纖維剖面的橢圓，使其近似纖維剖面的形狀(以後，稱為纖維橢圓)。再者，對於以纖維橢圓的長軸長度α/短軸長度β表示的縱橫比為20以上的纖維橢圓，求出與纖維橢圓的長軸方向所成之角。
又，亦對於構造體，對於從構造體的不同部位所抽出的觀察試料，藉由重複上述操作，對於合計400條的第1強化纖維，測定配向角度，求出其算術平均值，當作第1強化纖維的平均纖維配向角。
(2)複合構造體之具有突出部的面(稱為投影面)之投影面積(Ap)與投影面中的實測面積(As)之比(As)/(Ap)
對於實施例、比較例所製作之複合構造體，對於複合構造體的表面部分，藉由垂直方向的數位相機取得影像。自所取得的影像之比例尺來算出面積，當作投影面積(Ap)。接著，使用游標卡尺，測定投影面中的形狀(突出部)之長度、深度、厚度，自其測定結果來計算各形狀的面積，當作投影面中的實測面積(As)。投影面積(Ap)與投影面中的實測面積(As)之比係用(As)/(Ap)算出。
(3)突出部中之積層體的體積含有率
自複合構造體中，藉由切斷而僅去除突出部。接著，以切斷部成為5等分之方式，切出小片。藉由此之剖面觀察，測定突出部中之積層體的體積含有率。預先對於與小片中的厚度方向呈平行的面(觀察面)，藉由測微計測定直角方向的長度(L1)。然後，小片係包埋於環氧樹脂中後，以平行於厚度方向的剖面成為觀察面之方式進行研磨，製作試料。
用雷射顯微鏡(KEYENCE(股)製，VK-9510)，將試料放大至200倍，進行剖面之觀察，將所取得之觀察影像在通用影像解析軟體上展開，利用已編入軟體內的程式，求出突出部全體的面積(S1)。
然後，藉由自觀察影像中可確認的對比，抽出積層體部分，與上述同樣地利用通用影像解析軟體上的程式，求出積層體部分的面積(S2)。將各自所求得的面積代入下式，算出突出部中之積層體的體積含有率，藉由測定數的算術平均值而算出。
突出部中之積層體的體積含有率=100-((S1-S2)×L1)/(S1×L1))×100
(4)積層體之第2強化纖維的體積含有率之變動率
從複合構造體中，藉由磨削而取出積層體，然後，切斷突出部與突出部以外而切開分離。接著，對於突出部，切斷成4等分。又，突出部以外之部分係切出成縱橫25mm之小片。再者，當突出部以外之部分不滿25mm時，以面積成為4等分之方式切出小片。切出的尺寸以外係以與(3)同樣之方法算出第2強化纖維的體積含有率。再者，由第2強化纖維的體積含有率之測定值算出標準偏差，藉由將該標準偏差除以平均值，算出作為偏差的指標之變動係數(CV值(%))，當作體積含有率之變動率。
(5)積層體中之第2強化纖維的質量平均纖維長度(Ls)與構造體中之第1強化纖維的質量平均纖維長度(Lc)之比
從複合構造體中，藉由磨削而取出積層體及構造體。接著，將各自在空氣中以500℃加熱30分鐘而燒掉樹脂成分。將剩餘的強化纖維散布在濾紙上，當作試料。用雷射顯微鏡(KEYENCE(股)製，VK-9510)將試料放大至200倍，進行纖維長度之測定。自所得之測定結果，藉由下式求出質量平均纖維長度(Ls)及(Lc)，藉由下式算出其比。
第2強化纖維與第1強化纖維的質量平均纖維長度之比=(Ls)/(Lc)
第1強化纖維的質量平均纖維長度(Lc)及第2強化纖維的質量平均纖維長度(Ls)
質量平均纖維長度=Σ(Li×Wi/100)
Li：所測定的纖維長度(i=1、2、3、…、n)
Wi：纖維長度Li的纖維之質量分率(i=1、2、3、…、n)
(6)構造體中之第1強化纖維的體積含有率Vf
測定構造體之質量Ws後，將構造體在空氣中以500℃加熱30分鐘而燒掉樹脂成分，測定殘留的第1強化纖維之質量Wf，藉由下式算出。
第1強化纖維的體積含有率Vf(體積%)=(Wf/ρf)/{Wf/ρf+(Ws-Wf)/ρr}×100
ρf：第1強化纖維之密度(g/cm3)
ρr：第1樹脂之密度(g/cm3)
(7)構造體中之空隙的體積含有率
從構造體中以縱10mm、橫10mm切出試驗片，藉由掃描型電子顯微鏡(SEM)(日立高科技(股)製S-4800型)觀察剖面，自構造體之表面，以1000倍的倍率等間隔地拍攝10處。對於各自之影像，求出影像內的空隙之面積Aa。再者，藉由將空隙的面積Aa除以影像全體的面積而算出空隙率。構造體之空隙的體積含有率係在5片的試 驗片中各自拍攝各10處，自合計50處的空隙率，藉由算術平均求出。
(8)構造體中之第1樹脂的體積含有率
使用由(6)、(7)所求得的構造體中之第1強化纖維的體積含有率與空隙的體積含有率之值，藉由下式求出第1樹脂的體積含有率。
第1樹脂的體積含有率Vr(體積%)=100-(Vf+Va)
Vf：第1強化纖維的體積含有率(體積%)
Va：空隙的體積含有率(體積%)
(9)構造體的彎曲彈性模數及比彎曲剛性
從構造體中切出試驗片，依照ISO178法(1993)測定彎曲彈性模數。試驗片係對於將任意的方向當作0°方向時+45°、-45°、90°方向之4個方向切出而製作試驗片，對於各自之方向，測定數n=5，將算術平均值當作彎曲彈性模數Ec。作為測定裝置，使用「Instron(註冊商標)」5565型萬能材料試驗機(INSTRON日本(股)製)。
密度係使用前述試驗片，參考JIS K7222(2005)，測定表觀密度。以測微計測定試驗片的縱、橫、厚度，自所得之值算出試驗片的體積V。又，以電子天平測定用於測定的試驗片之質量M。藉由將所得之質量M及體積V代入下式，算出構造體之密度ρ。
ρ[g/cm3]=103×M[g]/V[mm3]
將由上述所得之彎曲彈性模數Ec與密度ρ代入下式，算出構造體之比彎曲剛性。再者，彎曲彈性模數及密度係藉由測定數進行算術平均，作為代表值使用。
比彎曲剛性=Ec1/3/ρ
於下述之實施例及比較例中，使用以下之材料。
[碳纖維]
從以聚丙烯腈作為主成分之共聚物起，進行紡絲、培燒處理及表面氧化處理，得到總單紗數12,000條之連續碳纖維。此連續碳纖維之特性係如以下所示。
單纖維直徑：7μm
密度：1.8
拉伸強度：4600MPa
拉伸彈性模數：220GPa
[PP樹脂]
製作由80質量%的未改質聚丙烯樹脂(Prime Polymer(股)製「Prime Polypro」(註冊商標)J105G)與20質量%的酸改質聚丙烯樹脂(三井化學(股)製「Admer」QB510)所成之單位面積重量100g/m2的樹脂片。表1中顯示所得之樹脂片之特性。
[PA6樹脂]
製作由尼龍6樹脂(東麗(股)製「Amilan」(註冊商標)CM1021T)所成之單位面積重量124g/m2的樹脂薄膜。表1中顯示所得之樹脂薄膜之特性。
[PEs樹脂]
製作由聚酯樹脂(東麗(股)製「Hytrel」(註冊商標)SB754)所成之單位面積重量121g/m2的樹脂薄膜。表1中顯示所得之樹脂薄膜之特性。
[環氧樹脂]
於環氧樹脂(日本環氧樹脂(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，以捏合機加熱混煉5質量份的熱塑性樹脂聚乙烯縮甲醛(CHISSO(股)製「Vinylec(註冊商標)」K)，使聚乙烯縮甲醛均勻地溶解後，以捏合機混煉3.5質量份的硬化劑二氰二胺(日本環氧樹脂(股)製DICY7)與7質量份的硬化促進劑4,4-亞甲基雙(苯基二甲基脲)(PTI日本(股)「Omicure」(註冊商標)52)，調製未硬化的環氧樹脂組成物。自此使用刀塗機製作單位面積重量132g/m2的樹脂薄膜。表1中顯示所得之樹脂薄膜之特性。
[構造體A]
使用碳纖維作為第1強化纖維，以美工刀切割成6mm，得到短切碳纖維。製作由水與界面活性劑(NACALAI TESQUE(股)製，聚氧乙烯月桂基醚(商品名))所成之濃度0.1質量%的分散液，使用此分散液與短切碳纖維，製造強化纖維墊。製造裝置具備在作為分散槽之 容器下部具有開口旋塞的直徑1000mm之圓筒形狀的容器、連接分散槽與抄紙槽之直線狀的輸送部(傾斜角30°)。於分散槽之上面的開口部附設攪拌機，可從開口部投入短切碳纖維及分散液(分散介質)。抄紙槽係在底部具備具有寬度500mm的抄紙面之網狀輸送帶，將能搬運碳纖維基材(抄紙基材)的輸送帶連接至網狀輸送帶。抄紙係將分散液中的碳纖維濃度設為0.05質量%而進行。經抄紙的碳纖維基材係在200℃的乾燥爐中乾燥30分鐘，而得到強化纖維墊。所得之單位面積重量為50g/m2。
製作依[第1樹脂/強化纖維墊/第1樹脂/強化纖維墊/第1樹脂/強化纖維墊/第1樹脂/強化纖維墊/強化纖維墊/第1樹脂/強化纖維墊/第1樹脂/強化纖維墊/第1樹脂/強化纖維墊/第1樹脂]之順序配置有強化纖維墊與作為第1樹脂的PP樹脂之積層物。接著，藉由經過以下之步驟(I)~(V)而得到構造體A。表2中顯示特性。
(I)將積層物配置於經預熱至230℃的加壓成形用模腔內，關閉模具。
(II)接著，保持120秒後，給予3MPa的壓力，更保持60秒。
(III)於步驟(II)之後，開放模腔，在其末端插入金屬間隔物，以得到構造體時的厚度成為3.4mm之方式調整。
(IV)然後，再度鎖緊模腔，於保持壓力之狀態下將模腔溫度冷卻到50℃為止。
(V)打開模具，取出構造體。
[構造體B]
除了將第1樹脂從PP樹脂換成PA6樹脂，將步驟(I)中的預熱溫度從230℃換成260℃，將步驟(IV)中的模腔溫度從50℃換成60℃以外，與構造體A同樣地得到構造體B。表2中顯示特性。
[構造體C]
除了將第1樹脂從PP樹脂換成PEs樹脂，將步驟(I)中的預熱溫度從230℃換成200℃以外，與構造體A同樣地得到構造體C。表2中顯示特性。
[構造體D]
將第1樹脂從PP樹脂換成環氧樹脂，與構造體A同樣地得到積層物。接著，藉由經過以下之步驟(I)~(V)，得到構造體D。表2中顯示特性。
(I)將積層物配置於經預熱至150℃的加壓成形用模腔內，關閉模具。
(II)接著，給予1MPa的壓力，更保持20秒。
(III)於步驟(II)之後，開放模腔，在其末端插入金屬間隔物，以得到構造體時的厚度成為3.3mm之方式調整後，一邊保持1MPa之壓力，一邊保持壓力30分鐘。
(IV)然後，再度鎖緊模腔，於保持壓力之狀態下將模腔溫度冷卻到30℃為止。
(V)打開模具，取出構造體。
[構造體E]
除了將製造構造體A之步驟(III)中的金屬間隔物之厚度從3.4mm換成6.8mm以外，與構造體A同樣地得到構造體E。表2中顯示特性。
[構造體F]
除了使用碳纖維作為第1強化纖維，以美工刀將此切割成15mm，得到短切碳纖維以外，與構造體A中使用的強化纖維墊同樣地得到強化纖維墊。接著，除了將步驟(III)中的金屬間隔物之厚度從3.4mm換成1.1mm以外，與構造體A同樣地得到構造體F。表2中顯示特性。
[構造體G]
除了使用碳纖維作為第1強化纖維，以美工刀將此切割成0.5mm，得到短切碳纖維以外，與構造體A中使用的強化纖維墊同樣地得到強化纖維墊。接著，除了將步驟(III)中的金屬間隔物之厚度從3.4mm換成1.7mm以外，與構造體A同樣地得到構造體G。表2中顯示特性。
[構造體H]
除了將製造構造體A之步驟(III)中的金屬間隔物之厚度從3.4mm換成1.0mm以外，與構造體A同樣地得到構造體H。表2中顯示特性。
[積層體A]
使用前述的環氧樹脂薄膜作為第2樹脂，接著作為第2強化纖維，在經單向排列的碳纖維之兩面上分別重疊環氧樹脂薄膜，藉由加熱‧加壓而含浸環氧樹脂，製作每單位面積的碳纖維重量125g/m2、纖維體積含有率Vf60%、厚度0.125mm之預浸漬物基材。
於此預浸漬物基材中，用自動裁切機在自碳纖維的配向方向起，連續地插入15°的方向之直線的切口後，切出成300×300mm之大小，得到等間隔具有規則的切口之預浸漬物基材。在300×300mm之大小的預浸漬物基材之周圍5mm不導入切口，藉由連續的切口而不變散亂(在290×290mm之範圍中導入切口)。經由切口所分割的纖維長度為50mm。將第2碳纖維的配向方向當作0°方向，將自第2碳纖維的配向方向起向右錯開90度的方向當作90°方向，將經切出的切口型預浸漬物基材以[0°/90°/90°/0°]積層4層，而得到積層體A。表3中顯示特性。
[積層體B]
除了將因切口所致的纖維長度當作10mm，將切口型預浸漬物基材積層至4層[0°/-45°/90°/45°]以外，與積層體A同樣地得到積層體B。表3中顯示特性。
[積層體C]
除了不插入切口以外，與積層體A同樣地得到積層體C。表3中顯示特性。
[積層體D]
除了將切口角度設為30°，將切口型預浸漬物基材積層至4層[0°/-45°/90°/45°]s以外，與積層體A同樣地得到積層體D。表3中顯示特性。
[積層體E]
除了將纖維體積含有率Vf設為70%以外，與積層體A同樣地得到積層體E。表3中顯示特性。
[積層體F]
除了將積層體的切口長度設為150mm，將纖維體積含有率Vf設為45%，將切口型預浸漬物基材積層至4層[0°/0°/0°/0°]以外，與積層體A同樣地得到積層體F。表3中顯示特性。
(實施例1)
用於成形複合構造體的模具係以在縱200mm、橫300mm的平板形狀之面方向的中心，在其橫向形成寬度300mm、厚度2mm、高度20mm的直線形狀之肋的方式加工，模具的端部係成為剪刃(shear edge)構造。
步驟1：使用構造體A的前驅物作為構造體，使用積層體A作為積層體。將此積層為[積層體A/構造體A的前驅物/積層體A]，得到積層構造體。接著，將積層構造體配置於經預熱至150℃的加壓成形用模腔內。
步驟2：接著，關閉模具，給予1MPa的壓力，更邊加壓邊保持10分鐘。
步驟3：使模腔的溫度上升至220℃為止後，開放模具，在其末端插入金屬間隔物，以構造體的厚度成為3.4mm之方式調整。
步驟4：然後，再度鎖緊模腔，於將壓力保持在3MPa之狀態下，將模腔溫度急速冷卻至50℃為止。
步驟5：打開模具，取出複合構造體。
經由上述步驟所得之複合構造體，係突出部(肋形狀)從平板形狀突出，來自積層體的第2強化纖維係填充到其前端為止。又，構造體A的前驅物係藉由步驟4調整厚度，得到與構造體A(表)同樣之特性(密度、構造體中的各要素之體積含有率、彎曲彈性模數、非彎曲剛性)。表4中顯示所得之複合構造體之特性。
(實施例2)
除了使用構造體C的前驅物作為構造體，將步驟3設為200℃，依[積層體A/構造體C]之順序積層積層構造體以外，與實施例1同樣地得到複合構造體。表4中顯示所得之複合構造體之特性。還有，所得之複合構造體中的構造體係得到與構造體C同樣之特性(密度、構造體中的各要素之體積含有率、彎曲彈性模數、非彎曲剛性)。
(實施例3)
作為模具，使用以在縱200mm、橫300mm的平板形狀之面方向的中心部，形成Φ100mm、厚度2mm、高度2mm的突起形狀之凸起物的方式所加工的模具。作為積層構造體，除了使用構造體B的前驅物與積層體D，將步驟3設為240℃以外，與實施例1同樣地得到複合構造體。表4中顯示所得之複合構造體之特性。還有，所得之複合構造體中的構造體係得到與構造體B同樣之特性(密度、構造體中的各要素之體積含有率、彎曲彈性模數、非彎曲剛性)。
(實施例4)
作為模具，使用以在縱200mm、橫300mm的平板形狀之4邊，全周地形成厚度1mm、高度40mm的直立壁形之方式所加工的箱形模具。作為積層構造體，除了使用構造體A的前驅物與積層體B以外，與實施例1同樣地得到複合構造體。表4中顯示所得之複合構造體之特性。還有，所得之複合構造體中的構造體係得到與構造體A同樣之特性(密度、構造體中的各要素之體積含有率、彎曲彈性模數、非彎曲剛性)。
(實施例5)
作為模具，使用以直徑150mm、高度100mm的半球形狀為基礎，以自其頂點朝向端部均等間隔地形成4方向、寬度100mm、厚度2mm、高度5mm之肋形狀的方式所加工的模具。作為積層構造體，除了使用構造體E 的前驅物與積層體B以外，與實施例1同樣地得到複合構造體。表4中顯示所得之複合構造體之特性。還有，所得之複合構造體中的構造體係得到與構造體E同樣之特性(密度、構造體中的各要素之體積含有率、彎曲彈性模數、非彎曲剛性)。
(實施例6)
作為模具，使用實施例4所用的模具。作為積層構造體，除了使用構造體G的前驅物與積層體E以外，與實施例1同樣地得到複合構造體。表4中顯示所得之複合構造體之特性。還有，所得之複合構造體中的構造體係得到與構造體G同樣之特性(密度、構造體中的各要素之體積含有率、彎曲彈性模數、非彎曲剛性)。
(實施例7)
作為模具，使用實施例1所用的模具。作為積層構造體，除了使用構造體D的前驅物與積層體D，將步驟3設為150℃以外，與實施例1同樣地得到複合構造體。表5中顯示所得之複合構造體之特性。還有，所得之複合構造體中的構造體係得到與構造體D同樣之特性(密度、構造體中的各要素之體積含有率、彎曲彈性模數、非彎曲剛性)。
(實施例8)
作為模具，使用實施例1所用的模具。作為積層構造體，除了使用構造體F的前驅物與積層體B以外，與實施例1同樣地得到複合構造體。表5中顯示所得之複合構造體之特性。還有，所得複合構造體中的構造體係得到與構造體F同樣之特性(密度、構造體中的各要素之體積含有率、彎曲彈性模數、非彎曲剛性)。
(比較例1)
作為模具，使用實施例1所用的模具。作為積層構造體，除了使用構造體H的前驅物與積層體C，不經過實施例1中的步驟3而得到複合構造體以外，與實施例1同樣地得到複合構造體。表5中顯示所得之複合構造體之特性。還有，所得複合構造體中的構造體係得到與構造體H同樣之特性(密度、構造體中的各要素之體積含有率、彎曲彈性模數、非彎曲剛性)。
(比較例2)
作為模具，使用實施例3所用的模具。作為積層構造體，除了使用構造體A的前驅物與積層體C以外，與實施例1同樣地得到複合構造體。表5中顯示所得之複合構造體之特性。還有，所得複合構造體中的構造體係得到與構造體A同樣之特性(密度、構造體中的各要素之體積含有率、彎曲彈性模數、非彎曲剛性)。
(比較例3)
作為模具，使用實施例1所用的模具。作為積層構造體，除了使用構造體F的前驅物與積層體F以外，與實施例1同樣地得到複合構造體。表5中顯示所得之複合構造體之特性。還有，所得複合構造體中的構造體係得到與構造體F同樣之特性(密度、構造體中的各要素之體積含有率、彎曲彈性模數、非彎曲剛性)。
(比較例4)
作為模具，使用實施例1所用的模具。作為積層構造體，除了使用構造體E的前驅物與積層體E以外，與實施例1同樣地得到複合構造體。表5中顯示所得之複合構造體之特性。還有，所得複合構造體中的構造體係得到與構造體E同樣之特性(密度、構造體中的各要素之體積含有率、彎曲彈性模數、非彎曲剛性)。
[探討]
由本實施例可明知，藉由使用在由第1強化纖維與第1樹脂所構成的構造體之至少一表面上，配置有具有複數的由第2強化纖維與第2樹脂所構成的層之積層體的複合構造體，再者構成構造體的第1強化纖維為不連續纖維，且對於厚度方向的平均纖維配向角為5~60°之範圍內，構成積層體的第2強化纖維為不連續纖維，且對於厚度方向的平均纖維配向角為0~5°之範圍內，所製作的複合構造體皆為形狀賦形性優異之結果。又，由實施例1、2、3、7可明知，即使變更構造體中的第1樹脂 之種類，也不影響其效果。再者，可明知所製作的複合構造體皆為形狀賦形性優異之結果。又，各實施例所得之複合構造體，不僅由於所使用的構造體之密度為0.01~1g/cm3之範圍內而輕量性優異，而且由於積層體之強化纖維量的體積含有率之變動率為0~10%之範圍內，製品的特性偏差少。再者，亦可明知由於由各實施例所得之複合構造體的形狀係具有至少1個突出部，可具備具有機能性的零件，同時於作為突出部的肋、凸起物、豎立壁中，由於填充來自積層體的第2強化纖維與第2樹脂，而力學特性尤其彎曲彈性模數優異，與各構造體之密度相輔相成，複合構造體之比彎曲剛性優異。
另一方面，於比較例1中，由於不經過實施例1中的步驟3而得到複合構造體，無法在構造體部分中產生空隙，故相對於複合構造體的體積而言，成為質量大的複合構造體。再者，於比較例1及比較例2中，由於積層體為無切口的連續纖維，突出部中之積層體的體積含有率變低，無法得到突出部所造成的補強效果。又，於比較例3中，雖然有對於積層體的切口，但是由於僅在[0°]方向中積層，故無法藉由加壓成形的壓力來壓入連續纖維而形狀賦形，僅樹脂流出。因此，積層體中之第2強化纖維的厚度方向之變動率大。比較例4中由於積層體中之樹脂的體積含有率高，故在複合構造體之表面上處處可見擦痕等的成型不良，同時積層體中之第2強化纖維的體積含有率之變動率高。此係判斷為成型不良主要原因，無法得到所欲的特性。
Figure 106145213-A0202-12-0044-1
Figure 106145213-A0202-12-0045-2
Figure 106145213-A0305-02-0048-1
Figure 106145213-A0202-12-0047-4
Figure 106145213-A0202-12-0048-5
再者，於表的「複合構造體之配置」欄中，「積」係意指積層體，「構」係意指構造體。
產業上的可利用性
依照本發明，可提供一種複合構造體，其係賦形性及輕量性優異，且彎曲剛性亦優異。
1‧‧‧複合構造體
2‧‧‧第1樹脂
3‧‧‧第1強化纖維
4‧‧‧空隙
5‧‧‧構造體
6-1、6-2‧‧‧積層體(強化纖維係未圖示)
7‧‧‧肋(突出部)
f1‧‧‧平面

Claims (13)

  1. 一種複合構造體，其係在由第1強化纖維、與為熱塑性樹脂之第1樹脂所構成的構造體之至少一表面上，配置積層體而一體化之複合構造體，該積層體具有複數的由第2強化纖維、與為熱硬化性樹脂之第2樹脂所構成的層，其中，該第1強化纖維係質量平均纖維長度Lc為1~15mm之不連續纖維，且厚度方向的平均纖維配向角為5~60°之範圍內，在該積層體中之各層中，該第2強化纖維係成為實質上全部的第2強化纖維被切口所分割且質量平均纖維長度Ls為10~100mm的不連續纖維，且厚度方向的平均纖維配向角為0~5°之範圍內，該構造體之密度為0.01~1g/cm3之範圍內，該積層體中之第2強化纖維的體積含有率之變動率為0~10%之範圍內，在該積層體之與該構造體相接的面之對向面具有突出部。
  2. 如請求項1之複合構造體，其中該複合構造體之具有該突出部的面(稱為投影面)之投影面積(Ap)與該投影面之實測面積(As)之比(As)/(Ap)為大於1且2.5以下之範圍內。
  3. 如請求項1之複合構造體，其中該突出部為肋(rib)及/或凸起物(boss)。
  4. 如請求項1之複合構造體，其中該突出部係含有80體 積%以上100體積%以下之比例的該積層體而成。
  5. 如請求項1之複合構造體，其中Ls/Lc之值為1~50之範圍內。
  6. 如請求項1至5中任一項之複合構造體，其中該積層體中的1個層之第2強化纖維的配向方向與和該層相鄰的層之第2強化纖維的配向方向所形成的角度為4°以上90°以下之範圍內。
  7. 如請求項1之複合構造體，其中該積層體中之各層係該切口與該第2強化纖維所成的角度θ之絕對值為2~25°。
  8. 如請求項1至5中任一項之複合構造體，其中該積層體中之各層係該第2強化纖維的纖維體積含有率Vf為45~65%之範圍內。
  9. 如請求項1至5中任一項之複合構造體，其中該積層體中之各層係第2強化纖維為碳纖維。
  10. 如請求項1至5中任一項之複合構造體，其中該構造體具有空隙，於該構造體中，該第1強化纖維的體積含有率在0.5體積%以上55體積%以下之範圍內，該第1樹脂的體積含有率在2.5體積%以上85體積%以下之範圍內，該空隙的體積含有率在10體積%以上97體積%以下之範圍內。
  11. 如請求項1至5中任一項之複合構造體，其中該構造體係將彎曲彈性模數當作Ec，將密度當作ρ時，以Ec1/3‧ρ-1表示的比彎曲剛性在3以上20以下之範圍內，且 該構造體的彎曲彈性模數Ec為3GPa以上。
  12. 如請求項1至5中任一項之複合構造體，其中該構造體係該第1強化纖維為碳纖維。
  13. 一種如請求項1至12中任一項之複合構造體之製造方法，其係依順序至少具有以下之步驟1、步驟2、步驟3；步驟1：在具有作為第1樹脂的熱塑性樹脂及第1強化纖維，且實質上不具有空隙的構造體前驅物之至少一面上，將具有作為第2樹脂的熱硬化性樹脂及第2強化纖維之積層體前驅物予以積層，而成為積層構造體之積層步驟，步驟2：將該積層構造體配置於至少在該積層構造體的積層方向具有彎曲形狀、凹凸形狀或肋形狀之模具中，藉由加熱及加壓，一邊將形狀賦形至積層體前驅物，一邊使該熱硬化性樹脂硬化之步驟，步驟3：藉由以使該熱塑性樹脂熔融或軟化之狀態，進行厚度調整，使該構造體前驅物膨脹而成為構造體之步驟。
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