WO2011039828A1 - 繊維強化複合材用ファブリック、その製造方法、繊維強化複合材製構造体及びその製造方法 - Google Patents

繊維強化複合材用ファブリック、その製造方法、繊維強化複合材製構造体及びその製造方法 Download PDF

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有 重成
由里子 岡
裕之 佐藤
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株式会社Ihi
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Definitions

  • the present invention relates to a fabric for a fiber reinforced composite material, a structure made of a fiber reinforced composite material, and a method for manufacturing the fabric for a fiber reinforced composite material capable of easily forming a three-dimensional three-dimensional structure.
  • Fiber Reinforced Composites (FRP) reinforced with reinforcing fibers are excellent in specific strength, specific rigidity, etc. and lightweight, so they can be used in aerospace applications, marine applications, automotive applications, rackets, golf shafts and other sports applications. Widely used.
  • FRP parts are often used for parts such as aircraft jet engine fan cases and space rocket motor casings because of high demands for cost reduction and weight reduction.
  • reinforcing fibers used for FRP unidirectional materials in which fiber bundles are aligned in one direction, woven fabrics, knitted fabrics, braids, mat materials, nonwoven fabrics, or sheet-like materials such as stitching sheets are generally used. ing.
  • FRP part for example, when forming a three-dimensional part in which a flange part is provided in a cylindrical part, the cylindrical part and a spear part are bonded, joined together by stitching, welding, etc. And formed.
  • the reinforcing fiber parts are likely to break, and may not satisfy the high mechanical strength required for, for example, aviation parts. is there. Further, as the number of parts increases, the number of processes also increases, and the cost may increase.
  • each part is formed integrally.
  • Patent Document 1 As a method of integrally forming a three-dimensional structure, a method of forming a drape by bending a prepreg in which sheet materials made of reinforcing fibers are laminated using a jig (Patent Document 1), or using a specific device A method (Patent Document 2) for forming a composite material layer having a specific bent (dog leg) shape has been proposed.
  • Patent Document 2 a method for forming a composite material layer having a specific bent (dog leg) shape has been proposed.
  • Patent Document 3 a method has also been proposed in which a plurality of laminated fiber-reinforced resin sheets are dispersed to form end portions and the flange portions are formed by interposing a fiber-reinforced resin material between the dispersed sheets.
  • the reinforcing fiber layer a provided in parallel with the linear axis and the reinforcing fiber layer b provided so as to intersect at a predetermined angle with respect to the linear axis, the reinforcing fiber layer b is provided.
  • a dry preform for a composite material that can be formed into an arbitrary shape by deforming the reinforcing fiber layer b in the out-of-plane direction by utilizing the property of deforming the part of the material is proposed (Patent Document 5). ).
  • a three-dimensional woven fabric in which the density of the first weft yarn and the second weft yarn in the bent portion is almost uniform is also disclosed by interweaving between the warp yarns outside the layer (Patent Document 6).
  • JP-A-6-71742 European Patent Application No. 0495746 JP 2002-52618 A JP-A-5-185539 JP 2004-276393 A JP-A-2-191742
  • the bent ends are formed by shifting the free ends of the laminated sheets along the mold.
  • the sheets laminated with the joint point as a base point have sliding properties according to the degree of bending, and it is necessary to use a specific material having low friction and low tack.
  • the flange portion can be formed with a single sheet.
  • Patent Document 6 when the folding of the weft yarn is changed in the bent portion of the three-dimensional woven fabric so that the density of the first weft yarn and the second weft yarn in the bent portion is substantially uniform, In order to form a three-dimensional woven fabric, a special apparatus is required, and there is a problem that it cannot be generally used.
  • the present invention has been made in view of such problems of the prior art, and an object of the present invention is to integrally form a three-dimensional structure such as a flange portion without increasing the number of parts.
  • An object of the present invention is to provide a fabric for fiber-reinforced composite material, a manufacturing method thereof, a structure made of fiber-reinforced composite material, and a manufacturing method thereof.
  • the inventors of the present invention laminated sheets (filament layers) in which fiber bundles are aligned in a certain direction at different angles, and laminated sheets (filament layers) It has been found that the above object can be achieved by using a stitching sheet that is stitched and integrated so as not to be loosened, and by providing a deformable portion obtained by cutting or removing a part of stitches of the stitching sheet.
  • the fabric for fiber-reinforced composite material of the present invention is a fabric for fiber-reinforced composite material comprising a stitching sheet portion and a deformable portion formed integrally with the stitching sheet portion,
  • the stitching sheet portion includes a plurality of filament layers in which fiber bundles are arranged in parallel, A plurality of filament layers are laminated so that the arrangement direction of the fiber bundles constituting one filament layer and the arrangement direction of the fiber bundles constituting another filament layer intersect at a predetermined angle, and intersect the fiber bundle.
  • the plurality of filament layers are integrated by a plurality of stitches provided in parallel at predetermined intervals.
  • the deformable portion has a smaller number of stitches than the stitching sheet portion or has no stitches.
  • the fiber reinforced composite material structure of the present invention is formed by impregnating a matrix resin composition in advance into a fiber reinforced composite material fabric as described above, Using the prepreg, the deformable portion is deformed and cured. Furthermore, another fiber-reinforced composite material structure of the present invention is obtained by impregnating a matrix-resin composition into a fiber-reinforced composite material fabric obtained by deforming the deformable portion using the fiber-reinforced composite material fabric. And cured.
  • the method for manufacturing a fabric for fiber-reinforced composite material according to the present invention includes a plurality of filament layers in which fiber bundles are arranged in parallel, the arrangement direction of the fiber bundles constituting one filament layer, and the fiber bundles constituting the other filament layer.
  • a plurality of filament layers are laminated so that the arrangement direction intersects at a predetermined angle, and the plurality of filament layers are integrated by a plurality of stitches provided in parallel at predetermined intervals so as to intersect the fiber bundle.
  • a part of the stitching sheet is cut or removed to form a deformable portion.
  • the method for manufacturing a fiber-reinforced composite structure according to the present invention includes a plurality of filament layers in which fiber bundles are arranged in parallel, the arrangement direction of the fiber bundles constituting one filament layer, and the fiber bundles constituting another filament layer A plurality of filament layers are laminated so that the arrangement direction of the fibers intersects at a predetermined angle, and the plurality of filament layers are integrated by a plurality of stitches provided in parallel at predetermined intervals so as to intersect the fiber bundle.
  • the stitching sheet Using the stitching sheet, forming the cylindrical portion of the stitching sheet into a cylindrical or conical shape, removing all the stitches of the stitching sheet over the longitudinal direction or circumferential direction, Forming a deformable portion, forming a flange portion projecting the deformable portion in the outer peripheral direction, and a stitching sheet having the flange portion, Impregnated with the box resin composition, it is intended to include curing.
  • a deformable portion from which a part of stitches of a stitching sheet is cut or removed is provided, and the deformable portion is deformed so as to protrude, thereby simplifying a three-dimensional structure such as a flange portion.
  • the flange portion can be integrally formed, the strength can be improved as compared with the case where the joint portion where the parts are joined is provided, such as an aircraft or a space rocket. It can be suitably used for parts.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an example of a stitching sheet used for the FRP fabric of the present invention.
  • the stitching sheet 1 has a configuration in which two filament layers 3A and 3B in which fiber bundles 2 are arranged in parallel are laminated, and the laminated filament layers 3A and 3B are integrated by stitches 4. Yes.
  • the two filament layers 3A and 3B are laminated such that the arrangement direction of the fiber bundle 2A constituting one filament layer 3A and the arrangement direction of the fiber bundle 2B constituting the other filament layer 3B intersect at a predetermined angle.
  • the stitching sheet 1 is provided with a plurality of stitches 4 arranged in parallel at a predetermined interval so as to intersect the fiber bundles 2A and 2B of the laminated filament layers 3A and 3B at a predetermined angle.
  • FIG. 2 shows a first example of a preferred embodiment of the present invention, and is a perspective view showing an FRP fabric 10 in which a deformable portion is provided on the stitching sheet 1 shown in FIG.
  • the FRP fabric 10 of this example has a deformable portion T1 in which a plurality of stitches 4 near one end of the stitching sheet 1 are all removed in the longitudinal direction, and the stitching sheet 1 is deformed. Portions other than the possible portion T1 constitute a stitching sheet portion.
  • the deformable portion T1 is not limited to this example, and may be formed by cutting a part of the stitches 4 of the stitching sheet 1.
  • cutting means that fibers (warp yarns) constituting a part of the stitches 4 among the plurality of stitches 4 provided on the stitching sheet 1 at a predetermined interval are longitudinal or circumferential. This means cutting at multiple points.
  • removal means all or part of the fibers (warp yarns) constituting a part of the plurality of stitches 4 provided at predetermined intervals on the stitching sheet 1. It means removing.
  • the stitching sheet may be formed by stacking and integrating a plurality of filament layers, or may be integrated by folding a single filament layer into a plurality of layers.
  • the number of laminated filament layers constituting the stitching sheet is not particularly limited, and it is sufficient that at least two filament layers are provided.
  • a stitching sheet in which two or more filament layers are laminated may be used, or a plurality of stitching sheets in which two filament layers are integrated are used. May be.
  • the angle in the arrangement direction of the fiber bundles that intersect each other constituting the stitching sheet is not particularly limited, but the arrangement direction of the fiber bundles constituting one filament layer and the fiber bundles constituting the other filament layer are not limited.
  • the arrangement directions preferably intersect with an angle of 5 to 90 °. In the example shown in FIG. 1, the angle between the arrangement direction of the fiber bundles 2A constituting one filament layer 3A and the arrangement direction of the fiber bundles 2B constituting another filament layer 3B is 90 °.
  • the angle of the fiber bundles 2A and 2B with respect to the stitch 4 is preferably 5 to 85 °, more preferably 20 to 75 °, and still more preferably 40 to 50 °.
  • the length of the fiber bundle arranged between the stitches 4 and 4 is between the stitches 4 and 4. Is longer than the fiber bundle arranged so as to be orthogonal at an angle of 90 °.
  • a margin can be provided for the length of the fiber bundles 2A and 2B existing between the stitches 4 and 4, and the degree of freedom of deformation of the fiber bundle in the deformable portion T1 from which the stitch 4 has been cut or removed is improved.
  • the fibers constituting the fiber bundle of the filament layer include carbon fibers, graphite fibers, aramid fibers, silicon carbide fibers, alumina fibers, boron fibers, high-strength polyethylene fibers, tungsten carbide fibers, PBO fibers, glass fibers, and polyester fibers. Reinforcing fibers can be used. These reinforcing fibers may be used alone or in combination of two or more, but carbon fibers are preferably used.
  • the basis weight of the reinforcing fibers constituting the fiber bundle is preferably 50 to 1000 g / m 2 , more preferably 100 to 800 g / m 2 , and still more preferably 150 to 600 g / m 2 . If the basis weight of the reinforcing fiber is 50 g / m 2 or more, the unevenness of the fiber width and the openings are not conspicuous, and it is possible to form an FRP structure having uniform mechanical strength. Moreover, if the fabric weight of a reinforced fiber is 1000 g / m ⁇ 2 > or less, the impregnation property to the reinforced fiber of a resin composition will become favorable.
  • the fiber (warp yarn) constituting the stitch is selected from the group consisting of carbon fiber, graphite fiber, aramid fiber, silicon carbide fiber, alumina fiber, boron fiber, high-strength polyethylene fiber, tungsten carbide fiber, PBO fiber and glass fiber. Further, a fiber including at least one kind of fiber and a stretchable thermoplastic fiber (for example, polyester fiber) can be used.
  • the fibers (warp yarns) constituting the stitches are a combination of reinforcing fibers and stretchable thermoplastic fibers (for example, polyester fibers), the stitch portion adjacent to the deformable portion T1 is easily deformed, and the filament This is preferable because the degree of freedom of deformation of the fiber bundles 2A and 2B constituting the layers 3A and 3B is increased.
  • the stitch 4 may be formed by any method of stitching, knitting, and needle punching.
  • FIG. 3 is an explanatory view showing each step of forming a flanged FRP structure using the FRP fabric 10.
  • FIG. 3 the same members as those in the FRP fabric shown in FIG.
  • a prepreg obtained by impregnating a matrix resin composition used in a conventionally known FRP into a FRP fabric 10 is wound around a mandrel M, and a cylindrical tube portion 11 is formed.
  • the deformable portion T1 is bent and deformed so as to protrude in the outer peripheral direction, and the flange portion 12 is formed.
  • the flange portion 12 may be formed using a jig or the like so that the flange portion 12 stands vertically with respect to the tube portion 11.
  • the FRP fabric 10 is arranged so that the fiber bundles 2A and 2B intersect the stitch 4 at a predetermined angle, the degree of freedom of deformation of the fiber bundles 2A and 2B is improved, and the deformable portion T1. It is possible to form a three-dimensional shape by deforming the fiber bundle in this part.
  • a preform including the cylindrical portion 11 and the flange portion 12 (the deformable portion T 1 formed in a flange shape) is formed.
  • the matrix resin is cured by autoclave molding, vacuum back molding, press molding, or the like to form the flanged FRP structure 13.
  • the matrix resin for forming the FRP structure a conventionally known resin can be used.
  • an epoxy resin, a phenol resin, a polyimide resin, an aromatic polyether ketone resin, or the like can be used.
  • the aromatic polyether ketone resin include polyether ketone (PEK) resin and polyether ether ketone (PEEK) resin.
  • the deformable portion T 1 is projected in the outer circumferential direction to form a flange portion 12, then cured after impregnating a matrix resin composition, You may form the structure 13 made from FRP provided with the cylinder part 11 and the flange part 12. As shown in FIG.
  • FIG. 4 is an explanatory view showing each step of forming an FRP structure using the FRP fabric 20.
  • the same members as those in the FRP fabric shown in FIG. 4 are identical to those in the FRP fabric shown in FIG. 4
  • the FRP fabric 20 of this example is provided with a deformable portion T2 from which all the stitches 4 in the central portion of the stitching sheet 1 are removed in the longitudinal direction.
  • the deformable portion T2 is bent into a mountain shape so that the central portion of the deformable portion T2 protrudes.
  • FIG. 4 (c) by winding FRP fabric 20 to the mandrel (not shown), to form a cylindrical tubular portion 21, the outer peripheral direction a deformable portion T 2 by bending the ridge shape
  • the collar portion 22 is formed at the approximate center of the cylindrical portion 21.
  • a preform is formed by impregnating a matrix resin composition used in a conventionally known FRP into an FRP fabric 20 having a cylindrical portion 21 and a collar portion 22 (deformable portion T 2 formed into a collar shape). Then, the matrix resin is hardened to form the FRP structure 23 with a collar portion.
  • FIG. 5 is an explanatory view showing each step of forming an FRP structure using the FRP fabric 30.
  • the same members as those in the FRP fabric shown in FIG. 5 are identical to those in the FRP fabric shown in FIG. 5.
  • the FRP fabric 30 of this example removes all the stitches 4 in the central portion of the stitching sheet 1 over the longitudinal direction so that the center portion of the stitching sheet 1 is removed.
  • a deformable portion T3 is provided.
  • the FRP fabric 30 of this example is provided with a stitch 40 using a highly stretchable fiber (warp yarn) on one side (L portion in the figure) of the deformable portion T3.
  • the FRP fabric 30 of this example is wound around a cone-shaped mandrel (not shown), and a portion S having a normal stitch 4 is formed into a cylindrical first tube having a small radius.
  • the deformable portion T3 is formed to be a cone (conical truncated cone) -shaped truncated cone-shaped portion 32.
  • part L provided with the stitch 40 using the fiber (warp yarn) with a large elasticity is formed so that it may become the cylindrical 2nd cylinder part 33 with a large radius.
  • the FRP fabric 30 including the first cylindrical portion 31, the truncated cone portion 32, and the second cylindrical portion 33 is impregnated with a matrix resin composition used in a conventionally known FRP, and the matrix resin is cured.
  • An FRP structure 34 provided with the truncated cone portion 32 is formed.
  • FRP fabrics have various three-dimensional forms such as flanges, collars, and truncated cones by using deformable parts and using highly stretchable fibers (warps) as part of the stitches. Can be formed integrally.
  • the deformable portion may have a few stitches in a range smaller than that of the stitching sheet portion as long as it can be deformed to form a desired article shape.
  • the deformable portion can be formed not only by cutting or removing stitches from a part of the stitching sheet, but also by not performing stitching on a part of the stitching sheet in advance. Absent.
  • the FRP fabric of the present invention can improve the mechanical strength of the FRP structure by integrally forming a three-dimensional three-dimensional structure such as a flange without forming a joint. Therefore, the FRP structure using the FRP fabric of the present invention is a part such as an aircraft or space rocket that requires cost reduction and weight reduction, such as a fan case for an aircraft jet engine or space rocket motor.
  • the industrial utility value is extremely large.

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Abstract

　部品点数を増大させることなく、一体的にフランジ部などの立体的な構造を形成することの可能な繊維強化複合材用ファブリック、繊維強化複合材製構造体及び繊維強化複合材用ファブリックの製造方法を提供する。 繊維束２Ａ，２Ｂを並列配置したフィラメント層３Ａ，３Ｂを複数備え、一のフィラメント層３Ａを構成する繊維束２Ａの配列方向と、他のフィラメント層３Ｂを構成する繊維束２Ｂの配列方向が所定の角度で交差するように複数のフィラメント層３Ａ，３Ｂが積層され、上記繊維束２Ａ，２Ｂに対して交差するように、所定間隔で並列に設けられた複数のステッチ４により、上記複数のフィラメント層３Ａ，３Ｂが一体化されたステッチングシート１を用いて、ステッチングシート１の一部のステッチを切断又は除去した変形可能部Ｔ１を設けたことを特徴とする繊維強化複合材用ファブリック１０である。

Description

繊維強化複合材用ファブリック、その製造方法、繊維強化複合材製構造体及びその製造方法
　本発明は、容易に立体的な三次元構造の形成が可能な繊維強化複合材用ファブリック、繊維強化複合材製構造体及び繊維強化複合材用ファブリックの製造方法に関する。
　補強繊維で強化した繊維強化複合材（ＦＲＰ）は、比強度、比剛性などに優れ、かつ軽量であることから、航空宇宙用途、船舶用途、自動車用途、ラケット、ゴルフシャフトなどのスポーツ用途などに広く用いられている。
　特に、航空機用のジェットエンジンのファンケースや宇宙ロケット用モータのケーシングなどの部品には、価格の低減と軽量化の要求が高いため、ＦＲＰ製部品が多く用いられている。
　ＦＲＰに用いられる補強繊維としては、繊維束を一方向に引きそろえた一方向材、織物、編物、組物、マット材、不織布、又は、ステッチングシートなどのシート状物が一般的に用いられている。
　ＦＲＰ製部品（構造体）の成形方法としては、補強繊維に硬化樹脂を含浸させたプリプレグと呼ばれる中間材料を、オートクレーブ成形、真空バック成形、プレス成形などにより硬化して成形する方法が一般的である。
　ＦＲＰ製部品（構造体）として、例えば円筒部にフランジ部が設けられたような立体的な部品を形成する場合は、円筒状の部品とつば状の部品を接着、縫合、溶着などして接合して形成している。
　しかし、ＦＲＰ製部品として、補強繊維部品同士を接着、縫合、溶着などして接合すると、接合部が破断し易くなり、例えば航空部品などに要求されるような高い機械的強度を満たさない場合がある。また、部品点数の増大に伴い、工程数も増大し、コスト面が高騰する場合もある。
　部品点数を増大させることなく立体的な部品を形成するためには、各部分が一体的に形成されることが好ましい。
　立体的な構造体を一体成形する方法として、補強繊維から成るシート材を積層したプリプレグを、治具を用いて屈曲させてドレープを成形する方法（特許文献１）や、特定の装置を用いて特定の折れ曲がり（ドッグレッグ）形状を有する複合材層を形成する方法（特許文献２）が提案されている。
　また、複数枚積層した繊維強化樹脂シートの末端部を分散させて末広がり状に形成し、この分散させたシート間に繊維強化樹脂材を介在させてフランジ部を成形する方法も提案されている（特許文献３）。
　また、熱可塑性樹脂と強化繊維とからなるシートを複数積層し、積層したシートの端部を予め接合しておき、この積層シートを成形型（治具）などに密着させて自由端となっているシートを成形型に沿わせて屈曲させる方法も提案されている（特許文献４）。
　また、直線軸に対して平行に張設された強化繊維層ａと、直線軸に対して所定の角度を持って交わるように張設された強化繊維層ｂとを備え、この強化繊維層ｂの部分が変形する性質を利用して、この強化繊維層ｂを面外方向に変形させることによって、任意の形状に形成することの可能な複合材料用ドライプリフォームも提案されている（特許文献５）。
　また、三次元織物の屈曲部において、たて糸群の間に織り込まれる第１よこ糸の一部を、三次元織物の最内層に達する手前で折り返し、第２よこ糸を第１よこ糸の折返し層と対応する層よりも外側でたて糸の行間に織り込んで、屈曲部における第１よこ糸と第２よこ糸との密度をほぼ均一とした三次元織物も開示されている（特許文献６）。
特開平６－７１７４２号公報 欧州特許出願公開第０４９５７４６号明細書 特開２００２－５２６１８号公報 特開平５－１８５５３９号公報 特開２００４－２７６３９３号公報 特開平２－１９１７４２号公報
　しかし、特許文献１，２のように屈曲部を形成する場合、特定の治具や装置などが必要となる問題がある。
　特許文献３のように、複数枚積層した繊維強化樹脂シートの末端部を分散させて末広がり状にしてフランジ部を形成した場合は、この末広がり形状を保持するために、樹脂材料を介在させる必要があり、例えば９０°に屈曲させる場合のように精密な成形が困難になるという問題がある。また、繊維強化樹脂シートの末端部を分散させて末広がり状にしているため、変形部分に存在している繊維強化樹脂シートの密度が低下し、強度が低下する。
　特許文献４のように、複数のシートを積層させて一端部を接合してプリフォームを成形した後、成形型に沿わせて複数の積層されたシートの自由端をずらして、屈曲部を形成する場合は、接合点を基点として積層された各シートが屈曲度合いに応じて滑動性を持っている必要があり、低摩擦、低タック性の特定の材料を用いる必要がある。また、この方法によって円筒部にフランジ部を備えた構造体を形成する場合、円筒状に形成された積層シートを、外周方向に折り曲げることは困難であり、一体的に円筒部とフランジ部を形成することができない。
　特許文献５のように、強化繊維層の一部（強化繊維層ｂ）を面外方向に変形させることによって、任意の形状に形成することが可能であると、一枚のシートでフランジ部を一体成形することが可能であるが、特殊な繊維強化層を形成するために、特別な装置（張設機）などが必要になるという問題がある。
　更に、特許文献６のように、三次元織物の屈曲部において、よこ糸の折り返しを変更して、屈曲部における第１よこ糸と第２よこ糸の密度をほぼ均一とさせる場合も、このような構造の三次元織物を形成するために特別の装置が必要となり、汎用できないという問題がある。
　本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、部品点数を増大させることなく、一体的にフランジ部などの立体的な構造を形成することの可能な繊維強化複合材用ファブリック、その製造方法、繊維強化複合材製構造体及びその製造方法を提供することにある。
　本発明者らは、上記目的を達成するべく鋭意検討を重ねた結果、繊維束を一定方向に引き揃えたシート（フィラメント層）を角度を変えて積層し、積層されたシート（フィラメント層）をほぐれないようにステッチして一体化したステッチングシートを用いて、このステッチングシートの一部のステッチを切断又は除去した変形可能部を設けることにより、上記目的達成し得ることを見出した。
　即ち、本発明の繊維強化複合材用ファブリックは、ステッチングシート部と、このステッチングシート部と一体に形成された変形可能部と、を備えた繊維強化複合材用ファブリックであって、
　上記ステッチングシート部は、繊維束を並列配置したフィラメント層を複数備え、
　一のフィラメント層を構成する繊維束の配列方向と、他のフィラメント層を構成する繊維束の配列方向が所定の角度で交差するように複数のフィラメント層が積層され、上記繊維束に対して交差するように、所定間隔で並列に設けられた複数のステッチにより、上記複数のフィラメント層が一体化されており、
　上記変形可能部は、ステッチ数が上記ステッチングシート部よりも少ないか又はステッチを有さないものである。
　また、本発明の繊維強化複合材製構造体は、上述の如き繊維強化複合材用ファブリックに、予めマトリックス樹脂組成物を含浸させてプリプレグを形成し、
　このプリプレグを用い、上記変形可能部を変形させて硬化させたものである。
　更に、本発明の他の繊維強化複合材製構造体は、上記繊維強化複合材用ファブリックを用いて、上記変形可能部を変形させた繊維強化複合材用ファブリックに、マトリックス樹脂組成物を含浸させて硬化させたものである。
　本発明の繊維強化複合材用ファブリックの製造方法は、繊維束を並列配置したフィラメント層を複数備え、一のフィラメント層を構成する繊維束の配列方向と、他のフィラメント層を構成する繊維束の配列方向が所定角度で交差するように複数のフィラメント層が積層され、上記繊維束に対して交差するように、所定間隔で並列に設けられた複数のステッチにより、複数のフィラメント層が一体化されたステッチングシートを用いて、上記ステッチングシートの一部のステッチを切断又は除去して、変形可能部を形成するものである。
　本発明の繊維強化複合材製構造体の製造方法は、繊維束を並列配置したフィラメント層を複数備え、一のフィラメント層を構成する繊維束の配列方向と、他のフィラメント層を構成する繊維束の配列方向が所定角度で交差するように複数のフィラメント層が積層され、上記繊維束に対して交差するように、所定間隔で並列に設けられた複数のステッチにより、複数のフィラメント層が一体化されたステッチングシートを用いて、上記ステッチングシートを円筒状又は円錐状にした筒部を形成する工程と、上記ステッチングシートの一部のステッチを長手方向又は周方向にわたって全て除去して、変形可能部を形成し、該変形可能部を外周方向に突出させたフランジ部を形成する工程と、上記フランジ部を有するステッチングシートに、マトリックス樹脂組成物を含浸し、硬化させる工程を含むものである。
　本発明によれば、ステッチングシートの一部のステッチが切断又は除去された変形可能部を設け、この変形可能部を突出させるように変形することによって、フランジ部などの立体的な構造を簡単に一体成形することができる。
　また、本発明によれば、一体的にフランジ部を形成することができるので、部品同士を接合した接合部を設けた場合と比べて、強度を向上させることができ、航空機や宇宙ロケットなどの部品に好適に用いることができる。
　更に、本発明によれば、部品点数や工程数を増大させることなく、繊維強化複合材用ファブリック、繊維強化複合材製構造体を形成することができるので、製造コストを低減することが可能となる。
ステッチングシートの一例を示す斜視図及び一部拡大図である。 変形可能部を形成したステッチングシートの一例を示す斜視図である。 本発明の実施形態の第一例を示し、ＦＲＰ用ファブリックを用いて、ＦＲＰ製構造体を形成する各工程を示す説明図である。 本発明の実施形態の第二例を示し、ＦＲＰ用ファブリックを用いて、ＦＲＰ製構造体を形成する各工程を示す説明図である。 本発明の実施形態の第三例を示し、ＦＲＰ用ファブリックを用いて、ＦＲＰ製構造体を形成する各工程を示す説明図である。
　以下、本発明の繊維強化複合材（以下、「ＦＲＰ」と略記する）用ファブリックについて図面に基づき説明する。図１は、本発明のＦＲＰ用ファブリックに用いるステッチングシートの一例を示す斜視図である。
　図１に示すように、ステッチングシート１は、繊維束２を並列配置したフィラメント層３Ａ，３Ｂを２層積層し、この積層したフィラメント層３Ａ，３Ｂをステッチ４で一体化した構成を備えている。
　２つのフィラメント層３Ａ，３Ｂは、一のフィラメント層３Ａを構成する繊維束２Ａの配列方向と、他のフィラメント層３Ｂを構成する繊維束２Ｂの配列方向が所定の角度で交差するように積層されている。
　また、ステッチングシート１は、積層されたフィラメント層３Ａ，３Ｂ各繊維束２Ａ，２Ｂに対して所定の角度で交差するように、所定間隔で並列させた複数のステッチ４が設けられている。
　図２は、本発明の好ましい実施形態の第一例を示し、図１に示すステッチングシート１に変形可能部を設けたＦＲＰ用ファブリック１０を示す斜視図である。
　本例のＦＲＰ用ファブリック１０は、ステッチングシート１の一方の端部に近い複数本のステッチ４を長手方向にわたって全て除去した変形可能部Ｔ１を有しており、また、ステッチングシート１の変形可能部Ｔ１以外の部分は、ステッチングシート部を構成している。
　なお、本例に限らず、変形可能部Ｔ１は、ステッチングシート１の一部のステッチ４を切断して形成してもよい。
　本明細書において、「切断」とは、ステッチングシート１に所定間隔で設けられた複数本のステッチ４のうち、その一部のステッチ４を構成する繊維（たて糸）を、長手方向又は周方向にわたって複数箇所切断することをいう。
　また、本明細書において、「除去」とは、ステッチングシート１に所定間隔で設けられた複数本のステッチ４のうち、その一部のステッチを構成する繊維（たて糸）の全部又は一部を除去することをいう。
　ステッチングシートとしては、ノン・クリンプト・ファブリックに代表される、繊維束を一定方向に引き揃えたシート（フィラメント層）を角度を変えて積層し、積層されたシート（フィラメント層）をほぐれないようにたて糸（繊維）でステッチして一体化したものを用いることができる。
　ステッチングシートは、複数枚のフィラメント層を積層して一体化したものでもよく、１枚のフィラメント層を複数層に折り重ねて一体化したものでもよい。
　ステッチングシートを構成するフィラメント層の積層数は、特に限定されず、少なくとも２層のフィラメント層を備えていればよい。
　例えば高強度のＦＲＰを形成する場合は、２層以上の複数層のフィラメント層が積層されたステッチングシートを用いてもよく、２層のフィラメント層が一体化されたステッチングシートを複数枚用いてもよい。
　ステッチングシートを構成する互いに交差している繊維束同士の配列方向の角度は、特に限定されないが、一のフィラメント層を構成する繊維束の配列方向と、他のフィラメント層を構成する繊維束の配列方向が、５～９０°の角度を有して交差していることが好ましい。
　図１に示す例においては、一のフィラメント層３Ａを構成する繊維束２Ａの配列方向と、他のフィラメント層３Ｂを構成する繊維束２Ｂの配列方向の角度が９０°となっている。
　ステッチ４に対する繊維束２Ａ，２Ｂの角度は、好ましくは５～８５°、より好ましくは２０～７５°、更に好ましくは４０～５０°である。
　ステッチ４に対して、各繊維束２Ａ，２Ｂが所定の角度で交差するように配列されていると、ステッチ４，４の間に配置された繊維束の長さが、ステッチ４，４の間を９０°の角度で直交するように配置された繊維束よりも長くなる。ステッチ４，４の間に存在する繊維束２Ａ，２Ｂの長さが長くなった分だけ余裕ができ、ステッチ４が切断又は除去された変形可能部Ｔ１における繊維束の変形自由度が向上する。
　フィラメント層の繊維束を構成する繊維としては、炭素繊維、黒鉛繊維、アラミド繊維、炭化珪素繊維、アルミナ繊維、ボロン繊維、高強度ポリエチレン繊維、タングステンカーバイド繊維、ＰＢＯ繊維、ガラス繊維、ポリエステル繊維などの強化繊維を用いることができる。これらの強化繊維を１種単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよいが、好ましくは炭素繊維を使用する。
　繊維束を構成する強化繊維の目付は、好ましくは５０～１０００ｇ／ｍ２であり、より好ましくは１００～８００ｇ／ｍ２であり、更に好ましくは１５０～６００ｇ／ｍ２である。
　強化繊維の目付が５０ｇ／ｍ２以上であれば、繊維幅のムラ及び目開きが目立たず、均一な機械的強度を有するＦＲＰ製構造体を形成することが可能となる。また、強化繊維の目付が１０００ｇ／ｍ２以下であれば、樹脂組成物の強化繊維への含浸性が良好となる。
　ステッチを構成する繊維（たて糸）としては、炭素繊維、黒鉛繊維、アラミド繊維、炭化珪素繊維、アルミナ繊維、ボロン繊維、高強度ポリエチレン繊維、タングステンカーバイド繊維、ＰＢＯ繊維及びガラス繊維からなる群より選ばれた少なくとも１種の繊維と、伸縮性のある熱可塑性繊維（例えばポリエステル繊維）とを含む繊維を用いることができる。
　ステッチを構成する繊維（たて糸）が強化繊維と伸縮性のある熱可塑性繊維（例えばポリエステル繊維）を組み合わせたものであると、変形可能部Ｔ１に近接しているステッチ部分も変形し易くなり、フィラメント層３Ａ，３Ｂを構成している繊維束２Ａ，２Ｂの変形の自由度が大きくなるため好ましい。
　なお、ステッチ４は、ステッチング、ニッティング、ニードルパンチのいずれの方法によって形成してもよい。
　次に、ＦＲＰ用ファブリック１０を用いて、フランジ付きのＦＲＰ製構造体を形成する各工程について説明する。
　図３は、ＦＲＰ用ファブリック１０を用いて、フランジ付きのＦＲＰ製構造体を形成する各工程を示す説明図である。なお、図３において、図２に示すＦＲＰ用ファブリックと同様の部材には、同一の符号を付した。
　図３（ａ）に示すように、まず、ＦＲＰ用ファブリック１０に従来公知のＦＲＰに用いられるマトリックス樹脂組成物を含浸して得られるプリプレグを、マンドレルＭに巻き付けて、円筒状の筒部１１を形成する。
　次に、図３（ｂ）に示すように、変形可能部Ｔ１を外周方向に突出させるように屈曲変形させて、フランジ部１２を形成する。
　フランジ部１２が、筒部１１に対して垂直に立設するように、治具などを用いてフランジ部１２を形成してもよい。
　ＦＲＰ用ファブリック１０は、各繊維束２Ａ，２Ｂがステッチ４に対して、所定の角度で交差するように配列されているので、繊維束２Ａ，２Ｂの変形自由度が向上し、変形可能部Ｔ１の部分の繊維束を変形させて三次元的な形状に形成することができる。
　上述のようにして、図３（ｃ）に示すように、筒部１１及びフランジ部１２（フランジ状に形成された変形可能部Ｔ１）を備えたプリフォームを形成する。
　次いで、オートクレーブ成形、真空バック成形、プレス成形などにより、マトリックス樹脂を硬化させてフランジ付きＦＲＰ製構造体１３を形成する。
　ＦＲＰ製構造体を形成するためのマトリックス樹脂としては、従来公知の樹脂を用いることができる。ＦＲＰ製構造体を形成するためのマトリックス樹脂としては、例えばエポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、芳香族ポリエーテルケトン樹脂などを用いることができる。なお、芳香族ポリエーテルケトン樹脂としては、例えばポリエーテルケトン（ＰＥＫ）樹脂、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂などが挙げられる。
　なお、フランジ部１２を形成する前のＦＲＰ用ファブリック１０について、変形可能部Ｔ１を外周方向に突出させてフランジ部１２を形成し、次いで、マトリックス樹脂組成物を含浸させた後に硬化させて、筒部１１及びフランジ部１２を備えたＦＲＰ製構造体１３を形成してもよい。
　次に、本発明の好ましい実施形態の第二例を図面に基づき説明する。
　図４は、ＦＲＰ用ファブリック２０用いて、ＦＲＰ製構造体を形成する各工程を示す説明図である。なお、図４において、図２に示すＦＲＰ用ファブリックと同様の部材には、同一の符号を付した。
　図４（ａ）に示すように、本例のＦＲＰ用ファブリック２０は、ステッチングシート１の中央部分のステッチ４を長手方向にわたって全て除去した変形可能部Ｔ２を設けている。
　次に、図４（ｂ）に示すように、変形可能部Ｔ２の中央部分が突出するように、変形可能部Ｔ２を山形状に折り曲げる。
　そして、図４（ｃ）に示すように、ＦＲＰ用ファブリック２０をマンドレル（図示略）に巻き付けて、円筒状の筒部２１を形成すると共に、山形状に折り曲げた変形可能部Ｔ２を外周方向に突出させて、筒部２１の略中央につば部２２を形成する。
　その後、筒部２１及びつば部２２（つば状に形成された変形可能部Ｔ２）を備えたＦＲＰ用ファブリック２０に、従来公知のＦＲＰに用いられるマトリックス樹脂組成物を含浸させてプリフォームを形成し、マトリックス樹脂を硬化させてつば部付きＦＲＰ製構造体２３を形成する。
　次に、本発明の好ましい実施形態の第三例を図面に基づき説明する。
　図５は、ＦＲＰ用ファブリック３０用いて、ＦＲＰ製構造体を形成する各工程を示す説明図である。なお、図５において、図２に示すＦＲＰ用ファブリックと同様の部材には、同一の符号を付した。
　図５（ａ）に示すように、本例のＦＲＰ用ファブリック３０は、ステッチングシート１の中央部分の複数本のステッチ４を長手方向にわたって全て除去することによって、ステッチングシート１の中央部に変形可能部Ｔ３を設けている。
　また、本例のＦＲＰ用ファブリック３０は、変形可能部Ｔ３の一方の側（図中においてＬの部分）に、伸縮性の大きい繊維（たて糸）を使用したステッチ４０を設けている。
　図５（ｂ）に示すように、本例のＦＲＰ用ファブリック３０をコーン状のマンドレル（図示略）に巻き付けて、通常のステッチ４を備えた部位Ｓを、半径が小さい円筒状の第１筒部３１となるように形成すると共に、変形可能部Ｔ３をコーン（円錐台）状の円錐台状部３２となるように形成する。また、伸縮性の大きい繊維（たて糸）を使用したステッチ４０を備えた部位Ｌを、半径が大きい円筒状の第２筒部３３となるように形成する。
　その後、第１筒部３１、円錐台状部３２、及び第２筒部３３を備えたＦＲＰ用ファブリック３０に、従来公知のＦＲＰに用いられるマトリックス樹脂組成物を含浸させ、マトリックス樹脂を硬化させて円錐台状部３２を設けたＦＲＰ製構造体３４を形成する。
　ＦＲＰ用ファブリックは、変形可能部を設ける部位や、ステッチの一部に伸縮性の大きい繊維（たて糸）を使用することなどによって、フランジ部、つば部、円錐台状部などの様々な立体的形態を一体的に形成することができる。
　以上、本発明を好適実施形態により詳細に説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。
　例えば、変形可能部には、所望の物品形状を形成するのに変形可能な程度であれば、ステッチングシート部よりも少ない範囲で若干数のステッチが存在していてもよい。
　また、変形可能部の形成は、ステッチングシートの一部からステッチを切断又は除去するのみならず、ステッチングシートの一部に予めステッチを施さないことによっても行うことができるのはいうまでもない。
　本発明のＦＲＰ用ファブリックは、接合部を形成することなく、一体的にフランジ部などの立体的な三次元構造を形成して、ＦＲＰ製構造体の機械的強度を向上させることができる。そのため、本発明のＦＲＰ用ファブリックを用いたＦＲＰ製構造体は、価格の低減と、軽量化が要求される航空機や宇宙ロケットなどの部品、例えば航空機用ジェットエンジンや宇宙ロケット用モータのファンケースなどに好適に用いることができ、産業上の利用価値は極めて大きい。
　　１　　　ステッチングシート
　　２Ａ，２Ｂ　　繊維束
　　３Ａ，３Ｂ　　フィラメント層
　　４　　　ステッチ
　　１０　　繊維強化複合材（ＦＲＰ）用ファブリック
　　１１　　筒部
　　１２　　フランジ部
　　１３　　繊維強化複合材（ＦＲＰ）製構造体
　　２０　　繊維強化複合材（ＦＲＰ）用ファブリック
　　２１　　筒部
　　２２　　つば部
　　２３　　繊維強化複合材（ＦＲＰ）製構造体
　　３０　　繊維強化複合材（ＦＲＰ）用ファブリック
　　３１　　第１筒部
　　３２　　円錐台状部
　　３３　　第２筒部
　　３４　　繊維強化複合材（ＦＲＰ）製構造体
　　４０　　ステッチ
　　Ｍ　　　マンドレル
　　Ｓ　　　通常のステッチ４を備えた部位
　　Ｔ１～Ｔ３　　　変形可能部
　　Ｌ　　　伸縮性の大きいステッチ４０を備えた部位

Claims (9)

  1. 　ステッチングシート部と、このステッチングシート部と一体に形成された変形可能部と、を備えた繊維強化複合材用ファブリックであって、
    　上記ステッチングシート部は、繊維束を並列配置したフィラメント層を複数備え、
    　一のフィラメント層を構成する繊維束の配列方向と、他のフィラメント層を構成する繊維束の配列方向が所定の角度で交差するように複数のフィラメント層が積層され、上記繊維束に対して交差するように、所定間隔で並列に設けられた複数のステッチにより、上記複数のフィラメント層が一体化されており、
    　上記変形可能部は、ステッチ数が上記ステッチングシート部よりも少ないか又はステッチを有さない、
    　ことを特徴とする繊維強化複合材用ファブリック。
  2. 　上記変形可能部が、上記ステッチングシート部の一部のステッチを長手方向又は周方向にわたって全て除去して形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の繊維強化複合材用ファブリック。
  3. 　上記繊維束を構成する繊維が炭素繊維であることを特徴とする請求項１又は２に記載の繊維強化複合材用ファブリック。
  4. 　上記ステッチを構成する繊維が、伸縮性を有する繊維を含むことを特徴とする請求項１～３のいずれか１つの項に記載の繊維強化複合材用ファブリック。
  5. 　請求項１～４のいずれか１つの項に記載の繊維強化複合材用ファブリックに、予めマトリックス樹脂組成物を含浸させてプリプレグを形成し、
    　このプリプレグを用い、上記変形可能部を変形させて硬化させたことを特徴とする繊維強化複合材製構造体。
  6. 　請求項１～４のいずれか１つの項に記載の繊維強化複合材用ファブリックを用いて、上記変形可能部を変形させた繊維強化複合材用ファブリックに、マトリックス樹脂組成物を含浸させて硬化させたことを特徴とする繊維強化複合材製構造体。
  7. 　請求項２～４のいずれか１つの項に記載の繊維強化複合材用ファブリックの変形可能部を周方向に突出させたフランジ部と、上記ステッチングシートを円筒状又は円錐状に形成した筒部とを備えたことを特徴とする請求項５又は６に記載の繊維強化複合材製構造体。
  8. 　繊維束を並列配置したフィラメント層を複数備え、一のフィラメント層を構成する繊維束の配列方向と、他のフィラメント層を構成する繊維束の配列方向が所定角度で交差するように複数のフィラメント層が積層され、上記繊維束に対して交差するように、所定間隔で並列に設けられた複数のステッチにより、複数のフィラメント層が一体化されたステッチングシートを用いて、
    　上記ステッチングシートの一部のステッチを切断又は除去して、変形可能部を形成することを特徴とする繊維強化複合材用ファブリックの製造方法。
  9. 　繊維束を並列配置したフィラメント層を複数備え、一のフィラメント層を構成する繊維束の配列方向と、他のフィラメント層を構成する繊維束の配列方向が所定角度で交差するように複数のフィラメント層が積層され、上記繊維束に対して交差するように、所定間隔で並列に設けられた複数のステッチにより、複数のフィラメント層が一体化されたステッチングシートを用いて、
    　上記ステッチングシートを円筒状又は円錐状にした筒部を形成する工程と、
    　上記ステッチングシートの一部のステッチを長手方向又は周方向にわたって全て除去して、変形可能部を形成し、該変形可能部を外周方向に突出させたフランジ部を形成する工程と、
    　上記フランジ部を有するステッチングシートに、マトリックス樹脂組成物を含浸し、硬化させる工程を含むことを特徴とする繊維強化複合材製構造体の製造方法。
PCT/JP2009/066879 2009-09-29 2009-09-29 繊維強化複合材用ファブリック、その製造方法、繊維強化複合材製構造体及びその製造方法 WO2011039828A1 (ja)

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