WO2012165076A1 - 炭素繊維強化プラスチックおよびその製造方法 - Google Patents

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WO2012165076A1
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reinforced plastic
sheet
carbon fibers
carbon
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橋本貴史
蓑輪洋人
剛司 嶋田
橋本雅弘
三好且洋
成瀬恵寛
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東レ株式会社
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    • C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
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    • B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
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    • C08J2377/00—Characterised by the use of polyamides obtained by reactions forming a carboxylic amide link in the main chain; Derivatives of such polymers

Definitions

  • the present invention relates to a carbon fiber reinforced plastic and a method for producing the same, and more particularly to a sheet-like carbon fiber reinforced plastic having high mechanical properties in a specific direction while maintaining excellent moldability and a method for producing the same.
  • CFRP Carbon Fiber Reinforced Plastic
  • CFRP Carbon Fiber Reinforced Plastic
  • CFRP formed using a base material formed using continuous carbon fibers is excellent in mechanical properties, Since the continuous carbon fiber is difficult to move at the stage of shaping or forming, the formability (shape forming) into a desired shape is poor.
  • CFRP molded using a base material formed using discontinuous carbon fibers is excellent in moldability (formability) because carbon fibers are easy to move, but only those having low mechanical properties can be obtained. It was.
  • the object of the present invention is to take advantage of the good formability and moldability when using a substrate composed of discontinuous carbon fibers, and in particular at the stage of the carbon fiber substrate before impregnation with a specific range of anisotropy. Is to provide a carbon fiber reinforced plastic and a method for producing the same, which can also achieve the achievement of excellent mechanical properties in a desired direction with a small amount of carbon fiber.
  • a carbon fiber reinforced plastic according to the present invention is a carbon fiber reinforced plastic obtained by impregnating a matrix resin into a sheet-like base material made of discontinuous carbon fibers, and is included in the base material.
  • the proportion of carbon fibers having a length of 10 mm or more (preferably 20 mm or more) is 60 wt% or more of the total carbon fibers, and the average value of the orientation degree of the carbon fibers contained in the substrate is 2 to 10 It is characterized by being in range.
  • the orientation degree of the carbon fiber is defined as described later, and means the degree to which the orientation of the carbon fiber in a specific direction is higher than the orientation in the other direction.
  • CFRP is obtained by impregnating a resin into a sheet-like base material in which discontinuous carbon fibers having a length of a certain length or more are oriented in a specific direction. Many of the discontinuous carbon fibers are oriented in the specific direction with a degree of orientation within a predetermined range while maintaining excellent formability and formability of the substrate formed of discontinuous carbon fibers.
  • CFRP having high mechanical properties such as strength and elastic modulus in the specific direction can be obtained.
  • the degree of orientation of the carbon fiber in a predetermined range is intentionally given, and when the average value of the degree of orientation is less than 2, the degree of anisotropy in the specific direction is small, so that the mechanical properties are good.
  • the average value of the degree of orientation of the carbon fiber is in the range of 2 to 10, that is, by giving the carbon fiber orientation a predetermined range of anisotropy in the base material stage, the formability and formability are increased.
  • CFRP excellent in mechanical properties in a specific direction can be obtained with a small amount of carbon fiber.
  • the sheet-like base material can reliably maintain good shape retention and formability, and matrix resin
  • the proportion of carbon fibers having a length of 10 mm or more (preferably 20 mm or more) contained in the base material is carbon fiber. 60% by weight or more of the total.
  • the carbon fibers can be brought into proper contact with each other and can be held together.
  • the maximum value ⁇ Max of the tensile elastic modulus when measured by changing the tensile direction is 10 GPa or more. preferable.
  • the maximum value of the tensile elastic modulus appears in the above-mentioned specific direction, but in order to express the target high mechanical characteristics, the maximum value ⁇ Max of the tensile elastic modulus is preferably 10 GPa or more. Achieving the maximum value of tensile elastic modulus of 10 GPa or more can be achieved by appropriately controlling the degree of orientation as described above, as well as the carbon fiber length, the carbon fiber content in CFRP, the carbon fiber type, and the like.
  • the ratio ⁇ Max / ⁇ Min of the maximum value ⁇ Max and the minimum value ⁇ Min of the tensile modulus when measured by changing the tensile direction is in the range of 2 to 10.
  • This range of the ratio corresponds exactly to the above-described range of the average value of the degree of orientation, which is an index of the degree of anisotropy. That is, if the range of the average value of the degree of orientation is 2 to 10, the ratio of the maximum value / minimum value of the tensile modulus that is expressed depending on the oriented carbon fiber is also substantially in the range of 2 to 10. Appears as
  • the matrix resin to be used may be a thermosetting resin.
  • the resin can be formed in a short time by injection molding or the like on a discontinuous carbon fiber sheet-like substrate. It is preferable to use a thermoplastic resin from the viewpoint that it is impregnated to be used for molding a mass-produced product or the like and that it can be easily handled by various molding shapes.
  • the thermoplastic resin used is not particularly limited. For example, polyolefin, ABS, polyamide, polyester, polyphenylene ether, polyacetal, polycarbonate, polyphenylene sulfide, polyimide, polyetherimide, polyethersulfone, polyketone, polyetheretherketone, A combination thereof can be used.
  • a bundle-like fiber assembly formed by aggregating 80 or more carbon fibers among the carbon fibers contained in the sheet-like base material composed of the discontinuous carbon fibers. Is preferably 3% by weight or more and 40% by weight or less of the entire sheet-like substrate.
  • a matrix resin is applied to the sheet-like substrate.
  • carbon fiber is carded. By carding, the average value of the degree of orientation of the discontinuous carbon fibers can be controlled within a predetermined range.
  • a specific method of carding will be exemplified in an example described later.
  • the ratio tMax / tMi between the maximum value tMax and the minimum value tMin of the breaking strength of the sheet-like base material when measured by changing the tensile direction is 2 to 10. It is preferable to be within the range.
  • This range of the ratio corresponds exactly to the above-described range of the average value of the degree of orientation, which is an index of the degree of anisotropy. That is, if the range of the average value of the degree of orientation is 2 to 10, the maximum value / minimum value of the breaking strength of the sheet-like base material that tends to appear depending on the contact resistance between the oriented carbon fibers.
  • the ratio also tends to appear as a range of 2 to 10.
  • a needle punch is not applied to the sheet-like base material formed by the carding, or 300 needles / cm 2 or less is applied. It is preferable to apply. It is possible to improve the resin impregnation by applying a needle punch to a discontinuous carbon fiber sheet-like base material, but in the present invention, the orientation of the discontinuous carbon fiber is intentionally different within a predetermined range. Therefore, the anisotropy controlled within the predetermined range is not greatly broken by applying a needle punch, and an appropriate improvement in resin impregnation property is achieved.
  • carding is performed by mixing discontinuous carbon fibers with discontinuous organic fibers, and after carding, at least a part of the organic fibers is melted. It is also preferable to apply a press later. In other words, a moderately small amount of organic fiber is mixed, and the carbon fiber is oriented with the anisotropy intentionally provided so that the average value of the orientation degree is within the predetermined range. At least part of the organic fiber is melted to serve as a binder for retaining the form, and by pressing in that state, the retained form is appropriately fixed via the organic fiber. .
  • the predetermined anisotropy of the carbon fiber orientation in the present invention is more reliably maintained, and the sheet-like substrate is shaped.
  • High mechanical properties in a specific direction after CFRP molding can be more easily achieved with a small amount of carbon fiber while maintaining the properties.
  • thermoplastic resin is preferably used as the matrix resin.
  • the dissimilar carbon fibers are appropriately different so that the average orientation degree is within a predetermined range. Since the directionality was intentionally provided, CFRP excellent in mechanical properties can be obtained with a small amount of carbon fiber while maintaining good formability of the sheet-like base material and moldability to CFRP. .
  • FIG. 4 is a schematic perspective view of a block-shaped minute region obtained by dividing a measurement sample from three-dimensional image data obtained by X-ray CT, and a schematic diagram when coordinate axes are set thereto. It is a schematic diagram which shows the state which pulled the scanning line of the angle (phi) from one axis
  • FIG. 6 is a graph plotting average cross length as a function of scan line angle.
  • FIG. It is a schematic diagram which shows a mode that several average crossing length is plotted as a function of the angle of a scanning line. It is a schematic diagram showing how to obtain the major axis a, minor axis b, and major axis angle ⁇ 0 in a graph in which the average crossing length is plotted as a function of the scanning line angle ⁇ . It is the graph which plotted the average transverse length by the function of the angle (phi) of a scanning line in the case where the carbon fiber is orientated at random, and when it is completely oriented in one direction. It is a schematic diagram which shows a mode that a micro area
  • the average value of the degree of orientation of the carbon fibers contained in the substrate is 2 to 10 by carding the formation of the sheet-like substrate made of discontinuous carbon fibers.
  • Carding as used in the present invention refers to discontinuous carbon fiber aggregates by applying a force in approximately the same direction with a comb-like aggregate or the like. It means the operation of aligning and opening carbon fibers.
  • a carding apparatus having a roll having a large number of needle-like projections on the surface and / or a roll around which a metallic wire having a saw-like projection of a saw is wound.
  • a specific example of the entire carding apparatus will be described later.
  • the rotation speed of the cylinder roll is preferably rotated at a high rotation speed such as 300 rpm or more.
  • the surface speed of the doffer roll is preferably a high speed such as 10 m / min or more.
  • a worker roll, a stripper roll (refer to a specific configuration example described later), each roll It is important to make the clearance between them relatively wide as compared with the case of carding ordinary organic fibers.
  • the clearance between the cylinder roll, worker roll, and stripper roll is preferably 0.5 mm or more, more preferably 0.7 mm or more, and further preferably 0.9 mm or more. .
  • FIG. 1 shows an example of an apparatus used for a carding process in a method for producing a carbon fiber reinforced plastic according to an embodiment of the present invention.
  • a carding apparatus 1 shown in FIG. 1 includes a cylinder roll 2, a take-in roll 3 provided on the upstream side in the vicinity of the outer peripheral surface, and a cylinder roll 2 on the downstream side opposite to the take-in roll 3.
  • a doffer roll 4 provided close to the outer peripheral surface, a plurality of worker rolls 5 provided close to the outer peripheral surface of the cylinder roll 2 between the take-in roll 3 and the doffer roll 4, and a worker roll 5 is mainly composed of a stripper roll 6 provided in the vicinity of 5, a feed roll 7 and a belt conveyor 8 provided in the vicinity of the take-in roll 3.
  • an aggregate of discontinuous carbon fibers 9 in which the proportion of carbon fibers having a length of 10 mm or more (preferably 20 mm or more) is 60% by weight or more of the total carbon fibers is supplied.
  • the fibers 9 are introduced onto the outer peripheral surface of the cylinder roll 2 via the outer peripheral surface of the feed roll 7 and then the outer peripheral surface of the take-in roll 3.
  • the discontinuous carbon fibers 9 are in a cotton-like form.
  • a part of the cotton-like carbon fiber introduced on the outer peripheral surface of the cylinder roll 2 is wound around the outer peripheral surface of each worker roll 5, but this carbon fiber is peeled off by each stripper roll 6 and again the cylinder roll 2. It is returned to the outer peripheral surface of.
  • a large number of needles and protrusions are present on the outer peripheral surface of each of the feed roll 7, the take-in roll 3, the cylinder roll 2, the worker roll 5, and the stripper roll 6, and carbon fiber is Is opened into a single fiber shape by the action of the needle, and at the same time, the orientation direction of most of the carbon fibers is aligned with a specific direction, that is, the rotation direction of the cylinder roll 2.
  • the carbon fiber that has been opened through such a process and whose fiber orientation has been advanced moves onto the outer peripheral surface of the doffer roll 4 as a sheet-like web 10 that is one form of the carbon fiber aggregate.
  • a sheet-like base material made of discontinuous carbon fibers referred to in the present invention is formed. This carding is performed so that the average value of the orientation degree of the carbon fibers contained in the sheet-like base material is intentionally in the range of 2 to 10.
  • the aggregate of discontinuous carbon fibers 9 may be composed of only carbon fibers, but carding is performed by mixing discontinuous organic fibers, particularly thermoplastic resin fibers. You can also.
  • thermoplastic resin fibers when carding, because the carbon fibers can be prevented from breaking during carding. Since carbon fiber is rigid and brittle, it is difficult to be entangled and easily broken. Therefore, in the carbon fiber aggregate which consists only of carbon fiber, there exists a problem that a carbon fiber is easy to cut during carding, or a carbon fiber tends to drop out.
  • thermoplastic resin fibers that are flexible, difficult to break, and easily entangled, it is possible to form a carbon fiber aggregate in which the carbon fibers are hardly cut and the carbon fibers are not easily dropped.
  • organic fibers particularly thermoplastic resin fibers, are mixed and carded, and after carding, at least a part of the organic fibers is melted and then pressed. Is also preferable. That is, an organic fiber is mixed in a moderately small amount, and the carbon fiber is oriented with an intentional anisotropy so that the average value of the orientation degree is within the above-mentioned predetermined range.
  • the organic fiber By melting at least a part of the organic fiber, the organic fiber has a role of a binder for maintaining the form of the sheet-like base material having a predetermined degree of orientation, and is held by being pressed in that state. It is also preferable to fix the resin moderately through organic fibers.
  • the carbon fiber content in the carbon fiber aggregate is preferably 50 to 95% by mass, more preferably 70 to 95% by mass. is there. If the proportion of carbon fiber is low, it will be difficult to obtain high mechanical properties when carbon fiber reinforced plastic is used, and conversely if the proportion of thermoplastic resin fiber is too low, the above-mentioned carbon fiber aggregate will contain thermoplastic resin fibers. The role of the thermoplastic resin fiber when mixing is not expected or becomes smaller.
  • thermoplastic resin fibers in order to further enhance the entanglement effect by the above-described thermoplastic resin fibers, it is preferable to crimp the thermoplastic resin fibers.
  • the degree of crimping is not particularly limited, but in general, thermoplastic resin fibers having a number of crimps of about 5 to 25 crests / 25 mm and a crimping ratio of about 3 to 30% can be used.
  • the material for the thermoplastic resin fiber is not particularly limited, and can be appropriately selected as long as the mechanical properties of the carbon fiber reinforced plastic are not greatly deteriorated.
  • polyolefin resins such as polyethylene and polypropylene, polyamide resins such as nylon 6 and nylon 6,6, polyester resins such as polyethylene terephthalate and polybutylene terephthalate, polyether ketone, polyether sulfone, aromatic polyamide, etc.
  • a fiber obtained by spinning a resin of the above can be used.
  • the material of the thermoplastic resin fiber is preferably selected as appropriate in combination with a matrix resin of carbon fiber reinforced plastic.
  • a thermoplastic resin fiber using the same resin as the matrix resin, a resin compatible with the matrix resin, or a resin having high adhesiveness with the matrix resin is preferable because it does not deteriorate the mechanical properties of the carbon fiber reinforced plastic.
  • organic fiber typified by thermoplastic resin fiber is mixed with carbon fiber to perform carding. After carding, at least part of the organic fiber is melted and then pressed.
  • the method is not particularly limited, and for example, a normal press machine that presses with a flat plate or a calender roll that presses with a pair of rolls can be used.
  • the proportion of carbon fibers having a length of 10 mm or more (preferably 20 mm or more) contained in the sheet-like substrate is 60% by weight or more of the total carbon fibers, and the carbon fibers contained in the sheet-like substrate.
  • the method of impregnating the matrix resin into the sheet-like base material formed so that the average value of the degree of orientation is in the range of 2 to 10 is not particularly limited, and the methods exemplified below can be used.
  • the matrix resin can be made into a sheet such as a film or a nonwoven fabric, and the matrix resin can be melted after laminating the sheet and the carbon fiber sheet-like base material, and impregnated by pressurizing as necessary.
  • a known apparatus such as a double belt press machine or an intermittent press machine can be used.
  • a carbon fiber reinforced plastic can be obtained by a molding method in which a carbon fiber sheet-like substrate is impregnated with a matrix resin to form a prepreg or semi-preg and then heated and solidified while being pressurized in an autoclave.
  • injection molding methods such as Resin Transfer Molding (RTM), Resin film Infusion (RFI), Reaction Injection Molding (RIM), and vacuum pressure molding can be applied.
  • RTM and vacuum pressure molding are preferably used.
  • RTM includes, for example, a molding method in which a matrix resin is pressurized and injected into a cavity formed by a male mold and a female mold. Preferably, the cavity is decompressed and the resin is injected.
  • a vacuum pressure forming method for example, a cavity formed by either a male mold or a female mold and a bag material such as a film (for example, nylon film or silicon rubber) is decompressed, and the pressure difference from the atmospheric pressure is achieved.
  • a molding method in which a matrix resin is injected, and a resin diffusion medium (media) is preferably disposed in a preform in the cavity to promote resin impregnation, and the media is separated from the composite material after molding.
  • the scanning line 15 with a certain angle ⁇ is drawn in parallel from one axis.
  • the pitch of the scanning lines may be adjusted as appropriate in consideration of the size of the carbon fiber.
  • the average transverse length L1 is plotted on another graph as a function of the angle ⁇ of the scanning line 15 (in FIG. 6, plotted for an angle ⁇ 1 of the scanning line 15). Have been).
  • the major axis a, minor axis b, and major axis angle ⁇ 0 are obtained.
  • the major axis angle ⁇ 0 is defined as the main orientation direction
  • the ratio a / b between the major axis and the minor axis is defined as the degree of orientation in the present invention.
  • the average value of the degree of orientation is controlled within a predetermined range.
  • the micro region 14 is moved, and the operations (2) to (7) are repeated for the entire X-ray CT image 13.
  • FIG. 11 shows an example (within the range defined by the present invention) in which the main orientation angle and the average value of the orientation degree in the present invention are measured and calculated by the above-described method.
  • the ratio of the bundle-like fiber aggregate formed by aggregating 80 or more carbon fibers is the sheet-like base material.
  • a method for obtaining the ratio of the bundle-like fiber assembly when the total content is 3% by weight or more and 40% by weight or less will be described below.
  • a sample of 100 mm ⁇ 100 mm was cut out from the carbon fiber composite material, and then the sample was heated for about 1 hour in an electric furnace heated to 500 ° C. to burn off organic substances such as matrix resin.
  • the diameter of the carbon fiber is r
  • the specific gravity is ⁇
  • Example 1 Carbon fibers (“T700S”, manufactured by Toray Industries, Inc., density 1.8, diameter 7 ⁇ m, number of filaments 12,000) were cut into 50 mm, and then put into a cotton opening machine to obtain opened carbon fibers. The opened carbon fiber was again put into a cotton opening machine to obtain a cotton-like carbon fiber having almost no carbon fiber bundle. This cotton-like carbon fiber was put into a carding apparatus having a structure as shown in FIG. 1 having a cylinder roll having a diameter of 600 mm to form a sheet-like web made of carbon fiber. The rotation speed of the cylinder roll at this time was 350 rpm, and the speed of the doffer roll was 15 m / min.
  • the carbon fiber was not dropped off or wound around the roll of the carding apparatus.
  • a carbon fiber nonwoven fabric having a needle punch of 50 / cm 2 was obtained.
  • the swing width of the cross wrapper at this time was 1.2 m, and the winding speed of the carbon fiber nonwoven fabric was 1 m / min.
  • the degree of orientation of this carbon fiber nonwoven fabric was 4.4. When the tensile strength of this nonwoven fabric was measured by changing the direction by 15 °, the ratio between the minimum value and the maximum value was 4.0.
  • This carbon fiber nonwoven fabric was impregnated with nylon 6 resin (“CM1001”, manufactured by Toray Industries, Inc.) to produce a CFRP sheet having a fiber volume content of Vf 30%.
  • CM1001 nylon 6 resin
  • the minimum value was 13 GPa and the maximum value was 40 GPa.
  • an automobile hood reinforcing material is produced with a small amount of CFRP by arranging in accordance with the direction in which the elastic modulus of the CFRP is high in accordance with the direction in which the load is applied. The weight was reduced by 50% compared to a conventional steel reinforcement having the same rigidity.
  • Nylon 6 discontinuous fiber (single fiber fineness 1.7dtex, cut length 51mm, number of crimps 12 / 25mm, crimp rate 15%) is mixed with carbon fiber at the ratio of 50:50 when carding.
  • a carbon fiber / nylon 6 mixed nonwoven fabric was produced.
  • the swing width of the cross wrapper at this time was 1.2 m, and the winding speed of the nonwoven fabric was 3 m / min.
  • the degree of orientation of this nonwoven fabric was 1.7.
  • the tensile strength of this nonwoven fabric was measured by changing the direction by 15 °, the ratio of the lowest value to the highest value was 1.5.
  • This nonwoven fabric was impregnated with nylon 6 resin (“CM1001”, manufactured by Toray Industries, Inc.) to prepare a CFRP sheet having a Vf of 30%.
  • CM1001 nylon 6 resin
  • the minimum value was 20 GPa and the maximum value was 30 GPa.
  • the weight could be reduced by only 35% compared to a conventional steel reinforcing material having the same rigidity.
  • Comparative Example 2 In order to reinforce the orientation of the carbon fibers in the web, the number of rotations of the cylinder roll during carding is set to 550 rpm, and the interval between the cylinder roll and the worker roll is set to 1 ⁇ 2 in the case of Example 1, and carbon A carbon fiber nonwoven fabric was produced by setting the input amount of the fiber to 1/2 and the winding speed of the nonwoven fabric to 0.5 m / min. The degree of orientation of the obtained carbon fiber nonwoven fabric was 11. When the tensile strength of this nonwoven fabric was measured by changing the direction by 15 °, the ratio of the lowest value to the highest value was 12.0.
  • Example 2 Nylon 6 discontinuous fiber (single fiber fineness 1.7dtex, cut length 51mm, number of crimps 12 / 25mm, crimp rate 15%) is mixed with carbon fiber at the ratio of 90:10 when carding Thus, a carbon fiber / nylon 6 mixed nonwoven fabric was produced.
  • the swing width of the cross wrapper at this time was 1.2 m, and the winding speed of the nonwoven fabric was 1 m / min.
  • hot air at 280 ° C. was blown from both sides of the nonwoven fabric, and then the nylon 6 discontinuous fibers were melted and solidified by being sandwiched between cooling rolls in which cooling water was flowed. The degree of orientation of this nonwoven fabric was 3.9.
  • Comparative Example 3 A carbon fiber nonwoven fabric was obtained in the same manner as in Example 1 except that the number of needle punches was 500 / cm 2 . The degree of orientation of this carbon fiber nonwoven fabric was 1.7. When the tensile strength of this nonwoven fabric was measured by changing the direction by 15 °, the ratio of the lowest value to the highest value was 1.5. The carbon fiber nonwoven fabric was impregnated with nylon 6 resin (“CM1001”, manufactured by Toray Industries, Inc.) to produce a CFRP sheet with a Vf of 30%. When the tensile elastic modulus of this CFRP was measured by changing the direction by 15 °, the minimum value was 22 GPa and the maximum value was 29 GPa.
  • CM1001 nylon 6 resin
  • the carbon fiber reinforced plastic and the manufacturing method thereof according to the present invention can be applied to any carbon fiber reinforced plastic in which a sheet-like base material is prepared using discontinuous carbon fibers and impregnated with a resin.

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Abstract

　不連続な炭素繊維からなるシート状基材にマトリックス樹脂を含浸してなる炭素繊維強化プラスチックであって、シート状基材に含まれる長さ１０ｍｍ以上の炭素繊維の割合が炭素繊維全体の６０重量％以上であり、かつ、基材に含まれる炭素繊維の配向度の平均値が２～１０の範囲内にある炭素繊維強化プラスチック、およびシート状基材の形成をカーディングにより行うその製造方法。シート状基材の段階で、不連続な炭素繊維に配向度の平均値が所定の範囲内になるように適切な異方性を意図的に持たせるようにしたので、シート状基材の賦形性、炭素繊維強化プラスチックへの成形性を良好に維持しつつ、少ない炭素繊維量で機械特性に優れた炭素繊維強化プラスチックを得ることができる。

Description

炭素繊維強化プラスチックおよびその製造方法
　本発明は、炭素繊維強化プラスチックおよびその製造方法に関し、とくに、優れた成形性を維持しつつ特定の方向に高い機械特性を有するシート状の炭素繊維強化プラスチックとその製造方法に関する。
　炭素繊維とマトリックス樹脂からなる炭素繊維強化プラスチック（以下、ＣＦＲＰ［Carbon Fiber Reinforced Plastic］と言うこともある。）は、機械特性、軽量性、耐腐食性等に優れることから、種々の用途に幅広く展開されている。ＣＦＲＰの製造方法としては、予め樹脂を含浸させた、いわゆるプリプレグを用いる方法もあるが、成形できるＣＦＲＰの形状の範囲をより広くし、成形に要する時間をより短くすることが要求される場合には、例えば、自動車用部品や電子機器部品等のように大量生産することが求められる場合には、実質的に樹脂を含まない炭素繊維基材（乾式の炭素繊維基材）を所定の形状に賦形し、それにマトリックス樹脂を含浸させて所望のＣＦＲＰを成形する方法が多く用いられる。
　このような乾式の炭素繊維基材にマトリックス樹脂を含浸させてＣＦＲＰを成形する方法において、連続した炭素繊維を用いて形成された基材を用いて成形したＣＦＲＰは、機械特性には優れるものの、賦形や成形の段階で連続炭素繊維が動きにくいため、所望の形状への成形性（賦形性）が悪い。一方、不連続な炭素繊維を用いて形成された基材を用いて成形したＣＦＲＰは、炭素繊維が動きやすいため成形性（賦形性）には優れるが、機械特性の低いものしか得られなかった。
　また、連続した炭素繊維を一方向に並べて得られる、いわゆる一方向（ＵＤ：Unidirectional)プリプレグやＵＤテープは、炭素繊維が配向された方向の機械特性が非常に高いため、ＣＦＲＰ製品を設計するにあたって炭素繊維基材を荷重のかかる方向に配置することで、より少ない材料で特定の方向に所望の機械特性を有する製品を作ることができる。しかし、優れた成形性（賦形性）を得るために不連続炭素繊維からなる基材を用いたＣＦＲＰでは、これまで、機械特性にそのような高い異方性を持たせたＣＦＲＰは存在しなかった。このように、賦形性と特定の方向の機械特性を両立させた材料を得るのは困難であった。
　不連続炭素繊維からなる基材を用いたＣＦＲＰは、特許文献１～４等に開示されているが、いずれも機械特性については良好な等方性の達成を目指しており、意図的に高い異方性を持たせるような技術思想についての記載はない。とくに、樹脂含浸前の炭素繊維基材の段階にて、意図的に高い異方性を付与するような技術思想については、示唆すらない。また、特許文献５には、異方性（特定方向の曲げ弾性率が２５０ＧＰａ以上）について言及されているものの、異方性の度合い（配向度）については記載されていない。
特開２０１０－２３５７７９号公報 特開２０１０－３７３５８号公報 特開２００２－２１２３１１号公報 特開２００４－４３９８５号公報 特開２０１０－２２９２３８号公報
　そこで本発明の課題は、不連続炭素繊維からなる基材を用いる場合の良好な賦形性、成形性を活かしつつ、とくに樹脂含浸前の炭素繊維基材の段階にて特定範囲の異方性を付与することで、少ない炭素繊維量での所望の方向における優れた機械特性の達成についても実現可能とした炭素繊維強化プラスチックおよびその製造方法を提供することにある。
　上記課題を解決するために、本発明に係る炭素繊維強化プラスチックは、不連続な炭素繊維からなるシート状基材にマトリックス樹脂を含浸してなる炭素繊維強化プラスチックであって、前記基材に含まれる長さ１０ｍｍ以上の（好ましくは２０ｍｍ以上の）炭素繊維の割合が炭素繊維全体の６０重量％以上であり、かつ、前記基材に含まれる炭素繊維の配向度の平均値が２～１０の範囲内にあることを特徴とするものからなる。ここで炭素繊維の配向度とは、後述の如く定義されるもので、特定の方向への炭素繊維の配向が他の方向への配向に比べて高められている度合を意味している。
　このような本発明に係る炭素繊維強化プラスチックにおいては、ある程度以上の長さを有する不連続な炭素繊維を特定の方向に配向させてなるシート状基材に樹脂を含浸させてＣＦＲＰとすることにより、不連続な炭素繊維で形成された基材の優れた成形性、賦形性を良好に維持しつつ、所定範囲の配向度をもって上記特定の方向に不連続炭素繊維の多くが配向されていることでその特定方向に強度や弾性率等の高い機械特性を有するＣＦＲＰを得ることができる。この炭素繊維の所定範囲の配向度は意図的に付与されたものであり、配向度の平均値が２未満の場合、上記特定方向への異方性の度合が小さいため、機械特性について良好な等方性の達成を目指した従来技術との差が小さくなる。したがって、上記特定方向における機械特性が相対的に低くなるとともに、所望の高い機械特性を得ようとすると炭素繊維の使用量が増加させる必要が生じる。また、配向度の平均値が１０を超える場合、上記特定方向への異方性の度合は高められるものの、上記特定方向以外の方向、とくに上記特定方向と直交する方向への配向の度合が相対的に低くなりすぎるおそれがあり、それによってシート状基材の段階での形態保持性、ひいては賦形性が低下し、基材の所望形状への賦形性、ＣＦＲＰへの成形性が低下するおそれがある。炭素繊維の配向度の平均値が２～１０の範囲内にあることにより、つまり、基材段階において、炭素繊維の配向に所定範囲の異方性を持たせることにより、賦形性、成形性に優れるとともに、少ない炭素繊維量にて特定方向の機械特性に優れたＣＦＲＰが得られることになる。そして、不連続な炭素繊維がこのような異方性をもって配向される場合にあっても、確実に、そのシート状基材が良好な形態保持性、賦形性を維持でき、かつ、マトリックス樹脂が含浸された炭素繊維強化プラスチックが上記特定の方向に高い機械特性を発現できるようにするために、基材に含まれる長さ１０ｍｍ以上の（好ましくは２０ｍｍ以上の）炭素繊維の割合が炭素繊維全体の６０重量％以上とされている。これにより、上記のような異方性を持たせた状態においても、炭素繊維同士が適切に接触し、互いに保持し合うことが可能になり、シート状基材の良好な形態保持性、賦形性の維持、さらには上記所定範囲の配向度の維持が可能になり、それによって少ない炭素繊維量で炭素繊維強化プラスチックの上記特定方向の高い機械特性の実現が可能になる。
　上記本発明に係る炭素繊維強化プラスチックにおいては、引っ張り方向を変えて測定した場合の（つまり、平面的に全方位にて測定した場合の）引っ張り弾性率の最大値σＭａｘが１０ＧＰａ以上であることが好ましい。この引っ張り弾性率の最大値は、上述の特定方向に現れることになるが、目標とする高い機械特性を発現させるためには、この引っ張り弾性率の最大値σＭａｘは１０ＧＰａ以上であることが好ましい。１０ＧＰａ以上の引っ張り弾性率の最大値の達成は、上述の配向度の適切な制御とともに、炭素繊維長、ＣＦＲＰ中の炭素繊維含有率、炭素繊維種等により実現可能である。
　また、引っ張り方向を変えて測定した場合の引っ張り弾性率の最大値σＭａｘと最小値σＭｉｎの比σＭａｘ／σＭｉｎが２～１０の範囲内にあることが好ましい。この比率の範囲は、異方性の程度の指標となる上述の配向度の平均値の範囲と丁度対応している。すなわち、上述の配向度の平均値の範囲が２～１０であれば、配向された炭素繊維に依存して発現する引っ張り弾性率の最大値／最小値の比も実質的に２～１０の範囲として現れる。
　また、本発明に係る炭素繊維強化プラスチックにおいて、使用されるマトリックス樹脂としては、熱硬化性樹脂も可能であるが、不連続な炭素繊維のシート状基材に射出成形等により樹脂を短時間で含浸させて量産品等の成形に供するという面から、かつ、種々の成形形状により容易に対応できるという面から、熱可塑性樹脂を使用することが好ましい。使用される熱可塑性樹脂としてはとくに限定されないが、例えば、ポリオレフィン、ＡＢＳ、ポリアミド、ポリエステル、ポリフェニレンエーテル、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリフェニレンサルファイド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルフォン、ポリケトン、ポリエーテルエーテルケトン、それらの組み合わせ等を用いることができる。
　さらに、本発明に係る炭素繊維強化プラスチックにおいては、上記不連続な炭素繊維からなるシート状基材に含まれる炭素繊維のうち、８０本以上の炭素繊維が集合してなる束状の繊維集合体の割合がシート状基材全体の３重量％以上４０重量％以下であることが好ましい。
　本発明に係る炭素繊維強化プラスチックの製造方法は、平均繊維長１０ｍｍ以上の（好ましくは２０ｍｍ以上の）不連続な炭素繊維をシート状基材に形成した後、該シート状基材にマトリックス樹脂を含浸する炭素繊維強化プラスチックの製造方法であって、前記シート状基材の形成を、カーディングにより、基材に含まれる炭素繊維の配向度の平均値が２～１０の範囲内になるように行うことを特徴とする方法からなる。すなわち、上記のようなある程度の長さを有する不連続な炭素繊維を、配向度の平均値が２～１０の範囲内になるように異方性を意図的に持たせて配向するために、本発明方法では炭素繊維をカーディングすることとしている。カーディングにより、上記不連続な炭素繊維の配向度の平均値を所定の範囲内に制御することが可能である。カーディングの具体的な手法については、後述の実施例で例示する。
　この本発明に係る炭素繊維強化プラスチックの製造方法においては、引っ張り方向を変えて測定した場合の上記シート状基材の破断強度の最大値ｔＭａｘと最小値ｔＭｉｎの比ｔＭａｘ／ｔＭｉｎが２～１０の範囲内にあることが好ましい。この比率の範囲は、異方性の程度の指標となる上述の配向度の平均値の範囲と丁度対応している。すなわち、上述の配向度の平均値の範囲が２～１０であれば、配向された炭素繊維同士の接触抵抗に依存して発現する傾向にあるシート状基材の破断強度の最大値／最小値の比も実質的に２～１０の範囲として現れる傾向となる。
　また、本発明に係る炭素繊維強化プラスチックの製造方法においては、上記カーディングにより形成されたシート状基材に、ニードルパンチを施さないか、施す場合には３００本／ｃｍ２以下のニードルパンチを施すことが好ましい。不連続な炭素繊維のシート状基材にニードルパンチを施すことにより樹脂の含浸性を向上させることが可能であるが、本発明では不連続な炭素繊維の配向に意図的に所定範囲の異方性を持たせることとしているので、その所定範囲に制御された異方性を、ニードルパンチを施すことにより大きく崩さないようにし、かつ、適度の樹脂含浸性向上をはかるようにするのである。
　また、上記カーディングによりシート状基材を形成するに際し、不連続な炭素繊維に不連続な有機繊維を混合してカーディングを行い、カーディング後に、前記有機繊維の少なくとも一部を溶融させた後、プレスを施すようにすることも好ましい。すなわち、適度に少ない量の有機繊維を混合しておき、炭素繊維に配向度の平均値が上記所定の範囲内になるように異方性を意図的に持たせて配向した状態で有機繊維の少なくとも一部を溶融させることで有機繊維にその形態を保持するためのバインダーの役目を担わせ、その状態でプレスを施すことにより、保持された形態を有機繊維を介して適度に固定するのである。このようにすれば、シート状基材のハンドリングやマトリックス樹脂含浸の際に、本発明における炭素繊維配向の所定の異方性がより確実に維持されるようになり、シート状基材の賦形性を維持しつつ、少ない炭素繊維量でＣＦＲＰ成形後の特定方向の高い機械特性の発現が、一層容易に達成される。
　この本発明に係る炭素繊維強化プラスチックの製造方法においても、上記マトリックス樹脂としては熱可塑性樹脂を用いることが好ましい。
　このように、本発明に係る炭素繊維強化プラスチックおよびその製造方法においては、シート状基材の段階で、不連続な炭素繊維に配向度の平均値が所定の範囲内になるように適切な異方性を意図的に持たせるようにしたので、シート状基材の賦形性、ＣＦＲＰへの成形性を良好に維持しつつ、少ない炭素繊維量で機械特性に優れたＣＦＲＰを得ることができる。
本発明の一実施態様に係る炭素繊維強化プラスチックの製造方法におけるカーディング工程に用いる装置の一例を示す模式図である。 配向度測定用サンプルの概略斜視図である。 測定用サンプルをＸ線ＣＴで撮影した３次元画像データから分割したブロック状の微小領域の概略斜視図およびそれに座標軸を設定した場合の模式図である。 設定した座標軸に対して、一つの軸からある角度φの走査線を平行に引いた状態を示す模式図である。 微小領域内にある炭素繊維と走査線が交わる部分の平均横切長を求める様子を示す模式図である。 平均横切長を走査線の角度の関数としてプロットしたグラフである。 複数の平均横切長を走査線の角度の関数としてプロットする様子を示す模式図である。 平均横切長を走査線の角度φの関数でプロットしたグラフにおいて、長径ａ、短径ｂ、長径の角度φ０を求める様子を示す模式図である。 炭素繊維がランダムに配向している場合と完全に一方向に配向している場合の、平均横切長を走査線の角度φの関数でプロットしたグラフである。 Ｘ線ＣＴ画像全体に対して微小領域を移動する様子を示す模式図である。 主配向角と配向度の平均値を測定、算出した一例を示すグラフである。
　以下に、本発明の望ましい実施の形態について、図面を参照して説明する。
　本発明に係る炭素繊維強化プラスチックの製造方法においては、不連続な炭素繊維からなるシート状基材の形成を、カーディングにより、基材に含まれる炭素繊維の配向度の平均値が２～１０の範囲内になるように行う。本発明でいうカーディングとは、不連続な炭素繊維の集合体をくし状のもの等で概略同一方向に力を加えることにより、不連続な炭素繊維の方向を揃えたり、炭素繊維の方向を揃えるとともに炭素繊維を開繊する操作のことをいう。一般的には針状の突起を表面に多数備えたロール及び／またはのこぎりの刃状の突起を有するメタリックワイヤを巻きつけたロールを有するカーディング装置を用いて行う。カーディング装置全体の具体例については後述する。かかるカーディングを実施するにあたっては、炭素繊維が折れるのを防ぐ目的で炭素繊維がカーディング装置の中に存在する時間（滞留時間）を短くすることが好ましい。具体的にはカーディング装置のシリンダーロールに巻かれたワイヤー上に存在する炭素繊維をできるだけ短時間で下流のドッファーロールに移行させることか好ましい。従って、かかる移行を促進するためにシリンダーロールの回転数は、例えば３００ｒｐｍ以上といった高い回転数で回転させることが好ましい。また、同様の理由で、ドッファーロールの表面速度は、例えば１０ｍ／分以上といった速い速度が好ましい。また、同様に炭素繊維へのダメージを減らし、かつ、シリンダーロールやワーカーロール、ストリッパーロール（後述の具体的構成例参照）等の表面に炭素繊維が押し付けられて沈み込むのを防ぐために、各ロール間のクリアランスを通常の有機繊維をカーディングする場合と比較してある程度広くすることが重要である。例示するならシリンダーロールやワーカーロール、ストリッパーロールそれぞれの間のクリアランスを０．５ｍｍ以上とすることが好ましく、さらには０．７ｍｍ以上とすることが好ましく、さらには０．９ｍｍ以上とすることが好ましい。
　図１は、本発明の一実施態様に係る炭素繊維強化プラスチックの製造方法におけるカーディング工程に用いる装置の一例を示している。図１に示すカーディング装置１は、シリンダーロール２と、その外周面に近接して上流側に設けられたテイクインロール３と、テイクインロール３とは反対側の下流側においてシリンダーロール２の外周面に近接して設けられたドッファーロール４と、テイクインロール３とドッファーロール４との間においてシリンダーロール２の外周面に近接して設けられた複数のワーカーロール５と、ワーカーロール５に近接して設けられたストリッパーロール６と、テイクインロール３と近接して設けられたフィードロール７及びベルトコンベアー８とから主として構成されている。
　ベルトコンベアー８上に、長さ１０ｍｍ以上の（好ましくは２０ｍｍ以上の）炭素繊維の割合が炭素繊維全体の６０重量％以上である不連続な炭素繊維９の集合体が供給され、不連続な炭素繊維９はフィードロール７の外周面、次いでテイクインロール３の外周面を介してシリンダーロール２の外周面上に導入される。この段階までは、不連続な炭素繊維９は綿状の形態になっている。シリンダーロール２の外周面上に導入された綿状の炭素繊維の一部は、各ワーカーロール５の外周面上に巻き付くが、この炭素繊維は各ストリッパーロール６によって剥ぎ取られ再びシリンダーロール２の外周面上に戻される。フィードロール７、テイクインロール３、シリンダーロール２、ワーカーロール５、ストリッパーロール６のそれぞれのロールの外周面上には多数の針、突起が立った状態で存在しており、上記工程で炭素繊維が針の作用により単繊維状に開繊されると同時に大半の炭素繊維の配向方向が特定の方向、つまり、シリンダーロール２の回転方向に揃えられる。かかる過程を経て開繊され繊維の配向が進められた炭素繊維は、炭素繊維集合体の一形態であるシート状のウエブ１０としてドッファーロール４の外周面上に移動する。さらに、ウエブ１０を、その幅を所定幅まで狭めながら引き取ることにより、本発明で言う不連続な炭素繊維からなるシート状基材が形成される。このカーディングが、シート状基材に含まれる炭素繊維の配向度の平均値を意図的に２～１０の範囲内とするように行われる。
　上記のようなカーディングにおいて、不連続な炭素繊維９の集合体は、炭素繊維のみから構成されていてもよいが、不連続な有機繊維、とくに熱可塑性樹脂繊維を混合してカーディングを行うこともできる。特に、カーディングする際に熱可塑性樹脂繊維を添加することは、カーディングでの炭素繊維の破断を防ぐことができるので好ましい。炭素繊維は剛直で脆いため、絡まりにくく折れやすい。そのため、炭素繊維だけからなる炭素繊維集合体では、カーディング中に、炭素繊維が切れやすかったり、炭素繊維が脱落しやすいという問題がある。そこで、柔軟で折れにくく、絡みやすい熱可塑性樹脂繊維を含むことにより、炭素繊維が切れにくく、炭素繊維が脱落しにくい炭素繊維集合体を形成することができる。また、前述したように、このような有機繊維、とくに熱可塑性樹脂繊維を混合してカーディングを行い、カーディング後に、有機繊維の少なくとも一部を溶融させた後、プレスを施すようにすることも好ましい。すなわち、適度に少ない量の有機繊維を混合しておき、炭素繊維に配向度の平均値が前述の所定の範囲内になるように異方性を意図的に持たせて配向した状態で有機繊維の少なくとも一部を溶融させることにより、有機繊維に所定の配向度を有するシート状基材の形態を保持するためのバインダーの役目を担わせ、その状態でプレスを施すことにより、保持された形態を有機繊維を介して適度に固定することも好ましい。
　上記のように炭素繊維集合体中に熱可塑性樹脂繊維を含む場合には、炭素繊維集合体中の炭素繊維の含有率は、好ましくは５０～９５質量％、より好ましくは７０～９５質量％である。炭素繊維の割合が低いと炭素繊維強化プラスチックとしたときに高い機械特性を得ることが困難となり、逆に、熱可塑性樹脂繊維の割合が低すぎると、上記の炭素繊維集合体に熱可塑性樹脂繊維を混合させた際の熱可塑性樹脂繊維の役割が期待できないか、小さくなる。
　また、上述の熱可塑性樹脂繊維による、絡み合いの効果をより高めるためには、熱可塑性樹脂繊維に捲縮を付与しておくことが好ましい。捲縮の程度は、特に限定されないが、一般的には捲縮数５～２５山／２５ｍｍ程度、捲縮率３～３０％程度の熱可塑性樹脂繊維を用いることができる。
　かかる熱可塑性樹脂繊維の材料としては特に制限は無く、炭素繊維強化プラスチックの機械特性を大きく低下させない範囲で適宜選択することができる。例示するなら、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂、ナイロン６、ナイロン６，６等のポリアミド系樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート等のポリエステル系樹脂、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルフォン、芳香族ポリアミド等の樹脂を紡糸して得られた繊維を用いることができる。かかる熱可塑性樹脂繊維の材料は、炭素繊維強化プラスチックのマトリックス樹脂との組み合わせにより適宜選択することが好ましい。特に、マトリックス樹脂と同じ樹脂、あるいはマトリックス樹脂と相溶性のある樹脂、マトリックス樹脂と接着性の高い樹脂を用いてなる熱可塑性樹脂繊維は、炭素繊維強化プラスチックの機械特性を低下させないので好ましい
　また、上記のように熱可塑性樹脂繊維を代表とする有機繊維を炭素繊維に混合してカーディングを行い、カーディング後に、有機繊維の少なくとも一部を溶融させた後、プレスを施す場合のプレスの方法としては、とくに限定されず、例えば、平板で挟んで加圧する通常のプレス機や一対のロールで挟んで加圧するカレンダーロール等を用いることができる。
　本発明において、シート状基材に含まれる長さ１０ｍｍ以上の（好ましくは２０ｍｍ以上の）炭素繊維の割合が炭素繊維全体の６０重量％以上であり、かつ、シート状基材に含まれる炭素繊維の配向度の平均値が２～１０の範囲内になるように形成されたシート状基材に、マトリックス樹脂を含浸する方法は、特に限定されず、以下に例示する方法を用いることができる。例えば、マトリックス樹脂をフィルムや不織布等のシートとし、かかるシートと炭素繊維シート状基材とを積層してからマトリックス樹脂を溶融し、必要に応じて加圧して含浸することが可能である。かかる方法でスタンパブルシートを製造する装置としてはダブルベルトプレス機や間欠プレス機等公知の装置を用いることができる。また、炭素繊維シート状基材にマトリックス樹脂を含浸させてプリプレグやセミプレグにした後にオートクレーブ中で加圧しながら加熱・固化させる成形方法で、炭素繊維強化プラスチックにすることもできる。さらに、別の成形方法として、例えば、生産性の高いＲｅｓｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｌｄｉｎｇ（ＲＴＭ）、Ｒｅｓｉｎ ｆｉｌｍ Ｉｎｆｕｓｉｎｏｎ（ＲＦＩ）、Ｒｅａｃｔｉｏｎ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｍｏｌｄｉｎｇ（ＲＩＭ）、および真空圧成形法等の注入成形方法等も適用でき、これらの中では、成形コストの面から、ＲＴＭと、真空圧成形法が好ましく用いられる。 ＲＴＭとしては、例えば、雄型および雌型により形成したキャビティ中にマトリックス樹脂を加圧して注入する成形法があり、好ましくは、キャビティを減圧して樹脂注入する。また、真空圧成形法としては、例えば、雄型または雌型のいずれか一方とフィルム等のバッグ材（例えば、ナイロンフィルムやシリコンラバー等）により形成したキャビティを減圧し、大気圧との差圧にてマトリックス樹脂を注入する成形法があり、好ましくは、キャビティ内のプリフォームに樹脂拡散媒体（メディア）を配置して樹脂含浸を促進し、成形後に複合材料からメディアを分離する。
　次に、本発明における炭素繊維の配向度の測定方法について説明する。
１．使用した装置：
　X線CT：ヤマト科学社製　ＴＤＭ１０００－ＩＳ
２．配向度を計算するソフトウエア：
　ラトックシステムエンジニアリング社製TRI－３Ｄ　ＶＯＬ　Ｒ８．０
３．本発明におけるカーディング後の不連続な炭素繊維からなるシート状基材から、図２に示すような２．５８×２．５８×０．３５ｍｍのサイズの測定用サンプル１１を取り出し、それを基台１２上に載せて以下の測定を行った。このサンプル１１を、以下のように２０×２０×１０分割したブロック状の領域に分割し（ピッチはブロックの大きさと同じ）、配向度の測定、演算を行った。なお、図２におけるサンプル１１の配向方向は、カーディングの方向と一致している。
４．配向度の測定、演算
（１）図３に示すように上記サンプルをＸ線ＣＴで撮影した３次元画像データ１３を微小なブロック状の領域１４に分割する（分割数は上述）。ただし、微小領域の大きさは、炭素繊維の大きさとの兼ね合いで適宜調整すればよい。
（２）図３に示すように、上記３次元画像データ１３から一つの微小領域１４を取り出し、座標軸を設定する。ここでは、わかりやすくするため、Ｘ、Ｙ軸の二次元で説明する。
（３）次に、図４に示すように、設定した座標軸に対して、一つの軸からある角度φの走査線１５を平行に引く。走査線のピッチは、炭素繊維の大きさとの兼ね合いで適宜調整すればよい。
（４）次に、図５に示すように、微小領域１４内にある炭素繊維１６と、走査線１５が交わる部分の平均長さ（＝平均横切長Ｌ１）を求める。実際には複数の繊維があるので、走査線１５と交わる部分の平均長さを求める。
（５）次に、図６に示すように、平均横切長Ｌ１を、走査線１５の角度φの関数として、別のグラフにプロットする（図６では、走査線１５のある角度φ１についてプロットされている）。
（６）次に、図７に示すように、走査線１５の角度φを変更して、上記（４）（５）の操作を繰り返し、原点からの距離を平均横切長として、走査線の角度φの関数でプロットする。図７には、平均横切長Ｌ１、平均横切長Ｌ２についてプロットした図を示してある。
（７）次に、図８に示すように、平均横切長を走査線の角度φの関数でプロットしたグラフにおいて、長径ａ、短径ｂ、長径の角度φ０を求める。長径の角度φ０を主配向方向、長径と短径の比ａ／ｂを本発明における配向度と定義する。本発明では、この配向度の平均値を所定の範囲内に制御することになる。ちなみに、炭素繊維が完全にランダムに配向している場合には、上記図８に示したグラフは、図９（Ａ）に示すように真円になる（ランダム配向：ａ/ｂ＝１）。一方、炭素繊維が完全に一方向に配向している場合には、上記図８に示したグラフは、図９（Ｂ）に示すように直線になる（完全配向：ａ/ｂ＝∞）。
（８）次に、図１０に示すように、微小領域１４を移動して、Ｘ線ＣＴ画像１３の全体に対して上記（２）～（７）の作業を繰り返す。なお、移動の際に、移動前の領域とオーバーラップさせると、良い場合がある。
　上記の手法により、主配向角、本発明における配向度の平均値を測定、算出した一例（本発明で規定した範囲内）を、図１１に例示する。
　次に、本発明において、不連続な炭素繊維からなるシート状基材に含まれる炭素繊維のうち、８０本以上の炭素繊維が集合してなる束状の繊維集合体の割合がシート状基材全体の３重量％以上４０重量％以下とする場合の、束状の繊維集合体の割合の求め方について以下に説明する。
　炭素繊維複合材料から１００ｍｍ×１００ｍｍのサンプルを切り出し、その後、サンプルを５００℃に加熱した電気炉の中で１時間程度加熱してマトリックス樹脂等の有機物を焼き飛ばした。室温まで冷却した後に残った炭素繊維集合体の質量を測定した後に、炭素繊維集合体から炭素繊維束をピンセットで全て抽出した。抽出した全ての炭素繊維束について、１／１００００ｇまで測定が可能な天秤を用いて、個々の炭素繊維束の重量Ｍｎと長さＬｎを測定する。炭素繊維の直径をｒ、比重をρとし、束を構成する炭素繊維の本数Ｎを、
　Ｎ＝Ｍｎ／（ｒ２×３．１４×Ｌｎ×ρ）
として算出する。ピンセットで抽出することの出来ない程度に開繊した繊維束はまとめて最後に重量を測定した。上記測定の後、Ｎが８０以上の束のみの重量を合計した数値を炭素繊維集合体全体の重量で除し束状の繊維集合体の割合を求めた。
実施例１
　炭素繊維（「Ｔ７００Ｓ」、東レ（株）製、密度１．８、直径７μｍ、フィラメント数１２０００本）を５０ｍｍに切断した後、開綿機に投入して開繊された炭素繊維を得た。この開繊された炭素繊維を再度開綿機に投入し、炭素繊維束がほとんど存在しない、綿状の炭素繊維を得た。この綿状の炭素繊維を直径６００ｍｍのシリンダーロールを有する図１に示すような構造を有するカーディング装置に投入し、炭素繊維からなるシート状のウエブを形成した。このときのシリンダーロールの回転数は３５０ｒｐｍ、ドッファーロールの速度は１５ｍ／分であった。このカーディング工程において、炭素繊維の脱落やカーディング装置のロールへの巻き付きは発生しなかった。クロスラッパーにてこのウエブを積層した後、５０本/ｃｍ２のニードルパンチを施した炭素繊維不織布を得た。このときのクロスラッパーの振り幅は１．２ｍ、炭素繊維不織布の巻き取り速度は１ｍ／分であった。この炭素繊維不織布の配向度は４．４であった。この不織布の引っ張り強度を１５°ずつ方向を変えて測定したところ、最低値と最高値は比は４．０であった。この炭素繊維不織布にナイロン６樹脂（「ＣＭ１００１」、東レ（株）製）を含浸し、繊維体積含有率Ｖｆ３０％のＣＦＲＰシートを作製した。このＣＦＲＰの引っ張り弾性率を１５°ずつ方向を変えて測定したところ、最低値は１３ＧＰａ、最高値は４０ＧＰａであった。このＣＦＲＰを用いて自動車フード用補強材を作製したところ、荷重のかかる方向に合わせてＣＦＲＰの弾性率の高い方向を合わせて配することにより少ない量のＣＦＲＰで自動車フード用補強材を作製することができ、同じ剛性を有する従来のスチール製の補強材に比べて５０%重量を軽減することができた。
比較例１
　カーディングの際に炭素繊維にナイロン６不連続繊維（単繊維繊度１．７ｄｔｅｘ、カット長５１ｍｍ、捲縮数１２個／２５ｍｍ、捲縮率１５％）を質量比で５０：５０の割合で混合して炭素繊維／ナイロン６混合不織布を作製した。このときのクロスラッパーの振り幅は１．２ｍ、不織布の巻き取り速度は３ｍ／分であった。この不織布の配向度は１．７であった。この不織布の引っ張り強度を１５°ずつ方向を変えて測定したところ、最低値と最高値は比は１．５であった。この不織布にナイロン６樹脂（「ＣＭ１００１」、東レ（株）製）を含浸し、Ｖｆ３０％のＣＦＲＰシートを作製した。このＣＦＲＰの引っ張り弾性率を１５°ずつ方向を変えて測定したところ、最低値は２０ＧＰａ、最高値は３０ＧＰａであった。このＣＦＲＰを用いて実施例１と同様に補強材を作製したところ、同じ剛性を有する従来のスチール製補強材に比べて、３５％しか重量を軽減することはできなかった。
比較例２
　ウエブ中の炭素繊維の配向を強化するため、カーディングの際のシリンダーロールの回転数を５５０ｒｐｍとし、また、シリンダーロールとワーカーロールの間隔を実施例１の場合の１／２とし、さらに、炭素繊維の投入量を１／２、不織布の巻き取り速度を０．５ｍ／分として炭素繊維不織布を作製した。得られた炭素繊維不織布の配向度は１１であった。この不織布の引っ張り強度を１５°ずつ方向を変えて測定したところ、最低値と最高値は比は１２．０であった。かかるカーディングの条件ではカード装置のシリンダーロール等に炭素繊維が巻きつきやすくなり、連続して炭素繊維不織布を作製することは困難であった。また、炭素繊維の投入量が上げられないため、非常に生産効率が低くなった。この不織布にナイロン６樹脂（「ＣＭ１００１」、東レ（株）製）を含浸し、Ｖｆ３０％のＣＦＲＰシートを作製した。このＣＦＲＰの引っ張り弾性率を１５°ずつ方向を変えて測定したところ、最低値は１０ＧＰａ、最高値は５５ＧＰａであった。このＣＦＲＰを用いて実施例１と同様に補強材を作製したところ、同じ剛性を有する従来のスチール製補強材に比べて、６０％重量を軽減することができた。
実施例２
　カーディングの際に炭素繊維にナイロン６不連続繊維（単繊維繊度１．７ｄｔｅｘ、カット長５１ｍｍ、捲縮数１２個／２５ｍｍ、捲縮率１５％）を質量比で９０：１０の割合で混合して炭素繊維／ナイロン６混合不織布を作製した。このときのクロスラッパーの振り幅は１．２ｍ、不織布の巻き取り速度は１ｍ／分であった。また、不織布を巻き取る前に２８０℃の熱風を不織布の両面から吹き当てた後、冷却水を内部に流した冷却ロールで挟んでナイロン６不連続繊維を溶融・固化させた。この不織布の配向度は３．９であった。この不織布の引っ張り強度を１５°ずつ方向を変えて測定したところ最低値と最高値は比は２．５であった。この不織布にナイロン６樹脂（「ＣＭ１００１」、東レ（株）製）を含浸し、Ｖｆ３０％のＣＦＲＰシートを作製した。このＣＦＲＰの引っ張り弾性率を１５°ずつ方向を変えて測定したところ、最低値は１５ＧＰａ、最高値は３５ＧＰａであった。このＣＦＲＰを用いて実施例１と同様に補強材を作製したところ、同じ剛性を有する従来のスチール製補強材に比べて、５５％重量を軽減することができた。
比較例３
　ニードルパンチの本数を５００本／ｃｍ２とした以外は実施例１と同じ方法で炭素繊維不織布を得た。この炭素繊維不織布の配向度は１．７であった。この不織布の引っ張り強度を１５°ずつ方向を変えて測定したところ、最低値と最高値は比は１．５であった。この炭素繊維不織布にナイロン６樹脂（「ＣＭ１００１」、東レ（株）製）を含浸し、Vf３０％のＣＦＲＰシートを作製した。このＣＦＲＰの引っ張り弾性率を１５°ずつ方向を変えて測定したところ、最低値は２２ＧＰａ、最高値は２９ＧＰａであった。このＣＦＲＰを用いて自動車フード用補強材を作製したところ、荷重のかかる方向に合わせてＣＦＲＰの弾性率の高い方向を合わせて配することにより少ない量のＣＦＲＰで自動車フード用補強材を作製することができ、同じ剛性を有する従来のスチール製の補強材に比べて３０％しか重量を軽減することはできなかった。
　本発明に係る炭素繊維強化プラスチックおよびその製造方法は、不連続な炭素繊維を用いてシート状基材を作成し、それに樹脂を含浸するあらゆる炭素繊維強化プラスチックに適用可能である。
１　カーディング装置
２　シリンダーロール
３　テイクインロール
４　ドッファーロール
５　ワーカーロール
６　ストリッパーロール
７　フィードロール
８　ベルトコンベアー
９　不連続な炭素繊維
１０　シート状のウエブ
１１　測定用サンプル
１２　基台
１３　３次元画像データ
１４　微小領域
１５　走査線
１６　炭素繊維

Claims (10)

  1.   不連続な炭素繊維からなるシート状基材にマトリックス樹脂を含浸してなる炭素繊維強化プラスチックであって、前記基材に含まれる長さ１０ｍｍ以上の炭素繊維の割合が炭素繊維全体の６０重量％以上であり、かつ、前記基材に含まれる炭素繊維の配向度の平均値が２～１０の範囲内にあることを特徴とする炭素繊維強化プラスチック。
  2.   引っ張り方向を変えて測定した場合の引っ張り弾性率の最大値σＭａｘが１０ＧＰａ以上であることを特徴とする、請求項１に記載の炭素繊維強化プラスチック。
  3.   引っ張り方向を変えて測定した場合の引っ張り弾性率の最大値σＭａｘと最小値σＭｉｎの比σＭａｘ／σＭｉｎが２～１０の範囲内にあることを特徴とする、請求項１または２に記載の炭素繊維強化プラスチック。
  4.   前記マトリックス樹脂が熱可塑性樹脂からなることを特徴とする、請求項１～３のいずれかに記載の炭素繊維強化プラスチック。
  5. 　前記不連続な炭素繊維からなるシート状基材に含まれる炭素繊維のうち、８０本以上の炭素繊維が集合してなる束状の繊維集合体の割合がシート状基材全体の３重量％以上４０重量％以下であることを特徴とする、請求項１～４のいずれかに記載の炭素繊維強化プラスチック。
  6.   平均繊維長１０ｍｍ以上の不連続な炭素繊維をシート状基材に形成した後、該シート状基材にマトリックス樹脂を含浸する炭素繊維強化プラスチックの製造方法であって、前記シート状基材の形成を、カーディングにより、基材に含まれる炭素繊維の配向度の平均値が２～１０の範囲内になるように行うことを特徴とする、炭素繊維強化プラスチックの製造方法。
  7.   引っ張り方向を変えて測定した場合の前記シート状基材の破断強度の最大値ｔＭａｘと最小値ｔＭｉｎの比ｔＭａｘ／ｔＭｉｎが２～１０の範囲内にあることを特徴とする、請求項６に記載の炭素繊維強化プラスチックの製造方法。
  8.   前記カーディングにより形成されたシート状基材に、３００本／ｃｍ２以下のニードルパンチを施すことを特徴とする、請求項６または７に記載の炭素繊維強化プラスチックの製造方法。
  9.   前記カーディングによりシート状基材を形成するに際し、不連続な炭素繊維に不連続な有機繊維を混合してカーディングを行い、カーディング後に、前記有機繊維の少なくとも一部を溶融させた後、プレスを施すことを特徴とする、請求項６～８のいずれかに記載の炭素繊維強化プラスチックの製造方法。
  10.   前記マトリックス樹脂として熱可塑性樹脂を用いることを特徴とする、請求項６～９のいずれかに記載の炭素繊維強化プラスチックの製造方法。
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