WO2017038445A1 - 繊維構造体及び繊維強化複合材 - Google Patents

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神谷 隆太
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株式会社 豊田自動織機
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Definitions

  • the present invention relates to a fiber structure including a first fiber layer and a second fiber layer bonded in the stacking direction, and a fiber reinforced composite material including the fiber structure.
  • a fiber-reinforced composite material (hereinafter simply referred to as a composite material) is used as a lightweight, high-strength material.
  • the composite material is preferable as a structural component because the mechanical properties (mechanical properties) are improved by impregnating the reinforced fibers with the matrix resin to form a composite material as compared with the matrix resin itself.
  • a fiber structure as a reinforced base material of a composite material includes a laminate obtained by laminating a plurality of fiber layers in which warp yarns and weft yarns made of reinforcing fibers are arranged, and the plurality of fiber layers in the laminating direction.
  • the main shaft direction is different from the main shaft direction of the warp and the weft so that the composite material has mechanical characteristics other than the warp and weft main axis direction (the direction in which the yarn extends).
  • fiber layers having bias direction yarns arranged so as to extend to each other are laminated. For example, as shown in FIG.
  • a five-axis three-dimensional fabric 80 of Patent Document 1 includes a warp layer 81 in which a plurality of warps 81a are arranged, a weft layer 82 in which a plurality of wefts 82a are arranged, and two bias yarn layers 83. , 84, and these layers are laminated and joined in the lamination direction by vertical threads 85.
  • the first bias yarn 83a of one bias yarn layer 83 is inclined at a certain angle with respect to the warp yarn 81a
  • the second bias yarn 84a of the other bias yarn layer 84 is the first bias yarn 83a with respect to the warp yarn 81a. Is inclined at a certain angle in the opposite direction.
  • bias yarns 83a and 84a extend in directions other than the main yarn direction of the warp yarn 81a and the main yarn direction of the weft yarn 82a, and the bias yarns 83a and 84a extend in the extending direction. Improves mechanical properties.
  • the fifth-axis three-dimensional fabric 80 is shaped by pulling in the direction of the main axis of the first bias yarn 83a, shear deformation of the five-axis three-dimensional fabric 80 is suppressed by the second bias yarn 84a. Then, the second bias yarn 84a is deformed in the contracting direction, and the second bias yarn 84a meanders, and in the composite material using the five-axis three-dimensional fabric 80 as the reinforcing base material, the second bias yarn 84a The mechanical characteristics in the direction of the yarn main shaft will deteriorate.
  • An object of the present invention is to provide a fiber structure and a fiber-reinforced composite material that can suppress a decrease in mechanical properties during shaping.
  • the fiber structure for solving the above-mentioned problems includes a first fiber layer having a plurality of first reinforcing fiber bundles arranged to extend in the first yarn main axis direction, and the first yarn main axis.
  • Covering that includes at least one of a reinforcing fiber core yarn and a reinforcing fiber covering yarn wound spirally around the core yarn, the covering angle being an orientation angle of the covering yarn with respect to the core yarn The angle is different from the first yarn main axis direction and the second yarn main axis direction. It corresponds to the direction for imparting mechanical properties to fiber-reinforced composite material in which the reinforcing base material the fiber structure comprising a.
  • the fiber reinforced composite material obtained by impregnating the fiber structure to solve the above problems with a matrix resin includes a plurality of first reinforcements arranged so that the fiber structure extends in the first yarn main axis direction.
  • At least one of the first reinforcing fiber bundle and the second reinforcing fiber bundle includes a reinforcing fiber core yarn and a reinforcing fiber covering yarn wound around the core yarn in a spiral shape.
  • a covering angle that is an orientation angle of the covering yarn with respect to the core yarn But it corresponds to the direction for imparting mechanical properties to the fiber-reinforced composite material to a direction different from the first yarn principal axis direction and the second yarn main axis direction.
  • Sectional drawing which shows typically the fiber reinforced composite material containing the fiber structure of FIG.
  • (A) is a figure which shows the reinforced fiber bundle of another example
  • (b) is a fragmentary sectional view which shows the fiber reinforced composite material containing the reinforced fiber bundle of (a).
  • the fragmentary sectional view which shows the fiber reinforced composite material of another example.
  • the fiber reinforced composite material M is formed by impregnating a matrix resin Ma into a fiber structure W constituting a reinforced base material.
  • the fiber structure W is configured by a first fiber layer 11 and a second fiber layer 21 being joined by a first auxiliary yarn 31 and a second auxiliary yarn 32. Yes.
  • a direction in which the first fiber layer 11 and the second fiber layer 21 are stacked is a stacking direction, and the first fiber layer 11 and the second fiber layer 21 are in a direction along the stacking direction. Is the thickness direction, and the dimension along the thickness direction is the thickness.
  • the first fiber layer 11 is configured by arranging a plurality of warps 12 as a first reinforcing fiber bundle.
  • the direction in which the warp main shaft X1 of the warp 12 extends is defined as the warp main shaft direction.
  • the orientation angle of the warp 12 is set to 0 degree.
  • the second fiber layer 21 is configured by arranging a plurality of wefts 22 as second reinforcing fiber bundles.
  • the direction in which the weft main axis X2 of the weft 22 extends is the weft main axis direction.
  • the weft main axis direction (weft main axis X2) intersects the warp main axis direction (warp main axis X1) at 90 degrees
  • the orientation angle of the weft 22 in the fiber structure W is the warp 12 orientation angle. It is 90 degrees perpendicular to the warp main axis direction.
  • the first auxiliary yarn 31 is disposed between the adjacent warp yarns 12.
  • the first auxiliary yarn 31 intersects the weft yarn 22 and the second auxiliary yarn 32.
  • the second auxiliary yarn 32 is disposed between the adjacent weft yarns 22 and intersects the first auxiliary yarn 31 and the warp yarn 12.
  • each of the warp yarn 12 and the weft yarn 22 includes a reinforcing fiber core yarn 13 and a plurality of reinforcing fiber covering yarns 14 covering the core yarn 13.
  • Each of the core yarn 13 and the covering yarn 14 is configured by bundling a plurality of reinforcing fibers.
  • the reinforcing fibers that constitute the core yarn 13 are, for example, carbon fibers, aramid fibers, and glass fibers.
  • the core yarn 13 has a flat cross section and has a pair of wide surfaces 13a and 13b extending in the longitudinal direction of the core yarn 13. One wide surface 13a is defined as a first wide surface 13a and the other wide surface 13b.
  • the core yarn 13 includes an arcuate surface 13c that connects the long edges of the wide surfaces 13a and 13b.
  • the yarn main axis direction (yarn main axis Y) of the core yarn 13 in the warp 12 coincides with the warp main axis direction (warp main axis X1) of the warp 12, and the yarn main axis direction (yarn main axis Y) of the core yarn 13 in the weft 22 is the same as that of the weft 22. It coincides with the weft main axis direction (weft main axis X2).
  • the covering yarn 14 is spirally wound around the outer peripheral surface of the core yarn 13.
  • the reinforcing fibers constituting the covering yarn 14 are, for example, carbon fibers, aramid fibers, and glass fibers.
  • the covering yarn 14 is wound in a state in which a certain orientation angle (covering angle) ⁇ is formed with respect to the yarn main axis direction (yarn main axis Y) of the core yarn 13.
  • the core yarn 13 is covered with a covering layer 15 formed by winding the covering yarn 14.
  • the covering angle ⁇ is 45 degrees.
  • the direction of the main axis of the covering yarn 14 on the first wide surface 13a of the core yarn 13 is defined as the first cover direction, and the covering yarn 14 on the second wide surface 13b.
  • the yarn spindle direction (second cover yarn spindle Yb) is defined as the second cover direction.
  • the first cover direction and the second cover direction are symmetric with respect to the yarn main axis Y of the core yarn 13.
  • the covering angle formed by the first cover yarn main shaft Ya with respect to the yarn main shaft Y of the core yarn 13 is + ⁇ degrees (+45 degrees), and the covering angle formed by the second cover yarn main shaft Yb with respect to the yarn main shaft Y of the core yarn 13 Is ⁇ degrees ( ⁇ 45 degrees).
  • the covering angle ⁇ of the covering yarn 14 is different from the orientation direction of the core yarn 13 (0 degree as the warp main axis direction and 90 degrees as the weft main axis direction) (in the first cover direction). +45 degrees and -45 degrees as the second cover direction).
  • the covering layer 15 includes a first cover portion 15a composed of a portion (layer) of the covering yarn 14 located on the first wide surface 13a of the core yarn 13, and the first cover portion 15a includes The covering angle is a portion constituted by the covering yarn 14 having a + ⁇ degree with respect to the yarn main axis Y.
  • the covering layer 15 includes a second cover portion 15b formed of a portion (layer) of the covering yarn 14 located on the second wide surface 13b of the core yarn 13, and the second cover portion.
  • Reference numeral 15b denotes a portion constituted by the covering yarn 14 having a covering angle of ⁇ degrees with respect to the yarn main axis Y. Therefore, as shown in FIG. 2, in the cross-sectional view of the warp yarn 12 and the weft yarn 22, each of the warp yarn 12 and the weft yarn 22 includes three layers including the core yarn 13, the first cover portion 15a, and the second cover portion 15b. Structure.
  • the volume ratio between the core yarn 13 and each layer of the covering yarn 14 is 2: 1: 1 for the core yarn 13: first cover portion 15a: second cover portion 15b. Yes. Therefore, in the cross-sectional view of the warp 12 and the weft 22, the ratio of the thickness of the core yarn 13, the thickness of the first cover portion 15a, and the thickness of the second cover portion 15b is also the core yarn 13: the first cover portion. 15a: The second cover portion 15b is 2: 1: 1. Therefore, the volume ratio between the core yarn 13 and the covering layer 15 is 1: 1.
  • the warp main axis direction and the weft main axis direction are perpendicular to each other.
  • the yarn main axis direction of the covering yarn 14 at the first cover portion 15a of the warp yarn 12 is the same as the yarn main axis direction of the covering yarn 14 at the second cover portion 15b of the weft yarn 22.
  • the yarn main axis direction of the covering yarn 14 at the second cover portion 15b of the warp yarn 12 and the yarn main axis direction of the covering yarn 14 at the first cover portion 15a of the weft yarn 22 are the same, and the warp main shaft direction is the same. Both have the same covering angle of - ⁇ degrees (-45 degrees).
  • the fiber structure W includes the core yarn 13 (0 degree) layer of the warp yarn 12, the core yarn 13 layer of the weft yarn 22 (90 degrees), the first cover portion 15a layer of the warp yarn 12, and the first weft 22 layer.
  • 2 is a six-layer structure including a layer of the cover portion 15b, a layer of the second cover portion 15b of the warp yarn 12, and a layer of the first cover portion 15a of the weft yarn 22.
  • both the layer of the first cover portion 15a of the warp 12 and the layer of the second cover portion 15b of the weft 22 have a covering angle of +45 degrees with respect to the warp main axis direction
  • Both the layer 15b and the layer of the first cover portion 15a of the weft 22 have a covering angle of ⁇ 45 degrees with respect to the warp main axis direction. Therefore, the fiber structure W is a structure including four types of layers having different orientations.
  • a cover of + ⁇ degrees with respect to the volume occupied by the core yarn 13 of the warp yarn 12, the volume occupied by the core yarn 13 of the weft yarn 22, and the warp main axis direction In the entire fiber structure W including the warp yarn 12 and the weft yarn 22, a cover of + ⁇ degrees with respect to the volume occupied by the core yarn 13 of the warp yarn 12, the volume occupied by the core yarn 13 of the weft yarn 22, and the warp main axis direction.
  • the ratio of the volume occupied by the portion of the covering yarn 14 having a ring angle to the volume occupied by the portion of the covering yarn 14 having a covering angle of ⁇ degrees with respect to the warp main axis direction is 1: 1: 1: 1. It is.
  • the volume ratio of the four types of layers oriented at 0 °, 90 °, + 45 °, and ⁇ 45 ° with respect to the warp main axis direction is 1: 1: 1: 1 (that is, four types having different orientations). Therefore, the mechanical characteristics in each direction are equal.
  • the fiber reinforced composite material M is manufactured by impregnating the matrix resin Ma into the fiber structure W having the above configuration.
  • a manufacturing method in which the matrix resin Ma is impregnated into the fiber structure W and cured there is an RTM (Resin Transfer Molding) method.
  • RTM Resin Transfer Molding
  • a liquid thermosetting resin is injected into the mold in a state where the fiber structure W is disposed in the resin-impregnated mold.
  • an epoxy resin is used as the thermosetting resin.
  • the fiber reinforced composite material M is formed by heat curing.
  • the mechanical characteristics are improved in four directions (45 degrees).
  • the fiber-reinforced composite material M has the same mechanical properties in the four directions and has pseudo-isotropic properties.
  • the operation of the fiber structure W including the warp 12 and the weft 22 and the fiber reinforced composite material M will be described.
  • the fiber structure W when the fiber structure W is pulled and shaped in the first cover direction in which the first cover yarn main axis Ya of the warp yarn 12 extends, the warp yarn 12 and the weft yarn 22 follow the tension. Deform.
  • the covering yarn 14 is not stretched in the pulled first cover direction, and the occurrence of meandering or loose winding in the second cover direction perpendicular to the pulled direction is suppressed. Yes.
  • the warp yarn 12 and the weft yarn 22 are configured by spirally winding the covering yarn 14 around the core yarn 13, and the covering angle of the covering yarn 14 is the orientation direction of the core yarn 13 (the warp main axis direction being 0). It corresponds to a direction (+45 degrees which is the first cover direction and ⁇ 45 degrees which is the second cover direction) different from the degrees and 90 degrees which are the weft main spindle directions.
  • the covering angle of the covering yarn 14 is different from the yarn principal axis directions of the warp yarn 12 and the weft yarn 22, and the fiber reinforced composite material M Can be controlled in a direction to give mechanical characteristics to the.
  • the fiber reinforced composite material M can have mechanical characteristics in directions other than the warp main shaft direction of the warp yarn 12 and the weft main shaft direction of the weft yarn 22. Further, since the covering yarn 14 is spirally wound around the core yarn 13, the yarn main axis direction of the covering yarn 14 on both the wide surfaces 13 a and 13 b is symmetric with respect to the yarn main axis direction of the core yarn 13. (Plus or minus).
  • the covering yarn 14 is wound around the core yarn 13, even if the fiber structure is pulled in one direction along the main axis of the covering yarn 14 in order to shape the fiber structure, the covering yarn 14 is The covering yarn 14 oriented in the direction does not stretch, and the covering yarn 14 oriented in the other direction is prevented from meandering and loosening of winding. That is, since the covering yarn 14 is wound around the core yarn 13, even if the fiber structure W is shaped, the covering yarn 14 does not stretch or meander, and wrinkles are unlikely to occur. Therefore, about the fiber reinforced composite material M using the fiber structure W, the fall of the mechanical characteristic can be suppressed about the direction which gave the mechanical characteristic with the covering yarn 14.
  • the straightness of the covering yarn 14 is high, and the main axis of the yarn The effect of improving the mechanical properties in the direction increases.
  • the first cover direction and the second cover direction of the covering yarn 14 are different from the warp main shaft direction of the warp 12 and the weft main shaft direction of the weft 22. Therefore, the fiber structure W is a laminated body of the first fiber layer 11 and the second fiber layer 21, and the covering yarn is used in the first cover direction and the second cover direction without using the bias direction yarn. 14 can be oriented to improve the mechanical characteristics in the first cover direction and the second cover direction.
  • the covering angle formed by the first cover yarn spindle Ya of the covering yarn 14 with respect to the yarn spindle Y of the core yarn 13 is +45 degrees
  • the yarn spindle of the core yarn 13 With respect to Y the covering angle formed by the second cover yarn main axis Yb of the covering yarn 14 is ⁇ 45 degrees.
  • the warp yarn 22 intersects with the warp yarn 22 at 90 degrees
  • the portion of the covering yarn 14 that intersects at +45 degrees intersects at ⁇ 45 degrees.
  • the fiber reinforced composite material M can be made pseudo-isotropic.
  • the volume occupied by the core yarn 13 of the warp yarn 12, the volume occupied by the core yarn 13 of the weft yarn 22, and the volume occupied by the portion of the covering yarn 14 having a covering angle of + ⁇ degrees with respect to the warp main axis direction is the same.
  • the mechanical characteristics in the direction that forms a covering angle of - ⁇ degrees with respect to the warp main axis direction can be made uniform.
  • the same elastic characteristics can be obtained in the four directions of the fiber reinforced composite material M.
  • the fiber structure W is configured by joining the first fiber layer 11 made of the warp yarn 12 and the second fiber layer 21 made of the weft yarn 22 and can be manufactured using a general loom. it can.
  • the warp yarn 12 and the weft yarn 22 are provided with the covering yarn 14, so that the same mechanical characteristics as those of the fiber structure provided with the bias direction yarn, even if the fiber structure W is manufactured using a general loom. Can be given.
  • the covering yarn 14 is wound so that the covering layer 15 covering the core yarn 13 becomes one layer, but this is not restrictive.
  • the covering yarn 14 may be wound so that the covering layer covering the core yarn 13 becomes two layers.
  • each of the warp yarn 12 and the weft yarn 22 includes a core yarn 13, a first covering layer 16 formed by winding a covering yarn 14 around the core yarn 13 in a spiral shape,
  • the first covering layer 16 includes a second covering layer 17 formed by spirally winding the covering yarn 14.
  • the winding direction of the covering yarn 14 in the first covering layer 16 is opposite to the winding direction of the covering yarn 14 in the second covering layer 17.
  • the first covering layer 16 includes a first cover portion 16a in a portion (layer) located on the first wide surface 13a of the core yarn 13, and this first cover portion.
  • Reference numeral 16 a denotes a portion constituted by the covering yarn 14 having a covering angle of + ⁇ degrees with respect to the yarn main axis Y of the core yarn 13.
  • the first covering layer 16 includes a second cover portion 16b in a portion (layer) located on the second wide surface 13b of the core yarn 13, and the second cover portion 16b has a covering angle at the core. This is a portion constituted by a covering yarn 14 of ⁇ degrees with respect to the yarn main axis Y of the yarn 13.
  • the second covering layer 17 includes a first cover portion 17a at a portion of the first covering layer 16 located on the first cover portion 16a.
  • the first cover portion 17a has a covering angle of the core yarn 13. This is a portion constituted by a covering yarn 14 of ⁇ degrees with respect to the yarn main axis Y.
  • the second covering layer 17 includes a second cover portion 17b at a position located on the second cover portion 16b.
  • the second cover portion 17b has a covering angle with respect to the yarn main axis Y of the core yarn 13. This is a portion constituted by the covering yarn 14 of + ⁇ degrees.
  • each of the warp 12 and the weft 22 includes the core yarn 13, the first cover portion 16a and the second cover portion 16b of the first covering layer 16, and the second cover.
  • the ring layer 17 has a five-layer structure including a first cover portion 17a and a second cover portion 17b.
  • the volume ratio (thickness ratio) between the core yarn 13 and each layer of the covering yarn 14 is as follows: core yarn 13: first cover portion 16a: second cover portion 16b: first The cover portion 17a: second cover portion 17b is 4: 1: 1: 1: 1. Therefore, the volume ratio between the core yarn 13 and the two covering yarns 14 (the first covering layer 16 and the second covering layer 17) is 1: 1, and the core yarn 13 and the covering yarn 14 is made of the same reinforcing fiber.
  • the winding direction of the covering yarn 14 on the first covering layer 16 and the winding direction of the covering yarn 14 on the second covering layer 17 Is the opposite.
  • the winding directions of the first covering layer 16 and the second covering layer 17 may be the same.
  • the warp yarn 12 may be configured to include the core yarn 13 and the covering yarn 14, and the weft yarn 42 may be configured to include only a bundle of reinforcing fibers that do not include the covering yarn 14.
  • the volume ratio between the core yarn 13 of the warp yarn 12 and the weft yarn 42 is 1: 1, and the same thickness.
  • the volume ratio (thickness ratio) between the core yarn 13 of the warp yarn 12, the first cover portion 15a, and the second cover portion 15b is 1 for the core yarn 13: the first cover portion 15a: the second cover portion 15b. 1: 1.
  • the volume ratio between the first cover portion 15a and the second cover portion 15b and the other portions is 1: 1.
  • the covering angle of the warp yarn 12 and the covering angle of the weft yarn 22 may be different.
  • the covering angle in the warp 12 and the weft 22 may be an angle other than ⁇ 45 degrees, for example, 60 degrees.
  • the core yarn 13 may have a circular cross section instead of a flat cross section.
  • the volume ratio of the covering layer 15 is set to be higher than that of the core yarn 13. It is preferable to make it large.

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Abstract

繊維構造体は、第1の糸主軸方向に延びる第1の強化繊維束を有する第1の繊維層と、前記第1の糸主軸方向に直交する第2の糸主軸方向に延びる第2の強化繊維束を有する第2の繊維層と、前記第1の繊維層と前記第2の繊維層とをそれらの積層方向に結合した補助糸と、を含む。前記第1の強化繊維束及び第2の強化繊維束の少なくとも一方が、芯糸と、前記芯糸に対し螺旋状に巻き付けられたカバーリング糸と、を含む。前記カバーリング糸の配向角度であるカバーリング角度が、前記第1の糸主軸方向及び前記第2の糸主軸方向とは異なる方向であって前記繊維構造体を強化基材とした繊維強化複合材に力学的特性を持たせるための方向に対応している。

Description

繊維構造体及び繊維強化複合材
 本発明は、積層方向に結合された第1の繊維層と第2の繊維層とを含む繊維構造体、及び該繊維構造体を含む繊維強化複合材に関する。
 軽量、高強度の材料として繊維強化複合材(以下、単に複合材と称す。)が使用されている。複合材は、強化繊維にマトリックス樹脂が含浸されて複合化されることにより、マトリックス樹脂自体に比べて力学的特性(機械的特性)が向上するため、構造部品として好ましい。
 例えば、複合材の強化基材としての繊維構造体は、強化繊維製の経糸や緯糸がそれぞれ配列された繊維層を複数枚積層して得た積層体と、該複数の繊維層を積層方向に結合する補助糸と、を含む。また、複合材において、経糸や緯糸の糸主軸方向(糸が延びる方向)以外にも力学的特性を持たせるため、経糸層及び緯糸層に加え、それら経糸及び緯糸の主軸方向とは異なる主軸方向に延びるように配列されたバイアス方向糸を有する繊維層を積層する場合がある。例えば、図7に示すように、特許文献1の5軸三次元織物80は、経糸81aを複数配列した経糸層81と、緯糸82aを複数配列した緯糸層82と、2層のバイアス糸層83,84と、を含み、これらの層は積層され、垂直糸85によって積層方向に結合されている。一方のバイアス糸層83の第1のバイアス糸83aは、経糸81aに対し一定角度傾斜し、他方のバイアス糸層84の第2のバイアス糸84aは、経糸81aに対し、第1のバイアス糸83aとは逆方向へ一定角度傾斜している。そして、5軸三次元織物80では、経糸81aの糸主軸方向及び緯糸82aの糸主軸方向以外の方向に、2種類のバイアス糸83a,84aが延び、そのバイアス糸83a,84aの延びる方向への力学的特性を向上させている。
特開2002-105798号公報
 ところで、5軸三次元織物80を第1のバイアス糸83aの糸主軸方向に引っ張って賦形させたとき、5軸三次元織物80は、第2のバイアス糸84aによってせん断変形が抑制される。すると、第2のバイアス糸84aは縮む方向へ変形し、第2のバイアス糸84aが蛇行してしまい、5軸三次元織物80を強化基材とした複合材では、第2のバイアス糸84aの糸主軸方向への力学的特性が低下してしまう。
 本発明の目的は、賦形時の力学的特性の低下を抑制することができる繊維構造体及び繊維強化複合材を提供することにある。
 上記問題点を解決するための繊維構造体は、第1の糸主軸方向に延びるように配列された複数本の第1の強化繊維束を有する第1の繊維層と、前記第1の糸主軸方向に直交する第2の糸主軸方向に延びるように配列された複数本の第2の強化繊維束を有する第2の繊維層と、前記第1の強化繊維束と前記第2の強化繊維束とに交錯して、前記第1の繊維層と前記第2の繊維層とをそれらの積層方向に結合した補助糸と、を含み、前記第1の強化繊維束及び第2の強化繊維束の少なくとも一方が、強化繊維製の芯糸と、前記芯糸に対し螺旋状に巻き付けられた強化繊維製のカバーリング糸と、を含み、前記芯糸に対する前記カバーリング糸の配向角度であるカバーリング角度が、前記第1の糸主軸方向及び前記第2の糸主軸方向とは異なる方向であって前記繊維構造体を強化基材とした繊維強化複合材に力学的特性を持たせるための方向に対応している。
 上記問題点を解決するための繊維構造体にマトリックス樹脂を含浸させた繊維強化複合材は、前記繊維構造体は、第1の糸主軸方向に延びるように配列された複数本の第1の強化繊維束を有する第1の繊維層と、前記第1の糸主軸方向に直交する第2の糸主軸方向に延びるように配列された複数本の第2の強化繊維束を有する第2の繊維層と、前記第1の強化繊維束と前記第2の強化繊維束とに交錯して、前記第1の繊維層と前記第2の繊維層とをそれらの積層方向に結合した補助糸と、を含み、前記第1の強化繊維束及び第2の強化繊維束の少なくとも一方が、強化繊維製の芯糸と、前記芯糸に対し螺旋状に巻き付けられた強化繊維製のカバーリング糸と、を含み、前記芯糸に対する前記カバーリング糸の配向角度であるカバーリング角度が、前記第1の糸主軸方向及び前記第2の糸主軸方向とは異なる方向であって前記繊維強化複合材に力学的特性を持たせるための方向に対応している。
一実施形態の繊維構造体を模式的に示す平面図。 図1の繊維構造体を含む繊維強化複合材を模式的に示す断面図。 図1の繊維構造体が含む第1の強化繊維束及び第2の強化繊維束を模式的に示す図。 せん断変形した図1の繊維構造体を模式的に示す図。 (a)は別例の強化繊維束を示す図、(b)は(a)の強化繊維束を含む繊維強化複合材を示す部分断面図。 さらなる別例の繊維強化複合材を示す部分断面図。 従来の5軸三次元織物を示す図。
 以下、繊維構造体及び繊維強化複合材を具体化した一実施形態を図1~図4にしたがって説明する。
 図2に示すように、繊維強化複合材Mは、強化基材を構成する繊維構造体Wにマトリックス樹脂Maを含浸させて形成されたものである。
 図1及び図2に示すように、繊維構造体Wは、第1の繊維層11と第2の繊維層21とが、第1補助糸31及び第2補助糸32で結合されて構成されている。繊維構造体Wにおいて、第1の繊維層11と第2の繊維層21とが積み重ねられた方向を積層方向とし、第1の繊維層11及び第2の繊維層21において、積層方向に沿う方向を厚み方向とするとともに、その厚み方向に沿う寸法を厚みとする。
 図1に示すように、第1の繊維層11は、第1の強化繊維束としての経糸12が複数本配列されて構成されている。第1の繊維層11において、経糸12の経糸主軸X1の延びる方向を経糸主軸方向とする。また、繊維構造体Wにおいて、経糸12の配向角度を0度とする。
 第2の繊維層21は、第2の強化繊維束としての緯糸22が複数本配列されて構成されている。第2の繊維層21において、緯糸22の緯糸主軸X2の延びる方向を緯糸主軸方向とする。繊維構造体Wにおいて、経糸主軸方向(経糸主軸X1)に対し、緯糸主軸方向(緯糸主軸X2)は90度で交差しており、繊維構造体Wでの緯糸22の配向角度は、経糸12の経糸主軸方向に対し直交した90度である。
 第1補助糸31は、隣り合う経糸12同士の間に配置されている。また、第1補助糸31は、緯糸22と第2補助糸32に交錯している。第2補助糸32は、隣り合う緯糸22同士の間に配置されるとともに、第1補助糸31と経糸12に交錯している。その結果、第1補助糸31及び第2補助糸32によって、複数の経糸12と緯糸22とが結合され、第1の繊維層11と第2の繊維層21とが積層方向に結合されている。
 次に、経糸12及び緯糸22について説明する。
 図2に示すように、経糸12及び緯糸22の各々は、強化繊維製の芯糸13と、芯糸13を被覆した強化繊維製の複数のカバーリング糸14とを含む。芯糸13及びカバーリング糸14の各々は、複数の強化繊維を束ねて構成されている。芯糸13を構成する強化繊維は、例えば炭素繊維、アラミド繊維やガラス繊維である。また、芯糸13は断面扁平状であり、芯糸13の長手方向に延びる一対の幅広面13a,13bを有し、一方の幅広面13aを第1の幅広面13aとし、他方の幅広面13bを第2の幅広面13bとする。芯糸13は、幅広面13a,13bの長縁部同士を繋ぐ円弧面13cを備える。経糸12における芯糸13の糸主軸方向(糸主軸Y)は経糸12の経糸主軸方向(経糸主軸X1)と一致し、緯糸22における芯糸13の糸主軸方向(糸主軸Y)は緯糸22の緯糸主軸方向(緯糸主軸X2)と一致している。
 図3に示すように、カバーリング糸14は、芯糸13の外周面に螺旋状に巻き付けられている。カバーリング糸14を構成する強化繊維は、例えば炭素繊維、アラミド繊維やガラス繊維である。カバーリング糸14は、芯糸13の糸主軸方向(糸主軸Y)に対して一定の配向角度(カバーリング角度)θをなす状態で巻き付けられている。そして、芯糸13は、カバーリング糸14の巻き付けによって構成されたカバーリング層15によって覆われている。本実施形態ではカバーリング角度θは45度である。
 芯糸13の第1の幅広面13a上でのカバーリング糸14の糸主軸方向(第1カバー糸主軸Ya)を第1カバー方向とし、第2の幅広面13b上でのカバーリング糸14の糸主軸方向(第2カバー糸主軸Yb)を第2カバー方向とする。第1カバー方向と、第2カバー方向とは、芯糸13の糸主軸Yに関して対称である。芯糸13の糸主軸Yに対し第1カバー糸主軸Yaがなすカバーリング角度は+θ度(+45度)であり、芯糸13の糸主軸Yに対し第2カバー糸主軸Ybがなすカバーリング角度は-θ度(-45度)である。繊維構造体Wにおいて、カバーリング糸14のカバーリング角度θは、芯糸13の配向方向(経糸主軸方向である0度及び緯糸主軸方向である90度)とは異なる方向(第1カバー方向である+45度及び第2カバー方向である-45度)に対応している。
 カバーリング層15は、カバーリング糸14のうち、芯糸13の第1の幅広面13a上に位置する部分(層)で構成された第1カバー部15aを備え、この第1カバー部15aは、カバーリング角度が糸主軸Yに対し+θ度のカバーリング糸14で構成された部位である。また、カバーリング層15は、カバーリング糸14のうち、芯糸13の第2の幅広面13b上に位置する部分(層)で構成された第2カバー部15bを備え、この第2カバー部15bは、カバーリング角度が糸主軸Yに対し-θ度のカバーリング糸14で構成された部位である。よって、図2に示すように、経糸12及び緯糸22の断面視では、経糸12及び緯糸22の各々は、芯糸13と、第1カバー部15aと、第2カバー部15bとからなる3層構造である。
 経糸12及び緯糸22の各々において、芯糸13とカバーリング糸14の各層との体積比については、芯糸13:第1カバー部15a:第2カバー部15bが2:1:1となっている。このため、経糸12及び緯糸22の断面視では、芯糸13の厚みと、第1カバー部15aの厚みと、第2カバー部15bの厚みとの比についても、芯糸13:第1カバー部15a:第2カバー部15bが2:1:1となっている。よって、芯糸13とカバーリング層15との体積比は1:1となっている。
 図1又は図3に示すように、上記構成の経糸12及び緯糸22を有する繊維構造体Wでは、経糸主軸方向と緯糸主軸方向とが直交している。このため、繊維構造体Wでは、経糸12の第1カバー部15aでのカバーリング糸14の糸主軸方向と、緯糸22の第2カバー部15bでのカバーリング糸14の糸主軸方向とが同じであり、経糸主軸方向に対して共に同じカバーリング角度+θ度(+45度)である。また、経糸12の第2カバー部15bでのカバーリング糸14の糸主軸方向と、緯糸22の第1カバー部15aでのカバーリング糸14の糸主軸方向とが同じであり、経糸主軸方向に対して共に同じカバーリング角度-θ度(-45度)である。
 繊維構造体Wは、経糸12の芯糸13(0度)の層と、緯糸22(90度)の芯糸13の層と、経糸12の第1カバー部15aの層と、緯糸22の第2カバー部15bの層と、経糸12の第2カバー部15bの層と、緯糸22の第1カバー部15aの層とを含む6層構造である。また、経糸12の第1カバー部15aの層と緯糸22の第2カバー部15bの層とは共に、経糸主軸方向に対して+45度のカバーリング角度を有し、経糸12の第2カバー部15bの層と緯糸22の第1カバー部15aの層とは共に、経糸主軸方向に対して-45度のカバーリング角度を有する。よって、繊維構造体Wは、互いに異なる配向を有する4種類の層を含む構造である。
 そして、経糸12と緯糸22とを含む繊維構造体W全体においては、経糸12の芯糸13が占める体積と、緯糸22の芯糸13が占める体積と、経糸主軸方向に対して+θ度のカバーリング角度を有するカバーリング糸14の部位が占める体積と、経糸主軸方向に対して-θ度のカバーリング角度を有するカバーリング糸14の部位が占める体積との比が1:1:1:1である。したがって、経糸主軸方向に対して0度、90度、+45度及び-45度にそれぞれ配向される4種類の層の体積比が1:1:1:1(つまり、互いに異なる配向を有する4種類の層の体積が互いに同一)となるため、各方向への力学的特性が均等となる。
 繊維強化複合材Mは、上記構成の繊維構造体Wにマトリックス樹脂Maを含浸することで製造される。マトリックス樹脂Maを繊維構造体Wに含浸、硬化させる製造方法の一例として、RTM(Resin Transfer Molding)法がある。RTM法では、樹脂含浸用型内に繊維構造体Wを配置した状態で型内に液状の熱硬化性樹脂を注入する。熱硬化性樹脂として、例えばエポキシ樹脂が使用される。型内に熱硬化性樹脂を注入した後、加熱硬化することで繊維強化複合材Mが形成される。
 繊維強化複合材Mでは、経糸12の芯糸13が延びる経糸主軸方向(0度)、緯糸22の芯糸13が延びる緯糸主軸方向(90度)、経糸12の第1カバー部15aの第1カバー方向及び緯糸22の第2カバー部15bの第2カバー方向(+45度)、経糸12の第2カバー部15bの第2カバー方向及び緯糸22の第1カバー部15aの第1カバー方向(-45度)の4方向において力学的特性が向上している。また、繊維強化複合材Mは、4方向において力学的特性が同等に向上し、擬似等方性を有する。
 次に、経糸12及び緯糸22を備える繊維構造体W、及び繊維強化複合材Mの作用を記載する。
 例えば、図4に示すように、経糸12の第1カバー糸主軸Yaの延びる第1カバー方向へ繊維構造体Wが引っ張られて賦形した場合、経糸12及び緯糸22は、引っ張りに追従して変形する。その一方で、カバーリング糸14は、引っ張られた第1カバー方向への伸びが発生せず、引っ張られた方向に直交した第2カバー方向について蛇行や巻き付けの緩みが発生することが抑制されている。
 上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
 (1)経糸12及び緯糸22は、芯糸13にカバーリング糸14を螺旋状に巻き付けて構成され、カバーリング糸14のカバーリング角度は、芯糸13の配向方向(経糸主軸方向である0度及び緯糸主軸方向である90度)とは異なる方向(第1カバー方向である+45度及び第2カバー方向である-45度)に対応している。芯糸13へのカバーリング糸14のカバーリング角度を制御することで、カバーリング糸14の糸主軸方向を、経糸12及び緯糸22の糸主軸方向とは異なる方向であり、繊維強化複合材Mに力学的特性を持たせるための方向に制御することができる。このため、バイアス方向糸を用いずに、繊維強化複合材Mにおいて経糸12の経糸主軸方向及び緯糸22の緯糸主軸方向以外の方向への力学的特性を持たせることができる。また、カバーリング糸14は、芯糸13に対し螺旋状に巻き付けられていることから、両幅広面13a,13b上のカバーリング糸14の糸主軸方向は、芯糸13の糸主軸方向に関して対称(プラスマイナス)となる。さらに、カバーリング糸14は芯糸13に巻き付けられているため、繊維構造体を賦形するために、繊維構造体が、カバーリング糸14の糸主軸方向の一方向に引っ張られても、一方向に配向されたカバーリング糸14は伸びず、他方向に配向されたカバーリング糸14は蛇行することや、巻き付けが弛むことが抑制される。つまり、カバーリング糸14は、芯糸13に巻き付けられているため、繊維構造体Wが賦形されてもカバーリング糸14が伸びたり、蛇行したりせず、皺が発生しにくい。よって、繊維構造体Wを用いた繊維強化複合材Mについて、カバーリング糸14によって力学的特性を持たせた方向について、その力学的特性の低下を抑制することができる。また、幅広面13a,13b上でのカバーリング糸14の糸主軸方向が繊維強化複合材Mにおいて力学的特性を向上させる方向に一致するので、カバーリング糸14の直進性が高く、その糸主軸方向への力学的特性向上効果が高まる。
 (2)カバーリング糸14の第1カバー方向及び第2カバー方向は、経糸12の経糸主軸方向及び緯糸22の緯糸主軸方向と異なる方向である。よって、繊維構造体Wが、第1の繊維層11と第2の繊維層21との積層体でありながら、バイアス方向糸を使用することなく第1カバー方向及び第2カバー方向にカバーリング糸14を配向させ、第1カバー方向及び第2カバー方向への力学的特性を向上させることができる。
 (3)経糸12及び緯糸22の各々において、芯糸13の糸主軸Yに対し、カバーリング糸14の第1カバー糸主軸Yaがなすカバーリング角度は+45度であり、芯糸13の糸主軸Yに対し、カバーリング糸14の第2カバー糸主軸Ybがなすカバーリング角度は-45度である。このため、繊維構造体Wを用いた繊維強化複合材Mでは、経糸12に対し、90度で交差する緯糸22と、+45度で交差するカバーリング糸14の部位と、-45度で交差するカバーリング糸14の部位とが存在し、繊維強化複合材Mに疑似等方性を持たせることができる。
 (4)経糸12の芯糸13が占める体積と、緯糸22の芯糸13が占める体積と、経糸主軸方向に対して+θ度のカバーリング角度を有するカバーリング糸14の部位が占める体積と、経糸主軸方向に対して-θ度のカバーリング角度を有するカバーリング糸14の部位が占める体積とが同じである。このため、経糸12の経糸主軸方向への力学的特性と、緯糸22の緯糸主軸方向への力学的特性と、経糸主軸方向に対して+θ度のカバーリング角度をなす方向への力学的特性と、経糸主軸方向に対して-θ度のカバーリング角度をなす方向への力学的特性とを均等にすることができる。その結果として、繊維強化複合材Mの4方向について、同じ弾性特性とすることができる。
 (5)繊維構造体Wは、経糸12からなる第1の繊維層11と、緯糸22からなる第2の繊維層21とを結合して構成され、一般の織機を使用して製造することができる。そして、経糸12及び緯糸22がカバーリング糸14を備えることで、一般の織機を使用して製造された繊維構造体Wであっても、バイアス方向糸を備えた繊維構造体と同じ力学的特性を持たせることができる。
 なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
 ○ 実施形態では、芯糸13を覆うカバーリング層15が1層となるようにカバーリング糸14を巻き付けたが、これに限らない。芯糸13を覆うカバーリング層が2層となるようにカバーリング糸14を巻き付けてもよい。
 図5(a)に示すように、経糸12及び緯糸22の各々は、芯糸13と、芯糸13に対しカバーリング糸14を螺旋状に巻き付けて構成された第1カバーリング層16と、この第1カバーリング層16に対しカバーリング糸14を螺旋状に巻き付けて構成された第2カバーリング層17とを有する。第1カバーリング層16でのカバーリング糸14の巻き付け方向と、第2カバーリング層17でのカバーリング糸14の巻き付け方向とは逆である。
 図5(b)に示すように、第1カバーリング層16は、芯糸13の第1の幅広面13a上に位置する部分(層)に第1カバー部16aを備え、この第1カバー部16aは、カバーリング角度が芯糸13の糸主軸Yに対し+θ度のカバーリング糸14で構成された部位である。また、第1カバーリング層16は、芯糸13の第2の幅広面13b上に位置する部分(層)に第2カバー部16bを備え、この第2カバー部16bは、カバーリング角度が芯糸13の糸主軸Yに対し-θ度のカバーリング糸14で構成された部位である。
 第2カバーリング層17は、第1カバーリング層16の第1カバー部16a上に位置する部位に第1カバー部17aを備え、この第1カバー部17aは、カバーリング角度が芯糸13の糸主軸Yに対し-θ度のカバーリング糸14で構成された部位である。また、第2カバーリング層17は、第2カバー部16b上に位置する部位に第2カバー部17bを備え、この第2カバー部17bは、カバーリング角度が芯糸13の糸主軸Yに対し+θ度のカバーリング糸14で構成された部位である。
 このため、経糸12及び緯糸22の断面視では、経糸12及び緯糸22の各々は、芯糸13と、第1カバーリング層16の第1カバー部16a及び第2カバー部16bと、第2カバーリング層17の第1カバー部17a及び第2カバー部17bとからなる5層構造である。
 また、経糸12及び緯糸22の各々において、芯糸13とカバーリング糸14の各層との体積比(厚み比)については、芯糸13:第1カバー部16a:第2カバー部16b:第1カバー部17a:第2カバー部17bが4:1:1:1:1となっている。よって、芯糸13と2本のカバーリング糸14(第1カバーリング層16と第2カバーリング層17)との体積比は1:1となっており、また、芯糸13とカバーリング糸14が同じ強化繊維製である。このことから、経糸12の経糸主軸方向への力学的特性と、緯糸22の緯糸主軸方向への力学的特性と、経糸主軸方向に対して+θ度のカバーリング角度をなす方向への力学的特性と、経糸主軸方向に対して-θ度のカバーリング角度をなす方向への力学的特性とを均等にすることができる。
 ○ 図5(a)及び図5(b)に示すように、第1カバーリング層16でのカバーリング糸14の巻き付け方向と、第2カバーリング層17でのカバーリング糸14の巻き付け方向とは逆である。これに対し、芯糸13を第1カバーリング層16と第2カバーリング層17で覆った構造において、第1カバーリング層16と第2カバーリング層17の巻き付け方向を同じにしてもよい。
 ○ 図6に示すように、経糸12を、芯糸13とカバーリング糸14を有する構成とし、緯糸42を、カバーリング糸14を有さない強化繊維の束だけの構成としてもよい。
 この場合、経糸12の芯糸13と、緯糸42との体積比は1:1とし、同じ太さとする。また、経糸12の芯糸13と、第1カバー部15aと、第2カバー部15bとの体積比(厚み比)については、芯糸13:第1カバー部15a:第2カバー部15bが1:1:1である。その結果として、第1カバー部15a及び第2カバー部15bと、それ以外の部位(経糸12の芯糸13と緯糸42)との体積比が1:1となる。
 ○ 経糸12のカバーリング角度と、緯糸22のカバーリング角度を異ならせてもよい。
 ○ 経糸12及び緯糸22におけるカバーリング角度は±45度以外の角度であってもよく、例えば60度でもよい。
 ○ 芯糸13は断面扁平状ではなく、断面円形状であってもよい。この場合は、芯糸13が断面扁平状である実施形態に比較してカバーリング角度θの方向への力学的特性向上効果が下がるので、カバーリング層15の体積比率を芯糸13の層よりもおおきくすることが好ましい。

Claims (7)

  1.  繊維構造体であって、
     第1の糸主軸方向に延びるように配列された複数本の第1の強化繊維束を有する第1の繊維層と、
     前記第1の糸主軸方向に直交する第2の糸主軸方向に延びるように配列された複数本の第2の強化繊維束を有する第2の繊維層と、
     前記第1の強化繊維束と前記第2の強化繊維束とに交錯して、前記第1の繊維層と前記第2の繊維層とをそれらの積層方向に結合した補助糸と、を含み、
     前記第1の強化繊維束及び第2の強化繊維束の少なくとも一方が、
      強化繊維製の芯糸と、
      前記芯糸に対し螺旋状に巻き付けられた強化繊維製のカバーリング糸と、を含み、
     前記芯糸に対する前記カバーリング糸の配向角度であるカバーリング角度が、前記第1の糸主軸方向及び前記第2の糸主軸方向とは異なる方向であって前記繊維構造体を強化基材とした繊維強化複合材に力学的特性を持たせるための方向に対応している繊維構造体。
  2.  前記芯糸は、断面扁平状であり、前記芯糸の長手方向に延びる一対の幅広面を有し、該一対の幅広面上にそれぞれ位置する前記カバーリング糸の部位が前記異なる方向に配向されている請求項1に記載の繊維構造体。
  3.  前記第1の強化繊維束及び第2の強化繊維束の各々が前記芯糸及び前記カバーリング糸を有する請求項1又は請求項2に記載の繊維構造体。
  4.  前記第1の強化繊維束及び第2の強化繊維束の各々において、
      前記カバーリング糸は、前記芯糸を覆うカバーリング層を構成し、前記カバーリング層は、前記カバーリング糸のうち、前記芯糸の糸主軸方向に対し所定のカバーリング角度をなす部位で構成された第1カバー部と、前記芯糸の糸主軸に関して前記第1カバー部のカバーリング角度と対称のカバーリング角度をなす部位で構成された第2カバー部と、を有し、
      前記芯糸と前記第1カバー部と前記第2カバー部との体積比は、2:1:1である請求項3に記載の繊維構造体。
  5.  前記第1の強化繊維束及び第2の強化繊維束のうち前記第1の強化繊維束のみが前記芯糸及び前記カバーリング糸を有する請求項1又は請求項2に記載の繊維構造体。
  6.  前記カバーリング糸は、前記芯糸を覆うカバーリング層を構成し、前記カバーリング層は、前記カバーリング糸のうち、前記芯糸の糸主軸方向に対し所定のカバーリング角度をなす部位で構成された第1カバー部と、前記芯糸の糸主軸に関して前記第1カバー部のカバーリング角度と対称のカバーリング角度をなす部位で構成された第2カバー部と、を有し、
     前記芯糸と前記第2の強化繊維束との体積比は1:1であり、前記芯糸と前記第1カバー部と前記第2カバー部との体積比は1:1:1である請求項5に記載の繊維構造体。
  7.  繊維構造体にマトリックス樹脂を含浸させた繊維強化複合材であって、
     前記繊維構造体は、
     第1の糸主軸方向に延びるように配列された複数本の第1の強化繊維束を有する第1の繊維層と、
     前記第1の糸主軸方向に直交する第2の糸主軸方向に延びるように配列された複数本の第2の強化繊維束を有する第2の繊維層と、
     前記第1の強化繊維束と前記第2の強化繊維束とに交錯して、前記第1の繊維層と前記第2の繊維層とをそれらの積層方向に結合した補助糸と、を含み、
     前記第1の強化繊維束及び第2の強化繊維束の少なくとも一方が、
      強化繊維製の芯糸と、
      前記芯糸に対し螺旋状に巻き付けられた強化繊維製のカバーリング糸と、を含み、
     前記芯糸に対する前記カバーリング糸の配向角度であるカバーリング角度が、前記第1の糸主軸方向及び前記第2の糸主軸方向とは異なる方向であって前記繊維強化複合材に力学的特性を持たせるための方向に対応している繊維強化複合材。
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