WO2018154846A1 - 複合材料及び複合材料の製造方法 - Google Patents

複合材料及び複合材料の製造方法 Download PDF

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Abstract

複合材料(10)は、強化繊維と樹脂とを含む複合材である第1シート(22)が複数積層された第1層(20)と、第1層(20)の表面の一部の領域(20A1)上に設けられ、強化繊維と樹脂とを含む複合材であり、第1シート(22)よりも厚みが小さい第2シート(32)が複数積層された第2層(30)と、第2層(30)の表面及び第1層(20)の表面を覆い、強化繊維と樹脂とを含む複合材である第3シート(42)を備える第3層(40)と、を有し、第2層(30)の第2シート(32)は、第3層(40)側に積層されている第2シート(32)よりも、第1層(20)の表面(20A)の領域(20A1)上の広い領域を占めている。

Description

複合材料及び複合材料の製造方法

 本発明は、複合材料及び複合材料の製造方法に関する。

 炭素繊維強化プラスチックス(CFRP Carbon Fiber Reinforced Plastics)などの複合材料は、金属材料よりも軽量であり、さらに比強度及び比剛性が高いため、航空機の構造などに用いられている。この複合材料は、強化繊維に熱硬化性樹脂を含浸させたシート(プリプレグ)を積層して、加熱及び加圧して硬化させることにより成形される。特許文献1には、厚さの異なる2種類のシートを積層して複合材料を成形する旨が記載されている。このような複合材料は、軽量かつ高剛性である反面、積層方向の力に対しては、剛性が低いという特徴がある。従って、このような複合材料を用いる場合、例えば開口部の周囲などの応力が集中する箇所において、他の箇所よりも厚みを大きくして、剛性を向上させている。

特許第5788556号公報

 しかし、応力が集中する箇所のみの厚みを大きくした場合、厚みを大きくした箇所とその周囲の箇所との間における表面の傾斜が急になり、傾斜している箇所の強度が低下するおそれがある。一方、この傾斜をなだらかにすることで強度低下は抑制されるが、その分厚みを大きくする領域が増えてしまい、重量が増加してしまう。従って、複合材料において、強度の低下を抑制しつつ、重量の増加を抑制することが求められている。

 本発明は、上述した課題を解決するものであり、強度の低下を抑制しつつ、重量の増加を抑制する複合材料及び複合材料の製造方法を提供することを目的とする。

 上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係る複合材料は、強化繊維と樹脂とを含む複合材である第1シートが複数積層された第1層と、前記第1層の表面の一部の領域上に設けられ、強化繊維と樹脂とを含む複合材であり、前記第1シートよりも厚みが小さい第2シートが複数積層された第2層と、前記第2層の表面及び前記第1層の表面を覆い、強化繊維と樹脂とを含む複合材である第3シートを備える第3層と、を有し、前記第2層の前記第2シートは、前記第3層側に積層されている前記第2シートよりも、前記第1層の表面の領域上の広い領域を占めている。

 この複合材料は、厚みが小さい第2シートを積層した第2層によって、傾斜箇所を形成している。従って、この複合材料は、傾斜箇所の強度を向上させることが可能となり、強度の低下を抑制しつつ、重量の増加を抑制することができる。

 前記複合材料において、前記第2層の厚みは、前記第1層の厚みの10%以上200%以下であることが好ましい。この複合材料は、第2層をこのような厚みにすることにより、より適切に強度の低下を抑制しつつ、重量の増加を抑制することができる。

 前記複合材料において、前記第2シートの厚みは、前記第1シートの厚みの2%以上50%以下であることが好ましい。この複合材料は、第2シートをこのような厚みとすることにより、より適切に強度の低下を抑制しつつ、重量の増加を抑制することができる。

 前記複合材料において、前記第2層は、最も前記第1層側に位置している前記第2シートを底側第2シートとし、最も前記第3層側に位置している前記第2シートを表面側第2シートとした場合、前記積層方向に沿った長さが、前記底側第2シートの表面に平行な方向における端部から、前記表面側第2シートの表面に平行な方向における端部までの、表面に平行な方向に沿った長さに対し、5%以上20%以下であることが好ましい。この複合材料は、テーパ比率をこのようにすることにより、より適切に強度の低下を抑制しつつ、重量の増加を抑制することができる。

 前記複合材料において、前記第3シートは、前記第1シートと同じ厚みであることが好ましい。この複合材料は、第2シートを覆う第3シートをこのような厚みとすることにより、増厚部を除く一般部を短時間で製造できる。

 前記複合材料において、前記複合材料には、開口が形成されており、前記第2層は、前記開口の周囲に設けられていることが好ましい。この複合材料は、応力集中しやすい開口の周囲に第2層を設けて厚みを大きくすることで、適切に強度の低下を抑制することができる。

 上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係る複合材料の製造方法は、強化繊維と樹脂とを含む複合材である第1シートを複数積層して第1層を形成する第1層形成ステップと、強化繊維と樹脂とを含む複合材であって前記第1シートよりも厚みが小さい第2シートを複数積層して、前記第1層の表面の一部の領域上に第2層を形成する第2層形成ステップと、強化繊維と樹脂とを含む複合材である第3シートを、前記第2層の表面及び前記第1層の表面を覆うように設けて第3層を形成する第3層形成ステップと、を有し、前記第2層形成ステップでは、前記第2シートが、前記第3層側に積層されている前記第2シートよりも、前記第1層の表面の領域上の広い領域を占めるように、前記第2シートを積層する。この製造方法によると、強度の低下を抑制しつつ、重量の増加を抑制した複合材料を製造することが可能となる。

 前記複合材料の製造方法において、前記第2層形成ステップは、前記第2シートを積層して第2シート積層体を形成する第2シート積層体形成ステップと、前記第2シート積層体を前記第1層の表面の一部の領域上に配置することで、前記第2層を形成する第2シート積層体配置ステップと、を有することが好ましい。この製造方法によると、第2シートが積層された状態の第2シート積層体を第1層に配置するため、複合材料をより容易に製造することが可能となる。

 本発明によれば、強度の低下を抑制しつつ、重量の増加を抑制することができる。

図1は、本実施形態に係る複合材料の模式図である。 図2は、本実施形態に係る複合材料の模式図である。 図3は、本実施形態に係る複合材料の模式的な断面図である。 図4は、本実施形態に係る複合材料の製造方法を説明する図である。 図5は、実施例に係る複合材料のモデルの模式図である。 図6は、比較例に係る複合材料の模式図である。 図7は、比較例及び実施例の解析結果の表である。

 以下に添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。

 (複合材料の構成)
 図1及び図2は、本実施形態に係る複合材料の模式図である。本実施形態に係る複合材料10は、例えば航空機などの製品に用いられる部材である。図1は、複合材料10の断面図であり、図2は、複合材料10の上面図である。図1及び図2に示すように、複合材料10は、第1層20と、第2層30と、第3層40とを有し、さらに開口部50が形成されている。複合材料10は、図2の例では円形であるが、形状はこれに限られず任意である。

 図1に示すように、第1層20は、複数の第1シート22がZ方向に沿って積層された(重畳した)積層体である。第1シート22は、強化繊維と樹脂とを含む複合材であり、さらにいえば強化繊維に樹脂を含浸させた複合材である。第1シート22は、板状、すなわちシート状の形状となっている。第1シート22は、図1の例では平板状であるが、例えば湾曲しているなど、任意の形状であってよい。本実施形態では、第1シート22は、強化繊維として炭素繊維が用いられた炭素繊維強化プラスチックス(CFRP:Carbon Fiber Reinforced Plastic)である。ただし、強化繊維は、炭素繊維に限定されず、その他のプラスチック繊維、ガラス繊維又は金属繊維でもよい。また、樹脂は、例えば、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂である。熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂である。熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリエーテルケトンケトン(PEKK)、及びポリフェニレンサルファイド(PPS)等である。なお、樹脂は、これらに限定されず、その他の樹脂を用いてもよい。

 第1層20は、図1の例では2つの第1シート22が積層されているが、この数は一例であり、積層される第1シート22の数は、製品に合わせて任意に設定される。第1層20は、第1シート22が積層されることにより、表面20Aを形成する。表面20Aは、第1層20のZ方向の上側、すなわち最上段に積層された第1シート22の表面である。なお、Z方向は、第1シート22が積層される方向、すなわち積層方向である。また、X方向は、Z方向に直交する方向であり、表面20Aに平行な方向である。さらに言えば、X方向は、開口部50の中心軸Axに対する放射方向であり、Z方向は、中心軸Axに沿った軸方向である。

 図1に示すように、第2層30は、第1層20の領域20A1に設けられている。領域20A1は、表面20Aの一部の領域である。第2層30は、領域20A1上に、複数の第2シート32がZ方向に沿って積層された(重畳した)積層体である。第2シート32は、第1シート22と同様に、強化繊維と樹脂とを含む複合材であり、言い換えれば強化繊維に樹脂を含浸させた複合材である。ただし、第2シート32は、厚み、すなわちZ方向に沿った長さが、第1シート22の厚み(Z方向に沿った長さ)より小さい。なお、第2シート32の強化繊維と樹脂との材料は、第1シート22と同じであるが、異なるものであってもよい。また、第2層30は、図1の例では6つの第2シート32が積層されているが、この数は一例であり、積層される第2シート32の数は、製品に合わせて任意に設定される。

 図1及び図2に示すように、第2層30は、最も第1層20側の第2シート32が第1層20の領域20A1の全域を占めて、それよりも第3層40側の第2シート32は、領域20A1の一部のみを占めている。言い換えれば、第2層30において、第2シート32は、それよりも第3層40側に積層されている第2シート32よりも、領域20A1上の広い領域を占めている。すなわち、第2シート32は、第1層20側に積層されているものほど、領域20A1上に占める領域が大きくなっており、第3層40側に積層されているものほど、領域20A1上に占める領域が小さくなっている。また、第2シート32は、それよりも第1層30側に積層されている第2シート32に対し、全面が重なっている。

 ここで、第2層30において、Z方向に沿って互いに接する2つの第2シート32のうち、第1層20側の第2シート32を、被積層第2シート32Aとする。また、Z方向に沿って互いに接する2つの第2シート32のうち、第1層20と反対側(第3層40側)の第2シート32を、積層第2シート32Bとする。言い換えれば、被積層第2シート32Aは、表面に積層第2シート32Bが積層されているものであり、積層第2シート32Bは、被積層第2シート32A上に積層されているものである。この場合、図1及び図2に示すように、被積層第2シート32Aは、上面視、すなわち第3層40側からZ方向に沿って見た場合において、端部32A1側の一部の表面が、積層第2シート32Bから露出している。端部32A1は、被積層第2シート32AのX方向(表面に平行な方向)に沿った端部である。言い換えれば、被積層第2シート32Aの端部32A1は、積層第2シート32Bの端部32B1よりも、X方向側、すなわち放射方向外側に位置している。さらに言えば、積層第2シート32Bの端部32B1は、被積層第2シート32Aの表面の領域内に位置しており、被積層第2シート32Aの表面の領域外に露出していない。なお、端部32B1は、積層第2シート32BのX方向(表面に平行な方向)に沿った端部である。

 また、被積層第2シート32Aと積層第2シート32Bとは、端部32A2と端部32B2とが、X方向に沿って同じ位置にある。言い換えれば、被積層第2シート32Aの端部32A2側の表面は、上面視で積層第2シート32Bから露出せず、積層第2シート32Bに重なっている。なお、端部32A2は、被積層第2シート32Aの開口部50側の端面、すなわち内周面である。同様に、端部32B2は、積層第2シート32Bの開口部50側の端面、すなわち内周面である。

 第2層30は、このように被積層第2シート32Aと積層第2シート32Bとが積層されているため、第2シート32が階段状に積層されているということができる。すなわち、第2層30において、X方向側の端部30Bは、端部32A1及び端部32B1がX方向に位置をずらしながら積層されて形成されている。従って、端部30Bは、Z方向に対して傾斜した斜面形状となっている。一方、第2層30において、開口部50側、すなわち内周面側の端部30Cは、端部32A2及び端部32B2がX方向に沿って同じ位置を保ったまま形成されている。従って、端部30Cは、Z方向に沿った形状であり、円周形状となっている。

 なお、図1の例では、最も第1層20側の第2シート32が被積層第2シート32Aとなっており、それに積層されている第2シート32が積層第2シート32Bとなっている。ただし、これは一例であり、複数の第2シート32のうちの任意の第2シート32を被積層第2シート32Aとして、それに積層されている第2シート32を積層第2シート32Bとしている。また、第2層30は、全ての第2シート32において、端部32A1と端部32B1との間のX方向に沿った距離が、均一となっていることが好ましい。すなわち、第2シート32は、端部の位置をX方向にずらしながら積層されており、そのずらす長さが、均一となっている。ただし、端部32A1と端部32B1との間のX方向に沿った距離は、第2シート32毎に均一でなく、第2シート32毎に異なってもよい。

 図1に示すように、第3層40は、第1層20及び第2層30の表面を覆うように設けられる。具体的には、第3層40は、第2層30の表面から第1層20の領域20A2にわたって設けられ、第2層30の表面及び第1層20の表面20Aの領域20A2を覆う。領域20A2は、第1層20の表面20Aの一部の領域であって、領域20A1以外の領域である。また、第2層30の表面とは、第2層30において外部に露出している領域であり、最も第3層40側の第2シート32の表面に加え、外部に露出している各第2シート32の端部30B側の領域(すなわち階段の斜面の領域)を含む。第3層40と第2シート32の端部30B側の領域との間には、レジンリッチ層34が形成(充填)されている。レジンリッチ層34は、第2シート32などに含まれていた樹脂で形成された層であり、強化繊維を含まない。

 第3層40は、第3シート42を有している。第3シート42は、第1シート22と同様に、強化繊維と樹脂とを含む複合材であり、言い換えれば、強化繊維に樹脂を含浸させた複合材である。第3シート42は、第2シート32よりも厚み(Z方向に沿った長さ)が大きく、第1シート22と同じ厚みであることが好ましい。さらに言えば、第3シート42は、材質が第1シート22と同じであることが好ましい。言い換えれば、第3層40は、第1シート22を備えているということができる。また、本実施形態では、第3層40は、1つの第3シート42のみを有しているが、複数の第3シート42をZ方向に沿って積層(重畳)してもよい。

 図1に示すように、開口部50は、Z方向に沿って、第1層20、第2層30及び第3層40を貫通するように形成されている。すなわち、第2層30は、開口部50の周囲に設けられているということができる。なお、本実施形態において、開口部50は、円形であるが、その形状は任意である。開口部50は、例えばリベット用の穴であったり、航空機の窓を設けるための開口であったりする。本実施形態において、開口部50は、第2層30の中心部を中心軸Axとするように開口しているが、開口位置もこれに限られず任意である。

 複合材料10は、以上のような構成であるが、以下により詳細な形状について説明する。

 図3は、本実施形態に係る複合材料の模式的な断面図である。図3は、複合材料10の一部断面図である。図3に示すように、第1層20の厚み、すなわちZ方向に沿った長さを、厚みA1とする。また、第2層30の厚みを、厚みA2とする。また、第3層40の厚みを、厚みA3とする。この場合、厚みA2は、厚みA1の10%以上200%以下であることが好ましい。また、厚みA3は、例えば0.4mm以下であるが、それに限られない。

 図3に示すように、第1層20における第1シート22の厚み、すなわちZ方向に沿った長さを、厚みB1とする。また、第2層30における第2シート32の厚みを、厚みB2とする。同様に、第3層40における第3シート42の厚みを、厚みB3とする。厚みB2は、厚みB1の2%以上50%以下であることが好ましい。同様に、厚みB2は、厚みB3の2%以上50%以下であることが好ましい。また、厚みB1及び厚みB3は、0.12mm以上0.8mm以下であることが好ましい。また、厚みB2は、0.02mm以上0.06mm以下であることが好ましい。

 また、図3に示すように、第2層30の第2シート32のうち、最も第1層20側に位置している第2シート32を、底側第2シート32Sとする。そして、底側第2シート32SのX方向(表面に平行な方向)側の端部を、端部32S1とする。また、第2層30の第2シート32のうち、最も第3層40側に位置している第2シート32を、表面側第2シート32Tとする。そして、表面側第2シート32TのX方向(表面に平行な方向)側の端部を、端部32T1とする。さらに、開口部50の半径を、長さC0とする。また、第2層30の端部30Cから端部32T1までのX方向に沿った長さを、長さC1とする。また、端部32T1から端部32S1までのX方向に沿った長さを、長さC2とする。また、開口部50の中心軸Axから端部32T1までのX方向に沿った長さを、長さC3とする。長さC1、C2、C3の長さの比率は、任意に設定することができる。

 (複合材料の製造方法)
 次に、複合材料10の製造方法について説明する。図4は、本実施形態に係る複合材料の製造方法を説明する図である。図4に示すように、複合材料10を製造する際は、最初に、第1シート22をZ方向に沿って複数積層して、第1層20を形成する(ステップS10;第1層形成ステップ)。この第1層形成ステップにおいて、第1シート22は、樹脂が未硬化の状態、すなわちプリプレグである。

 第1層20を形成した後は、第2シート32をZ方向に沿って複数積層して、第2シート積層体31を形成する(ステップS12;第2シート積層体形成ステップ)。この第2シート積層体形成ステップにおいては、第2シート32は、第1層20上に直接積層されるわけではなく、第1層20上とは別の場所で積層される。すなわち、第2シート積層体31は、第1層20上とは別の場所で積層される。この第2シート積層体31は、第1層20上に配置される前の第2層30ということができる。従って、第2シート積層体形成ステップにおいては、第2シート32が、第3層40側に積層される第2シート32よりも、第1層20の表面20Aの領域20A1上の広い領域を占めるように、第2シート32を積層する。言い換えれば、第2シート積層体形成ステップにおいては、被積層第2シート32Aの端部32A1側の一部の表面が、上面視、すなわち第3層40側からZ方向に沿って見た場合において、積層第2シート32Bから露出するように、第2シート積層体31を形成する。また、第2シート積層体形成ステップにおいても、第2シート32は、樹脂が未硬化の状態、すなわちプリプレグである。なお、ステップS10とステップS12との工程の順序は、これに限られず任意である。

 第2シート積層体31を形成した後は、第2シート積層体31を、第1層20の領域20A1上に配置して、第1層20上に第2層30を形成する(ステップS14;第2シート積層体配置ステップ)。このステップS12及びステップS14は、第2シート32を複数積層して、第1層20の領域20A1上に第2層30を形成する第2層形成ステップであるということができる。なお、本実施形態では、このように第2シート積層体31を別の場所で形成した後に、第1層20上に第2シート積層体31を配置している。しかし、第2層30の形成方法(第2層形成ステップ)は、これに限られず、第1層20上に第2シート32を順番に積層して、第2層30を形成してもよい。すなわち、第2層形成ステップは、第2シート32を複数積層して、第1層20の領域20A1上に第2層30を形成するものであればよい。そして、第2層形成ステップは、被積層第2シート32Aの端部32A1側の一部の表面が、上面視において、積層第2シート32Bから露出するように、第2層30を形成するものであればよい。

 第2層30を形成した後は、第3シート42を、第2層30の表面30A及び第1層20の表面に覆うように設けて、第3層40を形成する(ステップS16;第3層形成ステップ)。第3層形成ステップは、一つの第3シート42で第3層40を形成しているが、複数の第3シート42を、第2層30の表面30A及び第1層20の表面に覆うように積層して、第3層40を形成してもよい。また、第3層形成ステップにおいても、第3シート42は、樹脂が未硬化の状態、すなわちプリプレグである。

 第3層40を形成した後は、この第1層20、第2層30及び第3層40の積層体を加圧しつつ加熱して、複合材料10を形成する(ステップS18)。この積層体を加熱することで、プリプレグの状態の第1シート22、第2シート32、第3シート42の樹脂が硬化して、所定の形状の複合材料10が形成される。なお、この際に、第3層40と第2シート32の端部30B側の領域との間にある樹脂が硬化して、レジンリッチ層34も形成される。

 複合材料10を形成した後は、開口部50を形成する(ステップS20)。具体的には、加圧及び加熱して形成された複合材料10に対し、第1層20、第2層30及び第3層40を貫通するように、開口部50を形成する。これにより、複合材料10の製造工程は終了する。このように、本実施形態では、開口を有さない各シートを積層して第1層20、第2層30及び第3層40を積層し、積層した後に開口部50を形成している。ただし、開口部50は、予め各シートに形成されており、開口部50が形成されたシートを積層して、複合材料10を製造してもよい。

 以上説明したように、本実施形態に係る複合材料10は、第1層20と、第2層30と、第3層40とを有する。第1層20は、強化繊維と樹脂とを含む複合材である第1シート22が複数積層された積層体である。第2層30は、第1層20の領域20A1上に設けられる積層体である。第2層30は、強化繊維と樹脂とを含む複合材であり、第1シート22よりも厚みが小さい第2シート32が複数積層されている。領域20A1は、第1層20の表面20Aの一部の領域である。また、第3層40は、第2層30の表面及び第1層20の表面を覆い、強化繊維と樹脂とを含む複合材である第3シート42を備える。そして、第2層30において、第2シート32は、第3層40側に積層されている第2シート32よりも、第1層20の表面20Aの領域20A1上の広い領域を占めている。

 強化繊維と樹脂とを含む複合材により形成される複合材料は、応力が集中する箇所などにおいて、強度を向上させるために、厚みを大きくする場合がある。これにより、複合材料は、厚みを大きくした箇所である増厚箇所と、厚みを大きくしていない箇所である通常厚箇所とが設けられる。さらに、増厚箇所から通常厚箇所までの間には、増厚箇所から通常厚箇所まで厚みを変化させるために傾斜している傾斜箇所が設けられる。このような複合材料は、この傾斜箇所の傾斜を急にした場合、応力集中が起こりやすくなり、強度が低下するおそれがある。特に、樹脂のみで形成される領域(図1のレジンリッチ層34)は、強化繊維が含まれていない分、強度が低下しており、応力集中による破損の恐れが高くなる。一方、傾斜箇所の傾斜をなだらかにすると、厚みが増加している領域が大きくなり、厚みが大きくなった分だけ重量が増加する。従って、このような複合材料は、強度の低下を抑制しつつ、できるだけ傾斜箇所の傾斜を急にして、重量増加を抑制することが求められている。

 このような課題に対し、本実施形態に係る複合材料10は、第2層30によって傾斜箇所を形成している。この第2層30は、第1シート22よりも厚みが小さい第2シート32を積層して構成されている。そして、この第20層30は、第2シート32の領域20A1上で占める領域が、それよりも第3層40側に積層された第2シート32の領域20A1上で占める領域よりも大きい。従って、複合材料10は、例えば第1シート22を積層して傾斜箇所を形成した場合よりも、強度が低いレジンリッチ層34が充填される空間を小さくして、第2シート32、すなわち強化繊維を有する空間を増やすことができる。従って、本実施形態に係る複合材料10は、傾斜箇所の強度を向上させることが可能になる。そして、本実施形態に係る複合材料10は、傾斜箇所の強度を向上させた分、傾斜箇所の傾斜を急にしても応力集中に対して強度を保つことが可能となり、傾斜を急にして重量の増加を抑制させることができる。このように、本実施形態に係る複合材料10は、強度の低下を抑制しつつ、重量の増加を抑制することができる。

 また、第2層30の厚みA2は、第1層20の厚みA1の10%以上200%以下であることが好ましい。本実施形態に係る複合材料10は、第2層30をこのような厚みにすることにより、より適切に強度の低下を抑制しつつ、重量の増加を抑制することができる。

 また、第2シート32の厚みB2は、第1シート22の厚みB1の2%以上50%以下であることが好ましい。本実施形態に係る複合材料10は、第2シート32をこのような厚みとすることにより、より適切に強度の低下を抑制しつつ、重量の増加を抑制することができる。

 また、最も第1層20側に位置している第2シート32を底側第2シート32Sとし、最も第3層40側に位置している第2シート32を表面側第2シート32Tとする。この場合、第2層30は、Z方向に沿った長さである厚みA2が、長さC2に対し、5%以上20%以下であることが好ましい。長さC2は、底側第2シート32Sの表面に平行な方向における端部32S1から、表面側第2シート32Tの表面に平行な方向における端部32T1までの、表面に平行な方向に沿った長さである。本実施形態に係る複合材料10は、長さC2に対する厚みA2の長さの比率、すなわちテーパ比率をこのようにすることにより、より適切に強度の低下を抑制しつつ、重量の増加を抑制することができる。

 また、第3シート42は、第1シート22と同じ厚みであることが好ましい。本実施形態に係る複合材料10は、第2シート32を覆う第3シート42をこのような厚みとすることにより、増厚部(第2シート32が積層されている箇所)を除く一般部(第2シート32が積層されていない箇所)を短時間で製造することができる。

 また、複合材料10には、開口である開口部50が形成されており、第2層30は、開口部50の周囲に設けられている。開口の周囲は、応力集中しやすい。複合材料10は、応力集中しやすい開口部50の周囲に第2層30を設けて厚みを大きくすることで、適切に強度の低下を抑制することができる。ただし、複合材料10は、開口部50を必ずしも有していなくてもよく、第2層30も、開口部50の周囲に設けられていることに限られない。第2層30は、開口部50の周囲以外にも、応力が集中する箇所に設けられることが好ましい。

 また、本実施形態に係る複合材料10の製造方法は、第1層形成ステップと、第2層形成ステップと、第3層形成ステップとを有する。第1層形成ステップは、強化繊維と樹脂とを含む複合材である第1シート22を複数積層して第1層20を形成する。第2層形成ステップは、第1シート22よりも厚みが小さい第2シート32を複数積層して、第1層20の領域20A1上に第2層30を形成する。第3層形成ステップは、第3シート42を、第2層30の表面及び第1層20の表面を覆うように設けて第3層40を形成する。第2層形成ステップにおいては、第2シート32が、第3層40側に積層されている第2シート32よりも、第1層20の表面20Aの領域20A1上の広い領域を占めるように、第2シート32を積層する。この製造方法によると、強度の低下を抑制しつつ、重量の増加を抑制した複合材料10を製造することが可能となる。

 また、第2層形成ステップは、第2シート32を積層して第2シート積層体31を形成する第2シート積層体形成ステップと、第2シート積層体31を第1層20の領域20A1上に配置することで、第2層30を形成する第2シート積層体配置ステップと、を有する。この製造方法によると、厚みの違う第2シート32が積層された状態の第2シート積層体31を第1層20に配置するため、複合材料10をより容易に製造することが可能となる。

 (実施例)
 次に、本発明の実施例について説明する。本実施例においては、比較例に係る複合材料10Xと、本実施形態に係る複合材料10とのモデルに対し、FEM(Finite Element Method)解析を行った。

 図5は、実施例に係る複合材料のモデルの模式図である。図6は、比較例に係る複合材料の模式図である。図5に示すように、実施例に係る複合材料のモデル10Aは、上述の実施形態と同様に、第1層20、第2層30、及び第3層40を有する。モデル10Aの第3層40は、第3シート42として、第1層20と同じ厚みのシート、すなわち第1シート22を有している。ここで、端部32S1から端部10A1までのX方向に沿った長さを、長さC4とする。なお、端部10A1は、モデル10AのX方向側の端部である。実施例の解析は、モデル10Aの寸法を変えた実施例1と実施例2とを行った。実施例1は、長さC1が40mmであり、長さC2が32mmであり、長さC4が20mmであり、厚みA2が1.6mmである。また、実施例2は、長さC2が8mmである以外は、実施例1と同じ寸法である。すなわち、実施例1は、厚みA2と長さC2との比率が1:20であり、実施例2は、その比率が1:5である。

 また、図6に示すように、比較例に係る複合材料のモデル10Xは、第1層20と、第2層30Xと、第3層40とを有する。モデル10Xの第2層30Xは、第1シート22が積層されたものとなっている。すなわち、モデル10Xは、第2層の各シートの厚みが、モデル10Aより大きい。比較例の解析も、モデル10Xの寸法を変えた比較例1と比較例2とを行った。比較例1は、長さC1が40mmであり、長さC2が32mmであり、長さC4が20mmであり、厚みA2が1.6mmである。また、比較例2は、長さC2が8mmである以外は、比較例1と同じ寸法である。すなわち、比較例1、2は、第2層30Xのシートの厚み以外は、実施例1、2とそれぞれ同じ寸法である。

 このようなモデルに対し、所定の位置に拘束をかけつつ、X方向と反対側の方向の力(100N)を端部30Cに加えたFEM解析を行った。図7は、比較例及び実施例の解析結果の表である。図7に示すように、比較例1(テーパ比が1:20)では、発生した最大応力(フォンミーゼス応力)が28.6MPaであった。また、比較例2(テーパ比が1:5)では、最大応力が44.5MPaであった。また、実施例1(テーパ比が1:20)では、最大応力17.5MPaであった。また、実施例2(テーパ比が1:5)では、最大応力25.5MPaであった。

 この解析結果によると、第2層30Xのシートの厚みが大きい比較例においては、テーパ比が1:5になるまで傾斜箇所を少なくすると、最大応力が44.5Mpaまで大きくなることが分かる。一方、第2層30のシートの厚みを小さくした実施例においては、テーパ比が1:5になるまで傾斜箇所を少なくしても、最大応力が25.5Mpaまでしか大きくならず、比較例1を下回る。すなわち、この実施例によると、本実施形態のように第2層30を設けた場合、テーパ比が1:5になるまで傾斜箇所を小さくしても、強度を保つことができることが分かる。

 以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態の内容により実施形態が限定されるものではない。また、前述した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、前述した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。さらに、前述した実施形態の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。

 10 複合材料
 20 第1層
 22 第1シート
 30 第2層
 32 第2シート
 32A 被積層第2シート
 32B 積層第2シート
 32A1 端部
 40 第3層
 42 第3シート
 50 開口部

Claims (8)

  1.  強化繊維と樹脂とを含む複合材である第1シートが複数積層された第1層と、
     前記第1層の表面の一部の領域上に設けられ、強化繊維と樹脂とを含む複合材であり、前記第1シートよりも厚みが小さい第2シートが複数積層された第2層と、
     前記第2層の表面及び前記第1層の表面を覆い、強化繊維と樹脂とを含む複合材である第3シートを備える第3層と、を有し、
     前記第2層の前記第2シートは、前記第3層側に積層されている前記第2シートよりも、前記第1層の表面の領域上の広い領域を占めている、
     複合材料。
  2.  前記第2層の厚みは、前記第1層の厚みの10%以上200%以下である、請求項1に記載の複合材料。
  3.  前記第2シートの厚みは、前記第1シートの厚みの2%以上50%以下である、請求項1又は請求項2に記載の複合材料。
  4.  前記第2層は、
     最も前記第1層側に位置している前記第2シートを底側第2シートとし、最も前記第3層側に位置している前記第2シートを表面側第2シートとした場合、
     前記積層方向に沿った長さが、前記底側第2シートの表面に平行な方向における端部から、前記表面側第2シートの表面に平行な方向における端部までの、表面に平行な方向に沿った長さに対し、5%以上20%以下である、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の複合材料。
  5.  前記第3シートは、前記第1シートと同じ厚みである、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の複合材料。
  6.  前記複合材料には、開口が形成されており、前記第2層は、前記開口の周囲に設けられている、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の複合材料。
  7.  強化繊維と樹脂とを含む複合材である第1シートを複数積層して第1層を形成する第1層形成ステップと、
     強化繊維と樹脂とを含む複合材であって前記第1シートよりも厚みが小さい第2シートを複数積層して、前記第1層の表面の一部の領域上に第2層を形成する第2層形成ステップと、
     強化繊維と樹脂とを含む複合材である第3シートを、前記第2層の表面及び前記第1層の表面を覆うように設けて第3層を形成する第3層形成ステップと、を有し、
     前記第2層形成ステップでは、前記第2シートが、前記第3層側に積層されている前記第2シートよりも、前記第1層の表面の領域上の広い領域を占めるように、前記第2シートを積層する、
     複合材料の製造方法。
  8.  前記第2層形成ステップは、
     前記第2シートを積層して第2シート積層体を形成する第2シート積層体形成ステップと、
     前記第2シート積層体を前記第1層の表面の一部の領域上に配置することで、前記第2層を形成する第2シート積層体配置ステップと、を有する、請求項7に記載の複合材料の製造方法。
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