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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WO2018154846A1
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sheet
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隆之 清水
智広 水野
翔也 真能
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三菱重工業株式会社
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    • B32B2605/18—Aircraft
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    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing

Definitions

  • the present invention relates to a composite material and a method for manufacturing the composite material.
  • CFRP Carbon Reinforced Plastics are lighter than metal materials and have higher specific strength and specific rigidity, and are therefore used in aircraft structures.
  • This composite material is molded by laminating a sheet (prepreg) in which a reinforcing fiber is impregnated with a thermosetting resin, and then curing by heating and pressing.
  • Patent Document 1 describes that a composite material is formed by laminating two types of sheets having different thicknesses.
  • Such a composite material is lightweight and highly rigid, but has a characteristic that rigidity is low with respect to a force in the stacking direction. Therefore, when such a composite material is used, the rigidity is improved by increasing the thickness in a portion where stress is concentrated, for example, around the opening, compared to other portions.
  • This invention solves the subject mentioned above, and it aims at providing the manufacturing method of the composite material which suppresses the increase in weight, suppressing the fall of intensity
  • a composite material includes a first layer in which a plurality of first sheets that are composite materials including reinforcing fibers and a resin are stacked, and the first layer.
  • a second layer in which a plurality of second sheets having a thickness smaller than that of the first sheet are stacked, the second layer being a composite material provided on a partial region of the surface of the first sheet and including a reinforcing fiber and a resin.
  • a third layer that covers a surface of the first layer and a surface of the first layer and includes a third sheet that is a composite material including a reinforcing fiber and a resin, and the second sheet of the second layer includes the third sheet. It occupies a wider area on the surface of the first layer than the second sheet laminated on the three-layer side.
  • this composite material an inclined portion is formed by a second layer in which a second sheet having a small thickness is laminated. Therefore, this composite material can improve the strength of the inclined portion, and can suppress an increase in weight while suppressing a decrease in strength.
  • the thickness of the second layer is preferably 10% to 200% of the thickness of the first layer. This composite material can suppress an increase in weight while appropriately suppressing a decrease in strength by setting the second layer to such a thickness.
  • the thickness of the second sheet is preferably 2% to 50% of the thickness of the first sheet. This composite material can suppress an increase in weight while suppressing a decrease in strength more appropriately by setting the second sheet to such a thickness.
  • the second layer includes the second sheet positioned closest to the first layer as the bottom second sheet, and the second sheet positioned closest to the third layer.
  • the length in the stacking direction extends from the end in the direction parallel to the surface of the bottom-side second sheet to the end in the direction parallel to the surface of the surface-side second sheet. It is preferable that it is 5% or more and 20% or less with respect to the length along the direction parallel to the surface to a part.
  • the third sheet has the same thickness as the first sheet.
  • This composite material can produce the general part except a thickened part for a short time by setting the 3rd sheet
  • the composite material it is preferable that an opening is formed in the composite material, and the second layer is provided around the opening.
  • the composite material can appropriately suppress a decrease in strength by providing the second layer around the opening where stress is likely to concentrate and increasing the thickness.
  • a method for manufacturing a composite material according to the present disclosure forms a first layer by laminating a plurality of first sheets that are composite materials including reinforcing fibers and a resin.
  • a second layer forming step for forming the second layer, and a third sheet, which is a composite material including a reinforcing fiber and a resin, are provided so as to cover the surface of the second layer and the surface of the first layer.
  • a third layer forming step of forming a layer wherein in the second layer forming step, the second sheet is more than the second layer laminated on the third layer side.
  • the second sheet is laminated so as to occupy a wide area on the surface area. According to this manufacturing method, it is possible to manufacture a composite material that suppresses an increase in weight while suppressing a decrease in strength.
  • the second layer forming step includes a second sheet laminate forming step in which the second sheet is laminated to form a second sheet laminate, and the second sheet laminate is the first sheet laminate. It is preferable to have the 2nd sheet laminated body arrangement
  • an increase in weight can be suppressed while suppressing a decrease in strength.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a composite material according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic view of the composite material according to the present embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the composite material according to the present embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining a method for manufacturing a composite material according to the present embodiment.
  • FIG. 5 is a schematic diagram of a model of a composite material according to an example.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of a composite material according to a comparative example.
  • FIG. 7 is a table of the analysis results of the comparative example and the example.
  • composition of composite material 1 and 2 are schematic views of a composite material according to the present embodiment.
  • the composite material 10 according to the present embodiment is a member used for products such as aircraft.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of the composite material 10
  • FIG. 2 is a top view of the composite material 10.
  • the composite material 10 includes a first layer 20, a second layer 30, and a third layer 40, and an opening 50 is formed.
  • the composite material 10 is circular in the example of FIG. 2, but the shape is not limited to this and is arbitrary.
  • the first layer 20 is a stacked body in which a plurality of first sheets 22 are stacked (superimposed) along the Z direction.
  • the first sheet 22 is a composite material including a reinforcing fiber and a resin, and more specifically, a composite material obtained by impregnating a reinforcing fiber with a resin.
  • the first sheet 22 has a plate shape, that is, a sheet shape.
  • the first sheet 22 has a flat plate shape in the example of FIG. 1, but may have an arbitrary shape such as a curved shape.
  • the first sheet 22 is carbon fiber reinforced plastics (CFRP: Carbon Fiber Reinforced Plastic) in which carbon fibers are used as reinforcing fibers.
  • CFRP Carbon Fiber Reinforced Plastic
  • the reinforcing fibers are not limited to carbon fibers, and may be other plastic fibers, glass fibers, or metal fibers.
  • the resin is, for example, a thermosetting resin or a thermoplastic resin.
  • An example of the thermosetting resin is an epoxy resin.
  • Examples of the thermoplastic resin include polyether ether ketone (PEEK), polyether ketone ketone (PEKK), and polyphenylene sulfide (PPS).
  • PEEK polyether ether ketone
  • PEKK polyether ketone ketone
  • PPS polyphenylene sulfide
  • resin is not limited to these, You may use other resin.
  • the first layer 20 forms the surface 20A by laminating the first sheet 22.
  • the surface 20A is the surface of the first sheet 22 laminated on the upper side of the first layer 20 in the Z direction, that is, the uppermost stage.
  • the Z direction is the direction in which the first sheets 22 are laminated, that is, the lamination direction.
  • the X direction is a direction orthogonal to the Z direction, and is a direction parallel to the surface 20A. Furthermore, the X direction is a radial direction with respect to the central axis Ax of the opening 50, and the Z direction is an axial direction along the central axis Ax.
  • the second layer 30 is provided in the region 20 ⁇ / b> A ⁇ b> 1 of the first layer 20.
  • the region 20A1 is a partial region of the surface 20A.
  • the second layer 30 is a stacked body in which a plurality of second sheets 32 are stacked (superimposed) in the Z direction on the region 20A1.
  • the second sheet 32 is a composite material including a reinforcing fiber and a resin.
  • the second sheet 32 is a composite material in which a reinforcing fiber is impregnated with a resin.
  • the thickness of the second sheet 32 that is, the length along the Z direction, is smaller than the thickness of the first sheet 22 (length along the Z direction).
  • seat 32 is the same as the 1st sheet
  • six second sheets 32 are laminated on the second layer 30, but this number is an example, and the number of the second sheets 32 to be laminated is arbitrarily set according to the product. Is set.
  • the second sheet 32 closest to the first layer 20 occupies the entire region 20A1 of the first layer 20, and is closer to the third layer 40 side than that.
  • the second sheet 32 occupies only a part of the region 20A1.
  • the second sheet 32 occupies a wider area on the area 20A1 than the second sheet 32 laminated on the third layer 40 side. That is, as the second sheet 32 is laminated on the first layer 20 side, the area occupied on the area 20A1 is larger, and the second sheet 32 laminated on the third layer 40 side is on the area 20A1. Occupied area is getting smaller. Further, the entire surface of the second sheet 32 overlaps the second sheet 32 laminated on the first layer 30 side.
  • the second sheet 32 on the first layer 20 side is referred to as a stacked second sheet 32A.
  • the second sheet 32 opposite to the first layer 20 (the third layer 40 side) is referred to as a laminated second sheet 32B.
  • the laminated second sheet 32A is a laminated second sheet 32B laminated on the surface, and the laminated second sheet 32B is laminated on the laminated second sheet 32A. In this case, as shown in FIGS.
  • the second sheet 32A to be laminated is a part of the surface on the end 32A1 side when viewed from above, that is, when viewed from the third layer 40 side along the Z direction. However, it is exposed from the laminated second sheet 32B.
  • the end portion 32A1 is an end portion along the X direction (direction parallel to the surface) of the stacked second sheet 32A. In other words, the end portion 32A1 of the stacked second sheet 32A is located on the X direction side, that is, the radially outer side, than the end portion 32B1 of the stacked second sheet 32B.
  • the end portion 32B1 of the laminated second sheet 32B is located within the region of the surface of the laminated second sheet 32A and is not exposed outside the region of the surface of the laminated second sheet 32A.
  • the end portion 32B1 is an end portion along the X direction (direction parallel to the surface) of the laminated second sheet 32B.
  • the end portion 32A2 and the end portion 32B2 are at the same position along the X direction.
  • the surface on the end 32A2 side of the second stacked sheet 32A is not exposed from the stacked second sheet 32B in a top view and overlaps the stacked second sheet 32B.
  • the end portion 32A2 is an end surface on the opening 50 side of the second laminated sheet 32A, that is, an inner peripheral surface.
  • the end portion 32B2 is an end surface on the opening 50 side of the laminated second sheet 32B, that is, an inner peripheral surface.
  • the second sheet 32A to be laminated and the laminated second sheet 32B are laminated in this way, so that it can be said that the second sheet 32 is laminated stepwise. That is, in the second layer 30, the end portion 30B on the X direction side is formed by laminating the end portion 32A1 and the end portion 32B1 while shifting the position in the X direction. Accordingly, the end 30B has a slope shape inclined with respect to the Z direction. On the other hand, in the second layer 30, the end portion 30C on the opening 50 side, that is, the inner peripheral surface side, is formed with the end portion 32A2 and the end portion 32B2 kept in the same position along the X direction. Therefore, the end 30C has a shape along the Z direction and a circumferential shape.
  • the second sheet 32 closest to the first layer 20 is the second stacked sheet 32A, and the second sheet 32 stacked thereon is the stacked second sheet 32B.
  • the distance along the X direction between the end portion 32A1 and the end portion 32B1 is uniform in all the second sheets 32. That is, the second sheet 32 is stacked while shifting the position of the end portion in the X direction, and the length of the shift is uniform.
  • the distance along the X direction between the end portion 32A1 and the end portion 32B1 is not uniform for each second sheet 32 but may be different for each second sheet 32.
  • the third layer 40 is provided so as to cover the surfaces of the first layer 20 and the second layer 30.
  • the third layer 40 is provided from the surface of the second layer 30 to the region 20A2 of the first layer 20, and covers the surface of the second layer 30 and the region 20A2 of the surface 20A of the first layer 20.
  • the region 20A2 is a partial region of the surface 20A of the first layer 20, and is a region other than the region 20A1.
  • the surface of the second layer 30 is an area exposed to the outside in the second layer 30, and in addition to the surface of the second sheet 32 closest to the third layer 40, each of the second layers 30 exposed to the outside.
  • region namely, area
  • seat 32 is included.
  • a resin rich layer 34 is formed (filled) between the third layer 40 and the region on the end 30B side of the second sheet 32.
  • the resin rich layer 34 is a layer formed of a resin included in the second sheet 32 and the like, and does not include reinforcing fibers.
  • the third layer 40 has a third sheet 42. Similar to the first sheet 22, the third sheet 42 is a composite material including a reinforcing fiber and a resin. In other words, the third sheet 42 is a composite material in which a reinforcing fiber is impregnated with a resin.
  • the third sheet 42 is preferably thicker (length along the Z direction) than the second sheet 32 and has the same thickness as the first sheet 22. Furthermore, the third sheet 42 is preferably made of the same material as the first sheet 22. In other words, it can be said that the third layer 40 includes the first sheet 22. In the present embodiment, the third layer 40 includes only one third sheet 42, but a plurality of third sheets 42 may be stacked (superimposed) along the Z direction.
  • the opening 50 is formed so as to penetrate the first layer 20, the second layer 30, and the third layer 40 along the Z direction. That is, it can be said that the second layer 30 is provided around the opening 50.
  • the opening part 50 is circular, the shape is arbitrary.
  • the opening 50 is, for example, a rivet hole or an opening for providing an aircraft window.
  • the opening 50 opens so that the center of the second layer 30 is the central axis Ax, but the opening position is not limited to this and is arbitrary.
  • the composite material 10 is configured as described above, but a more detailed shape will be described below.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the composite material according to the present embodiment.
  • FIG. 3 is a partial cross-sectional view of the composite material 10.
  • the thickness of the first layer 20, that is, the length along the Z direction is defined as a thickness A1.
  • the thickness of the second layer 30 is set to a thickness A2.
  • the thickness of the third layer 40 is set to a thickness A3.
  • the thickness A2 is preferably 10% or more and 200% or less of the thickness A1.
  • thickness A3 is 0.4 mm or less, for example, it is not restricted to it.
  • the thickness of the first sheet 22 in the first layer 20, that is, the length along the Z direction is defined as a thickness B1.
  • the thickness of the second sheet 32 in the second layer 30 is defined as thickness B2.
  • seat 42 in the 3rd layer 40 is set to thickness B3.
  • the thickness B2 is preferably 2% or more and 50% or less of the thickness B1.
  • the thickness B2 is preferably 2% or more and 50% or less of the thickness B3.
  • thickness B1 and thickness B3 are 0.12 mm or more and 0.8 mm or less.
  • thickness B2 is 0.02 mm or more and 0.06 mm or less.
  • seats 32 of the 2nd layer 30 is set to the bottom 2nd sheet
  • seat 32S is made into edge part 32S1.
  • seats 32 of the 2nd layer 30 be the surface side 2nd sheet
  • seat 32T is made into edge part 32T1.
  • the radius of the opening 50 be the length C0.
  • the length along the X direction from the end 30C to the end 32T1 of the second layer 30 is defined as a length C1.
  • a length along the X direction from the end portion 32T1 to the end portion 32S1 is set as a length C2.
  • the length along the X direction from the central axis Ax of the opening 50 to the end 32T1 is defined as a length C3.
  • the ratio of the lengths C1, C2, and C3 can be arbitrarily set.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining a method for manufacturing a composite material according to the present embodiment.
  • a plurality of first sheets 22 are stacked in the Z direction to form the first layer 20 (step S ⁇ b>10; first layer forming step). ).
  • the first sheet 22 is in an uncured state of the resin, that is, a prepreg.
  • a plurality of second sheets 32 are laminated along the Z direction to form the second sheet laminate 31 (step S12; second sheet laminate formation step).
  • the second sheet laminate forming step the second sheet 32 is not directly laminated on the first layer 20, but is laminated at a location different from that on the first layer 20. That is, the second sheet laminate 31 is laminated at a location different from that on the first layer 20. It can be said that the second sheet laminate 31 is the second layer 30 before being disposed on the first layer 20. Therefore, in the second sheet laminate forming step, the second sheet 32 occupies a wider area on the area 20A1 of the surface 20A of the first layer 20 than the second sheet 32 laminated on the third layer 40 side.
  • seat 32 is laminated
  • the second sheet laminate forming step when a part of the surface of the laminated second sheet 32A on the end 32A1 side is viewed from above, that is, when viewed from the third layer 40 side along the Z direction.
  • the second sheet laminate 31 is formed so as to be exposed from the laminated second sheet 32B.
  • the second sheet 32 is in an uncured state of the resin, that is, a prepreg. Note that the order of the steps S10 and S12 is not limited to this and is arbitrary.
  • Step S14 Second sheet laminate arrangement step.
  • Step S12 and Step S14 are second layer forming steps in which a plurality of second sheets 32 are stacked to form the second layer 30 on the region 20A1 of the first layer 20.
  • the second sheet laminate 31 is disposed on the first layer 20 after the second sheet laminate 31 is formed in another place in this way.
  • the method for forming the second layer 30 is not limited to this, and the second sheet 32 may be stacked in order on the first layer 20 to form the second layer 30. .
  • the second layer forming step may be any method in which a plurality of second sheets 32 are stacked to form the second layer 30 on the region 20A1 of the first layer 20.
  • the second layer 30 is formed such that a part of the surface on the end 32A1 side of the stacked second sheet 32A is exposed from the stacked second sheet 32B in a top view. If it is.
  • the third sheet 42 is provided so as to cover the surface 30A of the second layer 30 and the surface of the first layer 20, thereby forming the third layer 40 (step S16; third).
  • the third layer 40 is formed by one third sheet 42, but the plurality of third sheets 42 are covered with the surface 30 ⁇ / b> A of the second layer 30 and the surface of the first layer 20.
  • the third layer 40 may be formed by stacking.
  • the third sheet 42 is in an uncured state of the resin, that is, a prepreg.
  • the laminate of the first layer 20, the second layer 30, and the third layer 40 is heated while being pressurized to form the composite material 10 (step S18).
  • cures, and the composite material 10 of a predetermined shape is formed.
  • the resin between the third layer 40 and the region on the end 30B side of the second sheet 32 is cured, and the resin rich layer 34 is also formed.
  • the opening 50 is formed (step S20). Specifically, the opening 50 is formed so as to penetrate the first layer 20, the second layer 30, and the third layer 40 with respect to the composite material 10 formed by pressurization and heating. Thereby, the manufacturing process of the composite material 10 is completed. As described above, in the present embodiment, the first layer 20, the second layer 30, and the third layer 40 are laminated by laminating the sheets having no opening, and the opening 50 is formed after the lamination. However, the opening 50 is formed in each sheet in advance, and the composite material 10 may be manufactured by laminating the sheets formed with the opening 50.
  • the composite material 10 includes the first layer 20, the second layer 30, and the third layer 40.
  • the first layer 20 is a laminate in which a plurality of first sheets 22 that are composite materials including reinforcing fibers and a resin are laminated.
  • the second layer 30 is a stacked body provided on the region 20A1 of the first layer 20.
  • the second layer 30 is a composite material including reinforcing fibers and a resin, and a plurality of second sheets 32 having a thickness smaller than that of the first sheet 22 are laminated.
  • the region 20A1 is a partial region of the surface 20A of the first layer 20.
  • the third layer 40 includes a third sheet 42 that is a composite material that covers the surface of the second layer 30 and the surface of the first layer 20 and includes reinforcing fibers and a resin.
  • the second sheet 32 occupies a wider area on the area 20A1 of the surface 20A of the first layer 20 than the second sheet 32 laminated on the third layer 40 side.
  • a composite material formed of a composite material including a reinforcing fiber and a resin may have a large thickness in order to improve the strength at a location where stress is concentrated.
  • the composite material is provided with a thickened portion which is a portion where the thickness is increased and a normal thick portion which is a portion where the thickness is not increased.
  • an inclined portion that is inclined to change the thickness from the thickened portion to the normal thick portion is provided between the thickened portion and the normal thick portion.
  • stress concentration tends to occur, and the strength may be reduced.
  • the composite material 10 according to this embodiment forms an inclined portion by the second layer 30.
  • the second layer 30 is configured by laminating a second sheet 32 having a thickness smaller than that of the first sheet 22.
  • the area occupied on the area 20A1 of the second sheet 32 in the twentieth layer 30 is larger than the area occupied on the area 20A1 of the second sheet 32 laminated on the third layer 40 side. Therefore, the composite material 10 has a smaller space filled with the resin-rich layer 34 having a lower strength than the case where the first sheet 22 is laminated to form the inclined portion, for example, and the second sheet 32, that is, the reinforcing fiber.
  • the space having can be increased. Therefore, the composite material 10 according to the present embodiment can improve the strength of the inclined portion.
  • the composite material 10 according to the present embodiment can maintain the strength against stress concentration even if the inclination of the inclined portion is steep, because the strength of the inclined portion is improved. Can be suppressed. Thus, the composite material 10 according to the present embodiment can suppress an increase in weight while suppressing a decrease in strength.
  • the thickness A2 of the second layer 30 is preferably 10% or more and 200% or less of the thickness A1 of the first layer 20.
  • the composite material 10 which concerns on this embodiment can suppress the increase in a weight, suppressing the fall of intensity
  • the thickness B2 of the second sheet 32 is preferably 2% or more and 50% or less of the thickness B1 of the first sheet 22.
  • the composite material 10 which concerns on this embodiment can suppress the increase in a weight, suppressing the fall of intensity
  • the second sheet 32 positioned closest to the first layer 20 is referred to as a bottom second sheet 32S
  • the second sheet 32 positioned closest to the third layer 40 is referred to as a surface side second sheet 32T.
  • the thickness A2 which is the length along the Z direction is 5% or more and 20% or less with respect to the length C2.
  • the length C2 is along the direction parallel to the surface from the end 32S1 in the direction parallel to the surface of the bottom-side second sheet 32S to the end 32T1 in the direction parallel to the surface of the top-side second sheet 32T. Length.
  • the ratio of the length of the thickness A2 to the length C2, that is, the taper ratio is set in this manner, thereby suppressing an increase in weight more appropriately while suppressing a decrease in strength. be able to.
  • the third sheet 42 preferably has the same thickness as the first sheet 22.
  • the third sheet 42 that covers the second sheet 32 has such a thickness, so that the general part (excluding the thickened part (the place where the second sheet 32 is laminated)) is removed ( The portion where the second sheet 32 is not laminated) can be manufactured in a short time.
  • the composite material 10 has an opening 50 that is an opening, and the second layer 30 is provided around the opening 50. Stress concentration is likely to occur around the opening.
  • the composite material 10 can appropriately suppress a decrease in strength by providing the second layer 30 around the opening 50 where stress is likely to concentrate and increasing the thickness.
  • the composite material 10 does not necessarily have the opening 50, and the second layer 30 is not limited to being provided around the opening 50.
  • the second layer 30 is preferably provided at a location where stress concentrates other than the periphery of the opening 50.
  • the method for manufacturing the composite material 10 includes a first layer forming step, a second layer forming step, and a third layer forming step.
  • the first layer 20 is formed by laminating a plurality of first sheets 22 which are composite materials including reinforcing fibers and a resin.
  • the second layer forming step a plurality of second sheets 32 having a thickness smaller than that of the first sheet 22 are stacked, and the second layer 30 is formed on the region 20 ⁇ / b> A ⁇ b> 1 of the first layer 20.
  • the third sheet 42 is provided so as to cover the surface of the second layer 30 and the surface of the first layer 20 to form the third layer 40.
  • the second sheet 32 occupies a wider area on the area 20A1 of the surface 20A of the first layer 20 than the second sheet 32 laminated on the third layer 40 side.
  • the second sheet 32 is laminated. According to this manufacturing method, it becomes possible to manufacture the composite material 10 that suppresses an increase in weight while suppressing a decrease in strength.
  • the second layer forming step includes a second sheet laminate forming step of forming the second sheet laminate 31 by laminating the second sheets 32, and the second sheet laminate 31 on the region 20A1 of the first layer 20. And a second sheet laminate arrangement step of forming the second layer 30 by arranging the second layer 30. According to this manufacturing method, since the second sheet laminate 31 in which the second sheets 32 having different thicknesses are laminated is disposed on the first layer 20, the composite material 10 can be more easily manufactured.
  • FIG. 5 is a schematic diagram of a model of a composite material according to an example.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of a composite material according to a comparative example.
  • the composite material model 10 ⁇ / b> A according to the example includes the first layer 20, the second layer 30, and the third layer 40 as in the above-described embodiment.
  • the third layer 40 of the model 10 ⁇ / b> A has a sheet having the same thickness as the first layer 20, that is, the first sheet 22 as the third sheet 42.
  • the length along the X direction from the end 32S1 to the end 10A1 is defined as a length C4.
  • the end portion 10A1 is an end portion on the X direction side of the model 10A.
  • Example 1 and Example 2 in which the dimensions of the model 10A were changed were performed.
  • the length C1 is 40 mm
  • the length C2 is 32 mm
  • the length C4 is 20 mm
  • the thickness A2 is 1.6 mm.
  • Example 2 has the same dimensions as Example 1 except that the length C2 is 8 mm. That is, in Example 1, the ratio of thickness A2 to length C2 is 1:20, and in Example 2, the ratio is 1: 5.
  • the composite material model 10 ⁇ / b> X includes a first layer 20, a second layer 30 ⁇ / b> X, and a third layer 40.
  • the second layer 30X of the model 10X is a stack of the first sheets 22. That is, in the model 10X, the thickness of each sheet of the second layer is larger than the model 10A.
  • Comparative Example 1 and Comparative Example 2 in which the dimensions of the model 10X were changed were also performed.
  • the length C1 is 40 mm
  • the length C2 is 32 mm
  • the length C4 is 20 mm
  • the thickness A2 is 1.6 mm.
  • Comparative Example 2 has the same dimensions as Comparative Example 1 except that the length C2 is 8 mm. That is, Comparative Examples 1 and 2 have the same dimensions as Examples 1 and 2 except for the thickness of the sheet of the second layer 30X.
  • FIG. 7 is a table of the analysis results of the comparative example and the example.
  • the generated maximum stress von Mises stress
  • Comparative Example 2 (taper ratio 1: 5)
  • the maximum stress was 44.5 MPa.
  • Example 1 (taper ratio is 1:20)
  • the maximum stress was 17.5 MPa.
  • Example 2 (taper ratio is 1: 5), the maximum stress was 25.5 MPa.

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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