JP6079100B2 - 強化繊維織物基材、強化繊維プリフォーム及び強化繊維複合材 - Google Patents

Description

この発明は、強化繊維織物基材、強化繊維プリフォーム及び強化繊維複合材に関する。
特に、ブレーディング製法により形成される強化繊維織物基材、強化繊維織物基材から形成される強化繊維プリフォーム及び強化繊維プリフォームの成形により得られる強化繊維複合材に関する。

近年、強化繊維複合材は、車両や航空機の構造部品や機能部品として用いられている。
強化繊維複合材としては、例えば、車両等における衝突の衝撃を吸収して衝撃力を緩和するクラッシュボックスを挙げることができる。
クラッシュボックスは、いわゆるブレーディング法により強化繊維糸を用いて筒状の強化繊維織物基材を編組し、強化繊維織物基材からプリフォームを形成して、レジントランスファー法（ＲＴＭ法）によって製作される場合がある。

ブレーディング製法により形成される強化繊維織物基材の従来技術としては、例えば、特許文献１に開示された繊維強化複合材料を用いた翼状構造体及びその製造方法を挙げることができる。
特許文献１では、繊維強化複合材料に含まれる繊維材料がブレーディングとして構成されている。
このブレーディングは、マンドレルの軸方向に沿って同一方向に平行に配列する中央糸と、中央糸に対して所定の角度で交差して編み込まれる組糸により筒状に形成されたのち、マンドレルから取り外される。

特開２０１２−７１８０５号公報

しかしながら、特許文献１に開示された強化繊維織物基材（ブレーディング）では、軸方向糸（中央糸）に対して組糸が交差しているため、軸方向糸において組糸と交差する箇所ではうねりが生じ、このうねりが軸方向糸の長手方向にわたって波状に連続する。
また、強化繊維織物基材をブレーディング法により編組する際、組糸がマンドレルの周方向に移動する一方で、マンドレルが軸方向へ移動するため、軸方向糸にはマンドレルの周方向へ移動しようとする応力が作用する。
この応力は強化繊維織物基材がマンドレルに装着されている状態では直ちに影響しないが、マンドレルから強化繊維織物基材を取り外す際に、軸方向糸が長手方向において全体的に周方向へ湾曲するように変形しやくする。
つまり、特許文献１に開示された強化繊維織物基材では、軸方向糸は局部的又は全体的にも直線性が維持されていないという問題がある。
軸方向糸の軸方向に対する直線性が保たれていないと、強化繊維織物基材が強化繊維複合材に形成されても軸方向の荷重に対する耐荷重能力が不足するおそれがある。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、軸方向糸の直進性の向上を可能した強化繊維織物基材の提供にある。

上記の課題を解決するために、本発明は、強化繊維からなり、互いに同方向に並列に配置される複数の軸方向糸と、強化繊維からなり、ブレーディング法により前記軸方向糸に対して交差して編組された組糸とを有する強化繊維織物基材において、前記複数の軸方向糸のうち、少なくとも一部の軸方向糸に対して部分的に樹脂が含浸され、直線状に保たれた状態で予め硬化された前記軸方向糸に前記組糸が編組されていることを特徴とする。

本発明によれば、軸方向糸には編組前に予め樹脂が含浸され、この樹脂が硬化されているため、軸方向糸に対して組糸が編組されても、軸方向糸において組糸と交差する箇所にはうねりが生じることがない。
また、マンドレルから強化繊維織物基材を取り外しても、軸方向糸の周方向へ湾曲する変形が生じ難い。
つまり、軸方向糸は局部的又は全体的にも直進性の向上が図られている。
その結果、強化繊維織物基材から強化繊維複合材における軸方向の荷重に対する耐荷重能力が向上する。

また、上記の強化繊維織物基材において、前記樹脂は、レジントランスファーモールディング法による成形時に用いるマトリクス樹脂と同一材料とする構成としてもよい。
この場合、軸方向糸の樹脂は、レジントランスファーモールディング法による成形時に用いるマトリクス樹脂との親和性が高く、より強度のある強化繊維複合材を形成することができる。

また、上記の強化繊維織物基材において、前記軸方向糸に対する樹脂比率は、３〜３０パーセントとする構成としてもよい。
この場合、軸方向糸に対する樹脂比率を３〜３０パーセントとすることにより、軸方向糸の軸方向に対する直進性の向上を図ることができる。
併せて、マンドレルから強化繊維織物基材を取り外す際に生じる周方向へ湾曲する変形が抑制される一方、ブレーディング法による編組における軸方向糸の取り回しの容易性を維持する程度に軸方向糸を変形することができる。

また、上記の繊維強化織物基材から形成される強化繊維プリフォームとしてもよい。
この場合、繊維強化織物基材の軸方向糸は局部的又は全体的にも直進性の向上が図られているから、強化繊維織物基材から形成される強化繊維プリフォームでは、軸方向糸の軸方向に沿う折り目を直線的に形成し易くなる。

また、上記の強化繊維プリフォームにマトリクス樹脂を含浸させて硬化させた強化繊維複合材としてもよい。
この場合、繊維強化織物基材の軸方向糸は局部的又は全体的にも直進性の向上が図られているから、強化繊維織物基材から形成される強化繊維複合材は、軸方向糸の軸方向の荷重に対する耐荷重能力を向上することができる。

本発明によれば、軸方向糸の直進性の向上を可能した強化繊維織物基材を提供することができる。

第１の実施形態に係る強化繊維織物基材、強化繊維プリフォーム及び強化繊維複合材の概要を示す斜視図である。 第１の実施形態に係るブレーディング装置の概要を示す斜視図である。 強化繊維織物基材の要部を拡大して示す拡大図である。 （ａ）図３のＡ−Ａ線矢視図であり、（ｂ）は比較例としての従来の強化繊維織物基材のＡ−Ａ線矢視図に対応する矢視図である。 （ａ）は強化繊維織物基材の軸方向糸の状態を示す斜視図であり、（ｂ）は比較例としての従来の強化繊維織物基材の軸方向糸の状態を示す斜視図である。 第２の実施形態に係る強化繊維織物基材、強化繊維プリフォーム及び強化繊維複合材の概要を示す斜視図である。

（第１の実施形態）
以下、第１の実施形態に係る強化繊維織物基材、強化繊維プリフォーム及び強化繊維複合材について図面を参照して説明する。
図１に示す強化繊維織物基材１０は、ブレーディング法により編組されて形成される筒状の要素である。
本実施形態では強化繊維織物基材１０に折り目Ａを設けて断面Ｌ字状の強化繊維プリフォーム１１を形成する。
そして、強化繊維プリフォーム１１をレジントランスファーモールディング法（ＲＴＭ法）により成形することにより、強化繊維複合材１２が形成される。

図２に示すように、強化繊維織物基材１０はブレーディング法による編組を行うブレーディング装置１３により形成される。
ブレーディング装置１３は環状フレーム１４を備えており、環状フレーム１４の貫通孔１５にマンドレル１６が挿通される。
環状フレーム１４の一方の面には複数のパイプ体１７が環状に配列されており、パイプ体１７から軸方向糸Ｙ１がマンドレル１６に供給される。
環状フレーム１４には、一方の組糸Ｙ２を供給する複数のボビン１８と、他方の組糸Ｙ３を供給する複数のボビン１９が配設されている。
ボビン１８及びボビン１９は環状フレーム１４に形成された８字状の軌道２０に沿って移動するが、ボビン１８、１９の移動方向は互いに逆方向である。
因みに、図２では１本の軸方向糸Ｙ１と２つの組糸Ｙ２、Ｙ３のみを図示したが、各パイプ体１７から軸方向糸Ｙ１が供給され、ボビン１８、１９からはボビン１８、１９にそれぞれ対応する組糸Ｙ２、Ｙ３が供給される。

複数の軸方向糸Ｙ１はマンドレル１６において同方向に並列に配置されている。
マンドレル１６の軸方向に沿うように複数の軸方向糸Ｙ１を環状に配列し、各軸方向糸Ｙ１に対して２本の組糸Ｙ２、Ｙ３を交差させて編組し、強化繊維織物基材１０が形成される。

軸方向糸Ｙ１及び組糸Ｙ２、Ｙ３は、カーボン繊維、ガラス繊維、セラミックス繊維等の強化繊維の単繊維が集合した繊維束で形成されており、軸方向糸Ｙ１及び組糸Ｙ２、Ｙ３の単繊維の直径は１０μｍ程度であり、繊維束の断面は楕円形に近い扁平形状である。
軸方向糸Ｙ１及び組糸Ｙ２、Ｙ３の断面を扁平形状とすることにより、強化繊維織物基材１０において軸方向糸Ｙ１及び組糸Ｙ２、Ｙ３が互い交差する箇所において糸表面の凹凸を形成し難くする。
糸表面の凹凸は軸方向糸Ｙ１におけるうねりの発生の原因となる。
本実施形形態の軸方向糸Ｙ１については、樹脂比率が３〜３０パーセントであればよく、特に、５〜２０パーセントとすれば、繊維の直進性及び軸方向糸取り回しの容易性の点でより好ましい。

本実施形態では、全ての軸方向糸Ｙ１に上記の樹脂比率の樹脂が予め部分的に含浸されている。
含浸された樹脂は、軸方向糸Ｙ１が直線状に保たれた状態で予め硬化される。
このため、軸方向糸Ｙ１は含浸された樹脂の硬化により硬くなり、一定の直進性を維持する物性を有している。
ここでいう一定の直進性とは、軸方向糸Ｙ１に所定以下の局部的な荷重が作用しても軸方向糸Ｙ１がうねりを生じない性質と、軸方向糸Ｙ１を全体的に湾曲させる所定以下の荷重が作用しても直線状の形態を維持しようとする性質との両方を備えている性質を指す。

軸方向糸Ｙ１に含浸される樹脂は、熱硬化性の樹脂であり、ＲＴＭ法による成形時に用いるマトリクス樹脂と同材料である。
熱硬化性の樹脂としては、例えば、エポキシ系樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール系樹脂を用いる。
樹脂が液体の状態で、含浸前の軸方向糸Ｙ１を浸漬することで軸方向糸Ｙ１に樹脂が含浸される。
そして、樹脂が含浸された軸方向糸Ｙ１を直線状態に保った状態で予め加熱することにより樹脂を硬化させる。

本実施形態では、軸方向糸Ｙ１に対する樹脂比率は約１０パーセントとしているが、 軸方向糸Ｙ１に対する樹脂比率は、３〜３０パーセントであればよい。
特に、軸方向糸Ｙ１に対する樹脂比率を５〜２０パーセントとすれば最も好ましく、この場合、５パーセント以上とすることで、軸方向糸における最低限の直進性を維持することができる。
また、３０パーセント未満とすることで、軸方向糸Ｙ１が硬くなりすぎず、ブレーディング装置１３における軸方向糸Ｙ１の取り扱いの容易性が維持される。
軸方向糸Ｙ１に対する樹脂比率の条件が満たされることにより、例えば、ブレーディング装置１３のパイプ体１７から軸方向糸Ｙ１が屈曲するように供給されても、パイプ体１７から離れた状態では、直線状の形状が維持される。
なお、ここでいう軸方向糸Ｙ１に対する樹脂比率とは、軸方向糸Ｙ１の重量（繊維の重量と含浸した樹脂の重量との和）に対して含浸した樹脂の重量割合を指す。

樹脂が含浸され硬化された軸方向糸Ｙ１と組糸Ｙ２、Ｙ３とをブレーディング法により編組して形成された強化繊維織物基材１０では、軸方向糸Ｙ１が直線状である。
図３は強化繊維織物基材１０の編組構造を拡大した図であり、組糸Ｙ２、Ｙ３は軸方向糸Ｙ１の長手方向に対して傾斜して交差している。
図４（ａ）に示すように、軸方向糸Ｙ１は組糸Ｙ２、Ｙ３と交差する箇所においてうねりの発生はなく直線状である。
因みに、図４（ｂ）に示す樹脂が含浸されていない従来の軸方向糸Ｙｘを用いた比較例では、軸方向糸Ｙｘは組糸Ｙ２、Ｙ３と交差する箇所においてうねりＷが発生している。

ところで、ブレーディング装置１３を用いて強化繊維織物基材１０を編組するとき、組糸Ｙ２、Ｙ３は８字状の軌道に沿ってマンドレル１６の周方向へ互いに逆方向に移動する。
このとき、組糸Ｙ２、Ｙ３がマンドレル１６の周方向に移動する一方で、マンドレル１６が軸方向へ移動し、組糸Ｙ２、Ｙ３の張力により軸方向糸Ｙ１にはマンドレル１６の周方向へ移動しようとする応力が作用する。
つまり、組糸Ｙ２、Ｙ３の張力は編組中の軸方向糸Ｙ１に対して直進性を損なうような応力を作用させる。
この応力は強化繊維織物基材１０がマンドレル１６に装着されている状態では直ちに影響しないが、マンドレル１６から強化繊維織物基材１０を取り外す際に、軸方向糸Ｙ１を長手方向において全体的に周方向へ湾曲するように変形させようとする。
また、マンドレル１６から強化繊維織物基材１０を取り外す際、強化繊維織物基材１０をマンドレル１６の周方向へスライドしつつマンドレル１６から引き抜く場合、軸方向糸Ｙ１を周方向に湾曲させる方向への力が作用する。

本実施形態の強化繊維織物基材１０の軸方向糸Ｙ１は、樹脂が含浸されて硬化されているため、マンドレル１６から取り外す際に、軸方向糸Ｙ１の直線性が維持される。
従って、図５（ａ）に示すように、本実施形態の強化繊維織物基材１０における軸方向糸Ｙ１は直線状であり、湾曲して非直線状となったり、軸方向と異なる方向へ向かったりしない状態にある。
一方、図５（ｂ）は従来の軸方向糸Ｙｘを用いた比較例を示す。
従来の軸方向糸Ｙｘでは、マンドレル１６から強化繊維織物基材４０を取り外す際に、軸方向糸Ｙｘが編組中に受けた応力が軸方向糸Ｙｘの変形を発生させ、軸方向糸Ｙｘは湾曲して非直線状となっているほか、軸方向と異なる方向へ向かっている。
軸方向糸Ｙｘが非直線状になったり、軸方向と異なる方向へ向かったりする状態では、例えば、図１に示す強化繊維プリフォーム１１における軸方向への直線状の折り目Ａの形成が困難となる。
具体的には、折り目Ａが非直線状の軸方向糸Ｙｘに沿って湾曲・蛇行して形成されたり、軸方向と異なる方向に形成されたりする可能性が高い。

本実施形態では、強化繊維織物基材１０における軸方向糸Ｙ１は直線状を維持しているから、強化繊維プリフォーム１１において軸方向に沿って折り目Ａを形成すれば確実に直線状となる。
従って、強化繊維プリフォーム１１において軸方向に沿う折り目Ａは、比較例の強化繊維織物基材４０を用いる場合と比べて簡単に形成される。

本実施形態によれば以下の作用効果を奏する。
（１）軸方向糸Ｙ１には、編組前に予め樹脂が含浸され、この樹脂が硬化されているため、軸方向糸Ｙ１に対して組糸Ｙ２、Ｙ３が編組されても、軸方向糸Ｙ１において組糸と交差する箇所にはうねりが生じることがない。また、マンドレル１６から強化繊維織物基材１０を取り外しても、軸方向糸Ｙ１の周方向へ湾曲する変形が生じ難い。つまり、軸方向糸Ｙ１は局部的又は全体的にも直進性の向上が図られている。その結果、強化繊維織物基材１０から形成される強化繊維複合材１２における軸方向の荷重に対する耐荷重能力が向上する。
（２）樹脂は、ＲＴＭ法による成形時に用いるマトリクス樹脂と同一材料とするから、軸方向糸の樹脂は、ＲＴＭ法による成形時に用いるマトリクス樹脂との親和性が高く、より強度のある強化繊維複合材１２を形成することができる。

（３）軸方向糸Ｙ１に対する樹脂比率を３〜３０パーセントとするから、軸方向糸Ｙ１の軸方向に対する直進性の向上を図ることができるとともに、マンドレル１６から強化繊維織物基材１０を取り外す際に生じる周方向へ湾曲する変形が抑制される。併せて、ブレーディング装置１３において軸方向糸Ｙ１の取り回しの容易性が維持される程度に軸方向糸Ｙ１は変形することができる。
（４）強化繊維織物基材１０の軸方向糸Ｙ１は局部的又は全体的にも直進性の向上が図られているから、強化繊維織物基材１０から形成される強化繊維プリフォーム１１では、軸方向糸Ｙ１の軸方向沿う折り目を直線的に形成し易くなる。
（５）強化繊維織物基材１０の軸方向糸Ｙ１は局部的又は全体的にも直進性の向上が図られているから、強化繊維織物基材１０から形成される強化繊維複合材１２は、軸方向糸Ｙ１の軸方向の荷重に対する耐荷重能力を従来よりも向上することができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係る強化繊維織物基材、強化繊維プリフォーム及び強化繊維複合材について説明する。
本実施形態は、強化繊維織物基材、強化繊維プリフォーム及び強化繊維複合材の形状が第１の実施形態と異なる。

図６に示す強化繊維織物基材３０は、円錐台状の筒形の形状を有している。
本実施形態では、強化繊維織物基材３０からほぼそのままの形状の強化繊維プリフォーム３１を形成し、強化繊維プリフォーム３１をレジントランスファーモールディング法（ＲＴＭ法）により成形することにより、強化繊維複合材３２が形成される。
強化繊維複合材３２は、車両に搭載されるクラッシュボックスであり、クラッシュボックスは車両衝突時に衝撃を吸収し衝撃力を緩和する。

強化繊維織物基材３０は、円錐状のマンドレル（図示せず）を用いるほかは、図２に示すブレーディング装置１３により編組されて形成される。
ブレーディング装置１３は、マンドレルの軸方向に沿うように複数の軸方向糸Ｙ１を環状に配列し、各軸方向糸Ｙ１に対して２本の組糸Ｙ２、Ｙ３を交差させて編組する。
本実施形態も全ての軸方向糸Ｙ１に編組前に予め樹脂が部分的に含浸され、樹脂が硬化されている。
従って、強化繊維織物基材３０における軸方向糸Ｙ１は、第１の実施形態と同様に直進性を維持されている。
本実施形態は、第１の実施形態の作用効果と同等の作用効果を奏する。

なお、上記の実施形態は、本発明の一実施形態を示すものであり、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、下記のように発明の趣旨の範囲内で種々の変更が可能である。

○ 上記の実施形態では、全ての軸方向糸に編組前に予め樹脂を部分的に含浸させて硬化させるとしたが、複数の軸方向糸の内、一部の軸方向糸については樹脂を含浸させない従来の軸方向糸とにしてもよい。例えば、本発明に係る軸方向糸を全体の９０パーセントとし残り１０パーセントを従来の軸方向糸としてもよい。但し、本発明に係る編組前に予め樹脂を含浸硬化させた軸方向糸の割合が多い方が強化繊維織物基材として有利である。
○ 第１の実施形態では、筒状の強化繊維織物基材から折り目を形成して断面Ｌ字状の強化繊維プリフォームを形成したが、そのほか、筒状の強化繊維織物基材から折り目を形成して断面Ｔ字状の強化繊維プリフォームを形成してもよい。

１０、３０、４０ 強化繊維織物基材
１１ 強化繊維プリフォーム
１２ 強化繊維複合材
１３ ブレーディング装置
１４ 環状フレーム
１５ 貫通孔
１６ マンドレル
１７ パイプ体
１８、１９ ボビン
２０ 軌道
３０ 強化繊維織物基材
３１ 強化繊維プリフォーム
３２ 強化繊維複合材
Ａ 折り目
Ｙ１、Ｙｘ 軸方向糸
Ｙ２ 組糸
Ｙ３ 組糸
Ｗ うねり

Claims (5)

1. 強化繊維からなり、互いに同方向に並列に配置される複数の軸方向糸と、強化繊維からなり、ブレーディング法により前記軸方向糸に対して交差して編組された組糸とを有する強化繊維織物基材において、
   前記複数の軸方向糸のうち、少なくとも一部の軸方向糸に対して樹脂が含浸され、直線状に保たれた状態で予め硬化された前記軸方向糸に前記組糸が編組されていることを特徴とする強化繊維織物基材。
2. 前記樹脂は、レジントランスファーモールディング法による成形時に用いるマトリクス樹脂と同一材料とすることを特徴とする請求項１記載の強化繊維織物基材。
3. 前記軸方向糸に対する樹脂比率は、３〜３０パーセントとすることを特徴とする請求項１又は２記載の強化繊維織物基材。
4. 請求項１〜３のいずれか一項記載の前記強化繊維織物基材から形成されていることを特徴とする強化繊維プリフォーム。
5. 請求項４記載の強化繊維プリフォームにマトリクス樹脂を含浸させて硬化させたことを特徴とする強化繊維複合材。

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