JPH01250457A - 三次元的多層構造繊維配列基材の製造方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、繊維強化複合材料等として利用するための三
次元的多層構造Ｍ＆維配列基材を製造する方法及びその
装置に関するものである。

［従来の技術］ 単一の素材では十分な強度を得ることのできな金材料の
！Ｊ造に際し、強化される素材　（いわゆるマトリック
ス）に対する繊維の充填率か大さく、比較的高強度の複
合材料を得るために多用されている強化法に．ロービン
グのような連続縁！ＩＩ末を巻取るフィラメントワイン
デインク方式や、ｌａ物を所要の厚さに積層して用いる
織物積層方式などかめる。

これらの方式による複合材料は、繊維の配列方向に大き
な強度か得られる反面．ロービングや織物を所要の厚さ
に績み重ねた積層構造であるため．ロービングとローピ
ンクまたは織物との織物との間の結合力（層間強度）か
小さく．ロービングや織物の積層面に直角な方向に作用
する剥離力や、積層された面と直角な方向に作用するせ
ん断力に対して抵抗力か小さく、積層面での剥離やすべ
りを生じ易い欠点を有している。

このような−欠点を補った強化用基材として、所要の厚
さに積層した織物をミシンによって縫合した多）＃織物
や、織物の厚さの方向にも糸やローピンクを織り込んだ
三次元ｍ物か提案されている。

しかし、ミシンを用いた縫合方式ては、縫合に際して織
物をば通ずる針により積層織物の繊維及び縫合用の繊維
か切断され、あるいは、ミシンを用いることに起因して
縫合するＳ物の厚さか制約されるとか、縫合用のｍ、ｉ
によって積層した織物か締め付けられたつ、その繊維配
列か乱されたりするなとの欠点を有している。また、上
記三次元織物においては、糸やローピンクを三次元的に
組織。

する製織動作か煩雑であり、そのための装置も複雑化し
て、高速化や自動化に際して大きな障害となる。さらに
、機構上、織物の形状や大きさに対する多様化か得かた
いなどの欠点かある。

［発明か解決しようとするａ題Ｊ 本発明の技術的課題は、２１１層された繊維集合シェツ
ト流を用いた流体的手法により短繊維を挿入して三次元
的繊維配列化を行い、それによって繊維の損傷か少なく
、また製品の大きさや厚さ、形状についての制約か少な
く、筒中な装置で製品形状についての多様性か得られ、
さらに従来例に比して高速化や自動化を図ることも容易
な方法及び装置を得ることにある。

し課題を解決するための手段］ 上記課題を解決するための本発明の三次元的多層構造Ｍ
＆維配列基材の製造方法は．ロービングや編織物を積層
してなる積層基材上に、短Ｍ＆雄からなる層間強化用繊
維のウェブを積層し、この積層体に高圧シェツト流を作
用させることによつ１層間強化用繊維を積層基材の積層
面に対して直角な方向に配向して該積層基材内にランダ
ムに挿入し、積層基材の層間に該層間強化用ｉｊｌ維に
よる連接状態を与えることを特徴とし、また上記積層基
材を多段に重ねて、それらに対し層間強化用繊維による
連接状態を与えることを特徴とするものである。

さらに、本発明の三次元的多層構造繊維配列基材の製造
装置は．ロービングや編織物を積層してなる積層糸村上
に、短＃ｊｌｌ維からなる層間強化用繊維のウェブを積
層する手段と、上記積層基材とウェブからなる積層体を
支持する支持体と、上記支持体上に載置した積層体に対
してその積層面に直角な方向に高圧ジェット流を作用さ
せるノスルとを備えたことを特徴とし、また上記積層基
材を多段に重ねて、それらに対し層間強化用ｍ維による
連接状態を与えることをム■能にしたことを特徴とする
ものである。

［作　用］ ローピンクや編織物からなる積層基材の上に層間強化用
Ｈ＆雄のウェブを積層した積層体に、高圧シェツトを作
用させると、層間強化用繊維か積層て挿入され、積層基
材の層間に層間強化用繊維による連接状態か与えられる
。

それによって、ｖ１雅の損傷か少なく、また製品の大き
さや厚さ、形状についての制約か少なく、簡単な装置で
製品形状についての多様性か得られ、さらに従来例に比
して高速化や自動化を図ることも容易な三次元的多層構
造繊維配列基材の製造方法及び装置を得ることかできる
。

［実施例］ 以下１図面に基づいて本発明の方法及び装置を詳細に説
明する。

本発明に係る三次元的多層構造繊維配列基材は、第１図
ないし第３図かられかるように、ロービングや織物の巾
位積層材２を多層に積層してなる積層基材ｌ上に、短繊
維からなる層間強化用縁［３，３，・・のウェブ４を積
層して、その−ヒから全面的に高圧のジェット流１２を
作用させ、多数の層間強化用繊維３，３．・・を積層基
材１の積層面に対して直角な方向にランダムに挿入する
ことにより得られるものである。

第３図は、本発明によって製造された三次元的多層構造
Ｈ＆維配列基材の構成例を模式的に示すものて、この三
次元的多層構造繊維配列基材は、単位Ｍ層材２を多層に
積層してなる積層基材ｌ内に、その積層面に対して直角
な方向に配向した多数の短繊維からなる層間強化用繊維
３，３．・・をランダムに挿入し、それによって積層基
材１の各層間に該層間強化用繊維３，３．・・による優
れた連接状態を与えている。

上記積層基材１を構成する繊維としては、各種複合材料
用強化繊維を１例えば、炭素繊維やカラスＭｉ維などの
無機ａｍ、ポリアミドや高延伸ポリエチレンなとの有機
繊維、さらには、ステンレス、チタンなどの金属繊維等
を用いることかできる。

なるチョップトストランド．ロービング、ｍＭＴｈを用
いることかできる。チョツプドストランドの場合は、マ
ット状に成形したチョップトストランド・マットを多数
枚ａ層したものか使用される。

ローピンクの場合は、通常のフィラメントワインディン
グの手法によって、直接円筒状支持体（第１図及び第２
図参照）に所要数の層に巻き取って使用される。この場
合、ロービングの配向角を製品の要求性能に合ゼること
かてきる。

積層基材１として用いる編織物は、平織、朱子織りなど
の各種織物、並びにｉＩａ物であり、これらのｗＡ織物
を、繊維の配向方向を考慮して、糸軸の方向を変えて積
層することにより、製品の性能に合せた等方性、異方性
か得られる。

−・方、層間強化用繊維３としては、上述した積層基材
ｌと同質または異質の繊維を所要長に切断した短繊維か
用いられ、これらの繊維を要求性能に合せて組み合せ′
Ｃ使用することかてきる０層間強化用繊維３のｔａ維長
は、それによって強化される積層基材の単位積層材２の
厚さ（１）と、それを積層した積層基材ｌの厚さ（Ｔ）
との間か一応の基準になるか、積層基材１中での折り曲
り等を考慮して、ｔ〜２Ｔの範囲か採用される。

本発明において用いられるシェツト流１２は、得られた
繊維配列基材とマトリックスとの複合化に際して、悪影
響の少ない液体で、粘度か小さく、積層基材１内ての流
動か容易な液体、例えば水が使用されるか、マトリック
スとして使用する素材かエポキシ樹脂のように、低粘度
で、かつジェット処理時の温度ては硬化したり、粘度に
変化のない液体の場合は、それをジェット処理液として
使用し、その後、樹脂の硬化に必要な温度に高めて、直
接硬化し、複合材料を形成することかできる。

また、例えばＭ＆維の表面処理剤等もシェツト処配列基
材の製造後の処理と兼用することもてきる。

ジェット流による層間強化用繊維の再配列化はシェツト
流の作用力か大きいほど効果的てあり、流量か大である
ほど、即ち、ノズルの孔径、流速か大であるほど大きな
作用力か得られるか、過度の流量は、積層基材中の繊維
を乱したつ、層間強化用＃ｌ維を積層基材の外部へ流出
させることになり、効果的居間補強効果か得られなくな
る。

水流によって効果的なジェット処理を行う場合、例えば
、ノズル径０．０４〜（１，１ｈｍφ、射出圧１００〜
１，０００　ｋｇ／ｃｍ’程度か適している。

なお、北述した三次元的多層構造繊維配列基材は、一般
的には、繊維強化複合材料の強化用基材として用いられ
るものであるか、他の用途に使用できることは勿論であ
る。

第１図及び第２図に示す装置及びその装置により円筒状
の三次元的多層構造ｍ維配列基材を製造する方法につい
てざらに計則に説明すると、積層基材１を支持する支持
体１０は、適宜駆動装置により積層基材１の巻き取り方
向に回転駆動される円筒状とし、所隻の厚さに積層した
積層基材１と層聞強化用繊Ｍ１３のウェブ４との積層体
かその円筒状支持体１０に逐次巻き上げなから保持され
る。

ロービングや編織物を積層してなる積層基材１上に、短
繊維からなる居間強化用繊維のウェブ４を積層する手段
としては、第２図に一例として示すように、積層基材１
上に層間強化用繊維３を空気流により分散飛動させる飛
動装置７を設け、積層基材１のＦ方に上記飛動装置７で
飛動した繊維３を吸引により積層基材１上に捕捉する吸
引タクト８を設けるなどの手段を利用することができる
か、カートマシンやウェーブフォーマ等を用い、層間強
化用ｉＪ［３を予め不織布状としたうえて、積層基材ｌ
に改ねて供給するなど、各種手段な用いることかり」る
。

積層基材ｌの上に積層した層間強化用繊維のウェブ４に
対しては、水等の高圧シェツト流Ｉ２を射出するノズル
１１か対向配置され、層間強化用繊維３は、そのノズル
１１から噴射される細いジェット流１２の作用を受けて
積層基材ｌの内部へ入射される。この場合に、積層基材
１内においてシエ、ント流１２の進行方向に位置する繊
維及び繊維束は、その高圧ジェット流の圧力によって変
位し、シエ・ント流は支持体１０に向かって１ａ進する
。そして、　２１４層基材１内に入射された層間強化用
繊ｉ！Ｉ３は、支持体ＩＯの表面へ向かって直進する高
圧ジェット流１２の推力を受け、シェツト流に沿って移
動し、積層基材１の積層面に対して直交する姿勢で再配
列される。

ジェット流１２か支持体ｌＯの表１ｍにまで達したとき
は、シェツト流か支持体表面に衝突して減速し、その一
部は反射流に、一部は支持体の表面に沿った流れとなっ
、て流出するか、シェツト流の減速の結果、七記再配夕
ＩＩされた層間強化用繊維３，３゜・・は、積層基材ｌ
の准雅による拘束力かシェツト流１２による作用力より
大きくなるため、積層面に直交する姿勢か保持される。

上記ノズル１１からの細い高圧シェツト流１２は。

支持体１０の回転動と該支持体の回転軸に沿うノズル１
１の往復移動により、積層基材ｌとの相対的位１δを変
えなから射出され、積層基材１に対して全面的に高圧シ
ェツト流１２の作用か手えられる。

上記積層基材ｌを多段に重ねて、それらに対し層間強化
用繊維３，３．・・によるＸ！！接状態を与えるために
は、高圧ジェット流１２を作用させることにより層間強
化用繊維を挿入した積層基材１の上に、ウェブ４を積層
した積層基材１を重ねて巻き付け、この積層体に高圧ジ
ェット流１２を作用させればよく、それにより、最初の
積層基材１に重ねた積層基材ｌ内及び両端層基材１，１
間に層間強化用＃ａ都３　、３　’；・１・をランダム
に挿入し、各積層基材５、二ノ の層間及び両積層基材間に層間強化用繊維による連接状
態をかえることかでき、三次元的多層構造繊維配列基材
の厚さを自由に調整することかできる。

また、支持体１０の形状を変形させて適宜回転体形状と
し、その表面に積層基材１を巻き付けることにより、任
意回転体形状の三次元的多層構造繊維配列基材を得るこ
とかてさる。

さらに、支持体を回転させることなく、任、低形状の静
市した支持体とし、そのうえにクエン４及び積層基材１
をａ置して同様のシェツト処理を行うことにより、任意
形状の三次元的多層構造繊維配列基材を得ることかでき
る。

上記実施例で述べた積層基材は数層の単位請層材２の最
上層に層間強化用ｍ維のマットを積層した構成であるか
、その積層数か多い場合、または積層基材のｊ’ａＭ配
列密度か大きい場合には、中位積層材の各層または数層
毎に層間強化用繊維３を配したサンドイッチ状の構成と
することにより、効果的層間強化を行うことかてきる。

なお、ＩＡ中、　１３．１３はシェツトの作用域外ての
譲雄の離脱、飛散を防止するために設置したローラ、Ｉ
４はシェツト流を発生させるための高圧発生装置　（図
示せず）とノズル１１とを連結する高圧ホース、１５は
ノズル１１をトラバースするためのガイドである。

第４１Ａの実施例は、上記積層基材を多段に重ねた上面
状とし、それらを層間強化用Ｍ＆維により連接するよう
にしたもので、積層基材１ａ、ｌｂ、ｌｃとウェブ４ａ
、４ｂ、４ｃからなる積層体を支持するための支持体２
０を、駆動装置により直線的に駆動される平面状のコン
ベヤとし、前記実施例の場合と同様な飛動装、？２７及
び吸引タクト８により各積層法村上に層間強化用ｍ維の
ウェブを積層した積層体を、上記支持体２０上に間隔を
置いて順次重ねて供給可に対してそれぞれ高圧ジェット
流１２を作用さｆるノズル１１を対向配置している。

このように構成すると、高圧シェツトＩ＆１２を作用さ
せることにより層間強化用繊維を挿入した積層基材１ａ
の上に、同様の層間強化用繊維のウェブ４ｂを積層した
積層基材１ｂを重ね、この積層体に高圧シェツト１１ｔ
１２を作用させて、最初の積層基材１ａに看ねた積層基
材１ｂ内及び両端層基材１ａ、ｌｂ間に層間強化用繊維
をランダムに挿入し、各積層基材ｌａ、ｌｂ、ｌｃ内の
単位積層材層間及び各積層基材相１７間に層間強化用繊
維による連接状態をケえることかできる。

次に、第５図に基づいて、試作した三次元的！・層構造
ｍｓ配列基材の層間剥離力に関する実験結果について説
明する。

積層基材としては、３００　ｆ］本のフィラメントから
なる炭素繊維ローピンクをたて糸密度５本／’（、＋１
１、よこ糸密度５本／ｃｍて製織した？！＆物を積層し
て用い、また１層間強化用Ｍ＆維としては、積層基材の
織物に用いた炭素ｆａ雄ローヒ゛ンクと同しロービング
を４ｂｍに切断して作成した短Ｈ＆維のウェブ（１０４
ｇ／　ｍ’　）を使用した。上記の積層基材を直径１０
ｃ＋＊のシソンタに５層に巻き取り、その最外周に層間
強化用Ｈ＆維である上記短繊維ウェブの１層を重ね、高
圧シェツト流を作用させた。高圧ジエ・ント流による処
理は、ノズル径０．１■、ジェット射出圧４００Ｋｇｆ
／ｃｍ’の条件て行った。

上記条件て処理した試料について、＠離力をＴテスト法
によって行った結果を第４図に示している。同図°Ｃは
、層間の結合力（層間強度）に相当するｔｑ離雌刃縦軸
にとり、各層の剥離力を示しているが、３層までの層間
に大さな」雌刃が得られており、層間の強化効果か認め
られる。

［発明の効果］ Ｌ述した本発明によれば、極めて簡単な手段により積層
基材ＪｐＪ積層面に直交するよう層間強化用繊維を配列
して、層間剥離強度の大きな繊維強化複合材料用の三次
元的繊維配列基材を得ることかでさ、従来の織物積層方
式の強化複合材料か層間せん断や層間剥離に弱いという
欠点を大きく改善し、複合材料の性能か高められる。

また、本発明ては、積層基材の形状に合わせた支持体の
回転と高圧ノズルの相対的移動という簡単な機構によっ
て目的を達成てさる利便性を有し、従来の各種の機械的
手段による三次元織物か、複雑な機構を必要とする機構
上の制約から。

基材（織物）の大きさか限定され、あるいはその製織装
置の自動化か困難である点に対する改善策を与えるもの
である。

さらに、本発明においては、積層基材を支持する支持体
の形状を構造要素や最終製品の形状に合わせて高圧ジェ
ット処理を行うことにより、製品の形状に合わせた立体
的三次元繊維配列基材を直接得ることかてき、これを基
材とした複合材料は裁断や接合に伴う欠陥発生の危惧か
なく、製品に対する信頼性の向上か図られる。

また、積層体の形成に際して、その繊維配列方向を最終
製品の要求性能に合わせることにより、繊維複合材料の
製造工程か理想的としているニヤーネトシェーブの手法
に近づき、製品の設計資料に基づいた成形か可能となる
。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明に係る三次元的多層構造繊維
配列基材を製造する装置の正面図及び側面図、第３図は
本発明によって製造される三次元的多層構造繊維配列基
材の模式的断面図、第４図は他の装置の実施例を示す正
面図、第５図は試作した三次元的多層構造ｍ維配列基材
の居間剥離力に関する実験結果のグラフである。 １、ｌａ、１ｂ、１ｃ・・積層基材、 ３・・層間強化用ＦＩ＆維、 ｌｆｌ、２０　・・支持体、　１１・・ノズル、１２・
　・ジェット流。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. １．ロービングや編織物を積層してなる積層基材上に、
   短繊維からなる層間強化用繊維のウエブを積層し、この
   積層体に高圧ジェット流を作用させることにより、層間
   強化用繊維を積層基材の積層面に対して直角な方向に配
   向して該積層基材内にランダムに挿入し、積層基材の層
   間に該層間強化用繊維による連接状態を与えることを特
   徴とする三次元的多層構造繊維配列基材の製造方法。
2. ２．特許請求の範囲第１項記載の方法によって製造した
   三次元的多層構造繊維配列基材上に、同様の層間強化用
   繊維のウエブを積層した積層基材を重ね、この積層体に
   高圧ジェット流を作用させることにより、その層間強化
   用繊維を最初の積層基材に重ねた積層基材内及び両積層
   基材間にランダムに挿入し、各積層基材の層間及び両積
   層基材間に層間強化用繊維による連接状態を与えること
   を特徴とする三次元的多層構造繊維配列基材の製造方法
   。
3. ３．ロービングや編織物を積層してなる積層基材上に、
   短繊維からなる層間強化用繊維のウエブを積層する手段
   と、上記積層基材とウエブからなる積層体を支持する支
   持体と、上記支持体上に載置した積層体に対してその積
   層面に直角な方向に高圧ジェット流を作用させるノズル
   とを備えたことを特徴とする三次元的多層構造繊維配列
   基材の製造装置。
4. ４．特許請求の範囲第３項記載の装置において、積層基
   材とウエブからなる積層体を支持する支持体を、駆動装
   置によりその積層体を巻き取る方向に回転駆動される円
   筒状の支持体としたことを特徴とする三次元的多層構造
   繊維配列基材の製造装置。
5. ５．特許請求の範囲第３項記載の装置において、積層基
   材とウエブからなる積層体を支持する支持体を、駆動装
   置により直線的に駆動される平面状の支持体とし、積層
   基材上に層間強化用繊維のウエブを積層した積層体を上
   記支持体上に間隔を置いて順次重ねて供給可能にすると
   共に、支持体上に供給した各積層体に対してそれぞれ高
   圧ジェット流を作用させるノズルを対向配置したことを
   特徴とする三次元的多層構造繊維配列基材の製造装置。