JPH036241A - 高強度、高弾性率ハイブリッドプリプレグ - 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】 ６」ヱｗｙ 本発明は、ハイブリッドタイプの複合材料に関するもの
であり、特に炭素繊維糸条と異種繊維糸条とにて形成さ
れるハイブリッドタイプの炭素繊維プリプレグ（本明細
書では単に「ハイブリッドプリプレグ」という、）に関
するものである。

【え立且ｊ 近年、軽驕であり、且つ耐熱性、耐水性などの耐環境性
に優れており、しかも機械的特性が良好であるという理
由から５炭素繊維を強化＃ｊｈｍとしたプリプレグが注
目を浴びている。

しかしながら、高弾性炭素繊維、特にピッチ系高りｎ＋
ｔ４ｅ素繊維は１例えば引張強度が３　、０ＧＰａ以−
ヒ、引張弾性率が４５０ＧＰａ以上と言った高引張強度
１．高引張弾性率を有しているが、圧縮強度か低く、最
高でもｌ　＋　０ＧＰａ程度であるという問題を有して
いる。

従って、高弾性炭素繊維を強化繊維として作製された炭
素繊維プリプレグは引張強度、引張弾性率の大きさに比
して圧縮強度が低く、圧縮強度の増大か希求されている
。

が　　しよう　　る 従来、圧縮強度を増大せしめるべく炭素繊維と異種繊維
とを有したハイブリッドプリプレグが提案されており、
現在ハイブリ、ドブリプレグとしては、炭素繊維の層と
異種繊維の層とを植層して形成された層間ハイブリッド
と、１つの層内に炭素ｋａ維の領域と異種繊維の領域を
隣接して配設して形成された層内ハイブリッドとか考え
られている。

このようなハイブリッドプリプレグは、通常の炭１ｋｌ
Ａ維プリプレグに比較すると圧縮強度が相当に増大して
はいるが、実際の＃ａ維の強さには相当のバラツキかあ
り１弱い繊維から順に切断するために、その増大程度は
ハイブリット複合ｆｊ１１に従い、ハイブリットルール
を越えることはなく、未だに十分であるとは言えなかっ
た。

更に１本発明者らは多くの研究、実験の結果ヒ記従来の
ハイブリッドプリプレグの形態とは異なり、例えば炭素
Ｍ＆維糸条と異種繊維糸条とを一様に分散してプリプレ
グを作製した場合のように、炭素繊維糸条と異種繊維糸
条の接触面積を増大せしめることにより、ハイブリッド
複合側で、ハイブリッドルールを越える程度に圧縮強度
が増大することを見出した。

更に、このようなハイブリッドプリプレグにおける炭素
繊維糸条と異種繊維糸条の混合“、９合に対する物性値
の関係を継続して研究したところ、（１）異種繊維糸条
の混入Ｍ合を増大するに従って、圧縮強］■は増大する
が、弾性率は低下すること、又１重要なことに（２）異
種繊維糸条の混合、町−合を増大して、弾性率の低下が
、炭素繊維のみから成る炭素繊維プリプレグの弾性率の
２０％を越えたとしても、それに比例して圧縮強度の増
大が期待できないことか分った。

本発明は斯る新規な知見に基づきなされたものである。

従って、本発明の目的は、最低限度のりｉ性率の低下で
、最大限の圧縮強度を得ることのできる高強度、高弾性
率ハイブリッドプリプレグを提供することである。

るための ト記目的は本発明に係る高強度、高弾性率ハイブリッド
プリプレグにて達成される。要約すれば本発明は、炭素
繊維糸条と、１種以上の異種繊維糸条とを含み、繊維糸
条間にマトリクス樹脂が含浸されたハイブリッドプリプ
レグであって、前記異種＃ｊｉｉＩ＃ｉ糸条は、該ハイ
ブリッドプリプレグの弾性率が、前記炭素繊維糸条のみ
から成る炭素繊維プリプレグが有する弾性率の８０％以
上の大きさとなるように含まれることを特徴とする高強
度、高弾性率ハイブリッドプリプレグである。

１漣ｊ 次に、本発明に係る高強度、高弾性率ハイブリッドプリ
プレグを図面を参照して更に詳しく説明する。

第１図に本発明の高強度、高弾性率ハイブリッドプリプ
レグの一実施例が図示される０本実施例にて、高強度、
高弾性率ハイブリッドプリプレグ１は、炭素Ｍ＆維糸条
２と、１種層−ヒの異種繊維糸条４とを一様に分散して
配列し、繊維糸条間にマトリクス樹脂６が含浸されて構
成される。

炭素繊維糸条２としては、ピッチ系炭素繊維、ＰＡＮ系
炭素炭素繊維−ヨン系炭素繊維を使用することかできる
が、好ましくは引張強度２．０ＧＰａ以り２弾性率２０
０ＧＰａ以−ヒとされる高弓張強度、高引張弾性率の炭
、Ｒ繊維が使用される。

又、炭素繊維糸条としては、一般に、直径５〜１２７７
ｍ程度の７＜ラメントを１０００〜２４０００本集東合
糸することにより形成された炭素繊維ストランド（トウ
）か使用される。

異種繊維糸条４としては、炭素繊維より大きな圧縮強度
を有する繊維なら任意のものを使用することができ、例
えば炭化けい素糸繊維：アルミナ繊維；チタン、鋼、ス
テンレス鋼、ベリリウム、タングステン、モリブデンな
どの金属繊維；はう素繊維：カラス繊維などが挙げられ
る。好ましくは圧縮強度１．５ＧＰａ以りとされる繊維
が使用され、又、繊維糸条としては、一般に、直径５〜
１２声ｍ程度のフィラメントを１０００〜２４０ＯＯ本
集東合糸することにより形成されたストランドが使用さ
れる。

１１ｈ記炭素繊維糸条及び異種Ｍ＆雄糸条から成る強化
繊維に含浸されるマトリクス樹脂６としてはエポキシ樹
脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、ジア
リルフタレート樹脂、フェノール樹脂などの熱硬化性マ
トリクス樹脂が使用打面であり、更に硬化温度が５０〜
１５０℃となるように硬化剤その他の付与剤２例えば可
）＾性付与剤などが適当に添加される。

奸ましい一例を挙げれば、マトリクス樹脂としてはエポ
キシ樹脂が好ましく、使用可使のエポキシ樹脂としては
１例えば、（１）グリシジルエーテル系エポキシ樹脂（
ビスフェノールＡ、Ｆ、Ｓ系エボキン樹脂、ノボラック
系エポキシ樹脂、臭素化ビスフェノールＡ系エポキシ樹
脂）；　　（２）環式脂肪族エポキシ樹脂；　（３）グ
リシジルエステル系エポキシ樹脂：　（４）グリシジル
アミン系エポキシ樹脂；　（５）複素環式エポキシ樹脂
：その池種々のエポキシ樹脂から選択される１種又は複
数種が使用され、特に、ビスフェノールＡＦ、Ｓグリシ
ジルアミン系エポキシ樹脂が好適に使用される。又、硬
化剤としてはジアミノジフェニルスルフォン（ＤＤＳ）
、ジアミノジフェニルメタン（ＤＤＭ）等が好適に使用
される。

強化繊維に対し標準的なマトリクス樹脂の重量を強化繊
維１００に対し１００〜１５０とすることにより製造す
るか、又はマトリクス樹脂を種々に混合し、その５１合
を適当に調合することにより製造される。

又、このようなハイブリッドプリプレグは通常の炭素繊
維プリプレグと同じ方法にて製造し得るが、筒単に説明
すると、長繊維の炭素繊維糸条２と、１種層りの異種＆
ａ維糸条４とを一様に分散させて構成される強化繊維を
連続的に供給すると共に、粘度ｔｏｏｏｏｏ〜５０００
００ポアズとされる熱硬化性マトリクス樹脂を前記強化
繊維へと供給し、該強化繊維にロール等を使用して加圧
加熱含浸させ、所定厚さ１通常０．０５〜０．３ｍｍと
し、未硬化の状態（即ち、軟質状！ム）で樹脂塗上紙と
上カバーフィルムにて挟持して巻取りロールに巻き取る
ことにより製造される。

又、別法として、ドラムに長Ｍ＆雄の炭素ｍ雑糸条と１
種以上の異種＃ａ維糸条とを一様に分散させて構成され
る強化繊維を巻き付けることにより作製される。所謂、
ドラムワインディングにて作製することもできる。

第２図には、上記構成のノーイブリッドプリプレグ１に
おいて、炭素繊維糸条２と異種繊維糸条４との混合割合
を変えることにより多くの／＼イブリッドプリプレグを
作製し、各／λイブリッドプリプレグの弾性率と、圧縮
強度とを測定した結果を示す、炭素繊維糸条２に対する
異種繊維糸条４の混合割合を増すに従って弾性率は減少
した。

第２図から、異種繊維糸条の混入°Ｍ合を増大すること
により生じるハイブリッドプリプレグの弾性率の低下が
、使用された炭素繊維のみから成る炭素繊維プリプレグ
が有する弾性率の２０％以下である場合には、ハイブリ
ッドプリプレグの圧縮強度は飛躍的に増大するが、弾性
率の低下割合が２０％を越えるとハイブリッドプリプレ
グの圧縮強度の増大率は急激に低下し、弾性率が低下す
る割には圧縮強度の増大が期待できないことが理解され
る。

つまり、高強度、高弾性率ハイブリッドプリプレグを得
るには、ハイブリッドプリプレグにおける異種繊維糸条
の含有醍は、ハイブリッドプリプレグの弾性率が炭素繊
維糸条のみから成る炭素繊維プリプレグの弾性率の８０
％以ヒの大きさとされる程度であることがＭｅである。

又、本発明によれば、使用される炭素繊維及び異種ｍ維
の、物性及び混合割合、更にはマトリクス樹１１″Ｌ１
に対する含浸率を変えることにより、又使用されるマト
リクス樹脂の組成物配合割合を種々に変えることにより
種々の圧縮強度、引張強度、引張弾性率、更には靭性を
提供するハイプリー７ドブリプレグが作製される。

更に、本発明に係る高強度、高弾性率ハイブリッドプリ
プレグは、第１図に図示される構成のハイブリッドプリ
プレグ１に限定されるものではなく、第３図〜第６図に
図示される構成のハイブリッドプリプレグｌａ〜１ｄと
することもできる。

つまり、第３図のハイブリットプリプレグｌａは、１つ
の層内にて炭素ｍ維糸条２と異種＃ａ維糸条４が層状に
配列されている。第４図のハイブリッドプリプレグｌｂ
は、１つの層内にて、炭素繊維糸条２と異種繊維糸条４
が交互に配列された層状体がｙｉ層して配列されている
。第５図のｌλイブリッドプリプレグ１ｃは、１つの層
内にて炭素繊維糸条２から成る層と５炭素繊維糸条２と
異種繊維糸条４とが交互に配列された層とが層状に配列
されている。第６図のハイブリッドプリプレグ１ｄは、
１つの層内にて炭素繊維糸条２と異種繊維糸条４が層状
に配列されており、且つ両糸条２．４は傾斜した接合面
にて接触している。

第７図及び第８図は、第１図及び第３図〜第６図の構成
を有する炭素縁ｍ／炭化けいＸ系繊維によるハイブリッ
ドプリプレグ、及び炭素繊維／アルミナ繊維によるハイ
ブリッドプリプレグのハイブリッド複合剤を表わすグラ
フである。

第７図を参照すると、炭素繊維の強度はラインＡＢで示
され、炭化けいＸ系繊維の強度はラインＣＤで示される
。従って、複会則、即ちハイブリッドラインはラインＡ
ＥＤで表わされる。

従来の炭素繊維／炭化けいＸ系繊維による／Ｓイブリッ
ドプリプレグではハイ゛ブリフドライン以上の強度を達
成することは不可能であったが、上記構成のハイブリッ
トプリプレグ１及びｌａ〜１ｄによれば、圧縮強度はラ
インＡＥＤで囲包された斜線部分に位置するまで増大さ
せることができた。

また、第８図に図示される炭素繊維／アルミナ繊維によ
るハイブリッドプリプレグのハイブリッド複合剤におい
ても同様であった。

次に、本発明を実施例について説明する。

輝Ｏｕ 炭素Ｍｌｌ維糸条として直径１０．ｕｍのモノフィラメ
ント３０００本を集東合糸したストランド（トウ）を使
用した。該炭素繊維は、引張強度が３゜０ＧＰａ、引張
骨、性率が７００ＧＰａであつた。

又、異種繊維糸条としては、炭化けいＸ系繊維（口木カ
ーボン株式会社製、商品名：ニカロン、ＮＬ２０１）を
使用した。該炭化けいＸ系繊維は直径１５．４ｍのモノ
フィラメント５００本を集東合糸したストランド（トウ
）であった。

炭素繊維糸条と炭化けいＸ系繊維は１体積比で炭素繊維
（８９）／炭化けい素繊維（ｌ　ｌ）の割合にて一様に
分散せしめ、強化繊維を形成した。

該強化繊維を１次の如くに調製されたマトリクス樹脂が
塗布されているドラムワイングーの表面に巻き付けた。

マトリクス樹脂は、油化シェルエポキシ株式会社製のビ
スフェノールＡ系エポキシ樹脂ＥＰ８２８（商品名）／
ＥＰＬＯＯＩ　（商品名）を５０ｇｒ１５０ｇｒ、硬化
剤としてジシアンジアミド４　、２　ｇ　ｒ、　ＤＣＭ
Ｕ　（Ｎ−３，４ジクロロフェニレンＮ′−ジメチルウ
レア）４．２ｇｒを含有したものであった。

このようにして、厚さ０．．１ｍｍの一方面ハイブリッ
ドプリプレグを製造した。このとき、マドリス樹脂に対
する強化繊維の量、つまり含浸率は樹脂／繊維体積比が
４０／６０であった。

該ハイブリッドプリプレグを２０枚使用し、２ｏＰｆ：
構成の１２．７（ＩｌｌＩＪ）　Ｘｌ、８９　（厚）×
１４０　（長）ｍｍの曲げテスト用テスト片Ｔを作製し
た。

テストは、第９図に図示されるように、テスト片Ｔを両
端２箇所８．ｌＯで支持し、中央部２箇所より負荷Ｐを
かけ、テスト片を屈曲させた。テスト片の引張側で初期
破断が起これば引張強度を、圧縮側で初期破断が起これ
ば圧縮強度を推定することができる。圧縮強度は、テス
ト片の圧縮側にクラックが入り応力が低下する点の曲げ
強度によって評価した。又、計算により弾性率を求めた
。

テストの結果、初期破壊は圧縮側に起こり、最終破断は
引張側で起こったが５分断しなかった。

最大圧縮側破断ｒＪ重は４４Ｋｇであり、このときの曲
げ強度は７８　Ｋ　ｇ　／　ｍ　ｍ’であり、歪は０．
５１であった。

又１弾性率は３０ｔｏｎ／ｍｍ’であり１本実施例にお
ける弾性率の低下は、後述の比較例２と比較すれば理解
されるように、１８％であった・第７図から１本発明の
ハイブリッドプリプレグは、ハイブリッドルール（ライ
ンＥＤ）以上の強度（点Ｘ）を有していることが分る。

埼紋遺」 炭素Ｍ＆維糸条と炭化けい素糸繊維の混合割合を体積比
で５７／４３にした以外は実施例１と同じ材料及び方法
にてハイブリッドプリプレグを作製し、同様にしてテス
トを行なった。

テストの結果、荷１６５Ｋｇにて引張側にクラックが入
ったが、分断しなかった。このときの曲げ強度はｌ　ｌ
　５．Ｋ　ｇ／　ｍｍ’テあり、歪は１．９６であった
。

又、弾性率は２５ｔｏｎ／ｍｒｎ’であり、本比較例に
おける弾性率の低下は、後述の比較例２と比較すれば理
解されるように、２９％であった。

皿紋逍」 強化繊維として直径１０．４ｍのモノフィラメント３０
００本を集東合糸した炭素ａｍストランド（トウ）のみ
を使用した以外は実施例１と同様にして炭素繊維プリプ
レグを作製し、同様にしてテストを行なった。

テストの結果、荷％４６Ｋｇにて圧縮側にクラックが入
り、分断した。このときの曲げ強度は７４　Ｋ　ｇ　／
　ｍ　ｒｎ’であり、歪は０．２１であった。

従って、弾性率は３５　＊　ｏ　ｎ　／　ｍｍであった
。

支ム遣」 異種繊維糸条として、直径１５．ｕｎのモノフィラメン
ト１０００木を集東合糸したアルミナ繊維（住友化学株
式会社製、商品名：５Ｎ−１０）を使用した以外は実施
例１と同様にしてハイブリッドプリプレグを作製し、同
様にしてテストを行なった。

テストの結果、初期破壊は圧縮側に起こり、最終破断は
引張側で起こったが、分断しなかった。

最大圧縮側破断荷重は４１Ｋｇであり、このときの曲げ
強度は７７Ｋｇ／ｍＴｒｌ’であり、歪は０．５２であ
った。

又、弾性率は３２ｔｏｎ／ｍｒｎ’であり１本実施例に
おける弾性率の低下は、上記比較例２と比較すれば理解
されるように、１８％であった。

第８図から、本発明の／＼イブリッドプリプレグは、ハ
イブリッドルール（ラインＥＤ）以上の強度（点Ｘ）を
有していることが分る。

Ｌ艶ｌ」 炭素繊維糸条とアルミナ繊維の混合割合を体積比で５７
／４３に１７だ以外は実施例２と同じ材料及び方法にて
ハイブリッドプリプレグを作製し、同様にしてテストを
行なった。

テストの結果、荷１５６Ｋｇにて引張側にクラックが入
ったが２分断しなかった。このときの曲げ強度はｌ　Ｏ
５Ｋ　ｇ／　ｍｒｎ’テあり、歪は１．８２であった。

又、弾性率は２５ｔｏｎ／ｍｒｎ’であり、本比較例に
おける弾性率の低下は、上記比較例２と比較すれば理解
されるように、２３％であった。

上記実施例及び比較例から、（１）異種＃ａ雑糸条の混
入割合を増大せしめるに従って、圧縮強度は増大するが
１弾性率は低下すること、又。

（２）異種繊維糸条の混合割合を増大して、弾性率の低
下が、炭素繊維のみから成る炭素繊維プリプレグの弾性
率の２０％を越えたとしても、それに比例して圧縮強度
の増大が期待できないことが分った。

犬ｍ米 以上の如くに構成される本発明に係る高強度高弾性率ハ
イブリッドプリプレグは、最低限度の骨性率の低下で、
最大限の圧縮強度を得ることができるという特長を有す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は１本発明に係るハイブリッドプリプレグの一実
施例の断面模式図である。 第２図は、弾性率低下割合と圧縮強度増大率の関係を示
すグラフである。 第３図〜第６図は、本発明に係るハイブリットプリプレ
グの他の実施例の断面模式図である。 第７図及び第８図は、本発明に係るハイブリッドプリプ
レグのハイブリッド複合剤を説明するグラフである。 第９図は テスト方法を説明する説明図であ る。 ２　： 炭素繊維糸条 ４　： 異種繊維糸条 第３図 第４図 第５図 第６図 第２図 １０　２０　３０　４０　５０ ヲ里十タミ竿イｅ（ゴ；（’／、） にｇｆ／ｍｍ２ 二カロンＶｏＬ比率（％）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）炭素繊維糸条と、１種以上の異種繊維糸条とを含み
   、繊維糸条間にマトリクス樹脂が含浸されたハイブリッ
   ドプリプレグであって、前記異種繊維糸条は、該ハイブ
   リッドプリプレグの弾性率が、前記炭素繊維糸条のみか
   ら成る炭素繊維プリプレグが有する弾性率の８０％以上
   の大きさとなるように含まれることを特徴とする高強度
   、高弾性率ハイブリッドプリプレグ。