JPH04136531A - Ｆｒｐ板ばね及びその製造方法 - 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〕 この発明は、ＦＲＰ板ばねおよびその製造方法に関する
。 〔従来の技術〕 最近の自動車等の車両や航空機では、主として燃料消費
効率の向上を目的として軽量化が図られており、その−
手段としてばね材の軽量化が求められている。また、各
種の産業機械においても、種々の目的から軽いばね材が
求められ、ここにおいて、強化繊維とマトリックス樹脂
との組合せによって優れた機械的特性を有するＦＲＰに
注目され、新しい工業材料としてばね材への用途の展開
が行われている。 従来のＦＲＰ板ばねは、マトリックス樹脂にエポキシ樹
脂やポリエステル樹脂を使用したもので。 炭素繊維やガラス繊維のロービング材をばね素材として
、マトリックス樹脂をそれに含浸させたものであった。 〔発明が解決しようとする課題〕 ＦＲＰにおいて、マトリックス樹脂は、強化繊維を一体
化し、それとの結合を介して樹脂が持つ物性上の欠点を
補いながら、その特性を成形品の中に保持するという重
要な役割を果たすものである。 また、マトリックス樹脂に要求される物理的諸性質とし
ては、高い靭性や強度の他、成形作業性が良好なこと、
耐熱性を具備していること等が挙げられる。 しかし、従来、マトリックス樹脂の選定やぼね素材の構
成等から、そのような諸特性を十分に具備した板ばねは
なかった。 この発明は、上記のような実情に鑑みて、高強度・高剛
性で耐熱性に優れ、且つ作業性の良好なＦＲＰ板ばね及
びその製造方法を提供することを目的とした。 〔課題を解決するための手段〕 上記の目的を達成するために、この発明者等は、種々実
験と研究を重ねた結果、マトリックス樹脂には、バラン
スのとれた物性、成形の容易さ、強化材との良好な接着
性、さらに耐熱性が良好という研究結果から、脂環式エ
ポキシ樹脂を選定し、この発明を完成するに至った。 即ち、この発明の構成は次の通りである。 １）ＦＲＰ板ばねについては、強化繊維からなるロービ
ング材１の間に、同じく強化繊維からなるクロス２を積
層し、マトリックス樹脂Ｍが脂環式エポキシ樹脂である
ものである。 ２）ＦＲＰ板ばねの製造方法については、ＦＷ法により
強化繊維からなるロービング材１を形成するとともに、
ロービング材１の間に強化繊維からなるクロス２を積層
し、マトリックス樹脂Ｍに脂環式エポキシ樹脂を使用す
るものである。 〔作　　用〕 ＦＲＰ板ばね及びその製造方法を上記のように構成した
から、ＦＲＰ板ばねの製造の作業能率を高めることがで
き、また、複合材としての特性が発揮された高強度・高
剛性の板ばねを得ることができた。これは、前記したよ
うに脂環式エポキシ樹脂がバランスのとれた物性を有す
ること、成形が容易であること、強化材との良好な密着
性や耐熱性が良好なこと等が第一義的に考えられる。 そこで、板ばねＳの構造においては、マトリックス樹脂
Ｍが強化繊維と親和性が良好なことから、板厚方向のク
ラックが改善され、ねじれに対する補強が強化される。 また、製造方法においては、ＦＷ法により特に能率的に
板ばねＳの製造をなすことができる。 なお、脂環式エポキシ樹脂には、環状オキシラン型、芳
香族含有型、グリシジルエーテル型、グリシジルエステ
ル型 次に、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。 実施例は、炭素繊維のロービング材１やクロス２を併用
したミニ板ばねＳの圧縮成形をＦＷ法によった場合であ
って、クロス２の挿入枚数を２層及び６層に分けて試作
し、その試作板ばねＳについて各種評価試験等を行った
。 マトリックス樹脂については、脂環式エポキシ樹脂（■
アサヒ化学研究所製、ＥＸ−１，９）を使用し、それに
酸無水物系硬化剤（上記ＥＸ−１９用硬化剤）を混合し
てマトリックス樹脂Ｍとする。 ＦＲＰの構成材料の物性値は次の表１の通りである。 表Ｉ　　ＦＲＰの構成材料の主な物性値等の種類がある
。なかでも、グリシジルエーテル型は、低粘度、且つ、
接着性、耐熱性等に優れているため、最も使用に適して
いる。 〔実施例〕 ロービング材１の一方向強化炭素繊維の欠点を補完する
目的で用いた炭素繊維クロス２の仕様については、フィ
ラメント数１０００本、重さ１１９ｇ／ｒｒｒとした。 ＦＷ法は、第１図に示すように、ボビンに巻いたロービ
ング材１の炭素繊維１ａを樹脂含浸装置５を通過させた
後、コア６に巻き上げる方法を採用した。 クロス積層構造（挿入枚数７２層及び６Ｍ）については
、所定のＦＷ成形段階でハンドレアツブ方式により挿入
した。樹脂を含浸させたロービング材１及びクロス２が
所定重量に達した後、シーズヒータを組み込んだ上型（
板ばね成形部：Ｒ９００ｍａ＋）及び下型からなる金型
によりホットプレス成形を行った。 成形荷重は、金型温度が５０℃に達した時点で徐々に加
え、ストッパーに隙間がなくなるところで荷重（約１５
を前後）を保持し続けた。成形温度は、１００℃で１０
分間保持した後、１６０℃まで昇温させた。 成形試料は離型後、アフターキュアを１６０℃で３時間
施した。第２図は、このようにして成形した板ばねＳの
外観を示し、ループ型となっている。 ループ型の成形試料より削り出した評価用試験体は、イ
ンストロン型室ひずみ試験機により曲げ試験等を行った
。また、板ばねＳの繰り返し曲げ試験は、小型油圧加振
機を使用した。 失簾藍果及Ｕ工棗 次に、上記試作板ばねＳについての実験結果及びそれに
ついて考察する。 第３図は、繊維と樹脂の分散性を検討するために、板ば
ねＳの断面写真を示したも、のである。 ロービング材１の一方向強化繊維とマトリックス樹脂Ｍ
の状態は、繊維の分散性が全体的に良好であり、樹脂も
繊維を包む形で含浸している。また、クロス２部分にお
いても同様である。 （］）曲げ強さ及′び曲げ弾性率 第４図は、炭素繊維の含有率と曲げ強さ及び曲げ弾性座
の関係を示す。図中には、比較のためクロス積層のみ（
マトリックス樹脂は同じく脂環式エポキシ樹脂）の結果
も合わせて示した。図より、ＦＷ法による炭素繊維ＦＲ
Ｐ（本実施例の仮ばねＳの場合は、後記するようにＯｌ
ｏおよびゑ、ムで示される）の曲げ強さは、はゾ１１０
〜１３０　ｋｇ　ｆ　／　ｔｍ　”の範囲にあり、クロ
ス積層のみのような大きな変化は認められなかった。ま
た、クロス積層の時に比べて、ＦＷ法による炭素繊維Ｆ
ＲＰの曲げ強さは、Ｖｆ（強化繊維体積含有率）が６０
％前後で約３５〜４０ｋｇｆ／閣２向上させることがで
きた。 これは、ＦＷ法により、繊維の積層方向が力の作用方向
に対して同じになったためと考えられる。 また、曲げ強さはＶｆが６０数％前後で最大値を示し、
７０％以上では低下する傾向にある。これは。 繊維−本一本の周囲を包括するためのマトリックス樹脂
がはじき出され、界面において繊維と接着するための樹
脂量が不十分になるためと考えられる。また１曲げ弾性
率は、Ｖｆの増加とともにはゾ直線的に上昇している。 これは、繊維の剛性が曲げ弾性率に直接的に関与してい
るためと考える。 また、クロス積層法に比べ曲げ弾性率は、約３×１０″
〜４　Ｘ　１０３ｋｇｆ／ｍ＋２向上させることができ
た。 ばねへの適用を検討した場合、Ｖｆは曲げ強さが低下せ
ず、しかも弾性率が約８．５　Ｘ　１０３ｋｇｆ／ｍ”
前後を取ることが出来る含有率６５％前後に設定するこ
とが望ましい０図中の０、Ｃ及びΔ、ムは、耐ねじり強
度を付加するためにＦＷ法によるＶｆが６５％のうち、
約１０％弱をクロス（２層積層構造）。 及び３０％弱をクロス（６層積層構造）に置き換えて挿
入した試料の試験結果である。図より、クロスの２層積
層構造では、曲げ強さ及び弾性率において、ＦＷ法に比
べほとんど差異は認められない。 また、６層積層構造では、曲げ強さで１５ｋｇｆ／■１
、弾性率で７００　ｋｇ　ｆ　／　ｔｎ　”前後低下し
ている。 （２）耐熱特性 第５図は、３０℃における引張り弾性率（ＤＭＡ）試験
機を１００％とし、それより５％低下した時の温度とＶ
ｆとの関係を示した一例である。図より耐熱温度は含浸
しているマトリックス樹脂の量に影響されるため、Ｖｆ
の増加とともに上昇する傾向にある。クロス積層法の場
合は、１６０〜１７０℃、ＦＷ法では１７０〜１８０℃
の範囲にあり、はソ１０℃程度の差が認められる。Ｖｆ
が６５％一定で、ＦＷ−クロス２枚１）及び６枚（０）
の積層構造では、ＦＷ法とほとんど同じ耐熱温度を示し
、は７１８０℃前後であった。 （３）繰り返し曲げ試験 別紙に示す表２は、板ばねＳの繰り返し曲げ試験の結果
である。試験は、部分片振りによる３、也曲げ（スパン
Ｌ＝１９１閣）とし、繰り返し曲げ試験中に発生する最
大応力は、その材料の曲げ応力の９５％となるように初
期設定を行い、試験周波数は１０Ｈｚ、変位が±４ｍの
加振条件で制御した。また、繰り返し寿命回数は、板ば
ねＳの疲労破断又は外観に損傷が生じた回数とした。Ｆ
Ｗ法により製作した一方向強化材では、破断に至るまで
の繰り返し回数は、Ｖｆの増加とともに増大する傾向に
あった。一方、ＦＷ法とクロス積層法を組み合わせたも
のでは、ＦＷ法と比較して一桁少ない回数でクロス層の
剥離が発生したが、これは、マトリックス樹脂が脂環式
エポキシ樹脂以外の樹脂である場合よりも少ない回数で
ある。 第６図は、板ばねの破壊の様相を示したものである。た
だし、クロス層を組み合わせた材料は、１０６回まで加
振後、曲げにより強制的に破断させたものである。図よ
り、一方向強化のみでＶｆが７５％では、破断後、強化
方向の繊維がバラバラの状態になっており、炭素繊維を
十分に集束するためのマトリックス樹脂が足りない状態
にあるものと考えられる。Ｖｆを６４％とすることによ
り、Ｖｆが７５％の時のようにバラバラな破断状態は避
けることができる。しかし、繊維の強化方向と垂直な２
方向、即ち板厚方向、横方向のクラックが認められた。 ＦＷ法−クロス積層法を組み合わせた本発明の場合であ
ると、板厚方向のクラックは改善され、ねじれに対する
補強効果が期待されることが解かる。 〔発明の効果〕 以上説明したように、この発明によれば、強化繊維から
なるロービング材の間に、同じく強化繊維からなるクロ
スを積層したから、板厚方向に対するねじれに強力で高
強度・高剛性の耐熱性板ばねを得ることができ、また、
マトリックス樹脂に脂環式エポキシ樹脂を使用したので
、製造の作業性が良好であり、耐熱性にも優れた板ばね
を製造することができるという優れた効果がある。 ＦＲＰ板ばねの製造方法においては、ＦＷ法−クロス積
層法によるために作業性が非常に良好であり、特に高強
度・高剛性の板ばねの製造を能率的になし得るという効
果を併有する。

【別紙】

表２　繰り返し曲げ試験の結果

【図面の簡単な説明】

図面はこの発明の実施例に関するもので、第１図はＦＷ
法の説明図、第２図は板ばねの斜視図、第３図は板ばね
の断面写真、第４図は炭素繊維の体積含有率と曲げ強さ
及び曲げ弾性率の関係を示すグラフ、第５図は炭素繊維
の含有率と耐熱温度の関係を示すグラフ、第６図は板ば
ねの破壊の様相示す写真である。 Ｍ・・・マトリックス樹脂　　Ｓ・・・板ばね１・・・
ロービング材　　　　２・・・クロス（注１）クロスの
剥離が認められた回数手続補正書（方式） 平成３年６月１２日 平成２年特許願第２５８４２９号 ２、発明の名称 住所 名称 ４、代理人 富山県富山市新総曲輪１番７号 富　　山　　県 知事　中　沖　豊 〒９３０　ｆｉ０７６４−３３−０４７３６、補正の対
象 ７、補正の内容 １）明細書第８頁第１０行目に、「板ばねＳの断面写真
」とあるのを「板ばねＳの断面図」と補正する。 ２）明細書第１３頁第１１行目に、「第３図は板ばねの
断面写真」とあるのを「第３図は繊維と樹脂の分散性を
示した板ばねの断面図であり、ｊに補正する。 ３）明細書第１３頁第１４行〜第１５行目に、「第６図
は板ばねの破壊の様相示す写真である。」とあるのを、
ｒ第６図は各種板ばねの破壊断面の様相を示した斜視断
面図で、同図（ａ）は一方向強化ロービング材のみで且
つＶｆ（強化繊維体積含有率）７５％のもの、同図（ｂ
）は一方向強化ロービング材のみでＶｆ６４％のもの、
同図（ｅ）は一方向強化ロービング材にクロス２層をプ
ラスさせＶｆ６５％のもの、同図（ｄ）は一方向強化ロ
ービング材にクロス６層にプラスさせＶｆ６５％のもの
の各破壊断面を示した図である。」 ４）図面の第３図及び第６図を別紙の通り補正する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）強化繊維からなるロービング材１の間に、同じく強
   化繊維からなるクロス２を積層し、マトリックス樹脂Ｍ
   が脂環式エポキシ樹脂であることを特徴とするＦＲＰ板
   ばね。 ２）ＦＷ法により強化繊維からなるロービング材１を形
   成するとともに、ロービング材１の間に強化繊維からな
   るクロス２を積層し、マトリックス樹脂Ｍに脂環式エポ
   キシ樹脂を使用することを特徴とするＦＲＰ板ばねの製
   造方法。