JPH0549023B2

JPH0549023B2 -

Info

Publication number: JPH0549023B2
Application number: JP63050918A
Authority: JP
Inventors: Akira Nishimura; Kyoshi Pponma
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 1988-03-03
Filing date: 1988-03-03
Publication date: 1993-07-23
Also published as: JPH01225538A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］この発明は、炭素繊維強化プラスチツク
（CFRP）や炭素繊維強化炭素（CFRC）、炭素繊
維強化金属（CFRM）等の複合材料を成形する
際に使用するプリフオーム材に関する。

［従来の技術］複合材料を成形する際に、炭素繊維織物等から
なるシート状補強基材を使用することがよくあ
る。その場合、たとえば米国特許第4622254号明
細書に記載されているように、補強基材を積層
し、縫糸で一体に縫合してプリフオーム材として
おくことがある。そうすると、成形時に補強基材
をいちいち積層する手間が省けるばかりでなく、
縫糸による、プリフオーム材、ひいては複合材料
の層間剪断強度や層間剥離強度等の向上が期待で
きるからである。

ところで、そのようなプリフオーム材を製造す
るときに使用する縫糸としては、ガラス繊維糸
や、ポリエステル繊維糸等の有機繊維が使われる
こともあるが、これらは、吸水性が大きかつた
り、耐熱性が低かつたり、複合材料の、たとえば
マトリクス樹脂との接着性が悪かつたり、炭素繊
維との熱膨脹差が大きいために熱サイクル疲労に
よる複合材料の特性劣化があつたり、強度や弾性
率等の力学的特性が劣つているなどの問題がある
ため、そのような心配の少ない炭素繊維糸の使用
が最も好ましいとされている。ところが、炭素繊
維糸を単なる繊維束の形態のまま使用すると、炭
素繊維は大変脆いために、縫合時に擦過によつて
単繊維切れを起こしたり、著しい毛羽立ちを生じ
たりして、プリフオーム材、ひいては複合材料の
機械的特性や信頼性はなかなか向上しない。

［発明が解決しようとする課題］この発明の目的は、従来のプリフオーム材の上
述した問題点を解決し、縫合時の単繊維切れや毛
羽立ちの心配が少ないゆえに、プリフオーム材、
ひいては複合材料の機械的特性を向上させること
ができ、また、信頼性を向上させることができる
プリフオーム材を提供するにある。

［課題を解決するための手段］上記目的を達成するために、この発明において
は、複数枚の、炭素繊維からなるシート状補強基
材が層状に配置され、かつ、縫糸によつて一体に
縫合されており、上記縫糸は、 (a) 炭素繊維束からなる複数本の単糸を有し、 (b) 上撚を有し、 (c) 繊度が3000デニール以下であり、 (d) 結節強度が１ｇ／デニール以上であり、各前記単糸は、 (イ) 上記上撚とは逆方向の撚を有し、 (ロ) 単繊維の繊度が0.5デニール以下であり、 (ハ) 単繊維の破断伸度が2.5％以上である、ことを特徴とする複合材料用プリフオーム材が提
供される。

この発明を詳細に説明するに、この発明のプリ
フオーム材は、複数枚の、炭素繊維からなるシー
ト状補強基材の層状構成を有する。しかして、す
べての補強基材は縫糸によつて一体に縫合されて
いる。プリフオーム材の形状は、通常、平板状で
あるが、そのような形状に限るものではなく、用
途等に応じて、たとえば、曲板状や、管状や、Ｈ
型、Ｉ型、Ｔ型等の型材形状など、いろいろな形
状を採ることができるものである。なお、補強基
材は、マトリクス、たとえば樹脂が含浸されたプ
リプレグであつてもよい。

補強基材は、平織物、綾織物、朱子織物等の織
物や、編物、マツトなどからなつている。織物の
場合、通常の、いわゆる２方向性織物のみなら
ず、一方向性織物や、バイアス織物や、特公昭57
−52221号公報に記載されている。いわゆるノン
クリンプ織物等を使用することができる。また、
編物は、たとえば特開昭59−157361号公報に記載
されているような、複数本の炭素繊維束を互いに
並行かつシート状に引き揃えてなる糸条群を、複
数個、隣接する群間で炭素繊維束の方向が互いに
交差するように層状配置するとともに、編糸で編
組織してなるようなものであつてもよい。これら
の織物や編物、マツト等からなる補強基材は、単
独で用いてもよく、組み合わせて用いてもよい。

補強基材が、特に織物や編物からなるものであ
る場合、それを構成している織糸や編糸、つまり
炭素繊維束は、炭素繊維径にもよるが、単繊維数
が3000〜30000本程度であるのが好ましい。また、
炭素繊維束は、複合材料を成形する際のマトリク
スの含浸性を向上させるために、無撚であるのが
好ましい。多くても、15ターン／ｍ以下であるよ
うにする。また、JIS Ｒ 7601に規定される方法
に準じて測定した引張強度が350Kg／mm²以上、引
張弾性率が20×10³Kg／mm²以上であるような、高
強度、高弾性率炭素繊維束であるのが好ましい。
炭素繊維束には、後述する縫糸もそうであるが、
サイジング剤が付与されていてもよい。なお、そ
のような炭素繊維束からなる織糸や編糸として、
繊度が500〜3600デニール程度のものを用いるこ
とや、織物の場合、目付が、２方向性織物で160
〜400ｇ／m²、一方向性織物で80〜200ｇ／m²程度
のものを用いることは、縫糸による縫合時の形態
安定性を向上させ、プリフオーム材、ひいては複
合材料の機械的特性を向上させるうえで好ましい
ことである。

また、補強基材が織物や編物からなるものであ
る場合には、それを構成している炭素繊維束が任
意の方向を向くように積層する。たとえば、プリ
フオーム材、ひいては複合材料に疑似等方性を与
えたい場合には、隣接する補強基材間で、炭素繊
維束の方向が、たとえば45°づつずれるように積
層することができる。積層数は任意に選び得る
が、厚み方向中心からみたとき、炭素繊維束の方
向が鏡面対称になるようにすると、複合材料にし
たときの反りが防止されるようになるので好まし
い。

さて、層状に配置された補強基材は、上述した
ように、縫糸によつて一体に縫合されている。縫
合は、単環縫いか本縫いによつて行われる。好ま
しいのは、プリフオーム材の中で上糸と下糸とが
絡み合わない単環縫いである。縫合ピツチは、５
〜20mm程度でよい。また、縫合は、通常、補強基
材の全面にわたつて５〜20mm程度の間隔で一様に
行うが、要所、たとえば、端面に近い部分や、孔
を有するような場合にはその孔の周りにおいて縫
合間隔を密にするようなこともできる。

さて、縫糸は、繊度が3000デニール以下であ
り、結節強度が１ｇ／デニール以上であるもので
なければならない。このような縫糸を使用するの
は、次のような理由による。

すなわち、縫糸はプリフオーム材の面に位置す
ることになるため、3000デニールよりも太いと、
プリフオーム材、ひいては複合材料の表面の凹凸
が大きくなつてマトリクス過多の部分ができやす
くなり、機械的特性や信頼性に優れた複合材料を
得ることができなくなる。下限は、縫糸として使
用に耐えるのであればいかほどでもよい。また、
結節強度が１ｇ／デニールよりも低いような縫糸
では、縫合時に切れたり、切れないまでも単繊維
切れや毛羽立ちが著しくなつて、やはり、プリフ
オーム材、ひいては複合材料の機械的特性や信頼
性が大きく低下するようになる。なお、結節強度
は、ASTM Ｄ 2556によつて測定する。

また、縫糸は、炭素繊維束からなる複数本の単
糸を有し、かつ合撚による上撚を有している。し
かして、上記単糸は、上撚とは逆方向の撚を有す
る。このような上撚の方向と単糸の撚の方向との
関係は、単繊維を拘束して単繊維切れや毛羽立ち
を有効に防止するうえで、また、縫糸自身の解撚
トルクと単糸が縫糸に与える解撚トルクとをバラ
ンスさせて縫糸のねじれを防止し、縫合操作を容
易にするうえで、また、製品間におけるばらつき
を少なくして複合材料の信頼性を向上させるうえ
で、さらには、機械的特性に優れた複合材料を得
るうえで必須の要件である。単糸の好ましい撚数
は、20〜180ターン／ｍの範囲で、かつ上撚数の
0.1〜0.8倍である。

縫糸を構成している単糸は、単繊維の繊度が
0.5デニール以下で、破断伸度が2.5％以上、好ま
しくは3.5％以上であるものでなければならない。
すなわち、繊度が0.5デニールを越えるような太
い単繊維では、縫合時の曲げによる発生応力が大
きいために、単繊維切れや毛羽の発生を有効に防
止することができなくなる。加えて、単繊維切れ
や毛羽の発生の防止には、繊度が0.5デニール以
下であるということのみでは十分でなく、破断伸
度が2.5％以上であることも合わせて必要である。
すなわち、単繊維が縫合時に曲げられると、その
単繊維には引張の圧縮の応力が同時に発生するこ
とになるが、引張と圧縮を繰り返し受けたときの
単繊維切れや毛羽の発生は、破断伸度が2.5％以
上と大きい単繊維でなければ防止することができ
ない。

ここで、単繊維の破断伸度は、いわゆる単繊維
ループ試験法によつて測定する。この方法は、グ
リセリンを１〜２滴たらしたガラス板上に単繊維
をそれがループを１回形成するように起き、その
上にプレパラートを起き、顕微鏡で上記ループを
視野にとらえながら単繊維の両端を一定速度で引
張つて破断させ、次式から求める方法である。

ε＝1.006×（d₁／d₂）×100 ただし、 ε：破断伸度（％） d₁：単繊維の直径（μｍ） d₂：破断直前のループの平均直径（μｍ）縫糸は、また、任意の一定長をみたとき、それ
を構成している各単糸間に、長さのばらつき、い
わゆる糸長差が全くないか、あつても0.1％以内
と非常に少ないものであるのが好ましい。そうす
ると、縫糸に作用する力が各単糸に均一に加わる
ようになつて、糸切れ等を防止することができる
ようになるのはもちろん、複合材料の信頼性や機
械的特性をも向上させることができるようにな
る。

この発明のプリフオーム材は、たとえば、それ
にエポキシ樹脂や不飽和ポリエステル樹脂等の熱
硬化性樹脂を含浸し、加熱、加圧成形することに
よつてCFRPとすることができる。また、たとえ
ば、フエノール樹脂やフラン樹脂、ピツチ等を含
浸した後、加熱、焼成して上記樹脂やピツチ等を
炭素化することによつてCFRCとすることができ
る。さらに、たとえば、型内でマトリクスとなる
金属の溶湯を含浸し、凝固させることによつて
CFRMとすることができる。成形自体は、従来
からよく知られた方法によることができるもので
ある。

（実施態様）第１図において、プリフオーム材は、補強基材
として、７枚の、通常の２方向性炭素繊維織物１
〜７を有する。織物１〜７は、層状に配置されて
いるが、織物１はその経糸がプリフオーム材の長
手方向に対して0°になるように配置されている。
同様に、織物２は45°になるように、織物３は0°
になるように、織物４は45°になるように、織物
５は0°になるように、織物６は45°になるように、
織物７は0°になるように、それぞれ配置されてい
る。いわゆる疑似等方積層である。しかして、こ
のプリフオーム材は、厚み方向中心にある織物４
からみたとき、各織物の炭素繊維束の方向が鏡面
対称になつている。

積層された織物１〜７は、プリフオーム材の長
手方向に沿つて延びる縫糸８によつて単環縫いさ
れ、一体に縫合されている。この縫糸は、炭素繊
維束からなる複数本の単糸を有し、上撚を有し、
繊度が3000デニール以下で、結節強度が１ｇ／デ
ニール以上であつて、かつ、各単糸が、上撚とは
逆方向の撚を有し、単繊維の繊度が0.5デニール
以下で、単繊維の破断伸度が2.5％以上であるも
のである。

第２図は、上述した縫糸を示すもので、２本の
単糸９，１０を有する。単糸の撚はＳ撚である
が、上撚はＺ撚であり、撚方向が逆になつてい
る。

（発明の効果）この発明の補強基材は、複数枚の、層状に配置
されたシート状補強繊維基材を、特定の構成をも
つ縫糸、すなわち、炭素繊維束からなる複数本の
単糸を有し、上撚を有し、繊度が3000デニール以
下で、結節強度が１ｇ／デニール以上であつて、
各上記単糸が、上記上撚とは逆方向の撚を有し、
単繊維の繊度が0.5デニール以下で、単繊維の破
断伸度が2.5％以上である、単繊維切れや毛羽立
ち、ねじれがほとんどない縫糸で縫合してなるも
のであるから、強度や弾性率といつた機械的特性
の優れた複合材料を得ることができるようにな
る。また、縫糸も炭素繊維からなつているから、
複合材料の耐候性、耐水性、耐熱性等も向上す
る。さらに、マトリスクの補強作用を持つ炭素繊
維束からなる縫糸がプリフオーム材の厚み方向に
延びているから、プリフオーム材、ひいては複合
材料の層間剪断強度や層間剥離強度等の層間強度
も向上する。さらにまた、上述した縫糸は、縫合
操作が容易であるから、信頼性に優れ、製品間に
おける特性のばらつきの小さい複合材料を得るこ
とができるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明のプリフオーム材の一実施
態様を示す概略斜視図、第２図は、上記第１図に
示した縫糸の概略正面図である。１：織物（シート状補強基材）、２：織物（シ
ート状補強基材）、３：織物（シート状補強基
材）、４：織物（シート状補強基材）、５：織物
（シート状補強基材）、６：織物（シート状補強基
材）、７：織物（シート状補強基材）、８：縫糸、
９：単糸、１０：単糸。

Claims

【特許請求の範囲】１複数枚の、炭素繊維からなるシート状補強基
材が層状に配置され、かつ、縫糸によつて一体に
縫合されており、前記縫糸は、 (a) 炭素繊維束からなる複数本の単糸を有し、 (b) 上撚を有し、 (c) 繊度が3000デニール以下であり、 (し) 結節強度が１ｇ／デニール以上であり、各前記単糸は、 (イ) 前記上撚とは逆方向の撚を有し、 (ロ) 単繊維の繊度が0.5デニール以下であり、 (ハ) 単繊維の破断伸度が2.5％以上である、ことを特徴とする複合材料用プリフオーム材。２請求項１記載のプリフオーム材を有する複合
材料。