CN101516613A - 纤维增强塑料及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种纤维增强塑料，是具有板状部和从该板状部***的凸起部的板状纤维增强塑料，上述板状部和上述凸起部具有由多个增强纤维片形成的层合结构，所述增强纤维片是纤维长度为10至100mm的多根增强纤维按一定方向排列得到的，至少2个层中的上述增强纤维的排列方向不同，上述增强纤维的至少一部分从上述板状部开始连续至上述凸起部，并且，构成上述凸起部的层合结构的层中的至少1个层具有沿着上述凸起部形状的形状。一种纤维增强塑料的制造方法，在由按一定方向排列的多根增强纤维和基质树脂构成的单向预浸料坯片材的多根增强纤维中间隔上述纤维长度导入切口，制作预浸料坯基材，使增强纤维的排列方向不同地层合多张预浸料坯基材，形成预浸料坯层合体，使用具有用于形成上述凸起部的沟的模将该层合体加热、加压成型。

Description

纤维增强塑料及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种纤维增强塑料及其制造方法，所述纤维增强塑料为具有板状部和从该板状部的至少一面***的凸起部的板状体，上述板状部及凸起部由多根增强纤维和与该多根增强纤维成一体的基质树脂形成。
作为上述具有凸起部的板状体的典型例，有具有凸缘(rib)或凸台(boss)的板状体。该板状体广泛用作结构构件。作为该结构构件的例子，有在汽车等运输机器、自行车等体育用具等中的结构构件。
背景技术
由增强纤维和基质树脂构成的纤维增强塑料的比强度、比弹性模量高，力学特性优异，具有耐气候性、耐药品性等高性能特性等，因此在产业用途中也备受关注，其需求正逐年增高。
为了有效地体现作为纤维增强塑料成型品的显著特征之一的轻质性，在成型品的表面形成被称为凸缘的凸起部。由此，可以不使成型品的壁厚变厚地提高成型品的刚性及强度。
凸缘的存在对防止成型品的宽阔平面部的翘曲等也有效。除凸缘之外，在由多个构件组成的结构物中也多使用被称为凸台的用于凹部的配件或在成型品之间接合时用于定位的凸起部。
作为纤维增强塑料的成型方法，特别是在具有高性能特性的纤维增强塑料的情况下，最常用的是高压釜成型，即层合被称为预浸料坯(prepreg)的使基质树脂含浸于增强纤维中而得到的半固化状态的材料，通过使用高温高压釜(高压釜)加热加压使基质树脂固化，成型纤维增强塑料。作为生产率优于高压釜成型的成型方法，也可以进行将纤维基材赋型为期望的形状后含浸树脂的RTM(树脂传递模塑)成型。
作为这些成型方法中使用的增强纤维的形态，通常为容易得到高力学特性的连续纤维。
作为在由连续纤维构成的纤维增强塑料成型品中形成凸缘或凸台等凸起部的方法，存在下述方法：在预先通过高压釜成型等成型的板状部上，使用粘合剂等接合同样预先成型的凸起部的方法，或者，在预先通过高压釜成型等成型的板状部上成型凸起部的嵌件注射成型(insert injection molding)等。
但是，前者存在需要分别制作板状部及凸起部、再将它们接合的非常费事的工序，还必须考虑接合部的粘合性的问题。后者存在由于大体利用注射成型形成的凸起部的物性低，所以特别是作为凸缘的效果小，另外有时板状部和凸起部的粘合性不良，从而在其接合部容易发生剥离的问题。
作为其他方法，还可以举出预先将纤维基材赋型为凸起部的形状，通过RTM成型进行成型的方法等，但存在下述问题，即由于赋型纤维基材费力费时，所以虽然与高压釜成型相比生产率优异，但并不能说生产率良好，并只能成型简单形状的凸起部等。
另一方面，作为增强纤维的长度为几毫米至几十毫米左右的短纤维增强塑料比较容易形成凸起部。例如基质树脂为热固性树脂时，可以使用利用SMC(片状模塑料，Sheet Molding Compound)或BMC(块状模塑料，Bulk Molding Compound)的加压成型等；基质树脂为热塑性树脂时，可以使用注塑成型等。
但是，SMC或BMC存在下述问题：由于在其制造工序中必然产生增强纤维分布不均、取向不均，所以成型品的力学物性降低，或者其物性值的偏差变大。另外，在注塑成型中，由于不使用增强纤维的量少、其长度也短的材料时不能成型，所以成型品的力学物性显著降低。从而，上述方法存在难以制造适合结构构件的具有凸起部的纤维增强塑料的问题。
提出改善上述现有技术的问题的尝试(专利文献1)。在专利文献1中，公开了基于加压成型的具备凸缘的成型品的制造方法。该制造方法通过在凸缘部分切断纤维，成型时浇注纤维的切断端部直至凸缘前端，使纤维填充凸缘。
但是，只在凸缘部分切断纤维时，事实上由于在凸缘以外的部分纤维未被切断，所以纤维作为整体互相束缚，纤维难以填充至凸缘的前端。即使通过该制造方法得到纤维填充至凸缘前端的成型品，虽然形成凸缘的方向(凸缘的高度方向)的刚性提高，但由于纤维被切断，所以凸缘厚度方向的刚性只能依赖树脂的刚性，因此刚性变得极低，作为实际的结构构件有时不耐用。
因此，目前为止尚未发现可以简易地成型且力学物性也优异的具有凸起部的纤维增强塑料。
专利文献1：特开昭63-087206号公报
发明内容
本发明的目的在于提供一种改善了现有技术的问题、力学特性优异、具有凸起部的纤维增强塑料及其制造方法。
达到上述目的的本发明的纤维增强塑料如下所述。
一种纤维增强塑料，所述纤维增强塑料由具有板状部和从该板状部的至少一侧的面***的凸起部的板状体构成，上述板状部及上述凸起部由多根增强纤维和与该多根增强纤维成一体的基质树脂构成，其中，
(a)上述板状部及上述凸起部中的上述多根增强纤维由至少2个增强纤维层构成，各增强纤维层中的多根增强纤维的排列方向不同，
(b)上述各增强纤维层中的上述多根增强纤维各自的纤维长度为10至100mm，
(c)上述各增强纤维层的至少一部分增强纤维从上述板状部至上述凸起部连续存在，并且，
(d)上述凸起部中的上述至少2个增强纤维层的至少1个增强纤维层具有沿着上述凸起部形状的形状。
本发明的纤维增强塑料中，优选上述板状部具有被一体化在与上述凸起部所在的面相反侧的面上的增强纤维基层，并且该增强纤维基层中的增强纤维由多根连续的增强纤维构成。
本发明的纤维增强塑料中，上述凸起部的厚度优选为上述板状部厚度的0.1至4倍。
本发明的纤维增强塑料中，上述凸起部的高度优选为上述板状部厚度的0.2至50倍。
本发明的纤维增强塑料中，上述凸起部的横截面形状优选为方形或圆形。
本发明的纤维增强塑料中，上述基质树脂优选为热固性树脂。
本发明的纤维增强塑料中，上述增强纤维优选为碳纤维。
达到上述目的的本发明的纤维增强塑料的制造方法如下所述。
一种纤维增强塑料的制造方法，所述纤维增强塑料由具有板状部和从该板状部的至少一侧的面***的凸起部的板状体构成，上述板状部及凸起部由多根增强纤维和与该多根增强纤维成一体的基质树脂构成，该制造方法包括下述工序：
(a)准备预浸料坯层合体的层合体准备工序，即，将由各自的纤维长度为10至100mm的多根增强纤维单向依次排列得到的增强纤维片(reinforcing fiber sheets)和全部或部分地含浸在该增强纤维片中的未固化状态的基质树脂构成的至少2张预浸料坯基材，以上述增强纤维的排列方向不同的状态层合，形成预浸料坯层合体，
(b)准备成型上述板状体的成型装置的成型装置准备工序，所述成型装置由具有用于形成上述凸起部的凹部的一个模、和在与该模之间形成上述板状部的另一个模构成，
(c)在上述成型装置准备工序中准备的上述成型装置的上述模之间，收纳在上述层合体准备工序中准备的上述预浸料坯层合体的层合体收纳工序，
(d)板状体形成工序，即，将在上述层合体收纳工序中收纳于上述模内的上述预浸料坯层合体用上述模加热及加压，进行上述板状部及上述凸起部的赋型，并进行上述基质树脂的固化，形成上述板状体，和
(e)将上述板状体形成工序中形成的板状体从上述模中取出的板状体脱模工序。
本发明的纤维增强塑料的制造方法中，优选上述预浸料坯层合体具有一体化在与形成上述凸起部的面相反侧的面上的增强纤维基层，并且该增强纤维基层中的增强纤维由多根连续的增强纤维构成。
本发明的纤维增强塑料的制造方法中，上述基质树脂优选为热固性树脂。
本发明的纤维增强塑料的制造方法中，优选在维持上述模的温度恒定期间，进行上述板状体形成工序和上述板状体脱模工序。
本发明的纤维增强塑料的制造方法中，上述板状体形成工序中的上述热固性树脂的粘度优选为0.1至100Pa·s。
本发明的纤维增强塑料的制造方法中，上述板状体形成工序中的上述模的温度T与上述热固性树脂的放热峰温度Tp优选满足Tp-60≤T≤Tp+20的关系。
本发明的纤维增强塑料的制造方法中，关于上述层合体准备工序中准备的上述预浸料坯层合体，优选上述10至100mm的纤维长度是通过在单向排列的多根增强纤维中以该长度的间隔依次导入切口从而得到的，并且至少在邻接的上述预浸料坯基材之间，上述切口的位置及方向中的一个不同或二者均不同。
本发明的纤维增强塑料中，构成板状部和凸起部的层合结构的各层均含有不连续的增强纤维，并且增强纤维的至少一部分从板状部开始连续至凸起部，构成凸起部的层合结构的层的至少1层具有沿着凸起部形状的形状。通过该结构，本发明的纤维增强塑料中的凸起部具有所期望的力学特性。
根据本发明的纤维增强塑料的制造方法，特别是可以将结构构件的构成上重要的凸缘或凸台等凸起部的力学特性在制造过程中的降低抑制到最小限度，并且可以简易地制造纤维增强塑料。
本发明的纤维增强塑料例如优选用作运输机器(汽车、航空器、舰艇等)的结构构件、产业机械的结构构件、精密机器的结构构件或者体育用具(自行车、高尔夫等)的结构构件。
附图说明
[图1]图1为本发明的纤维增强塑料之一例的纵截面简图。
[图2]图2为说明图1的纤维增强塑料的从板状部开始连续至凸起部的增强纤维的状态的纵截面简图。
[图3A]图3A为说明本发明的纤维增强塑料中由增强纤维片和基质树脂构成的层的层合状态之一例的纵截面模式图，所述增强纤维片由单向排列的多根增强纤维构成。
[图3B]图3B为说明本发明的纤维增强塑料中由增强纤维片和基质树脂构成的层的层合状态的另一例的纵截面模式图，所述增强纤维片由单向排列的多根增强纤维构成。
[图3C]图3C为说明本发明的纤维增强塑料中由增强纤维片和基质树脂构成的层的层合状态的又一例的纵截面模式图，所述增强纤维片材由单向排列的多根增强纤维构成。
[图4A]图4A为说明本发明的纤维增强塑料中的凸起部之一例的增强纤维的层结构的纵截面模式图。
[图4B]图4B为说明本发明的纤维增强塑料中的凸起部的另一例的增强纤维的层结构的纵截面模式图。
[图4C]图4C为说明本发明的纤维增强塑料中的凸起部的又一例的增强纤维的层结构的纵截面模式图。
[图5]图5为现有纤维增强塑料之一例的纵截面简图。
[图6]图6为用于制造本发明的纤维增强塑料的、由单向排列的增强纤维和基质树脂构成的预浸料坯基材之一例的平面简图。
[图7]图7为在用于制造本发明的纤维增强塑料的成型装置中，具有用于形成凸起部的槽部的模之一例的纵截面简图。
[图8]图8为说明在用于制造本发明的纤维增强塑料的成型装置中，具有用于形成凸起部的槽部的模的该槽部配置状态之一例的模平面简图。
[图9]图9为说明在用于制造本发明的纤维增强塑料的成型装置中，具有用于形成凸起部的槽部的模的该槽部配置状态的另一例的模平面简图。
[图10]图10为现有纤维增强塑料的另一例的纵截面简图。
[图11]图11为现有纤维增强塑料的又一例的纵截面简图。
符号说明
1：板状体
1a、1b：板状部
1t：板状部的厚度
2a：凸起部
2aS1、2aS2、2aS3：凸起部的面
2h：凸起部的高度
2t：凸起部的厚度
3a-3h：共存有基质树脂的增强纤维层
4：增强纤维
4A2a、4B2a、4C2a：凸起部
5：板状体
5a-5d：在层合的预浸料坯基材中的增强纤维层
6：树脂区域
7a-7k：形成凸起部外表面的面
8a-8o：凸起部中共存有基质树脂的增强纤维层
9：纤维长度方向
10：纤维正交方向
11：单向预浸料坯片材
12：切口
13、13A、13B：上模
14、14A1、14A2、14B1、14B2：凸缘槽
51a、51b：板状部
52a：凸起部
101：板状体
111：板状体
具体实施方式
本发明的纤维增强塑料由具有板状部和从上述板状部的至少一侧的面***的凸起部的板状体构成，上述板状部及上述凸起部由多根增强纤维和与该增强纤维成一体的基质树脂构成，并且，(a)上述板状部及上述凸起部中的上述多根增强纤维至少由2个增强纤维层构成，各增强纤维层中的多根增强纤维的排列方向不同，(b)上述各增强纤维层中的上述多根增强纤维各自的纤维长度为10至100mm，(c)上述各增强纤维层的至少一部分增强纤维从上述板状部至上述凸起部连续存在，并且，(d)上述凸起部中的上述至少2个增强纤维层中的至少1个增强纤维层具有沿着上述凸起部形状的形状。
接下来，使用实施例参照附图进一步说明本发明。
图1中，本发明的纤维增强塑料由板状体1构成。板状体1由与基质树脂共存的多个增强纤维层3a、3b、3c、3d、3e、3f、3g、3h形成。各层3a、3b、……3h每层用相同的影线表示。板状体1具有左右板状部1a、1b和凸起部2a。增强纤维层3a、3b、3c、3d形成左右板状部1a、1b的表层，该表层***形成凸起部2a。增强纤维层3e、3f、3g、3h形成板状体1的基层。
在形成板状体1的增强纤维层3a、3b、3c、3d、3e、3f、3g、3h中，至少形成表层的各增强纤维层3a、3b、3c、3d由多根增强纤维按一定方向排列得到的增强纤维片构成。在图1所示的方案中，形成板状体1的基层的增强纤维层3e、3f、3g、3h也由多根增强纤维按一定方向排列得到的增强纤维片构成。
形成表层的增强纤维层3a、3b、3c、3d中的多根增强纤维的至少一部分从板状部1a、1b至凸起部2a连续存在。另外，形成表层的增强纤维层3a、3b、3c、3d在凸起部2a具有沿着凸起部2a形状的形状。
图1的凸起部2a表示作为其中1个方式的凸缘。通过存在该凸缘2a，由板状体1构成的纤维增强塑料可以实现提高其刚性和轻质化。通过凸缘2a减少板状体1的翘曲，从而提高板状体1的尺寸稳定性。另一方面，将凸起部2a制成作为另一个方式的凸台时，可以通过该凸台2a将多个构件正确地定位并嵌合，或埋入其他部件。
凸起部2a通常多设置于构件(板状体1)的一面，但根据需要也可将凸起部2a设置于构件的两面。
本发明中，至少形成表层的增强纤维层3a、3b、3c、3d各层中的增强纤维的纤维长度为10至100mm。增强纤维的纤维长度小于10mm时，增强纤维对板状体1特别是凸起部2a的加强效果变小，导致板状体1的力学物性降低。另一方面，增强纤维的纤维长度大于100mm时，无法充分填充增强纤维至凸起部2a的前端。
在形成板状体1的基层的增强纤维层3e、3f、3g、3h中的增强纤维可以为连续的增强纤维，也可以为不连续的增强纤维、例如纤维长度为10至100mm的增强纤维在长度方向排列的不连续增强纤维。想要明确地分别制作板状体1的表层和基层时，或者想要呈现出更高的力学特性时，优选至少一部分增强纤维层中的增强纤维为连续增强纤维。想要呈现出更高的力学特性时，较优选形成基层的增强纤维层中的全部增强纤维由连续增强纤维构成。
为了确实地将增强纤维填充至凸起部2a的前端，优选形成基层的增强纤维层的至少一部分增强纤维的纤维长度为10至100mm。特别是通过使形成基层的全部增强纤维层中增强纤维的纤维长度在该范围内，可以最大程度地提高将增强纤维填充至凸起部2a的确实性。
本发明中，形成表层的增强纤维层3a、3b、3c、3d形成板状部1a、1b和凸起部2a。即，板状部1a、1b中的表层和凸起部2a由相同的增强纤维层3a、3b、3c、3d形成。板状部1a、1b的表层与凸起部2a的增强纤维的层合结构不同时，由于热收缩率或线膨胀系数的差异等容易在双方的边界部分产生残余应力，结果有可能产生裂缝(crack)或导致纤维增强塑料翘曲。
进而，本发明中，构成层合结构的各层增强纤维的至少一部分从板状部1a、1b开始连续至凸起部2a。由此，在凸起部2a和板状部1a、1b之间形成牢固的整体式结构，充分发挥作为凸缘或凸台等凸起部的功能。形成凸起部2a的层合结构的增强纤维与形成板状部1a、1b的层合结构的增强纤维不连续时，凸起部2a的根部的强度降低，容易在根部发生损坏或剥离。
增强纤维从板状部1a、1b开始连续至凸起部2b的状态示于图2。增强纤维从板状部1a、1b开始连续至凸起部2b是指，如图2所示，增强纤维4从板状部1a开始至凸起部2a连续存在的状态。
使用图1所示方式说明本发明的增强纤维层的层合结构，观察板状体1的纵截面时，具有下述结构：增强纤维在某方向取向的层(例如，层3a)和增强纤维在与上述方向不同的方向取向的层(例如，层3b)分别形成不同的层，由上述不同的层构成的多个层3a、3b……3h在板状体1的厚度方向上依次重合。
该层合结构的例子示于图3A、图3B及图3C。在上述图中，像由在一定方向(图中为水平方向)排列的多根增强纤维和基质树脂构成的层5b、5d那样即使切断增强纤维的连续性，在切断部分存在树脂区域6，在邻接的层5a、5c中，增强纤维也在不同的方向(图中为与纸面垂直的方向)排列。各层中的增强纤维在长度方向分别以10至100mm的纤维长度被截断，但增强纤维在长度方向连续地被邻接的层支撑。因此，在该层中存在的增强纤维虽然在长度方向被截断，但增强纤维的各段存在于同一层中。在本发明中，将处于上述排列状态的增强纤维的各段作为一个整体称为增强纤维层。
需要说明的是，将多张由增强纤维无规排列形成的SMC及BMC叠合进行加压成型时，由于在其侧面，有限长度的增强纤维分别独立并无规地取向重合，所以在纤维增强塑料的厚度方向没有形成明确的层，上述增强纤维的存在状态不包括在本发明所称形成增强纤维层的增强纤维的状态内。
本发明中，形成凸起部2a的层3a、3b、3c、3d中的至少1个层具有沿着凸起部2b形状的形状。层为沿着凸起部2b形状的形状是指，该层、例如层3a具有与构成凸起部2b的各面2aS1、2aS2、2aS3(参见图1)各自的朝向相同的朝向的状态。
上述层形成的状态例示于图4A、图4B及图4C。在图4A所示凸起部4A2a的纵截面中，凸起部4A2a在左右侧面和顶面具有3个平面7a、7b、7c。在图4B所示凸起部4B2a的纵截面中，凸起部4B2a在左右侧面、顶面、顶部的右侧侧面和阶梯部顶面具有5个平面7d、7e、7f、7g、7h。在图4C所示的凸起部4C2a的纵截面中，凸起部4C2a在左右侧面和半圆形的顶面具有平面7i、7k和曲面7j。
在图4A所示的凸起部4A2a中，形成凸起部4A2a的层8a、8b、8c、8d、8e分别位于沿着上述各面的方向。在图4B所示的凸起部4B2a中，形成凸起部4B2a的层8f、8g、8h、8i、8j分别位于沿着上述各面的方向。在图4C所示的凸起部4C2a中，形成凸起部4C2a的层8k、8l、8m、8n、8o分别位于沿着上述各面的方向。沿着凸起部形状的形状是指，相对于构成凸起部的面，对应的层的中央面与该面大致平行。考虑到层的中央面很少为严格的平面，必须给平行的概念留有伸缩余地，所以使用大致平行的用语。相对于构成凸起部的面，对应的层的中央面的面偏移控制在该层的厚度以内的情况称为大致平行。
现有板状体(纤维增强塑料)5示于图5。图5中，板状体5由板状部51a、51b和凸起部52a构成。凸起部52a具有增强纤维的层合结构53a、53b、53c、53d、53e、53f、53g、53h，凸起部52a具有增强纤维的层合结构53a、53b，53c、53d。凸起部52a的增强纤维与板状部51a、51b的增强纤维连续。但是，层53a、53b、53c、53d在凸起部52a的前端没有沿着凸起部52a的形状。即，板状体5的凸起部52a中的上述层不具有与凸起部52a的形状相似的形状。此时，如果力作用于凸起部52a，则凸起部52a的前端成为损坏的起点，导致板状体5物性降低。
本发明中，只要不特别说明，板状部是指表面的形状由包括平面的曲率在1/100以下的一次曲面、二次曲面或球面等构成的板状部。
作为形成本发明的凸起部的方法，有下述方法：将预浸料坯或半预浸料坯(semi-preg)等中间基材的层合体，于在至少一侧的模内具有用于形成凸起部的凹部的双面型模内进行加压，形成凸起部的方法。通过该方法形成凸起部的机理尚未阐明，但认为如下。
首先，在双面型模内，将由纤维长度为10至100mm的有限长度的增强纤维构成的作为中间基材的层合体加压，使层合体的各层保持层合状态在层合面的方向(面内方向)流动。在面内方向的流动饱和时，如果在单侧模中有凹形空间部，则层合体也保持层合状态地在凹形空间部、即相对于最初的层合面的方向垂直的方向或具有一定角度的方向(面外方向)流动，进入空间部。推断凸起部是由进入该空间部的层合体形成的。需要说明的是，由于在流动过程中，增强纤维没有被进一步切断，所以形成的板状体(纤维增强塑料)含有对应于原材料增强纤维的纤维长度的具有10至100mm纤维长度的增强纤维。
通过设置多层增强纤维的取向方向不同的增强纤维层，使凸起部的尺寸稳定性变得优异。增强纤维的取向方向只为单向时，容易因热收缩率或线膨胀系数的各向异性导致凸起部翘曲等，尺寸精度变差。进而，凸起部为凸缘时，对凸缘作用2个方向的力或者作用扭转力的情况下，如果增强纤维的取向方向只为单向，则因力的作用方向使作为凸缘的强度及刚性不足。因此，需要增强纤维的取向方向彼此不同的至少2层增强纤维层。其中，考虑到降低板状体(纤维增强塑料)本身的翘曲等，优选多个增强纤维层为[0/90]nS、[0/±60]nS或[+45/0/-45/90]nS之类各向同性层合、且具有对称层合结构。
作为本发明的纤维增强塑料(板状体)中凸起部的横截面形状，例如有多边形(例如，长方形)、圆形或椭圆形；作为纵截面形状，例如有方形(例如，长方形)、三角形或半圆形。凸起部为凸缘时，优选使用横截面形状为长方形、纵截面形状为长方形的板状凸起部，或者横截面形状为圆形、纵截面形状为长方形的棒状凸起部。凸起部为凸台时，优选使用整体形状为半球状、多角柱状、圆柱状、多角锥状、圆锥状的凸起部。
本发明中，凸起部的高度2h(参见图1)优选为板状部厚度1t(参见图1)的0.5至50倍，较优选为1至25倍。凸起部的高度2h若在上述范围内，则容易呈现作为凸起部的效果。凸起部的高度2h小于板状部厚度1t的0.5倍时，例如凸起部为凸缘时，有时导致凸缘提高刚性的效果减小。另一方面，凸起部的高度2h大于板状部的厚度1t的50倍时，有时凸起部难以形成层结构。
本发明中，凸起部的形状为上述板状或棒状时，凸起部的厚度2t(参见图1)优选为板状部的厚度1t的0.1至4倍，较优选为0.5至3倍。凸起部的厚度2t若在上述范围内，则容易呈现作为凸起部的效果。凸起部的厚度2t小于板状部的厚度1t的0.1倍时，例如凸起部为凸缘时，有时导致凸缘提高刚性的效果减小；凸起部为凸台时，有时无法得到装配部的尺寸精度。另一方面，凸起部的厚度2t大于板状部的厚度1t的4倍时，有时难以实现板状部与凸起部的物料平衡，难以使板状部及凸起部为相同的层结构。
本发明的纤维增强塑料(板状体)之一例如下制得：将由纤维长度为10至100mm的增强纤维在长度方向排列的增强纤维片和基质树脂构成的预浸料坯或半预浸料坯多层层合并一体化，得到层合体，将上述层合体在模温度T实质上恒定的模内加压，使其赋型并固化，保持模温度T进行脱模，从而制造本发明的纤维增强塑料。
基质树脂为热固性树脂时，将纤维长度为10至100mm的增强纤维片制成预浸料坯或半预浸料坯进行操作时的操作性良好，另外基质树脂的粘度也可以设定为低于热塑性树脂时的粘度，增强纤维层可以容易地流动的材料设计变得容易。结果，可以在板状体上容易地形成期望的凸起部。
作为热固性树脂，可以举出环氧树脂、不饱和聚酯树脂、乙烯基酯树脂、酚醛树脂、丙烯酸树脂等，也可以为它们的混合树脂。其中，作为热固性树脂，特别优选能够得到力学特性优异的纤维增强塑料的环氧树脂。
预浸料坯为使基质树脂完全含浸在增强纤维中的半固化状态的中间基材，半预浸料坯为使基质树脂部分含浸在增强纤维中的半固化状态的中间基材。将纤维在长度方向被切断的增强纤维片以预浸料坯或半预浸料坯的形态进行使用时，使用变得极其容易。另外，由单向并丝的多根增强纤维和基质树脂构成的单向预浸料坯片材或单向半预浸料坯片材，可以通过调整多张上述片材的层合状态使增强纤维的排列方向不同，容易地设计具有期望特性的层合体或板状体。因为增强纤维的排列方向为单向，所以可以容易地提高预浸料坯的增强纤维含有率，也可以防止增强纤维卷曲导致强度降低。因此，可以说使用预浸料坯或半预浸料坯适合制作具有高强度、高弹性模量的纤维增强塑料。
预浸料坯或半预浸料坯经过高压釜成型、烘箱成型或加压成型中的加压及加热工序、进而基质树脂的固化工序，加工成纤维增强塑料。
在上述成型方法中，考虑到生产率及成型性，优选采用使用压力机的加压成型方法。与其他成型方法相比，加压成型方法成型前的事先准备以及成型后的后处理均简便，所以生产率绝对优异。进而，基质树脂为热固性树脂时，可以保持模温度T实质恒定地进行脱模。因此，基质树脂为热固性树脂时可以省略在基质树脂为热塑性树脂时所必需的模的冷却工序。即，加热、加压成型工序结束后，无需等待模冷却就可以将成型的板状体从模中脱模，使用热固性树脂作为基质树脂时，可以实现所期望的板状体生产率的大幅提高。模温度T实质恒定是指模温度的波动在±10℃的范围内。
本发明的纤维增强塑料(板状体)优选在下述条件下制造，即模温度T与热固性树脂经差示扫描量热测定(DSC)得到的放热峰温度Tp满足下述关系式(I)。
Tp-60≤T≤Tp+20    (I)
更优选满足下述关系式(II)。
Tp-30≤T≤Tp    (II)
模温度T低于Tp-60时，树脂固化所需的时间变得特别长，另外，有时固化不充分。另一方面，高于Tp+20时，由于树脂急剧反应导致树脂内部生成空隙、固化不良，故不优选。需要说明的是，由DSC得到的放热峰温度Tp是在升温速度为10℃/分钟的条件下测定的值。
本发明的纤维增强塑料(板状体)优选在热固性树脂的由动态粘弹性测定(DMA)得到的最低粘度为0.1至100Pa·s的条件下进行制造。更优选为0.1至10Pa·s。最低粘度小于0.1Pa·s时，有时加压时只有树脂流动，增强纤维没有被充分填充至凸起部的前端。另一方面，大于100Pa·s时，由于树脂缺乏流动性，所以有时增强纤维及树脂没有被充分填充至凸起部的前端。需要说明的是，由DMA得到的最低粘度是在升温速度为1.5℃/分钟的条件下测定的值。
作为本发明中使用的按一定方向排列的纤维长度为10至100mm的增强纤维在长度方向排列得到的增强纤维片的方式，例如可以为将通过牵切纺等纺织方法得到的不连续状增强纤维进行片材化的方式(方式A)，也可以为使不连续状增强纤维(例如，短纤维)单向排列进行片材化的方式(方式B)，或者还可以为在由连续状增强纤维构成的单向预浸料坯片材的整个面上，在横割增强纤维的方向上间断地导入有限长度的切口的方式(方式C)。
牵切纺是通过对纱线(strand)状态的连续纤维施加张力，以短纤维为单位切断纤维的纺织方法之一，具有短纤维的切断点不集中在一处、遍布纱线全长均等分散的特征。方式A无规配置增强纤维的切断端，不以单纤维为单位集拢，形成集合体，由于增强纤维以单纤维为单位流动，所以成型性稍差，但由于应力传递效率非常好，所以能呈现极高的力学特性，由于增强纤维的切断部位分散，所以能实现优异的质量稳定性。
方式B将增强纤维的切断端以多根纤维为单位集拢，某种程度上有规律地进行配置，形成集合体，由于必然发生增强纤维的配置、分布不均等，所以质量稳定性稍差，但由于以多根纤维为单位进行流动，因此能实现极其优异的成型性。
方式C将增强纤维的切断端以多根纤维为单位集拢，有规律地配置，形成集合体，由于增强纤维有规律地进行配置，所以质量稳定性及力学特性优异，因以多根纤维为单位进行流动，所以成型性也优异。
上述各方式可以根据用途适当选择，但其中力学特性和成型性的平衡优异、可以简易制造的方式C，可以说是本发明的最佳方式。
作为为了将按一定方向排列的多根增强纤维制成具有10至100mm纤维长度的增强纤维在长度方向排列的增强纤维片，在增强纤维中导入用于切断增强纤维的切口的方法，有下述方法：在由按一定方向排列的多根增强纤维和树脂构成的单向预浸料坯片材或单向半预浸料坯片材等中间基材中，通过使用刀具的手工作业，或者通过使用剪断机的机械作业，导入切口的方法(方法A)；利用在规定位置配置刀片的冲裁刀片冲裁上述中间基材的方法(方法B)；或者在上述中间基材的制造工序中，利用在规定位置配置刀片的滚筒，连续地导入切口的方法(方法C)等。
简易地切断增强纤维时，适用方法A，考虑到生产效率，大量制作时，适用方法B，更大量地生产时适用方法C。
作为本发明中使用的增强纤维，优选碳纤维。碳纤维具有比重低，并且比强度及比弹性模量特别优异的性质，进而耐热性及耐药品性也优异，因此适合于期望轻质化的汽车面板等构件。其中，优选容易得到高强度碳纤维的PAN系碳纤维。
作为本发明的纤维增强塑料(板状体)的用途，有要求强度、刚性、轻质性的自行车的曲柄及车架等构件，高尔夫球棒的球杆及杆头(head)等体育构件，门、板材、组件、模块或车架等汽车构件，机器手臂等机械部件。其中，优选用作除要求强度、轻质之外，构件形状复杂、要求与其他构件之间的形状追随性的薄板(sheet panel)、板材架(sheet frame)、前端模块(front end module)或车门内模块(door inner module)等汽车构件，曲柄等自行车构件。
接下来，使用实施例及比较例，进一步说明本发明，但本发明并不特别限定于此。
单向预浸料坯片材的制作方法：
按下列顺序得到环氧树脂组合物。
(a)将环氧树脂(日本环氧树脂(株)制“Epikote(注册商标)”828：30重量份，Epikote 1001：35重量份，Epikote154：35重量份)和热塑性树脂聚乙烯醇缩甲醛(东曹(株)制“Vinylec(注册商标)”K)5重量份一边加热至150至190℃一边搅拌1至3小时，均匀地溶解聚乙烯醇缩甲醛。
(b)将树脂温度降至55至65℃后，加入3.5重量份固化剂双氰胺(日本环氧树脂(株)制DICY7)和4重量份固化促进剂3-(3，4-二氯苯基)-1，1-二甲基脲(保土谷化学工业(株)制DCMU99)，在该温度下混炼30至40分钟后，从捏和机中取出，得到环氧树脂组合物。
使用逆辊涂布机(reverse roll coater)将得到的环氧树脂组合物涂布在脱模纸上，制作树脂膜。
接下来，在单向排列成片状的碳纤维(拉伸强度为4,900MPa，拉伸弹性模量为235GPa)上自碳纤维的两面重合2张树脂膜，加热、加压，使其含浸树脂组合物，制作碳纤维单位面积重量为150g/m2、树脂重量分数为33％的单向预浸料坯片材。
得到的环氧树脂组合物的由DSC得到的放热峰温度Tp为152℃。使用TA Instruments公司制DSC2910(件号)作为测定装置，在升温速度为10℃/分钟的条件下进行测定。
由DMA得到的最低粘度为0.5Pa·s。使用TA Instruments公司制动态粘弹性测定装置“ARES”作为测定装置，在升温速度为1.5℃/分钟、振动频率为0.5Hz、平行板(直径为40mm)的条件下，由温度与粘度的关系曲线求出最低粘度。
力学特性评价方法：
利用三点弯曲试验测定弯曲刚性，评价力学特性。将具有凸缘的成型体切割成长度100±1mm、宽度30±0.2mm的形状，使凸缘在试验片长度方向连续并且成为试验片中央部，得到试验片。
调整所得的试验片，使凸缘朝下(支点侧)，支点间距离为80mm，支点被板状部支撑。使用英斯特朗公司制万能试验机4208型作为测定装置，在十字头(cross head)速度为2.0mm/分钟的条件下进行三点弯曲试验。测定的试验片的数目为n＝5。通过得到的负荷-挠度曲线算出弯曲刚性，利用将该值除以试验片重量得到的值(比弯曲刚性)进行评价。
实施例1
通过上述预浸料坯的制作方法，准备图6所示的单向预浸料坯片材11。图6中，该单向预浸料坯片材11中的多根增强纤维的排列方向(纤维长度方向)用箭头符号9(图6中的上下方向)表示；与增强纤维的排列方向正交的方向(纤维正交方向)用箭头符号10(图6中的左右方向)表示。在单向预浸料坯片材11中，使用自动剪断机，在纤维正交方向连续地***图6所示的等间隔且规则的切口12。在图6中，各切口的宽度a为10mm，纤维长度方向的各切口间隔(间距)b、即增强纤维被截断的长度为30mm，在纤维正交方向邻接的切口间的间隔c为10mm。
从如上所述准备的单向预浸料坯片材11中切割16张每张大小为300×300mm的预浸料坯基材。层合上述预浸料坯基材使整体为伪各向同性([+45/0/-45/90]2S)，准备预浸料坯层合体。层合在预浸料坯层合体中的预浸料坯基材为16张，但由于在中央层的90度层中重叠2张纤维方向相同的基材，所以层合数按15层处理。
准备图8所示的模，所述模留有间隔地设置2条图7所示的用于形成凸起部(凸缘)的槽(凸缘槽)14。图8中模13A具有2条用于形成凸缘的槽14A1、14A2。该模13A用作以下说明的上模。
将上述准备的预浸料坯层合体收纳于具有300×300mm面的下模上以后，利用安装有上述上模13A的加热型加压成型机，在加压力为6MPa的加压、加热温度为150℃的加热、成型时间为30分钟的成型条件下，对预浸料坯层合体进行加热、加压、赋型处理，使基质树脂固化，得到具有凸缘的平板状成型体(板状体)。
所得板状体的板状部的厚度1t为2.0mm，增强纤维填充至凸缘的前端，观察凸缘的截面时，如图1所示，确认在凸缘中形成层合结构，在该层合结构中的增强纤维从板状部的层合结构中的增强纤维开始连续，形成凸缘的8个层作为具有沿着凸缘形状的形状、即与凸缘的两侧面及上面对应的形状的层存在。
三点弯曲试验的结果显示，所得板状体的比弯曲刚性为1,100(kN·mm2/g)，是非常高的值。
实施例2
除使用将上模的用于形成凸起部的槽的位置改为图9所示的十字形状的槽14B1、14B2的上模13B之外，与实施例1相同地操作，制作成型体(板状体)。
所得板状体的板状部的厚度1t为2.0mm，增强纤维填充至凸缘的前端，观察凸缘的截面时，如图1所示，确认在凸缘中形成层合结构，在该层合结构中的增强纤维从板状部的层合结构中的增强纤维开始连续，凸缘的8个层作为具有沿着凸缘形状的形状、即与凸缘的两侧面及上面对应的形状的层存在。
三点弯曲试验的结果显示，所得板状体的比弯曲刚性为1,050(kN·mm2/g)，是非常高的值。
比较例1
除不在单向预浸料坯片材上***切口之外，与实施例1相同地操作，得到平板状的成型体(板状体)。
所得板状体的板状部的厚度为2.3mm，在凸缘中5成左右的部分没有填充增强纤维。观察凸缘的截面时，确认形成的凸缘中8成左右的部分由树脂形成，构成凸缘的层合结构的增强纤维层没有形成沿着凸缘形状的形状。
三点弯曲试验的结果显示，所得板状体的比弯曲刚性为150(kN·mm2/g)，是非常低的值。
比较例2
除使用不具有用于形成凸起部的槽的上模之外，与实施例1相同地操作，得到平板状的成型体(板状体)。
所得板状体的厚度为2.4mm。从所得板状体中切割2条宽度为10mm的板状片。接下来，为了制成与实施例1的板状体相同的形状，使用双组分环氧树脂类粘合剂，在该比较例中得到的板状体的表面上粘合上述2条板状片，制作具有凸缘的平板状板状体。需要说明的是，为了提高接合部的粘合，在粘合板状片之前，对粘合部分实施喷砂处理。
所得具有凸缘的板状体的一侧凸缘附近的纵截面图示于图10。图10中，板状体101由板状部101a、101b及通过粘合板状片形成的凸起部(凸缘)102a构成。板状部101a、101b由共存有基质树脂的增强纤维层103a、103b、103c、103d、103e、103f、103g、103h形成。
观察凸缘102a的截面时，如图10所示，凸缘102a具有层合结构，但在凸缘102a的层合结构中的增强纤维与板状部101a、101b的层合结构中的增强纤维不连续，进而在凸缘102a的前端，形成层合结构的各层的连续性分别中断，各层没有形成沿着凸缘102a形状的形状。
三点弯曲试验的结果显示，试验开始后，凸缘102a立刻从板状部101a剥离，板状体10的比弯曲刚性为80(kN·mm2/g)，是非常低的值。
比较例3
按[+45/0/-45/90]2层合8张在实施例1中准备的预浸料坯基材，制作预浸料坯层合体A。从制作的预浸料坯层合体A中切割2个大小为300×20mm的预浸料坯层合体B。
接下来，将得到的2个预浸料坯层合体B以各自的90度层为内侧进行对折，以折返侧为槽的前端***与实施例1相同的上模的槽中后，将预浸料坯层合体A配置于具有300×300mm的面的下模上后，通过与实施例1相同的条件制作具有凸缘的平板状成型体(板状体)。
制作的板状体的一侧凸缘附近的纵截面图示于图11。在图11中，板状体111由板状部111a、111b及凸起部(凸缘)112a构成。板状部111a由共存有基质树脂的增强纤维层113a、113b、113c、113d、113e、113f、113g、113h形成。
观察凸缘112a的截面时，如图11所示，凸缘112a具有层合结构，8个层具有沿着凸缘112a形状的形状，但凸缘112a的层合结构中的增强纤维与板状部111a的层合结构中的增强纤维不连续。
三点弯曲试验的结果显示，试验开始后，凸缘112a立刻从板状部111a剥离，板状体11的比弯曲刚性为100(kN·mm2/g)，是非常低的值。
比较例4
使用与实施例1中使用的单向预浸料坯片材相同的碳纤维(长丝数为12,000根)及环氧树脂组合物，制作纤维长度为25mm、碳纤维单位面积重量为750g/m2、树脂重量分数为50％的SMC片材。将SMC片材切割成300×300mm的大小，层合2张切割后的片材，通过与实施例1相同的条件，制作具有2条直线状凸缘的平板状成型体(板状体)。
所得板状体的板状部的厚度为2.0mm，纤维填充至凸缘的前端，但观察凸缘的截面时，增强纤维分别独立无规地取向重合，在板状部及凸缘各自的厚度方向上未形成增强纤维明确的层。
三点弯曲试验的结果显示，所得板状体的比弯曲刚性为250(kN·mm2/g)，是低值。
产业上的可利用性
本发明的纤维增强塑料中，构成板状部和凸起部的层合结构的各层均含有不连续的增强纤维，并且增强纤维的至少一部分从板状部开始连续至凸起部，构成凸起部的层合结构的层中的至少一个层具有沿着凸起部形状的形状。通过该结构，本发明的纤维增强塑料中的凸起部具有期望的力学特性。
根据本发明的纤维增强塑料的制造方法，尤其可以将结构构件的构成上重要的凸缘或凸台等凸起部的力学特性在制造过程中的降低抑制在最小限度，并且可以简易地制造纤维增强塑料。
本发明的纤维增强塑料优选用作例如运输机器(汽车、航空器、舰艇等)的结构构件、产业机械的结构构件、精密机器的结构构件或者体育用具(自行车、高尔夫等)的结构构件。

Claims (14)

1、一种纤维增强塑料，所述纤维增强塑料由具有板状部和从所述板状部的至少一侧的面***的凸起部的板状体构成，所述板状部及所述凸起部由多根增强纤维和与所述多根增强纤维成一体的基质树脂构成，其中，
(a)所述板状部及所述凸起部中的所述多根增强纤维由至少2个增强纤维层构成，各增强纤维层中的多根增强纤维的排列方向不同，
(b)各增强纤维层中的所述多根增强纤维各自的纤维长度为10至100mm，
(c)各增强纤维层的至少一部分增强纤维从所述板状部至所述凸起部连续存在，并且
(d)在所述凸起部中的所述至少2个增强纤维层中的至少1个增强纤维层具有沿着所述凸起部形状的形状。
2、如权利要求1所述的纤维增强塑料，其中，所述板状部具有一体化在与所述凸起部所在的面相反一侧的面上的增强纤维基层，并且所述增强纤维基层中的增强纤维由多根连续的增强纤维构成。
3、如权利要求1所述的纤维增强塑料，其中，所述凸起部的厚度为所述板状部厚度的0.1至4倍。
4、如权利要求1所述的纤维增强塑料，其中，所述凸起部的高度为所述板状部的厚度的0.2至50倍。
5、如权利要求1所述的纤维增强塑料，其中，所述凸起部的横截面形状为方形或圆形。
6、如权利要求1所述的纤维增强塑料，其中，所述基质树脂为热固性树脂。
7、如权利要求1所述的纤维增强塑料，其中，所述增强纤维为碳纤维。
8、一种纤维增强塑料的制造方法，所述纤维增强塑料由具有板状部和从所述板状部的至少一侧的面***的凸起部的板状体构成，所述板状部及凸起部由多根增强纤维和与所述多根增强纤维成一体的基质树脂构成，所述制造方法包括下述工序，
(a)准备预浸料坯层合体的层合体准备工序，将由各自的纤维长度为10至100mm的多根增强纤维单向依次排列得到的增强纤维片和全部或部分地含浸在所述增强纤维片中的未固化状态的基质树脂构成的至少2张预浸料坯基材，以所述增强纤维的排列方向不同的状态层合，形成预浸料坯层合体，
(b)准备成型所述板状体的成型装置的成型装置准备工序，所述成型装置由具有用于形成所述凸起部的凹部的一个模和在与所述模之间形成所述板状部的另一个模构成，
(c)层合体收纳工序，在所述成型装置准备工序中准备的所述成型装置的所述模间，收纳在所述层合体准备工序中准备的所述预浸料坯层合体，
(d)板状体形成工序，将在所述层合体收纳工序中收纳在所述模内的所述预浸料坯层合体用所述模加热及加压，进行所述板状部及所述凸起部的赋型，同时进行所述基质树脂的固化，形成所述板状体，和
(e)板状体脱模工序，将在所述板状体形成工序中形成的板状体从所述模中取出。
9、如权利要求8所述的纤维增强塑料的制造方法，其中，所述预浸料坯层合体含有一体化在与形成所述凸起部的面相反侧的面上的增强纤维基层，并且所述增强纤维基层中的增强纤维由多根连续的增强纤维构成。
10、如权利要求8所述的纤维增强塑料的制造方法，其中，所述基质树脂为热固性树脂。
11、如权利要求10所述的纤维增强塑料的制造方法，其中，在维持所述模的温度恒定期间，进行所述板状体形成工序和所述板状体脱模工序。
12、如权利要求10所述的纤维增强塑料的制造方法，其中，在所述板状体形成工序中所述热固性树脂的粘度为0.1至100Pa·s。
13、如权利要求10所述的纤维增强塑料的制造方法，其中，在所述板状体形成工序中所述模的温度T与所述热固性树脂的放热峰温度Tp满足Tp-60≤T≤Tp+20的关系。
14、如权利要求8所述的纤维增强塑料的制造方法，其中，关于在所述层合体准备工序中准备的所述预浸料坯层合体，所述10至100mm的纤维长度是通过在单向排列的多根增强纤维中，以所述长度为间隔依次导入切口而得到的，并且至少邻接存在的所述预浸料坯基材之间，所述切口的位置及方向中的一个不同或二者均不同。
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