CN103562278B - 碳纤维增强塑料及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种碳纤维增强塑料、及通过梳理进行片状基材的形成的该碳纤维增强塑料的制造方法，所述碳纤维增强塑料是在由不连续的碳纤维形成的片状基材中含浸基体树脂而成的碳纤维增强塑料，其中，片状基材中所含的长度10mm以上的碳纤维的比例为全部碳纤维的60重量％以上，并且基材中所含的碳纤维的取向度的平均值在2～10的范围内。在片状基材的阶段，以取向度的平均值在规定范围内的方式有意图地使不连续的碳纤维具有适当的各向异性，因此，能良好地维持片状基材的赋型性、成型为碳纤维增强塑料的成型性，并且能以很少的碳纤维量得到机械特性优异的碳纤维增强塑料。

Description

碳纤维增强塑料及其制造方法
技术领域
本发明涉及碳纤维增强塑料及其制造方法，特别是涉及维持优异的成型性并且在特定的方向上具有高机械特性的片状碳纤维增强塑料及其制造方法。
背景技术
由碳纤维和基体树脂形成的碳纤维增强塑料(以下也有时称作CFRP[Carbon Fiber Reinforced Plastic])的机械特性、轻质性、耐腐蚀性等优异，因此在各种用途中广泛展开应用。作为CFRP的制造方法，也有使用预先使树脂含浸的、所谓的预浸料坯的方法，但在要求进一步扩大可成型的CFRP的形状的范围、进一步缩短成型所需时间的情况下，例如如汽车用部件或电子设备部件等那样需要大量生产的情况下，通常使用下述方法：将实质上不含树脂的碳纤维基材(干式的碳纤维基材)赋型为规定的形状、使基体树脂含浸于其中成型为期望的CFRP的方法。
在如上所述的干式碳纤维基材中含浸基体树脂成型为CFRP的方法中，使用利用连续的碳纤维形成的基材而成型得到的CFRP的机械特性优异，但在赋型或成型阶段由于连续碳纤维难以活动，因此成型为期望形状的成型性(赋型性)差。另一方面，使用利用不连续的碳纤维形成的基材而成型得到的CFRP中，由于碳纤维容易活动，因此成型性(赋型性)优异，但只能得到机械特性低的成型品。
另外，对于将连续的碳纤维在单向上排列得到的、所谓的单向(UD：Unidirectional)预浸料坯或UD带材(tape)，碳纤维进行取向的方向的机械特性非常高，因此在设计CFRP产品时，通过将碳纤维基材配置在施加负荷的方向上，能够以更少的材料制作在特定的方向上具有期望的机械特性的产品。但是，为了获得优异的成型性(赋型性)而使用了由不连续碳纤维形成的基材的CFRP中，目前为止尚不存在机械特性具有那样高的各向异性的CFRP。如此，难以得到兼顾赋型性和特定方向的机械特性的材料。
使用了由不连续碳纤维形成的基材的CFRP在专利文献1～4等中被公开，但对于机械特性而言，上述文献中均以达成良好的各向同性为目标，对于有意图地使其具有高各向异性这样的技术构思没有记载。特别是对于在树脂含浸前的碳纤维基材的阶段有意图地赋予高各向异性这样的技术构思甚至没有暗示。另外，在专利文献5中，虽然提到了各向异性(特定方向的弯曲弹性模量为250GPa以上)，但没有记载各向异性的程度(取向度)。
[专利文献1]日本特开2010-235779号公报
[专利文献2]日本特开2010-37358号公报
[专利文献3]日本特开2002-212311号公报
[专利文献4]日本特开2004-43985号公报
[专利文献5]日本特开2010-229238号公报
发明内容
因此，本发明的课题在于提供一种碳纤维增强塑料及其制造方法，所述碳纤维增强塑料发挥使用由不连续碳纤维形成的基材时的良好的赋型性、成型性，并且特别是通过在树脂含浸前的碳纤维基材的阶段赋予特定范围的各向异性，还能实现以很少的碳纤维量达成期望方向上的优异的机械特性。
为了解决上述课题，本发明的碳纤维增强塑料是在由不连续的碳纤维形成的片状基材中含浸基体树脂而形成的碳纤维增强塑料，其特征在于，上述基材中所含的长度10mm以上的(优选20mm以上的)碳纤维的比例为全部碳纤维的60重量％以上，并且上述基材中所含的碳纤维的取向度的平均值在2～10的范围内。此处，所谓碳纤维的取向度定义如下，是指碳纤维朝向特定方向的取向与朝向其他方向的取向相比提高的程度。
在如上所述的本发明的碳纤维增强塑料中，通过在使具有某种程度以上长度的不连续的碳纤维在特定方向上取向而形成的片状基材中含浸树脂制成CFRP，能够得到下述CFRP，所述CFRP良好地维持由不连续的碳纤维形成的基材的优异的成型性、赋型性，同时通过不连续碳纤维以规定范围的取向度在上述特定方向上较多地取向，由此在该特定方向上具有强度和弹性模量等的高机械特性。所述碳纤维的规定范围的取向度是被有意图地赋予的，取向度的平均值小于2时，朝向上述特定方向的各向异性的程度小，因而就机械特性而言，与以达成良好的各向同性为目标的现有技术的差距变小。因此，上述特定方向上的机械特性变得相对较低，同时若想获得期望的高机械特性，则需要增加碳纤维的使用量。另外，取向度的平均值大于10时，虽然朝向上述特定方向的各向异性的程度提高，但是朝向除上述特定方向以外的方向、特别是朝向与上述特定方向垂直的方向的取向程度可能变得相对过低，由此可能导致在片状基材的阶段的形态保持性、进而赋型性下降，基材赋型为期望形状的赋型性、成型为CFRP的成型性下降。通过使碳纤维的取向度的平均值在2～10的范围内，即通过在基材阶段使碳纤维的取向具有规定范围的各向异性，使得赋型性、成型性优异，同时能以很少的碳纤维量得到特定方向的机械特性优异的CFRP。而且，即使在不连续的碳纤维具有这样的各向异性进行取向的情况下，该片状基材也能够确实地维持良好的形态保持性、赋型性，并且为了使含浸有基体树脂的碳纤维增强塑料在上述特定方向上显现高机械特性，使基材中所含的长度10mm以上的(优选20mm以上的)碳纤维的比例为全部碳纤维的60重量％以上。由此，在使其具有如上所述的各向异性的状态下，碳纤维之间也变得可以适当接触、相互保持，也变得可以维持片状基材的良好的形态保持性、赋型性，进而也变得可以维持上述规定范围的取向度，由此也变得能够以很少的碳纤维量实现碳纤维增强塑料的上述特定方向的高机械特性。
在上述本发明的碳纤维增强塑料中，改变拉伸方向进行测定时的(即平面上全方位地测定时的)拉伸弹性模量的最大值σMax优选为10GPa以上。该拉伸弹性模量的最大值出现在上述特定方向上，但为了显现作为目标的高机械特性，该拉伸弹性模量的最大值σMax优选为10GPa以上。10GPa以上的拉伸弹性模量的最大值的达成可通过上述取向度的适当控制、以及碳纤维长度、CFRP中的碳纤维含有率、碳纤维种类等来实现。
另外，改变拉伸方向进行测定时的拉伸弹性模量的最大值σMax与最小值σMin之比σMax／σMin优选在2～10的范围内。该比率的范围与用作各向异性程度的指标的上述取向度的平均值的范围正好对应。即，如果上述取向度的平均值的范围为2～10，则依赖于进行取向的碳纤维而显现的拉伸弹性模量的最大值／最小值之比也实质上以2～10的范围出现。
另外，本发明的碳纤维增强塑料中，作为使用的基体树脂，也可为热固性树脂，但从利用注射成型等使树脂短时间含浸于不连续的碳纤维的片状基材从而供于批量生产品等的成型的方面出发，并且从能够更容易地对应于各种成型形状的方面出发，优选使用热塑性树脂。作为使用的热塑性树脂没有特别限定，例如可以使用聚烯烃、ABS、聚酰胺、聚酯、聚苯醚、聚缩醛、聚碳酸酯、聚苯硫醚、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚醚砜、聚酮、聚醚醚酮、它们的组合等。
进而，在本发明的碳纤维增强塑料中，由上述不连续的碳纤维形成的片状基材中所含的碳纤维中，80根以上的碳纤维聚集而成的束状纤维聚集体的比例优选为全部片状基材的3重量％以上、40重量％以下。
本发明的碳纤维增强塑料的制造方法，是将平均纤维长度10mm以上的(优选20mm以上的)不连续的碳纤维形成为片状基材后，在该片状基材中含浸基体树脂的碳纤维增强塑料的制造方法，其特征在于，通过梳理进行上述片状基材的形成，以使基材中所含的碳纤维的取向度的平均值在2～10的范围内。即，为了有意图地使如上所述的具有某种程度长度的不连续的碳纤维以取向度的平均值在2～10的范围内的方式具有各向异性地进行取向，本发明方法中采用对碳纤维进行梳理。通过梳理能够将上述不连续的碳纤维的取向度的平均值控制在规定的范围内。对于梳理的具体方法，在下述的实施例中进行例举。
所述本发明的碳纤维增强塑料的制造方法中，改变拉伸方向进行测定时的上述片状基材的断裂强度的最大值tMax与最小值tMin之比tMax／tMin优选在2～10的范围内。该比率的范围与用作各向异性程度的指标的上述取向度的平均值的范围正好对应。即，如果上述取向度的平均值的范围为2～10，则存在依赖于经取向的碳纤维之间的接触阻力而进行显现的倾向的、片状基材的断裂强度的最大值／最小值之比也形成实质上以2～10的范围出现的倾向。
另外，本发明的碳纤维增强塑料的制造方法中，优选对上述利用梳理形成的片状基材不实施针刺、或实施针刺时实施300根／cm2以下的针刺。通过对不连续的碳纤维的片状基材实施针刺，能够提高树脂的含浸性，但由于本发明中采用有意图地使不连续的碳纤维的取向具有规定范围的各向异性，所以使已被控制在所述规定范围的各向异性不会由于实施针刺产生较大破坏，并且谋求树脂含浸性的适度提高。
另外，通过上述梳理形成片状基材时，也优选在不连续的碳纤维中混合不连续的有机纤维进行梳理，在梳理后，使上述有机纤维的至少一部分熔融，然后实施加压。即，预先适度混合少量的有机纤维，有意图地使碳纤维以取向度的平均值在上述规定的范围内的方式具有各向异性地进行取向，在上述状态下使有机纤维的至少一部分熔融，由此使有机纤维担负用于保持其形态的粘合剂的作用，通过在该状态下实施加压，借助有机纤维将被保持了的形态进行适当固定。这样一来，在片状基材的处理或基体树脂含浸时，更确实地维持本发明中的碳纤维取向的规定的各向异性，维持片状基材的赋型性，同时更容易达成以很少的碳纤维量显现CFRP成型后的特定方向的高机械特性。
在所述本发明的碳纤维增强塑料的制造方法中，作为上述基体树脂，也优选使用热塑性树脂。
如上所述，在本发明的碳纤维增强塑料及其制造方法中，在片状基材的阶段，有意图地使不连续的碳纤维以取向度的平均值在规定的范围内的方式具有适当的各向异性，因此，能够良好地维持片状基材的赋型性、成型为CFRP的成型性，同时能以很少的碳纤维量获得机械特性优异的CFRP。
附图说明
[图1]为表示本发明的一个实施方式的碳纤维增强塑料的制造方法中的梳理工序中使用的装置的一例的示意图。
[图2]为取向度测定用样品的立体简图。
[图3]为从使用X射线CT拍摄测定用样品得到的三维图像数据中划分的块状的微小区域的立体简图及在其上设定坐标轴时的示意图。
[图4]为表示相对于设定的坐标轴、平行地画出与一个轴成某角度的扫描线的状态的示意图。
[图5]为表示求出存在于微小区域内的碳纤维与扫描线相交部分的平均横穿长度的情况的示意图。
[图6]为将平均横穿长度作为扫描线的角度的函数进行绘图所得的图。
[图7]为表示将多个平均横穿长度作为扫描线的角度的函数进行绘图的情况的示意图。
[图8]为表示在以平均横穿长度为扫描线的角度的函数进行绘图所得的图中，求出长径a、短径b、长径的角度的情况的示意图。
[图9]为碳纤维无规地取向的情况和完全单向地取向的情况的、以平均横穿长度为扫描线的角度的函数进行绘图所得的图。
[图10]为表示相对于整个x射线CT图像移动微小区域的情况的示意图。
[图11]为表示测定、计算主取向角和取向度的平均值的一例的图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的优选实施方式。
在本发明的碳纤维增强塑料的制造方法中，通过梳理来进行由不连续的碳纤维形成的片状基材的形成，使得基材中所含的碳纤维的取向度的平均值在2～10的范围内。本发明中所述的梳理，是指通过用梳状的装置等对不连续的碳纤维的聚集体在大致同一方向施加力，使不连续的碳纤维的方向一致、或在使碳纤维的方向一致的同时将碳纤维开纤的操作。通常使用下述梳理装置进行，所述梳理装置具有：表面具有多个针状突起的辊及／或缠绕有具有锯齿刃状突起的金属针布(metallic wire)的辊。对于梳理装置整体的具体例在后面叙述。在实施所述梳理时，出于防止碳纤维折断的目的，优选缩短碳纤维在梳理装置中存在的时间(滞留时间)。具体而言，优选使存在于卷绕在梳理装置的锡林(cylinder roller)上的针布上的碳纤维以尽可能短的时间转移至下游的道夫(doffer roller)。因此，为了促进所述转移，对于锡林的转数而言，锡林优选以例如300rpm以上的高转数进行旋转。另外，基于同样的理由，道夫的表面速度优选为例如10m／分钟以上的快速度。另外，同样地为了减少对碳纤维的破坏、并且防止碳纤维被按压在锡林、工作辊(worker roller)、剥取罗拉(stripper roller)(参见后述的具体的构成例)等的表面上而埋入，重要的是使各辊间的间隙与通常的梳理有机纤维的情况相比扩大一定程度。举例说明的话，则优选使锡林、工作辊、剥取罗拉各个辊之间的间隙为0.5mm以上，更优选为0.7mm以上，进一步优选为0.9mm以上。
图1表示本发明的一个实施方式的碳纤维增强塑料的制造方法中的梳理工序中使用的装置的一例。图1所示的梳理装置1主要由下述部件构成：锡林2；靠近其外周面设置在上游侧的刺辊(take inroller)3；在与刺辊3为相反侧的下游侧、靠近锡林2的外周面设置的道夫4；在刺辊3和道夫4之间靠近锡林2的外周面设置的多个工作辊5；靠近工作辊5设置的剥取罗拉6；靠近刺辊3设置的给棉罗拉(feed roller)7；及输送带8。
将长10mm以上的(优选20mm以上的)碳纤维的比例为全部碳纤维的60重量％以上的不连续的碳纤维9的聚集体供给至在输送带8，不连续的碳纤维9经由给棉罗拉7的外周面、接着经由刺辊3的外周面被导入锡林2的外周面上。在此阶段为止，不连续的碳纤维9形成棉状的形态。导入到锡林2的外周面上的棉状的碳纤维的一部分缠绕在各工作辊5的外周面上，该碳纤维被各剥取罗拉6剥下再次返回到锡林2的外周面上。在给棉罗拉7、刺辊3、锡林2、工作辊5、清洁辊6的各个辊的外周面上以立着的状态存在有多个针、突起，在上述工序中碳纤维由于针的作用被开纤成单纤维状，同时大部分碳纤维的取向方向被聚拢在特定的方向、即锡林2的旋转方向。经过该过程被开纤、进行了纤维的取向的碳纤维以作为碳纤维聚集体的一个形态的片状的纤维网10的形式在道夫4的外周面上移动。进而，通过一边将纤维网10的宽度缩小至规定宽度一边拉出，形成本发明所述的由不连续的碳纤维形成的片状基材。进行所述梳理，有意图地使片状基材中所含的碳纤维的取向度的平均值在2～10的范围内。
在如上所述的梳理中，不连续的碳纤维9的聚集体可以仅由碳纤维形成，也可以混合不连续的有机纤维、特别是热塑性树脂纤维进行梳理。特别是在梳理时添加热塑性树脂纤维能够防止梳理中的碳纤维的断裂，故优选。由于碳纤维刚直且较脆，所以难以缠绕、易于折断。因此，仅由碳纤维形成的碳纤维聚集体中存在下述问题：在梳理中，碳纤维容易断开、或碳纤维容易脱落。因此，通过含有柔软且难以折断、容易缠绕的热塑性树脂纤维，能够形成碳纤维不易断开、碳纤维不易脱落的碳纤维聚集体。另外，也优选如上所述混合上述有机纤维、特别是热塑性树脂纤维进行梳理，在梳理后使有机纤维的至少一部分熔融，然后实施加压。即，也优选事先适度混合少量的有机纤维，有意图地使碳纤维以取向度的平均值在上述规定的范围内的方式具有各向异性地进行取向，在该状态下使有机纤维的至少一部分熔融，由此使有机纤维担负用于保持具有规定取向度的片状基材的形态的粘合剂的作用，通过在该状态下实施加压，借助有机纤维将被保持了的形态进行适当固定。
如上所述在碳纤维聚集体中含有热塑性树脂纤维的情况下，碳纤维聚集体中的碳纤维的含有率优选为50～95质量％，更优选为70～95质量％。若碳纤维的比例低，则制成碳纤维增强塑料时难以获得高机械特性，相反地，若热塑性树脂纤维的比例过低，则无法期待在上述碳纤维聚集体中混合热塑性树脂纤维时的热塑性树脂纤维的作用、或该作用变小。
另外，为了进一步提高由上述热塑性树脂纤维产生的相互缠绕的效果，优选预先对热塑性树脂纤维赋予卷曲。卷曲的程度没有特别限定，通常可以使用卷曲数5～25个／25mm左右、卷曲率3～30％左右的热塑性树脂纤维。
作为所述热塑性树脂纤维的材料，没有特别限制，可以在不使碳纤维增强塑料的机械特性显著降低的范围内适当选择。举例说明的话，可以使用将下述树脂进行纺纱所得的纤维，所述树脂包括：聚乙烯、聚丙烯等聚烯烃类树脂；尼龙6、尼龙6，6等聚酰胺类树脂；聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯等聚酯类树脂；聚醚酮、聚醚砜、芳香族聚酰胺等树脂。所述热塑性树脂纤维的材料优选通过与碳纤维增强塑料的基体树脂的组合进行适当选择。特别是使用与基体树脂相同的树脂、或者与基体树脂具有相容性的树脂、与基体树脂的粘合性高的树脂形成的热塑性树脂纤维不会降低碳纤维增强塑料的机械特性，故优选。
另外，作为下述情况下的加压方法，即，如上所述将以热塑性树脂纤维为代表的有机纤维与碳纤维混合进行梳理，在梳理后，使有机纤维的至少一部分熔融，然后实施加压，没有特别限定，可以使用用平板夹持进行加压的通常的加压机、或用一对辊夹持进行加压的压延辊等。
本发明中，形成片状基材，使得片状基材中所含的长度10mm以上的(优选20mm以上的)碳纤维的比例为全部碳纤维的60重量％以上、并且片状基材中所含的碳纤维的取向度的平均值在2～10的范围内，在所述形成的片状基材中含浸基体树脂的方法没有特别限定，可以使用以下例示的方法。例如，可将基体树脂制成膜或无纺布等片材，将该片材与碳纤维片状基材层合，然后将基体树脂熔融，根据需要进行加压从而含浸。所述方法中，作为制造冲压成型片材的装置，可以使用双带式压力机或间歇压力机等公知的装置。另外，使用在碳纤维片状基材中含浸基体树脂制成预浸料坯或半浸料坯后一边在高压釜中加压一边使其加热·固化的成型方法，也可以制成碳纤维增强塑料。进而，作为其他成型方法，例如也可以应用生产率高的树脂传递模塑成型(Resin Transfer Molding(RTM))、树脂膜熔渗(Resin film Infusinon(RFI))、反应注射成型(ReactionInjection Molding(RIM))、及真空成型法等注塑成型方法等，其中，从成型成本的方面考虑，优选使用RTM和真空成型法。作为RTM，例如包括在利用阳模及阴模形成的模腔中加压注入基体树脂的成型法，优选将模腔减压进行树脂注入。另外，作为真空成型法，例如包括将由阳模或阴模中的任一方和膜等袋材料(bag material)(例如尼龙膜或硅橡胶等)形成的模腔减压、利用与大气压的压差注入基体树脂的成型法，优选在模腔内的预成型体中配置树脂扩散介质(媒介)促进树脂含浸，在成型后从复合材料中分离媒介。
接下来，说明本发明的碳纤维的取向度的测定方法。
1.使用的装置：
x射线CT：Yamato科学公司制TDM1000-IS
2.计算取向度的软件：
RATOC SYSTEM ENGINEERING公司制TRI-3D VOL R8.0
3.从本发明的梳理后的由不连续的碳纤维形成的片状基材中取出图2所示的2.58×2.58×0.35mm尺寸的测定用样品11，将其置于基座12上进行以下测定。将该样品11划分为如下所述进行了20×20×10划分的块状的区域(间距与块的大小相同)，进行取向度的测定、计算。需要说明的是，图2中的样品11的取向方向与梳理的方向一致。
4.取向度的测定、计算
(1)如图3所示，将用X射线CT拍摄上述样品所得的三维图像数据13划分为微小的块状区域14(划分数见上述)。其中，微小区域的大小可根据与碳纤维大小的平衡进行适当调整。
(2)如图3所示，从上述三维图像数据13中选出一个微小区域14设定坐标轴。此处，为了便于理解，用X、Y轴的二维进行说明。
(3)接下来，如图4所示，相对于设定的坐标轴平行地画出与一个轴成某角度的扫描线15。扫描线的间距可根据与碳纤维大小的平衡进行适当调整。
(4)接下来，如图5所示，求出存在于微小区域14内的碳纤维16与扫描线15相交部分的平均长度(=平均横穿长度L1)。由于实际上存在多个纤维，所以求出与扫描线15相交部分的平均长度。
(5)接下来，如图6所示，将平均横穿长度L1作为扫描线15的角度的函数绘制成另外的图(图6中，针对扫描线15的某角度进行绘图)。
(6)接下来，如图7所示，改变扫描线15的角度重复上述(4)(5)的操作，将距离原点的距离作为平均横穿长度，作为扫描线的角度的函数进行绘图。图7中，表示针对平均横穿长度L1、平均横穿长度L2进行绘图所得的图。
(7)接下来，如图8所示，在以平均横穿长度为扫描线的角度的函数进行绘图所得的图中，求出长径a、短径b、长径的角度将长径的角度定义为主取向方向，将长径和短径之比a／b定义为本发明中的取向度。本发明中，将该取向度的平均值控制在规定的范围内。顺便说一下，在碳纤维完全无规地取向的情况下，上述图8所示的图变成如图9(A)所示的正圆(无规取向：a／b=1)。另一方面，在碳纤维完全单向地取向的情况下，上述图8所示的图变成如图9(B)所示的直线(完全取向：a／b=∞)。
(8)接下来，如图10所示，移动微小区域14，相对于X射线CT图像13的整体重复上述(2)～(7)的操作。需要说明的是，在移动时，使其与移动前的区域重叠时，存在良好的情况。
利用上述方法，将测定、计算主取向角、本发明中的取向度的平均值的一例(本发明中规定的范围内)示例于图11。
接下来，本发明中，对于由不连续的碳纤维形成的片状基材中所含的碳纤维中、80根以上的碳纤维聚集而成的束状纤维聚集体的比例为全部片状基材的3重量％以上且40重量％以下时的、束状纤维聚集体的比例的求出方法，以下进行说明。
从碳纤维复合材料切出100mm×100mm的样品，然后，将样品在加热至500℃的电炉中加热1小时左右，烧掉基体树脂等的有机物。测定冷却至室温后残留的碳纤维聚集体的质量，然后用镊子从碳纤维聚集体中将碳纤维束全部取出。对于取出的所有碳纤维束，使用可测定至1／10000g的天秤测定各个碳纤维束的重量Mn和长度Ln。设定碳纤维的直径为r、比重为ρ，以下式的形式计算构成束的碳纤维的根数N，
N=Mn／(r2×3.14×Ln×ρ)。
将已开纤至用镊子无法取出的程度的纤维束汇总最后测定重量。上述测定后，仅将N为80以上的束的重量进行总计，用所得的数值除以全部碳纤维聚集体的重量，求出束状纤维聚集体的比例。
实施例
实施例1
将碳纤维(“T700S”、东丽(株)制、密度1.8、直径7μm、单纤维数12000根)切成50mm后，投入开棉机中得到经开纤的碳纤维。将该经开纤的碳纤维再次投入开棉机中，得到几乎不存在碳纤维束的棉状的碳纤维。将该棉状的碳纤维投入具有直径600mm的锡林的、具有图1所示的结构的梳理装置，形成由碳纤维形成的片状的纤维网。此时的锡林的转数为350rpm，道夫的速度为15m／分钟。在该梳理工序中，未发生碳纤维的脱落或卷绕到梳理装置的辊上。使用交叉铺网机层合该纤维网后，得到实施了50根／cm2的针刺的碳纤维无纺布。此时的交叉铺网机的振幅为1.2m，碳纤维无纺布的卷绕速度为1m／分钟。该碳纤维无纺布的取向度为4.4。每改变15°方向测定该无纺布的拉伸强度，结果最低值与最高值之比为4.0。在该碳纤维无纺布中含浸尼龙6树脂(“CM1001”、东丽(株)制)，制作纤维体积含有率Vf30％的CFRP片材。每改变15°方向测定该CFRP的拉伸弹性模量，结果最低值为13GPa、最高值为40GPa。使用该CFRP制作汽车发动机罩用增强材料，结果通过使CFRP的弹性模量高的方向对应于施加负荷的方向进行配置，能够以少量的CFRP制作汽车发动机罩用增强材料，与具有相同刚性的现有的钢制增强材料相比，能够减轻50％重量。
比较例1
在梳理时，以质量比50：50的比例在碳纤维中混合尼龙6不连续纤维(单纤维纤度1.7dtex、切割长度51mm、卷曲数12个／25mm、卷曲率15％)，制作碳纤维／尼龙6混合无纺布。此时的交叉铺网机的振幅为1.2m，无纺布的卷绕速度为3m／分钟。该无纺布的取向度为1.7。每改变15°方向测定该无纺布的拉伸强度，结果最低值与最高值之比为1.5。在该无纺布中含浸尼龙6树脂(“CM1001”、东丽(株)制)，制作Vf30％的CFRP片材。每改变15°方向测定该CFRP的拉伸弹性模量，结果最低值为20GPa、最高值为30GPa。使用该CFRP与实施例1同样地制作增强材料，结果与具有相同刚性的现有的钢制增强材料相比，只能减轻35％重量。
比较例2
为了增强纤维网中的碳纤维的取向，使梳理时的锡林的转数为550rpm，另外使锡林和工作辊的间隔为实施例1的情况的1／2，进而使碳纤维的投入量为实施例1的1／2、无纺布的卷绕速度为0.5m／分钟，制作碳纤维无纺布。所得碳纤维无纺布的取向度为11。每改变15°方向测定该无纺布的拉伸强度，结果最低值与最高值之比为12.0。在所述梳理的条件下，碳纤维变得容易卷绕在梳理机装置的锡林等上，难以连续地制作碳纤维无纺布。另外，由于碳纤维的投入量没有提高，所以生产效率变得非常低。在该无纺布中含浸尼龙6树脂(“CM1001”、东丽(株)制)，制作Vf30％的CFRP片材。每改变15°方向测定该CFRP的拉伸弹性模量，结果最低值为10GPa、最高值为55GPa。使用该CFRP与实施例1同样地制作增强材料，结果与具有相同刚性的现有的钢制增强材料相比，能够减轻60％重量。
实施例2
在梳理时，以质量比90：10的比例在碳纤维中混合尼龙6不连续纤维(单纤维纤度1.7dtex、切割长度51mm、卷曲数12个／25mm、卷曲率15％)，制作碳纤维／尼龙6混合无纺布。此时的交叉铺网机的振幅为1.2m，无纺布的卷绕速度为1m／分钟。另外，在卷绕无纺布之前，从无纺布的两面吹拂280℃的热风，然后用经冷却水在内部流动的冷却辊夹持、使尼龙6不连续纤维熔融·固化。该无纺布的取向度为3.9。每改变15°方向测定该无纺布的拉伸强度，结果最低值与最高值之比为2.5。在该无纺布中含浸尼龙6树脂(“CM1001”、东丽(株)制)，制作Vf30％的CFRP片材。每改变15°方向测定该CFRP的拉伸弹性模量，结果最低值为15GPa、最高值为35GPa。使用该CFRP与实施例1同样地制作增强材料，结果与具有相同刚性的现有的钢制增强材料相比，能够减轻55％重量。
比较例3
除了使针刺的根数为500根／cm2以外，使用与实施例1相同的方法得到碳纤维无纺布。该碳纤维无纺布的取向度为1.7。每改变15°方向测定该无纺布的拉伸强度，结果最低值与最高值之比为1.5。在该碳纤维无纺布中含浸尼龙6树脂(“CM1001”、东丽(株)制)，制作Vf30％的CFRP片材。每改变15°方向测定该CFRP的拉伸弹性模量，结果最低值为22GPa、最高值为29GPa。使用该CFRP制作汽车发动机罩用增强材料，结果通过使CFRP的弹性模量高的方向对应于施加负荷的方向进行配置，能够以少量的CFRP制作汽车发动机罩用增强材料，与具有相同刚性的现有钢制增强材料相比，只能减轻30％重量。
产业上的可利用性
本发明的碳纤维增强塑料及其制造方法可适用于使用不连续的碳纤维制作片状基材、在其中含浸树脂的所有碳纤维增强塑料。
符号说明
1 梳理装置
2 锡林
3 刺辊
4 道夫
5 工作辊
6 剥取罗拉
7 给棉罗拉
8 输送带
9 不连续的碳纤维
10 片状纤维网
11 测定用样品
12 基座
13 三维图像数据
14 微小区域
15 扫描线
16 碳纤维

Claims (10)

1.一种碳纤维增强塑料，是在由不连续的碳纤维形成的片状基材中含浸基体树脂而成的碳纤维增强塑料，其特征在于，所述基材中所含的长度10mm以上的碳纤维的比例为全部碳纤维的60重量％以上，并且所述基材中所含的碳纤维的取向度的平均值在2～10的范围内，其中，所述碳纤维的取向度的平均值如下求出，
从片状基材中取出规定尺寸的测定用样品，将用X射线CT拍摄所述样品所得的三维图像数据划分为微小的块状区域，从所述三维图像数据中选出一个微小区域，设定二维坐标轴；相对于设定的坐标轴平行地画出与一个轴成某角度的扫描线，求出存在于微小区域内的碳纤维与扫描线相交部分的平均长度即平均横穿长度L1，改变扫描线的角度同样地求出微小区域内的碳纤维与扫描线相交部分的平均长度即平均横穿长度L2，将距离原点的距离作为平均横穿长度L1、L2，作为扫描线的角度的函数进行绘图，由此在坐标内求出长径a、短径b、长径的角度的椭圆，将长径的角度定义为主取向方向，将长径和短径之比a/b定义为碳纤维的取向度；移动所述微小区域，相对于X射线CT图像的整体，重复上述手法，将得到的取向度的平均值定义为所述碳纤维的取向度的平均值。
2.如权利要求1所述的碳纤维增强塑料，其特征在于，改变拉伸方向进行测定时的拉伸弹性模量的最大值σMax为10GPa以上。
3.如权利要求1或2所述的碳纤维增强塑料，其特征在于，改变拉伸方向进行测定时的拉伸弹性模量的最大值σMax与最小值σMin之比σMax/σMin在2～10的范围内。
4.如权利要求1所述的碳纤维增强塑料，其特征在于，所述基体树脂由热塑性树脂形成。
5.如权利要求1所述的碳纤维增强塑料，其特征在于，所述由不连续的碳纤维形成的片状基材中所含的碳纤维中，80根以上的碳纤维聚集而成的束状的纤维聚集体的比例为全部片状基材的3重量％以上且40重量％以下。
6.一种碳纤维增强塑料的制造方法，是将平均纤维长度10mm以上的不连续的碳纤维形成为片状基材后，在所述片状基材中含浸基体树脂的碳纤维增强塑料的制造方法，其特征在于，通过梳理进行所述片状基材的形成，以使基材中所含的碳纤维的取向度的平均值在2～10的范围内，其中，所述碳纤维的取向度的平均值如下求出，
从片状基材中取出规定尺寸的测定用样品，将用X射线CT拍摄所述样品所得的三维图像数据划分为微小的块状区域，从所述三维图像数据中选出一个微小区域，设定二维坐标轴；相对于设定的坐标轴平行地画出与一个轴成某角度的扫描线，求出存在于微小区域内的碳纤维与扫描线相交部分的平均长度即平均横穿长度L1，改变扫描线的角度同样地求出微小区域内的碳纤维与扫描线相交部分的平均长度即平均横穿长度L2，将距离原点的距离作为平均横穿长度L1、L2，作为扫描线的角度的函数进行绘图，由此在坐标内求出长径a、短径b、长径的角度的椭圆，将长径的角度定义为主取向方向，将长径和短径之比a/b定义为碳纤维的取向度；移动所述微小区域，相对于X射线CT图像的整体，重复上述手法，将得到的取向度的平均值定义为所述碳纤维的取向度的平均值。
7.如权利要求6所述的碳纤维增强塑料的制造方法，其特征在于，改变拉伸方向进行测定时的所述片状基材的断裂强度的最大值tMax与最小值tMin之比tMax/tMin在2～10的范围内。
8.如权利要求6或7所述的碳纤维增强塑料的制造方法，其特征在于，对通过所述梳理形成的片状基材实施300根/cm2以下的针刺。
9.如权利要求6所述的碳纤维增强塑料的制造方法，其特征在于，在通过所述梳理形成片状基材时，在不连续的碳纤维中混合不连续的有机纤维进行梳理，在梳理后，使所述有机纤维的至少一部分熔融，然后实施加压。
10.如权利要求6所述的碳纤维增强塑料的制造方法，其特征在于，使用热塑性树脂作为所述基体树脂。
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