JP2007152938A - Ｆｒｐ製部材 - Google Patents

Abstract

【課題】 高い切り欠き強度を有するＦＲＰ製部材を提供する。
【解決手段】 少なくとも一つ以上の切り欠きを有する繊維強化複合材料（ＦＲＰ）製部材であって、引張破断伸度が異なる２種以上の補強繊維を含み、応力集中領域において、弾性主軸方向に配向されている全補強繊維体積に占める、弾性主軸方向に配向されている補強繊維Ａの体積割合ＶＡ１が、応力集中領域外において、弾性主軸方向に配向されている全補強繊維体積に占める、弾性主軸方向に配向されている補強繊維Ａの体積割合ＶＡ２よりも高く、かつ、ＶＡ２が０．１以下であるＦＲＰ製部材。
補強繊維Ａ：ＦＲＰ製部材に含まれる補強繊維の中で最も引張破断伸度の高い補強繊維
応力集中領域：切り欠き端部より弾性主軸と直行する方向に（式１）で定義される距離ｄ（ｍｍ）以内の領域
【数１】

Ｖ０：ＦＲＰ製部材中の全補強繊維体積に占める、弾性主軸方向に配向されている補強繊維の体積割合
【選択図】 図１

Description

本発明は、軽量、高剛性であり、かつ、切り欠きを有しながらも高い強度を保持し、輸送機器のフレームや建築物の支柱補強材として好適に使用することができる繊維強化プラスチック製部材（以下、ＦＲＰ製部材と略することもある）に関するものである。

ＦＲＰ製部材は比強度、比剛性、耐熱性、耐環境性に優れるため、スポーツ分野、航空機分野を始め、幅広く普及している。特に補強繊維に炭素繊維を用いた炭素繊維強化プラスチック（以下ＣＦＲＰと略することもある）は比強度、比剛性に優れ、さらに近年では、高伸度タイプと呼ばれる炭素繊維が開発され、この高伸度タイプの炭素繊維を用いたＣＦＲＰは特に比強度に優れるため、すでに航空機分野を始め多方面で活用されている。

しかしながらＦＲＰはボルト孔などに代表される切り欠きを有する場合は引張強度が大きく低下することが知られている（以下、切り欠きを有するＦＲＰの引張強度を切り欠き強度と略することもある）。例えば非特許文献１に代表されるように、スチールやアルミニウムに代表される金属類は、切り欠きを有していても強度の低下率は切り欠きの大きさにほぼ比例した低下率であるのに対し（例えば幅７６ｍｍのアルミニウム板の中心に２２ｍｍの円孔が存在しているときは、その板の引張強度の低下率は１７％にしかならない）、ＦＲＰでは小規模の切り欠きが存在しているだけで大幅に強度が低下することが確認されている（例えば幅７６ｍｍのＦＲＰ板の中心に２２ｍｍの円孔が存在しているときは、その板の引張強度は半減してしまう）。このメカニズムについては非特許文献２に示されているとおり、切り欠き端部にかかる応力集中が関係している。すなわち、円孔などに代表される切り欠きを有する部材に一定の引張荷重をかけたときは、切り欠き端部に応力が集中し、この部分の応力が他の領域の応力に比べて数倍に増幅される。例えば円孔を有する金属板に引張荷重をかけたときは、円孔の端部付近には、円孔から十分離れた領域にかかる応力と比べて、約３倍の応力がかかることが確認されている。しかしながら金属材料の場合は、切り欠き端部付近の材料が塑性変形を起こすことで応力を緩和するため、切り欠き端部の応力集中が引き起こす強度低下は重大な問題として顕在化する事はなかった。

しかしながらＦＲＰの場合は、補強繊維の塑性変形能力は金属材料と比較して小さい場合が多く、特に炭素繊維は、塑性変形をせずに脆性破壊を起こすため、切り欠き端部付近の応力集中により切り欠き端部付近の繊維が破断し、その破断が部材全体の破壊を引き起こすため、切り欠き強度が大幅に低下してしまうのである。この傾向は特に切り欠きにボルトなど他の部材をはめあわせたＦｉｌｌｅｄ Ｈｏｌｅと呼ばれる形状において特に顕在化し、この理由については諸説あるが、例えばボルトをはめあわせた場合、ボルトと切り欠き面との接触面積が大きく、この領域全てで応力が集中する。前述したように塑性変形する金属材料であれば、この領域でも応力が緩和されるため大きな強度低下は引き起こされないが、ＦＲＰではこの応力が集中する領域全てで脆性破壊してしまうため、より強度の低下が激しくなると考えられている。

このような問題を解決するため特許文献１では穴周りを肉厚化し、強度の低下幅を断面積の増加によって補う方法が公開されている。しかしながらこの方法では、切り欠きによる強度の低下は補えるものの、部材が肉厚化し、結果重量増となって、軽量高強度というＦＲＰ本来の特長を損なってしまうという問題を抱えていた。また部分的に肉厚化する方法では、他部品との取り合いの関係からも設計上の制約が大きく、現実的に不可能であるケースが多々あるのである。

このように、切り欠きを有しながら、厚肉化などの重量増を引き起こさずに、かつＦＲＰ本来が持つ高い強度と剛性を維持するＦＲＰ製部材が望まれて久しいのである。
特開平６−１９３２８１号公報 ベイカー（Ｂａｋｅｒ，Ａ．Ａ．），メタルフォーラム（Ｍｅｔａｌｓ Ｆｏｒｕｍ），１９８３年，６巻，２号，ｐ．８１ ゲイ・ダニエル（Ｇａｙ，Ｄａｎｉｅｌ．），ハオ・ソン（Ｈｏａ，Ｓｕｏｎｇ．），ツァイ・ステファン（Ｔｓａｉ，Ｓｔｅｐｈｅｎ．），「コンポジットマテリアル（Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）」、 シーアールシー・プレス（ＣＲＣ ＰＲＥＳＳ），２００３年，ｐ．１１６

本発明の目的は、かかる従来技術の持つ課題を解決し、高い切り欠き強度を有するＦＲＰ製部材を提供することにある。

本発明は、かかる課題を解決するために、次のような手段を採用するものである。すなわち、少なくとも一つ以上の切り欠きを有する繊維強化複合材料（ＦＲＰ）製部材であって、引張破断伸度が異なる２種以上の補強繊維を含み、応力集中領域において、弾性主軸方向に配向されている全補強繊維体積に占める、弾性主軸方向に配向されている補強繊維Ａの体積割合ＶＡ１が、応力集中領域外において、弾性主軸方向に配向されている全補強繊維体積に占める、弾性主軸方向に配向されている補強繊維Ａの体積割合ＶＡ２よりも高く、かつ、ＶＡ２が０．１以下であるＦＲＰ製部材である。

補強繊維Ａ：ＦＲＰ製部材に含まれる補強繊維の中で最も引張破断伸度の高い補強繊維
応力集中領域：切り欠き端部より弾性主軸と直行する方向に（式１）で定義される距離ｄ（ｍｍ）以内の領域

Ｖ０：ＦＲＰ製部材中の全補強繊維体積に占める、弾性主軸方向に配向されている補強繊維の体積割合

本発明によれば、以下に説明するとおり、切り欠きの存在にもかかわらず高い強度を有するＦＲＰ製部材を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を図１を用いて詳細に説明する。本発明のＦＲＰ製部材は２種類以上の補強繊維と、マトリクス樹脂とからなり、かつ、少なくとも一つ以上の切り欠き３を有している。そして、本発明のＦＲＰ製部材は、切り欠きの端部より、弾性主軸４と直行する方向に下記（式１）で定義される距離ｄ（ｍｍ）内の領域１（以下応力集中領域と呼称することもある）とそれ以外の領域２（以下応力集中領域外の領域と呼称することもある）に分けられる。

補強繊維の中で最も引張破断伸度の高い補強繊維（以下この補強繊維を補強繊維Ａと呼称することもある）は応力集中領域に主として配され、補強繊維Ａ以外の繊維（ここでは、説明のため補強繊維を２種類と限定し、補強繊維Ａ以外の補強繊維を補強繊維Ｂと呼称することもある）は主として応力集中領域外の領域に配される。応力集中領域において、弾性主軸方向に配向されている全補強繊維体積に占める、弾性主軸方向に配向されている補強繊維Ａの体積割合ＶＡ１は、応力集中領域外において、弾性主軸方向に配向されている全補強繊維体積に占める、弾性主軸方向に配向されている補強繊維Ａの体積割合ＶＡ２よりも高く、かつ、ＶＡ２は０．１以下である必要がある。

補強繊維Ａは主として切り欠きの端部から距離ｄ（ｍｍ）の領域に配せられ、特に応力が集中し、高い応力がかかる部分の応力集中を緩和させるために他の補強繊維Ｂより高伸度である必要がある。この条件さえ満たせば補強繊維Ａの材料は特に限定されるものではないが、高伸度タイプの炭素繊維やガラス繊維などの無機繊維、そして、ポリアミド繊維、ポリエステル繊維、ポリビニルアルコール繊維、ポリアクリロニトリル繊維、ポリウレタン繊維などの有機繊維を用いることができる。特にガラス繊維や高伸度タイプの炭素繊維は高い引張破断伸度を有しながら、適当な弾性率を有しており好ましい。引張破断伸度３％以上６％以下のガラス繊維は特にこのバランスに優れてさらに好ましい。引張破断伸度が３％未満であると応力集中を緩和させるのに十分ではなく、６％を超えるガラス繊維は存在しない。ここで補強繊維Ａの引張破断伸度とはＪＩＳ Ｒ ７６０１（１９８６）で測定される値をいう。

補強繊維Ｂは特に限定されるものではないが、切り欠き端部以外の部分、すなわち部材の大半の部分に配せられているので、部材の強度のみならず剛性を保持する視点からも高い弾性率を持つ物が好ましい。この観点から言うと炭素繊維は軽量ながら高い弾性率を有しており特に好ましい。弾性率３００ＧＰａ以上１２００ＧＰａ以下の炭素繊維は特に高い剛性を付与することができさらに好ましい。弾性率が３００ＧＰａ未満であると、ＦＲＰ製部材に十分な剛性を付与することができないことがあり、また、１２００ＧＰａを超える炭素繊維は存在しない。ここで補強繊維Ｂの弾性率とはＪＩＳ Ｒ ７６０１（１９８６）で測定される値をいう。

補強繊維Ａと補強繊維Ｂは同方向に引き揃えられている必要があるが、製造上の制約などから引き揃え方向が必ずしも完全に一致している必要はない。ただし、両者の方向の差は２度以内であることが好ましい。そして、補強繊維Ａと補強繊維Ｂの引き揃え方向は、弾性主軸と平行である必要がある。弾性主軸とはＦＲＰ製部材が最も高い剛性を持つ方向のことを指し、ＦＲＰ製部材においては最も補強繊維が配向されている方向に等しいことが多い。また、多用される擬似等方構成では、弾性主軸は実質的に２方向以上存在するが、この場合は、主たる荷重がかかる方向を弾性主軸と定義する。

本発明における切り欠きとは、厚さ方向に全ての補強繊維が不連続となっている部分を意味し、例えば、ボルト孔や勘合用の受け孔などである。切り欠きの形状は円形、楕円形、矩形、菱形など部材が要求する設計によって決定されるものであり特に限定されるものではないが、実質的に円形であると、ボルトなどで他の部材と結合したときに局部的に異常に高い応力がかかることが無いため好ましい。ここで実質的に円形とは、切り欠きの端部と端部を任意に選び、両者の距離が最も大きい組み合わせを長軸、最も小さい組み合わせを短軸としたときに長軸／短軸比が１．３以下であることをいう。この長軸／短軸比が１．３を超えると、他の部材と結合したときに局部的に高い応力がかかってしまい、部材の切り欠き強度が著しく低下してしまうことがある。また、部材の厚さ方向の断面形状は、他の部材とのはめあいにより決定されるものであり、特に限定はされないが、ストレート孔と呼ばれるように一様断面であると、一般に使用されているボルトが不具合なく使用できて好ましい。また、図２のように部材の厚さ方向にテーパーがついている、いわゆる皿孔形状を有していると、皿ねじと呼ばれる形状のボルトを隙間無くはめあわせることができ特に好ましい。ここで、皿孔の深さ７は、部材の厚さ８に対して２／３以下であると、実質的に荷重を支えるストレート孔の部分が相対的に大きくなり特に好ましい。切り欠きの作製方法は、公知の手段を用いることができ特に限定されるものではないが、例えばダイヤモンドドリルで下孔を空け、リーマーで仕上げる方法などは、切り欠きの表面品位を劣化させることなく好ましい。また、ダイヤモンドドリルとリーマーが一体となったドリルを用いて作製する方法も、簡便でかつ切り欠きの表面品位を劣化させることなく好ましい。本発明のＦＲＰ製部材は二つ以上の切り欠きを有することもあり、切り欠き同士の間隔もＦＲＰ製部材の設計要件によって決定されるものであるため特に限定されることはないが、切り欠きの幅をφとすると、切り欠き同士の間隔は３φ以上であると、例えば片方の切り欠きの端部に生じた欠陥が他方の切り欠き周辺の強度に影響を与えることなく好ましい。ここで切り欠きの幅φとは、切り欠きの端部と端部を任意に選び両者の距離が最も大きい組み合わせを幅φと規定する。

上述したように、弾性主軸とはＦＲＰ製部材が最も高い剛性を持つ方向のことを指し、ＦＲＰ製部材においては最も補強繊維が配向されている方向に等しいことが多い。そして、弾性主軸方向に引張荷重がかけられたときは、切り欠きの端部には応力集中により他の部分より高い応力がかかる。発明者らはこの応力集中がかかる領域を簡便に予測できる式を検討の結果生み出すことに成功した。すなわち応力集中がかかる領域は切り欠き端部より弾性主軸と直交する方向に距離ｄ（ｍｍ）以内の領域である。

ここで距離ｄ（ｍｍ）とは下記（式１）で定義される値であり、Ｖ０とは、ＦＲＰ製部材中の全補強繊維のなかで、弾性主軸方向に配向されている補強繊維の体積割合を意味し、具体的には、弾性主軸方向に配向されている補強繊維の体積／ＦＲＰ製部材中の全補強繊維体積で表される。

たとえば一方向積層板の場合Ｖ０は１となり、擬似等方材と呼ばれる[４５／９０／−４５／０]ｓ（ｓは厚さ方向に鏡面対称に積層することを示す）構成では０．２５である。この応力集中領域内に引張破断伸度の高い補強繊維Ａを主として配することにより、応力集中による強度の低下をふせぎ、応力集中のかからない他の領域には弾性率の高い補強繊維Ｂを配することにより、優れた切り欠き強度を保持したまま高い剛性を有するＦＲＰ製部材を提供することが可能となる。具体的には、応力集中領域において、弾性主軸方向に配向されている全補強繊維体積に占める、弾性主軸方向に配向されている補強繊維Ａの体積割合ＶＡ１は、応力集中領域外において、弾性主軸方向に配向されている全補強繊維体積に占める、弾性主軸方向に配向されている補強繊維Ａの体積割合ＶＡ２よりも大きく、かつ、ＶＡ２は０．１以下である必要がある。ＶＡ２が０．１を超えると、一般的に引張破断伸度が高い補強繊維（この場合は補強繊維Ａ）は、塑性域が大きく塑性変形による応力緩和には優れるものの、最終破断強度は決して高くないため、ＦＲＰ製部材の強度は結果的に低下してしまう。また、引張破断伸度が高い補強繊維は一般的に弾性率が低めであるため、弾性率の高い補強繊維Ｂが十分量配されないことになり、ＦＲＰ製部材に十分な剛性を付与することが難しくなる。また、ＶＡ１がＶＡ２より低い場合は、応力集中領域に十分な補強繊維Ａが配されていないことになり、ＦＲＰ製部材の切り欠き強度が著しく低下してしまう。ＶＡ１は０．１以上であると、補強繊維Ａが応力集中領域の応力を十分緩和でき好ましい。０．７以上であると、応力集中領域のほぼ全域をカバーできることになりさらに好ましい。なおＶＡ１は１．０を超えることはない。ＶＡ２は０．１以下であればＦＲＰ製部材に十分な剛性を付与できることができ、より好ましくは０である。なぜなら応力集中領域外の領域にかかる応力は、応力集中領域にかかる応力に比べて著しく低く、切欠き強度向上という観点からは補強繊維Ａを配する利点がないからである。なお、引張破断伸度が高く、かつ、引張弾性率も高い補強繊維を用いるのが効果的ではあるが、繊維の引張破断伸度と引張弾性率は一般的にトレードオフの関係にある。なおＶＡ１とＶＡ２は以下に示す方法によって測定することができる。すなわち、応力集中領域と応力集中領域外の領域をそれぞれダイヤモンドカッターなどで切り取り、弾性主軸に直行する断面を研磨した後、光学顕微鏡で観察する。その観察結果を、例えばＡｄｏｂｅ社製Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ（登録商標）などの画像処理ソフトで取り込み、繊維断面の大きさや形状から補強繊維の選別行う。選別後に、補強繊維Ａと推定される補強繊維と、全ての補強繊維の断面積の総和をそれぞれ画像処理ソフトの面積測定機能などで測定した後、それぞれの領域において、弾性主軸方向に配向されている補強繊維Ａの体積／弾性主軸方向に配向されている全補強繊維体積を算出することによって、ＶＡ１、ＶＡ２が算出できる。

ここまでは説明のため、２種類の補強繊維に限定して説明してきたが、補強繊維Ａと補強繊維Ｂの他に、本発明の効果を損なわない範囲で、第３の繊維を含んでいても良い。全ての繊維を含めた繊維体積含有率（Ｖｆ）は、部材の力学特性と製造の安定性とのバランスをはかる上で、好ましくは４０〜８０％の範囲内がよく、さらに好ましくは５０〜７０％の範囲内にあるのが良い。ここでＶｆは、含まれる種々の補強繊維の比重が実質的に同一と見なせる場合は（例えば炭素繊維の場合は１．７５から１．８５の範囲におさまる）、その中で任意の補強繊維の比重を用い、残りの方法はＪＩＳ Ｋ ７０７５（１９９１）に従って測定することができる。また、例えばガラス繊維（比重約２．５）と炭素繊維（比重約１．８）のように比重が大きく異なる補強繊維が使われている場合は、それぞれの補強繊維が主に配されている領域を任意に選定し、（本発明においては、例えばこの場合は、ガラス繊維は応力集中領域に、炭素繊維は応力集中領域外に主に配されているため、測定個所の選定は容易である）ＪＩＳ Ｋ ７０７５（１９９１）に従ってそれぞれの箇所のＶｆを測定し、それらのうちどれか一つが上述した範囲内に入っていればよい。

マトリックス樹脂は特に限定されないが、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化樹脂が成形性に優れていて好ましく、ナイロンやポリプロピレン、ポリエチレン、アクリル樹脂等の熱可塑樹脂も力学特性に優れていて好ましい。特にエポキシ樹脂は成形性と力学特性のバランスに優れていて特に好ましい。またマトリクス樹脂中には、様々な性能や機能を付加するために、本発明の効果を損なわない範囲で粒子や繊維状等の物質が含まれていてもよい。

本発明のＦＲＰ製部材は、プリプレグを用いて成形することができる。かかる本発明のプリプレグは、得られるＦＲＰ製部材のＶＡ１、ＶＡ２が前記特定範囲になるように単位面積あたりの繊維量を調整して、補強繊維Ａと補強繊維Ｂとを同方向に引き揃えてシート状にし、これに硬化前のマトリックス樹脂を含浸する方法で得ることができる。具体的には、マトリックス樹脂をメチルエチルケトン、メタノールなどの溶媒に溶解して低粘土化し、含浸させるウェット法と、加熱により低粘度化し含浸させるホットメルト法などの方法により製造するのが簡便で好ましい。また別の本発明のプリプレグの例としては、補強繊維Ａを含むプリプレグの表面に補強繊維Ｂを貼付する、或いは補強繊維Ａを含むプリプレグの表面に補強繊維Ｂを含むプリプレグを貼付するなどの方法でも得ることができる。この補強繊維Ａを含むプリプレグとしては公知のものを用いることもできる。

本発明のプリプレグとしては、補強繊維Ａ’が配せられた幅が７ｍｍ以上１３ｍｍ以下であることが好ましい。補強繊維Ａ’とは、プリプレグに含まれる補強繊維の中で最も引張破断伸度が高い補強繊維をさす。この範囲内であると、ＦＲＰ製部材の成形・加工時に、切り欠きが補強繊維Ａが配せられた幅の中心に位置するように設計することで、補強繊維Ａが切り欠き端部から距離ｄ（ｍｍ）以内の領域に配せられることが多いからである。より好ましくは、補強繊維Ａが配せられた幅が９ｍｍ以上１２ｍｍ以下であると、さらに補強繊維Ａが最適に配せられることが多くより好ましい。

また、補強繊維Ａが引き揃え方向の直角方向に実質的に等間隔で配されていると、切り欠きが複数個あるＦＲＰ製部材を成形する際にも便利であることがあり好ましい。そして、このプリプレグには、別のプリプレグを貼り付けるなどして用いることもでき、貼り付けるプリプレグの繊維には強度や弾性率の異なる種類の物を用いてもよい。

また本発明のプリプレグにおいては、良好な品質を得るためには補強繊維の単位面積あたりの重量を５〜５００ｇ／ｍ^２の範囲とするのが良い。５ｇ／ｍ^２未満であると補強繊維を均一に拡幅する事が困難になることがある。５００ｇ／ｍ^２を超えるとプリプレグの厚みが増大しすぎ、軽量化の効果や使用上の利便性が損なわれることがある。そして、マトリクス樹脂の単位面積あたりの重量は１〜３００ｇ／ｍ^２の範囲とするのがよい。１ｇ／ｍ^２未満であるとマトリックス樹脂量が足りず、補強繊維にマトリックス樹脂を十分に含浸させることが難しくなることがある。また、３００ｇ／ｍ^２以上であるとマトリックス樹脂量が多すぎて、プリプレグを製造する過程で過剰なマトリックス樹脂がはみ出すなど生産性が損なわれるおそれがある。そして、プリプレグ状態での補強繊維の含有量（Ｖｆ）は、最終的にこのプリプレグを成形して得られるＦＲＰ製部材の力学特性と製造の安定性とのバランスをはかる上で、好ましくは４０〜８０％の範囲内がよく、さらに好ましくは５０〜７０％の範囲内にあるのが良い。特に補強繊維Ａに関しては、応力集中領域では単位面積あたりの重量はやはり５〜５００ｇ／ｍ^２の範囲とすると上述と同じ理由で好ましく、体積含有量もやはり４０〜８０％、さらに好ましくは５０〜７０％の範囲内にあるのが良い。本発明のＦＲＰ製部材は、同方向に引き揃えられた補強繊維Ａと補強繊維Ｂに樹脂を含浸させたプリプレグを用いて成形することにより、従来の複合材料部材とほとんど変わらないプロセスで製造することができ、例えば、プリプレグを積層後、積層物に圧力を付与しながら樹脂を加熱し硬化させて成形する方法として、プレス成形法、オートクレーブ成形法、バッギング成形法、ラッピングテープ法、内圧成形法などがあり、用途によって適時成形方法を選択することができる。従って製造コストは従来とほとんど変わらない。そして、本発明のＦＲＰ製部材は、切り欠きを有する種々のＦＲＰ製部材に適用でき、例えば航空機や自動車のパネルやフレームなどの輸送機器用途や、建築柱の補強材などの一般産業用途に適用できる。

以下実施例により本発明を詳細に説明する。
（実施例１）
（１）プリプレグの作製
ＰＡＮ系炭素繊維束（補強繊維”トレカ（登録商標）”Ｔ７００Ｓ（東レ（株）社製、伸度２．１％、引張弾性率２３０ＧＰａ））を引き揃え、単位面積あたりの炭素繊維重量が
１２５ｇ／ｍ^２となるようにシート状に広げた。この状態のＰＡＮ系炭素繊維束で繊維直行方向を幅方向と規定し、この幅方向で中心から両側に５．５ｍｍの領域に配せられた補強繊維Ｔ７００Ｓを取り除き、代わりに、ガラス繊維（日東紡（株）社製グラスファイバーロービング（ＲＳ １１０ ＱＬ−５２０、引張破断伸度４．８％、引張弾性率７０ＧＰａ）、表１ではＧＦと表示）を単位面積あたり１７４ｇ／ｍ^２配した。

この補強繊維束に下記の組成のBステージのエポキシ樹脂を単位面積あたりの重量が４２ｇ／ｍ^２となるように含浸させ、このプリプレグをプリプレグＡとした（補強繊維Ａ＝ガラス繊維、補強繊維Ｂ＝Ｔ７００Ｓ）。

一方で、炭素繊維のみを引き揃え、単位面積あたりの炭素繊維重量が１２５ｇ／ｍ^２となるようにシート状に広げ、プリプレグＡを作製するのに使用したのと同じＢステージのエポキシ樹脂を単位面積あたりの重量が４２ｇ／ｍ^２となるように含浸させたプリプレグを作製し、これをプリプレグＢとした。

エポキシ樹脂の組成物
・“エピコート（登録商標）”８２８（ジャパンエポキシレジン（株）製、ビスフェノールＡ型液状エポキシ樹脂） ５０重量部
・“スミ−エポキシ（登録商標）”ＥＬＭ４３４（住友化学工業（株）製、テトラグリシジルジアミノジフェニルメタン、液状） ５０重量部
・“スミキュア（登録商標）”Ｓ（住友化学工業（株）、４，４’−ジアミノジフェニルスルフォン） ３０重量部
（２）ＦＲＰ製部材（平板）の作製
上記のプリプレグを、擬似等方構成［４５／９０／−４５／０］ｓ（記号ｓは、鏡面対称を示す。）の構成で積層（ただし０方向にはプリプレグＡ、他の方向にはプリプレグＢ）し、オートクレーブ中で温度１７７℃、圧力０．６ＭＰａで２時間加熱硬化し、ＦＲＰ製平板を得た。得られたＦＲＰ製平板は、同目付のプリプレグ８層のうち、２層が０度方向に配せられているので、Ｖ０は０．２５となった。そして、(式１)で定義される距離ｄの計算値は２．６０となった。また、得られたＦＲＰ製平板のＶｆを、応力集中領域と応力集中領域外で共にＪＩＳ Ｋ ７０７５（１９９１）に従って測定したところ、共に６６％であった。
（３）ＦＲＰ製平板の物性測定
得られたＦＲＰ製平板からＡＳＴＭ Ｄ５７６６−９５に従って試験片を切り出し、中心にはボール盤を使用して直径６．３５ｍｍの円孔（切欠き）を空けて有孔試験片を作製した。結果、弾性主軸方向に平行な補強繊維の中でガラス繊維が配向されているのは孔端部から（１１−６．３５）／２≒２．３３ｍｍ以内の領域となった。この有孔試験片を、ＡＳＴＭ Ｄ５７６６−９５に従って、引張破断荷重（切り欠き強度）を測定した。結果を表１に示す。
（４）体積割合の求め方
引張試験に使用しなかった有効試験片から、図１に示すように、円孔中心を中心として
弾性主軸方向に幅２ｍｍ、長さを円孔端部から距離ｄまでとする矩形領域５を切り出した。また、円孔端部から距離ｄ以上離れた任意の場所から１ｃｍ角の矩形領域６を切り出した。そして、切り出した矩形物のうち、弾性主軸に直行する断面５ａと断面６ａをそれぞれ研磨したのち光学顕微鏡で観察した。観察結果をＡｄｏｂｅ社製Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ（登録商標）で取り込み、繊維断面の色や大きさや形状から、弾性主軸方向に配されているガラス繊維（＝補強繊維Ａ）と炭素繊維（＝補強繊維Ｂ）の選別を行った。選別後に、弾性主軸方向に配されているガラス繊維の断面積の総和と炭素繊維の断面積の総和をそれぞれ面積測定機能で測定したところ、断面５ａではガラス繊維の断面積の総和は０．６４ｍｍ^２、炭素繊維の断面積の総和は０．０７ｍｍ^２であった。また、断面６ａではガラス繊維は存在せず炭素繊維のみであった。これらの結果から、ガラス繊維（補強繊維Ａ）の体積割合を算出したところ、矩形領域５に含まれているガラス繊維の体積割合（ＶＡ１）は０．９０であった。同様にして算出したところ、矩形領域６に含まれているガラス繊維の体積割合（ＶＡ２）は０であった。
（実施例２〜４、比較例１〜４）
補強繊維Ａ、補強繊維Ｂの種類および補強繊維Ａを配した領域、そして積層構成を表１に示す通り変更した以外は、実施例１に従い、ＦＲＰ製部材を作製し、得られたＦＲＰ製部材の物性を測定した。なお、炭素繊維”トレカ（登録商標）”Ｍ４０Ｊとは東レ（株）社製、伸度１．２％、引張弾性率３７７ＧＰａの炭素繊維である。そして、表中の積層構成で擬似等方とは［４５／９０／−４５／０］ｓ、６０ＵＤとは［４５／９０／−４５／（０）_４／４５／（０）_４／−４５／（０）_４／−４５／９０／４５］、ＵＤとは［０］_８の積層構成をそれぞれ示す。
（実施例５）
有孔試験片の寸法をＡＳＴＭ Ｄ５９６１（２００５）のＦｉｇ．５に記載のＳｉｎｇｌｅ−Ｓｈｅａｒ Ｔｅｓｔ Ｓｐｅｃｉｍｅｎ Ｄｒａｗｉｎｇに従って変更し、孔形状を皿孔にし、皿孔（Ｆｉｇ．５ではＣｏｕｎｔｅｒｓｉｎｋと記載されている）の径を１２．１ｍｍ、皿孔の深さを２．４５ｍｍ、積層構成を［４５／９０／−４５／０］３ｓ、部材厚さｈを３．６ｍｍにした以外は、実施例1と同様にして有孔試験片を作製した。この試験片をやはりＡＳＴＭ Ｄ５９６１（２００５）に従って面圧強さを測定した。
（比較例５）
有孔試験片寸法をＡＳＴＭ Ｄ５９６１（２００５）のＦｉｇ．５に記載のＳｉｎｇｌｅ−Ｓｈｅａｒ Ｔｅｓｔ Ｓｐｅｃｉｍｅｎ Ｄｒａｗｉｎｇに従って変更し、孔形状を皿孔にし、皿孔（Ｆｉｇ．５ではＣｏｕｎｔｅｒｓｉｎｋと記載されている）の径を１２．１ｍｍ、皿孔の深さを２．４５ｍｍ、積層構成を［４５／９０／−４５／０］３ｓ、部材厚さｈを３．６ｍｍにした以外は、比較例1と同様にして有孔試験片を作製した。この試験片をやはりＡＳＴＭ Ｄ５９６１（２００５）に従って面圧強さを測定した。

結果を、表１に纏めて示す。なお、比較例１、比較例３、比較例４では一種類の補強繊維しか使用していないので、その補強繊維を補強繊維Ａとし、補強繊維Ｂの欄は空欄とした。

実施例１〜４のように、補強繊維Ａの引張破断伸度が補強繊維Ｂの引張破断伸度よりも高く、かつ、補強繊維Ａが本発明で生み出した応力集中領域以内に配せられている場合は高い切り欠き強度を維持したままであった。

例えば実施例１と比較例１を比較すると、ガラス繊維に比べて引張破断伸度の低いＴ７００Ｓを一様に配した比較例１の切り欠き強度は、孔周りに引張破断伸度の高いガラス繊維を配した実施例１に比べて大幅な切り欠き強度の低下が見られる。

一方で同じようにガラス繊維を孔周りに配しても、本発明で生み出した応力集中領域以上にガラス繊維を配した（すなわちＶＡ２が０．１以上）比較例２では、やはり大幅な切り欠き強度の低下が見られる。

また、実施例３と比較例４とを比較すると、炭素繊維のみを使用しても、一様にＭ４０Ｊを使用した比較例４では、孔周りにＭ４０Ｊと比較して引張破断伸度の高いＴ７００Ｓを使用した実施例３と比べて、やはり切り欠き強度の低下がみられる。このことから補強繊維の種類によらず、補強繊維Ａと補強繊維Ｂとの引張破断伸度の優劣が、切り欠きを有するＦＲＰ部材の引張強度に大きく影響していることが分かる。また、比較例３のように引張破断伸度の高いガラス繊維のみを使用した場合では、実施例４のようにガラス繊維と弾性率の高い炭素繊維とを組み合わせた場合に比べてやはり引張強度が低いことがわかる。さらに実施例５と比較例５とを比較すると、本発明の構成を使用することで面圧強さが飛躍的に向上することが分かる。

本発明は、軽量、高強度であり、かつ、優れた切り欠き強度を有し、航空機や自動車などの輸送機器や建築物の支柱補強材などの一般産業用途として好適に使用することができる。

本発明を説明するための概略図である。 皿孔形状の切り欠きを説明するための部材の断面図である。

符号の説明

１ 応力集中領域
２ 応力集中領域外の領域
３ 切り欠き
４ 弾性主軸
５ ＶＡ１を測定するための矩形領域
５ａ 矩形領域５の中で弾性主軸に直交する観察面
６ ＶＡ２を測定するための矩形領域
６ａ 矩形領域６の中で弾性主軸に直交する観察面
７ 皿孔の深さ
８ 部材の厚さ

Claims (10)

1. 少なくとも一つ以上の切り欠きを有する繊維強化複合材料（ＦＲＰ）製部材であって、引張破断伸度が異なる２種以上の補強繊維を含み、応力集中領域において、弾性主軸方向に配向されている全補強繊維体積に占める、弾性主軸方向に配向されている補強繊維Ａの体積割合ＶＡ１が、応力集中領域外において、弾性主軸方向に配向されている全補強繊維体積に占める、弾性主軸方向に配向されている補強繊維Ａの体積割合ＶＡ２よりも高く、かつ、ＶＡ２が０．１以下であるＦＲＰ製部材。
   補強繊維Ａ：ＦＲＰ製部材に含まれる補強繊維の中で最も引張破断伸度の高い補強繊維
   応力集中領域：切り欠き端部より弾性主軸と直行する方向に（式１）で定義される距離ｄ（ｍｍ）以内の領域
   

   

   Ｖ０：ＦＲＰ製部材中の全補強繊維体積に占める、弾性主軸方向に配向されている補強繊維の体積割合
2. 補強繊維Ａの引張破断伸度が３％以上６％以下である請求項１に記載のＦＲＰ製部材。
3. 補強繊維Ａ以外の補強繊維の引張弾性率が３００ＧＰａ以上１２００ＧＰａ以下である請求項１または２に記載のＦＲＰ製部材。
4. 補強繊維Ａと補強繊維Ａ以外の補強繊維が同方向に引き揃えられている請求項１〜３のいずれかに記載のＦＲＰ製部材。
5. 補強繊維Ａと補強繊維Ａ以外の補強繊維の引き揃え方向が、弾性主軸と平行である請求項１〜４のいずれかに記載のＦＲＰ製部材。
6. 切り欠きが実質的に円形である請求項１〜５のいずれかに記載のＦＲＰ製部材。
7. 切り欠きが実質的に皿孔形状を有する請求項１〜６のいずれかに記載のＦＲＰ製部材。
8. 切り欠きの幅をφとし、切り欠き同士の間隔が３φ以上である請求項１〜７のいずれかに記載のＦＲＰ製部材。
9. 補強繊維を樹脂で含浸したプリプレグであって、引張破断伸度が異なる２種以上の補強繊維を含み、補強繊維Ａ’が配せられた幅が７ｍｍ以上１３ｍｍ以下であるプリプレグ。
   補強繊維Ａ’：プリプレグに含まれる補強繊維中で最も引張破断伸度の高い補強繊維
10. 補強繊維Ａ’が繊維軸に直角方向に実質的に等間隔で配されている請求項８に記載のプリプレグ。

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