JP2014213521A - 三次元繊維強化複合材 - Google Patents

Abstract

【課題】少なくとも２軸配向となる積層繊維層を、縫い糸と留め糸とで結束してなる繊維構造体を強化基材として使用し、ループ状に折り返す縫い糸の根元部の樹脂溜まり量の減少と繊維体積含有率の向上とを両立させる。
【解決手段】三次元繊維強化複合材の強化基材となる三次元繊維構造体１０は、面内糸層１１が積層された少なくとも２軸配向となる積層繊維層１２を、縫い糸１３と留め糸１４とで結束してなる。縫い糸１３は、積層繊維層１２のいずれか一方の最外層上に配列された留め糸と係合してループ状に折り返して積層繊維層に挿入された折り返し挿入部１３ａと、積層繊維層の留め糸が配列された側と反対側の面の外側に配列された反留め糸側配列部１３ｂとを有し、折り返し挿入部１３ａの根元部１６において、留め糸に向かう方向の入側部１３ｃと、留め糸に係合して折り返してくる方向の出側部１３ｄとが同一方向に屈曲されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、三次元繊維強化複合材に係り、詳しくは面内糸層が積層された少なくとも２軸配向となる積層繊維層を、縫い糸と留め糸とで結束してなる繊維構造体を強化基材とする三次元繊維強化複合材に関する。

繊維強化複合材は軽量の構造材料として広く使用されている。複合材用の強化基材として三次元織物（三次元繊維構造体）がある。この三次元織物を強化基材として、樹脂をマトリックスとした複合材は航空機、自動車、船舶あるいは一般産業機器の構造用部材として用いられている。三次元織物複合材（三次元繊維強化複合材）は、織布や不織布等の強化繊維に樹脂を含浸硬化して形成した繊維強化複合材と異なり、基準面内に配列された強化繊維（面内配向糸）と交差する方向に配列される厚さ方向糸（面外方向糸）を有する三次元織物を強化基材としている。そのため、面外方向糸を有さない繊維強化複合材に比較して、高い面外方向強度を持つ反面、厚さ方向糸（面外方向糸）の周辺でクラックが発生し易いという品質課題がある。

この課題に対応するため、積層された面内方向糸の複数の層が有機繊維からなる縫い糸により縫い合わされた三次元織物に樹脂を含浸硬化してなる三次元繊維強化樹脂複合材が提案されている。（特許文献１参照）。特許文献１の三次元繊維強化樹脂複合材は、図７に示すように、複数の経糸５１と複数の緯糸５２からなる面内方向糸５３と、面内方向糸５３の基準面に対して直交する複数の面外方向糸（縫い糸）５４と、面外方向糸５４を固定する耳糸（留め糸）５５とから形成される平板状三次元織布５６に樹脂を含浸し、加熱加圧処理して硬化することで形成される。面外方向糸５４は１０００デニール以下のものが使用される。

特開２００７−１５２６７２号公報

特許文献１の三次元繊維強化樹脂複合材は、面外方向糸５４に有機繊維を使用することにより、無機繊維に比べてマトリックス樹脂と熱的性質が近く、クラックの原因となる内部ひずみが減少する。また、１０００デニール以下の細い糸を使用することにより、図７に矢印Ａ，Ｂで示す箇所、即ち面外方向糸５４のループ内や面外方向糸５４及び耳糸５５の太さ分生じる治具と面内方向糸５３の隙間における樹脂溜まりを減少させる方策として有効である。

ところが、これらの対策では、図７において矢印Ｃで示す部分、即ち面外方向糸５４の根元部の樹脂溜まりを減少させる方策としては、面外方向糸５４の張力を上げられないという背反が伴い有効ではない。また、面外方向糸５４の張力を上げることができないと、一般的な構造用ＣＦＲＰ（炭素繊維強化樹脂）材の繊維体積含有率（Ｖｆ５５％程度）を実現できないという問題がある。

また、面外方向糸５４は、積層繊維層の各繊維層と直交する方向に延び、かつ耳糸５５と係合してループ状に折り返して配列された部分と、積層繊維層の耳糸５５の側と反対側の表層に沿って配列された部分とを有する。そのため、平板状三次元織布５６の製造工程において面外方向糸５４を引き締める際に、面外方向糸５４の耳糸５５と係合してループ状に折り返して配列された部分の根元部において、積層繊維層の耳糸５５の側と反対側の表層に沿って配列される部分が、面外方向糸５４の間隔を拡げるように作用する。その結果、平板状三次元織布５６は、面外方向糸５４の根元部の間隔が広がった状態となり、平板状三次元織布５６を強化基材として繊維強化複合材（繊維強化樹脂）を形成すると、面外方向糸５４の根元部の樹脂溜まり量が多くなり、樹脂溜まりの部分からクラックが発生し易くなる。

本発明は、前記の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、少なくとも２軸配向となる積層繊維層を、縫い糸と留め糸とで結束してなる繊維構造体を強化基材として使用し、ループ状に折り返す縫い糸の根元部の樹脂溜まり量の減少と繊維体積含有率の向上とを両立させることができる三次元繊維強化複合材を提供することにある。

上記課題を解決する三次元繊維強化複合材は、面内糸層が積層された少なくとも２軸配向となる積層繊維層を、縫い糸と留め糸とで結束してなる繊維構造体を強化基材とする三次元繊維強化複合材である。そして、前記繊維構造体は、前記留め糸が前記積層繊維層のいずれか一方の最外層上に配列されている。前記縫い糸は、前記留め糸と係合してループ状に折り返して前記積層繊維層に挿入された折り返し挿入部と、前記積層繊維層の前記留め糸が配列された側と反対側の面の外側に配列された反留め糸側配列部とを有し、前記折り返し挿入部の根元部において、前記留め糸に向かう方向の入側部と、前記留め糸に係合して折り返してくる方向の出側部とが同一方向に屈曲されている。

この構成によれば、強化基材となる繊維構造体の製造工程において、積層繊維層を留め糸と協同して結束する縫い糸を引き締める際に、積層繊維層の留め糸の側と反対側の表層に沿って配列される縫い糸の反留め糸側配列部が、縫い糸の折り返し挿入部の根元部において、縫い糸の間隔を拡げるように作用しない。したがって、少なくとも２軸配向となる積層繊維層を、縫い糸と留め糸とで結束してなる繊維構造体を強化基材として使用した三次元繊維強化複合材において、ループ状に折り返す縫い糸の根元部の樹脂溜まり量の減少と繊維体積含有率の向上とを両立させることができる。

前記縫い糸は、前記積層繊維層の幅方向の一方の端部から１ピッチより離れた位置で折り返し状に挿入された後、１ピッチ戻る位置で折り返し状に挿入され、以降の挿入位置が３ピッチ先の位置と、前記３ピッチ先の位置から１ピッチ戻る位置とを繰り返さすように挿入されていることが好ましい。この構成によれば、繊維構造体を製造する際、縫い糸の留め糸と係合してループ状に折り返して積層繊維層に挿入された部分が一定ピッチで存在するように縫い糸を積層繊維層に挿入する作業が他の挿入方法に比べて簡単になる。

本発明によれば、少なくとも２軸配向となる積層繊維層を、縫い糸と留め糸とで結束してなる繊維構造体を強化基材として使用した三次元繊維強化複合材において、ループ状に折り返す縫い糸の根元部の樹脂溜まり量の減少と繊維体積含有率の向上とを両立させることができる。

一実施形態の三次元繊維構造体の模式斜視図。 三次元繊維構造体の模式断面図。 縫い糸と留め糸の関係を示す模式図。 （ａ）は実施形態の三次元繊維構造体を用いた三次元織繊維強化複合材の模式断面図、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図。 （ａ）は従来の三次元繊維構造体を用いた三次元織繊維強化複合材の模式断面図、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図。 （ａ），（ｂ）はそれぞれ別の実施形態の縫い糸と留め糸の関係を示す模式図。 従来技術の模式断面図。

（第１の実施形態）
以下、第１の実施形態を図１〜図５にしたがって説明する。
図１及び図２に示すように、三次元繊維強化複合材の強化基材として使用される繊維構造体としての三次元繊維構造体１０は、面内糸層１１が積層された少なくとも２軸配向となる積層繊維層１２が、縫い糸１３と留め糸１４とで結束されて構成されている。三次元繊維構造体１０は、留め糸１４が積層繊維層１２のいずれか一方の最外層上に配列されている。

縫い糸１３は、留め糸１４と係合してループ状に折り返して積層繊維層１２に挿入された折り返し挿入部１３ａと、積層繊維層１２の留め糸１４が配列された側と反対側の面の外側に配列された反留め糸側配列部１３ｂとを有する。縫い糸１３は、留め糸１４と係合してループ状に折り返す折り返し挿入部１３ａの根元部１６において、留め糸１４に向かう方向の入側部１３ｃと、留め糸１４に係合して折り返してくる方向の出側部１３ｄとが同一方向に屈曲されている。縫い糸１３の配列面Ｐｚは、留め糸１４の配列方向と直交するようになっており、この実施形態では配列面Ｐｚは、配向角０度の面内糸と平行になっている。

図３に示すように、この実施形態では、縫い糸１３は、積層繊維層１２に対して基本的には３ピッチの間隔をおいて折り返し状に挿入された後、１ピッチ戻る位置で折り返し状に挿入されることの繰り返しで構成されている。但し、縫い糸１３の積層繊維層１２に対する挿入の最初の部分は、積層繊維層１２に端部から１ピッチより離れた位置で折り返し状に挿入された後、１ピッチ戻る位置で折り返し状に挿入される。即ち、縫い糸１３は、留め糸１４と係合してループ状に折り返して積層繊維層１２に挿入された折り返し挿入部１３ａが一定のピッチＰで存在するように配列されている。１ピッチは、例えば、３ｍｍ程度である。

図２に示すように、この実施形態では、積層繊維層１２は、配向角０度の連続繊維から成る面内糸層１１ａと、配向角９０度の連続繊維から成る面内糸層１１ｂと、配向角４５度の連続繊維から成る面内糸層１１ｃと、配向角−４５度の連続繊維から成る面内糸層１１ｄとが、所定数積層されて疑似等方性に構成されている。そして、積層繊維層１２の厚さ方向の両面にそれぞれ配向角４５度の連続繊維から成る面内糸層１１ｃ又は配向角−４５度の連続繊維から成る面内糸層１１ｄが配列されている。連続繊維は、三次元繊維構造体１０の厚さ方向（図２の上下方向）と直交する面内に配列される面内糸となる。

面内糸、縫い糸１３及び留め糸１４としては、例えば、炭素繊維が使用される。炭素繊維はフィラメント数が数百〜数万本程度であり、要求性能に適した本数の繊維束が選択される。縫い糸１３及び留め糸１４としては、基本的に同じ太さの繊維束が使用される。また、縫い糸１３及び留め糸１４は面内糸層１１を構成する面内糸と同じ太さであってもよいが、面内糸より細い方が好ましい。

次に前記のように構成された三次元繊維構造体１０の製造方法の一例を説明する。三次元繊維構造体１０は、積層繊維層１２に公知の方法、例えば特開平８−２１８２４９号公報に開示されている厚さ方向糸（縫い糸）の挿入方法と同様に、先端に孔を有する複数本の挿入針を用いて縫い糸１３を挿入する。即ち、積層繊維層１２の厚さ方向に、先端に備えた孔に縫い糸１３を掛止した複数本の挿入針を、各挿入針の孔が積層繊維層１２を貫通するまで挿入した後、各挿入針をわずかに後退させて縫い糸１３がループ状になった部分に留め糸１４を挿入する。その状態で挿入針を引き戻し、留め糸１４に張力を加えた状態で縫い糸１３により留め糸１４を締め付けて各面内糸層１１を結合する。しかし、従来の挿入方法と異なり、挿入針は一定ピッチで順次積層繊維層１２に挿入されるのではない。

詳述すると、縫い糸１３は、折り返し挿入部１３ａが先ず図３において、左から２番目のＩで示す位置に留め糸１４の配列側と反対側から折り返し状に挿入された後、その位置から１ピッチ戻った最も左側のIIで示す位置に挿入される。次にIIで示す位置から３ピッチ先のIII で示す位置に挿入された後、その位置から１ピッチ戻ったIVで示す位置に挿入される。以下、「３ピッチ先」、「１ピッチ戻し」を繰り返すように積層繊維層１２に挿入される。なお、縫い糸１３が積層繊維層１２に対して最初に挿入される位置は、積層繊維層１２の端から３ピッチの間隔をおいた位置ではなく、１ピッチ戻る余地のある端からほぼ１ピッチ間隔をおいた位置となる。

そして、縫い糸１３は、留め糸１４と係合してループ状に折り返す折り返し挿入部１３ａの根元部１６において、留め糸１４に向かう方向の入側部１３ｃと、留め糸１４に係合して折り返してくる方向の出側部１３ｄとが同一方向に屈曲する状態で積層繊維層１２に挿入された状態になる。

そのため、挿入針を引き戻し、留め糸１４に張力を加えた状態で縫い糸１３により留め糸１４を締め付ける場合、縫い糸１３の留め糸１４と係合してループ状に折り返して積層繊維層１２に挿入された折り返し挿入部１３ａの根元部１６には、図３に矢印Ｆで示す方向に張力が作用する状態となる。即ち、折り返し状に挿入された折り返し挿入部１３ａの根元部１６の入側部１３ｃ及び出側部１３ｄにはその間隔を拡げる方向に張力が作用しない。したがって、縫い糸１３及び留め糸１４の張力を高めて積層繊維層１２に大きな圧縮力を加えた場合、根元部１６の目開きを大きくせずに三次元繊維構造体１０の繊維体積密度を高めることができる。その結果、三次元繊維構造体１０は、縫い糸１３の折り返し挿入部１３ａの根元部１６と対応する箇所において、三次元繊維構造体１０に樹脂を含浸させた際に樹脂溜まりとなる部分の占める体積が小さくなる。

一方、従来技術のように挿入針が一定ピッチで順次積層繊維層１２に挿入される縫い糸の挿入方法では、縫い糸１３及び留め糸１４の張力を高めて積層繊維層１２に大きな圧縮力を加える際、縫い糸１３の折り返し挿入部１３ａの根元部１６の入側部１３ｃ及び出側部１３ｄにはその間隔を拡げる方向に張力が作用する。その結果、三次元繊維構造体１０は、縫い糸１３の折り返し挿入部１３ａの根元部１６と対応する箇所において、三次元繊維構造体１０に樹脂を含浸させた際に樹脂溜まりとなる部分の占める体積が大きくなる。

三次元繊維構造体１０は三次元繊維強化複合材としての三次元繊維強化樹脂の強化基材として使用される。三次元繊維強化樹脂は、三次元繊維構造体１０に、例えば、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂が含浸硬化されて構成される。図４（ａ），（ｂ）に示すように、実施形態の三次元繊維強化樹脂では、縫い糸１３は、留め糸１４と係合してループ状に折り返す折り返し挿入部１３ａの根元部１６において、留め糸１４に向かう方向の入側部１３ｃと、留め糸１４に係合して折り返してくる方向の出側部１３ｄとが同一方向に屈曲する状態で積層繊維層１２に挿入された状態になる。そして、入側部１３ｃ及び出側部１３ｄの目開きが防止された状態で樹脂が含浸硬化されているため、縫い糸１３の折り返し挿入部１３ａの根元部１６と対応する箇所における樹脂溜まり１７となる部分の占める体積が小さくなる。そのため、樹脂溜まり１７の部分からのクラックの発生が、抑制される。

一方、図５（ａ），（ｂ）に示すように、従来技術では、縫い糸１３が、留め糸１４と係合してループ状に折り返す折り返し挿入部１３ａの根元部１６において、留め糸１４に向かう方向の入側部１３ｃと、留め糸１４に係合して折り返してくる方向の出側部１３ｄとが逆方向に屈曲する状態で積層繊維層１２に挿入された状態になる。そのため、入側部１３ｃ及び出側部１３ｄの目開きが大きくなり、その三次元繊維構造体を強化基材とした三次元繊維強化樹脂では、縫い糸１３の折り返し挿入部１３ａの根元部１６と対応する箇所における樹脂溜まり１７が大きくなり、樹脂溜まり１７の部分からクラックが発生し易くなる。

この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）三次元繊維強化複合材は、面内糸層１１が積層された少なくとも２軸配向となる積層繊維層１２を、縫い糸１３と留め糸１４とで結束してなる繊維構造体を強化基材とする三次元繊維強化複合材である。繊維構造体（三次元繊維構造体１０）は、留め糸１４が積層繊維層１２のいずれか一方の最外層上に配列されている。縫い糸１３は、留め糸１４と係合してループ状に折り返して積層繊維層１２に挿入された折り返し挿入部１３ａと、積層繊維層１２の留め糸１４が配列された側と反対側の面の外側に配列された反留め糸側配列部１３ｂとを有する。折り返し挿入部１３ａの根元部１６において、留め糸１４に向かう方向の入側部１３ｃと、留め糸１４に係合して折り返してくる方向の出側部１３ｄとが同一方向に屈曲されている。したがって、少なくとも２軸配向となる積層繊維層１２を、縫い糸１３と留め糸１４とで結束してなる繊維構造体（三次元繊維構造体１０）を強化基材として使用した三次元繊維強化複合材において、ループ状に折り返す縫い糸１３の根元部１６の樹脂溜まり量の減少と繊維体積含有率の向上とを両立させることができる。

（２）縫い糸１３は、積層繊維層１２の幅方向の一方の端部から１ピッチより離れた位置で折り返し状に挿入された後、１ピッチ戻る位置で折り返し状に挿入され、以降の挿入位置が３ピッチ先の位置と、３ピッチ先の位置から１ピッチ戻る位置とを繰り返さすように挿入されている。したがって、繊維構造体（三次元繊維構造体１０）を製造する際、縫い糸１３の留め糸１４と係合してループ状に折り返して積層繊維層１２に挿入された折り返し挿入部１３ａが一定ピッチで存在するように縫い糸１３を積層繊維層１２に挿入する作業が他の挿入方法に比べて簡単になる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 縫い糸１３は、基本的に３ピッチの間隔をおいて折り返し状に挿入された後、１ピッチ戻る位置で折り返し状に挿入されたことの繰り返しで構成されているものに限らない。例えば、図６（ａ）に示すように、縫い糸１３は、積層繊維層１２の最外層の面内糸層１１ｃに沿って配列された留め糸１４と係合してループ状に折り返して積層繊維層１２に挿入される折り返し挿入部１３ａの挿入位置が、積層繊維層１２の幅方向（図６（ａ）の左右方向）の外側から内側に向かって変更されるように順次挿入されて形成されたものでもよい。

○ 図６（ｂ）に示すように、縫い糸１３は、積層繊維層１２の最外層の面内糸層１１ｃに沿って配列された留め糸１４と係合してループ状に折り返して積層繊維層１２に挿入される折り返し挿入部１３ａの挿入位置が、積層繊維層１２の幅方向（図６（ｂ）の左右方向）の内側から外側に向かって変更されるように順次挿入されて形成されたものでもよい。

○ 縫い糸１３は、留め糸１４と係合してループ状に折り返して積層繊維層１２に挿入された折り返し挿入部１３ａの根元部１６において、留め糸１４に向かう方向の入側部１３ｃと、留め糸１４に係合して折り返してくる方向の出側部１３ｄとが同一方向に屈曲されていればよい。したがって、縫い糸１３は、折り返し挿入部１３ａが一定ピッチではなく異なる間隔で挿入されてもよい。

○ 面内糸層１１を構成する繊維束は炭素繊維に限らず、例えば、ガラス繊維やセラミック繊維等の無機繊維、あるいは、アラミド繊維、ポリ−ｐ−フェニレンベンゾビスオキサゾール繊維、ポリアリレート繊維、超高分子量ポリエチレン繊維等の高強度の有機繊維であってもよく、要求性能に応じて適宜選択される。例えば、繊維強化複合材料に対する剛性・強度の要求性能が高い場合は、炭素繊維が好ましい。繊維束に安価なガラス繊維を用いると低コストとなる。

○ 積層繊維層１２を疑似等方性で面内４軸配向に構成する面内糸層１１ａ〜１１ｄの積層順序は、外層を面内糸層１１ｃ（＋４５度層）又は面内糸層１１ｄ（−４５度層）にする順に限らない。

○ 積層繊維層１２は少なくとも２軸配向であればよく、疑似等方性で面内４軸配向に限らない。例えば、配向角が０度、６０度及び−６０度に配列した糸で面内３軸の積層繊維層１２を構成したり、面内４軸の積層繊維層１２を構成する場合に配向角が０度及び９０度の他の面内配列糸の配向角を±４５°以外の配向角としたりしてもよい。また、積層繊維層１２を配向角が０度及び９０度の面内２軸配向としてもよい。

○ 三次元繊維強化複合材を構成するマトリックス樹脂は熱硬化性樹脂に限らず、例えば、ポリアミド、ポリブチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリオキシメチレン、ポリフェニレンエーテル等の熱可塑性樹脂を使用してもよい。

以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）面内糸層が積層された少なくとも２軸配向となる積層繊維層を、縫い糸と留め糸とで結束してなる繊維構造体であって、前記留め糸は前記積層繊維層のいずれか一方の最外層上に配列され、前記縫い糸は、前記留め糸と係合してループ状に折り返して前記積層繊維層に挿入された折り返し挿入部と、前記積層繊維層の前記留め糸が配列された側と反対側の面の外側に配列された反留め糸側配列部とを有し、前記折り返し挿入部の根元部において、前記留め糸に向かう方向の入側部と、前記留め糸に係合して折り返してくる方向の出側部とが同一方向に屈曲されている。

Ｐｚ…配列面、１０…繊維構造体としての三次元繊維構造体、１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ…面内糸層、１２…積層繊維層、１３…縫い糸、１３ａ…折り返し挿入部、１３ｂ…反留め糸側配列部、１３ｃ…入側部、１３ｄ…出側部、１４…留め糸、１６…根元部。

Claims (2)

1. 面内糸層が積層された少なくとも２軸配向となる積層繊維層を、縫い糸と留め糸とで結束してなる繊維構造体を強化基材とする三次元繊維強化複合材であって、
   前記繊維構造体は、前記留め糸が前記積層繊維層のいずれか一方の最外層上に配列され、
   前記縫い糸は、前記留め糸と係合してループ状に折り返して前記積層繊維層に挿入された折り返し挿入部と、前記積層繊維層の前記留め糸が配列された側と反対側の面の外側に配列された反留め糸側配列部とを有し、前記折り返し挿入部の根元部において、前記留め糸に向かう方向の入側部と、前記留め糸に係合して折り返してくる方向の出側部とが同一方向に屈曲されていることを特徴とする三次元繊維強化複合材。
2. 前記縫い糸は、前記積層繊維層の幅方向の一方の端部から１ピッチより離れた位置で折り返し状に挿入された後、１ピッチ戻る位置で折り返し状に挿入され、以降の挿入位置が３ピッチ先の位置と、前記３ピッチ先の位置から１ピッチ戻る位置とを繰り返さすように挿入されている請求項１に記載の三次元繊維強化複合材。