JP2015033819A - 三次元繊維強化複合材 - Google Patents

Abstract

【課題】厚さ方向糸の周辺でのクラックの発生を抑制すること。【解決手段】厚さ方向糸１２は、ガラス転移温度Ｔｇが使用環境温度Ｔｘ以下である第１樹脂繊維４１を少なくとも含んでいる。これによれば、三次元繊維強化複合材の使用環境温度Ｔｘに応じて厚さ方向糸１２が軟化することで、マトリックス樹脂の収縮に厚さ方向糸１２が追従する。このため、マトリックス樹脂の収縮に厚さ方向糸１２が追従しない場合に比べると、マトリックス樹脂の収縮によって隙間内に発生する内部応力が低減する。【選択図】図３

Description

本発明は、三次元繊維強化複合材に関する。

軽量、高強度の材料として三次元繊維強化複合材が使用されている。図５に示すように、例えば特許文献１の三次元繊維強化複合材１００は、基準面内に積層された複数の強化繊維束層１０１と、各強化繊維束層１０１をその積層方向に結合する厚さ方向糸１０２とから形成された三次元繊維構造体１０３を有する。そして、三次元繊維構造体１０３にマトリックス樹脂１０４を含浸させて複合化することで三次元繊維強化複合材１００が形成されている。このため、三次元繊維強化複合材１００は、厚さ方向糸１０２を有さない二次元繊維強化複合材に比べて、厚さ方向糸１０２によって各強化繊維束層１０１の積層方向への強度が向上している。

特開２００７−１５２６７２号公報

一般的に、繊維強化樹脂の樹脂溜まり（強化繊維が存在せず樹脂がリッチとなる部分）には、樹脂の硬化収縮や強化繊維と樹脂との線膨張係数の差による内部応力からクラックを生じ易い。特に、三次元繊維強化複合材１００は、樹脂溜まりを形成し易い織り構造である。厚さ方向糸１０２によって各強化繊維束層１０１を積層方向に結合していく際に、各強化繊維束層１０１に加わる張力によって、厚さ方向糸１０２と、当該厚さ方向糸１０２に隣り合う各強化繊維束層１０１との間や、厚さ方向糸１０２が相反する方向に延びる部位の間には隙間が形成される。そして、隙間が形成された状態の三次元繊維構造体１０３にマトリックス樹脂１０４が含浸されると、これら隙間がマトリックス樹脂１０４の樹脂溜まりとなる。そして、三次元繊維強化複合材１００の使用環境温度が、厚さ方向糸１０２のガラス転移温度Ｔｇ以下であると、マトリックス樹脂１０４が収縮したときに、厚さ方向糸１０２がマトリックス樹脂１０４の収縮に追従しないため、隙間内に内部応力が発生し、三次元繊維強化複合材１００において、厚さ方向糸１０２の周辺にクラックが生じる虞がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、厚さ方向糸の周辺でのクラックの発生を抑制す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、複数の強化繊維束層が積層されるとともに、各強化繊維束層を厚さ方向糸によって積層方向に結合して形成された三次元繊維構造体にマトリックス樹脂を含浸させてなる三次元繊維強化複合材であって、前記厚さ方向糸は、ガラス転移温度が使用環境温度以下である樹脂繊維を少なくとも含んでいる。

これによれば、三次元繊維強化複合材の使用環境温度に応じて厚さ方向糸が軟化することで、マトリックス樹脂の収縮に厚さ方向糸が追従するため、マトリックス樹脂の収縮に厚さ方向糸が追従しない場合に比べると、マトリックス樹脂の収縮によって隙間内に発生する内部応力を低減させることができる。その結果、厚さ方向糸の周辺でのクラックの発生を抑制することができる。

上記三次元繊維強化複合材において、前記厚さ方向糸は、前記ガラス転移温度が使用環境温度以下である樹脂繊維と、無機繊維との合繊糸であることが好ましい。
これによれば、厚さ方向糸が、ガラス転移温度が使用環境温度以下である樹脂繊維のみで形成されている場合に比べると、無機繊維を含んでいる分だけ、厚さ方向糸における各強化繊維束層の積層方向への強度を向上させることができる。よって、厚さ方向糸における各強化繊維束層の積層方向への強度を維持しつつも、厚さ方向糸の周辺でのクラックの発生を抑制することができる。

上記三次元繊維強化複合材において、前記厚さ方向糸は、前記ガラス転移温度が使用環境温度以下である樹脂繊維と、前記ガラス転移温度が使用環境温度以上である樹脂繊維との合繊糸であることが好ましい。

これによれば、厚さ方向糸が、ガラス転移温度が使用環境温度以下である樹脂繊維のみで形成されている場合に比べると、ガラス転移温度が使用環境温度以上である樹脂繊維を含んでいる分だけ、厚さ方向糸における各強化繊維束層の積層方向への強度を向上させることができる。よって、厚さ方向糸における各強化繊維束層の積層方向への強度を維持しつつも、厚さ方向糸の周辺でのクラックの発生を抑制することができる。

この発明によれば、厚さ方向糸の周辺でのクラックの発生を抑制することができる。

実施形態における三次元繊維強化複合材の断面図。 三次元繊維構造体の斜視図。 厚さ方向糸を拡大して示す模式図。 別の実施形態における厚さ方向糸を拡大して示す模式図。 従来例における三次元繊維強化複合材の断面図。

以下、三次元繊維強化複合材を具体化した一実施形態を図１〜図３にしたがって説明する。
図１に示すように、三次元繊維強化複合材１０は、複数の繊維（炭素繊維）が束ねられることで形成される繊維束が複数積層されてなる強化繊維束層１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄを有する。そして、各強化繊維束層１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄが積層されるとともに、各強化繊維束層１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄを厚さ方向糸１２によって積層方向に結合することで三次元繊維構造体１３が形成されている。三次元繊維構造体１３は、配列角度０度の連続繊維からなる強化繊維束層１１ａと、配列角度９０度の連続繊維からなる強化繊維束層１１ｂと、配列角度４５度の連続繊維からなる強化繊維束層１１ｃと、配列角度−４５度の連続繊維からなる強化繊維束層１１ｄとが積層されて疑似等方性に構成されている。

図２に示すように、厚さ方向糸１２は、三次元繊維構造体１３の厚さ方向（各強化繊維束層１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄの積層方向）の一方の面（以下、単に「三次元繊維構造体１３の一端面」とする）において、三次元繊維構造体１３の外側に配列された抜け止め糸１４と係合している。そして、厚さ方向糸１２は、三次元繊維構造体１３の厚さ方向に配列される部分のピッチが一定間隔で折り返されるように配列されている。抜け止め糸１４は、厚さ方向糸１２の配列面Ｐと交差する方向（本実施形態では直交方向）に配列されている。

厚さ方向糸１２は、三次元繊維構造体１３の厚さ方向の他方の面（以下、単に「三次元繊維構造体１３の他端面とする）から三次元繊維構造体１３内に挿入されるとともに三次元繊維構造体１３を厚さ方向に貫通した後、三次元繊維構造体１３の一端面よりも外側において、抜け止め糸１４を囲繞してループ状に折り返されている。さらに、抜け止め糸１４は、三次元繊維構造体１３の一端面から三次元繊維構造体１３内に挿入されるとともに三次元繊維構造体１３を厚さ方向に貫通した後、三次元繊維構造体１３の他端面よりも外側に引き出されている。三次元繊維構造体１３の他端面よりも外側に引き出された厚さ方向糸１２は、既に三次元繊維構造体１３の他端面よりも外側に存在する厚さ方向糸１２とは相反する方向に向けて三次元繊維構造体１３の他端面に沿って延びた後、再度、三次元繊維構造体１３内に挿入される。これが繰り返し行われることにより、各強化繊維束層１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄが厚さ方向糸１２によって積層方向に結合される。

図１において拡大して示すように、三次元繊維構造体１３には、厚さ方向糸１２によって各強化繊維束層１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄを積層方向に結合していく際に、各強化繊維束層１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄに張力が加わる。そして、この各強化繊維束層１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄに加わる張力によって、厚さ方向糸１２と、当該厚さ方向糸１２に隣り合う各強化繊維束層１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄとの間に隙間２１が形成されるとともに、厚さ方向糸１２が相反する方向に延びる部位の間に隙間２２が形成される。

図１に示すように、三次元繊維構造体１３における隙間２１，２２以外の部位には、マトリックス樹脂３１が含浸硬化されている。また、図１において拡大して示すように、隙間２１，２２には、マトリックス樹脂３２が含浸硬化されている。本実施形態では、マトリックス樹脂３１，３２としてエポキシ樹脂が用いられている。このように、三次元繊維構造体１３にマトリックス樹脂３１，３２が含浸硬化されることにより三次元繊維強化複合材１０が形成される。

図３に示すように、厚さ方向糸１２は、ガラス転移温度Ｔｇが三次元繊維強化複合材１０の使用環境温度Ｔｘ以下である樹脂繊維としての第１樹脂繊維４１と、ガラス転移温度Ｔｇが使用環境温度Ｔｘ以上である樹脂繊維としての第２樹脂繊維４２との合繊糸である繊維束である。すなわち、厚さ方向糸１２は、ガラス転移温度Ｔｇが三次元繊維強化複合材１０の使用環境温度Ｔｘ以下である第１樹脂繊維４１を少なくとも含んでいる。

第１樹脂繊維４１としてはアセタール繊維が用いられる。本実施形態では、アセタール繊維として、ポリアセタールが用いられる。ポリアセタールのガラス転移温度Ｔｇは−５０℃である。また、第２樹脂繊維４２としてはポリアリレートが用いられる。ポリアリレートのガラス転移温度Ｔｇは１９０℃である。なお、本実施形態の三次元繊維強化複合材１０は、−５０℃〜７０℃の温度域で使用される。厚さ方向糸１２中の第１樹脂繊維４１の割合は第２樹脂繊維４２に対して５〜５４０％であり、本実施形態では１９０％である。

次に、本実施形態の作用について説明する。
厚さ方向糸１２は、三次元繊維強化複合材１０の使用環境温度Ｔｘに応じて軟化する。よって、隙間２１，２２に含浸硬化したマトリックス樹脂３２が収縮しても、マトリックス樹脂３２の収縮に厚さ方向糸１２が追従する。このため、マトリックス樹脂３２の収縮に厚さ方向糸１２が追従しない場合に比べると、マトリックス樹脂３２の収縮によって隙間２１，２２に発生する内部応力が低減される。その結果、厚さ方向糸１２の周辺でのクラックの発生が抑制される。

また、厚さ方向糸１２は、第１樹脂繊維４１と第２樹脂繊維４２との合繊糸である。よって、厚さ方向糸１２が、第１樹脂繊維４１のみで形成されている場合に比べると、ガラス転移温度Ｔｇが使用環境温度Ｔｘ以上である第２樹脂繊維４２を含んでいる分だけ、厚さ方向糸１２における各強化繊維束層１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄの積層方向への強度が向上する。したがって、厚さ方向糸１２における各強化繊維束層１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄの積層方向への強度を維持しつつも、厚さ方向糸１２の周辺でのクラックの発生が抑制される。

上記実施形態では以下の効果を得ることができる。
（１）厚さ方向糸１２は、ガラス転移温度Ｔｇが三次元繊維強化複合材１０の使用環境温度Ｔｘ以下である第１樹脂繊維４１を少なくとも含んでいる。これによれば、三次元繊維強化複合材１０の使用環境温度Ｔｘに応じて厚さ方向糸１２が軟化することで、マトリックス樹脂３２の収縮に厚さ方向糸１２が追従する。このため、マトリックス樹脂３２の収縮に厚さ方向糸１２が追従しない場合に比べると、マトリックス樹脂３２の収縮によって隙間２１，２２内に発生する内部応力を低減させることができる。その結果、厚さ方向糸１２の周辺でのクラックの発生を抑制することができる。

（２）厚さ方向糸１２は、ガラス転移温度Ｔｇが使用環境温度Ｔｘ以下である第１樹脂繊維４１と、ガラス転移温度Ｔｇが使用環境温度Ｔｘ以上である第２樹脂繊維４２との合繊糸である。これによれば、厚さ方向糸１２が、第１樹脂繊維４１のみで形成されている場合に比べると、ガラス転移温度Ｔｇが使用環境温度Ｔｘ以上である第２樹脂繊維４２を含んでいる分だけ、厚さ方向糸１２における各強化繊維束層１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄの積層方向への強度を向上させることができる。よって、厚さ方向糸１２における各強化繊維束層１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄの積層方向への強度を維持しつつも、厚さ方向糸１２の周辺でのクラックの発生を抑制することができる。

（３）本実施形態の厚さ方向糸１２を用いれば、三次元繊維強化複合材１０を製造する過程において、マトリックス樹脂３２が硬化収縮する際に、厚さ方向糸１２がマトリックス樹脂３２の硬化収縮に追従する。よって、マトリックス樹脂３２の硬化収縮によって隙間２１，２２内に発生する内部応力を低減させることができ、厚さ方向糸１２の周辺でのクラックの発生を抑制することができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 図４に示すように、厚さ方向糸１２が、複数の第２樹脂繊維４２が第１樹脂繊維４１によってカバーリングされてもよい。この場合、複数の第２樹脂繊維４２をカバーリングする第１樹脂繊維４１は、厚さ方向糸１２を形成する繊維の一部である。

○ 実施形態において、第１樹脂繊維４１として、ポリアセタール以外のアセタール繊維を用いてもよい。
○ 実施形態において、第１樹脂繊維４１として、アセタール繊維以外の繊維を用いてもよい。例えば、第１樹脂繊維４１として、ポリエチレンを用いてもよい。ポリエチレンのガラス転移温度Ｔｇは−１１０℃である。この場合、三次元繊維強化複合材１０を、−５５℃〜７０℃の温度域で使用してもよい。また、第１樹脂繊維４１として、超高分子量ポリエチレンを用いてもよい。超高分子量ポリエチレンのガラス転移温度Ｔｇは−１２０℃である。また、第１樹脂繊維４１として、ナイロン繊維（ナイロン６、ナイロン６６、ナイロン１１、ナイロン１２等）を用いてもよい。また、第１樹脂繊維４１として、エステル繊維（ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート等）を用いてもよい。さらに、第１樹脂繊維４１として、フッ素繊維（ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン等）を用いてもよい。また、第１樹脂繊維４１として、ポリメタクリル酸エステル繊維又はポリアクリル酸エステル繊維（ポリメタクリル酸メチル、ポリアクリル酸メチル、ポリメタクリル酸エチル、ポリメタクリル酸ｎ−プロピル、ポリメタクリル酸ｎ−ブチル等）を用いてもよい。さらに、第１樹脂繊維４１として、ウレタン繊維（ポリウレタン等）を用いてもよい。要は、第１樹脂繊維４１は、ガラス転移温度Ｔｇが三次元繊維強化複合材１０の使用環境温度Ｔｘ以下である樹脂繊維であればよい。

○ 実施形態において、第２樹脂繊維４２として、ガラス転移温度Ｔｇが使用環境温度Ｔｘ以上であるポリアリレート以外の樹脂繊維を用いてもよい。
○ 実施形態において、厚さ方向糸１２は、ガラス転移温度が使用環境温度以下である第１樹脂繊維４１と、無機繊維との合繊糸であってもよい。例えば、厚さ方向糸１２は、第１樹脂繊維４１と炭素繊維又はガラス繊維との合繊糸であってもよい。

○ 実施形態において、厚さ方向糸１２を第１樹脂繊維４１のみで形成してもよい。この場合、使用環境温度Ｔｘにおいて、厚さ方向糸１２によって各強化繊維束層１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄの積層方向への強度が確保されている必要がある。

○ 実施形態において、マトリックス樹脂３１，３２としてエポキシ樹脂以外の熱硬化性樹脂を用いてもよい。
○ 実施形態において、マトリックス樹脂３１，３２として熱硬化性樹脂以外の樹脂を用いてもよい。

○ 実施形態において、各強化繊維束層１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄの積層順序は特に限定されるものではない。
○ 実施形態において、厚さ方向糸１２が並縫いで各強化繊維束層１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄを積層方向に結合する構成としてもよい。要は、各強化繊維束層１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄを積層方向に結合する構成としては、厚さ方向糸１２と抜け止め糸１４とからなる構成に限らない。

○ 実施形態において、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い。

次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。
（イ）前記ガラス転移温度が使用環境温度以下である樹脂繊維として、ポリアセタールを用いる。

（ロ）前記ガラス転移温度が使用環境温度以下である樹脂繊維として、ポリエチレンを用いる。
（ハ）前記ガラス転移温度が使用環境温度以下である樹脂繊維として、超高分子量ポリエチレンを用いる。

１０…三次元繊維強化複合材、１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ…強化繊維束層、１２…厚さ方向糸、１３…三次元繊維構造体、３１，３２…マトリックス樹脂、４１…樹脂繊維としての第１樹脂繊維、４２…樹脂繊維としての第２樹脂繊維。

Claims (3)

1. 複数の強化繊維束層が積層されるとともに、各強化繊維束層を厚さ方向糸によって積層方向に結合して形成された三次元繊維構造体にマトリックス樹脂を含浸させてなる三次元繊維強化複合材であって、
   前記厚さ方向糸は、ガラス転移温度が使用環境温度以下である樹脂繊維を少なくとも含んでいることを特徴とする三次元繊維強化複合材。
2. 前記厚さ方向糸は、前記ガラス転移温度が使用環境温度以下である樹脂繊維と、無機繊維との合繊糸であることを特徴とする請求項１に記載の三次元繊維強化複合材。
3. 前記厚さ方向糸は、前記ガラス転移温度が使用環境温度以下である樹脂繊維と、前記ガラス転移温度が使用環境温度以上である樹脂繊維との合繊糸であることを特徴とする請求項１に記載の三次元繊維強化複合材。