JP2018016030A - 炭素繊維強化プラスチックおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、層間が強化された炭素繊維強化プラスチックを製造する方法を提供することを目的とする。【解決手段】本発明によれば、プリプレグを積層して炭素繊維強化プラスチックを製造する方法であって、プリプレグを積層する工程において、カーボンナノチューブを含有する樹脂薄膜をプリプレグの層間に挿入することを特徴とする、製造方法が提供される。また、本発明によれば、炭素繊維と炭素繊維の間に介在する樹脂がカーボンナノチューブを含有することを特徴とする炭素繊維強化プラスチックが提供される。【選択図】図１

Description

本発明は、炭素繊維強化プラスチックおよびその製造方法に関する。

炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）は、優れた比強度、比剛性を有していることから、航空機等の一次構造材料として広く用いられている（例えば、特許文献１）。

図３は、従来のＣＦＲＰの製造方法を示す。図３に示すように、従来のＣＦＲＰは、強化材としての炭素繊維１２に樹脂１４を含浸して半硬化させたプリプレグ１０を積層した後、これを加熱・加圧することによって成形される。

一方、従来のＣＦＲＰは、外部からの衝撃によって炭素繊維１２と樹脂１４が剥離する層間剥離が生じやすく、衝撃後圧縮強度（ＣＡＩ強度）が低いという問題があり、このことがＣＦＲＰを用いる構造体の大幅な軽量化を妨げている。

特開２０１５−５７３４０号公報

本発明は、上記従来技術における課題に鑑みてなされたものであり、層間が強化された炭素繊維強化プラスチックを製造する方法を提供することを目的とする。

本発明者は、層間が強化された炭素繊維強化プラスチックを製造する方法につき鋭意検討した結果、以下の構成に想至し、本発明に至ったのである。

すなわち、本発明によれば、プリプレグを積層して炭素繊維強化プラスチックを製造する方法であって、プリプレグを積層する工程において、カーボンナノチューブを含有する樹脂薄膜をプリプレグの層間に挿入することを特徴とする、製造方法が提供される。

また、本発明によれば、炭素繊維と炭素繊維の間に介在する樹脂がカーボンナノチューブを含有することを特徴とする炭素繊維強化プラスチックが提供される。

上述したように、本発明によれば、層間が強化された炭素繊維強化プラスチックを製造する方法が提供される。

本実施形態の層間強化ＣＦＲＰの製造方法を示す図。 層間強化ＣＦＲＰの破断面のSEM画像を示す図。 従来のＣＦＲＰの製造方法を示す図。

以下、本発明を図面に示した実施の形態をもって説明するが、本発明は、図面に示した実施の形態に限定されるものではない。なお、以下に参照する各図においては、共通する要素について同じ符号を用い、適宜、その説明を省略するものとする。

図１は、本発明の実施形態である層間を強化した炭素繊維強化プラスチック（以下、層間強化ＣＦＲＰという）の製造方法を示す。

本実施形態の製造方法は、強化材としての炭素繊維１２に母材（マトリクス）となる樹脂１４を含浸して半硬化させたプリプレグ１０を中間基材として用いる点は、従来のＣＦＲＰの製法と同じであるが、本実施形態では、図１に示すように、プリプレグ１０を積層する工程において、カーボンナノチューブを含有する樹脂薄膜１６（以下、ＣＮＴ樹脂薄膜１６という）をプリプレグ１０の層間に挿入する点で、従来製法と異なる。

本実施形態では、プリプレグ１０の層間に、少なくとも１のＣＮＴ樹脂薄膜１６を挿入し、好ましくは、プリプレグ１０とＣＮＴ樹脂薄膜１６を交互に積層する。

本実施形態において、ＣＮＴ樹脂薄膜１６は、カップスタック型またはマルチウォール型のカーボンナノチューブ（以下、ＣＮＴという）と樹脂を混練したものをシート状に薄膜化してなる基材であり、ＣＮＴは、薄膜中に分散した状態で含有される。なお、本実施形態では、ＣＮＴ樹脂薄膜１６の膜厚を、数μｍ〜５０μｍ程度とすることができ、ＣＮＴの目付量を４０〜８０ｇ／ｍ^２程度とすることができる。

ここで、ＣＮＴ樹脂薄膜１６を構成する樹脂は、プリプレグ１０を構成する樹脂１４（母材）と同じ材料であることが好ましい。プリプレグ１０の母材（マトリクス）として、成形性、力学特性、安定性に優れるエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂が用いられている場合には、ＣＮＴ樹脂薄膜１６を同じ熱硬化性樹脂で構成することが好ましい。

本実施形態では、プリプレグ１０の層間にＣＮＴ樹脂薄膜１６を介在させる形で積層した後に、これを、例えば、オートクレーブを用いて、加熱・加圧する。この過程で、炭素繊維１２と炭素繊維１２の間に介在する樹脂１４とＣＮＴ樹脂薄膜１６は、溶融状態を経て硬化して樹脂層１８となり、本実施形態の層間強化ＣＦＲＰを得る。

本実施形態の層間強化ＣＦＲＰでは、炭素繊維１２と炭素繊維１２の間に介在する樹脂層１８中にＣＮＴが分散して存在することによって、樹脂層１８が傾斜機能化すると考えられる。本実施形態では、樹脂層１８の傾斜機能化に伴って生じる、炭素繊維１２と樹脂層１８の間の荷重伝達経路や荷重分担比の変化や、樹脂層１８の剛性・許容歪の変化といった複合的な要因により、層間強度および靭性が向上するものと考えられる。

以上、本発明について実施形態をもって説明してきたが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、当業者が推考しうるその他の実施態様の範囲内において、本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。

以下、本発明の層間強化ＣＦＲＰについて、実施例を用いてより具体的に説明を行なうが、本発明は、後述する実施例に限定されるものではない。

（層間強化ＣＦＲＰの作製）
エポキシ樹脂を母材とするプリプレグ（TR 350R 150S：三菱レイヨン製）とＣＮＴを分散したエポキシ樹脂フィルム（CSCNT充填樹脂フィルム，目付量80g/m²：GSIクレオス製)を交互に積層（積層構成:[＋45°/‐45°]2S/8ply）したものをオートクレーブで加熱・加圧して層間強化ＣＦＲＰ（以下、実施例１という）を得た。併せて、プリプレグ（TR 350R 150S：三菱レイヨン製）のみを積層（積層構成:[＋45°/‐45°]2S/8ply）したものをオートクレーブで加熱・加圧して比較例のＣＦＲＰ（以下、比較例１という）を得た。

（繊維堆積含有率の測定）
実施例１および比較例１のそれぞれにつき、JIS K 7075に則って、繊維体積含有率（Vf）、樹脂体積含有率（Vr）および空洞率（Vv）を測定した。下記表１に、実施例１および比較例１の測定結果をそれぞれの板厚（mm）とともに示す。

（引張試験）
本発明の層間強化ＣＦＲＰの引張強度（面内せん断強さ）を評価すべく、実施例１および比較例１のそれぞれから６本の試験片（長さ130mm×幅5mm）を切り出して、ASTM D 3039規格に準拠した引張試験を行った。なお、本試験では、精密万能試験機AG-X plus(島津製作所製)を用いて試験速度：1.0 mm/minで荷重負荷を行い、EDX-100A(共和電業製)を用いてデータを検出した。下記表２に実施例１および比較例１の試験結果（６本の試験片の平均値）を示す。

上記表２に示すように、実施例１の引張強度は、比較例１よりも５％高い値を示した。実施例１と比較例１の繊維体積含有率(Vf)の違いを勘案して、両者の結果をＶｆ補正して比較すると、実施例１の引張強度が比較例に対して４５％向上していることがわかった。

（層間破壊靱性値の測定）
エポキシ樹脂を母材とするプリプレグ（TR 350R 150S：三菱レイヨン製）とＣＮＴを分散したエポキシ樹脂フィルム（CSCNT充填樹脂フィルム，目付量65g/m²：GSIクレオス製)を交互に積層（積層構成:[0°]24ply）したものをオートクレーブで加熱・加圧して層間強化ＣＦＲＰ（以下、実施例２という）を得た。併せて、プリプレグ（TR 350R 150S：三菱レイヨン製）のみを積層（積層構成:[0°]24ply）したものをオートクレーブで加熱・加圧して比較例のＣＦＲＰ（以下、比較例２という）を得た。

本発明の層間強化ＣＦＲＰの層間破壊靱性値を測定すべく、実施例２および比較例２のそれぞれから５本の試験片（長さ130mm×幅5mm）を切り出して、JIS K 7086規格に準拠したENF強度試験を行った。なお、本試験では、精密万能試験機AG-X plus(島津製作所製)を用いて試験速度：1.0 mm/minで荷重負荷を行い、EDX-100A(共和電業製)を用いてデータを検出した。下記表３に実施例２および比較例２の試験結果（５本の試験片の平均値）を示す。

上記表３に示すように、実施例２の層間破壊靱性値は、比較例２の約２倍の値を示した。

実施例と比較例の破壊面をSEMによって観察した。図２（ａ）は、比較例の破断面のSEM画像を示し、図２（ｂ）は、実施例の破断面のSEM画像を示す。比較例２の場合、図２（ａ）に示すように、破断面の炭素繊維の表面に樹脂がほとんど残存していないことから、炭素繊維とエポキシ樹脂の界面で破断が生じたことが推認される。これに対して、実施例の場合は、図２（ｂ）に示すように、破断面の炭素繊維の表面にＣＮＴを含有するエポキシ樹脂が残存していることが認められ、このことから、炭素繊維を支持する樹脂層の内部で破断が生じたことが推認される。

１０…プリプレグ、１２…炭素繊維、１４…樹脂、１６…ＣＮＴ樹脂薄膜、１８…樹脂層

Claims (5)

1. プリプレグを積層して炭素繊維強化プラスチックを製造する方法であって、
   プリプレグを積層する工程において、カーボンナノチューブを含有する樹脂薄膜をプリプレグの層間に挿入することを特徴とする、
   製造方法。
2. 前記カーボンナノチューブが前記樹脂薄膜中に分散した状態で含有されることを特徴とする、
   請求項１に記載の製造方法。
3. 前記プリプレグと前記樹脂薄膜を交互に積層することを特徴とする、
   請求項１または２に記載の製造方法。
4. 炭素繊維と炭素繊維の間に介在する樹脂がカーボンナノチューブを含有することを特徴とする炭素繊維強化プラスチック。
5. 前記カーボンナノチューブが前記樹脂中に分散して存在することを特徴とする、
   請求項４に記載の炭素繊維強化プラスチック。