JP3841219B2 - Carbon fiber reinforced composite plate-like molded product - Google Patents
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Description
本発明は炭素繊維強化複合材に関する。特に本発明はゴルフクラブシャフトや釣り竿、ロボットアーム等に適する、振動減衰特性に優れた炭素繊維強化複合材に関する。 The present invention relates to a carbon fiber reinforced composite material. In particular, the present invention relates to a carbon fiber reinforced composite material that is suitable for golf club shafts, fishing rods, robot arms and the like and has excellent vibration damping characteristics.
ゴルフシャフトや釣り竿等のスポーツ用品分野では軽量、高強度、剛性設計の高自由度等のような高性能化を目指しており、炭素繊維強化複合材料等の繊維強化複合材料が多く使用されるようになってきている。 In the field of sporting goods such as golf shafts and fishing rods, we aim to achieve high performance such as light weight, high strength, and high degree of freedom in rigid design, so that fiber reinforced composite materials such as carbon fiber reinforced composite materials are often used. It is becoming.
これら高性能化の要素の一つに振動減衰特性が高いことが挙げられ、ゴルフシャフト、釣り竿、宇宙構造物、自動組立機部品等で高振動減衰特性が要求されている。例えばゴルフシャフトでは振動減衰特性が高いと打球時に手がしびれにくい。 One of these high performance elements is high vibration damping characteristics, and high vibration damping characteristics are required for golf shafts, fishing rods, space structures, automatic assembly machine parts, and the like. For example, with a golf shaft, if the vibration damping characteristics are high, the hand is less likely to numb when hit.
従来振動減衰特性を高める方法としてマトリックス樹脂の改質やインターリーフ層の設置があったが、耐吸湿性が低下したり、成形方法の変更を余儀なくされたり、層間強度が低下するといった問題があった。 Conventional methods for improving vibration damping characteristics include modification of the matrix resin and installation of an interleaf layer, but there are problems such as reduced moisture absorption, forced modification of the molding method, and reduced interlayer strength. It was.
さらにポリアクリロニトリル（以下ＰＡＮという）系炭素繊維と振動減衰性に優れるアラミド繊維を組み合わせる方法もあるが、耐吸湿性が要求される用途には適さないという問題があった。 Further, there is a method of combining polyacrylonitrile (hereinafter referred to as PAN) carbon fiber and an aramid fiber excellent in vibration damping property, but there is a problem that it is not suitable for applications requiring moisture absorption resistance.
本発明はこれら従来の課題を解消し、振動減衰特性に優れる炭素繊維強化複合材製板状成形体を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to solve these conventional problems and to provide a plate-like molded body made of a carbon fiber reinforced composite material having excellent vibration damping characteristics.
本発明は、引張弾性率１００〜６００ＧＰａのポリアクリロニトリル系炭素繊維からなるプリプレグシートを複数枚積層してなる炭素繊維強化複合材製板状成形体において、該プリプレグシートの１層以上が、その各層の１０分の１以上２分の１以下（面積比）の部分が引張弾性率４００〜１０００ＧＰａのピッチ系炭素繊維のみからなるプリプレグで前記板状成形体の平均厚み以下に薄くなった部分の最上層および／または最下層の部分に置き換えられた置換プリプレグシートであることを特徴とする炭素繊維強化複合材製板状成形体に関する。 The present invention is a carbon fiber reinforced composite plate-like molded body formed by laminating a plurality of prepreg sheets made of polyacrylonitrile-based carbon fibers having a tensile elastic modulus of 100 to 600 GPa, and one or more layers of the prepreg sheets are each layer. The prepreg consisting only of pitch-based carbon fibers having a tensile elastic modulus of 400 to 1000 GPa is the most thinned portion of the plate-like molded product. The present invention relates to a carbon fiber reinforced composite sheet-like molded body, which is a substituted prepreg sheet replaced with an upper layer and / or a lowermost layer portion .
本発明の繊維強化複合材（成形体）は優れた振動減衰特性を有する。例えば、繊維体積含有率が５０〜７０ｖｏｌ％の本発明のシャフトに１０００μεの剪断歪みを加えたときには、通常０．００５〜０．１、好ましくは０．０２〜０．１の対数減衰率が得られ、これはＰＡＮ系炭素繊維プリプレグのみからなる同一樹脂組成、同一形状の成形体の対数減衰率よりも大きな値である。 The fiber-reinforced composite material (molded article) of the present invention has excellent vibration damping characteristics. For example, when a shear strain of 1000 με is applied to the shaft of the present invention having a fiber volume content of 50 to 70 vol%, a logarithmic attenuation factor of usually 0.005 to 0.1, preferably 0.02 to 0.1 is obtained. This is a value larger than the logarithmic decay rate of the molded article having the same resin composition and the same shape made only of the PAN-based carbon fiber prepreg.
本発明の炭素繊維強化複合材とは、炭素繊維強化複合材料でできた全ての成形体のことであり、板状等の縦長成形体および筒状成形体等のことをいう。 The carbon fiber reinforced composite material of the present invention refers to all molded bodies made of carbon fiber reinforced composite material, and refers to vertically long molded bodies such as plates and cylindrical molded bodies.
本発明において板状等の縦長成形体とは、横の長さに対する縦の長さの比が通常２〜５００であり、平板状成形体だけでなく、表面に凹凸を有する板状成形体や断面がＩ型、Ｔ型、Ｌ型等の成形体をも含む。 In the present invention, a plate-like longitudinal molded body has a ratio of the vertical length to the horizontal length of usually 2 to 500, and not only a plate-shaped molded body but also a plate-shaped molded body having irregularities on the surface, The cross section includes molded bodies such as I-type, T-type, and L-type.
本発明において筒状成形体とは、管状成形体のような側壁のみからなる中空体だけでなく、本質的に四方を閉ざされたような中空状の成形体でもよく、具体的には円筒状成形体、中空の三角柱状成形体、中空の六角柱状の成形体、釣竿やゴルフシャフト、ロボットアーム等のようなテーパを有する筒状成形体等が例示され、特にゴルフシャフト等のテーパを有するシャフトに好ましく用いられる。 In the present invention, the cylindrical molded body is not limited to a hollow body consisting of only a side wall such as a tubular molded body, but may be a hollow molded body that is essentially closed on all sides, specifically a cylindrical shape. Examples of the molded body, a hollow triangular prism-shaped molded body, a hollow hexagonal column-shaped molded body, a tubular molded body having a taper such as a fishing rod, a golf shaft, a robot arm, etc., and a shaft having a taper such as a golf shaft in particular. Is preferably used.
本発明の炭素繊維強化複合材には、引張弾性率１００〜６００ＧＰａのポリアクリロニトリル系炭素繊維からなるプリプレグシートの、そのシートの面積比で１０分の１以上２分の１以下、好ましくは１０分の２以上１０分の４以下の部分を、引張弾性率が４００〜１０００ＧＰａのピッチ系炭素繊維のみからなるプリプレグで置き換えた炭素繊維プリプレグシート（置換プリプレグシートという）を、通常１〜２０層含ませることができる。 In the carbon fiber reinforced composite material of the present invention, a prepreg sheet made of polyacrylonitrile-based carbon fiber having a tensile elastic modulus of 100 to 600 GPa is 1/10 or more and 1/2 or less, preferably 10 minutes, in the sheet area ratio. A carbon fiber prepreg sheet (referred to as a substituted prepreg sheet) in which a portion of 2 to 4/10 is replaced with a prepreg composed only of pitch-based carbon fibers having a tensile modulus of 400 to 1000 GPa is usually included in 1 to 20 layers. be able to.
本発明におけるピッチ系炭素繊維は、同じ引張弾性率を有するＰＡＮ系炭素繊維よりも振動減衰特性に優れており、このようなピッチ系炭素繊維として通常引張弾性率が４００〜１０００ＧＰａ、好ましくは６００〜１０００ＧＰａのものが用いられる。 The pitch-based carbon fiber in the present invention is more excellent in vibration damping characteristics than the PAN-based carbon fiber having the same tensile elastic modulus. As such a pitch-based carbon fiber, the tensile elastic modulus is usually 400 to 1000 GPa, preferably 600 to 1000 GPa is used.
前記ピッチ系炭素繊維プリプレグは、成形体にしたときにより大きな振動減衰率を発現することが好ましい。具体的には、該ピッチ系炭素繊維のみからなり繊維体積含有率６０ｖｏｌ％の炭素繊維強化プラスチックの一方向材片持ちばりに、１００μεの曲げ歪みを加えたときの該片持ちばりの振動減衰率が、通常０．０１〜０．０５、好ましくは０．０２〜０．０５という性能を有するピッチ系炭素繊維、からなるプリプレグを使用することが望ましい。具体的には、引張弾性率４００〜１０００ＧＰａのピッチ系炭素繊維がこのような性能を有する。 The pitch-based carbon fiber prepreg preferably exhibits a greater vibration damping rate when formed into a molded body. Specifically, the vibration attenuation rate of the cantilever beam when a bending strain of 100 με is applied to a unidirectional cantilever carbon fiber reinforced plastic made of only the pitch-based carbon fiber and having a fiber volume content of 60 vol%. However, it is desirable to use a prepreg composed of pitch-based carbon fibers having a performance of usually 0.01 to 0.05, preferably 0.02 to 0.05. Specifically, pitch-based carbon fibers having a tensile modulus of 400 to 1000 GPa have such performance.
本発明において用いるプリプレグシートとしては、織物プリプレグおよび一方向プリプレグを使用することができるが、繊維の配向角を制御しやすいため一方向プリプレグが好ましく用いられる。 As the prepreg sheet used in the present invention, a woven prepreg and a unidirectional prepreg can be used, but a unidirectional prepreg is preferably used because the orientation angle of the fibers can be easily controlled.
縦長成形体を製造する場合、引張弾性率が４００〜１０００ＧＰａ、好ましくは６００〜１０００ＧＰａのピッチ系炭素繊維のみからなるプリプレグは、該成形体の平均厚み以下、好ましくは平均厚みの９０％以下、より好ましくは平均厚みの８０％以下に薄くなった部分の最上層および／あるいは最下層の部分、即ち縦長成形体のより大きな歪みの発生する部分に用いることができる。 In the case of producing a vertically long molded body, a prepreg consisting only of pitch-based carbon fibers having a tensile modulus of 400 to 1000 GPa, preferably 600 to 1000 GPa is less than the average thickness of the molded body, preferably 90% or less of the average thickness. Preferably, it can be used for the uppermost layer and / or the lowermost layer of the portion thinned to 80% or less of the average thickness, that is, the portion where a larger strain is generated in the longitudinally shaped product.
筒状成形体を製造する場合、引張弾性率が４００〜１０００ＧＰａ、好ましくは６００〜１０００ＧＰａのピッチ系炭素繊維のみからなるプリプレグは、該成形体の平均径以下、好ましくは平均径の９０％以下、より好ましくは平均径の８０％以下に細くなった積層部分に、即ち筒状成形体のより大きな歪みの発生する部分に用いることが望ましく、例えばゴルフシャフトではクラブヘッドの付け根部分、釣り竿では先端部分、片持ちばりでは固定端側部分である。 When producing a cylindrical molded body, the prepreg consisting only of pitch-based carbon fibers having a tensile modulus of 400 to 1000 GPa, preferably 600 to 1000 GPa, is not more than the average diameter of the molded body, preferably not more than 90% of the average diameter, More preferably, it is desirable to use it for a laminated portion that is thinned to 80% or less of the average diameter, that is, a portion where a greater distortion of the cylindrical molded body occurs, for example, a base portion of a club head in a golf shaft, and a tip portion in a fishing rod In the cantilever, it is the fixed end side part.
また該ピッチ系炭素繊維プリプレグが、成形体の肉薄部や細径部等前記のような特定の部分を占める量は、成形体の体積比で通常２０分の１〜２分の１、好ましくは１０分の１〜１０分の４とすることができる。 Further, the amount of the pitch-based carbon fiber prepreg occupying the specific part as described above, such as a thin part and a small diameter part of the molded body, is usually 1/20 to 1/2 of the volume ratio of the molded body, preferably It can be set to 1/10 to 4/10.
置換プリプレグシートは、ＰＡＮ系炭素繊維からなるプリプレグシートの特定部分を切り取り、切り取った部分をピッチ系炭素繊維のみからなるプリプレグに置き換えることによって得られる。 The substituted prepreg sheet is obtained by cutting a specific portion of a prepreg sheet made of PAN-based carbon fiber and replacing the cut portion with a prepreg made only of pitch-based carbon fiber.
このとき、切り取られて残ったプリプレグを構成するＰＡＮ系炭素繊維の配向に対する置き換えたプリプレグを構成するピッチ系炭素繊維の配向角は、好ましくは−５〜５°以内、より好ましくは−３〜３°以内である。 At this time, the orientation angle of the pitch-based carbon fiber constituting the replaced prepreg with respect to the orientation of the PAN-based carbon fiber constituting the prepreg remaining after being cut off is preferably within −5 to 5 °, more preferably −3 to 3 Is within °.
また、置換プリプレグシートを構成するＰＡＮ系炭素繊維からなるプリプレグとピッチ系炭素繊維のみからなるプリプレグの境界は、実質的に互いに重なり合わせないようにしかつ、該プリプレグ同士の隙間が開かないようにすることが好ましい。 Further, the boundary between the prepreg composed of the PAN-based carbon fiber and the prepreg composed only of the pitch-based carbon fiber constituting the substituted prepreg sheet is not substantially overlapped with each other, and the gap between the prepregs is not opened. It is preferable.
本発明で用いる炭素繊維プリプレグシートにおいて、引張弾性率が４００〜１０００ＧＰａのピッチ系炭素繊維のみからなるプリプレグを使用する以外の部分には、通常主として引張弾性率１００〜６００ＧＰａ、好ましくは２００〜３００ＧＰａのＰＡＮ系炭素繊維からなるプリプレグを使用する。 In the carbon fiber prepreg sheet used in the present invention, the tensile modulus is usually 100 to 600 GPa, preferably 200 to 300 GPa, except for using a prepreg composed only of pitch-based carbon fibers having a tensile modulus of 400 to 1000 GPa. A prepreg made of PAN-based carbon fiber is used.
該ＰＡＮ系炭素繊維としては、通常圧縮強度５００〜２５００ＭＰａ、好ましくは７００〜２５００ＭＰａ、より好ましくは１０００〜２５００ＭＰａのものを用いることができる。 As the PAN-based carbon fiber, those having a compression strength of 500 to 2500 MPa, preferably 700 to 2500 MPa, more preferably 1000 to 2500 MPa can be used.
本発明において、引張弾性率が４００〜１０００ＧＰａ、好ましくは６００〜１０００ＧＰａのピッチ系炭素繊維のみからなるプリプレグは、成形体の実質的な最上層、最下層、最内層あるいは最外層等の一部に使用することができる。 In the present invention, the prepreg composed only of pitch-based carbon fibers having a tensile modulus of 400 to 1000 GPa, preferably 600 to 1000 GPa, is formed on a part of the substantially uppermost layer, the lowermost layer, the innermost layer or the outermost layer of the molded body. Can be used.
筒状の成形体を製造する場合、まず引張弾性率１００〜６００ＧＰａのＰＡＮ系炭素繊維からなるプリプレグシートをマンドレルの周りに通常１〜２０層巻回した後、置換プリプレグシートを、図１（１）に示すように成形体の一端から特定部分までに引張弾性率４００〜１０００ＧＰａのピッチ系炭素繊維からなるプリプレグ（１ａ）が、残りの部分に主として引張弾性率１００〜６００ＧＰａのＰＡＮ系炭素繊維からなるプリプレグ（２ａ）が位置するように、通常１〜２０層巻回することができる。 When manufacturing a cylindrical molded body, first, a prepreg sheet made of a PAN-based carbon fiber having a tensile elastic modulus of 100 to 600 GPa is usually wound around 1 to 20 layers around a mandrel, and then a replacement prepreg sheet is formed as shown in FIG. ), A prepreg (1a) composed of pitch-based carbon fibers having a tensile modulus of 400 to 1000 GPa from one end to a specific portion of the molded body, and the remaining portion is mainly composed of PAN-based carbon fibers having a tensile modulus of 100 to 600 GPa. Usually, 1 to 20 layers can be wound so that the prepreg (2a) to be positioned is located.
また置換プリプレグシートを図１（１）に示すように、筒状成形体の一端から特定部分までに前記ピッチ系炭素繊維プリプレグ（１ａ）が、残りの部分に主として引張弾性率１００〜６００ＧＰａのＰＡＮ系炭素繊維からなるプリプレグ（２ａ）が位置するようにマンドレルに通常１〜２０層巻回した後、主として引張弾性率１００〜６００ＧＰａのＰＡＮ系炭素繊維からなるプリプレグシートをその周りに通常１〜２０層巻回することもできる。 In addition, as shown in FIG. 1 (1), the pitch-based carbon fiber prepreg (1a) is a PAN having a tensile elastic modulus of 100 to 600 GPa in the remaining portion as shown in FIG. 1 to 20 layers are usually wound around a mandrel so that the prepreg (2a) made of a carbon fiber is positioned, and then a prepreg sheet mainly made of a PAN carbon fiber having a tensile modulus of 100 to 600 GPa is usually placed around the prepreg sheet. It can also be wound in layers.
本発明においては、成形体を構成する強化繊維を１あるいは２以上の異なる配向にすることができる。
本発明の成形体は、通常斜交層およびストレート層から構成することができる。例えば筒状成形体は、強化繊維が該成形体の軸方向に対して傾斜した斜交層と、ほぼ軸方向に配向したストレート層から構成することがでる。板状等の縦長成形体は、強化繊維が該成形体のほぼ長手方向に配向したストレート層と、長手方向に対して角度を有して配向している斜交層から構成することができる。
In the present invention, the reinforcing fibers constituting the molded body can be in one or more different orientations.
The molded product of the present invention can usually be composed of an oblique layer and a straight layer. For example, the cylindrical molded body can be composed of an oblique layer in which reinforcing fibers are inclined with respect to the axial direction of the molded body and a straight layer oriented substantially in the axial direction. A vertically long shaped body such as a plate can be composed of a straight layer in which reinforcing fibers are oriented substantially in the longitudinal direction of the shaped body, and an oblique layer in which the reinforcing fibers are oriented at an angle with respect to the longitudinal direction.
具体的には、斜交層には正と負の斜交層があり、正の斜交層は、その強化繊維が板状等の縦長成形体の長手方向あるいは筒状成形体の軸方向に対して３０°〜６０°、好ましくは３５°〜５５°、より好ましくは４０°〜５０°に配向するように積層あるいはマンドレルに巻回する。 Specifically, the oblique layer has a positive and negative oblique layer, and the positive oblique layer has a reinforcing fiber extending in the longitudinal direction of a plate-like longitudinally shaped body or the axial direction of a tubular shaped body. On the other hand, the laminate or the mandrel is wound so as to be oriented at 30 ° to 60 °, preferably 35 ° to 55 °, more preferably 40 ° to 50 °.
負の斜交層は、その強化繊維が正の斜交層の強化繊維と交差するように配向しており、板状等の縦長成形体の長手方向あるいは筒状成形体の軸方向に対して−３０°〜−６０°、好ましくは−３５°〜−５５°、より好ましくは−４０°〜−５０°に配向するように積層あるいはマンドレルに巻回する。 The negative oblique layer is oriented so that the reinforcing fibers intersect the reinforcing fibers of the positive oblique layer, and the longitudinal direction of the plate-like longitudinally shaped body or the axial direction of the tubular shaped body The laminate or the mandrel is wound so as to be oriented at −30 ° to −60 °, preferably −35 ° to −55 °, more preferably −40 ° to −50 °.
ストレート層は、その強化繊維が板状等の縦長成形体の長手方向あるいは筒状成形体の軸方向に対して−２０°〜２０°、好ましくは−１０°〜１０°に配向するように積層あるいはマンドレルに巻回する。 The straight layer is laminated so that the reinforcing fibers are oriented at −20 ° to 20 °, preferably −10 ° to 10 ° with respect to the longitudinal direction of the plate-like or other longitudinally shaped body or the axial direction of the tubular shaped body. Or it winds around a mandrel.
斜交層とストレート層のマンドレル等への積層順序は、どちらを先に積層してもよい。
テーパを有する筒状成形体を製造する場合、斜交層としては、該成形体の細径端部からある程度径が太くなるまでの部分に引張弾性率が４００〜１０００ＧＰａのピッチ系炭素繊維からなるプリプレグが、残りの部分に主として引張弾性率１００〜６００ＧＰａのＰＡＮ系炭素繊維からなるプリプレグが位置するような置換プリプレグシートを使用することができ、ストレート層としては、主として引張弾性率１００〜６００ＧＰａのＰＡＮ系炭素繊維からなるプリプレグシートを使用することができる。
Either the oblique layer or the straight layer may be laminated first on the mandrel or the like.
When manufacturing a cylindrical molded body having a taper, the oblique layer is composed of pitch-based carbon fibers having a tensile elastic modulus of 400 to 1000 GPa in a portion from the small diameter end portion of the molded body until the diameter is increased to some extent. The prepreg can use a substituted prepreg sheet in which a prepreg mainly composed of a PAN-based carbon fiber having a tensile elastic modulus of 100 to 600 GPa is located in the remaining portion, and the straight layer mainly has a tensile elastic modulus of 100 to 600 GPa. A prepreg sheet made of PAN-based carbon fiber can be used.
またテーパを有する筒状成形体を製造する場合、ストレート層として、該成形体の細径端部からある程度径が太くなるまでの部分に引張弾性率が４００〜１０００ＧＰａのピッチ系炭素繊維からなるプリプレグが、残りの部分に主として引張弾性率１００〜６００ＧＰａのＰＡＮ系炭素繊維からなるプリプレグが位置するような置換プリプレグシートを使用し、斜交層として、主として引張弾性率１００〜６００ＧＰａのＰＡＮ系炭素繊維からなるプリプレグシートを使用することもできる。 When producing a cylindrical molded body having a taper, a prepreg composed of pitch-based carbon fibers having a tensile elastic modulus of 400 to 1000 GPa as a straight layer is formed in a portion from the small-diameter end portion of the molded body until the diameter is somewhat increased. However, a prepreg sheet in which a prepreg composed mainly of a PAN-based carbon fiber having a tensile modulus of 100 to 600 GPa is located in the remaining portion, and a PAN-based carbon fiber having a tensile modulus of 100 to 600 GPa as an oblique layer is used. A prepreg sheet made of can also be used.
つまり、ゴルフシャフト等のねじり歪みがかかり易い製品には、前者のように斜交層に置換プリプレグシートを使用し、釣竿やロボットアーム等の曲げ歪みがかかり易い製品には、後者のようにストレート層に置換プリプレグシートを使用することができる。 In other words, for products that are subject to torsional distortion such as golf shafts, a replacement prepreg sheet is used for the oblique layer as in the former, and for products that are subject to bending distortion such as fishing rods and robot arms, straight as in the latter. Substitute prepreg sheets can be used for the layers.
置換プリプレグシートを斜交層またはストレート層として筒状成形体に使用する場合、そのピッチ系炭素繊維は、同じシート内のＰＡＮ系炭素繊維に対して、好ましくは−５〜５°以内、より好ましくは−２〜２°以内、さらに好ましくは実質同じ方向に配向させる。 When the substituted prepreg sheet is used in a cylindrical molded body as an oblique layer or a straight layer, the pitch-based carbon fiber is preferably within −5 to 5 °, more preferably with respect to the PAN-based carbon fiber in the same sheet. Are oriented within −2 to 2 °, more preferably in substantially the same direction.
本発明において斜交層として用いるプリプレグシートとしては、織物プリプレグおよび一方向プリプレグを使用することができるが、繊維の配向角を制御しやすいため一方向プリプレグが好ましく用いられる。 As the prepreg sheet used as the oblique layer in the present invention, a woven prepreg and a unidirectional prepreg can be used, but a unidirectional prepreg is preferably used because the fiber orientation angle can be easily controlled.
本発明においてストレート層として用いるプリプレグシートとしては、繊維の配向を制御し易いため一方向プリプレグが好ましく用いられる。 As the prepreg sheet used as the straight layer in the present invention, a unidirectional prepreg is preferably used because the orientation of the fibers can be easily controlled.
斜交層およびストレート層に使用される樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル、フェノール樹脂、シリコーン樹脂、ポリウレタン樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂等の熱硬化性樹脂が用いられ、好ましくはエポキシ樹脂が用いられる。 As the resin used for the oblique layer and the straight layer, a thermosetting resin such as an epoxy resin, an unsaturated polyester, a phenol resin, a silicone resin, a polyurethane resin, a urea resin, or a melamine resin is used, and preferably an epoxy resin is used. Used.
斜交層およびストレート層の強化繊維の目付は、通常５０〜１８０ｇ／ｍ２ 、 好ましくは７５〜１５０ｇ／ｍ２ の範囲である。目付が１８０ｇ／ｍ２ より大きいと、ストレート層の場合、成形体の裁断形状や重量設計における自由度が制限されやすく、斜交層の場合、成形体の重量設計における自由度が制限されるうえ、製造時におけるプリプレグシートのマンドレルへの巻き付き性も劣る等の弊害が生じやすい。 The basis weight of the reinforcing fibers of the oblique layer and the straight layer is usually in the range of 50 to 180 g / m 2 , preferably 75 to 150 g / m 2 . If the basis weight is larger than 180 g / m 2 , the degree of freedom in the cut shape and weight design of the molded body tends to be limited in the case of the straight layer, and the degree of freedom in the weight design of the molded body is limited in the case of the oblique layer. In addition, problems such as inferior wrapping property of the prepreg sheet around the mandrel at the time of manufacture are likely to occur.
斜交層については、正の斜交層と負の斜交層を一組として重ね合わせて積層あるいはマンドレル等に巻回することができ、また正の斜交層を積層あるいはマンドレル等に巻回した後その上から負の斜交層を積層あるいは巻回することもできる。 As for the oblique layer, the positive oblique layer and the negative oblique layer can be overlapped as a set and wound around a mandrel or the like, and the positive oblique layer can be wound around a mandrel or the like. After that, a negative oblique layer can be laminated or wound from above.
斜交層の巻回数あるいは積層数は、通常１〜１０層、好ましくは４〜８層である。テーパを有する筒状成形体の場合、斜交層の積層厚さは太径部と細径部で異なってもよい。 The number of turns or the number of layers of the oblique layers is usually 1 to 10 layers, preferably 4 to 8 layers. In the case of a cylindrical molded body having a taper, the laminated thickness of the oblique layers may be different between the large diameter portion and the small diameter portion.
ここでいう積層数は正負の斜交層を合計した数である。巻回数は正負の斜交層を一つにつなげた場合のマンドレルへの巻回数と対応しており、テーパを有する筒状成形体で細径側と太径側で巻回数が異なるようにプリプレグシートをカットした場合は、シャフト軸（軸方向）に垂直な任意の断面において該巻回数は連続的に変化する。 The number of layers here is the total number of positive and negative oblique layers. The number of windings corresponds to the number of windings on the mandrel when the positive and negative oblique layers are joined together, and the prepreg is a cylindrical molded body with a taper so that the number of windings is different on the small diameter side and the large diameter side. When the sheet is cut, the number of turns continuously changes in an arbitrary cross section perpendicular to the shaft axis (axial direction).
全てのあるいは一部の斜交層に引張弾性率４００〜１０００ＧＰａ、好ましくは６００〜１０００ＧＰａのピッチ系炭素繊維を使用する場合は、正負の斜交層を、その繊維が製造される成形体の長手方向あるいは軸方向に対して対称に配向するように一対で使用することができる。 When pitch-based carbon fibers having a tensile elastic modulus of 400 to 1000 GPa, preferably 600 to 1000 GPa are used for all or a part of the oblique layers, the positive and negative oblique layers are formed in the longitudinal direction of the molded body from which the fibers are produced. A pair can be used so as to be oriented symmetrically with respect to the direction or the axial direction.
ストレート層に使用されるＰＡＮ系炭素繊維としては、通常圧縮強度５００〜２５００ＭＰａ、好ましくは７００〜２５００ＭＰａ、より好ましくは１０００〜２５００ＭＰａのものが用いられる。
ストレート層は通常１〜１０層積層するように裁断することができる。
本発明では、全てのあるいは一部のストレート層に、引張弾性率４００〜１０００ＧＰａ、好ましくは６００〜１０００ＧＰａのピッチ系炭素繊維のみからなるプリプレグを含んだ置換プリプレグシートを使用することができる。
As the PAN-based carbon fiber used for the straight layer, those having a compressive strength of 500 to 2500 MPa, preferably 700 to 2500 MPa, more preferably 1000 to 2500 MPa are used.
The straight layer can usually be cut so that 1 to 10 layers are laminated.
In the present invention, a substituted prepreg sheet containing a prepreg composed only of pitch-based carbon fibers having a tensile elastic modulus of 400 to 1000 GPa, preferably 600 to 1000 GPa, can be used for all or some of the straight layers.
なお、本発明の成形体を製造する際には、その最外層あるいは最上層に、削りしろとして織物プリプレグあるいは一方向プリプレグを積層することができる。 When the molded product of the present invention is produced, a woven fabric prepreg or a unidirectional prepreg can be laminated on the outermost layer or the uppermost layer as a cutting margin.
成形体の成形後、該削りしろは成形体のその後の加工精度を上げるために通常０．０１〜１ｍｍほど削り取るが、このとき削りしろの全部あるいは一部を削ることができる。 After forming the molded body, the shaving margin is usually scraped off by about 0.01 to 1 mm in order to increase the subsequent processing accuracy of the molded body. At this time, all or a part of the shaving margin can be shaved.
本発明の板状等の縦長成形体あるいは筒状成形体は、通常繊維体積含有率が５０〜７０ｖｏｌ％である。 The plate-like longitudinal molded body or cylindrical molded body of the present invention usually has a fiber volume content of 50 to 70 vol%.
なお、本発明の炭素繊維強化複合材のねじり振動の対数減衰率は、以下のように測定した。
即ち図２に示すように、歪みゲージ１を貼り付けた筒状成形体（シャフト）２を細径側を下にしておもり付き円盤３上に垂直に立て、太径側を万力４に固定した状態で該成形体を振動させ、そのときのねじり歪みの振動波形を測定し、これを基に対数減衰率を算出した。
In addition, the logarithmic damping factor of the torsional vibration of the carbon fiber reinforced composite material of the present invention was measured as follows.
That is, as shown in FIG. 2, a cylindrical molded body (shaft) 2 with a strain gauge 1 attached is vertically placed on a weighted disk 3 with the small diameter side down, and the large diameter side is fixed to the vise 4. In this state, the molded body was vibrated, the vibration waveform of torsional strain at that time was measured, and the logarithmic attenuation factor was calculated based on this.
ねじり歪みの測定は、純粋なねじり歪みが得られるよう２軸０／９０゜トルク用歪みゲージ２枚を用いて４アクティブゲージ法で行った。歪みゲージは筒状成形体の細先端から９２ｍｍと９２０ｍｍの２カ所に貼り付けた（一つのみ図示）。 The torsional strain was measured by a 4-active gauge method using two biaxial 0/90 ° torque strain gauges so as to obtain a pure torsional strain. The strain gauges were affixed at two locations of 92 mm and 920 mm from the thin tip of the cylindrical molded body (only one is shown).
歪みデータは、歪みゲージで歪みを感知し、ブリッヂボックス、動歪み計、ＡＤコンバーターを介してパーソナルコンピュータに取り込ませた。歪みのデータをパーソナルコンピュータに取り込む際のサンプリングタイムは１０−４〜１０−３秒、サンプリングポイント数は１０００〜８１９２ポイントとした。 Strain data was sensed with a strain gauge, and taken into a personal computer via a bridge box, a dynamic strain meter, and an AD converter. The sampling time when the distortion data was taken into the personal computer was 10 −4 to 10 −3 seconds, and the number of sampling points was 1000 to 8192 points.
筒状成形体２の細端部は、周方向に質量が均等に配分されているおもり付き円盤３に、その中心と該成形体の軸とが一致するように固定する。この円盤３上のおもり５の大きさ、材質、使用枚数を変えることで、シャフト軸まわりの慣性モーメントを変えることができる。おもり付き円盤３の直径と円周との２つの交点に糸６を取り付け、曲げモーメントがかからないよう同時にそれら２本の糸６を引いて成形体にねじりモーメントを与えた後に、そのモーメントを一気に解放し自由減衰振動させる。ねじりの振動の測定は、力が解放された直後から数秒間行う。 The narrow end portion of the cylindrical molded body 2 is fixed to a weighted disc 3 whose mass is evenly distributed in the circumferential direction so that the center thereof coincides with the axis of the molded body. By changing the size, material, and number of used weights 5 on the disk 3, the moment of inertia around the shaft axis can be changed. Attach the thread 6 to the two intersections of the diameter and circumference of the weighted disc 3 and pull the two threads 6 at the same time so that no bending moment is applied. Then oscillate freely. The torsional vibration is measured for a few seconds immediately after the force is released.
本発明においては、振動波形の１周期ごとの振幅Ａｎ 、Ａｎ＋１ の比の自然対数をもって対数減衰率とした。 In the present invention, the logarithmic decay rate is defined as the natural logarithm of the ratio of the amplitudes A n and A n + 1 for each period of the vibration waveform.
実際の計算において、近接する振幅の差が小さいときは精度を向上させるため、間隔をあけた振幅の比から求めた。ｎ番目の振幅をＡｎ 、ｍ番目の振幅をＡｍ ( 但し、ｎ＜ｍ）とすると、次式のようになる。 In the actual calculation, when the difference between adjacent amplitudes is small, it was obtained from the ratio of the spaced amplitudes in order to improve accuracy. Assuming that the nth amplitude is A n and the mth amplitude is A m (where n <m), the following equation is obtained.
一方、本発明の炭素繊維強化複合材の曲げ振動の対数減衰率は、以下のように測定した。
即ち、厚さ１．５ｍｍの片持ちばりを垂直に立てて下側を固定して、はりを大気中で振動させ（加振は電磁式トランスデューサーを使用）、はりの中央部の水平方向の変位を非接触型のセンサーで測定した。
On the other hand, the logarithmic damping factor of the bending vibration of the carbon fiber reinforced composite material of the present invention was measured as follows.
That is, a 1.5 mm thick cantilever beam is set up vertically and the lower side is fixed, and the beam is vibrated in the atmosphere (excitation uses an electromagnetic transducer). The displacement was measured with a non-contact type sensor.
変位信号はアンプ、ＡＤコンバーターを介してパーソナルコンピュータに取り込ませた。データをパーソナルコンピュータに取り込む際のサンプリングタイムは１０−３〜１０−２秒、サンプリングポイント数は４０９６ポイントとした。対数減衰率の算出方法は炭素繊維複合材料筒状成形体の場合に同じとした。 The displacement signal was taken into a personal computer via an amplifier and an AD converter. The sampling time when taking data into the personal computer was 10 −3 to 10 −2 seconds, and the number of sampling points was 4096 points. The calculation method of the logarithmic decay rate was the same in the case of the carbon fiber composite material cylindrical molded body.
強化繊維の引張弾性率の測定方法はＪＩＳ Ｒ７６０１に基づいた。強化繊維の圧縮強度の測定はＪＩＳ Ｋ７６７０に基づき、樹脂の圧縮強度を無視して繊維体積含有率から換算して求めた。 The method for measuring the tensile elastic modulus of the reinforcing fiber was based on JIS R7601. The measurement of the compressive strength of the reinforcing fiber was calculated based on JIS K7670 by ignoring the compressive strength of the resin and converting from the fiber volume content.
以下に実施例を示すが本発明はこれにより限定されるものではないことはいうまでもない。
実施例１ シャフト
斜交層およびストレート層から、シャフトを以下のように製造した。
図１（１）に、正の斜交層用の各プリプレグの裁断形状とそれらのはり合わせ方を模式的に表した。同図において、１ａはピッチ系炭素繊維（商品名：ＸＮ−８０、引張弾性率７８５ＧＰａ）からなるプリプレグ（商品名：Ｅ８０２６Ｃ−１２Ｓ、日本グラファイトファイバー社製、繊維体積含有率６０ｖｏｌ％、目付１２５ｇ／ｍ２)を示し、シャフトの先端部分を構成する。２ａはＰＡＮ系炭素繊維（商品名：ＵＭ４６、引張弾性率４３５ＧＰａ）からなるプリプレグ（商品名：Ｑ−Ｒ１１８、東邦レーヨン社製、繊維体積含有率６０ｖｏｌ％、目付１１６ｇ／ｍ２)を示し、シャフトの中間から手元部分を構成する。
Examples are shown below, but it goes without saying that the present invention is not limited thereto.
Example 1 Shaft A shaft was manufactured from an oblique layer and a straight layer as follows.
In FIG. 1 (1), the cutting shape of each prepreg for a positive oblique layer and how to bond them are schematically shown. In the figure, 1a is a prepreg (trade name: E8026C-12S, manufactured by Nippon Graphite Fiber Co., Ltd., made of pitch-based carbon fiber (trade name: XN-80, tensile elastic modulus 785 GPa), fiber volume content 60 vol%, basis weight 125 g / m 2 ), which constitutes the tip portion of the shaft. 2a indicates a prepreg (trade name: Q-R118, manufactured by Toho Rayon Co., Ltd., fiber volume content 60 vol%, basis weight 116 g / m 2 ) made of PAN-based carbon fiber (trade name: UM46, tensile elastic modulus 435 GPa), shaft The hand part is constructed from the middle of
より詳しくは、斜交層としてはシャフトの先端から平均４７４ｍｍの先端部分にＸＮ−８０プリプレグを用い、それ以降はＵＭ４６プリプレグを使用し、これらの２つのプリプレグをはり合わせて一枚の正の斜交層とした。 More specifically, as the oblique layer, an XN-80 prepreg is used at the tip portion of an average of 474 mm from the tip of the shaft, and thereafter, a UM46 prepreg is used, and these two prepregs are bonded together to form one positive oblique layer. Crossed layers.
この正の斜交層と、これと鏡像の関係にある負の斜交層とをはり合わせたものを積層した。炭素繊維の配向角度はシャフト軸方向に対して±４５゜、積層数は８層（４層ずつ）とした。 This positive oblique layer was laminated with a negative oblique layer having a mirror image relationship with this positive oblique layer. The orientation angle of the carbon fibers was ± 45 ° with respect to the shaft axis direction, and the number of laminated layers was 8 layers (4 layers each).
ストレート層としては、ＰＡＮ系炭素繊維（商品名：Ｔ７００Ｓ、引張弾性率２３０ＧＰａ）からなるプリプレグ（商品名：Ｐ３０５２Ｓ−１２、東レ社製、繊維体積含有率６０ｖｏｌ％、目付１２５ｇ／ｍ２)をシャフト全長にわたり使用し、積層数は４層とし前記斜交層の上から巻回した。 As a straight layer, a prepreg (trade name: P3052S-12, manufactured by Toray Industries, Inc., fiber volume content 60 vol%, basis weight 125 g / m 2 ) made of PAN-based carbon fiber (trade name: T700S, tensile elastic modulus 230 GPa) is used as a shaft. It was used over the entire length, the number of layers was four, and wound from above the oblique layer.
上記ストレート層の上に織物（平織り）プリプレグを巻回し、さらにその上にシュリングテープを巻回したものを１００〜１３０℃に加熱して硬化させた。その後必要に応じてシュリングテープ表面の凸凹を研磨した。 A woven fabric (plain woven) prepreg was wound on the straight layer, and a shrinking tape was wound on the prepreg, and was heated to 100 to 130 ° C. to be cured. Thereafter, the unevenness on the surface of the shingling tape was polished as necessary.
できあがったシャフトの全長は１１２０ｍｍ、細径端の内径は６ｍｍ、外径は８．５ｍｍであり、太径端の内径は１２．５ｍｍ、外径は１４ｍｍとなった。
表１に示すように、実施例１のシャフトは優れた振動減衰性を有していた。
The total length of the completed shaft was 1120 mm, the inner diameter of the narrow end was 6 mm, the outer diameter was 8.5 mm, the inner diameter of the large end was 12.5 mm, and the outer diameter was 14 mm.
As shown in Table 1, the shaft of Example 1 had excellent vibration damping properties.
実施例２ シャフト
図１（２）に、斜交層用の各プリプレグの裁断形状とそれらのはり合わせ方を模式的に表した。同図において、１ｂはシャフトの中間部分を構成するピッチ系炭素繊維ＸＮ−８０からなるプリプレグＥ８０２６Ｃ−１２Ｓ、２ｂは先端部分を構成するＰＡＮ系炭素繊維ＵＭ４６からなるプリプレグＱ−Ｒ１１８、２ｃは手元部分を構成するＰＡＮ系炭素繊維ＵＭ４６からなるプリプレグＱ−Ｒ１１８をそれぞれ示す。
Example 2 Shaft FIG. 1 (2) schematically shows the cut shape of each prepreg for the oblique layer and how to fit them together. In the figure, 1b is a prepreg E8026C-12S made of pitch-based carbon fiber XN-80 constituting the intermediate portion of the shaft, 2b is a prepreg Q-R118 made of PAN-based carbon fiber UM46 constituting the tip portion, and 2c is a proximal portion. Each of the prepregs Q-R118 made of PAN-based carbon fiber UM46 constituting each of the above is shown.
より詳しくは、斜交層としては、シャフトの先端より平均４７４ｍｍから平均８２６ｍｍの中間部分にＸＮ−８０プリプレグを用い、それよりも先端とそれよりも以降はＵＭ４６プリプレグを使用し、これらの３つのプリプレグをはり合わせて一枚の正の斜交層とした。それ以外は実施例１と同様にしてシャフトを製造した。表１に示すように、実施例２のシャフトは実施例１に次ぐ優れた振動減衰性を有していた。 More specifically, as the oblique layer, an XN-80 prepreg is used in the middle portion of the average of 474 mm to 826 mm from the tip of the shaft, and UM46 prepreg is used at the tip and after that, and these three are used. The prepreg was laminated to form one positive oblique layer. Otherwise, the shaft was manufactured in the same manner as in Example 1. As shown in Table 1, the shaft of Example 2 had excellent vibration damping properties after Example 1.
実施例３ シャフト
図１（３）に、斜交層用の各プリプレグの裁断形状とそれらのはり合わせ方を模式的に表した。同図において、１ｃはシャフトの手元部分を構成するピッチ系炭素繊維ＸＮ−８０からなるプリプレグＥ８０２６Ｃ−１２Ｓ、２ｄは先端から中間部分を構成するＰＡＮ系炭素繊維ＵＭ４６からなるプリプレグＱ−Ｒ１１８をそれぞれ示す。
Example 3 Shaft FIG. 1 (3) schematically shows the cut shape of each prepreg for the oblique layer and how to fit them together. In the figure, 1c represents a prepreg E8026C-12S made of pitch-based carbon fiber XN-80 constituting the proximal portion of the shaft, and 2d represents a prepreg Q-R118 made of PAN-based carbon fiber UM46 constituting the intermediate portion from the tip. .
より詳しくは、斜交層としては、シャフトの先端より平均８２６ｍｍから平均１１２０ｍｍ（太径端部）の手元部分にＸＮ−８０プリプレグを用い、それよりも先端はＵＭ４６プリプレグを使用し、これらの２つの斜交層をはり合わせて一枚の正の斜交層とした。それ以外は実施例１と同様にしてシャフトを製造した。表１に示すように、実施例３のシャフトは実施例２に次ぐ振動減衰性を有していた。 More specifically, as the oblique layer, an XN-80 prepreg is used for the proximal portion from 826 mm to 1120 mm on the average (large diameter end) from the tip of the shaft, and UM46 prepreg is used for the tip, and these 2 Two oblique layers were laminated to form one positive oblique layer. Otherwise, the shaft was manufactured in the same manner as in Example 1. As shown in Table 1, the shaft of Example 3 had the vibration damping property next to Example 2.
比較例１ シャフト
斜交層全層にＵＭ４６プリプレグＱ−Ｒ１１８を使用した以外は、実施例１と同様にしてシャフトを製造した。表１に示すように振動減衰性は低かった。
Comparative Example 1 Shaft A shaft was manufactured in the same manner as in Example 1 except that UM46 prepreg Q-R118 was used for the entire oblique layer. As shown in Table 1, the vibration damping property was low.
実施例４ 板状成形体
一方向プリプレグシート１４層からなる炭素繊維複合材料板（板状成形体）を製造した。ただし、表裏面各２層ずつについては、片持ちばりの曲げ変形時に応力が最大となる固定端を含む板長の３分の１の面積の部分にピッチ系炭素繊維ＸＮ−８０からなるプリプレグＥ８０２６Ｃ−１２Ｓを用い、その他の部分にはＰＡＮ系炭素繊維ＵＭ４６からなるプリプレグＱ−Ｒ１１８を使用した。
この成形体は、表２に示すように高い振動減衰率を有していた。
Example 4 Plate-shaped molded body A carbon fiber composite material plate (plate-shaped molded body) composed of 14 unidirectional prepreg sheets was produced. However, for each of the two layers on the front and back surfaces, a prepreg E8026C made of pitch-based carbon fiber XN-80 in a portion of the area of one-third of the plate length including the fixed end where the stress is maximum when bending cantilever is bent. -12S was used, and prepreg Q-R118 made of PAN-based carbon fiber UM46 was used for the other parts.
This molded body had a high vibration damping rate as shown in Table 2.
比較例２ 板状成形体
全層にＵＭ４６プリプレグＱ−Ｒ１１８を使用した以外は、実施例２と同様に板状成形体を製造した。表２のように振動減衰性は低かった。
Comparative Example 2 Plate-shaped molded body A plate-shaped molded body was produced in the same manner as in Example 2 except that UM46 prepreg Q-R118 was used for all layers. As shown in Table 2, the vibration damping property was low.
１ａ シャフトの先端部分にあたるピッチ系炭素繊維プリプレグ
１ｂ シャフトの中間部分にあたるピッチ系炭素繊維プリプレグ
１ｃ シャフトの手元部分にあたるピッチ系炭素繊維プリプレグ
２ａ シャフトの中間から手元部分にあたるＰＡＮ系炭素繊維プリプレグ
２ｂ シャフトの先端部分にあたるＰＡＮ系炭素繊維プリプレグ
２ｃ シャフトの手元部分にあたるＰＡＮ系炭素繊維プリプレグ
２ｄ シャフトの先端から中間部分にあたるＰＡＮ系炭素繊維プリプレグ
１ 剪断歪みゲージ
２ 筒状成形体（シャフト）
３ おもり付きアルミ円盤
４ 万力
５ 慣性モーメント制御おもり
６ ミニチュアワイヤまたは糸
７ プーリー
８ 導線
９ 検出器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1a Pitch-type carbon fiber prepreg which hits the tip part of the shaft 1b Pitch-type carbon fiber prepreg which hits the middle part of the shaft 1c Pitch-type carbon fiber prepreg which hits the hand part of the shaft 2a PAN-based carbon fiber prepreg which hits the hand part from the middle of the shaft 2b PAN-based carbon fiber prepreg 2c corresponding to the portion PAN-based carbon fiber prepreg 2d corresponding to the proximal portion of the shaft 2d PAN-based carbon fiber prepreg corresponding to the intermediate portion from the tip of the shaft 1 Shear strain gauge 2 Tubular molded body (shaft)
3 Aluminum disc with weight 40 Vise 5 Inertia moment control weight 6 Miniature wire or thread 7 Pulley 8 Conductor 9 Detector
Claims (4)
該板状成形体の平均厚み以下に薄くなった部分の最上層および／または最下層の部分に、前記プリプレグシートの１層以上が、その各層の１０分の１以上２分の１以下（面積比）の部分が引張弾性率４００〜１０００ＧＰａのピッチ系炭素繊維のみからなるプリプレグで置き換えられた置換プリプレグシートであることを特徴とする炭素繊維強化複合材製板状成形体。 In the plate-like molded product made of carbon fiber reinforced composite material formed by laminating a plurality of prepreg sheets made of polyacrylonitrile-based carbon fibers having a tensile modulus of 100 to 600 GPa,
In the uppermost layer and / or the lowermost layer of the portion that has become thinner than the average thickness of the plate-shaped molded body, one or more layers of the prepreg sheet are one-tenth or more and half or less (area) of each layer. Ratio) is a substituted prepreg sheet replaced with a prepreg composed only of pitch-based carbon fibers having a tensile modulus of 400 to 1000 GPa.
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