JP5151499B2 - Method for forming fiber-reinforced composite material and fiber-reinforced composite material - Google Patents
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Description
本発明は、熱硬化性或いは常温硬化系の樹脂中に補強繊維を埋設してなる繊維補強複合材料の成形方法及び繊維補強複合材料に関し、更に詳しくは、VaRTM(Vacuum Assisted Resin Transfer Molding:真空圧樹脂含浸成形法)などのRTM(Resin Transfer Molding:樹脂含浸成形法)により成形した際の樹脂含浸性を改善するようにした繊維補強複合材料の成形方法及び繊維補強複合材料に関する。 The present invention relates to a method for molding a fiber reinforced composite material in which reinforcing fibers are embedded in a thermosetting or room temperature curable resin and a fiber reinforced composite material, and more particularly, VaRTM (Vacuum Assisted Resin Transfer Molding: vacuum pressure). The present invention relates to a fiber-reinforced composite material molding method and a fiber-reinforced composite material that improve resin impregnation properties when molded by RTM (Resin Transfer Molding) such as resin impregnation molding method.
炭素繊維などの補強繊維に熱硬化性マトリクス樹脂を含浸させたプリプレグを積層して硬化させた繊維補強複合材料は、軽量で機械的強度も高いため、航空機の構造材料として広く適用されている。しかし、マトリックス樹脂の伸度が低くて脆いため、靭性(耐衝撃性)に劣る欠点があり、衝撃を受けた際の内部破壊により強度が低下するという問題がある。 A fiber reinforced composite material obtained by laminating and curing a prepreg obtained by impregnating a thermosetting matrix resin with a reinforcing fiber such as carbon fiber is widely used as an aircraft structural material because it is lightweight and has high mechanical strength. However, since the elongation of the matrix resin is low and brittle, there is a disadvantage that it is inferior in toughness (impact resistance), and there is a problem that the strength is reduced due to internal fracture when subjected to impact.
そこで、従来、上記対策として、例えば、靭性に優れた熱可塑性の有機繊維をランダムに配向した不織布を補強繊維間に配置することにより、衝撃を緩和すると共に衝撃時の亀裂が伝播して繊維補強複合材料の層間で進行するのを抑制するようにした技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。また、そのような補強繊維と不織布を積層し、RTMにより成形することが提案されている(例えば、特許文献2参照)。 Therefore, conventionally, as a countermeasure, for example, a nonwoven fabric in which thermoplastic organic fibers excellent in toughness are randomly oriented is disposed between the reinforcing fibers, thereby mitigating the impact and propagating the cracks at the time of the impact to reinforce the fiber. A technique is known that suppresses progress between layers of a composite material (see, for example, Patent Document 1). In addition, it has been proposed that such reinforcing fibers and nonwoven fabric are laminated and molded by RTM (see, for example, Patent Document 2).
しかしながら、RTMにより成形した際に、型内に注入した樹脂の流れが非配向性の不織布により阻害され、それにより樹脂欠損の問題が発生し、樹脂含浸性に難がある。
本発明の目的は、RTMにより成形した際の樹脂含浸性を改善することが可能な繊維補強複合材料の成形方法及び繊維補強複合材料を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a fiber-reinforced composite material molding method and a fiber-reinforced composite material capable of improving the resin impregnation property when molded by RTM.
上記目的を達成する本発明の繊維補強複合材料の成形方法は、成形型内に長繊維からなる補強繊維を配向した補強基材と不織布を積層してなる積層体を配置した後、前記成形型内に熱硬化性または常温硬化系のマトリックス樹脂を注入して繊維補強複合材料を成形する方法であって、前記不織布が熱可塑性樹脂製の長繊維を配向した不織布からなり、該不織布において前記長繊維の任意の位置で30cmの長さを取ってその両端間を直線で結んだ時の直線の角度が前記補強繊維の配向方向に対して5度以下となるように延在する長繊維の比率が40〜100%であり、該不織布の目付が3〜30g/m 2 であることを特徴とする。 The molding method of the fiber-reinforced composite material of the present invention that achieves the above object is the molding die after arranging a laminate formed by laminating a reinforcing base material in which reinforcing fibers made of long fibers are oriented and a nonwoven fabric in a molding die. a thermosetting or cold setting based matrix resin injection to a method of molding a fiber-reinforced composite material within, Ri Do a nonwoven fabric in which the nonwoven fabric is oriented long fibers of thermoplastic resin, wherein in said non-woven fabric A long fiber extending 30 mm at an arbitrary position of the long fiber and extending so that the angle of the straight line when the both ends are connected with a straight line is 5 degrees or less with respect to the orientation direction of the reinforcing fiber ratio is 40 to 100% weight per unit area of the nonwoven fabric is characterized 3 to 30 g / m 2 der Rukoto.
本発明の繊維補強複合材料は、長繊維からなる補強繊維を配向した補強基材と不織布を積層してなる積層体を熱硬化性または常温硬化系のマトリックス樹脂中に埋設した繊維補強複合材であって、前記不織布が熱可塑性樹脂製の長繊維を配向した不織布からなり、該不織布において前記長繊維の任意の位置で30cmの長さを取ってその両端間を直線で結んだ時の直線の角度が前記補強繊維の配向方向に対して5度以下となるように延在する長繊維の比率が40〜100%であり、該不織布の目付が3〜30g/m 2 であることを特徴とする。 The fiber-reinforced composite material of the present invention is a fiber-reinforced composite material in which a laminated body formed by laminating a reinforcing base material in which reinforcing fibers made of long fibers are oriented and a nonwoven fabric is embedded in a thermosetting or room temperature curing matrix resin. there are, Ri Do from the non-woven fabric is oriented long fibers of thermoplastic resin nonwoven fabric, a straight line when connecting with a straight line between its ends by taking a length of 30cm at an arbitrary position of the long fibers in the nonwoven fabric angle is 40 to 100 percent proportion of long fibers extending to be 5 degrees or less with respect to the orientation direction of the reinforcing fibers, the basis weight of the nonwoven fabric is a 3 to 30 g / m 2 der Rukoto Features.
上述した本発明によれば、配向性の不織布を用いるため、RTMにより成形した際に、成形型内に注入した樹脂が不織布の長繊維の配向方向に沿って流れ易くなるため、樹脂の欠損の改善が可能になる。 According to the above-described present invention, since the oriented nonwoven fabric is used, the resin injected into the mold becomes easy to flow along the orientation direction of the long fibers of the nonwoven fabric when molded by RTM. Improvement is possible.
以下、本発明の実施の形態について添付の図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1,2は本発明の繊維補強複合材料の一実施形態を示す。繊維補強複合材料1は、長繊維からなる補強繊維2aを一方向に引き揃えて配向させた補強基材2と、熱可塑性樹脂製の長繊維3aを配向した不織布3とを積層してなる積層体4を熱硬化性または常温硬化系のマトリックス樹脂からなる樹脂層5中に埋設した構造になっている。補強基材2と不織布3は交互に積層され、不織布3が各補強基材2間に配設されている。不織布3に靭性に優れた熱可塑性樹脂を使用することで、従来の非配向性の不織布と同様に、衝撃を緩和すると共に衝撃時の亀裂が伝播して繊維補強複合材料の層間で進行するのを抑制し、それにより衝撃による内部破壊を抑えて耐衝撃性を高めるようにしている。
1 and 2 show an embodiment of the fiber-reinforced composite material of the present invention. The fiber-reinforced composite material 1 is a laminate formed by laminating a reinforcing
補強基材2は擬似等方性となるように積層されている。その補強基材2の補強繊維2aとしては、従来公知のものが使用でき、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ポリエステル繊維、PBO繊維などの有機または無機繊維を挙げることができる。補強繊維2aの形態は、長繊維状モノフィラメントであっても、これらを束にしたものであってもよいし、また織物、ノンクリンプ織物、編物でもよい。補強基材2は上記のように擬似等方にして積層するのが好ましいが、必ずしもそれに限定されない。
The reinforcing
補強繊維2aが繊維補強複合材料1に占める割合としては、繊維補強複合材料1の全体積の40〜65体積%の範囲にするのがよい。補強繊維2aの割合が繊維補強複合材料1の全体積の40体積%より低いと、複合材物性に対する繊維の寄与率が下がり、十分な複合材物性が得られ難くなる。逆に65体積%を超えると、樹脂欠損などの欠陥を生じ易くなる。
The proportion of the reinforcing
配向性の不織布3の長繊維3aに使用する熱可塑性樹脂としては、衝撃を緩和すると共に衝撃時の亀裂の伝播を抑制することができれば、いずれの熱可塑性樹脂を使用してもよく、例えば、ポリエステル、ポリアラミド、ポリアセタール、ポリアミド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルサルフォンなどを挙げることができる。これらの樹脂を単独、或いは2つ以上ブレンドして使用することができる。好ましくは、長繊維3aを構成する熱可塑性樹脂の主成分をポリエステルにするのが、入手性及びコストの点からよい。
As the thermoplastic resin used for the long fibers 3a of the oriented
不織布3の目付は、3〜30g/m2の範囲にする。不織布4の目付が3g/m2より低くなると、衝撃を緩和すると共に衝撃時の亀裂の伝播を効果的に抑制することが難しくなる。逆に30g/m2を超えると、RTMにより成形した際の樹脂含浸性を改善することが難しくなる。好ましくは、軽量化と作業性の点から15g/m2以下にするのがよい。
With eyes
マトリックス樹脂に使用する樹脂としても、従来と同様のものが使用でき、例えば、熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、ビスマレイミド樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂などを挙げることができる。また、ビニルエステル樹脂やエポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂による常温硬化型のマトリックス樹脂を用いてもよい。 As the resin used for the matrix resin, the same resin as the conventional one can be used. Examples of the thermosetting resin include an epoxy resin, a bismaleimide resin, an unsaturated polyester resin, and a polyimide resin. Further, a room temperature curable matrix resin made of vinyl ester resin, epoxy resin, or unsaturated polyester resin may be used.
以下、図3〜7を参照しながら、上述した繊維補強複合材料1を成形する本発明の方法について説明する。 Hereinafter, the method of this invention which shape | molds the fiber reinforced composite material 1 mentioned above is demonstrated, referring FIGS.
先ず、図3に示すように、成形型10の下型11内に、長繊維からなる補強繊維2aを一方向に引き揃えて配向させた補強基材2と熱可塑性樹脂製の長繊維3aを配向した不織布3を積層してなる積層体4を配置する。その際、下型11内に補強基材2と不織布3を交互に積層しながら積層体4を形成するようにしてもよく、また図4に示すように、予め下型11外で積層体4を形成し、それを下型11内にセットするようにしてもよい。下型11の外部で積層体4を形成する場合は、積層した補強基材2と不織布3を縫い合わせて両者を固定しておくのが、移動の際などに両者がずれるのを防止する上でよい。
First, as shown in FIG. 3, a reinforcing
不織布3は、好ましくは、図5に示すように、ロール20に巻き取られた長尺の不織布30をロール20から引き出して切断することにより形成するのがよく、これにより所定長さの不織布3を容易に形成することができる。
As shown in FIG. 5, the
積層体4を下型11内に配置した後、図6に示すように、成形型10の上型12を閉じる。次いで、図7に示すように、上型12に形成した吸引口13から真空吸引して成形型10の内部を負圧にする一方、下型11に形成した樹脂注入口14から成形型10内に液状の熱硬化性マトリックス樹脂を注入する。注入後、成形型10をオーブン中で加熱し、図1に示す繊維補強複合材料1を得る。
After the laminated body 4 is arranged in the
上述した本発明によれば、配向性の不織布3を使用することで、RTMによる成形した際に、成形型10内に注入した樹脂が不織布3の長繊維3aの配向方向に沿って流れ易くなるため、樹脂が成形型10内で従来より円滑に流れることができる。その結果、樹脂の欠損が改善され、樹脂含浸性の向上が可能になる。
According to the present invention described above, by using the oriented
本発明において、配向性の不織布3は、各長繊維3aが平行で同じ方向に配向している必要はなく、所定の配向方向に対して5度以下の角度で延在する長繊維3aの比率を全体の40〜100%の範囲とする。これにより、上述した樹脂含浸性を向上することができる。不織布3をロール20から引き出して形成する場合、長繊維3aの配向方向は引き出し方向になるため、上記5度以下の角度は引き出し方向に対する角度である。なお、ここで言う5度以下の角度とは、長繊維3aの任意の位置で30cmの長さを取り、その両端間を直線で結んだ時の直線の角度である。
In the present invention, the oriented
本発明は、上記実施形態では、不織布3として、長繊維3aを一方向に配向したものを挙げたが、それに加えて、更に熱可塑性樹脂製の長繊維を長繊維4aと略直交する方向(補強繊維2aの配向方向と略直交する方向)に配向(延在)するようにした不織布であってもよい。その場合、不織布の目付は、長繊維4aについて少なくとも3g/m2確保し、合計で30g/m2以下とする。また、上記した比率は、長繊維3aと略直交する方向に延在する熱可塑性樹脂製の長繊維も含めた比率である。この場合も、長繊維3aの比率が40体積%以下とならにように構成するのがよい。なお、ここで言う略直交するとは、直交する方向に対して±5度の角度範囲を言う。
In the above-described embodiment, the
1 繊維補強複合材料
2 補強基材
2a 補強繊維
3 不織布
3a 長繊維
4 積層体
5 樹脂層
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