JP6721107B2 - 複合材料部材、複合材料部材の製造方法及びその成形用型 - Google Patents

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Description

本発明は、複合材料部材、複合材料部材の製造方法及びその成形用型に関する。
従来から繊維強化プラスチックからなる部材（以下、ＦＲＰ部材）に被締結物を締結する際に、ＦＲＰ部材に孔を穿設して、この孔に締結具を挿通し、挿通した締結具によりＦＲＰ部材と被締結物とを締結する方法が行われている。特開２０１６-１１４１３９号公報は、関連する技術を開示している。
ＦＲＰ部材に孔あけ加工を施すと、孔の周辺部に強化繊維の剥離や樹脂の欠損などが生じることがあるが、この孔周辺部の強化繊維の剥離等は、ＦＲＰ部材の締結部の割れの原因になり得る。
本発明の目的は、ＦＲＰ部材などの複合材料部材において、孔あけ加工に伴う強化繊維の剥離や樹脂の欠損の発生を抑制することにある。
本発明の一態様は、ＦＲＰ層の表面の少なくとも一部の領域上にＦＲＰ層よりも繊維含有率の低い樹脂リッチ層が形成され、ＦＲＰ層及び樹脂リッチ層を貫通するように孔が穿設された複合材料部材である。
上記複合材料部材によれば、孔あけ加工に伴う強化繊維の剥離や樹脂の欠損の発生を抑制することができる。
図１Ａは、第１実施形態にかかる複合材料部材の上面図であり、カラー及び座金を装着する前の状態を示す。 図１Ｂは、図１ＡのＩｂ−Ｉｂ線に沿った断面図である。 図２は、第１実施形態にかかる複合材料部材の断面図である。 図３Ａは、一般のＦＲＰ部材にドリルで孔あけ加工したときの状態を示す。 図３Ｂは、一般のＦＲＰ部材にドリルで孔あけ加工したときの状態を示す。 図３Ｃは、一般のＦＲＰ部材にドリルで孔あけ加工したときの状態を示す。 図３Ｄは、一般のＦＲＰ部材にドリルで孔あけ加工したときの状態を示す。 図４Ａは、第２実施形態にかかる複合材料部材の上面図である。カラー及び座金は簡単のため省略している。 図４Ｂは、図４ＡのＩＶｂ−ＩＶｂ線に沿った断面図である。 図５Ａは、第３実施形態にかかる複合材料部材の上面図である。カラー及び座金は簡単のため省略している。 図５Ｂは、図５ＡのＶｂ−Ｖｂ線に沿った断面図である。 図６Ａは、第４実施形態にかかる複合材料部材の上面図である。カラー及び座金は簡単のため省略している。 図６Ｂは、図６ＡのＶＩｂ−ＶＩｂ線に沿った断面図である。 図７Ａは、複合材料部材の製造方法を説明する図である。 図７Ｂは、複合材料部材の製造方法を説明する図である。 図７Ｃは、複合材料部材の製造方法を説明する図である。 図８Ａは、複合材料部材の成形用型の要部拡大図である。 図８Ｂは、図８ＡのＶＩＩＩｂ−ＶＩＩＩｂ線に沿った断面図である。 図９Ａは、複合材料部材の製造方法を説明する図である。 図９Ｂは、複合材料部材の製造方法を説明する図である。 図９Ｃは、複合材料部材の製造方法を説明する図である。 図１０Ａは、複合材料部材の他の製造方法を説明する図である。 図１０Ｂは、複合材料部材の他の製造方法を説明する図である。 図１０Ｃは、複合材料部材の他の製造方法を説明する図である。 図１１Ａは、複合材料部材の他の製造方法を説明する図である。 図１１Ｂは、複合材料部材の他の製造方法を説明する図である。
以下、いくつかの実施形態にかかる複合材料部材（以下、部材ＣＭと称する）について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明における「上」「下」など方向を表す用語は、各部の位置関係を説明するために便宜上定めたものであり、実際の取り付け姿勢等を限定するものではない。
＜第１実施形態＞
図１Ａ、図１Ｂ及び図２に示すように、第１実施形態にかかる部材ＣＭは、ＦＲＰ層１と、ＦＲＰ層１の上側の表面１ａ上に形成された樹脂リッチ層２と、ＦＲＰ層１の下側の表面１ｂ上に形成された樹脂リッチ層２と、部材ＣＭの厚さ方向Ｔに穿設された孔３とを備える。なお、図示した部材ＣＭは、平板状に形成されているが、その形状は用途に応じて適宜選択可能であり、例えば、曲板状であってもよい。
ＦＲＰ層１は、繊維強化プラスチックからなり、主に、強化繊維Ｆとマトリックス樹脂ＭＲとから構成される。強化繊維Ｆは、部材ＣＭの面方向Ｓに沿って配向された連続繊維からなり、例えば、強化繊維束を一方向もしくは角度を変えて積層した積層構造、或いは織物の形態を有し得る。ＦＲＰ層１の厚さは、特に限定されず、部材ＣＭに要求される強度、剛性等に応じて適宜設定できる。
強化繊維Ｆは、特に限定されず、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、ポリアラミド繊維、アルミナ繊維、シリコンカーバイド繊維、ボロン繊維、炭化ケイ素繊維などを用いることができる。炭素繊維は、例えば、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ系）、ピッチ系、セルロース系、炭化水素による気相成長系炭素繊維、黒鉛繊維などを用いることができる。これらの繊維を２種類以上組み合わせて用いてもよい。
マトリックス樹脂ＭＲは、特に限定されず、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリアミド樹脂、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）樹脂など公知の熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂を用いることができる。
なお、ＦＲＰ層１は、強化繊維Ｆ及びマトリックス樹脂ＭＲ以外の成分として、着色剤、充填剤など各種の添加剤を含み得る。
樹脂リッチ層２は、主に、マトリックス樹脂ＭＲの材料として例示した上記公知の熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂から構成される。樹脂リッチ層２の主成分樹脂は、マトリックス樹脂ＭＲと同じ樹脂でも異なる樹脂でもよく、それらの混合物であってもよい。樹脂リッチ層２は、ＦＲＰ層１と同様に、主成分樹脂以外の成分として、強化繊維や各種添加剤を含み得る。
樹脂リッチ層２は、ＦＲＰ層１の繊維含有率よりも低い繊維含有率を有する。ＦＲＰ層１の繊維含有率は、ＦＲＰ層１に含まれる強化繊維ＦのＦＲＰ層１全体に対する体積比率であり、樹脂リッチ層２の繊維含有率は、樹脂リッチ層２に含まれる強化繊維の樹脂リッチ層２全体に対する体積比率である。
孔３は、ＦＲＰ層１とその両側の表面１ａ，１ｂ上に形成された樹脂リッチ層２とを貫通するように穿設されている。孔３には、図２に示すように、カラー４が装着されている。カラー４は、筒状部４１とフランジ４２とを有し、筒状部４１が孔３に挿通されている。フランジ４２は、その裏面４２ａとＦＲＰ層１の表面１ａとの間の隙間Ｇ１に設けられた接着剤Ａによって、ＦＲＰ層１に接着されている。上側の樹脂リッチ層２は、その表面をフランジ４２の裏面４２ａに当接させた状態でＦＲＰ層１の表面１ａとフランジ４２の裏面４２ａとの間に介在し、隙間Ｇ１の大きさを規定している。
また、ＦＲＰ層１の下側の表面１ｂには、金属製の座金５が設けられている。座金５は、その裏面５ａとＦＲＰ層１の表面１ｂとの間の隙間Ｇ２に設けられた接着剤Ａによって、ＦＲＰ層１に接着されている。下側の樹脂リッチ層２は、その表面を座金５の裏面５ａに当接させた状態でＦＲＰ層１の表面１ｂと座金５の裏面５ａとの間に介在し、隙間Ｇ２の大きさを規定している。なお、接着剤Ａは、特に限定されず、例えば、エポキシ系、ウレタン系など公知の接着剤を用いることができる。
孔３の周辺部３Ｘは、カラー４及び座金５とともに、部材ＣＭの締結部ＦＰを構成している。締結部ＦＰは、カラー４の筒状部４１に挿通される締結具（例えば、ボルト６及びナット７）により、被締結物８に締結される。本実施形態では、座金５に被締結物８を重ね合わせ、カラー４の筒状部４１と被締結物８の孔８ａとにボルト６を挿通させて、ボルト６にナット７を締め付けることにより、部材ＣＭと被締結物８とを締結することができる。なお、座金５を省略して、カラー４の筒状部４１の先端に被締結物８の上面８ｂを当接させた状態で、或いはＦＲＰ層１の表面１ｂに被締結物８の上面８ｂを当接させた状態で、部材ＣＭと被締結物８とを締結することも可能である。
以下、本実施形態の作用効果について説明する。
一般に、ＦＲＰ部材の孔あけ加工には、ドリル、エンドミル、ウォータージェットなどが用いられる。ドリルによる孔あけ加工では、図３Ａに示すように、まず、ドリル先端Ｄａをドリル進入側の表面Ｓ１に進入させる。このとき、ドリルＤの回転力が、ドリル先端Ｄａから孔周辺部Ｘの最表層の強化繊維Ｆに対して、強化繊維Ｆを引きはがす方向（主に面方向Ｓ）に作用することがある。これにより強化繊維Ｆ間に生じた力が、強化繊維Ｆ同士の接着力を上回った場合は、表面Ｓ１の孔周辺部Ｘにおいて、強化繊維の剥離や樹脂の欠損が発生し得る。
その後、図３Ｂに示すように、ドリル先端Ｄａがドリル抜け側の表面Ｓ２に近づき、材料の未切削部の厚さが小さくなってくると、表面Ｓ２の最表層にある強化繊維Ｆが、ドリルＤのスラスト力により、外側に張り出すように変形しはじめる。
そして、ドリル先端Ｄａが、図３Ｃに示すように、表面Ｓ２から抜けようとするときは、材料の未切削部はさらに薄くなり、ドリルＤのスラスト力が、ドリル先端Ｄａから孔周辺部Ｘの最表層の強化繊維Ｆに対して、強化繊維Ｆを引きはがす方向（主に厚さ方向Ｔ）に作用するようになる。これにより強化繊維Ｆ間に生じた力が、強化繊維Ｆ同士の接着力を上回った場合は、図３Ｄに示すように、表面Ｓ２の孔周辺部Ｘにおいて、強化繊維Ｆの剥離が発生し得る。
なお、エンドミルやウォータージェットによる孔あけ加工でも、切削力または切断力が、孔周辺部Ｘの最表層の強化繊維Ｆへ強化繊維Ｆを引きはがす方向に作用することがあり、ドリルＤによる孔あけ加工と同様に、強化繊維Ｆの剥離や樹脂の欠損が発生し得る。
（Ａ）これに対し、本実施形態にかかる部材ＣＭでは、ＦＲＰ層１の表面１ａ，１ｂ上に樹脂リッチ層２が形成されており、孔３は、ＦＲＰ層１及び樹脂リッチ層２を貫通するように穿設されている。すなわち、孔あけ加工の間、ＦＲＰ層１の孔周辺部３Ｘにおける最表層の強化繊維Ｆは、厚さ方向Ｔに隣接する樹脂リッチ層２によって支持または拘束され、その変形が抑制されている。このため、孔あけ加工の際に、孔周辺部３Ｘの最表層の強化繊維Ｆに対してこれを引きはがす方向に作用する力が、樹脂リッチ層２がない場合と比較して小さくなる。
また、樹脂リッチ層２は、ＦＲＰ層１より繊維含有率が低いため、孔あけ加工の際、工具から樹脂リッチ層２を介して最表層の強化繊維Ｆに伝わる力が、繊維含有率がＦＲＰ層１より高い層を採用した場合と比較して小さくなる。
従って、部材ＣＭの構成によれば、孔あけ加工に伴う、ＦＲＰ層１における強化繊維Ｆの剥離や樹脂の欠損が生じにくくなる。これにより、孔周辺部３Ｘにおいて締結部ＦＰの割れの原因になり得る強化繊維Ｆの剥離や樹脂の欠損が少なく、締結部ＦＰの強度・信頼性が高い部材ＣＭを得ることができる。
（Ｂ）また、部材ＣＭでは、ＦＲＰ層１の両側の表面１ａ，１ｂ上に樹脂リッチ層２が形成されているので、上記効果（Ａ）をＦＲＰ層１の両側の表面１ａ，１ｂにおいて得ることができる。これにより、孔周辺部３Ｘの強化繊維Ｆの剥離や樹脂の欠損がより少なく、締結部ＦＰの強度・信頼性がより高い部材ＣＭを得ることができる。
（Ｃ）さらに、部材ＣＭでは、ＦＲＰ層１の強化繊維Ｆが連続繊維からなるため、部材ＣＭの強度や剛性を確保しつつ、締結部ＦＰの強度・信頼性をより向上させることができる。
（Ｄ）また、部材ＣＭでは、上側の樹脂リッチ層２が、ＦＲＰ層１の表面１ａとフランジ４２の裏面４２ａとの間に介在し、下側の樹脂リッチ層２が、ＦＲＰ層１の表面１ｂと座金５の裏面５ａとの間に介在して、それぞれ隙間Ｇ１，Ｇ２の大きさを規定している。このため、樹脂リッチ層２の厚さを増減することで、隙間Ｇ１，Ｇ２の大きさ、すなわち接着剤Ａの厚さを制御することができ、接着強度を安定して得ることができる。
なお、樹脂リッチ層２の厚さは、特に限定されないが、上記効果（Ａ）及び（Ｂ）をより確実に得るためには、０．１ｍｍ以上とすることが好ましい。より好ましくは、０．５ｍｍ以上、さらに好ましくは、１．０ｍｍ以上である。
樹脂リッチ層２の厚さは、孔周辺部３Ｘにおいて樹脂リッチ層２の表面を構成している樹脂層の厚さｔ２と、ＦＲＰ層１の一般部（樹脂リッチ層２が形成されていない部分）において表面１ａ，１ｂを構成している樹脂層の厚さｔ１との差として求められる。厚さｔ１，ｔ２は、面方向Ｓに垂直な断面を、例えば電子顕微鏡などで観察することで計測することができる。ここで、厚さｔ１は、ＦＲＰ層１の表面１ａ，１ｂから最表層の強化繊維Ｆまでの距離の所定数の測定値の平均値として定義される。また、厚さｔ２は、樹脂リッチ層２の表面から最表層の強化繊維Ｆまでの距離の所定数の測定値の平均値として定義される。
また、樹脂リッチ層２の繊維含有率は、特に限定されないが、上記効果（Ａ）及び（Ｂ）をより確実に得るために、ＦＲＰ層１の繊維含有率の８０％以下とすることが好ましい。より好ましくは、ＦＲＰ層１の繊維含有率の６０％以下、さらに好ましくは、ＦＲＰ層１の繊維含有率の４０％以下、よりさらに好ましくは、ＦＲＰ層１の繊維含有率の２０％以下、最も好ましくは、ＦＲＰ層１の繊維含有率の５％以下である。
なお、樹脂リッチ層２の繊維含有率Ｖｆは、下記（１）式より求めることができる。
Ｖｆ＝１００×強化繊維の体積／（強化繊維の体積＋強化繊維以外の成分の体積） （１）
具体的には、樹脂リッチ層２の試料から強化繊維以外の成分を除去して、強化繊維とそれ以外の成分の質量を求め、これら質量の値を各成分の密度を用いて体積に換算し、これら体積の値を（１）式に当てはめて求める方法が挙げられる。試料から強化繊維以外の成分を除去する方法としては、例えば、燃焼（熱分解）により除去する方法や化学物質により溶解除去する方法が挙げられる。なお、ＦＲＰ層１の繊維含有率Ｖｆについても、同様にして求めることができる。
＜変形例＞
本実施形態の変形例では、強化繊維Ｆとして、長繊維、短繊維などの不連続な繊維、または連続繊維と不連続繊維との組み合わせを採用することができる。さらに、他の変形例では、強化繊維Ｆの一部または全部が、ランダムに配向されたものを採用することができる。これらの変形例は、部材ＣＭの形状が複雑で高い成形性が求められる場合などに好適である。また、これらの変形例によれば、上記効果（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｄ）に加えて、強化繊維Ｆそのものの構造により、強化繊維Ｆの剥離をより一層抑制できるという効果を得ることができる。
＜他の実施形態＞
次に、第２乃至第４実施形態にかかる部材ＣＭについて、図４Ａ乃至図６Ｂを参照して説明する。なお、上記において既に説明した要素と同じ機能を有する要素については、同じ符号を付し、その説明を省略する。
これらの実施形態では、図４Ａ乃至図６Ｂに示すように、ＦＲＰ層１の表面１ａの、フランジ４２によって覆われた領域上に、樹脂リッチ層２としての第１の樹脂リッチ層２１と第２の樹脂リッチ層２２とが形成されている。また、ＦＲＰ層１の表面１ｂの、座金５によって覆われた領域上にも、樹脂リッチ層２としての第１の樹脂リッチ層２１と第２の樹脂リッチ層２２とが形成されている。孔３は、表面１ａ，１ｂ上に形成された第１の樹脂リッチ層２１の中央部に穿設されており、孔周辺部３Ｘの構造は、第１実施形態及びその変形例のそれと同様である。従って、第２乃至第４実施形態でも、第１実施形態及びその変形例と同様の効果を得ることができる。
また、第２乃至第４実施形態では、孔３の半径方向において第１の樹脂リッチ層２１より外側に、第２の樹脂リッチ層２２が設けられている。このため、孔３から離れた位置にある第２の樹脂リッチ層２２の厚さを制御することで、隙間Ｇ１，Ｇ２の大きさ、すなわち接着剤Ａの厚さをより正確に制御することができ、フランジ４２や座金５等の接着強度をより安定して得ることができる。
特に、第２実施形態では、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、第２の樹脂リッチ層２２が、第１の樹脂リッチ層２１の周囲を連続して包囲する環状凸部２２ａを構成している。従って、環状凸部２２ａで接着剤Ａをせき止めることができるので、接着剤Ａの厚さをより正確に制御しつつ、フランジ４２や座金５の外側の領域に接着剤Ａがはみ出さないようにすることができる。なお、図４Ａ及び図４Ｂに示した環状凸部２２ａの形状は、一重環状であったが、二重以上の環状であってもよい。
また、第３実施形態では、図５Ａ及び図５Ｂに示すように、第２の樹脂リッチ層２２が、第１の樹脂リッチ層２１の周囲を包囲する複数の島状凸部２２ｂを構成している。従って、接着剤Ａの厚さをより正確に制御しつつ、孔３の半径方向において島状凸部２２ｂの列の内側と外側とに接着剤Ａを行き渡らせることができる。なお、図５Ａ及び図５Ｂに示した複数の島状凸部２２ｂは、周方向に沿って同心円状に２列配置されているが、列数は１列でも３列以上でもよく、また、同心円状でなくランダムに配置されてもよい。また、図５Ａ及び図５Ｂに示した島状凸部２２ｂは６４個形成されているが、その個数は、６３個以下でも６５個以上でもよい。各島状凸部２２ｂの形状は、特に限定されず、円形状、楕円形状、多角形状、扇形形状、円弧状などであってもよい。
さらに、第４実施形態では、図６Ａ及び図６Ｂに示すように、第２の樹脂リッチ層２２が、第１の樹脂リッチ層２１から孔３の半径方向外側へ延びる線状凸部２２ｃを構成している。線状凸部２２ｃが第１の樹脂リッチ層２１から外側へ延びているので、線状凸部２２ｃの厚さを制御することで、ＦＲＰ層１の表面１ａ，１ｂに対するカラー４や座金５の姿勢（角度）をより正確に規定することができる。なお、図６Ａ及び図６Ｂに示した線状凸部２２ｃは、第１の樹脂リッチ層２１から外側へ連続して延びているが、線状凸部２２ｃは、孔３の半径方向に沿って不連続に並ぶ複数の線状凸部２２ｃから構成されてもよい。また、線状凸部２２ｃの本数は、特に限定されず、３本以下でも５本以上であってもよい。
また、第２乃至第４実施形態の環状凸部２２ａ、島状凸部２２ｂ、線状凸部２２ｃは、これらのうち２つ以上を組み合わせて適用することも可能である。
次に、部材ＣＭを効率よく製造する方法について、図７Ａ乃至図１１Ｂを参照して説明する。
＜部材ＣＭの製造方法Ｐ１＞
部材ＣＭの製造方法Ｐ１について、図７Ａ乃至図９Ｃを参照して説明する。
まず、部材ＣＭの強化繊維Ｆとなる強化繊維体１ｆ（強化繊維基材）を、樹脂を含浸させていない所謂ドライ状態の強化繊維から作製する。強化繊維体１ｆは、強化繊維束を一方向もしくは角度を変えて積層してステッチ糸で結束したもの若しくはステッチ糸を用いずに熱融着により保形したもの、或いは、強化繊維の織物等から構成される。強化繊維体１ｆを構成する強化繊維は、連続した強化繊維、不連続の強化繊維、またはそれらの組み合わせであってもよい。
次に、図７Ａに示すように、強化繊維体１ｆを成形型９内にセットする。成形型９は、部材ＣＭを成形するための型であり、上型９Ａと下型９Ｂとを有する。上型９Ａは、部材ＣＭの上側の表面を成形する成形面９ａを有し、下型９Ｂは、部材ＣＭの下側の表面を成形する成形面９ｂを有する。
下型９Ｂの成形面９ｂは、図８Ａ及び図８Ｂに示すように、凹部９０を備えている。凹部９０は、成形面９ｂのうち、被穿孔部３Ｙ（図７Ｃ、図９Ａ等参照）に対応する領域に形成されている。被穿孔部３Ｙとは、後述する成形体Ｍ１，Ｍ２及び接着構造体Ｍ３など孔３があけられる前の部材において、孔３が穿設される箇所を意味する。下型９Ｂの凹部９０は、成形面９ｂの一部をなし、ＦＲＰ層１の表面１ｂ上に樹脂リッチ層２を形成する。凹部９０の底面９１には、底面９１から上方に突出し、強化繊維体１ｆの下面を底面９１から離間した状態に支持する４個の突起９２が形成されている。また、図７Ａに示すように、上型９Ａの成形面９ａのうち被穿孔部３Ｙに対応する領域にも、凹部９０が形成されている。上型９Ａの凹部９０は、成形面９ａの一部をなし、ＦＲＰ層１の表面１ａ上に樹脂リッチ層２を形成する。この凹部９０の底面９１には、底面９１から下方に突出し、強化繊維体１ｆの上面を底面９１から離間した状態に支持する４個の突起９２が形成されている。各突起９２の高さは、その先端面９２ａの高さ位置が、凹部９０周辺の成形面９ａ，９ｂの高さ位置と揃うように設定される。図８Ａにおける破線円は、部材ＣＭに設けられる孔３の位置を示している。凹部９０は、図８Ａに示すように、その内部に破線円の領域（以下、孔領域Ｈとも称する）を含むよう配置形成される。なお、凹部９０の形状は、図示したものに限らず、成形する樹脂リッチ層２の形状に合わせて、適宜選択可能である。
次に、図７Ｂに示すように、成形型９を閉じて成形型９内に強化繊維体１ｆを封入する。成形型９を閉じると、成形面９ａと成形面９ｂとによって閉じられた成形空間（キャビティ）ＣＶが画成され、成形面９ａの凹部９０と成形面９ｂの凹部９０とが厚さ方向Ｔに互いに対向して配置される。凹部９０以外の成形面９ａは、強化繊維体１ｆの上面に当接し、凹部９０以外の成形面９ｂは、強化繊維体１ｆの下面に当接する。各凹部９０では、突起９２の先端面９２ａが、強化繊維体１ｆの上面または下面に当接する。そして、突起９２により底面９１から離間した状態に保持された強化繊維体１ｆと底面９１との間に、隙間ＣＶ１が形成される。この状態で、成形型９に設けた樹脂注入口９ｃから溶融状態の樹脂ＭＲ１をキャビティＣＶ内に注入する。この間、型内に封入された強化繊維体１ｆは、突起９２によって、成形面９ａ，９ｂの一部である底面９１から離間した状態に保持される。注入された樹脂ＭＲ１は、強化繊維体１ｆと底面９１との間に形成された隙間ＣＶ１内を広がりつつ、強化繊維体１ｆを構成する強化繊維Ｆ間に含浸されて強化繊維体１ｆの全域に行き渡る。なお、注入時の液圧、液温、注入速度などは、使用する樹脂ＭＲ１の推奨成形条件を基準として定めることができ、部材ＣＭの寸法等に応じて適宜調節することができる。例えば、エポキシ樹脂を採用した場合、液圧は７〜２０ＭＰａに、液温は４０〜８０℃に設定することができる。
その後、上型９Ａと下型９Ｂとによって強化繊維体１ｆを樹脂ＭＲ１の硬化温度（例えば、１２０〜１３０℃）で加圧、加熱することで、キャビティＣＶ内に注入された樹脂ＭＲ１を硬化させる。樹脂硬化後、強化繊維体１ｆに注入された樹脂ＭＲ１は、強化繊維体１ｆと一体化してＦＲＰ層１のマトリックス樹脂ＭＲとなり、強化繊維体１ｆは、ＦＲＰ層１の強化繊維Ｆとなる。隙間ＣＶ１に注入された樹脂ＭＲ１は、硬化後、樹脂リッチ層２となる。その後、図７Ｃに示すように、型開きし、成形された成形体Ｍ１（複合材料成形体）を成形型９から取り出す。
次に、図９Ａに示すように、成形体Ｍ１の被穿孔部３ＹにドリルＤにより孔３を穿設する。ここでは、ＦＲＰ層１とその両側の表面上の樹脂リッチ層２とを貫通するように、孔３を穿設する。
次に、図９Ｂに示すように、カラー４のフランジ４２の裏面４２ａにおける、ＦＲＰ層１の表面１ａに対する接着面に接着剤Ａを塗布する。そして、カラー４の筒状部４１を孔３に挿入して、ＦＲＰ層１の表面１ａの孔周辺部３Ｘに形成された樹脂リッチ層２の表面に、フランジ４２の裏面４２ａを当接させる。また、座金５の裏面５ａにおける、ＦＲＰ層１の表面１ｂに対する接着面にも接着剤Ａを塗布する。そして、座金５の裏面５ａを、ＦＲＰ層１の表面１ｂの孔周辺部３Ｘに形成された樹脂リッチ層２の表面に当接させる。
これにより、図９Ｃに示すように、孔３の半径方向における樹脂リッチ層２の外側の領域で、フランジ４２の裏面４２ａとＦＲＰ層１の表面１ａとの間に形成された隙間Ｇ１に、接着剤Ａが充填される。また、孔３の半径方向における樹脂リッチ層２の外側の領域で、座金５の裏面５ａとＦＲＰ層１の表面１ｂとの間に形成された隙間Ｇ２に、接着剤Ａが充填される。フランジ４２の裏面４２ａは、ＦＲＰ層１の表面１ａに、座金５の裏面５ａは、ＦＲＰ層１の表面１ｂに、それぞれ接着剤Ａにより接着される。また、各隙間Ｇ１，Ｇ２の厚さは、樹脂リッチ層２の厚さによって規定される。
以上説明した通り、製造方法Ｐ１では、強化繊維体１ｆを成形型９内に封入し、強化繊維体１ｆに溶融状態の樹脂ＭＲ１を注入する。これにより、成形型９の成形面９ａ，９ｂによって目標とする形状に精度よく賦形することができるので、複雑な表面形状を有する部材ＣＭを効率的に製造することができる。
また、上型９Ａ及び下型９Ｂの被穿孔部３Ｙに対応する領域には、突起９２が形成されており、樹脂ＭＲ１がキャビティＣＶ内の全域に行き渡る間、突起９２が強化繊維体１ｆを、凹部９０の底面９１から所定距離だけ離間した状態に保持する。このため、被穿孔部３Ｙの表層に、繊維含有率がＦＲＰ層１より低い、突起９２の高さ分の樹脂リッチ層２を形成することができる。また、樹脂ＭＲ１を注入する際、被穿孔部３Ｙにおける強化繊維体１ｆの繊維の浮き上がり（蛇行）を、突起９２で繊維を押さえることにより抑制することができる。これにより、部材ＣＭの締結部ＦＰの強度を向上させることができる。
なお、図８Ａ及び図８Ｂに示した突起９２は、凹部９０の底面９１に４個形成されていたが、突起９２の個数は、特に限定されず、被穿孔部３Ｙあたり３個以下でも５個以上でもよい。各突起９２の形状も、円柱状に限らず、多角柱状、円錐台状、角錐台状、板状などであってもよい。また、図８Ａ及び図８Ｂに示した突起９２は、孔領域Ｈの内部に設けられていたが、孔領域Ｈの外側の領域に設けてもよい。孔領域Ｈの外側の領域に設けた突起９２によって樹脂リッチ層２に形成される凹部は、例えば、接着剤Ａを充填するために利用することができる。
＜部材ＣＭの他の製造方法Ｐ２＞
次に、部材ＣＭの他の製造方法Ｐ２について、図１０Ａ乃至図１０Ｃを参照して説明する。なお、上記において既に説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付し、その説明を省略する。
まず、部材ＣＭの強化繊維Ｆとなる強化繊維基材に樹脂を含浸させて半硬化状態にしたプリプレグ１ｐ（第１シート状成形材料）と、プリプレグ１ｐよりも繊維含有率の低い樹脂リッチシート２ｐ（第２シート状成形材料）とを作製する。プリプレグ１ｐの材料は、樹脂硬化後にＦＲＰ層１となる材料から選定され、樹脂リッチシート２ｐの材料は、樹脂硬化後に樹脂リッチ層２となる材料から選定される。
次に、図１０Ａに示すように、所定形状に裁断したプリプレグ１ｐの上側及び下側の表面上に、所定形状に裁断した樹脂リッチシート２ｐを重ね合わせて配置して、積層体ＳＢを形成し、これを成形型１０内にセットする。上型１０Ａは、部材ＣＭの上側の表面を成形する成形面１０ａを有し、下型１０Ｂは、部材ＣＭの下側の表面を成形する成形面１０ｂを有する。両成形面１０ａ，１０ｂのうち、被穿孔部３Ｙに対応する領域には、樹脂リッチ層２を形成するための凹部９０が形成されている。
次に、図１０Ｂに示すように、成形型１０を閉じ、上型１０Ａと下型１０Ｂとによって積層体ＳＢを樹脂の硬化温度で加圧、加熱することで、プリプレグ１ｐ及び樹脂リッチシート２ｐの樹脂を硬化させ、これらを一体に成形する。樹脂硬化後、プリプレグ１ｐは、ＦＲＰ層１となり、樹脂リッチシート２ｐは、樹脂リッチ層２となる。その後、図１０Ｃに示すように、型開きし、成形された成形体Ｍ２を成形型１０から取り出す。
その後、硬化したプリプレグ１ｐからなるＦＲＰ層１と、硬化した樹脂リッチシート２ｐからなる樹脂リッチ層２とを貫通するように孔３を穿設し、孔３にカラー４及び座金５を装着する。孔３を穿設する工程、及びカラー４等を装着する工程は、図９Ａ乃至図９Ｃを参照して説明した製造方法Ｐ１における各工程と同様であるので、ここでは説明を省略する。
以上説明した通り、製造方法Ｐ２では、プリプレグ１ｐの表面に樹脂リッチシート２ｐを重ね合わせたものを成形型１０で加圧成形する。製造方法Ｐ２では、成形型１０内に溶融状態の樹脂を注入しないため、被穿孔部３Ｙにおいて強化繊維Ｆの浮き上がり（蛇行）が発生しない。これにより、部材ＣＭの締結部ＦＰの強度を向上させることができる。
＜部材ＣＭの他の製造方法Ｐ３＞
次に、部材ＣＭの他の製造方法Ｐ３について、図１１Ａ及び図１１Ｂを参照して説明する。なお、上記において既に説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付し、その説明を省略する。
まず、繊維強化プラスチックからなるＦＲＰ部材１ｍと、ＦＲＰ部材１ｍよりも繊維含有率の低い樹脂リッチシート部材２ｍ（シート部材）とを作製する。ＦＲＰ部材１ｍは、部材ＣＭのＦＲＰ層１の材料と同じ材料から作製でき、樹脂リッチシート部材２ｍは、部材ＣＭの樹脂リッチ層２の材料と同じ材料から作製できる。
次に、図１１Ａに示すように、所定形状を有する樹脂リッチシート部材２ｍの裏面に接着剤Ａを塗布し、これを、所定形状を有するＦＲＰ部材１ｍの上側及び下側の表面上に接着する。これにより、図１１Ｂに示すように、一体化された接着構造体Ｍ３を得る。接着構造体Ｍ３において、ＦＲＰ部材１ｍがＦＲＰ層１を構成し、樹脂リッチシート部材２ｍが樹脂リッチ層２を構成している。
その後、接着構造体Ｍ３に対し、ＦＲＰ部材１ｍと樹脂リッチシート部材２ｍとを貫通するように孔３を穿設し、孔３にカラー４及び座金５を装着する。孔３を穿設する工程、及びカラー４等を装着する工程は、図９Ａ乃至図９Ｃを参照して説明した製造方法Ｐ１における各工程と同様であるので、ここでは説明を省略する。
以上説明した通り、製造方法Ｐ３では、ＦＲＰ部材１ｍの表面上に樹脂リッチシート部材２ｍを接着した接着構造体Ｍ３に対して孔３を穿設するため、成形型による成形が不要であり、成形型を用いる方法に比べて工程数が少なく、生産性がよい。
また、製造方法Ｐ３では、強化繊維基材に溶融状態の樹脂を注入しないため、被穿孔部３Ｙにおいて強化繊維Ｆの蛇行が生じず、製造方法Ｐ２と同様に、部材ＣＭの締結部ＦＰの強度を向上させることができる。
なお、上記製造方法Ｐ１〜Ｐ３の他、部材ＣＭの製造方法として、オートクレーブ法、ＳＭＣ法、ハンドレイアップ法、スプレーアップ法などを採用することもできる。
以上、いくつかの実施形態について説明したが、これらの実施形態は発明の理解を容易にするために記載された単なる例示に過ぎない。発明の技術的範囲は、上記実施形態及びその変形例で開示した具体的な技術事項に限らず、そこから容易に導きうる様々な変形、変更、代替技術なども含むものである。
例えば、上記実施形態及びその変形例では、ＦＲＰ層１が繊維強化プラスチックから構成されていたが、部材ＣＭの剛性を高めるために、ＦＲＰ層１は、他の材料（例えば、樹脂発泡体など）からなる一以上のコア材を中間層として含んでもよい。また、例えば装飾用の表皮材などがＦＲＰ層１の表面１ａ，１ｂ上に設けられていてもよい。
また、上記実施形態及びその変形例では、ＦＲＰ層１の表面のフランジ４２や座金５によって覆われた領域に樹脂リッチ層２を形成していたが、樹脂リッチ層２は、例えば、締結部ＦＰ全体を含む領域など、より広い範囲に亘って形成してもよい。
さらに、上記実施形態及びその変形例では、ＦＲＰ層１の両側の表面１ａ，１ｂに樹脂リッチ層２が形成されていたが、樹脂リッチ層２は、ＦＲＰ層１の片側の表面１ａまたは１ｂのみに形成されてもよい。また、孔３の断面形状は、円形に限らず、長円形、矩形などであってもよい。
複合材料部材ＣＭは、例えば、フード、ドアパネル、バンパー、トランクリッド、リアゲート、フェンダパネル、サイドボディパネル、ルーフパネルなど自動車等車両の構成部材として利用することができる。また、複合材料部材ＣＭは、航空機、船舶、鉄道車両など輸送機、家庭用電気製品、発電設備、生産機械、住宅機材、家具、レジャー用品などの構成部材として利用することができる。
ＣＭ 複合材料部材
１ ＦＲＰ層
１ａ，１ｂ ＦＲＰ層の表面
Ｆ 強化繊維
ＭＲ マトリックス樹脂
２ 樹脂リッチ層
２１ 第１の樹脂リッチ層
２２ 第２の樹脂リッチ層
２２ａ 環状凸部
２２ｂ 島状凸部
２２ｃ 線状凸部
３ 孔
４ カラー
４２ フランジ
４２ａ 裏面
Ｇ１ 隙間
Ａ 接着剤
１ｆ 強化繊維体（強化繊維基材）
ＭＲ１ 樹脂
Ｍ１ 成形体（複合材料成形体）
３Ｙ 被穿孔部
９ 成形型（型）
９ａ，９ｂ 成形面
９１ 底面（成形面）
９２ 突起
ＣＶ１ 隙間
９ｃ 樹脂注入口（注入口）
１ｐ プリプレグ（第１シート状成形材料）
２ｐ 樹脂リッチシート（第２シート状成形材料）
１ｍ ＦＲＰ部材
２ｍ 樹脂リッチシート部材（シート部材）

Claims (12)

  1. 繊維強化プラスチックからなるＦＲＰ層と、
    前記繊維強化プラスチックのマトリックス樹脂と同じ樹脂で成形され、前記ＦＲＰ層の表面の少なくとも一部の領域上に形成された、繊維含有率が前記ＦＲＰ層の繊維含有率の５％以下である樹脂リッチ層と、
    前記ＦＲＰ層及び前記樹脂リッチ層を貫通するように穿設された孔と、
    を備えた複合材料部材。
  2. 前記樹脂リッチ層が、前記ＦＲＰ層の両側の表面に形成されており、
    前記孔が、前記ＦＲＰ層の両側の表面に形成された前記樹脂リッチ層と、前記ＦＲＰ層とを貫通している、請求項１に記載の複合材料部材。
  3. 前記ＦＲＰ層の強化繊維が連続繊維からなる、請求項１または２に記載の複合材料部材。
  4. 繊維強化プラスチックからなるＦＲＰ層と、
    前記ＦＲＰ層の表面の少なくとも一部の領域上に形成された、前記ＦＲＰ層よりも繊維含有率の低い樹脂リッチ層と、
    前記ＦＲＰ層及び前記樹脂リッチ層を貫通するように穿設された孔と、
    を備え、
    前記孔には、フランジを有するカラーが挿通されており、
    前記フランジは、前記フランジの裏面と前記ＦＲＰ層の表面との間の隙間に設けられた接着剤によって、前記ＦＲＰ層に接着されており、
    前記樹脂リッチ層は、前記ＦＲＰ層の表面と前記フランジの裏面との間に介在して、前記隙間の大きさを規定している、複合材料部材。
  5. 前記樹脂リッチ層は、前記ＦＲＰ層の表面の前記フランジによって覆われた領域上に形成された、第１及び第２の樹脂リッチ層を備えており、
    前記第１の樹脂リッチ層は、中央部に前記孔が穿設されており、
    前記第２の樹脂リッチ層は、前記第１の樹脂リッチ層の外側に設けられている、請求項４に記載された複合材料部材。
  6. 前記第２の樹脂リッチ層が、前記第１の樹脂リッチ層の周囲を連続して包囲する環状凸部を構成している、請求項５に記載された複合材料部材。
  7. 前記第２の樹脂リッチ層が、前記第１の樹脂リッチ層の周囲を包囲する複数の島状凸部を構成している、請求項５または６に記載された複合材料部材。
  8. 前記第２の樹脂リッチ層が、前記第１の樹脂リッチ層から外側へ連続または不連続に延びる線状凸部を構成している、請求項５乃至７のいずれか一項に記載された複合材料部材。
  9. 複合材料部材の強化繊維となる強化繊維基材を型内に封入する工程と、
    前記型内の前記強化繊維基材に樹脂を注入する工程と、
    前記型内の前記樹脂を硬化させ、成形体を得る工程と、
    前記成形体に孔を穿設する工程と、
    を備え、
    前記強化繊維基材を型内に封入する工程では、前記型の成形面に形成された突起により、前記強化繊維基材を前記成形面から離間した状態に保持し、
    前記樹脂を注入する工程では、前記成形面から離間した状態に保持された前記強化繊維基材と前記成形面との間に形成される隙間に、前記樹脂を行き渡らせ、
    前記孔を穿設する工程では、前記隙間に行き渡った樹脂が硬化したものからなる層を貫通するように、前記孔を穿設する、
    複合材料部材の製造方法。
  10. 強化繊維基材に樹脂を含浸させてなる第１シート状成形材料の表面上に、前記樹脂と同じ樹脂で成形した、繊維含有率が前記第１シート状成形材料の繊維含有率の５％以下である第２シート状成形材料を重ね合わせた状態で加圧成形する工程と、
    硬化した前記第１シート状成形材料からなる層と、硬化した前記第２シート状成形材料からなる層とを貫通するように孔を穿設する工程と、
    を備える複合材料部材の製造方法。
  11. 繊維強化プラスチックからなるＦＲＰ部材の表面上に、前記繊維強化プラスチックのマトリックス樹脂と同じ樹脂で成形した、繊維含有率が前記ＦＲＰ部材の繊維含有率の５％以下であるシート部材を接着する工程と、
    前記ＦＲＰ部材及び前記シート部材を貫通するように孔を穿設する工程と、
    を備える複合材料部材の製造方法。
  12. 被穿孔部を有する複合材料成形体を成形するための型であって、
    前記複合材料成形体の強化繊維となる強化繊維基材に樹脂を注入するための注入口と、
    前記複合材料成形体の表面を成形する成形面と、
    前記成形面のうち前記被穿孔部に対応する領域に形成され、前記強化繊維基材を前記成形面から離間した状態に保持する突起と、
    を備えた型。
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