JP7114266B2 - 複合材料の製造方法および繊維基材 - Google Patents

Description

本発明は、複合材料の製造方法、繊維基材に関する。本発明の参考例は繊維基材の賦形型に関する。

ガラス繊維やカーボン繊維等の繊維材と樹脂材とから成る複合材料は、種々の工法、例えば、ＶａＲＴＭ（Ｖａｃｕｕｍ Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｒｅｓｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｌｄｉｎｇ：真空樹脂含浸製造）工法などによって製造される。

ＶａＲＴＭ工法は、真空圧を利用して樹脂を繊維基材に含浸させた後、加熱圧縮することによって含浸された樹脂を硬化させることにより、複合材料を製造するものである（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８－１３７１７９号公報

しかし、樹脂は、繊維基材への含浸中においても硬化が進んでその粘度が上昇してしまうため、未含浸部位を生じさせることなく、一体で成形可能な繊維基材の厚さには制限が有る。よって、従来においては、厚板部（制限された厚さを越える厚さの部分）を有する複合材料（厚板部材）を製造する際には、機械的締結手段またはコボンド成形法などを用いている。

機械的締結手段を用いた複合材料の製造方法は、厚板部材を分割した形状から成る複数の分割部材を準備し、それら複数の分割部材に対してそれぞれ別々に樹脂を含浸および硬化させた後、それらの部材をファスナ（例えば、リベット）によって機械的に締結するものである。しかし、このような複合材料の製造方法においては、複数の分割部材に対してそれぞれ樹脂の含浸を行うため、樹脂含浸工程が増加すると共に、ファスナ等の部品点数が増加するので、製造コストの増大および製造工程の複雑化を招来することとなる。

また、コボンド成形法を用いた複合材料の製造方法は、厚板部材を分割した形状から成る複数の分割部材を準備し、一方の部材に樹脂を含浸および硬化させた後、他方の部材に樹脂を含浸させると共に一方の部材に接着するものである。しかし、このような複合材料の製造方法においては、複数の分割部材毎にそれぞれ樹脂の含浸を行うため、樹脂含浸工程が増加すると共に、それら複数の分割部材の接着処理が必要となるので、製造コストの増大および製造工程の複雑化を招来することとなる。

本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、厚板部を有する複合材料を容易に製造することを目的とする。

上記課題を解決する第一の発明に係る複合材料の製造方法は、繊維材が積層されて成る第一の繊維基材および第二の繊維基材に熱硬化性樹脂を含浸させて一体で成形する複合材料の製造方法であって、前記第一の繊維基材と前記第二の繊維基材との間において熱硬化性樹脂が流通し得る樹脂流通流路を設け、前記第一の繊維基材および前記第二の繊維基材の表面から熱硬化性樹脂を含浸させると共に、前記樹脂流通流路から熱硬化性樹脂を含浸させることを特徴とする。

上記課題を解決する第二の発明に係る複合材料の製造方法は、第一の発明に係る複合材料の製造方法において、前記第一の繊維基材の表面に溝部を設け、前記溝部によって前記樹脂流通流路を画成することを特徴とする。

上記課題を解決する第三の発明に係る複合材料の製造方法は、第二の発明に係る複合材料の製造方法において、熱硬化性樹脂を硬化する際に、前記第一の繊維基材および前記第二の繊維基材に対して熱および圧力を加えることにより、前記溝部を均すことを特徴とする。

上記課題を解決する第四の発明に係る複合材料の製造方法は、第二または第三の発明に係る複合材料の製造方法において、前記溝部を、熱可塑性樹脂または澱粉質の糊でコーティングすることを特徴とする。

上記課題を解決する第五の発明に係る複合材料の製造方法は、第二の発明に係る複合材料の製造方法において、前記第一の繊維基材を賦形する際に、表面に凹形状または凸形状を有する部材を押し付けてホットコンパクションすることにより、前記溝部を形成することを特徴とする。

上記課題を解決する第六の発明に係る参考例としての複合材料の製造方法は、第二から第四のいずれか一つの発明に係る複合材料の製造方法において、前記第一の繊維基材を賦形する際に、繊維織物の表面に固い材料を配置せずにフィルムを用いてバギングした後、圧力を加えて加熱することにより、前記溝部を形成することを特徴とする。

上記課題を解決する第七の発明に係る繊維基材は、繊維材からなる層が複数積層されて成り、熱硬化性樹脂が含浸される前の繊維基材であって、表面においてのみ格子状に連設される複数の溝部を有することを特徴とする。

上記課題を解決する第八の発明に係る参考例としての繊維基材の賦形型は、繊維材が積層されて成り、熱硬化性樹脂が含浸される前の繊維基材を賦形する繊維基材の賦形型であって、前記繊維基材に押し付ける押し付け面に凹形状または凸形状を有することを特徴とする。

第一の発明に係る複合材料の製造方法によれば、熱硬化性樹脂の含浸を確実かつ早期に行うことができるので、厚板部を有する複合材料であっても一体で成形し、容易に製造することができる。

第二の発明に係る複合材料の製造方法によれば、熱硬化性樹脂が流通し得る流路を簡易な構成で設けることができる。

第三の発明に係る複合材料の製造方法によれば、溝部による機械的強度等への影響を低減することができる。

第四の発明に係る複合材料の製造方法によれば、樹脂含浸工程において、熱硬化性樹脂が流通し得る流路を確実に確保することができる。

第五の発明に係る複合材料の製造方法によれば、溝部を容易に形成することができる。

第六の発明に係る参考例としての複合材料の製造方法によれば、溝部を容易に形成することができる。

第七の発明に係る繊維基材によれば、第一から第六の発明に係る複合材料の製造方法に使用される繊維基材として利用することができる。

第八の発明に係る参考例としての繊維基材の賦形型によれば、第一から第六の発明に係る複合材料の製造方法に使用される繊維基材、および、第七の発明に係る繊維基材を、容易に賦形することができる。

実施例１に係る複合材料の製造方法によって製造される複合材料を示す説明図（概略斜視図）である。 実施例１に係る複合材料の製造方法に使用される複合材料製造装置の構造を示す説明図（概略断面図）である。 実施例１に係る複合材料の製造方法の手順（樹脂含浸工程）を示す説明図である。 実施例１に係る複合材料の製造方法の手順（樹脂硬化工程）を示す説明図である。 実施例１に係る複合材料の製造方法に使用される賦形型の構造例を示す説明図（概略斜視図）である。

以下に、本発明に係る複合材料の製造方法の実施例について、添付図面を参照して詳細に説明する。もちろん、本発明は以下の実施例に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは言うまでもない。

本発明の実施例１に係る複合材料の製造方法は、複合材料製造装置（図２における符号１）を使用し、複数の繊維基材（図２における符号１０１，１０２）に対して同時に樹脂を含浸させることにより、厚板部を有する複合材料（図１における符号１００）を一体で成形するものである。

本発明の実施例１に係る複合材料の製造方法によって製造される複合材料、および、その製造に使用される繊維基材について、図１、図２および図３Ａを参照して説明する。

図１に示すように、本実施例に係る複合材料の製造方法によって製造される複合材料１００は、平板形状部（スキン部材）とその表面から突出した梁部（ストリンガ部材）とが備えられたスキン－ストリンガ部材であり、その板厚が部分的に厚い厚板部１００ａを有するものである。

複合材料１００の製造においては、複数（本実施例においては、二つ）の繊維基材１０１，１０２（図２参照）が使用され、複合材料１００は、これらの繊維基材１０１，１０２に対して同時に熱硬化性樹脂を含浸させて硬化させることにより、製造される。

図１および図２に示すように、本実施例に係る複合材料の製造方法に使用される一方の繊維基材（第一の繊維基材）１０１は、スキン部材を構成するものであって、ガラス繊維やカーボン繊維等の繊維材が平板形状に積層されて成る。

実施例に係る複合材料の製造方法に使用される他方の繊維基材（第二の繊維基材）１０２は、ストリンガ部材を構成するものであって、ガラス繊維やカーボン繊維等の繊維材が断面略Ｔ字形状に積層されて成り、第一の繊維基材１０１と接合される基部１０２ａと、この基部１０２ａの略中央から突出する梁部１０２ｂとから概略構成されている。

なお、第一の繊維基材１０１の厚さ（板厚）ｔ₁₀₁、および、第二の繊維基材１０２における基部１０２ａの厚さ（板厚）ｔ_102aは、それぞれ従来の複合材料の製造方法によっても十分に樹脂を含浸可能な板厚であり、複合材料１００における厚板部１００ａの厚さｔ_100aは、これら板厚ｔ₁₀₁と板厚ｔ_102aとの和に相当し、従来の複合材料の製造方法によって十分に樹脂を含浸可能でない板厚とする（図１参照）。

図２に示すように、第一の繊維基材１０１の表面（上面）は、凹凸形状に形成されており、この凹凸形状によって複数の溝部１０１ａが形成されている。溝部１０１ａは、第二の繊維基材１０２と接合される範囲に設けられており、複合材料１００の製造過程において、第一の繊維基材１０１および第二の繊維基材１０２が複合材料製造装置１に設置された際に、第一の繊維基材１０１（溝部１０１ａ）と第二の繊維基材１０２との間に隙間空間（樹脂流通流路）Ｓ_101aが画成されるようになっている。

樹脂流通流路Ｓ_101aは、後述する樹脂含浸工程において、熱硬化性樹脂が流通し得る樹脂流通流路として機能するものである。よって、溝部１０１ａは、後述する樹脂含浸工程において、その形状が崩れない程度の機械的強度および耐熱強度を有すると共に、熱硬化性樹脂を流通し得る流路断面を有するものである。

ここで、熱硬化性樹脂の流通性を考慮し、複数の溝部１０１ａを、第一の繊維基材１０１の表面（第一の繊維基材１０１と第二の繊維基材１０２との接合面）において、直交（または所定の角度で交差）して互いに繋げて設ける（格子状に連設する）ことが好ましい。また、熱硬化性樹脂の流通性を考慮し、溝部１０１ａの高さ（深さ）ｈを０．２［ｍｍ］以上とし（ｈ≧０．２ｍｍ）、隣接して配置される溝部１０１ａ間の距離（配置間隔）ｄを３０［ｍｍ］未満とする（ｄ＜３０ｍｍ）ことが好ましい（図３Ａ参照）。

次に、本発明の実施例１に係る複合材料の製造方法に使用される複合材料製造装置の構成について、図２を参照して説明する。

図２に示すように、本実施例に係る複合材料の製造方法に使用される複合材料製造装置１には、第一の繊維基材１０１と第二の繊維基材１０２とを複合材料１００に成形するための成形型１１，１２が備えられている。

下側に配置される成形型（下型）１１は、複合材料１００の下面に対応した表面形状を成しており、メッシュ状の樹脂吸引メディア２１を介して、第一の繊維基材１０１が載置されるようになっている。上側に配置される成形型（上型）１２は、複合材料１００の上面に対応した表面形状を成しており、メッシュ状の樹脂供給メディア（第一の樹脂供給メディア、第二の樹脂供給メディア）２２，２３を介して、下型１１上に載置された第一の繊維基材１０１および第二の繊維基材１０２に被せられるようになっている。

ここで、上型１２と第一の繊維基材１０１および第二の繊維基材１０２との間には、所定の隙間空間（第一の樹脂供給流路、第二の樹脂供給流路）Ｓ_102a，Ｓ_102bが形成されるようになっている。第一の樹脂供給流路Ｓ_102aおよび第二の樹脂供給流路Ｓ_102bは、後述する樹脂含浸工程において、熱硬化性樹脂が流通される流路としてそれぞれ機能するものであり、図示しない樹脂供給装置とそれぞれ接続されている。

ここで、第一の繊維基材１０１と第二の繊維基材１０２との接合部近傍（第二の繊維基材１０２における基部１０２ａの端部近傍）に形成される第一の樹脂供給流路Ｓ_102aは、第一の繊維基材１０１と第二の繊維基材１０２との層間に形成される樹脂流通流路Ｓ_101aと連通しており、図示しない樹脂供給装置から第一の樹脂供給流路Ｓ_102aに供給される熱硬化性樹脂は、樹脂流通流路Ｓ_101aへ供給されるようになっている。

また、複合材料製造装置１には、ナイロンやポリエステル等から成る真空バッグフィルム３１と、真空バッグフィルム３１の周縁において当該真空バッグフィルム３１と下型１１との間の隙間を封止するシーラント３２とが備えられている。

さらに、真空バッグフィルム３１には、吸引ノズル４１が設けられており、この吸引ノズル４１には、真空ポンプ４２が接続されている。よって、第一の繊維基材１０１および第二の繊維基材１０２と上型１２とが設置されると共に、下型１１と真空バッグフィルム３１とシーラント３２とによって密閉された空間（密閉空間）Ｓ₁内の空気は、真空ポンプ４２によって吸引ノズル４１から吸引されるようになっている。

本発明の実施例１に係る複合材料の製造方法の手順について、図２、図３Ａおよび図３Ｂを参照して説明する。

まず、繊維材を積層して所定の形状とすることにより、第一の繊維基材１０１および第二の繊維基材１０２を賦形する（繊維基材賦形工程）。

第一の繊維基材１０１の繊維基材賦形工程においては、繊維材を積層したもの（一方向または多方向繊維材あるいは繊維織物）をホットコンパクションする際に、表面に凹凸形状を有する部材（被覆材または賦形型）を用いることにより、当該凹凸形状を第一の繊維基材１０１の表面に転写させる。この賦形方法によれば、凹凸形状（溝部１０１ａ）を有する第一の繊維基材１０１を容易に得ることができる。

ここで、表面に凹凸形状を有する部材としては、例えば、図４に示すような凸部１１１ａと凹部１１１ｂとを有する賦形型１１１を採用することができる。凹部１１１ｂは、賦形型１１１の表面において多数並んで設けられており、凸部１１１ａは、隣接する凹部１１１ｂの間において格子状に繋がって設けられている。よって、賦形型１１１を用いてその表面の凹凸形状（凸部１１１ａおよび凹部１１１ｂ）を第一の繊維基材１０１の表面に転写させた場合には、賦形型１１１の凸部１１１ａによって第一の繊維基材１０１の溝部１０１ａが形成される。このとき、第一の繊維基材１０１の溝部１０１ａは、賦形型１１１の凸部１１１ａに対応した形状、すなわち、当該第一の繊維基材１０１の表面において格子状に繋がった形状となる。

もちろん、第一の繊維基材１０１の賦形方法は、上述したものに限定されず、例えば、繊維材を積層したもの（繊維織物）を、表面に固い材料（例えば、金属製プレッシャープレート等）を配置せずに馴染の良いフィルム等を用いてバギングした後、真空圧やオートクレーブによる加圧または水圧等を加えて加熱するようにしても良い。この賦形方法によれば、織物自体の表面における凹凸形状を利用し、凹凸形状（溝部１０１ａ）を有する第一の繊維基材１０１を容易に得ることができる。

また、上述した賦形方法によって凹凸形状（溝部１０１ａ）を有する第一の繊維基材１０１を賦形する際には、ベール状またはパウダー状の熱可塑性樹脂を凹凸形状の表面（溝部１０１ａ）にコーティングすることにより、凹凸形状（溝部１０１ａ）に所望の機械的強度および耐熱強度を付与することができる。もちろん、凹凸形状（溝部１０１ａ）を維持するものとしては、熱可塑性樹脂に限定されず、例えば、澱粉質の糊など、面外方向の変形を拘束可能な機能を有するものであれば良い。

なお、凹凸形状（溝部１０１ａ）に所望の機械的強度および耐熱強度を付与する熱可塑性樹脂は、その粘性の低下する温度（軟化温度）が、後述する樹脂含浸工程における熱硬化性樹脂の含浸温度よりも高く、かつ、後述する樹脂硬化工程における熱硬化性樹脂の硬化温度よりも低いものとする。

続いて、第一の繊維基材１０１および第二の繊維基材１０２を複合材料製造装置１に設置し、これら第一の繊維基材１０１および第二の繊維基材１０２に熱硬化性樹脂を含浸する（樹脂含浸工程）。

樹脂含浸工程は、真空ポンプ４２を駆動して密閉空間Ｓ₁を真空状態とし、熱硬化性樹脂を図示しない樹脂供給装置から第一の樹脂供給流路Ｓ_102aおよび第二の樹脂供給流路Ｓ_102bへ供給することによって行われる（図２および図３Ａ参照）。第一の樹脂供給流路Ｓ_102aおよび第二の樹脂供給流路Ｓ_102bに供給された熱硬化性樹脂は、それぞれ第一の樹脂供給メディア２２および第二の樹脂供給メディア２３によって拡散され、第一の繊維基材１０１および第二の繊維基材１０２の表面から内部へ浸透していく（図２における破線矢印参照）。さらに、第一の樹脂供給流路Ｓ_102aに供給された熱硬化性樹脂は、当該第一の樹脂供給流路Ｓ_102aと連通する樹脂流通流路Ｓ_101aに供給され、この樹脂流通流路Ｓ_101aから第一の繊維基材１０１の内部へ浸透していく（図２における破線矢印参照）。

このように、第一の樹脂供給メディア２２および第二の樹脂供給メディア２３が配設された第一の繊維基材１０１および第二の繊維基材１０２の表面からだけでなく、第一の繊維基材１０１と第二の繊維基材１０２との層間である樹脂流通流路Ｓ_101aからも熱硬化性樹脂が含浸されることにより、第一の繊維基材１０１および第二の繊維基材１０２に対する熱硬化性樹脂の含浸を確実かつ早期に行うことができる。

続いて、第一の繊維基材１０１および第二の繊維基材１０２に含浸した熱硬化性樹脂を熱硬化する（樹脂硬化工程）。

樹脂硬化工程は、成形型１１，１２を図示しないオーブンによって加熱すると共に、上型１２を下型１１上における第一の繊維基材１０１および第二の繊維基材１０２に押し付けるように加圧する（図３Ｂにおける矢印参照）ことによって行われる。よって、第一の繊維基材１０１および第二の繊維基材１０２は、成形型１１，１２によって加熱されると共に加圧される。

このとき、第一の繊維基材１０１にコーティングされた熱可塑性樹脂は、樹脂硬化工程における加熱によって軟化され、第一の繊維基材１０１に形成された凹凸形状（溝部１０１ａ）は、樹脂硬化工程における加圧によって均される。

このように、第一の繊維基材１０１に設けられた凹凸形状（溝部１０１ａ）を均し、第一の繊維基材１０１の表面（第二の繊維基材１０２との接合面）を略平坦とすることにより、凹凸形状の影響（繊維材が撓んだままでの硬化）で生じ得る機械的強度の低下を抑制（防止）することができる。

本実施例に係る複合材料の製造方法によれば、第一の繊維基材１０１と第二の繊維基材１０２との間において熱硬化性樹脂が流通し得る樹脂流通流路Ｓ_101aを設け、第一の繊維基材１０１および第二の繊維基材１０２の表面から熱硬化性樹脂を含浸させると共に、樹脂流通流路Ｓ_101aからも熱硬化性樹脂を含浸させることにより、熱硬化性樹脂の含浸を確実かつ早期に行うことができるので、厚板部１００ａを有する複合材料１００を一体で成形することができる。

本実施例においては、第一の繊維基材１０１の表面を凹凸形状とすることによって溝部１０１ａを形成し、この溝部１０１ａによって第一の繊維基材１０１と第二の繊維基材１０２との間に樹脂流通流路Ｓ_101aを形成している。もちろん、本発明は、これに限定されない。

例えば、第一の繊維基材の表面（上面）に凹部のみを形成し、当該凹部（溝）によって第一の繊維基材と第二の繊維基材との間に隙間空間（樹脂流通流路）を形成しても良く、また、第一の繊維基材の表面に凸部のみを形成し、当該凸部（凸部間に形成される溝）によって第一の繊維基材と第二の繊維基材との間に隙間空間（樹脂流通流路）を形成しても良い。

また、第一の繊維基材の表面（上面）だけでなく、第二の繊維基材の表面（下面）を凹凸形状とすることによって第一の繊維基材と第二の繊維基材との間に隙間空間（樹脂流通流路）を形成しても良く、さらに、第二の繊維基材の表面（下面）のみを凹凸形状とする（あるいは、表面に凹部または凸部を形成する）ことによって第一の繊維基材と第二の繊維基材との間に隙間空間（樹脂流通流路）を形成しても良い。

なお、一方の繊維基材の表面に溝部を設け、他方の繊維基材の表面を平坦とすることが好ましい。これは、一方の繊維基材の賦形のみによって隙間空間の形状等を設定することができ、均一な隙間空間を容易に画成することができるためである。また、他方の繊維基材の表面が平坦であることから、樹脂硬化工程において、一方の繊維基材における凹凸形状を均し、当該繊維基材の表面を容易に平坦とすることができる。

また、本実施例においては、第一の繊維基材１０１と第二の繊維基材１０２との二つの繊維基材の層間に樹脂流通流路Ｓ_101aを設けて複合材料１００を製造している。

もちろん、本発明は、これに限定されず、繊維基材を三段以上に重ねたものを一体で成形するようにしても良い。なお、繊維基材を三段以上に重ねて一体で成形する際には、樹脂の含浸をより確実かつ早期に行うために、各段の層間にそれぞれ隙間空間を設けることが好ましく、さらに、各段の層間における隙間空間とそれぞれ連通する樹脂供給流路を設けることが好ましい。

１ 複合材料製造装置
１１ 成形型（下型）
１２ 成形型（上型）
２１ 樹脂吸引メディア
２２ 第一の樹脂供給メディア
２３ 第二の樹脂供給メディア
３１ 真空バッグフィルム
３２ シーラント
４１ 吸引ノズル
４２ 真空ポンプ
１００ 複合材料
１００ａ 複合材料における厚板部
１０１ 第一の繊維基材
１０１ａ 第一の繊維基材における溝部（凹凸形状）
１０２ 第二の繊維基材
１０２ａ 第二の繊維基材における基部
１０２ｂ 第二の繊維基材における梁部
１１１ 賦形型
１１１ａ 賦形型における凸部
１１１ｂ 賦形型における凹部
Ｓ₁ 密閉空間
Ｓ_101a 樹脂流通流路（隙間空間）
Ｓ_102a 第一の樹脂供給流路（隙間空間）
Ｓ_102b 第二の樹脂供給流路（隙間空間）
ｔ_100a 複合材料における厚板部の厚さ
ｔ₁₀₁ 第一の繊維基材の厚さ（板厚）
ｔ_102a 第二の繊維基材における基部の厚さ（板厚）
ｄ 第一の繊維基材における溝部の配置間隔
ｈ 第一の繊維基材における溝部の高さ（深さ）

Claims (4)

1. 繊維材が積層されて成る第一の繊維基材および第二の繊維基材に熱硬化性樹脂を含浸させて一体で成形する複合材料の製造方法であって、
   前記第一の繊維基材と前記第二の繊維基材との間において熱硬化性樹脂が流通し得る樹脂流通流路を設け、
   前記第一の繊維基材および前記第二の繊維基材の表面から熱硬化性樹脂を含浸させると共に、前記樹脂流通流路から熱硬化性樹脂を含浸させ、
   前記第一の繊維基材の表面に溝部を設け、前記溝部によって前記樹脂流通流路を画成し、
   前記第一の繊維基材を賦形する際に、表面に凹形状または凸形状を有する部材を押し付けてホットコンパクションすることにより、前記溝部を形成することを特徴とする複合材料の製造方法。
2. 熱硬化性樹脂を硬化する際に、前記第一の繊維基材および前記第二の繊維基材に対して熱および圧力を加えることにより、前記溝部を均すことを特徴とする請求項１に記載の複合材料の製造方法。
3. 前記溝部を、熱可塑性樹脂または澱粉質の糊でコーティングすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の複合材料の製造方法。
4. 繊維材からなる層が複数積層されて成り、熱硬化性樹脂が含浸される前の繊維基材であって、
   表面においてのみ格子状に連設される複数の溝部を有することを特徴とする繊維基材。

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