JP7439451B2 - 炭素繊維強化プラスチック構造体、その製造方法および測定器 - Google Patents
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Description
まず、炭素繊維に樹脂を含浸させ、プリプレグと呼ばれる板状(シート状)の材料を作成する。次に、このプリプレグを、繊維の方向を考慮しつつ、型の中に複数枚積み重ね、真空バッグを使用して気圧を利用しながら加熱し圧着し硬化させることにより成形する。そして、冷却後、成形品を型から取り外す。
このように、従来、当然のように、積層していったプリプレグの表面(フラットワイズ面)が基準面として使用されてきた。そして、このような従来のCFRP構造体においては、温度変化による、基準面に対して直交する方向の表面変動(歪)について、全く問題視されていなかった。
このような炭素繊維強化プラスチック構造体(CFRP構造体)は、比剛性が高く、密度および熱膨張係数が小さいといった炭素繊維強化プラスチックの特性を有する。また、炭素繊維が伸びる方向の特性は、炭素繊維単体の特性に近くなり、この方向における熱膨張収縮は発生しにくい。したがって、炭素繊維が伸びる方向に対して交差する面上に基準層を有することで、温度変化に起因する、当該基準層の表面(基準面)に直交する方向の表面変動を抑制することできる。
この場合、温度変化による、基準面に直交する方向の表面変動を適切に抑制することができ、温度変化の影響を受けない安定した基準面を得ることができる。
また、上記の炭素繊維強化プラスチック構造体において、前記基準層は、金属およびガラスのいずれか一方により構成されていてもよい。この場合、容易かつ適切に所望の面粗度を実現することができる。
また、上記の炭素繊維強化プラスチック構造体において、前記接着層は、プリプレグにより構成されていてもよい。この場合、CFRP部材と接着層との間の接着親和性を良好にすることができる。
これにより、比剛性が高く、密度および熱膨張係数が小さいといった炭素繊維強化プラスチックの特性を有し、かつ、温度変化に起因する、基準層の表面(基準面)に直交する方向の表面変動が抑制された構造体を製造することができる。
これにより、温度変化に起因する表面変動が抑制された測定基準面を有する測定器とすることができる。したがって、測定基準面を用いた測定結果の誤差を抑制することができる。
さらにまた、上記の測定器において、前記構成部材は、直角定規であり、前記測定基準面は、前記直角定規が有する互いに直交する2つの平面であってもよい。この場合、直角定規の直角度を安定して維持することができる。
図1は、本実施形態の炭素繊維強化プラスチック構造体(CFRP構造体)に含まれる炭素繊維強化プラスチック部材(CFRP部材)10を模式的に示す斜視図である。
CFRP部材10は、図1に示すように、複数のプリプレグ11が積層されて構成されている。プリプレグ11は、炭素繊維に、繊維の方向性を持たせたまま樹脂を含浸させたシート状の部材である。プリプレグ11を構成する樹脂は、例えば熱硬化性のエポキシ樹脂である。なお、プリプレグ11を構成する樹脂としては、例えば、不飽和ポリエステル、ビニルエステル、フェノール、シアネートエステル、ポリイミド等の熱硬化性樹脂を用いることもできる。
このようにして製作されたCFRPは、鉄やアルミなどの金属材料よりも低密度(即ち軽い)でありながら、高強度な材料となる。CFRP部材10は、上記の完成されたCFRPを所望の大きさに切り出した部材である。
図1において、X方向およびY方向は、炭素繊維が伸びる方向、Z方向は、プリプレグ11の積層方向である。
CFRP構造体20は、上述したCFRP部材10と、CFRP部材10上に形成された基準層12と、を備える。具体的には、基準層12は、CFRP部材10のエッジワイズ面(第一面)10a上に、接着層13を介して固定されている。
基準層12は、加工容易性を有する材料により構成することができる。基準層12の材料としては、例えば、金属やガラスを用いることができる。なお、加工容易性を有する材料は、金属やガラスに限定されるものではなく、例えば、樹脂やセラミックであってもよい。
ガラスには、熱膨張しない(熱膨張係数が0または0に極めて近い)ものが存在する。このようなガラスを基準層12の材料として用い、接着層13として加熱硬化型の接着剤を用いた場合、加熱によりCFRP部材10だけが熱膨張した状態でCFRP部材10と基準層12とが固定されることになる。その後、CFRP部材10および基準層12が冷めると、CFRP部材10だけが収縮し、基準層12は圧縮応力を受けることになる。そのため、基準層12の剥離や破損が生じるおそれがある。
そこで、CFRP部材10の熱膨張係数と基準層12の熱膨張係数とが異なる場合には、常温硬化型の接着剤を接着層13として用い、加熱せずに固定するようにする。これにより、上記の基準層12の剥離や破損、変形等が生じることを抑制することができる。
ただし、プリプレグは、加熱により硬化する材料であるため、CFRP部材10の熱膨張係数と基準層12の熱膨張係数とが同等または略同等である場合に、プリプレグを接着層13として使用することが好ましい。
このことを検証するために、本発明者は、所定の厚さの20枚のプリプレグを、炭素繊維が交互に直交するように積層したCFRPを用いて、フラットワイズ面の温度変化による変動と、エッジワイズ面の温度変化による変動とを調査した。その結果を図3および図4に示す。
CFRPを常温(室温)~200℃の範囲で加熱および冷却した結果、図3に示すように、フラットワイズ方向の歪は、図4に示すエッジワイズ方向の歪に比べて10倍以上大きいことがわかった。また、この傾向は、プリプレグの素材が異なっていても同様の傾向を示すこともわかった。
一方、フラットワイズ方向には炭素繊維は伸びておらず、フラットワイズ方向のCFRPの特性は、炭素繊維に含侵された樹脂の特性が支配的となると考えられる。そのため、フラットワイズ方向については、CFRPに含まれる樹脂の熱膨張係数に依存して熱膨張収縮することになり、フラットワイズ方向の歪は、エッジワイズ方向の歪よりも大きくなるものと考えられる。
これに対して、本実施形態では、CFRP部材10のエッジワイズ面10a上に基準層12を形成する。CFRP部材10のエッジワイズ面10aに直交する方向(X方向、Y方向)においては、熱による膨張や収縮といった歪はほとんど生じないため、エッジワイズ面10a上に形成した基準層12の表面(基準面)には、温度変化に起因する当該基準面に直交する方向の変動はほとんど生じない。
まず、完成しているCFRPを必要な大きさだけ切り出し、CFRP部材10を準備する。
次に、CFRP部材10のエッジワイズ面10aに接着層13の材料である接着剤を塗布し、その上に金属やガラスなどにより構成される基準層12を貼り付ける。そして、接着剤を硬化させた後、基準層12の表面を研削加工し、所望の面粗さの基準面を得る。
また、プリプレグ以外の接着剤を接着層13として用いた場合には、上記のように通常の工程により製作されたCFRPを必要な大きさだけ切り出したCFRP部材10に対して基準層12を貼り付けるだけでよい。そのため、CFRPを製造する工程の途中に、新たな工程を追加するなどの複雑な製造工程が必要なく、生産性が高い。
とりわけ、本実施形態では、基準層12を、CFRP部材10のエッジワイズ面10a上に形成しているため、基準層12をCFRP部材10のフラットワイズ面10bに形成した場合と比較して、温度変化に起因する、基準面に直交する方向の表面変動が適切に抑制されたCFRP構造体20とすることができる。
例えば、本実施形態におけるCFRP構造体20は、測定器が備える構成部材の一部もしくは全部として使用することができる。この場合、CFRP構造体20の基準面、すなわち、基準層12におけるCFRP部材10の表面(第一面)に対向する面とは反対側の面を、測定器の構成部材が有する測定基準面とすることができる。これにより、比剛性が高く、軽量で、温度変化による測定基準面の変動が少ない測定器とすることができる。
レーザ測長器30は、レーザ発振器31と、受光器32と、制御部33と、を備える。レーザ発振器31は、レーザ光L1を反射体が有する平面状の反射面に対して照射し、受光器32は、反射面によって反射されたレーザ光L2を受光する。制御部33は、受光器32の受光信号をもとに、反射面までの距離を測定する。
上述したように、温度変化に起因する、CFRP構造体20のエッジワイズ方向(図5の左右方向)の表面変動は小さい。そのため、エッジワイズ面に形成された基準層12の表面を測定基準面である反射面とすることで、例えば環境温度が変化したとしても、正確な距離の測定が可能となる。
本実施形態のCFRP構造体20の基準層12の表面を反射面とした場合、フラットワイズ方向(図5の上下方向)は、距離の測定方向に直交する方向となる。そのため、環境温度の変化によってフラットワイズ方向の変動が生じたとしても、反射面が距離の測定方向に直交する方向に伸縮するだけであり、測定結果に影響を及ぼすことはない。
この図6に示すCFRP構造体20Aは、直角定規として使用することができる。なお、図6において、CFRP構造体20Aが備える接着層13の図示は省略している。
上述したように、温度変化に起因する、CFRP構造体20Aのエッジワイズ方向(図6の上下方向、奥行方向)の表面変動は小さい。そのため、直交する2つのエッジワイズ面10a上に形成された基準層12の表面を直角定規の測定基準面とすることで、例えば環境温度が変化したとしても、測定基準面の直角度に影響を及ぼすことはない。
また、環境温度の変化によってフラットワイズ方向(図6の左右方向)の変動が生じたとしても、測定基準面の直角度には影響がない。
図7に示す直角定規の場合、基準層12が形成された面の反対側の面は、フラットワイズ面10bとなる。このフラットワイズ面10bは、環境温度の変化によって表面変動が生じ得るが、測定基準面の直角度には影響がない。
上記実施形態においては、プリプレグを、炭素繊維が伸びる方向が直交するように1枚ずつ交互に積層する場合について説明したが、炭素繊維の交差角度や配向方向の割合は、どちらの方向にどのような特性を持たせるかに応じて任意に設定することができる。
また、プリプレグを、炭素繊維が伸びる方向が一方向に揃うように積層するようにしてもよい。この場合、炭素繊維が伸びる方向に対して直交する面は、図1に示すCFRP部材10とは異なり、側方の対向する二面のみとなるが、この面上に基準層12を形成するようにしてもよい。
ただし、炭素繊維に対する法線面が最も安定する(表面変動を抑制できる)面であるため、基準面12は、炭素繊維が伸びる方向に対して直交する面上に形成することが好ましい。
Claims (8)
- 測定器が備える構成部材の一部もしくは全部として使用される炭素繊維強化プラスチック構造体であって、
複数のプリプレグが積層された炭素繊維強化プラスチック部材と、
前記炭素繊維強化プラスチック部材の炭素繊維が伸びる方向に対して交差する第一面の全体に形成され、前記第一面に対向する面とは反対側に前記測定器の測定基準面となる面を有する平坦な基準層とを備え、
前記基準層は、金属、ガラスまたはセラミックから形成されていることを特徴とする炭素繊維強化プラスチック構造体。 - 前記第一面は、前記炭素繊維が伸びる方向に対して直交する面であることを特徴とする請求項1に記載の炭素繊維強化プラスチック構造体。
- 前記基準層は、接着層を介して前記炭素繊維強化プラスチック部材に固定されていることを特徴とする請求項1または2に記載の炭素繊維強化プラスチック構造体。
- 前記接着層は、プリプレグにより構成されていることを特徴とする請求項3に記載の炭素繊維強化プラスチック構造体。
- 複数のプリプレグが積層された前記炭素繊維強化プラスチック部材を準備する工程と、
前記炭素繊維強化プラスチック部材の炭素繊維が伸びる方向に対して交差する面の全体に金属、ガラスまたはセラミックから形成された平坦な前記基準層を形成する工程と、を含むことを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の炭素繊維強化プラスチック構造体の製造方法。 - 測定基準面を有する構成部材を備える測定器であって、
前記構成部材は、炭素繊維強化プラスチック構造体を備え、
前記炭素繊維強化プラスチック構造体は、
複数のプリプレグが積層された炭素繊維強化プラスチック部材と、
前記炭素繊維強化プラスチック部材の炭素繊維が伸びる方向に対して交差する第一面上に形成された基準層とを備え、
前記測定基準面は、前記炭素繊維強化プラスチック構造体の前記基準層における前記第一面に対向する面とは反対側の面により構成されていることを特徴とする測定器。 - 前記構成部材は、レーザ測長器から出射されるレーザ光を反射する反射体であり、
前記測定基準面は、前記反射体が有する平面状の反射面であることを特徴とする請求項6に記載の測定器。 - 前記構成部材は、直角定規であり、
前記測定基準面は、前記直角定規が有する互いに直交する2つの平面であることを特徴とする請求項6に記載の測定器。
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