炭素繊維強化プラスチック成形体
【課題】曲げ剛性を確保しつつ制振性を向上させることができる炭素繊維強化プラスチック成形体を提供する。
【解決手段】ＣＦＲＰ成形体１０は、互いに積層されたＣＦＲＰ層１，２と、ＣＦＲＰ層１，２の間に配置された制振弾性層３とを備えている。制振弾性層３は、ｘ軸方向に沿って互いに離間するように配列された粘弾性領域３ａ，３ｂを有する。粘弾性樹脂領域３ａ，３ｂの間には、高剛性樹脂からなる高剛性樹脂領域４が設けられている。ＣＦＲＰ成形体１０では、ＣＦＲＰ層１，２の間に、粘弾性樹脂領域３ａ，３ｂを有する制振弾性層３が配置されているので制振性が向上される。また、粘弾性樹脂領域３ａ，３ｂがＣＦＲＰ層１，２の長手方向に沿って互いに離間して配列されており、これらの間に、剛性が比較的高い高剛性樹脂領域４が設けられているので、ＣＦＲＰ層１，２の長手方向に沿っての曲げ剛性が確保される。
【解決手段】ＣＦＲＰ成形体１０は、互いに積層されたＣＦＲＰ層１，２と、ＣＦＲＰ層１，２の間に配置された制振弾性層３とを備えている。制振弾性層３は、ｘ軸方向に沿って互いに離間するように配列された粘弾性領域３ａ，３ｂを有する。粘弾性樹脂領域３ａ，３ｂの間には、高剛性樹脂からなる高剛性樹脂領域４が設けられている。ＣＦＲＰ成形体１０では、ＣＦＲＰ層１，２の間に、粘弾性樹脂領域３ａ，３ｂを有する制振弾性層３が配置されているので制振性が向上される。また、粘弾性樹脂領域３ａ，３ｂがＣＦＲＰ層１，２の長手方向に沿って互いに離間して配列されており、これらの間に、剛性が比較的高い高剛性樹脂領域４が設けられているので、ＣＦＲＰ層１，２の長手方向に沿っての曲げ剛性が確保される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素繊維強化プラスチック成形体に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維強化プラスチック成形体は、アルミニウムや鉄等の金属に比べて軽量且つ高剛性であるため、金属に代わる新素材として、近年注目を集めている。一方で、炭素繊維強化プラスチック成形体においては、制振性の向上が望まれている。そこで、互いに積層された炭素繊維強化プラスチック層の間に、ポリイミド等の粘弾性材料からなる制振弾性層が配置された炭素繊維強化プラスチック成形体が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２９１４０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述したような炭素繊維強化プラスチック成形体は、例えば支持部材の一部として産業用部品に適用される場合がある。このため、炭素繊維強化プラスチック成形体においては、制振性の向上に加えて、一定の曲げ剛性を確保することが要求されている。
【０００５】
そこで、本発明は、曲げ剛性を確保しつつ制振性を向上させることができる炭素繊維強化プラスチック成形体を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明に係る炭素繊維強化プラスチック成形体は、互いに積層された長尺状の第１及び第２の炭素繊維強化プラスチック層と、第１の炭素繊維強化プラスチック層と第２の炭素繊維強化プラスチック層との間に配置された制振弾性層と、を備え、制振弾性層は、粘弾性樹脂からなる複数の粘弾性樹脂領域を有し、粘弾性樹脂領域は、第１及び第２の炭素繊維強化プラスチック層の長手方向に沿って互いに離間するように配列されており、隣り合う粘弾性樹脂領域の間には、粘弾性樹脂の剛性よりも高い剛性を有する高剛性樹脂からなる高剛性樹脂領域が設けられていることを特徴とする。
【０００７】
この炭素繊維強化プラスチック成形体では、第１の炭素繊維強化プラスチック層と第２の炭素繊維強化プラスチック層との間に、粘弾性樹脂領域を有する制振弾性層が配置されているので制振性が向上される。また、この炭素繊維強化プラスチック成形体では、第１及び第２の炭素繊維強化プラスチック層の長手方向に沿って互いに離間して複数の粘弾性樹脂領域が配列されており、これらの粘弾性樹脂領域の間に剛性が比較的高い高剛性樹脂領域が設けられているので、第１及び第２の炭素繊維強化プラスチック層の長手方向に沿っての曲げ剛性が確保される。
【０００８】
本発明に係る炭素繊維強化プラスチック成形体においては、隣り合う粘弾性樹脂領域において、高剛性樹脂領域を挟んで対向する面同士は、略平行となっていることが好ましい。この構成によれば、高剛性樹脂領域を挟んで対向する面の延びる方向に沿って、制振性及び曲げ剛性の分布が概ね均一となる。
【０００９】
本発明に係る炭素繊維強化プラスチック成形体においては、高剛性樹脂は、第１及び第２の炭素繊維強化プラスチック層を構成する樹脂と同一であり、高剛性樹脂領域は、第１及び第２の炭素繊維強化プラスチック層と一体的に形成されていることが好ましい。この構成によれば、第１及び第２の炭素繊維強化プラスチック層と制振弾性層とを一体的に成形する際に、第１及び第２の炭素繊維強化プラスチック層を構成する樹脂によって、容易に高剛性樹脂領域を形成することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、曲げ剛性を確保しつつ制振性を向上させることができる炭素繊維強化プラスチック成形体を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る炭素繊維強化プラスチック成形体の第１の実施形態の斜視図である。
【図２】図１のII−II線に沿っての部分断面図である。
【図３】図１のIII−III線に沿っての部分断面図である。
【図４】本発明に係る炭素繊維強化プラスチック成形体の第２の実施形態の斜視図である。
【図５】図４のV−V線に沿っての部分断面図である。
【図６】比較例に係る炭素繊維強化プラスチック成形体の斜視図である。
【図７】実施例及び比較例に係る炭素繊維強化プラスチック成形体の曲げ剛性及び制振性の測定結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
［第１の実施形態］
【００１３】
図１〜３に示されるように、炭素繊維強化プラスチック（以下、「ＣＦＰＲ：Carbon Fiber Reinforced Plastics」という）成形体１０は、直交座標系Ｓのｚ軸方向に沿って互いに積層されたＣＦＲＰ層（第１の炭素繊維強化プラスチック層）１及びＣＦＲＰ層（第２の炭素繊維強化プラスチック層）２と、ＣＦＲＰ層１とＣＦＲＰ層２との間に配置された制振弾性層３と、を備えている。このようなＣＦＲＰ成形体１０は、例えばロボットハンド等の産業用部品に用いることができる。
【００１４】
ＣＦＲＰ層１，２は、直交座標系Ｓのｘ軸方向に沿って延びる長尺板状をなしており、炭素繊維からなる複数層の炭素繊維層と、これらの炭素繊維層に含浸・硬化されたマトリックス樹脂（例えばエポキシ樹脂）と、からなる。
【００１５】
ＣＦＲＰ層１は、ｚ軸方向に沿って順に積層された外側層１ａ及び内側層１ｂからなる。外側層１ａは、例えば、炭素繊維の配向方向が０度となるように配置された炭素繊維層を５層含むものとすることができる。また、内側層１ｂは、例えば、炭素繊維の配向方向が９０度となるように配置された炭素繊維層を１層含むものとすることができる。なお、ここでの角度は、ｘ軸方向に対する角度である。
【００１６】
ＣＦＲＰ層２は、ｚ軸方向に沿って順に積層された内側層２ａ及び外側層２ｂからなる。内側層２ａは、例えば、炭素繊維の配向方向が９０度となるように配置された炭素繊維層を１層含むものとすることができる。また、外側層２ｂは、例えば、炭素繊維の配向方向が０度となるように配置された炭素繊維層を５層含むものとすることができる。
【００１７】
制振弾性層３は、ＣＦＲＰ層１，２の長手方向（ｘ軸方向）に沿って互いに離間するように配列された粘弾性樹脂領域３ａ及び粘弾性樹脂領域３ｂを有する。粘弾性樹脂領域３ａ，３ｂは、粘弾性樹脂からなる。粘弾性樹脂は、ＣＦＲＰ層１，２を構成するマトリックス樹脂の剛性よりも低い剛性を有する樹脂であって、例えばゴムやエラストマー等の粘弾性材料（柔軟性樹脂材料）とすることができる。粘弾性材料は、２５℃における貯蔵弾性率が、０．１ＭＰａ以上２５００ＭＰａ以下の範囲であることが好ましく、０．１ＭＰａ以上２５０ＭＰａ以下の範囲であることがさらに好ましく、０．１ＭＰａ以上２５ＭＰａ以下の範囲であることが一層好ましい。粘弾性材料の貯蔵弾性率が、２５００ＭＰａ以下であれば、十分な制振性能を得ることができ、０．１ＭＰａ以上であれば、ＣＦＲＰ成形体１０の剛性の低下が少なく、ロボットハンドやロボットアーム等の産業用部品として要求される性能を満たすことができる。また、粘弾性材料は、炭素繊維プリプレグからＣＦＲＰへの転換を熱硬化により行うことから、その際に発生する熱に対して安定であることが好ましい。さらに、粘弾性材料は、ＣＦＲＰ層１，２のマトリックス樹脂との接着性に優れた材料であることが好ましい。
【００１８】
以上の観点から、粘弾性樹脂領域３ａ，３ｂを構成する粘弾性材料は、例えば、スチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、ブチルゴム（ＩＩＲ）、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、及び、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＭ，ＥＰＤＭ）等のゴム、並びに、ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、及び、柔軟鎖を持つポリマーであるゴムやエラストマー等を添加することによって弾性率を低くしたエポキシ樹脂等の、ＣＦＲＰに比べて柔軟な材料とすることができる。
【００１９】
粘弾性樹脂領域３ａと粘弾性樹脂領域３ｂとの間には、粘弾性樹脂の剛性よりも高い剛性を有する高剛性樹脂（例えばエポキシ樹脂）からなる高剛性樹脂領域４が設けられている。高剛性樹脂領域４は、粘弾性樹脂領域３ａと粘弾性樹脂領域３ｂとの間の領域に、隙間なく配置されている。なお、粘弾性樹脂領域３ａ，３ｂにおいて、高剛性樹脂領域４を挟んで対向する面３ｃ，３ｄは、それぞれ直交座標系Ｓのｙ軸方向に沿って延びると共に、互いに略平行となっている。
【００２０】
このような制振弾性層３は、例えば、粘弾性樹脂の溶液をシート状の型に流し込み乾燥させ、ホットプレス器により加熱・圧縮して成形した後に、その長手方向における中心部分を切り取ることにより作製することができる。
【００２１】
また、ＣＦＲＰ成形体１０は、例えば、ＣＦＲＰ層１のためのプリプレグ積層体と、ＣＦＲＰ層２のためのプリプレグ積層体との間に、上記のようにして作製された制振弾性層３を配置し加熱・圧縮して、ＣＦＲＰ層１、制振弾性層３及びＣＦＲＰ層２を一体的に成形して作製される。このとき、ＣＦＲＰ層１，２を構成するマトリックス樹脂により、高剛性樹脂領域４を形成することができる。この場合、高剛性樹脂領域４は、ＣＦＲＰ層１，２と一体的に形成されることとなる。
【００２２】
以上説明したように、ＣＦＲＰ成形体１０では、ＣＦＲＰ層１とＣＦＲＰ層２との間に、粘弾性樹脂領域３ａ，３ｂを有する制振弾性層３が配置されているので制振性が向上される。また、ＣＦＲＰ成形体１０では、ｘ軸方向に沿って互いに離間して粘弾性樹脂領域３ａ，３ｂが配列されており、これらの粘弾性樹脂領域３ａ，３ｂの間に剛性が比較的高い高剛性樹脂領域４が設けられているので、ｘ軸方向に沿っての曲げ剛性が確保される。
【００２３】
また、ＣＦＲＰ成形体１０においては、粘弾性樹脂領域３ａ，３ｂにおいて、高剛性樹脂領域４を挟んで対向する面３ｃ，３ｄが、互いに略平行となっているので、これらの面３ｃ，３ｄの延在方向（ｙ軸方向）に沿って、制振性及び曲げ剛性の分布が概ね均一となる。
［第２の実施形態］
【００２４】
図４，５に示されるように、ＣＦＲＰ成形体１００は、第１の実施形態に係るＣＦＲＰ成形体１０に対して、ＣＦＲＰ層１に換えてＣＦＲＰ層（第１の炭素繊維強化プラスチック層）１１を備える点、及び、ＣＦＲＰ層２に換えてＣＦＲＰ層（第２の炭素繊維強化プラスチック層）２２を備える点で異なっている。
【００２５】
ＣＦＲＰ層１１，２２は、ｘ軸方向に沿って延びる長尺板状をなしており、炭素繊維からなる複数層の炭素繊維層と、これらの炭素繊維層に含浸・硬化されたマトリックス樹脂（例えばエポキシ樹脂）と、からなる。
【００２６】
ＣＦＲＰ層１１は、ｚ軸方向に沿って順に積層された外側層１１ａ、中間層１１ｂ及び内側層１１ｃからなる。外側層１１ａは、例えば、炭素繊維の配向方向が０度となるように配置された炭素繊維層を４層含むものとすることができる。また、中間層１１ｂは、例えば、炭素繊維の配向方向が９０度となるように配置された炭素繊維層を１層含むものとすることができる。さらに、内側層１１ｃは、例えば、炭素繊維の配向方向が０度となるように配置された炭素繊維層を１層含むものとすることができる。なお、ここでの角度は、ｘ軸方向に対する角度である。
【００２７】
ＣＦＲＰ層２２は、ｚ軸方向に沿って順に積層された内側層２２ａ、中間層２２ｂ及び外側層２２ｃからなる。内側層２２ａは、例えば、炭素繊維の配向方向が０度となるように配置された炭素繊維層を１層含むものとすることができる。また、中間層２２ｂは、例えば、炭素繊維の配向方向が９０度となるように配置された炭素繊維層を１層含むものとすることができる。さらに、外側層２２ｃは、例えば、炭素繊維の配向方向が０となるように配置された炭素繊維層を４層含むものとすることができる。
【００２８】
以上説明したように、ＣＦＲＰ成形体１００においても、ＣＦＲＰ層１１とＣＦＲＰ層２２との間に、粘弾性樹脂領域３ａ，３ｂを有する制振弾性層３が配置されているので、制振性が向上される。また、ｘ軸方向に沿って互いに離間して粘弾性樹脂領域３ａ，３ｂが配列されており、これらの粘弾性樹脂領域３ａ，３ｂの間に剛性の比較的高い高剛性樹脂領域４が設けられているので、ｘ軸方向に沿っての曲げ剛性が確保される。
【００２９】
なお、上記の第１及び第２の実施形態に係るＣＦＲＰ成形体１０及びＣＦＲＰ成形体１００において、制振弾性層３は、２つの粘弾性樹脂領域３ａ，３ｂを有するものとしたが、これに限らず、ｘ軸方向に沿って互いに離間するように配列された３つ以上の粘弾性樹脂領域を有するものとすることもできる。
【実施例】
【００３０】
（１）試験片
本発明に係るＣＦＲＰ成形体の実施例として、ＣＦＲＰ成形体１０に対応する試験片Ａ１と、ＣＦＲＰ成形体１００に対応する試験片Ａ２とを、以下のように構成した。
（１−１）試験片Ａ１
【００３１】
炭素繊維の配向方向が０度となるようにグラノックプリプレグ（日本グラファイトファイバー（株）製グラノックＸＮ−６０（引張弾性率；６２０ＧＰａ、炭素繊維目付け：１２５ｇ／ｍ２、マトリックス樹脂含有量：３２重量％、１層の厚さ：０．１１ｍｍ）、以下同様）を５層積層し、その上に、炭素繊維の配向方向が９０度となるようにグラノックプリプレグを１層積層して、第１のプリプレグ積層体を得た。また、炭素繊維の配向方向が９０度となるようグラノックプリプレグ１層を配置し、その上に、炭素繊維の配向方向が０度となるようにグラノックプリプレグを５層積層して、第２のプリプレグ積層体を得た。その一方で、ポリウレタン樹脂（ディアプレックス（株）製ダイアリィ（ＭＳ４５１０）、以下同様）溶液をシート状の型に流し込み乾燥させ、ホットプレス器により、１５０℃で１時間、加熱・圧縮して成形した後に、その長手方向における中心部分を切り取ることにより、厚さ０．１５ｍｍの制振弾性層３を得た。このとき、切り取る部分の幅を１０ｍｍとした。そして、第１のプリプレグ積層体、制振弾性層３、第２のプリプレグ積層体を順に積層し、１３０℃で１時間３０分、加熱・圧縮して、これらを一体的に成形し、ＣＦＲＰ層１、制振弾性層３及びＣＦＲＰ層２からなる試験片Ａ１を得た。なお、高剛性樹脂領域４の材料をエポキシ樹脂とした。
（１−２）試験片Ａ２
【００３２】
炭素繊維の配向方向が０度となるようにグラノックプリプレグを４層積層し、その上に、炭素繊維の配向方向が９０度となるようにグラノックプリプレグを１層積層し、その上に、炭素繊維の配向方向が０度となるようにグラノックプリプレグをさらに１層積層して、第３のプリプレグ積層体を得た。また、炭素繊維の配向方向が０度となるようにグラノックプリプレグを１層配置し、その上に、炭素繊維の配向方向が９０度となるようにグラノックプリプレグを１層積層し、その上に、炭素繊維の配向方向が０度となるようにグラノックプリプレグをさらに４層積層して、第４のプリプレグ積層体を得た。その一方で、ポリウレタン樹脂溶液をシート状の型に流し込み乾燥させ、ホットプレス器により、１５０℃で１時間、加熱・圧縮して成形した後に、その長手方向における中心部分を切り取ることにより、厚さ０．１ｍｍの制振弾性層３を得た。このとき、切り取る部分の幅を１０ｍｍとした。そして、第３のプリプレグ積層体、制振弾性層３、第４のプリプレグ積層体を順に積層し、１３０℃で１時間３０分、加熱・圧縮して、これらを一体的に成形して、ＣＦＲＰ層１１、制振弾性層３及びＣＦＲＰ層２２からなる試験片Ａ２を得た。なお、高剛性樹脂領域４の材料をエポキシ樹脂とした。
（２）比較例
【００３３】
試験片Ａ１，Ａ２に対する比較例として、以下のような比較試験片Ｂ１及び比較試験片Ｂ２を用意した。
（２−１）比較試験片Ｂ１
【００３４】
比較試験片Ｂ１は、図６（ａ）に示されるように、試験片Ａ１に対して、制振弾性層３に換えて制振弾性層７を備える点で異なっている。制振弾性層７は、厚さ０．１ｍｍの単一の領域からなり、その材料はポリウレタン樹脂である。
（２−２）比較試験片Ｂ２
【００３５】
比較試験片Ｂ２は、図６（ｂ）に示されるように、試験片Ａ２に対して、制振弾性層３に換えて上記の制振弾性層７を備える点で異なっている。
【００３６】
以上の試験片Ａ１，Ａ２及び比較試験片Ｂ１，Ｂ２は、何れも、長さ４５ｍｍ程度、幅５ｍｍ程度、厚さ１．４ｍｍ以上１．５ｍｍ以下程度とした。
（３）測定
【００３７】
アイティー計測制御（株）製ＤＭＡ（Dynamics Mechanical Analysis）測定装置（ＩＴＫ−ＤＶＡ２２５）を使用して、長手方向についての３点曲げ加振動モードによって、試験片Ａ１，Ａ２及び比較試験片Ｂ１，Ｂ２の、貯蔵弾性率（弾性成分）＝Ｅ’、損失貯蔵弾性率（粘性成分）＝Ｅ’’及び損失正接＝Ｅ’’／Ｅ’＝ｔａｎδを測定した。ここで、３点曲げ加振モードとは、各試験片において、長手方向の両端部をクランプして中央部に振動を加えることにより、粘弾性挙動を測定する測定方式である。
（４）測定結果
【００３８】
測定結果を図７に示す。図７（ａ）は、各試験片の２５℃における曲げ弾性率保持率（Ｅ’／Ｅ’ＣＦＲＰ）を示している。なお、Ｅ’ＣＦＲＰは、制振弾性層を有さない（ＣＦＲＰ層１及ＣＦＲＰ層２のみかなる）ＣＦＲＰ成形体の貯蔵弾性率である。図７（ｂ）は、各試験片の２５℃におけるｔａｎδを示している。図７（ａ），（ｂ）において、Ａ１は試験片Ａ１の測定値を示しており、Ａ２は試験片Ａ２の測定値を示しており、Ｂ１は比較試験片Ｂ１の測定値を示しており、Ｂ２は比較試験片Ｂ２の測定値を示している。なお、同図において、Ｂａｓｅｌｉｎｅは、制振弾性層を有さないＣＦＲＰ成形体の測定値を示している。ここで、弾性率保持率（Ｅ’／Ｅ’ＣＦＲＰ）は、曲げ剛性の指標となる値であり、この値が大きいほど曲げ剛性が高い。ｔａｎδは、制振性の指標となる値であり、この値が大きいほど制振性が高い。
【００３９】
図７（ｂ）に示されるように、試験片Ａ１のｔａｎδは０．１０２であり、比較試験片Ｂ１のｔａｎδは０．０７であった。また、試験片Ａ２のｔａｎδは０．０７４であり、比較試験片Ｂ２のｔａｎδは０．０４４であった。このことから、試験片Ａ１及び試験片Ａ２によれば、比較試験片Ｂ１及び比試験片Ｂ２に比べて、それぞれ制振性が向上されることが分かった。
【００４０】
また、図７（ａ）に示されるように、試験片Ａ１のＥ’／Ｅ’ＣＦＲＰと比較試験片Ｂ１のＥ’／Ｅ’ＣＦＲＰとは概ね同程度であった。また、試験片Ａ２のＥ’／Ｅ’ＣＦＲＰと、比較試験片Ｂ２のＥ’／Ｅ’ＣＦＲＰとは概ね同程度であった。このことから、試験片Ａ１及び試験片Ａ２は、その長手方向について、比較試験片Ｂ１及び比較試験片Ｂ２に遜色ない程度の曲げ剛性がそれぞれ確保されることが分かった。
【符号の説明】
【００４１】
１０，１００…ＣＦＲＰ成形体、１，２，１１，２２…ＣＦＲＰ層、３…制振弾性層、３ａ，３ｂ…粘弾性樹脂領域、３ｃ，３ｄ…面、４…高剛性樹脂領域。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素繊維強化プラスチック成形体に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維強化プラスチック成形体は、アルミニウムや鉄等の金属に比べて軽量且つ高剛性であるため、金属に代わる新素材として、近年注目を集めている。一方で、炭素繊維強化プラスチック成形体においては、制振性の向上が望まれている。そこで、互いに積層された炭素繊維強化プラスチック層の間に、ポリイミド等の粘弾性材料からなる制振弾性層が配置された炭素繊維強化プラスチック成形体が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２９１４０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述したような炭素繊維強化プラスチック成形体は、例えば支持部材の一部として産業用部品に適用される場合がある。このため、炭素繊維強化プラスチック成形体においては、制振性の向上に加えて、一定の曲げ剛性を確保することが要求されている。
【０００５】
そこで、本発明は、曲げ剛性を確保しつつ制振性を向上させることができる炭素繊維強化プラスチック成形体を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明に係る炭素繊維強化プラスチック成形体は、互いに積層された長尺状の第１及び第２の炭素繊維強化プラスチック層と、第１の炭素繊維強化プラスチック層と第２の炭素繊維強化プラスチック層との間に配置された制振弾性層と、を備え、制振弾性層は、粘弾性樹脂からなる複数の粘弾性樹脂領域を有し、粘弾性樹脂領域は、第１及び第２の炭素繊維強化プラスチック層の長手方向に沿って互いに離間するように配列されており、隣り合う粘弾性樹脂領域の間には、粘弾性樹脂の剛性よりも高い剛性を有する高剛性樹脂からなる高剛性樹脂領域が設けられていることを特徴とする。
【０００７】
この炭素繊維強化プラスチック成形体では、第１の炭素繊維強化プラスチック層と第２の炭素繊維強化プラスチック層との間に、粘弾性樹脂領域を有する制振弾性層が配置されているので制振性が向上される。また、この炭素繊維強化プラスチック成形体では、第１及び第２の炭素繊維強化プラスチック層の長手方向に沿って互いに離間して複数の粘弾性樹脂領域が配列されており、これらの粘弾性樹脂領域の間に剛性が比較的高い高剛性樹脂領域が設けられているので、第１及び第２の炭素繊維強化プラスチック層の長手方向に沿っての曲げ剛性が確保される。
【０００８】
本発明に係る炭素繊維強化プラスチック成形体においては、隣り合う粘弾性樹脂領域において、高剛性樹脂領域を挟んで対向する面同士は、略平行となっていることが好ましい。この構成によれば、高剛性樹脂領域を挟んで対向する面の延びる方向に沿って、制振性及び曲げ剛性の分布が概ね均一となる。
【０００９】
本発明に係る炭素繊維強化プラスチック成形体においては、高剛性樹脂は、第１及び第２の炭素繊維強化プラスチック層を構成する樹脂と同一であり、高剛性樹脂領域は、第１及び第２の炭素繊維強化プラスチック層と一体的に形成されていることが好ましい。この構成によれば、第１及び第２の炭素繊維強化プラスチック層と制振弾性層とを一体的に成形する際に、第１及び第２の炭素繊維強化プラスチック層を構成する樹脂によって、容易に高剛性樹脂領域を形成することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、曲げ剛性を確保しつつ制振性を向上させることができる炭素繊維強化プラスチック成形体を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る炭素繊維強化プラスチック成形体の第１の実施形態の斜視図である。
【図２】図１のII−II線に沿っての部分断面図である。
【図３】図１のIII−III線に沿っての部分断面図である。
【図４】本発明に係る炭素繊維強化プラスチック成形体の第２の実施形態の斜視図である。
【図５】図４のV−V線に沿っての部分断面図である。
【図６】比較例に係る炭素繊維強化プラスチック成形体の斜視図である。
【図７】実施例及び比較例に係る炭素繊維強化プラスチック成形体の曲げ剛性及び制振性の測定結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
［第１の実施形態］
【００１３】
図１〜３に示されるように、炭素繊維強化プラスチック（以下、「ＣＦＰＲ：Carbon Fiber Reinforced Plastics」という）成形体１０は、直交座標系Ｓのｚ軸方向に沿って互いに積層されたＣＦＲＰ層（第１の炭素繊維強化プラスチック層）１及びＣＦＲＰ層（第２の炭素繊維強化プラスチック層）２と、ＣＦＲＰ層１とＣＦＲＰ層２との間に配置された制振弾性層３と、を備えている。このようなＣＦＲＰ成形体１０は、例えばロボットハンド等の産業用部品に用いることができる。
【００１４】
ＣＦＲＰ層１，２は、直交座標系Ｓのｘ軸方向に沿って延びる長尺板状をなしており、炭素繊維からなる複数層の炭素繊維層と、これらの炭素繊維層に含浸・硬化されたマトリックス樹脂（例えばエポキシ樹脂）と、からなる。
【００１５】
ＣＦＲＰ層１は、ｚ軸方向に沿って順に積層された外側層１ａ及び内側層１ｂからなる。外側層１ａは、例えば、炭素繊維の配向方向が０度となるように配置された炭素繊維層を５層含むものとすることができる。また、内側層１ｂは、例えば、炭素繊維の配向方向が９０度となるように配置された炭素繊維層を１層含むものとすることができる。なお、ここでの角度は、ｘ軸方向に対する角度である。
【００１６】
ＣＦＲＰ層２は、ｚ軸方向に沿って順に積層された内側層２ａ及び外側層２ｂからなる。内側層２ａは、例えば、炭素繊維の配向方向が９０度となるように配置された炭素繊維層を１層含むものとすることができる。また、外側層２ｂは、例えば、炭素繊維の配向方向が０度となるように配置された炭素繊維層を５層含むものとすることができる。
【００１７】
制振弾性層３は、ＣＦＲＰ層１，２の長手方向（ｘ軸方向）に沿って互いに離間するように配列された粘弾性樹脂領域３ａ及び粘弾性樹脂領域３ｂを有する。粘弾性樹脂領域３ａ，３ｂは、粘弾性樹脂からなる。粘弾性樹脂は、ＣＦＲＰ層１，２を構成するマトリックス樹脂の剛性よりも低い剛性を有する樹脂であって、例えばゴムやエラストマー等の粘弾性材料（柔軟性樹脂材料）とすることができる。粘弾性材料は、２５℃における貯蔵弾性率が、０．１ＭＰａ以上２５００ＭＰａ以下の範囲であることが好ましく、０．１ＭＰａ以上２５０ＭＰａ以下の範囲であることがさらに好ましく、０．１ＭＰａ以上２５ＭＰａ以下の範囲であることが一層好ましい。粘弾性材料の貯蔵弾性率が、２５００ＭＰａ以下であれば、十分な制振性能を得ることができ、０．１ＭＰａ以上であれば、ＣＦＲＰ成形体１０の剛性の低下が少なく、ロボットハンドやロボットアーム等の産業用部品として要求される性能を満たすことができる。また、粘弾性材料は、炭素繊維プリプレグからＣＦＲＰへの転換を熱硬化により行うことから、その際に発生する熱に対して安定であることが好ましい。さらに、粘弾性材料は、ＣＦＲＰ層１，２のマトリックス樹脂との接着性に優れた材料であることが好ましい。
【００１８】
以上の観点から、粘弾性樹脂領域３ａ，３ｂを構成する粘弾性材料は、例えば、スチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、ブチルゴム（ＩＩＲ）、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、及び、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＭ，ＥＰＤＭ）等のゴム、並びに、ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、及び、柔軟鎖を持つポリマーであるゴムやエラストマー等を添加することによって弾性率を低くしたエポキシ樹脂等の、ＣＦＲＰに比べて柔軟な材料とすることができる。
【００１９】
粘弾性樹脂領域３ａと粘弾性樹脂領域３ｂとの間には、粘弾性樹脂の剛性よりも高い剛性を有する高剛性樹脂（例えばエポキシ樹脂）からなる高剛性樹脂領域４が設けられている。高剛性樹脂領域４は、粘弾性樹脂領域３ａと粘弾性樹脂領域３ｂとの間の領域に、隙間なく配置されている。なお、粘弾性樹脂領域３ａ，３ｂにおいて、高剛性樹脂領域４を挟んで対向する面３ｃ，３ｄは、それぞれ直交座標系Ｓのｙ軸方向に沿って延びると共に、互いに略平行となっている。
【００２０】
このような制振弾性層３は、例えば、粘弾性樹脂の溶液をシート状の型に流し込み乾燥させ、ホットプレス器により加熱・圧縮して成形した後に、その長手方向における中心部分を切り取ることにより作製することができる。
【００２１】
また、ＣＦＲＰ成形体１０は、例えば、ＣＦＲＰ層１のためのプリプレグ積層体と、ＣＦＲＰ層２のためのプリプレグ積層体との間に、上記のようにして作製された制振弾性層３を配置し加熱・圧縮して、ＣＦＲＰ層１、制振弾性層３及びＣＦＲＰ層２を一体的に成形して作製される。このとき、ＣＦＲＰ層１，２を構成するマトリックス樹脂により、高剛性樹脂領域４を形成することができる。この場合、高剛性樹脂領域４は、ＣＦＲＰ層１，２と一体的に形成されることとなる。
【００２２】
以上説明したように、ＣＦＲＰ成形体１０では、ＣＦＲＰ層１とＣＦＲＰ層２との間に、粘弾性樹脂領域３ａ，３ｂを有する制振弾性層３が配置されているので制振性が向上される。また、ＣＦＲＰ成形体１０では、ｘ軸方向に沿って互いに離間して粘弾性樹脂領域３ａ，３ｂが配列されており、これらの粘弾性樹脂領域３ａ，３ｂの間に剛性が比較的高い高剛性樹脂領域４が設けられているので、ｘ軸方向に沿っての曲げ剛性が確保される。
【００２３】
また、ＣＦＲＰ成形体１０においては、粘弾性樹脂領域３ａ，３ｂにおいて、高剛性樹脂領域４を挟んで対向する面３ｃ，３ｄが、互いに略平行となっているので、これらの面３ｃ，３ｄの延在方向（ｙ軸方向）に沿って、制振性及び曲げ剛性の分布が概ね均一となる。
［第２の実施形態］
【００２４】
図４，５に示されるように、ＣＦＲＰ成形体１００は、第１の実施形態に係るＣＦＲＰ成形体１０に対して、ＣＦＲＰ層１に換えてＣＦＲＰ層（第１の炭素繊維強化プラスチック層）１１を備える点、及び、ＣＦＲＰ層２に換えてＣＦＲＰ層（第２の炭素繊維強化プラスチック層）２２を備える点で異なっている。
【００２５】
ＣＦＲＰ層１１，２２は、ｘ軸方向に沿って延びる長尺板状をなしており、炭素繊維からなる複数層の炭素繊維層と、これらの炭素繊維層に含浸・硬化されたマトリックス樹脂（例えばエポキシ樹脂）と、からなる。
【００２６】
ＣＦＲＰ層１１は、ｚ軸方向に沿って順に積層された外側層１１ａ、中間層１１ｂ及び内側層１１ｃからなる。外側層１１ａは、例えば、炭素繊維の配向方向が０度となるように配置された炭素繊維層を４層含むものとすることができる。また、中間層１１ｂは、例えば、炭素繊維の配向方向が９０度となるように配置された炭素繊維層を１層含むものとすることができる。さらに、内側層１１ｃは、例えば、炭素繊維の配向方向が０度となるように配置された炭素繊維層を１層含むものとすることができる。なお、ここでの角度は、ｘ軸方向に対する角度である。
【００２７】
ＣＦＲＰ層２２は、ｚ軸方向に沿って順に積層された内側層２２ａ、中間層２２ｂ及び外側層２２ｃからなる。内側層２２ａは、例えば、炭素繊維の配向方向が０度となるように配置された炭素繊維層を１層含むものとすることができる。また、中間層２２ｂは、例えば、炭素繊維の配向方向が９０度となるように配置された炭素繊維層を１層含むものとすることができる。さらに、外側層２２ｃは、例えば、炭素繊維の配向方向が０となるように配置された炭素繊維層を４層含むものとすることができる。
【００２８】
以上説明したように、ＣＦＲＰ成形体１００においても、ＣＦＲＰ層１１とＣＦＲＰ層２２との間に、粘弾性樹脂領域３ａ，３ｂを有する制振弾性層３が配置されているので、制振性が向上される。また、ｘ軸方向に沿って互いに離間して粘弾性樹脂領域３ａ，３ｂが配列されており、これらの粘弾性樹脂領域３ａ，３ｂの間に剛性の比較的高い高剛性樹脂領域４が設けられているので、ｘ軸方向に沿っての曲げ剛性が確保される。
【００２９】
なお、上記の第１及び第２の実施形態に係るＣＦＲＰ成形体１０及びＣＦＲＰ成形体１００において、制振弾性層３は、２つの粘弾性樹脂領域３ａ，３ｂを有するものとしたが、これに限らず、ｘ軸方向に沿って互いに離間するように配列された３つ以上の粘弾性樹脂領域を有するものとすることもできる。
【実施例】
【００３０】
（１）試験片
本発明に係るＣＦＲＰ成形体の実施例として、ＣＦＲＰ成形体１０に対応する試験片Ａ１と、ＣＦＲＰ成形体１００に対応する試験片Ａ２とを、以下のように構成した。
（１−１）試験片Ａ１
【００３１】
炭素繊維の配向方向が０度となるようにグラノックプリプレグ（日本グラファイトファイバー（株）製グラノックＸＮ−６０（引張弾性率；６２０ＧＰａ、炭素繊維目付け：１２５ｇ／ｍ２、マトリックス樹脂含有量：３２重量％、１層の厚さ：０．１１ｍｍ）、以下同様）を５層積層し、その上に、炭素繊維の配向方向が９０度となるようにグラノックプリプレグを１層積層して、第１のプリプレグ積層体を得た。また、炭素繊維の配向方向が９０度となるようグラノックプリプレグ１層を配置し、その上に、炭素繊維の配向方向が０度となるようにグラノックプリプレグを５層積層して、第２のプリプレグ積層体を得た。その一方で、ポリウレタン樹脂（ディアプレックス（株）製ダイアリィ（ＭＳ４５１０）、以下同様）溶液をシート状の型に流し込み乾燥させ、ホットプレス器により、１５０℃で１時間、加熱・圧縮して成形した後に、その長手方向における中心部分を切り取ることにより、厚さ０．１５ｍｍの制振弾性層３を得た。このとき、切り取る部分の幅を１０ｍｍとした。そして、第１のプリプレグ積層体、制振弾性層３、第２のプリプレグ積層体を順に積層し、１３０℃で１時間３０分、加熱・圧縮して、これらを一体的に成形し、ＣＦＲＰ層１、制振弾性層３及びＣＦＲＰ層２からなる試験片Ａ１を得た。なお、高剛性樹脂領域４の材料をエポキシ樹脂とした。
（１−２）試験片Ａ２
【００３２】
炭素繊維の配向方向が０度となるようにグラノックプリプレグを４層積層し、その上に、炭素繊維の配向方向が９０度となるようにグラノックプリプレグを１層積層し、その上に、炭素繊維の配向方向が０度となるようにグラノックプリプレグをさらに１層積層して、第３のプリプレグ積層体を得た。また、炭素繊維の配向方向が０度となるようにグラノックプリプレグを１層配置し、その上に、炭素繊維の配向方向が９０度となるようにグラノックプリプレグを１層積層し、その上に、炭素繊維の配向方向が０度となるようにグラノックプリプレグをさらに４層積層して、第４のプリプレグ積層体を得た。その一方で、ポリウレタン樹脂溶液をシート状の型に流し込み乾燥させ、ホットプレス器により、１５０℃で１時間、加熱・圧縮して成形した後に、その長手方向における中心部分を切り取ることにより、厚さ０．１ｍｍの制振弾性層３を得た。このとき、切り取る部分の幅を１０ｍｍとした。そして、第３のプリプレグ積層体、制振弾性層３、第４のプリプレグ積層体を順に積層し、１３０℃で１時間３０分、加熱・圧縮して、これらを一体的に成形して、ＣＦＲＰ層１１、制振弾性層３及びＣＦＲＰ層２２からなる試験片Ａ２を得た。なお、高剛性樹脂領域４の材料をエポキシ樹脂とした。
（２）比較例
【００３３】
試験片Ａ１，Ａ２に対する比較例として、以下のような比較試験片Ｂ１及び比較試験片Ｂ２を用意した。
（２−１）比較試験片Ｂ１
【００３４】
比較試験片Ｂ１は、図６（ａ）に示されるように、試験片Ａ１に対して、制振弾性層３に換えて制振弾性層７を備える点で異なっている。制振弾性層７は、厚さ０．１ｍｍの単一の領域からなり、その材料はポリウレタン樹脂である。
（２−２）比較試験片Ｂ２
【００３５】
比較試験片Ｂ２は、図６（ｂ）に示されるように、試験片Ａ２に対して、制振弾性層３に換えて上記の制振弾性層７を備える点で異なっている。
【００３６】
以上の試験片Ａ１，Ａ２及び比較試験片Ｂ１，Ｂ２は、何れも、長さ４５ｍｍ程度、幅５ｍｍ程度、厚さ１．４ｍｍ以上１．５ｍｍ以下程度とした。
（３）測定
【００３７】
アイティー計測制御（株）製ＤＭＡ（Dynamics Mechanical Analysis）測定装置（ＩＴＫ−ＤＶＡ２２５）を使用して、長手方向についての３点曲げ加振動モードによって、試験片Ａ１，Ａ２及び比較試験片Ｂ１，Ｂ２の、貯蔵弾性率（弾性成分）＝Ｅ’、損失貯蔵弾性率（粘性成分）＝Ｅ’’及び損失正接＝Ｅ’’／Ｅ’＝ｔａｎδを測定した。ここで、３点曲げ加振モードとは、各試験片において、長手方向の両端部をクランプして中央部に振動を加えることにより、粘弾性挙動を測定する測定方式である。
（４）測定結果
【００３８】
測定結果を図７に示す。図７（ａ）は、各試験片の２５℃における曲げ弾性率保持率（Ｅ’／Ｅ’ＣＦＲＰ）を示している。なお、Ｅ’ＣＦＲＰは、制振弾性層を有さない（ＣＦＲＰ層１及ＣＦＲＰ層２のみかなる）ＣＦＲＰ成形体の貯蔵弾性率である。図７（ｂ）は、各試験片の２５℃におけるｔａｎδを示している。図７（ａ），（ｂ）において、Ａ１は試験片Ａ１の測定値を示しており、Ａ２は試験片Ａ２の測定値を示しており、Ｂ１は比較試験片Ｂ１の測定値を示しており、Ｂ２は比較試験片Ｂ２の測定値を示している。なお、同図において、Ｂａｓｅｌｉｎｅは、制振弾性層を有さないＣＦＲＰ成形体の測定値を示している。ここで、弾性率保持率（Ｅ’／Ｅ’ＣＦＲＰ）は、曲げ剛性の指標となる値であり、この値が大きいほど曲げ剛性が高い。ｔａｎδは、制振性の指標となる値であり、この値が大きいほど制振性が高い。
【００３９】
図７（ｂ）に示されるように、試験片Ａ１のｔａｎδは０．１０２であり、比較試験片Ｂ１のｔａｎδは０．０７であった。また、試験片Ａ２のｔａｎδは０．０７４であり、比較試験片Ｂ２のｔａｎδは０．０４４であった。このことから、試験片Ａ１及び試験片Ａ２によれば、比較試験片Ｂ１及び比試験片Ｂ２に比べて、それぞれ制振性が向上されることが分かった。
【００４０】
また、図７（ａ）に示されるように、試験片Ａ１のＥ’／Ｅ’ＣＦＲＰと比較試験片Ｂ１のＥ’／Ｅ’ＣＦＲＰとは概ね同程度であった。また、試験片Ａ２のＥ’／Ｅ’ＣＦＲＰと、比較試験片Ｂ２のＥ’／Ｅ’ＣＦＲＰとは概ね同程度であった。このことから、試験片Ａ１及び試験片Ａ２は、その長手方向について、比較試験片Ｂ１及び比較試験片Ｂ２に遜色ない程度の曲げ剛性がそれぞれ確保されることが分かった。
【符号の説明】
【００４１】
１０，１００…ＣＦＲＰ成形体、１，２，１１，２２…ＣＦＲＰ層、３…制振弾性層、３ａ，３ｂ…粘弾性樹脂領域、３ｃ，３ｄ…面、４…高剛性樹脂領域。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに積層された長尺状の第１及び第２の炭素繊維強化プラスチック層と、
前記第１の炭素繊維強化プラスチック層と前記第２の炭素繊維強化プラスチック層との間に配置された制振弾性層と、を備え、
前記制振弾性層は、粘弾性樹脂からなる複数の粘弾性樹脂領域を有し、
前記粘弾性樹脂領域は、前記第１及び前記第２の炭素繊維強化プラスチック層の長手方向に沿って互いに離間するように配列されており、
隣り合う前記粘弾性樹脂領域の間には、前記粘弾性樹脂の剛性よりも高い剛性を有する高剛性樹脂からなる高剛性樹脂領域が設けられていることを特徴とする炭素繊維強化プラスチック成形体。
【請求項２】
隣り合う前記粘弾性樹脂領域において、前記高剛性樹脂領域を挟んで対向する面同士は、略平行となっていることを特徴とする請求項１記載の炭素繊維強化プラスチック成形体。
【請求項３】
前記高剛性樹脂は、前記第１及び第２の炭素繊維強化プラスチック層を構成する樹脂と同一であり、
前記高剛性樹脂領域は、前記第１及び第２の炭素繊維強化プラスチック層と一体的に形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の炭素繊維強化プラスチック成形体。
【請求項１】
互いに積層された長尺状の第１及び第２の炭素繊維強化プラスチック層と、
前記第１の炭素繊維強化プラスチック層と前記第２の炭素繊維強化プラスチック層との間に配置された制振弾性層と、を備え、
前記制振弾性層は、粘弾性樹脂からなる複数の粘弾性樹脂領域を有し、
前記粘弾性樹脂領域は、前記第１及び前記第２の炭素繊維強化プラスチック層の長手方向に沿って互いに離間するように配列されており、
隣り合う前記粘弾性樹脂領域の間には、前記粘弾性樹脂の剛性よりも高い剛性を有する高剛性樹脂からなる高剛性樹脂領域が設けられていることを特徴とする炭素繊維強化プラスチック成形体。
【請求項２】
隣り合う前記粘弾性樹脂領域において、前記高剛性樹脂領域を挟んで対向する面同士は、略平行となっていることを特徴とする請求項１記載の炭素繊維強化プラスチック成形体。
【請求項３】
前記高剛性樹脂は、前記第１及び第２の炭素繊維強化プラスチック層を構成する樹脂と同一であり、
前記高剛性樹脂領域は、前記第１及び第２の炭素繊維強化プラスチック層と一体的に形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の炭素繊維強化プラスチック成形体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−１８３５６２（Ｐ２０１１−１８３５６２Ａ）
【公開日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−４８０１５（Ｐ２０１０−４８０１５）
【出願日】平成２２年３月４日（２０１０．３．４）
【出願人】（０００００４４４４）ＪＸ日鉱日石エネルギー株式会社 (1,898)
【出願人】（５０４１８０２３９）国立大学法人信州大学 (759)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月４日（２０１０．３．４）
【出願人】（０００００４４４４）ＪＸ日鉱日石エネルギー株式会社 (1,898)
【出願人】（５０４１８０２３９）国立大学法人信州大学 (759)
【Ｆターム（参考）】
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