説明

繊維強化プラスチック構造体

【課題】 エネルギー吸収性能を向上したFRP構造体を提供する。
【解決手段】 FRP構造体10は、固化されたマトリックス樹脂17と、マトリックス樹脂により形状維持された第1強化繊維基材15と、マトリックス樹脂に接合され、引張り力の増大に応じてマトリックス樹脂から剥離した本数が増加する複数の第2繊維16と、で構成されている。第2繊維16は、複数の異なる繊維長さを有する複数種類の第2繊維16A,16B,16C,16Dを含んでいるため、引張り力の増大に応じてマトリックス樹脂から剥離した本数が増加する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、強化繊維及びマトリックス樹脂を含んで構成された繊維強化プラスチック構造体に関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献1には、車両の側部に繊維強化プラスチック(Fiber Reinforced Plastics:FRP)製のビーム部材を配設することで、側突時のエネルギーを吸収する技術が記載されている。このビーム部材では、CFRP材を形成するカーボン繊維の配向角を調整することにより、CFRP材が破壊される順番をコントロールしている。
【特許文献1】特開2005−225364号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
上述した従来技術のFRP製のビーム部材では、衝撃的な荷重を受けたときに、ある程度のエネルギーを吸収することができる。しかし、FRP製の構造体において、より大きなエネルギーを吸収可能とすることが要望されている。
【0004】
そこで、本発明は、エネルギー吸収性能を向上したFRP構造体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0005】
上述した目的を達成するために、本発明に係る繊維強化プラスチック構造体は、固化されたマトリックス樹脂と、マトリックス樹脂により形状維持された第1強化繊維基材と、マトリックス樹脂により接合され、引張り力の増大に応じてマトリックス樹脂から剥離した本数が増加する複数の第2繊維と、で構成されることを特徴とする。
【0006】
この構成によれば、繊維強化プラスチック構造体の第2繊維は、引張り力の増大に応じてマトリックス樹脂から剥離した本数が増加するため、繊維強化プラスチック構造体には変形に伴ってエネルギーを吸収する特性が付与されている。また、マトリックス樹脂により形状維持された第1強化繊維基材により、繊維強化プラスチック構造体の強度が維持されている。よって、繊維強化プラスチック構造体を、高強度で、且つエネルギーを吸収する構造とすることができる。
【0007】
上述した繊維強化プラスチック構造体において、複数の第2繊維は、異なる繊維長さを有する複数種類の繊維を含んでおり、引張り力の増大に応じてマトリックス樹脂から剥離した本数が増加することが好ましい。この構成によれば、第2繊維は、異なる繊維長さを有する複数種類の繊維を含んでおり、引張り力の増大に応じてマトリックス樹脂から剥離した本数が増加するため、繊維強化プラスチック構造体には変形に伴ってエネルギーを吸収する特性が付与されている。よって、繊維強化プラスチック構造体を、高強度で、且つエネルギーを吸収する構造とすることができる。
【0008】
また、上述した繊維強化プラスチック構造体において、複数の第2繊維は、異なる繊維方向を有する複数種類の繊維を含んでおり、引張り力の増大に応じてマトリックス樹脂から剥離した本数が増加することが好ましい。この構成によれば、第2繊維は、異なる繊維方向を有する複数種類の繊維を含んでおり、引張り力の増大に応じてマトリックス樹脂から剥離した本数が増加するため、繊維強化プラスチック構造体には変形に伴ってエネルギーを吸収する特性が付与されている。よって、繊維強化プラスチック構造体を、高強度で、且つエネルギーを吸収する構造とすることができる。
【0009】
また、第1強化繊維基材を形成する複数の第1強化繊維では、引張り力が作用する方向に対して40°〜50°で傾斜している繊維の本数が、全本数の60%以上であることが好ましい。この構成によれば、第1強化繊維のほとんどが、引張り力が作用する方向に対して40°〜50°の範囲で傾斜しているため、引張り力が作用すると第1強化繊維は大きく伸びる。よって、第1強化繊維が伸びる間に第2繊維の剥離本数が増加するため、繊維強化プラスチック構造体には変形に伴って良好にエネルギーを吸収することができる。なお、第1強化繊維基材を形成する複数の第1強化繊維では、引張り力が作用する方向に対して42.5°〜47.5°で傾斜している繊維の本数が、全本数の60%以上であることがより好ましく、引張り力が作用する方向に対して45°で傾斜している繊維の本数が、全本数の60%以上であることがさらに好ましい。
【0010】
また、上述した繊維強化プラスチック構造体において、第2繊維は、アラミド系繊維であることが好ましい。この構成によれば、第2繊維としてアラミド系繊維を用いている。アラミド系繊維は、マトリックス樹脂から剥離しやすい特性を有しているため、第2繊維として良好に用いることができる。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、繊維強化プラスチック構造体においてエネルギー吸収性能を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0012】
以下、図面を参照して、本発明のFRP構造体に係る好適な実施形態について説明する。
【0013】
図1には、第1実施形態に係るFRP構造体10が示されている。FRP構造体10は、コルゲート(波形)構造を有したパネルである。より詳しく説明すると、FRP構造体10は、一定間隔離間して並んで延びる複数筋の第1板部11と、同じく一定間隔離間して並んで延びる複数筋の第2板部12と、第1板部11の端部から第2板部12の端部までを横幅として延びる複数筋の側板部13と、を備えている。複数筋の側板部13の板面は、第1板部11及び第2板部12の板面に対してほぼ直角に傾斜している。第1板部11、第2板部12及び側板部13は、繊維強化プラスチック(Fiber Reinforced Plastics:FRP)を材質としており、複数枚積層された第1強化繊維からなる強化繊維基材15(図2参照)にマトリックス樹脂を含浸してから固化することにより形成されている。
【0014】
ここで、強化繊維基材とは、強化繊維が薄く一方向又は複数方向に並べられた素材形態や、強化繊維が織物状に編みこまれた素材形態である。また、強化繊維としては、本実施形態で用いられる炭素繊維の他に、ガラス繊維等の無機繊維や、ポリエチレン繊維、ポリアミド繊維などの有機繊維からなる強化繊維が挙げられる。さらに、マトリックス樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂や、ポリアミド樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリウレタン樹脂等の熱可塑性樹脂が挙げられる。
【0015】
また、第1板部11及び第2板部12には、第2繊維16(図2参照)がマトリックス樹脂により固着されている。ここで、第2繊維とは、第1強化繊維よりも単位面積当たりのマトリックス樹脂との接合強度が小さく、第1強化繊維よりもマトリックス樹脂から剥離しやすい特性を有する繊維である。本実施形態では、第2繊維として、ケブラー繊維とも呼ばれるアラミド系繊維を用いている。なお、第2繊維は、アラミド系繊維に限られるものではなく、他の種類の繊維を用いてもよい。また、本実施形態で用いられるアラミド系繊維は、アラミドを繊維の主要材料とするものであればよく、アラミドに若干の添加剤等が加えられたり、他の材料が混入されてもよい。
【0016】
図2には、図1の領域Rが拡大して示されている。第1板部11は、第1強化繊維基材15及び第2繊維16にマトリックス樹脂17を含浸してから固化することにより形成されており、側板部13は、第1強化繊維基材15にマトリックス樹脂17を含浸してから固化することにより形成されている。ここで、第1強化繊維基材15は、平織りで編みこまれており、2つの異なる方向(第1,第2の方向)に延びる強化繊維15A,15Bからなる。第1板部11及び側板部13において、第1の方向に延びる第1強化繊維15Aは、第1板部11の長手方向に対して+45°に傾斜しており、第2の方向に延びる第1強化繊維15Bは、第1板部11の長手方向に対して−45°に傾斜している。よって、第1の方向に延びる第1強化繊維15Aと、第2の方向に延びる第1強化繊維15Bとは、互いに直交している。
【0017】
なお、図示していないが、第1板部11及び側板部13には、第1板部11の長手方向に沿って延設された第1強化繊維や、第1板部11の長手方向に対して90°に傾斜した方向に延設された第1強化繊維なども含まれており、あらゆる方向に強化されている。より詳しく説明すると、複数の第1強化繊維15A,15Bにおいて、長手方向に対して40°〜50°で傾斜している繊維15A,15Bの本数が、全本数の60%以上を占めており、残りの繊維15A,15Bが他の方向に延設されている。
【0018】
また、多数の第2繊維16のそれぞれは、第1板部11の長手方向に沿って、第1板部11の板面の各部に延設されている。多数の第2繊維群16には、繊維長さが異なる複数種類の繊維が含まれており、繊維長さにバラツキが付与されている。一例として、具体的には、多数の第2繊維16には、繊維長さが2cmの第2繊維16Aと、繊維長さが4cmの第2繊維16Bと、繊維長さが6cmの第2繊維16Cと、繊維長さが8cmの第2繊維16Dとが含まれている。
【0019】
各第2繊維16A〜16Dのそれぞれは、数本〜数十本の単繊維が束ねられたものであり、第1板部11の幅方向に所定間隔ごとに配列されている。このように配列された第2繊維16A〜16Dを製作するためは、数本〜数十本の単繊維が束ねられた繊維束を所定間隔ごとに平行に配列してから、繊維束を互いにポリエステル糸で繋ぎ、繊維束の各部を切断することにより繊維長さを2cm,4cm,6cm,8cmとすればよい。このようにすれば、繊維長さが短い第2繊維16A〜16Dを、比較的容易に第1板部11に配置することができる。
【0020】
なお、第2板部12は、第1板部11と同じ構造である。つまり、第2板部12は、第1強化繊維基材15及び第2繊維16にマトリックス樹脂17を含浸してから固化することにより形成されている。第2板部12の構造については、上述した第1板部11の詳細な説明を参照することとして、第2板部12の詳細な説明を省略する。
【0021】
上述したFRP構造体10が、車両のドア、ロッカー、ピラーなどに用いられた場合には、車両の衝突時に、FRP構造体10には図3に示されるような荷重が作用する。つまり、FRP構造体10は、両端付近で支持部材A1,A2により支持されているため、FRP構造体10がその中央付近で他部材A3から押圧されると、FRP構造体10は全体として撓む。このとき、第1板部11にはその長手方向に引張り力が作用し、第2板部12にはその長手方向に圧縮力が作用する。また、側板部13では、その板面において長手方向に対して45°傾斜した方向が主応力方向となり、主応力方向で引張り力が最大となる。
【0022】
車両の衝突時に、FRP構造体10の撓みが徐々に大きくなると、上述したFRP構造体10は、次に説明するように変化する。先ず、FRP構造体10の撓みが徐々に大きくなると、第1板部11に作用する引張り力が徐々に増大して、繊維長さが最短であり、表面積(言い換えればマトリックス樹脂17と接合する面積)が最も小さい第2繊維16Aが、マトリックス樹脂17から剥離する。さらに、第1板部11に作用する引張り力が増大すると、2番目に短い第2繊維16B、3番目に短い第2繊維16C、繊維長さが最長の第2繊維16Dの順に、マトリックス樹脂17から剥離する。このように、引張り力の増大に応じて、マトリックス樹脂17から剥離した第2繊維16A〜16Dの本数が増加する。
【0023】
第1板部11に作用する引張り力が徐々に増大して、各第2繊維16A〜16Dがマトリックス樹脂17から剥離していく間に、第1板部11にある第1強化繊維基材15も同様に引張り力を受ける。但し、第1板部11において第1強化繊維15A,15Bの繊維方向は長手方向に対して45°傾斜しているため、長手方向に10%〜20%程度延伸可能であり、引張り力により切断されない。
【0024】
一方、FRP構造体10の撓みが徐々に大きくなると、側板部13の主応力方向に作用する引張り力が徐々に増大する。これに対して、側板部13にある第1強化繊維15A,15Bは主応力方向に延設されているため、第1強化繊維15A,15BはFRP構造体10の曲げ剛性を高めている。各第2繊維16A〜16Dがマトリックス樹脂17から剥離していく間には、側板部13にある第1強化繊維15A,15Bは切断されないが、各第2繊維16A〜16Dがマトリックス樹脂17から剥離した後に、第1強化繊維15A,15Bに作用する引張り応力が破断応力に至って、第1強化繊維15A,15Bが破断する。
【0025】
上述したようにFRP構造体10が変化した際の、FRP構造体10の変形量と荷重の関係を、図4に概略的に示す。従来技術に係るFRP構造体では、あまり変形せずに破断してしまう。これに対して、上述した実施形態に係るFRP構造体10では、大きく変形してから破断する。よって、FRP構造体10を、高強度で且つエネルギーを吸収する構造とすることができる。
【0026】
上述した実施形態では、繊維長さが異なる複数種類の第2繊維16A〜16Dを全て同じ方向に延設したが、本発明はこれに限定されない。例えば、第2繊維を全て同じ繊維長さとして、第2繊維を複数の異なる方向に延設してもよい。例えば、第2繊維の一部については第1板部11の長手方向と同方向に延設し、第2繊維の他の一部については第1板部の長手方向から30°傾斜した方向に延設し、第2繊維の他の一部については第1板部の長手方向から60°傾斜した方向に延設し、第2繊維の他の一部については第1板部の長手方向から90°傾斜した方向に延設する。
【0027】
このように第2繊維を同じ繊維長さとして、第2繊維を複数の異なる方向に延設した場合には、第2繊維が延設された方向によって第2繊維がマトリックス樹脂から剥離する引張り力が異なる。よって、引張り力の増大に応じてマトリックス樹脂から剥離した本数が増加するため、FRP構造体には変形に伴ってエネルギーを吸収する特性を付与することができ、FRP構造体を高強度で且つエネルギーを吸収する構造とすることができる。さらに、他の実施形態では、第2繊維を複数の異なる繊維長さとして、第2繊維を複数の異なる方向に延設しても、同様に、FRP構造体を高強度で且つエネルギーを吸収する構造とすることができる。
【0028】
次に、上述した実施形態に係るFRP構造体10の製造方法について説明する。FRP構造体10は様々な方法で製造することができるが、ここではその一例としてRTM成形法(Resin Transfer Molding)による製造方法について説明する。
【0029】
先ず、プリフォーム工程では、炭素繊維のドライファイバーを編んで作られた織物と、異なる繊維長さを有する複数種類のアラミド短繊維束を簾状にポリエステル糸で繋いだ一方向材と、を交互に重ね合わせて積層マットを形成する。そして、積層マットをコルゲート状に折り曲げてから、粘性のある粉末状の樹脂を用いて仮固着することで、プリフォームを形成する。
【0030】
次に、デバルク工程では、成形型の下型にプリフォームを載せてから、プリフォームを成形型の上型で押え込んで密閉する。次に、注入工程では、成形型内を真空引きしてから、エポキシ樹脂を注入する。次に、キュア工程では、成形型を昇温して、エポキシ樹脂をキュア(固化)させる。これにより、本実施形態の炭素繊維強化樹脂(CFRP)が形成される。次に、脱型肯定では、成形型を開き、CFRPを取り出す。次に、トリミング工程では、CFRPから周辺部を削り取り、所望の製品形状とする。
【0031】
次に、第2実施形態に係るFRP構造体について説明する。図5に示されるように、第2実施形態のFRP構造体20は、ハット型ビームである。より詳しく説明すると、FRP構造体20は、間隔を空けて同方向に延びる2筋の第1板部21と、第1板部21と平行に延びる1筋の第2板部22と、第1板部21の端部から第2板部22の端部までを横幅として延びる2筋の側板部23と、を備えている。そして、第1実施形態と同様に、第1板部21及び第2板部22は、第1強化繊維基材及び第2繊維にマトリックス樹脂を含浸してから固化することにより形成されており、側板部23は、第1強化繊維基材にマトリックス樹脂を含浸してから固化することにより形成されている。
【0032】
次に、第3実施形態に係るFRP構造体について説明する。図6に示されるように、第2実施形態のFRP構造体30は、I型ビームである。より詳しく説明すると、FRP構造体30は、1筋の第1板部31と、第1板部31と平行に延びる第2板部32と、第1板部31の中央から第2板部32の中央までを横幅として延びる側板部33と、を備えている。そして、第1実施形態と同様に、第1板部31及び第2板部32は、第1強化繊維基材及び第2繊維にマトリックス樹脂を含浸してから固化することにより形成されており、側板部33は、第1強化繊維基材にマトリックス樹脂を含浸してから固化することにより形成されている。
【0033】
次に、第4実施形態に係るFRP構造体について説明する。図7に示されるように、第2実施形態のFRP構造体40は、箱型ビームである。より詳しく説明すると、FRP構造体40は、1筋の第1板部41と、第1板部41と平行に延びる第2板部42と、第1板部41の端部から第2板部42の端部までを横幅として延びる2筋の側板部43と、を備えている。そして、第1実施形態と同様に、第1板部41及び第2板部42は、第1強化繊維基材及び第2繊維にマトリックス樹脂を含浸してから固化することにより形成されており、側板部43は、第1強化繊維基材にマトリックス樹脂を含浸してから固化することにより形成されている。
【0034】
上述した第2〜第4実施形態のFRP構造体20,30,40でも、FRP構造体20,30,40の撓みが徐々に大きくなると、第1板部21,31,41に作用する引張り力が徐々に増大して、第2繊維が、繊維長さが短い順にマトリックス樹脂から剥離し、マトリックス樹脂から剥離した第2繊維の本数が増加する。そして、各第2繊維がマトリックス樹脂から剥離した後に、第1強化繊維に作用する引張り応力が破断応力に至って、第1強化繊維が破断する。よって、FRP構造体20,30,40を高強度で且つエネルギーを吸収する構造とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【0035】
【図1】第1実施形態に係るFRP構造体の斜視図である。
【図2】第1実施形態に係るFRP構造体の拡大図である。
【図3】FRP構造体に荷重が作用する様子を示す斜視図である。
【図4】FRP構造体の変形量と荷重の関係を示すグラフである。
【図5】第2実施形態に係るFRP構造体の斜視図である。
【図6】第3実施形態に係るFRP構造体の斜視図である。
【図7】第4実施形態に係るFRP構造体の斜視図である。
【符号の説明】
【0036】
10,20,30,40…FRP構造体、11,21,31,41…第1板部、12,22,32,42…第2板部、13,23,33,43…側板部、15…第1強化繊維基材、15A,15B…第1強化繊維、16,16A,16B,16C,16D…第2繊維、17…マトリックス樹脂。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
固化されたマトリックス樹脂と、
前記マトリックス樹脂により形状維持された第1強化繊維基材と、
前記マトリックス樹脂に接合され、引張り力の増大に応じて前記マトリックス樹脂から剥離した本数が増加する複数の第2繊維と、
で構成されることを特徴とする繊維強化プラスチック構造体。
【請求項2】
前記複数の第2繊維は、異なる繊維長さを有する複数種類の繊維を含んでおり、引張り力の増大に応じて前記マトリックス樹脂から剥離した本数が増加することを特徴とする請求項1に記載の繊維強化プラスチック構造体。
【請求項3】
前記複数の第2繊維は、異なる繊維方向を有する複数種類の繊維を含んでおり、引張り力の増大に応じて前記マトリックス樹脂から剥離した本数が増加することを特徴とする請求項1に記載の繊維強化プラスチック構造体。
【請求項4】
前記第1強化繊維基材を形成する複数の第1強化繊維では、引張り力が作用する方向に対して40°〜50°で傾斜している繊維の本数が、全本数の60%以上であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の繊維強化プラスチック構造体。
【請求項5】
前記第2繊維は、アラミド系繊維であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の繊維強化プラスチック構造体。



【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【公開番号】特開2007−168122(P2007−168122A)
【公開日】平成19年7月5日(2007.7.5)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−365103(P2005−365103)
【出願日】平成17年12月19日(2005.12.19)
【出願人】(000003207)トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Fターム(参考)】