繊維強化複合材料とその製造方法

【課題】３次元形状の繊維強化複合材料に関して、その中間製品であるプリフォームを、シワのない良好な状態で形成できるようにして、繊維強化複合材料の強度を向上する。
【解決手段】繊維強化複合材料は、繊維基材２を賦形型３に密着させて３次元形状のプリフォーム１を形成する賦形過程と、プリフォーム１に溶融樹脂を含浸させる樹脂含浸過程と、溶融樹脂を硬化させる硬化過程とを経て得ることができる。繊維基材２は、ダミー中央糸７が組糸５・６の間に組み込まれた組物からなる。賦形過程において、ダミー中央糸７を繊維基材２の一端から抜き出しながら、繊維基材２を賦形型３に密着させて賦形することにより、３次元形状のプリフォーム１を形成する。組物からなる繊維基材２においては、賦形型３の形状に対応して組糸５・６が動くので、シワのないプリフォーム１を得ることができる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元形状の繊維強化複合材料とその製造方法に関し、その中間製品であるプリフォームの賦形過程に特徴を有する。
【背景技術】
【０００２】
３次元形状の繊維強化複合材料のプリフォームを得る際には、作製が容易な２次元形状の繊維基材を、当該３次元形状を有する賦形型に密着させて賦形する手法が多く採られている。このことは、例えば特許文献１および２などに公知である。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１８８７９１号公報
【特許文献２】特開２００７−１４４９９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記手法によれば、もともとは２次元形状の繊維基材を３次元形状に変形させるため、繊維基材には若干のシワが生じる。ここでシワとは、繊維が極端に折り曲げられた状態を指す。このシワは、プリフォームの形状が複雑になるほど大きくなり、後にプリフォームを繊維強化複合材料とした場合に、当該複合材料の強度低下の原因となる。シワが生じないように、２次元形状の繊維基材に切れ目を設けてから、３次元形状の賦形型に密着させることも考えられるが、その場合は、当該切れ目が新たに強度低下の原因になってしまう。
【０００５】
本発明の目的は、プリフォームを得る賦形過程において、シワのない良好な状態のプリフォームを得ることができるようにすることで、繊維強化複合材料の強度を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、繊維基材を賦形型に密着させて３次元形状のプリフォームを形成する賦形過程と、プリフォームに溶融樹脂を含浸させる樹脂含浸過程と、溶融樹脂を硬化させる硬化過程とを経て得られる３次元形状の繊維強化複合材料に関する。繊維基材は、組糸の間にダミー中央糸が組み込まれた組物からなる。賦形過程において、ダミー中央糸を繊維基材の一端から抜き出しながら、繊維基材を賦形型に密着させて賦形することにより、３次元形状のプリフォームが形成してあることを特徴とする。
【０００７】
プリフォームが少なくともひとつの屈折線を有し、かつ、屈折線と屈折線に連続する繊維基材面とのうち少なくとも一方が湾曲する３次元形状に形成されている形態を採ることができる。
【０００８】
繊維基材が、組糸の間にダミー中央糸が組み込んである平打組物からなる形態を採ることができる。もしくは繊維基材が、組糸の間にダミー中央糸が組み込んである丸打組物からなる形態を採ることができる。後者の場合は、賦形過程に先行して、丸打組物を扁平に押し潰して２層状に形成し、賦形過程において、得られた２層状の繊維基材を賦形型に密着させて、プリフォームを形成する。
【０００９】
また本発明は、ダミー中央糸が組糸の間に組み込まれた組物からなる繊維基材を、賦形型に密着させて３次元形状のプリフォームを形成する賦形過程と、プリフォームに溶融樹脂を含浸させる樹脂含浸過程と、溶融樹脂を硬化させる硬化過程とを含む繊維強化複合材料の製造方法に関する。賦形過程において、ダミー中央糸を繊維基材の一端から抜き出しながら、繊維基材を賦形型に密着させて賦形することにより、３次元形状のプリフォームを形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明では、プリフォームとなる繊維基材として組物を採用する。組物を構成する２方向の組糸は、織物を構成する緯糸と経糸に比べて互いに動き易く、交差角度が変化し易いという特徴がある。この組糸の動きによれば、繊維基材の作製段階での組糸の配列を乱すことなく、繊維基材の全体形状を変化させることができる。つまり織物の場合は、３次元形状の賦形型に正確に密着させようとすると、シワが生じるのを避けられないが、組物の場合は、賦形型の形状に対応して組糸が動くので、正確に密着させてもシワが生じない。したがって、シワのない良好な状態のプリフォームを得ることができる。そして、シワのないプリフォームは、繊維強化複合材料とした場合の強度が高い。以上のように、本発明は、中間製品であるプリフォームの品質を改善することにより、最終製品である繊維強化複合材料の強度を向上させるものである。
【００１１】
更に本発明では、組糸の間にダミー中央糸が組み込まれており、プリフォームを得る賦形過程では、このダミー中央糸を抜き出しながら、繊維基材を賦形型に密着させて賦形する。つまり、繊維基材を賦形する直前までは、組糸をダミー中央糸で拘束することができるので、賦形前の組糸の不用意なズレ動きを防止できる。また、ダミー中央糸で繊維基材を保形できるので、繊維基材を賦形型上に配置する際などの取り扱い性が向上する。
【００１２】
本発明のように、繊維基材として組物を採用すると、複雑な３次元形状のプリフォーム、具体的には、ひとつの屈折線を有し、かつ、屈折線と屈折線に連続する繊維基材面とのうち少なくとも一方が湾曲する３次元形状のプリフォームであっても、シワのない良好な状態で形成することができる。したがって、形状が複雑であるにもかかわらず、強度の高い３次元形状の繊維強化複合材料を得ることができる。
【００１３】
繊維基材を平打組物とした場合は、賦形前の加工を必要とせず、その状態のままで賦形型に密着させて賦形することができるので、繊維強化複合材料の製造工程の最小限化を図ることができる。一方、繊維基材を丸打組物とした場合は、扁平に押し潰すという簡単な作業で２層状に形成することができ、プリフォームの強度、すなわち、繊維強化複合材料の強度を容易に高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
（第１実施形態）本発明に係る繊維強化複合材料とその製造方法の第１実施形態を、図１から図６を用いて説明する。図２は、繊維強化複合材料の中間製品であるプリフォーム１を示している。このプリフォーム１は、ひとつの屈折線１０を有するとともに、この屈折線１０が部分円弧状に形成されており、断面はＶ字形状を呈する。換言すれば、一対の円弧形帯板の外周側の円弧どうしが互いに繋がった形状を呈している。図２において符号１１は、Ｖ字断面の遊端の集合である遊端線を示す。
【００１５】
プリフォーム１は、図３に示す２次元形状の平打組物（繊維基材）２を、該プリフォーム１の形状に対応して成形された、図４に示す賦形型３に密着させて賦形することにより、得ることができる。平打組物２は、組角度が異なる２種類の組糸５・６を組み合わせて、全体として帯状に形成される。各組糸５・６は、複数のガラス繊維あるいはカーボン繊維などを束ねた繊維束である。かかる平打組物２は、例えば特開平４−２５７３３９号公報に開示された方法で得ることができる。
【００１６】
組糸５・６の間には、平打組物２の長手方向に伸びるダミー中央糸７が組み込まれている。このダミー中央糸７によれば、組糸５・６を拘束して、組糸５・６の不用意なズレ動きを防止できる。ダミー中央糸７は、平打組物２の幅方向両端部にそれぞれ１本ずつ配設されており、両端部が平打組物２から食み出している。この食み出した端部を把持して平打組物２から離れる方向に引くことにより、ダミー中央糸７を平打組物２から抜き出すことができる。ダミー中央糸７は、組糸５・６とは色彩が異なっており、目視により容易に判別することができる。このダミー中央糸７は、組糸５・６のように繊維束である必要はなく、例えばプラスチック製のテープなどであってもよい。またダミー中央糸７は、平打組物２を持ち運ぶ際の取り扱い性を向上するため、組糸５・６よりも硬質に形成されている。
【００１７】
図１は、平打組物２を賦形型３の３次元形状に合致して賦形することによりプリフォーム１を得る賦形過程の様子を示している。具体的には、ダミー中央糸７を平打組物２の一端から抜き出しながら、ダミー中央糸７による拘束から開放された組糸５・６を賦形型３に密着させており、これらの作業はいずれも手作業で行われる。平打組物２を密着させる作業は、屈折線１０となる折り目を先に設けてから行うこともできる。
【００１８】
図５は、賦形過程が完了してプリフォーム１が完成した状態を示している。図５において（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図であり、プリフォーム１が賦形型３に確りと密着していることを示すものである。プリフォーム１は、賦形型３に密着した状態のまま、プリフォーム１に溶融樹脂を含浸させる樹脂含浸過程に移される。次いで、この溶融樹脂を加熱により硬化させる硬化過程と、温度低下後の離型過程を経て、目的の繊維強化複合材料を得ることができる。
【００１９】
図６は、平打組物２を賦形して３次元形状のプリフォーム１とすることにより、組糸５・６の交差角度および幅方向寸法が変化する様子を示している。図６において（ａ）は平打組物２を示し、（ｂ）はプリフォーム１を示している。ここで、組糸５・６の交差角度とは、組糸５・６の長手方向の中心線どうしがなす角のうち小さい方の角度を指し、組糸５・６の幅方向とは、前記中心線に直交する方向を指す。
【００２０】
図６（ａ）に示すように、平打組物２における組糸５・６の交差角度θ１および幅寸法Ｗ１は、任意の位置で等しい。これに対し、図６（ｂ）に示すように、プリフォーム１における組糸５・６の交差角度は、交差箇所がプリフォーム１の屈折線１０に近寄るほど小さくなっている。平打組物２における交差角度θ１と比較すると、屈折線１０上における組糸５・６の交差角度θ２はθ１より小さく、遊端線１１上における交差角度θ３はθ１より大きい。また、プリフォーム１における組糸５・６の幅寸法は、屈折線１０に近寄るほど大きくなっている。平打組物２における幅寸法Ｗ１と比較すると、屈折線１０上における組糸５・６の幅寸法Ｗ２はＷ１より大きく、遊端線１１上における幅寸法Ｗ３はＷ１より小さい。プリフォーム１および平打組物２の全体をみると、屈折線１０の長さ寸法は、平打組物２の長手方向寸法よりも大きく、遊端線１１の長さ寸法は、平打組物２の長手方向寸法よりも小さい。
【００２１】
組糸５・６の幅寸法が変化するのは、上述のように組糸５・６が繊維束からなるためであり、幅寸法が変化すると、繊維密度にも変化が生じる。繊維密度は、幅寸法が最大となるプリフォーム１の屈折線１０上において最も小さくなる。繊維密度が極端に小さくなると、繊維強化複合材料とした場合の強度の低下を招くおそれがあるため、平打組物２の作製時における組糸５・６の繊維密度は、屈折線１０上において繊維間に隙間が生じない程度、換言すれば、密着させた際に賦形型３が露出しない程度に設定することが望ましい。
【００２２】
以上のように本実施形態では、プリフォーム１となる繊維基材として平打組物２を採用する。平打組物２を構成する組糸５・６は互いに動き易く、交差角度が変化し易い。この組糸５・６の動きによれば、平打組物２の作製段階での組糸５・６の配列を乱すことなく、平打組物２の全体形状を変化させることができる。つまり、平打組物２では、賦形型３の形状に対応して組糸５・６が動くので、正確に密着させてもシワが生じない。したがって、シワのない良好な状態のプリフォーム１を得ることができる。そして、シワのないプリフォーム１は、繊維強化複合材料とした場合の強度が高い。
【００２３】
更に本実施形態では、組糸５・６の間にダミー中央糸７が組み込まれており、プリフォーム１を得る賦形過程では、このダミー中央糸７を抜き出しながら、平打組物２を賦形型３に密着させて賦形する。つまり、平打組物２を賦形する直前までは、組糸５・６をダミー中央糸７で拘束することができるので、賦形前の組糸５・６の不用意なズレ動きを防止できる。
【００２４】
（第２実施形態）本発明に係る繊維強化複合材料とその製造方法の第２実施形態を、図７および図８を用いて説明する。本実施形態は、プリフォーム１となる繊維基材として丸打組物２を採用する点が、先の第１実施形態と相違する。丸打組物２は、円筒状のマンドレル（不図示）に対して、組角度が異なる２種類の組糸５・６を螺旋状に巻き付けることにより、図７に想像線で示すように円筒状に作製される。マンドレル上に作製した丸打組物２は、マンドレルから分離した後、外周面側から扁平に押し潰して２層帯状に成形する。その後、賦形過程に移り、図８に示すように、得られた２層状の丸打組物２を賦形型３に密着させて賦形することにより、プリフォーム１を得ることができる。それ以外の点は先の第１実施形態と同様であるため、同様の部材には同様の符号を付して、その説明を省略する。
【００２５】
なお、上記第１および第２実施形態においてダミー中央糸７は２本であったが、その本数は、組物２の大きさやダミー中央糸７の太さなどに応じて変更することができる。ダミー中央糸７は、組糸５・６が不用意にズレ動かず、組物構造の安定化を図ることができる最少本数だけ配設することが最も好ましい。
【００２６】
（その他実施形態）図９から図１１は、本発明に係るプリフォーム１の他の形態を示す。図９に示すプリフォーム１は、部分円弧状に形成されたひとつの屈折線１０を有し、断面がＶ字形状を呈する点は先の第１実施形態と同一であるが、屈折線１０の湾曲方向が相違する。すなわち第１実施形態では、屈折線１０がＶ字断面の頂角方向（図５において上方向）に凸曲状に湾曲していたが、ここでは逆に凹曲状に湾曲している。換言すれば、図９のプリフォーム１は、一対の円弧形帯板の内周側の円弧どうしが互いに繋がった形状を呈している。
【００２７】
図１０に示すプリフォーム１も、その湾曲方向が、第１実施形態に係るプリフォーム１あるいは図９に示したプリフォーム１と相違する。ここでは、プリフォーム１の全体が、屈折線１０に連続する繊維基材面１５のほぼ厚み方向に湾曲している。換言すれば、図１０のプリフォーム１は、ほぼ厚み方向に屈曲した２枚の帯板の屈曲した縁どうしが互いに繋がった形状を呈している。
【００２８】
図１１に示すプリフォーム１は、２本の屈折線１０・１０を有する点が、これまでに示したプリフォーム１と大きく相違する。このように本発明では、屈折線１０どうしが交わらない限りは、屈折線１０は複数本であってもよい。図１１のプリフォーム１は、一対の円弧形帯板の外周側の円弧どうしが、凸曲状に湾曲した矩形帯板を介して繋がった形状を呈しており、矩形帯板は各円弧形帯板に対して直交している。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】第１実施形態に係る繊維基材を賦形する様子を示す図である。
【図２】第１実施形態に係るプリフォームの形態を示す斜視図である。
【図３】第１実施形態に係る繊維基材の構成を示す斜視図である。
【図４】第１実施形態に係る繊維基材を賦形する直前の様子を示す図である。
【図５】第１実施形態に係るプリフォームが完成した状態を示す図であり、（ａ）が正面図、（ｂ）が（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図６】組糸の構成を拡大して示す図であり、（ａ）が繊維基材、（ｂ）がプリフォームを示している。
【図７】第２実施形態に係る繊維基材の構成を示す斜視図である。
【図８】第２実施形態に係るプリフォームが完成した状態の縦断面図である。
【図９】プリフォームの他の形態を示す斜視図である。
【図１０】プリフォームの他の形態を示す斜視図である。
【図１１】プリフォームの他の形態を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３０】
１プリフォーム
２繊維基材（平打組物・丸打組物）
３賦形型
５組糸
６組糸
７ダミー中央糸
１０屈折線

【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維基材を賦形型に密着させて３次元形状のプリフォームを形成する賦形過程と、
前記プリフォームに溶融樹脂を含浸させる樹脂含浸過程と、
前記溶融樹脂を硬化させる硬化過程とを経て得られる３次元形状の繊維強化複合材料であって、
前記繊維基材が、組糸の間にダミー中央糸が組み込まれた組物からなり、
前記賦形過程において、前記ダミー中央糸を前記繊維基材の一端から抜き出しながら、前記繊維基材を前記賦形型に密着させて賦形することにより、３次元形状の前記プリフォームが形成してあることを特徴とする繊維強化複合材料。
【請求項２】
前記プリフォームが少なくともひとつの屈折線を有し、かつ、前記屈折線と前記屈折線に連続する繊維基材面とのうち少なくとも一方が湾曲する３次元形状に形成されている請求項１記載の繊維強化複合材料。
【請求項３】
前記繊維基材が、組糸の間にダミー中央糸が組み込んである平打組物からなる請求項１または２記載の繊維強化複合材料。
【請求項４】
前記繊維基材が、組糸の間にダミー中央糸が組み込んである丸打組物からなり、
前記賦形過程に先行して、前記丸打組物を扁平に押し潰して２層状に形成し、
前記賦形過程において、得られた２層状の前記繊維基材を前記賦形型に密着させて、前記プリフォームが形成してある請求項１または２記載の繊維強化複合材料。
【請求項５】
ダミー中央糸が組糸の間に組み込まれた組物からなる繊維基材を、賦形型に密着させて３次元形状のプリフォームを形成する賦形過程と、
前記プリフォームに溶融樹脂を含浸させる樹脂含浸過程と、
前記溶融樹脂を硬化させる硬化過程とを含む繊維強化複合材料の製造方法であって、
前記賦形過程において、前記ダミー中央糸を前記繊維基材の一端から抜き出しながら、前記繊維基材を前記賦形型に密着させて賦形することにより、３次元形状の前記プリフォームを形成することを特徴とする繊維強化複合材料の製造方法。
【請求項６】
前記プリフォームが少なくともひとつの屈折線を有し、かつ、前記屈折線と前記屈折線に連続する繊維基材面とのうち少なくとも一方が湾曲する３次元形状に形成されている請求項５記載の繊維強化複合材料の製造方法。
【請求項７】
前記繊維基材が、組糸の間にダミー中央糸が組み込んである平打組物からなる請求項５または６記載の繊維強化複合材料の製造方法。
【請求項８】
前記繊維基材が、組糸の間にダミー中央糸が組み込んである丸打組物からなり、
前記賦形過程に先行して、前記丸打組物を扁平に押し潰して２層状に形成し、
前記賦形過程において、得られた２層状の前記繊維基材を前記賦形型に密着させて、前記プリフォームを形成する請求項５または６記載の繊維強化複合材料の製造方法。

【図１】