繊維強化複合材料のプリフォーム及びその製造方法
【課題】曲げ部を有するプリフォームを取り扱う場合に曲げ部やその近傍が変形し難く、そのプリフォームを使用した繊維強化複合材料の曲げ部における強度低下を抑制することができる繊維強化複合材料のプリフォームを提供する。
【解決手段】プリフォーム１１は、連続繊維からなる二次元繊維基材が複数積層されて少なくとも２軸配向となる積層繊維群が、曲げ部１１ａと平面部１１ｂとが連続する立体的な形状に形成されている。二次元繊維基材はバインダ繊維１４ｂにより互いに接合されており、曲げ部１１ａのバインダ繊維量が他の部分のバインダ繊維量より多い。二次元繊維基材は、連続繊維からなる繊維束１４ａの外側にバインダ繊維１４ｂが螺旋状に巻き付けられた強化繊維１４で織られた織物で構成されている。
【解決手段】プリフォーム１１は、連続繊維からなる二次元繊維基材が複数積層されて少なくとも２軸配向となる積層繊維群が、曲げ部１１ａと平面部１１ｂとが連続する立体的な形状に形成されている。二次元繊維基材はバインダ繊維１４ｂにより互いに接合されており、曲げ部１１ａのバインダ繊維量が他の部分のバインダ繊維量より多い。二次元繊維基材は、連続繊維からなる繊維束１４ａの外側にバインダ繊維１４ｂが螺旋状に巻き付けられた強化繊維１４で織られた織物で構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維強化複合材料のプリフォーム及びその製造方法に係り、詳しくは曲げ部を有するプリフォームを使用する繊維強化複合材料のプリフォーム及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
繊維強化複合材料の製造方法として、例えば、ＲＴＭ（Resin Transfer Molding）法のように、予め所望の形状に賦形されたプリフォームを成形型内に配置した状態で、成形型内に注入孔から樹脂を注入してプリフォームに樹脂を含浸硬化させる方法がある。補強材（補強繊維）としてプリフォームを使用する場合は、プリフォームを取り扱う際や樹脂注入の際に形態が変形し易い。また、プリフォームをシート状の補強二次元繊維基材を積層して形成した場合には積層状態が変わってしまう問題もある。
【０００３】
前記の問題を改善するため、実質的に編み構造からなる補強繊維三次元プリフォームを、バインダ用ポリマーからなるスプリットフィルム状、目の粗い布状又は繊維状のバインダ成分で接着・補強したプリフォームが提案されている（特許文献１参照）。特許文献１には、補強部位として、シート状形態のプリフォームの片面、両面あるいは注入口付近の特に変形し易いところなど、目的と成形条件特に注入速度により好適なところを選択できるとしている。
【０００４】
また、プリフォームを、経糸及び緯糸で構成された補強繊維織物基材が積層された構成として、経糸及び緯糸の少なくとも一方に、熱可塑性ポリマーを線状に、かつ連続又は不連続に付着させて、前記補強繊維織物基材同士を接合一体化することが提案されている（特許文献２参照）。特許文献２には、熱可塑性ポリマーが経糸に螺旋状に巻き付くように連続して付着された補強繊維織物基材も開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平４−８９２０７号公報
【特許文献２】特開昭６３−１５２６３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、特許文献１においては、シート状形態以外の、曲げ部を有するプリフォームについては何ら考慮がなされていない。曲げ部を有するプリフォームを形成するため、シート状（平板状）のプリフォームを賦形型で賦形する際に、曲げ部の外側部分（曲率半径の大きな部分）と賦形型の面との間に隙間が生じる状態になる。そのプリフォームを樹脂含浸用の成形型内に配置して樹脂含浸を行うと、繊維強化複合材料は曲げ部の外側部分におけるマトリックス樹脂量が多くなり、その部分の強度が低下するという問題がある。また、曲げ部を有するプリフォームは、プリフォームを取り扱う場合に、曲げ部やその近傍が変形し易いという問題もある。しかし、特許文献２においても、これらの問題に関しては配慮がなされていない。
【０００７】
本発明は、前記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、曲げ部を有するプリフォームを取り扱う場合に曲げ部やその近傍が変形し難く、そのプリフォームを使用した繊維強化複合材料の曲げ部における強度低下を抑制することができる繊維強化複合材料のプリフォーム及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、繊維強化複合材料のプリフォームであって、前記プリフォームは、連続繊維からなる繊維基材が、曲げ部と平面部とが連続する立体的な形状に形成されるとともに、前記繊維基材はバインダにより繊維が互いに接合されており、前記曲げ部のバインダ量が他の部分のバインダ量より多い。ここで、「繊維基材」とは、平織物、綾織物等の織物、組紐あるいは編み物のように複数の糸あるいは繊維束が交差する状態で平面状に結合された繊維基材や、複数の糸あるいは繊維束が一方向に配列されて平面状に結合された繊維基材、さらにはブレーディング等により製造される三次元繊維基材を意味する。
【０００９】
この発明では、繊維基材を構成する繊維はバインダにより互いに接合されているため、曲げ部を有する立体的な形状に賦形されたプリフォームを搬送したり成形型内に配置したりするなどの取り扱いの際に、繊維基材を構成する繊維同士のずれが防止されるとともに曲げ部やその近傍がとくに変形し難い。また、繊維基材を賦形型で賦形して曲げ部を有するプリフォームを形成する際、繊維基材の曲げ部となる部分のバインダ量が他の部分のバインダ量より多いため、賦形後の曲げ部の形状安定性が増し、曲げ部の外側部分（曲率半径の大きな部分）と成形型の面との間に隙間が生じる状態にならない。そのため、プリフォームを樹脂含浸用の成形型内に配置して樹脂含浸を行った場合、繊維強化複合材料の曲げ部の外側部分におけるマトリックス樹脂量が多くなることに起因してその部分即ち曲げ部の強度が低下するということが抑制される。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記繊維基材は、連続繊維からなる繊維束の外側にバインダ繊維が螺旋状に巻き付けられた強化繊維で織られた織物を積層して構成され、前記曲げ部となる部分に使用される前記強化繊維のバインダ繊維の目付が他の部分に使用される前記強化繊維より大きい。
【００１１】
この発明では、繊維基材が織物の積層体で構成され、曲げ部となる部分に配置される強化繊維と、他の部分に配置される強化繊維としてバインダ繊維の目付が目的の値に設定されたものを使用することで、曲げ部のバインダ量や他の部分のバインダ量を目的の値にすることができる。したがって、繊維基材を形成した後に、粉状、粒状あるいは繊維状のバインダを繊維基材の表面に結合させた構成に比較して、製造が簡単になる。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記繊維基材は、前記プリフォームを構成する全層で同じ範囲に高バインダ付加部が形成されている。曲げ部の外側部分と成形型との隙間を生じさせないとの観点では、プリフォームは曲げ部のバインダ量が、少なくとも外側部分において他の部分のバインダ量より多く形成されていればよく、プリフォームを構成する全ての厚さで、曲げ部のバインダ量が他の部分のバインダ量より多く形成されている必要はない。しかし、バインダ量が異なる分布の複数種の織物（、具体的には、曲げ部と他の部分とでバインダ量の異なるものと、バインダ量が同じものの二種類の織物）を用いてプリフォームを形成する場合は、複数種の織物を形成するとともに適切な織物を選択して積層し、賦形する必要があり選択ミスが発生する虞がある。この発明では、繊維基材を構成する全ての織物が同じ範囲に高バインダ付加部が形成されているため、同じ構成の織物を所定枚数積層して賦形することで所望のプリフォームをミスなく形成することができる。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、連続繊維からなる繊維束の外側にバインダ繊維が螺旋状に巻き付けられた強化繊維を使用して、曲げ部となる部分のバインダ繊維量が他の部分のバインダ繊維量より多い繊維基材を形成する繊維基材形成工程と、前記繊維基材を賦形型により曲げ部と平面部とが連続する立体的な形状に賦形する積層・賦形工程とを備えている。
【００１４】
この発明では、繊維基材形成工程において、連続繊維からなる繊維束の外側にバインダ繊維が螺旋状に巻き付けられた強化繊維を使用して、曲げ部となる部分のバインダ繊維量が他の部分のバインダ繊維量より多い繊維基材が形成される。その後、積層・賦形工程において、繊維基材が賦形型により曲げ部と平面部とが連続する立体的な形状に賦形されてプリフォームが形成される。繊維基材は賦形型内で積層されても、賦形型の外で予め積層結合された後に賦形型内に配置されて、賦形型により賦形されても、ブレーディング等により三次元繊維基材として形成され、賦形型により賦形されてもよい。繊維基材は曲げ部となる部分のバインダ繊維量が他の部分のバインダ繊維量より多いため、賦形型で賦形される際、曲げ部の外側部分（曲率半径の大きな部分）と賦形型の面との間に隙間が生じる状態になるのが防止される。そのため、プリフォームを樹脂含浸用の成形型内に配置して樹脂含浸を行った場合、繊維強化複合材料の曲げ部の外側部分におけるマトリックス樹脂量が多くなることに起因して、その部分即ち曲げ部の強度が低下するということが抑制される。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記繊維基材形成工程は、前記強化繊維を経糸及び緯糸として製織した織物を積層することにより前記繊維基材を形成し、バインダ繊維量を多くすべき部分の製織時には、緯糸を目付が大きなバインダ繊維が巻き付けられた強化繊維に代えて製織を行う。
【００１６】
強化繊維を経糸及び緯糸として製織した織物を積層することにより、特定の部分のバインダ繊維量が他の部分のバインダ繊維量より多くなる繊維基材を形成する場合、一部の経糸にバインダ繊維量の多い強化繊維を使用する方法と、特定の挿入部分において緯糸としてバインダ繊維量の多い強化繊維を使用する方法が考えられる。しかし、一部の経糸にバインダ繊維量の多い強化繊維を使用する方法では、異なるバインダ繊維量となる繊維基材を形成するたびに、経糸の交換を行う必要があり、準備に手間がかかる。この発明では、バインダ繊維量を多くすべき部分の製織時には、緯糸を目付が大きなバインダ繊維が巻き付けられた強化繊維に代えて製織を行うことにより、経糸の交換を行うことなしに、曲げ部になる部分のバインダ繊維量が所望の値になる繊維基材を形成することができる。したがって、異なるバインダ繊維量の繊維基材の形成を、経糸を変更する場合に比べて準備に手間がかからずに行うことができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、曲げ部を有するプリフォームを取り扱う場合に曲げ部やその近傍が変形し難く、そのプリフォームを使用した繊維強化複合材料の曲げ部における強度低下を抑制することができる繊維強化複合材料のプリフォームを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】（ａ）は一実施形態のプリフォームの模式斜視図、（ｂ），（ｃ）はバインダ繊維が巻き付けられた強化繊維の模式斜視図。
【図２】（ａ）はバインダ繊維が巻き付けられた強化繊維で平織物状に形成された二次元繊維基材の部分模式図、（ｂ）は二次元繊維基材が積層された状態の模式断面図。
【図３】曲げ部のバインダ量を多くせずに平板状の積層繊維群を賦形型で賦形した際の曲げ部の状態を示す模式断面図。
【図４】別の実施形態における織物の模式図。
【図５】別の実施形態における二次元繊維基材の模式図。
【図６】図５の二次元繊維基材の積層状態を示す模式図。
【図７】（ａ）は別の実施形態における二次元繊維基材の模式図、（ｂ）は二次元繊維基材の積層状態を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図１〜図３にしたがって説明する。
図１（ａ）に示すように、プリフォーム１１は、曲げ部１１ａと平面部１１ｂとが連続する立体的な形状、この実施形態では断面Ｌ字状に形成されている。プリフォーム１１は、連続繊維からなる繊維基材（この実施形態では二次元繊維基材が複数積層された少なくとも２軸配向となる積層繊維群）を賦形することにより形成されている。
【００２０】
図２（ａ）に示すように、二次元繊維基材１２は、連続繊維からなる繊維束１４ａの外側にバインダとしてのバインダ繊維１４ｂが螺旋状に巻き付けられた強化繊維１４で織られた織物で構成されている。この実施形態では織物として平織物が採用されている。
【００２１】
図２（ｂ）に示すように、積層繊維群１３は、二次元繊維基材１２がバインダ繊維１４ｂにより互いに接合されることで構成されており、曲げ部１１ａとなる部分のバインダ量が他の部分のバインダ量より多くなるように構成されている。曲げ部１１ａとなる部分とは、厳密に湾曲部（Ｒ部）のみに限らず、湾曲部の近傍の平面部１１ｂの部分も含む。そして、好ましくは曲げ部１１ａのみではなく、曲げ部１１ａの近傍の平面部１１ｂの部分のバインダ量も他の部分より多くなるように構成される。
【００２２】
曲げ部１１ａとなる部分に使用される強化繊維１４は、バインダ繊維１４ｂの目付が他の部分に使用される強化繊維１４より大きく形成されている。例えば、図１（ｂ）及び図１（ｃ）に示すように、同じバインダ繊維１４ｂを使用するとともに、繊維束１４ａに巻き付けられるバインダ繊維１４ｂのピッチを変更することで、強化繊維１４におけるバインダ繊維１４ｂの目付が所望の値に設定されている。
【００２３】
積層繊維群１３は、同じ部分を構成する強化繊維１４のバインダ繊維１４ｂの巻き付けピッチが同じになるように構成された二次元繊維基材１２が積層されて形成されている。即ち、二次元繊維基材１２は、プリフォーム１１を構成する全層で同じ範囲に高バインダ付加部が形成されている。
【００２４】
強化繊維１４を構成する繊維束１４ａとしては軽量で破断強度が高く、弾性率の大きい例えば炭素繊維の無撚りの繊維束（ロービング）が使用される。炭素繊維束は細い繊維が数百〜数万本束ねられて１本の繊維束が構成されており、要求性能に適した繊維の本数の繊維束が選択される。
【００２５】
強化繊維１４を構成するバインダ繊維１４ｂには、積層繊維群１３を賦形型で賦形する際の加熱温度で溶融可能な熱可塑性樹脂繊維（熱融着糸）が使用される。例えば、熱融着糸としてユニチカ製のエスポランが挙げられる。
【００２６】
繊維束１４ａにバインダ繊維１４ｂが螺旋状に巻き付けられた強化繊維１４は、例えば、ボビンに巻き付けられた状態の炭素繊維束を別のボビンに巻き付ける際に、熱融着糸をボビンから繰り出して螺旋状に巻き付けることにより形成される。バインダ繊維１４ｂの巻き付けピッチは、繊維束１４ａを構成する連続繊維の本数、熱融着糸の太さ、目的とするバインダ繊維１４ｂの必要量等に応じて適宜設定され、強化繊維１４のバインダ繊維の目付を大きくする場合はピッチを小さくする。なお、繊維束１４ａはボビンやガイド部材に押圧されることにより扁平になって幅が拡がるが、バインダ繊維１４ｂのピッチがあまり狭くなると繊維束１４ａが拡がり難くなる。そのため、バインダ繊維１４ｂの巻き付けピッチは繊維束１４ａが拡がるのを妨げない大きさに設定される。
【００２７】
また、バインダ繊維１４ｂの繊維束１４ａに対する割合は、０．５〜５重量％の範囲が好ましい。バインダ繊維１４ｂの割合が０．５％より小さくなると、プリフォーム１１を取り扱う際に形態安定性が不十分になる。また、バインダ繊維１４ｂの割合が５％より大きくなると、そのプリフォーム１１を使用した繊維強化複合材の物性に悪影響を与え易くなる。本実施形態では、曲げ部１１ａのバインダ量は４〜５重量％程度、平面部１１ｂのバインダ量は０．５〜１重量％としている。
【００２８】
次に前記のように構成されたプリフォーム１１の製造方法を説明する。プリフォーム１１の製造方法は、二次元繊維基材形成工程と、二次元繊維基材形成工程とを備えている。二次元繊維基材形成工程では連続繊維からなる繊維束１４ａの外側にバインダ繊維１４ｂが螺旋状に巻き付けられた強化繊維１４を使用して、曲げ部１１ａとなる部分のバインダ繊維量が他の部分のバインダ繊維量より多い二次元繊維基材１２を形成する。この実施形態では、織機を用いて、強化繊維１４を経糸及び緯糸として織物を製織することにより二次元繊維基材１２を形成する。経糸にはバインダ繊維の目付が全て同じ強化繊維１４が使用される。また、バインダ繊維量を多くすべき部分の製織時には、緯糸をバインダ繊維１４ｂの目付が大きな強化繊維１４に代えて製織を行う。この実施形態では曲げ部１１ａとなる部分が織物の長手方向に所定間隔で存在する織物が製織される。そして、製織された織物をバインダ繊維量の大きな部分が所定の位置になるように切断することにより、二次元繊維基材１２が形成される。
【００２９】
特定の部分のバインダ繊維量が他の部分のバインダ繊維量より多くなる二次元繊維基材１２を形成する場合、一部の経糸にバインダ繊維量の多い強化繊維１４を使用する方法も考えられる。しかし、一部の経糸にバインダ繊維量の多い強化繊維１４を使用する方法では、異なるバインダ繊維量となる二次元繊維基材１２を形成するたびに、経糸の交換を行う必要があり、準備に手間がかかる。しかし、この実施形態の方法では、経糸には全て同じ強化繊維１４が使用されるため、異なるバインダ繊維量となる二次元繊維基材１２を形成する場合でも経糸の交換を行う必要がない。
【００３０】
積層・賦形工程では二次元繊維基材１２を複数積層して積層繊維群１３を形成した後、積層繊維群１３を賦形型により曲げ部１１ａと平面部１１ｂとが連続する立体的な形状に賦形する。二次元繊維基材１２は賦形型内で積層されても、賦形型の外で予め積層された後、賦形型内に配置されてもよい。賦形型の外で予め積層する場合は、積層された積層繊維群１３を加圧加熱して、バインダ繊維１４ｂにより隣接する二次元繊維基材１２同士が結合された状態で賦形型内に配置するのが好ましい。そして、賦形型内に配置された積層繊維群１３は、賦形型により加熱加圧されて所定の立体形状に賦形される。
【００３１】
積層された二次元繊維基材１２からなる積層繊維群１３が賦形型により加圧加熱されて賦形される際、バインダ繊維１４ｂは少なくとも一部が溶融状態となる。そして、曲げ部１１ａとなる部分のバインダ繊維量が他の部分のバインダ繊維量より多いため、賦形後の曲げ部１１ａの形状安定性が確保される。なお、曲げ部１１ａに加えて平面部１１ｂのバインダ量をも増やすことも考えられるが、その場合にはプリフォーム１１に使用する総バインダ量が増加してしまいコスト的に不利になるのに加え、バインダが繊維強化複合材の物性に悪影響を及ぼす可能性が高くなる。
【００３２】
プリフォーム１１は、樹脂含浸硬化工程において熱硬化性樹脂が含浸硬化されて繊維強化複合材料が形成される。樹脂の含浸硬化は、例えば、ＲＴＭ法で行われる。プリフォーム１１を樹脂含浸用の成形型内に配置した場合、曲げ部１１ａの形状安定性により、プリフォーム１１を成形型に配置する際にも曲げ部１１ａの外側部分の形状が崩れることがなく、プリフォーム１１は曲げ部の外側部分（曲率半径の大きな部分）と成形型の内面との間に隙間が生じない状態で配置され、樹脂含浸を行った場合、繊維強化複合材料の曲げ部の外側部分におけるマトリックス樹脂量が多くならず、曲げ部の強度が低下するということが抑制される。繊維強化複合材料のマトリックス樹脂としては、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等の熱硬化性樹脂が使用される。
【００３３】
この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）プリフォーム１１は、連続繊維からなる二次元繊維基材１２が複数積層されて少なくとも２軸配向となる積層繊維群１３が、曲げ部１１ａと平面部１１ｂとが連続する立体的な形状に形成されるとともに、二次元繊維基材１２はバインダにより互いに接合されている。したがって、曲げ部１１ａを有する立体的な形状に賦形されたプリフォーム１１を搬送したり成形型内に配置したりするなどの取り扱いの際に、積層された二次元繊維基材１２同士のずれが防止される。
【００３４】
（２）プリフォーム１１は、曲げ部１１ａのバインダ量が他の部分のバインダ量より多い。したがって、賦形後における積層された二次元繊維基材１２の曲げ部１１ａの形状安定性が確保される。そのため、プリフォーム１１を樹脂含浸用の成形型内に配置して樹脂含浸を行った場合、繊維強化複合材料の曲げ部の外側部分におけるマトリックス樹脂量が多くなることに起因して、その部分即ち曲げ部の強度が低下するということが抑制される。
【００３５】
（３）二次元繊維基材１２は、連続繊維からなる繊維束１４ａの外側にバインダ繊維１４ｂが螺旋状に巻き付けられた強化繊維１４で織られた織物で構成され、曲げ部１１ａとなる部分に使用される強化繊維１４のバインダ繊維１４ｂの目付が他の部分に使用される強化繊維１４より大きい。したがって、二次元繊維基材１２を形成した後に、粉状、粒状あるいは繊維状のバインダを二次元繊維基材１２の表面に結合させた構成に比較して、製造が簡単になる。また、粉状、粒状あるいは繊維状のバインダを二次元繊維基材１２の表面に結合させた構成に比較して、プリフォーム１１を成形型内に配置して熱硬化性樹脂の含浸硬化を行う際に、繊維束１４ａを扁平な状態に保持しやすい。
【００３６】
（４）強化繊維１４は連続繊維からなる繊維束１４ａの外側にバインダ繊維１４ｂが螺旋状に巻き付けられた構成であるため、バインダ繊維１４ｂの巻き付けピッチを変更することで、強化繊維１４におけるバインダ繊維１４ｂの目付を所望の値に設定することができる。したがって、プリフォーム１１を構成する二次元繊維基材１２間の接着力を所望の値に調整するのが容易になり、プリフォーム１１の賦形性及び形状保持性の制御が可能になる。
【００３７】
（５）バインダ繊維１４ｂは織物を構成する緯糸及び経糸の交差部において、緯糸及び経糸の接触面に位置する状態となる。そのため、製織された織物をバインダ繊維１４ｂが軟化して繊維束１４ａと接着する温度に加熱して、バインダ繊維１４ｂを繊維束１４ａに接着させることにより、強化繊維１４のほつれを防止することができる。
【００３８】
（６）二次元繊維基材１２は、プリフォーム１１を構成する積層繊維群１３の全層で同じ範囲に高バインダ付加部が形成されている。したがって、バインダ量が異なる分布の複数の二次元繊維基材１２を用いてプリフォーム１１を形成する場合と比べて、所望のプリフォーム１１をミスなく容易に形成することができる。
【００３９】
（７）プリフォーム１１の製造方法は、二次元繊維基材形成工程において連続繊維からなる繊維束１４ａの外側にバインダ繊維１４ｂが螺旋状に巻き付けられた強化繊維１４を使用して、曲げ部１１ａとなる部分のバインダ繊維量が他の部分のバインダ繊維量より多い二次元繊維基材１２を形成する。また、積層・賦形工程において二次元繊維基材１２を複数積層した積層繊維群１３を賦形型により曲げ部１１ａと平面部１１ｂとが連続する立体的な形状に賦形する。積層された二次元繊維基材１２は曲げ部１１ａとなる部分のバインダ繊維量が他の部分のバインダ繊維量より多いため、賦形型で賦形される際、曲げ部１１ａの外側部分（曲率半径の大きな部分）と賦形型１５の面との間に隙間Δが生じる状態になるのが防止される。したがって、プリフォーム１１を樹脂含浸用の成形型内に配置して樹脂含浸を行った場合、繊維強化複合材料の曲げ部の外側部分におけるマトリックス樹脂量が多くなることに起因して、その部分即ち曲げ部の強度が低下するということが抑制される。
【００４０】
（８）二次元繊維基材形成工程は、強化繊維１４を経糸及び緯糸として織物を製織することにより二次元繊維基材１２を形成し、バインダ繊維量を多くすべき部分の製織時には、緯糸を目付が大きなバインダ繊維１４ｂが巻き付けられた強化繊維１４に代えて製織を行う。したがって、バインダ繊維量を多くすべき部分の製織時にも、経糸の交換を行うことなしに、所望の二次元繊維基材１２を形成することができる。その結果、異なるバインダ繊維量の二次元繊維基材１２の形成を、経糸を変更する場合に比べて準備に手間がかからずに行うことができる。
【００４１】
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば次のように構成してもよい。
○ プリフォーム１１を形成する場合、１個のプリフォーム１１の大きさの二次元繊維基材１２を複数積層して形成するのではなく、複数個分の大きさの二次元繊維基材１２を複数積層して、複数個のプリフォーム１１が連続する状態で中間体を形成した後、その中間体を切断してプリフォーム１１を形成する場合が多い。その場合、プリフォーム１１の切断端部において強化繊維１４がほつれ易い。この不具合を防止するため、曲げ部１１ａのバインダ繊維量だけでなく、プリフォーム１１の切断端部となる部分のバインダ繊維量も他の部分のバインダ繊維量より多くしてもよい。例えば、図４に示すように、織物１６は、曲げ部対応部分１６ａの他、切断対応部分１６ｂのバインダ繊維量も他の部分のバインダ繊維量より多くする。また、織物の幅方向両端部も切断する場合は、織物の幅方向両側部分のバインダ繊維量も他の部分のバインダ繊維量より多くする。織物の幅方向両側部分のバインダ繊維量を多くするには、対応する部分の経糸となる強化繊維１４のバインダ繊維１４ｂの目付を大きくする。
【００４２】
○ 二次元繊維基材１２は連続繊維からなる繊維束１４ａの外側にバインダ繊維１４ｂが螺旋状に巻き付けられた強化繊維１４で織られた平織物で構成されるものに限らない。例えば、綾織物等の他の織物、組紐あるいは編み物のように複数の強化繊維１４が交差する状態で平面状に結合されたものや、図５に示すように複数の強化繊維１４が一方向に配列されるとともに、強化繊維１４と交差する結合繊維１７により平面状に結合された一方向繊維基材であってもよい。図６に示すように、一方向繊維基材は強化繊維１４の配列方向が直交する状態で複数積層される。また、一方向繊維基材を強化繊維１４の配列方向が直交する状態（配向角０°と９０°）に加えて、強化繊維１４の配向角が±４５°となるように二次元繊維基材１２を積層して４軸配向となるようにプリフォーム１１を構成してもよい。
【００４３】
○ プリフォーム１１を構成する二次元繊維基材１２はバインダにより互いに接合されており、曲げ部１１ａのバインダ量が他の部分のバインダ量より多ければよく、バインダはバインダ繊維１４ｂに限らず、粉状や粒状の熱可塑性樹脂であってもよい。しかし、バインダとして粉状や粒状の熱可塑性樹脂を使用する場合、二次元繊維基材１２の適切な位置に適量の熱可塑性樹脂を接着させるのがバインダ繊維１４ｂを使用する場合に比べて手間がかかる。また、バインダを繊維束１４ａに巻き付けられたバインダ繊維１４ｂで構成する方が、バインダを二次元繊維基材１２全体に略均一に分布する状態で配置し易い。
【００４４】
○ プリフォーム１１の曲げ部１１ａのバインダ量を他の部分のバインダ量より多くする構成として、二次元繊維基材１２を連続繊維からなる繊維束１４ａの外側にバインダ繊維１４ｂが螺旋状に巻き付けられた強化繊維１４で織られた織物で構成し、プリフォーム１１の曲げ部１１ａとなる部分に粉状や粒状の熱可塑性樹脂を接合させてもよい。
【００４５】
○ 二次元繊維基材１２を平織物で構成する場合、図７（ａ）に示すように、経糸は繊維束１４ａの外側にバインダ繊維１４ｂ（図示せず）が螺旋状に巻き付けられた強化繊維１４で構成し、緯糸を熱可塑性樹脂繊維１８で構成する。そして、図７（ｂ）に示すように、複数の二次元繊維基材１２を隣り合う二次元繊維基材１２の強化繊維１４の配列方向が直交するように積層する。なお、曲げ部１１ａとなる部分に配列される熱可塑性樹脂繊維１８の太さを他の部分に配列される熱可塑性樹脂繊維１８より太くした平織物と、全て同じ太さの熱可塑性樹脂繊維１８を緯糸とした平織物とを交互に積層する。なお、バインダ量を緯糸としての熱可塑性樹脂繊維１８の密度で制御するようにしてもよい。
【００４６】
○ 曲げ部１１ａのバインダ繊維１４ｂの目付を調整する場合、繊維束１４ａに対して螺旋状に巻き付けられるバインダ繊維１４ｂの巻き付けピッチを変更する代わりに、巻き付けピッチを変更せずにバインダ繊維１４ｂの太さを変更してもよい。
【００４７】
○ 二次元繊維基材１２は、プリフォーム１１を構成する積層繊維群１３の全層で同じ範囲に高バインダ付加部が形成されている構成に限らない。例えば、曲げ部１１ａの曲率半径が最も大きくなる部分、即ち積層繊維群１３の一方の最外層を構成する二次元繊維基材１２のみ、曲げ部１１ａのバインダ繊維１４ｂの目付を他の部分のバインダ繊維１４ｂの目付より大きくしてもよい。また、曲げ部１１ａの曲率半径が大きくなる二次元繊維基材１２ほど、曲げ部１１ａのバインダ繊維１４ｂの目付が大きくなるように、各層を構成する二次元繊維基材１２の曲げ部１１ａのバインダ繊維１４ｂの目付を調整してもよい。
【００４８】
○ 二次元繊維基材１２を織物で構成する場合、経糸及び緯糸とも連続繊維からなる繊維束１４ａの外側にバインダ繊維１４ｂが螺旋状に巻き付けられた強化繊維１４を使用するのではなく、経糸及び緯糸のいずれか一方のみ連続繊維からなる繊維束１４ａの外側にバインダ繊維１４ｂが螺旋状に巻き付けられた強化繊維１４を使用するようにしてもよい。
【００４９】
○ バインダ繊維１４ｂは、積層繊維群１３を賦形型１５により加熱・加圧状態して賦形する際の加熱温度により繊維束１４ａと融着可能な軟化溶融可能であればよい。バインダ繊維をエンジニアリングプラスチック（エンプラ）製やスーパーエンプラ製とした場合はプリフォーム１１の靭性が向上するが、賦形温度を高くする必要があり、エネルギー消費量が多くなる。バインダ繊維１４ｂとして賦形温度が１００℃程度で繊維束１４ａと融着する融着繊維を使用すれば、エネルギー消費量を少なくできるとともに、プリフォーム１１の形態保持性を確保し易い。
【００５０】
○ 強化繊維１４を構成する繊維束１４ａは炭素繊維製に限らない。例えば、ガラス繊維やセラミック繊維等の無機繊維、あるいは、アラミド繊維、ポリ−ｐ−フェニレンベンゾビスオキサゾール繊維、超高分子量ポリエチレン繊維等の高強度の有機繊維等を使用してもよく、要求性能に応じて適宜選択される。例えば、プリフォーム１１に対する剛性・強度の要求性能が高い場合は、炭素繊維が好ましい。繊維束１４ａに安価なガラス繊維を用いると低コストとなる。
【００５１】
○ プリフォーム１１は曲げ部と平面部とが連続する立体的な形状に形成されていればよく、断面略Ｌ字状に限らず、複数の曲げ部１１ａを有する断面コ字状やハット状、あるいは凹部と鍔部とが連続する形状であってもよい。
【００５２】
○ プリフォーム１１を構成する繊維基材は二次元のものに限られず、ブレーディング等により形成される三次元繊維基材であってもよい。
【符号の説明】
【００５３】
１１…プリフォーム、１１ａ…曲げ部、１１ｂ…平面部、１２…二次元繊維基材、１３…積層繊維群、１４…強化繊維、１４ａ…繊維束、１４ｂ…バインダとしてのバインダ繊維、１５…賦形型、１６…織物。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維強化複合材料のプリフォーム及びその製造方法に係り、詳しくは曲げ部を有するプリフォームを使用する繊維強化複合材料のプリフォーム及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
繊維強化複合材料の製造方法として、例えば、ＲＴＭ（Resin Transfer Molding）法のように、予め所望の形状に賦形されたプリフォームを成形型内に配置した状態で、成形型内に注入孔から樹脂を注入してプリフォームに樹脂を含浸硬化させる方法がある。補強材（補強繊維）としてプリフォームを使用する場合は、プリフォームを取り扱う際や樹脂注入の際に形態が変形し易い。また、プリフォームをシート状の補強二次元繊維基材を積層して形成した場合には積層状態が変わってしまう問題もある。
【０００３】
前記の問題を改善するため、実質的に編み構造からなる補強繊維三次元プリフォームを、バインダ用ポリマーからなるスプリットフィルム状、目の粗い布状又は繊維状のバインダ成分で接着・補強したプリフォームが提案されている（特許文献１参照）。特許文献１には、補強部位として、シート状形態のプリフォームの片面、両面あるいは注入口付近の特に変形し易いところなど、目的と成形条件特に注入速度により好適なところを選択できるとしている。
【０００４】
また、プリフォームを、経糸及び緯糸で構成された補強繊維織物基材が積層された構成として、経糸及び緯糸の少なくとも一方に、熱可塑性ポリマーを線状に、かつ連続又は不連続に付着させて、前記補強繊維織物基材同士を接合一体化することが提案されている（特許文献２参照）。特許文献２には、熱可塑性ポリマーが経糸に螺旋状に巻き付くように連続して付着された補強繊維織物基材も開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平４−８９２０７号公報
【特許文献２】特開昭６３−１５２６３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、特許文献１においては、シート状形態以外の、曲げ部を有するプリフォームについては何ら考慮がなされていない。曲げ部を有するプリフォームを形成するため、シート状（平板状）のプリフォームを賦形型で賦形する際に、曲げ部の外側部分（曲率半径の大きな部分）と賦形型の面との間に隙間が生じる状態になる。そのプリフォームを樹脂含浸用の成形型内に配置して樹脂含浸を行うと、繊維強化複合材料は曲げ部の外側部分におけるマトリックス樹脂量が多くなり、その部分の強度が低下するという問題がある。また、曲げ部を有するプリフォームは、プリフォームを取り扱う場合に、曲げ部やその近傍が変形し易いという問題もある。しかし、特許文献２においても、これらの問題に関しては配慮がなされていない。
【０００７】
本発明は、前記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、曲げ部を有するプリフォームを取り扱う場合に曲げ部やその近傍が変形し難く、そのプリフォームを使用した繊維強化複合材料の曲げ部における強度低下を抑制することができる繊維強化複合材料のプリフォーム及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、繊維強化複合材料のプリフォームであって、前記プリフォームは、連続繊維からなる繊維基材が、曲げ部と平面部とが連続する立体的な形状に形成されるとともに、前記繊維基材はバインダにより繊維が互いに接合されており、前記曲げ部のバインダ量が他の部分のバインダ量より多い。ここで、「繊維基材」とは、平織物、綾織物等の織物、組紐あるいは編み物のように複数の糸あるいは繊維束が交差する状態で平面状に結合された繊維基材や、複数の糸あるいは繊維束が一方向に配列されて平面状に結合された繊維基材、さらにはブレーディング等により製造される三次元繊維基材を意味する。
【０００９】
この発明では、繊維基材を構成する繊維はバインダにより互いに接合されているため、曲げ部を有する立体的な形状に賦形されたプリフォームを搬送したり成形型内に配置したりするなどの取り扱いの際に、繊維基材を構成する繊維同士のずれが防止されるとともに曲げ部やその近傍がとくに変形し難い。また、繊維基材を賦形型で賦形して曲げ部を有するプリフォームを形成する際、繊維基材の曲げ部となる部分のバインダ量が他の部分のバインダ量より多いため、賦形後の曲げ部の形状安定性が増し、曲げ部の外側部分（曲率半径の大きな部分）と成形型の面との間に隙間が生じる状態にならない。そのため、プリフォームを樹脂含浸用の成形型内に配置して樹脂含浸を行った場合、繊維強化複合材料の曲げ部の外側部分におけるマトリックス樹脂量が多くなることに起因してその部分即ち曲げ部の強度が低下するということが抑制される。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記繊維基材は、連続繊維からなる繊維束の外側にバインダ繊維が螺旋状に巻き付けられた強化繊維で織られた織物を積層して構成され、前記曲げ部となる部分に使用される前記強化繊維のバインダ繊維の目付が他の部分に使用される前記強化繊維より大きい。
【００１１】
この発明では、繊維基材が織物の積層体で構成され、曲げ部となる部分に配置される強化繊維と、他の部分に配置される強化繊維としてバインダ繊維の目付が目的の値に設定されたものを使用することで、曲げ部のバインダ量や他の部分のバインダ量を目的の値にすることができる。したがって、繊維基材を形成した後に、粉状、粒状あるいは繊維状のバインダを繊維基材の表面に結合させた構成に比較して、製造が簡単になる。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記繊維基材は、前記プリフォームを構成する全層で同じ範囲に高バインダ付加部が形成されている。曲げ部の外側部分と成形型との隙間を生じさせないとの観点では、プリフォームは曲げ部のバインダ量が、少なくとも外側部分において他の部分のバインダ量より多く形成されていればよく、プリフォームを構成する全ての厚さで、曲げ部のバインダ量が他の部分のバインダ量より多く形成されている必要はない。しかし、バインダ量が異なる分布の複数種の織物（、具体的には、曲げ部と他の部分とでバインダ量の異なるものと、バインダ量が同じものの二種類の織物）を用いてプリフォームを形成する場合は、複数種の織物を形成するとともに適切な織物を選択して積層し、賦形する必要があり選択ミスが発生する虞がある。この発明では、繊維基材を構成する全ての織物が同じ範囲に高バインダ付加部が形成されているため、同じ構成の織物を所定枚数積層して賦形することで所望のプリフォームをミスなく形成することができる。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、連続繊維からなる繊維束の外側にバインダ繊維が螺旋状に巻き付けられた強化繊維を使用して、曲げ部となる部分のバインダ繊維量が他の部分のバインダ繊維量より多い繊維基材を形成する繊維基材形成工程と、前記繊維基材を賦形型により曲げ部と平面部とが連続する立体的な形状に賦形する積層・賦形工程とを備えている。
【００１４】
この発明では、繊維基材形成工程において、連続繊維からなる繊維束の外側にバインダ繊維が螺旋状に巻き付けられた強化繊維を使用して、曲げ部となる部分のバインダ繊維量が他の部分のバインダ繊維量より多い繊維基材が形成される。その後、積層・賦形工程において、繊維基材が賦形型により曲げ部と平面部とが連続する立体的な形状に賦形されてプリフォームが形成される。繊維基材は賦形型内で積層されても、賦形型の外で予め積層結合された後に賦形型内に配置されて、賦形型により賦形されても、ブレーディング等により三次元繊維基材として形成され、賦形型により賦形されてもよい。繊維基材は曲げ部となる部分のバインダ繊維量が他の部分のバインダ繊維量より多いため、賦形型で賦形される際、曲げ部の外側部分（曲率半径の大きな部分）と賦形型の面との間に隙間が生じる状態になるのが防止される。そのため、プリフォームを樹脂含浸用の成形型内に配置して樹脂含浸を行った場合、繊維強化複合材料の曲げ部の外側部分におけるマトリックス樹脂量が多くなることに起因して、その部分即ち曲げ部の強度が低下するということが抑制される。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記繊維基材形成工程は、前記強化繊維を経糸及び緯糸として製織した織物を積層することにより前記繊維基材を形成し、バインダ繊維量を多くすべき部分の製織時には、緯糸を目付が大きなバインダ繊維が巻き付けられた強化繊維に代えて製織を行う。
【００１６】
強化繊維を経糸及び緯糸として製織した織物を積層することにより、特定の部分のバインダ繊維量が他の部分のバインダ繊維量より多くなる繊維基材を形成する場合、一部の経糸にバインダ繊維量の多い強化繊維を使用する方法と、特定の挿入部分において緯糸としてバインダ繊維量の多い強化繊維を使用する方法が考えられる。しかし、一部の経糸にバインダ繊維量の多い強化繊維を使用する方法では、異なるバインダ繊維量となる繊維基材を形成するたびに、経糸の交換を行う必要があり、準備に手間がかかる。この発明では、バインダ繊維量を多くすべき部分の製織時には、緯糸を目付が大きなバインダ繊維が巻き付けられた強化繊維に代えて製織を行うことにより、経糸の交換を行うことなしに、曲げ部になる部分のバインダ繊維量が所望の値になる繊維基材を形成することができる。したがって、異なるバインダ繊維量の繊維基材の形成を、経糸を変更する場合に比べて準備に手間がかからずに行うことができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、曲げ部を有するプリフォームを取り扱う場合に曲げ部やその近傍が変形し難く、そのプリフォームを使用した繊維強化複合材料の曲げ部における強度低下を抑制することができる繊維強化複合材料のプリフォームを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】（ａ）は一実施形態のプリフォームの模式斜視図、（ｂ），（ｃ）はバインダ繊維が巻き付けられた強化繊維の模式斜視図。
【図２】（ａ）はバインダ繊維が巻き付けられた強化繊維で平織物状に形成された二次元繊維基材の部分模式図、（ｂ）は二次元繊維基材が積層された状態の模式断面図。
【図３】曲げ部のバインダ量を多くせずに平板状の積層繊維群を賦形型で賦形した際の曲げ部の状態を示す模式断面図。
【図４】別の実施形態における織物の模式図。
【図５】別の実施形態における二次元繊維基材の模式図。
【図６】図５の二次元繊維基材の積層状態を示す模式図。
【図７】（ａ）は別の実施形態における二次元繊維基材の模式図、（ｂ）は二次元繊維基材の積層状態を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図１〜図３にしたがって説明する。
図１（ａ）に示すように、プリフォーム１１は、曲げ部１１ａと平面部１１ｂとが連続する立体的な形状、この実施形態では断面Ｌ字状に形成されている。プリフォーム１１は、連続繊維からなる繊維基材（この実施形態では二次元繊維基材が複数積層された少なくとも２軸配向となる積層繊維群）を賦形することにより形成されている。
【００２０】
図２（ａ）に示すように、二次元繊維基材１２は、連続繊維からなる繊維束１４ａの外側にバインダとしてのバインダ繊維１４ｂが螺旋状に巻き付けられた強化繊維１４で織られた織物で構成されている。この実施形態では織物として平織物が採用されている。
【００２１】
図２（ｂ）に示すように、積層繊維群１３は、二次元繊維基材１２がバインダ繊維１４ｂにより互いに接合されることで構成されており、曲げ部１１ａとなる部分のバインダ量が他の部分のバインダ量より多くなるように構成されている。曲げ部１１ａとなる部分とは、厳密に湾曲部（Ｒ部）のみに限らず、湾曲部の近傍の平面部１１ｂの部分も含む。そして、好ましくは曲げ部１１ａのみではなく、曲げ部１１ａの近傍の平面部１１ｂの部分のバインダ量も他の部分より多くなるように構成される。
【００２２】
曲げ部１１ａとなる部分に使用される強化繊維１４は、バインダ繊維１４ｂの目付が他の部分に使用される強化繊維１４より大きく形成されている。例えば、図１（ｂ）及び図１（ｃ）に示すように、同じバインダ繊維１４ｂを使用するとともに、繊維束１４ａに巻き付けられるバインダ繊維１４ｂのピッチを変更することで、強化繊維１４におけるバインダ繊維１４ｂの目付が所望の値に設定されている。
【００２３】
積層繊維群１３は、同じ部分を構成する強化繊維１４のバインダ繊維１４ｂの巻き付けピッチが同じになるように構成された二次元繊維基材１２が積層されて形成されている。即ち、二次元繊維基材１２は、プリフォーム１１を構成する全層で同じ範囲に高バインダ付加部が形成されている。
【００２４】
強化繊維１４を構成する繊維束１４ａとしては軽量で破断強度が高く、弾性率の大きい例えば炭素繊維の無撚りの繊維束（ロービング）が使用される。炭素繊維束は細い繊維が数百〜数万本束ねられて１本の繊維束が構成されており、要求性能に適した繊維の本数の繊維束が選択される。
【００２５】
強化繊維１４を構成するバインダ繊維１４ｂには、積層繊維群１３を賦形型で賦形する際の加熱温度で溶融可能な熱可塑性樹脂繊維（熱融着糸）が使用される。例えば、熱融着糸としてユニチカ製のエスポランが挙げられる。
【００２６】
繊維束１４ａにバインダ繊維１４ｂが螺旋状に巻き付けられた強化繊維１４は、例えば、ボビンに巻き付けられた状態の炭素繊維束を別のボビンに巻き付ける際に、熱融着糸をボビンから繰り出して螺旋状に巻き付けることにより形成される。バインダ繊維１４ｂの巻き付けピッチは、繊維束１４ａを構成する連続繊維の本数、熱融着糸の太さ、目的とするバインダ繊維１４ｂの必要量等に応じて適宜設定され、強化繊維１４のバインダ繊維の目付を大きくする場合はピッチを小さくする。なお、繊維束１４ａはボビンやガイド部材に押圧されることにより扁平になって幅が拡がるが、バインダ繊維１４ｂのピッチがあまり狭くなると繊維束１４ａが拡がり難くなる。そのため、バインダ繊維１４ｂの巻き付けピッチは繊維束１４ａが拡がるのを妨げない大きさに設定される。
【００２７】
また、バインダ繊維１４ｂの繊維束１４ａに対する割合は、０．５〜５重量％の範囲が好ましい。バインダ繊維１４ｂの割合が０．５％より小さくなると、プリフォーム１１を取り扱う際に形態安定性が不十分になる。また、バインダ繊維１４ｂの割合が５％より大きくなると、そのプリフォーム１１を使用した繊維強化複合材の物性に悪影響を与え易くなる。本実施形態では、曲げ部１１ａのバインダ量は４〜５重量％程度、平面部１１ｂのバインダ量は０．５〜１重量％としている。
【００２８】
次に前記のように構成されたプリフォーム１１の製造方法を説明する。プリフォーム１１の製造方法は、二次元繊維基材形成工程と、二次元繊維基材形成工程とを備えている。二次元繊維基材形成工程では連続繊維からなる繊維束１４ａの外側にバインダ繊維１４ｂが螺旋状に巻き付けられた強化繊維１４を使用して、曲げ部１１ａとなる部分のバインダ繊維量が他の部分のバインダ繊維量より多い二次元繊維基材１２を形成する。この実施形態では、織機を用いて、強化繊維１４を経糸及び緯糸として織物を製織することにより二次元繊維基材１２を形成する。経糸にはバインダ繊維の目付が全て同じ強化繊維１４が使用される。また、バインダ繊維量を多くすべき部分の製織時には、緯糸をバインダ繊維１４ｂの目付が大きな強化繊維１４に代えて製織を行う。この実施形態では曲げ部１１ａとなる部分が織物の長手方向に所定間隔で存在する織物が製織される。そして、製織された織物をバインダ繊維量の大きな部分が所定の位置になるように切断することにより、二次元繊維基材１２が形成される。
【００２９】
特定の部分のバインダ繊維量が他の部分のバインダ繊維量より多くなる二次元繊維基材１２を形成する場合、一部の経糸にバインダ繊維量の多い強化繊維１４を使用する方法も考えられる。しかし、一部の経糸にバインダ繊維量の多い強化繊維１４を使用する方法では、異なるバインダ繊維量となる二次元繊維基材１２を形成するたびに、経糸の交換を行う必要があり、準備に手間がかかる。しかし、この実施形態の方法では、経糸には全て同じ強化繊維１４が使用されるため、異なるバインダ繊維量となる二次元繊維基材１２を形成する場合でも経糸の交換を行う必要がない。
【００３０】
積層・賦形工程では二次元繊維基材１２を複数積層して積層繊維群１３を形成した後、積層繊維群１３を賦形型により曲げ部１１ａと平面部１１ｂとが連続する立体的な形状に賦形する。二次元繊維基材１２は賦形型内で積層されても、賦形型の外で予め積層された後、賦形型内に配置されてもよい。賦形型の外で予め積層する場合は、積層された積層繊維群１３を加圧加熱して、バインダ繊維１４ｂにより隣接する二次元繊維基材１２同士が結合された状態で賦形型内に配置するのが好ましい。そして、賦形型内に配置された積層繊維群１３は、賦形型により加熱加圧されて所定の立体形状に賦形される。
【００３１】
積層された二次元繊維基材１２からなる積層繊維群１３が賦形型により加圧加熱されて賦形される際、バインダ繊維１４ｂは少なくとも一部が溶融状態となる。そして、曲げ部１１ａとなる部分のバインダ繊維量が他の部分のバインダ繊維量より多いため、賦形後の曲げ部１１ａの形状安定性が確保される。なお、曲げ部１１ａに加えて平面部１１ｂのバインダ量をも増やすことも考えられるが、その場合にはプリフォーム１１に使用する総バインダ量が増加してしまいコスト的に不利になるのに加え、バインダが繊維強化複合材の物性に悪影響を及ぼす可能性が高くなる。
【００３２】
プリフォーム１１は、樹脂含浸硬化工程において熱硬化性樹脂が含浸硬化されて繊維強化複合材料が形成される。樹脂の含浸硬化は、例えば、ＲＴＭ法で行われる。プリフォーム１１を樹脂含浸用の成形型内に配置した場合、曲げ部１１ａの形状安定性により、プリフォーム１１を成形型に配置する際にも曲げ部１１ａの外側部分の形状が崩れることがなく、プリフォーム１１は曲げ部の外側部分（曲率半径の大きな部分）と成形型の内面との間に隙間が生じない状態で配置され、樹脂含浸を行った場合、繊維強化複合材料の曲げ部の外側部分におけるマトリックス樹脂量が多くならず、曲げ部の強度が低下するということが抑制される。繊維強化複合材料のマトリックス樹脂としては、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等の熱硬化性樹脂が使用される。
【００３３】
この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）プリフォーム１１は、連続繊維からなる二次元繊維基材１２が複数積層されて少なくとも２軸配向となる積層繊維群１３が、曲げ部１１ａと平面部１１ｂとが連続する立体的な形状に形成されるとともに、二次元繊維基材１２はバインダにより互いに接合されている。したがって、曲げ部１１ａを有する立体的な形状に賦形されたプリフォーム１１を搬送したり成形型内に配置したりするなどの取り扱いの際に、積層された二次元繊維基材１２同士のずれが防止される。
【００３４】
（２）プリフォーム１１は、曲げ部１１ａのバインダ量が他の部分のバインダ量より多い。したがって、賦形後における積層された二次元繊維基材１２の曲げ部１１ａの形状安定性が確保される。そのため、プリフォーム１１を樹脂含浸用の成形型内に配置して樹脂含浸を行った場合、繊維強化複合材料の曲げ部の外側部分におけるマトリックス樹脂量が多くなることに起因して、その部分即ち曲げ部の強度が低下するということが抑制される。
【００３５】
（３）二次元繊維基材１２は、連続繊維からなる繊維束１４ａの外側にバインダ繊維１４ｂが螺旋状に巻き付けられた強化繊維１４で織られた織物で構成され、曲げ部１１ａとなる部分に使用される強化繊維１４のバインダ繊維１４ｂの目付が他の部分に使用される強化繊維１４より大きい。したがって、二次元繊維基材１２を形成した後に、粉状、粒状あるいは繊維状のバインダを二次元繊維基材１２の表面に結合させた構成に比較して、製造が簡単になる。また、粉状、粒状あるいは繊維状のバインダを二次元繊維基材１２の表面に結合させた構成に比較して、プリフォーム１１を成形型内に配置して熱硬化性樹脂の含浸硬化を行う際に、繊維束１４ａを扁平な状態に保持しやすい。
【００３６】
（４）強化繊維１４は連続繊維からなる繊維束１４ａの外側にバインダ繊維１４ｂが螺旋状に巻き付けられた構成であるため、バインダ繊維１４ｂの巻き付けピッチを変更することで、強化繊維１４におけるバインダ繊維１４ｂの目付を所望の値に設定することができる。したがって、プリフォーム１１を構成する二次元繊維基材１２間の接着力を所望の値に調整するのが容易になり、プリフォーム１１の賦形性及び形状保持性の制御が可能になる。
【００３７】
（５）バインダ繊維１４ｂは織物を構成する緯糸及び経糸の交差部において、緯糸及び経糸の接触面に位置する状態となる。そのため、製織された織物をバインダ繊維１４ｂが軟化して繊維束１４ａと接着する温度に加熱して、バインダ繊維１４ｂを繊維束１４ａに接着させることにより、強化繊維１４のほつれを防止することができる。
【００３８】
（６）二次元繊維基材１２は、プリフォーム１１を構成する積層繊維群１３の全層で同じ範囲に高バインダ付加部が形成されている。したがって、バインダ量が異なる分布の複数の二次元繊維基材１２を用いてプリフォーム１１を形成する場合と比べて、所望のプリフォーム１１をミスなく容易に形成することができる。
【００３９】
（７）プリフォーム１１の製造方法は、二次元繊維基材形成工程において連続繊維からなる繊維束１４ａの外側にバインダ繊維１４ｂが螺旋状に巻き付けられた強化繊維１４を使用して、曲げ部１１ａとなる部分のバインダ繊維量が他の部分のバインダ繊維量より多い二次元繊維基材１２を形成する。また、積層・賦形工程において二次元繊維基材１２を複数積層した積層繊維群１３を賦形型により曲げ部１１ａと平面部１１ｂとが連続する立体的な形状に賦形する。積層された二次元繊維基材１２は曲げ部１１ａとなる部分のバインダ繊維量が他の部分のバインダ繊維量より多いため、賦形型で賦形される際、曲げ部１１ａの外側部分（曲率半径の大きな部分）と賦形型１５の面との間に隙間Δが生じる状態になるのが防止される。したがって、プリフォーム１１を樹脂含浸用の成形型内に配置して樹脂含浸を行った場合、繊維強化複合材料の曲げ部の外側部分におけるマトリックス樹脂量が多くなることに起因して、その部分即ち曲げ部の強度が低下するということが抑制される。
【００４０】
（８）二次元繊維基材形成工程は、強化繊維１４を経糸及び緯糸として織物を製織することにより二次元繊維基材１２を形成し、バインダ繊維量を多くすべき部分の製織時には、緯糸を目付が大きなバインダ繊維１４ｂが巻き付けられた強化繊維１４に代えて製織を行う。したがって、バインダ繊維量を多くすべき部分の製織時にも、経糸の交換を行うことなしに、所望の二次元繊維基材１２を形成することができる。その結果、異なるバインダ繊維量の二次元繊維基材１２の形成を、経糸を変更する場合に比べて準備に手間がかからずに行うことができる。
【００４１】
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば次のように構成してもよい。
○ プリフォーム１１を形成する場合、１個のプリフォーム１１の大きさの二次元繊維基材１２を複数積層して形成するのではなく、複数個分の大きさの二次元繊維基材１２を複数積層して、複数個のプリフォーム１１が連続する状態で中間体を形成した後、その中間体を切断してプリフォーム１１を形成する場合が多い。その場合、プリフォーム１１の切断端部において強化繊維１４がほつれ易い。この不具合を防止するため、曲げ部１１ａのバインダ繊維量だけでなく、プリフォーム１１の切断端部となる部分のバインダ繊維量も他の部分のバインダ繊維量より多くしてもよい。例えば、図４に示すように、織物１６は、曲げ部対応部分１６ａの他、切断対応部分１６ｂのバインダ繊維量も他の部分のバインダ繊維量より多くする。また、織物の幅方向両端部も切断する場合は、織物の幅方向両側部分のバインダ繊維量も他の部分のバインダ繊維量より多くする。織物の幅方向両側部分のバインダ繊維量を多くするには、対応する部分の経糸となる強化繊維１４のバインダ繊維１４ｂの目付を大きくする。
【００４２】
○ 二次元繊維基材１２は連続繊維からなる繊維束１４ａの外側にバインダ繊維１４ｂが螺旋状に巻き付けられた強化繊維１４で織られた平織物で構成されるものに限らない。例えば、綾織物等の他の織物、組紐あるいは編み物のように複数の強化繊維１４が交差する状態で平面状に結合されたものや、図５に示すように複数の強化繊維１４が一方向に配列されるとともに、強化繊維１４と交差する結合繊維１７により平面状に結合された一方向繊維基材であってもよい。図６に示すように、一方向繊維基材は強化繊維１４の配列方向が直交する状態で複数積層される。また、一方向繊維基材を強化繊維１４の配列方向が直交する状態（配向角０°と９０°）に加えて、強化繊維１４の配向角が±４５°となるように二次元繊維基材１２を積層して４軸配向となるようにプリフォーム１１を構成してもよい。
【００４３】
○ プリフォーム１１を構成する二次元繊維基材１２はバインダにより互いに接合されており、曲げ部１１ａのバインダ量が他の部分のバインダ量より多ければよく、バインダはバインダ繊維１４ｂに限らず、粉状や粒状の熱可塑性樹脂であってもよい。しかし、バインダとして粉状や粒状の熱可塑性樹脂を使用する場合、二次元繊維基材１２の適切な位置に適量の熱可塑性樹脂を接着させるのがバインダ繊維１４ｂを使用する場合に比べて手間がかかる。また、バインダを繊維束１４ａに巻き付けられたバインダ繊維１４ｂで構成する方が、バインダを二次元繊維基材１２全体に略均一に分布する状態で配置し易い。
【００４４】
○ プリフォーム１１の曲げ部１１ａのバインダ量を他の部分のバインダ量より多くする構成として、二次元繊維基材１２を連続繊維からなる繊維束１４ａの外側にバインダ繊維１４ｂが螺旋状に巻き付けられた強化繊維１４で織られた織物で構成し、プリフォーム１１の曲げ部１１ａとなる部分に粉状や粒状の熱可塑性樹脂を接合させてもよい。
【００４５】
○ 二次元繊維基材１２を平織物で構成する場合、図７（ａ）に示すように、経糸は繊維束１４ａの外側にバインダ繊維１４ｂ（図示せず）が螺旋状に巻き付けられた強化繊維１４で構成し、緯糸を熱可塑性樹脂繊維１８で構成する。そして、図７（ｂ）に示すように、複数の二次元繊維基材１２を隣り合う二次元繊維基材１２の強化繊維１４の配列方向が直交するように積層する。なお、曲げ部１１ａとなる部分に配列される熱可塑性樹脂繊維１８の太さを他の部分に配列される熱可塑性樹脂繊維１８より太くした平織物と、全て同じ太さの熱可塑性樹脂繊維１８を緯糸とした平織物とを交互に積層する。なお、バインダ量を緯糸としての熱可塑性樹脂繊維１８の密度で制御するようにしてもよい。
【００４６】
○ 曲げ部１１ａのバインダ繊維１４ｂの目付を調整する場合、繊維束１４ａに対して螺旋状に巻き付けられるバインダ繊維１４ｂの巻き付けピッチを変更する代わりに、巻き付けピッチを変更せずにバインダ繊維１４ｂの太さを変更してもよい。
【００４７】
○ 二次元繊維基材１２は、プリフォーム１１を構成する積層繊維群１３の全層で同じ範囲に高バインダ付加部が形成されている構成に限らない。例えば、曲げ部１１ａの曲率半径が最も大きくなる部分、即ち積層繊維群１３の一方の最外層を構成する二次元繊維基材１２のみ、曲げ部１１ａのバインダ繊維１４ｂの目付を他の部分のバインダ繊維１４ｂの目付より大きくしてもよい。また、曲げ部１１ａの曲率半径が大きくなる二次元繊維基材１２ほど、曲げ部１１ａのバインダ繊維１４ｂの目付が大きくなるように、各層を構成する二次元繊維基材１２の曲げ部１１ａのバインダ繊維１４ｂの目付を調整してもよい。
【００４８】
○ 二次元繊維基材１２を織物で構成する場合、経糸及び緯糸とも連続繊維からなる繊維束１４ａの外側にバインダ繊維１４ｂが螺旋状に巻き付けられた強化繊維１４を使用するのではなく、経糸及び緯糸のいずれか一方のみ連続繊維からなる繊維束１４ａの外側にバインダ繊維１４ｂが螺旋状に巻き付けられた強化繊維１４を使用するようにしてもよい。
【００４９】
○ バインダ繊維１４ｂは、積層繊維群１３を賦形型１５により加熱・加圧状態して賦形する際の加熱温度により繊維束１４ａと融着可能な軟化溶融可能であればよい。バインダ繊維をエンジニアリングプラスチック（エンプラ）製やスーパーエンプラ製とした場合はプリフォーム１１の靭性が向上するが、賦形温度を高くする必要があり、エネルギー消費量が多くなる。バインダ繊維１４ｂとして賦形温度が１００℃程度で繊維束１４ａと融着する融着繊維を使用すれば、エネルギー消費量を少なくできるとともに、プリフォーム１１の形態保持性を確保し易い。
【００５０】
○ 強化繊維１４を構成する繊維束１４ａは炭素繊維製に限らない。例えば、ガラス繊維やセラミック繊維等の無機繊維、あるいは、アラミド繊維、ポリ−ｐ−フェニレンベンゾビスオキサゾール繊維、超高分子量ポリエチレン繊維等の高強度の有機繊維等を使用してもよく、要求性能に応じて適宜選択される。例えば、プリフォーム１１に対する剛性・強度の要求性能が高い場合は、炭素繊維が好ましい。繊維束１４ａに安価なガラス繊維を用いると低コストとなる。
【００５１】
○ プリフォーム１１は曲げ部と平面部とが連続する立体的な形状に形成されていればよく、断面略Ｌ字状に限らず、複数の曲げ部１１ａを有する断面コ字状やハット状、あるいは凹部と鍔部とが連続する形状であってもよい。
【００５２】
○ プリフォーム１１を構成する繊維基材は二次元のものに限られず、ブレーディング等により形成される三次元繊維基材であってもよい。
【符号の説明】
【００５３】
１１…プリフォーム、１１ａ…曲げ部、１１ｂ…平面部、１２…二次元繊維基材、１３…積層繊維群、１４…強化繊維、１４ａ…繊維束、１４ｂ…バインダとしてのバインダ繊維、１５…賦形型、１６…織物。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維強化複合材料のプリフォームであって、前記プリフォームは、連続繊維からなる繊維基材が、曲げ部と平面部とが連続する立体的な形状に形成されるとともに、前記繊維基材はバインダにより繊維が互いに接合されており、前記曲げ部のバインダ量が他の部分のバインダ量より多い繊維強化複合材料のプリフォーム。
【請求項２】
前記繊維基材は、連続繊維からなる繊維束の外側にバインダ繊維が螺旋状に巻き付けられた強化繊維で織られた織物で構成され、前記曲げ部となる部分に使用される前記強化繊維のバインダ繊維の目付が他の部分に使用される前記強化繊維より大きい請求項１に記載の繊維強化複合材料のプリフォーム。
【請求項３】
前記繊維基材は、前記プリフォームを構成する全層で同じ範囲に高バインダ付加部が形成されている請求項２に記載の繊維強化複合材料のプリフォーム。
【請求項４】
連続繊維からなる繊維束の外側にバインダ繊維が螺旋状に巻き付けられた強化繊維を使用して、曲げ部となる部分のバインダ繊維量が他の部分のバインダ繊維量より多い繊維基材を形成する繊維基材形成工程と、
前記繊維基材を賦形型により曲げ部と平面部とが連続する立体的な形状に賦形する積層・賦形工程と
を備えている繊維強化複合材料のプリフォームの製造方法。
【請求項５】
前記繊維基材形成工程は、前記強化繊維を経糸及び緯糸として製織した織物を積層することにより前記繊維基材を形成し、バインダ繊維量を多くすべき部分の製織時には、緯糸をバインダ繊維の目付が大きな強化繊維に代えて製織を行う請求項４に記載の繊維強化複合材料のプリフォームの製造方法。
【請求項１】
繊維強化複合材料のプリフォームであって、前記プリフォームは、連続繊維からなる繊維基材が、曲げ部と平面部とが連続する立体的な形状に形成されるとともに、前記繊維基材はバインダにより繊維が互いに接合されており、前記曲げ部のバインダ量が他の部分のバインダ量より多い繊維強化複合材料のプリフォーム。
【請求項２】
前記繊維基材は、連続繊維からなる繊維束の外側にバインダ繊維が螺旋状に巻き付けられた強化繊維で織られた織物で構成され、前記曲げ部となる部分に使用される前記強化繊維のバインダ繊維の目付が他の部分に使用される前記強化繊維より大きい請求項１に記載の繊維強化複合材料のプリフォーム。
【請求項３】
前記繊維基材は、前記プリフォームを構成する全層で同じ範囲に高バインダ付加部が形成されている請求項２に記載の繊維強化複合材料のプリフォーム。
【請求項４】
連続繊維からなる繊維束の外側にバインダ繊維が螺旋状に巻き付けられた強化繊維を使用して、曲げ部となる部分のバインダ繊維量が他の部分のバインダ繊維量より多い繊維基材を形成する繊維基材形成工程と、
前記繊維基材を賦形型により曲げ部と平面部とが連続する立体的な形状に賦形する積層・賦形工程と
を備えている繊維強化複合材料のプリフォームの製造方法。
【請求項５】
前記繊維基材形成工程は、前記強化繊維を経糸及び緯糸として製織した織物を積層することにより前記繊維基材を形成し、バインダ繊維量を多くすべき部分の製織時には、緯糸をバインダ繊維の目付が大きな強化繊維に代えて製織を行う請求項４に記載の繊維強化複合材料のプリフォームの製造方法。
【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２０１１−７４２０７（Ｐ２０１１−７４２０７Ａ）
【公開日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２２６８３２（Ｐ２００９−２２６８３２）
【出願日】平成２１年９月３０日（２００９．９．３０）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月３０日（２００９．９．３０）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
【Ｆターム（参考）】
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