繊維強化複合材料成形方法及び繊維強化複合材料
【課題】繊維強化複合材料成形方法において、繊維強化複合材料の内層における樹脂体積含有率の低下を抑制することである。
【解決手段】繊維束に樹脂を含浸して形成したプリプレグをマンドレル２２に巻回することにより繊維強化複合材料を成形する繊維強化複合材料成形方法であって、マンドレル２２に第１プリプレグを巻回する第１巻回工程（Ｓ１０）と、第１プリプレグが巻回されたマンドレル２２に、第２プリプレグを巻回する第２巻回工程（Ｓ１２）と、第２プリプレグが巻回されたマンドレル２２に、第３プリプレグを巻回する第３巻回工程（Ｓ１４）とを備え、第１プリプレグは、繊維束に第１樹脂を含浸して形成され、第２プリプレグは、繊維束に第２樹脂を含浸して形成され、第３プリプレグは、繊維束に第３樹脂を含浸して形成され、第２樹脂の熱膨張率は、第１樹脂の熱膨張率より大きく、第３樹脂の熱膨張率は、第２樹脂の熱膨張率より大きい。
【解決手段】繊維束に樹脂を含浸して形成したプリプレグをマンドレル２２に巻回することにより繊維強化複合材料を成形する繊維強化複合材料成形方法であって、マンドレル２２に第１プリプレグを巻回する第１巻回工程（Ｓ１０）と、第１プリプレグが巻回されたマンドレル２２に、第２プリプレグを巻回する第２巻回工程（Ｓ１２）と、第２プリプレグが巻回されたマンドレル２２に、第３プリプレグを巻回する第３巻回工程（Ｓ１４）とを備え、第１プリプレグは、繊維束に第１樹脂を含浸して形成され、第２プリプレグは、繊維束に第２樹脂を含浸して形成され、第３プリプレグは、繊維束に第３樹脂を含浸して形成され、第２樹脂の熱膨張率は、第１樹脂の熱膨張率より大きく、第３樹脂の熱膨張率は、第２樹脂の熱膨張率より大きい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維強化複合材料成形方法及び繊維強化複合材料に係り、特に、繊維束に樹脂を含浸して形成されたプリプレグを、巻回部材に巻回することにより繊維強化複合材料を成形する繊維強化複合材料成形方法及び繊維強化複合材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧縮水素ガスや圧縮天然ガス（ＣＮＧ）等を貯蔵する、例えば、車両用の高圧タンク等には、軽量化のために、繊維強化複合材料が用いられている。このような繊維強化複合材料には、例えば、強化繊維としての炭素繊維等に、熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂等を含浸させて成形した繊維強化複合材料が用いられる。繊維強化複合材料を成形するための繊維強化複合材料成形方法には、例えば、フィラメントワインディング（Ｆｉｌａｍｅｎｔ Ｗｉｎｄｉｎｇ：ＦＷ）法等が使用される。フィラメントワインディング法は、樹脂含浸した繊維をマンドレル等に連続して巻き付けて積層することにより繊維強化複合材料を成形する方法である。
【０００３】
特許文献１には、樹脂含浸連続繊維の巻回積層体であり、内層と外層とを有し、内層の繊維強化樹脂の繊維含有率が外層の繊維強化樹脂の繊維含有率よりも低い繊維強化樹脂管状体が示され、繊維強化樹脂管状体の製造方法は、回転するマンドレルに、樹脂含浸連続繊維をマンドレル軸に対し９０度の方向で巻回し積層することにより内層を形成し、この内層上に所定の角度方向で樹脂含浸連続繊維を巻回し積層することにより外層を形成し、しかも、内層形成時の樹脂含浸連続繊維の張力を外層形成時の樹脂含浸連続繊維の張力よりも低くすることが示されている。
【０００４】
特許文献２には、樹脂を含浸させた強化繊維をフィラメントワインディング法等でマンドレルに複数回巻回して厚み方向に重ねるとともに、その巻回途中において上記強化繊維または繊維の供給条件を変化させて巻回し一体に成形することが示されている。
【０００５】
特許文献３には、マンドレルに第１プリプレグを順次巻回し、マンドレル側の最内層に巻回される第１プリプレグシートはマンドレルの周方向に強化繊維が引き揃えられたものであり、他の第１プリプレグシートはマンドレルの長手方向に強化繊維が引き揃えられたものであり、第１プリプレグシートの外側には、第２プリプレグシートが巻回されることが示され、第１プリプレグシートと第２プリプレグシートとは、ガラス繊維や炭素繊維等の強化繊維に合成樹脂を含浸させたものをシート状に加工したものであることが示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開平６−３２８５７７号公報
【特許文献２】特開昭５８−１３８６１８号公報
【特許文献３】特開２００１−２３１４０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、プリプレグをマンドレル等に巻き付けて積層し積層体を形成する場合には、プリプレグは、一般的に、所定の張力が負荷されてマンドレル等に巻き付けられる。プリプレグに含まれる樹脂は、半硬化状態であり樹脂粘度が低く流動性がある。そのため、マンドレル側である内側に巻き付けられたプリプレグに含まれる樹脂は、表層側である外側に向けて流れ出す可能性がある。そして、プリプレグを積層した積層体を硬化して成形した繊維強化複合材料において、マンドレル側である内層では樹脂が流出することにより樹脂体積含有率が低下する場合がある。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、繊維強化複合材料の内層における樹脂体積含有率の低下を抑制することができる繊維強化複合材料成形方法及び繊維強化複合材料を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る繊維強化複合材料成形方法は、繊維束に樹脂を含浸して形成されたプリプレグを、巻回部材に巻回することにより繊維強化複合材料を成形する繊維強化複合材料成形方法であって、巻回部材に第１プリプレグを巻回する第１巻回工程と、第１プリプレグが巻回された巻回部材に、第２プリプレグを巻回する第２巻回工程と、を備え、第１プリプレグは、繊維束に第１樹脂を含浸して形成され、第２プリプレグは、繊維束に第２樹脂を含浸して形成され、第２樹脂の熱膨張率は、第１樹脂の熱膨張率より大きいことを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る繊維強化複合材料成形方法は、第２プリプレグが巻回された巻回部材に、第３プリプレグを巻回する第３巻回工程を備え、第３プリプレグは、繊維束に第３樹脂を含浸して形成され、第３樹脂の熱膨張率は、第２樹脂の熱膨張率より大きいことを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る繊維強化複合材料は、繊維束に樹脂を含浸して形成されたプリプレグを、巻回部材に巻回することにより成形される繊維強化複合材料であって、巻回部材に、繊維束に第１樹脂を含浸して形成された第１プリプレグを巻回し、第１プリプレグが巻回された巻回部材に、繊維束に第１樹脂より大きい熱膨張率を有する第２樹脂を含浸して形成された第２プリプレグを巻回して成形されることを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る繊維強化複合材料は、第２プリプレグが巻回された巻回部材に、繊維束に第２樹脂より大きい熱膨張率を有する第３樹脂を含浸して形成された第３プリプレグを巻回して成形されることを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る繊維強化複合材料成形方法は、繊維束に樹脂を含浸して形成されたプリプレグを、巻回部材に巻回することにより繊維強化複合材料を成形する繊維強化複合材料成形方法であって、巻回部材に第１プリプレグを巻回する第１巻回工程と、第１プリプレグが巻回された巻回部材に、第２プリプレグを巻回する第２巻回工程と、を備え、第１プリプレグは、繊維束に第１樹脂を含浸して形成され、第２プリプレグは、繊維束に第２樹脂を含浸して形成され、第２プリプレグの樹脂含有率は、第１プリプレグの樹脂含有率より小さいことを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る繊維強化複合材料成形方法は、第２プリプレグが巻回された巻回部材に、第３プリプレグを巻回する第３巻回工程を備え、第３プリプレグは、繊維束に第３樹脂を含浸して形成され、第３プリプレグの樹脂含有率は、第２プリプレグの樹脂含有率より小さいことを特徴とする。
【００１５】
本発明に係る繊維強化複合材料は、繊維束に樹脂を含浸して形成されたプリプレグを、巻回部材に巻回することにより成形される繊維強化複合材料であって、巻回部材に、第１樹脂を繊維束に含浸して形成された第１プリプレグを巻回し、第１プリプレグが巻回された巻回部材に、第１プリプレグより小さい樹脂含有率を有し、繊維束に第２樹脂を含浸して形成された第２プリプレグを巻回して成形されることを特徴とする。
【００１６】
本発明に係る繊維強化複合材料は、第２プリプレグが巻回された巻回部材に、第２プリプレグより小さい樹脂含有率を有し、繊維束に第３樹脂を含浸して形成された第３プリプレグを巻回して成形されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
上記構成における繊維強化複合材料成形方法及び繊維強化複合材料によれば、繊維強化複合材料の内層における樹脂体積含有率の低下を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。まず、繊維強化複合材料を成形する繊維強化複合材料成形システムについて説明する。図１は、繊維強化複合材料成形システム１０の構成を示す図である。
【００１９】
繊維供給装置１２は、繊維束に樹脂を含浸して形成されたプリプレグ１４を送り出す機能を有している。繊維供給装置１２には、例えば、クリールスタンド（Ｃｒｅｅｌ Ｓｔａｎｄ）等を用いることができる。繊維供給装置１２は、プリプレグ１４が巻き付けられた複数のボビン１６と、プリプレグ１４に負荷される張力を調整するための複数の繊維張力調整装置１８とを有している。それにより、ボビン１６から送り出されたプリプレグ１４を、繊維張力調整装置１８で所定の張力に調整して供給することができる。勿論、他の条件次第では、プリプレグ１４の本数は、複数本に限定されることはなく、１本でもよい。
【００２０】
繊維張力測定装置（図示せず）は、繊維供給装置１２から送り出された複数のプリプレグ１４に負荷された張力を測定する機能を有している。繊維張力測定装置（図示せず）には、一般的に、炭素繊維等の張力測定に用いられている張力測定装置を使用することができる。
【００２１】
フィラメントワインディング装置２０は、繊維張力測定装置（図示せず）から送り出されたプリプレグ１４を、型または心金であるマンドレル２２（Ｍａｎｄｒｅｌ）等の巻回部材に巻回する機能を有している。フィラメントワインディング装置２０は、プリプレグ１４をマンドレル２２等の円周方向や軸方向等に巻き付けることができる。フィラメントワインディング装置２０は、例えば、マンドレル２２等の回転軸方向に対して略垂直に巻き付けるフープ巻き（Ｈｏｏｐ Ｗｉｎｄｉｎｇ）や、マンドレル２２等の回転軸方向に対して所定の角度で巻き付けるヘリカル巻き（Ｈｅｌｉｃａｌ Ｗｉｎｄｉｎｇ）等によりプリプレグ１４をマンドレル２２等に巻き付けて積層することができる。
【００２２】
圧力容器、例えば、高圧タンク等を製造する場合には、巻回部材にポリアミド樹脂等により成形された樹脂ライナまたはアルミニウム等により成形された金属ライナ等を使用することができる。プリプレグ１４は、フィラメントワインディング装置２０により、張力を与えつつ樹脂ライナまたは金属ライナに巻き付けられて積層される。また、フィラメントワインディング装置２０によれば、高圧タンクの胴部だけでなく、ドーム部等にもプリプレグ１４を巻き付けて積層することができる。そして、プリプレグ１４を積層して形成された積層体は樹脂硬化炉等で加熱硬化され、繊維強化複合材料が成形される。
【００２３】
制御装置２４は、繊維供給装置１２と、繊維張力測定装置（図示せず）と、フィラメントワインディング装置２０とにリード線とコネクタ等を用いて接続される。制御装置２４は、繊維供給装置１２と、繊維張力測定装置（図示せず）と、フィラメントワインディング装置２０とを制御することができる機能を有している。例えば、制御装置２４の制御によりフィラメントワインディング装置２０等の始動及び停止を行うことができる。また、制御装置２４は、繊維張力測定装置（図示せず）から出力されるプリプレグ１４の張力データの電気信号を入力し、プリプレグ１４の張力を制御することができる機能を有している。かかる制御装置２４は、例えば、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）等で構成することができる。また、制御装置２４と接続されたデータロガ２６には、プリプレグ１４の張力データ等が記憶されて保存される。
【００２４】
次に、繊維強化複合材料の成形方法について説明する。図２は、繊維強化複合材料成形方法を示すフローチャートである。繊維強化複合材料の成形方法は、第１巻回工程（Ｓ１０）と、第２巻回工程（Ｓ１２）と、第３巻回工程（Ｓ１４）とを含んで構成される。
【００２５】
第１巻回工程（Ｓ１０）は、マンドレル２２に第１プリプレグを巻回する工程である。第１プリプレグは、繊維束に第１樹脂を含浸して形成される。
【００２６】
繊維束の繊維には、高強度繊維または高弾性繊維である炭素繊維等を使用することができる。そして、炭素繊維には、レーヨン系炭素繊維、ポリアクリロニトリル（Ｐｏｌｙａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ：ＰＡＮ）系炭素繊維またはピッチ系炭素繊維等が用いられる。勿論、第１プリプレグに用いられる繊維束の繊維には、炭素繊維に限定されることはなく、ガラス繊維またはアラミド繊維等を用いることができる。
【００２７】
繊維束には、繊維径が、例えば、１μｍから５μｍの単繊維であるフィラメントを束ねたヤーン、ストランド、ロービング等を用いることができる。例えば、炭素繊維を用いた繊維束には、炭素繊維フィラメントを１万本〜５万本束ねた炭素繊維ストランドを用いることができる。また、繊維束には、一方向材だけでなく、平織や朱子織等で織られた織物材の繊維シート等を使用してもよい。勿論、他の条件次第では、繊維束は、これらの形態に限定されることはない。
【００２８】
第１樹脂には、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂または不飽和ポリエステル樹脂等の熱硬化性樹脂を使用することができる。勿論、第１樹脂は、上記合成樹脂に限定されることはない。第１樹脂には、常温で樹脂粘度１００ｍＰａｓ以下の合成樹脂が使用されることが好ましい。
【００２９】
まず、第１プリプレグが巻き付けられたボビン１６は、繊維供給装置１２にセットされる。そして、繊維供給装置１２から所定の張力が負荷されて送り出された第１プリプレグは、フィラメントワインディング装置２０でマンドレル２２に巻回されて積層される。
【００３０】
第２巻回工程（Ｓ１２）は、第１プリプレグが巻回されたマンドレル２２に、第２プリプレグを巻回する工程である。第２プリプレグは、繊維束に第２樹脂を含浸して形成される。
【００３１】
第２プリプレグに含まれる繊維束には、第１プリプレグに含まれる繊維束と同種の繊維束を用いることが好ましい。例えば、第１プリプレグに含まれる繊維束に炭素繊維を使用する場合には、第２プリプレグに含まれる繊維束に炭素繊維を使用することが好ましい。勿論、他の条件次第では、第２プリプレグに含まれる繊維束には、第１プリプレグに含まれる繊維束と異なる繊維束を用いてもよい。
【００３２】
第２樹脂には、第１樹脂よりも熱膨張率が大きい合成樹脂が使用される。これにより、第２樹脂の硬化による成形後の体積収縮率を、第１樹脂の硬化による成形後の体積収縮率よりも大きくすることができる。第２樹脂には第１樹脂に含まれる主剤、硬化剤、添加剤と異なる材料を使用して、第２樹脂の熱膨張率を第１樹脂の熱膨張率より大きくすることができる。また、第１樹脂に含まれる主剤、硬化剤、添加剤と同じ材料を使用する場合でも、各々材料の含有率を変えることにより第２樹脂の熱膨張率を第１樹脂の熱膨張率より大きくすることができる。第２樹脂には、常温で樹脂粘度１００ｍＰａｓ以下の合成樹脂を使用することが好ましい。第２樹脂には、第１樹脂と同種の合成樹脂を用いることが好ましい。例えば、第１樹脂にエポキシ樹脂を使用する場合には、第２樹脂にもエポキシ樹脂を使用することが好ましい。勿論、他の条件次第では、第２樹脂には、第１樹脂と異なる合成樹脂を用いてもよい。
【００３３】
第２プリプレグが巻き付けられたボビン１６を繊維供給装置１２にセットした後、繊維供給装置１２から所定の張力が負荷されて送り出された第２プリプレグは、フィラメントワインディング装置２０で第１プリプレグが巻回されたマンドレル２２に巻回されて積層される。
【００３４】
第３巻回工程（Ｓ１４）は、第２プリプレグが巻回されたマンドレル２２に、第３プリプレグを巻回する工程である。第３プリプレグは、繊維束に第３樹脂を含浸して形成される。
【００３５】
第３プリプレグに含まれる繊維束には、第１プリプレグや第２プリプレグに含まれる繊維束と同種の繊維束を用いることが好ましい。例えば、第１プリプレグや第２プリプレグに含まれる繊維束に炭素繊維を使用した場合には、第３プリプレグに含まれる繊維束には、炭素繊維を使用することが好ましい。勿論、第３プリプレグに含まれる繊維束には、第１プリプレグや第２プリプレグに含まれる繊維束と異なる繊維束を用いてもよい。
【００３６】
第３樹脂には、第２樹脂よりも熱膨張率が大きい合成樹脂が使用される。これにより、第３樹脂の硬化による成形後の体積収縮率を、第２樹脂の硬化による成形後の体積収縮率よりも大きくすることができる。第３樹脂には第２樹脂に含まれる主剤、硬化剤、添加剤と異なる材料を使用して、第３樹脂の熱膨張率を第２樹脂の熱膨張率より大きくすることができる。また、第２樹脂に含まれる主剤、硬化剤、添加剤と同じ材料を使用する場合でも、各々材料の含有率を変えることにより第３樹脂の熱膨張率を第２樹脂の熱膨張率より大きくすることができる。第３樹脂には、常温で樹脂粘度１００ｍＰａｓ以下の合成樹脂を使用することが好ましい。第３樹脂には、第１樹脂または第２樹脂と同種の合成樹脂を用いることが好ましい。例えば、第１樹脂及び第２樹脂にエポキシ樹脂を使用する場合には、第３樹脂にもエポキシ樹脂を使用することが好ましい。勿論、他の条件次第では、第３樹脂には、第１樹脂または第２樹脂と異なる合成樹脂を用いてもよい。
【００３７】
第３プリプレグが巻き付けられたボビン１６を繊維供給装置１２にセットした後、繊維供給装置１２から所定の張力が負荷されて送り出された第３プリプレグは、フィラメントワインディング装置２０で第２プリプレグが巻回されたマンドレル２２に巻回されて積層される。
【００３８】
図３は、マンドレル２２に第１プリプレグと、第２プリプレグと、第３プリプレグとを巻回して積層した積層体３０を示す断面図である。積層体３０は、第１層３２と、第２層３４と、第３層３６とを含んで構成される。第１層３２は、マンドレル２２に第１プリプレグを巻回して形成された層であり、第２層３４は、第２プリプレグを巻回して形成された層であり、第３層３６は、第３プリプレグを巻回して形成された層である。第１プリプレグから第３プリプレグは、いずれも所定の張力を負荷されてマンドレル２２に巻回される。そのため、第１プリプレグに含まれる第１樹脂の一部が、第１層３２から第２層３４または第３層３６へ流動して流出し、第２プリプレグに含まれる第２樹脂が、第２層３４から第３層３６へ流動して流出する。
【００３９】
そして、積層体３０は樹脂硬化炉等で加熱硬化され、繊維強化複合材料が成形される。ここで、第２樹脂の熱膨張率は、第１樹脂の熱膨張率よりも大きく、第３樹脂の熱膨張率は、第２樹脂の熱膨張率よりも大きい。合成樹脂の熱膨張率が大きいほど、上述したように、合成樹脂の硬化による成形後の体積収縮率も大きくなる。そのため、第１樹脂から第３樹脂の中では、第１樹脂は最も熱膨張率が小さいので、第１樹脂の硬化による成形後の体積収縮率は最も小さくなる。また、第３樹脂は最も熱膨張率が大きいので、第３樹脂の硬化による成形後の体積収縮率は最も大きくなる。
【００４０】
第１樹脂の硬化による成形後の体積収縮率は最も小さいので、第１樹脂の流出がない場合には、硬化後の第１層３２は、樹脂体積含有率が最も大きくなる。逆に、第３樹脂の硬化による成形後の体積収縮率は最も大きいので、第１樹脂または第２樹脂の流入がない場合には、硬化後の第３層３６は、樹脂体積含有率が最も小さくなる。しかし、上述したように、第１プリプレグに含まれる第１樹脂の一部が、第１層３２から第２層３４または第３層３６へ流出し、第２プリプレグに含まれる第２樹脂の一部が、第２層３４から第３層３６へ流出する。そのため、第１プリプレグから第３プリプレグを積層した積層体３０を硬化して成形した繊維強化複合材料の樹脂体積含有率は、第１層３２が最も大きく、第３層３６が最も小さくなる。
【００４１】
上記構成によれば、マンドレル２２に、繊維束に第１樹脂を含浸して形成された第１プリプレグを巻回し、第１プリプレグが巻回されたマンドレル２２に、繊維束に第１樹脂より大きい熱膨張率を有する第２樹脂を含浸して形成された第２プリプレグを巻回し、第２プリプレグが巻回されたマンドレル２２に、繊維束に第２樹脂より大きい熱膨張率を有する第３樹脂を含浸して形成された第３プリプレグを巻回して繊維強化複合材料を成形することにより、繊維強化複合材料の内層における樹脂体積含有率の低下を抑制することができる。
【００４２】
次に、他の繊維強化複合材料成形方法について説明する。他の繊維強化複合材料成形方法では、使用される第１プリプレグから第３プリプレグが、上記の繊維強化複合材料成形方法と異なる。なお、同様な要素は詳細な説明を省略する。
【００４３】
繊維強化複合材料成形方法は、第１巻回工程と、第２巻回工程と、第３巻回工程とを含んで構成される。
【００４４】
第１巻回工程は、マンドレル２２に第１プリプレグを巻回する工程である。第１プリプレグは、繊維束に第１樹脂を含浸して形成される。繊維束には、上述した炭素繊維等が使用され、第１樹脂には、上述したエポキシ樹脂等が使用される。また、第１樹脂には、常温で樹脂粘度１００ｍＰａｓ以下の合成樹脂を使用することが好ましい。第１プリプレグは、フィラメントワインディング装置２０でマンドレル２２に巻回されて積層される。
【００４５】
第２巻回工程は、第１プリプレグが巻回されたマンドレル２２に、第２プリプレグを巻回する工程である。第２プリプレグは、繊維束に第２樹脂を含浸して形成される。第２プリプレグに含まれる繊維束には、第１プリプレグに含まれる繊維束と同種の繊維束が用いられることが好ましい。第２プリプレグは、第２樹脂の樹脂含有率（レジンコンテント）が第１プリプレグに含まれる第１樹脂の樹脂含有率より小さくなるように形成される。また、第２樹脂には、常温で樹脂粘度１００ｍＰａｓ以下の合成樹脂を使用することが好ましい。第２プリプレグは、フィラメントワインディング装置２０で第１プリプレグが巻回されたマンドレル２２に巻回されて積層される。
【００４６】
第３巻回工程は、第２プリプレグが巻回されたマンドレル２２に、第３プリプレグを巻回する工程である。第３プリプレグは、繊維束に第３樹脂を含浸して形成される。第３プリプレグに含まれる繊維束には、第１プリプレグまたは第２プリプレグに含まれる繊維束と同種の繊維束が用いられることが好ましい。第３プリプレグは、第３樹脂の樹脂含有率が第２プリプレグに含まれる第２樹脂の樹脂含有率より小さくなるように形成される。また、第３樹脂には、常温で樹脂粘度１００ｍＰａｓ以下の合成樹脂を使用することが好ましい。第３プリプレグは、フィラメントワインディング装置２０で第２プリプレグが巻回されたマンドレル２２に巻回されて積層される。
【００４７】
図４は、マンドレル２２に第１プリプレグと、第２プリプレグと、第３プリプレグとを巻回して積層した積層体４０を示す断面図である。積層体４０は、第１層４２と、第２層４４と、第３層４６とを含んで構成される。第１層４２は、マンドレル２２に第１プリプレグを巻回して形成された層であり、第２層４４は、第２プリプレグを巻回して形成された層であり、第３層４６は、第３プリプレグを巻回して形成された層である。第１プリプレグから第３プリプレグは、所定の張力を負荷されてマンドレル２２に巻回される。そのため、第１プリプレグに含まれる第１樹脂の一部が、第１層４２から第２層４４または第３層４６へ流動して流出し、第２プリプレグに含まれる第２樹脂の一部が、第２層４４から第３層４６へ流動して流出する。
【００４８】
そして、積層体４０は樹脂硬化炉等で加熱硬化され、繊維強化複合材料が成形される。ここで、第２プリプレグの樹脂含有率は、第１プリプレグの樹脂含有率よりも小さく、第３プリプレグの樹脂含有率は、第２プリプレグの樹脂含有率よりも小さい。第１プリプレグの樹脂含有率は最も大きいので、第１樹脂の流出がない場合には、硬化後の第１層４２は、樹脂体積含有率が最も大きくなる。逆に、第３プリプレグの樹脂含有率は最も小さいので、第１樹脂または第２樹脂の流入がない場合には、硬化後の第３層４６は、樹脂体積含有率が最も小さくなる。しかし、上述したように、第１プリプレグに含まれる第１樹脂の一部が第１層４２から第２層４４または第３層４６へ流出し、第２プリプレグに含まれる第２樹脂の一部が、第２層４４から第３層４６へ流出する。そのため、第１プリプレグから第３プリプレグを積層した積層体４０を硬化して成形した繊維強化複合材料の樹脂体積含有率は、第１層４２が最も大きく、第３層４６が最も小さくなる。
【００４９】
上記構成によれば、マンドレル２２に、繊維束に第１樹脂を含浸して形成された第１プリプレグを巻回し、第１プリプレグが巻回されたマンドレル２２に、第１プリプレグより小さい樹脂含有率を有し、繊維束に第２樹脂を含浸して形成された第２プリプレグを巻回し、第２プリプレグが巻回されたマンドレル２２に、第２プリプレグより小さい樹脂含有率を有し、繊維束に第３樹脂を含浸して形成された第３プリプレグを巻回して繊維強化複合材料を成形することにより、繊維強化複合材料の内層における樹脂体積含有率の低下を抑制することができる。
【００５０】
なお、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施得ることは勿論である。例えば、上記の実施形態では、繊維強化複合材料を３層で形成しているが、３層に限定されることなく２層等でもよい。また、上記の実施形態では、繊維強化複合材料成形方法にプリプレグを用いる場合を示しているが、例えば、予め繊維束に樹脂を含浸させたプリプレグを使用するのでなく、樹脂含浸装置等を用いて繊維束に未硬化樹脂を含浸させる場合においても本発明は適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施の形態において、繊維強化複合材料成形システムの構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態において、繊維強化複合材料成形方法を示すフローチャートである。
【図３】本発明の実施の形態において、マンドレルに第１プリプレグと、第２プリプレグと、第３プリプレグとを巻回して積層した積層体を示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態において、マンドレルに第１プリプレグと、第２プリプレグと、第３プリプレグとを巻回して積層した積層体を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５２】
１０ 繊維強化複合材料成形システム、１２ 繊維供給装置、１４ プリプレグ、１６ ボビン、１８ 繊維張力調整装置、２０ フィラメントワイディング装置、２２ マンドレル、２４ 制御装置、２６ データロガ、３０，４０ 積層体、３２，４２ 第１層、３４，４４ 第２層、３６，４６ 第３層。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維強化複合材料成形方法及び繊維強化複合材料に係り、特に、繊維束に樹脂を含浸して形成されたプリプレグを、巻回部材に巻回することにより繊維強化複合材料を成形する繊維強化複合材料成形方法及び繊維強化複合材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧縮水素ガスや圧縮天然ガス（ＣＮＧ）等を貯蔵する、例えば、車両用の高圧タンク等には、軽量化のために、繊維強化複合材料が用いられている。このような繊維強化複合材料には、例えば、強化繊維としての炭素繊維等に、熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂等を含浸させて成形した繊維強化複合材料が用いられる。繊維強化複合材料を成形するための繊維強化複合材料成形方法には、例えば、フィラメントワインディング（Ｆｉｌａｍｅｎｔ Ｗｉｎｄｉｎｇ：ＦＷ）法等が使用される。フィラメントワインディング法は、樹脂含浸した繊維をマンドレル等に連続して巻き付けて積層することにより繊維強化複合材料を成形する方法である。
【０００３】
特許文献１には、樹脂含浸連続繊維の巻回積層体であり、内層と外層とを有し、内層の繊維強化樹脂の繊維含有率が外層の繊維強化樹脂の繊維含有率よりも低い繊維強化樹脂管状体が示され、繊維強化樹脂管状体の製造方法は、回転するマンドレルに、樹脂含浸連続繊維をマンドレル軸に対し９０度の方向で巻回し積層することにより内層を形成し、この内層上に所定の角度方向で樹脂含浸連続繊維を巻回し積層することにより外層を形成し、しかも、内層形成時の樹脂含浸連続繊維の張力を外層形成時の樹脂含浸連続繊維の張力よりも低くすることが示されている。
【０００４】
特許文献２には、樹脂を含浸させた強化繊維をフィラメントワインディング法等でマンドレルに複数回巻回して厚み方向に重ねるとともに、その巻回途中において上記強化繊維または繊維の供給条件を変化させて巻回し一体に成形することが示されている。
【０００５】
特許文献３には、マンドレルに第１プリプレグを順次巻回し、マンドレル側の最内層に巻回される第１プリプレグシートはマンドレルの周方向に強化繊維が引き揃えられたものであり、他の第１プリプレグシートはマンドレルの長手方向に強化繊維が引き揃えられたものであり、第１プリプレグシートの外側には、第２プリプレグシートが巻回されることが示され、第１プリプレグシートと第２プリプレグシートとは、ガラス繊維や炭素繊維等の強化繊維に合成樹脂を含浸させたものをシート状に加工したものであることが示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開平６−３２８５７７号公報
【特許文献２】特開昭５８−１３８６１８号公報
【特許文献３】特開２００１−２３１４０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、プリプレグをマンドレル等に巻き付けて積層し積層体を形成する場合には、プリプレグは、一般的に、所定の張力が負荷されてマンドレル等に巻き付けられる。プリプレグに含まれる樹脂は、半硬化状態であり樹脂粘度が低く流動性がある。そのため、マンドレル側である内側に巻き付けられたプリプレグに含まれる樹脂は、表層側である外側に向けて流れ出す可能性がある。そして、プリプレグを積層した積層体を硬化して成形した繊維強化複合材料において、マンドレル側である内層では樹脂が流出することにより樹脂体積含有率が低下する場合がある。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、繊維強化複合材料の内層における樹脂体積含有率の低下を抑制することができる繊維強化複合材料成形方法及び繊維強化複合材料を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る繊維強化複合材料成形方法は、繊維束に樹脂を含浸して形成されたプリプレグを、巻回部材に巻回することにより繊維強化複合材料を成形する繊維強化複合材料成形方法であって、巻回部材に第１プリプレグを巻回する第１巻回工程と、第１プリプレグが巻回された巻回部材に、第２プリプレグを巻回する第２巻回工程と、を備え、第１プリプレグは、繊維束に第１樹脂を含浸して形成され、第２プリプレグは、繊維束に第２樹脂を含浸して形成され、第２樹脂の熱膨張率は、第１樹脂の熱膨張率より大きいことを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る繊維強化複合材料成形方法は、第２プリプレグが巻回された巻回部材に、第３プリプレグを巻回する第３巻回工程を備え、第３プリプレグは、繊維束に第３樹脂を含浸して形成され、第３樹脂の熱膨張率は、第２樹脂の熱膨張率より大きいことを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る繊維強化複合材料は、繊維束に樹脂を含浸して形成されたプリプレグを、巻回部材に巻回することにより成形される繊維強化複合材料であって、巻回部材に、繊維束に第１樹脂を含浸して形成された第１プリプレグを巻回し、第１プリプレグが巻回された巻回部材に、繊維束に第１樹脂より大きい熱膨張率を有する第２樹脂を含浸して形成された第２プリプレグを巻回して成形されることを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る繊維強化複合材料は、第２プリプレグが巻回された巻回部材に、繊維束に第２樹脂より大きい熱膨張率を有する第３樹脂を含浸して形成された第３プリプレグを巻回して成形されることを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る繊維強化複合材料成形方法は、繊維束に樹脂を含浸して形成されたプリプレグを、巻回部材に巻回することにより繊維強化複合材料を成形する繊維強化複合材料成形方法であって、巻回部材に第１プリプレグを巻回する第１巻回工程と、第１プリプレグが巻回された巻回部材に、第２プリプレグを巻回する第２巻回工程と、を備え、第１プリプレグは、繊維束に第１樹脂を含浸して形成され、第２プリプレグは、繊維束に第２樹脂を含浸して形成され、第２プリプレグの樹脂含有率は、第１プリプレグの樹脂含有率より小さいことを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る繊維強化複合材料成形方法は、第２プリプレグが巻回された巻回部材に、第３プリプレグを巻回する第３巻回工程を備え、第３プリプレグは、繊維束に第３樹脂を含浸して形成され、第３プリプレグの樹脂含有率は、第２プリプレグの樹脂含有率より小さいことを特徴とする。
【００１５】
本発明に係る繊維強化複合材料は、繊維束に樹脂を含浸して形成されたプリプレグを、巻回部材に巻回することにより成形される繊維強化複合材料であって、巻回部材に、第１樹脂を繊維束に含浸して形成された第１プリプレグを巻回し、第１プリプレグが巻回された巻回部材に、第１プリプレグより小さい樹脂含有率を有し、繊維束に第２樹脂を含浸して形成された第２プリプレグを巻回して成形されることを特徴とする。
【００１６】
本発明に係る繊維強化複合材料は、第２プリプレグが巻回された巻回部材に、第２プリプレグより小さい樹脂含有率を有し、繊維束に第３樹脂を含浸して形成された第３プリプレグを巻回して成形されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
上記構成における繊維強化複合材料成形方法及び繊維強化複合材料によれば、繊維強化複合材料の内層における樹脂体積含有率の低下を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。まず、繊維強化複合材料を成形する繊維強化複合材料成形システムについて説明する。図１は、繊維強化複合材料成形システム１０の構成を示す図である。
【００１９】
繊維供給装置１２は、繊維束に樹脂を含浸して形成されたプリプレグ１４を送り出す機能を有している。繊維供給装置１２には、例えば、クリールスタンド（Ｃｒｅｅｌ Ｓｔａｎｄ）等を用いることができる。繊維供給装置１２は、プリプレグ１４が巻き付けられた複数のボビン１６と、プリプレグ１４に負荷される張力を調整するための複数の繊維張力調整装置１８とを有している。それにより、ボビン１６から送り出されたプリプレグ１４を、繊維張力調整装置１８で所定の張力に調整して供給することができる。勿論、他の条件次第では、プリプレグ１４の本数は、複数本に限定されることはなく、１本でもよい。
【００２０】
繊維張力測定装置（図示せず）は、繊維供給装置１２から送り出された複数のプリプレグ１４に負荷された張力を測定する機能を有している。繊維張力測定装置（図示せず）には、一般的に、炭素繊維等の張力測定に用いられている張力測定装置を使用することができる。
【００２１】
フィラメントワインディング装置２０は、繊維張力測定装置（図示せず）から送り出されたプリプレグ１４を、型または心金であるマンドレル２２（Ｍａｎｄｒｅｌ）等の巻回部材に巻回する機能を有している。フィラメントワインディング装置２０は、プリプレグ１４をマンドレル２２等の円周方向や軸方向等に巻き付けることができる。フィラメントワインディング装置２０は、例えば、マンドレル２２等の回転軸方向に対して略垂直に巻き付けるフープ巻き（Ｈｏｏｐ Ｗｉｎｄｉｎｇ）や、マンドレル２２等の回転軸方向に対して所定の角度で巻き付けるヘリカル巻き（Ｈｅｌｉｃａｌ Ｗｉｎｄｉｎｇ）等によりプリプレグ１４をマンドレル２２等に巻き付けて積層することができる。
【００２２】
圧力容器、例えば、高圧タンク等を製造する場合には、巻回部材にポリアミド樹脂等により成形された樹脂ライナまたはアルミニウム等により成形された金属ライナ等を使用することができる。プリプレグ１４は、フィラメントワインディング装置２０により、張力を与えつつ樹脂ライナまたは金属ライナに巻き付けられて積層される。また、フィラメントワインディング装置２０によれば、高圧タンクの胴部だけでなく、ドーム部等にもプリプレグ１４を巻き付けて積層することができる。そして、プリプレグ１４を積層して形成された積層体は樹脂硬化炉等で加熱硬化され、繊維強化複合材料が成形される。
【００２３】
制御装置２４は、繊維供給装置１２と、繊維張力測定装置（図示せず）と、フィラメントワインディング装置２０とにリード線とコネクタ等を用いて接続される。制御装置２４は、繊維供給装置１２と、繊維張力測定装置（図示せず）と、フィラメントワインディング装置２０とを制御することができる機能を有している。例えば、制御装置２４の制御によりフィラメントワインディング装置２０等の始動及び停止を行うことができる。また、制御装置２４は、繊維張力測定装置（図示せず）から出力されるプリプレグ１４の張力データの電気信号を入力し、プリプレグ１４の張力を制御することができる機能を有している。かかる制御装置２４は、例えば、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）等で構成することができる。また、制御装置２４と接続されたデータロガ２６には、プリプレグ１４の張力データ等が記憶されて保存される。
【００２４】
次に、繊維強化複合材料の成形方法について説明する。図２は、繊維強化複合材料成形方法を示すフローチャートである。繊維強化複合材料の成形方法は、第１巻回工程（Ｓ１０）と、第２巻回工程（Ｓ１２）と、第３巻回工程（Ｓ１４）とを含んで構成される。
【００２５】
第１巻回工程（Ｓ１０）は、マンドレル２２に第１プリプレグを巻回する工程である。第１プリプレグは、繊維束に第１樹脂を含浸して形成される。
【００２６】
繊維束の繊維には、高強度繊維または高弾性繊維である炭素繊維等を使用することができる。そして、炭素繊維には、レーヨン系炭素繊維、ポリアクリロニトリル（Ｐｏｌｙａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ：ＰＡＮ）系炭素繊維またはピッチ系炭素繊維等が用いられる。勿論、第１プリプレグに用いられる繊維束の繊維には、炭素繊維に限定されることはなく、ガラス繊維またはアラミド繊維等を用いることができる。
【００２７】
繊維束には、繊維径が、例えば、１μｍから５μｍの単繊維であるフィラメントを束ねたヤーン、ストランド、ロービング等を用いることができる。例えば、炭素繊維を用いた繊維束には、炭素繊維フィラメントを１万本〜５万本束ねた炭素繊維ストランドを用いることができる。また、繊維束には、一方向材だけでなく、平織や朱子織等で織られた織物材の繊維シート等を使用してもよい。勿論、他の条件次第では、繊維束は、これらの形態に限定されることはない。
【００２８】
第１樹脂には、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂または不飽和ポリエステル樹脂等の熱硬化性樹脂を使用することができる。勿論、第１樹脂は、上記合成樹脂に限定されることはない。第１樹脂には、常温で樹脂粘度１００ｍＰａｓ以下の合成樹脂が使用されることが好ましい。
【００２９】
まず、第１プリプレグが巻き付けられたボビン１６は、繊維供給装置１２にセットされる。そして、繊維供給装置１２から所定の張力が負荷されて送り出された第１プリプレグは、フィラメントワインディング装置２０でマンドレル２２に巻回されて積層される。
【００３０】
第２巻回工程（Ｓ１２）は、第１プリプレグが巻回されたマンドレル２２に、第２プリプレグを巻回する工程である。第２プリプレグは、繊維束に第２樹脂を含浸して形成される。
【００３１】
第２プリプレグに含まれる繊維束には、第１プリプレグに含まれる繊維束と同種の繊維束を用いることが好ましい。例えば、第１プリプレグに含まれる繊維束に炭素繊維を使用する場合には、第２プリプレグに含まれる繊維束に炭素繊維を使用することが好ましい。勿論、他の条件次第では、第２プリプレグに含まれる繊維束には、第１プリプレグに含まれる繊維束と異なる繊維束を用いてもよい。
【００３２】
第２樹脂には、第１樹脂よりも熱膨張率が大きい合成樹脂が使用される。これにより、第２樹脂の硬化による成形後の体積収縮率を、第１樹脂の硬化による成形後の体積収縮率よりも大きくすることができる。第２樹脂には第１樹脂に含まれる主剤、硬化剤、添加剤と異なる材料を使用して、第２樹脂の熱膨張率を第１樹脂の熱膨張率より大きくすることができる。また、第１樹脂に含まれる主剤、硬化剤、添加剤と同じ材料を使用する場合でも、各々材料の含有率を変えることにより第２樹脂の熱膨張率を第１樹脂の熱膨張率より大きくすることができる。第２樹脂には、常温で樹脂粘度１００ｍＰａｓ以下の合成樹脂を使用することが好ましい。第２樹脂には、第１樹脂と同種の合成樹脂を用いることが好ましい。例えば、第１樹脂にエポキシ樹脂を使用する場合には、第２樹脂にもエポキシ樹脂を使用することが好ましい。勿論、他の条件次第では、第２樹脂には、第１樹脂と異なる合成樹脂を用いてもよい。
【００３３】
第２プリプレグが巻き付けられたボビン１６を繊維供給装置１２にセットした後、繊維供給装置１２から所定の張力が負荷されて送り出された第２プリプレグは、フィラメントワインディング装置２０で第１プリプレグが巻回されたマンドレル２２に巻回されて積層される。
【００３４】
第３巻回工程（Ｓ１４）は、第２プリプレグが巻回されたマンドレル２２に、第３プリプレグを巻回する工程である。第３プリプレグは、繊維束に第３樹脂を含浸して形成される。
【００３５】
第３プリプレグに含まれる繊維束には、第１プリプレグや第２プリプレグに含まれる繊維束と同種の繊維束を用いることが好ましい。例えば、第１プリプレグや第２プリプレグに含まれる繊維束に炭素繊維を使用した場合には、第３プリプレグに含まれる繊維束には、炭素繊維を使用することが好ましい。勿論、第３プリプレグに含まれる繊維束には、第１プリプレグや第２プリプレグに含まれる繊維束と異なる繊維束を用いてもよい。
【００３６】
第３樹脂には、第２樹脂よりも熱膨張率が大きい合成樹脂が使用される。これにより、第３樹脂の硬化による成形後の体積収縮率を、第２樹脂の硬化による成形後の体積収縮率よりも大きくすることができる。第３樹脂には第２樹脂に含まれる主剤、硬化剤、添加剤と異なる材料を使用して、第３樹脂の熱膨張率を第２樹脂の熱膨張率より大きくすることができる。また、第２樹脂に含まれる主剤、硬化剤、添加剤と同じ材料を使用する場合でも、各々材料の含有率を変えることにより第３樹脂の熱膨張率を第２樹脂の熱膨張率より大きくすることができる。第３樹脂には、常温で樹脂粘度１００ｍＰａｓ以下の合成樹脂を使用することが好ましい。第３樹脂には、第１樹脂または第２樹脂と同種の合成樹脂を用いることが好ましい。例えば、第１樹脂及び第２樹脂にエポキシ樹脂を使用する場合には、第３樹脂にもエポキシ樹脂を使用することが好ましい。勿論、他の条件次第では、第３樹脂には、第１樹脂または第２樹脂と異なる合成樹脂を用いてもよい。
【００３７】
第３プリプレグが巻き付けられたボビン１６を繊維供給装置１２にセットした後、繊維供給装置１２から所定の張力が負荷されて送り出された第３プリプレグは、フィラメントワインディング装置２０で第２プリプレグが巻回されたマンドレル２２に巻回されて積層される。
【００３８】
図３は、マンドレル２２に第１プリプレグと、第２プリプレグと、第３プリプレグとを巻回して積層した積層体３０を示す断面図である。積層体３０は、第１層３２と、第２層３４と、第３層３６とを含んで構成される。第１層３２は、マンドレル２２に第１プリプレグを巻回して形成された層であり、第２層３４は、第２プリプレグを巻回して形成された層であり、第３層３６は、第３プリプレグを巻回して形成された層である。第１プリプレグから第３プリプレグは、いずれも所定の張力を負荷されてマンドレル２２に巻回される。そのため、第１プリプレグに含まれる第１樹脂の一部が、第１層３２から第２層３４または第３層３６へ流動して流出し、第２プリプレグに含まれる第２樹脂が、第２層３４から第３層３６へ流動して流出する。
【００３９】
そして、積層体３０は樹脂硬化炉等で加熱硬化され、繊維強化複合材料が成形される。ここで、第２樹脂の熱膨張率は、第１樹脂の熱膨張率よりも大きく、第３樹脂の熱膨張率は、第２樹脂の熱膨張率よりも大きい。合成樹脂の熱膨張率が大きいほど、上述したように、合成樹脂の硬化による成形後の体積収縮率も大きくなる。そのため、第１樹脂から第３樹脂の中では、第１樹脂は最も熱膨張率が小さいので、第１樹脂の硬化による成形後の体積収縮率は最も小さくなる。また、第３樹脂は最も熱膨張率が大きいので、第３樹脂の硬化による成形後の体積収縮率は最も大きくなる。
【００４０】
第１樹脂の硬化による成形後の体積収縮率は最も小さいので、第１樹脂の流出がない場合には、硬化後の第１層３２は、樹脂体積含有率が最も大きくなる。逆に、第３樹脂の硬化による成形後の体積収縮率は最も大きいので、第１樹脂または第２樹脂の流入がない場合には、硬化後の第３層３６は、樹脂体積含有率が最も小さくなる。しかし、上述したように、第１プリプレグに含まれる第１樹脂の一部が、第１層３２から第２層３４または第３層３６へ流出し、第２プリプレグに含まれる第２樹脂の一部が、第２層３４から第３層３６へ流出する。そのため、第１プリプレグから第３プリプレグを積層した積層体３０を硬化して成形した繊維強化複合材料の樹脂体積含有率は、第１層３２が最も大きく、第３層３６が最も小さくなる。
【００４１】
上記構成によれば、マンドレル２２に、繊維束に第１樹脂を含浸して形成された第１プリプレグを巻回し、第１プリプレグが巻回されたマンドレル２２に、繊維束に第１樹脂より大きい熱膨張率を有する第２樹脂を含浸して形成された第２プリプレグを巻回し、第２プリプレグが巻回されたマンドレル２２に、繊維束に第２樹脂より大きい熱膨張率を有する第３樹脂を含浸して形成された第３プリプレグを巻回して繊維強化複合材料を成形することにより、繊維強化複合材料の内層における樹脂体積含有率の低下を抑制することができる。
【００４２】
次に、他の繊維強化複合材料成形方法について説明する。他の繊維強化複合材料成形方法では、使用される第１プリプレグから第３プリプレグが、上記の繊維強化複合材料成形方法と異なる。なお、同様な要素は詳細な説明を省略する。
【００４３】
繊維強化複合材料成形方法は、第１巻回工程と、第２巻回工程と、第３巻回工程とを含んで構成される。
【００４４】
第１巻回工程は、マンドレル２２に第１プリプレグを巻回する工程である。第１プリプレグは、繊維束に第１樹脂を含浸して形成される。繊維束には、上述した炭素繊維等が使用され、第１樹脂には、上述したエポキシ樹脂等が使用される。また、第１樹脂には、常温で樹脂粘度１００ｍＰａｓ以下の合成樹脂を使用することが好ましい。第１プリプレグは、フィラメントワインディング装置２０でマンドレル２２に巻回されて積層される。
【００４５】
第２巻回工程は、第１プリプレグが巻回されたマンドレル２２に、第２プリプレグを巻回する工程である。第２プリプレグは、繊維束に第２樹脂を含浸して形成される。第２プリプレグに含まれる繊維束には、第１プリプレグに含まれる繊維束と同種の繊維束が用いられることが好ましい。第２プリプレグは、第２樹脂の樹脂含有率（レジンコンテント）が第１プリプレグに含まれる第１樹脂の樹脂含有率より小さくなるように形成される。また、第２樹脂には、常温で樹脂粘度１００ｍＰａｓ以下の合成樹脂を使用することが好ましい。第２プリプレグは、フィラメントワインディング装置２０で第１プリプレグが巻回されたマンドレル２２に巻回されて積層される。
【００４６】
第３巻回工程は、第２プリプレグが巻回されたマンドレル２２に、第３プリプレグを巻回する工程である。第３プリプレグは、繊維束に第３樹脂を含浸して形成される。第３プリプレグに含まれる繊維束には、第１プリプレグまたは第２プリプレグに含まれる繊維束と同種の繊維束が用いられることが好ましい。第３プリプレグは、第３樹脂の樹脂含有率が第２プリプレグに含まれる第２樹脂の樹脂含有率より小さくなるように形成される。また、第３樹脂には、常温で樹脂粘度１００ｍＰａｓ以下の合成樹脂を使用することが好ましい。第３プリプレグは、フィラメントワインディング装置２０で第２プリプレグが巻回されたマンドレル２２に巻回されて積層される。
【００４７】
図４は、マンドレル２２に第１プリプレグと、第２プリプレグと、第３プリプレグとを巻回して積層した積層体４０を示す断面図である。積層体４０は、第１層４２と、第２層４４と、第３層４６とを含んで構成される。第１層４２は、マンドレル２２に第１プリプレグを巻回して形成された層であり、第２層４４は、第２プリプレグを巻回して形成された層であり、第３層４６は、第３プリプレグを巻回して形成された層である。第１プリプレグから第３プリプレグは、所定の張力を負荷されてマンドレル２２に巻回される。そのため、第１プリプレグに含まれる第１樹脂の一部が、第１層４２から第２層４４または第３層４６へ流動して流出し、第２プリプレグに含まれる第２樹脂の一部が、第２層４４から第３層４６へ流動して流出する。
【００４８】
そして、積層体４０は樹脂硬化炉等で加熱硬化され、繊維強化複合材料が成形される。ここで、第２プリプレグの樹脂含有率は、第１プリプレグの樹脂含有率よりも小さく、第３プリプレグの樹脂含有率は、第２プリプレグの樹脂含有率よりも小さい。第１プリプレグの樹脂含有率は最も大きいので、第１樹脂の流出がない場合には、硬化後の第１層４２は、樹脂体積含有率が最も大きくなる。逆に、第３プリプレグの樹脂含有率は最も小さいので、第１樹脂または第２樹脂の流入がない場合には、硬化後の第３層４６は、樹脂体積含有率が最も小さくなる。しかし、上述したように、第１プリプレグに含まれる第１樹脂の一部が第１層４２から第２層４４または第３層４６へ流出し、第２プリプレグに含まれる第２樹脂の一部が、第２層４４から第３層４６へ流出する。そのため、第１プリプレグから第３プリプレグを積層した積層体４０を硬化して成形した繊維強化複合材料の樹脂体積含有率は、第１層４２が最も大きく、第３層４６が最も小さくなる。
【００４９】
上記構成によれば、マンドレル２２に、繊維束に第１樹脂を含浸して形成された第１プリプレグを巻回し、第１プリプレグが巻回されたマンドレル２２に、第１プリプレグより小さい樹脂含有率を有し、繊維束に第２樹脂を含浸して形成された第２プリプレグを巻回し、第２プリプレグが巻回されたマンドレル２２に、第２プリプレグより小さい樹脂含有率を有し、繊維束に第３樹脂を含浸して形成された第３プリプレグを巻回して繊維強化複合材料を成形することにより、繊維強化複合材料の内層における樹脂体積含有率の低下を抑制することができる。
【００５０】
なお、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施得ることは勿論である。例えば、上記の実施形態では、繊維強化複合材料を３層で形成しているが、３層に限定されることなく２層等でもよい。また、上記の実施形態では、繊維強化複合材料成形方法にプリプレグを用いる場合を示しているが、例えば、予め繊維束に樹脂を含浸させたプリプレグを使用するのでなく、樹脂含浸装置等を用いて繊維束に未硬化樹脂を含浸させる場合においても本発明は適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施の形態において、繊維強化複合材料成形システムの構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態において、繊維強化複合材料成形方法を示すフローチャートである。
【図３】本発明の実施の形態において、マンドレルに第１プリプレグと、第２プリプレグと、第３プリプレグとを巻回して積層した積層体を示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態において、マンドレルに第１プリプレグと、第２プリプレグと、第３プリプレグとを巻回して積層した積層体を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５２】
１０ 繊維強化複合材料成形システム、１２ 繊維供給装置、１４ プリプレグ、１６ ボビン、１８ 繊維張力調整装置、２０ フィラメントワイディング装置、２２ マンドレル、２４ 制御装置、２６ データロガ、３０，４０ 積層体、３２，４２ 第１層、３４，４４ 第２層、３６，４６ 第３層。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維束に樹脂を含浸して形成されたプリプレグを、巻回部材に巻回することにより繊維強化複合材料を成形する繊維強化複合材料成形方法であって、
巻回部材に第１プリプレグを巻回する第１巻回工程と、
第１プリプレグが巻回された巻回部材に、第２プリプレグを巻回する第２巻回工程と、
を備え、
第１プリプレグは、繊維束に第１樹脂を含浸して形成され、
第２プリプレグは、繊維束に第２樹脂を含浸して形成され、
第２樹脂の熱膨張率は、第１樹脂の熱膨張率より大きいことを特徴とする繊維強化複合材料成形方法。
【請求項２】
請求項１に記載の繊維強化複合材料成形方法であって、
第２プリプレグが巻回された巻回部材に、第３プリプレグを巻回する第３巻回工程を備え、
第３プリプレグは、繊維束に第３樹脂を含浸して形成され、
第３樹脂の熱膨張率は、第２樹脂の熱膨張率より大きいことを特徴とする繊維強化複合材料成形方法。
【請求項３】
繊維束に樹脂を含浸して形成されたプリプレグを、巻回部材に巻回することにより成形される繊維強化複合材料であって、
巻回部材に、繊維束に第１樹脂を含浸して形成された第１プリプレグを巻回し、
第１プリプレグが巻回された巻回部材に、繊維束に第１樹脂より大きい熱膨張率を有する第２樹脂を含浸して形成された第２プリプレグを巻回して成形されることを特徴とする繊維強化複合材料。
【請求項４】
請求項３に記載の繊維強化複合材料であって、
第２プリプレグが巻回された巻回部材に、繊維束に第２樹脂より大きい熱膨張率を有する第３樹脂を含浸して形成された第３プリプレグを巻回して成形されることを特徴とする繊維強化複合材料。
【請求項５】
繊維束に樹脂を含浸して形成されたプリプレグを、巻回部材に巻回することにより繊維強化複合材料を成形する繊維強化複合材料成形方法であって、
巻回部材に第１プリプレグを巻回する第１巻回工程と、
第１プリプレグが巻回された巻回部材に、第２プリプレグを巻回する第２巻回工程と、
を備え、
第１プリプレグは、繊維束に第１樹脂を含浸して形成され、
第２プリプレグは、繊維束に第２樹脂を含浸して形成され、
第２プリプレグの樹脂含有率は、第１プリプレグの樹脂含有率より小さいことを特徴とする繊維強化複合材料成形方法。
【請求項６】
請求項５に記載の繊維強化複合材料成形方法であって、
第２プリプレグが巻回された巻回部材に、第３プリプレグを巻回する第３巻回工程を備え、
第３プリプレグは、繊維束に第３樹脂を含浸して形成され、
第３プリプレグの樹脂含有率は、第２プリプレグの樹脂含有率より小さいことを特徴とする繊維強化複合材料成形方法。
【請求項７】
繊維束に樹脂を含浸して形成されたプリプレグを、巻回部材に巻回することにより成形される繊維強化複合材料であって、
巻回部材に、繊維束に第１樹脂を含浸して形成された第１プリプレグを巻回し、
第１プリプレグが巻回された巻回部材に、第１プリプレグより小さい樹脂含有率を有し、繊維束に第２樹脂を含浸して形成された第２プリプレグを巻回して成形されることを特徴とする繊維強化複合材料。
【請求項８】
請求項７に記載された繊維強化複合材料であって、
第２プリプレグが巻回された巻回部材に、第２プリプレグより小さい樹脂含有率を有し、繊維束に第３樹脂を含浸して形成された第３プリプレグを巻回して成形されることを特徴とする繊維強化複合材料。
【請求項１】
繊維束に樹脂を含浸して形成されたプリプレグを、巻回部材に巻回することにより繊維強化複合材料を成形する繊維強化複合材料成形方法であって、
巻回部材に第１プリプレグを巻回する第１巻回工程と、
第１プリプレグが巻回された巻回部材に、第２プリプレグを巻回する第２巻回工程と、
を備え、
第１プリプレグは、繊維束に第１樹脂を含浸して形成され、
第２プリプレグは、繊維束に第２樹脂を含浸して形成され、
第２樹脂の熱膨張率は、第１樹脂の熱膨張率より大きいことを特徴とする繊維強化複合材料成形方法。
【請求項２】
請求項１に記載の繊維強化複合材料成形方法であって、
第２プリプレグが巻回された巻回部材に、第３プリプレグを巻回する第３巻回工程を備え、
第３プリプレグは、繊維束に第３樹脂を含浸して形成され、
第３樹脂の熱膨張率は、第２樹脂の熱膨張率より大きいことを特徴とする繊維強化複合材料成形方法。
【請求項３】
繊維束に樹脂を含浸して形成されたプリプレグを、巻回部材に巻回することにより成形される繊維強化複合材料であって、
巻回部材に、繊維束に第１樹脂を含浸して形成された第１プリプレグを巻回し、
第１プリプレグが巻回された巻回部材に、繊維束に第１樹脂より大きい熱膨張率を有する第２樹脂を含浸して形成された第２プリプレグを巻回して成形されることを特徴とする繊維強化複合材料。
【請求項４】
請求項３に記載の繊維強化複合材料であって、
第２プリプレグが巻回された巻回部材に、繊維束に第２樹脂より大きい熱膨張率を有する第３樹脂を含浸して形成された第３プリプレグを巻回して成形されることを特徴とする繊維強化複合材料。
【請求項５】
繊維束に樹脂を含浸して形成されたプリプレグを、巻回部材に巻回することにより繊維強化複合材料を成形する繊維強化複合材料成形方法であって、
巻回部材に第１プリプレグを巻回する第１巻回工程と、
第１プリプレグが巻回された巻回部材に、第２プリプレグを巻回する第２巻回工程と、
を備え、
第１プリプレグは、繊維束に第１樹脂を含浸して形成され、
第２プリプレグは、繊維束に第２樹脂を含浸して形成され、
第２プリプレグの樹脂含有率は、第１プリプレグの樹脂含有率より小さいことを特徴とする繊維強化複合材料成形方法。
【請求項６】
請求項５に記載の繊維強化複合材料成形方法であって、
第２プリプレグが巻回された巻回部材に、第３プリプレグを巻回する第３巻回工程を備え、
第３プリプレグは、繊維束に第３樹脂を含浸して形成され、
第３プリプレグの樹脂含有率は、第２プリプレグの樹脂含有率より小さいことを特徴とする繊維強化複合材料成形方法。
【請求項７】
繊維束に樹脂を含浸して形成されたプリプレグを、巻回部材に巻回することにより成形される繊維強化複合材料であって、
巻回部材に、繊維束に第１樹脂を含浸して形成された第１プリプレグを巻回し、
第１プリプレグが巻回された巻回部材に、第１プリプレグより小さい樹脂含有率を有し、繊維束に第２樹脂を含浸して形成された第２プリプレグを巻回して成形されることを特徴とする繊維強化複合材料。
【請求項８】
請求項７に記載された繊維強化複合材料であって、
第２プリプレグが巻回された巻回部材に、第２プリプレグより小さい樹脂含有率を有し、繊維束に第３樹脂を含浸して形成された第３プリプレグを巻回して成形されることを特徴とする繊維強化複合材料。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００８−３０７７２６（Ｐ２００８−３０７７２６Ａ）
【公開日】平成２０年１２月２５日（２００８．１２．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１５５９１６（Ｐ２００７−１５５９１６）
【出願日】平成１９年６月１３日（２００７．６．１３）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１２月２５日（２００８．１２．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年６月１３日（２００７．６．１３）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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