繊維強化複合材料

【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を形成する賦形過程と、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、繊維束からなる組糸５・６の間に複数本の中央糸７が組み込まれた組物である。プリフォーム１は、湾曲する屈折線１０と、屈折線１０に連続する複数個の構成面２０とを有する。そして、構成面２０に中央糸７を配置する。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】
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。特に、形成対象となるプリフォームが、湾曲線状の屈折線を有する複雑な３次元形状である場合は、屈折線の中央部分付近などにある程度のシワが生じることは避けられない。このシワは、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、繊維束からなる組糸の間に複数本の中央糸が組み込まれた組物である。プリフォームは、湾曲する屈折線と、屈折線に連続する複数個の構成面とを有し、構成面に中央糸が配置してあることを特徴とする。
【０００７】
具体的には、繊維基材は、繊維束からなる組糸の間に２本の中央糸が組み込まれた組物である。プリフォームは、湾曲する１本の屈折線と、屈折線に連続する２個の構成面とを有し、各構成面に中央糸が１本ずつ配置してある。
【０００８】
もしくは、繊維基材は、繊維束からなる組糸の間に少なくとも２本の中央糸が組み込まれた組物である。プリフォームは、湾曲する複数本の屈折線と、左右両側端の屈折線に連続する２個の端部構成面と、左右両側端の屈折線の間に設けられる少なくとも１個の中央部構成面とを有し、各端部構成面に中央糸が１本ずつ配置してある。中央部構成面には中央糸を配置してもよく、また配置しなくてもよい。
【０００９】
繊維基材が、組糸の間に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。
【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、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対して織物を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繊維構造を好適化することにより、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】
このように本発明は、プリフォームの賦形過程で、組糸の互いの変位を利用して繊維基材を賦形型に密着させるものであるが、その場合には、繊維束からなる組糸の幅寸法が変化する。そして、幅寸法が変化すると、繊維密度にも変化が生じる。組糸の繊維密度は、繊維強化複合材料とした際の強度に大きく関係するものであり、特にこれが極端に小さくなると、強度の低下を招き、当該複合材料の信頼性が損なわれるおそれがある。こうした強度の低下に対処するには、プリフォームにおける組糸の繊維密度を充分に大きくする必要がある。しかし、繊維基材を作製する段階で繊維密度を充分に大きく設定しておいても、プリフォームにおける繊維密度はその設定値より小さくなる場合がある。
【００１２】
そこで本発明では、組糸の間に中央糸を組み込んで組糸の動きを拘束することにより、中央糸の周辺部において、組糸の幅寸法と繊維密度が、賦形過程の前後で変化しないようにした。つまり、中央糸の周辺部では、繊維基材における組糸の繊維密度が、賦形過程後に得られるプリフォームにおいてもそのまま維持される。したがって、中央糸を、繊維基材の特定箇所、すなわち、繊維強化複合材料の使用形態において大きい負荷が掛かる箇所に配置するとともに、中央糸の周辺部の繊維密度を充分に大きく設定しておけば、当該箇所の強度が大きく信頼性の高い繊維強化複合材料を得ることができる。
【００１３】
また中央糸は、同一の賦形型を用いて形成される各プリフォームの構造強度を均一化することにも役立つ。賦形過程で賦形型に密着させたとき、繊維基材においては、組糸が動いてその幅寸法が変化する箇所もあれば、逆に殆ど動かない箇所もあり、前者の箇所では当然に繊維密度が大きく変化する。しかし、中央糸がない場合は、これらの箇所が毎回異なってしまいがちであり、その結果、各プリフォームの繊維密度の分布が相違する。つまり、各プリフォームの構造強度がバラバラになってしまう。これに対して本発明では、組糸の間に中央糸を組み込んで、その周辺部の組糸の動きを拘束した。すなわち、組糸が動かない箇所を定めた。組糸の動かない箇所が定まると、組糸の動く箇所も自然と定まるので、結果として、各プリフォームの繊維密度の分布を一定にして、構造強度を均一化することができる。
【００１４】
本発明では、プリフォームが、湾曲する１本の屈折線と、屈折線に連続する２個の構成面とを有し、各構成面に中央糸が１本ずつ配置してある形態を採ることができる。もしくは、プリフォームが、湾曲する複数本の屈折線と、左右両側端の屈折線に連続する２個の端部構成面と、左右両側端の屈折線の間に設けられる少なくとも１個の中央部構成面とを有し、各端部構成面に中央糸が１本ずつ配置してある形態を採ることができる。このように、構成面あるいは端部構成面に配置される中央糸を１本のみとすると、中央糸の周辺部を除く構成面あるいは端部構成面のほぼ全ての範囲で、組糸が拘束されることなく動くことができるので、賦形の際にシワが生じることを確実に防止できる。
【００１５】
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工数を削減することができる。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】
【００１６】
（第１実施形態）本発明に係る繊維強化複合材料の第１実施形態を、図１から図５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、部分円弧状に形成された１本の屈折線１０と、屈折線１０に連続する２個の同形の構成面２０・２０とからなり、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、プリフォーム１の遊端線を示す。
【００１７】
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、図１に示す３次元形状の賦形型３に密着させて賦形する過程を経て得ることができる。賦形型３は、形成対象となるプリフォーム１の形状に対応して成形されており、この賦形型３の形状に合致するように平打組物２を賦形することにより、所望する形状のプリフォーム１を得ることができる。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。
【００１８】
図３に示すように、組糸５・６の間には、２本の中央糸７・７が組み込まれている。各中央糸７は、組糸５・６と同様に繊維束からなり、中央糸７を構成する繊維は、組糸５・６のそれと同じでもよく、また異なっていてもよい。中央糸７は、平打組物２の長手方向に伸びており、平打組物２の幅方向両端部にそれぞれ１本ずつ配置されている。図３において符号Ｌで示した想像線は、平打組物２を幅方向に等分する二等分線であり、この二等分線Ｌは、後にこの平打組物２を賦形してプリフォーム１とした際の屈折線１０の形成箇所に一致する。２本の中央糸７・７は、二等分線Ｌと平行であり、また二等分線Ｌに対して対称である。プリフォーム１において各中央糸７は、図２に示すように、遊端線１１の近傍に位置する。各中央糸７は組糸５・６の動きを拘束しており、中央糸７の周辺部では賦形過程の前後で組糸５・６の幅寸法が変化しないが、この意義については後述する。
【００１９】
賦形過程の詳細について図１を用いて説明する。図１は、平打組物２を賦形型３に密着させる直前の様子を示しており、この状態からまず、平打組物２の長手方向の一端側を賦形型３に密着させる。ここから、密着の範囲を他端側へと広げていき、平打組物２の全体を賦形型３に密着させたところで賦形過程は完了となる。この作業は手作業で行われる。なおこの作業は、図３に示した二等分線Ｌに沿う折り目を先に設けてから行うこともできる。
【００２０】
図４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おり、この状態では図４（ｂ）に示すように、プリフォーム１が賦形型３に確りと密着している。このときの２個の構成面２０・２０および２本の中央糸７・７は、屈折線１０の全体を含む垂直面Ｘに対して対称である。完成したプリフォーム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が完成する。
【００２１】
図５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５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。
【００２２】
図５（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５（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上の交差角度θ２はθ１より小さく、遊端線１１上の交差角度θ３はθ１より大きい。
【００２３】
一方、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。遊端線１１上の幅寸法Ｗ３は、遊端線１１の近傍では中央糸７により組糸５・６の動きが拘束されるために、平打組物２における幅寸法Ｗ１とほぼ等しくなる。屈折線１０上の幅寸法Ｗ２は、Ｗ１あるいはＷ３より大きい。プリフォーム１および平打組物２の全体をみると、遊端線１１の長さ寸法は、平打組物２の長手方向寸法に等しく、屈折線１０の長さ寸法は、平打組物２の長手方向寸法より大きい。
【００２４】
上記のように本実施形態では、中央糸７の周辺部において、組糸５・６の幅寸法が賦形過程の前後で変化しない。幅寸法が変化しなければ繊維密度も変化せず、中央糸７の周辺部では、平打組物２における組糸５・６の繊維密度が、賦形過程後に得られるプリフォーム１においてもそのまま維持される。したがって、中央糸７を、平打組物２の特定箇所、すなわち、繊維強化複合材料の使用形態において大きい負荷が掛かる箇所に配置し、更に中央糸７の周辺部の繊維密度を充分に大きく設定しておけば、当該箇所の強度が大きく信頼性の高い繊維強化複合材料を得ることができる。
【００２５】
（第２実施形態）本発明に係る繊維強化複合材料の第２実施形態を、図６および図７を用いて説明する。本実施形態は、各中央糸７を屈折線１０の近傍に配置する点が、先の第１実施形態と相違する。本実施形態では、屈折線１０の近傍で組糸５・６の動きが拘束されるので、屈折線１０上の組糸５・６の幅寸法Ｗ２が、平打組物２における幅寸法Ｗ１とほぼ等しくなる。遊端線１１上の幅寸法Ｗ３は、Ｗ１あるいはＷ２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の長手方向寸法に等しく、遊端線１１の長さ寸法は、平打組物２の長手方向寸法より小さい。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。
【００２６】
（第３実施形態）本発明に係る繊維強化複合材料の第３実施形態を、図８および図９を用いて説明する。本実施形態は、各中央糸７を屈折線１０と遊端線１１の中間部に配置する点が、先の第１実施形態と相違する。本実施形態では、前記中間部で組糸５・６の動きが拘束されるので、この中間部における組糸５・６の幅寸法Ｗ４が、平打組物２における幅寸法Ｗ１とほぼ等しくなる。一方、屈折線１０上の幅寸法Ｗ２は、Ｗ１あるいはＷ４より大きく、遊端線１１の幅寸法Ｗ３は、Ｗ１あるいはＷ４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小さい。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。
【００２７】
（第４実施形態）本発明に係る繊維強化複合材料の第４実施形態を、図１０および図１１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１０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１１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。
【００２８】
（第５実施形態）本発明に係る繊維強化複合材料の第５実施形態を、図１２を用いて説明する。本実施形態は、プリフォーム１の形状、具体的には、屈折線１０の湾曲方向が、先の第１実施形態と相違する。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４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、本実施形態のプリフォーム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。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。
【００２９】
（第６実施形態）本発明に係る繊維強化複合材料の第６実施形態を、図１３を用いて説明する。本実施形態は、プリフォーム１の形状が先の第１実施形態と大きく相違する。ここでのプリフォーム１は、左右に並ぶ２本の屈折線１０・１０と、屈折線１０に連続する３個の構成面とを有する。この構成面は、２本の屈折線１０・１０に連続する１個の中央部構成面２１と、１本の屈折線１０に連続する２個の端部構成面２２とに分類することができ、中央部構成面２１は各端部構成面２２に対して直交している。
【００３０】
端部構成面２２は、第１実施形態のプリフォーム１の構成面２０とほぼ同一の形状を呈しており、この端部構成面２２では、組糸５・６の交差角度が屈折線１０に近寄るほど小さくなるとともに、その幅寸法が屈折線１０に近寄るほど大きくなっている。中央糸７は、屈折線１０に対向する遊端線１１の近傍に、それぞれ１本ずつ配置されている。一方、中央部構成面２１は、矩形板がその厚み方向に湾曲した形状を呈しており、ここの組糸５・６は、賦形過程で殆ど動くことがない。そのため、中央部構成面２１では、組糸５・６の交差角度および幅寸法が任意の位置で等しい。また、組糸５・６が殆ど動かないことから、中央部構成面２１には任意の本数の中央糸７を配置することができる。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。
【００３１】
以上のように、本発明に係る上記各実施形態では、プリフォーム１となる繊維基材として組物（平打組物・丸打組物）２を採用した。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、組物２の作製段階での組糸５・６の配列を乱すことなく、組物２の全体形状を変化させることができる。つまり、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。
【００３２】
上記以外に、プリフォーム１の屈折線１０は３本以上とすることができる。例えば３本の場合は、左側端の屈折線１０と中央の屈折線１０との間、および、中央の屈折線１０と右側端の屈折線１０との間に、それぞれ中央部構成面２１が設けられる。一般には、屈折線１０の本数より１つ少ない数の中央部構成面２１が設けられる。端部構成面２２は、屈折線１０の本数に関係なく２個である。その他、中央糸７は、複数本の糸が一列に並び、全体が１本の破線を成すような形態であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】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５】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６】第２実施形態に係るプリフォームが完成した状態を示す縦断面図である。
【図７】第２実施形態に係るプリフォームの組糸の構成を拡大して示す図である。
【図８】第３実施形態に係るプリフォームが完成した状態を示す縦断面図である。
【図９】第３実施形態に係るプリフォームの組糸の構成を拡大して示す図である。
【図１０】第４実施形態に係る繊維基材の構成を示す斜視図である。
【図１１】第４実施形態に係るプリフォームが完成した状態を示す縦断面図である。
【図１２】第５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１３】第６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。
【符号の説明】
【００３４】
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中央糸
１０屈折線
２０構成面

【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、
前記繊維基材は、繊維束からなる組糸の間に複数本の中央糸が組み込まれた組物であり、
前記プリフォームは、湾曲する屈折線と、前記屈折線に連続する複数個の構成面とを有しており、
前記構成面に前記中央糸が配置してあることを特徴とする繊維強化複合材料。
【請求項２】
前記繊維基材は、繊維束からなる組糸の間に２本の中央糸が組み込まれた組物であり、
前記プリフォームは、湾曲する１本の屈折線と、前記屈折線に連続する２個の構成面とを有しており、
前記各構成面に前記中央糸が１本ずつ配置してある請求項１記載の繊維強化複合材料。
【請求項３】
前記繊維基材は、繊維束からなる組糸の間に少なくとも２本の中央糸が組み込まれた組物であり、
前記プリフォームは、湾曲する複数本の屈折線と、左右両側端の前記屈折線に連続する２個の端部構成面と、左右両側端の前記屈折線の間に設けられる少なくとも１個の中央部構成面とを有しており、
前記各端部構成面に前記中央糸が１本ずつ配置してある請求項１記載の繊維強化複合材料。
【請求項４】
前記繊維基材が、組糸の間に中央糸が組み込んである平打組物からなる請求項１から３のいずれかに記載の繊維強化複合材料。
【請求項５】
前記繊維基材が、組糸の間に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から３のいずれかに記載の繊維強化複合材料。

【図１】