繊維強化複合材料
【課題】スキン−ウェブ構造のような複雑な形状の場合でも、特殊な製造方法を行わずに、擬似等方性の積層繊維束層を強化繊維として反りを低減することができる繊維強化複合材料を提供する。
【解決手段】繊維強化複合材料１１は、強化繊維からなる繊維束層が複数積層されてなる積層繊維束層の状態でマトリックス中に複合化されている。そして、中立面１６を挟んで片側における繊維配向角度が＋θの繊維束層である＋θ層の数と、繊維配向角度が−θの繊維束層である−θ層の数とが同じであり、繊維束層の積層順は基準面に対して逆対称とし、かつ＋θ層と−θ層との間に配置される他の繊維束層の数が同じである。
【解決手段】繊維強化複合材料１１は、強化繊維からなる繊維束層が複数積層されてなる積層繊維束層の状態でマトリックス中に複合化されている。そして、中立面１６を挟んで片側における繊維配向角度が＋θの繊維束層である＋θ層の数と、繊維配向角度が−θの繊維束層である−θ層の数とが同じであり、繊維束層の積層順は基準面に対して逆対称とし、かつ＋θ層と−θ層との間に配置される他の繊維束層の数が同じである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維強化複合材料に係り、詳しくは強化繊維として繊維束層が複数積層されて全体として擬似等方性となる積層繊維束層の状態でマトリックス中に複合化された繊維強化複合材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
軽量、高強度の材料として繊維強化複合材料が使用されている。繊維強化複合材料は、強化繊維が樹脂や金属等のマトリックス中に複合化されることにより、マトリックス自体に比べて力学的特性（機械的特性）が向上するため、構造部品として好ましい。特にマトリックスとして樹脂を使用した場合はより軽量化が図れるため好ましい。そして、特に高性能が要求される用途では、強化繊維基材として繊維配列方向が一方向の繊維束層を、その配列方向が異なるように複数積層して構成したもの（積層強化材）が使用されている。
【０００３】
このような積層強化材を使用して繊維強化複合材料を形成した場合の反り（曲げ、捩れ）対策としては、次のことが実施されたり提案されたりしている。
（１）発生するモーメントを打ち消すため積層構成を対称構造にする。
【０００４】
（２）予め反り変形を見込んで型を製作し、反り変形後の形状を要求精度に収める。 （３）成形後に再加熱して圧縮することで反りを矯正する。
（４）異なる捩れモーメントを有する繊維で織物を構成し、発生するモーメントを打ち消す（特許文献１）。
【０００５】
また、反り対策とは関係なく、繊維配向角度を１５°、３０°、４５°又は９０°ずつ変えて多層積層することにより等方性複合材を形成した場合に比べて厚みを薄くできる繊維強化型積層構造体も提案されている（特許文献２）。この繊維強化型積層構造体は、複数枚の繊維シートを積層して形成した繊維強化型積層構造体において、積層した複数枚の繊維シートは、各々隣り合う繊維シート間の繊維配向角度θが、６０°＜θ＜９０°である。そして、積層パターンの例として、次表に示すような逆対称の場合も示されている。なお、逆対称とは基準となる面を挟んで積層パターンの正負が逆の場合を指し、表１の場合、基準となる面は積層パターン０°の繊維シートが配置された面となる。
【０００６】
【表１】
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】実公昭６３−３６０６０号公報
【特許文献２】特開平９−１７１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記の従来技術では以下のような課題がある。
（１）の場合、繊維強化複合材料が平板状や平板を単に屈曲させた形状ではなく、複雑な形状の場合は対称積層を構成できない部位がある。例えば、図８（ａ）に示すように、スキン−ウェブ構造の繊維強化複合材料５１を３組の対称積層シート５２で構成する場合、２組の対称積層シート５２を折り曲げてスキン部５３とウェブ部５４とを構成している。各対称積層シート５２を繊維配向角度が０°、９０°、±４５°の繊維束層を用いて図８（ｂ）に示すような積層構造とした場合、繊維強化複合材料５１のウェブ部５４における中立面を挟んで左側の部分と右側の部分とは対称にならない。なぜならば、左側及び右側に配置される対称積層シート５２を、スキン部５３の最上層の繊維配向角度４５°層の符号が同じに配置した場合、図８（ｃ）に示すように、ウェブ部５４では繊維配向角度４５°層の符号は、左側に配置された対称積層シート５２と、右側に配置された対称積層シート５２の対向面を境に逆になってしまう。その結果、繊維強化複合材料５１に捩れが発生する。
【０００９】
（２）の場合、反り変形データ取得のためのトライ試作が必要なため、コスト及び工数が増加する。
（３）の場合、成形後に矯正工程が増え、製造コストが高くなる。
【００１０】
（４）の場合、市販の一方向材または織物では対応できないため、材料の製造コストが高くなる。
また、特許文献２のように繊維シートの積層パターンとして繊維配向角度を単に逆対称にした構成では、捩れを低減することはできない。
【００１１】
本発明の目的は、スキン−ウェブ構造のような複雑な形状の場合でも、予め反り変形を見込んで型を製作したり、成形後に再加熱し圧縮することで反りを矯正したり、異なる捩れモーメントを有する繊維で織物を構成したりすることなく、即ち特殊な製造方法を行わずに、反りを低減することができる繊維強化複合材料を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、強化繊維からなる繊維束層が複数積層されてなる積層繊維束層の状態でマトリックス中に複合化された繊維強化複合材料であって、基準面を挟んで片側における繊維配向角度が＋θの前記繊維束層である＋θ層の数と、繊維配向角度が−θの前記繊維束層である−θ層の数とが同じであり、前記繊維束層の積層順は前記基準面に対して逆対称とし、かつ＋θ層と−θ層との間に配置される他の繊維束層の数が同じである。
【００１３】
なお、基準面とは積層繊維束層内において任意の繊維束層間に仮想的に存在する面であり、繊維配向角度は例えば積層繊維束層が長方形状の場合、その長手方向に対する角度を指す。
【００１４】
この発明では、繊維強化複合材料を構成する繊維束層のうち繊維配向角度が−θ及び＋θの繊維束層が基準面を境に逆対称、かつ上記の条件で配置されることにより、繊維強化複合材料の状態において、−θ層及び＋θ層に起因する捩りモーメントが打ち消され、全体の合成モーメントが低減される。したがって、繊維強化複合材料がスキン−ウェブ構造のような複雑な形状の場合でも、予め反り変形を見込んで型を製作したり、成形後に再加熱し圧縮することで反りを矯正したり、異なる捩れモーメントを有する繊維で織物を構成したりすることなく、即ち特殊な製造方法を行わずに、反りを低減することができる。
【００１５】
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θ層及び前記−θ層は前記基準面を挟んだ両側にそれぞれ２層ずつ存在し、前記繊維束層の積層順として、前記基準面を挟んで一方の側では二つの前記θ層の間に二つの前記−θ層が配置され、他方の側では二つの前記−θ層の間に二つの前記θ層が配置されている。この発明では、繊維束層を積層する際、θ層及び−θ層の積層順を間違え難い。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記θは４５°である。この発明では、繊維配向角度が＋４５°と−４５°の繊維束層の他に繊維配向角度が０°と９０°の繊維束層を使用することにより、容易に擬似等方性の繊維強化複合材料を得ることができる。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記＋θ層は、繊維配向角度が＋３６°の繊維束層と繊維配向角度が＋７２°の繊維束層との２層１組で構成され、前記−θ層は、繊維配向角度が−３６°の繊維束層と繊維配向角度が−７２°の繊維束層との２層１組で構成されている。この発明では、繊維配向角度が０°の繊維束層を加えて、５層の繊維束層が３６°刻みで積層されて１単位の擬似等方性の積層繊維束層が構成され、基準面を挟んで両側に２単位ずつ配置されて、全体として逆対称構造で擬似等方性の積層繊維束層が強化繊維を構成する。そして、繊維配向角度が＋３６°の繊維束層と繊維配向角度が＋７２°の繊維束層が一まとまりで＋θの繊維束層として機能し、繊維配向角度が−３６°の繊維束層と繊維配向角度が−７２°の繊維束層が一まとまりで−θの繊維束層として機能することにより、請求項１又は請求項２の発明と同様な効果を奏する。
【００１８】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の発明において、前記繊維強化複合材料は一方の平面であるスキンと、前記スキンに対して垂直に延びる１以上のウェブを有する構造である。このように、二つの平面の一方の平面が他方の平面から垂直に延びる状態の構造（Ｔ字状構造）は一般に「スキン−ウェブ構造」と呼ばれている。スキンに対してウェブは一つとは限らず複数存在してもよい。この発明では、航空機の機体や翼等に使用されるスキン−ウェブ構造のような複雑な形状の繊維強化複合材料であっても、スキン部及びウェブ部のいずれにおいても反りの低減を図ることができる。
【００１９】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の発明において、前記繊維束層は、いずれも一方向性の織物で構成されている。ここで、「一方向性の織物」とは、経糸が強化繊維として機能し、緯糸は経糸の配列を保つ機能を果たすが強化繊維としては機能しない織物を意味する。
【００２０】
全体として逆対称構造で擬似等方性の積層繊維束層を構成する場合、繊維配向角度が＋θの繊維束層及び繊維配向角度が−θの繊維束層を、一般の平織物の経糸群と緯糸群で代用することはできないが、繊維配向角度が０°と９０°の繊維束層を一般の平織物の経糸群と緯糸群で代用することは可能である。しかし、繊維束層を平織物の経糸群と緯糸群で代用すると、強化繊維同士が交差部において屈曲する。この発明では、全ての繊維束層がいずれも一方向性の織物で構成されているため、強化繊維同士が交差部において屈曲する割合が少なくなり、最終的に得られる繊維強化複合材料の物性が向上する。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、スキン−ウェブ構造のような複雑な形状の場合でも、予め反り変形を見込んで型を製作したり、成形後に再加熱し圧縮することで反りを矯正したり、異なる捩れモーメントを有する繊維で織物を構成したりすることなく、即ち特殊な製造方法を行わずに、反りを低減することができる繊維強化複合材料を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】（ａ）は第１の実施形態の繊維強化複合材料の概略斜視図、（ｂ）は強化部の概略斜視図、（ｃ）はウェブ部の積層繊維束層の積層構成を示す模式図。
【図２】（ａ）はウェブ部の積層繊維束層の模式斜視図、（ｂ）は全ての繊維束層が積層された状態のウェブ部の模式斜視図。
【図３】（ａ）は反りのない繊維強化複合材料の締結状態を示す模式図、（ｂ）は反りの有る繊維強化複合材料の締結状態を示す模式図。
【図４】第２の実施形態を示し、（ａ）は繊維強化複合材料の概略斜視図、（ｂ）はスキン部の変形を示す模式図、（ｃ）は比較例のスキン部の変形を示す模式図、（ｄ）はＲで示すウェブ部及びＬで示すウェブ部の積層繊維束層の積層構成を示す模式図。
【図５】別の実施形態の繊維強化複合材料の斜視図。
【図６】別の実施形態の繊維強化複合材料の斜視図。
【図７】（ａ），（ｂ）は、それぞれ別の実施形態の積層繊維束層の積層構成を示す模式図。
【図８】（ａ）は従来技術のスキン−ウェブ構造の繊維強化複合材料の概略斜視図、（ｂ）は対称積層シートの積層構成を示す模式図、（ｃ）は左右に配置される対称積層シートのウェブ部における繊維配向角度４５°層の符号の違いを示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
（第１の実施形態）
以下、本発明をスキン−ウェブ構造の繊維強化複合材料に具体化した第１の実施形態を図１〜図３にしたがって説明する。
【００２４】
図１（ａ）に示すように、繊維強化複合材料１１は、スキン部１２とウェブ部１３を有するスキン−ウェブ構造に形成されている。詳述すると、繊維強化複合材料１１は、平板状に形成されたスキン部１２と、スキン部１２上に一体化されるとともに断面逆Ｔ字状に形成されたスキン−ウェブ構造の強化部１４とで構成され、強化部１４のウェブ部１４ａが繊維強化複合材料１１のウェブ部１３を構成している。即ち、繊維強化複合材料１１は一方の平面であるスキンと、スキンに対して垂直に延びる１以上のウェブを有する構造である。
【００２５】
繊維強化複合材料１１は、強化繊維からなる繊維束層が複数積層されてなる積層繊維束層の状態でマトリックス中に複合化されている。この実施形態では、繊維配向角度が０°、９０°及び±４５°の４種類の繊維束層が複数積層されて、全体として擬似等方性となる４軸配向の積層繊維束層が構成されている。
【００２６】
一般に積層繊維束層が全体として擬似等方性となるとは、全層数が３層以上、ｎ層中の第ｋ層の配向角ＱｋがＱｋ＝π（ｋ−１）／ｎとなり（但しｋ：ｋ番目の層、ｎ：全層数）、全層が同じ繊維を使用した場合を意味する。この実施形態ではｎが４の場合であり、１番目の層の配向角はπ（１−１）／４＝０°、２番目の層の配向角はπ（２−１）／４＝π／４＝４５°、３番目の層の配向角はπ（３−１）／４＝π／２＝９０°、４番目の層の配向角はπ（４−１）／４＝３π／４＝１３５°＝−４５°となる。
【００２７】
繊維束としては、例えば、炭素繊維束が使用され、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使用される。
【００２８】
強化部１４を構成する強化繊維は、図１（ｂ）に示すように、Ｌ字状に折り曲げられた２組の積層繊維束層１５ａ，１５ｂと、平板状の１組の積層繊維束層１５ｃとで構成されている。各積層繊維束層１５ａ，１５ｂ，１５ｃは、繊維束層が複数積層されて全体として擬似等方性に構成されている。図１（ｃ）に強化部１４のウェブ部１４ａ（積層繊維束層１５ａの立っている部分と積層繊維束層１５ｂの立っている部分を合わせた箇所）の積層構成を示す。図１（ｃ）に示すように、この実施形態では、基準面としての中立面１６を挟んで一方の側（図１（ｃ）では左側）に配置される繊維束層は、中立面１６側から繊維配向角度が０°、４５°、９０°、−４５°、０°、−４５°、９０°、４５°の順に配置されている。また、他方の側（図１（ｃ）では右側）に配置される繊維束層は、中立面１６側から０°、−４５°、９０°、４５°、０°、４５°、９０°、−４５°の順に配置されている。
【００２９】
即ち、繊維束層の積層構成は、繊維配向角度に関して逆対称構造であり、中立面１６を挟んで片側における繊維配向角度が＋θ（４５°）の繊維束層の数と、繊維配向角度が−θ（−４５°）の繊維束層の数とが同じで、逆対称とする積層数は繊維配向角度が＋θの繊維束層の数及び繊維配向角度が−θの繊維束層の数が４層ずつの８層単位である。また、積層順は中立面１６を挟んで一方の側（図１（ｃ）では左側）では中立面１６から離間する方向に＋θから−θの順であり、中立面１６を挟んで他方の側では中立面１６から離間する方向に−θから＋θの順であり、かつ＋θ層と−θ層との間に配置される他の繊維束の数が同じである。
【００３０】
積層繊維束層の各繊維束層の積層構造には、積層中立面を境にして対称構造、逆対称構造及び非対称構造があり、各構造について曲げ及び捩れを考えると、対称構造では曲げ及び捩れとも満足し、非対称構造では曲げ及び捩れとも満足せず、逆対称構造では曲げは満足するが捩れは満足しないことが知られている。しかし、逆対称構造でも、上記の条件を満たすことにより、曲げ及び捩れとも満足する。満足するとは、繊維強化複合材料とした場合に曲げあるいは捩りが物性に支障を来すほど生じないことを意味する。
【００３１】
その理由は、次のように考えられる。逆対称積層による捩りモーメントを考えた場合、捩りモーメントは＋θ層と−θ層間の距離に比例するため、＋θ層と−θ層間に存在する繊維束層の層数に比例する。そして、＋θ層と−θ層を一組にしたものについて捩りモーメントを大きさの比で示すと、中立面１６に近い側から−１、＋３、＋５、−７になり、合計の捩りモーメントは０になる。
【００３２】
ウェブ部１３は、図２（ａ）に示すように、繊維配向角度が−４５°の繊維束層１７ａと繊維配向角度が＋４５°の繊維束層１７ｂの間に繊維配向角度が９０°の繊維束層１８を挟んだ積層繊維束層を４組準備する。そして、２組の積層繊維束層は繊維配向角度が−４５°の繊維束層１７ａが中立面１６側になる状態、かつ他の２組の積層繊維束層は繊維配向角度が＋４５°の繊維束層１７ｂが中立面１６側になる状態で、各積層繊維束層の間に繊維配向角度が０°の繊維束層１９を挟んだ状態で積層すると、図２（ｂ）に示すように、全体として擬似等方性の積層繊維束層が得られる。なお、中立面１６と対面する位置には繊維配向角度が０°の繊維束層１９が２層配置される。
【００３３】
２組の積層繊維束層１５ａ，１５ｂをその上面に配置された繊維束層の繊維配向角度が同じ状態で配置すれば、強化部１４のウェブ部１４ａを構成する積層繊維束層１５ａ，１５ｂの互いに対向する面に配置された繊維束層の繊維配向角度は互いに逆方向になる。しかし、積層繊維束層１５ａ，１５ｂの互いに対向する面に配置された繊維束層の繊維配向角度が互いに逆方向であっても同方向であっても、繊維強化複合材料とした場合、対向面を境にして両側に配置される積層繊維束層１５ａ，１５ｂを構成する各繊維束層に基づく合計の捩りモーメントは前述の理由により０になる。その結果、繊維強化複合材料とした場合に、捩れが低減される。
【００３４】
繊維束層は、いずれも一方向性の織物で構成されている。一方向性の織物とは、経糸が強化繊維として機能し、緯糸は経糸の配列を保つ機能を果たすが強化繊維としては機能しない織物を意味する。一方向性の織物としては、例えば、すだれ織物のように経糸の配列ピッチに比べて緯糸の配列ピッチが極端に大きな織物や、経糸に比べて遙かに細く、かつ経糸に比べて引っ張り強度が遙かに小さい緯糸を有する織物が挙げられる。そして、経糸に炭素繊維束が使用され、緯糸に有機繊維が使用される。
【００３５】
前記のように構成された積層繊維束層に樹脂の含浸、硬化を行って繊維強化複合材料が製造される。樹脂の含浸、硬化には、例えば、レジントランスファーモールディング（ＲＴＭ）法が採用される。ＲＴＭ法では、樹脂含浸用型内に積層繊維束層を配置した状態で、型内に液状の熱硬化性樹脂を注入し、加熱硬化して繊維強化複合材料を得る。熱硬化性樹脂として、例えばエポキシ樹脂が使用される。
【００３６】
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）繊維強化複合材料１１は、強化繊維からなる繊維束層が複数積層されてなる積層繊維束層の状態でマトリックス中に複合化されている。そして、基準面（中立面１６）を挟んで片側における繊維配向角度が＋θの繊維束層である＋θ層の数と、繊維配向角度が−θの繊維束層である−θ層の数とが同じであり、繊維束層の積層順は基準面に対して逆対称とし、かつ＋θ層と−θ層との間に配置される他の繊維束層の数が同じである。したがって、繊維強化複合材料１１がスキン−ウェブ構造のような複雑な形状の場合でも、予め反り変形を見込んで型を製作したり、成形後に再加熱し圧縮することで反りを矯正したり、異なる捩れモーメントを有する繊維で織物を構成したりすることなく、即ち特殊な製造方法を行わずに、反りを低減することができる。
【００３７】
（２）θ層及び−θ層は基準面（中立面１６）を挟んだ両側にそれぞれ２層ずつ存在し、繊維束層の積層順として、基準面を挟んで一方の側では二つのθ層の間に二つの−θ層が配置され、他方の側では二つの−θ層の間に二つのθ層が配置されている。したがって、繊維束層を積層する際、θ層及び−θ層の積層順を間違え難い。
【００３８】
（３）繊維強化複合材料１１の強化繊維を構成する積層繊維束層は、繊維配向角度が＋θの繊維束層及び繊維配向角度が−θの繊維束層において、θは４５°である。したがって、繊維配向角度が＋４５°と−４５°の繊維束層の他に繊維配向角度が０°と９０°の繊維束層を使用することにより、容易に擬似等方性の繊維強化複合材料を得ることができる。
【００３９】
（４）擬似等方性の積層繊維束層を構成する繊維束層は、いずれも一方向性の織物で構成されている。繊維配向角度が＋４５°と−４５°の繊維束層の他に繊維配向角度が０°と９０°の繊維束層を使用して擬似等方性の繊維強化複合材料１１を製造する場合、繊維配向角度が０°と９０°の繊維束層を一般の平織物の経糸群と緯糸群で代用することは可能である。しかし、繊維束層を平織物の経糸群と緯糸群で代用すると、強化繊維同士が交差部において屈曲する割合が多くなる。しかし、全ての繊維束層をいずれも一方向性の織物で構成することにより、強化繊維同士が交差部において屈曲する割合が少なくなり、最終的に得られる繊維強化複合材料１１の物性が向上する。
【００４０】
（５）繊維強化複合材料製の部品の使用時に、図３（ａ），（ｂ）に示すように、繊維強化複合材料製の部品２０ａと他の構造部材２０ｂとをボルト２１及びナット２２で締結して使用する場合がある。その際、反りが存在する部品２０ａをそのまま締結すると、残留応力が生じて部品２０ａの強度低下を招く。この残留応力は、締結前と、締結後の部品２０ａの変位の大きさに依存している。そのため、繊維強化複合材料製の部品２０ａの残留応力を緩和する目的で、図３（ｂ）に示すように、シム２３を挟んで高さの調整を行う（繊維強化複合材料製の部品２０ａの変位を小さくする）。しかし、この実施形態の繊維強化複合材料１１は反りが存在しないか、存在しても僅かのため、図３（ａ）に示すように、シム２３による調整工程が不要になる。
【００４１】
（６）擬似等方性の積層繊維束層として逆対称積層が許容されるため、繊維強化複合材料製品の積層設計の自由度を拡大することができる。
（第２の実施形態）
次に、本発明を具体化した第２の実施形態を図４にしたがって説明する。この実施形態では、繊維強化複合材料１１を構成する複数の強化部１４の構成が全て同じではなく、交互に異なる構成である点が前記第１の実施形態と異なっている。第１の実施形態と同一部分は同一符号を付して詳しい説明を省略する。
【００４２】
繊維強化複合材料に要求される重量及び板厚の制約などにより、ウェブ部１３の積層構造として、第１の実施形態の逆対称積層構造が採れない場合がある。その場合、全てのウェブ部１３を構成する強化部１４が同じ構成の場合、図４（ｃ）に示すように、各ウェブ部１３（ウェブ部１４ａ）で発生する同位相の捩りモーメントが加算されてスキン部１２全体として変位が大きくなる。しかし、この実施形態では隣り合うウェブ部１３で発生する捩りモーメントが逆位相になるように強化部１４が形成されている。
【００４３】
具体的には、図４（ａ）において、Ｒで示すウェブ部１３は右捩りのモーメントが発生し、Ｌで示すウェブ部１３は左捩りのモーメントが発生するように強化部１４が形成される。例えば、図４（ｄ）に示すように、Ｒで示すウェブ部１３の構成は、中立面を挟んで、左側に配置される繊維束層は繊維配向角度が中立面側から順に、０°、−４５°、９０°、＋４５°となり、右側に配置される繊維束層は繊維配向角度が中立面側から順に、０°、＋４５°、９０°、−４５°になるように形成されている。また、Ｌで示すウェブ部１３の構成は、中立面を挟んで、左側に配置される繊維束層は繊維配向角度が中立面側から順に、０°、＋４５°、９０°、−４５°となり、右側に配置される繊維束層は繊維配向角度が中立面側から順に、０°、−４５°、９０°、＋４５°になるように形成されている。その結果、隣り合うウェブ部１３で発生する捩りモーメントが逆位相になるため、スキン部１２の変形は結果として各ウェブ部１３で発生する捩りモーメントによる変形が加算されずに、図４（ｂ）に示すように小さな波状の変形になる。なお、図４（ｂ），（ｃ）ではスキン部１２の変形を模式的に誇張して図示している。
【００４４】
この第２の実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
（７）繊維強化複合材料に要求される重量及び板厚の制約などにより、第１の実施形態の逆対称積層構造が採れない場合、隣り合うウェブ部１３で発生する捩りモーメントが逆位相になるように複数の強化部１４が形成されている。したがって、各ウェブ部１３に捩りモーメントが発生しても、全てのウェブ部１３で発生する捩りモーメントが同位相で加算されることはなく、全てのウェブ部１３で発生する捩りモーメントが同位相で加算される場合に比べて、スキン部１２全体としての変形を小さくすることができる。また、繊維強化複合材料１１を他の構造部材と締結する場合に、シムによる調整を行わなくても、残留応力による強度低下を抑制することができる。
【００４５】
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ スキン部１２及びウェブ部１３を有する繊維強化複合材料１１の形状は、前記各実施形態のように一つのスキン部１２と複数のウェブ部１３とを備え、かつウェブ部１３が強化部１４のウェブ部１４ａで構成された形状に限らない。例えば、図５に示すように、一つのウェブ部１３の両側にスキン部（フランジ部）１２が形成されたＩ字形状であってもよい。また、図６に示すように、平行に配置された二つのスキン部１２のその両側端部間にＩ字状の連結部２４を備え、両スキン部１２には複数の強化部１４が対向する状態で配置された形状であってもよい。また、スキン部１２に一体化されて強化部１４として使用されるのではなく、単独で使用される繊維強化複合材料をＴ字状に形成してもよい。
【００４６】
○ 繊維強化複合材料はスキン部１２及びウェブ部１３を有する構成に限らず、平板状や平板を屈曲させたＬ字状や山形鋼状あるいはチャンネル状（コ字状）であってもよい。
○ 中立面１６を挟んで片側における繊維配向角度が＋θの繊維束層と、繊維配向角度が−θの繊維束層の組み合わせはθが４５°に限らない。例えばθが６０°であってもよい。この場合、積層繊維束層の構成例としては、図７（ａ）に示すように、繊維配向角度が＋６０°の繊維束層と繊維配向角度が−６０°の繊維束層の間に繊維配向角度が０°の繊維束層を挟んだ積層繊維束層、即ち３層の繊維束層が６０°刻みで積層された積層繊維束層が４組用いられる。
【００４７】
○ 繊維配向角度が＋θの繊維束層を、繊維配向角度が＋３６°の繊維束層と繊維配向角度が＋７２°の繊維束層との２層１組で構成し、繊維配向角度が−θの繊維束層を、繊維配向角度が−３６°の繊維束層と繊維配向角度が−７２°の繊維束層との２層１組で構成してもよい。この場合、積層繊維束層の構成例としては、図７（ｂ）に示すように、繊維配向角度が０°の繊維束層を加えて、５層の繊維束層が３６°刻みで積層されて１単位の擬似等方性の積層繊維束層が構成され、中立面を挟んで両側に２単位ずつ配置されて、全体として逆対称構造で擬似等方性の積層繊維束層が強化繊維を構成する。そして、図７（ｂ）において楕円で囲んだ繊維配向角度が＋３６°の繊維束層と繊維配向角度が＋７２°の繊維束層が一まとまりで＋θの繊維束層とし、繊維配向角度が−３６°の繊維束層と繊維配向角度が−７２°の繊維束層が一まとまりで−θの繊維束層として考えると、請求項１の発明と同様な構成となる。したがって、繊維強化複合材料１１がスキン−ウェブ構造のような複雑な形状の場合でも、予め反り変形を見込んで型を製作したり、成形後に再加熱し圧縮することで反りを矯正したり、異なる捩れモーメントを有する繊維で織物を構成したりすることなく、即ち、特殊な製造方法を行わずに、反りを低減することができる。
【００４８】
○ 中立面１６に隣り合う（対向する）繊維束層として繊維配向角度が０°の繊維束層を配置することは必須ではない。例えば、中立面１６に隣り合う繊維束層として繊維配向角度が０°の繊維束層に代えて、繊維配向角度が９０°の繊維束層を配置してもよい。また、中立面１６に隣り合う状態で繊維配向角度が＋θの繊維束層と−θの繊維束層とを配置してもよい。
【００４９】
○ 繊維強化複合材料１１は全体として擬似等方性となる構成に限らない。例えば、第１の実施形態において、繊維強化複合材料１１を構成する繊維配向角度が０°の繊維束層の数を減らしたり、無くしたりした構成、あるいは、繊維配向角度が９０°の繊維束層の数を減らした構成、即ち擬似等方性ではない構成であってもよい。擬似等方性ではない構成であっても、基準面を挟んで片側における繊維配向角度が＋θの繊維束層である＋θ層の数と、繊維配向角度が−θの繊維束層である−θ層の数とが同じであり、繊維束層の積層順が基準面に対して逆対称で、かつ＋θ層と−θ層との間に配置される他の繊維束層の数が同じであれば、反りを低減することができる。
【００５０】
○ 繊維配向角度が０°の繊維束層の配置位置と、繊維配向角度が９０°の繊維束層の配置位置とを交換してもよい。
○ ＋θ層と−θ層との間に配置される他の繊維束層、即ち繊維配向角度が０°の繊維束層あるいは繊維配向角度が９０°の繊維束層の数は１層ではなく複数層であってもよい。また、繊維配向角度が０°及び９０°の繊維束層を同じ＋θ層と−θ層の間に配置してもよい。
【００５１】
○ 繊維配向角度が＋４５°と−４５°の繊維束層の他に繊維配向角度が０°と９０°の繊維束層を使用して擬似等方性の繊維強化複合材料１１を製造する場合、全ての繊維束層を一方向性の織物で構成するのではなく、繊維配向角度が０°と９０°の繊維束層を一般の平織物の経糸群と緯糸群で代用してもよい。平織物の経糸群と緯糸群で代用すると、強化繊維同士が交差部において屈曲する割合が多くなるため、全ての繊維束層をいずれも一方向性の織物で構成する方が、最終的に得られる繊維強化複合材料１１の物性が向上する。しかし、繊維配向角度が０°と９０°の繊維束層を一般の平織物の経糸群と緯糸群で代用する構成では、繊維束層の配置作業の工数が小さくなり、また、繊維束層に市販の炭素繊維織物を利用できるため製造コストを低減できる。
【００５２】
○ 繊維強化複合材料の強化繊維を構成する積層繊維束層は、単に複数の繊維束層を積層したものに限らない。例えば、積層された積層繊維束層を積層繊維束層の厚さ方向に配列された厚さ方向糸（ステッチ糸）により結合したものを使用してもよい。この場合、平板状以外の形状の繊維強化複合材料をＲＴＭ法のように、樹脂含浸用型内に積層繊維束層を配置した状態で、型内に液状の熱硬化性樹脂を注入し、積層繊維束層に樹脂を含浸して加熱硬化を行う場合、型の外で積層繊維束層を目的の形状に賦形したプリフォームの状態で型内に配置することができる。
【００５３】
○ 繊維強化複合材料を製造する方法は、樹脂含浸用型内に積層繊維束層を配置した状態で、型内に液状の熱硬化性樹脂を注入し、積層繊維束層に樹脂を含浸して加熱硬化を行うＲＴＭ法に限らない。例えば、一方向に配列された状態の繊維束に熱硬化性樹脂が含浸された半硬化状態のプリプレグを積層するとともに、加熱・加圧して製造してもよい。
【００５４】
○ スキン−ウェブ構造を有する繊維強化複合材料１１を製造する場合、平板状に形成されたスキン部１２と、スキン部１２上に一体化されるとともに断面逆Ｔ字状に形成されたスキン−ウェブ構造の強化部１４とを同時に製造しても、スキン部１２と強化部１４とを別々に製造した後、強化部１４をスキン部１２と一体化してもよい。一体化は接着剤で固着したり、ボルト及びナットなどの締結具で固定したりしてもよい。
【００５５】
○ 繊維強化複合材料は航空機の構造材料に限らず、他の構造材料に使用してもよい。
○ 繊維強化複合材料のマトリックス樹脂を構成する熱硬化性樹脂はエポキシ樹脂に限らず、例えば、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂等を使用してもよい。しかし、エポキシ樹脂を使用した場合は、マトリックス樹脂として他の熱硬化性樹脂を使用した繊維強化複合材料に比べて、強化繊維として炭素繊維を使用した場合に、目的の機械物性や耐熱性を満たす繊維強化複合材料を容易に得ることができる。
【００５６】
○ 強化繊維を構成する繊維束は炭素繊維に限らず、繊維強化複合材料に要求される物性に対応して、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、ガラス繊維やセラミック繊維等の無機繊維を使用してもよい。
【００５７】
○ 繊維強化複合材料は繊維強化樹脂に限らず、マトリックスを樹脂以外の材料としてもよい。特に耐熱性が要求される場合は、炭素繊維を強化繊維とした繊維強化樹脂を製造して、その繊維強化樹脂を焼成して樹脂を炭化させた、カーボン／カーボン複合材料としてもよい。
【００５８】
以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）請求項３に記載の発明において、前記繊維配向角度が＋４５°及び−４５°の繊維束層の他の繊維束層である繊維配向角度が０°と９０°の繊維束層は平織物又は綾織物で構成されている。
【００５９】
（２）請求項１〜請求項６及び前記技術的思想（１）のいずれか１項に記載の発明に記載の繊維強化複合材料の製造方法であって、一方向に配列された状態の繊維束に熱硬化性樹脂が含浸された半硬化状態のプリプレグを積層するとともに、前記繊維強化複合材料の対応する部分の形状に賦形したものを成形型内に配置した状態で加熱・加圧して硬化させる。
【符号の説明】
【００６０】
１１…繊維強化複合材料、１５ａ，１５ｂ，１５ｃ…積層繊維束層、１６…基準面としての中立面、１７ａ，１７ｂ，１８，１９…繊維束層。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維強化複合材料に係り、詳しくは強化繊維として繊維束層が複数積層されて全体として擬似等方性となる積層繊維束層の状態でマトリックス中に複合化された繊維強化複合材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
軽量、高強度の材料として繊維強化複合材料が使用されている。繊維強化複合材料は、強化繊維が樹脂や金属等のマトリックス中に複合化されることにより、マトリックス自体に比べて力学的特性（機械的特性）が向上するため、構造部品として好ましい。特にマトリックスとして樹脂を使用した場合はより軽量化が図れるため好ましい。そして、特に高性能が要求される用途では、強化繊維基材として繊維配列方向が一方向の繊維束層を、その配列方向が異なるように複数積層して構成したもの（積層強化材）が使用されている。
【０００３】
このような積層強化材を使用して繊維強化複合材料を形成した場合の反り（曲げ、捩れ）対策としては、次のことが実施されたり提案されたりしている。
（１）発生するモーメントを打ち消すため積層構成を対称構造にする。
【０００４】
（２）予め反り変形を見込んで型を製作し、反り変形後の形状を要求精度に収める。 （３）成形後に再加熱して圧縮することで反りを矯正する。
（４）異なる捩れモーメントを有する繊維で織物を構成し、発生するモーメントを打ち消す（特許文献１）。
【０００５】
また、反り対策とは関係なく、繊維配向角度を１５°、３０°、４５°又は９０°ずつ変えて多層積層することにより等方性複合材を形成した場合に比べて厚みを薄くできる繊維強化型積層構造体も提案されている（特許文献２）。この繊維強化型積層構造体は、複数枚の繊維シートを積層して形成した繊維強化型積層構造体において、積層した複数枚の繊維シートは、各々隣り合う繊維シート間の繊維配向角度θが、６０°＜θ＜９０°である。そして、積層パターンの例として、次表に示すような逆対称の場合も示されている。なお、逆対称とは基準となる面を挟んで積層パターンの正負が逆の場合を指し、表１の場合、基準となる面は積層パターン０°の繊維シートが配置された面となる。
【０００６】
【表１】
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】実公昭６３−３６０６０号公報
【特許文献２】特開平９−１７１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記の従来技術では以下のような課題がある。
（１）の場合、繊維強化複合材料が平板状や平板を単に屈曲させた形状ではなく、複雑な形状の場合は対称積層を構成できない部位がある。例えば、図８（ａ）に示すように、スキン−ウェブ構造の繊維強化複合材料５１を３組の対称積層シート５２で構成する場合、２組の対称積層シート５２を折り曲げてスキン部５３とウェブ部５４とを構成している。各対称積層シート５２を繊維配向角度が０°、９０°、±４５°の繊維束層を用いて図８（ｂ）に示すような積層構造とした場合、繊維強化複合材料５１のウェブ部５４における中立面を挟んで左側の部分と右側の部分とは対称にならない。なぜならば、左側及び右側に配置される対称積層シート５２を、スキン部５３の最上層の繊維配向角度４５°層の符号が同じに配置した場合、図８（ｃ）に示すように、ウェブ部５４では繊維配向角度４５°層の符号は、左側に配置された対称積層シート５２と、右側に配置された対称積層シート５２の対向面を境に逆になってしまう。その結果、繊維強化複合材料５１に捩れが発生する。
【０００９】
（２）の場合、反り変形データ取得のためのトライ試作が必要なため、コスト及び工数が増加する。
（３）の場合、成形後に矯正工程が増え、製造コストが高くなる。
【００１０】
（４）の場合、市販の一方向材または織物では対応できないため、材料の製造コストが高くなる。
また、特許文献２のように繊維シートの積層パターンとして繊維配向角度を単に逆対称にした構成では、捩れを低減することはできない。
【００１１】
本発明の目的は、スキン−ウェブ構造のような複雑な形状の場合でも、予め反り変形を見込んで型を製作したり、成形後に再加熱し圧縮することで反りを矯正したり、異なる捩れモーメントを有する繊維で織物を構成したりすることなく、即ち特殊な製造方法を行わずに、反りを低減することができる繊維強化複合材料を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、強化繊維からなる繊維束層が複数積層されてなる積層繊維束層の状態でマトリックス中に複合化された繊維強化複合材料であって、基準面を挟んで片側における繊維配向角度が＋θの前記繊維束層である＋θ層の数と、繊維配向角度が−θの前記繊維束層である−θ層の数とが同じであり、前記繊維束層の積層順は前記基準面に対して逆対称とし、かつ＋θ層と−θ層との間に配置される他の繊維束層の数が同じである。
【００１３】
なお、基準面とは積層繊維束層内において任意の繊維束層間に仮想的に存在する面であり、繊維配向角度は例えば積層繊維束層が長方形状の場合、その長手方向に対する角度を指す。
【００１４】
この発明では、繊維強化複合材料を構成する繊維束層のうち繊維配向角度が−θ及び＋θの繊維束層が基準面を境に逆対称、かつ上記の条件で配置されることにより、繊維強化複合材料の状態において、−θ層及び＋θ層に起因する捩りモーメントが打ち消され、全体の合成モーメントが低減される。したがって、繊維強化複合材料がスキン−ウェブ構造のような複雑な形状の場合でも、予め反り変形を見込んで型を製作したり、成形後に再加熱し圧縮することで反りを矯正したり、異なる捩れモーメントを有する繊維で織物を構成したりすることなく、即ち特殊な製造方法を行わずに、反りを低減することができる。
【００１５】
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θ層及び前記−θ層は前記基準面を挟んだ両側にそれぞれ２層ずつ存在し、前記繊維束層の積層順として、前記基準面を挟んで一方の側では二つの前記θ層の間に二つの前記−θ層が配置され、他方の側では二つの前記−θ層の間に二つの前記θ層が配置されている。この発明では、繊維束層を積層する際、θ層及び−θ層の積層順を間違え難い。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記θは４５°である。この発明では、繊維配向角度が＋４５°と−４５°の繊維束層の他に繊維配向角度が０°と９０°の繊維束層を使用することにより、容易に擬似等方性の繊維強化複合材料を得ることができる。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記＋θ層は、繊維配向角度が＋３６°の繊維束層と繊維配向角度が＋７２°の繊維束層との２層１組で構成され、前記−θ層は、繊維配向角度が−３６°の繊維束層と繊維配向角度が−７２°の繊維束層との２層１組で構成されている。この発明では、繊維配向角度が０°の繊維束層を加えて、５層の繊維束層が３６°刻みで積層されて１単位の擬似等方性の積層繊維束層が構成され、基準面を挟んで両側に２単位ずつ配置されて、全体として逆対称構造で擬似等方性の積層繊維束層が強化繊維を構成する。そして、繊維配向角度が＋３６°の繊維束層と繊維配向角度が＋７２°の繊維束層が一まとまりで＋θの繊維束層として機能し、繊維配向角度が−３６°の繊維束層と繊維配向角度が−７２°の繊維束層が一まとまりで−θの繊維束層として機能することにより、請求項１又は請求項２の発明と同様な効果を奏する。
【００１８】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の発明において、前記繊維強化複合材料は一方の平面であるスキンと、前記スキンに対して垂直に延びる１以上のウェブを有する構造である。このように、二つの平面の一方の平面が他方の平面から垂直に延びる状態の構造（Ｔ字状構造）は一般に「スキン−ウェブ構造」と呼ばれている。スキンに対してウェブは一つとは限らず複数存在してもよい。この発明では、航空機の機体や翼等に使用されるスキン−ウェブ構造のような複雑な形状の繊維強化複合材料であっても、スキン部及びウェブ部のいずれにおいても反りの低減を図ることができる。
【００１９】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の発明において、前記繊維束層は、いずれも一方向性の織物で構成されている。ここで、「一方向性の織物」とは、経糸が強化繊維として機能し、緯糸は経糸の配列を保つ機能を果たすが強化繊維としては機能しない織物を意味する。
【００２０】
全体として逆対称構造で擬似等方性の積層繊維束層を構成する場合、繊維配向角度が＋θの繊維束層及び繊維配向角度が−θの繊維束層を、一般の平織物の経糸群と緯糸群で代用することはできないが、繊維配向角度が０°と９０°の繊維束層を一般の平織物の経糸群と緯糸群で代用することは可能である。しかし、繊維束層を平織物の経糸群と緯糸群で代用すると、強化繊維同士が交差部において屈曲する。この発明では、全ての繊維束層がいずれも一方向性の織物で構成されているため、強化繊維同士が交差部において屈曲する割合が少なくなり、最終的に得られる繊維強化複合材料の物性が向上する。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、スキン−ウェブ構造のような複雑な形状の場合でも、予め反り変形を見込んで型を製作したり、成形後に再加熱し圧縮することで反りを矯正したり、異なる捩れモーメントを有する繊維で織物を構成したりすることなく、即ち特殊な製造方法を行わずに、反りを低減することができる繊維強化複合材料を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】（ａ）は第１の実施形態の繊維強化複合材料の概略斜視図、（ｂ）は強化部の概略斜視図、（ｃ）はウェブ部の積層繊維束層の積層構成を示す模式図。
【図２】（ａ）はウェブ部の積層繊維束層の模式斜視図、（ｂ）は全ての繊維束層が積層された状態のウェブ部の模式斜視図。
【図３】（ａ）は反りのない繊維強化複合材料の締結状態を示す模式図、（ｂ）は反りの有る繊維強化複合材料の締結状態を示す模式図。
【図４】第２の実施形態を示し、（ａ）は繊維強化複合材料の概略斜視図、（ｂ）はスキン部の変形を示す模式図、（ｃ）は比較例のスキン部の変形を示す模式図、（ｄ）はＲで示すウェブ部及びＬで示すウェブ部の積層繊維束層の積層構成を示す模式図。
【図５】別の実施形態の繊維強化複合材料の斜視図。
【図６】別の実施形態の繊維強化複合材料の斜視図。
【図７】（ａ），（ｂ）は、それぞれ別の実施形態の積層繊維束層の積層構成を示す模式図。
【図８】（ａ）は従来技術のスキン−ウェブ構造の繊維強化複合材料の概略斜視図、（ｂ）は対称積層シートの積層構成を示す模式図、（ｃ）は左右に配置される対称積層シートのウェブ部における繊維配向角度４５°層の符号の違いを示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
（第１の実施形態）
以下、本発明をスキン−ウェブ構造の繊維強化複合材料に具体化した第１の実施形態を図１〜図３にしたがって説明する。
【００２４】
図１（ａ）に示すように、繊維強化複合材料１１は、スキン部１２とウェブ部１３を有するスキン−ウェブ構造に形成されている。詳述すると、繊維強化複合材料１１は、平板状に形成されたスキン部１２と、スキン部１２上に一体化されるとともに断面逆Ｔ字状に形成されたスキン−ウェブ構造の強化部１４とで構成され、強化部１４のウェブ部１４ａが繊維強化複合材料１１のウェブ部１３を構成している。即ち、繊維強化複合材料１１は一方の平面であるスキンと、スキンに対して垂直に延びる１以上のウェブを有する構造である。
【００２５】
繊維強化複合材料１１は、強化繊維からなる繊維束層が複数積層されてなる積層繊維束層の状態でマトリックス中に複合化されている。この実施形態では、繊維配向角度が０°、９０°及び±４５°の４種類の繊維束層が複数積層されて、全体として擬似等方性となる４軸配向の積層繊維束層が構成されている。
【００２６】
一般に積層繊維束層が全体として擬似等方性となるとは、全層数が３層以上、ｎ層中の第ｋ層の配向角ＱｋがＱｋ＝π（ｋ−１）／ｎとなり（但しｋ：ｋ番目の層、ｎ：全層数）、全層が同じ繊維を使用した場合を意味する。この実施形態ではｎが４の場合であり、１番目の層の配向角はπ（１−１）／４＝０°、２番目の層の配向角はπ（２−１）／４＝π／４＝４５°、３番目の層の配向角はπ（３−１）／４＝π／２＝９０°、４番目の層の配向角はπ（４−１）／４＝３π／４＝１３５°＝−４５°となる。
【００２７】
繊維束としては、例えば、炭素繊維束が使用され、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使用される。
【００２８】
強化部１４を構成する強化繊維は、図１（ｂ）に示すように、Ｌ字状に折り曲げられた２組の積層繊維束層１５ａ，１５ｂと、平板状の１組の積層繊維束層１５ｃとで構成されている。各積層繊維束層１５ａ，１５ｂ，１５ｃは、繊維束層が複数積層されて全体として擬似等方性に構成されている。図１（ｃ）に強化部１４のウェブ部１４ａ（積層繊維束層１５ａの立っている部分と積層繊維束層１５ｂの立っている部分を合わせた箇所）の積層構成を示す。図１（ｃ）に示すように、この実施形態では、基準面としての中立面１６を挟んで一方の側（図１（ｃ）では左側）に配置される繊維束層は、中立面１６側から繊維配向角度が０°、４５°、９０°、−４５°、０°、−４５°、９０°、４５°の順に配置されている。また、他方の側（図１（ｃ）では右側）に配置される繊維束層は、中立面１６側から０°、−４５°、９０°、４５°、０°、４５°、９０°、−４５°の順に配置されている。
【００２９】
即ち、繊維束層の積層構成は、繊維配向角度に関して逆対称構造であり、中立面１６を挟んで片側における繊維配向角度が＋θ（４５°）の繊維束層の数と、繊維配向角度が−θ（−４５°）の繊維束層の数とが同じで、逆対称とする積層数は繊維配向角度が＋θの繊維束層の数及び繊維配向角度が−θの繊維束層の数が４層ずつの８層単位である。また、積層順は中立面１６を挟んで一方の側（図１（ｃ）では左側）では中立面１６から離間する方向に＋θから−θの順であり、中立面１６を挟んで他方の側では中立面１６から離間する方向に−θから＋θの順であり、かつ＋θ層と−θ層との間に配置される他の繊維束の数が同じである。
【００３０】
積層繊維束層の各繊維束層の積層構造には、積層中立面を境にして対称構造、逆対称構造及び非対称構造があり、各構造について曲げ及び捩れを考えると、対称構造では曲げ及び捩れとも満足し、非対称構造では曲げ及び捩れとも満足せず、逆対称構造では曲げは満足するが捩れは満足しないことが知られている。しかし、逆対称構造でも、上記の条件を満たすことにより、曲げ及び捩れとも満足する。満足するとは、繊維強化複合材料とした場合に曲げあるいは捩りが物性に支障を来すほど生じないことを意味する。
【００３１】
その理由は、次のように考えられる。逆対称積層による捩りモーメントを考えた場合、捩りモーメントは＋θ層と−θ層間の距離に比例するため、＋θ層と−θ層間に存在する繊維束層の層数に比例する。そして、＋θ層と−θ層を一組にしたものについて捩りモーメントを大きさの比で示すと、中立面１６に近い側から−１、＋３、＋５、−７になり、合計の捩りモーメントは０になる。
【００３２】
ウェブ部１３は、図２（ａ）に示すように、繊維配向角度が−４５°の繊維束層１７ａと繊維配向角度が＋４５°の繊維束層１７ｂの間に繊維配向角度が９０°の繊維束層１８を挟んだ積層繊維束層を４組準備する。そして、２組の積層繊維束層は繊維配向角度が−４５°の繊維束層１７ａが中立面１６側になる状態、かつ他の２組の積層繊維束層は繊維配向角度が＋４５°の繊維束層１７ｂが中立面１６側になる状態で、各積層繊維束層の間に繊維配向角度が０°の繊維束層１９を挟んだ状態で積層すると、図２（ｂ）に示すように、全体として擬似等方性の積層繊維束層が得られる。なお、中立面１６と対面する位置には繊維配向角度が０°の繊維束層１９が２層配置される。
【００３３】
２組の積層繊維束層１５ａ，１５ｂをその上面に配置された繊維束層の繊維配向角度が同じ状態で配置すれば、強化部１４のウェブ部１４ａを構成する積層繊維束層１５ａ，１５ｂの互いに対向する面に配置された繊維束層の繊維配向角度は互いに逆方向になる。しかし、積層繊維束層１５ａ，１５ｂの互いに対向する面に配置された繊維束層の繊維配向角度が互いに逆方向であっても同方向であっても、繊維強化複合材料とした場合、対向面を境にして両側に配置される積層繊維束層１５ａ，１５ｂを構成する各繊維束層に基づく合計の捩りモーメントは前述の理由により０になる。その結果、繊維強化複合材料とした場合に、捩れが低減される。
【００３４】
繊維束層は、いずれも一方向性の織物で構成されている。一方向性の織物とは、経糸が強化繊維として機能し、緯糸は経糸の配列を保つ機能を果たすが強化繊維としては機能しない織物を意味する。一方向性の織物としては、例えば、すだれ織物のように経糸の配列ピッチに比べて緯糸の配列ピッチが極端に大きな織物や、経糸に比べて遙かに細く、かつ経糸に比べて引っ張り強度が遙かに小さい緯糸を有する織物が挙げられる。そして、経糸に炭素繊維束が使用され、緯糸に有機繊維が使用される。
【００３５】
前記のように構成された積層繊維束層に樹脂の含浸、硬化を行って繊維強化複合材料が製造される。樹脂の含浸、硬化には、例えば、レジントランスファーモールディング（ＲＴＭ）法が採用される。ＲＴＭ法では、樹脂含浸用型内に積層繊維束層を配置した状態で、型内に液状の熱硬化性樹脂を注入し、加熱硬化して繊維強化複合材料を得る。熱硬化性樹脂として、例えばエポキシ樹脂が使用される。
【００３６】
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）繊維強化複合材料１１は、強化繊維からなる繊維束層が複数積層されてなる積層繊維束層の状態でマトリックス中に複合化されている。そして、基準面（中立面１６）を挟んで片側における繊維配向角度が＋θの繊維束層である＋θ層の数と、繊維配向角度が−θの繊維束層である−θ層の数とが同じであり、繊維束層の積層順は基準面に対して逆対称とし、かつ＋θ層と−θ層との間に配置される他の繊維束層の数が同じである。したがって、繊維強化複合材料１１がスキン−ウェブ構造のような複雑な形状の場合でも、予め反り変形を見込んで型を製作したり、成形後に再加熱し圧縮することで反りを矯正したり、異なる捩れモーメントを有する繊維で織物を構成したりすることなく、即ち特殊な製造方法を行わずに、反りを低減することができる。
【００３７】
（２）θ層及び−θ層は基準面（中立面１６）を挟んだ両側にそれぞれ２層ずつ存在し、繊維束層の積層順として、基準面を挟んで一方の側では二つのθ層の間に二つの−θ層が配置され、他方の側では二つの−θ層の間に二つのθ層が配置されている。したがって、繊維束層を積層する際、θ層及び−θ層の積層順を間違え難い。
【００３８】
（３）繊維強化複合材料１１の強化繊維を構成する積層繊維束層は、繊維配向角度が＋θの繊維束層及び繊維配向角度が−θの繊維束層において、θは４５°である。したがって、繊維配向角度が＋４５°と−４５°の繊維束層の他に繊維配向角度が０°と９０°の繊維束層を使用することにより、容易に擬似等方性の繊維強化複合材料を得ることができる。
【００３９】
（４）擬似等方性の積層繊維束層を構成する繊維束層は、いずれも一方向性の織物で構成されている。繊維配向角度が＋４５°と−４５°の繊維束層の他に繊維配向角度が０°と９０°の繊維束層を使用して擬似等方性の繊維強化複合材料１１を製造する場合、繊維配向角度が０°と９０°の繊維束層を一般の平織物の経糸群と緯糸群で代用することは可能である。しかし、繊維束層を平織物の経糸群と緯糸群で代用すると、強化繊維同士が交差部において屈曲する割合が多くなる。しかし、全ての繊維束層をいずれも一方向性の織物で構成することにより、強化繊維同士が交差部において屈曲する割合が少なくなり、最終的に得られる繊維強化複合材料１１の物性が向上する。
【００４０】
（５）繊維強化複合材料製の部品の使用時に、図３（ａ），（ｂ）に示すように、繊維強化複合材料製の部品２０ａと他の構造部材２０ｂとをボルト２１及びナット２２で締結して使用する場合がある。その際、反りが存在する部品２０ａをそのまま締結すると、残留応力が生じて部品２０ａの強度低下を招く。この残留応力は、締結前と、締結後の部品２０ａの変位の大きさに依存している。そのため、繊維強化複合材料製の部品２０ａの残留応力を緩和する目的で、図３（ｂ）に示すように、シム２３を挟んで高さの調整を行う（繊維強化複合材料製の部品２０ａの変位を小さくする）。しかし、この実施形態の繊維強化複合材料１１は反りが存在しないか、存在しても僅かのため、図３（ａ）に示すように、シム２３による調整工程が不要になる。
【００４１】
（６）擬似等方性の積層繊維束層として逆対称積層が許容されるため、繊維強化複合材料製品の積層設計の自由度を拡大することができる。
（第２の実施形態）
次に、本発明を具体化した第２の実施形態を図４にしたがって説明する。この実施形態では、繊維強化複合材料１１を構成する複数の強化部１４の構成が全て同じではなく、交互に異なる構成である点が前記第１の実施形態と異なっている。第１の実施形態と同一部分は同一符号を付して詳しい説明を省略する。
【００４２】
繊維強化複合材料に要求される重量及び板厚の制約などにより、ウェブ部１３の積層構造として、第１の実施形態の逆対称積層構造が採れない場合がある。その場合、全てのウェブ部１３を構成する強化部１４が同じ構成の場合、図４（ｃ）に示すように、各ウェブ部１３（ウェブ部１４ａ）で発生する同位相の捩りモーメントが加算されてスキン部１２全体として変位が大きくなる。しかし、この実施形態では隣り合うウェブ部１３で発生する捩りモーメントが逆位相になるように強化部１４が形成されている。
【００４３】
具体的には、図４（ａ）において、Ｒで示すウェブ部１３は右捩りのモーメントが発生し、Ｌで示すウェブ部１３は左捩りのモーメントが発生するように強化部１４が形成される。例えば、図４（ｄ）に示すように、Ｒで示すウェブ部１３の構成は、中立面を挟んで、左側に配置される繊維束層は繊維配向角度が中立面側から順に、０°、−４５°、９０°、＋４５°となり、右側に配置される繊維束層は繊維配向角度が中立面側から順に、０°、＋４５°、９０°、−４５°になるように形成されている。また、Ｌで示すウェブ部１３の構成は、中立面を挟んで、左側に配置される繊維束層は繊維配向角度が中立面側から順に、０°、＋４５°、９０°、−４５°となり、右側に配置される繊維束層は繊維配向角度が中立面側から順に、０°、−４５°、９０°、＋４５°になるように形成されている。その結果、隣り合うウェブ部１３で発生する捩りモーメントが逆位相になるため、スキン部１２の変形は結果として各ウェブ部１３で発生する捩りモーメントによる変形が加算されずに、図４（ｂ）に示すように小さな波状の変形になる。なお、図４（ｂ），（ｃ）ではスキン部１２の変形を模式的に誇張して図示している。
【００４４】
この第２の実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
（７）繊維強化複合材料に要求される重量及び板厚の制約などにより、第１の実施形態の逆対称積層構造が採れない場合、隣り合うウェブ部１３で発生する捩りモーメントが逆位相になるように複数の強化部１４が形成されている。したがって、各ウェブ部１３に捩りモーメントが発生しても、全てのウェブ部１３で発生する捩りモーメントが同位相で加算されることはなく、全てのウェブ部１３で発生する捩りモーメントが同位相で加算される場合に比べて、スキン部１２全体としての変形を小さくすることができる。また、繊維強化複合材料１１を他の構造部材と締結する場合に、シムによる調整を行わなくても、残留応力による強度低下を抑制することができる。
【００４５】
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ スキン部１２及びウェブ部１３を有する繊維強化複合材料１１の形状は、前記各実施形態のように一つのスキン部１２と複数のウェブ部１３とを備え、かつウェブ部１３が強化部１４のウェブ部１４ａで構成された形状に限らない。例えば、図５に示すように、一つのウェブ部１３の両側にスキン部（フランジ部）１２が形成されたＩ字形状であってもよい。また、図６に示すように、平行に配置された二つのスキン部１２のその両側端部間にＩ字状の連結部２４を備え、両スキン部１２には複数の強化部１４が対向する状態で配置された形状であってもよい。また、スキン部１２に一体化されて強化部１４として使用されるのではなく、単独で使用される繊維強化複合材料をＴ字状に形成してもよい。
【００４６】
○ 繊維強化複合材料はスキン部１２及びウェブ部１３を有する構成に限らず、平板状や平板を屈曲させたＬ字状や山形鋼状あるいはチャンネル状（コ字状）であってもよい。
○ 中立面１６を挟んで片側における繊維配向角度が＋θの繊維束層と、繊維配向角度が−θの繊維束層の組み合わせはθが４５°に限らない。例えばθが６０°であってもよい。この場合、積層繊維束層の構成例としては、図７（ａ）に示すように、繊維配向角度が＋６０°の繊維束層と繊維配向角度が−６０°の繊維束層の間に繊維配向角度が０°の繊維束層を挟んだ積層繊維束層、即ち３層の繊維束層が６０°刻みで積層された積層繊維束層が４組用いられる。
【００４７】
○ 繊維配向角度が＋θの繊維束層を、繊維配向角度が＋３６°の繊維束層と繊維配向角度が＋７２°の繊維束層との２層１組で構成し、繊維配向角度が−θの繊維束層を、繊維配向角度が−３６°の繊維束層と繊維配向角度が−７２°の繊維束層との２層１組で構成してもよい。この場合、積層繊維束層の構成例としては、図７（ｂ）に示すように、繊維配向角度が０°の繊維束層を加えて、５層の繊維束層が３６°刻みで積層されて１単位の擬似等方性の積層繊維束層が構成され、中立面を挟んで両側に２単位ずつ配置されて、全体として逆対称構造で擬似等方性の積層繊維束層が強化繊維を構成する。そして、図７（ｂ）において楕円で囲んだ繊維配向角度が＋３６°の繊維束層と繊維配向角度が＋７２°の繊維束層が一まとまりで＋θの繊維束層とし、繊維配向角度が−３６°の繊維束層と繊維配向角度が−７２°の繊維束層が一まとまりで−θの繊維束層として考えると、請求項１の発明と同様な構成となる。したがって、繊維強化複合材料１１がスキン−ウェブ構造のような複雑な形状の場合でも、予め反り変形を見込んで型を製作したり、成形後に再加熱し圧縮することで反りを矯正したり、異なる捩れモーメントを有する繊維で織物を構成したりすることなく、即ち、特殊な製造方法を行わずに、反りを低減することができる。
【００４８】
○ 中立面１６に隣り合う（対向する）繊維束層として繊維配向角度が０°の繊維束層を配置することは必須ではない。例えば、中立面１６に隣り合う繊維束層として繊維配向角度が０°の繊維束層に代えて、繊維配向角度が９０°の繊維束層を配置してもよい。また、中立面１６に隣り合う状態で繊維配向角度が＋θの繊維束層と−θの繊維束層とを配置してもよい。
【００４９】
○ 繊維強化複合材料１１は全体として擬似等方性となる構成に限らない。例えば、第１の実施形態において、繊維強化複合材料１１を構成する繊維配向角度が０°の繊維束層の数を減らしたり、無くしたりした構成、あるいは、繊維配向角度が９０°の繊維束層の数を減らした構成、即ち擬似等方性ではない構成であってもよい。擬似等方性ではない構成であっても、基準面を挟んで片側における繊維配向角度が＋θの繊維束層である＋θ層の数と、繊維配向角度が−θの繊維束層である−θ層の数とが同じであり、繊維束層の積層順が基準面に対して逆対称で、かつ＋θ層と−θ層との間に配置される他の繊維束層の数が同じであれば、反りを低減することができる。
【００５０】
○ 繊維配向角度が０°の繊維束層の配置位置と、繊維配向角度が９０°の繊維束層の配置位置とを交換してもよい。
○ ＋θ層と−θ層との間に配置される他の繊維束層、即ち繊維配向角度が０°の繊維束層あるいは繊維配向角度が９０°の繊維束層の数は１層ではなく複数層であってもよい。また、繊維配向角度が０°及び９０°の繊維束層を同じ＋θ層と−θ層の間に配置してもよい。
【００５１】
○ 繊維配向角度が＋４５°と−４５°の繊維束層の他に繊維配向角度が０°と９０°の繊維束層を使用して擬似等方性の繊維強化複合材料１１を製造する場合、全ての繊維束層を一方向性の織物で構成するのではなく、繊維配向角度が０°と９０°の繊維束層を一般の平織物の経糸群と緯糸群で代用してもよい。平織物の経糸群と緯糸群で代用すると、強化繊維同士が交差部において屈曲する割合が多くなるため、全ての繊維束層をいずれも一方向性の織物で構成する方が、最終的に得られる繊維強化複合材料１１の物性が向上する。しかし、繊維配向角度が０°と９０°の繊維束層を一般の平織物の経糸群と緯糸群で代用する構成では、繊維束層の配置作業の工数が小さくなり、また、繊維束層に市販の炭素繊維織物を利用できるため製造コストを低減できる。
【００５２】
○ 繊維強化複合材料の強化繊維を構成する積層繊維束層は、単に複数の繊維束層を積層したものに限らない。例えば、積層された積層繊維束層を積層繊維束層の厚さ方向に配列された厚さ方向糸（ステッチ糸）により結合したものを使用してもよい。この場合、平板状以外の形状の繊維強化複合材料をＲＴＭ法のように、樹脂含浸用型内に積層繊維束層を配置した状態で、型内に液状の熱硬化性樹脂を注入し、積層繊維束層に樹脂を含浸して加熱硬化を行う場合、型の外で積層繊維束層を目的の形状に賦形したプリフォームの状態で型内に配置することができる。
【００５３】
○ 繊維強化複合材料を製造する方法は、樹脂含浸用型内に積層繊維束層を配置した状態で、型内に液状の熱硬化性樹脂を注入し、積層繊維束層に樹脂を含浸して加熱硬化を行うＲＴＭ法に限らない。例えば、一方向に配列された状態の繊維束に熱硬化性樹脂が含浸された半硬化状態のプリプレグを積層するとともに、加熱・加圧して製造してもよい。
【００５４】
○ スキン−ウェブ構造を有する繊維強化複合材料１１を製造する場合、平板状に形成されたスキン部１２と、スキン部１２上に一体化されるとともに断面逆Ｔ字状に形成されたスキン−ウェブ構造の強化部１４とを同時に製造しても、スキン部１２と強化部１４とを別々に製造した後、強化部１４をスキン部１２と一体化してもよい。一体化は接着剤で固着したり、ボルト及びナットなどの締結具で固定したりしてもよい。
【００５５】
○ 繊維強化複合材料は航空機の構造材料に限らず、他の構造材料に使用してもよい。
○ 繊維強化複合材料のマトリックス樹脂を構成する熱硬化性樹脂はエポキシ樹脂に限らず、例えば、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂等を使用してもよい。しかし、エポキシ樹脂を使用した場合は、マトリックス樹脂として他の熱硬化性樹脂を使用した繊維強化複合材料に比べて、強化繊維として炭素繊維を使用した場合に、目的の機械物性や耐熱性を満たす繊維強化複合材料を容易に得ることができる。
【００５６】
○ 強化繊維を構成する繊維束は炭素繊維に限らず、繊維強化複合材料に要求される物性に対応して、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、ガラス繊維やセラミック繊維等の無機繊維を使用してもよい。
【００５７】
○ 繊維強化複合材料は繊維強化樹脂に限らず、マトリックスを樹脂以外の材料としてもよい。特に耐熱性が要求される場合は、炭素繊維を強化繊維とした繊維強化樹脂を製造して、その繊維強化樹脂を焼成して樹脂を炭化させた、カーボン／カーボン複合材料としてもよい。
【００５８】
以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）請求項３に記載の発明において、前記繊維配向角度が＋４５°及び−４５°の繊維束層の他の繊維束層である繊維配向角度が０°と９０°の繊維束層は平織物又は綾織物で構成されている。
【００５９】
（２）請求項１〜請求項６及び前記技術的思想（１）のいずれか１項に記載の発明に記載の繊維強化複合材料の製造方法であって、一方向に配列された状態の繊維束に熱硬化性樹脂が含浸された半硬化状態のプリプレグを積層するとともに、前記繊維強化複合材料の対応する部分の形状に賦形したものを成形型内に配置した状態で加熱・加圧して硬化させる。
【符号の説明】
【００６０】
１１…繊維強化複合材料、１５ａ，１５ｂ，１５ｃ…積層繊維束層、１６…基準面としての中立面、１７ａ，１７ｂ，１８，１９…繊維束層。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強化繊維からなる繊維束層が複数積層されてなる積層繊維束層の状態でマトリックス中に複合化された繊維強化複合材料であって、基準面を挟んで片側における繊維配向角度が＋θの前記繊維束層である＋θ層の数と、繊維配向角度が−θの前記繊維束層である−θ層の数とが同じであり、前記繊維束層の積層順は前記基準面に対して逆対称とし、かつ＋θ層と−θ層との間に配置される他の繊維束層の数が同じであることを特徴とする繊維強化複合材料。
【請求項２】
前記θ層及び前記−θ層は前記基準面を挟んだ両側にそれぞれ２層ずつ存在し、前記繊維束層の積層順として、前記基準面を挟んで一方の側では二つの前記θ層の間に二つの前記−θ層が配置され、他方の側では二つの前記−θ層の間に二つの前記θ層が配置されている請求項１に記載の繊維強化複合材料。
【請求項３】
前記θは４５°である請求項１又は請求項２に記載の繊維強化複合材料。
【請求項４】
前記＋θ層は、繊維配向角度が＋３６°の繊維束層と繊維配向角度が＋７２°の繊維束層との２層１組で構成され、前記−θ層は、繊維配向角度が−３６°の繊維束層と繊維配向角度が−７２°の繊維束層との２層１組で構成されている請求項１又は請求項２に記載の繊維強化複合材料。
【請求項５】
前記繊維強化複合材料は一方の平面であるスキンと、前記スキンに対して垂直に延びる１以上のウェブを有する構造である請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の繊維強化複合材料。
【請求項６】
前記繊維束層は、いずれも一方向性の織物で構成されている請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の繊維強化複合材料。
【請求項１】
強化繊維からなる繊維束層が複数積層されてなる積層繊維束層の状態でマトリックス中に複合化された繊維強化複合材料であって、基準面を挟んで片側における繊維配向角度が＋θの前記繊維束層である＋θ層の数と、繊維配向角度が−θの前記繊維束層である−θ層の数とが同じであり、前記繊維束層の積層順は前記基準面に対して逆対称とし、かつ＋θ層と−θ層との間に配置される他の繊維束層の数が同じであることを特徴とする繊維強化複合材料。
【請求項２】
前記θ層及び前記−θ層は前記基準面を挟んだ両側にそれぞれ２層ずつ存在し、前記繊維束層の積層順として、前記基準面を挟んで一方の側では二つの前記θ層の間に二つの前記−θ層が配置され、他方の側では二つの前記−θ層の間に二つの前記θ層が配置されている請求項１に記載の繊維強化複合材料。
【請求項３】
前記θは４５°である請求項１又は請求項２に記載の繊維強化複合材料。
【請求項４】
前記＋θ層は、繊維配向角度が＋３６°の繊維束層と繊維配向角度が＋７２°の繊維束層との２層１組で構成され、前記−θ層は、繊維配向角度が−３６°の繊維束層と繊維配向角度が−７２°の繊維束層との２層１組で構成されている請求項１又は請求項２に記載の繊維強化複合材料。
【請求項５】
前記繊維強化複合材料は一方の平面であるスキンと、前記スキンに対して垂直に延びる１以上のウェブを有する構造である請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の繊維強化複合材料。
【請求項６】
前記繊維束層は、いずれも一方向性の織物で構成されている請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の繊維強化複合材料。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−２８０１９（Ｐ２０１３−２８０１９Ａ）
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６４４４５（Ｐ２０１１−１６４４４５）
【出願日】平成２３年７月２７日（２０１１．７．２７）
【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２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２７日（２０１１．７．２７）
【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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