CN103210129B - 结构用经编片材及其层合体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可用于具有曲面的翼梁或纵梁中的结构用经编片材及其层合体，其对具有曲面的形状的追随性及力学特性优异，能够形成厚壁部，且能够应对产量性优异的成型方法，所述结构用经编片材是用于翼梁或纵梁的经编片材，通过底编丝形成由编链组织构成的经编组织，连续的碳纤维丝条作为在经向上插入的经向插入丝插入上述经编组织中，且通过沿着在相邻的上述编链组织之间往来的方向插入的纬向插入丝将上述编链组织进行一体化，上述经向插入丝为单纤维数为12,000～50,000根、拉伸强度为4GPa以上、拉伸弹性模量为220～450GPa、悬垂值为4～22的碳纤维丝条，并以如下方式构成：上述经编片材内的相邻的经向插入丝能够彼此独立地移动，能沿着曲面形状进行排列。

Description

结构用经编片材及其层合体

技术领域

本发明涉及在支撑结构体的梁材、特别是支撑翼结构的翼梁(spar)和纵梁中优选使用的经编片材及其层合体，涉及在例如形成航空器的主翼或尾翼、直升机叶片、或风车叶片等的具有曲面的翼梁(spar)和纵梁中优选使用经编片材及其层合体。

背景技术

近年来，结构物的翼结构(机翼、叶片)中，强烈要求其大型化及轻质化。例如在民用航空器用途中，为了提高燃料效率，主翼的复合材料化发展，而且在风力发电的叶片中，由大型化导致的大输出化发展。为了满足该要求，特别是在强烈要求轻质化的翼梁和纵梁中碳纤维的应用得到不断发展(例如专利文献1、2)。

进而，对于翼结构(机翼、叶片)，随着高功能化的要求，特别是成型为具有曲面的形状的情况变多，所使用的构件也必须具有对曲面的追随性。具体而言，在航空器的主翼或尾翼、直升机叶片、及风车叶片等中，为了提高空气动力特性(包括提高燃料费、提高旋转效率、提高肃静性等)，要求弯曲、扭曲之类具有曲面的形状。例如在风车叶片中，为了提高其空气动力性能，不断地进行对具有曲面的风车叶片的设计和验证(例如非专利文献1)。

然而，具有与此对应的曲面的翼梁中使用碳纤维预浸料坯或通常的碳纤维织物(例如专利文献3)时，存在下述问题：相邻的碳纤维丝条在碳纤维丝条的纤维方向或纤维轴的直角方向无法独立地移动，难以不形成褶皱地沿着曲面形状排列碳纤维丝条。上述情况特别是在曲面部的曲率半径为10m以下的情况下变得明显。假设即使想要将碳纤维预浸料坯或通常的碳纤维织物勉强地适用于曲面，由于碳纤维丝条几乎无法进行伸缩，所以由曲面的内周侧和外周侧的周长差导致存在于内周侧的碳纤维丝条有富余，形成褶皱。从而存在下述问题，即，无法成型为复合材料所期望的形状，或者内置的褶皱成为缺陷，力学特性大幅降低。上述情况下，无法得到所期望的特性，导致大幅的重量增加，使用碳纤维的意义变弱。

鉴于上述情况，现状是利用手糊成型法形成具有曲面的翼梁，采用一点一点地排列碳纤维丝条、或者在形成褶皱的部分引入切口以不连续纤维的形式进行排列中的任一种方法进行制造，依靠手工操作消除其周长差。

上述问题在航空器的翼结构中也同样存在，为了制造追随翼梁、纵梁的复杂形状、且不存在缺点的成型体，需要非常长的时间。

此外，在为翼结构中的翼梁、纵梁的情况下，需要支持被负荷的大荷重，从上述观点考虑，需要增加板厚，例如在最大厚度部分层合50～300片基材来形成。但是，将现有的一般的织物作为基材时，难以利用产量性优异的成型方法(树脂灌注成型(resin infusion)等)形成上述厚壁的结构体。

即，具有曲面的翼梁或纵梁在工业产品化中存在较大的课题，在提高制造效率及复合材料品质(composite quality)的产量性优异的成型方法无法适用的方面存在课题。

另一方面，作为将桥墩等混凝土结构进行修补加强的代表性的方法，已知有碳纤维片材方法，即，在施工现场利用使树脂含浸·固化于碳纤维片材、形成所谓的碳纤维强化塑料的复合材料，将混凝土结构进行修补加强。作为上述碳纤维片材，例如公开了一种经编片材的方案，即，以规定间隔将多根强化纤维丝条经向插入在经向上编织成的经编针织物(例如专利文献4～9)。

但是，以上述专利文献4～9为代表的现有技术，是适用于利用手糊成型法的成型的技术，对于将上述片材多片、特别是50片以上重叠来构成预成型体的情况、以及由大量片材形成的层合体对具有曲面的结构的适用可能性，均没有进行验证。即，目前的状况是，对于利用由大量碳纤维片材形成的层合体获得具有曲面的预成型体形状的情况、以及对提高该层合体的制造效率及复合材料品质的成型方法的应对策略，均没有加以考虑。

因此，作为在翼(机翼、叶片)结构的翼梁或纵梁中使用的碳纤维片材，期望下述材料及其制造技术，即，特别是在变型为具有曲面的预成型体形状时呈现出优异的追随性能、且能够适用于可提高复合材料品质的产量性优异的成型方法，能够满足复合材料所期望的力学特性。

专利文献1：国际公开第03/093672号说明书

专利文献2：美国专利7427189号说明书

专利文献3：日本特开平10-331047号公报

专利文献4：日本特开平06-101143号公报

专利文献5：日本特开平10-037051号公报

专利文献6：日本特开2004-360106号公报

专利文献7：日本特开2006-124945号公报

专利文献8：日本特开2010-024554号公报

专利文献9：日本特开2010-043400号公报

非专利文献1：EWEC-2007(European Wind Energy Conference2007)介绍资料“Sweep-Twist Adaptive Blade”、Joshua Paquette、2007年5月7日

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种在具有曲面的翼梁(spar)或纵梁中使用的经编片材及其层合体，所述经编片材作为碳纤维片材，对具有曲面的形状的追随性、及由抑制褶皱而产生的复合材料的力学特性优异，而且能形成厚壁部，并且能够适用于产量性优异的成型方法。

为了完成上述课题，本发明采用以下构成。

(1)一种结构用经编片材，所述经编片材是用于翼梁或纵梁的经编片材，由底编丝形成由编链组织构成的经编组织，连续的碳纤维丝条作为在经向上插入的经向插入丝插入所述经编组织中，且通过沿着在相邻的所述编链组织之间往来的方向插入的纬向插入丝将所述编链组织进行一体化，所述经向插入丝为单纤维数为12,000～50,000根、拉伸强度为4GPa以上、拉伸弹性模量为220～450GPa、悬垂值为4～22的碳纤维丝条，并以如下方式构成：所述经编片材内的相邻的经向插入丝能够彼此独立地移动，能沿着曲面形状进行排列。

(2)如上述(1)所述的结构用经编片材，以如下方式构成：上述碳纤维丝条的最大可移动距离为0.5～10mm，在半径0.1m的半球体上配置上述结构用经编片材时，能够沿着上述半球体的曲面形状排列上述碳纤维丝条。

(3)如上述(1)或(2)所述的结构用经编片材，其中，上述底编丝及上述纬向插入丝中的至少一方为卷曲加工丝或包芯纱。

(4)一种经编片材层合体，所述经编片材层合体是将上述(1)～(3)中任一项所述的结构用经编片材以最大厚度部分的层合片数在50～300片的范围内的方式进行层合、同时将该结构用经编片材之间部分地粘合及/或缝合而形成的，将上述碳纤维丝条沿着曲面部的最小曲率半径在0.1～10m范围内的曲面形状排列，构成上述经编片材层合体的结构用经编片材的50重量％以上的结构用经编片材以上述经编片材层合体的长度方向和上述经向插入丝的纤维轴方向大致一致的方式配置。

(5)如(4)所述的经编片材层合体，其中，在上述结构用经编片材的至少表面上配置粘合剂，利用该粘合剂将已经层合的经编片材之间进行部分粘合。

本发明的翼梁或纵梁用的经编片材中，由底编丝形成由编链组织构成的经编组织，沿着上述经编组织的经向插入连续的碳纤维丝条作为经向插入丝，且沿着在相邻的上述编链组织之间往来的方向插入纬向插入丝，将上述编链组织进行一体化。此外，上述经向插入丝由单纤维数为12,000～50,000根、拉伸强度为4GPa以上、拉伸弹性模量为220～450GPa的碳纤维丝条形成，并且该碳纤维丝条的悬垂值为4～22，上述经编片材内的相邻的经向插入丝彼此能够独立地移动。因此，上述经编片材可以易于追随具有曲面的形状。例如在半径0.1m的半球体上配置本发明的经编片材时，该经编片材不会形成褶皱，而且经向插入丝的间隔中不会产生不均匀，可以使该经编片材沿着曲面形状变形，并且此时能够均等地排列碳纤维丝条。

此外，例如边层合规定片数的上述经编片材边沿着具有曲面的形状进行变形，进而将其多层层合，由此可以得到该经编片材的最大层合片数在50～300片的范围内的、具有曲面形状的层合体，进而可以得到力学特性优异的复合材料。因此，可以得到适用于翼梁或纵梁、特别是翼梁盖部分等的复合材料。此时，在上述经编片材的至少表面上预先配置粘合剂，层合规定片数后，可以将该经编片材之间用上述粘合剂部分地粘合。另外，层合规定片数后，也可以根据需要，将它们缝合。如上所述，通过进行粘合或缝合，能够形成厚壁部，且可以应对于能提高制造效率及复合材料品质的、树脂灌注成型和树脂传递成型等产量性优异的成型方法。

附图说明

[图1]为表示本发明的经编片材的一个实施方式的俯视简图。

[图2-1]为测定碳纤维丝条的悬垂性时进行的前处理的模式图。

[图2-2]为测定碳纤维丝条的悬垂性的装置的模式简图。

[图3]为用于评价经编片材的曲面追随性的半球型心轴的立体简图。

[图4]为表示本发明的翼梁用层合体的一个实施方式的立体简图。

[图5]为表示本发明的翼梁用层合体其他实施方式的立体简图。

[图6]为图4所示的翼梁用层合体的俯视简图。

[图7]为图5所示的翼梁用层合体的俯视简图。

具体实施方式

对于本发明的结构用经编片材(以下有时也称作“经编片材”)，由底编丝形成经编组织，所述经编组织由编链组织构成，在上述经编组织的经向上插入连续的碳纤维丝条作为经向插入丝，且以在相邻的上述编链组织之间往来的方式插入纬向插入丝，将上述编链组织进行一体化。上述经编片材中，相邻的碳纤维丝条能彼此独立地移动，上述经编片材以不形成褶皱、且沿着曲面形状排列碳纤维丝条的方式构成。需要说明的是，上述所谓的曲面形状是指：使经编片材在某一平面内(X-Y方向、X-Z方向或Y-Z方向的面)例如如图4所示变形为弓形(以下称作弯曲)、在空间内(X-Y-Z方向)进行扭曲的形状，是如果想要在不弯折纸的情况下弯曲形成时则产生褶皱的形状。

以下使用附图对本发明的经编片材的优选实施方式进行说明。

图1为表示本发明的结构用经编片材的一个实施方式的俯视简图。

图1所示的经编片材10中，经向插入丝3和底编丝4通过在相邻的该经编组织之间往来的纬向插入丝5进行一体化，所述经向插入丝3由沿经向(也称作长度方向或纤维方向)配置的碳纤维丝条形成，所述底编丝4是在与该经向插入丝为相同的方向上以包缚该经向插入丝的方式进行经编编织得到的。此时，在相邻的经向插入丝3之间形成间隙2。在上述构成中，上述碳纤维丝条被沿着与经向插入丝相同方向编织而成的经编组织包缚，但从经编组织侧观察时，由于插入到该编链组织中，所以称作经向插入丝。如上所述，通过将碳纤维丝条用经编组织包缚而集束，最终可以得到帘状的经编片材。

上述经向插入丝和经编组织彼此成对，经向插入丝和与其同一根数的经编组织以它们的长度方向为经编片材的经向的方式并列地排列。上述经向插入丝和经编组织在经编片材的经向上具有连续性，而仅由它们形成时在经编片材的纬向(宽度方向)上不具有连续性。因此，为了形成经编片材，需要对与上述经向相交差的纬向赋予连续性。发挥上述功能的是纬向插入丝5。上述纬向插入丝所发挥的作用为将上述多个经编组织在纬向上连接从而形成片材。即，通过上述纬向插入丝5的存在，相邻的底编丝4、以及被该底编丝4限制的经向插入丝3被一体化，形成在经向插入丝3之间具有间隙2的帘状经编片材。上述间隙2在树脂传递成型或树脂灌注成型时形成基体树脂的流路，发挥促进其含浸的功能。

具体而言，图1所示的底编丝4的经编组织优选形成为3～10线圈横列/cm。如果在上述范围内，则在将经编片材变形为曲面形状时，该经编片材能容易吸收其曲面形状的内径和外径的周长差。经编组织的编织密度以每单位长度(cm)中的线圈数(线圈横列(course))表示，值越大，形成越细的组织，值越小，形成越粗的组织。上述经编组织以包缚经向插入丝的形态形成，上述编织密度直接影响经向插入丝的集束性、直线性。上述特性反映出经编片材乃至复合材料中的力学特性、基体树脂的含浸性，所以要求合适的密度设计。编织密度越大，即上述单位“线圈横列/cm”的数值越大，则经向插入丝的集束性、直线性变得越高，处理性、复合材料的力学特性存在提高的倾向，但是柔软性、赋型性及基体树脂含浸性存在降低的倾向。例如，从经编片材的处理性的观点考虑，优选编链组织的编织密度大，但另一方面，经编组织的编织密度过大时，对具有曲面的形状的追随性降低。另外，使基体树脂含浸于经编片材时，如果经编组织的编织密度过大，则形成空隙或未含浸部，基体树脂不能充分地含浸于碳纤维丝条内，另外，由作为底编丝的经编组织形成的碳纤维丝条的表面被覆率变得过高，碳纤维丝条和基体树脂的粘合性被破坏，这样会破坏加强效果。即，提高编织密度时，通过提高直线性从而复合材料特性提高，但如果过高地提高编织密度，则显示出复合材料特性降低的倾向。另一方面，如果编织密度过小，即，上述单位“线圈横列/cm”的数值过小，由于诱发碳纤维丝条的卷曲或弯曲，所以在复合材料中诱发应力集中，从而无法体现出碳纤维丝条原有的潜力，上述情况下，也会破坏加强效果。从生产率的观点考虑，编织密度越大，生产率越差。综合地考虑具有上述折中关系的各特性，结果如上所述，上述编链组织优选在3～10线圈横列/cm的范围内，更优选在5～9线圈横列/cm的范围内。需要说明的是，作为经编组织，为编链组织。

底编丝4优选由合成纤维的卷曲加工丝或包芯纱构成。为上述构成时，可以使作为经向插入丝3的碳纤维丝条的卷曲和弯曲为最低限度，相邻的碳纤维丝条易于在经向上独立地移动。另外，通过上述独立的移动，能容易地吸收具有曲面的形状的内径和外径的周长差。

作为用作经向插入丝3的碳纤维丝条，可以优选使用聚丙烯腈(PAN)类碳纤维、沥青类碳纤维、纤维素类碳纤维、及由上述2种以上的纤维形成的丝条等。进一步重视复合材料的强度和弹性模量的情况下，其中，优选使用PAN类碳纤维。

另外，本发明的效果在使用粗的总纤度的碳纤维丝条时变得特别明显，因此，碳纤维丝条的单纤维数为12,000～50,000根，优选为24,000～50,000根。进而，本发明中使用的碳纤维丝条的总纤度优选为400～4,000tex，较优选为650～4,000tex。上述粗纤度的碳纤维丝条不仅可以生产率良好地制造经编片材，还可以廉价地购买到。

碳纤维丝条的拉伸强度(强度)为4GPa以上，拉伸弹性模量为220GPa以上450GPa以下。通常，作为结构材料，拉伸强度、拉伸弹性模量都高时为佳，但拉伸弹性模量超过450GPa时，对扭曲和压缩变形的强度不足，或者价格变高，故不理想。对于拉伸强度，由于在现阶段不易购买到超过6.55GPa的碳纤维丝条，所以优选为6.5GPa以下。

此处，碳纤维丝条的拉伸强度、拉伸弹性模量是在丝束状态下测定得到的，如下所述地进行测定。将由作为环氧树脂的ERL4221(Dow Chemical日本(株)制)/三氟化硼单乙胺(BF3·MEA)/丙酮＝100/3/4份形成的树脂含浸于碳纤维束中，将所得树脂含浸丝束在130℃下加热30分钟使其固化后，利用JIS R7608(2007)中规定的树脂含浸丝束试验法进行测定。

另外，碳纤维丝条的按照下述方法测定的悬垂值必须为4～22，优选为6～20。超过22时丝束变得过硬，所以存在对经编片材的曲面的追随性恶化的倾向，即使想要通过降低编链组织的线圈横列数来进行应对，也难以改善。另外，小于4时，丝条层合时、或树脂含浸时发生变形，层合性降低，复合材料特性降低。即使想要增加编链组织的线圈横列数对其进行改善，也会产生树脂含浸性恶化等新问题，故不理想。

对于悬垂值，如果确定碳纤维丝条的总纤度、单丝纤度、单纤维数，则通过调节使用的上浆剂的种类、附着量、赋予上浆剂时的干燥方法、丝幅等，可以将悬垂值设在4～22的范围内。

具体而言，首先选定适于使用的基体树脂的上浆剂，将上浆剂制成水分散液、或水溶液。将碳纤维丝条浸渍在上浆剂浴中，使水分干燥时，固定其丝幅，将干燥后的丝条调节为所期望的悬垂值。在用热风循环式干燥炉干燥碳纤维丝条的情况下，在干燥机中导入丝条时，使用丝幅规定导纱器调节其形状和张力。另外，在与热鼓接触进行干燥的情况下，调节丝条张力，根据干燥温度·时间，调节成所期望的悬垂值。

碳纤维丝条的悬垂值根据与JIS L1096(2010)“织物及针织物的材料试验方法”8.21刚软度B法(滑动法)类似的图2-1，图2-2所示的下述方法进行测定。

即，如图2-1所示，在温度23℃、湿度60％的气氛下，将切成约50cm的碳纤维丝条F的试样在0.0375gf(0.000368N)/tex的张力下放置30分钟以上。将该试样切成约30cm的长度，以将其一端部在方形柱A的上面悬臂支承的状态与台面平行，碳纤维丝条F以与方形柱A的侧面成直角、且从方形柱A的侧面到碳纤维束F的前端的长度为25cm的方式用平板B(未作图示)添加并固定。此时，迅速地仅除去平板B，1秒后测定由重力而垂下的碳纤维丝条F的前端和方形柱A的侧面所成的最近距离X(cm)(图2-2)。测定的丝条根数为10根，上述10根的距离X(cm)的平均值为悬垂值。

经向插入丝的插入根数优选为每25mm中为3～12根。另外，从其他观点考虑，经编片材中的经向插入丝的单位面积重量为190～800g/m²，优选为250～500g/m²。为该范围内的单位面积重量时，可以得到处理性及成型时的树脂含浸性优异的经编片材。

另外，对于图1所示的纬向插入丝5，在相邻的编链组织之间往来的频率优选在2～30线圈横列之间为1次(即往复1次)，进而较优选在3～10线圈横列之间有1次。以下将纬向插入丝在相邻的编链组织之间往来的频率的倒数称作纬向插入丝间隔。即，纬向插入丝在相邻的编链组织之间往来的频率在3线圈横列之间为1次的情况下，纬向插入丝间隔为3线圈横列/次。如上所述，纬向插入丝所发挥的作用为在经编片材的纬向上连接经向插入丝及经编组织，在维持经编片材的形态方面发挥重要的作用。纬向插入丝间隔越小，连接相邻的经编组织之间的纬向插入丝的量增加，因此经编片材的形态保持功能也提高。上述情况下，相邻的经向插入丝之间的直线性、平行性也提高，从加强效果的观点考虑，也是理想的，但如果纬向插入丝间隔小于2线圈横列/次，则纬向插入丝抑制相邻的碳纤维丝条在经向上独立的移动。另一方面，如果纬向插入丝间隔超过30线圈横列/次，则切成长尺寸的经编片材进行使用时，有时每单位长度中配置的纬向插入丝的量少，形态稳定性、处理性差，无法保持相邻的经向插入丝之间的平行度，而且无法确保在加强方向上所期望的加强效果。即，纬向插入丝5的纬向插入丝间隔在上述范围内时，同样地相邻的碳纤维丝条能易于在经向上独立地移动，能容易地消除曲面形状的内径和外径的周长差。

作为纬向插入丝5，可以使用玻璃纤维、聚酯纤维、聚酰胺纤维、或芳族聚酰胺纤维等合成纤维单纤维等，优选使用合成纤维的卷曲加工丝和经过包芯的聚氨酯纤维。上述所谓的卷曲加工丝，例如是指：对由合成纤维形成的丝条加捻进行热处理后进行解捻，由此进行加工使其膨松(bulky)而形成的丝条，因为膨松所以在纤维长度方向上拉伸时显示出优异的伸缩性。对于合成纤维的卷曲加工丝，作为伸缩性程度表示卷曲加工丝的膨松性的指标即伸缩复原率(CR)优选在10～60％的范围内。通过将伸缩复原率在该范围内的卷曲加工丝用于上述纬向插入丝，可以进一步优化经编片材的纬向上的伸缩性，可以提高经编片材的柔软性、赋型性。伸缩复原率(CR)为根据JIS L1013(2010)测定的值。

作为用作卷曲加工丝的合成纤维，优选聚酯纤维、聚酰胺纤维、芳族聚酰胺纤维、聚芳酯纤维、聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、PBO纤维等。通过使用上述合成纤维，经编片材的制造工序中的工序通过性良好，可以预见能够获得抑制产生起毛或断头的效果。其中，特别优选廉价且尺寸稳定性也优异的聚酯纤维。作为卷曲加工丝的纤度，为了将针织工程时的断头之类的停机原因抑制在最低限度，优选为1.5～150tex，较优选为3.0～100tex，更优选为5.0～50tex。

作为底编丝4，与上述纬向插入丝5同样地优选玻璃纤维、聚酯纤维、聚酰胺纤维、芳族聚酰胺纤维、聚芳酯纤维、聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、或PBO纤维等。其中，特别优选廉价且尺寸稳定性也优异的聚酯纤维。对于形态也没有特别限制，单纤维或短纤维纱丝等均可，为了得到基材表面的平滑性，优选复丝。另外，与纬向插入丝同样地还优选卷曲加工丝或经过包芯的聚氨酯纤维。例如卷曲加工丝的情况下，由于与没有经过卷曲加工的丝相比伸缩性大，所以可以将经向插入丝温和地集束。因此，具有如下优点：基体树脂向作为经向插入丝的碳纤维丝条内的含浸性优异。作为纤度，为了将针织工程时的产生断头这样的导致停机的原因抑制到最低限度，优选从大约1.5～150tex左右的合成纤维中适当选择，较优选为3.0～100tex，更优选为5.0～50tex。

作为经编片材的形态，根据形成的具有曲面的纵梁或翼梁的结构的不同，使用长度、使用宽度也各不相同，但通常优选为宽150～1300mm的卷形物，较优选为宽300～600mm的卷形物。在上述宽度范围内将经编片材形成为卷形物时，在下述层合时可以将在宽度方向上进行切割所花费的工夫限制在最低，并且在长度方向上切割时也可以减少所费的工夫，进而，可以易于将片材层合的工序自动化。

另外，对于本发明的经编片材，片材内的相邻的经向插入丝即碳纤维丝条分别被底编丝连接，同时上述底编丝与纬向插入丝一体化，由此相邻的经向插入丝相互一体化，通过采用上述构成，片材内的相邻的碳纤维丝条能相互独立地移动。上述碳纤维丝条的能够移动的距离的最大值优选为0.5～10mm。

此处能够移动的距离的最大值按照以下方法进行测定。

(1)将经编片材切成25cm见方的四边形形状。此时使2片四边形与纤维方向平行。

(2)在对丝条无张力作用的状态下，将切断的四边形的经编片材静置在平板上。

(3)在经编片材的宽度方向(与纤维方向垂直的方向)上选定一根大约位于中央的经向插入丝，用手固定其两端，将相邻的经向插入丝向远离固定在平板上的经向插入丝的方向上移动时，测定所得丝条间的最大值。对1片经编片材测定5次，将其平均值作为最大可移动距离。

需要说明的是，对于上述测定，是在对纬向插入丝不引起永久变形的范围内测量能够拉开经向插入丝的最大距离。

该最大可移动距离小于0.5mm时，对曲面的追随性不充分，而且成型时的树脂含浸性降低。该最大可移动距离超过10mm时，存在下述问题：变形性变得过大，难以进行形态保持，同时易于产生单位面积重量不匀，复合材料的机械特性易于降低。更优选的最大可移动距离为1mm～5mm。

另外，对于上述优选方案的经编片材，将片材配置于半径0.1m的半球体时，沿着该半球体的曲面形状排列经向插入丝。此处，沿着曲面形状进行排列，具体地是指：以纤维方向作为1边，将切成35cm见方的片材以沿着图3所示的固定于平板台上的半径0.1m的半球体的心轴的方式进行配置时，能够密合该片材且不形成褶皱。此处，“不形成褶皱”，是指构成经编片材的经向插入丝追随于想要赋型的面(心轴)，是指不产生下述情况，即，发生松弛或收缩而部分浮起，或者勉强地与心轴密合，在经向插入丝中产生弯曲。即，是指如下状态：在以下步骤中想要将经编片材与心轴密合时，能够在全部经向插入丝中不产生织折地、与心轴密合的状态。

(i)沿着位于35cm见方的经编片材的宽度方向的大致中央部的经向插入丝的0°方向与半圆球粘合。

(ii)在上述状态下，在与位于上述宽度方向大致中央部的经向插入丝成90°方向上，使片材沿着半圆球。

(iii)之后，使此外的部分与心轴密合时，以0°方向的丝不移动、90°方向的丝不弯折经向插入丝的方式，边调节经向插入丝的间隔边与心轴密合。

以上本发明的经编片材例如可以如下所述地进行层合后使用。因此，为了辅助组织形态保持或辅助片材和片材的一体化，提高处理性，优选将经向插入丝、编链组织、及纬向插入丝部分地固着。另外，优选将经过层合的经编片材之间部分地粘合。因此，优选下述方案：在上述经编片材的至少片材表面上部分地配置粘合剂，使该粘合剂与该经编片材本身熔融粘接，或者将经编片材层合后使该粘合剂熔融粘接，将层间粘合。

作为上述粘合剂的附着形态，例如可以举出点状、线状或不连续线状。为了以点状附着，可以将粒子形态的粘合剂散布在经编片材表面，进行热熔融粘接。另外，为了以线状或不连续线状附着，可以暂时制作成包含粘合剂成分的无纺布或织物等布帛后，与经编片材表面贴合、进行热熔融粘接，或者在经编片材制作时以填充丝的形式配置在经编片材内。

作为上述粘合剂，可以使用热固性树脂或热塑性树脂、或它们的混合物。可以分别单独使用热固性树脂或热塑性树脂，但在具有曲面的翼梁或纵梁要求具有耐冲击性的情况下，优选使用韧性优异的热塑性树脂和热固性树脂的混合物。上述混合物具有适合的韧性且呈现出与经编片材的适合的粘合性。

作为热固性树脂，有环氧树脂、不饱和聚酯树脂、乙烯基酯树脂、酚醛树脂等。作为热塑性树脂，有聚碳酸酯、聚缩醛、聚苯醚、聚苯硫醚、聚芳酯、聚酯、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚砜、聚醚砜、聚醚醚酮、聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯醇缩甲醛等。其中，特别优选为包含选自环氧树脂、聚酰胺、聚酰胺酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚醚砜中的至少1种以上的构成。

使用填充丝时，可以将填充丝与碳纤维丝条合并，也可以以S或Z方向的单包芯或S及Z方向的双包芯的方式预先将填充丝以螺旋状缠绕在碳纤维丝条上后，编织成经编片材。

作为填充丝，优选是在底编丝及纬向插入丝不发生熔融的温度下熔融的丝。例如将由聚酯纤维形成的丝条用于底编丝及纬向插入丝时，优选具有低于聚酯纤维的熔点255℃的熔点的纤维，具体而言，优选使用熔点为80～200℃的低熔点的共聚聚酯纤维、共聚聚酰胺纤维、及聚烯烃纤维等。

对于附着有上述粘合剂的经编片材，还优选切成所期望的形状后至少将片材间部分地热熔融粘接，或边利用自动设备切割边同时进行热熔融粘接，成型为层合体。

另外，作为本发明的其他方案，为了保持多片经编片材被层合的形态，还优选部分地使用缝纫丝等，将该经编片材之间缝合。作为能使用的缝纫丝的材质，为玻璃纤维、碳纤维、聚酰胺或聚酯等合成纤维等。

以上结构用经编片材将规定片数层合，将其变形为具有曲面的形状等所期望的形状，形成用于翼梁或纵梁的层合体。需要说明的是，无需一次性地将相当于所期望的厚度的片数的经编片材层合并赋型，可以准备多个由多片经编片材形成的组，将它们分别赋型，将该赋型后的经编片材组叠合作为翼梁或纵梁用层合体。

以下使用附图对使用本发明的经编片材的经编片材层合体(以下有时也称作“层合体”)的优选实施方式进行说明。

图4为表示具有弯曲的翼梁用层合体的一个实施方式的立体简图。图5为表示具有扭曲的翼梁用层合体的一个实施方式的立体简图。图6为图4所示的具有弯曲的翼梁用层合体的俯视简图(X-Y方向)。图7为图5所示的具有扭曲的翼梁用层合体的俯视简图(X-Y方向)。

图4、图6中的具有弯曲的翼梁用层合体20、及图5、图7中的具有扭曲的翼梁用层合体21是将上述经编片材10层合并变形得到的，是本发明的层合体的一个实施方式。制作上述层合体20、21时，由于经编片材内的相邻的碳纤维丝条能在碳纤维丝条的纤维方向上彼此独立地移动，所以如图4、5所示，即使经编片材在平面内弯曲成弓形状或对经编片材施加产生扭曲的荷重，也不会在上述经编片材中产生褶皱，相邻的碳纤维丝条分别移动，如图6、7所示，改变它们的相对位置关系追随于形状变化。

对于上述层合体20、21，为了构成具有曲面的纵梁或翼梁(该纵梁或翼梁支持由飞机的机翼或风车叶片所负荷的大荷重)、特别优选构成翼梁盖，上述层合体20、21优选形成为厚壁。因此，优选上述经编片材以最大厚度部分的层合片数在50～300片的范围内的方式进行层合。此处，形成纵梁或翼梁时，有时部分地改变经编片材的层合片数。例如在相当于负荷发挥最大作用的叶片等底部附近的位置，有时部分地层合未遍及长度方向等的全长的片材片。上述最大厚度部分的层合片数，是指包含上述部分地层合的片材片的、最大厚度部分的层合片数。

对于层合体20、21，平面内的弯曲部的最小曲率半径R(例如图4中的x-y平面内的弯曲状态)、乃至三维空间中的曲面部的最小曲率半径R1，R2(以下将上述R、R1、R2合并称作“曲面部的最小曲率半径”)在0.1～10m的范围内时，可以最大限度地呈现出本发明的效果，故优选。即，制造具有上述最小曲率半径的结构体时，使用本发明的经编片材形成层合体的情况下，上述经编片材内的相邻的碳纤维丝条在碳纤维丝条的纤维方向上彼此独立地移动。因此，能够以在上述经编片材中不形成褶皱的方式将碳纤维丝条沿着曲面形状排列。另外，层合体20、21中，优选层合体的长度方向和经向插入丝的纤维轴方向大致一致。

而且，如上所述地使用在经编片材的至少表面上配置有粘合剂的经编片材构成层合体的情况下，优选在层合多片经编片材后，将存在于该经编片材之间的粘合剂熔融，将经编片材之间部分地粘合。在将经编片材层合时、或使基体树脂含浸于经编片材中时，上述粘合剂可以抑制经编组织及纬向插入丝的组织的断裂或松开。另外，通过同时将已经层合的经编片材之间部分地粘合，可以提高层合体的处理性和形态稳定性。此时，通过以粘合剂不覆盖经编片材的整个表面的方式将经编片材之间部分地粘合，可以抑制在复合材料成型时基体树脂在厚度方向上的含浸障碍。上述效果特别是在树脂传递成型或树脂灌注成型中发挥显著的效果。

使用本发明的经编片材的具有曲面的层合体优选用于翼梁、纵梁等。为要求刚性的翼梁、或纵梁时，特别优选用于其盖部分。另外，特别是用于翼梁的盖部分时，发挥大的效果。另外，具有最小曲率半径在0.1～10m的范围内的曲面的层合体优选用于形成航空器的主翼或尾翼、直升机叶片、或风车叶片的翼梁。翼结构(机翼、叶片)中，不仅在伴随着要求其大型化、轻质化，还要求提高其空气动力特性(包括提高燃料费、提高旋转效率、提高肃静性等)的同时，要求对曲面形状的追随性，本发明中的层合体优选用于上述用途。

在翼梁的盖部分上配置上述经编片材层合体时，优选如下层合构成，即，含有50重量％以上、优选80重量％以上的下述经编片材，所述经编片材是将使经向插入丝的纤维轴与翼梁的长度方向大致一致的、所谓碳纤维丝条按照0°方向排列得到的。也可以根据需要，加入将碳纤维丝条以其他角度排列的经编片材或玻璃纤维多轴基材等。此处“使经向插入丝的纤维轴与翼梁的长度方向大致一致”，是指翼梁的长度方向和构成经编片材的碳纤维丝条的纤维取向方向的偏差在±5°以内。

使用由经编片材形成的层合体制造翼梁、纵梁时，可以仅在层合体中注入并含浸树脂，进行固化，成型翼梁、纵梁，或者也可以在将树脂注入前，将形成翼梁、纵梁的层合体与表面材料等其他构件叠合进行一体化，之后，将树脂注入并含浸，固化，成型。作为成型方法，优选与手糊成型法相比、制造效率及复合材料品质提高、且产量性优异树脂灌注成型、树脂传递成型。此时，使用热固性树脂作为基体树脂时，可以提高所得复合材料的力学特性。具体而言，可以举出环氧树脂、不饱和聚酯树脂、乙烯基酯树脂等作为例子，其中，最优选使用环氧树脂。

实施例

作为经向插入丝，使用碳纤维丝条(东丽(株)制T700SC-24000、单纤维数24000、纤度1650tex、拉伸强度4.9GPa、拉伸弹性模量230GPa)，通过调节碳纤维丝条的上浆附着量、丝幅、上浆附着后的丝的干燥条件，可以得到表1所示的具有悬垂性的碳纤维丝条。

实施例1～8、以及比较例1、2中，作为底编丝使用聚酯卷曲加工丝(30tex CR值43％)，编织经编组织，在该经编组织中以每25mm中5根(相当于碳纤维单位面积重量330g/m²)的比例插入经向插入丝(上述碳纤维丝条)，同时以在上述经编组织中往来的方式插入纬向插入丝(与上述底编丝相同的聚酯卷曲加工丝)，将它们与经编片材一体化。

另外，作为用作比较的其他材料形态，使用将T700SC-24000的碳纤维(悬垂值19)用平织组织制成每单位面积重量330g/m²的织物(比较例3)、和在该织物中含浸了38质量％的180℃固化环氧树脂得到的预浸料坯(比较例4)。

此处，对于经编片材及平织织物，在其双面上热附着玻璃化温度70℃的微粒粘合剂，提高层合性。

各实施例和比较例中，将上述基材切成所需大小，将每10层进行层合，准备5个这样的层合体，使它们分别追随于曲率半径0.1m的圆筒后，叠合并层合，形成共计50层的层合体。需要说明的是，必要时加热进行层合。然后，对于干式预成型体(实施例1～8、比较例1～3)，利用180℃固化类的2液型液态环氧树脂进行VaRTM(真空压树脂传递成型)成型，对于预浸料坯(比较例4)，进行真空压成型。对于上述环氧树脂，是基于JIS K 7171(2008)测定的3点弯曲得到的固化物弯曲弹性模量(厚2mm、宽10mm、长60mm的试验片、间距之间32mm)为3.0GPa、基于JIS K 7113(1995)测定的拉伸伸长(厚2mm的试验片、拉伸速度1mm/min)为5％的高韧性的树脂。

与上述情况相关的编织·层合·成型结果示于表1。此处，对于层合作业性，确认层合时的基材的处理性、基材的碳纤维的起毛产生的状态，对于曲面追随性，在以追随于曲面的方式变形进行层合时，对基材有无产生褶皱、丝间隔有无产生缺口和成型品的表面外观情况进行确认，分别按照从良好开始依次为A、B、C、D的4个等级进行评价。

由表1可知，经编片材与以平织作为基础的干式布料或预浸料坯相比，显示出被改善的曲面追随性，特别是，在本发明的范围内的、具有特定悬垂值的片材，在编织时或层合时的处理性(表中的“层合作业性”)及层合体的曲面追随性方面优异。

产业上的可利用性

根据本发明的经编片材，由于上述经编片材内的相邻的碳纤维丝条可以在碳纤维丝条的纤维方向上彼此独立地移动，所以使用该经编片材制成具有曲面形状的层合体时，该经编片材也易追随于曲面形状。另外，由于在上述经编片材中不形成褶皱，可以将碳纤维丝条均等地排列成具有曲面的翼梁形状，所以可以得到力学特性优异的复合材料。

进而，将粘合剂配置于构成上述层合体的经编片材的表面或将经编片材彼此缝合的情况下，可以在不丧失碳纤维丝条的上述可动性的范围内，将已经层合的经编片材之间部分地固定，因此能够应对提高制造效率及复合材料品质的成型方法。

因此，特别优选作为曲面部的最小曲率半径在0.1～10m的范围内的航空器主翼或尾翼、直升机叶片、或风车叶片的结构用材料。

符号说明

10：经编片材

2：间隙

3：经向插入丝(碳纤维丝条)

4：底编丝

5：纬向插入丝

20：具有弯曲的翼梁用层合体

21：具有扭曲的翼梁用层合体

R：平面内的弯曲部的最小曲率半径

R1，R2：空间中的曲面部的最小曲率半径

F：碳纤维丝条

N：荷重

A：方形柱(用于保持纤维)

Claims (5)

1.一种结构用经编片材，所述经编片材是用于翼梁或纵梁的经编片材，通过底编丝形成由编链组织构成的经编组织，连续的碳纤维丝条作为在经向上插入的经向插入丝插入所述经编组织中，且通过沿着在相邻的所述编链组织之间往来的方向插入的纬向插入丝将所述编链组织进行一体化，所述经向插入丝为单纤维数为12,000～50,000根、拉伸强度为4GPa以上、拉伸弹性模量为220～450GPa、悬垂值为4～22的碳纤维丝条，

在经编片材的至少表面上配置粘合剂，利用所述粘合剂将经向插入丝、编链组织、及纬向插入丝部分地固着，

并且，所述经编片材以如下方式构成：所述经编片材内的相邻的经向插入丝能够彼此独立地移动，能沿着曲面形状进行排列。

2.如权利要求1所述的结构用经编片材，以如下方式构成：所述碳纤维丝条的最大可移动距离为0.5～10mm，在半径0.1m的半球体上配置所述结构用经编片材时，能够沿着所述半球体的曲面形状排列所述碳纤维丝条。

3.如权利要求1或2所述的结构用经编片材，其中，所述底编丝及所述纬向插入丝中的至少一方为卷曲加工丝或包芯纱。

4.一种经编片材层合体，所述经编片材层合体是将权利要求1～3中任一项所述的结构用经编片材以最大厚度部分的层合片数在50～300片的范围内的方式进行层合、同时将所述结构用经编片材之间部分地粘合及/或缝合而形成的，将所述碳纤维丝条沿着曲面部的最小曲率半径在0.1～10m范围内的曲面形状排列，构成所述经编片材层合体的结构用经编片材的50重量％以上的结构用经编片材以所述经编片材层合体的长度方向和所述经向插入丝的纤维轴方向大致一致的方式配置。

5.如权利要求4所述的经编片材层合体，其中，利用所述粘合剂将已经层合的经编片材之间进行部分粘合。