JP2007152672A

JP2007152672A - ３次元繊維強化樹脂複合材及び３次元織物

Info

Publication number: JP2007152672A
Application number: JP2005349392A
Authority: JP
Inventors: Yoshikatsu Yamaguchi; 栄勝山口
Original assignee: Fuji Heavy Industries Ltd
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2005-12-02
Filing date: 2005-12-02
Publication date: 2007-06-21

Abstract

【課題】縫い糸を有する３次元織物で強化された３次元繊維強化樹脂複合材における縫い糸周辺に生じるクラックの発生を抑える。
【解決手段】縫い糸として有機繊維を用いる。縫い糸としては、弾性率が３００〔ＧＰａ〕以下、引張強度が２０〔ＭＰａ〕以上、１０００デニール以下の太さのもの、ポリアリレート繊維又はポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール(PBO)繊維が適する。
【効果】繊維の粗密と樹脂溜まりが減少し、クラックの発生が抑えられた。
【選択図】図１

Description

本発明は、３次元繊維強化樹脂複合材（３次元に配した強化繊維に樹脂を含浸硬化して形成した繊維強化樹脂複合材）と３次元繊維強化樹脂複合材に使用される３次元織物に関する。

今日、繊維強化樹脂複合材（ＦＲＰ：Fiber Reinforced Plastics）は、航空機、自動車、船舶あるいは一般産業機器の構造用部材として広く用いられている。ある基準面内で１方向に揃えられ又はある基準面内で２以上の方向に配されて布地（織布、不織布を含む）を形成する強化繊維（「面内方向糸」という。）に樹脂を含浸硬化して形成した繊維強化樹脂複合材が知られる。例えば、炭素繊維やガラス繊維等の無機物系強化繊維を縦横に配して織り込んだ織物にエポキシ樹脂などの樹脂を含浸硬化して形成したものや、成形方法は異なるが、先に述べた強化繊維に予め樹脂を含浸し、シート状にしたプリプレグ材料を積層、加圧加熱硬化して得られる複合材が知られる。
平板状の繊維強化樹脂複合材は、上記基準面の方向が位置によらず一定である。この基準面の方向は位置により変化するものでもよく、例えば、任意の曲面に形成された板材や筒状に巻かれた強化繊維に樹脂を含浸硬化して形成したパイプ材が知られる。

３次元繊維強化樹脂複合材は、面内方向糸に、３次元目の方向糸として基準面に交わる方向に配される強化繊維（面外方向糸という。）を加えた３次元織物に樹脂を含浸硬化して形成した繊維強化樹脂複合材である。特許文献１に３次元繊維強化樹脂複合材の例が記載されている。

特許文献１に記載の一の３次元繊維強化樹脂複合材は、図３に示すように、複数のたて糸１と複数のよこ糸２からなる面内方向糸３と上記面内方向糸３の基準面に対して直交する複数の面外方向糸４と上記面外方向糸４を固定する耳糸５から形成される平板状３次元織布６に、図示しない密閉治具を用いて樹脂を含浸し、平板状３次元織布６に含浸した樹脂を加熱加圧処理して硬化することで構成される。織物の製織上、面外方向糸４を挿入する際に加わる張力による面内方向糸３に生じるよれ、面外方向糸４を固定する耳糸５と面外方向糸４の交点に生じる空隙、耳糸５の太さ分生じる治具と面内方向糸３の隙間等が表層近傍に発生し、３次元織布６に含浸した樹脂を硬化処理した際に、これら空隙や隙間に樹脂が残存して樹脂溜まり７を形成する。

特許文献１に記載の他の３次元繊維強化樹脂複合材は、図４に示すように、複数のたて糸１と複数のよこ糸２からなる面内方向糸３と上記面内方向糸３の基準面に対して直交する複数の面外方向糸４とから形成される平板状３次元織布６ａに、図示しない密閉治具を用いて樹脂を含浸し、平板状３次元織布６ａに含浸した樹脂を加熱加圧処理して硬化することで構成される。織物の製織上、面外方向糸４を挿入する際に加わる張力による面内方向糸３に生じるよれにより空隙等が表層近傍に発生し、３次元織布６ａに含浸した樹脂を硬化処理した際に、これら空隙等に樹脂が残存して樹脂溜まり７ａを形成する。

かかる面外方向糸４は、面内方向糸３が形成する布地に縫い込まれており、このような面外方向糸を縫い糸と呼ぶ。面内方向糸３は積層されており、その複数の面内方向糸３の層が縫い糸により縫い合わされている。
図３に記載の３次元繊維強化樹脂複合材では、縫い糸（面外方向糸４）は、その折り返しでできる耳部に耳糸５が通されて係止され、同一位置で（面内方向糸３を跨がずに）布の表裏間を往復している。

３次元繊維強化樹脂複合材は、面外方向糸により面外方向（前記基準面に対して垂直な方向）について補強され、面外方向糸を有さない繊維強化樹脂複合材に比較して高い強度を有する。

従来、繊維強化樹脂複合材の成形方法として、一つには、布状に形成した強化繊維に未硬化の樹脂を含浸してBステージ硬化（中間硬化）させた材料（プリプレグ）を用いた成形方法が採られている。このプリプレグを積層し、オートクレーブ（加圧加熱炉）にて加圧加熱硬化して成形する方法である。
また、強化繊維を収めた型に樹脂を注入して、型内の強化繊維に含浸した樹脂を硬化させて成形するＲＴＭ（Resin Transfer Molding）法が用いられている。
また、所定の下型治具の上に熱硬化性樹脂フィルムおよび強化繊維を順次積層し、加圧・加熱によって熱硬化性樹脂フィルムを溶融させて強化繊維に含浸硬化させるＲＦＩ（Resin Film Infusion）法が採られる。

縫い糸を有する３次元繊維強化樹脂複合材は、面外方向糸（縫い糸）により面外方向について補強され高強度であるという性質に加え、局所的な負荷に対しても面内方向糸の粗密が生じ難く複合材の品質が安定するという性質を有する。
縫い糸を有する３次元織物は、プリフォーム成形時においても糸のほつれが生じ難く作業性が良いので、これをＲＴＭ法に用いれば、その実施が容易になる。
また、縫い糸を有する３次元織物は成形品の形状に合わせたプリフォームを製作することが容易にできる。３次元織物を予め成形品の形状に合わせて製作しておき、これに樹脂を含浸させて硬化させれば、樹脂硬化後の整形加工量を減少させることができ、材料の無駄を抑え、作業時間を短縮することができる。
特開平８−１０３９６０号公報

従来の縫い糸を有する３次元繊維強化樹脂複合材は、樹脂硬化成形時に縫い糸の周辺でクラックが発生しやすいという問題を有していた。これは、本発明者らによると、縫い糸として炭素繊維やガラス繊維等の無機物系強化繊維を用いていたことが原因である。
このクラックが入ることにより、面外方向を含めた３次元方向について繊維強化された品質の良い３次元繊維強化樹脂複合材を安定的に得ることができない。
そのために、３次元繊維強化樹脂複合材の実用化が普及せず、３次元繊維強化樹脂複合材の数々の長所を活かした産業を展開できないという問題が生じていた。

本発明は以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであって、縫い糸を有する３次元繊維強化樹脂複合材における縫い糸周辺に生じるクラックの発生を抑え、面外方向を含めた３次元方向について繊維強化された品質の良い３次元繊維強化樹脂複合材を安定的に得ることを課題とする。

以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、面内方向糸が形成する布地に有機繊維からなる縫い糸が縫い込まれた３次元織物に樹脂が含浸硬化してなる３次元繊維強化樹脂複合材である。

請求項２記載の発明は、積層された面内方向糸の複数の層が有機繊維からなる縫い糸により縫い合わされた３次元織物に樹脂が含浸硬化してなる３次元繊維強化樹脂複合材である。

請求項３記載の発明は、面内方向糸が形成する布地に有機繊維からなる縫い糸が耳糸に係止されつつ縫い込まれた３次元織物に樹脂が含浸硬化してなる３次元繊維強化樹脂複合材である。

請求項４記載の発明は、前記縫い糸は、その弾性率が３００〔ＧＰａ〕以下、その引張強度が２０〔ＭＰａ〕以上であることを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３に記載の３次元繊維強化樹脂複合材である。

請求項５記載の発明は、前記縫い糸は１０００デニール以下の太さであることを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか一に記載の３次元繊維強化樹脂複合材である。

請求項６記載の発明は、前記縫い糸がポリアリレート繊維又はポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール繊維であることを特徴とする請求項１から請求項５のうちいずれか一に記載の３次元繊維強化樹脂複合材である。

請求項７記載の発明は、面内方向糸が無機系繊維からなることを特徴とする請求項１から請求項６のうちいずれか一に記載の３次元繊維強化樹脂複合材である。

請求項８記載の発明は、請求項１から請求項７のうちいずれか一に記載された３次元繊維強化樹脂複合材に使用される３次元織物である。

本発明によれば、縫い糸を有機繊維としたことにより、樹脂との間に成形歪み（熱歪み等）が生じず、縫い糸周辺でのクラックの発生が抑えられて、面外方向を含めた３次元方向について繊維強化された品質の良い３次元繊維強化樹脂複合材を安定的に得ることができる。

以下に本発明の一実施の形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。

本発明は、面内方向糸が形成する布地に有機繊維からなる縫い糸が縫い込まれて構成された３次元織物に樹脂が含浸硬化してなる３次元繊維強化樹脂複合材である。
本発明の実施にあたり、面内方向糸としては無機系繊維、有機繊維等の強化繊維を用いる。図３に示すように耳糸５を用いて縫う場合、耳糸としては無機系繊維、有機繊維等の強化繊維を用いる。縫い糸としては有機繊維を用いる。

面内方向糸が、ある基準面内で１方向に揃えられ又はある基準面内で２以上の方向に配されて布地（織布、不織布を含む）が形成される。この布地に縫い糸が縫い込まれて３次元織物が完成する。３次元織物の具体的構造例としては、例えば図３及び図４に示すものである。

例えば図３又は図４に示すようにして、３次元織物は、積層された面内方向糸３の複数の層が有機繊維からなる縫い糸４により縫い合わされて構成される。

例えば図３に示すようにして、３次元織物は、面内方向糸が形成する布地に有機繊維からなる縫い糸が耳糸に係止されつつ縫い込まれて構成される。

３次元繊維強化樹脂複合材の成形方法としては、３次元織物を収めた型に樹脂を注入して、型内の織物に含浸した樹脂を硬化させて成形するＲＴＭ（Resin Transfer Molding）法が好ましい。ＲＴＭ法によれば、製品の品質及び生産効率が良好となり、また、縫い糸により織物の糸のほつれが生じ難いという縫い糸を有した３次元織物の特性が活かされて、さらに品質及び生産効率が向上する。
また、３次元織物を予め成形品の形状に合わせて製作しておき、これに樹脂を含浸させて硬化させれば、樹脂硬化後の整形加工量を減少させることができ、材料の無駄を抑え、作業時間を短縮することができる。

面内方向糸は、例えば炭素繊維である。例えば炭素繊維糸Ｒx ，Ｒy ，Ｒb Ｒz を、配交比Ｒx ，Ｒy ，Ｒb Ｒz ＝４４：１６：３６：４で織成した３次元炭素繊維織物にエポキシ樹脂を含浸硬化して３次元繊維強化樹脂複合材が形成される。

表１に６種の有機繊維及び２種の無機系繊維の特性を示す。
縫い糸の弾性率は３００〔ＧＰａ〕以下であることが好ましい。弾性率を抑えることで変形しやすくなるため製織性が向上し、織物中の強化繊維の粗密が抑えられる。強化繊維の粗密が抑えられることで、マトリックス樹脂の粗密が抑えられ、成形歪みによる応力集中が抑えられる。

縫い糸の引張強度は２０〔ＭＰａ〕以上であることが好ましい。２０〔ＭＰａ〕未満とすると面外方向の強度が確保できないためである。また、製織の際に切断されてしまい、良好な製織性が確保できない。

縫い糸は１０００デニール以下の太さであることが好ましい。１０００デニールを超える太さの縫い糸を用いると、マトリックス樹脂の粗密により、成形歪みによる応力集中が増しクラックの発生のおそれがあるからである。

縫い糸は、面内方向糸が形成する布地に対して縦横にそれぞれ所定間隔で打ち込むことが好ましい。図３に示すような耳糸を用いた縫製であれば、織物を平面的に見て縫い糸と耳糸とが全面に亘って格子状に交わり、その交点にて縫い糸が往復で打ち込まれた構造をなす。図４に示す構造であれば、所定の間隔で平行に配置された複数の縫い糸のそれぞれが所定の間隔で表裏間を片道で交互に打ち込まれた構造をなす。
縫い糸の打ち込み間隔は縦１０〔ｍｍ〕×横１０〔ｍｍ〕以下であることが好ましい。面外方向の強度を十分に高めるためである。

強化繊維織物の縫い糸として有機繊維を実用するには、さらに耐熱性や水に分解しない性質が求められる場合がる。表１に示すように、ポリアリレート（ＰＡＲ）繊維及びポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール（ＰＢＯ）繊維は、引張強度、熱分解温度ともに十分に高く、弾性率が十分に低く、水に分解しない性質を有するので適合する。ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール（ＰＢＯ）繊維は、ポリアリレート（ＰＡＲ）繊維よりも引張強度及び熱分解温度が高く、特に引張強度は炭素繊維よりも高いが、太陽光の被照射により強度が半減することがあるので、用途により使い分けると良い。

図１(a)に、縫い糸として炭素繊維を用いた従来例の炭素繊維織物による３次元繊維強化樹脂複合材の断面写真と、図１(b)に本発明の例としてVectran（商標：((株)クラレ，ポリアリレート繊維）、太さ１０００デニールを用いた織物による３次元繊維強化樹脂複合材の断面写真を示す。Vectranは水分により分解せずさらには吸湿性もないので成形時の乾燥が容易であるなど好適な性質をもっている。

従来例及び本発明ともに、面内方向糸３及び耳糸５として炭素繊維を用いて織成した３次元織物を、型に収め、加熱溶融したエポキシ樹脂を型に注入して型内の強化繊維に含浸させ、硬化させて試料を得た。

図２(a)(b)にそれぞれ図１(a)(b)の各部の外形を描き出した断面見取図を、図３と共通の符号とともに示す。図２中の４ａは有機繊維からなる縫い糸である。図１の写真を観察して認められたクラック８を図２中に示す。

従来例には見られた縫い糸４周辺のクラック８が本発明例には発生していない事が確認される。
また、従来例において耳糸５が配置された表層部や、耳糸５と縫い糸４との間、面内方向糸３と縫い糸４との間に多くの樹脂溜まり７が認められるのに対して、本発明例では、縫い糸４ａが細部に柔軟に対応しており、耳糸５と縫い糸４との間の樹脂溜まりは認められず、耳糸５が配置された表層部や面内方向糸３と縫い糸４との間の樹脂溜まりが従来例に比較して減少していることが認められる。これらのことからもクラックの発生が抑えられたと考えられる。
さらに、クラックが抑えられるもう一つの理由として、マトリクス樹脂と熱的挙動（膨張収縮）が酷似している有機繊維を縫い糸として用いることにより、無機系の繊維を用いる場合と比して、熱膨張収縮によるマトリクス樹脂と縫い糸間に発生する内部ひずみが抑えられることが考えられる。

以上の本発明例のようなクラックのない３次元織物強化樹脂複合材が得られるため、次の点が達成される。
３次元織物強化樹脂複合材の品質向上・安定が図れるため、航空機を含めた各種複合材料製品に対し、RTM成形法による３次元複合材料の適用化が実現する。
３次元織物強化樹脂複合材のＲＴＭ製品実用化により、ＲＴＭ成形による複合材料の適用範囲が拡大するとともに、ＲＴＭ製造時の生産効率が向上することにより、複合材料部品の低価格化が可能となる。
複合材料強度向上(層間補強効果)から更なる部品の軽量化が達成される。

従来例の３次元繊維強化樹脂複合材の断面写真(a)及び本発明例の３次元繊維強化樹脂複合材の断面写真(b)である。 (a)は図１(a)の見取図であり、(b)は図１(b)の見取図である。従来及び本発明の構造例を示す断面模式図である。従来及び本発明の他の構造例を示す断面模式図である。

符号の説明

３面内方向糸
４縫い糸（面外方向糸）
５耳糸
７樹脂溜まり
８クラック

Claims

面内方向糸が形成する布地に有機繊維からなる縫い糸が縫い込まれた３次元織物に樹脂が含浸硬化してなる３次元繊維強化樹脂複合材。
積層された面内方向糸の複数の層が有機繊維からなる縫い糸により縫い合わされた３次元織物に樹脂が含浸硬化してなる３次元繊維強化樹脂複合材。
面内方向糸が形成する布地に有機繊維からなる縫い糸が耳糸に係止されつつ縫い込まれた３次元織物に樹脂が含浸硬化してなる３次元繊維強化樹脂複合材。
前記縫い糸は、その弾性率が３００〔ＧＰａ〕以下、その引張強度が２０〔ＭＰａ〕以上であることを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３に記載の３次元繊維強化樹脂複合材。
前記縫い糸は１０００デニール以下の太さであることを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか一に記載の３次元繊維強化樹脂複合材。
前記縫い糸がポリアリレート繊維又はポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール繊維であることを特徴とする請求項１から請求項５のうちいずれか一に記載の３次元繊維強化樹脂複合材。
面内方向糸が無機系繊維からなることを特徴とする請求項１から請求項６のうちいずれか一に記載の３次元繊維強化樹脂複合材。
請求項１から請求項７のうちいずれか一に記載された３次元繊維強化樹脂複合材に使用される３次元織物。