JP6493094B2 - 繊維構造体及び繊維強化複合材 - Google Patents

Description

本発明は、第１の繊維層と第２の繊維層を積層方向に結合した繊維構造体及び該繊維構造体を含む繊維強化複合材に関する。

軽量、高強度の材料として繊維強化複合材（以下、単に複合材と称す。）が使用されている。複合材は、強化繊維にマトリックス樹脂が含浸されて複合化されることにより、マトリックス樹脂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。

複合材の強化基材としては、強化繊維製の経糸や緯糸が配列された繊維層を複数枚積層して得た積層体を補助糸で積層方向に結合した繊維構造体がある。また、複合材において、経糸や緯糸の糸主軸方向以外にも力学的特性を持たせるため、経糸及び緯糸に加え、それら経糸及び緯糸の糸主軸方向以外の方向に糸主軸方向が延びるバイアス方向糸を配列した繊維層を積層する場合がある。例えば、図７に示すように、特許文献１の５軸三次元織物８０は、経糸８１ａを複数配列した経糸層８１と、緯糸８２ａを複数配列した緯糸層８２と、２層のバイアス糸層８３，８４とが積層されているとともに、全ての層が垂直糸８５によって積層方向に結合されている。２層のバイアス糸層８３，８４のうち一方のバイアス糸層８３のバイアス糸８３ａは、経糸８１ａに対し一定角度傾斜し、他方のバイアス糸層８４のバイアス糸８４ａは、経糸８１ａに対し、一方のバイアス糸８３ａとは逆方向へ一定角度傾斜している。そして、５軸三次元織物８０では、経糸８１ａの糸主軸方向及び緯糸８２ａの糸主軸方向以外に、２種類のバイアス糸８３ａ，８４ａが延び、そのバイアス糸８３ａ，８４ａの延びる方向への力学的特性を向上させている。

特開２００２−１０５７９８号公報

ところで、５軸三次元織物８０を一方のバイアス糸８３ａの糸主軸方向に引っ張って賦形させたとき、５軸三次元織物８０は、他方のバイアス糸８４ａによってせん断変形が抑制される。すると、他方のバイアス糸８４ａは縮む方向へ変形し、他方のバイアス糸８４ａが蛇行してしまい、５軸三次元織物８０を強化基材とした複合材では、他方のバイアス糸８４ａの糸主軸方向への力学的特性が低下してしまう。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、賦形時の力学的特性の低下を抑制することができる繊維構造体及び繊維強化複合材を提供することにある。

上記問題点を解決するための繊維強化複合材は、繊維構造体にマトリックス樹脂を含浸させた繊維強化複合材であって、前記繊維構造体は、複数本の第１の強化繊維束が配列された第１の繊維層と、複数本の第２の強化繊維束が配列され、該第２の強化繊維束の糸主軸方向が前記第１の強化繊維束の糸主軸方向に直交する第２の繊維層と、前記第１の強化繊維束と前記第２の強化繊維束と交錯して、前記第１の繊維層と前記第２の繊維層を積層方向に結合した補助糸と、を含み、前記第１の強化繊維束及び第２の強化繊維束の少なくとも一方が、強化繊維製の芯糸と、前記芯糸に対し螺旋状に巻き付けられた強化繊維製のカバーリング糸と、を含み、前記カバーリング糸の糸主軸方向が、前記第１の強化繊維束の糸主軸方向及び前記第２の強化繊維束の糸主軸方向とは異なる方向であって前記繊維強化複合材に力学的特性を持たせるための方向であることを要旨とする。

これによれば、芯糸へのカバーリング糸のカバーリング角度を制御することで、カバーリング糸の糸主軸方向の一部を、第１の強化繊維束及び第２の強化繊維束の糸主軸方向とは異なる方向であり、繊維強化複合材に力学的特性を持たせるための方向に制御することができる。また、カバーリング糸は、芯糸に対し螺旋状に巻き付けられていることから、カバーリング糸の糸主軸方向は、芯糸の糸主軸方向を中心に対称（プラスマイナス）となる。さらに、カバーリング糸は芯糸に巻き付けられているため、繊維構造体を賦形するために、繊維構造体が、カバーリング糸の糸主軸方向の一方向に引っ張られても、一方向に配向されたカバーリング糸は伸びず、他方向に配向されたカバーリング糸は蛇行したり、巻き付けが弛むことがない。その結果、繊維強化複合材において、カバーリング糸によって力学的特性を持たせた方向について、その力学的特性の低下を抑制することができる。

本発明によれば、賦形時の力学的特性の低下を抑制することができる。

実施形態の繊維構造体を模式的に示す平面図。 実施形態の繊維強化複合材を模式的に示す断面図。 第１の強化繊維束及び第２の強化繊維束を模式的に示す図。 繊維構造体がせん断変形した状態を模式的に示す図。 （ａ）は別例の強化繊維束を示す図、（ｂ）は繊維構造体を示す部分断面図。 別例の繊維構造体を示す部分断面図。 背景技術を示す図。

以下、繊維構造体及び繊維強化複合材を具体化した一実施形態を図１〜図４にしたがって説明する。
図２に示すように、繊維強化複合材Ｍは、強化基材を構成する繊維構造体Ｗにマトリックス樹脂Ｍａを含浸させて形成されたものである。

図１及び図２に示すように、繊維構造体Ｗは、第１の繊維層１１と第２の繊維層２１とが、第１補助糸３１及び第２補助糸３２で結合されて構成されている。繊維構造体Ｗにおいて、第１の繊維層１１と第２の繊維層２１とが積み重ねられた方向を積層方向とし、第１の繊維層１１及び第２の繊維層２１において、積層方向に沿う方向を厚み方向とするとともに、その厚み方向に沿う寸法を厚みとする。

図１に示すように、第１の繊維層１１は、第１の強化繊維束としての経糸１２が複数本配列されて構成されている。第１の繊維層１１において、経糸１２の経糸主軸Ｘ１の延びる方向を経糸主軸方向とする。また、繊維構造体Ｗにおいて、経糸１２の配向角度を０度とする。

第２の繊維層２１は、第２の強化繊維束としての緯糸２２が複数本配列されて構成されている。第２の繊維層２１において、緯糸２２の緯糸主軸Ｘ２の延びる方向を緯糸主軸方向とする。繊維構造体Ｗにおいて、経糸１２の経糸主軸方向（経糸主軸Ｘ１）に対し、緯糸２２の緯糸主軸方向（緯糸主軸Ｘ２）は９０度で交差しており、繊維構造体Ｗでの緯糸２２の配向角度は、経糸１２の経糸主軸方向に対し直交した９０度である。

第１補助糸３１は、隣り合う経糸１２同士の間に配置されている。また、第１補助糸３１は、緯糸２２と第２補助糸３２に交錯している。第２補助糸３２は、隣り合う緯糸２２同士の間に配置されるとともに、第１補助糸３１と緯糸２２に交錯している。その結果、第１補助糸３１及び第２補助糸３２によって、複数の経糸１２と緯糸２２が結合され、第１の繊維層１１と第２の繊維層２１が積層方向に結合されている。

次に、経糸１２及び緯糸２２について説明する。
図２に示すように、経糸１２及び緯糸２２は、強化繊維製の芯糸１３と、芯糸１３を被覆した強化繊維製の複数のカバーリング糸１４とを含む。芯糸１３及びカバーリング糸１４は、複数の強化繊維を束ねて構成されている。芯糸１３を構成する強化繊維は、例えば炭素繊維、アラミド繊維やガラス繊維である。また、芯糸１３は断面扁平状であり、芯糸１３の長手方向に延びる一対の幅広面１３ａ，１３ｂを有し、一方の幅広面１３ａを第１の幅広面１３ａとし、他方の幅広面１３ｂを第２の幅広面１３ｂとする。芯糸１３は、幅広面１３ａ，１３ｂの長縁部同士を繋ぐ円弧面１３ｃを備える。経糸１２において、芯糸１３の糸主軸方向（糸主軸Ｙ）は経糸１２の経糸主軸方向（経糸主軸Ｘ１）と一致し、緯糸２２において、芯糸１３の糸主軸方向（糸主軸Ｙ）は緯糸２２の緯糸主軸方向（緯糸主軸Ｘ２）と一致している。

図３に示すように、カバーリング糸１４は、芯糸１３の外周面に螺旋状に巻き付けられている。カバーリング糸１４を構成する強化繊維は、例えば炭素繊維、アラミド繊維やガラス繊維である。カバーリング糸１４は、芯糸１３の糸主軸方向（糸主軸Ｙ）に対して一定のカバーリング角度θをなす状態で巻き付けられている。そして、芯糸１３は、カバーリング糸１４の巻き付けによって構成されたカバーリング層１５によって覆われている。本実施形態ではカバーリング角度θは４５度である。

芯糸１３の第１の幅広面１３ａ側におけるカバーリング糸１４の糸主軸方向（第１カバー糸主軸Ｙａ）を第１カバー方向とし、第２の幅広面１３ｂ側におけるカバーリング糸１４の糸主軸方向（第２カバー糸主軸Ｙｂ）を第２カバー方向とする。第１カバー方向と、第２カバー方向とは、芯糸１３の糸主軸Ｙを中心に対称である。芯糸１３の糸主軸Ｙに対し第１カバー糸主軸Ｙａがなすカバーリング角度は＋θ度（＋４５度）であり、芯糸１３の糸主軸Ｙに対し第２カバー糸主軸Ｙｂがなすカバーリング角度は−θ度（−４５度）である。繊維構造体Ｗにおいて、カバーリング糸１４のカバーリング角度θは、芯糸１３の配向方向（経糸主軸方向である０度及び緯糸主軸方向である９０度）とは異なる方向（第１カバー方向である＋４５度及び第２カバー方向である−４５度）に対応している。

カバーリング層１５は、カバーリング糸１４のうち、芯糸１３の第１の幅広面１３ａに巻き付けられて重なる部分（層）で構成された第１カバー部１５ａを備え、この第１カバー部１５ａは、カバーリング角度が＋θ度のカバーリング糸１４で構成された部位である。また、カバーリング層１５は、カバーリング糸１４のうち、芯糸１３の第２の幅広面１３ｂに巻き付けられて重なる部分（層）で構成された第２カバー部１５ｂを備え、この第２カバー部１５ｂは、カバーリング角度が−θ度のカバーリング糸１４で構成された部位である。よって、図２に示すように、経糸１２及び緯糸２２の断面視では、経糸１２及び緯糸２２は、芯糸１３と、第１カバー部１５ａと、第２カバー部１５ｂの３層構造である。

経糸１２及び緯糸２２における芯糸１３とカバーリング糸１４の各層での体積比は、芯糸１３：第１カバー部１５ａ：第２カバー部１５ｂが２：１：１となっている。このため、経糸１２及び緯糸２２の断面視では、芯糸１３の厚みと、第１カバー部１５ａの厚みと、第２カバー部１５ｂの厚みでの比率も、芯糸１３：第１カバー部１５ａ：第２カバー部１５ｂが２：１：１となっている。よって、芯糸１３とカバーリング層１５との体積比は１：１となっている。

そして、経糸１２と緯糸２２を用いた繊維構造体Ｗの体積については、経糸１２の芯糸１３が占める体積と、緯糸２２の芯糸１３が占める体積と、第１カバー部１５ａでカバーリング糸１４が占める体積と、第２カバー部１５ｂでカバーリング糸１４が占める体積との比が同じである。したがって、０度・９０度・＋４５度・−４５度に配向される各層の体積比が同一となるため、各方向への力学的特性が均等となる。

図１又は図３に示すように、上記構成の経糸１２及び緯糸２２を使用した繊維構造体Ｗでは、経糸１２の経糸主軸方向と緯糸２２の緯糸主軸方向とが直交している。このため、繊維構造体Ｗでは、経糸１２において、第１カバー部１５ａでのカバーリング糸１４の糸主軸方向と、緯糸２２において、第２カバー部１５ｂでのカバーリング糸１４の糸主軸方向とが同じであり、同じカバーリング角度＋θ度（＋４５度）である。また、経糸１２において、第２カバー部１５ｂでのカバーリング糸１４の糸主軸方向と、緯糸２２において、第１カバー部１５ａでのカバーリング糸１４の糸主軸方向とが同じであり、同じカバーリング角度−θ度（−４５度）である。

繊維構造体Ｗは、経糸１２の芯糸１３（０度）の層と、緯糸２２（９０度）の芯糸１３の層と、経糸１２の第１カバー部１５ａ及び緯糸２２の第２カバー部１５ｂ（＋４５度）の層と、経糸１２の第２カバー部１５ｂ及び緯糸２２の第１カバー部１５ａ（−４５度）の層の４層構造である。

繊維強化複合材Ｍは、上記構成の繊維構造体Ｗにマトリックス樹脂Ｍａを含浸することで製造される。マトリックス樹脂Ｍａを繊維構造体Ｗに含浸、硬化させる製造方法の一例として、ＲＴＭ（Resin Transfer Molding）法がある。ＲＴＭ法では、樹脂含浸用型内に繊維構造体Ｗを配置した状態で型内に液状の熱硬化性樹脂を注入する。熱硬化性樹脂として、例えばエポキシ樹脂が使用される。型内に熱硬化性樹脂を注入した後、加熱硬化することで繊維強化複合材Ｍが形成される。

繊維強化複合材Ｍでは、経糸１２の芯糸１３が延びる経糸主軸方向（０度）、緯糸２２の芯糸１３が延びる緯糸主軸方向（９０度）、カバーリング糸１４の第１カバー方向（＋４５度）、第２カバー部１５ｂの第２カバー方向（−４５度）の４方向において力学的特性が向上している。また、繊維強化複合材Ｍは、４方向において力学的特性が同等に向上し、擬似等方性を有する。

次に、経糸１２及び緯糸２２を備える繊維構造体Ｗ、及び繊維強化複合材Ｍの作用を記載する。
例えば、図４に示すように、カバーリング糸１４の第１カバー糸主軸Ｙａの延びる第１カバー方向へ繊維構造体Ｗが引っ張られて賦形した場合、経糸１２及び緯糸２２は、引っ張りに追従して変形する。その一方で、カバーリング糸１４は、引っ張られた第１カバー方向への伸びが発生せず、引っ張られた方向に直交した第２カバー方向について蛇行や巻き付けの緩みが発生しない。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）経糸１２及び緯糸２２を、芯糸１３にカバーリング糸１４を螺旋状に巻き付けて構成し、カバーリング糸１４のカバーリング角度は、芯糸１３の配向方向（経糸主軸方向である０度及び緯糸主軸方向である９０度）とは異なる方向（第１カバー方向である＋４５度及び第２カバー方向である−４５度）に対応している。このため、バイアス方向糸を用いずに、繊維強化複合材Ｍにおいて経糸１２の経糸主軸方向及び緯糸２２の緯糸主軸方向以外の方向への力学的特性を持たせることができる。そして、カバーリング糸１４は、芯糸１３に巻き付けられているため、繊維構造体Ｗが賦形されてもカバーリング糸１４が伸びたり、蛇行したりせず、皺が発生しにくい。よって、繊維構造体Ｗを用いた繊維強化複合材Ｍについて、カバーリング糸１４によって力学的特性を持たせた方向について、その力学的特性の低下を抑制することができる。また、幅広面１３ａ，１３ｂに巻き付けられた部分のカバーリング糸１４の糸主軸方向が繊維強化複合材Ｍにおいて力学的特性を向上させる方向に一致するので、カバーリング糸１４の直進性が高く、その糸主軸方向への力学的特性向上効果が高まる。

（２）カバーリング糸１４の第１カバー方向及び第２カバー方向は、経糸１２の経糸主軸方向及び緯糸２２の緯糸主軸方向と異なる方向である。よって、繊維構造体Ｗが、第１の繊維層１１と第２の繊維層２１との積層体でありながら、バイアス方向糸を使用することなく第１カバー方向及び第２カバー方向にカバーリング糸１４を配向させ、第１カバー方向及び第２カバー方向への力学的特性を向上させることができる。

（３）芯糸１３の糸主軸Ｙに対し、カバーリング糸１４の第１カバー糸主軸Ｙａがなすカバーリング角度は＋４５度であり、芯糸１３の糸主軸Ｙに対し、カバーリング糸１４の第２カバー糸主軸Ｙｂがなすカバーリング角度は−４５度である。このため、繊維構造体Ｗを用いた繊維強化複合材Ｍでは、経糸１２に対し、９０度で交差する緯糸２２と、＋４５度で交差するカバーリング糸１４の部位と、−４５度で交差するカバーリング糸１４の部位とが存在し、繊維強化複合材Ｍに疑似等方性を持たせることができる。

（４）繊維構造体Ｗの体積について、経糸１２の芯糸１３が占める体積と、緯糸２２の芯糸１３が占める体積と、第１カバー部１５ａでカバーリング糸１４が占める体積と、第２カバー部１５ｂでカバーリング糸１４が占める体積との比を同じにした。このため、経糸１２の経糸主軸方向への力学的特性と、緯糸２２の緯糸主軸方向への力学的特性と、第１カバー部１５ａでの第１カバー方向への力学的特性と、第２カバー部１５ｂでの第２カバー方向への力学的特性とを均等にすることができる。その結果として、繊維強化複合材Ｍの４方向について、同じ弾性特性とすることができる。

（５）繊維構造体Ｗは、経糸１２の第１の繊維層１１と、緯糸２２の第２の繊維層２１とを結合して構成され、一般の織機を使用して製造することができる。そして、経糸１２及び緯糸２２がカバーリング糸１４を備えることで、一般の織機を使用して製造された繊維構造体Ｗであっても、バイアス方向糸を備えた繊維構造体と同じ力学的特性を持たせることができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 実施形態では、芯糸１３を覆うカバーリング層１５が１層となるようにカバーリング糸１４を巻き付けたが、これに限らない。芯糸１３を覆うカバーリング層が２層となるようにカバーリング糸１４を巻き付けてもよい。

図５（ａ）に示すように、経糸１２及び緯糸２２は、芯糸１３と、芯糸１３に対しカバーリング糸１４を螺旋状に巻き付けて構成された第１カバーリング層１６と、この第１カバーリング層１６に対しカバーリング糸１４を螺旋状に巻き付けて構成された第２カバーリング層１７とを有する。第１カバーリング層１６でのカバーリング糸１４の巻き付け方向と、第２カバーリング層１７でのカバーリング糸１４の巻き付け方向とは逆である。

図５（ｂ）に示すように、第１カバーリング層１６は、芯糸１３の第１の幅広面１３ａに巻き付けられて重なる部分（層）に第１カバー部１６ａを備え、この第１カバー部１６ａは、カバーリング角度が＋θ度のカバーリング糸１４で構成された部位である。また、第１カバーリング層１６は、芯糸１３の第２の幅広面１３ｂに巻き付けられて重なる部分（層）に第２カバー部１６ｂを備え、この第２カバー部１６ｂは、カバーリング角度が−θ度のカバーリング糸１４で構成された部位である。

第２カバーリング層１７は、第１カバーリング層１６の第１カバー部１６ａに重なる部位に第１カバー部１７ａを備え、この第１カバー部１７ａは、カバーリング角度が−θ度のカバーリング糸１４で構成された部位である。また、第２カバーリング層１７は、第２カバー部１６ｂに重なる部位に第２カバー部１７ｂを備え、この第２カバー部１７ｂは、カバーリング角度が＋θ度のカバーリング糸１４で構成された部位である。

このため、経糸１２及び緯糸２２の断面視では、経糸１２及び緯糸２２は、芯糸１３と、第１カバーリング層１６の第１カバー部１６ａ及び第２カバー部１６ｂと、第２カバーリング層１７の第１カバー部１７ａ及び第２カバー部１７ｂの５層構造である。

また、経糸１２及び緯糸２２における芯糸１３とカバーリング糸１４の各層での体積比（厚み比）は、芯糸１３：第１カバー部１６ａ：第２カバー部１６ｂ：第１カバー部１７ａ：第２カバー部１７ｂが４：１：１：１：１となっている。よって、芯糸１３と２本のカバーリング糸１４（第１カバーリング層１６と第２カバーリング層１７）との体積比は１：１となっており、芯糸１３とカバーリング糸１４が同じ強化繊維製である。このことから、経糸１２の経糸主軸方向への力学的特性と、緯糸２２の緯糸主軸方向への力学的特性と、第１カバー部１６ａ，１７ａでの第１カバー方向への力学的特性と、第２カバー部１６ｂ，１７ｂでの第２カバー方向への力学的特性とを均等にすることができる。

○ 図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、芯糸１３を第１カバーリング層１６と第２カバーリング層１７で覆った構造において、第１カバーリング層１６と第２カバーリング層１７の巻き付け方向を同じにしてもよい。

○ 図６に示すように、経糸１２を、芯糸１３とカバーリング糸１４を有する構成とし、緯糸４２を、カバーリング糸１４を有さない強化繊維の束だけの構成としてもよい。
この場合、経糸１２の芯糸１３と、緯糸４２との体積比は１：１とし、同じ太さとする。また、経糸１２の芯糸１３と、第１カバー部１５ａと、第２カバー部１５ｂとの体積比（厚み比）を、芯糸１３：第１カバー部１５ａ：第２カバー部１５ｂを１：１：１とする。その結果として、第１カバー部１５ａ及び第２カバー部１５ｂと、それ以外の部位（経糸１２の芯糸１３と緯糸４２）の体積比が１：１となる。

○ 経糸１２のカバーリング角度と、緯糸２２のカバーリング角度を異ならせてもよい。
○ 経糸１２及び緯糸２２におけるカバーリング角度は±４５度で以外の角度であってもよく、例えば６０度でもよい。

○ 芯糸１３は断面扁平状ではなく、断面円形状であってもよい。この場合は、芯糸１３が断面扁平状である実施形態に比較してカバーリング角度θの方向への力学的特性向上効果が下がるので、カバーリング層１５の体積比を芯糸１３の層よりもおおきくすることが好ましい。

次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。
（イ）前記第１の強化繊維束及び前記第２の強化繊維束が、前記芯糸と前記カバーリング糸を有する繊維構造体。

Ｍ…繊維強化複合材、Ｗ…繊維構造体、Ｍａ…マトリックス樹脂、１１…第１の繊維層、２１…第２の繊維層、１２…第１の強化繊維束としての経糸、１３…芯糸、１３ａ，１３ｂ…幅広面、１４…カバーリング糸、１５…カバーリング層、１６…第１カバーリング層、１７…第２カバーリング層、１５ａ，１６ａ，１７ａ…第１カバー部、１５ｂ，１６ｂ，１７ｂ…第２カバー部、２２…第２の強化繊維束としての緯糸、３１…第１補助糸、３２…第２補助糸。

Claims (1)

1. 繊維構造体にマトリックス樹脂を含浸させた繊維強化複合材であって、
   前記繊維構造体は、
   複数本の第１の強化繊維束が配列された第１の繊維層と、
   複数本の第２の強化繊維束が配列され、該第２の強化繊維束の糸主軸方向が前記第１の強化繊維束の糸主軸方向に直交する第２の繊維層と、
   前記第１の強化繊維束と前記第２の強化繊維束と交錯して、前記第１の繊維層と前記第２の繊維層を積層方向に結合した補助糸と、を含み、
   前記第１の強化繊維束及び第２の強化繊維束の少なくとも一方が、
   強化繊維製の芯糸と、
   前記芯糸に対し螺旋状に巻き付けられた強化繊維製のカバーリング糸と、を含み、
   前記カバーリング糸の糸主軸方向が、前記第１の強化繊維束の糸主軸方向及び前記第２の強化繊維束の糸主軸方向とは異なる方向であって前記繊維強化複合材に力学的特性を持たせるための方向であることを特徴とする繊維強化複合材。

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