(57)【要約】      （修正有）【課題】プリプレグの賦形時にプリプレグの端部に発生する余剰部を解消する積層基材の提供。【解決手段】一方向強化繊維にマトリックス樹脂を含浸させた幅が２．５ｍｍ以上４０ｍｍ以下のプリプレグテープを少なくとも含む積層基材を用いる。まず最初にプリプレグテープを等間隔に平行に配置したユニットを形成する。次に積層軸の本数からずらし角度を決定しておく。続いて最初のユニットの積層軸から一定角度の傾きにずらして等間隔に配置したユニットを形成する。更に同ユニットの積層軸から一定角度の傾きにずらして等間隔に配置したユニットを形成する。以下同様に所定回数まで繰り返す、プリプレグテープを積層した積層基材。【選択図】図１−１２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方向強化繊維にマトリックス樹脂を含浸させたプリプレグテープを少なくとも含む積層基材であって、前記プリプレグテープの繊維配向方向に直交する幅は２．５ｍｍ以上４０ｍｍ以下の一定幅を有し、以下の構成となるように前記プリプレグテープを配置したことを特徴とする積層基材。
［１］複数のプリプレグテープ（幅：ａ（ｍｍ））を、下記式で示す個別クリアランス離して等間隔に平行に配置した個別ユニットを形成する。前記プリプレグテープの繊維配向方向を積層軸という。
個別クリアランス＝ａ×ｄ＋（１＋ｄ）×ｂ（ｍｍ）
ここでｂ（ｍｍ）は、積層基材の完成形態における、同一方向となる積層軸で隣接するプリプレグテープ間の距離（−ａ／２  ｍｍ≦ｂ≦５ｍｍ））である。なお、距離のマイナス表示は、プリプレグテープ同士が重なり合って積層された状態を示す。またｄは、後述する積層基材の完成に至るまでのステップの総数である。
［２］配置し終えた前記個別ユニットの上に、新たな個別ユニットを配置する。このとき、新たに配置する個別ユニットの積層軸の傾きは、直前に配置した個別ユニットの積層軸の傾きに対して、下記で規定する個別ユニット積層軸のずらし角度ずらして配置する。
個別ユニット積層軸のずらし角度＝１８０／ｅ
なお、ｅは個別ユニットの集合体に含まれる積層軸本数である。
これを、最初の個別ユニットと同じ積層軸方向となる直前まで繰り返す。この繰り返し回数をループ数という。［１］［２］の配置工程を１ステップと総称する。
［３］２ステップ目となる個別ユニットを配置する。２ステップ目の最初の個別ユニットの積層軸方向は、１ステップ目の最初に配置した個別ユニットと同じ積層軸方向であり、１ステップ目の個別ユニットを構成するプリプレグテープに対し、下記式で示す平行移動距離だけずらして配置する。
平行移動距離：ａ＋ｂ
以下、［２］の記載と同様に、積層軸の角度をずらして新たな個別ユニットを配置し、２ステップ目を構成する全ての個別ユニットを配置する。
［４］ステップ数がｄになるまで個別ユニットの配置を繰り返す。
【請求項２】
前記繊維配向方向が３方向以上である請求項１に記載の積層基材。
【請求項３】
請求項１または２に記載の積層基材を賦形してなる中間体。
【請求項４】
請求項１または２に記載の積層基材、または請求項３に記載の中間体を成形してなる成形体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一方向強化繊維にマトリックス樹脂を含浸させたプリプレグテープを積層した積層基材に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維やアラミド繊維、ガラス繊維等を強化繊維として用いた強化繊維プリプレグは、その高い比強度・比弾性率を生かして、航空機や自動車等の構造材料、スポーツ用品あるいは一般産業用途の素材として利用されている。特に航空機産業においては燃料節約及び操業コストの削減を目的に、幅広く利用されている。
【０００３】
一方向強化繊維にマトリックス樹脂を含浸させたプリプレグは三次元形状に成形し難い材料であるため、プリプレグを数ｍｍの幅にまでスリットしてテープ状にし、三次元形状に並べて積層して用いることがある。積層方法としては、幅の狭いテープ自体を実質二次元形状に沿わせるだけで良く、複雑形状であっても形状追従可能とするオートテープレイアップと呼ばれる技術が用いられる。しかしながら、大面積、厚肉部材の三次元形状にまで積層するには生産性が低いという問題があった。
【０００４】
一方、生産性に優れるプロセスとして、平板上に積層したプリプレグを一気に三次元形状に賦形するホットフォーミングが知られている。しかしながら、賦形時にプリプレグの変形能不足に起因するシワやブリッジング（繊維の突っ張り）が発生し、繊維強化プラスチックの歩止まりが落ちるという課題が存在した。具体的には、形状変化のある部位、例えば屈曲部では、プリプレグ積層体の上下で周長差が生じる。プリプレグ積層体が固化され繊維強化プラスチックとなる過程で、プリプレグに含浸されたマトリックス樹脂の熱収縮による厚み減少が生じるものの、プリプレグ積層体は伸張性の低い強化繊維が連続しているため、周長差を解消させるには強化繊維自身が座屈してシワを発生させるか、ブリッジングを起こすことで、繊維強化プラスチックの成形不具合を引き起こしていた。また、ブリッジングが発生した直下の部位では成形圧が加わり難いことから、ボイドが発生しやすいといったデメリットも併発していた。このボイド発生は真空ポンプを加圧手段としたオーブン成形など低圧成形においてより顕著な問題であった。
【０００５】
フォーミング中の皺を低減する技術として、平板上に積層したプリプレグの面外方向に圧縮力を加え続けることで、座屈を低減する方法が知られている（例えば、特許文献１）。特許文献１に開示された技術では、積層したプリプレグ上に引張材料を載置し外縁から張力を保持し続けることで、平板上に積層したプリプレグの面外方向に圧縮力を加え続け、座屈を低減することができる。
【０００６】
また、三次元形状への賦形性を向上させる技術として、織物構造のプリプレグを用いることで、繊維の屈曲や織物の目の部分を活用し、面内変形能を高めることで皺を低減する方法が、知られている。特に航空機部材において、面内変形能が必要な部分において、織物プリプレグが使われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表２０１６−５１４６３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に開示されるフォーミング中の皺を低減する方法は、プリプレグを賦形した際に生じる余剰部を解消することができないという問題があった。また、織物構造のプリプレグは、その織工程のコストが高いという問題があった。
【０００９】
そこで本発明の課題は、プリプレグの賦形時に余剰部を発生させることなく皺の発生を低減できる積層基材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を達成するために、本発明の積層基材は、以下の構成を採用する。すなわち、
（１）一方向強化繊維にマトリックス樹脂を含浸させたプリプレグテープを少なくとも含む積層基材であって、前記プリプレグテープの繊維配向方向に直交する幅は２．５ｍｍ以上４０ｍｍ以下の一定幅を有し、以下の構成となるように前記プリプレグテープを配置したことを特徴とする積層基材。
［１］複数のプリプレグテープ（幅：ａ（ｍｍ））を、下記式で示す個別クリアランス離して等間隔に平行に配置した個別ユニットを形成する。前記プリプレグテープの繊維配向方向を積層軸という。
個別クリアランス＝ａ×ｄ＋（１＋ｄ）×ｂ（ｍｍ）
ここでｂ（ｍｍ）は、積層基材の完成形態における、同一方向となる積層軸で隣接するプリプレグテープ間の距離（−ａ／２  ｍｍ≦ｂ≦５ｍｍ））である。なお、距離のマイナス表示は、プリプレグテープ同士が重なり合って積層された状態を示す。またｄは、後述する積層基材の完成に至るまでのステップの総数である。
［２］配置し終えた前記個別ユニットの上に、新たな個別ユニットを配置する。このとき、新たに配置する個別ユニットの積層軸の傾きは、直前に配置した個別ユニットの積層軸の傾きに対して、下記で規定する個別ユニット積層軸のずらし角度ずらして配置する。
個別ユニット積層軸のずらし角度＝１８０／ｅ
なお、ｅは個別ユニットの集合体に含まれる積層軸本数である。
これを、最初の個別ユニットと同じ積層軸方向となる直前まで繰り返す。この繰り返し回数をループ数という。［１］［２］の配置工程を１ステップと総称する。
［３］２ステップ目となる個別ユニットを配置する。２ステップ目の最初の個別ユニットの積層軸方向は、１ステップ目の最初に配置した個別ユニットと同じ積層軸方向であり、１ステップ目の個別ユニットを構成するプリプレグテープに対し、下記式で示す平行移動距離だけずらして配置する。
平行移動距離：ａ＋ｂ
以下、［２］の記載と同様に、積層軸の角度をずらして新たな個別ユニットを配置し、２ステップ目を構成する全ての個別ユニットを配置する。
［４］ステップ数がｄになるまで個別ユニットの配置を繰り返す。
（２）前記繊維配向方向が３方向以上である（１）に記載の積層基材。
（３）（１）または（２）に記載の積層基材を賦形してなる中間体。
（４）（１）または（２）に記載の積層基材、または（３）に記載の中間体を成形してなる成形体。
である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、プリプレグの賦形時にプリプレグの端部に発生する余剰部を解消する積層基材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１−１】本発明の一実施態様に係る積層基材を得るための途中経過の概略図であって、積層基材は軸数e＝３、積層基材の完成に至るまでのステップの総数ｄ＝４、積層基材の完成形態における同一方向となる積層軸で隣接するプリプレグテープ間の距離ｂ＝０．５ｍｍであり、個別ユニット３（ステップ数１、ループ数１）を配置した状態を図示している。
【図１−２】本発明の一実施態様に係る積層基材を得るための途中経過の概略図であり、個別ユニット３（ステップ数１、ループ数２）を配置した状態を図示している。
【図１−３】本発明の一実施態様に係る積層基材を得るための途中経過の概略図であり、個別ユニット３（ステップ数１、ループ数３）を配置した状態を図示している。
【図１−４】本発明の一実施態様に係る積層基材を得るための途中経過の概略図であり、個別ユニット３（ステップ数２、ループ数１）を配置した状態を図示している。
【図１−５】本発明の一実施態様に係る積層基材を得るための途中経過の概略図であり、個別ユニット３（ステップ数２、ループ数２）を配置した状態を図示している。
【図１−６】本発明の一実施態様に係る積層基材を得るための途中経過の概略図であり、個別ユニット３（ステップ数２、ループ数３）を配置した状態を図示している。
【図１−７】本発明の一実施態様に係る積層基材を得るための途中経過の概略図であり、個別ユニット３（ステップ数３、ループ数１）を配置した状態を図示している。
【図１−８】本発明の一実施態様に係る積層基材を得るための途中経過の概略図であり、個別ユニット３（ステップ数３、ループ数２）を配置した状態を図示している。
【図１−９】本発明の一実施態様に係る積層基材を得るための途中経過の概略図であり、個別ユニット３（ステップ数３、ループ数３）を配置した状態を図示している。
【図１−１０】本発明の一実施態様に係る積層基材を得るための途中経過の概略図であり、個別ユニット３（ステップ数４、ループ数１）を配置した状態を図示している。
【図１−１１】本発明の一実施態様に係る積層基材を得るための途中経過の概略図であり、個別ユニット３（ステップ数４、ループ数２）を配置した状態を図示している。
【図１−１２】本発明の一実施態様に係る積層基材の概略図であり、個別ユニット３（ステップ数４、ループ数３）を配置した状態を図示している。
【図２】本発明の一実施態様に係る積層基材の概略図であり、軸数e＝４、積層基材の完成に至るまでのステップの総数ｄ＝８、積層基材の完成形態における同一方向となる積層軸で隣接するプリプレグテープ間の距離ｂ＝テープ半幅、の積層基材を図示している。
【図３】本発明の一実施態様に係る積層基材の概略図であり、軸数e＝５、積層基材の完成に至るまでのステップの総数ｄ＝４、積層基材の完成形態における同一方向となる積層軸で隣接するプリプレグテープ間の距離ｂ＝０．５ｍｍ、の積層基材を図示している。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。ただし、以下に示す実施態様は、あくまで本発明の望ましい実施の形態の例示であって、本発明は、これら実施態様に限定されるものではない。
【００１４】
本発明は、一方向強化繊維にマトリックス樹脂を含浸させたプリプレグテープを少なくとも含む積層基材であって、前記プリプレグテープの繊維配向方向に直交する幅は２．５ｍｍ以上４０ｍｍ以下の一定幅を有し、以下の構成となるように前記プリプレグテープを配置したことを特徴とする積層基材である。
［１］複数のプリプレグテープ（幅：ａ（ｍｍ））を、下記式で示す個別クリアランス離して等間隔に平行に配置した個別ユニットを形成する。前記プリプレグテープの繊維配向方向を積層軸という。
個別クリアランス＝ａ×ｄ＋（１＋ｄ）×ｂ（ｍｍ）
ここでｂ（ｍｍ）は、積層基材の完成形態における、同一方向となる積層軸で隣接するプリプレグテープ間の距離（−ａ／２  ｍｍ≦ｂ≦５ｍｍ））である。なお、距離のマイナス表示は、プリプレグテープ同士が重なり合って積層された状態を示す。またｄは、後述する積層基材の完成に至るまでのステップの総数である。
［２］配置し終えた前記個別ユニットの上に、新たな個別ユニットを配置する。このとき、新たに配置する個別ユニットの積層軸の傾きは、直前に配置した個別ユニットの積層軸の傾きに対して、下記で規定する個別ユニット積層軸のずらし角度ずらして配置する。
個別ユニット積層軸のずらし角度＝１８０／ｅ
なお、ｅは個別ユニットの集合体に含まれる積層軸本数である。
これを、最初の個別ユニットと同じ積層軸方向となる直前まで繰り返す。この繰り返し回数をループ数という。
［１］［２］の配置工程を１ステップと総称する。
［３］２ステップ目となる個別ユニットを配置する。２ステップ目の最初の個別ユニットの積層軸方向は、１ステップ目の最初に配置した個別ユニットと同じ積層軸方向であり、１ステップ目の個別ユニットを構成するプリプレグテープに対し、下記式で示す平行移動距離だけずらして配置する。
平行移動距離：ａ＋ｂ
以下、［２］の記載と同様に、積層軸の角度をずらして新たな個別ユニットを配置し、２ステップ目を構成する全ての個別ユニットを配置する。
［４］ステップ数がｄになるまで個別ユニットの配置を繰り返す。
【００１５】
積層基材の一例を図１−１２に示す。図１−１２に例示する積層基材は、軸数e＝３、積層基材の完成に至るまでのステップの総数ｄ＝４、積層基材の完成形態における同一方向となる積層軸で隣接するプリプレグテープ間の距離ｂ＝０．５ｍｍとして構成されたものである。
【００１６】
プリプレグテープ１は一方向強化繊維とマトリックス樹脂から構成されている。強化繊維としては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ケブラー繊維等を用いることが好ましい。マトリックス樹脂としては、熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂を例示することができる。熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、等が利用できる。熱可塑性樹脂としては、例えば、ナイロン樹脂やＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）樹脂、等が利用できる。プリプレグテープの幅：ａ（ｍｍ）は２．５ｍｍ以上であり、４０ｍｍ以下であることが重要である。プリプレグの幅：ａ（ｍｍ）が２．５ｍｍを下回ると、一度に積層できる量が少なく、経済的ではなくなる。プリプレグの幅：ａ（ｍｍ）が４０ｍｍを上回ると、曲線上にプリプレグを配置しようとした際に、テープの周長差により配置できる曲率が制限され、配置の自由度が小さくなる。
【００１７】
次に、プリプレグテープの具体的な配置手段について順に説明する。
［１］複数のプリプレグテープ（幅：ａ（ｍｍ））を、下記式で示す個別クリアランス離して等間隔に平行に配置した個別ユニットを形成する。前記プリプレグテープの繊維配向方向を積層軸という。
個別クリアランス＝ａ×ｄ＋（１＋ｄ）×ｂ（ｍｍ）
【００１８】
ここでｂ（ｍｍ）は、積層基材の完成形態における、同一方向となる積層軸で隣接するプリプレグテープ間の距離（−ａ／２  ｍｍ≦ｂ≦５ｍｍ））である。なお、距離のマイナス表示は、プリプレグテープ同士が重なり合って積層された状態を示す。またｄは、後述する積層基材の完成に至るまでのステップの総数である。
【００１９】
ステップの総数ｄの値を大きくすると、厚み方向に横切るプリプレグテープの本数が増えるため、層間強度が高くなることが期待されるが、ステップ数が増えるため積層時間は増加する。目的とする製品物性やプロセス性に応じて、ｄの値を定めることが望ましい。
【００２０】
個別ユニットを１つ形成した状態を図１−１に示す。図１−１に示す個別ユニット３（ステップ数１、ループ数１）は、複数のプリプレグテープ１（幅：a（ｍｍ））を、下記式で示す個別クリアランス５離して等間隔に平行に配置したものである。図１−１下方に示す左右方向の矢印が積層軸４である。
【００２１】
また、個別クリアランスは以下の式で示される。
個別クリアランス＝ａ×ｄ＋（１＋ｄ）×ｂ（ｍｍ）
【００２２】
ここでｂ（ｍｍ）は、積層基材の完成形態における、同一方向となる積層軸で隣接するプリプレグテープ間の距離（−ａ／２  ｍｍ≦ｂ≦５ｍｍ））である。ｂの値を大きくすると、賦形時において、プリプレグテープが動くことができる余地が大きくなるため、賦形性は向上するが、物性は低下する。ｂの値を小さくすると、物性は向上するが、賦形性は低下する。目的とする製品形状や物性に応じて、ｂの値を定めることが望ましい。ｂが５ｍｍを上回ると、物性が著しく低下する恐れがある。
【００２３】
また、ｂの値が０を下回ると、プリプレグテープが重なり合うことになる。この重なりが増えると、一度に積層するプリプレグテープの数が増えるため、積層時間が減る一方、物性は低下する。ｂが−ａ／２ｍｍを下回ると、物性が著しく低下する恐れがある。
【００２４】
配置し終えた前記個別ユニット３の上に、新たな個別ユニット３を配置する手順について、図１−２を例に示す。
【００２５】
図１−２では、配置し終えた前記個別ユニット３の上に、新たな個別ユニット３を配置する。このとき、新たに配置する個別ユニットの積層軸４の傾きは、直前に配置した個別ユニットの積層軸４の傾きに対して、下記で規定する個別ユニット積層軸のずらし角度ずらして配置する。
個別ユニット積層軸のずらし角度＝１８０／ｅ
【００２６】
なお、ｅは個別ユニットの集合体に含まれる積層軸本数である。
【００２７】
これらの動作を、最初の個別ユニットと同じ積層軸方向となる直前まで繰り返す（図１−１、１−２，１−３）。この繰り返し回数をループ数という。
【００２８】
積層軸４は、一層目における軸方向を、ｘｙ平面のｘ軸と同方向と定義することができる。また、個別ユニット積層軸のずらし角度の角度間隔は、等間隔である。後述のループを進めるごとに積層軸の傾きを変える操作について、その回転方向は時計回りでも反時計回りでも可能である。
【００２９】
個別ユニットの集合体に含まれる積層軸本数ｅは、図では３軸となっているが、２軸以上が好ましい。軸数を増加させると、材料の物性はより等方に近づくが、１０軸を上回ると、積層時間が増加し不経済になる恐れがある。好ましくは８軸以下、より好ましくは６軸以下である。
【００３０】
ループは、ステップの中の手順であり、図１−２のように、積層軸４を変えた個別ユニット３を配置する場合に、その値が１つすすむ。個別ユニット３は、その手順の値に合わせて、個別ユニット３（ステップ数、ループ数）と表記できる。例えば、図１−１は個別ユニット３（ステップ数１、ループ数１）の配置を示し、図１−２は個別ユニット３（ステップ数１、ループ数２）の配置を示す。ループ数の上限は、総積層軸数をｅとした場合、ｅであり、ｅの次の手順に進むとき、ステップ数の値が１つ進み、ループ数の値は１に戻る。例えば、図１−３は個別ユニット３（ステップ数１、ループ数３）を示し、図１−４は個別ユニット３（ステップ数２、ループ数１）を示す。
【００３１】
続いて、２ステップ目となる個別ユニットを配置する。ステップは、積層の手順であり、ループが一巡すると、ステップの値が一つ進む。図１−１（ステップ１、ループ１）と図１−４（ステップ２、ループ１）の比較で示すように、２ステップ目の最初の個別ユニットの積層軸方向は、１ステップ目の最初に配置した個別ユニットと同じ積層軸方向であり、１ステップ目の個別ユニットを構成するプリプレグテープに対し、下記式で示す平行移動距離だけずらして配置する。
平行移動距離：ａ＋ｂ
【００３２】
以下同様に、図１−４、図１−５、図１−６、で図示するように、積層軸４の角度をずらして新たな個別ユニットを配置し、２ステップ目を構成する全ての個別ユニットを配置する。
【００３３】
続いて、ステップ数がｄになるまで、図１−７〜図１−１２で図示するように、個別ユニットの配置を繰り返す。
【００３４】
ステップ数ｄは、２以上であり、１０以下である必要がある。１では基材が成立しなくなり、１０を上回ると、積層時間が増加し不経済になる恐れがある。ステップ数ｄは８以下が好ましく、６以下がさらに好ましい。図１−１２で示すように、繰り返しユニット７を構成するプリプレグテープの数は、それぞれの積層軸４に対して、４本である。この、繰り返しユニット７を構成するプリプレグテープの数はｄと定義され、２以上の自然数であればよい。
【００３５】
図２は、本発明の一実施態様に係る積層基材の一例であり、軸数＝４、繰り返しユニット＝８、ラップ長さ＝テープ半幅、ギャップ長さ＝０、で規定される積層基材の積層態様を示している。
【００３６】
図３は、本発明の一実施態様に係る積層基材の一例であり、軸数＝５、繰り返しユニット＝４、ラップ長さ＝０、ギャップ長さ＝０．５ｍｍ、で規定される積層基材の積層態様を示している。
【００３７】
積層基材は、賦形して中間体としても使用することができる。また、積層基材を賦形工程等により成形体の形状に賦形した後、オートクレーブ等の成形工程により成形体を得ることができる。さらに、前述の中間体を直接オートクレーブ等の成形工程により成形体を得ることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明に係る、幾何学的に生じる繊維余りを解消する強化繊維多軸基材により、賦形工程が容易になり、航空機産業や自動車産業に適用できる。
【符号の説明】
【００３９】
１  プリプレグテープ
２  プリプレグテープの幅
３  個別ユニット
４  積層軸
５  個別クリアランス
６  平行移動距離
７  繰り返しユニット
８  隣接する二つのプリプレグテープ
９  隣接する二つのプリプレグテープを横切って配置されるプリプレグテープ
１０  隣接する二つのプリプレグテープを横切って配置されるプリプレグテープが、隣接する二つのプリプレグテープに上下挟まれている部位
【図１−１】
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【図１−２】
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【図１−３】
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【図１−４】
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【図１−５】
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【図１−６】
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【図１−７】
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【図１−８】
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【図１−９】
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【図１−１０】
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【図１−１１】
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【図１−１２】
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【図２】
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【図３】
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