(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マトリックス内に積層状態で配列する繊維素材として材質の異なる少なくとも２種の繊維を使用し、それらの繊維を各層内に混在する状態で、尚かつ、それらの繊維を平行に配列した繊維強化複合材料。
【請求項２】
断面円環状をなすように繊維が回転軸に対してほぼ直角に周方向に巻き付けられるとともに各繊維間が固化されて繊維強化複合材料で筒状に形成された請求項１に記載の繊維強化複合材料を用いたエネルギー吸収部材。
【請求項３】
前記各繊維間が樹脂により含浸固化された請求項２に記載のエネルギー吸収部材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は繊維強化複合材料及び例えば自動車に装備されるバンパや自転車のフレーム等の衝撃吸収部材として使用される繊維強化複合材料製のエネルギー吸収部材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、軽量化による運動機能の向上、エネルギー消費の低減が強く要望されている。繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）等の繊維強化複合材料による金属部材の代替はその中の花形といってもよく、非常に多くの分野でＦＲＰが多用されつつあり、この傾向は益々拡がる様相を呈している。
【０００３】
ＦＲＰには種々のグレードがあり、強化繊維として切断された繊維いわゆる短繊維が樹脂中に混入され、短繊維が全くランダムに配列されたものは、汎用グレードで一般家庭用として用いられる。一方、繊維が切断されずにフィラメントとして補強樹脂と一体化されたものは高強度、高弾性を要求される工業用品用としてハイグレードにランクされる。フィラメントを強化繊維として使用する場合の通例は、繊維をシート状に積層し、樹脂で含浸・硬化するもので積層複合材とよばれている。そして、従来は強化繊維として複数種類の繊維を混合して使用することはなかった。
【０００４】
前記積層複合材は繊維の配列された面内の荷重に対して極めて高い強度及び剛性を示すが、曲げ応力や剪断応力を発生するような面外の荷重が加わると、層間が容易に剥離して弱い力で分離・破壊する欠点を有する。強化繊維としてガラスフィラメントを使用した場合と、カーボンフィラメントを使用した場合の板状積層複合材の曲げ及び剪断破壊時の応力−変位量曲線を図７及び図８にそれぞれ示す。ただし（ａ）は曲げ応力が、（ｂ）は剪断応力が作用した場合を示す。いずれも荷重の増加に対応してある応力まではほぼ直線的に増大するが、その後は急激に応力が低下し、破壊に至る。すなわち、強化繊維として１種類の繊維を使用した従来の積層複合材では、層間の剥離が微小に起きるとそれが一挙に成長して層間の分離となり、複合材の破壊となる。そして、その間のエネルギー吸収（応力−変位量曲線と変位量を表す軸との間の面積）が極めて小さく、脆い素材と言える。
【０００５】
又、自動車には衝突時における車体及び搭乗者の保護のため、一般に車体の前後に衝突時の衝撃エネルギーを吸収するバンパが取り付けられている。バンパは自動車が障害物と衝突した際に加わる大きな負荷に対して非可逆的にエネルギーを吸収する必要がある。そして、吸収エネルギーを大きくするため、従来からバンパ本体を支持する支持部材の材質や構造の改良が種々なされている。
【０００６】
例えば、１９８８年２月１８日公開のドイツ特許（３６２６１５０）には、図９に示すように楕円環状の減衰成形体２１を介してバンパ２２を車体のステイ２３に取り付けたものが開示されている。減衰成形体２１は周方向に繊維が配列されたＦＲＰ（繊維強化プラスチック）により形成され、楕円形の長手側面がバンパ２２及びステイ２３にそれぞれ接触するように取り付けられている。
【０００７】
又、特開昭５７−１２４１４２号公報にはバンパに使用するエネルギー吸収用構造材として、図１０に示すように繊維強化複合材料（例えばエポキシ樹脂含浸ガラス繊維）製の条帯２４からなる網状組織で円筒状に形成された構造体２５が提案されている。構造体２５は筒の軸方向に圧縮負荷が加わる状態で使用され、構造体２５に軸方向の荷重が作用すると網状組織の対向する結節点２６において層間剥離を起こし、剪断降伏が繊維とマトリックスとの界面で生ずることによりエネルギーを段階的に吸収するようになっている。又、各結節点２６は約１０層の繊維複合材料製の条帯２４で形成されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前記のように積層複合材は曲げ応力や剪断応力が作用した場合、層間剥離が突発的に発生するとともに金属のような降伏挙動がなく、破壊が瞬時に起こってそのまま応力０に至る。すなわち、破壊が発生すると短時間で形状保持が不能となる。従って、限界荷重を超えない充分に余裕を持った範囲で積層複合材を使用するのが一般的な使い方である。しかし、余裕の取り方を大きくすると安全性は高いが軽量化効果が失われ、余裕が少なければ破壊の危険が常につきまとうという問題がある。
【０００９】
又、前記ドイツ特許には周方向に繊維が配列されたＦＲＰ製の減衰成形体２１をエネルギー吸収部材として使用することは開示されているが、その部材に荷重が加わった際に発生する応力、その変動、吸収エネルギー等については全く触れられていない。周方向にフィラメントが配列されたＦＲＰ製の環状構造体の製法としては、フィラメントに樹脂を含浸（付着）させながらマンドレル（芯材）に多層に巻き付けた後、加熱硬化するフィラメントワインディング（ＦＷ）法が一般に用いられる。ＦＷ法で作製した均質な構造体をその側面からの荷重で圧縮していくと、破壊のきっかけがないため、圧縮エネルギーが蓄積され、耐えきれなくなると一挙に繊維の層間剥離を起こして破壊し、変形応力が瞬時に激減する。圧縮の初期段階ではこの激しい応力変動を繰り返して層間剥離が進行し、次第に応力が低下する傾向をとる。更に変形が大きくなり、繊維の破断限界を越えると応力は更に減衰する。この圧縮変形過程で発生する応力と変形量の積（具体的には圧縮荷重−変位量曲線と変位量を表す軸との間の面積）がそのときの吸収エネルギーとなる。バンパ支持部材のように人体への衝撃を小さくするという条件がある場合には、応力の最大値を人体への影響の低いレベルに抑える必要があり、応力変動の激しい場合には全体としてのエネルギー吸収量が小さくなる。従って、人体への衝撃を小さく、しかも変形時のエネルギー吸収量を大きくするという要求を満たすためには、圧縮荷重−変位量曲線をできるだけ低いレベルで一定に保つことが重要なポイントとなる。
【００１０】
ドイツ特許に開示されたものと同様に周方向にガラス繊維が配列されたＦＲＰ製で厚さが一定な楕円環状の構造体を作製し、楕円形の長手方向側面からの荷重で圧縮した時の荷重と変位量の関係を測定したところ図２に示すような結果が得られた。この場合は最初に剥離の始まる点で荷重の突発的な変化が発生し、その変動が非常に激しいため、荷重の最大値を人体への影響の低いレベルに抑えようとすると、エネルギー吸収量が小さくなり、バンパのエネルギー吸収部材としては不十分である。
【００１１】
一方、特開昭５７−１２４１４２号公報に開示された筒状のエネルギー吸収用構造材は、筒の軸方向に圧縮荷重が加わる場合はその機能が発揮されるが、斜め方向からの荷重に対してはほとんど対応できない。又、前記のように吸収エネルギーを大きくするには変位量が増加しても荷重が一定レベルに保たれることが重要であるが、このエネルギー吸収用構造材は変位量の増加に伴って荷重が激しく変動し、エネルギー吸収量が大きくなり難いという問題がある。
【００１２】
本発明は前記の問題点に鑑みてなされたものであって、第１の目的は層間剥離が突発的に発生することがなく、破壊の際の応力の激変が抑制されて金属に近い挙動を示し、大きなエネルギーを吸収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。
【００１３】
又、第２の目的は例えば自動車の衝突時などのような衝撃を抑え、人体など他のものへの衝撃の伝達を緩和するため、衝突変形時にある一定以上の応力を発生せず、一定量の変形に対して吸収するエネルギーが大きく、しかも斜め方向からの荷重に対しても高い衝撃吸収能力を持ち、金属に比較して軽量化されたエネルギー吸収部材を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記第１の目的を達成するため請求項１に記載の発明では、マトリックス内に積層状態で配列する繊維素材として材質の異なる少なくとも２種の繊維を使用し、それらの繊維を各層内に混在する状態で、尚かつ、それらの繊維を平行に配列した。
【００１５】
繊維の組合せとしては無機繊維と有機繊維との組合せや、マトリックスに対する表面結合力の異なる素材の組合せが好ましい。又、繊維の混合状態としては２種の繊維が細かい分散状態で、均等に混合されていることが好ましく、実質的に無撚の繊維束が全層に亘って各層内で引き揃え状に配列された状態、交絡糸状に束ねられた状態、一層単位に異なる種類の繊維が交互に配列されているが、層間を含めて見れば、２種の織物が全体に均整に分布された状態などがある。
【００１６】
又、第２の目的を達成するため請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の繊維強化複合材料を用いたエネルギー吸収部材は、断面円環状をなすように繊維が回転軸に対してほぼ直角に周方向に巻き付けられるとともに各繊維間が固化されて繊維強化複合材料で筒状に形成された。
又、請求項３にかかる発明では、請求項２に記載のエネルギー吸収部材において、前記各繊維間が樹脂により含浸固化されている。
【００１７】
繊維の混合状態は細分化されている方が圧縮変形時の応力変動が少なくなるため、使用される複数種の繊維のロービングを引き揃えた状態に巻き取ることで各繊維をランダムに混合、配列することができる。しかし、実質的に異なる種類の繊維相互が混在化されるような薄い層に分割されるのであれば、層毎に異種の繊維が配列されるように積層されていてもよい。
【００１８】
繊維素材の組合せとしてはカーボン繊維とガラス繊維のように近似の無機繊維同士の組合せよりも、無機繊維と有機繊維のように異質な繊維の組合せが好ましい。特に、無機繊維としてガラス繊維を、有機繊維としてポリエチレン繊維又はポリエステル繊維を使用する組合せが好ましい。
【００１９】
【作用】
請求項１に記載の発明の繊維強化複合材料は、マトリックス内に異なる種類の繊維が配列されているため、伸長、圧縮など外部から荷重が加えられると、それぞれの繊維物性の違いにより、同一の変形によっても発生応力が異なり、更にマトリックス樹脂との界面の結合力の違いもあって、それぞれの剥離挙動に差異を生じ、多数の微細な部位で逐次微量ずつのエネルギー放出が行われつつ破壊が進行するため、複合材に最大許容応力を超える応力が発生した後も、多数個所で徐々に起こる微小な剥離によって応力を持ちこたえつつ変形し、金属材料のように吸収エネルギーが大きくなってねばりのある材料となる。
【００２０】
請求項２に記載の発明のエネルギー吸収部材は筒部の側面から圧縮荷重を受けるように取り付けられ、斜め方向からの荷重に対しても高い衝撃吸収能力を持ち、圧縮荷重を受けた際に発生する応力変動が、１種類の繊維を強化繊維として使用した場合に比較して著しく減少し、極めて穏やかな圧縮荷重−変位量曲線となる。従って、最大荷重に対する吸収エネルギーが非常に大きくなり、例えば自動車の衝突による衝撃的な荷重が人体に加わらず搭乗者に与える影響が極めて穏やかになる。
【００２１】
前記のような現象が起こる理由ははっきりしないが、エネルギー吸収部材に使用される強化繊維の種類が１種類の場合は繊維と樹脂との接着力（界面結合力）が均一で、エネルギー吸収部材が圧縮変形を受けた際に破壊のきっかけが無いため、圧縮エネルギーが蓄積され、耐えきれなくなった時点で一挙に繊維の層間剥離が起こり、直ちに大きな剥離に進展することにより突発的に激しい応力変動が生じるのに対して、複数の繊維が混在する場合は繊維の種類によって樹脂に対する接着効果が異なるため、接着効果の低いレベルの繊維の界面に微細な剥離が容易に発生し、変形時のエネルギーが過大に蓄積されず、徐々に放出されるためと推定される。
【００２２】
ポリエチレン繊維とガラス繊維とを混合した場合、ポリエチレン繊維の混合比率を高めていくと、圧縮荷重−変位量曲線の荷重変動は次第に収まり、ポリエチレン繊維を約１０％（容積比）程度混合すると、荷重の突発的な変動はほとんど発生しなくなる。しかし、ポリエチレン繊維の混合比率を高めた場合は同時に荷重レベルそのものも低下し、吸収エネルギーも減少する傾向をもつため、混合比率をあまり高めることは好ましくない。従って、異種繊維の組合せとして有機繊維と無機繊維とを組み合わせる場合、有機繊維の混合比率は繊維の種類によっても異なるが、３０％以下程度がよい。
【００２３】
【実施例】
（実施例１）
次に板状積層複合材に具体化した第１実施例を図１に従って説明する。実質無撚のガラス繊維のロービング（フィラメント）と高強度ポリエチレン繊維（商品名；ダイニーマ、東洋紡績株式会社製）とを混合して引き揃えた繊維束を積層配列した後、エポキシ樹脂で含浸・硬化して板状積層複合材を形成した。ガラス繊維とポリエチレン繊維の混合比率を容積比で９０／１０とした板状積層複合材に、剪断荷重を作用させた場合の荷重と変位量との関係を測定した結果を図１に示す。
【００２４】
強化繊維がガラス繊維１００％の場合と異なり、最大荷重に至った後も、応力をほぼ一定レベルに保持した状態で変形が続き、最大荷重に対する吸収エネルギーが非常に大きくなる。又、破壊が徐々に進行するため、破損部にトゲ（ささくれ）が発生しない。
【００２５】
このような板状積層複合材の用途としては自動車のボディ、船体、ガードレール等があり、フィラメントワインディングで作る円筒の場合は自転車のフレームとしての用途がある。これらの部材は衝突時における人体への被害を最小限に止めることが重要であり、衝突時のエネルギー吸収が大きく、破損部にトゲが発生しない前記板状積層複合材はその要求を満たす。又、航空機の翼等の部材に使用した場合は、飛行中に許容範囲を超える衝撃荷重が作用するトラブルがあっても破壊が突発的に起こらず形状保持される。従って、着陸まで持ちこたえられて帰還率が高くなり、大事故に至るのが防止される。
【００２６】
（実施例２）
次に第２実施例を図６に従って説明する。この実施例ではエネルギー吸収部材１の構造は、後述する第４実施例のものと同一に形成し、強化繊維にポリエチレン繊維とガラス繊維との混合繊維（容積比でポリエチレン繊維が約１０％）を使用した点が後述の第４実施例と異なっている。このエネルギー吸収部材１に対して、その側面から圧縮荷重を作用させた場合の荷重と変位量との関係を測定した結果を図６に示す。この場合には第１実施例におけるポリエチレン繊維が１０％混合されたものよりは若干荷重の変動はみられるが、ポリエチレン繊維が５％混合されたものあるいはポリエステル繊維を１０％ガラス繊維と混合した後述の第４実施例に比較して圧縮変形時における荷重の変動が大幅に減少した。しかも互いに当接する２個の円筒部が圧縮と同時に強く圧着されることによる破壊部位の増大に伴って荷重レベルは高くなった。すなわち、単純な円筒状のエネルギー吸収部材では荷重レベルが不充分となる程度にポリエチレン繊維の混合比率を高めたにもかかわらず、この実施例のように複数の円筒部２と楕円筒部３とを組み合わせることにより簡単に荷重レべルを充分高めることができる。従って、圧縮変形時における最大荷重に対する吸収エネルギーを非常に大きくでき、エネルギー吸収部材の重量当りの吸収エネルギーを充分に大きくとることがことができる。又、材質が比重約２近辺のＦＲＰであるため、金属のそれに比較してはるかに小さく、軽量化が図れる。
【００２７】
（実施例３）
次にバンパ用エネルギー吸収部材に具体化した第３実施例を図３に従って説明する。ガラス繊維のロービングと高強度ポリエチレン繊維（商品名；ダイニーマ、東洋紡績株式会社製）とを混合して引き揃えた繊維束を強化繊維として使用し、フィラメント（繊維束）に樹脂を付着しながらマンドレル上に巻き付けた後、樹脂を加熱硬化させるフィラメントワインディング（ＦＷ）法により肉厚の一定な円筒状のエネルギー吸収部材を作製した。樹脂にはエポキシ樹脂が使用され、繊維束は回転軸に対してほぼ直角に巻付けられている。ポリエチレン繊維とガラス繊維の混合比率を容積比で０％、約５％及び約１０％と変更し、他は同一の条件で作製した各エネルギー吸収部材について、その側面から圧縮荷重を作用させた場合の荷重と変位量との関係を測定した結果を図３に示す。
【００２８】
図３に示す各圧縮荷重−変位量曲線の圧縮荷重がエネルギー吸収部材の圧縮変形時に発生する応力に相当する。図３（ａ）に示すように、強化繊維としてガラス繊維のみが使用されたエネルギー吸収部材では、圧縮の初期段階で圧縮変形により発生する応力の変動が激しく、しかも応力が突発的に激減する。これに対して、強化繊維としてガラス繊維にポリエチレン繊維を混合した場合には、圧縮変形により発生する応力の激しい変動が減少し、ポリエチレン繊維の混合比率を約１０％とした場合には図３（ｃ）に示すように応力の突発的な変動はほとんど発生しなくなる。この理由は繊維の種類によって樹脂に対する接着効果が異なるため、接着効果の低いレベルの繊維の界面に微細な剥離が容易に発生し、変形時のエネルギーが充分に蓄積されないためと推定される。
【００２９】
ポリエチレン繊維の混合比率を高めることにより荷重の変動が収まるが、ポリエチレン繊維の比率をあまり高めると、荷重レベルそのものが低下して吸収エネルギーも減少する傾向をもつため、混合比率をあまり高めることは好ましくない。
【００３０】
（実施例４）
次に第４実施例を図４、図５に従って説明する。この実施例のエネルギー吸収部材１は円環状の筒部が複数個組み合わされた構造となっている点が第１実施例のエネルギー吸収部材と大きく異なっている。図４に示すようにエネルギー吸収部材１は同一形状の２個の円筒部２が互いに当接する状態で平行に配列され、その外側に楕円筒部３が両円筒部２に外接する状態で一体に形成されている。又、両円筒部２及び楕円筒部３はいずれも強化繊維にポリエステル繊維とガラス繊維との混合繊維（容積比でポリエステル繊維が約１０％）が使用されている。
【００３１】
エネルギー吸収部材１はまず円筒部２に相当する円筒を、前記第３実施例と同様にしてＦＷ法で作製した後、２個の円筒を互いに当接する状態で平行に配列し、その外周部にポリエステル繊維とガラス繊維との混合繊維に樹脂を付着させながらＦＷ方式で巻き付け、樹脂を加熱硬化することにより作製される。
【００３２】
このエネルギー吸収部材１に対して、その側面から圧縮荷重を作用させた場合の荷重と変位量との関係を測定した結果を図５に示す。この場合荷重変動は若干みられるが、エネルギー吸収部材の重量に対する吸収エネルギーレベルはかなり高い。
【００３４】
なお、本発明は前記各実施例に限定されるものではなく、例えば、強化繊維の種類を２種以上としたり、強化繊維としてインタレース法などにより相互のフィラメントが繊維単位で交絡（混織）している交絡糸状のものを使用してもよい。又、素材のＦＲＰを構成する樹脂はエポキシ樹脂に限らずフェノール樹脂、不飽和ポリエステルなどの熱硬化性樹脂を使用してもよく、強化繊維としてガラス繊維に代えてカーボン繊維、アラミド繊維等の高弾性、高強度の物性をもった各種の機能繊維が用いられる。
【００３５】
又、エネルギー吸収部材１の筒部の断面形状としては円形、楕円形に限らず曲率の異なる円弧の組み合わせ等実質的に円環状であればよい。又、第４実施例のように複数の円筒部を組み合わせた構造の場合、円筒部の数を増やしたり円筒部の径を違えてもよい。又、エネルギー吸収部材１の場合もエポキシ樹脂以外の樹脂が使用され、ガラス繊維以外の各種の機能繊維が使用されるが、バンパ部材の場合軽量化、耐熱性などの要求レベルから強化繊維としてはコスト的にガラス繊維をその主成分とするのが好ましい。
【００３６】
【発明の効果】
以上詳述したように請求項１に記載の発明によれば、強化繊維の層間剥離が突発的に発生することがなく、複合材に最大許容応力を超える応力が発生した後も、各層間に徐々に起こる微小な剥離によって応力を持ちこたえつつ変形し、外部荷重に対して金属に近いねばり強い挙動を示す複合材が得られる。又、破壊の際のエネルギー吸収量が大きいため衝撃荷重に対しても破壊が急激に進行することなく、継続使用が可能で補修までの時間が稼げる。さらに、破壊した後も破断した繊維の突起（トゲ）が露出せず、自動車のボディ、ガードレール等に使用した場合、衝突時における人体への被害を最小限に止めることができる。
【００３７】
又、請求項２に記載の発明によれば、エネルギー吸収部材が断面円環状に形成されてその側面から圧縮荷重を受ける状態で使用されるため、斜め方向からの荷重に対しても高い衝撃吸収能力を持つ。又、圧縮変形時における応力変動が１種類の繊維を強化繊維として使用した場合に比較して著しく減少し、エネルギー吸収が安定して行われる。従って、例えば自動車の衝突時等においても人体に与える衝撃を緩和でき、しかも大きなエネルギーを吸収することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例の板状積層複合材の剪断変形挙動を示す図である。
【図２】従来のバンパ支持部材の圧縮荷重−変位量曲線である。
【図３】第３実施例における強化繊維を構成するポリエチレン繊維とガラス繊維との混合比率を変えて作製した各エネルギー吸収部材の圧縮荷重−変位量曲線を示す図である。
【図４】第４実施例のエネルギー吸収部材の概略斜視図である。
【図５】同じくエネルギー吸収部材の圧縮荷重−変位量曲線を示す図である。
【図６】第２実施例のエネルギー吸収部材の圧縮荷重−変位量曲線を示す図である。
【図７】ガラスフィラメントを強化繊維とした積層複合材の荷重−変位量曲線を示す図である。
【図８】カーボンフィラメントを強化繊維とした積層複合材の荷重−変位量曲線を示す図である。
【図９】従来のバンパ支持部材によるバンパ支持状態を示す概略平面図である。
【図１０】従来のエネルギー吸収用構造材を示す概略斜視図である。
【符号の説明】
１…エネルギー吸収部材、２…円筒部、３…楕円筒部。
【図１】
0003544994.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003544994.tif 000008
【図８】
0003544994.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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