(57)【要約】  三次元繊維強化複合材は、積層方向に積層された複数の繊維束層を含む積層体であって、繊維束層は第１及び第２の最外層を含む積層体と、マトリックス樹脂と、抜け止め糸と、繊維束層を結合する結合糸と、を備える。結合糸は、抜け止め糸の外側を通り折り返される折り返し部と、折り返し部に連続する第１横断糸部及び第２横断糸部と、第２の最外層の表面で、該第２の最外層の面に沿って抜け止め糸と略直交する方向へ延びる表層糸部と、を有する。表層糸部は、前記第２の最外層の表面で第１横断糸部及び第２横断糸部から相反する方向へ延びる二股部を有する。二股部と、該二股部に隣り合う第２の最外層の繊維束とで囲まれる空間、第１及び第２横断糸部の各々とそれに隣り合う繊維束との間の空間、及び第１横断糸部と前記第２横断糸部との間の空間に、添加剤と前記マトリックス樹脂とが配置されている。
2014030632.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層方向に積層された複数の繊維束層を含む積層体であって、前記繊維束層は第１及び第２の最外層を含む前記積層体と、
前記積層体に含浸されたマトリックス樹脂と、
前記第１の最外層の表面に沿って延びる抜け止め糸と、
前記繊維束層を積層方向に結合する結合糸と、を備え、
前記結合糸は、
前記抜け止め糸の積層方向の外側を通り折り返される折り返し部と、
前記折り返し部に連続し、各繊維束層の面に直交する方向に延びる第１横断糸部及び第２横断糸部と、
前記第２の最外層の表面で、該第２の最外層の面に沿って前記抜け止め糸と略直交する方向へ延びる表層糸部と、を有し、
前記表層糸部は、前記第２の最外層の表面で前記第１横断糸部及び第２横断糸部から相反する方向へ延びる二股部を有し、
前記二股部と、該二股部に隣り合う前記第２の最外層の繊維束とで囲まれる空間、
前記第１及び第２横断糸部の各々とそれに隣り合う繊維束との間の空間、
及び前記第１横断糸部と前記第２横断糸部との間の空間に、
それぞれ添加剤と前記マトリックス樹脂とが配置されている三次元繊維強化複合材。
【請求項２】
前記添加剤は、バインダと混合されて前記積層体に付着され、
前記添加剤と前記バインダとを合わせた体積は、前記二股部と該二股部に隣り合う前記第２の最外層の繊維束とで囲まれる空間の１０〜５０％である請求項１に記載の三次元繊維強化複合材。
【請求項３】
前記繊維束層、前記抜け止め糸及び前記結合糸は炭素繊維で形成され、
前記添加剤は、カーボンブラック又はカーボンナノチューブである請求項１又は請求項２に記載の三次元繊維強化複合材。
【請求項４】
前記バインダは、熱可塑性樹脂である請求項２又は請求項３に記載の三次元繊維強化複合材。
【請求項５】
三次元繊維強化複合材の製造方法であって、
積層方向に積層された複数の繊維束層を含む積層体を準備することであって、前記繊維束層が第１及び第２の最外層を含むことと、
前記第１の最外層の表面に沿って延びる抜け止め糸を準備することと、
結合糸によって前記繊維束層を積層方向に結合することであって、前記結合糸は、前記抜け止め糸の積層方向の外側を通り折り返される折り返し部と、前記折り返し部に連続し、各繊維束層の面に直交する方向に延びる第１横断糸部及び第２横断糸部と、前記第２の最外層の表面で、該第２の最外層の面に沿って前記抜け止め糸と直交する方向へ延びる表層糸部と、を有し、前記表層糸部は、前記第２の最外層の表面で前記第１横断糸部及び第２横断糸部から相反する方向へ延びる二股部を有することと、
前記第２の最外層の表面の外側から前記二股部に添加剤を供給しつつ前記第１の最外層の表面の外側から前記添加剤を吸引することにより、前記二股部と該二股部に隣り合う前記第２の最外層の繊維束とで囲まれる空間、前記第１横断糸部及び前記第２横断糸部の各々とそれら横断糸部に隣り合う繊維束との間の空間、及び前記第１横断糸部と前記第２横断糸部との間の空間に、前記添加剤を配置することと、
前記添加剤を含んだ前記積層体にマトリックス樹脂を含浸することと、を含む三次元繊維強化複合材の製造方法。
【請求項６】
前記添加剤は、バインダと混合されて前記積層体に供給され、
前記添加剤と前記バインダとを合わせた体積は、前記二股部と該二股部に隣り合う前記第２の最外層の繊維束とで囲まれる空間の１０〜５０％である請求項５に記載の三次元繊維強化複合材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、結合糸によって繊維束層を積層方向に結合して形成された積層体にマトリックス樹脂を含浸させて形成される三次元繊維強化複合材、及び該三次元繊維強化複合材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
軽量かつ高強度の材料として三次元繊維強化複合材が使用されている。三次元繊維強化複合材は、マトリックス樹脂中に、複数の繊維束層を結合糸で結合して形成された積層体を有する。このため、三次元繊維強化複合材は、マトリックス樹脂のみを含む素材に比べて力学的特性（機械的特性）に優れるため、構造部品として好ましい。また、三次元繊維強化複合材は、二次元繊維強化複合材と比較して、結合糸によって積層方向における強度が向上している。【０００３】
この種の三次元繊維強化複合材としては、例えば、特許文献１に開示されたものが挙げられる。図５に示すように、特許文献１の三次元繊維強化複合材８０は平板状の３次元織布８６を有し、この３次元織布８６は、複数のたて糸８１と複数のよこ糸８２とからなる面内方向糸８３と、面内方向糸８３の基準面に対して直交する複数の面外方向糸８４と、面外方向糸８４を固定する耳糸８５とから形成される。この３次元織布８６に樹脂が含浸され、樹脂が硬化されて三次元繊維強化複合材８０が形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１５２６７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、三次元繊維強化複合材８０において、３次元織布８６の製織時に面外方向糸８４を３次元織布８６に挿入する際に、３次元織布８６に加わる張力によって、面外方向糸８４と、その面外方向糸８４に隣り合う面内方向糸８３との間や、面外方向糸８４において相反する方向に延びる部位の間には隙間が形成されてしまう。そして、３次元織布８６に樹脂が含浸されると、これら隙間に樹脂が残存して樹脂溜まり８７が形成されてしまう。このような樹脂溜まり８７においては、樹脂の硬化収縮等によって樹脂溜まり８７内に内部応力が発生し、三次元繊維強化複合材８０において面外方向糸８４の周辺にクラックが生じる虞がある。【０００６】
本開示の目的は、樹脂溜まりでのクラックの発生を抑制することができる三次元繊維強化複合材、及び該三次元織物複合材の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記の目的を達成するための三次元繊維強化複合材は、積層方向に積層された複数の繊維束層を含む積層体であって、前記繊維束層は第１及び第２の最外層を含む前記積層体と、前記積層体に含浸されたマトリックス樹脂と、前記第１の最外層の表面に沿って延びる抜け止め糸と、前記繊維束層を積層方向に結合する結合糸と、を備える。前記結合糸は、前記抜け止め糸の積層方向の外側を通り折り返される折り返し部と、前記折り返し部に連続し、各繊維束層の面に直交する方向に延びる第１横断糸部及び第２横断糸部と、前記第２の最外層の表面で、該第２の最外層の面に沿って前記抜け止め糸と略直交する方向へ延びる表層糸部と、を有する。前記表層糸部は、前記第２の最外層の表面で前記第１横断糸部及び第２横断糸部から相反する方向へ延びる二股部を有する。前記二股部と、該二股部に隣り合う前記第２の最外層の繊維束とで囲まれる空間、前記第１及び第２横断糸部の各々とそれに隣り合う繊維束との間の空間、及び前記第１横断糸部と前記第２横断糸部との間の空間に、それぞれ添加剤と前記マトリックス樹脂とが配置されている。【０００８】
本構成においては、各繊維束層内において、繊維束内に結合糸が通ったり、繊維束同士の間に結合糸が通ったりして、結合糸の周囲に隙間が形成される。また、二股部や、第１横断糸部と第２横断糸部との間にも隙間が形成される。そして、各隙間に、マトリックス樹脂と添加剤とが配置されている。樹脂溜まりとなる各隙間に添加剤が配置されていることにより、樹脂溜まりでのマトリックス樹脂の割合が下がっている。よって、マトリックス樹脂を硬化させる際の硬化収縮や、マトリックス樹脂と繊維との線膨張係数の差によって各樹脂溜まり内に内部応力が発生しても、その内部応力が添加剤によって緩和され、マトリックス樹脂に作用する応力が低減される。したがって、三次元繊維強化複合材において、結合糸の周囲にクラックが生じることが抑制される。【０００９】
また、前記添加剤は、バインダと混合されて前記積層体に付着され、前記添加剤と前記バインダとを合わせた体積は、前記二股部と該二股部に隣り合う前記第２の最外層の繊維束とで囲まれる空間の１０〜５０％であってもよい。【００１０】
これによれば、添加剤の添加量を設定することで、添加剤が少なくなり過ぎないようにして添加剤による内部応力の緩和機能を発揮させつつ、添加剤が多くなりすぎてマトリックス樹脂量が低下することを防止して三次元繊維強化複合材の機械的強度の低下を防止することができる。【００１１】
また、前記繊維束層、前記抜け止め糸及び前記結合糸は炭素繊維で形成され、前記添加剤は、カーボンブラック又はカーボンナノチューブであってもよい。【００１２】
これによれば、三次元繊維強化複合材を形成する繊維束層、抜け止め糸及び結合糸は炭素繊維で形成されるため、添加剤をカーボンブラック又はカーボンナノチューブとすることで、三次元繊維強化複合材のマトリックス樹脂以外の部分を全て炭素材料で形成することができる。よって、三次元繊維強化複合材の基材に炭素以外の材料が混在することによる強度低下がなくなる。【００１３】
前記の目的を達成するための三次元繊維強化複合材の製造方法は、積層方向に積層された複数の繊維束層を含む積層体を準備することであって、前記繊維束層が第１及び第２の最外層を含むことと、前記第１の最外層の表面に沿って延びる抜け止め糸を準備することと、結合糸によって前記繊維束層を積層方向に結合することであって、前記結合糸は、前記抜け止め糸の積層方向の外側を通り折り返される折り返し部と、前記折り返し部に連続し、各繊維束層の面に直交する方向に延びる第１横断糸部及び第２横断糸部と、前記第２の最外層の表面で、該第２の最外層の面に沿って前記抜け止め糸と直交する方向へ延びる表層糸部と、を有し、前記表層糸部は、前記第２の最外層の表面で前記第１横断糸部及び第２横断糸部から相反する方向へ延びる二股部を有することと、前記第２の最外層の表面の外側から前記二股部に添加剤を供給しつつ前記第１の最外層の表面の外側から前記添加剤を吸引することにより、前記二股部と該二股部に隣り合う前記第２の最外層の繊維束とで囲まれる空間、前記第１横断糸部及び前記第２横断糸部の各々とそれら横断糸部に隣り合う繊維束との間の空間、及び前記第１横断糸部と前記第２横断糸部との間の空間に、前記添加剤を配置することと、前記添加剤を含んだ前記積層体にマトリックス樹脂を含浸することと、を含む。【００１４】
これによれば、添加剤を吸引することで、二股部に添加された添加剤を、二股部から結合糸に沿って各隙間に選択的に添加することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施形態の第１〜第４の強化繊維束層を示す分解斜視図。
【図２】実施形態の三次元繊維強化複合材を示す斜視図。
【図３】図２の三次元繊維強化複合材を示す断面図。
【図４Ａ】添加剤を添加しつつ、吸引する工程を示す断面図。
【図４Ｂ】添加剤の加熱工程を示す断面図。
【図４Ｃ】マトリックス樹脂の含浸硬化工程を示す断面図。
【図５】背景技術を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、三次元繊維強化複合材の一実施形態を図１〜図４Ｃにしたがって説明する。
【００１７】
図２及び図３に示すように、三次元繊維強化複合材１０は、積層体２０及びマトリックス樹脂３０を含む。積層体２０は、シート状をなす複数の繊維束層、すなわち第１〜第４の強化繊維束層１１〜１４を積層するとともに、それら第１〜第４の強化繊維束層１１〜１４を結合糸２１及び抜け止め糸２２を用いて結合することにより形成される。マトリックス樹脂３０は、積層体２０に樹脂を含浸させることにより形成されている。
【００１８】
図１に示すように、第１〜第４の強化繊維束層１１〜１４は、いずれも複数本の強化繊維を束ねてなる複数の第１〜第４の強化繊維束１１ａ〜１４ａをそれぞれ含む。なお、「強化繊維束」とは、第１〜第４の強化繊維束層１１〜１４を、三次元繊維強化複合材１０の繊維基材として使用した際に、三次元繊維強化複合材１０のマトリックス樹脂３０を強化する役割を担う繊維束を意味する。本実施形態では、強化繊維として炭素繊維が使用されている。以下の説明において、図２に示すように、三次元繊維強化複合材１０の面に沿う方向のうち、三次元繊維強化複合材１０の一辺に沿う方向をＸ方向とし、このＸ方向に直交する方向をＹ方向とする。さらに、三次元繊維強化複合材１０において、Ｘ方向及びＹ方向に直交し、第１〜第４の強化繊維束層１１〜１４が積層された方向を積層方向とする。
【００１９】
図１に示すように、第１の強化繊維束層１１は、互いに平行に並べられるとともに真っ直ぐに延びる第１の強化繊維束１１ａにより形成されている。第１の強化繊維束１１ａは、扁平状の断面を有する。第１の強化繊維束１１ａは、三次元繊維強化複合材１０のＸ方向に対し９０度の角度をなして延びる。複数の第１の強化繊維束１１ａ同士は、それら第１の強化繊維束１１ａの配列方向に延びる補助糸１１ｂによって連結されている。
【００２０】
第２の強化繊維束層１２は、互いに平行に並べられるとともに真っ直ぐに延びる第２の強化繊維束１２ａにより形成されている。第２の強化繊維束１２ａは扁平状の断面を有する。第２の強化繊維束１２ａは、三次元繊維強化複合材１０のＸ方向に延びる。複数の第２の強化繊維束１２ａ同士は、それら第２の強化繊維束１２ａの配列方向に延びる補助糸１２ｂによって連結されている。
【００２１】
第３の強化繊維束層１３は、互いに平行に並べられるとともに真っ直ぐに延びる第３の強化繊維束１３ａにより形成されている。第３の強化繊維束１３ａは扁平状の断面を有する。第３の強化繊維束１３ａは、三次元繊維強化複合材１０のＸ方向に対し＋４５度の角度をなして延びる。複数の第３の強化繊維束１３ａ同士は、それら第３の強化繊維束１３ａの配列方向に延びる補助糸１３ｂによって連結されている。
【００２２】
第４の強化繊維束層１４は、互いに平行に並べられるとともに真っ直ぐに延びる第４の強化繊維束１４ａにより形成されている。第４の強化繊維束１４ａは扁平状の断面を有する。第４の強化繊維束１４ａは、三次元繊維強化複合材１０のＸ方向に対し−４５度の角度をなして延びる。複数の第４の強化繊維束１４ａ同士は、それら第４の強化繊維束１４ａの配列方向に延びる補助糸１４ｂによって連結されている。
【００２３】
図２及び図３に示すように、積層体２０は、積層された第１〜第４の強化繊維束層１１〜１４が複数の結合糸２１で積層方向に結合されて形成されている。積層体２０の積層方向の最外層のうち、第１の最外層である第１の強化繊維束層１１の表面上には、その表面に沿って複数の抜け止め糸２２がＹ方向へ互いに平行に延び、かつＸ方向に間隔を空けて設けられている。
【００２４】
結合糸２１及び抜け止め糸２２は、炭素繊維で形成されている。そして、複数の結合糸２１それぞれは、積層体２０の第２の最外層である第４の強化繊維束層１４の表面から積層体２０内に挿入され、積層体２０を積層方向に貫通した後、第１の強化繊維束層１１の表面で抜け止め糸２２の外側を通って折り返されている。さらに、結合糸２１は、第１の強化繊維束層１１の表面から積層体２０内に再び挿入され、積層体２０を積層方向に貫通した後、第４の強化繊維束層１４の表面に引き出されている。第４の強化繊維束層１４の表面に引き出された結合糸２１は、既に第４の強化繊維束層１４に引き出されている結合糸２１とは相反する方向に向けて第４の強化繊維束層１４の表面に沿って延びた後、再度、積層体２０内に挿入される。したがって、一本の結合糸２１は、第１の強化繊維束層１１の表面で繰り返し折り返され、第４の強化繊維束層１４の表面では繰り返し挿入及び引出されている。よって、一本の結合糸２１は、積層体２０を複数箇所で結合している。
【００２５】
図３の拡大図に示すように、結合糸２１は、抜け止め糸２２の積層方向の外側を通って円弧状に折り返される部位である折り返し部２１ａと、この折り返し部２１ａに連続し、かつ抜け止め糸２２の両側から延びて積層体２０内を互いに並行に延びる部位である第１横断糸部２１ｂ及び第２横断糸部２１ｃとを含む。さらに、結合糸２１は、第４の強化繊維束層１４の表面に沿って抜け止め糸２２と直交する方向へ延びる部位である表層糸部２１ｄを含む。表層糸部２１ｄは、第４の強化繊維束層１４の表面において第１横断糸部２１ｂ及び第２横断糸部２１ｃから相反する方向へ延びる部分である二股部２１ｅを含む。
【００２６】
複数の結合糸２１は、積層体２０内を通過する際、第１〜第４の強化繊維束１１ａ〜１４ａ束内を通過したり、隣り合う第１〜第４の強化繊維束１１ａ〜１４ａ同士の間を通過する。このため、積層体２０内では、第１横断糸部２１ｂ及び第２横断糸部２１ｃの各々と、それら横断糸部に隣り合う第１〜第４の強化繊維束１１ａ〜１４ａとの間には空間、すなわち糸隙間Ｓが形成されている。この糸隙間Ｓは、積層体２０の積層方向の全体に亘って形成されている。
【００２７】
また、積層体２０内において、抜け止め糸２２の両側から延びる第１横断糸部２１ｂと第２横断糸部２１ｃとの間には空間、すなわち結合糸隙間Ｔが形成される。この結合糸隙間Ｔは、積層体２０の積層方向の全体に亘って形成されている。さらに、各二股部２１ｅを形成する表層糸部２１ｄの部分と、それに隣り合う第４の強化繊維束層１４の第４の強化繊維束１４ａとによって囲まれる部分には、空間、すなわち二股部隙間Ｒが形成されている。
【００２８】
糸隙間Ｓ、結合糸隙間Ｔ、及び二股部隙間Ｒ内には、マトリックス樹脂３０及び添加剤２３が配置（充填）されている。すなわち、結合糸２１の周囲に存在する隙間には、マトリックス樹脂３０及び添加剤２３が配置（充填）されている。添加剤２３としては、各繊維束と同じ炭素系材料であり、かつ線膨張係数の小さいカーボンブラック又はカーボンナノチューブが使用されている。添加剤２３は、バインダ（図示せず）と混合されて結合糸２１及び各強化繊維束１１ａ〜１４ａに付着されている。バインダとしては、熱により融解することにより添加剤２３を結合糸２１及び各強化繊維束１１ａ〜１４ａに付着させることができる材料が使用される。具体的には、バインダとしては、固形状のエポキシ主剤、又は熱可塑性樹脂（ＡＰ、ＰＰ、ＰＰＳ等）が使用可能である。
【００２９】
添加剤２３とバインダとを合わせた体積は、二股部隙間Ｒの体積の１０〜５０％となっている。添加剤２３とバインダとを合わせた体積が二股部隙間Ｒの体積の１０％より少ないと、添加剤２３による応力緩和機能が低下し、二股部隙間Ｒ、糸隙間Ｓ、及び結合糸隙間Ｔが樹脂溜まりとなったときに、クラックの発生を抑制しにくく好ましくない。一方、添加剤２３とバインダとを合わせた体積が二股部隙間Ｒの体積の５０％より多いと、二股部隙間Ｒ、糸隙間Ｓ、及び結合糸隙間Ｔでのマトリックス樹脂３０の占める割合が低下し、三次元繊維強化複合材１０としての機械的強度が低下して好ましくない。なお、「添加剤２３とバインダとを合わせた体積」とは、製造後の三次元繊維強化複合材１０の各二股部隙間Ｒ内に存在する添加剤２３とバインダとの体積を意味する。また、「二股部隙間Ｒの体積」は、積層体２０に存在する各二股部隙間Ｒの体積を意味する。
【００３０】
積層体２０には、積層方向の一端から他端に亘って、二股部隙間Ｒ、糸隙間Ｓ、及び結合糸隙間Ｔが存在するため、積層体２０の積層方向全体に亘って添加剤２３が存在している。
【００３１】
次に、三次元繊維強化複合材１０の製造方法について説明する。なお、第１〜第４の強化繊維束層１１〜１４を結合糸２１及び抜け止め糸２２を用いて結合してなる積層体２０は予め製造されているものとする。
【００３２】
図４Ａに示すように、まず、積層体２０を吸引装置４０上に載置する。吸引装置４０は、板状をなす載置部４１を有するとともに、この載置部４１は、載置部４１を貫通する複数の吸引孔４２を有する。また、吸引装置４０は、配管４４により各吸引孔４２に接続されている真空ポンプ４３を有する。そして、積層体２０は、第１の強化繊維束層１１が載置部４１上に載置され、二股部２１ｅが上方を向く状態に載置部４１に載置される。
【００３３】
また、吸引装置４０の上方には、添加剤２３を供給する添加装置５０が配設されている。この添加装置５０は、図示しない移動装置によって、載置部４１上を、三次元方向に移動可能に構成されている。また、添加装置５０には、バインダと混ぜ合わされた粒子状の添加剤２３が充填されている。
【００３４】
そして、載置部４１上に積層体２０が載置された状態において、真空ポンプ４３によって配管４４及び吸引孔４２を介して積層体２０に対して真空引きを実施する。つまり、積層体２０内の隙間に存在する空気が、積層方向に沿って吸引される。積層体２０内の隙間に負圧が形成された状態で、添加装置５０から各二股部２１ｅに添加剤２３を供給する。すると、二股部２１ｅに供給された添加剤２３は、積層体２０の積層方向に沿って第４の強化繊維束層１４から第１の強化繊維束層１１へ向かって引っ張られる。つまり、添加剤２３は、二股部２１ｅから第１及び第２横断糸部２１ｂ，２１ｃ、及び折り返し部２１ａに向けて吸引される。その結果、添加剤２３は、二股部隙間Ｒ、結合糸隙間Ｔ、及び糸隙間Ｓ内に入り込み、それら隙間に面する結合糸２１及び各強化繊維束１１ａ〜１４ａに付着する。すなわち、積層体２０の積層方向全体に亘って添加剤２３が供給される。
【００３５】
次に、図４Ｂに示すように、添加剤２３を、ヒーター５２を用いて加熱する。ヒーター５２は、積層体２０の上方から積層体２０全体を加熱する。すると、バインダが溶融し、バインダによって添加剤２３が各隙間Ｒ，Ｓ、Ｔに面する抜け止め糸２２及び各強化繊維束１１ａ〜１４ａに付着される。
【００３６】
次に、図４Ｃに示すように、添加剤２３を付着させた積層体２０をレジントランスファーモールディング（ＲＴＭ）法で用いられる成形金型５３内に載置する。この成形金型５３内に熱硬化性樹脂を注入して積層体２０の各強化繊維束層１１〜１４、結合糸２１、及び抜け止め糸２２に含浸させるとともに、二股部隙間Ｒ、糸隙間Ｓ、結合糸隙間Ｔに充填させる。次に、熱硬化性樹脂を加熱して硬化させ、マトリックス樹脂３０を形成する。すると、マトリックス樹脂３０が各強化繊維束層１１〜１４、結合糸２１、及び抜け止め糸２２の周りで硬化し、三次元繊維強化複合材１０が形成される。
【００３７】
次に、三次元繊維強化複合材１０の作用について記載する。
【００３８】
積層体２０の製造時、積層体２０の積層方向に結合糸２１が通されることで、糸隙間Ｓ、二股部隙間Ｒ、及び結合糸隙間Ｔが形成される。積層体２０の製造後に、マトリックス樹脂３０を積層体２０に含浸させて硬化させる際、樹脂溜まりとなる各隙間Ｒ，Ｓ，Ｔには添加剤２３が存在するので、各隙間Ｒ，Ｓ，Ｔでのマトリックス樹脂３０の占める割合が低下する。熱硬化性樹脂の硬化収縮等によって樹脂溜まり内に内部応力が発生しても、その内部応力が添加剤２３によって緩和される。
【００３９】
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。
【００４０】
（１）結合糸２１によって積層方向に結合された積層体２０において、結合糸２１の周囲に形成された二股部隙間Ｒ、糸隙間Ｓ、及び結合糸隙間Ｔにはマトリックス樹脂３０と添加剤２３との両方が配置されている。このため、マトリックス樹脂３０を形成する際、各隙間Ｒ，Ｓ，Ｔによって形成された樹脂溜まり内に内部応力が発生しても、その内部応力が添加剤２３によって緩和される。したがって、三次元繊維強化複合材１０において、結合糸２１の周辺である二股部隙間Ｒ、糸隙間Ｓ、及び結合糸隙間Ｔにクラックが生じることが抑制される。
【００４１】
（２）添加剤２３とバインダとを合わせた体積が、二股部隙間Ｒの体積の１０〜５０％となるように添加剤２３が積層体２０に付着されている。添加剤２３の添加量（付着量）の下限を設定することにより、添加剤２３による応力緩和機能の低下を防止して、二股部隙間Ｒ、糸隙間Ｓ、及び結合糸隙間Ｔにクラックが生じることを抑制できる。また、添加剤２３の添加量（付着量）の上限を設定することにより、各隙間Ｒ，Ｓ，Ｔでのマトリックス樹脂３０の量が減ることを防止して、三次元繊維強化複合材１０の機械的強度の低下を抑えることができる。
【００４２】
（３）添加剤２３としてカーボンブラック又はカーボンナノチューブを用いた。また、第１〜第４の強化繊維束層１１〜１４、結合糸２１、及び抜け止め糸２２を炭素繊維で形成した。このため、積層体２０としては炭素材料のみで形成される。したがって、炭素繊維以外の材料が混在することによる三次元繊維強化複合材１０の強度低下を無くすことができる。
【００４３】
（４）結合糸２１で積層体２０を結合することにより、積層体２０には積層方向に二股部隙間Ｒ、結合糸隙間Ｔ、及び糸隙間Ｓが形成される。しかし、結合糸２１に沿って積層体２０の積層方向全体に亘って、添加剤２３が存在しているため、積層体２０にクラックが生じることが抑制される。したがって、結合糸２１によって、積層方向の強度が向上された三次元繊維強化複合材１０に対して、添加剤２３を提供することで、三次元繊維強化複合材１０の積層方向への強度をより向上させることができる。
【００４４】
（５）添加剤２３は、バインダと混合されて結合糸２１及び各強化繊維束１１ａ〜１４ａに付着されている。よって、熱硬化性樹脂の注入時に添加剤２３が結合糸２１及び各強化繊維束１１ａ〜１４ａから除去されることがなく、マトリックス樹脂３０の形成時に各隙間Ｒ，Ｓ，Ｔでの内部応力を確実に抑制することができる。
【００４５】
（６）三次元繊維強化複合材１０の製造時、積層体２０の二股部隙間Ｒに添加剤２３を供給しつつ、二股部隙間Ｒが存在する面とは反対側の面から積層体２０内の空気を吸引して、添加剤２３を二股部隙間Ｒが存在する面とは反対側の面に向けて引っ張るようにした。このため、添加剤２３を、二股部隙間Ｒから結合糸２１に沿って積層体２０の積層方向全体に亘って行き渡らせることができる。したがって、各隙間Ｒ，Ｓ，Ｔを形成する結合糸２１の周囲に添加剤２３を付着させることができる。
【００４６】
（７）二股部隙間Ｒ、糸隙間Ｓ、及び結合糸隙間Ｔに樹脂溜まりが形成されても、添加剤２３によって樹脂溜まりの内部応力を緩和し、各隙間Ｒ，Ｓ，Ｔにおいてクラックが発生することを抑制できる。したがって、各隙間Ｒ，Ｓ，Ｔをできるだけ小さくするために結合糸２１として細い糸（例えば、１００デニール以下の糸）を使用する必要がなく、クラックの発生を抑制しながらも積層方向への強度を維持することができる。
【００４７】
（８）二股部隙間Ｒ、糸隙間Ｓ、及び結合糸隙間Ｔに樹脂溜まりが形成されても、添加剤２３によって樹脂溜まりの内部応力を緩和し、各隙間Ｒ，Ｓ，Ｔにおいてクラックが発生することを抑制できる。したがって、第１〜第４の強化繊維束１１ａ〜１４ａ及び結合糸２１を、マトリックス樹脂３０と熱的性質の近い有機繊維により形成する必要がない。第１〜第４の強化繊維束１１ａ〜１４ａ及び結合糸２１を炭素繊維により形成することができ、クラックの発生を抑制しながらも三次元繊維強化複合材１０の機械的強度を維持することができる。
【００４８】
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
【００４９】
バインダは用いなくてもよい。
【００５０】
実施形態では、マトリックス樹脂３０として熱硬化性樹脂を用いたが、その他の種類の樹脂を用いてもよい。
【００５１】
バインダと添加剤２３とは、その合計の体積が各二股部隙間Ｒの体積の１０〜５０％を占めるように供給されているが、この残りの５０〜９０％はマトリックス樹脂が占めていてもよいし、空隙であってもよい。
【００５２】
結合糸２１及び抜け止め糸２２は一本だけでもよい。
【００５３】
添加剤２３は、結合糸２１の二股部隙間Ｒに供給するのではなく、積層体２０の第４の強化繊維束層１４の表面全体に塗布してもよい。
【００５４】
積層体２０は複数層であればよく、２層又は３層でもよく、或いは５層以上であってもよい。
【００５５】
実施形態では、第１〜第４の強化繊維束層１１〜１４を補助糸１１ｂ〜１４ｂでそれぞれ連結したが、これに限らない。例えば、第１〜第４の強化繊維束層１１〜１４の片面に設けた融着糸によって各強化繊維束１１ａ〜１４ａを連結してもよい。また、第１〜第４の強化繊維束層１１〜１４において、各強化繊維束１１ａ〜１４ａの軸方向の両端にピンを設け、このピンに連結糸を引っ掛けて各強化繊維束１１ａ〜１４ａを連結してもよい。
【００５６】
第１〜第４の強化繊維束１１ａ〜１４ａを構成する繊維は炭素繊維に限らず、三次元繊維強化複合材１０に要求される物性に応じて、アラミド繊維、ポリ−ｐ−フェニレンベンゾビスオキサゾール繊維、及び超高分子量ポリエチレン繊維等から選択される高強度の有機繊維や、ガラス繊維及びセラミック繊維等から選択される無機繊維を使用してもよい。
【００５７】
抜け止め糸２２及び結合糸２１は炭素繊維でなく、ガラス繊維、アラミド繊維、セラミック繊維等を束ねたもの、又は撚ったものであってもよい。
【００５８】
積層体２０とマトリックス樹脂３０とからなる三次元繊維強化複合材１０を製造する方法はＲＴＭ法に限らない。
【図１】
2014030632.tif 000003
【図２】
2014030632.tif 000004
【図３】
2014030632.tif 000005
【図４Ａ】
2014030632.tif 000006
【図４Ｂ】
2014030632.tif 000007
【図４Ｃ】
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【図５】
2014030632.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成28年1月12日(2016.1.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層方向に積層された複数の繊維束層を含む積層体であって、前記繊維束層は第１及び第２の最外層を含む前記積層体と、
前記積層体に含浸されたマトリックス樹脂と、
前記第１の最外層の表面に沿って延びる抜け止め糸と、
前記繊維束層を積層方向に結合する結合糸と、を備え、
前記結合糸は、
前記抜け止め糸の積層方向の外側を通り折り返される折り返し部と、
前記折り返し部に連続し、各繊維束層の面に直交する方向に延びる第１横断糸部及び第２横断糸部と、
前記第２の最外層の表面で、該第２の最外層の面に沿って前記抜け止め糸と略直交する方向へ延びる表層糸部と、を有し、
前記表層糸部は、前記第２の最外層の表面で前記第１横断糸部及び第２横断糸部から相反する方向へ延びる二股部を有し、
前記二股部と、該二股部に隣り合う前記第２の最外層の繊維束とで囲まれる空間、
前記第１及び第２横断糸部の各々とそれに隣り合う繊維束との間の空間、
及び前記第１横断糸部と前記第２横断糸部との間の空間に、
それぞれ添加剤と前記マトリックス樹脂とが配置されており、
前記添加剤は、バインダと混合されて前記積層体に付着され、
前記添加剤と前記バインダとを合わせた体積は、前記二股部と該二股部に隣り合う前記第２の最外層の繊維束とで囲まれる空間の１０〜５０％である三次元繊維強化複合材。
【請求項２】
積層方向に積層された複数の繊維束層を含む積層体であって、前記繊維束層は第１及び第２の最外層を含む前記積層体と、
前記積層体に含浸されたマトリックス樹脂と、
前記第１の最外層の表面に沿って延びる抜け止め糸と、
前記繊維束層を積層方向に結合する結合糸と、を備え、
前記結合糸は、
前記抜け止め糸の積層方向の外側を通り折り返される折り返し部と、
前記折り返し部に連続し、各繊維束層の面に直交する方向に延びる第１横断糸部及び第２横断糸部と、
前記第２の最外層の表面で、該第２の最外層の面に沿って前記抜け止め糸と略直交する方向へ延びる表層糸部と、を有し、
前記表層糸部は、前記第２の最外層の表面で前記第１横断糸部及び第２横断糸部から相反する方向へ延びる二股部を有し、
前記二股部と、該二股部に隣り合う前記第２の最外層の繊維束とで囲まれる空間、
前記第１及び第２横断糸部の各々とそれに隣り合う繊維束との間の空間、
及び前記第１横断糸部と前記第２横断糸部との間の空間に、
それぞれ添加剤と前記マトリックス樹脂とが配置されており、
前記繊維束層、前記抜け止め糸及び前記結合糸は炭素繊維で形成され、
前記添加剤は、カーボンブラック又はカーボンナノチューブである三次元繊維強化複合材。
【請求項３】
前記バインダは、熱可塑性樹脂である請求項１又は請求項２に記載の三次元繊維強化複合材。
【請求項４】
三次元繊維強化複合材の製造方法であって、
積層方向に積層された複数の繊維束層を含む積層体を準備することであって、前記繊維束層が第１及び第２の最外層を含むことと、
前記第１の最外層の表面に沿って延びる抜け止め糸を準備することと、
結合糸によって前記繊維束層を積層方向に結合することであって、前記結合糸は、前記抜け止め糸の積層方向の外側を通り折り返される折り返し部と、前記折り返し部に連続し、各繊維束層の面に直交する方向に延びる第１横断糸部及び第２横断糸部と、前記第２の最外層の表面で、該第２の最外層の面に沿って前記抜け止め糸と直交する方向へ延びる表層糸部と、を有し、前記表層糸部は、前記第２の最外層の表面で前記第１横断糸部及び第２横断糸部から相反する方向へ延びる二股部を有することと、
前記第２の最外層の表面の外側から前記二股部に添加剤を供給しつつ前記第１の最外層の表面の外側から前記添加剤を吸引することにより、前記二股部と該二股部に隣り合う前記第２の最外層の繊維束とで囲まれる空間、前記第１横断糸部及び前記第２横断糸部の各々とそれら横断糸部に隣り合う繊維束との間の空間、及び前記第１横断糸部と前記第２横断糸部との間の空間に、前記添加剤を配置することと、
前記添加剤を含んだ前記積層体にマトリックス樹脂を含浸することと、を含む三次元繊維強化複合材の製造方法。
【請求項５】
前記添加剤は、バインダと混合されて前記積層体に供給され、
前記添加剤と前記バインダとを合わせた体積は、前記二股部と該二股部に隣り合う前記第２の最外層の繊維束とで囲まれる空間の１０〜５０％である請求項４に記載の三次元繊維強化複合材の製造方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
前記の目的を達成するための三次元繊維強化複合材は、積層方向に積層された複数の繊維束層を含む積層体であって、前記繊維束層は第１及び第２の最外層を含む前記積層体と、前記積層体に含浸されたマトリックス樹脂と、前記第１の最外層の表面に沿って延びる抜け止め糸と、前記繊維束層を積層方向に結合する結合糸と、を備え、前記結合糸は、前記抜け止め糸の積層方向の外側を通り折り返される折り返し部と、前記折り返し部に連続し、各繊維束層の面に直交する方向に延びる第１横断糸部及び第２横断糸部と、前記第２の最外層の表面で、該第２の最外層の面に沿って前記抜け止め糸と略直交する方向へ延びる表層糸部と、を有し、前記表層糸部は、前記第２の最外層の表面で前記第１横断糸部及び第２横断糸部から相反する方向へ延びる二股部を有し、前記二股部と、該二股部に隣り合う前記第２の最外層の繊維束とで囲まれる空間、前記第１及び第２横断糸部の各々とそれに隣り合う繊維束との間の空間、及び前記第１横断糸部と前記第２横断糸部との間の空間に、それぞれ添加剤と前記マトリックス樹脂とが配置されており、前記添加剤は、バインダと混合されて前記積層体に付着され、前記添加剤と前記バインダとを合わせた体積は、前記二股部と該二股部に隣り合う前記第２の最外層の繊維束とで囲まれる空間の１０〜５０％である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
また、添加剤の添加量を設定することで、添加剤が少なくなり過ぎないようにして添加剤による内部応力の緩和機能を発揮させつつ、添加剤が多くなりすぎてマトリックス樹脂量が低下することを防止して三次元繊維強化複合材の機械的強度の低下を防止することができる。
前記の目的を達成するための三次元繊維強化複合材は、積層方向に積層された複数の繊維束層を含む積層体であって、前記繊維束層は第１及び第２の最外層を含む前記積層体と、前記積層体に含浸されたマトリックス樹脂と、前記第１の最外層の表面に沿って延びる抜け止め糸と、前記繊維束層を積層方向に結合する結合糸と、を備え、前記結合糸は、前記抜け止め糸の積層方向の外側を通り折り返される折り返し部と、前記折り返し部に連続し、各繊維束層の面に直交する方向に延びる第１横断糸部及び第２横断糸部と、前記第２の最外層の表面で、該第２の最外層の面に沿って前記抜け止め糸と略直交する方向へ延びる表層糸部と、を有し、前記表層糸部は、前記第２の最外層の表面で前記第１横断糸部及び第２横断糸部から相反する方向へ延びる二股部を有し、前記二股部と、該二股部に隣り合う前記第２の最外層の繊維束とで囲まれる空間、前記第１及び第２横断糸部の各々とそれに隣り合う繊維束との間の空間、及び前記第１横断糸部と前記第２横断糸部との間の空間に、それぞれ添加剤と前記マトリックス樹脂とが配置されており、前記繊維束層、前記抜け止め糸及び前記結合糸は炭素繊維で形成され、前記添加剤は、カーボンブラック又はカーボンナノチューブである。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】削除
【補正の内容】
【国際調査報告】
2014030632.tif 000010
2014030632.tif 000011
2014030632.tif 000012
2014030632.tif 000013