(57)【要約】  本発明は、Ｌｉ／（Ｎｉ×Ｄｉ２）が６．７×１０１以上３．３×１０３以下の炭素繊維束Ａ１を含む炭素繊維Ａと、熱可塑性のマトリクス樹脂とを含み、炭素繊維Ａの繊維長は５〜１００ｍｍであり、炭素繊維Ａに対して炭素繊維束Ａ１は８０ｖｏｌ％以上１００ｖｏｌ％未満であり、複合材料に含まれるマトリクス樹脂を除去して取出した炭素繊維集合体を、厚みＴｆに圧縮したときの反力Ｐが、０．０５〜１．００ＭＰａである、複合材料、並びに、炭素繊維と熱可塑性樹脂を含む複合組成物を、圧縮含浸装置を用いて含浸処理する複合材料の製造方法を提供する。Ｌｉ：炭素繊維束の繊維長（ｍｍ）、Ｄｉ：炭素繊維束を構成する炭素繊維の単糸直径（ｍｍ）、Ｎｉ：炭素繊維束に含まれる単糸の繊維数（本数）、Ｔｆ：（炭素繊維集合体の目付÷炭素繊維密度）×３（ｍｍ）
2019107248.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｌｉ／（Ｎｉ×Ｄｉ２）が６．７×１０１以上３．３×１０３以下の炭素繊維束Ａ１を含む炭素繊維Ａと、熱可塑性のマトリクス樹脂とを含む複合材料であって、
炭素繊維Ａの繊維長は５ｍｍ以上１００ｍｍ以下であり、
炭素繊維Ａに対して炭素繊維束Ａ１は８０ｖｏｌ％以上１００ｖｏｌ％未満であり、
複合材料に含まれるマトリクス樹脂を除去して取出した炭素繊維集合体を、厚みＴｆに圧縮したときの反力Ｐが、０．０５ＭＰａ以上１．００ＭＰａ以下である、
複合材料。
ただし、
Ｌｉ：炭素繊維束の繊維長（ｍｍ）
Ｄｉ：炭素繊維束を構成する炭素繊維の単糸直径（ｍｍ）
Ｎｉ：炭素繊維束に含まれる単糸の繊維数（本数）
Ｔｆ：（炭素繊維集合体の目付÷炭素繊維密度）×３（ｍｍ）
【請求項２】
反力Ｐの変動係数が２０％以下である、請求項１に記載の複合材料。
【請求項３】
炭素繊維Ａは炭素繊維Ａ２を含み、
炭素繊維Ａ２は、Ｌｉ／（Ｎｉ×Ｄｉ２）が３．３×１０３超の炭素繊維であって、炭素繊維Ａに対して、０ｖｏｌ％超２０ｖｏｌ％未満である、
請求項１又は２に記載の複合材料。
【請求項４】
Ｌｉ／（Ｎｉ×Ｄｉ２）が６．７×１０１未満の炭素繊維Ａ３が、炭素繊維Ａに対して５ｖｏｌ％以下である、請求項１乃至３いずれか１項に記載の複合材料。
【請求項５】
ＬＡ１／（ＮＡ１×ＤＡ１２）が１．０×１０２以上３．３×１０３以下である、請求項１乃至４いずれか１項に記載の複合材料。ただし、
ＬＡ１：炭素繊維束Ａ１の重量平均繊維長（ｍｍ）
ＮＡ１：炭素繊維束Ａ１に含まれる単糸の平均繊維数（本数）
ＤＡ１：炭素繊維束Ａ１を構成する炭素繊維の単糸直径（ｍｍ）
【請求項６】
取出した炭素繊維集合体の目付が、１００ｇ／ｍ２以上３０００ｇ／ｍ２未満である、請求項１乃至５いずれか１項に記載の複合材料。
【請求項７】
炭素繊維束Ａ１の平均束幅ＷＡ１が０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ以下、平均束厚みＴＡ１が２０μｍ以上９５μｍ以下である、請求項１乃至６いずれか１項に記載の複合材料。
【請求項８】
繊維長５ｍｍ以上１００ｍｍ以下の炭素繊維Ａと熱可塑性樹脂を含む複合組成物を、圧縮含浸装置を用いて含浸処理する、複合材料の製造方法であって、
炭素繊維Ａは、Ｌｉ／（Ｎｉ×Ｄｉ２）が６．７×１０１以上３．３×１０３以下の炭素繊維束Ａ１を含み、
炭素繊維Ａに対して炭素繊維束Ａ１は８０ｖｏｌ％以上１００ｖｏｌ％未満であり、
複合材料に含まれる熱可塑性樹脂を除去して取出した炭素繊維集合体を、厚みＴｆに圧縮したときの反力Ｐが、０．０５ＭＰａ以上１．００ＭＰａ以下である、
複合材料の製造方法。
ただし、
Ｌｉ：炭素繊維束の繊維長（ｍｍ）
Ｄｉ：炭素繊維束を構成する炭素繊維の単糸直径（ｍｍ）
Ｎｉ：炭素繊維束に含まれる単糸の繊維数（本数）
Ｔｆ：（炭素繊維集合体の目付÷炭素繊維密度）×３（ｍｍ）
【請求項９】
圧縮含浸装置における最狭クリアランスが、複合材料の理論厚みＴｍに対して、０．９×Ｔｍ以上１．５×Ｔｍ以下である、請求項８に記載の複合材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素繊維と熱可塑性のマトリクス樹脂とを含む複合材料、及びその製造方法であって、炭素繊維に熱可塑性樹脂を含浸させるため、炭素繊維集合体が備える反力（特定厚みに圧縮するための圧力）を利用することに関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維強化熱可塑性樹脂成形体は、機械物性に優れており、近年、自動車等の構造部材として注目されている。
特許文献１には、強化繊維として、単糸本数が２０００本以上含まれるガラス繊維束に熱可塑性樹脂を供給し、予め含浸させた含浸繊維束を所定長にカットし、さらに加熱溶融、冷却させて製造した複合材料が記載されている。
特許文献２には、未含浸状態の複数のチョップドセミプリプレグシート材を一体化して実質的に形成されている擬似等方補強シート材が記載されている。
特許文献３には、ラージトウ炭素繊維を開繊して分繊した後にカットし、より高い力学特性の発現とその力学特性のばらつきのさらなる低減させた複合材料が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】日本国特開２００４−１４２１６５号公報
【特許文献２】日本国特開２０１６−０２７９５６号公報
【特許文献３】国際公開第２０１７／１５９２６４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら特許文献１に記載の複合材料は、強化繊維束に熱可塑性樹脂を予め含浸した含浸繊維束を所定長にカットし、再度加熱溶融、冷却し再含浸するものであり、予備含浸工程を事前に準備する必要があり、生産性、省エネルギーの観点で好ましくない。また、特許文献１に記載の繊維形態では、強化繊維として強化繊維束のみから構成されており、強化繊維集合体が備える反力（特定厚みに圧縮するための圧力、本発明でいう炭素繊維集合体を、厚みＴｆに圧縮したときの反力）が低すぎるために、予備含浸が無いと、後工程で含浸させるための時間が長くなってしまう。
特許文献２に記載の疑似等方補強シートを用いた場合、炭素繊維束を構成する単糸の集束本数が多すぎるため、強化繊維集合体が備える反力が低すぎる。特許文献２に記載の疑似等方補強シートは、熱可塑性樹脂を高速含浸させるため、疑似等方補強シートそのものの厚みを薄く設計しており、成形体の製造には疑似等方補強シートを何層も積層する必要が生じてしまい、生産性が良いとはいえない。
特許文献３に記載の材料では、特許文献１と同様、繊維束のみしか存在しておらず、炭素繊維集合体が備える反力が低すぎるため、熱可塑性樹脂を高速で含浸させるには適さない。更に、炭素繊維束の分繊時に、未分繊処理区間が存在しており、未分繊処理区間に起因する結合束集合体と呼ばれる巨大な繊維束が含まれている。このため、結合束集合体そのものが欠陥の原因となるたけでなく、熱可塑性樹脂を炭素繊維束に含浸させようとすると、炭素繊維束の大きさムラに起因する、炭素繊維集合体が備える反力のムラが発生してしまうことがある。このため、炭素繊維集合体が備える反力が適正な部分は含浸するものの、小さい場所は含浸し難い。更には、反力が大きすぎる部分が混在すると、含浸工程で加圧した際に、均一に加圧することができず、複合材料内部で炭素繊維と熱可塑性樹脂が意図せず面内方向に動いてしまい、複合材料の炭素繊維体積割合や炭素繊維配向にムラが生じる。例えば等方性のある複合材料を製造しようとしても、等方性に乱れが生じてしまう。
本発明でいう炭素繊維集合体の反力が低すぎると、熱可塑性樹脂の高速含浸ができず、得られる複合材料は未含浸繊維束が多くなり、その結果、強度が低下し、また強度ムラも発生してしまう。【０００５】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、未含浸炭素繊維束が少なく、高強度及び強度ムラの低減を両立できる複合材料、並びに、熱可塑性樹脂を炭素繊維へ高速含浸できる上記複合材料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】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提供する。【０００７】
１．  Ｌｉ／（Ｎｉ×Ｄｉ２）が６．７×１０１以上３．３×１０３以下の炭素繊維束Ａ１を含む炭素繊維Ａと、熱可塑性のマトリクス樹脂とを含む複合材料であって、
炭素繊維Ａの繊維長は５ｍｍ以上１００ｍｍ以下であり、
炭素繊維Ａに対して炭素繊維束Ａ１は８０ｖｏｌ％以上１００ｖｏｌ％未満であり、
複合材料に含まれるマトリクス樹脂を除去して取出した炭素繊維集合体を、厚みＴｆに圧縮したときの反力Ｐが、０．０５ＭＰａ以上１．００ＭＰａ以下である、
複合材料。
ただし、
Ｌｉ：炭素繊維束の繊維長（ｍｍ）
Ｄｉ：炭素繊維束を構成する炭素繊維の単糸直径（ｍｍ）
Ｎｉ：炭素繊維束に含まれる単糸の繊維数（本数）
Ｔｆ：（炭素繊維集合体の目付÷炭素繊維密度）×３（ｍｍ）
２．  反力Ｐの変動係数が２０％以下である、前記１に記載の複合材料。
３．  炭素繊維Ａは炭素繊維Ａ２を含み、
炭素繊維Ａ２は、Ｌｉ／（Ｎｉ×Ｄｉ２）が３．３×１０３超の炭素繊維であって、炭素繊維Ａに対して、０ｖｏｌ％超２０ｖｏｌ％未満である、
前記１又は２に記載の複合材料。
４．  Ｌｉ／（Ｎｉ×Ｄｉ２）が６．７×１０１未満の炭素繊維Ａ３が、炭素繊維Ａに対して５ｖｏｌ％以下である、前記１乃至３いずれか１項に記載の複合材料。
５．  ＬＡ１／（ＮＡ１×ＤＡ１２）が１．０×１０２以上３．３×１０３以下である、前記１乃至４いずれか１項に記載の複合材料。ただし、
ＬＡ１：炭素繊維束Ａ１の重量平均繊維長（ｍｍ）
ＮＡ１：炭素繊維束Ａ１に含まれる単糸の平均繊維数（本数）
ＤＡ１：炭素繊維束Ａ１を構成する炭素繊維の単糸直径（ｍｍ）
６．  取出した炭素繊維集合体の目付が、１００ｇ／ｍ２以上３０００ｇ／ｍ２未満である、前記１乃至５いずれか１項に記載の複合材料。
７．  炭素繊維束Ａ１の平均束幅ＷＡ１が０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ以下、平均束厚みＴＡ１が２０μｍ以上９５μｍ以下である、前記１乃至６いずれか１項に記載の複合材料。
８．  繊維長５ｍｍ以上１００ｍｍ以下の炭素繊維Ａと熱可塑性樹脂を含む複合組成物を、圧縮含浸装置を用いて含浸処理する、複合材料の製造方法であって、
炭素繊維Ａは、Ｌｉ／（Ｎｉ×Ｄｉ２）が６．７×１０１以上３．３×１０３以下の炭素繊維束Ａ１を含み、
炭素繊維Ａに対して炭素繊維束Ａ１は８０ｖｏｌ％以上１００ｖｏｌ％未満であり、
複合材料に含まれる熱可塑性樹脂を除去して取出した炭素繊維集合体を、厚みＴｆに圧縮したときの反力Ｐが、０．０５ＭＰａ以上１．００ＭＰａ以下である、
複合材料の製造方法。
ただし、
Ｌｉ：炭素繊維束の繊維長（ｍｍ）
Ｄｉ：炭素繊維束を構成する炭素繊維の単糸直径（ｍｍ）
Ｎｉ：炭素繊維束に含まれる単糸の繊維数（本数）
Ｔｆ：（炭素繊維集合体の目付÷炭素繊維密度）×３（ｍｍ）
９．  圧縮含浸装置における最狭クリアランスが、複合材料の理論厚みＴｍに対して、０．９×Ｔｍ以上１．５×Ｔｍ以下である、前記８に記載の複合材料の製造方法。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、未含浸炭素繊維束が少なく、高強度及び強度ムラの低減を両立できる複合材料、並びに、熱可塑性樹脂を炭素繊維へ高速含浸できる上記複合材料の製造方法を提供することができる。特に、本発明のように設計された炭素繊維集合体を用いれば、炭素繊維集合体そのものが有する反力を利用して、熱可塑性樹脂を炭素繊維へ高速含浸でき、生産性にも優れる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】炭素繊維集合体が熱可塑性樹脂に入り込む力を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
［炭素繊維］
本発明に用いられる炭素繊維としては、一般的にポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系炭素繊維、石油・石炭ピッチ系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維、セルロース系炭素繊維、リグニン系炭素繊維、フェノール系炭素繊維、などが知られているが、本発明においてはこれらのいずれの炭素繊維であっても好適に用いることができる。なかでも、本発明においては引張強度に優れる点でポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系炭素繊維を用いることが好ましい。
本発明に用いられる炭素繊維は、表面にサイジング剤が付着しているものであってもよい。サイジング剤が付着している炭素繊維を用いる場合、当該サイジング剤の種類は、炭素繊維及びマトリクス樹脂の種類に応じて適宜選択することができるものであり、特に限定されるものではない。
【００１１】
［炭素繊維束形態固定剤］
本発明における複合材料は、炭素繊維束の剛直性を向上させ、炭素繊維集合体の反力Ｐを適性な範囲に調整するために、炭素繊維束形態固定剤（以下、単に固定剤と呼ぶ場合がある）を用いて炭素繊維束を固定しても良い。
固定剤を塗布する工程は、製造工程中であれば特に限定されるものではないが、好ましくは炭素繊維束を拡幅処理した後に塗布することが好ましい。
本発明に用いられる固定剤の種類は、炭素繊維束を固定できるものであれば特に限定されるものではないが、好ましくは、常温で固体のもの、より好ましくは樹脂、さらに好ましくは熱可塑性樹脂である。固定剤は１種類のみであってもよく、２種類以上であってもよい。
固定剤として熱可塑性樹脂を使用する場合は、固定炭素繊維束を製造する環境に応じて所望の軟化点を有するものを適宜選択して用いることができる。軟化点の範囲に限定はないが、好ましい軟化点の下限値としては、６０℃以上、より好ましくは７０℃以上、更に好ましくは８０℃以上である。固定剤の軟化点を６０℃以上とすることで、固定剤は夏季の高温時の使用環境においても、室温で固体であり取扱性に優れるため好ましい。一方、上限値としては、２５０℃以下、より好ましくは１８０℃以下、更に好ましくは１５０℃以下、より一層好ましくは１２５℃以下である。固定剤の軟化点を２５０℃以下とすることで、簡単な加熱装置で十分加熱することができ、冷却して固化するのが容易であるため炭素繊維束を固定化するまでの時間が早くなり好ましい。固定剤として熱可塑性樹脂を使用する場合は、複合材料に含まれる熱可塑性のマトリクスと馴染み易いものが好ましい。
【００１２】
［炭素繊維の繊維直径］
本発明に用いられる炭素繊維の単糸（一般的に、単糸はフィラメントと呼ぶ場合がある）の繊維直径は、炭素繊維の種類に応じて適宜決定すればよく、特に限定されるものではない。平均繊維直径は、通常、３μｍ〜５０μｍの範囲内であることが好ましく、４μｍ〜１２μｍの範囲内であることがより好ましく、５μｍ〜８μｍの範囲内であることがさらに好ましい。炭素繊維の繊維直径とは、炭素繊維が繊維束状である場合は、繊維束の径ではなく、繊維束を構成する炭素繊維（単糸）の直径を指す。炭素繊維の平均繊維直径は、例えば、ＪＩＳ  Ｒ−７６０７：２０００に記載された方法によって測定することができる。
【００１３】
［炭素繊維Ａ］
本発明で用いる炭素繊維は、繊維長が５ｍｍ以上１００ｍｍ以下の炭素繊維Ａを含む。本発明における複合材料に含まれる炭素繊維Ａの体積割合は、本発明の複合材料に含まれる炭素繊維全体に対して５０〜１００ｖｏｌ％であることが好ましく、７０〜１００ｖｏｌ％であることがより好ましい。
本発明における炭素繊維Ａは、Ｌｉ／（Ｎｉ×Ｄｉ２）が６．７×１０１以上３．３×１０３以下を満たす炭素繊維束Ａ１を含む。
【００１４】
［炭素繊維Ａの繊維長］
本発明に用いられる炭素繊維Ａの繊維長は５ｍｍ以上１００ｍｍ以下である。換言すると、複合材料に含まれている５ｍｍ以上１００ｍｍ以下の繊維長の炭素繊維を、炭素繊維Ａと定義する。
【００１５】
１．炭素繊維Ａの重量平均繊維長
本発明に用いられる炭素繊維Ａの重量平均繊維長に特に限定は無いが、５ｍｍ以上１００ｍｍ以下であれば好ましい。炭素繊維Ａの重量平均繊維長は、５ｍｍ以上８０ｍｍ以下であることがより好ましく、５ｍｍ以上６０ｍｍ以下であることがさらに好ましい。炭素繊維Ａの重量平均繊維長が１００ｍｍ以下の場合、複合材料のプレス成形時の流動性が向上し、所望の成形体形状を得やすい。一方、重量平均繊維長が５ｍｍ以上の場合、複合材料の機械強度が向上しやすい。本発明に用いられる炭素繊維は、繊維長が互いに異なる炭素繊維Ａを併用してもよく、繊維長分布は単一のピークを有するものであってもよく、あるいは複数のピークを有するものであってもよい。
【００１６】
［炭素繊維束Ａ１のアスペクト比］
本発明において、Ｌｉ／（Ｎｉ×Ｄｉ２）が６．７×１０１以上３．３×１０３以下のものを炭素繊維束Ａ１と定義する。Ｌｉ／（Ｎｉ×Ｄｉ２）は、炭素繊維束のアスペクト比を示す。
なお、通常アスペクト比とは、繊維１本に着目したときの、直径に対する長さの比を示すが、本発明においては繊維直径を２乗することで、繊維束の断面積を考慮した（厚みと幅の両方を考慮した）アスペクト比としている。Ｌｉ／（Ｎｉ×Ｄｉ２）の値が大きい程、炭素繊維束は細長いことに示し、反対に、Ｌｉ／（Ｎｉ×Ｄｉ２）の値が小さい程、炭素繊維束は太く短いことを示している。Ｌｉは個々の炭素繊維束の繊維長であり、Ｎｉは個々の炭素繊維束に含まれる単糸の繊維数（本数）である。炭素繊維束Ａ１の繊維長が一定長である場合には、炭素繊維束Ａ１に含まれる繊維数が最大となるとき、炭素繊維束Ａ１のアスペクト比は最小となる。
通常、アスペクト比が大きい方が複合材料の強度は高く、Ｌｉ／（Ｎｉ×Ｄｉ２）が６．７×１０１以上の炭素繊維束Ａ１を複合材料に含んでいると、複合材料は高強度を示す。ただし、アスペクト比が大きすぎる場合はプレス成形時の流動性が低下することがあり、Ｌｉ／（Ｎｉ×Ｄｉ２）が３．３×１０３以下の炭素繊維束Ａ１を含んでいると、流動性の低下を抑制できる。
本発明における炭素繊維束Ａ１のＬＡ１／（ＮＡ１×ＤＡ１２）は１．０×１０２以上３．３×１０３以下であることが好ましい。
ただし、
ＬＡ１：炭素繊維束Ａ１の重量平均繊維長（ｍｍ）
ＮＡ１：炭素繊維束Ａ１に含まれる単糸の平均繊維数（本数）
ＤＡ１：炭素繊維束Ａ１を構成する炭素繊維の単糸直径（ｍｍ）
である。
炭素繊維束Ａ１のアスペクト比は前述した、複合材料の強度、プレス成形時の流動性に加えて、炭素繊維集合体の反力Ｐにも影響する。炭素繊維束Ａ１のＬＡ１／（ＮＡ１×ＤＡ１２）の値が３．３×１０３を超える場合、同じ炭素繊維体積割合で比べると、相対的に炭素繊維束の数が多くなるため、炭素繊維集合体が密な状態となり、炭素繊維集合体の反力Ｐが大きくなりすぎてしまう。反力Ｐに関しては後述する。反対に、ＬＡ１／（ＮＡ１×ＤＡ１２）の値が１．０×１０２未満の場合、相対的に炭素繊維束の数が少なくなるため、炭素繊維集合体が疎な状態となり、反力Ｐが小さくなりすぎてしまう。
ＬＡ１／（ＮＡ１×ＤＡ１２）の上限は２．０×１０３以下が望ましく、１．２×１０３以下が好ましく、９．０×１０２以下がより好ましく、８．５×１０２以下が更に好ましい。好ましいＬＡ１／（ＮＡ１×ＤＡ１２）の下限は１．３×１０２以上が望ましく、１．６×１０２以上が好ましく、３．２×１０２以上がより好ましく、４．０×１０２以上が更に好ましい。
【００１７】
［炭素繊維束Ａ１の割合］
本発明において、炭素繊維束Ａ１は、炭素繊維Ａに対して８０ｖｏｌ％以上であり、好ましくは９０ｖｏｌ％以上、より好ましくは９５ｖｏｌ％以上である。換言すると、本発明における炭素繊維束Ａ１以外の炭素繊維Ａは２０ｖｏｌ％未満であり、好ましくは１０ｖｏｌ％未満であり、更に好ましくは５ｖｏｌ％未満である。炭素繊維Ａに含まれる炭素繊維束Ａ１の割合が増加すれば、後述する炭素繊維Ａ２や炭素繊維Ａ３の割合が減少することになる。
炭素繊維束Ａ１は、炭素繊維Ａに対して８０ｖｏｌ％未満であると、炭素繊維集合体の反力Ｐが高くなりすぎる。反力Ｐについては後述する。炭素繊維束Ａ１が、炭素繊維Ａに対して１００ｖｏｌ％であると、炭素繊維集合体の反力Ｐが低くなりすぎる。
なお、Ｌｉ／（Ｎｉ×Ｄｉ２）の値が６．７×１０１未満のものや、３．３×１０３超の炭素繊維Ａは、本発明において炭素繊維束Ａ１ではない炭素繊維Ａである。
【００１８】
［炭素繊維Ａ２］
本発明における炭素繊維Ａは、Ｌｉ／（Ｎｉ×Ｄｉ２）が３．３×１０３超である炭素繊維Ａ２を０ｖｏｌ％超２０ｖｏｌ％未満含んでいても良い。炭素繊維Ａ２はＬｉ／（Ｎｉ×Ｄｉ２）が３．３×１０３超であるため、アスペクト比が大きい炭素繊維であり、炭素繊維集合体の反力Ｐを向上させるために少量含んでいることが好ましい。炭素繊維Ａ２を含む場合、炭素繊維集合体の緻密性が向上し、この結果炭素繊維集合体の反力Ｐを上昇させ、炭素繊維への熱可塑性のマトリクス樹脂の含浸を促進することができる。
ただし、炭素繊維Ａ２の含有量が多すぎる場合、炭素繊維集合体の緻密性が高くなりすぎ、反力Ｐが大きくなりすぎて、熱可塑性樹脂が含浸しにくくなり、複合材料や成形体の強度も低下することがある。
なお、炭素繊維Ａ２について、重量平均繊維長、単糸直径、平均繊維数は以下のように定義できる。炭素繊維Ａ２が完全にモノフィラメント状になっている場合、ＮＡ２ａｖｅは１本となる。
ＬＡ２：炭素繊維Ａ２の重量平均繊維長（ｍｍ）
ＤＡ２：炭素繊維Ａ２を構成する炭素繊維の単糸直径（ｍｍ）
ＮＡ２ａｖｅ：炭素繊維Ａ２に含まれる平均繊維数（本数）
【００１９】
［炭素繊維Ａ３］
炭素繊維束Ａ１以外の炭素繊維Ａは、炭素繊維Ａ２であることが好ましいが、Ｌｉ／（Ｎｉ×Ｄｉ２）が６．７×１０１未満の炭素繊維Ａ３が、炭素繊維Ａに対して５ｖｏｌ％以下であることが好ましい。炭素繊維Ａ３は炭素繊維Ａに対して、５ｖｏｌ％以下で混入していても問題は少ないものの、３ｖｏｌ％以下であればより好ましく、１ｖｏｌ％以下であれば更に好ましい。最も好ましくは、Ｌｉ／（Ｎｉ×Ｄｉ２）が６．７×１０１未満の炭素繊維Ａ３が複合材料又は成形体に含まれていないことである。
炭素繊維Ａ３はアスペクト比が小さく、存在することで、炭素繊維集合体中で相対的に炭素繊維束の数を少なくする作用があるため、炭素繊維Ａに対して５ｖｏｌ％を超えて含まれると、炭素繊維集合体の反力Ｐが小さくなり過ぎることがある。
特に、特許文献３に記載のような、炭素繊維束を全く分繊していない、結合束集合体が存在すると、その周囲には樹脂ポケットが増加することによる複合材料の破壊の起点になるし、未含浸部が表面に浮き出た場合には外観が極めて悪化する。熱硬化性のマトリクスを用いた場合には含浸が容易であるが、熱可塑性のマトリクス樹脂を用いた場合に、本課題は顕著となる。
更に、特許文献３に記載の発明では、炭素繊維束の分繊時に、未分繊処理区間が存在しており、未分繊処理区間に起因する結合束集合体と呼ばれる巨大な繊維束が含まれている。このため、結合束集合体そのものが欠陥の原因となるたけでなく、熱可塑性樹脂を炭素繊維束に含浸させようとすると、炭素繊維集合体が有する反力が小さすぎる場所や大きすぎる場所が混在してしまう。このため、含浸工程において、複合材料内で炭素繊維や熱可塑性樹脂が過度に面内方向へ移動し、複合材料の炭素繊維体積割合や繊維配向の均一性にムラを生じてしまう。
【００２０】
［炭素繊維束Ａ１の平均束幅ＷＡ１］
本発明において、炭素繊維束Ａ１の平均束幅ＷＡ１は０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ以下が好ましい。平均束幅ＷＡ１の上限値は、１．５ｍｍ未満がより好ましく、１．１ｍｍ未満が更に好ましく、１．０ｍｍ未満がより一層好ましい。
炭素繊維束Ａ１の厚みが一定であれば、平均束幅ＷＡ１が小さくなるほど本発明における「反力Ｐ」は増加する。これは、炭素繊維束が細くなれば炭素繊維集合体が緻密になるためである。
また、平均束幅ＷＡ１が２．０ｍｍ以下であると、炭素繊維束のアスペクト比が大きくなり、複合材料内にて炭素繊維束の高強度が十分に発揮できる。
一方、平均束幅ＷＡ１の下限は、０．３ｍｍ以上がより好ましい。０．３ｍｍ以上であれば、炭素繊維集合体が過度に緻密化されることなく、適正な反力が得られる。
【００２１】
［炭素繊維束Ａ１の平均厚みＴＡ１］
本発明において、望ましくは炭素繊維束Ａ１の平均厚みＴＡ１が９５μｍ以下であり、好ましくは８５μｍ未満、より好ましくは７５μｍ未満、更に好ましくは７０μｍ未満、特に好ましくは６５μｍ未満、最も好ましくは６０μｍ未満である。炭素繊維束Ａ１の平均厚みＴＡ１が９５μｍ以下であると、炭素繊維束への樹脂含浸に必要な時間が短くなるため、効率的に含浸が進行する。
更に、同じ炭素繊維体積割合（Ｖｆ）のもので比べると、複合材料に含まれる炭素繊維束数が増加するため、複合材料内の炭素繊維束がより緻密構造となり、複合材料の強度も向上する。
炭素繊維束Ａ１の平均厚みＴＡ１の下限は２０μｍ以上が好ましい。炭素繊維束Ａ１の平均厚みＴＡ１が２０μｍ以上であれば、炭素繊維束Ａ１の剛直性が十分に確保でき、本発明における「反力Ｐ」を増加できる。炭素繊維束Ａ１の平均厚みＴＡ１の下限は３０μｍ以上がより好ましく、４０μｍ以上が更に好ましい。
【００２２】
［炭素繊維Ｂ］
本発明における複合材料は、繊維長５ｍｍ未満の炭素繊維Ｂを含んでも良く、炭素繊維Ｂは、ＮＢ＜ＮＡ１を満たすと好ましい。
ＮＢ：炭素繊維Ｂを構成する平均繊維数（本数）。
本発明において、繊維長５ｍｍ未満の炭素繊維は全て炭素繊維Ｂであり、繊維長５ｍｍ以上の炭素繊維は、炭素繊維Ｂではない。また、炭素繊維Ｂは炭素繊維束であっても良いし、単糸状（モノフィラメント状）であっても良い。
【００２３】
［炭素繊維Ｂの重量平均繊維長］
炭素繊維Ｂの重量平均繊維長ＬＢに特に限定はないが、下限は０．０５ｍｍ以上が好ましく、０．１ｍｍ以上がより好ましく、０．２ｍｍ以上が更に好ましい。炭素繊維Ｂの重量平均繊維長ＬＢが０．０５ｍｍ以上であると、複合材料又はこれを用いた成形体の機械強度が担保されやすい。
炭素繊維Ｂの重量平均繊維長ＬＢの上限は複合材料を成形後の成形体の厚さ未満であれば好ましい。具体的には５ｍｍ未満がより好ましく、３ｍｍ未満が更に好ましく、２ｍｍ未満がより一層好ましい。
【００２４】
［炭素繊維集合体の反力Ｐ］
１．厚みＴｆ
本発明において、複合材料に含まれるマトリクス樹脂（マトリクス樹脂以外の有機物を含む）を除去して取出した炭素繊維集合体を、厚みＴｆに圧縮したときの反力Ｐは、０．０５ＭＰａ以上１．００ＭＰａ以下である。
ただし、Ｔｆとは、（炭素繊維集合体の目付÷炭素繊維密度）×３（ｍｍ）の厚みである。例えば、炭素繊維として、“テナックス”（登録商標）ＵＴＳ５０−２４Ｋ（密度１．７９（ｇ／ｃｍ３）を利用し、複合材料のマトリクス樹脂を除去して取り出した炭素繊維の目付が１７９０（ｇ／ｍ２）であった場合、Ｔｆ＝１７９０（ｇ／ｍ２）÷１．７９（ｇ／ｃｍ３）×３＝３．０（ｍｍ）＝３０００（μｍ）となる。
なお、Ｔｆを算出する際の炭素繊維集合体の目付は、複合材料から炭素繊維集合体を取出す方法に依存しない。例えば、１ｍ×１ｍの大きさの複合材料から取り出した炭素繊維集合体の質量がＴ１ｇであったとする。ここで、複合材料から取出す際に、炭素繊維集合体が広がって、その大きさが１．１ｍ×１．１ｍになったとしても、元々はＴ１ｇの炭素繊維集合体が１ｍ×１ｍの大きさの複合材料に含まれていたのであるから、Ｔｆを算出する際の炭素繊維集合体の目付は、Ｔ１（ｇ／ｍ２）である。
【００２５】
２．反力Ｐ
反力Ｐとは、炭素繊維集合体が備えている厚み方向へ広がる力の大きさを意味する。例えば図１では、熱可塑性樹脂が炭素繊維に含浸する際、炭素繊維集合体が熱可塑性樹脂を押す力を示している（図１の１０１）。炭素繊維集合体の反力Ｐが上記範囲であれば、複合組成物の含浸処理を行う際に、複合組成物の厚み方向に（図１の上下に）閉じた空間内で、炭素繊維集合体が軟化した熱可塑性樹脂に向けて侵入しやすくなる。
また、反力Ｐが１．００ＭＰａ以下であれば、複合組成物を閉じた空間内において、炭素繊維を熱可塑性樹脂に侵入させる際に、熱可塑性樹脂の面内方向への過度な流動を抑制できる。
なお、反力Ｐの制御方法に特に限定はないが、炭素繊維束サイズ（束幅、束厚み）、炭素繊維Ａ内のＡ１、Ａ２、Ａ３の体積割合、厚み方向の繊維配向、固定剤の付着量などで制御することができる。後述する実施例にその一例を示す。
反力Ｐは０．５０ＭＰａ以下であることが好ましい。
【００２６】
３．炭素繊維集合体の取出し
本発明における反力Ｐを測定するためには、複合材料から炭素繊維集合体を取出す必要があるが、取出し方法に特に限定は無い。好ましくは、マトリクス成分が焼失する温度で１時間ほど複合材料を処理すれば良く、熱可塑性のマトリクス樹脂が例えばナイロン樹脂を用いている場合は、５００℃で１時間処理すれば良い。
熱可塑性のマトリクス樹脂成分が不明な場合、事前に熱重量分析を実施し、マトリクス樹脂が焼失する温度を調べておき、温度と時間を設定すると良い。なお、マトリクス樹脂を除去する際、他の有機成分が一緒に除去（焼失）されても問題無い。
【００２７】
４．成形体からの炭素繊維集合体の取出し
また、複合材料は一般的に成形されて成形体となるため、成形体から炭素繊維集合体を取り出しても良い。ただし、複合材料を成形する際に、大きく流動させて成形体を作成すると、炭素繊維集合体の形態が変化してしまうため、あまり流動を伴って成形されていない成形体部分から、炭素繊維集合体を取り出すことが好ましい。より具体的には、コールドプレスした場合、成形型上型が最初に接触する場所の成形体表面は非流動面となるため、この非流動面直下の成形体に含まれる炭素繊維集合体を取り出せばよい。
【００２８】
５．反力Ｐの変動係数
本発明における反力Ｐの変動係数は２０％以下であることが好ましく、１５％以下であることがより好ましく、１０％以下であることが更に好ましい。
本発明における反力の変動係数とは、複合材料の面内を、概ね１００ｍｍ×１００ｍｍピッチでサンプルを切出し、各々の変動係数を式（３）で算出したものであり、例えば幅５００ｍｍ×長さ５００ｍｍの複合材料を、幅方向５点×長さ方向５点の合計２５点に区分けして測定した変動係数で定義される。
反力の変動係数＝１００×反力の標準偏差／反力の平均値  式（３）
反力Ｐの変動係数が上記範囲内である場合、複合組成物に含まれる熱可塑性樹脂を炭素繊維へ含浸処理する際、複合組成物内の炭素繊維集合体が熱可塑性樹脂を均等に押すことができ、炭素繊維集合体が熱可塑性樹脂へ均一に浸透しやすくなる（図１の１０１の方向に炭素繊維集合体１０３が熱可塑性樹脂１０２を押すことを意味する）。すなわち、反力Ｐの変動係数が２０％以下であると、部分的に反力Ｐが大きい場所が少なくなり、炭素繊維集合体の反力により、複合材料内で炭素繊維や熱可塑性樹脂が過度に面内方向へ移動することが抑制できるため、複合材料の目付ムラや炭素繊維体積割合や繊維配向の均一性のムラも抑制できる。また、部分的に反力Ｐが小さい場所も少なくなり、炭素繊維集合体が熱可塑性樹脂を十分に押せない部分が抑制できるため、未含浸部分も低減できる。
【００２９】
［熱可塑性のマトリクス樹脂］
本発明に用いられる熱可塑性のマトリクス樹脂は特に限定されるものではなく、所望の軟化点又は融点を有するものを適宜選択して用いることができる。上記熱可塑性のマトリクス樹脂としては、通常、軟化点が１８０℃〜３５０℃の範囲内のものが用いられるが、これに限定されるものではない。
なお、本明細書において、熱可塑性のマトリクス樹脂とは、複合材料に含まれた熱可塑性樹脂を意味する。一方、熱可塑性樹脂は炭素繊維へ含浸させる前の、一般的な熱可塑性樹脂を意味する。
【００３０】
［炭素繊維集合体の目付］
炭素繊維集合体の目付は、１００ｇ／ｍ２以上３０００ｇ／ｍ２未満であると好ましく、５００ｇ／ｍ２以上２０００ｇ／ｍ２未満であることがより好ましい。
【００３１】
［繊維束の測定］
炭素繊維束は、後述するように「繊維束」の認識は、ピンセットで取り出すことが可能なものである。そして、ピンセットでつまんだ位置にかかわらず、一まとめの束の状態としてくっついている繊維束は、取り出したときに一まとめの束として取り出されるため、繊維束は明確に定義可能である。分析用の繊維試料を採取するために炭素繊維の集合体を観察すると、繊維試料をその長手側面の方向からだけでなく、様々な方向および角度から見ることにより、炭素繊維の集合体において、複数の繊維が一まとめになっている箇所がどこか、また、繊維がどのように堆積しているかを確認し、一まとめとして機能する繊維束がどれかを客観的かつ一義的に判別することができる。例えば繊維が重なり合っていた場合、交差部分で、構成単位である繊維の違う方向を向いているもの同士が絡み合っていないなら２つの繊維束であると判別できる。
なお、個々の炭素繊維束Ａ１についての幅と厚みは、互いに直交する３つの直線（ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸とする）を考えた場合に、個々の炭素繊維束Ａ１の長手方向をｘ軸方向とし、それに直交するｙ軸方向の長さの最大値ｙｍａｘとｚ軸方向の長さの最大値ｚｍａｘとのうち長い方を幅とし、短い方を厚みとする。ｙｍａｘとｚｍａｘとが等しい場合はｙｍａｘを幅とし、ｚｍａｘを厚みとすることができる。
そして、上記の方法で求めた個々の炭素繊維束Ａ１の幅の平均値を炭素繊維束Ａ１の平均束幅ＷＡ１とし、上記の方法で求めた個々の炭素繊維束Ａ１の厚みの平均値を炭素繊維束Ａ１の平均厚みＴＡ１とする。
【００３２】
［複合材料の製造方法］
本発明における複合材料は、熱可塑性樹脂と炭素繊維とを含む複合組成物からシート状に作成されることが好ましい。
「シート状」とは、繊維強化プラスチックの大きさを示す３つの寸法（例えば、長さ、幅、厚みである。）の内、最も小さい寸法を厚みとし、最も大きい寸法を長さとした場合、この長さが厚みに対して、１０倍以上あるような、平面状の形状のものを意味する。
本発明において、複合組成物とは、炭素繊維に熱可塑性樹脂が含浸される前の状態を指す。なお、複合組成物中の炭素繊維にはサイジング剤（又はバインダー）が付与されている場合があり、これらはマトリクス樹脂ではなく、複合組成物において、炭素繊維に予め付与されていても良い。
複合組成物の製造方法は、熱可塑性樹脂と炭素繊維との形態に応じて種々の方法を用いることができる。なお、複合組成物の製造方法は以下で説明する方法に限定されない。
【００３３】
［熱可塑性樹脂の含浸］
本発明における複合材料は、炭素繊維と熱可塑性樹脂を含む複合組成物を、圧縮含浸装置を用いて含浸処理することで製造することが好ましい。
【００３４】
１．含浸装置
複合組成物の含浸処理には、間隔（クリアランス）が調整された圧縮含浸装置を用いることができる。圧縮含浸装置とは、複合組成物を挟んで圧力を加えることで含浸させる装置であれば何でも良く、特に限定は無い。
【００３５】
２．圧縮含浸装置の最狭クリアランス
本発明における複合材料の製造方法は、圧縮含浸装置における最狭クリアランスが、複合材料の理論厚さＴｍに対して、０．９×Ｔｍ以上１．５×Ｔｍ以下であることが好ましい。なお、圧縮含浸装置における最狭クリアランスとは、クリアランスが最小となる場所（または時）の設定値を意味する。
圧縮含浸装置が上型と下型を有したプレス機である場合、上型を下型に向けて降下させ、最も下降させたときの位置における、上型と下型との距離を最狭クリアランスと定義する。
また、圧縮含浸装置におけるクリアランスを保持するために、炭素繊維集合体の反力Ｐ以上の圧力を圧縮含浸装置を用いて炭素繊維集合体へ加えることが好ましい。
複合材料の理論厚さＴｍとは、複合材料に空隙が存在しないと仮定した場合の厚みであり、複合材料の目付を密度で除算した値で導かれる。
なお、ここでいう空隙とは、中空微粒子など、意図して中空の添加剤を添加した場合には、その空隙部分を含むものではない。
【００３６】
［複合材料に含まれる炭素繊維の体積割合］
本発明において、下記式（２）で定義される、複合材料に含まれる炭素繊維体積割合（以下、本明細書において「Ｖｆ」と呼ぶことがある）に特に限定は無いが、炭素繊維体積割合（Ｖｆ）は、１０〜６０ｖｏｌ％であることが好ましく、２０〜５０ｖｏｌ％であることがより好ましく、２５〜４５ｖｏｌ％であればさらに好ましい。
炭素繊維体積割合（Ｖｆ）＝１００×炭素繊維体積／（炭素繊維体積＋熱可塑性のマトリクス樹脂体積）  式（２）
複合材料における炭素繊維体積割合（Ｖｆ）が１０ｖｏｌ％以上の場合、所望の機械特性が得られやすい。一方で、複合材料における炭素繊維体積割合（Ｖｆ）が６０ｖｏｌ％を超えない場合、プレス成形等に使用する際の流動性が良好で、所望の成形体形状を得られやすい。
なお、複合材料（又は成形体）に含まれる全体の炭素繊維体積割合（Ｖｆ）は、炭素繊維Ａ、Ｂなど、炭素繊維の種類に関係無く測定する。
【００３７】
［複合材料と成形体の関係］
本発明において、複合材料とは成形体を作成するための材料であり、複合材料はプレス成形（圧縮成形とも呼ぶ）されて成形体となる。したがって、本発明における複合材料は平板形状であるが、成形体は賦形されており、３次元形状に形あるものである。
【００３８】
［成形体］
本発明における複合材料は、プレス成形して成形体を製造するためのものであることが好ましい。プレス成形としては、コールドプレス成形が好ましい。
【００３９】
［プレス成形］
複合材料を用いて成形体を製造するにあたっての好ましい成形方法としては、プレス成形が利用され、ホットプレス成形やコールドプレス成形などの成形方法を利用できる。
本発明においては、とりわけコールドプレスを用いたプレス成形が好ましい。コールドプレス法は、例えば、第１の所定温度に加熱した複合材料を第２の所定温度に設定された成形型内に投入した後、加圧・冷却を行う。
具体的には、複合材料を構成する熱可塑性のマトリクス樹脂が結晶性である場合、第１の所定温度は融点以上であり、第２の所定温度は融点未満である。熱可塑性のマトリクス樹脂が非晶性である場合、第１の所定温度はガラス転移温度以上であり、第２の所定温度はガラス転移温度未満である。すなわち、コールドプレス法は、少なくとも以下の工程Ａ−１）〜Ａ−２）を含んでいる。
工程Ａ−１）複合材料を、熱可塑性のマトリクス樹脂が結晶性の場合は融点以上分解温度以下、非晶性の場合はガラス転移温度以上分解温度以下に加温する工程。
工程Ａ−２）上記工程Ａ−１）で加温された複合材料を、熱可塑性のマトリクス樹脂が結晶性の場合は融点未満、非晶性の場合はガラス転移温度未満に温度調節された成形型に配置し、加圧する工程。
これらの工程を行うことで、複合材料の成形を完結させることができる。
上記の各工程は、上記の順番で行う必要があるが、各工程間に他の工程を含んでもよい。他の工程とは、例えば、工程Ａ−２）の前に、工程Ａ−２）で利用される成形型と別の賦形型を利用して、成形型のキャビティの形状に予め賦形する賦形工程等がある。また、工程Ａ−２）は、複合材料に圧力を加えて所望形状の成形体を得る工程であるが、このときの成形圧力については特に限定はしないが、成形型キャビティ投影面積に対して２０ＭＰａ未満が好ましく、１０ＭＰａ以下であるとより好ましい。
また、当然のことであるが、プレス成形時に種々の工程を上記の工程間に入れてもよく、例えば真空にしながらプレス成形する真空プレス成形を用いてもよい。
【実施例】
【００４０】
以下、本発明について実施例を用いて具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。【００４１】
１．以下の実施例で用いた原料は以下の通りである。
・ＰＡＮ系炭素繊維
帝人株式会社製の炭素繊維“テナックス”（登録商標）ＵＴＳ５０−２４Ｋ（平均繊維径７μｍ、繊維束幅１０ｍｍ）
以下、上記炭素繊維は、「ＵＴＳ５０」と略する場合がある。
・ポリアミド６
以下、ＰＡ６と略する場合がある。ユニチカ株式会社製Ａ１０３０【００４２】
２．本実施例における各値は、以下の方法に従って求めた。
（１）炭素繊維束の測定方法
（１−１）  複合材料から１００ｍｍ×１００ｍｍのサンプルを１枚切り出し、サンプルを５００℃に加熱した電気炉（ヤマト科学株式会社製ＦＰ４１０）の中で窒素雰囲気下で、１時間加熱してマトリクス樹脂等の有機物を焼き飛ばした。サンプルに含まれる炭素繊維から、繊維長５ｍｍ以上１００ｍｍ以下の炭素繊維Ａをピンセットでランダムに合計１２００個抽出した。【００４３】
（１−２）  抽出した全ての炭素繊維束について、１／１００ｍｇまで測定が可能な天秤を用いて個々の炭素繊維束の重量（Ｗi）を、ノギスを用いて長さを測定した。
続いて、炭素繊維束の長さと使用している炭素繊維の繊維径Ｄｉ及び炭素繊維密度（ρｃｆ）に基づき、炭素繊維束に含まれる単糸の繊維数Ｎｉを計算し、Ｌｉ／（Ｎｉ×Ｄｉ２）を炭素繊維束毎に求め、得られた値に基づいて炭素繊維束Ａ１、炭素繊維束Ａ１以外の炭素繊維Ａ２、炭素繊維Ａ３に分け、それぞれΣＷｉＡ１、ΣＷｉＡ２、及びΣＷｉＷＡ３を測定した。
炭素繊維束Ａ１の炭素繊維Ａ全量に対する体積割合（ＶｆＡ１）は、炭素繊維の密度（ρｃｆ）を用いて式（５）により求められる。ＶｆＡ１＝Σ（ＷｉＡ１／ρｃｆ）×１００／（（ΣＷｉＡ１＋ＷｉＡ２＋ＷｉＡ３）／ρｃｆ）  式（５）
炭素繊維Ａ２、炭素繊維Ａ３についての体積割合も同様である。
また、ＬＡ１／（ＮＡ１×ＤＡ１２）は上記で抽出した炭素繊維束Ａ１の重量平均繊維長ＬＡ１、炭素繊維束に含まれる単糸の繊維数ＮＡ１及び繊維径ＤＡ１から算出した。【００４４】
（１−３）炭素繊維束の測定個数については、許容誤差ε３％、信頼度μ（α）９５％、母比率ρ＝０．５（５０％）で、以下の式（４）から導き出されるｎ値から求められる。
ｎ＝Ｎ／［（ε／μ（α））２×｛（Ｎ−１）／ρ（１−ρ）｝＋１］  式（４）
ｎ：必要サンプル数
μ（α）：信頼度９５％のとき１．９６
Ｎ：母集団の大きさ
ε：許容誤差
ρ：母比率
ここで、炭素繊維体積（Ｖｆ）＝３５％の複合材料を１００ｍｍ×１００ｍｍ×厚み２ｍｍに切り出して焼き飛ばして得たサンプルの場合、母集団の大きさＮは、（１００ｍｍ×１００ｍｍ×厚み２ｍｍ×Ｖｆ３５％）÷（（Ｄｉμｍ／２）２×π×繊維長×繊維束に含まれる単糸の繊維数）で求められる。繊維径Ｄｉを７μｍ、繊維長を２０ｍｍ、繊維束に含まれる単糸数の設計を１０００本とすると、Ｎ≒９１００本となる。
このＮの値を上記式（４）に代入して計算すると、約９６０本となる。本実施例においては、信頼度を高めるため、やや多めの１２００本抽出して測定することとした。【００４５】
（２）複合材料中に含まれる炭素繊維束Ａ１の重量平均繊維長ＬＡ１
（１−２）で測定した炭素繊維束の繊維長から、次式により重量平均繊維長ＬＡ１を算出した。
重量平均繊維長＝（ΣＬｉ２）／（ΣＬｉ）・・・式（１）【００４６】
（３）取出した炭素繊維集合体の目付
複合材料から１００ｍｍ×１００ｍｍのサンプルを５枚切り出し、サンプルを５００℃に加熱した電気炉の中で窒素雰囲気下で、１時間程度加熱してマトリクス樹脂等の有機物を焼き飛ばして炭素繊維集合体を得た。その炭素繊維集合体の重量を天秤で測定して各サンプルの目付を求め、さらにその５枚の平均値を算出した。【００４７】
（４）炭素繊維束Ａ１の平均厚みＴＡ１と平均幅ＷＡ１
（１−２）で抽出した炭素繊維束Ａ１各々について、ノギスを用いて炭素繊維束Ａ１の厚みと幅を１２００個測定し、平均厚みＴＡ１と平均幅ＷＡ１を算出した。【００４８】
（５）複合材料に含まれる炭素繊維体積割合（Ｖｆ）
複合材料から１００ｍｍ×１００ｍｍのサンプルを１枚切り出し、サンプルを５００℃に加熱した電気炉の中で窒素雰囲気下で、１時間程度加熱してマトリクス樹脂等の有機物を焼き飛ばし、処理前後の試料の重量を秤量することによって炭素繊維分と熱可塑性のマトリクス樹脂の重量を算出した。次に、各成分の比重を用いて、炭素繊維と熱可塑性のマトリクス樹脂の体積割合を算出した。
式（２）  Ｖｆ＝１００×炭素繊維体積／（炭素繊維体積＋熱可塑性のマトリクス樹脂体積）【００４９】
（６）炭素繊維集合体を厚みＴｆに圧縮したときの反力Ｐ
複合材料から１００ｍｍ×１００ｍｍのサンプルを２５枚切り出し、サンプルを５００℃に加熱した電気炉（ヤマト科学株式会社製ＦＰ４１０）の中で窒素雰囲気下で、１時間程度加熱してマトリクス樹脂等の有機物を焼き飛ばして炭素繊維集合体を得た。次いで、そのサンプルの重量を天秤で測定し、各々の目付を算出し、さらに次式に定義する厚みＴｆを算出した。
Ｔｆ：（炭素繊維集合体の目付÷炭素繊維密度）×３（ｍｍ）
次に、各々のサンプルをロードセル付のハンドプレス機によりＴｆまで圧縮し、そのときの荷重値より反力Ｐｉを算出し、その２５点の平均値を反力Ｐとし、２５点の変動係数も次式より算出した。
反力の変動係数＝１００×反力の標準偏差／反力の平均値  式（３）【００５０】
（７）引張強度
ウォータージェットを用いて複合材料から試験片を２５点切出し、ＪＩＳ  Ｋ  ７１６４（２００５）を参考として、インストロン社製の５９８２Ｒ４４０７万能試験機を用いて、引張試験を行った。試験片の形状はＡ形試験片とした。チャック間距離は１１５ｍｍ、試験速度は２ｍｍ／ｍｉｎとした。各々の測定値より平均値と変動係数を次式より算出した。
引張強度の変動係数＝１００×引張強度の標準偏差／引張強度の平均値  式（６）【００５１】
（８）未含浸繊維束数
複合材料から５０ｍｍ×５０ｍｍのサンプルを１点切り出し、その１辺の断面を＃２０００のサンドペーパーで磨き、さらにコンパウンドを用いてバフ仕上げをして、未含浸繊維束数測定用のサンプルを作製した。そのサンプルを光学顕微鏡を用いて３００倍の倍率で５０ｍｍ幅全て観察し、熱可塑性のマトリクス樹脂が炭素繊維束内に含浸していない炭素繊維束を全て抽出し、未含浸繊維束数とした。【００５２】
［実施例１］
熱可塑性樹脂として、ユニチカ株式会社製のナイロン６樹脂Ａ１０３０（ＰＡ６と呼ぶ場合がある）を供給機を用いて、供給機下に設置した、一方向へ連続的に動く通気性支持体へ、目付が７４０ｇ／ｍ２となるように散布・定着させ、１層目の熱可塑性樹脂の集合体を得た。
次いで、炭素繊維として、帝人株式会社製の炭素繊維“テナックス”（登録商標）ＵＴＳ５０−２４Ｋ（平均繊維直径７μｍ、単糸数２４，０００本、炭素繊維のストランド厚み１８０μｍ（ノギス測定））からなる長繊維を１８０℃の加熱バーに複数本通過させることによって２８ｍｍまで拡幅処理し、次いで１ｍｍピッチのロータリースリットを用いて分繊処理し、さらにロータリーカッターを用いて定長カット処理して、ロータリーカッター直下に設置した、下部に吸引機構を有する一方向へ連続的に動く通気性支持体上に予め作製した熱可塑性樹脂集合体上に散布・定着させ、散布・定着された炭素繊維（「炭素繊維散布体」とも呼ぶ。）を得た。
さらに、ＰＡ６を供給機を用いて、炭素繊維散布体上へ、目付が７４０ｇ／ｍ２となるように散布・定着させ、２層目の熱可塑性樹脂の集合体を設け、熱可塑性樹脂／炭素繊維散布体／熱可塑性樹脂の順で積層した複合組成物を得た。
作製した複合組成物は、最狭クリアランスを複合材料の理論厚みＴｍ（２．０ｍｍ）に対して１．０倍に設定した圧縮含浸装置を用い、圧力０．８ＭＰａ下で、３００℃までの昇温時間６分、３００℃での保持時間１分で加熱して熱可塑性樹脂を炭素繊維散布体へ含浸させ、冷却して複合材料を得た。なお、圧縮含浸装置は上型と下型を備えており、上型と下型の距離が最も狭くなるときのクリアランスを最狭クリアランスとした。
複合材料から炭素繊維集合体を取り出して調べたところ、炭素繊維束Ａ１の割合は９０ｖｏｌ％、重量平均繊維長ＬＡ１は２０ｍｍ、ＬＡ１／（ＮＡ１×ＤＡ１２）は４４０、平均束幅ＷＡ１は０．９ｍｍ、平均束厚みＴＡ１は５０μｍ、炭素繊維Ａ２の割合は１０ｖｏｌ％、炭素繊維Ａ３の割合は０ｖｏｌ％、目付は１２５０ｇ／ｍ２、厚みＴｆに圧縮したときの反力Ｐは０．２５ＭＰａ、反力Ｐの変動係数は８％であった。
得られた複合材料の炭素繊維体積割合Ｖｆは３５％、引張強度は４３０ＭＰａ、引張強度の変動係数は４％、５０ｍｍ幅の断面に存在する未含浸束数は３０個であった。
結果を表１に示す。【００５３】
［実施例２］
拡幅処理後に、炭素繊維Ａの炭素繊維束形態固定剤として、ダイセル・エボニック株式会社製共重合ナイロンベスタメルト２５０−Ｐ１を粉末形態で炭素繊維上に塗布し溶融固化させ、ロータリースリットのピッチを０．５ｍｍとした以外は、実施例１と同様の方法で複合材料を作製した。なお、固定剤の付着量は炭素繊維Ａ全量に対して１．５重量％とした。
複合材料から炭素繊維集合体を取り出して調べたところ、炭素繊維束Ａ１の割合は９５ｖｏｌ％、重量平均繊維長ＬＡ１は２０ｍｍ、ＬＡ１／（ＮＡ１×ＤＡ１２）は８００、平均束幅ＷＡ１は０．５ｍｍ、平均束厚みＴＡ１は５０μｍ、炭素繊維Ａ２の割合は５ｖｏｌ％、炭素繊維Ａ３の割合は０ｖｏｌ％、目付は１２７０ｇ／ｍ２、厚みＴｆに圧縮したときの反力Ｐは０．１０ＭＰａ、反力Ｐの変動係数は７％であった。
また、得られた複合材料について調べたところ、炭素繊維体積割合Ｖｆは３６％、引張強度は４２０ＭＰａ、引張強度の変動係数は４％、５０ｍｍ幅断面に存在する未含浸束数は５５個であった。結果を表１に示す。【００５４】
［実施例３］
ロータリーカッターの直下に管体を設け、管体内の小孔より圧縮空気を１０ｍ／秒の風速で炭素繊維に吹き付ける工程を追加した以外は、実施例１と同様の方法で複合材料を作製した。
複合材料から炭素繊維集合体を取り出して調べたところ、炭素繊維束Ａ１の割合は８１ｖｏｌ％、重量平均繊維長ＬＡ１は２０ｍｍ、ＬＡ１／（ＮＡ１×ＤＡ１２）は８３０、平均束幅ＷＡ１は０．６ｍｍ、平均束厚みＴＡ１は４０μｍ、炭素繊維Ａ２の割合は１９ｖｏｌ％、炭素繊維Ａ３の割合は０ｖｏｌ％、目付は１２６０ｇ／ｍ２、厚みＴｆに圧縮したときの反力Ｐは０．３０ＭＰａ、反力Ｐの変動係数は１０％であった。得られた複合材料について調べたところ、炭素繊維体積割合Ｖｆは３５％、引張強度は４５０ＭＰａ、引張強度の変動係数は５％、５０ｍｍ幅断面に存在する未含浸束数は２０個であった。結果を表１に示す。【００５５】
［実施例４］
通気性支持体下部の吸引機構を設けないこと以外は、実施例１と同様の方法で複合材料を作製した。
複合材料から炭素繊維集合体を取り出して調べたところ、炭素繊維束Ａ１の割合は９０ｖｏｌ％、重量平均繊維長ＬＡ１は２０ｍｍ、ＬＡ１／（ＮＡ１×ＤＡ１２）は３３０、平均束幅ＷＡ１は１．０ｍｍ、平均束厚みＴＡ１は６０μｍ、炭素繊維Ａ２の割合は９ｖｏｌ％、炭素繊維Ａ３の割合は１ｖｏｌ％、目付は１２３０ｇ／ｍ２、厚みＴｆに圧縮したときの反力Ｐは０．３０ＭＰａ、反力Ｐの変動係数は１２％であった。吸引機構を設けなかったため、板厚方向に配向する炭素繊維の割合が、実施例３に比べて多くなっていた。
また、得られた複合材料について調べたところ、炭素繊維体積割合Ｖｆは３４％、引張強度は４００ＭＰａ、引張強度の変動係数は５％、５０ｍｍ幅断面に存在する未含浸束数は３５個であった。結果を表１に示す。【００５６】
［実施例５］
圧縮含浸装置の最狭クリアランスを複合材料の理論厚みＴｍ２．０ｍｍに対して１．２倍に設定した以外は、実施例３と同様の方法で複合材料を作製した。
複合材料から炭素繊維集合体を取り出して調べたところ、炭素繊維束Ａ１の割合は８１ｖｏｌ％、重量平均繊維長ＬＡ１は２０ｍｍ、ＬＡ１／（ＮＡ１×ＤＡ１２）は８３０、平均束幅ＷＡ１は０．６ｍｍ、平均束厚みＴＡ１は４０μｍ、炭素繊維Ａ２の割合は１９ｖｏｌ％、炭素繊維Ａ３の割合は０ｖｏｌ％、目付は１２７０ｇ／ｍ２、厚みＴｆに圧縮したときの反力Ｐは０．３０ＭＰａ、反力Ｐの変動係数は１０％であった。
また、得られた複合材料について調べたところ、炭素繊維体積割合Ｖｆは３５％、引張強度は４３０ＭＰａ、引張強度の変動係数は５％、５０ｍｍ幅断面に存在する未含浸束数は５０個であった。結果を表１に示す。【００５７】
［実施例６］
圧縮含浸装置の最狭クリアランスを複合材料の理論厚みＴｍ２．０ｍｍに対して０．９５倍に設定した以外は、実施例３と同様の方法で複合材料を作製した。
複合材料から炭素繊維集合体を取り出して調べたところ、炭素繊維束Ａ１の割合は８１ｖｏｌ％、重量平均繊維長ＬＡ１は２０ｍｍ、ＬＡ１／（ＮＡ１×ＤＡ１２）は８３０、平均束幅ＷＡ１は０．６ｍｍ、平均束厚みＴＡ１は４０μｍ、炭素繊維Ａ２の割合は１９ｖｏｌ％、炭素繊維Ａ３の割合は０ｖｏｌ％、目付は１２５０ｇ／ｍ２、厚みＴｆに圧縮したときの反力Ｐは０．３０ＭＰａ、反力Ｐの変動係数は１０％であった。
また、得られた複合材料について調べたところ、炭素繊維体積割合Ｖｆは３５％、引張強度は４６０ＭＰａ、引張強度の変動係数は４％、５０ｍｍ幅断面に存在する未含浸束数は１０個であった。結果を表１に示す。【００５８】
［比較例１］
ロータリーカッター直下に設けた管体内の小孔から吹き出す圧縮空気の風速を１００ｍ／秒とした以外は、実施例３と同様の方法で複合材料を作製した。
複合材料から炭素繊維集合体を取り出して調べたところ、炭素繊維束Ａ１の割合は６０ｖｏｌ％、重量平均繊維長ＬＡ１は２０ｍｍ、ＬＡ１／（ＮＡ１×ＤＡ１２）は１３００、平均束幅ＷＡ１は０．４ｍｍ、平均束厚みＴＡ１は４０μｍ、炭素繊維Ａ２の割合は４０ｖｏｌ％、炭素繊維Ａ３の割合は０ｖｏｌ％、目付は１２４０ｇ／ｍ２、厚みＴｆに圧縮したときの反力Ｐは１．１０ＭＰａ、反力Ｐの変動係数は１２％であった。圧縮空気の風速を大きくしたため、炭素繊維Ａ２の割合が増加し、炭素繊維の緻密性が上がったために、その結果反力Ｐが１．００ＭＰａを超えた。
また、得られた複合材料について調べたところ、炭素繊維体積割合Ｖｆは３６％、引張強度は３５０ＭＰａ、引張強度の変動係数は８％、５０ｍｍ幅断面に存在する未含浸束数は１２０個であった。結果を表２に示す。【００５９】
［比較例２］
ロータリースリットのピッチを２．０ｍｍとした以外は、実施例１と同様の方法で複合材料を作製した。
複合材料から炭素繊維集合体を取り出して調べたところ、炭素繊維束Ａ１の割合は９１ｖｏｌ％、重量平均繊維長ＬＡ１は２０ｍｍ、ＬＡ１／（ＮＡ１×ＤＡ１２）は１５０、平均束幅ＷＡ１は１．５ｍｍ、平均束厚みＴＡ１は９０μｍ、炭素繊維Ａ２の割合は１ｖｏｌ％、炭素繊維Ａ３の割合は８ｖｏｌ％、目付は１２４０ｇ／ｍ２、厚みＴｆに圧縮したときの反力Ｐは０．０３ＭＰａ、反力Ｐの変動係数は２５％であった。スリット幅が広がったことにより、炭素繊維Ａ３の割合が増加し、相対的に炭素繊維束の数が減少したため、目的の反力を得ることが出来なかった。
また、得られた複合材料について調べたところ、炭素繊維体積割合Ｖｆは３６％、引張強度は３２０ＭＰａ、引張強度の変動係数は１０％、５０ｍｍ幅断面に存在する未含浸束数は１６０個であった。結果を表２に示す。【００６０】
［比較例３］
炭素繊維束形態固定剤の付着量を炭素繊維Ａ全量に対して３．０重量％、及びロータリースリットのピッチを１．５ｍｍとした以外は、実施例２と同様の方法で複合材料を作製した。
複合材料から炭素繊維集合体を取り出して調べたところ、炭素繊維束Ａ１の割合は１００ｖｏｌ％、重量平均繊維長ＬＡ１は２０ｍｍ、ＬＡ１／（ＮＡ１×ＤＡ１２）は２２０、平均束幅ＷＡ１は１．５ｍｍ、平均束厚みＴＡ１は６０μｍ、炭素繊維Ａ２の割合は０ｖｏｌ％、炭素繊維Ａ３の割合は０ｖｏｌ％、目付は１２７０ｇ／ｍ２、厚みＴｆに圧縮したときの反力Ｐは０．０３ＭＰａ、反力Ｐの変動係数は１２％であった。
また、得られた複合材料について調べたところ、炭素繊維体積割合Ｖｆは３４％、引張強度は３３０ＭＰａ、引張強度の変動係数は７％、５０ｍｍ幅断面に存在する未含浸束数は１５０個であった。結果を表２に示す。【００６１】
［比較例４］
拡幅幅を２０ｍｍ、およびロータリーカッター直下に設けた管体内の小孔から吹き出す圧縮空気の風速を４０ｍ／秒とした以外は、実施例３と同様の方法で複合材料を作製した。
複合材料から炭素繊維集合体を取り出して調べたところ、炭素繊維束Ａ１の割合は９０ｖｏｌ％、重量平均繊維長ＬＡ１は２０ｍｍ、ＬＡ１／（ＮＡ１×ＤＡ１２）は４２０、平均束幅ＷＡ１は０．８ｍｍ、平均束厚みＴＡ１は６０μｍ、炭素繊維Ａ２の割合は９ｖｏｌ％、炭素繊維Ａ３の割合は１ｖｏｌ％、目付は１２４０ｇ／ｍ２、厚みＴｆに圧縮したときの反力Ｐは０．０４ＭＰａ、反力Ｐの変動係数は１７％であった。
また、得られた複合材料について調べたところ、炭素繊維体積割合Ｖｆは３５％、引張強度は３５０ＭＰａ、引張強度の変動係数は９％、５０ｍｍ幅断面に存在する未含浸束数は１３０個であった。結果を表２に示す。【００６２】
【表１】
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【００６３】
【表２】
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【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明の複合材料及びこれを成形して得られた成形体は、各種構成部材、例えば自動車の構造部材、また各種電気製品、機械のフレームや筐体等、衝撃吸収が望まれるあらゆる部位、特に好ましくは、自動車部品として利用できるプレス成形体の製造に用いることができる。【００６５】
本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
本出願は、２０１７年１１月２９日出願の日本特許出願（特願２０１７−２２９６６６）及び２０１８年８月８日出願の日本特許出願（特願２０１８−１４９７９１）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
【符号の説明】
【００６６】
１０１  反力Ｐ
１０２  熱可塑性樹脂
１０３  炭素繊維集合体
１０４  圧縮含浸装置における下側
【図１】
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【国際調査報告】
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