(57)【要約】  軽量化と剥離抑制を両立する複合材料を提供すること。  母材中に第１方向Ｘに繊維１６Ｃが配向されている本体部１６Ａと、本体部１６Ａの第１方向Ｘにおける端部に繋げて一体的に設けられ、第１方向Ｘに対して鋭角をなす第２方向Ｘ１に、本体部１６Ａの繊維と連続する繊維１６Ｃが配向されている応力緩和部１６Ｂと、を備える複合材料。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合材料であって、
母材中に、第１方向に沿って第１繊維が配向されている本体部と、
前記本体部の前記第１方向における端部に繋げて一体的に設けられ、前記第１方向に対して鋭角をなす第２方向に沿って、前記第１繊維と連続する第２繊維が配向されている応力緩和部と、
を備える複合材料。
【請求項２】
前記第１方向と前記第２方向がなす角度は、２０度以上であることを特徴とする請求項１に記載の複合材料。
【請求項３】
前記第１方向における前記応力緩和部の剛性は、前記第１方向における前記本体部の剛性の半分以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の複合材料。
【請求項４】
前記第１繊維及び第２繊維は、炭素を含むことを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の複合材料。
【請求項５】
前記第２繊維の端面は、前記第１方向を向いていることを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の複合材料。
【請求項６】
複合材料であって、
母材中に、
第１方向に沿って第１繊維が配向されている第１本体部と、
前記第１本体部の前記第１方向における一端部に繋げて一体的に設けられ、前記第１方向に垂直な第３方向を向いた直線を接線として含む曲線に沿って、前記第１繊維に連続する第２繊維が配向されている応力緩和部と、
を備える複合材料。
【請求項７】
前記第１本体部には、前記第１本体部の前記第１方向における他端部に向かう第４方向に沿って、前記第２繊維に連続する第３繊維が配向されていることを特徴とする請求項６に記載の複合材料。
【請求項８】
前記曲線は、前記第１方向を向いた直線を接線として含むことを特徴とする請求項６又は７に記載の複合材料。
【請求項９】
前記母材は、
前記応力緩和部に繋げて一体的に設けられ、前記第１本体部の前記第１方向における他端部に向かう第４方向に沿って、前記第２繊維に連続する第３繊維が配向されており、前記第１本体部に積層される第２本体部を更に備える請求項６に記載の複合材料。
【請求項１０】
前記第１方向と前記第４方向は平行であることを特徴とする請求項７又は９に記載の複合材料。
【請求項１１】
前記第１方向に前記複合材料より長い第２の複合材料と、
この第２の複合材料上に積層された請求項１から１０の何れか一項に記載の複合材料と、
を備える積層構造体。
【請求項１２】
前記複合材料の前記第１方向の長さは、前記第２の複合材料から離れるにしたがって小さくなることを特徴とする請求項１１に記載の積層構造体。
【請求項１３】
請求項１１又は請求項１２に記載の積層構造体を備える航空機の翼。
【請求項１４】
複合材料の製造方法であって、
母材中に第１方向に繊維が配向される複合材料を準備するステップと、
この母材の端部を前記第１方向と垂直な方向にせん断変形させて、前記母材中に、前記第１方向に沿って第１繊維が配向されている本体部と、前記本体部の前記第１方向における端部に繋げて一体的に設けられ、前記第１方向に対して鋭角をなす第２方向に沿って、前記第１繊維と連続する第２繊維が配向されている応力緩和部と、を設けるステップと、
を含む複合材料の製造方法。
【請求項１５】
前記せん断変形後に、前記応力緩和部の一部を前記第１方向と垂直な方向に切断して、前記第１方向を向いた端面を前記第２繊維に設けるステップと、
を更に含む請求項１４に記載の複合材料の製造方法。
【請求項１６】
複合材料の製造方法であって、
層状の母材中に第１方向に繊維が配向される複合材料を準備するステップと、
前記母材の中間部を折り曲げて、前記母材中に、前記第１方向に沿って第１繊維が配向されている第１本体部と、前記第１本体部の前記第１方向における一端部に繋げて一体的に設けられ、前記第１方向に垂直な第３方向を向いた直線を接線として含む曲線に沿って、前記第１繊維に連続する第２繊維が配向されている応力緩和部と、前記応力緩和部に繋げて一体的に設けられ、前記第１本体部の前記第１方向における他端部に向かう第４方向に沿って、前記第２繊維に連続する第３繊維が配向されている第２本体部であって、前記第１本体部からなる第１層部と、前記第２本体部からなり、前記第３方向を積層方向として、前記第１層部に積層される第２層部と、前記応力緩和部からなり、前記第１層部の前記第１方向における端部及び前記第２層部の前記第１方向における端部に繋げて一体的に設けられる中間部と、を設けるステップと、
を含む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、複合材料、積層構造体、航空機の翼及び複合材料の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
複合材料は、軽量で高強度を有し、用途に応じて強度や剛性を自由に設計することができるため、航空機や人工衛星をはじめとする構造体に幅広く利用されている。このような構造体に作用する荷重や外力は、構造体上の位置に応じて一様ではない。このため、構造体上の位置に応じて、積層する複合材料の枚数を異ならせることで、その位置に必要な剛性を確保しつつ、軽量化を図ることができる。【０００３】
特許文献１には、曲げ強度、曲げ剛性及び損傷許容性を犠牲にすることなしに、ウイングスキンの重さを減少させる複合材料の積層板が記載されている。【０００４】
具体的には、主要な荷重方向に関して、縦方向に方向づけられる強化用繊維を備える第１の複数のプライと、主要な荷重方向と１５度以上３５度以下の角度に方向づけられる強化用繊維を備える第２の複数のプライからなる積層板が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−２１４０２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、積層する枚数を変動させることで厚みを変化させる際に、軽量化を重視してテーパを急峻にすると、偏心による曲げ応力が発生するため、亀裂や剥離を引き起こしやすい。特許文献１に記載されるように、繊維の配向方向が異なるプライを積層させても、依然として繊維が長手方向に配向するゼロ層の端部から亀裂や剥離が発生してしまう。【０００７】
一方で、緩やかなテーパを形成するように厚みを変化させると、材料の無駄が多くなり、構造体の重量が増加してしまう。例えば、１：５０から１：１００の緩やかなテーパを設ける場合、１：５の急峻なテーパと比較して、３０％以上の重量増加を招く場合がある。【０００８】
そこで本発明は、層間剥離の抑制と軽量化を両立することが可能になる複合材料、積層構造体、航空機の翼及び複合材料の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様に係る複合材料は、母材中に、第１方向に沿って第１繊維が配向されている本体部と、この本体部の第１方向における端部に繋げて一体的に設けられる応力緩和部を備える。本体部の第１繊維と連続する応力緩和部の第２繊維は、第１方向に対して鋭角をなす第２方向に沿って配向されている。【００１０】
この態様によれば、第１方向に第１繊維が配向されている本体部を備えているので、第１方向に対する弾性率を維持する一方で、第１方向に対して鋭角をなす第２方向に、第１繊維と連続する第２繊維が配向されている応力緩和部を備えているので、端部における第１方向の弾性率は小さくなる。このため、このような複合材料を例えば積層させた際に、端部が高い弾性率であることに起因して、端部に発生する応力集中を緩和し、剥離を抑制することが可能になる。また、第１繊維と第２繊維は連続しているので、この境界に応力が集中することも回避される。【００１１】
さらに、加熱成形や環境の温度変化等に起因して発生する残留応力を緩和することも可能になる。【００１２】
本発明の他の態様に係る複合材料は、母材中に、第１方向に沿って第１繊維が配向されている第１本体部と、第１本体部の第１方向における一端部に繋げて一体的に設けられ、第１方向に垂直な第３方向を向いた直線を接線として含む曲線に沿って、第１繊維に連続する第２繊維が配向されている応力緩和部と、を備える。【００１３】
この態様によれば、第１方向に垂直な第３方向を向いた直線を接線として含む曲線に沿って、第１繊維に連続する第２繊維が配向されている応力緩和部を備えるから、第１方向における第１方向に対する弾性率を維持する一方で、応力緩和部における第１方向を含む多方向における弾性率が小さくなる。このため、このような複合材料を例えば積層させた際に、応力緩和部に相当する部分が高い弾性率であることに起因して、この部分に発生する応力集中を緩和し、剥離を抑制することが可能になる。【００１４】
さらに、応力緩和部に繋げて一体的に設けられ、第１本体部の第１方向における他端部に向かう第４方向に沿って、第２繊維に連続する第３繊維が配向されており、第１本体部に積層される第２本体部を更に備えてもよい。【００１５】
あるいは、第１本体部中に、第２繊維に連続する第３繊維が第４方向に配向されていてもよい。【００１６】
これら態様によれば、第４方向に対する弾性率を維持することも可能になる。第４方向は、第１方向と鋭角をなしてもよいし、第１方向と平行であってもよい。【００１７】
応力緩和部における第２繊維の配向を示す曲線は、円弧であってもよいし、楕円その他の曲線であってもよいが、第１繊維及び第３繊維と連続して滑らかに接続することが好ましい。ただし、一部直線状の部分（例えば、曲率半径が大きい曲線）が含まれていてもよい。【００１８】
また、本発明の他の態様に係る積層構造体は、第１方向に上記複合材料より長い第２の複合材料と、この第２の複合材料上に積層された上記複合材料とを備える。【００１９】
この態様によれば、第２の複合材料上に積層される複合材料として上記のような応力緩和部を備える複合材料を用いることができるから、端部において発生する応力集中を緩和することが可能になり、その結果、第２の複合材料との間の剥離を抑制することが可能になる。【００２０】
なお、第２の複合材料が備える繊維は、必ずしも第１方向に配向されていなくてもよく、異なる方向（たとえば、９０度または±４５度）に配向されていてもよい。【００２１】
また、異なる方向に配向された繊維を備える複合材料を、上記複合材料との間隙または上下に更に積層させてもよい。たとえば、上記複合材料の上に、＋４５度に配向された繊維を備える別の複合材料、−４５度に配向された繊維を備えるさらに別の複合材料、９０度に配向された繊維を備えるさらに別の複合材料を順番に積層させてもよい。【００２２】
また、繊維は、複合材料間で同じ材質のものを用いてもよく、例えば、ガラス繊維や炭素強化繊維を繊維として用いることができる。また、樹脂についても、複合材料間で同じ材質のものを用いてもよく、例えば、エポキシ樹脂やカーボン樹脂を樹脂として用いることができる。【００２３】
また、本発明の他の態様に係る航空機の翼は、上記のような積層構造体を備える。【００２４】
また、本発明の他の態様は、複合材料の製造方法である。そして、母材中に第１方向に繊維が配向される複合材料を準備するステップと、この複合材料の端部を第１方向と垂直な方向にせん断変形させて、母材中に、第１方向に沿って第１繊維が配向されている本体部と、この本体部の第１方向における端部に繋げて一体的に設けられ、第１方向に対して鋭角をなす第２方向に沿って、第１繊維と連続する第２繊維が配向されている応力緩和部を設けるステップを含む。【００２５】
なお、せん断変形させた後に、この応力緩和部の一部を第１方向と垂直な方向に切断して、第２繊維の端面が、第２方向ではなく、第１方向を向くようにしてもよい。【００２６】
また、本発明の他の態様に係る複合材料の製造方法は、母材中に第１方向に繊維が配向される複合材料を準備するステップと、母材の第１方向における中間部を折り曲げて、母材中に、第１方向に沿って第１繊維が配向されている第１本体部と、第１本体部の第１方向における一端部に繋げて一体的に設けられ、第１方向に垂直な第３方向を向いた直線を接線として含む曲線に沿って、第１繊維に連続する第２繊維が配向されている応力緩和部と、この応力緩和部に繋げて一体的に設けられ、第１本体部の第１方向における他端部に向かう第４方向に沿って、第２繊維に連続する第３繊維が配向されており、第１本体部に積層される第２本体部と、を設けるステップと、
を含む。【００２７】
この態様によれば、第１方向に垂直な第３方向を向いた直線を接線として含む曲線に沿って、第１繊維に連続する第２繊維が配向されている応力緩和部を設けることができるから、第１方向における第１方向に対する弾性率を維持する一方で、応力緩和部における第１方向の弾性率は小さくなる。このため、このような複合材料を例えば積層させた際に、応力緩和部に相当する部分が高い弾性率であることに起因して、この部分に発生する応力集中を緩和し、剥離を抑制する複合材料を製造することが可能になる。【００２８】
なお、中間部とは、端部ではない部分をいい、母材の両端を二等分する部分に限られない。従って、第１本体部の第１方向における長さと、第２本体部の第１方向における長さは、異なっていてもよい。また、折り曲げる部分は、必ずしも第１方向に垂直でなくてもよい。第１方向に対して鋭角で折り曲げることにより第４方向を調整することも可能になる。また、その後、必要に応じて複合材料を切断することにより、所望の形状の複合材料を得ることもできる。【００２９】
また、第３方向は、積層方向であってもよいが、第１方向に垂直な面内方向であってもよい。母材は、層状をなしていることが好ましいが、それに限られるものではない。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、層間剥離の抑制と軽量化を両立することが可能になる複合材料、積層構造体、航空機の翼及び複合材料の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１Ａ】第１実施形態に係る積層構造体１０の平面図
【図１Ｂ】第１実施形態に係る積層構造体１０の正面図
【図２Ａ】比較例に係る積層構造体１００の平面図
【図２Ｂ】比較例に係る積層構造体１００の正面図
【図３Ａ】引張試験の対象となる比較例に係る積層構造体２００の正面図
【図３Ｂ】引張試験の対象となる比較例に係る積層構造体３００の正面図
【図３Ｃ】引張試験の対象となる本発明に係る積層構造体２０の正面図
【図３Ｄ】引張試験の対象となる本発明に係る積層構造体３０の正面図
【図４Ａ】積層構造体２００の一部拡大図
【図４Ｂ】積層構造体３００の一部拡大図
【図４Ｃ】積層構造体２０の一部拡大図
【図４Ｄ】積層構造体３０の一部拡大図
【図５】引張試験の実験結果を示すグラフ
【図６】変形例５に係る積層構造体６０の斜視図
【図７Ａ】第２実施形態に係る積層構造体７０の平面図
【図７Ｂ】第２実施形態に係る積層構造体７０の正面図
【図８Ａ】第２実施形態の変形例に係る繊維形状７４Ｃ１’
【図８Ｂ】第２実施形態の変形例に係る繊維形状７４Ｃ２’
【図８Ｃ】第２実施形態の変形例に係る繊維形状７４Ｃ３’
【図８Ｄ】第２実施形態の変形例に係る繊維形状７４Ｃ４’
【図９Ａ】第２実施形態に係る複合材料の製造プロセスの説明図
【図９Ｂ】第２実施形態に係る複合材料の製造プロセスの説明図
【図９Ｃ】第２実施形態に係る複合材料の製造プロセスの説明図
【図１０】製造された積層構造体７０’を奥行方向から見た図
【発明を実施するための形態】
【００３２】
[第１実施形態]
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をその実施の形態のみに限定する趣旨ではない。さらに、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、さまざまな変形が可能である。
【００３３】
図１Ａは、本発明の第１実施形態に係る積層構造体１０を概念的に示す平面図であり、図１Ｂは、積層構造体１０の正面図である。図２Ａは、比較例の積層構造体１００を概念的に示す平面図であり、図２Ｂは、積層構造体１００の正面図である。
【００３４】
図１Ａ及び図１Ｂに示されるように、積層構造体１０は、土台となるプライ１２（「第２の複合材料」の一例）と、このプライ１２上に積層されているプライ１４（「複合材料」からなる「母材」の一例）と、このプライ１４上に積層されているプライ１６（「複合材料」からなる「母材」の一例）とから構成される。各プライ１２、プライ１４及びプライ１６は、ＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastic）からなるシート状の層構造をなしており、樹脂中に、所定方向に配向された繊維をそれぞれ備えている。積層構造体１０の各プライは、オートクレーブ内で加熱及び加圧されることにより一体的に成形されている。なお、積層構造体１０は、プライ１４とプライ１６の二層である必要はなく、プライ１４又はプライ１６のみでもよい。更に、他のプライが積層されていてもよい。
【００３５】
なお、積層構造体１０のプライ１２、プライ１４及びプライ１６の樹脂及び繊維の材質並びに含有量は、本発明の要旨を変更しない範囲で適宜設定することができる。樹脂は、熱可塑性又は熱硬化性のものでもよく、繊維は、炭素繊維又はガラス繊維等のものでもよい。
【００３６】
また、プライ１２、プライ１４及びプライ１６の層構造の厚みや形状も、目的等に応じて適宜設定することができる。また、プライ１２、プライ１４及びプライ１６を同じ材料から構成する必要はなく、例えば、プライ１２とプライ１４に含まれる樹脂の材質を異ならせてもよい。さらに、後に詳述するように、各プライ１２、プライ１４及びプライ１６の間、または、上下にさらに、繊維の配向が同一又は異なるプライを積層してもよい。更に、カバープライを設けてもよい。
【００３７】
図１Ａには、プライ１６の繊維１６Ｃの配向方向が示される。図に示されるように、プライ１６の一端（紙面右端）から他端の近傍までは、長手方向Ｘ（「第１方向」の一例であり、「長手方向Ｘ」または「０度方向」と呼ぶ）に平行に各繊維１６Ｃが配向されている。この、繊維１６Ｃが長手方向Ｘに沿って配向されている領域を本体部１６Ａ（「本体部」の一例）と呼ぶ。
【００３８】
また、プライ１６の各繊維１６Ｃは、長手方向Ｘの他端側の端部近傍において曲げられて、平面視において長手方向Ｘに対して鋭角をなす方向Ｘ１（「第２方向」の一例）に平行に配向されている。本実施形態においては、長手方向Ｘに対する方向Ｘ１の角度は、＋４５度である。この、繊維１６Ｃが方向Ｘ１に沿って配向されている領域を応力緩和部１６Ｂ（「応力緩和部」の一例）と呼ぶ。
【００３９】
本実施形態において、長手方向Ｘにおいて、応力緩和部１６Ｂの長さは、例えば、５ｍｍであり、本体部１６Ａの長さは、その１０倍以上の長さを有する。
【００４０】
プライ１６の下層のプライ１４も、同様の構造を備えている。具体的には、プライ１４の繊維は、プライ１４の一端から他端の近傍までは、長手方向Ｘに平行に配向され、端部近傍において曲げられて、方向Ｘ１に平行に配向されている。このため、プライ１４も、長手方向Ｘにおいてプライ１６とほぼ同じ位置に、本体部１４Ａ及び応力緩和部１４Ｂを備える。
【００４１】
なお、第１方向におけるプライ１４の長さを、プライ１６よりも長くなるように形成して、積層方向Ｚにおける積層構造体１０の厚みを異ならせるテーパ構造にしてもよい。更に、プライ１６の上にも、第１方向における長さが異なる複数のプライを積層してもよい。
【００４２】
ＣＦＲＰに代表されるＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastic）は、繊維の配向方向に高い弾性率を持つが、配向方向と異なる方向の弾性率は大きく低下する。例えば、典型的なＣＦＲＰの場合、配向方向から２０度異なる方向の弾性率は、配向方向の弾性率の半分程度に低下する。本実施形態においても、長手方向Ｘにおける、本体部１６Ａ及び本体部１４Ａの弾性率は、約２００ＧＰａであり、応力緩和部１６Ｂ及び応力緩和部１４Ｂの弾性率は５０ＧＰａ以下である。
【００４３】
また、様々な方向からの外力に対応するために、プライ１４及びプライ１６の上下に異なる方向に配向されたプライを更に積層することが好ましい。たとえば、プライ１６の上に、長手方向Ｘ及び積層方向Ｚに垂直な奥行方向Ｙ（または「９０度方向」と呼ぶ）に配向した繊維を含有するプライ、長手方向Ｘ及び奥行方向Ｙから＋４５度方向に配向した繊維を含有するプライ、長手方向Ｘ及び奥行方向Ｙから−４５度方向に配向した繊維を含有するプライを、順不同で繰り返し積層することができる。
【００４４】
土台となるプライについても、同様に、０度方向、＋４５度方向、−４５度方向、９０度方向に繊維が配向された複数のプライを繰り返し積層することができる。たとえば、プライ１４の下方に配置されるプライ１２の繊維は、長手方向Ｘの一端から他端にわたり、０度方向に配向されていてもよい。
【００４５】
プライ１２は、長手方向Ｘにおいて、プライ１６及びプライ１４より長くなるように形成されている。プライ１２の繊維は、プライ１６及びプライ１４と異なり、端部において方向Ｘ１に平行に配向されていない。しかしながら、これに限られるものではない。例えば、プライ１２が更に他のプライ上に積層されている場合に、積層方向の厚みが変化するプライ１２の繊維の端部を曲げて、長手方向Ｘと鋭角をなす方向Ｘ１に平行に配向するように構成してもよい。その場合は、プライ１２も、本体部と応力緩和部を備える。
【００４６】
なお、本実施形態においては、プライ１２、プライ１４及びプライ１６の各繊維は、プライ１２、プライ１４及びプライ１６の積層方向Ｚには、配向していない。ただし、これに限られるものではない。
【００４７】
図２Ａは、比較例に係る積層構造体１００の平面図であり、図２Ｂは、積層構造体１００の正面図である。積層構造体１００は、土台となるプライ１２０と、このプライ１２０上に積層されているプライ１４０と、このプライ１４０上に積層されているプライ１６０とから構成される。各プライ１２０、プライ１４０及びプライ１６０は、ＣＦＲＰからなるシート状の層構造をなしている。
【００４８】
ただし、積層構造体１００のプライ１６０の繊維１６０Ｃ及びプライ１４０の繊維が、長手方向Ｘの一端から他端の全域にわたり長手方向Ｘに平行に配向されている点が、積層構造体１０と異なっている。
【００４９】
ここで、本実施形態に係る積層構造体１０と、比較例に係る積層構造体１００に、それぞれ長手方向Ｘに引張荷重をかけた場合の作用効果の相違について説明する。
【００５０】
積層構造体１００の場合、プライ１４０の長手方向Ｘの弾性率は一様に高いため、所定の歪みに対して大きな応力が発生する。その結果、厚さが変化するプライ１４０の端部において、応力が集中し、下層のプライ１２０との剥離の原因となる大きなピールストレスとシアストレスが発生する。また、積層構造体１００は、厚さが変化することにともなって弾性率が積層方向でも変化するため、断面の中立軸がプライ１４０側にシフトし、引張負荷によって二次的な曲げ変形も発生する。この結果、プライ１４０の端部付近に大きな曲げモーメントが発生し、亀裂の発生と進展の要因になる。
【００５１】
一方で、積層構造体１０の場合、プライ１４の応力緩和部１４Ｂの長手方向Ｘの弾性率は、本体部１４Ａの弾性率の半分以下であるため、所定の歪みに対して発生する応力も相対的に小さい。その結果、応力緩和部１４Ｂにおける応力集中ならびにこれに伴う亀裂の発生を抑制することができる。また、応力緩和部１４Ｂを設けたため、積層方向の弾性率の変化も、積層構造体１００と比較して小さい。このため、断面の中立軸は大きく変化せず、引張負荷による２次的な曲げ変形が抑制される。この結果、プライ１４の端部付近の曲げモーメントが低減するため、積層構造体１００と比較して、亀裂の発生と進展を抑制することもできる。
【００５２】
さらに、積層構造体１０のプライ１４及びプライ１６に加えて、長手方向Ｘにおける弾性率がいずれも小さい、＋４５度方向、−４５度方向、９０度方向に繊維が配向されたプライを積層した場合であっても、依然として、長手方向Ｘにおける応力緩和部１４Ｂ及び１６Ｂが存在する領域の弾性率は、低いまま維持されるため、亀裂の発生と進展を抑制することができる。
【００５３】
以下では、本発明に係る積層構造体と、比較例に係る積層構造体の引張疲労試験の結果について説明する。
【００５４】
図３Ａは、比較例に係る積層構造体２００の正面図、図３Ｂは、比較例に係る積層構造体３００の正面図、図３Ｃは、本発明に係る積層構造体２０の正面図、図３Ｄは、本発明に係る積層構造体３０の正面図を示している。
【００５５】
また、図４Ａは、積層構造体２００の厚さ方向が変化する部分の拡大図、図４Ｂは、積層構造体３００の同拡大図、図４Ｃは、積層構造体２０の同拡大図、図４Ｄは、積層構造体３０の同拡大図を示している。
【００５６】
積層構造体２００、３００、２０及び３０は、いずれもT700SC/2592を材料とする複数枚のプライを積層した構造体であり、長手方向Ｘの長さは、１８０ｍｍ、奥行方向Ｙの長さは、１０ｍｍである。長手方向Ｘの両端は、積層方向Ｚの厚さが大きい厚肉部を形成しており、それぞれ１枚１００μｍ程度（たとえば、１２５μｍ）の厚さの１６枚のプライが積層されている。また、中央部分は、積層方向Ｚの厚さが小さい薄肉部を形成しており、８枚のプライが積層されている。
【００５７】
積層構造体２００の各プライの繊維は、０度方向、すなわち、長手方向Ｘに、一端から他端まで一様に配向されている。
【００５８】
積層構造体３００の各プライの繊維も、０度方向、すなわち、長手方向Ｘに、一端から他端まで一様に配向されている。ただし、図４Ｂに示されるように、積層構造体３００は、積層方向Ｚの変動が、積層構造体２００よりも緩やかな１０：１のテーパ（すなわち、積層方向に１ｍｍの変動に対し、長手方向Ｘに１０ｍｍの変動）を形成するように上側の８枚のプライの長手方向Ｘの長さが調整されている点が、テーパがほとんど形成されず急峻に積層方向Ｚが変動している積層構造体２００と異なる。
【００５９】
積層構造体２０は、８枚のプライが積層されている下側のプライ部２２と、８枚のプライが積層され、プライ部２２上に積層されるプライ部２４（「複合材料」の一例）
を備える。プライ部２２の各プライの繊維は、０度方向に配向している。プライ部２４は、各プライの繊維が０度方向に配向している本体部２４Ａと、繊維が曲げられ＋４５度方向に配向している応力緩和部２４Ｂを備えている。応力緩和部２４Ｂの長手方向Ｘの長さは５ｍｍである。プライ部２４の各プライは、それぞれ面内せん断変形により応力緩和部２４Ｂを設けた後に積層されたため、積層方向Ｚにおける厚さが、本体部２４Ａと比較して大きい。
【００６０】
積層構造体３０は、８枚のプライが積層されている下側のプライ部３２と、８枚のプライが積層され、プライ部３２上に積層されるプライ部３４（「複合材料」の一例）
を備える。プライ部３２の各プライの繊維は、０度方向に配向している。プライ部３４は、繊維が０度方向に配向している本体部と、本体部の端部に繋げて一体的に設けられ、本体部の繊維に連続する繊維が＋４５度方向に配向している応力緩和部を備えるプライと、繊維が０度方向に配向している本体部と、本体部の端部に繋げて一体的に設けられ、本体部の繊維に連続する繊維が−４５度方向に配向している応力緩和部を備えるプライとを交互に積層して形成されている。このため、プライ部３４は、各プライの繊維が０度方向に配向している本体部３４Ａと、繊維が曲げられ＋４５度方向又は−４５度方向に交互に配向している応力緩和部３４Ｂを備えている。応力緩和部３４Ｂの長手方向Ｘの長さは５ｍｍである。
【００６１】
このような積層構造体２００、３００、２０及び３０に対し、最大荷重は４０００Ｎ、荷重比は０．１、試験周波数は８Ｈｚの条件で引張疲労試験を実施した。
【００６２】
図５は、積層構造体２００、３００及び２０の試験結果を示しており、横軸は試験周波数で最大荷重を加えた数を示すサイクル数、縦軸は層間剥離の長さを示している。
【００６３】
この図に示されるように、積層構造体２００は、２０００回から３０００回のときに剥離が発生していることが示される。そして、剥離発生後は、荷重を加えた回数にほぼ比例して、剥離が進展し、およそ１００００回の荷重を加えた際に、４０ｍｍ以上の剥離が形成された。
【００６４】
積層構造体３００は、９０００回から１００００回のときに剥離が発生していることが示される。そして、１２０００回以降は、荷重を加えた回数に比例して、剥離が進展し、およそ１７０００回の荷重を加えた際に、５０ｍｍ以上の剥離が形成された。
【００６５】
なお、積層構造体３０についても、積層構造体２００及び３００よりも、剥離の進展が抑制されていることが確認された。具体的には、総計で１２０００回の荷重を加えても、剥離の進展は、５ｍｍ以内、すなわち、応力緩和部３４Ｂにとどまっていた。
【００６６】
積層構造体２０は、２８０００回から２９０００回のときに剥離が発生している点で、他の積層構造体３０、２００及び３００よりも格別に優れていた。その後は、剥離の進展が抑制され、剥離発生後、６０００回（総計で３４０００回）の荷重を加えても、剥離の進展は、５ｍｍ以内、すなわち、応力緩和部２４Ｂにとどまっていたことが示された。その後の３５０００回以降は、積層構造体３００と同様の程度に剥離が進展した。
【００６７】
以上述べたように、本実施形態に係る積層構造体１０、２０及び３０によれば、本体部１６Ａ、２４Ａ及び３４Ａを備えるから、長手方向Ｘの荷重に耐えることができるとともに、応力緩和部１６Ｂ、２４Ｂ及び３４Ｂを備えるから、剥離の発生及び進展を抑制することが可能になる。
【００６８】
このような積層構造体１０、２０及び３０をプリプレグを用いて製造する方法について、以下に説明する。なお、以下は、製造方法の一態様に過ぎず、積層構造体１０、２０及び３０は、異なる方法で製造することもできる。例えば、ドライファイバーを用いて積層した後に、樹脂を含浸させて成形させてもよい。その他、公知の製造技術（ＲＴＭ（Resin Transfer Molding）、ＲＦＩ（Resin Film Infusion）、ＣＰＭ（Compression Press Molding）、ＦＷ（Filament Winding）、ＬＦＴ（Long Fiber Thermoplastic）等）を用いて本発明に係る複合材料及び積層構造を製造することができる。
【００６９】
まず、一定の方向に繊維が配向されているシート状のプリプレグを準備する。例えば、ＣＦＲＰのプリプレグを母材として用いることができる。
【００７０】
次いで、このようなプリプレグの端部（たとえば、プリプレグの端面から５ｍｍ〜１０ｍｍ以内の領域）を、繊維の配向方向に垂直な面内方向にせん断変形させて、本体部及び応力緩和部に相当する領域を設ける。せん断変形させるための方法としては、例えば、繊維の配向方向を一定に維持する本体部に相当する領域を把持固定し、自由端となる端部を把持して繊維の配向方向に垂直な面内方向に移動させることで、プリプレグの端部をせん断変形させることができる。せん断方向への移動量を変更することで、繊維の配向方向を調整することが可能である。例えば、プリプレグの端面から１０ｍｍ以内の領域をせん断変形させる場合に、繊維の配向方向に垂直な面内方向に概ね１０ｍｍ移動させることで、４５度方向に配向方向を変化させることができる。このようなせん断変形させるための手段として、自動積層装置が備えるロボットを用いることも可能であるし、加熱しながら手動で変形させてもよい。
【００７１】
なお、上述したように、複合材料は、繊維の配向方向について大きな弾性率を発揮する一方で、配向方向と異なる方向については弾性率が急減する。例えば、配向方向から２０度ずれると弾性率が半減し、４５度以上ずれると、ほぼ一定の低い弾性率を維持するような複合材料もある。このため、用途によっては、必ずしも正確な配向方向に繊維を曲げなくてもよい。また、同一のプリプレグ内でも、繊維間での配向方向のばらつきを許容できる場合もある。
【００７２】
以上のようなプロセスを経ることにより、繊維の配向方向が一定である本体部に相当する部分と、この本体部の繊維の配向方向における端部に繋げて一体的に設けられ、繊維が曲げられたことにより、例えば、４５度方向に沿って、繊維が配向されている応力緩和部に相当する部分を備えるプリプレグを設けることができる。
【００７３】
その後、このようなプリプレグを所望の形状に切断する。このとき、プリプレグの応力緩和部の一部（例えば、端面から５ｍｍ離れた部分）を、本体部における配向方向に垂直な方向に切断することによって、各繊維の端面を、４５度方向ではなく、本体部における繊維の配向方向である０度方向を向くように揃えることができる。
【００７４】
各繊維は、それ自体、軸方向に高い弾性率を有するところ、例えば、４５度方向に配向方向が変更された応力緩和部において、繊維の軸方向に垂直な４５度方向ではなく、繊維の軸方向から４５度傾斜した端面を設けることにより、繊維ごとに応力集中の緩和を促進することができる。ただし、本発明は、これに限られるものではなく、切断等により形状を整えた後に、せん断変形をさせてもよい。また、せん断変形以外の手段により、繊維を曲げて配向方向を変化させてもよい。
【００７５】
そして、このようなプリプレグとともに、＋４５度方向、−４５度方向、９０度方向にそれぞれ繊維が配向された複数のプリプレグを繰り返し積層する。
【００７６】
その後、オートクレーブにより加圧及び加熱することにより、本体部及び応力緩和部を備える積層構造体を一体的に成形することができる。
【００７７】
このような積層構造体は、航空機の胴体や翼、人工衛星、自動車、船舶等の輸送機器に適用することができる。
【００７８】
例えば、航空機の翼の外板底面には、アクセスホールと呼ばれる点検用の複数の開口が設けられる。このアクセスホールの周縁部は、大きな荷重がかかるため、複合材料の厚みを大きくする必要がある。その一方で、周縁部から離れ、それほど大きな荷重がかからない位置では、複合材料の厚みを小さくし、軽量化を図らなければならない。このような部分に、本実施形態に係る積層構造体を適用することにより、層間剥離の抑制と軽量化を両立することが可能になる。また、落雷等により構造体の一部が破損した際には、破損した積層構造体をはがして、新たな積層構造体を貼りなおして修理する必要があるが、本実施形態に係る積層構造体を用いることにより、貼りつけられた積層構造体が容易に剥離することを抑制することが可能になる。なお、航空機の胴体など他の部分や、船舶等の他の輸送機器の構造体にも本実施形態に係る積層構造体を適用することができる。
【００７９】
以下では、上記実施形態に係る積層構造体の変形例について説明する。
【００８０】
［変形例１］
上記実施形態に係る複合材料の長手方向Ｘの長さは、例えば、数十ｍｍ以上であったが、各複合材料及びそこに含まれる繊維は、更に短くてもよい。
【００８１】
例えば、フェムト秒レーザなどの短パルスレーザを用いることにより、ＣＦＲＰを切断できることが知られている。
【００８２】
そこで、長手方向の長さが５〜１０ｍｍ以下となるようにレーザを用いてレンガ状に切断し、切断された各粒子が整列状態を維持したまま、各粒子が、繊維の配向方向が一定の本体部と、これら繊維の配向方向が曲げられた応力緩和部を備えるような複合材料を形成することができる。この際、剛性が小さく柔軟な物質で、切断により形成された各粒子間を埋めることにより、エネルギーを吸収できるような構造にしてもよい。
【００８３】
このような複合材料は、疲労により端部から脆性破壊することが問題となるが、各粒子の端部に応力緩和部を設けて、長手方向の弾性率を小さくすることによって、応力集中を抑制できるため、端部からの脆性破壊を抑制することが可能になる。
【００８４】
［変形例２］
上記実施形態に係る複合材料を構成する各プライ（例えば、プライ１４）は、積層方向Ｚの高さが一定であった。
【００８５】
しかしながら、チャンファリングによって、応力緩和部１６Ｂの端面から本体部１６Ａに近づくにつれて積層方向Ｚの高さが次第に高くなるような構成（換言すると、プライ１２から離れるにしたがって、長手方向Ｘの長さが小さくなるような構成）としてもよい。このような構成とすることにより、一層、応力緩和部１６Ｂの長手方向Ｘの弾性率を低減することが可能になる。
【００８６】
［変形例３］
上記実施形態に係る積層構造体１０、２０及び３０は、一または複数のカバープライを備えていてもよい。このようなカバープライを設け、積層方向Ｚを向いた上面をカバープライで覆うことによって、層間剥離を一層抑制することが可能になる。
【００８７】
この際、カバープライの傾きが変動する領域において、応力緩和部を設けるようにしてもよい。
【００８８】
たとえば、図１の積層構造体にカバープライを設ける場合、カバープライのうち、本体部１６Ａ及び応力緩和部１６Ｂ上に積層される水平部分については、繊維の配向を長手方向Ｘにし、応力緩和部１６Ｂから、プライ１２に向かって傾きが変動する部分について、繊維の配向を方向Ｘ１にし、その後、傾きを維持しながらプライ１２に向かうテーパ部分については、再び繊維の配向を長手方向Ｘにし、さらに、プライ１２に到達し、再び水平方向に傾きが変動する部分については、繊維の配向を方向Ｘ１にし、そして、プライ１２の上面に沿う水平部分については、繊維の配向を長手方向Ｘにする、といった構造にすることができる。
【００８９】
このように、応力が不連続となる部分について、弾性率が低い応力緩和部を設けることによって、その部分に応力が集中することに伴う剥離の発生を抑制することが可能になる。
【００９０】
［変形例４］
上記実施形態に係る複合材料は、他の複合材からの剥離を抑制することを目的の一つとしていたが、これに限られるものではない。例えば、複合材料と、異種材料が一体的に構成される際に、異種材料から複合材料が剥離することを抑制するために、本発明を適用することができる。
【００９１】
たとえば、ＣＦＲＰ等からなるプライが積層される構造体中に、各プライ間をまたがるように、別のＣＦＲＰを斜めに配設することにより、層に平行に進む亀裂の進展を抑制する構造体が知られている。このような構造上、上層のプライとの境界と、斜めに配設されるＣＦＲＰの間の領域は、斜めに配設されるＣＦＲＰが上層のプライに近づくにつれて狭くなる。そして、先細りする先端部において応力が集中するため、斜めに配設されるＣＦＲＰとの剥離が発生する可能性がある。
【００９２】
そこで、下層のプライの先細りする先端部における繊維を曲げて、本体部の配向方向である長手方向とは異なる方向に配向方向を変更することにより、先端部の応力集中を緩和し、もって剥離を抑制することが可能になる。
【００９３】
同様に、斜めに配設されるＣＦＲＰの先端部における繊維を曲げて、本体部の配向方向とは異なる方向に配向方向を変更することにより、斜めに配設されるＣＦＲＰの先端部の応力集中を緩和することができる。
【００９４】
［変形例５］
図６は、変形例５に係る積層構造体６０の斜視図である。
【００９５】
上述した積層構造体は、荷重がかかる方向である長手方向Ｘの端部において発生する応力集中を緩和することを目的の一つとしていた。
【００９６】
しかしながら、長手方向Ｘに引張荷重が作用すると、ポアソン効果により、奥行方向Ｙに縮もうとする応力が作用する。このとき、積層構造体中に、奥行方向Ｙ、すなわち、９０度方向に配向された繊維を含むプライが存在する場合、奥行方向Ｙの変形を妨げるために自由端近傍に高い層間応力が生じ、剥離が発生しやすくなる。
【００９７】
また、引張荷重の他、熱応力に起因して奥行方向Ｙに縮もうとする熱応力が作用する場合も同様に、自由端近傍に高い層間応力が生じ、剥離が発生しやすくなる。
【００９８】
そこで、積層構造体６０は、９０度方向に配向された繊維を含むプライ６２における奥行方向Ｙ端部の自由端において、応力緩和部６２Ｂを設けている。具体的には、プライ６２は、母材中に、奥行方向Ｙに沿って第１繊維６２Ｃが配向されている本体部６２Ａと、この本体部６２Ａの奥行方向Ｙにおける端部に繋げて一体的に設けられ、奥行方向Ｙに対して鋭角をなす方向（例えば、Ｘ１方向）に沿って第１繊維６２Ｃが配向されている応力緩和部６２Ｂが設けられている。
【００９９】
なお、積層構造体６０の別の層は、長手方向Ｘの端部において発生する応力集中を緩和する応力緩和部を備えていてもよい。例えば、プライ６４は、長手方向Ｘに沿って繊維が配向されている本体部と、長手方向Ｘに対して鋭角をなす方向（例えば、Ｘ１方向）に沿ってこの繊維に連続する先端部分が配向されている応力緩和部が設けられているように構成してもよい。
【０１００】
[第２実施形態]
以下、図面を参照して本発明の第２実施形態について詳細に説明する。なお、第１実施形態と同一又は同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、第１実施形態と同様に発揮される作用効果については記載を省略又は簡略化する。
【０１０１】
図７Ａは、第２実施形態に係る積層構造体７０の平面図であり、図７Ｂは、積層構造体７０の正面図である。
【０１０２】
この図に示されるように、積層構造体７０は、少なくともプライ１２と、プライ１２上に積層されるプライ７４を備える。ただし、第１実施形態と同様に、複数の方向に繊維が配向されている複数のプライを更に積層して積層構造体７０を設けることが好ましい。
【０１０３】
プライ７４は、中央部において折り曲げられて積層された構造をしている。具体的には、長手方向Ｘに沿って繊維７４Ｃ１（「第１繊維」の一例）が配向されている第１本体部７４Ａ１と、この第１本体部７４Ａ１における長手方向Ｘにおける一端部に繋げて一体的に設けられ、繊維７４Ｃ１に連続する繊維７４Ｃ２（「第２繊維」の一例）が、曲線的に配向されている応力緩和部７４Ｂと、応力緩和部７４Ｂ（「中間部」の一例）に繋げて一体的に設けられ、第１本体部７４Ａ１の他端部に向かう長手方向Ｘ（「第４方向」の一例）に沿って、繊維７４Ｃ２に連続する繊維７４Ｃ３（「第３繊維」の一例）が配向されている第２本体部７４Ａ２が設けられている。
【０１０４】
図７Ａにおいては、繊維７４Ｃの配向方向をわかりやすく示すために、第１本体部７４Ａ１の下層になる第２本体部７４Ａ２内の繊維７４Ｃ３の配向方向も示している。
【０１０５】
図７Ａに示されるように、積層方向Ｚから見た平面視において、繊維７４Ｃ１及び繊維７４Ｃ３は、奥行方向Ｙに僅かに離間して、互いに平行に、長手方向Ｘに沿って配向されている。また、繊維７４Ｃ１及び繊維７４Ｃ３に接続される繊維７４Ｃ２は、平面視において、繊維７４Ｃ１と繊維７４Ｃ３の間隔よりも広い直径を有する円弧状の曲線となるように滑らかに曲げられている。その結果、繊維７４Ｃ２のうち、奥行方向Ｙの両端における２つの接線（図８のＬ１１及びＬ２１）が長手方向Ｘを向いており、長手方向Ｘの一端における接線（図８のＬ３１。「第３方向を向いた直線」の一例）が奥行方向Ｙを向いている。
【０１０６】
また、図７Ｂに示されるように、奥行方向Ｙから見た場合、繊維７４Ｃ１及び繊維７４Ｃ３は、積層方向Ｚに僅かに離間して、互いに平行に、長手方向Ｘに沿って配向されている。また、繊維７４Ｃ２については、緩やかな曲線を描いて繊維７４Ｃ１及び繊維７４Ｃ３に接続している。このため、繊維７４Ｃ２の長手方向Ｘの一端における接線（「第３方向を向いた直線」の一例）が積層方向Ｚを向いている。
【０１０７】
従って、応力緩和部７４Ｂにおける繊維７４Ｃ２は、螺旋状に、ループを描きながら積層方向Ｚに進行するように曲げられている。
【０１０８】
このような応力緩和部７４Ｂにおいて、繊維７４Ｃ２は、曲線を形成しているから、応力緩和部７４Ｂの弾性率は、長手方向Ｘのみならず、何れの方向においても、本体部７４Ａ１の長手方向Ｘの弾性率と比較して相対的に小さい値（例えば、半分以下）を有する。従って、例えば、方向Ｘ１の荷重など、他の方向から荷重を受けた場合であっても、応力集中を緩和することが可能になる。
【０１０９】
図８は、積層方向Ｚから見た繊維７４Ｃの形状の変形例を示している。
【０１１０】
図８Ａは、繊維７４Ｃ１’の形状を示している。積層方向Ｚからみたときに、繊維７４Ｃ１’は、繊維７４Ｃと同様の形状をしている。すなわち、繊維７４Ｃ１１’及び繊維７４Ｃ３１’は、奥行方向Ｙに僅かに離間して、互いに平行に、長手方向Ｘに沿って配向され、繊維７４Ｃ２１’は、繊維７４Ｃ１１’と繊維７４Ｃ３１’の間隔よりも広い直径を有する円弧状の曲線となるように滑らかに曲げられている。その結果、繊維７４Ｃ２１’のうち、奥行方向Ｙの両端における２つの接線Ｌ１１及びＬ２１が長手方向Ｘを向いており、長手方向Ｘの一端における接線Ｌ３１（「第３方向を向いた直線」の一例）が奥行方向Ｙを向いている。
【０１１１】
ただし、図７に示される繊維７４Ｃは、プライ７４を折り曲げることにより、本体部７４Ａ１と本体部７４Ａ２の積層構造にわたって設けられる一方で、図８Ａに示される繊維７４Ｃ１’は、単一の層からなるプライ内に設けられている。換言すると、長手方向Ｘに沿って配向される繊維７４Ｃ１１’と、長手方向Ｘに沿って配向される繊維７４Ｃ３１’とを含む単一の本体部と、この本体部の長手方向における一端部に繋げて一体的に設けられ、曲線に沿って、これら繊維７４Ｃ１１’と繊維７４Ｃ３１’に連続する繊維７４Ｃ２１’が配向されている応力緩和部を備える。
【０１１２】
このような構成においても、応力緩和部の弾性率は、長手方向Ｘのみならず、何れの方向においても、相対的に小さい値（例えば、本体部７４Ａ１の長手方向Ｘの弾性率の半分以下）を有する。従って、例えば、方向Ｘ１の荷重を受けた場合であっても、応力集中を緩和することが可能になる。
【０１１３】
なお、図７Ａに示されるのと同様に、隣り合う２つの繊維７４Ｃ１’の応力緩和部の繊維７４Ｃ２１’を重なり合うように配列してもよい。
【０１１４】
また、図８Ｂは、繊維７４Ｃ２’の形状を示している。この図に示されるように、繊維７４Ｃ２２’は、繊維７４Ｃ１２’及び繊維７４Ｃ３２’の間隔を短軸とする楕円状の曲線となるようにしてもよい。繊維７４Ｃ２２’のうち、長手方向Ｘの一端における接線Ｌ３２（「第３方向を向いた直線」の一例）が奥行方向Ｙを向いている。
【０１１５】
なお、繊維７４Ｃ１２’及び繊維７４Ｃ３２’を接続する繊維７４Ｃ２２’の曲線は、楕円や円弧またはその他の高次曲線またはそれらが複数組み合わせられたものであってもよく、かつ、一部に曲率が小さな直線状に見える部分を含んでいてもよい。また、繊維７４Ｃ１２’と繊維７４Ｃ３２’は、同一の本体部内に設けられても、折り曲げられることにより異なる本体部内に設けられていてもよい。
【０１１６】
また、図８Ｃは、繊維７４Ｃ３’の形状を示している。この図に示されるように、繊維７４Ｃ１３’と繊維７４Ｃ３３’は、積層方向Ｚからみてほぼ重なるように、繊維７４Ｃ２３’が設けられる応力緩和部で折り曲げられている。このような形状であっても、繊維７４Ｃ２３’の長手方向Ｘの一端における接線Ｌ３３は、奥行方向Ｙを向いている。
【０１１７】
また、図８Ｄは、繊維７４Ｃ４’の形状を示している。この図に示されるように、繊維７４Ｃ１４’は、長手方向Ｘに配向され、繊維７４Ｃ３４’は、長手方向Ｘに対して鋭角（例えば、４５度）をなす方向Ｘ２（「第４の方向」の一例）に配向されている。この変形例においても、繊維７４Ｃ２４’が設けられる応力緩和部で折り曲げられている。このような形状であっても、繊維７４Ｃ２４’の長手方向Ｘの一端における接線Ｌ３４は、奥行方向Ｙを向いている。また、奥行方向Ｙの両端における接線Ｌ１４及びＬ２４は、長手方向Ｘを向いている。
【０１１８】
以上述べたような構成において、繊維７４Ｃ２１’〜７４Ｃ２４’がそれぞれ設けられる各応力緩和部の弾性率は、何れの方向においても、本体部７４Ａ１の長手方向Ｘの弾性率に対して小さい値（例えば、半分以下）を有する。従って、例えば、方向Ｘ１の荷重を受けた場合であっても、応力集中を緩和することが可能になる。
【０１１９】
更に、図８Ｄに示される複合材料は、長手方向Ｘのみならず、方向Ｘ２の弾性率も高い。このため、２つの方向（長手方向Ｘ及び方向Ｘ２）に強い荷重がかかることが既知の箇所に、図８Ｄに示されるような繊維７４Ｃ４’が設けられた複合材料を好適に用いることが可能になる。なお、図８Ｃ及び図８Ｄの繊維７４Ｃ３’や７４Ｃ４’の形状を複合材料として採用する際に、母材を折り曲げる位置は、必ずしも長手方向Ｘの中央部である必要はない。例えば、第１本体部の長手方向Ｘの長さと、第２本体部の長手方向Ｘの長さを異ならせるように、長手方向Ｘの中央部から外れた位置で、母材を折り曲げてもよい。
【０１２０】
図９は、上述したような複合材料を製造するために、自動積層装置Ｍにより実行される母材を折り曲げるプロセスの一例を説明するための図である。なお、上述したように、本発明に係る複合材料及び積層構造は、様々な方法により製造することが可能であり、例えば、ドライファイバーを折り曲げて所望の積層構造を設けた後に、樹脂を含浸させるようにしてもよい。
【０１２１】
図９に示されるように、自動積層装置Ｍは、隣接する二つの円柱状のローラＲ１及びローラＲ２と、ステージＳを備えている。
【０１２２】
まず、母材中に一定方向に繊維が配向される層状のプリプレグシートＰを準備する。
【０１２３】
次いで、プリプレグシートＰの繊維の配向方向と、ローラＲ１の回転による移動方向が一致するように、プリプレグシートＰをローラＲ１とローラＲ２の間隙に通しながら、ローラＲ１を用いて、プリプレグシートＰをステージＳに対して押し付ける。この結果、ローラＲ１の移動方向と同じ方向に繊維が配向されるプリプレグシートＰが、ステージＳ上に配設される。
【０１２４】
図９Ｂは、回転することにより、ローラＲ１及びローラＲ２がそれぞれ紙面右方向に移動するとともに、ステージＳ上にプリプレグシートＰが配設された様子を示している。
【０１２５】
その後、ローラＲ１及びローラＲ２を反対方向に回転させ、ローラＲ２を用いて、プリプレグシートＰを、ローラＲ１を用いてステージＳ上に配設されたプリプレグシートＰに押し付けることで、母材の中間部の折り曲げ、ならびに、母材を積層するプロセスが実行される。
【０１２６】
図９Ｃは、反対方向に回転することにより、ローラＲ１及びローラＲ２がそれぞれ紙面左方向に移動するとともに、プリプレグシートＰが積層された様子を示している。
【０１２７】
以上のようなプロセス後、更に、異なるプリプレグシートを積層させ、その後に、オートクレーブ内で加熱及び加圧されることにより、一体的に成形された積層構造体を設けることができる。
【０１２８】
図１０は、製造された積層構造体７０’を示している。この積層構造体７０’は、プライ１２と、プライ１２上に積層された４つのプライ７４’を備えている。ここで、各プライ７４’は、プライ７４と同等の構成を備えている。具体的には、それぞれ上層の第１本体部と、下層の第２本体部と、これらを接続する応力緩和部（「中間部」の一例）を備えている。
【０１２９】
また、４つのプライ７４’は、上層ほど長手方向Ｘの長さが小さくなるように設けられている。従って、各プライ７４’の応力緩和部７４Ｂ’の長手方向Ｘの位置が異なることになる結果、積層構造体７０’は、図１０に示されるようなテーパ形状を備える。更に、これら４つのプライ７４’の積層方向Ｚ上方には、応力緩和部７４Ｂ’を覆うように、カバープライＣＰが設けられている。
【０１３０】
このような積層構造体７０’と、標準試験片とを、それぞれ引張試験にかけて、破壊したときのサイクル数を計測した。
【０１３１】
なお、プライ７４’は、８プライ分の厚みを有するため、標準試験片は、８プライを、プライ７４’と同等の５：１のテーパを有するように積層した後、カバープライＣＰを設けた構造を備えている。
【０１３２】
試験の結果、標準試験片は、約３０，０００サイクルで破壊した。
【０１３３】
一方で、積層構造体７０’は、１，０００，０００サイクル（百万サイクル）でも、亀裂すら発見されなかった。
【０１３４】
以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状及びサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、異なる実施形態で示した構成同士を部分的に置換し又は組み合わせることが可能である。
【符号の説明】
【０１３５】
１２…プライ、１４…プライ、１４Ａ…本体部、１４Ｂ…応力緩和部、１６…プライ、１６Ａ…本体部、１６Ｂ…応力緩和部、１６Ｃ…繊維、２０…積層構造体、２２…プライ部、２４…プライ部、２４Ａ…本体部、２４Ｂ…応力緩和部、３０…積層構造体、３２…プライ部、３４…プライ部、３４Ａ…本体部、３４Ｂ…応力緩和部、４０…積層構造体、６０…積層構造体、６２…プライ、６２Ａ…本体部、６２Ｂ…応力緩和部、６２Ｃ…繊維、６４…プライ、７０…積層構造体、７４…プライ、７４Ａ１…本体部、７４Ａ２…本体部、７４Ｂ…応力緩和部、７４Ｃ…繊維、７４Ｃ１、７４Ｃ１’〜７４Ｃ４’…繊維、１００…積層構造体、１２０…プライ、１４０…プライ、１６０…プライ、１６０Ｃ…繊維、２００…積層構造体、３００…積層構造体、ＡＲ…矢印、ＣＰ…カバープライ、Ｍ…自動積層装置、Ｐ…プリプレグシート、Ｒ１…ローラ、Ｒ２…ローラ、Ｓ…ステージ、Ｘ…長手方向、Ｘ１、Ｘ２…方向、Ｙ…奥行方向、Ｚ…積層方向
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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