(57)【要約】【課題】  炭素繊維の体積分率が低い炭素繊維強化プラスチック成形体、および、その製造方法を提供する。【解決手段】  単繊維６０００〜４８０００本で束ねられてなる炭素繊維束１１が撚られ、螺旋状を呈する螺旋炭素繊維束１３が所定に配列し、螺旋炭素繊維束１３間に合成樹脂が硬化してなるマトリックスを含んでなる炭素繊維強化プラスチック成形体であって、螺旋炭素繊維束１３は５〜３０回／ｍのピッチであり、炭素繊維の体積分率は５〜５０％である炭素繊維強化プラスチック成形体。【選択図】      図２
2006070153.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素繊維が束ねられてなる複数の炭素繊維束が所定に配列し、当該炭素繊維束の間に合成樹脂が硬化してなるマトリックスを含んでなる炭素繊維強化プラスチック成形体であって、
前記炭素繊維束は、螺旋状であることを特徴とする炭素繊維強化プラスチック成形体。
【請求項２】
前記炭素繊維束は、単繊維が６０００〜４８０００本で束ねられてなり、５〜３０回／ｍのピッチで螺旋状であることを特徴とする請求項１に記載の炭素繊維強化プラスチック成形体。
【請求項３】
前記炭素繊維の体積分率は、５〜５０％であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の炭素繊維強化プラスチック成形体。
【請求項４】
複数の炭素繊維束を所定に配列する第１工程と、当該所定に配列した複数の炭素繊維束に未硬化の合成樹脂を含浸する第２工程と、当該合成樹脂を硬化させながら成形する第３工程とを含み、炭素繊維が束ねられてなる複数の炭素繊維束が所定に配列し、当該炭素繊維束の間に合成樹脂が硬化してなるマトリックスを含んでなる炭素繊維強化プラスチック成形体の製造方法であって、
前記合成樹脂が硬化する前に、複数の炭素繊維束をそれぞれ撚ることを特徴とする炭素繊維強化プラスチック成形体の製造方法。
【請求項５】
前記炭素繊維束は、単繊維が６０００〜４８０００本で束ねられてなり、
５〜３０回／ｍで前記炭素繊維束を撚ることを特徴とする請求項４に記載の炭素繊維強化プラスチック成形体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素繊維強化プラスチック成形体およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維（Carbon Fiber：ＣＦ）は、高強度、高弾性率などの優れた機械的特性を有している。ところが、炭素繊維のみでは、所定の製品形状を保持することができない。そこで、炭素繊維を補強材とし、炭素繊維の隙間に充填された樹脂をマトリックスとする炭素繊維強化プラスチック（Carbon Fiber Reinforced Plastic：ＣＦＲＰ）成形体が開発され、航空機、自動車、スポーツ用品などの工業部品をはじめに、広く利用されている（特許文献１参照）。
【０００３】
例えば、図６に示すように、従来の炭素繊維強化プラスチック成形体１０１は、所定本数の炭素繊維（単繊維、フィラメント）からなる炭素繊維束（ストランド）を所定に織って補強材とし、これに未硬化の熱硬化性樹脂（エポキシ樹脂など）を含浸してなるシート状のプリプレグ１０２を、所定枚数にて重ね合わせた後、オートクレーブなどにより熱処理し成形されてなる。
【０００４】
その他、図７に示すように、従来の炭素繊維強化プラスチック成形体２０１は、多軸積層（Multi Axial）法と称される方法によって製造され、面方向および厚さ方向において、織らずに所定に配列した炭素繊維束２１１、２１１…と、合成樹脂が硬化してなるマトリックス２２０とを含んで構成されている。なお、図７に示す炭素繊維強化プラスチック成形体２０１は、断面が楕円形（長径ｄ２、短径ｄ３）を呈する炭素繊維束２１１…が、厚さ方向（図７の縦方向）に、０°／９０°／９０°／０°／０°／９０°／９０°／０°に配向し、対称面Ｐで対象に配列した場合を描いている。
【特許文献１】特開平７−４１５７５号公報（段落番号００１９〜００８６、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、図６、図７に示すような、従来の炭素繊維強化プラスチック成形体１０１、２０１においては、高価な炭素繊維の体積分率Ｖｆが高いため、炭素繊維強化プラスチック成形体１０１、２０１が非常に高価となっていた。
【０００６】
そこで、本発明は、炭素繊維の体積分率が低い炭素繊維強化プラスチック成形体、および、その製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するための手段として、請求項１に係る発明は、炭素繊維が束ねられてなる複数の炭素繊維束が所定に配列し、当該炭素繊維束の間に合成樹脂が硬化してなるマトリックスを含んでなる炭素繊維強化プラスチック成形体であって、前記炭素繊維束は、螺旋状であることを特徴とする炭素繊維強化プラスチック成形体である。
【０００８】
このような炭素繊維強化プラスチック成形体によれば、補強材となる炭素繊維束が螺旋状を呈することにより、従来の直線状の炭素繊維束に対して、嵩が高くなる。つまり、炭素繊維束が螺旋状を呈することにより、その中空部にも合成樹脂が充填されている。したがって、炭素繊維の体積分率は低下し、本発明に係る炭素繊維強化プラスチックは、従来に比べて安価となる。
なお、炭素繊維の体積分率とは、炭素繊維強化プラスチックの全体体積に対する、炭素繊維の体積割合である。
【０００９】
請求項２に係る発明は、前記炭素繊維束は、単繊維が６０００〜４８０００本で束ねられてなり、５〜３０回／ｍのピッチで螺旋状であることを特徴とする請求項１に記載の炭素繊維強化プラスチック成形体である。
【００１０】
このような炭素繊維強化プラスチック成形体によれば、炭素繊維の特性が良好に維持された炭素繊維強化プラスチック成形体を得ることができる。
【００１１】
請求項３に係る発明は、前記炭素繊維の体積分率は、５〜５０％であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の炭素繊維強化プラスチック成形体である。
【００１２】
このような炭素繊維強化プラスチック成形体によれば、炭素繊維の体積分率が５〜５０％であることにより安価となる。
【００１３】
請求項４に係る発明は、複数の炭素繊維束を所定に配列する第１工程と、当該所定に配列した複数の炭素繊維束に未硬化の合成樹脂を含浸する第２工程と、当該合成樹脂を硬化させながら成形する第３工程とを含み、炭素繊維が束ねられてなる複数の炭素繊維束が所定に配列し、当該炭素繊維束の間に合成樹脂が硬化してなるマトリックスを含んでなる炭素繊維強化プラスチック成形体の製造方法であって、前記合成樹脂が硬化する前に、複数の炭素繊維束をそれぞれ撚ることを特徴とする炭素繊維強化プラスチック成形体の製造方法である。
【００１４】
このような炭素繊維強化プラスチック成形体の製造方法によれば、合成樹脂が硬化する前に炭素繊維束をそれぞれ所定に撚ることによって、炭素繊維束の嵩は高くなる。したがって、炭素繊維の体積分率が低い炭素繊維強化プラスチック成形体を製造することができる。
なお、後記する実施形態では、炭素繊維束を撚った後に、配列し（第１工程）、合成樹脂を含浸し（第２工程）、成形する（第３工程）場合について説明する。
【００１５】
請求項５に係る発明は、前記炭素繊維束は、単繊維が６０００〜４８０００本で束ねられてなり、５〜３０回／ｍで前記炭素繊維束を撚ることを特徴とする請求項４に記載の炭素繊維強化プラスチック成形体の製造方法である。
【００１６】
このような炭素繊維強化プラスチック成形体の製造方法によれば、炭素繊維の特性が良好に維持された炭素繊維強化プラスチック成形体を製造することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、炭素繊維の体積分率が低い炭素繊維強化プラスチック成形体、および、その製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
次に、本発明の一実施形態について、図１から図５を参照して説明する。
参照する図面において、図１（ａ）は本実施形態に係る炭素繊維強化プラスチック成形体（以下、ＣＦＲＰ成形体とする）の斜視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）に示すＣＦＲＰ成形体のＸ−Ｘ断面の拡大図である。図２（ａ）は撚り前の１本の炭素繊維束（以下、ＣＦ束とする）の斜視図であり、図２（ｂ）は撚り直後の螺旋状を呈する螺旋ＣＦ束の斜視図であり、図２（ｃ）は変形後の螺旋ＣＦ束の斜視図である。図３は、本実施形態に係るＣＦＲＰ成形体の製造方法の工程図である。図４は、撚り機によるＣＦ束の撚り状況を示す斜視図である。
なお、図１（ａ）、（ｂ）においては、螺旋状の螺旋ＣＦ束の配列状況をわかりやすく示すため、図２（ｃ）における螺旋ＣＦ束に略外嵌する、断面が楕円の柱体（以下、仮想螺旋ＣＦ束とする）を想定し、この仮想ＣＦ束を図１（ａ）、（ｂ）において実線で描いている。また、図１（ａ）では、仮想ＣＦ束間の硬化した合成樹脂（マトリックス）を省略している。
【００１９】
≪ＣＦＲＰ成形体の構成≫
図１（ａ）に示すように、本実施形態に係るＣＦＲＰ成形体１は、板状を呈している。ＣＦＲＰ成形体１は、４層（段）で積層した４つの炭素繊維束配列体１０（以下、ＣＦ束配列体とする）と、ＣＦ束配列体１０を形成する螺旋ＣＦ束１３（図２（ｃ）参照）間に合成樹脂が硬化してなるマトリックス２０とを含んで構成されている。
【００２０】
＜ＣＦ束配列体＞
各層におけるＣＦ束配列体１０は、面方向に、螺旋ＣＦ束１３（図２（ｃ）参照）が所定間隔（ｄ１）で配列して構成されている。そして、最上面側のＣＦ束配列体１０の螺旋ＣＦ束１３の向き（後記する仮想螺旋ＣＦ束１３Ａの向き）を基準（０°）とした場合、厚さ方向において下面側に向かって、螺旋ＣＦ束１３が０°／９０°／９０°／０°で配向するように、４つのＣＦ束配列体１０、１０…が、４層で積層している。すなわち、本実施形態に係る螺旋ＣＦ束１３は、面方向および厚さ方向に所定に配列しているのみで、織られていない。なお、前記所定間隔（ｄ１）は、単位面積当たりのＣＦの量（目付量）に基づいて決定される。
したがって、図１（ｂ）に示すように、厚さ方向の中央を対称面（軸）Ｑとして、螺旋ＣＦ束１３の配向は対称となっており、ＣＦＲＰ成形体１の強度が高められている。
【００２１】
［螺旋ＣＦ束］
図２（ｃ）に示す螺旋ＣＦ束１３は、後記するＣＦＲＰ成形体１の製造方法で詳細に説明するように、図２（ａ）に示す直線状のＣＦ束１１が所定回数で撚られ、図２（ｂ）に示すように、撚り直後の螺旋ＣＦ束（以下、「撚り直後螺旋ＣＦ束１２」という）となった後、これに含浸された合成樹脂の重さ等により押し潰され、変形したものである。
【００２２】
さらに説明すると、本実施形態に係る撚られる前の直線状のＣＦ束１１（図２（ａ）参照）は、従来と同様（図７参照）、長径ｄ２、短径ｄ３の楕円形の断面を有している。また、「撚り直後螺旋ＣＦ束１２」（図２（ｂ）参照）は、螺旋径ｄ４を有している。つまり、「撚り直後螺旋ＣＦ束１２」に外嵌する「仮想撚り直後螺旋ＣＦ束１２Ａ」は、円形の断面を有しており、その直径はｄ４である。さらに、変形後の螺旋ＣＦ束１３（図２（ｃ）参照）に外嵌する仮想螺旋ＣＦ束１３Ａは、長径ｄ５、短径ｄ６の楕円形の断面を有している。
なお、ＣＦ束１１の長径ｄ２は、一般にＣＦ束１１の幅と称され、ＣＦ束１１の短径ｄ３は、一般にＣＦ束１１の厚さと称される。これに対応して、仮想螺旋ＣＦ束１３Ａの長径ｄ５は幅と称され、短径ｄ６は厚さと称される。また、短径ｄ６方向が、ＣＦＲＰ成形体１（図１（ａ）、（ｂ）参照）の厚さ方向に対応する。
【００２３】
このような螺旋ＣＦ束１３は、含浸した合成樹脂の重さにより、前記したように押し潰され、変形してはいるものの、螺旋状を呈している。そして、螺旋ＣＦ束１３の短径ｄ６は、撚られる前のＣＦ束１１の短径ｄ３より大きくなっている。すなわち、螺旋ＣＦ束１３は、直線状のＣＦ束１１に対して、嵩は高くなっている。さらに言い換えると、螺旋ＣＦ束１３に外嵌する仮想螺旋ＣＦ束１３Ａは、中空部を有しており、この中空部にも硬化した合成樹脂が充填され、マトリックス２０の一部を形成している。したがって、ＣＦＲＰ成形体１におけるＣＦの体積分率は低くなっている。
【００２４】
ＣＦ束１１は、単繊維（フィラメント）が所定本数にて、収束剤（サイジング剤）などにより引き揃えられた束である。なお、この収束剤により、ＣＦ束１１の毛羽立ちも抑えられている。また、束ねられる単繊維の本数は、溶融防糸する際のノズル穴数により決定される。
【００２５】
螺旋状の螺旋ＣＦ束１３のピッチは、ＣＦ束１１を構成する単繊維の数、長径ｄ２（幅）、短径ｄ３（厚さ）に対して相対的に決められる。例えば、単繊維が６０００〜４８０００本で束ねられてなるＣＦ束１１の場合、５〜３０回／ｍとすることが好ましい。
なお、螺旋ＣＦ束１３は、「撚り直後螺旋ＣＦ束１２」がその径方向に変形したものであるため、螺旋ＣＦ束１３のピッチは、「撚り直後螺旋ＣＦ束１２」のピッチと同じとなる。
【００２６】
＜マトリックス＞
マトリックス２０は、一般には、熱硬化性樹脂またはその変性体が硬化したものである。熱硬化樹脂としては、例えば、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、熱硬化性アクリル樹脂、フェノール樹脂などが挙げられる。
【００２７】
したがって、このようなＣＦＲＰ成形体１は、螺旋状の螺旋ＣＦ束１３が所定に配列してなるＣＦ束配列体１０が４層（段）で積層しており、螺旋ＣＦ束１３により形成される仮想螺旋ＣＦ束１３Ａの中空部にもマトリックス２０が充填されている。よって、ＣＦＲＰ成形体１の全体積に対して、ＣＦの体積分率Ｖｆは低くなる。その結果として、ＣＦＲＰ成形体１は、従来のＣＦＲＰ成形体１０１、２０１（図６、図７参照）に対して安価となる。
【００２８】
ＣＦの体積分率Ｖｆは、螺旋ＣＦ束１３のピッチ（回／ｍ）、螺旋ＣＦ束１３の間隔（ｄ１）などを適宜調整して、５〜５０％に設定することが好ましい。ＣＦの体積分率（Ｖｆ）をこのような範囲に設定することで、ＣＦの高強度、高弾性率などの特性を大きく失わずに、ＣＦＲＰ成形体１を安価にすることができる。したがって、このようなＣＦＲＰ成形体１の適用範囲は、従来に比べて広くなる。
【００２９】
具体的には、例えば、自動車の分野においては、所定に湾曲したＣＦＲＰ成形体１を構成し、ボンネット（フード）やリヤスポイラなどに適用できる。また、二輪車の分野においては、カウル（フェアリング）、フェンダなどに適用できる。その他、航空機およびロケットのボディ、テニスラケット、ゴルフクラブのシャフト、船体（ボート、カヌーを含む）、燃料電池自動車に搭載される高圧水素タンクの筺体などに適用できる。
【００３０】
≪ＣＦＲＰ成形体の製造方法≫
続いて、ＣＦＲＰ成形体１の製造方法について、主に図２〜図４を参照して説明する。
ＣＦＲＰ成形体１の製造方法は、ＣＦ束１１（図２（ａ）参照）に撚りを入れる撚り工程と、撚ったＣＦ束１１（つまり「撚り直後螺旋ＣＦ束１２」（図２（ｂ）参照））を所定に配列する第１工程と、所定に配列した「撚り直後螺旋ＣＦ束１２」に、未硬化の合成樹脂を含浸させる第２工程と、圧縮成形すると共に合成樹脂を硬化させる第３工程とを含んでいる。
【００３１】
＜撚り工程、ＣＦ束の撚り＞
図２（ａ）に示すように、単繊維が所定数で束ねられてなる直線状のＣＦ束１１の一端を固定したまま、ＣＦ束１１の他端を所定回数にて回転させて、ＣＦ束１１に撚りを入れ、図２（ｂ）に示すように、「撚り直後螺旋ＣＦ束１２」とする（図３、Ｓ１０１）。さらに説明すると、ＣＦ（ＣＦ束１１）はある程度の剛性を有するため、前記回転により、ＣＦ束１１は螺旋状となる。
したがって、撚れられた螺旋状を呈する「撚り直後螺旋ＣＦ束１２」は、直線状のＣＦ束１１に対して、外形は大きくなり、嵩高くなる。なお、「撚り直後螺旋ＣＦ束１２」の螺旋状態は、例えば治具などを使用して維持する。
【００３２】
ＣＦ束１１を撚る回数は、例えば、ＣＦ束１１を構成する単繊維の本数、ＣＦ束１１の長径ｄ２、短径ｄ３などに基づいて相対的に決定される。
【００３３】
さらに具体的に説明すると、例えば、単繊維が６０００〜４８０００本で束ねられてなるＣＦ束１１（長径ｄ２＝３ｍｍ、短径ｄ３＝０．０５ｍｍ〜長径ｄ２＝１７ｍｍ、短径ｄ３＝０．４ｍｍ）を撚る場合、５〜３０回／ｍで撚ることが好ましい。ＣＦ束１１を構成する単繊維の本数と、ＣＦ束１１の長径ｄ２および短径ｄ３との関係を、代表的に次の表１に示す。
この場合において、撚る回数が５回／ｍより少ないと、ＣＦ束１１が十分に螺旋状とならず、嵩高くならないからである。一方、撚る回数が３０回／ｍより多いと、「撚り直後螺旋ＣＦ束１２」の表面が毛羽立ち、つまり「撚り直後螺旋ＣＦ束１２」を構成する単繊維が部分的に破断し、ＣＦが有する弾性率などの特性が失われるからである。この場合においては、撚り回数は１０〜３０回／ｍに設定することが最適である。
【００３４】
【表１】
2006070153.tif 000003
【００３５】
［撚り機］
ここで、図４を参照して、直線状のＣＦ束１１を撚って、「撚り直後螺旋ＣＦ束１２」とする撚り機３０について説明する。
図４に示すように、撚り機３０は、直線状のＣＦ束１１が巻装された送り側のボビン３１と、巻き取り側のボビン３２と、ボビン３２を矢印Ａ２の向きで回転させるモータ３３と、巻き取り側のボビン３２を回転自在に軸支するアーム３４と、ＣＦ束１１に撚りを入れるためにアーム３４を矢印Ａ１の方向に回転させる回転手段（図示しない）とを備えている。そして、送り側のボビン３１は、図示しないアームにより、所定位置で回転自在に軸支されている。また、送り側のボビン３１と巻き取り側のボビン３２とは、所定の間隔ｄ７（例えば５ｍ）を隔てて配置されている。
【００３６】
したがって、送り側のボビン３１から直線状のＣＦ束１１を引き出し、その先端（一端）を巻き取り側のボビン３２に固定した状態で、アーム３４を回転させることで、ＣＦ束１１に撚りを入れ、「撚り直後螺旋ＣＦ束１２」とすることができる。その後、モータ３３を駆動させて、「撚り直後螺旋ＣＦ束１２」を巻き取る。このような動作を繰り返し、ＣＦ束１１に撚りを入れる。
また、アーム３４の回転回数は、例えば、ＣＦ束１１を構成する単繊維の本数と、間隔ｄ７に基づいて決定される。
なお、アーム３４を回転させずに、送り側のボビン３１を回転させる構成や、送り側、巻き取り側を共に回転させる構成としてもよい。
【００３７】
＜第１工程、螺旋ＣＦ束の配列＞
そして、「撚り直後螺旋ＣＦ束１２」を、撚られたまま所定間隔ｄ１で配列し、図１（ａ）に示す第４層（段）目のＣＦ束配列体１０を構成する。次いで、第３層目のＣＦ束配列体１０、第２層目のＣＦ束配列体１０、第１層目のＣＦ束配列体１０を、順次にＣＦが前記配向となるように積層する（図３、Ｓ１０２）。
【００３８】
＜第２工程、合成樹脂含浸＞
このようにＣＦ束配列体１０…を４層（段）に重ねたものに、後記実施例で説明するＳＭＣ含浸機などを使用し、未硬化の合成樹脂を含浸させる（図３、Ｓ１０３）。
この合成樹脂の含浸において、合成樹脂の粘度は、１００〜２００００ｍＰａ・ｓに設定する。合成樹脂の粘度が１００ｍＰａ・ｓより低いと、つまり、合成樹脂の流動性が高すぎると、配列する「撚り直後螺旋ＣＦ束１２」間に良好に充填されず、一方、合成樹脂の粘度が２００００ｍＰａ・ｓより高いと、合成樹脂をＣＦ束配列体１０に含浸しにくくなる場合があるからである。さらに、合成樹脂の粘度を、５００〜１００００ｍＰａ・ｓに設定することで、より好適に「撚り直後螺旋ＣＦ束１２」間に合成樹脂を含浸（充填）させることができる。
合成樹脂は、一般には、前記した熱硬化性樹脂またはその変性体を使用する。
【００３９】
＜第３工程、圧縮成形および合成樹脂の硬化＞
次いで、合成樹脂が充填された４層構造のＣＦ束配列体１０を、所定の金型を使用し、所定圧力で圧縮成形する。この圧縮成形において、ヒータなどにより前記金型を所定温度、所定硬化時間（成形時間）にて加熱し、合成樹脂を硬化させて、マトリックス２０を成形する。
【００４０】
所定時間経過後、前記金型を離型すると、ＣＦの体積分率が低いＣＦＲＰ成形体１を得ることができる。
さらに説明すると、断面が円形を呈する「撚り直後螺旋ＣＦ束１２」は、合成樹脂の含浸、圧縮成形により、ＣＦＲＰ成形体１の厚さ方向に押し潰され、変形するものの、ＣＦが所定の剛性を有するため、断面が楕円形（長径ｄ５、短径ｄ６）を呈する螺旋ＣＦ束１３となる。この螺旋ＣＦ束１３の短径ｄ６（厚さ）は、直線状のＣＦ束１１の短径ｄ３（厚さ）より大きい関係となっている。
【００４１】
以上、本発明の好適な実施形態について一例を説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば以下のような変更をすることができる。
【００４２】
前記した実施形態では、ＣＦ束配列体１０の厚さ方向の積層数が４層構造の場合について説明したが、ＣＦ束配列体１０の積層数は、ＣＦＲＰ成形体１の厚さｔ１に対応して、６層、８層…に適宜変更自由である。
【００４３】
前記した実施形態では、直線状のＣＦ束１１に撚りを入れた後に、所定に配列、合成樹脂を含浸、成形したが、ＣＦ束１１に撚りを入れるタイミングは、合成樹脂の硬化前であればこれに限定されず、例えば、所定にＣＦ束１１を配列した後に撚りを入れてもよい。
【００４４】
前記した実施形態では、螺旋ＣＦ束１３に外嵌する仮想螺旋ＣＦ束１３Ａの断面は楕円形であるとしたが、螺旋状を呈すれば楕円形に限らず、例えば、円形であってもよいことは言うまでもない。
【実施例】
【００４５】
以下、実施例に基づいて、本発明をさらに具体的に説明する。
【００４６】
（１）実施例１〜４、比較例１、２：撚り回数の検討
（１−１）ＣＦ束の撚り
長径ｄ２（幅）が８ｍｍ、短径ｄ３（厚さ）が０．１ｍｍのＣＦ束１１（東邦テナックス社製、ＨＴＡ−Ｓ１２Ｋ−Ｆ２０２、フィラメント１２０００本（いわゆる１２Ｋ））を使用して、次の表２に示すように、１ｍ当たりの撚り回数を０回（比較例１）、５回（実施例１）、１０回（実施例２）、２０回（実施例３）、３０回（実施例４）、４０回（比較例２）として、４層構造のＣＦＲＰ成形体１を作製した。
そして、撚り回数と、螺旋ＣＦ束１３の短径ｄ６（厚さ）および螺旋ＣＦ束１３の外観について検討した。螺旋ＣＦ束１３の短径ｄ６（厚さ）を表２および図５に、その外観を表２に示す。
なお、表２の外観の欄において、「○」は螺旋ＣＦ束１３の周面が毛羽立たず、ＣＦ束の破断が確認されなかったことを示し、「×」がＣＦが部分的に破断し、螺旋ＣＦ束１３の周面に毛羽立ちが確認されたことを示す。また、螺旋ＣＦ束１３の短径ｄ６は、作製したＣＦＲＰ成形体１を適宜に切断し、その切断面から測定した。螺旋ＣＦ束１３の長径ｄ５も同様である。
【００４７】
【表２】
2006070153.tif 000004
【００４８】
（１−２）螺旋ＣＦ束の評価
表２および図５から明らかなように、長径ｄ２（幅）が８ｍｍ、短径ｄ３（厚さ）が０．１ｍｍの直線状のＣＦ束１１を使用した場合、撚り回数が２０回／ｍまでは、撚り回数の増加に対して、螺旋ＣＦ束１３の短径ｄ６（厚さ）が線形的に増加し、その後略一定（ｄ６＝０．４３〜０．４４）となることがわかった。また、撚り回数が４０回／ｍになると（比較例２）、螺旋ＣＦ束１３の周面に毛羽立ちが観察され、ＣＦが部分的に破断することが確認された。
したがって、長径ｄ２が８ｍｍ、短径ｄ３が０．１ｍｍで、１２０００本の単繊維が束ねられてなる直線状のＣＦ束１１に撚りを入れる場合、螺旋ＣＦ束１３の短径ｄ６が約２倍となる５回／ｍ（実施例２）から、約４倍となる３０回／ｍ（実施例４）の範囲内で撚りを入れることが好ましいと考えられる（好適範囲）。
【００４９】
（２）実施例５、比較例３、４：ＣＦＲＰ成形体の比較検討
次に、本発明に係るＣＦＲＰ成形体１（実施例５）と、比較例に係るＣＦＲＰ成形体（比較例３、４）を作製し、ＣＦの体積分率などの比較検討を行った。なお、この検討においては、ＣＦＲＰ成形体１の厚さが約１．５ｍｍとなるように設定した。
【００５０】
（２−１）実施例５
（２−１−１）ＣＦ束の撚り
実施例１〜４と同じ長径ｄ２（幅）が８ｍｍ、短径ｄ３（厚さ）が０．１ｍｍで、１２０００本の単繊維が束ねられてなるＣＦ束１１（東邦テナックス社製、ＨＴＡ−Ｓ１２Ｋ−Ｆ２０２、フィラメント１２０００本（１２Ｋ））に、２０回／ｍで撚りを入れ、螺旋径ｄ４が２．４ｍｍの「撚り直後螺旋ＣＦ１２」を複数準備した（図２（ｂ）参照）。
【００５１】
（２−１−２）螺旋ＣＦ束の配列
ＬＩＢＡ社製のマルチアクシャル機を使用し、「撚り直後螺旋ＣＦ１２」を所定間隔ｄ１で配列して、４層目のＣＦ束配列体１０を構成し、この上に第３層目、第２層目、第１層目のＣＦ束配列体１０を順に重ねた。なお、この「撚り直後螺旋ＣＦ１２」の配列において、１軸あたりの目付量を２１２．５ｇ／ｍ2とし、「撚り直後螺旋ＣＦ１２」を上から０°／９０°／９０°／０°の向きで配向させた。
【００５２】
（２−１−３）合成樹脂含浸
月島機械社製のＳＭＣ（Sheet Molding Compound）含浸機を使用して、室温（２５℃）で、粘度２８００ｍＰａ・ｓの未硬化の不飽和ポリエステル樹脂を、２０６７ｇ／ｍ2の塗布量、ライン速度２ｍ／ｍｉｎ、塗布幅３５０ｍｍとして、前記４層構造のＣＦ束配列体１０に、所定時間にて含浸させた。
その後、未硬化のポリエステル樹脂を含む４層構造のＣＦ束配列体１０を、２９０×２９０ｍｍに裁断した。
【００５３】
（２−１−４）圧縮成形
次いで、川崎油工社製の圧縮成形機（１００ｔプレス機）を使用し、開口３００×３００ｍｍの金型キャビティの所定位置に、前記裁断した４層構造のＣＦ束配列体１０を載置し、不飽和ポリエステル樹脂を硬化させながら、圧縮成形した。この圧縮成形において、金型温度は１２０℃、型締め時間（硬化時間、成形時間）は２ｍｉｎ、型締め圧力は１０ＭＰａとした。
そして、所定時間経過後、金型から離型し、ＣＦＲＰ成形体１を得た。
なお、含浸した不飽和ポリエステル樹脂の重さ、圧縮成形などにより、「撚り直後螺旋ＣＦ１２」は押し潰されて厚さ方向に変形し、螺旋ＣＦ１３となった。この螺旋ＣＦ１３の長径ｄ５（幅）は４．０ｍｍ、短径ｄ６（厚さ）は０．４３ｍｍであった。つまり、螺旋ＣＦ束１３の短径ｄ６は、直線状のＣＦ束１１の短径ｄ３より、大きいことが確認された。
【００５４】
（２−１−５）測定
得られたＣＦＲＰ成形体１について、厚さ（ｔ１）、密度、ＣＦの体積分率Ｖｆ、曲げ弾性率を測定した。
【００５５】
（２−１−５−１）厚さの測定
ＣＦＲＰ成形体１の厚さ（ｔ１）は、ミツトヨ社製のシネックスゲージ５４７−３２１で測定した。
【００５６】
（２−１−５−２）密度、ＣＦの体積分率の測定
ＣＦＲＰ成形体１の密度は、電子計り（ＭＩＲＡＧＥ社製ＳＤ−１２０Ｌ）を使用して、ＣＦＲＰ成形体１の空中での重量（空中重量ｍ）と、水中での重量（水中重量ｍ１）とを測定し、アルキメデス法による次の式（１）に従って算出した。
また、これとは別に、硬化した不飽和ポリエステル樹脂とＣＦの密度を、それぞれ求めた。
【００５７】
CFRP成形体の密度＝空中重量m／（空中重量m−水中重量m1）  …（１）
【００５８】
続いて、ＣＦＲＰ成形体１を、ダイヤモンドカッタにより、１５×１５ｍｍで切り出した。そして、計量器（ＡＮＤ社製ＨＭ−３００）を使用して、この切り出し片の質量を測定した。
次いで、前記切り出し片を２００ｍＬのトールビーカに入れ、濃硫酸（大成化学社製、純度９５％）を５０ｍＬ注いだ後、ヒータで加熱して前記切り出し片中の硬化した不飽和ポリエステル樹脂（つまり、マトリックス２０）を溶解させた。樹脂が完全に溶解した後、過酸化水素水（関東化学社製）を６０ｍＬ注いだ。その後、アスピレータで吸引しながら、前記切り出し片に含まれていたＣＦを、計量済のガラスフィルタによって分別ろ過した。さらに、分別したＣＦを蒸留水およびアセトンで洗浄した。
その後、残存するＣＦをガラスフィルタと共に恒温槽に入れ、１００℃、２時間にて乾燥した後、ＣＦとガラスフィルタの合計質量を測定した。
【００５９】
そして、式（２）に従ってＣＦの質量を、式（３）に従って不飽和ポリエステル樹脂の質量を、それぞれ算出した。
【００６０】
CFの質量＝[乾燥後のCFとカ゛ラスフィルタの合計質量]−[カ゛ラスフィルタの質量]  …（２）
不飽和ホ゜リエステル樹脂の質量＝[CFRP成形体の質量]−[CFの質量]  …（３）
【００６１】
そして、式（４）に従ってＣＦの体積を、式（５）に従って不飽和ポリエステル樹脂の体積を、それぞれ算出した。
【００６２】
CFの体積＝[CFの質量]／[CFの密度]  …（４）
不飽和ホ゜リエステル樹脂の体積＝[不飽和ホ゜リエステル樹脂の質量]／[不飽和ホ゜リエステル樹脂の密度]  …（５）
【００６３】
次いで、式（６）に従って、ＣＦの体積分率Ｖｆを算出した。算出結果を表３に示す。
【００６４】
CFの体積分率Vf（％）＝［（CFの体積）／（CFの体積＋不飽和ホ゜リエステル樹脂の体積）］×100  …（６）
【００６５】
（２−１−５−３）曲げ弾性率の測定
次に、ＣＦＲＰ成形体１について、曲げ試験を行い、曲げ弾性率を測定した。
具体的には、「ＪＩＳＫ７０７４：炭素繊維強化プラスチックの曲げ試験方法」に準拠して、得られたＣＦＲＰ成形体１をダイヤモンドカッタで切り出し、幅１５ｍｍ×長さ１００ｍｍの曲げ試験片を作製した。そして、この曲げ試験片について、曲げ試験機（島津製作所社製オートグラフＡＧ５０００Ｅ）を使用し、４点曲げ試験を実施した。なお、試験速度は５ｍｍ／ｍｉｎ、下支点のスパンは板厚（ＣＦＲＰ成形体の厚さｔ１）×４０ｍｍに設定した。
次いで、測定された荷重−変位曲線から、曲げ弾性率をＪＩＳＫ７０７４に準拠し、Ｂ法計算式で算出した。算出した曲げ弾性率を表３に示す。
【００６６】
（２−２）比較例３：多軸積層法
断面が楕円形（長径ｄ２＝８ｍｍ、短径ｄ３＝０．１８ｍｍ）であるＣＦ束２１１を使用し、このＣＦ束２１１を撚らずに、従来の多軸積層法でＣＦＲＰ成形体２０１を作製した（図７参照）。さらに説明すると、前記断面が楕円形のＣＦ束２１１を０°／９０°／９０°／０°で配向させたものを１層とし、対称面Ｐで対称となるように重ねて２層とした。そして、これに不飽和ポリエステル樹脂を含浸させた後、圧縮成形してＣＦＲＰ成形体２０１を得た。そして、実施例５と同様に、各種測定を行った。結果を表３に示す。
【００６７】
（２−３）比較例４：プリプレグ積層法
ＣＦ束が０°／９０°の配向で織られ、未硬化のエポキシ樹脂を含むプリプレグ１０２（東邦テナックス社製プリプレグＷ３１０１／Ｑ１１２Ｊ）を、３００×３００ｍｍで裁断した。そして、この裁断したプリプレグを７枚重ね合わせた（図６参照）。この重ね合わせにおいて、プリプレグを構成するＣＦ束の配向軸が、厚さ方向において±１°以下となるようにした。
次いで、オートクレーブにより熱処理して成形し、ＣＦＲＰ成形体１０１を得た。なお、硬化温度は１３０℃、硬化時間は２時間、圧力は０．４９ＭＰａとした。
そして、得られたＣＦＲＰ成形体１０１について、実施例５と同様に、各種測定を行った。結果を表３に示す。
【００６８】
【表３】
2006070153.tif 000005
【００６９】
（２−４）評価結果
表３から明らかなように、実施例５におけるＣＦの体積分率Ｖｆは、比較例３および比較例４に対して低いことが確認された。すなわち、本発明に係るＣＦＲＰ成形体の製造方法によれば、安価なＣＦＲＰ成形体を得ることができることが確認された。
また、本発明に係る実施例５は、比較例３および比較例４に対して密度が低い、つまり嵩高いことが確認された。すなわち、同体積で比較した場合、実施例５は、比較例３および比較例４に対して、約１割軽量となることがわかった。
さらに、本発明に係る実施例５は、プリプレグを重ねて製造する比較例４に対して、ＣＦの体積分率が約１／２であるにも関わらず、炭素繊維の特性が良好に維持され、曲げ弾性率が高いことが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】（ａ）は本実施形態に係るＣＦＲＰ成形体の斜視図である、（ｂ）はＸ−Ｘ断面の拡大図である。
【図２】（ａ）は撚り前のＣＦ束の斜視図であり、（ｂ）は撚られた直後のＣＦ束の斜視図であり、（ｃ）は変形した後のＣＦ束の斜視図である。
【図３】本実施形態に係るＣＦＲＰ成形体の製造方法を示す工程図である。
【図４】撚り機によるＣＦ束の撚り状況を示す斜視図である。
【図５】撚り回数と、螺旋ＣＦ束の短径（厚さ）との関係を示すグラフである。
【図６】従来のＣＦＲＰ成形体の斜視図である。
【図７】従来のＣＦＲＰ成形体の断面図である。
【符号の説明】
【００７１】
１      ＣＦＲＰ成形体
１０    ＣＦ束配列体
１１    ＣＦ束
１２    撚り直後螺旋ＣＦ束
１３    螺旋ＣＦ束
１３Ａ  仮想螺旋ＣＦ束
２０    マトリックス
ｄ２    ＣＦ束の長径（幅）
ｄ３    ＣＦ束の短径（厚さ）
ｄ４    撚り直後の螺旋ＣＦ束の螺旋径
ｄ５    変形後の螺旋ＣＦ束の長径（幅）
ｄ６    変形後の螺旋ＣＦ束の短径（厚さ）
【図１】
2006070153.tif 000006
【図２】
2006070153.tif 000007
【図３】
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【図４】
2006070153.tif 000009
【図５】
2006070153.tif 000010
【図６】
2006070153.tif 000011
【図７】
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