(57)【要約】【課題】引張弾性率の高い炭素繊維を用いた場合であっても、炭素繊維とマトリックス樹脂との界面破壊が生じにくく、良好な機械特性を発揮できる繊維強化樹脂成形体、およびこのような繊維強化樹脂成形体を得ることができ、かつ成形性に優れる繊維強化樹脂材料の提供。【解決手段】複数の炭素繊維と、熱硬化性樹脂および熱可塑性樹脂のいずれか一方または両方を含む樹脂材料とを含み、前記炭素繊維の引張弾性率Ｅｆ（ＧＰａ）に対する前記樹脂材料（ただし、前記熱硬化性樹脂を含む場合は、該熱硬化性樹脂は硬化させる。）の引張弾性率Ｅｒ（ＧＰａ）の比Ｅｒ／Ｅｆと、前記炭素繊維の繊維長Ｌｆ（ｍｍ）との積Ｌｆ×Ｅｒ／Ｅｆが、０．２〜０．８の範囲にある、繊維強化樹脂材料。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の炭素繊維と、熱硬化性樹脂および熱可塑性樹脂のいずれか一方または両方を含む樹脂材料とを含み、
前記炭素繊維の引張弾性率Ｅｆ（ＧＰａ）に対する前記樹脂材料（ただし、前記熱硬化性樹脂を含む場合は、該熱硬化性樹脂は硬化させる。）の引張弾性率Ｅｒ（ＧＰａ）の比Ｅｒ／Ｅｆと、前記炭素繊維の繊維長Ｌｆ（ｍｍ）との積Ｌｆ×Ｅｒ／Ｅｆが、０．２〜０．８の範囲にある、繊維強化樹脂材料。
【請求項２】
前記炭素繊維の体積含有率が、前記繊維強化樹脂材料の１００体積％のうち、２０体積％以上６５体積％未満である、請求項１に記載の繊維強化樹脂材料。
【請求項３】
請求項１または２に記載の繊維強化樹脂材料を成形した、繊維強化樹脂成形体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維強化樹脂材料、および繊維強化樹脂材料を成形した繊維強化樹脂成形体に関する。
【背景技術】
【０００２】
部分的に肉厚の異なる部分、リブ、ボス等を有する複雑な形状の繊維強化樹脂成形体の製造に用いられる中間材料としては、強化繊維がチョップドファイバーから構成されることによって成形性がよい、シートモールディングコンパウンド（以下、ＳＭＣと略す。）やスタンパブルシート等がある。ＳＭＣは、長尺の炭素繊維束を所定の長さに切断した短尺の炭素繊維束（チョップド炭素繊維束）を堆積して形成されたシート状炭素繊維束群に、熱硬化性樹脂を含浸させた繊維強化樹脂材料である。スタンパブルシートは、チョップド繊維束に熱可塑性樹脂を含浸させた繊維強化樹脂材料である。
【０００３】
繊維強化樹脂材料を成形した繊維強化樹脂成形体としては、例えば、下記のものが挙げられる。
（１）繊維長が５〜１００ｍｍの範囲内である強化繊維が実質的に一方向に引き揃えられた、フィラメント本数が１０，０００〜７００，０００本の範囲内であるチョップド繊維束がマトリックス樹脂で一体化された成形材料であって、成形材料中におけるチョップド繊維束の平均幅Ｗｍと平均厚みｔｍとの比率（Ｗｍ／ｔｍ）が７０〜１，０００の範囲内であり、かつ、チョップド繊維束の平均幅Ｗｍが２〜５０ｍｍの範囲内、平均厚みｔｍが０．０２〜０．１ｍｍの範囲内である成形材料を成形した繊維強化樹脂成形体（特許文献１）。
（２）単繊維状に分散された強化繊維と熱可塑性樹脂からなる繊維強化樹脂成形体であって、強化繊維の面内角度度数分布における１０°刻みの相対度数の最大値Ｄｍａｘと最小値ＤｍｉｎがＤｍａｘ―Ｄｍｉｎ≦０．０８なる関係にあり、強化繊維の長さ分布における最大繊維長（ｌｍａｘ）が臨界繊維長（ｌｃ）に対して５ｌｃ以下、かつ繊維長ｌｃ〜５ｌｃに占める強化繊維量の体積比率（Ｖａ）が４０〜９０％であり、強化繊維の面外角度の平均値が６°以下、平面部における厚さが１．５〜４ｍｍである、繊維強化樹脂成形体（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−０６２４７４号公報
【特許文献２】特開２０１４−０１９７８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
機械特性に優れた繊維強化樹脂成形体を得るための手法の一つとして、ピッチ系炭素繊維等の引張弾性率の高い、高剛性の炭素繊維を用いることが考えられる。
しかし、（１）の成形材料や（２）の繊維強化樹脂成形体においては、汎用グレードの剛性（引張弾性率が２００〜３００ＧＰａ）である炭素繊維が用いられており、引張弾性率が３００ＧＰａを超えるような高剛性の炭素繊維は検討されていない。
【０００６】
また、短尺の炭素繊維束を用いた繊維強化樹脂成形体において良好な機械特性を発揮させるためには、炭素繊維とマトリックス樹脂とが強固に接着していることが必要である。しかし、高剛性の炭素繊維を用いた繊維強化樹脂成形体においては、炭素繊維の引張弾性率とマトリックス樹脂の引張弾性率との差が大きくなる。そのため、繊維強化樹脂成形体に荷重を加えたときに、炭素繊維とマトリックス樹脂との界面に生じる応力集中が大きくなる傾向がある。また、界面破壊後はマトリックス樹脂に局所的な歪が発生しやすくなる。したがって、（１）の成形材料や（２）の繊維強化樹脂成形体において高剛性の炭素繊維を用いた場合、炭素繊維とマトリックス樹脂との界面破壊が生じやすく、十分な機械特性を発揮させることが困難となる。
【０００７】
本発明は、引張弾性率の高い炭素繊維を用いた場合であっても、炭素繊維とマトリックス樹脂との界面破壊が生じにくく、良好な機械特性を発揮できる繊維強化樹脂成形体、およびこのような繊維強化樹脂成形体を得ることができ、かつ成形性に優れる繊維強化樹脂材料を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、下記の態様を有する。
＜１＞複数の炭素繊維と、熱硬化性樹脂および熱可塑性樹脂のいずれか一方または両方を含む樹脂材料とを含み、前記炭素繊維の引張弾性率Ｅｆ（ＧＰａ）に対する前記樹脂材料（ただし、前記熱硬化性樹脂を含む場合は、該熱硬化性樹脂は硬化させる。）の引張弾性率Ｅｒ（ＧＰａ）の比Ｅｒ／Ｅｆと、前記炭素繊維の繊維長Ｌｆ（ｍｍ）との積Ｌｆ×Ｅｒ／Ｅｆが、０．２〜０．８の範囲にある、繊維強化樹脂材料。
＜２＞前記炭素繊維の体積含有率が、前記繊維強化樹脂材料の１００体積％のうち、２０体積％以上６５体積％未満である、前記＜１＞の繊維強化樹脂材料。
＜３＞前記＜１＞または＜２＞の繊維強化樹脂材料を成形した、繊維強化樹脂成形体。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の繊維強化樹脂材料によれば、引張弾性率の高い炭素繊維を用いた場合であっても、炭素繊維とマトリックス樹脂との界面破壊が生じにくく、良好な機械特性を発揮できる繊維強化樹脂成形体を得ることができる。また、本発明の繊維強化樹脂材料は、成形性に優れる。
本発明の繊維強化樹脂成形体は、引張弾性率の高い炭素繊維を用いた場合であっても、炭素繊維とマトリックス樹脂との界面破壊が生じにくく、良好な機械特性を発揮できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施例で用いたシミュレーションモデル（繊維強化樹脂成形体）の斜視図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ断面図である。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下の用語の定義は、本明細書および特許請求の範囲にわたって適用される。
「炭素繊維の引張弾性率」は、ＪＩＳ  Ｒ  ７６０６：２０００「炭素繊維−単繊維の引張特性の試験方法」（対応国際規格ＩＳＯ  １１５６６：１９９６）に準拠して測定された値である。
「樹脂材料の引張弾性率」は、ＪＩＳ  Ｋ  ７１６１−１：２０１４「プラスチック−引張特性の求め方−第１部：通則」（対応国際規格ＩＳＯ  ５２７−１：２０１２）に準拠して測定された値である。
「炭素繊維とマトリックス樹脂との界面せん断強度」の測定方法としては、マイクロドロッププレット法およびフラグメンテーション法が知られているが、本明細書においては、マイクロドロッププレット法を採用する。
「マイクロドロッププレット法」は、単繊維に樹脂粒（ドロップレット）を付着させ、ドロップレットを固定した後、ドロップレットからの単繊維の引き抜き試験を行うことによって単繊維と樹脂との界面接着性を評価する方法である。マイクロドロッププレット法においては、下記式から界面せん断強度が算出される。
τ＝Ｆ／（πＤＬ）
ただし、τは界面せん断強度であり、Ｆは最大引抜荷重であり、Ｌはドロップレットに埋め込まれた部分の単繊維の長さであり、Ｄは単繊維の繊維径である。
数値範囲を示す「〜」は、その前後に記載された数値を下限値および上限値として含むことを意味する。
図１〜図３における寸法比は、説明の便宜上、実際のものとは異なったものである。
【００１２】
＜繊維強化樹脂材料＞
本発明の繊維強化樹脂材料は、複数の炭素繊維と、熱硬化性樹脂および熱可塑性樹脂のいずれか一方または両方を含む樹脂材料とを含む。
繊維強化樹脂材料は、加熱によって流動性が高くなるため、ＳＭＣとして様々な形状の繊維強化樹脂成形体の製造に用いられる。
【００１３】
本発明の繊維強化樹脂材料においては、炭素繊維の引張弾性率Ｅｆ（ＧＰａ）に対する樹脂材料（ただし、熱硬化性樹脂を含む場合は、該熱硬化性樹脂は硬化させる。）の引張弾性率Ｅｒ（ＧＰａ）の比Ｅｒ／Ｅｆと、炭素繊維の繊維長Ｌｆ（ｍｍ）との積Ｌｆ×Ｅｒ／Ｅｆが、０．２〜０．８の範囲にあり、０．２〜０．６の範囲にあることが好ましい。Ｌｆ×Ｅｒ／Ｅｆが前記範囲の下限値以上であれば、機械特性に優れた繊維強化樹脂成形体が得られる。Ｌｆ×Ｅｒ／Ｅｆが前記範囲の上限値以下であれば、炭素繊維の繊維長Ｌｆが十分に短くなり、繊維強化樹脂材料の成形性に優れる。
【００１４】
Ｌｆ×Ｅｒ／Ｅｆは、繊維強化樹脂成形体の機械特性と繊維強化樹脂材料の成形性のバランスを示す式である。
炭素繊維の引張弾性率Ｅｆが高いほど、繊維強化樹脂成形体において高い剛性が見込まれる。しかし、樹脂材料（マトリックス樹脂相当）の引張弾性率Ｅｒとの差が大きくなる、すなわちＥｒ／Ｅｆが小さくなるほど、炭素繊維とマトリックス樹脂との界面に生ずる応力が高くなり、炭素繊維とマトリックス樹脂との界面破壊を助長して繊維強化樹脂成形体としての機械特性が低下しやすい。また、繊維強化樹脂成形体の機械特性の観点からは、炭素繊維の繊維長Ｌｆは長い方が効果的であるが、繊維強化樹脂材料の成形性の観点からは、炭素繊維の繊維長Ｌｆが短い方が効果的である。したがって、繊維強化樹脂成形体の機械特性と繊維強化樹脂材料の成形性のバランスを取るためには、Ｌｆ、ＥｒおよびＥｆの関係を調整する必要があり、具体的にはＬｆ×Ｅｒ／Ｅｆを前記範囲内とすればよい。
【００１５】
（炭素繊維）
Ｌｆ×Ｅｒ／Ｅｆが前記範囲内にある場合、炭素繊維の繊維長Ｌｆは十分に短くなる。よって、本発明における炭素繊維は、通常、長尺の炭素繊維を切断した短尺の炭素繊維である。
短尺の炭素繊維としては、繊維強化樹脂成形体の機械特性の観点から、長尺の炭素繊維束を切断した短尺の炭素繊維束、いわゆるチョップド炭素繊維束が好ましい。
長尺の炭素繊維束としては、複数の炭素繊維が１軸方向に配向したトウ等が挙げられる。
【００１６】
炭素繊維としては、ＰＡＮ系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維が挙げられる。炭素繊維の原材料や製造方法は、特に限定されない。炭素繊維は、繊維強化樹脂成形体におけるマトリックス樹脂との接着性を改善するために、表面処理されたものであってもよい。
炭素繊維は、１種を単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。
【００１７】
炭素繊維の引張弾性率Ｅｆは、３００ＧＰａ超８００ＧＰａ以下が好ましく、４００〜７００ＧＰａがより好ましい。炭素繊維の引張弾性率Ｅｆが前記範囲の上限値以下であれば、機械特性にさらに優れた繊維強化樹脂成形体が得られる。炭素繊維の引張弾性率Ｅｆが前記範囲の上限値以下であれば、炭素繊維とマトリックス樹脂との界面破壊を抑制し、安定した物性を得る。
【００１８】
炭素繊維の繊維長Ｌｆは、２０〜１００ｍｍが好ましく、５０〜７５ｍｍがより好ましい。炭素繊維の繊維長Ｌｆが前記範囲の上限値以下であれば、機械特性がさらに優れた繊維強化樹脂成形体が得られる。炭素繊維の繊維長Ｌｆが前記範囲の上限値以下であれば、繊維強化樹脂材料の成形性がさらに優れる。繊維長Ｌｆの異なる複数の炭素繊維を含む場合、炭素繊維の繊維長Ｌｆは、平均値とする。
【００１９】
炭素繊維の体積含有率Ｖｆは、繊維強化樹脂材料の１００体積％のうち、２０体積％以上６５体積％未満が好ましく、３０〜５０体積％がより好ましい。炭素繊維の体積含有率Ｖｆが前記範囲の下限値以上であれば、機械特性がさらに優れた繊維強化樹脂成形体が得られる。炭素繊維の体積含有率Ｖｆが前記範囲の上限値以下であれば、繊維強化樹脂材料の成形性がさらに優れ、複雑な形状の繊維強化樹脂成形体の中間材料に適した繊維強化樹脂材料が得られる。
【００２０】
（樹脂材料）
樹脂材料は、樹脂と、必要に応じて添加剤を含む。
樹脂としては、熱硬化性樹脂および熱可塑性樹脂のいずれか一方または両方が挙げられる。樹脂としては、繊維強化樹脂成形体の機械特性の点から、熱硬化性樹脂が好ましい。
【００２１】
熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂、ウレタン樹脂等が挙げられる。熱硬化性樹脂は、１種を単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。
熱硬化性樹脂は、繊維強化樹脂材料の成形時には一部または全部が未硬化の状態であっても、全部が硬化した状態でもよい。熱硬化性樹脂は、繊維強化樹脂成形体においては硬化した状態にある。
【００２２】
熱硬化性樹脂の硬化物の引張弾性率Ｅｒが炭素繊維の引張弾性率Ｅｆに比べて極端に小さい場合、繊維強化樹脂成形体に荷重を加えたときに、炭素繊維とマトリックス樹脂との界面に生じる応力集中が大きくなる。そのため、熱硬化性樹脂としては、硬化物の状態で炭素繊維との接着性が高いものが好ましい。また、炭素繊維が引張弾性率Ｅｆの比較的高いピッチ系炭素繊維の場合、熱硬化性樹脂としては、硬化物の状態での引張弾性率Ｅｒが比較的高いフェノール樹脂が好ましい。また、炭素繊維が引張弾性率Ｅｆの比較的低いＰＡＮ系炭素繊維の場合、熱硬化性樹脂としては、硬化物の状態での引張弾性率Ｅｒが比較的低いエポキシ樹脂またはビニルエステル樹脂が好ましい。
【００２３】
熱可塑性樹脂としては、ポリアミド（ナイロン６、ナイロン６６、ナイロン１２、ナイロンＭＸＤ６等）、ポリオレフィン（低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、ポリプロピレン等）、変性ポリオレフィン（変性ポリプロピレン等）、ポリエステル（ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート等）、ポリカーボネート、ポリアミドイミド、ポリフェニレンオキシド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリスチレン、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体、ポリフェニレンサルファイド、液晶ポリエステル、アクリロニトリル−スチレン共重合体等が挙げられる。変性ポリオレフィン樹脂としては、マレイン酸等の酸によりポリオレフィン樹脂を変性した樹脂等が挙げられる。
【００２４】
添加剤としては、硬化剤、内部離型剤、増粘剤、安定剤、脱泡剤、難燃剤、耐候性改良剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤、可塑剤、滑剤、着色剤、相溶化剤、充填材、導電性フィラー等が挙げられる。
【００２５】
（繊維強化樹脂材料の製造方法）
本発明の繊維強化樹脂材料は、例えば、下記のようにして製造できる。
裁断機によって長尺の炭素繊維束を所定の長さに切断した短尺の炭素繊維束（チョップド炭素繊維束）をシート状に堆積してシート状炭素繊維束群を形成する。シート状炭素繊維束群に、液状の樹脂材料を含浸させて繊維強化樹脂材料を得る。
【００２６】
（作用機序）
以上説明した本発明の繊維強化樹脂材料にあっては、炭素繊維の引張弾性率Ｅｆ（ＧＰａ）に対する樹脂材料（ただし、熱硬化性樹脂を含む場合は、該熱硬化性樹脂は硬化させる。）の引張弾性率Ｅｒ（ＧＰａ）の比Ｅｒ／Ｅｆと、炭素繊維の繊維長Ｌｆ（ｍｍ）との積Ｌｆ×Ｅｒ／Ｅｆが前記範囲の下限値以上であるため、ＥｒとＥｆとの差が小さく、またＬｆが短すぎない。そのため、引張弾性率の高い炭素繊維を用いた場合であっても、炭素繊維とマトリックス樹脂との界面破壊が生じにくく、良好な機械特性を発揮できる繊維強化樹脂成形体を得ることができる。また、Ｌｆ×Ｅｒ／Ｅｆが前記範囲の上限値以下であるため、Ｌｆが長くなりすぎず、成形性に優れる。
【００２７】
このような本発明の繊維強化樹脂材料にあっては、引張弾性率の高い炭素繊維を用いることができるため、従来の汎用グレードの炭素繊維を用いた場合に比べ、機械特性に優れる繊維強化樹脂成形体を得ることができる。また、繊維強化樹脂材料における炭素繊維の体積含有率を減らすことができ、従来の繊維強化樹脂成形体と同等の機械特性を有しながら、軽量化された繊維強化樹脂成形体を得ることができる。また、炭素繊維の体積含有率を減らすことによって、繊維強化樹脂材料の流動性（成形性）が向上し、また、繊維強化樹脂材料や繊維強化樹脂成形体のコストを下げることもできる。
【００２８】
＜繊維強化樹脂成形体＞
本発明の繊維強化樹脂成形体は、本発明の繊維強化樹脂材料を成形したものであり、複数の炭素繊維と、繊維強化樹脂材料における樹脂材料に由来するマトリックス樹脂とを含む。
マトリックス樹脂は、樹脂材料が熱硬化性樹脂を含む場合は、熱硬化性樹脂の硬化物を含み、樹脂材料が熱可塑性樹脂を含む場合は、同じ熱可塑性樹脂を含む。
【００２９】
炭素繊維とマトリックス樹脂との界面せん断強度は、５０ＭＰａ以上が好ましい。界面せん断強度が前記範囲の下限値以上であれば、炭素繊維とマトリックス樹脂との接着性が良好となり、機械特性にさらに優れた繊維強化樹脂成形体が得られる。界面せん断強度を高くするために、炭素繊維として表面処理されたものを用いてもよい。界面せん断強度は高ければ高いほどよく、上限値は特に限定されない。
【００３０】
（繊維強化樹脂成形体の製造方法）
本発明の繊維強化樹脂成形体は、例えば、金型を用いて本発明の繊維強化樹脂材料を加熱および加圧し、繊維強化樹脂材料を金型の形状に追随させるとともに、樹脂材料が熱硬化性樹脂を含む場合は熱硬化性樹脂を硬化させることによって製造できる。
【００３１】
（作用機序）
以上説明した本発明の繊維強化樹脂成形体にあっては、本発明の繊維強化樹脂材料を成形したものであるため、引張弾性率の高い炭素繊維を用いた場合であっても、炭素繊維とマトリックス樹脂との界面破壊が生じにくく、良好な機械特性を発揮できる。
【実施例】
【００３２】
以下、本発明を実施例によっ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。
【００３３】
（繊維強化樹脂成形体の評価）
繊維強化樹脂成形体の評価は、ＣＡＥ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ａｉｄｅｄ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）ソフトウェアを利用したシミュレーションにて行った。
ＣＡＥソフトウェアとしては、非線形動的構造解析ソフトウェアであるＬＳ−ＤＹＮＡ（ＬＳＴＣ社製）を用いた。
シミュレーションモデルとしては、図１〜図３に示すモデルを用いた。図１は、シミュレーションモデルの斜視図であり、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ断面図であり、図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。
図１に示すように、シミュレーションモデル１０は、長さ２Ｌ＋１の長尺の角棒状の繊維強化樹脂成形体とした。
図２に示すように、シミュレーションモデル１０においては、マトリックス樹脂１２内に、シミュレーションモデル１０の長手方向に沿って直列に配置された２本の繊維長Ｌの炭素繊維１４（単繊維）が長さ１の間隔をあけて埋設されている。
図３に示すように、シミュレーションモデル１０の断面は、縦および横がともに１である正方形とし、正方形に対する炭素繊維１４の面積率が４０％（すなわち炭素繊維１４の体積含有率Ｖｆが４０体積％）となるように、炭素繊維１４の繊維径を０．７１とした。
【００３４】
ＣＡＥソフトウェアを用い、シミュレーションモデル１０の両端のうち、第１の端部を拘束し、第２の端部に長手方向の強制変位を与え、シミュレーションモデル１０（繊維強化樹脂成形体）の引張弾性率Ｅを算出した。引張弾性率Ｅの算出範囲は、歪０．０５〜０．２５％の範囲とした。
シミュレーションモデル１０（繊維強化樹脂成形体）の理論引張弾性率Ｅｔを、一般的な計算式である下記式から算出した。
Ｅｔ＝Ｅｆ×Ｖｆ／１００＋Ｅｒ×（１−Ｖｆ／１００）
ただし、Ｅｆは炭素繊維１４の引張弾性率であり、Ｖｆは炭素繊維１４の体積含有率であり、Ｅｒはマトリックス樹脂１２の引張弾性率である。
理論引張弾性率Ｅｔに対する繊維強化樹脂成形体の引張弾性率Ｅの比Ｅ／Ｅｔを算出し、８０％以上を〇（合格）、８０％未満を×（不合格）と判定した。Ｅ／Ｅｔが８０％以上であれば、炭素繊維とマトリックス樹脂との界面破壊等を抑制し、理想に近い機械特性を有する繊維強化樹脂成形体が得られることを示す。
【００３５】
以下、炭素繊維の繊維長Ｌｆが繊維強化樹脂成形体の引張弾性率Ｅに与える影響について、シミュレーションモデル１０を用いて確認した。
【００３６】
（実施例Ａ１）
ＣＡＥソフトウェアによるシミュレーションの条件は、下記のようにした。
炭素繊維１４の引張弾性率Ｅｆは、ピッチ系炭素繊維（三菱レイヨン社製、ダイアリード  Ｋ６３７１２）を想定して６４０ＧＰａとした。
マトリックス樹脂１２の引張弾性率Ｅｒは、通常の繊維強化樹脂成形体に用いられるビニルエステル樹脂の硬化物またはエポキシ樹脂の硬化物を想定して３ＧＰａとした。
炭素繊維１４とマトリックス樹脂１２との界面せん断強度は、マイクロドロッププレット法による実測値を参考に５０ＭＰａとした。
炭素繊維１４の繊維長Ｌを３５００とした。シミュレーションモデル１０の長さは７００１となった。ピッチ系炭素繊維の汎用グレードの繊維径は１０μｍであり、シミュレーションモデル１０における炭素繊維１４の繊維径と繊維長との比率から、実物の繊維強化樹脂成形体における炭素繊維の繊維長Ｌｆを算出すると、４９．０ｍｍ相当となる。
【００３７】
ＣＡＥソフトウェアを用い、シミュレーションモデル１０（繊維強化樹脂成形体）の引張弾性率Ｅを算出した。また、シミュレーションモデル１０（繊維強化樹脂成形体）の理論引張弾性率Ｅｔを算出した。
【００３８】
（実施例Ａ２）
炭素繊維１４の繊維長Ｌを５０００（シミュレーションモデル１０の長さ：１０００１、実物の繊維強化樹脂成形体における炭素繊維の繊維長Ｌｆ：７０．１ｍｍ相当）に変更した以外は、実施例Ａ１と同様にしてシミュレーションモデル１０（繊維強化樹脂成形体）の引張弾性率Ｅおよび理論引張弾性率Ｅｔを算出した。
【００３９】
（比較例Ａ１）
炭素繊維１４の繊維長Ｌを１７５０（シミュレーションモデル１０の長さ：３５０１、実物の繊維強化樹脂成形体における炭素繊維の繊維長Ｌｆ：２４．５ｍｍ相当）に変更した以外は、実施例Ａ１と同様にしてシミュレーションモデル１０（繊維強化樹脂成形体）の引張弾性率Ｅおよび理論引張弾性率Ｅｔを算出した。
【００４０】
（比較例Ａ２）
炭素繊維１４の繊維長Ｌを２５００（シミュレーションモデル１０の長さ：５００１、実物の繊維強化樹脂成形体における炭素繊維の繊維長Ｌｆ：３５．０ｍｍ相当）に変更した以外は、実施例Ａ１と同様にしてシミュレーションモデル１０（繊維強化樹脂成形体）の引張弾性率Ｅおよび理論引張弾性率Ｅｔを算出した。
【００４１】
実施例Ａ１、実施例Ａ２、比較例Ａ１および比較例Ａ２の結果を表１にまとめた。
炭素繊維１４の引張弾性率Ｅｆとマトリックス樹脂の引張弾性率Ｅｒの比Ｅｒ／Ｅｆが一定のとき、炭素繊維の繊維長Ｌｆが長いほど機械特性が向上することがわかる。ＬｆとＥｒ／Ｅｆの積が０．２以上であれば、繊維強化樹脂成形体の引張弾性率Ｅが理論値の８０％以上となり、良好な剛性が得られた。
【００４２】
【表１】
2018134789.tif 000002
【００４３】
以下、マトリックス樹脂の引張弾性率Ｅｒが繊維強化樹脂成形体の引張弾性率Ｅに与える影響について、シミュレーションモデル１０を用いて確認した。
【００４４】
（実施例Ｂ１）
マトリックス樹脂１２の引張弾性率Ｅｒを６ＧＰａに変更し、炭素繊維１４の繊維長Ｌを１７５０（シミュレーションモデル１０の長さ：３５０１、実物の繊維強化樹脂成形体における炭素繊維の繊維長Ｌｆ：２４．５ｍｍ相当）に変更した以外は、実施例Ａ１と同様にしてシミュレーションモデル１０（繊維強化樹脂成形体）の引張弾性率Ｅおよび理論引張弾性率Ｅｔを算出した。
【００４５】
（実施例Ｂ２）
マトリックス樹脂１２の引張弾性率Ｅｒを６ＧＰａに変更し、炭素繊維１４の繊維長Ｌを２５００（シミュレーションモデル１０の長さ：５００１、実物の繊維強化樹脂成形体における炭素繊維の繊維長Ｌｆ：３５．０ｍｍ相当）に変更した以外は、実施例Ａ１と同様にしてシミュレーションモデル１０（繊維強化樹脂成形体）の引張弾性率Ｅおよび理論引張弾性率Ｅｔを算出した。
【００４６】
（実施例Ｂ３）
マトリックス樹脂１２の引張弾性率Ｅｒを６ＧＰａに変更した以外は、実施例Ａ１と同様にしてシミュレーションモデル１０（繊維強化樹脂成形体）の引張弾性率Ｅおよび理論引張弾性率Ｅｔを算出した。
【００４７】
（実施例Ｃ１）
マトリックス樹脂１２の引張弾性率Ｅｒを８ＧＰａに変更し、炭素繊維１４の繊維長Ｌを１７５０（シミュレーションモデル１０の長さ：３５０１、実物の繊維強化樹脂成形体における炭素繊維の繊維長Ｌｆ：２４．５ｍｍ相当）に変更した以外は、実施例Ａ１と同様にしてシミュレーションモデル１０（繊維強化樹脂成形体）の引張弾性率Ｅおよび理論引張弾性率Ｅｔを算出した。
【００４８】
（実施例Ｃ２）
マトリックス樹脂１２の引張弾性率Ｅｒを８ＧＰａに変更し、炭素繊維１４の繊維長Ｌを２５００（シミュレーションモデル１０の長さ：５００１、実物の繊維強化樹脂成形体における炭素繊維の繊維長Ｌｆ：３５．０ｍｍ相当）に変更した以外は、実施例Ａ１と同様にしてシミュレーションモデル１０（繊維強化樹脂成形体）の引張弾性率Ｅおよび理論引張弾性率Ｅｔを算出した。
【００４９】
（実施例Ｃ３）
マトリックス樹脂１２の引張弾性率Ｅｒを８ＧＰａに変更した以外は、実施例Ａ１と同様にしてシミュレーションモデル１０（繊維強化樹脂成形体）の引張弾性率Ｅおよび理論引張弾性率Ｅｔを算出した。
【００５０】
比較例Ａ１、実施例Ｂ１、実施例Ｃ１の結果を表２に、比較例Ａ２、実施例Ｂ２、実施例Ｃ２の結果を表３に、実施例Ａ１、実施例Ｂ３、実施例Ｃ３の結果を表４にまとめた。
炭素繊維１４の引張弾性率Ｅｆと炭素繊維１４の繊維長Ｌｆを固定し、マトリックス樹脂１２の引張弾性率Ｅｒを振った結果である。Ｅｒが大きいほど、繊維強化樹脂成形体の引張弾性率Ｅと理論引張弾性率Ｅｔとの比Ｅ／Ｅｔが大きく向上し、良好な機械特性が得られた。
【００５１】
【表２】
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【００５２】
【表３】
2018134789.tif 000004
【００５３】
【表４】
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【００５４】
同じ炭素繊維を用いた場合、炭素繊維の繊維長Ｌｆが一定であれば、マトリックス樹脂の引張弾性率Ｅｒが高いほど高い剛性が得られる。言い換えれば、マトリックス樹脂の引張弾性率Ｅｒが一定であれば、長い繊維長Ｌｆが必要とされる。一方で、流動性の観点からは、炭素繊維の繊維長Ｌｆが短いほど、成形しやすい。実施例Ｃ１のように、Ｅｒ／Ｅｔが大きい場合は、炭素繊維の繊維長Ｌｆを短くしても、繊維強化樹脂成形体として良好な機械特性を得ることができるため、繊維強化樹脂材料の流動性を重視する場合に好ましい。すなわち、Ｅｒ／Ｅｔが小さい場合は、炭素繊維の繊維長Ｌｆを長くし、Ｅｒ／Ｅｔが大きい場合は、炭素繊維の繊維長Ｌｆを短くすることが好ましい。これらの好ましい範囲は、Ｅｒ／ＥｔとＬｆの積であらわされ、実施例および比較例の結果から、０．２〜０．８となる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明の繊維強化樹脂材料は、繊維強化樹脂成形体の製造に用いられる中間材料であるＳＭＣ等として有用である。
【符号の説明】
【００５６】
１０  シミュレーションモデル、１２  マトリックス樹脂、１４  炭素繊維。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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