(57)【要約】【課題】三次元複合材の引張特性等を従来に比べて正確に測定できる新規な三次元複合材用試験片とその製造方法を提供する。【解決手段】三次元複合材用試験片１の製造方法は、強化繊維として機能する第一の繊維ＦをＸ、Ｙ方向に複数層分ずつ配設し、その上下に弾性率の小さい第二の繊維ｆをＸ、Ｙ方向に配設するとともに、Ｘ、Ｙ方向の繊維Ｆ、ｆの層を貫通させてＺ方向にも第一の繊維Ｆを配設して樹脂を注入したのちＸ、Ｙ方向の最上層と最下層の、第二の繊維ｆ、およびＺ方向の第一の繊維Ｆの折り返し部分を含む領域Ａ１、Ａ２を除去する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
強化繊維として機能する第一の繊維を互いに直交するＸ、Ｙ方向に複数層分ずつ配設し、かつその上下に前記第一の繊維より弾性率の小さい第二の繊維を前記Ｘ、Ｙ方向に配設するとともに、前記Ｘ、Ｙ方向の第一および第二の繊維の層を貫通させて、前記Ｘ、Ｙ方向と直交するＺ方向にも第一の繊維を配設する第一工程、
前記Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の繊維間に樹脂を注入して前記三次元複合材用試験片の前駆体を作製する第二工程、および
前記前駆体のうち、前記Ｘ、Ｙ方向の第一の繊維の層の上下の、第二の繊維の層を含む領域を除去する第三工程、
を含むことを特徴とする三次元複合材用試験片の製造方法。
【請求項２】
前記第二の繊維の弾性率は、第一の繊維の弾性率の１／３以下である請求項１に記載の三次元複合材用試験片の製造方法。
【請求項３】
前記第一工程では、連続する繊維を前記Ｘ、Ｙ方向の繊維の最上層の上側および最下層の下側で折り返しながら前記Ｘ、Ｙ方向の第一および第二の繊維の層を貫通させてＺ方向に配設する請求項１または２に記載の三次元複合材用試験片の製造方法。
【請求項４】
前記前駆体は、複数の三次元複合材用試験片分の大きさを有する平板状のブロック体であり、前記ブロック体から所定の三次元複合材用試験片の寸法に切り出す工程をも含む請求項１〜３のいずれか１項に記載の三次元複合材用試験片の製造方法。
【請求項５】
前記請求項１〜４のいずれか１項に記載の製造方法によって製造された三次元複合材用試験片。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚの３方向の繊維で樹脂を強化してなる三次元複合材の特性を評価するための三次元複合材用試験片の製造方法と、当該製造方法によって製造された三次元複合材用試験片に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂を１方向、または互いに直交するＸ、Ｙの２方向に配設した、炭素繊維、ガラス繊維等の繊維で強化した繊維強化複合材については、例えば日本工業規格ＪＩＳ  Ｋ７１６４：２００５、ＪＩＳ  Ｋ７１６５：２００５等でも規定されているように引張特性等を評価するための試験片についての技術や規格が確立され、普及している。
【０００３】
またそのバリエーションとして特許文献１では、例えばＸ、Ｙの２方向の繊維を引張方向に対して傾斜させて配設して引張試験をすることで、繊維と樹脂の接着性を評価することが提案されている。
しかしＸ、Ｙ、Ｚの３方向に配設した繊維で樹脂を強化した三次元複合材については、従来の規格で規定されたのと同様の試験片を作製して引張試験等をしても正確な測定結果が得られない場合がある。
【０００４】
この主な原因は従来の試験片の製造方法にある。
すなわち従来は、例えばＸ、Ｙ方向の繊維を互いに直交するように配設するとともに、Ｚ方向の繊維を上記Ｘ、Ｙ方向の繊維の上側および下側で折り返しながら当該Ｘ、Ｙ方向の繊維を貫通させてＺ方向に配設したのち、樹脂を注入して試験片を製造している。
ところがかかる製造方法では、試験片の表層部にＺ方向の繊維の折り返し部分が存在する分だけ、繊維体積含有率Ｖｆが当該表層部において内部よりも高くなって、全体での繊維体積含有率Ｖｆが目標とする値からずれてしまう場合がる。
【０００５】
また折り返し部分の繊維は試験片の表層部において当該試験片の引張方向、もしくは引張方向と交差方向に存在して、当該表層部における樹脂の連続性を阻害し、引張時に破断の起点となりやすい。
そのため従来の試験片では正確な測定結果が得られない場合がある。
ちなみに特許文献２にはＸ、Ｙ、Ｚの３方向に配設する繊維のうちいずれか１方向のみを強化に寄与する炭素繊維とし、他の２方向は樹脂と同一の弾性率を有する繊維として樹脂を含浸させずに試験片を作製して引張試験をすることで、上記３方向のうちいずれか１方向の強化繊維の引張特性を抽出して測定することが記載されている。
【０００６】
この方法によれば、三次元複合材中のいずれかの方向の強化繊維の挙動の基礎データは取得できるかもしれない。しかしこの方法では、３方向の強化繊維と樹脂からなる三次元複合材の、実際の引張特性等を求めることはできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平５−２７３１１５号公報
【特許文献２】特開平６−２４９７６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、三次元複合材の引張特性等を従来に比べて正確に測定できる新規な三次元複合材用試験片の製造方法と、当該製造方法によって製造された三次元複合材用試験片を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明は、強化繊維として機能する第一の繊維（Ｆ）を互いに直交するＸ、Ｙ方向に複数層分ずつ配設し、かつその上下に前記第一の繊維より弾性率の小さい第二の繊維（ｆ）を前記Ｘ、Ｙ方向に配設するとともに、前記Ｘ、Ｙ方向の第一および第二の繊維の層を貫通させて、前記Ｘ、Ｙ方向と直交するＺ方向にも第一の繊維を配設する第一工程、
前記Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の繊維間に樹脂（２）を注入して前記三次元複合材用試験片の前駆体（４）を作製する第二工程、および
前記前駆体のうち、前記Ｘ、Ｙ方向の第一の繊維の層の上下の、第二の繊維の層を含む領域（Ａ１）（Ａ２）を除去する第三工程、
を含むことを特徴とする三次元複合材用試験片（１）の製造方法（請求項１）である。
【００１０】
前記第二の繊維の弾性率は、第一の繊維の弾性率の１／３以下であるのが好ましい（請求項２）。
前記第一工程では、連続する繊維を前記Ｘ、Ｙ方向の繊維の最上層の上側および最下層の下側で折り返しながら前記Ｘ、Ｙ方向の第一および第二の繊維の層を貫通させてＺ方向に配設するのが好ましい（請求項３）。
【００１１】
また前記前駆体は、複数の三次元複合材用試験片分の大きさを有する平板状のブロック体（５）であり、前記ブロック体から所定の三次元複合材用試験片の寸法に切り出す工程をも含んでいるのが好ましい（請求項４）。
本発明は、前記本発明の製造方法によって製造された三次元複合材用試験片である（請求項５）。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１、５記載の発明によれば、先に説明した第一ないし第三工程を経ることにより、繊維の折り返し部分のない三次元複合材用試験片を製造でき、当該折り返し部分が存在することによって発生する問題を全て解消できる。
すなわち三次元複合材用試験片の表層部で樹脂の連続性を阻害し、引張時に破断の起点となる上記の折り返し部分をなくすることができるとともに、当該三次元複合材用試験片の全体で、繊維体積含有率Ｖｆを目標とする一定値に調整できる。
【００１３】
また第一工程で積層したＸ、Ｙ方向の第一および第二の繊維の層にうねり等を生じると、例えば第三工程で上下の領域を除去して三次元複合材用試験片を製造した際に、当該三次元複合材用試験片中に第二の繊維の一部が残留する場合がある。
しかし第二の繊維は、実際に強化繊維として機能し測定対象となる第一の繊維よりも弾性率が小さいため、三次元複合材用試験片中に残留したとしても、当該三次元複合材用試験片を用いた引張試験等の結果には影響しない。
【００１４】
したがって請求項１、５記載の発明によれば、引張特性等を従来に比べてより正確に測定できる三次元複合材用試験片を提供できる。
請求項２記載の発明によれば、第二の繊維の弾性率を、第一の繊維の弾性率の１／３以下に設定することで、当該第一の繊維と第二の繊維を併用することによる上記の効果をより一層確実なものとすることができる。
【００１５】
請求項３記載の発明によれば、前駆体の作製は従来の試験片の製造工程と同じにでき、作業効率を向上できる。
さらに請求項４記載の発明によれば、前駆体としてのブロックから、同条件の三次元複合材用試験片を複数個切り出したり、繊維のＸ、Ｙ方向の異なる三次元複合材用試験片を切り出したりできるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の三次元複合材用試験片の製造方法の一例の、第一工程を説明する概略断面図である。
【図２】上記例の製造方法の第二工程を説明する概略断面図である。
【図３】上記例の製造方法の第三工程を説明する概略断面図である。
【図４】前駆体の例としての、複数の三次元複合材用試験片分の大きさを有するブロック体を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１〜図３は、本発明の三次元複合材用試験片の製造方法の一例の、第一〜第三工程を示す概略断面図である。
図１を参照して、まず第一工程では測定対象としての第一の繊維Ｆを、互いに直交するＸ、Ｙ方向に、図ではＸ方向１層とＹ方向１層を一組としてＬ２、Ｌ３の２組分、４層を配設する。
【００１８】
また上記２組の繊維Ｆの層の上側、および下側に、それぞれ第一の繊維Ｆよりも弾性率の小さい第二の繊維ｆを、互いに直交するＸ、Ｙ方向に、やはりＸ方向１層とＹ方向１層を一組としてＬ１、Ｌ２の１組分２層ずつ２組を積層する。
そして配設した４組分のＸ、Ｙ方向の繊維Ｆ、ｆを貫通させて、Ｘ、Ｙ方向と直交するＺ方向にも第一の繊維Ｆを配設して繊維構造体３を形成する。
【００１９】
なお第二の繊維ｆとしては、第一の繊維Ｆよりも弾性率が小さい任意の繊維が使用できるが、特に第一の繊維Ｆよりも弾性率が１／３以下である繊維を第二の繊維ｆとして選択して使用するのが好ましい。
第二の繊維ｆの弾性率が第一の繊維Ｆの弾性率の１／３より大きい場合には、三次元複合材用試験片中に残留した第二の繊維ｆが、引張試験等の結果には影響を及ぼすおそれがある。
【００２０】
かかる第二の繊維ｆの具体例としては、例えば第一の繊維Ｆが炭素繊維（弾性率：２３０〜９００ＧＰａ）である場合、ガラス繊維（弾性率：５０〜７０ＧＰａ）、ポリエステル繊維（弾性率：３１〜８７ＧＰａ）、ナイロン繊維（弾性率：０．８〜３．０ＧＰａ）、アクリル繊維（弾性率：２．５〜６．０ＧＰａ）、綿繊維（弾性率：９．５〜１０ＧＰａ）等が挙げられる。
【００２１】
また第一の繊維Ｆがガラス繊維である場合は、上記ナイロン繊維、アクリル繊維、綿繊維等が挙げられる。
次に図２を参照して、第二工程では、かかる繊維構造体３を例えば図示しない前駆体の立体形状に対応した型内に収容し、当該型内に樹脂２を注入して繊維構造体３の繊維間に含浸させることで、三次元複合材用試験片の前駆体４を作製する。
【００２２】
例えば熱硬化性樹脂の場合は硬化前の液状の樹脂２を型内に流し込んで硬化反応させ、熱可塑性樹脂の場合は加熱して溶融させた樹脂２を型内に流し込んで冷却、固化させて前駆体４を作製する。
なお第一工程においてＺ方向の第一の繊維Ｆは、図１に示すように４組分のＸ、Ｙ方向の繊維Ｆ、ｆのうち最も上の組Ｌ１の上側および最も下の組Ｌ４の下側で折り返しながら、当該４組分のＸ、Ｙ方向の繊維Ｆ、ｆを貫通させて配設するのが好ましい。
【００２３】
これにより繊維構造体３の形成から前駆体４の作製までを従来の試験片の製造工程と同じにでき、作業効率を向上できる。
次いで図２、図３を参照して、第三工程では、前駆体４のうち図３の上側の一点鎖線より上側の、組Ｌ１を構成するＸ、Ｙの２方向の第二の繊維ｆと、Ｚ方向の第一の繊維Ｆのうち上記一点鎖線より上側の部分を含む領域Ａ１を除去する。
【００２４】
それとともに下側の一点鎖線より下側の、組Ｌ４を構成するＸ、Ｙの２方向の第二の繊維ｆと、Ｚ方向の第一の繊維Ｆのうち上記一点鎖線より下側の部分を含む領域Ａ２を除去する。
具体的には、例えば作製した前駆体４の表裏両面を、上記領域Ａ１、Ａ２の厚み分だけ切削等する。上下の一点鎖線で示す切削面は互いに平行となるようにする。
【００２５】
そうすると図３に示すようにＺ方向の繊維Ｆの折り返し部分を除去して、当該折り返し部分が残留することによる先に説明した問題が生じるのを防止できる。
またこの際、第一工程で積層したＸ、Ｙ方向の第一および第二の繊維Ｆ、ｆの層にうねり等があると、上記領域Ａ１、Ａ２を除去した三次元複合材用試験片１中に第二の繊維ｆの一部が残留する場合がある。
【００２６】
しかし第二の繊維ｆは、先に説明したように第一の繊維Ｆより弾性率が小さいため、三次元複合材用試験片１中に残留したとしても引張試験等の結果には影響しない。
なおＸ、Ｙ方向は、例えばそれぞれの方向の第一の繊維Ｆの全長を、製造する三次元複合材用試験片１の、それぞれの方向の幅と略一致させるとともに、Ｘ、Ｙ方向の幅が上記両方向の繊維Ｆの全長、および製造する三次元複合材用試験片１の両方向の幅と略一致する型内に収容して樹脂２を注入することで、折り返し部分等のない状態とすることができる。
【００２７】
あるいはまた前駆体４のＸ、Ｙ方向の幅を、製造する三次元複合材用試験片１の同方向の幅より大きめに設定して、余剰分を切削除去等することにより、両方向の第一の繊維Ｆを折り返し部分のない状態としてもよい。
いずれにしろ上記の各工程を経ることにより、Ｘ、Ｙ、Ｚの３方向の第一の繊維Ｆに折り返し部分がないため、引張特性等を従来に比べてより正確に測定しうる三次元複合材用試験片１を製造することが可能となる。
【００２８】
図４は、前駆体の例としての、複数の三次元複合材用試験片分の大きさを有するブロック体５を示す斜視図である。
図４を参照して、この例のブロック体５は先の第一、第二工程を経て製造することができる。
すなわち全長がブロック体５のＸ、Ｙ方向の幅と一致するかそれよりも長い長尺の第一の繊維ＦをＸ、Ｙ方向に所定の層数積層し、かつその上下に同様に長い第二の繊維ｆをＸ、Ｙ方向に所定の層数積層する。
【００２９】
次いで連続する第一の繊維Ｆを複数層分のＸ、Ｙ方向の繊維Ｆ、ｆのうち最も上の組Ｌ１の上側および最も下の組Ｌ４の下側で折り返しながら、当該複数層分のＸ、Ｙ方向の繊維Ｆ、ｆを貫通させてＺ方向にも配設して繊維構造体３を形成する。
次いでこの繊維構造体３を、図示しないブロック体５の立体形状に対応した型内にそのままで、あるいは必要に応じてＸ、Ｙ方向の寸法が型の同方向の寸法と一致するようにカットした状態で収容し、当該型内に樹脂２を注入して繊維構造体３の繊維間に含浸させることでブロック体５を作製する。
【００３０】
次いでこのブロック体５のＸ、Ｙ面内に、図中に二点鎖線で示すように複数個の三次元複合材用試験片１に対応する領域６を設定してブロック体５から切り出したのち、図中に一点鎖線で区画したＺ方向（厚み方向）の上下の領域Ａ１、Ａ２（Ｘ、Ｙ方向の第二の繊維ｆの層と、Ｚ方向の第一の繊維Ｆの折り返し部分を含む）を除去する。
そうすると１枚のブロック体５から同条件の三次元複合材用試験片１を複数個切り出したり、繊維のＸ、Ｙ方向の異なる三次元複合材用試験片１を切り出したりできる。
【００３１】
なお本発明の構成は、以上で説明した図の例には限定されない。
例えば三次元複合材用試験片１を構成するＸ、Ｙ方向の第一の繊維Ｆの層数は２組４層には限定されず、任意の層数を選択できる。
また除去するＸ、Ｙ方向の第二の繊維ｆの層数も１組２層ずつには限定されない。Ｚ方向の第一の繊維Ｆの折り返し部分を確実に除去するのに必要な層数を任意に設定できる。
【００３２】
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を施すことができる。
【符号の説明】
【００３３】
１：三次元複合材用試験片、２：樹脂、３：繊維構造体、４：前駆体、５：ブロック体、６：領域、Ａ１、Ａ２：領域、Ｆ：第一の繊維、ｆ：第二の繊維、Ｌ１〜Ｌ４：繊維の組
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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