(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は、全体を樹脂２によって直方体状に形成し、その各面Ｃ１〜Ｃ４に沿って互いに直交させてＸ、Ｙ、Ｚの３方向の繊維Ｆを配設するとともに、いずれの方向の繊維も前記各面に切断面Ｆ１を臨ませた。製造方法は、繊維をＸ、Ｙ、Ｚの３方向に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繊維を少なくとも含む領域Ａ１、Ａ２を除去する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
全体を樹脂によって直方体状に形成し、当該直方体中に、その各面に沿って互いに直交させてＸ、Ｙ、Ｚの３方向の繊維を配設するとともに、前記３方向の繊維はいずれも前記各面に切断面を臨ませている三次元複合材用試験片。
【請求項２】
前記請求項１に記載の三次元複合材用試験片の製造方法であって、
前記繊維を互いに直交するＸ、Ｙ方向に複数層分ずつ配設するとともに前記複数層分のＸ、Ｙ方向の繊維を貫通させて、前記Ｘ、Ｙ方向と直交するＺ方向にも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方向の繊維の最上層と最下層を少なくとも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３】
前記第一工程では、連続する繊維を前記複数層分の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当該複数層分のＸ、Ｙ方向の繊維を貫通させてＺ方向に配設する請求項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２または３に記載の三次元複合材用試験片の製造方法。
【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、直方体状の三次元複合材用試験片とその製造方法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とそ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】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明は、全体を樹脂（２）によって直方体状に形成し、当該直方体中に、その各面（Ｃ１・・・）に沿って互いに直交させてＸ、Ｙ、Ｚの３方向の繊維（Ｆ）を配設するとともに、前記３方向の繊維はいずれも前記各面に切断面（Ｆ１）を臨ませている三次元複合材用試験片（１）である（請求項１）。
また本発明は、かかる三次元複合材用試験片の製造方法であって、
前記繊維を互いに直交するＸ、Ｙ方向に複数層分ずつ配設するとともに前記複数層分のＸ、Ｙ方向の繊維を貫通させて、前記Ｘ、Ｙ方向と直交するＺ方向にも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（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方向の繊維の最上層と最下層を少なくとも含む領域（Ａ１）（Ａ２）を除去する第三工程、
を含むことを特徴とする（請求項２）。
【００１０】
なお前記第一工程では、連続する繊維を前記複数層分の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当該複数層分のＸ、Ｙ方向の繊維を貫通させてＺ方向に配設するのが好ましい（請求項３）。
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）。
【００１１】
なおカッコ内の英数字は、後述の実施の形態における対応構成要素等を示す。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１記載の発明によれば、Ｘ、Ｙ、Ｚの３方向の繊維を、いずれも直方体を構成する各面に切断面を臨ませて配設することで繊維の折り返し部分をなくして、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】
したがって、かかる三次元複合材用試験片によれば引張特性等を従来に比べてより正確に測定することが可能となる。
また請求項２記載の発明の製造方法によれば、先に説明した第一ないし第三工程を経るだけで、簡単に、繊維の折り返し部分のない上記三次元複合材用試験片を製造することができる。
【００１４】
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】
【００１５】
【図１】本発明の三次元複合材用試験片の、実施の形態の一例の一部を拡大して示す斜視図である。
【図２】本発明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３】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４】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５】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】
【００１６】
（三次元複合材用試験片）
図１は、本発明の三次元複合材用試験片の、実施の形態の一例の一部を拡大して示す斜視図である。
図１を参照して、この例の三次元複合材用試験片１は、全体が樹脂２によって直方体状に形成されている。
【００１７】
また樹脂２は、直方体の内部に配設した、当該直方体１の各面Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３…に沿う互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚの３方向の繊維Ｆによって強化されている。
またかかる３方向の繊維Ｆは、いずれも直方体を構成する各面Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３…において切断面Ｆ１を臨ませて配設されている。
上記の構成によれば、繊維Ｆの折り返し部分をなくして、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。
【００１８】
すなわち三次元複合材用試験片１の表層部で樹脂２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１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。
したがって、かかる三次元複合材用試験片１によれば引張特性等を従来に比べてより正確に測定することが可能となる。
【００１９】
（三次元複合材用試験片の製造方法）
図２〜図４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２を参照して、まず第一工程では繊維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Ｌ１〜Ｌ４の４組分、８層を配設するとともに、配設した４組分のＸ、Ｙ方向の繊維Ｆを貫通させて、Ｘ、Ｙ方向と直交するＺ方向にも繊維Ｆを配設して繊維構造体３を形成する。
【００２０】
次いで図３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。
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。
【００２１】
なお第一工程においてＺ方向の繊維Ｆは、図２に示すように４組分のＸ、Ｙ方向の繊維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を貫通させて配設するのが好ましい。
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。
【００２２】
次いで図３、図４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方向の繊維Ｆと、Ｚ方向の繊維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。
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方向の繊維Ｆと、Ｚ方向の繊維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。
【００２３】
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（直方体を構成する面Ｃ３、Ｃ４）は互いに平行となるようにする。
そうすると図１、図４に示すようにＺ方向の繊維Ｆの折り返し部分が除去されて、当該Ｚ方向の繊維Ｆを上記面Ｃ３、Ｃ４に切断面Ｆ１を臨ませた状態とすることができる。
【００２４】
またＸ、Ｙ方向は、例えばそれぞれの方向の繊維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、面Ｃ１、Ｃ２等に切断面Ｆ１を臨ませた状態とすることができる。
【００２５】
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、両方向の繊維Ｆを、面Ｃ１、Ｃ２等に切断面Ｆ１を臨ませた状態としてもよい。
いずれにしろ上記の各工程を経ることにより、中間の２組Ｌ２、Ｌ３分、４層のＸ、Ｙ方向の繊維Ｆと、当該Ｘ、Ｙ方向の繊維Ｆを貫通するＺ方向の繊維Ｆとの間に樹脂２が充てんされるとともに、各方向の繊維Ｆがいずれも直方体の各面Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３・・・に切断面Ｆ１を臨ませた本発明の三次元複合材用試験片１を製造することができる。
【００２６】
図５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５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繊維ＦをＸ、Ｙ方向に所定の層数積層するとともに、連続する繊維Ｆを複数層分のＸ、Ｙ方向の繊維Ｆの最上層の上側および最下層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。
【００２７】
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。
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（Ｚ方向の繊維Ｆの折り返し部分を含む）を除去する。
【００２８】
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。
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。
【００２９】
また除去するＸ、Ｙ方向の繊維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。
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】
【００３０】
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、Ｃ１〜Ｃ４：直方体の面、Ｆ：繊維、Ｆ１：切断面、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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【図５】
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