(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の繊維片が樹脂を含むマトリックス中に分散してなる複合材料で構成された繊維樹脂複合構造体であって、
前記複数の繊維片は、長手方向の端部が前記マトリックスの表面から突出するよう配置された突出繊維片を含んでおり、
前記複数の繊維片のうち前記突出繊維片以外の繊維片の平均長さを１としたとき、前記突出繊維片の平均長さが０．６〜１であることを特徴とする繊維樹脂複合構造体。
【請求項２】
前記樹脂は、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂である請求項１に記載の繊維樹脂複合構造体。
【請求項３】
前記繊維片は、樹脂繊維片、ガラス繊維片および炭素繊維片のうちの少なくとも１種である請求項１または２に記載の繊維樹脂複合構造体。
【請求項４】
前記繊維片の繊維径は、０．５〜３０μｍである請求項１ないし３のいずれか１項に記載の繊維樹脂複合構造体。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の繊維樹脂複合構造体を成形して得られたことを特徴とする成形体。
【請求項６】
繊維片と樹脂とを含む複合材料で構成され、前記繊維片の集合体を裁断して所定の形状にする過程を経た後、成形して得られた成形体であって、
当該成形体の内側に含まれる前記繊維片の平均長さを１としたとき、前記裁断による加工面近傍に含まれる前記繊維片の平均長さが０．６〜１であることを特徴とする成形体。
【請求項７】
当該成形体の内側における前記繊維片の単位体積当たりの含有量を１としたとき、前記加工面近傍における前記繊維片の単位体積当たりの含有量が質量比で１〜１．４である請求項６に記載の成形体。
【請求項８】
前記樹脂は、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂である請求項６または７に記載の成形体。
【請求項９】
前記繊維片は、樹脂繊維片、ガラス繊維片および炭素繊維片のうちの少なくとも１種である請求項６ないし８のいずれか１項に記載の成形体。
【請求項１０】
前記繊維片の繊維径は、０．５〜３０μｍである請求項６ないし９のいずれか１項に記載の成形体。
【請求項１１】
当該成形体の加工面近傍に含まれる前記繊維片の少なくとも一部は、長手方向の一端側が前記成形体の内側方向を指向し、他端側が前記加工面に沿って延在するよう配置されている請求項６ないし１０のいずれか１項に記載の成形体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維樹脂複合構造体および成形体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
機械部品等の構造体は、高い負荷に耐え得る必要性から、金属材料で構成されることが一般的である。
【０００３】
近年、機械部品の軽量化、静音化、低コスト化等の観点から、金属材料に代えて樹脂材料を繊維片で補強した複合材料の採用が進んでいる。
【０００４】
例えば、特許文献１には、繊維補強材に樹脂を含浸させてなる繊維強化樹脂製歯車が開示されている。この歯車は以下のようにして製造されている。
【０００５】
まず、繊維片を水中に離解分散させ、スラリーを調製する。次いで、このスラリーから抄造法により不織布を得る。そして、打ち抜き加工により不織布をドーナツ型に打ち抜いた後、打ち抜かれた不織布に樹脂を含浸させ、さらに含浸させた樹脂を硬化させることで繊維強化樹脂成形体を得る。最後に、この繊維強化樹脂成形体に機械切削を施すことで歯車を得ている。
【０００６】
ところが、このような方法で製造された歯車には、外周部の機械的強度が低いという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１３８１４６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、機械的特性に優れた成形体、および成形することにより前記成形体を容易に製造することができる繊維樹脂複合構造体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
このような目的は、下記（１）〜（１１）の本発明により達成される。
（１）  複数の繊維片が樹脂を含むマトリックス中に分散してなる複合材料で構成された繊維樹脂複合構造体であって、
前記複数の繊維片は、長手方向の端部が前記マトリックスの表面から突出するよう配置された突出繊維片を含んでおり、
前記複数の繊維片のうち前記突出繊維片以外の繊維片の平均長さを１としたとき、前記突出繊維片の平均長さが０．６〜１であることを特徴とする繊維樹脂複合構造体。
【００１１】
（２）  前記樹脂は、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂である上記（１）に記載の繊維樹脂複合構造体。
【００１２】
（３）  前記繊維片は、樹脂繊維片、ガラス繊維片および炭素繊維片のうちの少なくとも１種である上記（１）または（２）に記載の繊維樹脂複合構造体。
【００１３】
（４）  前記繊維片の繊維径は、０．５〜３０μｍである上記（１）ないし（３）のいずれかに記載の繊維樹脂複合構造体。
【００１４】
（５）  上記（１）ないし（４）のいずれかの繊維樹脂複合構造体を成形して得られたことを特徴とする成形体。
【００１５】
（６）  繊維片と樹脂とを含む複合材料で構成され、前記繊維片の集合体を裁断して所定の形状にする過程を経た後、成形して得られた成形体であって、
当該成形体の内側に含まれる前記繊維片の平均長さを１としたとき、前記裁断による加工面近傍に含まれる前記繊維片の平均長さが０．６〜１であることを特徴とする成形体。
【００１６】
（７）  当該成形体の内側における前記繊維片の単位体積当たりの含有量を１としたとき、前記加工面近傍における前記繊維片の単位体積当たりの含有量が質量比で１〜１．４である上記（６）に記載の成形体。
【００１７】
（８）  前記樹脂は、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂である上記（６）または（７）に記載の成形体。
【００１８】
（９）  前記繊維片は、樹脂繊維片、ガラス繊維片および炭素繊維片のうちの少なくとも１種である上記（６）ないし（８）のいずれかに記載の成形体。
【００１９】
（１０）  前記繊維片の繊維径は、０．５〜３０μｍである上記（６）ないし（９）のいずれかに記載の成形体。
【００２０】
（１１）  当該成形体の加工面近傍に含まれる前記繊維片の少なくとも一部は、長手方向の一端側が前記成形体の内側方向を指向し、他端側が前記加工面に沿って延在するよう配置されている上記（６）ないし（１０）のいずれかに記載の成形体。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、機械的特性に優れた成形体が得られる。特に、裁断を施されて得られた加工面についても、機械的特性の低下を防止することができるので、駆動する機械部品等の構造体に好適に利用することができる。
【００２２】
また、本発明によれば、成形することにより、前記成形体を容易に製造することができる繊維樹脂複合構造体が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の成形体の実施形態を模式的に示す断面図である。
【図２】成形体の製造方法を説明するための図である。
【図３】成形体の製造方法を説明するための図である。
【図４】成形体の製造方法を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の繊維樹脂複合構造体および成形体について、添付図面に示す好適実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００２５】
本発明の成形体は、繊維片と樹脂とを含む複合材料で構成されたものであり、機械部品のような複雑な形状の構造体にも適用できるように、所望の形状をとり得る。したがって、本発明の成形体では、その製造過程おいて前記複合材料からなる素形体を裁断する過程を経ることで、前述の所望の形状を実現している。このため、成形体の表面の少なくとも一部は裁断に伴う加工面になっている。
【００２６】
本発明の成形体では、繊維片の集合体である素形体を裁断する過程を経ているにも関わらず、加工面近傍において繊維片が実質的に切断されることなく残存した状態で成形されている。
【００２７】
このような成形体は、加工面近傍における繊維片が、裁断を施す前の当初の長さ、すなわち成形体を補強するのに十分な長さを維持していることとなる。その結果、成形体の加工面近傍は、内部と同等の優れた機械的特性を有するものとなる。
【００２８】
なお、成形体の機械的特性とは、表面の変形し難さといった機械的強度、耐摩耗性、疲労強度等の物理的特性の総称である。
【００２９】
また、本発明の繊維樹脂複合構造体は、前記成形体を製造するための前駆体であり、成形型等を用いて成形体がとるべき最終形状に成形されることで、前記成形体を容易に製造し得るよう構成されたものである。
【００３０】
＜成形体＞
まず、本発明の成形体について詳述する。
【００３１】
図１は、本発明の成形体の実施形態を模式的に示す断面図である。
本発明の成形体１は、前述したように、樹脂と繊維片２とを含む複合材料で構成されている。すなわち、繊維片２は、樹脂やその他の成分からなるマトリックス３中に分散しており、複合材料全体を補強するよう作用する。
【００３２】
（繊維片）
成形体１中に含まれる繊維片２は、いかなる材料で構成されたものでもよいが、具体的には、ポリエステル繊維、ポリアリレート繊維、ポリアミド繊維、ポリフェニレンサルファイド繊維、ポリイミド繊維、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール繊維、ポリパラフェニレンベンゾビスチアゾール繊維、ポリエーテルエーテルケトン繊維、ポリテトラフルオロエチレン繊維、セルロース繊維片のような樹脂繊維片の他、ガラス繊維片、炭素繊維片、金属繊維片、セラミック繊維片、ロックウール、綿繊維片、絹繊維片、木質繊維片等が挙げられ、これらの１種または２種以上を混合したものが用いられる。
【００３３】
このうち、繊維片２としては、樹脂繊維片、ガラス繊維片および炭素繊維片のうちの少なくとも１種であるのが好ましい。これらの繊維片２は、十分な引張強度を有するとともに、優れた耐候性を有するものとなるため、複合材料を補強する繊維片２として有用である。
【００３４】
成形体１中に含まれる繊維片２としては、平均長さが好ましくは０．５〜２０ｍｍ程度、より好ましくは１〜１５ｍｍ程度のものが用いられる。繊維片２の長さが前記範囲内であれば、繊維片２の分散状態が均一になるので、成形体１の機械的特性をムラなく均一に高めることができる。
【００３５】
なお、繊維片２の平均長さが前記下限値未満である場合、繊維片２同士が絡まる確率が低下し、成形体１の機械的特性を十分に高めることができないおそれがある。一方、繊維片２の平均長さが前記上限値を超える場合、多数の繊維片２が絡まり合う確率が高くなり、繊維片２を均一に分散させることができないおそれがある。
【００３６】
また、繊維片２の繊維径は、０．５〜３０μｍ程度であるのが好ましく、１〜２０μｍ程度であるのがより好ましい。繊維片２の繊維径が前記範囲内であれば、繊維片２に十分な引張強度と均一な分散性とが付与される。
【００３７】
なお、繊維片２の繊維径が前記下限値未満である場合、繊維片２の構成材料によっては繊維片２の引張強度が低下するおそれがある。一方、繊維片２の繊維径が前記上限値を超える場合、成形体１中において繊維片２を均一に分散させることができず、機械的特性が不均一になるおそれがある。
【００３８】
また、成形体１中の繊維片２の濃度（含有量）は、１０〜９０体積％程度であるのが好ましく、２０〜８０体積％程度であるのがより好ましい。これにより、成形体１の機械的特性を確実に高めることができる。
【００３９】
また、繊維片２には、樹脂との密着性、親和性を高める表面処理をあらかじめ施してもよい。表面処理としては、例えば、紫外線照射処理、電子線照射処理、プラズマ照射処理、表面層形成処理等が挙げられる。
【００４０】
このうち、表面層としては、例えば、シランカップリング剤、チタンカップリング剤のようなカップリング剤、各種界面活性剤、各種油剤等が挙げられる。
【００４１】
（樹脂）
樹脂としては、各種熱可塑性樹脂、各種熱硬化性樹脂が挙げられ、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合体、エチレン−酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）等のポリオレフィン、環状ポリオレフィン、変性ポリオレフィン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、ポリアミド（例：ナイロン６、ナイロン４６、ナイロン６６、ナイロン６１０、ナイロン６１２、ナイロン１１、ナイロン１２、ナイロン６−１２、ナイロン６−６６）、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリ−（４−メチルペンテン−１）、アイオノマー、アクリル系樹脂、ポリメチルメタクリレート、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体（ＡＢＳ樹脂）、アクリロニトリル−スチレン共重合体（ＡＳ樹脂）、ブタジエン−スチレン共重合体、ポリオキシメチレン、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、エチレン−ビニルアルコール共重合体（ＥＶＯＨ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリシクロヘキサンテレフタレート（ＰＣＴ）等のポリエステル、ポリエーテル、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルイミド、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリフェニレンオキシド、変性ポリフェニレンオキシド、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリフェニレンサルファイド、ポリアリレート、芳香族ポリエステル（液晶ポリマー）、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、その他フッ素系樹脂、スチレン系、ポリオレフィン系、ポリ塩化ビニル系、ポリウレタン系、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリブタジエン系、トランスポリイソプレン系、フッ素ゴム系、塩素化ポリエチレン系等の各種熱可塑性エラストマー、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル、シリコーン樹脂、ポリウレタン等、またはこれらを主とする共重合体、ブレンド体、ポリマーアロイ等が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。
【００４２】
（繊維片の状態）
本発明の成形体１は、前述したように、素形体を裁断する過程を経た後、最終形状に成形されることにより形成されたものである。
【００４３】
従来、このような素形体の裁断は、バイト、エンドミルのような工具、打ち抜き金型等を用いて行われていた。
【００４４】
しかしながら、これらの加工ツールを用いると、素形体を完全に切断するよう加工するので、樹脂はもちろん、繊維片も切断してしまう。本発明者は、この点に着目し、裁断後の加工面近傍では、繊維片が短く切断されてしまい、繊維片が本来有する補強機能が損なわれていることを見出した。すなわち、加工面近傍の繊維片が切断されてしまうと、得られる成形体１は、加工面近傍の機械的特性が著しく低下し、機械部品等としての利用が困難になっていた。
【００４５】
これに対し、本発明の成形体１では、裁断による加工面近傍において、繊維片２が実質的に切断されることなく残存している。このため、このような成形体１は、加工面近傍においても繊維片２の補強機能が保持されることとなり、加工面における機械的特性の低下が防止される。その結果、所望の形状を有し、大きな負荷に耐え得る機械部品等に適用可能な成形体１が得られる。
【００４６】
ここで、成形体１の加工面近傍とは、加工面の表面から繊維片２の平均長さに相当する厚さの領域である。この厚さの領域は、成形体１の加工面の機械的特性に大きな影響を及ぼす領域であるが、従来の成形体では、この領域に含まれる繊維片は短く切断されていたため、機械的特性の低下を招いていた。
【００４７】
しかしながら、本発明の成形体１では、この領域の繊維片２は、加工面近傍より内側に含まれる繊維片２と同等の長さを維持している。具体的には、加工面近傍より内側に含まれる繊維片２の平均長さを１としたとき、加工面近傍に含まれる繊維片２の平均長さは、０．６〜１に相当する長さになっている。このような長さを維持していれば、加工面近傍においても内側と同等の高い機械的特性を有するものが得られる。
【００４８】
また、成形体１の内側に含まれる繊維片２の平均長さを１としたとき、加工面近傍に含まれる繊維片２の平均長さは０．６〜１とされるが、好ましくは０．７〜１とされ、より好ましくは０．８〜１とされる。
【００４９】
なお、成形体１中に含まれる繊維片２の平均長さは、以下のようにして測定される。
加工面近傍や内部に含まれる繊維片２については、引っ張って抜き取ったものあるいは全体が表面に露出しているものを合計１００本選び、その平均値を算出することで繊維片２の平均長さが求められる。場合によっては、マトリックス３を溶融または溶解し、繊維片２を抜き取り易くしてもよい。
【００５０】
一方、成形体１の内側に含まれる繊維片２の単位体積当たりの含有量を１としたとき、加工面近傍に含まれる繊維片２の単位体積当たりの含有量は、質量比で１〜１．４であるのが好ましく、１．１〜１．４であるのがより好ましく、１．２〜１．４であるのがさらに好ましい。これにより、本発明の成形体１は、加工面近傍に含まれる繊維片２の長さが単に長いだけでなく、加工面近傍に含まれる繊維片２の濃度（密度）までもが高いものとなる。その結果、加工面近傍における機械的特性をさらに強化することができ、より大きな負荷に耐え得る機械部品等に適用することが可能になる。
【００５１】
なお、成形体１に含まれる繊維片２の単位体積当たりの含有量は、５ｍｍ３の体積の成形体１を切り出し、マトリックス３を溶融または溶解して除去するとともに、残存した繊維片２の質量を測定することで求められる。また、樹脂抽出が困難な場合は、繊維片２およびマトリックス３の真比重と、成形体１の比重から、成形体１に含まれる繊維片２の単位体積当たりの含有量を求めることもできる。
【００５２】
また、繊維片２同士は、絡み合っているのが好ましいが、互いに離れていても補強機能は十分に発揮される。
【００５３】
また、繊維片２の分散状態は、加工面近傍以外では均一に分散しているのが好ましく、繊維片２の分布方向は、全体でランダムであっても、所定の面内においてランダムであっても、あるいは所定の方向に配向していてもよい。
【００５４】
＜成形体の製造方法＞
次に、上述した成形体１の製造方法について説明する。
【００５５】
図２〜４は、それぞれ成形体の製造方法を説明するための図である。
成形体１の製造方法は、樹脂と繊維片２とを含む複合材料で構成された素形体１０を得る素形体形成工程と、素形体１０に対し、繊維片２以外の成分（マトリックス３）を選択的に除去する加工方法により、所定の形状に裁断し、繊維樹脂複合構造体（本発明の繊維樹脂複合構造体）１００を得る裁断工程と、得られた繊維樹脂複合構造体１００を成形型２０に投入し、最終形状に成形することで成形体１を得る成形工程と、を有する。
【００５６】
以下、各工程について順次説明する。
［１］まず、成形体１を切り出すための母材となる素形体１０を得る。
【００５７】
この素形体１０は、（ｉ）複合材料を含む分散液から湿式抄造により製造する方法、（ii）繊維片２から不織布等の布帛を製造し、これに樹脂やその他の成分を含浸させる方法、等により製造される。
【００５８】
このうち、（ｉ）の方法では、まず、樹脂、繊維片２、およびその他の成分を、分散媒に添加し、分散液を調製する。
【００５９】
樹脂は、粒子状、針状、鱗片状のような粉体として添加される（図２（ａ）に示す樹脂粉３０参照）。このうち、粒子状であるのが好ましく、その平均粒径は０．５〜１００μｍ程度であるのが好ましく、１〜５０μｍ程度であるのがより好ましい。
【００６０】
また、樹脂には、前述した各種熱可塑性樹脂、各種熱硬化性樹脂が用いられるが、熱溶融型または自硬化型に設定された状態で用いられるのが好ましい。これにより、後述する加圧成形における固化または硬化を容易に行うことができる。
【００６１】
分散媒としては、上記構成要素を均一に分散し得るものであれば、特に限定されないが、水、メタノール、エタノール等が挙げられる。
【００６２】
また、分散液における繊維片２の濃度は、特に限定されないが、０．１〜３質量％程度であるのが好ましく、０．２〜１質量％程度であるのがより好ましい。
【００６３】
このようにして得られた分散液から素形体１０を湿式抄造する。湿式抄造では、網や布等の抄造帯で繊維片２を抄き上げる方法で素形体１０を形成するが、この際、繊維片２は、樹脂やその他の成分が付着した状態で抄き上げられる。その後、圧搾し乾燥させることにより、繊維片２が、樹脂粉３０やその他の成分からなるマトリックス３中に分散した、図２（ａ）に示すような素形体１０が得られる。換言すれば、素形体１０は、繊維片２の集合体にマトリックス３が分散してなるものである。
【００６４】
湿式抄造には、丸網抄造機、円網抄造機、長網抄造機のような各種抄造機が用いられる。
【００６５】
なお、分散液に添加する前記その他の成分としては、例えば、硬化剤、酸化防止剤、難燃剤、耐光剤、紫外線吸収剤、光安定剤、塗面改良剤、熱重合禁止剤、レベリング剤、界面活性剤、着色剤、保存安定剤、分散剤、可塑剤、滑剤、フィラー、無機粒子、劣化防止剤、濡れ性改良剤、帯電防止剤、導電剤、粘度調整剤、抗菌剤等が挙げられる。
【００６６】
また、素形体１０中におけるこれらの成分の含有量は、特に限定されないが、２０質量％以下であるのが好ましく、１０質量％以下であるのがより好ましい。
【００６７】
一方、（ii）の方法では、まず、繊維片２から公知の方法により、繊維片２の集合体である不織布を製造する。不織布の製造方法としては、例えば、繊維片２を気流に乗せて一定方向またはランダムに並べてシート状にする乾式法や、上述した湿式抄造と同様の湿式法等が知られている。なお、必ずしも不織布である必要はなく、織布であってもよい。
【００６８】
次いで、樹脂およびその他の成分を含む液状材料を調製する。ここで、液状材料中の樹脂は、溶融した状態になっている。そして、上記で得られた不織布に液状材料を含浸させる。その後、液状材料を固化させることにより、繊維片２の不織布にマトリックス３が含浸してなる図２（ｂ）に示すような素形体１０が得られる。
【００６９】
なお、上記（ｉ）、（ii）の方法により製造された素形体１０は、その後の裁断を施すことができる形状であれば、いかなる形状であってもよい。
【００７０】
［２］次に、素形体１０に裁断を施し、繊維樹脂複合構造体１００を得る。
この裁断は、素形体１０のうち繊維片２以外の成分を選択的に除去する加工方法により裁断する加工（選択的裁断）である。具体的には、例えば、ウォータージェット加工、エアージェット加工、サンドブラスト加工、ショットブラスト加工のような加工媒体を吹き付ける加工方法や、樹脂やその他の成分（マトリックス）のみを溶解させる溶解液に接触させる加工方法、レーザー加工による方法等が用いられる。
【００７１】
図３は、ウォータージェット加工により図２（ａ）に示す素形体を裁断する様子を説明するための図である。
【００７２】
ウォータージェット加工は、細いノズルから加工対象に向けて高圧の水を噴射しつつノズルを走査させることにより、走査パターンに沿って所定形状の裁断を行う加工方法である。
【００７３】
素形体１０に対して、図３（ａ）に示すようにウォータージェットＷを当てると、素形体１０のうち、マトリックス３のみがウォータージェットＷの水勢によって除去され、繊維片２のほとんどは残存する。これは、繊維片２が極細い繊維であり、しかも一般にしなやかであるため、ウォータージェットＷの水勢を受け流すことができるためである。このため裁断によって、マトリックス３のみが除去されることとなり、繊維片２は、図３（ｂ）に示すように、その一端側がマトリックス３と繊維片２の絡まりによって固定され、他端側はウォータージェットＷが除去した領域（裁断痕）に突出した状態で残存することとなる。その結果、素形体１０を所定の形状に裁断することができる。このような裁断により素形体１０から不要部分を除去した繊維樹脂複合構造体１００が得られる。得られた繊維樹脂複合構造体１００の加工面には、繊維片２の一部が突出した状態になる。ここで、繊維片２のうち、この突出した部分を突出部２ａとし、突出部２ａを有する繊維片２を特に突出繊維片という。
【００７４】
なお、繊維樹脂複合構造体１００は、成形体１の形状（最終形状）に近く、それよりやや大きい形状に加工される。具体的には、後述する成形工程におけるマトリックス３の収縮率や成形によって折り曲げられる繊維片２の長さを踏まえ、それを加味した分だけ成形体１よりも大きい形状であればよい。
【００７５】
本発明の繊維樹脂複合構造体は、上述したように、繊維片２の配置等に特徴を有するものであり、後述する成形工程を経ることで成形体１を容易に製造することができる。
【００７６】
また、繊維片２のうち、突出繊維片以外の繊維片の平均長さを１としたとき、突出繊維片の平均長さは０．６〜１であるのが好ましく、０．７〜１であるのがより好ましく、０．８〜１であるのがさらに好ましい。突出繊維片の長さが前記範囲内であれば、繊維樹脂複合構造体１００を後述する成形工程に供したとき、得られる成形体１は、その表面（裁断による加工面）近傍に十分な長さの繊維片を有するものとなる。その結果、成形体１の表面近傍では、繊維片２が本来有する補強機能が確実に発揮され、十分な機械的特性が発現する。
【００７７】
なお、繊維片２の平均長さは、前述した成形体１における繊維片２の平均長さと同様の方法で測定される。
【００７８】
また、繊維片２の繊維径は、０．５〜３０μｍ程度であるのが好ましく、１〜２０μｍ程度であるのがより好ましい。繊維片２の繊維径が前記範囲内であれば、繊維片２に十分な引張強度と均一な分散性とが付与されるため、機械的特性に優れた成形体１を容易に製造し得る繊維樹脂複合構造体１００が得られる。
【００７９】
また、繊維片２には、前述した各種繊維片のうち、樹脂繊維片、ガラス繊維片および炭素繊維片のうちの少なくとも１種が好ましく用いられる。これらの繊維片２は、十分な引張強度を有するとともに、優れた耐候性を有するものとなるため、機械的特性に優れた成形体１を容易に製造し得る繊維樹脂複合構造体１００が得られる。
【００８０】
ここで、ウォータージェット加工の条件は、特に限定されない。例えば、水圧は１０〜５００ＭＰａ程度であるのが好ましく、３０〜３００ＭＰａ程度であるのがより好ましい。水圧を前記範囲内に設定すれば、繊維片２を残存させつつマトリックス３のみを選択的に除去する裁断を、より確実に行うことができる。
【００８１】
また、ウォータージェット加工に用いる水には、水道水、純水、蒸留水、中水等が用いられ、特に限定されず、必要に応じてその他の液体（有機溶剤、または有機溶剤と水との混合液等）を使用してもよい。また、水に研磨材を混合するようにしてもよい。混合する研磨材としては、例えば、アルミナ、シリカ、ジルコニア、ダイヤモンド、ガーネット、砂、カーボン、窒化ホウ素等が挙げられ、これらの１種または２種以上が組み合わせて用いられる。また、研磨材を用いる場合、その平均粒径は、繊維片２の平均繊維径より小さいことが好ましい。これにより、マトリックス３のみをより確実に除去することができる。
【００８２】
また、ウォータージェットＷの外径（噴射ノズルの口径）は、特に限定されないが、繊維片２の平均長さの３０％以下であるのが好ましく、０．５〜２０％程度であるのがより好ましく、１〜１５％程度であるのがさらに好ましい。これにより、裁断痕において繊維片２の突出部２ａが突出するように加工することが確実に行える。一例として、噴射ノズルの口径は、０．１〜１ｍｍ程度であるのが好ましい。
【００８３】
さらに、噴射ノズルの先端と被加工物である素形体１０との離間距離は、噴射ノズルと被加工物とが接触しなければ特に限定されないが、一例として１〜５０ｍｍ程度であるのが好ましく、３〜３０ｍｍ程度であるのがより好ましい。
【００８４】
一方、エアージェット加工は、水の代わりに空気等のガスを使用し、これを加工媒体として使用する加工方法である。エアージェット加工では、ガスを超音速まで加速し、得られた超音速噴流を素形体１０に当てて裁断を行う。噴射ノズルの入り口におけるガス圧力は、２〜５０ＭＰａ程度であるのが好ましく、３〜３０ＭＰａ程度であるのがより好ましい。
【００８５】
また、サンドブラスト加工およびショットブラスト加工は、ガスの噴流に研磨材を添加して裁断を行う加工方法である。研磨材としては、前述したようなものが用いられる。
【００８６】
なお、エアージェット加工、サンドブラスト加工およびショットブラスト加工のいずれにおいても、噴流の外径（噴射ノズルの口径）は、繊維片２の平均長さの３０％以下であるのが好ましく、０．５〜２０％程度であるのがより好ましく、１〜１５％程度であるのがさらに好ましい。
【００８７】
また、樹脂やその他の成分（マトリックス）のみを溶解させる溶解液を、裁断すべき領域に供給することでも、マトリックス３のみを除去することができる。この溶解液としては、繊維片２の構成材料の溶解性とマトリックス３の構成材料の溶解性とを考慮して適宜設定されるが、例えば、２−ピロリドン、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジエチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミドのようなアミド化合物、γ−ブチロラクトン、δ−バレロラクトン、γ−バレロラクトン、ε−カプロラクトンのようなラクトン化合物、メチルエチルケトンのようなケトン化合物等が好ましく用いられる。
【００８８】
なお、溶解液を供給する領域の幅は、前述した噴流の外径と同程度であるのが好ましい。
【００８９】
また、レーザー加工では、マトリックス３のみを揮発または溶融して除去し得るよう、波長、出力、光源等を適宜選択すればよい。さらに、マトリックス３に発熱剤を混合しておくことにより、レーザー照射によりマトリックス３のみを自己発熱させ、マトリックス３のみを除去するようにしてもよい。発熱剤としては、例えば、グラファイト等が挙げられる。
【００９０】
なお、上記裁断を行う際には、加工媒体、例えばウォータージェット加工の場合はウォータージェットを素形体の表面に対して二次元的に走査しつつ加工するが、三次元的に走査するようにしてもよい。これにより、立体形状を切り出すことも可能になる。
【００９１】
［３］次に、繊維樹脂複合構造体１００を成形型２０のキャビティ２１内に投入し、加圧成形する（図４（ｃ）参照）。これにより、成形体１が得られる。
【００９２】
繊維樹脂複合構造体１００のうち、マトリックス３の形状および寸法を、成形型２０のキャビティ２１の形状および寸法に合わせて設定するのが好ましい。これにより、成形型２０のキャビティ２１内に納められた繊維樹脂複合構造体１００のうち、突出部２ａを有する繊維片２の少なくとも一部は、図４（ｄ）に示すように、キャビティ２１の内壁によってマトリックス３側に折り曲げられ、マトリックス３の加工面に押し付けられることとなる。その結果、突出部２ａを有する繊維片２は、その長手方向の一端側が成形体１の内側方向を指向するとともにマトリックス３によって固定され、他端側（突出部２ａ）はマトリックス３の加工面に沿って延在するよう配置されたものとなる。なお、成形体１の内側方向とは、成形体１の加工面より内側の方向であれば、特に限定されない。
【００９３】
また、突出部２ａがこの状態を維持したまま、繊維樹脂複合構造体１００のマトリックス３は、加熱によって一旦溶融し、その後加圧成形されつつ固化または硬化する。その結果、繊維片２がマトリックス３中に分散してなる成形体１が得られる。そして、突出部２ａを有する繊維片２の少なくとも一部は、マトリックス３の加工面に沿って延在した状態で固定される。
【００９４】
なお、得られた成形体１には、上述したように、加工面近傍に、一端側が成形体１の内側方向を指向し、他端側が加工面に沿って延在するよう配置された繊維片２が多数含まれることとなる。具体的には、加工面近傍に含まれた繊維片２のうち、個数基準で２０％以上のものが前記配置をとるよう構成されていれば、成形体１は優れた機械的特性を享受するものとなる。なお、この割合は、好ましくは３０％以上とされ、より好ましくは５０％以上とされる。
【００９５】
加圧加熱成形における加圧力は、マトリックス３の組成等に応じて適宜設定されるが、例えば、０．５ＭＰａ以上であるのが好ましく、１〜５０ＭＰａ程度であるのがより好ましく、２〜３０ＭＰａ程度であるのがさらに好ましい。加圧力を前記範囲内とすることにより、繊維片２を切断することなく、複合材料の機械的強度を十分に高めることができる。そして、寸法精度が高く固化または硬化後の変形が抑制された成形体１の製造が可能になる。
【００９６】
また、加圧成形時における加熱温度は、マトリックス３中の樹脂の溶融温度以上（熱可塑性樹脂の場合）または硬化温度以上（熱硬化性樹脂の場合）であればよく、それに応じて適宜設定されるが、一例を挙げると、１４０〜３５０℃程度であるのが好ましく、１５０〜３００℃程度であるのがより好ましい。
【００９７】
さらに、加圧成形時における固化（冷却）時間（熱可塑性樹脂の場合）または硬化時間（熱硬化性樹脂の場合）は、樹脂の固化または硬化速度にもよるが、例えば、３０秒〜３０分程度であるのが好ましく、１〜２０分程度であるのがより好ましい。これにより、変形の少ない成形体１の製造が可能になる。
【００９８】
このようにして製造された成形体１では、裁断により得られた加工面に沿って繊維片２の一部（突出部２ａ）が延在している（図４（ｄ）参照）。このため、成形体１では、加工面近傍Ｓに繊維片２が集中して配置されることとなり、加工面近傍Ｓの機械的特性の低下が防止される。特に、加工面に沿って繊維片２が延在するように配置された結果、加工面近傍Ｓは、成形体１の内部Ｃに比べて機械的特性にとりわけ優れたものとなる。よって、成形体１は、駆動する機械部品等に好適に利用することができる。
【００９９】
また、突出部２ａが加工面近傍Ｓに沿って配置された結果、加工面近傍Ｓにおける単位体積当たりの繊維片２の含有量は相対的に高くなる。したがって、この含有量は、内部Ｃにおける単位体積当たりの繊維片２の含有量よりも高い値になる。
以上のようにして本発明の成形体１が得られる。
【０１００】
なお、成形体１としては、例えば、平歯車、内歯車、ラック、はすば歯車、すぐばかさ歯車、フェースギア、ウォームギアのような各種歯車、スプロケット、カム、リンク機構、軸、軸受等の各種機械要素の他、自動車、自転車、航空機、鉄道車両、建設機械、船舶のような乗り物、工作機械、加工機、産業用ロボットのような産業機械等の各種構成部品等に適用可能である。特に各種歯車等の機械要素では、歯面やキー溝等の摩擦が発生する箇所が多いため、本発明が好適に適用される。
【０１０１】
以上、本発明について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば成形体には、その表面に任意の構成物（例えば被覆層等）が付加されていてもよい。
【０１０２】
また、成形体の製造方法は、上記方法に限定されず、例えば（ii）の方法において素形体を得る前に不織布を選択的裁断により裁断し、裁断後の不織布に、溶融した樹脂を含む液状材料を含浸させることで繊維樹脂複合構造体を得るとともに、その後成形体を得る方法であってもよい。
【実施例】
【０１０３】
次に、本発明の具体的実施例について説明する。
１．歯車の製造
（実施例１）
まず、平均長さ３ｍｍ、繊維径１２μｍのパラ型アラミド繊維の繊維片（帝人テクノプロダクツ（株）製「テクノーラ」）と、平均粒径１５μｍのフェノール樹脂粉末（住友ベークライト（株）製の、ＰＲ−５０７３１、ＰＲ−５１７２３、ＰＲ−５３５２９を１：１：１の質量比で混合したフェノール樹脂粉末）、とを、４：６の質量比で混合し、繊維片の濃度が０．５質量％になるように水に分散させて分散液を調製した。
【０１０４】
次いで、湿式抄造機により、分散液からシート状の素形体を抄造した。素形体の形状は、縦５０ｍｍ×横５０ｍｍ×厚さ５ｍｍである。
【０１０５】
次いで、ウォータージェット加工により、素形体に裁断を施し、平歯車用の繊維樹脂複合構造体を切り出した。なお、ウォータージェット加工における加工条件は以下の通りである。
【０１０６】
＜加工条件＞
・水圧      ：２００ＭＰａ
・加工媒体  ：水道水のみ
・ノズル口径：１００μｍ
・離間距離  ：１０ｍｍ（噴射ノズルの先端と素形体との距離）
【０１０７】
得られた繊維樹脂複合構造体について、加工面を光学顕微鏡で観察したところ、加工面に向かって突出する多数の繊維片の存在が確認された。
【０１０８】
次いで、得られた繊維樹脂複合構造体を成形型のキャビティ内に投入し、以下の成形条件で加圧加熱成形した。
【０１０９】
＜成形条件＞
・加熱温度  ：２００℃
・加圧力    ：３０ＭＰａ
・成形時間  ：１０分
【０１１０】
以上のようにして成形体からなる平歯車を得た。得られた歯車は、歯先円直径５０ｍｍ、基準円直径４８ｍｍ、歯数４８個の平歯車である。
【０１１１】
得られた平歯車の加工面を光学顕微鏡で観察したところ、繊維樹脂複合構造体で観察された繊維片の突出部は折り曲げられ、加工面に沿うように分布していることが認められた。
【０１１２】
（実施例２）
平均長さ３ｍｍ、繊維径１２μｍのパラ型アラミド繊維の繊維片（帝人テクノプロダクツ（株）製「テクノーラ」）と、平均長さ３ｍｍ、繊維径１０μｍのメタ型アラミド繊維の繊維片（帝人テクノプロダクツ（株）製「コーネックス」）と、平均粒径１５μｍのフェノール樹脂粉末（住友ベークライト（株）製の、ＰＲ−５０７３１、ＰＲ−５１７２３、ＰＲ−５３５２９を１：１：１の質量比で混合したフェノール樹脂粉末）とを、２：２：６の質量比で混合し、繊維片の濃度が０．５質量％になるように水に分散させて分散液を調製した。
その後、得られた分散液を用い、実施例１の場合と同様にして平歯車を得た。
【０１１３】
（実施例３）
平均長さ３ｍｍ、繊維径１２μｍのパラ型アラミド繊維の繊維片（帝人テクノプロダクツ（株）製「テクノーラ」）と、平均長さ６ｍｍ、繊維径９μｍのガラス繊維の繊維片と、平均粒径１５μｍのフェノール樹脂粉末（住友ベークライト（株）製の、ＰＲ−５０７３１、ＰＲ−５１７２３、ＰＲ−５３５２９を１：１：１の質量比で混合したフェノール樹脂粉末）とを、４：１：５の質量比で混合し、繊維片の濃度が０．５質量％になるように水に分散させて分散液を調製した。
その後、得られた分散液を用い、実施例１の場合と同様にして平歯車を得た。
【０１１４】
（実施例４）
繊維片を、平均長さ３ｍｍ、繊維径１５μｍのポリアリレート繊維の繊維片（（株）クラレ製「ベクトランＨＴ」）に変更した以外は、実施例１の場合と同様にして平歯車を得た。
【０１１５】
（実施例５）
ウォータージェット加工に代えてサンドブラスト加工を施すようにした以外は、実施例１と同様にして平歯車を得た。なお、加工条件は、以下の通りである。
【０１１６】
＜加工条件＞
・ガス圧    ：１ＭＰａ
・加工媒体  ：空気＋窒化ホウ素粉末（平均粒径３μｍ）
・ノズル口径：３００μｍ
・離間距離  ：０．５ｍｍ（噴射ノズルの先端と素形体との距離）
【０１１７】
（実施例６）
繊維片を、平均長さ６ｍｍ、繊維径９μｍのガラス繊維の繊維片に変更した以外は、実施例１と同様にして平歯車を得た。
【０１１８】
（実施例７）
繊維片を、平均長さ６ｍｍ、繊維径８μｍの炭素繊維の繊維片に変更した以外は、実施例１と同様にして平歯車を得た。
【０１１９】
（実施例８）
フェノール樹脂粉末に代えてエポキシ樹脂粉末（三菱化学（株）製、ＹＸ４０００の粉末）を用いるようにした以外は、実施例１と同様にして平歯車を得た。なお、成形温度は１５０℃とした。
【０１２０】
（実施例９）
フェノール樹脂粉末に代えてナイロンＭＣ９０１粉末を用いるようにした以外は、実施例１と同様にして平歯車を得た。なお、成形温度は２５０℃とした。
【０１２１】
（比較例１）
ウォータージェット加工に代えて、打ち抜き型による打ち抜き成形加工を施すようにした以外は、実施例１と同様にして平歯車を得た。
【０１２２】
（比較例２）
ウォータージェット加工に代えて、打ち抜き型による打ち抜き成形加工を施すようにした以外は、実施例６と同様にして平歯車を得た。
【０１２３】
（比較例３）
ウォータージェット加工に代えて、打ち抜き型による打ち抜き成形加工を施すようにした以外は、実施例７と同様にして平歯車を得た。
【０１２４】
（比較例４）
ウォータージェット加工に代えて、打ち抜き型による打ち抜き成形加工を施すようにした以外は、実施例８と同様にして平歯車を得た。
【０１２５】
（比較例５）
ウォータージェット加工に代えて、打ち抜き型による打ち抜き成形加工を施すようにした以外は、実施例９と同様にして平歯車を得た。
【０１２６】
２．歯車の評価
２．１  繊維片の長さおよび単位体積当たりの含有量の評価
各実施例および各比較例で得られた平歯車（以下、「評価用歯車」という。）について、裁断による加工面近傍に含まれる繊維片の平均長さと、加工面近傍より内側に含まれる繊維片の平均長さとを測定した。そして、後者の平均長さを１としたとき、前者の平均長さの相対値を算出した。
【０１２７】
また、各評価用歯車について、加工面近傍に含まれる繊維片の単位体積当たりの含有量と、加工面近傍より内側に含まれる繊維片の単位体積当たりの含有量とを測定した。そして、後者の含有量を１としたとき、前者の含有量の相対値を算出した。
【０１２８】
２．２  疲労強度の評価
各評価用歯車について、以下のようにして疲労強度の評価を行った。
【０１２９】
まず、評価用歯車に回転軸を装着し、モーターで回転させるよう設定した。
一方、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）で構成された相手歯車を用意し、所定の負荷がかかる回転軸を装着した。負荷（トルク）の大きさは、１０Ｎ・ｍとした。また、相手歯車の形状、寸法は、各評価用歯車と同じにした。
【０１３０】
次いで、評価用歯車と相手歯車とを噛合せ、評価用歯車に接続したモーターを駆動させた。この際、モーターの回転数は１０００ｒｐｍとした。
【０１３１】
そして、評価用歯車が壊れ、空回りが生じるまでの時間を評価した。なお、この評価は、比較例１、２、３、４、５で得られた評価用歯車で計測された時間を１として、実施例１〜５、６、７、８、９で得られた評価用歯車で計測された時間の相対値を比較することで行った。
【０１３２】
２．３  表面強度の評価
各評価用歯車について、以下のようにして加工面の表面強度の評価を行った。
【０１３３】
まず、評価用歯車を切断し、歯部の１つを切り出した。そして、歯部の歯面に外径１ｍｍのピンゲージを歯面に対して垂直方向に２．５ｍｍ／分の速度で押し当て、歯部が破壊されるときの荷重を測定した。なお、歯部が破壊したか否かは、歯面の亀裂の有無を目視で確認することにより判断した。そして、比較例１、２、３、４、５で得られた評価用歯車で測定された荷重を１として、実施例１〜５、６、７、８、９で得られた評価用歯車で測定された荷重の相対値を評価した。
以上、２．１〜２．３の評価結果を表１に示す。
【０１３４】
【表１】
0005729017.tif 000002
【０１３５】
表１から明らかなように、各実施例で得られた平歯車（以下、「実施例の平歯車」という。）では、加工面近傍に含まれる繊維片の長さが、加工面近傍より内側に含まれる繊維片の長さと同等程度であることが認められた。このことから、実施例の平歯車の加工面近傍では、繊維片が実質的に切断されることなく残存していることが推察される。
【０１３６】
一方、各比較例で得られた平歯車（以下、「比較例の平歯車」という。）では、加工面近傍に含まれる繊維片の長さが、加工面近傍より内側に含まれる繊維片の長さより著しく短くなっていた。このことから、比較例の平歯車の加工面近傍では、繊維片が切断されていることが推察される。
【０１３７】
また、疲労強度の評価から、実施例の平歯車は、比較例の平歯車に比べて十分な疲労強度を有していることが認められた。なお、実施例の平歯車の歯面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察したところ、歯面に沿って繊維片が延在している様子が認められたのに対し、比較例の平歯車の歯面には、歯面に繊維片の横断面が露出していた。
【０１３８】
また、表面強度の評価から、実施例の平歯車は、比較例の平歯車に比べて高い表面強度を有していることが認められた。
【０１３９】
２．４  断面の観察
平歯車の歯面の様子を確認するため、各平歯車を厚さが半分になるように切断した。そして、切断面をＳＥＭで観察したところ、歯面近傍の繊維片の多くは、その一端部が歯面よりも内側に入り込んでいる一方、他端部は歯面に沿って延在している様子が認められた。したがって、このような繊維片は、一端部が歯面より内側に入り込んでいることで確実に固定されている一方、他端部が歯面を覆うように延在していることとなる。このように配置された繊維片が存在することで、実施例の平歯車では、疲労強度および歯面の表面強度（機械的特性）が高くなっていると推察される。
【０１４０】
一方、比較例の平歯車では、繊維片が短く切断されており、歯面に沿って延在する繊維片はほとんど存在していなかった。
【符号の説明】
【０１４１】
１        成形体
２        繊維片
２ａ      突出部
３        マトリックス
３０      樹脂粉
１０      素形体
２０      成形型
２１      キャビティ
１００    繊維樹脂複合構造体
Ｓ        加工面近傍
Ｃ        内部
Ｗ        ウォータージェット
【図１】
0005729017.tif 000003
【図２】
0005729017.tif 000004
【図３】
0005729017.tif 000005
【図４】
0005729017.tif 000006