(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１繊維基材にマトリックス樹脂を含浸させたプリプレグと、第２繊維基材とを交互に積層させ、前記プリプレグと前記第２繊維基材との積層体を形成する積層工程と、
封止シートによって前記積層体を覆って密閉収容体を形成し、この密閉収容体内の空気を脱気する脱気工程と、
前記密閉収容体内を加熱し、前記プリプレグと第２繊維基材とを一体化する加熱工程と、
を有し、
前記積層工程において、前記第２繊維基材は複数層積層されており、各第２繊維基材はそれぞれ繊維配向方向が各層で異なる方向となるように積層する、オートクレーブを用いない繊維強化複合材の製造方法。
【請求項２】
前記第２繊維基材は、長繊維を一方向に引き揃えた繊維集合体である請求項１記載の繊維強化複合材の製造方法。
【請求項３】
前記第２繊維基材は、前記第１繊維基材と同種の繊維材からなる繊維集合体である請求項1又は２に記載の繊維強化複合材の製造方法。
【請求項４】
前記第２繊維基材は、各層の繊維の配向方向が４５°ずつ異なるように積層する請求項1〜３のいずれかに記載の繊維強化複合材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維材を樹脂材に混入して強度を向上させた繊維強化複合材の製造方法に関し、特に、大規模なオートクレーブを用いることなく、積層させたプリプレグを熱硬化させて成形する繊維強化複合材の製造方法及びこの方法により製造された繊維強化複合材に関する。
【背景技術】
【０００２】
繊維強化複合材は、母材となる熱硬化性樹脂に炭素繊維などの強化繊維を混入させることで、熱硬化性樹脂の特性に加え、強化繊維の強度や耐熱性等が複合化され、軽量で優れた特性を有するため、航空機、船舶、車両などの構造材料として広く用いられている。このような繊維強化複合材の製造方法としては、例えば、炭素繊維に熱硬化性樹脂を含浸させたシート状のプリプレグを用い、このプリプレグを所望の厚さに積層させた後に熱硬化させて一体化することにより、繊維強化複合材を成形している。
【０００３】
プリプレグを多層に積層させた場合には、プリプレグの層間に空気を取り込みやすくなり、この状態で熱硬化させると、成形された繊維強化複合材の内部にボイドとして痕跡が残り、この部位で強度の均一性が損なわれるなどの問題が生じる場合がある。また、熱硬化性樹脂に含まれる僅かな揮発性材料や空気中の水分などが加熱により気化することでもボイドの発生原因となってしまう。
【０００４】
そこで、プリプレグを多層に積層させる場合などには、熱硬化の際に、例えば特許文献１などに開示されたように、オートクレーブを用いた成形法が採用されることが多い。オートクレーブは円筒形の圧力容器であり、積層させたプリプレグを、この圧力容器内で加圧・加熱することで、層間に取り込まれた空気等が、積層させたプリプレグの外部に引き出され、あるいはオートクレーブにより圧力をかけることでプリプレグ内の気化成分が気化するのを押さえるので、ボイドの発生率を充分に抑えることができるため、成形品に高い強度特性が得られる利点を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−２１４６７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１記載のようなオートクレーブを用いた成形法では、例えば旅客機の主翼部分などの大型の成形品を成形するためには、この主翼全体を内部に収容し得るような巨大な圧力容器が必要となる。特にオートクレーブのような高加圧制御が必要な圧力容器では、容器自体に厳格な設置基準が課せられており、容器が大型化するほど基準達成にはより困難を要する。さらに、圧力容器内の巨大な内部空間の温度を均一に調節制御する加熱装置や加圧装置など、これらの設備を設置するために多額のコストが必要であった。一方で、厚みがより厚い繊維強化複合材を製作する場合には、プリプレグの積層枚数が増加し、この層間に空気がより取り込まれやすくなるため、ボイドの発生を抑えるには、このようなオートクレーブを用いた製法に頼らざるを得なかった。
【０００７】
これに対し、小型のオートクレーブを用いて、成形品をパーツ毎に分割して成形し、後に組み上げて成形品とするような製造手法を採用することも可能ではあるが、パーツの接合工程が別途必要となるばかりでなく、接合部位の信頼性を確保するための新たな工法や厳重な検査体制も必要となるなどの問題を生じてしまう。
要するに、従来の繊維強化複合材の製造方法では、特に大型の成形物を得ようとすると、ボイドの問題を解消するためには大型のオートクレーブを作成しなければならず、手間もコストも非常に大きくなるという問題があった。
【０００８】
本発明はこのような課題を解決すべく成されたものであり、その目的は、大型の繊維強化複合材を製造する際にも、簡易且つ簡便な装置構成によってもボイドの発生を充分に抑制し、低コストに製造し得る繊維強化複合材の製造方法及びこの方法で製造された繊維強化複合材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記課題を解消すべく鋭意検討した結果、プリプレグと繊維とを積層した後、加圧ではなく積層体の存在する雰囲気を脱気して減圧することでもオートクレーブを用いた場合と同様にボイドの発生を防止し得ることを知見し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
すなわち、本発明は以下の各発明を提供するものである。
１．第１繊維基材にマトリックス樹脂を含浸させたプリプレグと、第２繊維基材とを交互に積層させ、前記プリプレグと前記第2繊維基材との積層体を形成する積層工程と、
封止シートによって前記積層体を覆って密閉収容体を形成し、この密閉収容体内の空気を脱気する脱気工程と、
前記密閉収容体内を加熱し、前記プリプレグと第２繊維基材とを一体化する加熱工程と、
を有する、オートクレーブを用いない繊維強化複合材の製造方法。
２．前記第２繊維基材は、長繊維を一方向に引き揃えた繊維集合体である請求項１記載の繊維強化複合材の製造方法。
３．前記第２繊維基材は、前記第１繊維基材と同種の繊維材からなる繊維集合体である請求項１又は２に記載の繊維強化複合材の製造方法。
４．１乃至３のいずれかの方法により製造されてなる繊維強化複合材。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の繊維強化複合材の製造方法によれば、大型の繊維強化複合材を製造する際にも、簡易且つ簡便な装置構成によってもボイドの発生を充分に抑制し、低コストに製造することができる。すなわち、積層工程によって、プリプレグとプリプレグとの層間に第２繊維基材の層が介在しているため、脱気工程及び加熱工程において、マトリックス樹脂が第２繊維基材側に含浸される際に、層間の空気が第２繊維基材の層を介して積層体外部へ放出され、ボイドの発生を充分に抑制して繊維強化複合材を加熱成形することができる。このため、航空機の主翼のような大型の繊維強化複合材を成形する際にも、オートクレーブのような大掛かりで高価な設備を必要とすることなく、高い強度特性が得られる繊維強化複合材を、簡易且つ簡便な装置構成で低コストに製造することが可能となる。
そして、本発明の繊維強化複合材は、第２繊維基材により形成された層にボイドの発生がなく、強度の均一性が高く、成形体としての強度に優れたものである。
上述のように本発明の製造方法は、いわゆる脱オートクレーブ法と呼ばれる製造方法であり、今までに無い製造方法である。そして、従来の製造方法ではＶＦ５０％程度が限度であったところ、６０％以上も実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、実施例にかかる繊維強化複合材の製造方法のうち、脱気工程を模式的に示す断面図である。
【図２】図２は、積層工程の状況を模式的に示す平面図である。
【図３】図３は、本発明の繊維強化複合材の１実施形態を示す厚さ方向断面図である。
【符号の説明】
【００１３】
１０：積層体、１２：ＵＤプリプレグ（プリプレグ）、１４：開繊ドライ炭素繊維基材（第２繊維基材）、２０：底面ブリーザー、２２：上面ブリーザー、２４：内側ブリーザー、３０・３２：離型フィルム、４０・４２：ピールプライ、６０：仕切り部材、６２：通気糸、７０：バギングフィルム（封止シート）、１００：治具プレート、１１０：シーラント、１２０：密閉収容体
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明にかかる繊維強化複合材の製造方法について説明する。
本発明の繊維強化複合材の製造方法は、第1繊維基材にマトリックス樹脂を含浸させたプリプレグ（ＵＤプリプレグ１２）と、第2繊維基材（開繊ドライ炭素繊維基材１４）とを交互に積層させ、プリプレグ（ＵＤプリプレグ１２）と第2繊維基材（開繊ドライ炭素繊維基材１４）との積層体（１０）を形成する積層工程を、積層体工程を経た積層体（１０）を封止シート（バギングフィルム７０）によって覆って密閉収容体（１２０）を形成し、この密閉収容体（１２０）内の空気を脱気する脱気工程を、密閉収容体（１２０）内を加熱し、プリプレグ（ＵＤプリプレグ１２）と第２繊維基材（開繊ドライ炭素繊維基材１４）とを一体化する加熱工程を行うことにより実施できる。
【００１５】
以下、まず、本発明において用いられる物（繊維強化複合材の形成部材）について説明する。
（プリプレグ）
本発明で用いるプリプレグは、シート状であって、下記強化繊維で構成された第１繊維基材に、マトリックス樹脂を含浸させたものである。ここで含浸とは、多数の強化繊維からなる繊維集合体における各繊維の間にマトリックス樹脂を充填することを意味する。
本発明においては、プリプレグのみを積層させて繊維強化複合材を加熱成形する場合に比べて、マトリックス樹脂の含有率を高く設定するのが、後述する脱気工程及び加熱工程において第2繊維基材にマトリックス樹脂を効果的に含浸させるために好ましい。好ましくは体積比で強化繊維１００に対して、マトリックス樹脂４０〜７０、特に好ましくは５０〜６０である。
プリプレグの厚さは０．０５〜１ｍｍとするのが第２繊維基材への樹脂含浸効率の点で好ましく、０．１〜０．３ｍｍとするのがさらに好ましい。
（第１繊維基材）
第１繊維基材は、強化繊維の集合体である。この強化繊維としては、繊維強化複合材に用いられる強化繊維であれば特に限定するものではなく、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ボロン繊維などの繊維材が用いられ、これのうちいずれかの繊維材を単独で、或いは複数種の繊維材を組み合わせて用いることもできる。
【００１６】
第１繊維基材を構成する繊維材の形態としても特に限定するものではなく、例えば、長繊維を一方向に引き揃えた集合体としての開繊糸の形態、長繊維を製織した形態、短繊維を用いた不織布の形態、或いはマット状の形態など、これらの形態の繊維材を単独で或いは組み合わせて、マトリックス樹脂中に規則的に或いは不規則的に配置することもできる。
第１繊維基材に用いられる強化繊維の繊維径は任意であるが、０．００１ｍｍ〜１ｍｍとするのが好ましく、０．００２ｍｍ〜０．０１ｍｍとするのがさらに好ましい。
【００１７】
（マトリックス樹脂）
本発明で用いるマトリックス樹脂としては、粘度のコントロールが可能な樹脂であれば熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂等を特に制限なく使用することができるが、具体的には、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、シアネートエステル樹脂、ビスマレイミドトリアジン樹脂（BT樹脂）、などが用いられる。樹脂の粘度としては、脱気工程では、隣接する第２繊維基材の層が通気路として好適に機能し得る程度に高い粘度であることが望ましいが、機能上粘度の上限はなく積層終了時に固体となる樹脂であってもよい。しかしながら、使用の際における積層時には、繊維賦形、積層工程の施工が容易で、かつ積層した形態を保つ程度の粘度が好ましく、具体的には１０００〜５０００ｍＰａ・sであるのが好ましく、３０００〜４０００ｍＰａ・sであるのがさらに好ましい。
また、次工程の加熱樹脂溶融含浸工程では、加温などの条件で、第２繊維基材内に含浸するような粘度まで樹脂粘度がさがり、加熱溶融含侵時の樹脂の粘度は低いほど好ましく、溶融含侵時の粘度の低さに限度は無い。
【００１８】
（第２繊維基材）
本発明で用いる第２繊維基材は、第１繊維基材と同様に、強化繊維の集合体である。この際用いられる強化繊維についても第１繊維基材と同様に繊維強化複合材に用いられる強化繊維であれば特に限定するものではなく、炭素繊維（ドライ炭素繊維）、ガラス繊維、アラミド繊維、ボロン繊維などの繊維材が用いられ、これのうちいずれかの繊維材を単独で、或いは複数種の繊維材を組み合わせて用いることもできる。
第２繊維基材を構成する繊維材の形態としても特に限定するものではないが、長繊維を一方向に引き揃えた集合体としての開繊糸の形態、長繊維を製織した形態、短繊維を用いた不織布の形態、或いはマット状の形態など、これらの形態の繊維材を単独で或いは組み合わせて、マトリックス樹脂中に規則的に或いは不規則的に配置することもできる。
【００１９】
本発明においては、第２繊維基材は、脱気工程及び加熱工程の際に、積層体内の空気等がこの第２繊維基材の層を介して積層体外部へ排出される状態となるため、この第２繊維基材の層はいわば脱気経路として機能する。従って、第２繊維基材は、強化繊維として長繊維を用い、該長繊維を一方向に引き揃えた集合体からなる開繊繊維材であるのが、通気性の点で好ましく、これにより空気等が長繊維に沿って積層体外部へ排気され易くなる利点を有する。
また、成形された繊維強化複合材は、その内部組成が均一であることが望ましく、この点において、第２繊維基材は、第１繊維基材と同種・同形態の繊維材を用いることが好ましい。
また、第２繊維基材に用いられる強化繊維の繊維径は任意であるが、０．００１ｍｍ〜１ｍｍとするのが好ましく、０．００２ｍｍ〜０．０１ｍｍとするのがさらに好ましい。なお、強化繊維の長さは求められる長さに応じて適宜調整される。また、第２繊維基材の繊維集合体としての厚みは、プリプレグを構成する樹脂の含浸しやすさの観点から０．０１ｍｍ〜０．３ｍｍとするのが好ましい。
【００２０】
以下本発明の製造方法について、添付図面を参照して説明する。
図１は、実施例で示す脱気工程の状態を模式的に示しているが、この図１を参照しつつ、繊維強化複合材の製造方法を工程順に説明する。
【００２１】
まず、密閉収容体１２０について説明する。密閉収容体１２０は、バギングフィルム７０と治具プレート１００とで形成され、脱気工程においてバギングフィルムが収縮して内部の脱気された状態が維持されるようになされている。詳細には、平板状の治具プレート１００上には、治具プレート１００の外縁部が露出するように、脱気マットとして機能するポリエステル製の底面ブリーザー２０を配し、その内側にＦＥＰフィルムによる離型フィルム３０、ピールプライ４０を順に積層する。なおピールプライ４０は離型剤を塗布したポリエステル繊維織物で形成されている。治具プレートはステンレス等の金属製であるのが好ましく、具体的にはＳＵＳ３０４又は３０３製であり、バギングフィルムは市販の可撓性のあるバキュームバギングフィルムを特に制限なく用いることができるが、伸び率がよく高温での耐熱性に優れるものが好ましく用いられる。以下、密閉収容体１２０については、各工程を説明しつつ説明する。
【００２２】
（積層工程）
ピールプライ４０上に、プリプレグとしてのＵＤ（Uni Direction）プリプレグ１２、第２繊維基材としてのシート状の開繊ドライ炭素繊維基材１４を、交互に順に積層させ、最上層にＵＤプリプレグ１２を積層させて積層体１０を形成する（積層工程）。ＵＤプリプレグ１２は、強化用の繊維材（第１繊維基材）として、糸状の炭素繊維を薄く一方向に引き揃えた開繊繊維材を用いており、これにマトリックス樹脂を含浸させて半固化状態としてシート状に形成したものである。
ＵＤプリプレグに用いられる樹脂や第１繊維基材などは上述のものを適宜選択して用いることができ、回線ドライ炭素繊維基材の繊維径なども上述のものを適宜選択できる。また、プリプレグの厚さと第２繊維基材の厚さも上述の範囲から適宜選択される。
開繊ドライ炭素繊維基材１４は、炭素繊維束を薄く一方向に引き揃えて開繊し、シート状に形成したものであり、ＵＤプリプレグ１２の強化用に用いられる炭素繊維による開繊繊維材と同種の繊維材である。
【００２３】
このようなＵＤプリプレグ１２と開繊ドライ炭素繊維基材１４とを交互に積層して積層体１０を形成するが、各層を積層する際には、特に第２繊維基材の層が複数ある場合に、開繊繊維材の繊維配向方向を各層で異なる方向として、例えば４５°ずつずらして、０°、９０°、４５°などが組み合わされるように各層を積層させることで、繊維強化複合材の成形品としての強度や剛性を高めることができる。
【００２４】
（脱気工程）
このようにして積層体１０を形成した後、最上層のＵＤプリプレグ１２の上にピールプライ４２、過剰な樹脂を吸収するグラスクロスブリーダー５０、離型フィルム３２を順に積層させた後、積層体１０の外周四辺を囲むように内側ブリーザー２４を設け、さらにその外周部にゴム製の仕切り部材６０を枠状に配設する。この仕切り部材６０は、プリプレグと第２繊維基材との積層体の側面全面を覆い、その高さにおいて該積層体の高さと少なくとも同じ高さを有しているのが、プリプレグの樹脂の損失を防ぎ、得られる成形体の形を所定の形状に保持する点で好ましい。この仕切り部材６０を設けることにより、後の加熱工程において、樹脂が密閉収容部内全体に浸み出して成形体の体をなさなくなるのを防止する。
【００２５】
なお、内側ブリーザー２４及び仕切り部材６０を配設する際には、図２に示すように、通気糸６２を複数箇所に配設する。通気糸６２は、その一端が内側ブリーザー２４に接続しており、仕切り部材６０の下端と底面ブリーザー２０との間を経由して、その他端が仕切り部材６０の外側に伸びている。これにより仕切り部材６０を設けても十分に通気性を確保して第２繊維基材中の空気などを排出することかできる。
【００２６】
続いて、仕切り部材６０の上端面を覆うように、上面ブリーザー２２を配設する。これにより仕切り部材６０と上面ブリーザー２２によって囲まれた空間内に、積層体１０が配設された状態となっている。そして、バギングフィルム７０によってこれら全体を覆い、バギングフィルム７０の外縁部を、シーラント１１０によって治具プレート１００の外縁部に密着させる。これにより、治具プレート１００上の積層体１０及びこれらを囲む全ての部材が、バギングフィルム７０と治具プレート１００とで形成される密閉収容部１２０内に封止された状態となる。
【００２７】
バギングフィルム７０は、複数の箇所に排気ポート７２を備えると共に、この排気ポート７２には、図示を省略した排気経路や真空ポンプなどからなる脱気回路が接続されており、密閉収容部１２０内の空気が排気ポート７２を介して密閉収容部１２０の外部に排気される機構となっている。
【００２８】
続いて、このような脱気回路によって、密閉収容部１２０内の空気を外部に脱気し、密閉収容部１２０内と大気圧との差圧が０．８７ａｔｍ程度となるまで減圧する（脱気工程）。なお、この圧力は一例でありこれに特に制限されず、前記差圧を０．１ａｔｍ〜１ａｔｍの範囲とすることができる。この脱気工程によって、大気圧を受けたバギングフィルム７０が治具プレート１００側に撓み、密閉収容部１２０の空間を収縮させて、上面ブリーザー２２が下方に押圧され、上面ブリーザー２２より下方の積層体２０や仕切り部材６０などが大気圧によって加圧される。この際、枠型の仕切り部材６０の内側の空気は、通気性を有する上面ブリーザー２２や底面ブリーザー２０を介して、仕切り部材６０の枠外に排気されると共に、通気糸６２を介しても仕切り部材６０の枠外に排気され、さらに排気ポート７２を介してバギングフィルム７０の外部、すなわち密閉収容体１２０の外部に排気される。
【００２９】
（加熱工程）
このような脱気工程を行いつつ、治具プレート１００を含めた全体を加熱装置（図示せず）内に挿入する。積層体１０の層間内部の温度を熱電対によって計測し、ＵＤプリプレグ１２のマトリックス樹脂が流動可能な温度領域まで昇温する。例えば、昇温速度は０．５℃／ｍｉｎ〜３℃／ｍｉｎの範囲が好ましい。マトリックス樹脂の軟化温度に到達した後、積層体１０の温度を０．５〜２時間の間、一定に保つ。この後、加熱装置を制御して、積層体１０の温度を樹脂の硬化温度まで昇温し、樹脂の硬化に必要な時間恒温する。この後、加熱装置を制御して、積層体１０の温度を制御して降温速度０．５℃／ｍｉｎ〜１℃／ｍｉｎで降温する。この間、積層体１０が室温に冷却されるまで、脱気工程を継続して実施する。
加熱は、面状や線状、棒状、熱源パイプ等の発熱源を仕込んだ熱伝導体で製作した
治具で加温したり、治具と積層体をブランケット状発熱体でくるんだり、治具と積層体をオーブンの中に入れたり、オーブン状の加温パネルで囲ったりする等、安定した加温ができるなら、大掛かりな装置はいらない。
【００３０】
本実施例における加熱工程の際に、ＵＤプリプレグ１２を構成するマトリックス樹脂の粘度が低下し、隣接する開繊ドライ炭素繊維基材１４側に徐々に含浸していき、最終的には開繊ドライ炭素繊維基材１４も空隙なく熱硬化性樹で満たされる状態となる。この過程で、開繊ドライ炭素繊維基材１４の層内に取り込まれた空気等が、開繊ドライ炭素繊維基材１４の層を介して積層体１０の外部へ引き出されるため、ボイドの発生を充分に抑制することができる。
【００３１】
また、本実施例では、通気性を有する上面ブリーザー２２によって積層体１０の上部を覆うことで、仕切り部材６０で形成される枠内部の脱気を行う場合を例示したが、上面ブリーザー２２及び離型フィルム３２に替えて、下面側に離型剤と塗布したステンレス製の加圧板を用いることもできる。この場合には、加圧板と仕切り部材６０の上端面とが密接状態となって閉塞されるが、内側ブリーザー２４及び通気糸６２を介して、仕切り部材６０で形成される枠内部の脱気を充分に行うことができる。
【００３２】
（繊維強化複合材）
本発明の製造方法により得られる本発明の繊維強化複合材２００は、図３に示すように、プリプレグにより形成された層２１０と第２繊維基材により形成された層２２０とが積層されてなる。両者はそれぞれプレプレグを構成するマトリックス樹脂を熱硬化させてなる樹脂により形成されており、ボイドの発生が抑制された状態で第２繊維基材の層を樹脂で硬化させてなるものである。また、各層の構成樹脂が同じであるため複合材全体での一体性が高く、強度にも優れるものである。
また、別に従来のオートクレーブ法にて３０ｃｍ角の繊維強化複合材を作製したところ本発明の製法にて製造したものとほぼ同等のボイド発生率にて複合材を得た。
しかし、オートクレーブの形状が決まっているため規格内の形状の複合材しか成形することはできなかった。
このことから、本発明の製法によれば、従来のオートクレーブ法で作成したのと同等の性能を有する複合材を所望の形状にて得ることができることが判る。
【００３３】
なお、本発明は上述の実施形態になんら制限されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
たとえば、上述の実施形態においては、内側ブリーザー２４、離型フィルム３０，３２、ピールプライ４０，４２、グラスクロスブリーダー５０を用いたが、これらを必要に応じて選択的に用いても良い。
また、第２繊維基材側にも、予めマトリックス樹脂を多少含浸させていてもよい。
【図１】
0006550573.tif 000002
【図２】
0006550573.tif 000003
【図３】
0006550573.tif 000004