(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
非連続繊維製の繊維構造体にマトリックス樹脂を含浸させて構成された繊維強化複合材用の繊維構造体であって、
平面視で一方向に沿って連続的に幅が変化する部分を含み、
前記一方向に沿って幅が連続的に広くなる部分では、非連続繊維が前記一方向に沿って放射状に配向され、かついずれの部分でも厚み、及び非連続繊維の密度が一定であることを特徴とする繊維強化複合材用の繊維構造体。
【請求項２】
非連続繊維製の繊維構造体にマトリックス樹脂を含浸させて構成された繊維強化複合材用の繊維構造体の製造方法であって、
前記繊維構造体は、平面視で一方向に沿って連続的に幅が変化する部分を含み、前記一方向に沿って幅が連続的に広くなる部分では、非連続繊維が前記一方向に沿って放射状に配向され、かついずれの部分でも厚み、及び前記非連続繊維の密度が一定であり、
前記非連続繊維製で一定幅の繊維束を、複数のローラ群を有するドラフト装置によって前記一方向へ引き延ばす際、
前記ドラフト装置のドラフト倍率を連続的に異ならせて、前記一方向に沿って前記繊維束の厚みを連続的に変化させて前駆体を製造した後、
前記前駆体を厚み方向にのみプレスして厚みを一定とすることを特徴とする繊維強化複合材用の繊維構造体の製造方法。
【請求項３】
繊維構造体にマトリックス樹脂を含浸させてなる繊維強化複合材であって、前記繊維構造体が請求項１に記載の繊維構造体であることを特徴とする繊維強化複合材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維強化複合材用の繊維構造体、繊維強化複合材用の繊維構造体の製造方法、及び繊維強化複合材に関する。
【背景技術】
【０００２】
軽量、高強度の材料として繊維強化複合材が使用されている。繊維強化複合材は、繊維構造体が樹脂等のマトリックス中に複合化されることにより、マトリックス自体に比べて力学的特性（機械的特性）が向上する。繊維強化複合材は、例えば、衝撃吸収材として使用される。衝撃吸収材は、衝撃荷重を受けた場合に、衝撃荷重を受けた方向に圧縮破壊することにより衝撃エネルギを吸収する。
【０００３】
衝撃吸収材として使用される繊維強化複合材には、例えば、扇形状のように平面視で円弧状の部分を含んだものがある。このような繊維強化複合材の繊維構造体としては、例えば、特許文献１に開示のものがある。特許文献１に開示の繊維要素は、平面視で扇形状であり、プリフォームの製造の際に繊維構造体の表面に付着される。
【０００４】
図６に示すように、繊維要素８０は、長手方向の一端縁に第１の円弧部８１を備え、長手方向の他端縁に第２の円弧部８２を備える。第１の円弧部８１の円弧の長さは、第２の円弧部８２の円弧の長さより短く、繊維要素８０は、長手方向に沿って第１の円弧部８１から第２の円弧部８２に向かうに従い連続的に幅が広くなる形状である。
【０００５】
特許文献１では、繊維要素８０の幅を連続的に変化させるために、図７に示す可変スロート８３を通過させている。可変スロート８３は、円筒状のバー８４の両端に円板８５を備え、２枚の円板８５は、バー８４の周方向に沿って厚みが連続的に変化している。このため、可変スロート８３において、２枚の円板８５で挟まれた通過セクション８６の開口幅もバー８４の周方向に沿って連続的に変化している。そして、幅が一定の繊維要素８０を可変スロート８３の通過セクション８６を通過させることにより、繊維要素８０の幅を連続的に変化させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−６３７３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１の繊維要素８０は、通過セクション８６を通過させて幅を変化させている。このため、繊維要素８０において、幅狭な部分の厚みは、幅広な部分の厚みより厚くなっており、繊維要素８０の幅が変化する毎に繊維の配向構成が異なり、第１の円弧部８１から第２の円弧部８２に向かう方向に沿って、繊維構造体の物性がばらついてしまう。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、幅が連続的に変化する部分において物性のばらつきを抑えることができる繊維強化複合材用の繊維構造体、繊維強化複合材用の繊維構造体の製造方法、及び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】
上記問題点を解決するための繊維強化複合材用の繊維構造体は、非連続繊維製の繊維構造体にマトリックス樹脂を含浸させて構成された繊維強化複合材用の繊維構造体であって、平面視で一方向に沿って連続的に幅が変化する部分を含み、前記一方向に沿って幅が連続的に広くなる部分では、非連続繊維が前記一方向に沿って放射状に配向され、かついずれの部分でも厚み、及び非連続繊維の密度が一定であることを要旨とする。
【００１０】
これによれば、繊維構造体が、平面視で幅狭の部分と幅広の部分とを有する形状であっても、いずれの部分でも厚み、及び非連続繊維の密度が一定である。このため、いずれの部分であっても非連続繊維の配向構成に差がなく、物性の差がなくなる。
【００１１】
上記問題点を解決するための繊維強化複合材用の繊維構造体の製造方法は、非連続繊維製の繊維構造体にマトリックス樹脂を含浸させて構成された繊維強化複合材用の繊維構造体の製造方法であって、前記繊維構造体は、平面視で一方向に沿って連続的に幅が変化する部分を含み、前記一方向に沿って幅が連続的に広くなる部分では、非連続繊維が前記一方向に沿って放射状に配向され、かついずれの部分でも厚み、及び前記非連続繊維の密度が一定であり、前記非連続繊維製で一定幅の繊維束を、複数のローラ群を有するドラフト装置によって前記一方向へ引き延ばす際、前記ドラフト装置のドラフト倍率を連続的に異ならせて、前記一方向に沿って前記繊維束の厚みを連続的に変化させて前駆体を製造した後、前記前駆体を厚み方向にのみプレスして厚みを一定とすることを要旨とする。
【００１２】
これによれば、ドラフト装置を用い、ドラフト倍率を連続的に異ならせることで、一方向に沿って連続的に繊維束の厚みを変化させた前駆体を製造することができる。前駆体では、厚みが厚くなるほどドラフト装置によって引き延ばされておらず、ドラフト装置により引き延ばしを受ける前の厚みに近付く。一方、前駆体では厚みが薄くなるほどドラフト装置によって非連続繊維が引き延ばされており、ドラフト装置により引き延ばしを受ける前の繊維束の厚みより薄くなる。そして、厚みに差のある前駆体を厚み方向にのみプレスし、厚みを一定とすることで、厚みの厚い部分ほど幅方向に広げられる。その結果として、繊維構造体のいずれの位置でも厚みを一定としつつ、非連続繊維の密度も一定とすることができる。
【００１３】
上記問題点を解決するための繊維強化複合材は、繊維構造体にマトリックス樹脂を含浸させてなる繊維強化複合材であって、前記繊維構造体が請求項１に記載の繊維構造体であることを要旨とする。
【００１４】
これによれば、繊維構造体を用いた繊維強化複合材を衝撃吸収材として使用し、幅狭な部分を衝撃荷重を受ける側とした場合、受けた衝撃荷重は一方向に沿って幅広側へ放射状に伝播する。このとき、繊維構造体において、いずれの部分であっても厚み及び密度が一定であることから、衝撃荷重が徐々に伝播して圧縮破壊されていき、繊維強化複合材によって衝撃エネルギを好適に吸収することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、幅が連続的に変化する部分において物性のばらつきを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施形態の繊維構造体及び繊維強化複合材を模式的に示す斜視図。
【図２】（ａ）は繊維構造体の平面図、（ｂ）は繊維構造体を示す図２（ａ）の２ｂ−２ｂ線断面図。
【図３】（ａ）はドラフト装置を模式的に示す図、（ｂ）は繊維束を模式的に示す平面図。
【図４】（ａ）はドラフト装置によって製造された前駆体を示す平面図、（ｂ）は前駆体を示す側面図。
【図５】プレス装置によって前駆体をプレスする状態を模式的に示す図。
【図６】背景技術の繊維要素を示す図。
【図７】繊維要素を製造するための可変スロートを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、繊維強化複合材用の繊維構造体、繊維強化複合材用の繊維構造体の製造方法、及び繊維強化複合材を具体化した一実施形態を図１〜図５にしたがって説明する。
図１に示すように、繊維強化複合材１０は、強化基材としての繊維構造体１１にマトリックス樹脂Ｍａを含浸させて形成されたものである。
【００１８】
繊維構造体１１は、平面視で扇形状（扇形の一部であり、両端に円弧部を有する形状）である。繊維構造体１１は、円弧状の第１の円弧部１２と、円弧状で、かつ円弧の長さが第１の円弧部１２より長い第２の円弧部１３を有する。
【００１９】
図２（ａ）に示すように、繊維構造体１１において、第１の円弧部１２の中心点Ｐ１と第２の円弧部１３の中心点Ｐ２とを結ぶ方向に延びる直線を中心軸線Ｌとする。繊維構造体１１は、中心軸線Ｌの延びる方向において、両端に円弧部を有する形状である。繊維構造体１１は、第１の円弧部１２と第２の円弧部１３とを繋ぐ側辺部１４を一対有する。
【００２０】
繊維構造体１１において、平面視及び底面視で第１の円弧部１２と、第２の円弧部１３と、一対の側辺部１４とで囲まれた面を頂面１５ａ、及び底面１５ｂとする。繊維構造体１１において、頂面１５ａ及び底面１５ｂを最短距離で結ぶ直線の延びる方向を厚み方向とするとともに、その厚み方向に沿う寸法を厚みとする。また、繊維構造体１１において、頂面１５ａ及び底面１５ｂに沿い、かつ中心軸線Ｌに直交する方向を幅方向とし、その幅方向に沿う寸法を幅とする。繊維構造体１１は、平面視で、中心軸線Ｌに沿って第１の円弧部１２から第２の円弧部１３に向かうに従い幅が連続的に広くなる形状である。よって、繊維構造体１１は、中心軸線Ｌの延びる方向（一方向）に沿って頂面１５ａ及び底面１５ｂの幅が連続的に変化している。よって、繊維構造体１１における頂面１５ａ及び底面１５ｂは、一方向に沿って幅が連続的に変化した面である。
【００２１】
繊維構造体１１では、非連続繊維１１ａが第１の円弧部１２を中心として、各側辺部１４に沿うように放射状に引き揃えられている。具体的には、繊維構造体１１の中心軸線Ｌ付近では、非連続繊維１１ａは中心軸線Ｌに沿って延びる状態に配置されている。また、非連続繊維１１ａは、繊維構造体１１の一方の側辺部１４付近では、その一方の側辺部１４に沿って延びる状態に配置されている。さらに、非連続繊維１１ａは、繊維構造体１１の他方の側辺部１４付近では、その他方の側辺部１４に沿って延びる状態に配置されている。なお、非連続繊維１１ａは、例えば、炭素繊維で構成されている。
【００２２】
図２（ｂ）に示すように、繊維構造体１１は、いずれの位置であっても厚みは同じであり、単位体積当たりに存在する非連続繊維１１ａの重さ（以下、密度とする）が同じである。したがって、繊維構造体１１は、いずれの位置であっても、非連続繊維１１ａの配向構成に差がなく、繊維構造体１１の強度、賦形性等の物性に差がない。
【００２３】
次に、繊維構造体１１の製造方法について作用とともに説明する。
図３（ｂ）に示すように、繊維構造体１１は、非連続繊維１１ａの繊維束４０を使用して製造される。繊維束４０は、非連続繊維１１ａを一定幅で引き揃えた材料である。
【００２４】
図３（ａ）に示すように、繊維構造体１１は、繊維束４０をドラフト装置５０で引き延ばして繊維構造体１１の前駆体１６（図４及び図５参照）を製造した後、図５に示すように、前駆体１６をプレス装置６０で厚み方向にのみプレスして形成されている。
【００２５】
図３（ａ）に示すように、ドラフト装置５０は、繊維束４０を搬送する搬送コンベア５５と、図示しない送出コンベアから送られた繊維束４０を受け取って引き延ばすローラ部５１と、ドラフト装置５０で引き延ばされた繊維束４０を搬送コンベア５５に向けてガイドするガイドローラ５３と、を備える。ドラフト装置５０では、繊維束４０はローラ部５１を通過した後、ガイドローラ５３によって搬送コンベア５５に送り出される。ドラフト装置５０で繊維束４０の流れる方向を流通方向Ｘとする。
【００２６】
ドラフト装置５０において、ローラ部５１は、複数のローラ群５２を有する。各ローラ群５２は、３本のローラ５２ａ，５２ｂ，５２ｃで１組である。ローラ群５２では、２本の上ローラ５２ａ，５２ｂの間に１本の下ローラ５２ｃが位置している。各ローラ群５２では、３本のローラ５２ａ，５２ｂ，５２ｃが同一周速度になるように駆動され、繊維束４０を下ローラ５２ｃと上ローラ５２ａ，５２ｂとで挟むように移送する。また、複数のローラ群５２はそれぞれ周速度が変更可能である。
【００２７】
図５に示すように、プレス装置６０は、繊維束４０から製造された前駆体１６を厚み方向にのみプレスする。プレス装置６０は、一対のプレスロール６１を備え、一対のプレスロール６１はそれぞれ回転可能に支持されている。一対のプレスロール６１は、互いに接離可能に支持されている。そして、一対のプレスロール６１を接離させることで、一対のプレスロール６１の間隔の大きさが調節可能である。
【００２８】
さて、図３（ａ）に示すように、繊維構造体１１を製造する場合、まず、ドラフト装置５０における繊維束４０の供給側（流通方向Ｘの上流）において、繊維束４０の中の非連続繊維１１ａを任意の方法で一方向に引き揃える。
【００２９】
次に、複数のローラ群５２をそれぞれ駆動させ、繊維束４０をローラ群５２で搬送する。その搬送中に複数のローラ群５２同士の間で、下流側に対して上流側の周速度を連続的に早くさせる。周速度の変更により、ドラフト装置５０のドラフト倍率が連続的に変更される。
【００３０】
すると、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、流通方向Ｘにおける下流側に向かうほど、繊維束４０の厚みが徐々に薄くなるように非連続繊維１１ａが引き延ばされるとともに、繊維束４０の幅が徐々に狭くなる。ここで、流通方向Ｘにおける上流側ほど、繊維束４０の非連続繊維１１ａはドラフト装置５０によるドラフト倍率が低いため、繊維束４０の上流側ほど、繊維束４０の厚みが、引き延ばされる前の繊維束４０の厚みに近付いていく。
【００３１】
その結果、繊維束４０は、流通方向Ｘにおける最上流では平面視形状が最も幅広で、かつ厚みが、ドラフト装置５０により引き延ばしを受ける前の繊維束４０と同じままである一方、下流側に向かうほど、平面視形状が連続的に幅狭となり、かつ厚みが連続的に薄くなり、平面視が扇形状となる前駆体１６が製造される。
【００３２】
前駆体１６は、平面視が、繊維構造体１１よりも一回り小さい扇形状である。前駆体１６は、平面視円弧状の第１プレス前円弧部１７と、平面視円弧状で、かつ円弧の長さが第１プレス前円弧部１７より長い第２プレス前円弧部１８を有する。前駆体１６は、第１プレス前円弧部１７と第２プレス前円弧部１８を繋ぐプレス前側辺部１９を一対有する。第１プレス前円弧部１７の円弧の長さは、繊維構造体１１の第１の円弧部１２の円弧より短く、第２プレス前円弧部１８の円弧の長さは、繊維構造体１１の第２の円弧部１３の円弧より短い。
【００３３】
そして、ドラフト装置５０で製造された前駆体１６を、図５に示すように、プレス装置６０の一対のプレスロール６１間を通過させる。このとき、一対のプレスロール６１間の間隔を前駆体１６における厚みの最も薄い部分である第１プレス前円弧部１７での厚みに合わせる。そして、前駆体１６を、幅狭な第１プレス前円弧部１７側から一対のプレスロール６１の間を通過させる。
【００３４】
すると、前駆体１６は、一対のプレスロール６１間を通過していくのに合わせ、徐々に押し潰されていく。その結果、第１プレス前円弧部１７及び第２プレス前円弧部１８の円弧の長さが延びる。その結果、前駆体１６は、プレス装置６０を通過する前と比べて、全体的に幅広に成形される。
【００３５】
また、前駆体１６は、厚みの薄い第１プレス前円弧部１７側ほどプレス量が少なく、厚みの厚い第２プレス前円弧部１８に近付くほどプレス量が多くなるため、第２プレス前円弧部１８に近付くほど、幅方向に押し広げられる。すると、前駆体１６は幅が広がる方向に潰され、非連続繊維１１ａは放射状に分散される。その結果、前駆体１６をプレスして得られる繊維構造体１１は、頂面１５ａ及び底面１５ｂのいずれの部分でも、非連続繊維１１ａの密度が一定でありながら、厚みも一定となる。
【００３６】
製造された繊維構造体１１に、熱硬化性のマトリックス樹脂Ｍａを含浸硬化させる。マトリックス樹脂Ｍａの含浸硬化はＲＴＭ（レジン・トランスファー・モールディング）法で行われる。その結果、繊維構造体１１を強化基材とした繊維強化複合材１０が製造される。
【００３７】
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）繊維構造体１１は、中心軸線Ｌの延びる方向に沿って第１の円弧部１２から第２の円弧部１３に向かうに従い連続的に幅広となる形状である。このような繊維構造体１１であっても、いずれの部分であっても、厚み、及び非連続繊維１１ａの密度が一定である。したがって、繊維構造体１１のいずれの部分であっても、繊維配向の構成が同じとなり、物性に差がない。
【００３８】
そして、このような繊維構造体１１を用いた繊維強化複合材１０を衝撃吸収材として使用し、第１の円弧部１２を衝撃荷重を受ける部分とした場合、第１の円弧部１２で受けた衝撃荷重は、中心軸線Ｌの延びる方向に沿って第２の円弧部１３側へ放射状に伝播する。このとき、繊維構造体１１において、いずれの部分であっても厚み、及び非連続繊維１１ａの密度が一定であることから、衝撃荷重が徐々に伝播していき、繊維強化複合材１０によって衝撃エネルギを好適に吸収することができる。
【００３９】
（２）繊維構造体１１は、繊維束４０を引き延ばした後、プレスして形成されている。繊維構造体１１の平面視が扇形状であっても、非連続繊維１１ａが放射状に分散され、かつ非連続繊維１１ａの密度も一定である。このため、繊維構造体１１には、非連続繊維１１ａが局所的に集中した場所や、非連続繊維１１ａが局所的に少ない場所がなく、繊維強化複合材１０においてマトリックス樹脂Ｍａのみが存在する樹脂リッチな部分が形成されず、樹脂リッチな部分によって繊維強化複合材１０の強度が低下することがない。
【００４０】
（３）ドラフト装置５０におけるドラフト倍率を異ならせることで繊維束４０の厚み及び幅を異ならせた前駆体１６を製造することができる。そして、前駆体１６をプレス装置６０で厚み方向にのみプレスすることで、非連続繊維１１ａの密度を一定としたまま厚みの差を均すことができる。よって、繊維構造体１１は、平面視が扇形状で、幅が連続的に変化する形状でありながら、いずれの部分でも非連続繊維１１ａの密度及び厚みの差を無くして製造することができる。
【００４１】
（４）プレス装置６０は、一対のプレスロール６１を備え、一対のプレスロール６１が回転することにより、前駆体１６を搬送しながらプレスすることができる。このため、前駆体１６のプレスのために、前駆体１６の搬送を停止させることがなく、繊維構造体１１の生産性が低下しない。
【００４２】
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○  繊維強化複合材１０は、複数の繊維構造体１１を、側辺部１４同士を隣り合わせて並設して、複数の繊維構造体１１から構成された円環状としてもよいし、円環状の部分を積み上げて円筒状としてもよい。さらには、複数の繊維構造体１１を厚み方向に積層したものとしてもよい。
【００４３】
○  繊維構造体１１は、平面視三角形状であってもよいし、平面視台形状であってもよい。要は、繊維構造体１１は、一方向に沿って幅が連続的に変化する形状であればよい。
○  繊維構造体１１は、中心軸線Ｌに沿う方向が長手方向となる扇形状であるが、中心軸線Ｌに沿う方向が短手方向となる扇形状であってもよい。
【００４４】
○  繊維構造体１１は、中心軸線Ｌの延びる方向に沿って幅が一定な部分と、中心軸線Ｌの延びる方向に沿って幅が連続的に変化する部分の両方を含む形状であってもよい。
○  繊維構造体１１を使用した繊維強化複合材１０は、衝撃吸収材ではなく、構造材料として使用してもよい。
【００４５】
○  ドラフト装置５０において、ローラ群５２の数は適宜変更してもよい。
○  前駆体１６のプレスはプレスロール６１によるプレスではなく、平板状のプレス板で一括してプレスしてもよい。  
【００４６】
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。
（イ）前記プレスは、前記前駆体を一対のプレスロールの間を通過させて行う繊維積層体の製造方法。
【００４７】
（ロ）前記繊維構造体は、平面視扇形状であり、両端に円弧部を有する形状である繊維強化複合材用の繊維構造体。
【符号の説明】
【００４８】
Ｍａ…マトリックス樹脂、１０…繊維強化複合材、１１…繊維構造体、１１ａ…非連続繊維、４０…繊維束、５０…ドラフト装置、５２…ローラ群。
【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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【図６】
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【図７】
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