(57)【要約】【課題】形態安定性などの取り扱い性に優れるだけでなく、高い力学的特性の複合材料が得られ、マトリックス樹脂の含浸性にも優れる強化繊維基材、プリフォームおよび強化繊維基材の製造方法に提供する。【解決手段】マトリックス樹脂を含浸して成形された複合材に用いる強化繊維基材であって、強化繊維基材は、少なくとも、連続した強化繊維糸条を一方向に並行するように引き揃えた強化繊維糸条群から構成され、少なくとも片方の表面に樹脂材料が間隙を有した形態で２〜１５重量％付着しているとともに、基材が周期的な凹凸を有することを特徴とする強化繊維基材、それを用いたプリフォーム、およびその強化繊維基材の製造方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
強化繊維基材にマトリックス樹脂を含浸して成形された複合材料に用いる強化繊維基材であって、前記強化繊維基材は、少なくとも、連続した強化繊維糸条を一方向に並行するように引き揃えた強化繊維糸条群から構成され、かつ、少なくとも片方の表面に樹脂材料が間隙を有した形態で２〜１５重量％付着しているとともに、前記強化繊維基材が周期的な凹凸を有することを特徴とする強化繊維基材。
【請求項２】
強化繊維基材の周期的な凹凸の凹部が強化繊維基材の平面方向に連続していることを特徴とする、請求項１記載の強化繊維基材。
【請求項３】
樹脂材料が、周期的な凹凸を有するとともに、この周期的な凹凸の凹部が強化繊維基材の平面方向に連続していることを特徴とする、請求項１記載の強化繊維基材。
【請求項４】
強化繊維基材が、強化繊維糸条群と、連続した補助繊維糸条を強化繊維糸条群と交差する方向に延在したよこ方向補助繊維糸条群から構成されている一方向性のシートであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の強化繊維基材。
【請求項５】
一方向性のシートが織物であることを特徴とする、請求項４記載の強化繊維基材。
【請求項６】
強化繊維基材が、強化繊維糸条群と、強化繊維糸条と並行する方向に延在するたて方向補助繊維糸条群を有し、かつ、基材の両側によこ方向補助繊維糸条群が配され、それを構成する補助繊維糸条とたて方向補助繊維糸条群を構成する補助繊維糸条とから織組織が構成されている一方向ノンクリンプ織物であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の強化繊維基材。
【請求項７】
よこ方向補助繊維糸条の単糸直径が１０〜１００μｍで、かつ、撚り数が５０ターン／ｍ以下であることを特徴とする、請求項４〜６のいずれかに記載の強化繊維基材。
【請求項８】
強化繊維基材における強化繊維糸条の糸幅が２〜１０ｍｍであることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の強化繊維基材。
【請求項９】
基材の凸部の厚みから求められる強化繊維の体積率（Ｖｆｆ）が３５〜５５％であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の強化繊維基材。
【請求項１０】
樹脂材料によって形成される凹凸面の最大高さ（Ｒｚ）が２〜１００μｍであることを特徴とする、請求項１〜９のいずれかに記載の強化繊維基材。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれかに記載の強化繊維基材が少なくとも２層以上積層され、かつ、前記強化繊維基材同士が前記樹脂材料により少なくとも部分的に接着されて一体化されていることを特徴とするプリフォーム。
【請求項１２】
強化繊維糸条を用いて布帛を形成し、該布帛に樹脂材料を接着した後あるいは接着させながら、表面に凹凸パターンを有するローラで、樹脂材料接着布帛の表面を加圧することを特徴とする、強化繊維基材の製造方法。
【請求項１３】
強化繊維糸条を用いて布帛を形成し、該布帛に樹脂材料を接着した後あるいは接着させながら、表面に凹凸パターンを有する凹凸シートを樹脂材料接着布帛と引き揃えて、平滑なローラにて加圧することを特徴とする、強化繊維基材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維強化プラスチック（以下、ＦＲＰと言うこともある。）からなる複合材料ならびにそれを成形するのに適した強化繊維基材、プリフォームおよび強化繊維基材の製造方法に関する。より詳しくは、後述するＲＴＭやＶａＲＴＭにより高品質の複合材料を製造するにあたり、高い繊維体積含有率（Ｖｆ）にもかかわらず、マトリックス樹脂の含浸が良好で、例えば航空機の翼や胴体などの構造体に適する優れた力学的特性（特にＣＡＩ）を発現せしめる強化繊維基材、プリフォームおよび強化繊維基材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、航空機構造部材などの高品質が要求される複合材料の製造方法として、強化繊維基材にあらかじめマトリックス樹脂を含浸させたプリプレグを用い、これを型に積層した上でバッグフィルムで覆い、オートクレーブ（加熱加圧炉）内で加熱、加圧し、樹脂を硬化させるオートクレーブ成形法が多用されている。この成形法は、複合材料においてもボイドの発生が少なく、均質であるとともに高品質であることから好ましく使用されている。
【０００３】
しかし、近年成形および材料コストの低減を図るべくオートクレーブを使用せずに、上型と下型の間に形成されたキャビティにドライ状態の強化繊維基材をセットし、クリアランス内を真空減圧し液状のマトリックス樹脂の注入を行うResin Transfer Molding process（以下、ＲＴＭと記す。）や、成形型上にドライ状態の強化繊維基材を積層し、バッグフィルムで覆いバッグ内を真空にした後、マトリックス樹脂を注入するいわゆる減圧注入成形法（Vacuum assisted Resin Transfer Molding process、以下、ＶａＲＴＭと記す。）などの注入成形法が航空機構造部材に適用されてきつつある。
【０００４】
上記ＲＴＭなどにおいては、複合材料の生産性には優れるが、ドライ状態の強化繊維基材に樹脂を含浸させる必要があることから低粘度樹脂が用いられ、プリプレグに用いられる高粘度樹脂に比べ力学的特性に劣るといった問題があった。
【０００５】
かかる問題に対し、特許文献１、２、非特許文献１、２などには、強化繊維基材を積層したプリフォームの層間に間隙を有する熱可塑性樹脂層を配置する技術や、エポキシ樹脂と熱可塑性樹脂粒子とを配合した樹脂を織物上に塗布する技術により、ＲＴＭなどによって得られる複合材料の力学的特性（耐層間剥離性や層間破壊靭性など）を向上させる技術が提案されている。
【０００６】
しかしながら、上記提案では、力学的特性を向上させるために配置した熱可塑性樹脂層、または、エポキシ樹脂と熱可塑性樹脂粒子とを配合した樹脂などにより、マトリックス樹脂の含浸性が大幅に低下するといった問題が生じ、本来の目的である高い生産性を得ることができずにいた。すなわち、力学的特性とマトリックス樹脂の含浸性を両立できる強化繊維基材、プリフォームは上記提案では達成されておらず、かかる課題を両立できる技術が望まれていた。
【特許文献１】国際公開特許ＷＯ００−６１３６３号公報（請求項１）
【特許文献２】国際公開特許ＷＯ０３−０４７５８号公報（請求項１）
【非特許文献１】Journal of Advanced Materials, Volume 32, No.3, July 2000, P27-34
【非特許文献２】Composites part A, Volume 32, 2001, P721-729
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、上述した従来技術の問題点を解決すること、すなわち、形態安定性などの取り扱い性に優れるだけでなく、高い力学的特性（特にCompression After Impact、以下、ＣＡＩと呼ぶ。）の複合材料が得られ、マトリックス樹脂の含浸性にも優れる強化繊維基材、プリフォームおよび強化繊維基材の製造方法に提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明に係る強化繊維基材は、強化繊維基材にマトリックス樹脂を含浸して成形された複合材に用いる強化繊維基材であって、前記強化繊維基材は、少なくとも、連続した強化繊維糸条を一方向に並行するように引き揃えた強化繊維糸条群から構成され、かつ、少なくとも片方の表面に樹脂材料が間隙を有した形態で２〜１５重量％付着しているとともに、前記強化繊維基材が周期的な凹凸を有することを特徴とするものからなる。
【０００９】
また、本発明のプリフォームは、このような強化繊維基材が、２層以上積層されたものであり、かつ、前記強化繊維基材同士が前記樹脂材料により少なくとも部分的に接着されて一体化されていることを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明の強化繊維基材の製造方法は、強化繊維糸条を用いて布帛を形成し、該布帛に樹脂材料を接着した後あるいは接着させながら、表面に凹凸パターンを有するローラで、樹脂材料接着布帛の表面を加圧することを特徴とする方法からなる。
【００１１】
あるいは、本発明の強化繊維基材の製造方法は、強化繊維糸条を用いて布帛を形成し、該布帛に樹脂材料を接着した後あるいは接着させながら、表面に凹凸パターンを有する凹凸シートを樹脂材料接着布帛と引き揃えて、平滑なローラにて加圧することを特徴とする方法からなる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る強化繊維基材によれば、少なくとも強化繊維基材表面に樹脂材料が間隙を有した状態で２〜２０重量％付着しているとともに周期的な凹凸を有するため、この強化繊維基材の積層体を用いてＲＴＭやＶａＲＴＭにより複合材料を成形する際に、取り扱い性が良好で樹脂含浸性が優れるとともに高い力学的特性（特にＣＡＩ）が得られる。
【００１３】
また、本発明に係るプリフォームによれば、前記強化繊維基材同士が前記樹脂材料により少なくとも部分的に接着されて一体化しているため、取り扱い性に優れ、複合材料の優れた生産性を達成できる。
【００１４】
さらに、本発明に係る強化繊維基材の製造方法によれば、前記強化繊維基材の要件を満たすように表面に凹凸パターンを有するローラや、凹凸パターンを有する凹凸シートを樹脂材料接着布帛と引き揃えて、平滑なローラにて加圧することにより製造するため、取り扱い性に優れ、高い力学的特性（特にＣＡＩ）の複合材料が得られ、かつ、良好なマトリックス樹脂の含浸性を達成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、まず本発明に係る強化繊維基材の望ましい実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施態様に係る強化繊維基材の斜視図である。また、図２は、図１の強化繊維基材における強化繊維糸条の長手方向に並行する方向の強化繊維糸条に沿った断面の模式図である。
【００１６】
図１において、本発明の強化繊維基材１は、長手方向に並行に配向されたたて糸となる強化繊維糸条２に対し、直交方向に、よこ糸３が強化繊維糸条２の１本毎に交互に上下に配列された一方向性織物４からなる布帛であって、かつ、該布帛の少なくとも片方の表面の全面に樹脂材料５が間隙を有した形態で付着している。さらに、図２に示すように強化繊維基材１は、この基材１の平面方向に周期的な凹部６と凸部７を有している。さらに、この凸部７および凹部６は強化繊維糸条２と樹脂材料５により構成されている。また、この強化繊維基材１の周期的な凹凸は、図３に示すように凹凸部の凹部６に樹脂材料が存在しない形態であっても構わない。
【００１７】
そして、樹脂材料は布帛表面に付着しており、強化繊維基材を積層してプリフォームを得る際に基材同士の接着性を発現する。これにより、布帛における強化繊維糸条の目ずれを防ぎ、基材の形態安定性に優れるようになる。
【００１８】
また、力学的特性の面からは、少なくとも布帛の表面に樹脂材料が接着していないと、複数枚が積層されて形成される疑似等方積層構成を有する複合材料の衝撃付与後の圧縮特性（ＣＡＩ）に劣る。かかるＣＡＩは複合材料が航空機の構造部材（特に一次構造部材）として用いられる場合、非常に重要視される力学的特性であり、複合材料を構造部材に適用するに際し、高いＣＡＩを有している必要性が高いものである。
【００１９】
本発明で用いる樹脂材料は、強化繊維基材を積層して得られる複合材料において、クラックストッパーの役目および複合材料の残留応力を緩和する役目を果たす。特に、複合材料が衝撃を受けた際に基材層間の損傷抑制の役目を果たし、優れた力学的特性（特にＣＡＩ）、すなわち高靭性化効果をもたらす。
【００２０】
高靭性化効果に加え、少なくとも布帛の表面に樹脂材料が接着していると、基材を積層した場合に、布帛表面に付着している樹脂材料がスペーサとなって、隣接する基材の間にスペースを形成する。これを樹脂材料によるスペーサ効果と呼称するが、このスペーサ効果は、マトリックス樹脂が積層された基材に注入するされ複合材料が成形される際、マトリックス樹脂の流路形成の役目を果たす。これにより、マトリックス樹脂の基材への含浸が容易になるだけでなく、その含浸速度も速くなり、複合材料の優れた生産性をもたらす。
【００２１】
このスペーサ効果は、樹脂材料の高靭性化効果を複合材料の基材層間に集中して発現させる役目も果たす。その結果、より一層高い高靭性化効果がもたらされる。これを樹脂材料による層間強化効果と呼称する。
【００２２】
樹脂材料による高靭性化効果、スペーサ効果、層間強化効果は、樹脂材料が基材表面に偏在している、特に樹脂材料が実質的に布帛の表面にのみ存在していると、より一層高いレベルで発揮される。
【００２３】
樹脂材料は、基材単層においては、片側表面に偏在して接着していてもよいし、両側の表面に偏在して接着していてもよい。より低コストに基材を製造する場合は、前者が好ましい。基材の表裏の使い分けをしたくない場合は、後者が好ましい。
【００２４】
基材が多層の場合においては、その積層体の中央層に位置する基材のみに両面に接着し、それ以外の各層は片面のみ接着しておくと、積層体の各層間に樹脂材料が配置できるため、本発明の好ましい態様の一つといえる。
【００２５】
また、樹脂材料は空隙部を有した状態で接着されている。つまり、点状、線状または不連続線状である。点状に付着させるためには、粉体を強化繊維基材表面に散布し、熱融着させるとよい。また、線状または不連続線状に付着させるためには、不織布や織物などの連続繊維からなる布帛を一旦作製した後、強化繊維基材表面に貼り合わせ熱融着させること良い。このようにすることにより、プリフォーム作製において適度な接着性を有するとともに、複合材料の成形時には強化繊維基材の厚み方向への樹脂の含浸を阻害することがない。
【００２６】
また、この樹脂材料は周期的な凹凸を有している。すなわち、周期的な凹凸を有していることから、強化繊維基材を積層した際に隣接する層間の少なくとも樹脂材料が付着した基材表面には、規則的にマトリックス樹脂の流路となる凹部を確保することができるので、安定して樹脂含浸させることができる。これにより、マトリックス樹脂が拡散しにくい層間の面内方向においてもマトリックス樹脂の拡散速度を速くすることができ、短時間に樹脂含浸が可能となる。なお、ここでいう周期的な凹凸とは、図４〜図７に示すようないずれの形態、つまり、凸部が図４に示す丸形、図５に示す角形、図６に示す菱形、図７に示す亀甲形のいずれの形態であっても構わない。ここで、図４に示す強化繊維基材１０においては、周期的な凹凸は、丸形の凸部１１と凸部１１間の凹部１２から形成されている。また、図５に示す強化繊維基材２０においては、周期的な凹凸は、角形の凸部２１と凸部２１間の凹部２２から形成されている。また、図６に示す強化繊維基材３０においては、周期的な凹凸は、菱形の凸部３１と凸部３１間の凹部３２から形成されている。さらに、図７に強化繊維基材４０においては、周期的な凹凸は、亀甲形の凸部４１と凸部４１間の凹部４２から形成されている。
【００２７】
そして、凹凸の凹部が連続していると、マトリックス樹脂の流路の連続性が確保されるので、より一層短時間にマトリックス樹脂の含浸が可能になるとともに未含浸部分がより発生しにくいことから好ましい。
【００２８】
なお、この基材表面の凹凸はあまり大きくなりすぎると、層間における樹脂の流動性は向上するものの、凹凸面に接して配置される隣接する強化繊維基材の強化繊維が屈曲し、複合材料における力学的特性が低下する場合がある。一方、樹脂材料が薄すぎると樹脂の流動性が低下することから所望のＣＡＩが得られない。かかる観点から強化繊維基材における凹凸面の最大高さ（Ｒｚ）は２〜１００μｍであることが好ましい。より好ましくは、５〜７０μｍ、さらに好ましくは、８〜５０μｍである。なお、ここでいう凹凸面の最大高さ（Ｒｚ）は、レーザ変位計を用いた３次元形状測定器（例えば、シグマ光機社製３次元形状測定システムＥＭＳ９８−３Ｄ）などの非接触変位計を用いることによって測定することができる。
【００２９】
また、凹部の溝幅は、あまり大きくなりすぎると層間における樹脂の流動性は向上するものの、凹凸面に接して配置される隣接する強化繊維基材の強化繊維が屈曲し、複合材料における力学的特性が低下する場合がある。一方、溝幅が小さくなりすぎると樹脂の流動性が低下する。かかる観点から凹部の溝幅は、０．２〜１ｍｍが好ましい。より好ましくは０．３〜０．５ｍｍである。
【００３０】
また、溝のピッチは、３〜３０ｍｍが好ましい。３ｍｍ未満であると、樹脂流路の数が増え樹脂含浸はしやすくなるものの、層間におけるマトリックス樹脂量が多くなり、複合材料のＶｆが低下してしまう。一方、３０ｍｍより大きいと溝のピッチが大きくなり過ぎ樹脂の含浸性が低下する。このため溝のピッチは、３〜３０ｍｍが好ましい。
【００３１】
強化繊維基材は少なくとも強化繊維基材の片側の表面に樹脂材料が２〜１５重量％付着している。より好ましくは６〜１４重量％、さらに好ましくは８〜１３重量％である。樹脂材料を上記範囲で有していることにより、基材の一層高い形態安定性がもたらされる。さらに、基材を積層する際に、基材同士のタック性（粘着性）、基材の適度なコシがもたらされる。その結果、形態安定に優れ、積層が容易かつ自動化が可能な強化繊維基材を得ることができる。かかる特性は、２重量％未満では発現しにくい。
【００３２】
この強化繊維基材表面に付着している樹脂材料は、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂またはそれらの混合物である。プリフォームとしての接着性のみが要求される場合においては、熱硬化性樹脂あるいは熱可塑性樹脂をそれぞれ単独で用いてもよいが、ＣＡＩなどの耐衝撃性が要求される場合においては、靭性の優れた熱可塑性樹脂と低粘度化しやすく強化繊維基材への接着が容易な熱硬化性樹脂との混合物を用いると、適度の靭性を有しながら強化繊維シートへの適度な接着性を有することから好ましい。熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂などである。熱可塑性樹脂としては、ポリ酢酸ビニル、ポリカーボナート、ポリアセターアル、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフイド、ポリアリレート、ポリエステル、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアラミド、ポリベンゾイミダゾール、ポリエチレン、ポリプロピレン、酢酸セルロース、酪酸セルロースなどである。
【００３３】
本発明に用いる強化繊維基材を構成する強化繊維糸条としては、炭素繊維やガラス繊維、アラミド繊維やＰＢＯ（ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール）繊維などの高強度、高弾性率繊維である。なかでも、炭素繊維は、これらの繊維の中でもより高強度、高弾性率であることから、優れた力学的特性の複合材料が得られることからより好ましい。さらに好ましくは、引張強さが４５００ＭＰａ以上で、かつ、引張弾性率が２５０ＧＰａ以上の炭素繊維であると、より優れたコンポジット特性が得られる。
【００３４】
また、強化繊維布帛の形態としては、強化繊維糸条を一方向に配列させたいわゆるトウシートや強化繊維糸条を一方向または二方向に配列させた一方向性織物や二方向性織物などである。ここで、トウシートにおいては基材への樹脂含浸性を向上させるためにストランド間に適度の隙間を確保するように強化繊維を配列すると良い。なかでも、たて糸に強化繊維糸条を用いよこ糸に細い補助糸を用いた一方向性織物は、強化繊維糸条の真直性が大きいことから優れたコンポジット特性が得られるとともにたて糸とよこ糸の交錯により並行する強化繊維間に空隙部が形成され、基材厚み方向への適度な樹脂パスを形成することができることから好ましい。
【００３５】
なかでも、複合材料が航空機などの構造部材に使用される一方向性ノンクリンプ織物が好ましい。かかる一方向性ノンクリンプ織物については、例えば特許第３２７９０４９号公報、特開２００３−８２１１７号公報に詳しく記載されている。
【００３６】
また、一方向性織物や一方向性ノンクリンプ織物におけるよこ方向補助糸としては、繊度が５０〜５００デシテックスの細い繊維が好ましい。繊度が小さいと、よこ糸が存在することによるたて糸のクリンプを極力小さくすることができ好ましい。なかでもよこ方向補助糸の単糸直径が１０〜１００μｍで撚り数が５０ターン／ｍ以下であれば、強化繊維織物を製造する際に強化繊維糸条に作用する張力によって交錯しているよこ方向補助糸が押さえつけられ、よこ方向補助糸の単糸が一直線状に並び表面凹凸小さくできることから好ましい。
【００３７】
糸の種類としては、並行する補強繊維糸を一体に保持するためのものであることから特に限定されず、炭素繊維やガラス繊維などの無機繊維、ポリアラミド繊維、ビニロン繊維、ポリエステル繊維、ポリアミド繊維などの有機繊維が使用できる。
【００３８】
また、強化繊維布帛における強化繊維糸条の糸幅は、２〜１０ｍｍであることが好ましい。これは、強化繊維糸条束の断面形状は楕円状であり、互いに並行に配列する強化繊維糸条束間が強化繊維基材の厚み方向へのマトリックス樹脂の流路となり、糸幅が大きいと強化繊維糸条束間のピッチが大きくなり、基材厚み方向への樹脂流路の数が少なくなることでマトリックス樹脂の含浸性が低下する。また、糸幅が小さいと強化繊維糸条束間のピッチが小さくなり、基材厚み方向への樹脂流路の数が増えるので、マトリックス樹脂の含浸性は向上するものの楕円形状の強化繊維束が小さな周期で配列することから隣接する層の強化繊維のうねりが大きくなり力学的特性が低下する。このため、強化繊維布帛における強化繊維糸条の糸幅は、２〜１０ｍｍであることが好ましい。より好ましくは、４〜８ｍｍである。
【００３９】
また、強化繊維基材の凸部の厚みから求められる強化繊維の体積率Ｖｆｆは、３５〜５５％であることが好ましい。より好ましくは、３８〜５３％、特に好ましくは４０〜５３％である。なお、ここでいう強化繊維基材の厚みとは、ＪＩＳ  Ｒ７６０２（炭素繊維織物の試験方法）に従って測定される厚みのことであり、５０ｋＰａに圧力を２０秒間かけたときの厚みを５箇所測定し、その平均値で表されるものである。
【００４０】
強化繊維の体積率Ｖｆｆが３５％未満であると、特に真空圧によりマトリックス樹脂を含浸させるＶａＲＴＭでは、大気圧以上の圧力がかからないため、基材の嵩、すなわち強化繊維の体積率Ｖｆｆを所望の範囲に制御できず、得られる複合材料の強化繊維体積含有率Ｖｆも力学的特性に適する５０〜６５％に制御することができないだけでなく、所望の厚みの複合材料を得ることができない。さらには、得られる複合材料中での基材層がうねり、得られる複合材料の力学的特性、特に圧縮強度を著しく低下させる。係る問題は積層構成に関しては、基材層の積層構成が斜行の場合には、成形に関しては、雄型もしくは雌型の一方のみ成形型を用い、もう一方に柔軟なバック材を用いる場合に特に顕在化する。すなわち力学的特性に優れ軽量化効果を高く発現する複合材料は得られない。
【００４１】
一方、強化繊維の体積率Ｖｆｆが５５％を越えると、ＶａＲＴＭの場合においては、密に充填されすぎた強化繊維がマトリックス樹脂の流れを阻害する結果、含浸性が悪くなり、未含浸部分（ボイド）を有する複合材料しか得られない。
【００４２】
かかる強化繊維の体積率Ｖｆｆを３５〜５５％の範囲に制御することにより、得られる複合材料における強化繊維体積含有率Ｖｆおよび寸法を、所望の範囲に厳密に制御し、高い力学的特性を発現することが可能となるのである。
【００４３】
なお、本発明での強化繊維基材の凸部の厚み（ＪＩＳ  Ｒ７６０２）から算出される強化繊維体積率Ｖｆｆとは、次式で求めた値をいう（単位は％）。なお、ここで用いた記号は下記に準ずる。ここで、測定に供する基材は、製造した後、少なくとも２４時間経過し、スプリングバック量が実質的に飽和したものを用いる。
Ｖｆｆ＝Ｗ／（ρ×Ｔｆ×１０）  （％）
Ｗ  ：強化繊維基材１ｍ2当たりの強化繊維の重量（ｇ／ｍ2）
ρ  ：強化繊維の密度（ｇ／ｃｍ3）
Ｔｆ：ＪＩＳ  Ｒ７６０２に沿って測定した強化繊維基材の厚さ（ｍｍ）
【００４４】
本発明に係るプリフォームは、強化繊維基材が、２層以上積層されたものであり、かつ、前記強化繊維基材同士が前記樹脂材料により少なくとも部分的に接着されて一体化しているものである。係る接着が強化繊維基材の全面に及んでいると、プリフォームの取り扱い性が劣ったり、マトリックス樹脂の含浸性を阻害することがある。かかる接着は、複数の積層された強化繊維基材が一体化したプリフォームとして運搬などの取り扱いができればよく、基材同士が部分的に接着しているものが好ましい態様といえる。
【００４５】
本発明に係る強化繊維基材の製造方法は、強化繊維糸条を用いて布帛を形成し、樹脂材料を接着した後あるいは接着させながら表面に凹凸パターンを有するローラで強化繊維基材表面を加圧するものである。また、本発明の他の製造方法は、強化繊維糸条を用いて布帛を形成し、樹脂材料を接着した後あるいは接着させながら表面に凹凸パターンを有する凹凸シートを強化繊維布帛と引き揃えて平滑なローラにて加圧するものである。
【００４６】
より具体的に説明すると、多数本の強化繊維糸条をクリールスタンドなどに仕掛けたボビンから引き出し、製織工程などを経て強化繊維布帛を形成する。その後、この強化繊維布帛に固体状の樹脂材料を塗布または貼り合わせた後樹脂材料を溶融させ接着する。この場合の樹脂材料は、粉体あるいは不織布、織物、編物などの布帛を用いることができる。そして、この強化繊維基材に樹脂材料を接着した後あるいは接着させながら表面に周期的な凹凸パターンを有するローラで強化繊維基材表面を加圧することにより、ローラ表面の凹凸が強化繊維基材表面に接着された樹脂材料に転写され、強化繊維基材の表面に周期的な凹凸を設けた強化繊維基材を得ることができる。また、この表面に周期的な凹凸を有するローラの替わりに表面に凹凸パターンを有する凹凸シートを強化繊維布帛と引き揃えて平滑なローラにて加圧することによっても同様に強化繊維基材の表面に周期的な凹凸を設けた強化繊維基材を得ることができる。
【００４７】
なお、表面に凹凸パターンを有する凹凸シートは、フィルム、不織布、マットなどの表面にエンボス加工を行ったものや、周期的な凹凸を有する強化繊維布帛にフッ素樹脂などの優れた離型性を有する樹脂を含浸させたシートなどである。
【実施例】
【００４８】
以下、実施例により、本発明をさらに詳細に説明する。実施例および比較例に用いる原材料は下記の通りである。
・強化繊維糸条：ＰＡＮ系炭素繊維、フィラメント数：２４，０００本、繊度：１，０３０ｔｅｘ、引張強度：５８３０ＭＰａ、引張弾性率：２９４ＧＰａ。
・ガラス繊維糸条：ＥＣＥ２２５  １／０  １．０Ｚ、繊度：２２．５ｔｅｘ、バインダー”ＤＰ”（日東紡社製）。
・ポリアミド６６繊維糸条：繊度：１．７ｔｅｘ、フィラメント数：７本。
・樹脂材料：ポリエーテルスルフォン樹脂（住友化学工業（株）製”スミカエクセル”５００３Ｐ）６０重量％（主成分）と次のエポキシ樹脂組成物４０重量％（副成分）とを２軸押出機にて溶融混練したものを冷凍粉砕したもの。平均粒子径Ｄ50（（株）セイシン企業製ＬＭＳ−２４で測定）１１５μｍ、ガラス転位点９２℃。
エポキシ樹脂組成物−ジャパンエポキシレジン（株）製”エピコート”８０６を２１重量部、日本化薬（株）製ＮＣ−３０００を１２．５重量部、および、日産化学工業（株）製ＴＥＰＩＣ−Ｐを４重量部を、１００℃で均一になるまで攪拌したもの。
・マトリックス樹脂：次の主液１００重量部に次の硬化液を３９重量部加え、８０℃にて均一攪拌したエポキシ樹脂組成物。８０℃におけるＥ型粘度計による粘度：５５ｍＰａ・ｓ、１８０℃で２時間硬化後のガラス転位点：１９７℃、曲げ弾性率：３．３ＧＰａ。
・主液：エポキシとして、Ｖａｎｔｉｃｏ（株）製”アラルダイト”ＭＹ−７２１を４０重量部、ジャパンエポキシレジン（株）製”エピコート”８２５を３５重量部、日本化薬（株）製ＧＡＮを１５重量部、およびジャパンエポキシレジン（株）製”エピコート”６３０を１０重量部、７０℃で１時間攪拌して均一溶解させたもの。
・硬化液：ポリアミンとして、ジャパンエポキシレジン（株）製”エピキュア”Ｗを７０重量部、三井化学ファイン（株）製３，３’ジアミノジフェニルスルフォンを２０重量部、および住友化学工業製”スミキュア”Ｓを１０重量部、１００℃で１時間攪拌して均一にした後７０℃に降温し、硬化促進剤として宇部興産（株）製ｔ−ブチルカテコール、２重量部をさらに７０℃で３０分間攪拌して均一溶解させたもの。
【００４９】
実施例１
図８は、本発明の実施例１の強化繊維基材の態様を示す斜視模式図である。強化繊維糸条のたて糸５１、ガラス繊維糸条をたて補助糸条５２、ポリアミド６６繊維糸条をよこ補助糸条５３として、たて糸５１とたて補助糸条５２とを交互に１本おきに配列し、よこ補助糸条５３と平織組織に製織して、たて補助糸条５２よこ補助糸条５３とを交錯させ、強化繊維糸条５１を一体に保持した布帛５４である一方向性ノンクリンプ織物（織物Ａ）を得た。織物Ａは、布帛厚み０．２ｍｍ、強化繊維目付１９３ｇ／ｍ2、たて糸（たて補助糸条）密度１．８本／ｃｍであった。
【００５０】
かかる織物Ａの上に、粒子状の樹脂材料５５を、エンボスローラとドクターブレードにて計量しながら自由落下させた。この際、自重で落下している粒子は、振動ネットを通過し均一に布帛の片表面に塗布した。粒子状の粒子材料塗布量は、後述の基材Ａの１４重量％となるようにした。さらに、遠赤外線ヒータにて１８０〜２００℃に加熱しながら、表面に周期的な凹凸を有する離型処理をした金属ニップローラ（エンボスローラ）にて加圧して、粒子状の樹脂材料を織物Ａに接着し、その後に自然冷却して巻き取り、強化繊維基材５０である基材Ａを得た。なお、エンボスローラにおける凸の形状は図４に示したものと同じ円形状であり、円の中心径：９ｍｍ、凸部の中心間距離が１０ｍｍ、溝幅が０．５ｍｍ、溝部の深さは４０μｍであった。
【００５１】
得られた基材Ａは、基材厚み０．２３４ｍｍ、基材Ａの凸部の厚みから求められる強化繊維体積率Ｖｆｆは４６％、基材目付２３６ｇ／ｍ2、凸部の中心間距離：Ｐは１０ｍｍ、溝幅：ｗは０．４５ｍｍ、最大高さ（Ｒｚ）は、４０μｍであった。
【００５２】
得られた基材Ａを、［−４５°／０°／＋４５°／９０°］積層構成に積層し、この積層構成を３回繰り返したものを２組用意し、それを９０°層を向き合わせて鏡面対称積層になるように貼り合わた。かかる積層体を平面型に配置し、シーラントとバッグ材（ポリアミドフィルム）にて密閉して、減圧吸引口を設けたキャビティを形成した。減圧吸引口から真空ポンプによってキャビティ内を真空に減圧し、賦形型を６０℃に温調した。この状態で２時間保持し、室温に冷却してから吸引を停止して取り出しプリフォームＡを得た。そして、このプリフォームＡを、平面状の成形型（アルミニウム製）に配置し、プリフォーム上に樹脂拡散媒体（金属製メッシュ）を配置して、シーラントとバッグ材にて、密閉して樹脂注入口と減圧吸引口を設けたキャビティを形成した。減圧吸引口から真空ポンプによってキャビティ内を真空に減圧し、成形型およびプリフォームを６０℃に温調した。次いで、事前に調合・真空脱泡したマトリックス樹脂を６０℃に保ちながら、樹脂注入口から大気圧を利用して注入した。マトリックス樹脂が減圧吸引口に到達した時に注入口を閉じて注入を停止した。それ以降は、減圧吸引口から減圧を続けながら１８０℃で２時間保持し、マトリックス樹脂を硬化させ、複合材料Ａを得た。複合材料Ａは、強化繊維の体積率Ｖｆが５５％で、どこにもピンホールやボイドが見あたらず、樹脂含浸は良好であった。また、樹脂含浸時における樹脂の含浸時間も同時に測定した。なお、樹脂の含浸時間は、後述の比較例との比較のため、本実施例でかかった時間を１００とした指数で相対評価した。
【００５３】
さらに、得られた複合材料Ａを用いて、ＳＡＣＭＡ  ＳＲＭ  ２Ｒ−９４に準拠して２３℃におけるＣＡＩを測定した。なお、衝撃は５．４４ｋｇ（１２ポンド）の錘を落下させて６．６７ｋＪ／ｍ（２７０ｉｎ・ｌｂ）の落錘衝撃エネルギーとした。
【００５４】
比較例１
比較例１として、樹脂材料を用いなかった他は実施例１と同じようにして一方向性ノンクリンプ織物をそのまま用いることで強化繊維基材Ｂを得た。得られた基材Ｂにおいては、樹脂材料が付着していないことから基材表面の周期的な凹凸は存在しなかった。また、得られた基材Ｂは、基材厚み０．２０１ｍｍ、基材Ｂの凸部の厚みから求められる強化繊維体積率Ｖｆｆは５４％、基材目付１９３ｇ／ｍ2、最大高さ（Ｒｚ）は、１５０μｍであった。さらに、実施例１と同じようにしてプリフォームＢを作製するとともに樹脂含浸を行い、複合材料Ｂを得た。得られた複合材料Ｂは、マトリックス樹脂のゲル化時間を経過してもプリフォーム全体に樹脂含浸させるまでには至らず、樹脂が未含浸の複合材料となってしまった。このため、ＣＡＩの評価は行うことができなかった。
【００５５】
比較例２
比較例２として、エンボスローラを用いずに、表面が平滑な金属ニップローラを用いた他は実施例１と同様にして強化繊維基材Ｃを得た。得られた基材Ｃは、表面平滑な金属ロールで加圧しながらニップしたことから基材表面に周期的な凹凸が存在しなかった。なお、得られた基材Ｃは、基材厚み０．２２５ｍｍ、基材Ａの凸部の厚みから求められる強化繊維体積率Ｖｆｆは４８％、基材目付２３６ｇ／ｍ2、最大高さ（Ｒｚ）は、１４μｍであった。さらに、実施例１同様にしてプリフォームＣを作製するとともにマトリックス樹脂の含浸を行い複合材料Ｃを作製した。得られた複合材料Ｃは、強化繊維の体積率Ｖｆは５６％で、樹脂含浸は良好であったものの樹脂含浸に要する時間が実施例１の１．４５倍要した。これら実施例１、比較例１、２の結果を表１に示す。
【００５６】
【表１】
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【００５７】
表１から明らかなように、実施例１の基材Ａ、比較例２の基材Ｃは、織物上に接着した樹脂材料により、織物の目ずれ、蛇行などが生じない形態安定性を有し、また、これらをプリフォーム化する際に優れたタック性を発現した。樹脂含浸性については、基材Ａは、基材Ｂ（含浸せず）、基材Ｃに比べ、短時間にマトリックス樹脂を含浸させることができた。以上の結果から、本発明の効果は明白である。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明によれば、取り扱い性に優れるだけでなく、マトリックス樹脂の含浸性に優れる基材およびプリフォームおよびそれからなる複合材料を得ることができる。このようにして得られた複合材料は、航空機、自動車などの構造部材をはじめ幅広い分野に適用できるが、特に航空機構造部材に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の一実施態様に係る強化繊維基材の斜視図である。
【図２】図１の強化繊維基材の強化繊維糸条に沿って切断した凹凸部の部分拡大断面図である。
【図３】本発明の別の実施態様に係る強化繊維基材の強化繊維糸条に沿って切断した凹凸部の部分拡大断面図である。
【図４】本発明における樹脂材料の表面凹凸の一態様を示す平面模式図である。
【図５】本発明における樹脂材料の表面凹凸の別の態様を示す平面模式図である。
【図６】本発明における樹脂材料の表面凹凸のさらに別の態様を示す平面模式図である。
【図７】本発明における樹脂材料の表面凹凸のさらに別の態様を示す平面模式図である。
【図８】本発明の実施例１の強化繊維基材の態様を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００６０】
１  強化繊維基材
２  強化繊維（たて糸）
３  よこ糸
４  強化繊維布帛
５  樹脂材料
６  強化繊維基材表面の凹部
７  強化繊維基材表面の凸部
１０、２０、３０、４０  強化繊維基材
１１、２１、３１、４１  強化繊維基材表面の凸部
１２、２２、３２、４２  強化繊維基材表面の凹部
５０  強化繊維基材
５１  強化繊維
５２  たて補助糸条
５３  よこ補助糸条
５４  強化繊維布帛
５５  樹脂材料
【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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【図８】
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