(57)【要約】  複雑な形状を容易に形成可能で、軽量性及び力学特性に優れる複合構造体を、高いコストを要することなく、製造可能な複合構造体の製造方法を提供する。本発明に係る複合構造体の製造方法は、第１の部材と、第２の部材である構造体とが一体化された、複合構造体の製造方法であって、前記第１の部材からなる型に、樹脂と強化繊維とを有する構造体前駆体を配置する配置工程と、前記構造体前駆体の貯蔵弾性率（Ｇ’）が１．２×１０８Ｐａ未満となる温度以上に前記構造体前駆体を加熱する加熱工程と、加熱により前記構造体前駆体を膨張させて、第２の部材である構造体として第１の部材に密着させて複合構造体を得る賦型工程と、前記複合構造体を冷却する冷却工程と、を有し、前記第１の部材は、前記加熱工程の温度において曲げ弾性率が５ＧＰａ以上であり、前記第２の部材である構造体は、樹脂と強化繊維と空隙とからなることを特徴とする。【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の部材と、第２の部材である構造体とが一体化された、複合構造体の製造方法であって、
前記第１の部材からなる型に、樹脂と強化繊維とを有する構造体前駆体を配置する配置工程と、
前記構造体前駆体の貯蔵弾性率（Ｇ’）が１．２×１０８Ｐａ未満となる温度以上に前記構造体前駆体を加熱する加熱工程と、
加熱により前記構造体前駆体を膨張させて、第２の部材である構造体として第１の部材に密着させて複合構造体を得る賦形工程と、
前記複合構造体を冷却する冷却工程と、
を有し、
前記第１の部材は、前記加熱工程の温度において曲げ弾性率が５ＧＰａ以上であり、
前記第２の部材である構造体は、樹脂と強化繊維と空隙とからなる、複合構造体の製造方法。
【請求項２】
前記賦形工程以降に、加圧により前記複合構造体を成形する成形工程を有する、請求項１に記載の複合構造体の製造方法。
【請求項３】
前記賦形工程以降に、局部的に加圧を行い、前記複合構造体を変形させる変形工程を備える、請求項１又は２に記載の複合構造体の製造方法。
【請求項４】
前記変形工程において、変形させる箇所の少なくとも一部を加熱する、請求項３に記載の複合構造体の製造方法。
【請求項５】
前記第１の部材の線膨張係数が５０×１０−６／℃以下である、請求項１〜４のいずれかに記載の複合構造体の製造方法。
【請求項６】
前記第１の部材が、繊維強化熱硬化性樹脂部材、繊維強化熱可塑性樹脂部材、金属部材、及びセラミック部材からなる群より選択される部材である、請求項１〜５のいずれかに記載の複合構造体の製造方法。
【請求項７】
前記第１の部材の厚みが０．１ｍｍ以上である、請求項１〜６のいずれかに記載の複合構造体の製造方法。
【請求項８】
前記第２の部材である構造体が、以下の（１）〜（３）を満たす、請求項１〜７のいずれかに記載の複合構造体の製造方法。
（１）前記樹脂の体積含有率が、２．５〜８５体積％
（２）前記強化繊維の体積含有率が、０．５〜５５体積％
（３）前記空隙の体積含有率が、１０〜９７体積％
【請求項９】
前記構造体前駆体が、以下の（４）〜（６）を満たす、請求項１〜８のいずれかに記載の複合構造体の製造方法。
（４）前記樹脂の体積含有率が、２．５〜９５体積％
（５）前記強化繊維の体積含有率が、０．５〜８５体積％
（６）前記空隙の体積含有率が、０〜３０体積％
【請求項１０】
前記第２の部材である構造体の密度（ρ）が、０．９ｇ／ｃｍ３以下である、請求項１〜９のいずれかに記載の複合構造体の製造方法。
【請求項１１】
前記第２の部材である構造体中の強化繊維が不連続であり、略モノフィラメント状かつランダムに分散してなる、請求項１〜１０のいずれかに記載の複合構造体の製造方法。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれかに記載の製造方法によって得られた複合構造体の表面の少なくとも一部に、さらに他の部材を一体化する一体化複合構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１の部材と第２の部材とが一体化された複合構造体の製造方法及び一体化複合構造体の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車、航空機、スポーツ製品等の産業用製品については、剛性や軽量性の向上に対する市場要求が年々高まっている。このような要求に応えるべく、剛性や軽量性に優れる繊維強化樹脂が、各種産業用途に幅広く利用されている。また様々な材料を組み合わせたマルチマテリアル化やフィーリング改善も検討され始めている。中でも、軽量性を満足させるために、空隙を有する成形品及びその製造方法が検討されている。例えば、成形品の芯材部に空隙を含ませるために、発泡性材料を用いる手法や射出成形機などの大規模な装置を用いて発泡させる手法が検討されている（特許文献１、２参照）。また、成形品を中空形状にする手法として、内圧成形法や外圧成形法が知られている（特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０７−１２４９８１号公報
【特許文献２】特開２０１６−１８７９３５号公報
【特許文献３】特開２０００−２３８１４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、力学特性を高める観点からは成形品は発泡性材料を含まないことが好ましく、また大規模な装置や金型を用いることはコストが高まることから好ましくない。一方、内圧成形法や外圧成形法では、プリフォーミングに時間を費やす必要があり、副資材も多く必要となるために、生産性の観点から好ましくない。【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、複雑な形状を容易に形成可能で、軽量性及び力学特性に優れる複合構造体を製造可能な複合構造体の製造方法を提供することにある。また、本発明の他の目的は、多くのコストを要することなく、複合構造体を製造可能な複合構造体の製造方法及び一体化複合構造体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】
【０００６】
本発明は以下の（１）である。
（１）  第１の部材と、第２の部材である構造体とが一体化された、複合構造体の製造方法であって、
前記第１の部材からなる型に、樹脂と強化繊維とを有する構造体前駆体を配置する配置工程と、
前記構造体前駆体の貯蔵弾性率（Ｇ’）が１．２×１０８Ｐａ未満となる温度以上に前記構造体前駆体を加熱する加熱工程と、
加熱により前記構造体前駆体を膨張させて、第２の部材である構造体として第１の部材に密着させて複合構造体を得る賦型工程と、
前記複合構造体を冷却する冷却工程と、
を有し、
前記第１の部材は、前記加熱工程の温度において曲げ弾性率が５ＧＰａ以上であり、
前記第２の部材である構造体は、樹脂と強化繊維と空隙とからなる、複合構造体の製造方法である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、複雑な形状を容易に形成可能で、軽量性及び力学特性に優れる複合構造体を製造可能な複合構造体の製造方法を提供できる。また、本発明によれば、多くのコストを要することなく、複合構造体を製造可能な複合構造体の製造方法及び一体化複合構造体の製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本発明に係る製造方法で得られる複合構造体の模式図である。
【図２】図２は、本発明に係る第２の部材である構造体における強化繊維の分散状態の一例を示す模式図である。
【図３】図３は、強化繊維マットの製造装置の一例を示す模式図である。
【図４】図４は、実施例１の製造方法を説明するための模式図である。
【図５】図５は、実施例３に用いる第１の部材を説明するための模式斜視図である。
【図６】図６は、実施例５の製造方法を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明に係る複合構造体の製造方法について説明する。
本発明に係る複合構造体の製造方法は、第１の部材と、第２の部材である構造体とが一体化された、複合構造体の製造方法であって、
前記第１の部材からなる型に、樹脂と強化繊維とを有する構造体前駆体を配置する配置工程と、
前記構造体前駆体の貯蔵弾性率（Ｇ’）が１．２×１０８Ｐａ未満となる温度以上に前記構造体前駆体を加熱する加熱工程と、
加熱により前記構造体前駆体を膨張させて、第２の部材である構造体として第１の部材に密着させて前記複合構造体を得る賦型工程と、
前記複合構造体を冷却する冷却工程と、を有し、
前記第１の部材は、前記加熱工程の温度において曲げ弾性率が５ＧＰａ以上であり、前記第２の部材である構造体は、樹脂と強化繊維と空隙とからなることを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る製造方法で得られた複合構造体２について、簡単に説明する。図１は、本発明に係る製造方法で得られる複合構造体２の模式図（断面）である。複合構造体２は、第１の部材であるパイプ３と、第２の部材であるコア８とから構成されている。コア８は、樹脂４と強化繊維５と空隙６とからなる構造体であり、パイプ３内にコア８が密着して一体化されている。本発明に係る製造方法では、第１の部材であるパイプ３は型として機能し、樹脂４と強化繊維５とを有する構造体前駆体をパイプ３内に配置し、構造体前駆体の貯蔵弾性率が１．２×１０８Ｐａ未満となる温度以上に加熱し、構造体前駆体を膨張させ、パイプ３に密着させた後、冷却することにより、複合構造体を製造することができる。
【００１１】
本発明の製造方法において、配置工程では、第１の部材からなる型に、樹脂と強化繊維とを有する構造体前駆体を配置することにより、最終的に第１の部材は複合構造体の一部となるため、プレス成形機などの大型の装置やそれらの装置に取り付ける金型を使用せずに複合構造体を製造することができる。すなわち、複合構造体を形成する第１の部材そのものを、第２の部材である構造体の成形を行うための型として用いるものである。
【００１２】
本発明の製造方法において、加熱工程では、構造体前駆体の貯蔵弾性率（Ｇ’）が１．２×１０８Ｐａ未満となる温度以上に構造前駆体の温度を上昇させることが必要である。具体的には、構造体前駆体のガラス転移温度や結晶化温度以上の温度とすることで、構造体前駆体の貯蔵弾性率（Ｇ’）が１．２×１０８Ｐａ未満となる温度以上とすることが可能であるが、構造体前駆体の融点又は軟化点に対し１０℃以上高く、且つ、構造体前駆体の熱分解温度以下の温度を付与することがより好ましい。なお、加熱工程において、構造体前駆体の貯蔵弾性率（Ｇ’）が１．２×１０８Ｐａ以上であると、型への賦形（形状の形成）が困難となることがあるため、加熱工程においては、構造体前駆体の貯蔵弾性率（Ｇ’）が１．２×１０８Ｐａ未満となる温度以上に構造体前駆体を加熱することが重要である。
【００１３】
本発明の製造方法において、賦形工程では、加熱により構造体前駆体を膨張させて、第１の部材に密着させるように賦形することが必要である。このときの構造体前駆体の膨張により、第１の部材と密着して一体化されて、第１の部材と第２の部材とが複合化され、複合構造体が得られる。さらに賦形工程において構造体前駆体を膨張させることにより空隙を形成して、構造体前駆体を第２の部材となる構造体へ変換する。このとき、加熱工程と賦形工程は異なる装置で実施してもよく、例えば、構造体前駆体を効果的に加熱する観点から、加熱工程では加熱源と構造体前駆体が接するようにして加熱を行い、賦形工程では膨張をしやすくするため加熱源を離すことが挙げられる。加熱工程と賦形工程を異なる装置で実施する場合には、加熱工程と賦形工程とは別々の工程として行われることとなる。また生産性の観点からは、加熱工程と賦形工程を同じ装置で実施することが好ましく、装置間の移送時における成形部材の温度低下を抑制することができる。なお、加熱工程と賦形工程を同じ装置で実施する場合には、加熱工程と賦形工程とは１つの工程で連続的または並行して行われることとなる。加熱工程における加熱により構造体前駆体の貯蔵弾性率が低下をはじめ、用いる構造体前駆体によって異なるが、ある貯蔵弾性率を下回ると賦形工程における構造体前駆体の膨張が開始される。このとき、貯蔵弾性率の低下が急な場合（加熱時の温度上昇が急な場合）、構造体前駆体の膨張がやや遅れて開始され、１つの工程で連続的に行われる。また貯蔵弾性率の低下が緩やかな場合（加熱時の温度上昇が緩やかな場合）、構造体前駆体の膨張が加熱工程の加熱と並行して行われる。
【００１４】
賦形工程の温度については、構造体前駆体を膨張させる度合いや構造体前駆体の貯蔵弾性率が影響するため一概には言えるものではなく、特に限定されない。一方で賦形工程の時間は、１５秒以上とすることが好ましく、より好ましくは３０秒以上、さらに好ましくは１分以上である。賦形工程の時間について、特に上限はないが、成形サイクルを短縮する観点から３０分以下であることが好ましく、より好ましくは１０分以下である。
【００１５】
本発明の製造方法において、冷却工程では、複合構造体を冷却することが必要である。冷却方法や時間について、特に限定はされないが、第２の部材である構造体の貯蔵弾性率（Ｇ’）が１．２×１０８Ｐａ以上となる温度まで下降させることが好ましい。複合構造体を取り扱う際の変形を抑制する観点から、第２の部材である構造体の貯蔵弾性率が高い方が好ましく、具体的には、第２の部材である構造体の融点又は軟化点に対し、３０℃以上低いことが好ましく、５０℃以上低いことが成形サイクルを短縮する観点から好ましい。
【００１６】
本発明に係る複合構造体の製造方法は、賦形工程以降に、加圧により複合構造体２を成形する成形工程を有することが好ましい。第１の部材に密着した第２の部材を第１の部材とともに加圧することにより、さらに複雑な形状を有した複合構造体を得ることができる。このとき、第２の部材は、膨張性を有した状態であるため、複雑な形状への成形にも追従することが可能である。加圧により複合構造体を成形する成形工程の手法としては、プレス機に取り付けた金型内に複合構造体を配置し、加圧して表面に形状を成形する方法などが挙げられる。なお、この成形工程は、賦形工程と冷却工程の間に行ってもよく、また冷却工程の後に行っても良い。
【００１７】
本発明に係る複合構造体の製造方法は、賦形工程以降に、局部的に加圧を行い、複合構造体を変形させる変形工程を備えることが好ましい。前述した成形工程と同様に、第２の部材が膨張性を有した状態であるため、複雑な変形に対しても追従することが可能である。局部的に加圧を行い、複合構造体を変形する変形工程の手法としては、ベンダーやクランプに固定して局部的に加圧を行い、形状を変形させる方法などが挙げられる。また曲げ変形のように複合構造体を部分的に変形させる場合は、変形工程において、変形させる箇所の少なくとも一部を加熱することが好ましく、同時に変形させたくない場所は加熱をしないということも選択的に行うことが可能である。なお、この変形工程は、賦形工程と冷却工程の間に行ってもよく、また冷却工程の後に行っても良い。
【００１８】
＜第１の部材＞
本発明の製造方法では、第１の部材が、加熱工程の温度において曲げ弾性率が５ＧＰａ以上であることが必要であり、８ＧＰａ以上であることがより好ましい。加熱工程の加熱温度において第１の部材の曲げ弾性率が５ＧＰａ以上である場合、第１の部材のみで形状を保持することが可能となり、第１の部材を型として用いることが可能となり、第１の部材の固定など他の設備の使用や配置工程の簡素化が可能な点からも好ましい。
【００１９】
また第１の部材の線膨張係数は、５０×１０−６／℃以下であることが好ましい。第１の部材としてこのような線膨張係数を有する部材を用いることで、加熱工程および賦形工程の加熱によっても第１の部材の寸法変化が少なく、目的とする複合構造体を精度よく製造することが可能となる。また賦形工程によって第１の部材に第２の部材が密着した状態から、冷却工程にて冷却することによって第１の部材が大きく収縮すると、第１の部材と第２の部材の密着状態が低下することがあるため、第１の部材の線膨張係数は、５０×１０−６／℃以下であることが好ましい。
【００２０】
第１の部材は、繊維強化熱硬化性樹脂部材、繊維強化熱可塑性樹脂部材、金属部材、及びセラミック部材からなる群より選択される部材であることが好ましい。軽量性の観点からは、第１の部材として繊維強化熱硬化性樹脂部材や繊維強化熱可塑性樹脂部材を用いることが好ましい。導電性や放熱性の観点からは、第１の部材として金属部材を用いることが好ましい。耐熱性や耐摩耗性、耐腐食性の観点からは、第１の部材としてセラミック部材を用いることが好ましい。
【００２１】
第１の部材として好適な繊維強化熱硬化性樹脂部材および繊維強化熱可塑性樹脂部材としては、特に限定はされないが、後述する強化繊維と熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂で構成される部材であればよい。とりわけ、強化繊維に樹脂が予め含浸されたシート状であることが取り扱い性の観点から好ましい。
【００２２】
第１の部材として好適な金属部材としては、特に限定されないが、アルミニウム合金、マグネシウム合金およびチタン合金からなる群より選択される少なくとも一種が挙げられる。これらの金属は、目的の用途、物性に応じて選択することが可能であるが、例えば、アルミニウム合金としては、Ａｌ−Ｃｕ系のＡ２０１７、Ａ２０２４、Ａｌ−Ｍｎ系のＡ３００３、Ａ３００４、Ａｌ−Ｓｉ系のＡ４０３２、Ａｌ−Ｍｇ系のＡ５００５、Ａ５０５２、Ａ５０８３、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系のＡ６０６１、Ａ６０６３、Ａｌ−Ｚｎ系のＡ７０７５等が挙げられる。また、アルミニウム合金の元となる工業用純アルミニウムを用いても良く、Ａ１０５０やＡ１１００、Ａ１２００等が挙げられる。マグネシウム合金としては、例えば、Ｍｇ−Ａｌ−Ｚｎ系のＡＺ３１やＡＺ６１、ＡＺ９１等が挙げられる。純マグネシウムについては、板状のものは流通が乏しいが、本出願の金属材として用いても良い。チタン合金としては、１１〜２３種のパラジウムを添加した合金やコバルトとパラジウムを添加した合金、５０種（α合金）、６０種（α−β合金）、８０種（β合金）に該当するＴｉ−６Ａｌ−４Ｖなどが挙げられる。また、チタン合金の元となる工業用純チタンを用いても良く、１〜４種のＴＰ２７０Ｈ等が挙げられる。
【００２３】
第１の部材の厚みは０．１ｍｍ以上であることが好ましく、第２の部材となる構造体前駆体の膨張に対して意図しない変形を抑制し、第２の部材との密着を高める観点から、第１の部材の厚みは０．５ｍｍ以上であることがより好ましく、第１の部材の取り扱い性の観点から、１．０ｍｍ以上であることがさらに好ましい。第１の部材の厚みの上限値は、特に限定されないが、軽量性および形状成形性、形状変形性の観点から１０ｍｍ以下であることが好ましく、５ｍｍ以下であることがより好ましい。第１の部材の厚みが０．１ｍｍ未満の場合、例えば、金属箔や樹脂膜を用いた場合、取り扱いが困難となり得ることがあり、また、第２の部材となる構造体前駆体の膨張によって意図しない変形を抑制できず、型としての役割を果たせず、目的とする複合構造体を得ることが困難となることがあることから、好ましくない。
【００２４】
第１の部材の形状について、特に限定はされないが、円柱状、多角柱状、又は、これらの筒状、平板、Ｌ字状、箱状であることが望ましい。このなかでも、複合構造体の製造の容易さの観点からは筒状が好ましく、加熱工程以降において、プレス機や固定用の治具がない環境においても容易に複合構造体を得ることができる。大型成形品を得る観点からは、平板やＬ字状、箱状が好ましく、プレス機や固定用の治具などが必要となるが比較的容易に入手することが可能なため、低コストとなる。
【００２５】
＜第２の部材（構造体）＞
本発明の製造方法に用いる第２の部材である構造体は、樹脂と強化繊維と空隙からなっている。
【００２６】
本発明における１つの形態において、構造体中の樹脂は、少なくとも１種類以上の熱可塑性樹脂を含むことが望ましい。熱可塑性樹脂としては、「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）、ポリトリメチレンテレフタレート（ＰＴＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、液晶ポリエステル等のポリエステル、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリブチレン等のポリオレフィン、ポリオキシメチレン（ＰＯＭ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）等のポリアリーレンスルフィド、ポリケトン（ＰＫ）、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリエーテルニトリル（ＰＥＮ）、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂、液晶ポリマー（ＬＣＰ）」等の結晶性樹脂、「スチレン系樹脂の他、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリサルホン（ＰＳＵ）、ポリエーテルサルホン、ポリアリレート（ＰＡＲ）」等の非晶性樹脂、その他、フェノール系樹脂、フェノキシ樹脂、更にポリスチレン系、ポリオレフィン系、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、ポリイソプレン系、フッ素系樹脂、及びアクリロニトリル系等の熱可塑エラストマー等や、これらの共重合体及び変性体等から選ばれる熱可塑性樹脂を例示できる。中でも、得られる構造体の軽量性の観点からはポリオレフィンが望ましく、強度の観点からはポリアミドが望ましく、表面外観の観点からはポリカーボネートやスチレン系樹脂のような非晶性樹脂が望ましく、耐熱性の観点からはポリアリーレンスルフィドが望ましく、連続使用温度の観点からはポリエーテルエーテルケトンが望ましく、さらに耐薬品性の観点からはフッ素系樹脂が望ましく用いられる。
【００２７】
本発明における１つの形態において、構造体中の樹脂は、少なくとも１種類以上の熱硬化性樹脂を含むことが望ましい。熱硬化性樹脂としては、不飽和ポリエステル、ビニルエステル、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、熱硬化性ポリイミド、これらの共重合体、変性体、及びこれらの少なくとも２種類をブレンドした樹脂を例示できる。
【００２８】
また、前記樹脂に対して、本発明の目的を損なわない範囲で、本発明に係る構造体又は構造体前駆体は、エラストマー又はゴム成分等の耐衝撃性向上剤、他の充填材や添加剤を含有してもよい。充填材や添加剤の例としては、無機充填材、難燃剤、導電性付与剤、結晶核剤、紫外線吸収剤、酸化防止剤、制振剤、抗菌剤、防虫剤、防臭剤、着色防止剤、熱安定剤、離型剤、帯電防止剤、可塑剤、滑剤、着色剤、顔料、染料、発泡剤、制泡剤、又は、カップリング剤を例示できる。
【００２９】
本発明における第２の部材である構造体は、第２の部材である構造体を１００体積％とした際に、以下を満足することが好ましい。
（１）樹脂の体積含有率が、２．５〜８５体積％
（２）強化繊維の体積含有率が、０．５〜５５体積％
（３）空隙の体積含有率が、１０〜９７体積％
本発明における第２の部材である構造体中の樹脂の体積含有率は、２．５体積％以上８５体積％以下の範囲内にあることが好ましい。樹脂の体積含有率が２．５体積％以上である場合、構造体中の強化繊維同士を結着し、強化繊維の補強効果を十分なものとすることができ、構造体の力学特性、とりわけ曲げ特性を満足できるので望ましい。一方、樹脂の体積含有率が８５体積％以下であれば空隙の形成を阻害しないため好ましい。
【００３０】
強化繊維としては、アルミニウム、黄銅、ステンレス等の金属繊維、ＰＡＮ系、レーヨン系、リグニン系、ピッチ系の炭素繊維、黒鉛繊維、ガラス等の絶縁性繊維、アラミド、ＰＢＯ、ポリフェニレンスルフィド、ポリエステル、アクリル、ナイロン、ポリエチレン等の有機繊維、シリコンカーバイト、シリコンナイトライド等の無機繊維を例示できる。また、これらの繊維に表面処理が施されているものであってもよい。表面処理としては、導電体として金属の被着処理の他に、カップリング剤による処理、サイジング剤による処理、結束剤による処理、添加剤の付着処理等がある。また、これらの繊維は１種類を単独で用いてもよいし、２種類以上を併用してもよい。中でも、軽量化効果の観点から、比強度、比剛性に優れるＰＡＮ系、ピッチ系、レーヨン系等の炭素繊維が望ましく用いられる。また、得られる第２の部材である構造体の経済性を高める観点からは、ガラス繊維が望ましく用いられ、とりわけ力学特性と経済性とのバランスから炭素繊維とガラス繊維とを併用することが望ましい。さらに、得られる構造体の衝撃吸収性や賦形性を高める観点からは、アラミド繊維が望ましく用いられ、とりわけ力学特性と衝撃吸収性とのバランスから炭素繊維とアラミド繊維とを併用することが望ましい。また、得られる構造体の導電性を高める観点からは、ニッケルや銅やイッテルビウム等の金属を被覆した強化繊維を用いることもできる。これらの中で、強度と弾性率等の力学的特性に優れるＰＡＮ系の炭素繊維をより望ましく用いることができる。
【００３１】
前述のとおり、本発明における第２の部材である構造体中の強化繊維の体積含有率は、０．５体積％以上、５５体積％以下の範囲内となることが望ましい。強化繊維の体積含有率が０．５体積％以上である場合、強化繊維に由来する補強効果を十分なものとすることができるので望ましい。一方、強化繊維の体積含有率が５５体積％以下の場合には、強化繊維に対する樹脂の体積含有率が相対的に多くなり、構造体中の強化繊維同士を結着し、強化繊維の補強効果を十分なものとできるため、構造体および複合構造体の力学特性、とりわけ曲げ特性を満足できるので望ましい。
【００３２】
第２の部材である構造体中の強化繊維は、不連続であり、略モノフィラメント状、且つ、ランダムに分散していることが望ましい。強化繊維をかかる態様とすることで、シート状の構造体前駆体ないし構造体を、外力を加えて成形する場合に、複雑形状への賦型が容易となる。また、強化繊維をかかる態様とすることで、強化繊維によって形成された空隙が緻密化し、構造体中における強化繊維の繊維束端における弱部が極小化できるため、優れた補強効率及び信頼性に加えて、等方性も付与される。
【００３３】
ここで、強化繊維が略モノフィラメント状とは、強化繊維の単糸が５００本未満の細繊度ストランドにて存在することを指す。さらに望ましくは、モノフィラメント状である。
ここで、略モノフィラメント状、又は、モノフィラメント状に分散しているとは、第２の部材である構造体中にて任意に選択した強化繊維について、その二次元接触角が１°以上である単繊維の割合（以下、繊維分散率とも称す）が８０％以上であることを指し、言い換えれば、構造体中において単繊維の２本以上が接触して平行した束が２０％未満であることをいう。従って、ここでは、少なくとも強化繊維におけるフィラメント数１００本以下の繊維束の質量分率が１００％に該当するものが特に好ましい。
【００３４】
二次元接触角とは、不連続な強化繊維の場合、単繊維とこの単繊維が接触する単繊維とで形成される角度のことであり、接触する単繊維同士が形成する角度のうち、０°以上、９０°以下の範囲内にある鋭角側の角度と定義する。この二次元接触角について、図面を用いてさらに説明する。図２は、面方向（図２（ａ））及び厚み方向（図２（ｂ））から観察した時の第２の部材である構造体に用いる強化繊維マット中の強化繊維の分散状態の一例を示す模式図である。単繊維１ａを基準とすると、単繊維１ａは図２（ａ）では単繊維１ｂ〜１ｆと交わって観察されるが、図２（ｂ）では単繊維１ａは単繊維１ｅ，１ｆとは接触していない。この場合、基準となる単繊維１ａについて、二次元接触角の評価対象となるのは単繊維１ｂ〜１ｄであり、接触する２つの単繊維が形成する２つの角度のうち、０°以上９０°以下の範囲内にある鋭角側の角度Ａである。
【００３５】
二次元接触角を測定する方法としては、特に制限はないが、例えば第２の部材である構造体の表面から強化繊維の配向を観察する方法を例示できる。この場合、構造体の表面を研磨して強化繊維を露出させることで、強化繊維をより観察しやすくなる。また、Ｘ線ＣＴ透過観察を行って強化繊維の配向画像を撮影する方法も例示できる。Ｘ線透過性の高い強化繊維の場合には、強化繊維にトレーサ用の繊維を混合しておく、又は、強化繊維にトレーサ用の薬剤を塗布しておくと、強化繊維を観察しやすくなるため望ましい。また、上記方法で測定が困難な場合には、加熱炉等により構造体を高温下において樹脂成分を焼失させた後、光学顕微鏡又は電子顕微鏡を用いて取り出した強化繊維から強化繊維の配向を観察する方法を例示できる。
【００３６】
上述した観察方法に基づいて繊維分散率は次の手順で測定する。すなわち、無作為に選択した単繊維（図２における単繊維１ａ）に対して接触している全ての単繊維（図２における単繊維１ｂ〜１ｄ）との二次元接触角を測定する。これを１００本の単繊維について行い、二次元接触角を測定した全ての単繊維の総本数と二次元接触角が１°以上である単繊維の本数との比率から割合を算出する。
【００３７】
さらに、強化繊維はランダムに分散していることが、とりわけ望ましい。ここで、強化繊維がランダムに分散しているとは、第２の部材である構造体における任意に選択した強化繊維の二次元配向角の算術平均値が３０°以上、６０°以下の範囲内にあることをいう。かかる二次元配向角とは、強化繊維の単繊維とこの単繊維と交差する単繊維とで形成される角度のことであり、交差する単繊維同士が形成する角度のうち、０°以上、９０°以下の範囲内にある鋭角側の角度と定義する。
【００３８】
この二次元配向角について、図面を用いてさらに説明する。図２（ａ）、（ｂ）において、単繊維１ａを基準とすると、単繊維１ａは他の単繊維１ｂ〜１ｆと交差している。ここで、交差とは、観察する二次元平面において、基準とする単繊維が他の単繊維と交わって観察される状態のことを意味し、単繊維１ａと単繊維１ｂ〜１ｆとが必ずしも接触している必要はなく、投影して見た場合に交わって観察される状態についても例外ではない。つまり、基準となる単繊維１ａについて見た場合、単繊維１ｂ〜１ｆの全てが二次元配向角の評価対象であり、図２（ａ）中において二次元配向角は交差する２つの単繊維が形成する２つの角度のうち、０°以上、９０°以下の範囲内にある鋭角側の角度Ａである。
【００３９】
二次元配向角を測定する方法としては、特に制限はないが、例えば、構成要素の表面から強化繊維の配向を観察する方法を例示でき、上述した二次元接触角の測定方法と同様の手段を取ることができる。二次元配向角の平均値は、次の手順で測定する。すなわち、無作為に選択した単繊維（図２における単繊維１ａ）に対して交差している全ての単繊維（図２における単繊維１ｂ〜１ｆ）との二次元配向角の平均値を測定する。例えば、ある単繊維に交差する別の単繊維が多数の場合には、交差する別の単繊維を無作為に２０本選び測定した算術平均値を代用してもよい。この測定を別の単繊維を基準として合計５回繰り返し、その算術平均値を二次元配向角の算術平均値として算出する。
【００４０】
強化繊維が略モノフィラメント状、且つ、ランダムに分散していることで、上述した略モノフィラメント状に分散した強化繊維により与えられる性能を最大限まで高めることができる。また、第２の部材である構造体において力学特性に等方性を付与できる。かかる観点から、強化繊維の繊維分散率は９０％以上であることが望ましく、１００％に近づくほどより望ましい。また、強化繊維の二次元配向角の算術平均値は、４０°以上、５０°以下の範囲内にあることが望ましく、理想的な角度である４５°に近づくほど望ましい。
【００４１】
一方、強化繊維が不織布の形態をとらない例としては、強化繊維が一方向に配列されてなるシート基材、織物基材、及びノンクリンプ基材等がある。これらの形態は、強化繊維が規則的に密に配置されるため、構造体中の空隙が少なくなってしまい、樹脂の含浸が極めて困難となり、未含浸部を形成したり、含浸手段や樹脂種の選択肢を大きく制限したりする場合がある。
【００４２】
強化繊維の形態としては、構造体と同程度の長さの連続性強化繊維、又は、所定長に切断された有限長の不連続性強化繊維のいずれであってもよいが、樹脂を容易に含浸させたり、その量を容易に調整できたりする観点からは、不連続性強化繊維であることが望ましい。
【００４３】
本発明における強化繊維は不織布状の形態をとることが、強化繊維への樹脂の含浸の容易さの観点から望ましい。さらに、強化繊維が、不織布状の形態を有していることにより、不織布自体のハンドリング性の容易さに加え、一般的に高粘度とされる熱可塑性樹脂の場合においても含浸を容易なものとできるため望ましい。ここで、不織布状の形態とは、強化繊維のストランド及び／又はモノフィラメントが規則性なく面状に分散した形態を指し、チョップドストランドマット、コンティニュアンスストランドマット、抄紙マット、カーディングマット、エアレイドマット等を例示できる（以下、これらをまとめて強化繊維マットと称す）。
【００４４】
第２の部材である構造体を構成する強化繊維マットの製造方法としては、例えば強化繊維を予めストランド及び／又は略モノフィラメント状に分散して強化繊維マットを製造する方法がある。強化繊維マットの製造方法としては、強化繊維を空気流にて分散シート化するエアレイド法や、強化繊維を機械的に櫛削りながら形状を整えシート化するカーディング法等の乾式プロセス、強化繊維を水中にて攪拌して抄紙するラドライト法による湿式プロセスを公知技術として挙げることができる。強化繊維をよりモノフィラメント状に近づける手段としては、乾式プロセスにおいては、開繊バーを設ける方法やさらに開繊バーを振動させる方法、さらにカードの目をファインにする方法や、カードの回転速度を調整する方法等を例示できる。湿式プロセスにおいては、強化繊維の攪拌条件を調整する方法、分散液の強化繊維濃度を希薄化する方法、分散液の粘度を調整する方法、分散液を移送させる際に渦流を抑制する方法等を例示できる。特に、強化繊維マットは湿式法で製造することが望ましく、投入繊維の濃度を増やしたり、分散液の流速（流量）とメッシュコンベアの速度を調整したりすることで強化繊維マットの強化繊維の割合を容易に調整できる。例えば、分散液の流速に対してメッシュコンベアの速度を遅くすることで、得られる強化繊維マット中の繊維の配向が引き取り方向に向き難くなり、嵩高い強化繊維マットを製造可能である。強化繊維マットは、強化繊維単体から構成されていてもよく、強化繊維が粉末形状や繊維形状のマトリックス樹脂成分と混合されていたり、強化繊維が有機化合物や無機化合物と混合されていたり、強化繊維同士が樹脂成分で目留めされていてもよい。
【００４５】
本発明の強化繊維は、質量平均繊維長が１ｍｍ以上、１５ｍｍ以下の範囲内にあることが望ましい。これにより、強化繊維の補強効率を高めることができ、第２の部材である構造体に優れた力学特性を与えられる。強化繊維の質量平均繊維長が１ｍｍ以上である場合、構造体中の空隙を効率よく形成できるため、密度を低くすることが可能となり、言い換えれば、同一の厚さでありながら軽量な構造体を得ることができるので望ましい。一方、強化繊維の質量平均繊維長が１５ｍｍ以下の場合には、構造体中で強化繊維が、自重により屈曲しにくくなり、力学特性の発現を阻害しないため望ましい。質量平均繊維長は、構造体の樹脂成分を焼失や溶出等の方法により取り除き、残った強化繊維から無作為に４００本を選択し、その長さを１０μｍ単位まで測定し、それらの平均長さとして算出できる。
【００４６】
本発明における空隙とは、樹脂により被覆された強化繊維が柱状の支持体となり、それが重なり合い、または、交叉することにより形成された空間のことを指す。例えば強化繊維に樹脂が予め含浸された構造体前駆体を加熱して構造体を得る場合、加熱に伴う樹脂の溶融ないしは軟化により、強化繊維が起毛することで空隙が形成される。これは、構造体前駆体において、加圧により圧縮状態とされていた内部の強化繊維が、その弾性率に由来する起毛力によって起毛する性質に基づく。
【００４７】
また前述のとおり、第２の部材である構造体中における空隙の体積含有率は、１０体積％以上９７体積％以下の範囲内にあることが好ましい。空隙の体積含有率が１０体積％以上であることにより、構造体の密度が低くなるため軽量性を満足できるため望ましい。一方、空隙の含有率が９７体積％以下の場合には、言い換えれば、強化繊維の周囲に被覆された樹脂の厚みが十分なものとなることから、構造体中における強化繊維同士の補強を十分に行うことができ、力学特性が高くなるので望ましい。空隙の含有率の上限値は９７体積％であることが望ましい。本発明において、体積含有率は構造体を構成する樹脂と強化繊維と空隙のそれぞれの体積含有率の合計を１００体積％とする。
【００４８】
本発明に係る第２の部材である構造体の曲げ弾性率をＥｃ、構造体の密度をρとしたとき、Ｅｃ１／３・ρ−１として表される構造体の比曲げ剛性は３以上、２０以下の範囲内にあることが望ましい。構造体の比曲げ剛性が３以上である場合、曲げ弾性率が高く、密度が低い状態であり、所望する軽量化効果が得られるので望ましい。一方、構造体の比曲げ剛性の上限値には特に制限はないが、２０以下であることが望ましく、２０以下とすることで、軽量化効果と曲げ弾性率のバランスに優れる点で望ましい。一般的に鋼材やアルミニウムの比曲げ剛性は１．５以下であり、これらの金属材料よりも極めて優れた比曲げ剛性の領域となる。さらには、軽量化効果に着目される炭素繊維強化樹脂複合材料の一般的な比曲げ剛性である２．３を超える３以上であること、さらに望ましくは５以上である。
【００４９】
本発明の構造体の曲げ弾性率Ｅｃは、３ＧＰａ以上、望ましくは６ＧＰａ以上であるとよい。構造体の曲げ弾性率Ｅｃが３ＧＰａ以上である場合、構造体として使用する範囲を拡大することができるため望ましい。また、構造体の設計を容易にするために、曲げ弾性率は等方性を有していることが望ましい。曲げ弾性率の上限については制限を設けないが、一般的に強化繊維と樹脂とからなる構造体では、その構成成分である強化繊維及び樹脂それぞれの弾性率から算出される値が上限となり得る。本発明に係る構造体においては、構造体を単独で使用する場合においても、他の部材とあわせて使用する場合おいても、構造体自身の曲げ弾性率を用いて部材の設計を行い、実用に供するためには５０ＧＰａもあれば十分である。
【００５０】
本発明の第２の部材である構造体の密度ρは、０．９ｇ／ｃｍ３以下であることが望ましい。構造体の密度ρが０．９ｇ／ｃｍ３以下の場合、構造体とした場合の質量が減少することを意味し、結果、製品とした場合の質量の軽量化に貢献することとなるので望ましい。密度の下限については制限を設けないが、一般的に強化繊維と樹脂とからなる構造体では、その構成成分である強化繊維、樹脂、及び空隙それぞれの体積割合から算出される値が下限となり得る。本発明に係る構造体においては、構造体を単独で使用する場合においても、他の部材とあわせて使用する場合おいても、構造体自身の密度は、使用する強化繊維や樹脂により異なるが、構造体の力学特性を保持するという観点から、０．０３ｇ／ｃｍ３以上であることが望ましい。
【００５１】
＜構造体前駆体＞
本発明の製造方法に用いる構造体前駆体は、少なくとも樹脂と強化繊維とを有する。樹脂および強化繊維は目的に応じて前述した材料を選択することができる。
そして、本発明の製造方法に用いる構造体前駆体において、樹脂の体積含有率は２．５体積％以上９５体積％以下の範囲内にあることが好ましい。樹脂の体積含有率が２．５体積％以上である場合、構造体中の強化繊維同士を結着し、強化繊維の補強効果を十分なものとすることができ、構造体前駆体の力学特性、とりわけ取り扱い性が満足できるので望ましい。
【００５２】
本発明の製造方法に用いる構造体前駆体において、強化繊維の体積含有率は０．５体積％以上８５体積％以下の範囲内となることが望ましい。強化繊維の体積含有率が０．５体積％以上である場合、強化繊維に由来する補強効果を十分なものとすることができるので望ましい。一方、強化繊維の体積含有率が８５体積％以下の場合には、強化繊維の補強効果を十分なものとすることができ、構造体の力学特性、とりわけ曲げ特性を満足できるので望ましい。
【００５３】
本発明の製造方法に用いる構造体前駆体における空隙とは、樹脂により被覆された強化繊維が柱状の支持体となり、それが重なり合い、または、交叉することにより形成された空間のことを指す。例えば強化繊維に樹脂を予め含浸させて構造体前駆体を得る場合、樹脂の含浸を未完全の状態とする方法や樹脂を完全に含浸させた状態から除去することによって空隙を形成させる方法がある。または強化繊維に樹脂が予め含浸された構造体前駆体を加熱して、加熱に伴う樹脂の溶融ないしは軟化により、強化繊維が起毛することで空隙を形成させる方法がある。
【００５４】
構造体前駆体中における空隙の体積含有率は、０体積％以上３０体積％以下の範囲内にあることが望ましい。空隙の含有率が３０体積％以下の場合には、賦形工程において膨張の度合いを高めることができるため、第１の部材に配置する構造体前駆体の配置量を減らすことが可能となり、配置工程が簡素化できる点で好ましい。本発明において、体積含有率は構造体前駆体を構成する樹脂と強化繊維と空隙のそれぞれの体積含有率の合計を１００体積％とする。
【００５５】
本発明の製造方法に用いる構造体前駆体は、強化繊維からなるマットと熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂のどちらか一方からなるマトリックス樹脂からなり、強化繊維からなるマットに予め樹脂が含浸されていることが望ましい。このような構造体前駆体を用いることで、配置工程において、容易に第１の部材に配置することが可能であり、複雑な形状に対しても容易にプリフォーミングすることが可能である。強化繊維からなるマットは、湿式抄紙法、乾式抄紙法、エアレイド法、及び製織法のうちのいずれかの方法で製造された不織布状であることが望ましい。強化繊維が不織布状の形態をとることが、強化繊維への樹脂の含浸の容易さの観点から望ましい。さらに、強化繊維が不織布状の形態を有していることにより、不織布自体のハンドリング性の容易さに加え、一般的に高粘度とされる熱可塑性樹脂の場合においても含浸を容易なものとできるため望ましい。また、このような不織布状を用いた構造体前駆体を用いることにより、軽量で力学特性に優れた構造体を容易に得ることが可能となる。また、本発明においては、熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂とがブレンドされていてもよく、その場合は、樹脂を構成する成分のうち、５０質量％を超える量を占める成分を樹脂の名称とする。
【００５６】
上記各方法を実現するための設備としては、圧縮成形機やダブルベルトプレスを好適に用いることができる。バッチ式の場合は前者であり、加熱用と冷却用との２機以上を並列した間欠式プレスシステムとすることで生産性の向上が図れる。連続式の場合は後者であり、連続的な加工を容易に行うことができるので連続生産性に優れる。
【００５７】
強化繊維マットが不織布の形態をとらない例としては、強化繊維が一方向に配列されてなるシート基材、織物基材、及びノンクリンプ基材等がある。これらの形態は、強化繊維が規則的に密に配置されるため、強化繊維マット中の空隙部が少なく、熱可塑性樹脂が十分なアンカリング構造を形成しないため、それをコア形成層にすると接合能力が低下する。また、樹脂が熱可塑性樹脂の場合、含浸が極めて困難となり、未含浸部を形成したり、含浸手段や樹脂種の選択肢を大きく制限したりする。
【００５８】
構造体前駆体を構成するマトリックス樹脂がフィルム、粒子、繊維、及び液体のうちのいずれかの形態で付与されることが望ましい。これにより、強化繊維からなるマットに樹脂を容易に含浸させることができる。
【００５９】
構造体前駆体には発泡剤が含まれていることが望ましい。これにより、第２の部材である構造体をより容易に発泡させることが可能となるため、軽量化の観点から望ましい。また、より細かい金型形状に対して高い賦型性を発現することができる。発泡剤としては、圧縮ガスの放圧や気体等の物理的変化によって発泡させる物理発泡剤と熱分解や化学反応によってガスを発生させる化学発泡剤とがある。これらの中で、熱分解によって窒素ガスや炭酸ガスを発生させる化学発泡剤を熱分解型化学発泡剤という。熱分解型化学発泡剤とは、常温において液体又は固体の化合物であり、加熱された時に分解又は気化する化合物である。また、熱分解型化学発泡剤は、本発明に係る第２の部材である構造体の製造方法に用いる構造体前駆体を製造する過程を実質的に妨害しないものであることが好ましく、熱分解型化学発泡剤の分解温度は１８０〜２５０℃の範囲内にあることが好ましい。このような熱分解型化学発泡剤としては、アゾジカルボンアミド、アゾジカルボン酸金属塩、ジニトロソペンタメチレンテトラミン、Ｎ、Ｎ-ジニトロソペンタメチレンテトラミン、４、４-オキシビス、ビステトラゾール・ジアンモニウム等を例示できる。
【００６０】
＜一体化複合構造体＞
本発明の複合構造体の表面の少なくとも一部に、他の部材を一体化して一体化複合構造体を製造することができる。
【００６１】
本発明の一体化構造体の製造方法は、本発明の製造方法で得られた複合構造体の表面の少なくとも一部に、さらに他の部材を一体化する一体化構造体の製造方法である。
ここでいう他の部材は、特に限定されないが、製品に複合構造体を取り付けるための接続部や製品の中に収容するための把持部、製品に埋め込むための被覆部となる部材が挙げられる。
【００６２】
これらの他の部材と複合構造体を一体化する方法としては、特に制限されないが、例えば、接着剤を使用して一体化する手法やボルトやねじを使用して一体化する手法がある。熱可塑性の部材と一体化する場合には、熱溶着、振動溶着、超音波溶着、レーザー溶着、インサート射出成形、アウトサート射出成形などが好ましく使用される。成形サイクルの観点から、アウトサート成形、インサート成形が好ましく使用される。
【００６３】
本発明の製造方法によって得られた複合構造体および一体化構造体は、例えば、「パソコン、ディスプレイ、ＯＡ機器、携帯電話、携帯情報端末、ＰＤＡ（電子手帳等の携帯情報端末）、ビデオカメラ、光学機器、オーディオ、エアコン、照明機器、娯楽用品、玩具用品、その他家電製品等の筐体、トレイ、シャーシ、内装部材、またはそのケース」等の電気、電子機器部品、「各種メンバ、各種フレーム、各種ヒンジ、各種アーム、各種車軸、各種車輪用軸受、各種ビーム」、「フード、ルーフ、ドア、フェンダ、トランクリッド、サイドパネル、リアエンドパネル、フロントボディー、アンダーボディー、各種ピラー、各種メンバ、各種フレーム、各種ビーム、各種サポート、各種レール、各種ヒンジ等の外板、又は、ボディー部品」、「バンパー、バンパービーム、モール、アンダーカバー、エンジンカバー、整流板、スポイラー、カウルルーバー、エアロパーツ」等の外装部品、「インストルメントパネル、シートフレーム、ドアトリム、ピラートリム、ハンドル、各種モジュール」等の内装部品、又は、「モーター部品、ＣＮＧタンク、ガソリンタンク」等の自動車、二輪車用構造部品、「バッテリートレイ、ヘッドランプサポート、ペダルハウジング、プロテクター、ランプリフレクター、ランプハウジング、ノイズシールド、スペアタイヤカバー」等の自動車、二輪車用部品、「遮音壁、防音壁等の壁内部材」等の建材、「ランディングギアポッド、ウィングレット、スポイラー、エッジ、ラダー、エレベーター、フェイリング、リブ、シート」等の航空機用部品、又は、「ゴルフシャフト、ラケットや自転車、車椅子などの各種フレーム、釣竿、スキー板、スノーボード板」等のスポーツ用品およびスポーツ用品用構造材が挙げられる。力学特性の観点からは、自動車内外装、電気・電子機器筐体、自転車、スポーツ用品用構造材、航空機内装材、輸送用箱体、建材に望ましく用いられる。なかでも、とりわけ複数の部品から構成されるモジュール部材に好適である。また、本発明の製造方法によって得られた円柱状、多角柱状、これらの筒状である構造体は、例えば、自動車のピラー、自転車のフレーム、各種スポーツ競技用のラケットフレームやシャフト、建築物の柱や梁等に用いることが可能である。
【実施例】
【００６４】
以下、実施例を用いて、本発明を具体的に説明する。但し、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。【００６５】
＜評価・測定方法＞
（１）第２の部材である構造体の密度ρ
構造体から試験片を切り出し、ＪＩＳ  Ｋ７２２２（２００５）を参考にして構造体の見かけ密度を測定した。試験片は、縦１００ｍｍ、横１００ｍｍを切り出した。試験片の縦、横、厚みをマイクロメーターで測定し、得られた値より試験片の体積Ｖを算出した。また、切り出した試験片の質量Ｍを電子天秤で測定した。得られた質量Ｍ及び体積Ｖ、次式より見かけ密度ρを算出した。
ρ［ｇ／ｃｍ３］＝１０３×Ｍ［ｇ］／Ｖ［ｍｍ３］【００６６】
（２）曲げ試験
試験片として、実施例及び比較例で得られる第２の部材である構造体と同様の組成となる平板をＩＳＯ１７８法（１９９３）に記載の厚みとなるように平板を作製した。作製した平板より、試験片を切り出し、ＩＳＯ１７８法（１９９３）に従い曲げ弾性率を測定した。試験片は、任意の方向を０°方向とした場合に＋４５°、−４５°、９０°方向の４方向について切り出した試験片を作製し、それぞれの方向について測定数はｎ＝５とし、算術平均値を曲げ弾性率Ｅｃとした。測定装置としては“インストロン（登録商標）”５５６５型万能材料試験機（インストロン・ジャパン（株）製）を使用した。得られた結果から次式により成形品の比曲げ剛性を算出した。
比曲げ剛性＝Ｅｃ１／３／ρ【００６７】
（３）構造体前駆体の貯蔵弾性率（Ｇ’）
構造体前駆体の測定サンプル（厚さ０．５ｍｍ、幅１０ｍｍ）を、動的粘弾性解析（ＤＭＡ）によって、昇温速度を５℃／分、ねじり振動周波数０．５Ｈｚ、歪み量０．１％の条件下、昇温して評価した。この評価条件において、各工程における構造体前駆体の到達温度における貯蔵弾性率（Ｇ’）を求めた。ここでは、測定装置として、ＴＡインスツルメンツ社製、ＡＲＥＳを用いた。【００６８】
（４）恒温曲げ試験（加熱工程の温度における第１の部材の曲げ弾性率）
試験片として第１の部材を用いて、（２）と同様にして平板を作製した。作製した平板より試験片を切り出し、（３）の測定結果より選定した加熱工程の温度となるように設定した恒温槽内で曲げ弾性率を測定した。得られた結果の算術平均値を第１の部材の曲げ弾性率Ｅ１とした。【００６９】
（５）各部材の線膨張係数の評価
ＪＩＳ  Ｋ７１９７（１９９１）に規定される「プラスチックの熱機械分析による線膨張率試験方法」を参考にして、第１の部材の線膨張係数を評価した。本評価における試験片は、実施例または比較例で得られる各部材を用いた。この時、厚みは各部材の厚みとし、一辺の長さが５ｍｍとなるように加工を行って、試験片を作製した。測定数はｎ＝５とし、平均値を各部材の線膨張係数とした。【００７０】
（６）第２の部材である構造体における強化繊維の体積含有率Ｖｆ
構造体の質量Ｗｓを測定した後、構造体を空気中５００℃で３０分間加熱して樹脂成分を焼き飛ばし、残った強化繊維の質量Ｗｆを測定し、次式により算出した。
Ｖｆ（体積％）＝（Ｗｆ／ρｆ）／｛Ｗｆ／ρｆ＋（Ｗｓ−Ｗｆ）／ρｒ｝×１００
ρｆ：強化繊維の密度（ｇ／ｃｍ３）
ρｒ：樹脂の密度（ｇ／ｃｍ３）【００７１】
（７）第２の部材である構造体の空隙の体積含有率
構造体から縦１０ｍｍ、横１０ｍｍに試験片を切り出し、断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）（（株）日立ハイテクノロジーズ製  Ｓ−４８００型）により観察し、構造体の表面から、等間隔に１０箇所を１０００倍の倍率で撮影した。それぞれの画像について、画像内の空隙の面積Ａａを求めた。さらに、空隙の面積Ａａの合計を、画像全体の面積で除算することにより空隙率を算出した。構造体の空隙の体積含有率は、５枚の試験片でそれぞれ１０箇所ずつ撮影した合計５０箇所の空隙率から算術平均により求めた。
なお、第２の部材である構造体において、表面から厚み方向の中点位置までの空隙率と残りの部分の空隙率とが異なる場合を判断するために、前記等間隔に撮影した１０箇所において、各々の空隙の体積含有率を算出し、空隙の体積含有率が０体積％以上、１０体積％未満の範囲内にあるものと、空隙の体積含有率が１０体積％以上、９９体積％以下のものとに分別して求めた。【００７２】
（８）第２の部材である構造体における樹脂の体積含有率
（６）、（７）より求めた構造体における強化繊維の体積含有率Ｖｆと空隙の体積含有率Ｖａの値を用いて、下式により樹脂の体積含有率Ｖｒを求めた。
Ｖｒ（体積％）＝１００−（Ｖｆ＋Ｖａ）
Ｖｒ：樹脂の体積含有率（体積％）
Ｖｆ：強化繊維の体積含有率（体積％）
Ｖａ：空隙の体積含有率（体積％）【００７３】
（９）構造体前駆体の強化繊維、樹脂、及び空隙の体積含有率
上述の（６）〜（８）と同様にして求めた。【００７４】
＜使用した材料＞
評価に用いた材料を以下に示す。
［材料１］
ポリアクリロニトリルを主成分とする共重合体から紡糸、焼成処理、及び表面酸化処理を行い、総単糸数１２，０００本の連続炭素繊維を得た。この連続炭素繊維である強化繊維の特性は次に示す通りであった。
単繊維径：７μｍ
単位長さ当たりの質量：１．６ｇ／ｍ
比重：１．８
引張強度：４６００ＭＰａ
引張弾性率：２２０ＧＰａ
得られた強化繊維１をカートリッジカッターで６ｍｍにカットし、チョップド炭素繊維を得た。水と界面活性剤（ナカライテクス（株）製、ポリオキシエチレンラウリルエーテル（商品名））からなる濃度０．１質量％の分散液を作製し、この分散液と上記チョップド炭素繊維とを用いて図３に示す抄紙基材の製造装置を用いて、抄紙基材を製造した。製造装置は、分散槽としての容器下部に開口コックを有する直径１０００ｍｍの円筒形状の容器、分散槽と抄紙槽とを接続する直線状の輸送部（傾斜角３０°）を備えている。分散槽の上面の開口部には撹拌機が付属し、開口部からチョップド炭素繊維及び分散液（分散媒体）を投入可能である。抄紙槽は、底部に幅５００ｍｍの抄紙面を有するメッシュコンベアを備え、炭素繊維基材（抄紙基材）を運搬可能なコンベアをメッシュコンベアに接続している。抄紙は分散液中の炭素繊維濃度を０．０５質量％としておこなった。抄紙した炭素繊維基材は２００℃の乾燥炉で３０分間乾燥した。得られた炭素繊維基材の幅は５００ｍｍ、長さは５００ｍｍ、目付は１００ｇ／ｍ２であった。
樹脂として、未変性ポリプロピレン樹脂（プライムポリマー（株）製“プライムポリプロ”Ｊ１０５Ｇ）８０重量％と、酸変性ポリプロピレン樹脂（三井化学（株）製“アドマー”ＱＢ５１０）２０重量％とからなる目付１００ｇ／ｍ２のシートを作製した。得られた炭素繊維基材と樹脂シートを樹脂シート／炭素繊維基材／樹脂シートとなるように積層して積層体を得た。得られた積層体を２枚の金属板の間に挟み、熱盤温度が２３０℃のプレス機において面圧３ＭＰａで金属板と共に加圧・加熱を行った。５分後、プレス機の加圧を止め、熱盤温度が１００℃のプレス機において面圧３ＭＰａで加圧・冷却を行った。５分後、プレス機の加圧を止め、構造体前駆体となる厚み０．２８ｍｍ、強化繊維体積含有率２０％の材料１を得た。前記測定方法で測定した構造体前駆体の貯蔵弾性率（Ｇ’）は、１．５×１０６Ｐａであった。【００７５】
［材料２］
東レ（株）製、“トレカ”プリプレグ  Ｐ３２５２Ｓ−１２を材料２とした。【００７６】
［材料３］
材料１で用いたチョップド炭素繊維とポリプロピレン樹脂を用い、シリンダ温度を２３０℃に設定した二軸押出機でポリプロピレン樹脂を溶融混練させた後、押出機のサイドフィーダーからチョップド炭素繊維を投入し、さらに混練した。混練された樹脂をガット状に引き出し、冷却させた後、長さ６ｍｍのペレットに加工し、強化繊維体積含有率２０％の構造体前駆体となる材料３を得た。【００７７】
（実施例１）
第１の部材として、内径３０ｍｍ、長さ３００ｍｍ、厚み３ｍｍのアルミニウム合金製のパイプを準備した。第２の部材の構造体前駆体として、材料１より長さ３００ｍｍ、幅８５０ｍｍの大きさに切り出して準備した。図４に示すように、得られた構造体前駆体７を巻き状体にしてパイプ３内に配置した。次いで、雰囲気温度を２３０℃に設定した熱風乾燥機内に入れ、樹脂（材料１で使用するポリプロピレン樹脂）を溶融状態とした。同様の構成を用い、事前検討において、構造体前駆体７の中心部の温度が構造体前駆体７の中心部に挿入した温度計で設定温度近傍まで上昇する時間を測定し、成形条件に反映させた。このとき樹脂が溶融した箇所から徐々に膨張が始まり、パイプ３内が、図１に示すように樹脂４と、強化繊維５と、空隙６からなるコア８（第２の部材）で満たされた。その後、パイプ３を乾燥機から取り出し、冷却を行い、複合構造体を得た。物性や条件等は表１に示す。【００７８】
（実施例２）
第１の部材として、実施例１と同じ形状となるように材料２を用いてパイプを作製した。このとき、パイプの長さ方向を０°として、構成が［０°／９０°／０°／９０°／０°／９０°／０°／９０°／０°／９０°／０°／９０°／９０°／０°／９０°／０°／９０°／０°／９０°／０°／９０°／０°／９０°／０°］となるように材料２を積層し、外径３０ｍｍの芯材に巻きつけ、オートクレーブで１３０℃、２時間の成形を行った。得られた炭素繊維強化熱硬化性樹脂製のパイプを用いること以外は、実施例１と同様にして複合構造体を得た。物性や条件等は表１に示す。【００７９】
（実施例３）
第１の部材として、図５に示すような断面が「Ｕ」となる長さ３００ｍｍ、幅３００ｍｍ、高さ５ｍｍ、厚み２ｍｍのアルミニウム合金製の箱を２つ準備した。箱の中に長さ３００ｍｍ、幅３００ｍｍに切り出した１０枚の材料１からなる第２の部材を配置した。次いで、箱の高さが１５．２ｍｍとなるように固定し、２分間賦形工程を行った以外は、実施例１と同様にして、複合構造体を得た。物性や条件等は表１に示す。【００８０】
（実施例４）
第１の部材として、実施例３と同じ形状となるように材料２を用いて箱を作製した。このとき、箱の長さ方向を０°として、構成が［０°／９０°／０°／９０°／０°／９０°／０°／９０°／９０°／０°／９０°／０°／９０°／０°／９０°／０°］となるように材料２を積層し、長さ３００ｍｍ、幅３００ｍｍ、高さ１５．２ｍｍの正方形の芯材に賦形し、オートクレーブで１３０℃、２時間の成形を行った。得られた炭素繊維強化熱硬化性樹脂製の箱を用い、０．５分間賦形工程を行ったこと以外は、実施例１と同様にして複合構造体を得た。物性や条件等は表１に示す。【００８１】
（実施例５）
第２の部材として、材料１からなる長さ３００ｍｍ、幅１０ｍｍの短冊状の構造体前駆体７Ａを８５枚準備し、図６に示すようにパイプ３の中に配置したこと以外は、実施例１と同様にして複合構造体を得た。物性や条件等は表１に示す。【００８２】
（実施例６）
実施例３と同様にして、賦形工程まで実施したものを片側に凸形状を有する金型に配置し、加圧を行い、成形工程を実施した。圧力を保持した状態で冷却工程を実施し、複合構造体を得た。物性や条件等は表２に示す。【００８３】
（実施例７）
実施例１と同様にして、賦形工程まで実施したものをパイプベンダーに固定し、部分的に曲げ、変形工程を実施した。その後、冷却を行い、複合構造体を得た。物性や条件等は表２に示す。【００８４】
（実施例８）
実施例１で得られた複合構造体の長さ方向の中央をヒートガンで表面温度が２３０℃になるまで温め、そのまま５分間加熱を続けた。その後、実施例７と同様にして、複合構造体をパイプベンダーに固定し、部分的に曲げ、変形工程を実施した。その後、冷却を行い、複合構造体を得た。物性や条件等は表２に示す。【００８５】
（実施例９）
実施例１で得られた複合構造体を金型内にインサートし、複合構造体の一端を覆うように材料３を射出成形し、一体化複合構造体を得た。物性や条件等は表２に示す。【００８６】
（比較例１）
第１の部材であるアルミニウム合金製のパイプを用いずに、断面が円形となる金型を取り付けたプレス成形機を用いること以外は実施例１と同様にして、成形を実施した。賦形工程から冷却工程に移行するために、プレス機の金型を開いたところ、金型に第２の部材が密着して引き伸ばされ、目的の形状を得ることが出来なかった。物性や条件等は表３に示す。【００８７】
（比較例２）
第１の部材として、材料１で用いるポリプロピレン性樹脂からなるパイプを用いたこと以外は、実施例１と同様にして、成形を実施した。比較例１と同様に、目的の形状を得ることが出来なかった。物性や条件等は表３に示す。【００８８】
（比較例３）
乾燥機の温度を１５０℃としたこと以外は、実施例１と同様にして、成形を実施した。構造体前駆体の貯蔵弾性率が高いため、賦形工程における膨張が十分でなく、密着しなかった。物性や条件等は表３に示す。【００８９】
【表１】
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【００９０】
【表２】
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【００９１】
【表３】
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【００９２】
上記の実施例１〜５において、様々な形状を容易に形成し、軽量性及び力学特性に優れた複合構造体を得ることができた。また、副資材やプレス成形機を用いないため、多くのコストを要することなく複合構造体を得ることができた。また、実施例１、２、５において、筒状のパイプを用いるため、冷却工程の冷却も装置（金型）を占有する必要がないため、成形サイクルを短縮することができた。また実施例６において、得られた複合構造体の断面を確認したところ、成形された第１の部材に第２の部材が密着した状態でさらに複雑な形状を得ることができた。実施例７において、実施例６と同様に第２の部材が第１の部材に密着した複合構造体を得ることができた。さらに実施例８では、変形させる箇所を部分的に加熱し、実施例７と同様に変形させることが可能であった。このことはこのような複合構造体を組み付ける場所でも簡単にサイズ、形状修正を行い、組み付けを行うことが出来ることを示す。実施例９において、得られた一体化複合構造体は、例えば、グリップ（持ち手部）を有するパイプとなりうるため、車椅子や移動用車体のフレームとして用いることができる。【００９３】
一方、比較例１においては、冷却工程に移行する際に第２の部材が変形してしまい、目的とした構造体を得ることは出来なかった。このような場合、冷却工程で第２の部材が完全に固化するまで時間を要するため、成形サイクルが長くなる。またプレス機や金型などの装置が必要であり、コストを要する。比較例２においては、第１の部材の加熱工程における曲げ弾性率が低すぎるため、冷却工程に移行する際に変形してしまい、目的とした複合構造体を得ることは出来なかった。このような場合も、比較例１と同様に成形サイクルが長時間化してしまう。比較例３においては、第２の部材の膨張が十分ではなく、第１の部材との密着が不十分な複合構造体が得られた。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
本発明によれば、複雑な形状をなし、軽量性及び力学特性に優れる複合構造体を、多くのコストを要することなく提供することができる。
【符号の説明】
【００９５】
１ａ〜１ｆ  単繊維
２  複合構造体
３  パイプ（第１の部材）
４  樹脂
５  強化繊維
６  空隙
７  構造体前駆体
８  コア（第２の部材）
【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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【国際調査報告】
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