(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続した炭素繊維を用いてなる一方向性織物である布帛と、主成分としてポリエーテルスルフォン、副成分としてエポキシ樹脂を含む接着樹脂とからなる炭素繊維強化基材であって、用いる炭素繊維の引張弾性率が２１０ＧＰａ以上６００ＧＰａ未満、かつ破壊歪エネルギーが４０ＭＪ／ｍ3以上８０ＭＪ／ｍ3以下であり、前記接着樹脂が布帛１００重量部に対して１〜２０重量部の範囲内で、布帛の表面に偏在して点在または不連続状で布帛に接着しており、基材の通気性が１０〜２００ｃｍ3／ｃｍ2・ｓｅｃの範囲内であって、エポキシ樹脂をマトリックス樹脂として注入成形により含浸して複合材料とされるために用いられることを特徴とする炭素繊維強化基材。
【請求項２】
前記接着樹脂が布帛１００重量部に対して１〜１０重量部の範囲内で布帛に接着していることを特徴とする請求項１に記載の炭素繊維強化基材。
【請求項３】
前記炭素繊維は、引張弾性率が２８０を超え５００ＧＰａ未満であり、かつ破壊歪エネルギーが５３ＭＪ／ｍ3以上８０ＭＪ／ｍ3以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の炭素繊維強化基材。
【請求項４】
目付が５０〜５００ｇ／ｍ2の範囲内で、かつ厚みが０．１〜０．８ｍｍの範囲内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炭素繊維強化基材。
【請求項５】
前記接着樹脂が布帛の表面に点在し、その点の直径が１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の炭素繊維強化基材。
【請求項６】
前記接着樹脂の平均厚さが５〜２５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに基材の炭素繊維強化基材。
【請求項７】
前記接着樹脂は、その融点または流動開始温度が５０〜１５０℃の範囲内であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の炭素繊維強化基材。
【請求項８】
ポリエーテルスルフォンが前記接着樹脂の７０〜１００重量％の範囲内で含まれることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の炭素繊維強化基材。
【請求項９】
前記接着樹脂よりも融点または流動開始温度が高く、布帛との接着機能を有さず、かつポリアミドを主成分とする粒子状熱可塑性樹脂が、前記接着樹脂で接着されて、布帛１００重量部に対して１〜１０重量部の範囲内で存在していることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の炭素繊維強化基材。
【請求項１０】
前記接着樹脂の融点もしくは流動開始温度において溶解しないまたは流動しないとともに、布帛との接着機能を有さず、かつポリアミドを主成分とする粒子状熱可塑性樹脂が、前記接着樹脂で接着されて、布帛１００重量部に対して１〜１０重量部の範囲内で存在していることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の炭素繊維強化基材。
【請求項１１】
前記粒子状熱可塑性樹脂は、その平均粒子直径が１〜５００μｍの範囲内であることを特徴とする請求項９または１０に記載の炭素繊維強化基材。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれかに記載の炭素繊維強化基材が、２層以上積層されてなるプリフォームであって、炭素繊維強化基材同士が、前記接着樹脂により接着して一体化していることを特徴とするプリフォーム。
【請求項１３】
請求項１２に記載のプリフォームに、エポキシ樹脂がマトリックス樹脂として含浸してなることを特徴とする複合材料。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭素繊維を強化繊維とするプリフォームおよびそれからなる力学特性に優れる複合材料が生産性良く得られると共に、優れた取り扱い性を有する炭素繊維強化基材、プリフォームおよび複合材料に関するものである。
【０００２】
より詳しくは、例えば航空機や自動車等の構造部材で強く要求される衝撃付与後の圧縮強度または湿熱処理後の高温圧縮強度等の力学特性に優れ、かつ樹脂の含浸性が良好で複合材料を生産性よく得られるだけでなく、基材のコシ、形態安定性、賦型性、積層する際のタック性等に優れた取り扱い性を有する炭素繊維強化基材、それを積層してなるプリフォーム、およびプリフォームに樹脂を含浸してなる複合材料に関するものである。
【０００３】
【従来の技術】
従来より、炭素繊維を強化繊維とした複合材料は、優れた力学特性、軽量化等の要求特性を満たすことから主に航空、宇宙、スポーツ用途に用いられてきた。
これらの代表的な製造方法としては、オートクレーブ成形法が知られている。かかる成形法では、一方向に引きそろえられた炭素繊維シートに炭素繊維にマトリックス樹脂を予め含浸させたプリプレグを、成形型に積み重ねてオートクレーブにて加熱・加圧して複合材料を成形する。ここで用いる基材としてのプリプレグは、それを用いると極めて信頼性の高い複合材料が得られる利点があるが、コシが強すぎて賦形しにくいこと、製造に高いコストがかかること、生産性が低いことに問題があった。
【０００４】
一方、複合材料の生産性に優れる成形法としては、例えばレジン・トランスファー・モールディング成形法（ＲＴＭ）等の注入成形が挙げられる。かかるＲＴＭでは、マトリックス樹脂が予備含浸されていない（ドライな）炭素繊維からなる基材を複雑な成形型の中に配置して、液状（低粘度）のマトリックス樹脂を注入することにより炭素繊維中にマトリックス樹脂を含浸させて複合材料を成形する。
【０００５】
ところがこの注入成形は、複合材料の生産性には優れるが、用いる基材（例えばドライな織物等）が目ズレし易い（形態不安定）、基材にコシがなさすぎるため容易に折れ曲がる、積層した時に基材同士を接着できない（タック性がない）等の基材の取り扱い性に関する問題があった。この他にも、マトリックス樹脂が低粘度である必要があるため、例えばプリプレグに用いられる高粘度のものに比べて力学特性が低い等の問題等があり、これらの諸問題により炭素繊維本来の特性を十分発現できずに、複合材料の力学特性を損なう問題を引き起こしていた。
【０００６】
上記問題に対し、例えば米国特許第５,０７１,７１１号明細書等では、強化繊維布帛に熱可塑ライクな樹脂を布帛に付与し、基材としてのドライな織物の取り扱い性の向上、注入成形に用いるプリフォーム形態安定化に関する技術が提案されている。
【０００７】
また、James C. SeferisらはJournal of Advanced Materials,Volume32,No.3,July 2000,P27-34、Composites part A,Volume32,2001,P721-729等で、エポキシ樹脂とエラストマー粒子またはポリアミド６とを配合した樹脂を織物上に塗布することにより、注入成形によって得られるＣＦＲＰの力学特性（ModeI,IIの層間破壊靭性等）が向上することを報告している。
【０００８】
しかしながら、以上の提案では、基材の取り扱い性は向上するものの、力学特性は向上しない、または向上が不十分なものであった。つまり、例えば航空機の一次構造部材に要求されるレベルの極めて高い力学特性は、織物等に樹脂を塗布するだけで達成できず、使用する炭素繊維自体が必要な特性を有していない場合には、かかる複合材料もまた必要な力学特性（特に衝撃付与後の圧縮強度）を発現できないのである。
【０００９】
また、以上の提案で記載されている注入成形では、単に一方向に配列した炭素繊維シートは、ドライな状態では繊維配向を維持したまま取り扱いできないため、二方向性織物を用いている。しかしながら、例えば航空機の一次構造部材においては、非常に高い力学特性（特に、衝撃付与後の圧縮強度、湿熱処理後の高温圧縮強度）が要求される。二方向性織物では、炭素繊維を二方向に織組織するため、それぞれ一方向における強化繊維量は本質的に半分となること、たて糸とよこ糸とがほぼ同じ繊度であるため、たて糸とよこ糸の交錯点では炭素繊維の大きな屈曲（クリンプ）が発生することにより、一方向に炭素繊維を配列したプリプレグの半分レベルの力学特性しか発現しなかった。
【００１０】
すなわち、用いる炭素繊維に必要な特性や、それを用いる布帛形態が、高い力学特性を発現するために特に重要な要因であるにも関わらず、そのことに関する記載は上記提案では全く開示されておらず、本発明の課題を満たす技術が渇望されていた。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる従来技術の問題点の解決を目的とするものであり、具体的には含浸性が良好で、衝撃付与後または湿熱処理後の圧縮強度等の力学特性に優れる複合材料を生産性良く得られるだけでなく、基材のコシ、形態安定性、賦型性、タック性等に優れた取り扱い性を有する炭素繊維強化基材、それからなるプリフォームおよび複合材料を提供せんとするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、かかる課題を解決するために、次のような手段を採用するものである。すなわち、本発明の炭素繊維強化基材は、連続した炭素繊維を用いてなる一方向性織物である布帛と、主成分としてポリエーテルスルフォン、副成分としてエポキシ樹脂を含む接着樹脂とからなる炭素繊維強化基材であって、用いる炭素繊維の引張弾性率が２１０ＧＰａ以上６００ＧＰａ未満、かつ破壊歪エネルギーが４０ＭＪ／ｍ3以上８０ＭＪ／ｍ3以下であり、前記接着樹脂が布帛１００重量部に対して１〜２０重量部の範囲内で、布帛の表面に偏在して点在または不連続状で布帛に接着しており、基材の通気性が１０〜２００ｃｍ3／ｃｍ2・ｓｅｃの範囲内であって、エポキシ樹脂をマトリックス樹脂として注入成形により含浸して複合材料とされるために用いられることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明のプリフォームは、かかる炭素繊維強化基材が、２層以上積層され、それぞれの炭素繊維強化基材同士が前記接着樹脂により接着されていることを特徴とする。
【００１４】
更に、本発明の複合材料は、かかるプリフォームにエポキシ樹脂がマトリックス樹脂として含浸されてなることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の炭素繊維強化基材は、少なくとも、連続した炭素繊維を用いてなる一方向性織物である布帛と、主成分としてポリエーテルスルフォン、副成分としてエポキシ樹脂を含む接着樹脂とからなる炭素繊維強化基材であって、用いる炭素繊維の引張弾性率が２１０ＧＰａ以上６００ＧＰａ未満かつ破壊歪エネルギーが４０ＭＪ／ｍ3以上８０ＭＪ／ｍ3以下であり、前記接着樹脂が布帛１００重量部に対して１〜２０重量部の範囲内で、布帛の表面に偏在して点在または不連続状で布帛に接着しているものである。
【００１６】
本発明の構成要素の布帛は、連続した炭素繊維を用いてなる。ここで連続した炭素繊維とは、布帛の中において炭素繊維が実質的に連続であることを指す。
【００１７】
本発明に用いる炭素繊維としては、引張弾性率が２１０ＧＰａ以上６００ＧＰａ未満かつ破壊歪エネルギーが４０ＭＪ／ｍ3以上８０ＭＪ／ｍ3以下である。より好ましい引張弾性率は２５０を超え６００ＧＰａ未満、更に好ましくは２８０を超え５００ＧＰａ未満、とりわけ２９０を超え４００ＧＰａ未満であるのが好ましい。かかる引張弾性率が２１０ＧＰａ未満であると、複合材料の力学特性が充分でなく、炭素繊維を用いる意味が希薄になってしまう。上記の引張弾性率は、ＪＩＳ  Ｒ  ７６０１に準拠して測定される値を指し、単位はＧＰａである。
【００１８】
また、特に衝撃付与後の常温圧縮強度（Compression After Impact 、以下ＣＡＩと記す）等の優れた力学特性を得るには、より好ましい破壊歪エネルギーは４５ＭＪ／ｍ3以上、更に好ましくは５３ＭＪ／ｍ3以上、とりわけ５６ＭＪ／ｍ3以上であるのが好ましい。なお、破壊歪エネルギーは高ければ高いほどよいが、８０ＭＪ／ｍ3以下であるのが一般的である。かかる破壊歪エネルギーが４０ＭＪ／ｍ3未満であると、衝撃を受けた場合に炭素繊維が容易に破断してしまうため、特に一方向性の布帛にて疑似等方積層構成を有する複合材料において、ＣＡＩに著しく劣り、力学特性に優れる複合材料を得ることができない。つまり、本発明のような高い破壊歪エネルギーを有する炭素繊維である場合に限り、衝撃を受けた場合に炭素繊維が容易には破断せずに連続繊維の状態を保てるために、優れた力学特性（特にＣＡＩ）を達成できるのである。なお、かかるＣＡＩは、輸送機器（特に航空機）の構造（特に一次構造）部材として用いる場合に非常に重視される力学特性であり、複合材料の用途が前記用途である場合はその必要性は一層高いと言える。
【００１９】
上記の破壊歪エネルギー（Ｗ）は、ＪＩＳ  Ｒ  ７６０１に準拠して測定された引張強度（σ）、引張弾性率（Ｅ）としたとき、（Ｗ）＝（σ）2／２×（Ｅ）で定義される値を指し、単位はＭＪ／ｍ3（１０6×Ｊ／ｍ3）である。
【００２０】
本発明に用いる接着樹脂は、上述したとおり、主成分としてポリエーテルスルフォン、副成分としてエポキシ樹脂を含み、布帛１００重量部に対して１〜２０重量部の範囲内で、より好ましくは１〜１０重量部の範囲内で布帛に接着している。かかる接着樹脂は、布帛の表面に偏在して接着している。すなわち、本発明において偏在とは、接着樹脂の７０体積％以上、好ましくは８０体積％以上、更に好ましくは９０体積％以上が表面に存在している状態のことを言う。上記範囲内で接着樹脂が布帛に接着していると、炭素繊維強化基材を積層してプリフォームを得る際の基材同士のタック性（接着性）が付与できる。更に、布帛に適度なコシが生じさせるだけでなく、布帛である一方向性織物において目ズレを防止する等の布帛の形態安定効果をも発現し、取り扱い性に優れた炭素繊維強化基材が得られる。
【００２１】
また、この他にも本発明の最大の特徴として、接着樹脂が、炭素繊維強化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になること、成形時の残留応力を緩和すること等により、特に衝撃を受けた時に炭素繊維強化基材の層間の損傷を抑制でき、優れた力学特性（特にＣＡＩ、引張強度、圧縮強度）を達成できるという効果（高靭性化効果）を発現する。本発明は、かかる接着樹脂による高靭性化効果が、上記の破壊歪エネルギーを有する炭素繊維と組み合わせて使用してこそ発現されることを見出したものである。すなわち、前記した炭素繊維を用いない場合は、接着樹脂による高靭性化効果は無視できるレベルに低いものとなるし、逆に前記した炭素繊維を用いても、接着樹脂が接着していないとその高靭性化効果は本質的に発現しない。
【００２２】
更に、上記高靭性化効果以外にも、特に布帛の表面に接着樹脂が偏在して接着していると、布帛を積層した場合にそれがスペーサーとなって布帛間にスペースを確保できる効果（スペーサー効果）により、特に後述のマトリックス樹脂であるエポキシ樹脂を用いて注入成形に供した際には、そこがエポキシ樹脂の流路となり、含浸が容易になるだけでなく、その速度も速くなり複合材料の生産性にも優れる。それだけでなく、上記高靭性化効果が複合材料の基材層間に集中して発現するため、より一層高くその効果を発現する（層間強化効果）といった予想外の効果をも発現する場合がある。
【００２３】
かかる効果の面から、かかる接着樹脂は、実質的に布帛の表面に偏在して接着しているのである。この場合、布帛である一方向性織物においては、布帛片面に偏在して接着していてもよいし、布帛の両面に偏在して接着していてもよいが、より低コストに接着樹脂を接着する場合は前者が好ましく、布帛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】
本発明においては、接着樹脂が実質的にドライな布帛の表面に偏在して接着しており、表面以外には存在していない処に特徴を有しているものであるが、例えば特公平６−９４５１５号公報、特開平５−３３７９３６号公報等に開示されている技術のように、オートクレーブ成形法を前提としているプリプレグの表面に微粒子や織物を配置している技術とは明らかに異なるものである。すなわち、生産性高く複合材料を得るという本発明の課題は、オートクレーブ成形法では達成が困難である。また、基材のコシ、賦型性に関する取り扱い性については、上記従来技術によるプリプレグでは解決できているとはいえない。更には、プリプレグには既に粘着性を有したマトリックス樹脂（本発明ではエポキシ樹脂を使用）が含浸されているため、その上に粒子等を配置、接着することは容易であるが、本発明のドライで粘着性を有していない布帛上に粒子等を配置するためは、全く新しい技術思想が必要である。本発明と上述のプリプレグに関する技術は、一見似ているようにみえるが、それらの課題を解決したより高度な技術といえる。
【００２５】
本発明の内容をより具体的に図面を参照して説明する。
【００２６】
図１は、参考例である炭素繊維強化基材１１の一態様を示す平面模式図である。図１において、１２、１３はいずれも連続した炭素繊維の単糸が複数本集束してなるたて糸束とよこ糸束であり、平織組織の布帛（二方向性織物）にされている。１４は、接着樹脂であり、上記布帛表面に散点状に点在して接着されて、炭素繊維強化基材１１を形成している。
【００２７】
図２は、図１とは異なり、本発明の炭素繊維強化基材２１の一態様を示す平面模式図である。この態様では、炭素繊維を用いてなるたて糸束２２を用いる点と接着樹脂２４を用いる点は図１のものと同じであるが、補助よこ糸束２３として、たて糸束に用いる炭素繊維よりも細い補助繊維を用いる点、および接着樹脂２４が不連続状に存在している点が異なっている。したがって、この布帛はいわゆる一方向性織物である。
【００２８】
図３は、参考例である炭素繊維強化基材３１の一態様を示す断面模式図である。この態様のものにおいても、炭素繊維を用いてなるたて糸束３２およびよこ糸束３３から構成される布帛（二方向性織物）に、接着樹脂３４が表面に偏在して接着している。
【００２９】
図４は、図３とは異なり、本発明の炭素繊維強化基材４１の一態様を示す断面模式図である。この態様のものにおいても、炭素繊維を用いてなるたて糸束４２と、補助繊維を用いてなる補助よこ糸４３とから構成される布帛（一方向性織物）に、接着樹脂４４が表面に偏在している。
【００３０】
ここで、接着樹脂１４は、図１に示すように布帛の表面に点在して接着していてもよいし、図２に示すように接着樹脂２４が不連続状に布帛表面を覆うように接着していてもよい。ここで、例えばフィルム状のように全面的に布帛を覆って接着している場合、後述のマトリックス樹脂としてのエポキシ樹脂の含浸（特に積層面の垂直方向）を著しく妨げるため好ましくない。また、接着樹脂が吸水し易い場合、フィルム状以外の形態でもフィラメント状や不織布状のように連続的である場合には、湿熱処理により接着樹脂を経由して広範囲に吸水の影響が及んでしまうため好ましくない。かかる観点から、接着樹脂は点状または不連続状に接着している必要がある。特に、図１に示すように布帛の表面に点在して接着している場合、その点の平均直径（楕円形の場合は平均短径）は小さければ小さいほど均一に布帛表面に分散させることが可能となるため、１ｍｍ以下、より好ましくは２５０μｍ以下、更に好ましくは５０μｍ以下である。
【００３１】
また、接着樹脂が布帛の表面に偏在して接着した炭素繊維強化基材を積層する場合、隣り合う炭素繊維強化基材に接着樹脂の凹凸が大きく、それが転写すると、炭素繊維が屈曲して常温圧縮強度（Compression Strength、以下ＣＳと記す）や湿熱処理後の高温圧縮強度（Compression at Hot/Wet、以下ＣＨＷと記す）等、複合材料の圧縮特性を特に損なう場合がある。一方、接着樹脂が少な過ぎると本発明の効果が発現しない。かかる観点から、布帛上の接着樹脂の平均厚さは５〜２５０μｍの範囲内であるのが好ましい。より好ましくは１０〜１００μｍ、更に好ましくは１５〜６０μｍの範囲内である。
【００３２】
本発明に用いる接着樹脂の付着量は、布帛１００重量部に対して１〜２０重量部の範囲内である。より好ましい付着量は１〜１０重量部、更に好ましくは３〜７重量部、とりわけ４〜６重量部の範囲内であるのが好ましい。接着樹脂が１重量部未満であると炭素繊維強化基材のコシ、形態安定性、賦型性、積層する際のタック性等の取り扱い性に劣り、力学特性の向上効果も小さいため本発明の課題を解決できない。また、２０重量部を超えると、力学特性、特にＣＨＷに優れる複合材料が得られなかったり、複合材料の炭素繊維配合率が低くなり過ぎるだけでなく、複合材料を得る際に炭素繊維強化基材またはプリフォームへのマトリックス樹脂であるエポキシ樹脂の含浸を妨げる場合がある。また、特に上限値が１０重量部であると、複合材料の層間を狭く、かつ平滑にできるため、ＣＨＷやＣＳの圧縮特性を更に高く発現するので好ましい。
【００３３】
布帛の形態は、連続した炭素繊維から構成される一方向性織物である。特に輸送機器の構造部材として用いる場合には、一方向性織物、二方向性織物、一方向性シートまたは多軸シート（特にステッチ接合したもの）であることが多いが、中でも、航空機の一次構造部材では、非常に高い力学特性（特に、ＣＡＩ、ＣＨＷ）が要求されるため、二方向性織物では炭素繊維を二方向に織組織すること、たて糸束とよこ糸束との交錯点での炭素繊維のクリンプが大きくなること、図３に示すように接着樹脂がたて糸束と３２とよこ糸束３３との交錯点の間に存在しない場合があることにより、要求に耐え得る力学特性が発現しにくい。つまり、かかる問題が確実に解消できる点で、本発明で使用する布帛としては、一方向性織物とするのである。更に、マトリックス樹脂の含浸の面を考慮すると、一方向性織物では、ストランド間に補助よこ糸束の交絡による小さいクリンプが形成されており、かかるクリンプはマトリックス樹脂であるエポキシ樹脂の含浸流路となり、格段に含浸性を向上させる効果を奏し、本発明における最適な布帛といえる。
【００３４】
かかる一方向性織物をより具体的に説明する。図５は、本発明で用いる一方向性織物の一態様を示す斜視図である。一方向性織物５１は、一方向に互いに平行に配列された炭素繊維を用いてなるたて糸束５２と、それと直交する補助繊維を用いてなる補助よこ糸束５３とが、互いに交錯して平織組織をなしたものである。
【００３５】
かかる一方向性織物において、たて糸束５２は５千本〜５０千本（より好ましくは１０千本〜２５千本）の範囲内のフィラメントを有するものが好ましい。別の視点からは、たて糸束５２は３００〜５０００ｔｅｘの範囲内であるものが好ましい。かかる範囲より小さいと、織物での交錯点が多すぎ、クリンプが大きくなるだけでなくその数も多くなり、力学特性に劣る場合がある。一方、かかる範囲より大きいと、織物での交錯点が少なすぎ、形態安定性に劣る場合がある。
【００３６】
また、補助よこ糸束５３を構成する補助繊維は、たて糸束５２と補助よこ糸束５３との交錯点でのたて糸束５２の屈曲（クリンプ）を小さくして本発明の炭素繊維の特性を最大限に発現させるために、たて糸束５２に用いる炭素繊維の繊度の１／５以下、より好ましくは１／１０以下であるのが好ましい。その具体的な繊度は、用いる炭素繊維および補助繊維の種類、織物目付により異なるが、例えば炭素繊維として８００ｔｅｘのものを用いて２００ｇ／ｍ2の織物とする場合、補助繊維の好ましい繊度は１０〜１００ｔｅｘ、より好ましくは２０〜５０ｔｅｘの範囲内である。かかる補助よこ糸２３の織密度は、布帛の形態安定、クリンプの影響の最小限化のため、０．３〜６本／ｃｍの範囲内であるのが好ましく、より好ましくは１〜４本／ｃｍの範囲内である。
【００３７】
また、補助繊維の種類は任意のものが使用できるが、布帛密度の安定性の面から成形時の加熱等により収縮しにくいものが好ましく、例えば炭素繊維やガラス繊維や、アラミド、ポリアミド（特にＰＯＹ）、ＰＢＯ、ＰＶＡ、ＰＥ等の有機繊維等を単独または組み合わせて使用することができ、これらは合糸加工、撚加工、ウーリ加工、倦縮加工等の二次加工がされたものでもよい。更に、たて糸束や補助よこ糸束は、織組織を固定するために、接着機能を有する成分と組み合わせて用いることもできる。かかる接着機能を有する成分としては、例えば、ナイロンやポリエステル等の熱可塑性樹脂、エポキシや不飽和ポリエステルやフェノール等の熱硬化性樹脂等を用いることができる。また、その形態としては繊維状、粒子状、エマルジョン状、ディスパージョン状等の任意の形態でたて糸束や補助よこ糸束と組み合わせることができる。その中でも繊維状のものを補助繊維と撚加工、カバーリング加工して、補助よこ糸束として用いると、織組織の固定効果が高いため好ましい。
【００３８】
本発明に用いる一方向性織物としては、図５に示した平織組織以外にも綾織組織や朱子織組織もを含まれるが、図６に示すノンクリンプ構造も含まれる。図６は、本発明の一方向性織物の一態様を示す斜視図である。一方向性織物６１は、炭素繊維を用いてなるたて糸束６２と平行に配列された補助繊維を用いてなる補助たて糸束６４と、それと直交する補助繊維を用いてなる補助よこ糸束６３群とが、互いに交錯してたて糸束６２が一体に保持された構造（ノンクリンプ構造）の織物である。かかるノンクリンプ構造によると、平織組織よりも更にクリンプを小さくできるため、本発明の炭素繊維の特性を更に高く発現させることができる。また、樹脂含浸の面からも、補助繊維の存在により含浸流路は確保されており、非常に優れた含浸性を発現する。
【００３９】
かかる布帛は、炭素繊維強化基材またはプリフォームへのマトリックス樹脂であるエポキシ樹脂の含浸の面や、力学特性の面から、その目付は５０〜５００ｇ／ｍ2、より好ましくは１００〜３５０ｇ／ｍ2、更に好ましくは１５０〜２５０ｇ／ｍ2の範囲内である。また、その厚みは０．１〜０．８ｍｍ、より好ましくは０．１５〜０．７ｍｍ、更に好ましくは０．２〜０．６ｍｍの範囲内であるのが好ましい。
【００４０】
かかる布帛は、樹脂の含浸性の面から、その通気性は１０〜２００ｃｍ3／ｃｍ2・ｓｅｃの範囲内である。より好ましくは１２〜１２０ｃｍ3／ｃｍ2・ｓｅｃ、更に好ましくは１５〜１００ｃｍ3／ｃｍ2・ｓｅｃの範囲内であるのが好ましい。かかる通気性が１０ｃｍ3／ｃｍ2・ｓｅｃ未満であると樹脂の含浸性に劣ることを意味するため好ましくない。また、通気性が２００ｃｍ3／ｃｍ2・ｓｅｃを越えると含浸性には優れるが、逆に布帛の隙間が大きくなりすぎ、複合材料にした場合に樹脂リッチ部分を多く形成することによる力学特性の低下、サーマルクラックの発生等が起こるため好ましくない。なお、かかる通気性とは、ＪＩＳ  Ｌ  １０９６  Ａ法（フラジュール形法）に従い測定した空気の通過量を指し、本発明では大栄科学精器製作所製ＡＰ−３６０を用いて測定した。
【００４１】
また、本発明では接着樹脂を布帛に塗布するため、その脱落を最小限に抑え、かつ炭素繊維自体の特性を最大限に発現させるため、布帛のカバーファクターは９０％以上であるのが好ましい。より好ましくは９７％以上、更に好ましくは９９％以上である。かかるカバーファクターとは、平面状にした布帛をその垂線方向から見て、１００ｍｍ×１００ｍｍの単位面積における布帛中の炭素繊維（場合によっては補助糸やステッチ糸や結節糸等）が存在しない（カバーできていない）開口部分の百分率を指し、カバーファクター（％）＝開口部分の合計面積（ｍｍ2）／１００００により算出される。本発明では、かかる測定を任意の箇所で少なくとも５回行い、その平均値を用いた。かかる開口部分に関しては、ＣＣＤカメラやスキャナー等により光学的に取り込まれた画像を元に画像処理を行い、合計面積を算出する。
【００４２】
この様な形態を呈する布帛としては、炭素繊維束が４ｍｍ以上、好ましくは５ｍｍ以上、より好ましくは６ｍｍ以上の幅を有した扁平状で布帛化された扁平炭素繊維布帛を挙げることができ、本発明で用いる最も好ましい布帛であるといえる。かかる扁平炭素繊維布帛は更に、圧縮気体、ローラー、圧子等を用いた各種手段による開繊処理を施すと織物厚みを小さく（複合材料の炭素繊維配合率を高く）することができるため、かかる布帛を用いるのがとりわけ好ましい。特に布帛が織物である扁平炭素繊維織物に関しては、例えば特許第２９５５１４５号公報、特開平１１−１８４０号公報等により詳しい記載がある。なお、用いる炭素繊維は、マトリックス樹脂の含浸の面や力学特性の発現率の面から、実質的に無撚のものであるのが好ましい。
【００４３】
本発明に用いる、主成分としてポリエーテルスルフォン、副成分としてエポキシ樹脂を含む接着樹脂は、その融点または流動開始温度が、炭素繊維強化基材を積層する際のタック発現のための加工温度の面から５０〜１５０℃の範囲内であるのが好ましい。より好ましくは７０〜１４０℃、更に好ましくは９０〜１２０℃の範囲内である。ここで融点とは、示差走査熱量計（ＤＳＣ）から計測される樹脂の溶解温度を指し、ＤＳＣにて融点を示す樹脂はその融点を基準とする。融点を示さない樹脂は、粘弾性測定（島津製フローテスターＣＦＴ５００Ｄ、昇温速度１．５℃／分）から計測される流動開始温度を基準とする。
【００４４】
本発明において接着樹脂の２３℃、５０％ＲＨの吸水率は３重量％以下であるのが好ましい。より好ましくは２．２重量％以下、更に好ましくは１．８重量％以下、とりわけ１．４重量％以下であるのが好ましい。平衡吸水率が３重量％を超えると、力学特性（特にＣＨＷ）に優れる複合材料が得られない場合がある。かかる吸水率とは、ＡＳＴＭ  Ｄ  ５７０に準拠して測定される値を指す。
【００４５】
本発明で使用する接着樹脂は、炭素繊維強化基材の取り扱い性を向上させ、それを用いて得られる複合材料の力学特性を向上させるため、ポリエーテルスルフォンを主成分として含む。
【００４６】
接着樹脂の主成分であるポリエーテルスルフォンは、その配合量が７０〜１００重量％の範囲内であることが好ましい。より好ましくは７５〜９７重量％、更に好ましくは８０〜９５重量％の範囲内である。かかる配合量が７０重量％未満であると本発明の課題である力学特性に優れた複合材料を得にくいため好ましくない。ここで、布帛への接着性や接着加工性が劣るため、接着樹脂には副成分として粘着付与剤、可塑剤としてエポキシ樹脂を配合する。
【００４７】
本発明に用いる炭素繊維強化基材は、接着樹脂（より好ましくはマトリックス樹脂であるエポキシ樹脂）よりも融点もしくは流動開始温度が高く、布帛との接着機能を有さず、かつポリアミドを主成分とする粒子状熱可塑性樹脂が、接着樹脂で接着されて、更に布帛に布帛１００重量部に対して１〜１０重量部の範囲内で存在しているものであると、本発明の課題である力学特性（特にＣＡＩ、ＣＨＷ）をより一層高く発現できるため好ましい。かかる粒子状熱可塑性樹脂の好ましい融点または流動開始温度としては１５０℃以上、より好ましくは１８０℃以上、更に好ましくは２１０℃以上である。
【００４８】
別の視点からは、本発明で用いるポリアミドを主成分とする粒子状熱可塑性樹脂は、接着樹脂の融点もしくは流動開始温度において、融解しないまたは流動しないものであればよく、融点も流動開始温度を有さないもの（融解または流動よりも先に分解が生じるもの）でもよい。
【００４９】
上記のようなポリアミドを主成分とする粒子状熱可塑性樹脂が、接着樹脂で接着されて存在していることにより、接着樹脂よりも更に優れた高靭性化効果や層間強化効果を発現し、炭素繊維強化基材を積層して得られる複合材料の力学特性（特にＣＡＩ）を著しく高くすることができる。本発明で用いる粒子状熱可塑性樹脂が接着樹脂だけの場合よりも前記効果を高く発現し得る理由は、接着樹脂よりも高い融点もしくは流動開始温度を有する点、または接着樹脂が融解もしくは流動する温度で溶解も流動もしない点が挙げられるが、それ以外にも、既に布帛との接着機能を有する接着樹脂が存在していることにより、靭性が高いが布帛との接着機能が発現しない樹脂、または基材の取り扱い性を損なうような樹脂をも使用することができ、粒子状熱可塑性樹脂の種類および形態について、その選択の幅が接着樹脂よりも格段に広くできる点も挙げられる。つまり、比較的低温で接着性を発現し、かつ力学特性を少なくとも低下させない（好ましくは力学特性を向上させる）接着樹脂で接着して、力学特性を一層高く発現させる粒子状熱可塑性樹脂を、ドライな布帛に存在させることにより本発明の効果を一層高く発現できるのである。すなわち、特定の粒子状熱可塑性樹脂の存在によると、接着樹脂より格段に優れた本発明の効果が発現するのである。
【００５０】
かかるポリアミドを主成分とする粒子状熱可塑性樹脂は、上記効果の発現を効率的に発現するために、接着樹脂で接着されて、実質的に布帛の表面に偏在して存在する。
【００５１】
本発明において、ポリアミドを主成分とする粒子状熱可塑性樹脂の付着量は、布帛１００重量部に対して１〜１０重量部の範囲内であるのが好ましい。より好ましい付着量は布帛１００重量部に対して２〜９重量部、更に好ましくは３〜７重量部、とりわけ４〜６重量部の範囲内であるのが好ましい。粒子状熱可塑性樹脂の付着量が１重量部未満であると最大のメリットである力学特性の向上効果も小さいため好ましくない。また、１０重量部を超えると、特に湿熱処理後のＣＨＷに優れる複合材料が得られなかったり、複合材料の炭素繊維配合率が低くなり過ぎるだけでなく、複合材料を得る際に炭素繊維強化基材へのマトリックス樹脂である後述のマトリックス樹脂であるエポキシ樹脂の含浸を妨げる場合がある。
【００５２】
このポリアミドを主成分とする粒子状熱可塑性樹脂を設ける意味を、より具体的に図面を参照して説明する。図７は、参考例である炭素繊維強化基材７１の一態様を示す断面模式図である。図７に示すように、この態様のものは、炭素繊維を用いてなるたて糸束７２およびよこ糸束７３により布帛（二方向性織物）が構成されている点では上記図３の態様のものと同じであるが、接着樹脂７４の他に更に粒子状熱可塑性樹脂７５が布帛表面に偏在して接着している点が異なっている。
【００５３】
図８は、図７とは異なり、本発明の炭素繊維基材８１の一態様を示す断面模式図である。図８に示すように、この態様のものは、炭素繊維を用いてなるたて糸束８２と、補助繊維を用いてなる補助よこ糸束８３とにより布帛（一方向性織物）が構成されている点で、上記図４の態様と同じものであるが、接着樹脂８４の他に更に粒子状熱可塑性樹脂８５が布帛表面に偏在して接着している点が異なっている。
【００５４】
かかるポリアミドを主成分とする粒子状熱可塑性樹脂は、接着樹脂により布帛に接着されている。つまり、粒子状熱可塑性樹脂は、接着樹脂と一体化した状態で布帛に接着している。このような接着形態をとることにより、粒子状熱可塑性樹脂を確実に布帛の表面に存在させることができる。また、粒子状熱可塑性樹脂自体で布帛に接着しようとすると、接着樹脂を接着させる温度より高い温度にすることが必要となるが、接着樹脂で接着させることにより、より低い温度での接着が可能となるため製造効率の面からも好ましい。また、粒子状熱可塑性樹脂が接着機能を有する必要がなくなるため、粒子状熱可塑性樹脂の種類および形態の選択の幅が広くなり、より力学特性を高く発現するものを選択することができるようになる。ここで、一体化とは、それぞれが分離していない状態を指し、例えば、接着樹脂と粒子状熱可塑性樹脂とを各々単独で混合（ドライブレンド）したものは、それぞれが分離しているため一体化しているとはいわない。
【００５５】
ポリアミドを主成分とする粒子状熱可塑性樹脂が、接着樹脂と一体化して接着している場合は、粒子状熱可塑性樹脂と接着樹脂とが実質的に相溶しないものであると、接着樹脂と粒子状熱可塑性樹脂との化学的反応性が最小限に抑制されることにより、接着樹脂と粒子状熱可塑性樹脂とを溶融状態で混合して一体化する場合にも高粘度化を極力抑制することができる。また、粒子状熱可塑性樹脂の種類および形態の選択に制約を受けにくくなるため、その選択の幅が広がり、得られる複合材料の力学特性（特にＣＡＩ）をより一層向上させることもできるメリットもある。かかる視点からは、粒子状熱可塑性樹脂は接着樹脂に実質的に相溶しないものが好ましい。
【００５６】
上述のように、接着樹脂と粒子状熱可塑性樹脂とが一体化している場合、粒子状熱可塑性樹脂の表面の少なくとも一部分（好ましくは表面積の５０％以上、更に好ましくは９０％以上）が接着樹脂にて被覆されて一体化している形態のものが好ましい。かかる形態で接着樹脂で接着することにより、それぞれを単純に混合したもの（一体化していないもの）に較べて、より確実に粒子状熱可塑性樹脂を布帛に存在させることができる。
【００５７】
ここで、接着樹脂と粒子状熱可塑性樹脂とを一体化する方法としては、両者を予め溶融混合して所望の形態にしてもよいし、両者が溶解する溶媒を用いて混合して脱溶媒して所望の形態にしてもよいが、作業環境の面から溶融混合が好ましい。溶融混合する場合は、単軸または２軸押出機、バンバリミキサー、ニーダー、３本ロール等から適切な装置を選択して使用することができる。
【００５８】
ポリアミドを主成分とする粒子状熱可塑性樹脂の形態は、ミクロ的な均一性の面、力学特性の向上効果の面、吸水の抑制の面から粒子状（好ましくは球状）としている。
【００５９】
ポリアミドを主成分とする粒子状熱可塑性樹脂は、均一に布帛表面に分散させるために、その平均粒子直径が１〜５００μｍの範囲内、より好ましくは１〜１５０μｍ、更に好ましくは３〜１００μｍの範囲内であるのが好ましい。１μｍ未満であると布帛を構成する炭素繊維の間に入り込むものが多くなり、表面に存在する粒子の量がばらつく。また、１５０μｍを超えると、粒子直径が大きくなるので、所定の粒子散布重量に対して、存在させる粒子の数が少なくなり、均一な散布が困難な場合がある。なお、平均粒子直径はレーザー回折・散乱法にて測定したＤ50とし、本測定はセイシン企業製ＬＭＳ−２４にて行った。
【００６０】
ポリアミドを主成分とする粒子状熱可塑性樹脂の２３℃、５０ＲＨの吸水率は２．５重量％以下であるのが好ましい。より好ましくは１．８重量％以下、更に好ましくは１．５重量％以下、とりわけ１．１重量％以下であるのが好ましい。かかる吸水率が２．５重量％を超えると、力学特性（特にＣＨＷ）に優れる複合材料が得られない場合がある。かかる吸水率とは、ＡＳＴＭ  Ｄ  ５７０に順って測定される値を指す。
【００６１】
かかるポリアミドを主成分とする粒子状熱可塑性樹脂は、接着樹脂よりも融点または流動開始温度が高く、布帛との接着機能を有しないか、接着樹脂の融点もしくは流動開始温度において溶解しないまたは流動しないものであって、布帛との接着機能を有さず、靭性の高い熱可塑性樹脂が求められることから、ポリアミドを用いる。それにより上記の効果を容易に発現することができる。
【００６２】
ポリアミドとしては、ポリアミド６、ポリアミド６６、ポリアミド１２、ポリアミド６１０、ポリアミド６１２、イソフタル酸やテレフタル酸やパラキシレンジアミンやメタキシレンジアミン等の芳香族のジカルボン酸またはジアミン、ジメチルビス（ｐ−アミノシクロヘキシル）メタン等の脂環式のジカルボン酸またはジアミンから選ばれる少なくとも１種の成分からなるホモポリアミドまたは共重合ポリアミドであるのが好ましい。本発明で用い得る粒子状熱可塑性樹脂に適するポリアミドの市販品としては、例えば、東洋紡製透明ナイロンＴ−７１４ＥやＴ−７１４ＨやＴ−６００、ダイセル・ヒュルス製トロガミドＴ５０００やＣＸ７３２３、ＥＭＳ−ＣＨＥＭＩＥ製グリルアミドＴＲ５５、ＴＲ９０、東レ製ＳＰ５００（粒子状）、クラレ製ジェネスタ等が挙げられるが、これに制限されるものではない。これらポリアミドのＤＳＣにより測定されるガラス転移点は１００℃以上、好ましくは１２５℃以上、更に好ましくは１５０℃以上であると、複合材料の成形時に対する耐熱性が充分であり、上述の粒子状熱可塑性樹脂を用いる効果（特にＣＡＩ）を一層高めることができるため好ましい。但し、例えばポリアミド１２は、ガラス転移点が１００℃未満だが高いＣＡＩの向上効果を発現する。すなわち、融点を有するポリアミドに関しては、ガラス転移点は３０℃〜２８０℃の範囲内であるのが好ましい。
【００６３】
本発明のプリフォームは、かかる炭素繊維強化基材が２層以上積層され、それぞれの炭素繊維強化基材同士が上述の接着樹脂により接着して一体化しているものである。ここでいう接着しているとは、全面的に接着していると逆に取り扱い性が劣ったり、マトリックス樹脂の含浸を阻害することがあるため、一体化する程度に少なくとも部分的に接着しているのが好ましい。ここで、炭素繊維強化基材としては、布帛に接着樹脂または粒子状熱可塑性樹脂の存在量が異なるものを積層してもよい。特に雄型と雌型とを用いるＲＴＭや、雄型または雌型のいずれか一方と、バッグ材とにより形成されるキャビティを減圧し、大気圧との差圧を利用して樹脂注入する真空圧成形に用いるプリフォームの場合、積極的に存在量が異なるものを用い、マトリックス樹脂であるエポキシ樹脂の流路を確保かつ制御することは本発明の好ましい態様の一つだといえる。
【００６４】
このことをより具体的に図面を参照して説明する。図９は、本発明のプリフォーム９１の好ましい一態様を示す断面模式図である。図９において、連続した炭素繊維を用いてなる布帛９２は、接着樹脂９３および粒子状熱可塑性樹脂９４がその表面に偏在して存在している状態で図９では４層に積層されており、接着樹脂９３により布帛９２同士が接着されてプリフォーム９１を形成している。かかる形態で接着されていることにより、ドライなプリフォームの嵩高さを最小限に抑制して一体化することができ、その取り扱い性にも優れるものにすることができる。
【００６５】
本発明の複合材料は、図９のプリフォーム９１に、マトリックス樹脂として接着樹脂９３と異なるエポキシ樹脂１０２が含浸したものである。なお、マトリックス樹脂であるエポキシ樹脂は含浸した後に固化（硬化または重合）して複合材料となる。
【００６６】
このことをより具体的に図面を参照して説明する。図１０は、本発明の複合材料１０１の好ましい一態様を示す断面模式図である。図１０において、連続した炭素繊維を用いてなる図９の布帛９２、接着樹脂９３、粒子状熱可塑性樹脂９４からなるプリフォーム９１の隙間に、マトリックス樹脂であるエポキシ樹脂１０２が含浸し、更に硬化または重合することにより固化して複合材料１０１を形成している。
【００６７】
かかるエポキシ樹脂１０２は、マトリックス樹脂として用いられるものであれば特に限定されないが、その成形性、力学特性の面から、更にエラストマーやゴム成分、硬化剤、硬化促進剤、触媒等を添加して使用することができる。注入成形に供するマトリックス樹脂は、注入温度では液状である必要があるため、かかる特性を有するエポキシ樹脂が本発明では用いられる。特に、例えば航空機の一次構造部材で要求される非常に高い力学特性（特に、ＣＡＩ、ＣＨＷ）を達成するためにも、エポキシ樹脂を用いる。
【００６８】
ここで、マトリックス樹脂であるエポキシ樹脂と接着樹脂とは、その役割がそれぞれ異なることから、少なくとも一部でも異なるものを用いる。すなわち、マトリックス樹脂であるエポキシ樹脂は含浸性に優れ（注入温度で樹脂粘度が低く、ゲル化時間が長い）、かつ力学特性に優れるものを、接着樹脂は布帛の取り扱い性を向上し、かつ高い力学特性を付与するものをそれぞれ選択して使用するべきである。もちろん、接着樹脂とマトリックス樹脂であるエポキシ樹脂とが、その一部に同一成分を使用することに何ら制限はなく、両者の相性の面からは好ましい形態といえる。
【００６９】
かかるマトリックス樹脂であるエポキシ樹脂１０２を後述の注入成形にてプリフォーム９１に含浸する際に、マトリックス樹脂はその粘度が低いと含浸が容易なため、成形サイクルを短くできるため好ましい。より具体的には注入温度において４００ｍＰａ・ｓ以下、より好ましくは２００ｍＰａ・ｓ以下の粘度である。また、注入温度は１００℃以下であると設備が簡易なものにできるため好ましい。
【００７０】
かかる複合材料は、注入成形（ＲＴＭ、ＲＦＩ、ＲＩＭ、真空圧成形等）にて成形される。より好ましい成形方法としては、生産性の高い注入成形が挙げられ、中でもＲＴＭ（例えば、雄型および雌型により形成したキャビティ中に樹脂を加圧して注入する成形法。好ましくは、キャビティを減圧して樹脂注入する。）、真空圧成形（例えば、雄型または雌型のいずれか一方とフィルム等のバッグ材（例えば、ナイロンフィルム、シリコンラバー等）により形成したキャビティを減圧し、大気圧との差圧にて樹脂注入する成形法。好ましくは、キャビティ内のプリフォームに樹脂拡散媒体（メディア）を配置して樹脂含浸を促進し、成形後に複合材料からメディアを分離する。）がより成形コストの面から好ましく用いられる。
【００７１】
本発明の複合材料の用途として特に限定はないが、優れた力学特性（特にＣＡＩ、ＣＨＷ）を有しているため、特に航空機、自動車、船舶等の輸送機器における一次構造部材、二次構造部材、外装部材、内装部材もしくはそれらの部品の内に用いられると、その効果を最大限に発現することができるため好ましい。
【００７２】
図１１は航空機１１１の一次構造部材を示す概略斜視図である。図において、主翼１１２、床支持桁１１３、胴体１１４、垂直尾翼１１５、水平尾翼１１６等の各構造部材に本発明の炭素繊維強化基材からなるプリフォームを成形した複合材料を使用すると、優れた力学特性（特にＣＡＩ、ＣＨＷ）を発現するだけでなく、高い生産性で製造できるため、これら航空機の一次構造部材は本発明の複合材料の特に好ましい用途といえる。
【００７３】
図１２、図１３は、それぞれ本発明の構造要素１２１、１３１としての実施例を示す概略斜視図である。従来はスキン材１２２、１３２，桁材１２３、１３３，リブ材１２４、１３４を別々に成形し、これをリベットや接着剤にて接合していたが、本発明の複合材料によれば、スキン材と桁材やリブ材とを一体成形することが可能となり、成形コストを大幅に低減することができる。
【００７４】
【実施例】
以下、実施例によって本発明を更に詳細に説明する。なお、原料は以下のものを使用した。
【００７５】
炭素繊維束Ａ：ＰＡＮ系、フィラメント数２４千本、１０００ｔｅｘ、引張強度５８３０ＭＰａ、引張弾性率２９４ＧＰａ、破壊歪エネルギー５８ＭＪ／ｍ3。
【００７６】
炭素繊維束Ｂ：ＰＡＮ系、フィラメント数１２千本、８００ｔｅｘ、引張強度４９００ＭＰａ、引張弾性率２３５ＧＰａ、破壊歪エネルギー５２ＭＪ／ｍ3。
【００７７】
炭素繊維束Ｃ：ＰＡＮ系、フィラメント数６千本、３９６ｔｅｘ、引張強度３５３０ＭＰａ、引張弾性率２３５ＧＰａ、破壊歪エネルギー２７ＭＪ／ｍ3。
【００７８】
ガラス繊維束：ＥＣＥ２２５  １／０  １Ｚ、２２．５ｔｅｘ、バインダータイプ”ＤＰ”（日東紡製）。
【００７９】
接着樹脂Ａ：ポリエーテルスルフォン樹脂（住友化学工業製スミカエクセル５００３Ｐの微粉砕品）６０重量％とエポキシ樹脂（日本化薬製ＡＫ−６０１）４０重量％とを２軸押出機にて溶融混練して相溶させた樹脂組成物［ガラス転移点７５℃］
接着樹脂Ｂ：エポキシ樹脂［ジャパンエポキシレジン社製エピコート１００４ＡＦ、流動開始温度１００℃］
接着樹脂Ｃ：エポキシ樹脂［３Ｍ社製ＰＴ５００］
粒子状熱可塑性樹脂  ：ポリアミド樹脂（ＥＭＳ昭和電工社製グリルアミドＴＲ５５、ガラス転移点＝１６２℃）９０重量％と、エポキシ樹脂および硬化剤１０重量％とをポリマーアロイ化（ＩＰＮ化）した球状粒子。レーザー回折・散乱法による平均粒子径（Ｄ50）が１３μｍ。
【００８０】
マトリックス樹脂  ：予め７０℃に加熱した次の主液１００重量部に硬化液を３２重量部加え、均一になるまで撹拌した液状エポキシ樹脂組成物［７０℃におけるＥ型粘度計による粘度が２５０ｍＰａ・ｓ］。
【００８１】
主液：エポキシ樹脂として、Ｖａｎｔｉｃｏ社製”アラルダイト”ＭＹ−７２１を３０重量部、ジャパンエポキシレジン製”エピコート”８２５を２０重量部、日本化薬製ＡＫ−６０１を２０重量部、大日本インキ化学工業製”エピクロン”ＨＰ−７２００Ｌを３０重量部、および硬化促進剤としてｐ−トルエンスルホン酸−ｎ−プロピル１．４重量部をそれぞれ計り取り、１００℃において均一になるまで攪拌したもの。
【００８２】
硬化液：芳香族ポリアミンとして、ジャパンエポキシレジン製”エピキュア”Ｗを１８．１重量部、三井化学ファイン製３，３’−ジアミノジフェニルスルホンを７．２重量部、住友化学工業製”スミキュア”Ｓを７．２重量部をそれぞれ計り取り、９０℃において均一になるまで撹拌したもの。
【００８３】
（実施例１）
接着樹脂Ａを冷凍粉砕して、粒子状にした（Ｄ50が１２４μｍ）。
【００８４】
実質的に連続した炭素繊維束Ａをたて糸とし、ガラス繊維束を補助よこ糸として一方向性織物Ａ（平織、織物厚み０．３３ｍｍ、炭素繊維目付２９５ｇ／ｍ2、たて糸密度２．８本／ｃｍ、よこ糸密度３本／ｃｍ）を製織した。かかる一方向性織物Ａは、たて糸である炭素繊維束の幅が３．５ｍｍ、幅と厚みの比が１０以上であり、扁平状の織物であった（製織前の炭素繊維束Ａは５．８ｍｍ幅、０．１５ｍｍ厚）。
【００８５】
かかる一方向性織物Ａ上に粒子状の接着樹脂Ａを、エンボスロールとドクターブレードにて計量しながら自然落下させ、振動ネットを介して均一に分散させながら、織物１００重量部に１０重量部を塗布した。更に、遠赤外線ヒーターにて１８０〜２００℃に加熱しながら、離型処理を施した金属ニップローラーにて加圧して、粒子状の接着樹脂Ａを一方向性織物Ａに接着し、冷却して巻き取って炭素繊維強化基材Ａを得た。なお、本実施例では、製織工程から冷却工程まで、織機とオンラインで連続して行った。なお、かかる炭素繊維強化基材Ａの通気性は２３．７ｃｍ3／ｃｍ2・ｓｅｃ、カバーファクターは９９％であった。
【００８６】
（参考例１）
接着樹脂Ｂを５０重量部と、粒子状熱可塑性樹脂５０重量部とを、ニーダーを用いて１７０℃にて溶融混練した後に冷凍粉砕して、両者が一体化した粒子（Ｄ50が３８μｍ。粒子状熱可塑性樹脂は、接着樹脂Ｂの流動開始温度では融解も流動もせず、両者は相溶していないもの）を得た。
【００８７】
次に、実施例１で製織した一方向性織物Ａ上に前記粒子を、ノードソン社製トリボIIガンにて帯電させながら圧縮空気にて均一分散させながら、織物１００重量部に１４重量部を塗布した。更に、ホットプレスローラーにて１４０〜１６０℃に加熱しながら、前記の一体化した粒子を一方向性織物Ａに接着し、冷却して巻き取りって炭素繊維強化基材Ｂを得た。なお、本実施例では、製織工程と塗布・接着・冷却工程とは、オフラインで不連続に行った。なお、粒子は、実施例１よりも更に均一に一方向性織物Ａ上に分散しており、本参考例１の塗布、接着方法は、実施例１の方法より一層優れていた。
【００８８】
（実施例２）
使用する織物を、実質的に連続した炭素繊維束Ａをたて糸とし、ガラス繊維束に低融点ナイロン糸（東レ（株）製エルダー６ｔｅｘ）をカバリング加工した補助よこ糸として一方向性織物Ｃ（平織、織物厚み０．２６ｍｍ、炭素繊維目付１９３ｇ／ｍ2、たて糸密度１．８本／ｃｍ、よこ糸密度３本／ｃｍ）を用い、織物１００重量部に１４重量部を塗布した以外は実施例１と同様にして炭素繊維強化基材Ｃを得た。なお、一方向性織物Ｃは、たて糸である炭素繊維束の幅が５．５ｍｍ、幅と厚みの比が２０以上であり、一方向性織物Ａよりも更に扁平状の織物であった。通気性は７２．０ｃｍ3／ｃｍ2・ｓｅｃ、カバーファクターは９３％であった。
【００８９】
（参考例２）
使用する織物を、実質的に連続した炭素繊維束Ｂをたて糸およびよこ糸として製織した二方向性織物Ｄ（平織、織物厚み０．１９ｍｍ、炭素繊維目付１９３ｇ／ｍ2、たて糸密度１．２１本／ｃｍ、よこ糸密度１．２１本／ｃｍ）に、粒子状の接着樹脂Ａを織物１００重量部に５重量部を塗布した以外は、実施例１と同様にして炭素繊維強化基材Ｄを得た。なお、通気性は１５．６ｃｍ3／ｃｍ2・ｓｅｃ、カバーファクターは９９％であった。
【００９０】
（実施例３、参考例３）
炭素繊維強化基材Ａ、Ｂを長さ３４０ｍｍ、幅３４０ｍｍにカットし、積層構成が［−４５°／０°／＋４５°／９０°］を二回繰り返したものを２組用意し、それを９０°層を向かい合わせて対称積層になるように貼り合わせた。かかる積層したものを、それぞれ平面型に配置し、シーラントとバッグ材（ポリアミドフィルム）にて減圧吸引口を設けて密閉して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吸引して、真空に減圧し、賦形型を８０℃に温調した。かかる状態で１時間保持し、室温に冷却してから吸引を中止して、疑似等方プリフォームＡ（実施例３）、Ｂ（参考例３）のそれぞれを得た。
【００９１】
（実施例４、参考例４）
炭素繊維強化基材Ｃ、Ｄを用いて、実施例３、参考例３と同様の積層構成を三回繰り返したものを２組み用意し、対称積層になるよう貼り合わせた。かかる積層したものを賦形型を用いてプレス機で１３０℃で１５０ｋＰａの圧力を加えて５分保持し、引き続き加圧したまま室温に冷却してから放圧し、疑似等方プリフォームＣ（実施例４）、Ｄ（参考例４）を得た。
【００９２】
（実施例５、参考例５、実施例６）
炭素繊維基材Ａ、Ｂは積層構成が［０°］を４層、炭素繊維強化基材Ｃは６層貼り合わせた以外は、実施例３、参考例３と同様にして一方向プリフォームＡ（実施例５）、B（参考例５）、Ｃ（実施例６）を得た。
【００９３】
（実施例７〜１０、参考例６〜８）
疑似等方プリフォームＡ〜Ｄおよび一方向プリフォームＡ〜Ｃを、それぞれ８０℃の成形型に配置し、プリフォーム上に樹脂拡散媒体（３４メッシュ金網）を配置して、シーラントとバッグ材（ポリアミドフィルム）にて樹脂注入口と減圧吸引口を設けて密閉して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吸引して真空に減圧し、成形型および各プリフォームを８０℃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８０℃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樹脂注入口を閉じて、樹脂注入を停止した。それ以降は、減圧吸引口から真空ポンプにより減圧を続けながら１８０℃で２時間保持して、各プリフォームに含浸したマトリックス樹脂を硬化させ、疑似等方平板Ａ（実施例７）、B（参考例６）、C（実施例８）、Ｄ（参考例７）および一方向平板Ａ（実施例９）、B（参考例８）、Ｃ（実施例１０）を得た。
【００９４】
かかる疑似等方平板Ａ〜Ｄの炭素繊維含有率（Ｖｆ）はそれぞれ５４、５６、５５、５３体積％、かかる一方向平板Ａ〜ＣのＶｆはそれぞれ５５、５６、５６体積％であった。かかる複合材料は、どこにもピンホールやボイドが見当たらず、良好な成形が行われていることが実証された。
【００９５】
得られた疑似等方平板Ａ〜Ｄを、長１５２ｍｍ×幅１０２ｍｍに切り出し、クーポンを得た。そのクーポンの中心に５．４４ｋｇ（１２ポンド）の錘を落下させて６．６７ｋＪ／ｍ（１５００ｉｎ・ｌｂ／ｉｎ）の落錘衝撃を与えた後、常温圧縮強度（ＣＡＩ）を測定した。
【００９６】
また、得られた一方向平板Ａ〜Ｃから、ＳＡＣＭＡ  ＳＲＭ  １Ｒ−９４に準拠したクーポンを得た。そのクーポンを７０℃の温水中に１４日間浸漬し（湿熱処理）、直ちに高温（８２℃）０°圧縮強度（ＣＨＷ）を測定した。また、一方向平板Ａ、Ｃについては、湿熱処理をせずに常温にて０°圧縮強度（ＣＳ）を測定した。
【００９７】
更に、一方向平板Ａ〜Ｃから、ＳＡＣＭＡ  ＳＲＭ  ４Ｒ−９４に準拠して室温０°引張強度（ＴＳ）を測定した。
【００９８】
（比較例１）
接着樹脂Ａを接着しない以外は実施例１と同様にして一方向性織物Ａをそのまま炭素繊維強化基材Ｅとして用いた。
【００９９】
（比較例２）
実質的に連続した炭素繊維束Ｃをたて糸とし、ガラス繊維束を補助よこ糸として一方向性織物Ｆ（平織、織物厚み０．２ｍｍ、炭素繊維目付１９３ｇ／ｍ2、たて糸密度４．８７本／ｃｍ、よこ糸密度３本／ｃｍ）に、接着樹脂Ｃを織物１００重量部に５重量部を塗布した以外は、実施例１と同様にして炭素繊維強化基材Ｆを得た。
【０１００】
（比較例３）
炭素繊維強化基材Ｅ、Ｆを用いる以外はそれぞれ炭素繊維強化基材Ａ、Ｃと同様にして疑似等方プリフォームＥ、Ｆおよび一方向プリフォームＥ、Ｆを得た。
【０１０１】
（比較例４）
疑似等方プリフォームＥ、Ｆおよび一方向プリフォームＥ、Ｆを用いる以外は実施例８と同様にして疑似等方平板Ｅ、Ｆおよび一方向平板Ｅ、Ｆを成形し、測定に供した。かかる疑似等方平板ＦのＶｆはそれぞれ５９、５６体積％、一方向平板Ｅ、Ｆの厚みはＶｆはそれぞれ６０、５６体積％であった。
【０１０２】
以上の結果を表１に示す。
【０１０３】
【表１】
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【０１０４】
表１から明らかなように、炭素繊維強化基材Ａ〜ＤおよびＦは、織物上に接着した接着樹脂により、プリプレグより弱く扱い易い基材のコシ、織物の目ズレ・蛇行等が生じない形態安定性、持ち運び性、賦形性等の取り扱い性に非常に優れた。また、プリフォーム化する際に優れたタック性を発現し、積層した炭素繊維強化基材が剥がれない（バラバラにならない）強固にバルク化されたプリフォームを得ることができた。一方、接着樹脂が接着していない炭素繊維強化基材Ｅは、その取り扱い性に劣るだけでなく、タック性がないため、各層がバラバラになり、バルク化されたプリフォームを得ることができなかった。
【０１０５】
力学特性の面からは、本発明の炭素繊維を用いた炭素繊維強化基材Ａ〜Ｄは、接着樹脂を接着してない炭素繊維強化基材Ｅに較べてＣＡＩは著しく向上しているにも関わらず、ＣＨＷ、ＴＳは同等またはそれ以上を発現している。一方、炭素繊維強化基材Ｆは、本発明の炭素繊維を用いていないため、接着樹脂を用いているにも関わらず特にＣＡＩに著しく劣り、構造部材等の高い力学特性が要求される用途には不適であった。即ち、本発明は、布帛に用いる炭素繊維と、それに接着させる樹脂とが組み合わさった時にのみ高い力学特性を発現するものである。
【０１０６】
【発明の効果】
本発明によれば、マトリックス樹脂の含浸性が良好で、特に衝撃付与後または湿熱処理後の圧縮強度等の力学特性に優れる複合材料を生産性よく得られるだけでなく、基材のコシ、形態安定性、賦型性、積層する際のタック性等の優れた取扱い性を有する炭素繊維強化基材、それを積層してなるプリフォームおよびプリフォームにマトリックス樹脂を含浸してなる複合材料が得られる。
【０１０７】
このようにして得られた複合材料は、航空機、自動車、船舶等の輸送機器における構造部材、内層部材または外層部材などの各部材をはじめ、幅広い分野に適するが、特に航空機の構造部材に好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】参考例である炭素繊維強化基材の一態様を示す平面模式図である。
【図２】本発明の炭素繊維強化基材の一態様を示す平面模式図である。
【図３】参考例である炭素繊維強化基材の一態様を示す断面模式図である。
【図４】本発明の炭素繊維強化基材の一態様を示す断面模式図である。
【図５】本発明の一方向性織物の一態様を示す斜視図である。
【図６】本発明の一方向性織物の一態様を示す斜視図である。
【図７】参考例である炭素繊維強化基材の一態様を示す断面模式図である。
【図８】本発明の炭素繊維強化基材の一態様を示す断面模式図である。
【図９】本発明のプリフォームの好ましい一態様を示す断面模式図である。
【図１０】本発明の複合材料の好ましい一態様を示す断面模式図である。
【図１１】航空機の一次構造部材を示す概略斜視図である。
【図１２】本発明の構造要素としての実施例を示す概略斜視図である。
【図１３】本発明の構造要素としての別の実施例を示す概略斜視図である。
【符号の説明】
１１、２１、３１、４１、７１、８１：炭素繊維強化基材
１２、２２、３２、４２、５２、６２、７２、８２：炭素繊維を用いてなるたて糸束
１３、３３、７３：炭素繊維を用いてなるよこ糸束
１４、２４、３４、４４、７４、８４、９３、１０３：接着樹脂
２３、４３、５３、６３、８３：補助繊維を用いてなる補助よこ糸束
５１、６１：一方向性織物
６４：補助繊維を用いてなる補助たて糸束
７５、８５，９４、１０４：粒子状熱可塑性樹脂
９１：プリフォーム
９２、１０２：連続した炭素繊維を用いてなる布帛
１０１：複合材料
１０５：マトリックス樹脂（エポキシ樹脂）
１１１：航空機
１１２：主翼
１１３：床支持桁
１１４：胴体
１１５：垂直尾翼
１１６：水平尾翼
１２１、１３１：構造要素
１２２、１３２：スキン材
１２３、１３３：桁材
１２４、１３４：リブ材
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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