(57)【要約】【課題】力学的特性が要求される方向に対する力学的特性の低下を抑制することができる繊維強化複合材料を提供すること。【解決手段】繊維強化複合材料は強化繊維１４製の第１撚糸１２及び第２撚糸１３を撚り合わせて形成される合撚糸１９を用いた繊維構造体を基材とする。第１撚糸１２及び第２撚糸１３は強化繊維１４の配向方向と第１撚糸１２及び第２撚糸１３の糸主軸方向Ｘとが成す撚角θを有する。合撚糸１９は第１撚糸１２及び第２撚糸１３の撚方向とは逆方向の撚方向Ｗで撚角φに撚り合わせて形成される。合撚糸１９は、強化繊維が合撚糸１９の糸主軸方向Ｘに対して撚角θと合撚糸１９の撚角φとの差となる目的角度δに配向される層を有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一部に強化繊維を含む撚糸を複数撚り合わせた合撚糸を用いた繊維構造体を基材とした繊維強化複合材料であって、
前記合撚糸は、複数の前記撚糸の少なくとも一本に、前記強化繊維の配向方向と前記撚糸の糸主軸方向とが成す撚角θを有するθ角撚糸を備え、
かつ、複数の前記撚糸を前記θ角撚糸の撚方向とは逆方向で撚角φに撚り合わせ、
前記強化繊維が前記合撚糸の糸主軸方向に対して前記θ角撚糸の撚角θと前記合撚糸の撚角φとの差となる目的角度δに配向される層を有することを特徴とする繊維強化複合材料。
【請求項２】
前記θ角撚糸の撚角θ及び前記合撚糸の撚角φは等しい請求項１に記載の繊維強化複合材料。
【請求項３】
前記合撚糸を構成する複数の撚糸は全て前記θ角撚糸である請求項１又は請求項２に記載の繊維強化複合材料。
【請求項４】
前記基材は前記合撚糸を織り合せた織物である請求項１〜請求項３のうちいずれか一項に記載の繊維強化複合材料。
【請求項５】
前記θ角撚糸の撚角θ及び前記合撚糸の撚角φは２２．５°である請求項１〜請求項４のうちいずれか一項に記載の繊維強化複合材料。
【請求項６】
前記θ角撚糸の撚角θ及び前記合撚糸の撚角φは４５°である請求項１〜請求項３のうちいずれか一項に記載の繊維強化複合材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維強化複合材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、繊維強化複合材料は、強化繊維からなる基材にマトリックス樹脂を含浸することで構成され、強度、耐熱性、耐食性、軽量である点に優れる。
繊維強化複合材料において、強化繊維として合撚糸を使用する場合がある。これは、合撚糸は繊維を撚ったものであることから、繊維がばらけず、扱い易く、しかも強度が高いためである。合撚糸としては、例えば、特許文献１に開示のものがあり、特許文献１に開示の強化繊維は、インチ当たりの撚糸の撚り数（ＴＰＩ）を規定して強化繊維としての天然繊維を撚った撚糸を複数本合糸したものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−１０４６６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１に記載された合撚糸は、繊維を撚ることから、合撚糸の糸主軸方向に対し、繊維が撚角で傾いてしまっている。このため、繊維強化複合材料として、合撚糸の糸主軸方向に対して力学的特性（例えば強度）が必要な場合であっても、特許文献１に記載された強化繊維（合撚糸）を、繊維強化複合材料に使用した場合、その繊維強化複合材料では、糸主軸方向に対する力学的特性が撚角が無い場合に比べて低下してしまう。
【０００５】
本発明の目的は、上述した事情を鑑みてなされたものであり、力学的特性が要求される方向に対する力学的特性の低下を抑制することができる繊維強化複合材料を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成する繊維強化複合材料は、少なくとも一部に強化繊維を含む撚糸を複数撚り合わせた合撚糸を用いた繊維構造体を基材とした繊維強化複合材料であって、前記合撚糸は、複数の前記撚糸の少なくとも一本に、前記強化繊維の配向方向と前記撚糸の糸主軸方向とが成す撚角θを有するθ角撚糸を備え、かつ、複数の前記撚糸を前記θ角撚糸の撚方向とは逆方向で撚角φに撚り合わせ、前記強化繊維が前記合撚糸の糸主軸方向に対して前記θ角撚糸の撚角θと前記合撚糸の撚角φとの差となる目的角度δに配向される層を有することを特徴とする。
【０００７】
かかる構成によれば、撚角θ及び撚角φを調節することで、合撚糸内の強化繊維の配向方向を所望する方向に制御でき、力学的特性が要求される所望の方向に対する力学的特性の低下を抑制することができる。
【０００８】
また、繊維強化複合材料について、前記θ角撚糸の撚角θ及び前記合撚糸の撚角φは等しくてもよい。
かかる構成によれば、複数の方向に配向した強化繊維のうち、特定の強化繊維を糸主軸方向に配向させることができ、糸主軸方向に対する力学的特性が向上する。
【０００９】
また、繊維強化複合材料について、前記合撚糸を構成する複数の撚糸は全て前記θ角撚糸であってもよい。
かかる構成によれば、複数の撚糸の中に撚角がθでないものを含む場合と比較して強化繊維の配向方向が統一されるため、その統一された配向方向において、強化繊維の力学的特性がより向上する。
【００１０】
また、繊維強化複合材料について、前記基材は前記合撚糸を織り合せた織物であってもよい。
かかる構成によれば、織物を構成する経糸や緯糸を合撚糸とすることで、織物には、合撚糸の糸主軸方向以外にも、合撚糸で得られる目的角度δに強化繊維が配向する層が存在している。したがって、織物でありながら経糸や緯糸の糸主軸方向以外にも力学的特性が向上した繊維強化複合材料を得ることができる。
【００１１】
また、繊維強化複合材料について、前記θ角撚糸の撚角θ及び前記合撚糸の撚角φは２２．５°としてもよい。
かかる構成によれば、合撚糸に含まれる複数の強化繊維のうち、ある強化繊維は目的角度δが０°となり、糸主軸方向に配向され、他の強化繊維は、その配向方向と糸主軸方向とが成す配向角度が４５°及び−４５°に配向される。このため、合撚糸では、ある強化繊維が配向された糸主軸方向と、他の強化繊維が配向された方向と糸主軸方向とが成す配向角度４５°及び−４５°の方向の３方向においての力学的特性が向上し、その結果として合撚糸を用いた繊維強化複合材料では擬似等方性を有する。
【００１２】
また、繊維強化複合材料について、前記θ角撚糸の撚角θ及び前記合撚糸の撚角φは４５°としてもよい。
かかる構成によれば、合撚糸に含まれる複数の強化繊維のうち、ある強化繊維は目的角度δが０°となり、糸主軸方向に配向され、他の強化繊維は配向角度が９０°となり、糸主軸方向に直交する方向に配向される。このため、合撚糸では、ある強化繊維が配向された糸主軸方向と、他の強化繊維が配向された糸主軸方向に直交する方向の２方向においての力学的特性が向上する。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、力学的特性が要求される方向に対する力学的特性の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】θ角撚糸の模式図。
【図２】撚角θ及び撚角φが２２．５°である合撚糸の模式図。
【図３】（ａ）経糸合撚糸及び緯糸合撚糸を平織して製織された基材を使用した繊維強化複合材料、（ｂ）は緯糸合撚糸の上に経糸合撚糸が配置される箇所の拡大平面図。
【図４】撚角θ及び撚角φが４５°である合撚糸の模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（第１の実施形態）
以下、繊維強化複合材料１０を具体化した第１の実施形態を図１〜図３に従って説明する。図３に示すように、繊維強化複合材料１０は、強化繊維からなる基材１１にマトリックス樹脂２８を含浸することで構成されている。
【００１６】
まず、基材１１を構成する第１撚糸１２及び第２撚糸１３について説明する。
図１に示すように、θ角撚糸としての第１撚糸１２は、強化繊維１４を撚方向Ｔへ撚角θに撚って形成されている。このため、第１撚糸１２は、糸主軸方向Ｘに対して撚角θで強化繊維１４が配向された層と、撚角−θで強化繊維１４が配向された層との２層構造となる。同様に、θ角撚糸としての第２撚糸１３は、強化繊維１４を撚方向Ｔへ撚角θに撚って形成されている。このため、第２撚糸１３は、糸主軸方向Ｘに対して撚角θで強化繊維１４が配向された層と、撚角−θで強化繊維１４が配向された層との２層構造となる。なお、強化繊維１４は、短繊維（非連続繊維）であり例えば炭素繊維やガラス繊維から構成される。
【００１７】
図１において、第１撚糸１２及び第２撚糸１３における撚角θに配向された強化繊維１４の層を第１層１７とし、撚角−θに配向された強化繊維１４の層を第２層１８とすると、第１層１７は実線で表され、第２層１８は破線で表されている。
【００１８】
図２に示すように、合撚糸１９は、第１撚糸１２及び第２撚糸１３を撚って構成されている。合撚糸１９は、第１撚糸１２及び第２撚糸１３を構成する強化繊維１４の撚方向Ｔとは逆方向の撚方向Ｗへ撚角φだけ撚り合わせて形成されている。なお、図２において、第１撚糸１２及び第２撚糸１３の太さは図１より細く表現している。ここで、撚角θと撚角φは共に２２．５°である。
【００１９】
合撚糸１９は、第１撚糸１２及び第２撚糸１３の撚角θと、合撚糸１９の撚角φとの差である目的角度δを有する。この目的角度δは、合撚糸１９内の強化繊維１４の配向方向と糸主軸方向Ｘとが成す角度であり、本実施形態では、目的角度δは０°である。
【００２０】
また、合撚糸１９は、第１撚糸１２と第２撚糸１３とが重なり合う箇所において、強化繊維１４の配向角度が、θ−φ（０°＝目的角度δ）である第１層２２、−θ−φ（−４５°）である第２層２３、θ＋φ（４５°）である第３層２４、及びθ−φ（０°＝目的角度δ）である第４層２５といった４層の積層構造を有する。すなわち、合撚糸１９は、強化繊維１４が合撚糸１９の糸主軸方向Ｘに対して目的角度δ（０°）に配向される層を２層有する。
【００２１】
次に、合撚糸１９を使用した基材１１を説明する。
図３（ａ）に示すように、基材１１は、経糸としての経糸合撚糸２６と、緯糸としての緯糸合撚糸２７とで平織されることで製織された繊維構造体である。経糸合撚糸２６及び緯糸合撚糸２７は、それぞれ上述の合撚糸１９であり、経糸合撚糸２６は糸主軸方向Ｙに配向され、緯糸合撚糸２７は糸主軸方向Ｚに配向される。そして、平織された基材１１にマトリックス樹脂２８を含浸することで繊維強化複合材料１０が形成される。マトリックス樹脂２８を基材１１に含浸、硬化させる製造方法の一例として、ＲＴＭ（Resin Transfer Molding）法がある。ＲＴＭ法では、樹脂含浸用型内に基材１１を配置した状態で型内に液状の熱硬化性樹脂を注入する。熱硬化性樹脂として、例えばエポキシ樹脂が使用される。型内に熱硬化性樹脂を注入した後、加熱硬化することで繊維強化複合材料１０が形成される。
【００２２】
図３（ｂ）に示すように、緯糸合撚糸２７の糸主軸方向Ｙを基準とすると、経糸合撚糸２６における強化繊維１４の配向角度は、第１層２２が糸主軸方向Ｙに対し９０°、第２層２３が糸主軸方向Ｙに対し４５°、第３層２４が糸主軸方向Ｙに対し−４５°、第４層２５が糸主軸方向Ｙに対し９０°である。また、緯糸合撚糸２７における強化繊維１４の配向角度は、第１層２２が糸主軸方向Ｙに対し０°、第２層２３が糸主軸方向Ｙに対し−４５°、第３層２４が糸主軸方向Ｙに対し４５°、第４層２５が糸主軸方向に対し０°である。よって、基材１１は８層の積層構造を一部に有するとともに、糸主軸方向Ｙに対し、０°、４５°、−４５°、９０°の４方向に強化繊維１４の配向方向が存在する。
【００２３】
次に、本実施形態の作用を説明する。
合撚糸１９は、撚方向Ｔへ撚角θに撚られた第１撚糸１２及び第２撚糸１３を、撚糸の撚方向Ｔとは逆方向の撚方向Ｗへ撚角φに撚り合わせて形成される。これにより合撚糸１９を繊維強化複合材料１０の基材１１としたとき、合撚糸１９の強化繊維１４は第１層２２及び第４層２５において、合撚糸１９の糸主軸方向Ｘに対して撚角θと撚角φとの差からなる目的角度δへ配向される。
【００２４】
図２に示すように、合撚糸１９は撚角θと撚角φは等しい。このため、第１層２２及び第４層２５において、目的角度δ＝０°となり、第１層２２及び第４層２５は合撚糸１９の糸主軸方向Ｘに配向される。
【００２５】
さらに、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、合撚糸１９を使用した基材１１は撚角θ及び撚角φはともに２２．５°である経糸合撚糸２６及び緯糸合撚糸２７を用いて平織される。
【００２６】
緯糸合撚糸２７の糸主軸方向Ｙを基準とすると、経糸合撚糸２６における強化繊維１４の配向角度は、第１層２２は９０°、第２層２３は４５°、第３層２４は−４５°、第４層２５は９０°として強化繊維１４が配向される。また、緯糸合撚糸２７における強化繊維１４の配向角度は、第１層２２は０°、第２層２３は−４５°、第３層２４は４５°、第４層２５は０°として強化繊維１４が配向される。
【００２７】
上記実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）複数の強化繊維１４を撚角θで撚り合わされた第１撚糸１２及び第２撚糸１３を、撚角φで撚方向Ｗに撚り合わせた合撚糸１９では、撚角θと撚角φとの差を目的角度δとして設定することができる。このため、撚角θ及び撚角φを調節することで、目的角度δを所望する値に設定することができる。その結果として、合撚糸１９内の強化繊維１４を所望する配向方向に制御でき、所望の方向に対する力学的特性を得ることができる。そして、強化繊維１４を撚った合撚糸１９であっても、撚角θ及び撚角φを調節し、目的角度δを糸主軸方向Ｘに合わせることで、力学的特性が要求される糸主軸方向Ｘに対する力学的特性の低下を抑制することができる。
【００２８】
（２）第１撚糸１２及び第２撚糸１３の撚角θと、合撚糸１９の撚角φを等しくすることで、合撚糸１９の第１層２２及び第４層２５での強化繊維１４の配向方向を合撚糸１９の糸主軸方向Ｘに配向させることができる。
【００２９】
（３）合撚糸１９を構成する第１撚糸１２及び第２撚糸１３の撚角は共にθである。第１撚糸１２又は第２撚糸１３のどちらか一方が撚角θで撚られていない場合と比較して合撚糸１９とした際に強化繊維１４の配向方向が統一される。このため、合撚糸１９は強化繊維１４の配向方向においてより力学的特性が向上する。
【００３０】
（４）繊維強化複合材料１０は経糸合撚糸２６及び緯糸合撚糸２７を織り合せた織物を基材１１としている。撚角θ＝２２．５°の場合、経糸合撚糸２６及び緯糸合撚糸２７は経糸合撚糸２６の糸主軸方向Ｚ及び緯糸合撚糸２７の糸主軸方向Ｙ以外にも強化繊維１４が配向している。よって、繊維強化複合材料１０の基材１１が平織物でありながら、織物を繊維配向方向が異なるように積層することなく繊維強化複合材料１０は面内等方性を有する。
【００３１】
（５）第１撚糸１２及び第２撚糸１３の撚角θと合撚糸１９の撚角φは共に２２．５°となっている。これにより、合撚糸１９内の強化繊維１４の配向方向は、合撚糸１９の糸主軸方向Ｘと成す配向角度が第１層２２及び第４層２５では０°になり、第２層２３では４５°に、第３層２４では−４５°となる。よって、合撚糸１９は、糸主軸方向Ｘと、その糸主軸方向Ｘと強化繊維１４の配向方向とが成す配向角度４５°及び−４５°との方向の３方向においての力学的特性が向上し、その結果として合撚糸１９を用いた繊維強化複合材料１０では擬似等方性を有する。
【００３２】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態を図４に従って説明する。この実施形態は、撚角θ及び撚角φが４５°である点が、第１の実施形態と異なっており、他の構成は、基本的に第１の実施形態の合撚糸１９と同じである。
【００３３】
図４に示すように、合撚糸１９は、撚方向Ｔへ撚角θ＝４５°に撚られた第１撚糸１２及び第２撚糸１３を撚って構成されている。合撚糸１９において、第１撚糸１２及び第２撚糸１３を構成する強化繊維１４の撚方向Ｔとは逆方向の撚方向Ｗへ撚角φ＝４５°だけ撚り合わせて合撚糸１９が形成される。なお、図４において、第１撚糸１２及び第２撚糸１３の太さは図１より細く表現している。
【００３４】
図４において、合撚糸１９における強化繊維１４の配向角度は、第１層２２はθ−φ（０°＝目的角度δ）、第２層２３は−θ−φ（−９０°）、第３層２４はθ＋φ（９０°）、第４層２５はθ−φ（０°＝目的角度δ）である。
【００３５】
次に、本実施形態の作用を説明する。
図４に示すように、第１撚糸１２及び第２撚糸１３から構成される強化繊維１４は、第１層２２及び第４層２５において、撚角θと撚角φが等しいことから、目的角度δ＝０°となって、合撚糸１９の糸主軸方向Ｘに配向されている。さらに、強化繊維１４は第２層２３及び第３層２４においては、合撚糸１９の糸主軸方向Ｘに直交する方向に配向されている。
【００３６】
上記実施形態によれば、上記（１）、（２）、（３）の効果に加えて以下のような効果を得ることができる。
（６）第１撚糸１２及び第２撚糸１３の撚角θと合撚糸１９の撚角φは共に４５°となっている。これにより、合撚糸１９内の強化繊維１４は、合撚糸１９の糸主軸方向Ｘと成す配向角度が第１層２２及び第４層２５では０°になり、第２層２３では−９０°に、第３層２４では９０°となる。よって、合撚糸１９は、糸主軸方向Ｘと、糸主軸方向Ｘに直交する方向においての力学的特性が向上し、その結果として合撚糸１９は直交積層を有する。
【００３７】
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○撚角θと撚角φは異なっていてもよく、例えば、撚角θ＝５０°、撚角φ＝５°としてもよい。この場合、合撚糸１９内の強化繊維１４の配向方向と合撚糸１９の糸主軸方向Ｘとが成す目的角度δは４５°となる。さらに、合撚糸１９の各層における強化繊維１４の配向角度は、１層目は４５°、２層目は−５５°、３層目は５５°、４層目は４５°となり、合撚糸１９は斜交積層を有する。
【００３８】
○経糸合撚糸２６及び緯糸合撚糸２７の製織方法は平織に限らず、例えば綾織や朱子織であってもよい。
○第１撚糸１２及び第２撚糸１３は、強化繊維１４と、強化繊維１４とは異なる種類の繊維（例えば樹脂繊維）との混繊からなる撚糸であってもよい。
【００３９】
○第１撚糸１２が強化繊維１４の撚糸であり、第２撚糸１３は強化繊維１４と、強化繊維とは異なる種類の繊維（例えば樹脂繊維）との混繊からなる撚糸であってもよい。
○第１撚糸１２及び第２撚糸１３を構成する繊維は非連続繊維でなくてもよく、連続繊維でもよい。
【００４０】
○第１撚糸１２及びは第２撚糸１３のいずれか一方が撚角θで撚られ、他方が撚角θ以外の角度で撚られていてもよい。
○合撚糸１９を形成するための撚糸は２本だけでなくてもよく、３本以上であってもよい。撚糸が３本以上の場合、３本以上の撚糸のうち少なくとも１本は撚角θを有する。
【符号の説明】
【００４１】
Ｘ，Ｙ，Ｚ…糸主軸方向、Ｔ，Ｗ…撚方向、θ，φ…撚角、δ…目的角度、１０…繊維強化複合材料、１１…基材、１２…θ角撚糸としての第１撚糸、１３…θ角撚糸としての第２撚糸、１４…強化繊維、１９…合撚糸、２６…経糸合撚糸、２７…緯糸合撚糸。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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