(57)【要約】【課題】  ＦＲＰに成形した際に弾性特性を変えることなく、少ない積層数でも高い強度特性を発現できる繊維強化複合材料用織物を提供する。【解決手段】  連続繊維からなる強化繊維束を配列した繊維強化複合材料用織物において、織物を構成する強化繊維束が引張強度の異なる複数の繊維により構成され、かつ強化繊維束の両端部の繊維は中央部の繊維より引張強度が大きいことを特徴とする繊維強化複合材料用織物。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続繊維からなる強化繊維束を配列した繊維強化複合材料用織物であって、該強化繊維束が、引張強度が異なる複数の繊維から構成され、該強化繊維束の両端部の繊維は中央部の繊維より引張強度が大きいことを特徴とする繊維強化複合材料用織物。
【請求項２】
前記繊維強化複合材料用織物を形成する強化繊維束が引張強度の異なる２種類の繊維束から構成され、該強化繊維束が、引張強度が相対的に小さい繊維からなる第１の繊維束の両側に、引張強度が相対的に大きい第２の繊維束が配置されている請求項１に記載の繊維強化複合材料用織物。
【請求項３】
前記強化繊維束が第１の繊維束に対し、第２の繊維束が略対称に配置されている請求項２に記載の繊維強化複合材料用織物。
【請求項４】
第２の繊維束が前記強化繊維束の幅方向両端からそれぞれ強化繊維束幅の１０％以下の範囲に配置されている請求項２または３に記載の繊維強化複合材料用織物。
【請求項５】
織組織が平織、綾織、朱子織のいずれかである請求項１〜４のいずれかに記載の繊維強化複合材料用織物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単一の強化繊維束内に引張強度の異なる複数の繊維を配置することによって、優れた引張特性を有した繊維強化複合材料用織物に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、これまで航空宇宙やスポーツ分野などの限られた分野で適用されていた繊維強化複合材料の産業用途への適用が拡大している。特に、従来金属が主として用いられてきた自動車などの産業分野ではエネルギー効率を高めるため、構造の軽量化が重要視され、金属材料に代わって、軽量でかつ比強度・比剛性に優れた繊維強化複合材料に置換する動きが増加している。特に繊維強化複合材料として、炭素繊維やガラス繊維などの強化繊維を熱硬化性あるいは熱可塑性の樹脂などをマトリックス材料とした繊維強化プラスチック（以下、ＦＲＰと略記することもある）が多く用いられている。
【０００３】
代表的なＦＲＰとしては、連続な強化繊維を一方向に引き揃えたシート状の基材に樹脂を含浸・硬化して成形した一方向ＦＲＰが挙げられる。一方向ＦＲＰは、その繊維方向には優れた力学的特性を有している半面、繊維に直交する方向の特性は繊維方向に比べ大きく劣る異方性を有しているため、設計時には基材を互いに角度を持たせて積層する方法が取られる。このような設計方法を取った場合、一方向ＦＲＰ基材の一枚当たりの厚みは薄いため、必要な剛性を得るためには基材を非常に多く積層する必要があり成形に手間がかかることや、強い異方性のため複雑な形状の構造に対して精度良く形状を出すことが困難であるという問題がある。そのため、自動車などの産業用途では、剛性や強度は低下するものの、一枚当たりの厚みが一方向基材に比べて厚く積層数を少なくでき、複雑な形状に対しても成形が可能な織物を強化基材として用いることが多い。織物基材としては一般的に、平織や綾織、あるいは朱子織など、経糸と緯糸の強化繊維束の交錯方法を変えて織られた基材が用いられている。
一方で、織物基材を用いたＦＲＰ構造の設計では、構造に発生する応力がＦＲＰの材料強度を超えた場合、その回避方法として高強度繊維で織られた基材に変更する方法や、基材の積層数を増やすことで剛性を上げて応力を緩和したりする方法が多く取られている。しかし、高強度繊維を用いた織物は高い強度を有する一方で、一般的には弾性率は高強度な繊維ほど小さくなることがあるため、場合によっては構造剛性が低下してしまう可能性がある。また、基材の積層数を増やす方法は、構造の重量増加や成形性の悪化につながり、これらの方法では織物基材の特性を有効に活用できていない。
また、繊維強化複合材料用織物に関する従来技術としては、ＦＲＰ内部に金属線を配置することで発生する歪みを検出する方法（特許文献１参照）や、炭素繊維と熱可塑性繊維をマトリックス形状に配置して、成形性を改善する方法が提案されている（特許文献２参照）が、織物基材の強度特性を改善する方法は確立されていない。
【特許文献１】特開Ｈ１１−３０２９３６
【特許文献２】特開２００６−２５７５７３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって本発明の目的は、上述の課題を解決し、ＦＲＰに成形した際に、弾性特性を大幅に変えることなく、少ない積層数でも高い強度特性を発現できる繊維強化複合材料用織物を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者は、従来の繊維強化複合材料用織物では、ＦＲＰに成形した際に、弾性特性を大幅に変えることなく、少ない積層数でも高い強度特性を発現することが、容易ではない原因を検討したところ、これらの織物においては、経糸と緯糸の強化繊維束は必ず交錯部分でうねり（crimp）を有することから、織物を用いたＦＲＰでは、かかる部分から破壊が発生する確率が高くなるのではないかとの仮説の下、経糸と緯糸の強化繊維束の交錯部分のうねり（crimp）部分の破壊の開始を抑制する手段を鋭意検討した結果、本発明に想到した。すなわち、
（１）連続繊維からなる強化繊維束を配列した繊維強化複合材料用織物であって、該強化繊維束が、引張強度が異なる複数の繊維から構成され、該強化繊維束の両端部の繊維は中央部の繊維より引張強度が大きいことを特徴とする繊維強化複合材料用織物。
（２）前記繊維強化複合材料用織物を形成する強化繊維束が引張強度の異なる２種類の繊維束から構成され、該強化繊維束が、引張強度が相対的に小さい繊維からなる第１の繊維束の両側に、引張強度が相対的に大きい第２の繊維束が配置されている（１）に記載の繊維強化複合材料用織物。
（３）前記強化繊維束が第１の繊維束に対し、第２の繊維束が略対称に配置されている（２）に記載の繊維強化複合材料用織物。
（４）第２の繊維束が前記強化繊維束の幅方向両端からそれぞれ強化繊維束幅の１０％以下の範囲に配置されている（２）または（３）に記載の繊維強化複合材料用織物。
（５）織組織が平織、綾織、朱子織のいずれかである（１）〜（４）のいずれかに記載の繊維強化複合材料用織物。
【発明の効果】
【０００６】
本発明に関わる繊維強化複合材料用織物によれば、織物を構成する連続繊維からなる強化繊維束が、引張強度の異なる複数の繊維から構成され、該強化繊維束の幅方向両端部に中央部の繊維より引張強度が大きい繊維を配置することで、織物基材の積層数を増やすことなく、少ない基材量で高い強度特性を発現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の繊維強化複合材料用織物は、連続繊維からなる強化繊維束を配列した繊維強化複合材料用織物である。本発明において、繊維強化複合材料用織物とは、連続繊維からなる強化繊維束を経糸と緯糸と両方に用い、強化繊維束同士の交錯部を有するものをいう。本発明においては、前記強化繊維束が、引張強度が異なる複数の繊維から構成され、前記強化繊維束の両端部の繊維は中央部の繊維より引張強度が大きいことが必要である。かかる構成を有する強化繊維束を繊維強化複合材料用織物に適用することにより、経糸の強化繊維束と緯糸の強化繊維束の交錯部でのうねり（crimp）部分において、強化繊維束中の繊維破断が生じにくくなることを見出し、本発明に至ったものである。
【０００８】
このように、繊維強化複合材料用織物において、これを構成する強化繊維束が引張強度の異なる複数の繊維から構成され、前記強化繊維束の両端部の繊維を中央部の繊維より引張強度を大きくすることにより、変形時の破壊開始を抑制できることから、織物基材の積層数を増やすことなく、少ない基材量で高い強度特性を発現できることを見出したものである。かかる強度発現機構は、有限要素法による数値シミュレーションによっても裏付けられることを確認した。すなわち、有限要素法による数値シミュレーション結果によれば、織物基材が変形した場合、強化繊維束には図７に示すような応力分布が生じ、特に引張力が作用する強化繊維束のうねり部分には強化繊維束の両端に引張応力が集中する。従って、織物を用いたＦＲＰの引張破壊は強化繊維束の両端部分から発生する確率が高くなる。従って、両端部の繊維が中央部の繊維より引張強度が大きい強化繊維束を用いることにより上述の効果が得られるのである。
【０００９】
以下、本発明に係る繊維強化複合材料用織物について、図面を参照しながら詳述する。
【００１０】
図１は本発明の一実施様態に係る繊維強化複合材料用織物を用いたＦＲＰの部分構造１を表しており、ＦＲＰ１は繊維強化複合材料用織物２と樹脂３によって構成されている。
【００１１】
図２は、繊維強化複合材料用織物２を抜き出して表したものであり、該織物２は経糸の強化繊維束４と緯糸の強化繊維束５によって構成されて、各々の強化繊維束は図３あるいは図４に示すような断面を有している。本発明における繊維強化複合材料用織物において、経糸の強化繊維束４あるいは緯糸の強化繊維束５は引張強度の異なる繊維からなる複数の部分から構成される。経糸の強化繊維束４、緯糸の強化繊維束５の幅方向両端部には中央部の繊維より引張強度の大きい繊維が配置される。かかる構成の強化繊維束とすることにより、強化繊維束に引張力が作用した場合に経糸と緯糸の強化繊維束が交錯するうねり部分の強化繊維束の両端に集中する引張応力に対して、両端部からの繊維破断を抑制しＦＲＰの強度特性を向上することが可能となる。かかる引張強度の異なる繊維からなる複数の部分から構成される強化繊維束を得る具体的な方法としては、経糸の強化繊維束４あるいは緯糸の強化繊維束５を図３に示すように複数の繊維束（それぞれの繊維束は６〜８の各部分に配置される）によって構成し、まず始めに図中の６の部分にある繊維束を配置した後、その幅方向両端側の図中の７および８の部分に別の繊維束を順に配置していく。このとき、図中の８の部分の繊維束を中央部（６の部分）に配置される繊維束よりも引張強度の大きい繊維束によって構成する。このような方法によって、引張強度が異なる複数の繊維から構成され、両端部の繊維は中央部の繊維より引張強度が大きい強化繊維束を構成することが可能となる。なお図中の７の部分に配置される繊維束のように強化繊維束の中央部と両端部の中間に配置される繊維束については、引張強度が中央部（６の部分）に配置される繊維束よりも大きく、両端部（８の部分）に配置される繊維束よりも小さくなることが望ましい。
【００１２】
本発明における繊維束とは個々の繊維をほぼ同一方向に引き揃えて束とした繊維の集まりを意味する。また引張強度とは、例えば、ＪＩＳＲ ７６０１（炭素繊維試験法：１９８６年制定）やＪＩＳＲ ３４２０（ガラス繊維試験法：１９８９年制定）などに規定される方法によって計測することが可能である。
【００１３】
なお、強化繊維束を、引張強度の異なる２種類の繊維束から構成し、２種類の繊維束の配置方法を、図４のように繊維束の幅方向中央部に引張強度が相対的に小さい繊維からなる第１の繊維束を図中の６の部分に配置し、第１の繊維束よりも引張強度の大きい第２の繊維束を第１の繊維束の幅方向両端側（図中の７の部分）に配置することが好ましい。このような配置方法を取ることにより、２種類を超える繊維を配置する場合に比べ、織物基材の製造をより容易にすることが可能となる。
【００１４】
また、第２の繊維束は第１の繊維束に対して略対称に配置することが、織物の弾性や強度などの力学的な特性にバラツキを生じさせず均質となるため、ＦＲＰの強度設計をする上でもより好ましい。図４の例では、第１の繊維束と第２の繊維束の境界は直線形状となっているが、第２の繊維束が第１の繊維束に対して略対称な形状であれば、曲線形状や円弧形状の境界を取っても構わない。
【００１５】
本発明における繊維強化複合材料用織物は、さらに図中の７の部分に配置される第２の繊維束が強化繊維束の幅方向両端から繊維束幅の１０％以下の範囲に配置されていることが好ましい。経糸の強化繊維束と緯糸の強化繊維束の交差箇所のうねり部分への応力集中は強化繊維束の両端部に発生するため、両端から強化繊維束の幅の１０％程度の範囲に高強度繊維を配置することで、織物の強度特性を効率的に向上させることができるためである。また一般的に、引張強度の高い繊維は弾性率が小さくなる傾向があるため、第２の繊維束を構成する繊維の引張弾性率が第１の繊維束を構成する繊維に比べて低い場合、第２の繊維束の強化繊維束に占める体積が増えると、成形したＦＲＰの引張弾性率が大幅に低下してしまう可能性がある。従って、そのような場合に対しても、第２の繊維束を強化繊維束の両端から強化繊維束の幅の１０％以下の範囲に配置することで、織物の弾性率を大幅に落とすことなく強度特性を向上することが可能となる。
本発明における繊維強化複合材料用織物の強化繊維としては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維などの無機繊維や、米国デュポン（株）社製のポリアラミド繊維“ケブラー（登録商標）”、ポリエチレン繊維、ポリアミド繊維などの有機繊維からなる強化繊維を使用することが可能である。織物の糸の構成としては、炭素繊維のみといった単一の種類の繊維で構成する方法や、例えば第一の繊維束に炭素繊維を用い、第２の繊維束に第一の繊維束の炭素繊維よりも引張強度の大きいガラス繊維を用いるなど異種の繊維を組み合わせる方法などを取っても構わない。
本発明における織物としては、平織、綾織、朱子織であることが好ましい。これらの織組織以外でも三軸織物など、経糸および緯糸の強化繊維束が互いにうねり部を伴って交錯する織組織を有する織物であれば上述の効果が期待されるが、前述の３種類に比べて織組織が複雑となるため、織物の製造が困難となる。従って、基礎的な織組織である上述の三つの織組織に適用されることが好ましい。なお、図２の例では経糸の強化繊維束４と緯糸の強化繊維束５の両方に高強度繊維を配置する方法を取っているが、ＦＲＰ構造によっては経糸の強化繊維束４あるいは緯糸の強化繊維束５のどちらかのみに配置する方法を取っても構わない。
【実施例】
【００１６】
図２に示す繊維強化複合材料織物に関し、有限要素法を用いたシミュレーションにより、本発明の効果を確認した。
図２の繊維強化複合材料織物２は２種類の異なる引張強度を有する東レ（株）製炭素繊維（品番：Ｔ７００Ｓ、Ｍ４６Ｊ）により構成した。経糸の強化繊維束４と緯糸の強化繊維束５は共に、幅方向中央部（図中６の部分）の繊維束には相対的に引張強度の小さい繊維（Ｍ４６Ｊ：繊維引張強度４．２ＧＰａ）からなる繊維束を配置し、幅方向両端側（図中７の部分）の繊維束には相対的に引張強度の大きい繊維（Ｔ７００Ｓ：繊維引張強度４．９ＧＰａ）からなる繊維束を配置し構成した。
【００１７】
経糸の強化繊維束４および緯糸の強化繊維束５の幅は５ｍｍとし、相対的に引張強度の大きい繊維束の幅をそれぞれ強化繊維束の幅の１０％に相当する０．５ｍｍとした。
【００１８】
繊維強化複合材料織物２に対して、エポキシ樹脂（弾性率３．４ＧＰａ）によって、図１に示すようなＦＲＰ１を構成した。ＦＲＰの部分構造１の寸法は、１０．６×１０．６×３ｍｍとし、繊維束部のＦＲＰ全体の体積に占める比率は５３％とした。
【００１９】
ＦＲＰ１に対して、繊維強化複合材料用織物部２と樹脂部３を共にソリッド要素を用いて、図５に示すような有限要素モデルを作成した。さらに、ＵＧＳ社製ＦＥＭＡＰｗｉｔｈＮｘＮａｓｔｒａｎＶｅｒｓｉｏｎ９．２．０を用いて、経糸の強化繊維束４と同方向に０．５％の引張ひずみを加えた有限要素解析を実施した。
【００２０】
図６は、経糸強化繊維束４方向の各強化繊維束の応力分布を表している。繊維強化複合材料織物部に発生する最大引張応力は、図６の相対的に引張強度の小さい繊維が配置された強化繊維束上の１０で示される応力の最大値領域で１．６６ＧＰａであった。また、ＦＲＰの剛性である単位変形量に対する荷重は１．２９ｋＮ／ｍｍとなった。
［比較例］
実施例に対して、繊維強化複合材料織物２が全て相対的に引張強度が小さい繊維（Ｍ４６Ｊ）によって構成されたＦＲＰ１に対しても、実施例と同じ荷重条件下で有限要素解析を実施した。
【００２１】
その結果、図７に示すような応力分布が得られ、繊維強化複合材料織物部２に発生する経糸の強化繊維束４方向の最大応力は、強化繊維束上の１０で示される応力の最大値領域で１．８７ＧＰａとなり、実施例と比べて１３％応力が高くなる結果となった。また、ＦＲＰの剛性は、１．３３Ｎ／ｍｍとなり、実施例に比べ３％程度の差となった。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は本発明の一実施様態に係る強化繊維織物を用いたＦＲＰの部分構造を示す斜視図である。
【図２】図２は図１のＦＲＰを構成する繊維強化複合材料用織物を示す斜視図である。
【図３】図３は図２の繊維強化複合材料用織物の経糸あるいは緯糸を構成する一繊維束の断面の一例を模式的に示す図である。
【図４】図４は図２の繊維強化複合材料織物の一繊維束断面で、引張強度の異なる２種類の繊維より構成される場合の断面の一例を模式的に示す図である。
【図５】図５は図１のＦＲＰを表す有限要素モデルの一例である。
【図６】図６は本発明の実施例における繊維強化複合材料織物２の経糸の強化繊維束４方向の応力分布を表す図である。
【図７】図７は本発明の比較例における繊維強化複合材料織物２の経糸の強化繊維束４方向の応力分布を表す図である。
【符号の説明】
【００２３】
１：繊維強化複合材料（ＦＲＰ）の部分構造
２：繊維強化複合材料用織物
３：樹脂
４：経糸の強化繊維束
５：緯糸の強化繊維束
６：相対的に引張強度が小さい繊維が配置された部分
７：６よりも相対的に引張強度が大きい繊維が配置された部分
８：６，７よりも相対的に引張強度が大きい繊維が配置された部分
９：ＦＲＰ有限要素モデル
１０：繊維強化複合材料織物２に発生する応力の最大値領域
【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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