(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブレイダーにおけるマンドレルの軸線に対する組角度が±θ°の組糸と、該マンドレルの軸線に対する角度が０°の中央糸とを、前記組糸に対して前記中央糸を選択的に組み合わせて組物層として組織し、前記組物層を前記マンドレルのまわりに筒状に複数層積層することにより組成されるＦＲＰ組成物の積層構造において、
前記筒状に複数層積層される各組物層が、前記マンドレルの軸線に対する組角度が±θ°の組糸に対して前記中央糸を組織し、軸方向の弾性率が高い層構造に組織してなるＲ層と、マンドレルの軸線に対する組角度が±θ°の組糸によって組織し、軸方向の弾性率が低く、破断歪の大きい層構造に組織してなるＦ層とからなり、前記筒状に複数層積層される各組物層のうち、少なくとも一層のＦ層を前記Ｒ層の外側に積層状に設けてエネルギー吸収部材としたことを特徴とするＦＲＰ組成物の積層構造。
【請求項２】
前記弾性率を規定する要因が、前記組糸の組角度±θ°、前記中央糸の有無並びに前記組糸に対する前記中央糸の割合であることを特徴とする請求項１に記載のＦＲＰ組成物の積層構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、繊維強化プラスチック(fiber reinforced plastics：以下、ＦＲＰという）組成物の積層構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、ＦＲＰは、ガラス繊維、炭素繊維などの繊維素材を種々のプラスチックのマトリックスでかためて成形した複合材料であり、軽量で且つ強度が高いという特性を有するＦＲＰ組成物構造材として開発されており、多産業分野において利用されてきている。このＦＲＰ組成物にあって、例えば、組物層の積層構成による円筒状（パイプ状）の組物複合材を組成する場合、各組物層において組条件を設定することにより、様々な特性のプリフォームが得られる。すなわち、各組物層での組条件の組み合わせを調整することにより、より優れた最適な積層パターンの組物複合材を実現することができる。
【０００３】
従来のＦＲＰ組成物にあって、円筒状（パイプ状）の組物複合材の場合、例えば、この組物複合材によって構成された製品装置が、異物の衝突などの不測の事態に遭遇した場合に、破断し、場合によっては分離して飛散してしまい、製品装置の安全性の点において問題を有していた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、この発明では、各組物層での組条件の組み合わせを調整することによって実現する最適な積層パターンの組物複合材を供するものであって、特に、自動車などのエネルギー吸収部材、あるいは、異物の衝突などによる不測の事態に備品が完全破断してはいけないような装置構成部材としてのものであり、これらの用途に適合するように、組糸と中央糸とからなる組物層を複数層積層する公知の組成物の積層構造に対して、さらに衝撃時におけるエネルギー吸収特性の良好なＦＲＰ組成物の積層構造を提供しようとするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上記する目的を達成するにあたって、具体的には、ブレイダーにおけるマンドレルの軸線に対する組角度が±θ°の組糸と、該マンドレルの軸線に対する角度が０°の中央糸とを、前記組糸に対して前記中央糸を選択的に組み合わせて組物層として組織し、前記組物層を前記マンドレルのまわりに筒状に複数層積層することにより組成されるＦＲＰ組成物の積層構造において、
前記筒状に複数層積層される各組物層が、前記マンドレルの軸線に対する組角度が±θ°の組糸に対して前記中央糸を組織し、軸方向の弾性率が高い層構造に組織してなるＲ層と、マンドレルの軸線に対する組角度が±θ°の組糸によって組織し、軸方向の弾性率が低く、破断歪の大きい層構造に組織してなるＦ層とからなり、前記筒状に複数層積層される各組物層のうち、少なくとも一層のＦ層を前記Ｒ層の外側に積層状に設けてエネルギー吸収部材としたことを特徴とするＦＲＰ組成物の積層構造を構成するものである。
【０００６】
さらに、この発明では、弾性率を規定する要因が、前記組糸の組角度±θ°、前記中央糸の有無並びに前記組糸に対する前記中央糸の割合によるＦＲＰ組成物の積層構造を構成するものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明になるＦＲＰ組成物の積層構造について、図面に示す具体的な実施例にもとづいて詳細に説明する。図１は、この発明になるＦＲＰ組成物の積層構造についての基本的構成を示す概略的な斜視図であり、図５は、この発明になるＦＲＰ組成物の積層構造を組成するためのブレイダーの基本構成の一例を示す概略的な正面図であり、図６は、図５に示したブレイダーの概略的な側断面図である。
【００１０】
まず、図５にもとづき、ブレイダーの一構成例について説明する。図５および図６において、ブレイダーＢＲは、ブレイダー本体Ｂｂとマンドレル装置Ｂｍから構成されている。
【００１１】
ブレイダーＢＲにおけるブレイダー本体Ｂｂは、軸線が水平で一側に開口ｅを有するほぼ円筒状の機台Ｆｂ内に配置された曲率半径Ｒの曲面状の上板Ｕと、上板Ｕの周方向に穿設された軌道に沿って走行するボビンキャリアーＣと、ボビンキャリアーＣを軌道に沿って走行させるための駆動装置Ｄと、糸条案内装置Ｇを有している。
【００１２】
そして、ボビンキャリアーＣに載置されたボビンからボビンの軸線方向に引き出される糸条Ｙが上板Ｕのほぼ中心に集合し、また、マンドレル装置Ｂｍに取り付けられたマンドレルｍの位置は、マンドレルｍ上に形成される組物の組み上げ点Ｐが上板Ｕの中心に位置するようになっている。マンドレル装置Ｂｍは、マンドレルｍを一次元、二次元あるいは三次元的に位置制御することができる。
【００１３】
こうして、ボビンキャリアーＣが駆動装置Ｄによって軌道に沿って走行させられるとともに、マンドレルｍの位置がマンドレル装置Ｂｍによって制御され、その結果、多数の糸条Ｙが交錯し、また、必要に応じて、機台ＦｂのフレームＦｂ’にほぼ水平に配置されたボビンキャリアーＣから中糸用糸条ｙが、軌道に沿って走行するボビンキャリアーＣから巻き戻され組み上げられる糸条Ｙに交絡することにより、ブレイディングが行われて種々の形状のマンドレルｍ上に組物層が組み上げられる。この発明によれば、前記組物層を積層状に複数層形成してしあげられるものである。
【００１４】
次いで、この発明になるＦＲＰ組成物の積層構造について、図１に示す基本的な構成例にもとづいて詳細に説明する。図１に示すＦＲＰ組成物の積層構造体１は、この発明の基本構成を特徴付けるべく、円筒状（パイプ状）組成体を、内側の組物層２と外側の組物層３とによって組成した典型例を示すものであって、本来は、当該組物層を複数層、例えば、４層ないしは６層を積層状に組織して組成されるものである。
【００１５】
図１に示す例において、前記内側の組物層２は、軸線に対する組角度が±θ°の組糸４、４と、軸線に対する角度が０°の中央糸５によって組織されるものであり、軸方向の弾性率が高い層構造でなるＲ層を形成するものである。一方、前記外側の組物層３は、軸線に対する組角度が±θ°の組糸６、６のみによって組織されるもので、軸線に対する角度が０°の中央糸を有しておらず、軸方向の弾性率が低く、破断歪の大きい層構造でなるＦ層を形成するものである。
【００１６】
この発明になるＦＲＰ組成物の積層構造体１において、軸方向の弾性率を規定する要因は、前記組糸の組角度±θ°、前記中央糸の有無並びに前記組糸に対する前記中央糸の割合の選択的な組み合わせによって得られる。例えば、当該ＦＲＰ組成物の積層構造体１における各組物層の軸方向弾性率は、前記組糸の組角度±θ°の設定によって調整されるものであり、組糸の組角度±θ°が小さい場合には高く、組糸の組角度±θ°が大きい場合には低い。また、当該ＦＲＰ組成物の積層構造体１における各組物層の軸方向弾性率は、前記組糸に対して前記中央糸を組み込むか否か、要するに、前記中央糸の有無によって調整されるものであり、前記組糸に対して中央糸を組み入れた場合には高く、前記中央糸を有しない場合には低い。さらにまた、当該ＦＲＰ組成物の積層構造体１における各組物層の軸方向弾性率は、前記組糸に対する前記中央糸の割合によって調整されるものであり、前記組糸に対する中央糸の割合が多い場合には高く、前記組糸に対する中央糸の割合が少ない場合には低い。
【００１７】
上記するこの発明の特徴にあって、当該ＦＲＰ組成物の積層構造体１の衝撃曲げ特性を検討するにあたって、図２に示す衝撃３点曲げ試験を行ない吸収エネルギーを算出し、組物の作製条件（組糸の組角度、積層構成）の影響について検討する。上記衝撃３点曲げ試験において、試験片１１は、円筒形状を形成するものからなり、繊維の配向方向は円筒の軸方向に対して±θ°の組角度をもって組織される組糸と、軸方向に対して０°の角度をもって組織される中央糸との３軸構成のものである（組糸だけを用いた２軸構成の組物も作製されている）。必要な厚さ寸法ｔの積層構造体を得るには、組物層の上にさらに組物層を作製し、所望の厚さ寸法になるまでこれを繰り返し、積層状に複数層形成することによって得ることができる。
【００１８】
この試験のために、当該ＦＲＰ組成物の積層構造体１を強化形態とした５種類の試験片として、下記する表１に示す実例タイプ〔Ｎ６０〕、〔Ｎ４５〕、〔Ｎ３０〕、〔Ｎ４５Ａ〕、〔Ｎ４５Ｂ〕を作製して試験した。
【００１９】
【表１】
0003731642.tif 000002
【００２０】
上記表１に５種類の実例タイプになる試験片の積層構造体、並びにその寸法を示す。当該試験片は、５層あるいは４層の組物層によって構成されている。組物層を構成する素材については、カーボン繊維（トレカＴ−３００、東レ製）に予めエポキシ樹脂を含浸したものからなっており、組成後、硬化処理を施したものである。
【００２１】
試験片〔Ｎ６０〕、〔Ｎ４５〕、〔Ｎ３０〕は、それぞれ主に軸線に対する組角度６０°、４５°、３０°の組糸、並びに、軸線に対する角度０°の中央糸を有する３軸構造の組物で構成してある。一方、試験片〔Ｎ４５Ａ〕、〔Ｎ４５Ｂ〕は、それぞれ軸線に対する組角度４５°の組糸に対し、軸線に対する角度０°の中央糸を有する３軸構造の組物と、軸線に対する組角度４５°の組糸に対し、中央糸を有していない２軸構造の組物とを組み合わせて構成してあり、その積層順序を変えたものからなっている。
【００２２】
試験片〔Ｎ４５Ａ〕と試験片〔Ｎ４５Ｂ〕には、試験片〔Ｎ４５〕に関して、中央糸の繊維量を揃えるため、２倍のフィラメント数の繊維束を用いてある。各試験片の形状および寸法は、円筒形状であり、内径が２１ｍｍ、外径Ｄが２４．５ｍｍ、積層厚さ寸法ｔが１．５ｍｍ、軸方向長さ寸法が４８０ｍｍに組成したものを用いた。
【００２３】
上記する各試験片を、図２に示す衝撃３点曲げ試験により衝撃荷重を試験片に与えた。この衝撃３点曲げ試験によれば、支点間距離Ｌ＝２００ｍｍであり、支持台１２、１２および圧子１３の先端形状は共に１１Ｒの球面を有するものとした。試験速度は、５ｍ／ｓｅｃ．である。
【００２４】
この衝撃３点曲げ試験において、前記圧子１３に取り付けられたロードセルより測定された荷重と変位より吸収エネルギー値を算出した。また、静的荷重条件下で曲げ弾性率の測定も行なった。各試験片における曲げ弾性率（ＧＰａ）は、上記表１に示してある。
【００２５】
図３は、試験片〔Ｎ４５〕、〔Ｎ４５Ａ〕、〔Ｎ４５Ｂ〕の衝撃３点曲げ試験での荷重−変位特性曲線図である。この図３から明らかなように、どの試験片も最大荷重に至るまでは同様の挙動を示し、線形的に荷重が上昇し小さな荷重低下を繰り返しながら最大荷重を示した。最大荷重を示した後、試験片〔Ｎ４５〕では、急激に荷重が低下して最終破断に至った。それに対し試験片〔Ｎ４５Ａ〕にあっては、急激に荷重低下の後、再び荷重が上昇し、さらに約１５ｍｍの変位の間に、約１０００Ｎ荷重を保持して最終破断に至った。さらにまた、試験片〔Ｎ４５Ｂ〕では、大きな荷重低下の後、荷重の再上昇により約７ｍｍ変位して、その後、最終破断に至った。この急激な荷重低下後の荷重の再上昇が組物複合材の脆性的な破壊進展を抑えていることが判明した。
【００２６】
図４に各試験片の吸収エネルギーを示す。試験片〔Ｎ６０〕、〔Ｎ４５〕、〔Ｎ３０〕の吸収エネルギーを比較すると、組糸の組角度±θ°が小さくなるにしたがい、吸収エネルギーは増大し、試験片〔Ｎ３０〕が最も高い値を示した。これは、静的試験による曲げ弾性率の傾向と同じである。
【００２７】
一方、試験片〔Ｎ４５〕、〔Ｎ４５Ａ〕、〔Ｎ４５Ｂ〕の吸収エネルギーを比較すると、試験片〔Ｎ４５Ａ〕が最も大きい値を示し、試験片〔Ｎ４５〕に比べ約４０％の向上を示した。試験片〔Ｎ４５Ｂ〕では、試験片〔Ｎ４５〕の約１０％の向上であった。試験片〔Ｎ４５〕、〔Ｎ４５Ａ〕、〔Ｎ４５Ｂ〕は、静的試験での曲げ弾性率がほぼ同じ値を示しており、弾性率とは異なる傾向を示した。積層構成が組物複合材の吸収エネルギーの向上に大きく寄与していることが判明した。
【００２８】
以上のことから、当該ＦＲＰ組成物の積層構造体１の衝撃３点曲げ荷重下での衝撃特性は、組糸の組角度±θ°を小さくすることにより向上させることができる。また、積層構造を変化させることにより円筒状の組物複合材の脆性的な破壊進展を抑え、衝撃特性を向上させることができる。円筒状の組物複合材は、最適な組物構造を設計することで安全性の高いＦＲＰ組成物の積層構造体として提供することができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上の構成になるこの発明のＦＲＰ組成物の積層構造によれば、軸線に対する組角度が±θ°の組糸と、軸線に対する角度が０°の中央糸との選択的組み合わせにより組物層として組織され、前記組物層を複数層積層することにより形成されるＦＲＰ組成物の積層構造にあって、この組物層の各層を、軸方向の弾性率が高い層構造でなるＲ層と、軸方向の弾性率が低く、破断歪の大きい層構造でなるＦ層とにより形成し、少なくとも前記Ｆ層を、Ｒ層の外側に位置するように積層状に複数層組み合わせたことにより、衝撃時におけるエネルギー吸収特性の良好なＦＲＰ組成物の積層構造を提供することができ、特に、自動車などのエネルギー吸収部材、あるいは、異物の衝突などによる不測の事態に備品が完全破断してはいけないような装置構成部材として極めて有効に作用するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、この発明になるＦＲＰ組成物の積層構造についての基本的構成を示す概略的な斜視図である。
【図２】図２は、この発明になるＦＲＰ組成物の積層構造に関して、当該積層構造体を試験片として衝撃荷重を与える衝撃３点曲げ試験の態様を概略的に示す試験装置の正面図である。
【図３】図３は、３つの実例タイプになる積層構造体〔Ｎ４５〕、〔Ｎ４５Ａ〕、〔Ｎ４５Ｂ〕について、衝撃３点曲げ試験による荷重（Ｎ）と変位（ｍｍ）の関係を示す出力データーグラフである。
【図４】図４は、５つの実例タイプになる積層構造体〔Ｎ６０〕、〔Ｎ４５〕、〔Ｎ３０〕、〔Ｎ４５Ａ〕、〔Ｎ４５Ｂ〕について、衝撃３点曲げ試験により判明した吸収エネルギー（Ｊ）を比較する棒グラフである。
【図５】図５は、この発明になるＦＲＰ組成物の積層構造を組成するためのブレイダーの基本構成の一例を示す概略的な正面図である。
【図６】図６は、図５に示したブレイダーの概略的な側断面図である。
【符号の説明】
１  ＦＲＰ組成物の積層構造体
２  内側の組物層
３  外側の組物層
４、４  軸線に対する組角度が±θ°の組糸
５  軸線に対する角度が０°の中央糸
６、６  外側の組物層の組糸
１１  試験片
１２、１２  支持台
１３  圧子
【図１】
0003731642.tif 000003
【図２】
0003731642.tif 000004
【図３】
0003731642.tif 000005
【図４】
0003731642.tif 000006
【図５】
0003731642.tif 000007
【図６】
0003731642.tif 000008