特開 2022-98319 繊維構造体、及び繊維強化複合材

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022098319

(43)【公開日】2022-07-01

(54)【発明の名称】繊維構造体、及び繊維強化複合材

(51)【国際特許分類】

   B32B 5/26 20060101AFI20220624BHJP

   D03D 1/00 20060101ALI20220624BHJP

   D03D 11/00 20060101ALI20220624BHJP

   B29B 15/08 20060101ALI20220624BHJP

   B29K 105/06 20060101ALN20220624BHJP

【ＦＩ】

B32B5/26

D03D1/00 A

D03D11/00 Z

B29B15/08

B29K105:06

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020211797

(22)【出願日】2020-12-21

(71)【出願人】

【識別番号】000003218

【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機

(74)【代理人】

【識別番号】100105957

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100068755

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 博宣

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 祐

【テーマコード（参考）】

4F072

4F100

4L048

【Ｆターム（参考）】

4F072AA02

4F072AA04

4F072AA07

4F072AA08

4F072AB10

4F072AB22

4F072AB24

4F072AB28

4F072AB33

4F072AD02

4F072AD23

4F072AG03

4F072AH31

4F100AD11

4F100AK01

4F100BA02

4F100DG01A

4F100DG01B

4F100DH02

4F100EC08

4F100EJ82

4F100JB16

4L048AA05

4L048BA09

4L048DA41

(57)【要約】

【課題】変形を抑制すること。
【解決手段】層間結合部材４０が、非連続繊維である強化繊維４１と、強化繊維４１よりも靭性の高い高靭性部４２と、を有しているため、例えば、層間結合部材４０が連続繊維である複数の強化繊維から形成されている場合に比べて、層間結合部材４０の靭性が向上する。したがって、例えば、経糸層２０が、積層方向Ｚで隣り合う緯糸層３０に対して、積層方向Ｚで離間するように繊維構造体１１が変形しようとしても、層間結合部材４０が破断し難い。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

マトリックス樹脂を含浸させることにより繊維強化複合材を構成する繊維構造体において、
前記繊維構造体は、
互いに積層された複数の繊維層と、
前記複数の繊維層を前記複数の繊維層の積層方向で結合する層間結合部材と、を有し、
前記層間結合部材は、
非連続繊維である複数の強化繊維と、
前記強化繊維又は前記マトリックス樹脂よりも靭性が高い高靭性部と、を有している繊維構造体。

【請求項2】

前記層間結合部材は、前記複数の強化繊維に対して、前記高靭性部を形成する高靭性材料を含浸させることにより構成されている請求項１に記載の繊維構造体。

【請求項3】

前記高靭性部は、繊維状である請求項１に記載の繊維構造体。

【請求項4】

前記層間結合部材は、前記複数の繊維層を前記積層方向に貫通し、前記複数の繊維層のうち、前記積層方向の両端にそれぞれ位置する繊維層の外面の外側を通過しながら、前記複数の繊維層のうち、前記積層方向の両端にそれぞれ位置する繊維層に係合されることにより、前記複数の繊維層を前記積層方向で結合する結合糸である請求項１～請求項３のいずれか一項に記載の繊維構造体。

【請求項5】

請求項１～請求項４のいずれか一項に記載の繊維構造体に対して、マトリックス樹脂を含浸させることにより構成される繊維強化複合材。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、繊維構造体、及び繊維強化複合材に関する。

【背景技術】

【0002】

軽量、高強度の材料として使用される繊維強化複合材は、互いに積層された複数の繊維層を有する繊維構造体に対して、マトリックス樹脂を含浸させることによって構成される。図７に示すように、繊維構造体１００は、複数の繊維層１０１を複数の繊維層１０１の積層方向で結合する層間結合部材１０２を有する場合がある。例えば特許文献１のように、層間結合部材１０２は、連続繊維である複数の強化繊維により形成されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１７－１０６１２８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

例えば、繊維構造体１００に力が加わって、複数の繊維層１０１の積層方向で隣り合う繊維層１０１の一方が、複数の繊維層１０１の積層方向で隣り合う繊維層１０１の他方に対して、複数の繊維層１０１の積層方向で離間するように繊維構造体１００が変形しようとする場合がある。このとき、連続繊維である複数の強化繊維により形成されている層間結合部材１０２は、大きな変化を許容することが困難であるため、層間結合部材１０２が破断する虞がある。そして、層間結合部材１０２が破断してしまうと、複数の繊維層１０１の積層方向で隣り合う繊維層１０１の一方が、複数の繊維層１０１の積層方向で隣り合う繊維層１０１の他方に対して、複数の繊維層１０１の積層方向で離間するように繊維構造体１００が変形してしまう。

【課題を解決するための手段】

【0005】

上記課題を解決するための繊維構造体は、マトリックス樹脂を含浸させることにより繊維強化複合材を構成する繊維構造体において、前記繊維構造体は、互いに積層された複数の繊維層と、前記複数の繊維層を前記複数の繊維層の積層方向で結合する層間結合部材と、を有し、前記層間結合部材は、非連続繊維である複数の強化繊維と、前記強化繊維又はマトリックス樹脂よりも靭性が高い高靭性部と、を有している。

【0006】

これによれば、層間結合部材が、非連続繊維である強化繊維と、強化繊維又はマトリックス樹脂よりも靭性が高い高靭性部と、を有しているため、例えば、層間結合部材が連続繊維である複数の強化繊維から形成されている場合に比べて、層間結合部材の靭性を向上させることができる。したがって、例えば、複数の繊維層の積層方向で隣り合う繊維層の一方が、複数の繊維層の積層方向で隣り合う繊維層の他方に対して、複数の繊維層の積層方向で離間するように繊維構造体が変形しようとしても、層間結合部材が破断し難い。その結果、繊維構造体の変形を抑制することができる。

【0007】

上記繊維構造体において、前記層間結合部材は、前記複数の強化繊維に対して、前記高靭性部を形成する高靭性材料を含浸させることにより構成されているとよい。
これによれば、例えば、高靭性部が繊維状である場合に比べて、層間結合部材全体の靭性を高くすることができる。したがって、繊維構造体の変形を抑制し易くすることができる。

【0008】

上記繊維構造体において、前記高靭性部は、繊維状であるとよい。
これによれば、層間結合部材を形成する際に、複数の強化繊維に対して、高靭性部を形成する高靭性材料を含浸させる必要が無い。したがって、高靭性部を形成する高靭性材料として、複数の強化繊維に対して含浸させることができない材料を使用することができるため、高靭性材料の選択の幅を広げることができる。

【0009】

上記繊維構造体において、前記層間結合部材は、前記複数の繊維層を前記積層方向に貫通し、前記複数の繊維層のうち、前記積層方向の両端にそれぞれ位置する繊維層の外面の外側を通過しながら、前記複数の繊維層のうち、前記積層方向の両端にそれぞれ位置する繊維層に係合されることにより、前記複数の繊維層を前記積層方向で結合する結合糸であるとよい。

【0010】

これによれば、層間結合部材が、複数の繊維層のうち、複数の繊維層の積層方向の両端にそれぞれ位置する繊維層の外面の外側を通過しながら、複数の繊維層のうち、複数の繊維層の積層方向の両端にそれぞれ位置する繊維層に係合されているため、複数の繊維層同士の層間をより強く結合することができる。

【0011】

上記課題を解決するための繊維強化複合材は、請求項１～請求項４のいずれか一項に記載の繊維構造体に対して、マトリックス樹脂を含浸させることにより構成される。

【発明の効果】

【0012】

この発明によれば、変形を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】実施形態における繊維強化複合材を模式的に示す斜視図。

【図2】繊維構造体を模式的に示す断面図。

【図3】層間結合部材を示す模式図。

【図4】図３における４－４線断面図。

【図5】繊維構造体に力が加わった状態を模式的に示す断面図。

【図6】別の実施形態における層間結合部材を示す模式図。

【図7】従来例における繊維構造体に力が加わった状態を模式的に示す断面図。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、繊維構造体、及び繊維強化複合材を具体化した一実施形態を図１～図５にしたがって説明する。
図１及び図２に示すように、繊維強化複合材１０は、繊維構造体１１に対して、マトリックス樹脂Ｍａを含浸させることにより構成されている。なお、マトリックス樹脂Ｍａとしては、例えば、熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂が使用される。繊維構造体１１は、複数の繊維層としての複数の経糸層２０及び複数の緯糸層３０を有している。繊維構造体１１は、複数の経糸層２０及び複数の緯糸層３０が互いに積層されることにより形成されている。複数の経糸層２０及び複数の緯糸層３０の積層方向Ｚにおいて、複数の経糸層２０及び複数の緯糸層３０は、それぞれ交互に１つずつ積層されている。なお、以下の説明において、複数の経糸層２０及び複数の緯糸層３０の積層方向Ｚを、単に「積層方向Ｚ」と記載することもある。本実施形態の繊維構造体１１では、積層方向Ｚの両端にそれぞれ緯糸層３０が位置している。したがって、本実施形態の繊維構造体１１において、複数の経糸層２０及び複数の緯糸層３０のうち、積層方向Ｚの両端にそれぞれ位置する繊維層は、緯糸層３０である。

【0015】

図２に示すように、複数の経糸層２０は、第１方向Ｘに延びる経糸２１が第１方向Ｘに対して直交する方向である第２方向Ｙに複数配列されることにより形成されている。複数の緯糸層３０は、第２方向Ｙに延びる緯糸３１が第１方向Ｘに複数配列されることにより形成されている。また、詳細な図示は省略するが、経糸２１及び緯糸３１は、連続繊維である強化繊維から形成されている。なお、積層方向Ｚは、第１方向Ｘに対して直交し、且つ第２方向Ｙに対しても直交する方向である。

【0016】

繊維構造体１１は、複数の層間結合部材４０を有している。各層間結合部材４０は、複数の経糸層２０及び複数の緯糸層３０を積層方向Ｚで結合している。複数の層間結合部材４０は、第２方向Ｙに配列されている。各層間結合部材４０は、複数の経糸層２０及び複数の緯糸層３０を積層方向Ｚに貫通し、積層方向Ｚの両端にそれぞれ位置する緯糸層３０の一方の外面の外側を通過しながら、積層方向Ｚの両端にそれぞれ位置する緯糸層３０の一方の緯糸３１に係合される。その後、各層間結合部材４０は、第１方向Ｘで隣り合う緯糸３１同士の間、及び第２方向Ｙで隣り合う経糸２１同士の間を通過しながら、積層方向Ｚの両端にそれぞれ位置する緯糸層３０の他方に向かって延びる。そして、積層方向Ｚの両端にそれぞれ位置する緯糸層３０の他方の外面の外側を通過しながら、積層方向Ｚの両端にそれぞれ位置する緯糸層３０の他方の緯糸３１に係合される。さらに、各層間結合部材４０は、第１方向Ｘで隣り合う緯糸３１同士の間、及び第２方向Ｙで隣り合う経糸２１同士の間を通過しながら、積層方向Ｚの両端にそれぞれ位置する緯糸層３０の一方に向かって延びる。そして、積層方向Ｚの両端にそれぞれ位置する緯糸層３０の一方の緯糸３１の外面の外側を通過しながら、積層方向Ｚの両端にそれぞれ位置する緯糸層３０の一方の緯糸３１に係合される。これが繰り返し行われる。このように、各層間結合部材４０は、複数の経糸層２０及び複数の緯糸層３０のうち、積層方向Ｚの両端にそれぞれ位置する緯糸層３０の外面の外側を通過しながら、複数の経糸層２０及び複数の緯糸層３０のうち、積層方向Ｚの両端にそれぞれ位置する緯糸層３０に係合されることにより、複数の経糸層２０及び複数の緯糸層３０を積層方向Ｚで結合する結合糸である。本実施形態の繊維構造体１１は、多層織によって製造された多層織物である。

【0017】

図３及び図４に示すように、層間結合部材４０は、非連続繊維である複数の強化繊維４１と、強化繊維４１よりも靭性が高い高靭性部４２と、を有している。強化繊維４１は、炭素繊維である。層間結合部材４０は、複数の強化繊維４１に対して、高靭性部４２を形成する高靭性材料４３を含浸させることにより構成されている。高靭性材料４３は、例えば、熱可塑性樹脂である。熱可塑性樹脂は、例えば、ナイロンである。高靭性材料４３は、複数の強化繊維４１に対して含浸硬化することにより、高靭性部４２として、複数の強化繊維４１に接着されている。

【0018】

次に、本実施形態の作用について説明する。
図５に示すように、繊維構造体１１に力が加わって、例えば、経糸層２０が、積層方向Ｚで隣り合う緯糸層３０に対して、積層方向Ｚで離間するように繊維構造体１１が変形しようとする場合がある。このとき、各層間結合部材４０は、非連続繊維である強化繊維４１と、強化繊維よりも靭性が高い高靭性部４２と、を有している。このため、繊維構造体１１に力が加わって、例えば、経糸層２０が、積層方向Ｚで隣り合う緯糸層３０に対して、積層方向Ｚで離間するように繊維構造体１１が変形しようとしても、各層間結合部材４０が、繊維構造体１１の変形に追従して伸び易く、各層間結合部材４０が破断し難い。その結果、繊維構造体１１の変形が抑制される。

【0019】

上記実施形態では以下の効果を得ることができる。
（１）層間結合部材４０が、非連続繊維である強化繊維４１と、強化繊維４１よりも靭性が高い高靭性部４２と、を有しているため、例えば、層間結合部材４０が連続繊維である複数の強化繊維から形成されている場合に比べて、層間結合部材４０の靭性を向上させることができる。したがって、例えば、経糸層２０が、積層方向Ｚで隣り合う緯糸層３０に対して、積層方向Ｚで離間するように繊維構造体１１が変形しようとしても、層間結合部材４０が破断し難い。その結果、繊維構造体１１の変形を抑制することができる。

【0020】

（２）層間結合部材４０は、複数の強化繊維４１に対して、高靭性部４２を形成する高靭性材料４３を含浸させることにより構成されている。これによれば、例えば、高靭性部４２が繊維状である場合に比べて、層間結合部材４０全体の靭性を高くすることができる。したがって、繊維構造体１１の変形を抑制し易くすることができる。

【0021】

（３）層間結合部材４０は、積層方向Ｚの両端にそれぞれ位置する緯糸層３０の外面の外側を通過しながら、最外層に位置する一方の緯糸層３０及び最外層に位置する他方の緯糸層３０に係合されているため、複数の経糸層２０及び複数の緯糸層３０同士の層間をより強く結合することができる。

【0022】

（４）各層間結合部材４０は、複数の経糸層２０及び複数の緯糸層３０のうち、積層方向Ｚの両端にそれぞれ位置する緯糸層３０の外面の外側を通過しながら、複数の経糸層２０及び複数の緯糸層３０のうち、積層方向Ｚの両端にそれぞれ位置する緯糸層３０に係合される。このようにすることにより、各層間結合部材４０は、複数の経糸層２０及び複数の緯糸層３０を積層方向Ｚで結合する。このような層間結合部材４０は、繊維構造体１１が、多層織によって製造された多層織物である場合、例えば、複数の経糸層２０及び複数の緯糸層３０を織り込む工程と、層間結合部材４０によって複数の経糸層２０及び複数の緯糸層３０を積層方向Ｚで結合する工程と、を同時に行うことができる。したがって、生産性を向上させることができる。

【0023】

（５）層間結合部材４０が、非連続繊維である強化繊維４１と、強化繊維４１よりも靭性が高い高靭性部４２と、を有しているため、例えば、経糸層２０及び緯糸層３０が伸縮したとしても、経糸層２０及び緯糸層３０の伸縮に追従して、層間結合部材４０が伸縮する。その結果、繊維構造体１１が崩れ難くなる。

【0024】

なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施することができる。上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

【0025】

○ 図６に示すように、高靭性部４２Ａは、繊維状であってもよい。高靭性部４２Ａは、例えば、熱可塑性繊維である。また、層間結合部材４０は、複数の強化繊維４１と、複数の高靭性部４２Ａと、から形成される混紡糸である。なお、層間結合部材４０は、熱可塑性繊維に限られない。これによれば、層間結合部材４０を形成する際に、複数の強化繊維４１に対して、高靭性材料を含浸させる必要が無い。したがって、高靭性部４２Ａを形成する高靭性材料として、複数の強化繊維４１に対して含浸させることができない材料を使用することができるため、高靭性材料の選択の幅を広げることができる。

【0026】

○ 実施形態において、非連続繊維である強化繊維４１は、炭素繊維であったが、これに限らない。非連続繊維としては、有機繊維又は無機繊維を使用してもよいし、異なる種類の有機繊維、異なる種類の無機繊維、又は有機繊維と無機繊維を混繊した混繊繊維を使用してもよい。なお、有機繊維は、例えば、アクリル繊維、ナイロン繊維、ポリエステル繊維、アラミド繊維、ポリ－ｐ－フェニレンベンゾビスオキサゾール繊維、超高分子量ポリエチレン繊維等を使用してもよい。また、無機繊維は、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、セラミック繊維等を使用してもよい。

【0027】

○ 実施形態において、高靭性材料４３は、熱可塑性樹脂であったが、例えば、ゴム、金属、又はエラストマーであってもよい。要は、高靭性材料４３は、強化繊維４１よりも靭性が高く、強化繊維４１に対して含浸させることができる材料であればよい。

【0028】

○ 実施形態において、層間結合部材４０は、例えば、積層方向Ｚの一端側に位置する緯糸層３０の外面から積層方向Ｚの他端側に位置する緯糸層３０の外面まで貫通しながら延びるピン状であってもよい。

【0029】

○ 実施形態において、経糸２１及び緯糸３１は、連続繊維である強化繊維から形成されている構成であったが、経糸２１及び緯糸３１は、非連続繊維である強化繊維から形成されている構成であってもよい。

【0030】

○ 実施形態において、高靭性部４２は、強化繊維４１よりも靭性が高い構成であったが、これに限らない。例えば、高靭性部４２は、強化繊維４１よりも靭性が低く、マトリックス樹脂Ｍａよりも靭性が高いような構成であってもよい。要は、高靭性部４２は、強化繊維４１又はマトリックス樹脂Ｍａよりも靭性が高いような構成であればよい。

【0031】

○ 実施形態において、例えば、複数の経糸２１が一方向に配列された状態でマトリックス樹脂Ｍａが含浸されてなる一方向プリプレグシート材、及び複数の緯糸３１が一方向に配列された状態でマトリックス樹脂Ｍａが含浸されてなる一方向プリプレグシート材を互いに積層してもよい。そして、繊維構造体１１は、各一方向プリプレグシート材の間を層間結合部材４０によって結合することにより構成されていてもよい。

【0032】

○ 実施形態において、繊維構造体１１は、多層織によって製造された多層織物であったが、これに限らない。例えば、繊維構造体１１は、平織りや綾織りによって形成された単層織物を積層し、その積層体を層間結合部材４０で結合して構成されていてもよい。

【符号の説明】

【0033】

１０…繊維強化複合材、１１…繊維構造体、２０…繊維層としての経糸層、３０…繊維層としての緯糸層、４０…層間結合部材、４１…強化繊維、４２…高靭性部、４２Ａ…高靭性部、４３…高靭性材料、Ｍａ…マトリックス樹脂、Ｚ…積層方向。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】