特開 2024-135736 構造体およびその設計方法

(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】P2024135736

(43)【公開日】2024-10-04

(54)【発明の名称】構造体およびその設計方法

(51)【国際特許分類】

   B29C 70/10 20060101AFI20240927BHJP

   B29C 70/20 20060101ALI20240927BHJP

   B29C 70/34 20060101ALI20240927BHJP

【ＦＩ】

B29C70/10

B29C70/20

B29C70/34

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023046575

(22)【出願日】2023-03-23

(71)【出願人】

【識別番号】000005887

【氏名又は名称】三井化学株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002952

【氏名又は名称】弁理士法人鷲田国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】神田 喜彦

(72)【発明者】

【氏名】高見 泰浩

【テーマコード（参考）】

4F205

【Ｆターム（参考）】

4F205AA11

4F205AC03

4F205AD16

4F205AG03

4F205AG24

4F205HA14

4F205HA19

4F205HA34

4F205HA37

4F205HA45

4F205HB01

4F205HC02

4F205HF05

4F205HL15

4F205HM13

4F205HT26

(57)【要約】

【課題】ＵＤシートを積層し融着させた補強材が相手部材に締結された構造体であって、締結部材の数を増やしても相手部材への補強材の締結強度を高めることができないときに、相手部材への補強材の締結強度を高めることができる構造体を提供すること。
【解決手段】外力を受けて応力を発生する応力部材と、締結部材により前記応力部材に締結された補強材と、を有し、前記補強材は、一方向に配向した複数の強化繊維とマトリクス樹脂とを含む繊維強化樹脂が融着されてなる積層体であって、前記積層体は、外力を受けたときに前記応力部材の前記締結部材の位置に発生する応力の方向に対して、±６０°±１５°となる角度に前記強化繊維が配向した応力吸収層と、０°±１５°となる角度に前記強化繊維が配向した締結強化層と、を有する、構造体。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

外力を受けて応力を発生する応力部材と、
締結部材により前記応力部材に締結された補強材と、を有し、
前記補強材は、一方向に配向した複数の強化繊維とマトリクス樹脂とを含む繊維強化樹脂が融着されてなる積層体であって、
前記積層体は、外力を受けたときに前記応力部材の前記締結部材の位置に発生する応力の方向に対して、±６０°±１５°となる角度に前記強化繊維が配向した応力吸収層と、０°±１５°となる角度に前記強化繊維が配向した締結強化層と、を有する、
構造体。

【請求項2】

前記応力部材は、外力を受けたときに、エネルギー量が最も大きい第１応力が発生し、かつ前記締結部材の位置にエネルギー量が前記第１応力よりも小さい第２応力が発生し、
前記積層体は、前記第２応力の方向に対して±６０°±１５°となる角度に前記強化繊維が配向した応力吸収層と、０°±１５°となる角度に前記強化繊維が配向した締結強化層と、を有する、
請求項１に記載の構造体。

【請求項3】

前記応力部材は、外力を受けたときに、前記締結部材の位置に前記第１応力とは異なる方向への前記第２応力が発生する、
請求項２に記載の構造体。

【請求項4】

前記締結強化層は、前記補強材の最外層として配置された、
請求項１に記載の構造体。

【請求項5】

前記応力吸収層は、＋６０°±１５°に前記強化繊維が配向した層と、－６０°±１５°に前記強化繊維が配向した層とが積層方向に連続して配置された、
請求項１に記載の構造体。

【請求項6】

柱状の構造体であり、
前記締結部材は、前記柱状の側面に配置された、
請求項１に記載の構造体。

【請求項7】

頂面部、側面部およびフランジ部を有する断面ハット状の構造体であり、
前記締結部材は、前記側面部または前記フランジ部に配置された、
請求項１に記載の構造体。

【請求項8】

柱状の構造体であり、
前記締結部材は、前記柱状の長軸方向の端部に配置された、
請求項１に記載の構造体。

【請求項9】

自動車のピラーである、
請求項１～８のいずれか１項に記載の構造体。

【請求項10】

外力を受けて応力を発生する応力部材と、締結部材により前記応力部材に締結された補強材と、を有する構造体であって、前記補強材は、一方向に配向した複数の強化繊維とマトリクス樹脂とを含む繊維強化樹脂が融着されてなる積層体である構造体の、前記締結部材の位置に発生する応力の方向を解析する工程と、
前記積層体が、外力を受けたときに前記応力部材の前記締結部材の位置に発生する応力の方向に対して、±６０°±１５°となる角度に前記強化繊維が配向した応力吸収層を含むか否かを判定する工程と、
前記応力吸収層を含むと判定されたときに、前記積層体に、前記締結部材の位置に発生する応力の方向に対して、０°±１５°に前記強化繊維が配向した締結強化層を設けることを決定する工程と、
を有する、構造体の設計方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、構造体およびその設計方法に関する。

【背景技術】

【0002】

一方向に配向して配列された複数の強化繊維と、上記強化繊維に含浸された樹脂組成物（マトリクス樹脂）と、を含む薄膜状の繊維強化樹脂（以下、単に「Ｕｎｉ－Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ （ＵＤ）シート」ともいう。）が知られている。このＵＤシートは、金属よりも軽量であり、一方で機械的強度が高いため、複数枚を積層して互いに融着させ、補強される相手部材の表面に配置して、補強材として使用することなどが検討されている。上記相手部材の表面への配置は、締結により行われることがある（たとえば、特許文献１など）。
また、複数のＵＤシートを、強化繊維の配向方向を層ごとに変化させて積層し融着させることで、補強材の、複数の方向への強度を高めることができる（たとえば特許文献２など）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１６－１１４１３９号公報

【特許文献2】特開２０２２－１０３８１０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、ＵＤシートを積層し融着させた補強材により補強された部材（構造体）は、それ自体が移動体などの補強部材として使用されることがある。そして、本発明者らの知見によれば、このような補強部材では、外力を受けたときに補強材のうち相手部材との締結部位が破壊されやすいことがある、という問題があった。締結部材の数を増やして、締結部位における応力を締結部材の位置ごとに分散させようとしたところ、相手部材との締結領域における補強材の破壊を抑制できるときと抑制できないときとがあり、締結強度の向上が常に図れるわけではなかった。

【0005】

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、ＵＤシートを積層し融着させた補強材が相手部材に締結された構造体であって、締結部材の数を増やしても相手部材への補強材の締結強度を高めることができないときに、相手部材への補強材の締結強度を高めることができる構造体、およびこの構造体の設計方法を提供することを、その目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するための本発明の一態様は、下記［１］～［９］の構造体に関する。
［１］外力を受けて応力を発生する応力部材と、
締結部材により前記応力部材に締結された補強材と、を有し、
前記補強材は、一方向に配向した複数の強化繊維とマトリクス樹脂とを含む繊維強化樹脂が融着されてなる積層体であって、
前記積層体は、外力を受けたときに前記応力部材の前記締結部材の位置に発生する応力の方向に対して、±６０°±１５°となる角度に前記強化繊維が配向した応力吸収層と、０°±１５°となる角度に前記強化繊維が配向した締結強化層と、を有する、
構造体。
［２］前記応力部材は、外力を受けたときに、エネルギー量が最も大きい第１応力が発生し、かつ前記締結部材の位置にエネルギー量が前記第１応力よりも小さい第２応力が発生し、
前記積層体は、前記第２応力の方向に対して±６０°±１５°となる角度に前記強化繊維が配向した応力吸収層と、０°±１５°となる角度に前記強化繊維が配向した締結強化層と、を有する、
［１］に記載の構造体。
［３］前記応力部材は、外力を受けたときに、前記締結部材の位置に前記第１応力とは異なる方向への前記第２応力が発生する、
［２］に記載の構造体。
［４］前記締結強化層は、前記補強材の最外層として配置された、
［１］～［３］のいずれかに記載の構造体。
［５］前記応力吸収層は、＋６０°±１５°に前記強化繊維が配向した層と、－６０°±１５°に前記強化繊維が配向した層とが積層方向に連続して配置された、
［１］～［４］のいずれかに記載の構造体。
［６］柱状の構造体であり、
前記締結部材は、前記柱状の側面に配置された、
［１］～［５］のいずれかに記載の構造体。
［７］頂面部、側面部およびフランジ部を有する断面ハット状の構造体であり、
前記締結部材は、前記側面部または前記フランジ部に配置された、
［１］～［６］のいずれかに記載の構造体。
［８］柱状の構造体であり、
前記締結部材は、前記柱状の長軸方向の端部に配置された、
［１］～［７］のいずれかに記載の構造体。
［９］自動車のピラーである、
［１］～［８］のいずれかに記載の構造体。

【0007】

上記課題を解決するための本発明の他の態様は、下記［１０］の構造体の設計方法に関する。
［１０］外力を受けて応力を発生する応力部材と、締結部材により前記応力部材に締結された補強材と、を有する構造体であって、前記補強材は、一方向に配向した複数の強化繊維とマトリクス樹脂とを含む繊維強化樹脂が融着されてなる積層体である構造体の、前記締結部材の位置に発生する応力の方向を解析する工程と、
前記積層体が、外力を受けたときに前記応力部材の前記締結部材の位置に発生する応力の方向に対して、±６０°±１５°となる角度に前記強化繊維が配向した応力吸収層を含むか否かを判定する工程と、
前記応力吸収層を含むと判定されたときに、前記積層体に、前記締結部材の位置に発生する応力の方向に対して、０°±１５°に前記強化繊維が配向した締結強化層を設けることを決定する工程と、
を有する、構造体の設計方法。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、ＵＤシートを積層し融着させた補強材が相手部材に締結された構造体であって、締結部材の数を増やしても相手部材への補強材の締結強度を高めることができないときに、相手部材への補強材の締結強度を高めることができる構造体、およびこの構造体の設計方法が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、本発明の第１の実施形態に関する構造体の模式的な構成を示す外観図である。

【図2】図２は、図１に示す柱状部材が、頂面に対して図中Ｚ方向の反対方向に衝撃を受けたときに柱状部材に発生する応力の方向を示す模式図である。

【図3】図３は、補強材の層構成を説明する模式図である。

【図4】図４は、柱状部材（応力部材）、補強材および締結部材を有する構造体の別の構成および層構成を示す模式図である。

【図5】図５は、柱状部材（応力部材）、補強材および締結部材を有する構造体の別の構成および層構成を示す模式図である。

【図6】図６は、柱状部材（応力部材）、補強材および締結部材を有する構造体の別の構成および層構成を示す模式図である。

【図7】図７は、構造体の設計方法を示すフローチャートである。

【図8】図８は、実施例における試験片およびアルミニウム板の配置を示す模式図である。

【図9】図９Ａ～図９Ｄは、実施例における締結位置を示す模式図である。

【図10】図１０は、実験１の結果を示すグラフである。

【図11】図１１は、実験１の結果を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0010】

［構造体の構成］
図１は、本発明の第１の実施形態に関する構造体の模式的な構成を示す外観図である。構造体１００は、柱状部材１１０と、柱状部材１１０の表面に配置された補強材１２０と、補強材１２０を柱状部材１１０に締結する複数の締結部材１３０と、を有する。

【0011】

柱状部材１１０は、一方向（図中Ｙ方向）に延びた略長方形状の頂面部１１２と、頂面部１１２の両端部（図中Ｘ方向両端部）から同じ方向（図中Ｚ方向の反対方向）に垂直に延びた側面部１１４と、側面部１１４の下端が側方（図中Ｘ方向およびその反対方向）に延びた一対のフランジ部１１６と、を有する。頂面部１１２、側面部１１４およびフランジ部１１６は、同じ厚みを有する金属性または樹脂製の板状であり、これらがそれぞれのＸ方向端部において接続されて、全体として、Ｘ方向に平行な断面がハット形の形状となっている。

【0012】

なお、図１に示す柱状部材１１０は、頂面部１１２、側面部１１４およびフランジ部１１６のＹ方向への長さがすべて同じ長さとなっているが、これらは変化していてもよい。また、図１に示す柱状部材１１０は、側面部１１４のＺ方向への高さがＹ方向全体にわたって一定となっているが、これらは場所によって変化していてもよい。また、図１に示す柱状部材は、頂面部１１２およびフランジ部１１６のＸ方向への幅がＹ方向全体にわたって一定となっているが、これらは場所によって変化していてもよい。

【0013】

補強材１２０は、一方向に配向して配列された複数の強化繊維と、上記強化繊維に含浸された樹脂組成物（マトリクス樹脂）と、を含む薄膜状の繊維強化樹脂（ＵＤシート）が複数枚積層され、互いに融着されて形成されている。補強材１２０は、フランジ部１１６の頂面部１１２側（Ｚ方向側）の表面に配置され、複数の締結部材１３０によってフランジ部１１６に締結されている。

【0014】

補強材１２０の平面形状および厚みは特に限定されず、用途に応じたいかなる形状であってもよい。なお、補強材１２０の厚みは１ｍｍ以上４ｍｍ以下であることが好ましい。

【0015】

締結部材１３０は、本実施形態では補強材１２０を貫通して柱状部材１１０に挿入したセルフピアスリベットである。ただし締結部材１３０の種類はこれに限定されず、他の種類のリベット、ボルトとナットや、ナットを用いないネジなどであってもよい。

【0016】

柱状部材１１０は、それ自体が補強部材であり、頂面部１１２に対して図中Ｚ方向の反対方向に衝撃を受けたときに、当該衝撃による荷重を引き受けて吸収し、他の部材の破壊を抑止するために用いられる。柱状部材１１０は、衝撃（外力）を受けたときに部材内に応力を発生して外力を緩和する。柱状部材１１０は、本実施形態における応力部材の一例である。

【0017】

図２は、図１に示す柱状部材１１０が、頂面に対して図中Ｚ方向の反対方向に衝撃を受けたときに柱状部材１１０に発生する応力の方向を示す模式図である。図２に示すように、柱状部材１１０が、頂面部１１２に対して図中Ｚ方向の反対方向に外力ＥＦを受けると、柱状部材１１０の全体（頂面部１１２、側面部１１４およびフランジ部１１６）には柱状の延びている方向（図中Ｙ方向）に第１応力Ｆ１が発生する。第１応力Ｆ１は、外力ＥＦにより柱状部材１１０の内部に発生するエネルギー量が最も大きい応力である。

【0018】

一方で、柱状部材１１０が外力ＥＦを受けると、頂面部１１２は下方向（図中Ｚ方向の反対方向）にたわみ、一対の側面部１１４および一対のフランジ部１１６がいずれも互いから離れるように、変形する。このとき、側面部１１４およびフランジ部１１６には、上記互いから離れる方向（図中Ｘ方向およびその反対方向）への応力が発生する。そして、この応力が発生する部位に締結部材１３０があると、応力は締結部材１３０の位置に集中しやすい（このように、締結部材１３０の位置に発生する応力を、応力Ｆ２とする）。なお、第２応力Ｆ２の大きさは第１応力Ｆ１よりも小さい。

【0019】

図３は、補強材１２０の層構成を説明する模式図である。

【0020】

補強材１２０は、エネルギー量が最も大きい第１応力Ｆ１に対する補強効果を高めるように、第１応力Ｆ１の方向（図中Ｙ方向）に対して所定の角度（本実施形態では±３０°±１５°）に強化繊維が配向するように、複数のＵＤシートが積層されている。そして、その結果、第２応力Ｆ２の方向（図中Ｘ方向）に対して±６０°±１５°の方向に強化繊維が配向するように、複数のＵＤシートが積層されて互いに融着されている。図３に示すように、本実施形態の補強材１２０では、第２応力Ｆ２の方向に対して＋６０°に強化繊維が配向した層１２４と、第２応力Ｆ２の方向に対して－６０°に強化繊維が配向した層１２６と、が複数枚積層されている。層１２４および層１２６は、補強材１２０の応力に対する吸収性を高めるための応力吸収層の一例である。

【0021】

ところで、第１応力Ｆ１の方向（図中Ｙ方向およびその反対方向）に対して所定の角度に強化繊維が配向した層１２４および層１２６によっては、第２応力Ｆ２（図中Ｘ方向およびその反対方向への応力）に対する強度が高められないことがある。そして、図中Ｘ方向およびその反対方向への第２応力Ｆ２が外力ＥＦによって発生し、締結部材１３０が補強材１２０を貫通する位置にこの応力が集中すると、締結部材１３０の位置において補強材１２０を破壊してしまうことがある。

【0022】

本発明者らの知見によると、補強材１２０に含まれる応力吸収層の強化繊維の配向角度が、第２応力Ｆ２の方向（図中Ｘ方向）に対して±６０°±１５°となるとき、締結部材１３０の数を増やしても締結強度を高めることができない。この理由は定かではないがおそらく、第２応力Ｆ２の方向に対して±６０°±１５°となる方向に強化繊維が配向していると、第２応力Ｆ２によって補強材が伸長しやすく、十分に応力を吸収しきれないためだと考えられる。

【0023】

そこで、本実施形態では、補強材１２０は、第２応力Ｆ２の方向（図中Ｘ方向およびその反対方向）に対して、０°±１５°となる角度に前記強化繊維が配向した層１２２および層１２８を設ける。これらの層１２２おおよび層１２８は、締結部材１３０の位置において発生する第２応力Ｆ２による補強材１２０の破壊を抑止して締結強度を高める、締結強化層の一例である。

【0024】

締結強化層の位置は限定されず、補強材１２０の最外層（層１２２および層１２８、あるいはこれらの一方）として配置されていてもよいし、補強材１２０の積層方向内部で他の層に挟まれて配置されていてもよい。締結強化層が補強材１２０の積層方向内部に配置されるとき、締結強化層は補強材１２０の積層方向中央部に配置されることが好ましい。言い換えると、締結強化層を挟んで積層方向一方側に配置された応力吸収層の数と、積層方向他方側に配置された応力吸収層の数と、は同じ数であることが好ましい。

【0025】

また、締結強化層の数も限定されず、１層であってもよいし、複数層であってもよい。本発明者らの知見によれば、締結強化層は１層でも十分に締結強度を高めることができる。そのため、締結強化層は、補強材１２０の最外層に上下１層ずつ、あるいは歩競争の積層方向中央部に１層、配置されることが好ましい。

【0026】

なお、応力吸収層の数も特に限定されず、補強材１２０に要求される応力吸収性に応じて決定することができる。応力吸収層の配置も特に限定されないが、応力吸収性の偏りを防ぐため、第２応力Ｆ２の方向に対して＋６０°±１５°に強化繊維が配向した層１２４と、第２応力Ｆ２の方向に対して－６０°±１５°に強化繊維が配向した層１２６と、が積層方向に連続して配置されることが好ましい。また、補強材１２０を構成する層のうち、半分以上の層が±６０°±１５°に強化繊維が配向した応力吸収層であることが好ましく、締結強化層を除いた全ての層が±６０°±１５°に強化繊維が配向した応力吸収層であることがより好ましい。

【0027】

図４は、柱状部材４１０（応力部材）、補強材４２０および締結部材４３０を有する構造体４００の別の構成および層構成を示す模式図である。図５は、柱状部材５１０（応力部材）、補強材５２０および締結部材５３０を有する構造体５００の別の構成および層構成を示す模式図である。

【0028】

図４では、一方向に伸びた柱状（図４は平面図なので、長方形形状に示されている。）の補強材４２０が、その短辺方向端部で、複数の締結部材４３０により柱状部材４１０に締結されている。図５では、一方向に伸びた柱状（図５は平面図なので、長方形形状に示されている。）の補強材５２０が、その長辺方向端部で、複数の締結部材５３０により柱状部材５１０に締結されている。そして、図４および図５のいずれも、第１応力Ｆ１の方向は図中上下方向である。ただし、第２応力Ｆ２の方向は、図４では第１応力Ｆ１と同じく図中上下方向、図５では第１応力Ｆ１とは異なり図中左右方向である。なお、図４や図５に示すように、締結部材の位置における第２応力Ｆ２の方向は、締結部材と、当該締結部材に最も近い補強材１２０の端部と、を結ぶ方向となることがあり得るが、これに限定されない。

【0029】

これらのときも、補強材４２０および補強材５２０が、第２応力Ｆ２の方向に対して±６０°±１５°の方向に強化繊維が配向するように、複数のＵＤシートが積層されて互いに融着されている応力吸収層である層４２４および層４２６、ならびに層５２４および層５２６を有するとき、締結部材４３０または締結部材５３０の数を増やしても締結強度を高めることができない。そのため、これらの場合には、第２応力Ｆ２の方向に対して、０°±１５°となる角度に前記強化繊維が配向した締結強化層である層４２２および層４２８、ならびに層５２２および層５２８を設けることで、補強材１２０の締結強度を高めることができる。

【0030】

なお、締結強化層は、上述した各実施形態のように、第２応力Ｆ２の方向に対して±６０°±１５°となる方向に強化繊維が配向している層が生じるとき、あるいは第２応力Ｆ２の方向に対して±６０°±１５°となる方向に強化繊維が配向している層のみが積層されているときに設ければよく、このように配向した層がないときは、締結強化層を設けなくてもよい。

【0031】

また、図３や図５に示すように、外力ＥＦにより応力部材に発生する第１応力Ｆ１の方向と、外力ＥＦにより締結部位に発生するＦ３の方向と、が異なるようなときは、締結部位の破壊が生じやすいため、締結強化層による締結強度の向上効果が顕著である。

【0032】

図６は、柱状部材６１０（応力部材）、補強材６２０および締結部材６３０を有する構造体のさらに別の構成および層構成を示す模式図である。図６に示す構造体６００は、図６では、柱状部材６１０が途中で屈曲した形状である。そして、柱状部材６１０は、その平面視における短辺方向端部で、複数の締結部材６３０により柱状部材６１０に締結されている。図６に示す構造体６００では、複数の締結部材６３０が配置された位置ごとに、異なる方向への第２応力Ｆ２が発生する。

【0033】

このときも、補強材６２０を構成するＵＤシートの、強化繊維の配向方向（通常、第１応力Ｆ１の方向に応じて定められる）によっては、それぞれの締結部材６３０の位置のうちいずれかの位置に関して、第２応力Ｆ２の方向に対して±６０°±１５°の方向に強化繊維が配向する応力吸収層が補強材６２０に含まれることがあり得る。たとえば、図６に示す構造体６００では、締結部材６３０ａの位置における第２応力Ｆ２に関して、第２応力Ｆ２の方向に対して±６０°±１５°の方向に強化繊維が配向する応力吸収層である、層６２４および層６２６が補強材６２０に含まれる。このときは、締結部材６３０ａの位置における第２応力Ｆ２の方向に対して、０°±１５°となる角度に前記強化繊維が配向した締結強化層である層６２２および層６２８を、補強材６２０に含ませればよい。

【0034】

それぞれの層を形成するＵＤシートは、いずれも一方向に配向した複数の強化繊維２１０と、強化繊維２１０に含浸されたマトリクス樹脂２２０と、を含む。

【0035】

強化繊維２１０の材料は、特に限定されない。たとえば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、アルミナ繊維、炭化珪素繊維、ボロン繊維、および金属繊維などを、上記強化繊維として用いることができる。これらのうち、炭素繊維およびガラス繊維が好ましい。

【0036】

強化繊維２１０は、強化繊維２１０による強度の向上効果を十分に高める観点からは、平均直径が１μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましく、４μｍ以上１０μｍ以下であることがより好ましい。

【0037】

強化繊維２１０の長さは、通常１５ｍｍ以上である。強化繊維２１０の長さの下限値は、２０ｍｍ以上が好ましく、１００ｍｍ以上がより好ましく、５００ｍｍ以上がさらに好ましい。強化繊維２１０の長さの上限値の最大値は、たとえば５０ｍである。

【0038】

また、強化繊維２１０は、サイジング剤によりサイジング処理されていてもよい。

【0039】

上記サイジング剤は特に限定されないが、変性ポリオレフィンが好ましく、得には、カルボン酸金属塩を含む変性ポリオレフィンであることがより好ましい。上記変性ポリオレフィンは、たとえば、未変性ポリオレフィンの重合体鎖に、カルボン酸基、カルボン酸無水物基またはカルボン酸エステル基をグラフト導入し、かつ上記官能基と金属カチオンとの間で塩を形成させたものである。

【0040】

上記未変性ポリオレフィンは、エチレンに由来する構成単位の含有量が５０モル％以上であるエチレン系重合体、またはプロピレンに由来する構成単位の含有量が５０モル％以上であるプロピレン系重合体であることが好ましい。上記エチレン系重合体の例には、エチレン単独重合体、およびエチレンと炭素原子数３以上１０以下のα－オレフィンとの共重合体が含まれる。上記プロピレン系重合体の例には、プロピレン単独重合体、およびプロピレンとエチレンまたは炭素原子数４以上１０以下のα－オレフィンとの共重合体が含まれる。上記未変性ポリオレフィンは、ホモポリプロピレン、ホモポリエチレン、エチレン・プロピレン共重合体、プロピレン・１－ブテン共重合体、またはエチレン・プロピレン・１－ブテン共重合体であることが好ましい。これら未変性ポリオレフィンおよび変性ポリオレフィンを構成するα－オレフィンは、化石燃料に由来するものであってもよく、バイオマス原料に由来するものであってもよく、これらの混合物であってもよい。

【0041】

また、強化繊維２１０は、集束されて繊維束となっているものを開繊して用いてもよい。このとき収束された炭素繊維束あたりの単糸数は、１００本以上１００，０００本以下であることが好ましく、１，０００本以上５０，０００本以下であることがより好ましい。

【0042】

それぞれの繊維強化樹脂の全質量に対する、強化繊維２１０の含有量は、２０質量％以上８０質量％以下であることが好ましく、３０質量％以上７５質量％以下であることがより好ましく、３０質量％以上６５質量％以下であることがさらに好ましく、３５質量％以上６０質量％以下であることが特に好ましい。

【0043】

それぞれの繊維強化樹脂の全体積に対する、強化繊維２１０の含有量は、１０体積％以上７０体積％以下であることが好ましく、１５体積％以上６０体積％以下であることがより好ましく、２０体積％以上６０体積％以下であることがさらに好ましい。

【0044】

マトリクス樹脂２２０の材料は、特に限定されない、マトリクス樹脂２２０は、熱可塑性樹脂であってもよいし、熱硬化性樹脂であってもよい。また、マトリクス樹脂２２０は、結晶性樹脂であってもよいし、非結晶性樹脂であってもよい。これら熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂は、化石燃料に由来するものであってもよく、バイオマス原料に由来するものであってもよく、これらの混合物であってもよい。

【0045】

上記熱可塑性樹脂の例には、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン、およびポリ４－メチル－１－ペンテンなどを含むポリオレフィン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエステル樹脂、ポリスチレン樹脂、熱可塑性ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリフェニレンスルファイド樹脂、ポリアセタール樹脂、アクリル系樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリエーテルケトン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリエーテルニトリル樹脂、塩化ビニル樹脂、ＡＢＳ樹脂、ならびにフッ素樹脂などが含まれる。

【0046】

上記熱硬化性樹脂の例には、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、ジアリルフタレート樹脂、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂、フラン樹脂、ケトン樹脂、キシレン樹脂、熱硬化性ポリイミド樹脂、不飽和ポリエステル樹脂およびジアリルテレフタレート樹脂などが含まれる。

【0047】

これらのうち、補強材１２０の成形性をより高める観点からは、熱可塑性樹脂が好ましい。また、熱可塑性樹脂のうち、ポリアミド樹脂およびポリオレフィン樹脂が好ましく、より低温での成形を可能にして生産効率をより高める観点からは、ポリオレフィン樹脂がより好ましい。

【0048】

マトリクス樹脂２２０は、添加剤を含む樹脂組成物であってもよい。上記添加剤の例には、公知の充填材（無機充填材、有機充填材）、顔料、染料、耐候性安定剤、耐熱安定剤、帯電防止剤、スリップ防止剤、酸化防止剤、防黴剤、抗菌剤、難燃剤、および軟化剤などが含まれる。たとえば、レーザーの照射によってＵＤシートを融着させて補強材１２０を形成するときは、マトリクス樹脂２２０は、照射する波長のレーザーを吸収する色素を含有する樹脂組成物であることが好ましい。上記色素は、３００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下のいずれかの波長の光を吸収する色素であればよく、カーボンブラックであることが好ましい。

【0049】

また、マトリクス樹脂２２０は、上記以外の樹脂や、上記強化繊維よりも短い長さの短繊維などの他の成分を含んでいてもよい。

【0050】

それぞれの繊維強化樹脂の全質量に対する、マトリクス樹脂２２０の含有量は、２０質量％以上８０質量％以下であることが好ましく、２５質量％以上７０質量％以下であることがより好ましく、３５質量％以上７０質量％以下であることがさらに好ましく、４０質量％以上６５質量％以下であることが特に好ましい。

【0051】

［構造体の設計方法、補強材の製造方法、構造体の製造方法］
図７は、上述の構造体の設計方法を示すフローチャートである。

【0052】

まず、応力部材に対して補強材をどのように配置するかを決定し、補強材をどの位置で締結するかを決定する（工程Ｓ７１０）。具体的には、用途に応じて形状が決まっている応力部材に対して、所期の強度向上効果を得るための補強材の配置位置を決定する。このとき、強度向上効果に応じて補強材に含まれる各層における強化繊維の配向方向も決定する。また、このとき、締結方法なども決定する。

【0053】

次に、構造体が外力ＥＦを受けたときに、応力部材に発生する応力を解析する（工程Ｓ７２０）。解析は、公知のソフトウェアにより行うことができる。このとき、応力部材に発生する応力のうち、エネルギー量が最も大きい応力を第１応力Ｆ１とし、締結部材の位置に発生する、第１応力Ｆ１よりも小さい応力を、第２応力Ｆ２とする。そして、第１応力Ｆ１および第２応力Ｆ２の方向を特定する。なお、構造体が用途により異なる方向から外力ＥＦを受けるときは、最も大きい応力が応力部材に生じる方向からの外力をもとに、第１応力Ｆ１および第２応力Ｆ２を決定すればよい。

【0054】

次に、補強材に含まれる各層における強化繊維の配向方向と、第２応力Ｆ２との角度差を計算する。そして、補強材が、第２応力Ｆ２の方向に対して±６０°±１５°の方向に強化繊維が配向する応力吸収層を含むかどうかを判定する（工程Ｓ７３０）。図６に示したように、複数の締結部材の位置ごとに第２応力Ｆ２の方向が異なるときは、第２応力Ｆ２の方向に対して±６０°±１５°の方向に強化繊維が配向する応力吸収層があるとなる締結部材の位置が１つでもあるときは、補強材が上記応力吸収層を含むと判定する。

【0055】

前工程で、補強材が、第２応力の方向に対して±６０°±１５°の方向に強化繊維が配向する応力吸収層を含むと判定されたときは、補強材が、第２応力の方向に対して±０°±１０°の方向に強化繊維が配向する締結強化層を含むものとするように、補強材の層構成を決定する（工程Ｓ７４０）。補強材が、第２応力の方向に対して±６０°±１５°の方向に強化繊維が配向する応力吸収層を含まないと判定されたときは、補強材が、上記締結強化層を含むものとしてもよいし、上記締結強化層を含まないものとしてもよい。

【0056】

このようにして、締結部材の位置における第２応力Ｆ２の方向と、強化繊維の配向方向と、の関係に応じて、補強材に締結強化層を含ませるように、構造体を設計することができる。

【0057】

構造体が設計されたら、当該構造体に含まれる補強材を製造する。具体的には、強化繊維の配向方向が、設計された構造体における補強材の層構成に応じた方向になるように、複数枚のＵＤシートを積層する。そして、ＵＤシートがマトリクス樹脂として熱可塑性樹脂を含むときには、積層されたＵＤシートを加熱および加圧してこれらを融着させればよい。また、ＵＤシートがマトリクス樹脂として熱硬化性樹脂を含むときには、積層されたＵＤシートを熱などにより硬化させてこれらを融着させればよい。

【0058】

このようにして製造された補強材を、構造体の設計に応じた位置で、応力部材に締結することで、上述の構造体を製造することができる。

【0059】

なお、上記説明は本実施形態の例示的な実施形態であり、本発明が上記した実施形態に限定されないことはいうまでもない。

【0060】

たとえば、図１に例示した構造では、断面ハット状の柱状部材のフランジ部で補強材を締結していたが、側面部などで締結してもよい。

【0061】

また、応力部材の形状も特に限定されず、断面ハット状以外の柱状でもよいし、その他の形状でもよい。

【0062】

上述した構造体は、自動車のＡピラー、Ｂピラー、ＣピラーおよびＤピラーや、自動車および住設のフロア材、建築材の制振ブレース、バッテリーのエンクロージャーなどに使用することができる。

【実施例0063】

［実験１］
実験１では、補強材を構成する各層における強化繊維の配向角度と、締結部材の数による締結強度と、の関係を調べた。

【0064】

１－１．積層体の作成
ＵＤシートとして、一方向に配列した炭素繊維にポリプロピレンを含浸させたＵＤシート（三井化学株式会社製、ＴＡＦＮＥＸ（登録商標）、繊維体積分率（ＶＦ）：５０％、厚差、０．１６ｍｍ）を用意した。このＵＤシートを、縦２１５ｍｍ×横２１５ｍｍに切断して、単層のＵＤシートを得た。このとき、縦方向に対する繊維の配向方向が異なる複数種の単層のＵＤシートを作製した。

【0065】

ポリエステル製の離型フィルム（底面フィルム）の上に、上記の単層のＵＤシートを、各層における炭素繊維の配向方向を表１に示す方向として１２枚積層し、さらにその上にポリエステル製の離型フィルム（上面フィルム）を配置した。なお、表１に示す炭素繊維の配向方向は、縦方向を０°としたときの方向である。

【0066】

縦２４０ｍｍ、横２４０ｍｍ、厚み２ｍｍのステンレス鋼製平板、縦２４０ｍｍ、横２４０ｍｍ、厚み０．１ｍｍのアルミニウム合金製フィルム、縦外寸２４０ｍｍ、横外寸２４０ｍｍ、厚み１．５ｍｍｔ、縦内寸２２０ｍｍ、横内寸２２０ｍｍのステンレス鋼製額縁、縦２４０ｍｍ、横２４０ｍｍ、厚み０．１ｍｍのポリエステル製フィルムの順序で材料を重ね、上記のＵＤシートの積層体を額縁の枠内に収め、さらにいずれも上記と同じサイズのポリエステル離型フィルム、アルミニウム合金製フィルム、ステンレス鋼製平板を重ねた。これを、油圧プレス装置（株式会社東洋精機製作所製、ミニテストプレス）に配置し、加圧時の温度を１８０℃として１ＭＰａの圧力を加えながら２分間保持し、さらに、５ＭＰａの圧力を加えながら３分間保持した後、圧力を開放した。その後、すぐに１５℃の冷却水が循環した冷却用油圧プレス装置（東洋精機製、ミニテストプレス）に成形構造体を配置し、５ＭＰａの圧力を加えながら３分間保持した後、圧力を開放した。その後、冷却用油圧プレス装置から成形体を取り出し、ステンレス鋼製平板、ポリエステル製フィルム、アルミニウム合金製フィルム、およびステンレス鋼製額縁を除去し、補強材１－１～１－５を得た。

【0067】

【表1】

【0068】

１－２．構造体の作製
ウォータージェット切断加工により、縦方向１００ｍｍ、横方向２５ｍｍの試験片を各補強材から採取し、試験片とした。

【0069】

セルフピアッシングリベット接合装置（ポップリベット・ファスナー株式会社製、Ｅｍｈａｒｔ ＳＰＲ）のＣフレームに取り付けられた接合用ダイの上に、試験片と、縦方向１００ｍｍ、横方向２５ｍｍ、厚み２．０ｍｍｔのアルミニウム板（ＪＩＳ Ｈ４０００：２０１４ ５０５２－Ｏ）とを図８に示すように配置した。

【0070】

その後、セルフピアッシングリベットエレメント（ポップリベット・ファスナー株式会社製、ＳＰＲ５５０Ｓ１Ｃ０－４Ｙ１）をセルフピアッシングリベット接合装置に取り付けられたツールで試験片側から圧入し、セルフピアッシングリベット接合継手を作製し、試験片がアルミニウム板に締結された構造体を得た。このとき、セルフピアッシングリベットエレメントの平面部と積層板の表面の深さ方向の差異が－０．３ｍｍから０．３ｍｍの範囲に収まるようにセルフピアッシングリベットの圧入量を制御した。

【0071】

その後、構造体のうち、セルフピアッシングリベット接合継手の両端部から長さ５０ｍｍ、幅２５ｍｍの部分をエメリー紙＃３２０でブラスティングし、アセトンで脱脂した。それぞれの構成材料と同じ材種の長さ５０ｍｍ、幅２５ｍｍのタブを用意して、エメリー紙＃３２０でブラスティングし、アセトンで脱脂した。試験片およびアルミニウム板の、締結部位とは反対側の端部をブラスティングおよび脱脂して、この部位にプライマー（東亜合成株式会社製）を塗布し、十分に乾かし、その後、シアノアクリレート接着剤（東亜株式会社製）を塗布して、それぞれに同じ材料のタブを乗せ、構造体とタブとを接着した。

【0072】

セルフピアッシングリベットを形成する位置を、図９Ａ～図９Ｄのように変更して、それぞれ構造体を得た。なお、図９Ｂおよび図９Ｄの構成では、試験片とアルミニウム板との接触部分の長さ方向の幅を２倍にし、図９Ｃおよび図９Ｄの構成では、試験片およびアルミニウム板の横方向の幅を２倍にした。

【0073】

１－３．評価
上記の構造体を引張試験に供し、継手の荷重と変位の関係を測定した。引張試験には、精密万能試験機（株式会社島津製作所製、ＡＧ－Ｘ １００ｋＮ）を用いた。精密万能試験機のクロスヘッドおよび試験機ベースに取り付けられた引張試験用グリップにタブを固定し、クロスヘッドに引張方向の強制変位を課した。上記の構造体をグリップに固定したときのグリップ間距離は、図９Ａおよび図９Ｃの構造体では７５ｍｍであり、図９Ｂおよび図９Ｄの構造体では１００ｍｍである。変位速度は１０ｍｍ毎分であり、試験温度は２３℃とした。そして、締結部位が破壊されたときの荷重を、最大耐久荷重とした。得られた結果を図１０に示す。図１０は、横軸に補強材の種類、縦軸に最大耐久荷重を示す。

【0074】

図１０に示すように、締結部位における応力（本試験では、０°方向に応力が発生している）に対する締結強度（最大耐久強度）は、締結部材の数を多くすると向上する傾向が見られたが、締結部位における応力に対して±６０°±１５°となる方向に強化繊維が配向している層がある場合には、締結部材の数を多くしても締結強度は向上しなかった。

【0075】

［実験２］
実験２では、補強材１－５に対して、締結部位における応力に対して±０°±１０°となる方向に強化繊維が配向している層を追加したときに、最大耐久強度が向上するか否かを調べた。

【0076】

補強材１－５の層構成に対して、第１層および第１２層の外側に、炭素繊維の配向方向を０°とした層をそれぞれ１層ずつ追加した以外は補強材１－５の作製と同様にして、補強材２－１を作製した。

【0077】

補強材１－５の層構成に対して、第６層と第７層との間に、炭素繊維の配向方向を０°とした層を１層追加した以外は補強材１－５の作製と同様にして、補強材２－２を作製した。

【0078】

補強材２－１および補強剤２－２について、実験１と同様に構造体を作製し、最大耐久荷重を測定した。得られた結果を図１１に示す。図１１は、横軸に締結部材（セルフピアッシングリベット接合継手）の位置（図９参照）、縦軸に最大耐久荷重を示す。

【0079】

図１０に示すように、補強材１－５について、締結部位における応力に対して±０°±１０°となる方向に強化繊維が配向している締結強化層があると、締結強度が向上した。

【産業上の利用可能性】

【0080】

本発明は、ＵＤシートを積層した補強材の締結強度を高めることができる。

【符号の説明】

【0081】

１００、４００、５００、６００ 構造体
１１０、４１０、５１０、６１０ 柱状部材
１１２ 頂面部
１１４ 側面部
１１６ フランジ部
１２０、４２０、５２０、６２０ 補強材
１２２、１２８、４２２、４２８、５２２、５２８、６２２、６２８ 層（応力吸収層）
１２４、１２６、４２４、４２６、５２４、５２６、６２４、６２６ 層（締結強化層）
１３０、４３０、５３０、６３０ 締結部材
２１０ 強化繊維
２２０ マトリクス樹脂

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】