(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-08-24
(45)【発行日】2023-09-01
(54)【発明の名称】回転部材及びその製造方法
(51)【国際特許分類】
H02K 1/2706 20220101AFI20230825BHJP
H02K 15/03 20060101ALI20230825BHJP
H02K 15/02 20060101ALI20230825BHJP
D06M 13/322 20060101ALI20230825BHJP
D06M 11/74 20060101ALI20230825BHJP
B29B 15/14 20060101ALI20230825BHJP
B29K 105/08 20060101ALN20230825BHJP
【ＦＩ】
H02K1/2706
H02K15/03 Z
H02K15/02 Z
D06M13/322
D06M11/74
B29B15/14
B29K105:08
【請求項の数】
9
(21)【出願番号】P 2022565511
(86)(22)【出願日】2021-11-30
(86)【国際出願番号】 JP2021043891
(87)【国際公開番号】W WO2022114225
(87)【国際公開日】2022-06-02
【審査請求日】2023-01-27
(31)【優先権主張番号】P 2020199243
(32)【優先日】2020-11-30
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】000111085
【氏名又は名称】ニッタ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002675
【氏名又は名称】弁理士法人ドライト国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】小向 拓治
(72)【発明者】
【氏名】鬼塚 麻季
【審査官】津久井 道夫
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１８／１５１００９（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０２０／１８８００６（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１８－０４３５２１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００９－０８４０８０（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１８／０４３０４６（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０２Ｋ １／２７０６
Ｈ０２Ｋ １５／０３
Ｈ０２Ｋ １５／０２
Ｄ０６Ｍ １３／３２２
Ｄ０６Ｍ １１／７４
Ｂ２９Ｂ １５／１４
Ｂ２９Ｋ １０５／０８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
内周と外周とを有し、その周方向に沿って回転する回転部材において、前記周方向に巻いた炭素繊維と、
前記炭素繊維を包埋するマトリックス樹脂と、
屈曲部を有する曲がった形状の複数のカーボンナノチューブで構成され、前記カーボンナノチューブ同士が直接接触した接触部を有するネットワーク構造を形成し、前記炭素繊維の表面に設けられた構造体と、
前記接触部の周りで直接接触した前記カーボンナノチューブ同士を架橋して固定し、水性架橋剤として機能する第１サイジング剤とを備え、
前記構造体では、複数本の前記カーボンナノチューブが囲む空隙部が形成され、前記第１サイジング剤は前記空隙部を閉塞しない
ことを特徴とする回転部材。
【請求項2】
前記第１サイジング剤は、カルボジイミド由来の構造を有することを特徴とする請求項１に記載の回転部材。
【請求項3】
前記構造体は、厚さが５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲内であることを特徴とする請求項１または２に記載の回転部材。
【請求項4】
前記炭素繊維の繊維体積含有率が７５％未満であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の回転部材。
【請求項5】
内周と外周とを有し、その周方向に沿って回転する回転部材の製造方法であって、
屈曲部を有する曲がった形状のカーボンナノチューブが分散されるとともに超音波振動を印加した分散液に炭素繊維を浸漬し、前記炭素繊維に複数の前記カーボンナノチューブを付着させて、前記カーボンナノチューブ同士が直接接触した接触部を有するネットワーク構造を備える構造体を前記炭素繊維の表面に形成する構造体形成工程と、
前記構造体形成工程後に、第１サイジング処理液に前記炭素繊維を接触させ、直接接触した前記カーボンナノチューブ同士を架橋して固定し、水性架橋剤として機能する第１サイジング剤を付与する第１サイジング処理工程と、
前記第１サイジング処理工程後に、前記構造体が形成された前記炭素繊維にマトリックス樹脂を塗布し、前記マトリックス樹脂を塗布した前記炭素繊維をマンドレルに巻回し、前記マトリックス樹脂を硬化させた後に前記マンドレルを引き抜く成形工程とを有し、
前記構造体では、複数本の前記カーボンナノチューブが囲む空隙部が形成され、前記第１サイジング剤は前記空隙部を閉塞しない
ことを特徴とする回転部材の製造方法。
【請求項6】
前記第１サイジング処理液は、カルボジイミド基を有するカルボジイミド化合物を溶解した処理液であることを特徴とする請求項５に記載の回転部材の製造方法。
【請求項7】
前記第１サイジング処理工程は、前記第１サイジング剤の質量を前記炭素繊維の質量に対して０．６％以上１．１％以下の範囲内で付与することを特徴とする請求項６に記載の回転部材の製造方法。
【請求項8】
前記構造体形成工程は、厚さが５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲内の前記構造体を形成することを特徴とする請求項６または７に記載の回転部材の製造方法。
【請求項9】
前記成形工程は、回転部材における炭素繊維の繊維体積含有率が７５％未満となるように前記マトリックス樹脂を塗布した前記炭素繊維をマンドレルに巻回することを特徴とする請求項５ないし８のいずれか１項に記載の回転部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、回転部材及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
高速で回転する回転部材として、例えば表面磁石型電動機のロータに外嵌されるものが知られている（例えば、特許文献１を参照）。表面磁石型電動機のロータには、その外周面に複数の永久磁石が組み込まれており、それらの永久磁石が遠心力によってロータから剥がれて飛散することを防止するため、回転部材の中空な内部にロータが圧嵌されている。回転部材には、その径方向外側に向かう永久磁石からの力が作用するため、回転部材の周方向に高い引張強度が要求されている。また、回転部材自体の質量にも遠心力が作用する。このため、回転部材として、炭素繊維を強化繊維とした炭素繊維強化プラスチック製のものも知られている。この他に、高速で回転する回転部材としては、遠心分離に用いられる遠心分離機の筒状の回転胴等もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２００３－３１９５８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
上記のような炭素繊維強化プラスチックで作製された回転部材は、軽量であり、引張強度も高いが、表面磁石型電動機や遠心分離機のより高速な回転に対応して、より高い引張強度が望まれている。
【0005】
本発明は、軽量でありながら、より高い引張強度を有する回転部材及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の回転部材は、周方向に沿って回転する回転部材において周方向に巻いた炭素繊維と、前記炭素繊維を包埋するマトリックス樹脂と、屈曲部を有する曲がった形状の複数のカーボンナノチューブで構成され、前記カーボンナノチューブ同士が直接接触した接触部を有するネットワーク構造を形成し、前記炭素繊維の表面に設けられた構造体とを備えるものである。
【0007】
本発明の回転部材の製造方法は、屈曲部を有する曲がった形状のカーボンナノチューブが分散されるとともに超音波振動を印加した分散液に炭素繊維を浸漬し、前記炭素繊維に複数の前記カーボンナノチューブを付着させて、前記カーボンナノチューブ同士が直接接触した接触部を有するネットワーク構造を備える構造体を前記炭素繊維の表面に形成する構造体形成工程と、前記構造体が形成された前記炭素繊維にマトリックス樹脂を塗布し、前記マトリックス樹脂を塗布した前記炭素繊維をマンドレルに巻回し、前記マトリックス樹脂を硬化させた後に前記マンドレルを引き抜く成形工程とを有するものである。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、表面にカーボンナノチューブによる構造体が形成された炭素繊維をマトリックス樹脂が包埋する構造であるため、軽量でありながら引張強度がより高くなった回転部材を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】実施形態に係る表面磁石型電動機の要部構成を示す説明図である。
【図2】回転部材中の複合素材を示す部分断面図である。
【図3】複合素材の構成を示す説明図である。
【図4】ＣＮＴへの第１サイジング剤の付着状態を示す説明図である。
【図5】ＣＮＴ同士が接触している接触部における第１サイジング剤の付着状態を示す説明図である。
【図6】ＣＮＴへの第１サイジング剤の別の付着状態を示す説明図である。
【図7】ＣＮＴ同士が接触している接触部における第１サイジング剤の別の付着状態を示す説明図である。
【図8】回転部材を作製する手順の概略を示す説明図である。
【図9】炭素繊維にＣＮＴを付着する付着装置の構成を示す説明図である。
【図10】ガイドローラ上で開繊された状態の炭素繊維束を示す説明図である。
【図11】分散液中における炭素繊維の通過位置を示す説明図である。
【図12】フィラメントワインダの例を示す斜視図である。
【図13】樹脂付与装置の例を示す説明図である。
【図14】マトリックス樹脂を硬化させる際に加熱温度を段階的に変化させる例を示すグラフである。
【図15】炭素繊維同士が架橋した状態を示す説明図である。
【図16】複合素材を用いたロッドのＸ線ＣＴによる内部構造を示す画像である。
【図17】炭素繊維の原糸を用いたロッドのＸ線ＣＴによる内部構造を示す画像である。
【図18】ＣＮＴへの第２サイジング剤の付着状態を示す説明図である。
【図19】実施例に用いた材料ＣＮＴの曲がった状態を示すＳＥＭ写真である。
【図20】実施例３の３点曲げ試験の結果を示すグラフである。
【図21】実施例４のＮＯＬリング試験の結果を示すグラフである。
【図22】実施例５のフラグメンテーション法による切断繊維長さを示すグラフである。
【図23】サイジング剤質量比率Ｒｍが０．８％の構造体への第１サイジング剤の付着状態を示すＳＥＭ写真である。
【図24】サイジング剤質量比率Ｒｍが１．１％の構造体への第１サイジング剤の付着状態を示すＳＥＭ写真である。
【図25】サイジング剤質量比率Ｒｍが１．５％の構造体への第１サイジング剤の付着状態を示すＳＥＭ写真である。
【図26】実施例６、比較例６におけるＮＯＬリング試験の結果を示すグラフである。
【図27】実施例６、比較例６におけるＮＯＬリング試験の結果のうち繊維体積含有率６０％以上、引張強度（指標値）９０以上の領域を拡大して示すグラフである。
【図28】断層破壊モードで破壊したリング試験片を示す写真である。
【図29】層間破壊モードで破壊したリング試験片を示す写真である。
【図30】実施例８におけるリング試験片から取り出した観察サンプルの断面を示すＳＥＭ写真である。
【図31】比較例８におけるリング試験片から取り出した観察サンプルの断面を示すＳＥＭ写真である。
【図32】実施例８におけるリング試験片から取り出した観察サンプルの断面をさらに拡大して示すＦＥ－ＳＥＭ写真である。
【図33】比較例８におけるリング試験片から取り出した観察サンプルの断面をさらに拡大して示すＦＥ－ＳＥＭ写真である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
図１に実施形態に係る回転部材２を示す。この例の回転部材２は、表面磁石型電動機３の飛散防止部材として設けられている。回転部材２は、環状体、この例では円筒形状である。回転部材２は、ロータ４に外嵌されている。すなわち、回転部材２は、その中空な内部にロータ４が圧入により嵌め込まれて固定され、ロータ４と一体に回転する。したがって、回転部材２は、その周方向に回転する。ロータ４の外周面には、複数の永久磁石５がロータ４の周方向に沿って所定の間隔をあけて埋め込まれている。回転部材２は、ロータ４の高速回転時に、永久磁石５がそれに作用する遠心力でロータ４の径方向外側に剥がれて飛散しないように、遠心力に抗して永久磁石５を抑える。なお、回転部材２は、幅が狭い（軸心方向な長さが短い）リング状等であってもよい。また、幅が狭いリング状のものを複数組み合わせて使用してもよい。
【0011】
図２に模式的に示すように、回転部材２は、複合素材１０と、この複合素材１０の炭素繊維１１（図３参照）を包埋するマトリックス樹脂Ｍとを有する炭素繊維強化成形体（炭素繊維強化プラスチック）である。複合素材１０（炭素繊維１１）は、回転部材２の周方向すなわち回転方向（図中Ａ方向）に巻かれ、複数の複合素材１０が回転部材２の径方向に１層以上の繊維層を形成している。繊維層は、軸心方向に緻密に並んだ複合素材１０で構成される。
【0012】
複合素材１０は、回転部材２の周方向に巻かれている。回転部材２の周方向に巻かれているとは、複合素材１０が回転部材２の周方向に沿った成分を持っていること、すなわち回転部材２の軸心方向に対して所定の斜交角度（≠０°）で巻かれていることを意味する。したがって、後述するように、繊維層は、マンドレルの外周面にその軸心に対しほぼ直角（斜交角度≒９０°）となるように複合素材１０を巻き付けるフープ巻き（平行巻き）または軸心に対し９０°未満の斜交角度で複合素材１０を巻き付けるヘリカル巻き（ら旋巻き）によって形成される。回転部材２が必要とする特性から、斜交角度は、リング組付け時などにフープ層が崩れることを防止するためのものであり、任意に決めることができる。複数の繊維層がある場合、繊維層ごとに斜交角度を決めることができる。
【0013】
なお、図２では、説明の便宜上、複合素材１０を誇張して描いてあり、また１つ１つの複合素材１０の断面を円形にして区別できるように描いてあるが、実際にはこのように区別できるものではない。
【0014】
［複合素材］
図３において、複合素材１０は、複数の連続した炭素繊維１１をまとめた炭素繊維束１２を含む。各炭素繊維１１の表面には、それぞれ構造体１４が形成されており、構造体１４には、第１サイジング剤１５(図４参照)が付与されている。
図３において、複合素材１０は、複数の連続した炭素繊維１１をまとめた炭素繊維束１２を含む。各炭素繊維１１の表面には、それぞれ構造体１４が形成されており、構造体１４には、第１サイジング剤１５(図４参照)が付与されている。
【0015】
炭素繊維束１２を構成する炭素繊維１１は、実質的に互いに絡まり合うことなく各炭素繊維１１の繊維軸方向が揃っている。繊維軸方向は、炭素繊維１１の軸の方向（延びた方向）である。この例では、炭素繊維束１２は、１万２千本の炭素繊維１１から構成されている。炭素繊維束１２を構成する炭素繊維１１の本数は、特に限定されないが、例えば１万本以上１０万本以下の範囲内とすることができる。なお、図３では、図示の便宜上、十数本のみの炭素繊維１１を描いてある。また、この例では、上記のような構造体１４及び第１サイジング剤１５を有する複数の炭素繊維１１をもって複合素材１０としているが、複合素材１０は、上記のような構造体１４及び第１サイジング剤１５を有する１本の炭素繊維１１であってもよい。なお、以下の説明では、表面に構造体１４が形成された繊維（この例では炭素繊維１１）をその構造体１４とあわせてＣＮＴ複合繊維と称することがある。
【0016】
炭素繊維束１２中における炭素繊維１１の絡まり合いは、炭素繊維１１の乱れの程度によって評価することができる。例えば、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）により炭素繊維束１２を一定倍率で観察して、観察される範囲（炭素繊維束１２の所定長さの範囲）における、所定の本数（例えば１０本）の炭素繊維１１の長さを測定する。この測定結果から得られる所定の本数の炭素繊維１１についての長さのばらつき、最大値と最小値との差、標準偏差に基づいて、炭素繊維１１の乱れの程度を評価することができる。また、炭素繊維１１が実質的に絡まり合っていないことは、例えば、ＪＩＳ Ｌ１０１３：２０１０「化学繊維フィラメント糸試験方法」の交絡度測定方法に準じて交絡度を測定して判断することもできる。測定された交絡度が小さいほど、炭素繊維束１２における炭素繊維１１同士の絡まり合いは少ないことになる。
【0017】
炭素繊維１１同士が実質的に互いに絡まり合っていない、あるいは絡まり合いが少ない炭素繊維束１２は、炭素繊維１１を均一に開繊しやすい。これにより、原糸である各炭素繊維１１にＣＮＴ１７を均一に付着させやすく、またＣＮＴ複合繊維では、炭素繊維束１２にマトリックス樹脂Ｍが均一に含浸し、炭素繊維１１のそれぞれを強度に寄与させることができる。
【0018】
炭素繊維１１は、特に限定されず、ポリアクリルニトリル、レーヨン、ピッチなどの石油、石炭、コールタール由来の有機繊維の焼成によって得られるＰＡＮ系、ピッチ系のもの、木材や植物繊維由来の有機繊維の焼成によって得られるもの等を用いることができ、市販されているものでもよい。また、炭素繊維１１の直径及び長さについても、特に限定されない。炭素繊維１１は、その直径が約５μｍ以上２０μｍ以下の範囲内のものを好ましく用いることができ、５μｍ以上１０μｍ以下の範囲内のものをより好ましく用いることができる。炭素繊維１１は、長尺なものが好ましく用いることができ、その長さは、５０ｍ以上が好ましく、より好ましくは１００ｍ以上１０００００ｍ以下の範囲内、さらに好ましくは１００ｍ以上１００００ｍ以下の範囲内である。なお、プリプレグ、炭素繊維強化成形体としたときに、炭素繊維１１が短く切断されていてもかまわない。
【0019】
上述のように炭素繊維１１の表面には、構造体１４が形成されている。構造体１４は、複数のカーボンナノチューブ（以下、ＣＮＴと称する）１７が絡み合ったものである。構造体１４を構成するＣＮＴ１７は、炭素繊維１１の表面のほぼ全体で均等に分散して絡み合うことで、複数のＣＮＴ１７が互いに絡み合った状態で接続されたネットワーク構造を形成する。ここでいう接続とは、物理的な接続（単なる接触）と化学的な接続とを含む。ＣＮＴ１７同士は、それらの間に界面活性剤などの分散剤や接着剤等の介在物が存在することなく、ＣＮＴ１７同士が直接に接触する直接接触である。
【0020】
構造体１４を構成する一部のＣＮＴ１７は、炭素繊維１１の表面に直接付着して固定されている。これにより、炭素繊維１１の表面に構造体１４が直接付着している。ＣＮＴ１７が炭素繊維１１の表面に直接付着するとは、ＣＮＴ１７と炭素繊維１１の表面との間に界面活性剤等の分散剤や接着剤等が介在することなく、ＣＮＴ１７が炭素繊維１１に直接に付着していることであり、その付着(固定)はファンデルワールス力による結合によるものである。構造体１４を構成する一部のＣＮＴ１７が炭素繊維１１の表面に直接付着していることにより、分散剤や接着剤等が介在せずに、炭素繊維１１の表面に構造体１４が直接接触した状態になっている。
【0021】
また、構造体１４を構成するＣＮＴ１７には、炭素繊維１１の表面に直接接触せず、他のＣＮＴ１７と絡むことで炭素繊維１１に固定されているものもある。さらに、炭素繊維１１の表面に直接付着するとともに他のＣＮＴ１７と絡むことで炭素繊維１１に固定されているものもある。以下では、これら炭素繊維１１へのＣＮＴ１７の固定をまとめて炭素繊維１１への付着と称して説明する。なお、ＣＮＴ１７が絡むまたは絡み合う状態には、ＣＮＴ１７の一部が他のＣＮＴ１７に押え付けられている状態を含む。
【0022】
構造体１４を構成するＣＮＴ１７は、上記のように炭素繊維１１の表面に直接付着しているものの他に、炭素繊維１１の表面に直接接触していないが他のＣＮＴ１７と絡み合うこと等で炭素繊維１１に固定されているものがある。このため、この例の構造体１４は、従来の複合素材の構造体のように炭素繊維の表面に直接付着したＣＮＴだけで構成されるよりも多くのＣＮＴ１７で構成される。すなわち、炭素繊維１１へＣＮＴ１７が付着する本数が従来のものよりも多くなっている。
【0023】
上記のように、複数のＣＮＴ１７が互いの表面に介在物無しで互いに接続されて構造体１４を構成しているので、複合素材１０は、ＣＮＴ由来の電気導電性、熱伝導性の性能を発揮する。また、ＣＮＴ１７が炭素繊維１１の表面に介在物無しで付着しているので、構造体１４を構成するＣＮＴ１７は、炭素繊維１１の表面から剥離し難く、複合素材１０を含む回転部材２は、引張強度を含む機械的強度が向上する。
【0024】
上述のように回転部材２では、構造体１４が形成された複数の炭素繊維１１すなわち複数のＣＮＴ複合繊維で構成される炭素繊維束１２にマトリックス樹脂Ｍが含浸して硬化している。構造体１４にマトリックス樹脂Ｍが含浸しているので、各炭素繊維１１の構造体１４が炭素繊維１１の表面とともにマトリックス樹脂Ｍに固定される。これにより、各炭素繊維１１がマトリックス樹脂Ｍに強固に接着した状態、すなわち炭素繊維１１とマトリックス樹脂Ｍとの界面接着強度が高く、回転部材２の引張強度が高くなっている。
【0025】
後述するようにＣＮＴ１７を曲がった形状とすることで、直線性の高いＣＮＴを用いた場合と比べて、炭素繊維１１へのＣＮＴ１７の付着本数を多く、構造体１４の厚さが大きいとともに、ＣＮＴ１７が不織布の繊維のごとく編み込まれたような構造体１４が構成されている。回転部材２の各炭素繊維１１の周囲には、構造体１４にマトリックス樹脂Ｍが含浸して硬化した領域（以下、複合領域という）１８（図１４参照）が形成されている。このような複合領域１８が形成されていることによって、炭素繊維１１とマトリックス樹脂Ｍとの界面接着強度がより高くなり、回転部材２の引張強度がより高くなる。また、隣り合う炭素繊維１１の間の樹脂部分にＣＮＴ１７が介在することにより、炭素繊維間の相互作用が強くなり、炭素繊維１１に存在する欠陥起因の強度低下を隣接する他の炭素繊維１１が支えるため、欠陥起因の強度低下が抑制される。
【0026】
なお、炭素繊維１１の表面にＣＮＴ１７が付着すること及び厚さの大きな不織布状の構造体１４を形成することによって向上する炭素繊維強化成形体（回転部材２）の特性としては、引張強度の他に、弾性率、振動減衰特性（制振性）、繰り返し曲げに対する耐久性等がある。
【0027】
複数の炭素繊維１１にそれぞれ形成された構造体１４は、互いに独立した構造であり、一の炭素繊維１１の構造体１４と他の炭素繊維１１の構造体１４は、同じＣＮＴ１７を共有していない。すなわち、一の炭素繊維１１に設けられた構造体１４に含まれるＣＮＴ１７は、他の炭素繊維１１に設けられた構造体１４に含まれない。
【0028】
第１サイジング剤１５は、図４に示すように、ＣＮＴ１７同士が互いに直接接触している接触部を包み覆う状態でＣＮＴ１７に付与されている。第１サイジング剤１５は、ＣＮＴ１７の表面に存在する官能基、例えばヒドロキシ基（－ＯＨ）、カルボキシル基（－ＣＯＯＨ）等の親水基と、カルボジイミド化合物のカルボジイミド基（－Ｎ＝Ｃ＝Ｎ－）が反応することにより生じたカルボジイミド由来の構造を有するものである。すなわち、第１サイジング剤１５は、カルボジイミド由来の構造を介して、直接接触したＣＮＴ１７同士を架橋する。これにより、ＣＮＴ１７同士は、それらが互いに直接接触する接触部と第１サイジング剤１５とで固定される。
【0029】
ＣＮＴ１７の表面の官能基の付与手法は、特に限定されず、ＣＮＴ１７を作製したあとに行われる各種処理によって結果的に付与されてもよいし、官能基付与処理によって付与してもよい。官能基付与処理は、例えば、湿式にて行われる陽極電解酸化法やオゾン酸化法等を用いることができる。第１サイジング剤１５を構造体１４に付与する第１サイジング処理のときにＣＮＴ１７の表面に官能基があれば、ＣＮＴ１７の表面に官能基を付与するタイミングは特に限定されない。
【0030】
カルボジイミド化合物は、ｎを１以上の整数として、式（１）に示す構造を２以上含む化合物である。Ｒは、例えば炭化水素である。炭化水素としては、脂肪族炭化水素、脂環式炭化水素、芳香族炭化水素が挙げられる。
【0031】
【化1】
【0032】
カルボジイミド化合物としては、例えば特開２００７－２３８７５３号公報等に記載されるように、水性樹脂用硬化剤等として用いられているものを用いることができ、市販されているものでもよい。カルボジイミド化合物の市販品としては、例えば「カルボジライトＶ－０２」（商品名、日清紡ケミカル社製）等を挙げることができる。親水性セグメントをもつカルボジイミド化合物は、水に溶解して、ＣＮＴ１７同士を架橋させる水性架橋剤として機能する。
【0033】
接触部におけるＣＮＴ１７同士は、図５に示すように直接接触が維持されており、各ＣＮＴ１７の表面が近接した接触部の周りではＣＮＴ１７同士が第１サイジング剤１５により架橋されている。
【0034】
上記のように、第１サイジング剤１５は、架橋剤となって、構造体１４を構成する接触しているＣＮＴ１７同士を架橋することにより、ＣＮＴ１７同士が付着している状態をより強固なものとし、構造体１４をより崩壊し難くしている。
【0035】
また、第１サイジング剤１５は、図４に示されるように、炭素繊維１１とこれに直接接触しているＣＮＴ１７の接触部を包み覆う状態で炭素繊維１１とＣＮＴ１７とに付着している。第１サイジング剤１５は、ＣＮＴ１７同士の場合と同様に、そのカルボジイミド基が、炭素繊維１１及びＣＮＴ１７の表面の官能基と反応をしたことにより生じたカルボジイミド由来の構造により、炭素繊維とＣＮＴ１７とを架橋する。このように、第１サイジング剤１５は、炭素繊維とＣＮＴ１７とを架橋することにより、炭素繊維１１にＣＮＴ１７が付着している状態をより強固なものとし、炭素繊維１１から構造体１４を剥がれ難くしている。
【0036】
上記の第１サイジング剤１５によって、複合素材１０ないし回転部材２の製造時において、炭素繊維１１からの構造体１４の脱落、構造体１４からのＣＮＴ１７の脱落が抑えられ、それらにより界面接着強度の低下ひいては回転部材２の引張強度を含む特性の低下を防止でき、均一な好ましい特性を得ることができる。
【0037】
なお、ＣＮＴ１７同士の直接接触が維持され、かつ直接接触している接触部の周りでＣＮＴ１７同士が第１サイジング剤１５により架橋していれば、上記のようにＣＮＴ１７が第１サイジング剤１５により包み覆われていてもよく、図６及び図７に示すように、ＣＮＴ１７が包み覆われていなくてもよい。同様に、炭素繊維１１とＣＮＴ１７との直接接触が維持され、かつ直接接触している接触部の周りで炭素繊維１１とＣＮＴ１７とが第１サイジング剤１５により架橋していれば、図６に示されるように、第１サイジング剤１５がＣＮＴ１７を包み覆っていなくてもよい、
【0038】
なお、構造体１４では、複数本のＣＮＴ１７によって、それらが囲む空隙部（メッシュ）１９が形成される。構造体１４内へのマトリックス樹脂Ｍの含浸を妨げないために、第１サイジング剤１５は、その空隙部１９を閉塞しないようにすることが好ましい。空隙部１９を閉塞しないようにするために、構造体１４に付着している第１サイジング剤１５の質量の炭素繊維１１の質量に対する比率であるサイジング剤質量比率Ｒｍは、０．６％以上１．１％以下の範囲内とすることが好ましい。
【0039】
炭素繊維１１の径の大小により、炭素繊維１１の単位長さあたりの質量が増減し、構造体１４に付着させる好適な第１サイジング剤１５の質量も増減する。しかし、一般的に炭素繊維強化成形体に用いられている炭素繊維１１の径の範囲では、炭素繊維１１の径の変化に対する好適なサイジング剤質量比率Ｒｍの変化は微小であって、いずれの径の炭素繊維１１であっても上記のサイジング剤質量比率Ｒｍの範囲内であれば空隙部１９の閉塞を防止できる。直径が４μｍ以上８μｍ以下の範囲内の炭素繊維１１についてサイジング剤質量比率Ｒｍが０．６％以上１．１％以下であれば空隙部１９を閉塞しないことを確認している。マトリックス樹脂Ｍが構造体１４内に含浸して硬化することは、マトリックス樹脂Ｍが構造体１４からひいては炭素繊維１１から剥離し難くなり、機械的強度の向上に有利である。
【0040】
炭素繊維１１に付着したＣＮＴ１７は、曲がった形状である。このＣＮＴ１７の曲がった形状は、ＣＮＴ１７のグラファイト構造中に炭素の五員環と七員環等の存在により屈曲した部位（屈曲部）を有することによるものであり、ＳＥＭによる観察でＣＮＴ１７が湾曲している、折れ曲がっている等と評価できる形状である。例えば、ＣＮＴ１７の曲がった形状は、ＣＮＴ１７の後述する利用範囲の平均の長さあたりに少なくとも１カ所以上に屈曲部があることをいう。このような曲がった形状のＣＮＴ１７は、それが長い場合でも、曲面である炭素繊維１１の表面に対して様々な姿勢で付着する。また、曲がった形状のＣＮＴ１７は、それが付着した炭素繊維１１の表面との間や付着したＣＮＴ１７同士の間に空間（間隙）が形成されやすく、その空間に他のＣＮＴ１７が入り込む。このため、曲がった形状のＣＮＴ１７を用いることにより、直線性が高い形状のＣＮＴを用いた場合に比べて、炭素繊維１１に対するＣＮＴ１７の付着本数（構造体１４を形成するＣＮＴ１７の本数）が大きくなる。
【0041】
ＣＮＴ１７の長さは、０．１μｍ以上１０μｍ以下の範囲内であることが好ましい。ＣＮＴ１７は、その長さが０．１μｍ以上であれば、ＣＮＴ１７同士が絡まり合って直接接触ないしは直接接続された構造体１４をより確実に形成することができるとともに、前述のように他のＣＮＴ１７が入り込む空間をより確実に形成することができる。またＣＮＴ１７の長さが１０μｍ以下であれば、ＣＮＴ１７が炭素繊維１１間にまたがって付着するようなことがない。すなわち、上述のように、一の炭素繊維１１に設けられた構造体１４に含まれるＣＮＴ１７が他の炭素繊維１１に設けられた構造体１４に含まれるようなことがない。
【0042】
ＣＮＴ１７の長さは、より好ましくは０．２μｍ以上５μｍ以下の範囲内である。ＣＮＴ１７の長さが０．２μｍ以上であれば、ＣＮＴ１７の付着本数を増やして構造体１４を厚くすることができ、５μｍ以下であれば、ＣＮＴ１７を炭素繊維１１に付着させる際に、ＣＮＴ１７が凝集し難く、より均等に分散しやすくなる。この結果、ＣＮＴ１７がより均一に炭素繊維１１に付着する。
【0043】
なお、炭素繊維１１に付着するＣＮＴとして、直線性の高いＣＮＴが混在することや、上記のような長さの範囲外のＣＮＴが混在することを排除するものではない。混在があっても、例えば、ＣＮＴ１７で形成される空間に直線性の高いＣＮＴが入り込むことにより、炭素繊維１１に対するＣＮＴの付着本数を多くすることができる。
【0044】
ＣＮＴ１７は、平均直径が０．５ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲内であることが好ましく、より好ましくは３ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲内である。ＣＮＴ１７は、その直径が３０ｎｍ以下であれば、柔軟性に富み、炭素繊維１１の表面に沿って付着しやすく、また他のＣＮＴ１７と絡んで炭素繊維１１に固定されやすく、さらには構造体１４の形成がより確実になる。また、１０ｎｍ以下であれば、構造体１４を構成するＣＮＴ１７同士の結合が強固となる。なお、ＣＮＴ１７の直径は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Transmission Electron Microscope）写真を用いて測定した値とする。ＣＮＴ１７は、単層、多層を問わないが、好ましくは多層のものである。
【0045】
炭素繊維１１に対するＣＮＴ１７の付着本数は、構造体１４の厚さ（炭素繊維１１の径方向の長さ）で評価することができる。構造体１４の各部の厚さは、例えば炭素繊維１１の表面の構造体１４の一部をセロハンテープ等に接着して剥離し、炭素繊維１１の表面に残った構造体１４の断面をＳＥＭ等で計測することで取得できる。炭素繊維１１の繊維軸方向に沿った所定長さの測定範囲をほぼ均等に網羅するように、測定範囲の１０カ所で構造体１４の厚さをそれぞれ測定したものの平均を構造体１４の厚さとする。測定範囲の長さは、例えば、上述のＣＮＴ１７の長さの範囲の上限の５倍の長さとする。
【0046】
上記のようにして得られる構造体１４の厚さ（平均）は、１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の範囲内、好ましくは１５ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲内、より好ましくは５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲内である。構造体１４の厚さが２００ｎｍ以下であれば、炭素繊維１１間の樹脂の含浸性がより良好である。
【0047】
また、炭素繊維１１に付着しているＣＮＴ１７のＣＮＴ複合繊維に対する質量比であるＣＮＴ質量比Ｒｃを用いて、炭素繊維１１に対するＣＮＴ１７の付着状態を評価することができる。所定の長さの炭素繊維１１のみの質量（以下、ＣＦ質量という）をＷａ、その炭素繊維１１に付着しているＣＮＴ１７の質量（以下、ＣＮＴ質量という）をＷｂとしたときに、ＣＮＴ質量比Ｒｃは、「Ｒｃ＝Ｗｂ／（Ｗａ＋Ｗｂ）」で得られる。
【0048】
ＣＮＴ１７は、炭素繊維１１に均一に付着していることが好ましく、炭素繊維１１の表面を覆うように付着していることが好ましい。炭素繊維１１に対するＣＮＴ１７の均一性を含む付着状態は、ＳＥＭにより観察し、得られた画像を目視により評価することができる。この場合、繊維軸方向に沿って炭素繊維１１の所定の長さの範囲（例えば１ｃｍ、１０ｃｍ、１ｍの範囲）をほぼ均等に網羅するように複数箇所（例えば１０箇所）について観察して評価することが好ましい。
【0049】
また、上述のＣＮＴ質量比Ｒｃを用いて、炭素繊維１１に対するＣＮＴ１７の付着の均一性を評価することができる。ＣＮＴ質量比Ｒｃは、０．００１以上０．００８以下であることが好ましい。ＣＮＴ質量比Ｒｃが０．００１以上であれば、回転部材２としたときに、上記のような構造体１４による特性の向上の効果を確実に得ることができる。ＣＮＴ質量比Ｒｃが０．００８以下であれば、構造体１４へのマトリックス樹脂Ｍの樹脂含浸が確実になされる。また、ＣＮＴ質量比Ｒｃが０．００２以上０．００６以下以下であることがより好ましい。ＣＮＴ質量比Ｒｃが０．００２以上であれば、ほぼ全ての炭素繊維１１間にて構造体１４（ＣＮＴ１７）がより確実に機能する。ＣＮＴ質量比Ｒｃが０．００６以下であれば、構造体１４へのマトリックス樹脂Ｍの樹脂含浸が確実になされ、また回転部材２におけるマトリックス樹脂Ｍの比率が低い場合であっても構造体１４がより確実に機能する。さらに、樹脂Ｍの比率が低い場合であっても、炭素繊維間樹脂には高濃度でＣＮＴ１７が存在するため、その補強効果により靱性強度を高めることが出来る。
【0050】
１本の炭素繊維１１の長さ１ｍの範囲（以下、評価範囲と称する）内に設定される１０点の測定部位の各ＣＮＴ質量比Ｒｃの標準偏差ｓが０．０００５以下であることが好ましく、０．０００２以下であることがより好ましい。また、標準偏差ｓのＣＮＴ質量比Ｒｃの平均に対する割合は、４０％以下であることが好ましく、１５％以下であることがより好ましい。１０点の測定部位は、評価範囲をほぼ均等に網羅するように設定することが好ましい。標準偏差ｓは、炭素繊維１１に付着したＣＮＴ１７の付着本数（付着量）、構造体１４の厚さのばらつきの指標となり、ばらつきが小さいほど小さな値となる。したがって、この標準偏差ｓが小さいほど望ましい。ＣＮＴ１７の付着本数、構造体１４の厚さのばらつきは、複合素材１０及びそれを用いた回転部材２のＣＮＴ１７に由来の特性の違いとして現われる。標準偏差ｓが０．０００５以下であれば、複合素材１０及び炭素繊維強化成形体のＣＮＴ１７に由来の特性をより確実に発揮でき、０．０００２以下であれば、ＣＮＴ１７に由来の特性を十分かつ確実に発揮できる。なお、標準偏差ｓは、式（２）によって求められる。式（２）中の値ｎは、測定部位の数（この例ではｎ＝１０）、値Ｒｉは、測定部位のＣＮＴ質量比Ｒｃであり、値ＲａはＣＮＴ質量比Ｒｃの平均である。
【0051】
【数1】
【0052】
［ＣＮＴ質量比の測定］
ＣＮＴ質量比Ｒｃは、それを求めようとする測定部位について１ｍ程度に炭素繊維束１２（例えば１２０００本程度のＣＮＴ複合繊維）を切り出して測定試料として、下記のようにして求める。
（１）ＣＮＴ１７の分散媒となる液（以下、測定液という）に測定試料を投入する。測定液としては、例えばＮＭＰ（Ｎ－メチル－２－ピロリドン、CAS登録番号：872-50-4）に分散剤を入れたものを用いる。分散剤は、ＣＮＴ１７を炭素繊維１１に再付着させないために測定液に添加しているが、添加しなくてもよい。測定液の量は、例えば測定試料１０ｇに対して１００ｍｌである。
（２）測定試料を投入する前の測定液の質量と、投入後の測定試料を含む測定液の質量との差分を計測し、これを測定試料の質量、すなわち炭素繊維１１のＣＦ質量Ｗａとその炭素繊維１１に付着しているＣＮＴ１７のＣＮＴ質量Ｗｂとの和（Ｗａ＋Ｗｂ）とする。
（３）測定試料を含む測定液を加熱して、炭素繊維１１からそれに付着しているＣＮＴ１７を完全に分離し、ＣＮＴ１７を測定液中に分散する。
（４）吸光光度計を用いて，ＣＮＴ１７が分散している測定液の吸光度（透過率）を測定する。吸光光度計による測定結果と、予め作成しておいた検量線とから測定液中のＣＮＴ１７の濃度(以下、ＣＮＴ濃度という)を求める。ＣＮＴ濃度は、その値をＣ、測定液の質量をＷ１、この測定液に含まれるＣＮＴ１７の質量をＷ２としたときに、「Ｃ＝Ｗ２／（Ｗ１＋Ｗ２）」で与えられる質量パーセント濃度である。
（５）得られるＣＮＴ濃度と測定試料を投入する前の測定液の質量とから測定液中のＣＮＴ１７のＣＮＴ質量Ｗｂを求める。
（６）（２）で求められるＣＦ質量ＷａとＣＮＴ質量Ｗｂとの和（Ｗａ＋Ｗｂ）と、ＣＮＴ１７のＣＮＴ質量（Ｗｂ）とから、ＣＮＴ質量比Ｒｃ（＝Ｗｂ／（Ｗａ＋Ｗｂ））を算出する。
ＣＮＴ質量比Ｒｃは、それを求めようとする測定部位について１ｍ程度に炭素繊維束１２（例えば１２０００本程度のＣＮＴ複合繊維）を切り出して測定試料として、下記のようにして求める。
（１）ＣＮＴ１７の分散媒となる液（以下、測定液という）に測定試料を投入する。測定液としては、例えばＮＭＰ（Ｎ－メチル－２－ピロリドン、CAS登録番号：872-50-4）に分散剤を入れたものを用いる。分散剤は、ＣＮＴ１７を炭素繊維１１に再付着させないために測定液に添加しているが、添加しなくてもよい。測定液の量は、例えば測定試料１０ｇに対して１００ｍｌである。
（２）測定試料を投入する前の測定液の質量と、投入後の測定試料を含む測定液の質量との差分を計測し、これを測定試料の質量、すなわち炭素繊維１１のＣＦ質量Ｗａとその炭素繊維１１に付着しているＣＮＴ１７のＣＮＴ質量Ｗｂとの和（Ｗａ＋Ｗｂ）とする。
（３）測定試料を含む測定液を加熱して、炭素繊維１１からそれに付着しているＣＮＴ１７を完全に分離し、ＣＮＴ１７を測定液中に分散する。
（４）吸光光度計を用いて，ＣＮＴ１７が分散している測定液の吸光度（透過率）を測定する。吸光光度計による測定結果と、予め作成しておいた検量線とから測定液中のＣＮＴ１７の濃度(以下、ＣＮＴ濃度という)を求める。ＣＮＴ濃度は、その値をＣ、測定液の質量をＷ１、この測定液に含まれるＣＮＴ１７の質量をＷ２としたときに、「Ｃ＝Ｗ２／（Ｗ１＋Ｗ２）」で与えられる質量パーセント濃度である。
（５）得られるＣＮＴ濃度と測定試料を投入する前の測定液の質量とから測定液中のＣＮＴ１７のＣＮＴ質量Ｗｂを求める。
（６）（２）で求められるＣＦ質量ＷａとＣＮＴ質量Ｗｂとの和（Ｗａ＋Ｗｂ）と、ＣＮＴ１７のＣＮＴ質量（Ｗｂ）とから、ＣＮＴ質量比Ｒｃ（＝Ｗｂ／（Ｗａ＋Ｗｂ））を算出する。
【0053】
上記吸光度の測定では、分光光度計（例えば、SolidSpec-3700、株式会社島津製作所製等）を用いることができ、測定波長としては例えば５００ｎｍ等を用いればよい。また、測定の際には、測定液を石英製のセルに収容することが好ましい。さらに、分散剤以外の不純物を含まない分散媒の吸光度をリファレンスとして測定し、ＣＮＴ１７の濃度Ｃは、ＣＮＴ１７が分散している測定液の吸光度とリファレンスとの差分を用いて求めることができる。なお、ＣＮＴ質量比Ｒｃの測定においては、炭素繊維束１２から第１サイジング剤１５を除去したものを用いる。但し、炭素繊維１１の質量に対して第１サイジング剤１５の１／１００程度である場合には、第１サイジング剤１５の付着の有無、すなわち第１サイジング剤１５の質量は、ＣＮＴ質量比Ｒｃの好ましい範囲に実質的に影響を与えることながないので、この場合には、第１サイジング剤１５が付着しているＣＮＴ複合繊維の質量を、ＣＦ質量ＷａとＣＮＴ質量Ｗｂとの和（Ｗａ＋Ｗｂ）とみなすことができる。
【0054】
ＣＮＴ質量比Ｒｃによって均一性を評価する場合には、評価する炭素繊維束１２の評価範囲（例えば、長さ１ｍ）をほぼ均等に網羅するように１０ヶ所の測定部位を設定する。これら１０ヶ所の測定部位は、評価範囲の両端とその間の８カ所とし、各測定部位のそれぞれについて、上述の手順でＣＮＴ質量比Ｒｃを求める。
【0055】
［サイジング剤質量比の測定］
サイジング剤質量比率Ｒｍの測定では、各炭素繊維１１の構造体１４に第１サイジング剤１５を付着させて作成した炭素繊維束１２から、例えば３本のＣＮＴ複合繊維を切り出して測定試料として、下記のようにして求める。測定試料として切り出すＣＮＴ複合繊維の長さは例えば５ｍとする。なお、測定試料とするＣＮＴ複合繊維の本数、長さは、これらに限定されない。
サイジング剤質量比率Ｒｍの測定では、各炭素繊維１１の構造体１４に第１サイジング剤１５を付着させて作成した炭素繊維束１２から、例えば３本のＣＮＴ複合繊維を切り出して測定試料として、下記のようにして求める。測定試料として切り出すＣＮＴ複合繊維の長さは例えば５ｍとする。なお、測定試料とするＣＮＴ複合繊維の本数、長さは、これらに限定されない。
【0056】
（１）ＣＮＴ１７の測定液に測定試料を投入する。測定液及び分散媒の条件は、上記のＣＮＴ質量比Ｒｃを測定する場合と同じである。
（２）測定試料を投入する前の測定液の質量と、投入後の測定試料を含む測定液の質量との差分を計測し、これを測定試料の質量、すなわち炭素繊維１１のＣＦ質量Ｗａ、炭素繊維１１に付着しているＣＮＴ１７のＣＮＴ質量Ｗｂ及びＣＮＴ１７に付着している第１サイジング剤１５のサイズ剤質量Ｗｃとの和（Ｗａ＋Ｗｂ＋Ｗｃ）とする。
（３）測定試料を含む測定液加熱して、炭素繊維１１からそれに付着しているＣＮＴ１７を完全に分離し、ＣＮＴ１７を測定液中に分散する。
（４）ＣＮＴ質量比Ｒｃを測定する場合と同様に、吸光光度計を用いてＣＮＴ１７が分散している測定液の吸光度を測定し、その吸光度と、予め作成しておいた検量線とから測定液中のＣＮＴ１７のＣＮＴ濃度を求める。得られるＣＮＴ濃度と測定試料を投入する前の測定液の質量とから測定液中のＣＮＴ質量Ｗｂを求める。
（５）使用している炭素繊維１１（原糸）のカタログ値からＣＦ質量Ｗａを特定する。
（６）測定試料の質量（Ｗａ＋Ｗｂ＋Ｗｃ）から、（５）で得られるＣＦ質量Ｗａ及び（４）得られるＣＮＴ質量Ｗｂを減算した差を求め、これを測定試料に付与されていた第１サイズ剤のサイズ剤質量Ｗｃとする。
（７）（５）で得られるＣＦ質量Ｗａと、（６）で得られるサイズ剤質量Ｗｃとからサイジング剤質量比率Ｒｍ（＝（Ｗｃ／Ｗａ）×１００％）を算出する。
（２）測定試料を投入する前の測定液の質量と、投入後の測定試料を含む測定液の質量との差分を計測し、これを測定試料の質量、すなわち炭素繊維１１のＣＦ質量Ｗａ、炭素繊維１１に付着しているＣＮＴ１７のＣＮＴ質量Ｗｂ及びＣＮＴ１７に付着している第１サイジング剤１５のサイズ剤質量Ｗｃとの和（Ｗａ＋Ｗｂ＋Ｗｃ）とする。
（３）測定試料を含む測定液加熱して、炭素繊維１１からそれに付着しているＣＮＴ１７を完全に分離し、ＣＮＴ１７を測定液中に分散する。
（４）ＣＮＴ質量比Ｒｃを測定する場合と同様に、吸光光度計を用いてＣＮＴ１７が分散している測定液の吸光度を測定し、その吸光度と、予め作成しておいた検量線とから測定液中のＣＮＴ１７のＣＮＴ濃度を求める。得られるＣＮＴ濃度と測定試料を投入する前の測定液の質量とから測定液中のＣＮＴ質量Ｗｂを求める。
（５）使用している炭素繊維１１（原糸）のカタログ値からＣＦ質量Ｗａを特定する。
（６）測定試料の質量（Ｗａ＋Ｗｂ＋Ｗｃ）から、（５）で得られるＣＦ質量Ｗａ及び（４）得られるＣＮＴ質量Ｗｂを減算した差を求め、これを測定試料に付与されていた第１サイズ剤のサイズ剤質量Ｗｃとする。
（７）（５）で得られるＣＦ質量Ｗａと、（６）で得られるサイズ剤質量Ｗｃとからサイジング剤質量比率Ｒｍ（＝（Ｗｃ／Ｗａ）×１００％）を算出する。
【0057】
なお、上記のサイジング剤質量比率Ｒｍの測定において、炭素繊維１１（原糸）のカタログ値からＣＦ質量Ｗａを特定する場合に、サイジング剤が付着していない炭素繊維１１（原糸）の質量を特定する。ここでいうサイジング剤は、炭素繊維１１（原糸）同士の絡み等を防止するために炭素繊維１１（原糸）の表面に付着しているものであって、第１サイジング剤とは異なる。ただし、絡み等を防止するためのサイジング剤の質量は、一般的に炭素繊維１１のＣＦ質量Ｗａに対して１／１００程度であって、このような場合には当該サイジング剤の付着の有無は、サイジング剤質量比率Ｒｍの好ましい範囲に実質的に影響を与えることがない。したがって、このような場合にはサイジング剤が付着している炭素繊維１１の質量を、サイジング剤質量比率Ｒｍを求める際のＣＦ質量Ｗａとみなしてもよい。
【0058】
また、ＣＦ質量Ｗａの特定は、カタログ値から特定することに限定されない。例えば、ＣＮＴ１７を分離した後の炭素繊維１１の質量を実測してＣＦ質量Ｗａとしてもよい。さらに、測定試料としたＣＮＴ複合繊維に用いている炭素繊維１１と同種であって、ＣＮＴ１７を付着させていない炭素繊維について質量を測定したものからＣＦ質量Ｗａを特定してもよい。
【0059】
回転部材２は、図８に示すように、構造体形成工程ＳＴ１、第１サイジング処理工程ＳＴ２、成形工程ＳＴ３を経て作製される。構造体形成工程ＳＴ１では、炭素繊維束１２の各炭素繊維１１（原糸）のそれぞれにＣＮＴ１７を付着させて構造体１４を形成する。このために、ＣＮＴ１７が単離分散したＣＮＴ単離分散液（以下、単に分散液と称する）中に炭素繊維束１２を浸漬し、分散液に機械的エネルギーを付与する。単離分散とは、ＣＮＴ１７が１本ずつ物理的に分離して絡み合わずに分散媒中に分散している状態をいい、２以上のＣＮＴ１７が束状に集合した集合物の割合が１０％以下である状態をさす。ここで集合物の割合が１０％以上であると、分散媒中でのＣＮＴ１７の凝集が促進され、ＣＮＴ１７の炭素繊維１１に対する付着が阻害される。
【0060】
図９に一例を示すように、付着装置２１は、ＣＮＴ付着槽２２、ガイドローラ２３～２６、超音波発生器２７、炭素繊維束１２を一定の速度で走行させる走行機構（図示省略）等で構成される。ＣＮＴ付着槽２２内には、分散液２８が収容される。超音波発生器２７は、超音波をＣＮＴ付着槽２２の下側よりＣＮＴ付着槽２２内の分散液２８に印加する。
【0061】
付着装置２１には、構造体１４が形成されていない長尺（例えば１００ｍ程度）の炭素繊維束１２が連続的に供給される。供給される炭素繊維束１２は、ガイドローラ２３～２６に順番に巻き掛けられ、走行機構により一定の速さで走行する。付着装置２１には、各炭素繊維１１にサイジング剤が付着していない炭素繊維束１２が供給される。なお、ここでいうサイジング剤は、上述の炭素繊維１１の絡み等を防止するためものである。
【0062】
炭素繊維束１２は、開繊された状態でガイドローラ２３～２６にそれぞれ巻き掛けられている。ガイドローラ２３～２６に巻き掛けられた炭素繊維束１２は、適度な張力が作用することで炭素繊維１１が絡まり合うおそれが低減される。炭素繊維束１２のガイドローラ２４～２６に対する巻き掛けは、より小さい巻掛け角（９０°以下）とすることが好ましい。
【0063】
ガイドローラ２３～２６は、いずれも平ローラである。図１０に示すように、ガイドローラ２３のローラ長（軸方向の長さ）Ｌ１は、開繊された炭素繊維束１２の幅ＷＬよりも十分に大きくしてある。ガイドローラ２４～２６についても、ガイドローラ２３と同様であり、それらのローラ長は、開繊された炭素繊維束１２の幅ＷＬよりも十分に大きくしてある。例えば、ガイドローラ２３～２６は、全て同じサイズであり、ローラ長Ｌ１が１００ｍｍ、ローラの直径（外径）が５０ｍｍである。開繊された炭素繊維束１２は、厚み方向（ガイドローラの径方向）に複数本の炭素繊維１１が並ぶ。
【0064】
ガイドローラ２３～２６のうちのガイドローラ２４、２５は、ＣＮＴ付着槽２２内に配置されている。これにより、ガイドローラ２４、２５間では、炭素繊維束１２は、分散液２８中を一定の深さで直線的に走行する。炭素繊維束１２の走行速度は、０．５ｍ／分以上１００ｍ／分以下の範囲内とすることが好ましい。炭素繊維束１２の走行速度が高いほど、生産性を向上させることができ、走行速度が低いほど、ＣＮＴ１７の均一付着に有効であり、また炭素繊維１１同士の絡み合いの抑制に効果的である。また、炭素繊維１１同士の絡み合いが少ないほど炭素繊維１１に対するＣＮＴ１７の付着の均一性を高めることができる。炭素繊維束１２の走行速度が１００ｍ／分以下であれば、炭素繊維１１同士の絡み合いがより効果的に抑制されるとともに、ＣＮＴ１７の付着の均一性をより高くできる。また、炭素繊維束１２の走行速度は、５ｍ／分以上５０ｍ／分以下の範囲内とすることがより好ましい。
【0065】
超音波発生器２７は、機械的エネルギーとしての超音波振動を分散液２８に印加する。これにより、分散液２８中において、ＣＮＴ１７が分散した分散状態と凝集した凝集状態とが交互に変化する可逆的反応状態を作り出す。この可逆的反応状態にある分散液２８中に炭素繊維束１２を通過させると、分散状態から凝集状態に移行する際に、各炭素繊維１１にＣＮＴ１７がファンデルワールス力により付着する。ＣＮＴ１７に対する炭素繊維１１の質量は、１０万倍以上と大きく、付着したＣＮＴ１７が脱離するためのエネルギーは、超音波振動によるエネルギーより大きくなる。このため、分散液２８中において、炭素繊維１１に一度付着したＣＮＴ１７は、付着後の超音波振動によっても炭素繊維１１から剥がれない。なお、ＣＮＴ１７同士では、いずれも質量が極めて小さいため、超音波振動によって分散状態と凝集状態とに交互に変化する。
【0066】
分散状態から凝集状態への移行が繰り返し行われることで、各炭素繊維１１に多くのＣＮＴ１７がそれぞれ付着して構造体１４が形成される。上述のように、ＣＮＴ１７として曲がった形状のものを用いることにより、ＣＮＴ１７とそれが付着した炭素繊維１１の表面との間や付着したＣＮＴ１７同士の間等に形成された空間に他のＣＮＴ１７が入り込むことで、より多くのＣＮＴ１７が炭素繊維１１に付着し、構造体１４が形成される。
【0067】
分散液２８に印加する超音波振動の周波数は、４０ｋＨｚ以上９５０ｋＨｚ以下であることが好ましい。周波数が４０ｋＨｚ以上であれば、炭素繊維束１２中の炭素繊維１１同士の絡まり合いが抑制される。また、周波数が９５０ｋＨｚ以下であれば、炭素繊維１１にＣＮＴ１７が良好に付着する。炭素繊維１１の絡み合いをより低減するためには、超音波振動の周波数は、１００ｋＨｚ以上が好ましい。
【0068】
また、炭素繊維１１に付着するＣＮＴ１７の本数は、ＣＮＴ１７の分散状態から凝集状態への移行回数が１０万回以上となることで、炭素繊維１１同士の絡み合いが良好に抑制され、また構造体１４の厚さの均一性を確保できることを、発明者らは見出した。なお、付着本数の最大値は、分散液２８のＣＮＴ濃度によって変化し、分散液２８のＣＮＴ濃度が高いほど大きくなる。ただし、分散液２８のＣＮＴ濃度が、超音波振動を印加しているときにＣＮＴ１７が分散状態をとり得ないほどの高濃度になると、炭素繊維１１に対するＣＮＴ１７の付着が行えなくなる。
【0069】
このため、炭素繊維束１２が分散液２８中を走行している期間の長さ、すなわちガイドローラ２４、２５の間を走行している時間（以下、浸漬時間という）が、分散液２８に印加する超音波振動の周期の１０万倍またはそれ以上となるように、炭素繊維束１２の走行速度、炭素繊維束１２が分散液２８中を走行する距離（ガイドローラ２４、２５の間隔）、分散液２８に印加する超音波振動の周波数を決めることが好ましい。すなわち、超音波振動の周波数をｆｓ（Ｈｚ）、浸漬時間をＴｓ（秒）としたときに、「Ｔｓ≧１０００００／ｆｓ」を満たすようにすることが好ましい。例えば、超音波振動の周波数が１００ｋＨｚ、炭素繊維束１２が分散液２８中を走行する距離が０．１ｍであれば、炭素繊維束１２の走行速度を６ｍ／分以下とすればよい。また、炭素繊維束１２を複数回に分けて分散液２８に浸漬する場合でも、合計した浸漬時間が超音波振動の周期の１０万倍またはそれ以上とすればＣＮＴ１７の付着本数をほぼ最大にできる。
【0070】
図１１に模式的に示すように、超音波発生器２７から印加される超音波振動によってＣＮＴ付着槽２２内の分散液２８には、音圧（振幅）の分布が定まった定在波が生じる。この付着装置２１では、分散液２８中において、超音波振動の定在波の節すなわち音圧が極小となる深さを炭素繊維束１２が走行するように、ガイドローラ２４、２５の深さ方向の位置が調整されている。したがって、炭素繊維束１２が分散液２８中を走行する分散液２８の液面からの深さは、その深さをＤ、分散液２８中に生じる超音波振動の定在波の波長をλ、ｎを１以上の整数としたときに、「Ｄ＝ｎ・（λ／２）」を満たすように決められている。なお、定在波の波長λは、分散液２８中の音速、超音波発生器２７から印加される超音波振動の周波数に基づいて求めることができる。
【0071】
上記のように、分散液２８中を走行する炭素繊維束１２の深さを調整することにより、音圧による炭素繊維１１の振動を抑制して、糸たるみによる糸乱れを防ぐことができ、炭素繊維１１同士あるいは各炭素繊維１１の表面に付着しているＣＮＴ１４同士の擦れを抑えて、厚さの大きい構造体１４を形成することができる。また、擦れが抑えられることによって、構造体１４の厚さが大きくても、ＣＮＴ質量比Ｒｃのばらつきが抑えられ、上述の標準偏差ｓが小さくなる。なお、炭素繊維束１２が分散液２８中を走行する深さは、定在波の節から多少ずれてもよく、その場合にはｎ・λ／２－λ／８以上ｎ・λ／２＋λ／８以下の範囲内（ｎ・λ／２－λ／８≦Ｄ≦ｎ・λ／２＋λ／８）とすることが好ましい。これにより、炭素繊維１１の糸たるみによる糸乱れを許容できる範囲とすることができる。
【0072】
分散液２８は、例えば長尺のＣＮＴ（以下、材料ＣＮＴと称する）を分散媒に加え、ホモジナイザーや、せん断力、超音波分散機などにより、材料ＣＮＴを切断して所望とする長さのＣＮＴ１７とするとともに、ＣＮＴ１７の分散の均一化を図ることで調製される。
【0073】
分散媒としては、水、エタノール、メタノール、イソプロピルアルコールなどのアルコール類やトルエン、アセトン、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、メチルエチルケトン（ＭＥＫ）、ヘキサン、ノルマルヘキサン、エチルエーテル、キシレン、酢酸メチル、酢酸エチル等の有機溶媒及びこれらの任意の割合の混合液を用いることができる。分散液２８は、分散剤、接着剤を含有しない。
【0074】
上述のように曲がった形状のＣＮＴ１７の元となる材料ＣＮＴは、曲がった形状のものである。このような材料ＣＮＴは、個々の材料ＣＮＴの直径が揃っているものが好ましい。材料ＣＮＴは、切断によって生成される各ＣＮＴの長さが大きくても、ＣＮＴを単離分散することができるものが好ましい。これにより、上述のような長さの条件を満たすＣＮＴ１７を単離分散した分散液２８が容易に得られる。
【0075】
この例の複合素材１０では、上述のように、ＣＮＴ１７として曲がった形状のものを付着させているので、ＣＮＴ１７とそれが付着した炭素繊維１１の表面との間や付着したＣＮＴ１７同士の間等に形成された空間に他のＣＮＴ１７が入り込む。これにより、より多くのＣＮＴ１７が炭素繊維１１に付着する。また、強固にＣＮＴ１７が炭素繊維１１に付着して構造体１４が形成されるので、炭素繊維１１からＣＮＴ１７がより剥離し難い。そして、このような複合素材１０を用いて作製される回転部材２は、ＣＮＴに由来して特性がより高くなっている。
【0076】
分散液２８のＣＮＴ１７の濃度は、０．００３ｗｔ％以上３ｗｔ％以下の範囲内であることが好ましい。分散液２８のＣＮＴ１７の濃度は、より好ましくは０．００５ｗｔ％以上０．５ｗｔ％以下である。
【0077】
炭素繊維束１２は、分散液２８中から引き出された後に乾燥される。乾燥された炭素繊維束１２に対して第１サイジング処理を行うことで、第１サイジング剤１５が構造体１４に付与される。
【0078】
第１サイジング処理工程ＳＴ２は、第１サイジング処理を行う。第１サイジング処理は、乾燥された炭素繊維束１２に対して第１サイジング処理液を付与する（接触させる）工程と乾燥させる工程とを含む。第１サイジング処理液は、上述のカルボジイミド化合物を、溶媒に溶解することによりつくることができる。カルボジイミド化合物を溶解する溶媒としては、水、アルコール、ケトン類およびそれらの混合物等を用いることできる。
【0079】
第１サイジング処理液の付与は、第１サイジング処理液が収容された液槽に炭素繊維束１２を浸漬する手法、炭素繊維束１２に第１サイジング処理液を噴霧する手法、炭素繊維束１２に第１サイジング処理液を塗り付ける手法等、いずれの手法を用いてもよい。第１サイジング処理液は、ＣＮＴ１７同士の直接接触を維持した状態で、ＣＮＴ１７の表面に付与された状態になり、粘度が低いほど、ＣＮＴ１７同士の接触部近傍及び炭素繊維１１とＣＮＴ１７の接触部近傍に凝集しやすい。
【0080】
第１サイジング処理工程ＳＴ２において、炭素繊維束１２に対する第１サイジング処理液の付与量、第１サイジング処理液におけるカルボジイミド化合物の濃度などを調整することで、所望とするサイジング剤質量比率Ｒｍにすることできる。
【0081】
第１サイジング処理液の付与後の乾燥は、第１サイジング処理液の溶媒（この例では水）を蒸発させる。乾燥の手法は、第１サイジング処理液が付与された炭素繊維束１２を放置乾燥する手法、炭素繊維束１２に空気等の気体を送る手法、炭素繊維束１２を加熱する手法等の公知の乾燥手法を用いることができ、放置乾燥または気体を送るいずれかの手法に加熱を併用してもよい。
【0082】
成形工程ＳＴ３は、第１サイジング処理工程ＳＴ２を経た複合素材１０を用い、フィラメントワインディング法により回転部材２を成形する。図１２に一例を示すように、例えば複数本の複合素材１０がクリール（給糸装置）３１から所定の張力に調整されながら繰り出され、繰り出された複合素材１０が樹脂付与装置３２を介してフィラメントワインダ３３に給糸される。複合素材１０は、樹脂付与装置３２を通過する際に、ＣＮＴ複合繊維の表面に未硬化の液状のマトリックス樹脂Ｍが付与される。このときに、樹脂付与装置３２は、炭素繊維１１の表面に形成された構造体１４にマトリックス樹脂Ｍを含浸させる。
【0083】
フィラメントワインダ３３には、マンドレル３４が回動自在にセットされている。フィラメントワインダ３３によってマンドレル３４が回転されることにより、マトリックス樹脂Ｍが付与された複合素材１０は、それに所定の張力が付与されながら、マンドレル３４に巻回される。マンドレル３４への複合素材１０の巻き付け位置は、樹脂付与装置３２に設けられたヘッド（図示省略）によって決められている。マンドレル３４の回転に同期して樹脂付与装置３２をマンドレル３４の軸心方向に往復動することで、マンドレル３４に対する複合素材１０の巻き付け位置をマンドレル３４の軸心方向にずらしながら巻回する。
【0084】
このときに、マンドレル３４の軸心方向に対する複合素材１０の巻き付け角度（斜交角度）を、例えばほぼ９０°に調整することによって、マトリックス樹脂Ｍが付与されたＣＮＴ複合繊維は、マンドレル３４にフープ巻きすなわちマンドレル３４の外周面にその軸心に対しほぼ直角となる方向に緻密に巻き付けられる。また、マンドレル３４の軸心方向に対する複合素材１０の巻き付け角度を、９０°よりも小さい角度、例えば４５°に調整することによって、マトリックス樹脂Ｍが付与されたＣＮＴ複合繊維は、マンドレル３４にヘリカル巻きすなわちマンドレル３４の外周面にその軸心に対して４５°となる角度を持って緻密に巻き付けられる。
【0085】
上記のようにマンドレル３４の外周面上に複合素材１０を所定の層数（１層以上）で巻回した成形体を形成した後、成形体とともにマンドレル３４をフィラメントワインダ３３から外す。成形体は、例えば外されたマンドレル３４とともに加熱され、ＣＮＴ複合繊維に付与されたマトリックス樹脂Ｍが硬化される。マトリックス樹脂Ｍが硬化した成形体は、マンドレル３４から外され、必要に応じて所望とする幅（軸心方向の長さ）に切断されて回転部材２とされる。
【0086】
樹脂付与装置３２としては、例えば、図１３に示すように、タッチロール方式のものを用いている。この樹脂付与装置３２は、貯留槽３６内に貯留された未硬化の液状のマトリックス樹脂Ｍにタッチロール３５の下部が浸漬され、そのタッチロール３５の上部外周面に複合素材１０が一対のガイドローラ３５ａで押し付けられている。タッチロール３５が回転することによって、貯留されている液状のマトリックス樹脂Ｍがタッチロール３５の外周面を介してＣＮＴ複合繊維に塗布される。タッチロール３５の回転速度、一対のガイドローラ３５ａによるタッチロール３５に対する複合素材１０の押し付け力等を調整することで、複合素材１０すなわち構造体１４が形成された炭素繊維１１へのマトリックス樹脂Ｍの付与量が調整されるとともに、構造体１４に付与されたマトリックス樹脂Ｍが十分に含浸するようにされている。
【0087】
マトリックス樹脂Ｍは、特に限定されず、種々の熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂を用いることができる。例えば、熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂（ユリア樹脂）、不飽和ポリエステル、アルキド樹脂、熱硬化性ポリイミド、シアネートエステル樹脂、ビスマレイミド樹脂、ビニルエステル樹脂等が挙げられ、これらの樹脂の混合物でもよい。また、熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、アクリロニトリル/スチレン（ＡＳ）樹脂、アクリロニトリル/ブタジエン/スチレン（ＡＢＳ）樹脂、メタクリル樹脂（ＰＭＭＡ等）、熱可塑性エポキシ樹脂等の汎用樹脂、ポリアミド、ポリアセタール、ポリエチレンテレフタレート、超高分子量ポリエチレン、ポリカーボネート、フェノキシ樹脂等のエンジニアリングプラスチック、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、液晶ポリマー、ポリテトラフロロエチレン、ポリエーテルイミド、ポリアリレート、ポリイミド等のスーパーエンジニアリングプラスチックを挙げることができる。
【0088】
回転部材２の引張強度と炭素繊維１１の繊維体積含有率（Ｖｆ）とは、正の相関性を有していることを確認しており、引張強度を高める観点から炭素繊維１１の繊維体積含有率（Ｖｆ）がより高いことが好ましく、その炭素繊維１１の繊維体積含有率が例えば７５％以上であっても７５％未満であってもかまわない。一方で、回転部材２の耐脆性の観点から繊維体積含有率を７５％未満にしておくことが好ましい。また、回転部材２の製造時における成形の容易性の観点からは炭素繊維１１の繊維体積含有率を５０％以上とすることが好ましい。このようなことから、回転部材２の繊維体積含有率を５０％以上７５％未満とすることは好ましい態様である。なお、回転部材２における炭素繊維１１の繊維体積含有率は、例えば、樹脂付与装置３２による複合素材１０に対するマトリックス樹脂Ｍの付与量やマンドレル３４に巻き付け時の複合素材１０の張力を調整することにより変えることができる。
【0089】
なお、回転部材２の炭素繊維１１の繊維体積含有率は、例えば、式（３）を用いて次のようにして求めることができる。式（３）中における値ρは、回転部材２の比重、値ρｆは、炭素繊維１１の比重、値ρｍは、マトリックス樹脂Ｍの比重である。回転部材２の比重ρ及びマトリックス樹脂Ｍの比重ρｍは、測定器（例えば、高精度電子比重計SD-200L（アルファミラージュ(株)製））により測定される値が用いられる。炭素繊維１１の比重ρｆは、回転部材２等と同様に測定器で測定される値を用いてもよいし、カタログ値（炭素繊維１１のメーカの公称値）を用いてもよい。なお、炭素繊維１１に付着しているＣＮＴ１７、第１サイジング剤１５の各比重は、炭素繊維１１の比重に対して非常に小さい値であるため、炭素繊維１１単体の比重を比重ρｆと見做してもよい。
【0090】
【数2】
【0091】
上記成形工程ＳＴ３において、マンドレル３４に複合素材１０を巻回して作製した成形体のマトリックス樹脂Ｍを硬化させる際に、そのマトリックス樹脂Ｍがエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂である場合には、回転部材２の内径寸法の精度を高めるうえで加熱温度を段階的に変化させることも好ましい。図１４に示す例は、成形体のマトリックス樹脂Ｍを硬化させる硬化工程で２段階に温度を変化させるものであり、室温から第１加熱温度Ｔ１まで昇温してその第１加熱温度Ｔ１に所定の時間維持し、その後に第１加熱温度Ｔ１よりも高い第２加熱温度Ｔ２まで昇温して、第２加熱温度Ｔ２を所定の時間維持する。第２加熱温度Ｔ２を所定の時間維持した後には、成形体を自然冷却し、その後にマンドレル３４から成形体が外されて回転部材２とされる。
【0092】
第１加熱温度Ｔ１で成形体を加熱する第１加熱工程は、作製される回転部材２の内径寸法の誤差を小さくするために、加熱によるマンドレル３４の熱膨張ないし熱収縮を抑制した状態で成形体をサイズ変動の少ない安定した形状にまで硬化することを主たる目的としてマトリックス樹脂Ｍのゲル化を進めて硬化させる工程である。このため、第１加熱温度Ｔ１としては、マンドレル３４の熱膨張を小さく抑えるような温度に設定される。また、第１加熱温度Ｔ１での加熱は、成形体の安定形状が得られるまで、すなわち最終強度を得ないまでも硬化したといえる程度になるまで行われる。より具体的には、第１加熱温度Ｔ１に維持する時間は、例えばマトリックス樹脂Ｍの貯蔵弾性率がほぼ一定となるまでの時間として決められる。なお、第１加熱工程において、成形体の熱膨張ないし熱収縮を抑制することは、回転部材２の内径寸法の誤差をより小さくするうえで好ましい。この場合には、第１加熱温度Ｔ１は、マンドレル３４の熱膨張または熱収縮を小さく抑えるような温度であって、成形体の熱膨張ないし熱収縮を抑制するために第１加熱工程の終了時におけるマトリックス樹脂Ｍのガラス転移点以下の温度（第１加熱工程中に増大するマトリックス樹脂Ｍのガラス転移点以下の一定の温度）に設定する。この例でもそのようにしている。
【0093】
第１加熱温度Ｔ１に維持する時間は、マトリックス樹脂Ｍの貯蔵弾性率の変化率（増加率）が減少に転じるまで、損失弾性率がピークに達するまであるいはピークアウトするまでの時間等としてもよい。なお、例えばレオメータを用いて、加熱温度ごとの加熱時間に対するマトリックス樹脂Ｍの貯蔵弾性率、損失弾性率の変化を知ることができ、第１加熱温度Ｔ１に維持する時間を予め決めておくことができる。また、マトリックス樹脂Ｍのガラス転移点も予め知ることができる。
【0094】
第２加熱温度Ｔ２で成形体を加熱する第２加熱工程は、第１加熱温度Ｔ１よりも高い第２加熱温度Ｔ２で成形体を加熱することにより、第１加熱工程を経たマトリックス樹脂Ｍの硬化を進ませ、回転部材２の最終的な強度、弾性率、また耐熱性を得る。マトリックス樹脂Ｍがシアネートエステル樹脂である場合には、例えば、第１加熱温度Ｔ１は、１００℃以上２００℃以下の範囲内、第２加熱温度Ｔ２は、２００℃以上３００℃以下の範囲内であることが好ましい。
【0095】
上記のように段階的に加熱温度を変化させることにより、第１加熱工程において第１加熱温度Ｔ１で成形体が加熱されることにより、マトリックス樹脂Ｍが硬化して成形体の安定形状が形成される。この後に第２加熱工程において、成形体のマトリックス樹脂Ｍの硬化が進み、成形体が最終的な強度、弾性率、耐熱性とされる。このようにして作製される回転部材２の内径寸法は、第１加熱工程において成形体の安定形状が形成された時点でほぼ決まり、第１加熱工程では、第１加熱温度Ｔ１で加熱を行っているから、マンドレル３４の熱膨張及びマトリックス樹脂Ｍの熱膨張ないし熱収縮がそれぞれ小さい。これにより、内径寸法の誤差の小さな成形体すなわち回転部材２が得られる。
【0096】
なお、第２加熱工程において第２加熱温度Ｔ２で成形体が加熱されることにより、マンドレル３４が第１加熱工程よりも大きく熱膨張し、その熱膨張によって安定形状となった成形体が変形するが、その変形のほとんどは弾性変形であるので冷却後に元に戻る。このため、第２加熱工程において、成形体の内径寸法が与える影響は非常に小さい。
【0097】
上記のように段階的に加熱温度を変化させて、実際にマンドレル３４の材料として機械構造用炭素鋼鋼材Ｓ４５Ｃを用いて、５０個の回転部材２を作製したときの内径寸法は、４０ｍｍ±０．００３ｍｍであった。これに対して、成形体を同じ材料で作製したマンドレル３４とともに室温から第２加熱温度Ｔ２まで昇温して硬化させ５０個の回転部材２を作製したときの内径寸法は、４０ｍｍ±０．０１ｍｍ以上であった。なお、前者の場合には、室温から昇温して第１加熱温度Ｔ１を９０分間維持し、その後に第１加熱温度Ｔ１から昇温して第２加熱温度Ｔ２を１２０分間維持した。後者の場合には、室温から第２加熱温度Ｔ２まで昇温し、第２加熱温度Ｔ２を２１０分間維持した。前者における第１加熱温度Ｔ１は１４５℃、前者及び後者の第２加熱温度Ｔ２は２００℃とした。したがって、上記のように段階的に加熱温度を変化させて成形体のマトリックス樹脂Ｍを硬化させることで、作製される回転部材２の内径寸法の制御が容易になり、所望とする内径寸法に対して誤差が抑えられた回転部材２を作製できることがわかる。なお、このような手法は、構造体１４や第１サイジング剤１５等の有無にかかわらずフィラメントワインディング方式で回転部材を作製する場合に用いることができる。なお、第１加熱工程における加熱温度を２段階以上で段階的に変化させ、加熱温度ごとに所定の時間加熱するようにしてもよい。
【0098】
上記の複合素材１０を用いた回転部材２では、図１５に模式的に示すように、炭素繊維１１の間の複合領域１８の一部が互いに固着した架橋部ＣＬによって、炭素繊維１１同士が架橋した架橋構造を有する。上述のように複合領域１８は、構造体１４とこの構造体１４に含浸して硬化したマトリックス樹脂Ｍとからなる領域である。複合領域１８は、硬化したマトリックス樹脂単体よりも硬度が高くなるとともに、高弾性すなわち弾性限界が大きい。また、複合領域１８は、マトリックス樹脂よりも耐摩耗性が高い。このような複合領域１８同士の結合によって、炭素繊維１１同士の結合が強固なものとなり、複合素材１０を用いた回転部材２の引張強度を向上させる。
【0099】
架橋構造は、構造体１４同士が接触する程度に炭素繊維１１間の距離が近接している場合に形成されるため、構造体１４の厚さが大きいほど、架橋を多くする上で有利である。ただし、構造体１４の厚さは、均一な厚さによる品質安定性の確保、炭素繊維１１からの脱落の防止等の観点から、大きくとも３００ｎｍ以下とすることが好ましい。特には、構造体１４の厚さを５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲内とするのがよい。
【0100】
また、構造体１４は、複数のＣＮＴ１７が不織布状に厚みを持って絡み合っているため、炭素繊維１１に付与されたマトリックス樹脂Ｍが構造体１４内に含浸した状態で保持される。したがって、回転部材２のような炭素繊維強化成形体において、その成形手法によらず炭素繊維１１の表面でマトリックス樹脂Ｍの偏りがほとんどなく、炭素繊維同士の間隔が均一になる。このため、マトリックス樹脂Ｍのせん断力を介在した炭素繊維間における荷重伝達が均一に行われ、回転部材２の引張強度が効果的に大きくなる。
【0101】
図１６は、引抜成形法であるが複合素材１０を用いて炭素繊維強化成形体として作製した円柱状のロッドのＸ線ＣＴによる内部構造の画像を示している。複合素材１０を用いて作製したロッドでは、マトリックス樹脂Ｍの大きな偏り及びボイドがなく、炭素繊維間の距離がロッド全体でほぼ均一になっていることが確認できる。これに対して、ＣＮＴを付着させていない炭素繊維（原糸）を用いて同様に作製したロッドの内部構造は、図１７に示すように、マトリックス樹脂Ｍの大きな偏り及びボイドが生じていることが確認された。
【0102】
複合素材に、カルボジイミド由来の構造を有する第１サイジング剤とは別に、構造体のＣＮＴの表面を覆う被覆剤としての第２サイジング剤を付与してもよい。図１８に示すように、第２サイジング剤３７は、構造体１４のＣＮＴ１７の表面を覆うように、ＣＮＴ１７に付着している。この第２サイジング剤３７は、反応硬化性樹脂、熱硬化性樹脂あるいは熱可塑性樹脂の硬化物あるいは未硬化物からなる。
【0103】
第２サイジング剤３７は、第１サイジング剤１５を付与する第１サイジング処理の後に、第２サイジング処理により複合素材１０に付与する。第２サイジング処理は、一般的な方法により行うことができ、分散媒に第２サイジング剤３７となる樹脂（ポリマー）を溶解した第２サイジング処理液に、第１サイジング処理後の開繊した炭素繊維束１２（炭素繊維１１）を接触させて炭素繊維束１２に第２サイジング剤３７を付与した後、分散媒を蒸発させるとともに第２サイジング剤３７を硬化または半硬化させる。なお、第２サイジング剤となる液滴状の樹脂を含むエマルジョンタイプの第２サイジング処理液を用いることもできる。
【0104】
第２サイジング剤３７となる樹脂は、特に限定されず、種々の反応硬化性樹脂、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂等を用いることができる。例えば、熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂（ユリア樹脂）、不飽和ポリエステル、アルキド樹脂、熱硬化性ポリイミド、シアネートエステル樹脂、反応性基を有する樹脂等が挙げられる。また、熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、アクリロニトリル/スチレン（ＡＳ）樹脂、アクリロニトリル/ブタジエン/スチレン（ＡＢＳ）樹脂、メタクリル樹脂（ＰＭＭＡ等）、塩化ビニル、熱可塑性エポキシ樹脂等の汎用樹脂、ポリアミド、ポリアセタール、ポリエチレンテレフタレート、超高分子量ポリエチレン、ポリカーボネート等のエンジニアリングプラスチック、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、液晶ポリマー、ポリテトラフロロエチレン、ポリエーテルイミド、ポリアリレート、ポリイミド等のスーパーエンジニアリングプラスチックを挙げることができる。
【0105】
第２サイジング剤３７は、第１サイジング剤１５を含むＣＮＴ１７の表面を覆う。このような第２サイジング剤３７のうち、第１サイジング剤１５の部分はこの第１サイジング剤１５と架橋するが、第１サイジング剤１５がない部分では架橋が生じないため粘稠性を有している。この第２サイジング剤３７により、構造体１４が形成された複数の炭素繊維１１からなる繊維束の集束性が向上する。第２サイジング剤３７は、第１サイジング剤１５と同様に、構造体１４の空隙部１９を閉塞しないようにすることが好ましい。
【0106】
上記では表面磁石型電動機に用いられる回転部材について説明しているが、回転部材とは、これに限定されるものではない。例えば、上記表面磁石型電動機と同様の構造を有する発電機のロータに外嵌されるもの、遠心分離機に用いられる回転胴等の回転部材であってもよい。また、円筒状、リング状等の回転部材の内周や外周等に他の部材が一体に形成ないし組み付けられている構造でもよい。したがって、他の部材を含む部材の一部として回転部材となる炭素繊維強化層が形成されていてもよい。
【実施例】
【0107】
＜実施例１＞
実施例１では、上記手順により複合素材１０を作製し、ＣＮＴ１７の剥離実験を行い、第１サイジング剤１５の効果を確認した。複合素材１０の作製の際に用いた分散液２８は、上述のように曲がった形状を有する材料ＣＮＴを用いて調製した。図１９に分散液２８の調製に用いた材料ＣＮＴのＳＥＭ写真を示す。この材料ＣＮＴは、多層であり、直径が３ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲であった。材料ＣＮＴは、硫酸と硝酸の３：１混酸を用いて洗浄して触媒残渣を除去した後、濾過乾燥した。分散液２８の分散媒としてのアセトンに材料ＣＮＴを加え、超音波ホモジナイザーを用いて材料ＣＮＴを切断し、ＣＮＴ１７とした。分散液２８中のＣＮＴ１７の長さは、０．２μｍ以上５μｍ以下であった。また、分散液２８中のＣＮＴ１７は、曲がった形状と評価できるものであった。分散液２８のＣＮＴ１７の濃度は、０．１２ｗｔ％（＝１２００ｗｔ ｐｐｍ）とした。分散液２８には、分散剤や接着剤を添加しなかった。
実施例１では、上記手順により複合素材１０を作製し、ＣＮＴ１７の剥離実験を行い、第１サイジング剤１５の効果を確認した。複合素材１０の作製の際に用いた分散液２８は、上述のように曲がった形状を有する材料ＣＮＴを用いて調製した。図１９に分散液２８の調製に用いた材料ＣＮＴのＳＥＭ写真を示す。この材料ＣＮＴは、多層であり、直径が３ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲であった。材料ＣＮＴは、硫酸と硝酸の３：１混酸を用いて洗浄して触媒残渣を除去した後、濾過乾燥した。分散液２８の分散媒としてのアセトンに材料ＣＮＴを加え、超音波ホモジナイザーを用いて材料ＣＮＴを切断し、ＣＮＴ１７とした。分散液２８中のＣＮＴ１７の長さは、０．２μｍ以上５μｍ以下であった。また、分散液２８中のＣＮＴ１７は、曲がった形状と評価できるものであった。分散液２８のＣＮＴ１７の濃度は、０．１２ｗｔ％（＝１２００ｗｔ ｐｐｍ）とした。分散液２８には、分散剤や接着剤を添加しなかった。
【0108】
炭素繊維束１２としては、トレカ（登録商標）Ｔ７００ＳＣ－１２０００（東レ株式会社製）を用いた。この炭素繊維束１２には、１２０００本の炭素繊維１１が含まれている。炭素繊維１１の直径は７μｍ程度であり、長さは５００ｍ程度である。なお、炭素繊維束１２は、ＣＮＴ１７の付着に先立って、炭素繊維１１の表面から炭素繊維１１の絡み等を防止するためのサイジング剤を除去した。
【0109】
炭素繊維束１２を開繊した状態でガイドローラ２３～２６に巻き掛け、ＣＮＴ付着槽２２内の分散液２８中を走行させた。炭素繊維束１２の走行速度は、１ｍ／分とし、分散液２８には、超音波発生器２７により周波数が２００ｋＨｚの超音波振動を与えた。なお、ガイドローラ２４、２５の間を走行している浸漬時間は、６．２５秒であった。この浸漬時間は、分散液２８に与える超音波振動の１２５００００周期分である。分散液２８中では、炭素繊維束１２は、「Ｄ＝ｎ・（λ／２）」を満たす分散液２８の液面からの深さＤを走行させた。
【0110】
分散液２８から引き出された炭素繊維束１２を乾燥させた後に、第１サイジング処理を実施して、構造体１４を構成するＣＮＴ１７に第１サイジング剤１５を付与した。第１サイジング処理では、カルボジイミド化合物として「カルボジライトＶ－０２」（商品名、日清紡ケミカル社製）を水に溶解した第１サイジング処理液を用いた。第１サイジング処理液のカルボジイミド化合物の濃度は、サイジング剤質量比率Ｒｍが１．０％となるように調整した。第１サイジング処理を施した炭素繊維束１２を乾燥させて複合素材１０を得た。
【0111】
上記のように第１サイジング処理を施した炭素繊維束１２の一部を切り出して取得した複数本の炭素繊維１１（以下、サンプル繊維という）に複数のＣＮＴ１７が均一に分散して付着していることをＳＥＭ観察した。この結果、炭素繊維１１の繊維軸方向の狭い範囲（局所的）でも、また広い範囲でも均一にＣＮＴ１７が付着して構造体１４が形成されていることが確認された。また、構造体１４は、多数のＣＮＴ１７からなる三次元的なメッシュ構造すなわち空隙部１９を有する不織布状に形成されており、空隙部１９のほとんどが第１サイジング剤１５で閉塞されていないことが確認された。
【0112】
ＣＮＴ１７の剥離実験では、水と界面活性剤とを混合した混合液に、サンプル繊維を浸漬し、その混合液に超音波発生器から超音波振動を１０分間与えた。混合液に浸漬した炭素繊維１１の長さは、１ｍ、混合液における界面活性剤の濃度は０．２質量％、混合液に与えた超音波振動の周波数は１００ｋＨｚであった。
【0113】
比較例１として、カルボジイミド化合物に代えてエポキシ樹脂をアセトンに溶解したサイジング処理液を用いて第１サイジング処理を行って得られた炭素繊維に対して、ＣＮＴの剥離実験を行った。この比較例１では、サイジング処理液が異なる他は、上記と同じ条件とした。サイジング処理液のエポキシ樹脂の濃度は、サイジング剤質量比率Ｒｍが１．０％になるように調整した。
【0114】
比較例１の剥離実験では混合液が黒く濁り、剥離実験後に確認したところ９割以上のＣＮＴが炭素繊維から脱落していることが確認された。これに対して、実施例１における剥離実験では混合液が僅かに濁った程度であり、炭素繊維１１からのＣＮＴ１７の脱落がほとんどないことが確認できた。すなわち、カルボジイミド由来の構造を有する第１サイジング剤１５により、ＣＮＴ１７同士及びＣＮＴ１７と炭素繊維１１との接触が強固なものとなり、構造体１４の崩壊及び炭素繊維１１からの構造体１４の剥がれが効果的に抑制されることが分かった。
【0115】
＜実施例２＞
実施例２では、実施例１と同じ条件で作製した複合素材１０を用いて、炭素繊維強化成形体である試験片Ａ２１を作製し、モードＩ層間破壊靱性試験を行った。試験片Ａ２１は、長さ１６０ｍｍとし、幅２３ｍｍ、厚さ３ｍｍとなるように作製した。実施例２では、第１サイジング処理を施した複合素材１０を用いてプリプレグを作製し、長方形（１６０ｍｍ×２３ｍｍ）に切断した複数枚のプリプレグを積層し、加圧しながら加熱してマトリックス樹脂を硬化させることで試験片Ａ２１を作製した。各プリプレグは、長手方向が炭素繊維１１の繊維軸方向と一致するように切断し、試験片Ａ２１は、その長手方向に全ての炭素繊維１１の繊維軸方向を一致させた。
実施例２では、実施例１と同じ条件で作製した複合素材１０を用いて、炭素繊維強化成形体である試験片Ａ２１を作製し、モードＩ層間破壊靱性試験を行った。試験片Ａ２１は、長さ１６０ｍｍとし、幅２３ｍｍ、厚さ３ｍｍとなるように作製した。実施例２では、第１サイジング処理を施した複合素材１０を用いてプリプレグを作製し、長方形（１６０ｍｍ×２３ｍｍ）に切断した複数枚のプリプレグを積層し、加圧しながら加熱してマトリックス樹脂を硬化させることで試験片Ａ２１を作製した。各プリプレグは、長手方向が炭素繊維１１の繊維軸方向と一致するように切断し、試験片Ａ２１は、その長手方向に全ての炭素繊維１１の繊維軸方向を一致させた。
【0116】
モードＩ層間破壊靱性試験は、上記試験片Ａ２１に対して、オートグラフ精密万能試験機ＡＧ５－５ｋＮＸ（（株）島津製作所製）を用い、ＪＩＳ Ｋ７０８６に準拠して行った。試験法としては、双片持ち梁層間破壊靱性試験法（ＤＣＢ法）を用いた。すなわち、鋭利な刃物等で試験片Ａ２１の先端から２～５ｍｍの初期き裂を形成し、その後にさらにき裂を進展させて初期き裂の先端から、き裂進展長さが６０ｍｍに到達した時点で試験を終了させた。試験機のクロスヘッドスピードは、き裂進展量に応じて変更した。具体的には、き裂進展量が２０ｍｍまでのクロスヘッドスピードは、０．５ｍｍ／分とした。き裂進展量が２０ｍｍを超えた際には、クロスヘッドスピードは１ｍｍ／分とした。き裂進展長さは顕微鏡を用いて試験片Ａ２１の両側面から測定し、荷重、およびき裂開口変位を計測することにより、荷重－ＣＯＤ（Crack Opening Displacement）曲線からモードＩ層間破壊靱性値（ＧＩＣ）を求めた。
【0117】
比較例２として、カルボジイミド化合物に代えてエポキシ樹脂をアセトンに溶解したサイジング処理液を用いて第１サイジング処理を行って得られる複合素材を用い、この複合素材を強化繊維とした炭素繊維強化成形体である試験片Ｂ２１と、ＣＮＴを付着させていない炭素繊維（原糸）を強化繊維とした炭素繊維強化成形体である試験片Ｂ２２をそれぞれ作製し、モードＩ層間破壊靱性試験を行った。試験片Ｂ２２では、サイジング処理は行っていない。比較例２では、上記の条件の他は、試験片Ａ２１と同じ条件とした。
【0118】
き裂進展量２０ｍｍにおけるモードＩ層間破壊靱性値（ＧＩＣ）のモードＩ層間破壊靱性強度ＧＩＲは、実施例２の試験片Ａ２１が０．４２５ｋＪ／ｍ２、比較例２の試験片Ｂ２１が０．３２３ｋＪ／ｍ２、試験片Ｂ２２が０．２３１ｋＪ／ｍ２とであった。この結果より、実施例２の試験片（炭素繊維強化成形体）Ａ２１は、モードＩ層間破壊靱性強度ＧＩＲが比較例２の試験片Ｂ２１に対して約１．３２倍、試験片Ｂ２２に対して約１．８４倍向上していることが分かる。
【0119】
＜実施例３＞
実施例３では、実施例１と同様に作製した複合素材１０を強化繊維とした炭素繊維強化成形体である中実のロッドＡ３１、Ａ３２を作製し、これらロッドＡ３１、Ａ３２について３点曲げ試験を行った。実施例３では、引抜成形法によって複合素材１０とマトリックス樹脂とから直接に直径約２．６ｍｍの円柱状の成形体を作製し、この成形体にセンタレス研磨を行って断面がより真円に近い直径約２．２ｍｍのロッドＡ３１、Ａ３２を作製した。したがって、ロッドＡ３１、Ａ３２は、その軸心方向と炭素繊維１１の繊維軸方向が一致する。なお、ロッドＡ３１の炭素繊維１１（原糸）としては、トレカＴ７００ＳＣ（東レ株式会社製）を、ロッドＡ３２の炭素繊維１１（原糸）としては、トレカＴ８００ＳＣ（東レ株式会社製）をそれぞれ用いた。ロッドＡ３１、Ａ３２の、他の作製条件は、実施例１と同じにした。
実施例３では、実施例１と同様に作製した複合素材１０を強化繊維とした炭素繊維強化成形体である中実のロッドＡ３１、Ａ３２を作製し、これらロッドＡ３１、Ａ３２について３点曲げ試験を行った。実施例３では、引抜成形法によって複合素材１０とマトリックス樹脂とから直接に直径約２．６ｍｍの円柱状の成形体を作製し、この成形体にセンタレス研磨を行って断面がより真円に近い直径約２．２ｍｍのロッドＡ３１、Ａ３２を作製した。したがって、ロッドＡ３１、Ａ３２は、その軸心方向と炭素繊維１１の繊維軸方向が一致する。なお、ロッドＡ３１の炭素繊維１１（原糸）としては、トレカＴ７００ＳＣ（東レ株式会社製）を、ロッドＡ３２の炭素繊維１１（原糸）としては、トレカＴ８００ＳＣ（東レ株式会社製）をそれぞれ用いた。ロッドＡ３１、Ａ３２の、他の作製条件は、実施例１と同じにした。
【0120】
上記のロッドＡ３１、Ａ３２をそれぞれ切断して、長さ１２０ｍｍの試験片を複数作製し、それら試験片に対して、ＪＩＳ Ｋ ７０７４：１９８８「炭素繊維強化プラスチックの曲げ試験方法」に準拠して３点曲げ試験を行った。支点間距離は、８０ｍｍとした。３点曲げ試験は、圧子の降下速度を相対的に低速にしたもの（以下、低速曲げ試験という）と、高速なもの（以下、高速曲げ試験という）を行って、それぞれ破壊荷重（Ｎ）を求めた。低速曲げ試験では、圧子の降下速度を５ｍｍ／秒とし、高速曲げ試験では、圧子の降下速度を１ｍ／秒と５ｍ／秒の２種類とした。破壊荷重（Ｎ）としては、低速曲げ試験及び２種類の高速曲げ試験の各結果のそれぞれについて、繊維体積含有率（Ｖｆ）が６０％換算の値を求めた。なお、ロッドＡ３１、Ａ３２のそれぞれについて、低速曲げ試験及び２種類の高速曲げ試験のいずれも複数の試験片を用いて複数回の試験を行った。
【0121】
比較例３として、ＣＮＴを付着させていない炭素繊維（原糸）を強化繊維とした炭素繊維強化成形体である中実のロッドＢ３１、Ｂ３２を作製し、これらのロッドＢ３１、Ｂ３２について３点曲げ試験を行った。ロッドＢ３１の炭素繊維は、ロッドＡ３１のものと同じであり、ロッドＢ３２の炭素繊維は、ロッドＡ３２のものと同じである。ロッドＢ３１、Ｂ３２は、炭素繊維を原糸で用いた以外は、ロッドＡ３１、Ａ３２と同じ条件で作製した。また、ロッドＢ３１、Ｂ３２についての３点曲げ試験は、ロッドＡ３１、Ａ３２と同じ条件で行い、破壊荷重（Ｎ）を求めた。
【0122】
上記の試験結果を図２０に示す。低速曲げ試験では、ロッドＡ３１は、ロッドＢ３１よりも１１％、ロッドＡ３２は、ロッドＢ３２よりも２３％破壊強度が向上していた。また、高速曲げ試験では、ロッドＡ３１は、ロッドＢ３１よりも１４％、ロッドＡ３２は、ロッドＢ３２よりも１１％破壊強度が向上していた。
【0123】
＜実施例４＞
実施例４では、実施例１と同様に作製した複合素材１０を用いた炭素繊維強化成形体であるリング状試験片Ａ４１、Ａ４２を回転部材として作製し、ＮＯＬリング試験（ASTM D2290準拠）を行った。すなわち、繊維基材としての複合素材１０を一方向に平行巻きしたリング状試験片Ａ４１、Ａ４２を用いて円周方向の引張強度を求めた。リング状試験片Ａ４１、Ａ４２は、上述のように、フィラメントワインディング法を用いて作製した。すなわち、フィラメントワインダ３３に装着した円筒状のマンドレル３４に、第１サイジング処理後の複合素材１０（ＣＮＴ複合繊維）にマトリックス樹脂Ｍを含浸させてから巻き付けて成形体を形成した。成形体は、マンドレル３４とともに加熱してマトリックス樹脂Ｍを硬化させた。マトリックス樹脂Ｍの硬化後、マンドレル３４を抜いた成形体を所定の幅に切断してリング状試験片Ａ４１、Ａ４２とした。マトリックス樹脂Ｍは、ロールコータを用いて第１サイジング処理後の複合素材１０に塗布した。炭素繊維１１（原糸）としては、トレカＴ１１００（東レ株式会社製）を用いた。複合素材１０の他の作製条件は、実施例１と同じにした。
実施例４では、実施例１と同様に作製した複合素材１０を用いた炭素繊維強化成形体であるリング状試験片Ａ４１、Ａ４２を回転部材として作製し、ＮＯＬリング試験（ASTM D2290準拠）を行った。すなわち、繊維基材としての複合素材１０を一方向に平行巻きしたリング状試験片Ａ４１、Ａ４２を用いて円周方向の引張強度を求めた。リング状試験片Ａ４１、Ａ４２は、上述のように、フィラメントワインディング法を用いて作製した。すなわち、フィラメントワインダ３３に装着した円筒状のマンドレル３４に、第１サイジング処理後の複合素材１０（ＣＮＴ複合繊維）にマトリックス樹脂Ｍを含浸させてから巻き付けて成形体を形成した。成形体は、マンドレル３４とともに加熱してマトリックス樹脂Ｍを硬化させた。マトリックス樹脂Ｍの硬化後、マンドレル３４を抜いた成形体を所定の幅に切断してリング状試験片Ａ４１、Ａ４２とした。マトリックス樹脂Ｍは、ロールコータを用いて第１サイジング処理後の複合素材１０に塗布した。炭素繊維１１（原糸）としては、トレカＴ１１００（東レ株式会社製）を用いた。複合素材１０の他の作製条件は、実施例１と同じにした。
【0124】
リング状試験片Ａ４１、Ａ４２は、内径３５ｍｍ、外径４０ｍｍ、幅３ｍｍとした。ＮＯＬリング試験では、５５８２型万能材料試験機（インストロン社製）を用いて、引張速度２ｍｍ／ｍｉｎで行った。この試験結果を図２１に示す。図２１は、横軸が繊維体積含有率（Ｖｆ）であり、縦軸は、繊維体積含有率が１００％であるときの理論強度を１００とした場合の相対的な引張強度を示す指標値である。また、図２１のグラフには、リング状試験片Ａ４１、Ａ４２と同じ繊維体積含有率についての引張強度の理論値を併せて示してある。
【0125】
比較例４として、ＣＮＴを付着させていない炭素繊維（原糸）を強化繊維とした炭素繊維強化成形体であるリング状試験片Ｂ４１～Ｂ４４を作製し、ＮＯＬリング試験を行った。リング状試験片Ｂ４１～Ｂ４４の炭素繊維は、リング状試験片Ａ４１、Ａ４２のものと同じものを用い、炭素繊維を原糸で用いた以外は、リング状試験片Ａ４１、Ａ４２と同じ条件で作製した。これら比較例４のリング状試験片Ｂ４１～Ｂ４４の試験結果を図２１に示す。
【0126】
図２１のグラフより、ＣＮＴ１７を付着させた炭素繊維１１を強化繊維としているリング状試験片Ａ４１、Ａ４２は、炭素繊維（原糸）を強化繊維としたリング状試験片Ｂ４１～Ｂ４４よりも引張強度が向上し、引張強度の理論値に近くなっていることがわかる。
【0127】
［実施例５］
実施例５では、フラグメンテーション法により炭素繊維１１とマトリックス樹脂との界面接着強度を評価した。あわせて、サイジング剤質量比率Ｒｍの違いによる炭素繊維１１とマトリックス樹脂との界面接着強度を評価した。
実施例５では、フラグメンテーション法により炭素繊維１１とマトリックス樹脂との界面接着強度を評価した。あわせて、サイジング剤質量比率Ｒｍの違いによる炭素繊維１１とマトリックス樹脂との界面接着強度を評価した。
【0128】
まず、第１サイジング処理液のカルボジイミド化合物の濃度を調整し、サイジング剤質量比率Ｒｍが０．６％、０．８％、１．０％、１．１％、１．５％となる複合素材１０をそれぞれ作製した。作製した複合素材１０のそれぞれについて、炭素繊維束１２から１本のＣＮＴ複合繊維を取り出し、そのＣＮＴ複合繊維を軟質エポキシ樹脂中に埋設した試験片Ａ５１～Ａ５５を作製した。試験片Ａ５１～Ａ５５は、複合素材１０の複数の作製ロットについてそれぞれ３個作製した。炭素繊維１１としては、トレカＴ７００ＳＣ（東レ株式会社製を用いた。なお、この他の複合素材１０の作製条件は、実施例１と同じである。
【0129】
試験片Ａ５１～Ａ５５のそれぞれについて、炭素繊維１１が切断されなくなるまで引張荷重を加えてから、一定長における炭素繊維１１の各切断片の長さを個々の試験片について測定し、試験片Ａ５１～Ａ５５のそれぞれについて、作製ロットごとに切断片の長さの平均（切断繊維長さ）を求めた。この測定結果を図２２のグラフに示す。
【0130】
比較例５として、ＣＮＴを付着させていない１本の炭素繊維（原糸）を軟質エポキシ樹脂中に埋設した試験片Ｂ５１を作製した。試験片Ａ５１～Ａ５５と同様に、試験片Ｂ５１に引張荷重を加え、作製ロットごとに切断片の長さの平均（切断繊維長さ）を求めた。この測定結果を図２２のグラフに示す。なお、試験片Ｂ５１の作製条件は、ＣＮＴが炭素繊維に付着していない他は、試験片Ａ５１～Ａ５５と同じとした。
【0131】
試験片Ａ５１～Ａ５５の切断繊維長さは、比較例５の試験片Ｂ５１の切断繊維長さよりも短くなっており、ＣＮＴ複合繊維とマトリックス樹脂との界面接着強度が、ＣＮＴを付着させていない炭素繊維（原糸）のものよりも高くなっていることがわかる。また、試験片Ｂ５１に対して、サイジング剤質量比率Ｒｍが０．６％以上１．１％以下の範囲内の試験片Ａ５１～Ａ５４の界面接着強度が顕著に高くなっていることがわかる。
【0132】
上記のように作製された複合素材１０のうちサイジング剤質量比率Ｒｍが０．８％、１．１％、１．５％ものについて、構造体１４の表面の第１サイジング剤１５を電界放出型走査電子顕微鏡（FE-SEM）で観察した状態を図２３ないし図２５に示す。サイジング剤質量比率Ｒｍが０．８％、１．１％の構造体１４では、ＣＮＴ１７が形成する空隙部１９が第１サイジング剤１５によって閉塞されていなかったが、サイジング剤質量比率Ｒｍが１．５％の構造体１４では多くの空隙部１９が第１サイジング剤１５によって閉塞されていることが確認された。
【0133】
［実施例６］
実施例６では、複合素材１０を強化繊維として、炭素繊維の繊維体積含有率（Ｖｆ）が異なる回転部材２としての複数のリング状試験片Ａ６を作製し、それぞれの引張強度を、ＮＯＬリング試験（ASTM D2290準拠）により測定した。また、比較例６として、原糸（炭素繊維）を強化繊維として、炭素繊維の繊維体積含有率（Ｖｆ）が異なる複数のリング状試験片Ｂ６を作製し、それぞれの引張強度を同様に測定した。実施例６、比較例６のＮＯＬリング試験は、いずれも前述の５５８２型万能材料試験機を用い、引張速度２ｍｍ／ｍｉｎとして行った。なお、リング状試験片Ａ６、Ｂ６は、実施例４と同様に作製した。ただし、リング状試験片Ａ６、Ｂ６のいずれにも、炭素繊維１１としてトレカＴ１１００ＳＣ－１２０００（東レ株式会社製）を用いた。
実施例６では、複合素材１０を強化繊維として、炭素繊維の繊維体積含有率（Ｖｆ）が異なる回転部材２としての複数のリング状試験片Ａ６を作製し、それぞれの引張強度を、ＮＯＬリング試験（ASTM D2290準拠）により測定した。また、比較例６として、原糸（炭素繊維）を強化繊維として、炭素繊維の繊維体積含有率（Ｖｆ）が異なる複数のリング状試験片Ｂ６を作製し、それぞれの引張強度を同様に測定した。実施例６、比較例６のＮＯＬリング試験は、いずれも前述の５５８２型万能材料試験機を用い、引張速度２ｍｍ／ｍｉｎとして行った。なお、リング状試験片Ａ６、Ｂ６は、実施例４と同様に作製した。ただし、リング状試験片Ａ６、Ｂ６のいずれにも、炭素繊維１１としてトレカＴ１１００ＳＣ－１２０００（東レ株式会社製）を用いた。
【0134】
上記の測定結果を図２６に示す。図２６の●は、実施例６の各測定結果のプロット、▲は、比較例６の各測定結果のプロットである。また、図２６は、横軸がリング状試験片における炭素繊維の繊維体積含有率（Ｖｆ）であり、縦軸は、引張強度（指標値）である。実線は、実施例６の測定値に基づいて、最小自乗法で求めた繊維体積含有率と引張強度（指標値）との関係を示す近似直線であり、破線は、比較例６の測定値に基づいて、実施例６と同様に求めた繊維体積含有率と引張強度（指標値）との関係を示す近似直線である。引張強度（指標値）は、比較例６の繊維体積含有率と引張強度（指標値）との関係（近似直線）から求めた強化繊維の繊維体積含有率が７０％であるときの引張強度を「１００」とした場合の相対的な引張強度を示す値である。また、図２７には、図２６の繊維体積含有率６０％以上、引張強度（指標値）９０以上の領域を拡大して示す。
【0135】
図２６、図２７より、繊維体積含有率に正比例して引張強度が向上することが確認できた。各リング状試験片Ａ６の引張強度（指標値）は、比較的に繊維体積含有率が低い６０％以上７０％未満の範囲においても、また繊維体積含有率が高い７０％以上（７５％未満）の範囲においても、比較例６の繊維体積含有率と引張強度（指標値）との関係を示す近似直線よりも上側にプロットされている。すなわちＣＮＴ複合繊維を強化繊維とする各リング状試験片Ａ６は、同じ繊維体積含有率の炭素繊維の原糸を強化繊維とするリング状試験片よりも高い引張強度をもつことが分かる。具体的には、同じ繊維体積含有率の場合において、実施例６のように複合素材１０を強化繊維としたリング状試験片の引張強度は、比較例６のように原糸を強化繊維としたリング状試験片の引張強度に対して約１０％高い値である。また、同じ引張強度を得るための繊維体積含有率は、複合素材１０を強化繊維とした場合では原糸を強化繊維とした場合に対して約１０％小さい値となる。近似直線より、複合素材１０を強化繊維としたリング状試験片の繊維体積含有率７４％の場合の引張強度は、原糸を強化繊維としたリング状試験片の繊維体積含有率８１％の場合の引張強度の値に相当する。
【0136】
一般的に炭素繊維強化成形体は、繊維体積含有率が８０％を超えるとマトリックス樹脂量の減少により、それ自体が脆くなるため、引張強度を向上させるための繊維体積含有率の増加にも限界があるが、回転部材２の強化繊維として複合素材１０を用いることにより、相対的に小さい繊維体積含有率でも、強化繊維として原糸を用いたものよりも高い引張強度が得られるため、高い引張強度と高い耐脆性とを両立できる。
【0137】
［実施例７］
実施例７として、繊維体積含有率（Ｖｆ）が異なる複数のリング状試験片について、破壊状態を評価した。評価した複数のリング状試験片は、上述の実施例６で引張強度の測定を実施した各リング状試験片Ａ６を含んでいる。破壊状態の評価は、以下のように行った。まず、評価対象の複数のリング状試験片Ａ６を、繊維体積含有率６０％以上７０％未満の第１グループと、７０％以上の第２グループとにグループ分けした。そして、５５８２型万能材料試験機を用いて２ｍｍ／ｍｉｎの引張速度で引っ張り、破壊した各リング試験片の破壊状態を調べた。リング試験片の破壊状態は、断層破壊モードと層間破壊モードとの２種類に概ね分類できることがわかった。グループ毎に断層破壊モードと層間破壊モードとに分類した。各グループにおいて各破壊モードに分類された個数の割合を百分率で求めた。求めた割合は、評価結果として表１に示す。また、比較例７として、原糸を強化繊維とし、炭素繊維の繊維体積含有率（Ｖｆ）が異なる複数のリング状試験片について、実施例７と同様に破壊状態を評価した。評価した複数のリング状試験片は、上述の比較例６で引張強度の測定を実施した各リング状試験片Ｂ６を含んでいる。この評価結果を表２に示す。
実施例７として、繊維体積含有率（Ｖｆ）が異なる複数のリング状試験片について、破壊状態を評価した。評価した複数のリング状試験片は、上述の実施例６で引張強度の測定を実施した各リング状試験片Ａ６を含んでいる。破壊状態の評価は、以下のように行った。まず、評価対象の複数のリング状試験片Ａ６を、繊維体積含有率６０％以上７０％未満の第１グループと、７０％以上の第２グループとにグループ分けした。そして、５５８２型万能材料試験機を用いて２ｍｍ／ｍｉｎの引張速度で引っ張り、破壊した各リング試験片の破壊状態を調べた。リング試験片の破壊状態は、断層破壊モードと層間破壊モードとの２種類に概ね分類できることがわかった。グループ毎に断層破壊モードと層間破壊モードとに分類した。各グループにおいて各破壊モードに分類された個数の割合を百分率で求めた。求めた割合は、評価結果として表１に示す。また、比較例７として、原糸を強化繊維とし、炭素繊維の繊維体積含有率（Ｖｆ）が異なる複数のリング状試験片について、実施例７と同様に破壊状態を評価した。評価した複数のリング状試験片は、上述の比較例６で引張強度の測定を実施した各リング状試験片Ｂ６を含んでいる。この評価結果を表２に示す。
【0138】
上記断層破壊モードは、図２８に示すように、リング状試験片を構成する複数の炭素繊維の各々が切断される破壊形態である。この断層破壊モードは、Ｘ線ＣＴ画像の解析の結果、各繊維層を斜めに横断してひび割れが生じて破壊に至り、破壊後の各繊維層間の全部またはほとんどで剥離が生じていなことが確認された。一方、層間破壊モードは、図２９に示すように、円周方向に亀裂が入って崩れた形状になる破壊形態である。層間破壊モードは、Ｘ線ＣＴ画像の解析の結果、リング状試験片の各繊維層間に剥離が生じて破壊に至った形跡がＸ線ＣＴ像により確認された。破壊後の各繊維層間の剥離はほぼ全層にて生じていることが確認された。
【0139】
【表1】
【0140】
【表2】
【0141】
比較例７においては、引張強度が相対的に高い第２グループ（７０％≦Ｖｆ）では、全て断層破壊モードであり、引張強度が相対的に小さい第１グループ（６０％≦Ｖｆ＜７０％）では全て層間破壊モードとなっている。これに対し、実施例７では、第２グループでは比較例７と同様に全て断層破壊モードであったが、第１グループでは、２１％が層間破壊モードであり７９％が断層破壊モードであった。これは、実施例７では、繊維体積含有率が６０％以上７０％未満の場合でも、複合領域１８の形成により実質的なマトリックス樹脂Ｍと炭素繊維１１との界面接着強度の向上により維層層間の剥離が生じにくくなり、比較例７に対して層間破壊モードが少なくなったためと考えられる。
【0142】
［実施例８］
実施例８では、実施例６の引張試験にて破断したリング状試験片Ａ６の一部を切り出して切断面を観察するための観察サンプルとした。この観察サンプルの切断面を研磨し、走査電子顕微鏡（SEM、Scanning Electron Microscope）と、電界放出型走査電子顕微鏡（FE-SEM、Field-Emission Scanning Electron Microscope）とのそれぞれで観察した。また、比較例８では、比較例６の引張試験にて破断したリング状試験片Ｂ６の一部を切り出して観察サンプルをつくり、実施例８と同様に観察した。図３０は実施例８のＳＥＭ写真、図３１は比較例８のＳＥＭ写真、図３２は実施例８のＦＥ－ＳＥＭ写真、図３３は比較例８のＦＥ－ＳＥＭ写真である。なお、観察サンプルを切り出したリング状試験片Ａ６は７２．２％の繊維体積含有率、リング状試験片Ｂ６は７２．５％の繊維体積含有率のものである。
実施例８では、実施例６の引張試験にて破断したリング状試験片Ａ６の一部を切り出して切断面を観察するための観察サンプルとした。この観察サンプルの切断面を研磨し、走査電子顕微鏡（SEM、Scanning Electron Microscope）と、電界放出型走査電子顕微鏡（FE-SEM、Field-Emission Scanning Electron Microscope）とのそれぞれで観察した。また、比較例８では、比較例６の引張試験にて破断したリング状試験片Ｂ６の一部を切り出して観察サンプルをつくり、実施例８と同様に観察した。図３０は実施例８のＳＥＭ写真、図３１は比較例８のＳＥＭ写真、図３２は実施例８のＦＥ－ＳＥＭ写真、図３３は比較例８のＦＥ－ＳＥＭ写真である。なお、観察サンプルを切り出したリング状試験片Ａ６は７２．２％の繊維体積含有率、リング状試験片Ｂ６は７２．５％の繊維体積含有率のものである。
【0143】
リング状試験片Ａ６、Ｂ６は、図３０及び図３１に破線で囲む領域のように、リング状試験片Ａ６、Ｂ６のいずれも炭素繊維が非常に密に充填した最密充填箇所が観察され、実施例８と比較例８とに明確な差は認められなかった。繊維体積含有率が７２％程度の場合に、最密充填箇所が確認されることから、さらに繊維体積含有率を増加させると、変形を吸収するマトリックス樹脂量が少なくなることによる脆弱化が問題になる領域となると考えられる。したがって、繊維体積含有率を増加させることによる引張強度の向上には限界がある。
【0144】
リング状試験片Ａ６は、図３２に示されるように、炭素繊維１１とマトリックス樹脂Ｍとの界面に厚さ約０．１μｍの複合領域１８が炭素繊維１１の表面を覆うように均一な膜厚にて存在しており、複数のＣＮＴ１７が不織布状に互いに絡み合ったすなわち立体的な網目状の構造体１４内の空隙にマトリックス樹脂Ｍが入り込みそのマトリックス樹脂Ｍが立体的な網目状になって互いに網目構造として入り込んでおり、ＣＮＴ１７とマトリックス樹脂Ｍとがナノレベルで相互網目構造を形成しているのが観察された。最密充填箇所において、隣り合う炭素繊維１１が接近している領域では、複合領域１８が圧縮され厚さが０．０１μｍ以下となっていることが確認された。このような隣り合う炭素繊維１１上の複合領域１８同士は、互いに固着して一体化しており、上述の炭素繊維１１同士が架橋した架橋構造を形成していることがわかる。
【0145】
一方、図３３に示されるように、リング状試験片Ｂ６は、炭素繊維とマトリックス樹脂との界面に、明瞭な境界線が観察された。最密充填箇所において、隣り合う炭素繊維は互いに接触しているか、隣り合う炭素繊維の間に極薄いマトリックス樹脂が介在しているにすぎない。したがって、隣り合う２本の炭素繊維の結合強度は、炭素繊維とマトリックス樹脂との界面における接着強度を超えることはない。
【0146】
リング状試験片Ａ６では、架橋構造により隣り合う２本の炭素繊維１１がリング状試験片Ｂ６よりも強固に接着した状態になっている。このため、リング状試験片Ａ６にその径方向外向きに大きな引張力を作用させた場合であっても、隣接する炭素繊維１１同士の架橋構造による結合が容易に破壊されず、一体化した複数の炭素繊維１１によってリング状試験片Ｂ６よりも高い引張強度が発現することがわかる。
【符号の説明】
【0147】
２ 回転部材
３ 表面磁石型電動機
４ ロータ
１０ 複合素材
１１ 炭素繊維
１４ 構造体
１５ 第１サイジング剤
１７ カーボンナノチューブ
３７ 第２サイジング剤
Ｍ マトリックス樹脂
３ 表面磁石型電動機
４ ロータ
１０ 複合素材
１１ 炭素繊維
１４ 構造体
１５ 第１サイジング剤
１７ カーボンナノチューブ
３７ 第２サイジング剤
Ｍ マトリックス樹脂
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
【図33】
