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(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】2024-01-29
(45)【発行日】2024-02-06
(54)【発明の名称】繊維強化複合材料成形品
(51)【国際特許分類】
B32B 5/28 20060101AFI20240130BHJP
B32B 5/24 20060101ALI20240130BHJP
B32B 27/00 20060101ALI20240130BHJP
B29C 70/06 20060101ALI20240130BHJP
B29C 70/42 20060101ALI20240130BHJP
B60R 13/02 20060101ALI20240130BHJP
【ＦＩ】
B32B5/28 Z
B32B5/24 101
B32B27/00 Z
B29C70/06
B29C70/42
B60R13/02 A
【請求項の数】
8
(21)【出願番号】P 2019094433
(22)【出願日】2019-05-20
(65)【公開番号】P2020163822
(43)【公開日】2020-10-08
【審査請求日】2022-03-24
(31)【優先権主張番号】P 2019058080
(32)【優先日】2019-03-26
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
【前置審査】
(73)【特許権者】
【識別番号】000006035
【氏名又は名称】三菱ケミカル株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100123788
【弁理士】
【氏名又は名称】宮崎 昭夫
(74)【代理人】
【識別番号】100127454
【弁理士】
【氏名又は名称】緒方 雅昭
(74)【復代理人】
【識別番号】100143856
【弁理士】
【氏名又は名称】中野 廣己
(72)【発明者】
【氏名】池田 和久
(72)【発明者】
【氏名】佐々 喜紀
【審査官】河内 浩志
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１１－０１６２７８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－００６７４５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１４－５０３３７７（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ３２Ｂ １／００－４３／００
Ｂ２９Ｃ７０／００－７０／８８
Ｂ６０Ｒ１３／０１－１３／０４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
表皮材と芯材とを含み、前記表皮材は、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）およびプラスチックから選択される材質からなり、前記芯材は、小さな空孔の集合により形成されるマイクロセルを有するマイクロセル形材料（発泡気泡材料）からなり、
式（１－１）を満たし：
式（１－１） γ’／γ≦０．９０
γ：芯材の破断せん断ひずみ
γ’：芯材の成形品中のせん断ひずみ
厚み方向にせん断ひずみが生じた場合に、前記芯材のせん断破壊より先に前記表皮材の曲げ破壊に至ることを特徴とする繊維強化複合材料成形品。
【請求項2】
前記芯材は、前記表皮材よりも密度が小さい、請求項１記載の繊維強化複合材料成形品。
【請求項3】
前記表皮材は繊維強化プラスチックからなり、前記芯材は発泡気泡材料からなる、請求項１または２記載の繊維強化複合材料成形品。
【請求項4】
芯材の厚みに対する表皮材の厚みの比（表皮材厚み／芯材厚み）が０．３～０．８の範囲にある、請求項１～３のいずれか一項記載の繊維強化複合材料成形品。
【請求項5】
厚み方向に、表皮材、芯材および表皮材が、この順に積み重ねられている、請求項１～４のいずれか一項記載の繊維強化複合材料成形品。
【請求項6】
一方の表皮材の厚みともう一方の表皮材の厚みが異なる、請求項５記載の繊維強化複合材料成形品。
【請求項7】
芯材が露出していないことを特徴とする、請求項１～６のいずれか一項記載の繊維強化複合材料成形品。
【請求項8】
請求項１～７のいずれか一項記載の繊維強化複合材料成形品を含むことを特徴とする自動車用ルーフ部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、繊維強化複合材料成形品に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、スポーツ用途、自動車、航空機、産業用途、医療用途等に用いる部材として、繊維強化複合材料からなる成形品が提案されている。特に、軽量かつ高い機械特性が求められる分野においては、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）が積極的に採用されている。例えば、自動車分野においては、走行性能に大きな影響を及ぼすルーフ、フード、トランクリッド等へのＣＦＲＰの適用が進められている。
【0003】
また、これらの部材には、剛性を落とさずさらに軽量化したいという要求もあり、例えば、ＣＦＲＰを表皮材として、その間により軽量な物質を芯材として組み合わせる構成の成形品もある。
【0004】
組み合わせ構造を有した繊維強化複合材料成形品（以下、単に「成形品」ということがある）の製造方法として、強化繊維に未硬化のマトリックス樹脂を含浸させたシート状のプリプレグを複数枚積層した積層体を２つ用意し、その間により軽量な発泡材を挟む込み、成形金型内で加熱、加圧する方法が知られている。（特許文献１）
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特開２０１１－１６２７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
成形品をより軽量化するため、より密度の低い芯材を用いることが考えられるが、一般的に密度が下がると機械的物性は低下する。そのため、成形品に曲げモーメントが発生するような場合、中立軸になる芯材のせん断破壊が生じやすい。これは、最大せん断応力は中立軸で発生するためである。
【0007】
芯材における破壊は表皮材側からは容易に観察できず、一方、成形品の断面切断による目視確認又は超音波探傷などによる確認には大変な手間を要する。したがって、成形品の破壊の有無を容易に判断することが求められる。
【0008】
本発明の目的は、表皮材と芯材を含む繊維強化複合材料成形品において破壊の有無を容易に判断できる成形品を提供することである。本発明の別の目的は、破壊の有無を容易に判断できる自動車用ルーフ部材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明は、下記の態様を有する。
＜１＞表皮材と芯材とを含み、前記表皮材は、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）およびプラスチックから選択される材質からなり、
前記芯材は、小さな空孔の集合により形成されるマイクロセルを有するマイクロセル形材料（発泡気泡材料）からなり、
式（１－１）を満たし：
式（１－１） γ’／γ≦０．９０
γ：芯材の破断せん断ひずみ
γ’：芯材の成形品中のせん断ひずみ
厚み方向にせん断ひずみが生じた場合に、前記芯材のせん断破壊より先に前記表皮材の曲げ破壊に至ることを特徴とする繊維強化複合材料成形品。
＜１＞表皮材と芯材とを含み、前記表皮材は、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）およびプラスチックから選択される材質からなり、
前記芯材は、小さな空孔の集合により形成されるマイクロセルを有するマイクロセル形材料（発泡気泡材料）からなり、
式（１－１）を満たし：
式（１－１） γ’／γ≦０．９０
γ：芯材の破断せん断ひずみ
γ’：芯材の成形品中のせん断ひずみ
厚み方向にせん断ひずみが生じた場合に、前記芯材のせん断破壊より先に前記表皮材の曲げ破壊に至ることを特徴とする繊維強化複合材料成形品。
【0010】
＜２＞前記芯材は、前記表皮材よりも密度が小さい、前記＜１＞記載の繊維強化複合材料成形品。
＜３＞前記表皮材は繊維強化プラスチックからなり、前記芯材は発泡気泡材料からなる、前記＜１＞または＜２＞記載の繊維強化複合材料成形品。
＜３＞前記表皮材は繊維強化プラスチックからなり、前記芯材は発泡気泡材料からなる、前記＜１＞または＜２＞記載の繊維強化複合材料成形品。
【0013】
＜４＞芯材の厚みに対する表皮材の厚みの比（表皮材厚み／芯材厚み）が０．３～０．８の範囲にある、前記＜１＞～＜３＞のいずれか一項記載の繊維強化複合材料成形品。
【0014】
＜５＞厚み方向に、表皮材、芯材および表皮材が、この順に積み重ねられている、前記＜１＞～＜４＞のいずれか一項記載の繊維強化複合材料成形品。
【0015】
＜６＞一方の表皮材の厚みともう一方の表皮材の厚みが異なる、前記＜５＞記載の繊維強化複合材料成形品。
【0016】
＜７＞芯材が露出していないことを特徴とする、前記＜１＞～＜６＞のいずれか一項記載の繊維強化複合材料成形品。
【0017】
＜８＞前記＜１＞～＜７＞のいずれか一項記載の繊維強化複合材料成形品を含むことを特徴とする自動車用ルーフ部材。
【発明の効果】
【0018】
本発明によれば、表皮材と芯材を含む繊維強化複合材料成形品において破壊の有無を容易に判断できる成形品が提供される。また本発明によれば、破壊の有無を容易に判断できる自動車用ルーフ部材が提供される。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【発明を実施するための形態】
【0020】
＜表皮材＞
本発明に係る繊維強化複合材料成形品は表皮材と芯材と含み、典型的には表皮材と芯材とからなる。表皮材の材質としては、例えば、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）、金属、プラスチック、木材、ガラス、紙が挙げられる。表皮材としては、比強度および比弾性に優れる点から、ＦＲＰが好ましい。
本発明に係る繊維強化複合材料成形品は表皮材と芯材と含み、典型的には表皮材と芯材とからなる。表皮材の材質としては、例えば、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）、金属、プラスチック、木材、ガラス、紙が挙げられる。表皮材としては、比強度および比弾性に優れる点から、ＦＲＰが好ましい。
【0021】
ＦＲＰに用いられる強化繊維としては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、高強度ポリエステル繊維、ボロン繊維、アルミナ繊維、窒化珪素繊維、ナイロン繊維が挙げられる。強化繊維としては、比強度および比弾性に優れる点から、炭素繊維が好ましい。強化繊維は、１種を単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。
【0022】
ＦＲＰに用いられるマトリックス樹脂としては、例えば、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂を含む樹脂組成物が挙げられる。熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂、ベンゾオキサジン樹脂が挙げられる。樹脂組成物としては、硬化後の強度を高くできる点から、エポキシ樹脂を含む樹脂組成物が好ましい。
樹脂組成物には、必要に応じて、硬化剤、硬化促進剤、増粘剤、重合開始剤、無機充填剤等の助剤が含まれていてもよい。
樹脂組成物には、必要に応じて、硬化剤、硬化促進剤、増粘剤、重合開始剤、無機充填剤等の助剤が含まれていてもよい。
【0023】
表皮材（単体）の機械的特性、曲げ強度や曲げ弾性率など、はＡＳＴＭ Ｄ７９０に準じて測定するか、もしくはその測定値から算出することができる。
【0024】
＜芯材＞
芯材の形態としては、例えば、（１）小さな空孔の集合により形成されるマイクロセルを有するマイクロセル形材料、すなわち発泡気泡材料、（２）大きな閉じた空間の集合により形成されるマクロセルを有するマクロセル形材料、（３）波形、ワッフル形、コルゲートコアなどの１枚のシートを上下に規則正しく連続的に配置した屈曲シート形の材料が挙げられる。その形態としては機械的物性に優れる（１）マイクロセル形材料が好ましい。
芯材の形態としては、例えば、（１）小さな空孔の集合により形成されるマイクロセルを有するマイクロセル形材料、すなわち発泡気泡材料、（２）大きな閉じた空間の集合により形成されるマクロセルを有するマクロセル形材料、（３）波形、ワッフル形、コルゲートコアなどの１枚のシートを上下に規則正しく連続的に配置した屈曲シート形の材料が挙げられる。その形態としては機械的物性に優れる（１）マイクロセル形材料が好ましい。
【0025】
マイクロセル形材料とは、典型的には泡状のプラスチックのことであり、それぞれのセルが独立しているものと、互いにセルが連続しているものとがあり、前者を独立気泡、後者を連続気泡と呼ぶ。表皮材がプリプレグなどの樹脂を含んだ材料である場合、樹脂の浸透をほぼ一定に調整できることから、独立気泡形のマイクロセル材料が好ましい。表皮材の意匠面を良好にすることが容易だからである。
【0026】
発泡気泡材料は、一般的に合成樹脂中に気相を細かく分散させ発泡させることで成形される。合成樹脂を発泡させる気相を得る方法は主に、化学反応を利用する方法（化学反応ガス活用法）、沸点が低い溶剤を用いる方法（低沸点溶剤活用法）、空気を混入させる方法（機械的混入法）、含ませた溶剤を除去する過程で空隙を作る方法（溶剤除去法）などがある。
【0027】
芯材の素材としては、例えば、プラスチックフォーム、金属、木材が挙げられる。素材としては、軽量且つ加工性に優れる点から、プラスチックフォームが好ましい。
プラスチックフォームに用いられる樹脂としては、ポリメタクリルイミド樹脂、ポリウレタン樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、アクリル樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリスチレン樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、などがある。軽量で成形中の耐熱性が優れることが好ましく、特にポリメタクリルイミド樹脂、アクリル樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂が好ましい。
プラスチックフォームに用いられる樹脂としては、ポリメタクリルイミド樹脂、ポリウレタン樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、アクリル樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリスチレン樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、などがある。軽量で成形中の耐熱性が優れることが好ましく、特にポリメタクリルイミド樹脂、アクリル樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂が好ましい。
【0028】
芯材（単体）の機械的特性、特には破断せん断強度やせん断弾性率はＡＳＴＭ Ｃ２７３に準じて測定するか、もしくは得られた測定値から算出することができる。
【0029】
＜表皮材と芯材の組み合わせ方法＞
表皮材と芯材の組み合わせ方法としては、「表皮材／芯材／表皮材」又はこれらを繰り返す構成が好ましい。「表皮材／芯材／表皮材」の構成では、厚み方向に、表皮材、芯材および表皮材を、この順に積層する。これらを繰り返す構成では、例えば、表皮材、芯材、表皮材、芯材および表皮材を、この順に積層する。高剛性と軽量化を達成させるため、機械的特性が高い材料を最外層へ、中間層へ軽量な材料配置することが良い。曲げ剛性は成形品の厚みの三乗に比例する。成形品厚みを厚くする場合、曲げ応力は最外層が主に負担する。そのため、剛性に寄与しない中間層には、機械的特性の低いつまり軽量な材料を厚く用いることが好ましい。
表皮材と芯材の組み合わせ方法としては、「表皮材／芯材／表皮材」又はこれらを繰り返す構成が好ましい。「表皮材／芯材／表皮材」の構成では、厚み方向に、表皮材、芯材および表皮材を、この順に積層する。これらを繰り返す構成では、例えば、表皮材、芯材、表皮材、芯材および表皮材を、この順に積層する。高剛性と軽量化を達成させるため、機械的特性が高い材料を最外層へ、中間層へ軽量な材料配置することが良い。曲げ剛性は成形品の厚みの三乗に比例する。成形品厚みを厚くする場合、曲げ応力は最外層が主に負担する。そのため、剛性に寄与しない中間層には、機械的特性の低いつまり軽量な材料を厚く用いることが好ましい。
【0030】
＜表皮材と芯材の成形方法＞
表皮材（プリプレグ）と芯材の積層体を一体成形する方法としては、プレス成形、オートクレーブ成形、ＲＴＭ（Ｒｅｓｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｌｄｉｎｇ）成形、ＶａＲＴＭ（Ｖａｃｕｕｍ Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｒｅｓｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｌｄｉｎｇ）成形、オーブン成形など挙げられるが、意匠性からプレス成形、オートクレーブ成形が好ましく、量産性の観点からプレス成形がより好ましい。
表皮材（プリプレグ）と芯材の積層体を一体成形する方法としては、プレス成形、オートクレーブ成形、ＲＴＭ（Ｒｅｓｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｌｄｉｎｇ）成形、ＶａＲＴＭ（Ｖａｃｕｕｍ Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｒｅｓｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｌｄｉｎｇ）成形、オーブン成形など挙げられるが、意匠性からプレス成形、オートクレーブ成形が好ましく、量産性の観点からプレス成形がより好ましい。
【0031】
＜成形品の破壊試験方法＞
成形品の試験方法としては、成形品の一部を切り取り試験片にするか、又は成形品と同じ構成の試験片を作製し、ＡＳＴＭ Ｄ７９０に準じて、３点曲げ試験を実施する。
成形品の試験方法としては、成形品の一部を切り取り試験片にするか、又は成形品と同じ構成の試験片を作製し、ＡＳＴＭ Ｄ７９０に準じて、３点曲げ試験を実施する。
【0032】
＜支点間距離＞
成形品の３点曲げ試験において、に、支点間距離を極端に長くすると曲げモーメントが大きくなり、表皮材の曲げ破壊が生じやすく、極端に短くすると曲げモーメントが小さくなり、芯材のせん断破壊が生じやすい傾向がある。実用性を考えた場合は支点間距離を試験片の厚みの４０倍程度にすることが好ましい。
成形品の３点曲げ試験において、に、支点間距離を極端に長くすると曲げモーメントが大きくなり、表皮材の曲げ破壊が生じやすく、極端に短くすると曲げモーメントが小さくなり、芯材のせん断破壊が生じやすい傾向がある。実用性を考えた場合は支点間距離を試験片の厚みの４０倍程度にすることが好ましい。
【0033】
＜破壊の順番＞
本発明に関しては、厚み方向にせん断ひずみが生じた場合に、特には成形品の破壊試験（ＡＳＴＭ Ｄ７９０に準じる３点曲げ試験）において、芯材のせん断破壊より先に表皮材の曲げ破壊に至ることが成形品の破壊有無の検知性の面で好ましい。
本発明に関しては、厚み方向にせん断ひずみが生じた場合に、特には成形品の破壊試験（ＡＳＴＭ Ｄ７９０に準じる３点曲げ試験）において、芯材のせん断破壊より先に表皮材の曲げ破壊に至ることが成形品の破壊有無の検知性の面で好ましい。
【0034】
＜成形品の設計＞
（厚み比）
表皮材と芯材の各単体の機械的特性を使い、成形品に掛る曲げ応力とせん断応力を汎用式に当て嵌めて計算すれば成形品の破壊予想は可能である。特に、表皮材に対し芯材厚み比が大きい場合は、表皮材については曲げ応力だけを考慮し、芯材についてはせん断応力だけを考慮すれば、実際の特性と計算値はおおよそ合致する。しかし、厚み比が小さい場合は、表皮材と芯材ともに曲げ応力、せん断応力の負担割合は非線形挙動のため、計算が煩雑化し、実際の特性と計算値はおおよそ合致しない。
（厚み比）
表皮材と芯材の各単体の機械的特性を使い、成形品に掛る曲げ応力とせん断応力を汎用式に当て嵌めて計算すれば成形品の破壊予想は可能である。特に、表皮材に対し芯材厚み比が大きい場合は、表皮材については曲げ応力だけを考慮し、芯材についてはせん断応力だけを考慮すれば、実際の特性と計算値はおおよそ合致する。しかし、厚み比が小さい場合は、表皮材と芯材ともに曲げ応力、せん断応力の負担割合は非線形挙動のため、計算が煩雑化し、実際の特性と計算値はおおよそ合致しない。
【0035】
（芯材の状態）
また、表皮材は芯材よりも十分大きい曲げおよびせん断の強度、曲げおよびせん断の剛性を備えているため、表皮材は単体でも芯材と組み合わせた場合でも同等の機械的特性となると言える。
これに対して、芯材は表皮材の樹脂が芯材表面に入り込むことで、実質的に芯材厚みが変化し、また発泡気泡のため場所による密度違いが発生する。したがって、成形品に組み込まれた芯材の機械的特性は、芯材単体の機械的特性とは異なってくるため、実際の特性と計算値の差が広まり、破壊を予想することが困難であった。
また、表皮材は芯材よりも十分大きい曲げおよびせん断の強度、曲げおよびせん断の剛性を備えているため、表皮材は単体でも芯材と組み合わせた場合でも同等の機械的特性となると言える。
これに対して、芯材は表皮材の樹脂が芯材表面に入り込むことで、実質的に芯材厚みが変化し、また発泡気泡のため場所による密度違いが発生する。したがって、成形品に組み込まれた芯材の機械的特性は、芯材単体の機械的特性とは異なってくるため、実際の特性と計算値の差が広まり、破壊を予想することが困難であった。
【0036】
（計算の基本方針）
本発明者らは、破壊される際の形態においては機械的特性が変化してしまう芯材を基準とし、成形品の試験値から芯材の実質の機械的特性を算出し、それを芯材単体がもつ限界の機械的特性と比較することで、表皮材破壊（芯材せん断破壊より先に表皮材の曲げ破壊が生じること）の設計を可能とした。
本発明者らは、破壊される際の形態においては機械的特性が変化してしまう芯材を基準とし、成形品の試験値から芯材の実質の機械的特性を算出し、それを芯材単体がもつ限界の機械的特性と比較することで、表皮材破壊（芯材せん断破壊より先に表皮材の曲げ破壊が生じること）の設計を可能とした。
【0037】
（せん断ひずみ）
芯材の実質と限界の機械的特性比較においては、具体的にはせん断ひずみを比較することとする。物体に外力を与えた場合に、これに対応した応力が材料内部に発生し、材料は応力に比例した断面の収縮する変形が発生する。その変形量がひずみである。せん断とは成形品の厚み方向に掛る力方向を指す。せん断応力は非線形挙動を示し煩雑な計算を要するのに対し、せん断ひずみは線形挙動を示すため単純化できる。
式（１－１）が満たされると、表皮材破壊が実現される。
芯材の実質と限界の機械的特性比較においては、具体的にはせん断ひずみを比較することとする。物体に外力を与えた場合に、これに対応した応力が材料内部に発生し、材料は応力に比例した断面の収縮する変形が発生する。その変形量がひずみである。せん断とは成形品の厚み方向に掛る力方向を指す。せん断応力は非線形挙動を示し煩雑な計算を要するのに対し、せん断ひずみは線形挙動を示すため単純化できる。
式（１－１）が満たされると、表皮材破壊が実現される。
【0038】
【数2】
【0039】
γ‘は、曲げ試験における破壊したときの最大荷重値を用いて逆算し導き出される芯材の成形品中のせん断ひずみである。γ‘は、表皮材単体についてのＡＳＴＭ Ｄ７９０に準じた３点曲げ試験から得られる試験値と、成形品についてのＡＳＴＭ Ｄ７９０に準じた３点曲げ試験から得られる試験値とから求めることができる。γ‘は、具体的には後述のδｌ、ｌ、Ｐ、Ｅｆ、ｔｆ１、ｔｆ２、ｔｃから求めることができる。
γは芯材単体をＡＳＴＭ Ｃ２７３に規定される方法で試験した試験値から導き出される芯材単体の破断せん断ひずみである。ここでいうγを求めるための試験値は、具体的には後述のτｃおよびＧｃである。
γは芯材単体をＡＳＴＭ Ｃ２７３に規定される方法で試験した試験値から導き出される芯材単体の破断せん断ひずみである。ここでいうγを求めるための試験値は、具体的には後述のτｃおよびＧｃである。
【0040】
一般的に、芯材のせん断ひずみが破断せん断ひずみを超えると、せん断破壊に至る。しかし、上記記載の通り表皮材と芯材の厚み比が小さい場合は、曲げ応力とせん断応力の分布が変化し、また表皮材と芯材の界面の状態は樹脂の染み込みで変化していることが多い。式（１－１）の右辺にある値０．９２はそれらを考慮して得た値であり、０．９２は実際の試験から得られた値である。また、γ‘／γ比は、０．９２以下が好ましく、０．９０以下がさらに好ましい。この比が０．９２未満であれば芯材がせん断破壊する前に表皮材の曲げ破壊に至るようにすることが容易であり、０．９０以下であればより余裕を持って表皮材曲げ破壊へ導くことができる。
【0041】
＜γ‘／γ比各値の算出方法＞
以下、式（１－１）の左辺におけるγ‘／γ比の求め方を説明する。
以下、式（１－１）の左辺におけるγ‘／γ比の求め方を説明する。
【0042】
図１に成形品を３点曲げで試験する時の模式図を示す。図２に試験片の厚み方向の構成を示す。成形品１０は、芯材１２（厚さｔｃ）と、芯材１２の両側にそれぞれ１つずつ積層された表皮材１１からなる。一方の表皮材は厚みｔｆ１を有し、他方の表皮材は厚みｔｆ２を有する。近似厚みｈが、各部材の厚みから算出される。３点曲げ試験に際しては、成形品１０からなる試験片（幅ｂを有する）を、二つの支持体３０（支点間距離ｌをもたらす）で支持する。試験片の中央部に、圧子２０を用いて荷重を加え、最大荷重Ｐ等を測定する。
【0043】
主要パラメータの記号と名称は以下のとおりである。
ｔｆ１：二つの表皮材の一方の厚み（成形品の実測値）
ｔｆ２：二つの表皮材のもう一方の厚み（成形品の実測値）
Ｅｆ：表皮材の曲げ弾性率（表皮材単体につきＡＳＴＭ Ｄ７９０に準じた３点曲げ試験で測定）
ｔｃ：芯材の厚み（成形品の実測値）
Ｇｃ：芯材のせん断弾性率（芯材単体につきＡＳＴＭ Ｃ２７３に準じた強度試験で測定）
τｃ：芯材の破断せん断強度（芯材単体につきＡＳＴＭ Ｃ２７３に準じた強度試験で測定）
ｂ：幅（成形品（試験片）の実測値）
ｈ：近似厚み、ｈ＝（ｔｆ１＋ｔｆ２）／２＋ｔｃ
ｌ：支点間距離（成形品につきＡＳＴＭ Ｄ７９０に準じた３点曲げ試験で測定）
Ｐ：最大荷重（成形品につきＡＳＴＭ Ｄ７９０に準じた３点曲げ試験で測定）
δｌ：芯材の成形品中のせん断たわみ（成形品につきＡＳＴＭ Ｄ７９０に準じた３点曲げ試験で測定した最大荷重時のせん断たわみ）
Ｄ：表皮材の曲げ剛性
δｆｍ：表皮材の曲げたわみ
Ｓ‘：芯材の成形品中のせん断剛性
τｃ‘：成形品中の芯材に働くせん断応力
Ｇｃ‘：芯材の成形品中のせん断弾性率
γ‘：芯材の成形品中のせん断ひずみ
γ：芯材の破断せん断ひずみ
ｔｆ１：二つの表皮材の一方の厚み（成形品の実測値）
ｔｆ２：二つの表皮材のもう一方の厚み（成形品の実測値）
Ｅｆ：表皮材の曲げ弾性率（表皮材単体につきＡＳＴＭ Ｄ７９０に準じた３点曲げ試験で測定）
ｔｃ：芯材の厚み（成形品の実測値）
Ｇｃ：芯材のせん断弾性率（芯材単体につきＡＳＴＭ Ｃ２７３に準じた強度試験で測定）
τｃ：芯材の破断せん断強度（芯材単体につきＡＳＴＭ Ｃ２７３に準じた強度試験で測定）
ｂ：幅（成形品（試験片）の実測値）
ｈ：近似厚み、ｈ＝（ｔｆ１＋ｔｆ２）／２＋ｔｃ
ｌ：支点間距離（成形品につきＡＳＴＭ Ｄ７９０に準じた３点曲げ試験で測定）
Ｐ：最大荷重（成形品につきＡＳＴＭ Ｄ７９０に準じた３点曲げ試験で測定）
δｌ：芯材の成形品中のせん断たわみ（成形品につきＡＳＴＭ Ｄ７９０に準じた３点曲げ試験で測定した最大荷重時のせん断たわみ）
Ｄ：表皮材の曲げ剛性
δｆｍ：表皮材の曲げたわみ
Ｓ‘：芯材の成形品中のせん断剛性
τｃ‘：成形品中の芯材に働くせん断応力
Ｇｃ‘：芯材の成形品中のせん断弾性率
γ‘：芯材の成形品中のせん断ひずみ
γ：芯材の破断せん断ひずみ
【0044】
芯材の破断せん断ひずみγおよび芯材の成形品中のせん断ひずみγ‘について、式（２－１）および（３－１）が成り立つ。
【0045】
【数3】
【0046】
芯材の成形品中のせん断ひずみγ‘は式（３－７）から導きだす。式（３－７）は以下の手順にて求めることができる。
成形品の３点曲げ試験から得られる試験値のたわみδｌについて次式が成り立つ。
成形品の３点曲げ試験から得られる試験値のたわみδｌについて次式が成り立つ。
【0047】
【数4】
【0048】
このとき、表皮材の機械的特性は十分に安定し、表皮材単独での値に相当すると考え、式（３－２）の右辺の第一項が曲げたわみδｆｍと等価であるとして、芯材の成形品中のせん断剛性Ｓ‘を求める。
【0049】
【数5】
【0050】
式（３－４）右辺の芯材の成形品中のせん断剛性Ｓ‘は以下のように置き換えられる。
【0051】
【数6】
【0052】
式（３－４）を式（３－３）へ代入すると芯材の成形品中のせん断弾性率Ｇｃ‘を求めることができる。
【0053】
【数7】
【0054】
成形品中の芯材に発生しているせん断応力τｃ‘は以下の式で求められる。
【0055】
【数8】
【0056】
式（３－５）、式（３－６）を式（３－１）へ代入すると、
【0057】
【数9】
【0058】
このようにして芯材の成形品中のせん断ひずみγ‘が求められる。
また、曲げたわみδｆｍは式（３－９）の様に求められる。式（３－８）は表皮材の曲げ剛性Ｄを求める式である。
また、曲げたわみδｆｍは式（３－９）の様に求められる。式（３－８）は表皮材の曲げ剛性Ｄを求める式である。
【0059】
【数10】
【0060】
＜表皮材の破壊の定義＞
繊維強化プラスチックは繊維が連続的につながっていることで機械的物性を保っている。つまり、繊維が切断されると機械的物性は著しく低下することになり、表皮材の破壊は、繊維の切断有無と等価であると考えることができる。一般的に、連続繊維が破断した場合、意匠面に亀裂が発生するため下記記載の破壊判断で検知できる。
繊維強化プラスチックは繊維が連続的につながっていることで機械的物性を保っている。つまり、繊維が切断されると機械的物性は著しく低下することになり、表皮材の破壊は、繊維の切断有無と等価であると考えることができる。一般的に、連続繊維が破断した場合、意匠面に亀裂が発生するため下記記載の破壊判断で検知できる。
【0061】
＜表皮材の破壊判断＞
表皮材が破壊しているかどうかの判断方法としては例えば以下の２つが挙げられる。
（１）目視検査：あらかじめ検査項目（気泡、ひび、き裂、ちぢれ、ふくれ、穴、変色、波打ち）を決めてチェックする。
（２）探傷剤：一般的な探傷剤を用いて、き裂の有無を判断する。き裂があれば色が付き容易に破壊が判断できる。
表皮材が破壊しているかどうかの判断方法としては例えば以下の２つが挙げられる。
（１）目視検査：あらかじめ検査項目（気泡、ひび、き裂、ちぢれ、ふくれ、穴、変色、波打ち）を決めてチェックする。
（２）探傷剤：一般的な探傷剤を用いて、き裂の有無を判断する。き裂があれば色が付き容易に破壊が判断できる。
【0062】
＜表皮材／芯材の厚み比＞
表皮材と芯材の厚み比（表皮材厚み／芯材厚み）は、０．３～０．８が好ましく、０．５～０．７がさらに好ましい。当該比率は、芯材のせん断破壊よりも先に表皮材の曲げ破壊を生じさせる観点から０．３以上が好ましい。また、成形品の軽量化効果の観点から０．８以下が好ましい。なお、当該比率を求めるにあたっての「表皮材厚み」は表皮材の総厚みを意味し、「芯材厚み」は芯材の総厚みを意味する。例えば図２に示す構成では、当該比率は「（ｔｆ１＋ｔｆ２）／ｔｃ」である。
表皮材と芯材の厚み比（表皮材厚み／芯材厚み）は、０．３～０．８が好ましく、０．５～０．７がさらに好ましい。当該比率は、芯材のせん断破壊よりも先に表皮材の曲げ破壊を生じさせる観点から０．３以上が好ましい。また、成形品の軽量化効果の観点から０．８以下が好ましい。なお、当該比率を求めるにあたっての「表皮材厚み」は表皮材の総厚みを意味し、「芯材厚み」は芯材の総厚みを意味する。例えば図２に示す構成では、当該比率は「（ｔｆ１＋ｔｆ２）／ｔｃ」である。
【0063】
「表皮材／芯材／表皮材」の構成における表皮材厚みは両面で互いに異なってもよい。成形品が片面からのみ外力を受ける場合に、外力を受ける側の表皮材を厚く、もう一方の表皮材を薄くすることで効率的に材料を使用でき、材料費を低減させることができる。
【0064】
＜芯材の配置＞
例えば「表皮材／芯材／表皮材」の構成において、ボルト止めなどの機械締結のための強度やラップシェア方向の強度を考慮して、場合によっては成形品の一部分だけ表皮材のみの構成（芯材を挟まない構成）にすることもできる。
例えば「表皮材／芯材／表皮材」の構成において、ボルト止めなどの機械締結のための強度やラップシェア方向の強度を考慮して、場合によっては成形品の一部分だけ表皮材のみの構成（芯材を挟まない構成）にすることもできる。
【0065】
また、発泡気泡の芯材は吸湿に弱いことがあるため、芯材が露出しないように、芯材全面（端面を含めて）を表皮材が覆うようにして成形品を得てもよい。
【実施例】
【0066】
以下、本発明を実施例及び比較例で詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。各例における試験値や各式から算出された値を表１に示す。
【0067】
（実施例１）
表皮材を形成するためのＣＦＲＰプリプレグとして、次のものを用意した。
クロスプリプレグ：三菱ケミカル社製、商品名：パイロフィルＴＲ３１１０ ３６０ＧＭＰ（織物の１００質量部に対するマトリックス樹脂の含有量が４０質量部、織物目付が２００ｇ／ｍ２であり、密度は１．５０ｇ／ｃｍ３、１枚あたりの厚みは約０．２ｍｍ、曲げ弾性率Ｅｆは５２０００ＭＰаであった）。ここで、曲げ弾性率Ｅｆの測定は以下のとおりに行った。まず、経糸方向を０°とし、前記クロスプリプレグを同じ０°方向に向くように１０プライ積層した後、プレス成形して（プレス金型温度１４０℃、成形時間５分間、４ＭＰａの力で押し込み）、厚さ２ｍｍの板を取得した。この板から、前記０°方向を長手方向として、試験片（幅１２．７ｍｍ、長さ１２０ｍｍ）を採取し、ＡＳＴＭ Ｄ７９０に準じて、支点間距離８０ｍｍ、圧子半径５ｍｍ、支持体半径３．２ｍｍ、試験速度１０ｍｍ／分以下、試験環境２３℃×５０％（相対湿度）の条件で曲げ弾性率Ｅｆを測定した。
表皮材を形成するためのＣＦＲＰプリプレグとして、次のものを用意した。
クロスプリプレグ：三菱ケミカル社製、商品名：パイロフィルＴＲ３１１０ ３６０ＧＭＰ（織物の１００質量部に対するマトリックス樹脂の含有量が４０質量部、織物目付が２００ｇ／ｍ２であり、密度は１．５０ｇ／ｃｍ３、１枚あたりの厚みは約０．２ｍｍ、曲げ弾性率Ｅｆは５２０００ＭＰаであった）。ここで、曲げ弾性率Ｅｆの測定は以下のとおりに行った。まず、経糸方向を０°とし、前記クロスプリプレグを同じ０°方向に向くように１０プライ積層した後、プレス成形して（プレス金型温度１４０℃、成形時間５分間、４ＭＰａの力で押し込み）、厚さ２ｍｍの板を取得した。この板から、前記０°方向を長手方向として、試験片（幅１２．７ｍｍ、長さ１２０ｍｍ）を採取し、ＡＳＴＭ Ｄ７９０に準じて、支点間距離８０ｍｍ、圧子半径５ｍｍ、支持体半径３．２ｍｍ、試験速度１０ｍｍ／分以下、試験環境２３℃×５０％（相対湿度）の条件で曲げ弾性率Ｅｆを測定した。
【0068】
芯材を形成する発泡気泡材料として、次のものを用意した。
独立気泡プラスチックフォーム：エボニック社製、商品名：ロハセル７１ＳＬ（密度０．０７７ｋｇ／ｃｍ３、主成分：ポリメタクリルイミド、厚さ１．８ｍｍの発泡済みフォーム材。ＡＳＴＭ Ｃ ２７３による破断せん断強度τｃは１．５ＭＰａ、せん断弾性率Ｇｃは３３ＭＰаであった。）
独立気泡プラスチックフォーム：エボニック社製、商品名：ロハセル７１ＳＬ（密度０．０７７ｋｇ／ｃｍ３、主成分：ポリメタクリルイミド、厚さ１．８ｍｍの発泡済みフォーム材。ＡＳＴＭ Ｃ ２７３による破断せん断強度τｃは１．５ＭＰａ、せん断弾性率Ｇｃは３３ＭＰаであった。）
【0069】
プレス金型として、次のものを用意した。
プレス金型：金属製、上下一対の型で得られる成形品は□３００ｍｍ×厚み３ｍｍの設定であった。
プレス金型：金属製、上下一対の型で得られる成形品は□３００ｍｍ×厚み３ｍｍの設定であった。
【0070】
以下の手順（１）～（３）で□３００ｍｍの平板（成形品）を製作した。
手順（１）：前記クロスプリプレグの経糸方向を０°方向とし、緯糸が９０°となるように、クロスプリプレグを直角に□２９８ｍｍサイズへ裁断した。裁断したクロスプリプレグを３枚同じ０°方向を向く様に積層し、真空脱気して、積層板（１）を得た。積層板（１）は２枚作製した。
手順（２）：前記フォーム材を□２９８ｍｍサイズに裁断し、手順（１）の積層体の上へ積層し、最後にフォーム材の上に手順（１）の積層板を積層することにより、積層構成「積層板（１）／フォーム材／積層（１）］の構成を得、その後真空脱気をして積層板（２）を得た。
手順（３）：積層板（２）を、１４０℃に加熱されたプレス金型へ投入し、４ＭＰａの力で押し込み、５分間で硬化させ、成形品を得た。
手順（１）：前記クロスプリプレグの経糸方向を０°方向とし、緯糸が９０°となるように、クロスプリプレグを直角に□２９８ｍｍサイズへ裁断した。裁断したクロスプリプレグを３枚同じ０°方向を向く様に積層し、真空脱気して、積層板（１）を得た。積層板（１）は２枚作製した。
手順（２）：前記フォーム材を□２９８ｍｍサイズに裁断し、手順（１）の積層体の上へ積層し、最後にフォーム材の上に手順（１）の積層板を積層することにより、積層構成「積層板（１）／フォーム材／積層（１）］の構成を得、その後真空脱気をして積層板（２）を得た。
手順（３）：積層板（２）を、１４０℃に加熱されたプレス金型へ投入し、４ＭＰａの力で押し込み、５分間で硬化させ、成形品を得た。
【0071】
得られた成形品から、前記０°方向を長手方向として次のような試験片を採取した。
試験片寸法：
表皮材厚み：１．２ｍｍ（ｔｆ１およびｔｆ２それぞれ０．６ｍｍ）
芯材厚み（ｔｃ）：１．８ｍｍ
成形品厚み：３．０ｍｍ
幅（ｂ）：１２．７ｍｍ
長さ：１５０．０ｍｍ
試験片寸法：
表皮材厚み：１．２ｍｍ（ｔｆ１およびｔｆ２それぞれ０．６ｍｍ）
芯材厚み（ｔｃ）：１．８ｍｍ
成形品厚み：３．０ｍｍ
幅（ｂ）：１２．７ｍｍ
長さ：１５０．０ｍｍ
【0072】
インストロン製万能試験機を使用し、ＡＳＴＭ Ｄ７９０に沿って試験片の３点曲げ試験を実施した。試験条件は以下の通りであった。
・圧子半径：５ｍｍ
・支持体半径：３．２ｍｍ
・支点間距離：１２０ｍｍ（試験片厚み×４０）
・試験速度：８ｍｍ／ｍｉｎ
・試験環境：２３℃×５０％（相対湿度）
・圧子半径：５ｍｍ
・支持体半径：３．２ｍｍ
・支点間距離：１２０ｍｍ（試験片厚み×４０）
・試験速度：８ｍｍ／ｍｉｎ
・試験環境：２３℃×５０％（相対湿度）
【0073】
試験片の３点曲げ試験における最大荷重の時の各値は以下の通りであった。
荷重（Ｐ）：１０７Ｎ
実測たわみ（δｌ）：５．８ｍｍ
荷重（Ｐ）：１０７Ｎ
実測たわみ（δｌ）：５．８ｍｍ
【0074】
式（３－７）から芯材の成形品中のせん断ひずみを求めるとγ‘＝０．０４０４であった。
式（２－１）から芯材の破断せん断ひずみを求めるとγ＝０．０４５５であった。
式（１－１）から芯材の破断せん断応力と成形品中のせん断ひずみの比（γ‘／γ）は０．８９であった。
また、この試験では表皮材側からの目視で容易に表皮材からの破壊が確認できた。
式（２－１）から芯材の破断せん断ひずみを求めるとγ＝０．０４５５であった。
式（１－１）から芯材の破断せん断応力と成形品中のせん断ひずみの比（γ‘／γ）は０．８９であった。
また、この試験では表皮材側からの目視で容易に表皮材からの破壊が確認できた。
【0075】
（実施例２）
二つの積層板（１）のうちの一方の作製において、クロスプリプレグの積層枚数を２枚にし、その表皮材の厚みを０．４ｍｍとした。もう一方の積層板（１）（厚み０．６ｍｍ）が圧子側に位置するように、試験片を配置した。それ以外は実施例１と同様の試験を行った。
二つの積層板（１）のうちの一方の作製において、クロスプリプレグの積層枚数を２枚にし、その表皮材の厚みを０．４ｍｍとした。もう一方の積層板（１）（厚み０．６ｍｍ）が圧子側に位置するように、試験片を配置した。それ以外は実施例１と同様の試験を行った。
【0076】
最大荷重の時の各値は以下の通りであった。
荷重（Ｐ）：９４Ｎ
実測たわみ（δｌ）：５．８ｍｍ
荷重（Ｐ）：９４Ｎ
実測たわみ（δｌ）：５．８ｍｍ
【0077】
式（３－７）から芯材の成形品中のせん断ひずみを求めるとγ‘＝０．０２９４であった。
式（２－１）から芯材の破断せん断ひずみを求めるとγ＝０．０４５５であった。
式（１－１）から芯材の破断せん断応力と成形品中のせん断ひずみの比は０．６５であった。
また、この試験では表皮材側からの目視で容易に表皮材からの破壊が確認できた。
式（２－１）から芯材の破断せん断ひずみを求めるとγ＝０．０４５５であった。
式（１－１）から芯材の破断せん断応力と成形品中のせん断ひずみの比は０．６５であった。
また、この試験では表皮材側からの目視で容易に表皮材からの破壊が確認できた。
【0078】
（比較例１）
発泡気泡材料として独立気泡プラスチックフォーム（エボニック社製、商品名：ロハセル５１ＩＧ－Ｆ。密度０．０５４ｋｇ／ｃｍ３、ＡＳＴＭ Ｃ ２７３による破断せん断強度τｃは０．８ＭＰａ、せん断弾性率Ｇｃは１９ＭＰаであった。）を使用した。また、支点間距離は１１８ｍｍであった。それ以外は実施例１と同様の試験を行った。
発泡気泡材料として独立気泡プラスチックフォーム（エボニック社製、商品名：ロハセル５１ＩＧ－Ｆ。密度０．０５４ｋｇ／ｃｍ３、ＡＳＴＭ Ｃ ２７３による破断せん断強度τｃは０．８ＭＰａ、せん断弾性率Ｇｃは１９ＭＰаであった。）を使用した。また、支点間距離は１１８ｍｍであった。それ以外は実施例１と同様の試験を行った。
【0079】
最大荷重の時の各値は以下の通りであった。
荷重（Ｐ）：６８Ｎ
実測たわみ（δｌ）：４．７ｍｍ
荷重（Ｐ）：６８Ｎ
実測たわみ（δｌ）：４．７ｍｍ
【0080】
式（３－７）から芯材の成形品中のせん断ひずみを求めるとγ‘＝０．０４５１であった。
式（２－１）から芯材の破断せん断ひずみを求めるとγ＝０．０４２１であった。
式（１－１）から芯材の破断せん断応力と成形品中のせん断ひずみの比は１．０７であった。
また、この試験では表皮材の目視確認では破壊が確認できず、試験片の断面方向からの目視確認で芯材のせん断破壊が確認できた。
式（２－１）から芯材の破断せん断ひずみを求めるとγ＝０．０４２１であった。
式（１－１）から芯材の破断せん断応力と成形品中のせん断ひずみの比は１．０７であった。
また、この試験では表皮材の目視確認では破壊が確認できず、試験片の断面方向からの目視確認で芯材のせん断破壊が確認できた。
【0081】
【表1】
【0082】
本発明の式（１－１）を満たす成形品に関しては、実施例１～２にあるように、表皮材側から先に破壊し、その破壊を表皮材側から（成形品の表面観察により）容易に確認することができた。一方、式（１－１）を満たさない成形品に関しては、比較例１のように、芯材の破壊が生じ、その破壊は表皮材側からは確認できなかった。
【0083】
このように、実施例１～２の材料と構成を用いることで、表皮材から破壊する成形品を製作できる。すなわち、本発明の成形品によれば、外力を加えた時に表皮材から破壊し、損傷の有無が容易に判断できるようになる。
【産業上の利用可能性】
【0084】
本発明の成形品は、スポーツ用品、自動車、航空機、産業機器等に用いる部材として有用であり、特に、自動車用の外板部材（自動車用ルーフ等）として有用である。
【符号の説明】
【0085】
１０：成形品、１１：表皮材、１２：芯材、２０：圧子、３０：支持体、ｂ：幅、ｌ：支点間距離（＝スパン）、Ｐ：荷重、ｔｆ１：表皮材厚み、ｔｆ２：表皮材厚み、ｔｃ：芯材厚み
【図1】
【図2】