JP2005271350A

JP2005271350A - 炭素繊維強化プラスチック製カバー部材

Info

Publication number: JP2005271350A
Application number: JP2004086471A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Kawashima; 茂川嶋; Yukitane Kimoto; 幸胤木本; Takashi Yoshiyama; 高史吉山
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 2004-03-24
Filing date: 2004-03-24
Publication date: 2005-10-06

Abstract

【課題】軽量且つ安全性に優れた、自動車用のドアや屋根、自動二輪車用のカウルやタンクカバーなどの外板部材に好適な炭素繊維強化プラスチック製カバー部材を提供する。
【解決手段】補強材に主として炭素繊維を用いた繊維強化プラスチックからなるカバー部材において、板厚方向中央部に有機繊維を補強材とする層を配したことを特徴とする炭素繊維強化プラスチック製カバー部材。
【選択図】なし

Description

本発明は、軽量且つ安全性に優れた炭素繊維強化プラスチック製カバー部材に関し、とくに、自動車用のドアや屋根、自動二輪車用のカウルやタンクカバーなどの車両用部材の外板部材として最適な炭素繊維強化プラスチック製カバー部材に関する。

従来、自動車用のドアや屋根、自動二輪車用のカウルやタンクカバーの外板部材には主としてスチールが用いられてきたが、近年軽量化の要求が高まってきたことからアルミニウムや樹脂材料が用いられるようになってきた。樹脂材料の中でも炭素繊維を用いた強化プラスチックは、軽量で強度、剛性が高いことから、最も軽量化に適した材料として使用が広まりつつある。

しかしながら、炭素繊維強化プラスチック（以下、ＣＦＲＰと言うこともある。）には脆性的な破壊形態をとるという特徴があるため、用途が制限されたり、特性を十分に発揮できないことがあった。つまり、車両用カバー部材に適用した場合、破壊して分断したＣＦＲＰの鋭い破壊面により、乗員が怪我をすることが想定されるのである。車両事故において車体には極めて大きな力が加わることも想定され、全ての事故で車体が破損しない強度を確保することは難しい。また、必要以上に補強した場合には、車体の重量が大きくなり燃費を悪化させたり、走行性能に悪影響を与えることがある。

自動車用カバー部材以外でもスキーポールやゴルフクラブ、自転車フレームなどでも、軽量化と共に万一破壊した時に分断しないことが求められる用途もある。こうした問題に対して特許文献１には、高伸度有機繊維が炭素繊維を有する部分に分散して配されていることを特徴とするスキーポールが提案されている。しかしながら、一般的な車両用カバー部材は板材で構成されるため、パイプ材であるスキーポールと同様な構成を採用した場合には、曲げ強度を低下させることになる。また、高伸度有機繊維を分散させた炭素繊維織物など専用の材料を作る必要が生じ、市販の炭素繊維織物などを使用できないため、製品コストが高くなってしまう問題も抱えている。

また、特許文献２には、外層と内層から構成される繊維強化プラスチックにおいて外層の伸度と内層の伸度の比が０．６以上０．９５以下以下であることを特徴とする繊維強化プラスチック部材が提案されている。しかしながら、該部材の目的は衝撃吸収エネルギーを大きくすることであり、部材の分断を防止するものではない。したがって、単に内層と外層の伸度の比や吸収エネルギーを規定しただけでは、曲げ強度が低下したり、十分な分断防止効果を得ることができないため、車両用のカバー部材として適した、強度が高く且つ万が一破損した場合でも安全なカバー部材を得ることはできなかった。
特開平１１−２９０４９８号公報特開平９−２２６０３９号公報

そこで本発明の課題は、とくに従来の車両用カバー部材の上述した問題点を克服し、軽量で且つ安全性の高い炭素繊維強化プラスチック製カバー部材を提供することにあり、とくに、車両用部材に好適な炭素繊維強化プラスチック製カバー部材を提供するすることにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る炭素繊維強化プラスチック製カバー部材は、補強材に主として炭素繊維を用いた繊維強化プラスチックからなるカバー部材において、該部材の板厚方向中央部に有機繊維を補強材とする層を配したことを特徴とするものからなる。

この炭素繊維強化プラスチック製カバー部材においては、上記有機繊維を補強材とする層の厚みが部材全体の厚みの１０％以上４０％以下であることが好ましい。また、最外層または外側から２層目に厚みが０．０５〜０．３ｍｍのマット層が配されていることも好ましい。このような本発明に係る炭素繊維強化プラスチック製カバー部材は、とくに車両用部材に用いて好適なものである。

本発明に係る炭素繊維強化プラスチック製カバー部材によれば、有機繊維を補強材とする層を配したことにより、ＣＦＲＰの欠点である破壊時に分断して鋭利な破面をつくることを防止できるだけでなく、その配置を板厚方向中央部に特定することにより、部材の曲げ強度をほとんど低下させることがない。したがって、軽量で高強度というＣＦＲＰの長所を維持しながら、とくに車両用部材に適用された場合に、大きな事故でカバー部材が破損したときにも乗員を二次災害の危険にさらすことのない安全なカバー部材を提供することができる。

以下に、本発明の望ましい実施の形態について、詳細に説明する。
本発明に係る炭素繊維強化プラスチック製カバー部材は、とくに車両用カバー部材として好適なものであるが、本発明において、車両用カバー部材とは、自動車や自動二輪車の車体や構成部材を覆う部材のことを言う。具体的な例を挙げると、自動車のボンネットフードやトランクリッド、ルーフ、ドア、フェンダーなどを挙げることができる。また、自動二輪車のカウル（風防）や燃料タンクカバー、電装品のカバーなどを挙げることができる。特に自動車のルーフやドア、自動二輪車のカウルや燃料タンクカバーなどは乗員にとの距離が近いため本発明を適用することに適した部材である。

本発明に係るカバー部材は、繊維強化プラスチックからなる。補強繊維としては主として炭素繊維を用いるが、板厚方向中央部には有機繊維を用いる。炭素繊維は軽量で強度、剛性の面で優れた性能を有していることから、カバー部材、とくに車両用カバー部材の主たる構造部材として機能する。これに対して、有機繊維は伸びが大きいので破断しにくいため、板厚の中央付近に配すると分断の防止に有効である。しかしながら、有機繊維を板厚の中央以外に使用すると、部材全体の曲げ強度を著しく低下させてしまう。曲げ荷重が働いた場合、有機繊維の圧縮強度が低いため圧縮側の有機繊維が容易に座屈してしまうためである。また、引張側に配した場合も炭素繊維との境界部で応力集中が発生し、曲げ強度が低下してしまう。

有機繊維を補強材とする層の厚みは、カバー部材全体の厚みに対して１０％〜４０％の範囲内にあることが好ましい。１０％未満では十分な分断効果を得ることはできないし、４０％を越えると曲げ強度の低下が顕著になるからである。

本発明に用いる炭素繊維の種類はなんら限定されるものではない。アクリルを原料とし強度面で優れた特性を持つＰＡＮ系炭素繊維でも、石油ピッチなどを原料とするピッチ系炭素繊維であってもよい。炭素繊維の形態も特に限定されるものではないが、強度が高いことから連続繊維が好ましい。炭素繊維を短くカットしたＳＭＣ（シートモ−ルディングコンパウンド）などは安価ではあるものの、連続繊維に比べると強度が低いためである。連続繊維の場合は炭素繊維を一方向に引き揃えた一方向材（ＵＤ材）でも織布材でもよいが、成形する上では織布材の方が容易である。織布の種類としては平織りや朱子織り、綾織り、ノンクリンプクロスなどが適宜選択できるが、クリア塗装で織り目を製品表面に見せる場合には平織りを用いると意匠性が高くなる。また、朱子織りや綾織りはドレープ性が良いため、複雑な三次元形状を成形する場合に使用すると良い。

また、有機繊維は引張強度が５０ｋｇｆ／ｍｍ²以上であるものが好ましい。更に好ましくは２００ｋｇｆ／ｍｍ²以上が望ましい。有機繊維は一般的に伸びが大きく破断しにくいが、適度な強度がないと十分な効果が得られないからである。このように強度の高い有機繊維の具体例を挙げると、アラミド繊維、高強度ポリエチレン繊維、ビニロン繊維、ＰＢＯ繊維などがある。有機繊維の形態としては織物または編み物状が好ましく、短くカットした短繊維では効果が得られない。織物の種類としては平織りや朱子織り、綾織り、ノンクリンプ織物などが選択でき、特に限定されるものではない。織物の目付としては１ｍ²当たり３００ｇ以下が好ましい。織物一枚当たりの目付が多すぎると厚みが厚くなり、樹脂の含浸が難しくなることから剪断強度が低下することがあるためである。目付が３００ｇ以下であればメッシュ状の織物としてもよい。また、例外的に有機繊維とは形態が異なるもののネット状プラスチック材を用いることも可能である。

これら以外にも表面意匠性や成形性、樹脂含浸性を向上させることを目的に、マットや不織布、充填材など他の補強繊維や補助材料を用いることもできる。中でもマット層、例えばガラスサーフェースマットを製品表面に配すると、表面が平滑になり意匠性が向上するため好ましい。このとき、ガラスサーフェースマット層の厚みは０．０５ｍｍ〜０．３０ｍｍが好ましい。ガラスサーフェースマットが厚すぎると部材の強度が低下し、薄すぎると表面の平滑性を確保できないためである。同様にガラスサーフェースマットを表層から二層目に配してもほぼ同様の効果が得られる。ガラスサーフェースマットは樹脂の流動性が高いことから表層へ樹脂を供給しやすくなり気泡を押し出すためである。また、ガラスサーフェースマットは樹脂含浸量が多くなるためクッション効果があり、最表層の厚みむらを吸収できるため、表面に基材の凹凸が現れにくいのである。

また、ＣＦＲＰの積層構成は０°、９０°、＋４５°、−４５°の各方向に繊維を均等に配した疑似等方積層を基本とすることが好ましい。車両用カバー部材は大きな面状部材が多く、部材に働く荷重も曲げ荷重とねじり等の剪断荷重が共に想定されるため、繊維配向が特定の方向に著しく偏ることは好ましくないのである。しかしながら、車両の種類や適応される部位に応じて適宜若干の異方性を持たせることは好ましい。

本発明のＣＦＲＰを構成するマトリックス樹脂としては、繊維との接着性が良く高い強度が得られることからエポキシ樹脂が好ましい。エポキシ樹脂以外にもビニルエステル樹脂や不飽和ポリエステル樹脂などを選択できる。エンジンや排気管に近く高温に晒される場所で使用する場合には、ビスマレイミド樹脂やポリイミド樹脂などを利用してもよい。また、マトリックス樹脂に紫外線吸収剤を混合すると、紫外線によるマトリックス樹脂の劣化を防止する効果も得ることができる。

本発明に係るカバー部材を成形する方法としては、一般に知られたＣＦＲＰの成形法を適用することができる。中でもＲＴＭ成形（レジン・トランスファー・モールディング）は短い成形サイクルで生産することができるため、自動車や自動二輪車用途等における部材のように、大量生産される用途に適している。もちろん一般的なプリプレグ材料を使用してオートクレーブ成形やプレス成形、バキュームバッグ成形することもできるし、ハンドレイアップや、ＶａＲＴＭ法（バッグ材内を真空吸引して樹脂注入する成形法）などを適用することもできる。

以下、実施例に基づいてさらに詳細に説明する。
各実施例、比較例においては自動車のルーフを成形し、このルーフの面方向中央部付近から幅１５ｍｍ、長さ１００ｍｍの曲げ試験片を３本切り出した後、３点曲げ試験で強度および破壊モードを比較した。

実施例および比較例で用いた織布は、目付２００ｇ／ｍ²の平織り炭素繊維織物（表１ではＣで表記）、目付１６０ｇ／ｍ²の平織りアラミド繊維織物（表１ではＫで表示）の２種類とした。また、その他の補強基材として目付３０ｇ／ｍ²のガラスサーフェースマットを用いた。マトリックス樹脂としてはＲＴＭ成形用に調合された低粘度エポキシ樹脂樹脂を用いた。

実施例１
以下の方法で表１に示す積層構成の自動車用ルーフを成形した。まず、炭素繊維織物を長さ１．５ｍ、幅０．５ｍに裁断し、これを離型剤を塗布したルーフ形状の雌型上に３枚並べて１層目を積層した。このとき隣り合った織物は２０ｍｍ程度重なるようにした。次に炭素繊維織物を長さ１．５ｍ、幅０．２５ｍに裁断したものを２枚、長さ１．５ｍ、幅１．０ｍに裁断したものを１枚用意し、２層目を積層した。同様に３層目は０．３ｍ幅に裁断した織物２枚と０．９ｍ幅に裁断した織物１枚を用意し、積層した。４層目は０．４５ｍ幅に裁断した織物２枚と０．６ｍ幅に裁断した織物１枚を用意し、積層した。５層目にはアラミド繊維織物を長さ１．５ｍ、幅０．４ｍに裁断したものを２枚、長さ１．５ｍ、幅０．７ｍに裁断したものを１枚用意して積層した。６層目から９層目については５層目が対称面となるように４層目から１層目と同じパターンで炭素繊維織物を積層した。この上にピールプライとしてポリエステルタフタを置き、さらにポリプロピレン製のネットを置いた。さらに、内部の空気を抜くためのホースと樹脂を注入するためのホースをセットした後、全体をナイロン製バッグフィルムで覆った。次に内部の空気を抜いて真空状態とした後、樹脂注入用ホースからエポキシ樹脂を吸引させ、樹脂が行き渡った状態で真空用、樹脂注入用それぞれのホースを折り曲げて樹脂を封入し、樹脂が硬化するまで１時間放置した。なお、このとき金型の温度は１００℃になるようヒーターで加熱した。樹脂が硬化後、バッグフィルムをはぎ取り、成形品を型から取り外した。さらにネット、ピールプライを合わせてはぎ取り自動車用ルーフを得た。

得られた自動車用ルーフの外観は炭素繊維織物が均一に現れ美しい仕上がりであったが、拡大鏡で見ると織物の目にごく小さい気泡が見られた。さらに、この自動車用ルーフの中央付近から曲げ試験片をダイヤモンドカッターで切り出し、万能試験機で３点曲げ試験を行った。試験は１分当たり５ｍｍの速度で負荷し、試験片が破壊した後もほぼ荷重を負担しなくなるまで試験を続けた。試験の結果、３本の試験片は分断することなく繋がった状態を保持した。また、曲げ強度の平均値は６７０ＭＰａであった。

実施例２、３、比較例１〜５
実施例１と同様に実施例２から比較例５を表１に示す積層構成で製作し、試験を行った。実施例２ではアラミド繊維の積層枚数を３枚に増やしたが、実施例１と同様に高い曲げ強度であった。しかしながらアラミド繊維の積層枚数を５枚まで増やすと曲げ強度が著しく低下した（比較例５）。部材に曲げ荷重が働いた場合、板厚方向中央部付近の中立軸から離れるほど大きな荷重が働くが、アラミド繊維の層が厚くなると圧縮強度が低いため、この荷重に耐えられなくなるためである。実施例３では製品の意匠面ガラスサーフェースマットを配したため、実施例１と同等の曲げ強度、耐分断性を有したまま、外観品位が向上した。すなわち、製品表面を拡大鏡で観察しても気泡は確認できなかった。比較例１では曲げ強度は高いものの、試験片は分断してしまった。比較例２、３ではアラミド繊維が引張側に偏って配されているため、大きな引張荷重が働き試験片は分断してしまった。また、比較例３では表面の炭素繊維織物層１枚が応力集中により低い荷重で破壊したため、曲げ強度が大きく低下した。比較例２の外観は内側面からアラミド繊維が見えるし、比較例３の外観でも内面の炭素繊維繊維織物の織り目の隙間からアラミド繊維が見えるため商品価値が低下する。比較例４ではアラミド繊維が圧縮側に配されているため、曲げ強度が著しく低くなってしまった。これは先に述べたようにアラミド繊維の圧縮強度が低いためである。

本発明に係る炭素繊維強化プラスチック製カバー部材は、車両用部材に適用してとくに好適なものであるが、車両用カバー部材に限らずスキーやスノーボードなど板状のスポーツ用品にも応用することができる。また、本発明の適用範囲はこれらに限られるものではない。

Claims

補強材に主として炭素繊維を用いた繊維強化プラスチックからなるカバー部材において、該部材の板厚方向中央部に有機繊維を補強材とする層を配したことを特徴とする炭素繊維強化プラスチック製カバー部材。
前記有機繊維を補強材とする層の厚みが部材全体の厚みの１０％以上４０％以下であることを特徴とする、請求項１に記載の炭素繊維強化プラスチック製カバー部材。
最外層または外側から２層目に厚みが０．０５〜０．３ｍｍのマット層を配したことを特徴とする、請求項１または２に記載の炭素繊維強化プラスチック製カバー部材。
車両用部材に用いられる、請求項１〜３のいずれかに記載の炭素繊維強化プラスチック製カバー部材。