纤维强化复合材料及其制造方法 |
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| 申请号 | CN201510066997.5 | 申请日 | 2015-02-09 | 公开(公告)号 | CN104861184A | 公开(公告)日 | 2015-08-26 |
| 申请人 | 丰田自动车株式会社; | 发明人 | 林浩一郎; | ||||
| 摘要 | 提供能够提高第1 复合材料 层与第2复合材料层的密合强度的 纤维 强化复合材料及其制造方法。所述纤维强化复合材料具备：具有纤维基材(14)和第1热塑性 树脂 的第1复合材料层(11A)，纤维基材(14)被配置为第1强化纤维(12)并丝而成的强化纤维束(13)进行交叉，所述第1热塑性树脂至少浸渗于各强化纤维束(13)中；和第2复合材料层(41A)，其在第2热塑性树脂(46)内不规则排列有第2强化纤维(42)。纤维强化复合材料(1)是第1复合材料层(11A)和第2复合材料层(41A)接合而成的。在第1复合材料层(11A)的表面之中至少与第2复合材料层(41A)接合的表面形成有多个孔(15)。第2强化纤维(42)和第2热塑性树脂(46)进入各孔(15)中。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种纤维强化复合材料，具备： |
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| 说明书全文 | 纤维强化复合材料及其制造方法技术领域背景技术[0002] 包含强化纤维和基体树脂(以下称为树脂)的纤维强化复合材料，与金属材料相比重量轻，并且，由于包含强化纤维而与树脂材料相比机械强度和弹性模量高，因此是近年来受到关注的材料。 [0003] 例如，作为纤维强化复合材料之一的片状模塑料(sheet molding compound)等不规则地排列有强化纤维的纤维强化复合材料，与强化纤维使用了纺织状的强化纤维的材料相比成形性好，因此能够容易地得到复杂形状的成形体，生产率也高。 [0004] 但是，这样的纤维强化复合材料由于强化纤维不规则地排列，因此与使用了纺织状强化纤维的材料相比机械强度低。由此，随着如上所述将成形体成形为更复杂的形状，有时也会在结构上出现刚性不足的部位。另外，根据成形体的应用部位不同，有时也会在成形体的一部分受到局部性的载荷。这样的情况下，为防止成形体的损伤，需要对成形体的发生刚性不足的部位、以及负载载荷发挥作用的部位进行部分性地增强。 [0005] 鉴于这样的情况，提出了例如下述纤维强化复合材料9及其制造方法，如图9(a)、(b)所示，准备包含纺织纤维基材91和热塑性树脂的第1复合材料92作为增强材料，并将该第1复合材料92与第2复合材料95通过热压等进行了接合，所述第2复合材料95包含不规则地排列的强化纤维93和热塑性树脂94(例如参照专利文献1)。这样，根据纤维强化复合材料，能够通过部分地配置纺织纤维基材91来提高其强度。 [0006] 在先技术文献 [0007] 专利文献1：日本特表2005-538864号公报 发明内容[0008] 但是，第1复合材料92与第2复合材料95的界面96是介由构成这些复合材料的热塑性树脂彼此而接合的，因此界面96的密合强度成为热塑性树脂的强度本身。在弯曲应力等应力作用于纤维强化复合材料9的情况下，在第1复合材料92与第2复合材料95的界面，容易发生两者的剥离，有时得不到由第2复合材料95带来的充分的增强效果。 [0009] 本发明是鉴于这样的情况而完成的，其目的是提供一种能够提高第1复合材料层和第2复合材料层的密合强度的纤维强化复合材料及其制造方法，所述第1复合材料层具有被配置为强化纤维束进行交叉的纤维基材，所述第2复合材料层具有不规则地排列的第2强化纤维。 [0010] 本发明是为解决上述课题而完成的，其目的在于，本发明涉及的纤维强化复合材料，具备：具有纤维基材和第1热塑性树脂的第1复合材料层，所述纤维基材被配置为第1强化纤维并丝而成的强化纤维束进行交叉，所述第1热塑性树脂至少浸渗于各强化纤维束中；以及第2复合材料层，其在第2热塑性树脂内不规则地排列有第2强化纤维，所述纤维强化复合材料是所述第1复合材料层和所述第2复合材料层接合而成的，在所述第1复合材料层的表面之中至少与所述第2复合材料层接合的表面形成有多个孔，所述第2强化纤维和所述第2热塑性树脂进入到各孔中。 [0011] 根据本发明，第2强化纤维和第2热塑性树脂进入到在与第2复合材料层接合的表面形成的各孔中，因此进入到各孔中的第2强化纤维和第2热塑性树脂，作为将第1复合材料层与第2复合材料层的界面系紧的锚栓(楔子)发挥作用。通过这样的锚栓效果，能够抑制在第1复合材料层与第2复合材料层的界面的剥离。 [0012] 在此，纤维基材只要形成有多个孔，则可以是平纹、斜纹、缎纹等的纺织基材，也可以是将强化纤维束(第1强化纤维)在单一方向上并丝而成的基材(片材)彼此层叠为以规定的角度相邻的基材的强化纤维彼此交叉的纤维基材。另外，本发明中提到的第1复合材料层，可以是在将强化纤维束通过例如交织而制造了纤维基材后，浸渗第1热塑性树脂的复合材料层，或者也可以是准备事先在强化纤维束中浸渗了第1热塑性树脂的例如带状的复合基材(预浸材料)，使构成该复合基材的强化纤维束交叉而将复合基材彼此交织地进行配置的复合材料层。 [0013] 作为更优选的方式，所述纤维基材通过包含由所述强化纤维束交织而成的纺织基材，并在该纺织基材的强化纤维束间设置间隙，来形成所述多个孔。根据该方式，通过在纺织基材的强化纤维束间设置间隙而形成有多个孔，因此强化纤维束的第1强化纤维即使在孔的周围也不被切断地连续。这样的结果，能够提高第1复合材料层与第2复合材料层的密合性，并且保持纤维强化复合材料的强度。 [0014] 作为进一步优选的方式，所述纤维基材是将由所述强化纤维束交织而成的纺织基材层叠的结构，通过使该多个纺织基材之中与所述第2复合材料层接合的纺织基材的强化纤维束间的间隙比其它纺织基材的强化纤维束间的间隙大，来形成所述多个孔。 [0015] 根据该方式，通过第2强化纤维和第2热塑性树脂进入到与第2复合材料层接合的纺织基材的多个孔中，能够确保第1复合材料层与第2复合材料层的密合性。另一方面，在其它纺织基材中，相比于与第2复合材料层接合的纺织基材，位于纤维强化复合材料表面侧的强化纤维束(第1强化纤维)更加紧密地排列，因此能够提高纤维强化复合材料的强度。 [0016] 在此，本发明中提到的「使与所述第2复合材料层接合的纺织基材的强化纤维束间的间隙比其它纺织基材的强化纤维束间的间隙大」也包括：在与第2复合材料层接合的纺织基材中，只要通过在相邻的强化纤维束间至少设置间隙来形成多个孔即可，而在其它纺织基材的相邻的强化纤维束间实质没有间隙。再者，即使在这样的情况下，也处于在上述的构成纺织基材的强化纤维束中浸渗有第1热塑性树脂的状态。 [0017] 另外，作为另一优选方式，所述各孔是将第1复合材料层贯通了的贯通孔。根据该方式，使各孔成为贯通孔，由此在制造时，在第1复合材料层中通过孔加工等，容易将多个孔成形。 [0018] 作为本发明，以下也公开了纤维强化复合材料的制造方法。本发明涉及的纤维强化复合材料的制造方法，是通过将具有纤维基材和第1热塑性树脂的第1复合材料、与第2复合材料进行接合来制造纤维强化复合材料的方法，所述纤维基材被配置为第1强化纤维并丝而成的强化纤维束进行交叉，所述第1热塑性树脂至少浸渗于各强化纤维束中，所述第2复合材料在第2热塑性树脂内不规则地排列有第2强化纤维，所述纤维强化复合材料的制造方法的特征在于，作为所述第1复合材料，使用在与所述第2复合材料接合的表面形成有多个孔的复合材料，在将所述第1复合材料与所述第2复合材料进行接合时，至少使所述第2热塑性树脂软化并对所述第1复合材料和所述第2复合材料加压，使得所述第2强化纤维和所述第2热塑性树脂进入到所述各孔中。 [0019] 根据本发明，在将第1复合材料与第2复合材料进行接合时，至少使第2热塑性树脂软化并对第1复合材料和第2复合材料加压。第2强化纤维是在第2复合材料的内部不规则地排列的强化纤维，因此容易与第2热塑性树脂一起进入到第1复合材料的各孔中。这样，进入到各孔中的第2强化纤维和第2热塑性树脂，作为将第1复合材料与第2复合材料的界面系紧的锚栓发挥作用，因此能够得到第1复合材料与第2复合材料的密合性高的纤维强化复合材料。 [0020] 作为进一步优选的方式，在制造所述第1复合材料时，通过在所述纤维基材的强化纤维束间设置间隙，将所述强化纤维束交织，由此将所述多个孔成形。 [0021] 根据该方式，能够在制造纺织基材来作为纤维基材的同时，在该纺织基材形成多个孔。这样得到的强化纤维束的第1强化纤维即使在孔的周围也不被切断地连续，因此能够保持第1复合材料的强度。 [0022] 作为进一步优选的方式，通过将强化纤维束交织而成的纺织基材层叠多个来制造所述纤维基材，用所述强化纤维束将所述各纺织基材交织，使得所述多个纺织基材之中与所述第2复合材料接合的纺织基材的强化纤维束间的间隙比其它纺织基材的强化纤维束间的间隙大，由此将所述多个孔成形。 [0023] 根据该方式，所得到的纤维强化复合材料，通过第2强化纤维和第2热塑性树脂进入到与第2复合材料接合的纺织基材的多个孔中，能够确保第1复合材料与第2复合材料的密合性。另一方面，在其它纺织基材中，相比于与第2复合材料接合的纺织基材，位于纤维强化复合材料表面侧的强化纤维束(第1强化纤维)更加紧密地排列，因此能够提高纤维强化复合材料的强度。 [0024] 另外，只要能够在纺织基材中具有上述的间隙，优选在交织前的强化纤维束中浸渗有第1热塑性树脂，但也可以在交织而成的纺织基材中不堵塞各孔地浸渗(含有)第1热塑性树脂。 [0025] 作为进一步优选的方式，在制造所述第1复合材料时，通过对贯通所述纤维基材那样的孔进行加工，由此将所述多个孔成形。根据该方式，使各孔成为贯通孔，由此能够在制造时，在第1复合材料层中通过孔加工等而容易将多个孔成形，因此能够提高生产率。 [0027] 图1是用于对本发明的第1实施方式涉及的纤维强化复合材料的制造方法进行说明的示意性立体图。 [0028] 图2是表示了采用图1所示的制造方法制造出的纤维强化复合材料的示意性立体图。 [0029] 图3是图2所示的纤维强化复合材料的主要部分截面图。 [0030] 图4是用于对本发明的第2实施方式涉及的纤维强化复合材料的制造方法进行说明的示意性立体图。 [0031] 图5是表示了采用图4所示的制造方法制造出的纤维强化复合材料的示意性立体图。 [0032] 图6是图5所示的纤维强化复合材料的主要部分截面图。 [0033] 图7(a)是本发明的第3实施方式涉及的第1复合材料的示意性立体图，(b)是表示了其变形例的示意性立体图。 [0034] 图8是示出了采用实施例1～3与比较例1和2涉及的试验片进行弯曲试验的结果的图。 [0035] 图9(a)是用于对以往涉及的纤维强化复合材料的制造方法进行说明的示意性立体图，(b)是(a)所示的纤维强化复合材料的主要部分截面图。 [0036] 附图标记说明 [0037] 1、2：纤维强化复合材料、11、21、31、31A、31B：第1复合材料、11A、21A：第1复合材料层、12：第1强化纤维、13、23、33：强化纤维束、14、24、34A、34B：纤维基材、15、25、35：孔、24a、24b：纺织基材、41：第2复合材料、41A：第2复合材料层、42：第2强化纤维、46：第2热塑性树脂。 具体实施方式[0038] 以下，参照附图，基于本发明涉及的纤维强化复合材料及其制造方法的几个实施方式进行说明。 [0039] 〔第1实施方式〕 [0040] 图1是用于对本发明的第1实施方式涉及的纤维强化复合材料的制造方法进行说明的示意性立体图。图2是表示了采用图1所示的制造方法制造出的纤维强化复合材料的示意性立体图。图3是图2所示的纤维强化复合材料的主要部分截面图。 [0041] 本实施方式涉及的纤维强化复合材料1，是将第1复合材料11与第2复合材料41进行了接合的材料。第1复合材料11具有：纤维基材14，其被配置为第1强化纤维12并丝而成的强化纤维束13进行交叉；和第1热塑性树脂(未图示)，其浸渗于各强化纤维束13中。即，构成各强化纤维束13的第1强化纤维彼此12、12以第1热塑性树脂为基体树脂而结合。 [0042] 更具体而言，在本实施方式中，通过在纤维基材14的相邻的强化纤维束13、13之间设置间隙，将强化纤维束13交织，由此制造形成有多个孔15的纺织基材作为纤维基材14。 [0043] 在此，将强化纤维束13交织时，通过使用例如将强化纤维束开纤，并在其中浸渗了第1热塑性树脂的预浸材料的片材或条带，能够制造含有第1热塑性树脂的状态的纺织基材。另外，也可以在以强化纤维束为纺织基材进行交织而制造纺织基材后，不堵塞多个孔15地浸渗第1热塑性树脂。在本实施方式中，纤维基材是平纹的纺织基材，但也可以是斜纹、缎纹等的纺织基材。 [0044] 第2复合材料41是在第2热塑性树脂46内不规则地排列有第2强化纤维42的材料，第2强化纤维42彼此以第2热塑性树脂46为基体树脂而结合。第2复合材料41可以在熔融了的第2热塑性树脂46中混揉第2强化纤维42，并采用射出成形等的成形方法来制造。 [0045] 在此，本实施方式中提到的第1和第2强化纤维，是用于使复合材料的机械强度强化的热塑性树脂强化用的纤维，可举出例如玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、氧化铝纤维、硼纤维、钢纤维、PBO纤维、或高强度聚乙烯纤维等的纤维。第1强化纤维是连续纤维，强化纤维束是指第1强化纤维捆成一束的状态，也包括如上所述将强化纤维束开纤的状态。另外，优选：第1和第2强化纤维具有6～30μm的直径，第2强化纤维为0.5mm～30mm的长度。 [0046] 第1和第2热塑性树脂，只要能够确保第1复合材料11和第2复合材料41的密合性，则并不限定其种类，也可以是同种的树脂，可举出例如烯烃系树脂、聚酰胺系树脂、环氧系树脂、或聚酰亚胺系树脂、尼龙系树脂、聚碳酸酯系树脂、聚酰胺系树脂、丙烯酸系树脂、或ABS系树脂等，只要是能够与强化纤维配合而保持规定的强度则并不特别限定其种类。 [0047] 将第1复合材料11和第2复合材料41配置在成形模具内，通过热压将两者进行接合。更具体而言，对于第1复合材料11，在与第2复合材料41接合的表面形成多个孔15，至少通过将第2热塑性树脂46加热而使其软化并对第1复合材料11和所述第2复合材料41加压，使得第2强化纤维42和第2热塑性树脂46进入到各孔15中。在本实施方式中，将第1复合材料11和第2复合材料41这两者配置在加热压制的成型模具中，对两者一边加热一边加压。第2强化纤维42，由于是在第2复合材料41的内部不规则地排列的强化纤维，因此容易与第2热塑性树脂一起进入到第1复合材料11的各孔中。 [0048] 由此，如图2和图3所示，通过将第1复合材料11和第2复合材料41接合而得到的纤维强化复合材料1，包含第1复合材料层11A、和与其接合的第2复合材料层41A，第1复合材料层11A作为第2复合材料层41A的增强部分发挥作用。 [0049] 并且由于第2强化纤维42和第2热塑性树脂46，进入到在第1复合材料层11A的表面之中与第2复合材料层41A接合的表面形成的各孔15中，因此进入到各孔15中的第2强化纤维42和第2热塑性树脂46，作为将第1复合材料层11A和第2复合材料层41A的界面50系紧的锚栓发挥作用。通过这样的锚栓效果，能够抑制在第1复合材料层11A与第 2复合材料层41A的界面50的剥离。 [0050] 另外，通过在纺织基材的相邻的强化纤维束13、13之间设置间隙，形成了多个孔15，因此强化纤维束13的第1强化纤维12即使在孔周围也不被切断地连续。这样的结果，能够保持第1复合材料层11A的强度。 [0051] 〔第2实施方式〕 [0052] 图4是用于对本发明的第2实施方式涉及的纤维强化复合材料的制造方法进行说明的示意性立体图。图5是表示了采用图4所示的制造方法制造出的纤维强化复合材料的示意性立体图。图6是图5所示的纤维强化复合材料的主要部分截面图。 [0053] 第2实施方式涉及的纤维强化复合材料与第1实施方式的不同点，是第1复合材料(层)的形状。因此，以下对该不同点进行详细说明，其它共通的构成附带相同标记并省略其说明。 [0054] 如图4所示，构成本实施方式涉及的第1复合材料21的纤维基材24，是用强化纤维束23、23交织而成的2个(多个)纺织基材24a、24b层叠的结构。具体而言，各纺织基材24a、24b，通过将在强化纤维束中浸渗了第1热塑性树脂的条带交织，从而作为第1复合材料21被制造。 [0055] 通过使2个纺织基材24a、24b之中与第2复合材料层41A接合的纺织基材24a的相邻的强化纤维束23、23之间的间隙比其它纺织基材24b的相邻的强化纤维束23、23之间的间隙大地将它们交织，从而在纺织基材24a中形成多个孔25、25。 [0056] 更具体而言，在本实施方式中，在其它纺织基材24b中，不存在相邻的强化纤维束23、23之间的间隙。再者，在此，在其它纺织基材24b中，虽然不存在相邻的强化纤维束23、 23之间的间隙，但只要满足与纺织基材24a的间隙的大小关系，则也可以在其它纺织基材 24b的相邻的强化纤维束23、23之间设置间隙。 [0057] 这样，如图5和图6所示，所得到的纤维强化复合材料2，通过与第2复合材料接合的纺织基材24a，能够确保第1复合材料(层)21与第2复合材料41的密合性。另一方面，由于在其它纺织基材24b中，相比于与第2复合材料41接合的纺织基材24a，位于纤维强化复合材料2表面侧的强化纤维束(第1强化纤维)更紧密地排列，因此能够提高纤维强化复合材料2的强度。 [0058] 〔第3实施方式〕 [0059] 图7(a)是本发明的第3实施方式涉及的第1复合材料的示意性立体图，(b)是表示其变形例的示意性立体图。第3实施方式涉及的纤维强化复合材料与第1实施方式的不同点，是第1复合材料(层)的形状。因此，如图7(a)、(b)所示，以下仅对作为不同点的第1复合材料进行说明，省略对其它相同构成的详细说明。 [0060] 如图7(a)所示，本实施方式涉及的纤维基材34A，是将强化纤维束33无隙间地交织而成的纺织基材，在纤维基材34A中还形成有多个孔35。这样的孔35是通过在制造第1复合材料31时，加工出贯通第1复合材料31A(纤维基材34A)那样的孔而成形的。通过使各孔35成为贯通孔，能够在制造时，通过对第1复合材料31进行孔加工等而将多个孔35、35容易地成形，因此能够提高生产率。 [0061] 另外，如图7(b)所示，在制造纤维基材34B时，可以将强化纤维束33在单一方向上并丝而成的基材34a、34b彼此层叠，使得以规定的角度相邻的基材34a、34b的强化纤维33彼此交叉，并对贯通第1复合材料31B(纤维基材34B)那样的孔进行加工。由此，能够以更加简单的制造方法，在第1复合材料31B中将多个孔35、35成形。 [0062] 以下对本发明的实施例进行说明。 [0063] (实施例1) [0064] 作为第1实施方式的一例制造了以下的第1复合材料。具体而言，将纺织基材层叠4层而制造了第1复合材料，所述纺织基材是将在强化纤维(碳)并丝而成的强化纤维束中浸渗了热塑性树脂(聚酰胺)的、宽度为5mm的条带(纤维含有率为50质量％)以5mm间隔交织而成的。接着，准备了在热塑性树脂(聚酰胺)内不规则(随机)地配置有强化纤维(碳)的厚度为2mm的范围的第2复合材料。将第1和第2复合材料在260℃进行加热后，以10MPa的压力进行加压，将它们接合。 [0065] (实施例2) [0066] 作为第2实施方式的一例制造了以下的第1复合材料。具体而言，将使用实施例1所示的条带的不空出间隔地交织而成的纺织基材层叠2层，进一步层叠2层将条带以5mm间隔交织而成的纺织基材，制造第1复合材料，作为纤维强化复合材料。 [0067] 接着准备与实施例1相同的第2复合材料，在第1复合材料之中空出间隔的纺织基材与第2复合材料接触的状态下，以与实施例1相同的加热加压条件将它们接合，制作了与实施例1的纤维强化复合材料相同尺寸的纤维强化复合材料。 [0068] (实施例3) [0069] 作为第3实施方式的一例制造了以下的第1复合材料。具体而言，准备碳纤维的含有率成为45质量％的纺织状的第1复合材料(TEPEX：BOND LAMINATES公司制，热塑性树脂为聚酰胺)，对其进行钻孔加工，使得孔径成为6mm，总孔面积率成为20％，由此制造了第1复合材料。接着准备与实施例1相同的第2复合材料，将第1复合材料和第2复合材料以与实施例1相同的加热加压条件接合，制作了与实施例1的纤维强化复合材料相同尺寸的纤维强化复合材料。 [0070] (比较例1) [0071] 与实施例1同样地制作了纤维强化复合材料。与实施例1的不同点是没有设置第1复合材料层这一点。 [0072] (比较例2) [0073] 与实施例3同样地制作了纤维强化复合材料。与实施例3的不同点是没有对第1复合材料层进行孔加工这一点。 [0074] (弯曲强度试验) [0075] 将实施例1～3和比较例1、2涉及纤维强化复合材料，切取35mm、100mm、2mm作为试验片，通过以JIS K 7017为基准的3点弯曲试验，进行了从第2复合材料层侧的中央施加载荷的弯曲试验。将该结果示于图8。图8示出了以比较例1涉及的弯曲试验的强度为1(100％)时的弯曲强度提高率，是将测定出的弯曲强度除以总重量而算出的值。 [0076] (结果) [0077] 实施例1～3涉及的试验片，可以说与比较例1、2相比弯曲强度提高，第1和第2复合材料层间的剥离强度提高。认为这是由于在实施例1～3的情况下，在第1和第2复合材料层的界面附近，第2复合材料的强化纤维和热塑性树脂进入到了第1复合材料层的多个孔中。 [0078] 再者，实施例1的情况下，由发明人的实验可知，交织时的条带彼此的间隔优选为0.5mm～10mm范围。间隔小于0.5mm的情况下，第2强化纤维和第2热塑性树脂没有充分进入到第1复合材料的孔内。另一方面，间隔超过10mm的情况下，难以保持第1复合材料的形状，即使能够制作，在与第2复合材料的接合时也难以操作。 [0080] 例如，在第1实施方式中，将含浸有热塑性树脂的单层的纺织基材作为第1复合材料，但只要不将孔堵塞，也可以将纺织基材层叠而成的材料作为第1复合材料。 |
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