Spiral woven fabric, prepreg and rotor using the same

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電力貯蔵用フライホイール等の高速回転体の材料として用いるのに適した螺旋状織物およびこれを用いたプリプレグと回転体に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、電力貯蔵用フライホイール等の高速回転体に用いる材料として、比強度の高い繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）が使用されている。 その当初は、図３に示す様な周巻した繊維シート４を強化材料とする、シートワインディング法やフィラメントワインディング法等によって成形される周巻き円輪（リム）が主流であったが、これは一種の一方向繊維強化材であるため、周方向（繊維を配した方向）の強度に比べて半径方向（繊維に直角な方向）の強度は極めて低い。 このため、周巻した繊維シート間の層間剥離が生じやすく、許容回転速度が低い。

【０００３】そこでこの様な周巻きリムに代わって、図１に示す様な螺旋状織物１を強化材とするリムの使用が提案されている。 この螺旋状織物の例として、特開昭５
６−７３１３８、特表平３−５０４４０１および特開平５−３２１０７１号公報には、螺旋方向に配列する経糸と半径方向に配列する緯糸で織られた螺旋状織物について開示されている。 これら公報においては、いずれも単一種類の経糸を用い、また織物の目付を一定にして強度を全体にわたって均一にすることを企図している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このような螺旋状織物を高速回転体に利用した場合、遠心力は回転体の半径方向の内側よりも外側に位置する経糸により大きくかかるため、外側の経糸には内側の経糸よりも大きな歪みが生じることとなる。 その結果、緯糸の半径方向に大きな応力がかかって緯糸が破断し、そこから経糸間の剥離が生じやすくなり、やはり高速回転には適応し難い。

【０００５】本発明は、この従来技術の問題点に鑑み、
より高い回転速度に耐えうる螺旋状織物およびこれを用いたプリプレグと回転体を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため本発明の螺旋状織物は、経糸の向きが螺旋方向である螺旋状の織物であって、外側の経糸の経糸方向の比弾性率は内側のものより高いことを特徴とする。 通常、経糸の比弾性率は、経糸の複数本単位で変化している。

【０００７】また、本発明のプリプレグは、この螺旋状織物を強化材料としたことを特徴とする。 さらに、本発明の回転体は、このプリプレグを螺旋軸方向に積層し、
硬化させて成形したことを特徴とする。

【０００８】なお、本明細書で言う「比弾性率」とは、
ＪＩＳ Ｒ ７６０１（１９８６）に準拠して測定した単繊維の引張弾性率を、その繊維密度で割った値を示す。 また「繊維密度」とは、樹脂等のマトリックスを含まない、繊維自身の密度を示す。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の一実施形態に係る螺旋状織物を、その上下方向にやや伸ばして示す概略斜視図、図２は図１の螺旋状織物の一周分を示す平面図であり、両図において１は螺旋状織物、２はその螺旋方向に配置した経糸、３は半径方向に配置した緯糸を示す。 なお、本発明の螺旋状織物は、図２に示す様な織組織に限られるものではなく、平織り、綾織り、朱子織り等の任意の織組織であってよい。

【００１０】経糸２は、螺旋状織物の螺旋方向の強度を強化するものであり、ガラス繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、炭素繊維およびこれらの混繊糸を用いることができる。 また各経糸２のフィラメント本数は繊維の種類にもよるが、通常１００〜１２０，０００本、好ましくは１，０００〜３０，０００本である。

【００１１】経糸２の比弾性率は、内側から外側へ向かって連続的または段階的に高くなっている。 すなわち、
比弾性率が異なる２群以上、好ましくは２〜１０群の経糸群に分け、各経糸群においては経糸の比弾性率は一定とする。 このとき、もし各群が全て１本の経糸からなるならば比弾性率は連続的に高くなり、各群が全て２本以上の経糸からなるならば比弾性率は段階的に高くなる。
また、１本の経糸からなる経糸群と２本以上の経糸からなる経糸群を共に配置すれば、その螺旋状織物は比弾性率が連続的に高くなる部分と段階的に高くなる部分を有することとなる。 これら何れの配置でも良いが、段階的に高くすることが製造上好ましい。

【００１２】比弾性率を段階的に変化させる場合、各経糸群および比弾性率の分布は次式で定めることができる。

【００１３】

【数１】

【００１４】例えば、経糸を４つの群に分けた場合には、最も内側の経糸群に属する経糸の比弾性率を２×１
０ ⁶ 〜５×１０ ⁶ ｍ、その一つ外側の経糸群の経糸の比弾性率を５×１０ ⁶超〜１７．５×１０ ⁶ ｍ、さらに外側の経糸群の経糸の比弾性率を１７．５×１０ ⁶超〜３
２．５×１０ ⁶ ｍ、最も外側の経糸群の経糸の比弾性率を３２．５×１０ ⁶超〜５０×１０ ⁶ ｍとすることができる。

【００１５】また２群に分けた場合には、最も内側の経糸群の経糸の比弾性率を２×１０ ⁶ 〜１７．５×１０ ⁶
ｍ、最も外側の経糸群の経糸の比弾性率を１７．５×１
０ ⁶超〜５０×１０ ⁶ ｍとすることができる。

【００１６】なお経糸間の間隔は、内側から外側へ漸次密になるように配置することもできる。 また、経糸のフィラメント本数を、内側の経糸から外側の経糸になるに従い漸次増加するように変化させることもできる。

【００１７】緯糸３は、螺旋状織物の半径方向の強度を強化するものであり、経糸と同様の繊維を用いることができるが、比強度の高い繊維、特にピッチ系あるいはＰ
ＡＮ系炭素繊維が好ましい。 ＰＡＮ系炭素繊維の例としては、東レ（株）製のＴ３００、Ｔ７００Ｓ等が挙げられる。

【００１８】緯糸３の長さは一定でも良いが、螺旋織物では外側ほど緯糸の密度が低下するので外側部分に短い緯糸を加えて密度低下を補うこともできる。 緯糸のフィラメント本数は一定であることが好ましい。

【００１９】経糸２と緯糸３の体積分率は、５０〜９９
ｖｏｌ％と１〜５０ｖｏｌ％、好ましくは８０〜９５ｖ
ｏｌ％と５〜２０ｖｏｌ％である。 螺旋状織物の目付は１００〜５００ｇ／ｍ ² 、好ましくは２００〜４００
ｇ／ｍ ²であり、螺旋中心からの距離にかかわらず一定であることが好ましい。

【００２０】本発明は、上述した構成の螺旋状織物を用いたプリプレグおよび回転体をも包含するが、これらの母材となるマトリックス樹脂としては熱硬化性樹脂が用いられ、中でもエポキシ樹脂が好ましい。

【００２１】

【実施例】 実施例１緯糸としてＰＡＮ系炭素繊維（商品名：Ｔ３００、東レ（株）製）を、経糸として比弾性率の異なる４つの経糸群を配した螺旋織物を製造した。 表１にこれら繊維の物性値、および経糸の配置を示す。 なお、表１中に掲げた繊維の名称は商品名であり、グラスファイバーヤーンＥ
ＣＥは日東紡績（株）製のＥ−ガラス、ＸＮ５０およびＸＮ８０は日本石油（株）製のピッチ系炭素繊維である。 また経糸の配置は、螺旋織物の外径をＲ、任意の経糸と螺旋織物中心との距離をｒとして定めたものである。

【００２２】なお、織物目付は３００ｇ／ｍ ² 、経糸の間隔は螺旋の外側になる程狭くし、経糸のフィラメント本数は一定とし、螺旋織物の内径を６０ｍｍ、外径を２
００ｍｍとした。

【００２３】次に、この螺旋織物をエポキシ樹脂に含浸してプリプレグとし、この螺旋状プリプレグを積層して厚さ４０ｍｍの積層物を得、これを加熱硬化して回転体を製造した。

【００２４】次に、この回転体の可能な最大回転速度（緯糸の引張破断および緯糸間の剥離が生じる回転速度）を測定した。 この結果を、用いた経糸および緯糸の種類、最大回転速度におけるエネルギーおよびエネルギー密度、並びに回転体の重量とともに表２に示す。

【００２５】 実施例２グラスファイバーヤーンＥＣＥおよびＸＮ５０からなる２つの経糸群を、それぞれ０．３≦ｒ／Ｒ＜０．５および０．５≦ｒ／Ｒ≦１．０の位置に配した以外は、実施例１と同様にして回転体を製造し、最大回転速度を測定した。 この結果を表２に示す。

【００２６】 比較例１経糸として１種類の経糸、すなわちＴ３００を用いた以外は、実施例１と同様にして回転体を製造し、最大回転速度を測定した。 この結果を表２に示す。 比較例２緯糸を用いなかった以外は、実施例１と同様にして複合材料回転体を製造し、最大回転速度を測定した。 この結果を表２に示す。 比較例３緯糸を用いなかった以外は、実施例２と同様にして回転体を製造し、最大回転速度を測定した。 この結果を表２
に示す。 比較例４緯糸を用いなかった以外は、比較例１と同様にして回転体を製造し、最大回転速度を測定した。 この結果を表２
に示す。 比較例５内径６０ｍｍ、外径２００ｍｍおよび厚さ４０ｍｍのスチール製回転体を製造した。

【００２７】

【表１】

【００２８】

【表２】

【００２９】

【発明の効果】本発明の螺旋状織物は、外側ほど比弾性率の高い経糸を使用するようにしたため、高速回転体の材料とした場合には、内側と外側の経糸の歪みは近似したものとなる。 よって、緯糸の破断とそれに伴う経糸間の剥離が生じにくくなり、従来よりも許容回転速度の大きい回転体を製造することができる。 従って、本発明の螺旋状織物、並びにこれを用いたプリプレグおよび回転体は、遠心分離機用ローターや電力貯蔵用フライホイール等の高速回転体の材料として優れたものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施形態に係る螺旋状織物を、その上下方向にやや伸ばして示す概略斜視図。

【図２】 図１の螺旋状織物の一周分を示す平面図。

【図３】 従来の周巻した繊維シートを示す概略斜視図。

【符号の説明】

１：螺旋状織物、２：経糸、３：緯糸、４：周巻した繊維シート。

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