JP2551287B2 - 高エネルギー吸収用多軸強化三次元成形基材およびこれを用いた高エネルギー吸収複合材料 - Google Patents
高エネルギー吸収用多軸強化三次元成形基材およびこれを用いた高エネルギー吸収複合材料Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、例えば構造部材とな
る繊維強化複合材料において、その強化材として用いら
れる繊維（線条）を多軸方向に配向した構造を有する高
エネルギー吸収用多軸強化三次元成形基材およびこれを
用いた高エネルギー吸収複合材料に関するものである。
る繊維強化複合材料において、その強化材として用いら
れる繊維（線条）を多軸方向に配向した構造を有する高
エネルギー吸収用多軸強化三次元成形基材およびこれを
用いた高エネルギー吸収複合材料に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】繊維強化複合材料は強化材である繊維に
より、プラスチック、セラミックスおよび金属等のマト
リックスを強化したものであり、その比剛性、比強度に
優れた特性を示す。しかしながら従来の繊維強化複合材
料では外部負荷に対して脆弱的な破壊挙動を示すためエ
ネルギー吸収を必要とする構造部材への適用は非常に困
難であった。
より、プラスチック、セラミックスおよび金属等のマト
リックスを強化したものであり、その比剛性、比強度に
優れた特性を示す。しかしながら従来の繊維強化複合材
料では外部負荷に対して脆弱的な破壊挙動を示すためエ
ネルギー吸収を必要とする構造部材への適用は非常に困
難であった。
【０００３】従来技術としてはゴムまたはゴム状弾性を
有する樹脂が多く適用されており、また複合材料では、
例えば特公昭５７−２０９００号公報に示されているよ
うに、強化材が三次元的に配向された三次元複合材料で
内部に空隙を有する多孔質のものが提案されている。図
４は上記公報に示された従来の格子状多孔性構造部材の
斜視図であり、図において１１は強化材、２はマトリッ
クスである。この格子状多孔性構造部材ではマトリック
ス２は強化材１１およびその交差部のみに含浸固化され
ており、各強化材間に空隙を有している。外部負荷に対
して強化材の持つ高剛性と空隙部での易変形性によりエ
ネルギーが吸収され緩衝作用を示すようになっている。
有する樹脂が多く適用されており、また複合材料では、
例えば特公昭５７−２０９００号公報に示されているよ
うに、強化材が三次元的に配向された三次元複合材料で
内部に空隙を有する多孔質のものが提案されている。図
４は上記公報に示された従来の格子状多孔性構造部材の
斜視図であり、図において１１は強化材、２はマトリッ
クスである。この格子状多孔性構造部材ではマトリック
ス２は強化材１１およびその交差部のみに含浸固化され
ており、各強化材間に空隙を有している。外部負荷に対
して強化材の持つ高剛性と空隙部での易変形性によりエ
ネルギーが吸収され緩衝作用を示すようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】従来発案されているゴ
ムまたはゴム状弾性を有する樹脂や内部に空隙を有する
多孔質な三次元複合材料は、構造物として必要な剛性や
強度が低く、適用範囲が限定されるという課題があっ
た。
ムまたはゴム状弾性を有する樹脂や内部に空隙を有する
多孔質な三次元複合材料は、構造物として必要な剛性や
強度が低く、適用範囲が限定されるという課題があっ
た。
【０００５】この発明は、かかる課題を解決するために
なされたもので、広範囲の構造部材に適用可能な比剛
性、比強度に優れた複合材料を得ることのできる高エネ
ルギー吸収用多軸強化三次元成形基材を得ることを目的
とするものである。
なされたもので、広範囲の構造部材に適用可能な比剛
性、比強度に優れた複合材料を得ることのできる高エネ
ルギー吸収用多軸強化三次元成形基材を得ることを目的
とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】この発明の高エネルギー
吸収用多軸強化三次元成形基材は、一つの外部負荷軸に
対して、±１５〜６０°の範囲で斜交配向する線条を、
三次元的に組合わせてなるものである。この発明の別の
発明の高エネルギー吸収複合材料は、一つの外部負荷軸
に対して、±１５〜６０°の範囲で斜交配向する線条
を、三次元的に組合わせてなる高エネルギー吸収用多軸
強化三次元成形基材に、マトリックス樹脂を真空含浸し
硬化してなるものである。
吸収用多軸強化三次元成形基材は、一つの外部負荷軸に
対して、±１５〜６０°の範囲で斜交配向する線条を、
三次元的に組合わせてなるものである。この発明の別の
発明の高エネルギー吸収複合材料は、一つの外部負荷軸
に対して、±１５〜６０°の範囲で斜交配向する線条
を、三次元的に組合わせてなる高エネルギー吸収用多軸
強化三次元成形基材に、マトリックス樹脂を真空含浸し
硬化してなるものである。
【０００７】
【作用】この発明の成形基材を用いた複合材料に外部負
荷がかかるとまず最初に材料全体の弾性変形が起こり、
次に成形基材の大変形に伴う非線形な変形を生じる。こ
の時斜交配向した線条は互いに干渉することなく滑りな
がら変形を行うので成形基材自身が損傷を受けることは
なく、外部負荷がさらに大きくなって材料全体が終局破
壊を迎えるまで非常に大きなエネルギー吸収を行う。ま
たマトリックスにゴムのように伸びのあるものを用いれ
ばマトリックスが成形基材に追随した変形を行うので変
形に可逆性が生じ繰り返し荷重にも対応できる。
荷がかかるとまず最初に材料全体の弾性変形が起こり、
次に成形基材の大変形に伴う非線形な変形を生じる。こ
の時斜交配向した線条は互いに干渉することなく滑りな
がら変形を行うので成形基材自身が損傷を受けることは
なく、外部負荷がさらに大きくなって材料全体が終局破
壊を迎えるまで非常に大きなエネルギー吸収を行う。ま
たマトリックスにゴムのように伸びのあるものを用いれ
ばマトリックスが成形基材に追随した変形を行うので変
形に可逆性が生じ繰り返し荷重にも対応できる。
【０００８】
【実施例】図１はこの発明の一実施例の高エネルギー吸
収用多軸強化三次元成形基材において、線条を一つの外
部負荷方向５に対して所定角度を保ちながら４方向（多
軸方向）に三次元的に斜交配向して得た上記成形基材の
上記線条の配向方向を示す線条の配向概念図、図２は上
記成形基材に用いた線条の一部拡大断面図である。図に
おいて、１は線条、２はマトリックス、３は炭素繊維、
４はエポキシ樹脂、５は外部負荷方向である。即ち、図
１に示すように、立方体の対向頂点を結ぶことにより４
軸方向を定める。次に、上記各軸毎に平行に順次各線条
を配向させて組み上げこの発明の一実施例の高エネルギ
ー吸収用多軸強化三次元成形基材を得る。上記のように
して、外部負荷方向５に対して線条１が４５°で斜交配
向した４軸強化三次元成形基材を得ることができる。な
お、線条１としては炭素繊維３およびエポキシ樹脂４か
らなる炭素繊維強化プラスチックを用いた。次に、上記
成形基材にマトリックス２として例えばエポキシ樹脂を
真空含浸し、加熱硬化させてこの発明の別の発明の高エ
ネルギー吸収複合材料を作製した。
収用多軸強化三次元成形基材において、線条を一つの外
部負荷方向５に対して所定角度を保ちながら４方向（多
軸方向）に三次元的に斜交配向して得た上記成形基材の
上記線条の配向方向を示す線条の配向概念図、図２は上
記成形基材に用いた線条の一部拡大断面図である。図に
おいて、１は線条、２はマトリックス、３は炭素繊維、
４はエポキシ樹脂、５は外部負荷方向である。即ち、図
１に示すように、立方体の対向頂点を結ぶことにより４
軸方向を定める。次に、上記各軸毎に平行に順次各線条
を配向させて組み上げこの発明の一実施例の高エネルギ
ー吸収用多軸強化三次元成形基材を得る。上記のように
して、外部負荷方向５に対して線条１が４５°で斜交配
向した４軸強化三次元成形基材を得ることができる。な
お、線条１としては炭素繊維３およびエポキシ樹脂４か
らなる炭素繊維強化プラスチックを用いた。次に、上記
成形基材にマトリックス２として例えばエポキシ樹脂を
真空含浸し、加熱硬化させてこの発明の別の発明の高エ
ネルギー吸収複合材料を作製した。
【０００９】図３は上記のようにして作製した複合材料
から試験片を切り出し、圧縮試験を行った時の４軸強化
三次元複合材料の荷重による変位変化を示す変位曲線図
である。図中Ｘは複合材料全体の変形が起こっている領
域、Ｚは斜交配向した線条が相互に滑りながら圧縮変形
し、終局破壊点Ａに至るまで非常に大きなエネルギー吸
収挙動を示す。この時成形基材における線条の配向角度
を変化させれば材料の剛性や強度をコントロールするこ
とができる。ただし、外部負荷軸に対し、強化材配向角
が±１５°以内になると成形基材のマイクロパッタリン
グが急激に多くなり十分なエネルギー吸収機能を発揮で
きなくなり、また配向角が±６０〜９０°の範囲内であ
ると外部負荷に対して成形基材の変形が十分行われ無く
なりこれも十分なエネルギー吸収機能が発揮できない。
即ち、高エネルギー吸収を発揮するには、一つの外部負
荷軸に対して、線条は±１５〜６０°の範囲で三次元的
に斜交配向していなければならない。この場合、線条を
三次元的に組み上げた成形基材として線条の配向軸数は
３〜９軸のいずれでも良いが、成形基材の体積密度を高
めるには４軸が、また特性の等方化を考慮すると７軸が
望ましい。また上記実施例では強化繊維として炭素繊維
を用いたが、他の無機繊維や有機繊維を用いても良く、
マトリックスとしても熱可塑性樹脂を用いることができ
るのは言うまでもない。表１に従来の二次元強化複合材
料（積層板）および
から試験片を切り出し、圧縮試験を行った時の４軸強化
三次元複合材料の荷重による変位変化を示す変位曲線図
である。図中Ｘは複合材料全体の変形が起こっている領
域、Ｚは斜交配向した線条が相互に滑りながら圧縮変形
し、終局破壊点Ａに至るまで非常に大きなエネルギー吸
収挙動を示す。この時成形基材における線条の配向角度
を変化させれば材料の剛性や強度をコントロールするこ
とができる。ただし、外部負荷軸に対し、強化材配向角
が±１５°以内になると成形基材のマイクロパッタリン
グが急激に多くなり十分なエネルギー吸収機能を発揮で
きなくなり、また配向角が±６０〜９０°の範囲内であ
ると外部負荷に対して成形基材の変形が十分行われ無く
なりこれも十分なエネルギー吸収機能が発揮できない。
即ち、高エネルギー吸収を発揮するには、一つの外部負
荷軸に対して、線条は±１５〜６０°の範囲で三次元的
に斜交配向していなければならない。この場合、線条を
三次元的に組み上げた成形基材として線条の配向軸数は
３〜９軸のいずれでも良いが、成形基材の体積密度を高
めるには４軸が、また特性の等方化を考慮すると７軸が
望ましい。また上記実施例では強化繊維として炭素繊維
を用いたが、他の無機繊維や有機繊維を用いても良く、
マトリックスとしても熱可塑性樹脂を用いることができ
るのは言うまでもない。表１に従来の二次元強化複合材
料（積層板）および
【００１０】
【表１】
【００１１】４軸強化複合材料（４Ａ３Ｄ）の単位体積
当りの吸収エネルギーを示す。また比較のため、立方体
の対向面心を結ぶ方向（負荷軸に対して０゜および９０
゜方向）に線条を配向させた成形基材を用いた３軸強化
三次元複合材料（３Ａ３Ｄ）および３Ａ３Ｄと４Ａ３Ｄ
を組み合わせた方向に線条を配向させた成形基材を用い
た７軸強化三次元複合材料（７Ａ３Ｄ）の値も併記す
る。この表で言うエネルギー吸収量とは図３の荷重−変
位曲線における最大荷重点までの曲線と変位軸に囲まれ
た面積に相当する仕事量を試験片の体積で割って求めた
もので、材料のエネルギー吸収特性を示す。表から分か
るように４軸強化三次元複合材料は高いエネルギー吸収
特性を示しており従来の二次元強化複合材料に比べて約
１０倍の特性改善が見られる。
当りの吸収エネルギーを示す。また比較のため、立方体
の対向面心を結ぶ方向（負荷軸に対して０゜および９０
゜方向）に線条を配向させた成形基材を用いた３軸強化
三次元複合材料（３Ａ３Ｄ）および３Ａ３Ｄと４Ａ３Ｄ
を組み合わせた方向に線条を配向させた成形基材を用い
た７軸強化三次元複合材料（７Ａ３Ｄ）の値も併記す
る。この表で言うエネルギー吸収量とは図３の荷重−変
位曲線における最大荷重点までの曲線と変位軸に囲まれ
た面積に相当する仕事量を試験片の体積で割って求めた
もので、材料のエネルギー吸収特性を示す。表から分か
るように４軸強化三次元複合材料は高いエネルギー吸収
特性を示しており従来の二次元強化複合材料に比べて約
１０倍の特性改善が見られる。
【００１２】表２に４軸強化三次元複合材料の振動特性
結果を示す。ここで用いた４軸強化
結果を示す。ここで用いた４軸強化
【００１３】
【表２】
【００１４】三次元複合材料（４Ａ３Ｄ）は実施例１で
作製した成形基材にゴム弾性を有するエポキシ樹脂を真
空含浸したものである。表中、表中ネオプレンゴム、ブ
チルゴムは制振材料として汎用的にしようされているゴ
ム材料の値である。結果から分かるように４Ａ３Ｄは制
振特性、強度ともにゴム材料を大き越えている。
作製した成形基材にゴム弾性を有するエポキシ樹脂を真
空含浸したものである。表中、表中ネオプレンゴム、ブ
チルゴムは制振材料として汎用的にしようされているゴ
ム材料の値である。結果から分かるように４Ａ３Ｄは制
振特性、強度ともにゴム材料を大き越えている。
【００１５】表３に従来の公報に示した格子状多孔性材
料および４軸強化複合材料
料および４軸強化複合材料
【００１６】
【表３】
【００１７】の圧縮力に対する耐荷重能力の比較であ
り、表からこの発明の一実施例の成形基材を用いた複合
材料は構造材料として必要な絶対強度の優位性を立証す
ることができる。
り、表からこの発明の一実施例の成形基材を用いた複合
材料は構造材料として必要な絶対強度の優位性を立証す
ることができる。
【００１８】この発明は、以上説明した通り一つの外部
負荷軸に対して、±１５〜６０°の範囲で斜交配向する
線条を、三次元的に組合わせてなるものを用いることに
より、広範囲の構造部材に適用可能な比剛性、比強度に
優れた複合材料を得ることのできる高エネルギー吸収用
多軸強化三次元成形基材を得ることができる。また、こ
の発明別の発明は、一つの外部負荷軸に対して、±１５
〜６０°の範囲で斜交配向する線条を、三次元的に組合
わせてなる高エネルギー吸収用多軸強化三次元成形基材
に、マトリックス樹脂を真空含浸し硬化してなるので、
比剛性、比強度に優れた高エネルギー吸収複合材料を容
易に得ることができる。
負荷軸に対して、±１５〜６０°の範囲で斜交配向する
線条を、三次元的に組合わせてなるものを用いることに
より、広範囲の構造部材に適用可能な比剛性、比強度に
優れた複合材料を得ることのできる高エネルギー吸収用
多軸強化三次元成形基材を得ることができる。また、こ
の発明別の発明は、一つの外部負荷軸に対して、±１５
〜６０°の範囲で斜交配向する線条を、三次元的に組合
わせてなる高エネルギー吸収用多軸強化三次元成形基材
に、マトリックス樹脂を真空含浸し硬化してなるので、
比剛性、比強度に優れた高エネルギー吸収複合材料を容
易に得ることができる。
【図１】この発明の一実施例の高エネルギー吸収用多軸
強化三次元成形基材において、線条を一つの外部負荷方
向５に対して所定角度を保ちながら４方向（多軸方向）
に三次元的に斜交配向して得た上記成形基材の上記線条
の配向方向を示す線条の配向概念図である。
強化三次元成形基材において、線条を一つの外部負荷方
向５に対して所定角度を保ちながら４方向（多軸方向）
に三次元的に斜交配向して得た上記成形基材の上記線条
の配向方向を示す線条の配向概念図である。
【図２】この発明の一実施例に係わる線条の一部拡大断
面図である。
面図である。
【図３】この発明の一実施例を用いた複合材料の変位曲
線図である。
線図である。
【図４】従来の格子状多孔性構造部材の斜視図である。
１ 線条 ２ マトリックス ３ 外部負荷方向
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉崎 淨 尼崎市塚口本町８丁目１番１号 三菱電 機株式会社 材料デバイス研究所内 (56)参考文献 特開 平２−263835（ＪＰ，Ａ)
Claims (2)
- 【請求項１】 一つの外部負荷軸に対して、±１５〜６
０°の範囲で斜交配向する線条を、三次元的に組合わせ
てなる高エネルギー吸収用多軸強化三次元成形基材。 - 【請求項２】 一つの外部負荷軸に対して、±１５〜６
０°の範囲で斜交配向する線条を、三次元的に組合わせ
てなる高エネルギー吸収用多軸強化三次元成形基材に、
マトリックス樹脂を真空含浸し硬化してなる高エネルギ
ー吸収複合材料。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3317940A JP2551287B2 (ja) | 1991-12-02 | 1991-12-02 | 高エネルギー吸収用多軸強化三次元成形基材およびこれを用いた高エネルギー吸収複合材料 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3317940A JP2551287B2 (ja) | 1991-12-02 | 1991-12-02 | 高エネルギー吸収用多軸強化三次元成形基材およびこれを用いた高エネルギー吸収複合材料 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05147031A JPH05147031A (ja) | 1993-06-15 |
| JP2551287B2 true JP2551287B2 (ja) | 1996-11-06 |
Family
ID=18093719
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3317940A Expired - Lifetime JP2551287B2 (ja) | 1991-12-02 | 1991-12-02 | 高エネルギー吸収用多軸強化三次元成形基材およびこれを用いた高エネルギー吸収複合材料 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2551287B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4664694B2 (ja) * | 2005-02-03 | 2011-04-06 | 本田技研工業株式会社 | エネルギ吸収構造体 |
| CN108488309B (zh) * | 2018-05-04 | 2024-04-26 | 东南大学 | 一种周期复合结构点阵材料 |
| JP2024120476A (ja) * | 2023-02-24 | 2024-09-05 | 株式会社豊田中央研究所 | 構造体、および、ラティス構造体 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH02263835A (ja) * | 1989-04-04 | 1990-10-26 | Three D Konpo Res:Kk | 三次元多軸強化複合材料の製造方法 |
-
1991
- 1991-12-02 JP JP3317940A patent/JP2551287B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05147031A (ja) | 1993-06-15 |
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