碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料和使用其的成型體的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及剛性與強(qiáng)度的平衡優(yōu)異的碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料和成型體。
[0002] 本申請(qǐng)基于2013年3月7日在日本申請(qǐng)的日本特愿2013-45374號(hào)主張優(yōu)先權(quán)， 其內(nèi)容援引于此。
【背景技術(shù)】
[0003] 碳纖維復(fù)合材料、尤其是碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP)為輕量且高強(qiáng)度，由于該特征而 被用于飛機(jī)、汽車、體育、休閑和其他各種工業(yè)用途。此外，碳纖維復(fù)合材料由于構(gòu)成其的碳 纖維集束體的取向性而具有特征性各向異性光澤，通過進(jìn)一步對(duì)表面實(shí)施涂布等處理而賦 予具有深度的厚重的外觀，以及還具有導(dǎo)電性、X射線透過性和電磁波屏蔽性等特征。一般 而言，碳纖維復(fù)合材料以層壓板、蜂窩夾層板等形態(tài)用于各種工業(yè)用途。然而，大多使用熱 固性樹脂作為基質(zhì)，故而為了使它們成型，使用的是伴隨著樹脂的固化反應(yīng)的成型時(shí)間較 長(zhǎng)、即以高壓釜成型為代表的不針對(duì)大量生產(chǎn)的方法。
[0004]另一方面，提出了多種以熱塑性樹脂為基質(zhì)的那樣的復(fù)合材料及其成型品。例如 專利文獻(xiàn)1公開的技術(shù)中，提出了包含單向拉齊的增強(qiáng)纖維和熱塑性樹脂的預(yù)浸料和使用 其的結(jié)構(gòu)材料。
[0005] 此外，專利文獻(xiàn)2中，提出了將由特定瀝青系碳纖維（A)形成的單向預(yù)浸料和由作 為聚丙烯腈系碳纖維的碳纖維（B)形成的單向預(yù)浸料組合、層壓并成型而得到的碳纖維增 強(qiáng)樹脂復(fù)合材料，實(shí)施例中使用熱固性環(huán)氧樹脂作為基質(zhì)樹脂。
[0006] 現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0007] 專利文獻(xiàn)
[0008] 專利文獻(xiàn)1:日本特許第4324649號(hào)公報(bào)
[0009] 專利文獻(xiàn)2:日本特許第2554821號(hào)公報(bào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 發(fā)明所要解決的課題
[0011] 鑒于上述背景，本發(fā)明得到了在獲得上述復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)進(jìn)一步縮短了成 型時(shí)間、能夠面向大量生產(chǎn)等的復(fù)合材料。即，本發(fā)明提供一種復(fù)合材料，所述復(fù)合材料的 基質(zhì)為熱塑性樹脂，因此成型時(shí)間短，剛性、強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)的平衡優(yōu)異。
[0012] 用于解決課題的方法
[0013] 本發(fā)明的上述目的通過下述的本發(fā)明的各方式來實(shí)現(xiàn)。
[0014] (1) -種碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料，其具有含有單向取向的碳纖維（A)和 熱塑性樹脂（C-1)的層（I)、以及含有單向取向的碳纖維（B)和熱塑性樹脂（C-2)的層 (II)，上述碳纖維（A)的彈性模量比上述碳纖維（B)高。
[0015] (2)根據(jù)（1)所述的碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料，上述碳纖維（A)的彈性模量 為350GPa以上，上述碳纖維（B)的彈性模量為200GPa以上且低于350GPa。
[0016] (3)根據(jù)（1)或（2)所述的碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料，相對(duì)于上述碳纖維增 強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料的厚度，上述層（I)占1/3以下。
[0017] (4)根據(jù)⑴至⑶中任一項(xiàng)所述的碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料，對(duì)于上述碳 纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料的至少一側(cè)，從表面開始占上述碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合 材料的厚度的10%的部位中，相對(duì)于上述部位的厚度，上述層（I)占1/3以上。
[0018] (5)根據(jù)（4)所述的碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料，對(duì)于上述碳纖維增強(qiáng)熱塑 性樹脂復(fù)合材料的兩側(cè)，從表面開始占上述碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料的厚度的10% 的部位，上述層（I)占上述部位各自的厚度之中的1/3以上。
[0019] (6)根據(jù)⑴~（5)中任一項(xiàng)所述的碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料，上述碳纖維 (B)為聚丙烯腈系碳纖維。
[0020] (7)根據(jù)⑴~（5)中任一項(xiàng)所述的碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料，上述碳纖維 (A)為瀝青系碳纖維。
[0021] (8)根據(jù)⑴~（5)中任一項(xiàng)所述的碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料，上述碳纖維 (A)為瀝青系碳纖維且上述碳纖維（B)為聚丙烯腈系碳纖維。
[0022] (9)根據(jù)⑴~⑶中任一項(xiàng)所述的碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料，上述層（I) 的厚度為〇? 1~〇? 3_。
[0023] (10)根據(jù)⑴至（9)中任一項(xiàng)所述的碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料，上述碳纖 維（A)的導(dǎo)熱系數(shù)為20W/mK以上且600W/mK以下，并且上述碳纖維（B)的導(dǎo)熱系數(shù)為3W/ mK以上且低于20W/mK。
[0024] (11)根據(jù)⑴至（10)中任一項(xiàng)所述的碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料，上述碳纖 維（A)為連續(xù)的碳纖維，上述碳纖維（B)的平均纖維長(zhǎng)度為10~50mm。
[0025] (12)根據(jù)（1)至（11)中任一項(xiàng)所述的碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料，碳纖維增 強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料在3點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中施加最大負(fù)荷的70%的負(fù)荷后的彈性模量相比 于施加上述負(fù)荷前的彈性模量為20~60%。
[0026] (13)根據(jù)（1)至（12)中任一項(xiàng)所述的碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料，碳纖維增 強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料的等效剛性重量為80~92g，上述等效剛性重量為在200mmX 320mm 的試樣板的大體中央部施加10N的負(fù)荷的情況下施加了上述負(fù)荷的部位的移動(dòng)量成為 0. 88mm時(shí)的上述試樣板的重量。
[0027] (14)根據(jù)（1)至（13)中任一項(xiàng)所述的碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料，其為在至 少2層上述層（I)之間夾持至少1層上述層（II)而成。
[0028] (15)根據(jù)（14)所述的碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料，其為在至少2層上述層 (I)之間夾持2層以上的上述層（II)而成。
[0029] (16)根據(jù)⑴至（15)中任一項(xiàng)所述的碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料，在上述層 (I)和層（II)重疊而成的、上述層（I)和層（II)直接重疊的兩層中，各層中所含的碳纖維 的纖維方向相互大體正交。
[0030] (17) -種成型體，其為使（1)至（16)中任一項(xiàng)所述的碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合 材料熱成型而成。
[0031] (18)根據(jù)（17)所述的成型體，在任意面的表面上具有高度為3mm以上的凸部。
[0032] (19) -種電子設(shè)備殼體用構(gòu)件，其包含（17)或（18)所述的成型體。
[0033] 此外，本發(fā)明的另一方面具有以下方式。
[0034] (20) -種碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料，其具有包含單向排列的瀝青系碳纖維 (A1)和熱塑性樹脂（C-1)的層、以及包含單向排列的聚丙烯腈系碳纖維（B1)和熱塑性樹脂 (C-2)的層。
[0035] (21) -種成型體，其包含（20)所述的復(fù)合材料。
[0036] (22)根據(jù)（20)所述的復(fù)合材料的制造方法，其特征在于，將包含單向排列的瀝青 系碳纖維（A1)和熱塑性樹脂（C-1)的熱塑性預(yù)浸料、以及包含單向排列的聚丙烯腈系碳纖 維（B1)和熱塑性樹脂（C-2)的熱塑性預(yù)浸料組合并層壓。
[0037] 發(fā)明的效果
[0038] 根據(jù)本發(fā)明，能夠在短的成型時(shí)間內(nèi)獲得剛性、強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)的平衡優(yōu)異的成型 體。
【附圖說明】
[0039] 圖1是表示本發(fā)明的實(shí)施方式涉及的碳纖維增強(qiáng)熱結(jié)構(gòu)樹脂復(fù)合材料的概略立 體圖。
[0040] 圖2是表示本發(fā)明的實(shí)施方式涉及的碳纖維增強(qiáng)熱結(jié)構(gòu)樹脂復(fù)合材料和使其成 型而得的成型體的概略立體圖。
[0041] 圖3是表示本發(fā)明的實(shí)施方式涉及的電子設(shè)備殼體用構(gòu)件的一個(gè)例子的概略立 體圖。
【具體實(shí)施方式】
[0042] 以下，給出實(shí)施方式具體地對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說明。
[0043] 本實(shí)施方式涉及的碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料具有含有單向取向的碳纖維 (A)和熱塑性樹脂（C-1)的層（I)、以及含有單向取向的、彈性模量比上述碳纖維（A)小的 碳纖維⑶和熱塑性樹脂（C-2)的層（II)。
[0044] 本實(shí)施方式中，如圖1所示，碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料1具有層（I)2A和 2B、以及層（11)3。圖中所示的例子中，碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料1的兩面的表面具 有層⑴2A和2B，該層⑴2A和2B之間夾持2層以上（在圖中所示的例子中為6層）的層 (11)3而成。
[0045] 以下，對(duì)各層的構(gòu)成進(jìn)行說明。
[0046] (層⑴）
[0047] 層⑴含有單向取向的碳纖維（A)和熱塑性樹脂（C-1)。本實(shí)施方式中，單向取 向是指，在包含碳纖維等纖維的原材料中，纖維的長(zhǎng)度方向大體平行。大體平行具體而言是 指，層（I)、層（II)等層所含的后述纖維之中90~100%的長(zhǎng)度方向處于-5°~+5°的范 圍內(nèi)，優(yōu)選層中所含的碳纖維之中95~100%的長(zhǎng)度方向處于-2°~+2°的范圍內(nèi)。
[0048] 本實(shí)施方式中，尤其在后述預(yù)浸料的制造方法中，優(yōu)選通過對(duì)聚集了纖維的纖維 束施加張力而使纖維的方向大體一致（也將該狀態(tài)稱為纖維單向拉齊）。
[0049] 本實(shí)施方式的碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料中能夠使用的碳纖維（A)使用彈 性模量比后述碳纖維（B)高的纖維。本實(shí)施方式的碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料通過將 彈性模量高的層與彈性模量較低、強(qiáng)度高的層層壓，從而具有彈性模量與強(qiáng)度的平衡優(yōu)異 的效果。這里，碳纖維的彈性模量是通過JISR7608 :2007(IS016018 :2004)的B法測(cè)定的碳 纖維的拉伸彈性模量。
[0050] 碳纖維（A)的彈性模量?jī)?yōu)選為350GPa以上。此外，碳纖維（A)的彈性模量進(jìn)一步 優(yōu)選為400GPa以上，特別優(yōu)選為600GPa以上。通過使用這樣的碳纖維，有效發(fā)揮本實(shí)施方 式的效果。拉伸彈性模量的上限并無實(shí)質(zhì)性規(guī)定，彈性模量越高，則本實(shí)施方式越能有效地 發(fā)揮效果，作為指標(biāo)，可以列舉900GPa以下。碳纖維（A)的彈性模量根據(jù)設(shè)計(jì)上、制造上的 方便等選擇即可。此外，碳纖維（A)的強(qiáng)度（拉伸強(qiáng)度）優(yōu)選為2000MPa以上。這里，碳纖 維的強(qiáng)度是通過JIS R7608 :2007(IS016018 :2004)測(cè)定的拉伸強(qiáng)度。
[0051] 本實(shí)施方式的碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料中使用的碳纖維（A)優(yōu)選為瀝青 系碳纖維。這里，作為瀝青系碳纖維，意思是以"將對(duì)中間相瀝青即石油焦油、煤焦油等進(jìn) 行處理而生成的部分顯示液晶結(jié)構(gòu)的樹脂或人工合成的中間相瀝青進(jìn)行紡絲、并且使其不 熔、進(jìn)而進(jìn)行炭化而生成的、石墨晶體結(jié)構(gòu)在纖維軸向高度發(fā)達(dá)的、實(shí)質(zhì)上僅由碳形成的長(zhǎng) 絲纖維"為主要成分而構(gòu)成的纖維的集合體。瀝青系碳纖維有彈性模量高、熱膨脹小的優(yōu) 點(diǎn)。進(jìn)而，如后所述，通過層（I)的碳纖維（A)使用瀝青系碳纖維、與之并用的層（II)的碳 纖維（B)使用聚丙烯腈系碳纖維，本實(shí)