夾層結(jié)構(gòu)體、使用該夾層結(jié)構(gòu)體的一體化成型品及它們的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種輕質(zhì)性、薄壁性、剛性優(yōu)異的夾層結(jié)構(gòu)體（sandwich )，更具體而 言，涉及一種使用特定的芯材并且使用纖維增強(qiáng)材料作為皮材的、尤其是在輕質(zhì)性和剛性 方面具有優(yōu)異特性的夾層結(jié)構(gòu)體。
【背景技術(shù)】
[0002] 經(jīng)連續(xù)的增強(qiáng)纖維組進(jìn)行增強(qiáng)過的纖維增強(qiáng)樹脂(FRP)作為要求輕質(zhì)性和力學(xué)特 性的結(jié)構(gòu)體的材料被頻繁地用于航空器、汽車、雙輪車、自行車等運(yùn)送設(shè)備用途、網(wǎng)球，高爾 夫、釣魚竿等體育用品用途、抗震加強(qiáng)材料等建設(shè)結(jié)構(gòu)物用途等。
[0003] 作為可確保力學(xué)特性且可提高輕質(zhì)性的結(jié)構(gòu)體，已知有在輕質(zhì)的芯材上配置FRP 作為皮材而成的夾層結(jié)構(gòu)體。為了謀求結(jié)構(gòu)體的輕質(zhì)化，選擇了更加輕質(zhì)的芯材，輕木芯 (balsa core)、蜂窩芯、氨基甲酸酯泡沫芯等被頻繁地用作芯材。另外，通過對(duì)力學(xué)特性也 結(jié)合實(shí)用的要求特性進(jìn)行設(shè)計(jì)，夾層結(jié)構(gòu)體被廣泛應(yīng)用于航空器的二次結(jié)構(gòu)材料、以及汽 車部件、建筑物部件、面板部件等。
[0004] 在專利文獻(xiàn)1中，作為夾層結(jié)構(gòu)體的芯材，公開了將樹脂進(jìn)行發(fā)泡而得的泡沫芯 材、將不連續(xù)的增強(qiáng)纖維的單纖維彼此經(jīng)由熱塑性樹脂進(jìn)行交叉而得的芯材。專利文獻(xiàn)2中 公開了一種具有層狀結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)復(fù)合材料，所述層狀結(jié)構(gòu)由多孔質(zhì)纖維層和增強(qiáng)用纖維的 纖維增強(qiáng)樹脂層構(gòu)成，所述多孔質(zhì)纖維層是用粘合劑將分散于任意方向的增強(qiáng)用短纖維于 它們的交點(diǎn)進(jìn)行粘結(jié)而成的。
[0005] 然而，上述夾層結(jié)構(gòu)體、復(fù)合材料難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)剛性和輕質(zhì)性，或是在量產(chǎn)性良好 地制造薄壁且具有復(fù)雜形狀的成型體方面受限。對(duì)于專利文獻(xiàn)1中公開的夾層結(jié)構(gòu)體，由于 使用熱塑性樹脂的粒子與不連續(xù)的增強(qiáng)纖維一起制作芯材，所以不連續(xù)的增強(qiáng)纖維的單纖 維彼此經(jīng)由熱塑性樹脂進(jìn)行交叉，但難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)芯材的剛性和輕質(zhì)性。對(duì)于專利文獻(xiàn)2中 公開的輕質(zhì)復(fù)合材料，由于使用了將熱固性樹脂等煅燒而得到的碳化物作為芯材的樹脂， 所以芯材的成型性差。
[0006] 另一方面，作為FRP的用途，有個(gè)人電腦、辦公自動(dòng)化設(shè)備、視聽設(shè)備、移動(dòng)電話、電 話機(jī)、傳真機(jī)、家電產(chǎn)品，玩具用品等電氣?電子設(shè)備的外殼。上述產(chǎn)品不僅要求量產(chǎn)性、成 型性、生產(chǎn)率、經(jīng)濟(jì)性，而且近年來還期望為薄型且輕質(zhì)。針對(duì)上述要求，薄壁性和剛性優(yōu)異 的鎂合金被有效地利用，但由于金屬材料比重大，所以在輕質(zhì)性方面未必能滿足要求。特別 是人們預(yù)測(cè)筆記本電腦、電話、信息終端等電子設(shè)備的便攜化將不斷發(fā)展，另一方面，用戶 層的高齡化今后將逐步加快，因此要求上述電子設(shè)備外殼進(jìn)一步輕質(zhì)化。
[0007] 專利文獻(xiàn)1:國(guó)際公開第2006/028107號(hào)公報(bào) [0008] 專利文獻(xiàn)2:日本特開昭63-60743號(hào)公報(bào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的目的在于提供一種輕質(zhì)性和剛性優(yōu)異的夾層結(jié)構(gòu) 體。本發(fā)明的另一目的在于提供一種將上述夾層結(jié)構(gòu)體與其他部件進(jìn)行一體化而成的輕質(zhì) 性、剛性優(yōu)異的一體化成型體。本發(fā)明的又一目的在于提供一種能夠量產(chǎn)性良好地制造所 述夾層結(jié)構(gòu)體、一體化成型品的夾層結(jié)構(gòu)體、一體化成型品的制造方法。
[0010] 為了解決上述課題，本發(fā)明的夾層結(jié)構(gòu)體具有以下構(gòu)成。
[0011] ?-種夾層結(jié)構(gòu)體，由包含不連續(xù)的增強(qiáng)纖維、熱塑性樹脂及空隙的芯材和包含 連續(xù)的增強(qiáng)纖維和基體樹脂的皮材構(gòu)成，其中，在芯材中，不連續(xù)的增強(qiáng)纖維的30%以上被 熱塑性樹脂被覆，并且，不連續(xù)的增強(qiáng)纖維的單纖維彼此經(jīng)由熱塑性樹脂進(jìn)行交叉。
[0012] 另外，為了解決上述課題，本發(fā)明的夾層結(jié)構(gòu)體的制造方法具有以下構(gòu)成。
[0013] ?上述夾層結(jié)構(gòu)體的制造方法，其包括以下工序[1]~[3]，
[0014] 工序[1]:在已加熱至熱塑性樹脂熔融或軟化的溫度的狀態(tài)下賦予壓力，使熱塑性 樹脂含浸在用于芯材的增強(qiáng)纖維中，從而形成芯材的前體的工序；
[0015] 工序[2]:由連續(xù)的增強(qiáng)纖維和基體樹脂進(jìn)行皮材的成型的工序；
[0016] 工序[3]:在已加熱的狀態(tài)下調(diào)整芯材的前體的厚度以使芯材的前體按照規(guī)定的 膨脹倍率膨脹，從而形成芯材的工序。
[0017] 另外，為了解決上述課題，本發(fā)明的一體化成型品具有以下構(gòu)成。
[0018] ?-種一體化成型品，是將由上述夾層結(jié)構(gòu)體形成的第一部件和由其他成型體形 成的第二部件接合而成的。
[0019] 進(jìn)而，為了解決上述課題，本發(fā)明的一體化成型品的制造方法具有以下任一構(gòu)成。
[0020] ?-種一體化成型品的制造方法，是制造上述一體化成型品的方法，其中，第二部 件為利用注塑成型而得的成型體，利用嵌件注塑成型或基體上注塑成型將第二部件接合于 第一部件。
[0021] ?-種一體化成型品的制造方法，是制造上述一體化成型品的方法，其中，第二部 件為利用加壓成型而得的成型體，利用加壓成型將第二部件接合于第一部件。
[0022] 此處，在本發(fā)明中，所謂連續(xù)的增強(qiáng)纖維，是指至少沿單向在15mm以上、優(yōu)選100_ 以上的長(zhǎng)度范圍內(nèi)連續(xù)的增強(qiáng)纖維。
[0023] 本發(fā)明的夾層結(jié)構(gòu)體基于其特征性的芯材的設(shè)計(jì)，具有優(yōu)異的力學(xué)特性、輕質(zhì)性 和薄壁性。本發(fā)明的夾層結(jié)構(gòu)體的制造方法具有優(yōu)異的量產(chǎn)性，其生產(chǎn)效率與現(xiàn)有技術(shù)相 比極為經(jīng)濟(jì)。本發(fā)明的夾層結(jié)構(gòu)體、一體化成型體適合用作筆記本電腦等電氣?電子設(shè)備 的構(gòu)件、部件、外殼。
【附圖說明】
[0024] 圖1是本發(fā)明中使用的芯材中的簇的示意圖。
[0025] 圖2是表示本發(fā)明的夾層結(jié)構(gòu)體中的芯材和皮材的界面層的一例的示意圖。
[0026] 圖3是表示本發(fā)明中使用的芯材中的不連續(xù)的增強(qiáng)纖維的分散狀態(tài)的一例的示意 圖。
[0027] 圖4是實(shí)施例1中制作的夾層結(jié)構(gòu)體的截面照片。
[0028] 圖5是本發(fā)明的實(shí)施例中得到的一體化成型品的立體圖。
[0029] 圖6是本發(fā)明的實(shí)施例中得到的一體化成型品的立體圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 本申請(qǐng)發(fā)明人追求由包含不連續(xù)的增強(qiáng)纖維、熱塑性樹脂及空隙的芯材和包含連 續(xù)的增強(qiáng)纖維和基體樹脂的纖維增強(qiáng)材料形成的夾層結(jié)構(gòu)體的剛性和輕質(zhì)性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)用 于夾層結(jié)構(gòu)體的芯材的特定結(jié)構(gòu)會(huì)影響上述剛性和輕質(zhì)性，從而完成了本發(fā)明。以下，詳細(xì) 說明本發(fā)明。
[0031] 所謂夾層結(jié)構(gòu)體，是包含芯材和皮材、并用皮材夾持芯材而成的結(jié)構(gòu)體。在本發(fā)明 中，芯材包含不連續(xù)的增強(qiáng)纖維、熱塑性樹脂及空隙，皮材包含連續(xù)的增強(qiáng)纖維和基體樹 脂。
[0032] 在本發(fā)明中，芯材所使用的增強(qiáng)纖維是不連續(xù)的增強(qiáng)纖維，可用于其的增強(qiáng)纖維 的種類沒有特別限制，例如可舉出鋁纖維、黃銅纖維、不銹鋼纖維等金屬纖維、聚丙烯腈 (PAN)系碳纖維、人造絲系碳纖維、木質(zhì)素系碳纖維、瀝青系碳纖維等碳纖維（包括石墨纖 維）、玻璃纖維等絕緣性纖維、芳香族聚酰胺纖維（aramid fiber)、聚對(duì)苯撐苯并二噁唑 (PBO)纖維、聚苯硫醚纖維、聚酯纖維、丙烯酸纖維、尼龍纖維、聚乙烯纖維等有機(jī)纖維、碳化 硅纖維、氮化硅纖維等無(wú)機(jī)纖維。另外，可以對(duì)這些纖維實(shí)施表面處理。作為表面處理，除了 作為導(dǎo)電體的金屬的被覆處理之外，還有利用偶聯(lián)劑進(jìn)行的處理、利用上漿劑進(jìn)行的處理、 利用成束劑進(jìn)行的處理、添加劑的附著處理等。另外，這些增強(qiáng)纖維可以單獨(dú)使用一種，也 可以并用2種以上。其中，從輕質(zhì)化效果的觀點(diǎn)考慮，優(yōu)選使用比強(qiáng)度、比剛度優(yōu)異的PAN系 碳纖維、瀝青系碳纖維、人造絲系碳纖維等碳纖維。另外，從提高所得的成型品的經(jīng)濟(jì)性的 觀點(diǎn)考慮，優(yōu)選使用玻璃纖維，尤其從力學(xué)特性和經(jīng)濟(jì)性的均衡性方面出發(fā)，優(yōu)選并用碳纖 維和玻璃纖維。進(jìn)而，從提高所得的成型品的沖擊吸收性、賦形性的觀點(diǎn)考慮，優(yōu)選使用芳 香族聚酰胺纖維，尤其從力學(xué)特性和沖擊吸收性的均衡性方面出發(fā)，優(yōu)選并用碳纖維和芳 香族聚酰胺纖維。另外，從提高所得的成型品的導(dǎo)電性的觀點(diǎn)考慮，也可以使用被覆了鎳、 銅、鐿等金屬的增強(qiáng)纖維。這些增強(qiáng)纖維中，在本發(fā)明中，作為芯材中的不連續(xù)的增強(qiáng)纖維， 更優(yōu)選使用不連續(xù)的碳纖維，作為碳纖維，特別優(yōu)選使用強(qiáng)度和彈性模量等力學(xué)特性優(yōu)異 的PAN系碳纖維。
[0033]此處，所謂本發(fā)明中的不連續(xù)的增強(qiáng)纖維，是指纖維長(zhǎng)度小于15mm的增強(qiáng)纖維，在 芯材中包含多根不連續(xù)的增強(qiáng)纖維，構(gòu)成不連續(xù)的增強(qiáng)纖維組。這樣的不連續(xù)的增強(qiáng)纖維 組優(yōu)選由0質(zhì)量％以上且50質(zhì)量％以下的纖維長(zhǎng)度大于IOmm且小于15mm的增強(qiáng)纖維、50質(zhì) 量％以上且100質(zhì)量％以下的纖維長(zhǎng)度為2mm以上且IOmm以下的增強(qiáng)纖維、0質(zhì)量％以上50 質(zhì)量％以下的纖維長(zhǎng)度小于2mm的增強(qiáng)纖維構(gòu)成，如果大于IOmm且小于15mm的增強(qiáng)纖維大 于50質(zhì)量％，則存在層合工序或成型工序中的厚度膨脹變大、損害操作性的情況。另外，如 果纖維長(zhǎng)度小于2mm的增強(qiáng)纖維大于50質(zhì)量％，則存在得到的增強(qiáng)纖維基材的力學(xué)特性降 低的情況。從上述觀點(diǎn)考慮，上述不連續(xù)的增強(qiáng)纖維組更優(yōu)選由〇質(zhì)量％以上且20質(zhì)量％以 下的纖維長(zhǎng)度大于8mm且小于15mm的增強(qiáng)纖維、80質(zhì)量％以上且100質(zhì)量％以下的纖維長(zhǎng)度 為3mm以上且8mm以下的增強(qiáng)纖維、0質(zhì)量％以上20質(zhì)量％以下的纖維長(zhǎng)度小于3mm的增強(qiáng)纖 維構(gòu)成。另外，也優(yōu)選的是，不連續(xù)的增強(qiáng)纖維組中的纖維長(zhǎng)度的分布至少具有2個(gè)峰，一個(gè) 峰在纖維長(zhǎng)度為5mm以上且IOmm以下的范圍內(nèi)，另一個(gè)峰在2mm以上且小于5mm的范圍內(nèi)。通 過形成具有上述纖維長(zhǎng)度的分布的不連續(xù)的增強(qiáng)纖維組，能夠并用確保力學(xué)特性的增強(qiáng)纖 維、和確保層合工序或成型工序中的芯材的操作性的增強(qiáng)纖維，能夠容易地同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩者 的特性。需要說明的是，此處的增強(qiáng)纖維的質(zhì)量比例表示將不連續(xù)的增強(qiáng)纖維組中的全部 的纖維根數(shù)作為IOO %時(shí)的、各纖維長(zhǎng)度中的以數(shù)均計(jì)的纖維根數(shù)的比例。
[0034] 作為測(cè)定增強(qiáng)纖維的纖維長(zhǎng)度的方法，例如有直接從增強(qiáng)纖維組中抽出增強(qiáng)纖維 并通過顯微鏡觀察進(jìn)行測(cè)定的方法。在樹脂附著于增強(qiáng)纖維組時(shí)，有下述方法:使用僅溶解 增強(qiáng)纖維組中所含的樹脂的溶劑使增強(qiáng)纖維組中的樹脂溶解，將殘留的增強(qiáng)纖維過濾分 離，通過顯微鏡觀察進(jìn)行測(cè)定(溶解法）；在無(wú)溶解樹脂的溶劑時(shí)，在增強(qiáng)纖維不發(fā)生氧化減 量的溫度范圍內(nèi)僅將樹脂灰化，分離出增強(qiáng)纖維，通過顯微鏡觀察進(jìn)行測(cè)定的方法(灰化 法)等?？梢詮脑鰪?qiáng)纖維組中隨機(jī)選出400根增強(qiáng)纖維，利用光學(xué)顯微鏡測(cè)定其長(zhǎng)度至ιμπι單 位，求出纖維長(zhǎng)度和其比例。需要說明的是，在將直接從增強(qiáng)纖維組中抽出增強(qiáng)纖維的方法 與用灰化法、溶解法挑出增強(qiáng)纖維的方法進(jìn)行比較時(shí)，通過適當(dāng)?shù)剡x定條件，得到的結(jié)果不 會(huì)產(chǎn)生特別的差異。在上述測(cè)定方法中，從增強(qiáng)纖維的質(zhì)量變化小的觀點(diǎn)考慮，優(yōu)選采用溶 解法。
[0035] 另外，作為不連續(xù)的增強(qiáng)纖維，從夾層結(jié)構(gòu)體的剛性的觀點(diǎn)考慮，可使用其拉伸彈 性模量?jī)?yōu)選在200GPa以上且I OOOGPa以下、更優(yōu)選在220GPa以上且500GPa以下的范圍內(nèi)的 不連續(xù)的增強(qiáng)纖維。增強(qiáng)纖維的拉伸彈性模量小于200GPa時(shí)，存在夾層結(jié)構(gòu)體的剛性差的 情況，大于1000 GPa時(shí)，需要提高增強(qiáng)纖維的結(jié)晶性，而制造這樣的增強(qiáng)纖維是困難的。如果 不連續(xù)的增強(qiáng)纖維的拉伸彈性模量在上述范圍內(nèi)，則從夾層結(jié)構(gòu)體的剛性、增強(qiáng)纖維的制 造性的觀點(diǎn)考慮是優(yōu)選的。需要說明的是，增強(qiáng)纖維的拉伸彈性模量可通過JIS R7601-1986中記載的線束拉伸試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定。
[0036] 在本發(fā)明中，芯材所使用的不連續(xù)的增強(qiáng)纖維的體積含有率相對(duì)于芯材的表觀體 積優(yōu)選為1 %以上且30%以下，從同時(shí)實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)性和力學(xué)特性的觀點(diǎn)考慮，更優(yōu)選為3%以 上且10%以下。不連續(xù)的增強(qiáng)纖維的體積含有率若小于1%，則剛性不足，若大于30%，則芯 材的體積比重變大。此處，芯材的表觀體積包括不連續(xù)的增強(qiáng)纖維的體積、熱塑性樹脂的體 積、空隙的體積。芯材的表觀體積、構(gòu)成其的不連續(xù)的增強(qiáng)纖維的體積、熱塑性樹脂的體積、 空隙的體積可利用X射線檢查裝置(計(jì)算機(jī)斷