碳纤维预成型体、碳纤维增强塑料、碳纤维预成型体的制造方法
【专利摘要】能够通过结构简单的装置制造具有绝缘部件的预成型体。碳纤维预成型体层叠有多个碳纤维片材，且多个碳纤维片材经由具有热塑性的粘合树脂相互粘合。该碳纤维预成型体具有部分通电层，该部分通电层配置在多个碳纤维片材的至少一个层间、以及表层的至少一方上，且在与层叠方向正交的面方向上具有层叠方向上的电阻比碳纤维片材大的电阻区域、和能够在层叠方向上通电的通电区域。在面方向上的、通电区域及与通电区域的周边对应的区域内，多个碳纤维片材经由粘合树脂而粘合。在除通电区域及与通电区域的周边对应的区域以外的区域，多个碳纤维片材没有经由粘合树脂粘合。
【专利说明】碳纤维预成型体、碳纤维增强塑料、碳纤维预成型体的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及碳纤维预成型体。
【背景技术】
[0002]作为使树脂的强度提高的复合材料，公知有碳纤维增强塑料。这种碳纤维增强塑料例如通过使热固性树脂含浸于包含碳纤维的基材(以下，也称为“碳纤维预成型体”或简称为“预成型体”)中并进行加热而进行制造。另外，作为一种碳纤维预成型体，已知有通过将多个碳纤维片材层叠并将各片材之间粘合而进行制造的类型。作为将层叠的多个碳纤维片材粘合的方法，能够例示将多个碳纤维片材的层叠体配置于加热后的模具中并进行加压的方法、通电加热法、感应加热法、超声波熔接法等。在这些方法中，一般的方法是:在将配置在碳纤维片材与碳纤维片材的层间的树脂、配置在碳纤维片材表面的树脂、或者含浸于碳纤维片材中的树脂加热并使其熔融后，进行冷却而使树脂固化，由此使碳纤维片材彼此粘着。
[0003]专利文献
[0004]专利文献1:日本特开昭58 - 155926号公报
[0005]专利文献2:日本特开昭59 — 2815号公报
[0006]专利文献3:日本特开2009 - 73132号公报
[0007]非专利文献
[0008]非专利文献1:河越正羽、另外3名，“关于利用了 CFRP接头的电阻的熔着法的基础研究”，第2次复合材料合同会议，JCCM - 2讲，论文集2011，Paper#2B 一 07
【发明内容】
[0009]但是，上述的各种方法均既有优点又有缺点。因此，以往，不得不根据碳纤维预成型体的用途来选择将层叠的多个碳纤维片材粘合的方法。例如，在使用加热了的模具的方法中，模具温度的上升及下降需要很长时间和巨大能量。另一方面，通电加热法、感应加热法、及超声波熔接法能够以比较短的时间进行粘合。但是，在超声波熔接法中，需要作为超声波发生源的器具(焊头(horn))，在感应加热法中，需要作为磁场产生源的器具(线圈)。其结果是，装置变得昂贵。另外，在超声波熔接法中，虽然容易进行平面形状的碳纤维片材的粘合，但对于具有立体形状的碳纤维片材，难以向模具内配置，有很多限制。
[0010]与此相比，在通电加热法中，将模具本身作为电极使用，利用多个碳纤维片材层间的接触电阻使其发热，因此所使用的装置的结构简单。另一方面，通电加热法不适用于制造在通电路径的中途介入有绝缘性部件的类型的预成型体(例如，在层叠的碳纤维片材之间或在层叠体的表层配置有玻璃纤维片材的预成型体)。这是因为，在层叠方向上无法通电，结果，无法利用电阻发热对作为粘合树脂的树脂进行加热并使其熔融。在该情况下，通过沿碳纤维片材的面方向进行通电，能够利用碳纤维片材的固有电阻使其发热，从而能对树脂进行加热并使其熔融。但是，在这样的方法中，需要在多个碳纤维片材中的每一个片材上都配置电极，从而装置的结构复杂化。
[0011]另外，在利用通电加热法将碳纤维片材的整个面粘合的情况下，由于碳纤维片材的电阻小从而流动有大电流，因此在瞬间需要巨大的能量。因此，难以将面积大的碳纤维片材粘合。另外，在将碳纤维片材的整个面粘合的情况下，整个面被固定。其结果是，在制造好预成型体后所实施的树脂成型工序中，难以确保在成型模具中配置预成型体时所需要的、向厚度方向(层叠方向)的回弹力。若成型模具内的预成型体的厚度方向的回弹力不足，则在预成型体与上模之间及预成型体与下模之间形成间隙。其结果是，成型时注入的树脂较多地残留于该间隙中，成为产生不良的原因。
[0012]由于以上内容，追求能够用结构简单的装置制造具有绝缘部件的预成型体。另外，鉴于制造预成型体后的工序所花费的时间，追求能够以短时间制造该预成型体。另外，追求确保了碳纤维片材的层叠方向上的回弹力的预成型体。另外，追求减少预成型体的制造所需的能量。
[0013]本发明用于解决上述课题的至少一部分，能够作为以下的形态或适用例而实现。
[0014][适用例I]一种碳纤维预成型体，是层叠有多个碳纤维片材、且多个碳纤维片材经由具有热塑性的粘合树脂相互粘合的碳纤维预成型体，在该碳纤维预成型体中，
[0015]在上述多个碳纤维片材中的至少一组相邻的碳纤维片材之间的位置、和上述碳纤维预成型体的表层上的位置中的、至少一方上，具有部分通电层，在该部分通电层中，上述层叠的方向上的电阻比上述碳纤维片材高的电阻区域、和上述层叠的方向上的电阻比上述电阻区域低的通电区域，沿与上述层叠的方向正交的面方向分布，
[0016]在设于上述部分通电层中的上述通电区域内及与上述通电区域的周边对应的区域内，上述多个碳纤维片材经由上述粘合树脂而粘合。
[0017]这样的结构的碳纤维预成型体能够通过通电加热法制造。具体而言，能够从部分通电层中的通电区域通过而沿碳纤维片材的层叠方向通电，从而将碳纤维片材粘合。因此，能够以比较短的时间制造碳纤维预成型体。另外，在通电加热法中使用的电极只要沿层叠方向设置一对就足够，因此能够用结构简单的装置制造碳纤维预成型体。需要说明的是，层叠方向上的电阻比电阻区域低的通电区域也可以充分理解为“能够通电的区域”或“容易通电的区域”。层叠方向上的通电区域的电阻可以比碳纤维片材的电阻小，也可以比碳纤维片材的电阻大。另外，部分通电层还可以具备具有如下电阻的区域，该电阻的大小在电阻区域的电阻的大小和通电区域的电阻的大小之间。
[0018][适用例2]如适用例I所述的碳纤维预成型体，其中，
[0019]在上述电阻区域内的至少一部分中，上述多个碳纤维片材没有经由上述粘合树脂而粘合。
[0020]需要说明的是，在电阻区域内另外一部分中，碳纤维片材可以经由粘合树脂而粘口 ο
[0021]若形成这样的形态，则与碳纤维片材的整个面被粘合的情况相比，能够确保碳纤维片材的层叠方向上的回弹力。
[0022][适用例3]如适用例I或2所述的碳纤维预成型体，其中，
[0023]上述部分通电层由绝缘片材构成，
[0024]上述通电区域包含将上述绝缘片材沿上述层叠的方向贯穿的开口部。
[0025]根据这样的结构的碳纤维预成型体，能够使部分通电层为简单的结构。其结果是，能够降低碳纤维预成型体的成本。另外，能够简化碳纤维预成型体的制造工序。
[0026][适用例4]如适用例I至3中任一项所述的碳纤维预成型体，其中，
[0027]上述通电区域的面积比上述碳纤维片材的面积的1%大。
[0028]根据这样的结构的碳纤维预成型体，通过使通电区域超过1%，能够以能够保持预成型体的形态的程度将碳纤维片材之间粘合。
[0029][适用例5]如适用例I至4中任一项所述的碳纤维预成型体，其中，
[0030]上述通电区域的面积为上述碳纤维片材的面积的20%以下。
[0031]根据这样的结构的碳纤维预成型体，能够减少制造工序中所需要的能量。具体而言，能够减少通电加热所需要的电量。
[0032]另外，本发明能够也构成为适用例6?适用例9的碳纤维增强塑料。适用例6?适用例9的碳纤维增强塑料发挥和与其分别对应的适用例I?4的碳纤维预成型体相同的效果。
[0033][适用例6]—种碳纤维增强塑料，为层叠有多个碳纤维片材的碳纤维增强塑料，其特征在于，
[0034]在上述多个碳纤维片材中的至少一组相邻的碳纤维片材之间的位置、和上述碳纤维增强塑料的表层上的位置中的、至少一方上，具有部分通电层，在该部分通电层中，上述层叠的方向上的电阻比上述碳纤维片材高的电阻区域、和上述层叠的方向上的电阻比上述电阻区域低的通电区域，沿与上述层叠的方向正交的面方向分布。
[0035]此外，也能够为如下形态:在所述多个碳纤维片材中的至少一组相邻的碳纤维片材之间的位置、和所述多个碳纤维片材中的一个以上的碳纤维片材的表层上的位置中的、至少一方上，具有部分通电层。
[0036][适用例7]如适用例6所述的碳纤维增强塑料，其中，
[0037]上述部分通电层由绝缘片材构成，
[0038]上述通电区域包含将上述绝缘片材沿上述层叠的方向贯穿的开口部。
[0039][适用例8]如适用例6或7所述的碳纤维增强塑料，其中，
[0040]上述通电区域的面积比上述碳纤维片材的面积的1%大。
[0041][适用例9]如适用例6至8中任一项所述的碳纤维增强塑料，其中，
[0042]上述通电区域的面积为上述碳纤维片材的面积的20%以下。
[0043]另外，本发明作为适用例10?适用例13的碳纤维预成型体的制造方法也能够实现。适用例10?适用例13的制造方法发挥和与其分别对应的适用例3、适用例2、适用例4、适用例5相同的效果。此外，本发明作为碳纤维增强塑料的制造方法也能够实现。
[0044][适用例10]—种碳纤维预成型体的制造方法，为下述制造方法，
[0045]准备将绝缘片材、和多个碳纤维片材经由具有热塑性的粘合树脂层叠而得到的层叠体，
[0046]用彼此相对的两个模具将上述层叠体夹入，上述两个模具作为用于对上述绝缘片材与上述多个碳纤维片材的层叠体施加电压的电极发挥功能，
[0047]将上述两个模具所具有的模具形状转印到上述层叠体上，
[0048]上述碳纤维预成型体的制造方法中包括以下工序:
[0049]准备上述层叠体，并将其配置在上述两个模具内的工序，其中，作为上述绝缘片材而使用形成有沿上述层叠的方向贯穿的开口部的绝缘片材，和
[0050]将上述多个碳纤维片材之间经由上述粘合树脂而粘合的工序，上述工序如下进行:通过上述两个模具，沿上述层叠的方向对上述层叠体加压，并且对上述两个模具施加电压而使电流在上述层叠体中流动，从而使上述多个碳纤维片材发热，由此，在包含上述开口部的通电区域内及与上述通电区域的周边对应的区域内，使上述粘合树脂熔融并粘着，将上述多个碳纤维片材之间经由上述粘合树脂而粘合。
[0051][适用例11]如适用例10所述的碳纤维预成型体的制造方法，其中，
[0052]上述将多个碳纤维片材之间粘合的工序以在上述通电区域以外的至少一部分区域中不使上述粘合树脂熔融的状态实行。
[0053]此外，将多个碳纤维片材之间粘合的工序也可以在通电区域以外的另一部分区域中使粘合树脂熔融而实行。
[0054][适用例12]如适用例10或11所述的碳纤维预成型体的制造方法，其中，
[0055]上述开口部的开口面积比上述碳纤维片材的面积的1%大。
[0056][适用例13]如适用例10至12中任一项所述的碳纤维预成型体的制造方法，其中，
[0057]上述开口部的开口面积为上述碳纤维片材的面积的20%以下。
【专利附图】
【附图说明】
[0058]图1是表示作为本发明的碳纤维预成型体的实施例的预成型体20的外观的说明图。
[0059]图2是示意性地表示预成型体20的截面结构的说明图。
[0060]图3是表示预成型体20的制造步骤的工序图。
[0061]图4是表示绝缘片材40的构造的说明图。
[0062]图5是表不层叠体60的说明图。
[0063]图6是表示将层叠体60配置于模具70内并加压、并且施加电压的情况的说明图。
[0064]图7是表示开口部41的开口部面积率与所需电流之间的关系的图表。
[0065]图8是表示作为变形例的绝缘片材140的构造的说明图。
[0066]图9是表示作为变形例的绝缘片材240的构造的说明图。
[0067]图10是表示作为变形例的部分通电织物90的构造的说明图。
【具体实施方式】
[0068]A.实施例:
[0069]图1表示作为本发明的碳纤维预成型体的实施例的预成型体20的概略结构。预成型体20在制造碳纤维增强塑料时使用。这样的碳纤维增强塑料例如能够使用RTM(ResinTransfer Molding,树脂传递成型)法进行制造。具体而言，首先，将预成型体20配置于具有模腔的模具内，其中该模腔具有与预成型体20的形状相对应的形状。然后，向模腔内注入热固性树脂，使热固性树脂含浸于预成型体20，之后，进行加热。其结果是，碳纤维增强塑料完成。因此，预成型体20的形状成为与作为完成品的碳纤维增强塑料的形状对应的形状。在本实施例中，预成型体20具有平坦部21和突出部22。
[0070]平坦部21是平坦的板状的部位。平坦部21的外缘具有矩形形状。突出部22是从平坦部21向一侧突出的部位。突出部22处的预成型体20的厚度与平坦部21的厚度大致相同。也就是说，在与突出部22突出的一侧相反的一侧，形成有与突出部22的形状对应的形状的空洞。突出部22具有从大致圆形的基端部23呈同心圆状地突出的大致圆形的平坦顶面。换言之，突出部22的形状大致为圆锥台。在突出部22中，将顶面与侧面的边界称为顶端部24。需要说明的是，预成型体20的形状能够是所期望的任意形状。
[0071]图2示意性地表示预成型体20的截面结构。图2示出将预成型体20沿厚度方向剖切而得到的截面。在图2中，为了易于对技术进行理解，图示的各构成要素的大小及厚度与实际的大小及厚度不必一致。预成型体20具有多层构造。具体而言，预成型体20具有将四个碳纤维片材31?34和一个绝缘片材40层叠而得到的构造。将碳纤维片材31?34及绝缘片材40层叠的方向也称作“层叠方向”。
[0072]在本实施例中，碳纤维片材31?34为对碳纤维进行编织而成的片状的部件。在本实施例中，碳纤维片材的形态为由碳纤维构成的织物。但是，碳纤维片材的形态不限于此。例如，碳纤维片材的形态可以是(i)织物、(ii)编织物、(iii)编带、(iv)无纺布、(V)利用粘合剂或熔着性无纺布、缝纱等使沿单向排列的增强纤维片材具有稳定形态而成的单向性片材、(vi)由随机取向的短纤维构成的垫体(mat)等。
[0073]在本实施例中，绝缘片材40为由绝缘体构成的片状的部件。在本实施例中，作为绝缘片材40，使用由玻璃纤维构成的垫体。但是，作为绝缘片材，也可以使用例如棉、麻、竹等天然纤维、或聚酯、尼龙等合成纤维等。另外，绝缘片材40的材料不限于这些材料，能够使用各种绝缘部件作为绝缘片材40的材料。这样的绝缘部件的形态优选织物、无纺布、膜等片状部件。但是，绝缘部件的形态不限于片状。即，只要具有变形性从而片材本身能够柔软地改变其形状，则能够采用各种绝缘部件。另外，不仅可以是完全绝缘的材料，还可以是电阻比碳纤维片材高的材料。在本实施例中，绝缘片材40位于碳纤维片材32与碳纤维片材33之间，即，位于由碳纤维片材31?34及绝缘片材40构成的5层构造中的中央(第3层)。
[0074]在这样的绝缘片材40上形成有多个开口部41。在本实施例中，开口部41是将绝缘片材40沿厚度方向(层叠方向)贯穿的贯穿孔。
[0075]在包含碳纤维片材31?34及绝缘片材40的各层之间，介入有粘合树脂50。在图2中，粘合树脂50示意性地用圆表示。在本实施例中，粘合树脂50分散存在于碳纤维片材31?34及绝缘片材40的面方向(以下，也简称为“面方向”)。粘合树脂50用于碳纤维片材彼此的粘合。例如，作为粘合树脂50，能够使用如下部件:该部件通过加热而被熔融,并进一步被冷却而固化，由此，发挥将各层粘合的粘合功能。粘合树脂50也被称为“增粘剂”。在本实施例中，粘合树脂50为颗粒状的热塑性树脂。作为热塑性树脂，能够使用例如聚烯烃树脂、苯乙烯类树脂、尼龙树脂、聚酰胺树脂、聚氨酯树脂等。在粘合树脂50中使用的热塑性树脂不限于这些材料，能够使用各种热塑性树脂。另外，作为在粘合树脂50中使用的热塑性树脂，也能够将这些热塑性树脂组合使用。另外，粘合树脂50的材料不限于热塑性树脂。例如，作为粘合树脂50的材料，也可以使用热固性树脂。作为这样的热固性树脂，能够例示例如环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂等。另外，粘合树脂50的形态不限于颗粒状，能够适当设定。例如，粘合树脂50可以为纤维状。另外，粘合树脂50可以存在于层间以外的部位，粘合树脂50的形态没有特别限定。例如，粘合树脂50可以随机地分散配置于碳纤维片材内。或者，在粘合树脂50为纤维状的情况下，可以在碳纤维片材中使粘合树脂纤维排列，或者可以使用粘合树脂纤维作为织物的辅助丝(纵丝、或横丝)，或者可以对碳纤维片材实施粘合树脂纤维的缝合。
[0076]在预成型体20中，碳纤维片材31?34及绝缘片材40的各层在面方向上、且在与开口部41及其周边对应的位置上，经由粘合树脂50而粘合。也就是说，存在于与开口部41及其周边对应的位置上的粘合树脂50熔融及冷却固化，从而发挥粘合功能。在其他的电阻高的区域中，由于电阻高而几乎不通电，所以粘合树脂50不会熔融。因此，关于这些区域，碳纤维片材31?34及绝缘片材40的各层未被粘合，或者，即使局部地存在被粘合的部位，该部位也无法发挥能够将形态固定为预成型体20的程度的粘合力。在图2中，只将与发挥粘合功能的粘合树脂50对应的圆用黑色填充而表示。该结构起因于制造预成型体20的制造方法。关于预成型体20的制造方法将后述。
[0077]在图2中，碳纤维片材32和碳纤维片材33直接图示为不接触。也就是说，在碳纤维片材32和碳纤维片材33之间不存在粘合树脂50的部分，图示为碳纤维片材32和碳纤维片材33不接触。但是，实际上，碳纤维片材32、33的纤维的取向并不是完全统一沿片材的面内的方向。因此，通常，碳纤维片材32、33通过沿层叠方向延伸的一部分纤维而相互接触。关于碳纤维片材31、32之间、碳纤维片材33、34之间，也相同。
[0078]在形成于绝缘片材40上的开口部41a的内部，配置在绝缘片材40的两侧的碳纤维片材32和碳纤维片材33经由发挥粘合功能的粘合树脂50而被粘合。另一方面，在开口部41b的内部，碳纤维片材32和碳纤维片材33没有被粘合。这是因为，在开口部41b的内部不存在发挥粘合功能的粘合树脂50。也就是说，在本实施例中，碳纤维片材32和碳纤维片材33可以并不是在所有开口部41的内部都经由粘合树脂50而被粘合。碳纤维片材和碳纤维片材在一部分开口部处被粘合的形态能够通过减少粘合树脂的使用量、或者使粘合树脂在层间的面方向上不均匀存在而实现。
[0079]图3表示上述的预成型体20的制造步骤。在预成型体20的制造中，首先，准备碳纤维片材31?34及绝缘片材40(步骤SI 10)。该阶段中的碳纤维片材31?34及绝缘片材40不具有图1所示的预成型体20的形状。也就是说，碳纤维片材31?34及绝缘片材40的片材面具有整个面平坦的矩形形状。在本实施例中，碳纤维片材31?34及绝缘片材40具有大致相同的面积。但是，碳纤维片材31?34及绝缘片材40的面积可以不必大致相同。例如，碳纤维片材31?34的面积可以比绝缘片材40的面积大，也可以比绝缘片材40的面积小。
[0080]碳纤维片材31?34的基重、即每单位面积的重量在本实施例中为200g/m2。绝缘片材40的基重在本实施例中为60g/m2。但是，碳纤维片材31?34及绝缘片材40的基重只要设定为，在后述的步骤S150中碳纤维片材32和碳纤维片材34能够在开口部41的内部接触并通电的程度的、碳纤维片材31?34及绝缘片材40的基重的关系的范围内即可。例如，即使使碳纤维片材31?34的基重为70?500g/m2左右、使绝缘片材40的基重为30?180g/m2左右，也能够确保上述关系。
[0081]图4表示在步骤SllO中准备的绝缘片材40的具体例。绝缘片材40的片材面具有矩形形状。在绝缘片材40上，如上所述，形成有贯穿片材面的多个开口部41 (参照图2)。在本实施例中，各个开口部41形成为圆形。另外，在本实施例中，各个开口部41在绝缘片材40的片材面上以大致均等的间隔分散配置。各个开口部41的大小在本实施例中为直径
4.5mm(面积为大约16mm2)。但是,开口部41的大小只要设定为,在后述的步骤S150中碳纤维片材32和碳纤维片材34能够在开口部41的内部接触并通电的程度的大小即可。例如，若使各个开口部41的面积为1mm2以上，则能够可靠地通电。
[0082]在本实施例中，各个开口部41的面积的合计值在碳纤维片材31?34的面积(一个片材的面积)中所占的比例(以下，也称为“开口部面积率”)为6%。开口部面积率优选为大于1%。另外，开口部面积率优选为20%以下。关于其理由将后述。此外，在绝缘片材40的面积比碳纤维片材31?34的面积小的情况下，将各个开口部41的面积的合计值、和碳纤维片材31?34的面积与绝缘片材40的面积的差值(正数)的总合计值在碳纤维片材31?34的面积中所占的比例，作为“开口部面积率”。
[0083]在此，返回预成型体20的制造步骤(图3)的说明。准备好碳纤维片材31?34及绝缘片材40后，接下来，对碳纤维片材31?34赋予粘合树脂50 (步骤S120)。粘合树脂50的赋予能够利用喷涂、涂布等方法。粘合树脂50的赋予可以对碳纤维片材31?34的两面进行，也可以对单面进行。另外，关于粘合树脂50的赋予，还可以代替对碳纤维片材32、33进行而对绝缘片材40进行。S卩，粘合树脂50只要以在将碳纤维片材31?34及绝缘片材40层叠时使粘合树脂50介于各层之间存在的方式赋予即可。但是，对于将碳纤维片材31?34及绝缘片材40层叠而得到的层叠体60的表面、即碳纤维片材31的两个面中的与绝缘片材40相反一侧的面以及碳纤维片材34的两个面中的与绝缘片材40相反一侧的面，不赋予粘合树脂50。粘合树脂50的赋予量只要设定为如下范围内即可:碳纤维片材31?34及绝缘片材40的整个面没有全部被粘合树脂50覆盖的程度的量的范围内，即在后述的步骤S150中能够沿层叠体60的层叠方向通电的程度的量的范围内。另外，粘合树脂50的赋予量优选为能可靠地赋予至与开口部41对应的各个位置的程度的量。此外，粘合树脂50例如可以含浸于碳纤维片材31?34和绝缘片材40中。或者，可以是绝缘片材40本身由粘合树脂构成。在这些情况下，由于在步骤SllO中准备的碳纤维片材31?34、绝缘片材40中包含粘合树脂，因此能够省略步骤S120。
[0084]图5表示将碳纤维片材31?34及绝缘片材40层叠而制作层叠体60的情况。赋予了粘合树脂50后，接下来，如图5所示，层叠碳纤维片材31?34及绝缘片材40，制作层叠体60(图3的步骤S130)。需要说明的是，在图5中，省略了粘合树脂50的图示。
[0085]图6表示将层叠体60配置于模具70内的情况。制作好层叠体60后，接下来，如图6所示，将层叠体60配置于模具70内(图3的步骤S140)。模具70具有上模71和下模72。上模71及下模72具有与预成型体20的形状(参照图1)对应的形状。该上模71及下模72经由变压器82与电源81连接。上模71及下模72作为挤压模具发挥作用。S卩，上模71及下模72具有将自身所具有的形状转印到层叠体60上的功能。另外，上模71及下模72作为电极发挥作用。电源81的电压通过变压器82而被调整，并经由整流器83施加于上模71及下模72。
[0086]将层叠体60配置于模具70内后，沿层叠方向对层叠体60加压，并且对上模71及下模72施加电压(图3的步骤S150)。在本实施例中，通过利用液压缸等液压传动装置(在图6中省略图示)对上模71作用朝向下模72的方向的按压力而进行加压。此外，也可以是对上模71和下模72双方、或者仅对下模72作用按压力的结构。层叠体60通过被沿层叠方向加压而被挤压成型为预成型体20的形状。
[0087]通过对上模71及下模72施加电压，电流在层叠体60中沿层叠方向流动。当电流在层叠体60中流动时，碳纤维片材31?34通过接触电阻而发热。由于上模71及下模72沿层叠方向对模具70加压，所以碳纤维片材31和碳纤维片材32的接触程度增加，碳纤维片材31和碳纤维片材32之间在层叠方向上可靠地通电。关于碳纤维片材33和碳纤维片材34之间也相同。关于配置在绝缘片材40两侧的碳纤维片材32及碳纤维片材33，通过上模71及下模72对层叠体60进行加压，碳纤维片材32及碳纤维片材33的一部分进入到形成在绝缘片材40上的开口部41的内部。其结果是，碳纤维片材32和碳纤维片材33在开口部41的内部可靠地接触。因此，碳纤维片材32和碳纤维片材33之间也沿层叠方向可靠地通电。
[0088]从以上说明可以明确，在步骤S150中，如图6中黑色箭头所示，在层叠体60中，电流在从形成在绝缘片材40上的开口部41通过的路径上沿层叠方向流动。因此，上述的碳纤维片材31?34的发热在面方向上，以与开口部41对应的位置、以及与其周边对应的位置为中心而产生。其结果是，在面方向上，存在于与开口部41对应的区域、以及与其周边对应的区域中的粘合树脂50通过碳纤维片材31?34的发热而熔融。关于与开口部41及其周边对应的区域以外的区域，由于几乎不通电，所以存在于这些区域中的粘合树脂50几乎不熔融。电压对层叠体60的施加仅维持所需要时间，即，仅是上述位置的粘合树脂50熔融所需要的时间。该所需要的时间通常为数秒左右。
[0089]然后，在以所需要时间施加了电压后，接下来，仅以所需要的时间放置层叠体60及模具70(步骤S160)。此处的所需要的时间是指，熔融后的粘合树脂50冷却固化所需要的时间。该所需要的时间通常为数秒左右。在经过所需要的时间后，通过粘合树脂50的固化，碳纤维片材31?34及绝缘片材40中的相邻的层在整个面中的与开口部41及其周边对应的区域内被粘合。“与开口部41及其周边对应的区域内”是指，可以是“仅为与开口部41对应的区域内”，可以是“仅为与开口部41的周边对应的区域内”，也可以是“与开口部41对应的区域内、以及与其周边对应的区域内双方”。例如，根据粘合树脂50的赋予密度、开口部41的开口面积的不同，也能够设想到在与开口部41对应的区域不存在粘合树脂50，而在与开口部41的周边对应的区域存在粘合树脂50这一状况。在这样的情况下，可以是，碳纤维片材31?34及绝缘片材40中的相邻的层仅在与开口部41的周边对应的区域被粘八口 ο
[0090]像这样，碳纤维片材31?34及绝缘片材40在相邻的层间被粘合后，预成型体20完成。在这样的方法中，由于通过通电使层叠体60发热，所以不需要对模具70进行加热。因此，在预成型体20完成后，能够立刻进行脱模。
[0091]图7表示关于上述的绝缘片材40，使开口部面积率变化的情况下的、开口部面积率与层叠体60 (碳纤维片材31?34及绝缘片材40)的粘合所需要的电流(以下，也称为“必要电流”)之间的关系。图示的数据中的、开口部面积率为1%?12%的数据为实测数据(在图7中，用阴影线示出)。S卩，开口部面积率为1%?12%的情况下的必要电流是为了进行粘合而实际需要的电流值。作为这样的实测数据的前提的实验条件如下所述。开口部面积率为20%以上的数据是基于实测数据的计算结果。
[0092](实验条件)
[0093]碳纤维片材31?34的面积:40，OOOmm2
[0094]一个开口部41的面积:大约16mm2 (直径4.5mm)
[0095]通电时间:3秒
[0096]根据图7所示的实验数据，随着开口部面积率增大，必要电流增大。如图7所示，在使开口部面积率为1%的情况下，必要电流为128A(安培)。同样地，在使开口部面积率为2%、3%、4%、5%、6%、10%、12%的情况下，必要电流分别为 256A、384A、500A、640A、800A、1280A、1300A。在将开口部面积率设定为I %的情况下，确认到层叠体60的各层能够粘合。但是，确认到层叠体60的各层的粘合力较弱，而且，预成型体20的形状在经过规定时间后将无法保持。另一方面，在将开口部面积率设定为2%以上的情况下，确认到层叠体60的各层通过良好的粘合力而粘合，难以剥离，而且，预成型体20的形状也稳定。从这样的实验结果可知，开口部面积率优选大于I %。通过使开口部面积率大于I %，能够使层叠体60之间以能够保持预成型体20的形态的程度粘合。
[0097]另一方面，在开口部面积率为20%的情况下，必要电流得到2，560A的计算结果。同样的，在开口部面积率为30%及50%的情况下，必要电流分别得到3，840A、6，400A的计算结果。在必要电力超过3，000A的情况下，需要使所使用的电源的容量等级上升一个等级。也就是说，装置会大型化，所消耗的能量也会增大。因此，开口部面积率优选为20%以下。由此，能够抑制通电加热所需要的耗电，有助于降低成本、节约消耗能量。在开口部面积率为50%以上的情况下，必要电流得到超过10，000A的计算结果。从节约成本和消耗能量的观点出发，这样的形态是不现实的。
[0098]从以上可知，在开口部面积率为1%的情况、以及开口部面积率为30%以上且不足75%的情况下，得到评价“C” (能够采用)的评价。在开口部面积率为75%以上的情况下，得到评价“D”(不现实)的评价。在开口部面积率大于1%且为20%以下的范围内，得到评价“B”(良好)以上的评价。特别是，在能可靠地得到粘合力及形状保持力、并且还能够在一定程度上减小必要电流的5%以上、6%以下的开口部面积率的范围内，得到评价“A”(优异)的评价。
[0099]上述的预成型体20能够通过通电加热法而制造。具体而言，由于在绝缘片材40上形成有开口部41，所以通过经由开口部41使电流在层叠体60中沿层叠方向流动，能够使粘合树脂50熔融而将碳纤维片材31?34及绝缘片材40中的相邻的层彼此粘合。由于通电加热法能够在比较短的时间内进行粘合，所以能够缩短绝缘片材40的制造时间。另外，熔融后的粘合树脂50的温度在很短时间内就会降低，所以不需要特别的冷却工序。另外，在通电加热法中使用的电极只要在层叠方向上设置一对就足够。即，能够利用上模71及下模72作为通电加热法中使用的电极。因此，能够用结构简单的装置制造预成型体20。另外，不会如感应加热法或超声波熔接法那样需要特别的装置。另外，在这样的制造方法中，能够良好地制造立体形状的预成型体20。
[0100]需要说明的是，开口部41作为“层叠的方向上的电阻比电阻区域低的通电区域”发挥功能，作为“能够通电的通电区域”发挥功能。在此，“能够通电”不限定于在不对预成型体20作用外力的状态下能够通电的结构。例如，如下结构也包含在“能够通电”的结构中:在开口部41的内部，即使在碳纤维片材32和碳纤维片材33不接触的情况下，通过沿层叠方向对预成型体20加压，碳纤维片材32和碳纤维片材33接触，从而也能够通电的结构。另外，在绝缘片材40的面积(设为SI)比碳纤维片材31?34的面积(设为S2)小的情况下，在面方向上，对于与碳纤维片材31?34所存在的位置(区域)对应且位于绝缘片材40外部的区域(S2 - SI的区域)，也可以视为“能够通电的通电区域”。
[0101]另外，关于预成型体20，在面方向上，在与形成在绝缘片材40上的开口部41及其周边对应的区域内，碳纤维片材31?34及绝缘片材40被粘合，在其他区域内，未进行粘合。因此，与碳纤维片材的整个面被粘合的情况相比，能够确保预成型体20的层叠方向的回弹力。
[0102]另外，开口部41在绝缘片材40的面方向上分散地形成有多个，因此碳纤维片材31?34及绝缘片材40的粘合部位也分散配置。因此，易于维持预成型体20的形状。
[0103]另外，通过调节预成型体20的开口部面积率，能够调节通电加热、即层叠体60的粘合所需要的能量的量。
[0104]若使用这样的预成型体20，则能够制造在碳纤维片材31?34的层间具有绝缘片材40的碳纤维增强塑料。在使用预成型体20通过RTM法制造碳纤维增强塑料的情况下，绝缘片材40也发挥促进注入到模具内的热固性树脂向面方向的进入的效果。其结果是，能够提高热固性树脂的含浸速度。或者，对于热固性树脂的含浸，能够提高均匀性。
[0105]B:变形例:
[0106]B — 1.变形例 1:
[0107]在上述的实施例中，在碳纤维片材32和碳纤维片材33之间配置有绝缘片材40。但是，绝缘片材40的配置不限于这样的例子。绝缘片材40能够配置在碳纤维片材31?34的任意的层间。另外，绝缘片材40可以不必配置在碳纤维片材31?34的层间。绝缘片材40可以配置在碳纤维片材31?34的表面。例如，层叠体60可以是按顺序层叠绝缘片材40、碳纤维片材31?34而构成。另外，碳纤维片材的数量只要是多个即可，能够设定为两个以上的任意数量。
[0108]B - 2.变形例 2:
[0109]在上述的实施例中，将多个碳纤维片材31?34、和一个绝缘片材40层叠而构成了层叠体60。但是，层叠体60可以具有多个绝缘片材40。例如，可以在碳纤维片材31和碳纤维片材32之间、以及碳纤维片材33和碳纤维片材34之间分别配置绝缘片材40。
[0110]B —3.变形例 3:
[0111]在上述的实施例中，形成在绝缘片材40上的多个开口部41在面方向上均匀地分散配置。但是，多个开口部41的配置不限于这样的形态。多个开口部41的配置能够任意设定。另外，多个开口部41的开口面积不需要相同，关于各个开口部41，开口面积可以任意设定。开口部41的配置、开口面积可以配合所制造的预成型体20的形状而适当设定。
[0112]图8表示作为变形例的绝缘片材140的构造。使用绝缘片材140制造的预成型体为与实施例所示的预成型体20 (参照图1)相同的形状。在绝缘片材140上形成有多个开口部141。在图8所示的绝缘片材140中,用双点划线表示的线表示分别形成基端部23及顶端部24(参照图1)的位置。在该例中，在形成基端部23及顶端部24的位置的周边，以比其他部分高的密度形成有开口部141。
[0113]像这样，可以是在层叠体的整个面中的、从形状转印前的初始状态(整个面平坦的片材形状)通过加工而变形的部位的周边重点地配置开口部的结构。通过这样的结构，在层叠体中，变形的部位的周边被重点地粘合，因此易于维持加工后的形状。另外，在比较窄的区域、即基端部23的内侧的区域形成的开口部141b的面积，设定得比在比较宽的区域、即基端部23的外侧的区域形成的开口部141a的面积小。这样，通过配合预成型体的加工形状、调节开口部的面积，粘合部位的配置自由度提高。需要说明的是，在图8的形态中，在基端部23及顶端部24的周边配置有开口部141。但是，即使在形成基端部23及顶端部24的位置上配置开口部141，也能得到相同的效果。
[0114]B —4.变形例 4:
[0115]在上述的实施例中，形成在绝缘片材40上的开口部41的形状为圆形。但是，开口部41的形状能够任意设定。图9表示作为变形例的绝缘片材240的构造。在图示的例子中，形成有具有矩形形状的多个开口部241。当然，开口部241的形状也可以与上述的变形例3相同地，配合所制造的预成型体20的加工形状而设定。例如，可以在层叠体的整个面中，沿着从初始状态通过加工而变形的部位形成开口部241。更具体而言，例如，可以沿着基端部23的外周呈环状地形成开口部241。
[0116]B —5.变形例 5:
[0117]在上述的实施例中，例示了在碳纤维片材31?34的层间配置绝缘片材40的结构。但是，也可以代替绝缘片材40而配置部分通电片材。“部分通电片材”是指，在片材的整个区域中具有由绝缘体构成的绝缘区域、和由导电性部件构成的通电区域的片材。绝缘区域和通电区域在面方向上配置在不同的位置。例如，部分通电片材能够是在绝缘片材40的开口部41的位置具有导电性部件的片材。作为导电性部件，可以使用碳纤维。
[0118]B— 6.变形例 6:
[0119]在上述的实施例中，例示了在碳纤维片材31?34的层间配置绝缘片材40的结构，但也可以代替绝缘片材40而使用层叠方向上的电阻比碳纤维片材高的部件。通常，大约一层碳纤维片材的厚度方向的电阻为10?300 Ω/cm2的范围(碳纤维基重:330g/m2,碳纤维根数:1200根，按压力:(λ I?0.5MPa的情况下)。即使是这样，也能够在一定程度上发挥上述的效果。另外，在变形例5中描述的部分通电片材可以构成为具有高电阻区域和通电区域的片材，其中该高电阻区域由在层叠方向上电阻比碳纤维片材高的部件构成。
[0120]B —7.变形例 7:
[0121]图10是说明作为变形例的部分通电织物90的构造的说明图。在图10的下方，示出作为部分通电层的部分通电织物90的俯视图。在图10的上方，示出下方的图中的线91处的部分通电织物90的剖视图。在上述的实施例中，作为部分通电层，示出了在由玻璃纤维构成的绝缘片材40上设有开口部41的结构。但是，如图10所示，可以使用在主要由玻璃纤维42构成的织物组织中局部的织入有碳纤维35的部分通电织物90来作为部分通电层。通过在织物构造中局部地使用碳纤维35，能够确保供电流流动的路径。碳纤维存在的区域成为通电区域，而碳纤维不存在的部分成为电阻区域。作为更良好的效果，通过使该部分通电层自身由玻璃纤维或碳纤维那样的增强纤维构成，在最终成为纤维增强塑料时，能够有助于部件强度的体现。
[0122]以上，说明了本发明的实施方式，但本发明不限定于这样的实施方式，能够在不脱离其主旨的范围内采用各种结构。例如，上述的各适用例的构成要素和实施方式中的要素能够在可解决本申请的至少一部分课题的形态、或者发挥上述各效果的至少一部分的形态中，进行适当组合、省略、上位概念化。
[0123]附图标记说明
[0124]20…预成型体
[0125]21…平坦部
[0126]22…突出部
[0127]23…基端部
[0128]24…顶端部
[0129]31?34…碳纤维片材
[0130]35...碳纤维
[0131]40、140、240 …绝缘片材
[0132]41、41a、41b、141、141a、141b、241...开口部
[0133]42…玻璃纤维
[0134]50…粘合树脂
[0135]60…层叠体
[0136]70…模具
[0137]71…上模
[0138]72…下模
[0139]81…电源
[0140]82…变压器
[0141]83…整流器
[0142]90…部分通电织物
[0143]91…剖面线
【权利要求】
1.一种碳纤维预成型体，是层叠有多个碳纤维片材、且多个碳纤维片材经由具有热塑性的粘合树脂相互粘合的碳纤维预成型体，在所述碳纤维预成型体中， 在所述多个碳纤维片材中的至少一组相邻的碳纤维片材之间的位置、和所述碳纤维预成型体的表层上的位置中的、至少一方上，具有部分通电层，在该部分通电层中，所述层叠的方向上的电阻比所述碳纤维片材高的电阻区域、和所述层叠的方向上的电阻比所述电阻区域低的通电区域，沿与所述层叠的方向正交的面方向分布， 在设于所述部分通电层中的所述通电区域内及与所述通电区域的周边对应的区域内，所述多个碳纤维片材经由所述粘合树脂而粘合。
2.如权利要求1所述的碳纤维预成型体，其中， 在所述电阻区域内的至少一部分中，所述多个碳纤维片材没有经由所述粘合树脂而粘口 ο
3.如权利要求1或2所述的碳纤维预成型体，其中， 所述部分通电层由绝缘片材构成， 所述通电区域包含将所述绝缘片材沿所述层叠的方向贯穿的开口部。
4.如权利要求1至3中任一项所述的碳纤维预成型体，其中， 所述通电区域的面积比所述碳纤维片材的面积的I%大。
5.如权利要求1至4中任一项所述的碳纤维预成型体，其中， 所述通电区域的面积为所述碳纤维片材的面积的20%以下。
6.一种碳纤维增强塑料，为层叠有多个碳纤维片材的碳纤维增强塑料，其特征在于， 在所述多个碳纤维片材中的至少一组相邻的碳纤维片材之间的位置、和所述碳纤维增强塑料的表层上的位置中的、至少一方上，具有部分通电层，在该部分通电层中，所述层叠的方向上的电阻比所述碳纤维片材高的电阻区域、和所述层叠的方向上的电阻比所述电阻区域低的通电区域，沿与所述层叠的方向正交的面方向分布。
7.如权利要求6所述的碳纤维增强塑料，其中， 所述部分通电层由绝缘片材构成， 所述通电区域包含将所述绝缘片材沿所述层叠的方向贯穿的开口部。
8.如权利要求6或7所述的碳纤维增强塑料，其中， 所述通电区域的面积比所述碳纤维片材的面积的I%大。
9.如权利要求6至8中任一项所述的碳纤维增强塑料，其中， 所述通电区域的面积为所述碳纤维片材的面积的20%以下。
10.一种碳纤维预成型体的制造方法，为下述制造方法， 准备将绝缘片材、和多个碳纤维片材经由具有热塑性的粘合树脂层叠而得到的层叠体， 用彼此相对的两个模具将所述层叠体夹入，所述两个模具作为用于对所述绝缘片材与所述多个碳纤维片材的层叠体施加电压的电极发挥功能， 将所述两个模具所具有的模具形状转印到所述层叠体上， 所述碳纤维预成型体的制造方法中具有以下工序: 准备所述层叠体，并将其配置在所述两个模具内的工序，其中，作为所述绝缘片材而使用形成有沿所述层叠的方向贯穿的开口部的绝缘片材，和 将所述多个碳纤维片材之间经由所述粘合树脂而粘合的工序，所述工序如下进行:通过所述两个模具，沿所述层叠的方向对所述层叠体加压，并且对所述两个模具施加电压而使电流在所述层叠体中流动，从而使所述多个碳纤维片材发热，由此，在包含所述开口部的通电区域内及与所述通电区域的周边对应的区域内，使所述粘合树脂熔融并粘着，将所述多个碳纤维片材之间经由所述粘合树脂而粘合。
11.如权利要求10所述的碳纤维预成型体的制造方法，其中， 所述将多个碳纤维片材之间粘合的工序以在所述通电区域以外的至少一部分区域中不使所述粘合树脂熔融的状态实行。
12.如权利要求10或11所述的碳纤维预成型体的制造方法，其中， 所述开口部的开口面积比所述碳纤维片材的面积的I%大。
13.如权利要求10至12中任一项所述的碳纤维预成型体的制造方法，其中， 所述开口部的开口面积为所述碳纤维片材的面积的20%以下。
【文档编号】C08J5/24GK104245803SQ201380014825
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年3月19日 优先权日:2012年3月19日
【发明者】长崎绚太郎, 铃木保, 辻治彦 申请人:东丽株式会社