夹层结构体、使用该夹层结构体的一体化成型品及它们的制造方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种轻质性、薄壁性、刚性优异的夹层结构体（sandwich )，更具体而 言，涉及一种使用特定的芯材并且使用纤维增强材料作为皮材的、尤其是在轻质性和刚性 方面具有优异特性的夹层结构体。
【背景技术】
[0002] 经连续的增强纤维组进行增强过的纤维增强树脂(FRP)作为要求轻质性和力学特 性的结构体的材料被频繁地用于航空器、汽车、双轮车、自行车等运送设备用途、网球，高尔 夫、钓鱼竿等体育用品用途、抗震加强材料等建设结构物用途等。
[0003] 作为可确保力学特性且可提高轻质性的结构体，已知有在轻质的芯材上配置FRP 作为皮材而成的夹层结构体。为了谋求结构体的轻质化，选择了更加轻质的芯材，轻木芯 (balsa core)、蜂窝芯、氨基甲酸酯泡沫芯等被频繁地用作芯材。另外，通过对力学特性也 结合实用的要求特性进行设计，夹层结构体被广泛应用于航空器的二次结构材料、以及汽 车部件、建筑物部件、面板部件等。
[0004] 在专利文献1中，作为夹层结构体的芯材，公开了将树脂进行发泡而得的泡沫芯 材、将不连续的增强纤维的单纤维彼此经由热塑性树脂进行交叉而得的芯材。专利文献2中 公开了一种具有层状结构的轻质复合材料，所述层状结构由多孔质纤维层和增强用纤维的 纤维增强树脂层构成，所述多孔质纤维层是用粘合剂将分散于任意方向的增强用短纤维于 它们的交点进行粘结而成的。
[0005] 然而，上述夹层结构体、复合材料难以同时实现刚性和轻质性，或是在量产性良好 地制造薄壁且具有复杂形状的成型体方面受限。对于专利文献1中公开的夹层结构体，由于 使用热塑性树脂的粒子与不连续的增强纤维一起制作芯材，所以不连续的增强纤维的单纤 维彼此经由热塑性树脂进行交叉，但难以同时实现芯材的刚性和轻质性。对于专利文献2中 公开的轻质复合材料，由于使用了将热固性树脂等煅烧而得到的碳化物作为芯材的树脂， 所以芯材的成型性差。
[0006] 另一方面，作为FRP的用途，有个人电脑、办公自动化设备、视听设备、移动电话、电 话机、传真机、家电产品，玩具用品等电气?电子设备的外壳。上述产品不仅要求量产性、成 型性、生产率、经济性，而且近年来还期望为薄型且轻质。针对上述要求，薄壁性和刚性优异 的镁合金被有效地利用，但由于金属材料比重大，所以在轻质性方面未必能满足要求。特别 是人们预测笔记本电脑、电话、信息终端等电子设备的便携化将不断发展，另一方面，用户 层的高龄化今后将逐步加快，因此要求上述电子设备外壳进一步轻质化。
[0007] 专利文献1:国际公开第2006/028107号公报 [0008] 专利文献2:日本特开昭63-60743号公报
【发明内容】
[0009] 鉴于上述现有技术，本发明的目的在于提供一种轻质性和刚性优异的夹层结构 体。本发明的另一目的在于提供一种将上述夹层结构体与其他部件进行一体化而成的轻质 性、刚性优异的一体化成型体。本发明的又一目的在于提供一种能够量产性良好地制造所 述夹层结构体、一体化成型品的夹层结构体、一体化成型品的制造方法。
[0010] 为了解决上述课题，本发明的夹层结构体具有以下构成。
[0011] ?-种夹层结构体，由包含不连续的增强纤维、热塑性树脂及空隙的芯材和包含 连续的增强纤维和基体树脂的皮材构成，其中，在芯材中，不连续的增强纤维的30%以上被 热塑性树脂被覆，并且，不连续的增强纤维的单纤维彼此经由热塑性树脂进行交叉。
[0012] 另外，为了解决上述课题，本发明的夹层结构体的制造方法具有以下构成。
[0013] ?上述夹层结构体的制造方法，其包括以下工序[1]~[3]，
[0014] 工序[1]:在已加热至热塑性树脂熔融或软化的温度的状态下赋予压力，使热塑性 树脂含浸在用于芯材的增强纤维中，从而形成芯材的前体的工序；
[0015] 工序[2]:由连续的增强纤维和基体树脂进行皮材的成型的工序；
[0016] 工序[3]:在已加热的状态下调整芯材的前体的厚度以使芯材的前体按照规定的 膨胀倍率膨胀，从而形成芯材的工序。
[0017] 另外，为了解决上述课题，本发明的一体化成型品具有以下构成。
[0018] ?-种一体化成型品，是将由上述夹层结构体形成的第一部件和由其他成型体形 成的第二部件接合而成的。
[0019] 进而，为了解决上述课题，本发明的一体化成型品的制造方法具有以下任一构成。
[0020] ?-种一体化成型品的制造方法，是制造上述一体化成型品的方法，其中，第二部 件为利用注塑成型而得的成型体，利用嵌件注塑成型或基体上注塑成型将第二部件接合于 第一部件。
[0021] ?-种一体化成型品的制造方法，是制造上述一体化成型品的方法，其中，第二部 件为利用加压成型而得的成型体，利用加压成型将第二部件接合于第一部件。
[0022] 此处，在本发明中，所谓连续的增强纤维，是指至少沿单向在15mm以上、优选100_ 以上的长度范围内连续的增强纤维。
[0023] 本发明的夹层结构体基于其特征性的芯材的设计，具有优异的力学特性、轻质性 和薄壁性。本发明的夹层结构体的制造方法具有优异的量产性，其生产效率与现有技术相 比极为经济。本发明的夹层结构体、一体化成型体适合用作笔记本电脑等电气?电子设备 的构件、部件、外壳。
【附图说明】
[0024] 图1是本发明中使用的芯材中的簇的示意图。
[0025] 图2是表示本发明的夹层结构体中的芯材和皮材的界面层的一例的示意图。
[0026] 图3是表示本发明中使用的芯材中的不连续的增强纤维的分散状态的一例的示意 图。
[0027] 图4是实施例1中制作的夹层结构体的截面照片。
[0028] 图5是本发明的实施例中得到的一体化成型品的立体图。
[0029] 图6是本发明的实施例中得到的一体化成型品的立体图。
【具体实施方式】
[0030] 本申请发明人追求由包含不连续的增强纤维、热塑性树脂及空隙的芯材和包含连 续的增强纤维和基体树脂的纤维增强材料形成的夹层结构体的刚性和轻质性，结果发现用 于夹层结构体的芯材的特定结构会影响上述刚性和轻质性，从而完成了本发明。以下，详细 说明本发明。
[0031] 所谓夹层结构体，是包含芯材和皮材、并用皮材夹持芯材而成的结构体。在本发明 中，芯材包含不连续的增强纤维、热塑性树脂及空隙，皮材包含连续的增强纤维和基体树 脂。
[0032] 在本发明中，芯材所使用的增强纤维是不连续的增强纤维，可用于其的增强纤维 的种类没有特别限制，例如可举出铝纤维、黄铜纤维、不锈钢纤维等金属纤维、聚丙烯腈 (PAN)系碳纤维、人造丝系碳纤维、木质素系碳纤维、沥青系碳纤维等碳纤维（包括石墨纤 维）、玻璃纤维等绝缘性纤维、芳香族聚酰胺纤维（aramid fiber)、聚对苯撑苯并二噁唑 (PBO)纤维、聚苯硫醚纤维、聚酯纤维、丙烯酸纤维、尼龙纤维、聚乙烯纤维等有机纤维、碳化 硅纤维、氮化硅纤维等无机纤维。另外，可以对这些纤维实施表面处理。作为表面处理，除了 作为导电体的金属的被覆处理之外，还有利用偶联剂进行的处理、利用上浆剂进行的处理、 利用成束剂进行的处理、添加剂的附着处理等。另外，这些增强纤维可以单独使用一种，也 可以并用2种以上。其中，从轻质化效果的观点考虑，优选使用比强度、比刚度优异的PAN系 碳纤维、沥青系碳纤维、人造丝系碳纤维等碳纤维。另外，从提高所得的成型品的经济性的 观点考虑，优选使用玻璃纤维，尤其从力学特性和经济性的均衡性方面出发，优选并用碳纤 维和玻璃纤维。进而，从提高所得的成型品的冲击吸收性、赋形性的观点考虑，优选使用芳 香族聚酰胺纤维，尤其从力学特性和冲击吸收性的均衡性方面出发，优选并用碳纤维和芳 香族聚酰胺纤维。另外，从提高所得的成型品的导电性的观点考虑，也可以使用被覆了镍、 铜、镱等金属的增强纤维。这些增强纤维中，在本发明中，作为芯材中的不连续的增强纤维， 更优选使用不连续的碳纤维，作为碳纤维，特别优选使用强度和弹性模量等力学特性优异 的PAN系碳纤维。
[0033]此处，所谓本发明中的不连续的增强纤维，是指纤维长度小于15mm的增强纤维，在 芯材中包含多根不连续的增强纤维，构成不连续的增强纤维组。这样的不连续的增强纤维 组优选由0质量％以上且50质量％以下的纤维长度大于IOmm且小于15mm的增强纤维、50质 量％以上且100质量％以下的纤维长度为2mm以上且IOmm以下的增强纤维、0质量％以上50 质量％以下的纤维长度小于2mm的增强纤维构成，如果大于IOmm且小于15mm的增强纤维大 于50质量％，则存在层合工序或成型工序中的厚度膨胀变大、损害操作性的情况。另外，如 果纤维长度小于2mm的增强纤维大于50质量％，则存在得到的增强纤维基材的力学特性降 低的情况。从上述观点考虑，上述不连续的增强纤维组更优选由〇质量％以上且20质量％以 下的纤维长度大于8mm且小于15mm的增强纤维、80质量％以上且100质量％以下的纤维长度 为3mm以上且8mm以下的增强纤维、0质量％以上20质量％以下的纤维长度小于3mm的增强纤 维构成。另外，也优选的是，不连续的增强纤维组中的纤维长度的分布至少具有2个峰，一个 峰在纤维长度为5mm以上且IOmm以下的范围内，另一个峰在2mm以上且小于5mm的范围内。通 过形成具有上述纤维长度的分布的不连续的增强纤维组，能够并用确保力学特性的增强纤 维、和确保层合工序或成型工序中的芯材的操作性的增强纤维，能够容易地同时实现两者 的特性。需要说明的是，此处的增强纤维的质量比例表示将不连续的增强纤维组中的全部 的纤维根数作为IOO %时的、各纤维长度中的以数均计的纤维根数的比例。
[0034] 作为测定增强纤维的纤维长度的方法，例如有直接从增强纤维组中抽出增强纤维 并通过显微镜观察进行测定的方法。在树脂附着于增强纤维组时，有下述方法:使用仅溶解 增强纤维组中所含的树脂的溶剂使增强纤维组中的树脂溶解，将残留的增强纤维过滤分 离，通过显微镜观察进行测定(溶解法）；在无溶解树脂的溶剂时，在增强纤维不发生氧化减 量的温度范围内仅将树脂灰化，分离出增强纤维，通过显微镜观察进行测定的方法(灰化 法)等。可以从增强纤维组中随机选出400根增强纤维，利用光学显微镜测定其长度至ιμπι单 位，求出纤维长度和其比例。需要说明的是，在将直接从增强纤维组中抽出增强纤维的方法 与用灰化法、溶解法挑出增强纤维的方法进行比较时，通过适当地选定条件，得到的结果不 会产生特别的差异。在上述测定方法中，从增强纤维的质量变化小的观点考虑，优选采用溶 解法。
[0035] 另外，作为不连续的增强纤维，从夹层结构体的刚性的观点考虑，可使用其拉伸弹 性模量优选在200GPa以上且I OOOGPa以下、更优选在220GPa以上且500GPa以下的范围内的 不连续的增强纤维。增强纤维的拉伸弹性模量小于200GPa时，存在夹层结构体的刚性差的 情况，大于1000 GPa时，需要提高增强纤维的结晶性，而制造这样的增强纤维是困难的。如果 不连续的增强纤维的拉伸弹性模量在上述范围内，则从夹层结构体的刚性、增强纤维的制 造性的观点考虑是优选的。需要说明的是，增强纤维的拉伸弹性模量可通过JIS R7601-1986中记载的线束拉伸试验进行测定。
[0036] 在本发明中，芯材所使用的不连续的增强纤维的体积含有率相对于芯材的表观体 积优选为1 %以上且30%以下，从同时实现轻质性和力学特性的观点考虑，更优选为3%以 上且10%以下。不连续的增强纤维的体积含有率若小于1%，则刚性不足，若大于30%，则芯 材的体积比重变大。此处，芯材的表观体积包括不连续的增强纤维的体积、热塑性树脂的体 积、空隙的体积。芯材的表观体积、构成其的不连续的增强纤维的体积、热塑性树脂的体积、 空隙的体积可利用X射线检查装置(计算机断