单向复合材料、翼梁帽及风车叶片的制作方法

本发明涉及对沿碳纤维的纤维轴的裂纹的耐性高、弹性模量高、包含单向排列的碳纤维的单向复合材料。

背景技术：

1、近年来，低比重且力学特性优异的碳纤维的利用范围越来越广，与之相伴，要求水平也日益多样化、高度化。用于利用碳纤维的形态因用途而异，从连续纤维到不连续纤维以各种形式被利用。单向复合纤维、尤其拉拔成型品是代表性的利用形态之一，碳纤维沿单向排列并被树脂含浸及固化，因此在碳纤维的取向方向上发挥优异的力学特性。就拉拔成型品而言，优选增强纤维高度地单轴取向地配置，通过提高增强纤维的笔直度而使含浸树脂的均质性提高是重要的。例如，专利文献1中提出了通过一边反复进行开纤和闭纤一边施加张力进行拉拔成型，从而提高增强纤维的笔直度的方法。

2、在风力发电中，为了提高发电效率及增加发电量，正在推进风车叶片的大型化。碳纤维的拉拔成型品具有高的弹性模量、能够获得长度方向上相同形状的材料，因此正在推进作为大型化风车叶片的翼梁帽的利用。另一方面，将风车叶片大型化时，作为课题可举出其输送困难这一点。针对该课题，提出了能够分割搬运和组装的风车叶片。例如，专利文献2提出了风车叶片的内侧部分和外侧部分能够在设置于厚壁部的连接区域处进行螺栓固定的结构。

3、另外，将风车叶片大型化的情况下，对翼梁帽部分需要宽度宽的拉拔成型品，但宽度越宽，越难以很好地符合叶片模具的曲率。针对该课题，提出了通过对拉拔成型品的形状进行设计而使其仅在一定方向上容易变形的技术。例如，专利文献3提出了通过使用翼展方向上具有凹槽的拉拔成型品，从而对拉拔成型品赋予横向的柔软性、使得匹配风车叶片模具的曲率成为可能的方法。

4、在风车叶片的大型化中，使用的拉拔成型品的弹性模量越高越优选，但越是弹性模量高的碳纤维，压缩强度越低，因压缩破坏而损坏的风险越高。针对该课题，考虑将兼顾高的弹性模量和高的压缩强度的碳纤维用于拉拔成型品的方法。例如，专利文献4提出了在碳化工序中通过加捻等方法来控制碳纤维的结晶状态，从而获得兼顾高的弹性模量和高的压缩强度的碳纤维的方法。

5、现有技术文献

6、专利文献

7、专利文献1：日本特开2018-001682号公报

8、专利文献2：国际公开第2013/083451号

9、专利文献3：美国专利申请公开第2019/0270261号说明书

10、专利文献4：国际公开第2019/203088号

技术实现思路

1、发明要解决的课题

2、然而，以往的技术存在以下课题。

3、专利文献2提出了风车叶片的内侧部分和外侧部分能够在设置于厚壁部的连接区域进行螺栓固定的结构，但在使用碳纤维的拉拔成型品的翼梁帽上开同样的螺栓孔时，有时导致沿碳纤维的纤维轴向产生裂纹。另外，专利文献3提出了通过使用翼展方向上具有凹槽的拉拔成型品，从而对拉拔成型品赋予横向的柔软性而使得匹配风车叶片模具的曲率成为可能的方法，但在风车叶片模具的曲率较大的情况下，有时导致沿碳纤维的纤维轴向产生裂纹。本申请的发明人通过研究发现，这些课题的原因在于，在以往的拉拔成型品中，由于碳纤维高度单轴取向地配置，因此对沿碳纤维的纤维轴的裂纹的耐性低。

4、专利文献4提出了在碳化工序中通过加捻等方法来控制碳纤维的结晶状态，从而获得兼顾高的弹性模量和高的压缩强度的碳纤维的方法，但在碳化工序中进行加捻而得的碳纤维明显由于捻合的影响而在纤维中残留起伏，有时导致增强纤维的笔直度下降。

5、因此，本发明要解决的课题在于提供在为应对风车叶片的大型化所需的后加工中容易避免损伤、对沿碳纤维的纤维轴的裂纹的耐性高、弹性模量高的单向复合材料。

6、用于解决课题的手段

7、为了实现上述目的，本发明如下所示。

8、[1]单向复合材料，其包含碳纤维和基体树脂，对所述碳纤维的单纤维从侧面在直线距离1mm的范围内进行观察时的纤维轴的波动幅度为1.5μm以上。

9、[2]根据[1]所述的单向复合材料，其中，所述碳纤维的纤维轴的螺旋节距的平均值为5.50cm以下。

10、[3]根据[1]或[2]所述的单向复合材料，其中，当将单向复合材料中包含的碳纤维的单纤维间距离的平均值设为r(μm)、将所述碳纤维的纤维轴的波动幅度设为d(μm)时，满足式(1)，

11、2.0≤d÷r≤35.0···式(1)。

12、[4]根据[1]～[3]中任一项所述的单向复合材料，其中，碳纤维的体积含有率为60体积％以上。

13、[5]根据[1]～[4]中任一项所述的单向复合材料，其中，碳纤维束以具有10个捻回/m以下的捻合的状态包含在基体树脂中。

14、[6]根据[1]～[5]中任一项所述的单向复合材料，其中，在单向复合材料的与纤维方向垂直的切截面中，当将单向复合材料中包含的碳纤维束的截面积设为x(mm2)时，具有x的3％以上的面积的树脂富集部实质上不存在。

15、[7]根据[1]～[6]中任一项所述的单向复合材料，其中，作为所述碳纤维包含单纤维的纤维轴具有右旋螺旋的碳纤维及单纤维的纤维轴具有左旋螺旋的碳纤维这两者。

16、[8]根据[7]所述的单向复合材料，其中，当将由单纤维的纤维轴具有右旋螺旋的碳纤维形成的碳纤维束的根数设为na(根)、将由单纤维的纤维轴具有左旋螺旋的碳纤维形成的碳纤维束的根数设为nb(根)时，比na/(na+nb)为0.4～0.6。

17、[9]根据[7]或[8]所述的单向复合材料，其中，由单纤维的纤维轴具有右旋螺旋的碳纤维形成的碳纤维束和由单纤维的纤维轴具有左旋螺旋的碳纤维形成的碳纤维束在单向复合材料的宽度方向上交替排列。

18、[10]根据[1]～[9]中任一项所述的单向复合材料，其拉伸弹性模量为150gpa以上。

19、[11]根据[1]～[10]中任一项所述的单向复合材料，其为拉拔成型品。

20、[12]根据[1]～[11]中任一项所述的单向复合材料，其中，碳纤维的单纤维直径的平均值为6.0μm以下，所述单向复合材料为单向预浸料坯成型品。

21、[13]翼梁帽，其包含[1]～[12]中任一项所述的单向复合材料。

22、[14]风车叶片，其包含[13]所述的翼梁帽。

23、发明的效果

24、本发明的单向复合材料通过将捻度较多的有捻纱解捻并用于制造单向复合材料，并有效地控制碳纤维的单纤维的纤维轴的波动幅度，从而成为对沿碳纤维的纤维轴的裂纹的耐性高、弹性模量高的单向复合材料。

技术特征：

1.单向复合材料，其包含碳纤维和基体树脂，对所述碳纤维的单纤维从侧面在直线距离1mm的范围内进行观察时的纤维轴的波动幅度为1.5μm以上。

2.根据权利要求1所述的单向复合材料，其中，所述碳纤维的纤维轴的螺旋节距的平均值为5.50cm以下。

3.根据权利要求1或2所述的单向复合材料，其中，当将单向复合材料中包含的碳纤维的单纤维间距离的平均值设为r(μm)、将所述碳纤维的纤维轴的波动幅度设为d(μm)时，满足式(1)，

4.根据权利要求1或2所述的单向复合材料，其中，碳纤维的体积含有率为60体积％以上。

5.根据权利要求1或2所述的单向复合材料，其中，碳纤维束以具有10个捻回/m以下的捻合的状态包含在基体树脂中。

6.根据权利要求1或2所述的单向复合材料，其中，在单向复合材料的与纤维方向垂直的切截面中，当将单向复合材料中包含的碳纤维束的截面积设为x(mm2)时，具有x的3％以上的面积的树脂富集部实质上不存在。

7.根据权利要求1或2所述的单向复合材料，其中，作为所述碳纤维包含单纤维的纤维轴具有右旋螺旋的碳纤维及单纤维的纤维轴具有左旋螺旋的碳纤维这两者。

8.根据权利要求7所述的单向复合材料，其中，当将由单纤维的纤维轴具有右旋螺旋的碳纤维形成的碳纤维束的根数设为na(根)、将由单纤维的纤维轴具有左旋螺旋的碳纤维形成的碳纤维束的根数设为nb(根)时，比na/(na+nb)为0.4～0.6。

9.根据权利要求7所述的单向复合材料，其中，由单纤维的纤维轴具有右旋螺旋的碳纤维形成的碳纤维束和由单纤维的纤维轴具有左旋螺旋的碳纤维形成的碳纤维束在单向复合材料的宽度方向上交替排列。

10.根据权利要求1或2所述的单向复合材料，其拉伸弹性模量为150gpa以上。

11.根据权利要求1或2所述的单向复合材料，其为拉拔成型品。

12.根据权利要求1或2所述的单向复合材料，其中，碳纤维的单纤维直径的平均值为6.0μm以下，所述单向复合材料为单向预浸料坯成型品。

13.翼梁帽，其包含权利要求1或2所述的单向复合材料。

14.风车叶片，其包含权利要求13所述的翼梁帽。

技术总结
本发明提供对沿碳纤维的纤维轴的裂纹的耐性高、弹性模量高的拉拔成型品。本发明为包含碳纤维和基体树脂、且对所述碳纤维的单纤维从侧面在直线距离1mm的范围内进行观察时的纤维轴的波动幅度为1.5μm以上的单向复合材料。

技术研发人员：野口知久,奥田治己,水田久文
受保护的技术使用者：东丽株式会社
技术研发日：
技术公布日：2024/11/4