專利名稱：纖維強(qiáng)化復(fù)合材料制成的管狀體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及纖維強(qiáng)化復(fù)合材料制成的管狀體。
由強(qiáng)化纖維復(fù)合材料制成的管狀體用于高爾夫握桿、釣魚桿等各種用途。
對(duì)于高爾夫握桿，近年來更加傾向于輕量化。由于輕量化導(dǎo)致桿的彎曲破斷強(qiáng)度下降，因此要制造具有良好彎曲破斷強(qiáng)度的輕質(zhì)握桿迄今仍是困難的。
對(duì)于釣魚桿來說，要求其前端部分具有柔軟性。為獲得良好的柔軟性，采用使前端部分壁厚減薄的方法，但是同時(shí)會(huì)導(dǎo)致其彎曲破斷強(qiáng)度下降，因此要制造具有良好彎曲破斷強(qiáng)度及柔軟性的釣魚桿迄今仍是困難的。
本發(fā)明的目的是解決上述現(xiàn)存的問題，提供具有良好彎曲破斷強(qiáng)度、彎曲撓度、沖擊吸收能量的纖維強(qiáng)化復(fù)合材料制成的管狀體。
本發(fā)明的上述目的由如下所述的纖維強(qiáng)化復(fù)合材料制成的管狀體實(shí)現(xiàn)。
即本發(fā)明涉及纖維強(qiáng)化復(fù)合材料制成的管狀體，其特征在于它含有高壓縮破裂變形層，該高壓縮破裂變形層含有在相對(duì)于管狀體縱向0°～±15°的范圍內(nèi)取向的碳纖維，在該高壓縮破裂變形層取向方向的壓縮破裂變形為1～5％，且在把該碳纖維的纖維體積含量按60％換算后，在碳纖維取向方向的壓縮彈性模量為3～120GPa。
本發(fā)明的纖維強(qiáng)化復(fù)合材料制成的管狀體可具有使強(qiáng)化纖維預(yù)浸料坯沿軸的全長疊層而成的筆直層，其中該強(qiáng)化纖維預(yù)浸料坯相對(duì)于管狀體縱向(軸向)大致平行地以0°～±5°的范圍取向。筆直層的疊層數(shù)為1～20層，較好的是1～18層，而最好是1～16層。筆直層的疊層數(shù)沿管狀體的縱向可以保持均等，也可變化。
此處，本發(fā)明所述疊層數(shù)是將筆直層等特定層，平均地層疊若干層，即經(jīng)管狀體軸的周邊進(jìn)行若干次卷繞。
根據(jù)上述管狀體的用途、具體說根據(jù)高爾夫握桿的用途，本發(fā)明的管狀體具有由強(qiáng)化纖維預(yù)浸料坯疊層形成的斜交層，其中所述強(qiáng)化纖維預(yù)浸料坯是由強(qiáng)化纖維在管狀體縱向±20°～±70°范圍內(nèi)取向而成的。
該斜交層通常為正負(fù)斜交層，它們是通過使強(qiáng)化纖維沿相對(duì)于上述管狀體縱向、在+20°～+70°范圍內(nèi)取向的強(qiáng)化纖維預(yù)浸料坯疊層而形成的正斜交層和使強(qiáng)化纖維沿相對(duì)于上述管狀體縱向、在-20°～-70°范圍內(nèi)取向的強(qiáng)化纖維預(yù)浸料坯疊層而形成的負(fù)斜交層。
把正斜交層或負(fù)斜交層每一層或多層交替疊層。也可使正斜交層與負(fù)斜交層的疊層數(shù)相互不同。正負(fù)一組的斜交層的疊層數(shù)為1～12層，最好為1～10層。即，在正斜交層與負(fù)斜交層的疊層數(shù)相同的情況下，斜交層的總疊層數(shù)為2～24層，最好為2～20層。
根據(jù)上述管狀體的其它用途、具體說作為釣魚桿的用途，本發(fā)明的管狀體也可具有環(huán)帶層，該環(huán)帶層是通過使強(qiáng)化纖維相對(duì)于前述管狀體縱向成大致直角的±70°～±90°范圍、最好是±80°～±90°范圍內(nèi)取向的強(qiáng)化纖維預(yù)浸料坯疊層而形成。環(huán)帶層的疊層數(shù)為1～10層，最好為1～8層。斜交層及環(huán)帶層的疊層數(shù)可沿管狀體的縱向均等或者也可變化。
作為用于這種強(qiáng)化纖維預(yù)浸料坯的強(qiáng)化纖維，可采用碳纖維、玻璃纖維、聚芳基酰胺纖維、陶瓷纖維、硼纖維、金屬纖維等，但最好使用瀝青(ビツチ)系的碳纖維或者聚丙烯腈系碳纖維。作為用于前述強(qiáng)化纖維的基質(zhì)樹脂，可采用從環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯樹脂、酚醛樹脂、硅酮樹脂、聚氨酯樹脂、尿素樹脂、三聚氰胺樹脂等中選出的熱固性樹脂或熱塑性樹脂，最好是環(huán)氧樹脂。
作為用于這種強(qiáng)化纖維預(yù)浸料坯的碳纖維，可采用這樣的碳纖維，在把前述碳纖維的纖維體積含量以60％計(jì)時(shí)，其碳纖維取向方向的壓縮彈性模量為125GPa～600GPa。
本發(fā)明是這樣構(gòu)成的纖維強(qiáng)化復(fù)合材料制成的管狀體，其特征是形成一高壓縮破裂變形層，該變形層由含有壓縮破裂變形為1.0～5.0％且壓縮彈性模量為3GPa～120GPa的碳纖維的預(yù)浸料坯疊層構(gòu)成。
作為該高壓縮破裂變形層所使用的碳纖維，可使用壓縮破裂變形為1～5％、較好的是1.5～5％、更好的是1.7～5％、最好是2～5％的碳纖維。
此外，作為該高壓縮破裂變形層所使用的碳纖維，希望采用壓縮彈性模量為3GPa～120GPa、最好是3GPa～100GPa的碳纖維。
此外，作為該高壓縮破裂變形層所使用的碳纖維，可使用密度低于1.9g/cm3、最好低于1.8g/cm3的碳纖維。當(dāng)密度大于1.9g/cm3時(shí)，由于會(huì)增加管狀體的重量，因此不理想。
再者，作為該高壓縮破裂變形層所使用的碳纖維，可使用絞合纖維數(shù)為24000根以下、較好為12000根以下、更好為6000根以下、最好為3000根以下的碳纖維。
在絞合纖維數(shù)大于24000根的情況下，當(dāng)經(jīng)浸漬基質(zhì)樹脂制造預(yù)浸料坯時(shí)，特別是當(dāng)制造碳纖維目付小的預(yù)浸料坯時(shí)，由于容易產(chǎn)生孔眼的缺陷，因此不好。
作為用于前述高壓縮破裂變形層上碳纖維預(yù)浸料坯所使用的碳纖維，可采用樹脂系碳纖維、聚丙烯腈系碳纖維中的任一種，但最好采用瀝青系碳纖維。此外作為高壓縮破裂變形層的碳纖維預(yù)浸料坯所使用的基質(zhì)樹脂，可選用從環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯樹脂、酚醛樹脂、硅酮樹脂、聚氨酯樹脂、尿素樹脂、三聚氰胺樹脂等中選出的熱固性樹脂或熱塑性樹脂，但最好是環(huán)氧樹脂。
本發(fā)明中對(duì)預(yù)浸料坯的強(qiáng)化纖維目付沒有特別的限制，通常采用20～300g/m2、最好是50～200g/m2的范圍。在設(shè)計(jì)強(qiáng)化纖維目付大于300g/m2的管狀體時(shí)，設(shè)計(jì)自由度受到限制，因此不好。此外，在制造強(qiáng)化纖維目付小于20g/m2的管狀體時(shí)，由于預(yù)浸料坯易起皺，因此也不好。
為了提供具有良好的彎曲破斷強(qiáng)度、由纖維強(qiáng)化復(fù)合材料制成的管狀體，前述高壓縮破裂變形層是這樣形成的碳纖維在相對(duì)于管狀體縱向0°～±15°、較好是在0°～±10°、更好是在與管狀體大致平行的0°～±5°的范圍內(nèi)取向，使這樣取向的碳纖維預(yù)浸料坯疊層。前述高壓縮破裂變形層可在管狀體的縱向整個(gè)區(qū)域內(nèi)疊層。在僅將前述高壓縮破裂變形層沿管狀體縱向一部分內(nèi)疊層的情況下，在疊層有前述高壓縮破裂變形層的部分上可賦予該管狀體良好的彎曲強(qiáng)度與耐沖擊性能，但是在沒有疊層前述高壓縮破裂變形層的部分上不能期望其會(huì)產(chǎn)生彎曲破斷強(qiáng)度與耐沖擊性能的提高。因此，通過將前述高壓縮破裂變形層在管狀體的縱向整個(gè)區(qū)域內(nèi)疊層，可提高管狀體縱向整體的彎曲強(qiáng)度與耐沖擊性能。而且，應(yīng)兼顧彎曲破斷強(qiáng)度與耐沖擊性能的提高部分，以此實(shí)現(xiàn)管狀體的輕量化。
形成前述高壓縮破裂變形層的預(yù)浸料坯可疊層在本發(fā)明的纖維強(qiáng)化復(fù)合材料制成的管狀體的壁厚方向的任一位置，更好的是疊層在該管狀體較外側(cè)，最好疊層在該管狀體的最外層上。
此外，作為形成該高壓縮破裂變形層的預(yù)浸料坯，當(dāng)可分成兩片以上時(shí)，可分別采用同一形狀或者不同形狀的預(yù)浸料坯。
前述高壓縮破裂變形層可組合使用斜交層、筆直層、環(huán)帶層中任一種或者兩種以上。與在前述管狀體半徑方向的壁厚的前述高壓縮破裂變形層相比，其它的層、即斜交層、筆直層、環(huán)帶層中任一種或者兩種以上組合而成的層相對(duì)于前述變形層的比率為50∶1～1∶50、較好的是20∶1～1∶20、最好是15∶1～1∶15。
作為本發(fā)明的強(qiáng)化纖維預(yù)浸料坯，可使用織物預(yù)浸料坯、單向預(yù)浸料坯，但最好用單向預(yù)浸料坯。由于要實(shí)現(xiàn)固定強(qiáng)化纖維的目的，所以該單向預(yù)浸料坯可稀疏地通過緯線。
本發(fā)明的管狀成形體的高壓縮破裂變形層、斜交層、筆直層、環(huán)帶層各層的Vf通常為40～90v°1％，最好是50～75v°1％。
本發(fā)明在強(qiáng)化纖維預(yù)浸料坯上重疊玻璃纖維織物，并將其形成卷繞的管狀體，可增大管狀體的抗壓強(qiáng)度。
本發(fā)明的纖維強(qiáng)化復(fù)合材料制成的管狀體可以是錐形管狀體，也可以是非錐形的軸向平行的管狀體。


圖1是心軸或各層所用的預(yù)浸料坯各自的平面圖及由實(shí)施例1制造的管狀體的斷面圖；圖2是心軸或各層所用的預(yù)浸料坯各自的平面圖及由實(shí)施例2制造的管狀體的斷面圖。
以下描述的實(shí)施例不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。
本發(fā)明的三點(diǎn)抗彎試驗(yàn)在以下條件下進(jìn)行支點(diǎn)間距300mm、壓頭半徑R75mm、支點(diǎn)半徑R12.5mm、試驗(yàn)速度5mm/min。
此外，本發(fā)明的沖擊試驗(yàn)在以下條件下進(jìn)行采用米倉制作所制造的落錘型沖擊試驗(yàn)機(jī)(IITM-18型)、支點(diǎn)間距300mm、壓頭半徑R75mm、支點(diǎn)半徑R12.5mm、落錘重量766g、落下高度1800mm、沖擊時(shí)落錘速度6.0mm/sec。
壓縮彈性模量、壓縮破裂變形根據(jù)纖維強(qiáng)化復(fù)合材料的壓縮試驗(yàn)法ASTM D3410進(jìn)行，根據(jù)從壓縮重量與試驗(yàn)片的斷面積計(jì)算的壓縮應(yīng)力和從貼于壓縮試驗(yàn)片上的應(yīng)變片得到的壓縮變形，測定壓縮彈性模量。而且，本發(fā)明的壓縮彈性模量的值為Vf60％換算值。此外，壓縮破裂變形為混合壓縮試驗(yàn)的實(shí)測值。拉伸彈性模量的值為根據(jù)ASTM D3039測定得到的值。
制造非錐形管狀體的實(shí)施例(實(shí)施例1、比較例1、2)在直徑為6.0mm、長度為1200mm的心軸上涂布作為脫模劑的由リソヒィ(株式會(huì)社)制造的石蠟后，使用作為斜交層的由東麗(株式會(huì)社)制造的P3052S-12的預(yù)浸料坯，將分別在心軸上可纏繞3周而裁斷所得的正負(fù)2片斜交層預(yù)浸料坯以相當(dāng)于軸半周的距離使一方與另一方交錯(cuò)重疊后，卷繞在心軸上，其中該正負(fù)斜交層預(yù)浸料坯的碳纖維相對(duì)于心軸的縱向分別以+45°、-45°取向。
使用作為筆直層的由東麗(株式會(huì)社)制造的P8055S-12的預(yù)浸料坯，將在斜交層上可纏繞4周而裁斷的筆直層預(yù)浸料坯(1張)卷繞在斜交層上，其中該預(yù)浸料坯的強(qiáng)化纖維應(yīng)與軸的縱向平行。
然后，作為高壓縮破裂變形層，在各實(shí)施例及比較例中每次變化地使用表1中所示的各種單方向預(yù)浸料坯，所述預(yù)浸料坯在筆直層上可纏繞3周而裁斷所得的高壓縮破裂變形層卷繞在筆直層上，其中該預(yù)浸料坯的強(qiáng)化纖維平行于心軸的縱向。把收縮膠層卷繞在由以上的疊層(卷繞的)得到的疊層體上，在加熱130℃脫泡硬化后，拔出心軸而得到管狀體。圖1表示在拔出心軸之前管狀體的斷面圖。圖中，1表示心軸的平面圖，2a為正的斜交層預(yù)浸料坯、2b為負(fù)的斜交層預(yù)浸料坯、3為筆直層預(yù)浸料坯、4為高壓縮破裂變形層預(yù)浸料坯各自的平面圖。管狀體外徑為9.0mm。所得到的管狀體的三點(diǎn)抗彎曲物理特性及沖擊物理特性表示在表1中。
如表1所示，實(shí)施例1的管狀體具有良好的三點(diǎn)抗彎曲破裂載荷(彎曲破斷強(qiáng)度)、三點(diǎn)抗彎曲破裂撓度和沖擊吸收載荷。比較例1的管狀體的三點(diǎn)抗彎曲破裂載荷、三點(diǎn)抗彎曲破裂撓度和沖擊吸收能量低，性能差。比較例2的管狀體的三點(diǎn)抗彎曲破裂載荷、三點(diǎn)抗彎曲破裂撓度和沖擊吸收能量也低，性能差。
制造錐形管狀體的實(shí)施例(實(shí)施例2、比較例3)使用全長為1200mm、細(xì)徑直徑為6mm、粗徑直徑為13.2mm的錐形心軸，將各層從細(xì)徑側(cè)到粗徑側(cè)、以一定疊層數(shù)地如圖2(b)～(e)所示形狀裁斷，斜交層是正負(fù)斜交層，它們應(yīng)使用由分別以在心軸上可纏繞2.5周而裁斷得到的預(yù)浸料坯，斜交層以相當(dāng)于軸半周的距離一方與另一方交錯(cuò)重疊后，卷繞在軸上，其中正負(fù)斜交層預(yù)浸料坯的碳纖維相對(duì)于心軸縱向分另以+45°、-45°取向。筆直層以3周地疊層、高壓縮破裂變形層以2周地疊層，其余同非錐形管狀體同樣地制造。
各層使用的預(yù)浸料坯示于表2中。各實(shí)施例及比較例的高壓縮破裂變形層使用不同種類的預(yù)浸料坯，比較軸的性能。
圖2表示在拔出心軸前錐形管狀體的斷面圖。圖中1表示心軸的平面圖，2a為正的斜交層預(yù)浸料坯、2b為負(fù)的斜交層預(yù)浸料坯、3為筆直層預(yù)浸料坯、4為高壓縮破裂變形層預(yù)浸料坯各自的平面圖。
管狀體軸的細(xì)徑側(cè)端部外徑為8.2mm、粗徑側(cè)端部的外徑為15.5mm。而且把該軸從細(xì)徑側(cè)端部起按400mm和800mm的部分切斷，從而得到直徑不同的長度為400mm的3種試驗(yàn)體。把3種試驗(yàn)體各自切出的軸段分別稱為細(xì)徑部分、中央部分和粗徑部分。表2表示所得到的軸的三點(diǎn)抗彎曲物理特性。
表2所示的實(shí)施例2的軸的細(xì)徑部分、中央部分及粗徑部分中任一部分都具有良好的三點(diǎn)抗彎曲破裂載荷。比較例3的軸的細(xì)徑部分、中央部分、和粗徑部分中任一部分的三點(diǎn)抗彎曲破裂載荷都低、性能差。
本實(shí)施例中在心軸上可按斜交層、筆直層的順序疊層，也可按筆直層、斜交層的順序疊層。
各實(shí)施例及比較例使用的預(yù)浸料坯的詳細(xì)情況如下(1)東麗(株式會(huì)社)制造的P3052S-12聚丙烯腈系碳纖維T700S(拉伸彈性模量230GPa、壓縮破裂變形1.4％、壓縮彈性模量130GPa)、碳纖維目付125g/m2、環(huán)氧樹脂含量33wt％。
(2)東麗(株式會(huì)社)制造的P8055S-12聚丙烯腈系碳纖維M30S(拉伸彈性模量300GPa、壓縮破裂變形0.9％、壓縮彈性模量175GPa)、碳纖維目付125g/m2、環(huán)氧樹脂含量24wt％。
(3)日本石墨纖維(株式會(huì)社)制造的E0526A-10瀝青系碳纖維XN-05(拉伸彈性模量50GPa、壓縮破裂變形2.9％、壓縮彈性模量32GPa)、碳纖維目付100g/m2、環(huán)氧樹脂含量37wt％。
(4)新日鐵化學(xué)(株式會(huì)社)制造的GE-100玻璃纖維(拉伸彈性模量73GPa、壓縮破裂變形1.3％、壓縮彈性模量44GPa)、玻璃纖維目付100g/m2、環(huán)氧樹脂含量35wt％。
(5)日本石墨纖維(株式會(huì)社)制造的E1526C-10瀝青系碳纖維XN-15(拉伸彈性模量150GPa、壓縮破裂變形1.8％、壓縮彈性模量85GPa)、碳纖維目付100g/m2、環(huán)氧樹脂含量33wt％。表1非錐形管狀體三點(diǎn)抗彎曲物理特性及沖擊物理特性
*1壓縮破裂變形是把高壓縮破裂變形層所用的碳纖維作為單向的復(fù)合材料時(shí)，0°方向的壓縮破裂變形值。
*2壓縮彈性模量是把高壓縮破裂變形層所用的碳纖維作為單向的復(fù)合材料時(shí)碳纖維的體積含量按60％換算后，在0°方向的壓縮彈性模量值。表2錐形管狀體的三點(diǎn)抗彎曲物理特性
1壓縮破裂變形是把高壓縮破裂變形層所用的碳纖維作為單向的復(fù)合材料時(shí)，0°方向的壓縮破裂變形值。
*2壓縮彈性模量是把高壓縮破裂變形層所用的碳纖維作為單向的復(fù)合材料時(shí)碳纖維的體積含量按60％換算后，在0°方向的壓縮彈性模量值。
如上所述，由本發(fā)明可得到具有良好的抗彎曲破裂強(qiáng)度、抗彎曲破裂撓度、沖擊吸收能量的纖維復(fù)合材料制成的管狀體。
權(quán)利要求
1．一種纖維強(qiáng)化復(fù)合材料制成的管狀體，其特征是它含有高壓縮破裂變形層，該高壓縮破裂變形層含有在相對(duì)于管狀體縱向0°～±15°的范圍內(nèi)取向的碳纖維，相對(duì)于該高壓縮破裂變形層取向方向的壓縮破裂變形為1～5％，且在把該碳纖維的纖維體積含量按60％換算后，所得碳纖維取向方向的壓縮彈性模量為3～120GPa。
2．如權(quán)利要求1所述的纖維強(qiáng)化復(fù)合材料制成的管狀體，其特征是所述管狀體還含有斜交層及筆直層。
3．如權(quán)利要求1或2所述的纖維強(qiáng)化復(fù)合材料制成的管狀體，其特征是所述管狀體還含有環(huán)帶層。
4．如權(quán)利要求1或2所述的纖維強(qiáng)化復(fù)合材料制成的管狀體，其特征是所述高壓縮破裂變形層所使用的碳纖維為瀝青系碳纖維或者聚丙烯腈系碳纖維。
5．如權(quán)利要求4所述的纖維強(qiáng)化復(fù)合材料制成的管狀體，其特征是所述斜交層及筆直層所使用的強(qiáng)化纖維是從碳纖維、玻璃纖維、聚芳基酰胺纖維、陶瓷纖維、硼纖維、金屬纖維中選出的纖維。
6．如權(quán)利要求5所述的纖維強(qiáng)化復(fù)合材料制成的管狀體，其特征是所述斜交層或筆直層含有碳纖維，且在把該碳纖維的纖維體積含量按60％換算后，所得碳纖維取向方向的壓縮彈性模量為125～600Gpa。
7．如權(quán)利要求4所述的纖維強(qiáng)化復(fù)合材料制成的管狀體，其特征是在纖維強(qiáng)化復(fù)合材料制成的管狀體的半徑方向，所述高壓縮破裂變形層的壁厚與除該高壓縮破裂變形層外其它層的總壁厚之比率為50∶1～1∶50。
全文摘要
為獲得具有良好的抗彎曲破裂強(qiáng)度、抗彎曲破裂撓度、沖擊吸收能量的纖維復(fù)合材料制成的管狀體,使該管狀體含有高壓縮破裂變形層,該高壓縮破裂變形層含有在相對(duì)于管狀體縱向0°～±15°的范圍內(nèi)取向的碳纖維,相對(duì)于該高壓縮破裂變形層取向方向的壓縮破裂變形為1～5%,且在把該碳纖維的纖維體積含量按60%換算后,所得碳纖維取向方向的壓縮彈性模量為3～120GPa。
文檔編號(hào)B29C70/06GK1217443SQ9812456
公開日1999年5月26日 申請(qǐng)日期1998年10月23日 優(yōu)先權(quán)日1997年10月24日
發(fā)明者竹村振一, 早田喜穗, 大野秀幸, 島美樹男, 荒井豐, 中西朋宏 申請(qǐng)人:日本石油株式會(huì)社, 日本石墨纖維株式會(huì)社, 新日本制鐵株式會(huì)社