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JP2005262818A - Reinforcing fiber substrate, preform and method for producing reinforcing fiber substrate - Google Patents

Reinforcing fiber substrate, preform and method for producing reinforcing fiber substrate Download PDF

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JP2005262818A
JP2005262818A JP2004082650A JP2004082650A JP2005262818A JP 2005262818 A JP2005262818 A JP 2005262818A JP 2004082650 A JP2004082650 A JP 2004082650A JP 2004082650 A JP2004082650 A JP 2004082650A JP 2005262818 A JP2005262818 A JP 2005262818A
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Japan
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reinforcing fiber
base material
resin
fabric
yarn
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Application number
JP2004082650A
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Japanese (ja)
Inventor
Ikuo Horibe
郁夫 堀部
Eisuke Wadahara
英輔 和田原
Hiroki Kihara
弘樹 木原
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Toray Industries Inc
Original Assignee
Toray Industries Inc
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Publication date
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Abstract

【課題】形態安定性などの取り扱い性に優れるだけでなく、高い力学的特性の複合材料が得られ、マトリックス樹脂の含浸性にも優れる強化繊維基材、プリフォームおよび強化繊維基材の製造方法に提供する。
【解決手段】マトリックス樹脂を含浸して成形された複合材に用いる強化繊維基材であって、強化繊維基材は、少なくとも、連続した強化繊維糸条を一方向に並行するように引き揃えた強化繊維糸条群から構成され、少なくとも片方の表面に樹脂材料が間隙を有した形態で2〜15重量%付着しているとともに、基材が周期的な凹凸を有することを特徴とする強化繊維基材、それを用いたプリフォーム、およびその強化繊維基材の製造方法。
【選択図】図1
Reinforced fiber substrate, preform, and method for producing a reinforced fiber substrate, which not only have excellent handling properties such as form stability but also provide a composite material with high mechanical properties and excellent matrix resin impregnation properties To provide.
A reinforcing fiber base material used for a composite material impregnated with a matrix resin, wherein the reinforcing fiber base material has at least continuous reinforcing fiber yarns arranged in parallel in one direction. Reinforcing fiber comprising a group of reinforcing fiber yarns and having a resin material adhering to at least one surface in a form having a gap in an amount of 2 to 15% by weight, and the substrate has periodic irregularities A base material, a preform using the base material, and a method for producing the reinforcing fiber base material.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、繊維強化プラスチック(以下、FRPと言うこともある。)からなる複合材料ならびにそれを成形するのに適した強化繊維基材、プリフォームおよび強化繊維基材の製造方法に関する。より詳しくは、後述するRTMやVaRTMにより高品質の複合材料を製造するにあたり、高い繊維体積含有率(Vf)にもかかわらず、マトリックス樹脂の含浸が良好で、例えば航空機の翼や胴体などの構造体に適する優れた力学的特性(特にCAI)を発現せしめる強化繊維基材、プリフォームおよび強化繊維基材の製造方法に関する。   The present invention relates to a composite material made of a fiber reinforced plastic (hereinafter sometimes referred to as FRP), a reinforced fiber base material suitable for molding the preform, a preform, and a method for producing the reinforced fiber base material. More specifically, in the production of high-quality composite materials by RTM and VaRTM, which will be described later, the impregnation of the matrix resin is good despite the high fiber volume content (Vf), for example, structures such as aircraft wings and fuselage The present invention relates to a reinforcing fiber base, a preform, and a method for producing a reinforcing fiber base that exhibit excellent mechanical properties (particularly CAI) suitable for the body.

従来より、航空機構造部材などの高品質が要求される複合材料の製造方法として、強化繊維基材にあらかじめマトリックス樹脂を含浸させたプリプレグを用い、これを型に積層した上でバッグフィルムで覆い、オートクレーブ(加熱加圧炉)内で加熱、加圧し、樹脂を硬化させるオートクレーブ成形法が多用されている。この成形法は、複合材料においてもボイドの発生が少なく、均質であるとともに高品質であることから好ましく使用されている。   Conventionally, as a method for producing a composite material such as an aircraft structural member that requires high quality, a prepreg impregnated with a matrix resin in advance on a reinforcing fiber base is laminated on a mold and covered with a bag film. An autoclave molding method in which a resin is cured by heating and pressurizing in an autoclave (heating and pressurizing furnace) is often used. This molding method is preferably used because the generation of voids is small even in a composite material, and it is homogeneous and of high quality.

しかし、近年成形および材料コストの低減を図るべくオートクレーブを使用せずに、上型と下型の間に形成されたキャビティにドライ状態の強化繊維基材をセットし、クリアランス内を真空減圧し液状のマトリックス樹脂の注入を行うResin Transfer Molding process(以下、RTMと記す。)や、成形型上にドライ状態の強化繊維基材を積層し、バッグフィルムで覆いバッグ内を真空にした後、マトリックス樹脂を注入するいわゆる減圧注入成形法(Vacuum assisted Resin Transfer Molding process、以下、VaRTMと記す。)などの注入成形法が航空機構造部材に適用されてきつつある。   However, in recent years, without using an autoclave in order to reduce molding and material costs, a reinforced fiber base material in a dry state is set in a cavity formed between an upper die and a lower die, and the clearance is evacuated to reduce the liquid Resin Transfer Molding process (hereinafter referred to as RTM) for injecting the matrix resin, and laminating a reinforcing fiber substrate in a dry state on the mold, covering it with a bag film and evacuating the bag, then the matrix resin An injection molding method such as a so-called vacuum assisted resin transfer molding process (hereinafter referred to as VaRTM) is being applied to aircraft structural members.

上記RTMなどにおいては、複合材料の生産性には優れるが、ドライ状態の強化繊維基材に樹脂を含浸させる必要があることから低粘度樹脂が用いられ、プリプレグに用いられる高粘度樹脂に比べ力学的特性に劣るといった問題があった。   In the above RTM and the like, although the productivity of the composite material is excellent, a low-viscosity resin is used because it is necessary to impregnate the resin in the reinforcing fiber base in a dry state, and the mechanical strength is higher than that of the high-viscosity resin used for the prepreg. There was a problem that it was inferior in a characteristic.

かかる問題に対し、特許文献1、2、非特許文献1、2などには、強化繊維基材を積層したプリフォームの層間に間隙を有する熱可塑性樹脂層を配置する技術や、エポキシ樹脂と熱可塑性樹脂粒子とを配合した樹脂を織物上に塗布する技術により、RTMなどによって得られる複合材料の力学的特性(耐層間剥離性や層間破壊靭性など)を向上させる技術が提案されている。   With respect to such problems, Patent Documents 1 and 2, Non-Patent Documents 1 and 2 and the like describe a technique for arranging a thermoplastic resin layer having a gap between layers of preforms laminated with reinforcing fiber bases, and an epoxy resin and a thermal resin. There has been proposed a technique for improving the mechanical properties (such as delamination resistance and delamination toughness) of a composite material obtained by RTM or the like by applying a resin blended with plastic resin particles onto a fabric.

しかしながら、上記提案では、力学的特性を向上させるために配置した熱可塑性樹脂層、または、エポキシ樹脂と熱可塑性樹脂粒子とを配合した樹脂などにより、マトリックス樹脂の含浸性が大幅に低下するといった問題が生じ、本来の目的である高い生産性を得ることができずにいた。すなわち、力学的特性とマトリックス樹脂の含浸性を両立できる強化繊維基材、プリフォームは上記提案では達成されておらず、かかる課題を両立できる技術が望まれていた。
国際公開特許WO00−61363号公報(請求項1) 国際公開特許WO03−04758号公報(請求項1) Journal of Advanced Materials, Volume 32, No.3, July 2000, P27-34 Composites part A, Volume 32, 2001, P721-729
However, in the above proposal, there is a problem that the impregnation property of the matrix resin is significantly lowered by the thermoplastic resin layer arranged for improving the mechanical characteristics or the resin containing the epoxy resin and the thermoplastic resin particles. As a result, high productivity, which is the original purpose, could not be obtained. That is, the reinforcing fiber base material and the preform that can achieve both the mechanical properties and the impregnation property of the matrix resin have not been achieved by the above proposal, and a technology that can satisfy such problems has been desired.
International Patent Publication No. WO00-61363 (Claim 1) International Patent Publication No. WO03-04-758 (Claim 1) Journal of Advanced Materials, Volume 32, No.3, July 2000, P27-34 Composites part A, Volume 32, 2001, P721-729

本発明の目的は、上述した従来技術の問題点を解決すること、すなわち、形態安定性などの取り扱い性に優れるだけでなく、高い力学的特性(特にCompression After Impact、以下、CAIと呼ぶ。)の複合材料が得られ、マトリックス樹脂の含浸性にも優れる強化繊維基材、プリフォームおよび強化繊維基材の製造方法に提供することにある。   The object of the present invention is not only to solve the above-mentioned problems of the prior art, that is, not only excellent in handling properties such as form stability but also high mechanical properties (in particular, after compression impact, hereinafter referred to as CAI). It is to provide a reinforcing fiber substrate, a preform, and a method for producing a reinforcing fiber substrate, which are excellent in impregnation of a matrix resin.

上記課題を解決するために、本発明に係る強化繊維基材は、強化繊維基材にマトリックス樹脂を含浸して成形された複合材に用いる強化繊維基材であって、前記強化繊維基材は、少なくとも、連続した強化繊維糸条を一方向に並行するように引き揃えた強化繊維糸条群から構成され、かつ、少なくとも片方の表面に樹脂材料が間隙を有した形態で2〜15重量%付着しているとともに、前記強化繊維基材が周期的な凹凸を有することを特徴とするものからなる。   In order to solve the above problems, a reinforcing fiber base material according to the present invention is a reinforcing fiber base material used for a composite material formed by impregnating a reinforcing fiber base material with a matrix resin, and the reinforcing fiber base material is 2 to 15% by weight in the form of at least a reinforcing fiber yarn group in which continuous reinforcing fiber yarns are aligned so as to be parallel in one direction, and the resin material has a gap on at least one surface The reinforcing fiber base material is adhered, and the reinforcing fiber base material has periodic irregularities.

また、本発明のプリフォームは、このような強化繊維基材が、2層以上積層されたものであり、かつ、前記強化繊維基材同士が前記樹脂材料により少なくとも部分的に接着されて一体化されていることを特徴とするものである。   The preform of the present invention is such that two or more layers of such reinforcing fiber base materials are laminated, and the reinforcing fiber base materials are integrated at least partially by the resin material. It is characterized by being.

また、本発明の強化繊維基材の製造方法は、強化繊維糸条を用いて布帛を形成し、該布帛に樹脂材料を接着した後あるいは接着させながら、表面に凹凸パターンを有するローラで、樹脂材料接着布帛の表面を加圧することを特徴とする方法からなる。   Further, the method for producing a reinforcing fiber base material of the present invention comprises a roller having a concavo-convex pattern on the surface after forming a fabric using reinforcing fiber yarns and bonding or adhering a resin material to the fabric. The method comprises pressing the surface of the material-bonded fabric.

あるいは、本発明の強化繊維基材の製造方法は、強化繊維糸条を用いて布帛を形成し、該布帛に樹脂材料を接着した後あるいは接着させながら、表面に凹凸パターンを有する凹凸シートを樹脂材料接着布帛と引き揃えて、平滑なローラにて加圧することを特徴とする方法からなる。   Or the manufacturing method of the reinforced fiber base material of this invention forms a fabric using a reinforced fiber thread | yarn, resin-bonds the uneven | corrugated sheet | seat which has an uneven | corrugated pattern on the surface, after bonding the resin material to this fabric or bonding. It consists of the method characterized by aligning with material adhesive cloth and pressing with a smooth roller.

本発明に係る強化繊維基材によれば、少なくとも強化繊維基材表面に樹脂材料が間隙を有した状態で2〜20重量%付着しているとともに周期的な凹凸を有するため、この強化繊維基材の積層体を用いてRTMやVaRTMにより複合材料を成形する際に、取り扱い性が良好で樹脂含浸性が優れるとともに高い力学的特性(特にCAI)が得られる。   According to the reinforcing fiber base according to the present invention, since the resin material adheres at least on the surface of the reinforcing fiber base with a gap of 2 to 20% by weight and has periodic irregularities, this reinforcing fiber base When a composite material is molded by RTM or VaRTM using a laminate of materials, the handleability is good, the resin impregnation property is excellent, and high mechanical properties (particularly CAI) are obtained.

また、本発明に係るプリフォームによれば、前記強化繊維基材同士が前記樹脂材料により少なくとも部分的に接着されて一体化しているため、取り扱い性に優れ、複合材料の優れた生産性を達成できる。   Further, according to the preform according to the present invention, the reinforcing fiber bases are at least partially bonded and integrated with each other by the resin material, so that the handling property is excellent and the productivity of the composite material is excellent. it can.

さらに、本発明に係る強化繊維基材の製造方法によれば、前記強化繊維基材の要件を満たすように表面に凹凸パターンを有するローラや、凹凸パターンを有する凹凸シートを樹脂材料接着布帛と引き揃えて、平滑なローラにて加圧することにより製造するため、取り扱い性に優れ、高い力学的特性(特にCAI)の複合材料が得られ、かつ、良好なマトリックス樹脂の含浸性を達成できる。   Furthermore, according to the method for producing a reinforcing fiber base according to the present invention, a roller having a concavo-convex pattern on the surface or a concavo-convex sheet having a concavo-convex pattern is drawn with a resin material adhesive fabric so as to satisfy the requirements of the reinforcing fiber base. In addition, since it is manufactured by pressing with a smooth roller, a composite material having excellent handling properties, high mechanical properties (especially CAI) can be obtained, and good matrix resin impregnation can be achieved.

以下に、まず本発明に係る強化繊維基材の望ましい実施の形態を、図面を参照して説明する。
図1は、本発明の一実施態様に係る強化繊維基材の斜視図である。また、図2は、図1の強化繊維基材における強化繊維糸条の長手方向に並行する方向の強化繊維糸条に沿った断面の模式図である。
Hereinafter, preferred embodiments of the reinforcing fiber base according to the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a perspective view of a reinforcing fiber base according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic view of a cross section along the reinforcing fiber yarn in a direction parallel to the longitudinal direction of the reinforcing fiber yarn in the reinforcing fiber substrate of FIG.

図1において、本発明の強化繊維基材1は、長手方向に並行に配向されたたて糸となる強化繊維糸条2に対し、直交方向に、よこ糸3が強化繊維糸条2の1本毎に交互に上下に配列された一方向性織物4からなる布帛であって、かつ、該布帛の少なくとも片方の表面の全面に樹脂材料5が間隙を有した形態で付着している。さらに、図2に示すように強化繊維基材1は、この基材1の平面方向に周期的な凹部6と凸部7を有している。さらに、この凸部7および凹部6は強化繊維糸条2と樹脂材料5により構成されている。また、この強化繊維基材1の周期的な凹凸は、図3に示すように凹凸部の凹部6に樹脂材料が存在しない形態であっても構わない。   In FIG. 1, the reinforcing fiber base 1 of the present invention has a weft yarn 3 for each of the reinforcing fiber yarns 2 in the orthogonal direction with respect to the reinforcing fiber yarns 2 that become warps oriented in parallel in the longitudinal direction. The cloth is composed of unidirectional woven fabrics 4 alternately arranged one above the other, and the resin material 5 adheres to the entire surface of at least one surface of the cloth with a gap. Furthermore, as shown in FIG. 2, the reinforcing fiber base 1 has periodic recesses 6 and protrusions 7 in the plane direction of the base 1. Further, the convex portion 7 and the concave portion 6 are constituted by the reinforcing fiber yarn 2 and the resin material 5. Moreover, the periodic unevenness | corrugation of this reinforced fiber base material 1 may be a form in which the resin material does not exist in the recessed part 6 of an uneven | corrugated | grooved part as shown in FIG.

そして、樹脂材料は布帛表面に付着しており、強化繊維基材を積層してプリフォームを得る際に基材同士の接着性を発現する。これにより、布帛における強化繊維糸条の目ずれを防ぎ、基材の形態安定性に優れるようになる。   And the resin material has adhered to the fabric surface, and when the reinforcing fiber base material is laminated | stacked and a preform is obtained, the adhesiveness of base materials will be expressed. As a result, misalignment of the reinforcing fiber yarns in the fabric is prevented and the shape stability of the substrate is excellent.

また、力学的特性の面からは、少なくとも布帛の表面に樹脂材料が接着していないと、複数枚が積層されて形成される疑似等方積層構成を有する複合材料の衝撃付与後の圧縮特性(CAI)に劣る。かかるCAIは複合材料が航空機の構造部材(特に一次構造部材)として用いられる場合、非常に重要視される力学的特性であり、複合材料を構造部材に適用するに際し、高いCAIを有している必要性が高いものである。   From the standpoint of mechanical properties, if the resin material is not adhered to at least the surface of the fabric, the compression property after application of impact of the composite material having a pseudo isotropic laminated structure formed by laminating a plurality of sheets ( CAI) is inferior. Such a CAI is a mechanical characteristic that is very important when a composite material is used as an aircraft structural member (particularly a primary structural member), and has a high CAI when the composite material is applied to the structural member. There is a high necessity.

本発明で用いる樹脂材料は、強化繊維基材を積層して得られる複合材料において、クラックストッパーの役目および複合材料の残留応力を緩和する役目を果たす。特に、複合材料が衝撃を受けた際に基材層間の損傷抑制の役目を果たし、優れた力学的特性(特にCAI)、すなわち高靭性化効果をもたらす。   The resin material used in the present invention plays a role of a crack stopper and a role of relieving residual stress of the composite material in a composite material obtained by laminating reinforcing fiber substrates. In particular, when the composite material receives an impact, it plays a role of suppressing damage between the base material layers, and provides excellent mechanical properties (especially CAI), that is, a toughening effect.

高靭性化効果に加え、少なくとも布帛の表面に樹脂材料が接着していると、基材を積層した場合に、布帛表面に付着している樹脂材料がスペーサとなって、隣接する基材の間にスペースを形成する。これを樹脂材料によるスペーサ効果と呼称するが、このスペーサ効果は、マトリックス樹脂が積層された基材に注入するされ複合材料が成形される際、マトリックス樹脂の流路形成の役目を果たす。これにより、マトリックス樹脂の基材への含浸が容易になるだけでなく、その含浸速度も速くなり、複合材料の優れた生産性をもたらす。   In addition to the toughening effect, at least if the resin material is bonded to the surface of the fabric, when the base material is laminated, the resin material adhering to the fabric surface becomes a spacer, and between adjacent base materials To form a space. This is referred to as a spacer effect by a resin material, and this spacer effect serves to form a flow path of the matrix resin when it is injected into a base material on which the matrix resin is laminated and a composite material is molded. This not only facilitates the impregnation of the matrix resin into the substrate, but also increases the impregnation rate, leading to excellent productivity of the composite material.

このスペーサ効果は、樹脂材料の高靭性化効果を複合材料の基材層間に集中して発現させる役目も果たす。その結果、より一層高い高靭性化効果がもたらされる。これを樹脂材料による層間強化効果と呼称する。   This spacer effect also plays a role of concentrating the toughening effect of the resin material between the base materials of the composite material. As a result, an even higher toughening effect is brought about. This is referred to as an interlayer strengthening effect by the resin material.

樹脂材料による高靭性化効果、スペーサ効果、層間強化効果は、樹脂材料が基材表面に偏在している、特に樹脂材料が実質的に布帛の表面にのみ存在していると、より一層高いレベルで発揮される。   The toughening effect, the spacer effect, and the interlayer strengthening effect due to the resin material are even higher when the resin material is unevenly distributed on the substrate surface, particularly when the resin material exists substantially only on the surface of the fabric. Demonstrated in

樹脂材料は、基材単層においては、片側表面に偏在して接着していてもよいし、両側の表面に偏在して接着していてもよい。より低コストに基材を製造する場合は、前者が好ましい。基材の表裏の使い分けをしたくない場合は、後者が好ましい。   In the base material single layer, the resin material may be unevenly distributed and adhered to one surface, or may be unevenly distributed and adhered to both surfaces. When manufacturing a base material at lower cost, the former is preferable. The latter is preferred when you do not want to use the front and back of the substrate properly.

基材が多層の場合においては、その積層体の中央層に位置する基材のみに両面に接着し、それ以外の各層は片面のみ接着しておくと、積層体の各層間に樹脂材料が配置できるため、本発明の好ましい態様の一つといえる。   When the base material is a multilayer, the resin material is placed between each layer of the laminate if it is adhered to both sides only to the substrate located in the center layer of the laminate and only one side is adhered to each other layer. Therefore, it can be said to be one of the preferred embodiments of the present invention.

また、樹脂材料は空隙部を有した状態で接着されている。つまり、点状、線状または不連続線状である。点状に付着させるためには、粉体を強化繊維基材表面に散布し、熱融着させるとよい。また、線状または不連続線状に付着させるためには、不織布や織物などの連続繊維からなる布帛を一旦作製した後、強化繊維基材表面に貼り合わせ熱融着させること良い。このようにすることにより、プリフォーム作製において適度な接着性を有するとともに、複合材料の成形時には強化繊維基材の厚み方向への樹脂の含浸を阻害することがない。   The resin material is bonded in a state having a gap. That is, it is a dot, line or discontinuous line. In order to adhere in a dotted manner, the powder is preferably dispersed on the surface of the reinforcing fiber base and heat-sealed. Moreover, in order to make it adhere in a linear form or a discontinuous linear form, after producing the fabric which consists of continuous fibers, such as a nonwoven fabric and a textile fabric, it is good to stick and heat-seal on the surface of a reinforced fiber base material. By doing so, it has appropriate adhesiveness in preform production and does not hinder impregnation of the resin in the thickness direction of the reinforcing fiber base during molding of the composite material.

また、この樹脂材料は周期的な凹凸を有している。すなわち、周期的な凹凸を有していることから、強化繊維基材を積層した際に隣接する層間の少なくとも樹脂材料が付着した基材表面には、規則的にマトリックス樹脂の流路となる凹部を確保することができるので、安定して樹脂含浸させることができる。これにより、マトリックス樹脂が拡散しにくい層間の面内方向においてもマトリックス樹脂の拡散速度を速くすることができ、短時間に樹脂含浸が可能となる。なお、ここでいう周期的な凹凸とは、図4〜図7に示すようないずれの形態、つまり、凸部が図4に示す丸形、図5に示す角形、図6に示す菱形、図7に示す亀甲形のいずれの形態であっても構わない。ここで、図4に示す強化繊維基材10においては、周期的な凹凸は、丸形の凸部11と凸部11間の凹部12から形成されている。また、図5に示す強化繊維基材20においては、周期的な凹凸は、角形の凸部21と凸部21間の凹部22から形成されている。また、図6に示す強化繊維基材30においては、周期的な凹凸は、菱形の凸部31と凸部31間の凹部32から形成されている。さらに、図7に強化繊維基材40においては、周期的な凹凸は、亀甲形の凸部41と凸部41間の凹部42から形成されている。   Moreover, this resin material has periodic unevenness. In other words, since it has periodic irregularities, at least the resin surface between the adjacent layers when the reinforcing fiber substrate is laminated has a recess that regularly becomes a matrix resin flow path. Therefore, the resin can be stably impregnated. Accordingly, the diffusion rate of the matrix resin can be increased even in the in-plane direction between the layers where the matrix resin is difficult to diffuse, and the resin can be impregnated in a short time. In addition, the periodic unevenness | corrugation here means any form as shown in FIGS. 4-7, ie, a convex part is the round shape shown in FIG. 4, the square shape shown in FIG. 5, the rhombus shown in FIG. Any form of the turtle shell shape shown in FIG. Here, in the reinforced fiber base material 10 shown in FIG. 4, the periodic unevenness is formed from a circular convex portion 11 and a concave portion 12 between the convex portions 11. Further, in the reinforcing fiber base 20 shown in FIG. 5, the periodic unevenness is formed from a rectangular convex portion 21 and a concave portion 22 between the convex portions 21. Further, in the reinforcing fiber base 30 shown in FIG. 6, the periodic irregularities are formed from rhombic convex portions 31 and concave portions 32 between the convex portions 31. Further, in the reinforcing fiber base 40 shown in FIG. 7, the periodic unevenness is formed from a turtle shell-shaped convex portion 41 and a concave portion 42 between the convex portions 41.

そして、凹凸の凹部が連続していると、マトリックス樹脂の流路の連続性が確保されるので、より一層短時間にマトリックス樹脂の含浸が可能になるとともに未含浸部分がより発生しにくいことから好ましい。   If the concave and convex portions are continuous, the continuity of the matrix resin flow path is ensured, so that the matrix resin can be impregnated in a shorter time and the non-impregnated portion is less likely to occur. preferable.

なお、この基材表面の凹凸はあまり大きくなりすぎると、層間における樹脂の流動性は向上するものの、凹凸面に接して配置される隣接する強化繊維基材の強化繊維が屈曲し、複合材料における力学的特性が低下する場合がある。一方、樹脂材料が薄すぎると樹脂の流動性が低下することから所望のCAIが得られない。かかる観点から強化繊維基材における凹凸面の最大高さ(Rz)は2〜100μmであることが好ましい。より好ましくは、5〜70μm、さらに好ましくは、8〜50μmである。なお、ここでいう凹凸面の最大高さ(Rz)は、レーザ変位計を用いた3次元形状測定器(例えば、シグマ光機社製3次元形状測定システムEMS98−3D)などの非接触変位計を用いることによって測定することができる。   If the unevenness on the surface of the base material becomes too large, the fluidity of the resin between the layers is improved, but the reinforcing fiber of the adjacent reinforcing fiber base disposed in contact with the uneven surface is bent, and in the composite material Mechanical properties may be reduced. On the other hand, when the resin material is too thin, the fluidity of the resin is lowered, and thus a desired CAI cannot be obtained. From this viewpoint, it is preferable that the maximum height (Rz) of the concavo-convex surface in the reinforcing fiber base is 2 to 100 μm. More preferably, it is 5-70 micrometers, More preferably, it is 8-50 micrometers. Here, the maximum height (Rz) of the uneven surface is a non-contact displacement meter such as a three-dimensional shape measuring instrument using a laser displacement meter (for example, a three-dimensional shape measuring system EMS98-3D manufactured by Sigma Koki Co., Ltd.). Can be measured.

また、凹部の溝幅は、あまり大きくなりすぎると層間における樹脂の流動性は向上するものの、凹凸面に接して配置される隣接する強化繊維基材の強化繊維が屈曲し、複合材料における力学的特性が低下する場合がある。一方、溝幅が小さくなりすぎると樹脂の流動性が低下する。かかる観点から凹部の溝幅は、0.2〜1mmが好ましい。より好ましくは0.3〜0.5mmである。   In addition, if the groove width of the concave portion becomes too large, the fluidity of the resin between the layers is improved, but the reinforcing fibers of the adjacent reinforcing fiber base disposed in contact with the concave and convex surfaces are bent, and the mechanical strength in the composite material is increased. The characteristics may deteriorate. On the other hand, if the groove width becomes too small, the fluidity of the resin is lowered. From this viewpoint, the groove width of the recess is preferably 0.2 to 1 mm. More preferably, it is 0.3-0.5 mm.

また、溝のピッチは、3〜30mmが好ましい。3mm未満であると、樹脂流路の数が増え樹脂含浸はしやすくなるものの、層間におけるマトリックス樹脂量が多くなり、複合材料のVfが低下してしまう。一方、30mmより大きいと溝のピッチが大きくなり過ぎ樹脂の含浸性が低下する。このため溝のピッチは、3〜30mmが好ましい。   The groove pitch is preferably 3 to 30 mm. If it is less than 3 mm, the number of resin flow paths increases and resin impregnation is facilitated, but the amount of matrix resin between layers increases and Vf of the composite material decreases. On the other hand, if it is larger than 30 mm, the pitch of the grooves becomes too large and the impregnation property of the resin is lowered. Therefore, the groove pitch is preferably 3 to 30 mm.

強化繊維基材は少なくとも強化繊維基材の片側の表面に樹脂材料が2〜15重量%付着している。より好ましくは6〜14重量%、さらに好ましくは8〜13重量%である。樹脂材料を上記範囲で有していることにより、基材の一層高い形態安定性がもたらされる。さらに、基材を積層する際に、基材同士のタック性(粘着性)、基材の適度なコシがもたらされる。その結果、形態安定に優れ、積層が容易かつ自動化が可能な強化繊維基材を得ることができる。かかる特性は、2重量%未満では発現しにくい。   In the reinforcing fiber base, 2 to 15% by weight of the resin material is adhered to at least one surface of the reinforcing fiber base. More preferably, it is 6-14 weight%, More preferably, it is 8-13 weight%. By having the resin material in the above range, higher morphological stability of the substrate is brought about. Furthermore, when the base materials are laminated, tackiness (adhesiveness) between the base materials and appropriate stiffness of the base materials are brought about. As a result, it is possible to obtain a reinforcing fiber base material that is excellent in form stability, can be easily laminated, and can be automated. Such characteristics are less likely to be manifested at less than 2% by weight.

この強化繊維基材表面に付着している樹脂材料は、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂またはそれらの混合物である。プリフォームとしての接着性のみが要求される場合においては、熱硬化性樹脂あるいは熱可塑性樹脂をそれぞれ単独で用いてもよいが、CAIなどの耐衝撃性が要求される場合においては、靭性の優れた熱可塑性樹脂と低粘度化しやすく強化繊維基材への接着が容易な熱硬化性樹脂との混合物を用いると、適度の靭性を有しながら強化繊維シートへの適度な接着性を有することから好ましい。熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂などである。熱可塑性樹脂としては、ポリ酢酸ビニル、ポリカーボナート、ポリアセターアル、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフイド、ポリアリレート、ポリエステル、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアラミド、ポリベンゾイミダゾール、ポリエチレン、ポリプロピレン、酢酸セルロース、酪酸セルロースなどである。   The resin material adhering to the surface of the reinforcing fiber base is a thermosetting resin, a thermoplastic resin, or a mixture thereof. When only adhesiveness as a preform is required, a thermosetting resin or a thermoplastic resin may be used alone. However, when impact resistance such as CAI is required, the toughness is excellent. When using a mixture of a thermoplastic resin and a thermosetting resin that is easy to lower the viscosity and easy to adhere to the reinforcing fiber base, it has appropriate adhesiveness to the reinforcing fiber sheet while having appropriate toughness. preferable. Examples of the thermosetting resin include an epoxy resin, an unsaturated polyester resin, a vinyl ester resin, and a phenol resin. As thermoplastic resins, polyvinyl acetate, polycarbonate, polyacetal, polyphenylene oxide, polyphenylene sulfide, polyarylate, polyester, polyamideimide, polyimide, polyetherimide, polysulfone, polyethersulfone, polyetheretherketone, Examples thereof include polyaramid, polybenzimidazole, polyethylene, polypropylene, cellulose acetate, and cellulose butyrate.

本発明に用いる強化繊維基材を構成する強化繊維糸条としては、炭素繊維やガラス繊維、アラミド繊維やPBO(ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール)繊維などの高強度、高弾性率繊維である。なかでも、炭素繊維は、これらの繊維の中でもより高強度、高弾性率であることから、優れた力学的特性の複合材料が得られることからより好ましい。さらに好ましくは、引張強さが4500MPa以上で、かつ、引張弾性率が250GPa以上の炭素繊維であると、より優れたコンポジット特性が得られる。   The reinforcing fiber yarn constituting the reinforcing fiber substrate used in the present invention is a high-strength, high-modulus fiber such as carbon fiber, glass fiber, aramid fiber or PBO (polyparaphenylene benzobisoxazole) fiber. Among these, carbon fiber is more preferable because it has higher strength and higher elastic modulus among these fibers, and thus a composite material having excellent mechanical properties can be obtained. More preferably, when the carbon fiber has a tensile strength of 4500 MPa or more and a tensile elastic modulus of 250 GPa or more, more excellent composite characteristics can be obtained.

また、強化繊維布帛の形態としては、強化繊維糸条を一方向に配列させたいわゆるトウシートや強化繊維糸条を一方向または二方向に配列させた一方向性織物や二方向性織物などである。ここで、トウシートにおいては基材への樹脂含浸性を向上させるためにストランド間に適度の隙間を確保するように強化繊維を配列すると良い。なかでも、たて糸に強化繊維糸条を用いよこ糸に細い補助糸を用いた一方向性織物は、強化繊維糸条の真直性が大きいことから優れたコンポジット特性が得られるとともにたて糸とよこ糸の交錯により並行する強化繊維間に空隙部が形成され、基材厚み方向への適度な樹脂パスを形成することができることから好ましい。   The form of the reinforcing fiber fabric includes a so-called tow sheet in which reinforcing fiber yarns are arranged in one direction, a unidirectional fabric in which reinforcing fiber yarns are arranged in one direction or in two directions, and a bidirectional fabric. . Here, in the tow sheet, in order to improve the resin impregnation property to the base material, it is preferable to arrange the reinforcing fibers so as to ensure an appropriate gap between the strands. Among them, unidirectional fabrics using reinforcing fiber yarns for warp yarns and thin auxiliary yarns for weft yarns have excellent composite properties due to the great straightness of the reinforcing fiber yarns, and the combination of warp yarns and weft yarns. A void portion is formed between the parallel reinforcing fibers, and an appropriate resin path in the thickness direction of the base material can be formed, which is preferable.

なかでも、複合材料が航空機などの構造部材に使用される一方向性ノンクリンプ織物が好ましい。かかる一方向性ノンクリンプ織物については、例えば特許第3279049号公報、特開2003−82117号公報に詳しく記載されている。   Among these, a unidirectional non-crimp fabric in which the composite material is used for a structural member such as an aircraft is preferable. Such unidirectional non-crimp fabrics are described in detail in, for example, Japanese Patent No. 3279049 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-82117.

また、一方向性織物や一方向性ノンクリンプ織物におけるよこ方向補助糸としては、繊度が50〜500デシテックスの細い繊維が好ましい。繊度が小さいと、よこ糸が存在することによるたて糸のクリンプを極力小さくすることができ好ましい。なかでもよこ方向補助糸の単糸直径が10〜100μmで撚り数が50ターン/m以下であれば、強化繊維織物を製造する際に強化繊維糸条に作用する張力によって交錯しているよこ方向補助糸が押さえつけられ、よこ方向補助糸の単糸が一直線状に並び表面凹凸小さくできることから好ましい。   Further, as the weft direction auxiliary yarn in the unidirectional woven fabric or the unidirectional non-crimp woven fabric, fine fibers having a fineness of 50 to 500 dtex are preferable. When the fineness is small, the warp crimp due to the presence of the weft yarn can be minimized, which is preferable. In particular, if the single yarn diameter of the auxiliary yarn is 10 to 100 μm and the number of twists is 50 turns / m or less, the weft direction is interlaced by the tension acting on the reinforcing fiber yarn when producing the reinforcing fiber fabric. This is preferable because the auxiliary yarn is pressed down and the single weft-direction auxiliary yarns are arranged in a straight line and the surface unevenness can be reduced.

糸の種類としては、並行する補強繊維糸を一体に保持するためのものであることから特に限定されず、炭素繊維やガラス繊維などの無機繊維、ポリアラミド繊維、ビニロン繊維、ポリエステル繊維、ポリアミド繊維などの有機繊維が使用できる。   The type of yarn is not particularly limited because it is for holding parallel reinforcing fiber yarns together, inorganic fiber such as carbon fiber and glass fiber, polyaramid fiber, vinylon fiber, polyester fiber, polyamide fiber, etc. Organic fiber can be used.

また、強化繊維布帛における強化繊維糸条の糸幅は、2〜10mmであることが好ましい。これは、強化繊維糸条束の断面形状は楕円状であり、互いに並行に配列する強化繊維糸条束間が強化繊維基材の厚み方向へのマトリックス樹脂の流路となり、糸幅が大きいと強化繊維糸条束間のピッチが大きくなり、基材厚み方向への樹脂流路の数が少なくなることでマトリックス樹脂の含浸性が低下する。また、糸幅が小さいと強化繊維糸条束間のピッチが小さくなり、基材厚み方向への樹脂流路の数が増えるので、マトリックス樹脂の含浸性は向上するものの楕円形状の強化繊維束が小さな周期で配列することから隣接する層の強化繊維のうねりが大きくなり力学的特性が低下する。このため、強化繊維布帛における強化繊維糸条の糸幅は、2〜10mmであることが好ましい。より好ましくは、4〜8mmである。   Moreover, it is preferable that the yarn width of the reinforcing fiber yarn in the reinforcing fiber fabric is 2 to 10 mm. This is because the cross-sectional shape of the reinforcing fiber yarn bundle is elliptical, and the space between the reinforcing fiber yarn bundles arranged in parallel to each other becomes a flow path of the matrix resin in the thickness direction of the reinforcing fiber base material, and the yarn width is large. The pitch between the reinforcing fiber yarn bundles is increased, and the number of resin flow paths in the thickness direction of the substrate is reduced, so that the impregnation property of the matrix resin is lowered. In addition, if the yarn width is small, the pitch between the reinforcing fiber yarn bundles is reduced, and the number of resin flow paths in the thickness direction of the base material is increased. Therefore, although the impregnation property of the matrix resin is improved, an elliptical reinforcing fiber bundle is formed. Since the arrangement is made with a small period, the undulation of the reinforcing fiber in the adjacent layer becomes large, and the mechanical properties are deteriorated. For this reason, it is preferable that the yarn width of the reinforcing fiber yarn in the reinforcing fiber fabric is 2 to 10 mm. More preferably, it is 4-8 mm.

また、強化繊維基材の凸部の厚みから求められる強化繊維の体積率Vffは、35〜55%であることが好ましい。より好ましくは、38〜53%、特に好ましくは40〜53%である。なお、ここでいう強化繊維基材の厚みとは、JIS R7602(炭素繊維織物の試験方法)に従って測定される厚みのことであり、50kPaに圧力を20秒間かけたときの厚みを5箇所測定し、その平均値で表されるものである。   Moreover, it is preferable that the volume fraction Vff of the reinforced fiber calculated | required from the thickness of the convex part of a reinforced fiber base material is 35 to 55%. More preferably, it is 38 to 53%, and particularly preferably 40 to 53%. Here, the thickness of the reinforcing fiber substrate is a thickness measured according to JIS R7602 (Testing method for carbon fiber fabric), and the thickness when a pressure is applied to 50 kPa for 20 seconds is measured at five locations. It is expressed by the average value.

強化繊維の体積率Vffが35%未満であると、特に真空圧によりマトリックス樹脂を含浸させるVaRTMでは、大気圧以上の圧力がかからないため、基材の嵩、すなわち強化繊維の体積率Vffを所望の範囲に制御できず、得られる複合材料の強化繊維体積含有率Vfも力学的特性に適する50〜65%に制御することができないだけでなく、所望の厚みの複合材料を得ることができない。さらには、得られる複合材料中での基材層がうねり、得られる複合材料の力学的特性、特に圧縮強度を著しく低下させる。係る問題は積層構成に関しては、基材層の積層構成が斜行の場合には、成形に関しては、雄型もしくは雌型の一方のみ成形型を用い、もう一方に柔軟なバック材を用いる場合に特に顕在化する。すなわち力学的特性に優れ軽量化効果を高く発現する複合材料は得られない。   When the volume ratio Vff of the reinforcing fiber is less than 35%, VaRTM in which the matrix resin is impregnated particularly by vacuum pressure does not apply a pressure higher than the atmospheric pressure, so the volume of the substrate, that is, the volume ratio Vff of the reinforcing fiber is desired. It cannot be controlled within the range, and the reinforcing fiber volume content Vf of the obtained composite material cannot be controlled to 50 to 65% suitable for mechanical properties, and a composite material having a desired thickness cannot be obtained. Furthermore, the base material layer in the resulting composite material is swelled, and the mechanical properties of the resulting composite material, particularly the compressive strength, are significantly reduced. The problem is that regarding the laminated structure, if the laminated structure of the base material layer is skewed, only one of the male mold or female mold is used for molding, and a flexible back material is used for the other. Especially manifest. That is, it is not possible to obtain a composite material that has excellent mechanical properties and exhibits a high weight reduction effect.

一方、強化繊維の体積率Vffが55%を越えると、VaRTMの場合においては、密に充填されすぎた強化繊維がマトリックス樹脂の流れを阻害する結果、含浸性が悪くなり、未含浸部分(ボイド)を有する複合材料しか得られない。   On the other hand, if the volume fraction Vff of the reinforcing fibers exceeds 55%, in the case of VaRTM, the reinforcing fibers that are packed too tightly impede the flow of the matrix resin, resulting in poor impregnation and non-impregnated portions (voids). Only a composite material with) is obtained.

かかる強化繊維の体積率Vffを35〜55%の範囲に制御することにより、得られる複合材料における強化繊維体積含有率Vfおよび寸法を、所望の範囲に厳密に制御し、高い力学的特性を発現することが可能となるのである。   By controlling the volume fraction Vff of the reinforcing fiber in the range of 35 to 55%, the reinforcing fiber volume content Vf and the dimension in the obtained composite material are strictly controlled to a desired range, and high mechanical properties are expressed. It becomes possible to do.

なお、本発明での強化繊維基材の凸部の厚み(JIS R7602)から算出される強化繊維体積率Vffとは、次式で求めた値をいう(単位は%)。なお、ここで用いた記号は下記に準ずる。ここで、測定に供する基材は、製造した後、少なくとも24時間経過し、スプリングバック量が実質的に飽和したものを用いる。
Vff=W/(ρ×Tf×10) (%)
W :強化繊維基材1m2当たりの強化繊維の重量(g/m2
ρ :強化繊維の密度(g/cm3
Tf:JIS R7602に沿って測定した強化繊維基材の厚さ(mm)
The reinforcing fiber volume fraction Vff calculated from the thickness of the convex portion of the reinforcing fiber base in the present invention (JIS R7602) refers to a value obtained by the following formula (unit:%). The symbols used here are as follows. Here, the base material to be used for the measurement is one that has been substantially saturated in the amount of springback after at least 24 hours has elapsed since it was manufactured.
Vff = W / (ρ × Tf × 10) (%)
W: Weight of reinforcing fiber per 1 m 2 of reinforcing fiber substrate (g / m 2 )
ρ: Density of reinforcing fiber (g / cm 3 )
Tf: Reinforced fiber base material thickness measured in accordance with JIS R7602 (mm)

本発明に係るプリフォームは、強化繊維基材が、2層以上積層されたものであり、かつ、前記強化繊維基材同士が前記樹脂材料により少なくとも部分的に接着されて一体化しているものである。係る接着が強化繊維基材の全面に及んでいると、プリフォームの取り扱い性が劣ったり、マトリックス樹脂の含浸性を阻害することがある。かかる接着は、複数の積層された強化繊維基材が一体化したプリフォームとして運搬などの取り扱いができればよく、基材同士が部分的に接着しているものが好ましい態様といえる。   The preform according to the present invention is a laminate in which two or more layers of reinforcing fiber bases are laminated, and the reinforcing fiber bases are at least partially bonded and integrated by the resin material. is there. When such adhesion extends over the entire surface of the reinforcing fiber substrate, the handleability of the preform may be inferior or the impregnation property of the matrix resin may be impaired. Such adhesion is only required to be handled as a preform in which a plurality of laminated reinforcing fiber substrates are integrated, and it is preferable that the substrates are partially bonded to each other.

本発明に係る強化繊維基材の製造方法は、強化繊維糸条を用いて布帛を形成し、樹脂材料を接着した後あるいは接着させながら表面に凹凸パターンを有するローラで強化繊維基材表面を加圧するものである。また、本発明の他の製造方法は、強化繊維糸条を用いて布帛を形成し、樹脂材料を接着した後あるいは接着させながら表面に凹凸パターンを有する凹凸シートを強化繊維布帛と引き揃えて平滑なローラにて加圧するものである。   The method for producing a reinforced fiber base material according to the present invention comprises forming a fabric using reinforced fiber yarns, and adding the surface of the reinforced fiber base material with a roller having a concavo-convex pattern on the surface after or after bonding the resin material. Pressure. In another manufacturing method of the present invention, a fabric is formed using reinforced fiber yarns, and after the resin material is bonded or bonded, a concavo-convex sheet having a concavo-convex pattern on the surface is aligned with the reinforced fiber fabric and smoothed. Pressure is applied by a small roller.

より具体的に説明すると、多数本の強化繊維糸条をクリールスタンドなどに仕掛けたボビンから引き出し、製織工程などを経て強化繊維布帛を形成する。その後、この強化繊維布帛に固体状の樹脂材料を塗布または貼り合わせた後樹脂材料を溶融させ接着する。この場合の樹脂材料は、粉体あるいは不織布、織物、編物などの布帛を用いることができる。そして、この強化繊維基材に樹脂材料を接着した後あるいは接着させながら表面に周期的な凹凸パターンを有するローラで強化繊維基材表面を加圧することにより、ローラ表面の凹凸が強化繊維基材表面に接着された樹脂材料に転写され、強化繊維基材の表面に周期的な凹凸を設けた強化繊維基材を得ることができる。また、この表面に周期的な凹凸を有するローラの替わりに表面に凹凸パターンを有する凹凸シートを強化繊維布帛と引き揃えて平滑なローラにて加圧することによっても同様に強化繊維基材の表面に周期的な凹凸を設けた強化繊維基材を得ることができる。   More specifically, a reinforced fiber fabric is formed through a weaving process or the like by drawing a large number of reinforcing fiber yarns from a bobbin mounted on a creel stand or the like. Thereafter, a solid resin material is applied or bonded to the reinforcing fiber fabric, and then the resin material is melted and bonded. In this case, the resin material may be a powder or a fabric such as a nonwoven fabric, a woven fabric, or a knitted fabric. Then, after bonding the resin material to the reinforcing fiber base, or pressing the surface of the reinforcing fiber base with a roller having a periodic uneven pattern on the surface while bonding the resin material, the unevenness of the roller surface becomes the surface of the reinforcing fiber base. It can be transferred to the resin material adhered to the reinforced fiber base material, and a reinforced fiber base material having periodic unevenness on the surface of the reinforced fiber base material can be obtained. Alternatively, instead of a roller having a periodic unevenness on the surface, an uneven sheet having an uneven pattern on the surface is aligned with the reinforcing fiber fabric and pressed with a smooth roller in the same manner to the surface of the reinforcing fiber substrate. A reinforcing fiber substrate having periodic irregularities can be obtained.

なお、表面に凹凸パターンを有する凹凸シートは、フィルム、不織布、マットなどの表面にエンボス加工を行ったものや、周期的な凹凸を有する強化繊維布帛にフッ素樹脂などの優れた離型性を有する樹脂を含浸させたシートなどである。   In addition, the uneven | corrugated sheet | seat which has an uneven | corrugated pattern on the surface has excellent releasability, such as what carried out embossing on the surface, such as a film, a nonwoven fabric, and a mat | matte, and the reinforcing fiber cloth which has a periodic unevenness | corrugation, such as a fluororesin For example, a sheet impregnated with a resin.

以下、実施例により、本発明をさらに詳細に説明する。実施例および比較例に用いる原材料は下記の通りである。
・強化繊維糸条:PAN系炭素繊維、フィラメント数:24,000本、繊度:1,030tex、引張強度:5830MPa、引張弾性率:294GPa。
・ガラス繊維糸条:ECE225 1/0 1.0Z、繊度:22.5tex、バインダー”DP”(日東紡社製)。
・ポリアミド66繊維糸条:繊度:1.7tex、フィラメント数:7本。
・樹脂材料:ポリエーテルスルフォン樹脂(住友化学工業(株)製”スミカエクセル”5003P)60重量%(主成分)と次のエポキシ樹脂組成物40重量%(副成分)とを2軸押出機にて溶融混練したものを冷凍粉砕したもの。平均粒子径D50((株)セイシン企業製LMS−24で測定)115μm、ガラス転位点92℃。
エポキシ樹脂組成物−ジャパンエポキシレジン(株)製”エピコート”806を21重量部、日本化薬(株)製NC−3000を12.5重量部、および、日産化学工業(株)製TEPIC−Pを4重量部を、100℃で均一になるまで攪拌したもの。
・マトリックス樹脂:次の主液100重量部に次の硬化液を39重量部加え、80℃にて均一攪拌したエポキシ樹脂組成物。80℃におけるE型粘度計による粘度:55mPa・s、180℃で2時間硬化後のガラス転位点:197℃、曲げ弾性率:3.3GPa。
・主液:エポキシとして、Vantico(株)製”アラルダイト”MY−721を40重量部、ジャパンエポキシレジン(株)製”エピコート”825を35重量部、日本化薬(株)製GANを15重量部、およびジャパンエポキシレジン(株)製”エピコート”630を10重量部、70℃で1時間攪拌して均一溶解させたもの。
・硬化液:ポリアミンとして、ジャパンエポキシレジン(株)製”エピキュア”Wを70重量部、三井化学ファイン(株)製3,3’ジアミノジフェニルスルフォンを20重量部、および住友化学工業製”スミキュア”Sを10重量部、100℃で1時間攪拌して均一にした後70℃に降温し、硬化促進剤として宇部興産(株)製t−ブチルカテコール、2重量部をさらに70℃で30分間攪拌して均一溶解させたもの。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. The raw materials used in the examples and comparative examples are as follows.
-Reinforcing fiber yarn: PAN-based carbon fiber, number of filaments: 24,000, fineness: 1,030 tex, tensile strength: 5830 MPa, tensile elastic modulus: 294 GPa.
Glass fiber yarn: ECE225 1/0 1.0Z, fineness: 22.5 tex, binder “DP” (manufactured by Nittobo).
Polyamide 66 fiber yarn: fineness: 1.7 tex, number of filaments: 7.
Resin material: Polyether sulfone resin (Sumitomo Chemical Co., Ltd. “Sumika Excel” 5003P) 60% by weight (main component) and the following epoxy resin composition 40% by weight (subcomponent) in a twin screw extruder What was melt-kneaded and freeze-ground. Average particle diameter D 50 (measured with LMS-24 manufactured by Seishin Co., Ltd.) 115 μm, glass transition point 92 ° C.
Epoxy resin composition—21 parts by weight of “Epicoat” 806 manufactured by Japan Epoxy Resin Co., Ltd., 12.5 parts by weight of NC-3000 manufactured by Nippon Kayaku Co., Ltd., and TEPIC-P manufactured by Nissan Chemical Industries, Ltd. 4 parts by weight were stirred at 100 ° C. until uniform.
Matrix resin: An epoxy resin composition obtained by adding 39 parts by weight of the next curing liquid to 100 parts by weight of the next main liquid and stirring uniformly at 80 ° C. Viscosity by E-type viscometer at 80 ° C .: 55 mPa · s, glass transition point after curing at 180 ° C. for 2 hours: 197 ° C., flexural modulus: 3.3 GPa.
Main liquid: As epoxy, 40 parts by weight of “Araldite” MY-721 manufactured by Vantico Co., Ltd., 35 parts by weight of “Epicoat” 825 manufactured by Japan Epoxy Resin Co., Ltd., 15 parts by weight of GAN manufactured by Nippon Kayaku Co., Ltd. And 10 parts by weight of “Epicoat” 630 manufactured by Japan Epoxy Resin Co., Ltd., and uniformly dissolved by stirring at 70 ° C. for 1 hour.
Curing solution: 70 parts by weight of “Epicure” W manufactured by Japan Epoxy Resin Co., Ltd., 20 parts by weight of 3,3′diaminodiphenylsulfone manufactured by Mitsui Chemicals Fine Co., Ltd., and “SumiCure” manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd. 10 parts by weight of S and stirred at 100 ° C. for 1 hour to make it uniform and then cooled to 70 ° C., and as a curing accelerator, 2 parts by weight of Ube Industries, Ltd. t-butylcatechol was further stirred at 70 ° C. for 30 minutes. And uniformly dissolved.

実施例1
図8は、本発明の実施例1の強化繊維基材の態様を示す斜視模式図である。強化繊維糸条のたて糸51、ガラス繊維糸条をたて補助糸条52、ポリアミド66繊維糸条をよこ補助糸条53として、たて糸51とたて補助糸条52とを交互に1本おきに配列し、よこ補助糸条53と平織組織に製織して、たて補助糸条52よこ補助糸条53とを交錯させ、強化繊維糸条51を一体に保持した布帛54である一方向性ノンクリンプ織物(織物A)を得た。織物Aは、布帛厚み0.2mm、強化繊維目付193g/m2、たて糸(たて補助糸条)密度1.8本/cmであった。
Example 1
FIG. 8 is a schematic perspective view showing an aspect of the reinforcing fiber base of Example 1 of the present invention. Reinforcement fiber yarn warp 51, glass fiber yarn warp auxiliary yarn 52, polyamide 66 fiber yarn is weft auxiliary yarn 53, and warp yarn 51 and warp auxiliary yarn 52 alternately. A unidirectional non-crimp, which is a fabric 54 that is arranged and woven into a weft auxiliary yarn 53 and a plain weave structure, crossing the warp auxiliary yarn 52 and the weft auxiliary yarn 53, and holding the reinforcing fiber yarn 51 integrally. A woven fabric (woven fabric A) was obtained. The fabric A had a fabric thickness of 0.2 mm, a reinforcing fiber basis weight of 193 g / m 2 , and a warp (warp auxiliary yarn) density of 1.8 yarns / cm.

かかる織物Aの上に、粒子状の樹脂材料55を、エンボスローラとドクターブレードにて計量しながら自由落下させた。この際、自重で落下している粒子は、振動ネットを通過し均一に布帛の片表面に塗布した。粒子状の粒子材料塗布量は、後述の基材Aの14重量%となるようにした。さらに、遠赤外線ヒータにて180〜200℃に加熱しながら、表面に周期的な凹凸を有する離型処理をした金属ニップローラ(エンボスローラ)にて加圧して、粒子状の樹脂材料を織物Aに接着し、その後に自然冷却して巻き取り、強化繊維基材50である基材Aを得た。なお、エンボスローラにおける凸の形状は図4に示したものと同じ円形状であり、円の中心径:9mm、凸部の中心間距離が10mm、溝幅が0.5mm、溝部の深さは40μmであった。   On the fabric A, the particulate resin material 55 was freely dropped while being measured with an embossing roller and a doctor blade. At this time, the particles falling under their own weight passed through the vibration net and were uniformly applied to one surface of the fabric. The amount of the particulate particle material applied was 14% by weight of the base material A described later. Furthermore, while heating to 180-200 ° C. with a far-infrared heater, pressing is performed with a metal nip roller (embossing roller) that has been subjected to a release treatment having periodic irregularities on the surface, and the particulate resin material is applied to the fabric A. After bonding, the substrate was naturally cooled and wound up to obtain a substrate A which is a reinforcing fiber substrate 50. The convex shape of the embossing roller is the same circular shape as shown in FIG. 4. The center diameter of the circle is 9 mm, the center distance between the convex portions is 10 mm, the groove width is 0.5 mm, and the depth of the groove portion is It was 40 μm.

得られた基材Aは、基材厚み0.234mm、基材Aの凸部の厚みから求められる強化繊維体積率Vffは46%、基材目付236g/m2、凸部の中心間距離:Pは10mm、溝幅:wは0.45mm、最大高さ(Rz)は、40μmであった。 The obtained base material A has a base material thickness of 0.234 mm, a reinforcing fiber volume ratio Vff obtained from the thickness of the convex part of the base material A of 46%, a base material weight of 236 g / m 2 , and a center-to-center distance between the convex parts: P was 10 mm, groove width: w was 0.45 mm, and the maximum height (Rz) was 40 μm.

得られた基材Aを、[−45°/0°/+45°/90°]積層構成に積層し、この積層構成を3回繰り返したものを2組用意し、それを90°層を向き合わせて鏡面対称積層になるように貼り合わた。かかる積層体を平面型に配置し、シーラントとバッグ材(ポリアミドフィルム)にて密閉して、減圧吸引口を設けたキャビティを形成した。減圧吸引口から真空ポンプによってキャビティ内を真空に減圧し、賦形型を60℃に温調した。この状態で2時間保持し、室温に冷却してから吸引を停止して取り出しプリフォームAを得た。そして、このプリフォームAを、平面状の成形型(アルミニウム製)に配置し、プリフォーム上に樹脂拡散媒体(金属製メッシュ)を配置して、シーラントとバッグ材にて、密閉して樹脂注入口と減圧吸引口を設けたキャビティを形成した。減圧吸引口から真空ポンプによってキャビティ内を真空に減圧し、成形型およびプリフォームを60℃に温調した。次いで、事前に調合・真空脱泡したマトリックス樹脂を60℃に保ちながら、樹脂注入口から大気圧を利用して注入した。マトリックス樹脂が減圧吸引口に到達した時に注入口を閉じて注入を停止した。それ以降は、減圧吸引口から減圧を続けながら180℃で2時間保持し、マトリックス樹脂を硬化させ、複合材料Aを得た。複合材料Aは、強化繊維の体積率Vfが55%で、どこにもピンホールやボイドが見あたらず、樹脂含浸は良好であった。また、樹脂含浸時における樹脂の含浸時間も同時に測定した。なお、樹脂の含浸時間は、後述の比較例との比較のため、本実施例でかかった時間を100とした指数で相対評価した。   The obtained base material A was laminated in a [−45 ° / 0 ° / + 45 ° / 90 °] laminated structure, and two sets of this laminated structure repeated three times were prepared. They were pasted together to form a mirror-symmetric laminate. Such a laminate was placed in a planar shape and sealed with a sealant and a bag material (polyamide film) to form a cavity provided with a vacuum suction port. The inside of the cavity was depressurized by a vacuum pump from the vacuum suction port, and the shaping mold was temperature-controlled at 60 ° C. This state was maintained for 2 hours, and after cooling to room temperature, the suction was stopped and the preform A was obtained. Then, this preform A is placed in a flat mold (made of aluminum), a resin diffusion medium (metal mesh) is placed on the preform, and sealed with a sealant and a bag material. A cavity provided with an inlet and a vacuum suction port was formed. The inside of the cavity was evacuated to a vacuum from a vacuum suction port by a vacuum pump, and the temperature of the mold and the preform was adjusted to 60 ° C. Next, the matrix resin prepared and vacuum degassed in advance was poured from the resin inlet using atmospheric pressure while maintaining the temperature at 60 ° C. When the matrix resin reached the vacuum suction port, the injection port was closed to stop the injection. Thereafter, the matrix resin was cured by maintaining at 180 ° C. for 2 hours while continuing to reduce the pressure from the reduced pressure suction port, and composite material A was obtained. In the composite material A, the volume fraction Vf of the reinforcing fibers was 55%, no pinholes or voids were found anywhere, and the resin impregnation was good. The resin impregnation time during resin impregnation was also measured. The resin impregnation time was relatively evaluated by an index with the time taken in this example as 100 for comparison with a comparative example described later.

さらに、得られた複合材料Aを用いて、SACMA SRM 2R−94に準拠して23℃におけるCAIを測定した。なお、衝撃は5.44kg(12ポンド)の錘を落下させて6.67kJ/m(270in・lb)の落錘衝撃エネルギーとした。   Furthermore, using the obtained composite material A, CAI at 23 ° C. was measured according to SACMA SRM 2R-94. The impact was obtained by dropping a weight of 5.44 kg (12 pounds) to obtain a weight impact energy of 6.67 kJ / m (270 in · lb).

比較例1
比較例1として、樹脂材料を用いなかった他は実施例1と同じようにして一方向性ノンクリンプ織物をそのまま用いることで強化繊維基材Bを得た。得られた基材Bにおいては、樹脂材料が付着していないことから基材表面の周期的な凹凸は存在しなかった。また、得られた基材Bは、基材厚み0.201mm、基材Bの凸部の厚みから求められる強化繊維体積率Vffは54%、基材目付193g/m2、最大高さ(Rz)は、150μmであった。さらに、実施例1と同じようにしてプリフォームBを作製するとともに樹脂含浸を行い、複合材料Bを得た。得られた複合材料Bは、マトリックス樹脂のゲル化時間を経過してもプリフォーム全体に樹脂含浸させるまでには至らず、樹脂が未含浸の複合材料となってしまった。このため、CAIの評価は行うことができなかった。
Comparative Example 1
As Comparative Example 1, a reinforced fiber base material B was obtained by using a unidirectional non-crimp fabric as it was in the same manner as in Example 1 except that no resin material was used. In the obtained base material B, since the resin material did not adhere, the periodic unevenness | corrugation of the base-material surface did not exist. In addition, the obtained base material B has a base material thickness of 0.201 mm, a reinforcing fiber volume ratio Vff obtained from the thickness of the convex portion of the base material B of 54%, a base material weight of 193 g / m 2 , and a maximum height (Rz ) Was 150 μm. Further, a preform B was produced in the same manner as in Example 1, and resin impregnation was performed to obtain a composite material B. The obtained composite material B did not reach the entire preform with resin impregnation even after the gelling time of the matrix resin had elapsed, and became a composite material without resin impregnation. For this reason, CAI could not be evaluated.

比較例2
比較例2として、エンボスローラを用いずに、表面が平滑な金属ニップローラを用いた他は実施例1と同様にして強化繊維基材Cを得た。得られた基材Cは、表面平滑な金属ロールで加圧しながらニップしたことから基材表面に周期的な凹凸が存在しなかった。なお、得られた基材Cは、基材厚み0.225mm、基材Aの凸部の厚みから求められる強化繊維体積率Vffは48%、基材目付236g/m2、最大高さ(Rz)は、14μmであった。さらに、実施例1同様にしてプリフォームCを作製するとともにマトリックス樹脂の含浸を行い複合材料Cを作製した。得られた複合材料Cは、強化繊維の体積率Vfは56%で、樹脂含浸は良好であったものの樹脂含浸に要する時間が実施例1の1.45倍要した。これら実施例1、比較例1、2の結果を表1に示す。
Comparative Example 2
As Comparative Example 2, a reinforcing fiber substrate C was obtained in the same manner as in Example 1 except that a metal nip roller having a smooth surface was used without using an embossing roller. Since the obtained base material C was nipped while being pressed with a smooth metal roll, there was no periodic unevenness on the base material surface. In addition, the obtained base material C has a base material thickness of 0.225 mm, a reinforcing fiber volume ratio Vff obtained from the thickness of the convex portion of the base material A is 48%, a base material weight is 236 g / m 2 , and a maximum height (Rz ) Was 14 μm. Further, a preform C was produced in the same manner as in Example 1, and a composite material C was produced by impregnation with a matrix resin. The obtained composite material C had a reinforcing fiber volume fraction Vf of 56%, and although the resin impregnation was good, the time required for resin impregnation was 1.45 times that of Example 1. The results of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 are shown in Table 1.

Figure 2005262818
Figure 2005262818

表1から明らかなように、実施例1の基材A、比較例2の基材Cは、織物上に接着した樹脂材料により、織物の目ずれ、蛇行などが生じない形態安定性を有し、また、これらをプリフォーム化する際に優れたタック性を発現した。樹脂含浸性については、基材Aは、基材B(含浸せず)、基材Cに比べ、短時間にマトリックス樹脂を含浸させることができた。以上の結果から、本発明の効果は明白である。   As is apparent from Table 1, the base material A of Example 1 and the base material C of Comparative Example 2 have morphological stability that does not cause misalignment or meandering of the fabric due to the resin material adhered on the fabric. Moreover, when these were preformed, excellent tackiness was expressed. Regarding the resin impregnation property, the base material A could be impregnated with the matrix resin in a shorter time than the base material B (not impregnated) and the base material C. From the above results, the effect of the present invention is clear.

本発明によれば、取り扱い性に優れるだけでなく、マトリックス樹脂の含浸性に優れる基材およびプリフォームおよびそれからなる複合材料を得ることができる。このようにして得られた複合材料は、航空機、自動車などの構造部材をはじめ幅広い分野に適用できるが、特に航空機構造部材に好適である。   According to the present invention, it is possible to obtain a base material and a preform which are not only excellent in handleability but also excellent in the impregnation property of a matrix resin, and a composite material composed thereof. The composite material thus obtained can be applied to a wide range of fields including structural members such as aircraft and automobiles, but is particularly suitable for aircraft structural members.

本発明の一実施態様に係る強化繊維基材の斜視図である。It is a perspective view of the reinforced fiber base material concerning one embodiment of the present invention. 図1の強化繊維基材の強化繊維糸条に沿って切断した凹凸部の部分拡大断面図である。It is the elements on larger scale of the uneven | corrugated | grooved part cut | disconnected along the reinforced fiber yarn of the reinforced fiber base material of FIG. 本発明の別の実施態様に係る強化繊維基材の強化繊維糸条に沿って切断した凹凸部の部分拡大断面図である。It is a partial expanded sectional view of the uneven | corrugated | grooved part cut | disconnected along the reinforced fiber yarn of the reinforced fiber base material which concerns on another embodiment of this invention. 本発明における樹脂材料の表面凹凸の一態様を示す平面模式図である。It is a plane schematic diagram which shows one aspect | mode of the surface unevenness | corrugation of the resin material in this invention. 本発明における樹脂材料の表面凹凸の別の態様を示す平面模式図である。It is a plane schematic diagram which shows another aspect of the surface unevenness | corrugation of the resin material in this invention. 本発明における樹脂材料の表面凹凸のさらに別の態様を示す平面模式図である。It is a plane schematic diagram which shows another aspect of the surface unevenness | corrugation of the resin material in this invention. 本発明における樹脂材料の表面凹凸のさらに別の態様を示す平面模式図である。It is a plane schematic diagram which shows another aspect of the surface unevenness | corrugation of the resin material in this invention. 本発明の実施例1の強化繊維基材の態様を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the aspect of the reinforced fiber base material of Example 1 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 強化繊維基材
2 強化繊維(たて糸)
3 よこ糸
4 強化繊維布帛
5 樹脂材料
6 強化繊維基材表面の凹部
7 強化繊維基材表面の凸部
10、20、30、40 強化繊維基材
11、21、31、41 強化繊維基材表面の凸部
12、22、32、42 強化繊維基材表面の凹部
50 強化繊維基材
51 強化繊維
52 たて補助糸条
53 よこ補助糸条
54 強化繊維布帛
55 樹脂材料
1 Reinforcing fiber substrate 2 Reinforcing fiber (warp yarn)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 3 Weft thread 4 Reinforcement fiber cloth 5 Resin material 6 Recessed part of reinforcing fiber base surface 7 Convex part of reinforcing fiber base surface 10, 20, 30, 40 Reinforcing fiber base material 11, 21, 31, 41 Convex part 12, 22, 32, 42 Concave part on the surface of reinforcing fiber base 50 Reinforcing fiber base material 51 Reinforcing fiber 52 Warp auxiliary yarn 53 Weft auxiliary yarn 54 Reinforcing fiber fabric 55 Resin material

Claims (13)

強化繊維基材にマトリックス樹脂を含浸して成形された複合材料に用いる強化繊維基材であって、前記強化繊維基材は、少なくとも、連続した強化繊維糸条を一方向に並行するように引き揃えた強化繊維糸条群から構成され、かつ、少なくとも片方の表面に樹脂材料が間隙を有した形態で2〜15重量%付着しているとともに、前記強化繊維基材が周期的な凹凸を有することを特徴とする強化繊維基材。   A reinforcing fiber base material used for a composite material formed by impregnating a matrix resin into a reinforcing fiber base material, wherein the reinforcing fiber base material pulls at least continuous reinforcing fiber yarns in parallel in one direction. It is composed of a group of reinforcing fiber yarns that are aligned, and the resin material adheres in a form having a gap on at least one surface, and the reinforcing fiber substrate has periodic irregularities. A reinforcing fiber substrate characterized by the above. 強化繊維基材の周期的な凹凸の凹部が強化繊維基材の平面方向に連続していることを特徴とする、請求項1記載の強化繊維基材。   The reinforcing fiber base material according to claim 1, wherein the concave and convex portions of the periodic unevenness of the reinforcing fiber base material are continuous in the plane direction of the reinforcing fiber base material. 樹脂材料が、周期的な凹凸を有するとともに、この周期的な凹凸の凹部が強化繊維基材の平面方向に連続していることを特徴とする、請求項1記載の強化繊維基材。   The reinforcing fiber substrate according to claim 1, wherein the resin material has periodic irregularities, and the concave portions of the periodic irregularities are continuous in the plane direction of the reinforcing fiber substrate. 強化繊維基材が、強化繊維糸条群と、連続した補助繊維糸条を強化繊維糸条群と交差する方向に延在したよこ方向補助繊維糸条群から構成されている一方向性のシートであることを特徴とする、請求項1〜3のいずれかに記載の強化繊維基材。   The unidirectional sheet in which the reinforcing fiber base is composed of reinforcing fiber yarn groups and a weft-direction auxiliary fiber yarn group extending in a direction intersecting the continuous auxiliary fiber yarns with the reinforcing fiber yarn groups. The reinforcing fiber substrate according to any one of claims 1 to 3, wherein 一方向性のシートが織物であることを特徴とする、請求項4記載の強化繊維基材。   The reinforcing fiber substrate according to claim 4, wherein the unidirectional sheet is a woven fabric. 強化繊維基材が、強化繊維糸条群と、強化繊維糸条と並行する方向に延在するたて方向補助繊維糸条群を有し、かつ、基材の両側によこ方向補助繊維糸条群が配され、それを構成する補助繊維糸条とたて方向補助繊維糸条群を構成する補助繊維糸条とから織組織が構成されている一方向ノンクリンプ織物であることを特徴とする、請求項1〜3のいずれかに記載の強化繊維基材。   The reinforcing fiber substrate has a reinforcing fiber yarn group and a warp direction auxiliary fiber yarn group extending in a direction parallel to the reinforcing fiber yarn, and the side direction auxiliary fiber yarns are formed on both sides of the base material. A unidirectional non-crimp woven fabric in which a woven structure is formed from a group of auxiliary fibers and a supplementary fiber yarn constituting a warp direction auxiliary fiber yarn group. The reinforcing fiber base material according to any one of claims 1 to 3. よこ方向補助繊維糸条の単糸直径が10〜100μmで、かつ、撚り数が50ターン/m以下であることを特徴とする、請求項4〜6のいずれかに記載の強化繊維基材。   The reinforcing fiber substrate according to any one of claims 4 to 6, wherein the weft direction auxiliary fiber yarn has a single yarn diameter of 10 to 100 µm and a twist number of 50 turns / m or less. 強化繊維基材における強化繊維糸条の糸幅が2〜10mmであることを特徴とする、請求項1〜7のいずれかに記載の強化繊維基材。   The reinforcing fiber substrate according to any one of claims 1 to 7, wherein the reinforcing fiber yarn has a yarn width of 2 to 10 mm in the reinforcing fiber substrate. 基材の凸部の厚みから求められる強化繊維の体積率(Vff)が35〜55%であることを特徴とする、請求項1〜8のいずれかに記載の強化繊維基材。   The reinforcing fiber base material according to any one of claims 1 to 8, wherein the volume ratio (Vff) of the reinforcing fiber obtained from the thickness of the convex portion of the base material is 35 to 55%. 樹脂材料によって形成される凹凸面の最大高さ(Rz)が2〜100μmであることを特徴とする、請求項1〜9のいずれかに記載の強化繊維基材。   The reinforced fiber base material according to any one of claims 1 to 9, wherein the maximum height (Rz) of the uneven surface formed by the resin material is 2 to 100 µm. 請求項1〜10のいずれかに記載の強化繊維基材が少なくとも2層以上積層され、かつ、前記強化繊維基材同士が前記樹脂材料により少なくとも部分的に接着されて一体化されていることを特徴とするプリフォーム。   The reinforcing fiber base material according to any one of claims 1 to 10, wherein at least two layers are laminated, and the reinforcing fiber base materials are at least partially bonded and integrated by the resin material. A featured preform. 強化繊維糸条を用いて布帛を形成し、該布帛に樹脂材料を接着した後あるいは接着させながら、表面に凹凸パターンを有するローラで、樹脂材料接着布帛の表面を加圧することを特徴とする、強化繊維基材の製造方法。   A fabric is formed using reinforcing fiber yarns, and the surface of the resin material-bonded fabric is pressurized with a roller having a concavo-convex pattern on the surface after or while bonding the resin material to the fabric. A method for producing a reinforcing fiber substrate. 強化繊維糸条を用いて布帛を形成し、該布帛に樹脂材料を接着した後あるいは接着させながら、表面に凹凸パターンを有する凹凸シートを樹脂材料接着布帛と引き揃えて、平滑なローラにて加圧することを特徴とする、強化繊維基材の製造方法。   After forming a fabric using reinforced fiber yarns and bonding or adhering a resin material to the fabric, aligning an uneven sheet having an uneven pattern on the surface with the resin material bonded fabric and applying it with a smooth roller A method for producing a reinforced fiber base material, comprising pressing.
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