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プリプレグは、「予め含浸させた」繊維と、エポキシ樹脂やフェノール樹脂、あるいは液体ゴムや樹脂と混合した熱可塑性樹脂などの部分的に硬化したポリマーマトリックスから作られた複合材料です。[1]繊維は織物の形をとることが多く、マトリックスは製造中に繊維同士を接着したり、他の部品と接着したりするために使用されます。熱硬化性マトリックスは取り扱いを容易にするために部分的にしか硬化していません。このB ステージ材料は、完全に硬化するのを防ぐために冷蔵保存が必要です。B ステージ プリプレグは、熱によって完全な重合が促進されるため、常に冷却されたエリアに保管されます。したがって、プリプレグで作られた複合構造は、ほとんどの場合、硬化するためにオーブンまたはオートクレーブが必要になります。プリプレグ材料の背後にある主な考え方は、繊維に沿った異方性の機械的特性を使用し、ポリマーマトリックスが充填特性を提供し、繊維を単一のシステムに保つことです。
プリプレグを使用すると、平らな作業面、または工業プロセスで繊維を含浸させ、その後、含浸した繊維を、ホットインジェクションプロセスでは問題となる可能性のある形状に成形することができます。また、プリプレグを使用すると、大量の繊維を含浸させてから、冷却された領域 (20 °C 未満) に長期間保管し、後で硬化させることもできます。このプロセスは、ホットインジェクションプロセスと比較して時間がかかる可能性があり、プリプレグの準備の付加価値は、材料サプライヤーの段階にあります。
応用分野
この技術は航空業界で活用できます。原則として、プリプレグはバッチサイズで処理できる可能性があります。航空機、特に小型航空機モーターではガラス繊維の適用性が高いにもかかわらず、この種の業界では炭素繊維の方が高い割合で使用されており、その需要は増加しています。たとえば、エアバス A380 の特性評価は質量分率によって処理されます。この質量分率は約 20% で、エアバス A350XWB では質量分率約 50% の炭素繊維プリプレグです。炭素繊維プリプレグは、エアバス機の翼に 20 年以上使用されています。
自動車産業におけるプリプレグの使用量は、自動テープレイアップや自動ファイバー配置などの他の技術と比較すると、比較的限られています。その主な理由は、プリプレグ繊維と金型に使用される化合物のコストが比較的高いことです。このような材料の例としては、バルク成形化合物(BMC) やシート成形化合物(SMC) があります。
この素材はエアバスA320のコックピットドアに使用されており、防弾性能を備えている。[2]
プリプレグの用途
プリプレグの概念を活用した製品は数多くありますが、その中には以下のようなものがあります。
- モータースポーツ
- 宇宙旅行
- スポーツ用品
- セーリング
- 整形外科技術、装具および義肢
- 電気工学では、多層回路基板の「中間層」として、また電気機械や変圧器の絶縁材料として使用される。
- 風力タービンのローターブレード
適用可能な繊維の種類
含浸繊維の製造に最適な候補となる繊維の種類は数多くあります。[3]これらの候補の中で最も一般的な繊維は以下の繊維です。
マトリックス
マトリックスシステムは、硬化温度と樹脂の種類によって区別されます。硬化温度はガラス転移温度、ひいては動作温度に大きく影響します。軍用機では主に180℃のシステムが使用されます。
構成
プリプレグのマトリックスは、樹脂と硬化剤の混合物で構成されており、場合によっては促進剤も含まれています。[4] -20 °C で凍結すると、樹脂が硬化剤と反応するのを防ぎます。コールドチェーンが中断されると、反応が始まり、プリプレグは使用できなくなります。また、室温で一定時間保管できる高温プリプレグもあります。これらのプリプレグは、高温のオートクレーブでのみ硬化できます。
樹脂の種類
主にエポキシ樹脂をベースにした樹脂が使用されます。ビニルエステルベースのプリプレグも利用できます。ビニルエステル樹脂はアミン促進剤またはコバルトで事前に促進する必要があるため、室温での処理時間はエポキシベースのプリプレグよりも短くなります。触媒（硬化剤とも呼ばれる）には、メチルエチルケトン過酸化物（MEKP）、アセチルアセトン過酸化物（AAP）、シクロヘキサノン過酸化物（CHP）などの過酸化物が含まれます。ビニルエステル樹脂は、高衝撃応力下で使用されます。
樹脂の特性
樹脂と繊維成分の特性は、硬化中のVBO（真空バッグのみ）プリプレグの微細構造の進化に影響を及ぼします。ただし、一般的に、繊維特性と繊維ベッド構造は標準化されているのに対し、マトリックス特性はプリプレグとプロセス開発の両方を推進します。[5]したがって、微細構造の進化が樹脂特性にどのように依存しているかを理解することが重要であり、多くの著者によって調査されてきました。プリプレグに乾燥した部分がある場合は、低粘度の樹脂が必要であることが示唆される場合があります。ただし、Ridgard は、VBO プリプレグシステムは、浸透を妨げ、空気の排出に十分な乾燥領域が持続するように、硬化の初期段階では比較的粘性を維持するように設計されていると説明しています。VBO システムから空気を排出するために使用される室温の真空保持は、数時間または数日で測定される場合があるため、樹脂の粘度によって冷間流動が抑制され、空気排出経路が早期に密閉される可能性があることが重要です。[6]しかし、全体的な粘度プロファイルは、硬化温度で十分な流動性があり、プリプレグを完全に含浸させることができなければ、最終部品に乾燥した部分が残ってしまいます。[7]さらに、Boyd と Maskell [8]は、低い圧密圧力で気泡の形成と成長を抑制するには、プリプレグの粘性特性と弾性特性の両方を硬化中に発生する特定の処理パラメータに合わせて調整し、最終的に加えられた圧力の大部分が樹脂に伝達されるようにする必要があると主張しています。 全体として、VBO 樹脂のレオロジーの進化は、閉じ込められたガスによって生じるボイドと不十分な流動によって生じるボイドの両方の削減のバランスを取る必要があります。
処理
室温では樹脂の反応は非常に遅く、凍結すると何年も安定した状態を保つ。そのため、プリプレグは高温でのみ硬化できる。[9]プリプレグはホットプレス技術またはオートクレーブ技術で処理できる。どちらの技術でも、圧力によって繊維の体積分率が増加する。
オートクレーブ技術では最高の品質を生産できます。圧力と真空の組み合わせにより、空気の混入が非常に少ない部品が生産されます。[10]
硬化の後に焼き戻し処理を施すことで完全な架橋が実現します。
物質的進歩
オートクレーブ外（OOA）[11]プロセスの最近の進歩は、複合構造の性能向上とコスト削減に期待が寄せられています。大気圧に真空バッグのみ（VBO）を使用する新しいOOAプロセスは、航空宇宙の主要構造に必要な1％未満の空隙率を実現することを約束しています。空軍研究所の材料科学者が主導するこの技術は、大型構造オートクレーブの建設と設置のコストを節約し（NASAで1億ドルの節約）、100機の航空機の小規模生産を経済的に実行可能にします。[12]
参照
参考文献
- ^ Chawla, Krishan K. (2012). 複合材料. ニューヨーク、NY: Springer New York. Bibcode :2012coma.book.....C. doi :10.1007/978-0-387-74365-3. ISBN 978-0-387-74364-6. S2CID 199491314。
- ^ . p. 19 https://bea.aero/uploads/tx_elyextendttnews/BEA2015-0125.en-LR_10.pdf.
{{cite web}}:欠落または空|title=(ヘルプ) - ^ Rusnákov, S (2018). 「プリプレグの製造、プロトタイプ、テストの概要」. IOPカンファレンスシリーズ：材料科学と工学. 448 (1). XXIII International Conference on Manufacturing (Manufacturing 2018): 012069. Bibcode :2018MS&E..448a2069R. doi : 10.1088/1757-899X/448/1/012069 .
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- ^ 引用エラー。修正方法はインラインコメントを参照してください。[検証が必要]
- ^ K.、Mazumdar、Sanjay (2002)。複合材料製造：材料、製品、プロセスエンジニアリング。フロリダ州ボカラトン：CRC Press。ISBN 978-0849305856. OCLC 47825959.
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- ^ Centea, T.; Hubert, P. (2011 年 3 月). 「マイクロ CT によるオートクレーブ外プリプレグの含浸測定」.複合材料科学技術. 71 (5): 593–599. doi :10.1016/j.compscitech.2010.12.009. ISSN 0266-3538.
- ^ 「オートクレーブ外プリプレグ：誇大宣伝か革命か？」。Composites World 。 2011年1月3日閲覧。