[发明专利]碳纤维基材、预浸料坯及碳纤维增强复合材料

说明书

技术领域

本发明涉及碳纤维基材、使用该碳纤维基材形成的预浸料坯、及使用它们而形成的碳纤维增强复合材料。更详细而言，本发明涉及适合形成碳纤维增强复合材料的碳纤维基材以及预浸料坯，所述碳纤维增强复合材料具备优异的层间断裂韧性、优异的静态强度和优异的导电性这些中的全部特性。另外，本发明涉及具备优异的层间断裂韧性、优异的静态强度和优异的导电性这些中的全部特性的碳纤维增强复合材料。

背景技术

碳纤维增强复合材料的强度、刚性及导电性等优异，逐渐被广泛用于航空器结构部件、运动用品、风车、汽车外板、IC托盘和笔记本电脑的壳体等一般产业用途等中。其需求量正在逐年增加。

碳纤维增强复合材料是以作为增强纤维的碳纤维和基体树脂为必要的构成要素的不均匀材料，碳纤维的排列方向的物性和其以外的方向的物性存在较大差异。例如，对于碳纤维增强复合材料的层间断裂韧性、由层间断裂韧性所支配的耐冲击性(以对落锤冲击的抵抗性表示)而言，在仅提高增强纤维的强度时，不会有根本改善。

特别是以热固性树脂为基体树脂的碳纤维增强复合材料具有如下性质：由于基体树脂的低韧性，而在来自增强纤维的排列方向以外的应力的作用下容易断裂。因此，为了改善碳纤维增强复合材料物性以能应对来自增强纤维的排列方向以外的应力，提出了多种技术。

其中一种技术提出的碳纤维增强复合材料是，通过使用在表面部分配置有热塑性树脂的粒子、纤维或者膜的预浸料坯或预成型体，可提高层间断裂韧性，提高落锤冲击后的压缩强度(参见专利文献1、2、3)。

然而，如果使用热塑性树脂作为层间增强材料，虽然提供高度的层间断裂韧性，但另一方面层间成为脆弱层，因此静态强度降低。另外，热固性树脂和热塑性树脂的界面粘接不充分，由界面剥离导致的断裂发展，提高层间断裂韧性的效果不充分。进而，由于层间存在成为绝缘层的树脂层，所以作为碳纤维增强复合材料的特征之一的导电性中，厚度方向的导电性显著降低。

由该例可知，具备优异的层间断裂韧性、优异的静态强度和优异的导电性这些中的全部特性的碳纤维增强复合材料的开发面临困难。

这里，层间断裂韧性是形成碳纤维增强复合材料的层合为层状的各部件的层间剥离裂纹的扩展阻力，是指裂纹扩展过程中的开口型层间断裂韧性(GIc)和剪切型层间断裂韧性(GIIc)。如果层间断裂韧性高，则通过夏氏冲击试验或Izod冲击试验得到的冲击强度或冲击后的压缩强度(CAI)也提高。

静态强度是指对碳纤维增强复合材料施加弯曲力或拉伸力时的断裂所需要的应力。例如，可举出0度弯曲强度或0度拉伸强度。

导电性是对碳纤维增强复合材料施加电场时的电流的流动容易度的指标。例如，可以由表面电阻、与层合方向平行的体积电阻、或者与层合方向垂直的电导率的测定来评价。特别是在预浸料坯中插入有绝缘性的层间增强材料的情况下，与层合方向垂直的、即厚度方向的电导率降低，因此，导电性作为评价预浸料坯的指标很重要。厚度方向导电性是指与层合方向垂直的方向中的电导率。

作为提高层间的导电性的方法，提出了在碳纤维增强复合材料的基体树脂中配合金属粒子的方法(参见专利文献4)、配合碳粒子的方法(参见专利文献5)。然而，在这些文献中，对于满足优异的层间断裂韧性、优异的静态强度和优异的导电性这些中的全部特性，完全没有触及。另外，提出了在碳纤维织物中导入金属线来提高导电性的方法(参见专利文献6)。然而，在该文献中，对于层间断裂韧性和静态强度的关系没有公开或暗示，并且，存在因金属线的导入而导致轻质化效果受限的问题。

另外，提出了在层间配置由碳纤维形成的无纺布而成的层合体(参见专利文献7、非专利文献1、2)。然而，这里使用的碳纤维或无纺布中，层间成为脆弱层。因而，无法实现满足优异的层间断裂韧性、优异的静态强度、及优异的导电性这些中的全部特性。专利文献7中公开了三轴向织物和无纺布的层合体。在无纺布为导电性的情况下，有可能会提高电特性，但该文献中对于与层间韧性相关的特性没有公开或暗示。

非专利文献1、2中公开了在层间配置由碳纤维形成的无纺布而成的层合体。这些层合体中，显示使剪切型层间断裂韧性(GIIc)提高，但为了改善开口型层间断裂韧性(GIc)，需要大量地夹带无纺布，静态强度的指标即0度拉伸强度显示降低大约30％。