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され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]繊維はしばしば織物の形をとり、マトリックスは製造中に繊維同士や他の部品を接着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、完全硬化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、常に冷却された場所に保管されます。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、硬化の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基本的な考え方は、繊維に沿った異方性の機械的特性を利用し、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
プリプレグは、平らな作業面、つまり工業プロセス上で繊維を含浸させ、その後、含浸させ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を可能にします。また、プリプレグは、大量の繊維を含浸させ、その後、硬化させるために冷却領域（20℃以下）で長期間保管することも可能です。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場合があり、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。原理的には、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、特に小型航空機エンジンではガラス繊維の適用性が高いものの、この分野では炭素繊維がより多く使用されており、その需要は増加しています。例えば、エアバスA380の特性評価は質量分率で行われています。この質量分率は約20%で、エアバスA350XWBでは炭素繊維プリプレグの質量分率は約50%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プレースメントといった他の技術と比較して、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コンパウンド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、バルクモールディングコンパウンド（BMC）やシートモールディングコンパウンド（SMC）が挙げられます。
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ます。[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ます。
- 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
含浸繊維の製造に適した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ています[ 要出典]
構成
プリプレグのマトリックスは、樹脂と硬化剤（場合によっては硬化促進剤）の混合物で構成されています。[4] -20℃で凍結すると、樹脂と硬化剤の反応が防止されます。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。室温で一定期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
使用される樹脂は主にエポキシ樹脂をベースとしていますが、ビニルエステルベースのプリプレグも利用可能です。ビニルエステル樹脂はアミン促進剤またはコバルトで前処理する必要があるため、室温での加工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（硬化剤とも呼ばれます）には、メチルエチルケトンパーオキサイド（MEKP）、アセチルアセトンパーオキサイド（AAP）、シクロヘキサノンパーオキサイド（CHP）などの過酸化物が含まれます。ビニルエステル樹脂は、高い衝撃応力下で使用されます。
樹脂特性
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与えます。しかし一般的に、繊維特性と繊維層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依存すること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。プリプレグの乾燥した部分が存在する場合、低粘度の樹脂が必要であることを示唆している可能性があります。しかし、Ridgardは、VBOプリプレグシステムは、浸透を阻害し、空気の排出が起こるのに十分な乾燥領域が持続できるように、硬化の初期段階で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、数時間または数日単位で測定される場合があるため、樹脂の粘度がコールドフローを抑制することが重要です。コールドフローは、空気排出経路を早期に密閉する可能性があります[6]しかし、全体的な粘度プロファイルは、硬化温度においてプリプレグを完全に含浸させるのに十分な流動性も許容する必要がある。そうしないと、最終製品に広範囲にわたる乾燥領域が残ってしまう可能性がある。[7]さらに、BoydとMaskell [8]は、低い圧密圧力下での気泡の形成と成長を抑制するためには、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加工パラメータに合わせて調整し、最終的には印加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る。つまり、VBO樹脂のレオロジー特性の進化は、閉じ込められたガスによるボイドと不十分な流動によるボイドの両方の低減をバランスよく実現する必要がある。
加工
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ちます。そのため、プリプレグは高温でのみ硬化できます。[9]ホットプレス法またはオートクレーブ法で加工できます。どちらの方法も、圧力をかけることで繊維の体積分率が増加します
オートクレーブ技術は最高の品質を実現します。圧力と真空の組み合わせにより、空気の混入が極めて少ない部品が得られます。[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。
材料の進歩
オートクレーブ外（OOA）[11]プロセスにおける最近の進歩は、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、大型構造用オートクレーブの建設と設置にかかるコストを削減し（NASAで1億ドルの節約）、100機の航空機という少量生産を経済的に実現可能にします。[12]
参照
参考文献
- ^ Chawla, Krishan K. (2012). 複合材料. ニューヨーク：Springer New York. Bibcode :2012coma.book.....C. doi :10.1007/978-0-387-74365-3. ISBN 978-0-387-74364-6. S2CID 199491314.
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- ^ 引用エラー。修正方法はインラインコメントをご覧ください。 [要検証]
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