JP7143588B2

JP7143588B2 - 構造体及びその製造方法

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Authority: JP
Inventors: 聖藤岡; 佳樹武部; 雅登本間
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Filing date: 2017-12-20
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Description

本発明は、山形の形状を有する、樹脂と強化繊維と空隙とを有する構造体及びその製造方法に関するものである。

近年、自動車、航空機、スポーツ製品等の産業用製品については、剛性や軽量性の向上に対する市場要求が年々高まっている。さらに、様々な形状が付与された構造体、かつ均質性の高い構造体が要求されている。このような要求に応えるべく、剛性や軽量性に優れる繊維強化樹脂が、各種産業用途に幅広く利用されている。具体的には、連続繊維からなる一方向に強化繊維が配向された材料を積層した構造体が検討されている（特許文献１）。軽量性を満足させるために、発泡性樹脂の発泡により空隙を形成させた構造体や成形後に強化繊維を除去して空隙を形成させる構造体も検討されている（特許文献２、３参照）。また強化繊維から成る不織布マットを用い、マットのスプリングバック（復元力）を利用し、空隙を形成する構造体も検討されている（特許文献４）。

特開２００１－３０６０６２号公報特開２００６－６３１４９号公報特公昭６２－３８７１２号公報特表２０１４－５０８０５５号公報

ところが、一方向に強化繊維が配向された材料を用いたものでは、繊維方向では非常に高い力学特性を発現するが、繊維垂直方向では力学特性が顕著に低下する。また連続繊維は複雑な形状に賦型することが困難である。このため、材料の配置等の製品設計が重要となり、設計自由度が制限される。また発泡性樹脂を用いたものでは、形状を賦型する観点では優れるが、本来必要ではない材料を含有せざるを得ないことから構造体の力学特性低下は避けられない。成形後に繊維を除去する場合、形状が単純なものであれば容易かもしれないが、複雑な形状とした場合には繊維を除去することによる空隙形成が困難となり本来の特性を発現することが困難となり、形状がある程度制限される。不織布マットのスプリングバックを利用したものは、比較的に高い力学特性を発現するが、軽量性の観点で劣り、軽量性を向上しようとすると力学特性が劣る。以上のことから、剛性及び軽量性に優れる構造体を提供することが急務となっている。

そこで本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、剛性及び軽量性に優れる山形の形状を有した構造体を提供することにある。

本発明は以下の（１）である。
（１）樹脂と強化繊維と空隙とを有する構造体であって、
曲げ弾性率をＥｃ、密度をρとしたとき、Ｅｃ^１／３・ρ^－１として表される比曲げ剛性が２．５以上であり、
山形の形状をなす側面部を有していることを特徴とする構造体。

本発明に係る構造体によれば、剛性及び軽量性に優れる山形の形状を有した構造体を提供できる。

図１は、本発明の実施の形態に係る構造体の模式図である。図２は、本発明の実施の形態に係る構造体の構造を説明する図である。図３は、本発明の実施の形態の他の例に係る構造体の模式斜視図である。図４は、本発明の実施の形態の他の例に係る構造体の模式側面図である。図５は、本発明の実施の形態に係る構造体の断面拡大構造を示す模式図である。図６は、本発明の実施の形態で用いる強化繊維マットにおける強化繊維の分散状態の一例を示す模式図である。図７は、本発明の実施の形態に係る構造体の断面構造の一例を示す模式図である。図８は、本発明の実施の形態に係る構造体の同心円均質度を説明する模式図である。図９は、本発明の実施の形態に係る構造体の放射均質度を説明する模式図である。図１０は、本発明の実施の形態の他の例に係る構造体の断面拡大図である。図１１は、強化繊維マットの製造装置の一例を示す模式図である。

以下、本発明に係る構造体について説明する。
図１（ａ）は、本発明の実施の形態に係る構造体１を示す模式斜視図であり、図１（ｂ）は構造体１の上面図であり、図１（ｃ）は構造体１の側面図である。図１（ａ）に示すように、本発明の実施の形態に係る構造体１は、山形の形状を有している。具体的には、円状の上面部２と、上面部２の外周と接する円錐台状の側面部３とを有する。上面部２および側面部３は所定の厚さを有し、上面部２と側面部３で囲まれている空間は空洞である。なお、ここでいう「山形の形状」とは、構造体の中央から構造体の外側に向かってある傾きで広がりを有する形状であればよく、例えば、錐体または錐台のことである。このとき、側面部３は、頂点４（図４（ａ）参照）または上面部２（図１（ａ）参照）の全ての外周から連続して形成されている。側面部３の上面部２（または頂点４）から他端までの長さは特に限定されないが、形状のバランスの観点から同じであることが好ましい。デザインや特性を付与する観点から、側面部３は、側面部３の上面部２（または頂点４））から他端までの長さが部分的に異なっていても良いが、最短部が最長部の３０％以上の長さであることが好ましく、５０％以上であることがより好ましい（図１（ｄ）参照）。

本発明の構造体中の山形の形状は、構造体１に示す円錐台状のほか、半球台状、多角錐台状、または、上面部２を有しない円錐状、半球状、多角錐状、から選択される形状であってもよい。底面の形状が円の場合、山形の形状は円錐状または円錐台状であり、底面の形状が三角形、四角形、六角形などの多角形の場合、山形の形状は多角錐状または多角錐台状となる。構造体の剛性を高める観点から、山形の形状としては角を有する多角錐状または多角錐台状が好ましく、なかでも線対称である正多角形が底面となる正多角錐状または正多角錐台状がより好ましい。構造体の均質性の観点から、山形の形状としては点対称である円が構造体の底面となる円錐状又は円錐台状、半球状または半球台状から選択されることが好ましい。また、本発明の構造体は、図３に示す形状であってもよい。図３は、本発明の実施の形態の他の例に係る構造体１Ａ、１Ｂの模式斜視図である。構造体１Ａは、上面部２と、側面部３に加え、側面部３から延出するフランジ部１０を有している。構造体１Ａは、側面部３の底面の形状が円であり、フランジ部１０の底面の形状が八角形をなしており、構造体１Ｂは、フランジ部１０の底面の形状が円形となしている。

ここでいう「構造体の底面」とは、例えば、実施の形態１の構造体１では、図１（ｂ）に示すように、構造体１の側面部３の水平投影面積（山形の形状の高さ方向（上面）から観測した際の面積）が最大となるように、かつ構造体１の側面部３の垂直投影面（前記水平投影面に垂直であって、面積が最大となる面）における重心５が床面側とした際の、構造体１と床面の接地面のことであり、図１の下側の面（底面）である。

図２は、本発明の実施の形態１に係る構造体１の構造を説明する図である。本発明の構造体の形状（断面形状）は、図２（ａ）に示すように、構造体１の垂直投影面の面積をＳ１とし、図２（ｂ）に示すように、構造体１の垂直投影面の頂点４と、底面とで形成される三角形の面積をＳ２とした際に、Ｓ１とＳ２との比（Ｓ１／Ｓ２）が、０．３～１．７であることが望ましい。山形の形状の賦形のしやすさの観点からは０．５～１．６であることが好ましく、さらに好ましくは、０．８～１．５である。ここでいう「構造体の垂直投影面の頂点４」とは、図１（ｃ）に示すような垂直投影面（山形の形状の断面）において、垂直投影面の重心５から底面を結ぶ垂直線Ｓと構造体１の最も高い位置との交点（頂点４）のことである。この頂点４と底面の両端を結ぶ三角形の面積をＳ２とする。Ｓ１とＳ２の比（Ｓ１／Ｓ２）が０．３よりも小さい場合、構造体１の垂直投影面がＴ字形のようになり、形状の賦型が困難であることや力学特性が不均一となりうる。また比（Ｓ１／Ｓ２）が１．７より大きい場合、構造体１の垂直投影面が大型となりうる。

山形の形状の側面の方向における断面形状は、図４に示すように、（ａ）三角形、（ｂ）台形などが挙げられる。また山形の形状の斜辺は、直線に限らず、曲線でもよく、上側に膨らみを持つ曲線であれば、図４（ｃ）に示すような半円となり、下側に膨らみを持つ曲線であれば図４（ｄ）に示すような形状などが挙げられる。さらに、斜辺に複数の頂点を持つ線であれば、図４（ｅ）に示すような形状なども挙げられる。このとき、必ずしも線対称である必要はなく、図４（ｆ）に示すような形状についても、山形の形状の断面形状の１種である。

図５は、本発明に係る構造体１の断面拡大構造を示す模式図である。図５に示すように、本発明に係る構造体１は、樹脂６と強化繊維７と空隙８から構成されている。
ここで、樹脂６としては、熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂を例示できる。また、本発明においては、熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂とがブレンドされていてもよい。

本発明における１つの形態において、樹脂６は、少なくとも１種類以上の熱可塑性樹脂を含むことが望ましい。熱可塑性樹脂としては、「ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリトリメチレンテレフタレート（ＰＴＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、液晶ポリエステル等のポリエステル、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリブチレン等のポリオレフィン、ポリオキシメチレン（ＰＯＭ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）等のポリアリーレンスルフィド、ポリケトン（ＰＫ）、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリエーテルニトリル（ＰＥＮ）、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂、液晶ポリマー（ＬＣＰ）」等の結晶性樹脂、「スチレン系樹脂の他、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリサルホン（ＰＳＵ）、ポリエーテルサルホン、ポリアリレート（ＰＡＲ）」等の非晶性樹脂、その他、フェノール系樹脂、フェノキシ樹脂、さらにポリスチレン系、ポリオレフィン系、ポリウレタン系、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリブタジエン系、ポリイソプレン系、フッ素系樹脂、及びアクリロニトリル系等の熱可塑エラストマー等や、これらの共重合体及び変性体等から選ばれる熱可塑性樹脂を例示できる。中でも、得られる構造体１の軽量性の観点からはポリオレフィンが望ましく、強度の観点からはポリアミドが望ましく、表面外観の観点からポリカーボネートやスチレン系樹脂のような非晶性樹脂が望ましく、耐熱性の観点からポリアリーレンスルフィドが望ましく、連続使用温度の観点からポリエーテルエーテルケトンが望ましく、さらに耐薬品性の観点からフッ素系樹脂が望ましく用いられる。

本発明における１つの形態において、樹脂６は、少なくとも１種類以上の熱硬化性樹脂を含むことが望ましい。熱硬化性樹脂としては、不飽和ポリエステル、ビニルエステル、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、熱硬化性ポリイミド、これらの共重合体、変性体、及びこれらの少なくとも２種類をブレンドした樹脂を例示できる。
また、本発明の目的を損なわない範囲で、本発明に係る構造体は樹脂６の成分の１つとして、エラストマー又はゴム成分等の耐衝撃性向上剤、他の充填材や添加剤を含有してもよい。充填材や添加剤の例としては、無機充填材、難燃剤、導電性付与剤、結晶核剤、紫外線吸収剤、酸化防止剤、制振剤、抗菌剤、防虫剤、防臭剤、着色防止剤、熱安定剤、離型剤、帯電防止剤、可塑剤、滑剤、着色剤、顔料、染料、発泡剤、制泡剤、又は、カップリング剤を例示できる。

本発明の構造体１は、構造体１の体積含有率を１００体積％とした際に、次の（１）～（３）を満たすことが好ましい。
（１）樹脂６の体積含有率が、２．５～８５体積％
（２）強化繊維７の体積含有率が、０．５～５５体積％
（３）空隙８の体積含有率が、１０～９７体積％

つまり構造体１の体積含有率を１００体積％とした際の樹脂６の体積含有率は、２．５体積％以上８５体積％以下の範囲内にあることが好ましい。樹脂６の体積含有率が２．５体積％以上である場合、構造体１中の強化繊維同士を結着し、強化繊維７の補強効果を十分なものとすることができ、構造体１の力学特性、とりわけ曲げ弾性率を満足できるので望ましい。一方、樹脂６の体積含有率が８５体積％以下であれば、空隙８の形成を阻害しないため好ましい。

本発明の構造体１は、強化繊維７を含む。そして強化繊維７としては、アルミニウム、黄銅、ステンレス等の金属繊維、ＰＡＮ系、レーヨン系、リグニン系、ピッチ系の炭素繊維、黒鉛繊維、ガラス等の絶縁性繊維、アラミド、ＰＢＯ、ポリフェニレンスルフィド、ポリエステル、アクリル、ナイロン、ポリエチレン等の有機繊維、シリコンカーバイト、シリコンナイトライド等の無機繊維を例示できる。また、これらの繊維に表面処理が施されているものであってもよい。表面処理としては、導電体として金属の被着処理の他に、カップリング剤による処理、サイジング剤による処理、結束剤による処理、添加剤の付着処理等がある。また、これらの繊維は１種類を単独で用いてもよいし、２種類以上を併用してもよい。中でも、軽量化効果の観点から、比強度、比剛性に優れるＰＡＮ系、ピッチ系、レーヨン系等の炭素繊維が望ましく用いられる。また、得られる構造体１の経済性を高める観点からは、ガラス繊維が望ましく用いられ、とりわけ力学特性と経済性とのバランスから炭素繊維とガラス繊維とを併用することが望ましい。さらに、得られる構造体１の衝撃吸収性や賦形性を高める観点からは、アラミド繊維が望ましく用いられ、とりわけ力学特性と衝撃吸収性とのバランスから炭素繊維とアラミド繊維とを併用することが望ましい。また、得られる構造体１の導電性を高める観点からは、導電性を有する金属からなる金属繊維やニッケルや銅やイッテルビウム等の金属を被覆した強化繊維を用いることもできる。これらの中で、強度と弾性率等の力学特性に優れる金属繊維、ピッチ系炭素繊維、及びＰＡＮ系炭素繊維からなる群より選ばれる強化繊維をより望ましく用いることができる。

強化繊維７は、不連続であり、構造体１中にランダムに分散していることが望ましい。また分散状態が略モノフィラメント状であることがより好ましい。強化繊維７をかかる態様とすることで、シート状の構造体１の前駆体ないし構造体１を、外力を加えて成形する場合に、複雑形状への賦型が容易となる。また、強化繊維７をかかる態様とすることで、強化繊維７によって形成された空隙が緻密化し、構造体１中における強化繊維７の繊維束端における弱部が極小化できるため、優れた補強効率及び信頼性に加えて、等方性も付与される。

ここで、略モノフィラメント状とは、強化繊維単糸が５００本未満の細繊度ストランドにて存在することを指す。さらに望ましくは、モノフィラメント状、つまり単糸として分散していることである。

ここで、略モノフィラメント状、又は、モノフィラメント状に分散しているとは、構造体１中にて任意に選択した強化繊維７について、その二次元接触角が１°以上である単繊維の割合（以下、繊維分散率とも称す）が８０％以上であることを指し、言い換えれば、構造体１中において単繊維の２本以上が接触して平行した束が２０％未満であることをいう。従って、ここでは、少なくとも強化繊維７におけるフィラメント数１００本以下の繊維束の質量分率が１００％に該当するものが特に好ましい。

さらに、強化繊維７はランダムに分散していることが、とりわけ望ましい。ここで、強化繊維７がランダムに分散しているとは、構造体１における任意に選択した強化繊維７の二次元配向角の算術平均値が３０°以上、６０°以下の範囲内にあることをいう。かかる二次元配向角とは、強化繊維７の単繊維とこの単繊維と交差する単繊維とで形成される角度のことであり、交差する単繊維同士が形成する角度のうち、０°以上、９０°以下の範囲内にある鋭角側の角度と定義する。

この二次元配向角について、図面を用いてさらに説明する。図６は、本発明で用いる強化繊維マットにおける強化繊維の分散状態の一例を示す模式図であり、図６（ａ）は面方向、図６（ｂ）は厚み方向から見た図である。図６（ａ）、（ｂ）において、単繊維９ａを基準とすると、単繊維９ａは他の単繊維９ｂ～９ｆと交差している。ここで、交差とは、観察する二次元平面において、基準とする単繊維が他の単繊維と交わって観察される状態のことを意味し、単繊維９ａと単繊維９ｂ～９ｆとが必ずしも接触している必要はなく、投影して見た場合に交わって観察される状態についても例外ではない。つまり、基準となる単繊維９ａについて見た場合、単繊維９ｂ～９ｆの全てが二次元配向角の評価対象であり、図６（ａ）中において二次元配向角は交差する２つの単繊維が形成する２つの角度のうち、０°以上、９０°以下の範囲内にある鋭角側の角度Ａである。

二次元配向角を測定する方法としては、特に制限はないが、例えば、構成要素の表面から強化繊維７の配向を観察する方法を例示でき、上述した二次元接触角の測定方法と同様の手段をとることができる。二次元配向角の平均値は、次の手順で測定する。すなわち、無作為に選択した単繊維（図６における単繊維９ａ）に対して交差している全ての単繊維（図６における単繊維９ｂ～９ｆ）との二次元配向角の平均値を測定する。例えば、ある単繊維に交差する別の単繊維が多数の場合には、交差する別の単繊維を無作為に２０本選び測定した算術平均値を代用してもよい。この測定を別の単繊維を基準として合計５回繰り返し、その算術平均値を二次元配向角の算術平均値として算出する。

強化繊維７が略モノフィラメント状、且つ、ランダムに分散していることで、上述した略モノフィラメント状に分散した強化繊維７により与えられる性能を最大限まで高めることができる。また、構造体１において力学特性に等方性を付与できる。かかる観点から、強化繊維７の繊維分散率は９０％以上であることが望ましく、１００％に近づくほどより望ましい。また、強化繊維７の二次元配向角の算術平均値は、４０°以上、５０°以下の範囲内にあることが望ましく、理想的な角度である４５°に近づくほど望ましい。

一方、強化繊維７が不織布状の形態をとらない例としては、強化繊維７が一方向に配列されてなるシート基材、織物基材、及びノンクリンプ基材等がある。これらの形態は、強化繊維７が規則的に密に配置されるため、構造体１中の空隙８が少なくなってしまい、樹脂６の含浸が極めて困難となり、未含浸部を形成したり、含浸手段や樹脂種の選択肢を大きく制限したりする場合がある。

強化繊維７の形態としては、構造体１と同程度の長さの連続性強化繊維、又は、所定長に切断された有限長の不連続性強化繊維のいずれであってもよいが、樹脂６を容易に含浸させたり、その量を容易に調整できたりする観点からは、不連続性強化繊維であることが望ましい。

強化繊維７の質量平均繊維長が１ｍｍ以上１５ｍｍ以下の範囲内にあることが望ましい。これにより、強化繊維７の補強効率を高めることができ、構造体１に優れた力学特性を与えられる。強化繊維７の質量平均繊維長が１ｍｍ以上である場合、構造体１中の空隙を効率よく形成できるため、密度を低くすることが可能となり、言い換えれば、同一の厚さでありながら軽量な構造体を得ることができるので望ましい。一方、強化繊維７の質量平均繊維長が１５ｍｍ以下の場合には、構造体１中で強化繊維７が、自重により屈曲しにくくなり、力学特性の発現を阻害しないため望ましい。質量平均繊維長は、構造体１の樹脂成分を焼失や溶出等の方法により取り除き、残った強化繊維７から無作為に４００本を選択し、その長さを１０μｍ単位まで測定し、それらの質量平均繊維長として算出できる。

構造体１の体積含有率を１００体積％とした際の強化繊維７の体積含有率は、０．５体積％以上５５体積％以下の範囲内にあることが好ましい。強化繊維７の体積含有率が０．５体積％以上である場合、強化繊維７に由来する補強効果を十分なものとすることができるので望ましい。一方、強化繊維７の体積含有率が５５体積％以下の場合には、強化繊維７に対する樹脂６の体積含有率が相対的に多くなり、構造体１中の強化繊維７同士を結着し、強化繊維７の補強効果を十分なものとできるため、構造体１の力学特性、とりわけ曲げ特性を満足できるので望ましい。

強化繊維７は樹脂６に被覆されており、被覆している樹脂６の厚み（被覆厚み）が１μｍ以上、１５μｍ以下の範囲内にあることが望ましい。樹脂６に被覆された強化繊維７の被覆状態は、少なくとも構造体１を構成する強化繊維７の単繊維同士の交差する点が被覆されていれば、構造体１の形状安定性や、厚み制御の容易さ及び自由度の観点から十分であるが、さらに望ましい態様とすれば、樹脂６は、強化繊維７の周囲に、上述の厚みで被覆された状態であることが望ましい。この状態は、強化繊維７の表面が樹脂によって露出していない、言い換えれば、強化繊維７が樹脂６により電線状の皮膜を形成していることを意味する。このことにより、構造体１は、さらに、形状安定性を有すると共に、力学特性の発現を十分なものとする。また、樹脂６に被覆された強化繊維７の被覆状態は、その強化繊維７の全てにおいて被覆されている必要はなく、本発明に係る構造体１の形状安定性や、曲げ弾性率、曲げ強度を損なわない範囲内であればよい。

本発明の構造体１は、空隙８を有する。そして本発明における空隙８とは、樹脂６により被覆された強化繊維７が柱状の支持体となり、それが重なり合い、又は、交差することにより形成された空間のことを指す。例えば強化繊維７に樹脂６が予め含浸された構造体前駆体を加熱して構造体１を得る場合、加熱に伴う樹脂６の溶融ないしは軟化により、強化繊維７が起毛することで空隙８が形成される。これは、構造体前駆体において、加圧により圧縮状態とされていた内部の強化繊維７が、その弾性率に由来する起毛力によって起毛する性質に基づく。

また構造体１の体積含有率を１００体積％とした際の、空隙８の体積含有率は、１０体積％以上９７体積％以下の範囲内にある。空隙８の含有率が１０体積％以上であることにより、構造体１の密度が低くなるため軽量性を満足できるため望ましい。一方、空隙８の含有率が９７体積％以下の場合には、言い換えれば、強化繊維７の周囲に被覆された樹脂６の厚みが十分なものとなることから、構造体１中における強化繊維７同士の補強を十分に行うことができ、力学特性が高くなるので望ましい。空隙８の体積含有率の上限値は９７体積％であることが望ましい。本発明において、体積含有率は構造体１を構成する樹脂６と強化繊維７と空隙８のそれぞれの体積含有率の合計を１００体積％とする。

構造体１の断面方向における強化繊維７の配向角度をθｆとしたとき、構造体１における補強機能をより効果的に発現する観点から、強化繊維７の配向角度θｆは６０°以下であることが望ましく、さらには４５°以下であることがより望ましい。このとき、構造体１の断面方向における強化繊維７の配向角度θｆとは、構造体１の断面方向に対する傾き度合いであって、言い換えれば、厚さ方向に対する強化繊維７の傾き度合いである。値が大きいほど厚み方向に立って傾いていることを示し、０°以上、９０°以下の範囲で与えられる。また、強化繊維７の配向角度θｆが３°以上である場合、構造体１中の強化繊維７が厚み方向、言い換えれば三次元に配向した状態となるので、構造体１の厚みの自由度が増加し、軽量性を満足できるため望ましい。そのため強化繊維７の配向角度θｆは３°以上であることが好ましい。

強化繊維７の配向角度θｆは、構造体１の面方向に対する垂直断面の観察に基づいて測定できる。図７は、本発明に係る構造体１の厚み方向及び繊維長尺方向で形成される面（図７（ａ））、並びに、厚み方向及び繊維長尺方向に垂直な方向で形成される面（図７（ｂ））の断面構造の一例を示す模式図である。図７（ａ）において、単繊維９ｇ、９ｈの断面は、測定を簡便にするため楕円形状に近似されている。ここで、単繊維９ｈの断面は、楕円アスペクト比（＝楕円長軸／楕円短軸）が小さく見られ、対して単繊維９ｇの断面は、楕円アスペクト比が大きく見られる。一方、図７（ｂ）によると、単繊維９ｈは、平面方向Ｙに対してほぼ平行な傾きを持ち、単繊維９ｇは、平面方向Ｙに対して一定量の傾きを持っている。この場合、単繊維９ｇについては、構造体１の平面方向Ｘと繊維主軸（楕円における長軸方向）αとがなす角度θｘが、単繊維９ｇの厚み方向の配向角度θｆとほぼ等しくなる。一方、単繊維９ｈについては、角度θｘと配向角度θｆの示す角度に大きな乖離があり、角度θｘが配向角度θｆを反映しているとはいえない。従って、構造体１の平面方向に対する垂直断面から配向角度θｆを読み取る場合、繊維断面の楕円アスペクト比が一定値以上のものを抽出することで配向角度θｆの検出精度を高めることができる。

抽出対象となる楕円アスペクト比の指標としては、単繊維の断面形状が真円に近い、すなわち強化繊維の長尺方向に垂直な断面における繊維アスペクト比が１．１以下である場合、楕円アスペクト比が２０以上の強化繊維について平面方向Ｘと繊維主軸αとのなす角度θｘを測定し、これを配向角度θｆとして採用する方法を利用できる。一方、単繊維の断面形状が楕円形や繭形等であり、繊維アスペクト比が１．１より大きい場合には、より大きな楕円アスペクト比を持つ強化繊維に注目し、配向角度θｆを測定した方がよく、繊維アスペクト比が１．１以上、１．８未満の場合には楕円アスペクト比が３０以上、繊維アスペクト比が１．８以上、２．５未満の場合には楕円アスペクト比が４０以上、繊維アスペクト比が２．５以上の場合には楕円アスペクト比が５０以上の強化繊維を選び、配向角度θｆを測定するとよい。

構造体１の曲げ弾性率をＥｃ、構造体１の密度をρとしたとき、Ｅｃ^１／３・ρ^－１として表される構造体１の比曲げ剛性は２．５以上である。構造体１の比曲げ剛性が２．５以上である場合、曲げ弾性率が高く、密度が低い状態であり、所望する軽量化効果が得られるので望ましい。一方、構造体１の比曲げ剛性の上限値には特に制限はないが、２０以下であることが望ましく、２０以下とすることで、軽量化効果と曲げ弾性率のバランスに優れる点で望ましい。一般的に鋼材やアルミニウムの比曲げ剛性は１．５以下であり、比曲げ剛性が２．５以上である本発明の構造体１は、これらの金属材料よりも極めて優れた比曲げ剛性を有する。本発明の構造体１は、軽量化効果に着目される炭素繊維強化樹脂複合材料の一般的な比曲げ剛性である２．３を超える２．５以上の比曲げ剛性を有するが、さらに望ましくは本発明の構造体１の比曲げ剛性は５以上である。

本発明の構造体１において、山形の形状の同心円均質度が２０％以下、望ましくは１０％以下であるとよい。同心円均質度が２０％以下の場合、山形の形状の同心円における力学特性のムラが少ないこととなり、構造体１の破損を抑制することができ、さらに構造体１の設計自由度が低下する。また山形の形状における同心円均質度が２０％以下であれば、さらに振動板などの音響部材に用いた場合、均質な音や表現したい音を発することが可能となる。

ここでいう「同心円均質度」とは、図８（ａ）に示すように、頂点４から等しい距離ｒ１、すなわち同心円上の位置の力学特性のムラを示す。同心円均質度を測定する方法としては、特に制限はないが、例えば、図８（ａ）に示すように、頂点４を通過する１つの直線Ｌと、頂点４を中心とする半径ｒ１の同心円との交点１１ａ、１１ｂ、直線Ｌから４５°、９０°、１３５°傾いた頂点４を通過する合計４つの直線と、頂点４を中心とする半径ｒ１の同心円との交点１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ、１１ｆ、１１ｇ、１１ｈを中心とした合計８個の試験片を、例えば、図８（ｂ）の１２ａに示すように切り出し、それらの試験片を用いて曲げ試験を行う。各位置における曲げ弾性率をＥｃｉ、得られた全てのデータの平均曲げ弾性率をＥｃとしたとき、得られた曲げ弾性率の値Ｅｃｉ、Ｅｃおよび次式より、同心円均質度を算出できる。
・同心円均質度（％）＝｛Σ（Ｅｃｉ－Ｅｃ）^２／ｉ｝^０．５／Ｅｃ×１００
Ｅｃｉ：曲げ弾性率の個別値（ｉ＝１、２、・・・８）（ＧＰａ）
Ｅｃ：平均曲げ弾性率（ＧＰａ）

構造体１の曲げ弾性率Ｅｃは、３ＧＰａ以上であることが望ましく、より望ましくは６ＧＰａ以上であるとよい。構造体１の曲げ弾性率Ｅｃが３ＧＰａ以上である場合、構造体１として使用する範囲を拡大することができるため望ましい。また、構造体１の設計を容易にするために、曲げ弾性率Ｅｃは等方性を有していることが望ましい。曲げ弾性率Ｅｃの上限については制限を設けないが、一般的に強化繊維７と樹脂６とを有する構造体１では、その構成成分である強化繊維７及び樹脂６それぞれの弾性率から算出される値が上限となり得る。本発明に係る構造体１においては、構造体１を単独で使用する場合においても、他の部材とあわせて使用する場合においても、構造体１自身の曲げ弾性率を用いて部材の設計を行い、実用に供するためには５ＧＰａもあれば十分である。

本発明の構造体１において、山形の形状の放射均質度は、本発明の特徴を損なわない範囲で、意図的に変更してもよい。目的に応じた構造体１を得る観点から、例えば、構造体１の底面の外周や頂点４の近傍は、構造体１を落下させてしまった場合に床面などと直接接する可能性が高く、衝撃を緩和する目的で構造体１を軟らかくし（低弾性率化）、構造体１としての剛性を発現するために、それ以外の部分は硬く（高弾性率化）することもできる。一方、逆の構成とした場合にも、構造体１全体で衝撃を吸収し、接触する可能性のある箇所は破損しないように設計することも可能である。

本発明の構造体１において、山形の形状の放射均質度が２０％以下、望ましくは１０％以下であるとよい。放射均質度が意図せずして２０％より大きい場合、山形の形状に力学特性のムラが生じていることとなり、構造体１の設計自由度が低下することがある。また目的の形状に賦型できていない場合もある。

ここでいう「放射均質度」とは、図９（ａ）に示すように、頂点４から底面に向けて線（放射線）を引いた場合の、頂点から異なる距離に存在する同一放射線上の力学特性のムラを示す。放射均質度を測定する方法としては、特に制限はないが、例えば、図９（ａ）に示すように、頂点４を通過する１つの直線Ｌ（同一放射線上）と頂点４を中心とする半径ｒ２、ｒ３の同心円との交点１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、また頂点４を通過する直線Ｌと垂直である頂点４を通過するもう１つの直線と頂点４を中心とする半径ｒ２、ｒ３の同心円との交点１３ｅ、１３ｆ、１３ｇ、１３ｈを中心とした合計８個の試験片を、例えば、図９（ｂ）の１４ａに示すように切り出し、それらの試験片を用いて曲げ試験を行う。各位置における曲げ弾性率をＥｒｉ、得られた全てのデータの平均曲げ弾性率をＥｒとしたとき、得られた曲げ弾性率の値Ｅｒｉ、Ｅｒおよび次式より、放射均質度を算出できる。
・放射均質度（％）＝｛Σ（Ｅｒｉ－Ｅｒ）^２／ｉ｝^０．５／Ｅｒ×１００
Ｅｒｉ：曲げ弾性率の個別値（ｉ＝１、２、・・・８）（ＧＰａ）
Ｅｒ：平均曲げ弾性率（ＧＰａ）

構造体１の厚みは０．２ｍｍ以上であることが望ましい。０．２ｍｍ未満であると、構造体１のバランスが崩れ、剛性を優先すると軽量性に劣り、軽量性を優先すると剛性が劣る。構造体１の厚みについて、剛性と軽量性のバランスの観点から、０．５ｍｍ以上であることがより好ましく、１．０ｍｍ以上であることがさらに好ましい。厚みの上限について、特に限定されないが、２０ｍｍ以下であることが好ましく、１０ｍｍ以下であることが、構造体１の質量の観点からより好ましい。ここでいう構造体１の厚みとは、構造体１の比曲げ剛性を評価する際に測定された構造体１の厚みの平均値である。

構造体１の密度ρは０．９ｇ／ｃｍ^３以下であることが望ましい。構造体１の密度ρが０．９ｇ／ｃｍ^３以下の場合、構造体１とした場合の質量が減少することを意味し、結果、製品とした場合の質量の軽量化に貢献することとなるので望ましい。密度の下限については制限を設けないが、一般的に強化繊維７と樹脂６とを有する構造体１では、その構成成分である強化繊維７、樹脂６、及び空隙８それぞれの体積割合から算出される値が下限となり得る。本発明に係る構造体１においては、構造体１を単独で使用する場合においても、他の部材とあわせて使用する場合においても、構造体自身の密度は、使用する強化繊維７や樹脂６により異なるが、構造体１の力学特性を保持するという観点から、０．０３ｇ／ｃｍ^３以上であることが望ましい。

構造体１の表面から厚み方向の中点位置までの３０％以内の部分における空隙８の体積含有率が０体積％以上、１０体積％未満の範囲内にあり、残りの部分の空隙８の体積含有率が１０体積％以上、９９体積％以下の範囲内にあることが望ましい。かかる空隙８の体積含有率は小さいほど力学特性に優れ、また、大きいほど軽量性に優れる。言い換えれば、構造体１が同一構成の材料からなる場合、構造体１の表面から厚み方向の中点位置までの３０％以内の部分における空隙の体積含有率が０体積％以上、１０体積％未満であることにより、構造体の力学特性を担保し、残りの部分の空隙の体積含有率が１０体積％以上、９９体積％以下の範囲内にあることにより軽量特性を満足させることができるため望ましい。

本発明において構造体１の厚みは、厚みを求めたい表面上の１点とその裏側の表面とを結ぶ最短の距離から求めることができる。厚み方向の中点とは構造体１の厚みの中間点を意味する。構造体１の表面から厚み方向の中点位置までの３０％以内の部分とは、構造体１の表面とその厚み方向の中点までの距離を１００％とした際に、構造体１の表面から３０％の距離までを含めた部分のことを意味する。ここでの残りの部分とは、構造体１の一方の表面から厚み方向の中点位置までの３０％以内の部分及び構造体１の他方の表面から厚み方向の中点位置までの３０％以内の部分を除いた残りの部分を意味する。図１０は、本発明の実施の形態の他の例に係る構造体１Ｃの断面拡大図である。図１０に示すように、構造体１Ｃの表面から厚み方向の中点位置までの３０％以内の部分Ｒ１及び残りの部分Ｒ２は、構造体１Ｃの厚み方向の異なる位置に存在してもよい。

本発明における強化繊維７は不織布状の形態をとることが、強化繊維７への樹脂６の含浸の容易さの観点から望ましい。さらに、強化繊維７が、不織布状の形態を有していることにより、不織布自体のハンドリング性の容易さに加え、一般的に高粘度とされる熱可塑性樹脂の場合においても含浸を容易なものとできるため望ましい。ここで、不織布状の形態とは、強化繊維７のストランド及び／又はモノフィラメントが規則性なく面状に分散した形態を指し、チョップドストランドマット、コンティニュアンスストランドマット、抄紙マット、カーディングマット、エアレイドマット等を例示できる（以下、これらをまとめて強化繊維マットと称す）。

構造体１を構成する強化繊維マットの製造方法としては、例えば強化繊維を予めストランド及び／又は略モノフィラメント状に分散して強化繊維マットを製造する方法がある。強化繊維マットの製造方法としては、強化繊維７を空気流にて分散シート化するエアレイド法や、強化繊維７を機械的に櫛削りながら形状を整えシート化するカーディング法等の乾式プロセス、強化繊維７を水中にて攪拌して抄紙するラドライト法による湿式プロセスを公知技術として挙げることができる。強化繊維７をよりモノフィラメント状に近づける手段としては、乾式プロセスにおいては、開繊バーを設ける方法やさらに開繊バーを振動させる方法、さらにカードの目をファインにする方法や、カードの回転速度を調整する方法等を例示できる。湿式プロセスにおいては、強化繊維７の攪拌条件を調整する方法、分散液の強化繊維濃度を希薄化する方法、分散液の粘度を調整する方法、分散液を移送させる際に渦流を抑制する方法等を例示できる。特に、強化繊維マットは湿式プロセスで製造することが望ましく、投入繊維７の濃度を増やしたり、分散液の流速（流量）とメッシュコンベアの速度を調整したりすることで強化繊維マットの強化繊維７の割合を容易に調整できる。例えば、分散液の流速に対してメッシュコンベアの速度を遅くすることで、得られる強化繊維マット中の繊維の配向が引き取り方向に向き難くなり、嵩高い強化繊維マットを製造可能である。強化繊維マットは、強化繊維単体から構成されていてもよく、強化繊維７が粉末形状や繊維形状のマトリックス樹脂成分と混合されていたり、強化繊維７が有機化合物や無機化合物と混合されていたり、強化繊維同士が樹脂成分で目留めされていてもよい。これらの製造方法において、得られる不織布状の形態の強化繊維７が予め構造体に付与される山形の形状となっていることが望ましい。得られる構造体の均質性が向上する観点から、強化繊維マットを山形の形状とすることが望ましい。具体的には、山形の形状の型やメッシュを製造工程に用いることで得ることが可能となる。

さらに、強化繊維マットには予め樹脂を含浸させておき、構造体前駆体としておくこともできる。本発明に係る構造体前駆体を製造する方法としては、強化繊維マットに溶融ないし軟化した状態の樹脂を加圧または減圧する方法が挙げられる。具体的には、強化繊維マットの厚み方向の両側から樹脂を配置した積層物を、加熱、加圧して樹脂を溶融含浸させる方法が製造の容易さの観点から望ましく例示できる。

上記各方法を実現するための設備としては、圧縮成形機やダブルベルトプレスを好適に用いることができる。バッチ式の場合は前者であり、加熱用と冷却用との２機以上を並列した間欠式プレスシステムとすることで生産性の向上が図れる。連続式の場合は後者であり、連続的な加工を容易に行うことができるので連続生産性に優れる。

本発明に係る構造体を製造する際には、少なくとも以下の工程をこの順に有する製造方法を採用することが、製造の容易さおよび均質度の高い構造体を得る観点から好ましい。
工程［１］：少なくとも樹脂と強化繊維を含む繊維強化樹脂（構造体前駆体）を、樹脂の引張強度が１０ＭＰａ以下となるまで加熱する工程。
工程［２］：繊維強化樹脂（構造体前駆体）を樹脂の引張強度が１０ＭＰａ以下となるまで加熱した状態で圧力を付与し、形状を賦型する工程。
工程［３］：繊維強化樹脂（構造体前駆体）の厚み調整をすることにより膨張させる工程。

工程［１］は、成形に用いる繊維強化樹脂（構造体前駆体）を加熱する工程である。このとき、取り扱い製の観点からは構造体前駆体が膨張していないことが好ましく、賦型性を高める観点からは膨張していることが好ましい。

工程［２］は、加熱した繊維強化樹脂（構造体前駆体）に圧力を付与し、形状を賦型する工程である。このとき、樹脂の引張強度が１０ＭＰａ以下であると、圧力を付与した際に、構造体前駆体が裂けることなく目的の形状に賦型しやすくなることから好ましい。樹脂の引張強度の下限は特に限定されないが、形状に賦型する際に繊維強化樹脂を結着させておく観点から、１ＭＰａ以上であることが好ましい。

工程［３］は、繊維強化樹脂の厚みを調整することにより膨張させて、空隙を形成する工程である。厚み制御を行う方法としては、加熱される構造体前駆体を目的の厚みに制御できれば方法によらないが、金属板等を用いて厚みを拘束する方法、構造体前駆体に付与する圧力により厚み制御する方法等が製造の簡便さの観点から好ましい方法として例示される。上記方法を実現するための設備としては、圧縮成形機やダブルベルトプレスを好適に用いることができる。バッチ式の場合は前者であり、加熱用と冷却用の２機以上を並列した間欠式プレスシステムとすることで生産性の向上が図れる。連続式の場合は後者であり、連続的な加工を容易に行うことができるため連続生産性に優れる。

強化繊維マットが不織布状の形態をとらない例としては、強化繊維が一方向に配列されてなるシート基材、織物基材、及びノンクリンプ基材等がある。これらの形態は、強化繊維が規則的に密に配置されるため、強化繊維マット中の空隙部が少なく、熱可塑性樹脂が十分なアンカリング構造を形成しないため、接合能力が低下する。また、樹脂が熱可塑性樹脂の場合、含浸が極めて困難となり、未含浸部を形成したり、含浸手段や樹脂種の選択肢を大きく制限したりする。

本発明においては、本発明の特徴を損なわない範囲において、構造体又は構造体前駆体をコア層に用い、且つ、連続した強化繊維に樹脂を含浸せしめたシート状中間基材をスキン層に用いたサンドイッチ構造体とすることもできる。ここで、連続した強化繊維とは、少なくとも一方向に１００ｍｍ以上の長さで連続したものであり、その多数本が一方向に配列した集合体、いわゆる強化繊維束は、サンドイッチ構造体の全長にわたり連続している。連続した強化繊維からなるシート状中間基材の形態としては、多数本の連続した強化繊維からなる強化繊維束から構成されたクロス、多数本の連続した強化繊維が一方向に配列された強化繊維束（一方向性繊維束）、この一方向性繊維束から構成された一方向性クロス等である。強化繊維は、同一の形態の複数本の繊維束から構成されていても、又は、異なる形態の複数本の繊維束から構成されていてもよい。一つの強化繊維束を構成する強化繊維数は、通常、３００～４８，０００本であるが、プリプレグの製造やクロスの製造を考慮すると、望ましくは３００～２４，０００本であり、より望ましくは１，０００～１２，０００本である。

不織布以外の強化繊維マットを使用する場合、構造体の曲げ弾性率Ｅｃをコントロールするために、強化繊維の方向を変えて積層する形態が望ましく用いられる。特に、サンドイッチ構造体の弾性率や強度を効率的に高める上で、繊維束を一方向に引きそろえた連続した強化繊維（ＵＤと称する）を使用し、強化繊維の配向方向を変えて積層することが望ましい。

構造体は、例えば、「パソコン、ディスプレイ、ＯＡ機器、携帯電話、携帯情報端末、ＰＤＡ（電子手帳等の携帯情報端末）、ビデオカメラ、光学機器、オーディオ、エアコン、照明機器、娯楽用品、玩具用品、その他家電製品等の筐体、トレイ、シャーシ、内装部材、振動板、スピーカーコーン、またはそのケース」等の電気、電子機器部品、「スピーカーコーン」等の音響部材、「各種メンバ、各種フレーム、各種ヒンジ、各種アーム、各種車軸、各種車輪用軸受、各種ビーム」、「フード、ルーフ、ドア、フェンダ、トランクリッド、サイドパネル、リアエンドパネル、フロントボディー、アンダーボディー、各種ピラー、各種メンバ、各種フレーム、各種ビーム、各種サポート、各種レール、各種ヒンジ」等の、外板、又は、ボディー部品、「バンパー、バンパービーム、モール、アンダーカバー、エンジンカバー、整流板、スポイラー、カウルルーバー、エアロパーツ」等の外装部品、「インストルメントパネル、シートフレーム、ドアトリム、ピラートリム、ハンドル、各種モジュール」等の内装部品、又は、「モーター部品、ＣＮＧタンク、ガソリンタンク」等の自動車、二輪車用構造部品、「バッテリートレイ、ヘッドランプサポート、ペダルハウジング、プロテクター、ランプリフレクター、ランプハウジング、ノイズシールド、スペアタイヤカバー」等の自動車、二輪車用部品、「遮音壁、防音壁などの壁内部材」等の建材、「ランディングギアポッド、ウィングレット、スポイラー、エッジ、ラダー、エレベーター、フェイリング、リブ、シート」等の航空機用部品が挙げられる。力学特性および形状賦型性の観点からは、自動車内外装、電気・電子機器筐体、自転車、スポーツ用品用構造材、航空機内装材、輸送用箱体、建材に望ましく用いられる。なかでも、とりわけ複数の部品から構成されるモジュール部材に好適である。力学特性および均質性の観点からは振動板やスピーカーコーンなどの音響部品に望ましく用いられる。

以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。

（１）構造体における強化繊維の体積含有率Ｖｆ
構造体の質量Ｗｓを測定した後、構造体を空気中５００℃で３０分間加熱して樹脂成分を焼き飛ばし、残った強化繊維の質量Ｗｆを測定し、次式により算出した。このとき、強化繊維および樹脂の密度は、ＪＩＳＺ８８０７（２０１２）の液中ひょう量法に従って測定した結果を用いる。
Ｖｆ（体積％）＝（Ｗｆ／ρｆ）／｛Ｗｆ／ρｆ＋（Ｗｓ－Ｗｆ）／ρｒ｝×１００
ρｆ：強化繊維の密度（ｇ／ｃｍ^３）
ρｒ：樹脂の密度（ｇ／ｃｍ^３）

（２）構造体の曲げ試験
構造体から試験片を切り出し、ＩＳＯ１７８法（１９９３）に従い曲げ弾性率を測定した。試験片は、任意の方向を０°方向とした場合に＋４５°、－４５°、９０°方向の４方向について切り出した試験片を作製し、それぞれの方向について測定数ｎ＝５とし、算術平均値を曲げ弾性率Ｅｃとした。測定装置としては“インストロン（登録商標）”５５６５型万能材料試験機（インストロン・ジャパン（株）製）を使用した。得られた結果より次式により、構造体の比曲げ剛性を算出した。
比曲げ剛性＝Ｅｃ^１／３／ρ

（３）構造体の同心円均質度
構造体の頂点から底面の端部までの最小距離をｒとした場合に、頂点から距離ｒの５０％の位置ｒ５０と頂点を通過する任意の１つの直線およびその直線から４５°、９０°、１３５°傾いた頂点を通過する合計４つの直線との交点において、上記（２）項と同様にして曲げ試験を行った。距離ｒ５０における曲げ弾性率をＥｃｉとした。また得られた全てのデータの平均曲げ弾性率をＥｃとした。得られた曲げ弾性率の値および次式より、同心円均質度を算出した。
・同心円均質度（％）＝｛Σ（Ｅｃｉ－Ｅｃ）^２／ｉ｝^０．５／Ｅｃ×１００
Ｅｃｉ：距離ｒ５０における曲げ弾性率の個別値（ｉ＝１、２、・・・８）（ＧＰａ）
Ｅｃ：距離ｒ５０における平均曲げ弾性率（ＧＰａ）

（４）構造体の放射均質度
構造体の頂点を通過する任意の１つの直線およびその直線から９０°傾けた直線の合計２つの直線と頂点から底面の端部までの最小距離をｒとした場合に、頂点から距離ｒの３０％の位置ｒ３０、頂点から距離ｒの７０％の位置ｒ７０との交点において、上記（２）項と同様にして曲げ試験を行った。各交点における曲げ弾性率をＥｒｉとした。また得られた全てのデータの平均曲げ弾性率をＥｒとした。得られた曲げ弾性率の値および次式より、放射均質度を算出した。
・放射均質度（％）＝｛Σ（Ｅｒｉ－Ｅｒ）^２／ｉ｝^０．５／Ｅｒ×１００
Ｅｒｉ：各位置における曲げ弾性率の個別値（ｉ＝１、２、・・・８）（ＧＰａ）
Ｅｒ：各位置における平均曲げ弾性率（ＧＰａ）

（５）構造体の密度ρ
構造体から試験片を切り出し、ＪＩＳＫ７２２２（２００５）に従って構造体の見かけ密度を測定した。試験片の寸法は縦１００ｍｍ、横１００ｍｍとした。試験片の縦、横、厚みをマイクロメーターで測定し、得られた値より試験片の体積Ｖを算出した。また、切り出した試験片の質量Ｍを電子天秤で測定した。得られた質量Ｍ及び体積Ｖを次式に代入することにより構造体の密度ρを算出した。
ρ［ｇ／ｃｍ^３］＝１０^３×Ｍ［ｇ］／Ｖ［ｍｍ^３］

（６）構造体の空隙の体積含有率
構造体から縦１０ｍｍ、横１０ｍｍの試験片を切り出し、断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）（（株）日立ハイテクノロジーズ製Ｓ－４８００型）により観察し、構造体の表面から、等間隔に１０箇所を１０００倍の倍率で撮影した。それぞれの画像について、画像内の空隙の面積Ａ_ａを求めた。さらに、空隙の面積Ａ_ａの合計を、画像全体の面積で除算することにより空隙率を算出した。構造体の空隙の体積含有率は、５枚の試験片でそれぞれ１０箇所ずつ撮影した合計５０箇所の空隙率から算術平均により求めた。
なお、構造体において、表面から厚み方向の中点位置までの空隙率と残りの部分の空隙率とが異なる場合を判断するために、前記等間隔に撮影した１０箇所において、各々の空隙の体積含有率を算出し、空隙の体積含有率が０体積％以上、１０体積％未満の範囲内にあるものと、空隙の体積含有率が１０体積％以上、９９体積％以下のものとに分別して求めた。

（７）構造体における樹脂の体積含有率
（１）、（６）より求めた構造体における強化繊維の体積含有率と空隙の体積含有率の値を用いて、下式により樹脂の体積含有率を求めた。
樹脂のＶｒ（体積％）＝１００－（Ｖｆ＋Ｖａ）
Ｖｆ：強化繊維の体積含有率（体積％）
Ｖａ：空隙の体積含有率（体積％）

下記の実施例および比較例において、以下の材料を使用した。
［炭素繊維１］
ポリアクリロニトリルを主成分とする共重合体から紡糸、焼成処理、及び表面酸化処理を行い、総単糸数１２，０００本の連続炭素繊維を得た。この連続炭素繊維の特性は次に示す通りであった。
単繊維径：７μｍ
密度：１．７８ｇ／ｃｍ^３
引張強度：４６００ＭＰａ
引張弾性率：２２０ＧＰａ

［ＰＰ樹脂］
未変性ポリプロピレン樹脂（プライムポリマー（株）製“プライムポリプロ”（登録商標）Ｊ１０５Ｇ）８０質量％と、酸変性ポリプロピレン樹脂（三井化学（株）製“アドマー”ＱＢ５１０）２０質量％とからなる目付１００ｇ／ｍ^２の樹脂シートを作製した。
［ＰＡ樹脂］
ナイロン６樹脂（東レ（株）製“アミラン”（登録商標）ＣＭ１０２１Ｔ）からなる目付１２４ｇ／ｍ^２の樹脂フィルムを作製した。

［強化繊維マット１］
炭素繊維１をカートリッジカッターで６ｍｍにカットし、チョップド炭素繊維を得た。水と界面活性剤（ナカライテクス（株）製、ポリオキシエチレンラウリルエーテル（商品名））とからなる濃度０．１質量％の分散液を作製し、この分散液とチョップド炭素繊維とを用いて図１１に示す強化繊維マットの製造装置を用いて、強化繊維マットを製造した。図１１に示す製造装置は、分散槽としての容器下部に開口コックを有する直径１０００ｍｍの円筒形状の容器、分散槽と抄紙槽とを接続する直線状の輸送部（傾斜角３０°）を備えている。分散槽の上面の開口部には撹拌機が付属し、開口部からチョップド炭素繊維及び分散液（分散媒体）を投入可能である。抄紙槽は、底部に幅５００ｍｍの抄紙面を有するメッシュコンベアを備え、炭素繊維基材（抄紙基材）を運搬可能なコンベアをメッシュコンベアに接続している。抄紙は分散液中の炭素繊維濃度を０．０５質量％として行った。抄紙した炭素繊維基材を２００℃の乾燥炉で３０分間乾燥し、不織布状の強化繊維マット１を得た。得られた目付は５０ｇ／ｍ^２であった。

［強化繊維マット２］
炭素繊維１をカートリッジカッターで３ｍｍにカットしたこと以外は強化繊維マット１と同様にして、不織布状の強化繊維マット２を得た。

（実施例１）
強化繊維マットとして強化繊維マット１、樹脂シートとしてＰＰ樹脂を、［樹脂シート／強化繊維マット／樹脂シート／強化繊維マット／強化繊維マット／樹脂シート／強化繊維マット／樹脂シート］の順番に配置した積層物を作製した。次いで、以下の工程（Ｉ）～（ＩＶ）を経ることにより構造体前駆体を得た。
（Ｉ）積層物を２３０℃に予熱したプレス成形機の熱盤の間に配置して金型を閉じる。
（ＩＩ）次いで、１２０秒間保持した後、３ＭＰａの圧力を付与してさらに６０秒間保持する。
（ＩＩＩ）工程（ＩＩ）の後、圧力を保持した状態で熱盤の温度を５０℃まで冷却する。
（ＩＶ）プレス成形機の熱盤を開いて構造体前駆体を取り出す。
得られた構造体前駆体を２００℃に設定したオーブンで３分間加熱した。事前に、２００℃のオーブンでＰＰ樹脂を加熱したときの引張強度を測定しており、３分以上の加熱で引張強度が１０ＭＰａ以下となることを確認し、加熱時間を３分と設定した。
次いで、加熱された状態の構造体前駆体を、図１に示す構造体を成形可能な表面温度２３０℃に設定した金型に配置し、３ＭＰａの加圧を行った。その後、金型を開放し、その末端に金属スペーサーを挿入し、構造体を得る際の厚みが１．６８ｍｍとなるように調整し、再度、金型を締結した。３ＭＰａの圧力を保持した状態で金型表面温度が５０℃になるまで冷却し、金型を開いて構造体を取り出した。実施例１の構造体の特性を表１に示す。

（実施例２）
強化繊維マットとして強化繊維マット１、樹脂シートとしてＰＰ樹脂を、［樹脂シート／強化繊維マット／樹脂シート／強化繊維マット／樹脂シート／強化繊維マット／樹脂シート／強化繊維マット／強化繊維マット／樹脂シート／強化繊維マット／樹脂シート／強化繊維マット／樹脂シート／強化繊維マット／樹脂シート］の順番に配置した積層物を作製したこと以外は、実施例１と同様にして構造体を得た。実施例２の構造体の特性を表１に示す。

（実施例３）
強化繊維マットとして強化繊維マット１、樹脂シートとしてＰＰ樹脂を、［樹脂シート／強化繊維マット／強化繊維マット／樹脂シート］の順番に配置した積層物を作製したこと、構造体を得る際の厚みが１．４０ｍｍとなるように調整したこと以外は、実施例１と同様にして構造体を得た。実施例３の構造体の特性を表１に示す。

（実施例４）
成形に用いる金型を図４（ｃ）に示すような断面形状を有する半球状としたこと以外は、実施例１と同様にして構造体を得た。実施例４の構造体の特性を表１に示す。

（実施例５）
成形に用いる金型を底面が正方形で図４（ｂ）に示すような四角錐台状としたこと以外は、実施例１と同様にして構造体を得た。実施例５の構造体の特性を表１に示す。

（実施例６）
成形に用いる金型を図４（ｄ）に示すような形状としたこと以外は、実施例１と同様にして構造体を得た。実施例６の構造体の特性を表２に示す。

（実施例７）
強化繊維マットを強化繊維マット１から強化繊維マット２に変更して構造体前駆体としたこと以外は、実施例１と同様にして構造体を得た。実施例７の構造体の特性を表２に示す。

（実施例８）
樹脂シートをＰＰ樹脂からＮｙ樹脂に変更して構造体前駆体としたこと、オーブンの温度を２３０℃としたこと、金型の温度を２６０℃としたこと以外は、実施例１と同様にして構造体を得た。実施例８の構造体の特性を表２に示す。

（実施例９）
材料として、炭素繊維強化エポキシ樹脂（商品名：“トレカ”プリプレグＰ３２５２Ｓ－１０、東レ（株））および発泡ポリプロピレンシート（商品名：エフセルＲＣ２０１０（２倍発泡、厚み１．０ｍｍ）、古河電気工業（株））を用い、［プリプレグ（０°方向）／プリプレグ（９０°方向）／プリプレグ（０°方向／プリプレグ（９０°方向）／エフセル／プリプレグ（９０°方向）／プリプレグ（０°方向）／プリプレグ（９０°方向）／プリプレグ（０°方向）］の積層体を得た。この積層体を、表面温度を１５０℃に設定した金型に配置し、０．５ＭＰａの加圧を行った。３０分間、圧力を保持した後、金型を開いて構造体を得た。実施例９の構造体の特性を表２に示す。

（比較例１）
材料として、ガラス繊維強化ポリプロピレン樹脂（商品名：“モストロン”Ｌ－３０４０Ｐ、（株）プライムポリプロ）を５０質量％、発泡剤（商品名：ポリスレンＥＥ２０６、永和化成工業（株））を５０質量％の比率でドライブレンドし、シリンダ温度２３０℃、金型温度５０℃で実施例１の構造体と同一の形状となる金型を使用して射出成形を行い、構造体を得た。比較例１の構造体の特性を表３に示す。

（比較例２）
材料として、炭素繊維強化エポキシ樹脂（商品名：“トレカ”Ｆ６３４３Ｂ－０５Ｐ、東レ（株））を７枚積層した積層体を得た。この積層体を用いること以外は、実施例１と同様にして、構造体を得た。比較例２の構造体の特性を表３に示す。

〔検討〕
実施例１～９が、構造体の比曲げ剛性を満足した山形の形状を有する構造体であることは明確である。実施例１～３においては、比曲げ剛性を意図的に変化させることが可能であり、要求される特性に応じて構成を変更させられることを示した。実施例４および５では、側面部または底面が異なる山形の形状となる構造体であり、実施例４は点対称であるために全方向に均質な特性を発現しうる。実施例５は角を有する構造体であるため、構造体の剛性を高めることができた。実施例６において、斜面の傾きの急な断面形状を有する構造体を得ることができた。実施例７においては繊維長を、実施例８においては樹脂を変更した構造体を得ることができた。実施例９においては、連続繊維を用いたサンドイッチ構成で構造体を得ることができた。さらに実施例１～８においては、同心円状および／または放射線状の均質性に優れている。一方、比較例１および比較例２においては、比曲げ剛性および均質性が満足できなかった。

本発明によれば、剛性及び軽量性に優れる山形の形状を有する構造体を提供することができる。さらに、均質性に優れた構造体を提供することができる。

１構造体
２上面部
３側面部
４頂点
５重心
６樹脂
７強化繊維
８空隙
９単繊維
１０フランジ部

Claims

樹脂と強化繊維と空隙とを有する構造体であって、
曲げ弾性率をＥｃ、密度をρとしたとき、Ｅｃ^１／３・ρ^－１として表される比曲げ剛性が２．５以上であり、山形の形状を有しており、
前記強化繊維は、略モノフィラメント状であり、構造体中にランダムに分散してなり、質量平均繊維長１～１５ｍｍの不連続な強化繊維から構成される不織布状の形態であって、前記強化繊維は、その周囲が、前記樹脂に前記樹脂の厚み（被覆厚み）が１μｍ以上、１５μｍ以下の範囲内で、表面が露出しない状態で被覆されている、構造体。
前記山形の形状における同心円均質度が２０％以下である、請求項１に記載の構造体。
前記山形の形状が、円錐状、半球状、多角錐状、円錐台状、半球台状、及び多角錐台状からなる群より選択される形状であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の構造体。
前記構造体の垂直投影面の面積をＳ１として、前記構造体の垂直投影面の頂点と、底面とで形成される三角形の面積をＳ２とした際に、Ｓ１とＳ２との比（Ｓ１／Ｓ２）が、０．３～１．７である、請求項１～３のいずれかに記載の構造体。
前記曲げ弾性率（Ｅｃ）が３ＧＰａ以上である、請求項１～４のいずれかに記載の構造体。
前記山形の形状における放射均質度が２０％以下である、請求項１～５のいずれかに記載の構造体。
前記構造体の厚みが０．２ｍｍ以上である、請求項１～６のいずれかに記載の構造体。
以下の（１）～（３）を満たす、請求項１～７のいずれかに記載の構造体。
（１）前記樹脂の体積含有率が、２．５～８５体積％
（２）前記強化繊維の体積含有率が、０．５～５５体積％
（３）前記空隙の体積含有率が、１０～９７体積％
前記強化繊維が、金属繊維、ピッチ系炭素繊維、及びＰＡＮ系炭素繊維からなる群より選ばれるいずれかである、請求項１～８のいずれかに記載の構造体。
請求項１～９のいずれかに記載の構造体の製造方法であって、少なくとも以下の工程をこの順に有する構造体の製造方法。
工程［１］：少なくとも樹脂と強化繊維を含む繊維強化樹脂（構造体前駆体）を、前記樹脂の引張強度が１０ＭＰａ以下となるまで加熱する工程。
工程［２］：前記繊維強化樹脂（構造体前駆体）を、前記樹脂の引張強度が１０ＭＰａ以下となるまで加熱した状態で圧力を付与し、形状を賦型する工程。
工程［３］：前記繊維強化樹脂（構造体前駆体）の厚み調整をすることにより膨張させる工程。