ピッチ系低弾性率炭素繊維を用いたハイブリッドによる炭素繊維強化複合材料ゴルフシャフトの曲げ衝撃特性の改善

摘要

ゴルフシャフト先端部の曲げ衝撃特性を改善するとともに，適度な曲げ剛性を与えるため，ピッチ系低弾性率CFを最外補強層として使用することを検討した。 シャフト先端部をモデル化した低弾性率CF補強パイプを用いて曲げ衝撃試験を実施し，PAN系CFで補強した場合と比較した。 さらに，損傷を考慮したFE解析によりCFRPパイプの曲げ破壊をシミュレートし，低弾性率CFを用いた補強により三点曲げ強度が向上するメカニズムを検討した。 これより，以下の知見が得られた。 （1）低弾性率CFを用いて補強したCFRPパイプは，最外補強層にPAN系CFを使用した場合の3.5倍の衝撃吸収エネルギーをもつ。 また三点曲げ強度は，24％高い値を示す。 （2）低弾性率CFは大きい圧縮破断ひずみを有し，単独では，圧縮破壊を起しにくい特性を持つ。この低弾性率CF補強層を，PAN系CFRPの外側に配置することにより，PAN系CFRPの微小座屈が抑制される。 その結果，PAN系CFRPの圧縮破壊の開始が遅れることにより，CFRPパイプの耐衝撃性が増加したと考えることができる。 （3）FE解析による曲げ破壊のシミュレーションより，XN-05で補強した場合，PAN系CFRPの圧縮破壊強度が56％増加することが推論された。 この要因として，低弾性率CFを用いた最外補強により，荷重点近傍のPAN系CFRPに多軸圧縮応力が発生していることが考えられた。 この応力状態が静水圧と同等の効果を有するため，PAN系CFRPの圧縮強度が増加したと考えることができる。 （4）低弾性率CF補強層の厚さを変えながら，衝撃試験を行い，FE解析結果と比較することにより，PAN系CFRPの圧縮強度が変化する傾向を把握することができる。 これを三点曲げ強度，エネルギー吸収量の設計に適用することにより，要求性能に応じた曲げ衝撃特性および曲げ剛性をゴルフシャフトに付与することができる。