DE602004008685T2

DE602004008685T2 - Verbundwerkstoff und Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE602004008685T2
Application number: DE200460008685
Authority: DE
Inventors: Toshimichi Ogisu
Original assignee: Fuji Jukogyo KK; Fuji Heavy Industries Ltd
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2003-03-04
Filing date: 2004-03-03
Publication date: 2008-01-24
Anticipated expiration: 2024-03-04
Also published as: EP1454737B1; US20040175555A1; EP1454737A1; DE602004008685D1; JP2004262191A

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein faserverstärktes Verbundmaterial und ein Verfahren zur Herstellung desselben. Insbesondere betrifft sie ein faserverstärktes Verbundmaterial, das eine Formgedächtnislegierung enthält, die zuvor unter permanente Spannung gesetzt wird.
Stand der Technik
In den letzten Jahren sind fortlaufend Verbundmaterialien entwickelt worden, die als Konstruktionsmaterialien für ein Flugzeug der Zukunft, und ein Hochgeschwindigkeitsfahrzeug verwendet werden sollen, und es wurde ein Verbundmaterial mit geringem Gewicht und hoher Festigkeit vorgeschlagen.
So zum Beispiel ist ein Verbundmaterial vorgeschlagen worden (siehe Japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2000-334888 ), in der eine Formgedächtnis-Legierungsfolie, auf die bei Zimmertemperatur zuvor eine Spannung ausgeübt worden ist, in eine CFRP-(kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff)-Verbundmaterial-Laminatplatte eingebettet wird, und die Formgedächtnis-Legierungsfolie von außen elektrifiziert oder aufgeheizt wird, so dass ein beschädigter Bereich repariert werden kann, indem eine Formerrückbildungsfunktion der Formgedächtnis-Legierungsfolie zur Unterdrückung der Beschädigung ausgenutzt wird.
Das Verbundmaterial, das in der Japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2000-334888 beschrieben wurde, beinhaltet die Formgedächtnis-Legierungsfolie, welche zwischen Kohlenstofffaserverbund-(im folgenden als CFRP bezeichnet)-Schichten angeordnet ist, wobei die Anzahl der CFRP-Schichten zwei beträgt. In einem derartigen Verbundmaterial ist das Volumenverhältnis der Formgedächtnis-Legierungsfolie in bezug auf das Gesamtvolumen des Verbundmaterials relativ hoch. Außerdem hat die Formgedächtnis-Legierungsfolie eine höhere Dichte als CFRP. Infolgedessen wird eine weitere Gewichtsreduktion des Verbundmaterials unterbunden.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung erfolgte im Hinblick auf den obigen Nachteile. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verbundmaterial und ein Herstellungsverfahren desselben bereitzustellen, bei dem das Gewicht des Verbundmaterials reduziert wird, wohingegen die Festigkeit verbessert wird, um einen besseren Beschädigungsunterdrückungeffekt zu erzielen.
Zur Lösung der obigen Aufgabe enthält ein Verbundmaterial nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung. Ein faserverstärktes Harzschichtteil, welches mehrere faserverstärkte Harzschichten mit unterschiedlichen Richtungen von Faseranordnungen enthält, wobei die Schichten schichtweise aneinandergefügt sind, eine Metallschicht aus Konstruktionsmetall, die zwischen den faserverstärkten Harzschichtteilen angeordnet ist, und eine Harzschicht, die die Metallschicht und die faserverstärkten Schichtteile miteinander verbindet.
Hier bedeutet Konstruktionsmetallmaterial ein Metall, das eine Festigkeit hat, die für die Verwendung als Konstruktionsmaterial eines Gefüges ausreicht. Da sich die erforderliche Festigkeit mit dem Aufbau verändert, kann das Metallmaterial, das als Metallschicht verwendet werden soll, ebenfalls geändert werden.
Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung trägt die Harzschicht nicht nur dazu bei, eine Beschädigung erzeugende Spannung des Verbundmaterials zu verbessern, sondern verstärkt ebenfalls die Haftung zwischen Metallschicht und dem faserverstärkten Harzschichtteil. Infolgedessen kann das Verbundmaterial fester integriert werden. Im Ergebnis kann der Beschädigungsunterdrückungseffekt verglichen mit einem herkömmlichen Verbundmaterial verbessert werden.
Bei einem Verbundmaterial nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Metallschicht aus einer Formgedächtnis-Legierung bestehen, und die Harzschicht und das faserverstärkte Harzschichtteil kann auf die Metallschicht laminiert werden, auf die zuvor eine Spannung ausgeübt wird.
Nach dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird, wenn die Metallschicht, die aus einer Formgedächtnis-Legierung besteht, ihre ursprüngliche Form wieder annimmt, die Harzschicht und das faserverstärkte Harzschichtteil, die auf die Metallschicht laminiert sind, gleichzeitig einer Rückbildungskraft der Metallschicht ausgesetzt. So wird durch Rückbildung der Metallschicht die Rückbildungskraft auf die Harzschicht und das faserverstärkte Harzschichtteil ausgeübt. Sollte eine äußere Kraft in umgekehrter Richtung zur Rückbildungskraft ausgeübt werden, wird die äußere Kraft durch die Rückbildungskraft ausgeglichen. Infolgedessen kann eine kritische Spannung, bei der in jeder Schicht eine Beschädigung erzeugt wird, erhöht werden.
Nach einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das faserverstärkte Harzschichtteil in einem Verbundmaterial aus n Platten von faserverstärkten Harzschichten bestehen, und die faserverstärkten Harzschichten können so laminiert sein, dass ein minimaler Winkel zwischen der faserverstärkten Harzschichten in der Richtung der Faseranordnung 180/n Grad beträgt.
Nach dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die jeweiligen Schichten des faserverstärkten Harzschichtteils in einem gleichmäßigen Winkel in Abhängigkeit der Anzahl der aufzubringenden Schichten angeordnet. Infolgedessen kann ein derartiges faserverstärktes Harzschichtteil auf äußerst gleichmäßige Weise eine Festigkeit bereitstellen. Das bedeutet, dass die Festigkeit eines faserverstärkten Harschichtteils nicht nur in einer bestimmten Richtung verstärkt wird, so dass ein geeignetes Gefüge aus dem Verbundmaterial möglich wird.
In einem Verbundmaterial kann das faserverstärkte Harzschichtteil nach dem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung enthalten: eine erste faserverstärkte Harzschicht, in der die Fasern so angeordnet sind, dass sie sich quer zu einer bestimmten Richtung der Metallschicht erstrecken, eine zweite faserverstärkte Harzschicht, die auf die erste faserverstärkte Harzschicht aufgebracht ist, in der die Fasern so angeordnet sind, dass sie sich in einem Winkel von –45 Grad in bezug auf eine bestimmte Richtung der Metallschicht erstrecken, eine dritte faserverstärkte Harzschicht, die auf die zweite faserverstärkte Harzschicht aufgebracht ist, in der die Fasern so angeordnet sind, dass sie sich in einer bestimmten Richtung der Metallschicht erstrecken, und eine vierte faserverstärkte Harzschicht, die auf die dritte faserverstärkte Harzschicht aufgebracht ist, in der die Fasern so angeordnet sind, dass sie sich in einem Winkel von 45 Grad in bezug auf die bestimmte Richtung der Metallschicht erstrecken.
Hier bedeutet bestimmte Richtung eine Richtung, in der die Last hauptsächlich auf das Verbundmaterial ausgeübt wird.
Nach dem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird, da die erste bis vierte faserverstärkte Harzschicht jeweils in einem Winkel von 45 Grad angeordnet sind, die Festigkeit des faserverstärkten Harzschichtteils in vier Richtungen verbessert. Auf diese Weise kann ein derartiges faserverstärktes Harzschichtteil, das aus vier Schichten besteht, auf äußerst gleichmäßige Weise eine Festigkeit bereitstellen. Das bedeutet, dass die Festigkeit des faserverstärkten Harzschichtteils nicht nur in einer bestimmten Richtung vergrößert wird, so dass ein geeignetes Gefüge aus Verbundmaterial möglich wird.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials nach einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält die Schritte: Unter-Spannung-Setzen einer Folie aus einer Formgedächtnis-Legierung, Laminieren einer Harzschicht auf jede Seite der Formgedächtnis-Legierungsfolie, Laminieren mehrerer nicht gehärteter faserverstärkter Harzschichten auf die Harzschicht, Befestigen beider Enden der Formgedächtnis-Legierungsfolie, um zu verhindern, dass sich die Länge der Folie ändert, und Erwärmen der Formgedächtnis-Legierungsfolie, um die Harzschicht und die faserverstärkten Harzschichten auszuhärten.
Nach dem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung werden, wenn die Formgedächtnis-Legierungsfolie erhitzt wird, um ihre ursprüngliche Form wieder anzunehmen, die Harzschicht und die faserverstärkten Harzschichten, die auf die Formgedächtnis-Legierungsfolie laminiert sind, gleichzeitig einer Rückführungskraft der Formgedächtnis-Legierungsfolie ausgesetzt. Somit wird durch Rückführung der Formgedächtnis-Legierungsfolie die Rückführungskraft auf die Harzschicht und die faserverstärkten Harzschichten ausgeübt. In diesem Fall, bei dem eine äußere Kraft, die der Rückführungskraft entgegengesetzt ist, ausgeübt wird, wird die äußere Kraft durch die Rückführungskraft ausgeglichen. Infolgedessen kann die kritische Spannung, bei der eine Beschädigung in jeder Schicht erzeugt wird, erhöht werden.
Beispielhaft wird nun eine spezielle Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Verbundmaterials ist,
2(a) ein Aufriss eines Probestückes ist,
2(b) eine Seitenansicht des Probestückes ist,
3 eine Ansicht ist, die die Herstellung des Verbundmaterials darstellt,
4 eine graphische Darstellung ist, die einen Vergleich der Eigenschaften der Probestücke mit unterschiedlichen Laminatstrukturen im Hinblick auf Beschädigungen zeigt,
5 eine graphische Darstellung ist, die die Beziehung der Belastungsspannung und der Eigenschaften der Probestücke mit unterschiedlichen Laminatstrukturen im Hinblick auf Beschädigungen zeigt,
6 eine graphische Darstellung ist, die einen Vergleich der Eigenschaften der Probestücke mit unterschiedlichen Laminatstrukturen im Hinblick auf Beschädigungen zeigt,
7 eine Ansicht ist, die ein Verfahren zur Erzeugung eines Querbruchs und eine Schichtablösung bei einem herkömmlichen Verbundmaterial zeigt, und
8 eine Ansicht ist, die ein Verfahren zur Erzeugung eines Querbruchs und einer Schichtablösung bei dem Verbundmaterial der vorliegenden Erfindung zeigt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Eine Ausführungsform aus Verbundmaterial 10 und ein Verfahren zur Herstellung derselben gemäß der vorliegenden Erfindung wird im Detail unten beschrieben.
Wie in 1 gezeigt ist, enthält ein Verbundmaterial eine Metallschicht 1, welche aus einem Metallstrukturmaterial gebildet ist, eine Harzschicht 2, die auf beide Seiten der Metallschicht 1 laminiert ist, und einen faserverstärktes Harzschichtteil 3 mit mehreren faserverstärkten Harzschichten 31 bis 34, die auf die Harzschicht 2 laminiert sind.
Die Metallschicht 1 besteht aus einer Formgedächtnis-Legierung als Metallstrukturmaterial. Hier wird eine Ti-50,2 % Nickel-Formgedächtnis-Legierung (im folgenden als SMA bezeichnet) als Beispiel verwendet. Die SMA bildet sich durch Erhitzen in ihre ursprüngliche Kristallstrukur zurück.
Die Harzschicht 2 liegt zwischen der Metallschicht 1 und dem faserverstärkten Harzschichtteil 3. Die Harzschicht 2 verbessert eine Haftfestigkeit zwischen der Metallschicht 1 und dem faserverstärkten Harzschichtteil 3, als auch verbessert die Festigkeit des Verbundmaterials 10. Hier wird zum Beispiel ein Harzhaftfilm auf Epoxidharzbasis verwendet.
Das faserverstärkte Harzschichtteil 3 enthält die erste faserverstärkte Harzschicht 31, die zweite faserverstärkte Harzschicht 32, die dritte faserverstärkte Harzschicht 33 und die vierte faserverstärkte Harzschicht 34. In der ersten faserverstärkten Harzschicht 31 sind die Fasern so angeordnet, dass sie sich senkrecht zu einer Richtung erstrecken, in die die Last hauptsächlich auf die Metallschicht 1 (in Querrichtung zur Ebene der Zeichnung der 1) ausgeübt wird. In der zweiten faserverstärkten Harzschicht 32, die auf die erste faserverstärkte Harzschicht laminiert ist, sind die Fasern so angeordnet, dass sie sich in einem Winkel von –45° in Bezug auf eine Richtung, in die die Last hauptsächlich auf die Metallschicht 1 ausgeübt wird, erstrecken. In der dritten faserverstärkten Harzschicht 33, die auf die zweite faserverstärkte Harzschicht 32 laminert ist, sind die Fasern so angeordnet, dass sie sich in einer Richtung erstrecken, in der die Last hauptsächlich auf die Metallschicht 1 ausgeübt wird. In der vierten faserverstärkten Harzschicht 34, die auf die dritte faserverstärkte Harzschicht 33 laminiert ist, sind die Fasern so angeordnet, dass sie sich in einem Winkel von 45° in bezug auf eine Richtung, in der die Last hauptsächlich auf die Metallschicht 1 ausgeübt wird, erstrecken. Hier können zum Beispiel Kohlefasern zur Herstellung jeder faserverstärkten Harzschicht verwendet werden.
Beispiele
Das Verbundmaterial 10 und das Herstellungsverfahren für dieses sind im folgenden in Bezug auf die Beispiele beschrieben.
[Herstellungsverfahren der Probestücke]
In dieser Untersuchung werden zwei SMA-Folien mit einer Dicke von 0,04 mm und 0,1 mm als Metallschicht 1 verwendet. 2 zeigt den Zustand des Probestückes S. Die Abmessung des Probestückes S beträgt 250 mm Länge, 35 mm Breite, etwa 1,6 mm Dicke, wenn es lediglich aus dem faserverstärkten Harzschichtteil 3 besteht, und etwa 1,85 mm bis etwa 1,95 mm Dicke, wenn die Metallschicht 1 enthalten ist. Die SMA, die als Metallschicht 1 verwendet wird, wird nach den folgenden Schritten erhalten.
Um die Hafteigenschaft zu verbessern, wird die SMA, die als Metallschicht 1 der in Tabelle 1 gezeigten Materialien verwendet wird, mit 3 % Flusssäure –15 % Salpetersäure gereinigt, um den Oxidfilm auf der Oberfläche, der sich während des Heißrollverfahrens gebildet hat, zu entfernen. Nachdem die Oberfläche der SMA aufgerauht worden ist, wird die SMA einer Anodenbehandlung unterzogen, wobei 10 % NaOH verwendet wird, um so einen neuen Oxidfilm zu erzeugen. Wenn das Probestück S ausgebildet wird, wird die Oberfläche der SMA vollständig mit einem Lösungsmittel gereinigt. Dann werden, wie es in 3 gezeigt ist, die Harzschicht 2 und das faserverstärkte Harzschichtteil 3 laminiert, wobei eine spezielle Spannvorrichtung 20 verwendet wird, die eine Spannung aufrechterhalten kann, welche auf die SMA ausgeübt werden soll. Das Probestück S wird 120 Minuten lang einer Umgebung von 180°C ausgesetzt, um es auf diese Weise zu formen und auszuhärten. Anschließend wird ein Etikett auf das Probestück S aufgebracht und dieses wird zurechtgeschnitten, so dass schließlich das Probestück S, wie es in 2 gezeigt ist, erhalten wird.
[Untersuchungsmethode]
Die Probestücke S, welche in dieser Untersuchung verwendet werden, sind folgende: nur das faserverstärkte Harzschichtteil 3 (1 Stück), das faserverstärkte Harzschichtteil 3 und die Harzschicht 2 (1 Stück), das faserverstärkte Harzschichtteil 3, die Harzschicht 2 und die SMA (1 Stück) und das faserverstärkte Harzschichtteil 3, die Harzschicht 2 und die SMA, auf die 2 %-Spannung ausgeübt wird, (2 Stück). Die jeweiligen Probestücke S werden in Umgebungen bei Zimmertemperatur und bei einer Temperatur von 80°C untersucht. Infolgedessen werden die Untersuchungen bei 10 Bedingungen ausgeführt. Tabelle 1 zeigt die Beschichtungsstrukturen, Plattendicken, SMA-Volumenverhältnisse und die Untersuchungstemperaturen der Probestücke S.
Wie in Tabelle 1 gezeigt ist, werden die Probestücke S des Typs A als Vergleichsbeispiele gebildet, indem lediglich das faserverstärkte Harzschichtteil 3 laminiert wird. Die Probestücke S des Typs A enthalten ein Probestück S des Typs A1, das bei Zimmertemperatur untersucht wird, und ein Probestück S des Typs A2, das bei einer Temperatur von 80°C untersucht wird. Die Stücke S des Typs B werden als erstes Beispiel gebildet, indem die Harzschicht 2 zwischen benachbarte faserverstärkte Harzschichtteile 3 laminiert wird. Die Probestücke S des Typs B enthalten ein Probestück S des Typs B1, das bei Zimmertemperatur untersucht wird, und ein Probestück S des Typs B2, das bei einer Temperatur von 80°C untersucht wird. Die Probestücke S des Typs C als zweite Ausführungsform werden gebildet, indem die Metallschicht 1 von 0,04 mm Dicke zwischen die benachbarten faserverstärkten Harzschichtteile 3 auf die Harzschicht 2 laminiert werden. Die Probestücke S des Typs C enthalten ein Probestück S des Typs C1, das bei Zimmertemperatur untersucht werden soll, und ein Probestück S des Typs C2, das bei einer Temperatur von 80°C untersucht wird. Die Probestücke S des Typs D als drittes Beispiel werden gebildet, indem die Metallschicht 1 mit einer Dicke 0,04 mm, auf die zunächst eine 2 %-ige Spannung ausgeübt wird, zwischen die benachbarten faserverstärkten Harzschichtteile 3 über die Harzschicht 2 laminiert werden. Die Probestücke S des Typs D enthalten ein Probestück S des Typs D1, das bei Zimmertemperatur untersucht werden soll, und ein Probestück S des Typs D2, das bei einer Temperatur von 80°C untersucht werden soll. Die Probestücke S des Typs E werden gebildet, indem die Metallschicht 1 mit einer Dicke von 0,1 mm, auf die eine 2 %-ige Spannung zunächst ausgeübt wird, zwischen die benachbarten faserverstärkten Harzschichtteile 3 auf die Harzschicht 2 laminiert werden. Die Probestücke S des Typs E enthalten ein Probestück S des Typs E1, das bei Zimmertemperatur untersucht wird, und ein Probestück S des Typs E2, das bei einer Temperatur von 80°C untersucht wird.
Ein Belastungs-Entlastungs-Test wird durchgeführt, indem die 10 Arten Probestücke S, wie sie in 1 dargestellt sind, verwendet werden. Die jeweiligen Probestücke S werden auf ein Spannungsuntersuchungsgerät gesetzt, und es wird eine vorgegebene Spannung ausgehend von 0,2 % bis zum Reißen in einem Belastungsspannungsintervall von 0,05 % bis 0,2 % erhöht. Eine Spannung jedes Probestückes S wird über ein dynamisches Spannungsmessgerät ermittelt, welche eine Spannungsmessung ausgibt. Der Riss jedes Probestückes S wird ermittelt, indem eine Untersuchung der Durchlässigkeit von Flüssigkeit durchgeführt wird.
[Querbrucherzeugung]
Die 4 und 5 zeigen die Untersuchungsergebnisse. Bezogen auf die Untersuchungsergebnisse der Probestücke des Typs A wird die Wirkung auf die Harzschicht 2 untersucht, indem die Probestücke des Typs B verwendet werden. Eine Wirkung auf die Metallschicht 1, die durch SMA gebildet wird, wird unter Verwendung von Probestücken des C-Typs untersucht. Eine Wirkung der 2 %-igen Spannung von SMA und eine Wirkung der Wiederherstellungskraft wird unter Verwendung der Probestücke des D-Typs untersucht. Ein Beschädigungsunterdrückungseffekt und die Wiederherstellungseigenschaften werden unter Verwendung von Probestücken des E-Typs untersucht, in denen die Metallschicht 1 eine 2,5-fache Dicke aufweist.
Wie in 4 dargestellt ist, wird bei einer 0,67 %-igen Spannung in der ersten faserverstärkten Harzschicht 31 des Probestücks des Al-Typs ein Querbruch erzeugt, während bei einer 0,65 %-igen Spannung ein Querbruch in dem Probestück des Typs A2 erzeugt wird. Dieser Unterschied zeigt eine Abweichung in den Materialeigenschaften, die durch Hitze verursacht wird. Bei den Probestücken B, werden im wesentlichen die gleichen Ergebnisse wie in den Probestücken des Typs A erzielt, und es wird kein bemerkenswerter Unterschied festgestellt. Das Probestück des Typs C1 hat bei Zimmertemperatur eine brucherzeugende Spannung von 0,7 %. Bei dem Probestück des Typs C2 ist jedoch die Spannung zur Erzeugung eines Bruchs durch Hitzen auf 0,75 % verbessert worden. Es ist zu berücksichtigen, dass eine derartige Wirkung durch eine Verbesserung der Festigkeit durch eine austenische Transformation der SMA erzeugt wird. Das Probestück des Typs D1 weist bei Zimmertemperatur eine Bruchspannung von 0,84 % auf. Bei dem Probestück des Typs D2 wird die Bruchspannung jedoch durch Aufheizen auf 0,089 % verbessert. Das Probestück des E1-Typs weist bei Zimmertemperatur eine Bruchspannung von 0,89 % auf. Bei dem Probe stück des Typs E2 wird die Bruchspannung jedoch durch Erhitzen auf 0,95 % verbessert.
Mit Hilfe der obigen Ergebnisse stellt sich heraus, dass durch Vorsehen der Metallschicht 1, die aus einer SMA gebildet wird, die Querbruchspannung verbessert wird.
Wenn die Probestücke des Typs C, in denen keine Spannung auf die Metallschicht 1 ausgeübt wurde, mit den Probestücken des Typs D indem zunächst eine 2 %-ige Spannung auf die Metallschicht 1 ausgeübt wurde, verglichen werden, stellt sich heraus, dass die Querbruchspannung bei letzteren verbessert wurde. Wenn die Probestücke des Typs D, in denen die Metallschicht 1 eine Dicken von 0,04 mm hat, mit den Probestücken des Typs E, in den die Metallschicht eine Dicke von 0,1 mm hat, verglichen werden, stellt sich heraus, dass die Querbruchspannung bei letzteren weiter verbessert wird.
Bezugnehmend auf die Probestücke des Typs A zeigen, wie es in 5 dargestellt ist, bei einer Belastungsspannung von 1,1 % die Probestücke des Typs A1 eine Querbruchdichte von 8,1/cm, während diese für die Probestücke des A2-Typs 10,6/cm beträgt. Bezugnehmend auf die Probestücke des Typs B, wird bei den Probestücken des Typs B1 eine Querbruchdichte von 5,5/cm erzeugt, was eine Reduktion von etwa 30 % in bezug auf die Teststrecke des A1-Typs bedeutet, während sie 8,6/cm für die Probestücke des Typs B2 beträgt, was eine Reduktion von etwa 20 % in bezug auf die Probestücke des A1-Typs bedeutet. Bei dem Probestück des C1-Typs beträgt eine Querbruchdichte 5,7/cm, was eine Reduktion von etwa 30 % in bezug auf die Probestücke des Typs A1 bedeutet, während sie 7,3/cm für das Probestück des C2-Typs beträgt, was etwa 30 % Reduktion in bezug auf das Probestück des Typs A1 bedeutet. Bei dem Probestück des D1-Typs beträgt die Querbruchdichte 4,9/cm, was eine Reduktion von etwa 40 % in bezug auf das Probestück des A1-Typs bedeutet, während sie 5,6/cm für das Probestück des Typs D2 beträgt, was eine Re duktion von etwa 50 % in bezug auf das Probestück des A1-Typs bedeutet. Bei dem Probestück des Typs E1 beträgt die Querbruchdichte 1,15/cm, was eine Reduktion von etwa 86 % in bezug auf das Probestück des Typs A1 bedeutet, während sie 4,55/cm für das Probestück des E2-Typs beträgt, was eine Reduktion von etwa 57 % in bezug auf das Probestück des A1-Typs bedeutet.
Bezogen auf die obigen Ergebnisse hat sich herausgestellt, dass ein Verbundmaterial, bei dem die Harzschicht 2 auf das faserverstärkte Harzschichtteil 3 laminiert ist, eine niedrigere Querbruchdichte als ein Verbundmaterial aufweist, das lediglich aus dem faserverstärkten Harzschichtteil 3 besteht. Es stellt sich ebenfalls heraus, dass durch Laminieren der Harzschicht 2 und der Metallschicht 1, eine Querbruchdichte weiter verringert werden kann. Verglichen mit den Probestücken des Typs C, bei denen keine Spannung auf die Metallschicht 1 ausgeübt worden ist, mit den Probestücken des Typs D, bei denen zunächst eine 2%-ige Spannung auf die Metallschicht ausgeübt wurde, stellt sich heraus, dass die Querbruchdichte bei letzteren weiter verringert wird. Verglichen mit den Probestücken des Typs D, bei denen die Metallschicht 1 eine Dicken von 0,04 mm hat, mit den Probestücken des Typs E, bei denen die Metallschicht 1 eine Dicke von 0,1 mm hat, stellt sich heraus, dass die Querbruchdichte bei letzteren geringer ist.
[Erzeugung einer Schichtablösung]
Wie in 4 dargestellt ist, beträgt eine schichtablösende Spannung 0,77 % für die Probestücke des Typs A1, während 0,83 % für die Probestücke des Typs A2 beträgt. In bezug auf die Probestücke des Typs B wird die Schichtablösespannung im Vergleich zu den Probestücken des Typs A1 signifikant verbessert. Das bedeutet, dass keine Schichtablösung bei beiden Probestücken, des Typs B1 und des Typs B2, erzeugt wird, wenn die Spannung höher als 1,2 % ist. In 4 wird die Schichtablösespannung in den Fällen, in denen oberhalb von 1,2 % Spannung keine Schichtablösung erzeugt wird, die Schichtablösespannung zu 1,3 % angegeben. Obwohl die Schichtablösespannung für das Probestück des Typs C1 auf 1 % abgesenkt wurde, beträgt es bei dem Probestück des Typs C2 1,3 %. Die Schichtablösespannung wird für das Probestück des Typs D1 auf 1,1 % verbessert und es beträgt für das Probestück des Typs C2 1,3 %. Die Schichtablösespannung beträgt 1,3 % sowohl für die Probestücke des Typs E1 als auch des Typs E2. Infolgedessen wird bei einer Belastungsspannung von 1,2 % keine Schichtablösung erzeugt.
Bezogen auf die obigen Ergebnisse hat sich herausgestellt, dass die Schichtablösespannung in einem Verbundmaterial, in dem die Harzschicht 2 die Metallschicht laminiert wurden im Gegensatz zu einem Verbundmaterial verbessert, welches lediglich aus dem faserverstärkten Harzschichtteil 3 besteht. Wenn die Probestücke des Typs C, in denen keine Spannung auf die Metallschicht 1 ausgeübt wird, mit den Probestücken des Typs D, bei denen eine 2 %-ige Spannung zunächst auf die Metallschicht 1 ausgeübt wird, verglichen werden, stellt sich heraus, dass die Schichtablösespannung bei letzterem deutlich verbessert wurde. Wenn die Probestücke des Typs D, bei denen die Metallschicht eine Dicke von 0,04 mm hat, mit den Untersuchungsstücken des Typs E, bei denen die Metallschicht 1 eine Dicke von 0,1 mm hat, verglichen werden, stellt sich heraus, dass die Schichtablösespannung bei letzterem weiter verbessert wird.
6 zeigt eine Zusammenfassung der obigen Ergebnisse. Bezogen auf 6 stellt sich heraus, dass die Untersuchungsstücke S des Typs E und die Untersuchungsstücke des Typs E einen höheren Beschädigungsunterdrückukngseffekt haben, wobei alle aus der Metallschicht 1, die aus der SMA besteht, auf welche zunächst eine Spannung ausgeübt worden ist, und das faserverstärkte Harzschichtteil 3 besteht. Beide Arten Probestücke S haben einen solchen Aufbau, die Probestücke S des Typs E, in denen die Dicke der SMA 0,1 mm beträgt, sind bevorzugt.
Die Probestücke S werden mit einem herkömmlichen Verbundmaterial 10 unter Bezugnahme auf eine Beobachtung unter Verwendung einer Videoanlage verglichen.
Wie in 7 gezeigt ist, wird in den Probestücken S des Typs A ein Querbruch bei einer Belastungsspannung von 0,6.5 % erzeugt. Bei einer Belastungsspannung von 0,8 % erstreckt sich der Querbruch senkrecht durch die 90°-Schichten und führt zu einer Schichtablösung. Bei einer Belastungsspannung von 1,0 % wird eine deutliche Schichtablösung beobachtet.
Andererseits wird, wie in 8 gezeigt ist, in dem Probestück S des Typs C, welches die Metallschicht 1, die Harzschicht 2 und das faserverstärkte Harzschichtteil 3 enthält, der Querbruch bei einer Belastungsspannung von 0,75 % erzeugt. Bei einer Belastungsspannung von 0,9 % führt der Querbruch senkrecht durch die 90-°Schicht und die Schichtablösung wird bei einer Belastungsspannung von 1,0 % erzeugt.
Bezogen auf die obigen Ergebnisse stellt sich heraus, dass verglichen mit einem herkömmlichen Verbundmaterial die Beschädigung signifikant unterdrückt werden kann, indem die Harzsicht 2 und das faserverstärkte Harzschichtteil 3 auf die Metallschicht 1 laminiert werden, welche durch SMA gebildet wird, auf die zunächst eine Spannung ausgeübt wird, und die Metallschicht 1 erhitzt wird, damit sie ihrer ursprüngliche Form wieder annimmt.
Folglich trägt bei dem Verbundmaterial 10 und bei dem Verfahren zur Herstellung des Verbundmaterials gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Harzschicht 2 nicht nur dazu bei, die Festigkeit des Verbundmaterials zu verbessern, sondern erhöht ebenfalls die Haftung zwischen der Metallschicht 1 und dem faserverstärkten Harzschichtteil 3. Infolgedessen kann das Verbundmaterial 10 fester integriert werden, so dass die Festigkeit verbessert werden kann. Im Ergebnis kann verglichen mit einem herkömmlichen Verbundmaterial die Wirkung der Unterdrückung von Beschädigungen verbessert werden.
Da die Metallschicht 1 aus SMA gebildet wird, werden, wenn die Metallschicht 1 aufgeheizt wird, um ihre ursprüngliche Form wieder anzunehmen, die Harzschicht 2 und das faserverstärkte Harzschichtteil 3, welche auf die Metallschicht 1 laminiert werden, gleichzeitig der Wiederherstellungskraft der Metallschicht 1 ausgesetzt. Infolgedessen wird durch Rückbildung der Metallschicht 1, die Wiederherstellungskraft auf die Harzschicht 2 und das faserverstärkte Harzschichtteil 3 ausgeübt. Sollte eine äußere Kraft in entgegengesetzter Richtung zur Rückbildungskraft ausgeübt werden, wird die äußere Kraft durch die Rückbildungskraft ausgeglichen. Infolgedessen kann die kritische Spannung, bei der eine Beschädigung der Schicht erzeugt wird, verbessert werden.
Da die erste bis vierte faserverstärkte Harzschicht 31 bis 34 jeweils im Winkel von 45° angeordnet sind, wird das faserverstärkte Harzschichtteil 3 in vier Richtungen verstärkt. Infolgedessen kann ein solches faserverstärktes Harzschichtteil 3, das aus vier Schichten besteht, auf sehr gleichmäßige Weise eine Festigkeit bereitstellen. Das bedeutet, dass das faserverstärkte Harzschichtteil 3 nicht nur in eine bestimmte Richtung stabilisiert werden kann, so dass eine geeignete Struktur aus Verbundmaterial 10 möglich ist.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die obige Ausführungsform beschränkt. Obwohl das faserverstärkte Harzschichtteil 3 aus vier Schichten besteht, kann es zum Beispiel auch aus sechs oder acht Schichten bestehen. Im Falle von sechs Schichten sind die erste bis sechste faserverstärkte Harzschicht jeweils in einem Winkel von 30° angeordnet. Im Falle von acht Schichten sind die erste bis ach te faserverstärkte Harzschicht jeweils in einem Winkle von 22,5° angeordnet. In dieser Ausführungsform nimmt die SMA, die als Metallschicht 1 verwendet wird, durch Erhitzen wieder ihre Form an. Es gibt jedoch darauf keine Beschränkung und die SMA kann sich auch mit Zeitverzögerung zurückbilden. Andere Änderungen und Modifikationen sind möglich, ohne sich aus dem Rahmen der Erfindung zu entfernen.
Das bedeutet, dass erfindungsgemäß eine Harzschicht nicht nur zur Verbesserung der Festigkeit des Verbundmaterials beiträgt, sondern auch die Haftung zwischen einer Metallschicht und einer faserverstärkten Harzschicht verbessert. Infolgedessen kann das Verbundmaterial fester integriert werden, so dass die Festigkeit verbessert werden kann. Daher kann eine verbesserte Wirkung der Unterdrückung der Bestätigung eines Verbundmaterials in bezug auf ein herkömmliches erzielt werden.
Ferner wird die Offenbarung der Japanischen Patentanmeldung Nr. 57204/2003 , angemeldet am 4. März 2003, einschließlich Beschreibung, Zeichnungen und Zusammenfassung durch Bezugnahme vollständig eingeführt.

Claims

Verbundmaterial, enthaltend: ein faserverstärktes Harzschichtteil mit mehreren faserverstärkten Harzschichten mit unterschiedlichen Richtungen von Faseranordnungen, wobei die Schichten schichtweise aneinander gefügt sind, eine Metallschicht aus Konstruktionsmetall, die zwischen den faserverstärkten Harzschichtteilen angeordnet ist und eine Harzschicht, die die Metallschicht und die faserverstärkten Schichtteile miteinander verbindet.
Verbundmaterial nach Anspruch 1, wobei die Metallschicht aus einer Formgedächtnis-Legierung besteht, und die Harzschicht und die faserverstärkte Harzschicht auf die Metallschicht laminiert sind, die zuvor unter Spannung gesetzt worden ist.
Verbundmaterial nach Anspruch 1, wobei das faserverstärkte Harzschichtteil n Platten aus faserverstärkten Harzschichten enthält und die faserverstärkten Harzschichten so laminiert sind, dass der minimale Winkel zwischen den faserverstärkten Harzschichten in einer Richtung der Faseranordnungen 180/n Grad beträgt.
Verbundmaterial nach Anspruch 2, wobei das faserverstärkte Harzschichtteil n Platten aus faserverstärkten Harzschichten enthält und die faserverstärkten Harzschichten so laminiert sind, dass der minimale Winkel zwischen den faserverstärkten Harzschichten in einer Richtung der Faseranordnungen 180/n Grad beträgt.
Verbundmaterial nach Anspruch 1, wobei das faserverstärkte Harzschichtteil enthält: eine erste faserverstärkte Harzschicht, in der die Fasern so angeordnet sind, dass sie sich quer zur einer bestimmten Richtung der Metallschicht erstrecken, eine zweite faserverstärkte Harzschicht, die auf die erste faserverstärkte Harzschicht laminiert ist und in der die Fasern so angeordnet sind, dass sie sich in einem Winkel von –45 Grad in Bezug auf eine bestimmte Richtung der Metallschicht erstrecken, eine dritte faserverstärkte Harzschicht, die auf die zweite faserverstärkte Harzschicht laminiert ist und in der die Fasern so angeordnet sind, dass sie sich in einer bestimmten Richtung der Metallschicht erstrecken, und eine vierte faserverstärkte Harzschicht, die auf die dritte faserverstärkte Harzschicht laminiert ist und in der die Fasern so angeordnet sind, dass sie sich in einem Winkel von 45 Grad in Bezug auf eine bestimmte Richtung der Metallschicht erstrecken.
Verbundmaterial nach Anspruch 2, wobei das faserverstärkte Harzschichtteil enthält: eine erste faserverstärkte Harzschicht, in der die Fasern so angeordnet sind, dass sie sich quer zur einer bestimmten Richtung der Metallschicht erstrecken, eine zweite faserverstärkte Harzschicht, die auf die erste faserverstärkte Harzschicht laminiert ist und in der die Fasern so angeordnet sind, dass sie sich in einem Winkel von –45 Grad in Bezug auf eine bestimmte Richtung der Metallschicht erstrecken, eine dritte faserverstärkte Harzschicht, die auf die zweite faserverstärkte Harzschicht laminiert ist und in der die Fasern so angeordnet sind, dass sie sich in einer bestimmten Richtung der Metallschicht erstrecken, und eine vierte faserverstärkte Harzschicht, die auf die dritte faserverstärkte Harzschicht laminiert ist und in der die Fasern so angeordnet sind, dass sie sich in einem Winkel von 45 Grad in Bezug auf eine bestimmte Richtung der Metallschicht erstrecken.
Verbundmaterial nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, wobei das faserverstärkte Harzschichtteil enthält: eine erste faserverstärkte Harzschicht, in der die Fasern so angeordnet sind, dass sie sich quer zur einer bestimmten Richtung der Metallschicht erstrecken, eine zweite faserverstärkte Harzschicht, die auf die erste faserverstärkte Harzschicht laminiert ist und in der die Fasern so angeordnet sind, dass sie sich in einem Winkel von –45 Grad in Bezug auf eine bestimmte Richtung der Metallschicht erstrecken, eine dritte faserverstärkte Harzschicht, die auf die zweite faserverstärkte Harzschicht laminiert ist und in der die Fasern so angeordnet sind, dass sie sich in einer bestimmten Richtung der Metallschicht erstrecken, und eine vierte faserverstärkte Harzschicht, die auf die dritte faserverstärkte Harzschicht laminiert ist und in der die Fasern so angeordnet sind, dass sie sich in einem Winkel von 45 Grad in Bezug auf eine bestimmte Richtung der Metallschicht erstrecken.
Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials, welches umfasst: Unter-Spannung-Setzen einer Folie aus einer Formgedächtnis-Legierung, Laminieren einer Harzschicht auf jede Seite der Folie aus der Formgedächtnis-Legierung, Laminieren mehrerer nicht gehärteter faserverstärkter Harzschichten auf die Harzschicht, Befestigen beider Enden der Folie aus der Formgedächtnis-Legierung, um zu verhindern, dass sich die Länge der Folie ändert, und Zuführen von Wärme, um die Harzschicht und die faserverstärkten Harzschichten auszuhärten.