JP2013544941A - 強化された表面および接着特性を有する繊維強化複合材部品の製造および修復 - Google Patents

Abstract

繊維強化ラミネート層の表面（３）への接合方法であって、溶融樹脂の層を前記表面３上に適用する工程、前記樹脂が前記表面から空気を移動させ前記表面上で冷却固化し、それによって前記表面上に固化樹脂の層（７）を形成する工程、
複合材レイアップ（１３）を前記結果として得られた固化樹脂層の上に適用する工程、および
前記樹脂を加熱および溶融し、複合材レイアップを前記溶融樹脂に浸し、次いで、前記樹脂を固化させ、それにより前記ラミネート層（１９）を形成する工程を含んでいる前記の方法。

Description

発明の属する技術分野

本発明は、ファイバーグラスおよび炭素繊維のような繊維で強化された加熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂から形成される複合材部品の製造および修複に関する。

航空宇宙および自動車部品、例えば、自動車のボンネットそして自動車のパネルなどのような複合材部品形成のための金型を提供するために金属表面加工された工具（tooling）が用いられる。
そのような金属表面加工された工具は、通常、炭素繊維強化裏板（carbon fibre reinforced backing）により支持され、薄く溶射または電鋳した金属表面層を含む。
そのような工具に関して、金属層への損傷により工具が使い物にならなくなるという問題がある。
残念ながら、炭素繊維裏板から離れた金属層は比較的容易に削られる。
なぜなら、薄い金属層と補助用炭素繊維複合材裏板との接着はラミネート樹脂により主に促進されるため比較的弱く、脆い。
接着剤およびのりが試されたが、結果として、破断点がラミネートとの接着面へ移動する。
それは、接着性を改善するが、前記問題の解決はしない
界面および不連続性の問題を解消し、表面仕上げおよび真空保持の観点から金属表面金型の寿命を延ばすため、表面における金属層の炭素複合材裏板への接着性の直接的改善を可能にすることは有利であろう
このアプローチは、表面接着性が表面性能を高め、それによりその分野における生産性を高める多くの製品に適しているであろう。

接着性に関する問題は他の領域においても生じ、特に、損傷した繊維強化複合材パネルの修復、なかでも航空宇宙複合材構造の領域において生じている。
そのような複合材パネル修複の一般的な方法は、損傷を受けた部品の領域上に樹脂を含浸させた布の形で補助材（patch）を当て、補助剤を昇圧、昇温させ、これらを硬化させ、補助剤を損傷した領域に接着する方法である。
損傷した領域への補助材の接着性を向上させる典型的な方法は、損傷領域を取り囲む領域を粗面化し、ラミネートの各層に接触する、ラミネートの厚さに応じたなだらかに形成された傾斜を提供する方法および段階的な荷重伝達を提供することにより、補助剤のより優れた機械的接合を提供するために、その領域の裏に溝を掘るという方法である。
下塗剤または表面処理剤を面取り面（chamfered surface）上に設置し、補助剤をその上に付け加える。
前記機械的接合に関する問題は、表面および表面と補助剤との間に捕捉された空気の完全なウェットアウトがほとんど不可能なことである。
次に、蒸気がラミネートを通して吸収され、溶け出し、界面／表面上の接合部にそって流れ、補助剤を剥離する場合がある。
そのため、第１に、面取り部上の接着性を改善し、補助剤の接着性の改善を可能とすること、または、はるかに小さな面取り面を有することにより、負荷を伝達するための有意な時間を節約できることが好ましい
接着性が大幅に改善されている場合に、これは可能かもしれない。

従って、本願発明の目的は、隣接する表面への繊維強化層の接着を改善する方法を提供することである。
これを考慮して、本願発明は繊維強化ラミネート層の表面への接合方法であって、表面上に溶解樹脂の層を適用する工程、前記樹脂が表面から空気を移動させ、表面上で冷却固化させ、それによって前記表面上に固化樹脂の層を形成する工程、複合材レイアップを前記結果として得られた固化樹脂層の上に適応する工程、および 前記樹脂を加熱および溶融し、複合材レイアップを前記溶融樹脂に浸し、次いで、前記樹脂を固化し、それにより前記ラミネート層を形成する工程を含む、前記方法を提供する。

表面から離れた空気の移動は、表面とラミネート層との界面における気泡の残存が皆無かそれに近くなるように寄与し、その結果、それらの接着性を改善する。
複合材レイアップの溶融樹脂中への湿潤は、複合材レイアップ内に取り込まれた余分な空気を追い出すことにも寄与する。
従って、形成したラミネート層は不整合なく続くことができる。

ナノ粒子を溶融樹脂と共に適用することによって、本願発明に係る接着性を更に改善することができ、樹脂内に含有されるナノ粒子の相当部分が、表面および隣接する表面へ追いやられ、濃縮する。

ナノ粒子は、表面へ適用される樹脂と予備混合することができる。
代替的方法として、樹脂を最初に表面に適用することができ、次いでナノ粒子が樹脂全体に分配される。
樹脂中のナノ粒子を更に分配させるために振動法を用いることができ、ナノ粒子を表面上または表面近くに濃縮させることができる。

樹脂に添加するナノ粒子の量は、好ましくは重量が樹脂に対して２％未満であってもよい。
ナノ粒子の大量の添加により、樹脂は液体よりもペーストのようにふるまう。
これにより、回避空気（avoiding air）が樹脂「ペースト」と表面の間で捕捉されている間、樹脂層を表面に適用することがより困難となる。
低濃度のナノ粒子を混合した樹脂の適用により、それを表面上に、移動し、噴霧し、層状に堆積することが可能となる。
次いで、樹脂中への複合材レイアップの湿潤は、樹脂層および表面との界面における表面方向へ追いやられ、表面付近で濃縮したナノ粒子から樹脂を濾過、分離するよう働く。
この表面上または表面付近でのナノ粒子の濃度はペーストと同等のものであるが、ペースト適用の困難性および不連続性は伴わない。
従って、ラミネート層は、ラミネート層に接合した表面からちょうどラミネート層の外表面までずっと連続していてもよい。
このようにして、接合部と層との間の不整合が形成されることなく、高強度および耐衝撃性のボイドレスラミネート（void free laminate）が形成される。

複合材レイアップ（「プリパック」としても知られる）は１以上のファイバー束層から形成することができる。
複合材レイアップは、更に、複合材レイアップが溶融樹脂層に湿潤するように表面方向へのナノ粒子の推進を促進する少なくとも１つのナノ粒子コントロール層を含むことができる
ナノ粒子コントロール層は、例えば、「ケブラー」ベール（デュポン社の登録商標）として知られるパラ−アラミド合成繊維の形態または複合材レイアップの一部を形成する制御機構の他の形態であってもよい。

表面は、金属表面加工された工具金型（a metal faced tooling mould）の金属層内表面により提供されうる。
代替的に、表面は損傷した繊維強化複合パネルの表面であってもよい。
しかし、本願発明はこれらの用途に限定されるものではなく、接着性の改善を必要とする他の用途もまた想定される。

溶融樹脂は、好ましくは、噴霧工程により表面に適用することができ、樹脂の表面への適用の利点は、それにより表面に直接隣接したエアポケットの形成を最小限に抑えたり、その形成を排除したりすることである。
樹脂は粉末形状で噴霧工程に供給することができる。
噴霧工程の間、粉末樹脂を溶解し、表面上にかけ、混入した空気を表面に対し追いやり、それによって、表面上に合成樹脂層を形成する。
しかし、アプリケーターパッド（applicator pad）若しくはローラーを用いたポンピングによって（pumping）またはブラシを用いて手動で樹脂が適用されることも想定される。

既知の方法を用いて、樹脂を溶解し、次いで硬化させるために、複合材レイアップおよび樹脂層に熱および圧力が加えられる。
例えば、オーストラリア特許出願第６９７６７８号、２００１２３７１３３号および２００２２２７７７９号では、圧力チャンバを通して、圧力および温度が高められた液体が循環し、複合材レイアップの圧縮および固化に影響する置換可能な隣接面を有する圧力チャンバを用いた装置が示されている。

本願発明が適用可能な表面は、研磨および研削後、なめらかなようであるが、実際には、表面はナノ単位で非常に粗い。
従って、ナノ粒子の供給（樹脂および表面との接合面上へ追いやられ濃縮した）は、キーイン（key in）として働き、それにより表面と樹脂との間の有効接着性を改善するよう表面に関与する。
接着力の１０倍増加は、ラミネート層と表面との間の剪断力強さを改善することによって達成しうることが推定される。

ナノ粒子は、炭素、シリコン、金属または他の誘電体および半導体材料を含む様々な異なる原料から形成されうる。
「ナノ粒子」という用語は、ナノ単位ではないが、小さなガラスのマイクロファイバーやダイアモンドダストといった骨片（spicules）のような粒子もまた包含する。
通常、炭素はグラフェンまたは細長いナノチューブの形成に用いられる。
前記グラフェンまたは炭素ナノチューブは、それらの比較的高い熱伝導性により、表面と隣接するラミネート層との間の熱伝導性も改善する可能性がある。
ダイアモンドダストの添加はまた伝熱特性を改善しうる。

本願発明に係る方法の好ましい実施形態を示す添付の図面に関して、本発明を更に説明することは発明の理解に役立つであろう。
本発明の他の実施形態も可能であり、従って、添付図面の特殊性は、本発明の前述の説明の普遍性に取って代わるとは理解されるべきではない。
図において
図１は、本願発明の第１ステップに係る金型および樹脂層の部分側部の横断概略図である。 図２は、本願発明の次のステップを表す図１の金型および樹脂層の部分側部の横断概略図横断概略図である。 図３は、本願発明の最終ステップを表す金型および最終ラミネート層の部分側部の横断概略図横断概略図である。

本願発明の詳細な説明

図面は、本願発明に係る、繊維強化ラミネート層の表面への接合方法の様々なステップを示している。
本願発明は、繊維強化複合材パネルの修理または他の用途においても同様に適用可能であるが、金属表面加工された工具金型の製造における用途に関して説明する。
まず、図１について言及すると、金属表面加工された工具金型の金属層１を示している。金属表面１は、金型表面を提供するための外表面５を有している。金属表面１は、最終的な金型において 炭素繊維強化ラミネート層に接着することを要する内表面３も有する。

本発明の予備的なステップとして内表面３上への樹脂層の適用が含まれる。
樹脂は、金型内表面３と樹脂層７との間の界面において気泡の形成が皆無かそれに近いものとするのを促進するように噴霧装置を用いて適用することができる。
様々な異なる樹脂を樹脂層７の形成に用いることができるが、主な判断基準は、室温において樹脂が通常固体であり、樹脂が硬化すること無く液相へと溶解し、それによって表面３に適用できることである。
従って、内表面３への樹脂の適用後、樹脂は樹脂層７の状態に固化する。
ナノ粒子９（点線で概略的に示される）は、樹脂層７全体に分布する。
ナノ粒子９を、表面３への適用の前に溶融樹脂と予備混合することができる。
まだ、液相状態であるときは、代替的に、ナノ粒子９を樹脂層７上に分散させることができる。
振動手段（不図示）を用いて樹脂層７全体のナノ粒子９の再分配を促進させることもできる。

一度樹脂層７が固化すると、ナノ粒子コントロール層１１を樹脂層７上に配置することができる。
このコントロール層１１の機能については、後述する。
次いで、複合材レイアップ１３（「プリパック」としても知られる）がコントロール層１１上に配置される。
このプリパック１３は、１以上の繊維束層１５で形成することが可能である。
これら繊維束層１５は、少量または多量の樹脂を適用することで、互いに結合し、ラミネートのウェットアウトを完了させることができるが、ラミネートを通過する樹脂／エアフローを止めてはいけない。
前記層１５間の、一度固化した溶融樹脂の量の目的は、プリパック１３へ共に結合し、一旦溶融したラミネートを完全にウェットアウトすることである。

図２に示すように、本願発明に係る次のステップにおいて、真空バッグ１７がプリパック１３上に配置され、空気が真空バッグ１７の下から排出され、圧縮され、ほとんどの空気がプリパック１３の外に抜き取られる。

図３は本願発明の次のステップを示しており、ここでは、樹脂層７およびプリパック１３の加熱および圧縮が行われる。
オーストラリア特許第６９７６７８号、２００１２３７１３３号および２００２２７７７９号に表されるように繊維強化複合材部品の製造および修復のための様々な方法および装置を出願人は開発してきた。
プリパック１３および樹脂層７に圧縮し、加熱するための他のより従来的な方法も使用されることが予想される。

図３について言及すると、樹脂層７を加熱するにつれて、樹脂は溶解し、プリパック１３は下に押しやられ、既に溶融している樹脂層７中に湿潤する。
ナノ粒子コントロール層１１もまた金型の内表面３に向けて押しやられる。
このコントロール層７は、内表面３および樹脂７の間の界面においてナノ粒子９が濃縮するよう、溶融樹脂からナノ粒子９を濾過するよう働く。
いくらかのナノ粒子９は、コントロール層７を通過し、プリパック１３に移動しうる。
これらナノ粒子９は、一般的に内表面３の外側方向の最終繊維強化ラミネート層１９の強化の提供に役に立つであろう。
しかし、ナノ粒子９の大部分は表面３に隣接した領域において濃縮される。
ナノ粒子コントロール層１１が用いられない場合、代わりにプリパック１３自体がナノ粒子を表面上に追いやるように働くことも想定される。
この段階における樹脂の加熱により樹脂は完全に硬化し、これによって、最終繊維強化ラミネート層１９を形成する。

内表面３に隣接したナノ粒子９の集合は固化した繊維強化複合層を内表面３につなぎとめるように働き、これにより、最終繊維複合ラミネート層１９の金属層１への接着性の改善を提供する。

更に、ナノ粒子９は内表面３と隣接するラミネート層１９間の熱伝達を改善するよう働く（特に、非常に高い熱伝導率を有するグラフェンまたはカーボンナノチューブを使用する際）。

当業者にとって明らかとみなされるような修正および変更は、添付の特許請求の範囲に記載の本発明の範囲内に含まれる。

従って、本願発明の目的は、隣接する表面への繊維強化層の接着を改善する方法を提供することである。
これを考慮して、本願発明は繊維強化ラミネート層の表面への接合方法であって、表面上に溶融樹脂の層を適用すること、前記樹脂が表面から空気を移動させ、表面上で冷却固化させ、それによって前記表面上に固化樹脂の層を形成すること、ナノ粒子を溶融樹脂と共に適用すること、複合材レイアップを前記結果として得られた固化樹脂層の上に適応すること、および 前記樹脂を加熱および溶融し、複合材レイアップを前記溶融樹脂に浸し、次いで、前記樹脂を固化し、それにより前記ラミネート層を形成することを含み、少なくとも樹脂内に含有される前記ナノ粒子の相当部分が、表面および隣接する表面へ追いやられ、濃縮する、前記方法を提供する。

ナノ粒子を溶融樹脂と共に適用することによって、接着性が改善され、樹脂内に含有されるナノ粒子の相当部分が、表面および隣接する表面へ追いやられ、濃縮する。

溶融樹脂は、好ましくは、噴霧工程により表面に適用することができ、樹脂の表面への適用の利点は、それにより表面に直接隣接したエアポケットの形成を最小限に抑えたり、その形成を排除したりすることである。
樹脂は粉末形状で噴霧工程に供給することができる。
噴霧工程の間、粉末樹脂を溶融し、表面上にかけ、混入した空気を表面に対し追いやり、それによって、表面上に合成樹脂層を形成する。
しかし、アプリケーターパッド（applicator pad）若しくはローラーを用いたポンピングによって（pumping）またはブラシを用いて手動で樹脂が適用されることも想定される。

既知の方法を用いて、樹脂を溶融し、次いで硬化させるために、複合材レイアップおよび樹脂層に熱および圧力が加えられる。
例えば、オーストラリア特許出願第６９７６７８号、２００１２３７１３３号および２００２２２７７７９号では、圧力チャンバを通して、圧力および温度が高められた液体が循環し、複合材レイアップの圧縮および固化に影響する置換可能な隣接面を有する圧力チャンバを用いた装置が示されている。

本発明の予備的なステップとして内表面３上への樹脂層の適用が含まれる。
樹脂は、金型内表面３と樹脂層７との間の界面において気泡の形成が皆無かそれに近いものとするのを促進するように噴霧装置を用いて適用することができる。
様々な異なる樹脂を樹脂層７の形成に用いることができるが、主な判断基準は、室温において樹脂が通常固体であり、樹脂が硬化すること無く液相へと溶融し、それによって表面３に適用できることである。
従って、内表面３への樹脂の適用後、樹脂は樹脂層７の状態に固化する。
ナノ粒子９（点線で概略的に示される）は、樹脂層７全体に分布する。
ナノ粒子９を、表面３への適用の前に溶融樹脂と予備混合することができる。
まだ、液相状態であるときは、代替的に、ナノ粒子９を樹脂層７上に分散させることができる。
振動手段（不図示）を用いて樹脂層７全体のナノ粒子９の再分配を促進させることもできる。

図３について言及すると、樹脂層７を加熱するにつれて、樹脂は溶融し、プリパック１３は下に押しやられ、既に溶融している樹脂層７中に湿潤する。
ナノ粒子コントロール層１１もまた金型の内表面３に向けて押しやられる。
このコントロール層７は、内表面３および樹脂７の間の界面においてナノ粒子９が濃縮するよう、溶融樹脂からナノ粒子９を濾過するよう働く。
いくらかのナノ粒子９は、コントロール層７を通過し、プリパック１３に移動しうる。
これらナノ粒子９は、一般的に内表面３の外側方向の最終繊維強化ラミネート層１９の強化の提供に役に立つであろう。
しかし、ナノ粒子９の大部分は表面３に隣接した領域において濃縮される。
ナノ粒子コントロール層１１が用いられない場合、代わりにプリパック１３自体がナノ粒子を表面上に追いやるように働くことも想定される。
この段階における樹脂の加熱により樹脂は完全に硬化し、これによって、最終繊維強化ラミネート層１９を形成する。

Claims (11)

1. 繊維強化ラミネート層を表面に接合する方法であって、前記方法が、
   前記表面上に溶融樹脂の層を適用すること、
   前記樹脂が前記表面から空気を移動させ前記表面上で冷却固化し、それによって前記表面上に固化樹脂の層を形成すること、
   複合材レイアップを前記結果として得られた固化樹脂層の上に適用すること、および
   前記樹脂を加熱および溶融し、複合材レイアップを前記溶融樹脂に浸し、次いで、前記樹脂を固化させ、それにより前記ラミネート層を形成することを含む、方法。
2. ナノ粒子を前記溶融樹脂と共に適用する工程であって、少なくとも樹脂中に含有されるナノ粒子の大部分が、前記表面および隣接する表面に向かい追いやられ、濃縮する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記ナノ粒子を、適用前に前記樹脂と予備混合する、請求項２に記載の方法。
4. 前記樹脂層の適応の後に、前記樹脂層上に前記ナノ粒子を適用する工程を含む、請求項２に記載の方法。
5. 溶融中、前記樹脂を振動させ、これによって、前記ナノ粒子の分配を促進させる工程を含む、請求項３または４に記載の方法。
6. 前記樹脂を前記表面上に溶射する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記ナノ粒子の前記表面に向けた推進を促進するため、前記複合材レイアップともに少なくとも１つのナノ粒子コントロール層をさらに含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記ナノ粒子コントロール層がケブラー（デュポン社の登録商標）ベールである、請求項７に記載の方法。
9. 前記樹脂に加えられるナノ粒子の重量が、前記樹脂に対して２％未満である、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記表面が、金属表面加工された金型の内表面である、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記表面が繊維強化複合パネルの損傷した表面である、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。

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