JP2017100375A - 金属部材およびｆｒｐ部材の接着構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】 金属部材およびＦＲＰ部材を接着する接着剤層の応力のピーク値を低減し、接着剤層の破断を抑制する。
【解決手段】 金属部材１２およびＦＲＰ部材１３の接着構造体１１は、二つの第１稜線１２ｂに挟まれた第１平坦面１２ａを有する金属部材１２と、第２平坦面１３ａを有するＦＲＰ部材１３と、金属部材１２の第１平坦面１２ａおよびＦＲＰ部材１３の第２平坦面１３ａを接合する接着剤層１４とからなる。接着剤層１４の端縁１４ａは、二つの第１稜線１２ｂに対して略直交する方向に延びる先端部１４ｂと、少なくとも一方の第１稜線１２ｂから先端部１４ｂに跨がるように三角形状に切り欠かれた切欠部１４ｃとを備えるので、接着構造体１１に荷重が入力したときに接着剤層１４の端縁１４ａの切欠部１４ｃに応力を分散することで、接着剤層１４が応力が集中し易い端縁１４ａの角部を起点として破断するのを防止して接着構造体１１の強度を高めることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、二つの第１稜線に挟まれた第１平坦面を有する金属部材と、第２平坦面を有するＦＲＰ部材と、前記金属部材の第１平坦面および前記ＦＲＰ部材の第２平坦面を接合する接着剤層とからなる金属部材およびＦＲＰ部材の接着構造体に関する。

軽金属部材の表面にＦＲＰ材を１０μｍ以上、５００μｍ以下の厚みの接着剤層を介して接着した構造材において、接着剤層の体積固有抵抗を所定値以上とし、かつ室温における接着強度を所定値以上とすることで、構造材の軽量化を図るとともに、耐電食性、強度および衝撃エネルギー吸収性能の向上を図るものが、下記特許文献１により公知である。

ＷＯ０９９／１０１６８

ところで、図９に示すように、中空四角形断面の金属部材０１の一つの平坦面０１ａの長手方向端部に、帯板状のＦＲＰ部材０２の長手方向端部を重ね合わせ、両者が重なる矩形状の領域を接着剤層０３により接着した接着構造体０４を想定する。この接着構造体０４の金属部材０１およびＦＲＰ部材０２に相互に離反する方向の引張荷重Ｆを加えると、金属部材０１の平坦面０１ａの端縁に位置する接着剤層０３の端縁０３ａに最大剪断応力および引張応力が作用する。この最大剪断応力および引張応力の和（以下、応力という）は、接着剤層０３の端縁０３ａに沿う方向に沿って異なっており、端縁０３ａの両端部において最大になり、端縁０３ａの中央部において最小になる。

その理由は、金属部材０１の平坦面０１ａの両側部には直角に折り曲げられた稜線０１ｂ，０１ｂが存在し、この稜線０１ｂ，０１ｂの部分は平坦面０１ａの部分に比べて剛性が高くなるため、前記引張荷重Ｆにより、金属部材０１の稜線０１ｂ，０１ｂの部分の伸び量は小さくなり、金属部材０１の平坦面０１ａの部分の伸び量は大きくなる。接着剤層０３のヤング率は、金属部材０１のヤング率およびＦＲＰ部材０２のヤング率よりも小さく、接着剤層０３は金属部材０１の伸長に応じて伸長するため、接着剤層０３の端縁０３ａにおける応力は、端縁０３ａの両端部において最大になり、端縁０３ａの中央部において最小になるのである。

このように、接着剤層０３の端縁０３ａの両端部において応力が局部的に最大になると、応力が最大になる部分で接着剤層０３が容易に破断するため、そこを起点として接着剤層０３の全体が破断することで、接着構造体０４の強度が低下する問題がある。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、金属部材およびＦＲＰ部材を接着する接着剤層の応力のピーク値を低減し、接着剤層の破断を抑制することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、二つの第１稜線に挟まれた第１平坦面を有する金属部材と、第２平坦面を有するＦＲＰ部材と、前記金属部材の第１平坦面および前記ＦＲＰ部材の第２平坦面を接合する接着剤層とからなる金属部材およびＦＲＰ部材の接着構造体であって、前記接着剤層の端縁は、前記二つの第１稜線に対して略直交する方向に延びる先端部と、少なくとも一方の前記第１稜線から前記先端部に跨がるように三角形状に切り欠かれた切欠部とを備えることを特徴とする金属部材およびＦＲＰ部材の接着構造体が提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記先端部および前記切欠部が成す角度は少なくとも４５°ないし６５°の範囲であることを特徴とする金属部材およびＦＲＰ部材の接着構造体が提案される。

また請求項３に記載された発明によれば、請求項２の構成に加えて、前記先端部および前記切欠部が成す角度は少なくとも４５°ないし５５°の範囲であることを特徴とする金属部材およびＦＲＰ部材の接着構造体が提案される。

また請求項４に記載された発明によれば、請求項１〜請求項３の何れか１項の構成に加えて、前記接着剤層の前記端縁は前記二つの第１稜線に対応する二つの切欠部を備え、前記二つの切欠部の前記先端部の方向に沿う長さは、前記先端部の長さに等しいことを特徴とする金属部材およびＦＲＰ部材の接着構造体が提案される。

また請求項５に記載された発明によれば、請求項１〜請求項４の何れか１項の構成に加えて、前記金属部材は前記第１平坦面に前記第１稜線を介して連続する第３平坦面を有し、前記ＦＲＰ部材は前記第２平坦面に第２稜線を介して連続する第４平坦面を有し、前記第１、第３平坦面を前記第２、第４平坦面に接合する前記接着剤層の前記端縁は、前記第１、第２稜線から前記第１、第３平坦面および前記第２、第４平坦面に跨がる二つの三角形状に切り欠かれた前記切欠部を備えることを特徴とする金属部材およびＦＲＰ部材の接着構造体が提案される。

なお、実施の形態の平坦面１２ａ，１２ｃ，１３ａ，１３ｃはそれぞれ本発明の第１平坦面、第３平坦面、第２平坦面、第４平坦面に対応し、実施の形態の稜線１２ｂ，１３ｂはそれぞれ本発明の第１稜線および第２稜線に対応し、実施の形態のＣＦＲＰ部材１３は本発明のＦＲＰ部材に対応する。

請求項１の構成によれば、金属部材およびＦＲＰ部材の接着構造体は、二つの第１稜線に挟まれた第１平坦面を有する金属部材と、第２平坦面を有するＦＲＰ部材と、金属部材の第１平坦面およびＦＲＰ部材の第２平坦面を接合する接着剤層とからなる。接着剤層の端縁は、二つの第１稜線に対して略直交する方向に延びる先端部と、少なくとも一方の第１稜線から先端部に跨がるように三角形状に切り欠かれた切欠部とを備えるので、接着構造体に荷重が入力したときに接着剤層の端縁の切欠部に応力を分散することで、接着剤層が応力が集中し易い端縁の角部を起点として破断するのを防止して接着構造体の強度を高めることができる。

また請求項２の構成によれば、先端部および切欠部が成す角度は少なくとも４５°ないし６５°の範囲であるので、切欠部における応力分布を均一化して最大応力を低減することができる。

また請求項３の構成によれば、先端部および切欠部が成す角度は少なくとも４５°ないし５５°の範囲であるので、切欠部における応力分布を一層均一化して最大応力を更に低減するとともに、先端部における応力集中を回避することができる。

また請求項４の構成によれば、接着剤層の端縁は二つの第１稜線に対応する二つの切欠部を備え、二つの切欠部の先端部の方向に沿う長さは、先端部の長さに等しいので、接着剤層の端縁における最大応力を最小化することができる。

また請求項５の構成によれば、金属部材は第１平坦面に第１稜線を介して連続する第３平坦面を有し、ＦＲＰ部材は第２平坦面に第２稜線を介して連続する第４平坦面を有し、第１、第３平坦面を第２、第４平坦面に接合する接着剤層の端縁は、第１、第２稜線から第１、第３平坦面および第２、第４平坦面に跨がる二つの三角形状に切り欠かれた切欠部を備えるので、切欠部を持たないＦＲＰ部材により接着構造体の強度および剛性を確保しながら、切欠部による最大応力の低減効果により接着剤層の破断を防止することができる。

接着構造体の斜視図（θ＝４５゜）。（第１の実施の形態） 図１の２方向矢視図。（第１の実施の形態） 図１に対応する図（θ＝５５゜）。（第１の実施の形態） 図１に対応する図（θ＝６５゜）。（第１の実施の形態） 切欠部の角度と最大剪断応力との関係を示すグラフ。（第１の実施の形態） 切欠部の長さと最大剪断応力との関係を示すグラフ。（第１の実施の形態） センターピラーアウターを車体内側から見た斜視図。（第２の実施の形態） 接着構造体の斜視図（円弧状の端縁）。（第３の実施の形態） 接着構造体の斜視図。（従来例）

第１の実施の形態

以下、図１〜図６に基づいて本発明の第１の実施の形態を説明する。

図１および図２に示すように、本実施の形態の接着構造体１１は、板厚が２ｍｍで強度が５９０ＭＰａの鋼板製であり、一辺が７０ｍｍの正方形状の一定中空断面を有する金属部材１２と、幅が６０ｍｍで板厚が１ｍｍのＦＲＰの一種であるＣＦＲＰ（カーボン繊維強化樹脂）製の平板状の板材よりなるＣＦＲＰ部材１３と、金属部材１２の一つの平坦面１２ａにＣＦＲＰ部材１３を接着する厚さ１ｍｍの熱硬化エポキシ樹脂接着剤よりなる接着剤層１４とを備える。

ＣＦＲＰ部材１３は、金属部材１２の二つの稜線１２ｂ，１２ｂに沿うように、長さが８０ｍｍの矩形状の領域で金属部材１２の一つの平坦面１２ａに重なるが、接着剤層１４はそれよりも小さい６角形の領域で金属部材１２およびＣＦＲＰ部材１３を接着する。すなわち、接着剤層１４の一つの端縁１４ａは、金属部材１２の端部に重なる直線状の先端部１４ｂと、先端部１４ｂの両端を三角形状に切り欠いた二つの切欠部１４ｃ，１４ｃとで構成される。本実施の形態では、先端部１４ｂに対して切欠部１４ｃ，１４ｃが成す角度θは４５°であり、先端部１４ｂの幅Ｌ１と、先端部１４ｂの方向に沿う切欠部１４ｃ，１４ｃの幅Ｌ２とは、共に２０ｍｍである。

図１には、金属部材１２およびＣＦＲＰ部材１３を荷重Ｆで引っ張ったときに接着剤層１４に作用する応力の分布が示されており、色の濃い部分は応力が高い部分であり、色の薄い部分は応力が低い部分である。最も応力が高い部分は端縁１４ａの切欠部１４ｃ，１４ｃに沿って略均等に分布しており、かつ端縁１４ａの先端部１４ｂには応力集中が発生していない。

このように、本実施の形態によれば、接着剤層１４のうち、最も応力が集中し易い端縁１４ａの角部（図２のａ部）を切欠部１４ｃ，１４ｃにより除去したことにより、接着剤層１４の破断の起点となる局部的な応力の集中を回避し、荷重Ｆに対する接着構造体１１の強度を高めることができる。

図５のグラフは、接着剤層１４の切欠部１４ｃ，１４ｃの角度θと、切欠部１４ｃ，１４ｃに発生する最大剪断応力との関係を示すもので、角度θが４５°〜６５°の範囲にあれば切欠部１４ｃ，１４ｃの応力分布を略均一化して最大応力を効果的に低減できることが分かる（図１、図３および図４参照）。

しかしながら、接着剤層１４の切欠部１４ｃ，１４ｃの角度θが５５°を超えて増加すると、先端部１４ｂの近傍に応力集中が発生する傾向がある。図４は、切欠部１４ｃ，１４ｃの角度θが６５°の場合の応力分布を示すもので、先端部１４ｂの近傍に若干の応力集中が発生していることが分かる。そこで切欠部１４ｃ，１４ｃの角度θを４５°〜５５°の範囲に設定すれば、先端部１４ｂにおける応力集中を回避しながら切欠部１４ｃ，１４ｃの応力分布を均一化することができる。

図６のグラフは、接着剤層１４の先端部１４ｂの方向に沿う切欠部１４ｃ，１４ｃの長さＬ２と、切欠部１４ｃ，１４ｃに発生する最大剪断応力との関係を示すもので、切欠部１４ｃ，１４ｃの長さＬ２がゼロから増加するのに伴って最大剪断応力が減少し、先端部１４ｂの長さＬ１（２０ｍｍ）に一致したときに最大剪断応力が最小になることが分かる。すなわち、接着剤層１４の幅を三等分し、そこに先端部１４ｂおよび一対の切欠部１４ｃ，１４ｃを配置することで、切欠部１４ｃ，１４ｃの最大剪断応力を低減することができる。

第２の実施の形態

次に、図７に基づいて本発明の第２の実施の形態を説明する。

第２の実施の形態は本発明を自動車のセンターピラー１５に適用したものである。センターピラー１５は、本発明の金属部材であるハット状断面を有する鋼板製のセンターピラーアウター１２と、ハット状断面を有する鋼板製のセンターピラーインナー１６とを結合して閉断面に構成される。センターピラーアウター１２の内面には、本発明のＣＦＲＰ部材１３であるコ字状断面を有するスチフナ１３が、本発明の接着剤層１４により一体に接着される。

センターピラーアウター１２は、第１平坦面１２ａと、第１平坦面１２ａに第１稜線１２ｂを介して連続する第３平坦面１２ｃを備え、スチフナ１３は、センターピラーアウター１２の第１平坦面１２ａ、第１稜線１２ｂおよび第３平坦面１２ｃに接着剤層１４を介して接着される第２平坦面１３ａ、第２稜線１３ｂおよび第４平坦面１３ｃを備える。第１平坦面１２ａ、接着剤層１４および第２平坦面１３ａは一つの接着構造体１１を構成し、また第３平坦面１２ｃ、接着剤層１４および第４平坦面１３ｃは他の一つの接着構造体１１を構成する。

接着剤層１４の稜線１４ｄの下端に二つの三角形状の切欠部１４ｃが形成されており、切欠部１４ｃの一部はセンターピラーアウター１２の第１平坦面１２ａおよびスチフナ１３の第２平坦面１３ａ間に介在し、切欠部１４ｃの他の一部はセンターピラーアウター１２の第３平坦面１２ｃおよびスチフナ１３の第４平坦面１３ｃ間に介在する。

自動車が側面衝突を受けてセンターピラー１５が車体内側に曲がると、センターピラーアウター１２に引張荷重が作用するが、切欠部１４ｃの作用で接着剤層１４の端縁１４ａに応力集中が発生するのを回避し、接着剤層１４の破断によるセンターピラー１５の強度低下を防止することができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、本発明のＦＲＰは、実施の形態のＣＦＲＰの他に、ＧＦＲＰ（ガラス繊維強化樹脂）を含む。ＧＦＲＰはＣＦＲＰよりも引張強度が低いが、安価で金属と組み合わせて使用しても腐食の虞がないというメリットがある。

また第１、第２の実施の形態では接着剤層１４の端縁１４ａの先端部１４ｂおよび切欠部１４ｃは直線であるが、図８の第３の実施の形態に示すように、接着剤層１４の端縁１４ａの先端部１４ｂおよび切欠部１４ｃは曲線であっても良い。

１２ 金属部材
１２ａ 平坦面（第１平坦面）
１２ｂ 稜線（第１稜線）
１２ｃ 平坦面（第３平坦面）
１３ ＣＦＲＰ部材（ＦＲＰ部材）
１３ａ 平坦面（第２平坦面）
１３ｂ 稜線（第２稜線）
１３ｃ 平坦面（第４平坦面）
１４ 接着剤層
１４ａ 端縁
１４ｂ 先端部
１４ｃ 切欠部
Ｌ１ 先端部の長さ
Ｌ２ 切欠部の先端部の方向に沿う長さ
θ 先端部および切欠部が成す角度

Claims (5)

1. 二つの第１稜線（１２ｂ）に挟まれた第１平坦面（１２ａ）を有する金属部材（１２）と、第２平坦面（１３ａ）を有するＦＲＰ部材（１３）と、前記金属部材（１２）の第１平坦面（１２ａ）および前記ＦＲＰ部材（１３）の第２平坦面（１３ａ）を接合する接着剤層（１４）とからなる金属部材およびＦＲＰ部材の接着構造体であって、
   前記接着剤層（１４）の端縁（１４ａ）は、前記二つの第１稜線（１２ｂ）に対して略直交する方向に延びる先端部（１４ｂ）と、少なくとも一方の前記第１稜線（１２ｂ）から前記先端部（１４ｂ）に跨がるように三角形状に切り欠かれた切欠部（１４ｃ）とを備えることを特徴とする金属部材およびＦＲＰ部材の接着構造体。
2. 前記先端部（１４ｂ）および前記切欠部（１４ｃ）が成す角度（θ）は少なくとも４５°ないし６５°の範囲であることを特徴とする、請求項１に記載の金属部材およびＦＲＰ部材の接着構造体。
3. 前記先端部（１４ｂ）および前記切欠部（１４ｃ）が成す角度（θ）は少なくとも４５°ないし５５°の範囲であることを特徴とする、請求項２に記載の金属部材およびＦＲＰ部材の接着構造体。
4. 前記接着剤層（１４）の前記端縁（１４ａ）は前記二つの第１稜線（１２ｂ）に対応する二つの切欠部（１４ｃ）を備え、前記二つの切欠部（１４ｃ）の前記先端部（１４ｂ）の方向に沿う長さ（Ｌ２）は、前記先端部（１４ｂ）の長さ（Ｌ１）に等しいことを特徴とする、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の金属部材およびＦＲＰ部材の接着構造体。
5. 前記金属部材（１２）は前記第１平坦面（１２ａ）に前記第１稜線（１２ｂ）を介して連続する第３平坦面（１２ｃ）を有し、前記ＦＲＰ部材（１３）は前記第２平坦面（１３ａ）に第２稜線（１３ｂ）を介して連続する第４平坦面（１３ｃ）を有し、前記第１、第３平坦面（１２ａ，１２ｃ）を前記第２、第４平坦面（１３ａ，１３ｃ）に接合する前記接着剤層（１４）の前記端縁（１４ａ）は、前記第１、第２稜線（１２ｂ，１３ｂ）から前記第１、第３平坦面（１２ａ，１２ｃ）および前記第２、第４平坦面（１３ａ，１３ｃ）に跨がる二つの三角形状に切り欠かれた前記切欠部（１４ｃ）を備えることを特徴とする、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の金属部材およびＦＲＰ部材の接着構造体。