JP5284926B2 - 金属と炭素繊維強化樹脂との積層体とその製造方法 - Google Patents
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Description
一方、炭素繊維強化樹脂として一方向プリプレグシートが用いられることが多いが、この一方向プリプレグシートは、力学的、熱的特性に異方性が強い。このため、繊維方向が異なるように組み合わせて疑似等方性になるように数層積層成形したりしている。また、ピッチ系炭素繊維を織物にした3軸織物およびその製造方法に関する技術も知られている(例えば、特許文献2参照)。
一方、本出願人も、CFRPと被着材(CFRPまたは金属合金)とを強固に接着して一体化した接合体に関して、鋭意、研究開発を行っている。また、CFRPと被着材の接合体及びその製造方法に関する技術を、特願2009−225057(出願日:平成21年9月29日)等で提案している。
本発明の目的は、金属と3軸織物構成の炭素繊維強化樹脂とを強固に接着し、積層体の剛性向上、機械的強度向上、耐久性向上、軽量化、薄肉化を図ることができる金属と炭素繊維強化樹脂との積層体とその製造方法を提供することにある。
本発明1の金属と炭素繊維強化樹脂との積層体は、3本の炭素繊維束が、互いに、所定の角度を有するように織り込まれ、互い違いに交差する織り目に、所定の形状の開孔部を有するように織られた3軸織物に形成されている炭素繊維強化樹脂体と、前記炭素繊維強化樹脂体に積層される金属体であって、前記開孔部に相当する位置に凸部が形成された金属体と、前記炭素繊維強化樹脂体と前記金属体とを一体に接合するための接着剤とからなり、前記開孔部内に前記凸部が位置するようになっていることを特徴とする。
図4は、金属と炭素繊維強化樹脂との積層体の応用例としての第1の積層体を示す断面図、図5は、金属と炭素繊維強化樹脂との積層体の応用例としての第2の積層体を示す断面図、図6は、金属と炭素繊維強化樹脂との積層体の応用例としての第3の積層体を示す断面図である。図7は、金属体と1液性エポキシ接着剤とが接合したときの表面構造を模式的に示す断面図である。
CFRP体10は、炭素繊維束11、12、13を60度の角度で交差して製織することにより三軸織物を形成している。軸方向に対し+60度方向と−60度方向にたて糸である第2炭素繊維束12、第3炭素繊維束13が存在し、幅方向によこ糸である第1炭素繊維束11を挿入し製織する。第2炭素繊維束12、第3炭素繊維束13は両端部で120度方向に折れ曲がり、例えば、+60度方向の第2炭素繊維束12が−60度方向の第3炭素繊維束13に、−60度方向の第3炭素繊維束13が+60度方向の第2炭素繊維束12となり製織が進む。三軸織物の組織は各方向に炭素繊維束が1本配向されている。製織された第1炭素繊維束11〜第3炭素繊維束13には、マトリックス樹脂としてのエポキシ樹脂14が含浸されており、CFRP体10はいわゆるシート状プリプレグを構成するものである(図3参照)。また、CFRP体10は、PAN系炭素繊維、PITCH系炭素繊維等が製織されたものであればよい。
金属体20は、金属の種類を特に限定しない。しかしながら、軽量化を考えるとアルミニウム、マグネシウム等比重の軽いいわゆる軽金属製の板状素材で形成された金属体であることが好ましい。金属体20は、平面部23と、平面部23から所定の間隔毎に立設される凸部21とからなっている。すなわち、この板状素材に、プレス加工で、所定の形状(この実施の形態では六角形状)の凸部21が所定の間隔毎に形成されている。なお、凸部の形状は、円状、楕円状、長円状、他の多角形状等であってもよい。この凸部21は、CFRP体10に形成された開孔部15の位置に相当する位置に形成されており、開孔部15内に配置可能に形成されている。凸部21の高さは、CFRP体10より所定量突出する高さになっている(図2参照)。なお、凸部21の高さは、CFRP体10より少し突出、または、CFRP体10の接合面と反対側の面と同一またはほぼ同一になるような高さに形成されているものであってもよい。金属体20は、凸部21が形成された板状素材が、切断等されて所望の大きさ、形状に形成されているものである。
本発明において、接着剤の種類は限定しない。しかし、常温〜高温下での安定した接着力を確保するため、且つ、後述する「NAT」の3条件を具備する金属体との接着力を高めるため、1液性エポキシ接着剤であって組成が最適化されているものを使用することが好ましい。
本出願人は、金属合金表面を所定の形状、構造とすることで、アンカー効果によって強固な接着力を獲得する方法を提案している。そして、本出願人は、この接着に関する理論を「NAT(Nano Adhesion Technologyの略)」と称している。「NAT」では、金属合金表面が以下に示す3条件を具備することで、被着材との強固な接着を達成することができる。
(3)第3の条件は、前記金属合金の表層がセラミック質であることである。具体的には、元来耐食性のある金属合金種に関しては、その表層が自然酸化層レベルかそれ以上の厚さの金属酸化物層であることを要し、耐食性が比較的低い金属合金種(例えばマグネシウム合金や一般鋼材等)では、その表層が化成処理等によって生成した金属酸化物又は金属リン酸化物の薄層であることが第3の条件となる。
金属体20の接合面22には、前述した「NAT」理論の3条件を具備するために、所定の表面処理が施されている。本出願人は、この各種金属に関する表面処理についての技術を開示している。
CFRP体に接合する金属体として、「NAT」の3条件を具備する金属合金を使用する。前述の「NAT」に基づく表面構造を具備する金属合金としては、理論上特にその種類に制限はない。しかし、実際に「NAT」を適用できるのは、硬質で実用的な金属合金である。以下、金属合金表面を「NAT」の条件に適合する表面構造とするための表面処理工程について述べる。
なお、この実施の形態の理解を容易にするために、アルミニウム合金に関する表面処理を中心にして簡単に説明を行う。
この表面処理工程における化学エッチングは、金属合金表面にミクロンオーダーの粗度を生じさせることを目的とする。腐食には全面腐食、孔食、疲労腐食など種類があるが、その金属合金に対して全面腐食を生じる薬品種を選んで試行錯誤し、適当なエッチング剤を選ぶことができる。先行文献(例えば「化学工学便覧(化学工学協会編集)」)によれば、アルミニウム合金は塩基性水溶液、マグネシウム合金は酸性水溶液、ステンレス鋼や一般鋼材全般は、塩酸等ハロゲン化水素酸、亜硫酸、硫酸、これらの塩、等の水溶液で全面腐食するとの記載がある。
また表面処理工程における微細エッチングは、金属合金表面に超微細凹凸を形成することを目的とする。また本発明における表面硬化処理は、金属合金の表層を金属酸化物又は金属リン酸化物の薄層とすることを目的とする。金属合金種によっては前記化学エッチングを行っただけで同時にナノオーダーの微細エッチングもなされ、超微細凹凸が形成される場合がある。さらに、金属合金種によっては表面の自然酸化層が元よりも厚くなって表面硬化処理も完了している場合もある。例えば、純チタン系のチタン合金は化学エッチングだけを行うことで、表面がミクロンオーダーの粗度を有し、且つ超微細凹凸も形成される。即ち、化学エッチングと併せて微細エッチングもなされる。しかし、多くは化学エッチングによりミクロンオーダーの大きな凹凸面を作った後で微細エッチングや表面硬化処理を行う必要がある。
CFRP体を金属体と接着させる場合、CFRP体の表面を粗面化することで安定した接着力が得られる。この表面の研磨は研磨紙によって可能であり、例えば、日本工業規格「JIS R 6252」に規定される80番〜480番、好ましくは120番〜240番のやや目の粗い研磨紙でCFRP体の表面を10〜20回程度研磨したものが、安定的に高い接着力を発揮する。粗面化後の表面に付着した汚れ(微粉)を除去するため、CFRP体を洗剤を含む水溶液に浸漬した後、乾燥する。または、強い水流で粗面化した部分の汚れを取り去り、水道水又は純水に漬けて水洗し、乾燥してもよい。なお、この形態の説明では、粗面化を研磨紙で研磨する方法で説明を行ったが、サンドブラスト等の方法であってもよい。すなわち、量産工程では研磨紙に代えてサンドブラストを使用することが可能である。
(金属体の染み込まし処理)
「NAT」に適合する第1の条件〜第3の条件を具備する金属体20の接合面22の表面に接着剤(1液性エポキシ系接着剤)30を塗布した後、その金属体20をデシケータ等の容器に入れて密閉し、容器内の圧力を真空ポンプ等で一旦減圧し、その後に常圧に戻す操作を行う。具体的には、容器内の圧力を数十mmHg程度まで減圧し、その状態を所定時間以上(概ね数秒〜数分)維持し、その後空気を入れて常圧に戻す(又は数気圧以上の圧力まで加圧する)ことが好ましい。減圧状態に維持する時間は、接着剤の超微細凹凸への侵入具合に応じて調整する。この減圧/常圧戻し操作は複数回繰り返すのが好ましい。この減圧/常圧戻し操作に使用する容器、例えばデシケータは使用前に50〜70℃に暖めておくことが好ましい。これは塗布した接着剤の粘度を下げて表面の超微細凹凸に染み込み易くするためである。接着剤の接着剤粘度を15Pa秒以下、好ましくは10Pa秒以下とすることで超微細凹凸に侵入させる。染み込まし処理を終えた金属体を容器から取り出して熱風乾燥機に入れ、接着剤を硬化させる。
粗面化したCFRP体10の接合面の表面の所定箇所に、接着剤(1液性エポキシ接着剤)30を塗布した後、デシケータ等の容器に入れて密閉し、容器内の圧力を真空ポンプ等で一旦減圧し、その後に常圧に戻す操作を行う。具体的には、容器内の圧力を数十mmHg程度まで減圧し、その状態を所定時間以上(概ね数秒〜数分)維持し、その後空気を入れて常圧に戻す(又は数気圧以上の圧力まで加圧する)ことが好ましい。減圧状態に置く時間は、接着剤30の粗面化部分に係る凹凸への侵入具合に応じて調整する。この作業は、粗面化により生じたCFRP体10の接合面の凹凸に接着剤30を侵入させることを目的とする。即ち、CFRP体10のマトリックス樹脂が硬化したエポキシ樹脂硬化物に、接着剤(1液性エポキシ接着剤)30を染み込ませるのである。硬化剤を混入した後の接着剤30の粘度が数十Pa秒以上と高い場合には、染み込まし処理に使用する容器は予め50〜70℃に加熱しておく。これにより接着剤(1液性エポキシ接着剤)30の粘度を15Pa秒以下、好ましくは10Pa秒以下にする。
CFRP体10と金属体20とを接着剤30で接合する手順を以下に示す。
まず、金属体(アルミニウム合金)20の板状素材に、プレス加工で、所定の形状(この実施の形態では六角形状)の凸部21を所定の間隔毎に形成する。プレス加工した板状素材を、所望の大きさ、形状になるように切断等して金属体20を形成する。金属体20の接合面22をエッチングし、前述した「NAT」3条件を満たすようにする(金属体形成工程)。
CFRP体10の接合面と金属体20の接合面22とは、接着剤(1液性エポキシ接着剤)30で強固に接合されている(接合工程)。
図4、5に示すように、2つの積層体1同士を、正面合わせ、または、背面合わせにして接着剤55で接合すると、ハニカム構造に類似した構造部材に好適な積層体51、積層体61を得ることができる。例えば、正面合わせすなわち積層体1、1の平面部23の面52a、52bを接着剤55で接合すると図4に示した積層体51となる。また、背面合わせすなわち積層体1、1の凸部21の面(凸部上面)62a、62bを接着剤55で接合すると、図5に示した積層体61となる。
なお、接着剤55は、一般の接着剤でもよい。しかしながら、常温〜高温下での安定した接着力を確保するため、且つ、前述した「NAT」の条件を具備する金属体との接着力を高めるため、前述した1液性エポキシ接着剤を使用することが好ましい。また、面52a、52b、及び、面62a、62bは前述したような表面処理を施すとよい。
10 … 炭素繊維強化樹脂体(CFRP体)
11 … 第1炭素繊維束
12 … 第2炭素繊維束
13 … 第3炭素繊維束
15 … 開孔部
20 … 金属体(第1の金属体)
21 … 凸部
23 … 平面部
25 … 第2の金属体
30、55、56…接着剤
51、61、71…積層体
Claims (9)
- 3本の炭素繊維束が、互いに、所定の角度を有するように織り込まれ、互い違いに交差する織り目に、所定の形状の開孔部を有するように織られた3軸織物に形成されている炭素繊維強化樹脂体と、
前記炭素繊維強化樹脂体に積層される金属体であって、前記開孔部に相当する位置に凸部が形成された金属体と、
前記炭素繊維強化樹脂体と前記金属体とを一体に接合するための接着剤とからなり、
前記開孔部内に前記凸部が位置するようになっている
ことを特徴とする金属と炭素繊維強化樹脂との積層体。 - 請求項1に記載された金属と炭素繊維強化樹脂との積層体において、
前記炭素繊維強化樹脂体と前記金属体とが一体に接合された一方の積層体と、前記炭素繊維強化樹脂体と前記金属体とが一体に接合された他方の積層体とが、前記金属体の平面部または前記凸部の凸部上面で接合されている
ことを特徴とする金属と炭素繊維強化樹脂との積層体。 - 3本の炭素繊維束が、互いに、所定の角度を有するように織り込まれ、互い違いに交差する織り目に、所定の形状の開孔部を有するように織られた3軸織物に形成されている炭素繊維強化樹脂体と、
前記炭素繊維強化樹脂体の一方に積層される金属板であって、前記開孔部に相当する位置に凸部が形成された第1金属体と、
前記炭素繊維強化樹脂体の他方に積層される金属板であって、前記開孔部に相当する位置に穴部が形成された第2金属体と、
前記炭素繊維強化樹脂体、前記第1金属体、及び、前記第2金属体とを一体に接合するための接着剤とからなる
ことを特徴とする金属と炭素繊維強化樹脂との積層体。 - 請求項1から3のいずれか1項に記載された金属と炭素繊維強化樹脂との積層体において、
前記炭素繊維強化樹脂体の接合面は、粗面化処理がされた面である
ことを特徴とする金属と炭素繊維強化樹脂との積層体。 - 請求項1から4のいずれか1項に記載された金属と炭素繊維強化樹脂との積層体において、
前記金属体の接合面は、エッチングが施されることにより、山谷平均間隔(RSm)が0.8〜10μm、最大高さ粗さ(Rz)が0.2〜5μmであるミクロンオーダーの粗度を有し、その粗度を有する面内には、5〜500nm周期の超微細凹凸が形成され、且つ、表層が金属酸化物又は金属リン酸化物の薄層である
ことを特徴とする金属と炭素繊維強化樹脂との積層体。 - 請求項1から5のいずれか1項に記載された金属と炭素繊維強化樹脂との積層体において、
前記接着剤は、1液性エポキシ接着剤である
ことを特徴とする金属と炭素繊維強化樹脂との積層体。 - 3本の炭素繊維束が、互いに、所定の角度を有するように織り込まれ、互い違いに交差する織り目に、所定の形状の開孔部を有するように織られた3軸織物を、所望の大きさになるように形成して炭素繊維強化樹脂体とする炭素繊維強化樹脂体形成工程と、
平板状の金属素材に、前記開孔部に相当する位置に凸部を形成するとともに、前記凸部が形成された金属素材を所望の大きさになるように形成して金属体とする金属体形成工程と、
前記炭素繊維強化樹脂体の接合面と前記金属体の接合面とに接着剤を塗布する塗布工程と、
前記炭素繊維強化樹脂体の前記開孔部に、前記金属体の前記凸部を挿通させるとともに、前記炭素繊維強化樹脂体の接合面と前記金属体の接合面とを一体化して接合する接合工程と
からなる金属と炭素繊維強化樹脂との積層体の製造方法。 - 請求項7に記載された金属と炭素繊維強化樹脂との積層体の製造方法において、
前記金属体形成工程は、前記凸部を形成した後、前記金属体の前記接合面にエッチングを施すことにより、その表面を、山谷平均間隔(RSm)が0.8〜10μm、最大高さ粗さ(Rz)が0.2〜5μmであるミクロンオーダーの粗度を有するものとし、その粗度を有する面内には、5〜500nm周期の超微細凹凸を形成し、且つ、表層を金属酸化物又は金属リン酸化物の薄層とする表面処理を行う表面処理工程を含む工程であり、
前記炭素繊維強化樹脂体形成工程は、所定の大きさに形成した後、前記炭素繊維強化樹脂体の前記接合面に粗面化処理を行う粗面化工程を含む工程であり、
前記塗布工程は、前記金属体の表面処理を行った前記接合面、及び、前記炭素繊維強化樹脂体の粗面化処理を行った前記接合面に接着剤を塗布する工程であり、
前記接合工程は、前記塗布工程後、前記炭素繊維強化樹脂体の接合面を前記金属体の接合面に付着する付着工程と、付着後、前記炭素繊維強化樹脂体と前記金属体を押さえつつ加熱することによって、前記接着剤を硬化させる硬化工程とを含む工程である
ことを特徴とする金属と炭素繊維強化樹脂との積層体の製造方法。 - 請求項8に記載された金属と炭素繊維強化樹脂との積層体の製造方法において、
前記接着剤は1液性エポキシ接着剤であり、
前記塗布工程には、前記1液性エポキシ接着剤を塗布した後、気圧の減圧/常圧戻し操作を複数回行い、前記金属体の接合面、及び、前記炭素繊維強化樹脂体の接合面に、前記1液性エポキシ接着剤を染み込ます染み込まし処理を含む工程である
ことを特徴とする金属と炭素繊維強化樹脂との積層体の製造方法。
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