JP6543278B2 - Ｃｆｒｔｐと金属の複合体 - Google Patents
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Description
本発明は、ＣＦＲＴＰと金属を一体に接合したＣＦＲＴＰと金属の複合体に関する。更に詳しくは、接合性の悪いＣＦＲＴＰと金属の接合を射出成形により一体化したＣＦＲＴＰと金属の複合体に関する。
炭素繊維で強化した熱硬化性樹脂であるＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）は、航空機等の機体に使われている。一方、炭素繊維で強化した熱可塑性樹脂であるＣＦＲＴＰ（Carbon Fiber Reinforced Thermoplastics）は、ＣＦＲＰに比べて、成形性、リサイクル性、靭性、及び補修性等の点で優れていることから注目されている。ＣＦＲＴＰは、その特性から航空分野及び自動車分野等への利用が期待されている。ＣＦＲＴＰは、単体としてではなく、航空機のように金属と機械的な接合により複合体として使用されることが多い。このＣＦＲＴＰと金属を接合するために、各種の接合方法が提案されている。例えば、ＣＦＲＴＰの通電性を利用して、ＣＦＲＴＰと金属の間を加圧しながら電圧を印加して、金属と接しているＣＦＲＴＰの樹脂部分を溶融して接合するものが提案されている（特許文献１）。
また、基材である金属表面にレーザー加工等により凹凸を形成し、これにナイロン等の熱可塑性シートを重ね、これに、これと同種の熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂とするＣＦＲＴＰを重ねて、電磁誘導加熱等により加熱して溶融させて互いに接合するものも提案されている（特許文献２）。また、本出願人は、基材である金属表面にレーザー加工等により凹凸を形成し、この基材とＣＦＲＴＰを射出成形金型にインサートし、この両者の間にＣＦＲＴＰのマトリックス樹脂を射出して、ＣＦＲＴＰと金属を一体にする複合構造体を提案した（特許文献３）。
しかしながら、特許文献１に記載された金属と樹脂との接合方法は、ＣＦＲＴＰと金属との間に電圧を印加するものであるから、どの接合位置で溶融が起こっているか不確定である。このためにＣＦＲＴＰと金属との間で均一に溶融が起こるわけでもないので、この電圧印加による接合は接合力を増大させることには限界がある。特許文献２に記載された接合方法は、接合のためにフィルムを使用し、電磁誘導加熱で行うことから、フィルムの使用のための工程が多く、かつ加熱が必要な接合面のみを有効に加熱できない。特許文献３に記載された接合方法は、ＣＦＲＴＰに用いられているマトリックス樹脂を接合樹脂材として用いたものであるが、ＣＦＲＴＰ、接合樹脂材、金属の相互の熱膨張率が違うことからその接合強度は必ずしも高くはない。
ＣＦＲＴＰは、カーボン繊維の量が増加する（１０〜５０ｗｔ（重量）％）にしたがって高強度になり熱伝導性が良くなることが知られている。しかし、この樹脂を射出成形金型で射出するとき、又は熱成形の金型で成形するとき、カーボン繊維の含有量が多いと熱伝導性が高いので金型が冷えやすくなり、金型温度を高くする必要がある。即ち、接合のために金型を加熱しても、カーボン繊維を伝導して熱が逃げるために、金属と樹脂の界面の温度の上昇率が低いので、加熱時間が長くなる。この加熱時間が長くなることを避けるためには、金型の温度を高くする必要があり、生産性が低くなる、更には高い金型温度により熱可塑性樹脂等の品質が劣化することもある。更に、ＣＦＲＴＰは、炭素繊維を含んでいるので、導電性がある素材として知られており、これと接合する金属も当然ながら導電性がある。従って、金属とＣＦＲＴＰの複合体は、電蝕による腐蝕も指摘されている。
更に、金属及びＣＦＲＴＰの複合体を構成する各素材の線膨張係数は、厳密には素材の材質によって異なるが、概ね、炭素繊維＜ガラス繊維＜金属（例えば、アルミニウム合金）＜熱可塑性合成樹脂（例えば、ナイロン）の関係にある。同様に、熱伝導率では、熱可塑性合成樹脂＜ガラス繊維＜金属＜炭素繊維である。即ち、炭素繊維は、軽くて強い等の機械的な優れた特性を備えているが、線膨張係数が小さい、熱伝導率が大きいことから、これを複合体として用いるときは、使用される環境、製造工程等を考慮した製造、及び構造設計を行う必要がある。一般に製品として市販されているＣＦＲＴＰ等は、マトリックス樹脂と炭素繊維の間の線膨張係数の違いを考慮した対策が、例えば炭素繊維の表面処理等がなされている。しかしながら、熱伝導率を考慮した対策は施されてはいない。
以上のような技術背景で、本発明は開発されたものであり、以下の目的を達成するものである。
本発明の目的は、ＣＦＲＴＰと金属を接合する複合体において、各素材の熱伝導率、及び線膨張率を考慮して固着させたことにより、接合強度を低下させないＣＦＲＴＰと金属の複合体を提供することにある。
本発明の他の目的は、ＣＦＲＴＰと金属を接合する複合体において、電蝕が生じ難い積層構造のＣＦＲＴＰと金属の複合体を提供することにある。
本発明の目的は、ＣＦＲＴＰと金属を接合する複合体において、各素材の熱伝導率、及び線膨張率を考慮して固着させたことにより、接合強度を低下させないＣＦＲＴＰと金属の複合体を提供することにある。
本発明の他の目的は、ＣＦＲＴＰと金属を接合する複合体において、電蝕が生じ難い積層構造のＣＦＲＴＰと金属の複合体を提供することにある。
本発明１のＣＦＲＴＰと金属の複合体は、
炭素繊維で強化した熱可塑性合成樹脂をマトリックス樹脂とするＣＦＲＴＰの第１部材と、
金属製の金属部品である第２部材と、
充填材としてガラス繊維を混合した熱可塑性合成樹脂であって、前記第１部材と前記第２部材との間に配置され、前記第１部材と前記第２部材を相互に固着するための固着材とからなり、
前記マトリックス樹脂、及び前記固着材の主材である前記熱可塑性合成樹脂は、前記マトリックス樹脂と同一種で、かつポリアミド（ＰＡ）系樹脂、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリプロピレン（ＰＰ）から選択される１種以上を主成分とするものであり、
前記炭素繊維は、前記ＣＦＲＴＰの１０〜５０ｗｔ％であり、
前記ガラス繊維は、前記固着材の１０〜５０ｗｔ％であり、
前記固着材は、前記第１部材及び前記第２部材を射出成形金型にインサートして、前記固着材を溶融して射出して形成されたものであることを特徴とする。
炭素繊維で強化した熱可塑性合成樹脂をマトリックス樹脂とするＣＦＲＴＰの第１部材と、
金属製の金属部品である第２部材と、
充填材としてガラス繊維を混合した熱可塑性合成樹脂であって、前記第１部材と前記第２部材との間に配置され、前記第１部材と前記第２部材を相互に固着するための固着材とからなり、
前記マトリックス樹脂、及び前記固着材の主材である前記熱可塑性合成樹脂は、前記マトリックス樹脂と同一種で、かつポリアミド（ＰＡ）系樹脂、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリプロピレン（ＰＰ）から選択される１種以上を主成分とするものであり、
前記炭素繊維は、前記ＣＦＲＴＰの１０〜５０ｗｔ％であり、
前記ガラス繊維は、前記固着材の１０〜５０ｗｔ％であり、
前記固着材は、前記第１部材及び前記第２部材を射出成形金型にインサートして、前記固着材を溶融して射出して形成されたものであることを特徴とする。
本発明２のＣＦＲＴＰと金属の複合体は、
炭素繊維で強化した熱可塑性合成樹脂をマトリックス樹脂とするＣＦＲＴＰの第１部材と、
後記固着材が表面に固着された金属製の金属部品である第２部材と、
充填材としてガラス繊維を混合した前記熱可塑性合成樹脂であって、前記第１部材の前記固着材と、前記第２部材との間に配置され、前記第１部材と前記第２部材の熱可塑性合成樹脂を相互に固着するための固着材とからなり、
前記マトリックス樹脂、及び前記固着材の主材である前記熱可塑性合成樹脂は、前記マトリックス樹脂と同一種で、かつポリアミド（ＰＡ）系樹脂、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリプロピレン（ＰＰ）から選択される１種以上を主成分とするものであり、
前記炭素繊維は、前記ＣＦＲＴＰの１０〜５０ｗｔ％であり、
前記ガラス繊維は、前記固着材の１０〜５０ｗｔ％であり、
前記固着材は、前記第１部材及び前記第２部材を射出成形金型にインサートして、前記固着材を溶融して射出して形成されたものであることを特徴とする。
炭素繊維で強化した熱可塑性合成樹脂をマトリックス樹脂とするＣＦＲＴＰの第１部材と、
後記固着材が表面に固着された金属製の金属部品である第２部材と、
充填材としてガラス繊維を混合した前記熱可塑性合成樹脂であって、前記第１部材の前記固着材と、前記第２部材との間に配置され、前記第１部材と前記第２部材の熱可塑性合成樹脂を相互に固着するための固着材とからなり、
前記マトリックス樹脂、及び前記固着材の主材である前記熱可塑性合成樹脂は、前記マトリックス樹脂と同一種で、かつポリアミド（ＰＡ）系樹脂、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリプロピレン（ＰＰ）から選択される１種以上を主成分とするものであり、
前記炭素繊維は、前記ＣＦＲＴＰの１０〜５０ｗｔ％であり、
前記ガラス繊維は、前記固着材の１０〜５０ｗｔ％であり、
前記固着材は、前記第１部材及び前記第２部材を射出成形金型にインサートして、前記固着材を溶融して射出して形成されたものであることを特徴とする。
本発明３のＣＦＲＴＰと金属の複合体は、本発明１又は２において、
前記第２部材は、アルミニウム合金、鋼材、ステンレス鋼、純銅若しくは銅合金、チタン合金、及びこれらの表面に金属メッキ若しくは蒸着処理されたものの１種であり、
前記第２部材の表面は、機械加工、レーザー加工、及び化学エッチングで処理された微細凹凸が形成された１種を有したもの、又はトリアジンジチオール誘導体層、及び陽極酸化被膜から選択される１種を有したものであることを特徴とする。
前記第２部材は、アルミニウム合金、鋼材、ステンレス鋼、純銅若しくは銅合金、チタン合金、及びこれらの表面に金属メッキ若しくは蒸着処理されたものの１種であり、
前記第２部材の表面は、機械加工、レーザー加工、及び化学エッチングで処理された微細凹凸が形成された１種を有したもの、又はトリアジンジチオール誘導体層、及び陽極酸化被膜から選択される１種を有したものであることを特徴とする。
本発明４のＣＦＲＴＰと金属の複合体は、本発明１又は２において、
前記固着材は、前記第１部材と前記第２部材との間で区画された閉鎖空間に位置していることを特徴とする。
前記固着材は、前記第１部材と前記第２部材との間で区画された閉鎖空間に位置していることを特徴とする。
本発明を構成するＣＦＲＴＰ、金属、固着材、熱可塑性合成樹脂、炭素繊維、ガラスは、以下のものを意味する。
［ＣＦＲＴＰ（第１部材）］
本発明でいうＣＦＲＴＰ（Carbon Fiber Reinforced Thermoplastics）は、マトリックス樹脂が熱可塑性合成樹脂で、炭素繊維で強化したものをいい、特殊なものではなく一般に市販されているものである。炭素繊維の含有量は、ＣＦＲＴＰの１０〜５０ｗｔ％であるが、熱成形、射出成形等の生産性の高い成形加工が可能なものであれば、この範囲に限定されるものではない。
［ＣＦＲＴＰ（第１部材）］
本発明でいうＣＦＲＴＰ（Carbon Fiber Reinforced Thermoplastics）は、マトリックス樹脂が熱可塑性合成樹脂で、炭素繊維で強化したものをいい、特殊なものではなく一般に市販されているものである。炭素繊維の含有量は、ＣＦＲＴＰの１０〜５０ｗｔ％であるが、熱成形、射出成形等の生産性の高い成形加工が可能なものであれば、この範囲に限定されるものではない。
［熱可塑性合成樹脂］
本発明でいう熱可塑性合成樹脂は、ＣＦＲＴＰのマトリックス樹脂、及び固着材の主材を構成する合成樹脂である。マトリックス樹脂、及び固着材を構成する熱可塑性合成樹脂は、同一種のものが好ましい。ただし、例えば、射出成形のインサート成形時に、固着材の溶融熱でマトリックス樹脂の表面を溶け易くし、両高分子が熱融着して固着性を向上させるために、添加剤を添加する、又は分子量の分布が異なる樹脂等を用いる。この場合、マトリックス樹脂の融点が固着材を構成する熱可塑性合成樹脂の融点より低い特性のものが好ましい。熱可塑性合成樹脂の種類は、ポリアミド（ＰＡ）系樹脂、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリプロピレン（ＰＰ）から選択される１種以上である。
本発明でいう熱可塑性合成樹脂は、ＣＦＲＴＰのマトリックス樹脂、及び固着材の主材を構成する合成樹脂である。マトリックス樹脂、及び固着材を構成する熱可塑性合成樹脂は、同一種のものが好ましい。ただし、例えば、射出成形のインサート成形時に、固着材の溶融熱でマトリックス樹脂の表面を溶け易くし、両高分子が熱融着して固着性を向上させるために、添加剤を添加する、又は分子量の分布が異なる樹脂等を用いる。この場合、マトリックス樹脂の融点が固着材を構成する熱可塑性合成樹脂の融点より低い特性のものが好ましい。熱可塑性合成樹脂の種類は、ポリアミド（ＰＡ）系樹脂、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリプロピレン（ＰＰ）から選択される１種以上である。
［固着材］
本発明でいう固着材は、充填材としてガラス繊維を混合した上述した熱可塑性合成樹脂である。この固着材は、ＣＦＲＴＰと金属との間に介在し、両者を固着するためのものである。この固着材の充填材としてのガラス繊維は、固着材の１０〜５０ｗｔ％が好ましい。
本発明でいう固着材は、充填材としてガラス繊維を混合した上述した熱可塑性合成樹脂である。この固着材は、ＣＦＲＴＰと金属との間に介在し、両者を固着するためのものである。この固着材の充填材としてのガラス繊維は、固着材の１０〜５０ｗｔ％が好ましい。
［金属部品（第２部材）］
本発明でいう金属部品（第２部材）は、アルミニウム合金、鋼材、ステンレス鋼、純銅若しくは銅合金、チタン合金、及びこれらの表面に金属メッキ若しくは蒸着処理されたものの１種である。金属部品の表面は、機械加工、レーザー加工、及び化学エッチングで処理された微細凹凸が形成された１種を有したものが接合強度が高くなる。又は、トリアジンジチオール誘導体層を形成したものでも良い。この形成方法は、特開平１０−２３７０４７号公報、特開２００１−１４４５号公報等で公知技術であり、そのトリアジンジチオール誘導体及びその形成方法については説明を省略する。更に、金属を陽極として電解質溶液中で通電して得られる酸化皮膜である陽極酸化被膜を形成したものであっても良い。陽極酸化被膜の形成方法は公知技術であり、その説明は省略する。
本発明でいう金属部品（第２部材）は、アルミニウム合金、鋼材、ステンレス鋼、純銅若しくは銅合金、チタン合金、及びこれらの表面に金属メッキ若しくは蒸着処理されたものの１種である。金属部品の表面は、機械加工、レーザー加工、及び化学エッチングで処理された微細凹凸が形成された１種を有したものが接合強度が高くなる。又は、トリアジンジチオール誘導体層を形成したものでも良い。この形成方法は、特開平１０−２３７０４７号公報、特開２００１−１４４５号公報等で公知技術であり、そのトリアジンジチオール誘導体及びその形成方法については説明を省略する。更に、金属を陽極として電解質溶液中で通電して得られる酸化皮膜である陽極酸化被膜を形成したものであっても良い。陽極酸化被膜の形成方法は公知技術であり、その説明は省略する。
［製造方法］
本発明のＣＦＲＴＰと金属の複合体の製造方法（工程）の概略は、次の通りである。
ａ．炭素繊維がＣＦＲＴＰの１０〜５０ｗｔ％であり、熱可塑性合成樹脂をマトリックス樹脂とするＣＦＲＴＰを用意する。
この熱可塑性合成樹脂は、ポリアミド（ＰＡ）系樹脂、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリプロピレン（ＰＰ）から選択される１種以上を主成分とするものである。
ｂ．機械加工等で所望形状加工されたものであり、アルミニウム合金、鋼材、ステンレス鋼、純銅若しくは銅合金、チタン合金、及びこれらの表面に金属メッキ若しくは蒸着処理等で処理されたものの１種の金属部品を用意する。
ｃ．この金属部品の表面は、機械加工、レーザー加工、及び化学エッチングで処理された微細凹凸が形成された１種を有したもの、又はトリアジンジチオール誘導体層、及び陽極酸化被膜から選択される１種を有したものである。
ｄ．上記ＣＦＲＴＰ及び上記表面処理された金属部品を射出成形金型にインサートする。
ｅ．射出成形金型に、インサートされた上記ＣＦＲＴＰ及び上記金属部品の間に、１０〜５０ｗｔ％のガラス繊維を含む固着材を溶融して射出し、上記ＣＦＲＴＰ及び上記金属部品を接合する。
この熱可塑性合成樹脂は、ポリアミド（ＰＡ）系樹脂、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリプロピレン（ＰＰ）から選択される１種以上を主成分とするものである。
本発明のＣＦＲＴＰと金属の複合体の製造方法（工程）の概略は、次の通りである。
ａ．炭素繊維がＣＦＲＴＰの１０〜５０ｗｔ％であり、熱可塑性合成樹脂をマトリックス樹脂とするＣＦＲＴＰを用意する。
この熱可塑性合成樹脂は、ポリアミド（ＰＡ）系樹脂、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリプロピレン（ＰＰ）から選択される１種以上を主成分とするものである。
ｂ．機械加工等で所望形状加工されたものであり、アルミニウム合金、鋼材、ステンレス鋼、純銅若しくは銅合金、チタン合金、及びこれらの表面に金属メッキ若しくは蒸着処理等で処理されたものの１種の金属部品を用意する。
ｃ．この金属部品の表面は、機械加工、レーザー加工、及び化学エッチングで処理された微細凹凸が形成された１種を有したもの、又はトリアジンジチオール誘導体層、及び陽極酸化被膜から選択される１種を有したものである。
ｄ．上記ＣＦＲＴＰ及び上記表面処理された金属部品を射出成形金型にインサートする。
ｅ．射出成形金型に、インサートされた上記ＣＦＲＴＰ及び上記金属部品の間に、１０〜５０ｗｔ％のガラス繊維を含む固着材を溶融して射出し、上記ＣＦＲＴＰ及び上記金属部品を接合する。
この熱可塑性合成樹脂は、ポリアミド（ＰＡ）系樹脂、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリプロピレン（ＰＰ）から選択される１種以上を主成分とするものである。
上記本発明の第１のＣＦＲＴＰと金属の複合体の製造方法の概要は、炭素繊維で強化した熱可塑性合成樹脂をマトリックス樹脂とするＣＦＲＴＰの第１部材、及び金属製の金属部品である第２部材を射出成形金型にインサートし、前記第１部材と前記第２部材との間に、充填材としてガラス繊維を混合した熱可塑性合成樹脂である固着材を溶融して射出し、前記第１部材及び前記第２部材を相互に固着するものである。
又は、本発明の第２のＣＦＲＴＰと金属の複合体の製造方法の概要は、金属製の金属部品である第２部材の表面に充填材としてガラス繊維が混合され、主材として前記熱可塑性合成樹脂である固着材を固着し、炭素繊維で強化した熱可塑性合成樹脂をマトリックス樹脂とするＣＦＲＴＰの第１部材、及び前記第２部材を射出成形金型にインサートし、前記第１部材と前記第２部材の固着材の間に、前記固着材を溶融して射出して、前記第１部材と前記第２部材を接合するものである。
本発明の第３のＣＦＲＴＰと金属の複合体の製造方法の概要は、炭素繊維で強化した熱可塑性合成樹脂をマトリックス樹脂とするＣＦＲＴＰの第１部材を用意し、前記第１部材と前記第２部材との間で区画された閉鎖空間が形成される金属製の金属部品である第２部材を前記第１部材に固定し、前記閉鎖空間に充填材としてガラス繊維を混合した熱可塑性合成樹脂である固着材を射出し、前記固着材により前記第１部材及び前記第２部材を相互に固着するものである。
本発明のＣＦＲＴＰと金属の複合体は、各素材の熱伝導率、及び線膨張率を考慮して固着させたことにより、固着強度が低下することがない。また、金属とＣＦＲＴＰの間に導電性がないガラス繊維を含んだ熱可塑性合成樹脂により固着したので、結果として電蝕が生じ難い積層構造ができた。
［第１の実施の形態］
以下、本発明の第１の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明のＣＦＲＴＰと金属の複合体の構造例を示す立体外観図である。図２は、図１の平面図である。図１に示した構造例は、実際の製品ではなく、長方形状の板状体のＣＦＲＴＰ製の本体１に、金属製のナット、板材等を固定した複合体の４つの構造例を示す外観図である。板状のＣＦＲＴＰ製の本体１は、例えば、電子機器の筐体、自動車の車体、内装パネル等である。この本体１の成形は、射出成形、熱プレス等の公知の成形方法で作られたものである。図３（ａ）は、図１の左端部に示す複合体１０ａの断面拡大図である。複合体１０ａは、本体１に管状の筒部２が本体１の上表面から垂直方向に配置され、一体で成形されたものである。
以下、本発明の第１の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明のＣＦＲＴＰと金属の複合体の構造例を示す立体外観図である。図２は、図１の平面図である。図１に示した構造例は、実際の製品ではなく、長方形状の板状体のＣＦＲＴＰ製の本体１に、金属製のナット、板材等を固定した複合体の４つの構造例を示す外観図である。板状のＣＦＲＴＰ製の本体１は、例えば、電子機器の筐体、自動車の車体、内装パネル等である。この本体１の成形は、射出成形、熱プレス等の公知の成形方法で作られたものである。図３（ａ）は、図１の左端部に示す複合体１０ａの断面拡大図である。複合体１０ａは、本体１に管状の筒部２が本体１の上表面から垂直方向に配置され、一体で成形されたものである。
筒部２内は、上部が開口された有底の穴３が形成されている。筒部２の穴３には、金属製で有底の管部品である雌ねじ４が挿入されている。雌ねじ４の底の中心には貫通孔５が形成されている。穴３と雌ねじ４の間は、ガラス繊維が入った熱可塑性合成樹脂である固着材６で充填されている。固着材６は、射出成形用樹脂として最適なフィラーとしてガラス繊維が入った熱可塑性合成樹脂である。例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）の場合は３０ｗｔ％、ＬＣＰ（液晶ポリマー）の場合は４０ｗｔ％程度を混入させる。ＣＦＲＴＰ製の本体１は、熱プレス等の公知の成形方法で成形されたものである。金属部品である雌ねじ４の外周の表面は、錨効果で樹脂との固着性を高めるために凹凸が形成されている。この微細凹凸面は、機械加工、レーザー加工、及び化学エッチングしたもの、又はトリアジンジチオール誘導体層、陽極酸化被膜層等を有するものが良い。更に、陽極酸化被膜層をレーザー加工、化学エッチング等で処理したものであっても良い。好ましくは本出願人が提案したＮＭＴ（Nano Molding Technology）処理等の公知の方法が良い(例えば、WO 2004/041532 A1参照)。
［製造方法］
上記の複合体１０ａは、以下の方法で組立て製造される。ＣＦＲＴＰ製の本体１は、熱プレス成形等の公知の成形方法で管状の筒部２を一体で成形する。一方、雌ねじ４の外周面と外側底面に化学エッチング、レーザー加工等により、ガラス繊維が入った熱可塑性合成樹脂が充填される程度の大きさの凹凸（例えば、２０〜７０ｎｍ程度）を形成しておく。射出成形金型内（図示せず）に本体１及び雌ねじ４をインサートする。本体１と雌ねじ４の間には、隙間が形成されている。そして、射出成形金型を閉じて、雌ねじ４の底の中心には貫通孔５のゲート７から、ガラス繊維が入った熱可塑性合成樹脂を射出し、固着材６で筒部２と雌ねじ４のその隙間を充填する。
上記の複合体１０ａは、以下の方法で組立て製造される。ＣＦＲＴＰ製の本体１は、熱プレス成形等の公知の成形方法で管状の筒部２を一体で成形する。一方、雌ねじ４の外周面と外側底面に化学エッチング、レーザー加工等により、ガラス繊維が入った熱可塑性合成樹脂が充填される程度の大きさの凹凸（例えば、２０〜７０ｎｍ程度）を形成しておく。射出成形金型内（図示せず）に本体１及び雌ねじ４をインサートする。本体１と雌ねじ４の間には、隙間が形成されている。そして、射出成形金型を閉じて、雌ねじ４の底の中心には貫通孔５のゲート７から、ガラス繊維が入った熱可塑性合成樹脂を射出し、固着材６で筒部２と雌ねじ４のその隙間を充填する。
固着材６である熱可塑性合成樹脂は、ＣＦＲＴＰのマトリックス樹脂と同一種類の樹脂であるので、固着材６の溶融熱でＣＦＲＴＰの表面層のマトリックス樹脂が溶けて、両者は一体となり固着される。また、固着材６の熱可塑性合成樹脂は、雌ねじ４の凹凸に侵入し強固に固着される。即ち、固着材６は、本体１の穴３に雌ねじ４を固着する接着剤の役割を果たすことになる。熱伝導率は、種類によって若干異なるが、一般に、「熱可塑性合成樹脂＜ガラス繊維＜金属＜炭素繊維」の関係にあり、炭素繊維から伝導熱が逃げ易く、ガラス繊維は逃げにくい。このために、固着材６の溶融熱が炭素繊維から伝導されるがガラス繊維を含むことからその熱伝導は遅延する。
この結果、この遅延により、固着材６が有している溶融熱により、固着材６は液体、又は半固体状のまま、雌ネジ４の凹凸に侵入できる。また、固着材６が有している溶融熱により、ＣＦＲＴＰの本体１の表面層のマトリックス樹脂を溶かし両者を一体に固着する。また、厳密には素材の材質によって異なるが、線膨張係数は、一般に「炭素繊維＜ガラス繊維＜金属＜熱可塑性合成樹脂」の関係にある。即ち、ＣＦＲＴＰの本体１の炭素繊維、固着材６のガラス繊維、及び金属である雌ねじ４と積層されるので、異なる線膨張係数であっても近接する素材の線膨張係数が近くなるので、環境の温度変化があっても膨張の違いにより内部応力を緩和することができる。なお、炭素繊維又はガラス繊維と熱可塑性合成樹脂の固着は、炭素繊維、ガラス繊維に化学的処理等により、公知の表面処理がなされており、問題になることはない。
［第２の実施の形態］
図３（ｂ）に示す複合体１０ｂは、図３（ａ）に示す複合体１０ａと同様に、金属製の雄・雌ねじ１１をＣＦＲＴＰの本体１に、固着材６で固着した例である。両者の構造上の違いは、図３（ｂ）に示す複合体１０ｂは、管状の筒部２を有していない点と、内周面に雌ネジ、外周面に雄ネジが形成されている雄・雌ねじ１１である点で異なる。ボルトとナットを同時にねじ込む必要がある構造の場合、有効な複合体１０ｂの構造例である。ゲート（図示せず）の位置は、第１の実施の形態と同じ位置に配置してある。
図３（ｂ）に示す複合体１０ｂは、図３（ａ）に示す複合体１０ａと同様に、金属製の雄・雌ねじ１１をＣＦＲＴＰの本体１に、固着材６で固着した例である。両者の構造上の違いは、図３（ｂ）に示す複合体１０ｂは、管状の筒部２を有していない点と、内周面に雌ネジ、外周面に雄ネジが形成されている雄・雌ねじ１１である点で異なる。ボルトとナットを同時にねじ込む必要がある構造の場合、有効な複合体１０ｂの構造例である。ゲート（図示せず）の位置は、第１の実施の形態と同じ位置に配置してある。
［第３の実施の形態］
図３（ｃ）に示す複合体１０ｃは、金属製の部材の断面形状がＬ字状の板材１２である点で、上記の実施の形態１及び２と異なる。ＣＦＲＴＰの本体１には、矩形の穴１３が形成されている。穴１３には、Ｌ字状の板材１２の一方の辺１４が挿入され、固着材６で固着されている。板材１２は、例えば、部品の係止、位置決め部材等に使われるものである。ゲート１５の位置は、Ｌ字状の板材１２の背面に配置されている（図２参照）。
図３（ｃ）に示す複合体１０ｃは、金属製の部材の断面形状がＬ字状の板材１２である点で、上記の実施の形態１及び２と異なる。ＣＦＲＴＰの本体１には、矩形の穴１３が形成されている。穴１３には、Ｌ字状の板材１２の一方の辺１４が挿入され、固着材６で固着されている。板材１２は、例えば、部品の係止、位置決め部材等に使われるものである。ゲート１５の位置は、Ｌ字状の板材１２の背面に配置されている（図２参照）。
［第４の実施の形態］
図３（ｄ）に示す複合体１０ｄは、金属製の部材の断面形状がＪ字状の板材２０が板材１を貫通して固定されている点で実施の形態３と異なる。ＣＦＲＴＰの本体１には、矩形の貫通孔２１が形成されている。貫通孔２１には、Ｊ字状の板材２０が挿入され、固着材６で固着されている。本例の固着材６は、板材２０の外周、及び本体の表裏面を覆うように固着されている。板材２０は、例えば、部品の係止、位置決め部材等に使われるものである。ゲート２２の位置は、Ｊ字状の板材２０の背面に配置されている（図２参照）。
図３（ｄ）に示す複合体１０ｄは、金属製の部材の断面形状がＪ字状の板材２０が板材１を貫通して固定されている点で実施の形態３と異なる。ＣＦＲＴＰの本体１には、矩形の貫通孔２１が形成されている。貫通孔２１には、Ｊ字状の板材２０が挿入され、固着材６で固着されている。本例の固着材６は、板材２０の外周、及び本体の表裏面を覆うように固着されている。板材２０は、例えば、部品の係止、位置決め部材等に使われるものである。ゲート２２の位置は、Ｊ字状の板材２０の背面に配置されている（図２参照）。
［第５の実施の形態］
前述した実施の形態１〜４のものは、板材１に凹部又は貫通孔を形成して金属部材を固着するものであった。また、固着材６を射出し所望の形に形成するために射出成形金型が必要である。図４は、キャップ状の金属部品２５を板材１の表面に固着した例の立体断面図である。板材１の所望位置の表面に、金属部品の一つであるキャップ２５を固着材６で固着するものである。キャップ２５は、板材１の表面に面した面以外は、区画された閉鎖空間２４を形成する。キャップ２５の中心には、円孔の樹脂注入口２６が形成されている。
前述した実施の形態１〜４のものは、板材１に凹部又は貫通孔を形成して金属部材を固着するものであった。また、固着材６を射出し所望の形に形成するために射出成形金型が必要である。図４は、キャップ状の金属部品２５を板材１の表面に固着した例の立体断面図である。板材１の所望位置の表面に、金属部品の一つであるキャップ２５を固着材６で固着するものである。キャップ２５は、板材１の表面に面した面以外は、区画された閉鎖空間２４を形成する。キャップ２５の中心には、円孔の樹脂注入口２６が形成されている。
板材１の所望位置の表面にキャップ２５を配置固定し、この状態で移動式の小型の射出成形ユニット（図示せず）のノズル２７を注入口２６に接触させる。溶融した固着材６をキャップ２５の閉鎖空間２４に射出し、キャップ２５を板材１の表面に固着する。この固着構造は、射出成形金型が必要でない、板材１の表面の形状加工が必要でない、ロボットハンドに搭載した小型射出成形ユニット等で所望の位置に自由に固着できる等の利点がある。結果として、キャップ２５を板材１に固着するときの生産性が高くなる。なお、キャップ２５は、ナット、フランジ、突起、間仕切り等、閉鎖空間２４を備えたものであれば、如何なる金属部品であっても良い。
以下、実施例として、炭素繊維を含有したＣＦＲＴＰと金属を固着した複合体において、炭素繊維の増加により、ＣＦＲＴＰと金属の間のせん断強度のデータを比較参考例として試験データ示す。
１．使用樹脂
試験に用いた成形材料として用いたＣＦＲＴＰは、下記の４種類のものであり、何れも東レ株式会社（本社：日本国東京都）製を用いた。せん断試験方法は、ＩＳＯ１９０９５の試験方法で行った。
（１）ＰＡ６６ ＣＭ３００１−Ｇ３０
（２）ＰＡ６６ ３１０１Ｔ−１０Ｖ
（３）ＰＡ６６ ３１０１Ｔ−３０Ｖ
（４）上記（２）と（３）の１対１のブレンド
２．使用金属
アルミニウム合金（Ａ５０５２）であり、その表面は、本出願人が提案したＮＭＴ（Nano Molding Technology）処理等の公知の方法である(例えば、WO 2004/041532 A1参照)化成処理により、２０〜７０ｎｍの凹部を形成した。
３．成形条件
成形温度：２８０℃、射出成形金型の温度：８０℃
４．引張り試験条件
引張り速度：１０ｍｍ／ｍｉｎ
５．試験結果は以下の通りである。
１．使用樹脂
試験に用いた成形材料として用いたＣＦＲＴＰは、下記の４種類のものであり、何れも東レ株式会社（本社：日本国東京都）製を用いた。せん断試験方法は、ＩＳＯ１９０９５の試験方法で行った。
（１）ＰＡ６６ ＣＭ３００１−Ｇ３０
（２）ＰＡ６６ ３１０１Ｔ−１０Ｖ
（３）ＰＡ６６ ３１０１Ｔ−３０Ｖ
（４）上記（２）と（３）の１対１のブレンド
２．使用金属
アルミニウム合金（Ａ５０５２）であり、その表面は、本出願人が提案したＮＭＴ（Nano Molding Technology）処理等の公知の方法である(例えば、WO 2004/041532 A1参照)化成処理により、２０〜７０ｎｍの凹部を形成した。
３．成形条件
成形温度：２８０℃、射出成形金型の温度：８０℃
４．引張り試験条件
引張り速度：１０ｍｍ／ｍｉｎ
５．試験結果は以下の通りである。
上記の試験結果から理解されるように、熱可塑性合成樹脂に一定以上の炭素繊維が混入されると、せん断強度が低下することが確認された。また、炭素繊維が２０％以上になるとせん断強度が低下していることも確認された。即ち、射出成形時に、炭素繊維の熱伝導率が高く、熱伝導により射出された熱可塑性合成樹脂の溶融熱が、金属の凹凸部へ充分に侵入していない状態で固化されていることが確認される。
［他の実施の形態］
前述した金属部品の微細凹凸面は、機械加工、レーザー加工、及び化学エッチングしたもの、又はトリアジンジチオール誘導体層、陽極酸化被膜層等を有するものであった。即ち、この金属部品とＣＦＲＴＰを射出成形金型にインサートし、固着材を射出して両者を接合するものである。しかしながら、金属部品の形状、製造方法（工程）によっては、ＣＦＲＴＰと接合を要しない部分、又は構造的に必要ない複合体については、別な製造方法を採用する必要がある。このようなときは、金属部品を射出成形金型にインサートして、前述した固着材を射出して所望の形に成形し、例えばこれを機械加工で所望の形状にする。そして、機械加工され固着材が積層された金属部品、及びＣＦＲＴＰを射出成形金型にインサートし、両者の間に固着材を射出して両者を接合する方法である。固着材が積層された金属部品の熱可塑性合成樹脂と、ＣＦＲＴＰのマトリックス樹脂の熱可塑性合成樹脂は、主材が同種の熱可塑性合成樹脂であるから両者の接合は強い。
前述した金属部品の微細凹凸面は、機械加工、レーザー加工、及び化学エッチングしたもの、又はトリアジンジチオール誘導体層、陽極酸化被膜層等を有するものであった。即ち、この金属部品とＣＦＲＴＰを射出成形金型にインサートし、固着材を射出して両者を接合するものである。しかしながら、金属部品の形状、製造方法（工程）によっては、ＣＦＲＴＰと接合を要しない部分、又は構造的に必要ない複合体については、別な製造方法を採用する必要がある。このようなときは、金属部品を射出成形金型にインサートして、前述した固着材を射出して所望の形に成形し、例えばこれを機械加工で所望の形状にする。そして、機械加工され固着材が積層された金属部品、及びＣＦＲＴＰを射出成形金型にインサートし、両者の間に固着材を射出して両者を接合する方法である。固着材が積層された金属部品の熱可塑性合成樹脂と、ＣＦＲＴＰのマトリックス樹脂の熱可塑性合成樹脂は、主材が同種の熱可塑性合成樹脂であるから両者の接合は強い。
以上詳記したように、本発明のＣＦＲＴＰと金属の複合体は、機械的な連結構造のように重くならず、軽量でかつＣＦＲＴＰと金属の強固な固着が要求される分野、例えば、自動車部品、モバイル電子機器、家庭電化製品等の筐体の産業分野で使用できる。
１…本体
２…筒部
４…雌ネジ
６…固着材
７，１５，２２…ゲート
１１…雄・雌ねじ
１２，２０…板材
２…筒部
４…雌ネジ
６…固着材
７，１５，２２…ゲート
１１…雄・雌ねじ
１２，２０…板材
Claims (4)
- 炭素繊維で強化した熱可塑性合成樹脂をマトリックス樹脂とするＣＦＲＴＰの第１部材と、
金属製の金属部品である第２部材と、
充填材としてガラス繊維を混合した熱可塑性合成樹脂であって、前記第１部材と前記第２部材との間に配置され、前記第１部材と前記第２部材を相互に固着するための固着材とからなり、
前記マトリックス樹脂、及び前記固着材の主材である前記熱可塑性合成樹脂は、前記マトリックス樹脂と同一種で、かつポリアミド（ＰＡ）系樹脂、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリプロピレン（ＰＰ）から選択される１種以上を主成分とするものであり、
前記炭素繊維は、前記ＣＦＲＴＰの１０〜５０ｗｔ％であり、
前記ガラス繊維は、前記固着材の１０〜５０ｗｔ％であり、
前記固着材は、前記第１部材及び前記第２部材を射出成形金型にインサートして、前記固着材を溶融して射出して形成されたものである
ことを特徴とするＣＦＲＴＰと金属の複合体。 - 炭素繊維で強化した熱可塑性合成樹脂をマトリックス樹脂とするＣＦＲＴＰの第１部材と、
後記固着材が表面に固着された金属製の金属部品である第２部材と、
充填材としてガラス繊維を混合した前記熱可塑性合成樹脂であって、前記第１部材の前記固着材と、前記第２部材との間に配置され、前記第１部材と前記第２部材の熱可塑性合成樹脂を相互に固着するための固着材とからなり、
前記マトリックス樹脂、及び前記固着材の主材である前記熱可塑性合成樹脂は、前記マトリックス樹脂と同一種で、かつポリアミド（ＰＡ）系樹脂、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリプロピレン（ＰＰ）から選択される１種以上を主成分とするものであり、
前記炭素繊維は、前記ＣＦＲＴＰの１０〜５０ｗｔ％であり、
前記ガラス繊維は、前記固着材の１０〜５０ｗｔ％であり、
前記固着材は、前記第１部材及び前記第２部材を射出成形金型にインサートして、前記固着材を溶融して射出して形成されたものである
ことを特徴とするＣＦＲＴＰと金属の複合体。 - 請求項１又は２に記載のＣＦＲＴＰと金属の複合体において、
前記第２部材は、アルミニウム合金、鋼材、ステンレス鋼、純銅若しくは銅合金、チタン合金、及びこれらの表面に金属メッキ若しくは蒸着処理されたものの１種であり、
前記第２部材の表面は、機械加工、レーザー加工、及び化学エッチングで処理された微細凹凸が形成された１種を有したもの、又はトリアジンジチオール誘導体層、及び陽極酸化被膜から選択される１種を有したものである
ことを特徴とするＣＦＲＴＰと金属の複合体。 - 請求項１又は２に記載のＣＦＲＴＰと金属の複合体において、
前記固着材は、前記第１部材と前記第２部材との間で区画された閉鎖空間に位置している
ことを特徴とするＣＦＲＴＰと金属の複合体。
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