JP6607556B2 - 樹脂複合材料の硬化装置および硬化方法 - Google Patents

樹脂複合材料の硬化装置および硬化方法 Download PDF

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Description

本発明は、樹脂複合材料の硬化装置、硬化方法、および樹脂成形品に関するものである。
ガラス繊維や炭素繊維等の繊維状補強材をマトリックス樹脂に含浸させて強化した樹脂複合材料（繊維強化プラスチック）は、軽量かつ高強度、高弾性を有する素材であり、航空宇宙産業、自動車産業、スポーツ用品等に幅広く用いられている。
樹脂複合材料のマトリックス樹脂としては、硬化時間が短く生産性が高いことから熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂が適している。近年では、マット状の繊維状補強材に、熱硬化性または熱可塑性のマトリックス樹脂を含浸させて半硬化状にした柔軟なプリプレグとよばれる中間成形材料が多用されている。
一般に、プリプレグにより樹脂成形品を成形する場合は、特許文献１に開示されているように、製造する樹脂成形品の成形型や治具等にプリプレグを積層あるいは巻装して所定の形状に造形し、これを真空バッグで被包して真空引きし、成形型・治具等への密着性を高めた上で、その全体をオートクレーブ等の加熱器に収容し、加熱・加圧しながらプリプレグのマトリックス樹脂を硬化させている。このように、プリプレグを硬化させるには、加熱すると同時に加圧しないと、良好な硬化反応が得られないばかりか、プリプレグの内部に含まれている空気の気泡や、加熱時に発生するガスの気泡が残留することによって所定の強度を得ることができない。
特開２０１１−１５２７５３号公報
プリプレグ等のシート状の中間成形材料は、何層も積層され、真空バッグに収容されて真空引きされ、加熱されることにより、樹脂成形品として成形される。
加熱する際は、加熱器によって中間成形材料のみならず、成形型や治具等も全体的に加熱しなければ中間成形材料を昇温させることができないため、加熱工程に時間が掛かり、加熱のために消費されるエネルギーも膨大である。
これらのため、中間成形材料を積層して製造される樹脂成形品は、その製造コストが高く、高価格にならざるを得なかった。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、中間成形材料の成形に伴う手間を省くとともに、硬化設備の簡素化と、省エネルギー化とを図り、樹脂成形品の製造コストを低減することができる樹脂複合材料の硬化装置、硬化方法、および樹脂成形品を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明は、以下の手段を採用する。
本発明の第１態様に係る樹脂複合材料の硬化装置は、繊維状補強材と、熱硬化性または熱可塑性のマトリックス樹脂と、物体の分子運動量を増加させる特定の物理的環境に置かれると自己発熱する金属ナノ材料と、を含む未硬化の樹脂複合材料に、前記特定の物理的環境を付与する環境設定部と、前記樹脂複合材料の表面に圧接可能に設けられた加圧体と、前記樹脂複合材料の表面に前記加圧体を圧接させる圧接駆動部と、を具備することを特徴とする。
上記構成の硬化装置によれば、環境設定部によって未硬化の樹脂複合材料に、物体の分子運動量を増加させる特定の物理的環境が付与されると、樹脂複合材料に含まれている金属ナノ材料の分子運動量が増加して金属ナノ材料が自己発熱し、樹脂複合材料が温度上昇して軟化する。
この状態で、圧接駆動部により加圧体が樹脂複合材料の表面に圧接され、温度上昇して軟化した樹脂複合材料が加圧体により加圧される。その際に、樹脂複合材料に含まれている空気の気泡や、加熱時に発生するガスの気泡が脱気され、樹脂複合材料が樹脂成形品の形状に成形される。
樹脂複合材料のマトリックス樹脂が熱硬化性樹脂の場合は、加圧されることにより硬化反応が起こり、樹脂複合材料が硬化する。一方、樹脂複合材料のマトリックス樹脂が熱可塑性樹脂の場合は、熱可塑性樹脂が冷却されることにより樹脂複合材料が硬化する。
加圧体は、樹脂複合材料によって製造する樹脂成形品の表面全体に圧接される大きさにしなくてもよい。つまり、加圧体を、樹脂複合材料（樹脂成形品）の表面の一部のみに圧接される大きさに形成し、この加圧体で樹脂複合材料の表面を部分的に加圧することを繰り返すことによって樹脂複合材料の全体を加圧して硬化させることができる。
また、金属ナノ材料の自己発熱性によって樹脂複合材料を加熱させ、これを加圧体によって加圧する構成であるため、従来のように加圧のために樹脂複合材料を成形型や治具等と共に真空バッグで被包して真空引きする必要がない。
したがって、従来のように樹脂複合材料（樹脂成形品）の全体を収容可能な真空バッグや大容量のオートクレーブ等の加熱器を用意する必要がなく、硬化設備を大幅に簡素化することができる。
しかも、環境設定部によって分子運動量を増加させる特定の物理的環境が付与されることにより、樹脂複合材料のみが加熱されるため、従来の加熱器を用いた場合のように成形型や治具等まで全てを加熱するエネルギーは必要なく、省エネルギー化を図ることができる。
これらにより、樹脂成形品の製造コストを飛躍的に低減させることができる。
上記構成において、前記環境設定部を電磁波照射部とし、前記特定の物理的環境を、前記電磁波照射部によって電磁波が照射された状態としてもよい。
このように、金属ナノ材料が含まれている未硬化の樹脂複合材料に電磁波を照射することにより、金属ナノ材料の分子運動量を増加させて急速に自己発熱させ、樹脂複合材料を加熱することができる。
上記構成において、前記環境設定部を、前記樹脂複合材料を挟んで正対する複数の電極とし、前記特定の物理的環境を、複数の前記電極間に電場が印加された状態としてもよい。
このように、樹脂複合材料を挟んで正対する複数の電極の間に電場を印加することにより、電磁波を照射する場合と同じく金属ナノ材料の分子運動量を増加させて樹脂複合材料を加熱することができる。電場を印加する構成は、電磁波を照射する構成よりも簡素であるため、硬化設備をさらに簡素化し、樹脂成形品の製造コスト低減に貢献することができる。
上記構成において、前記環境設定部を磁場印加コイルとし、前記特定の物理的環境を、前記磁場印加コイルによって前記樹脂複合材料に磁場が印加された状態としてもよい。
この場合、樹脂複合材料に含まれる金属ナノ材料を自己発熱させる作用は、電磁波の照射や電場を印加する場合に比べて劣るものの、硬化設備の構成をさらに簡素且つ安価にすることができる。このため、用いる金属ナノ材料の性状によっては樹脂複合材料を有効に加熱させることができる。
上記構成において、前記加圧体の材質を、石英ガラス、高分子系材料、セラミックス系材料のいずれかにしてもよい。
石英ガラス、高分子系材料、セラミックス系材料は、電磁波や電場や磁場といった物理的環境に置かれても自己発熱しにくいため、樹脂複合材料のように温度上昇せず、加圧体としての機能が損なわれることはない。
上記構成において、前記加圧体を前記樹脂複合材料の所定方向に沿って複数連設し、それらのうちの任意の位置のものを作動させることができるようにしてもよい。
このようにすることにより、例えばシート状の樹脂複合材料の１箇所（例えば中心部）に１つの加圧体を圧接し、ここからこの加圧体に隣接する他の加圧体を順次圧接していくことにより、樹脂複合材料の硬化範囲を拡げるとともに、樹脂複合材料中に含まれる空気やガスの気泡を樹脂複合材料の端部側に押し出して良好に脱気することができる。
上記構成において、前記環境設定部を前記樹脂複合材料の所定方向に沿って複数連設し、それらのうちの任意の位置のものを作動させることができるようにしてもよい。
このようにすることにより、樹脂複合材料の任意の部分に、環境設定部によって物体の分子運動量を増加させる特定の物理的環境を付与し、この部分の金属ナノ材料を自己発熱させて加熱し、樹脂複合材料を硬化させることができる。そして、加熱する場所を順次ずらしてくことにより、樹脂複合材料の硬化範囲を拡げるとともに、樹脂複合材料中に含まれる空気やガスの気泡を樹脂複合材料の端部側に押し出して良好に脱気することができる。
本発明の第２態様に係る樹脂複合材料の硬化方法は、未硬化の樹脂複合材料に含まれる金属ナノ材料の分子運動量を増加させて該金属ナノ材料を自己発熱させる特定の物理的環境を該樹脂複合材料に付与し、該樹脂複合材料を加熱する加熱ステップと、加熱された前記樹脂複合材料の表面に加圧体を圧接し、該樹脂複合材料を加圧する加圧ステップと、を具備することを特徴とする。
上記の硬化方法によれば、まず加熱ステップにおいて、金属ナノ材料を自己発熱させる特定の物理的環境が未硬化の樹脂複合材料に付与される。これにより、樹脂複合材料に含まれている金属ナノ材料の分子運動量が増加して金属ナノ材料が自己発熱し、樹脂複合材料が温度上昇して軟化する。
次に、加圧ステップにおいて、加熱された樹脂複合材料の表面に加圧体が圧接され、温度上昇して軟化した樹脂複合材料が加圧される。その際に、樹脂複合材料に含まれている空気の気泡や、加熱時に発生するガスの気泡が脱気され、樹脂複合材料が樹脂成形品の形状に成形される。
樹脂複合材料のマトリックス樹脂が熱硬化性樹脂の場合は、加圧されることにより硬化反応が起こり、樹脂複合材料が硬化する。一方、樹脂複合材料のマトリックス樹脂が熱可塑性樹脂の場合は、熱可塑性樹脂が冷却されることにより樹脂複合材料が硬化する。
加圧体は、樹脂複合材料によって製造する樹脂成形品の表面全体に圧接される大きさにしなくてもよく、この加圧体で樹脂複合材料の表面を繰り返し加圧することによって樹脂複合材料の全体を硬化させることができる。
また、金属ナノ材料の自己発熱性によって樹脂複合材料を加熱させ、これを加圧体によって加圧する構成であるため、従来のように加圧のために樹脂複合材料を成形型や治具等と共に真空バッグで被包して真空引きする必要がない。このため、従来のように樹脂複合材料（樹脂成形品）の全体を収容可能な真空バッグや大容量のオートクレーブ等の加熱器を用意する必要がなく、硬化設備を大幅に簡素化することができる。
しかも、分子運動量を増加させる特定の物理的環境が付与されることによって樹脂複合材料のみが加熱されるため、従来の加熱器を用いた場合のように成形型や治具等まで全てを加熱するエネルギーは必要なく、省エネルギー化を図ることができる。
これらにより、樹脂成形品の製造コストを飛躍的に低減させることができる。
上記方法において、前記特定の物理的環境を、電磁波が照射された状態としてもよい。
このように、金属ナノ材料が含まれている未硬化の樹脂複合材料に電磁波を照射することにより、金属ナノ材料の分子運動量を増加させて急速に自己発熱させ、樹脂複合材料を加熱することができる。
上記方法において、前記特定の物理的環境を、電場が印加された状態としてもよい。
このように、金属ナノ材料が含まれている未硬化の樹脂複合材料に電場を印加することにより、電磁波を照射する場合と同じく金属ナノ材料の分子運動量を増加させて樹脂複合材料を加熱することができる。
上記方法において、前記特定の物理的環境を、磁場が印加された状態としてもよい。
このように、金属ナノ材料が含まれている未硬化の樹脂複合材料に磁場を印加することにより、電磁波の照射や電場を印加する場合と同じく金属ナノ材料の分子運動量を増加させて樹脂複合材料を加熱することができる。
上記方法において、前記加熱ステップと前記加圧ステップとを複数回交互に実行してもよい。こうすれば、例えばシート状の樹脂複合材料を何枚も積層する場合において、樹脂複合材料を１枚積層する度に確実に加圧して硬化させ、樹脂成形品の形状や強度の質が低下することを抑制できる。
本発明の第３態様に係る樹脂成形品は、第２態様の硬化方法によって製造されたことを特徴とする。これにより、樹脂成形品の製造コストを安くすることができる。
以上のように、本発明に係る樹脂複合材料の硬化装置および硬化方法によれば、樹脂複合材料の成形に伴う手間を省くとともに、硬化設備の簡素化と、省エネルギー化とを図り、樹脂成形品の製造コストを低減することができる。また、本発明に係る樹脂成形品は製造コストが安い。
本発明の第１実施形態を示す樹脂複合材料の硬化装置の平面図である。 図１のII-II矢視による硬化装置の縦断面図である。 本発明に係る硬化方法をフローチャートで示す図である。 本発明の第２実施形態を示す樹脂複合材料の硬化装置の平面図である。 本発明の第３実施形態を示す樹脂複合材料の硬化装置の平面図である。 本発明の第４実施形態を示す樹脂複合材料の硬化装置の平面図である。
以下に、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態を示す硬化装置の平面図であり、図２は図１のII-II矢視による硬化装置の縦断面図である。
この硬化装置１は、例えば未硬化のプリプレグ２（樹脂複合材料）を、その厚さ方向に加圧しながら加熱して硬化させる装置である。プリプレグ２は、周知の通り、炭素繊維やガラス繊維等の繊維状補強材に、熱硬化性または熱可塑性のマトリックス樹脂が積層や含浸等により半一体化された、常温中において変形可能な中間成形材料である。
硬化装置１は、例えば筐体状のキャビティ３と、このキャビティ３の底部をなす平坦な成形台４と、キャビティ３の側内面に設けられた電磁波照射部５（環境設定部）と、加圧体６と、アクチュエータ７（圧接駆動部）と、高周波電源８と、導波管９とを具備して構成されている。プリプレグ２は、成形台４、またはその上に設置された図示しない成形型、治具等に積層され、その上から後述するように加圧体６により加圧される。なお、キャビティ３を省略して硬化装置１をオープン状にすることも考えられる。
本実施形態において使用されるプリプレグ２は、そのマトリックス樹脂に、物体の分子運動量を増加させる特定の物理的環境に置かれると自己発熱する金属ナノ材料２ａが添加または付着されたものである。金属ナノ材料２ａとは、２次元または３次元のサイズがナノスケール（１〜数百ｎｍ）である金属材料であり、具体的な形状としてはナノファイバー、ナノコイル、ナノ粒子、ナノチューブ等である。特にナノコイル、ナノファイバーは電磁波吸収効率が高いので好ましい。
金属ナノ材料２ａの材質は特に限定されないが、後述するように電磁波照射部５から照射される電磁波ＥＷの周波数において電磁波吸収効率が高い金属であることが好ましい。具体的に白金（Ｐｔ），金（Ａｕ），ニッケル（Ｎｉ），銅（Ｃｕ）等である。このような金属ナノ材料２ａは電磁波ＥＷを吸収することにより分子運動量が増加し、自己発熱して急速に温度上昇する。
プリプレグ２のマトリックス樹脂に対する金属ナノ材料２ａの添加量が過剰であると、プリプレグ２が樹脂成形品として使用されている時にクラックが発生する懸念がある。このため、金属ナノ材料２ａの添加量は、単位面積当たりの重量比で、５０μｇ／ｃｍ２以下、望ましくは１０μｇ／ｃｍ２以下、さらに望ましくは２μｇ／ｃｍ２以下とする。上述の金属ナノ材料２ａは電磁波吸収効率が高いため、添加量が少なくても大きい発熱量を得ることができる。
硬化装置１は、電磁波照射部５から電磁波ＥＷを照射することにより、キャビティ３の内部に、プリプレグ２のマトリックス樹脂に含まれる金属ナノ材料２ａの分子運動量を増加させる物理的環境を形成する。電磁波照射部５は、高周波電源８から導波管９を経て供給される電磁波ＥＷをキャビティ３内に照射する。
電磁波ＥＷの周波数は特に限定されないが、例えばＸ線のように特殊な管理が必要な電磁波ではないことが好ましい。また、金属ナノ材料２ａを構成する金属の周波数吸収効率が高い周波数の電磁波であることが好ましい。上記を考慮すると、短波（ＨＦ、３ＭＨｚ以上３０ＭＨｚ以下）、超短波（ＶＨＦ、３０ＭＨｚ以上３００ＭＨｚ以下）、極超短波（３００ＭＨｚ以上３ＧＨｚ以下）が照射されることが好ましい。具体的に、ＩＳＭバンドの電磁波が使用できる。
一方、加圧体６は、プリプレグ２の表面に圧接および離脱可能に設けられ、その材質としては、電磁波ＥＷが照射されている環境に置かれても自己発熱しにくいもの、つまり加圧体としての機能が損なわれるような温度まで上昇しない材質であることが必要である。具体的には、石英ガラスや、ＰＥＥＫ、ポリイミド等の高分子系材料や、ＳｉＣ等のセラミックス系材料等により形成される。
アクチュエータ７は、例えばキャビティ３の天板上に設置されたシリンダ７ａと、このシリンダ７ａから伸縮可能に延出してキャビティ３の天板を貫通するロッド７ｂとを備え、ロッド７ｂの先端が加圧体６に連結された構成となっている。しかし、この構成に限らず、加圧体６をプリプレグ２の表面に圧接させることができれば他の構成であっても構わない。このアクチュエータ７は、電磁波照射部５によってプリプレグ２に電磁波ＥＷが照射されている状態で、プリプレグ２の表面に加圧体６を圧接させる。
以上のように構成された硬化装置１によるプリプレグ２の硬化方法は次の通りである。なお、図３はプリプレグ２の硬化方法を示すフローチャートである。
まず、未硬化のプリプレグ２を成形台４や所定の成形型、治具等に積層（あるいは載置、ワインディング等）する（積層ステップＳ１）。
次に、電磁波照射部５からプリプレグ２に電磁波ＥＷを照射する（加熱ステップＳ２）。電磁波ＥＷの周波数は限定されないが、例えばＸ線のように特殊な管理が必要な電磁波ではないことが好ましい。また、金属ナノ材料２ａを構成する金属の周波数吸収効率が高い周波数の電磁波であることが好ましい。上記を考慮すると、短波（ＨＦ、３ＭＨｚ以上３０ＭＨｚ以下）、超短波（ＶＨＦ、３０ＭＨｚ以上３００ＭＨｚ以下）、極超短波（３００ＭＨｚ以上３ＧＨｚ以下）が照射されることが好ましい。具体的に、ＩＳＭバンドの電磁波が使用できる。
プリプレグ２に電磁波ＥＷが照射されると、プリプレグ２のマトリックス樹脂に添加されている金属ナノ材料２ａが電磁波ＥＷを吸収する。これにより、金属ナノ材料２ａの分子運動量が増加し、金属ナノ材料２ａが自己発熱して急速に温度上昇する。この熱がプリプレグ２のマトリックス樹脂に伝播し、マトリックス樹脂が軟化または溶融する。なお、プリプレグ２に対して局所的にも電磁波ＥＷを照射できるようにしてもよい。
一方、加圧体６は、電磁波ＥＷを照射されても自己発熱しにくい材料により形成されているため、プリプレグ２のように温度上昇せず、加圧体としての機能が損なわれることはない。
次に、アクチュエータ７を駆動させて加圧体６を未硬化のプリプレグ２の表面に圧接し、該表面を加圧する（加圧ステップＳ３）。この時には、プリプレグ２の内部に含まれる気泡が外部に押し出される程度の加圧力に設定する。
プリプレグ２の内部に含まれている空気の気泡や、加熱時に発生するガスの気泡は、加圧体６による加圧により、プリプレグ２の中央部から周辺部に向かって押し出されて脱気される。
プリプレグ２のマトリックス樹脂が熱硬化性樹脂の場合は、金属ナノ材料２ａの自己発熱による昇温と、加圧体６による加圧とにより、硬化反応を起こして硬化する。一方、プリプレグ２のマトリックス樹脂が熱可塑性樹脂の場合は、加熱された後に冷却されることにより硬化する。加圧が完了したらアクチュエータ７を駆動して加圧体６を上昇させる。
加圧体６によって加圧される範囲がプリプレグ２の一部のみである場合には、プリプレグ２と加圧体６との相対位置をずらしながら加圧ステップＳ３を複数回繰り返す。その場合、最初にプリプレグ２の中央部付近を加圧し、そこから順次、外側にずらして加圧していくのがよい。
このように、電磁波ＥＷの照射による加熱（加熱ステップＳ２）と、加圧体６による加圧（加圧ステップＳ３）とを複数回交互に実行することにより、プリプレグ２の全体を硬化させて樹脂成形品を形成する。なお、電磁波ＥＷの照射と、加圧体６による加圧とを同時に実行してもよい。
最後に、樹脂成形品を成形台４から剥離して樹脂成形品の完成となる（離型ステップＳ４）。
上記構成の硬化装置１によれば、加圧体６を、プリプレグ２によって製造する樹脂成形品の表面全体に圧接される大きさにしなくてもよい。つまり、加圧体６を、プリプレグ２（樹脂成形品）の表面の一部のみに圧接される大きさに形成し、この加圧体６でプリプレグ２の表面を部分的に加圧することを繰り返すことによってプリプレグ２の全体を加圧して硬化させることができる。
また、金属ナノ材料２ａの自己発熱性によってプリプレグ２を加熱させ、これを加圧体６によって加圧する構成であるため、従来のように加圧のためにプリプレグ２を成形型や治具等と共に真空バッグで被包して真空引きする必要がない。
したがって、従来のようにプリプレグ２（樹脂成形品）の全体を収容可能な真空バッグや大容量のオートクレーブ等の加熱器を用意する必要がなく、硬化設備を大幅に簡素化することができる。
しかも、電磁波照射部５から電磁波ＥＷが照射されることによってプリプレグ２のみが加熱されるため、従来の加熱器を用いた場合のように成形型や治具等まで全てを加熱するエネルギーは必要ない。このため、エネルギーを大幅に節約することができ、これらにより、樹脂成形品の製造コストを飛躍的に低減させることができる。
例えば、シート状のプリプレグ２を何枚も積層する場合には、１枚積層する度に加熱ステップＳ２と加圧ステップＳ３とを交互に実行することにより、各プリプレグ２の層を確実に加圧して硬化させ、樹脂成形品の形状や強度の質が低下することを抑制できる。
なお、電磁波ＥＷの照射範囲を限定することによってプリプレグ２を局所的に加熱することもできるため、樹脂成形品の全体の硬化後に局所的に再加熱して付加物を設けたり、追加造形や追加工を行ったりすることができる。シート状に形成されたプリプレグ２は、既存の積層方法、即ち手作業による積層方法や、自動積層機による積層方法をそのまま利用することができる。
［第２実施形態］
図４は、本発明の第２実施形態を示す硬化装置の平面図である。
この硬化装置１１は、第１実施形態の硬化装置１と同じく、金属ナノ材料２ａが添加された未硬化のプリプレグ２（樹脂複合材料）を、その厚さ方向に加圧しながら加熱して硬化させるものである。
硬化装置１１は、平坦な成形台１２と、この成形台１２に載置されるプリプレグ２を挟むようにして正対する一対の電極１３Ａ，１３Ｂ（環境設定部）と、複数の加圧体１４と、高周波電源１５と、同軸ケーブル１６Ａ，１６Ｂとを具備して構成されている。
硬化装置１１は、電極１３Ａ，１３Ｂの間に電場ＥＦを印加することにより、プリプレグ２のマトリックス樹脂に含まる金属ナノ材料２ａの分子運動量を増加させる物理的環境を形成する。電極１３Ａ，１３Ｂは、高周波電源１５から同軸ケーブル１６Ａ，１６Ｂを経て供給される高周波電流によって電場ＥＦを形成する。
加圧体１４は、プリプレグ２の所定方向（例えば長尺方向）に沿って複数連設されている。加圧体１４の材質としては、電場ＥＦが印加されている環境に置かれても自己発熱しにくいもの、つまり加圧体としての機能が損なわれるような温度まで上昇しない材質であることが必要である。これら複数の加圧体１４は、それぞれ図示しないアクチュエータにより、各々個別にプリプレグ２の表面に圧接および離脱可能とされている。アクチュエータとしては、第１実施形態の硬化装置１におけるアクチュエータ７と同様なものが複数配置されたものが考えられるが、他の構造であってもよい。
以上のように構成された硬化装置１１によるプリプレグ２の硬化方法は次の通りである。この硬化方法も図３に示すフローチャートに沿う手順で行われる。
まず、未硬化のプリプレグ２を成形台１２や所定の成形型、治具等に積層（あるいは載置、ワインディング等）する（積層ステップＳ１）。
次に、電極１３Ａ，１３Ｂからプリプレグ２に電場ＥＦを印加する（加熱ステップＳ２）。プリプレグ２に電場ＥＦが印加されると、プリプレグ２のマトリックス樹脂に添加されている金属ナノ材料２ａの分子運動量が増加し、金属ナノ材料２ａが自己発熱する。この熱がプリプレグ２のマトリックス樹脂に伝播し、マトリックス樹脂が軟化または溶融する。
一方、加圧体１４は、電場ＥＦを印加されても自己発熱しにくい材料により形成されているため、プリプレグ２のように温度上昇せず、加圧体としての機能が損なわれることはない。
次に、図示しないアクチュエータを駆動させて加圧体１４を未硬化のプリプレグ２の表面に圧接し、該表面を加圧する（加圧ステップＳ３）。この時には、プリプレグ２の内部に含まれる気泡が外部に押し出される程度の加圧力に設定する。
プリプレグ２の内部に含まれている空気の気泡や、加熱時に発生するガスの気泡は、加圧体１４による加圧により、プリプレグ２の中央部から周辺部に向かって押し出されて脱気される。
プリプレグ２のマトリックス樹脂が熱硬化性樹脂の場合は、金属ナノ材料２ａの自己発熱による昇温と、加圧体６による加圧とにより、硬化反応を起こして硬化する。一方、プリプレグ２のマトリックス樹脂が熱可塑性樹脂の場合は、加熱された後に冷却されることにより硬化する。加圧が完了したらアクチュエータを駆動して加圧体１４を上昇させる。
例えばプリプレグ２がシート状や長尺状である場合は、その１箇所（例えば中心部）に１つの加圧体１４を圧接し、ここからこの加圧体１４に隣接する他の加圧体１４を順次圧接していくことにより、プリプレグ２の硬化範囲を拡げるとともに、プリプレグ２中に含まれる空気やガスの気泡をプリプレグ２の端部側に押し出して良好に脱気することができる。
このように、電場ＥＦの印加による加熱（加熱ステップＳ２）と、加圧体１４による加圧（加圧ステップＳ３）とを複数回交互に実行し、且つ、加圧ステップＳ３においては複数の加圧体１４を中央部から外側に向かって順次加圧させていくことにより、プリプレグ２の全体を均一に硬化させて樹脂成形品を形成することができる。なお、電場ＥＦの印加と、加圧体１４による加圧とを同時に実行してもよい。
最後に、樹脂成形品を成形台１２から剥離して樹脂成形品の完成となる（離型ステップＳ４）。
上記構成の硬化装置１１によれば、第１実施形態における硬化装置１および硬化方法と同様な効果が得られる。それに加えて、この硬化装置１１は、プリプレグ２を挟んで正対する一対の電極１３Ａ，１３Ｂの間に電場ＥＦを印加することにより、電磁波を照射する第１実施形態の場合と同じく金属ナノ材料２ａの分子運動量を増加させ、金属ナノ材料２ａを昇温させてプリプレグ２を加熱することができる。
電場ＥＦの印加は、高周波電源１５から同軸ケーブル１６Ａ，１６Ｂを経て電極１３Ａ，１３Ｂに高周波電流を供給することによって比較的簡単に実現できるため、電磁波を照射する構成よりも簡素な硬化設備にすることができる。これにより、樹脂成形品の製造コストをさらに低減させることができる。
また、加圧体１４がプリプレグ２の所定方向に沿って複数連設され、それらのうちの任意の位置のものを作動させることができるため、プリプレグ２の１箇所からその周辺に向かって加圧体１４を順次圧接させていくことにより、プリプレグ２の気泡を確実に脱気することができる。
［第３実施形態］
図５は、本発明の第３実施形態を示す硬化装置の平面図である。
この硬化装置２１は、第２実施形態の硬化装置１１と同じく、金属ナノ材料２ａが添加された未硬化のプリプレグ２（樹脂複合材料）に、電場ＥＦを印加して加熱しながら厚さ方向に加圧して硬化させるものである。
硬化装置２１は、平坦な成形台２２と、この成形台２２に載置されるプリプレグ２を挟むようにして正対する、例えば５対の電極２３Ａ，２３Ｂ〜２７Ａ，２７Ｂ（環境設定部）と、加圧体２８と、高周波電源１５と、同軸ケーブル１６Ａ，１６Ｂと、複数のスイッチ２９とを具備して構成されている。
５対の電極２３Ａ，２３Ｂ〜２７Ａ，２７Ｂのペアは、プリプレグ２の所定方向（例えば長尺方向）に沿って連設されており、それぞれスイッチ２９を介して同軸ケーブル１６Ａ，１６Ｂに接続されている。そして、互いのスイッチ２９が閉じているペアの間にのみ電場ＥＦが印加されるようになっている。このため、任意のペアを作動させることができる。図５では、例えば中央にある電極２５Ａ，２５Ｂの間に電場ＥＦが印加されている。
加圧体２８は、プリプレグ２の表面に圧接可能に設けられ、その材質としては、電場ＥＦが印加されている環境に置かれても自己発熱しにくいものとされている。この第３実施形態では加圧体２８が単体で設けられているが、第２実施形態のようにプリプレグ２の所定方向に沿って複数連設してもよい。この加圧体２８は図示しないアクチュエータによりプリプレグ２の表面に圧接可能とされている。アクチュエータとしては、第１実施形態の硬化装置１におけるアクチュエータ７と同様なものが考えられるが、他の構造であってもよい。
以上のように構成された硬化装置２１によるプリプレグ２の硬化方法は次の通りである。この硬化方法も図３に示すフローチャートに沿う手順で行われる。
まず、未硬化のプリプレグ２を成形台２２や所定の成形型、治具等に積層（あるいは載置、ワインディング等）する（積層ステップＳ１）。
次に、５対の電極２３Ａ，２３Ｂ〜２７Ａ，２７Ｂのいずれかのペアのスイッチ２９を閉じてプリプレグ２に電場ＥＦを印加する（加熱ステップＳ２）。プリプレグ２に電場ＥＦが印加されると、プリプレグ２のマトリックス樹脂に添加されている金属ナノ材料２ａの分子運動量が増加し、金属ナノ材料２ａが自己発熱する。この熱がプリプレグ２のマトリックス樹脂に伝播し、マトリックス樹脂が軟化または溶融する。
次に、図示しないアクチュエータを駆動させて加圧体２８を未硬化のプリプレグ２の表面に圧接し、該表面を加圧する（加圧ステップＳ３）。この時には、電場ＥＦの印加を受けてマトリックス樹脂が昇温している部分に加圧体２８を移動させて圧接させる。つまり、５対の電極２３Ａ，２３Ｂ〜２７Ａ，２７Ｂのうち、電場ＥＦを印加している電極に対応する部位を加圧体２８によって加圧する。加圧体２８を複数設けた場合には、マトリックス樹脂が昇温している部分に対応する加圧体２８を圧接させる。この時の加圧力は、プリプレグ２の内部に含まれる気泡が外部に押し出される程度の力に設定する。
プリプレグ２の内部に含まれている空気の気泡や、加熱時に発生するガスの気泡は、加圧体２８による加圧により、プリプレグ２の中央部（電極２５Ａ，２５Ｂの位置）から周辺部に向かって押し出されて脱気される。
プリプレグ２のマトリックス樹脂が熱硬化性樹脂の場合は、金属ナノ材料２ａの自己発熱による昇温と、加圧体６による加圧とにより、硬化反応を起こして硬化する。一方、プリプレグ２のマトリックス樹脂が熱可塑性樹脂の場合は、加熱された後に冷却されることにより硬化する。加圧が完了したらアクチュエータを駆動して加圧体２８を上昇させる。
最後に、樹脂成形品を成形台２２から剥離して樹脂成形品の完成となる（離型ステップＳ４）。
上記構成の硬化装置２１によれば、第２実施形態における硬化装置１１および硬化方法と同様な効果が得られる。それに加えて、この硬化装置２１は、電場ＥＦを印加する電極２３Ａ，２３Ｂ〜２７Ａ，２７Ｂがプリプレグ２の所定方向に沿って複数連設され、それらのうちの任意の位置のものを作動させることができるため、プリプレグ２の１箇所からその周辺に向かって電極２３Ａ，２３Ｂ〜２７Ａ，２７Ｂを順次作動させていくことにより、プリプレグ２中に含まれる空気やガスの気泡をプリプレグ２の端部側に押し出して良好に脱気することができる。
［第４実施形態］
図６は、本発明の第４実施形態を示す硬化装置の平面図である。
この硬化装置３１は、平坦な成形台３２と、この成形台３２の一側に設置された磁場印加コイル３３と、複数の加圧体３４と、電源３５と、電源線３６とを具備して構成されている。
硬化装置３１は、磁場印加コイル３３によってプリプレグ２（樹脂複合材料）に磁場ＭＦを印加することにより、プリプレグ２のマトリックス樹脂に含まる金属ナノ材料２ａの分子運動量を増加させる物理的環境を形成する。金属ナノ材料２ａの材質は、磁場ＭＦの印加により自己発熱するものである必要がある。磁場印加コイル３３は電源３５から電源線３６を経て供給される電流によって磁場ＭＦを形成する。
加圧体３４は、第２実施形態における硬化装置１１の加圧体１４と同様に、プリプレグ２の所定方向（例えば長尺方向）に沿って複数連設されている。加圧体３４の材質としては、磁場ＭＦが印加されている環境に置かれても自己発熱しにくいもの、つまり加圧体としての機能が損なわれるような温度まで上昇しない材質であることが必要である。これら複数の加圧体３４は、それぞれ図示しないアクチュエータにより、各々個別にプリプレグ２の表面に圧接および離脱可能とされている。
以上のように構成された硬化装置３１によるプリプレグ２の硬化方法は次の通りである。この硬化方法も図３に示すフローチャートに沿う手順で行われる。
まず、未硬化のプリプレグ２を成形台３２や所定の成形型、治具等に積層（あるいは載置、ワインディング等）する（積層ステップＳ１）。
次に、磁場印加コイル３３からプリプレグ２に磁場ＭＦを印加する（加熱ステップＳ２）。プリプレグ２に磁場ＭＦが印加されると、プリプレグ２のマトリックス樹脂に添加されている金属ナノ材料２ａの分子運動量が増加し、金属ナノ材料２ａが自己発熱する。この熱がプリプレグ２のマトリックス樹脂に伝播し、マトリックス樹脂が軟化または溶融する。
一方、加圧体３４は、磁場ＭＦを印加されても自己発熱しにくい材料により形成されているため、プリプレグ２のように温度上昇せず、加圧体としての機能が損なわれることはない。
次に、図示しないアクチュエータを駆動させて加圧体３４を未硬化のプリプレグ２の表面に圧接し、該表面を加圧する（加圧ステップＳ３）。この時には、プリプレグ２の内部に含まれる気泡が外部に押し出される程度の加圧力に設定する。
プリプレグ２の内部に含まれている空気の気泡や、加熱時に発生するガスの気泡は、加圧体３４による加圧により、プリプレグ２の中央部から周辺部に向かって押し出されて脱気される。
プリプレグ２のマトリックス樹脂が熱硬化性樹脂の場合は、金属ナノ材料２ａの自己発熱による昇温と、加圧体６による加圧とにより、硬化反応を起こして硬化する。一方、プリプレグ２のマトリックス樹脂が熱可塑性樹脂の場合は、加熱された後に冷却されることにより硬化する。加圧が完了したらアクチュエータを駆動して加圧体３４を上昇させる。
例えばプリプレグ２がシート状や長尺状である場合は、その１箇所（例えば中心部）に１つの加圧体３４を圧接し、ここからこの加圧体３４に隣接する他の加圧体３４を順次圧接していくことにより、プリプレグ２の硬化範囲を拡げるとともに、プリプレグ２中に含まれる空気やガスの気泡をプリプレグ２の端部側に押し出して良好に脱気することができる。
このように、磁場ＭＦの印加による加熱（加熱ステップＳ２）と、加圧体３４による加圧（加圧ステップＳ３）とを複数回交互に実行し、且つ、加圧ステップＳ３においては複数の加圧体３４を中央部から外側に向かって順次加圧させていくことにより、プリプレグ２の全体を均一に硬化させて樹脂成形品を形成することができる。なお、磁場ＭＦの印加と、加圧体３４による加圧とを同時に実行してもよい。
最後に、樹脂成形品を成形台３２から剥離して樹脂成形品の完成となる（離型ステップＳ４）。
上記構成の硬化装置３１によれば、プリプレグ２に含まれる金属ナノ材料２ａを自己発熱させる作用は、前記の実施形態のように電磁波の照射や電場を印加する場合に比べて劣るものの、硬化設備の構成をさらに簡素且つ安価にすることができる。このため、用いる金属ナノ材料２ａの性状によってはプリプレグ２を有効に加熱させて硬化させることができる。
以上説明したように、本発明に係る樹脂複合材料の硬化装置１，１１，２１，３１および硬化方法は、プリプレグ２等の樹脂複合材料に、物体の分子運動量を増加させる特定の物理的環境（電磁波ＥＷ、電場ＥＦ，磁場ＭＦ等）を付与し、樹脂複合材料中に含有される金属ナノ材料２ａを自己発熱させることによって樹脂複合材料を硬化させるものである。
この硬化装置１，１１，２１，３１および硬化方法によれば、真空バッグを用いての真空引きや、オートクレーブ等の加熱器による加熱を必要としないことから、樹脂複合材料の成形に伴う手間を省くとともに、硬化設備の簡素化と、省エネルギー化とを図り、樹脂成形品の製造コストを低減することができる。
なお、本発明は上記実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更や改良を加えることができ、このように変更や改良を加えた実施形態も本発明の権利範囲に含まれるものとする。
例えば、上記の各実施形態では、マトリックス樹脂が半硬化状となっているプリプレグを硬化、成形するものとして説明したが、他の形態の樹脂複合材料についても本発明を適用することができる。また、上記の各実施形態の構成を組み合わせてもよい。
また、上記の各実施形態では、加圧体６，１４，２８，３４が面圧式（スタンプ式）のものとなっているが、面圧式から転動式（ローラ式）に変更すること等も考えられる。
さらに、上記の各実施形態の環境設定部を組み合わせて使用してもよい。例えば、第１実施形態の電磁波照射部と、第２実施形態の電極と、第３実施形態の磁場印加コイルとを、適宜組み合わせて使用することが考えられる。
１，１１，２１，３１ 硬化装置
２ プリプレグ（樹脂複合材料）
２ａ 金属ナノ材料
５ 電磁波照射部（環境設定部）
６，１４，２８，３４ 加圧体
７ アクチュエータ（圧接駆動部）
１３Ａ，１３Ｂ，２３Ａ，２３Ｂ，２４Ａ，２４Ｂ，２５Ａ，２５Ｂ，２６Ａ，２６Ｂ，２７Ａ，２７Ｂ 電極（環境設定部）
３３ 磁場印加コイル（環境設定部）
ＥＷ 電磁波
ＥＦ 電場
ＭＦ 磁場
Ｓ２ 加熱ステップ
Ｓ３ 加圧ステップ

Claims (12)

  1. 繊維状補強材と、熱硬化性または熱可塑性のマトリックス樹脂と、物体の分子運動量を増加させる特定の物理的環境に置かれると自己発熱する金属ナノ材料と、を含む未硬化の樹脂複合材料に、前記特定の物理的環境を付与する環境設定部と、
    前記樹脂複合材料の表面に圧接可能に設けられた加圧体と、
    前記樹脂複合材料の表面に前記加圧体を圧接させる圧接駆動部と、
    を具備することを特徴とする樹脂複合材料の硬化装置。
  2. 前記環境設定部は電磁波照射部であり、前記特定の物理的環境とは前記電磁波照射部によって電磁波が照射された状態である請求項１に記載の樹脂複合材料の硬化装置。
  3. 前記環境設定部は前記樹脂複合材料を挟んで正対する複数の電極であり、前記特定の物理的環境とは複数の前記電極間に電場が印加された状態である請求項１に記載の樹脂複合材料の硬化装置。
  4. 前記環境設定部は磁場印加コイルであり、前記特定の物理的環境とは前記磁場印加コイルによって前記樹脂複合材料に磁場が印加された状態である請求項１に記載の樹脂複合材料の硬化装置。
  5. 前記加圧体の材質は、石英ガラス、高分子系材料、セラミックス系材料のいずれかである請求項１から４のいずれかに記載の樹脂複合材料の硬化装置。
  6. 前記加圧体は前記樹脂複合材料の所定方向に沿って複数連設され、それらのうちの任意の位置のものを作動させることができる請求項１から５のいずれかに記載の樹脂複合材料の硬化装置。
  7. 前記環境設定部は前記樹脂複合材料の所定方向に沿って複数連設され、それらのうちの任意の位置のものを作動させることができる請求項１から６のいずれかに記載の樹脂複合材料の硬化装置。
  8. 未硬化の樹脂複合材料に含まれる金属ナノ材料の分子運動量を増加させて該金属ナノ材料を自己発熱させる特定の物理的環境を該樹脂複合材料に付与し、該樹脂複合材料を加熱する加熱ステップと、
    加熱された前記樹脂複合材料の表面に加圧体を圧接し、該樹脂複合材料を加圧する加圧ステップと、
    を具備することを特徴とする樹脂複合材料の硬化方法。
  9. 前記特定の物理的環境とは電磁波が照射された状態である請求項８に記載の樹脂複合材料の硬化方法。
  10. 前記特定の物理的環境とは電場が印加された状態である請求項８に記載の樹脂複合材料の硬化方法。
  11. 前記特定の物理的環境とは磁場が印加された状態である請求項８に記載の樹脂複合材料の硬化方法。
  12. 前記加熱ステップと前記加圧ステップとが複数回交互に実行される請求項８に記載の樹脂複合材料の硬化方法。
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