WO2007108247A1 - 成形体表面の導電化方法及び表面導電性成形体 - Google Patents

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Kazuyuki Oguri
Takahiro Sekigawa
Akiko Inoue
Masami Kamiya
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Definitions

  • the present invention relates to a method for electrically conducting a surface of a molded body and a surface conductive molded body.
  • a resin-based composite material containing a resin such as fiber-reinforced plastic is widely used as a structural member for aircraft, automobiles, ships, and the like because it is lightweight and has high strength. Since such a resin-based composite material contains a low-conductivity resin as a matrix, for example, when used as an aircraft main wing structure, it is necessary to impart conductivity to the surface in order to provide lightning resistance. is there.
  • a method for imparting electrical conductivity to the surface of a composite material a method of exposing the copper foil to the surface of the composite material by heat-bonding and forming the copper foil simultaneously with the formation of the composite material is known (for example, Patent Documents). 1).
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 11 138669
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and after forming a molded body containing a resin such as a resin-based composite material, a metal having excellent adhesion on its surface by a simple method. It is an object of the present invention to provide a method for forming a film to make the molded body conductive, and a surface conductive molded body provided with a metal film having excellent adhesion on the surface of a molded body containing a resin.
  • the method for electrically conducting a surface of a molded body according to the present invention includes projecting metal particles onto at least a part of the surface of a molded body containing a resin by a cold spray method, It was set as the method of forming a film.
  • a simple method of projecting metal particles directly on the surface of the molded body can be used.
  • the molded body can be made conductive.
  • the surface conductive molded body of the present invention has a configuration including a molded body containing a resin and a metal film formed by a cold spray method on at least a part of the surface of the molded body.
  • the surface conductive molded body is produced by a simple method in which metal particles are directly projected onto the surface of the molded body, and has a metal film having excellent adhesion.
  • the metal particles collide with the irregularities on the surface of the resin molded body such as a composite material at a high speed to form a metal film, so that the metal film having excellent adhesion can be obtained using a simple device.
  • the surface of the molded body can be made conductive.
  • a surface conductive molded article having a metal film having excellent adhesion can be obtained by a simple method.
  • FIG. 1 is a cross-sectional photograph of a surface conductive molded body obtained by the conductive film of Example 1.
  • FIG. 2 is a cross-sectional photograph of a surface conductive molded body obtained using the conductive film of Example 2.
  • the resin molded body on which a metal film is formed on the surface includes inorganic fibers such as glass fibers, carbon fibers, carbon carbide fibers, alumina fibers or boron fibers, nylon fibers, and vinylon fibers.
  • fiber reinforced plastic in which organic fibers such as aramid fiber are blended with thermosetting resin such as unsaturated polyester or epoxy resin, and each of these fibers is polycarbonate resin, methallyl resin,
  • FRTP thermoplastic reinforced plastic
  • the present invention when the present invention is applied to an aircraft main wing structure with lightning resistance, it is preferable to use carbon fiber reinforced plastic (CFRP) or glass fiber reinforced plastic (GFRP) as the resin molded body.
  • CFRP carbon fiber reinforced plastic
  • GFRP glass fiber reinforced plastic
  • the present invention is not limited to this, and a molded body made only of a resin can also be a subject of electrical conductivity of the present invention.
  • the resin molded body is roughened by shot blasting using fine particles as a pretreatment to form a metal film after molding.
  • the particles (projection material) used in shot blasting include hard particles such as metal, ceramics, and glass. Among these, ceramic particles such as alumina, silica, silicon carbide, and zirconia particles can be suitably used.
  • the shape of the particles used for shot blasting is not particularly limited, and substantially spherical particles may be used, or particles having a sharp ridge angle such as alumina and carbide particles may be used.
  • the average particle diameter of the projection material is 200 ⁇ m or less, and is particularly preferably 10 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less. If the average particle size of the projection material is larger than 200 m, the surface of the molded body will be damaged due to the excessive motion energy of the projection material particles, especially if the molded body is the above-mentioned composite material, the internal fibers will be damaged. This is not preferable. If the average particle size of the projection material is less than 10 m, it is difficult to obtain a stable injection state.
  • the surface of the molded body is roughened by shot blasting.
  • the injection speed at the time of shot blasting is defined by, for example, the injection pressure of compressed air.
  • the injection pressure at the time of shot blasting as a pretreatment for forming a metal film is preferably from 0. IMPa to 1 MPa, more preferably from 0.3 MPa to 0.6 MPa. If the injection pressure is greater than 1 MPa, the surface of the molded body will be damaged by the excessive kinetic energy of the projection material particles, and particularly if the molded body is the above-mentioned composite material, the internal fibers will be damaged. Absent. If the injection pressure is less than 0. IMPa, it is difficult to obtain a stable injection state.
  • the coverage of shot blasting is preferably 100% or more and 1000% or less, more preferably 100% or more and 500% or less.
  • the coverage is less than 100%, the surface of the molded body is not sufficiently roughened Z activated, and the effect of improving the adhesion between the treated surface of the molded body and the adhesion target or coating film cannot be obtained.
  • the coverage exceeds 1000%, the surface of the shaped body will be damaged! / In particular, when the molded body is the above-mentioned composite material, the internal fibers are damaged, which is not preferable.
  • the arithmetic average surface roughness Ra of the treated surface of the molded body pretreated under the above conditions is 0.3. It is preferable that it is not less than ⁇ m and not more than 2 ⁇ m. If the surface roughness of the surface to be processed is less than 0.3 ⁇ m, the surface of the green body is not sufficiently roughened / activated, and the adhesion between the surface to be processed and the object to be bonded or the coating film This is not preferable because the effect of improving the above cannot be obtained. Further, if the surface roughness of the surface to be treated is larger than 2 m, the above-mentioned composite material is not preferable because it damages internal fibers.
  • a metal film is formed by projecting metal particles onto the surface of the resin molding by a cold spray method.
  • the cold spray method is a technique in which film material particles are heated to a temperature lower than their melting point or softening temperature, sprayed at a supersonic speed with a propellant gas, and applied to a substrate in the solid phase to form a film.
  • the particles hitting the substrate cause plastic deformation and deposit on the substrate surface to form a film.
  • relatively soft metal particles are used as the coating material particles.
  • metal particles for example, particles of tin, copper, zinc, and alloys thereof can be employed.
  • tin particles are particularly preferable.
  • the particle size of the metal particles is preferably about 10 ⁇ m to 50 ⁇ m. If the particle size is less than 10 / z m, a stable injection state cannot be obtained, which is not preferable. On the other hand, if the particle size exceeds 50 m, it is not preferable because the particles are deposited.
  • Helium, nitrogen, air, or the like can be used as the injection gas used for injecting the metal particles, but it is preferable to use air that is excellent in operability and inexpensive in consideration of construction of an actual machine. However, depending on the situation, it is preferable to use an inert gas because the acidity of the metal particles hardly changes. In that case, helium is particularly preferable because a high flow rate can be obtained.
  • the injection pressure of the injection gas is selected in the range where the collision speed reaches the critical speed of the metal particle compact, and can be, for example, 0.5 to 0.6 MPa or more.
  • the heating temperature of the propellant gas containing the metal particles is appropriately selected depending on the material, and is, for example, 100 ° C. or higher and 500 ° C. or lower.
  • a metal film is formed on at least a part of the surface of the molded body, and the surface of the molded body is made conductive.
  • the thickness of the metal film is 30 m or more and 2 mm or less.
  • the thickness of the metal film is preferably 50 ⁇ m or more and 500 ⁇ m or less.
  • the metal film may be a film consisting of one layer, but may have a structure in which two or more layers are laminated. In this case, it is particularly preferable to use tin or zinc, which is excellent in adhesiveness to rosin, as a layer on the molded body substrate side, and to use tin as a layer on the molded body substrate side.
  • tin or zinc is formed as a layer on the side of the molded article substrate by the conductive layer method of the present invention, and a copper layer is formed thereon by the conductive layer method of the present invention. It is preferable to form.
  • a spray method such as a thermal spraying method is employed instead of the “cold spray method”. Is also possible.
  • a cold spray treatment was performed on the molded body with carbon fiber reinforced plastic (CFRP) force under the following conditions to make the surface of the molded body conductive.
  • CFRP carbon fiber reinforced plastic
  • Metal particles Tin particles, average particle size 40 m
  • Injection conditions Injection pressure 0.5MPa, gas heating temperature 300 ° C
  • Fig. 1 shows a cross-sectional photograph of the surface conductive molded body obtained by the above-described conductivity.
  • Carbon fiber reinforced plastic (CFRP) force In this way, the surface of the molded body was made conductive.
  • Metal particles Tin particles, average particle size 40 m
  • Injection conditions Injection pressure 0.5MPa, gas heating temperature 300 ° C
  • Metal particles Copper particles, average particle size 30 / z m
  • Injection conditions Injection pressure 0.6 MPa, gas heating temperature 400 ° C
  • FIG. 2 shows a cross-sectional photograph of the surface conductive molded body obtained by the above-mentioned conductivity.

Abstract

　樹脂を含む成形体の表面に、簡易な方法により密着性に優れた金属皮膜を形成して、この成形体を導電化する。樹脂を含む成形体の表面の少なくとも一部の面に、コールドスプレー法により金属粒子を投射し、金属皮膜を形成する。

Description

明 細 書
成形体表面の導電化方法及び表面導電性成形体
技術分野
[0001] 本発明は、成形体表面の導電化方法及び表面導電性成形体に関する。
背景技術
[0002] 繊維強化プラスチック等の榭脂を含む榭脂基複合材は、軽量で高強度であるため 、航空機、自動車、船舶等の構造部材として広く用いられている。このような榭脂基 複合材は、導電性の低い榭脂をマトリックスとして含んでいるため、例えば航空機主 翼構造体として用いる場合、耐雷性を持たせるために表面に導電性を付与する必要 がある。複合材の表面に導電性を付与する方法としては、複合材の成形と同時に銅 箔を加熱接着成形することにより、複合材表面に銅箔を露出させる手法が知られて いる（例えば、特許文献 1参照)。
[0003] 特許文献 1 :特開平 11 138669号公報
発明の開示
[0004] し力しながら、榭脂基複合材の表面に銅箔を同時加熱接着成形する上記の方法は 、熱膨張係数の大きく異なる榭脂と銅箔とを貼り合せることから、密着性に劣る問題が あった。また、榭脂と銅箔とでは熱膨張係数が異なることから、榭脂基複合材表面の 広い面積に銅箔を貼り合わせることも困難であった。また、薄い銅箔を榭脂基複合材 に表面に貼り合せ作業は、技術的に困難であった。
[0005] 本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、榭脂基複合材等の樹脂 を含む成形体を形成後に、その表面に簡易な方法により密着性に優れた金属皮膜 を形成して、前記成形体を導電化する方法及び榭脂を含む成形体の表面に密着性 に優れた金属皮膜を設けた表面導電性成形体を提供することを目的とする。
[0006] 上記課題を解決するために、本発明の成形体表面の導電化方法は、榭脂を含む 成形体の表面の少なくとも一部の面に、コールドスプレー法により金属粒子を投射し 、金属皮膜を形成する方法とした。
この方法によれば、成形体表面に直接金属粒子を投射する簡易な方法により、密 着性に優れた金属皮膜を形成して、成形体を導電化することができる。
[0007] また、本発明の表面導電性成形体は、榭脂を含む成形体と、該成形体表面の少な くとも一部の面にコールドスプレー法により形成された金属皮膜とを有する構成とした この表面導電性成形体は、成形体表面に直接金属粒子を投射する簡易な方法に より製造され、密着性に優れた金属皮膜を有する。
[0008] 本発明によれば、複合材等の樹脂成形体表面の凹凸に金属粒子が高速で衝突し て金属皮膜を形成することから、簡易な装置を用いて、密着性に優れた金属皮膜を 成形体表面に直接形成することにより、成形体表面を導電化することが出来る。また 、本発明によれば、密着性に優れた金属皮膜を有する表面導電性成形体が簡易な 方法により得られる。
図面の簡単な説明
[0009] [図 1]実施例 1の導電ィ匕により得られた表面導電性成形体の断面写真である。
[図 2]実施例 2の導電ィ匕により得られた表面導電性成形体の断面写真である。
発明を実施するための最良の形態
[0010] 以下に、本発明の成形体表面の導電化方法及び表面導電性成形体にかかる実施 形態について説明する。
[0011] 本発明にお ヽて表面に金属皮膜が形成される榭脂成形体としては、ガラス繊維、 炭素繊維、炭化ケィ素繊維、アルミナ繊維又はボロン繊維等の無機繊維やナイロン 繊維、ビニロン繊維、又はァラミド繊維等の有機繊維を不飽和ポリエステル又はェポ キシ榭脂等の熱硬化性榭脂に配合させた繊維強化プラスチック (FRP)や、前記各 繊維をポリカーボネート榭脂、メタタリル榭脂、ポリ塩化ビュル榭脂、ポリアミド榭脂、 又は ABS榭脂等の熱可塑性榭脂に配合した熱可塑性強化プラスチック (FRTP)等 の、榭脂をマトリックスとした複合材料が好適に採用される。特に耐雷性を付与した航 空機主翼構造体等に本発明を適用する場合は、榭脂成形体として炭素繊維強化プ ラスチック (CFRP)、ガラス繊維強化プラスチック (GFRP)を用いるのが好ましい。た だし、本発明はこれに限定されず、榭脂のみからなる成形体も本発明の導電化の対 象となり得る。 [0012] 前記榭脂成形体は、成形後、金属皮膜を形成する前処理として、微粒子を用いた ショットブラストにより表面を粗面化しておくことが好ましい。ショットブラストにおいて用 いられる粒子 (投射材）としては、金属、セラミックス、ガラス等の硬質粒子が挙げられ 、なかでもアルミナ、シリカ、炭化ケィ素、ジルコユア粒子等のセラミックス粒子を好適 に用いることができる。ショットブラストに用いられる粒子の形状は特に限定されず、略 球形の粒子を用いてもよいし、また前記アルミナ、炭化ケィ素粒子等の尖鋭な稜角を 有する粒子を用いてもよい。
[0013] また、投射材の平均粒径は 200 μ m以下であり、 10 μ m以上 100 μ m以下が特に 好ましい。投射材の平均粒径が 200 mより大きいと、投射材粒子の過大な運動ェ ネルギ一により成形体表面を損傷してしまい、特に成形体が前述の複合材料の場合 は内部の繊維を損傷してしまうので、好ましくない。また、投射材の平均粒径が 10 mより小さいと、安定した噴射状態を得ることが困難となる。
[0014] 前記投射材粒子を、榭脂を含む成形体の表面の少なくとも一部の面に投射するこ とにより、ショットブラストによる成形体表面の粗面化が行われる。ショットブラストの際 の噴射速度は、例えば圧縮空気の噴射圧力により規定される。本発明において金属 皮膜を形成する前処理としてショットブラストを行う際の噴射圧力は 0. IMPa以上 1 MPa以下が好ましぐ 0. 3MPa以上 0. 6MPa以下がより好ましい。噴射圧力が 1M Paより大き 、と、投射材粒子の過大な運動エネルギーにより成形体表面を損傷して しまい、特に成形体が前述の複合材料の場合は内部の繊維を損傷してしまうので、 好ましくない。また、噴射圧力が 0. IMPaより小さいと安定した噴射状態を得ることが 困難となる。
[0015] 本発明において、ショットブラストのカバレージは、好ましくは 100%以上 1000%以 下、より好ましくは 100%以上 500%以下である。カバレージが 100%未満では、成 形体表面が十分に粗面化 Z活性化されず、成形体の被処理面と接着対象物又は塗 膜との密着性の向上効果が得られない。また、カバレージが 1000%を超えると、成 形体表面を損傷してしま！/ヽ、特に成形体が前述の複合材料の場合は内部の繊維を 損傷してしまうので、好ましくない。
[0016] 上記の条件で前処理を行った成形体の被処理面の算術平均表面粗さ Raは、 0. 3 μ m以上 2 μ m以下となることが好ましい。被処理面の表面粗さが 0. 3 μ mより小さい と、成形体表面が十分に粗面化/活性化されず，成形体の被処理面と接着対象物又 は塗膜との密着性の向上効果が得られないので好ましくない。また、被処理面の表 面粗さが 2 mより大きいと、前述の複合材料の場合は内部の繊維を損傷してしまう ので好ましくない。
[0017] こうして必要に応じて榭脂成形体の表面を粗面化するための前処理を行った後に 、榭脂成形体表面にコールドスプレー法により金属粒子を投射して金属皮膜が形成 される。
コールドスプレー法は、皮膜材料粒子を、その融点又は軟化温度より低い温度に 加熱し、噴射ガスにより超音速で噴射して、固相のまま基材に打ち付けて皮膜を形 成する技術である。基材に打ち付けられた粒子は、塑性変形を起こして基材表面に 堆積し、皮膜を形成する。
本発明においては、皮膜材料粒子として比較的軟質の金属粒子を用いる。このよう な金属粒子としては、例えばスズ、銅、亜鉛及びこれらの合金等の粒子を採用するこ とができる。中でもスズ粒子又は亜鉛粒子を用いて形成した皮膜は榭脂成形体との 密着性が良好なので、スズ粒子又は亜鉛粒子を用いたコールドスプレーを少なくとも 初期の皮膜形成として行うことが好ましい。これらの中でも、スズ粒子が特に好ましい 金属粒子の粒径は、 10 μ m以上 50 μ m以下程度とすることが好ましい。粒径が 10 /z m未満では、安定した噴射状態が得られないので好ましくない。また、粒径が 50 mを超えると、粒子が堆積しに《なるため好ましくない。
[0018] 金属粒子を噴射するために用いられる噴射ガスとしては、ヘリウム、窒素、空気等を 用いることができるが、実機施工を考慮すると、操作性に優れ安価な空気を用いるこ とが好ましい。但し、状況によっては、金属粒子の酸ィ匕ゃ変質を起こしにくいことから 不活性ガスを用いることが好ましい。その場合、ヘリウムは高い流速が得られることか ら特に好ましい。
噴射した粒子の衝突速度が一定速度以上になると、粒子の運動エネルギーにより 粒子が塑性変形して皮膜を形成し始める。この一定速度のことを臨界速度という。こ の臨界速度は、粒子と基材の材料、粒径などによって異なる。本発明において、上記 噴射ガスの噴射圧力は金属粒子の成形体へ衝突速度が臨界速度に達する範囲で 選択され、例えば、 0. 5〜0. 6MPa以上とすることができる。
上記金属粒子を含む噴射ガスの加熱温度は、その材料に応じて適宜選択されるが 、例えば 100°C以上 500°C以下とされる。
[0019] 上記の方法により、成形体表面の少なくとも一部の面に金属皮膜が形成され、成形 体表面が導電化される。
こうして得られた表面導電性成形体において、金属皮膜の厚さは 30 m以上 2m m以下とされる。特に表面導電性成形体を耐雷性を有する航空機主翼構造体として 用いる場合には、金属皮膜の厚さを 50 μ m以上 500 μ m以下とすることが好ま ヽ。 金属皮膜は 1層カゝらなる皮膜でもよいが、 2種類以上の層を積層した構成としてもよ い。この場合は、榭脂との密着性が優れたスズ又は亜鉛を成形体基材側の層とする ことが好ましぐスズを成形体基材側の層とすることが特に好ましい。特に高い導電性 を得るためには、スズ又は亜鉛を成形体基材側の層として本発明の導電ィ匕方法によ り形成し、その上に銅の層を本発明の導電ィ匕方法により形成することが好ましい。 以上、本発明の成形体表面の導電化方法及び表面導電性成形体の実施の形態 について説明した力 本発明においては、上記「コールドスプレー法」に代えて溶射 法等のスプレー法を採用することも可能である。
[0020] 以下、実施例によって本発明をさらに詳述する。
[実施例 1]
炭素繊維強化プラスチック (CFRP)力 なる成形体に対して以下の条件でコールド スプレー処理を行 ヽ、成形体表面の導電化を行った。
金属粒子： スズ粒子、平均粒径 40 m
噴射条件： 噴射圧力 0. 5MPa、ガス加熱温度 300°C
[0021] 上記導電化により得られた表面導電性成形体の断面写真を図 1に示す。
図 1より、成形体表面の凹凸に追従してスズ皮膜が形成されていることが分かる。
[0022] [実施例 2]
炭素繊維強化プラスチック (CFRP)力 なる成形体に対して以下の条件で 2段階 のコールドスプレー処理を行 ヽ、成形体表面の導電化を行った。
(第 1コ一ルドスプレー処理）
金属粒子： スズ粒子、平均粒径 40 m
噴射条件： 噴射圧力 0. 5MPa、ガス加熱温度 300°C
(第 2コールドスプレー処理）
金属粒子： 銅粒子、平均粒径 30 /z m
噴射条件： 噴射圧力 0. 6MPa、ガス加熱温度 400°C
上記導電化により得られた表面導電性成形体の断面写真を図 2に示す。
図 2より、成形体表面の凹凸に追従してスズ皮膜が形成され、さらにその上に銅皮 膜が形成されて 、ることが分かる。

Claims

請求の範囲
[1] 榭脂を含む成形体の表面の少なくとも一部の面に、コールドスプレー法により金属 粒子を投射し、金属皮膜を形成する成形体表面の導電化方法。
[2] 榭脂を含む成形体と、
該成形体表面の少なくとも一部の面にコールドスプレー法により形成された金属皮 膜とを有する表面導電性成形体。
PCT/JP2007/052359 2006-03-15 2007-02-09 成形体表面の導電化方法及び表面導電性成形体 WO2007108247A1 (ja)

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