JP2003105407A - 多孔質エネルギ吸収部材および車体骨格用メンバ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の多孔質エネルギ吸収部材である発泡ア
ルミニウムでは、高価であると共に、エネルギ吸収性能
のばらつきが大きいという問題点があった。 【解決手段】 金属繊維を真空または不活性ガス雰囲気
中で焼結した多孔質エネルギ吸収部材であって、繊維を
２次元多方向または一方向に配向すると共に、繊維の体
積含有率を１０〜４０％としたことにより、充分なエネ
ルギ吸収性能を有する多孔質エネルギ吸収部材を安定し
た品質で安価に得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば衝撃を吸収
するのに用いられる多孔質エネルギ吸収部材に関し、と
くに金属繊維を用いた多孔質エネルギ吸収部材と、この
多孔質エネルギ吸収部材を用いた車体骨格用メンバに関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】多孔質エネルギ吸収部材としては、一般
に発泡金属があり、とくに発泡アルミニウムがよく知ら
れている。発泡アルミニウムは、圧縮変形する際に一定
の反力を示しながら変形が進行するいわゆるプラトー域
を有しており、例えば自動車の骨格を構成するサイドメ
ンバに充填すると、衝突時のエネルギを効率良く吸収で
きる可能性がある（特開平８−１６４６９号公報）。

【０００３】このような発泡アルミニウムの製造は、ア
ルミニウム素材と発泡剤との混合プレカーサを粉末冶金
法で作製し、これを鋳型中で加熱して溶融・発泡させる
か、あるいは粘度を調整した溶融アルミニウムに発泡剤
を添加して鋳型中で凝固させるのが一般的である（「熱
処理」ｖｏｌ．３３、Ｎｏ６、第３４６頁〜第３５２
頁）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
たような発泡アルミニウムは、発泡のために高価な発泡
剤が不可欠であり、その製造方法としても量産性が低い
ものであるため、コスト面で自動車部品への適用が困難
であった。さらに、セル（空孔部）のサイズが粗く、且
つセルのばらつきも大きいため、性能的にもばらつきが
大きくなり、薄肉部材として使用する場合には、その厚
さ方向にセルが数個しか存在しないこともあって、さら
に性能的なばらつきが大きくなる懸念があり、これらの
不具合を解決することが課題であった。

【０００５】

【発明の目的】本発明は、このような問題に鑑みて成さ
れたもので、充分なエネルギ吸収性能を有すると共に、
安定した品質で安価に得ることができる多孔質エネルギ
吸収部材および車体骨格用メンバを提供することを目的
としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係わる多孔質エ
ネルギ吸収部材は、請求項１に記載しているように、金
属繊維を真空または不活性ガス雰囲気中で焼結した多孔
質エネルギ吸収部材であって、繊維を２次元多方向また
は一方向に配向すると共に、繊維の体積含有率（Ｖｆ）
を１０〜４０％としたことを特徴とし、請求項２に記載
しているように、繊維の長さが２〜１０ｍｍであって、
繊維長さと繊維径（換算直径）との比であるアスペクト
比が５０〜１００であることを特徴としている。

【０００７】また、本発明に係わる車体骨格用メンバ
は、請求項３に記載しているように、中空断面を有する
車体骨格用メンバであって、メンバの長手方向に繊維配
向面が沿う状態、またはメンバの長手方向が繊維配向方
向となる状態で、請求項１または２に記載の多孔質エネ
ルギ吸収部材を中空部に充填したことを特徴とし、請求
項４に記載しているように、中空断面を有する車体骨格
用メンバであって、メンバの長手方向の軸回りに繊維配
向面が沿う状態、またはメンバの長手方向の軸回りが繊
維配向方向となる状態で、請求項１または２に記載の多
孔質エネルギ吸収部材を外周に設けたことを特徴とし、
請求項５に記載しているように、中空断面を有する車体
骨格用メンバであって、メンバの長手方向に繊維配向面
が沿う状態、またはメンバの長手方向が繊維配向方向と
なる状態で、請求項１または２に記載の多孔質エネルギ
吸収部材を中空部に充填すると共に、メンバの長手方向
の軸回りに繊維配向面が沿う状態、またはメンバの長手
方向の軸回りが繊維配向方向となる状態で、請求項１ま
たは２に記載の多孔質エネルギ吸収部材を外周に設けた
ことを特徴としている。

【０００８】

【発明の作用】本発明の請求項１に係わる多孔質エネル
ギ吸収部材では、比較的安価である金属製の短繊維を使
用し、この繊維を２次元多方向または一方向に配向し、
繊維の体積含有率を１０〜４０％としている。この多孔
質エネルギ吸収部材を製造するには、例えば、所定の容
器に繊維を投入し、繊維の体積含有率が１０〜４０％の
範囲になるように容積を調整したのち、真空または不活
性ガス雰囲気中（もしくは非酸化性雰囲気中）で加熱し
て繊維同士を焼結する。この際、接着による方法もある
が、繊維の接合強度の確保や残存物を排除する点から焼
結法を採用するのが望ましい。

【０００９】また、繊維の配向は３次元とせずに２次元
多方向（ランダム）か一方向に揃っているものとする。
この多孔質エネルギ吸収部材では、機械的性質に異方性
があり、外部応力のかかる方向と繊維の配向面の方向お
よび配向方向を関連づけることにより、少ない体積含有
率すなわち軽い吸収部材でもプラトー応力が高くなり、
効率的なエネルギ吸収が可能になる。

【００１０】ここで、繊維の体積含有率が１０％より少
ないと、絶対的な強度が不足してエネルギ吸収効果が低
くなり、且つ焼結して製造することも困難になる。ま
た、繊維の体積含有率が４０％を超えると、機械的性質
がバルクに近いものになり、いわゆるプラトー現象も見
られなくなってエネルギ吸収の特徴が無くなる。したが
って、繊維の体積含有率を１０〜４０％の範囲とするの
が望ましい。

【００１１】本発明の請求項２に係わる多孔質エネルギ
吸収部材では、繊維の長さを２〜１０ｍｍとし、繊維長
さと繊維径（換算直径）との比であるアスペクト比を５
０〜１００としている。繊維のサイズは、小さすぎても
大きすぎても体積含有率の設定が難しくなる。小さすぎ
ると異方性の現れ方が小さくなり、大きすぎるとエネル
ギ吸収性能のばらつきが大きくなる。

【００１２】また、アスペクト比が小さいと異方性の効
果が小さく、大きいと焼結時に繊維が折れ易くなって性
質もばらつく結果となる。さらに、繊維間の寸法ばらつ
きが大きいと性質も当然不安定になる。したがって、繊
維のサイズとしては、長さが２〜１０ｍｍであり、アス
ペクト比が５０〜１００であることが望ましい。

【００１３】この場合のセルサイズ（繊維間隙）はおよ
そ０．５ｍｍ以下であり、従来の発泡アルミニウムのセ
ルサイズ（空孔部）が２〜６ｍｍであるのに比べて、セ
ルサイズが小さく且つ安定した品質となる。なお、アス
ペクト比の設定において、繊維の断面形状が円形でない
場合には、同一面積の円の直径に換算した値で繊維径を
計算する。

【００１４】本発明の請求項３に係わる車体骨格用メン
バでは、中空断面を有する車体骨格用メンバにおいて、
メンバの長手方向に繊維配向面が沿う状態、またはメン
バの長手方向が繊維配向方向となる状態で、上記した多
孔質エネルギ吸収部材を中空部に充填しているので、メ
ンバの長手方向の外力に対するエネルギ吸収量が増大す
る。

【００１５】ここで、例えば自動車のサイドメンバのよ
うな骨格部材では、衝突時の外力がその前方から略長手
方向に働き、座屈しながら変形してエネルギを吸収す
る。そこで、中空状としたサイドメンバの内部に多孔質
エネルギ吸収部材を充填する。この際、外力の作用する
方向に対して繊維配向面が沿う方向あるいは繊維配向方
向を一致させることにより、プラトー現象が顕著となっ
てより効率的にエネルギを吸収する。

【００１６】本発明の請求項４に係わる車体骨格用メン
バでは、中空断面を有する車体骨格用メンバにおいて、
メンバの長手方向の軸回りに繊維配向面が沿う状態、ま
たはメンバの長手方向の軸回りが繊維配向方向となる状
態で、上記した多孔質エネルギ吸収部材を外周に設けて
いるので、メンバの長手方向の外力に対するエネルギ吸
収量がより増大する。

【００１７】つまり、上記の如く多孔質エネルギ吸収部
材を設けることにより、メンバの長手方向に外力が作用
して座屈するときに同メンバを拘束し、座屈モードを制
御してエネルギ吸収量を増大させている。メンバの長手
方向に外力が作用した場合、メンバの周囲に設けた多孔
質エネルギ吸収部材には、その内面に周方向（メンバの
長手方向の軸回り方向）の引っ張り力が作用するので、
周方向の強度を高くすれば拘束力が大きくなり、エネル
ギ吸収にも有利に働くこととなる。そのため、繊維の配
向は先の中空部に充填する場合とは異なり、メンバの長
手方向の軸回りに繊維配向面が沿う状態、またはメンバ
の長手方向の軸回りが繊維配向方向となる状態で、多孔
質エネルギ吸収部材を外周に設けている。この場合、多
孔質エネルギ吸収部材は、その厚さを必要以上に大きく
しても、重量や体積が増大するだけで効果はほとんど変
わらないので、繊維間隙の５倍程度以上であればよく、
通常は３ｍｍ程度であれば良い。

【００１８】本発明の請求項５に係わる車体骨格用メン
バでは、請求項３に記載した如く中空状メンバの中空部
に充填した多孔質エネルギ吸収部材の効果と、請求項４
に記載した如くメンバの外周に設けた多孔質エネルギ吸
収部材の効果とが相俟って、エネルギ吸収性能がより一
層高められる。

【００１９】

【発明の効果】本発明の請求項１に係わる多孔質エネル
ギ吸収部材によれば、金属繊維を真空または不活性ガス
雰囲気中で焼成することにより、繊維の接合強度を確保
しつつ残存物を排除すると共に、繊維の体積含有率を設
定することにより、絶対的な強度不足や機械的性質の低
下を防止したうえで、エネルギ吸収性能にばらつきが無
い安定した品質で且つ安価に製造することが可能であ
り、軽量でありながら効率的で且つ充分なエネルギ吸収
性能を有する多孔質エネルギ吸収部材を実現することが
できる。

【００２０】本発明の請求項２に係わる多孔質エネルギ
吸収部材によれば、請求項１と同様の効果を得ることが
できるうえに、繊維のサイズを設定したことにより、異
方性の効果を確保すると共に、エネルギ吸収性能のばら
つきをより確実に防止したうえで、セルサイズが小さく
且つ安定した品質を得ることができ、エネルギ吸収性能
のさらなる向上に貢献することができる。

【００２１】本発明の請求項３に係わる車体骨格用メン
バによれば、とくにメンバの長手方向からの外力に対し
て、プラトー現象が顕著となってより効率的にエネルギ
を吸収し得るものになり、車体の構造材としての機能を
高めることができる。

【００２２】本発明の請求項４に係わる車体骨格用メン
バによれば、とくにメンバの長手方向からの外力に対し
て、長手方向の軸回りの強度を確保し、これにより座屈
モードを制御してエネルギ吸収性能を効率よく向上させ
ることができ、車体の構造材としての機能を高めること
ができる。

【００２３】本発明の請求項５に係わる車体骨格用メン
バによれば、とくにメンバの長手方向からの外力に対し
て、中空部内に充填した多孔質エネルギ吸収部材によ
り、プラトー現象が顕著となってより効率的にエネルギ
を吸収し得るものになり、これに加えて、外周に設けた
多孔質エネルギ吸収部材により、長手方向の軸回りの強
度を確保し、これにより座屈モードを制御してエネルギ
吸収性能を効率よく向上させることができ、車体の構造
材としての機能を著しく高めることができる。

【００２４】

【実施例】（実施例１）図１に示すように、ＳＵＳ４３
０の短繊維から成る立方体形の焼結体１０（Nｏ１〜Nｏ
４）を作製した。いずれも繊維長さを６ｍｍ、繊維長さ
と繊維径との比であるアスペクト比を６０とし、繊維配
向を２次元多方向（ランダム）としたうえで、繊維の体
積含有率を異ならせた。そして、図中矢印で示す如く繊
維配向面に沿う方向から荷重を加えて圧縮試験を行っ
た。その結果を表１に示す。

【００２５】

【表１】

【００２６】表１から明らかなように、本発明に係わる
多孔質エネルギ吸収部材に相当する焼結体、すなわち繊
維の体積含有率が１０〜４０％の範囲であるＮｏ２およ
びＮｏ３の焼結体（多孔質エネルギ吸収部材）にあって
は、プラトー応力において良好な結果が得られた。これ
に対して、繊維の体積含有率が１０〜４０％よりも小さ
い焼結体Ｎｏ１では成形体ができず、繊維の体積含有率
が１０〜４０％よりも大きい焼結体Ｎｏ４ではプラトー
現象が不明瞭となった。

【００２７】（実施例２）自動車の車体骨格用メンバで
あるサイドメンバを模した鋼管を用い、高速軸圧壊時に
おける吸収エネルギの計測を行った。図２に示す鋼管１
は、板厚１．６ｍｍの２７０ＭＰａ級鋼板で成形したも
のであって、直径６０ｍｍ、長さ３００ｍｍである。

【００２８】そして、図２（ａ）に示す鋼管１のみをＡ
タイプとして、これを基準材（Ｎｏ１）とした。また、
図２（ｂ）に示すように、鋼管１の中空部に多孔質エネ
ルギ吸収部材２を充填したものをＢタイプとし、この
際、繊維配向方向を長手方向としたもの（Ｎｏ２）と、
繊維配向方向を長手方向軸に対して垂直方向としたもの
（Ｎｏ３）を用意した。

【００２９】さらに、図２（ｃ）に示すように、鋼管１
の外周に５ｍｍの厚さで多孔質エネルギ吸収部材３を巻
き付けたものをＣタイプとし、この際、繊維配向方向を
長手方向としたもの（Ｎｏ４）と、繊維配向方向を長手
方向軸に対して垂直方向としたもの（Ｎｏ５）を用意し
た。そしてさらに、図２（ｄ）に示すように、鋼管１の
中空部に多孔質エネルギ吸収部材２を充填すると共に、
同鋼管１の外周に５ｍｍの厚さで多孔質エネルギ吸収部
材３を巻付けたものをＤタイプとし、この際、中空部の
多孔質エネルギ吸収部材２の繊維配向が長手方向であ
り、且つ外周の多孔質エネルギ吸収部材３の繊維配向が
長手方向軸に対して垂直方向であるもの（Ｎｏ６）とし
た。

【００３０】なお、繊維サイズは、実施例１と同様であ
り、この繊維を２次元多方向に配向し、繊維の体積含有
率は３０％とした。そして、これらの試料Ｎｏ１〜Ｎｏ
６に対して、その長手方向（軸線方向）から３００ｋｇ
の質量体を速度８ｍ／ｓで衝突させたときの平均反力−
潰れ量の線図から吸収エネルギを求めた。その結果を表
２に示す。

【００３１】

【表２】

【００３２】表２から明らかなように、基準材Ｎｏ１に
比べて、本発明の多孔質エネルギ吸収部材を用いた試料
Ｎｏ２〜Ｎｏ６は、いずれも衝突後３ｍ／ｓまでの吸収
エネルギが向上している。

【００３３】とくに、タイプＢの中では、繊維配向を長
手方向とした試料（Ｎｏ２）において、吸収エネルギの
向上率が顕著なものとなり、タイプＣでは、繊維配向を
長手方向に対して垂直方向（長手方向の軸回り方向）と
した試料（Ｎｏ５）において、吸収エネルギの向上率が
顕著なものとなり、双方の繊維配向を備えた試料（Ｎｏ
５）においては、吸収エネルギの向上率が著しく向上す
る結果となった。

【００３４】したがって、上記実施例で説明した構造を
車体骨格用メンバに採用すれば、非常に効率良くエネル
ギを吸収し得ることから、車体構造材として充分なエネ
ルギ吸収性能を備えたものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１において圧縮試験に供する焼結体（多
孔質エネルギ吸収部材）の外観を示す斜視図である。

【図２】実施例２において高速軸圧壊試験に供する各タ
イプの試料を示す図であって、鋼管のみであるＡタイプ
を示す斜視図（ａ）、鋼管の中空部に多孔質エネルギ吸
収部材を充填したＢタイプを示す斜視図（ｂ）、鋼管の
外周に多孔質エネルギ吸収部材を設けたＣタイプを示す
斜視図（ｃ）、および鋼管の中空部と外周に多孔質エネ
ルギ吸収部材を設けたＤタイプを示す斜視図（ｄ）であ
る。

【符号の説明】

１ 鋼管 ２ ３ 多孔質エネルギ吸収部材

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属繊維を真空または不活性ガス雰囲気
   中で焼結した多孔質エネルギ吸収部材であって、繊維を
   ２次元多方向または一方向に配向すると共に、繊維の体
   積含有率を１０〜４０％としたことを特徴とする多孔質
   エネルギ吸収部材。
2. 【請求項２】 繊維の長さが２〜１０ｍｍであって、繊
   維長さと繊維径との比であるアスペクト比が５０〜１０
   ０であることを特徴とする請求項１に記載の多孔質エネ
   ルギ吸収部材。
3. 【請求項３】 中空断面を有する車体骨格用メンバであ
   って、メンバの長手方向に繊維配向面が沿う状態、また
   はメンバの長手方向が繊維配向方向となる状態で、請求
   項１または２に記載の多孔質エネルギ吸収部材を中空部
   に充填したことを特徴とする車体骨格用メンバ。
4. 【請求項４】 中空断面を有する車体骨格用メンバであ
   って、メンバの長手方向の軸回りに繊維配向面が沿う状
   態、またはメンバの長手方向の軸回りが繊維配向方向と
   なる状態で、請求項１または２に記載の多孔質エネルギ
   吸収部材を外周に設けたことを特徴とする車体骨格用メ
   ンバ。
5. 【請求項５】 中空断面を有する車体骨格用メンバであ
   って、メンバの長手方向に繊維配向面が沿う状態、また
   はメンバの長手方向が繊維配向方向となる状態で、請求
   項１または２に記載の多孔質エネルギ吸収部材を中空部
   に充填すると共に、メンバの長手方向の軸回りに繊維配
   向面が沿う状態、またはメンバの長手方向の軸回りが繊
   維配向方向となる状態で、請求項１または２に記載の多
   孔質エネルギ吸収部材を外周に設けたことを特徴とする
   車体骨格用メンバ。