JP2008093839A

JP2008093839A - 繊維強化複合材接合構造体の製造方法および繊維強化複合材接合構造体

Info

Publication number: JP2008093839A
Application number: JP2006274834A
Authority: JP
Inventors: Masashi Manabe; 賢史真鍋; Koji Kotani; 浩司小谷; Nobuo Asahara; 信雄浅原
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 2006-10-06
Filing date: 2006-10-06
Publication date: 2008-04-24

Abstract

【課題】軽量かつ高強度な繊維強化複合材接合構造体を製造する方法および繊維強化複合材接合構造体を提供する
【解決手段】繊維強化複合材料からなる第一の部材と、繊維強化複合材料からなる第二の部材の端面を接するように配置し、接合部補強用強化繊維積層体を第一の部材と第二の部材に跨がせるように配置する第一の工程と、前記第一の部材と前記接合部補強用強化繊維積層体間の第一の接着面および前記第二の部材と前記接合部補強用強化繊維積層体間の第二の接着面のそれぞれの接着面の少なくとも一ヶ所に前記各部材と前記接合部補強用強化繊維積層体の双方に強化繊維束製の杭材を刺入させる第二の工程と、前記接合部補強用強化繊維積層体および前記強化繊維束製の杭材に同時に樹脂を含浸させて硬化させる第三の工程を有することを特徴とする繊維強化複合材接合構造体の製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、繊維強化複合材接合構造体の製造方法に関し、軽量かつ高強度な繊維強化複合材接合構造体を製造する際に好適な繊維強化複合材接合構造体の製造方法および繊維強化複合材接合構造体に関する。

繊維強化複合材料は比強度、比剛性に優れることから、近年、大型構造部材に多く利用されている。大型になればなるほど一体で成形するのは難しくなり、部材同士を接合する技術が必要になってくる。複合材の接合方法としては、従来から主にボルトやリベットを用いて機械的に接合する方法と部材同士を接着して接合する方法がある。機械的に接合する方法では、接合部の重量増加や金属製のボルトやリベットを用いた場合の腐食の問題を有する。

接着して接合する方法として主に、端部をテーパー加工した複合材部材間に同種基材を跨がせ、樹脂を含浸させて接合するオーバーレイ接合と呼ばれる方法がある。この方法は機械的に接合する方法に比べ、重量を大幅に増加させずにすみ、ＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）製の船体構造材料等に用いられている。しかしながら、接着による接合では、接着面のせん断力によって力が伝達されるため、主にＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）などの母材の強度・剛性が高い繊維強化複合材料では、高い接合強度は期待できない。また、接着端部は応力集中が生じるため、破壊起点となりやすく、曲げに対しては剥離をおこしやすい。こうしたことからオーバーレイ接合などのような接着接合では、機械的に接合する方法に比べ、信頼性に劣る。

また、複合材同士を結合片を用いて、リベット接合した後、その上部からオーバーレイ接合する方法が提案されているが（例えば、特許文献１参照）、金属リベットを用いた場合、ファスナ腐食の問題が生じるほか、特にサンドイッチ構造など板厚の大きいものを接合させる場合は重量増加が生じる。

また、未硬化の複合材同士を複数のピンを有した結合片で、ピンを打ち込むように一体化させ、硬化する方法が提案されているが（例えば、特許文献２参照）、未硬化の複合材同士を結合させる必要があることから、現場での接合作業が困難になるほか、曲げ荷重が付加された場合、板厚み方向にピンが打ち込まれているだけであるため、結合片の剥離を抑制するのが難しい。

さらに、繊維強化複合材料間に補強板を渡し、その外側を緊張材で巻きまわす接合方法が提案されているが（例えば、特許文献３参照）、緊張材と補強板が一体化されていないことから、強度の信頼性に欠けるほか、緊張装置を用いる必要性から、現場での接合作業性が問題となる。
特開昭４９−６６０１９号公報特開昭５０−１３３２６６号公報特開２００６−１２３２７７号公報

そこで本発明の課題は、上記従来技術の問題点を解消し、軽量かつ高強度な繊維強化複合材接合構造体を製造する方法および繊維強化複合材接合構造体を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は以下の構成を採用する。すなわち、
（１）繊維強化複合材料からなる第一の部材と、繊維強化複合材料からなる第二の部材の端面を接するように配置し、接合部補強用強化繊維積層体を第一の部材と第二の部材に跨がせるように配置する第一の工程と、前記第一の部材と前記接合部補強用強化繊維積層体間の第一の接着面および前記第二の部材と前記接合部補強用強化繊維積層体間の第二の接着面のそれぞれの接着面の少なくとも一ヶ所に前記各部材と前記接合部補強用強化繊維積層体の双方に強化繊維束製の杭材を刺入させる第二の工程と、前記接合部補強用強化繊維積層体および前記強化繊維束製の杭材に同時に樹脂を含浸させて硬化させる第三の工程を有することを特徴とする繊維強化複合材接合構造体の製造方法。

（２）繊維強化複合材料からなる第一の部材と、繊維強化複合材料からなる第二の部材の端面を接するように配置し、樹脂を含浸させた接合部補強用強化繊維積層体を第一の部材と第二の部材に跨がせるように配置する第一の工程と、前記第一の部材と前記接合部補強用強化繊維積層体間の第一の接着面および第二の部材と前記接合部補強用強化繊維積層体間の第二の接着面のそれぞれの接着面の少なくとも一ヶ所に前記各部材と前記接合部補強用強化繊維積層体の双方に樹脂を含浸させた強化繊維束製の杭材を刺入させる第二の工程を有することを特徴とする繊維強化複合材接合構造体の製造方法。

（３）前記第二の工程において、第一の部材と第二の部材に孔径１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の刺入用の孔を設けることを特徴とする前記（１）または（２）のいずれかに記載の繊維強化複合材接合構造体の製造方法。

（４）前記第二の工程において、前記接合部補強用強化繊維積層体の端部から前記杭材の刺入径の１倍〜５倍の距離だけ離れた位置に前記杭材を刺入させることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかに記載の繊維強化複合材接合構造体の製造方法。

（５）前記第二の工程において、前記第一の接着面および第二の接着面のそれぞれの接着面に、前記杭材を刺入径の３倍〜１０倍の間隔をあけて少なくとも２箇所に刺入させることを特徴とする前記（１）〜（４）のいずれかに記載の繊維強化複合材接合構造体の製造方法。

（６）前記杭材刺入用の孔が前記第一の部材および第二の部材と前記接合部補強用強化繊維積層体の双方を貫通する貫通孔であることを特徴とする前記（１）〜（５）のいずれかに記載の繊維強化複合材接合構造体の製造方法。

（７）前記第一の接着面および前記第二の接着面内に少なくとも２箇所の貫通孔を有し、前記貫通孔を通じて前記第一の部材および前記第二の部材と前記接合部補強用強化繊維基材とを強化繊維束製の杭材で縫合することを特徴とする前記（１）〜（６）のいずれかに記載の繊維強化複合材接合構造体の製造方法。

（８）前記第一工程において、前記第一の部材および第二の部材の接着面を端面に向かって板厚が減るように加工し、前記接合部補強用強化繊維積層体を接合方向に平行に繊維配列された０度基材層を少なくとも一層含みかつ表層に近づくにつれて接合方向の長さが各層の両端部がそれぞれ５ｍｍ〜１００ｍｍの範囲で接合方向の長さが増加するように積層し、第二工程において、各層の強化繊維基材の端部から前記杭材の刺入径の１倍〜５倍の距離だけ離れた位置にそれぞれ杭材を貫通させることを特徴とする前記（１）〜（７）のいずれかに記載の繊維強化複合材接合構造体の製造方法。

（９）前記接合部補強用強化繊維積層体の前記０度基材層のみに杭材を貫通させることを特徴とする前記（８）に記載の繊維強化複合材接合構造体の製造方法。

（１０）前記第一の部材および第二の部材がコア材の表裏に繊維強化複合材料を接着したサンドイッチ構造であることを特徴とする前記（１）〜（９）のいずれかに記載の繊維強化複合材接合構造体の製造方法。

（１１）繊維強化複合材料からなる第一の部材の端面と、繊維強化複合材料からなる第二の部材の端面とが接するように配置され、さらに接合部補強用強化繊維積層体が上記第一の部材と第二の部材に跨がせるように配置されているとともに、前記第一の部材と前記接合部補強用強化繊維積層体間の第一の接着面および前記第二の部材と前記接合部補強用強化繊維積層体間の第二の接着面のそれぞれの接着面の少なくとも一ヶ所に前記各部材と前記接合部補強用強化繊維積層体とを接合する強化繊維束製の杭材が刺入されていることを特徴とする繊維強化複合材接合構造体。

本発明によれば、複合材同士を接合させる際、軽量で、端部剥離に強くかつ高いせん断強度を有する接合構造体を製造することができる。

以下に本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

＜第１の実施形態＞
図１（ａ）の示す第１の実施形態において、繊維強化複合材料製の部材１および部材２は、部材１の端面３および部材２の端面４で接しており、この部材１の端面３および部材２の端面４の双方の端面部分を跨ぐようにそれぞれの部材に接合されて、接合部補強用強化繊維積層体７が配置されている。５および６は部材１および部材２と接合部補強用強化繊維積層体７が接している面（接着面）をあらわしている。それぞれの接着面５および接着面６は接着面積を増加させるためにヤスリやブラスト処理などで粗くしても、接着面積を増加、接着強度を向上させるためプライマー等接着剤を塗布しても、亀裂を抑えるためにマット材を挿入してもよい。

接合部補強用強化繊維積層体７の形態としては、一方向繊維を敷き詰めた一方向繊維シートでもよいし、該シートを積層したものでもよい。またクロス材や短繊維マット、その他繊維織物でもかまわない。接合強度の点からすると、接合方向に平行な一方向繊維シートを少なくとも一層以上含んだ積層体であることが好ましい。繊維の種類としては、例えばカーボン繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、ガラス繊維など引張強度の高い素材が好ましい。

また、９はそれぞれの部材の長手方向をあらわし、本発明では接合方向という。例えば、図２のように、部材同士に角度をもたせて付き合わせる場合、接合方向は変化する。

接合部補強用強化繊維積層体７の接合方向における両端部には、杭材８が刺入されている。すなわち、本発明においては、接着面５および６を通過するように部材１および部材２と接合部補強用強化繊維積層体７の双方に杭材を刺すようにしたものである、刺入する際、部材１および部材２と接合部補強用強化繊維積層体７双方を貫通させてもよいし、しなくてもよい。

このように、荷重負荷時にせん断応力が最も高くなる端部に杭材を刺入することで、せん断強度を大幅に向上させることができる。強度の面から見て、接着面５および接着面６それぞれに、少なくとも２箇所以上刺入するのが好ましい。

図１（ｂ）のように同一接着面内に２箇所以上刺入する場合、刺入孔を通じて部材１および部材２と接合部補強用強化繊維積層体７を縫合することで、接着面を抑えつけ、剥離の発生および進展を抑制することができる。本発明で縫合とは、同一接着面内の２つ以上の杭材同士が少なくとも一箇所以上で連続するように刺入することをいう。

杭材としては最終状態では棒状の硬化した一方向繊維強化複合材であることが好ましいが、硬化状態で刺入しても、強化繊維束の状態で刺入してもどちらでもよい。繊維の種類としては、例えば、カーボン繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、ガラス繊維など引張強度の高い素材が好ましい。刺入径は１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが好ましい。１ｍｍ未満では強度不足の恐れがあり、１０ｍｍを超えると、応力集中による問題が著しくなるほか、母材が面圧破壊する恐れがある。

また、接合部補強用強化繊維積層体７の接合方向における端部から刺入径の１倍から５倍離れた位置に刺入することが好ましい。１倍未満では、母材がせん断破壊するおそれがあり、５倍を越えると接着端部から離れすぎているため、効果が期待できにくくなる。杭材は刺入径の３倍〜１０倍の間隔をあけて刺入するのが好ましい。３倍未満では杭材間の母材が引張破壊する恐れがあり、１０倍を超えると１本の杭材が受け持つ荷重が大きくなりすぎるため効果が期待できにくくなる。

＜第２実施形態＞
本発明に係るＦＲＰ構造体の第２の実施形態を図３に基づいて説明する。この実施形態の接合部補強用強化繊維積層体７は一方向繊維シートを積層したものであり、接着面５または接着面６から表層に向かうに従い、接合方向における層長さが短くなり、接合部補強用強化繊維積層体７の両端に向かってテーパー状に薄くなるように積層されている。こうすることで、急激な折曲部をなくし、応力集中を防ぐことができる。また、接合部補強用強化繊維積層体７には、せん断強度の面からみて、接合方向に平行な０°層繊維シートを少なくとも一層含んでいることが好ましい。
層長さは、一層ごとに両端が５ｍｍ〜１００ｍｍずつ短くなるように積層するのが好ましい。

＜第３実施形態＞
本発明に係るＦＲＰ構造体の第３の実施形態を図４に基づいて説明する。この実施形態は接着面５および接着面６が部材１および部材２の端面に向かって板厚が減るように階段状に加工されており、上記第２実施形態とは逆に接合部補強用強化繊維積層体７が、表層に近づくに従い、接合方向における層長さが長くなり、接合部分が全体的に平らな平面になるように、加工された部材の接着面を組み合わさるように積層されている。層長さは、一層ごとに両端が５ｍｍ〜１００ｍｍずつ長くなるように積層するのが好ましい。

杭材８は各層の端部に刺入されているのが好ましい。その際、接合部補強用強化繊維積層体７の表層から、刺入してもよいが、刺入の際の接合部補強用強化繊維積層体７の繊維屈曲を最小限にするために、図４のように、各層のみ刺入するのが好ましい。

また、各層の中でも最もせん断応力の高い、積層した各層の繊維シートのうち、接合方向に平行な０°層繊維シートの端部にのみ刺入してもよい。

＜第４実施形態＞
第４の実施形態は図５に示すように、第３実施形態を変形したものであり、接着面５および接着面６が端面に向かって板厚が減るようにテーパー状に加工されたものである。テーパー状に加工することで、急激な折曲部をなくし、応力集中を防ぐことができる。接合部補強用強化繊維積層体７も部材１および部材２との接着面がテーパー状にされ、表層に近づくに従い、接合方向における層長さが長くなり、接合部分が全体的に平らな平面になるように、加工された部材の接着面を組み合わさるように積層されている。

＜第５実施形態＞
図６に示す第５の実施形態は部材１および部材２が、コア材の表裏面に繊維強化複合材料を接着させたサンドイッチ構造である場合の例である。

上述した各実施形態のように、繊維強化複合材料からなる部材同士の接合手順を以下で説明する。

図７に示す第一の工程において、部材１および部材２の端部の規定位置に刺入用の孔を開け、部材１と部材２を端面３および４が接するように配置し、接合部補強用強化繊維積層体７を接着面５および６に接するように部材１と部材２に跨がせ配置する。

接合部補強用強化繊維積層体７を配置する際、樹脂を含浸させながら行ってもよいし、させずに行ってもよい。

図８に示す第二の工程において、部材１および部材２に設けた刺入用の孔に、繊維強化複合材製または強化繊維束製の杭材を、接合部補強用強化繊維積層体７を貫通させながら刺入する。強化繊維束製の杭材を用いる場合は樹脂を含浸させながら行ってもよいし、させずに行ってもよい。

第一および第二の工程において、接合部補強用強化繊維積層体７と強化繊維束製の杭材のどちらか、もしくは両方に樹脂を含浸させなかった場合に、第三の工程のように後から樹脂を含浸させる必要がある。第三の工程ではたとえば、図９のように、全体をバッグフィルム１０で包んで真空状態にし、大気圧を利用して樹脂を注入する真空補助レジントランスファーモールディング成形法（ＶａＲＴＭ成形法）を用いることができる。

本発明のＦＲＰ構造体の第１の実施形態を示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は斜視図、（ｃ）は第１の実施形態の他の実施態様を示す側面図である。本発明のＦＲＰ構造体の第１の実施形態の他の実施態様を示す側面図である。本発明のＦＲＰ構造体の第２の実施形態を示す側面図である。本発明のＦＲＰ構造体の第３の実施形態を示す側面図である。本発明のＦＲＰ構造体の第４の実施形態を示す側面図である。本発明のＦＲＰ構造体の第５の実施形態を示す側面図である。本発明の第一の工程の一例を示す斜視図である。本発明の第二の工程の一例を示す斜視図である。本発明の第三の工程の一例を示す斜視図である。

符号の説明

１：繊維強化複合材料製の部材１（第一の部材）
２：繊維強化複合材料製の部材２（第二の部材）
３：部材１の端面
４：部材２の端面
５：部材１の接着面（第一の接着面）
６：部材２の接着面（第二の接着面）
７：接合部補強用強化繊維積層体
８：杭材
９：接合方向
１０：バッグフィルム

Claims

繊維強化複合材料からなる第一の部材と、繊維強化複合材料からなる第二の部材の端面を接するように配置し、接合部補強用強化繊維積層体を第一の部材と第二の部材に跨がせるように配置する第一の工程と、前記第一の部材と前記接合部補強用強化繊維積層体間の第一の接着面および前記第二の部材と前記接合部補強用強化繊維積層体間の第二の接着面のそれぞれの接着面の少なくとも一ヶ所に前記各部材と前記接合部補強用強化繊維積層体の双方に強化繊維束製の杭材を刺入させる第二の工程と、前記接合部補強用強化繊維積層体および前記強化繊維束製の杭材に同時に樹脂を含浸させて硬化させる第三の工程を有することを特徴とする繊維強化複合材接合構造体の製造方法。
繊維強化複合材料からなる第一の部材と、繊維強化複合材料からなる第二の部材の端面を接するように配置し、樹脂を含浸させた接合部補強用強化繊維積層体を第一の部材と第二の部材に跨がせるように配置する第一の工程と、前記第一の部材と前記接合部補強用強化繊維積層体間の第一の接着面および第二の部材と前記接合部補強用強化繊維積層体間の第二の接着面のそれぞれの接着面の少なくとも一ヶ所に前記各部材と前記接合部補強用強化繊維積層体の双方に樹脂を含浸させた強化繊維束製の杭材を刺入させる第二の工程を有することを特徴とする繊維強化複合材接合構造体の製造方法。
前記第二の工程において、第一の部材と第二の部材に孔径１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の刺入用の孔を設けることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の繊維強化複合材接合構造体の製造方法。
前記第二の工程において、前記接合部補強用強化繊維積層体の端部から前記杭材の刺入径の１倍〜５倍の距離だけ離れた位置に前記杭材を刺入させることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の繊維強化複合材接合構造体の製造方法。
前記第二の工程において、前記第一の接着面および第二の接着面のそれぞれの接着面に、前記杭材を刺入径の３倍〜１０倍の間隔をあけて少なくとも２箇所に刺入させることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の繊維強化複合材接合構造体の製造方法。
前記杭材刺入用の孔が前記第一の部材および第二の部材と前記接合部補強用強化繊維積層体の双方を貫通する貫通孔であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の繊維強化複合材接合構造体の製造方法。
前記第一の接着面および前記第二の接着面内に少なくとも２箇所の貫通孔を有し、前記貫通孔を通じて前記第一の部材および前記第二の部材と前記接合部補強用強化繊維基材とを強化繊維束製の杭材で縫合することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の繊維強化複合材接合構造体の製造方法。
前記第一工程において、前記第一の部材および第二の部材の接着面を端面に向かって板厚が減るように加工し、前記接合部補強用強化繊維積層体を接合方向に平行に繊維配列された０度基材層を少なくとも一層含みかつ表層に近づくにつれて接合方向の長さが各層の両端部がそれぞれ５ｍｍ〜１００ｍｍの範囲で増加するように積層し、第二工程において、各層の強化繊維基材の端部から前記杭材の刺入径の１倍〜５倍の距離だけ離れた位置にそれぞれ杭材を貫通させることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の繊維強化複合材接合構造体の製造方法。
前記接合部補強用強化繊維積層体の前記０度基材層のみに杭材を貫通させることを特徴とする請求項８に記載の繊維強化複合材接合構造体の製造方法。
前記第一の部材および第二の部材がコア材の表裏に繊維強化複合材料を接着したサンドイッチ構造であることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の繊維強化複合材接合構造体の製造方法。
繊維強化複合材料からなる第一の部材の端面と、繊維強化複合材料からなる第二の部材の端面とが接するように配置され、さらに接合部補強用強化繊維積層体が上記第一の部材と第二の部材に跨がせるように配置されているとともに、前記第一の部材と前記接合部補強用強化繊維積層体間の第一の接着面および前記第二の部材と前記接合部補強用強化繊維積層体間の第二の接着面のそれぞれの接着面の少なくとも一ヶ所に前記各部材と前記接合部補強用強化繊維積層体とを接合する強化繊維束製の杭材が刺入されていることを特徴とする繊維強化複合材接合構造体。