JP2008254268A - 基材と複合材の接着構造 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構造でありながら剥離破壊が生じ難い基材と複合材の接着構造を提供する。
【解決手段】基材２と複合材３との接着部の剥離破壊を防止するための基材と複合材の接着構造１であって、複合材３は、基材２から離れる方向に引張力が入力される複合材本体３１と、この複合材本体３１の基材２側から基材２の表面２ａに沿って折れ曲がり基材２に接着された折曲部３２と、複合材本体３１の基材２側から折曲部３２と反対方向に延びて基材２に接着された延長部３３と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、基材と複合材との接着部の剥離破壊を防止するための基材と複合材の接着構造に関する。

一般に、複合材は、元になる母材と、母材を強化する強化材とから構成されている。複合材には、例えば、母材に繊維状の強化材を混入した繊維強化複合材や、母材に粒子状の強化材を分散した粒子分散複合材などがある。複合材（特に、繊維強化複合材）は、軽量、高強度かつ高剛性という優れた特性を有しており、その利用範囲は、飛行機やロケットなどの航空・宇宙分野から、自動車のボディやエンジン部品などの一般産業分野まで広がりつつある。

図７は、従来の基材と複合材の接着構造の一例を示す図である。また、図８は、従来の基材と複合材の接着構造の他の例を示す図である。
図７（ａ）に示すように、複合材１００は、複合材本体１０１の一端側に折曲部１０２を有しており、この折曲部１０２は、基材１０３の表面に接着層１０４を介して接着されている。
この状態で、複合材本体１０１に基材１０３から離れる方向に引張力Ｐが作用すると、折曲部１０２の複合材本体１０１側の端部１０５に剥離力が作用し、図７（ｂ）に示すように、比較的小さい引張力で折曲部１０２と基材１０３が剥離してしまう。

そのため、非特許文献１では、図８に示すように、複合材１００と基材１０３との間に、逆Ｔ字状の連結部材１０６を設けることを推奨している。このような構造にすれば、複合材１００に入力された引張力Ｐは、複合材１００と連結部材１０６の間に作用するせん断力と、連結部材１０６と基材１０３の間に作用する引張力と、に変換される（受け持たれる）ので、剥離破壊が生じ難くなり、図７に示す構造よりも大きな引張力Ｐに耐えることができるようになる。

ミハエル チュン ユ ニウ（Michael Chun-Yu Niu）著，「コンポジット エアフレーム ストラクチャーズ（Composite Airframe Structures）」，アダソ アダストラ エンジニアリング センター（Adaso Adastra Engineering Center）出版，１９９２年６月，ｐ．３４４

しかしながら、航空・宇宙分野においては、複合材の接合のために一部品増加することによるコストアップは容認されていたが、低コスト、高生産性が要求される一般産業分野においては、より簡素な複合材の接着構造が求められていた。

本発明は、かかる問題を解決するために創案されたものであり、簡素な構造でありながら剥離破壊が生じ難い基材と複合材の接着構造を提供することを課題とする。

本発明は、基材と複合材との接着部の剥離破壊を防止するための基材と複合材の接着構造であって、前記複合材は、前記基材から離れる方向に引張力が作用する複合材本体と、この複合材本体の一端側から前記基材表面に沿って折れ曲がり前記基材に接着された折曲部と、前記複合材本体の一端側から前記折曲部と異なる方向に延びて前記基材に接着された延長部と、を有することを特徴とする基材と複合材の接着構造である。

かかる構造によれば、複合材本体の一端側から基材表面に沿って折れ曲がった折曲部が基材に接着されるとともに、複合材本体の一端側から折曲部と異なる方向に延びた延長部が基材に接着されるので、折曲部に生じる剥離力を延長部に分散させることができる。そのため、剥離破壊が生じ難い。そのうえ、剥離破壊が生じにくいので、別部品を介在させる必要がない。そのため、構造を簡素化することができる。

また、前記延長部は、前記折曲部と反対方向に延設されているのが好ましい。
このように構成すれば、複合材本体に入力された引張力が、折曲部と基材との接着部及び延長部と基材との接着部に引張力として負担されることとなる。そのため、剥離破壊が生じ難い。

また、前記延長部は、前記複合材本体と平行に延設されているのが好ましい。
このように構成すれば、複合材本体に入力された引張力が、折曲部と基材との接着部に引張力として負担されるとともに、延長部と基材との接着部にせん断力として負担されることとなる。そのため、剥離破壊が生じ難い。

また、前記複合材は、繊維強化複合材であるのが好ましい。
このような構成にすれば、複合材は繊維強化複合材であるので、軽量、高強度かつ高剛性であるとともに、剥離破壊が生じにくい接着構造にすることができる。

また、前記延長部は、短繊維で複合化されているのが好ましい。
このような構成にすれば、短繊維は流動性・成形性に優れているので、複合材本体の一端側に延長部を容易に一体成形することができる。

また、前記複合材本体及び前記折曲部は、連続繊維で複合化されているのが好ましい。
このような構成によれば、複合材本体及び折曲部は連続繊維で複合化されているので、複合材本体の一端側に折曲部を連続して容易に形成することができる。

本発明によれば、簡素な構造でありながら剥離破壊が生じ難い基材と複合材の接着構造を提供することができる。これにより、製品の生産性の向上、生産コストの低廉化、品質の向上、適用範囲の拡大等を達成することができる。

本発明を実施するための最良の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。説明において、同一の要素には同一の番号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、本実施形態に係る基材と複合材の接着構造１の斜視図である。
図１に示すように、基材と複合材の接着構造１（以下、単に「接着構造１」という場合がある）は、基材２と、この基材２に接着層４を介して接着された複合材３とから構成されている。

基材２は、複合材３と接着される部材である。本実施形態では、基材２は、例えば薄板状に形成されている。基材２を構成する材料は、特に限定されるものではなく、複合材で構成されていてもよいし、単一の材料（材質）で構成されていてもよい。

複合材３は、基材２に接着される部材であり、母材と、この母材を強化する強化材で構成されている。本実施形態では、複合材３は、繊維強化複合材で構成されている。複合材３は、略逆Ｔ字状を呈しており、その下辺が基材２の表面２ａに接着層４を介して接着されている。複合材３は、基材２に対して略垂直に延びる複合材本体３１と、複合材本体３１の基材２側（一端側）から基材２の表面２ａに沿って折れ曲がった折曲部３２と、複合材本体３１の基材２側（一端側）から折曲部３２と反対方向に延びる延長部３３と、から構成されている。

繊維系の補強材としては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維などを用いることができる。また、母材としては、例えば、マトリクス樹脂に重合単量体、低収縮剤、増粘剤、硬化剤および充填剤などを混合したものを用いることができる。マトリクス樹脂は、特に限定されるものではないが、例えば、熱硬化性樹脂である不飽和ポリエステル、エポキシ樹脂、ビニルエステルや、ポリプロピレン、ナイロン（登録商標）、ポリエーテルエーテルケトンなどを用いることができる。

複合材本体３１は、引張力が作用する部分である。複合材本体３１は、例えば連続繊維によって補強された繊維強化複合材で構成されている。本実施形態では、複合材本体３１は、連続繊維で形成された炭素繊維シートに母材を含浸させて成るプリプレグを積層して形成されている。また、連続繊維の繊維形態は、炭素繊維多軸積層ニットファブリック、表裏対称積層、ポリエステル不織布コア、とするのが好ましい。

折曲部３２は、基材２に接着される部分であり、例えば、複合材本体３１の基材２側の一部を９０°折り曲げることで形成されている。折曲部３２は、複合材本体３１と同じく、連続繊維によって補強された繊維強化複合材で構成されている。折曲部３２の基材２側の面は、接着層４を介して基材２に接着されている。

延長部３３は、基材２に接着される部分である。延長部３３は、連続繊維を例えば１インチ程度の長さに裁断した短繊維（「チョップドファイバー」ともいう）に母材を含浸させて形成されている。延長部３３は、複合材本体３１及び折曲部３２と一体成形されている。また、延長部３３は、複合材本体３１の基材２側（より詳しくは、複合材本体３１と折曲部３２との連続部３１ａ）から折曲部３２と反対方向に延設されている。延長部３３の基材２側の面は、接着層４を介して基材２に接着されている。延長部３３の複合材本体３１と反対側の端部は、基材２に近づくほど複合材本体３１から遠ざかるように傾斜している。

接着層４は、基材２と複合材３とを接着する層であり、例えばエポキシ樹脂系の構造用接着剤などで構成されている。

つぎに、接着構造１の製造方法について、図２、図３を参照して説明する。図２は、複合材の成形装置の断面図であり、（ａ）は材料設置時、（ｂ）は成形時の状態をそれぞれ示している。図３は、本実施形態に係る接着構造の断面図である。
図２(ａ)に示すように、金型７は、下型７Ａと上型７Ｂとに分割されている。下型７Ａ及び上型７Ｂは、複合材３の外形を模ったキャビティ７ａ、７ｂをそれぞれ有している。

はじめに、複数のプリプレグを積層して複合材本体３１及び折曲部３２の元となる長繊維基材６Ａを形成する。また、短繊維を母材に含浸させて延長部３３の元となる短繊維基材６Ｂを形成する。本実施形態では、短繊維基材６Ｂは、断面長方形状の柱状体に形成されている。

次に、図２（ａ）に示すように、長繊維基材６Ａを、下型７Ａの所定位置に配置する。また、短繊維基材６Ｂを、長繊維基材６Ａのうち、複合材本体３１と折曲部３２との連続部３１ａ（図１参照）に相当する部分に配置する。

そして、図２（ｂ）に示すように、金型７を閉じて加圧加熱することにより、長繊維基材６Ａと短繊維基材６Ｂとを硬化させ、複合材３を一体成形する。このとき、短繊維基材６Ｂは、補強材として短繊維を用いているため、流動性・成形性がよい。そのため、連続部３１ａの形状によく馴染み、長繊維基材６Ａと強固に一体化されることとなる。

次に、このようにして成形した複合材３を、図３に示すように、接着層４を介して基材２の表面２ａに接着する。これにより、基材と複合材の接着構造１が完成する。

つづいて、本実施形態に係る基材と複合材の接着構造１の作用効果について図３を参照して説明する。

本実施形態に係る基材と複合材の接着構造１によれば、図３に示すように、複合材本体３１の基材２側から基材２の表面２ａに沿って折れ曲がった折曲部３２が基材２に接着されるとともに、複合材本体３１の基材２側から折曲部３２と反対方向に延びた延長部３３が基材２に接着されるので、複合材本体３１に入力された引張力Ｐが、折曲部３２及び延長部３３と基材２との間の接着層４に引張力ｐ，ｐ…として負担されることとなる。つまり、図７（ｂ）に示すような剥離力が、延長部３３を設けることによって、引張力ｐ，ｐ…に変換されることとなる。そのため、剥離破壊が生じ難い。

そして、本実施形態に係る基材と複合材の接着構造１によれば、剥離破壊が生じ難いので、別部品（図７、符号１０６参照）を介在させる必要がない。そのため、部品点数を減少させて、構造を簡素化することができる。

＜変形例＞
つづいて、基材と複合材の接着構造の変形例について説明する。説明において、前記した実施形態と同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図４は、基材と複合材の接着構造の変形例を示す側面図である。
変形例に係る基材と複合材の接着構造１Ａは、複合材本体３１と平行な方向に延長部３３が延設されている点、及び、基材２Ａが側面視逆Ｌ字状に形成されている点が、前記した実施形態に係る接着構造１と異なっている。

図４に示すように、基材２Ａは、側面視逆Ｌ字状に形成されている。基材２Ａは、基材本体２１と、この基材本体２１の複合材３Ａ側の端部を９０°折り曲げて形成された折曲部２２とを有している。基材２Ａは、例えば炭素繊維強化複合材で構成されている。

複合材３Ａは、基材２Ａの基材本体２１と平行な複合材本体３１と、複合材本体３１の基材２Ａ側の端部から基材２Ａの折曲部２２に沿って折れ曲がった折曲部３２と、複合材本体３１の基材２Ａ側の端部から複合材本体３１と平行に延設された延長部３３とを備えている。そして、折曲部３２は、基材２Ａの折曲部２２に接着層４を介して接着されているとともに、延長部３３は、基材２Ａの基材本体２１に接着層４を介して接着されている。

かかる構成によれば、複合材本体３１に引張力Ｐが作用すると、当該引張力は、延長部３３と基材本体２１との接着部にせん断力として負担されるとともに、折曲部３２と折曲部２２との接着部に引張力として負担されることとなる。つまり、基材と複合材の接着構造１Ａは、簡素な構造でありながら剥離破壊が生じ難い構造となる。

以上、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して詳細に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。

例えば、本実施形態では、複合材３の複合材本体３１及び折曲部３２を、連続繊維で強化した繊維強化複合材で構成したが、本発明は、これに限定されるものではなく、例えば、複合材３全体を、短繊維で強化した繊維強化複合材で構成してもよい。

また、複合材３の成形方法は、ＳＭＣ（Sheet Molding Compound）成形、ＢＭＣ（Bulk Molding Compound）成形、ＧＭＴ（glass-mat reinforced thermoplastics）成形など、どのような成形方法であってもよい。

つづいて、本発明の実施例について図５、図６を参照して説明する。
図５は、本発明の実施例を示す図であり、（ａ）は実施例１を、（ｂ）は比較例１を、それぞれ示している。図６は、本発明の実施例を示す図であり、（ａ）は実施例２を、（ｂ）は比較例２を、それぞれ示している。

はじめに、実施例１と比較例１について説明する。
図５（ａ）に示すように、まず、実施例１として、側面視逆Ｔ字状の複合材３を、側面視逆Ｕ字形状の基材２の底面２５に接着層４を介して接着することにより、試験体１０Ａを作成した。なお、複合材３の延長部３３は、複合材本体３１の基材２側から折曲部３２と反対方向に延設されている。また、基材２の端部２６，２６は、図示しない基台に固定した。

ここで、基材２並びに複合材３の複合材本体３１及び折曲部３２は、炭素繊維からなる連続繊維で強化された炭素繊維強化複合材（ＣＦＲＰ，Carbon Fiber Reinforced Plastics）で構成した。また、複合材３の延長部３３は、１インチに裁断した炭素繊維（短繊維）で強化された炭素繊維強化複合材で構成した。炭素繊維としては、東邦テナックス製の炭素繊維（ＨＴＡ−１２Ｋ）を使用した。マトリクス樹脂としては、不飽和ポリエステル樹脂（ジャパンコンポジット製、＃９９６６）を使用した。
また、接着層４を構成する接着剤としては、エポキシ樹脂系の構造用接着剤（サンスター製、＃１０８５）を使用した。また、基材２と複合材３との接着面積は、幅２５ｍｍ×延長２３ｍｍとした。

一方、図５（ｂ）に示すように、比較例１に係る試験体１０Ｂは、複合材５が側面視Ｌ字状に形成されている点以外は、実施例１と同一である。
具体的には、炭素繊維からなる連続繊維で強化された炭素繊維強化複合材で複合材５を構成し、複合材５の折曲部５２を基材２の底面２５に接着した。基材２と複合材５との接着面積は、幅２５ｍｍ×延長２３ｍｍであり、実施例１と同一にした。

試験体１０Ａの複合材本体３１に、基材２から離れる方向に引張力Ｐを載荷し、基材２と複合材３とが破断するときの引張力Ｐ（つまり破断荷重）を測定したところ、破断荷重は５０９．９Ｎ（５２kgf）であった。
同様に、試験体１０Ｂの複合材本体５１に、基材２から離れる方向に引張力Ｐを載荷し、基材２と複合材５とが破断するときの破断荷重を測定したところ、破断荷重は３３３．４Ｎ（３４kgf）であった。
この結果から、実施例１のほうが、比較例１よりも破断し難いことが証明された。

つぎに、実施例２と比較例２について説明する。
図６（ａ）に示すように、実施例２として、側面視逆Ｌ字形状の基材２Ａと側面視略ト字状の複合材３Ａとを接着層４を介して接着することにより、試験体１０Ｃを作成した。なお、基材２Ａ及び複合材３Ａの構造は前記した変形例と同様であるので詳細な説明を省略する。
複合材本体３１及び延長部３３を、基材本体２１と平行に配置するとともに、複合材５の折曲部３２を基材２Ａの折曲部２２と平行に配置し、基材２Ａの折曲部２２に折曲部３２を接着するとともに、基材２Ａの基材本体２１に延長部３３を接着した。また、基材２Ａの下端部を図示しない基台に固定した。

ここで、基材２Ａ並びに複合材３Ａの複合材本体３１及び折曲部３２は、炭素繊維からなる連続繊維で強化された炭素繊維強化複合材（ＣＦＲＰ，Carbon Fiber Reinforced Plastics）で構成した。また、複合材３Ａの延長部３３は、１インチに裁断した炭素繊維（短繊維）で強化された炭素繊維強化複合材で構成した。炭素繊維としては、東邦テナックス製の炭素繊維（ＨＴＡ−１２Ｋ）を使用した。マトリクス樹脂としては、不飽和ポリエステル樹脂（ジャパンコンポジット製、＃９９６６）を使用した。
また、接着層４を構成する接着剤としては、エポキシ樹脂系の構造用接着剤（サンスター製、＃１０８５）を使用した。また、基材２Ａと複合材３Ａとの接着面積は、幅２５ｍｍ×延長１５ｍｍとした。

一方、図６（ｂ）に示すように、比較例２として、側面視逆Ｌ字形状の基材２Ａと、側面視Ｌ字形状の複合材５と接着することにより、試験体１０Ｄを作成した。具体的には、基材２Ａの折曲部２２に、複合材５の折曲部５２を接着層４を介して接着した。
なお、基材２Ａの構造は前記した変形例と同様であり、また、複合材５の構造は比較例１と同様であるので、詳細な説明を省略する。

ここで、基材２Ａ並びに複合材３Ａの複合材本体３１及び折曲部３２は、炭素繊維からなる連続繊維で強化された炭素繊維強化複合材（ＣＦＲＰ，Carbon Fiber Reinforced Plastics）で構成した。炭素繊維としては、東邦テナックス製の炭素繊維（ＨＴＡ−１２Ｋ）を使用した。マトリクス樹脂としては、不飽和ポリエステル樹脂（ジャパンコンポジット製、＃９９６６）を使用した。
また、接着層４を構成する接着剤としては、エポキシ樹脂系の構造用接着剤（サンスター製、＃１０８５）を使用した。また、基材２Ａと複合材３Ａとの接着面積は、幅２５ｍｍ×延長１５ｍｍとし、実施例２と同一にした。

試験体１０Ｃの複合材本体３１に、基材２から離れる方向に引張力Ｐを載荷し、基材２Ａと複合材３Ａとが破断するときの引張力Ｐ（つまり破断荷重）を測定したところ、破断荷重は２７０７Ｎ（２７６kgf）であった。
同様に、試験体１０Ｄの複合材本体５１に、基材２Ａから離れる方向に引張力Ｐを載荷し、基材２Ａと複合材５とが破断するときの破断荷重を測定したところ、破断荷重は１４０２Ｎ（１４３kgf）であった。
この結果から、実施例２のほうが、比較例２よりも破断し難いことが証明された。

これらの実施例１，２及び比較例１，２から分かるように、本発明の接着構造を採用すれば、別部品を用いることなく、剥離入力支配を回避することができる。また、剥離入力支配を回避することにより、接合強度としてより強度の高い入力モードに変換されるため、接合強度が向上する。

本実施形態に係る基材と複合材の接着構造１の斜視図である。 複合材の成形装置の断面図であり、（ａ）は材料設置時、（ｂ）は成形時の状態をそれぞれ示している。 本実施形態に係る接着構造の断面図である。 基材と複合材の接着構造の変形例を示す側面図である。 本発明の実施例を示す図であり、（ａ）は実施例１を、（ｂ）は比較例１を、それぞれ示している。 本発明の実施例を示す図であり、（ａ）は実施例２を、（ｂ）は比較例２を、それぞれ示している。 従来の基材と複合材の接着構造の一例を示す図である。 従来の基材と複合材の接着構造の他の例を示す図である。

符号の説明

１ 接着構造
２ 基材
３ 複合材
３１ 複合材本体
３２ 折曲部
３３ 延長部
４ 接着層

Claims (6)

1. 基材と複合材との接着部の剥離破壊を防止するための基材と複合材の接着構造であって、
   前記複合材は、
   前記基材から離れる方向に引張力が作用する複合材本体と、
   この複合材本体の一端側から前記基材表面に沿って折れ曲がり前記基材に接着された折曲部と、
   前記複合材本体の一端側から前記折曲部と異なる方向に延びて前記基材に接着された延長部と、を有することを特徴とする基材と複合材の接着構造。
2. 前記延長部は、前記折曲部と反対方向に延設されていることを特徴とする請求項１に記載の基材と複合材の接着構造。
3. 前記延長部は、前記複合材本体と平行に延設されていることを特徴とする請求項１に記載の基材と複合材の接着構造。
4. 前記複合材は、繊維強化複合材であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の基材と複合材の接着構造。
5. 前記延長部は、短繊維で複合化されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の基材と複合材の接着構造。
6. 前記複合材本体及び前記折曲部は、連続繊維で複合化されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の基材と複合材の接着構造。

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