JP2009515729A - 複合材料 - Google Patents

Abstract

【課題】内蔵される変形可能な部材により、弾性的挙動を示すことを実質的に防止するか、少なくとも低減するような成形熱可塑性複合シートとその製造方法を提供する。
【解決手段】積層構造を有する成形熱可塑性複合シート（１００）において、前記積層構造は少なくとも第１のカバー層（１１２）と第２のカバー層（１１４）を含み、前記カバー層（１１２、１１４）はそれぞれ繊維強化され、前記カバー層（１１２、１１４）の間には少なくとも、前記複合シート（１００）の一部に変形可能な金属製の部材から成るコア層（１０６）が設けられ、前記変形可能な部材を含まない複合シートに比べ、前記複合シート（１００）の弾性的挙動が低減されるように前記変形可能な部材が配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は複合材料に関し、特に車体パネルに使用するのに適した複合材料に関するものであるが、これだけに限定されるものではない。

本発明は、その背景技術を車体パネルに関する分野に属するものとするのが適当だが、更に広い適用性をも有している。公知の通り、車体パネル（ボンネット／フード等）は合成樹脂材料から作られる。一般に、このような合成樹脂製の車体パネルは熱硬化性複合材料から作られるが、熱可塑性複合材料から製造することもできる。

ＧＢ ３０５ ６９４では、パネルの中で高分子材料を使用し、この高分子材料の内部に配置された金属製構造材を保護するというパネルが示されている。

熱可塑性複合材料の場合、この車体パネルは衝撃を受けた際に弾性的挙動を示し（弾性限界を超えない場合）、元の形状に戻ろうとする。これにより、何らかの衝突の際、例えば車両が歩行者や動物等と衝突した場合、問題が生じうる。このような場合、この弾性的挙動により、歩行者等が車両から遠くへ跳ね飛ばされやすく、重大な負傷を受ける恐れがある。

本発明の第１の態様により、積層構造を有する熱可塑性複合材料が提供される。ここで、この積層構造は少なくとも第１と第２のカバー層を含み、この第１と第２のカバー層の間には少なくとも、この複合材料の一部に変形可能な部材から成るコア層が設けられている。

熱硬化性材料は一般に非常に脆いため、十分な延性がなく、衝撃に対し有効に機能しない傾向があるので、本発明の実施形態には適さないと考えられる。

本発明の第２の態様により、少なくとも第１と第２のカバー層を有する積層状の合成樹脂材料による構造から成るパネルが提供される。ここで、この第１と第２のカバー層の間には少なくとも、このパネルの一部に変形可能な部材から成るコア層が設けられ、この変形可能な部材はパネルが変形した際、永久変形するように配置されている。

通常、このパネルは車体パネルである。ただし、そのような場合だけに限定されず、このパネルは衝撃を受ける可能性のある任意のパネルとしてよい。

本発明の第３の態様により、パネルの製造方法が提供され、この製造方法は、
i．少なくとも、変形可能な部材から成るコア層と、そのいずれかの側にカバー層とを配置する工程と、
ii．熱と圧力を加えることにより、これらの層を強化する工程、とから成る。

通常、この製造方法は車体パネルの製造に使用される。ただし、そのような場合だけに限定されず、この製造方法は衝撃を受ける可能性のある任意のパネルに適用してよい。

本発明の第４の態様により、複合材料の製造方法が提供され、この製造方法は、
i．少なくとも、変形可能な部材から成るコア層と、そのいずれかの側にカバー層とを配置する工程。
ii．熱と圧力を加えることにより、これらの層を強化する工程、とから成る。

このコア層は変形可能な部材が配置された熱可塑性基材を含んでもよい。このような熱可塑性基材は、カバー層と変形可能な部材の間の接合を良好にすることができ、有効である。

このコア層はＢｅｋａｅｒｔ社から登録商標Ｓａｎｔｏｐｒｅｎｅとして供給されている物質を含んでもよい。

本発明の第５の態様により、少なくとも第１と第２のカバー層を有する積層状の合成樹脂材料による構造から成る、ボンネット等の車体パネルが提供される。ここで、この第１と第２のカバー層の間で、この車体パネルの中央部に複数の金属線から成るコア層が設けられ、この金属線は車体パネル中央部が衝撃を受けた際、車体パネル中央部を永久変形させるように配置されている。

本発明の第６の態様により、歩行者の負傷を軽減する方法であって、本発明の第５の態様による車体パネルを車両に設けることを含む方法が提供される。

最も広い意味で、複合シートに内蔵される変形可能な部材は、複合シートが弾性的挙動を示すことを実質的に防止するか、少なくとも低減するようなものである。例えば、実施形態は、複合シートが衝撃を受けた際、永久変形するような構成であればよい。変形した後、ある程度は復元しようとするかもしれないが（すなわち、部分的な弾性的挙動）、変形可能な部材は、この復元を大幅に低減するので、これにより複合シートに衝突したものに衝撃が跳ね返るのを防止することに寄与することができる。熱可塑性高分子には「メモリ」があり、衝撃を受けた後、元の形状に戻ろうとする特性を示すことが知られている。このような復元性のない変形可能な部材（コア層よりも固いものと考えてよい。）から成るコア層を採用することにより、パネル全体に渡る復元の防止、もしくは大幅な低減が促される。

ここに、本発明の実施形態の詳細な説明を、以下、あくまで例としての付属の図面を参照しつつ説明する。

構成を分解して示した成形複合シート１００は、本実施形態において、１０２から１１０の５つの層から成る。他の実施形態では、これ以外の番号の層があってもよい。

本実施形態において、最上部の２層である１０２、１０４は、まとめて第１のカバー層１１２と呼ぶ層を成す。すなわち、カバー層は２つの下位層から成る。最下部の２層である１０８、１１０は、まとめて第２のカバー層１１４と呼ぶ層を成す。これもまた、２つの下位層から成る。これ以外の番号の下位層がカバー層の中にあってもよい。第１のカバー層１１２と第２のカバー層１１４の間に変形可能な部材から成るコア層１０６が設けられている。

通常、変形可能な部材は金属性基材から成る。この金属性基材は通常、鋼、または合金鋼とすることができるが、同様に、これ以外の金属／合金、例えば、アルミニウム等にしてもよい。

図１の実施形態では、変形可能な部材から成るコア層１０６は周囲基材のない複数の金属線から成るものとして示されている。これは実現可能なものの１つだが、変形可能な部材は他の項で説明するように多くの構成により設けることができる。更に、この変形可能な部材は通常、熱可塑性基材の中に設けることにより、この複合材料の製造を容易にすることもできる。この変形可能な部材を熱可塑性基材の中に設けた実施形態では、この変形可能な部材に樹脂材料が、より接合しやすくなる場合もあることがわかっている。

実施形態の中には、複数のコア層を設け、この間に他の層を有するものもあれば、そうでないものもある。このように追加されたコア層を使用して、複合材料または、複合材料を使用したパネルの特性を調整してもよい。

図１に示すように、各カバー層１１２、１１４は複数の下位層を含むことができる。本実施形態では、各カバー層は０／９０度繊維強化積層体と呼ぶものから成る構成として示される。つまり、各カバー層は０°の方向に向いた繊維を有する第１の下位層と、第１の下位層に対し９０°の方向に向いた繊維を有する第２の下位層とから成る。すなわち、カバー層１１２、１１４は繊維強化を適切に使用することにより希望する特性に調整することができる。

つまり、その構造は変形可能な部材によりコア層そのものが構成され、コア層と、第１と第２のカバー層とを有する複合積層体であると考えてよい。このような実施形態では、強化されたパネルの特性は、個々の層の特性と比べてみると、異なったものになっている。

繊維強化をカバー層に使用する利点は、熱的に、より安定させることができる点である。このように安定させることにより、車体パネル等への応用において、その動作温度範囲に渡ってパネルが、あまり膨張しないことが望ましい場合に有利にすることができる（−４０℃から太陽光負荷による１３０℃までが動作可能な極限）。更に、パネルは、塗装工程においてオーブンで約２００℃の温度に曝されることもある。温度範囲が広いので、本発明の実施形態では、カバー層と金属製部材の熱膨張を一致させておくと有利である。そのように一致させることは、カバー層における繊維強化を適切に実施することにより可能である。

カバー層の強化要素として単方向繊維を使用すると、熱的に、より安定させることができる場合がある。そのようなカバー層の下位層は実質的に一方向を向いている強化繊維から成り、カバー層全体は異なる方向を向いている強化繊維から成るようにしてもよい。

この下位層は、カバー層１１２、１１４（もしくは実際にはコア層）それぞれの内部で、以下のいずれかにより成るものとしてよい。配向繊維強化プリプレグ積層体、ランダム繊維強化熱可塑性樹脂、自己補強性ポリマーシート、擬似等方性繊維積層体、織物熱可塑性複合基材、または、これらに類するもの。本実施形態で示されるカバー層を設けることにより、表面をほぼ滑らかにすることができ、コア層１０６内の変形可能な部材に起因する表面状態のあらゆる欠陥を覆い隠すことができるという利点が得られる。このような欠陥は一般にウィットネスマークと見なされるものである。実施形態において車体パネルとして使用することを意図された、この、ほぼ滑らかな表面は、パネルの塗装を良好に仕上げる目的（もしくは、実際にパネルに高水準の仕上がりを求められる他の応用）に対して有効である。実質的に一方向を向いた繊維をカバー層の下位層の内部で使用することによって、パネル表面にウィットネスマークが現れるのを防ぐ効果を向上させることもできる。

本実施形態では、金属製の変形可能な部材は以下のいずれか１つから成るものとしてよい。ワイヤ、コード、編み線、穴開きシート、または、網。ワイヤ、コード、編み線、穴開きシート、または、網で、カバー層の樹脂材料と混合可能な熱可塑性材料で覆われているもの。図５に本実施形態の例を示す。図５ａは複数のワイヤを示している。図５ｂは網を示し、図５ｃは編み線を示し、図５ｄは穴開きシートを示している。これらの、もしくは、これ以外の変形可能な部材は、それぞれ、基材の中に設けることができる。

図５ｅは熱可塑性基材５０２内部の複数のワイヤ５００を示している。任意の他の形状とした変形可能な部材を同様に基材５０２の内部に設けてもよい。本発明の実施形態の中には、図１に示した以外の層を追加したものがあってもよい。例えば、変形可能な層から成る複数のコア層があってもよい。下位層を各カバー層の中に追加してもよい。

実施形態の中には、例えば、図３に示したように、変形可能な部材から成るコア層を全体の内の一部に設けてもよい。このような構成においては変形可能な部材は局部的に配置されると見なしてよい。図３は、その中央部３０２に変形可能な部材から成るコア層を設けた車体パネル３００（例えば、車両のボンネット／フード、ドア、フェンダー、ルーフパネル等）を示している。代替実施形態では、この変形可能な部材は、前部、後部等の別の位置に設けてもよい。実施形態の中には、形成複合シートが２つ以上、例えば、２、３、４、１０またはその間の任意個数の変形可能な部材から成るものがあってもよい。更に、この複合シートは他の形状、例えば円形等の変形可能な部材から成ってもよい。当業者には、様々な応用において様々な構成が求められる場合があり、それに応じて複合シートを調整できることが容易に理解されよう。

この実施形態では、複合材料／車体パネルの一部は、変形可能な部材が設けられていない部分の２つのカバー層１１２、１１４に加え、１つ以上の充てんコア４００による層から成ってもよい。この充てんコア層４００は、パネル全体／複合材料の厚さが一定であることが求められる場合、この厚さが実質的に一定となるのを確実かつ容易にするのに有用である。この充てんコア層４００は通常、カバー層１１２、１１４の中の熱可塑性材料と混合可能、または、実際には、この熱可塑性材料と実質的に同一である熱可塑性材料から成ってよい。充てんコア層４００は強化してもよいし、しなくてもよく、図４はランダム配向短繊維で強化された、この層を示している。混合可能とは、熱可塑性樹脂を別の熱可塑性樹脂と混ぜても、両者それぞれの、またはその混合物の特性に影響がないことを意味するものとする。一例としては、混合可能な熱可塑性樹脂とは、同一、または実質的に同一な高分子材料とすることができる。

実施形態の中には、適切な厚さの充てんコア層を使用することにより、パネルを所望の厚さに調整するものがあってもよい。例えば、パネルを部分的に厚くしたい場合には、厚くした充てんコア層を使用すればよいし、パネルを薄くしたい場合には、薄くした充てんコア層を使用すればよい。

変形可能な部材がパネルの部分を覆い尽くしてはいない実施形態を図２に示す。変形可能な部材を収容したコア層２００は中央部に示され、その両側には、それぞれ、充てんコア層２０２、２０４が示されている。この実施形態に示されるように、充てんコア層は樹脂基材の中のランダム配向繊維で強化されている。他の実施形態では、強化をしなくてもよいし、他の公知技術により強化してもよい。

例えば、図３、図４を参照して説明されるような車体パネル３００は、パネルを実質的に滑らかにすることができるので、高級な塗装仕上げを施すことが可能であるという利点を有しうる。更に、変形可能な部材によりパネルの変形特性を調整することができる。パネルの中には、変形した後に弾性的挙動を示さなければ有用とされるものもある。例えば、車両のボンネット／フードでは、歩行者が車両に衝突された場合、その負傷は、このボンネット／フードが元の形に跳ね返ることによって（つまり、弾性的挙動を示すと）、拡大するおそれがあることが知られている。つまり、歩行者が元の形に戻ろうとするパネルによって突き飛ばされ、その負傷が拡大するおそれがある。変形可能な部材を適切に選択することにより、永久変形を示す複合熱可塑性材料製のパネルを設け、これによって、このように歩行者が突き飛ばされるのをなくすことができる。

熱可塑性材料／車体パネルは、複数の層（例えば、図１の例における層１０２〜１１０）を組み合わせ（積層と呼ぶことが多い）、これを溶融温度まで加熱し、圧力を加えて構造を強化するという公知技術により製造することができる。この複合材料は真空圧密やプレス等の工程を使用して、強化することにより所望の形状とすることができる。積層は高容積法で機械により自動的に行うか、または、手作業により低容積法で行う。このような強化処理の結果、相同構造が得られる。

パネルを強化することによって、複合材料内部の気孔を、ほぼ完全に取り除く効果が得られることは容易に理解されよう。この結果、複合材料は実質的に内部に隙間のない材質として形成される。

変形可能な挿入物を、熱伝導性に優れた金属、または、その他の材質にした場合、変形可能な部材を使用して、このような強化処理において材料内部に熱を伝導させることができる。

一般に、本実施例で概説した、このようなプロセスで作られたパネルには、大きく湾曲した部分はなく（例えば、車両のボンネット／フード）、そのため、変形可能な挿入物を強化処理の前に変形させる必要はない。すなわち、本実施形態ではシート状で使用されるものとしてよい。他の実施形態において、もし、湾曲度がもっと高い場合には、強化処理の前に行う積層工程よりも先に変形可能な部材を形成しておかねばならないこともある。

この熱可塑性材料は、ポリプロピレン、ＰＥＴ、ＰＢＴ、ポリカーボネート、ナイロン、熱可塑性ポリウレタン、または熱可塑性材料の混合物といった任意の適当な熱可塑性材料とすることができる。

例として、カバー層とコア層の熱可塑性材料をポリプロピレンとした場合には、この構造体は約１バール以上の強化圧力で約１８０℃〜２２０℃に加熱されることになる。他の熱可塑性材料では、他の温度と圧力で行う必要があることは、当業者により理解されるところであろう。

一実施例では、変形可能なコア層１０６をＢｅｋａｅｒｔ社から供給されている登録商標Ｓａｎｔｏｐｒｅｎｅによる層として設けており、一実施例では、この層は熱可塑性基材で覆われた直径約１ｍｍのワイヤから成る。これは図５ｄに示した構造と同様なものである。なお、他の材料を使用してもよいことは容易に理解されるところであろう。なお、このワイヤの直径は１ｍｍである必要はなく、０．１ｍｍ、０．５ｍｍ、２ｍｍ、５ｍｍ、あるいは、その間の任意の値でかまわない。このような他の構成において、変形可能な部材に使用される金属等の材料の特性により、どのような配置が、その用途に最適であるかを決定することができる。

車体パネルに関して主に説明したが、本発明の実施形態は衝撃を受ける可能性のある任意のパネルも提供することができる。例えば、道路標識、ドア用パネル等である。

本発明の一実施形態によるパネルの標準的な厚さは、たいてい、約１ｍｍから１０ｍｍの範囲になる。より広くとらえた場合には、パネルの厚さは約５ｍｍ以下とすることができる。

本発明の一実施形態による成形複合シート内の層を示す模式的な分解図である。 図１に示した層の１つを模式的に示す拡大図である。 本発明の一実施形態による複合材料から成る部分を含む車体パネルを示す模式図である。 図３の線Ａに沿った車体パネルの断面を示す模式図である。 変形可能な部材が設けられた様々な構成を示す模式図である。

符号の説明

１００ 成形複合シート
１０２ 下位層
１０４ 下位層
１０６ コア層
１０８ 下位層
１１０ 下位層
１１２ 第１のカバー層
１１４ 第２のカバー層
２００ コア層
２０２ 充てんコア層
２０４ 充てんコア層
３００ 車体パネル
３０２ 車体パネル中央部
４００ 充てんコア層
５００ ワイヤ
５０２ 熱可塑性基材

Claims (33)

1. 積層構造を有する成形熱可塑性複合シートであって、前記積層構造は少なくとも第１と第２のカバー層を含み、前記カバー層はそれぞれ繊維強化され、前記カバー層の間には少なくとも、前記複合シートの一部に変形可能な金属製の部材から成るコア層が設けられ、前記変形可能な部材を含まない複合シートに比べ、弾性的挙動が低減されるように前記変形可能な部材が配置されていることを特徴とする複合シート。
2. 前記複合シートの厚さは約１ｍｍから５ｍｍの間であることを特徴とする請求項１に記載の複合シート。
3. 前記金属製の部材は、編み線、ワイヤ、穴開き板、網、シートのいずれかの形状で設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の複合シート。
4. 複数の変形可能な金属製の部材が設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一に記載の複合シート。
5. 前記カバー層それぞれの内部は実質的に一方向に繊維強化されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一に記載の複合シート。
6. 前記カバー層はそれぞれ、複数の下位層から成り、前記下位層それぞれの内部は実質的に一方向に繊維強化されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一に記載の複合シート。
7. 前記カバー層はそれぞれ、少なくとも第１と第２の下位層から成り、第１の下位層の内部は、第２の下位層の繊維強化に対し実質的に９０°を成す方向に繊維強化されるように配置されていることを特徴とする請求項６に記載の複合シート。
8. 少なくとも１つの充てんコア層が設けられ、前記充てんコア層は前記コア層の前記変形可能な金属製の部材のない部分に配置されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか一に記載の複合シート。
9. 少なくとも第１と第２のカバー層を有し、樹脂材料による積層構造から成るパネルであって、前記カバー層はそれぞれ繊維強化され、前記カバー層の間には、少なくとも、前記パネルの一部に少なくとも１つの変形可能な金属製の部材から成るコア層が設けられ、前記変形可能な部材を採用することにより、前記樹脂材料による構造の弾性的挙動が、前記変形可能な部材を含まないパネルよりも低減されるようになされており、前記パネルは衝撃を受けた際、永久変形するようになっていることを特徴とするパネル。
10. 前記パネルの厚さは約１ｍｍから５ｍｍの間であることを特徴とする請求項９に記載のパネル。
11. 前記金属製の部材は、編み線、ワイヤ、穴開き板、網、シートのいずれかの形状で設けられていることを特徴とする請求項１０に記載のパネル。
12. 複数の変形可能な金属製の部材が設けられていることを特徴とする請求項９から１１のいずれか一に記載のパネル。
13. 少なくとも１つの充てんコア層が設けられ、前記充てんコア層は前記コア層の前記変形可能な部材のない部分に配置されていることを特徴とする請求項９から１２のいずれか一に記載のパネル。
14. 前記パネルはボンネット（すなわち車両のフード）であることを特徴とする請求項９から１３のいずれか一に記載のパネル。
15. 前記カバー層はそれぞれ、実質的に一方向を向いている繊維を有する少なくとも１つの繊維強化された下位層から成ることを特徴とする請求項９から１４のいずれか一に記載のパネル。
16. 前記カバー層はそれぞれ、少なくとも第１と第２の下位層から成り、第１の下位層の内部は、第２の下位層の繊維強化に対し実質的に９０°を成す方向に繊維強化されるように配置されていることを特徴とする請求項９から１５のいずれか一に記載のパネル。
17. 前記カバー層はそれぞれ、コア層と同一、もしくは少なくとも混合可能な基材から成ることを特徴とする請求項９から１６のいずれか一に記載のパネル。
18. 前記パネルは車体パネルであることを特徴とする請求項９から１７のいずれか一に記載のパネル。
19. パネルの製造方法であって、
    i．少なくとも、変形可能な部材から成るコア層と、前記コア層のいずれかの側に繊維強化されたカバー層とを配置する工程と、
    ii．熱と圧力を加えることにより、前記コア層とカバー層を強化する工程と、から成ることを特徴とするパネルの製造方法。
20. 前記コア層は実質的に前記パネルの全域に渡っていることを特徴とする請求項１９に記載のパネルの製造方法。
21. 前記コア層は前記パネルの全域に満たない領域に渡っていることを特徴とする請求項１９に記載のパネルの製造方法。
22. 充てんコア層が、前記コア層が及んでいない領域に設けられていることを特徴とする請求項２１に記載のパネルの製造方法。
23. 前記充てんコア層を使用して前記パネルの厚さを調節することにより、前記パネルを厚くしたり薄くしたりすることを特徴とする請求項２１又は２２に記載のパネルの製造方法。
24. 前記コア層は樹脂材料による基材に前記変形可能な部材を収容したものとして設けられていることを特徴とする請求項１９から２３のいずれか一に記載のパネルの製造方法。
25. 前記変形可能な部材を収容した前記樹脂材料による基材はＢｅｋａｅｒｔ社の登録商標Ｓａｎｔｏｐｒｅｎｅにより設けられていることを特徴とする請求項２４に記載のパネルの製造方法。
26. 前記パネルの製造方法は車体パネルの製造に使用されることを特徴とする請求項１９から２５のいずれか一に記載のパネルの製造方法。
27. 複合材料の製造方法であって、
    i．少なくとも、変形可能な部材から成るコア層と、前記コア層のいずれかの側に繊維強化されたカバー層とを配置する工程と、
    ii．熱と圧力を加えることにより、前記コア層とカバー層を強化する工程と、から成ることを特徴とする複合材料の製造方法。
28. ここに付属の図面を参照して、実質的に説明、例示された熱可塑性複合材料。
29. ここに付属の図面を参照して、実質的に説明、例示されたパネル。
30. ここに付属の図面を参照して、実質的に説明、例示された複合材料を形成する方法。
31. ここに付属の図面を参照して、実質的に説明、例示されたパネルを形成する方法。
32. 少なくとも第１と第２のカバー層を有する強化構造から成るボンネット等の車体パネルであって、前記カバー層はそれぞれ繊維強化され、前記カバー層の間で前記パネルの中央部に、前記車体パネルが受けた衝撃を軽減するように配置された複数の金属線を含むコア層が設けられ、前記パネルは衝撃を受けた際、永久変形するようになっていることを特徴とする車体パネル。
33. 請求項９から１８、または３２のいずれか一に記載の車体パネルを車両に設けることを含む、歩行者の負傷を軽減する方法。

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