JP2012183678A - 機能性積層複合材料及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】より接着強度が高く、より高い機能性を確保することのできる機能性積層複合材料及びその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の一観点に係る機能性複合材料は、アルミニウム板と、０．０２μｍ以上３μｍ以下の前記アルミニウム板の表面を酸化させることにより形成した酸化膜と、酸化膜に固着されたプリプレグシートと、を有する。また、本発明の他の一観点に係る機能性複合材料の製造方法は、アルミニウム板の表面に０．０２μｍ以上３μｍ以下の範囲の酸化膜を形成し、酸化膜とプレグシートとを接触させてホットプレスする。
【選択図】図１
【解決手段】本発明の一観点に係る機能性複合材料は、アルミニウム板と、０．０２μｍ以上３μｍ以下の前記アルミニウム板の表面を酸化させることにより形成した酸化膜と、酸化膜に固着されたプリプレグシートと、を有する。また、本発明の他の一観点に係る機能性複合材料の製造方法は、アルミニウム板の表面に０．０２μｍ以上３μｍ以下の範囲の酸化膜を形成し、酸化膜とプレグシートとを接触させてホットプレスする。
【選択図】図１
Description
本発明は、機能性積層複合材料及びその製造方法に関する。より具体的には、アルミニウム板とプリプレグシートとを組み合わせた機能性積層複合材料に関する。
機械や装置等に使用される材料は、大きく構造材料と機能性材料に分けることができる。構造材料は、機械や装置の形状や構造を長期間にわたり確保するために用いられる材料であり、機能性材料は、材料にセンサ等の機能を有する材料であり、材料そのものが装置や機械の機能の少なくとも一部を発揮することができるものである。
機能性材料の公知な技術として、例えば、下記特許文献１に、プリプレグシートと金属板を、絶縁層を介してホットプレスした機能性積層複合材料及びその製造方法が開示されている。
しかしながら、上記特許文献１に記載の技術では、金属板、プリプレグシート及び絶縁層をそれぞれ全く異なる３つの材料を用い、これらを互いにホットプレスで固着させるため、２つの接触面の強度が十分な強度を確保できるよう材料を選択しなければならず、その強度においても改善の余地が残る。
また、上記技術では、０．０４〜０．１５ｍｍ程度の比較的厚い絶縁層を配置しているため、絶縁層が金属板とプリプレグシートの熱膨張率差を緩和してしまい、センサやアクチュエータとしての機能を十分に生かしきれないといった課題がある。
なお、そのまま絶縁層を除去してしまうと、プリプレグシートと金属板が導通してしまいそもそも電流を流すことによるアクチュエータの機能を著しく低下させてしまうだけでなく、プリプレグシートによって金属板が腐食してしまうおそれもある。
そこで、本発明は上記課題を鑑み、より接着強度が高く、より高い機能性を確保することのできる機能性積層複合材料及びその製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決する第一の観点に係る機能性積層複合材料は、アルミニウム板と０．０２μｍ以上３μｍ以下の前記アルミニウム板の表面を酸化させることにより形成した酸化膜と、酸化膜に固着されたプリプレグシートと、を有する。
また、上記課題を解決する第二の観点に係る機能性複合材料の製造方法は、アルミニウム板の表面に０．０２μｍ以上３μｍ以下の範囲の酸化膜を形成し、酸化膜とプリプレグシートとを接触させてホットプレスする。
以上、本発明によって、より接着強度が高く、より高い機能性を確保することのできる機能性積層複合材料及びその製造方法を提供することができる。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。ただし、本発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、以下に示す実施形態に限定されるものではない。
図１は、本実施形態に係る機能性複合材料（以下「本複合材料」という。）の断面の概略を示す図である。
本図で示すように、本複合材料１は、アルミニウム板２と、０．０２μｍ以上３μｍ以下のアルミニウム板２の表面を酸化させることにより形成した酸化膜２１と、酸化膜２１に固着されたプリプレグシート３と、プリプレグシート３に固着された電極４と、を有している。
本実施形態において、アルミニウム板２は、アルミニウムからなる板である。アルミニウム板の長さ、幅は適宜調整可能であり限定されるわけではないが、厚さは、センサやアクチュエータとしての機能を確保できるよう、ある程度薄く形成されていることが好ましい。厚さは限定されるわけではないが、例えば０．１ｍｍ以上３ｍｍ以下であることは好ましい一例である。アルミニウム板は、酸化膜を形成することができるものであれば限定されず、不可避の不純物を含んでも良いが、Ａｌ純度としては、９９％以上であることが好ましく、Ｆｅ、Ｃｕ等の他の元素を含む場合でも５０ｐｐｍ未満であることが好ましい。
また本実施形態において、酸化膜２１は、上記の通り、アルミニウム板の表面を酸化させることにより形成したものである。本実施形態では、ガラス繊維強化樹脂プリプレグ、アラミド繊維強化樹脂プリプレグ等全く異なる絶縁層を用いることなく、アルミニウム板そのものを酸化させることで表面に酸化膜を形成し、薄膜化、薄膜化による曲げ率向上、更には強い接着強度を確保することができる。
また本実施形態において、酸化膜２１の厚さは、０．０２μｍ以上３μｍ以下であり、好ましくは１．２μｍ以下である。一般に、アルミニウム板は、空気中において酸化し、酸化膜が形成されてはいるが、その厚さは非常に薄く（２ｎｍ程度）、機能性複合材料の機能確保のための絶縁性能を有しているものではない。そこで、０．０２μｍ以上として機性複合材料としての必要最小限の絶縁性を確保する一方、３μｍ以下とすることで酸化膜が脆くなることによる接着強度の低下を防止する。また１．０４μｍ以下にすることで、上記の酸化膜２１を形成しなかった場合に比べても、接着強度が向上するといった効果がある。
なお、アルミニウムの酸化膜の構造は限定されず、バリア性皮膜であってもよく、またポーラス皮膜であっても良い。一般にアルミニウムの酸化膜は、（１）緻密で耐電圧を有するバリア性皮膜（γ−Ａｌ２Ｏ３を多く含む）と、（２）多孔質で耐電圧をもたないポーラス皮膜（非結晶性）に大別することができる。陽極酸化処理の詳細については後述するが、例えば、陽極酸化に用いる水溶液にアジピン酸アンモニウム、リン酸二水素アンモニウム、又は、ほう酸水溶液等の中性塩水溶液を用い、比較的高温（４０℃以上）の浴温で陽極酸化処理を施すと、アルミ二ウムの溶出を少なくすることができ、緻密なバリア皮膜を形成することができる。ただし、結晶化によりγ−Ａｌ２Ｏ３の形成が顕著となるため、体積収縮による皮膜中の空孔、ひび割れ等の欠陥部の発生には注意が必要である。一方、陽極酸化に用いる水溶液に硫酸、シュウ酸等の酸性溶液を用い、比較的低温（４０℃以下）の浴温で陽極酸化処理を施すと、アルミニウムの溶出を多くし、多孔質皮膜を形成することができる。この多孔質皮膜は非結晶性であるため、欠陥部が少ない反面、上記バリア性皮膜を形成する場合と同じ浴電圧でも厚い皮膜を形成することができるといった利点がある。
また本実施形態の酸化膜２１の形成方法は、特に限定されるわけではないが、陽極酸化処理によって行われることが好ましい。この処理を採用することで、酸化皮膜の厚みを均一にかつ正確に制御できるといった効果がある。
また本実施形態に係るプリプレグシート３は、繊維を含むことによって強化されたプラスチックからなるシートであって、この繊維は、所定の方向に配向している。繊維としては限定されるわけではないが、炭素繊維、ホウ素繊維、ガラス繊維、炭化珪素繊維又はアラミド繊維の少なくともいずれかを含むことが好ましい。本実施形態に係るプリプレグシート３は、上記の通り、繊維を含むものであるため、熱による膨張に異方性を有する。この異方性は上記アルミニウム板２の等方的な膨張と差異を有することとなるため、方向性をもった変形が可能となる。なお特に、繊維として炭素繊維、炭化ケイ素繊維、ホウ素繊維等を用いる場合、ヒーターとしての機能を確保することができるといった利点もある。
またプリプレグシート３の材料としては、アルミニウム板２の酸化膜２１と固着でき、上記繊維を安定的に保持することができる限りにおいて限定されるわけではないが、例えばエポキシ樹脂、ポリエステル樹脂等の樹脂を好適に用いることができる。
また本実施形態の電極４は、プリプレグシート３に一対で固着され、プリプレグシート３に電流を供給するために用いられる。電極４の材質としては、限定されるわけではないが、例えば銅等の金属を用いることができ、電極４は薄い板状であって、アルミニウム板２及びプリプレグシート３の端部に固着されていることが好ましい。なお電極４は、プリプレグシート３のアルミニウム板２に接している面と反対の面に固着されていることが好ましい。なお電極は設けておくことが好ましいが、周囲の温度変化を利用する場合は必ずしも設けなくて良い。
以上、本複合材料は、より接着強度が高く、より高い機能性を確保することができる。具体的に説明すると、本複合材料は、一対の電極の間に電流を流すことでプリプレグシートを発熱させ、異方的に膨張するプリプレグシートと等方的に膨張するアルミニウム板の間に発生する膨張量の差異を発生させ、この間に発する応力を用いて変形することができる。そして更に、アルミニウム板の酸化膜を絶縁層として直接用いているため、別途シートの絶縁層を設ける必要がなく、薄膜化が可能となり曲率変化量が大きくなるといった効果、更には、酸化膜とプリプレグシートとの接着強度を向上させることができるといった効果がある。
（製造方法）
ここで、本複合材料の製造方法（以下「本製造方法」という。）について説明する。本方法は、（１）アルミニウム板の表面に０．０２μｍ以上３μｍ以下の範囲の酸化膜を形成し、（２）酸化膜とプリプレグシートとを接触させてホットプレスする。
ここで、本複合材料の製造方法（以下「本製造方法」という。）について説明する。本方法は、（１）アルミニウム板の表面に０．０２μｍ以上３μｍ以下の範囲の酸化膜を形成し、（２）酸化膜とプリプレグシートとを接触させてホットプレスする。
（１）アルミニウム板の表面に０．０２μｍ以上３μｍ以下の範囲の酸化膜を形成する工程は、限定されるわけではないが、上記のように、陽極酸化処理であることは好ましい。陽極酸化処理の方法としては、特に限定されるわけではないが、例えば、アルミニウム板を陽極、ステンレス板を陰極として、これら板を数％〜数十％の濃度のアジピン酸アンモニウム、リン酸アンモニウム水溶液、又はホウ酸水溶液等の溶液に浸し、液温１０℃〜９９℃の範囲内で、電流密度数ｍＡ／ｃｍ２〜数Ａ／ｃｍ２にて、所定の電圧（２０Ｖ〜８００Ｖ）まで昇圧後、一定時間保持することにより陽極酸化皮膜を形成することができる。
また、この陽極酸化処理後、封孔処理を施して耐食性を向上させておくことは好ましい一例である。なお封孔処理を行う場合は、多孔質の酸化膜を形成した後、沸騰水中に一定時間浸漬し、多孔質皮膜の微細孔を水和酸化物により埋めることで実現できる。
また（２）酸化膜とプリプレグシートとを接触させてホットプレスする工程は、酸化膜が形成されたアルミニウム板とプリプレグシートとを高圧高温で圧着する工程であり、圧着することができる限りにおいて限定されず、温度についても十分に圧着させることができる限りにおいて限定されない。なお、電極４を配置する場合、この工程と同時に行なっておくことが好ましい。なおこのホットプレスの圧力に関しては、限定されるわけではないが、０．１ＭＰａ以上１ＭＰａ以下の範囲であることが好ましい。またホットプレスの温度としては、樹脂の硬化温度近傍であることが好ましく、例えばエポキシ樹脂である場合は、１２０℃近傍又は１８０℃近傍であることが好ましい。またホットプレスの時間も限定されるわけではないが、例えば１時間以上１０時間以下の範囲内であることが好ましい。
以上、本方法によって、より接着強度が高く、より高い機能性を確保することのできる機能性積層複合材料を製造することができる。
ここで、上記実施形態に係る機能性複合材料の効果につき、実際に機能性材料を作製し、その効果を確認した。以下に示す。
まず、幅４０ｍｍ、長さ８０ｍｍ、厚さ０．２ｍｍの純度９９．９９％のアルミニウム板を準備し、このアルミニウム板それぞれに陽極酸化処理を施し、０．０２μｍ、０．２μｍ、０．４μｍ、０．７８μｍ、１．０４μｍと、異なる酸化膜の厚さをもつ５種類のアルミニウム板を準備した。なお、陽極酸化処理は、上記アルミニウム板を水酸化ナトリウム水溶液に浸漬して脱脂した後、希薄硝酸水溶液に浸漬して中和し、８％ほう酸水溶液、８５℃にて電流密度２０ｍＡ／ｃｍ２で所定の電圧（２０Ｖ、１５０Ｖ、３００Ｖ、６００Ｖ、８００Ｖ）まで昇圧し、２０間保持した。
次に、幅４０ｍｍ、長さ８０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍの長手方向に炭素繊維で強化されたエポキシ樹脂（ＣＦＲＰ）プリプレグシート（炭素繊維の体積率が６０％）を複数準備し、更に、幅４０ｍｍ、長さ５０ｍｍに切り出した銅箔を電極として一対当たり２枚配置できるよう準備した。
そして、上記アルミニウム板、プリプレグシート及び２枚の電極を積層後ホットプレスして５種類の積層複合材料を作製した。なおホットプレスの条件は、温度４５３Ｋ、０．１ＭＰａ、１．８ｋｓとした。なおアフターキュアとして、除荷し、４５３Ｋ、２８．８ｋｓ保持した。
なお本実施例では、比較のため、上記アルミニウム板に酸化膜を形成させず、４０μｍのガラス繊維で強化した樹脂のプリプレグシートをアルミニウム板とＣＦＲＰの間に配置した積層複合材料（比較例１）も作製した。なおホットプレスの条件は、上記と同様とした。
更に本実施例では、比較のため、上記アルミニウム板に酸化膜を形成させずＣＦＲＰと直接ホットプレスした積層複合材料（比較例２）についても作製した。なおホットプレスの条件については、上記積層材料と同様とした。
まず、酸化膜厚さに対する接合強さについて測定した。この結果を図２に示す。なお、この測定は、アルミニウムとＣＦＲＰを部分的に接合した接合強さ評価表試験片を作製し、その試験片を用いて引張せん断試験を行い、得られた破断荷重を接合部の面積で除した値を接合強さとして評価した。なお図５に、本試験にて用いた試験片の概略を示しておく。
本図で示すように、本実施例に係る積層材料は、酸化膜が増加するに従い接合強さが増加し、０．５μｍ近傍でピークとなり、その後緩やかに減少していくことが確認できた。特に１．２μｍ以下であれば、ＣＦＲＰとアルミニウムを直接接合した場合よりも強度を向上させることができるのを確認した。
また、これら作製した積層材料の電極間に、電圧を加え発熱させ、その曲げ量を測定し、曲率、単位温度変化あたりの曲率変化量を評価した。なおこの測定は、これら作製した積層材料の電極間に、電圧を印加し４０℃から１８０℃まで加熱し、その間１０℃ごとに保持しその形状を測定し、曲率、単位温度変化あたりの曲率変化量を評価した。ここで、印加電圧は１８０℃加熱時で約４Ｖ程度、そのときの電流は約７Ａ程度である。なお、ＣＦＲＰ側の中央部に固定したＫ熱電対により試料温度を測定しながら形状を測定した。
ここで、図３に、温度変化に対する曲率の変化を、図４に、単位温度変化あたりの曲率変化量をそれぞれ示しておく。
図３で示されるように、本材料では、試料長手方向では、試料温度が高くなるほど曲率が減少し、温度が低くなるほど曲率が増加していくことが確認できた一方、試料長手方向に直交する方向では、殆ど曲率に変化がないことが確認できた。この結果、温度変化に伴い一方向に曲がることのできるアクチュエータ、センサとして機能していることが確認できた。
また、図４で示される結果によると、上記比較例１では、単位温度変化あたりの曲率変化量が０．１１程度であったが、本実施例に係る積層材料では、０．１２程度と、従来よりも大幅に曲率変化量が大きくなっていることが確認できる。すなわち、薄膜化を図ることが可能となり、更に別材料の絶縁層を設ける必要がなくなったため、大きな曲率を維持することが可能となったことが確認できた。
以上、本発明の効果を確認することができた。
本発明は、機能性積層複合材料およびその製造方法として産業上の利用可能性がある。
１…機能性複合材料、２…アルミニウム板、３…プリプレグシート、４…電極、２１…酸化膜
Claims (5)
- アルミニウム板と、０．０２μｍ以上３μｍ以下の前記アルミニウム板の表面を酸化させることにより形成した酸化膜と、前記酸化膜に固着されたプリプレグシートと、を有する機能性積層複合材料。
- 前記プリプレグシートに固着された電極と、を有する請求項１記載の機能性積層複合材料。
- 前記酸化膜は、１．２μｍ以下である請求項１記載の機能性積層複合材料。
- アルミニウム板の表面に０．０２μｍ以上３μｍ以下の範囲の酸化膜を形成し、
前記酸化膜とプリプレグシートとを接触させてホットプレスする機能性積層複合材料の製造方法。 - 前記酸化膜の形成は、陽極酸化処理によっておこなう請求項４記載の機能性積層材料の製造方法。
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