JP2014076545A

JP2014076545A - 炭素繊維強化樹脂の強度補強方法

Info

Publication number: JP2014076545A
Application number: JP2012223769A
Authority: JP
Inventors: Takehiko Kiyohara; 武彦清原
Original assignee: Imasen Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Imasen Electric Industrial Co Ltd
Priority date: 2012-10-09
Filing date: 2012-10-09
Publication date: 2014-05-01

Abstract

【課題】表面硬度、耐摩耗性等の機械強度を補強した炭素繊維強化樹脂を提供する。
【解決手段】炭素繊維強化樹脂１の摺動面等の表面硬さを向上させたい特定のエリアに接着剤３を塗布し、鋼等でできた薄板２を被せ、治具等によって固定する。炭素繊維強化樹脂上に薄板を固定した状態で、薄板の表面にレーザー照射を行なう事により、薄板の固定と焼入れを同時に行い、金属等の他の部材との摩擦が繰り返される摺動面の耐摩耗性、摺動性を改善し強度を硬化させた炭素繊維強化樹脂を製造する。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭素繊維強化樹脂の表面硬度、耐摩耗性等の機械的強度補強方法に関するものである。

最近、設備材料の軽量化が進む中で炭素繊維強化樹脂(以下、CFRPとする)が各分野で注目され、実用化されつつある。しかし、CFRPは剛性特性は非常に高いが、表面硬度、耐磨耗性等の機械的強度は低く、他の部材との摩擦が繰り返される摺動部材には不向きである。
このため、CFRPの機械的強度補強方法として例えば下記特許文献1に記載の方法が知られている。この方法によるとCFRPの表面に鉄めっき層を設け、さらにその上にニッケル、クロム等の上層めっきを設けることでCFRPの表面硬度を高めている。

特開H07-207460号

しかしながら、上述した方法では、めっきの特性上表面硬度を強化できる厚みが限定されるため、耐摩耗性は充分ではない。また、めっきを行なうためには大規模な設備が必要となり、生産性に難点が生じる。

そこで、本発明の目的はCFRPの表面硬度と耐磨耗性の向上を図り、比較的安価な方法でCFRPの強度保持方法を提供することである。

上記課題を解決するために、請求項1に記載のCFRPの表面強度補強方法では、特定の面に接着剤を塗布した炭素繊維強化樹脂に鋼等からなる薄板を張り合わせ、レーザーにより焼き入れることを特徴とする。

請求項1に記載のCFRPの表面強度補強方法では、特定の面に接着剤を塗布した炭素繊維強化樹脂に鋼等からなる薄板を張り合わせ、レーザーにより焼き入れることを特徴としている。CFRPは剛性特性は非常に高いが、表面硬さはベースとして使用する樹脂の表面硬さに由来するため、耐摩耗性は低く、他の部材との摩擦が繰り返される摺動部材には不向きである。そこで、本発明の構成のように、表面強度を補強する必要のあるCFRP表面に鋼等を接着することによりCFRPの摺動面での耐摩耗性、摺動性を改善し、表面強度を保持することが可能となる。また、レーザー焼入れとは、鋼などの金属の表面にレーザーを照射し、表面の層を急速に加熱するものである。この加熱により、レーザーを照射された金属の温度は急激に上昇する。このレーザーの照射により、鋼はオーステナイト組織まで過熱される。このオーステナイト組織は、レーザー光が通過すると材料内部への熱拡散・熱伝導により急速に冷却される。この自己冷却により、鋼は鉄鋼材の中で最も強度のあるマルテンサイト状態に変化する。レーザー焼入れによらない焼入れ方では、鋼の過熱後、水中や油中などによる冷却を必要とするが、レーザー焼入れでは上述した自己冷却が行なわれるため、他の冷却剤を必要とせず、簡易に薄板への焼入れを行なうことが可能となる。CFRPを固定した状態で薄板の表面にレーザー焼入れを行なうと、レーザー焼入れにより、薄板の表面近傍の温度は急激に上昇する。当該レーザーが通過すると同時に薄板の表面近傍の熱は薄板の深層側(CFRP側)に拡散し、急冷される。これにより薄板の表面近傍のオーステナイト組織がマルテンサイト組織に変化し、焼入れが起こる。このマルテンサイト組織は、鉄鋼材の中でも最も強度のあるものであり、これによりCFRPに充分な耐摩耗性が付与される。さらに拡散した熱は接着剤に伝わり、熱硬化性を持つ接着剤が硬化することで薄板とCFRPが接着される。上述の過程により、薄板の接着と焼入れを同時に行なうことが可能となる。

本発明に係るCFRPの表面補強方法の一実施形態を示す断面図である。本発明に係るCFRPの表面補強方法の一実施形態を示す正面図である。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。

本発明では、CFRP1の表面に接着剤3により薄板2を張り合わせることで、CFRP1の表面硬さを改善し、耐摩耗性を向上させる。

炭素繊維（CF）とは、アクリル樹脂やピッチから作った繊維に熱処理を施し、組成のほとんどを炭素だけにしたもののことをいう。炭素繊維は、炭素原子で作られた六角形が網目のように連続した「黒鉛結晶構造」を持っている。この「黒鉛結晶構造」は非常に強固な分子構造であり、ほほダイヤモンドと同じ組成である。また、組成のほとんどが炭素であるため、鉄やアルミニウムなどに比べて非常に軽量なものである。この炭素繊維をベースとなる樹脂の中に入れて強度を向上させた複合材料のことを炭素繊維強化樹脂(CFRP)と呼ぶ。

CFRPは上述のように強度と軽さを兼ね備えた材料であるため、鉄やアルミニウム等の金属材料からの代替が期待されている。しかし、生産性の悪さと価格の高さがその活用の課題となっている。生産性という点では、繊維同士の接着に時間が掛かること、プレス加工や切削加工しにくい性質のため複雑な形状の製品を作りにくいという課題がある。また、これらの理由の他にCFRPは剛性特性は非常に高いが、表面硬さはベースとして使用した樹脂の表面硬さに由来するため、耐摩耗性は低く、他の部材との摩擦が繰り返される摺動部材には不向きであることもCFRPの活用の課題となっている。そこで、本発明の方法によれば金属等の他の部材との摩擦が繰り返される摺動面の耐摩耗性、摺動性を改善し強度を保持したCFRPを提供することが可能となる。

本発明で使用するCFRP1は現在主流として使われているベースに熱硬化性樹脂を用いたものであることが望ましい。CFRP1表面に張り合わせる薄板2は、鋼等からなり、炭素含有量が高く、焼入れ性が良い材質を用いる。焼入れとは、鋼をオーステナイト組織まで加熱したあと、水中や油中等で急冷することにより、マルテンサイト状態に変化させる熱処理のことである。焼入れ性が良いというのは、焼入れたときの硬化しやすさのことをいう。また、CFRP1と薄板2の張り合わせに使用する接着剤3は、粉体、ペレット、フィルム、網状などの固体のものでも、液体状のものでもよく、接着剤3を加熱することで硬化・接着する熱硬化性のものを使用する。

まず、CFRP1を固定する。固定したCFRP1の摺動面等の表面硬さを向上させたい特定のエリアに接着剤3を塗布し、薄板2を設置し治具等によって固定する。上記のようにCFRP1を固定した状態で、薄板2の表面にレーザー焼入れを行なう。

レーザーは光を増幅し、高い可干渉性をもつ光を発生させるレーザー発信器を用いて人工的に作られる光である。レーザー発信器は、キャビティと呼ばれるレーザー光を往復させる光学ミラーと、その中に設置された媒質、及び媒質を高エネルギー準位に持ち上げるための装置から構成される。本発明では、レーザー焼入れを行なうために媒質に二酸化炭素を用い高出力なパルス波を得る炭酸ガスレーザー方式のもの等が使用でき、また、レーザーのスポット形状は幅広の線状であることが望ましい。

レーザー焼入れとは、鋼などの金属の表面にレーザーを照射し、表面の層を急速に加熱するものである。この加熱により、レーザーを照射された金属の温度は急激に上昇する。このレーザーの照射により、鋼はオーステナイト組織まで過熱される。このオーステナイト組織は、レーザー光が通過すると材料内部への熱拡散・熱伝導により急速に冷却される。この自己冷却により、鋼は鉄鋼材の中で最も強度のあるマルテンサイト状態に変化する。レーザー焼入れによらない焼入れ方では、鋼の過熱後、水中や油中などによる冷却を必要とするがレーザー焼入れでは上述した自己冷却が行なわれるため、他の冷却剤を必要としない。そのため、大掛かりな設備を必要とせず焼入れを行なうことが可能となる。

ここでCFRP1を固定した状態で薄板2の表面にレーザー焼入れを行なう。レーザー焼入れを行なうことにより、薄板2の表面近傍の温度は急激に上昇する。このレーザーが通過すると同時に薄板2の表面近傍の熱は薄板2の深層側(CFRP側)に拡散し、急冷される。これにより薄板2の表面近傍のオーステナイト組織がマルテンサイト組織に変化し、焼入れが起こる。このマルテンサイト組織は、鉄鋼材の中でも最も強度のあるものであり、これによりCFRP1に充分な耐摩耗性が付与される。さらに拡散した熱は接着剤3に伝わり、熱硬化性を持つ接着剤3が硬化することで薄板2とCFRP1が接着される。上述の過程により、薄板2の接着と焼入れを同時に行なうことが可能となる。

また、この際レーザーの出力が小さいと、薄板2の表面がマルテンサイト化するのに充分な熱量が入力されない。さらに、薄板2が薄すぎると熱容量が小さいため入熱部の急冷が起こらず、焼入れを達成できず、薄板2が厚すぎると熱容量が大きいため薄板全体の温度上昇が限定され接着剤3の硬化が起こらない。このため、レーザー出力及び薄板2の板厚は焼入れが起こるように設定しなければならない。

なお、本発明において接着剤3は熱硬化性のものだけでなく、熱軟化性の固形接着剤であるホットメルト等を使用することもできる。ホットメルトは、熱可塑性を有する合成樹脂などをベースとした接着剤である。熱により溶解塗付し、急速に温度が下がることによって固化接着するものであり、一旦反応が終了することで強力な接着力を発揮するものである。

CFRP1の表面にホットメルトである接着剤3を塗付し、薄板2を張り合わせ、薄板2の表面にレーザー焼入れを行なう。この際、レーザー焼入れによる入熱により、接着剤3が軟化し、CFRP1と薄板2の間に拡散する。CFRP1は上方向から押圧されているため、余分な接着剤3は押し出される。また、レーザーが通過すると同時に薄板2の表面近傍の熱は薄板2の深層側(CFRP側)に拡散し、急速に冷却される。この冷却によりホットメルトである接着剤3が硬化し、接着が完了する。

また、CFRP1の表面に接着剤3により薄板2を張り合わせることで、CFRP1の表面硬さを改善し、耐摩耗性を向上させる本発明の方法によれば、表面強度を強化する摺動面の形状は単純平面に限られず、薄板2の形状形成とレーザー走査が可能であれば実施することが可能である。

1 炭素繊維強化樹脂
2 薄板
3 接着剤

Claims

特定の面に接着剤を塗布した炭素繊維強化樹脂に鋼等からなる薄板を張り合わせ、レーザー照射を行なうことにより、薄板の固定と焼入れを同時に行なうことを特徴とする炭素繊維強化樹脂の強度補強方法。