JP2015063033A - 複合シート材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】成形性及び溶接性が優れるとともに、軽量で、且つ、高剛性な複合シート材を提供する。
【解決手段】繊維強化シート層２は、並設された多数本のアルミニウム合金製の金属繊維２ａの各繊維間に２本の炭素繊維２ｂが並設された第１及び第２繊維群２Ａ，２Ｂを用いて第１繊維群２Ａの各繊維２ａ，２ｂに対して第２繊維群２Ｂの各繊維２ａ，２ｂを第１繊維群２Ａの並設方向に沿って千鳥状に絡めて織り込むことにより形成した織物体２０と、織物体２０に第１及び第２繊維群２Ａ，２Ｂの金属繊維２ａと同種のアルミニウム合金材を含浸させて形成した含浸部２ｃとからなる。金属シート層３は、アルミニウム合金材からなり、繊維強化シート層２が３つ積層されてなる積層体４の両面に圧着により積層される。
【選択図】図５

Description

本発明は、例えば、自動車用プレス部品の成形に使用される複合シート材及びその製造方法に関する。

近年、例えば自動車業界では、車体の衝突安全性の向上と車体の軽量化による燃費向上とを両立させる車体構造が求められ、この要求を満たすために、自動車用プレス部品を従来の如き金属板から成形するのではなく、軽量で、且つ、必要な剛性を確保できる複合シート材から成形する試みがなされている。

例えば、特許文献１に開示されているような軽量で、且つ、高剛性な複合シート材でプレス部品を成形することが考えられる。該複合シート材は、金属繊維や炭素繊維等から形成した織布又は不織布にフェノール樹脂を含浸させて形成した繊維強化シート層と、該繊維強化シート層の一方の面に積層された樹脂層と、該樹脂層の反繊維強化シート層側に積層されたアルミニウム合金材等からなる金属シート層とを備えている。

特開２０１２−１２６１３３号公報

しかし、特許文献１の複合シート材は、繊維強化シート層と金属シート層との間に樹脂層が設けられているので、プレス部品を成形しようとすると、上記繊維強化シート層及び金属シート層に対する樹脂層の延び率が悪く、ホットプレスや温間成形を行わなければ成形時に割れが発生してしまう。また、もし仮に、プレス部品を成形したとしても、成形したプレス部品同士を溶接により組み立てようとすると、樹脂層が溶接の邪魔をして健全な接合部が形成され難い。したがって、各プレス部品同士の組み立てをリベット等で行う必要があり、コストが嵩んでしまう。

本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、成形性及び溶接性が優れるとともに、軽量で、且つ、高剛性な複合シート材を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明は、複合シート材に樹脂部分が含まれないよう工夫を凝らしたことを特徴とする。

すなわち、第１の発明では、並設された多数本の金属繊維の各繊維間に少なくとも１本以上の炭素繊維が並設された第１及び第２繊維群を用いて上記第１繊維群の各繊維に対して上記第２繊維群の各繊維を上記第１繊維群の並設方向に沿って千鳥状に絡めて織り込むことにより形成した織物体、及び該織物体に上記第１及び第２繊維群の金属繊維と同種の金属を含浸させて形成した含浸部からなる繊維強化シート層と、上記第１及び第２繊維群の金属繊維と同種の金属からなり、上記繊維強化シート層の少なくとも一方の面に圧着により積層された金属シート層とを備えていることを特徴とする。

第２の発明では、第１の発明において、上記第２繊維群は、金属繊維の各繊維間に少なくとも２本以上の炭素繊維が並設されてなることを特徴とする。

第３の発明では、第１又は第２の発明において、上記第１及び第２繊維群の金属繊維、上記含浸部及び上記金属シート層は、アルミニウム合金材からなっていることを特徴とする。

第４の発明では、第１から第３のいずれか１つの発明において、上記繊維強化シート層を複数積層してなる積層体を備え、上記金属シート層は、上記積層体の少なくとも一方の面に積層されていることを特徴とする。

第５の発明では、第４の発明において、上記積層体は、上記各繊維強化シート層が互いの炭素繊維の延出方向がずれるように積層されていることを特徴とする。

また、第６の発明では、並設された多数本の金属繊維の各繊維間に少なくとも１本以上の炭素繊維が並設された第１及び第２繊維群を用いて上記第１繊維群の各繊維に対して上記第２繊維群の各繊維を上記第１繊維群の並設方向に沿って千鳥状に絡めて織り込んで織物体とした後、該織物体に上記第１及び第２繊維群の金属繊維と同種の金属を含浸させて含浸部を有する繊維強化シート層とし、該繊維強化シート層の少なくとも一方の面に上記第１及び第２繊維群の金属繊維と同種の金属からなる金属シート層を圧着により積層して複合シート材を得ることを特徴とする。

第１及び第６の発明では、複合シート材の繊維強化シート層に炭素繊維が織り込まれているので、全体が金属からなる一般的な金属シート材に比べて剛性を維持したまま軽くなり、複合シート材から形成する部品を、軽量で、且つ、高剛性にすることができる。また、繊維強化シート層を構成する織物体の金属繊維、含浸部の金属及び金属シート層の金属はそれぞれ同種であるので、織物体を構成する金属繊維と含浸部の金属と金属シート層の金属とが圧着時に互いに強固に繋がる。したがって、特許文献１の如き複合シート材に樹脂部分がなく、プレス成形時に各層間で伸び率が異なって割れが発生するのを回避できるとともに、導電率が良くなって溶接時に健全な接合部が形成されるようになり、成形性と溶接性とが共に高い複合シート材とすることができる。さらに、製造時において繊維強化シート層を構成する織物体の炭素繊維及び金属繊維の割合・織り込み方を変更することで製造される複合シート材の剛性を細かく調整できるので、特定の周波数帯の振動を減衰させ易い制振性を有する複合シート材を簡単に製造できる。

第２の発明では、強化繊維シート層を構成する織物体において、炭素繊維同士で織り込まれた箇所が多くなるので、含浸後に含浸部の金属と織物体の金属繊維とが一体になっても織物体の型崩れが小さくなり、所望の剛性を有する複合シート材を得ることができる。

第３の発明では、軽くて剛性の高い複合シート材を確実に得ることができる。

第４の発明では、金属シート層の肉厚を厚くせずとも複合シート材全体の剛性が高まるので、薄くて軽い高剛性の複合シート材を提供できる。

第５の発明では、強化繊維シート層の各炭素繊維の延出方向が偏って剛性や強度が特定の方向だけ高くなるといったことを避けることができ、剛性や強度に偏りが発生しないバランスがとれた複合シート材とすることができる。

本発明の実施形態１に係る複合シート材を製造する製造ラインの概略構成図である。 図１のＡ−Ａ線における断面図である。 図２のＢ矢視図である。 図１のＣ−Ｃ線における断面図である。 図１のＤ−Ｄ線における断面図である。 本発明の実施形態２に係る図１のＥ−Ｅ線における断面図である。 本発明の実施形態２に係る図１のＦ−Ｆ線における断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎない。
《発明の実施形態１》
図１は、本発明の実施形態１に係る複合シート材１を製造する製造ライン１０を示す。上記複合シート材１は、自動車用プレス部品の成形に使用されるものであり、図５に示すように、上記複合シート材１の本体部分をなす繊維強化シート層２と、シート状のアルミニウム合金材３０（図１参照）からなる金属シート層３とを備え、上記繊維強化シート層２は、３枚積層されて積層体４を構成し、上記金属シート層３は、上記積層体４の両面に圧着により積層されている。

上記繊維強化シート層２は、図２乃至図４に示すように、並設された多数本のアルミニウム合金製の金属繊維２ａの各繊維間に２本の炭素繊維２ｂが並設された第１及び第２繊維群２Ａ，２Ｂを用いて上記第１繊維群２Ａの各繊維２ａ，２ｂに対して上記第２繊維群２Ｂの各繊維２ａ，２ｂを上記第１繊維群２Ａの並設方向に沿って千鳥状に順に絡めて織り込むことにより所謂平織り状に形成した織物体２０、及び該織物体２０に上記第１及び第２繊維群２Ａ，２Ｂの金属繊維２ａと同種のアルミニウム合金材を含浸させて形成した含浸部２ｃとからなっている。尚、図２、図４、図５の各繊維は、便宜上、誇張して描かれている。

上記製造ライン１０は、ライン上流側から、長尺状の上記織物体２０を繰り出す繰出工程１０ａと、上記織物体２０に溶融アルミニウム合金材Ｗを含浸させる含浸工程１０ｂと、搬送中の織物体２０を保護する保護工程１０ｃと、上記積層体４の両面に上記金属シート層３を積層する積層工程１０ｄと、製造した長尺状の複合シート材１を所定の長さに順次切断する切断工程１０ｅとが順に設けられている。

上記繰出工程１０ａには、長尺状の上記織物体２０がロール状に巻かれた第１繰出ロール５が上下に所定の間隔をあけて３つ配置され、各第１繰出ロール５から上記織物体２０が斜め下方に繰り出されるようになっている。尚、３つの第１繰出ロール５からそれぞれ繰り出される織物体２０の第１繊維群２Ａにおける各繊維２ａ，２ｂの延出方向は全て搬送方向と同じである。

上記含浸工程１０ｂには、加熱されて溶融したアルミニウム合金材Ｗを貯留する貯留槽６と、上記織物体２０の搬送をガイドする複数のガイドロールＧとが設けられている。

上記各第１繰出ロール５から繰り出される織物体２０は、上記各ガイドロールＧによって搬送方向が斜め下方から斜め上方に変更されるよう折り返されながら上記貯留槽６の溶融アルミニウム合金材Ｗ中を通過していて、通過時に織物体２０に溶融アルミニウム合金材Ｗが含浸するようになっている。

また、上記貯留槽６及び各ガイドロールＧには、搬送中の上記織物体２０に微細な振動を与える高周波振動発生装置（図示せず）が接続され、該高周波振動発生装置による織物体２０の振動で当該織物体２０への溶融アルミニウム合金材Ｗの含浸が促進されるようになっている。

上記保護工程１０ｃには、下方に開放する保護空間Ｓを内部に有する略直方体形状の保護ボックス７が配設されている。

上記保護ボックス７の上面には、図示しない貫通孔が形成され、上記各織物体２０が貯留槽６の溶融アルミニウム合金材Ｗを通過した直後に上記保護ボックス７の下端開放部分から保護空間Ｓに入って当該保護空間Ｓを通過した後、上述の貫通孔から上記保護ボックス７の外側に出て行くようになっている。

そして、上記保護空間Ｓには、高温の窒素ガスが充満されていて、上記含浸部２ｃに酸化皮膜が付着するのを防ぐとともに、上記含浸部２ｃが完全に固化してしまうのを防ぐようになっている。

上記積層工程１０ｄには、並んで搬送される３つの織物体２０を間に挟んで離間した位置に第２繰出ロール８ａが一対配置されている。

該各第２繰出ロール８ａには、長尺シート状のアルミニウム合金材３０が巻かれ、上記各第２繰出ロール８ａからアルミニウム合金材３０が搬送される織物体２０に向かって繰り出されるようになっている。

また、上記積層工程１０ｄには、上記保護ボックス７を通過した３つの織物体２０と上記各第２繰出ロール８ａから繰り出されたアルミニウム合金材３０とを同時に束ねて挟み込むとともに、互いに反対方向に回転することにより上記各織物体２０及びアルミニウム合金材３０をそれぞれ圧着させながら送り出して長尺状の複合シート材１とする一対の圧着ロール８ｂが設けられている。

該両圧着ロール８ｂから送り出された長尺状の上記複合シート材１は、当該複合シート材１を冷却しながらライン下流側に案内する冷却ロール８ｃに巻き掛けられて次工程に搬送されている。

そして、上記切断工程１０ｅには、上記冷却ロール８ｃに案内された長尺状の複合シート材１を所定の長さで順次切断する切断機９が配設され、該切断機９で切断された複合シート材１は図示しないプレス工程まで運搬されるようになっている。

次に、上記製造ライン１０における上記複合シート材１の製造方法について説明する。

製造に際し、図２及び図３に示すように、並設された多数本のアルミニウム合金製の金属繊維２ａの各繊維間に２本の炭素繊維２ｂが並設された第１及び第２繊維群２Ａ，２Ｂを用いて上記第１繊維群２Ａの各繊維２ａ，２ｂに対して上記第２繊維群２Ｂの各繊維２ａ，２ｂを上記第１繊維群２Ａの並設方向に沿って千鳥状に順に絡めて織り込んで形成した長尺状の織物体２０を用意する。そして、当該織物体２０をロール状に巻いて３つの第１繰出ロール５としておく。

まず、図１に示すように、上下に３つ並んで配設された各第１繰出ロール５からそれぞれ織物体２０を上記貯留槽６に向かって斜め下方に繰り出して上記貯留槽６の溶融アルミニウム合金材Ｗに浸す。

次に、上記各織物体２０の搬送方向を複数のガイドロールＧによって斜め下方から斜め上方に変更しながら上記各織物体２０に上記貯留槽６の溶融アルミニウム合金材を含浸させて含浸部２ｃを形成する。

次いで、含浸部２ｃが形成された上記各織物体２０を上記保護ボックス７の保護空間Ｓを通過させて上記含浸部２ｃの酸化及び固化を抑制する。

その後、上記保護ボックス７を通過した３つの織物体２０を並んで搬送させるとともに、３つの織物体２０の搬送通路を挟んで配置された一対の第２繰出ロール８ａからアルミニウム合金材３０をそれぞれ搬送通路に向かって繰り出す。

そして、３つの織物体２０の搬送通路を挟んで配置された一対の圧着ロール８ｂが上記３つの織物体２０と上記２つのアルミニウム合金材３０とを同時に束ねて挟み込むとともに、互いに反対方向に回転しながら３つの織物体２０及び２つのアルミニウム合金材３０を互いに圧着させて長尺状の複合シート材１とて送り出す。

しかる後、長尺状の複合シート材１を巻き掛けて案内する冷却ロール８ｃで上記複合シート材１を冷却しながら搬送させ、その後、切断機９で所定の長さに順次切断して図示しない次工程へと運搬する。

以上より、本発明の実施形態１によると、複合シート材１の繊維強化シート層２に炭素繊維２ｂが織り込まれているので、全体が金属からなる一般的な金属シート材に比べて剛性を維持したまま軽くなり、複合シート材１から形成する部品を、軽量で、且つ、高剛性にすることができる。

また、繊維強化シート層２を構成する織物体２０の金属繊維２ａ、含浸部２ｃの金属及び金属シート層３の金属はそれぞれアルミニウム合金材で同種あるので、織物体２０を構成する金属繊維２ａと含浸部２ｃの金属と金属シート層３の金属とが圧着時に互いに強固に繋がる。したがって、特許文献１の如き複合シート材に樹脂部分がなく、プレス成形時に各層間で伸び率が異なって割れが発生するのを回避できるとともに、導電率が良くなって溶接時に健全な接合部が形成されるようになり、成形性と溶接性とが共に高い複合シート材１とすることができる。

さらに、製造時において繊維強化シート層２を構成する織物体２０の金属繊維２ａ及び炭素繊維２ｂの割合・織り込み方を変更することで製造される複合シート材１の剛性を細かく調整可能となるので、特定の周波数帯の振動を減衰させ易い制振性を有する複合シート材１を簡単に製造できる。

また、第２繊維群２Ｂにおいて、金属繊維２ａの各繊維間に２本の炭素繊維２ｂを並設させているので、繊維強化シート層２を構成する織物体２０における炭素繊維２ｂ同士で織り込まれた箇所が多くなり、含浸後に含浸部２ｃの金属と織物体２０の金属繊維２ａとが一体になっても織物体２０の型崩れが小さくなって所望の剛性を有する複合シート材１を得ることができる。

さらに、上記第１及び第２繊維群２Ａ，２Ｂの金属繊維２ａ、含浸部２ｃの金属及び上記金属シート層３の金属は、アルミニウム合金材からなっているので、軽くて剛性の高い複合シート材１を確実に得ることができる。

それに加えて、本発明の実施形態１の複合シート材１は、３つの織物体２０を積層した積層体４を備えているので、金属シート層３の肉厚を厚くせずとも複合シート材１全体の剛性が高めることができ、薄くて軽い高剛性の複合シート材１を提供できる。
《発明の実施形態２》
図６及び図７は、本発明の実施形態２に係る複合シート材１の織物体２０を示す。この実施形態２では、積層体４の構造が実施形態１と異なるだけでその他は実施形態１と同じであるため、以下、実施形態１と異なる部分のみを説明する。

実施形態２では、積層体４における３つの繊維強化シート層２の互いの炭素繊維２ｂの延出方向が略３０°ずつずれている。

すなわち、搬送方向と第１繊維群２Ａの各繊維２ａ，２ｂの延出方向とが同じである織物体２０を上段に位置する第１繰出ロール５から繰り出すとともに、搬送方向に対して第１繊維群２Ａの各繊維２ａ，２ｂの延出方向が略３０°傾いた織物体２０を中段に位置する第１繰出ロール５から繰り出し（図６参照）、さらに、搬送方向に対して第１繊維群２Ａの各繊維２ａ，２ｂの延出方向が略６０°傾いた織物体２０を下段に位置する第１繰出ロール５から繰り出し（図７参照）、そして、各第１繰出ロール５から繰り出された３つの織物体２０を圧着することにより上記積層体４を得ている。

尚、実施形態２では、各第１繰出ロール５から繰り出される織物体２０の繊維２ａ，２ｂの延出方向が互いに異なるだけで、複合シート材１の製造方法は、実施形態１と同じであるため、詳細な説明を省略する。

以上より、本発明の実施形態２によると、繊維強化シート層２の各炭素繊維２ｂの延出方向が偏って剛性や強度が特定の方向だけ高くなるといったことを避けることができ、剛性や強度に偏りが発生しないバランスがとれた複合シート材１とすることができる。

尚、本発明の実施形態１，２では、織物体２０の金属繊維２ａをアルミニウム合金材から形成しているが、これに限らず、他の金属で形成してもよい。

また、本発明の実施形態１，２の繊維強化シート層２を構成する各炭素繊維２ｂに対して、金属の含浸効率を高める目的で加熱処理や有機化学処理、真空蒸着処理等を予め行うようにしてもよい。尚、上述の各処理は、織物体２０を形成する前の各炭素繊維２ｂに対して行ってもよいし、織物体２０となった状態の各炭素繊維２ｂに対して行ってもよい。

また、本発明の実施形態１，２では、第１及び第２繊維群２Ａ，２Ｂにおいて、金属繊維２ａ間に２本の炭素繊維２ｂを並設しているが、金属繊維２ａ間に１本の炭素繊維２ｂを並設してもよいし、３本以上の炭素繊維２ｂを並設してもよい。

また、本発明の実施形態１，２では、各織物体２０が所謂平織り状に織られているが、所謂斜文織り状や朱子織り状に織られたものであってもよい。

また、本発明の実施形態１，２では、繊維強化シート層２を３つ積層して積層体４としているが、繊維強化シート層２を２つ積層して積層体４としてもよいし、４つ以上積層して積層体４としてもよい。さらに、１つの繊維強化シート層２の両面に金属シート層３を積層するようにしてもよい。

また、本発明の実施形態１，２では、積層体４の両面に金属シート層３を積層しているが、積層体４の少なくとも一方の面に金属シート層３を積層していればよい。

本発明は、例えば、自動車用プレス部品の成形に使用される複合シート材及びその製造方法に適している。

１ 複合シート材
２ 繊維強化シート層
２Ａ 第１繊維群
２Ｂ 第２繊維群
２ａ 金属繊維
２ｂ 炭素繊維
３ 金属シート層
４ 積層体
２０ 織物体
３０ アルミニウム合金材

Claims (6)

1. 並設された多数本の金属繊維の各繊維間に少なくとも１本以上の炭素繊維が並設された第１及び第２繊維群を用いて上記第１繊維群の各繊維に対して上記第２繊維群の各繊維を上記第１繊維群の並設方向に沿って千鳥状に絡めて織り込むことにより形成した織物体、及び該織物体に上記第１及び第２繊維群の金属繊維と同種の金属を含浸させて形成した含浸部からなる繊維強化シート層と、
   上記第１及び第２繊維群の金属繊維と同種の金属からなり、上記繊維強化シート層の少なくとも一方の面に圧着により積層された金属シート層とを備えていることを特徴とする複合シート材。
2. 請求項１に記載の複合シート材において、
   上記第２繊維群は、金属繊維の各繊維間に少なくとも２本以上の炭素繊維が並設されてなることを特徴とする複合シート材。
3. 請求項１又は２に記載の複合シート材において、
   上記第１及び第２繊維群の金属繊維、上記含浸部及び上記金属シート層は、アルミニウム合金材からなっていることを特徴とする複合シート材。
4. 請求項１から３のいずれか１つに記載の複合シート材において、
   上記繊維強化シート層を複数積層してなる積層体を備え、
   上記金属シート層は、上記積層体の少なくとも一方の面に積層されていることを特徴とする複合シート材。
5. 請求項４に記載の複合シート材において、
   上記積層体は、上記各繊維強化シート層が互いの炭素繊維の延出方向がずれるように積層されていることを特徴とする複合シート材。
6. 並設された多数本の金属繊維の各繊維間に少なくとも１本以上の炭素繊維が並設された第１及び第２繊維群を用いて上記第１繊維群の各繊維に対して上記第２繊維群の各繊維を上記第１繊維群の並設方向に沿って千鳥状に絡めて織り込んで織物体とした後、該織物体に上記第１及び第２繊維群の金属繊維と同種の金属を含浸させて含浸部を有する繊維強化シート層とし、
   該繊維強化シート層の少なくとも一方の面に上記第１及び第２繊維群の金属繊維と同種の金属からなる金属シート層を圧着により積層して複合シート材を得ることを特徴とする複合シート材の製造方法。

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