JP2015174248A - 複合構造体及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】接合部における歪みや剥離の発生を良好に抑制すること。
【解決手段】本発明は、繊維強化プラスチックと金属材料との積層構造を有する複合構造体であって、金属材料からなるベース部材と繊維強化プラスチックを含む補強部材とを有し、補強部材は、強化繊維が一方向に配向した繊維強化プラスチックからなる第一補強部と、第一補強部における強化繊維の配向方向と交差する方向に配向した強化繊維を少なくとも含有する繊維強化プラスチックからなりベース部材と第一補強部との間に介在するように設けられた第二補強部と、を有し、ベース部材との接合部にて熱硬化性樹脂を含有することを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、繊維強化プラスチックと金属材料との積層構造を有する複合構造体、及びその製造方法に関する。
この種の複合構造体及びその製造方法として、例えば、特開２０１０−１４９３５０号公報、国際公開第２０１３／１４６９００号、等に開示されたものが知られている。
特開２０１０−１４９３５０号公報 国際公開第２０１３／１４６９００号
この種の複合構造体において、繊維強化プラスチック部分と金属部品との接合部における歪みや剥離の発生（特に両者の熱膨張係数の相違に基づくもの）の懸念があった。本発明は、上記に例示した事情等に鑑みてなされたものである。
上記の課題に対処するため、請求項１に記載の発明は、繊維強化プラスチックと金属材料との積層構造を有する複合構造体であって、金属材料からなるベース部材と繊維強化プラスチックを含む補強部材とを有し、補強部材は、強化繊維が一方向に配向した繊維強化プラスチックからなる第一補強部と、第一補強部における強化繊維の配向方向と交差する方向に配向した強化繊維を少なくとも含有する繊維強化プラスチックからなりベース部材と第一補強部との間に介在するように設けられた第二補強部と、を有し、ベース部材との接合部にて熱硬化性樹脂を含有することを特徴とする。
繊維強化プラスチックにおいては、強化繊維の配向方向（以下、単に「配向方向」と称する。）と、かかる配向方向と交差（典型的には直交）する方向とで、加熱・冷却時における膨張・収縮量が異なる。このため、繊維強化プラスチックとして、強化繊維が一方向に配向したもの（いわゆるＵＤ材：ＵＤはＵｎｉ Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎの略）が用いられた場合、加熱・冷却時における、金属材料の膨張・収縮量と繊維強化プラスチックの（特に上述の配向方向における）膨張・収縮量との差が非常に大きくなることに伴い、接合部における歪みや剥離の発生の懸念が生じる。
そこで、請求項１に記載の発明においては、金属部品であるベース部材に接合される補強部材が、ベース部材との接合部にて熱硬化性樹脂を含有するとともに、配向方向が互いに交差する第一補強部及び第二補強部を有している。かかる構成によれば、ベース部材と補強部材との接合が良好に行われるとともに、加熱・冷却時における補強部材の膨張・収縮量が可及的に均質化される。したがって、本発明によれば、接合部における歪みや剥離の発生を良好に抑制しつつ、ＵＤ材による配向方向についての繊維強化特性を得ることが可能となる。
請求項２に記載の発明においては、熱硬化性樹脂を含有する第二補強部が、ベース部材と直接接合されている。かかる構成によれば、上述の構成を有する複合構造体が、簡易な製造工程によって得られる。
請求項３に記載の発明においては、熱硬化性樹脂を含有する第一補強部が、第二補強部と直接接合されている。かかる構成によれば、上述の構成を有する複合構造体が、簡易な製造工程によって得られる。
請求項４に記載の発明においては、第二補強部が、強化繊維としてのクロス材を含有している。かかる構成においては、補強部材におけるベース部材側の部分である第二補強部の、加熱・冷却時における膨張・収縮量が、可及的に均質化される。よって、かかる構成によれば、接合部における歪みや剥離の発生をよりいっそう良好に抑制することが可能になる。
請求項５に記載の発明においては、前記第一補強部及び前記第二補強部のうちの少なくともいずれか一方は、炭素繊維強化プラスチックからなるものである。かかる構成によれば、炭素繊維強化プラスチックと金属材料との積層（接合）構造を有する複合構造体において、上述のような良好な特性を得ることが可能となる。
請求項６に記載の発明は、繊維強化プラスチックと金属材料との積層構造を有する複合構造体の製造方法であって、以下の工程を含むことを特徴とする：（１）金属材料からなるベース部材と、強化繊維が一方向に配向した繊維強化プラスチックのプリプレグからなる第一補強部前駆体と、第一補強部前駆体における強化繊維の配向方向と交差する方向に配向した強化繊維を少なくとも含有する繊維強化プラスチックのプリプレグからなる第二補強部前駆体とを、第二補強部前駆体がベース部材と第一補強部前駆体との間に介在するように積層する、積層工程、（２）積層工程によって得られた、第一補強部前駆体と第二補強部前駆体とベース部材との積層体を加熱する、加熱工程。
請求項７に記載の発明においては、積層工程は、硬化前の熱硬化性樹脂を含有する第二補強部前駆体とベース部材とが直接接合され、且つ第二補強部前駆体と硬化前の熱硬化性樹脂を含有する第一補強部前駆体とが直接接合された状態の積層体を生成することを特徴とする。
請求項８に記載の発明においては、（１）積層工程は、（１ａ）一対の金型における一方にセットされたベース部材と、一対の金型における他方と、の間に、シート状の第一補強部前駆体及び第二補強部前駆体を配置し、（１ｂ）一対の金型を閉じ合わせることで、第一補強部前駆体及び第二補強部前駆体を所定形状に成形しつつ上述の積層体を形成し、（２）加熱工程は、閉じ合わせられた一対の金型内にて、積層体を加熱することを特徴とする。
請求項９に記載の発明においては、第二補強部前駆体は、強化繊維としてのクロス材を含有することを特徴とする。
請求項１０に記載の発明においては、第一補強部前駆体及び第二補強部前駆体のうちの少なくともいずれか一方は、炭素繊維強化プラスチックのプリプレグからなる。
かかる請求項６〜１０に記載の発明によれば、上述の構成を有する複合構造体が、簡易な製造工程によって得られる。
本発明の一実施形態に係る複合構造体の概略構成を示す平面図。 図１における２−２断面図。 図２における一部を拡大した断面図。 本発明の一実施形態に係る製造方法の説明図。 本発明の一実施形態に係る製造方法の説明図。 本発明の一実施形態に係る製造方法の説明図。 本発明の他の一実施形態に係る製造方法の説明図。 図７に示された製造方法によって製造された複合構造体の拡大断面図。
以下、本発明を具体化した一実施形態を、図面を参照しつつ説明する。なお、変形例は、当該実施形態の説明中に挿入されると首尾一貫した一実施形態の説明の理解が妨げられるので、末尾にまとめて記載されている。
＜複合構造体の構成＞
図１は、本実施形態に係る複合構造体１０の平面図である。図２は、図１における２−２断面図である。図３は、図２における一部を拡大した断面図である。以下、図１〜図３を参照しつつ、複合構造体１０の具体的構成について説明する。
複合構造体１０は、図１に示されているように所定の（図中上下方向と平行な）長手方向を有するとともに、図２に示されているように所謂「ハット形状」に形成されている。この複合構造体１０は、薄板状の金属材料を上述の形状に曲げ加工することで形成されたベース部材１１と、ＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）を含みベース部材１１に接合された補強部材１２と、を備えている。すなわち、この複合構造体１０は、ＣＦＲＰと金属材料との積層（接合）構造を有している。
ここで、本実施形態においては、この複合構造体１０は、長手方向についての強化が要求されているものとする。このため、本実施形態においては、補強部材１２は、複合構造体１０における、所定の強度が必要な部分及びその周辺にのみ設けられていて、その他の部分（例えば長手方向と直交する幅方向における両端部等）については補強部材１２の設置が省略されているものとする。
補強部材１２は、第一補強部１２ａと第二補強部１２ｂとを有している。ＣＦＲＰとしての第一補強部１２ａは、熱硬化性樹脂と、一方向に揃えられた連続炭素繊維（長繊維）と、を含む、いわゆるＵＤ材である。ここで、上述の事情により、複合構造体１０の長手方向についての強化のため、第一補強部１２ａは、配向方向が上述の長手方向に沿った方向（例えば平行）となるように設けられている。ＣＦＲＰとしての第二補強部１２ｂは、熱硬化性樹脂と、平織状の強化繊維と、を含む、いわゆるクロス材であって、強化繊維における縦糸及び横糸の配向方向が上述の長手方向に対して４５度程度傾斜するように設けられている。
図２及び図３に示されているように、第二補強部１２ｂは、ベース部材１１と第一補強部１２ａとの間に介在するように設けられている。また、第一補強部１２ａと第二補強部１２ｂとは、付加的な接着層を介さずに直接接合されている。同様に、第二補強部１２ｂとベース部材１１とは、付加的な接着層を介さずに直接接合されている。すなわち、補強部材１２は、ベース部材１１との接合部にて、熱硬化性樹脂を含有するように設けられている。
＜製造方法＞
次に、上述の構成を有する複合構造体１０の製造方法について、図４〜図６を用いて説明する。
一対の金型のうちの固定型（雌型ともいう）である下型２０には、ハット形状に予め形成されたベース部材１１の外面（補強部材１２が接合されている内面とは反対側の面）と当接するように形成された凹部であるキャビティ２１が設けられている。また、下型２０の内部には、キャビティ２１の内面に沿って、加熱用のヒータ２２が設けられている。
一対の金型のうちの移動型（雄型ともいう）である上型３０には、上述のベース部材１１の内面に沿った形状の凸部３１が形成されている。また、上型３０の内部には、凸部３１の外面に沿って、加熱用のヒータ３２が設けられている。
図４に示されているように、最初に、下型２０に、金属部品であるベース部材１１がセットされる。また、上型３０と、ベース部材１１がセットされた下型２０と、の間に、第二プリプレグ４２がベース部材１１と第一プリプレグ４１との間に介在するように、シート状の第一プリプレグ４１及び第二プリプレグ４２が配置される。ここで、本発明の「第一補強部前駆体」としての第一プリプレグ４１は、硬化前の熱硬化性樹脂を含有する、ＵＤ材のプリプレグである。また、本発明の「第二補強部前駆体」としての第二プリプレグ４２は、硬化前の熱硬化性樹脂を含有する、クロス材のプリプレグである。
次に、図５に示されているように、下型２０と上型３０とを閉じ合わせる。これにより、第一プリプレグ４１及び第二プリプレグ４２が、ベース部材１１の内面形状に倣ったハット形状に成形されつつ、ベース部材１１と積層される（積層工程）。
続いて、図５に示されている状態で、第一プリプレグ４１と第二プリプレグ４２とベース部材１１との積層体は、ヒータ２２及び３２により所定温度・所定時間加熱される（加熱工程）。これにより、第一プリプレグ４１及び第二プリプレグ４２にて熱硬化性樹脂の硬化反応が進行して第一補強部１２ａ及び第二補強部１２ｂが生成するとともに、第一補強部１２ａと第二補強部１２ｂとベース部材１１とがこの順に積層されつつ互いに強固に接合される。その後、図６に示されているように、下型２０と上型３０とが開型され、成形された複合構造体１０が抜き取り可能となる。
＜作用・効果＞
本実施形態の複合構造体１０においては、金属部品であるベース部材１１に接合される補強部材１２が、配向方向が互いに交差する第一補強部１２ａ及び第二補強部１２ｂを有している。かかる構成によれば、加熱・冷却時における補強部材１２の膨張・収縮量が可及的に均質化される。したがって、かかる構成によれば、複合構造体１０において、ベース部材１１と補強部材１２との接合部における歪みや剥離の発生を良好に抑制しつつ、ＵＤ材による配向方向についての繊維強化特性を得ることが可能となる。
特に、本実施形態の構成のように、熱硬化性樹脂を含むＣＦＲＰと金属部品との接合の場合、完成品の使用環境下における膨張・収縮のみならず、製造工程における硬化反応に起因する収縮と硬化後の冷却に起因する収縮とが問題となる。この点、本実施形態の構成によれば、熱硬化性樹脂を含むＣＦＲＰである補強部材１２と、金属部品であるベース部材１１と、の接合に際しても、接合部における歪みや剥離の発生が良好に抑制され得る。
また、本実施形態の複合構造体１０においては、補強部材１２が、ベース部材１１との接合部にて熱硬化性樹脂を含有している。具体的には、ベース部材１１と、熱硬化性樹脂を含有する第二補強部１２ｂとが、直接接合されている。したがって、かかる構成によれば、ベース部材１１の内面に補強部材１２との接着性を向上するための前処理（表面処理：鍍金処理、プラズマ処理、ブラスト処理、等。）を行ったり、ベース部材１１と補強部材１２との間に特別な接着層（接合層）を設けたりしなくても、ベース部材１１と補強部材１２との接合が良好に行われる。
さらに、本実施形態の複合構造体１０においては、熱硬化性樹脂を含有する第一補強部１２ａが熱硬化性樹脂を含有する第二補強部１２ｂと直接接合されるとともに、かかる第二補強部１２ｂがベース部材１１と直接接合されている。かかる構成によれば、上述の構成を有する複合構造体１０が、簡易な製造工程によって得られる。
加えて、本実施形態の複合構造体１０及びその製造方法によれば、補強部材１２の成形と、成形した補強部材１２とベース部材１１との接合とを、同時に行うことで、工程数の削減及びこれによる製品の低コスト化が可能となる。
＜変形例＞
以下、代表的な変形例について、幾つか例示する。以下の変形例の説明において、上述の実施形態にて説明されているものと同様の構成及び機能を有する部分に対しては、上述の実施形態と同様の符号が用いられ得るものとする。そして、かかる部分の説明については、技術的に矛盾しない範囲内において、上述の実施形態における説明が適宜援用され得るものとする。もっとも、言うまでもなく、変形例とて、以下に列挙されたものに限定されるものではない。また、上述の実施形態の一部、及び、複数の変形例の全部又は一部が、技術的に矛盾しない範囲内において、適宜、複合的に適用され得る。
本発明は、上述したような具体的な構成の例示に限定されない。例えば、複合構造体１０の形状は、上述のようなハット形状に限定されない。具体的には、複合構造体１０は、略平板状であってもよい。また、第一補強部１２ａ及び第二補強部１２ｂは、ＣＦＲＰに限定されない。また、第一補強部１２ａにおける配向方向は、複合構造体１０の実際の使用条件における外力あるいは内部応力の方向等に応じて、上述の長手方向に対して所定角度傾斜した方向に設定され得る。
第二補強部１２ｂがクロス材である場合、クロス材における縦糸又は横糸が上述の長手方向と略直交するように、第二補強部１２ｂが設けられていてもよい。あるいは、第二補強部１２ｂに含まれる強化繊維は、平織以外のもの（例えば綾織等）であってもよい。
本発明は、上述したような具体的な製造方法の例示に限定されない。例えば、第一プリプレグ４１と第二プリプレグ４２とは、下型２０と上型３０との間に、別々に導入されてもよい。あるいは、第一プリプレグ４１と第二プリプレグ４２とは、下型２０と上型３０との間に導入される前に、予め一体化あるいは接合されていてもよい。
第一プリプレグ４１と第二プリプレグ４２とは、予め補強部材１２に対応する形状に成形されていてもよい。この場合、かかる成形体は、下型２０と上型３０とを閉じ合わせる前に、ベース部材１１とともに下型２０にセットされ得る。あるいは、図４において、下型２０にベース部材１１をセットすることに代えて、ベース部材１１の基となる金属板が、第二プリプレグ４２と下型２０との間に挿入され得る。この場合、閉型及びこれに続く加熱（図５参照）によって、ベース部材１１及び補強部材１２の成形と接合とが同時に行われ得る。
ベース部材１１の内面には、上述の前処理が行われてもよい（特に第二補強部１２ｂが熱可塑性ＦＲＰである場合：この場合、第一補強部１２ａもまた熱可塑性ＦＲＰであることが多い。）。
なお、第二補強部１２ｂが熱可塑性ＦＲＰである場合、図７に示されているように、閉型前にて、硬化前の熱硬化性樹脂のシート（熱硬化性樹脂前駆体シート）である接着シート４３が、ベース部材１１と第二補強部１２ｂとの間に挿入され得る。すると、図８に示されているように、熱硬化性樹脂からなる接着層１２３を介して、ベース部材１１と第二補強部１２ｂとの接合が形成される。かかる構成及び製造方法によれば、ベース部材１１の内面に上述の前処理が行われなくても、ベース部材１１と、熱可塑性ＦＲＰからなる第二補強部１２ｂを有する補強部材１２と、の接合が、良好に行われる。
その他、特段に言及されていない変形例についても、本発明の本質的部分を変更しない範囲内において、本発明の技術的範囲に含まれることは当然である。また、本発明の課題を解決するための手段を構成する各要素における、作用・機能的に表現されている要素は、上述の実施形態や変形例にて開示されている具体的構成及びその均等物の他、当該作用・機能を実現可能ないかなる構成をも含む。
１０…複合構造体、１１…ベース部材、１２…補強部材、１２ａ…第一補強部、１２ｂ…第二補強部、２０…下型、２１…キャビティ、２２…ヒータ、３０…上型、３１…凸部、３２…ヒータ、４１…第一プリプレグ、４２…第二プリプレグ、４３…接着シート。

Claims (10)

  1. 繊維強化プラスチックと金属材料との積層構造を有する複合構造体であって、
    金属材料からなるベース部材と、
    繊維強化プラスチックを含む補強部材と、
    を有し、
    前記補強部材は、
    強化繊維が一方向に配向した繊維強化プラスチックからなる第一補強部と、
    前記第一補強部における強化繊維の配向方向と交差する方向に配向した強化繊維を少なくとも含有する繊維強化プラスチックからなり、前記ベース部材と前記第一補強部との間に介在するように設けられた第二補強部と、
    を有し、
    前記ベース部材との接合部にて熱硬化性樹脂を含有することを特徴とする、複合構造体。
  2. 前記第二補強部は、熱硬化性樹脂を含有するものであって、前記ベース部材と直接接合されたことを特徴とする、請求項１に記載の複合構造体。
  3. 前記第一補強部は、熱硬化性樹脂を含有するものであって、前記第二補強部と直接接合されたことを特徴とする、請求項１又は２に記載の複合構造体。
  4. 前記第二補強部は、強化繊維としてのクロス材を含有することを特徴とする、請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載の複合構造体。
  5. 前記第一補強部及び前記第二補強部のうちの少なくともいずれか一方は、炭素繊維強化プラスチックからなることを特徴とする、請求項１〜４のうちのいずれか１項に記載の複合構造体。
  6. 繊維強化プラスチックと金属材料との積層構造を有する複合構造体の製造方法であって、
    金属材料からなるベース部材と、強化繊維が一方向に配向した繊維強化プラスチックのプリプレグからなる第一補強部前駆体と、前記第一補強部前駆体における強化繊維の配向方向と交差する方向に配向した強化繊維を少なくとも含有する繊維強化プラスチックのプリプレグからなる第二補強部前駆体とを、前記第二補強部前駆体が前記ベース部材と前記第一補強部前駆体との間に介在するように積層する、積層工程と、
    前記積層工程によって得られた、前記第一補強部前駆体と前記第二補強部前駆体と前記ベース部材との積層体を加熱する、加熱工程と、
    を含むことを特徴とする、複合構造体の製造方法。
  7. 前記積層工程は、硬化前の熱硬化性樹脂を含有する前記第二補強部前駆体と前記ベース部材とが直接接合され、且つ前記第二補強部前駆体と硬化前の熱硬化性樹脂を含有する前記第一補強部前駆体とが直接接合された状態の前記積層体を生成することを特徴とする、請求項６に記載の複合構造体の製造方法。
  8. 前記積層工程は、
    一対の金型における一方にセットされた前記ベース部材と、一対の前記金型における他方と、の間に、シート状の前記第一補強部前駆体及び前記第二補強部前駆体を配置し、
    一対の前記金型を閉じ合わせることで、前記第一補強部前駆体及び前記第二補強部前駆体を所定形状に成形しつつ前記積層体を形成し、
    前記加熱工程は、閉じ合わせられた一対の前記金型内にて、前記積層体を加熱することを特徴とする、請求項６又は７に記載の複合構造体の製造方法。
  9. 前記第二補強部前駆体は、強化繊維としてのクロス材を含有することを特徴とする、請求項６〜８のうちのいずれか１項に記載の複合構造体の製造方法。
  10. 前記第一補強部前駆体及び前記第二補強部前駆体のうちの少なくともいずれか一方は、炭素繊維強化プラスチックのプリプレグからなることを特徴とする、請求項６〜９のうちのいずれか１項に記載の複合構造体の製造方法。
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