JP2016221868A - 複合部材、及び、該複合部材の製造方法。 - Google Patents

Abstract

【課題】熱溶着が可能で生産性に優る、炭素繊維強化樹脂部材と金属部材とが接合された複合部材の提供。【解決手段】炭素繊維強化樹脂部材２と金属部材３とが熱溶着で接合されたものであり、炭素繊維強化熱可塑性樹脂部材２の金属部材３との接合面に、不連続な炭素繊維２１を含有する緩衝層２２を設け、好ましくは、緩衝層２２の炭素繊維２１を含有する含繊維部２２２と炭素繊維２１が途切れた樹脂部２２１との比（含繊維部長／樹脂部長）が、２〜６である複合部材１。【選択図】図１

Description

本発明は、複合部材及び該複合部材の製造方法に係り、更に詳細には、炭素繊維熱可塑性複合部材と金属部材とが接合された複合部材及び該複合部材の製造方法に関する。

従来から自動車には金属部材が多用されている。近年においては、軽量化による燃費向上や、複雑な形状の成形が容易で生産効率の向上等に有用であることから、樹脂部材が多く使用される。

特に、炭素繊維とプラスチック樹脂の複合部材であるＣＦＲＰ（ｃａｒｂｏｎ−ｆｉｂｅｒ−ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐｌａｓｔｉｃ）は、軽量かつ高強度であるため、省エネ・ＣＯ_２排出量削減などに有用である。

しかし、すべての金属部材を樹脂部材に替えることはできず、金属部材と樹脂部材とを接合して形成される部材も多く、金属部材と樹脂部材との接合には、ボルトやリベットで機械的に締結接合することが行われている。

金属部材と樹脂部材とをボルト等で機械的に締結する場合は、部品点数が多くなって、充分な軽量化を図ることができず、加えて、工数が増えるため生産効率を向上させることが困難である。

特許文献１の特開２００５−１６１８５２号公報には、未硬化状態のマトリックス樹脂を含浸した炭素繊維強化樹脂部材と金属部材とを積層して成形型にセットし、プレス成形等により加熱加圧して上記マトリックス樹脂を硬化させて炭素繊維強化樹脂部材と金属部材とを接合することが開示されている。

また、特許文献２の特開２０１３−１６６９０４号公報には、顆粒・繊維状のチタン酸バリウム等の誘電加熱媒体を含有させた接着剤を誘電加熱して接着剤を溶融した後、プレスして上記顆粒・繊維状の誘電加熱媒体を被接合体に食い込ませることで、繊維強化プラスチックを接合できる旨が開示されている。

特開２００５−１６１８５２号公報 特開２０１３−１６６９０４号公報

しかしながら、特許文献１に記載のものにあっては、マトリックス樹脂が熱硬化性樹脂である炭素繊維強化樹脂部材を用いるものであるため、硬化反応が終わるまで加熱し続ける必要があり、成形に長時間要するため生産性を向上させることが困難である。

また、特許文献２に記載のものにあっては、炭素繊維強化樹脂部材と金属製部材との接合等、線膨張係数差が大きい異種部材同士の接合に用いると、ヒートサイクルや、熱溶着後の部材収縮等により接合面が剥離することがある。
つまり、金属部材、例えば、アルミニウムの線膨張係数は２３×１０^−６／Ｋであるのに対し、炭素繊維強化樹脂の線膨張係数は、０．１〜１．５×１０^−６／Ｋ程度であって、金属部材との線膨張係数差が大きいため、温度変化による膨張・収縮差が大きく、熱溶着すると接合面に歪が生じて剥離が生じ易い。

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、熱溶着が可能で生産性に優れ、かつ耐ヒートサイクル性に優れる、炭素繊維強化樹脂部材と金属部材とが接合された複合部材、及び該複合部材の製造方法を提供することにある。

本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、接合面方向に不連続な炭素繊維を含有する緩衝層を、炭素繊維強化熱可塑性樹脂部材の接合面に設けることで、金属部材の膨張・収縮に対する追従性が発現され、熱溶着が可能で、かつヒートサイクルによる剥離を防止できることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明の複合部材は、炭素繊維強化熱可塑性樹脂部材と金属部材とが接合された複合部材であり、上記炭素繊維強化熱可塑性樹脂部材が、接合面方向に不連続な炭素繊維を含有する緩衝層を接合面に備えることを特徴とする。

また、本発明の複合部材の製造方法は、炭素繊維強化熱可塑性樹脂部材の接合面に、接合面方向に炭素繊維が不連続な緩衝層を形成し、金属部材と熱溶着することを特徴とする。

本発明によれば、接合面方向に不連続である炭素繊維を含有する緩衝層を、炭素繊維強化熱可塑性樹脂部材の接合面に設けることとしたため、熱溶着が可能で生産性に優れ、かつ耐ヒートサイクル性に優れる、炭素繊維強化熱可塑性樹脂部材と金属部材とが接合された複合部材を提供できる。

（ａ）は、本発明の複合部材の断面の一例を示す概略図である。 （ｂ）は、炭素繊維強化熱可塑性樹脂部材の緩衝層の一例を示す平面概略図である。

本発明の複合部材について詳細に説明する。本発明の複合部材１は、図１に示すように、炭素繊維強化熱可塑性樹脂部材２と金属部材３とを接合したものである。

＜炭素繊維強化熱可塑性樹脂部材＞
本発明は、マトリックス樹脂が熱可塑性樹脂である炭素繊維強化熱可塑性樹脂部材（Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒａｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃｓ Ｐｌａｓｔｉｃｓ；以下、ＣＦＲＴＰということがある。）を用いる。

マトリックス樹脂が、加熱すると軟化し、冷えると固まる熱可塑性樹脂であることで、接合に要する時間を大幅に短縮することができ、生産性を向上させることができる。
上記熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリオキシメチレン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンエーテル、変性ポリフェニレンエーテル、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、ＡＳ樹脂、ＡＢＳ樹、ナイロン等を挙げることができる。

上記マトリックス樹脂中に分散される炭素繊維（ＣＦ）としては、従来公知の任意の炭素繊維を使用することができる。上記炭素繊維としては、例えば、ＰＡＮプリカーサ（ポリアクリロニトリル繊維）を原料としたＰＡＮ系炭素繊維、コールタールを原料としたピッチ系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維のいずれを使用してもよく、必要に応じて、異なる種類の炭素繊維を組み合わせて使用してもよい。
また、上記炭素繊維の形態は、原糸が短繊維、長繊維のいずれであってもよく、チョップド糸、フェルト、マットなどの形態に加工されていてもよい。

本発明のＣＦＲＴＰは、図１に示すように、接合面方向に不連続な炭素繊維２１を含有する緩衝層２２を備える。
上記緩衝層２２は、炭素繊維２１が不連続で、炭素繊維２１が途切れた柔軟な樹脂部２２１と、炭素繊維２１を含有する剛直な含繊維部２２２とを有する。樹脂部２２１と、含繊維部２２２とが接合面方向に交互に形成されることで、金属部材３との膨張・収縮差による歪が金属部材３との接合面に集中せずに、樹脂部２２１にも分散されるため、接合面での剥離が防止されるものと考えられる。

上記緩衝層の樹脂部２２１の長さと、炭素繊維を含有する含繊維部２２２の長さとの比（含繊維部長／樹脂部長）は、接合する金属部材３にもよるが、２以上６以下であることが好ましく、さらに４以上６以下であることが好ましい。
含繊維部長／樹脂部長が２以上６以下であることで、ＣＦＲＴＰと金属部材とが強固に接合されて剥離が防止される。
なお、本発明において緩衝層の樹脂部２２１とは、炭素繊維２１が途切れて炭素繊維２１によって強化されていない部分をいい、千切れた炭素繊維片が含有しないことを意味するものでない。
また、含繊維部の長さ及び樹脂部の長さとは、含繊維部又は樹脂部の短辺又は短径の長さをいう。

上記緩衝層の炭素繊維を含有する含繊維部の長さは、ＣＦＲＴＰ中の炭素繊維の体積含有率（Ｖｆ）、炭素繊維径等にもよるが、１ｍｍ以上５ｍｍ以下であることが好ましい。１ｍｍ以上であれば、炭素繊維長が確保されてＣＦＲＴＰの強度低下を防止でき、５ｍｍ未満であれば、含繊維部の接合面に歪が溜まらず剥離を防止することができる。

また、緩衝層の厚さは、ＣＦＲＴＰ中の炭素繊維の体積含有率（Ｖｆ）、炭素繊維径等にもよるが、耐剥離性と強度低下とのバランスから０．０５ｍｍ〜１ｍｍであることが好ましい。

さらに、上記緩衝層の線膨張係数は、金属部材の線膨張係数の０．５〜１．１倍であることが好ましい。緩衝層の線膨張係数が上記範囲内であることで、熱溶着による接合が可能となり、生産性を向上できる。緩衝層の線膨張係数は、上記樹脂部と含繊維部との長さの比によって調節することができる。

線膨張係数は、ＪＩＳＫ−６９１１に基づいて測定することができる。
炭素繊維強化熱可塑性樹脂部材から、縦１０ｍｍ、横１０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍの緩衝層を切り取り試験片とする。
試験片の初期の長さ（Ｌ）を正確に測定し、熱機械的分析装置Ｔｈｅｒｍｏ Ｐｌｕｓ ＴＭＡ８３１０（リガク社製）を用いて、荷重０．０５Ｎ、昇温速度１℃／分で、３０℃から８０℃の長さの変化量（△Ｌ１）を測定する。
線膨張係数は、長さの変化量（△Ｌ１）／試験片の初期の長さ（Ｌ）×５０で求めることができる。

上記緩衝層は、緩衝層と母材との炭素繊維が連続するものであることが好ましい。炭素繊維が緩衝層と母材との間で連続していることで、ＣＦＲＴＰの強度低下が防止される。
本発明において、炭素繊維が連続するとは、緩衝層が母材と一体成形されたものであることをいい、緩衝層の含繊維部と母材との炭素繊維が連続性を有すれば足り、板状の炭素繊維層を複数枚重ねたときの炭素繊維層間が存在しないことを意味するものでない。

＜金属部材＞
上記金属部材としては、例えば、鉄、ステンレス、アルミニウム、銅、黄銅、ニッケル、亜鉛等の金属を用いた部材が挙げられ、これらの金属を一種又は２種以上含むものであってもよい。
具体的には、ＳＳ材、ＳＰＣＣ材、ハイテン材などの鉄類や、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６などのステンレス類、１０００〜７００番台アルミニウムやその合金を使用できる。

また、金属部材の形状は特に限定されず、得ようとする複合部材の形状や用途に応じて適宜選択される。

＜接合方法＞
本発明の炭素繊維強化熱可塑性樹脂部材と金属部材とが接合された複合部材の製造方法においては、炭素繊維強化熱可塑性樹脂部材の接合面に上記緩衝層を形成し、加熱して熱可塑性樹脂を溶融させて、金属部材とＣＦＲＴＰとを接合（融着）させる。

上記緩衝層は、ＣＦＲＴＰの接合面の炭素繊維を所望の深さまで切断して溝を形成し、加熱することで形成できる。具体的には、溝を形成したＣＦＲＴＰを加熱し、ＣＦＲＴＰ中の熱可塑性樹脂を溶融させて上記溝を埋めることで、含繊維部と樹脂部とが形成される。

上記熱可塑性樹脂の溶融は、金属部材との接合と同時に行ってもよく、金属部材との接合前に行ってもよい。

炭素繊維の体積含有率（Ｖｆ）が高いＣＦＲＴＰを用いる場合は、熱可塑性樹脂のフィルムや、シート、不織布等を介して、金属部材とＣＦＲＴＰとを融着してもよい。熱可塑性樹脂のフィルム等を用いることで、金属部材とＣＦＲＴＰを接合できる。
上記熱可塑性樹脂のフィルム等は、接合面全体に設ける必要はなく、接合性を確保できれば局所的に設けてもよい。

上記熱可塑性樹脂のフィルム等を構成する熱可塑性樹脂は、ＣＦＲＴＰのマトリックス樹脂と相溶するものであれば使用できるが、ＣＦＲＴＰを構成するマトリックス樹脂と同種の樹脂であることが好ましい。

上記熱可塑性樹脂のフィルム等の厚さは、溶着に必要な樹脂を供給できればよく、０．５ｍｍ以下であることが好ましい。０．５ｍｍを超えると強度が低下することがある。

上記融着方法としては、加熱加圧による方法が好ましい。加熱手段としては、ヒーターの他、金属部材を電磁誘導により加熱するものや、超音波、レーザー等により、接合面を直接加熱する加熱するものを使用できる。

加熱温度は、ＣＦＲＴＰを構成する熱可塑性樹脂の溶融温度以上かつ分解温度以下にすることが好ましく、溶融温度＋１５℃以上かつ分解温度−３０℃であることがより好ましい。

また、加圧条件としては、融着面に１〜３ＭＰａの圧力をかけることが好ましく、さらに１．５〜２ＭＰａの圧力をかけることが好ましい。
圧力が１ＭＰａ以上であると良好な接合力を得ることができ、また、圧力が３ＭＰａ以下であれば、加圧部分が潰れることなくＣＦＲＴＰの強度の低下が防止される。

以下、本発明を実施例により詳細に説明するが、本発明は下記実施例に限定されるものではない。

［実施例１］
長さ１００ｍｍ、幅２５ｍｍ、厚み２ｍｍのＣＦＲＴＰ（熱可塑性樹脂：ナイロン６６、炭素繊維：ＰＡＮ系炭素繊維目付け量２５０ｇ／ｍ^２）の接着面の炭素繊維をカッターで切断し、深さ０．５ｍｍの溝を１ｍｍ間隔で格子状に形成して緩衝層を形成した。
上記ＣＦＲＴＰの含繊維部長／樹脂部長は、２であった。
また、長さ１００ｍｍ、幅２５ｍｍ、厚み２ｍｍのアルミニウム板（線膨張係数：２３×１０^−６／Ｋ）の接着面を＃１００のやすりで磨いて粗面化した後、アセトンで接着面を洗浄し、８０℃のオーブンで３０分間乾燥した。
接合面が５０ｍｍ×２５ｍｍとなるように、上記ＣＦＲＴＰとアルミニウム板を重ね、加熱温度２８０℃、加圧圧力１．８ＭＰａの条件で３分間プレスして熱溶着し、複合部材を得た。

上記複合部材の引張強度を、ＪＩＳ ７１６５に準拠し、負荷速度５ｍｍ／ｍｉｎ（室温）で測定した。
また、上記複合部材から、縦１０ｍｍ、横１０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍの緩衝層を切り取り、線膨張係数を測定した。評価結果を表１に示す。

［実施例２］
深さ０．５ｍｍの溝を２ｍｍ間隔で格子状に形成した緩衝層を形成する他は実施例１と同様にして複合部材を得た。
上記ＣＦＲＴＰの含繊維部長／樹脂部長は、４であった。評価結果を表１に示す。

［実施例３］
深さ０．５ｍｍの溝を３ｍｍ間隔で格子状に形成した緩衝層を形成する他は実施例１と同様にして複合部材を得た。
上記ＣＦＲＴＰの含繊維部長／樹脂部長は、６であった。評価結果を表１に示す。

［実施例４］
深さ０．５ｍｍの溝を６ｍｍ間隔で格子状に形成した緩衝層を形成する他は実施例１と同様にして複合部材を得た。
上記ＣＦＲＴＰの含繊維部長／樹脂部長は、１２であった。評価結果を表１に示す。

［実施例５］
アルミニウム板を、長さ１００ｍｍ、幅２５ｍｍ、厚み２ｍｍのスチール板（線膨張係数：１１．７×１０^−６／Ｋ）に代える他は、実施例３と同様にして複合部材を得た。
上記ＣＦＲＴＰの含繊維部長／樹脂部長は、６であった。評価結果を表１に示す。

［比較例１］
緩衝層を形成しない他は実施例１と同様にして複合部材を得た。評価結果を表１に示す。

上記評価結果から、緩衝層を設けたＣＦＲＴＰ部材は熱圧着によって、金属部材と強固に接合することが可能で、生産性を向上させることができることがわかる。
また、本発明の複合部材は、自動車分野だけでなく航空宇宙分野の部材としても有用である。

１ 複合部材
２ 炭素繊維強化熱可塑性樹脂部材
２１ 炭素繊維
２２ 緩衝層
２２１ 樹脂部
２２２ 含繊維部
３ 金属部材

Claims (6)

1. 炭素繊維強化熱可塑性樹脂部材と金属部材とが接合された複合部材であって、
   上記炭素繊維強化熱可塑性樹脂部材が、母材の接合面に炭素繊維を含有する緩衝層を備えるものであり、
   上記緩衝層の炭素繊維が、接合面の面方向に不連続であることを特徴とする複合部材。
2. 上記緩衝層の炭素繊維を含有する含繊維部と炭素繊維が途切れた樹脂部との比（含繊維部長／樹脂部長）が、２以上６以下であることを特徴とする請求項１に記載の複合部材。
3. 上記緩衝層の線膨張係数が、上記金属部材の線膨張係数の０．５〜１．１倍であることを特徴とする請求項２に記載の複合部材。
4. 上記緩衝層と母材との炭素繊維が連続するものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の複合部材。
5. 上記炭素繊維強化熱可塑性樹脂部材と上記金属部材とが、熱溶着されたものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の複合部材。
6. 炭素繊維強化熱可塑性樹脂部材と金属部材とが接合された複合部材の製造方法であって、
   接合面方向に炭素繊維が不連続な緩衝層を有する炭素繊維強化熱可塑性樹脂部材と、金属部材とを、熱溶着することを特徴とする複合部材の製造方法。

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