JP2017061068A - 金属−ｃｆｒｐ複合部材 - Google Patents

Abstract

【課題】 金属部材の表面に補強材を接着する熱硬化性接着剤の残留剪断応力を低減する。【解決手段】 金属−ＣＦＲＰ複合部材１１は、複数の繊維層を積層したＣＦＲＰ製の補強材１３を熱硬化性接着剤１４で金属部材１２の表面に接着したものであり、熱硬化性接着剤１４を加熱硬化させた後に常温まで冷却したときに、金属部材１２および補強材１３の熱膨張率の差によって熱硬化性接着剤１４に残留剪断応力が発生し、熱硬化性接着剤１４が破断して強度低下の要因となる可能性がある。本発明の金属−ＣＦＲＰ複合部材１１は、補強材１３が略一定厚さを有する本体部１３ａと、本体部１３ａから端縁に向けて徐々に厚さが減少する残留剪断応力緩和部１３ｂとからなるので、熱硬化性接着剤１４を加熱硬化させた後に常温まで冷却したときに、補強材１３の残留剪断応力緩和部１３ｂによって熱硬化性接着剤１４の端縁部の残留剪断応力が減少し、熱硬化性接着剤１４の破断による強度低下が防止される。【選択図】 図１

Description

本発明は、複数の繊維層を積層したＣＦＲＰ製の補強材を熱硬化性接着剤で金属部材の表面に接着した金属−ＣＦＲＰ複合部材に関する。

四角断面の金属部材の一面に厚さが１０μｍ以上、５００μｍ以下の接着剤を介してＣＦＲＰ製の補強材を接着した金属−ＣＦＲＰ複合部材において、接着剤の体積固有抵抗値を１×１０¹³Ω・ｃｍとし、かつ室温における接着強度を１５ＭＰａ以上とすることで、強度および衝撃エネルギー吸収性能を向上させたものが、下記特許文献１により公知である。前記ＣＦＲＰ製の補強材は、カーボン繊維の連続繊維に樹脂を含浸させたプリプレグをプレス加工したり、型内に配置したカーボン繊維の連続繊維に樹脂を注入して作られる（これをＲＴＭ製法という）。これら連続繊維のうち、カーボン繊維の単一層をＣＦＲＰ層と呼ぶ。

ＷＯ９９／０１０１６８

ところで、係る金属−ＣＦＲＰ複合部材の補強材および接着剤を金属部材と共に加熱して硬化させた後に冷却するとき、金属部材はＣＦＲＰ製の補強材よりも熱収縮率が高いため、金属部材および補強材に挟まれた接着剤に残留剪断応力が発生し、接着剤の破断に対する強度の余裕が小さくなることで、この残留剪断応力によって接着剤が破断して補強材が端部から剥がれて金属−ＣＦＲＰ複合部材の強度が低下する可能性がある。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、金属部材の表面に補強材を接着する熱硬化性接着剤の残留剪断応力を低減することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、複数の繊維層を積層したＣＦＲＰ製の補強材を熱硬化性接着剤で金属部材の表面に接着した金属−ＣＦＲＰ複合部材であって、前記補強材は略一定厚さを有する本体部と、前記本体部から端縁に向けて徐々に厚さが減少する残留剪断応力緩和部とからなることを特徴とする金属−ＣＦＲＰ複合部材が提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記補強材はカーボン繊維のＵＤ（一方向に揃った連続繊維）を含むＣＦＲＰ層を複数枚積層したものであり、前記残留剪断応力緩和部は前記ＣＦＲＰ層の積層厚さを階段状に減少させることで構成されることを特徴とする金属−ＣＦＲＰ複合部材が提案される。

また請求項３に記載された発明によれば、請求項１または請求項２の構成に加えて、前記本体部の厚さが１ｍｍのとき、前記残留剪断応力緩和部の幅は４０ｍｍ〜８０ｍｍであることを特徴とする金属−ＣＦＲＰ複合部材が提案される。

また請求項４に記載された発明によれば、請求項１〜請求項３の何れか１項の構成に加えて、前記金属−ＣＦＲＰ複合部材は、自動車のフロントピラー、センターピラー、ルーフサイドレール、サイドシル、クロスメンバ、ドアビーム、リヤフレームおよびルーフアーチの何れかであることを特徴とする金属−ＣＦＲＰ複合部材が提案される。

また請求項５に記載された発明によれば、請求項１〜請求項４の何れか１項構成に加えて、前記金属部材の長さの１／２〜１／４の長さの前記補強材を、前記金属部材の中央部に接着したことを特徴とする金属−ＣＦＲＰ複合部材が提案される。

なお、実施の形態のプリプレグ１５は本発明のＣＦＲＰ層に対応する。

請求項１の構成によれば、金属−ＣＦＲＰ複合部材は、複数の繊維層を積層したＣＦＲＰ製の補強材を熱硬化性接着剤で金属部材の表面に接着したものであり、熱硬化性接着剤を加熱硬化させた後に常温まで冷却したときに、金属部材および補強材の線膨張係数の差によって熱硬化性接着剤に残留剪断応力が発生し、熱硬化性接着剤が破断して強度低下の要因となる可能性がある。本発明の金属−ＣＦＲＰ複合部材は、補強材が略一定厚さを有する本体部と、本体部から端縁に向けて徐々に厚さが減少する残留剪断応力緩和部とからなるので、熱硬化性接着剤を加熱硬化させた後に常温まで冷却したときに、補強材の残留剪断応力緩和部によって熱硬化性接着剤の端縁部の残留剪断応力が減少し、熱硬化性接着剤の破断に対する安全率の低下を少なくすることができる。

また請求項２の構成によれば、補強材はカーボン繊維のＵＤを含むＣＦＲＰ層を複数枚積層したものであり、残留剪断応力緩和部はＣＦＲＰ層の積層厚さを階段状に減少させることで構成されるので、本体部から端縁に向けて徐々に厚さが減少する残留剪断応力緩和部を容易に実現することができる。

また請求項３の構成によれば、本体部の厚さが１ｍｍのとき、残留剪断応力緩和部の幅は４０ｍｍ〜８０ｍｍであるので、板厚が２ｍｍで強度が５９０ＭＰａ程度の金属部材に対して、残留剪断応力による接着剤の破断や金属部材の変形を抑制することができる。

また請求項４の構成によれば、金属−ＣＦＲＰ複合部材は、自動車のフロントピラー、センターピラー、ルーフサイドレール、サイドシル、クロスメンバ、ドアビーム、リヤフレームおよびルーフアーチの何れかであるので、重量の増加を最小限に抑えながら自動車の骨格部材を補強することができる。

また請求項５の構成によれば、金属部材の長さの１／２〜１／４の長さの補強材を、金属部材の中央部に接着したので、高価なＣＦＲＰ製の補強材の使用量を最小限に抑えながら、金属−ＣＦＲＰ複合部材に入力する曲げモーメントを効率的に支持することができる。

金属−ＣＦＲＰ複合部材の斜視図。（第１の実施の形態） 図１の２方向矢視図。（第１の実施の形態） 図１の３−３線断面図。（第１の実施の形態） 熱硬化性接着剤の残留剪断応力の変化を示すグラフ。（第１の実施の形態） 残留剪断応力による金属部品の変形状態を示す図。（第１の実施の形態） 自動車の骨格を示す斜視図。（第２の実施の形態）（第２の実施の形態） 自動車のドアビームに適用した金属−ＣＦＲＰ複合部材を説明する図。（第２の実施の形態）

第１の実施の形態

以下、図１〜図５に基づいて本発明の第１の実施の形態を説明する。

図１、図２および図３（Ａ）に示すように、第１実施例の金属−ＣＦＲＰ複合部材１１は、一定断面の鋼管よりなる金属部材１２の四面のうちの一面に、ＣＦＲＰ（カーボン繊維補強樹脂）製の補強材１３を熱硬化性接着剤１４を介して接着して構成される。

金属部材１２の板厚は２ｍｍであり、断面形状は５０ｍｍ×５０ｍｍの正方形であり、強度は５９０ＭＰａである。

補強材１３を構成するプリプレグ１５は、カーボン連続繊維を一方向に引き揃えたＵＤに熱硬化性樹脂を含浸させてシート状にしたもので、１枚のプリプレグ１５厚さは０．１ｍｍである。プリプレグ１５を２層に積層したものを５枚用意し、それらの長手方向端部を１０ｍｍずつ階段状にずらして重ね合わせることで、１０層のプリプレグ１５よりなる最大厚さ１．０ｍｍの補強材１３を構成する。

最下層のプリプレグ１５は金属部材１２の一面と同じ大きさであり、金属部材１２の長手方向端部から４０ｍｍ以上離れた補強材１３の本体部１３ａでは、１０層に積層されたプリプレグ１５の合計厚さは一定値の１．０ｍｍとなる。金属部材１２の長手方向端部と本体部１３ａとに挟まれた補強材１３の残留剪断応力緩和部１３ｂでは、本体部１３ａから１０ｍｍ離れるごとにプリプレグ１５の合計厚さが０．２ｍｍずつ階段状に減少し、金属部材１２の長手方向端部の近傍でプリプレグ１５の合計厚さは最小値の０．２ｍｍとなる。

金属部材１２の一面に補強材１３を接着する熱硬化性接着剤１４は、厚さが１ｍｍ、弾性率が１．５ＧＰａの熱硬化性エポキシ樹脂で構成される。

金属−ＣＦＲＰ複合部材１１は、金属部材１２の一面に未硬化の熱硬化性接着剤１４および未硬化の補強材１３を重ね合わせた状態で１２０゜Ｃに加熱し、熱硬化性接着剤１４および補強材１３のプリプレグ１５を硬化させた後に、室温の２０°Ｃに冷却することで製造される。

金属−ＣＦＲＰ複合部材１１を加熱して冷却するとき、金属部材１２はＣＦＲＰ製の補強材１３よりも線膨張係数が高いため、金属部材１２および補強材１３に挟まれた熱硬化性接着剤１４に残留剪断応力が発生する。例えば熱硬化性接着剤１４の初期の剪断強度が３０ＭＰａであっても、経年劣化により１０年後には剪断強度が１０ＭＰａまで低下するため、製造時の残留剪断応力によって熱硬化性接着剤１４の破断強度の余裕がより少なって想定内の外部入力で破断し、金属部材１２から補強材１３の端部が剥がれて金属−ＣＦＲＰ複合部材１１の強度が低下する可能性がある。

しかしながら、本実施の形態の金属−ＣＦＲＰ複合部材１１は、補強材１３の残留剪断応力緩和部１３ｂにおいてプリプレグ１５の積層厚さが端部側に向かって漸減しているため、熱硬化性接着剤１４の残留剪断応力が大きくなる補強材１３の端部近傍で残留剪断応力を小さく抑え、熱硬化性接着剤１４の破断を防止して金属−ＣＦＲＰ複合部材１１の強度を確保することができる。しかも補強材１３の残留剪断応力緩和部１３ｂはプリプレグ１５の積層厚さを階段状に減少させることで構成されるので、補強材１３の本体部１３ａから端縁に向けて徐々に厚さが減少する残留剪断応力緩和部１３ｂを容易に実現することができる。

図４のグラフは、金属−ＣＦＲＰ複合部材１１を加熱温度である１２０゜Ｃから室温である２０゜Ｃに冷却したときの、金属−ＣＦＲＰ複合部材１１の長手方向における熱硬化性接着剤１４の残留剪断応力の変化を示すものである。ここで、図３（Ｃ）に示す比較例の金属−ＣＦＲＰ複合部材１１は、１０層のプリプレグ１５が全て同一長さであって金属部材１２の長手方向端部に達しており、残留剪断応力緩和部１３ｂを備えていない。また図３（Ｂ）に示す実施例２は、実施例１の残留剪断応力緩和部１３ｂの長さを４０ｍから８０ｍｍに延長したものである。その他の構成は、実施例１、実施例２および比較例で同一である。

同グラフから明らかなように、比較例の熱硬化性接着剤１４の残留剪断応力は、金属−ＣＦＲＰ複合部材１１の長手方向端部において著しく高くなっており、端部からの距離の増加に応じて急激に低下する。実施例１は、金属−ＣＦＲＰ複合部材１１の長手方向端部における残留剪断応力が比較例の約３分の２に減少しており、端部からの距離の増加による残留剪断応力の低下は比較例よりも緩やかである。実施例２は、金属−ＣＦＲＰ複合部材１１の長手方向端部における残留剪断応力が比較例の約２分の１に減少しており、端部からの距離の増加に伴う残留剪断応力の低下は実施例１よりも更に緩やかである。

また図５に鎖線で示すように、比較例では熱硬化性接着剤１４の残留剪断応力が大きくなるため、熱硬化性接着剤１４に接する金属部材１２の一面が内側に凹むように変形する虞があるが、図５に実線で示すように、実施例では熱硬化性接着剤１４の残留剪断応力が小さくなるために金属部材１２の変形を小さく抑えることができる。

このように、補強材１３の本体部１３ａの厚さが１ｍｍのとき、残留剪断応力緩和部
１３ｂの幅を４０ｍｍ〜８０ｍｍとすることで、板厚が２ｍｍで強度が５９０ＭＰａ程度の金属部材１２に対して、金属−ＣＦＲＰ複合部材１１の端部近傍における熱硬化性接着剤１４の残留剪断応力を著しく減少させることができるため、熱硬化性接着剤１４の破断や金属部材１２の変形を抑制して金属−ＣＦＲＰ複合部材１１の強度を確保することができる。

第２の実施の形態

次に、図６および図７に基づいて本発明の第２の実施の形態を説明する。

第２の実施の形態は、金属−ＣＦＲＰ複合部材１１を自動車のドアを側面衝突の衝突荷重から保護するドアビーム１６に適用したものである。図７（Ａ）および図７（Ｂ）に示すように、両端をドアのフレームに固定された金属−ＣＦＲＰ複合部材１１としてのドアビーム１６の金属部材１２は、車幅方向内外の側面の上下端から上下方向にフランジ部１２ａが突出する断面形状を有しており、その車幅方向内面の長手方向中央部に熱硬化性接着剤１４でＣＦＲＰ製の補強材１３が接着される。

図７（Ｃ）に示すように、ドアビーム１６の長手方向中央部に衝突荷重が入力したとき、発生する曲げモーメントは長手方向中央部で最大になり、そこから両端部に向かって減少する。本実施の形態では、補強材１３の長さをドアビーム１６の長さの１／２〜１／４に設定するとともに、その補強材１３をドアビーム１６の長手方向中央部に配置することで、ドアビーム１６のうちの大きな曲げモーメントが発生する部分（図７（Ｃ）の鎖線で囲んだ部分）だけを補強材１３で補強している。これにより、高価なＣＦＲＰ製の補強材１３の使用量を最小限に抑えながら、ドアビーム１６に入力する曲げモーメントを効率的に支持することができる。

本発明の金属−ＣＦＲＰ複合部材１１は、自動車のドアビーム１６だけでなく、図６に示すように、自動車のフロントピラー１７、センターピラー１８、ルーフサイドレール１９、サイドシル２０、クロスメンバ２１、リヤフレーム２２およびルーフアーチ２３等に適用することができ、これにより重量の増加を最小限に抑えながら自動車の骨格部材を補強することができる。

しかも、自動車のフロントピラー１７、センターピラー１８、ルーフサイドレール１９、サイドシル２０、クロスメンバ２１、リヤフレーム２２およびルーフアーチ２３等を結合して車体ホディを組み立てた後に、それらの車室側の面に貼り付けるだけで容易に車体の強度剛性を高めることができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、実施の形態の金属部材１２は正方形断面の鋼管であるが、金属部材１２は任意の断面形状の管材あるいは任意に断面形状の板材であっても良く、その材質も鋼材に限定されずに任意である。

また実施の形態のプリプレグ１５のカーボン連続繊維は全て金属−ＣＦＲＰ複合部材１１の長手方向に配向されているが、各層のプリプレグ１５のカーボン連続繊維の配向方向を異ならせ、補強材１３に疑似等方性を与えても良い。

また本発明の金属−ＣＦＲＰ複合部材１１の製法はＲＴＭ製法であっても良い。

１１ 金属−ＣＦＲＰ複合部材
１２ 金属部材
１３ 補強材
１３ａ 本体部
１３ｂ 残留剪断応力緩和部
１４ 熱硬化性接着剤
１５ プリプレグ（ＣＦＲＰ層）
１６ ドアビーム
１７ フロントピラー
１８ センターピラー
１９ ルーフサイドレール
２０ サイドシル
２１ クロスメンバ
２２ リヤフレーム
２３ ルーフアーチ

Claims (5)

1. 複数の繊維層を積層したＣＦＲＰ製の補強材（１３）を熱硬化性接着剤（１４）で金属部材（１２）の表面に接着した金属−ＣＦＲＰ複合部材であって、
   前記補強材（１３）は略一定厚さを有する本体部（１３ａ）と、前記本体部（１３ａ）から端縁に向けて徐々に厚さが減少する残留剪断応力緩和部（１３ｂ）とからなることを特徴とする金属−ＣＦＲＰ複合部材。
2. 前記補強材（１３）はカーボン繊維のＵＤを含むＣＦＲＰ層（１５）を複数枚積層したものであり、前記残留剪断応力緩和部（１３ｂ）は前記ＣＦＲＰ層（１５）の積層厚さを階段状に減少させることで構成されることを特徴とする、請求項１に記載の金属−ＣＦＲＰ複合部材。
3. 前記本体部（１３ａ）の厚さが１ｍｍのとき、前記残留剪断応力緩和部（１３ｂ）の幅は４０ｍｍ〜８０ｍｍであることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の金属−ＣＦＲＰ複合部材。
4. 前記金属−ＣＦＲＰ複合部材（１１）は、自動車のフロントピラー（１７）、センターピラー（１８）、ルーフサイドレール（１９）、サイドシル（２０）、クロスメンバ（２１）、ドアビーム（１６）、リヤフレーム（２２）およびルーフアーチ（２３）の何れかであることを特徴とする、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の金属−ＣＦＲＰ複合部材。
5. 前記金属部材（１２）の長さの１／２〜１／４の長さの前記補強材（１３）を、前記金属部材（１２）の中央部に接着したことを特徴とする、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の金属−ＣＦＲＰ複合部材。
   

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