JP2020183046A - 機能性複合樹脂部材およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】強度低下を回避しながらも所望の機能の実現の容易を図りうる機能性複合樹脂部材およびその製造方法を提供する。【解決手段】本発明の機能性複合樹脂部材は、基材繊維１１の表面が機能性素材薄膜１２により覆われている織物により構成されている機能性複合樹脂部材１と、機能性複合樹脂部材１に重ね合わせられているプリプレグシート２と、を備えている。プリプレグシート２を構成する樹脂の一部が、機能性複合樹脂部材１を構成する機能性繊維１０の隙間に入り込んでいる。【選択図】 図１

Description

本発明は、電気伝導性などの機能性が付与された機能性複合樹脂部材およびその製造方法に関する。

例えば、シート状の複数のプリプレグ（ＰＧ）が樹脂層を介して積み重ねられることにより構成されているＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ：基材繊維強化プラスチック）の部材に電気伝導性または熱伝導性などの機能性を付与するため、機能性微粒子を表層または中間層を構成する当該樹脂層に分散させることが提案されている（特許文献１〜５参照）。引用文献１には、３次元基材繊維強化樹脂複合体に関する発明で、同複合体に導電性を付与するため、生地の端部に相当する耳糸が面内方向糸より導電性の高い導電材料で構成されていることが記載されている。引用文献２には、プリプレグに関して、導電性粒子を含ませることで、優れた耐衝撃性と導電性を兼ね備える技術が記載されている。引用文献３には、プリプレグに関して、無機／有機材料の核が導電性物質で被覆された粒子を含ませることで、優れた耐衝撃性と導電性を兼ね備える技術が記載されている。引用文献４には、高分子樹脂中に分散した導電性粒子を含ませて、標準的な複合材料と比べ、ほとんど重量増加させない技術が記載されている。引用文献５には、小さな抵抗率を持つＣＦＲＰを製造するため、その表面に金属製フォイルや金属製メッシュを設置させることが記載されている。

特開２００７−３０１８３８号公報 特開２０１０−２８０９０４号公報 特開２０１１−２１９７６６号公報 特開２０１１−１６８７９２号公報 国際公開公報ＷＯ２０１３／１４６２２９

しかし、機能性微粒子を樹脂層に充填させることは困難であるため、機能性複合樹脂部材に所望の機能を付与することは困難である。また、たとえ当該所望の機能に鑑みて十分な量の機能性微粒子を樹脂層に充填することができたとしても機能性複合樹脂部材の強度が過度に低下する可能性がある。

そこで、本発明は、強度低下を回避しながらも所望の機能の実現の容易を図りうる機能性複合樹脂部材およびその製造方法を提供することを解決課題とする。

本発明の第１態様の機能性複合樹脂部材の製造方法は、基材繊維と、当該基材繊維の表面を被覆する機能性素材薄膜と、を有する機能性繊維の織物により構成されている機能性複合シートを作製する工程と、前記機能性複合シートにプリプレグシートを重ね合わせる工程と、前記機能性複合シートおよび前記プリプレグシートを重ね合わせ方向に加圧しながら加熱することにより、前記プリプレグシートを構成する樹脂の一部を、前記機能性複合シートを構成する前記機能性繊維の隙間に入り込ませる工程と、を含むことを特徴とする。

当該方法にしたがって製造される本発明の第１態様の機能性複合樹脂部材は、基材繊維と、当該基材繊維の表面を被覆する機能性素材薄膜と、を有する機能性繊維の織物により構成されている機能性複合シートと、前記機能性複合シートに重ね合わせられているプリプレグシートと、を備え、前記プリプレグシートを構成する樹脂の一部が、前記機能性複合シートを構成する前記機能性繊維の隙間に入り込んでいることを特徴とする。

本発明の第１態様としての機能性複合樹脂部材によれば、プリプレグシートを構成する樹脂に対して機能性素材の微粒子を充填する必要はなく、機能性複合シートとしての織物を構成する基材繊維の表面を覆う当該機能性素材薄膜の物性に由来する所望の機能が容易に実現されうる。

本発明の第１態様の機能性複合樹脂部材の製造方法において、前記機能性複合シートを作製する工程が、前記機能性繊維を織ることにより前記織物を作製する工程を含むことが好ましい。

当該方法にしたがって製造される機能性複合樹脂部材は、前記基材繊維と、当該基材繊維の表面を全体的に被覆する前記機能性素材薄膜と、を有する前記機能性繊維の織物により前記機能性複合シートが構成されている。

当該構成の機能性複合樹脂部材によれば、基材繊維の表面が部分的に機能性素材薄膜に覆われている場合よりも、所望の機能がより顕著に実現されうる。

本発明の第１態様の機能性複合樹脂部材の製造方法において、前記基材繊維と、当該基材繊維の表面を全体的に被覆する、複数の異なる機能性素材薄膜が積層された多層構造の前記機能性素材薄膜と、を有する前記機能性繊維を織ることにより前記織物を作製する工程を含むことが好ましい。

当該方法にしたがって製造される機能性複合樹脂部材は、前記基材繊維と、当該基材繊維の表面を全体的に被覆する、複数の異なる機能性素材薄膜が積層された多層構造の前記機能性素材薄膜と、を有する前記機能性繊維の織物により前記機能性複合シートが構成されている。

当該構成の機能性複合樹脂部材によれば、基材繊維の表面を全体的に覆っている多層構造の薄膜を構成する複数の機能性素材の組み合わせのバリエーションに由来する機能のバリエーションの拡張が図られる。

本発明の第１態様の機能性複合樹脂部材の製造方法において、前記機能性複合シートを作製する工程が、前記機能性素材薄膜としての第１機能性素材薄膜により表面が全体的に覆われた前記基材繊維としての経糸と、前記第１機能性素材薄膜とは異なる前記機能性素材薄膜としての第２機能性素材薄膜により表面が全体的に覆われた前記基材繊維としての緯糸と、を織ることにより前記織物を作製する工程を含むことが好ましい。

当該方法にしたがって製造される機能性複合樹脂部材は、前記機能性素材薄膜としての第１機能性素材薄膜により表面が全体的に覆われた前記基材繊維としての経糸と、前記第１機能性素材薄膜とは異なる前記機能性素材薄膜としての第２機能性素材薄膜により表面が全体的に覆われた前記基材繊維としての緯糸と、の織物により前記機能性複合シートが構成されている。

当該構成の機能性複合樹脂部材によれば、経糸の表面を全体的に覆っている第１機能性素材薄膜を構成する一または複数の機能性素材により構成されている第１の機能性素材群、および、緯糸の表面を全体的に覆っている第２機能性素材薄膜を構成する一または複数の機能性素材により構成されている第２の機能性素材群の組み合わせのバリエーションに由来する機能のバリエーションの拡張が図られる。

本発明の第２態様の機能性複合樹脂部材の製造方法は、空孔の一部に機能性素材が充填されている多孔質シートにより構成されている機能性複合シートを作製する工程と、前記機能性複合シートにプリプレグシートを重ね合わせる工程と、前記機能性複合シートおよび前記プリプレグシートを重ね合わせ方向に加圧しながら加熱することにより、前記プリプレグシートを構成する樹脂の一部を、前記機能性複合シートを構成する前記多孔質シートの前記空孔に入り込ませる工程と、を含むことを特徴とする。

当該方法にしたがって製造される本発明の第２態様の機能性複合樹脂部材は、空孔の一部に機能性素材が充填されている多孔質シートにより構成されている機能性複合シートと、前記機能性複合シートに重ね合わせられているプリプレグシートと、を備え、前記プリプレグシートを構成する樹脂の一部が、前記機能性複合シートを構成する前記多孔質シートの前記空孔に入り込んでいることを特徴とする。

本発明の第２態様としての機能性複合樹脂部材によれば、プリプレグシートを構成する樹脂に対して機能性素材の微粒子を充填する必要はなく、機能性複合シートを構成する多孔質シートの空孔に充填されている当該機能性素材薄膜の物性に由来する所望の機能が容易に実現されうる。

本発明の一実施形態としての機能性複合樹脂部材の構成に関する説明図。 機能性繊維の構成に関する説明図。 ニッケル薄膜が表面に形成されたポリエチレン基材（機能性複合樹脂部材）のＳＥＭ画像。 第１の拡大率のニッケル薄膜のＳＥＭ画像。 第２の拡大率のニッケル薄膜のＳＥＭ画像。 機能性複合樹脂部材の断面のＳＥＭ画像。 ポリプロピレン（ＰＰ）メッシュがプリプレグ（ＰＧ）相の最表面層に配置されて１６０℃でＦＲＰ成形された試料の断面写真。 ポリプロピレン（ＰＰ）メッシュがプリプレグ（ＰＧ）相の最表面層に配置されて１８０℃でＦＲＰ成形された試料の断面写真。 二重薄膜により被覆された基材繊維の一実施形態に関する説明図。 機能性複合樹脂部材の例示図。 機能性複合樹脂部材の拡大写真。 メッシュ基材の表裏に電極が配置された全固体型スーパキャパシタの概念的な説明図。 本発明の一実施形態としての機能性複合樹脂部材の製造方法に関する説明図。 本発明の機能性複合樹脂部材の適用状況に関する説明図。 パラジウムフリーの無電解銅めっきにおける表面組織の均一化に関する説明図。 開放反応器および閉鎖反応器を用いて作製された銅薄膜のＳＥＭ画像。 銅基板の前処理および置換銀めっき処理のフローチャート。 置換銀めっき薄膜のＸＲＤ測定結果に関する説明図。 銅基板の上に形成された置換銀めっき薄膜の表面ＳＥＭ画像。 銅イオン含有溶液から銅基板の上に形成された置換銀めっき薄膜表面のＳＥＭ画像。 閉鎖反応器を用いて作製された銅シード層（Ｓｔｅｐ１ ２０ｍｉｎ）、銅薄膜（Ｓｔｅｐ１＋Ｓｔｅｐ２ ２０ｍｉｎ）およびガラス基板のＸＲＤ測定結果に関する説明図。 銀薄膜のＸＲＤ測定結果に関する説明図。 Ａｇおよび／またはＣｕの薄膜形成過程における基板のＳＥＭ画像。 機能性複合樹脂部材の通電時の温度計算結果に関する説明図。

（構成）
図１に示されている本発明の一実施形態としての機能性複合樹脂部材は、機能性複合樹脂部材１と、機能性複合樹脂部材１を挟むように当該機能性複合樹脂部材１に重ね合わせられている一対のプリプレグシート２と、を備えている。機能性複合樹脂部材１が最表層を構成するように、一または複数の機能性複合樹脂部材１と、一または複数のプリプレグシート２と、が積み重ねられていてもよい。

機能性複合樹脂部材は、全体的に柔軟なシートのように巻き込みまたは折り曲げなどの変形が容易に成形されていてもよい。これにより、衣服または装飾品など、人の身体に装着される製品の少なくとも一部が当該機能性複合樹脂部材により構成されうる。

機能性複合樹脂部材１は、図２に示されているように、基材繊維１１の表面が全体的にまたは部分的に機能性素材薄膜１２により覆われている機能性繊維１０の織物により構成されている。基材繊維１１は、例えば、ポリエステル、ポリエチレンまたはポリプロピレンなどの熱可塑性高分子の単基材繊維、基材繊維束または基材繊維撚線により構成されている。そのほか、基材繊維１１は、炭素基材繊維またはガラス基材繊維であってもよい。機能性素材は、Ｎｉ、ＣｕまたはＡｇなどの金属のほか、当該金属の酸化物、窒化物またはフッ化物などであってもよい。表１には、機能性複合樹脂部材に対して付与される機能および機能性素材の関係がまとめて示されている。

例えば、ポリエステル、ポリエチレンまたはポリプロピレンなどの熱可塑性高分子の単基材繊維、基材繊維束、基材繊維撚線、クロス材、メッシュ基材またはポーラス材等の疎水性表面が触媒活性化処理等によって親水化処理された上で、均一なニッケル、銀または銅等の薄膜が形成される。図３Ａには、機能性素材としてのニッケルの薄膜により被覆されている、ポリエチレン基材繊維のメッシュ織物により構成されている機能性複合樹脂部材１のＳＥＭ画像が示されている。メッシュ織物は、機能性繊維１０により構成されている経糸１０１および緯糸１０２が織られることにより構成されている。図３Ｂおよび図３Ｃには、ニッケル薄膜の表面および断面ＳＥＭ画像が示されている。

プリプレグシート２は、ガラスクロスまたは炭素基材繊維のような基材繊維状補強材に、硬化剤または着剤材などの添加物が混合されたエポキシなどの熱硬化性樹脂を均等に含浸させ、加熱または乾燥して得られる半硬化状態の強化プラスチック成形材料である。プリプレグシート２を構成する樹脂２０の一部が、機能性複合樹脂部材１を構成する機能性繊維１０の隙間に入り込んでいる（図１参照）。

図４には、機能性複合樹脂部材の断面のＳＥＭ画像が示されている。図４から、一対のプリプレグシート２の間で、機能性複合樹脂部材１を構成する複数の機能性繊維１０（破線丸で囲まれている領域の中に存在する）の間隙に、当該一対のプリプレグシート２を構成する樹脂２０の一部が入り込んでいることがわかる。

ポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン等の融点がＦＲＰ材の耐熱性を損なうことはない。また、樹脂相中に固定されたこれらの高分子材の融解−凝固挙動には可逆性があり、ＦＲＰ材に熱吸収性能が付与される。

図４Ｂには、ポリプロピレン（ＰＰ）メッシュがプリプレグ（ＰＧ）相の最表面層に配置されて１６０℃でＦＲＰ成形された試料の断面写真が示されている。図４Ｃには、ポリプロピレン（ＰＰ）メッシュがプリプレグ（ＰＧ）相の最表面層に配置されて１８０℃でＦＲＰ成形された試料の断面写真が示されている。ＰＰ相の融解温度は１５４℃であり、その凝固温度は１２０℃である。ＦＲＰ成形に際して、硬化した樹脂相においてＰＰ相が融解した後、凝固することにより形状が維持されていることがわかる。

図５に示されているように、第１機能性素材薄膜１２１および第２機能性素材薄膜１２２により構成される二重構造の機能性素材薄膜１２により、基材繊維１１の表面が全体的にまたは部分的に覆われることにより機能性繊維１０が構成されていてもよい。

単基材繊維等軟質基材繊維にめっきなどによってニッケル薄膜が形成され、さらにその表面層が熱処理および／または化学改質により絶縁体薄膜として形成された基材繊維素材をクロス状またはメッシュ状に織られることにより、２次元に集積された電気回路構造およびセンシング機能が実現されうる。

図６Ａには、図５に示されているように、二重構造の機能性素材薄膜１２により、基材繊維１１の表面が全体的に覆われた状態の機能性繊維１０の、平織構造の織物により構成されているシート状の機能性複合樹脂部材１が示されている。第１機能性素材薄膜１２１は、Ｎｉ、ＣｕまたはＡｇなどの金属等、電気伝導性を有する素材からなる。第２機能性素材薄膜１２２は、当該金属の酸化物など、電気絶縁性を有する素材からなる。機能性繊維１０の両端部には端子１４が取り付けられている。これにより、機能性複合樹脂部材１の経糸および緯糸のそれぞれを電力伝送線または信号伝送線とする、集積された電子回路としての機能が機能性複合樹脂部材に対して付与される（Ｗｉｒｅ−ｍｅｓｈ Ｓｅｎｓｏｒｓ：Ａ ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ ｉｎ ｍｉｌｔｉｐｈａｓｅ ｆｌｏｗｓ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｔｏ ｏｔｈｅｒ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｉｃｓ， Ｇ．Ｔｏｍｐｋｉｎｓ， ｅｔ．ａｌ， Ｎｕｃｌｅａｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ ３３７ （２０１８） ２０５−２２０ （Ｅｌｓｅｖｉｅｒ）参照）。

導電性めっき薄膜および絶縁被覆した単基材繊維等が織られたクロス素材としての機能性複合材料により、２次元に集積された電子回路が形成され、これがＦＲＰ成形の中間層または最表面層に用いられ、場所を特定可能なセンシング機能を機能性複合樹脂部材１にもたせることができる。

図６Ｂには、メッシュ基材にセンシタイザ―・アクチベーション処理あるいはめっき処理の直前にエタノールなどの有機溶媒に浸漬するという条件で第１機能性素材薄膜１２１としてめっき薄膜が形成され、織物を構成する経糸１０１および緯糸１０２の交差点で経糸１０１および緯糸１０２が第２機能性素材１２２としての絶縁層により相互に絶縁されるような機能性素材薄膜１２が形成されている機能性複合樹脂部材１の拡大写真が示されている。この方法により、基材繊維１１が第１機能性素材薄膜１２１としての電気伝導相および第２機能性素材薄膜１２２としての絶縁相により順に被覆されたうえで、当該基材繊維１１が織られるプロセスが省略されても、電気回路の構造／センシング機能が実現される。

図７には、機能性部材１としての全固体型スーパキャパシタを構成する機能性繊維１０の構成が示されている。機能性繊維１０は、基材繊維１１が、第１機能性素材薄膜１２１としてのグラフェン（多孔質電極）と、第２機能性素材薄膜１２２としての固体電解質（例えば、ＰＶＰ−ＮａＩ）と、により順に被覆されることにより構成されている。基材繊維１１は、軟質素材であっても硬質素材であってもよい。第２機能性素材薄膜１２２の外表面には、相互に対向する一対の電極層１２４が形成されている。ＦＲＰ材のＰＧ相間に挿入される高分子メッシュ基材にスーパキャパシタ機能が埋め込まれるため、メッシュ基材を構成する基材繊維１１が固体電解質（第２機能性素材薄膜１２２）で覆われ、メッシュ基材の表面および裏面のそれぞれに電極層１２４が形成されている。この機能性繊維１０を構成要素として、メッシュ基材の表裏に電気二重層コンデンサが形成される（Ｓｅｌｆ−ａｓｓｅｍｂｌｙ ｏｆ ｇｒａｐｈｅｎｅ ａｅｒｏｇｅｌ ｏｎ ｃｏｐｐｅｒ ｗｉｒｅ ｆｏｒ ｗｅａｒａｂｌｅ ｆｉｂｅｒｓｈａｐｅｄ ｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒｓ， Ａ．Ｌａｍｂｅｒｔｉ， ｅｔ ａｌ．， Ｃａｒｂｏｎ １０５ （２０１６） ６４９−６５４（Ｅｌｓｅｖｉｅｒ）参照）。全固体スーパキャパシタでは、固体電解質およびポーラス電極の界面の面積が大きくされることで、エネルギー密度およびパワー密度の向上が図られる。

第１機能性素材薄膜１２１が、ＢａＴｉＯ₃またはＰｂＴｉＯ₃などのセラミックス等、圧電体からなる場合、機能性複合樹脂部材１に外力が作用した領域が、電圧変化が検知された一または複数の経糸および一または複数の緯糸のそれぞれの位置により特定される、感圧センサとしての機能が機能性複合樹脂部材に対して付与される。

（製造方法）
熱可塑性高分子の基材繊維、炭素基材繊維またはガラス基材繊維の織物の疎水性表面が触媒活性化処理されることにより、当該表面が親水化処理される。例えば、樹脂（疎水性基材）からなる基材繊維１１がＳｎ／Ｐｄによって触媒活性化処理および親水化処理される。自己触媒による無電解めっきまたは電気めっき法により機能性素材薄膜１２が形成される場合、樹脂からなる基材繊維１１の表面を親水化処理するため、キトサンまたはでんぷん等の金属イオンの吸着能を有する高分子相がコーティングされてもよい。さらに、パラジウムイオン、ニッケルイオン、銀イオンまたは銅イオン等で高分子鎖が架橋された後、還元剤にてこれらの金属イオンから触媒核が当該樹脂からなる基材繊維１１の表面に形成されてもよい。

その上で、湿式法（めっき法、ゾル−ゲル法等の化学的・電気化学的表面改質等）または乾式法（スパッタ法、分子線エピタキシー法の、化学的・物理的薄膜形成法）により、織物を構成する基材繊維１１の表面の少なくとも一部が機能性素材薄膜１２により覆われる（図２および図５参照）。これにより、機能性複合樹脂部材１が作製される。

そのほか、基材繊維１１そのものの疎水性表面が触媒活性化処理されることにより、当該表面が親水化処理された上で、湿式法または乾式法により、その表面が全体的に機能性素材薄膜１２により覆われている機能性繊維１０が作製されてもよい。そして、当該機能性繊維１０が、織機により織られることにより機能性複合樹脂部材１が作製されてもよい。

続いて、機能性複合樹脂部材１およびプリプレグシート２が重ね合わせられて積層体が得られる。これにより、例えば、図８に示されているように、第１のプリプレグシート２、機能性複合樹脂部材１および第２のプリプレグシート２が順に重ね合わせられるまたは積層される。そして、機能性複合樹脂部材１およびプリプレグシート２の積層体が、当該積層方向に加圧されながら加熱処理される。

その結果、プリプレグシート２を構成する樹脂の一部が溶融し、機能性複合樹脂部材１を構成する機能性繊維１０の間隙に入り込む。その後、当該積層体が冷却されることにより、図１に示されている機能性複合樹脂部材が作製される。

（本発明の他の実施形態）
前記実施形態では、織物により機能性複合樹脂部材１が構成されていたが、他の実施形態として多孔質シートにより機能性複合樹脂部材１が構成されていてもよい。この場合、プリプレグシート２を構成する樹脂２０の一部が、機能性複合樹脂部材１を構成する前記多孔質シートの空孔に入り込んでいる。多孔質シートとしては例えば、パンチングメタル、金網等の金属系素材からなるもの、ポーラスアルミナまたはポーラスシリコンのような２次元・３次元のポーラス構造体からなる素材、セルロース、ＰＴＦＥまたはＰＶＤＦ等のフィルターメンブランまたは不織布等のポーラスを有する素材に、各種めっき法にて金属薄膜を形成したものなどが用いられる。当該他の実施形態の機能性複合樹脂部材も、前記実施形態と同様に作製される。

（ＦＲＰ成形およびＦＲＴＰ成形に関して）
（１）熱可塑性メッシュ基材をプリプレグ（ＰＧ）の中間層、最表面層に配置して成形する方法は、メッシュ基材の融解温度＞樹脂の硬化温度であれば、既存のほとんどすべてのＦＲＰ（基材繊維強化熱硬化性樹脂）成形法を適用できる。

（２）この方法は、金属等でコーティングしたメッシュ基材では、メッシュ基材の融解温度が樹脂の硬化温度より低温であってもよい。なぜなら、メッシュ基材をコーティングしているチューブ形状の金属層がその形状を維持するからである。

（３）同じ理由で、金属等でコーティングしたメッシュ基材では、ＦＲＴＰ（基材繊維強化熱可塑性樹脂）成形にも適用できる。

（４）耐熱温度が熱可塑性樹脂の融解温度よりも高温であるシリコーン樹脂等の熱硬化性樹脂のメッシュ基材（熱硬化成形後の素材）が用いられた場合、金属コーティングなしでもＦＲＴＰ（基材繊維強化熱可塑性樹脂）成形が適用できる。

（５）金属コーティングしたメッシュ基材の熱可塑性樹脂の融点が、強化用の熱可塑性樹脂の融点よりも高い場合にも、ＦＲＴＰ（基材繊維強化熱可塑性樹脂）成形が適用できる。

（メッシュ基材等ポーラスシートの使用によって発現する機能性の適用例）
（１）ＦＲＰ基材およびＦＲＴＰ基材のそれぞれの軽量化および強度向上が図られる。中間層、最表面層に用いるメッシュ基材の重量については、線径１００μｍ、基材繊維間隔２００μｍのメッシュ基材に厚み５μｍの金属めっき薄膜を形成した場合、２１０ｇ／ｍ²の重量増である。

（２）メッシュ基材を構成する基材繊維１１と、当該基材繊維１１を少なくとも部分的に被覆する機能性素材薄膜１２と、当該メッシュ基材に接合されたＦＲＰ基材およびＦＲＴＰ基材と、を有する機能性複合樹脂部材１は、航空機および自動車等の鋼板にかわる構造体として、耐雷、電磁波吸収、耐摩耗、蓄電、センサ機能材、電気回路および／または集積回路等の機能を有する。また、機能性複合樹脂部材１は、ロケット、ロボットまたはドローン等の構造体として、耐雷、電磁波吸収、耐水および／または耐摩耗等の機能を有する。ただし、構造体としての耐雷の意味は、素材としての耐雷であり、雷撃によるエネルギーは、地絡または再放電などの別の技術によって散逸させる必要がある。

機能性複合樹脂部材１は、風力発電用ブレイド（ＧＦＲＰ）材の表面層のシート材として、電気伝導性、熱伝導性、耐雷性、捕雷正、耐摩耗性、センサ機能材および電気回路等の機能を有する。ブレイド材は、ＧＦＲＰ、接着剤および絶縁塗料が、表面層を覆っているので、捕雷性能はなく、むしろレセプタが捕雷するように誘導しているが、シート材でブレイドの表面を覆ってレセプタと接続することで、ブレイド表面層全体で捕雷できる。

（３）２層をコーティングした単基材繊維の織物の機能性
第１機能性素材薄膜１２１が電気伝導層（電気回路）により構成され、第１機能性素材薄膜１２２がエネルギー変換機能を有する層により構成されていてもよい。第２機能性素材薄膜１２２が磁歪材により構成されていてもよい。第２機能性素材薄膜１２２によって発生した電場に基づき、ひずみが生じた位置を特定するためのセンサ機能が機能性複合樹脂部材１に付与されうる。電気信号が２軸に印加されることにより、位置を特定して、センサの反効果（制御）機能を発現できる。

これらのセンサ機能が例えば自動車の車体（ＣＦＲＰ）に埋め込まれた場合、図９に示されているような状況で有用な機能として、温度（室温／体温）センサ機能、空気濃度センサ機能および／または車体応力センサ機能（乗り心地）などのセンサ機能、車体構成要素および／またはモータなどの車両構成要素の劣化センサ機能、温度センサ機能、歪センサ機能
が実現されうる。また、乗車する人のウエアラブルに適用すれば、自動車の情報と人間の情報の接続が可能になる。

（パラジウムフリーの無電解銅めっきにおける表面組織の均一化）
基板の表面が触媒活性化処理されたうえでＰｄ核が形成されてから銅の成長をさせるが、無電解銅めっき法の通常の方法によれば、表２に示されている条件にしたがって、Ｐｄ核の形成なしに２段階のプロセスで直接銅を成長させる（図１０参照）。

図１１には、開放反応器および閉鎖反応器を用いて作製された銅薄膜のＳＥＭ画像が示されている。工程１（Ｓｔｅｐ1）および工程２プロセス（Ｓｔｅｐ２）における浸漬時間を２０ｍｉｎとした。開放反応器では銅薄膜の粒径は１μｍオーダーの塊状の結晶粒が低密度に凝集したような組織が得られた。閉鎖反応器の銅薄膜の表面形状は平たんな緻密な組織として得られた。これらの結果はＸＲＤプロファイルの結果（開放反応器⇒結晶質、閉鎖反応器⇒アモルファスライク、微細結晶）と対応する。

（置換銀めっきの銅イオン含有による銀単一相の獲得と表面組織の均一化）
図１２には、銅基板の前処理および置換銀めっき処理のフローチャートが示されている。２種の金属においてイオン化傾向の大きい方が金属イオンとなり、大きいほうが金属として基板上に析出する。この原理から、銅基板上に銀が析出する。めっき浴はイオン交換水中に硝酸銀溶液を滴下する方法のほか、銅イオン溶液含有溶液中に硝酸銀溶液を滴下する方法が採用されてもよい。閉鎖反応器が用いられて作製した
銅イオン非含有溶液として０．０１５Ｍの硝酸銀が含有された溶液１００ｍＬおよび３０ｍＭの銅イオンが含有された溶液が銅基板に滴下されることにより、当該基板の上に置換銀めっき薄膜が形成された。図１３に示されている、当該置換銀めっき薄膜のＸＲＤ測定結果により、銅イオン含有溶液から形成された薄膜が銀単相により構成されていることが確認された。銅イオンが含有されていない溶液から形成された薄膜のＸＲＤ測定結果により、銀以外に特定できない結晶相（銀銅の合金であると推察される。）のピークがあることが確認された。

銅基板の上に形成された置換銀めっき薄膜の表面ＳＥＭ画像により、当該薄膜の組織が粒状粒子組織および樹枝状組織に大別されることが確認された（図１４参照）。置換めっきにおける樹脂状組織の形成は一般的に知られた現象である。これに対して、銅イオン含有溶液から銅基板の上に形成された置換銀めっき薄膜表面のＳＥＭ画像により、当該薄膜の組織として樹脂状組織が存在せず、当該薄膜の組織が、鎖状組織が成長している組織と、鎖状組織および粒状組織が混在している組織とに大別されていることが確認された（図１５参照）。

図１６には、閉鎖反応器を用いて作製された銅シード層（Ｓｔｅｐ１ ２０ｍｉｎ）、銅薄膜（Ｓｔｅｐ１＋Ｓｔｅｐ２ ２０ｍｉｎ）およびガラス基板のＸＲＤ測定結果が示されている。当該ＸＲＤ測定結果に基づき、銅のシード層および銅薄膜がともにアモルファス様の微細結晶相であることが確認された。

Ｓｔｅｐ２において浴槽のヒドラジン（還元剤）が充分に除去されたうえで、銀置換めっきが施されることにより銀薄膜が形成された。図１７に示されている当該銀薄膜のＸＲＤ測定結果により、基板の銅のアモルファス様の相が残存し、銀が単相で形成されていることが確認された。

（Ａｇ／Ｃｕ／ｇｌａｓｓのＳＥＭ像）
図１８には、Ａｇおよび／またはＣｕの薄膜形成過程における基板のＳＥＭ画像が示されている。置換反応時間が１０［ｍｉｎ］以下である場合、Ａｇの微粒子のサイズが２種類あり、小さい微粒子の核発生が優先的となる反応時間が２０［ｍｉｎ］以下である場合、小さい微粒子で表面が均一に被覆されているが、反応時間が３０［ｍｉｎ］以上である場合、置換めっき特有ともいえる樹脂状組織が面内に沿って成長していることが確認された。ＸＲＤの測定結果から、これらの組織は、銀単相によって構成されているものと推察される。

（遮音材としての機能）
金属ハニカムメッシュの遮音性能をＦＥＭで予測した遮音性能に関して、ハニカムのサイズ：２．７［ｍｍ］、ブリッジ幅：２．０［ｍｍ］、厚み：０．５／１．０［ｍｍ］で、鉛、亜鉛、アルミ等、金属シートと同等の４［ｋＨｚ］以下の低周波の遮音性能があることが報告されている（Ｄｒｉｖｉｎｇ ｐｏｉｎｔ ｍｏｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｓｏｕｎｄ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｓｈｅｅｔ ｍｅｔａｌ， Ａ．Ｓ．Ｈｅｎｋｅ， ｅｔ ａｌ．， Ａｐｐｌｉｅｄ Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ １３６ （２０１８） １１３−１２２ （Ｅｌｓｅｖｉｅｒ）参照）。このため、アラミドハニカムメッシュ等に金属薄膜をコーティングした素材をＦＲＰ基材またはＦＲＴＰ基材の最表面層に接合された場合、軽量化が図られた遮音素材になり得る。自動車の社室内の音の周波数は１［ｋＨｚ］以下とされている。

（メッシュ基材の耐雷性能について（計算））
雷撃によって生じた電荷が雷電流パルスとして電気伝導性物質を伝播する際に発生する総発熱量（積分ジュール熱）は、雷電流パルスを模した雷サージ波形のピーク値Ｉｍ、波頭長ｔ₁および波尾長ｔ₂に基づき、関係式Ｉｍ²｛ｔ₁／３＋０．７２１（ｔ₂−ｔ₁）｝にしたがって近似的に計算される。

ＰＰからなる基材繊維１１が織られて構成されているメッシュ（織物）の表面にＮｉからなる機能性素材薄膜１２が形成された機能性複合材料１に、Ｉｍ＝１０ｋＡ、ｔ₁＝１０μｓおよびｔ₂＝３５０μｓにより定義される雷サージ波形の電流が流れた場合の当該機能性複合材料１の発熱量について計算する。

機能性複合材料１が、厚さ１００［μｍ］のＰＰメッシュおよびその両面のそれぞれに厚さ５［μｍ］のＮｉ薄膜が形成されて構成されている場合、Ｎｉの体積抵抗率が６．２×１０^-8［Ω・ｍ］であるため、機能性複合材料１の厚さ方向の抵抗値は、６．２×１０^-3［Ω］と計算される。したがって、この場合、機能性複合材料１の発熱量は、２．４５×１０⁷［Ｊ／Ω］×６．２×１０^-3［Ω］＝１．５×１０⁵［Ｊ］と計算される。

機能性複合材料１に流れる電流が、１０［ｋＡ］の大きさで期間３５０［ｍμｓ］の矩形波で近似される場合の電力の最大値は、Ｉ²Ｒ＝１．０×１０¹⁰×０．３（メッシュ基材の抵抗値）＝０．３×１０¹⁰［Ｗ］となる。機能性複合材料１の発熱量は、Ｉ²Ｒｔ＝１×１０⁶［Ｊ］(〜１．５×１０⁵［Ｊ］）となる。

円筒形金属層のジュール熱（定常状態における）による温度変化が計算された。

メッシュ基材は、ＰＰをニッケル薄膜が覆っているため、ジュール熱が発生し、実際はＰＰ材が熱を吸収して融解するかもしれないが、この際の熱吸収は無視する。メッシュ基材の等方的な電気伝導性により、例えば、雷撃により発生した電荷がメッシュ全体でジュール熱を発生するという定常状態を仮定して計算する。

円筒形金属層のジュール熱（定常状態における）による温度変化が計算された。円筒形金属層の中心軸線から径方向に距離ｒにおける当該金属層の温度Ｔは、当該円筒の内径ｒ₁および外径ｒ₂、ならびに、円筒内側面Ｔ₁および円筒外側面の温度Ｔ₂に基づき、関係式（０１）にしたがって算定される。

Ｔ＝Ｔ₂＋（Ｔ₁−Ｔ₂）ｌｎ（ｒ／ｒ₂）／ｌｎ（ｒ₁／ｒ₂） ‥（０１）。

円筒形金属層の内側面の表面積Ａ₁および円筒外側面の表面積Ａ₂に基づき、当該金属層の相乗平均表面積Ａ_avは関係式（０２）にしたがって算定される。

Ａ_av＝（Ａ₂−Ａ₁）／ｌｎ（Ａ₂／Ａ₁） ‥（０２）。

Ａ₁＝２×１００×１０^-6×π×（１０×１０³）であり、かつ、Ａ₂＝２×１０５×１０^-6×π×（１０×１０³）である場合、Ａ_av＝２×５×１０^-6×π×（１０×１０³）／ｌｎ（１０５／１００）となる。発熱量Ｑは関係式（０３）にしたがって算定される。

Ｑ＝Ａ_avｋ（Ｔ₂−Ｔ₁）／（ｒ₂−ｒ₁） ‥（０３）。

方程式０．３×１０¹⁰［Ｗ］＝２［ｍ²］×９０［Ｗ／ｍＫ］×（Ｔ₁−２０）／（５×１０^-6）が解かれると、Ｔ₁＝１０３［℃］と計算される。

図１９に示されている計算結果が示すように、円筒の外側の側面を２０℃に強制冷却すると、機能性薄膜１２（めっき）の厚み方向の温度上昇は円筒の内部ほど高いがせいぜい１００℃程度であり、耐高電流（＝耐ジュール発熱）性がある。実際には、１ｍ四方のメッシュ基材での捕雷を想定すれば、同機能性は、原理的には、メッシュ基材の面積に比例するため、１０００Ｃの雷撃に対しても充分な耐雷機能が発現する。
また、複数のレセプタ（例えばグランドに接続された銅製ボルト）へ電荷を誘導すれば、電流パルスは時間差をもって個々のレセプタに到達するため、レセプタを介して集積された電荷は、銅製ダウンコンダクタの熱融解等を回避できる。

従来性ブレイド材は、ＧＦＲＰ材を複層エポキシ又はフェノール樹脂系の接着剤にて接着し、表面層を絶縁性、耐候性の塗料を塗布している構造である。これは、捕雷をレセプタに誘導するためである。提案するブレイド材は、金属メッキめっきしたメッシュ基材を最表面のＧＦクロス材上に接着する方法である。このため、従来材と同様の平滑性が得られるため、発電効率に影響がほとんどない。また、メンテナンスの施工作業の範疇で、取り付けることができるため、定期メンテナンス時にも取付が可能である。

ただし、この方法では、最表面層がニッケルめっき薄膜であり、これ自体は耐候性はあるが、メッシュ基材であるため、接着剤、ガラスクロスを通してブレイド内部へ雨等の水分の侵入を防ぐことができない。このため、表面層をポリアニリン等の導電性／耐候性溶剤で被覆する必要がある。ポリアニリンの電気伝導率は０．１〜３００［Ｓｃｍ^-1］であるが、Ａｇ微粒子がドープされたポリアニリンの電気伝導率は２２００［Ｓｃｍ^-1］である例が知られている。導電性物質をめっきしたメッシュ基材のマトリックスであるポリアニリンマトリックスに含有するＡｇ微粒子の濃度を調整することでマトリックスの電気伝導性を制御でき、これによりメッシュ基材自体が有する電気伝導性能（電荷の等方的な伝播通路の確保とこれによる電荷の分散およびこれにより生じるレセプタ到達までの時間差の効果を確保）を損なうことなく、雷撃による熱流束の吸収による表面組織の破壊／切断等を顕著に防ぐ効果が得られる。

１‥機能性複合樹脂部材、２‥プリプレグシート、１０‥機能性繊維、１１‥基材繊維、１２‥機能性素材薄膜、２０‥樹脂、１２１‥第１機能性素材薄膜、１２２‥第２機能性素材薄膜、１２４‥電極層。

Claims (10)

1. 基材繊維と、当該基材繊維の表面を被覆する機能性素材薄膜と、を有する機能性繊維の織物により構成されている機能性複合シートと、
   前記機能性複合シートに重ね合わせられているプリプレグシートと、を備え、
   前記プリプレグシートを構成する樹脂の一部が、前記機能性複合シートを構成する前記機能性繊維の隙間に入り込んでいることを特徴とする機能性複合樹脂部材。
2. 請求項１記載の機能性複合樹脂部材において、
   前記基材繊維と、当該基材繊維の表面を全体的に被覆する前記機能性素材薄膜と、を有する前記機能性繊維の織物により前記機能性複合シートが構成されていることを特徴とする機能性複合樹脂部材。
3. 請求項２記載の機能性複合樹脂部材において、
   前記基材繊維と、当該基材繊維の表面を全体的に被覆する、複数の異なる機能性素材薄膜が積層された多層構造の前記機能性素材薄膜と、を有する前記機能性繊維の織物により前記機能性複合シートが構成されていることを特徴とする機能性複合樹脂部材。
4. 請求項２または３に記載の機能性複合樹脂部材において、
   前記機能性素材薄膜としての第１機能性素材薄膜により表面が全体的に覆われた前記基材繊維としての経糸と、前記第１機能性素材薄膜とは異なる前記機能性素材薄膜としての第２機能性素材薄膜により表面が全体的に覆われた前記基材繊維としての緯糸と、の織物により前記機能性複合シートが構成されていることを特徴とする機能性複合樹脂部材。
5. 空孔の一部に機能性素材が充填されている多孔質シートにより構成されている機能性複合シートと、
   前記機能性複合シートに重ね合わせられているプリプレグシートと、を備え、
   前記プリプレグシートを構成する樹脂の一部が、前記機能性複合シートを構成する前記多孔質シートの前記空孔に入り込んでいることを特徴とする機能性複合樹脂部材。
6. 基材繊維と、当該基材繊維の表面を被覆する機能性素材薄膜と、を有する機能性繊維の織物により構成されている機能性複合シートを作製する工程と、
   前記機能性複合シートにプリプレグシートを重ね合わせる工程と、
   前記機能性複合シートおよび前記プリプレグシートを重ね合わせ方向に加圧しながら加熱することにより、前記プリプレグシートを構成する樹脂の一部を、前記機能性複合シートを構成する前記機能性繊維の隙間に入り込ませる工程と、を含むことを特徴とする機能性複合樹脂部材の製造方法。
7. 請求項６記載の機能性複合樹脂部材の製造方法において、
   前記機能性複合シートを作製する工程が、前記基材繊維と、当該基材繊維の表面を全体的に被覆する前記機能性素材薄膜と、を有する前記機能性繊維を織ることにより前記織物を作製する工程を含むことを特徴とする機能性複合樹脂部材の製造方法。
8. 請求項７記載の機能性複合樹脂部材の製造方法において、前記基材繊維と、当該基材繊維の表面を全体的に被覆する、複数の異なる機能性素材薄膜が積層された多層構造の前記機能性素材薄膜と、を有する前記機能性繊維を織ることにより前記織物を作製する工程を含むことを特徴とする機能性複合樹脂部材の製造方法。
9. 請求項７または８に記載の機能性複合樹脂部材の製造方法において、
   前記機能性複合シートを作製する工程が、前記機能性素材薄膜としての第１機能性素材薄膜により表面が全体的に覆われた前記基材繊維としての経糸と、前記第１機能性素材薄膜とは異なる前記機能性素材薄膜としての第２機能性素材薄膜により表面が全体的に覆われた前記基材繊維としての緯糸と、を織ることにより前記織物を作製する工程を含むことを特徴とする機能性複合樹脂部材の製造方法。
10. 空孔の一部に機能性素材が充填されている多孔質シートにより構成されている機能性複合シートを作製する工程と、
    前記機能性複合シートにプリプレグシートを重ね合わせる工程と、
    前記機能性複合シートおよび前記プリプレグシートを重ね合わせ方向に加圧しながら加熱することにより、前記プリプレグシートを構成する樹脂の一部を、前記機能性複合シートを構成する前記多孔質シートの前記空孔に入り込ませる工程と、を含むことを特徴とする機能性複合樹脂部材の製造方法。