JP2021120196A - Joint structure - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は炭素繊維複合樹脂と金属との接合構造体に関する。 The present invention relates to a bonded structure of a carbon fiber composite resin and a metal.
熱可塑性炭素繊維複合樹脂(CFRTP)はアルミ合金等の金属に代替し得る剛性を有し、また炭素繊維を含むために軽量であることから、航空機および自動車の構造材料、スポーツ用品などに使用されている。CFRTPは、熱可塑性であるため射出成形機で成形できる。そのため、CFRTPは、従来の熱硬化性炭素繊維複合樹脂と比較して、生産性の向上、形状自由度の向上が実現できる。 Thermoplastic carbon fiber composite resin (CFRTP) has rigidity that can replace metals such as aluminum alloys, and is lightweight because it contains carbon fibers, so it is used for structural materials for aircraft and automobiles, sporting goods, etc. ing. Since CFRTP is thermoplastic, it can be molded by an injection molding machine. Therefore, CFRTP can realize improvement in productivity and improvement in shape freedom as compared with the conventional thermosetting carbon fiber composite resin.
CFRTPでは材料強度が足りない部位においては、一部金属が使用される。その場合、CFRTPと金属との接合が要求される。 In CFRTP, some metals are used in parts where the material strength is insufficient. In that case, bonding of CFRTP and metal is required.
接合方法としては一般的に、接着剤を用いる方法が挙げられる。しかしながら、材料の熱膨張差から生じるせん断応力に耐えるためには、用いることのできる接着剤は弾性接着剤に限定される。一方で、弾性接着剤は、膨潤性および分解性を示すため、接合の維持が困難となり得る。したがって、接着剤を介さずに接合させる手段が望まれていた。 As a joining method, a method using an adhesive is generally mentioned. However, in order to withstand the shear stress caused by the difference in thermal expansion of the material, the adhesive that can be used is limited to the elastic adhesive. On the other hand, elastic adhesives are swellable and degradable, which can make it difficult to maintain a bond. Therefore, a means for joining without using an adhesive has been desired.
例えば特許文献1では、アルミニウム合金形状物の表面が特定の径の超微細凹部に覆われ、かつ、アミン系分子が化学吸着している状態にする工程と、前記アルミニウム合金形状物を射出成形金型にインサートし、特定の樹脂または樹脂組成物を射出して射出接合物を作製する工程と、熱プレス金型に前記射出接合物を装填し、その上に特定のマトリックス樹脂を含むFRTPプリプレグまたはFRTP成形物を積層して装填する工程と、前記樹脂同士の熱融着を行う熱プレス工程とを有する、金属とFRTPの複合体の製造方法が開示されている。
For example, in
また、特許文献2では1パルスが複数のサブパルスで構成された、周期が15ns以下のレーザを第一部材の表面に照射することにより、開口を有する穿孔部を形成する工程と、前記穿孔に第二部材を充填して固化させる工程とを備える、接合構造体の製造方法が開示されている。
Further, in
加えて非特許文献1では、超音波接合によりCFRTPと金属との機械的な接合を実現したことが記載されている。
In addition, Non-Patent
特許文献1に記載の複合体の製造方法は、金属部と樹脂部との固着力が強く、また量産した場合でも製品安定性を確保できるとされている。
The method for producing a complex described in
しかしながら、特許文献1に記載の発明では、金属の表面に粗面を形成する際、粗面の凹凸の形状を制御できない。したがって、その後のNMT(Nano Molding Tech.)による接着処理を経ても、接合面は制御されていない不規則な表面形状を有することになる。これにより、接合時のアンカー効果にバラつきが生じることになる。そのため、実際の商品に即した複雑な接合形状に加工した場合、接合面には応力が集中する点が多数発生し、成型後の熱収縮応力、および、冷熱衝撃試験による繰り返しの応力振幅によって、当該応力が集中する点において剥離が発生する可能性がある。
However, in the invention described in
特許文献2に記載の接合構造体の製造方法は、樹脂と穿孔との間に生じるアンカー効果を利用することで、より強固な金属と樹脂との接合が実現できるとされている。しかしながら、樹脂として熱可塑性炭素繊維複合樹脂を用いた場合、通常は炭素繊維が十分に解繊されていないため、炭素繊維と穿孔との絡み合い効果が生じず、接合部における接合強度の観点から改善の余地があった。
The method for manufacturing a bonded structure described in
また、加工方法がサブパルスレーザに限定され、穿孔の形状も限定されているため加工性の観点からも改善の余地があった。 Further, since the processing method is limited to the sub-pulse laser and the shape of the perforation is also limited, there is room for improvement from the viewpoint of processability.
また、非特許文献1に記載の接合体はCFRTPと金属を超音波接合によって直接接合することによって得られるが、せん断強度において改善の余地があった。
Further, the bonded body described in
本発明は、一側面では、このような実情を鑑みてなされたものであり、その目的は高い接合強度と冷熱衝撃耐性を有する接合構造体を提供することである。 One aspect of the present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a bonded structure having high bonding strength and thermal shock resistance.
本発明は上述した課題を解決するために、以下の構成を採用する。 The present invention employs the following configuration in order to solve the above-mentioned problems.
すなわち、本発明の一側面に係る接合構造体は、表面に突起および穿孔の少なくともいずれか一方が形成された金属加工物である第一部材と、熱可塑性樹脂と当該熱可塑性樹脂中に解繊された状態で分散された炭素繊維とを含み、前記突起および前記穿孔の少なくともいずれか一方を介して前記第一部材と接合された、第二部材と、を備える。 That is, the bonded structure according to one aspect of the present invention is a first member which is a metal processed product in which at least one of protrusions and perforations is formed on the surface, a thermoplastic resin, and defibrated fibers in the thermoplastic resin. It includes a carbon fiber dispersed in a plasticized state, and includes a second member joined to the first member via at least one of the protrusion and the perforation.
上記構成によれば、第一部材の金属加工物の突起が第二部材の熱可塑性樹脂に食い込むこと、または第一部材の金属加工物の穿孔に第二部材の熱可塑性樹脂が充填されることにより、第一部材と第二部材とが接合する。加えて、第二部材に含まれる解繊された炭素繊維が第一部材の金属加工物の突起または穿孔と絡み合う。これにより、接合部では炭素繊維によるフィラー効果と、突起または穿孔に対するアンカー効果が生じる。したがって、応力が印加された場合でも、第一部材と第二部材との間で強固な接合を維持できる。さらに第一部材に多数の突起または穿孔が形成され、第二部材の炭素繊維が解繊されていることにより、接合部におけるせん断応力を分散し、応力集中を抑制できる。このため、前記接合構造体は、繰り返しの冷熱衝撃に耐性を有する。したがって、先行技術と比べ、本発明の一側面ではより強固に接合し、且つ冷熱衝撃耐性が高い接合構造体を得られる。 According to the above configuration, the protrusions of the metal work piece of the first member bite into the thermoplastic resin of the second member, or the perforation of the metal work piece of the first member is filled with the thermoplastic resin of the second member. As a result, the first member and the second member are joined. In addition, the defibrated carbon fibers contained in the second member are entangled with the protrusions or perforations of the metalwork of the first member. This creates a filler effect due to the carbon fibers at the joint and an anchor effect on the protrusions or perforations. Therefore, even when stress is applied, a strong bond can be maintained between the first member and the second member. Further, since a large number of protrusions or perforations are formed in the first member and the carbon fibers of the second member are defibrated, the shear stress at the joint can be dispersed and the stress concentration can be suppressed. Therefore, the bonded structure is resistant to repeated thermal shocks. Therefore, as compared with the prior art, one aspect of the present invention provides a bonded structure that is more firmly bonded and has high thermal shock resistance.
本明細書において「解繊された状態」とは、凝集した束ではなく、単独で存在する炭素繊維が含まれる状態を意味する。必ずしも全ての炭素繊維が単独で存在していなくてもよい。単独で存在する炭素繊維の割合は、後述の解繊率として規定され得る。また本明細書において炭素繊維が突起または穿孔と「絡み合う」とは、炭素繊維の少なくとも一部が突起の間または穿孔の中に挿入されることを意味する。 As used herein, the term "defibrated state" means a state in which carbon fibers existing alone are contained, not in agglomerated bundles. Not all carbon fibers need to be present alone. The proportion of carbon fibers present alone can be defined as the defibration rate described below. Also, as used herein, the term "entangled" with carbon fibers with protrusions or perforations means that at least a portion of the carbon fibers is inserted between the protrusions or into the perforations.
上記一側面に係る接合構造体において、炭素繊維の下記式から導かれる解繊率は、50%以上であってもよい。当該構成により、突起または穿孔と絡み合う炭素繊維の割合が増加する。したがって、より強固に接合した接合構造体を得られる。
解繊率(%)=(単独で存在する炭素繊維の本数)/(炭素繊維の総本数)×100
上記一側面に係る接合構造体において、前記突起の間隔は、5〜150μmであってもよい。当該構成によればアンカー効果が発揮されやすい。本明細書において、「突起の間隔」とは、突起の先端側から見て、突起の輪郭線を等距離拡大させた時、隣接する他の突起の輪郭線と最初に接する距離を意味する。また本明細書において、「突起の先端」とは、突起が突出している側から平面を接近させた場合に最初に当該平面に接する突起の部位を意味する。
In the bonded structure according to the above one aspect, the defibration rate of the carbon fiber derived from the following formula may be 50% or more. This configuration increases the proportion of carbon fibers that are entangled with the protrusions or perforations. Therefore, a more firmly joined joint structure can be obtained.
Defibrillation rate (%) = (number of carbon fibers existing alone) / (total number of carbon fibers) x 100
In the joint structure according to the one side surface, the distance between the protrusions may be 5 to 150 μm. According to this configuration, the anchor effect is likely to be exhibited. As used herein, the term "protrusion spacing" means the distance at which the contour lines of the protrusions first come into contact with the contour lines of other adjacent protrusions when the contour lines of the protrusions are expanded equidistantly when viewed from the tip end side of the protrusions. Further, in the present specification, the “tip of the protrusion” means a portion of the protrusion that first comes into contact with the plane when the plane is brought closer from the side where the protrusion protrudes.
上記一側面に係る接合構造体において、前記突起の幅は10〜200μmであってもよい。当該構成によればアンカー効果が発揮されやすい。本明細書において、「突起の幅」とは突起の先端側から見た突起輪郭線の最大フェレ径を意味する。 In the joint structure according to the one side surface, the width of the protrusion may be 10 to 200 μm. According to this configuration, the anchor effect is likely to be exhibited. In the present specification, the "protrusion width" means the maximum ferret diameter of the protrusion contour line seen from the tip side of the protrusion.
上記一側面に係る接合構造体において、前記突起の高さは15μm以上であってもよい。当該構成によればアンカー効果が発揮されやすい。本明細書において、「突起の高さ」とは、突起の先端から基部までの距離を意味する。 In the joint structure according to the one side surface, the height of the protrusion may be 15 μm or more. According to this configuration, the anchor effect is likely to be exhibited. As used herein, the "protrusion height" means the distance from the tip to the base of the protrusion.
上記一側面に係る接合構造体において、前記穿孔の開口径は、5μm以上150μm以下であってもよい。当該構成によれば、接合構造体の接合強度が向上する。本明細書において、「穿孔の開口径」とは、穿孔の開口部における最小フェレ径を意味する。また本明細書において、「穿孔の開口部」とは、穿孔が開口している側から平面を接近させた場合に最初に当該平面に接する金属加工物表面の非金属部位、すなわち金属が存在しない部位を意味する。 In the joint structure according to the one side surface, the opening diameter of the perforation may be 5 μm or more and 150 μm or less. According to this configuration, the joining strength of the joining structure is improved. As used herein, the "perforation opening diameter" means the minimum ferret diameter at the perforation opening. Further, in the present specification, the "perforation opening" means that there is no non-metal part on the surface of the metal work piece that first comes into contact with the flat surface when the flat surface is approached from the side where the perforation is open, that is, no metal. Means a part.
上記一側面に係る接合構造体において、前記穿孔の深さは、15μm以上であってもよい。当該構成によれば、接合構造体の接合強度が向上する。本明細書において、「穿孔の深さ」とは、穿孔の開口部から底部までの距離を意味する。 In the joint structure according to the one side surface, the depth of the perforation may be 15 μm or more. According to this configuration, the joining strength of the joining structure is improved. As used herein, the "perforation depth" means the distance from the opening to the bottom of the perforation.
上記一側面に係る接合構造体の製造方法は、金属材料の表面に突起および穿孔の少なくともいずれか一方を形成して第一部材を得る工程と、内部帰還型スクリューによって熱可塑性樹脂中に炭素繊維を解繊された状態で分散させて第二部材を得る工程、すなわち高せん断加工により第二部材を得る工程と、前記第一部材と前記第二部材とを接合する工程と、を含む。当該製造方法によれば、炭素繊維が解繊された状態で第二部材に含まれるため、接合強度が向上する。 The method for manufacturing the bonded structure according to the above one side is a step of forming at least one of protrusions and perforations on the surface of the metal material to obtain the first member, and carbon fibers in the thermoplastic resin by an internal feedback screw. Is included in a step of obtaining a second member by dispersing the fibers in a defibrated state, that is, a step of obtaining a second member by high shearing, and a step of joining the first member and the second member. According to the manufacturing method, since the carbon fibers are contained in the second member in a defibrated state, the bonding strength is improved.
本発明の一態様によれば、高い接合強度と冷熱衝撃耐性を有する接合構造体を提供できる。 According to one aspect of the present invention, it is possible to provide a bonded structure having high bonding strength and thermal shock resistance.
以下、本発明の一側面に係る実施の形態(以下、「本実施形態」とも表記する)を、図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments according to one aspect of the present invention (hereinafter, also referred to as “the present embodiment”) will be described with reference to the drawings.
§1適用例
まず、図1を用いて本発明の一態様に係る接合構造体の概要を説明する。図1は、一態様に係る接合構造体の断面の一例を模式的に例示する。
§1 Application example First, the outline of the bonded structure according to one aspect of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 schematically illustrates an example of a cross section of the bonded structure according to one aspect.
図1では二種類の接合構造体101および102が例示されている。まず接合構造体101について説明する。接合構造体101は、表面に突起3が形成された金属加工物である第一部材1と、前記突起3を介して第一部材1と接合している、炭素繊維5と熱可塑性樹脂とを含む第二部材2と、を備える。
In FIG. 1, two types of bonded
接合構造体101において、第二部材2の熱可塑性樹脂は、第一部材1に形成された突起3を包み込むように固化し、加えて第二部材2に含まれる炭素繊維5と前記突起3とが絡み合って接合しているため、物理的に強固なアンカー効果が得られる。そのため、高い接合強度を示す接合構造体を提供することができる。
In the bonded
次に、接合構造体102について説明する。接合構造体102は、表面に穿孔4が形成された金属加工物である第一部材1と、前記穿孔4を介して第一部材1と接合している、炭素繊維5と熱可塑性樹脂とを含む第二部材2と、を備える。
Next, the
接合構造体102において、第二部材2の熱可塑性樹脂は、第一部材1に形成された穿孔4に充填されるように固化し、加えて第二部材2に含まれる炭素繊維5の少なくとも一部が前記穿孔4に挿入されるため、物理的に強固なアンカー効果が得られる。その結果、高い接合強度を示す接合構造体を提供することができる。
In the bonded
また、これらの接合構造体において、炭素繊維は解繊された状態で熱可塑性樹脂中に分散されている。炭素繊維は一般に十分に解繊されていない。炭素繊維が解繊されず束の状態で存在する場合、炭素繊維自体は高い剛性を備えるため、炭素繊維の束が前記突起あるいは前記穿孔による第一部材と第二部材の接合を阻害し得る。炭素繊維を解繊することにより、炭素繊維は前記突起あるいは穿孔と十分に絡み合い、接合構造体の接合強度が向上する。 Further, in these bonded structures, the carbon fibers are dispersed in the thermoplastic resin in a defibrated state. Carbon fibers are generally not sufficiently defibrated. When the carbon fibers are not defibrated and exist in a bundled state, the carbon fibers themselves have high rigidity, so that the bundles of carbon fibers can hinder the joining of the first member and the second member by the protrusions or the perforations. By defibrating the carbon fibers, the carbon fibers are sufficiently entangled with the protrusions or perforations, and the bonding strength of the bonding structure is improved.
§2構成例
<第一部材>
第一部材は金属加工物であり、突起もしくは穿孔、またはその両方が形成されている。金属加工物の材料としては、例えば、鉄系金属、ステンレス系金属、銅系金属、アルミ系金属、マグネシウム系金属、および、それらの合金等が挙げられる。また、金属加工物は、金属成型体であってもよく、亜鉛ダイカスト、アルミダイカスト、粉末冶金等であってもよい。
§2 Configuration example <First member>
The first member is a metalwork, with protrusions, perforations, or both. Examples of the material of the metal processed product include iron-based metal, stainless-based metal, copper-based metal, aluminum-based metal, magnesium-based metal, and alloys thereof. Further, the metal processed product may be a metal molded product, zinc die-cast, aluminum die-cast, powder metallurgy, or the like.
<突起>
突起は、第一部材の表面に形成される。第一部材が突起を備えることで、第二部材との間に、前記突起を介したアンカー効果が得られる。また、第二部材が炭素繊維を含有することで、前記突起との間に絡み合い効果が得られる。したがって、接合強度が向上する。
<Protrusion>
The protrusions are formed on the surface of the first member. When the first member is provided with a protrusion, an anchor effect via the protrusion can be obtained between the first member and the second member. Further, when the second member contains carbon fiber, an entanglement effect can be obtained between the second member and the protrusion. Therefore, the joint strength is improved.
前記突起は、第一部材と一体的に形成されていることが好ましい。すなわち、第一部材とは別の部材として形成された突起を第一部材の表面に付着させるのではないことが好ましい。これにより、第一部材に対して突起を付着させる場合に比べて接合強度が向上する。 The protrusion is preferably formed integrally with the first member. That is, it is preferable that the protrusion formed as a member different from the first member is not attached to the surface of the first member. As a result, the joint strength is improved as compared with the case where the protrusion is attached to the first member.
前記突起は整列していることが好ましい。本明細書において、「整列した突起」とは、規則的に配置された突起を意味する。これにより、接合構造体全体の強度が安定する。 The protrusions are preferably aligned. As used herein, the term "aligned protrusions" means regularly arranged protrusions. As a result, the strength of the entire joint structure is stabilized.
前記突起の間隔は、5μm以上、150μm以下であることが好ましく、より好ましくは20μm以上、100μm以下である。突起の間隔が5μm以上であれば、炭素繊維が突起に絡み合い易く、接合性が向上する。また、150μm以下であれば、単位面積当たりの突起の数が増加し、アンカー効果および絡み合い効果が向上する。 The distance between the protrusions is preferably 5 μm or more and 150 μm or less, more preferably 20 μm or more and 100 μm or less. When the distance between the protrusions is 5 μm or more, the carbon fibers are easily entangled with the protrusions, and the bondability is improved. Further, when it is 150 μm or less, the number of protrusions per unit area increases, and the anchor effect and the entanglement effect are improved.
前記突起の幅は、10μm以上、200μm以下であることが好ましく、より好ましくは10μm以上、100μm以下である。突起の幅が10μm以上であれば、突起形成が容易である。また突起の幅が200μm以下であれば、単位面積当たりの突起の数が増加し、アンカー効果および絡み合い効果が向上する。 The width of the protrusion is preferably 10 μm or more and 200 μm or less, and more preferably 10 μm or more and 100 μm or less. When the width of the protrusion is 10 μm or more, the protrusion can be easily formed. When the width of the protrusions is 200 μm or less, the number of protrusions per unit area increases, and the anchor effect and the entanglement effect are improved.
前記突起の高さは、15μm以上であることが好ましく、より好ましくは20μm以上である。突起の高さが15μm以上であればアンカー効果および絡み合い効果が向上する。突起の高さの上限は特に限定されないが、300μm以下であれば、加工時間が短く済むため好ましい。 The height of the protrusion is preferably 15 μm or more, more preferably 20 μm or more. When the height of the protrusion is 15 μm or more, the anchor effect and the entanglement effect are improved. The upper limit of the height of the protrusion is not particularly limited, but if it is 300 μm or less, the processing time can be shortened, which is preferable.
前記突起の形状は特に限定されない。例えば、突起は、高さ方向に垂直な断面の径が一定であってもよく、高さ方向に垂直な断面の径が突起の先端から基部に向かって拡大する領域および縮小する領域の少なくともいずれか一方を有していてもよい。特に突起が、高さ方向に垂直な断面の径が突起の先端から基部に向かって縮小する領域を有している場合、垂直引きはがし強度に優れる。また、突起の先端の形状も特に限定されず、分岐していてもよい。 The shape of the protrusion is not particularly limited. For example, the protrusion may have a constant diameter of the cross section perpendicular to the height direction, and at least one of a region in which the diameter of the cross section perpendicular to the height direction expands and contracts from the tip to the base of the protrusion. It may have either one. In particular, when the protrusion has a region in which the diameter of the cross section perpendicular to the height direction decreases from the tip of the protrusion toward the base, the vertical peeling strength is excellent. Further, the shape of the tip of the protrusion is not particularly limited, and may be branched.
図5〜図9および図15〜16は突起の一例を模式的に例示する。図5に示す突起3は、高さ方向に垂直な断面の径が、突起の先端から基部に向かって拡大する領域21に次いで、縮小する領域22を備える。図6に示す突起3は、高さ方向に垂直な断面の径が、突起の先端から基部に向かって縮小する領域22に次いで、拡大する領域21を備える。また、図7に示す突起3は、高さ方向に垂直な断面の径が突起の先端から基部まで縮小する領域22のみを備える。図8に示す突起3は、高さ方向に垂直な断面の径が突起の先端から基部まで拡大する領域21のみを備える。図9に示す突起3は、高さ方向に垂直な断面の径が突起の先端から基部まで一定である。図15に示す突起3は、突起の先端側が分岐している。なお、この場合の突起の間隔とは、図15に示す矢印31の部分を意味し、突起の先端側に存在する分岐の間隔は含まない。図16に示す突起3は、突起先端の分岐が基部まで達している。なお、分岐の間隔が5μm未満であれば、分岐全体を一つの突起であるとみなしてよい。すなわち、この場合の突起の間隔とは、図16に示す矢印31の部分を意味し、分岐の間隔は含まない。また複数の形状の突起を部分的に使い分けてもよい。すなわち、例えば図5に示す形状と図6に示す形状とが併存してもよい。
5 to 9 and 15 to 16 schematically show an example of a protrusion. The
上述のように一つの大きな突起に複数の小さな分岐が設けられていてもよい。また分岐が基部まで達しているために、複数の突起が密着しているように見える態様であってもよい。しかし、前記突起は独立していることが好ましい。本明細書において、「独立した突起」とは、突起の先端から見た場合に、突起の輪郭線が重畳または接しておらず、突起同士の境界線が明確であることを意味する。つまり、突起1個あたり、ただ1つの先端とただ1つの基部とを有することが好ましい。これにより、接合に寄与する突起3と炭素繊維5の数を最大化することができるため、第二部材に含有される熱可塑性樹脂とのアンカー効果および炭素繊維との絡み合い効果が向上し、接合性が向上する。
As described above, one large protrusion may be provided with a plurality of small branches. Further, since the branch reaches the base, a plurality of protrusions may appear to be in close contact with each other. However, it is preferable that the protrusions are independent. As used herein, the term "independent protrusions" means that the contour lines of the protrusions do not overlap or touch each other when viewed from the tip of the protrusions, and the boundaries between the protrusions are clear. That is, it is preferable to have only one tip and only one base for each protrusion. As a result, the number of
前記突起の配列は特に限定されない。図12〜図14は突起の配列の一例を模式的に例示する。図12〜14では便宜的に、突起の先端を繋いだ形状を太線で示している。突起の先端側から見た突起の配列は、例えば図12のように四角形状であってもよく、図13のように三角形状であってもよく、図14のように六角形状であってもよい。 The arrangement of the protrusions is not particularly limited. 12 to 14 schematically show an example of the arrangement of protrusions. In FIGS. 12 to 14, for convenience, the shape in which the tips of the protrusions are connected is shown by a thick line. The arrangement of the protrusions as seen from the tip side of the protrusions may be, for example, a quadrangular shape as shown in FIG. 12, a triangular shape as shown in FIG. 13, or a hexagonal shape as shown in FIG. good.
本明細書において、突起の配列が「四角形状」であるとは、突起の配列が格子型であることを意味する。本明細書において突起の配列が「三角形状」であるとは、突起の配列が最密配置されていることを意味する。また、本明細書において突起の配列が「六角形状」であるとは、突起の配列が亀甲形状であることを意味する。また複数の種類の配列を部分的に使い分けてもよい。すなわち、例えば図12に示す配列と図13に示す配列とが併存してもよい。 In the present specification, when the arrangement of protrusions is "square", it means that the arrangement of protrusions is a grid type. As used herein, the "triangular" arrangement of protrusions means that the arrangement of protrusions is closest packed. Further, in the present specification, the arrangement of the protrusions is "hexagonal" means that the arrangement of the protrusions is a hexagonal shape. In addition, a plurality of types of arrays may be partially used. That is, for example, the sequence shown in FIG. 12 and the sequence shown in FIG. 13 may coexist.
<穿孔>
穿孔は、第一部材の表面に形成される。第一部材に穿孔が形成されていることで、第二部材との間に、前記穿孔を介したアンカー効果が得られる。また、第二部材が炭素繊維を含有することで、前記穿孔との間に絡み合い効果が得られる。したがって、接合強度が向上する。
<Perforation>
The perforations are formed on the surface of the first member. Since the first member is formed with a perforation, an anchor effect through the perforation can be obtained between the first member and the second member. Further, since the second member contains carbon fiber, an entanglement effect can be obtained with the perforation. Therefore, the joint strength is improved.
図10は、実施形態に係る第一部材の穿孔の一例を模式的に例示する。図10に示すように、第一部材1は、互いに独立している穿孔を備えていることが好ましい。つまり、穿孔が形成された表面に垂直な方向から見た場合に、穿孔の開口部が重畳しておらず、穿孔同士の境界線が明確であることが好ましい。前記穿孔は、連続する溝とは異なる。穿孔が独立していれば、接合に寄与する穿孔4と炭素繊維5の数を最大化することができ、第二部材に含有される熱可塑性樹脂とのアンカー効果および炭素繊維5との絡み合い効果が向上し、接合性が向上する。
FIG. 10 schematically illustrates an example of drilling the first member according to the embodiment. As shown in FIG. 10, the
前記穿孔の開口径は5〜150μmが好ましく、より好ましくは10〜100μmが好ましい。開口径が5μm以上であれば炭素繊維との絡み合い効果が向上する。また開口径が150μm以下であれば単位面積当たりの穿孔数が増加し、アンカー効果と絡み合い効果が向上する。 The opening diameter of the perforation is preferably 5 to 150 μm, more preferably 10 to 100 μm. When the opening diameter is 5 μm or more, the entanglement effect with carbon fibers is improved. Further, when the opening diameter is 150 μm or less, the number of holes per unit area increases, and the anchor effect and the entanglement effect are improved.
前記穿孔の深さは15μm以上であることが好ましく、より好ましくは20μm以上である。深さが15μm以上であると、穿孔におけるアンカー効果と絡み合い効果が向上し、その結果、全体の接合強度が向上する。穿孔の深さの上限は特に限定されないが、300μm以下であれば、加工時間が短く済むため好ましい。 The depth of the perforation is preferably 15 μm or more, more preferably 20 μm or more. When the depth is 15 μm or more, the anchor effect and the entanglement effect in drilling are improved, and as a result, the overall joint strength is improved. The upper limit of the drilling depth is not particularly limited, but if it is 300 μm or less, the processing time can be shortened, which is preferable.
また前記穿孔は整列していることが好ましい。本明細書において、「整列した穿孔」とは、規則的に配置された穿孔を意味する。これにより、接合構造体全体の強度が安定する。穿孔の配列は特に限定されず、前記突起と同様の配列が使用できる。また前記突起と同様に、複数の種類の配列を併存させることも可能である。加えて、開口径の異なる穿孔を併存させてもよい。 Further, it is preferable that the perforations are aligned. As used herein, "aligned perforations" means regularly arranged perforations. As a result, the strength of the entire joint structure is stabilized. The arrangement of the perforations is not particularly limited, and an arrangement similar to that of the protrusions can be used. Further, similarly to the above-mentioned protrusions, it is also possible to coexist a plurality of types of sequences. In addition, perforations having different opening diameters may coexist.
穿孔の形状は特に限定されない。例えば、穿孔は、深さ方向に垂直な断面の径が一定であってもよく、深さ方向に垂直な断面の径が開口部から底部に向かって拡大する領域および縮小する領域の少なくともいずれか一方を有していてもよい。 The shape of the perforation is not particularly limited. For example, the perforation may have a constant diameter of the cross section perpendicular to the depth direction, and the diameter of the cross section perpendicular to the depth direction is at least one of an area where the diameter expands from the opening toward the bottom and a region where the diameter decreases. You may have one.
図10〜11および17〜18は穿孔の一例を模式的に例示する。例えば図10に示すように穿孔の深さ方向に垂直な断面の径が縮小する領域に次いで、拡大する領域を備える形状であってもよい。図11に示す穿孔内部の径がほぼ一定であってもよい。図17に示す、穿孔の内部に複数の小さな穿孔を備える形状であってもよく、図18に示す複数の穿孔が重畳する形状であってもよい。ただし、穿孔が重畳しているよりは、上述のように穿孔が独立していることがより好ましい。また複数の形状の穿孔を部分的に使い分けてもよい。すなわち、例えば図10に示す形状と図11に示す形状とが併存してもよい。 10 to 11 and 17 to 18 schematically illustrate an example of perforation. For example, as shown in FIG. 10, the shape may include a region in which the diameter of the cross section perpendicular to the depth direction of the perforation decreases, and then a region in which the diameter expands. The diameter inside the perforation shown in FIG. 11 may be substantially constant. The shape may be such that a plurality of small perforations are provided inside the perforations shown in FIG. 17, or the shape may be such that the plurality of perforations shown in FIG. 18 overlap. However, it is more preferable that the perforations are independent as described above, rather than the perforations being superposed. Further, the perforations having a plurality of shapes may be partially used. That is, for example, the shape shown in FIG. 10 and the shape shown in FIG. 11 may coexist.
<第二部材>
第二部材は熱可塑性樹脂と炭素繊維とを含む。第二部材は炭素繊維複合樹脂を含むとも言える。
<Second member>
The second member contains a thermoplastic resin and carbon fibers. It can be said that the second member contains a carbon fiber composite resin.
熱可塑性樹脂の材料としては、PVC(ポリ塩化ビニル)、PS(ポリスチレン)、AS(アクリロニトリル・スチレン)、ABS(アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン)、PMMA(ポリメチルメタクリレート)、PE(ポリエチレン)、PP(ポリプロピレン)、PC(ポリカーボネート)、m−PPE(変性ポリフェニレンエーテル)、PA6(ポリアミド6)、PA66(ポリアミド66)、POM(ポリアセタール)、PET(ポリエチレンテレフタレート)、PBT(ポリブチレンテレフタレート)、PSF(ポリサルホン)、PAR(ポリアリレート)、PEI(ポリエーテルイミド)、PPS(ポリフェニレンサルファイド)、PES(ポリエーテルサルホン)、PEEK(ポリエーテルエーテルケトン)、PAI(ポリアミドイミド)、LCP(液晶ポリマー)、PVDC(ポリ塩化ビニリデン)、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、PCTFE(ポリクロロトリフルオロエチレン)、および、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)が挙げられる。また、熱可塑性樹脂は、TPE(熱可塑性エラストマ)であってもよく、TPEの一例としては、TPO(オレフィン系)、TPS(スチレン系)、TPEE(エステル系)、TPU(ウレタン系)、TPA(ナイロン系)、および、TPVC(塩化ビニル系)が挙げられる。材料強度の観点から、上記の中でも結晶性を有する熱可塑性樹脂が好ましい。 Materials for the thermoplastic resin include PVC (polyvinylidene chloride), PS (polystyrene), AS (acrylonitrile styrene), ABS (acrylonitrile butadiene styrene), PMMA (polymethyl methacrylate), PE (polyethylene), PP ( Polypropylene), PC (polypropylene), m-PPE (modified polyvinylidene ether), PA6 (polyvinylidene 6), PA66 (polyethylene 66), POM (polyacetylate), PET (polyethylene terephthalate), PBT (polybutylene terephthalate), PSF (polysulfone) ), PAR (Polyarylate), PEI (Polyetherimide), PPS (Polyphenylidene Sulfide), PES (Polyethersulfone), PEEK (Polyetheretherketone), PAI (Polyethyleneimide), LCP (Liquid crystal polymer), PVDC (Polyvinylidene chloride), PTFE (polytetrafluoroethylene), PCTFE (polychlorotrifluoroethylene), and PVDF (polyvinylidene fluoride). The thermoplastic resin may be TPE (thermoplastic elastomer), and examples of TPE include TPO (olefin-based), TPS (styrene-based), TPEE (ester-based), TPU (urethane-based), and TPA. (Nylon type) and TPVC (vinyl chloride type) can be mentioned. Among the above, a thermoplastic resin having crystallinity is preferable from the viewpoint of material strength.
前記第二部材は、上述の効果を損なわない範囲で、必要に応じて前記熱可塑性樹脂と前記炭素繊維以外の添加剤を含んでいてもよい。添加剤の一例としては、前記炭素繊維と前記熱可塑性樹脂との親和性を高めるためのサイジング剤、分散剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤、帯電防止剤、難燃剤、滑剤、結晶核材、可塑剤、染料、顔料、カーボンナノチューブ等が挙げられる。 The second member may contain an additive other than the thermoplastic resin and the carbon fiber, if necessary, as long as the above-mentioned effects are not impaired. Examples of additives include sizing agents, dispersants, antioxidants, ultraviolet absorbers, antistatic agents, flame retardants, lubricants, and crystal nucleating materials for enhancing the affinity between the carbon fibers and the thermoplastic resin. Examples include plasticizers, dyes, pigments, carbon nanotubes and the like.
前記第二部材の材料強度を向上させる目的で、結晶核材として、層状ケイ酸塩を用いることが好ましい。層状ケイ酸塩は、Siを4個の酸素が囲んだ四面体が、3つの頂点を隣の四面体と共有することにより、2次元的に拡がった構造単位(四面体シート)を形成している層状構造をもったケイ酸塩の一群である。また、Siの一部がAlに置換されていてもよい。前記ケイ酸塩の一例としては、マイカ、雲母、タルク、カオリン、モンモリロナイト等が挙げられる。また、Siに加えてMg、Alなどを6個の酸素またはOHが囲んだ八面体の2次元的なつながりである八面体シートも結晶核剤となる。前記八面体シートは層面に平行な劈開が完全であり、一般に板状又は薄片状の形態である。前記八面体シートは化学的には、Si以外にAl、Mg、Fe、アルカリなどを含有する含水ケイ酸塩である。いずれも市販品を利用することができる。 It is preferable to use a layered silicate as the crystal nucleating material for the purpose of improving the material strength of the second member. In the layered silicate, a tetrahedron in which Si is surrounded by four oxygens forms a two-dimensionally expanded structural unit (tetrahedron sheet) by sharing three vertices with the adjacent tetrahedron. It is a group of silicates with a layered structure. Further, a part of Si may be replaced with Al. Examples of the silicate include mica, mica, talc, kaolin, montmorillonite and the like. Further, an octahedral sheet, which is a two-dimensional connection of octahedrons in which Mg, Al, etc. are surrounded by six oxygens or OHs in addition to Si, is also a crystal nucleating agent. The octahedral sheet has a complete cleavage parallel to the layer surface and is generally in the form of a plate or flakes. The octahedral sheet is chemically a hydrous silicate containing Al, Mg, Fe, alkali and the like in addition to Si. Commercially available products can be used for both.
<炭素繊維>
炭素繊維は第二部材に強度を付与する充填剤である。炭素繊維は、例えば有機高分子繊維を800℃以上、3000℃以下の段階的加熱処理により繊維形状を保ったまま炭化させるか、または紡糸したピッチを熱処理することによって得られる。有機高分子繊維の一例としては、セルロース系、ポリアクリロニトリル系が挙げられる。また、炭素繊維は市販品を用いてもよい。炭素繊維は、新品材でもよく、再生材でもよい。再生材としては、炭素繊維強化プラスチック(CFRP)から、樹脂成分を分離し、炭素繊維を回収する熱分解法、または化学溶解法、もしくは超臨界流体法で再生された炭素繊維を用いてもよい。
<Carbon fiber>
Carbon fiber is a filler that imparts strength to the second member. Carbon fibers are obtained, for example, by carbonizing organic polymer fibers by stepwise heat treatment at 800 ° C. or higher and 3000 ° C. or lower while maintaining the fiber shape, or by heat-treating the spun pitch. Examples of organic polymer fibers include cellulosic and polyacrylonitrile. Further, as the carbon fiber, a commercially available product may be used. The carbon fiber may be a new material or a recycled material. As the recycled material, carbon fibers regenerated by a thermal decomposition method, a chemical dissolution method, or a supercritical fluid method in which the resin component is separated from the carbon fiber reinforced plastic (CFRP) and the carbon fibers are recovered may be used. ..
前記炭素繊維は前記熱可塑性樹脂に応じて、適宜選択することができる。以下に限定されないが、炭素繊維の一例としては、SIGRAFIL C C6−4.0/240−T190(SGLカーボン製)、SIGRAFIL C C6−4.0/240−T130(SGLカーボン製)、HT C413(東邦テナックス製)、IM C702(東邦テナックス製)、TR06NE(三菱レーヨン製)、MR06NE(三菱レーヨン製)等が挙げられる。 The carbon fiber can be appropriately selected depending on the thermoplastic resin. Examples of carbon fibers include, but are not limited to, SIGRAFIL CC6-4.0 / 240-T190 (manufactured by SGL carbon), SIGRAFIL CC6-4.0 / 240-T130 (manufactured by SGL carbon), and HT C413 (manufactured by SGL carbon). Examples include Toho Tenax), IM C702 (Toho Tenax), TR06NE (Mitsubishi Rayon), MR06NE (Mitsubishi Rayon) and the like.
前記第二部材中の、前記熱可塑性樹脂と前記炭素繊維との重量比(炭素繊維:熱可塑性樹脂)は、好ましくは10:90〜60:40であり、より好ましくは20:80〜40:60である。炭素繊維の比率が10重量%以上であれば、前記第二部材の機械強度が向上する。炭素繊維の比率が60重量%以下であれば、溶融混錬工程で炭素繊維と熱可塑性樹脂との混合ムラが小さくなるため、前記第二部材の機械強度が向上する。 The weight ratio (carbon fiber: thermoplastic resin) of the thermoplastic resin to the carbon fiber in the second member is preferably 10:90 to 60:40, and more preferably 20:80 to 40: It is 60. When the ratio of carbon fibers is 10% by weight or more, the mechanical strength of the second member is improved. When the ratio of the carbon fibers is 60% by weight or less, the uneven mixing of the carbon fibers and the thermoplastic resin is reduced in the melt-kneading step, so that the mechanical strength of the second member is improved.
前記炭素繊維の繊維長は、特に制限されるものではないが、熱可塑性樹脂中への分散性の観点からは、50mm以下が好ましく、炭素繊維の樹脂中への分散性の観点から、より好ましくは5mm以下である。また、前記複合樹脂の機械強度(引張強度または曲げ強度)の観点からは0.1mm以上が好ましい。なお、炭素繊維の繊維長は一定である必要はなく、バラつきがあってもよい。その場合、前記記載の好ましい範囲外の繊維長を有する炭素繊維が含まれていてもよい。 The fiber length of the carbon fibers is not particularly limited, but is preferably 50 mm or less from the viewpoint of dispersibility in the thermoplastic resin, and more preferably from the viewpoint of dispersibility of the carbon fibers in the resin. Is 5 mm or less. Further, from the viewpoint of the mechanical strength (tensile strength or bending strength) of the composite resin, 0.1 mm or more is preferable. The fiber length of the carbon fiber does not have to be constant and may vary. In that case, carbon fibers having a fiber length outside the preferable range described above may be contained.
前記炭素繊維の解繊率は下記式から求められ、好ましくは50%以上であり、より好ましくは80%以上である。解繊率が50%以上であると、前記突起あるいは前記穿孔と絡み合う炭素繊維が増加し、接合構造体の接合強度が向上する。
解繊率(%)=(単独で存在する炭素繊維の本数)/(炭素繊維の本数)×100
解繊率の上限は特に限定されず、100%であってもよい。
The defibration rate of the carbon fiber is calculated from the following formula, and is preferably 50% or more, more preferably 80% or more. When the defibration rate is 50% or more, the number of carbon fibers entwined with the protrusions or the perforations increases, and the bonding strength of the bonding structure is improved.
Defibrillation rate (%) = (number of carbon fibers existing alone) / (number of carbon fibers) x 100
The upper limit of the defibration rate is not particularly limited and may be 100%.
<接合構造体の製造方法>
前記接合構造体は、例えば金属材料の表面に突起および穿孔の少なくともいずれか一方を形成して第一部材を得る工程と、内部帰還型スクリューによって熱可塑性樹脂中に炭素繊維を解繊された状態で分散させて第二部材を得る工程と、前記第一部材と前記第二部材とを接合する工程と、を含む製造方法によって得られる。
<Manufacturing method of joint structure>
The bonded structure is, for example, in a state in which at least one of protrusions and perforations is formed on the surface of a metal material to obtain a first member, and carbon fibers are defibrated in a thermoplastic resin by an internal feedback screw. It is obtained by a manufacturing method including a step of obtaining a second member by dispersing in and a step of joining the first member and the second member.
第一部材の突起または穿孔の形成方法は特に限定されず、レーザ加工または化学エッチング、放電加工、超精密金型、微細切削加工等によって行ってもよい。 The method of forming the protrusions or perforations of the first member is not particularly limited, and may be performed by laser processing, chemical etching, electric discharge machining, ultra-precision mold, fine cutting, or the like.
突起または穿孔の形成に用いるレーザは例えばファイバレーザ、YAGレーザ、YVO4レーザ、半導体レーザ、炭酸ガスレーザ、エキシマレーザ等が挙げられる。突起の先端から基部に向かって外周部の径が縮小する領域を有する突起を形成する場合はパルスレーザが適しており、それ以外の場合は連続波レーザでもよい。パルスレーザとしては、サブパルスレーザがより好ましい。 Examples of the laser used for forming the protrusion or the perforation include a fiber laser, a YAG laser, a YVO4 laser, a semiconductor laser, a carbon dioxide gas laser, an excimer laser and the like. A pulse laser is suitable for forming a protrusion having a region where the diameter of the outer peripheral portion decreases from the tip of the protrusion toward the base, and a continuous wave laser may be used in other cases. As the pulse laser, a sub-pulse laser is more preferable.
図2は、実施形態に係る突起を形成するためのレーザ照射の方法を模式的に表す。前記金属材料に対して、図2に示すレーザ照射部11が一部重畳するようにレーザ加工することで、レーザ非照射部13が独立した突起となる。図2では、レーザ照射部が重畳する領域をレーザ照射重畳部12として示している。
FIG. 2 schematically shows a method of laser irradiation for forming a protrusion according to an embodiment. By laser processing the metal material so that the
第二部材は、例えば以下のように作製される。まず、熱可塑性樹脂に炭素繊維を添加して混練する。ここで、せん断条件下で混練することにより、炭素繊維が解繊された状態で分散させることができる。通常の二軸押出機を用いてもよいが、好ましくは内部帰還型スクリューを有する高せん断加工機を用いて混練する。 The second member is manufactured, for example, as follows. First, carbon fibers are added to the thermoplastic resin and kneaded. Here, by kneading under shearing conditions, the carbon fibers can be dispersed in a defibrated state. A normal twin-screw extruder may be used, but a high shearing machine having an internal feedback type screw is preferably used for kneading.
内部帰還型スクリューはシリンダ内に設けられる。以下の1、2が繰り返されることにより、熱可塑性樹脂と炭素繊維とを含む溶融樹脂組成物が混練される。
1.スクリューの回転によって溶融樹脂組成物がシリンダの前部に押し出される。
2.スクリューの軸方向に設けられた通路を通って前記溶融樹脂組成物がシリンダの後部に戻る。
The internal feedback type screw is provided in the cylinder. By repeating the following
1. 1. The rotation of the screw pushes the molten resin composition to the front of the cylinder.
2. The molten resin composition returns to the rear of the cylinder through a passage provided in the axial direction of the screw.
これにより、溶融樹脂組成物の内部に強いせん断流動場および伸長場が発生するため、炭素繊維の解繊が促進される。内部帰還型スクリューの回転数は200rpm以上、3000rpm以下であることが好ましい。また、せん断速度は300/s以上、4500/s以下であることが好ましい。溶融樹脂組成物を循環させる時間は、10秒以上、8分以下であることが好ましい。 As a result, a strong shear flow field and extension field are generated inside the molten resin composition, so that the defibration of the carbon fibers is promoted. The rotation speed of the internal feedback type screw is preferably 200 rpm or more and 3000 rpm or less. The shear rate is preferably 300 / s or more and 4500 / s or less. The time for circulating the molten resin composition is preferably 10 seconds or more and 8 minutes or less.
その後、得られた溶融樹脂組成物を成形することで、第二部材を得られる。成形には一般の射出成形方法を用いることができる。 Then, the second member can be obtained by molding the obtained molten resin composition. A general injection molding method can be used for molding.
第一部材と第二部材とを接合する方法としては、レーザ接合、射出成形接合、超音波溶着、熱プレス溶着、IH加熱、3Dプリンタ積層等が挙げられる。 Examples of the method for joining the first member and the second member include laser joining, injection molding joining, ultrasonic welding, heat press welding, IH heating, and 3D printer lamination.
レーザ接合は、例えば以下のように行われる。第一部材の加工部に、第二部材を押圧しながらレーザを照射して、熱により第二部材を溶融させる。レーザは第一部材側から照射する。その後、レーザ照射を停止すると、冷却されて第二部材に含まれる炭素繊維と、突起あるいは穿孔とが絡み合った状態で、第二部材が固化することで、第一部材と第二部材が接合した接合構造体が得られる。 Laser bonding is performed, for example, as follows. The processed portion of the first member is irradiated with a laser while pressing the second member, and the second member is melted by heat. The laser irradiates from the first member side. After that, when the laser irradiation was stopped, the first member and the second member were joined by solidifying the second member in a state where the carbon fibers contained in the second member were cooled and the protrusions or perforations were entangled with each other. A joined structure is obtained.
レーザ接合を行う場合、第一部材のレーザ吸収効率を向上させる目的で、第一部材のレーザ照射面を同種のレーザマーカで粗加工してもよい。また、金属のレーザ吸収効率を向上させる方法は前記レーザマーカに限らず、サンドペーパーによる粗加工、または黒体スプレー等を行ってもよい。 When performing laser bonding, the laser irradiation surface of the first member may be rough-processed with the same type of laser marker for the purpose of improving the laser absorption efficiency of the first member. Further, the method for improving the laser absorption efficiency of metal is not limited to the laser marker, and rough processing with sandpaper, blackbody spray, or the like may be performed.
射出成形接合は、例えば電動射出成形機を用いて行われる。具体的には、第一部材を前記成形機に設置した金型内にインサートし、当該金型内に溶融した樹脂を充填することにより、第二部材を成形し、接合構造体を得られる。 Injection molding joining is performed using, for example, an electric injection molding machine. Specifically, by inserting the first member into a mold installed in the molding machine and filling the mold with a molten resin, the second member can be molded to obtain a bonded structure.
超音波溶着は、第一部材と第二部材とを接合部を介して重ね合わせ、超音波溶着用の機器に設置することにより行われる。超音波溶着用のホーンを介して超音波溶着させ、接合構造体を得る。 Ultrasonic welding is performed by superimposing the first member and the second member via a joint and installing the first member and the second member on a device for ultrasonic welding. Ultrasonic welding is performed through a horn for ultrasonic welding to obtain a bonded structure.
熱プレス接着は、第一部材と第二部材とを接合部を介して重ね合わせ、熱プレス用の機器、あるいは金型に設置することにより行われる。第二部材側から熱と圧力をかけて接合させ、接合構造体を得る。 Hot press bonding is performed by superimposing the first member and the second member via a joint and installing the first member and the second member on a device for hot pressing or a mold. Heat and pressure are applied from the second member side to join them to obtain a joined structure.
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope of the claims, and the embodiments obtained by appropriately combining the technical means disclosed in the different embodiments. Is also included in the technical scope of the present invention.
以下、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on Examples, but the present invention is not limited to the following Examples.
〔炭素繊維解繊率の評価〕
第二部材に用いた炭素繊維複合樹脂を、炭素繊維を含まない同種の熱可塑性樹脂とともに溶融混錬することにより10倍〜30倍に希釈した。具体的には、ラボプラストミル(株式会社東洋精機製作所製)を用いて、前記炭素繊維複合樹脂および熱可塑性樹脂の混合物を熱可塑性樹脂の溶融温度以上に加熱しながら、回転速度を数十rpm程度に設定して混錬することで希釈した。回転速度をこのように制御することにより、樹脂に対するせん断応力を抑制し、炭素繊維の解繊状態が変化しないようにした。希釈した樹脂から、加熱プレス機を用いて、サイズ50mm×50mm、厚み約0.2mmのシートサンプルを作製した。前記シートサンプルの任意の3点をΦ5mmの視野にて光学顕微鏡で観察し、単独で存在する炭素繊維の本数および2本以上の束で存在する炭素繊維の本数を数えた。そして、上述の式から解繊率を求めた。解繊率は、前記3点から得られた平均値として表した。なお、前記平均値は1の位を四捨五入して、10%ごとで表した。
[Evaluation of carbon fiber defibration rate]
The carbon fiber composite resin used for the second member was diluted 10 to 30 times by melt-kneading together with the same type of thermoplastic resin containing no carbon fiber. Specifically, using a lab plast mill (manufactured by Toyo Seiki Seisakusho Co., Ltd.), the mixture of the carbon fiber composite resin and the thermoplastic resin is heated to a temperature higher than the melting temperature of the thermoplastic resin, and the rotation speed is increased to several tens of rpm. It was diluted by setting the degree and kneading. By controlling the rotation speed in this way, the shear stress on the resin was suppressed and the defibrated state of the carbon fibers did not change. From the diluted resin, a sheet sample having a size of 50 mm × 50 mm and a thickness of about 0.2 mm was prepared using a heating press machine. Arbitrary three points of the sheet sample were observed with an optical microscope in a field of view of Φ5 mm, and the number of carbon fibers existing alone and the number of carbon fibers existing in a bundle of two or more were counted. Then, the defibration rate was calculated from the above formula. The defibration rate was expressed as an average value obtained from the above three points. The average value was rounded off to the 1st place and expressed in units of 10%.
〔接合評価方法〕
図4は実施例に係る引張試験の方法を模式的に表す。接合評価に用いた接合構造体は、第一部材の長手方向と第二部材の長手方向とが平行になるように接合することによって得た。冷熱衝撃試験機(エスペック社製)を用いて接合構造体に対して、低温と高温とで処理を行う冷熱衝撃試験を行った。温度条件は、低温側は−40℃で30分、高温側は70℃で30分を1サイクルとした。サイクル回数は5サイクル、50サイクルまたは1000サイクルとした。冷熱衝撃試験後、電気機械式万能試験機5900(インストロン社製)を用いて、接合構造体をせん断方向(図4に示す矢印方向)に引っ張った。引張速度は1mm/minで行った。接合性は試験後の破壊面および破壊部を観測し、破壊の状態によって評価を行った。評価は以下のように決定した。冷熱衝撃5サイクル後に接合界面が剥離した場合×、すなわち冷熱衝撃に耐えることができず不合格だと判断した。5サイクル後は樹脂材料のみが破壊されたが、50サイクル後は接合界面の剥離と樹脂材料の破壊とが混在している場合を〇とし、比較的温和な使用環境で用いられる機器、例えば家庭用電気機器等に適用できるレベルだと判断した。50サイクル後は樹脂材料のみが破壊されたが、1000サイクル後は接合界面の剥離と樹脂材料の破壊とが混在している場合を◎とし、室外環境で用いられ、且つ比較的長寿命が要求される機器、例えば輸送機器等に適用できるレベルだと判断した。1000サイクル後は樹脂材料のみが破壊された場合を◎◎とし、低温および高温の両方にさらされる、厳しい使用環境でも長寿命が要求される機器、例えば産業機器等に適用できるレベルだと判断した。
[Join evaluation method]
FIG. 4 schematically shows a method of a tensile test according to an example. The joint structure used for the joint evaluation was obtained by joining so that the longitudinal direction of the first member and the longitudinal direction of the second member were parallel to each other. A thermal shock tester (manufactured by ESPEC) was used to perform a thermal shock test on the bonded structure at low and high temperatures. The temperature condition was −40 ° C. for 30 minutes on the low temperature side and 70 ° C. for 30 minutes on the high temperature side as one cycle. The number of cycles was 5, 50 or 1000 cycles. After the thermal shock test, the joint structure was pulled in the shearing direction (in the direction of the arrow shown in FIG. 4) using an electromechanical universal testing machine 5900 (manufactured by Instron). The tensile speed was 1 mm / min. The bondability was evaluated by observing the fracture surface and fractured part after the test and according to the fracture condition. The evaluation was decided as follows. When the joint interface was peeled off after 5 cycles of the thermal shock, it was judged to be ×, that is, it could not withstand the cold shock and was rejected. After 5 cycles, only the resin material was destroyed, but after 50 cycles, the case where peeling of the bonding interface and destruction of the resin material were mixed was evaluated as 〇, and equipment used in a relatively mild usage environment, such as home appliances. It was judged that the level could be applied to electrical equipment. After 50 cycles, only the resin material was destroyed, but after 1000 cycles, the case where peeling of the bonding interface and destruction of the resin material are mixed is marked as ◎, and it is used in an outdoor environment and requires a relatively long life. It was judged that the level was applicable to the equipment to be used, for example, transportation equipment. After 1000 cycles, the case where only the resin material was destroyed was marked as ◎◎, and it was judged that the level could be applied to equipment that is exposed to both low and high temperatures and requires a long life even in a harsh usage environment, such as industrial equipment. ..
〔実施例1〕
金属材料であるSUS316(100mm×20mm、厚さ0.5mm)に対して、ファイバーレーザマーカMX−Z2000H(オムロン製)を用いて赤外線レーザを照射することにより突起を形成し、第一部材を作製した。
[Example 1]
A protrusion was formed by irradiating SUS316 (100 mm × 20 mm, thickness 0.5 mm), which is a metal material, with an infrared laser using a fiber laser marker MX-Z2000H (manufactured by OMRON) to prepare a first member. ..
図3は第一部材のレーザ加工部6を模式的に表す。レーザ加工部6を第一部材1の長手方向の一方の端部に形成した。突起形成時のレーザ照射条件は、出力:6W、周波数:10kHz、走査回数:30回、サブパルス:20本、走査速度:1060mm/sとし、突起の間隔が20μm、幅が50μmになるよう走査軌道を適宜調整した。
FIG. 3 schematically shows the
突起の形状は図6に示す形であり、突起の配列は図13に示す形であった。また、突起を形成した面の反対側を同種のレーザで粗加工した。 The shape of the protrusions was the shape shown in FIG. 6, and the arrangement of the protrusions was the shape shown in FIG. Further, the opposite side of the surface on which the protrusion was formed was rough-processed with the same type of laser.
次に、PBT樹脂に炭素繊維を70:30(重量比)となるように添加した。全自動高せん断成形装置(NHSS2−28、ニイガタマシンテクノ製)を用いて高せん断加工を行った。前記装置は、可塑化部と高せん断加工部を備えている。 Next, carbon fibers were added to the PBT resin at a ratio of 70:30 (weight ratio). High shearing was performed using a fully automatic high shear forming apparatus (NHSS2-28, manufactured by Niigata Machine Techno). The device includes a plasticized section and a high shearing section.
まず、可塑化部にPBT樹脂(ノバデュラン5010L、三菱エンジニアリングプラスチックス製)および炭素繊維(SIGRAFIL C C6−4.0/240−T130、SGLカーボン製)を添加した。当該可塑化部にて、シングルスクリューによって、PBT樹脂と炭素繊維とを溶融混錬し、樹脂組成物を得た。溶融混錬の条件は、シリンダ温度:250℃、スクリュー回転数:20rpmとした。 First, PBT resin (Novaduran 5010L, manufactured by Mitsubishi Engineering Plastics) and carbon fiber (SIGRAFIL CC6-4.0 / 240-T130, manufactured by SGL Carbon) were added to the plasticized portion. In the plasticized portion, the PBT resin and the carbon fiber were melt-kneaded with a single screw to obtain a resin composition. The conditions for melt kneading were a cylinder temperature of 250 ° C. and a screw rotation speed of 20 rpm.
得られた樹脂組成物を、バルブゲートを介して高せん断加工部に供給した。前記樹脂組成物を内部帰還型スクリューによって循環させることにより、解繊した炭素繊維が熱可塑性樹脂中に分散している、炭素繊維複合樹脂を得た。高せん断加工部では、シリンダ温度260℃、スクリュー回転数500rpm、滞留時間:約45sec。 The obtained resin composition was supplied to the high shearing section via a valve gate. By circulating the resin composition with an internal feedback screw, a carbon fiber composite resin in which the defibrated carbon fibers were dispersed in the thermoplastic resin was obtained. In the high shearing section, the cylinder temperature is 260 ° C., the screw rotation speed is 500 rpm, and the residence time is about 45 sec.
得られた炭素繊維複合樹脂を、一般の射出成形手法に準じて100mm×25mm×厚み2.0mmの成形体とすることにより、第二部材を得た。 The obtained carbon fiber composite resin was formed into a molded product having a size of 100 mm × 25 mm × thickness of 2.0 mm according to a general injection molding method to obtain a second member.
第一部材に第二部材を図4に示す、長手方向の端部を接合する形で重ね合わせ、接合用の治具に設置した。次に第一部材の加工面の反対側を、LDレーザ(イエナオプティック社製)を用い、赤外線レーザを繰り返し照射して加熱した。レーザ照射条件は以下の通りである;出力:24W、波長:808nm、レーザスポット径:2mm、走査回数:10回。第一部材の伝熱により、第二部材の表面を溶融させ、第一部材と第二部材とを加圧することで接合構造体を得た。加圧はシリンダCQ2Φ20(SMC社製)を接合構造体に対して垂直に配置して行った。加圧条件はシリンダのエア圧0.3MPaで行った。 The second member was superposed on the first member in the form of joining the ends in the longitudinal direction shown in FIG. 4, and installed on the joining jig. Next, the opposite side of the processed surface of the first member was repeatedly irradiated with an infrared laser and heated using an LD laser (manufactured by Jenoptik AG). The laser irradiation conditions are as follows; output: 24 W, wavelength: 808 nm, laser spot diameter: 2 mm, number of scans: 10 times. The surface of the second member was melted by heat transfer of the first member, and the first member and the second member were pressurized to obtain a bonded structure. Pressurization was performed by arranging the cylinder CQ2Φ20 (manufactured by SMC Corporation) perpendicularly to the joint structure. The pressurizing condition was an air pressure of 0.3 MPa in the cylinder.
〔実施例2〕
第一部材の突起を形成するためのレーザ照射条件のうち出力を3Wとし、第一部材の加工形状を図10に示す形状の穿孔とし、穿孔配列を図13に示す形としたこと以外は実施例1と同様に接合構造体を得た。穿孔の開口径は20μm、穿孔の深さは50μmであった。
[Example 2]
Among the laser irradiation conditions for forming the protrusions of the first member, the output was set to 3 W, the processed shape of the first member was the shape shown in FIG. 10, and the drilling arrangement was the shape shown in FIG. A bonded structure was obtained in the same manner as in Example 1. The opening diameter of the perforation was 20 μm, and the depth of the perforation was 50 μm.
〔実施例3〕
高せん断加工条件をスクリュー回転数300rpm、滞留時間約30secとして、炭素繊維の解繊率を50%としたこと以外は実施例1と同様に接合構造体を得た。
[Example 3]
A bonded structure was obtained in the same manner as in Example 1 except that the high shearing conditions were a screw rotation speed of 300 rpm and a residence time of about 30 sec, and the defibration rate of carbon fibers was 50%.
〔実施例4〕
高せん断加工条件をスクリュー回転数300rpm、滞留時間約30secとして、炭素繊維の解繊率を50%としたこと以外は実施例2と同様に接合構造体を得た。
[Example 4]
A bonded structure was obtained in the same manner as in Example 2 except that the high shearing conditions were a screw rotation speed of 300 rpm and a residence time of about 30 sec, and the defibration rate of carbon fibers was 50%.
〔比較例1〕
高せん断加工を行わず、炭素繊維の解繊率を0%としたこと以外は実施例1と同様に接合構造体を得た。
[Comparative Example 1]
A bonded structure was obtained in the same manner as in Example 1 except that the high shearing process was not performed and the defibration rate of the carbon fibers was set to 0%.
〔比較例2〕
高せん断加工を行わず、炭素繊維の解繊率を0%としたこと以外は実施例2と同様に接合構造体を得た。
[Comparative Example 2]
A bonded structure was obtained in the same manner as in Example 2 except that the high shearing process was not performed and the defibration rate of the carbon fibers was set to 0%.
実施例1〜4、比較例1〜2の試験結果を表1に示す。 The test results of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2 are shown in Table 1.
表1より、炭素繊維が解繊している実施例1〜4は、全く解繊していない比較例1および2と比較して、より強い冷熱衝撃耐性と接合を示すことがわかった。 From Table 1, it was found that Examples 1 to 4 in which the carbon fibers were defibrated showed stronger thermal shock resistance and bonding as compared with Comparative Examples 1 and 2 in which the carbon fibers were not defibrated at all.
〔実施例5〕
第一部材の突起を形成するためのレーザ照射条件を以下の通りに変更し、突起配列を図12に示す形に、突起形状が図5に示す形になるようレーザ走査軌道を適宜調整したこと以外は、実施例1と同様に接合構造体を得た。出力:3W、周波数:10kHz、走査速度:380mm/s、走査回数:20回、サブパルス:20本。
[Example 5]
The laser irradiation conditions for forming the protrusions of the first member were changed as follows, and the laser scanning trajectory was appropriately adjusted so that the protrusion arrangement was as shown in FIG. 12 and the protrusion shape was as shown in FIG. A bonded structure was obtained in the same manner as in Example 1 except for the above. Output: 3W, frequency: 10kHz, scanning speed: 380mm / s, number of scanning: 20 times, subpulse: 20 lines.
〔実施例6〕
第一部材の突起を形成するためのレーザ照射条件を以下の通りに変更し、突起形状が図7に示す形になるよう、走査軌道を適宜調整したこと以外は、実施例1と同様に接合構造体を得た。出力:6W、周波数:10kHz、走査速度:900mm/s、走査回数:30回、サブパルス:20本。
[Example 6]
The laser irradiation conditions for forming the protrusions of the first member were changed as follows, and the scanning trajectory was appropriately adjusted so that the protrusion shape became the shape shown in FIG. 7, except that the joining was performed in the same manner as in Example 1. Obtained a structure. Output: 6W, frequency: 10kHz, scanning speed: 900mm / s, number of scanning: 30 times, subpulse: 20 lines.
〔実施例7〕
第一部材の突起を形成するためのレーザ照射条件を以下の通りに変更し、突起配列を図12に示す形に、突起形状を図8に示す形になるよう、走査軌道を適宜調整したこと以外は、実施例1と同様に接合構造体を得た。出力:6W、周波数:10kHz、走査速度:700mm/s、走査回数:20回、サブパルス:20本。
[Example 7]
The laser irradiation conditions for forming the protrusions of the first member were changed as follows, and the scanning trajectory was appropriately adjusted so that the protrusion arrangement was as shown in FIG. 12 and the protrusion shape was as shown in FIG. A bonded structure was obtained in the same manner as in Example 1 except for the above. Output: 6W, frequency: 10kHz, scanning speed: 700mm / s, number of scanning: 20 times, subpulse: 20 lines.
〔実施例8〕
第一部材の突起を形成するためのレーザ照射条件を以下の通りに変更し、突起配列を図12に示す形に、突起形状が図9に示す形になるよう、走査軌道を適宜調整したこと以外は、実施例1と同様に接合構造体を得た。出力:1W、周波数:10kHz、走査速度:380mm/s、走査回数:20回、サブパルス:20本。
[Example 8]
The laser irradiation conditions for forming the protrusions of the first member were changed as follows, and the scanning trajectory was appropriately adjusted so that the protrusion arrangement was as shown in FIG. 12 and the protrusion shape was as shown in FIG. A bonded structure was obtained in the same manner as in Example 1 except for the above. Output: 1W, frequency: 10kHz, scanning speed: 380mm / s, number of scanning: 20 times, subpulse: 20 lines.
〔実施例9〕
第一部材の突起を形成するためのレーザ照射条件を以下の通りに変更し、穿孔配列を図13に示す形に、穿孔形状が図11に示す形になるよう、走査軌道を適宜調整したこと以外は、実施例1と同様に接合構造体を得た。出力:3W、周波数:10kHz、走査速度:1060mm/s、走査回数:20回、サブパルス:5本。
[Example 9]
The laser irradiation conditions for forming the protrusions of the first member were changed as follows, and the scanning trajectory was appropriately adjusted so that the perforation arrangement was as shown in FIG. 13 and the perforation shape was as shown in FIG. A bonded structure was obtained in the same manner as in Example 1 except for the above. Output: 3W, frequency: 10kHz, scanning speed: 1060mm / s, number of scanning: 20 times, subpulse: 5 lines.
〔比較例3〕
第一部材に加工を行わなかったこと以外は実施例1と同様に、接合構造体を得た。
[Comparative Example 3]
A joint structure was obtained in the same manner as in Example 1 except that the first member was not processed.
実施例5〜9および比較例3の結果を表2に示す。 The results of Examples 5 to 9 and Comparative Example 3 are shown in Table 2.
表2より、突起または穿孔を備える実施例5〜9は、どちらも備えない比較例3と比較して、より強い冷熱衝撃耐性と接合を示すことがわかった。 From Table 2, it was found that Examples 5 to 9 having protrusions or perforations exhibited stronger thermal shock resistance and bonding as compared with Comparative Example 3 having neither.
〔実施例10〕
第一部材の突起を形成するためのレーザ照射条件を以下の通りに変更したこと以外は、実施例1と同様に接合構造体を得た。出力:6W、周波数:10kHz、走査速度:1200mm/s、走査回数:40回、サブパルス:20本。
[Example 10]
A bonded structure was obtained in the same manner as in Example 1 except that the laser irradiation conditions for forming the protrusions of the first member were changed as follows. Output: 6W, frequency: 10kHz, scanning speed: 1200mm / s, number of scanning: 40, subpulse: 20.
〔実施例11〕
第一部材の突起を形成するためのレーザ照射条件を以下の通りに変更したこと以外は、実施例1と同様に接合構造体を得た。出力:6W、周波数:10kHz、走査速度:1060mm/s、走査回数:40回、サブパルス:20本。
[Example 11]
A bonded structure was obtained in the same manner as in Example 1 except that the laser irradiation conditions for forming the protrusions of the first member were changed as follows. Output: 6W, frequency: 10kHz, scanning speed: 1060mm / s, number of scanning: 40, subpulse: 20.
〔実施例12〕
第一部材の突起を形成するためのレーザ照射条件を以下の通りに変更したこと以外は、実施例1と同様に接合構造体を得た。出力:6W、周波数:10kHz、走査速度:600mm/s、走査回数:30回、サブパルス:20本。
[Example 12]
A bonded structure was obtained in the same manner as in Example 1 except that the laser irradiation conditions for forming the protrusions of the first member were changed as follows. Output: 6W, frequency: 10kHz, scanning speed: 600mm / s, number of scanning: 30 times, subpulse: 20 lines.
〔実施例13〕
第一部材の突起を形成するためのレーザ照射条件を以下の通りに変更し、突起の間隔が約100μmになるよう、走査軌道を適宜調整したこと以外は、実施例1と同様に接合構造体を得た。出力:6W、周波数:10kHz、走査速度:1040mm/s、走査回数:40回、サブパルス:20本。
[Example 13]
The joint structure is the same as in Example 1 except that the laser irradiation conditions for forming the protrusions of the first member are changed as follows and the scanning trajectory is appropriately adjusted so that the distance between the protrusions is about 100 μm. Got Output: 6W, frequency: 10kHz, scanning speed: 1040mm / s, number of scanning: 40 times, subpulse: 20 lines.
〔実施例14〕
第一部材の突起を形成するためのレーザ照射条件を以下の通りに変更し、突起の間隔が約150μmになるよう、走査軌道を適宜調整したこと以外は、実施例1と同様に接合構造体を得た。出力:6W、周波数:10kHz、走査速度:1040mm/s、走査回数:30回、サブパルス:20本。
[Example 14]
The joint structure is the same as in Example 1 except that the laser irradiation conditions for forming the protrusions of the first member are changed as follows and the scanning trajectory is appropriately adjusted so that the distance between the protrusions is about 150 μm. Got Output: 6W, frequency: 10kHz, scanning speed: 1040mm / s, number of scanning: 30 times, subpulse: 20 lines.
実施例1および10〜14の試験結果を表3に示す。 The test results of Examples 1 and 10 to 14 are shown in Table 3.
表3より、突起の間隔が5〜150μmである実施例10〜14は、いずれも良好な冷熱衝撃耐性と強い接合を示す。特に突起の間隔が10〜100μmである場合により良好な耐性と接合を示し、さらに突起の間隔が20〜50μmの場合に最も強い耐性と接合を示すことが分かった。 From Table 3, Examples 10 to 14 in which the distance between the protrusions is 5 to 150 μm all show good thermal shock resistance and strong bonding. In particular, it was found that when the distance between the protrusions was 10 to 100 μm, better resistance and bonding were exhibited, and when the distance between the protrusions was 20 to 50 μm, the strongest resistance and bonding were exhibited.
〔実施例15〕
第一部材の突起を形成するためのレーザ照射条件を以下の通りに変更したこと以外は、実施例1と同様に接合構造体を得た。出力:6W、周波数:10kHz、走査速度:380mm/s、走査回数:40回、サブパルス:20本。
[Example 15]
A bonded structure was obtained in the same manner as in Example 1 except that the laser irradiation conditions for forming the protrusions of the first member were changed as follows. Output: 6W, frequency: 10kHz, scanning speed: 380mm / s, number of scanning: 40, subpulse: 20.
〔実施例16〕
第一部材の突起を形成するためのレーザ照射条件を以下の通りに変更したこと以外は、実施例1と同様に接合構造体を得た。出力:6W、周波数:10kHz、走査速度:520mm/s、走査回数:30回、サブパルス:20本。
[Example 16]
A bonded structure was obtained in the same manner as in Example 1 except that the laser irradiation conditions for forming the protrusions of the first member were changed as follows. Output: 6W, frequency: 10kHz, scanning speed: 520mm / s, number of scanning: 30 times, subpulse: 20 lines.
〔実施例17〕
第一部材の突起を形成するためのレーザ照射条件を以下の通りに変更し、突起の幅が約100μmになるよう、走査軌道を適宜調整したこと以外は、実施例1と同様に接合構造体を得た。出力:6W、周波数:10kHz、走査速度:1040mm/s、走査回数:40回、サブパルス:20本。
[Example 17]
The joint structure is the same as in Example 1 except that the laser irradiation conditions for forming the protrusions of the first member are changed as follows and the scanning trajectory is appropriately adjusted so that the width of the protrusions is about 100 μm. Got Output: 6W, frequency: 10kHz, scanning speed: 1040mm / s, number of scanning: 40 times, subpulse: 20 lines.
〔実施例18〕
第一部材の突起を形成するためのレーザ照射条件を以下の通りに変更し、突起の幅が約200μmになるよう、走査軌道を適宜調整したこと以外は、実施例1と同様に接合構造体を得た。出力:6W、周波数:10kHz、走査速度:1040mm/s、走査回数:40回、サブパルス:20本。
[Example 18]
The joint structure is the same as in Example 1 except that the laser irradiation conditions for forming the protrusions of the first member are changed as follows and the scanning trajectory is appropriately adjusted so that the width of the protrusions is about 200 μm. Got Output: 6W, frequency: 10kHz, scanning speed: 1040mm / s, number of scanning: 40 times, subpulse: 20 lines.
実施例1および15〜18の試験結果を表4に示す。 The test results of Examples 1 and 15-18 are shown in Table 4.
表4より、突起の幅が10〜200μmである実施例15〜18は、いずれも良好な冷熱衝撃耐性と接合を示す。特に突起の幅が10〜100μmである場合により良好な耐性と接合を示し、さらに突起の幅が20〜50μmの場合に最も強い耐性と接合を示すことが分かった。 From Table 4, Examples 15 to 18 having a protrusion width of 10 to 200 μm all show good thermal shock resistance and bonding. In particular, it was found that when the width of the protrusion was 10 to 100 μm, better resistance and bonding were exhibited, and when the width of the protrusion was 20 to 50 μm, the strongest resistance and bonding were exhibited.
〔実施例19〕
第一部材の突起を形成するためのレーザ照射条件を以下の通りに変更したこと以外は、実施例1と同様に接合構造体を得た。出力:6W、周波数:10kHz、走査速度:1060mm/s、走査回数:5回、サブパルス:20本。
[Example 19]
A bonded structure was obtained in the same manner as in Example 1 except that the laser irradiation conditions for forming the protrusions of the first member were changed as follows. Output: 6W, frequency: 10kHz, scanning speed: 1060mm / s, number of scanning: 5 times, subpulse: 20 lines.
〔実施例20〕
第一部材の突起を形成するためのレーザ照射条件を以下の通りに変更したこと以外は、実施例1と同様に接合構造体を得た。出力:6W、周波数:10kHz、走査速度:1060mm/s、走査回数:10回、サブパルス:20本。
[Example 20]
A bonded structure was obtained in the same manner as in Example 1 except that the laser irradiation conditions for forming the protrusions of the first member were changed as follows. Output: 6W, frequency: 10kHz, scanning speed: 1060mm / s, number of scanning: 10 times, subpulse: 20 lines.
〔実施例21〕
第一部材の突起を形成するためのレーザ照射条件を以下の通りに変更したこと以外は、実施例1と同様に接合構造体を得た。出力:6W、周波数:10kHz、走査速度:1060mm/s、走査回数:65回、サブパルス:20本。
[Example 21]
A bonded structure was obtained in the same manner as in Example 1 except that the laser irradiation conditions for forming the protrusions of the first member were changed as follows. Output: 6W, frequency: 10kHz, scanning speed: 1060mm / s, number of scanning: 65 times, subpulse: 20 lines.
〔実施例22〕
第一部材の突起を形成するためのレーザ照射条件を以下の通りに変更したこと以外は、実施例1と同様に接合構造体を得た。出力:6W、周波数:10kHz、走査速度:1060mm/s、走査回数:130回、サブパルス10本。
[Example 22]
A bonded structure was obtained in the same manner as in Example 1 except that the laser irradiation conditions for forming the protrusions of the first member were changed as follows. Output: 6W, frequency: 10kHz, scanning speed: 1060mm / s, number of scanning: 130 times, 10 subpulses.
〔実施例23〕
第一部材の突起を形成するためのレーザ照射条件を以下の通りに変更したこと以外は、実施例1と同様に接合構造体を得た。出力:6W、周波数:10kHz、走査速度:1060mm/s、走査回数:200回、サブパルス:10本。
[Example 23]
A bonded structure was obtained in the same manner as in Example 1 except that the laser irradiation conditions for forming the protrusions of the first member were changed as follows. Output: 6W, frequency: 10kHz, scanning speed: 1060mm / s, number of scanning: 200 times, subpulse: 10 lines.
実施例1および19〜23の試験結果を表5に示す。 The test results of Examples 1 and 19-23 are shown in Table 5.
表5より、突起の高さが15μm以上である実施例19〜23は、いずれも良好な冷熱衝撃耐性と接合を示す。特に突起の高さが20μm以上である場合により良好な耐性と接合を示し、さらに突起の高さが50μm以上の場合に最も強い耐性と接合を示すことが分かった。 From Table 5, Examples 19 to 23 in which the height of the protrusion is 15 μm or more show good thermal shock resistance and bonding. In particular, it was found that when the height of the protrusion was 20 μm or more, better resistance and bonding were exhibited, and when the height of the protrusion was 50 μm or more, the strongest resistance and bonding were exhibited.
〔実施例24〕
第一部材の穿孔を形成するためのレーザ照射条件を以下の通りに変更したこと以外は、実施例2と同様に接合構造体を得た。出力:1W、周波数:10kHz、走査速度:1060mm/s、走査回数:30回、サブパルス:20本。
[Example 24]
A bonded structure was obtained in the same manner as in Example 2 except that the laser irradiation conditions for forming the perforation of the first member were changed as follows. Output: 1W, frequency: 10kHz, scanning speed: 1060mm / s, number of scanning: 30 times, subpulse: 20 lines.
〔実施例25〕
第一部材の穿孔を形成するためのレーザ照射条件を以下の通りに変更したこと以外は、実施例2と同様に接合構造体を得た。出力:1W、周波数:10kHz、走査速度:1060mm/s、走査回数:20回、サブパルス:20本。
[Example 25]
A bonded structure was obtained in the same manner as in Example 2 except that the laser irradiation conditions for forming the perforation of the first member were changed as follows. Output: 1W, frequency: 10kHz, scanning speed: 1060mm / s, number of scanning: 20 times, subpulse: 20 lines.
〔実施例26〕
第一部材の穿孔を形成するためのレーザ照射条件を以下の通りに変更したこと以外は、実施例2と同様に接合構造体を得た。出力:3W、周波数:10kHz、走査速度:1060mm/s、走査回数:20回、サブパルス:10本。
[Example 26]
A bonded structure was obtained in the same manner as in Example 2 except that the laser irradiation conditions for forming the perforation of the first member were changed as follows. Output: 3W, frequency: 10kHz, scanning speed: 1060mm / s, number of scanning: 20 times, subpulse: 10 lines.
〔実施例27〕
第一部材の穿孔を形成するためのレーザ照射条件を以下の通りに変更したこと以外は、実施例2と同様に接合構造体を得た。出力:6W、周波数:10kHz、走査速度:1470mm/s、走査回数:30回、サブパルス:20本。
[Example 27]
A bonded structure was obtained in the same manner as in Example 2 except that the laser irradiation conditions for forming the perforation of the first member were changed as follows. Output: 6W, frequency: 10kHz, scanning speed: 1470mm / s, number of scanning: 30 times, subpulse: 20 lines.
〔実施例28〕
第一部材の穿孔を形成するためのレーザ照射条件を以下の通りに変更したこと以外は、実施例2と同様に接合構造体を得た。出力:6W、周波数:10kHz、走査速度:1840mm/s、走査回数:20回、サブパルス:10本。
[Example 28]
A bonded structure was obtained in the same manner as in Example 2 except that the laser irradiation conditions for forming the perforation of the first member were changed as follows. Output: 6W, frequency: 10kHz, scanning speed: 1840mm / s, number of scanning: 20 times, subpulse: 10 lines.
実施例2および24〜28の試験結果を表6に示す。 The test results of Examples 2 and 24-28 are shown in Table 6.
表6より、穿孔の開口径が5〜150μmである実施例24〜28はいずれも良好な冷熱衝撃耐性と接合を示す。特に穿孔の開口径が10〜100μmである場合により良好な耐性と接合を示し、さらに穿孔の開口径が50μmの場合に最も強い耐性と接合を示すことが分かった。 From Table 6, all of Examples 24 to 28 having a perforation opening diameter of 5 to 150 μm show good thermal shock resistance and bonding. In particular, it was found that when the opening diameter of the perforation was 10 to 100 μm, better resistance and bonding were exhibited, and when the opening diameter of the perforation was 50 μm, the strongest resistance and bonding were exhibited.
〔実施例29〕
第一部材の穿孔を形成するためのレーザ照射条件を以下の通りに変更したこと以外は、実施例2と同様に接合構造体を得た。出力:3W、周波数:10kHz、走査速度:1060mm/s、走査回数:5回、サブパルス:20本。
[Example 29]
A bonded structure was obtained in the same manner as in Example 2 except that the laser irradiation conditions for forming the perforation of the first member were changed as follows. Output: 3W, frequency: 10kHz, scanning speed: 1060mm / s, number of scanning: 5 times, subpulse: 20 lines.
〔実施例30〕
第一部材の穿孔を形成するためのレーザ照射条件を以下の通りに変更したこと以外は、実施例2と同様に接合構造体を得た。出力:3W、周波数:10kHz、走査速度:1060mm/s、走査回数:10回、サブパルス:20本。
[Example 30]
A bonded structure was obtained in the same manner as in Example 2 except that the laser irradiation conditions for forming the perforation of the first member were changed as follows. Output: 3W, frequency: 10kHz, scanning speed: 1060mm / s, number of scanning: 10 times, subpulse: 20 lines.
〔実施例31〕
第一部材の穿孔を形成するためのレーザ照射条件を以下の通りに変更したこと以外は、実施例2と同様に接合構造体を得た。出力:3W、周波数:10kHz、走査速度:1060mm/s、走査回数:65回、サブパルス:15本。
[Example 31]
A bonded structure was obtained in the same manner as in Example 2 except that the laser irradiation conditions for forming the perforation of the first member were changed as follows. Output: 3W, frequency: 10kHz, scanning speed: 1060mm / s, number of scanning: 65 times, subpulse: 15 lines.
〔実施例32〕
第一部材の穿孔を形成するためのレーザ照射条件を以下の通りに変更したこと以外は、実施例2と同様に接合構造体を得た。出力:3W、周波数:10kHz、走査速度:1060mm/s、走査回数:130回、サブパルス:10本。
[Example 32]
A bonded structure was obtained in the same manner as in Example 2 except that the laser irradiation conditions for forming the perforation of the first member were changed as follows. Output: 3W, frequency: 10kHz, scanning speed: 1060mm / s, number of scanning: 130 times, subpulse: 10 lines.
〔実施例33〕
第一部材の穿孔を形成するためのレーザ照射条件を以下の通りに変更したこと以外は、実施例2と同様に接合構造体を得た。出力:3W、周波数:10kHz、走査速度:1060mm/s、走査回数:200回、サブパルス:5本。
[Example 33]
A bonded structure was obtained in the same manner as in Example 2 except that the laser irradiation conditions for forming the perforation of the first member were changed as follows. Output: 3W, frequency: 10kHz, scanning speed: 1060mm / s, number of scanning: 200 times, subpulse: 5 lines.
実施例2および29〜33の試験結果を表7に示す。 The test results of Examples 2 and 29-33 are shown in Table 7.
表7より、穿孔の深さが15〜300μmである実施例29〜33はいずれも良好な冷熱衝撃耐性と接合を示す。特に穿孔の深さが20μm以上である場合により良好な耐性と接合を示すことが分かった。 From Table 7, all of Examples 29 to 33 having a perforation depth of 15 to 300 μm show good thermal shock resistance and bonding. In particular, it was found that better resistance and bonding were exhibited when the perforation depth was 20 μm or more.
本発明の一態様は、例えば金属と炭素繊維複合樹脂による接合が必要な機器全般に利用することができる。 One aspect of the present invention can be applied to all devices that require bonding with, for example, a metal and a carbon fiber composite resin.
1 第一部材
2 第二部材
3 突起
4 穿孔
5 炭素繊維
6 レーザ加工部
11 レーザ照射部
12 レーザ照射重畳部
13 レーザ非照射部
21 径が拡大する領域
22 径が縮小する領域
31 突起の間隔
101、102 接合構造体
1
Claims (8)
熱可塑性樹脂と当該熱可塑性樹脂中に解繊された状態で分散された炭素繊維とを含み、前記突起および前記穿孔の少なくともいずれか一方を介して前記第一部材と接合された、第二部材と、を備えた接合構造体。 A first member, which is a metal work piece in which at least one of protrusions and perforations is formed on the surface.
A second member containing a thermoplastic resin and carbon fibers dispersed in the thermoplastic resin in a defibrated state and bonded to the first member via at least one of the protrusion and the perforation. And a joined structure with.
解繊率(%)=(単独で存在する炭素繊維の本数)/(炭素繊維の総本数)×100 The bonded structure according to claim 1, wherein the defibration rate of the carbon fiber derived from the following formula is 50% or more.
Defibrillation rate (%) = (number of carbon fibers existing alone) / (total number of carbon fibers) x 100
内部帰還型スクリューによって熱可塑性樹脂中に炭素繊維を解繊された状態で分散させて第二部材を得る工程と、
前記第一部材と前記第二部材とを接合する工程と、を含む、接合構造体の製造方法。 The process of forming at least one of protrusions and perforations on the surface of the metal material to obtain the first member, and
A process of obtaining a second member by dispersing carbon fibers in a thermoplastic resin in a defibrated state with an internal feedback screw.
A method for manufacturing a joined structure, which comprises a step of joining the first member and the second member.
Priority Applications (1)
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