JP2022055004A - 金属樹脂接合体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】樹脂部材の強度を確保しつつ、金属部材と樹脂部材との接合強度をより高めることができる金属樹脂接合体を提供する。【解決手段】金属部材１００と、前記金属部材１００に接合された樹脂部材２００と、を有する、金属樹脂接合体１０。前記樹脂部材２００は、前記金属部材１００に接する位置に配置された接合層２１０と、積層方向において前記接合層２１０よりも前記金属部材１００から離れた位置に配置された主材層２２０と、を有し、前記接合層２１０は、繊維径が１μｍ以下である強化繊維の体積基準での含有量が、前記主材層２２０よりも多い。【選択図】図１

Description

本開示は、金属樹脂接合体およびその製造方法に関する。

軽量であるという樹脂の特性を活かして、金属製の部材を樹脂製の部材に置き換える方法が検討されている。さらに、剛性に優れるという金属部材の特性も活かすため、金属部材と樹脂部材とを複合化して用いることも望まれている。このとき接合される樹脂部材は、強化繊維を配合して強度を高めた、繊維強化樹脂が使用されることも多い。

上記強化繊維としては、ガラス繊維および炭素繊維が使用されることが多いが、他の強化繊維を使用する可能性も検討されている。たとえば特許文献１には、強化繊維としてセルロースナノファイバーを使用できることが記載されている。

また、特許文献２には、樹脂部材中での炭素繊維などの長繊維の分布を調整して、意匠性を高める方法が記載されている。

特開２０１７－２１３８６７号公報 特開２０１１－１７３３４４号公報

金属と樹脂とは互いに性質が異なる材料であるため、基本的には接合しにくい。そのため、これらの接合体には、接合強度を十分に高めにくいという課題がある。また、これらの接合体の接合強度を高める際には、樹脂部材の強度が低下しやすいという課題もある。

本開示の目的は、樹脂部材の強度を確保しつつ、金属部材と樹脂部材との接合強度をより高めることができる金属樹脂接合体、および当該金属樹脂接合体を製造する方法を提供することにある。

一態様に係る金属樹脂接合体は、金属部材と、前記金属部材に接合された樹脂部材と、を有する、金属樹脂接合体である。金属樹脂接合体において、前記樹脂部材は、前記金属部材に接する位置に配置された接合層と、積層方向において前記接合層よりも前記金属部材から離れた位置に配置された主材層と、を有し、前記接合層は、繊維径が１μｍ以下である強化繊維の体積基準での含有量が、前記主材層よりも多い。

また、一態様に係る金属樹脂接合体の製造方法は、金属部材を用意する工程と、前記金属部材の表面に、複数層の樹脂層を有する樹脂部材を接合させる工程と、を有する。前記樹脂部材の接合において、前記金属部材に接する位置に配置された接合層と、積層方向において前記接合層よりも前記金属部材から離れた位置に配置された主材層と、を形成し、前記接合層における、繊維径が１μｍ以下である強化繊維の体積基準での含有量を、前記主材層における、繊維径が１μｍ以下である強化繊維の体積基準での含有量よりも多くする。

本開示によれば、樹脂部材の強度を確保しつつ、金属部材と樹脂部材との接合強度をより高めることができる金属樹脂接合体、および当該金属樹脂接合体を製造する方法が提供される。

図１は、第一の実施形態に関する金属樹脂接合体の模式的な断面図である。 図２は、樹脂部材が強化繊維としてガラス繊維を含む従来の金属樹脂接合体における、金属部材と樹脂部材との接合界面の様子を示す模式的な拡大断面図である。 図３は、本開示の第１の実施形態の金属樹脂接合体における、金属部材と樹脂部材との接合界面の様子を示す模式的な拡大断面図である。 図４Ａ～図４Ｄは、本開示の第２の実施形態における第一の製造方法の各工程を示す模式図である。 図５Ａ～図５Ｃは、本開示の第２の実施形態における第二の製造方法の各工程を示す模式図である。 図５Ａ～図６Ｄは、本開示の第２の実施形態における第三の製造方法の各工程を示す模式図である。

以下、本開示の複数の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は一例であり、本発明はこれらの実施形態により限定されるものではない。

［第一の実施形態］
本開示の第一の実施形態は、金属部材と、上記金属部材の表面に接合した樹脂部材と、を含む金属樹脂接合体に関する。

図１は、第一の実施形態に関する金属樹脂接合体の模式的な断面図である。

金属樹脂接合体１０は、金属部材１００と、金属部材１００の表面に積層された樹脂部材２００と、を有する。樹脂部材２００は、複数層の樹脂層を有し、本実施形態においては、樹脂層として、接合層２１０、主材層２２０、および表面層２３０の３層の樹脂層を有する。

金属部材１００は、樹脂部材が接合される金属部材であればよく、金属樹脂接合体１０の用途に応じた形状および金属の種類を有すればよい。たとえば、金属部材１００は、平板状や円盤状などの板状、円柱状や角柱状などの柱状、円錐状や角錐状などの錐体状、円筒状や角筒状などの筒状、直方体状などのバルク状、およびこれらのうち複数の形状を組み合わせた形状などを有することができる。また、金属部材は、鉄、鋼、マグネシウム、アルミニウム、チタンなどの金属を主な材料とすることができる。

金属部材１００の、樹脂部材２００と接する表面１０２（樹脂部材との境界面）は、粗面化処理されてナノサイズの凹凸が形成されている。上記凹凸は、ナノサイズの凹凸が形成され得る限りにおいて、レーザー加工、ショットピーニングおよびショットブラストなどの機械的加工、ならびにケミカルエッチングなどの公知の方法で形成すればよい。これらのうち、ナノサイズの加工が容易であること、および複雑な形状の凹凸を形成できることから、ケミカルエッチングが好ましい。

なお、これらのうちいずれの方法で粗面化処理がなされたかは、金属部材１００の表面形状から判断することができる。たとえば、レーザー加工により粗面化処理がなされたときは、金属部材１００の表面１０２には規則的な凹凸が形成される。また、機械的加工により粗面化処理がなされたときは、金属部材１００の表面１０２には不規則な半円形の窪みが多数形成される。また、ケミカルエッチングにより粗面化処理がなされたときは、金属部材１００の表面１０２には多数の不規則形状の窪みや庇部などを有する不規則かつ複雑な形状に粗面化される。

また、金属部材１００の樹脂部材２００と接する表面１１０には、めっき層、リン酸塩処理層、有機被膜および無機被膜などの表面層が形成されていてもよい。また、たとえばリン酸塩処理層により上記ナノサイズの凹凸が形成されるならば、上記粗面化処理はなされなくてもよい。

接合層２１０は、樹脂部材２００のうち、金属部材１００と接する位置に配置された層である。

接合層２１０は、その主成分となる母材樹脂と、母材樹脂中に配合された強化繊維を有する。

上記母材樹脂は、ポリエチレン樹脂およびポリプロピレン樹脂などのポリオレフィン樹脂、熱可塑性アクリル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、熱可塑性ウレタン樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂および液晶ポリマーなどを含むポリエステル樹脂、ポリエーテルケトン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリサルフォン樹脂、およびポリカーボネート樹脂などを含む熱可塑性樹脂であってもよいし、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂、熱硬化型アクリル樹脂、熱硬化型ウレタン樹脂、熱硬化型ポリエステル樹脂およびメラミン樹脂などを含む熱硬化性樹脂であってもよい。これらの樹脂は、金属樹脂接合体１０の用途などに応じて選択すればよい。

上記強化繊維は、セルロースナノファイバーを含む。

本実施形態では、金属部材１００と接する樹脂層が含むセルロースナノファイバーが、上記金属部材１００の表面１０２に形成されたナノサイズの凹凸の内部に入り込む。これにより、セルロースナノファイバーが金属部材１００と樹脂部材２００との接合強度をより高める。

図２は、樹脂部材が強化繊維としてガラス繊維を含む従来の金属樹脂接合体１０ａにおける、金属部材１００ａと樹脂部材２００ａとの接合界面の様子を示す模式的な拡大断面図である。

金属部材１００ａの、樹脂部材２００ａと接する表面１０２ａは、ケミカルエッチングにより粗面化処理されてナノサイズの凹凸が形成されている。これにより、金属部材１００ａと樹脂部材２００ａとは、上記凹凸によるアンカー効果によって、所定の接合強度で接合されている。

一方で、樹脂部材２００ａに含まれるガラス繊維２０４ａは、通常は繊維径が数μｍから３０μｍ程度であり、上記ナノサイズの凹凸により形成された凹部の内部は入り込まない。

図３は、本実施形態の金属樹脂接合体１０における、金属部材１００と樹脂部材２００（接合層２１０）との接合界面の様子を示す模式的な拡大断面図である。図３は、図２における領域Ａに相当する部分の拡大図であり、図２よりも拡大の倍率をあげている。

金属部材１００の、接合層２１０と接する表面１０２は、ケミカルエッチングにより粗面化処理されてナノサイズの凹凸が形成されている。これにより、金属部材１００と接合層２１０とは、上記凹凸によるアンカー効果によって、所定の接合強度で接合されている。

さらに、本実施形態では、平均繊維径が１μｍ未満であるセルロースナノファイバー２０４が、上記ナノサイズの凹凸により形成された凹部の内部に入り込む。この入り込んだセルロースナノファイバー２０４が、金属部材１００に対する樹脂部材２００の接合強度を高める。

上記入り込みをより生じやすくする観点から、セルロースナノファイバーの平均繊維径は、０．５ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることが好ましく、１．０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることがより好ましく、２．０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることがさらに好ましく、３．０ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが特に好ましい。

上記セルロースナノファイバーの平均繊維径は、金属樹脂接合体１０の切断面を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）およびＸ線などを用いるコンピュータ断層撮影（ＣＴ）装置などで撮像した拡大画像中のうち、繊維径が１μｍ未満である繊維についての、画像から測定される繊維径の平均値とすることができる。

また、上記入り込みをより生じやすくする観点から、上記金属部材１００の表面１０２は、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（２０１３年）により規定される最大高さ粗さ（Ｒｚ）が０．２μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましく、０．２μｍ以上１０μｍ以下であることがより好ましく、０．２μｍ以上５μｍ以下であることがさらに好ましい。特に、ケミカルエッチングにより粗面化処理を行ったときは、図２および図３に例示するような複雑な凹凸形状が金属部材１００の表面１０２に形成される。そのため、Ｒｚが上記範囲であれば、セルロースナノファイバーが入り込めるようなナノサイズの凹凸が形成されているといえる。

また、上記入り込みをより生じやすくする観点から、上記金属部材１００の表面１０２は、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（２０１３年）により規定される輪郭曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）が０．８μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましく、０．８μｍ以上３０μｍ以下であることがより好ましく、０．８μｍ以上２０μｍ以下であることがさらに好ましい。上記Ｒｚと同様に、ＲＳｍが上記範囲であれば、セルロースナノファイバーが入り込めるようなナノサイズの凹凸が形成されているといえる。

また、より十分な量のセルロースナノファイバーを上記凹凸により形成された凹部の内部に入り込ませて、接合強度をより高める観点からは、接合層２１０は、セルロースナノファイバーの繊維体積含有率（Ｖｆ）が５％以上６０％以下であることが好ましく、１０％以上５０％以下であることがより好ましく、２０％以上４０％以下であることがさらに好ましい。なお、後述するように、接合層２１０は、セルロースナノファイバーの量（体積基準）が、他の層（主材層２２０および表面層２３０）よりも多い。

上記セルロースナノファイバーの繊維体積含有率（Ｖｆ）は、金属樹脂接合体１０の切断面をＳＥＭ、ＴＥＭおよびＣＴなどで撮像した拡大画像中に含まれる接合層２１０に相当する領域についての、セルロースナノファイバーに相当する繊維（繊維径が１μｍ以下の繊維）が占める面積の割合から推定した値とすることができる。

接合層２１０は、セルロースナノファイバー以外の他の強化繊維(以下、単に「他の強化繊維」ともいう。)を含んでいてもよい。上記他の強化繊維の例には、炭素繊維、ガラス繊維、ボロン繊維、アラミド繊維などが含まれる。

また、接合層２１０は、その他の添加剤を含んでいてもよい。上記添加剤の例には、離型剤、潤滑剤、可塑剤、難燃剤、染料および顔料などを含む着色剤、帯電防止剤、酸化防止剤、熱安定剤、耐候安定剤、腐食防止剤、難燃剤、レベリング剤などが含まれる。また、後述するように製造時の接合層２１０の材料の固化を遅延させて、セルロースナノファイバーを上記凹凸により形成された凹部の内部に入り込みやすくするため、接合層２１０は、固化遅延剤を含んでいてもよい。

接合層２１０の厚みは、１０μｍ以上５０００μｍ以下であることが好ましく、１００μｍ以上１０００μｍ以下であることがより好ましい。上記厚みが１００μｍ以上であると、十分な量のセルロースナノファイバーを上記凹凸により形成された凹部の内部に入り込ませて、接合強度をより高めることができる。上記厚みが１０００μｍ以下であると、主材層２２０の厚みを相対的に多くして、樹脂部材の強度をより高めることができる。

主材層２２０は、樹脂部材２００のうち、積層方向において前記接合層よりも前記金属部材から離れた位置、かつ接合層２１０と接する位置に配置された層である。

主材層２２０は、接するその主成分となる母材樹脂と、母材樹脂中に配合された強化繊維を有する。

主材層２２０は、上記母材樹脂として、接合層２１０の母材樹脂と同種の樹脂を含んでいてもよいし、異なる種類の樹脂を含んでいてもよい。接合層２１０と主材層２２０との間の接合強度をより高める観点からは、主材層２２０は、上記母材樹脂として、接合層２１０の母材樹脂と同種の樹脂を含むことが好ましい。また、主材層２２０は、接合層２１０と同様の添加剤を含んでいてもよい。なお、主材層２２０は固化の遅延によるセルロースナノファイバーの入り込みに寄与しないので、接合層２１０が固化遅延剤を含んでいるとき、主材層２２０は固化遅延剤の含有量（質量基準）が接合層２１０よりも少なくてもよい。

主材層２２０は、上記強化繊維の種類および量が、接合層２１０と異なる。

具体的には、主材層２２０は、セルロースナノファイバーの量（体積基準）が、接合層２１０よりも少ない。そして、セルロースナノファイバーよりも平均繊維径が大きい他の強化繊維の量（体積基準）が、接合層２１０よりも多い。具体的には、主材層２２０は、セルロースナノファイバーの繊維体積含有率（Ｖｆ）が、接合層２１０よりも少ない。そして、主材層２２０は、他の強化繊維の繊維体積含有率（Ｖｆ）が、接合層２１０よりも多い。

上記セルロースナノファイバーの繊維体積含有率（Ｖｆ）および他の強化繊維の繊維体積含有率（Ｖｆ）は、それぞれ、金属樹脂接合体１０の切断面をＳＥＭで撮像した拡大画像中に含まれる接合層２１０に相当する領域についての、セルロースナノファイバーに相当する繊維（繊維径が１μｍ以下の繊維）および他の強化繊維（繊維径が１μｍより大きい繊維）が占める面積の割合から推定した値とすることができる。

主材層２２０は、基本的には金属部材１００の表面１０２には接しないため、上記凹凸により形成された凹部の内部に入り込みやすいセルロースナノファイバーの量を多くする必要はない。そのため、主材層２２０では、セルロースナノファイバーのかわりに、平均繊維径がより大きい他の強化繊維の量を多くすることが好ましい。樹脂部材２００の強度（たとえば弾性率）をより高めたり、樹脂部材２００の線膨張を抑制したりすることができる。

たとえば、主材層２２０は、セルロースナノファイバーの量が、接合層２１０におけるナノファイバーの量に対して、０体積％以上７０体積％以下であることが好ましく、０体積％以上５０体積％以下であることがより好ましく、０体積％以上３０体積％以下であることがさらに好ましい。０体積％以上１０体積％以下であることがさらに好ましい。

また、主材層２２０は、樹脂部材の強度をより高める観点から、他の樹脂の繊維体積含有率（Ｖｆ）が１０体積％以上６０体積％以下であることが好ましく、１５体積％以上５０体積％以下であることがより好ましく、２０体積％以上４０体積％以下であることがさらに好ましい。上記他の樹脂の繊維体積含有率（Ｖｆ）が２０％以上であると、樹脂部材２００の強度をより高めることができる。

上記他の強化繊維の繊維体積含有率（Ｖｆ）は、金属樹脂接合体１０の切断面をＳＥＭで撮像した拡大画像中のうち、セルロースナノファイバーに相当する繊維（繊維径が１μｍ以下の繊維）が占める面積の割合から推定した値とすることができる。

また、主材層２２０は、上記他の強化繊維の平均繊維径が、１μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましく、１μｍ以上２０μｍ以下であることがより好ましく、２μｍ以上１０μｍ未満であることがさらに好ましい。

表面層２３０は、樹脂部材２００のうち、主材層２２０と接する位置に配置された層である。表面層２３０の、積層方向における主材層２２０とは反対側の面は、樹脂部材２００の外表面となる。

表面層２３０は、接するその主成分となる母材樹脂と、母材樹脂中に配合された強化繊維を有する。

表面層２３０は、上記母材樹脂として、接合層２１０および主材層２２０の母材樹脂と同種の樹脂を含んでいてもよいし、異なる種類の樹脂を含んでいてもよい。主材層２２０と表面層２３０との間の接合強度をより高める観点からは、表面層２３０は、上記母材樹脂として、主材層２２０の母材樹脂と同種の樹脂を含むことが好ましい。また、表面層２３０は、接合層２１０および主材層２２０と同様の添加剤を含んでいてもよい。

表面層２３０は、上記強化繊維の種類および量が、接合層２１０と異なる。

具体的には、表面層２３０は、主材層２２０と同様に、セルロースナノファイバーの量が、接合層２１０よりも少ない。そして、セルロースナノファイバーよりも平均繊維径が大きい他の強化繊維の量が、接合層２１０よりも多い。具体的には、表面層２３０は、セルロースナノファイバーの繊維体積含有率（Ｖｆ）が、接合層２１０よりも少ない。そして、表面層２３０は、他の強化繊維の繊維体積含有率（Ｖｆ）が、接合層２１０よりも多い。

表面層２３０は、主材層２２０と同様に、他の強化繊維の量を多くして、樹脂部材２００の強度（たとえば弾性率）をより高める。

たとえば、表面層２３０は、セルロースナノファイバーの量が、接合層２１０におけるナノファイバーの量に対して、０体積％以上７０体積％以下であることが好ましく、０体積％以上５０体積％以下であることがより好ましく、０体積％以上３０体積％以下であることがさらに好ましい。０体積％以上１０体積％以下であることがさらに好ましい。

また、表面層２３０は、樹脂部材の強度をより高める観点から、他の樹脂の繊維体積含有率（Ｖｆ）が２０体積％以上８０体積％以下であることが好ましく、３０体積％以上７０体積％以下であることがより好ましく、３５体積％以上６５体積％以下であることがさらに好ましい。上記他の樹脂の繊維体積含有率（Ｖｆ）が２０％以上であると、樹脂部材２００の強度をより高めることができる。

なお、表面層２３０は、主材層２２０よりも、他の強化繊維の平均繊維径が大きいことが好ましい。これにより、表面層２３０は、樹脂部材２００の表面における強度をより高め、樹脂部材２００の外力による変形や摩耗などを抑制することができる。

具体的には、表面層２３０は、上記他の強化繊維の平均繊維径が、５μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましく、７μｍ以上５０μｍ以下であることがより好ましく、１０μｍ以上３０μｍ以下であることがさらに好ましい。

［第二の実施形態］
本開示の第二の実施形態は、第一の実施形態に例示した金属樹脂接合体の製造方法に関する。

金属樹脂接合体は、たとえば、金属部材を用意する工程と、上記金属部材の表面に、複数層の樹脂層を有する樹脂部材を接合させる工程と、を有する方法により製造することができる。上記樹脂部材の接合において、セルロースナノファイバーがより多く、かつ金属部材に接する位置に配置された接合層と、セルロースナノファイバーがより少なく、積層方向において前記接合層よりも前記金属部材から離れた位置に配置された主材層とを形成すればよい。

（第一の製造方法）
図４Ａ～図４Ｄは、本実施形態における第一の製造方法の各工程を示す模式図である。

金属樹脂接合体１０は、複数の射出機４１０ａ、射出機４１０ｂおよび射出機４１０ｃを有する射出成型用金型４００を用いて製造することができる。なお、図示していないものの、射出成型用金型４００は、コア４２０およびキャビティ４５０を加熱するための加熱管および冷却するため冷却管、ならびにコア４２０を移動させるための駆動装置などを有していてもよい。

まず、図４Ａに示すように、射出成型用金型４００のコア４２０に、金属部材１００を配置する（金属部材を用意する工程）。金属部材１００は、粗面化処理された表面１０２が、後で導入される樹脂材料に接触するよう、表面１０２をコア４２０に接触させずに配置される。

このとき、次の工程において導入される樹脂材料４６０ａに含まれるセルロースナノファイバーを、上記粗面化処理により生じたナノサイズの凹凸により形成された凹部の内部に入り込みやすくするため、金属部材１００を予熱してもよい。このときの予熱温度は、たとえば樹脂材料４６０ａの母材樹脂の融点より０℃以上２０℃以下高い温度とすることができ、５℃以上１０℃以下高い温度とすることが好ましい。

次に、図４Ｂに示すように、コア４４０をキャビティ４５０から離れる方向に移動させて、射出機４１０ａから樹脂材料４６０ａを金型内部に射出する（樹脂部材を接合させる工程）。樹脂材料４６０ａは、接合層２１０の材料となる樹脂であり、接合層２１０の母材樹脂と、セルロースナノファイバーと、を含む溶融した樹脂組成物である。

射出された樹脂材料４６０ａは、金型内部を流動し、充填する。このとき、樹脂材料４６０ａに含まれるセルロースナノファイバーが、上記ナノサイズの凹凸により形成された凹部の内部に入り込む。

上記セルロースナノファイバーの入り込みをより生じやすくする観点から、樹脂材料４６０ａは、流動性をより高められていてもよい。たとえば、上述した金属部材１００の予熱や、固化遅延剤の配合や、母材樹脂よりも結晶化温度がより低い樹脂の配合などにより、樹脂材料４６０ａの固化を遅延させて（流動性をより長く維持させて）もよいし、流動性がより高い（メルトフローレートがより高い）樹脂や、溶融状態で金属部材１００の表面１０２を流動しやすい樹脂を用いてもよい。

次に、図４Ｃに示すように、コア４４０をキャビティ４５０から離れる方向にさらに移動させて、射出機４１０ｂから樹脂材料４６０ｂを金型内部に射出する（樹脂部材を接合させる工程）。樹脂材料４６０ｂは、主材層２２０の材料となる樹脂であり、主材層２２０の母材樹脂と、他の強化繊維と、を含む溶融した樹脂組成物である。

射出された樹脂材料４６０ｂは、金型内部を流動し、充填する。また、このとき、樹脂材料４６０ｂは、その一部または全部が樹脂材料４６０ａと混ざり合い、樹脂材料４６０ａと樹脂材料４６０ｂとが混じり合った領域を形成する。これにより、樹脂材料４６０ａと樹脂材料４６０ｂとの間（接合層２１０と主材層２２０との間）に明瞭な境界が形成されず、それぞれの母材樹脂および強化繊維の濃度が接合層２１０から主材層２２０へと徐変する樹脂部材２００を形成することができる。これにより、樹脂部材２００の接合層２１０と主材層２２０とを層間剥離しにくくして、樹脂部材２００の強度（剥離強度）をより高めることができる。

次に、図４Ｄに示すように、コア４４０をキャビティ４５０から離れる方向にさらに移動させて、射出機４１０ｃから樹脂材料４６０ｃを金型内部に射出する（樹脂部材を接合させる工程）。樹脂材料４６０ｃは、表面層２３０の材料となる樹脂であり、表面層２３０の母材樹脂と、他の強化繊維と、を含む溶融した樹脂組成物である。

射出された樹脂材料４６０ｃは、金型内部を流動し、充填する。また、このとき、樹脂材料４６０ｃは、その一部または全部が樹脂材料４６０ｂと混ざり合い、樹脂材料４６０ｂと樹脂材料４６０ｃとが混じり合った領域を形成する。これにより、樹脂材料４６０ｂと樹脂材料４６０ｃとの間（主材層２２０と表面層２３０との間）に明瞭な境界が形成されず、それぞれの母材樹脂および強化繊維の濃度が主材層２２０から表面層２３０へと徐変する樹脂部材２００を形成することができる。これにより、樹脂部材２００の主材層２２０と表面層２３０とを層間剥離しにくくして、樹脂部材２００の強度（剥離強度）をより高めることができる。

その後、樹脂材料４６０ａ、樹脂材料４６０ｂおよび樹脂材料４６０ｃを冷却してこれらの樹脂材料を固化させることにより、金属部材１００と樹脂部材２００とが接合した金属樹脂接合体１０を得ることができる。この樹脂部材２００は、樹脂材料４６０ａに由来する接合層２１０、樹脂材料４６０ｂに由来する主材層２２０、および樹脂材料４６０ｃに由来する表面層２３０を有する。

（第二の製造方法）
図５Ａ～図５Ｃは、本実施形態における第二の製造方法の各工程を示す模式図である。

金属樹脂接合体１０は、下台座５１０ａおよび上台座５１０ｂを有するプレス成型用金型５００を用いて製造することができる。なお、図示していないものの、プレス成型用金型５００は、下台座５１０ａおよび上台座５１０ｂを加熱するための加熱管および冷却するため冷却管、ならびに下台座５１０ａを上台座５１０ｂに向けて移動させる駆動装置などを有していてもよい。

まず、図５Ａに示すように、プレス成型用金型５００の下台座５１０ａに、金属部材１００を配置する（金属部材を用意する工程）。金属部材１００は、粗面化処理された表面１０２が後から配置される樹脂材料に接触するよう、表面１０２を下台座５１０ａに接触させずに配置される。

次に、図５Ｂに示すように、プレス成型用金型５００の下台座５１０ａに、樹脂材料５６０ａ、樹脂材料５６０ｂおよび樹脂材料５６０ｃを配置する。樹脂材料５６０ａ、樹脂材料５６０ｂおよび樹脂材料５６０ｃはいずれも、シート状に成型された樹脂組成物である。樹脂材料５６０ａは、接合層２１０の材料となる樹脂であり、接合層２１０の母材樹脂と、セルロースナノファイバーと、を含む溶融した樹脂組成物である。樹脂材料５６０ｂは、主材層２２０の材料となる樹脂であり、主材層２２０の母材樹脂と、他の強化繊維と、を含む溶融した樹脂組成物である。樹脂材料５６０ｃは、表面層２３０の材料となる樹脂であり、表面層２３０の母材樹脂と、他の強化繊維と、を含む溶融した樹脂組成物である。

このとき、樹脂材料５６０ａ、樹脂材料５６０ｂおよび樹脂材料５６０ｃは、それぞれ単独に用意されて、順次重ね置かれてもよいし、樹脂材料５６０ａ、樹脂材料５６０ｂおよび樹脂材料５６０ｃが接合されている積層体を共押出などにより予め用意して、当該積層体を配置してもよい。あるいは、金属部材１００に近い位置から、樹脂材料５６０ａのペレット、樹脂材料５６０ｂのペレット、および樹脂材料５６０ｃのペレット、を順に敷き詰めていってもよい。

次に、図５Ｃに示すように、下台座５１０ａを上台座５１０ｂに向けて移動させ、金属部材１００、樹脂材料５６０ａ、樹脂材料５６０ｂおよび樹脂材料５６０ｃを積層方向に加圧する。同時に、下台座５１０ａを加熱して、熱プレスを行う（樹脂部材を接合させる工程）。

これにより、樹脂材料５６０ａ、樹脂材料５６０ｂおよび樹脂材料５６０ｃのそれぞれの母材樹脂が溶融し、流動性を生じる。そして、樹脂材料５６０ａに含まれるセルロースナノファイバーが、粗面化処理により金属部材１００の表面１０２ａに生じたナノサイズの凹凸により形成された凹部の内部に入り込む。

その後、加圧および加熱を解除し、樹脂材料５６０ａ、樹脂材料５６０ｂおよび樹脂材料５６０ｃを冷却してこれらの樹脂材料を固化させることにより、金属部材１００と樹脂部材２００とが接合した金属樹脂接合体１０を得ることができる。この樹脂部材２００は、樹脂材料５６０ａに由来する接合層２１０、樹脂材料５６０ｂに由来する主材層２２０、および樹脂材料５６０ｃに由来する表面層２３０を有する。

（第三の製造方法）
図６Ａ～図６Ｄは、接合層２１０、主材層２２０および表面層２３０の母材樹脂が熱硬化性樹脂であるときの、金属樹脂接合体１０の製造方法の一例における各工程を示す模式図である。

金属樹脂接合体１０は、圧入ポット６１０および金型６２０を有する成型用金型６００を用いて製造することができる。なお、図示していないものの、成型用金型６００は、金型６２０の内部を加熱するための加熱管および冷却するため冷却管などを有していてもよい。

まず、図６Ａに示すように、成型用金型６００の金型６２０の内部に、金属部材１００を配置する（金属部材を用意する工程）。金属部材１００は、粗面化処理された表面１０２が、後で導入される樹脂材料に接触するよう、表面１０２をコア４２０に接触させずに配置される。

次に、図６Ｂに示すように、金属部材１００の表面１０２に、セルロースナノファイバー６５０ａ、他の強化繊維６５０ｂ、および他の強化繊維６５０ｃが、この順に積層された素形材を配置する。なお、他の強化繊維６５０ｂは、セルロースナノファイバー６５０ａよりも平均繊維径が大きい強化繊維であり、他の強化繊維６５０ｃは、他の強化繊維６５０ｂよりも平均繊維径が大きい強化繊維である。上記素形材は、セルロースナノファイバー６５０ａ、他の強化繊維６５０ｂ、および他の強化繊維６５０ｃが、この順に積層されるように抄造してなる素形材であってもよいし、これらの積層構造が崩れないように、賦形剤などにより賦形された素形材としていてもよい。あるいは、セルロースナノファイバー６５０ａ、他の強化繊維６５０ｂ、および他の強化繊維６５０ｃを、単にこの順に積層されるように敷き詰めてもよい。

次に、図６Ｃに示すように、圧入ポット６１０の内部に母材樹脂の原料となる樹脂６６０を流し込み、圧力をかけて金型６２０の内部に圧入する。金型６２０の内部に圧入された樹脂６６０は、他の強化繊維６５０ｃ、他の強化繊維６５０ｂ、およびセルロースナノファイバー６５０ａの繊維の隙間に浸入していき、さらに熱および圧力により硬化する（樹脂部材を接合させる工程）。

図６Ｄに示すように、樹脂６６０の硬化により、金属部材１００の表面１０２に、母材樹脂中に配合されたセルロースナノファイバー６５０ａを有する接合層２１０、母材樹脂中に配合された他の強化繊維６５０ｂを有する主材層２２０、および母材樹脂中に配合された他の強化繊維６５０ｃを有する表面層２３０を有する樹脂部材２００が接合した、金属樹脂接合体１０を得ることができる。

［その他の実施形態］
なお、上述の各実施形態では、樹脂部材２００が接合層２１０、主材層２２０および表面層２３０の３層を有する構成を説明したが、樹脂部材２００は接合層２１０および主材層２２０の２層を有する構成であってもよいし、主材層２２０が、母材樹脂の種類、強化繊維の種類もしくは量、または添加剤の種類または量が異なる複数の層を有していてもよい。

また、表面層２３０は、積層方向における金属部材１００とは反対側の表面に、保護層などの他の機能を付与するための層を有していてもよい。

また、接合層２１０、主材層２２０および表面層２３０は、これらの層の間に他の層を有してもよい。

また、接合層２１０、主材層２２０および表面層２３０は、これらの層の間に明瞭な界面が形成されていなくてもよい。樹脂部材２００の切断面において、金属部材１００に最も近い領域に他の領域よりも繊維径が小さい強化繊維が多く含まれていれば、当該領域は接合層２１０であり、当該他の領域は主材層２２０であると判断してよい。また、樹脂部材２００の切断面において、金属部材１００から最も遠い領域に他の領域よりも繊維径が大きい強化繊維が多く含まれていれば、当該領域は表面層２３０であり、当該他の領域は主材層２２０であると判断してよい。

また、上述の各実施形態では、接合層２１０がセルロースナノファイバーを多く含む態様を説明したが、セルロースナノファイバーに限定されることはなく、カーボンナノファイバー（ＣＮＦ）やカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）などの、セルロースナノファイバー以外の繊維径が１μｍ未満の強化繊維を、セルロースナノファイバーの代わりに、あるいはセルロースナノファイバーと併用して、用いてもよい。

また、金属樹脂接合体１０の製造方法は上記第２の実施形態で例示した方法には限定されず、たとえば押出成形やブロー成型などと組み合わせてもよい。あるいは、付加造形方法などにより各層を積層させていく方法で製造してもよい。

また、金属樹脂接合体１０の用途は限定されず、各種用途に使用することができる。たとえば、金属樹脂接合体１０は、車両、船舶および航空機などの各種部材や、スマートフォンなどの電気機器などに好適に使用することができる。

本開示によれば、金属樹脂接合体の接合強度を高めることができ、このときに樹脂部材の強度の低下を抑制することもできる。そのため、本開示には、各種分野における金属部材の金属樹脂接合体材への置き換えを促進し、これらのさらなる軽量化への貢献が期待される。

１０、１０ａ 金属樹脂接合体
１００、１００ａ 金属部材
１０２、１０２ａ 表面
２００、２００ａ 樹脂部材
２０４ セルロースナノファイバー
２０４ａ ガラス繊維
２１０ 接合層
２２０ 主材層
２３０ 表面層
４００ 射出成型用金型
４１０ａ、４１０ｂ、４１０ｃ 射出機
４２０ コア
４５０ キャビティ
４６０ａ、４６０ｂ、４６０ｃ 樹脂材料
５００ プレス成型用金型
５１０ａ 下台座
５１０ｂ 上台座
５６０ａ、５６０ｂ、５６０ｃ 樹脂材料
６１０ 圧入ポット
６２０ 金型
６５０ａ セルロースナノファイバー
６５０ｂ、６５０ｃ 他の強化繊維
６６０ 樹脂

Claims (7)

1. 金属部材と、前記金属部材に接合された樹脂部材と、を有し、
   前記樹脂部材は、前記金属部材に接する位置に配置された接合層と、積層方向において前記接合層よりも前記金属部材から離れた位置に配置された主材層と、を有し、
   前記接合層は、繊維径が１μｍ以下である強化繊維の体積基準での含有量が、前記主材層よりも多い、
   金属樹脂接合体。
2. 前記主材層は、前記接合層よりも、繊維径が１μｍより大きい強化繊維の含有量が多い、請求項１に記載の金属樹脂接合体。
3. 前記樹脂部材は、前記接合層、前記主材層、および前記樹脂部材の積層方向における前記金属部材とは反対側の表面を構成する表面層を有し、
   前記表面層は、前記主材層よりも、繊維径が１μｍより大きい強化繊維の平均繊維径が大きい、
   請求項１または２に記載の金属樹脂接合体。
4. 前記金属部材は、前記樹脂部材との境界面がナノサイズに粗面化処理されている、請求項１～３のいずれか１項に記載の金属樹脂接合体。
5. 前記繊維径が１μｍ以下である強化繊維は、前記粗面化処理された金属部材の表面に形成された凹部の内部に入り込んでいる、請求項４に記載の金属樹脂接合体。
6. 前記繊維径が１μｍ以下である強化繊維は、セルロースナノファイバーである、請求項１～５のいずれか１項に記載の金属樹脂接合体。
7. 金属部材を用意する工程と、
   前記金属部材の表面に、複数層の樹脂層を有する樹脂部材を接合させる工程と、を有し、
   前記樹脂部材の接合において、前記金属部材に接する位置に配置された接合層と、積層方向において前記接合層よりも前記金属部材から離れた位置に配置された主材層と、を形成し、
   前記接合層における、繊維径が１μｍ以下である強化繊維の体積基準での含有量を、前記主材層における、繊維径が１μｍ以下である強化繊維の体積基準での含有量よりも多くする、
   金属樹脂接合体の製造方法。

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