JP3713213B2

JP3713213B2 - アクチュエータ機能を持つ繊維強化複合材料積層体とその製造方法。

Info

Publication number: JP3713213B2
Application number: JP2001091495A
Authority: JP
Inventors: 博浅沼
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2001-03-27
Filing date: 2001-03-27
Publication date: 2005-11-09
Anticipated expiration: 2021-03-27
Also published as: JP2002283487A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、構造材料、機械要素などに使用されるアクチュエータ機能を持つ繊維強化複合材料積層体およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の技術では、構造体は大きく変形させないことが設計の常識であり、可動部分は、
それを分割し、機械的に結合し、アクチュエータなどで機械的に動作させている。
【０００３】
一般のバイメタルは、各層の熱膨張が等方的であるため、面状であると温度の変化に比例して一方向への湾曲変形は難しい。本発明者が、これまでに開発したアクティブ複合材料、すなわち一方向長繊維強化層と何も複合化しない非強化層とを積層した材料（「日本複合材料学会」、１９９６年度研究発表講演予稿集、１９〜２０頁、「日本機械学会材料力学部門分科会合同シンポジウム講演論文集、Ｖｏｌ．２０００（ No.00 − 3 ），ｐ１０５−１０８、特開平１０−１３８３８０号公報）は、問題が二点ある。すなわち、湾曲変形のための加熱時に非強化層が軟化して強度が損なわれること、および両層間に繊維の長さ方向と直交する面方向にも熱膨張率差があるため、その方向にも熱湾曲変形する傾向があることである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の従来のアクティブ複合材料の課題を解決し、繊維強化複合材料という強度の大きな素材からなり、素材の１方向のみにスムーズに熱湾曲変形（熱膨張・熱収縮による変形）するアクチュエータ機能を持つ繊維強化複合材料積層体とその製造方法を提供するものである。
【０００５】
すなわち、本発明は、一方向に配向した長繊維強化複合材料Ａの層と一方向に配向した短繊維強化複合材料Ｂの層を両複合材料の繊維の配向方向を一致させて積層一体化した複合材料積層体であって、両層の母材は同一の材料であり、両層中に含有される繊維の体積含有率を等しくさせたものであり、両層の熱膨張率を長繊維の長さ方向と直交する面方向で一致させ、長繊維の長さ方向では差を持たせることによって、両層からなる積層体がアクチュエータ機能を持つことを特徴とする繊維強化複合材料積層体である。
【０００６】
また、本発明は、一方向に配向した長繊維強化複合材料Ａの層と粒子強化複合材料Ｂの層を積層一体化した複合材料積層体であって、両層の母材は同一の材料であり、両層中に含有される繊維および粒子の体積含有率を等しくさせたものであり、両層の熱膨張率を長繊維の長さ方向と直交する面方向で一致させ、長繊維の長さ方向では差を持たせることによって、両層からなる積層体がアクチュエータ機能を持つことを特徴とする繊維強化複合材料積層体である。
【０００７】
さらに、本発明は、一方向に配向した長繊維強化複合材料および／または一方向に配向した短繊維強化複合材料として、連続繊維に予め長繊維または短繊維分のそれぞれの長さの間隔で予備亀裂を導入し、これをそれぞれ母材に複合し、次いで、それぞれの複合材料中で連続繊維を予備亀裂の部分で破断させて長繊維強化複合材料または短繊維強化複合材料を形成したものを用いて、積層一体化することを特徴とする上記のアクチュエータ機能を持つ繊維強化複合材料積層体の製造方法である。
【０００８】
本発明によれば、従来の積層体の片側層のみが連続繊維強化複合材料の場合に比べ、常に一方向（繊維の長さ方向）の湾曲変形のみ現れ、かつ引張強さが改善される。母材をニッケルとした場合、従来の積層体の片側連続繊維強化複合材タイプにおいては、特に、複曲面、すなわち幅方向にも曲率を持つように変形する傾向が強いが、この幅方向の湾曲変形は、本発明においては抑止できる。
【０００９】
このように、本発明は、熱膨張または熱収縮により一方向のみ大きく湾曲変形し、その方向と直交する面方向では全く、またはほとんど湾曲変形しない複合材を提供するものである。
【００１０】
本発明者が、従来提案してきたアクティブ複合材料では、低熱膨張側の層にのみ繊維強化していたため、強度が低いが、本発明では、両層（３層以上にする場合には全ての層）に強化繊維を複合化できるため、強度が高い。
【００１１】
また、各層の熱膨張率を、積層体の繊維の長さ方向と該方向と直交する面方向とに著しい差を持たせることができるため、繊維強化複合材料からなる板状の積層体であっても一方向のみの無理のないスムーズな熱湾曲変形を実現できる。
【００１２】
本発明のアクチュエータ機能を持つ繊維強化複合材料積層体は、航空宇宙用、高速車両用構造材料、機械要素等、インテリジェント化された軽量・高強度（高比強度）複合機能材として活用できる。さらには、導電性に優れる材料を母材として用いる場合には電気接点などに使用することもできる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明のアクチュエータ機能を持つ繊維強化複合材料積層体の製造方法と該積層体の熱制御変位機構を説明する概念的な斜視図である。
図１の（１）は、連続繊維Ｆ１にＬ１の間隔で予備亀裂を導入し、長さＬの母材に複合し、長繊維強化複合材料Ａを形成する態様を示す。図１の（２）は、同様に、連続繊維Ｆ２にＬ２の間隔で予備亀裂を導入し、長さＬの母材に複合し、短繊維強化複合材料Ｂを形成する態様を示す。予備亀裂のそれぞれの長さは、Ｌ≧Ｌ１＞Ｌ２の関係になるようにする。Ｌ１＝Ｌとして、繊維強化複合材料Ａに複合化する繊維には予備亀裂を設けなくてもよい。それぞれの積層毎の強化繊維の長さを変えることにより熱変位量を調整できる。両層の母材は、異種の材料でもよいが、同一の材料とした方が実用的である。
【００１４】
図２の（１）および（２）は、強化繊維の分布の状態を示す断面図である。図２の（１）は、破断箇所Ｙ１を一致させた場合を示し、図２の（２）は、破断箇所Ｙ２をずらした場合を示す。いずれの場合も、長さ方向に、強化繊維が均一に分布することが望ましく、密なゾーンと粗または存在しないゾーンがあるような不均一な分布は好ましくない。
【００１５】
短繊維は長さ／直径の比、すなわちアスペクト比が小さくなるに従い複合材料の強化効果は少なくなるが、複合材料の熱変形は大きくなる。粒子はアスペクト比が約１となるまで短くした短繊維の最も極端なケースであり、複合材料の強化効果は最も小さいが複合材料の熱変形は最大となる。
【００１６】
予備亀裂としては、容易に破断できるような円周状の切り欠きやノッチを形成すればよい。複合材料を製造する過程で繊維にかかる力により破断させるか、複合材料を作製後に積層体を引っ張るか、曲げることにより強化繊維にできるだけ小さな引張り荷重をかけ繊維を予備亀裂箇所で破断することができる。前者、すなわち製造過程で破断する場合には、破断した繊維同士の隙間は母材で満たされる場合が多いので、より良い材料が作製できる。
【００１７】
図３の（１）、（２）、（３）は、母材に繊維を複合化する態様を示す繊維と直交する側面図である。母材に繊維を複合化するには、例えば、図３の（１）に示すように、母材となる板１に直線状の断面Ｕ状溝２を形成し、溝２に長繊維Ｆ１を埋め込んで長繊維強化複合材料を製作する。同様に、図３の（２）に示すように、母材となる板１に直線状の断面Ｕ状の溝２を形成し、溝２に短繊維Ｆ２を埋め込んで短繊維強化複合材料を製作する。次いで、両者の上面を向き合わせて重ねてホットプレス（雰囲気、温度、圧力、時間は材料によって異なる）などの公知の手段で積層一体化すればよい。
【００１８】
この際、母材表面および微断面Ｕ状溝に予めインサート材３として銅箔などを設けておいても良い。インサート材は、図３の（３）に示すように、Ｕ状溝２に繊維を埋め込んだ表面を覆うように設けてもよい。インサート材は不可欠ではないが、ホットプレス条件を緩和できる。そのため、脆いセンサ（光ファイバなど）や発熱体を同時に埋込む時に特に有効である。
【００１９】
溝２に短い繊維を並べられる場合は、上記のように連続繊維に予備亀裂を導入する必要はないが、繊維が短すぎてハンドリングができない、あるいは能率的に短い繊維を複合化する方法として、上記の方法は好ましい。
【００２０】
強化繊維の直径が大きい場合と小さい場合、マトリックスが金属・合金の場合とプラスチックの場合（さらに熱可塑性と熱硬化性の場合）とで積層体の作製方法は異なる。強化繊維の直径が大きい場合（１００μｍ前後かそれ以上で、予備亀裂を導入したり、並べたりするなどの１本１本のハンドリングが可能な場合）は、強化繊維としては、炭化珪素繊維、ホウ素繊維、アルミナ繊維などのセラミックス繊維、ステンレス鋼線などの金属・合金繊維が利用でき、母材としては、それらに比べて熱膨張率が大きな金属・合金あるいはプラスチックが良い。
【００２１】
金属・合金の種類としては、熱膨張係数が著しく小さいセラミックス繊維を用いる場合、チタン・チタン合金を含む各種金属・合金（アルミニウム、マグネシウム、ニッケル、銅、銀、亜鉛、その他）などほとんどの実用金属・合金が該当するが、ステンレス鋼線などの金属・合金繊維はチタン・チタン合金マトリックスより熱膨張率が大きいので、やや制約を受ける。プラスチックをマトリックスとする場合は、全般に熱膨張率が大きいので制約は少ない。
【００２２】
繊維直径が小さい場合（炭素繊維、炭化珪素繊維、アルミナ繊維、ガラス繊維などのセラミックス繊維、ステンレス鋼線などの金属・合金機維、アラミド繊維など）は、１本１本を扱えないので、短めの繊維はマトリックス材と混合し、それを押し出すなどして繊維をほぼ一方向に配向させた層を作製する。アラミド繊維を用いる場合は母材はプラスチックを用いる。
【００２３】
好適な材料例：
マトリックス：アルミニウム合金（熱膨張率が大きい、冷却速度が大きい、軽量で高強度、導電性がある（電気材料として用いる場合））、厚さは１００μｍ程度〜数ｍｍ程度強化繊維：炭化珪素繊維（直径５０μｍ程度〜２００μｍ程度）、長さは長繊維側が連続繊維、短繊維側が数ｍｍ程度から数十ｍｍ程度、体積含有率は数％〜数十％程度
積層の手段：ホットプレス、条件は大気、不活性ガス雰囲気あるいは真空中、温度５００℃程度〜融点直下、圧力数十ＭＰａ〜１００ＭＰａ程度、時間１０分程度〜１時間程度。銅インサートを用いる場合は、雰囲気は１Ｐａ程度の低真空、温度約５５０〜６００℃程度、圧力数ＭＰａ〜数十ＭＰａ、時間数分〜数十分程度。
【００２４】
積層体の加熱手段としては、複合材料の組合せや使用目的により、強化繊維が発熱体を兼ねる場合、発熱体を別に埋め込む場合、発熱体を材料表面に重ねる場合、発熱体は特に必要なく雰囲気温度により変形させる場合、およびそれらの組み合せ、などの手段を採用できる。
【００２５】
【作用】
図１に示す積層体Ｃを加熱すると、母材は熱膨張を起こすが、母材の熱膨張率と比べて強化繊維の熱膨張率は著しく小さい。繊維による強化効果は、繊維端部の存在により失われる。繊維が短くなることは繊維端部の影響を受ける割合が高くなる、すなわち強化効果が弱まり、その分、強化材は繊維の長さ方向に熱膨張し易くなる。繊維の長さ方向により熱膨張し難い長繊維強化材と繊維の長さ方向により熱膨張し易い短繊維強化材とを組み合わせると、その差により繊維の長さ方向に熱湾曲変形を生じる。
【００２６】
温度変化に対し短繊維複合側の繊維強化複合材Ｂ層の変位量α２は、長繊維複合側の繊維強化複合材Ａ層の変位量α１に較べて、その繊維の長さ方向での変位量が大きいので、
熱により図１の（３）の矢印に示すように湾曲する形状変化を起こす。この際に、各積層母材中に含有される繊維の体積含有率を等しくしておくと、繊維強化複合材Ａ層と繊維強化複合材Ｂ層の繊維の長さ方向と直交する面方向の変位量α３は等しいので、繊維の長さ方向と直交する面方向の湾曲する形状変化は起こらず、繊維の長さ方向での一方向の湾曲する形状変化が起る。
【００２７】
【実施例】
実施例１
強化繊維として熱膨張率の小さい、直径０．１４ｍｍの炭化珪素繊維、母材として、これに比べ熱膨張率の大きい厚さ０．２ｍｍの純アルミニウム板を用いた。長さ６０ｍｍ、幅３０ｍｍのアルミニウム板２枚を用意し、これらの接合を容易にするための厚さ２０μｍの純銅箔を重ね、重ねた側に強化繊維配列用の深さ約０．１８ｍｍのＵ状溝を２ｍｍピッチで付け、片方には連続繊維を、他方には長さ５ｍｍに切断した短繊維を配列した。それらを重ね合わせた後、１Ｐａの真空中、６００℃、２．７ＭＰａで１．２ｋｓホットプレスした。
【００２８】
その結果、強化繊維とアルミニウムとは一体化して板状となり、その引張強さは片側連続繊維タイプの引張強さ１２１ＭＰａに比べて１４７ＭＰａと高く、かつ、温度変化によりアルミニウム板の長さ方向の曲率のみ変化する板状のアクチュエータ材料が得られた。
【００２９】
【発明の効果】
本発明では、構造材料、機械要素自体が熱変形により形状を変化させることが可能であるため、アクチュエータなどが不要になり、軽量化が図れ、結合部が不要になるので摩擦・摩耗の問題を解消できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明のアクチュエータ機能を持つ繊維強化複合材料積層体の製造方法および該積層体の機能を説明する概念図である。
【図２】図２は、本発明の積層体中の強化繊維の分布状態を示す断面図である。
【図３】図３は、本発明の積層体の製造過程における繊維強化複合材の製造方法を示す側面図である。

Claims

一方向に配向した長繊維強化複合材料Ａの層と一方向に配向した短繊維強化複合材料Ｂの層を両複合材料の繊維の配向方向を一致させて積層一体化した複合材料積層体であって、両層の母材は同一の材料であり、両層中に含有される繊維の体積含有率を等しくさせたものであり、両層の熱膨張率を長繊維の長さ方向と直交する面方向で一致させ、長繊維の長さ方向では差を持たせることによって、両層からなる積層体がアクチュエータ機能を持つことを特徴とする繊維強化複合材料積層体。
一方向に配向した長繊維強化複合材料Ａの層と粒子強化複合材料Ｂの層を積層一体化した複合材料積層体であって、両層の母材は同一の材料であり、両層中に含有される繊維および粒子の体積含有率を等しくさせたものであり、両層の熱膨張率を長繊維の長さ方向と直交する面方向で一致させ、長繊維の長さ方向では差を持たせることによって、両層からなる積層体がアクチュエータ機能を持つことを特徴とする繊維強化複合材料積層体。
一方向に配向した長繊維強化複合材料および／または一方向に配向した短繊維強化複合材料として、連続繊維に予め長繊維または短繊維分のそれぞれの長さの間隔で予備亀裂を導入し、これをそれぞれ母材に複合し、次いで、それぞれの複合材料中で連続繊維を予備亀裂の部分で破断させて長繊維強化複合材料または短繊維強化複合材料を形成したものを用いて、積層一体化することを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ機能を持つ繊維強化複合材料積層体の製造方法。