JP4132112B2

JP4132112B2 - アクチュエータ機能をもつ積層複合材料とその使用方法

Info

Publication number: JP4132112B2
Application number: JP29833996A
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: 1996-11-11
Filing date: 1996-11-11
Publication date: 2008-08-13
Anticipated expiration: 2016-11-11
Also published as: JPH10138380A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、金属と炭素繊維との熱膨張差を利用してアクチュエータ機能を付与した、金属板と炭素繊維強化樹脂のプリプレグシートとの積層構造からなる積層複合材料とその使用方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
各種の建築物，機械，装置等に使用される構造材料としては、高強度等の機械的特性が従来から要求されてきたが、最近では新しい機能を備えた材料が要求されるようになってきている。すなわち、構造材料にセンサ，アクチュエータ機能を持たせたインテリジェント材料やその材料を使用したインテリジェント構造等である。このインテリジェント材料やインテリジェント構造では、自己診断，自己修復，環境適応等、これまでにない新しい機能を付加することが検討されている。このような用途に使用可能なセンサやアクチュエータ材料として、光ファイバ，形状記憶合金，圧電セラミックス，バイメタル等が注目されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
光ファイバは、センサ機能をもつのみであり、能動的なアクチュエータとして使用できない。形状記憶合金は、温度変化によって双方向的な形状変化を繰り返すことから、アクチュエータとしての使用が可能である。しかし、応答が鈍く、変形の再現性に問題があることから、高精度のアクチュエータとしては使用できない。圧電セラミックスは、応答性に優れるものの、変位が著しく小さいことが難点である。バイメタルは、熱膨張率が異なる２種の金属を貼り合わせたものであるが、単なる温度センサとして温度計，ノーヒューズブレーカ等としての用途が大半であり、能動的なアクチュエータとしての機能があるとは言い難い。このように、インテリジェント材料として必要なアクチュエータ機能を十分に発揮する材料は、これまでのところ実用化されていない。本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、熱膨張率の異なる材料を貼り合わせ、その一方を発熱体として使用することにより、能動的なアクチュエータ機能をもつ複合材料を得ることを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の積層複合材料は、その目的を達成するため、絶縁層を介して炭素繊維強化樹脂のプリプレグシートと高熱膨張率の金属板材とを樹脂の硬化温度でホットプレスにより貼り合せて積層板とした構造をもち、樹脂に配合されている炭素繊維に通電してプリプレグシートを面状発熱体として機能させる加熱用電源が接続されていることを特徴とする。高熱膨張率の金属板材としては、アルミニウム板が好適であるが、炭素繊維強化樹脂に比較して大きな熱膨張率を呈するものである限り、アルミニウム合金板，チタン板，チタン合金板，鉄板，ステンレス鋼板等の鉄合金板，銅板又は銅合金板等の金属板を使用することもできる。炭素繊維強化樹脂としては、１２０℃硬化型のエポキシ樹脂，１８０℃硬化型のエポキシ樹脂，ナイロン樹脂，ポリイミド樹脂等が使用される。絶縁層は、パラ系の芳香族ポリアミド繊維強化エポキシ樹脂等で形成することができる。
【０００５】
【実施の形態】
本発明に従った積層複合体は、たとえば、図１に示すように炭素繊維強化エポキシ樹脂のプリプレグシート１０とアルミニウム板２０とを絶縁層３０を介して重ね合わせる。炭素繊維強化エポキシ樹脂のプリプレグシート１０は、含有する炭素繊維の熱膨張率が非常に小さく、アルミニウム板２０と比較すると実質的に熱膨張しない材料といえる。絶縁層３０には、絶縁性で且つ炭素繊維強化エポキシ樹脂と同様に熱膨張率が小さいパラ系の芳香族ポリアミド繊維強化エポキシ樹脂の使用が好ましい。プリプレグシート１０の炭素繊維は、繊維方向の熱膨張率が著しく小さいため、アルミニウム板２０を変形させようとする一方向（図１では繊維配向方向ｄは長手方向に一致）に配向させることによって金属と炭素繊維との大きな熱膨張差を利用して変形させることができる。パラ系の芳香族ポリアミド繊維も、同様に配向させることが好ましい。また、プリプレグシート１０の炭素繊維と導通状態を確保するように、プリプレグシート１０の両端部に銅板４０を配置する。
【０００６】
重ね合わされたプリプレグシート１０，絶縁層３０及びアルミニウム板２０をエポキシ樹脂の硬化温度（約１２０℃）でホットプレスすると、図２に示すように絶縁層３０を介してプリプレグシート１０及びアルミニウム板２０が貼り合わされた積層複合体が得られる。ホットプレスに際し平坦なプレス面をもつダイスを使用した場合、図３（ａ）に示すようにホットプレス直後の積層複合体は、平坦なプレス面に対応したフラット形状になる。この積層複合体を室温まで冷却すると、プリプレグシート１０に比較してアルミニウム板２０がプリプレグシート１０の炭素繊維の配向方向に大きく熱収縮するため、常温では図３（ｂ）に示すようにアルミニウム板２０を内側にして湾曲する。この変形は、逆にホットプレスで湾曲形状の積層複合体を作っておくと、室温でフラットな形状をもつ積層複合体が得られることを意味する。
【０００７】
このようにして貼り合わされたプリプレグシート１０の端部に設けられている銅板４０を電極とし、加熱用電源（図示せず）に接続する。銅板４０を介してプリプレグシート１０の樹脂に配合されている炭素繊維に通電すると、プリプレグシート１０は面状発熱体として機能する。その結果、炭素繊維の配向によって生じるプリプレグシート１０とアルミニウム板２０との大きな熱膨張率の差によって、発熱体の温度上昇に応じてアルミニウム板２０がプリプレグシート１０の炭素繊維の配向方向に大きく熱膨張し、積層複合体を発熱温度に応じた変位量で炭素繊維の配向方向に変形させる。このときの変位量は従来のバイメタルに比較して大きく、供給電流によって高精度で制御できる。また、形状の再現性もよいため、高性能のアクチュエータとして使用される。しかも、アルミニウム板２０等の金属板に炭素繊維強化樹脂を貼り合わせた構造であるため、積層複合体自体としても十分な強度が確保される。
【０００８】
【実施例】
プリプレグシート１０に、炭素繊維が一方向に配列された厚み０．１ｍｍ，長さ８０ｍｍ，熱膨張係数−０．５×１０^-6／Ｋ，縦弾性係数１２７ＧＰａの炭素繊維強化エポキシ樹脂を使用した。アルミニウム板２０に、板厚０．２ｍｍ，長さ８０ｍｍ，熱膨張係数２３．６×１０^-6／Ｋ，縦弾性係数７２ＧＰａの純アルミニウム板を使用した。絶縁層３０に、厚み０．０７ｍｍ，長さ８０ｍｍ，熱膨張係数−１．５×１０^-6／Ｋ，縦弾性係数７７ＧＰａのパラ系の芳香族ポリアミド繊維であるケブラー（登録商標）繊維強化エポキシ樹脂を使用した。プリプレグシート１０，アルミニウム板２０及び絶縁層３０を図１のように重ね合わせ、ホットプレスを用い温度３９３Ｋ，圧力０．５ＭＰａ，昇温時間も含めた加熱時間１時間の条件下でエポキシ樹脂を硬化させ、３１３Ｋまで冷却することにより積層複合体を得た。室温まで冷却された積層複合体は、図３（ｂ）に示すように、アルミニウム板２０を内側にした湾曲形状をもっていた。
【０００９】
得られた積層複合体から４０ｍｍ×８０ｍｍの試験片を切り出し、図４に示すように一端を固定し、雰囲気加熱で昇温し、温度に応じた他端の変位量ｘ，ｙを測定した。測定結果を示す図５にみられるように、水平方向変位量ｘ，垂直方向変位量ｙ共に、積層複合体の温度上昇に応じて減少する傾向を示した。そして、ホットプレス時の温度３９３Ｋに達した時点では、積層複合体がホットプレス直後のフラットな形状に復元した。変位量ｘ，ｙの測定結果から、１／ｒ＝２ｘ／（ｘ² ＋ｙ² ）の関係式に従って曲率ｒを算出した。求められた曲率ｒと温度との関係を調査したところ、図６に示すように曲率ｒと温度との間に比例関係が成立しており、Ｔｉｍｏｓｃｈｅｎｃｏのバイメタルの基礎式を満足していることが判った。電極４１を介した通電加熱で昇温させた場合も、図６に白丸印で示すように曲率変化の温度依存性はほぼ同じ傾向を示した。また、９０Ｋの温度変化に対し測定部長さ６０ｍｍにつき約１３ｍｍという比較的大きな変位が得られ、しかも曲率変化がジュール熱に比例していることから、電流値によって容易に制御することができた。
【００１０】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の積層複合体は、絶縁樹脂層を介して炭素繊維強化樹脂のプリプレグシートと金属板とを貼り合わせた構造をもち、プリプレグシートを面状発熱体としても機能させるために炭素繊維に加熱用電流が供給されるようになっている。そのため、供給電流によって発熱量に応じて積層板の変位量を高精度に制御でき、また、炭素繊維の配向方向によって、積層板の変形方向を制御でき、各種アクチュエータとして使用される。たとえば、形状記憶合金及びバイアスバネを用いて作製した従来のマニピュレータ，板バネ，流量調整弁，圧力調整弁等では、物体を掴む力や押える力を連続的に調整したり、負荷と除荷を同じ変位の経路で行ったりすることができず、更に除荷にはバイアス力（外部から力を加えること）が必要である等の問題が多いが、本発明の積層複合体を組み込むことにより問題なく作動させることが可能になる。
【００１１】
また、本発明の積層複合体の特徴を活用して光ファイバ等の精密なワイヤを溶融状態で微妙に押し付けて接続することが必要な融着接続器のアクチュエータ等にも適用可能である。更には、複合材料が用いられる高比強度構造体等では著しい軽量化を目指し、複雑なメカニズムを排除する単純化を図っているため、本発明の積層複合体を使用したアクチュエータは、そのフラップ，ドア等の可動部や開閉部に応用可能である。また、応力集中により炭素繊維強化樹脂にとって過酷な圧縮応力が加わったとき、それを発熱させて金属板を膨張させることにより圧縮応力を緩和させる用途等への応用にも展開される。
【図面の簡単な説明】
【図１】炭素繊維強化エポキシ樹脂のプリプレグシートに貼り合わされるアルミニウム板。
【図２】ホットプレスで貼り合わせた積層複合体。
【図３】高温（ａ）及び室温（ｂ）における積層複合体の形状。
【図４】変位量ｘ，ｙを測定した実験を説明する図。
【図５】変位量ｘ，ｙの測定結果と試験温度との関係を示すグラフ。
【図６】曲率の温度依存性を示すグラフ。
【符号の説明】
１０：炭素繊維強化エポキシ樹脂のプリプレグシート
２０：アルミニウム板（高熱膨張率の板材）
３０：絶縁層
４０：銅板（電極）
ｄ：繊維配向方向

Claims

絶縁層を介して炭素繊維強化樹脂のプリプレグシートと、アルミニウム板，アルミニウム合金板，チタン板，チタン合金板，鉄板，鉄合金板，銅板又は銅合金板から選ばれる１枚の金属板材とを樹脂の硬化温度でホットプレスにより貼り合せて積層板とした構造をもち、該炭素繊維に通電してプリプレグシートを面状発熱体として機能させる加熱用電源が接続されていることを特徴とするアクチュエータ機能をもつ積層複合材料。
パラ系の芳香族ポリアミド繊維強化樹脂を絶縁層として使用する請求項１記載の積層複合材料。
請求項１又は２記載の積層複合材料において、該炭素繊維を一方向に配向させ、該炭素繊維に通電してプリプレグシートを面状発熱体として機能させて該炭素繊維の配向によって生じる該プリプレグシートと該金属板材との熱膨張率の差により該積層板を該炭素繊維の配向方向に変形させることを特徴とするアクチュエータ機能をもつ積層複合材料の使用方法。
該積層板を該面状発熱体の発熱温度に応じた変位量で該炭素繊維の配向方向に変形させることを特徴とする請求項３記載のアクチュエータ機能をもつ積層複合材料の使用方法。