JP4555595B2

JP4555595B2 - 複合材の製造方法

Info

Publication number: JP4555595B2
Application number: JP2004119030A
Authority: JP
Inventors: 信也比江島
Original assignee: Fuji Jukogyo KK
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2004-04-14
Filing date: 2004-04-14
Publication date: 2010-10-06
Anticipated expiration: 2024-04-14
Also published as: JP2005297437A

Description

本発明は、複合材の製造方法に係り、特には予め歪みを与えた形状記憶合金箔（又は線）を内部に備える複合材の製造方法に関する。

近年、次世代航空機や高速車両、宇宙航空機、原子力工学分野、深海探査艇等の構造材として用いられる複合材の開発が盛んになってきており、軽量かつ高強度の複合材が提案されている。
その一例として、構造物の構造破壊防止及び検知のために使用されるスマート構造の構造材として用いられる複合材が挙げられる。このような複合材としては、複数積層された繊維強化樹脂層の間に、常温で予め歪みが与えられた形状記憶合金箔（又は線、以下、ＳＭＡという）を埋め込み、そのＳＭＡを加熱することにより発現するＳＭＡの形状回復機能を構造破壊防止及び検知機能として利用した複合材が提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。
特開平６−２１２０１８号公報特開平７−４８６３７号公報特開平８−１５２０８号公報

ところで、前記したように、ＳＭＡをスマート構造のアクチュエータ機構に使用する場合、構造破壊防止及び検知のためＳＭＡが圧縮応力を有する必要がある。そこで、ＳＭＡに圧縮応力を持たせるために予め歪みを与え、この歪みを与えたＳＭＡを複合材に適用している。

しかし、複合材の接着組立では、１２０℃〜１８０℃の加熱を行って硬化成形させる工程がある。このため、成形時に温度がＳＭＡの変態点（６０℃〜７０℃）を超えて、予め与えられた歪みが復元してしまうことになる。これにより、ＳＭＡの圧縮応力が減少若しくは消滅してしまい、複合材においてＳＭＡがスマート構造のアクチュエータ機構の役目を果たさなくなってしまうという問題が生じる。

そこで、ＳＭＡの歪みが復元してしまうことを防止するため、加熱硬化時にＳＭＡの長さが変化しないように固定する必要があり、従来、ＳＭＡの長さが変化しないように固定する方法として、ピン止め法、タイダウン法、クランプ法、フリクション法等の方法が考えられていた。

例えば、ピン止め法は、図４に示すように、複数の繊維強化樹脂層とその間に埋め込まれたＳＭＡ１１１とを有する複合材１１０を治具１２０に載置し、ＳＭＡ１１１を繊維強化樹脂より長く形成しておき、その端部に穴を開けたピン１３０で治具１２０に固定してから、複合材１１０を真空バッグフィルム１５０で覆い、加熱硬化処理を行う方法である。

また、タイダウン法は、図５に示すように、複数の繊維強化樹脂層とその間に埋め込まれたＳＭＡ１１１とを有する複合材１１０を治具２２０に載置し、ＳＭＡ１１１を繊維強化樹脂より長く形成しておき、その端部を前記治具２２０に形成された凹凸形状の固定部２２１とタイダウンマンドレル２３０の凹凸形状の固定部２３１とで挟持すると共に端部に穴を開けて固定してから、複合材１１０を真空バッグフィルム１５０で覆い、加熱硬化処理を行う方法である。

また、クランプ法は、図６に示すように、複数の繊維強化樹脂層とその間に埋め込まれたＳＭＡ１１１とを有する複合材１１０を治具３２０に載置し、ＳＭＡ１１１を繊維強化樹脂より長く形成しておき、その端部をクランプ３３０で挟持固定してから、複合材１１０を真空バッグフィルム１５０で覆い、加熱硬化処理を行う方法である。

また、フリクション法は、図７に示すように、複数の繊維強化樹脂層とその間に埋め込まれたＳＭＡ１１１とを有する複合材１１０を治具４２０に載置し、ＳＭＡ１１１を繊維強化樹脂より長く形成しておき、その端部を前記治具４２０に形成された凹部４２１に入れて上からゴム４３０で押さえ込んで固定してから、複合材１１０を真空バッグフィルム１５０で覆い、加熱硬化処理を行う方法である。

しかし、前記ピン止め法では、ＳＭＡへの穿孔により引張応力でＳＭＡが変形し保持力が低下する問題が生じる。また、ＳＭＡの積層位置が高いとピンが抜ける虞もあり、ＳＭＡを保持することができない場合もある。さらに、ＳＭＡは薄いので、穿孔が困難であり作業性が悪いという問題も生じる。
これらのことから、ピン止め法は、複合材の接着組立時に使用することは困難であると判断される。

また、前記タイダウン方法では、ピン止め法と同様にＳＭＡへの穿孔により引張応力でＳＭＡが変形し保持力が低下する問題が生じる。このように、タイダウン法は、保持力低下の可能性があるため、品質にばらつきが発生する虞がある。

また、クランプ法では、クランプを使用することによる複合材形成までの工程数が増大する問題がある。さらに、クランプ使用のため、コンター付きパネルを成形する際に問題が生じる場合がある。

また、フリクション法では、フリクションによりＳＭＡを保持するため、保持力が摩擦力に左右される問題がある。このため、摩擦力の大小による品質のばらつきが発生する虞がある。

このように、従来の方法では製品品質のばらつき、多工数化等の問題が発生する場合があった。

本発明は前記の課題を解決するものであり、複合材成形硬化時のＳＭＡの予歪復元防止を安定的に、容易に行うことができる複合材の製造方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、
少なくとも１層の未硬化の繊維強化樹脂層の上に、予め所定の歪みを与えた形状記憶合金箔を積層し、前記形状記憶合金箔の上に、未硬化の繊維強化樹脂層を少なくとも１層積層して得られた硬化前の複合材が載置される治具に、前記形状記憶合金箔の両端を固定した状態で、前記形状記憶合金箔及び繊維強化樹脂層を加熱し、成形硬化させて複合材を形成する複合材の製造方法において、
前記治具上における前記形状記憶合金箔の両端側に当たる部位にそれぞれ溝を形成し、
前記形状記憶合金箔の両端を前記治具に固定する際に、
前記溝にそれぞれ常温硬化型の接着剤を充填して当該接着剤を前記治具の表面よりも盛り上げ、
前記形状記憶合金箔の端部が前記治具の表面と平行となる位置で接着剤を形状記憶合金箔に接着させることを特徴としている。

このように請求項１に記載の発明によれば、積層させた形状記憶合金箔及び繊維強化樹脂層を載置する治具上における形状記憶合金箔の両端側に当たる部位にそれぞれ溝を形成し、形状記憶合金箔の両端を固定する際に、溝にそれぞれ常温硬化型の接着剤を充填して当該接着剤を治具表面よりも盛り上げ、形状記憶合金箔の端部が治具表面と平行となる位置で接着剤を形状記憶合金箔に接着させるため、従来のピン止め法、タイダウン法のように形状記憶合金箔の保持力が低下することもなく、クランプ法のように複合材部品成形が困難になることもなく、フリクション法のように品質のばらつきがでることもなく複合材成形硬化時の形状記憶合金箔の予歪復元防止を安定的に、容易に行うことができる。

請求項１に記載の発明によれば、従来のピン止め法、タイダウン法のように形状記憶合金箔の保持力が低下することもなく、クランプ法のように複合材部品成形が困難になることもなく、フリクション法のように品質のばらつきがでることもなく複合材成形硬化時の形状記憶合金箔の予歪復元防止を安定的に、容易に行うことができるため、従来と比較して損傷抑制効果の高い複合材を製造することができる。

以下、図面を参照しながら本発明に係る複合材の製造方法の実施形態について説明する。ただし、発明の範囲は図示例に限定されるものではない。

本発明に係る複合材の製造方法で製造された複合材１０としては、例えば、図１に示すように、形状記憶合金箔（ＳＭＡ）１１と、このＳＭＡ１１の両面にそれぞれ積層された樹脂層１２と、この樹脂層２に複数の繊維強化樹脂層１３が積層されて形成された繊維強化樹脂層部とを備えたものが挙げられる。

ＳＭＡ１１は、例えば、Ｔｉ−５０．２％Ｎｉ形状記憶合金が用いられ、このＳＭＡは常温で歪が与えられ、加熱することにより元の結晶構造状態に復元するものである。
樹脂層１２は、ＳＭＡ１１と繊維強化樹脂層１３との間に介在し、ＳＭＡ１１と繊維強化樹脂層１３との接着力を高めるとともに強化繊維とＳＭＡ１１との間の歪を緩衝する役割を果たしている。ここで、樹脂としては、例えば、エポキシ系樹脂のフィルム接着剤が用いられる。
繊維強化樹脂層１３は、少なくとも１層の繊維強化樹脂（プリプレグ）で形成されており、本実施の形態では、上下とも３層の繊維強化樹脂が積層されている。ここで、繊維としては、例えば、炭素繊維が用いられる。

次に、図２を用いて、本発明における複合材成形硬化時のＳＭＡの予歪復元防止を伴う複合材１０の製造方法について説明する。
まず、ＳＭＡ１１について、所定の歪みを与えた状態とし、さらに、接着特性向上のため、接着前処理を行う。本実施の形態では、圧延の際付着した酸化皮膜を、３％フッ酸−１５％硝酸を用いて酸洗除去及び表面粗化後、１０％ＮａＯＨによる陽極酸化処理を施して新規の酸化皮膜を生成させたものの表面を溶剤で完全に洗浄するようになっている。

次に、繊維強化樹脂を所定層積層して繊維強化樹脂層１３の下層部を形成する。
また、この上に前記エポキシ系樹脂のフィルム接着剤による樹脂層１２を積層する。
そして、この上に前記接着前処理を施したＳＭＡ１１を積層する。
また、この上に前記エポキシ系樹脂のフィルム接着剤による樹脂層１２を積層する。
さらに、この上に繊維強化樹脂を所定層積層して繊維強化樹脂層１３の上層部を形成する。

そして、積層された硬化前の複合材１０を、ＳＭＡ１１に新たな歪を与えないように軽く引張り弛まないようにして、治具２０の表面に載置する。このとき、複合材１０が治具２０の表面に設けられた平行な２つの溝２１の中央に位置するようにする。そして、ＳＭＡ１１を、当該溝２１の上を通し、端部を固定する。ただし、引張応力は小さいので、接着材やピン等は必要がなく、重量物で押さえる程度でよい。その際、ＳＭＡ１１の角度に注意し、できるだけ治具２０の表面に平行に保ち、繊維強化樹脂層１３の端部を傷つけないようにする。

また、ＳＭＡ１１を複数層積層する場合は、コア材と併用する場合以外、複合材の厚みが５mm以下であり、繊維強化樹脂層１３からのＳＭＡ１１の長さを十分にとれば治具２０の表面との角度は問題にはならない。しかし、ＳＭＡとＳＭＡの間にシムを介在させてＳＭＡと治具表面との角度を修正する方法もある。なお、図２では端部の一方側しか記載されていないが、他方側でも同様に処理するようになっている。

そして、前記溝２１に常温硬化型の接着剤３０を充填し、ＳＭＡ１１を含む高さまで接着剤を盛り上げる。
複合材１０の厚さがあり、ＳＭＡ１１が高い位置を通過する場合は溝２１の幅を広くしておき、接着剤３０を高くまで盛り全てのＳＭＡ１１に十分な接着力を与えると良い。
その後、常温で接着剤を硬化させる。このときＳＭＡ１１に充分な幅があれば接着部に貫通孔を設けておくとよい。

なお、本実施の形態では、このとき、品質確認用にＳＭＡ１１と治具２０の双方の同位置に予歪復元確認ラインを耐熱性インクでマーキングしておく。ここでは、ＳＭＡ１１のラインをＰ、治具２０のラインをＱで表している。なお、当該ラインは加熱硬化後に位置がずれていないか否かを見ることで、ＳＭＡ１１の予歪が復元していないか否かを確認するために使用する。

その後、真空バッグフィルム５０で覆い、その内部を真空引きしながら加熱し、１２０℃〜１８０℃の環境下に所定時間さらして成形硬化させた。このとき、ＳＭＡを剛性のあるカバーで覆い、加圧による横力が加わらないようにする。成形後、タブ接着トリム加工を施し、図１に示すような複合材１０に仕上げた。

なお、コア材と併用してＳＭＡ１１の積層部が高くなる場合は、そのままでは繊維強化樹脂層１３の端部で曲って成形される場合がある。このときには、図３に示すように、治具２０とＳＭＡ１１の高さの差を埋めるアダプタ４０を用いるとよい。アダプタ４０は、前記治具２０の溝２１に嵌める突出部４２を下面に備えており、当該突出部４２の上部に前記溝２１と略同形状のアダプタ溝４１を備えている。そして、ＳＭＡ１１を固定する際には、前記治具２０の溝２１に接着剤３０を充填したときと同様に、アダプタ溝４１に接着剤３０を充填し、ＳＭＡ１１を固定する。そして、品質確認用にＳＭＡ１１とアダプタ４０の双方の同位置に予歪復元確認ラインを耐熱性インクでマーキングしておく。ここでは、ＳＭＡ１１のラインをＲ、アダプタ４０のラインをＳで表している。その後は、前記と同様である。このようにすることにより、ＳＭＡの積層位置による品質のばらつきを克服して予歪復元防止ができる。

以上のように、本実施の形態の複合材の製造方法によれば、積層させた形状記憶合金箔及び繊維強化樹脂層を載置する治具上において、形状記憶合金箔の両端側にそれぞれ溝を形成し、形状記憶合金箔の両端を固定する際に、溝にそれぞれ常温硬化型の接着剤を充填して当該接着剤を治具表面よりも盛り上げ、形状記憶合金箔の端部が治具表面と略平行となる位置で接着剤を形状記憶合金箔に接着させるため、従来のピン止め法、タイダウン法のように形状記憶合金箔の保持力が低下することもなく、クランプ法のように複合材部品成形が困難になることもなく、フリクション法のように品質のばらつきがでることもなく複合材成形硬化時の形状記憶合金箔の予歪復元防止を安定的に、容易に行うことができる。
その結果、従来と比較して損傷抑制効果の高い複合材を製造することができる。

なお、本発明は、前記実施の形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の改良並びに設計の変更を行っても良い。

本発明に係る複合材の製造方法により形成される複合材の一例を示す斜視図である。本発明に係る複合材の製造方法による複合材の製造過程の第１例を示す図である。本発明に係る複合材の製造方法による複合材の製造過程の第２例を示す図である。従来における複合材の製造過程の第１例を示す図である。従来における複合材の製造過程の第２例を示す図である。従来における複合材の製造過程の第３例を示す図である。従来における複合材の製造過程の第４例を示す図である。

符号の説明

１０複合材
１１ＳＭＡ（形状記憶合金箔）
１２樹脂層
１３繊維強化樹脂層
２０治具
２１溝
３０常温硬化型の接着剤
４０アダプタ
４１アダプタの溝
５０真空バッグ
Ｐ，Ｑ，Ｒ，Ｓ品質確認ライン

Claims

少なくとも１層の未硬化の繊維強化樹脂層の上に、予め所定の歪みを与えた形状記憶合金箔を積層し、前記形状記憶合金箔の上に、未硬化の繊維強化樹脂層を少なくとも１層積層して得られた硬化前の複合材が載置される治具に、前記形状記憶合金箔の両端を固定した状態で、前記形状記憶合金箔及び繊維強化樹脂層を加熱し、成形硬化させて複合材を形成する複合材の製造方法において、
前記治具上における前記形状記憶合金箔の両端側に当たる部位にそれぞれ溝を形成し、
前記形状記憶合金箔の両端を前記治具に固定する際に、
前記溝にそれぞれ常温硬化型の接着剤を充填して当該接着剤を前記治具の表面よりも盛り上げ、
前記形状記憶合金箔の端部が前記治具の表面と平行となる位置で接着剤を形状記憶合金箔に接着させることを特徴とする複合材の製造方法。