JP5574322B2 - 積層複合材料 - Google Patents

Description

本発明は、積層複合材料に関し、特にアクチュエータ機能を有する積層複合材料に関する。

従来の機械システムの信頼性の向上、高効率化、フリーメンテナンス化等の実現を目指し、材料に知的応答、自己診断などの機能を付加する材料のスマート化という概念が近年注目を集めている。

その中でも、知的応答の可能性を有するスマート材料の一つとして熱膨張係数が繊維方向に小さく、直交方向に大きいＣＦＲＰ（炭素繊維強化樹脂）と熱膨張係数が等方的に大きい金属とを積層することで炭素繊維の通電加熱、あるいは周囲の温度変化に応じた一方向の変形が可能であり、かつアクチュエータとして外部へ仕事をすることが可能である積層複合材料が例えば下記特許文献１に記載されている。

特開平１０−１３８３８０号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の積層複合材料の変形においては、冷却手段が自然冷却に主として頼らざるを得ないため応答性において改善の余地が残る。

そこで、本発明は、上記課題を鑑み、より応答性に優れた積層複合材料を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題について鋭意検討を行なったところ、熱膨張率の異なる一対の基板に挟持される絶縁層に空隙を持たせることで、気体や液体などの流体を流すことが可能となり、その流体の温度により温度調節がより容易になり応答性を向上させることができる複合材料となり、しかも大きく曲率を減少させることがないことを発見し、本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明の一手段に係る積層複合材料は、熱膨張率の異なる一対の基板と、
該一対の基板との間に挟持される絶縁層とを有する積層複合材料と、を有する積層複合材料であって、絶縁層は、少なくとも一以上の空隙を有する。

以上の通り、本発明により、空隙を設けることでその間隙に気体や液体などの流体を流すことが可能となり、その流体の温度により温度調節がより容易になり応答性を向上させることができる複合材料となり、しかも大きく曲率を減少させることがないといった効果がある。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。ただし、本発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、いかに示す実施形態に限定されるものではない。なお、本明細書においては同一又は同様の機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

図１に、本実施形態に係る積層複合材料（以下「本積層複合材料」という。）の概略図を示す。なお図中、（ａ）は本積層複合材料の積層構造を示す模式図であり、（ｂ）は組み立て後の本積層複合材料の概略斜視図、（ｃ）は長手方向における側面図、（ｄ）は長手方向に直行する方向における側面図をそれぞれ示す。本積層複合材料は、熱膨張率の異なる一対の基板１１と、この一対の基板との間に挟持される絶縁層１２とを有する積層複合材料と、を有し、絶縁層１２は、少なくとも一以上の空隙１３を有することを特徴の一つとする。

積層複合材料における一対の基板１１は、互いに熱膨張率が異なるものであって、熱膨張率の差を用いることによりアクチュエータとして機能する。より具体的に説明すると、一対の基板を加熱することで基板はそれぞれ熱膨張を開始するが、この一対の基板の間では熱膨張に差が生じているため、応力が発生し、積層複合材料の変形として現れる。そしてこの変形を制御することでアクチュエータとして機能させることができるのである。一対の基板１１の材質としては、限定されるわけではないが、少なくとも一方は金属板であることが望ましい。金属板の材質としては、限定されるわけではないが熱膨張が大きいものであることが好ましく、例えばアルミニウム、マグネシウム、チタン、鉄、ニッケル、銅、亜鉛又はこれらのうち少なくともいずれかを含む合金を用いてなることが望ましい。なおここで、これらのうちいずれかを含む合金の例としては、限定されるわけではないが、例えばアルミニウム合金、ニッケルとチタンとを約５０：５０（ａｔ％）で含む合金、ステンレス鋼を挙げることができる。

また、一対の基板１１の材質の他の一方も、限定されるわけではないが、少なくとも一方向に熱膨張が小さい材質を用いることが好ましく、例えば炭素繊維強化樹脂などを好適に用いることができ、より具体的な例としては、炭素繊維を含むプリプレグシート（ＣＦＲＰ）が該当する。なお、プリプレグシートの場合、炭素繊維は、基板の変形方向に配向させておくことが望ましい。このようにすることで、基板変形方向以外の方向に対しては金属板と同様に熱膨張を生じさせることで変形を抑えることができるようになる。また、こちらの基板には、電極１４を付しておくことが好ましく、この電極を通じて電圧を印加し、ヒーターとして発熱を起こさせることで熱変形を誘起することが容易になる。なお、上記プリプレグシートにおいては、炭素繊維のほか、ホウ素繊維、ガラス繊維、炭化珪素繊維又はアラミド繊維を含ませることもできる。また、ヒーターとしての機能が弱い場合、プリプレグシートに更にニクロム線など一般的な発熱体を内部に配置することも有用である。なおプリプレグシートの材料としては、限定されるわけではないが、エポキシ樹脂やポリエステル樹脂などの樹脂を好適に用いることができる。

また一対の基板の間に挟持され、これらを接合する絶縁層１２は、接合できる限りにおいて特段に限定されないが、一対の基板の熱変形を緩衝しないように例えばガラス繊維を含んでなる樹脂など、高強度、高弾性のものが望ましい。また、ガラス繊維強化樹脂のほか、アラミド繊維強化樹脂、金属酸化膜、絶縁性樹脂フィルム等を用いることができる。特に、金属酸化膜の場合であって一対の基板の一方が金属板であるときは、これに対し酸化処理を施すだけで実現できるため、作製が容易になるという利点も有する。

また本積層複合材料では、一対の基板１１の間には、絶縁層１２と同層であって、絶縁層１２を分離する空隙１３が形成されている。この空隙は貫通したものとなっており、本積層複合材料がアクチュエータとして機能する際に、液体や気体等の流体を流すことで温度調節をより容易にすることができ、基板の変形をより高速に応答させることができるようになる。本実施形態において、少なくとも一以上あれば空隙の数は限定されないが、体積比（絶縁層及び空隙を合わせた体積のうち空隙が占める割合）が高くなればなるほど多く設けておくことが好ましく、好ましくは２以上、体積比が０．６を越えるのであれば５以上あることがより好ましい。このようにしておくことで一対の基板の間を全て絶縁層とした場合と遜色ない曲率を維持しつつその間隙に流体を十分に通すことができるようになる。また、空隙の貫通する方向としては、一対の基板において長手方向に貫通していることが好ましい。このようにすることで、長手方向における曲率を十分にとることができるようになる。なおここで体積比とは上記しているが、図１のように一方向に形成された空隙が複数平行に配置されて形成されている場合、下記式で定義される。

（上記式中、Ｖ_ｆは体積比を、ｎは空隙の数を、ｗは空隙一つ当たりの幅を、Ｌは空隙と絶縁層の幅の合計を、それぞれ示す。）

以上、本積層複合材料により、空隙を設けることでその間隙に気体や液体などの流体を流すことが可能となり、その流体の温度により冷却や加熱などの温度調節がより容易になり応答性を向上させることができる積層複合材料となり、しかも大きく曲率を減少させることがないといった効果がある。

次に、本実施形態に係る積層複合材料の製造方法について説明する。本実施形態に係る積層複合材料の製造方法は、絶縁層に、少なくとも一以上の空隙を設けて熱膨張率の異なる一対の基板で挟んでホットプレスすることを特徴とする。

このホットプレスは、用いる材料により温度、圧力、時間を適宜選択することにより調節が可能であり限定されない。たとえば一方がプリプレグシートの場合の温度範囲は、プリプレグシートの硬化温度近傍であることが好ましい。なお、ホットプレスにおいて一定時間圧力を印加した後除圧し、除圧後更に一定時間硬化させることが好ましい。

また、上記一対の基板の一方がプリプレグシートの場合、上記ホットプレスの前にプリプレグシートを予めホットプレスする別の工程を入れておくことが好ましい。このようにすることで予めプリプレグシートを硬化させておき、後に絶縁層と他方の基板とをホットプレスする際に空隙を硬化前のプリプレグシートの流動的な樹脂材料で埋めてしまわないようにできるという利点がある。なおこの際のホットプレスの条件も絶縁層の材質の硬化温度、プリプレグシートの硬化温度に応じて適宜調整可能であり限定されない。

以下、本発明に係る積層複合材料を実際に作製し、その評価を行なった。以下に説明する。

本実施例に係る積層複合材料は、一対の基板として純アルミニウム板（Ａ１０５０−Ｈ２４）を用い、他方の基板として、ＣＦＲＰ板を用いた。ＣＦＲＰ板は低熱膨張材及びヒーターとして有用である。この一対の基板を接合する絶縁層として、ＧＦＲＰ（ガラス繊維強化樹脂）板を用い、ＣＦＲＰ層に接続される電極として銅箔を用いた。また、本実施例では、空隙の個数、一つの空隙あたりの幅を異ならせたものを下記表１で示すように合計８種類作製した。なおここにおいて、アルミニウム板において厚さは０．２ｍｍ、幅は４０ｍｍ、長さは８０ｍｍとし、ＣＦＲＰ板の厚さは０．１１ｍｍ、幅は４０ｍｍ、長さは８０ｍｍとし、ＧＦＲＰ板の厚さは０．０４ｍｍ、長さは８０ｍｍとし、ＧＦＲＰ板の幅は、体積比に応じて調整し、その調整された幅を下記表１で示す絶縁層の個数に応じて均等に切り分けた。

また本実施例において、積層材料の製造方法は、一対の基板を上記の長さにそれぞれ切り出し、予めＣＦＲＰ板に銅箔を４５３Ｋ、０．１ＭＰａ、１．８ｋｓの条件で接着、硬化し、その後、図１で示すように積層させ、その後更に４５３Ｋ、０．１ＭＰａ、１．８ｋｓの条件で硬化させ、荷重を除した後、同じ温度で更に２８．８ｋｓ加熱し、硬化を促進した。なお電極間の距離は６０ｍｍとなるように作製した。なお、図２に、上記作製した積層材料のうち一つ（積層材料３）の断面図を示しておく。図中（Ａ）は中空部横断面図を、（Ｂ）は銅箔及び中空部の横断面図を、（Ｃ）は銅箔部の縦断面図をそれぞれ示しておく。

次に、作製した上記各積層材料に対し、３１３Ｋにおける曲率について測定を行った。曲率の測定は積層複合材料をセラミックス製の冶具で保持し、レーザー変位計（キーエンス社製可視光レーザー変位センサＬＫ−１０００）を用いた。図３に、４０℃（３１３Ｋ）における曲率と空隙の数との関係を示す。なお図中、図３（ａ）は基板の長手方向における曲率を、図３（ｂ）は基板長手方向と直行する方向における曲率をそれぞれ示す。

本図によると、体積比が大きくなるにしたがって基板の長手方向の曲率が下がってしまうが、体積比が０．３以下の場合は空隙の個数が１の場合であっても曲率は空隙なしの場合の９０％程度を確保することができる。一方、体積比が０．９の場合は、少ない空隙の個数では低くなってしまっているものの、空隙の数が６より大きくなると体積比０．３の場合とほぼ同じとなる。この結果、堆積率が高くなった場合でも概ね５以上の空隙を有していると曲率の減少を空隙のないものと遜色ない程度にすることができる。

また、この空隙の曲率を有する積層複合材料の温度依存性についても検討した。図４にこの結果を示す。本図において横軸は温度を、縦軸は曲率を表す。

この結果、例えば体積比０（空隙なし）の場合では、融点付近の温度（４５３Ｋ）では形状の飛び移り現象による曲率の不連続性が見られるが、空隙の数が増加するに従いこの不連続性が減少していることがわかる。すなわち複数の空隙を設けることによってより安定な温度依存性を確保することができることがわかった。

また、空隙が出力に与える影響について検討した。この結果を図５に示しておく。図５は体積比０．３の場合及び体積比０．９における結果を示す。図中、横軸は空隙の数、縦軸は８０℃における出力である。

本図の結果によると、いずれの体積比の場合であっても、空隙の数の増加に従い出力の増加を確認することができる。特に体積比０．３の場合は、３以上の空隙の個数で空隙なしの場合と同等以上の出力を得ることができ、体積比が０．９であっても、５、望ましくは６以上であれば空隙なしの場合の半分以上の出力を期待することができ、１０以上であれば絶縁層のみの場合に比べ８０％程度を確保できることが確認できた。すなわち、空隙の数を複数導入させることで、空隙を入れているにもかかわらず空隙なしの場合と遜色のない性能を確保することができ、応答性を向上させることができることを確認した。

以上、本実施例により、本発明の有用性を確認することができた。

本発明は、アクチュエータ機能を有する積層複合材料として産業上の利用可能性がある。

実施形態に係る積層複合材料の概略図である。 実施例で作製した積層複合材料の一例の断面図である。 実施例で作製した積層複合材料の４０℃（３１３Ｋ）における曲率と空隙の数との関係を示す図である。 実施例で作製した積層複合材料の曲率の温度依存性を示す図である。 実施例で作製した積層複合材料の空隙が出力に与える影響について示した図。

Claims (5)

1. 熱膨張率の異なる一対の基板と、
   該一対の基板との間に挟持される絶縁層と、を有する積層複合材料であって、前記絶縁層は、ガラス繊維強化樹脂、アラミド繊維強化樹脂、金属酸化膜、及び絶縁性樹脂フィルムの少なくともいずれかであり、かつ、少なくとも一以上の貫通する空隙を有する積層複合材料。
2. 前記空隙の個数は２以上である請求項１記載の積層複合材料。
3. 前記一対の基板の一方は、アルミニウム、マグネシウム、チタン、ニッケル、鉄、銅、亜鉛、又はこれらのうち少なくともいずれかを含む合金を用いてなる請求項１記載の積層複合材料。
4. 前記一対の基板の他の一方は、炭素繊維、ホウ素繊維、ガラス繊維、炭化珪素繊維又はアラミド繊維の少なくともいずれかを含むプリプレグシートを用いてなる請求項１記載の積層複合材料。
5. 前記プリプレグシートは炭素繊維を含み、前記炭素繊維は、前記一対の基板の変形方向に配向している請求項４記載の積層複合材料。