JP5622929B2 - 接合体の製造方法 - Google Patents
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- B29C66/81411—General aspects of the pressing elements, i.e. the elements applying pressure on the parts to be joined in the area to be joined, e.g. the welding jaws or clamps characterised by the design of the pressing elements, e.g. of the welding jaws or clamps characterised by the surface geometry of the part of the pressing elements, e.g. welding jaws or clamps, coming into contact with the parts to be joined characterised by its cross-section, e.g. transversal or longitudinal, being non-flat
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Description
ボルトナットやリベットの締結では、母材への穴あけが必要であるため、母材強度が低下すること、加工プロセスが増えることなどの問題がある。さらに、近年、炭素繊維複合材料はその強度と軽さから軽量化効果をもたらす素材として注目されているが、ボルトナットやリベットによる締結箇所が多くなると、締結部品の増加による重量増により炭素繊維複合材料を用いるメリットを損なう恐れがある。接着剤による接合は高い接合強度を得られないため、構造部材には不向きである。
溶着は、熱板、振動、超音波を利用した溶着手法があるが、素材をそのまま一体化させるため、接合による重量増加もなく、高い強度が得られるため、熱可塑性樹脂においては非常に有利な接合手法といえる。しかしながら、熱板溶着では糸ひきのため熱板に樹脂が付着する問題がある。振動溶着ではワーク毎に専用の治具が必要であることと、接合面を振動させることが必要なため、複雑な形状には対応できない問題がある。また、超音波溶着はホーンのサイズに制限があり、大型のワークに対応できないことと、高周波音が発生するなどの問題がある。
特許文献2には、熱可塑性樹脂と炭素繊維とからなる2個の樹脂複合体を互いに溶融固化させて融着体を製造する方法が開示されている。この方法でも10万アンペアの極めて多量の電流を通電している(段落番号0030)。
非特許文献1には、熱可塑性樹脂と炭素繊維とからなる2個の複合体を電極間に挟み通電して溶接する方法が開示されている。しかし、炭素繊維として連続繊維の一方向材を用いているため複合体に反りが生じる欠点がある(第264頁左欄)。
このように、熱可塑性樹脂をマトリックスとした複合材料の接合方法として、ワークサイズや形状に左右されず、低い電流で、反りなどの欠点のない高強度の接合体を得る方法は現在のところ存在しない。
本発明者は上記課題を解決するため鋭意検討を重ねた結果、熱可塑性樹脂および炭素繊維を含有する複数の複合材料を重ね合わせて電極で挟み通電してジュール熱で熱可塑性樹脂を溶解し溶着させ接合体を製造する方法において、複合材料として熱可塑性樹脂中に、不連続の炭素繊維がランダムに配置されている材料を用いると、低電流で、反りの発生が少なく、高強度の接合体が得られることができることを見出し、本発明を完成した。
(ii)複数の複合材料を重ね合わせ、
(iii)重ね合わせた部位の少なくとも一部分を一対の電極で挟み、並びに
(iv)電極間に通電しジュール熱で熱可塑性樹脂を溶着させる、
各工程を含む接合体の製造方法である(ここで、「面内方向」とは、複合材料の厚み方向に対して垂直な方向をいう)。
(i)重ね合わせた複数の複合材料の一方の最表層に接する第1の電極、
(ii)重ね合わせた複数の複合材料の他方の最表層に接する第2の電極、
(iii)第1と第2の電極間に通電する電源、
(iv)第1と第2の電極の少なくとも一方に接続された加圧機構、並びに
(v)接合電流と通電時間とを制御する制御装置、
を備え、
複数の複合材料を重ね合わせた部位の少なくとも一部分を第1電極と第2電極で挟み、加圧しながら電極間に通電し、ジュール熱で熱可塑性樹脂を溶着する接合体の製造装置である(ここで、「面内方向」とは、複合材料の厚み方向に対して垂直な方向をいう)。
本発明の製造装置によれば、複合材料の接合を低い電流で、反りなどの変形の発生が少なく効率的に行える。
本発明で用いる複合材料とは、熱可塑性樹脂をマトリックスとし不連続の炭素繊維を含有する複合材料である。不連続の炭素繊維を含むことにより、通常、不導体である熱可塑性樹脂に電気伝導性を発現させることができる。
炭素繊維はPAN系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維などが代表的である。用途によってPAN系、ピッチ系は選択されるが、一般的に、より高強度を求める場合にはPAN系炭素繊維が用いられる。
「不連続の炭素繊維」とは、繊維のうち、平均繊維長が0.1〜300mmの長さのものをいう。「不連続繊維」以外の繊維を「連続繊維」という。
不連続繊維の平均繊維長としては、好ましくは5mm〜100mm、より好ましくは8mm以上80mm以下であり、さらに好ましくは10mm以上50mm以下、特に好ましくは10mm以上40mm以下である。
平均繊維長は、無作為に抽出した強化繊維100本の長さをノギスおよびルーペで1mm単位まで測定して記録し、測定した全ての強化繊維の長さ(Li、ここでi=1〜100の整数)から、次式により平均繊維長(La)を求めた。
La=ΣLi/100
臨界単糸数=600/D (1)
(ここで、Dは炭素繊維の平均繊維径(μm)である)
で定義される臨界単糸数以上で構成される炭素繊維束を、炭素繊維全量に対する体積割合が20%以上99%未満の割合で含有することが好ましい。
平均繊維径は、顕微鏡にて繊維断面を1000倍以上に拡大し写真撮影し、無作為に50本の繊維断面を選び、その繊維断面の外接する円の直径を繊維径として記録し、測定した全ての繊維径(Di、ここでi=1〜50の整数)から、次式により平均繊維径(Da)を求めた。
Da=ΣDa/50
当該範囲以外の範囲においては、単糸の状態または臨界単糸数未満で構成される開繊された他の炭素繊維束が存在すると、複合材料の成形性が良好であり好ましい。ここで、炭素繊維全量に対する炭素繊維束の割合が20%未満になると、表面品位に優れる接合体が得られるという利点はあるものの、複合材料を均一に加熱することが難しくなるので機械物性に優れた接合体が得にくくなる。当該炭素繊維束の割合が99%以上になると、炭素繊維の交絡部が局部的に厚くなり、薄肉のものが得られにくくなる。また複合材料のランダム性が損なわれやすい傾向になる。炭素繊維束の好ましい範囲は体積割合で30%以上90%未満である。
0.7×104/D2<N<1×105/D2 (2)
(ここで、Dは炭素繊維の平均繊維径(μm)である)
平均繊維数は、100mm×100mm程度の範囲から繊維束をピンセットで全て取り出し、強化繊維束(A)の束の数(I)および強化繊維束の長さ(Li)と質量(Wi)を測定し記録する。ピンセットにて取り出すことができない程度に繊維束が小さいものについては、まとめて最後に質量を測定する(Wk)。質量の測定には、1/100mg(0.01mg)まで測定可能な天秤を用いる。
強化繊維の繊維径(D)より、臨界単糸数を計算し、臨界単糸数以上の強化繊維束(A)と、それ以外に分ける。なお、2種類以上の強化繊維が使用されている場合には、繊維の種類毎に分け、各々について測定及び評価を行う。
Ni=Wi/(Li×F)
強化繊維束(A)中の平均繊維数(N)は、強化繊維束(A)の束の数(I)より、次式により求められる。
N=ΣNi/I
強化繊維束(A)のマットの繊維全量に対する割合(VR)は、強化繊維の密度(ρ)を用いて次式により求められる。
VR=Σ(Wi/ρ)×100/((Wk+ΣWi)/ρ)
具体的には、炭素繊維の平均繊維径が5〜7μmである場合、臨界単糸数は86〜120本となる。炭素繊維の平均繊維径が5μmである場合、繊維束中の平均繊維数は280〜4000本の範囲となるが、なかでも600〜2500本であることが好ましい。炭素繊維の平均繊維径が7μmの場合、繊維束中の平均繊維数は142〜2040本の範囲となるが、なかでも300〜1600本であることが好ましい。
炭素繊維の配向としては、電流の流れる方向、すなわち通電方向に対して基本的に垂直方向に平行な方向(面内方向)にランダムである。電気は通常、炭素繊維に沿って流れるため、複合材料の面内方向に炭素繊維の方向性のない、すなわちランダムに配置された複合材料が、厚み方向に安定して通電することができる。
なかでも一定の電気抵抗値を持っているほうが安定して接合できるため、均等にランダムであることが好ましい。ここで、ランダムに不連続繊維を配置したものとは、例えば炭素短繊維を重なるように配置した複合材料の場合、炭素繊維が平均繊維長5〜100mmの不連続の炭素繊維から構成され、炭素繊維が25〜3000g/m2の目付けにて実質的に2次元ランダムに配向していることを特徴とするランダムマットを成形した複合材料であることが好ましい。
なお、本発明では、最終的に得られた接合体の面内における、任意の方向およびこれと直交する方向についてそれぞれ引張り試験を行って引張弾性率を測定し、その値のうち大きいものを小さいもので割った比(Eδ)を算出した。このEδの値が2を超えないものを等方性であるとする。Eδが1.3を超えないものを、等方性がより良好であるとする。
所望の電気抵抗値を得られるように不連続の炭素繊維量および種類を調整すれば、熱可塑性樹脂の種類によらず溶着することができる。複合材料の接合部位に含まれる不連続の炭素繊維の重量割合は、熱可塑性樹脂100重量部あたり不連続の炭素繊維が10〜1000重量部であることが好ましい。より好ましくは、熱可塑性樹脂100重量部あたり不連続の炭素繊維が10〜300重量部であり、さらに好ましくは、10〜150重量部である。ただし、接合部位以外の複合材料に含まれる不連続の炭素繊維の重量割合はこの限りではない。
また、複合材料には本発明の目的を損なわない範囲で、不連続の炭素繊維以外の各種フィラー、添加剤を含んでも良い。添加剤としては例えば、難燃剤、熱安定剤、紫外線吸収剤、造核剤、可塑剤などが挙げられるがこの限りではない。
図1に抵抗溶接による接合方法を説明するための第1の実施形態に係る装置概略図を示す。12、13は一対の電極、4は電源、W1、W2は被溶接物である複合材料を示す。本発明では熱可塑性樹脂をマトリックスとし不連続の炭素繊維を含む複合材料W1、W2を重ね合わせ、重ね合わせた部位の一部分を一対の電極で挟み、電極間に通電する。具体的には2枚以上の複合材料W1、W2を重ねあわせる。同時に重ね合わせた部位の少なくとも一部分を電極12、13で挟み、電極12、13間に電流を流す。このときプロセスの簡単化のため、複合材料を電極12、13で挟んで固定、加圧することが好ましい。このように複合材料の固定は、電極により加圧しながら行なうことが好ましい。
接合に用いられる電源4としては交流電源でも直流電源でもよいが、効率的に発熱を得たい場合には、直流電源の方が好ましい。
使用する電極12、13の材質、電極径に限定はないが、材質としては銅や銅合金を使用することが好ましく、電極径としてはΦ3〜Φ30程度であることが好ましい。電極12、13の形状は、特に限定されることはないが、この実施例では、棒状の電極を用いている。また、電極12または13の少なくとも一方は、不図示の加圧機構に接続し、複合材料W1、W2を所定の加圧力で加圧することが好ましい。
接合の際に流す電流値は、10A〜500A程度であることが好ましく、10A〜200Aであることがより好ましい。
通電時間は、10秒以内であることが好ましく、実質下限は0.1秒である。このとき定電流を所定時間通電させるよう制御するか、定電力になるよう制御することが好ましいが、この限りではない。また、加圧力は0.01MPa以上であることが好ましく、実質上限は1000MPa以下である。
図2に抵抗溶接による接合方法を説明するための第2の実施形態に係る装置概略図を示す。第2の実施形態では、第1の実施形態とは電極の構成が異なっており、他の構成は同じである。
この実施形態における電極22、23は、ローラー状の電極を用いている。ローラー状の電極22、23には、電源4が接続され、所定の電圧が印加されているので、ローラー状の電極22、23が回動するのに伴い、連続して複合材料W1、W2を接合することができる。ただし、ローラー状の電極22、23を用いた場合でも、通電は、前述の棒状の電極12、13と同様に断続的に行われる。このように複合材料W1、W2をローラー状の電極間に挟み、ローラー状の電極を回動させることで、複合材料を加圧しながら通電を行うことができる。
図3に抵抗溶接による接合方法を説明するための第3の実施形態に係る装置概略図を示す。
この変形例によれば、電極42a、43aの加圧力と電極42a、43aの外延部の加圧力とを変えることができるため、複合材料W1、W2の表面が平坦でない場合や、接合過程で複合材料W1、W2の表面が変形した場合でも、電極42a、43aを複合材料W1、W2に確実に接触させることができる。また、複合材料W1とW2との接合を開始する前に、先ず加圧補助部材42b、43bによって複合材料W1とW2とを所定の加圧力で押さえつけて固定した後に、電極42a、43aを所定の加圧力で複合材料W1とW2に接触させて接合を開始することができる。このように電極42a、43aによる加圧と、電極周辺の加圧補助部材42b、43bによる加圧を独立の加圧機構により行うことができる。
また、上述の第2の実施形態のようにローラー状の電極22、23を用いる場合には、電極22、23のそれぞれの両端に、ローラー状の加圧補助部材を設けることで、複合材料W1、W2の反りや変形を抑制しながら連続的に接合することができる。
例えば、図5に示すように、電極52a、53aのそれぞれの両端に、ローラー状の加圧補助部材52b、53bを設けたローラー状の加圧補助付電極52、53を適用してもよい。
接合する複合材料の厚さは固定し通電することが可能であれば限定はないが、好ましくは1枚あたり0.1〜10mmであり、より好ましくは1枚あたり0.5〜5mmであり、さらに好ましくは1枚あたり0.5〜2mmである。
本発明の接合体の製造方法においては、溶着させる複合材料間に熱可塑性樹脂もしくは熱可塑性樹脂をマトリックスとし不連続の炭素繊維を含む複合材料の小片を挟むこともできる。小片とは、接合後に製品形状、製品寸法に影響を与えない大きさのものであって、形状とサイズに制限はないが、例えばΦ3x3mmのペレットなどがある。小片を構成する熱可塑性樹脂は複合材料と同材料であっても、異種材料であってもよい。また、小片に含まれる不連続の炭素繊維も複合材料と同材料であっても、異種材料であってもよい。
また、本発明の接合体の製造方法においては、溶着させる複合材料間に不連続の炭素繊維、電気伝導性繊維、および電気伝導性シートからなる群から選ばれる少なくとも1種を挟むことも好ましい。電気伝導性繊維としては、炭素繊維、金属繊維が挙げられ、繊維形状としては、連続繊維の1方向材以外にも織物、編み物、不織布が挙げられる。電気伝導性シートとは、炭素繊維複合材料、金属板、金属箔などが挙げられるが、この限りではない。
また本発明は、熱可塑性樹脂および不連続の炭素繊維を含有し、不連続の炭素繊維が面内方向にランダムに配置されている複数の複合材料(W1、W2)を重ね合わせた接合体を製造する装置であって、
(i)重ね合わせた複数の複合材料の一方の最表層に接する第1の電極(12、22、32a、42a、52a)、
(ii)重ね合わせた複数の複合材料の他方の最表層に接する第2の電極(13、23、33a、43a,53a)、
(iii)第1と第2の電極間に通電する電源(4)、
(iv)第1と第2の電極の少なくとも一方に接続された加圧機構(不図示)、並びに
(v)接合電流と通電時間とを制御する制御装置(不図示)、
を備え、
複数の複合材料を重ね合わせた部位の少なくとも一部分を第1電極と第2電極で挟み、加圧しながら電極間に通電し、ジュール熱で熱可塑性樹脂を溶着する接合体の製造装置である(ここで、「面内方向」とは、複合材料の厚み方向に対して垂直な方向をいう)。
製造装置は、電極の周辺を加圧する加圧補助機構を有することが好ましい。また、電極の加圧機構と、電極の周辺を加圧する加圧補助機構は、各々独立に作用することが好ましい。第1および第2の電極は、ローラー状で、重ね合わせた複合材料をローラー間に挟み加圧しながら通電を行うことが好ましい。
本発明は、熱可塑性樹脂および炭素繊維を含有する複数の複合材料を重ね合わせ、重ね合わせた部位の少なくとも一部分に通電して、熱可塑性樹脂を溶着させ複合材料を接合する方法であって、
複合材料として、熱可塑性樹脂および不連続の炭素繊維を含有し、不連続の炭素繊維が面内方向にランダムに配置されている複合材料を用いることを特徴とする方法を包含する(ここで、「面内方向」とは、複合材料の厚み方向に対して垂直な方向をいう)。本発明によれば、不連続の炭素繊維がランダムに配置されている複合材料を用いるので、接合された複合材料に反りなどの変形が発生し難い。
即ち本発明は、熱可塑性樹脂および炭素繊維を含有する複数の複合材料を重ね合わせ、重ね合わせた部位の少なくとも一部分に通電して、熱可塑性樹脂を溶着させ複合材料を接合する際の変形の発生を抑制する方法であって、
複合材料として、熱可塑性樹脂および不連続の炭素繊維を含有し、不連続の炭素繊維が面内方向にランダムに配置されている複合材料を用いることを特徴とする方法を包含する(ここで、「面内方向」とは、複合材料の厚み方向に対して垂直な方向をいう)。
(複合材料)
平均繊維長20mmにカットした炭素繊維(東邦テナックス(株)製テナックスSTS40、平均繊維径7μm)を平均目付け540g/m2、炭素繊維の重量割合で52%になるようランダムに配置し、マトリックスをユニチカ株式会社製ユニチカナイロン6とした炭素繊維複合材料を準備した。
(固定、通電)
この複合材料で板サイズを100mm×25mm×2mmとしたものを2枚用意し、重ね合わせて、重ねた部分を電極で挟んだ。このとき先端Φ12の銅製電極を用いた。加圧力は6.6kN(58.4MPa)とした。加圧状態のまま、直流電源から60Aの電流を1秒間通電させた。接合点数は1点とした。
(評価)
得られた接合体をインストロン社製万能試験機5587 300kN容量床置型試験機を用い、速度1mm/minで引張せん断試験を実施したところ、破壊強度1.61kNであった。得られた接合体には反りなどの変形は認められなかった。
実施例1と同じ複合材料を2枚用意し、重ね合わせて、先端Φ5の銅製電極で挟んだ。加圧力は3.4kN(173MPa)とし、直流電源から60Aの電流を2秒間通電させた。接合点数は1点とした。
(評価)
得られた接合体をインストロン社製万能試験機5587 300kN容量床置型試験機を用い、速度1mm/minで引張せん断試験を実施したところ、破壊強度2.77kNであった。得られた接合体には反りなどの変形は認められなかった。
(複合材料)
平均繊維長20mmにカットした炭素繊維(東邦テナックス(株)製テナックスSTS40、平均繊維径7μm)を平均目付け540g/m2、炭素繊維の重量割合で52%になるようランダムに配置し、マトリックスをユニチカ株式会社製ユニチカナイロン6とした炭素繊維複合材料を準備した。
(固定、通電)
この複合材料で板サイズを100mm×25mm×1.5mmとしたものを2枚用意し、重ね合わせて、重ねた部分を電極で挟んだ。このとき内側Φ7の銅製電極と外側Φ16のフッ素樹脂から構成される加圧補助付電極を用いた。電極間の加圧力は5.6kN(27.9MPa)とした。加圧状態のまま、直流電源から通電させた。電流値は最初の0.5秒間で5Aから50Aまで上昇させ、その後50Aのまま1.5秒間通電させた。接合点数は1点とした。
(評価)
得られた接合体をインストロン社製万能試験機5587 300kN容量床置型試験機を用い、速度1mm/minで引張せん断試験を実施したところ、破壊強度4.34kNであった。得られた接合体には反りなどの変形は認められなかった。
(複合材料)
炭素繊維ストランド(東邦テナックス(株)製テナックスSTS40、平均繊維径7μm)を幅16mmに広げながら一方向に引き揃えたシートの上下に、炭素繊維100重量部に対して酸変性ポリプロピレン樹脂52重量部となる様に、酸変性ポリプロピレン樹脂フィルム((株)プライムポリマー製プライムポリプロ J108Mを96重量%、無水マレイン酸変性ポリプロピレン(東洋紡社製 トーヨータック PMAH1000P)を4重量%でペレット同士を回転式ブンレンダーで混合したものを用い、押出機で厚み30μmのフィルムにしたもの。樹脂合計中の酸量は0.20重量%)をのせ、220℃の加熱ローラーにて一軸配向炭素繊維強化複合材料シートを作成した。
(固定、通電)
この一軸配向炭素繊維強化複合材料シートを幅30cm×長さ30cmのサイズに切り出し、一方向に18枚重ね、240℃に加熱したプレス装置にて2.0MPaにて5分間加熱し、厚み2.0mmの成形板を得た。
この一軸配向の複合材料から繊維方向を長手方向として、100mm×25mmの板を切り出し、重ね合わせて、重ねた部分を電極で挟んだ。このときΦ5の銅製電極を用い、電極間の加圧力は2.3kN(117MPa)とした。加圧状態のまま、直流電源から通電させた。電流値は通電開始から3秒間の間に10Aから50Aまで上昇させ通電を停止させた。
(評価)
得られた接合体をインストロン社製万能試験機5587 300kN容量床置型試験機を用い、速度1mm/minで引張せん断試験を実施したところ、破壊強度0.12kNであった。また、ここで得られた接合体は、電極での加圧および通電による複合材料の変形が大きかった。
(複合材料)
長繊維ペレット(東レ製トレカ長繊維ペレット)を原料として、型締め力100tの射出成形機により、外形が150mm×150mm、厚み1.4mmの平板状成形品を得た。このとき成形品の炭素繊維の重量割合は25%とした。また、この成形の際、シリンダ温度はノズル近くで250℃に設定し、金型温度は70℃とした。
(固定、通電)
この平板から100mm×25mmの板を切り出し、重ね合わせて、重ねた部分を電極で挟んだ。このときΦ5の銅製電極を用い、電極間の加圧力は3.4kN(MPa)とした。加圧状態のまま、直流電源から通電させた。電流値は通電開始から3秒間の間に10Aから30Aまで上昇させ通電を停止させた。接合点数は1点とした。
(評価)
得られた接合体をインストロン社製万能試験機5587 300kN容量床置型試験機を用い、速度1mm/minで引張せん断試験を実施したところ、破壊強度0.84kNであった。以下表1に結果をまとめた。
炭素繊維(東邦テナックス(株)製:テナックスSTS40−24KS(繊維径7μm、繊維幅10mm))を20mm幅に開繊しながら、繊維長20mmにカットした。ついで、炭素繊維の供給量を301g/minでテーパー管内に導入し、テーパー管内で空気を炭素繊維に吹き付けて繊維束を部分的に開繊しつつ、テーパー管出口の下部に設置したテーブル上に散布した。
一方、マトリックス樹脂として、平均粒径1mmに粉砕した粉体状PA6(以下ポリアミド)(宇部興産(株)製 1015B)を準備した。これを480g/minでテーパー管内に供給し、炭素繊維と同時に散布することで、平均繊維長20mmの炭素繊維とポリアミドが混合されたマットを得た。得られたマットの臨界単糸数は86であり、炭素繊維束について、マットの繊維全量に対する体積割合は30%、強化繊維束(A)中の平均繊維数(N)は320であった。
このマットを4枚積層して300℃、2MPaでホットプレスして厚さ1.6mmの複合材料を作製した。Eδは1.1、Vfは29.6体積%であった。
この複合材料で板サイズを100mm×25mm×1.5mmとしたものを2枚用意し、重ね合わせて、先端φ12の銅製電極で挟んだ。接合点数は1点とし、加圧力は6.6kN(58.4MPa)とした。加圧状態のまま、直流電源から30Aの電流を1秒間通電させた。その後、冷却完了までの10秒間、電極で加圧を保持した。
(評価)
得られた接合体をインストロン社製万能試験機5587 300kN容量床置型試験機を用い、速度1mm/minで引張せん断試験を実施したところ、破壊強度1.58kNであった。得られた接合体には反りなどの変形は認められなかった。
実施例4と同じ複合材料を2枚用意し、重ね合わせて、先端φ5の銅製電極で挟んだ。接合点数は1点とし、加圧力は3.4kN(173MPa)とした。加圧状態のまま、直流電源から30Aの電流を2秒間通電させた。その後、冷却完了までの10秒間、電極で加圧を保持した。
(評価)
得られた接合体をインストロン社製万能試験機5587 300kN容量床置型試験機を用い、速度1mm/minで引張せん断試験を実施したところ、破壊強度2.71kNであった。得られた接合体には反りなどの変形は認められなかった。
実施例4と同じ複合材料を2枚用意し、重ね合わせて、内側φ7の銅製電極と外側φ16のフッ素樹脂から構成される加圧補助付電極を用いた。接合点数は1点とし、電極間の加圧力は5.6kN(27.9MPa)とした。加圧状態のまま、直流電源から通電させた。電流値は最初の0.5秒間で2.5Aから25Aまで上昇させ、その後25Aのまま1.5秒間通電させた。通電終了から冷却完了までの10秒間、電極で加圧を保持した。
(評価)
得られた接合体をインストロン社製万能試験機5587 300kN容量床置型試験機を用い、速度1mm/minで引張せん断試験を実施したところ、破壊強度4.25kNであった。得られた接合体には反りなどの変形は認められなかった。
実施例4と同じ複合材料を2枚用意し、重ね合せて、φ50、幅10mmの銅製ローラー電極で挟んだ。電極間の加圧力は3.4kNとした。加圧状態のまま、直流電源から30Aの電流を2秒間通電させ、5mm/sの速さで重ね合わせたまま複合材料2枚を移動させた。このとき、ローラー電極の直後にもう1対のローラー加圧機構を設け加圧を行った。このローラーでの加圧力は1.1kNとした。
(評価)
得られた接合体をインストロン社製万能試験機5587 300kN容量床置型試験機を用い、速度1mm/minで引張せん断試験を実施したところ、破壊強度1.55kNであった。得られた接合体には反りなどの変形は認められなかった。
炭素繊維(東邦テナックス(株)製:テナックスSTS40−24KS(繊維径7μm、繊維幅10mm))を約25mm幅に開繊しながら、繊維長20mmにカットした。ついで、炭素繊維の供給量を301g/minでテーパー管内に導入し、テーパー管内で空気を炭素繊維に吹き付けて繊維束を部分的に開繊しつつ、テーパー管出口の下部に設置したテーブル上に散布した。
一方、マトリックス樹脂として、平均粒径1mmに粉砕した粉体状PA6(以下ポリアミド)(宇部興産(株)製 1015B)を準備した。これを480g/minでテーパー管内に供給し、炭素繊維と同時に散布することで、平均繊維長20mmの炭素繊維とポリアミドが混合されたマットを得た。得られたマットの臨界単糸数は86であり、炭素繊維束について、マットの繊維全量に対する体積割合は13%、強化繊維束(A)中の平均繊維数(N)は93であった。
このマットを4枚積層して300℃、2MPaでホットプレスして厚さ1.6mmの複合材料を作製した。Eδは1.0、Vfは29.6体積%であった。
上記複合材料を2枚用意し、重ね合わせて、先端φ12の銅製電極で挟んだ。接合点数は1点とし、加圧力は6.6kN(58.4MPa)とした。加圧状態のまま、直流電源から30Aの電流を1秒間通電させた。その後、冷却完了までの10秒間、電極で加圧を保持した。
(評価)
得られた接合体をインストロン社製万能試験機5587 300kN容量床置型試験機を用い、速度1mm/minで引張せん断試験を実施したところ、破壊強度1.47kNであった。得られた接合体には反りなどの変形は認められなかった。
炭素繊維(東邦テナックス(株)製:テナックスSTS40−24KS(繊維径7μm、繊維幅10mm))を約15mm幅に開繊しながら、繊維長20mmにカットした。ついで、炭素繊維の供給量を301g/minでテーパー管内に導入し、テーパー管内で空気を炭素繊維に吹き付けて繊維束を部分的に開繊しつつ、テーパー管出口の下部に設置したテーブル上に散布した。
一方、マトリックス樹脂として、平均粒径1mmに粉砕した粉体状PA6(以下ポリアミド)(宇部興産(株)製 1015B)を準備した。これを480g/minでテーパー管内に供給し、炭素繊維と同時に散布することで、平均繊維長20mmの炭素繊維とポリアミドが混合されたマットを得た。得られたマットの臨界単糸数は86であり、炭素繊維束について、マットの繊維全量に対する体積割合は96%、強化繊維束(A)中の平均繊維数(N)は2251であった。
このマットを4枚積層して300℃、2MPaでホットプレスして厚さ1.6mmの複合材料を作製した。Eδは1.1、Vfは29.6体積%であった。
上記複合材料を2枚用意し、重ね合わせて、先端φ12の銅製電極で挟んだ。接合点数は1点とし、加圧力は6.6kN(58.4MPa)とした。加圧状態のまま、直流電源から30Aの電流を1秒間通電させた。その後、冷却完了までの10秒間、電極で加圧を保持した。
(評価)
得られた接合体をインストロン社製万能試験機5587 300kN容量床置型試験機を用い、速度1mm/minで引張せん断試験を実施したところ、破壊強度1.39kNであった。得られた接合体には反りなどの変形は認められなかった。
実施例4と同じ複合材料を用意し、ホットプレスで成形した図6に示す2つのハット形状の成形品を接合する。このとき使用する電極はφ7銅製電極と外側φ16のフッ素樹脂から構成される加圧補助付電極を用い、加圧力は5.6kN(27.9MPa)、通電条件は30Aで3秒間とし、通電後5秒間、電極で加圧保持する。接合は50mmの間隔で複数点の接合を行う。
12 電極
13 電極
W1 複合材料
W2 複合材料
22 電極
23 電極
32 加圧補助付電極
32a 電極
32b 加圧補助部材
33 加圧補助付電極
33a 電極
33b 加圧補助部材
42 加圧補助付電極
42a 電極
42b 加圧補助部材
43 加圧補助付電極
43a 電極
43b 加圧補助部材
52 加圧補助付電極
52a 電極
52b 加圧補助部材
53 加圧補助付電極
53a 電極
53b 加圧補助部材
54 複合材料
55 複合材料
56 接合部
Claims (18)
- (i)熱可塑性樹脂および不連続の炭素繊維を含有し、不連続の炭素繊維が面内方向にランダムに配置されている複数の複合材料を準備し、
(ii)複数の複合材料を重ね合わせ、
(iii)重ね合わせた部位の少なくとも一部分を一対の電極で挟み、並びに
(iv)電極間に通電しジュール熱で熱可塑性樹脂を溶着させる、
各工程を含む接合体の製造方法(ここで、「面内方向」とは、複合材料の厚み方向に対して垂直な方向をいう)。 - 不連続の炭素繊維は、平均繊維長が5〜100mmの範囲である請求項1に記載の接合体の製造方法。
- 複合材料は、熱可塑性樹脂100重量部あたり不連続の炭素繊維を10〜1000重量部含有する請求項1記載の製造方法。
- 熱可塑性樹脂が、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリオキシメチレン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンエーテル、変性ポリフェニレンエーテル、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、AS樹脂およびABS樹脂からなる群より選らばれる少なくとも一種である請求項1記載の製造方法。
- 電極で加圧しながら挟む請求項1記載の製造方法。
- 電極およびその周辺を加圧しながら挟む請求項5に記載の製造方法。
- 電極による加圧と、電極周辺の加圧を独立の加圧機構により行う請求項6に記載の製造方法。
- 複合材料をローラー状の電極間に挟み、加圧しながら通電する請求項1記載の製造方法。
- 電流が5〜100A、通電時間が1〜20秒である請求項1記載の製造方法。
- 通電終了後、さらに1〜30秒の間、電極で挟む請求項1記載の製造方法。
- 熱可塑性樹脂および不連続の炭素繊維を含有し、不連続の炭素繊維が面内方向にランダムに配置されている複数の複合材料を重ね合わせた接合体を製造する装置であって、
(i)重ね合わせた複数の複合材料の一方の最表層に接する第1の電極、
(ii)重ね合わせた複数の複合材料の他方の最表層に接する第2の電極、
(iii)第1と第2の電極間に通電する電源、
(iv)第1と第2の電極の少なくとも一方に接続された加圧機構、並びに
(v)接合電流と通電時間とを制御する制御装置、
を備え、
複数の複合材料を重ね合わせた部位の少なくとも一部分を第1電極と第2電極で挟み、加圧しながら電極間に通電し、ジュール熱で熱可塑性樹脂を溶着する接合体の製造装置(ここで、「面内方向」とは、複合材料の厚み方向に対して垂直な方向をいう)。 - 電極の周辺を加圧する加圧補助機構を有する請求項11に記載の製造装置。
- 電極の加圧機構と、電極の周辺を加圧する加圧補助機構は、各々独立に作用する請求項12に記載の製造装置。
- 第1および第2の電極は、ローラー状で、重ね合わせた複合材料をローラー間に挟み加圧しながら通電を行う請求項11記載の製造装置。
- 熱可塑性樹脂および炭素繊維を含有する複数の複合材料を重ね合わせ、重ね合わせた部位の少なくとも一部分に通電して、熱可塑性樹脂を溶着させ複合材料を接合する方法であって、
複合材料として、熱可塑性樹脂および不連続の炭素繊維を含有し、不連続の炭素繊維が面内方向にランダムに配置されている複合材料を用いることを特徴とする方法(ここで、「面内方向」とは、複合材料の厚み方向に対して垂直な方向をいう)。 - 熱可塑性樹脂および不連続の炭素繊維を含有し、不連続の炭素繊維が面内方向にランダムに配置されている複数の複合材料が重ね合わされて構成された接合体であって、当該重ね合わされた部位の少なくとも一部分の熱可塑性樹脂がジュール熱で溶着させてなる接合体(ここで、「面内方向」とは、複合材料の厚み方向に対して垂直な方向をいう)。
- 不連続の炭素繊維は、平均繊維長が5〜100mmである請求項16に記載の接合体。
- 複合材料中の炭素繊維の含有量は、体積割合(Vf)で10〜90%である請求項16に記載の接合体。
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