JP6376274B2 - 複合材料構造体 - Google Patents

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Description

本発明は、金属と繊維強化樹脂とを用いた複合材料構造体に関する。
外部からの入力荷重を効率よく吸収するために、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金等の軽金属の荷重受け部品に炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）を貼り付ける技術が開示されている（特許文献１参照）。
国際公開第９９／１０１６８号
しかしながら、特許文献１に記載の技術は、軽金属とＣＦＲＰとの間で熱膨張率が異なるため、貼り付けた後の熱による伸び変形量の差を吸収するために特別な接着剤が必要であったり、軽金属をＣＦＲＰのマトリクス樹脂でモールディングすることが困難であったりする。
本発明は、上記問題点を鑑み、金属と繊維強化樹脂との間の熱膨張率の差による影響を低減可能な複合材料構造体を提供することを目的とする。
複合材料構造体は、金属部材と、樹脂部材とを備える。金属部材は、金属からなり、主面に沿う第１方向における熱膨張率が、主面に沿い、第１方向に直交する第２方向における熱膨張率よりも大きくなるように平板状に形成される。樹脂部材は、繊維強化樹脂からなり、金属部材の主面に貼付され、第２方向に沿う繊維の量が、第１方向に沿う繊維の量よりも多くなるように形成される。
図１は、本発明の実施の形態に係る複合材料構造体を備える自動車のフロアパネルを説明する斜視図である。 図２は、図１のＡ−Ａ方向から見た部分断面図である。 図３は、本発明の実施の形態に係る複合材料構造体を説明する断面図である。 図４は、本発明の実施の形態に係る複合材料構造体が備える樹脂材料を説明する平面図である。 図５は、本発明の実施の形態に係る複合材料構造体が備える金属材料が熱膨張を生じた状態を説明する断面図である。 図６は、本発明の実施の形態に係る複合材料構造体の変形例を説明する断面図である。 図７は、本発明の他の実施の形態に係る複合材料構造体を説明する断面図である。
図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付し、重複する説明を省略する。なお、図面は模式的なものであり、各寸法の関係や比率などは実際のものとは異なる場合がある。
（複合材料構造体）
本発明の実施の形態に係る複合材料構造体１は、例えば、図１及び図２に示すように、自動車の車体前部１０が備えるフロアパネル１１として適用される。複合材料構造体１は、その他、車体のダッシュパネル、ルーフパネル等に適用されてもよく、車体前部１０が備えるサイドシェル１２、フロアトンネル１３、クロスメンバ１４等に適用されてもよい。
複合材料構造体１は、図３に示すように、金属からなり、平板状に形成された金属部材２と、繊維強化樹脂からなり、金属部材２の両主面に貼付されたシート状の樹脂部材４とを備える。金属部材２は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金等の軽金属からなる。樹脂部材４は、金属部材２の材料より熱膨張率の小さな繊維強化樹脂からなり、例えば炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）からなる。
金属部材２は、主面に沿う第１方向（Ｘ軸方向）における熱膨張率が、主面に沿い、第１方向に直交する第２方向（Ｙ軸方向）における熱膨張率よりも大きくなるように形成される。金属部材２は、例えば、第１方向を金属の押し出し方向とする押出成形により形成される。金属部材２は、曲げ加工、鋳造等の他の加工法により形成されてもよい。
金属部材２は、第１方向から見た断面形状が一定となるように形成される。金属部材２は、外側の表面が金属部材２の主面をなす複数の主面部２１と、主面部２１の第２方向における各端部２２において屈曲することにより、他面側の主面部２１の各端部２２に連結する複数の連結部２３とを有する。主面部２１及び連結部２３は、それぞれ平板状である。主面部２１及び連結部２３は、端部２２において屈曲されるように連結することにより、第１方向及び第２方向に直交する第３方向（Ｚ軸方向）における金属部材２の強度を向上することができる。
主面部２１は、端部２２と、隣接する他の主面部２１の端部２２とが、間隙部２０を有して離間するように、第３方向における金属部材２の両面側にそれぞれ複数配置される。すなわち、金属部材２は、各主面が、第１方向において連続、第２方向において不連続となるように形成される。
金属部材２の両主面と樹脂部材４とは、接着剤３により互いに貼付される。接着剤３は、厚さが他所より薄く形成された薄肉部３１を有する。薄肉部３１は、主面部２１の外側の表面に形成され、厚さが他所より厚く形成された厚肉部２４により形成される。厚肉部２４及び薄肉部３１は、第２方向において周期的に位置する。厚肉部２４は、例えば、各主面部２１の第２方向における中央部に位置する。
接着剤３は、対向する２つの端部２２に挟まれた間隙部２０に進入することにより形成された、内側方向に突出するアンカー部３２を有する。接着剤３は、対向する２つの端部２２に挟まれたアンカー部３２を有することによりアンカー効果を生じ、金属部材２に対する接着力を向上することができる。
樹脂部材４は、図４に示すように、第２方向に沿う繊維４２の量が、第１方向に沿う繊維４１の量よりも多くなるように形成される。すなわち、樹脂部材４は、第２方向における熱膨張率が、第１方向における熱膨張率よりも小さくなるように形成される。
複合材料構造体１が加熱されると、金属部材２は、図５に示すように、熱膨張を生じる。図５において、熱膨張前の金属部材２を二点鎖線、熱膨張後の金属部材２を実線で示す。主面部２１が熱膨張すると、第２方向において伸び、対向する２つの端部２２に挟まれた間隙部２０は狭くなる。間隙部２０が熱膨張時のマージンとして機能することにより、金属部材２は、第２方向における熱膨張率が第１方向の熱膨張率よりも小さくなる。
接着剤３は、薄肉部３１において金属部材２と樹脂部材４とを強固に接着する。複合材料構造体１が加熱されると、金属部材２は樹脂部材４に比べて熱膨張率が大きいため、厚く形成された薄肉部３１除く領域の接着剤３は、主面部２１と樹脂部材４との間において、薄肉部３１よりも大きなせん断変形を生じる。接着剤３は、せん断変形を生じることにより、金属部材２と樹脂部材４との間の熱膨張による変位量の差を吸収する緩衝層として機能する。薄肉部３１は、第２方向において各主面部２１の中央部に位置するため、せん断変形が小さく、ダメージが小さい。
間隙部２０は、接着剤３及び樹脂部材４のマトリクス樹脂４０（図４参照）が、金属部材２の主面部２１を越える領域（連結部２３に挟まれる領域）に進入しない程度の幅に形成される。間隙部２０の幅は、例えば数ｍｍ程度であり、第２方向における各主面部２１の幅が２０〜３０ｍｍ程度のとき、１〜２ｍｍ程度とすることができる。間隙部２０は、繊維４１，４２が配置された金属部材２に対してマトリクス樹脂４０をモールディングする際、金属部材２の内側方向にマトリクス樹脂４０が流入することを防止する。
本発明の実施の形態に係る複合材料構造体１によれば、多く配向された繊維４２が金属部材２の熱膨張率が小さい方向に沿うように、金属部材２と樹脂部材４とが貼付されているので、金属と繊維強化樹脂との間の熱膨張率の差による影響を低減することができる。よって、接着剤を用いる場合に特殊な接着剤が不要となる他、金属部材２に対してマトリクス樹脂４０をモールディングすること（樹脂トランスファー成形：ＲＴＭ）が容易となる。
また、複合材料構造体１によれば、金属部材２の主面が第１方向において連続、第２方向において不連続となるように形成されるので、第２方向における熱膨張率が小さい金属部材２を、押出成形等により、容易に形成することができる。
また、複合材料構造体１によれば、接着剤３が薄肉部３１を有することにより、薄肉部３１において金属部材２と樹脂部材４とを強固に接着することができる。更に、薄肉部３１は、第２方向において周期的に位置することにより、接着剤３が硬化する際のアンカーとして機能し、複合材料構造体１の反りを低減することができる。
（変形例）
上記の実施の形態において、端部２２において連結部２３により両面側の主面部２１が連結された金属部材２を説明したが、金属部材２の断面形状は、他の形状であっても、複合材料構造体１と同様の作用及び効果を奏することができる。
本発明の実施の形態の変形例に係る複合材料構造体１Ａは、図６に示すように、主面部２１Ａの端部２２Ａから離間した箇所において連結する連結部２３Ａにより、第３方向における両側の主面部２１Ａを互いに連結する金属部材２Ａを備える。主面部２１Ａは、端部２２Ａと、隣接する他の主面部２１Ａの端部２２Ａとが、間隙部２０Ａを有して離間するように、第３方向における金属部材２Ａの両面側にそれぞれ複数配置される。連結部２３Ａは、例えば、第３方向に沿うように形成される。
金属部材２と同様に、金属部材２Ａは、第１方向における熱膨張率が、第２方向における熱膨張率よりも大きくなるように形成される。また、金属部材２Ａは、第１方向から見た断面形状が一定となるように形成される。
図６では、連結部２３が第３方向に沿う場合を図示しているが、例示であり、各連結部２３は、第３方向に対して傾きを有するようにしてもよい。この場合、図３等と同様に、各連結部２３の傾く向きは、第２方向において互い違いとなることが望ましい。
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明を上記の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
例えば、既に述べた実施の形態において、厚肉部２４は、図７に示すように、第２方向における各主面部２１の中央部からずれて配置されるようにしてもよい。また、図７に示すように、厚肉部２４及び薄肉部３１の第２方向において配置される周期（ピッチ）は、必ずしも主面部２１の周期と一致する必要ななく、第２方向において周期的に位置していればよい。
上記の他、上記の各構成を相互に応用した構成等、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
本発明によれば、金属部材の熱膨張率が小さい方向に沿うように、繊維強化樹脂の繊維を優先的に配向させることにより、金属と繊維強化樹脂との間の熱膨張率の差による影響を低減可能な複合材料構造体を提供することができる。
１，１Ａ 複合材料構造体
２，２Ａ 金属部材
３ 接着剤
４ 樹脂部材
２０ 間隙部
２１，２１Ａ 主面部（主面）
３１ 薄肉部
４１，４２ 繊維

Claims (4)

  1. 金属からなり、主面に沿う第１方向における熱膨張率が、前記主面に沿い、前記第１方向に直交する第２方向における熱膨張率よりも大きくなるように平板状に形成された金属部材と、
    繊維強化樹脂からなり、前記金属部材の主面に貼付され、前記第２方向に沿う繊維の量が、前記第１方向に沿う繊維の量よりも多くなるように形成された樹脂部材と
    を備えることを特徴とする複合材料構造体。
  2. 前記金属部材は、主面が、前記第１方向において連続、前記第２方向において不連続となるように形成されることを特徴とする請求項１に記載の複合材料構造体。
  3. 前記金属部材の主面と前記樹脂部材とは、接着剤により互いに貼付され、
    前記接着剤は、厚さが他所より薄く形成された薄肉部を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の複合材料構造体。
  4. 前記薄肉部は、前記第２方向において周期的に位置することを特徴とする請求項３に記載の複合材料構造体。
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