JP6488584B2 - 炭素繊維強化熱可塑性樹脂成形品と金属の溶着接合体 - Google Patents

Description

本発明は、炭素繊維強化熱可塑性樹脂成形品と金属の接合体に関する。詳しくは、炭素繊維強化熱可塑性樹脂成形品と金属の振動溶着接合体に関する。更に詳しくは、接着剤を使用することなく、また金属表面をプライマー処理することなく、炭素繊維強化熱可塑性樹脂成形品と金属を直接振動溶着することにより、一体化した接合体に関する。

近年、開発された長繊維強化熱可塑性樹脂を圧縮成形した成形品（例えば、非特許文献１参照）は、高い強度や剛性を有することから板状や梁状構造材として使用できる可能性がある。
これまでは、板状や梁状の構造材として金属が使用されてきた。通常、構造体に使用されている部材としては大きな部材が多く、板状や梁状の構造の組み合わせが一般的である。目的とする部材が大きくて一体成形できない場合、これらの構造材は、いくつか組み合わせて大きな部材として使用されることが多い。金属の場合、構造材を溶接やボルトナットで構造材を接合して大きな部材を組み立ててきた。

繊維強化熱可塑性樹脂製の構造材の場合も、繊維強化熱可塑性樹脂成形品の同種接合の場合、振動溶着や超音波溶着やレーザー溶着により、接合体と被接合体の両方を溶融することにより、接合が可能であることが開示されている（特許文献１）。振動溶着は、接合成形品と被接合成形品の表面を摩擦振動することにより、接合する両方の表面が摩擦熱により樹脂が溶融し、冷却固化することで接合する方法であり、射出成形された繊維強化熱可塑性樹脂成形品の組み合わせに広く使用されてきている。二つの炭素繊維強化熱可塑性樹脂成形品の振動溶着についても、同種の接合として開示されている（特許文献２参照）。

炭素繊維強化熱可塑性樹脂は、比重が小さく、単位比重当たりの強度である比強度に優れており、構造部材の軽量化を狙い使用される。しかし、一定荷重下での変形性であるクリープにおいては、金属の方が、炭素繊維強化熱可塑性樹脂より、たいへん小さく、構造材として優れている。個々の部材に関して、比強度やクリープ性など要求性能により、炭素繊維強化熱可塑性成形品と金属を組み合わせて適材適所に使用するのが望ましい。いろいろな材料からなる構造材を組み合わせて部材を構成することにより、両方の長所を活かした製品が得られることから、異種材料の接合方法が検討された。
また非構造部材においては、金属インサトートや金属アウトサートした熱可塑性樹脂の射出成形した部品や、射出成形品のボス部に金属を超音波振動によりインサートした部品が使用されている。しかし、異種材料間の接合力は弱く、接合部に凹凸を施して、機械的なアンカー効果で接合力を得ていた。

上述したように、繊維強化熱可塑性樹脂同士の場合は溶着により、また金属同士の場合は溶接により接合できたが、異種材料の場合は、これらの接合方法は応用できなく、ボルトナット接合やリベットによる機械的接合によらざるを得なかった。
要求性能によっては、接着剤による接合がなされていた（例えば、特許文献３参照）。接着剤を使用する場合、構造用接着剤は高価であり、またその選択や工業的な使用において信頼性に課題があった。また、接着工程の生産性は低く、高い製造コストとなった。従って、異種材料を組み合わせた部材を、工業的に応用することは汎用化しなかった。
また、金属表面を予め接着層で処理して接合する方法も開示されている（特許文献４参照）。しかし、長時間を要する前処理工程が必要なことと、構造材としては、接着力が要求に未達で実用化に難があった。
ここでは、接着剤や接着層とは、被接合体の長繊維強化熱可塑性樹脂の母相をなす熱可塑性樹脂や金属ではない、第三の材料を意味する。本願発明における接着剤なしの接合は、炭素繊維強化熱可塑性樹脂成形品と金属成形品が直接接触した状態での接合である。

特開２００５−２９７４１７号公報 特開２０１３−１４１１３号公報 特開２０１２−１７６５１４号公報 国際公開２０１４／００７３４２号パンフレット

工業材料、３７(１)、５３〜５７（１９８９）

熱可塑性樹脂を母相とする繊維強化熱可塑性樹脂間の接合において実用化している振動溶着や超音波溶着を、異種材料間である繊維強化熱可塑性樹脂と金属の接合に応用できないか試みられた。しかし、繊維強化熱可塑性樹脂成形品と金属の異種材料間では、摩擦係数は低く、摩擦振動による発熱が低いことと、金属の熱伝導性がよいことから、金属はもちろんのこと、繊維強化熱可塑性樹脂も十分溶融せず、接合できないか、または接合力は大変低く工業的に応用するには、困難があることを確認した。
しかし、繊維強化熱可塑性樹脂成形品と金属の組み合わせからなる構造体の組み立てが、容易で短時間に、かつ信頼性の高い接合強度を有する接合方法の開発要請が根底にあった。

本発明の狙いは、長繊維強化熱可塑性樹脂成形品と金属成形品からなり、信頼性の高い接合強度を有する構造接合体を提供することにある。

本発明者らは、炭素繊維強化熱可塑性樹脂成形品と金属からなる構造部材用接合体を得るべき方法を鋭意検討した結果、以下に示す手段により、上記課題を解決できることを見出し、本発明に到達した。
すなわち、本発明は、以下の構成からなる。
［１］ 炭素繊維と熱可塑性樹脂を構成成分とし、該炭素繊維は１０００〜１０００００本の単繊維を含有する短冊状の繊維束を構成しており、該炭素繊維の含有率が４０〜８０質量％である炭素繊維強化熱可塑性樹脂成形品と、金属の溶着接合体であって、前記炭素繊維の長さ軸が接合面内にランダム配向しており、前記金属の少なくとも接合面の面粗度が１〜１００μｍであり、前記炭素繊維強化熱可塑性樹脂成形品と前記金属を振動溶着して得られたことを特徴とする炭素繊維強化熱可塑性樹脂成形品と金属の溶着接合体。
［２］ 繊維束の平均長さが、１５〜５０ｍｍであることを特徴とする［１］の炭素繊維強化熱可塑性樹脂成形品と金属の溶着接合体。
［３］ 熱可塑性樹脂が、酸変性またはエポキシ変性のポリプロピレン樹脂であることを特徴とする［１］〜［２］のいずれかに記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂成形品と金属の溶着接合体。
［４］ 熱可塑性樹脂が、ポリアミド樹脂であることを特徴とする［１］〜［２］のいずれかに記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂成形品と金属の溶着接合体。
［５］ 金属が、マグネシュウムを含有するアルミニュウム合金であることを特徴とする［１］〜［４］のいずれかに記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂成形品と金属の溶着接合体。
［６］ 金属が、高張力鋼であることを特徴とする［１］〜［４］のいずれかに記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂成形品と金属の溶着接合体。

本発明により、接着剤を使用することなく、短時間に炭素繊維強化熱可塑性樹脂成形品と金属成形品が、十分な接合強度を有して一体化できる。繊維強化樹脂成形品と金属成形品を一体化した部材は、樹脂の溶融接合で、十分な接合強度を有し、比強度が高く、軽量性に優れた構造材とクリープ性に優れた金属製成形品が強く接合された構造材が提供される。軽量で、強度が高く、荷重下での変形が抑制された構造部材が工業的に提供できる。本発明により得られた構造部材は、自動車のような輸送機のフレーム部品や機械器具の構造部材やスポーツ器具などに使用される。本発明により、炭素繊維強化熱可塑性樹脂成形品と金属が、接着剤を使用することなく、単に振動溶着により、強く接合した部材が得られる理由は、未だ明確でないが、炭素繊維強化熱可塑性樹脂成形品中の炭素繊維が、特定の繊維束からなり、かつ特定の分散性を有することから、金属成形品表面と適度な摩擦係数を示すことと、その摩擦特性により、振動溶着時、樹脂成形品と金属成形品が共に、炭素繊維強化熱可塑性樹脂成形品の融点より高くなり、金属表面の適度な凹凸により、強い接着力を示す接合体が得られたものと推察される。

炭素繊維強化熱可塑性樹脂プリプレグの概観図である。 炭素繊維強化熱可塑性樹脂成形品の断面図である。 炭素繊維強化熱可塑性樹脂成形品の側面図である。 金属成形品の断面図である。 金属成形品の側面図である。 繊維強化熱可塑性樹脂成形品と金属成形品の振動溶着模式図である。 繊維強化熱可塑性樹脂成形品と金属成形品の接合部断面図である。 繊維強化熱可塑性樹脂成形品と金属成形品の接合部側面図である。 接合部の曲げ試験模式図である。

以下、本発明を詳述する。
〔炭素繊維強化熱可塑性樹脂成形品の構成〕
本発明には、炭素繊維と熱可塑性樹脂を構成成分とし、該炭素繊維は１０００〜１０００００本の単繊維、好ましくは３０００〜５００００本、より好ましくは８０００〜３００００本の単繊維を含有する短冊状の繊維束を構成しており、該炭素繊維の含有率が４０〜８０質量％である炭素繊維強化熱可塑性樹脂成形品が使用される。この炭素繊維強化熱可塑性樹脂成形品と金属（成形品）が接合されるが、前記炭素繊維の長さ軸は接合面内にランダム配向している。短冊状の繊維束を形成する単繊維が１０００本未満では、炭素繊維強化熱可塑性樹脂成形品の面粗度が小さくなり、摩擦係数が小さくなり、その結果、振動溶着時の発熱が小さく、樹脂の溶融不良が起こるので好ましくない。また繊維束を形成する単繊維数が１０００００本を超えると、面粗度が大きくなり、摩擦係数が高すぎて、振動溶着時、成形品の相対運動がスムーズでなくなり、樹脂の溶融が不均一になるので好ましくない。
なお、本発明において、短冊状の繊維束が、炭素繊維強化熱可塑性樹脂成形品の屈曲部に存在する場合、その形状に合わせて屈曲してしても、短冊状と呼ぶ。また、炭素繊維の長さ軸は接合面内にランダム配向しているが、これは接合前の炭素繊維強化熱可塑性樹脂成形品での状態を指す。

本願におけるランダム配向とは、（１）式で示される接合面と平行な面における配向関数ｆ_φが、好ましくは−０．１５〜０．１５、より好ましくは、−０．１〜０．１である。配向関数が−０．１５未満か、０．１５を超えると、振動溶着時の振動する方向により、面粗度が異なり、適度な摩擦係数を示さないことがあり好ましくない。
ｆ_φ＝（３＜ｃｏｓ^２φ＞−１）／２ （１）
ここで、＜ｃｏｓ^２φ＞は、接合面内の任意の座表軸と繊維束の長さ軸と成す角φの二乗平均である。完全一軸配向のｆ_φは１であり、完全垂直配向のｆ_φは−０．５、ｆ_φ＝０は完全ランダムを表す。接合面をマイクロスコープで１００倍程度に拡大して、任意の視野に観察される繊維束５０〜１００本について配向角を求めて算定される。

本発明に使用される炭素繊維強化熱可塑性樹脂成形品は、炭素繊維を４０〜８０質量％、好ましくは５０〜７５質量％、より好ましくは６０〜７５質量％含有する。４０質量％未満では、強度や弾性率が低く、構造材としての性能が不足するので好ましくない。一方、８０質量％を超えると、炭素繊維への樹脂含浸不良部分が発生しやすく、強度が低下するので好ましくない。
炭素繊維強化熱可塑性樹脂成形品中の炭素繊維の質量％は、プリプレグテープ作製時の炭素繊維と熱可塑性樹脂の含浸台への供給比率で調節できる。比率は、炭素繊維と熱可塑製樹脂の密度を予め測定して、これらと成形品の密度から計算で確認される。また成形品中の熱可塑性樹脂を５００℃にて焼却して、その質量比率からも求められる。

本発明に使用される炭素繊維強化熱可塑性樹脂成形品は、炭素繊維と熱可塑性樹脂を構成成分とするが、必要に応じて、酸化防止剤、滑剤、耐候剤等の添加剤を含んでも良い。これら添加剤の含有量は合計で、炭素繊維強化熱可塑性樹脂成形品中、５質量％以下が好ましく、３質量％以下がより好ましい。

本発明に使用される炭素繊維強化熱可塑性樹脂成形品中における繊維束は、短冊状である。ここでは、単繊維の表面の間隔が３０μｍ以下にあり、それらの単繊維の長さ軸の方位角の差が１５度以下である単繊維が５０本以上からなるものを繊維束と呼ぶ。炭素繊維ロービングの単繊維間に熱可塑性樹脂を含浸し、出口ダイから引き抜くことで繊維軸の方向が揃えられたテープを、所定の長さにカットすることで短冊状とすることができる。繊維束を成す単繊維数は、テープそのままの場合、ロービングを構成する単繊維の本数と同じである。テープを１／ｎにスリットした場合は、ロービングを構成する本数／ｎの単繊維の本数とみなすことができる。成形品の場合、試験片を約５００℃にて熱可塑性樹脂を焼却して、残存した繊維束をピンセットで取り出し、その質量を測定し、それに含まれる繊維束の数と繊維束長さの単繊維１本当たりの質量の積で除して、平均単繊維数は求められる。短冊状を成す炭素繊維の長さは、好ましくは１５ｍｍから５０ｍｍ、より好ましくは２０ｍｍから４０ｍｍ、さらに好ましくは２５ｍｍから３５ｍｍである。１５ｍｍ未満では、補強効果が低下し、十分な強度が得られないことがあり好ましくない。また５０ｍｍを超えると成形するときの賦形性が不足することがあり好ましくない。

〔強化繊維〕
使用される炭素繊維は、ポリアクリロニトル繊維や、セルロース繊維を焼成処理して得られた単繊維径が５〜１２μｍである炭素繊維やピッチ系の炭素繊維フィラメントを酸化処理して、サイジング剤にて１０００〜１０００００本の単繊維を集束したものが使用される。特に、高強度のアクリルニトリル系炭素繊維が好ましい。サイジング材は、特に限定されないが、エポキシ系、ポリオレフィン系、ポリウレタン系が好ましい。サイジング附着量は、作業性と開繊性が両立できるように、０．８〜５質量％が好ましい。

〔熱可塑性樹脂〕
本発明で使用される炭素繊維強化熱可塑性樹脂成形品において、母相となる熱可塑性樹脂としては、ポリプロピレン、ポリアミド６、ポリアミド６６、ポリアミドＭＸＤ６、ポリアミド６Ｔ共重合体、ポリアミド１０Ｔ共重合体、ポリフェニレンスルフィド、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチテンテレフタレート、ポリブチレンナフタレート、ポリ乳酸、ポリエーテルエーテルケトン、ポリカーボネート、ＡＢＳ樹脂などが例示される。中でも、ポリプロピレン、ポリアミド６、ポリアミドＭＸＤ６，ポリアミド６Ｔ共重合体、ポリアミド１０Ｔ共重合体が好ましい。更に好ましくはポリプロピレン、ポリアミド６、ポリアミドＭＸＤ６，ポリアミド１０Ｔ共重合体、ポリアミド６Ｔ共重合体である。
ポリプロピレンは、炭素繊維との接着性の面から無水酸か酸変性による酸変性や、エポキシ基によるエポキシ変性されたものが好ましい。中でも、無水マレイン酸変性のポリプロピレンが特に好ましい。

〔炭素繊維強化熱可塑性樹脂プリプレグの製造〕
炭素繊維強化熱可塑性樹脂プリプレグは、以下のようにして得られる。（ｉ）開繊した炭素繊維ロービングと溶融した熱可塑性樹脂を含浸台に供給し、出口ダイを通して引き抜くか、（ｉｉ）炭素繊維の開繊したロービングの上下を熱可塑製樹脂フイルムに挟んで含浸台に供給し、出口ダイで引き抜くか、（ｉｉｉ）熱可塑性樹脂を溶融押出する押出機の先端に、炭素繊維ロービングを供給して、炭素繊維ロービングを樹脂で被覆したストランドを、加熱ロールで賦形するか、（ｉｖ）炭素繊維と熱可塑性樹脂繊維を混繊して、熱可塑性樹脂を加熱賦形して、炭素繊維強化熱可塑性樹脂テープ（プリプレグテープ）が得られる。炭素繊維強化熱可塑性樹脂テープを繊維の補強効果と成形時の流動性を考慮して、適切な長さの短冊状にカットし、これを仮の容器中に無作為にばらまき、熱可塑性樹脂の融点以上に加熱圧縮した後、冷却固化して、炭素繊維束が面内にランダム配向した炭素繊維強化熱可塑性樹脂プリプレグシートを得る。
図１は、炭素繊維強化熱可塑性樹脂プリプレグの概観図であり、熱可塑性樹脂を含浸した炭素繊維束からなるプリプレグテープを所定の長さにカットした短冊１１を、繊維軸の配向が面内ランダムになるように分散した状態である。この状態で、熱可塑性樹脂を加熱溶融して圧着することにより、炭素繊維強化熱可塑性樹脂プリプレグシートが得られ、面内にランダム配向した繊維束が厚み方向に積層された形態となる。

〔炭素繊維強化熱可塑性樹脂成形品の成形〕
このプリプレグシートから金型のキャビティ容積分より、僅かに多くなる分を切り出し、遠赤外線ヒーターで、熱可塑性樹脂が溶融するまで加熱溶融する。溶融したシートを、温度調節された金型のキャビティに移動して圧縮成形して成形品が得られる。

〔金属成形品の構成〕
本発明に使用される金属成形品の、少なくとも接合面の面粗度は、１〜１００μｍ、好ましくは２〜８０μｍ、より好ましくは３〜５０μｍである。面粗度が、１μｍ未満では、振動溶着時、摩擦係数が小さく繊維強化熱可塑性樹脂の溶融不足で、溶着強度が得られない。また、１００μｍを超えると、振動溶着時、やはり摩擦係数が小さくなり、炭素繊維強化熱可塑性樹脂の溶融不足で、十分な溶着強度が得られないので好ましくない。前記面粗度は、接合前の金属成形品の面粗度を指す。
金属成形品の面粗度は、プレス成形に使用される板金として、予め特定の面粗度を有する板金を使用するか、任意の面粗度の板金で成形して得られた成形品の接合面をサンドペーパーやダイアモンド等の鉱物の粉末により磨き、面粗度に仕上げて接合に用いてもよい。その面粗度は、磨く粒子の大きさと磨き時間で調節できる。対象とする金属と鉱物の材質によるが、１μｍの目安は＃８００、１００μｍの目安は＃２０である。本発明における面粗度は、ＪＩＳ Ｂ０６０１：１９９４−付属書ＪＡに準拠して、触針式表面粗さ試験機にて測定した十点平均粗さＲｚを意味するものである。十点平均粗さは、高い山の５点の平均と低い谷の５点の平均の和として求められる。
本発明の接合においては、接合面にエネルギーを集中する大きな突起は不要であり、平坦な接合面が好ましい。

〔金属材料〕
本発明には、鋼板製、亜鉛メッキ鋼板製、スズメッキ鋼板製、マンガンやシリコンの成分を加えた引張り強度４９０ＭＰａ以上の高張力鋼製、アルミニュウム（１０００番台）製、アルミニュウム−銅合金（２０００番台）製、アルミニュウム−マンガン合金（３０００番台）製、アルミニュウム−珪素合金（４０００番台）製、アルミニュウム−マグネシュウム合金（５０００番台）製、アルミニュウム−マグネシュウム−珪素合金（６０００番台）製、アルミニュウム−亜鉛−マグネシュウム合金（７０００番台）、マグネシュウム合金製の金属成形品が使用される。中でも、マグネシュウムを含有するアルミニュウム合金や高張力鋼が好ましい。更に好ましくは、５０００番台、６０００番台のアルムニュウム製や、合金成分を加えた鋼材で引張り強度が５９０ＭＰａ以上の高張力鋼製の成形品が使用される。

〔振動溶着の方法〕
本発明においては、炭素繊維強化熱可塑性樹脂成形品と金属成形品それぞれの成形品をホルダーに保持して、接合面を密着させて、以下の条件で振動溶着により溶着接合される。面圧として、好ましくは１〜１００ＭＰａ、より好ましくは５〜７５ＭＰａ、さらに好ましくは１０〜５０ＭＰａを負荷した状態で、接合面に沿った相対位置の振幅として、好ましくは０．２〜２０ｍｍ、より好ましくは０．５〜１０ｍｍ、さらに好ましくは０．８〜３ｍｍ、振動数として、好ましくは５０〜１０００Ｈｚ、より好ましくは１００〜５００Ｈｚ，さらに好ましくは１５０〜３００Ｈｚにて、振動時間として、好ましくは５〜３００秒、より好ましくは８〜１００秒、さらに好ましくは１０〜５０秒である。溶融に伴う成形品の位置データから接合のしろ（接合時に溶融して縮んだ量）が解る。本発明においては、しろは、０．２〜０．８ｍｍが好ましく、特に０．３〜０．７ｍｍが好ましい。いずれの条件も不足すると、炭素繊維強化熱可塑性樹脂が溶融不足で、高い接合強度が得られない。またいずれの条件も過剰になると、接合面に大きいバリが発生することや成形品が変形するので好ましくない。溶融接合に必要な時間、相対振動した後、面圧をかけた状態で振動を停止する。振動の停止により、熱可塑性樹脂が冷却固化した後、接合品はホルダーから取り出される。

〔接合強度の試験〕
振動溶着により接合した部分の接合強度は、接合部を含む試験体の曲げ試験による界面のせん断強度にて評価される。良好な接合強度を示す本発明による接合部材の場合、接合部の破壊は、界面剥離ではなく、接合部近傍の炭素繊維強化熱可性樹脂材料の凝集破壊がおこり、金属成形品の表面に炭素繊維強化熱可塑性樹脂の付着が観察される。

本発明に使用される炭素繊維強化熱可塑性樹脂成形品の形状や大きさは、特に限定されない。例えば、平板状、箱型状、Ｌ型状、Ｈ型状、Ｔ型状の成形品でも使用される。接合面となる平坦部は、幅が好ましくは５ｍｍ以上、より好ましくは１０ｍｍ以上、長さが好ましくは５０ｍｍ以上，より好ましくは２００ｍｍ以上あれば使用できる。

本発明に使用される金属（成形品）の形状や大きさは、特に限定されない。例えば、平板状、箱型状、Ｌ型状、Ｈ型状、Ｔ型状の成形品でも使用される。接合面となる平坦部は、幅が好ましくは５ｍｍ以上、より好ましくは１０ｍｍ以上、長さが好ましくは５０ｍｍ以上，より好ましくは２００ｍｍ以上あれば使用できる。
以上説明したように、本発明により炭素繊維強化熱可塑性樹脂成形品と金属成形品は、振動溶着により、高い接合強度を有する炭素繊維強化熱可塑性樹脂成形品と金属成形品が一体化した部品が製造できる。

以下、実施例を示して本発明を詳細に説明する。ただし、本発明は以下の記載によって限定されない。
各測定は、以下の方法で行った。

〔炭素繊維束の配向（配向関数）：ｆ_φ〕
接合前の炭素繊維強化熱可塑性樹脂成形品の接合面をマイクロスコープで１００倍に拡大して、任意の視野に観察される繊維束５０本について、分度器を使用して振動溶着する時の振動方向と繊維束の長さ軸のなす角である配向角（φ）を測定し、その二乗平均（＜ｃｏｓ^２φ＞）を求め、下記（１）式で算定した。
ｆ_φ＝（３＜ｃｏｓ^２φ＞−１）／２ （１）
完全一軸配向のｆ_φは１であり、完全垂直配向のｆ_φは−０．５、ｆ_φ＝０は完全ランダムを表す。

〔接合面の表面粗さ：面粗度〕
金属成形品について、サンダーを掛けた後、磨き粉末は、エア噴き付けやウエスで拭き取られた。粗さが調整された接合面の粗さを、株式会社ミツトヨ製ＳＵＲＦＴＥＳＴ ＳＶ−６００形を使用して、ＪＩＳ Ｂ０６０１：１９９４−付属書ＪＡに準じて、触針式により１０ｍｍトレースして、十点平均粗さＲｚ（単位：μｍ）を測定した。Ｒｚを面粗度とした。

〔曲げ最大荷重〕
２３℃に温度調節された試験室中で、下側に支点間距離３５０ｍｍとした２点の支点（１５Ｒ）、可動の上側の中央に幅６０ｍｍの圧子（７５Ｒ）の３点曲げ治具を装備した島津製作所製オートグラフＡＧ−Ｘ１００形に、圧子側が金属で支持側が繊維強化熱可塑性樹脂成形品となるように接合体を無効束にて支持した。クロスヘッドを５ｍｍ／分で変位して、荷重−変位関係を得て、曲げ最大荷重を求めた。

［実施例１］
２３０℃、２１．２Ｎ荷重下におけるマスメルトフローレートが、６０．３ｇ／１０分の無水マレイン酸変性されたポリプロピレン樹脂を、シリンダー温度２３０℃に温度調節された押出機のホッパーに投入して、溶融した変性ポリプロピレン樹脂を含浸台に供給した。一方、東邦テナックス社製炭素繊維ＵＴＳ５０（１２０００本フィラメント）を加熱開繊して含浸台を通して、出口ダイから３０ｍ／分で引き抜き、回転ロールで厚さ０．１４ｍｍ、幅１５ｍｍのテープ状に賦形した。炭素繊維強化ポリプロピレン樹脂テープ中の樹脂分率は、６５質量％であった。
テープを３０ｍｍにカットして得られた短冊状の炭素繊維強化ポリプロピレン樹脂テープ４１６ｇを、縦４００ｍｍ、横４００ｍｍ、高さ３０ｍｍのキャビティに均一に分散した。キャビティを２３０℃に加熱後、１ＭＰａのプレス圧を掛けて５分間保持した後、５０℃まで冷却して、繊維長３０ｍｍ、単繊維数１２０００本からなる繊維束が板面内にランダムに配向した厚さ２．１ｍｍの炭素繊維強化ポリプロピレン樹脂プリプレグシートを得た。
得られた炭素繊維強化ポリプロピレン樹脂プリプレグシート中央部から縦４３０ｍｍ、横１５０ｍｍの形状に切削して、得られたブランク材を遠赤外線加熱装置で２２０〜２３０℃に予熱した。予熱されたブランク材を１３０℃に温度制御されたハット形キャビティ金型にセットして、１分間３ＭＰａの加圧下に保持した後、脱型して、図２（断面図）、図３（側面図）に示した炭素繊維強化ポリプロピレン樹脂のハット形成形品を得た。図２で２１は、振動溶着の接合面となるツバ部である。また、図２、図３で、長さを表す数値の単位は、ｍｍである。

厚さ２ｍｍのアルミニュウム合金５０２５（アルミニュウム−マグネシュウム合金）板金をプレス加工して、図４（断面図）、図５（側面図）に示したハット形のアルミニュウム合金成形品を得た。図４で４１は、振動溶着の接合面となるツバ部である。また、図４、図５で、長さを表す数値の単位は、ｍｍである。
ハット形の炭素繊維強化ポリプロピレン樹脂成形品とハット形のアルミニュウム合金成形品のツバ部のバリ取りした。その後、アルミニュウム合金のツバ部の接合面を＃８０サンダー処理を行い、表面を荒らした。表面の十点平均粗さＲｚは、５．０μｍであった。

日本エマソン社製振動溶着機Ｍ−８２４ＨＪ形の固定型のホルダーに金属成形品を、可動型のホルダーに炭素繊維強化ポリプロピレン樹脂成形品をセットした。１６ＫＮの荷重下、接合面に振幅１．５ｍｍ、振動数２４０Ｈｚにて２０秒間摩擦振動した。接合した状態で振動を停止した後、５分間保持冷却後、ホルダーから接合品を取り出した。
図６に繊維強化熱可塑性樹脂成形品と金属成形品の振動溶着模式図を示す。ハット形金属成形品６２を下に、ハット形繊維強化熱可塑性成形品６１を上の治具にセットし、ツバ部を対称に圧着して、ツバの軸方向に向かい合うように相対振動することを示している。矢印は、振動方向を表している。
図７に接合部の断面図を示す。ハット形繊維強化熱可塑性樹脂成形品７１とハット形金属成形品７２が振動溶着により、一体化し形成された閉断面を示している。界面には７３のツバ部が溶融して接合部を形成し、一部バリとして接合面からはみ出している。
図８に接合部の側面図を示す。ハット形繊維強化熱可塑性樹脂成形品８１とハット形金属成形品８２が振動溶着により、一体化し形成された部材の側面図を示している。８３は８１のツバ部表面が溶融して形成した接合部を示している。

得られた接合体の曲げ最大荷重を測定した。最大荷重から接合力を評価した。
図９に曲げ試験の模式図を示す。一体化部品を金属成形品が下側になるように、２点の支点（９１）に乗せ、上側の炭素繊維強化熱可塑性樹脂成形品の中央部を一定速度で圧子（９２）を下降させて、荷重―変位の関係を試験している。変位と共に荷重が上昇し、接合界面に発現するせん断力で接合が破断すると荷重は低下する。
接合品の曲げ最大荷重は１３．４ＫＮであり、高い接合強度を示した。破壊は、支点付近の接合面で起こっており、接合界面のせん断破壊であった。接合部の破断面を観察したところ、アルミニュウム合金の表面に部分的に炭素繊維強化ポリプロピレン樹脂が観察された。炭素繊維強化ポリプロピレン樹脂とアルミニュウム合金という異種材の溶融接合にもかかわらず、炭素繊維強化ポリプロピレンが凝集破壊する程、高い接合力があることが分かった。

［実施例２〜１６］
実施例１の構成要件を表１に示したようにそれぞれ変更した以外は、全く同様にして、試料作製と評価試験を行った。それぞれについて、接合強度の尺度である最大荷重を表１に合わせて示した。
なお、金属成形品のツバの接合面の面粗度は、サンドペーパーの＃２０〜＃８０００を選択して調節した。繊維束の単繊維数はプリプレグテープ作製時のロービング銘柄により、炭素繊維含有質量分率は樹脂／炭素繊維比、長さはテープのカット長を変更して試作した。
また、ポリアミド６樹脂としては、２６０℃、１１．８Ｎにおけるマスフローレートが３２ｇ／１０分の東洋紡製Ｔ８０２を、ポリアミド６Ｔ共重合体としては、東洋紡製ＴＹ５０２ＮＺを使用した。アルミニュウム合金６０６５は、アルミニュウム−マグネシュウム−珪素合金であり、アルミニュウム合金３００３は、アルミニュウム−マンガン合金であり、高張力鋼は、引張り強度が７８０ＭＰａの高張力鋼を使用した。

［比較例１〜５］
構成要件を表２に示したように変更した以外は、実施例１と全く同様にして得られた炭素繊維強化熱可塑性樹脂のハット形成形品と金属ハット形成形品を実施例１と全く同様にして接合を試みた。
比較例３は、次のようにして成形品を得た。実施例１と全く同様にして得たプリプレグテープを外枠が長さ４５０ｍｍ×４５０ｍｍの金属製ラップリールの長手方向にテープ幅の半分が重なるように一列に６層巻きつけ、金型にセットした。これを２３０℃に温度制御したプレス機の加圧盤にて、１５分間、５ＭＰａにて圧縮した後、加圧盤を開き、金型を水冷した加圧盤の間に移動して、３０分間、５ＭＰａの圧縮下で冷却した後、金型から成形品を取り出した。得られた一方向強化の成形品から１５０ｍｍ×４３０ｍｍ（繊維の長さ軸方向が１５０ｍｍ）を２枚切り出して、繊維長さ軸を同じ方向に重ねて、ＵＤブランク（０度／０度）とした。得られたＵＤブランク材を実施例１のブランク材と同様に、予備加熱し、圧縮成形して、一方向強化の炭素繊維強化ポリプロピレン樹脂のハット形成形品を得た。
比較例４は、比較例３と全く同様にして得た一方向強化の成形品２枚から、１５０ｍｍ×４３０ｍｍ（繊維の長さ軸方向が１５０ｍｍ）と４３０ｍｍ×１５０ｍｍ（繊維の長さ軸方向が４３０ｍｍ）を切り出し、繊維長さ軸が直交するように（０度／９０度）重ねて、得られたＵＤブランク材を実施例１のブランク材と同様に、予備加熱し、圧縮成形して、直交強化の炭素繊維強化ポリプロピレン樹脂のハット形成形品を得た。
比較例５は、次のようにして成形品を得た。２３０℃、２１．２Ｎ荷重下におけるマスメルトフローレートが、６０．３ｇ／１０分の無水マレイン酸変性されたポリプロピレン樹脂を、シリンダー温度２３０℃に温度調節された押出機のホッパーに投入して、溶融した変性ポリプロピレン樹脂をＴダイから押し出し、チルロールで引き取り冷却して、幅２２ｃｍ、厚さ約１０μｍのフイルムを得た。目付け３６ｇ／ｍ^２の連続炭素繊維マットの両面に、得られた変性ポリプロピレンフイルムをそれぞれ３層配置して、フッ素樹脂シートにはさみ２３０℃で５分プレス成形した後、成形品を取り出し、室温まで放冷して、厚さ約１００μｍの樹脂が含浸したプリプレグシートを得た。得られたプリプレグシートを２０枚重ねて、再度２３０℃で５分プレスして、厚さ２ｍｍのプリプレグシートを得た。得られたプリプレグシートから１５０ｍｍ×４３０ｍｍの形状で切削し、ブランク材とした。実施例１のブランク材と同様に、ブランク材を予備加熱し、圧縮成形して、炭素繊維強化ポリプロピレン樹脂のハット形成形品を得た。
比較例では、炭素繊維強化熱可塑性樹脂は十分溶融せず、接合できないか、または最大荷重は低く、要求に未達であった。

本発明の炭素繊維強化熱可塑性樹脂と金属の溶着接合体は、生産性が高く、強い接合力で一体化されていることから、自動車の部品など大量生産が必要な部材で、部材内の各部分で適材適所の使用が可能になる。部材の軽量化、低価格化により、自動車の部材として利用が可能になる。

１１：炭素繊維強化熱可塑性樹脂プリプレグテープのカット品
２１：炭素繊維強化熱可塑性樹脂成形品のツバ部
４１：金属成形品のツバ部
６１：炭素繊維強化熱可塑性樹脂成形品
６２：金属成形品
７１：炭素繊維強化熱可塑性樹脂成形品
７２：金属成形品
７３：溶着部
８１：炭素繊維強化熱可塑性樹脂成形品
８２：金属成形品
８３：溶着部
９１：支点
９２：圧子
９３：溶着試験体の溶着部

Claims (6)

1. 炭素繊維と熱可塑性樹脂を構成成分とし、該炭素繊維は１０００〜１０００００本の単繊維を含有する短冊状の繊維束を構成しており、該炭素繊維の含有率が４０〜８０質量％である炭素繊維強化熱可塑性樹脂成形品と、金属の溶着接合体の製造方法であって、
   前記炭素繊維の長さ軸が接合面内にランダム配向しており、
   前記金属の少なくとも接合面の面粗度が１〜１００μｍであり、
   前記炭素繊維強化熱可塑性樹脂成形品と前記金属を振動溶着することを特徴とする炭素繊維強化熱可塑性樹脂成形品と金属の溶着接合体の製造方法。
2. 繊維束の平均長さが、１５〜５０ｍｍであることを特徴とする請求項１の炭素繊維強化熱可塑性樹脂成形品と金属の溶着接合体の製造方法。
3. 熱可塑性樹脂が、酸変性またはエポキシ変性のポリプロピレン樹脂であることを特徴とする請求項１〜２のいずれかに記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂成形品と金属の溶着接合体の製造方法。
4. 熱可塑性樹脂が、ポリアミド樹脂であることを特徴とする請求項１〜２のいずれかに記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂成形品と金属の溶着接合体の製造方法。
5. 金属が、マグネシュウムを含有するアルミニュウム合金であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂成形品と金属の溶着接合体の製造方法。
6. 金属が、高張力鋼であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂成形品と金属の溶着接合体の製造方法。