JP6492997B2 - 接着構造体 - Google Patents

Description

本発明は、２つ以上の部材が接着剤で接着された接着構造体に係り、更に詳細には、接着部の破壊形態が凝集破壊となる接着構造体に関する。

従来から自動車には金属部材が多用されているが、近年においては、軽量化による燃費向上や、複雑な形状の成形が容易で生産効率の向上等に有用であることから、樹脂部材が多く使用される。

特に、炭素繊維とプラスチック樹脂の複合部材である炭素繊維強化樹脂（以下、ＣＦＲＰ（ｃａｒｂｏｎ−ｆｉｂｅｒ−ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐｌａｓｔｉｃ）ということがある。）は、軽量かつ高強度であるため、省エネ・ＣＯ_２排出量削減などに有用である。

上記ＣＦＲＰを用いた部材の接合は、ボルトやリベットで機械的に締結接合する方法や、接着剤によって接着する方法、また、これらを併用する方法等により接合することができる。

上記ボルト等を用いた機械的な締結を利用する方法は、部品点数が多くなって、充分な軽量化を図ることができず、加えて、工数が増えて生産効率を向上させることが困難であるため、軽量化及び生産効率の向上には、接着剤によって接着する方法が好ましい。

特許文献１の特開２０１１−７３１９１号公報には、ＣＦＲＰの接合面と、該ＣＦＲＰと接着する被着材の接合面とを粗面化し、エポキシ接着剤で接着することでＣＦＲＰと被着材を強固に接着できることが開示されている。

特開２０１１−７３１９１号公報

しかしながら、接着剤による接着では、接着部の破壊の原因が多岐に亘り、破壊原因によって破壊強度が大きく異なるため、接着部材の品質保証や、該品質を満たすための接着部材の設計等が困難である。

接着部の破壊形態は、凝集破壊、界面破壊、及び基材破壊の３種類に大別され、それぞれの破壊形態によって破壊原因が異なる。

ここで、破壊形態と破壊原因について説明する。
図１（ａ）に示す、ＣＦＲＰ部材２と被着材４とを接着する接着剤層３内で破壊する凝集破壊は、接着剤の物性や接着硬化条件等、破壊の原因が接着剤自体にあるため、接着剤層の強度によって破壊強度を知ることができる破壊形態である。
なお、本発明において、凝集破壊とは、接着された部材間の接着剤層内で破壊が起きているものをいい、接着剤層内の被着部材近傍で破壊が生じる薄層凝集破壊をも含むものである。

また、図１（ｂ）に示す、接着剤層３とＣＦＲＰ部材２との界面で破壊する界面破壊は、ＣＦＲＰ部材２の表面構造や、ＣＦＲＰ部材２と接着剤との界面相互作用、及び、該相互作用を阻害する汚染等によって引き起こされるものであり、破壊の原因が多岐に亘るため、破壊強度を知ることが困難な破壊形態である。

さらに、図１（ｃ）に示すＣＦＲＰ部材２の内部で破壊する基材破壊は、ＣＦＲＰ部材２の表面近傍の内部構造や、ＣＦＲＰ部材２の物性等、ＣＦＲＰ部材２自体の強度不足が原因となって生じる破壊であるため、このような基材破壊となるＣＦＲＰ部材２を用いることはできない。

上記のように、品質保証や設計等を行うには、破壊形態が凝集破壊であると、破壊原因を特定ですることができ、接着剤自体の強度によって破壊強度を知ることが可能になる。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、充分な接着強度を確保しつつ破壊形態が凝集破壊となる、炭素繊維強化樹脂部材と被着部材とが接着された接着構造体を提供することにある。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、接着する部材の少なくとも一つの部材が炭素繊維強化樹脂部材であり、該炭素繊維強化樹脂部材の接着範囲の応力が集中する隅部に、凹部を形成することで、破壊形態が凝集破壊になることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明の接着構造体は、２つ以上の部材が接着剤で接着された接着構造体の少なくとも一つの部材が、応力が集中する接着範囲の外周を形成する線が交差する頂点である隅部に凹部を備える炭素繊維強化樹脂部材であることを特徴とする。

本発明によれば、炭素繊維強化樹脂部材に、接着範囲の応力が集中する隅部に凹部を形成し、接着剤ですることとしたため、破壊形態が凝集破壊となり、接着剤の強度によって品質保証や設計を行うことが可能な接着構造体を提供することができる。

接着の破壊形態の種類を説明する図である。 応力が集中する箇所（応力集中部）を説明する接着部の断面図である。 接着範囲に形成する凹部の位置を説明する接着面の平面図である。 実施例の接着部材の接着範囲の状態を示す図である。

本発明の接着構造体について詳細に説明する。
本発明の接着構造体は、２つ以上の部材が接着剤によって接着された接着構造体であり、少なくとも一方の部材が、接着範囲の隅部に凹部を備える炭素繊維強化樹脂部材である。

接着範囲の隅部に凹部を備えることで、破壊形態が凝集破壊となる理由は、以下のように考えることができる。

図２（ａ）に示す接着構造体１の接着面に平行な引張りせん断荷重がかかると、図２（ｂ）に示すように、接着剤層３がせん断変形するため、接着範囲端部の接着剤層３とＣＦＲＰ部材２との界面端部に応力が集中して界面にズレが生じる。すると、接着剤層とＣＦＲＰ部材２との界面端部から剥離して、破壊形態が界面破壊になり易い。

炭素繊維強化樹脂部材は、金属製部材に比して寸法精度が低いものであるため、炭素繊維強化樹脂部材を接着する際には、接着剤層が厚くなる場合があり、特に、接着剤層の厚さが厚い接着構造体ほど、せん断変形が大きくなってズレが生じ易く、界面破壊になり易い。

本発明の接着構造体は、応力が集中して剥離が生じ易い、接着剤層とＣＦＲＰ部材２との接着範囲の隅部に、凹部を備えることで、図２（ｃ）に示すように、ＣＦＲＰ部材２の凹部２１に接着剤が侵入して形成された竪壁３１によって接着剤層３とＣＦＲＰ部材２との界面端部のズレが防止されると共に、接着面積が増大して隅部の接着剤にかかる応力が分散される。したがって、接着剤層とＣＦＲＰ部材２との剥離が生じ難くなり、破壊形態が、界面破壊ではなく、凝集破壊になるものと考えられる。

上記凹部は、接着剤が付与される接着範囲の形状に応じて設けられ、該接着範囲の外周を形成する線が交差する頂点、すなわち、応力が集中する隅部に設けられる。
上記接着範囲の外形は、特に限定されず、直線で囲まれた多角形だけでなく、曲線で形成されていてもよい。
図３に凹部を設ける位置の例を示す。
図３（ａ）〜（ｃ）は、接着範囲が多角形である場合であり、図３（ｄ）は、接着範囲が曲線で形成される場合である。

上記凹部の形状は、特に制限はなく、正方形や長方形等の多角形だけでなく、円形や楕円形であってもよいが、荷重方向に対する長さと該荷重方向と略直交方向の長さとが異なる異方性を有する形状であることが好ましい。

また、図３に示すように、上記凹部の長辺又は長径方向が、荷重方向に対して直交する方向になるように形成することで、接着剤層とＣＦＲＰ部材２との界面端部のズレが防止されて界面破壊を防止できる。

上記凹部は、荷重方向と直交する方向の長さが、上記接着範囲の幅に対して０．５％〜３５％であることが好ましく、さらに５％〜１０％であることが好ましい。０．５％以上であることで界面破壊が防止され、３５％以下であることでＣＦＲＰ部材２の強度低下が防止される。
なお、本発明において、上記接着範囲の幅とは、荷重方向と直交する方向の接着長をいう。

また、上記凹部の深さは、ＣＦＲＰ部材２の厚さの１０％〜５０％であることが好ましく、２０％〜４０％であることがより好ましい。
ＣＦＲＰ部材２の厚さに対する上記凹部の深さが１０％以上であることで、接着剤層とＣＦＲＰ部材２との界面端部のズレを効果的に防止することができ、５０％以下であることでＣＦＲＰ部材２の強度低下を防止することができる。

上記凹部は、機械加工やウォータージェット加工の他、レーザー加工等によって形成することができる。

また、本発明の接着構造体の引張りせん断接着強さ（ＪＩＳ ７１６５）は、接着構造体の使用目的等にもよるが、７ＭＰａ以上であることが好ましい。

＜炭素繊維強化樹脂部材＞
上記炭素繊維強化樹脂部材は、マトリックス樹脂中に炭素繊維が分散されて強化された樹脂部材である。

上記マトリックス樹脂としては、特に制限はなく、炭素繊維強化樹脂部材として用いられている樹脂を使用することができ、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂のいずれも使用できる。

上記熱可塑性樹脂としては、例えば、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、ＡＢＳ樹、ナイロン等を挙げることができ、これらを２種類以上混合した樹脂等も用いることができる。

上記熱硬化性樹脂としては、架橋反応が進行して、少なくとも部分的に三次元架橋構造を形成する樹脂であれば使用することができる。例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、ベンゾオキサジン樹脂、フェノール樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂および熱硬化性ポリイミド樹脂等が挙げることができ、これらの変性体および２種類以上を混合した樹脂等も用いることができる。
また、これらの熱硬化性樹脂は、加熱により自己硬化するものであってもよいし、硬化剤や硬化促進剤などを配合したものであってもよい。

上記マトリックス樹脂中に分散される炭素繊維（ＣＦ）としては、従来公知の任意の炭素繊維を使用することができる。上記炭素繊維としては、例えば、ＰＡＮプリカーサ（ポリアクリロニトリル繊維）を原料としたＰＡＮ系炭素繊維、コールタールを原料としたピッチ系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維のいずれを使用してもよく、必要に応じて、異なる種類の炭素繊維を組み合わせて使用してもよい。
また、上記炭素繊維の形態は、原糸が短繊維、長繊維のいずれであってもよく、チョップド糸、フェルト、マットなどの形態に加工されていてもよい。

＜被着材＞
上記炭素繊維強化樹脂部材と接着する被着材としては、炭素繊維強化樹脂部材の他、ガラス繊維強化樹脂部材やアラミド繊維強化樹脂部材等の繊維強化樹脂部材や、金属製部材等を挙げることができる。

上記繊維強化樹脂部材を形成するマトリックス樹脂としては、上記炭素繊維強化樹脂部材と同様の樹脂を使用できる。
また、上記金属製部材を構成する金属としては、アルミ、アルミ合金、マグネシウム合金、チタン、チタン合金、鋼等を挙げることができる。

＜接着剤＞
上記炭素繊維強化樹脂部材と被着材とを接着する接着剤としては、例えば、室温で硬化するアクリル系接着剤、エポキシ系熱硬化型接着剤、紫外線硬化レジン、シアノアクリレート接着剤等の接着剤等を挙げることができる。

以下、本発明を実施例により詳細に説明するが、本発明は下記実施例に限定されるものではない。

［比較例１］
長さ１００ｍｍ、幅２５ｍｍ、厚み２ｍｍのＣＦＲＰ部材（熱硬化性樹脂：エポキシ樹脂、炭素繊維：ＰＡＮ系炭素繊維目付け量２５０ｇ／ｍ^２）の接着範囲を＃１００のやすりで磨いて粗面化した後、アセトンで接着面を洗浄し、５０℃のオーブンで３０分間乾燥してＣＦＲＰ部材の表面を処理した。
上記ＣＦＲＰ部材の接着範囲（２５ｍｍ×１２．５ｍｍ）に、アプリケーターで接着剤層の厚さが０．１ｍｍになるように、アクリル系接着剤（ハードロック；ＮＳ７００Ｓ−２０；電気化学工業株式会社製）を塗布し、同じく表面処理されたＣＦＲＰ部材を重ね、上記接着剤を室温（２５℃）で硬化させて接着構造体を得た。
上記接着構造体の引張せん断強度を、ＪＩＳ ７１６５に準拠し、負荷速度５ｍｍ／ｍｉｎ（室温）で測定し、破壊形態を目視により確認した。結果を表１に示す。

［比較例２］
接着剤層の厚さを１．０ｍｍにする他は比較例１と同様にして接着構造体剤を得た。結果を表１に示す。

［比較例３］
接着剤層の厚さを２．０ｍｍにする他は比較例１と同様にして接着構造体剤を得た。結果を表１に示す。

［比較例４］
接着剤層の厚さを３．０ｍｍにする他は比較例１と同様にして接着構造体剤を得た。結果を表１に示す。

［比較例５］
接着剤層の厚さを４．０ｍｍにする他は比較例１と同様にして接着構造体剤を得た。結果を表１に示す。

［比較例６］
接着範囲（２５ｍｍ×１２．５ｍｍ）の荷重方向の両端に、長さ２５ｍｍ、幅１ｍｍ、深さ１．２ｍｍの連続溝を形成する他は比較例３と同様にして接着構造体を得た。連続溝を形成した比較例６は、ＣＦＲＰ部材の強度が低下した。結果を表１に示す。

［実施例１］
図４に示すように、接着範囲（２５ｍｍ×１２．５ｍｍ）の四隅に、長辺が荷重方向に対して略直交方向になるように、長さ５ｍｍ、幅１ｍｍ、深さ０．５ｍｍの凹部を形成する他は比較例３と同様にして接着構造体を得た。結果を表１に示す。

［実施例２］
接着範囲（２５ｍｍ×１２．５ｍｍ）の四隅に、長辺が荷重方向に対して約４５°になるように、長さ５ｍｍ、幅１ｍｍ、深さ０．５ｍｍの凹部を形成する他は比較例３と同様にして接着構造体を得た。結果を表１に示す。

［実施例３］
接着剤層の厚さを３．０ｍｍにする他は実施例１と同様にして接着構造体剤を得た。結果を表１に示す。

［実施例４］
接着剤層の厚さを４．０ｍｍにする他は実施例１と同様にして接着構造体剤を得た。結果を表１に示す。

上記結果から、本発明の接着構造体によれば、界面破壊になり易い接着剤層の厚さが厚い場合、例えば、２ｍｍ以上から５ｍｍ程度の厚さを有する場合であっても、破壊形態が凝集破壊となり、接着構造体の品質保証や、該品質を満たすための接着構造体の設計等が容易になることがわかる。
一方で、比較例１〜５の結果にあるように、凹部がない場合には接着剤層が厚くなると、破壊形態が凝集破壊から界面破壊に変化することがわかる。
また、本発明の接着構造体は、自動車分野だけでなく航空宇宙分野の部材としても有用である。

１ 接着構造体
２ ＣＦＲＰ部材
２１ 凹部
３ 接着剤層
３１ 竪壁
４ 被着材

Claims (6)

1. ２つ以上の部材が接着剤で接着された接着構造体であって、
   上記部材の少なくとも一つの部材が炭素繊維強化樹脂部材であり、
   上記炭素繊維強化樹脂部材が接着範囲の外周を形成する線が交差する頂点である隅部に凹部を備えるものであることを特徴とする接着構造体。
2. 上記凹部の形状が異方性を有し、該凹部の長辺又は長径方向が荷重方向に対して略直交であることを特徴とする請求項１に記載の接着構造体。
3. 上記凹部の荷重方向と直交する方向の長さが、上記接着範囲の幅に対して０．５％〜３５％であることを特徴とする請求項２に記載の接着構造体。
4. 上記凹部の深さが、炭素繊維強化樹脂部材の厚さの１０％〜５０％であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の接着構造体。
5. 上記２つの部材を接着する接着剤層の厚さが、２ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の接着構造体。
6. 上記接着構造体の破壊形態が、凝集破壊であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の接着構造体。

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