JP6610859B2 - 複合部材及び該複合部材の製造方法 - Google Patents
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つまり、金属部材、例えば、アルミニウムの線膨張係数は23×10−6/Kであるのに対し、炭素繊維強化樹脂の線膨張係数は、0.1〜1.5×10−6/K程度であって、金属部材との線膨張係数差が大きいため、温度変化による膨張・収縮差が大きく、熱溶着すると接合面に歪が生じて剥離が生じ易い。
そして、上記緩衝層が、含炭素繊維部と樹脂部とを接合面の面方向に交互に有し、
隣り合う含炭素繊維部同士の炭素繊維が、その間の樹脂部で途切れていることを特徴とする。
そして、 上記炭素繊維強化熱可塑性樹脂部材と、上記金属部材とを、熱溶着する処理を含み、上記炭素繊維強化熱可塑性樹脂部材が、母材と、上記金属部材との接合面に緩衝層を備え、 上記緩衝層が、含炭素繊維部と樹脂部とを接合面の面方向に交互に有し、隣り合う含炭素繊維部同士の炭素繊維が、その間の樹脂部で途切れていることを特徴とする。
本発明は、マトリックス樹脂が熱可塑性樹脂である炭素繊維強化熱可塑性樹脂部材(Carbon Fiber Rainforced Thermoplastics Plastics;以下、CFRTPということがある。)を用いる。
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る。
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。
上記緩衝層22は、炭素繊維21が不連続で、炭素繊維21が途切れた柔軟な樹脂部221と、炭素繊維21を含有する剛直な含炭素繊維部222とを有する。樹脂部221と、含炭素繊維部222とが接合面方向に交互に形成されることで、金属部材3との膨張・収縮差による歪が金属部材3との接合面に集中せずに、樹脂部221にも分散されるため、接合面での剥離が防止されるものと考えられる。
含炭素繊維部長/樹脂部長が2以上6以下であることで、CFRTPと金属部材とが強固に接合されて剥離が防止される。
なお、本発明において緩衝層の樹脂部221とは、炭素繊維21が途切れて炭素繊維21によって強化されていない部分をいい、千切れた炭素繊維片が含有しないことを意味するものでない。
また、含炭素繊維部の長さ及び樹脂部の長さとは、含炭素繊維部又は樹脂部の短辺又は短径の長さをいう。
1mm以上であれば、炭素繊維長が確保されてCFRTPの強度低下を防止でき、5mm未満であれば、含炭素繊維部の接合面に歪が溜まらず剥離を防止することができる。
炭素繊維強化熱可塑性樹脂部材から、縦10mm、横10mm、厚さ0.1mmの緩衝層を切り取り試験片とする。
試験片の初期の長さ(L)を正確に測定し、熱機械的分析装置Thermo Plus TMA8310(リガク社製)を用いて、荷重0.05N、昇温速度1℃/分で、30℃から80℃の長さの変化量(△L1)を測定する。
線膨張係数は、長さの変化量(△L1)/試験片の初期の長さ(L)×50で求めることができる。
本発明において、炭素繊維が連続するとは、緩衝層が母材と一体成形されたものであることをいい、緩衝層の含炭素繊維部と母材との炭素繊維が連続性を有すれば足り、板状の炭素繊維層を複数枚重ねたときの炭素繊維層間が存在しないことを意味するものでない。
上記金属部材としては、例えば、鉄、ステンレス、アルミニウム、銅、黄銅、ニッケル、亜鉛等の金属を用いた部材が挙げられ、これらの金属を一種又は2種以上含むものであってもよい。
具体的には、SS材、SPCC材、ハイテン材などの鉄類や、SUS304、SUS316などのステンレス類、1000〜700番台アルミニウムやその合金を使用できる。
本発明の炭素繊維強化熱可塑性樹脂部材と金属部材とが接合された複合部材の製造方法においては、炭素繊維強化熱可塑性樹脂部材の接合面に上記緩衝層を形成し、加熱して熱可塑性樹脂を溶融させて、金属部材とCFRTPとを接合(融着)させる。
上記熱可塑性樹脂のフィルム等は、接合面全体に設ける必要はなく、接合性を確保できれば局所的に設けてもよい。
圧力が1MPa以上であると良好な接合力を得ることができ、また、圧力が3MPa以下であれば、加圧部分が潰れることなくCFRTPの強度の低下が防止される。
長さ100mm、幅25mm、厚み2mmのCFRTP(熱可塑性樹脂:ナイロン66、炭素繊維:PAN系炭素繊維目付け量250g/m2)の接着面の炭素繊維をカッターで切断し、深さ0.5mmの溝を1mm間隔で格子状に形成して緩衝層を形成した。
上記CFRTPの含炭素繊維部長/樹脂部長は、2であった。
また、長さ100mm、幅25mm、厚み2mmのアルミニウム板(線膨張係数:23×10?6/K)の接着面を#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、80℃のオーブンで30分間乾燥した。
接合面が50mm×25mmとなるように、上記CFRTPとアルミニウム板を重ね、加熱温度280℃、加圧圧力1.8MPaの条件で3分間プレスして熱溶着し、複合部材を得た。
また、上記複合部材から、縦10mm、横10mm、厚さ0.1mmの緩衝層を切り取り、線膨張係数を測定した。評価結果を表1に示す。
深さ0.5mmの溝を2mm間隔で格子状に形成した緩衝層を形成する他は実施例1と同様にして複合部材を得た。
上記CFRTPの含炭素繊維部長/樹脂部長は、4であった。評価結果を表1に示す。
深さ0.5mmの溝を3mm間隔で格子状に形成した緩衝層を形成する他は実施例1と同様にして複合部材を得た。
上記CFRTPの含炭素繊維部長/樹脂部長は、6であった。評価結果を表1に示す。
深さ0.5mmの溝を6mm間隔で格子状に形成した緩衝層を形成する他は実施例1と同様にして複合部材を得た。
上記CFRTPの含炭素繊維部長/樹脂部長は、12であった。評価結果を表1に示す。
アルミニウム板を、長さ100mm、幅25mm、厚み2mmのスチール板(線膨張係数:11.7×10?6/K)に代える他は、実施例3と同様にして複合部材を得た。
上記CFRTPの含炭素繊維部長/樹脂部長は、6であった。評価結果を表1に示す。
緩衝層を形成しない他は実施例1と同様にして複合部材を得た。評価結果を表1に示す。
また、本発明の複合部材は、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。
2 炭素繊維強化熱可塑性樹脂部材
21 炭素繊維
22 緩衝層
221 樹脂部
222 含繊維部
3 金属部材
Claims (6)
- 炭素繊維強化熱可塑性樹脂部材と金属部材とが接合された複合部材であって、
上記炭素繊維強化熱可塑性樹脂部材が、母材と、上記金属部材との接合面に緩衝層を備え、
上記緩衝層が、含炭素繊維部と樹脂部とを接合面の面方向に交互に有し、
炭素繊維が厚さ方向に切断されて、隣り合う含炭素繊維部同士の炭素繊維が、その間の樹脂部で途切れていることを特徴とする複合部材。 - 上記含炭素繊維部と上記樹脂部との比(含炭素繊維部長/樹脂部長)が、2以上6以下であることを特徴とする請求項1に記載の複合部材。
- 上記緩衝層の線膨張係数が、上記金属部材の線膨張係数の0.5〜1.1倍であることを特徴とする請求項2に記載の複合部材。
- 上記緩衝層と上記母材とが一体成形され、上記緩衝層の含炭素繊維部と上記母材との間で連続する炭素繊維を含むことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つの項に記載の複合部材。
- 上記炭素繊維強化熱可塑性樹脂部材と上記金属部材とが、熱溶着されたものであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つの項に記載の複合部材。
- 炭素繊維強化熱可塑性樹脂部材と金属部材とが接合された複合部材の製造方法であって、
上記炭素繊維強化熱可塑性樹脂部材と、上記金属部材とを、熱溶着する処理を含み、
上記炭素繊維強化熱可塑性樹脂部材が、母材と、上記金属部材との接合面に緩衝層を備え、
上記緩衝層が、含炭素繊維部と樹脂部とを接合面の面方向に交互に有し、炭素繊維が厚さ方向に切断されて、隣り合う含炭素繊維部同士の炭素繊維が、その間の樹脂部で途切れていることを特徴とする複合部材の製造方法。
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