JP6681071B2 - 接着構造 - Google Patents

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Description

本発明は、第1部材と第2部材とを対向状態で接着する接着構造に関する。
2つの部材、特に2つの板状部材の間を接着剤で接着した接着構造については、特開2010−32030号公報を始めとして様々な構造が提案されている。特開2010−32030号公報に記載の接着構造は、2つの板状部材のうち少なくとも一つの板状部材の接着材と接する面に一つ以上の孔を設け、接着材を孔より上面に流出させるものである。
特開2010−32030号公報
ところで、一対の部材を接着した構造体は様々な部位に適用されることが求められており、簡易な手段で様々な荷重負荷に対して対応し得る構造が求められている。より具体的には、荷重負荷時に亀裂の進展を抑制する構造が求められている。しかしながら、例えば上記特許文献1のように特殊な加工が必要であったり、一定の態様の荷重負荷に対してのみ対応し得るものであったりと、全ての側面で要求を満足できる接着構造は提案されていなかった。
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡易な手段で様々な荷重負荷時に亀裂の進展を抑制することができる接着構造を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明に係る接着構造は、第1部材と第2部材とを対向状態で接着する接着構造であって、前記第1部材と前記第2部材との間に配置される亀裂進展抑制部を備え、前記第1部材は第1接着面を有し、前記第2部材は第2接着面を有するものであって、前記亀裂進展抑制部は前記第1接着面及び前記第2接着面を繋ぐように設けられている。
本発明によれば、亀裂進展抑制部は第1接着面及び第2接着面を直接的に又は他の部材を介在させて間接的に繋ぐように設けられているので、例えば、第1接着面と第2接着面の間の接着部に亀裂が入ったとしても、亀裂進展抑制部がその亀裂の進展を妨げ、接着強度を増すことができる。このように、接着対象である第1部材と第2部材との間に亀裂進展抑制部を配置するという簡易な手段で、様々な荷重負荷時に亀裂の進展を抑制することができる。尚、亀裂進展抑制部は、第1接着面と第2接着面とに直接接合するように設けられていてもよく、接着剤層を介して接合するように設けられていてもよい。本明細書において「接着」とは、他の部材(繊維、樹脂)を介在させて接合する態様も、接着対象部材に一体的に成形されて接合される態様も含みうる概念である。
また本発明に係る接着構造では、前記亀裂進展抑制部は、繊維を含み、前記繊維の配向方向が前記第1接着面から前記第2接着面に向かうように配置されていることも好ましい。
この好ましい態様では、亀裂進展抑制部を構成する繊維の配向方向が、第1接着面から第2接着面に向かうように配置されているので、亀裂進展抑制部の繊維配向方向を工夫するという簡易な手段で、様々な荷重負荷時に亀裂の進展を抑制することができる。
また本発明に係る接着構造では、前記亀裂進展抑制部は、第1繊維部と、第2繊維部と、を有し、前記第1接着面及び前記第2接着面はそれぞれ第1領域及び第2領域を有すると共に、前記第1領域と前記第2領域との間に設けられる第3領域を有しており、前記第1繊維部は、前記第1接着面の前記第1領域と前記第2接着面の前記第2領域とを繋ぐように設けられ、前記第2繊維部は、前記第1接着面の前記第2領域と前記第2接着面の前記第1領域とを繋ぐように設けられ、前記第1部材と前記第2部材の間から前記第3領域を見通すと、前記第1繊維部と前記第2繊維部とが交差するように配置されている、ことも好ましい。
この好ましい態様では、亀裂進展抑制部として第1繊維部と第2繊維部とが交差するように配置されているので、亀裂の進展を妨げ、接着強度を増すことができる。
また本発明に係る接着構造では、前記第1接着面の前記第1領域において前記第1繊維部が接着されている部分に凹部が形成され、前記第2接着面の前記第1領域において前記第2繊維部が接着されている部分に凹部が形成されている、ことも好ましい。
本発明では、第1繊維部と第2繊維部との間に亀裂を導くことが、第1繊維部及び第2繊維部の補強効果を高めることになる。上記したような凹部を形成しそこに第1繊維部及び第2繊維部を配置することで、亀裂が第1繊維部と第1接着面との間や第2繊維部と第2接着面の間に入り込むことを抑制することができ、第1繊維部と第2繊維部との間に亀裂を確実に導くことができる。
また本発明に係る接着構造では、前記第1部材と前記第2部材との間に配置される補強部及び接着部を備え、前記第1繊維部及び前記第2繊維部は、それぞれ連続領域と短冊状領域とを有し、前記第1繊維部の前記連続領域は前記第1接着面の前記第1領域と接着され、前記第2繊維部の前記連続領域は前記第2接着面の前記第1領域と接着され、前記第1繊維部の前記連続領域と前記第2繊維部の前記連続領域との間に前記接着部が配置され、前記第1繊維部の前記短冊状領域と前記第2繊維部の前記短冊状領域とが直接接着され、繊維配向方向に沿って複数の短冊状領域が形成されるように切り込みが設けられており、前記複数の短冊状領域は前記第1接着面の前記第2領域と前記第2接着面の前記第2領域とに交互に接着され、その間に前記補強部が配置されていることも好ましい。
この好ましい態様では、複数の短冊状領域は第1接着面の第2領域と第2接着面の第2領域とに交互に接着されているので、第1繊維部と第2繊維部とを確実に交差させることができる。また、第1繊維部と第2繊維部との間に補強部が配置されているので、接着部側からの亀裂進展時に第1繊維部が第1部材側に移動することや第2繊維部が第2部材側に移動することを、あたかも支え棒のような形で抑制することができる。従って、第1繊維部及び第2繊維部に荷重がかかった場合でも、第1繊維部と第2繊維部との間の距離を保つことができ、より強度を増すことができる。
また本発明に係る接着構造では、前記補強部は第3繊維部を有しており、前記第1繊維部及び前記第2繊維部の繊維配向方向と、前記第3繊維部の繊維配向方向と、が交差していることも好ましい。
この好ましい態様では、第1繊維部及び第2繊維部の繊維配向方向と第3繊維部の繊維配向方向とを交差させるという簡易な手段で、補強部の強度を確保することができる。
本発明によれば、簡易な手段で様々な荷重負荷時に亀裂の進展を抑制することができる接着構造を提供することができる。
本発明の実施形態である接着構造を説明するための分解斜視図である。 本発明の実施形態である接着構造を示す斜視図である。 図2のIII-III断面図である。 図2のIV-IV断面図である。 図2の側面視を示す図である。 図5の状態から亀裂が入り込んだ状態を示す図である。 図6の状態から亀裂が更に進展した状態を示す図である。 本発明の実施形態である接着構造の変形例を説明するための側面図である。 本発明の実施形態である接着構造の変形例を説明するための側面図である。 本実施形態の効果を確認するための実施例を説明するための図である。 本実施例を説明するための図である。 本実施例を説明するための図である。 図10から図12に示した実施例の破断試験結果を示す図である。 本発明の実施形態である接着構造の変形例を説明するための側面図である。 本発明の実施形態である接着構造の変形例を説明するための側面図である。 図15に示した変形例を説明するための分解斜視図である。 本発明の実施形態である接着構造の変形例を説明するための側面図である。
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
図1及び図2を参照しながら本発明の実施形態である接着構造について説明する。図1は、本発明の実施形態である接着構造を説明するための分解斜視図である。図2は、本発明の実施形態である接着構造を示す斜視図である。
本実施形態の接着構造は、第1部材10と第2部材20とを接着する構造である。第1部材10及び第2部材20の形態や材質は特に限定されないが、CFRPといった複合材であることが好ましい。
第1部材10と第2部材20との間には、第1繊維部12と、第2繊維部14と、接着部16と、補強部18と、が配置されている。第1繊維部12及び第2繊維部14は、本発明の亀裂進展抑制部を構成するものである。亀裂進展抑制部の実施形態としてはこれに限られるものではなく、例えば金属板といったものも用いることができる。
第1繊維部12は、連続領域121と、短冊状領域122a,122bと、が形成されている。第2繊維部14は、連続領域141と、短冊状領域142a,142bと、が形成されている。
第1繊維部12と第2繊維部14とは、間に接着部16を挟んで加圧接着されている。この接着後、短冊状領域122a,122bと、短冊状領域142a,142bとが形成されるように切り込みを入れる。従って、短冊状領域122aと短冊状領域142aとが接着され、短冊状領域122bと短冊状領域142bとが接着されている。
短冊状領域122a,142aと、短冊状領域122b,142bとが互い違いになるようにし、間に補強部18を差し込む。第1繊維部12及び第2繊維部14は、Y軸方向に繊維が配向されており、補強部18には、X軸方向に繊維が配向されている。従って、第1繊維部12及び第2繊維部14の繊維配向方向と、補強部18の繊維配向方向とが交差するように配置されている。
第1部材10と第2部材20との間に、第1繊維部12、第2繊維部14、接着部16、補強部18を挟み、加圧圧縮することで第1部材10と第2部材20とが接着される。尚、図には明示していないけれども、第1部材10と第1繊維部12との間や、第2部材20と第2繊維部14との間等、相互に接着することが必要な部分には接着剤が塗布されている。
図3は、図2のIII-III断面図であり、図4は、図2のIV-IV断面図である。本実施形態の接着構造は、図3に示されるような断面の構造と、図4に示されるような断面の構造とが交互に現れるものである。図2の矢印方向から見通すと、図5に示されるように、第1繊維部12と第2繊維部14とが交差するX構造となっている。
図5の状態から第1部材10と第2部材20とを引き離すように力を加えると、亀裂Cが発生する。この亀裂Cは接着部16内の進展し、第1繊維部12と第2繊維部14とが交差しているX構造部に到達する。亀裂Cがここに到達すると、第1繊維部12及び第2繊維部14はそれ以上亀裂Cが進展しないように、第1部材10と第2部材20とを繋ぐ役割を果たす。更に力を加え続けると、第1繊維部12及び第2繊維部14の破断点に到達し、図7に示されるような状態となる。尚、図5から図7に至る亀裂Cの進展の状況は、あくまでも一例を示したものに過ぎない。例えば、補強部18を構成する繊維の強度が第1繊維部12を構成する繊維の強度よりも弱い場合には、補強部18が第1繊維部12と第2繊維部14との間で締めあげられることで、補強部18を構成する繊維が徐々に切断される。いずれにしても、亀裂Cの進展に応じて伝搬される力に対し、第1繊維部12及び第2繊維部14を構成する繊維が延びる方向における抗力(繊維に引張力がかかった場合の繊維の抗力)と、補強部18を構成する繊維の断面方向における抗力(繊維にせん断力がかかった場合の繊維の抗力)とによって、亀裂Cの進展がコントロールされる。
上述したように本実施形態は、第1部材10と第2部材20とを対向状態で接着する接着構造であって、第1部材10と第2部材10との間に配置される第1繊維部12及び第2繊維部14を備える。第1部材10は第1接着面である第1領域101、第2領域102、第3領域103を有している。第2部材20は第2接着面である第1領域201、第2領域202、第3領域203を有している。第1繊維部12及び第2繊維部14は、第1接着面(第1領域101、第2領域102、第3領域103)及び第2接着面(第1領域201、第2領域202、第3領域203)を繋ぐように接着されている。第1繊維部12及び第2繊維部14を構成する繊維の配向方向は、第1接着面から第2接着面に向かうように配置されている。
また本実施形態では、第1部材10では、第1領域101と第2領域102との間に第3領域103が設けられ、第2部材20では、第1領域201と第2領域202との間に第3領域203が設けられている。第1繊維部12は、第1接着面の第1領域101と第2接着面の第2領域202とを繋ぐように接着され、第2繊維部14は、第1接着面の第2領域102と第2接着面の第1領域201とを繋ぐように接着されている。図5に示されるように、第1部材10と第2部材20の間から第3領域103,203を見通すと、第1繊維部12と第2繊維部14とが交差するように配置されている。
また本実施形態では、第1繊維部12は、連続領域121と短冊状領域122a,122bとを有している。第2繊維部14は、連続領域141と短冊状領域142a,142bとを有している。第1繊維部12の連続領域121は第1部材10の第1領域101と接着され、第2繊維部14の連続領域141は第2部材20の第1領域201と接着されている。第1繊維部12の連続領域121と第2繊維部14の連続領域141との間に接着部16が配置されている。第1繊維部12の短冊状領域122a,122bと第2繊維部14の短冊状領域142a,142bとが直接接着され、繊維配向方向に沿って複数の短冊状領域が形成されるように切り込みが設けられている。複数の短冊状領域122a,122b,142a,142bは第1部材10の第2領域102と第2部材20の第2領域202とに交互に接着され、その間に補強部18が配置されている。
図8に本実施形態の変形例を示す。図8に示されるように、第1部材10aの第1領域101において第1繊維部12が接着されている部分に凹部10bが形成され、第2部材20aの第1領域201において第2繊維部14が接着されている部分に凹部20bが形成されている。
本実施形態では、第1繊維部12と第2繊維部14との間に亀裂を導くことが、第1繊維部12及び第2繊維部14の補強効果を高めることになる。上記したような凹部10b,20bを形成しそこに第1繊維部12及び第2繊維部14の端部を配置することで、亀裂が第1繊維部12と第1部材10aとの間や第2繊維部14と第2部材20aの間に入り込むことを抑制することができ、第1繊維部12と第2繊維部14との間に亀裂を確実に導くことができる。
更に、図9に示されるように、補強部18を挟んで凹部10b,20bと反対側に凹部10c,20cを設け、第1繊維部12と第2繊維部14とが交差する部分が補強部18を挟んで形成し、図8に示した変形例を左右対称にした形態も好ましい変形例の一つである。図9に示される変形例では、凹部10b,20bが設けられた端部からの亀裂の進展と、凹部10c,20cが設けられた端部からの亀裂の進展に対して、上述した亀裂進展を抑制する効果を発揮することができる。また、第1繊維部12と第2繊維部14の力学的な拘束が強まるので、開口以外の他の荷重モードにおける亀裂進展抑制効果を発揮することができる。図9に示す変形例は、図8に示す構造体の変形例として記載したが、図1から図7を参照しながら説明した実施形態についても同様に左右対称形態とすることができる。
続いて、本実施形態の効果を確認するための実施例について説明する。図10は、実施例に係る試験片の概要を示す図である。図10に示されるように、試験片は、被着材10S,20Sと、接着フィルム16S,22S,24Sと、プリプレグ12S,14S,18Sと、によって構成されている。被着材10Sは、第1部材10に相当する。被着材20Sは、第2部材20に相当する。接着フィルム16Sは、接着部16に相当する。プリプレグ12Sは、第1繊維部12に相当する。プリプレグ14Sは、第2繊維部14に相当する。プリプレグ18Sは、補強部18に相当する。
材料は被着材10S,20Sに一方向材CFRP(T700S/2592, 東レ, [0 24], 厚さ3.3mm, 幅25mm)、接着フィルム16S,22S,24SにAF163−2K(3M)を使用した。プリプレグ12S,14S,18Sには被着材と同じT700S/2592を使用している。0°層を構成するプリプレグ12S,14Sはプリプレグ2層、90°層を構成するプリプレグ18Sはプリプレグ1層で構成した。上下の0°層は5mm幅で繊維方向にスリットを導入してかみ合わせた形になっており、交差していない部分は切断されている(図11参照)。
最初に被着材10S,20Sを硬化させたのち接着面をサンディングし、接着フィルム16S,22S,24Sとアレスタ(亀裂進展抑制部)であるプリプレグ12S,14S,18Sを一体化したものを間にはさみ硬化させた。図12に成形後のアレスタ断面を示す。途中で切断された下側0°層と下に蛇行する上側0°層、さらにはそれに隣接する90°層が確認できる。この断面の奥5mmには切断された上側0°層と上に蛇行する下側0°層がある。
蝶番を接着した試験片を万能試験機AG−50kN(島津製作所)に取り付け、3mm/minの速度で開口させた。試験片にはポリテトラフルオロエチレン製のフィルム26Sを用いて長さ50mmの初期亀裂を導入した(図10参照)。また比較のためにアレスタを導入していない同じサイズの試験片も作製し、同様の試験を行った。
図13に、得られた荷重変位曲線と荷重負荷中の試験片写真を示す。アレスタのない試験片では弾性変形のあと亀裂の進展にともない荷重が徐々に低下する一般的な挙動が得られた。一方アレスタを有する試験片では亀裂がアレスタに達すると停止し、荷重は反転して増加した。そののち繊維の破断音とともに荷重の低下がみられたが、アレスタなしの場合と比較して亀裂の進展に要する荷重は、同じ亀裂長さで2倍以上大きかった。また最終的な破壊にいたる開口変位も2倍程度であり、全体として大きな亀裂進展抑制効果が確認できた。
図14に本実施形態の変形例を示す。図14は、本発明の実施形態である接着構造の変形例を説明するための側面図である。図14に示されるように、第1部材10の第1領域101において、第1繊維部12が第1部材10の内部に入り込むように構成されている。同様に、第2部材20の第1領域201において、第2繊維部14が第2部材20の内部に入り込むように構成されている。このように、第1繊維部12及び第2繊維部14が第1部材10及び第2部材20に入り込む構造とすることで、亀裂誘導性とweak bond耐性を高めることができる。
図15及び図16に本実施形態の変形例を示す。図15は、本発明の実施形態である接着構造の変形例を説明するための側面図である。図16は、図15に示した変形例を説明するための分解斜視図である。図15及び図16に示されるように、第1繊維部34は、第1部材10の第1領域101と第2部材20の第2領域202とを繋ぐように設けられている。より具体的には、第1繊維部34は、第1部材10の第1領域101から第2領域102に沿うように配置され、補強部18を巻き込むように第2部材20の第2領域202に向かい、再び第1部材10の第1領域101に沿うように配置されている。第1繊維部35も同様に、第1部材10の第1領域101と第2部材20の第2領域202とを繋ぐように設けられている。
第2繊維部32は、第2部材20の第1領域201と第1部材10の第2領域102とを繋ぐように設けられている。より具体的には、第2繊維部32は、第2部材20の第1領域201から第2領域202に沿うように配置され、補強部18を巻き込むように第1部材10の第2領域102に向かい、再び第2部材20の第1領域201に沿うように配置されている。第2繊維部34も同様に、第2部材20の第1領域201と第1部材10の第2領域102とを繋ぐように設けられている。
図17に本実施形態の変形例を示す。図17は、本発明の実施形態である接着構造の変形例を説明するための側面図である。図17に示されるように、第1繊維部43は、第1部材10の第1領域101と第2部材20の第2領域202とを繋ぐように設けられている。より具体的には、第1繊維部43は、第1部材10の第1領域101から第2領域102に沿うように配置され、補強部18を巻き込むように第2部材20の第2領域202に向かい、更に補強部18を巻き込みながらループを描くように第1部材10の第2領域102に沿うように配置されている。第1繊維部43は、補強部18を1周巻き込みながら、第1部材10の第1領域101から第2領域102、反対側の第1領域101に至るように配置されている。
第2繊維部42は、第2部材20の第1領域201と第1部材10の第2領域102とを繋ぐように設けられている。より具体的には、第2繊維部42は、第2部材20の第1領域201から第2領域202に沿うように配置され、補強部18を巻き込むように第1部材10の第2領域102に向かい、更に補強部18を巻き込みながらループを描くように第2部材20の第2領域202に沿うように配置されている。第2繊維部42は、補強部18を1周巻き込みながら、第2部材20の第1領域201から第2領域202、反対側の第1領域201に至るように配置されている。
尚、本発明に係る亀裂進展抑制部の具体例としての第1繊維部12,34,35,43及び第2繊維部14,32,33,42の配置や、その他の各部材の配置は適宜組み合わせることができる。例えば、図1から図14に例示した第1繊維部12及び第2繊維部14の配置態様と、図15に例示した第1繊維部34,35及び第2繊維部32,33の配置態様とを組み合わせることができる。また、それら配置態様と、図17に例示した第1繊維部43及び第2繊維部42の配置態様とを組み合わせることもできる。
10:第1部材
10a:第1部材
10b,20b:凹部
12:第1繊維部
14:第2繊維部
16:接着部
18:補強部
20:第2部材
20a:第2部材
101:第1領域
102:第2領域
103:第3領域
121:連続領域
122a,122b:短冊状領域
141:連続領域
142a,142b:短冊状領域
201:第1領域
202:第2領域
203:第3領域

Claims (5)

  1. 第1部材と第2部材とを対向状態で接着する接着構造であって、
    前記第1部材と前記第2部材との間に配置される亀裂進展抑制部を備え、
    前記第1部材は第1接着面を有し、前記第2部材は第2接着面を有するものであって、
    前記亀裂進展抑制部は
    前記第1接着面及び前記第2接着面を繋ぐように設けられ
    繊維を含み、前記繊維の配向方向が前記第1接着面から前記第2接着面に向かうように配置され、
    第1繊維部と、第2繊維部と、を有し、
    前記第1接着面及び前記第2接着面は、それぞれ第1領域及び第2領域を有すると共に、前記第1領域と前記第2領域との間に設けられる第3領域を有しており、
    前記第1繊維部は、前記第1接着面の前記第1領域と前記第2接着面の前記第2領域とを繋ぐように設けられ、
    前記第2繊維部は、前記第1接着面の前記第2領域と前記第2接着面の前記第1領域とを繋ぐように設けられ、
    前記第1部材と前記第2部材の間から前記第3領域を見通すと、前記第1繊維部と前記第2繊維部とが交差するように配置され、
    前記第1繊維部は、前記第1接着面の前記第1領域において前記第1部材に入り込んでおり、前記第2繊維部は、前記第2接着面の前記第1領域において前記第2部材に入り込んでいる、ことを特徴とする接着構造。
  2. 前記第1接着面の前記第1領域において前記第1繊維部が接着されている部分に凹部が形成され、前記第2接着面の前記第1領域において前記第2繊維部が接着されている部分に凹部が形成されている、ことを特徴とする請求項に記載の接着構造。
  3. 前記第1部材と前記第2部材との間に配置される補強部及び接着部を備え、
    前記第1繊維部及び前記第2繊維部は、それぞれ連続領域と短冊状領域とを有し、
    前記第1繊維部の前記連続領域は前記第1接着面の前記第1領域と接着され、前記第2繊維部の前記連続領域は前記第2接着面の前記第1領域と接着され、前記第1繊維部の前記連続領域と前記第2繊維部の前記連続領域との間に前記接着部が配置され、
    前記第1繊維部の前記短冊状領域と前記第2繊維部の前記短冊状領域とが直接接着され、繊維配向方向に沿って複数の短冊状領域が形成されるように切り込みが設けられており、前記複数の短冊状領域は前記第1接着面の前記第2領域と前記第2接着面の前記第2領域とに交互に接着され、その間に前記補強部が配置されている、ことを特徴とする請求項に記載の接着構造。
  4. 前記補強部は第3繊維部を有しており、
    前記第1繊維部及び前記第2繊維部の繊維配向方向と、前記第3繊維部の繊維配向方向と、が交差している、ことを特徴とする請求項に記載の接着構造。
  5. 前記第1部材と前記第2部材との間に配置される補強部を備え、
    前記第1繊維部は、前記第1接着面の前記第1領域及び前記第2領域に沿うように配置されると共に前記補強部を巻き込むように配置され、前記第2接着面の前記第2領域に沿うように配置され、
    前記第2繊維部は、前記第2接着面の前記第1領域及び前記第2領域に沿うように配置
    されると共に前記補強部を巻き込むように配置され、前記第1接着面の前記第2領域に沿うように配置されている、ことを特徴とする請求項に記載の接着構造。
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