JP6905167B2 - 第１材料でできている第１層及び連続フィラメント繊維で強化されたポリマーでできている第２層で構成される積層体 - Google Patents

Description

本発明は、第１材料でできている第１層及び連続フィラメント繊維で強化されたポリマーでできている第２層で構成され、その第１層及び第２層が大部分の表面領域に亘って、好ましくは密着して、互いに固着された積層体に基づく。

第１材料、とりわけ金属でできている第１層及び連続フィラメント繊維で強化されたポリマーでできている第２層を伴い、それらが大部分の表面領域に亘って互いに固着された積層体は、同等の強度及び／又は剛性に対してより小さな重量の構成部材の実現を可能とするために、例えば金属構成部材の代替として用いられる。

より薄い金属シート部品を用いるだけで達成される減量は、結果として安定性を損なう不利を有する。なぜならば、薄い金属シートは肉厚が小さいので、耐座屈に必要な剛性の点で分かれ目である。例として、座屈を防止するのに要求される最小厚さは、全ての外装に鋼が使用される場合には０．５〜０．８ｍｍであり、また、全ての外装にアルミニウムが使用される場合には０．８〜１．２ｍｍである。それ故に、座屈のおそれがある範囲内でシート金属厚さの更なる減少を達成するためには、例えば、シート金属を繊維強化ポリマー材料に固着させることによって実現可能な、局所的な補強システムを用いるのが賢明である。

シート金属部材が繊維強化ポリマー材料で強化される場合、熱膨張の相違が不利である。繊維強化ポリマー材料の場合の付加的な要素は、繊維の配向の結果としての異方特性と、熱膨張が生じるとき、これに起因して繊維直交方向と異なる繊維方向に沿った材料の伸長とを、これらが有することである。複数の方向に配向された繊維を含む既知の繊維強化プラスチックでは、繊維方向に沿う方向とその直交方向とで異なる熱膨張係数は、温度が異なるとき、熱応力に晒される唯一の繊維方向での個々の層の自由変形とは異なる変形現象を引き起こすことがある。その複合部材では、材料間の固着は、一般に、上記個々の層の熱膨張の自在伸展を許容せず、それで内部熱応力が生じる。この点で、複合部材の使用温度が、通常は応力のない、その製造温度と異なるときにはいつでも、内部応力が存在し得る。複合部材の構造及び外部貯蔵状態に依存する内部熱応力は、特に、容認できない大きな歪みの原因となることがある。

異なる材料の異なる熱膨張は、特に自動車の車体構成部材において、それらが塗装工程の完遂以前に２００℃に及ぶ高温にさえ晒され且つ通常操業中でも１２０Ｋに及ぶ温度差が生じるので、問題となる。熱膨張におけるこの差は内部応力の原因となり、その内部応力は、積層の故障及び／又は歪みの要因となることがあり、また受容できない変形現象又は表面の目に見える影響につながる。

DE-A 10 2006 058 601は、金属ベース及び繊維−プラスチック複合体でできている補強部を有する車体及びシャシー部品を開示する。接着剤が、金属ベース上に繊維−プラスチック複合体を固定する。異なる熱膨張の補償は、それぞれ大きな層厚で塗布することができ、その結果、大変小さな層厚しかない接着剤よりもより弾性的に作用しあう、低弾性係数の接着剤の使用によってもたらされる。

DE-A 10 2010 014 541は自動車の殻用の外装部品に関し、その外装部品は、その内側面に取付けられて少なくとも幾らかの広がりを有し、繊維強化プラスチックでできている下部構造を伴う大表面積金属シート部品である。ここでは、下部構造と金属シート部品は、部分的にしか固着されていない。金属シート部品の変形の吸収を可能とするために、プラスチック下部構造中に妨害物がある。

DE-A 38 18 478は、金属層及び繊維強化ポリプロピレン層でできている複合材料を開示し、そのポリプロピレンの架橋度及び繊維強化ポリプロピレン層中の繊維含量は、熱膨張が上記金属の熱膨張と一致するように調整される。ポリプロピレンは架橋されているので、このポリマー材料はリサイクル可能率の欠如という不利を有する。更にまた、ポリプロピレンは塗装工程の昇温において寸法的に安定していないため、ポリプロピレンは、特に、自動車の車体に使用するには不向きである。DE-A 38 18 478に開示される繊維強化ポリプロピレン層のもう一つの不利は、不特定な繊維のもつれを伴い、比較的低剛性であることである。

本発明の目的は、従来技術で周知の不利がなく、第１材料でできている第１層及び連続フィラメント繊維で強化されたポリマーでできている第２層からなる積層体を提供することにある。

上記目的は、第１材料でできている第１層及び連続フィラメント繊維で強化されたポリマーでできている第２層で構成され、上記第１層及び第２層が大部分の表面領域に亘り、好ましくは密着して、互いに固着され、上記第２層内の連続フィラメント繊維が少なくとも３つの繊維方向に配向され、上記３つの繊維方向が上記第１層と平行に向いている平面内に展開し、且つ、上記第２層の熱膨張係数が上記第１層の熱膨張係数と本質的に一致するように上記繊維の含量が調整された積層体を経て達成される。

連続フィラメント繊維は、それらが少なくとも３つの繊維方向内に配向されるように配列されるので、第１層の補強として利用することができるような第２層の高い剛性を得ることができると共に、特に、第１層の材料だけでできている構成部材と比較して重量低減を達成することができる。更に、驚くべきことに、第１層と平行な平面内に、連続する僅か３つの繊維方向があるというだけで、特に繊維が展開している平面内の熱膨張に関する本発明の目的に対して、準等方特性が達成できるということが見出された。

準等方特性を達成するための特別な要求は、何れの場合も、互いに対して回転された繊維間の角度が同一であることである。３つの繊維方向の場合には、互いに対する各繊維方向の回転角度は６０°であることを意味する。同様に、４つの繊維方向があるなら、互いに対する各繊維の回転角度は４５°である。繊維方向の数は、所望に応じて選択することができるが、第２層の厚さを小さく、技術的に得策な範囲内程度に維持するために、繊維方向の数はできるだけ小さく、特に３つ又は４つの繊維方向を用いて維持するのが好ましい。

本発明の目的のために、連続フィラメント繊維は、連続して製造され且つ更なる過程の間に有限の長さに短くされたフィラメントであると理解される。しかしながら、これらの長さは長繊維の長さよりも実質的に大きい。ガラス長繊維のペレットは、典型的に、５ｍｍから２５ｍｍの間の長さの繊維を含む。連続フィラメント繊維の長さは、一方では、結果として、構成部材の寸法から制約を受けることがある。他方では、その長さは、結果として、不特定な繊維のもつれ（約５ｃｍ）が利用される場合のように、半製品から制約を受けることがある。構成部材及び半製品の夫々の寸法に繊維の長さが本質的に対応するといったようにして、構成部材及び半製品の夫々によって許容される最大限の長さを選択するのが好ましい。

第１層と平行な平面内の準等方特性を得るために、各繊維方向内の繊維の量と他の繊維方向内の繊維の量の差は、体積で５％未満であることが好ましい。各繊維方向内の繊維間の同様に小さな差のおかげで、連続フィラメント繊維で強化されたポリマーの特性は、内部に繊維が展開する平面内において、各方向内で本質的に同一である。ここでは、各繊維方向内の繊維の量と他の繊維方向内の繊維の量の差は体積で２％未満、また特に、各繊維方向内の繊維の量と他の繊維方向内の繊維の量の差は体積で１％未満であることが更に好ましい。各繊維方向内の繊維の量が同一であることがとりわけ大変好ましい。

第１層と平行な平面内の準等方特性を得るために、各繊維方向内の繊維の配向と、その所定配向との差は５°未満であることが好ましい。各繊維方向内の配向の同様に小さな誤差のおかげで、連続フィラメント繊維で強化されたポリマーの特性は、内部に繊維が展開する平面内において、各方向内で本質的に同一である。ここでは、各繊維方向内の繊維の配向と、その所定方向との差は２°未満、また特に、各繊維方向内の繊維の配向と、その所定方向との差は１°未満であることが更に好ましい。各繊維方向内の繊維の配向が３つの繊維方向間で同じ角度を達成することはとりわけ大変好ましい。

連続フィラメント繊維で強化されたポリマー内の繊維含量の総量は、使用される繊維の性質及び第１層の材料に依存する。連続フィラメント繊維で強化されたポリマーの繊維総含量は、体積で１〜７０％、特に体積で１５〜６５％の範囲内であることが好ましい。この繊維総含量は、体積で３５〜５５％の範囲内であることが、とりわけ大変好ましい。ここでは、この繊維総含量は、連続フィラメント繊維で強化されたポリマーの熱膨張係数が第１層の材料の熱膨張係数と本質的に一致するように調整される。ここで、繊維総含量が増加すると熱膨張係数が減少するのは、極めて一般的な法則である。

もし、繊維材料として選択された材料が、繊維総含量の最大値において、それ自体単独で、第１層の材料の熱膨張係数を達成できないならば、１つ以上の材料でできている繊維の付加的な使用が可能である。これは、意図する繊維総含量が所定値を超えるか又はそれに至らない場合にも同様に可能である。ここでは、この繊維の材料は、異なる熱膨張係数を有し、その結果、連続フィラメント繊維で強化された材料の熱膨張係数の調整を許容するようにして選択される。

種々の繊維材料は、他の特性において異なっていてもよい。例として、種々の繊維材料の弾性係数が異なってもよい。その結果、連続フィラメント繊維で強化された材料の他の特性の相違が達成され、それは合わせて熱膨張係数における相違でもある。

種々の繊維材料が使用される場合にも準等方特性が得られるために、種々の繊維材料が使用される場合には、各繊維方向における何れかの繊維材料の繊維含量と、他の繊維方向におけるこの繊維材料の繊維含量との差は、体積で５％以下であることが好ましい。何れかの繊維材料の含量と他の繊維方向におけるこの繊維材料の繊維含量との差は体積で２％以下であることが更に好ましく、また、その含量の差は体積で１％以下であることがとりわけ好ましい。

種々の繊維材料が使用される場合にも準等方特性が得られるために、各繊維方向における繊維の配向と、その所定配向との差は５°未満であることが好ましい。各繊維方向内の配向の同様に小さな誤差のおかげで、連続フィラメント繊維で強化されたポリマーの特性は、内部に繊維が展開する平面内において、各方向内で本質的に同一である。ここでは、各繊維方向内の繊維の配向と、その所定方向との差は２°未満、また特に、各繊維方向内の繊維の配向と、その所定方向との差は１°未満であることが更に好ましい。各繊維方向内の繊維の配向が３つの繊維方向間で同じ角度を達成することはとりわけ大変好ましい。

連続フィラメント繊維で強化されたポリマーでできている第２層の最大限の剛性を得るために、繊維の配向は常に第１層と平行な平面内にあることが好ましい。平行配向された繊維を用いることが更に好ましい。この目的を達成するために、連続フィラメント繊維で強化されたポリマー内に含まれる繊維は、織物又は連続フィラメント繊維平行配列の何れかの形をとることができる。その繊維は平行配列された連続フィラメント繊維であることがとりわけ好ましい。

もし繊維が連続フィラメント繊維平行配列の形をとるならば、例として、テープのような既知のものを使用することができる。これらの中に存在する連続フィラメント繊維は、平行配列を有し、且つ、ポリマー材料で満たされている。これらに対し、以下では、個別の層という用語も使用される。

織物内の繊維はすでに２つの繊維方向に配向されているので、織物を使用する場合には、互いに対して回転された少なくとも２つの織物プライ（ply：層）を用いる必要がある。従って、２つの織物プライは４つの繊維方向を与え、そしてそれ故、２つの織物プライの互いに対する回転角度は４５°であるべきである。

最初に型内に第２層用の繊維を挿入し、その後、ポリマー材料で満たすことによって第２層を製造することができる。この場合、第２層用の繊維は、互いに対して回転された複数の繊維方向に配向される必要がある。

選択的に、複数の個別の層から第２層を構成することも可能であり、個別の層の夫々は平行配列の連続フィラメント繊維で強化されたポリマーから製造され、上記繊維配向を得るために個別の層は互いに対して回転される。更にまた、既に３つの繊維方向内の繊維を備えた複数のプライから第２層を構成することも可能である。この場合、プライは互いに対して回転され得るが、これは必須ではない。

もし連続フィラメント繊維で強化されたポリマーでできている第２層が複数のプライから構成されるなら、夫々のプライは異なる繊維含量を有することもまた可能である。この場合、各層は準等方特性を有することだけが重要な考慮すべき事柄である。第２層の熱膨張係数は、プライの繊維含量の適切な調整を経て、その後に調整され得る。プライの異なる繊維含量は、一方では、各プライの繊維総含量が異なることを意味し、また選択的に、複数のプライが異なる材料でできている繊維を含み、且つそれらのプライ内の個々の繊維材料の夫々の繊維含量が異なることを意味する。

別の可能性は、プライ中の異なる繊維含量又は異なる繊維混合物と並んで、各プライ用の単一の繊維材料のみの供給であり、各プライは、異なる繊維材料を含む。この場合、各プライは、少なくとも３つの繊維方向内に配向された繊維を含むことが必要である。

更にまた別の可能性は、連続フィラメント繊維で強化されたポリマーを伴うプライに加えて、繊維強化されていない材料、例えば非強化のポリマーでできている中間層を付加的に含むことである。

個別の層及び／又はプライでできている構造は、熱膨張係数に作用し、その結果、熱歪みに直接的に影響する種々のパラメータに結果をもたらす。この事実は、熱膨張係数の調整を複雑にするが、それはまた作用の広い自由度を提供する。ここで、熱膨張係数は、適応する実験を経て、又は、選択的に、例としてTsai,S.,Hahn,H.T.の“Introduction to Composite Material”, Technomic Publishing Company, Westport, Connecticut, 1980に記述される形式の適応するシミュレーション計算を経て、決定することができる。適応する測定方法は、例として、ISO規格 11359-2:1999-10“Plastics - Thermomechanical Analysis (TMA) - Part 2: Determination of coefficient of linear Thermal expansion and glass transition temperature”に記載される。

繊維強化プラスチックの熱膨張係数は、例として、以下のマイクロメカニカルモデルから算出することができる。

連続フィラメント繊維で一方向性に強化された個々の層の繊維配向に関する縦方向線型熱膨張係数は、

で与えられ、その繊維配向に関する垂直方向の値は、

で与えられ、式中、ａは線型熱膨張係数、Ｅは弾性係数、φは個々の繊維体積含量、及びｖは横方向収縮係数であり、また式中の指数は以下、即ちｐ：繊維方向と平行、ｑ：繊維方向と垂直、ｆ：繊維、及びｍ：マトリクスを意味する。

中心に対して対称な層構造に対し、その線型熱膨張影響係数は、

で与えられ、層の剛性マトリクスは、

であり、熱断面力は、

であり、式中、

は個々の層の夫々の剛性である。指数１及び２は、材料の主軸系に関し、従って繊維配向に関する縦方向及び垂直方向を表す。指数６は平面内の剪断成分を表す。ａ_x、ａ_y、及びａ_xyは、個々の層の線型熱膨張係数であり、材料の主軸系から積層体の主軸系へのａ_p及びａ_qのテンソル変換から算出される。

実験による決定の場合には、異なる繊維含量に対して個々の熱膨張係数を決定することができ、また表形式又はグラフ形式でこれを提供することができる。

連続フィラメント繊維で強化されたポリマー内に含まれる繊維は、好ましくは、グラスファイバー、カーボンファイバー、アラミド繊維、チタン酸カリウム繊維、鉱物繊維、天然繊維、ポリマー繊維、及びそれらの混合物から選択される。ここでは、グラスファイバー及びカーボンファイバー、及びグラスファイバーとカーボンファイバーの混合物がとりわけ好ましい。ここで、種々の繊維の含量は、繊維の比率が互いに熱膨張係数に影響を与えるので、第１層の材料に依存する。

連続フィラメント繊維で強化された層のポリマー材料は、例として、熱硬化性ポリマー又は熱可塑性ポリマーとすることができる。適応する熱硬化性ポリマーの例は、エポキシ樹脂及びポリウレタン樹脂である。しかしながら、ポリマー材料は熱可塑性ポリマーであることがとりわけ好ましい。ここで、あらゆる熱可塑性ポリマーが適応するポリマーであるが、ここではポリアミドがとりわけ好ましい。適応するポリアミドの例は、PA6、PA66、PA46、PA6/10、PA6T、PA66T、PA9T及びまたPA11及びPA12である。

特に、車体構成部材として、又は、その他、金属製以外の構成部材の重量低減を達成するという目的での他の用途で積層体が使用される場合には、第１層の材料は金属である。通常、使用される金属は、特に、鋼、アルミニウム、マグネシウム、及びチタンである。

第１層用の材料としての金属の使用は、一方では、クラスＡ表面の要求に応じ、他方では、互いに個別の構成部材を固着する、既に試験済みの簡単な結合システムの使用を可能とする。第１層の第２層への固着は、最小密度で剛性を増加し、特に自動車での使用は衝突性能を改善し、また更に、増加された音響減衰能力が得られる。

第１層の厚さは、通常、０．２〜１．２ｍｍの範囲内である。第１層の厚さは、好ましくは、０．２〜０．７ｍｍの範囲内であり、また第１層の厚さは、使用される材料にも依存する：例として、全ての外装に鋼が使用される場合には０．２〜０．７ｍｍであり、また、全ての外装にアルミニウムが使用される場合には０．５〜１．０ｍｍであることが好ましい。

そして、第２層の構造は、第１層の材料に由来すると共に、第２層に使用されるポリマー材料及び繊維材料に由来する：例として、０〜１００℃における熱膨張係数は、鋼では１１．７×１０^-6／Ｋ、アルミニウムでは２３．５×１０^-6／Ｋ、ポリアミドでは９０×１０^-6／Ｋ〜１００×１０^-6／Ｋ、Ｅグラスファイバーでは繊維方向と平行及び垂直に５．１×１０^-6／Ｋ、及びＨＴカーボンファイバーでは、繊維方向と平行に−０．４５５×１０^-6／Ｋ、繊維方向と垂直に１２．５×１０^-6／Ｋである。

既存のポリマーマトリクスは、繊維とマトリクスとで熱膨張係数が大きく異なるため、繊維よりも極めて大きな熱膨張を示す。

グラスファイバー及びマトリクス材料としてのポリアミド６を用い、繊維含量が体積で約３０％であって、３つの繊維方向への繊維平行配列（一方向配列）を伴う構造の場合には、２０〜８０℃の温度範囲で得られる熱膨張係数は、アルミニウムのそれに対応することが見出された。鋼の熱膨張係数を得るためには、体積で約６５％の繊維含量が必要であろう。しかしながら、これはほぼ製造技術の限界であり、また不安定な繊維複合材料につながることもある。

これとは対照的に、３つの繊維方向への繊維平行配列（一方向配列）を伴う構造に、繊維含量が体積で約７％のカーボンファイバーが使用される場合には、２０〜８０℃の温度範囲で、アルミニウムの熱膨張係数が得られ、繊維体積含量が１５％で鋼の熱膨張係数が得られる。しかしながら、この繊維含量は、受容可能な壁厚での金属に奏功する剛性増加効果を得るには小さ過ぎる。従って、この形式の層構造は、軽量構成にとっては適さない。

従って、２０〜８０℃の温度範囲において、カーボンファイバー強化ポリマー又はグラスファイバー強化ポリマーの使用によるありふれた手法では、簡単には鋼の熱膨張係数は得られないことが見出され、その結果、ここでは特に、ポリマー材料を強化するためにグラスファイバーとカーボンファイバーの混合物を使用する必要がある。既に上述のように、これは、カーボンファイバーを伴うプライ及びグラスファイバーを伴うプライの双方の選択的な使用によっても、或いは選択的に、単一のプライ又は個々の層内へのカーボンファイバー及びグラスフィアバーの混合によっても達成され得る。カーボンファイバーを伴うプライとグラスファイバーを伴うプライの双方が第２層に選択的に使用される場合、それらのプライ中のカーボンファイバーの含量とグラスファイバーの含量は、例として、プライ中に使用される繊維量が異なるといったように異なっていてもよい。しかしながら、繊維総含量のうちに異なる繊維含量を達成するための好ましい選択では、何れの場合も繊維体積及びマトリクス材料の体積に基づいて、夫々のプライ中に同一の繊維含量を用いるべきであり、しかしそれは繊維総含量のうちに異なる含量を達成し、ここで、それらプライ及び個々の層の夫々は、互いの厚さが異なるように設計されなければならない。

第１層の材料の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を伴う繊維強化材料の使用に対する別の可能性は、例として、第２層内のグラスファイバーの含量が体積で３０％を超え且つ第１層用の材料がアルミニウムである場合、例えば第２層の繊維強化材料に固着された非強化フィルムの形での、非強化の中間層の付加的な使用である。

熱可塑性ポリマーがマトリクス材料として使用される場合、第２層の複数のプライと個々の層の固着は、そのマトリクス材料が加熱され且つそのプライ及び個々の層及び任意の中間層が互いに重合され且つ圧力を受けている中で、溶着によって達成されるのが好ましい。選択的に、複数のプライ及び個々の層、及び任意の中間層は、互いに接着されることも可能である。

第２層の第１層への固着は、同様に、例として、接着によって達成される。これは、ポリマー材料の固化中の収縮を通じて積層体中に応力及び歪みが生じることなく、繊維強化ポリマー材料が最初に製造され且つ固化されるという有利を有する。

しかしながら、接着の代替の別の可能性は、第２層の統合のための過程における付着促進剤の直接的な使用による積層体の固着である。しかしながら、第１及び第２層の接着が好ましい。接着の場合には、層間の接着を改善するために、付着促進剤を付加的に使用することも可能である。

車体構築において接着系によせる必要性は、塗装工程の前か後のどちらで接着が実行されなければならないかという企図に決定的な大きさで依存する。原則的に、冷間硬化接着剤は、高い硬化温度による大きな内部応力を回避するという有利を有する。しかしながら、この形式の接着剤の使用は、塗装工程の後でのみ得策である。この理由は、まず、熱間硬化システムだけが、カチオン電着塗装（２００℃）中に生じる温度に対する十分な耐性を提供するからである。第２に、単一成分の熱間硬化接着剤は、ある程度まで吸収油を許容する。接着剤は、原則的に、構造用接着剤、弾性接着剤、及びシール接着剤に広く分類される。この分類は、本質的に、接着層の厚さから、及び接着剤の弾性から派生する。例として、構造用接着剤又は弾性接着剤は、構成要素の要求表面特性に依存して、第１層の第２層への固着用の接着剤として適応する。典型的な熱硬化単一成分構造用接着剤はDELO Industrie Klebstoffe GmbH & Co KGaA社製のDelomonopox 6093であり、熱硬化ゴム系単一成分弾性接着剤はTeroson RB 5191 GBであり、熱硬化ゴム系単一成分高弾性下塗り接着剤はTeroson RB 3210 Hであり、後者の２つの接着剤はHenkel AG & Co. KGaAによって販売される。

付着促進剤は、一般的に、第１層と接着剤の間、又は第１層と第２層の間の接着を改善する物質とみなされる。付着促進剤として使用可能な材料の中では、原則的に、低分子量型と高分子付着促進剤とに区別することができる。この低分子量型付着促進剤は、しばしば、まず表面に定着され、次いで重合又は共重合されるアンカー基を有する重合可能分子である。これと対照的に、高分子系付着促進剤の特徴は、付着促進剤内にあり、且つ材料に付与される以前に高分子中に固着された形で既に存在する、接着に重要な官能基である。使用準備済みの高分子でできている付着促進剤は、中でも、使用準備済みのマトリクスポリマーと共に使用することができる。共重合に基づくホットメルト接着剤の入手可能な典型的な例は、例として商標VESTAMELT（登録商標）である。適応する高分子付着促進剤及びそれらの特性は、工学修士Konrad Burlonによる論文“Blockcopolymere als Haftvermittler fuer Kunststoff-Metallverbuende”[Block copolymers as adhesion promoters for plastics-metal composites], TU Darmstadt, 2012にも記述される。

第２層の厚さは、積層体の要求される特性、及び使用される繊維材料、及びまた繊維含量に依存する。通常、第２層の厚さは、好ましくは、０．５〜５ｍｍの範囲内である。第２層が複数のプライ及び／又は個別の層、及び／又は中間層で構成される場合、ここで意図する意味は、第２層を構成する全てのプライ及び／又は個別の層及び／又は中間層の全構成である。

肉厚が０．５〜０．６３ｍｍの鋼シートの一方の面に、平行配列（一方向性）連続フィラメント繊維を伴う市販のテープを付着した。ここでは、グラスファイバーを含む複数のテープと共にカーボンファイバーを含む複数のテープも使用した。グラスファイバーを含むテープの繊維体積含量は体積で４０％であり、それらの厚さは０．２５ｍｍである。カーボンファイバーを含むテープの繊維体積含量は体積で４９％であり、それらの厚さは０．１６ｍｍである。グラスファイバーを含むテープも、カーボンファイバーを含むテープも、マトリクス材料として熱可塑性ポリアミド６を含む。

鋼又はアルミニウムのシートの繊維強化プラスチックでできているシートへのねじ接合を経て、ここではねじ接合部間の自由長が３４０ｍｍである、夫々が、鋼又はアルミニウムと繊維強化プラスチックとでできている積層体を作成した。オーブン内で１００℃の温度まで加熱して、最終的な複合体を得た。特に、ここでは、複合体の湾曲方向及び湾曲の全体の程度が興味深い。ここで、湾曲の方向は、２つの層のどちらがより大きな熱膨張係数を有するかを示す。ここでは、より大きな熱膨張係数の材料が凸側にある。湾曲の程度もまた、熱膨張係数間の差の大きさの定性的な影響を提供する。湾曲の簡易な記録を許容するために、夫々の積層体は、オーブン内の平坦な金属の輪郭の上に置かれる。比較可能とする理由で、その金属輪郭の上に繊維強化プラスチックからでできている層がくるように夫々の積層体を置いた。

まず、比較用に、カーボンファイバーが一方向にのみ配向された積層体を作成し、その繊維方向と平行な湾曲と共にその繊維方向と垂直な湾曲も記録した。実質的に、繊維方向と垂直に繊維強化プラスチックのより大きな膨張が見られたのに対し、繊維方向と平行には鋼シートの膨張の方が大きかった。

熱膨張係数が鋼又はアルミニウムのシートのそれに一致する繊維強化プラスチック製シートの作成のために、カーボンファイバーを含むテープ及びグラスファイバーを含むテープでできており、夫々のテープ、即ち個別の層が互いに対して６０°回転された個々のプライを作成した。この形式のプライ構造は、例として記号（60/0/-60）によって特徴づけられる。準等方性のために、グラスファイバー及びまたカーボンファイバーの夫々が３つの繊維方向内に存在するように、一つのプライは、互いに対して夫々６０°で回転された同一の繊維材料でできている３つの個別の層を常に有する。

最初の実験では、カーボンファイバーを含む層に対するグラスファイバーを含む層の層厚さ比が０．６４になるように、カーボンファイバー強化テープのプライとグラスファイバー強化テープのプライを夫々同数ずつ用いて、シート厚さが２．４６ｍｍの繊維強化プラスチックを作成した。それらのプライは、厚さ方向に対称に配置した。ここでは、繊維強化プラスチックでできているシートの熱膨張は、鋼のシートのそれよりも小さかった。

第２の実験では、カーボンファイバーを含むテープでできている１つのプライ、次いでグラスファイバーを含むテープでできている３つのプライ、及び最後にカーボンファイバーを含むテープでできているもう１つのプライで構成され、シート厚さが３．２１ｍｍの繊維強化プラスチックを作成した。この層構造の場合でも、繊維強化プラスチックでできているシートの熱膨張は、鋼のシートのそれよりも小さかった。

第３の実験では、カーボンファイバー強化テープを伴う２つのプライとグラスファイバーを含むテープでできている４つのプライとから、再び、それらを厚さ方向に対称に配置して、厚さ３．９６ｍｍのシートを作成した。先の実験と同様、その結果的な熱膨張は、ここでも、鋼シートのそれよりも小さかった。

第４の実験では、厚さ０．１ｍｍのポリアミド６のフィルムでできている付加的で補足的な中間層を伴って、第３の実験と同様に、繊維強化プラスチック構造を作成した。カーボンファイバーを含むテープの２つのプライ、グラスファイバーを含むテープの４つのプライ、及びポリアミドフィルムの１つの中間層の夫々でできているこの構造は、繊維強化プラスチックでできている厚さ４．１６ｍｍのシートを提供する。そして、２０〜８０℃の温度範囲におけるこのシートの熱膨張係数は鋼シートのそれと同じであり、これは、鋼シートも繊維強化プラスチックでできているシートも何らの湾曲も示さなかった事実から明らかである。

従って、この異なる繊維材料を伴う複数のプライ及び個別の層及び繊維強化されていない任意の中間層の積み重ねは、第１層の金属のそれと同じ熱膨張係数の繊維強化プラスチックを提供し、その結果、加熱時でさえ、第１層と第２層の熱膨張の相違による応力が生じない積層体の製造を可能とする。

第１〜第３の実験でさえ、鋼シートの湾曲は、ここでは、寸法的に安定した積層体を実現できそうなほど極めて僅かであった。

鋼シートの実験に加えて、アルミニウムシートについての実験も行った。

ここで第５の実験では、グラスファイバーのみを含む繊維強化プラスチックでできている、シートの厚さが１．５ｍｍであるシートを作成した。このシートは、互いの表面に対称に積み重ねられ、夫々６０°の角度の３つの繊維方向内で相互に重ねられたテープを夫々含む、２つのプライで構成される。結果としてのシートの熱膨張係数は、アルミニウムシートのそれよりも小さかった。

第６の実験では、以下の順序、即ち互いに夫々６０°の角度の３つの繊維方向内で相互に重ねられたテープを含む１つのプライ、繊維のない、厚さ０．５ｍｍのポリアミドフィルムでできている中間層、及びグラスファイバー強化テープからでできている更なる１つのプライ、を用いる繰り返しプライで構成される、厚さ２ｍｍのシートを作成した。２０〜８０℃の温度範囲におけるこのシートの熱膨張は、アルミニウムシートのそれと同等であり、これは、アルミニウムシートも繊維強化プラスチックでできているシートも何らの湾曲も示さなかったことに認められる。

ここで再び、適切な層構造は、アルミニウムのそれと同じ熱膨張係数を提供することができることが見出される。

この実験に加えて、方程式１〜５に関する計算のための上記原理に従って夫々の熱膨張係数を算出した。ここでは、膨張係数の算出値と実測値の間に定性的な一致が見出された。

Claims (11)

1. 第１材料でできている第１層及び連続フィラメント繊維で強化されたポリマーでできている第２層で構成され、前記第１層及び第２層が平面的に互いに固着された積層体において、
   前記第２層内の連続フィラメント繊維は、少なくとも３つの繊維方向に配向され、前記３つの繊維方向は、前記第１層と平行に向いている平面内に位置し、且つ、前記繊維の含量は、前記第２層の熱膨張係数が前記第１層の熱膨張係数と本質的に一致するように調整され、前記第１層の材料は金属であり、連続フィラメント繊維で強化されたポリマーの前記繊維含量の総量は体積で１〜７０％の範囲内であり、更に、
   ｉ）前記第２層は、繊維強化ポリマーからなる、互いに対して個々に回転された複数の個別の層で構成され、又は、
   ｉｉ）前記第２層は、連続フィラメント繊維を有する複数のプライを有し、プライ内の前記連続フィラメント繊維は、互いに対して回転された複数の繊維方向内に存在し、及び
   夫々の前記繊維方向の繊維の量の、他の繊維方向の繊維の量との差は体積で５％未満であることを特徴とする、積層体。
2. 夫々の前記繊維方向の繊維の配向の、前記繊維の意図された配向からの差は５°未満である、請求項１に記載の積層体。
3. 前記所定繊維方向間の角度は、何れの場合も同等である、請求項１又は２に記載の積層体。
4. 種々の繊維材料が使用される場合、夫々の前記繊維方向の何れかの繊維材料の前記繊維含量の、他の繊維方向のこの繊維材料の前記繊維含量との差は、体積で５％以下である、請求項１乃至３の何れか１項に記載の積層体。
5. 連続フィラメント繊維で強化されたポリマー内に含まれる前記繊維は、織物又は連続フィラメント繊維平行配列の形をとる、請求項１乃至４の何れか１項に記載の積層体。
6. 選択肢ｉ）で、前記第２層は、繊維強化でないポリマーでできた中間層を付加的に備える、請求項１に記載の積層体。
7. 連続フィラメント繊維で強化された層の前記ポリマー材料は、熱硬化性ポリマー及び熱可塑性ポリマーから選択される、請求項１乃至６の何れか１項に記載の積層体。
8. 前記繊維は、グラスファイバー、カーボンファイバー、アラミド繊維、チタン酸カリウム繊維、鉱物繊維、天然繊維、ポリマー繊維、及びそれらの混合物から選択される、請求項１乃至７の何れか１項に記載の積層体。
9. 複数の繊維材料が使用される場合、前記繊維方向の夫々における各繊維材料の含量は同一である、請求項１乃至８の何れか１項に記載の積層体。
10. 前記金属は、鋼、アルミニウム、マグネシウム、及びチタンから選択される、請求項１乃至９の何れか１項に記載の積層体。
11. 前記第１層の厚さは、０．２〜１．２ｍｍの範囲内であり、及び／又は、前記第２層の厚さは、０．５〜５ｍｍの範囲内である、請求項１乃至１０の何れか１項に記載の積層体。