JP6964502B2 - 複合材料の接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、複合材料の製造方法及び複合材料に関する。

樹脂と強化繊維とを含む複合材料は、金属材料よりも軽量であり、さらに比強度及び比剛性が高いため、航空機の部材など、様々な用途に用いられる。通常、このような複合材料により部材を成形する際、強化繊維に樹脂が含浸されたシート状のプリプレグを積層して成形する。このように成形する複合材料は、積層方向に沿った強度が、強化繊維の延在方向に沿った強度よりも低くなることがある。特許文献１には、プリプレグの複数層にわたってピンを差し込んで成形することにより、積層方向に沿った強度を高くして、層間の剥離を抑制する旨が記載されている。

特開２０１０−５２２６５５号公報

しかし、このようなピンは、複合材料層から抜けてしまうおそれがあり、層間の剥離を抑制する技術には、改善の余地がある。

本発明は、上述した課題を解決するものであり、層間の剥離を抑制する複合材料の接合方法及び複合材料を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係る複合材料の接合方法は、強化繊維を含む第１複合材料と第２複合材料とを、樹脂を含浸させて接合する複合材料の接合方法であって、前記第１複合材料の表面に、互いに異なる方向に突出する複数の突起を有する、複数の突起部材を配置する突起部材配置ステップと、前記第１複合材料の表面の前記突起部材が配置された箇所に、前記第２複合材料を配置する第２複合材料配置ステップと、前記突起部材を前記第１複合材料の内部及び前記第２複合材料の内部に導入させつつ、前記第１複合材料と前記第２複合材料とを接触させる導入ステップと、前記第１複合材料及び前記第２複合材料に含浸した樹脂を硬化させることで、前記突起部材が内部に導入された状態で、前記第１複合材料と前記第２複合材料とを接合する接合ステップと、を有する。

この接合方法は、第１複合材料と第２複合材料とを、突起部材が内部に導入された状態で接合するため、層間の剥離を抑制することができる。

前記第１複合材料及び前記第２複合材料に含浸する樹脂は、熱可塑性樹脂であり、前記導入ステップにおいて、前記第１複合材料及び前記第２複合材料に含浸した樹脂を加熱して溶融させることで、前記突起部材を前記第１複合材料及び前記第２複合材料の内部に導入させ、前記接合ステップにおいて、前記第１複合材料及び前記第２複合材料に含浸した樹脂を冷却することで硬化させることが好ましい。この接合方法は、熱可塑性樹脂を用いた複合材料において、層間の剥離を好適に抑制することができる。

前記突起部材配置ステップにおいて、樹脂中に複数の前記突起部材が含まれる突起部材層を、前記第１複合材料の表面に形成することが好ましい。この接合方法は、突起部材を、第１複合材料及び第２複合材料の内部に適切に導入させることができる。

前記突起部材は、強化繊維に樹脂が含浸した複合材によって形成されることが好ましい。この接合方法は、突起部材の第１複合材料及び第２複合材料に対する接着性を向上させつつ、層間の剥離を好適に抑制することができる。

前記突起部材は、所定の長さの複数の強化繊維と樹脂とを含む原材料を、所定の圧力下で加熱した後冷却して多孔性の中間材料を形成し、前記中間材料を破砕することで形成されることが好ましい。この接合方法は、第１複合材料及び第２複合材料に対して接着性が高い突起部材を、容易に製造することが可能となる。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係る複合材料は、強化繊維に樹脂が含浸した第１複合材料層と、前記第１複合材料層に接合され、強化繊維に樹脂が含浸した第２複合材料層と、前記第１複合材料層の内部から前記第２複合材料層の内部にわたって設けられ、互いに異なる方向に突出する複数の突起が設けられる複数の突起部材と、を有する。この複合材料は、第１複合材料と第２複合材料とが、突起部材が内部に導入された状態で接合されているため、層間の剥離を抑制することができる。

本発明によれば、層間の剥離を抑制することができる。

図１は、本実施形態に係る複合材料の構成を示す模式的な断面図である。 図２は、第１複合材料と第２複合材料の模式的な断面図である。 図３は、本実施形態に係る突起部材の模式的な斜視図である。 図４は、本実施形態に係る突起部材の製造方法を説明する図である。 図５は、第１複合材料と第２複合材料との接合方法を説明する説明図である。 図６は、第１複合材料と第２複合材料との接合状態の他の例を示す図である。 図７は、第１複合材料と第２複合材料との接合方法の他の例を示す図である。

以下に添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。

図１は、本実施形態に係る複合材料の構成を示す模式的な断面図である。本実施形態に係る複合材料１０は、航空機などの製品に用いられる部材であるが、用途はそれに限られない。また、以下、方向Ｘと、方向Ｘに直交する方向Ｙと、方向Ｘ及び方向Ｙに直交する方向Ｚを規定する。

図１に示すように、本実施形態に係る複合材料１０は、第１複合材料層としての第１複合材料１２と、第２複合材料層としての第２複合材料１４と、突起部材１６とを有する。図１に示す複合材料１０は、成形後、すなわち第１複合材料１２と第２複合材料１４が接合後の形態を示している。複合材料１０は、第１複合材料１２と第２複合材料１４とが積層、より詳しくは接合されている。さらに、第１複合材料１２と第２複合材料１４とが接合されている領域に、複数の突起部材１６が設けられている。すなわち、突起部材１６は、第１複合材料１２の内部から第２複合材料１４の内部にわたって設けられており、複合材料１０の外部に露出していない。

図２は、第１複合材料と第２複合材料の模式的な断面図である。図２に示すように、第１複合材料１２は、強化繊維２２と、樹脂２４とを含む複合材であり、さらに言えば、強化繊維２２に樹脂２４が含浸した複合材である。強化繊維２２は、樹脂２４よりも強度が高い繊維である。強化繊維２２は、材質が炭素である炭素繊維（Carbon Fiber）である。ただし、強化繊維２２は、炭素繊維に限られず、他のプラスチック繊維、ガラス繊維又は金属繊維でもよい。

樹脂２４は、所定の温度まで加熱すると溶融する熱可塑性樹脂である。樹脂２４は、熱可塑性の樹脂として、例えば、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、及びポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等が用いられる。すなわち、本実施形態では、第１複合材料１２は、炭素繊維強化熱可塑性プラスチック（ＣＦＲＴＰ；Carbon Fiber Reinforced Thermo Plastics）である。ただし、樹脂２４は、熱可塑性樹脂であることに限られず、例えば熱硬化性樹脂であってもよい。熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂が用いられる。

図２に示すように、第１複合材料１２は、複合材料層２０が方向Ｚに沿って複数積層して構成されている。複合材料層２０は、母材である樹脂２４の層内に、複数の強化繊維２２が並んでいる層である。ただし、複合材料層２０同士は接合されているため、複合材料層２０同士に界面は無いといえる。従って、複合材料層２０とは、強化繊維２２とそれらの強化繊維２２を覆う樹脂２４との層であるといえる。複合材料層２０の方向Ｚに沿った厚みＤ１は、０．０１ｍｍ以上１ｍｍ以下であるが、それに限られない。

本実施形態では、第１複合材料１２は、複合材料層２０において、強化繊維２２が方向Ｘに沿って並んでいる。また、図２に示すように、第１複合材料１２は、母材である樹脂２４内に、複数の強化繊維２２が方向Ｙに沿って延在している。すなわち、第１複合材料１２は、一方向材、言い換えればＵＤ（Uni Direction）材である。ただし、強化繊維２２は、複数が配列して任意の一方向に向かって延在するものであれば、方向Ｙに沿って延在することに限られない。また、本実施形態では、強化繊維２２が同じ方向に延在しているが、複合材料層２０毎に、強化繊維２２の延在方向が異なってもよい。また、第１複合材料１２は、強化繊維２２の延在方向が一方向にのみ向いていなくてもよく、強化繊維２２の延在方向が複数の方向を向いていてもよい。また、第１複合材料１２は、複合材料層２０内において、互いに異なる方向（例えばＸ方向及びＹ方向）に延在する強化繊維２２同士が織り込まれていてもよい。すなわち、複合材料層２０は、クロス材であってもよい。

第２複合材料１４は、複合材料層２０が方向Ｚに沿って積層された積層体であり、強化繊維２２に樹脂２４が含浸した複合材である。すなわち、第２複合材料１４は、第１複合材料１２と同じ構造である。ただし、第２複合材料１４は、強化繊維２２に樹脂２４が含浸した複合材であれば、例えば第１複合材料１２と強化繊維２２の延在方向が異なるなど、第１複合材料１２と異なる構造であってもよい。

第１複合材料１２と第２複合材料１４とは、互いに接合されている。第１複合材料１２と第２複合材料１４とは、互いの樹脂２４が混合されて接合しているため、第１複合材料１２と第２複合材料１４との間に、界面は存在しない。

なお、図２に示すように、第１複合材料１２は、複合材料層２０同士の間に、ピン１８を設けてもよい。ピン１８は、積層されている一方の複合材料層２０の樹脂２４から、他方の複合材料層２０の樹脂２４までにわたって、方向Ｚに延在するように設けられている。ピン１８は、強化繊維２２と同材料の繊維の周囲に樹脂２４と同材料の樹脂層が設けられた部材である。ピン１８は、複合材料層２０同士を積層する際に、複合材料層２０同士を貫くように配置される。ピン１８は、後述する加熱成形時に、樹脂層が溶融して、繊維が残る。この繊維が複合材料層２０同士にわたって設けられているため、複合材料層２０同士の層間強度を向上させることができる。また、ピン１８は、樹脂が熱硬化性樹脂であってもよい。この場合、加熱成形時においてピン１８全体が硬化するため、複合材料層２０同士の層間強度を向上させることができる。また、ピン１８は、表面に接着剤が塗布されていることがより好ましい。これにより、複合材料層２０への接着力が向上する。ただし、ピン１８の材料はこれに限られず任意である。また、ピン１８は、第２複合材料１４同士の間にも設けられてよい。

次に、突起部材１６について説明する。図３は、本実施形態に係る突起部材の模式的な斜視図である。図３に示すように、突起部材１６は、複数の突起３２を有する部材である。それぞれの突起３２は、互いに異なる方向に突出している。言い換えれば、突起部材１６は、突起３２が全て同じ方向に延在するものでなく、他の突起３２と延在する方向が異なる突起３２を有しているものであるといえる。より詳しくは、突起部材１６は、複数の突起３２が、母材部３０の外周面から、それぞれ異なる方向を向いて放射状に延在している。ここで、突起部材１６の中心Ｏを通る平面を、平面Ｐとする。この場合、突起部材１６は、平面Ｐに垂直な方向のうちの一方向側に延在する突起３２と、平面Ｐに垂直な方向のうちの他方向側に延在する突起３２とを、少なくとも有している。これにより、突起部材１６は、一方向側に延在する突起３２が、第１複合材料１２に差し込まれ、他方向側に延在する突起３２が、第２複合材料１４に差し込まれることが可能となる。

また、突起３２は、突起部材１６に３つ以上設けられていることが好ましい。ただし、突起部材１６は、突起３２が２つであってもよいが、この場合は、突起３２同士の突出方向が直線状に並ばず、突起３２同士の突出方向が傾斜した鉤状となっている。図３の例では、突起３２は、先端が尖った円錐形状であるが、形状はそれに限られない。また、突起部材１６は、複数の突起３２を有するものであれば、母材部３０が設けられなくてよい。すなわち、突起部材１６は、突起３２が母材部３０から突出する形状に限られない。突起部材１６は、母材部３０を有さずに、所定方向に延在する例えば針状の突起３２が、複数組み合わさったものであってもよい。また、ある突起３２から、別の突起３２が突出しているような形状であってもよい。

また、突起部材１６の粒径Ｄ２は、０．０１ｍｍ以上２ｍｍ以下であることが好ましい。また、突起３２の粒径Ｄ２は、複合材料層２０の厚みＤ１に対して、０．１倍以上２倍以下であることが好ましい。ただし、突起部材１６の粒径Ｄ２は、上記の長さに限られず任意であってよい。なお、突起部材１６の粒径Ｄ２とは、突起部材１６の外径のうち最も長いものを指す。例えば、粒径Ｄ２は、ある突起３２の先端から、突起部材１６の中心を通って他の突起３２の先端までの距離のうち、最も長いものである。粒径Ｄ２は、例えば、レーザ回折・散乱法によって求められた粒度分布に基づき求められた粒径であってよい。この場合、例えば、粒径Ｄ２は、レーザ回折・散乱法によって求められた全ての突起部材１６の粒径（円相当径）の、平均値であってよい。ただし、粒径Ｄ２の求め方は、これに限られず、他の方法で求めてもよい。

このような形状の突起部材１６は、図１に示すように、第１複合材料１２の内部から第２複合材料１４の内部にわたって設けられている。より詳しくは、突起部材１６は、一部の突起３２が第１複合材料１２内に導入されつつ、他の突起３２が第２複合材料１４の内部に導入されている。従って、突起部材１６は、第１複合材料１２と第２複合材料１４とを、接続（物理的に締結）しているということができる。また、複数の突起部材１６は、方向Ｘ及び方向Ｙに沿って、散らばって設けられている。より詳しくは、複数の突起部材１６は、第１複合材料１２及び第２複合材料１４の面内に均一に設けられていることが好ましい。なお、複数の突起部材１６は、少なくとも一部の突起部材１６が、第１複合材料１２の内部から第２複合材料１４の内部にわたって設けられていればよく、必ずしも全ての突起部材１６が、第１複合材料１２の内部から第２複合材料１４の内部にわたって設けられていなくてもよい。また、図１の例では、突起部材１６は、方向Ｚに沿って複数設けられていないが、方向Ｚに沿って複数設けられてもよい。

また、図１に示すように、突起部材１６は、第１複合材料１２及び第２複合材料１４の接合面付近の領域に位置しており、第１複合材料１２と第２複合材料１４との内部の深い領域には位置していない。すなわち、第１複合材料１２の、第２複合材料１４との接合面側の箇所を、領域１２Ｓとし、領域１２Ｓよりも第２複合材料１４と反対側の箇所を、領域１２Ｔとする。この場合、突起部材１６は、領域１２Ｓ内に位置しているが、領域１２Ｔ内に位置していない。ここで、領域１２Ｓの方向Ｚに沿った厚みを、厚みＤ３とし、第１複合材料１２の方向Ｚに沿った厚みを、厚みＤ４とする。この場合、厚みＤ３は、厚みＤ４の０．００１倍以上１倍以下であることが好ましい。

また、第２複合材料１４の、第１複合材料１２との接合面側の箇所を、領域１４Ｓとし、領域１４Ｓよりも第１複合材料１２と反対側の箇所を、領域１４Ｔとする。この場合、突起部材１６は、領域１４Ｓ内に、より詳しくは領域１２Ｓから領域１４Ｓにわたって位置しているが、領域１４Ｔ内に位置していない。ここで、領域１４Ｓの方向Ｚに沿った厚みを、厚みＤ５とし、第２複合材料１４の方向Ｚに沿った厚みを、厚みＤ６とする。この場合、厚みＤ５は、厚みＤ６の０．００１倍以上１倍以下であることが好ましい。

突起部材１６は、強化繊維４４に樹脂４２ａが含浸した複合材によって形成される。突起部材１６の強化繊維４４は、第１複合材料１２の強化繊維２２と同じ炭素繊維であるが、プラスチック繊維、ガラス繊維又は金属繊維など他の材料で形成されていてもよい。また、突起部材１６の樹脂４２ａも、第１複合材料１２の樹脂２４と同じ材料の熱可塑性樹脂であるが、樹脂２４と異なる材料であってもよいし、熱硬化性樹脂であってもよい。突起部材１６は、内部に強化繊維４４が設けられ、その強化繊維４４を、樹脂４２ａが覆った部材である。ただし、突起部材１６は、強化繊維４４に樹脂４２ａが含浸した複合材であることに限られない。例えば、突起部材１６は、樹脂２４よりも、高温特性があり、樹脂２４との親和性が高い材料で構成されていてもよい。高温特性があるとは、例えば、樹脂２４よりも融点が高いことなどが挙げられる。また、樹脂２４との親和性が高い材料とは、樹脂２４と結合しやすい材料を指す。このような突起部材１６の材料としては、例えば、ＰＢＩ（登録商標 Poly Benz Imnidazol；ポリベンゾイミダゾール）樹脂、ＰＥＫＥＫＫ（Poly Ether Ketone Ether Ketone Ketone；ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン）樹脂が挙げられる。

次に、突起部材１６の製造方法について説明する。図４は、本実施形態に係る突起部材の製造方法を説明する図である。図４に示すように、突起部材１６を製造する際、最初に、容器４０内に、原材料として、樹脂４２と強化繊維４４とを投入する（ステップＳ１０）。樹脂４２は、樹脂２４と同材料の熱可塑性樹脂であり、硬化した状態となっている。本実施形態では、例えば小片状の複数の樹脂４２を、容器４０内に投入する。また、容器４０内には、所定の長さの強化繊維４４が複数投入される。すなわち、強化繊維４４は、チョップドファイバーとして、容器４０内に投入される。容器４０内に小片状の樹脂４２とチョップドの強化繊維４４とを投入したら、容器４０内に強化繊維４４が均一に散らばるように、容器４０内の樹脂４２と強化繊維４４とを掻き混ぜる。これにより、強化繊維４４は、様々な方向を向く。

その後、容器４０内に樹脂４２と強化繊維４４とが充填された状態で、容器４０内の樹脂４２を加熱させ、樹脂４２を溶融させる（ステップＳ１２）。この場合、例えば、容器４０の外部から容器４０ごと、樹脂４２を、樹脂４２の融点以上の温度まで加熱する。また、加熱する際に、容器４０内の圧力を、所定の圧力に保持する。この場合の所定の圧力は、例えば−１ＭＰａ以上５ＭＰａ以下であり、すなわち、比較的低圧に保持する。加熱により、樹脂４２が溶融して、溶融した樹脂４２が、樹脂４２同士の空隙や、樹脂４２と強化繊維４４との間の空隙を満たす。また、強化繊維４４には、溶融した樹脂４２が含浸する。

このように樹脂４２を溶融させた後、加熱を停止して、樹脂４２を融点以下まで冷却して、中間材料１６Ａを生成する。この冷却の際も、容器４０内の圧力は、所定の圧力に保持される。溶融した樹脂４２を冷却することにより、樹脂４２が硬化して樹脂４２ａとなる。また、圧力が低圧に保持されているため、冷却により生成される樹脂４２ａの内部には、複数の空孔４６が生じる。すなわち、樹脂４２の冷却で生成する中間材料１６Ａは、樹脂４２ａと、強化繊維４４と、空孔４６とを有した部材となる。さらに詳しく言えば、中間材料１６Ａは、硬化した樹脂４２ａの層の内部に、互いに異なる方向に延在する複数の強化繊維４４が散らばり、かつ、樹脂４２ａの層の内部に複数の空孔４６が設けられた、多孔性の複合材となる。

中間材料１６Ａを生成した後、中間材料１６Ａを容器４０から取り出す（ステップＳ１４）。そして、取り出した中間材料１６Ａを破砕することにより、複数の突起部材１６を生成する（ステップＳ１６）。中間材料１６Ａは、外部から衝撃を与えることで、空孔４６を起点に破砕される。そして、破砕された中間材料１６Ａのかけらのそれぞれが、複数の突起部材１６となる。中間材料１６Ａは多孔性であるため、破砕により生じたかけらである突起部材１６は、複数の突起３２を有した形状となる。そして、突起部材１６は、それぞれの突起３２が、強化繊維４４を樹脂４２ａで覆ったものとなる。突起部材１６は、複数の突起３２を有する部材であれば、互いに形状が異なっていてもよい。なお、突起３２は、強化繊維４４の少なくとも一部が、樹脂４２ａで覆われずに露出していてもよい。

突起部材１６は、以上のように製造される。ただし、突起部材１６の製造方法は、これに限られず任意である。

次に、第１複合材料１２と第２複合材料１４との接合方法について説明する。図５は、第１複合材料と第２複合材料との接合方法を説明する説明図である。図５に示すように、第１複合材料１２と第２複合材料１４とを接合する際、まず、成形前の第１複合材料１２及び第２複合材料１４と、突起部材１６を準備する。本実施形態においては、樹脂２４は熱可塑性樹脂であるため、成形前の第１複合材料１２及び第２複合材料１４は、硬化した状態となっている。一方、樹脂２４として熱硬化性樹脂を用いた場合、準備する成形前の第１複合材料１２及び第２複合材料１４は、樹脂２４の硬化前のプリプレグの状態である。

そして、第１複合材料１２を基台部６０上に配置し、第１複合材料１２の表面１２Ａに、突起部材１６を配置する（ステップＳ２０；突起部材配置ステップ）。より詳しくは、第１複合材料１２の背面１２Ｂを基台部６０に接触させることで、第１複合材料１２を基台部６０上に配置する。なお、表面１２Ａは、第１複合材料１２の方向Ｚに沿った一方側の表面であり、背面１２Ｂは、第１複合材料１２の方向Ｚに沿った他方側の表面である。

そして、基台部６０上の第１複合材料１２の表面１２Ａ上に、突起部材層１５を形成する。突起部材層１５は、樹脂層１７の内部に複数の突起部材１６が設けられた層である。樹脂層１７は、樹脂の層であり、例えば、第１複合材料１２の樹脂２４と同じ材料である。突起部材層１５は、樹脂層１７内に突起部材１６が散らばっている。従って、第１複合材料１２の表面１２Ａ上に突起部材層１５を形成することで、第１複合材料１２の表面１２Ａに、複数の突起部材１６が配置される。なお、突起部材層１５は、硬化した状態であるが、例えば樹脂層１７として硬化前の熱硬化性樹脂を用いた、ペースト状の層であってもよい。突起部材層１５の方向Ｚに沿った厚みは、第１複合材料１２の方向Ｚに沿った厚みより薄い。

突起部材層１５は、突起部材１６を、突起３２が方向Ｚに沿って突出するように配置することが好ましい。例えば、突起部材層１５中の樹脂層１７を溶融した状態で、突起部材層１５に方向Ｘに沿って電流を印加することで、突起部材１６の突起３２を、方向Ｚに沿って配列させることができる。なお、ステップＳ２０においては、必ずしも突起部材層１５を形成しなくてもよく、例えば、基台部６０上の第１複合材料１２の表面１２Ａ上に、複数の突起部材１６を配置してもよい。

その後、第１複合材料１２の表面１２Ａの突起部材１６が配置された箇所に、第２複合材料１４を配置する（ステップＳ２２；第２複合材料配置ステップ）。より詳しくは、突起部材層１５の、第１複合材料１２側の表面１５Ａと反対側の表面１５Ｂ上に、第２複合材料１４を配置する。すなわち、第２複合材料１４の表面１４Ａを、突起部材層１５の表面１５Ｂに接触させる。これにより、第１複合材料１２と第２複合材料１４とが、間に突起部材層１５（突起部材１６）を介して積層された状態となる。そして、第２複合材料１４の背面１４Ｂを、ヘッド部６２で押圧することで、第１複合材料１２と突起部材層１５と第２複合材料１４とを、方向Ｚに沿って押圧する。なお、表面１４Ａは、第２複合材料１４の方向Ｚに沿った他方側の表面であり、背面１４Ｂは、第２複合材料１４の方向Ｚに沿った一方側の表面である。

第２複合材料１４を配置した状態では、第１複合材料１２と第２複合材料１４とは硬化した状態である。従って、突起部材１６は、第１複合材料１２と第２複合材料１４との間に位置しており、第１複合材料１２及び第２複合材料１４の内部に進入していない。そのため、第２複合材料１４を配置した後、突起部材１６を第１複合材料１２及び第２複合材料１４の内部に導入させ、第１複合材料１２と第２複合材料１４とを接触させる（ステップＳ２４；導入ステップ）。より詳しくは、第１複合材料１２の樹脂２４と第２複合材料１４の樹脂２４とを、樹脂２４の融点以上まで加熱することで、樹脂２４を溶融させる。これにより、樹脂２４が流動するため、ヘッド部６２の押圧により、突起部材１６が、第１複合材料１２の内部及び第２複合材料１４の内部に進入する。より詳しくは、突起部材層１５の樹脂層１７も溶融して、第１複合材料１２及び第２複合材料１４の樹脂２４に混ざり合う。そして、突起部材１６は、ヘッド部６２の押圧により、第１複合材料１２及び第２複合材料１４の樹脂２４の層内に進入する。これにより、第１複合材料１２と第２複合材料１４とが接触して融着する。そして、第１複合材料１２の内部から第２複合材料１４の内部にわたって、突起部材１６が配置される。なお、この場合、例えば第１複合材料１２と第２複合材料１４とを外側（例えば基台部６０及びヘッド部６２側）から加熱することで、突起部材１６の温度を、第１複合材料１２及び第２複合材料１４の温度より低く維持させてもよい。

また、第１複合材料１２と第２複合材料１４とを外側から加熱する以外の加熱方法として、以下も可能である。例えば、樹脂層１７の内部、又は第１複合材料１２や第２複合材料１４の内部に、電磁場発熱体を設けておく。電磁場発熱体とは、電磁場を印加すると発熱する物質である。この電磁波発熱体に電磁場を印加して発熱させることで、接触している第１複合材料１２と第２複合材料１４とを容易に溶融させることができる。また、例えば、第１複合材料１２、第２複合材料１４、突起部材１６、及び樹脂層１７の樹脂を、互いに軟化点が異なる樹脂にしてもよい。この場合、例えば、突起部材１６の樹脂の軟化点を、第１複合材料１２、第２複合材料１４、及び樹脂層１７の樹脂の軟化点よりも高くする。これにより、突起部材１６以外の部材を溶融させて、突起部材１６が第１複合材料１２と第２複合材料１４とに刺さりやすくすることができる。その後、突起部材１６の樹脂を溶融することで、その樹脂を他の樹脂と一体化させることができる。なお、同じ樹脂（例えばＰＥＥＫ樹脂）であっても、成分調整により、軟化点を変化させることができる。
また、第１複合材料１２、第２複合材料１４、及び樹脂層１７の樹脂が熱硬化性樹脂である場合、押圧して突起部材１６が第１複合材料１２及び第２複合材料１４に刺さった後に、これらの熱硬化性樹脂を加熱して硬化させる。これにより、突起部材１６の熱可塑性樹脂とこれらの熱硬化性樹脂とが混ざりやすくすることができる。

その後、第１複合材料１２の樹脂２４と第２複合材料１４の樹脂２４とを硬化させることで、第１複合材料１２と第２複合材料１４とを、突起部材１６が内部に導入された状態で、接合する（ステップＳ２６；接合ステップ）。より詳しくは、第１複合材料１２の樹脂２４と第２複合材料１４の樹脂２４とを冷却することで、第１複合材料１２と第２複合材料１４とを、突起部材１６が内部に導入された状態で、接合する。これにより、図１に示す複合材料１０の製造が完了する。

なお、樹脂２４として熱硬化性樹脂を用いた場合、樹脂２４は硬化前の状態なので、ステップＳ２４において、樹脂２４を加熱しない。この場合は、ステップＳ２４において、樹脂２４を加熱せずに、ヘッド部６２で第１複合材料１２と突起部材層１５と第２複合材料１４と押圧する。この押圧により、突起部材１６は、硬化前の第１複合材料１２の内部及び第２複合材料１４の内部に進入する。そして、ステップＳ２６において、第１複合材料１２の樹脂２４と第２複合材料１４の樹脂２４とを加熱することで硬化させて、第１複合材料１２と第２複合材料１４とを、突起部材１６が内部に導入された状態で、接合する。

また、図５の説明では、第１複合材料１２と第２複合材料１４とは、成形前の最初の状態から、強化繊維２２に樹脂２４が含浸した状態となっている。ただし、第１複合材料１２と第２複合材料１４とは、ステップＳ２６（接合ステップ）までは、樹脂２４を含まず、強化繊維２２のみを含んだ状態であってもよい。この場合、例えば、ステップＳ２２において、樹脂２４を含まない第１複合材材料１２と第２複合材料１４とを、突起部材層１５を介して積層する。そして、その後、第１複合材材料１２と第２複合材料１４とに、未硬化の樹脂２４を流入させて、第１複合材材料１２と第２複合材料１４との強化繊維２２に樹脂２４を含浸させる。この樹脂２４を含浸させるステップは、ステップＳ２４の前であっても、同時であっても、後であってもよい。その後のステップＳ２６（接合ステップ）は、図５の説明と同様である。また、第１複合材料１２と第２複合材料１４との一方だけを、ステップＳ２６（接合ステップ）まで、樹脂２４が含浸していない状態としてもよい。

以上説明したように、本実施形態に係る複合材料１０は、第１複合材料１２（第１複合材料層）と、第２複合材料１４（第２複合材料層）と、複数の突起部材１６とを有する。第１複合材料１２は、強化繊維２２に樹脂２４が含浸した複合材料の層である。第２複合材料１４は、第１複合材料１２に接合され、強化繊維２２に樹脂２４が含浸した複合材料の層である。また、突起部材１６は、第１複合材料１２の内部から第２複合材料１４の内部にわたって設けられる。突起部材１６は、互いに異なる方向に突出する複数の突起３２が設けられる。

この複合材料１０は、第１複合材料１２と第２複合材料１４とが、互いに接合しつつ、さらに、突起部材１６が、第１複合材料１２の内部から第２複合材料１４の内部にわたって設けられている。この突起部材１６は、第１複合材料１２と第２複合材料１４とを、物理的に締結する。さらに、この突起部材１６は、互いに異なる方向に延在する複数の突起３２を有している。従って、この突起部材１６は、第１複合材料１２と第２複合材料１４とから抜けにくくなる。従って、この複合材料１０は、第１複合材料１２と第２複合材料１４との層間の剥離を抑制することができる。

また、本実施形態に係る複合材料の接合方法は、強化繊維２２を含む第１複合材料１２と、強化繊維２２を含む第２複合材料１４とを、樹脂２４を含浸させて接合する方法である。この接合方法は、突起部材配置ステップと、第２複合材料配置ステップと、導入ステップと、接合ステップとを有する。突起部材配置ステップにおいては、第１複合材料１２の表面１２Ａに複数の突起部材１６を配置する。この突起部材１６は、互いに異なる方向に突出する複数の突起３２を有する。また、第２複合材料配置ステップにおいては、第１複合材料１２の表面１２Ａの突起部材１６が配置された箇所に、第２複合材料１４を配置する。そして、導入ステップにおいては、突起部材１６を第１複合材料１２の内部及び第２複合材料１４の内部に導入させつつ、第１複合材料１２と第２複合材料１４とを接触させる。そして、接合ステップにおいては、第１複合材料１２及び第２複合材料１４に含浸した樹脂２４を硬化させることで、突起部材１６が内部に導入された状態で、第１複合材料１２と第２複合材料１４とを接合する。

この接合方法によると、第１複合材料１２と第２複合材料１４とを、突起部材１６が内部に導入された状態で、接合する。従って、第１複合材料１２と第２複合材料１４とを、突起部材１６によって物理的に締結しつつ、接合することができる。さらに、この突起部材１６は、互いに異なる方向に延在する複数の突起３２を有している。従って、この突起部材１６は、第１複合材料１２と第２複合材料１４とから抜けにくくなる。従って、この接合方法によると、第１複合材料１２と第２複合材料１４との層間の剥離を抑制することができる。

また、第１複合材料１２及び第２複合材料１４に含浸する樹脂２４は、熱可塑性樹脂である。そして、導入ステップにおいては、第１複合材料１２及び第２複合材料１４に含浸した樹脂２４を加熱して溶融させることで、突起部材１６を第１複合材料１２及び第２複合材料１４の内部に導入させる。また、接合ステップにおいては、第１複合材料１２及び第２複合材料１４に含浸した樹脂２４を、冷却することで硬化させる。この接合方法は、熱可塑性樹脂である樹脂２４を加熱して溶融することで、樹脂２４を柔らかくして、突起部材１６を第１複合材料１２及び第２複合材料１４の樹脂２４の層の内部に導入可能とする。そして、その後、樹脂２４を冷却することで、突起部材１６が内部に導入された状態で、第１複合材料１２と第２複合材料１４とを硬化させ、接合する。この接合方法によると、熱可塑性樹脂を用いた複合材料において、第１複合材料１２と第２複合材料１４との層間の剥離を好適に抑制することができる。

また、突起部材配置ステップにおいて、樹脂（樹脂層１７）中に複数の突起部材１６が含まれる突起部材層１５を、第１複合材料１２の表面１２Ａに形成する。この接合方法は、突起部材１６が含まれる突起部材層１５を、第１複合材料１２の表面１２Ａに形成することで、突起部材１６を、第１複合材料１２の表面１２Ａに適切に形成して、突起部材１６を、第１複合材料１２及び第２複合材料１４の内部に適切に導入させることができる。

また、突起部材１６は、強化繊維４４に樹脂４２ａが含浸した複合材によって形成される。この接合方法によると、強化繊維４４に樹脂４２ａが含浸した複合材を突起部材１６として用いることで、突起部材１６の第１複合材料１２及び第２複合材料１４に対する接着性を向上させつつ、第１複合材料１２と第２複合材料１４との層間の剥離を好適に抑制することができる。

また、突起部材１６は、多孔性の中間材料１６Ａを破砕することで、形成される。中間材料１６Ａは、所定の長さの複数の強化繊維４４と樹脂４２とを含む原材料を、所定の圧力下で加熱した後冷却して形成される。このように突起部材１６を形成することで、第１複合材料１２及び第２複合材料１４に対して接着性が高い突起部材１６を、容易に製造することが可能となる。

図６は、第１複合材料と第２複合材料との接合状態の他の例を示す図である。図５の説明では、第１複合材料１２と第２複合材料１４とを、全面で接合させていたが、図６に示すように、一部の面同士を接合させてもよい。この場合、突起部材１６は、接合させる一部の面にのみ設ければよい。また、突起部材１６は、接合する面の全域において均等に設けられているが、それに限られない。例えば、接合する面の端部において突起部材１６の数を多く配置し、接合する面の端部以外において、突起部材１６の数を少なくしてもよい。これにより、応力が高くなる端部の接合力を向上させ、剥離を好適に抑制できる。また逆に、接合する面の中央部における突起部材１６の数を多く配置し、接合する面の端部における突起部材１６の数を少なくしてもよい。接合する面の中央部は、接合力が低くなる傾向にあるが、突起部材１６の数を多く配置することで、中央部での接合力を好適に向上させることができる。

図７は、第１複合材料と第２複合材料との接合方法の他の例を示す図である。突起部材１６を第１複合材料１２及び第２複合材料１４の内部に導入させる導入ステップは、図７に示すように行ってもよい。すなわち、図７に示すように、第２複合材料１４を、第１複合材料１２に対して、積層方向（方向Ｚ）に直交する方向、すなわち表面に沿った方向に、往復移動させる。この移動により、複数の突起３２を有する突起部材１６が擦れて発熱し、第１複合材料１２及び第２複合材料１４の樹脂２４をより早く溶融することが可能となる。すなわち、導入ステップにおいては、振動融着を行ってもよい。

以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態の内容により実施形態が限定されるものではない。また、前述した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、前述した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。さらに、前述した実施形態の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。

１０ 複合材料
１２ 第１複合材料
１２Ａ、１４Ａ 表面
１４ 第２複合材料
１６ 突起部材
２２ 強化繊維
２４ 樹脂
３２ 突起

Claims (5)

1. 強化繊維を含む第１複合材料と第２複合材料とを、樹脂を含浸させて接合する複合材料の接合方法であって、
   前記第１複合材料の表面に、互いに異なる方向に突出する複数の突起を有する、複数の突起部材を配置する突起部材配置ステップと、
   前記第１複合材料の表面の前記突起部材が配置された箇所に、前記第２複合材料を配置する第２複合材料配置ステップと、
   前記突起部材を前記第１複合材料の内部及び前記第２複合材料の内部に導入させつつ、前記第１複合材料と前記第２複合材料とを接触させる導入ステップと、
   前記第１複合材料及び前記第２複合材料に含浸した樹脂を硬化させることで、前記突起部材が内部に導入された状態で、前記第１複合材料と前記第２複合材料とを接合する接合ステップと、を有し、
   前記突起部材配置ステップにおいて、樹脂中に複数の前記突起部材が含まれる突起部材層を、前記第１複合材料の表面に形成し、
   前記突起部材は、強化繊維に樹脂が含浸した複合材によって形成される、
   複合材料の接合方法。
2. 強化繊維を含む第１複合材料と第２複合材料とを、樹脂を含浸させて接合する複合材料の接合方法であって、
   前記第１複合材料の表面に、互いに異なる方向に突出する複数の突起を有する、複数の突起部材を配置する突起部材配置ステップと、
   前記第１複合材料の表面の前記突起部材が配置された箇所に、前記第２複合材料を配置する第２複合材料配置ステップと、
   前記突起部材を前記第１複合材料の内部及び前記第２複合材料の内部に導入させつつ、前記第１複合材料と前記第２複合材料とを接触させる導入ステップと、
   前記第１複合材料及び前記第２複合材料に含浸した樹脂を硬化させることで、前記突起部材が内部に導入された状態で、前記第１複合材料と前記第２複合材料とを接合する接合ステップと、を有し、
   前記突起部材は、強化繊維に樹脂が含浸した複合材によって形成され、所定の長さの複数の強化繊維と樹脂とを含む原材料を、所定の圧力下で加熱した後冷却して多孔性の中間材料を形成し、前記中間材料を破砕することで形成される、
   複合材料の接合方法。
3. 前記第１複合材料及び前記第２複合材料に含浸する樹脂は、熱可塑性樹脂であり、
   前記導入ステップにおいて、前記第１複合材料及び前記第２複合材料に含浸した樹脂を加熱して溶融させることで、前記突起部材を前記第１複合材料及び前記第２複合材料の内部に導入させ、
   前記接合ステップにおいて、前記第１複合材料及び前記第２複合材料に含浸した樹脂を冷却することで硬化させる、
   請求項１又は請求項２に記載の複合材料の接合方法。
4. 前記突起部材配置ステップにおいて、樹脂中に複数の前記突起部材が含まれる突起部材層を、前記第１複合材料の表面に形成する、請求項２に記載の複合材料の接合方法。
5. 前記突起部材は、所定の長さの複数の強化繊維と樹脂とを含む原材料を、所定の圧力下で加熱した後冷却して多孔性の中間材料を形成し、前記中間材料を破砕することで形成される、請求項１に記載の複合材料の接合方法。

Images