JP7147965B2 - 金属-炭素繊維強化樹脂材料複合体及び金属-炭素繊維強化樹脂材料複合体の製造方法 - Google Patents

金属-炭素繊維強化樹脂材料複合体及び金属-炭素繊維強化樹脂材料複合体の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、金属-炭素繊維強化樹脂材料複合体及び金属-炭素繊維強化樹脂材料複合体の製造方法に関する。
強化繊維(例えば、ガラス繊維、炭素繊維等)をマトリックス樹脂に含有させて複合化した繊維強化プラスチック(FRP:Fiber Reinforced Plastics)は、軽量で引張強度や加工性等に優れる。そのため、民生分野から産業用途まで広く利用されている。自動車産業においても、燃費、その他の性能の向上につながる車体軽量化のニーズを満たすため、FRPの軽量性、引張強度、加工性等に着目し、自動車部材へのFRPの適用が検討されている。
中でも、炭素繊維を強化繊維として用いる炭素繊維強化プラスチック(CFRP:Carbon Fiber Reinforced Plastics)は、炭素繊維の強度に起因して、特に軽量であり、引張強度に特に優れているため、自動車部材をはじめとした様々な用途において有望な材料である。
一方で、CFRPのマトリックス樹脂は、一般に、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂であるため脆性を有していることから、変形すると脆性破壊する可能性がある。また、熱硬化性樹脂をマトリックス樹脂として用いるCFRPは、塑性変形しないことから、一度硬化させてしまうと曲げ加工ができない。更に、CFRPは、一般に高価であり、自動車部材等の各種部材のコストアップの要因となる。
一方で、CFRPの上述したような利点を維持しつつ、これらの問題点を解決するため、最近では、金属部材とCFRPとを積層して一体化(複合化)させた金属部材-CFRP複合材料が検討されている。金属部材は延性を有していることから、このような金属部材と複合化することで、脆性が低下し、複合材料を変形・加工できる。更に、低価格の金属部材とCFRPを複合化することで、CFRPの使用量を減らすことができるため、自動車部材のコストを低下させることができる。
ところで、CFRP中の炭素繊維は、良好な導電体である。従って、CFRPと接触した金属部材が電気的に導通し、電食作用によって腐食する現象(異種材料接触腐食)が生じうる。このような異種材料接触腐食を防止するために、従来、いくつかの提案がなされている。
例えば以下の特許文献1には、炭素繊維強化樹脂成形品のマトリックス樹脂中に粒子状又はオイル状のシリコーン化合物を分散させた、金属部品と接触状態で使用される炭素繊維強化樹脂成形品が提案されている。
また、以下の特許文献2には、金属製締結部材とCFRP積層板との間に非導電性スリーブ及びガラス繊維強化樹脂等の非導電性シートを配置した、繊維強化樹脂部材が提案されており、以下の特許文献3には、炭素繊維強化樹脂材と金属製のカラーの当接部とを絶縁性の接着剤を介して接着させた炭素繊維強化樹脂材の締結構造が提案されている。
特開2014-162848号公報 国際公開第2016/021259号 国際公開第2016/117062号
しかしながら、上記特許文献1で提案されている成形品は、炭素繊維強化樹脂成形品の表面をシリコーンにより撥水性を付与したものであり、炭素繊維と金属部品との導通を防止したものではない。従って、十分に異種材料接触腐食を抑制することは困難である。また、上記特許文献2及び特許文献3で提案されている技術は、あくまでも金属部材と炭素繊維強化樹脂材との接合に関するものであり、金属-炭素繊維強化樹脂材料複合体に単純には適用できない。
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、金属部材の腐食、特に異種材料接触腐食を十分に抑制することが可能な、金属-炭素繊維強化樹脂材料複合体及び金属-炭素繊維強化樹脂材料複合体の製造方法を提供することにある。
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討を行った結果、炭素繊維強化樹脂材料中に、電気抵抗が高く、かつ、防錆機能を有する絶縁性に優れた所定の無機塩からなる無機塩粒子を直接含有させてスペーサーとして機能させることで、炭素繊維強化樹脂材料中に含まれる炭素繊維が金属部材と接触することを防止でき、かつ、腐食環境下において、上記の無機塩粒子が溶け出して炭素繊維に沈着することで炭素繊維と金属材との絶縁性を高め、炭素繊維強化樹脂材料そのものの耐食性も向上させることが可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。
上記知見に基づき完成された本発明の要旨は、以下の通りである。
[1]金属部材と、前記金属部材の表面の少なくとも一部に位置しており、マトリックス樹脂と、当該マトリックス樹脂中に存在する炭素繊維材料と、23~27℃における粉体抵抗率が7.0×10[Ω・cm]超であり、かつ、クロム酸イオン、二クロム酸イオン、リン酸イオン、リン酸水素イオン、リン酸二水素イオン、二リン酸イオン、三リン酸イオン、オルトバナジン酸イオン、ピロバナジン酸イオン、メタバナジン酸イオンからなる群から選択される1種以上のイオンの無機塩からなる無機塩粒子と、を含有する炭素繊維強化樹脂材料と、を備え、前記マトリックス樹脂は、フェノキシ樹脂を含む、金属-炭素繊維強化樹脂材料複合体
[2] 前記無機塩粒子は、トリポリリン酸二水素アルミニウム、クロム酸ストロンチウム、クロム酸カリウム、クロム酸カルシウム、バナジン酸カリウム、バナジン酸マグネシウム、及びバナジン酸カルシウムからなる群より選択される1種以上からなる、[1]に記載の金属-炭素繊維強化樹脂材料複合体。
]前記炭素繊維材料の繊維束の平均の太さD[μm]とし、前記無機塩粒子の平均粒径をr[μm]としたときに、D/r≧10の関係を満足する、[1]又は[2]に記載の金属-炭素繊維強化樹脂材料複合体。
]前前記無機塩粒子の平均粒径は、0.10μm以上10.00μm以下である、[1]~[]の何れか1つに記載の金属-炭素繊維強化樹脂材料複合体。
]前記炭素繊維強化樹脂材料における前記無機塩粒子の体積率が、5%以上30%以下である、[1]~[]の何れか1つに記載の金属-炭素繊維強化樹脂材料複合体。
]前記炭素繊維強化樹脂材料の強化繊維密度(Volume Fraction:VF)は、30%以上70%以下である、[1]~[]の何れか1つに記載の金属-炭素繊維強化樹脂材料複合体。
]前記マトリックス樹脂は、熱可塑性樹脂を含む、[1]~[]の何れか1つに記載の金属-炭素繊維強化樹脂材料複合体。
]前記金属部材の材質は、鉄鋼材料、鉄系合金、チタン又はアルミニウムである、[1]~[]の何れか1つに記載の金属-炭素繊維強化樹脂材料複合体。
]前記鉄鋼材料は、めっき鋼材である、[]に記載の金属-炭素繊維強化樹脂材料複合体。
10]金属部材の少なくとも一方の面上に、マトリックス樹脂と、炭素繊維材料と、23~27℃における粉体抵抗率が7.0×10[Ω・cm]超であり、かつ、クロム酸イオン、二クロム酸イオン、リン酸イオン、リン酸水素イオン、リン酸二水素イオン、二リン酸イオン、三リン酸イオン、オルトバナジン酸イオン、ピロバナジン酸イオン、メタバナジン酸イオンからなる群から選択される1種以上のイオンの無機塩からなる無機塩粒子と、を含有する炭素繊維強化樹脂材料、又は、前記マトリックス樹脂と、前記炭素繊維材料と、前記無機塩粒子と、を含有する炭素繊維強化樹脂材料プリプレグを配置した後、前記金属部材と、前記炭素繊維強化樹脂材料又は前記炭素繊維強化樹脂材料プリプレグと、を熱圧着する、金属-炭素繊維強化樹脂材料複合体の製造方法。
11]前記金属部材は、前記炭素繊維強化樹脂材料又は前記炭素繊維強化樹脂材料プリプレグが配置されるのに先立ち、任意の形状に加工されている、[10]に記載の金属-炭素繊維強化樹脂材料複合体の製造方法。
12]前記金属部材と、前記炭素繊維強化樹脂材料又は前記炭素繊維強化樹脂材料プリプレグと、が熱圧着された後に、得られた熱圧着体が任意の形状に加工される、[10]に記載の金属-炭素繊維強化樹脂材料複合体の製造方法。
以上説明したように本発明によれば、金属部材の腐食、特に異種材料接触腐食を十分に抑制することが可能となる。
本発明の実施形態に係る金属-繊維強化樹脂材料複合体の断面構造を示す模式図である。 同実施形態に係る金属-繊維強化樹脂材料複合体の別の態様の断面構造を示す模式図である 厚みの測定方法について説明するための説明図である。 同実施形態に係る金属-繊維強化樹脂材料複合体の製造工程の一例を示す説明図である。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
(実施形態)
<金属-炭素繊維強化樹脂材料複合体の構成について>
まず、図1及び図2を参照しながら、本発明の第1の実施形態に係る金属-繊維強化樹脂材料複合体の構成について説明する。図1及び図2は、本実施形態に係る金属-繊維強化樹脂材料複合体の一例としての金属-炭素繊維強化樹脂材料複合体1の積層方向における断面構造を示す模式図である。
図1に示すように、金属-炭素繊維強化樹脂材料(CFRP)複合体1は、金属部材10と、炭素繊維強化樹脂材料(CFRP層)20と、を備える。金属部材10及びCFRP層20は、互いに複合化されている。ここで、「複合化」とは、金属部材10及びCFRP層20が、互いに接合され(貼り合わされ)、一体化していることを意味する。また、「一体化」とは、金属部材10及びCFRP層20が、加工や変形の際、一体として動くことを意味する。
また、本実施形態においては、CFRP層20は、所定のマトリックス樹脂と、マトリックス樹脂中に存在する炭素繊維材料と、23~27℃における粉体抵抗率が7.0×10[Ω・cm]超であり、かつ、防錆機能を有する、Cr、P、及びVから選択される1種以上の元素の無機塩からなる無機塩粒子と、を含有する。これにより、本実施形態に係る金属-CFRP複合体1の耐食性、特に異種材料接触腐食に関する耐食性が向上している。
以下、金属-CFRP複合体1の各構成について、詳述する。
[金属部材10について]
金属部材10の材質、形状及び厚み等は、プレス等による成形加工が可能であれば特に限定されるものではないが、形状は薄板状が好ましい。金属部材10の材質としては、例えば、鉄、チタン、アルミニウム、マグネシウム及びこれらの合金等が挙げられる。ここで、合金の例としては、例えば、鉄系合金(ステンレス鋼含む)、Ti系合金、Al系合金、Mg系合金等が挙げられる。金属部材10の材質は、鉄鋼材料、鉄系合金、チタン及びアルミニウムであることが好ましく、他の金属種に比べて弾性率が高い鉄鋼材料であることがより好ましい。そのような鉄鋼材料としては、例えば、自動車に用いられる薄板状の鋼板として日本工業規格(JIS)等で規格された一般用、絞り用あるいは超深絞り用の冷間圧延鋼板、自動車用加工性冷間圧延高張力鋼板、一般用や加工用の熱間圧延鋼板、自動車構造用熱間圧延鋼板、自動車用加工性熱間圧延高張力鋼板をはじめとする鉄鋼材料があり、一般構造用や機械構造用として使用される炭素鋼、合金鋼、高張力鋼等も薄板状に限らない鉄鋼材料として挙げることができる。
鉄鋼材料には、任意のめっきが施されていてもよい。ここで、めっきとは、例えば、亜鉛めっき及びアルミニウムめっき等の各種めっき、また、めっきの合金化や複数種の表面処理、例えば化成処理が施されていてもよい。表面処理としては、少なくとも防錆性の付与を目的とした処理が行われていることが好ましい。
特に、鉄鋼材料の中でも亜鉛系めっき処理が施されためっき鋼材は、耐食性に優れていることから好ましい。金属部材10として特に好ましいめっき鋼材としては、例えば、溶融亜鉛めっき鋼板、亜鉛合金めっき鋼板、もしくは、これらめっき鋼板を熱処理して亜鉛めっき中にFeを拡散させることで合金化させた合金化溶融亜鉛めっき鋼板、電気亜鉛めっき鋼板、電気Zn-Niめっき鋼板、溶融Zn-5%Al合金めっき鋼板や溶融55%Al-Zn合金めっき鋼板に代表される溶融Zn-Al合金めっき鋼板、溶融Zn-1~12%Al-1~4%Mg合金めっき鋼板や溶融55%Al-Zn-0.1~3%Mg合金めっき鋼板に代表される溶融Zn-Al-Mg合金めっき鋼板、Niめっき鋼板もしくはこれらめっき鋼板を熱処理してNiめっき中にFeを拡散させることで合金化させた合金化Niめっき鋼板、Alめっき鋼板、スズめっき鋼板、クロムめっき鋼板等を挙げることができる。これらめっき鋼板の中でも、亜鉛系めっき鋼板は、耐食性に優れ好適である。更に、Zn-Al-Mg合金めっき鋼板は、更に耐食性に優れるため、より好適である。
本実施形態に係る金属部材10の厚みは、特に限定されるものではないが、金属-CFRP複合体1に求められる強度や許容される厚み等に応じて、例えば、0.1~10.0mm程度とすることが好ましい。
ここで、金属部材10及びCFRP層20との接着性を向上させるために、金属部材10の表面は、化成処理により処理されていることが好ましい。化成処理により、金属部材10の表面に形成する皮膜は、Cr、P、Si及び/又はZrを含むことが好ましい。これにより、金属部材10の耐食性が一層向上し、また、金属部材10とCFRP層20との間の密着性が一層向上する。
化成処理としては、クロメート処理又は一般にクロメートフリー処理と呼ばれるものが好適である。クロメート処理とは、酸化クロムをベースとした皮膜を形成する処理であり、シリカが添加されていると接着剤との密着性が優れるため好適である。クロメートフリー処理とは樹脂を主体とした処理皮膜を形成する処理、ジルコニウム結合やシロキサン結合を含む無機の皮膜を形成する処理又は有機/無機複合の皮膜を形成する処理である。ジルコニウム結合を含む皮膜を得るためには、ジルコン酸塩を含む処理液で処理すると好適である。シロキサン結合を含む皮膜を得るためには、シランカップリング剤で処理すると好適である。また、トリアジンチオール誘導体で処理したものでも良い。シランカップリング剤としては、一般に公知のシランカップリング剤、例えば、γ-(2-アミノエチル)アミノプロピルトリメトキシシラン、γ-(2-アミノエチル)アミノプロピルメチルジメトキシシラン、γ-(2-アミノエチル)アミノプロピルトリエトキシシラン、γ-(2-アミノエチル)アミノプロピルメチルジエトキシシラン、γ-(2-アミノエチル)アミノプロピルメチルジメトキシシラン、γ-メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、γ-メタクリロキシプロピルメチルジメトキシシラン、γ-メタクリロキシプロピルトリエトキシシラン、γ-メタクリロキシプロピルメチルジエトキシシラン、N-β-(N-ビニルベンジルアミノエチル)-γ-アミノプロピルトリメトキシシラン、N-β-(N-ビニルベンジルアミノエチル)-γ-アミノプロピルメチルジメトキシシラン、N-β-(N-ビニルベンジルアミノエチル)-γ-アミノプロピルトリエトキシシラン、N-β-(N-ビニルベンジルアミノエチル)-γ-アミノプロピルメチルジエトキシシラン、γ-グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ-グリシドキシプロピルメチルジメトキシシラン、γ-グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、γ-グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、γ-メルカプトプロピルトリメトキシシラン、γ-メルカプトプロピルメチルジメトキシシラン、γ-メルカプトプロピルトリエトキシシラン、γ-メルカプトプロピルメチルジエトキシシラン、メチルトリメトキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、ビニルトリアセトキシシラン、γ-クロロプロピルトリメトキシシラン、γ-クロロプロピルメチルジメトキシシラン、γ-クロロプロピルトリエトキシシラン、γ-クロロプロピルメチルジエトキシシラン、ヘキサメチルジシラザン、γ-アニリノプロピルトリメトキシシラン、γ-アニリノプロピルメチルジメトキシシラン、γ-アニリノプロピルトリエトキシシラン、γ-アニリノプロピルメチルジエトキシシラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルメチルジメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、ビニルメチルジエトキシシラン、オクタデシルジメチル〔3-(トリメトキシシリル)プロピル〕アンモニウムクロライド、オクタデシルジメチル〔3-(メチルジメトキシシリル)プロピル〕アンモニウムクロライド、オクタデシルジメチル〔3-(トリエトキシシリル)プロピル〕アンモニウムクロライド、オクタデシルジメチル〔3-(メチルジエトキシシリル)プロピル〕アンモニウムクロライド、γ-クロロプロピルメチルジメトキシシラン、γ-メルカプトプロピルメチルジメトキシシラン、メチルトリクロロシラン、ジメチルジクロロシラン、トリメチルクロロシラン等を挙げることができる。グリシジルエーテル基を有するシランカップリング剤(例えば、グリシジルエーテル基を有するγ-グリシドキシプロピルトリメトキシシラン及びγ-グリシドキシプロピルトリエトキシシラン)を使用すると、塗膜の加工密着性は、特に向上する。更に、トリエトキシタイプのシランカップリング剤を使用すると、下地処理剤の保存安定性を向上させることができる。これは、トリエトキシシランが水溶液中で比較的安定であり、重合速度が遅いためであると考えられる。シランカップリング剤は、1種で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。トリアジンチオール誘導体としては、6-ジアリルアミノ-2,4-ジチオール-1,3,5-トリアジン、6-メトキシ-2,4-ジチオール-1,3,5-トリアジンモノナトリウム、6-プロピル-2,4-ジチオールアミノ-1,3,5-トリアジンモノナトリウム及び2,4,6-トリチオール-1,3,5-トリアジン等が例示される。
[CFRP層20について]
CFRP層20は、マトリックス樹脂201と、かかるマトリックス樹脂201中に含有され、複合化された炭素繊維材料203と、23~27℃における粉体抵抗率が7.0×10[Ω・cm]超であり、かつ、防錆機能を有する、Cr、P、及びVから選択される1種以上の元素の無機塩からなる無機塩粒子205と、を有している。
本実施形態に係るCFRP層20において、マトリックス樹脂201は、樹脂組成物の固化物又は硬化物であることができる。ここで、単に「固化物」というときは、樹脂成分自体が固化したものを意味し、「硬化物」というときは、樹脂成分に対して各種の硬化剤を含有させて硬化させたものを意味する。なお、硬化物に含有されうる硬化剤には、後述するような架橋剤も含まれ、上記の「硬化物」は、架橋形成された架橋硬化物を含むものとする。
◇樹脂組成物
マトリックス樹脂201を構成する樹脂組成物は、熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂のいずれも使用することができるが、熱可塑性樹脂を主成分とすることが好ましい。マトリックス樹脂201に用いることができる熱可塑性樹脂の種類は、特に制限されないが、例えば、フェノキシ樹脂、ポリオレフィン及びその酸変性物、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、AS樹脂、ABS樹脂、ポリエチレンテレフタレートやポリブチレンテレフタレート等の熱可塑性芳香族ポリエステル、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンエーテル及びその変性物、ポリフェニレンスルフィド、ポリオキシメチレン、ポリアリレート、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、並びにナイロン等から選ばれる1種以上を使用できる。なお、「熱可塑性樹脂」には、後述する第2の硬化状態である架橋硬化物となり得る樹脂も含まれる。また、マトリックス樹脂201に用いることができる熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂、及び、ウレタン樹脂から選ばれる1種以上を使用することができる。
ここで、マトリックス樹脂201が熱可塑性樹脂を含有した場合、CFRPのマトリックス樹脂に熱硬化性樹脂を用いたときの問題点、すなわち、CFRP層20が脆性を有すること、タクトタイムが長いこと、曲げ加工ができないこと等の問題点を解消することができる。ただし、通常、熱可塑性樹脂は、溶融したときの粘度が高く、熱硬化前のエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂のように低粘度の状態で炭素繊維材料203に含浸させることができないことから、炭素繊維材料203に対する含浸性に劣る。そのため、熱硬化性樹脂をマトリックス樹脂201として用いた場合のように、CFRP層20中の強化繊維密度(VF:Volume Fraction)を上げることができない。例えば、エポキシ樹脂をマトリックス樹脂201として用いた場合には、VFを60%程度とすることができるが、ポリプロピレンやナイロン等の熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂201として用いた場合には、VFが50%程度となってしまう。また、ポリプロピレンやナイロン等の熱可塑性樹脂を用いると、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を用いたときのようにCFRP層20が高い耐熱性を有することができない。
このような熱可塑性樹脂を用いたときの問題を解消するには、マトリックス樹脂201として、フェノキシ樹脂を使用することが好ましい。フェノキシ樹脂は、エポキシ樹脂と分子構造が酷似しているため、エポキシ樹脂と同程度の耐熱性を有し、また、金属部材10との接着性が良好となる。さらに、フェノキシ樹脂に、エポキシ樹脂のような硬化成分を添加して共重合させることで、いわゆる部分硬化型樹脂とすることができる。このような部分硬化型樹脂をマトリックス樹脂201として使用することにより、炭素繊維材料203への含浸性に優れるマトリックス樹脂とすることができる。更には、この部分硬化型樹脂中の硬化成分を熱硬化させることで、通常の熱可塑性樹脂のようにCFRP層20中のマトリックス樹脂201が高温に曝された際に溶融又は軟化することを抑制できる。フェノキシ樹脂への硬化成分の添加量は、炭素繊維材料203への含浸性と、CFRP層20の脆性、タクトタイム及び加工性等とを考慮し、適宜決めればよい。このように、フェノキシ樹脂をマトリックス樹脂201として使用することで、自由度の高い硬化成分の添加と制御を行うことが可能となる。
なお、例えば、炭素繊維材料203の表面には、エポキシ樹脂と馴染みのよいサイジング剤が施されていることが多い。フェノキシ樹脂は、エポキシ樹脂の構造と酷似していることから、マトリックス樹脂201としてフェノキシ樹脂を使用することにより、エポキシ樹脂用のサイジング剤をそのまま使用することができる。そのため、コスト競争力を高めることができる。
また、熱可塑性樹脂の中でもフェノキシ樹脂は、良成形性を備え、炭素繊維材料203や金属部材10との接着性に優れる他、酸無水物やイソシアネート化合物、カプロラクタム等を架橋剤として使用することで、成形後に高耐熱性の熱硬化性樹脂と同様の性質を持たせることもできる。よって、本実施形態では、マトリックス樹脂201の樹脂成分として、樹脂成分100質量部に対してフェノキシ樹脂を50質量部以上含む樹脂組成物の固化物又は硬化物を用いることが好ましい。このような樹脂組成物を使用することによって、金属部材10を強固に接合することが可能になる。樹脂組成物は、樹脂成分100質量部のうちフェノキシ樹脂を55質量部以上含むことがより好ましい。接着樹脂組成物の形態は、例えば、粉体、ワニス等の液体、フィルム等の固体とすることができる。
なお、フェノキシ樹脂の含有量は、以下のように、赤外分光法(IR:InfraRed spectroscopy)を用いて測定可能であり、赤外分光法で対象とする樹脂組成物からフェノキシ樹脂の含有割合を分析する場合、透過法やATR反射法等、赤外分光分析の一般的な方法を使うことで、測定することができる。
鋭利な刃物等でCFRP層20を削り出し、可能な限り繊維及び粒状体をピンセット等で除去して、CFRP層20から分析対象となる樹脂組成物をサンプリングする。透過法の場合は、KBr粉末と分析対象となる樹脂組成物の粉末とを乳鉢等で均一に混合しながら潰すことで薄膜を作製して、試料とする。ATR反射法の場合は、透過法同様に粉末を乳鉢で均一に混合しながら潰すことで錠剤を作製して、試料を作製しても良いし、単結晶KBr錠剤(例えば直径2mm×厚み1.8mm)の表面にヤスリ等で傷をつけ、分析対象となる樹脂組成物の粉末をまぶして付着させて試料としても良い。いずれの方法においても、分析対象となる樹脂と混合する前のKBr単体におけるバックグラウンドを測定しておくことが重要である。IR測定装置は、市販されている一般的なものを用いることができるが、精度としては吸収(Absorbance)は1%単位で、波数(Wavenumber)は1cm-1単位で区別が出来る分析精度をもつ装置が好ましく、例えば、日本分光株式会社製のFT/IR-6300等が挙げられる。
フェノキシ樹脂の含有量を調査する場合、フェノキシ樹脂の吸収ピークは、例えば1450~1480cm-1、1500cm-1近傍、1600cm-1近傍等に存在する。そのため、予め作製しておいた、上記吸収ピークの強度とフェノキシ樹脂の含有量との関係を示した検量線と、測定された吸収ピークの強度と、に基づいて、フェノキシ樹脂の含有量を計算することが可能である。
ここで、「フェノキシ樹脂」とは、2価フェノール化合物とエピハロヒドリンとの縮合反応、又は2価フェノール化合物と2官能エポキシ樹脂との重付加反応から得られる線形の高分子であり、非晶質の熱可塑性樹脂である。フェノキシ樹脂は、溶液中又は無溶媒下で従来公知の方法で得ることができ、粉体、ワニス及びフィルムのいずれの形態でも使用することができる。フェノキシ樹脂の平均分子量は、質量平均分子量(Mw)として、例えば、10,000以上200,000以下の範囲内であるが、好ましくは20,000以上100,000以下の範囲内であり、より好ましくは30,000以上80,000以下の範囲内である。フェノキシ樹脂のMwを10,000以上の範囲内とすることで、成形体の強度を高めることができ、この効果は、Mwを20,000以上、更には30,000以上とすることで、更に高まる。一方、フェノキシ樹脂のMwを200,000以下とすることで、作業性や加工性に優れるものとすることができ、この効果は、Mwを100,000以下、更には80,000以下とすることで、更に高まる。なお、本明細書におけるMwは、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)で測定し、標準ポリスチレン検量線を用いて換算した値とする。
本実施形態で用いるフェノキシ樹脂の水酸基当量(g/eq)は、例えば、50以上1000以下の範囲内であるが、好ましくは50以上750以下の範囲内であり、より好ましくは50以上500以下の範囲内である。フェノキシ樹脂の水酸基当量を50以上とすることで、水酸基が減ることで吸水率が下がるため、硬化物の機械物性を向上させることができる。一方、フェノキシ樹脂の水酸基当量を1,000以下とすることで、水酸基が少なくなるのを抑制できるので、被着体との親和性を向上させ、金属-CFRP複合体1の機械物性を向上させることができる。この効果は、水酸基当量を750以下、更には500以下とすることで、更に高まる。
また、フェノキシ樹脂のガラス転移温度(Tg)は、例えば、65℃以上150℃以下の範囲内のものが適するが、好ましくは70℃以上150℃以下の範囲内である。Tgが65℃以上であると、成形性を確保しつつ、樹脂の流動性が大きくなりすぎることを抑制できるため、CFRP層20の厚みを十分に確保できる。一方、Tgが150℃以下であると、溶融粘度が低くなるため、強化繊維基材にボイド等の欠陥なく含浸させることが容易となり、より低温の接合プロセスとすることができる。なお、本明細書における樹脂のTgは、示差走査熱量測定装置を用い、10℃/分の昇温条件で、20~280℃の範囲内の温度で測定し、セカンドスキャンのピーク値より計算された数値である。
フェノキシ樹脂としては、上記の物性を満足するものであれば特に限定されないが、好ましいものとして、ビスフェノールA型フェノキシ樹脂(例えば、新日鉄住金化学株式会社製フェノトートYP-50、フェノトートYP-50S、フェノトートYP-55Uとして入手可能)、ビスフェノールF型フェノキシ樹脂(例えば、新日鉄住金化学株式会社製フェノトートFX-316として入手可能)、ビスフェノールAとビスフェノールFの共重合型フェノキシ樹脂(例えば、新日鉄住金化学株式会社製YP-70として入手可能)、上記に挙げたフェノキシ樹脂以外の臭素化フェノキシ樹脂やリン含有フェノキシ樹脂、スルホン基含有フェノキシ樹脂等の特殊フェノキシ樹脂(例えば、新日鉄住金化学株式会社製フェノトートYPB-43C、フェノトートFX293、YPS-007等として入手可能)等を挙げることができる。これらの樹脂は、1種を単独で、又は2種以上を混合して使用できる。
マトリックス樹脂201の樹脂成分として用いる熱可塑性樹脂は、160~250℃の範囲内の温度域のいずれかで、溶融粘度が3,000Pa・s以下になるものが好ましく、90Pa・s以上2,900Pa・s以下の範囲内の溶融粘度となるものがより好ましく、100Pa・s以上2,800Pa・s以下の範囲内の溶融粘度となるものが更に好ましい。160~250℃の範囲内の温度域における溶融粘度が3,000Pa・s以下とすることにより、溶融時の流動性が良くなり、CFRP層20にボイド等の欠陥が生じにくくなる。一方、溶融粘度が90Pa・s以上である場合には、樹脂組成物は、脆化が生じない程度の分子量を有しており、金属-CFRP複合体1の機械的強度を維持することができる。
また、マトリックス樹脂201を構成する樹脂組成物は、上述した樹脂組成物に対し、架橋性樹脂組成物が配合されたものであってもよい。フェノキシ樹脂(以下、「フェノキシ樹脂(A)」ともいう。)を含有する樹脂組成物に、例えば、酸無水物、イソシアネート、カプロラクタム等を架橋剤として配合することにより、架橋性樹脂組成物とすることもできる。架橋性樹脂組成物は、フェノキシ樹脂(A)に含まれる2級水酸基を利用して架橋反応させることにより、樹脂組成物の耐熱性が向上するため、より高温環境下で使用される部材への適用に有利となる。フェノキシ樹脂(A)の2級水酸基を利用した架橋形成には、架橋硬化性樹脂(B)と架橋剤(C)を配合した架橋性樹脂組成物を用いることが好ましい。架橋硬化性樹脂(B)としては、例えばエポキシ樹脂等を使用できるが、特に限定するものではない。このような架橋性樹脂組成物を用いることによって、樹脂組成物のTgがフェノキシ樹脂(A)単独の場合よりも大きく向上した第2の硬化状態の硬化物(架橋硬化物)が得られる。架橋性樹脂組成物の架橋硬化物のTgは、例えば、160℃以上であり、170℃以上220℃以下の範囲内であることが好ましい。
架橋性樹脂組成物において、フェノキシ樹脂(A)に配合する架橋硬化性樹脂(B)としては、2官能性以上のエポキシ樹脂が好ましい。2官能性以上のエポキシ樹脂としては、ビスフェノールAタイプエポキシ樹脂(例えば、新日鉄住金化学株式会社製エポトートYD-011、エポトートYD-7011、エポトートYD-900として入手可能)、ビスフェノールFタイプエポキシ樹脂(例えば、新日鉄住金化学株式会社製エポトートYDF-2001として入手可能)、ジフェニルエーテルタイプエポキシ樹脂(例えば、新日鉄住金化学株式会社製YSLV-80DEとして入手可能)、テトラメチルビスフェノールFタイプエポキシ樹脂(例えば、新日鉄住金化学株式会社製YSLV-80XYとして入手可能)、ビスフェノールスルフィドタイプエポキシ樹脂(例えば、新日鉄住金化学株式会社製YSLV-120TEとして入手可能)、ハイドロキノンタイプエポキシ樹脂(例えば、新日鉄住金化学株式会社製エポトートYDC-1312として入手可能)、フェノールノボラックタイプエポキシ樹脂、(例えば、新日鉄住金化学株式会社製エポトートYDPN-638として入手可能)、オルソクレゾールノボラックタイプエポキシ樹脂(例えば、新日鉄住金化学株式会社製エポトートYDCN-701、エポトートYDCN-702、エポトートYDCN-703、エポトートYDCN-704として入手可能)、アラルキルナフタレンジオールノボラックタイプエポキシ樹脂(例えば、新日鉄住金化学株式会社製ESN-355として入手可能)、トリフェニルメタンタイプエポキシ樹脂(例えば、日本化薬株式会社製EPPN-502Hとして入手可能)等が例示されるが、これらに限定されるものではない。また、これらのエポキシ樹脂は、1種類を単独で使用してもよく、2種類以上を混合して使用してもよい。
また、架橋硬化性樹脂(B)としては、特に限定する意味ではないが、結晶性エポキシ樹脂が好ましく、融点が70℃以上145℃以下の範囲内で、150℃における溶融粘度が2.0Pa・s以下である結晶性エポキシ樹脂がより好ましい。このような溶融特性を示す結晶性エポキシ樹脂を使用することにより、樹脂組成物としての架橋性樹脂組成物の溶融粘度を低下させることができ、CFRP層20の接着性を向上させることができる。また、150℃における溶融粘度が2.0Pa・s以下であると、架橋性樹脂組成物の成形性を優れたものとすることができ、金属-CFRP複合体1の均質性を向上させることができる。
架橋硬化性樹脂(B)として好適な結晶性エポキシ樹脂としては、例えば、新日鉄住金化学株式会社製エポトートYSLV-80XY、YSLV-70XY、YSLV-120TE、YDC-1312、三菱化学株式会社製YX-4000、YX-4000H、YX-8800、YL-6121H、YL-6640等、DIC株式会社製HP-4032、HP-4032D、HP-4700等、日本化薬株式会社製NC-3000等が挙げられる。
架橋剤(C)は、フェノキシ樹脂(A)の2級水酸基とエステル結合を形成することにより、フェノキシ樹脂(A)を3次元的に架橋させる。そのため、熱硬化性樹脂の硬化のような強固な架橋とは異なり、加水分解反応により架橋を解くことができるので、金属部材10とCFRP層20とを容易に剥離することが可能となる。従って、金属部材10をリサイクルすることが可能となる。
架橋剤(C)としては、酸無水物が好ましい。酸無水物は、常温で固体であり、昇華性があまり無いものであれば特に限定されるものではないが、金属-CFRP複合体1への耐熱性付与や反応性の点から、フェノキシ樹脂(A)の水酸基と反応する酸無水物を2つ以上有する芳香族酸無水物が好ましい。特に、ピロメリット酸無水物のように2つの酸無水物基を有する芳香族化合物は、トリメリット酸無水物と水酸基の組み合わせと比べて架橋密度が高くなり、耐熱性が向上するので好適に使用される。芳香族酸二無水物でも、例えば、4,4’―オキシジフタル酸、エチレングリコールビスアンヒドロトリメリテート、4,4’-(4,4’-イソプロピリデンジフェノキシ)ジフタル酸無水物といったフェノキシ樹脂及びエポキシ樹脂に対して相溶性を有する芳香族酸二無水物は、Tgを向上させる効果が大きくより好ましい。特に、ピロメリット酸無水物のように2つの酸無水物基を有する芳香族酸二無水物は、例えば、酸無水物基を1つしか有しない無水フタル酸に比べて架橋密度が向上し、耐熱性が向上するので好適に使用される。すなわち、芳香族酸二無水物は、酸無水物基を2つ有するために反応性が良好で、短い成形時間で脱型に十分な強度の架橋硬化物が得られるとともに、フェノキシ樹脂(A)中の2級水酸基とのエステル化反応により、4つのカルボキシル基を生成させるため、最終的な架橋密度を高くできる。
フェノキシ樹脂(A)、架橋硬化性樹脂(B)としてのエポキシ樹脂、及び架橋剤(C)の反応は、フェノキシ樹脂(A)中の2級水酸基と架橋剤(C)の酸無水物基とのエステル化反応、更にはこのエステル化反応により生成したカルボキシル基とエポキシ樹脂のエポキシ基との反応によって架橋及び硬化される。フェノキシ樹脂(A)と架橋剤(C)との反応によってフェノキシ樹脂架橋体を得ることができるが、エポキシ樹脂が共存することで樹脂組成物の溶融粘度を低下させられるため、被着体との含浸性の向上、架橋反応の促進、架橋密度の向上、及び機械強度の向上等の優れた特性を示す。
なお、架橋性樹脂組成物においては、架橋硬化性樹脂(B)としてのエポキシ樹脂が共存してはいるが、熱可塑性樹脂であるフェノキシ樹脂(A)を主成分としており、その2級水酸基と架橋剤(C)の酸無水物基とのエステル化反応が優先していると考えられる。すなわち、架橋剤(C)として使用される酸無水物と、架橋硬化性樹脂(B)として使用されるエポキシ樹脂との反応は時間がかかる(反応速度が遅い)ため、架橋剤(C)とフェノキシ樹脂(A)の2級水酸基との反応が先に起こり、次いで、先の反応で残留した架橋剤(C)や、架橋剤(C)に由来する残存カルボキシル基とエポキシ樹脂とが反応することで更に架橋密度が高まる。そのため、熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂を主成分とする樹脂組成物とは異なり、架橋性樹脂組成物によって得られる架橋硬化物は熱可塑性樹脂であり、貯蔵安定性にも優れる。
フェノキシ樹脂(A)の架橋を利用する架橋性樹脂組成物においては、フェノキシ樹脂(A)100質量部に対して、架橋硬化性樹脂(B)が5質量部以上85質量部以下の範囲内となるように含有されることが好ましい。フェノキシ樹脂(A)100質量部に対する架橋硬化性樹脂(B)の含有量は、より好ましくは9質量部以上83質量部以下の範囲内であり、さらに好ましくは10質量部以上80質量部以下の範囲内である。架橋硬化性樹脂(B)の含有量を85質量部以下とすることにより、架橋硬化性樹脂(B)の硬化時間を短縮できるため、脱型に必要な強度を短時間で得やすくなる他、CFRP層20のリサイクル性が向上する。この効果は、架橋硬化性樹脂(B)の含有量を83質量部以下、更には80質量部以下とすることにより、さらに高まる。一方、架橋硬化性樹脂(B)の含有量を5質量部以上とすることにより、架橋硬化性樹脂(B)の添加による架橋密度の向上効果を得やすくなり、架橋性樹脂組成物の架橋硬化物が160℃以上のTgを発現しやすくなり、また、流動性が良好になる。なお、架橋硬化性樹脂(B)の含有量は、上述したような赤外分光法を用いた方法によって、エポキシ樹脂由来のピークについて同様に測定することで、架橋硬化性樹脂(B)の含有量を測定できる。
架橋剤(C)の配合量は、通常、フェノキシ樹脂(A)の2級水酸基1モルに対して酸無水物基0.6モル以上1.3モル以下の範囲内の量であり、好ましくは0.7モル以上1.3モル以下の範囲内の量であり、より好ましくは1.1モル以上1.3モル以下の範囲内である。酸無水物基の量が0.6モル以上であると、架橋密度が高くなるため、機械物性や耐熱性に優れる。この効果は、酸無水物基の量を0.7モル以上、更には1.1モル以上とすることにより、さらに高まる。酸無水物基の量が1.3モル以下であると、未反応の酸無水物やカルボキシル基が硬化特性や架橋密度に悪影響を与えることを抑制できる。このため、架橋剤(C)の配合量に応じて、架橋硬化性樹脂(B)の配合量を調整することが好ましい。具体的には、例えば、架橋硬化性樹脂(B)として用いるエポキシ樹脂により、フェノキシ樹脂(A)の2級水酸基と架橋剤(C)の酸無水物基との反応により生じるカルボキシル基を反応させることを目的に、エポキシ樹脂の配合量を架橋剤(C)との当量比で0.5モル以上1.2モル以下の範囲内となるようにするとよい。好ましくは、架橋剤(C)とエポキシ樹脂の当量比が、0.7モル以上1.0モル以下の範囲内である。
架橋剤(C)をフェノキシ樹脂(A)、架橋硬化性樹脂(B)と共に配合すれば、架橋性樹脂組成物を得ることができるが、架橋反応が確実に行われるように触媒としての促進剤(D)を更に含有させてもよい。促進剤(D)は、常温で固体であり、昇華性が無いものであれば特に限定はされるものではなく、例えば、トリエチレンジアミン等の3級アミン、2-メチルイミダゾール、2-フェニルイミダゾール、2-フェニル-4-メチルイミダゾール等のイミダゾール類、トリフェニルフォスフィン等の有機フォスフィン類、テトラフェニルホスホニウムテトラフェニルボレート等のテトラフェニルボロン塩等が挙げられる。これらの促進剤(D)は、1種類を単独で使用してもよく、2種類以上を併用してもよい。なお、架橋性樹脂組成物を微粉末とし、静電場による粉体塗装法を用いて強化繊維基材に付着させてマトリックス樹脂201を形成する場合は、促進剤(D)として、触媒活性温度が130℃以上である常温で固体のイミダゾール系の潜在性触媒を用いることが好ましい。促進剤(D)を使用する場合、促進剤(D)の配合量は、フェノキシ樹脂(A)、架橋硬化性樹脂(B)及び架橋剤(C)の合計量100質量部に対して、0.1質量部以上5質量部以下の範囲内とすることが好ましい。
架橋性樹脂組成物は、常温で固形であり、その溶融粘度は、160~250℃の範囲内の温度域における溶融粘度の下限値である最低溶融粘度が3,000Pa・s以下であることが好ましく、2,900Pa・s以下であることがより好ましく、2,800Pa・s以下であることが更に好ましい。160~250℃の範囲内の温度域における最低溶融粘度が3,000Pa・s以下とすることにより、熱プレス等による加熱圧着時に架橋性樹脂組成物を被着体へ十分に含浸させることができ、CFRP層20にボイド等の欠陥を生じることを抑制できるため、金属-CFRP複合体1の機械物性が向上する。この効果は、160~250℃の範囲内の温度域における最低溶融粘度を2,900Pa・s以下、更には2,800Pa・s以下とすることにより、更に高まる。
マトリックス樹脂201を形成するための樹脂組成物(架橋性樹脂組成物を含む)には、その接着性や物性を損なわない範囲において、例えば、天然ゴム、合成ゴム、エラストマー等や、種々の無機フィラー、溶剤、体質顔料、着色剤、酸化防止剤、紫外線防止剤、難燃剤、難燃助剤等その他添加物を配合してもよい。
炭素繊維材料203としては、特に制限はないが、例えば、PAN系、ピッチ系のいずれも使用でき、目的や用途に応じて選択すればよい。また、炭素繊維材料203として、上述した繊維を1種類単独で使用してもよいし、複数種類を併用してもよい。
CFRP層20に用いられるCFRPにおいて、炭素繊維材料203の基材となる強化繊維基材としては、例えば、チョップドファイバーを使用した不織布基材や連続繊維を使用したクロス材、一方向強化繊維基材(UD材)等を使用することができる。補強効果の面からは、強化繊維基材としてクロス材やUD材を使用することが好ましい。
本実施形態に係るCFRP層20は、23~27℃における粉体抵抗率が7.0×10[Ω・cm]超であり、かつ、防錆機能を有する、Cr、P、及びVから選択される1種以上の元素の無機塩からなる無機塩粒子205を含有している。上記のような絶縁性を有する無機塩粒子205がCFRP層20中に存在することで、CFRP層20自体の耐食性も向上する。ここで、炭素繊維材料203の繊維束の平均の太さD[μm]とし、無機塩粒子の平均粒径をr[μm]としたときに、D/r≧10の関係を満足すると、より好適である。
より詳細に説明すると、一般に、CFRP層と金属部材とは、熱圧着により接合される。この際に、CFRP層中の一部の炭素繊維材料は、熱圧着時の圧力により押圧されてCFRP層の表面より突出する。そして、突出した炭素繊維材料が金属部材が接触してしまい、電食作用により腐食が生じる。
これに対し、本実施形態においては、金属-CFRP複合体1において、CFRP層20表面から突出する炭素繊維材料203が金属部材10と接触しないよう、導電率が比較的低い無機塩粒子205がCFRP層20中に含有されている。すなわち、導電性が比較的小さい無機塩粒子205が炭素繊維材料203と金属部材10との間のスペーサーとして作用し、炭素繊維材料203と金属部材10との間を絶縁することができる。更には、腐食環境下において、上記無機塩粒子が溶け出して炭素繊維材料203に沈着することで、炭素繊維材料203と金属部材10との間の絶縁性を高め、炭素繊維強化樹脂材料そのものの耐食性も向上させることが可能である。
また、炭素繊維材料203の繊維束の平均の太さDと、無機塩粒子205の平均粒径rとが、D/r≧10の関係を満足することにより、配合される無機塩粒子205がCFRP層20の表面から突出することが防止され、金属部材10とCFRP層20との密着性や、CFRP層20のマトリックス樹脂201と炭素繊維材料203との密着性が確保される。一方で、D/rの値は、小さい方が密着性にはより効果的である。上限値は特に規定するものではないが、無機塩粒子の粒径の下限値を考慮すると、10000>D/rであることが好適である。
また、上記の無機塩粒子の平均粒径は、0.10μm以上10.00μm以下であることが好適である。平均粒径が0.10μm以上である場合に、耐食性への効果を向上させることができ、平均粒径が10.00μm以下である場合に、金属部材10とCFRP層20との密着性や、CFRP層20中のマトリックス樹脂201と炭素繊維材料203との密着性を十分に確保することができる。また、平均粒径が10.00μm以下である場合に、CFRP層20中に含まれる無機塩粒子205の全表面積が、腐食環境下で腐食抑制に寄与する成分が溶出するのに十分な大きさとなる。
なお、上記の平均粒径は、平均粒径は、レーザ回折・散乱法によって求めた粒度分布における積算値50%での粒径を意味する。
CFRP層20における無機塩粒子205の体積率は、例えば5%以上30%以下であることが好ましく、10%以上20%以下であることがより好ましい。無機塩粒子205の体積率が上記の範囲内となることで、CFRP層20と金属部材10との密着性を担保しつつ、金属部材10と炭素繊維材料203との接触腐食をより効果的に防止することが可能となる。
また、CFRP層20の強化繊維密度VFは、30%以上70%以下であることが好ましく、40%以上60%以下であることがより好ましい。CFRP層20の強化繊維密度VFが上記の範囲内となることで、CFRP層20は、所望の機械的強度をより確実に実現することが可能となる。
上記のような無機塩粒子205の23~27℃における粉体抵抗率は、上記のように、7.0×10[Ω・cm]超である。このように無機塩粒子205の導電率が比較的小さいことにより、無機塩粒子205は、炭素繊維材料203と金属部材10との間の絶縁性を有するスペーサーとして機能する。これにより、炭素繊維材料203と金属部材10との間で導通することなく、電食が抑制される。これに対し、無機塩粒子205の23~27℃における粉体抵抗率が7.0×10[Ω・cm]以下である場合には、炭素繊維材料203と金属部材10とが無機塩粒子205を介して導通しやすくなり、電食を抑制できない。ここで、上記の粉体抵抗率の上限値は、特に規定するものではなく、粉体抵抗率の値は、大きければ大きいほど好ましい。
なお、無機塩粒子205の23~27℃における粉体抵抗率は、市販の粉体抵抗測定機(例えば、三菱ケミカルアナリテック社製「紛体抵抗測定システムMCP-PD51型」等)を用いて、10MPaで圧縮された粉体粒子の抵抗を測定することで、求めることができる。また、一般に、粉体抵抗率は、測定される無機塩粒子の材料自体の体積抵抗率と同等とみなすことができる。
CFRP層20中の無機塩粒子205は、上述したような粉体抵抗率と防錆機能とを有し、Cr、P、及びVから選択される1種以上の元素の無機塩からなるものであれば特に限定されるものではなく、Cr、P、及びVから選択される1種以上の元素の無機塩からなる無機塩を用いると耐食性に効果的であり、より好適である。Cr、P、及びVは、腐食環境下でイオンとして溶け出したときにアノードとなる金属部材10やカソードとなる炭素繊維材料203の表面に沈着しやすく、耐食性に効果的である。このような無機塩は、優れた防錆材として機能するため、CFRP層20の耐食性をより確実に向上させることが可能である。
本実施形態に係る防錆機能を有する無機塩粒子205を構成する無機塩としては、例えば、前述の金属元素を含むオキソ酸の無機塩を用いることができる。Crを含む無機塩としては、クロム酸イオン(CrO 2-)、二クロム酸イオン(Cr 2-)、等のCrのオキソ酸イオンの塩が挙げられる。また、Pを含む無機塩としては、リン酸イオン(PO 3-)、リン酸水素イオン(HPO 2-)、リン酸二水素イオン(HPO )、二リン酸イオン(P 4-)、三リン酸イオン(P10 5-、「トリポリリン酸」)等のPのオキソ酸イオンの塩が挙げられる。また、Vを含む無機塩としては、オルトバナジン酸イオン(VO 3-)、ピロバナジン酸イオン(V 4-)、メタバナジン酸イオン([VO n-
等のVのオキソ酸イオンの塩が挙げられる。
なお、無機塩粒子205は、上述した各オキソ酸イオンの塩1種からなってもよく、複数種からなってもよい。
上述した中でも、ウェットな腐食環境下において無機塩微粒子が溶出してイオン化し、金属板や炭素繊維の表面に酸化物として沈着した際の酸化物の腐食因子に対するバリア効果の観点から、無機塩粒子205に含まれる無機塩は、クロム酸イオン(CrO 2-)、リン酸イオン(PO 3-)、三リン酸イオン(P10 5-、「トリポリリン酸」)、オルトバナジン酸イオン(VO 3-)、ピロバナジン酸イオン(V 4-)、及びメタバナジン酸(VO3-)からなる群から選択される1種以上の塩からなることが好ましい。
上記の各オキソ酸イオンの対イオンとしては、例えば、アルカリ金属、アルカリ土類金属、Be、Mg、Al等の元素のカチオンが挙げられ、これらのうち1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
上述した中でも、腐食環境における樹脂マトリクス中での微粒子の溶出性の観点から、無機塩粒子205に含まれる無機塩は、対イオンとして、Ca、K、Sr、Mg、Alからなる群から選択される1種以上の元素のカチオンであることが好ましい。
このような無機塩粒子205の具体例として、無機塩としては、クロム酸カリウム、クロム酸カルシウム、クロム酸ストロンチウム等のクロム酸塩、リン酸亜鉛、リン酸アルミニウム、トリポリリン酸アルミニウム、リン酸ナトリウム、リン酸マグネシウム、リン酸三マグネシウム等のリン酸塩、モリブデン酸カリウム、モリブデン酸カルシウム等のモリブデン酸塩、メタバナジン酸ナトリウム、バナジン酸カルシウム、バナジン酸マグネシウム等のバナジン酸塩、タングステン酸カルシウム、タングステン酸ナトリウム、タングステン酸等のタングステン酸塩等を用いることができる。
上述した中でも、腐食環境における樹脂マトリクス中での微粒子の溶出性の観点から、更に好適なものとして、無機塩粒子205は、無機塩として、トリポリリン酸二水素アルミニウム、クロム酸ストロンチウム、クロム酸カルシウム、クロム酸カリウム、バナジン酸マグネシウム、バナジン酸カリウム、及びバナジン酸カルシウムからなる群から選択される1種以上であることが好ましい。
なお、無機塩粒子205を含むCFRP層20に替えて、CFRP層20に無機塩粒子を含有させずに、金属部材とCFRP層との間に導電性の低い金属酸化物層を形成することも考えられる。しかしながら、この場合には、金属部材と炭素繊維材料との間の絶縁性は担保できる一方で、金属-CFRP複合体自体の加工性が低下してしまい、金属部材とCFRP層との複合化の利点が十分に得られない。
以上、本実施形態に係る金属-CFRP複合体1の構成について、詳細に説明した。
なお、上記説明では、金属部材10の片面にCFRP層20が配置されている場合を例に挙げたが、本発明はこれに限定されない。例えば、金属-CFRP複合体1は、金属部材10の両面にCFRP層20が配置されていてもよい。また、この場合において、各CFRP層20の構成は、互いに異なっていてもよいし、同一であってもよい。
また、CFRP層20は、上記説明で示した例に限定されず、複数層であってもよい。例えば、図2に示す金属-CFRP複合体1のように、CFRP層20は、1層に限らず、2層以上であってもよい。CFRP層20を複数層とする場合のCFRP層20の層数nは、使用目的に応じて適宜設定すればよい。CFRP層20が複数層ある場合、各層は、同一の構成であってもよいし、異なっていてもよい。すなわち、CFRP層20を構成するマトリックス樹脂201の樹脂種、炭素繊維材料203の種類や含有比率、無機塩粒子205の種類や含有比率等は、層ごとに異なっていてもよい。
また、上記説明では、金属-CFRP複合体1が板状である場合を取り上げたが、本発明はこれに限定されず、当然、本発明に係る金属-CFRP複合体は成形されていてもよい。
(各層の厚みの測定方法について)
金属部材10及びCFRP層20の厚みの測定方法について、図3を参照しながら簡単に説明する。図3は、厚みの測定方法について説明するための説明図である。
金属部材10及びCFRP層20の厚みは、例えば、以下のようにJIS K 5600-1-7、5.4項の光学的方法の断面法に準拠して、測定することができる。すなわち、試料に有害な影響を及ぼさずに、隙間なく埋め込める常温硬化樹脂を用い、リファインテック株式会社製の低粘性エポマウント27-777を主剤に、27-772を硬化剤に用い、試料を埋め込む。切断機にて観察すべき箇所において、厚さ方向と平行となるように試料を切断して断面を出し、JIS R 6252又は6253で規定する番手の研磨紙(例えば、280番手、400番手又は600番手)を用いて研磨して、観察面を作製する。研磨材を用いる場合は、適切な等級のダイヤモンドペースト又は類似のペーストを用いて研磨して、観察面を作製する。また、必要に応じてバフ研磨を実施して、試料の表面を観察に耐えられる状況まで平滑化してもよい。
最適な像のコントラストを与えるのに適切な照明システムを備えた顕微鏡で、1μmの精度の測定が可能な顕微鏡(例えば、オリンパス社製BX51等)を用い、視野の大きさは300μmとなるように選択する。なお、視野の大きさは、それぞれの厚みが確認できるように変えてもよい。例えば、CFRP層20の厚みを測定するときは、観察視野内を図3のように4等分して、各分画点の幅方向中央部において、CFRP層20の厚みを計測し、その平均の厚みを当該視野における厚みとする。この観察視野は、異なる箇所を5箇所選んで行い、それぞれの観察視野内で4等分して、各分画にて厚みを測定し、平均値を算出する。隣り合う観察視野同士は、3cm以上離して選ぶとよい。この5箇所での平均値を更に平均した値を、CFRP層20の厚みとすればよい。また、金属部材10の厚みの測定においても、上記CFRP層20の厚みの測定と同様に行えばよい。
<金属-炭素繊維強化樹脂材料複合体の製造方法について>
以下では、図4を参照しながら、本実施形態に係る金属-炭素繊維強化樹脂材料複合体の製造方法について、詳細に説明する。図4は、本実施形態に係る金属-繊維強化樹脂材料複合体の製造工程の一例を示す説明図である。
本実施形態に係る金属-CFRP複合体1の製造方法は、(1)金属部材の少なくとも一方の面上に、マトリックス樹脂と、炭素繊維材料と、23~27℃における粉体抵抗率が7.0×10[Ω・cm]超であり、かつ、防錆機能を有する、Cr、P、及びVから選択される1種以上の元素の無機塩からなる無機塩粒子と、を含有する炭素繊維強化樹脂材料、又は、上記マトリックス樹脂と、上記炭素繊維材料と、上記無機塩粒子と、を含有する炭素繊維強化樹脂材料プリプレグを配置する工程と、(2)金属部材と、炭素繊維強化樹脂材料又は炭素繊維強化樹脂材料プリプレグと、を熱圧着する工程と、を含む。かかる工程を経ることで、炭素繊維強化樹脂材料プリプレグは、炭素繊維強化樹脂材料(CFRP層20)となる。これにより、金属部材10と、炭素繊維強化樹脂材料又は炭素繊維強化樹脂材料プリプレグとは、互いに複合化して、本実施形態に係る金属-CFRP複合体1となる。
この際、上記金属部材は、炭素繊維強化樹脂材料又は炭素繊維強化樹脂材料プリプレグが配置されるのに先立ち、所定の形状に加工されていてもよい。また、金属部材と、炭素繊維強化樹脂材料又は炭素繊維強化樹脂材料プリプレグと、が熱圧着された後に、得られた熱圧着体が所定の形状に加工されてもよい。
本実施形態に係る製造方法では、例えば、CFRP層20となるCFRP又はCFRP成形用プリプレグ25を、金属部材10に積層して加熱圧着する。ここで、CFRP又はCFRP成形用プリプレグ25は、マトリックス樹脂201と、炭素繊維材料203と、上記のような絶縁性を有する無機塩粒子205と、を含有している。
かかる製造方法では、例えば図4(a)に示すように、金属部材10の少なくとも片側の面に、CFRP成形用プリプレグ25を配置し、金属部材10とCFRP成形用プリプレグ25とがこの順序に積層された積層体を形成する。なお、図4(a)において、CFRP成形用プリプレグ25に代えて、CFRPを積層することもできるが、このときCFRPの接着面は、例えば、ブラスト処理等による粗化や、プラズマ処理、コロナ処理等による活性化がなされていることが好ましい。次に、この積層体を加熱及び加圧することによって、図4(b)に示すように、金属-FRP複合体1が得られる。かかる製造方法では、CFRP成形用プリプレグ25に含まれるマトリックス樹脂201が、接着樹脂として機能する。
ここで、図4(a)において、金属部材10の両面に、それぞれCFRP成形用プリプレグ25(又はCFRP)を積層してもよい。また、CFRP層20となるCFRP成形用プリプレグ25(又はCFRP)は、1層に限らず、複数層であってもよい。また、2枚以上の金属部材10使用して、CFRP成形用プリプレグ25(又はCFRP)をサンドウィッチ状に挟み込むように積層してもよい。
[金属部材10との複合化について]
金属部材10とCFRP層20との複合化は、例えば、以下のように実施することが好ましい。
金属部材10の接着面の所定の位置に、CFRP層20となるCFRP成形用プリプレグ25を配置して、積層体とする。その後、得られた積層体を加圧成形機に設置し、加圧成形して、CFRP層20を形成する。
[加熱圧着条件について]
以上説明したような製造方法において、金属部材10と、CFRP成形用プリプレグ25(又はCFRP)と、を複合化するための加熱圧着条件は、以下の通りである。
加熱圧着温度は、特に限定されるものではないが、例えば、100℃以上400℃以下の範囲内、好ましくは150℃以上300℃以下、より好ましくは160℃以上270℃以下の範囲内、更に好ましくは180℃以上250℃以下の範囲内である。このような温度範囲内において、結晶性樹脂であれば融点以上の温度がより好ましく、非結晶性樹脂であればTg+150℃以上の温度がより好ましい。上限温度以下であれば、過剰な熱を加えてしまうことによる樹脂の分解を抑制することができる。また、下限温度以上であれば、樹脂の溶融粘度を強化繊維材料への付着性及び強化繊維基材への含浸性を維持するのに十分低い粘度とすることができる。
加熱圧着する際の圧力は、例えば、3MPa以上が好ましく、3MPa以上5MPa以下の範囲内がより好ましい。圧力が上限以下であれば、過剰な圧力による変形や損傷を抑制することができる。また下限以上であれば、強化繊維基材への含浸性を維持することができる。
加熱圧着時間については、少なくとも3分以上あれば十分に加熱圧着が可能であり、5分以上20分以下の範囲内であることが好ましい。
上記のような一括成形は、ホットプレスで行われることが好ましいが、予め所定の温度まで余熱した材料を速やかに低温の加圧成形機に設置して加工することもできる。
[追加の加熱工程について]
かかる製造方法において、マトリックス樹脂201を形成するための原料樹脂として、フェノキシ樹脂(A)に架橋硬化性樹脂(B)及び架橋剤(C)を含有する架橋性接着樹脂組成物を使用する場合、更に、追加の加熱工程を含めることができる。
架橋性接着樹脂組成物を使用する場合は、上記加熱圧着工程で、固化はしているが架橋形成(硬化)はしていない第1の硬化状態の硬化物(固化物)によって、第1の硬化状態の硬化物(固化物)からなるマトリックス樹脂201を含むCFRP層20を形成することができる。
このように、上記加熱圧着工程を経て、金属部材10と、第1の硬化状態の硬化物(固化物)によるCFRP層20と、が積層され一体化された、金属-FRP複合体1の中間体(プリフォーム)を作製できる。そして、この中間体に対し、加熱圧着工程の後で、更に追加の加熱工程を実施することによって、少なくとも第1の硬化状態の硬化物(固化物)によるCFRP層20に対しポストキュアを行い、樹脂を架橋硬化させて第2の硬化状態の硬化物(架橋硬化物)へ変化させることができる。
ポストキュアのための追加の加熱工程は、例えば、200℃以上250℃以下の範囲内の温度で30分間~60分間程度の時間をかけて行うことが好ましい。なお、ポストキュアに代えて、塗装等の後工程での熱履歴を利用してもよい。
上述の通り、架橋性接着樹脂組成物を用いると、架橋硬化後のTgが、フェノキシ樹脂(A)単独よりも大きく向上する。そのため、上述した中間体に対して追加の加熱工程を行う前後、すなわち、樹脂が第1の硬化状態の硬化物(固化物)から第2の硬化状態の硬化物(架橋硬化物)へ変化する過程で、Tgが変化する。具体的には、中間体における架橋前の樹脂のTgは、例えば150℃以下であるのに対し、追加の加熱工程後の架橋形成された樹脂のTgは、例えば160℃以上、好ましくは170℃以上220℃以下の範囲内に向上するので、耐熱性を大幅に高めることができる。
[前処理工程について]
金属-CFRP複合体1を製造する際、前処理工程として、金属部材10を脱脂することが好ましく、金型への離型処理や金属部材10表面の付着物の除去(ゴミ取り)を行うことがより好ましい。TFS(Tin Free Steel)のように密着性が非常に高い鋼板を除き、通常は、防錆油等が付着した鋼板等の金属部材10は、脱脂をして密着力を回復させることが好ましい。脱脂の必要性については、事前に、対象とする金属部材を、脱脂工程無しで、対象とするCFRPと接合させて一体化し、十分な接着性が得られるかどうかを確認して、判断すればよい。
[化成処理工程について]
前処理工程で脱脂した金属部材10の表面に、必要に応じて化成処理液を塗布して乾燥させると、CFRP層20と金属部材10との密着性が向上して好適である。化成処理液として、例えば、Cr、P、Si及び/又はZrを含む処理液を用いることが好ましい。化成処理液としては、具体的には、公知のクロメート処理液、公知のリン酸処理液、ジルコン酸塩を含む水溶液、シランカップリング剤、又はトリアジンチオール誘導体等を用いることができる。この化成処理液を金属部材10表面に塗布し、乾燥することで化成処理皮膜を形成することができる。化成処理液の塗布方法は、浸漬、ロールコート、ブレードコート、スプレーコートなど一般に公知の方法で塗布することができる。塗布後の乾燥は熱風オーブン、赤外線オーブン、近赤外線オーブン、誘導加熱オーブンなど一般に公知オーブンで乾燥することができる。乾燥温度は特に規定するものではないが、板温が50℃~200℃となる条件が好適である。
[後工程について]
金属-CFRP複合体1に対する後工程では、塗装の他、ボルトやリベット留め等による他の部材との機械的な接合のため、穴あけ加工、接着接合のための接着剤の塗布等が行われる。
[CFRP又はCFRPプリプレグの製造方法について]
ここで、CFRP層20を形成する際に用いるCFRP又はCFRP成形用プリプレグ25の製造方法について説明する。
CFRP層20を形成する際に用いるCFRP又はCFRP成形用プリプレグ25において、炭素繊維材料203となる強化繊維基材は、例えば、チョップドファイバーを使用した不織布基材や連続繊維を使用したクロス材、一方向強化繊維基材(UD材)等を使用することができるが、補強効果の面から、クロス材やUD材の使用が好ましい。
CFRP又はCFRP成形用プリプレグ25は、ウェットメルトやフィルムスタック法等の従来公知の方法で作製されたプリプレグよりも、粉体塗装法を用いて作製されたプリプレグを使用することが好ましい。粉体塗装法により作製されたプリプレグは、樹脂が微粒子の状態で強化繊維基材に含浸されていることからドレープ性が良好であり、被着体が複雑な形状であっても追従することが可能であるために一括成形熱プレスに適している。
粉体塗装法の主な方法としては、例えば、静電塗装法、流動床法、サスペンジョン法等があるが、強化繊維基材種やマトリックス樹脂種によって、いずれかの方法を適宜選択すればよい。これらのうち、静電塗装法及び流動床法は、熱可塑性樹脂に適した方法であり、工程が簡便で生産性が良好であることから好ましい。特に、静電塗装法は、強化繊維基材への接着樹脂組成物の付着の均一性に優れることから最も好適な方法である。
CFRP又はCFRP成形用プリプレグ25を形成する際、マトリックス樹脂201となる接着樹脂組成物の粉体塗装を行う場合には、上述したフェノキシ樹脂(A)を含有する接着樹脂組成物を微粉末とし、この微粉末を粉体塗装により強化繊維基材に付着させることでプリプレグを得ることが好ましい。
フェノキシ樹脂(A)を含有する接着樹脂組成物の微粉末化には、例えば、低温乾燥粉砕機(セントリドライミル)等の粉砕混合機が使用できるが、これに制限されるものではない。また、マトリックス樹脂201用の接着樹脂組成物の粉砕に際しては、接着樹脂組成物の各成分を粉砕してから混合してもよいし、あらかじめ各成分を配合した後に粉砕してもよい。この場合、各微粉末が後述する平均粒子径になるように、粉砕条件を設定することが好ましい。このようにして得られる微粉末としては、平均粒子径が10μm以上100μm以下の範囲内、好ましくは40μm以上80μm以下の範囲内であり、より好ましくは40μm以上50μm以下の範囲内である。平均粒子径が100μm以下とすることにより、静電場における粉体塗装において、接着樹脂組成物が繊維に衝突する際のエネルギーを小さくでき、強化繊維基材への付着率を高めることができる。また、平均粒子径を10μm以上とすることにより、随伴気流による粒子が飛散を防止して付着効率の低下を抑制できるとともに、大気中を浮遊する樹脂微粉末が作業環境の悪化を引き起こすことを防止できる。
CFRP又はCFRP成形用プリプレグ25を形成するための接着樹脂組成物として、フェノキシ樹脂(A)に架橋硬化性樹脂(B)及び架橋剤(C)を配合した架橋性接着樹脂組成物の粉体塗装を行う場合は、フェノキシ樹脂(A)の微粉末及び架橋硬化性樹脂(B)の微粉末の平均粒子径が、架橋剤(C)の微粉末の平均粒子径の1~1.5倍の範囲内であることが好ましい。架橋剤(C)の微粉末の粒子径をフェノキシ樹脂(A)及び架橋硬化性樹脂(B)の微粉末の粒子径以下にすることにより、強化繊維基材の内部にまで架橋剤(C)が入り込み、強化繊維材料に付着する。また、架橋剤(C)がフェノキシ樹脂(A)の粒子及び架橋硬化性樹脂(B)の粒子の周囲に万遍なく存在するようになるので、架橋反応を確実に進行させられる。
CFRP又はCFRP成形用プリプレグ25を形成するための粉体塗装では、マトリックス樹脂201となる接着樹脂組成物の強化繊維基材への付着量(樹脂割合:RC)が、例えば、20%以上50%以下の範囲内となるように塗工することが好ましい。RCは、25%以上45%以下の範囲内となることがより好ましく、25%以上40%以下の範囲内となることがさらに好ましい。RCを50%以下とすることにより、CFRPの引張及び曲げ弾性率等の機械物性の低下を防ぐことができる。また、RCを20%以上とすることにより、必要な樹脂の付着量が確保できることから炭素繊維基材の内部へのマトリックス樹脂201の含浸が十分となり、熱物性及び機械物性を高くできる。
粉体塗装された接着樹脂組成物(マトリックス樹脂201となるもの)の微粉末は、加熱溶融により強化繊維基材に固定される。この場合、粉体を強化繊維基材に塗工した後に加熱融着してもよいし、あらかじめ加熱された強化繊維基材に粉体塗装することにより、接着樹脂組成物の微粉末の強化繊維基材への塗工と同時に融着させてもよい。このように、強化繊維基材表面の接着樹脂組成物の微粉末を加熱溶融させることで、強化繊維基材への密着性を高め、塗装された接着樹脂組成物の微粉末の脱落を防止できる。ただし、この段階では、マトリックス樹脂201となる接着樹脂組成物は強化繊維基材の表面に集中しており、加熱加圧成形後の成形体のように強化繊維基材の内部にまで行き渡っていない。なお、粉体塗装後に接着樹脂組成物を融着させるための加熱時間は、特に制限されるものではないが、通常1~2分間である。溶融温度は150~240℃の範囲内であり、好ましくは160~220℃の範囲内、より好ましくは180~200℃の範囲内である。溶融温度が上限以下であれば硬化反応の進行を防止することができる。また、下限以上であれば、熱融着が十分となり、取扱作業時に、接着樹脂組成物の微粉末の粉落ち、脱落等が防止される。
以上、本実施形態に係る金属-炭素繊維強化樹脂材料複合体の製造方法について、詳細に説明した。
以下に、実施例及び比較例を示しながら、本発明に係る金属-炭素繊維強化樹脂材料複合体及び金属-炭素繊維強化樹脂材料複合体の製造方法について、具体的に説明する。なお、以下に示す実施例は、本発明に係る金属-炭素繊維強化樹脂材料複合体及び金属-炭素繊維強化樹脂材料複合体の製造方法のあくまでも一例にすぎず、本発明に係る金属-炭素繊維強化樹脂材料複合体及び金属-炭素繊維強化樹脂材料複合体の製造方法が下記の例に限定されるものではない。
(金属板の準備)
金属部材の一例である金属板として、成分が、C:0.131質量%、Si:1.19質量%、Mn:1.92%、P:0.009質量%、S:0.0025質量%、Al:0.027質量%、N:0.0032質量%、残分がFe及び不純物からなる鋼を熱間圧延、酸洗後、冷間圧延を行い、厚さ1.0mmの冷延鋼板を得た。次に、連続焼鈍装置により、得られた冷延鋼板を最高到達板温が820℃となる条件で焼鈍した。焼鈍工程の焼鈍炉内のガス雰囲気は、1.0体積%のHを含むN雰囲気とした。以下、作製した冷延鋼板を「CR」と称する。
また、得られた冷延鋼板を、焼鈍工程を有する連続溶融めっき装置の焼鈍工程において、最高到達板温が820℃となる条件で焼鈍した後に、めっき工程で溶融亜鉛めっきしたものもあわせて準備した。焼鈍工程の焼鈍炉内のガス雰囲気は、1.0体積%のHを含むN雰囲気とした。めっき工程でのめっき浴の成分は、Zn-0.2%Al(以下、「GI」と称する。)、Zn-0.09%Al(以下、「GA」と称する。)、Zn-1.5%Al-1.5%Mg(以下、「Zn-Al-Mg」と称する。)、Zn-11%Al-3%Mg-0.2%Mg(以下、「Zn-Al-Mg-Si」と称する。)の4種を用いた。
なお、Zn-0.09%Alめっき(GA)の溶融めっき浴を用いたものは、溶融めっき浴に鋼板を浸漬して、めっき浴から鋼板を引き抜きながら、スリットノズルからNガスを吹き付けてガスワイピングし、付着量を調整した後に、インダクションヒーターにて板温480℃で加熱することで合金化させて、めっき層中へ鋼板中のFeを拡散させた。
作製した各金属板の引張強度を測定したところ、いずれも980MPaであった。また、めっきした鋼板のめっきの付着量は、GAでは片面あたり45g/mとし、GA以外のめっきでは片面あたり60g/mとした。
(前処理工程)
作製した金属板を日本パーカライジング社製アルカリ脱脂剤「ファインクリーナーE6404」で脱脂した。
(化成処理工程)
脱脂した金属板上に、γ-アミノプロピルトリエトキシシランを2.5g/L、水分散シリカ(日産化学社製「スノーテックN」を1g/L、水溶性アクリル樹脂(試薬のポリアクリル酸)を3g/L添加した水溶液をバーコーターで塗布し、熱風オーブンで到達板温が150℃となる条件で乾燥させた。また、炭酸ジルコニウムアンモニウム水溶液3g/L水溶液、及び、日本パーカライジング社製クロメート処理液「ZM-1300AN」についても同様に、それぞれバーコーターで塗布し、熱風オーブンで到達板温が150℃となる条件で乾燥させた。以降、水分散シリカを含む水溶液を塗布したものを「Si系処理」と称し、炭酸ジルコニウムアンモニウム水溶液で塗布したものを「Zr系処理」と称し、クロメート処理液で処理したものを「Cr系処理」と称する。
また、それぞれの処理の付着量は、片面あたり30mg/mとした。金属板に全面に塗布したそれぞれの乾燥前のウェット塗布量を、[塗布後の金属板の質量]-[塗布前の金属板の質量]により算出し、そのウェット塗布量中に含まれるCr、Si、Zrそれぞれの質量を算出し、これを金属板の面積で割ることで算出した。また、前述の方法で付着量を算出しながら異なる5種の付着量を有する化成処理金属板(乾燥済み)を作製し、これらを蛍光X線を用いて測定し、得られた検出強度と算出した付着量との関係から検量線を引き、得られた検量線を用いて付着量を求めることも可能である。
(CFRPプリプレグの作製)
新日鉄住金化学株式会社製ビスフェノールA型フェノキシ樹脂「フェノトートYP-50S」(Mw=40,000、水酸基当量=284g/eq、250℃における溶融粘度=90Pa・s、Tg=83℃)に対し、以下に示す無機塩粒子又は酸化物粒子を混練した。
無機塩粒子又は酸化物粒子を練り込んだフェノキシ樹脂を粉砕、分級した平均粒子径D50が80μmである粉体を作製した。次に、炭素繊維からなる強化繊維基材(クロス材:東邦テナックス社製、IMS60)に、静電場において、電荷70kV、吹き付け空気圧0.32MPaの条件で粉体塗装を行った。その後、オーブンで170℃、1分間加熱溶融して樹脂を熱融着させ、厚み0.65mm、弾性率75[GPa]、引張荷重13500[N]、Vf(繊維体積含有率)60%のフェノキシ樹脂CFRPプリプレグを作製した。プリプレグのサイズは金属板と同じサイズとした。
なお、粉砕、分級したフェノキシ樹脂の平均粒子径は、レーザ回折・散乱式粒子径分布測定装置(マイクロトラックMT3300EX、日機装社製)により、体積基準で累積体積が50%となるときの粒子径を測定した。
なお、作製したプレプレグに関して、炭素繊維の長さ方向に対する垂直断面を走行型電子顕微鏡で観察した写真から繊維束を測定したところ、200μmであった。
<本実験で用いた無機塩粒子及び酸化物粒子>
・トリポリリン酸二水素アルミニウム:テイカ社製「K-WHITE#105」、平均粒径1.6μm(カタログ値)を用いた。以降、「P酸Al」と称する。
・クロム酸ストロンチウム:試薬を乳鉢で擦った後、ふるいを用いて分級し平均粒径3μmとしたものを用いた。以降「Cr酸Sr」と称する。
・バナジン酸マグネシウム:試薬を乳鉢で擦った後、ふるいを用いて分級し平均粒径3μm、10μm、15μmとしたものを用いた。以降、「V酸Mg」と称する。
・バナジン酸マグネシウム:乾式粉微粒砕機(一般的にジェットミルと呼ばれる)で微粒化し、分級装置にて分級し平均粒径0.05μmとしたものを用いた。以降、「V酸Mg」と称する。
・クロム酸カリウム:試薬を乳鉢で擦った後、ふるいを用いて分級し平均粒径3μmとしたものを用いた。以降「Cr酸K」と称する。
・クロム酸カルシウム:試薬を乳鉢で擦った後、ふるいを用いて分級し平均粒径3μmとしたものを用いた。以降「Cr酸Ca」と称する。
・ニクロム酸カリウム:試薬を乳鉢で擦った後、ふるいを用いて分級し平均粒径3μmとしたものを用いた。以降「二Cr酸K」と称する。
・リン酸ナトリウム:試薬を乳鉢で擦った後、ふるいを用いて分級し平均粒径3μmとしたものを用いた。以降「P酸Na」と称する。
・リン酸水素カルシウム:試薬を乳鉢で擦った後、ふるいを用いて分級し平均粒径3μmとしたものを用いた。以降「P酸Ca」と称する。
・リン酸二水素アンモニウム:試薬を乳鉢で擦った後、ふるいを用いて分級し平均粒径3μmとしたものを用いた。以降「P酸NH4」と称する。
・ピロリン酸水素ナトリウム水和物:試薬を乳鉢で擦った後、ふるいを用いて分級し平均粒径3μmとしたものを用いた。以降「ピロP酸Na」と称する。
・バナジン酸カルシウム:試薬を乳鉢で擦った後、ふるいを用いて分級し平均粒径3μmとしたものを用いた。以降「V酸Ca」と称する。
・メタバナジン酸カリウム:試薬を乳鉢で擦った後、ふるいを用いて分級し平均粒径3μmとしたものを用いた。以降「V酸K」と称する。
・酸化亜鉛:試薬を乳鉢で擦った後、ふるいを用いて分級し平均粒径3μmとしたものを用いた。以降「酸化Zn」と称する。
・アルミナ:昭和電工社製細粒アルミナ「A-42-2」平均粒径(粒度分布中心径)4.7μm(カタログ値)を用いた。以降「アルミナ」と称する。
・酸化チタン:石原産業社製「タイペーク(登録商標)CR-95」、平均粒径0.28μm(カタログ値)を用いた。以降「酸化Ti」と称する。
・炭酸カルシウム:試薬を乳鉢で擦った後、ふるいを用いて分級し平均粒径3μmとしたものを用いた。以降「炭酸Ca」と称する。
・導電性酸化チタン:石原産業社製Snドープ型酸化チタン「ET-500W」平均粒径2~3μm(カタログ値)をふるいにて分級して、平均粒径2μmとしたものを用いた。以降「導電Ti」と称する。
・タルク:日本タルク社製の汎用タルク「P-6」平均粒径3.3μm(カタログ値)を用いた。以降「タルク」称する。
・カオリンクレー:竹原化学工業社製の湿式カオリンクレー「カオリンクレー5M」をふるいを用いて分級し平均粒径3μmとしたものを用いた。以降「クレー」と称する。
・シリカ:日本アエロジル社製「AEROSIL(登録商標) 50」を用いた。平均粒径を島津製作所社製レーザ回折式粒子径分布測定装置「SALD-2300」で測定したところ、0.1μm未満であった。
・酸化亜鉛:テイカ社製の酸化亜鉛「MZ-300」を用いた。平均粒径を島津製作所社製レーザ回折式粒子径分布測定装置「SALD-2300」で測定したところ、0.1μm未満であった。以降「ZnO」と称する。
なお、上記の酸化物粒子及び無機塩粒子のうち、アルミナ、及び酸化Tiは、酸化物粒子であり、防錆機能を有する無機塩粒子とは異なるものである。また、炭酸Caも、防錆機能を有する無機塩粒子ではない。
作製したプリプレグを、以下の表1にまとめて示した。
なお、表1中の粒子の粉体抵抗は、三菱ケミカルアナリテック社製紛体抵抗測定システムMCP-PD51型を用いて、それぞれの紛体を25℃で10MPa圧縮した時の抵抗値である。また、ガラス転移点は、作製したプリプレグを、島津製作所社製自動示唆走査熱量計「DSC-60A」で測定したものである。
Figure 0007147965000001
作製した皮膜塗布液を、評価に必要なサイズに切断した金属板の上に、ブレードコーターにて片面のみ、かつ、CFRPプリプレグを貼り付ける部分にのみ部分塗布し、到達板温が230℃で保持時間が60秒となる条件により、乾燥硬化させた。部分塗布は、予めCFRPプリプレグを貼り付ける部分以外をマスキングテープ(日東電工社製「ニトフロン(登録商標)テープ」を使用。)にてマスキングした後に、皮膜を塗布し、乾燥焼付後にマスキングテープを剥がすことで行った。
(熱圧着工程)
金属板上に作製したプリプレグを重ね、250℃に加熱した平金型を有するプレス機で、3MPaで3分間プレスすることで、金属-CFRP複合材料を作製した。なお、かかる熱圧着処理の際には、平金型の表面からゴミ等を入念に取り除くとともに、各金属板の表面をアセトンを用いて予め洗浄した。なお、プリプレグを重ねたCFRPの全厚みは、1.5mmとした。
<評価>
[1.耐食性]
作製した幅70mm×長さ150mmの複合材サンプルを用いて、脱脂、表面調整、リン酸亜鉛処理を行った後に、電着塗装を施した。脱脂は、日本パーカライジング社製脱脂剤「ファインクリーナーE6408」を用いて、60℃の条件で5分間浸漬することで実施した。脱脂したサンプルについて、日本パーカライジング社製「プレパレンX」を用いて、40℃の条件で5分浸漬することで、表面調整を行った。その後、日本パーカライジング社製リン酸亜鉛化成剤「パルボンドL3065」を用いて、35℃の条件で3分間浸漬することで、リン酸亜鉛処理を行った。リン酸亜鉛処理を行った後は水洗して、150℃雰囲気のオーブンで乾燥させた。その後、日本ペイント社製の電着塗料「パワーフロート1200」を15μm電着塗装し、170℃雰囲気のオーブンで20分焼き付けたものをサンプルとして用いた。電着塗装は、CFRPを貼り付けていない金属部分に対して実施した。
作製したサンプルを用いて、サイクル腐食試験(CCT)を行った。CCTのモードは、自動車工業規格JASO-M609に準じて行った。サンプルは、CFRP側を評価面として、評価面に塩水が噴霧されるように試験機に設置して試験した。
試験は、15サイクル(8時間で1サイクル)毎にサンプル外観を目視観察し、赤錆が発生するサイクルを求めた。赤錆が発生するまでのサイクル数が多いものほど、耐食性に優れる。また、赤錆は、金属板に貼り付けたCFRPの端付近から発生するため、かかる領域に着目して観察した。なお、用いる金属板がアルミニウム合金板及びマグネシウム合金板の場合は、鉄の酸化物である赤錆が発生しないため、アルミニウムやマグネシウムの酸化物である白錆が発生するサイクル数を求めた。
なお、耐食性は、用いる金属板によって異なる。したがって、耐食性の評価は、金属板の種類ごとに基準を設けて行った。具体的には、冷延鋼板(CR)を用いた場合30サイクル以下で赤錆が発生した場合を不合格品、それ以外を合格品と、
めっき鋼板(GI)を用いた場合60サイクル以下で赤錆が発生した場合を不合格品、それ以外を合格品と、
めっき鋼板(GA)を用いた場合60サイクル以下で赤錆が発生した場合を不合格品、それ以外を合格品と、
めっき鋼板(Zn-Al-Mg)を用いた場合90サイクル以下で赤錆が発生した場合を不合格品、それ以外を合格品と、
めっき鋼板(Zn-Al-Mg-Si)を用いた場合120サイクル以下で赤錆が発生した場合を不合格品、それ以外を合格品と、
アルミニウム合金板(Al板)を用いた場合120サイクル以下で白錆が発生した場合を不合格品、それ以外を合格品と、
マグネシウム合金板(Mg合金板)を用いた場合120サイクル以下で白錆が発生した場合を不合格品、それ以外を合格品と評価した。
[2.3点曲げ試験]
幅30mm×長さ100mmの複合材サンプルを用いて試験した。本サンプルとして、金属板の片面側全面に対し、CFRPを貼り付けたものを用いた。サンプルを支点間距離60mmの治具に載せて支点間の中央付近に荷重をかけることで、3点曲げ試験を行った。荷重をかける側がCFRP側となるように、治具にサンプルを設置して試験した。3点曲げ試験にて荷重を掛けたときに、サンプルがたわんだときの金属板とCFRPとの剥離状態を観察して、評価した。
剥離状態は、サンプルに応じて異なり、「剥離なし」のもの、変形部が「僅かに剥離」しているもの、CFRPが金属板から全面的に剥離し、「大きく剥離」しているものがあり、これらを評価した。
得られた評価結果を、以下の表2にまとめて示した。
Figure 0007147965000002
上記表2から明らかなように、本発明の発明例に該当するサンプルは、優れた耐食性を示している一方で、本発明の比較例に該当するサンプルは、耐食性に問題があることがわかる。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
1 金属-炭素繊維強化樹脂材料複合体
10 金属部材
20 炭素繊維強化樹脂材料(CFRP層)
25 CFRP成形用プリプレグ
201 マトリックス樹脂
203 炭素繊維材料
205 無機塩粒子

Claims (12)

  1. 金属部材と、
    前記金属部材の表面の少なくとも一部に位置しており、マトリックス樹脂と、当該マトリックス樹脂中に存在する炭素繊維材料と、23~27℃における粉体抵抗率が7.0×10[Ω・cm]超であり、かつ、クロム酸イオン、二クロム酸イオン、リン酸イオン、リン酸水素イオン、リン酸二水素イオン、二リン酸イオン、三リン酸イオン、オルトバナジン酸イオン、ピロバナジン酸イオン、メタバナジン酸イオンからなる群から選択される1種以上のイオンの無機塩からなる無機塩粒子と、を含有する炭素繊維強化樹脂材料と、
    を備え、
    前記マトリックス樹脂は、フェノキシ樹脂を含む、金属-炭素繊維強化樹脂材料複合体。
  2. 前記無機塩粒子は、トリポリリン酸二水素アルミニウム、クロム酸ストロンチウム、クロム酸カリウム、クロム酸カルシウム、バナジン酸マグネシウム、バナジン酸カリウム及びバナジン酸カルシウムからなる群より選択される1種以上からなる、請求項に記載の金属-炭素繊維強化樹脂材料複合体。
  3. 前記炭素繊維材料の繊維束の平均の太さD[μm]とし、前記無機塩粒子の平均粒径をr[μm]としたときに、D/r≧10の関係を満足する、請求項1又は2に記載の金属-炭素繊維強化樹脂材料複合体。
  4. 前記無機塩粒子の平均粒径は、0.10μm以上10.00μm以下である、請求項1~の何れか1項に記載の金属-炭素繊維強化樹脂材料複合体。
  5. 前記炭素繊維強化樹脂材料における前記無機塩粒子の体積率が、5%以上30%以下である、請求項1~の何れか1項に記載の金属-炭素繊維強化樹脂材料複合体。
  6. 前記炭素繊維強化樹脂材料の強化繊維密度(Volume Fraction:VF)は、30%以上70%以下である、請求項1~の何れか1項に記載の金属-炭素繊維強化樹脂材料複合体。
  7. 前記マトリックス樹脂は、熱可塑性樹脂を含む、請求項1~の何れか1項に記載の金属-炭素繊維強化樹脂材料複合体。
  8. 前記金属部材の材質は、鉄鋼材料、鉄系合金、チタン又はアルミニウムである、請求項1~の何れか1項に記載の金属-炭素繊維強化樹脂材料複合体。
  9. 前記鉄鋼材料は、めっき鋼材である、請求項に記載の金属-炭素繊維強化樹脂材料複合体。
  10. 金属部材の少なくとも一方の面上に、マトリックス樹脂と、炭素繊維材料と、23~27℃における粉体抵抗率が7.0×10[Ω・cm]超であり、かつ、クロム酸イオン、二クロム酸イオン、リン酸イオン、リン酸水素イオン、リン酸二水素イオン、二リン酸イオン、三リン酸イオン、オルトバナジン酸イオン、ピロバナジン酸イオン、メタバナジン酸イオンからなる群から選択される1種以上のイオンの無機塩からなる無機塩粒子と、を含有する炭素繊維強化樹脂材料、又は、前記マトリックス樹脂と、前記炭素繊維材料と、前記無機塩粒子と、を含有する炭素繊維強化樹脂材料プリプレグを配置した後、前記金属部材と、前記炭素繊維強化樹脂材料又は前記炭素繊維強化樹脂材料プリプレグと、を熱圧着する、金属-炭素繊維強化樹脂材料複合体の製造方法。
  11. 前記金属部材は、前記炭素繊維強化樹脂材料又は前記炭素繊維強化樹脂材料プリプレグが配置されるのに先立ち、任意の形状に加工されている、請求項10に記載の金属-炭素繊維強化樹脂材料複合体の製造方法。
  12. 前記金属部材と、前記炭素繊維強化樹脂材料又は前記炭素繊維強化樹脂材料プリプレグと、が熱圧着された後に、得られた熱圧着体が任意の形状に加工される、請求項10に記載の金属-炭素繊維強化樹脂材料複合体の製造方法。
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