JP7352059B2 - 金属-繊維強化樹脂材料複合体及び金属-繊維強化樹脂材料複合体の製造方法 - Google Patents
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Description
かかる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。
[2]前記接着樹脂層の樹脂成分における前記フェノキシ樹脂の濃度は、樹脂成分100質量部に対して、0質量部以上50質量部未満である、[1]に記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体。
[3]以下の式(2-2)を満足する、[1]又は[2]に記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体。
C>A2+B ・・・式(2-2)
ここで、上記式(2-2)において、荷重A2は、前記金属-繊維強化樹脂材料複合体が破断した際の前記金属部材単独での引張荷重を示し、荷重Bは、前記繊維強化樹脂材料単独での最大荷重を示し、荷重Cは、前記金属-繊維強化樹脂材料複合体の最大荷重である。
[4]前記荷重A2と前記荷重Bとの合計荷重に対する前記荷重Cの比である超加成則度合が1.01以上である、[3]に記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体。
[5]前記超加成則度合が、1.05以上である、[4]に記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体。
[6]前記金属部材の厚みの合計T1及び前記金属部材の弾性係数E1と、前記繊維強化樹脂材料と前記接着樹脂層との厚みの合計T2及び前記繊維強化樹脂材料及び前記接着樹脂層の弾性係数E2とが、下記式(1)の関係を満足する、[1]~[5]の何れか1つに記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体。
(T1×E1)/(T2×E2)>0.3 ・・・式(1)
[7]前記接着樹脂層の樹脂成分は、フェノキシ樹脂のガラス転移温度以上、かつ、前記繊維強化樹脂材料を加熱及び圧着する際の処理温度以下の温度領域において、貯蔵弾性率が、フェノキシ樹脂の貯蔵弾性率よりも高い状態となる樹脂成分である、[1]~[6]の何れか1つに記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体。
[8]前記接着樹脂層の樹脂成分は、貯蔵弾性率がフェノキシ樹脂の貯蔵弾性率よりも高い樹脂成分である、[1]~[6]の何れか1つに記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体。
[9]前記接着樹脂層の樹脂成分は、熱可塑性樹脂からなる、[1]~[8]の何れか1つに記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体。
[10]前記接着樹脂層の樹脂成分は、熱可塑性樹脂の架橋硬化物からなる、[1]~[9]の何れか1つに記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体。
[11]前記マトリックス樹脂は、樹脂成分100質量部に対して50質量部以上の前記フェノキシ樹脂を少なくとも含有する架橋性樹脂組成物の架橋硬化物であり、当該架橋硬化物のガラス転移温度は、160℃以上である、[1]~[10]の何れか1つに記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体。
[12]前記マトリックス樹脂は、樹脂成分100質量部に対して50質量部以上のフェノキシ樹脂(A)と、前記フェノキシ樹脂(A)100質量部に対して5質量部以上85質量部以下の範囲内の架橋硬化性樹脂(B)と、を含有する架橋性樹脂組成物の架橋硬化物である、[1]~[11]の何れか1つに記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体。
[13]前記金属部材は、鉄鋼材料、鉄系合金、アルミニウム、又は、チタンの少なくとも何れか1種類の金属材料からなる、[1]~[12]の何れか1つに記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体。
[14]前記鉄鋼材料は、溶融亜鉛めっき鋼板、電気亜鉛めっき鋼板、又は、アルミニウムめっき鋼板である、[13]に記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体。
[15]金属部材と、前記金属部材の少なくとも一方の表面上に積層されて、前記金属部材と複合化された繊維強化樹脂材料と、前記金属部材と前記繊維強化樹脂材料との間に介在する接着樹脂層と、を備え、前記繊維強化樹脂材料は、マトリックス樹脂と、前記マトリックス樹脂中に含有された強化繊維材料と、を有しており、前記マトリックス樹脂は、樹脂成分100質量部に対して50質量部以上のフェノキシ樹脂(A)と、前記フェノキシ樹脂(A)100質量部に対して5質量部以上85質量部以下の範囲内の架橋硬化性樹脂(B)と、を含有する架橋性樹脂組成物の架橋硬化物であり、前記接着樹脂層の樹脂成分における前記フェノキシ樹脂の濃度は、前記マトリックス樹脂の樹脂成分における前記フェノキシ樹脂の濃度よりも低く、前記金属部材と前記繊維強化樹脂材料とのせん断強度が、0.8MPa以上である、金属-繊維強化樹脂材料複合体。
[16]加熱によって、前記マトリックス樹脂を構成する樹脂が、第1の硬化状態である固化物から第2の硬化状態である架橋硬化物へと変化する前後において、ガラス転移温度が変化する、[15]に記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体。
[17]前記接着樹脂層の樹脂成分における前記フェノキシ樹脂の濃度は、樹脂成分100質量部に対して、0質量部以上50質量部未満である、[15]又は[16]に記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体。
[18]以下の式(2-2)を満足する、[15]~[17]の何れか1つに記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体。
C>A2+B ・・・式(2-2)
ここで、上記式(2-2)において、荷重A2は、前記金属-繊維強化樹脂材料複合体が破断した際の前記金属部材単独での引張荷重を示し、荷重Bは、前記繊維強化樹脂材料単独での最大荷重を示し、荷重Cは、前記金属-繊維強化樹脂材料複合体の最大荷重である。
[19]前記荷重A2と前記荷重Bとの合計荷重に対する前記荷重Cの比である超加成則度合が1.01以上である、[18]に記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体。
[20]前記超加成則度合が、1.05以上である、[19]に記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体。
[21]前記金属部材の厚みの合計T1及び前記金属部材の弾性係数E1と、前記繊維強化樹脂材料と前記接着樹脂層との厚みの合計T2及び前記繊維強化樹脂材料及び前記接着樹脂層の弾性係数E2とが、下記式(1)の関係を満足する、[15]~[20]の何れか1つに記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体。
(T1×E1)/(T2×E2)>0.3 ・・・式(1)
[22]前記接着樹脂層の樹脂成分は、フェノキシ樹脂のガラス転移温度以上、かつ、前記繊維強化樹脂材料を加熱及び圧着する際の処理温度以下の温度領域において、貯蔵弾性率が、フェノキシ樹脂の貯蔵弾性率よりも高い状態となる樹脂成分である、[15]~[21]の何れか1つに記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体。
[23]前記接着樹脂層の樹脂成分は、貯蔵弾性率がフェノキシ樹脂の貯蔵弾性率よりも高い樹脂成分である、[15]~[21]の何れか1つに記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体。
[24]前記接着樹脂層の樹脂成分は、熱可塑性樹脂からなる、[15]~[23]の何れか1つに記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体。
[25]前記接着樹脂層の樹脂成分は、熱可塑性樹脂の架橋硬化物からなる、[15]~[24]の何れか1つに記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体。
[26]前記マトリックス樹脂のガラス転移温度は、160℃以上である、[15]~[25]の何れか1つに記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体。
[27]前記金属部材は、鉄鋼材料、鉄系合金、アルミニウム、又は、チタンの少なくとも何れか1種類の金属材料からなる、[15]~[26]の何れか1つに記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体。
[28]前記鉄鋼材料は、溶融亜鉛めっき鋼板、電気亜鉛めっき鋼板、又は、アルミニウムめっき鋼板である、[27]に記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体。
[29]金属部材と、前記金属部材の少なくとも一方の面に積層されて前記金属部材と複合化された繊維強化樹脂材料と、前記金属部材と前記繊維強化樹脂材料との間に介在する接着樹脂層と、を備える金属-繊維強化樹脂材料複合体の製造方法であって、強化繊維材料からなる強化繊維基材と、前記強化繊維基材に含浸されており、樹脂成分100質量部のうち50質量部以上のフェノキシ樹脂を含有するマトリックス樹脂、もしくは、第1の硬化状態のマトリックス樹脂と、を有する前記繊維強化樹脂材料、又は、繊維強化樹脂材料プリプレグと、フェノキシ樹脂の濃度が、前記マトリックス樹脂の樹脂成分における前記フェノキシ樹脂の濃度よりも低い樹脂成分からなる樹脂シートと、をそれぞれ準備し、金属部材と、前記樹脂シートと、前記繊維強化樹脂材料又は前記繊維強化樹脂材料プリプレグと、を順に積層して積層体とし、加熱及び圧着させることによって、前記マトリックス樹脂が加熱硬化する樹脂である場合には前記マトリックス樹脂を構成する樹脂を前記第1の硬化状態から第2の硬化状態へと変化させて前記マトリックス樹脂を構成する樹脂のガラス転移温度を変化させつつ、前記積層体を複合化させ、前記加熱後の前記金属部材と前記繊維強化樹脂材料とのせん断強度を0.8MPa以上とする、金属-繊維強化樹脂材料複合体の製造方法。
[30]前記第1の硬化状態のマトリックス樹脂は、樹脂成分100質量部に対して50質量部以上のフェノキシ樹脂(A)と、前記フェノキシ樹脂(A)100質量部に対して5質量部以上85質量部以下の範囲内の架橋硬化性樹脂(B)と、を含有する架橋性樹脂組成物の架橋硬化物であり、前記第1の硬化状態が、前記マトリックス樹脂を構成する樹脂の固化物からなり、前記第2の硬化状態が、前記マトリックス樹脂を構成する樹脂の架橋硬化物からなる、[29]に記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体の製造方法。
[31]得られた金属-繊維強化樹脂材料複合体は、以下の式(2-2)を満足する、[29]又は[30]に記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体の製造方法。
C>A2+B ・・・式(2-2)
ここで、上記式(2-2)において、荷重A2は、得られた前記金属-繊維強化樹脂材料複合体が破断した際の前記金属部材単独での引張荷重を示し、荷重Bは、得られた前記繊維強化樹脂材料単独での最大荷重を示し、荷重Cは、得られた前記金属-繊維強化樹脂材料複合体の最大荷重である。
[32]前記荷重A2と前記荷重Bとの合計荷重に対する前記荷重Cの比である超加成則度合が1.01以上である、[31]に記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体の製造方法。
[33]前記超加成則度合が、1.05以上である、[32]に記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体の製造方法。
[34]前記金属部材の厚みの合計T1及び前記金属部材の弾性係数E1と、得られた前記繊維強化樹脂材料と前記接着樹脂層との厚みの合計T2及び前記繊維強化樹脂材料及び前記接着樹脂層の弾性係数E2とが、下記式(1)の関係を満足する、[29]~[33]の何れか1つに記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体の製造方法。
(T1×E1)/(T2×E2)>0.3 ・・・式(1)
[35]前記樹脂シートの樹脂成分は、フェノキシ樹脂のガラス転移温度以上、かつ、前記繊維強化樹脂材料を加熱及び圧着する際の処理温度以下の温度領域において、貯蔵弾性率が、フェノキシ樹脂の貯蔵弾性率よりも高い状態となる樹脂成分である、[29]~[34]の何れか1つに記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体の製造方法。
[36]前記樹脂シートの樹脂成分は、貯蔵弾性率がフェノキシ樹脂の貯蔵弾性率よりも高い樹脂成分である、[29]~[34]の何れか1つに記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体の製造方法。
[37]前記樹脂シートの樹脂成分は、熱可塑性樹脂からなる、[29]~[36]の何れか1つに記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体の製造方法。
[38]前記樹脂シートの樹脂成分は、熱可塑性樹脂の架橋硬化物からなる、[29]~[37]の何れか1つに記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体の製造方法。
[39]複合化後の前記マトリックス樹脂は、樹脂成分100質量部に対して50質量部以上の前記フェノキシ樹脂を少なくとも含有する架橋性樹脂組成物の架橋硬化物であり、当該架橋硬化物のガラス転移温度は、160℃以上である、[29]~[38]の何れか1つに記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体の製造方法。
[40]複合化後の前記マトリックス樹脂は、樹脂成分100質量部に対して50質量部以上のフェノキシ樹脂(A)と、前記フェノキシ樹脂(A)100質量部に対して5質量部以上85質量部以下の範囲内の架橋硬化性樹脂(B)と、を含有する架橋性樹脂組成物の架橋硬化物である、[29]~[39]の何れか1つに記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体の製造方法。
[41]前記金属部材は、鉄鋼材料、鉄系合金、アルミニウム、又は、チタンの少なくとも何れか1種類の金属材料からなる、[29]~[40]の何れか1つに記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体の製造方法。
[42]前記鉄鋼材料は、溶融亜鉛めっき鋼板、電気亜鉛めっき鋼板、又は、アルミニウムめっき鋼板である、[41]に記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体の製造方法。
まず、図1及び図2を参照しながら、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-FRP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。
T1×E1>0.3×T2×E2 ・・・式(1)
金属部材11の材質、形状及び厚みなどは、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11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などが挙げられる。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合金などが挙げられる。金属部材11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。
FRP層12は、マトリックス樹脂101と、当該マトリックス樹脂101中に含有され、複合化された強化繊維材料102と、を有している。
FRP層12のマトリックス樹脂101は、樹脂成分100質量部に対してフェノキシ樹脂(A)を50質量部以上含む樹脂組成物の固化物又は硬化物で構成される。このような接着樹脂組成物を使用することによって、各種の熱硬化性樹脂、又は、一般的な熱可塑性樹脂では実現しえない、上記のような問題点を解決して、高い性能を有するFRP層12を実現することが可能となる。樹脂組成物は、樹脂成分100質量部のうちフェノキシ樹脂(A)を55質量部以上含むことが好ましい。樹脂組成物の形態は、例えば、粉体、ワニスなどの液体、フィルムなどの固体とすることができる。
フェノキシ樹脂(A)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、カプロラクタムなどを架橋剤として配合することにより、架橋性樹脂組成物(すなわち、樹脂組成物の硬化物)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が進行することにより、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)と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)を得ることができる。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。
接着樹脂層13は、金属-FRP複合体1の金属部材11とFRP層12との間に介在し、金属部材11とFRP層12とを接合する。この接着樹脂層13は、金属部材11の表面と、FRP層12との間に形成されている。
本実施形態に係る金属-FRP複合体1では、金属部材11とFRP層12との間のせん断強度が、0.8MPa以上となる。せん断強度が0.8MPa以上となることで、金属-FRP複合体1は、十分な機械的強度を保持でき、優れた耐久性を示すようになる。金属部材11とFRP層12との間のせん断強度は、高いほど後述する超加成則により得られる効果が大きくなり、金属-FRP複合体の物性が向上するため、好ましくは、1.0MPa以上であり、より好ましくは4.0MPa以上である。なお、本実施形態でのせん断強度は、後述するせん断試験によって測定される値である。0.8MPaという値は、40N/5mmに相当し、1.0MPaという値は、50N/5mmに相当し、4.0MPaという値は、200N/5mmに相当する。
すなわち、図5に示すように、幅5mm×長さ60mmの大きさに加工した2枚の金属部材11を準備し、各金属部材11の端部からそれぞれ10mmの部分に、FRP積層体(接着樹脂層13/FRP層12/接着樹脂層13がこの順に積層されたもの)を配置して、所望の条件で加熱圧着することによって、せん断試験用金属-FRP複合体のサンプルを作製する。つまり、せん断試験用金属-FRP複合体のサンプルは、上下2枚の金属部材11の端部付近の間に、上記FRP積層体を挟み込み、所望の条件で加熱圧着することによって作製する。得られたせん断試験用金属-FRP複合体のサンプルについて、図5に示したような方向に引張り荷重を印加していき、その挙動を測定することで、せん断強度を測定することができる。
本実施形態に係る金属-FRP複合体1の最大荷重は、加成則を超える優れた強度、すなわち超加成則を示すものとなる。ここで、図9に基づいて、本実施形態における超加成則について説明する。図9は、金属部材11単独での引張荷重、FRP単独での引張荷重、及び、金属-FRP複合体1での引張荷重をそれぞれ測定した結果を概略的に示すグラフである。ここで、引張荷重の測定は、後述する実施例に示す方法で行われるものとする。図9の横軸は、試験片の変形量を示し、縦軸は、引張荷重を示す。
C>A1+B (2-1)
C>A2+B (2-2)
金属-FRP複合体1が超加成則を発現するためには、例えば金属部材11及びFRP層12が上述した構成を有し、かつ以下の式(1)が満たされればよい。
(T1×E1)/(T2×E2)>0.3 ・・・式(1)
すなわち、金属部材の厚み及び弾性係数、FRPの厚み及び弾性係数を変えた多数のサンプルについて、加成則を超える強度が得られたか否かをそれぞれ実験により検証した上で、FRPの厚みを横軸にとり、金属部材の厚みを縦軸にとった座標平面に対し、各サンプルの検証結果(加成則を超える強度が得られたか否か)をプロットした。その上で、加成則を超える強度が得られた領域の境界を表す直線を、公知の統計解析処理により近似曲線として表した結果から、導出されたものである。上記の式(1)によれば、例えば、FRP層12の弾性係数E2を固定した場合、金属部材11の弾性係数E1が高ければ、金属部材11の合計の厚みT1を薄くしても加成則を超える優れた強度を実現できる。逆に、金属部材11の弾性係数E1が低ければ、加成則を超える優れた強度を実現するために、金属部材11の合計厚みT1を厚くすることとなる。
上述したように、超加成則度合は1.01以上であることが好ましく、1.05以上であることがより好ましい。つまり、超加成則度合は大きいほど好ましいと言える。そして、本発明者が後述する実施例(金属-FRP複合体1を様々な製造条件で作製し、それらの特性を評価する実施例)の結果を詳細に検証したところ、(T1×E1)/(T2×E2)と超加成則度合との間には、相関が存在することが明らかになった。各実施例の製造条件は様々なので、各実施例の超加成則度合を単純比較することはできない。そこで、本発明者は、製造条件を平準化させたときの超加成則度合を推定し、その結果を横軸が(T1×E1)/(T2×E2)、縦軸が超加成則度合となる平面上にプロットしたところ、図10に示すグラフL4が得られた。このグラフL4によれば、(T1×E1)/(T2×E2)が0.3となった際に超加成則度合が1.00となり、(T1×E1)/(T2×E2)が0.3より大きくなると(すなわち式(1)が満たされると)超加成則度合が1.00を超える。更に、(T1×E1)/(T2×E2)が1.7~6.0の範囲内で超加成則度合が極大値をとる。従って、(T1×E1)/(T2×E2)の好ましい下限値は1.7以上であり、好ましい上限値は6.0以下であることがわかる。(T1×E1)/(T2×E2)がこの範囲内の値となる際に、超加成則度合は1.01以上、更には1.05以上の値となる。より好ましい下限値は、2.5以上であり、より好ましい上限値は、3.0以下である。(T1×E1)/(T2×E2)が2.5以上3.0以下となる場合に、超加成則度合が極大値となるか、あるいは極大値により近い値となるからである。極大値は1.05より大きく、例えば1.3程度となりうる。
続いて、図7を参照しながら、本実施形態に係る金属-FRP複合体の製造方法について、詳細に説明する。図7は、本実施形態に係る金属-FRP複合体の製造方法について説明するための説明図である。
金属部材11とFRPの複合化は、例えば、以下のようにして実施することが好ましい。すなわち、金属部材11の接着面の所定の位置に、接着樹脂層13となる接着シート20を配置する。次に、その上にFRP層12となるFRP成形用プリプレグ21を積層した積層体を加圧成形機に設置し、加圧成形して接着樹脂層13を形成する。
以上の方法において、金属部材11と、接着シート20と、FRP層12となるFRP成形用プリプレグ21(又はFRP)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。
上記の方法において、マトリックス樹脂101を形成するための原料樹脂として、フェノキシ樹脂(A)に架橋性硬化樹脂(B)及び架橋剤(C)を含有した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てもよい。
金属-FRP複合体1を製造する際、金属部材11とFRPとを接着樹脂組成物により接合する前処理工程として、金属部材11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11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、防錆油などが付着した鋼板等の金属部材11は、脱脂をして密着力を回復させないと、上述した加成則を超える強度を得ることは難しい。そこで、金属部材11に上記の前処理を行うことで、金属-FRP複合体1が加成則を超える強度を得やすくなる。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FRPに対象とする接着樹脂組成物により接合して一体化し、実際に超加成則が生じるかどうかを確認して、判断すればよい。超加成則が生じるかどうかの判断は、[超加成則発現有無の確認]にて後述する。上述したように、脱脂処理とともに、あるいは脱脂処理に代えて、油面接着性接着剤を接着樹脂組成物に添加してもよいし、接着樹脂層13と金属部材11との界面に油面接着性接着剤を塗布してもよい。
金属-FRP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など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などが行われる。
ここで、FRP層12を形成する際に用いるFRP又はFRP成形用プリプレグ21の製造方法について説明する。
平均粒子径は、レーザー回折・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。
レオメータ(Anton Paar社製)を用いて、大きさが4.3cm3のサンプルをパラレルプレートに挟み、20℃/minで昇温しながら、周波数:1Hz、負荷ひずみ:5%の条件にて、180℃における溶融粘度を測定した。
マトリックス樹脂付着前の強化繊維基材の重量(W1)と、樹脂付着後のFRP成形用材料の重量(W2)から下記の式を用いて算出した。
樹脂割合(RC:%)=(W2-W1)/W2×100
W1:樹脂付着前の強化繊維基材重量
W2:樹脂付着後のFRP成形用材料の重量
FRP層、及び、接着樹脂層の厚みは、先だって言及した方法により測定した。
金属部材11とFRP層12との間のせん断強度は、先だって言及した方法により測定した。また、せん断強度の測定が出来ないほど密着力が弱いものについては、評価する意味がないため、以下に示す引張試験の実施を行わなかった。
JIS K 7164:2005 等方性及び直交異方性繊維強化プラスチックの試験条件に準拠して得られた金属-FRP複合材料の機械物性(引張強度及び引張弾性率)を測定した。引張荷重は、引張強度と試験片断面積とを掛けあわせたものとなる(引張強度(N/mm2)=引張荷重(N)÷試験片断面積(mm2))。試験片の寸法は、200mm×25mmとした。
超加成則が発現しているかどうかの確認は、次のようにして行った。金属部材11とFRP層12(ここでは、FRP層12を金属部材11に一体化する前のプリプレグ)とを、それぞれ単独で上述の測定方法にて引張試験を行い、それぞれの最大荷重(荷重A1、B)を測定する。次に金属部材11とFRP層12を複合化した金属-FRP複合体においても上述の測定方法にて引張試験を行い、最大荷重(荷重C)を測定する。更に、荷重Cが測定された際の変形量D(金属-FRP複合体の破断時の変形量)と、金属部材11の引張試験の結果と、に基づいて、変形量Dにおける金属部材11の引張荷重(荷重A2)を求める。そして、式(2-1)及び(2-2)の成否を判定し、少なくとも式(2-2)が成立する場合を、超加成則が発現していると判断する。本実施例では、式(2-1)を「基準1」とし、式(2-2)を「基準2」とする。超加成則度合はC/(A2+B)で算出されるが、基準1も成立する場合、基準1に対応する超加成則度合をC/(A1+B)として算出した。超加成則度合は1.01以上であることが好ましく、1.05以上であることがより好ましい。例えば、式(2-1)が成立する場合、それぞれ単独での合計荷重よりも複合体の最大荷重の方が、1%以上大きいと好ましく、5%以上大きいとより好ましい。つまり、超加成則度合が1.01以上であることが好ましく、1.05以上であることがより好ましい。この際、試験片においては、金属部材、FRPのそれぞれ単独での試験片のサイズと、複合体の試験片における金属部材、FRP層のそれぞれのサイズとを同じサイズに合わせておくとよい。前述した(前処理工程)における脱脂の必要性の判断における、事前の超加成則の有無の確認においても、本方法にて確認できる。
以下のようにして作製した各サンプルの耐食性は、以下のようにして評価した。
FRPが原因となって複合化した金属が腐食する際には、FRP層12を通して金属との間で通電することで内部電池が発生して、電蝕を起こすことを指す。そのため、金属部材11とFRP層12と接着樹脂層13が図1のように積層しているときに、各層を貫通するように各層の面に対して垂直な方向(すなわち、各層の厚み方向)に電流を流した時の抵抗値を測定することで、各サンプルの耐食性を評価することができる。この抵抗値の測定方法及び耐食性の評価は、次のようにした。
フェノキシ樹脂として、フェノトートYP-50S(新日鉄住金化学株式会社製ビスフェノールA型、Mw=40,000、水酸基当量=284g/eq、250℃における溶融粘度=90Pa・s、Tg=83℃)を用い、かかる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、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)又はガラス繊維(実施例12)からなる強化繊維基材に対し、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て、繊維体積含有率Vfが60%である、フェノキシ樹脂CFRPプリプレグを作製した。
以下に示すようなポリプロピレン(PP)、ナイロン6(PA6)、ポリカーボネート(PC)、及び、上記のフェノキシ樹脂(フェノトートYP-50S)を用い、接着樹脂層となる接着シートを作製した。なお、上記の各樹脂について、別途、熱機械分析装置(セイコーインスツルメンツ社製DMS6100)により貯蔵弾性率を測定したところ、ポリプロピレン及びナイロン6については、図4Aに示したような貯蔵弾性率を示し、ポリカーボネートについては、図4Bに示したような貯蔵弾性率を示した。また、得られた接着シートについて、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からガラス転移温度を別途測定し、得られた結果を以下の表1-1、表1-2及び表2にあわせて示した。
PA6:アルドリッチ社製、CAS番号:63428-83-1
PC:アルドリッチ社製、CAS番号:25037-45-0
金属部材としては、以下に示す6種類の金属部材を用いた。なお、以下の金属部材は、何れもアセトンで十分に脱脂を施した上で使用した。
株式会社ニラコ製 純アルミニウム板、厚み0.1mm
日本金属株式会社製 マグネシウム合金AZ31Bの板、厚み0.1mm
市販のアルミニウム合金A5052の板、厚み0.6mm
株式会社ニラコ製 純チタン板、厚み0.1mm
新日鐵住金株式会社製溶融亜鉛めっき高強度鋼板(ハイテン)、厚み0.42mm
11 金属部材
12 FRP層
13 接着樹脂層
20 接着シート
21 FRP成形用プリプレグ
101 マトリックス樹脂
102 強化繊維材料
Claims (42)
- 金属部材と、
前記金属部材の少なくとも一方の表面上に積層されて、前記金属部材と複合化された繊維強化樹脂材料と、
前記金属部材と前記繊維強化樹脂材料との間に介在する接着樹脂層と、
を備え、
前記繊維強化樹脂材料は、樹脂成分100質量部のうち50質量部以上のフェノキシ樹脂を含有するマトリックス樹脂と、前記マトリックス樹脂中に含有された強化繊維材料と、を有しており、
前記接着樹脂層の樹脂成分における前記フェノキシ樹脂の濃度は、前記マトリックス樹脂の樹脂成分における前記フェノキシ樹脂の濃度よりも低く、
前記金属部材と前記繊維強化樹脂材料とのせん断強度が、0.8MPa以上であり、
前記接着樹脂層の樹脂成分は、フェノキシ樹脂のガラス転移温度以上、かつ、前記繊維強化樹脂材料を加熱及び圧着する際の処理温度以下の温度領域において、貯蔵弾性率が、フェノキシ樹脂の貯蔵弾性率よりも高い状態となる樹脂成分である、金属-繊維強化樹脂材料複合体。 - 金属部材と、
前記金属部材の少なくとも一方の表面上に積層されて、前記金属部材と複合化された繊維強化樹脂材料と、
前記金属部材と前記繊維強化樹脂材料との間に介在する接着樹脂層と、
を備え、
前記繊維強化樹脂材料は、樹脂成分100質量部のうち50質量部以上のフェノキシ樹脂を含有するマトリックス樹脂と、前記マトリックス樹脂中に含有された強化繊維材料と、を有しており、
前記接着樹脂層の樹脂成分における前記フェノキシ樹脂の濃度は、前記マトリックス樹脂の樹脂成分における前記フェノキシ樹脂の濃度よりも低く、
前記金属部材と前記繊維強化樹脂材料とのせん断強度が、0.8MPa以上であり、
前記接着樹脂層の樹脂成分は、フェノキシ樹脂のガラス転移温度以上、かつ、270℃以下の温度領域において、貯蔵弾性率が、フェノキシ樹脂の貯蔵弾性率よりも高い状態となる樹脂成分である、金属-繊維強化樹脂材料複合体。 - 前記接着樹脂層の樹脂成分における前記フェノキシ樹脂の濃度は、樹脂成分100質量部に対して、0質量部以上50質量部未満である、請求項1又は2に記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体。
- 以下の式(2-2)を満足する、請求項1~3の何れか1項に記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体。
C>A2+B ・・・式(2-2)
ここで、上記式(2-2)において、荷重A2は、前記金属-繊維強化樹脂材料複合体が破断した際の前記金属部材単独での引張荷重を示し、荷重Bは、前記繊維強化樹脂材料単独での最大荷重を示し、荷重Cは、前記金属-繊維強化樹脂材料複合体の最大荷重である。 - 前記荷重A2と前記荷重Bとの合計荷重に対する前記荷重Cの比である超加成則度合が1.01以上である、請求項4に記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体。
- 前記超加成則度合が、1.05以上である、請求項5に記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体。
- 前記金属部材の厚みの合計T1及び前記金属部材の弾性係数E1と、前記繊維強化樹脂材料と前記接着樹脂層との厚みの合計T2及び前記繊維強化樹脂材料及び前記接着樹脂層の弾性係数E2とが、下記式(1)の関係を満足する、請求項1~6の何れか1項に記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体。
(T1×E1)/(T2×E2)>0.3 ・・・式(1) - 前記接着樹脂層の樹脂成分は、貯蔵弾性率がフェノキシ樹脂の貯蔵弾性率よりも高い樹脂成分である、請求項1~7の何れか1項に記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体。
- 前記接着樹脂層の樹脂成分は、熱可塑性樹脂からなる、請求項1~8の何れか1項に記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体。
- 前記接着樹脂層の樹脂成分は、熱可塑性樹脂の架橋硬化物からなる、請求項1~9の何れか1項に記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体。
- 前記マトリックス樹脂は、樹脂成分100質量部に対して50質量部以上の前記フェノキシ樹脂を少なくとも含有する架橋性樹脂組成物の架橋硬化物であり、当該架橋硬化物のガラス転移温度は、160℃以上である、請求項1~10の何れか1項に記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体。
- 前記マトリックス樹脂は、樹脂成分100質量部に対して50質量部以上のフェノキシ樹脂(A)と、前記フェノキシ樹脂(A)100質量部に対して5質量部以上85質量部以下の範囲内の架橋硬化性樹脂(B)と、を含有する架橋性樹脂組成物の架橋硬化物である、請求項1~11の何れか1項に記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体。
- 前記金属部材は、鉄鋼材料、鉄系合金、アルミニウム、又は、チタンの少なくとも何れか1種類の金属材料からなる、請求項1~12の何れか1項に記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体。
- 前記鉄鋼材料は、溶融亜鉛めっき鋼板、電気亜鉛めっき鋼板、又は、アルミニウムめっき鋼板である、請求項13に記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体。
- 金属部材と、
前記金属部材の少なくとも一方の表面上に積層されて、前記金属部材と複合化された繊維強化樹脂材料と、
前記金属部材と前記繊維強化樹脂材料との間に介在する接着樹脂層と、
を備え、
前記繊維強化樹脂材料は、マトリックス樹脂と、前記マトリックス樹脂中に含有された強化繊維材料と、を有しており、
前記マトリックス樹脂は、樹脂成分100質量部に対して50質量部以上のフェノキシ樹脂(A)と、前記フェノキシ樹脂(A)100質量部に対して5質量部以上85質量部以下の範囲内の架橋硬化性樹脂(B)と、を含有する架橋性樹脂組成物の架橋硬化物であり、
前記接着樹脂層の樹脂成分における前記フェノキシ樹脂の濃度は、前記マトリックス樹脂の樹脂成分における前記フェノキシ樹脂の濃度よりも低く、
前記金属部材と前記繊維強化樹脂材料とのせん断強度が、0.8MPa以上であり、
前記接着樹脂層の樹脂成分は、フェノキシ樹脂のガラス転移温度以上、かつ、前記繊維強化樹脂材料を加熱及び圧着する際の処理温度以下の温度領域において、貯蔵弾性率が、フェノキシ樹脂の貯蔵弾性率よりも高い状態となる樹脂成分である、金属-繊維強化樹脂材料複合体。 - 金属部材と、
前記金属部材の少なくとも一方の表面上に積層されて、前記金属部材と複合化された繊維強化樹脂材料と、
前記金属部材と前記繊維強化樹脂材料との間に介在する接着樹脂層と、
を備え、
前記繊維強化樹脂材料は、マトリックス樹脂と、前記マトリックス樹脂中に含有された強化繊維材料と、を有しており、
前記マトリックス樹脂は、樹脂成分100質量部に対して50質量部以上のフェノキシ樹脂(A)と、前記フェノキシ樹脂(A)100質量部に対して5質量部以上85質量部以下の範囲内の架橋硬化性樹脂(B)と、を含有する架橋性樹脂組成物の架橋硬化物であり、
前記接着樹脂層の樹脂成分における前記フェノキシ樹脂の濃度は、前記マトリックス樹脂の樹脂成分における前記フェノキシ樹脂の濃度よりも低く、
前記金属部材と前記繊維強化樹脂材料とのせん断強度が、0.8MPa以上であり、
前記接着樹脂層の樹脂成分は、フェノキシ樹脂のガラス転移温度以上、かつ、270℃以下の温度領域において、貯蔵弾性率が、フェノキシ樹脂の貯蔵弾性率よりも高い状態となる樹脂成分である、金属-繊維強化樹脂材料複合体。 - 加熱によって、前記マトリックス樹脂を構成する樹脂が、第1の硬化状態である固化物から第2の硬化状態である架橋硬化物へと変化する前後において、ガラス転移温度が変化する、請求項15又は16に記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体。
- 前記接着樹脂層の樹脂成分における前記フェノキシ樹脂の濃度は、樹脂成分100質量部に対して、0質量部以上50質量部未満である、請求項15~17の何れか1項に記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体。
- 以下の式(2-2)を満足する、請求項15~18の何れか1項に記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体。
C>A2+B ・・・式(2-2)
ここで、上記式(2-2)において、荷重A2は、前記金属-繊維強化樹脂材料複合体が破断した際の前記金属部材単独での引張荷重を示し、荷重Bは、前記繊維強化樹脂材料単独での最大荷重を示し、荷重Cは、前記金属-繊維強化樹脂材料複合体の最大荷重である。 - 前記荷重A2と前記荷重Bとの合計荷重に対する前記荷重Cの比である超加成則度合が1.01以上である、請求項19に記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体。
- 前記超加成則度合が、1.05以上である、請求項20に記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体。
- 前記金属部材の厚みの合計T1及び前記金属部材の弾性係数E1と、前記繊維強化樹脂材料と前記接着樹脂層との厚みの合計T2及び前記繊維強化樹脂材料及び前記接着樹脂層の弾性係数E2とが、下記式(1)の関係を満足する、請求項15~21の何れか1項に記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体。
(T1×E1)/(T2×E2)>0.3 ・・・式(1) - 前記接着樹脂層の樹脂成分は、貯蔵弾性率がフェノキシ樹脂の貯蔵弾性率よりも高い樹脂成分である、請求項15~22の何れか1項に記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体。
- 前記接着樹脂層の樹脂成分は、熱可塑性樹脂からなる、請求項15~23の何れか1項に記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体。
- 前記接着樹脂層の樹脂成分は、熱可塑性樹脂の架橋硬化物からなる、請求項15~24の何れか1項に記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体。
- 前記マトリックス樹脂のガラス転移温度は、160℃以上である、請求項15~25の何れか1項に記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体。
- 前記金属部材は、鉄鋼材料、鉄系合金、アルミニウム、又は、チタンの少なくとも何れか1種類の金属材料からなる、請求項15~26の何れか1項に記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体。
- 前記鉄鋼材料は、溶融亜鉛めっき鋼板、電気亜鉛めっき鋼板、又は、アルミニウムめっき鋼板である、請求項27に記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体。
- 金属部材と、前記金属部材の少なくとも一方の面に積層されて前記金属部材と複合化された繊維強化樹脂材料と、前記金属部材と前記繊維強化樹脂材料との間に介在する接着樹脂層と、を備える金属-繊維強化樹脂材料複合体の製造方法であって、
強化繊維材料からなる強化繊維基材と、前記強化繊維基材に含浸されており、樹脂成分100質量部のうち50質量部以上のフェノキシ樹脂を含有するマトリックス樹脂、もしくは、第1の硬化状態のマトリックス樹脂と、を有する前記繊維強化樹脂材料、又は、繊維強化樹脂材料プリプレグと、
フェノキシ樹脂の濃度が、前記マトリックス樹脂の樹脂成分における前記フェノキシ樹脂の濃度よりも低い樹脂成分からなる樹脂シートと、
をそれぞれ準備し、
金属部材と、前記樹脂シートと、前記繊維強化樹脂材料又は前記繊維強化樹脂材料プリプレグと、を順に積層して積層体とし、
加熱及び圧着させることによって、前記マトリックス樹脂が加熱硬化する樹脂である場合には前記マトリックス樹脂を構成する樹脂を前記第1の硬化状態から第2の硬化状態へと変化させて前記マトリックス樹脂を構成する樹脂のガラス転移温度を変化させつつ、前記積層体を複合化させ、
前記加熱後の前記金属部材と前記繊維強化樹脂材料とのせん断強度を0.8MPa以上とし、
前記樹脂シートの樹脂成分は、フェノキシ樹脂のガラス転移温度以上、かつ、前記繊維強化樹脂材料を加熱及び圧着する際の処理温度以下の温度領域において、貯蔵弾性率が、フェノキシ樹脂の貯蔵弾性率よりも高い状態となる樹脂成分である、金属-繊維強化樹脂材料複合体の製造方法。 - 金属部材と、前記金属部材の少なくとも一方の面に積層されて前記金属部材と複合化された繊維強化樹脂材料と、前記金属部材と前記繊維強化樹脂材料との間に介在する接着樹脂層と、を備える金属-繊維強化樹脂材料複合体の製造方法であって、
強化繊維材料からなる強化繊維基材と、前記強化繊維基材に含浸されており、樹脂成分100質量部のうち50質量部以上のフェノキシ樹脂を含有するマトリックス樹脂、もしくは、第1の硬化状態のマトリックス樹脂と、を有する前記繊維強化樹脂材料、又は、繊維強化樹脂材料プリプレグと、
フェノキシ樹脂の濃度が、前記マトリックス樹脂の樹脂成分における前記フェノキシ樹脂の濃度よりも低い樹脂成分からなる樹脂シートと、
をそれぞれ準備し、
金属部材と、前記樹脂シートと、前記繊維強化樹脂材料又は前記繊維強化樹脂材料プリプレグと、を順に積層して積層体とし、
加熱及び圧着させることによって、前記マトリックス樹脂が加熱硬化する樹脂である場合には前記マトリックス樹脂を構成する樹脂を前記第1の硬化状態から第2の硬化状態へと変化させて前記マトリックス樹脂を構成する樹脂のガラス転移温度を変化させつつ、前記積層体を複合化させ、
前記加熱後の前記金属部材と前記繊維強化樹脂材料とのせん断強度を0.8MPa以上とし、
前記樹脂シートの樹脂成分は、フェノキシ樹脂のガラス転移温度以上、かつ、270℃以下の温度領域において、貯蔵弾性率が、フェノキシ樹脂の貯蔵弾性率よりも高い状態となる樹脂成分である、金属-繊維強化樹脂材料複合体の製造方法。 - 前記第1の硬化状態のマトリックス樹脂は、樹脂成分100質量部に対して50質量部以上のフェノキシ樹脂(A)と、前記フェノキシ樹脂(A)100質量部に対して5質量部以上85質量部以下の範囲内の架橋硬化性樹脂(B)と、を含有する架橋性樹脂組成物の架橋硬化物であり、
前記第1の硬化状態が、前記マトリックス樹脂を構成する樹脂の固化物からなり、
前記第2の硬化状態が、前記マトリックス樹脂を構成する樹脂の架橋硬化物からなる、請求項29又は30に記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体の製造方法。 - 得られた金属-繊維強化樹脂材料複合体は、以下の式(2-2)を満足する、請求項29~31の何れか1項に記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体の製造方法。
C>A2+B ・・・式(2-2)
ここで、上記式(2-2)において、荷重A2は、得られた前記金属-繊維強化樹脂材料複合体が破断した際の前記金属部材単独での引張荷重を示し、荷重Bは、得られた前記繊維強化樹脂材料単独での最大荷重を示し、荷重Cは、得られた前記金属-繊維強化樹脂材料複合体の最大荷重である。 - 前記荷重A2と前記荷重Bとの合計荷重に対する前記荷重Cの比である超加成則度合が1.01以上である、請求項32に記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体の製造方法。
- 前記超加成則度合が、1.05以上である、請求項33に記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体の製造方法。
- 前記金属部材の厚みの合計T1及び前記金属部材の弾性係数E1と、得られた前記繊維強化樹脂材料と前記接着樹脂層との厚みの合計T2及び前記繊維強化樹脂材料及び前記接着樹脂層の弾性係数E2とが、下記式(1)の関係を満足する、請求項29~34の何れか1項に記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体の製造方法。
(T1×E1)/(T2×E2)>0.3 ・・・式(1) - 前記樹脂シートの樹脂成分は、貯蔵弾性率がフェノキシ樹脂の貯蔵弾性率よりも高い樹脂成分である、請求項29~35の何れか1項に記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体の製造方法。
- 前記樹脂シートの樹脂成分は、熱可塑性樹脂からなる、請求項29~36の何れか1項に記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体の製造方法。
- 前記樹脂シートの樹脂成分は、熱可塑性樹脂の架橋硬化物からなる、請求項29~37の何れか1項に記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体の製造方法。
- 複合化後の前記マトリックス樹脂は、樹脂成分100質量部に対して50質量部以上の前記フェノキシ樹脂を少なくとも含有する架橋性樹脂組成物の架橋硬化物であり、当該架橋硬化物のガラス転移温度は、160℃以上である、請求項29~38の何れか1項に記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体の製造方法。
- 複合化後の前記マトリックス樹脂は、樹脂成分100質量部に対して50質量部以上のフェノキシ樹脂(A)と、前記フェノキシ樹脂(A)100質量部に対して5質量部以上85質量部以下の範囲内の架橋硬化性樹脂(B)と、を含有する架橋性樹脂組成物の架橋硬化物である、請求項29~39の何れか1項に記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体の製造方法。
- 前記金属部材は、鉄鋼材料、鉄系合金、アルミニウム、又は、チタンの少なくとも何れか1種類の金属材料からなる、請求項29~40の何れか1項に記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体の製造方法。
- 前記鉄鋼材料は、溶融亜鉛めっき鋼板、電気亜鉛めっき鋼板、又は、アルミニウムめっき鋼板である、請求項41に記載の金属-繊維強化樹脂材料複合体の製造方法。
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