(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱可塑性樹脂をマトリックスとした炭素繊維強化複合材料ＣＡにインサート成形により金属部材ＭＡを付加し、該金属部材ＭＡの部分を、他の金属部材ＭＢと、または、他の金属部材ＭＢがインサート成形により付加された、熱可塑性樹脂をマトリックスとした炭素繊維強化複合材料ＣＢの該金属部材ＭＢの部分と、接合することによる接合部材の製造方法。
【請求項２】
前記インサート成形が、前記金属部材ＭＡおよび／または金属部材ＭＢを電磁誘導により加熱することで行われる請求項１に記載の接合部材の製造方法。
【請求項３】
前記金属部材同士の接合を、スポット溶接、レーザー溶接、アーク溶接、およびガス溶接による溶接、並びにリベット部を有する構造体、ナット部を有する構造体、またはボルト部を有する構造体による機械締結からなる群より選ばれる少なくとも１つの方法により行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の接合部材の製造方法。
【請求項４】
前記炭素繊維強化複合材料ＣＡおよび／または前記炭素繊維強化複合材料ＣＢの厚みが５μｍ以上１０ｍｍ以下である請求項１〜３のいずれかに記載の接合部材の製造方法。
【請求項５】
前記金属部材ＭＡおよびＭＢのうち少なくとも１つは、鉄またはアルミニウムを含むものである請求項１〜４のいずれかに記載の接合部材の製造方法。
【請求項６】
前記炭素繊維強化複合材料ＣＡおよび／または前記炭素繊維強化複合材料ＣＢが、炭素繊維１００重量部に対し、５０〜１０００重量部の熱可塑性樹脂を含むものである請求項１〜５のいずれかに記載の接合部材の製造方法。
【請求項７】
前記炭素繊維強化複合材料ＣＡに前記金属材料ＭＡをインサート成形する際、および／または前記炭素繊維強化複合材料ＣＢに前記金属部材ＭＢをインサート成形する際に、該金属部材表面にトリアジンチオール誘導体を含有する層を設け、該トリアジンチオール誘導体含有層およびこれと接する該炭素繊維複合材料の熱可塑性樹脂成分を溶融させることにより、該金属部材の該炭素繊維強化複合材料への付加および成形を同時に、あるいは連続して行うことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の接合部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱可塑性樹脂をマトリックスとした炭素繊維強化複合材料同士または熱可塑性樹脂をマトリックスとした炭素繊維強化複合材料と金属の接合部材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維複合材料は比強度、比剛性が高く極めて優れた材料として重用されている。しかしながらマトリックスとして熱可塑性樹脂を用いた炭素繊維複合材料を他部材、特に金属と接合する際には機械的な接合であるボルト・ナット、リベットなどや、接着剤を用いた接合が用いられている。ボルト・ナットなどによる機械的な接合は一般に重量増が嵩むほか、特に複合材料においては接合点に応力が集中し、最悪の場合、最初の応力集中点を起点として次々に破壊が進行していく懸念がある。
【０００３】
接着剤を用いる接合では一般に強度を確保するため一定厚の接着剤層を確保することが必要であり、特に大型部材を接合する場合には相当量の接着剤を要し、結果として得られた部材の大幅な重量増が懸念されるほかその強度も接着剤のみでは必ずしも充分でないという欠点があった。さらに接着剤は一般に実用強度を得るまでに時間が掛かるため養生工程（接着剤による接着効果が充分に発現し安定化するまで静置しておく工程）を考慮しなければならない。
【０００４】
樹脂を溶着させる場合、熱可塑性樹脂をマトリックスとした炭素繊維強化複合材料と金属の接合は困難であることが多いが、熱可塑性樹脂をマトリックスとした炭素繊維強化複合材料同士の接合は、樹脂が相溶する範囲内においては材料同士が溶着により接合し、マトリックス樹脂並の接合強度が期待できる。
【０００５】
樹脂と金属の接合方法には上記以外にも、特許文献１のように金属表面を微細なポーラスにしたアルミニウム材に樹脂を射出成形することによってアンカー効果により接合する方法や、特許文献２、３のように金属表面に処理を施す方法があるが、いずれの方法も接合強度・量産性の点から、金属同士を接合する方法には及ばない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１０３５６３号公報
【特許文献２】特公平５−５１６７１号公報
【特許文献３】国際公開第２００９／１５７４４５号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、熱可塑性樹脂をマトリックスとした炭素繊維強化複合材料同士または熱可塑性樹脂をマトリックスとした炭素繊維強化複合材料と金属の接合部材の製造方法であって、重量増加を抑えたまま十分な接合強度を確保出来、量産性に優れた製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、熱可塑性樹脂をマトリックスとした炭素繊維強化複合材料に金属部材を付加し、該金属部材の部分を、他の金属部材、または、他の金属部材を付加した熱可塑性樹脂をマトリックスとした炭素繊維強化複合材料の該金属部材部分と接合することにより上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させた。本発明の要旨を以下にしめす。
【０００９】
１）熱可塑性樹脂をマトリックスとした炭素繊維強化複合材料ＣＡにインサート成形により金属部材ＭＡを付加し、該金属部材ＭＡの部分を、他の金属部材ＭＢと、または、他の金属部材ＭＢがインサート成形により付加された、熱可塑性樹脂をマトリックスとした炭素繊維強化複合材料ＣＢの該金属部材ＭＢの部分と、接合することによる接合部材の製造方法。
２）前記インサート成形が、前記金属部材ＭＡおよび／または金属部材ＭＢを電磁誘導により加熱することで行われる上記１）項に記載の接合部材の製造方法。
３）前記金属部材同士の接合を、スポット溶接、レーザー溶接、アーク溶接、およびガス溶接による溶接、並びにリベット部を有する構造体、ナット部を有する構造体、またはボルト部を有する構造体による機械締結からなる群より選ばれる少なくとも１つの方法により行うことを特徴とする上記１）又は２）項に記載の接合部材の製造方法。
４）前記炭素繊維強化複合材料ＣＡおよび／または前記炭素繊維強化複合材料ＣＢの厚みが５μｍ以上１０ｍｍ以下である上記１）〜３）項のいずれかに記載の接合部材の製造方法。
５）前記金属部材ＭＡおよびＭＢのうち少なくとも１つは、鉄またはアルミニウムを含むものである上記１）〜４）項のいずれかに記載の接合部材の製造方法。
６）前記炭素繊維強化複合材料ＣＡおよび／または前記炭素繊維強化複合材料ＣＢが、炭素繊維１００重量部に対し、５０〜１０００重量部の熱可塑性樹脂を含むものである上記１）〜５）項のいずれかに記載の接合部材の製造方法。
７）前記炭素繊維強化複合材料ＣＡに前記金属材料ＭＡをインサート成形する際、および／または前記炭素繊維強化複合材料ＣＢに前記金属部材ＭＢをインサート成形する際に、該金属部材表面にトリアジンチオール誘導体を含有する層を設け、該トリアジンチオール誘導体含有層およびこれと接する該炭素繊維複合材料の熱可塑性樹脂成分を溶融させることにより、該金属部材の該炭素繊維強化複合材料への付加および成形を同時に、あるいは連続して行うことを特徴とする上記１）〜６）項のいずれかに記載の接合部材の製造方法。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により、熱可塑性樹脂をマトリックスとした炭素繊維強化複合材料同士または熱可塑性樹脂をマトリックスとした炭素繊維強化複合材料と金属の接合において、重量増加を抑えたまま、接合強度と量産性の大幅な改善が出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の製造方法にて得られる、熱可塑性樹脂をマトリックスとした炭素繊維強化複合材料ＣＡに金属部材ＭＡを付加し、該金属部材ＭＡの部分を、他の金属部材ＭＢが付加された、熱可塑性樹脂をマトリックスとした炭素繊維強化複合材料ＣＢの該金属部材ＭＢの部分と接合することによる接合部材の一態様を示した模式図である。
【図２】本発明の製造方法において、炭素繊維強化複合材料ＣＡへの金属部材ＭＡの付加、および炭素繊維強化複合材料ＣＢへの金属部材ＭＢの付加を、該金属部材表面にトリアジンチオール誘導体含有層を設け、かつ、該トリアジンチオール誘導体含有層と該炭素繊維強化複合材料中の熱可塑性樹脂成分とを溶融させることにより得られる接合部材の一態様を示した模式図である。
【図３】本発明の製造方法にて得られる、熱可塑性樹脂をマトリックスとした炭素繊維強化複合材料ＣＡに金属部材ＭＡを付加し、該金属部材ＭＡの部分を、他の金属部材ＭＢと接合することによる接合部材の一態様を示した模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の締結構造の実施形態について、図面も参照の上説明するが、本発明はこれらに制限されるものではない。
本発明は、熱可塑性樹脂をマトリックスとした炭素繊維強化複合材料ＣＡに金属部材ＭＡを付加し、該金属部材ＭＡの部分を、他の金属部材ＭＢと、または、他の金属部材ＭＢが付加された、熱可塑性樹脂をマトリックスとした炭素繊維強化複合材料ＣＢの該金属部材ＭＢの部分と、接合することによる接合部材の製造方法である。
【００１３】
［熱可塑性樹脂をマトリックスとした炭素繊維強化複合材料］
本発明で用いる熱可塑性樹脂をマトリックスとした炭素繊維強化複合材料ＣＡまたは、およびＣＢとは熱可塑性樹脂をマトリックスとし、強化繊維として炭素繊維を含む材料である。該炭素繊維強化複合材料は、炭素繊維１００重量部に対し熱可塑性樹脂が５０〜１０００重量部含まれているものであることが好ましい。より好ましくは、炭素繊維１００重量部に対し、熱可塑性樹脂５０〜４００重量部、更に好ましくは、炭素繊維１００重量部に対し、熱可塑性樹脂５０〜１００重量部である。熱可塑性樹脂が炭素繊維１００重量部に対し５０重量部未満ではドライの炭素繊維が増加してしまうことがある。また１０００重量部を超えると炭素繊維が少なすぎて構造材料として不適切となることがある。なお、本発明において、重量部との語は質量部と同義である。
【００１４】
熱可塑性樹脂としてはポリアミド、ポリカーボネート、ポリオキシメチレン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンエーテル、変性ポリフェニレンエーテル、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、ＡＳ樹脂、ＡＢＳ樹脂などからなる群より選ばれる少なくとも１種が好ましいものとして挙げられる。特に、コストと物性の兼ね合いからポリアミド、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリフェニレンスルフィドからなる群より選ばれる少なくとも１種がより好ましい。
【００１５】
熱可塑性樹脂をマトリックスとした炭素繊維強化複合材料における炭素繊維の形態は、とくに限定されず、連続繊維からなる織物であっても、繊維を一方向に配置したものであっても良い。繊維を一方向に配置する場合は、層の方向を変えて多層に積層する、例えば交互に積層することができる。また積層面を厚み方向に対称に配置することが好ましい。
【００１６】
また熱可塑性樹脂をマトリックスとした炭素繊維強化複合材料において、不連続の炭素繊維を分散して重なるように配置したものであってもよい。この場合の繊維長は５ｍｍ以上１００ｍｍ以下が好ましい。不連続の炭素繊維の場合、炭素繊維は複合材料中で炭素繊維束の状態で存在していてもよく、また炭素繊維束と単糸の状態が混在していることも好ましい。不連続の炭素繊維は複合材料中で２次元ランダムに配置されていることも好ましい。
【００１７】
熱可塑性樹脂をマトリックスとした炭素繊維強化複合材料としては、長繊維ペレット、すなわち溶融した樹脂を所定の粘度に調整し連続繊維の炭素繊維に含浸させた後切断するといった工程で得られるペレットを用い、射出成形機で所定の形状に成形してもよい。
【００１８】
本発明で用いられる、炭素繊維強化複合材料ＣＡおよび／または炭素繊維強化複合材料ＣＢは、その厚みが５μｍ以上１０ｍｍ以下であるものが好ましい。
なお、該炭素繊維強化複合材料ＣＡとＣＢにおいて、上記の、含まれる熱可塑性樹脂の種類、該熱可塑性樹脂と炭素繊維との割合、含まれる炭素繊維の種類やその形態、厚み等の寸法、および成形方法などは、同じであっても異なっていてもよい。
【００１９】
［金属部材］
本発明に用いる金属部材ＭＡまたは、およびＭＢとは、各種の機械部材であり、その例としては航空機や自動車などの構造部材に用いられるものが挙げられる。
該金属部材に含まれる金属とは、具体的には鉄、ステンレス、アルミニウム、銅、黄銅、ニッケル、亜鉛等の金属からなる群より選ばれる少なくとも１種が好ましいものとして挙げられるが、金属成分が鉄および／またはアルミニウムを主とすることが好ましい。ここでいう“主とする”とは、金属成分中、鉄とアルミニウムの合計が９０重量％以上を意味し、特に、鉄またはアルミニウム単独で９０重量％以上であるとより好ましい。特にＳＳ材、ＳＰＣＣ材、ハイテン材などの鉄や、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６などのステンレス、１０００〜７００番台アルミニウムやその合金が好ましく用いられる。
金属の形状にとくに限定はなく、得ようとする部材に合わせて適宜選択できる。
該金属部材ＭＡおよびＭＢにおいて、上記の金属成分組成、形状などは、同じであっても異なっていてもよい。
【００２０】
［金属部材の付加方法］
本発明において、前記の炭素繊維強化複合材料ＣＡおよび／またはＣＢに、それぞれ金属部材ＭＡおよび／またはＭＢを付加する方法としては、リベット接合や接着剤接合を単独または組み合わせて使用することでもできるが、インサート成形によるものが好ましい。インサート成形とは、成形用の金型に金属部材等のインサート部品をセットしてから樹脂材料を注入して一体成形する方法であり、本発明においても、公知のインサート成形の技術・装置を使用することができる。そのような公知技術としては、例えば、インサート部品を金型に装着する前あるいは装着後に電気ヒーター、電磁誘導加熱、火炎などの熱源により直接あるいは熱媒体などを通じて間接的に加熱し、加熱終了後短時間内に樹脂を充填する方法、または、金型内でインサート部品を加熱し、樹脂と接する際のインサート部品の温度を、熱可塑性樹脂の融点もしくは軟化点以上の温度範囲内に、所定時間コントロールする方法などが挙げられるが、本発明においては、インサート部品（金属部材）の加熱を電磁誘導で行うインサート成形が作業効率や安全性の面から好ましい。
【００２１】
本発明に用いられるインサート成形について、より好ましくは、該金属部材表面にトリアジンチオール誘導体を含有する層を設け、該トリアジンチオール誘導体含有層およびこれと接する該炭素繊維複合材料の熱可塑性樹脂成分を溶融させることにより、該金属部材の該炭素繊維強化複合材料への付加、および成形を同時に、あるいは連続して行う方法が好ましい。
【００２２】
一般的なインサート成形の条件においては、成形時に、該炭素繊維強化複合材料のマトリックスである熱可塑性樹脂の軟化点（結晶性樹脂の場合は融点、非晶性樹脂の場合はガラス転移点）以上、かつ、該トリアジンチオール誘導体の融点以上の温度まで加熱されるので、該トリアジンチオール誘導体含有層を設けた金属部材をインサート部品として用いて、通常のインサート成形を行うことにより、該トリアジンチオール誘導体含有層およびこれと接する該炭素繊維複合材料の熱可塑性樹脂成分を溶融させ、該金属部材の該炭素繊維強化複合材料への付加および成形を同時に行うことができる。また、上記のように金属部材を炭素繊維強化複合材料に付加させた後、更に、該炭素繊維強化複合材料部分を加熱し、成形することも可能である。
【００２３】
該トリアジンチオール誘導体含有層を設けた金属部材を該炭素繊維強化複合材料へ付加する方法としては、前記特許文献３（国際公開第２００９／１５７４４５号パンフレット）記載の方法が好ましい。この好ましい付加方法について、より具体的に示すと、
金属部材の表面の少なくとも一部に、カルボン酸、カルボン酸塩、リン酸、リン酸塩、硫酸、硫酸塩、チオ硫酸塩、塩酸、塩化物、過塩素酸および過塩素酸塩よりなる群から選ばれる少なくとも１つを含む溶液を用い、金属化合物皮膜を形成する工程と、
該金属化合物皮膜に、下記一般式（１）および（２）
【化１】
0005739181.tif 000002
（上記一般式（１）および（２）において、式中のＲ１は、Ｈ−、ＣＨ３−、Ｃ２Ｈ５−、ＣＨ２＝ＣＨＣＨ２−、Ｃ４Ｈ９−、Ｃ６Ｈ５−、Ｃ６Ｈ１３−のいずれかである。Ｒ２は、−ＣＨ２ＣＨ２−、−ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ２−、−ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ２−、−ＣＨ２ＣＨ２ＳＣＨ２ＣＨ２−、−ＣＨ２ＣＨ２ＮＨＣＨ２ＣＨ２ＣＨ２−のいずれかである。Ｒ３は、−（ＣＨ２ＣＨ２）２ＣＨＯＣＯＮＨＣＨ２ＣＨ２ＣＨ２−、または、−（ＣＨ２ＣＨ２）２Ｎ−ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ２−であり、この場合、ＮとＲ３とが環状構造となる。
上記一般式（１）および（２）において、式中のＸは、ＣＨ３−、Ｃ２Ｈ５−、ｎ−Ｃ３Ｈ７−、ｉ−Ｃ３Ｈ７−、ｎ−Ｃ４Ｈ９−、ｉ−Ｃ４Ｈ９−、ｔ−Ｃ４Ｈ９−、Ｃ６Ｈ５−のいずれかであり、Ｙは、ＣＨ３Ｏ−、Ｃ２Ｈ５Ｏ−、ｎ−Ｃ３Ｈ７Ｏ−、ｉ−Ｃ３Ｈ７Ｏ−、ｎ−Ｃ４Ｈ９Ｏ−、ｉ−Ｃ４Ｈ９Ｏ−、ｔ−Ｃ４Ｈ９Ｏ−、Ｃ６Ｈ５Ｏ−のいずれかであり、式中のｎは１、２、３のいずれかの数字であり、Ｍはアルカリ金属である。）
より選ばれる少なくとも１種の該トリアジンチオール誘導体を接触させ該トリアジンチオール誘導体を含有する層を設ける工程と、
加熱により、該トリアジンチオール誘導体含有層およびこれと接する該炭素繊維複合材料の熱可塑性樹脂成分を溶融させることにより、該金属部材を該炭素繊維複合材料に付加する工程を含む方法である。
【００２４】
本発明において、金属部材ＭＡの炭素繊維強化複合材料ＣＡへの付加、および金属部材ＭＢの炭素繊維強化複合材料ＣＢへの付加に用いられる方法は同じであっても異なるものであっても良いことは言うまでも無い。
【００２５】
［金属部材部分の接合］
金属部材部分同士を接合させる方法としては、スポット溶接・レーザー溶接・アーク溶接・ガス溶接による溶接、並びにリベット部を有する構造体・ナット部を有する構造体・ボルト部を有する構造体による機械締結からなる群より選ばれる少なくとも１つの方法により行うことが好ましいが、その限りではない。スポット溶接とは、接合する部材を圧着した状態で電流を流し、抵抗熱により金属を溶かして接合する方法である。レーザー溶接とは、レーザー光により金属を溶かして接合する方法である。アーク溶接とは、電気の放電現象により発生する熱により金属を溶かして接合する方法である。ガス溶接とは、ガスが燃焼する際の熱により金属を溶かして接合する方法である。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明の製造方法による接合部材は、航空宇宙、輸送機械、電気・電子機器、工作・産業・一般・精密機械など広範囲に利用でき、特に自動車用部品、車両構造に好適である。
【符号の説明】
【００２７】
１．熱可塑性樹脂をマトリックスとした炭素繊維強化複合材料ＣＡ
１’．熱可塑性樹脂をマトリックスとした炭素繊維強化複合材料ＣＢ
２．金属部材ＭＡ
２’．金属部材ＭＢ
３．トリアジンチオール誘導体含有層
【図１】
0005739181.tif 000003
【図２】
0005739181.tif 000004
【図３】
0005739181.tif 000005