(57)【要約】  金属被覆樹脂構造体は、金属成分を含むフィラーと樹脂とを含む基材と、前記フィラーに含まれる前記金属成分を含み前記基材を覆う中間層と、前記中間層を覆う金属皮膜とを有し、前記金属成分が前記基材から前記中間層にかけて連続的に分布する。金属被覆樹脂構造体の製造方法は、金属成分を含むフィラーと樹脂とを含む基材にレーザを照射する工程と、金属皮膜を形成する金属粉末をガス流で加速する工程と、前記レーザが照射された前記基材の面に加速された前記金属粉末を噴射して付着堆積させる工程とを有する。金属被覆樹脂構造体の製造装置は、基材にレーザを照射するレーザヘッドと、前記レーザが照射された前記基材の面にガス流で加速された金属粉末を噴射するスプレーノズルとを備える。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属成分を含むフィラーと樹脂とを含む基材と、前記フィラーに含まれる前記金属成分を含み前記基材を覆う中間層と、前記中間層を覆う金属皮膜とを有し、前記金属成分が前記基材から前記中間層にかけて連続的に分布することを特徴とする金属被覆樹脂構造体。
【請求項２】
前記基材中の前記金属成分と、前記中間層中の前記金属成分とが、冶金的に結合した組織を有することを特徴とする請求項1に記載の金属被覆樹脂構造体。
【請求項３】
前記金属皮膜と、前記中間層とが、冶金的または機械的に結合した組織を有することを特徴とする請求項1に記載の金属被覆樹脂構造体。
【請求項４】
前記基材は、硬化剤、触媒、ガラス繊維、炭素繊維の少なくとも1種を含み、前記金属皮膜は、原子番号が12以上で融点が420℃以上の典型金属、遷移金属、またはそれらの合金を含むことを特徴とする請求項1に記載の金属被覆樹脂構造体。
【請求項５】
前記金属皮膜の酸素含有量は2500ppm以下で、前記金属皮膜および前記中間層の厚さはいずれも150μm以上であることを特徴とする請求項1に記載の金属被覆樹脂構造体。
【請求項６】
金属成分を含むフィラーと樹脂とを含む基材にレーザを照射する工程と、金属皮膜を形成する金属粉末をガス流で加速する工程と、前記レーザが照射された前記基材の面に加速された前記金属粉末を噴射して付着堆積させる工程とを有することを特徴とする金属被覆樹脂構造体の製造方法。
【請求項７】
基材にレーザを照射するレーザヘッドと、前記レーザが照射された前記基材の面にガス流で加速された金属粉末を噴射するスプレーノズルとを備えることを特徴とする金属被覆樹脂構造体の製造装置。
【請求項８】
前記レーザヘッドが前記スプレーノズルに先行して移動し、前記スプレーノズルの軌道が前記レーザヘッドと同じであることを特徴とする請求項6に記載の金属被覆樹脂構造体の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、樹脂が金属で被覆された構造体とその製法に関する。
【背景技術】
【０００２】
風力発電設備における風車のブレード表面は、一般に軽量で強度の高いガラス繊維強化プラスチック(Glass-Fiber Reinforced Plastics;以下、GFRP)からなっている。GFRPはガラス繊維繊布に樹脂を含浸したもので、電気的に絶縁性を有する。この風車ブレードの破損・故障要因のほぼ1/3は落雷によるもので、落雷防止策の一つとして、ブレード全面に金属を被覆して導電性をもたせ、落雷電流をアースする方法があり、例えば特許文献１には、コールドスプレー法による皮膜形成方法が開示されている。ここでは、スプレーノズルから基材に至る粉末の経路にレーザ光を照射して粉末を加熱することにより、皮膜材料の粉末堆積層の密度を向上させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開2011−122213号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記特許文献のものでは、基材が樹脂のような有機材料を主成分とする材質の場合、レーザ光により高温に加熱された粒子が基材に衝突すると、粒子の温度によっては基材の半溶融や分解が生じて、基材が損耗するという課題がある。【０００５】
本発明の目的は、損耗が低減された基材上に金属皮膜を形成することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明の金属被覆樹脂構造体は、金属成分を含むフィラーと樹脂とを含む基材と、前記フィラーに含まれる前記金属成分を含み前記基材を覆う中間層と、前記中間層を覆う金属皮膜とを有し、前記金属成分が前記基材から前記中間層にかけて連続的に分布することを特徴とする。【０００７】
また、金属被覆樹脂構造体の製造方法は、金属成分を含むフィラーと樹脂とを含む基材にレーザを照射する工程と、金属皮膜を形成する金属粉末をガス流で加速する工程と、前記レーザが照射された前記基材の面に加速された前記金属粉末を噴射して付着堆積させる工程とを有することを特徴とする。【０００８】
また、金属被覆樹脂構造体の製造装置は、基材にレーザを照射するレーザヘッドと、前記レーザが照射された前記基材の面にガス流で加速された金属粉末を噴射するスプレーノズルとを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、損耗が低減された基材上に金属皮膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に関わる構造体の断面図。
【図２】本発明に関わる構造体の製法を表わす断面図。
【図３】本発明に関わる構造体における中間層形成後の断面組織。
【図４】本発明に関わる構造体の製造装置の構成を表わす図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の金属被覆樹脂構造体は、有機材料を主成分とする基材の表面を金属皮膜が覆うことにより導電性を付与するもので、風車ブレードや航空機体等に用いた場合、金属皮膜からアース(接地)をとることで落雷による損傷を防ぐことができる。また、有機材料劣化のおもな要因の一つである紫外線劣化に対しても有効な防止策となり得る。
【００１２】
本発明では、基材に金属成分を含むフィラーを混合し、基材と金属皮膜との間に金属成分を主に含む中間層を設け、中間層の金属成分が、基材に含まれるフィラーの金属成分であることを特徴とする。これにより、基材から中間層に渡ってフィラーに含まれる金属成分が連続的に存在し、基材と中間層の両方に含まれる金属成分が冶金的に結合した組織を有することにより、基材と中間層は強固に結合することができる。特に基材の表層から中間層にかけての金属成分の組成が傾斜している。そして、中間層に存在する金属成分が、金属皮膜を形成する金属粉末とも冶金的に結合した組織を有することで、中間層と金属皮膜も強固に結合することができる。
【００１３】
基材は樹脂とフィラーを少なくとも含み、硬化剤、触媒、ガラス繊維、炭素繊維等を更に含んでもよい。フィラーには金属成分が含まれ、たとえばSiO2、TiO2、Sb2O3等が好適である。本発明ではSiも金属に分類する。中間層はフィラーに含まれる金属成分を主に含むものであり、金属皮膜は原子番号が12以上で融点が420℃以上の典型金属、遷移金属、またはそれらの合金が含まれる。
【００１４】
金属被覆樹脂構造体の構造は、後述する本発明の製法により形成されるものであり、基材中のフィラーから金属成分、すなわちSi、Ti、Sb等を主体とした層（中間層）が生成し、樹脂基材表面を覆う。この中間層は樹脂基材に比べて硬質なため、金属皮膜を構成する際に金属粉末が高速で衝突しても基材の損耗を防止することができ、基材の健全性を維持しながら金属粉末の付着・堆積、すなわち皮膜の形成を助長する。金属粉末は高速で基材に衝突することで扁平形状として堆積し、中間層と金属皮膜とは冶金的な結合だけでなく、機械的な結合も生じる。金属皮膜を形成する金属粉末同士も冶金的・機械的に結合するため、金属皮膜は面内方向においても、緻密で強固に結合することができる。この中間層における金属成分の占める割合は、望ましくは概ね70体積％以上が良い。これにより、金属粉末衝突による基材の損耗を防ぎながら強固な皮膜を形成することができる。
【００１５】
有機材料と金属材料との間では冶金的あるいは化学的結合が生じないため、樹脂のような有機材料を主成分とする基材の表面に金属を直接被覆することは困難であるが、上記のように基材と金属皮膜との間に中間層を設けることで、まず基材と中間層とが強固に結合し、中間層と金属皮膜とが強固に結合することで、基材と金属皮膜とを間接的に強固に結合することができる。
【００１６】
金属皮膜に含まれる酸素量は2500ppm以下が望ましい。酸素量がこれより多いと、金属皮膜を構成する金属粒子の表面酸化が大きく、粒子間の結合が弱くなり、皮膜が脆化して破壊を招くとともに、腐食が進展しやすくなる。また、金属皮膜および中間層の厚さは、いずれも150μm以上であることが好ましい。皮膜がこれより薄いと、使用環境下における樹脂基材の反り等の変形に伴い、皮膜が剥離しやすくなり、中間層がこれより薄いと、上記の皮膜形成時における基材の損耗を防ぐ効果が低下する。
【００１７】
金属被覆樹脂構造体の製法は、まず、基材の表面にレーザを照射するものである。レーザの他にマイクロ波や電子ビームでもよい。この急速加熱により、基材の表層に含まれるフィラーが分解するとともに有機成分が揮散し、フィラーに含まれる金属成分が表層に露出して中間層を形成する。これにより、金属成分は基材と中間層の両方に含まれることになるため、基材から中間層に渡って連続的に金属成分が分布し、前述のように基材と中間層が比較的強固に結合するとともに、中間層を介した金属被覆を可能にする。
【００１８】
また、中間層を形成した後、金属皮膜を構成する金属の粉末を高速ガス流で加速し、中間層に衝突させて付着堆積させるものである。これは、コールドスプレーやキネティックスプレー等と呼ばれる手法により実現できる。コールドスプレーは、粉末粒子を超高速のキャリアガスを用いて基材に高速で衝突させることにより、粒子を塑性変形させて基材上に付着・堆積させるものであるが、金属粉末を有機材料からなる基材に直接噴射しても堆積せず、金属皮膜は得られない。なぜならば、有機材料に比べて硬質な金属粒子が基材に衝突すると、基材を削り落して損耗させるためである。そこで上記のように、基材表面に対してレーザを照射すると、基材表面が比較的硬質の金属リッチ層で覆われ、基材の損耗を抑制し、皮膜の形成を可能にする。
【００１９】
上記プロセスの連続的な施工は、基材にレーザを照射するためのレーザヘッドと、レーザが照射された面に金属粉末を高速ガス流で加速して噴射するためのスプレーノズルとを備えた装置を用いることによって可能となる。レーザヘッドとスプレーノズルを連結または一体化あるいは連携制御することにより、基材の上方において、スプレーノズルよりもレーザヘッドが先行して同一軌道上を走査移動する機構とすれば、レーザが照射された位置に的確に金属粉末を噴射することができる。レーザヘッドとスプレーノズルではなく、基板側が動くことでも金属被覆樹脂構造体は得ることができる。即ち、基板にレーザを照射してから金属粉末を噴射するものであればよい。このプロセスが連続的に行われることにより、上記の金属被覆樹脂構造体が連続して得られ、量産が可能になる。
【００２０】
金属被覆樹脂構造体は、風力発電用風車ブレード、航空機の機体、自動車の車体等の軽量かつ導電性を有することが望ましい構造物や、自動車燃料タンク等の軽量かつ耐食性を必要とする部材に用いることで、それらの機能を有効に発揮する。また、耐摩耗性に優れた金属を皮膜とすることで、例えば樹脂製歯車等の機械部品に耐摩耗性を付与することも可能になる。
【００２１】
以下、発明を実施するための形態を実施例によって詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【実施例】
【００２２】
表1に示す条件で、エポキシ樹脂の表面をAlまたはCuで被覆した図1の断面構造を有する構造体を試作した。図1において、１は有機材料を主成分とする基材、2は有機材料に含まれる金属成分を主体とする中間層、3は金属皮膜である。また、表1において、No.1、No.2は比較例、No.3〜No.8は本発明に係る実施例である。【００２３】
構造体の製造方法の模式図を、図2に示す。図2において、4はレーザ、5は金属皮膜3の原料となる金属粉末である。まず、中間層の形成方法は次のとおりである．フィラーや硬化剤等を含むエポキシ樹脂製の基材1(直径40mm×厚さ5〜10mm)の表面に対し、レーザ線(Ybファイバレーザ)4を表1に示す条件で走査しながら照射した。これにより樹脂表層に存在するフィラーは分解し、基材1の表面にフィラーの金属成分を主体とする中間層2が形成される。図3は、中間層2を形成した後の断面組織の例として、表1中の試料No.5の断面を示す。図3の(a)は断面の走査電子顕微鏡写真、(b)はエネルギー分散型X線分析装置で求めた(a)におけるSiの分布である。このように、レーザ4を照射することにより、樹脂基材1の表面に比較的硬質な金属リッチの中間層2を形成することができる。なお、表1に示した中間層2の金属成分含有量および厚さは、それぞれ蛍光X線分析および断面組織から求めた代表値である。また、試料No.1および2は、比較例として中間層2を形成しなかったものである。【００２４】
次に、金属皮膜の形成方法を以下に示す．原料となる金属粉末5には、粒径が20〜45μmのAlあるいはCuの球形粉を用いた。キャリアガスには0.6MPaの圧縮空気を用い、表1に示す噴射距離(コールドスプレー用ノズルの先端から皮膜形成面までの距離)およびキャリアガス温度で、No.1および2は基材1に、No.3からNo.8は中間層2に対して金属粉末5をほぼ垂直に4パス(4回重ねて)噴射した。このように、図2に示す方法により、金属皮膜3で樹脂基材1を被覆した構造体が得られる。なお、表1に示した金属皮膜3の厚さおよび酸素量は、それぞれ断面組織および赤外線吸収法により求めた代表値である。【００２５】
得られた構造体のうち、比較例No.1は中間層2を形成していないため、金属粉末5の衝突によって樹脂基材1の表面が損耗し、金属皮膜3は形成できなかった。そこでNo.2では、キャリアガスの温度を200℃に高めて金属皮膜3の形成を試みたが、基材1の損耗はさらに大きくなり、同様に金属皮膜3の形成はできなかった。【００２６】
金属皮膜3が得られた試料No.3〜8について、更に導電率と腐食深さを評価した結果を表2に示す。表2において、導電率(IACS%)は焼きなまし純銅の導電率を100％として表した相対値、腐食深さは5％塩水を24時間噴霧した後の断面組織から求めた最大値である。No.3,4に対してNo.5〜8の構造体では、中間層2が十分厚いために、金属粉末5が衝突しても中間層2はほとんど破壊されず、十分な厚さの金属皮膜3を形成できた。従って金属皮膜3の緻密性も高く、腐食深さを低減することができた。そして、金属皮膜3の導電率も比較的高い値を示していることから、緻密な金属皮膜3が形成されたことにより腐食の進展が抑制されたものと思われる。【００２７】
このように、フィラーを含む樹脂を主体とする基材1にレーザ等4を照射すると、金属成分を主体とする比較的硬質な中間層2が形成され、そこに金属粉末5を高速で噴射し、堆積させることにより、基材1を損傷させることなく導電性および耐食性に優れた金属皮膜3で被覆することが可能となる。なお、基材1に含まれるフィラーは金属成分を含むSb2O3、Al(OH)3等でも同様の中間層2を形成することができ、基材1が熱可塑性樹脂のほか、最表面が樹脂で覆われているGFRPや炭素繊維強化プラスチック(Carbon-Fiber Reinforced Plastics)等の場合においても、同様の方法で中間層2および金属皮膜3の形成が可能である。また、金属皮膜3は他の遷移金属でもよく、さらには皮膜を低融点ガラスとすることも同様の方法で可能である。【００２８】
試料No.3〜8の構造体は、図4に示す装置を用いて連続的に製造することも可能である。図4において、6はスプレーノズル、7はレーザヘッドである。ノズルとヘッドの両者を連携制御して、スプレーノズル6がレーザヘッド7よりも先行して同一軌道上を同じ走査速度で移動する装置を試作し、No.4〜9の構造体の作製を試みた。その結果、いずれも表1および2に示した構造・皮膜特性とほぼ同等の構造体が得られ、本発明に係る製造装置によってこれらの構造体がほぼ連続的に製造できることを確認した。なお、スプレーノズル6とレーザヘッド7とを一体化させるか連結させる方法によっても、同様の効果が得られる。【００２９】
【表１】
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【００３０】
【表２】
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【符号の説明】
【００３１】
1…基材、2…中間層、3…金属皮膜、4…レーザ、5…金属粉末、6…スプレーノズル、7…レーザヘッド。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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