(57)【要約】【課題】従来の複合材よりも損傷抑制効果を向上させる。【解決手段】複合材（１０）を、ひずみを与えられた形状記憶合金（ＳＭＡ）箔で構成された金属層（１）と、この金属層（１）の両面にそれぞれ積層された樹脂層（２）と、樹脂層（２）に複数層にわたって繊維強化樹脂層（３１〜３４）が積層された繊維強化樹脂層部（３）と、を備えて構成した。【選択図】        図１
2004262191.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維配列方向が異なる複数の繊維強化樹脂層が積層された繊維強化樹脂層部と、
前記繊維強化樹脂層部間に配置される構造用金属材料からなる金属層と、
前記金属層と前記繊維強化樹脂層部とを接着する樹脂層と、
を備えることを特徴とする複合材。
【請求項２】
前記金属層を形状記憶合金から構成し、
前記樹脂層及び前記繊維強化樹脂層部を、前記金属層に予めひずみを与えた状態で積層したことを特徴とする請求項１に記載の複合材。
【請求項３】
前記繊維強化樹脂層部を、ｎ層の繊維強化樹脂層で構成し、
前記繊維強化樹脂層間の繊維配列方向の最小角度が、（１８０／ｎ）°をなすように繊維強化樹脂層を積層したことを特徴とする請求項１又は２に記載の複合材。
【請求項４】
前記繊維強化樹脂層部は、
前記金属層の所定方向に対して直交する方向に延びるように繊維が配列された第１の繊維強化樹脂層と、
前記第１の繊維強化樹脂層に積層され、前記金属層の所定方向に対して−４５°をなす方向に延びるように繊維が配列された第２の繊維強化樹脂層と、
前記第２の繊維強化樹脂層に積層され、前記金属層の所定方向に沿って延びるように繊維が配列された第３の繊維強化樹脂層と、
前記第３の繊維強化樹脂層に積層され、前記金属層の所定方向に対して４５°をなす方向に延びるように繊維が配列された第４の繊維強化樹脂層と、
を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の複合材。
【請求項５】
形状記憶合金箔にひずみを与え、
当該形状記憶合金箔の両面にそれぞれ樹脂層を積層し、
前記樹脂層に複数層にわたって未硬化の繊維強化樹脂層を積層し、
前記形状記憶合金箔の長さが変化しないように両端を固定し、
前記形状記憶合金箔を加熱して前記樹脂層と前記繊維強化樹脂層を硬化させることを特徴とする複合材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、繊維強化樹脂複合材及びその製造方法に関し、詳しくは、内部に予め永久歪を与えた形状記憶合金を内蔵した繊維強化樹脂複合材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、次世代航空機や高速車両の構造材として用いられる複合材の開発が盛んになってきており、軽量かつ高強度の複合材が提案されている。
その一例として、ＣＦＲＰ（Ｃａｒｂｏｎ  Ｆｉｂｅｒ  Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  Ｐｌａｓｔｉｃ）複合材料積層板に、常温で予めひずみが与えられた形状記憶合金箔を埋め込み、その形状記憶合金箔に通電もしくは外部より加熱することにより、形状記憶合金箔の形状回復機能を損傷抑制機能として利用して損傷部位を修復させることができる複合材が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−３３４８８８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献１に記載の複合材の構造は、複合炭素繊維（以下、ＣＦＲＰという）層間に形状記憶合金箔が埋め込まれているとともに、ＣＦＲＰ層は２層で構成されている。この場合、複合材全体の体積に占める形状記憶合金箔の体積の比率が比較的高く、形状記憶合金箔はＣＦＲＰよりも密度が高いので、複合材の更なる軽量化を図るための障害となっていた。
【０００５】
本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、従来の複合材に比べて軽量化を図りながら強度を向上させ、損傷抑制効果の高い複合材及び複合材の製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、繊維配列方向が異なる複数の繊維強化樹脂層が積層された繊維強化樹脂層部と、前記繊維強化樹脂層部間に配置される構造用金属材料からなる金属層と、前記金属層と前記繊維強化樹脂層部とを接着する樹脂層と、を備えることを特徴とする。
ここで、構造用金属材料とは、構造物の構造材として用いることができる強度を有する金属のことをいう。したがって、構造物によって要求される強度は異なるため、金属層に用いることができる金属材料も変わることとなる。
【０００７】
請求項１に記載の発明によれば、樹脂層自身が複合材の損傷発生ひずみの向上に寄与することはもちろん、樹脂層が金属層と繊維強化樹脂層部との接着性を高めることにより、複合材をより一体化させることができ、従来に比べて損傷抑制効果を高めることができる。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、前記金属層を形状記憶合金から構成し、前記樹脂層及び前記繊維強化樹脂層部を、前記金属層に予めひずみを与えた状態で積層したことを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明によれば、形状記憶合金から構成される金属層が元の形状に復元しようとすると、金属層に積層された樹脂層及び繊維強化樹脂層部は、金属層に作用する復元力を同時に受けることとなる。そのため、金属層が復元したときには、樹脂層及び繊維強化樹脂層部は復元力が作用した状態となる。よって、復元力が作用する向きと反対方向に外力が加わった場合に、その外力は復元力と相殺し合うので、各層に損傷が発生する限界応力を高めることができる。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、前記繊維強化樹脂層部を、ｎ層の繊維強化樹脂層で構成し、前記繊維強化樹脂層間の繊維配列方向の最小角度が、（１８０／ｎ）°をなすように繊維強化樹脂層を積層したことを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載の発明によれば、繊維強化樹脂層部の各層は積層される層数に応じて均等な角度で配置されることとなり、構成された層数で最も一様に強度を発揮させることができる。すなわち、特定の方向だけが強化されることがなくなるので、複合材として好適な構造とすることができる。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、前記繊維強化樹脂層部は、前記金属層の所定方向に対して直交する方向に延びるように繊維が配列された第１の繊維強化樹脂層と、前記第１の繊維強化樹脂層に積層され、前記金属層の所定方向に対して−４５°をなす方向に延びるように繊維が配列された第２の繊維強化樹脂層と、前記第２の繊維強化樹脂層に積層され、前記金属層の所定方向に沿って延びるように繊維が配列された第３の繊維強化樹脂層と、前記第３の繊維強化樹脂層に積層され、前記金属層の所定方向に対して４５°をなす方向に延びるように繊維が配列された第４の繊維強化樹脂層と、を有することを特徴とする。
ここで、所定方向とは、複合材に負荷が主に作用する方向をいう。
【００１３】
請求項４に記載の発明によれば、第１の繊維強化樹脂層から第４の繊維強化樹脂層がそれぞれ４５°で配置され、繊維強化樹脂層部は４方向に対して強化される。よって、４層で構成された繊維強化樹脂層部の中で最も一様に強度を発揮させることができる。すなわち、特定の方向だけが強化されることがなくなるので、複合材として好適な構造とすることができる。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、形状記憶合金箔にひずみを与え、当該形状記憶合金箔の両面にそれぞれ樹脂層を積層し、前記樹脂層に複数層にわたって未硬化の繊維強化樹脂層を積層し、前記形状記憶合金箔の長さが変化しないように両端を固定し、前記形状記憶合金箔を加熱して前記樹脂層と前記繊維強化樹脂層を硬化させることを特徴とする。
【００１５】
請求項５に記載の発明によれば、形状記憶合金箔が加熱されることにより元の形状に復元しようとすると、形状記憶合金箔に積層された樹脂層及び繊維強化樹脂層は、形状記憶合金箔に作用する復元力を同時に受けることとなる。そのため、形状記憶合金箔が復元したときには、樹脂層及び繊維強化樹脂層は復元力が作用した状態となる。よって、復元力が作用する向きと反対方向に外力が加わった場合に、その外力は復元力と相殺し合うので、各層に損傷が発生する限界応力を高めることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施の形態における複合材及び複合材の製造方法について詳細に説明する。
複合材１０は、図１に示すように、構造用金属材料からなる金属層１と、この金属層１の両面にそれぞれ積層された樹脂層２と、この樹脂層２に複数の繊維強化樹脂層３１〜３４が積層されて形成された繊維強化樹脂層部３と、を備えている。
【００１７】
金属層１は、構造用金属材料としての形状記憶合金から構成されている。ここで、形状記憶合金としては、例えば、Ｔｉ−５０．２％Ｎｉ形状記憶合金（以下、ＳＭＡという）が用いられ、このＳＭＡは、加熱することにより元の結晶構造状態に復元するものである。
樹脂層２は、金属層１と繊維強化樹脂層部３との間に介在し、金属層１と繊維強化樹脂層部３との接着力を高めるとともに、自らも複合材１０の強度を高める役割を果たしている。ここで、樹脂としては、例えば、エポキシ系樹脂のフィルム接着剤が用いられる。
【００１８】
繊維強化樹脂層部３は、金属層１に負荷が主に作用する方向（図１においては、紙面に対して左右方向）に対して直交する方向に延びるように繊維が配列された第１の繊維強化樹脂層３１と、第１の繊維強化樹脂層３１に積層され、金属層１に負荷が主に作用する方向に対して−４５°をなす方向に延びるように繊維が配列された第２の繊維強化樹脂層３２と、第２の繊維強化樹脂層３２に積層され、金属層１に負荷が主に作用する方向に沿って延びるように繊維が配列された第３の繊維強化樹脂層３３と、第３の繊維強化樹脂層３３に積層され、金属層１に負荷が主に作用する方向に対して４５°をなす方向に延びるように繊維が配列された第４の繊維強化樹脂層３４と、を有する。ここで、繊維としては、例えば、炭素繊維が用いられる。
【００１９】
（実施例）
次に、複合材１０及び複合材１０の製造方法について、試験例をあげて説明する。
［供試体の製造方法］
試験に用いた金属層１としてのＳＭＡは、０．０４ｍｍと０．１ｍｍの２種類の厚さの箔をそれぞれ一層用いた。また、供試体Ｓの形状を図２に示す。供試体Ｓの寸法は、長さ２５０ｍｍ、幅３５ｍｍ、板厚は繊維強化樹脂層部３のみで約１．６ｍｍ、金属層１を設けた場合は、約１．８５〜１．９５ｍｍである。金属層１として用いるＳＭＡは、接着特性向上のため、表１の材料に圧延の際付着した酸化皮膜を、３％フッ酸−１５％硝酸を用いて酸洗除去及び表面粗化後、１０％ＮａＯＨによる陽極酸化処理を施して新規の酸化皮膜を生成させたものを用いた。供試体Ｓ作成の際には、このＳＭＡの表面を溶剤で完全に洗浄し、図３に示すように、ＳＭＡに与えるひずみを拘束可能な専用治具２０を用いて樹脂層２及び繊維強化樹脂層部３を積層し、１８０℃の環境下に１２０分間さらして成形硬化させた。成形後、タブ接着トリム加工を施し、図２に示すような供試体Ｓに仕上げた。
【００２０】
［試験方法］
本試験における供試体Ｓは、繊維強化樹脂層部３のみ（１種類）、繊維強化樹脂層部３と樹脂層２（１種類）、繊維強化樹脂層部３と樹脂層２とＳＭＡ（１種類）、繊維強化樹脂層部３と樹脂層２と２％のひずみを与えたＳＭＡ（２種類）を用い、それぞれの供試体Ｓに対して常温、８０℃の温度の環境下で試験を行い、合計１０種類の条件で試験を行った。表１に、供試体Ｓの積層構成、板厚、ＳＭＡ体積率、試験温度を示す。
【００２１】
表１に示す比較例としてのタイプＡの供試体Ｓは、繊維強化樹脂層部３のみを積層したものであり、室温下で試験するタイプＡ１の供試体Ｓと、８０℃下で試験するタイプＡ２の供試体Ｓとがある。第１実施例としてのタイプＢの供試体Ｓは、隣接する繊維強化樹脂層部３の間に樹脂層２を積層したものであり、室温下で試験するタイプＢ１の供試体Ｓと、８０℃下で試験するタイプＢ２の供試体Ｓとがある。第２実施例としてのタイプＣの供試体Ｓは、隣接する繊維強化樹脂層部３の間に樹脂層２を介して０．０４ｍｍの金属層１を積層したものであり、室温下で試験するタイプＣ１の供試体Ｓと、８０℃下で試験するタイプＣ２の供試体Ｓとがある。第３実施例としてのタイプＤの供試体Ｓは、隣接する繊維強化樹脂層部３の間に樹脂層２を介して、事前に２％のひずみを付与した０．０４ｍｍの金属層１を積層したものであり、室温下で試験するタイプＤ１の供試体Ｓと、８０℃下で試験するタイプＤ２の供試体Ｓとがある。第４実施例としてのタイプＥの供試体Ｓは、隣接する繊維強化樹脂層部３の間に樹脂層２を介して、事前に２％のひずみを付与した０．１ｍｍの金属層１を積層したものであり、室温下で試験するタイプＥ１の供試体Ｓと、８０℃下で試験するタイプＥ２の供試体Ｓとがある。
【００２２】
表１に示す１０種類の供試体Ｓを用いて、負荷−除荷試験を行った。試験は、供試体Ｓを引張試験機にセットし、０．２％から破断まで０．０５〜０．２％の負荷ひずみ間隔でひずみを上昇させながら決められたひずみを負荷した。供試体Ｓのひずみは、ひずみゲージからの出力を動ひずみ計により取得し、供試体Ｓの損傷検知には浸透探傷試験方法を適用した。
【表１】
2004262191.tif 000003
【００２３】
［トラバースクラックの発生について］
図４及び図５に試験結果を示す。これは、タイプＡの試験結果をベースに、タイプＢを用いて樹脂層２の影響を確認した。更に、タイプＣでＳＭＡからなる金属層１の影響、タイプＤでＳＭＡに２％のひずみを与えたときの効果、復元力の効果を確認した後、タイプＥで金属層１の厚さを２．５倍としたときの損傷抑制効果、復元特性を確認した。
【００２４】
図４に示すように、タイプＡ１では０．６７％、タイプＡ２では０．６５％ひずみで第１の繊維強化樹脂層３１にトランスバースクラックが発生した。この差は、加熱による材料特性の劣化を示している。タイプＢでは、タイプＡとほぼ同等の結果が得られ、変化は見られなかった。タイプＣ１では、室温で０．７％であったクラック発生ひずみがタイプＣ２に見られるように、加熱によって０．７５％にまでトランスバースクラック発生ひずみが改善された。これは、ＳＭＡのオーステナイト変態による剛性向上の効果によるものであると考えられる。更に、タイプＤ１では、室温で０．８４％であったクラック発生ひずみがタイプＤ２に見られるように、加熱によって０．８９％にまでトランスバースクラック発生ひずみが改善された。また、タイプＥ１では、室温で０．８９％であったクラック発生ひずみがタイプＥ２に見られるように、加熱によって０．９５％にまでトランスバースクラック発生ひずみが改善された。
【００２５】
以上の結果から、ＳＭＡからなる金属層１を設けたことにより、トランスバースクラックひずみが改善されていることがわかる。
また、金属層１を設けた場合でも、事前に金属層１にひずみを付与しないタイプＣに比べて、事前に金属層１に２％のひずみを付与したタイプＤの方がよりトランスバースクラック発生ひずみが改善されていることがわかる。更に、金属層１の厚さが０．０４ｍｍのタイプＤに比べて、金属層１の厚さを０．１ｍｍとしたタイプＥの方がよりトランスバースクラック発生ひずみが改善されていることがわかる。
【００２６】
図５に示すように、負荷ひずみ１．１％におけるタイプＡでは、タイプＡ１のトランスバースクラック発生密度は８．１／ｃｍ、タイプＡ２においては１０．６／ｃｍであった。また、タイプＢでは、タイプＢ１のトランスバースクラック発生密度はタイプＡ１に比べて約３０％減少して５．５／ｃｍ、タイプＢ２においては、タイプＡ１に比べて約２０％減少して８．６／ｃｍとなった。タイプＣ１では、タイプＡ１に比べて約３０％減少して５．７／ｃｍ、タイプＣ２においては、タイプＡ１に比べて約３０％減少して７．３／ｃｍとなった。更に、タイプＤ１では、タイプＡ１に比べて約４０％減少して４．９／ｃｍ、タイプＤ２においては、タイプＡ１に比べて約５０％減少し５．６／ｃｍとなった。また、タイプＥ１では、タイプＡ１に比べて約８６％減少し１．１５／ｃｍ、タイプＥ２においては、タイプＡ１に比べて約５７％減少し４．５５／ｃｍとなった。
【００２７】
以上の結果から、繊維強化樹脂層部３のみからなる複合材に比べて、樹脂層２を積層した複合材の方がトランスバースクラック発生密度が減少し、更には、樹脂層２と金属層１を積層することにより、よりトランスバースクラック発生密度を減少させることができる。また、金属層１を設けた場合でも、事前に金属層１にひずみを付与しないタイプＣに比べて、事前に金属層１に２％のひずみを付与したタイプＤの方がよりトランスバースクラック発生密度が減少していることがわかる。更に、金属層１の厚さが０．０４ｍｍのタイプＤに比べて、金属層１の厚さを０．１ｍｍとしたタイプＥの方がよりトランスバースクラック発生密度が減少していることがわかる。
【００２８】
［デラミネーションの発生について］
図４に示すように、タイプＡ１のデラミネーション発生ひずみは０．７７％、タイプＡ２においては０．８３％であった。また、タイプＢでは、デラミネーション発生ひずみはタイプＡ１に比べて大幅に改善され、タイプＢ１及びタイプＢ２ともに１．２％のひずみを超えても発生しなかった。なお、図４においては、１．２％ひずみ以上でデラミネーションが発生しない場合には、便宜上デラミネーション発生ひずみを１．３％とした。タイプＣ１では、１％で発生するまでに低下したが、タイプＣ２においては１．３％となった。更に、タイプＤ１では、１．１％での発生まで特性が改善され、タイプＤ２においては１．３％となった。更に、タイプＥ１及びタイプＥ２ともに１．３％となり、負荷ひずみ１．２％でデラミネーションが全く発生しないという結果が得られた。
【００２９】
以上の結果から、繊維強化樹脂層部３のみからなる複合材に比べて、樹脂層２や金属層１を積層した複合材の方が、デラミネーション発生ひずみを改善することができる。また、金属層１を設けた場合でも、事前に金属層１にひずみを付与しないタイプＣに比べて、事前に金属層１に２％のひずみを付与したタイプＤの方がよりデラミネーション発生ひずみが改善されていることがわかる。更に、金属層１の厚さが０．０４ｍｍのタイプＤに比べて、金属層１の厚さを０．１ｍｍとしたタイプＥの方がよりデラミネーション発生ひずみが改善されていることがわかる。
【００３０】
前記の結果をまとめたものを図６に示す。このグラフより、損傷抑制効果が高いのは、事前にひずみを与えたＳＭＡからなる金属層１と樹脂層２と繊維強化樹脂層部３を設けたタイプＤ又はタイプＥの供試体Ｓであることがわかる。また、この構造を有する供試体Ｓの中でもＳＭＡの厚さが０．１ｍｍのタイプＥの供試体Ｓがより好適であることがわかる。
【００３１】
ここで、ビデオスコープによる供試体Ｓの観察結果を示して、従来の複合材１０との比較を行う。
タイプＡの供試体Ｓにおいては、図７に示すように、負荷ひずみが０．６５％でトランスバースクラックが発生し、０．８％では９０°層の上下に貫通するトランスバースクラックに成長するとともにデラミネーションに進展し、１．０％では、明らかなデラミネーションが観察される。
一方、金属層１と樹脂層２と繊維強化樹脂層部３とからなるタイプＣの供試体Ｓにおいては、図８に示すように、負荷ひずみが０．７５％でトランスバースクラックが発生し、０．９５％では９０°層の上下に貫通するトランスバースクラックに成長し、１．０％ではデラミネーションが発生していることがわかる。
以上の結果より、ＳＭＡからなる金属層１に事前にひずみを与えた状態で樹脂層２及び繊維強化樹脂層部３を積層し、金属層１を加熱して元の形状に復元させることにより、従来の複合材に比べて損傷を大幅に抑制できる。
【００３２】
従って、本実施の形態における複合材１０及び複合材１０の製造方法によれば、樹脂層２自身が複合材１０の強度の向上に寄与することはもちろん、樹脂層２が金属層１と繊維強化樹脂層部３との接着性を高めることにより、複合材１０をより一体化させることができ、複合材１０の強度を高めることができ、従来に比べて損傷抑制効果を高めることができる。
【００３３】
また、金属層１をＳＭＡから構成することにより、金属層１が加熱されることにより元の形状に復元しようとすると、金属層１に積層された樹脂層２及び繊維強化樹脂層部３は、金属層１に作用する復元力を同時に受けることとなる。そのため、金属層１が復元したときには、樹脂層２及び繊維強化樹脂層部３は復元力が作用した状態となる。よって、復元力が作用する向きと反対方向に外力が加わった場合に、その外力は復元力と相殺し合うので、各層に損傷が発生する限界応力を高めることができる。
【００３４】
また、第１の繊維強化樹脂層３１から第４の繊維強化樹脂層３４がそれぞれ４５°で配置されることにより、繊維強化樹脂層部３は４方向に対して強化される。よって、４層で構成された繊維強化樹脂層部３の中で最も一様に強度を発揮させることができる。すなわち、特定の方向だけが強化されることがなくなるので、複合材１０として好適な構造とすることができる。
【００３５】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではない。例えば、本実施の形態においては、繊維強化樹脂層部３を４層で構成したが、６層や８層としてもよい。この場合、６層であれば、第１の繊維強化樹脂層から第６の繊維強化樹脂層をそれぞれ３０°で配置すればよく、８層であれば、第１の繊維強化樹脂層から第８の繊維強化樹脂層をそれぞれ２２．５°で配置すればよい。また、金属層１に用いたＳＭＡは、加熱して復元するものに限らず、時間経過により復元するものでもよい。その他、発明の要旨を変更しない範囲において適宜置換、変更が可能である。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、樹脂層自身が複合材の強度の向上に寄与することはもちろん、樹脂層が金属層と繊維強化樹脂層部との接着性を高めることにより、複合材をより一体化させることができ、複合材の強度を高めることができ、従来に比べて損傷抑制効果を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における複合材の斜視図である。
【図２】（ａ）は供試体の平面図、（ｂ）は供試体の側面図である。
【図３】複合材の製造についての説明図である。
【図４】積層構造の異なるタイプの供試体による損傷特性の比較を示す図である。
【図５】積層構造の異なるタイプの供試体による負荷ひずみと損傷特性との関係を示す図である。
【図６】積層構造の異なるタイプの供試体による損傷特性の比較を示す図である。
【図７】従来の複合材におけるトランスバースクラック発生及びデラミネーション発生の過程を示す説明図である。
【図８】本発明の複合材におけるトランスバースクラック発生及びデラミネーション発生の過程を示す説明図である。
【符号の説明】
１      金属層
２      樹脂層
３      繊維強化樹脂層部
３１    第１の繊維強化樹脂層
３２    第２の繊維強化樹脂層
３３    第３の繊維強化樹脂層
３４    第４の繊維強化樹脂層
１０    複合材
【図１】
2004262191.tif 000004
【図２】
2004262191.tif 000005
【図３】
2004262191.tif 000006
【図４】
2004262191.tif 000007
【図５】
2004262191.tif 000008
【図６】
2004262191.tif 000009
【図７】
2004262191.tif 000010
【図８】
2004262191.tif 000011