(57)【要約】【課題】工程の簡素化を図ると共に、複合材料の重量増加を抑えつつ衝撃強さの向上を図った複合材料の修復方法、及び複合材料の製造方法を提供すること。【解決手段】強化材を含有する充填材Ａを、複合材料１０内に形成された隙間（例えば層間はく離部）１２に注入することで、従前のような切削作業、修復材料の準備を不要とし、廃棄物の発生を抑制して、修復工程の簡素化を図ることができる。また、強化材（例えばカーボンナノチューブ）を含有する充填材を注入することで、複合材料の重量増加を抑えつつ衝撃強さの向上を図る。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合材料内に形成された隙間に充填材を注入して前記複合材料を修復する方法において、
前記複合材料内の前記隙間に、強化材を含有する前記充填材を注入する注入工程を備えることを特徴とする複合材料の修復方法。
【請求項２】
前記注入工程では、前記強化材としてカーボンナノチューブを含有する前記充填材を注入することを特徴とする請求項１記載の複合材料の修復方法。
【請求項３】
前記注入工程では、樹脂材及び前記強化材を含有する前記充填材を注入することを特徴とする請求項１又は２記載の複合材料の修復方法。
【請求項４】
マイクロ波を照射して、前記隙間に注入された前記強化材を振動させ、前記強化材の振動熱を利用して前記樹脂材を硬化させる硬化工程を備える請求項３記載の複合材料の修復方法。
【請求項５】
前記複合材料の外表面から前記隙間に連通する注入孔を形成する注入孔形成工程を更に備え、
前記注入工程では、前記注入孔を通じて前記充填材を注入することを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の複合材料の修復方法。
【請求項６】
前記注入工程では、前記隙間を含む領域を減圧して前記充填材を注入することを特徴とする請求１〜５の何れか一項に記載の複合材料の修復方法。
【請求項７】
前記１〜６の何れか一項に記載された複合材料の修復方法を用い、前記隙間を修復して前記複合材料を製造する複合材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合材料の修復方法、及び複合材料の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば航空宇宙分野などの構造物の材料として使用される複合材料の修復方法として、特許文献１に記載の技術がある。この特許文献１に記載の技術では、樹脂系複合材製品に形成された、開口部を有する空隙欠損部（隙間）に樹脂を充填して修理を行う際に、空隙欠損部を含む領域を真空状態として、空隙欠損部全体に樹脂を確実に充填することで、樹脂未充填部の発生を防止するものである。
【０００３】
また、樹脂材等の絶縁性物質の接着方法として、特許文献２に記載の技術がある。この特許文献２に記載の技術では、樹脂材に鉄粉を混入させた修復材を高周波振動させることで、加熱接着時間の短縮を図っている。
【０００４】
また、従来の一般的な複合材料の修復方法として、以下の技術が知られている。図７は、複合材料の従来の修復方法を説明するための概略断面図である。従来の修復方法では、まず、複合材料１に形成された層間はく離部２を含む修復領域３を削り取る（手順Ｉ）。修復領域３が除去された部分に取り付けられる修復材料（プリプレグ）を成形する（手順ＩＩ）。成形された修復材料を修復領域３が除去された部分に積層する（手順III）。
【０００５】
次に、複合材料１に積層された修復材料の表面を覆うように成形準備（シーラント、バックフィルム貼り付けなど）を施し、加熱器具を用いて加熱硬化させる（手順ＩＶ）。そして、修復材料と複合材料１との繋ぎ部を研磨仕上げする（手順Ｖ）。
【０００６】
図７では、破線で示す境界線Ｌ１より上側の領域が修復領域３として設定される。例えば、層間はく離部３の幅Ｄ１が約６０ｍｍ、厚さｔ１が５ｍｍの場合、境界線Ｌ１の図示左右方向の長さＬ２は、約１００ｍｍ以上に設定される。そして、境界線Ｌ１と複合材料１の表面との成す角θは、例えば３度以下に設定される。
【特許文献１】特開２００６−１８７８９７号公報
【特許文献２】特開平３−２８５９２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１に記載の技術では、樹脂を空隙欠損部に充填することで、外観上の修復が可能であるものの、衝撃等によって再度、複合材料に欠陥が発生するおそれがあり、複合材料の衝撃強さの向上が望まれている。
【０００８】
また、上記特許文献２に記載の鉄粉が混入された修復材を、複合材料の修復に用いた場合には、混入された鉄粉によって重量が増加してしまうという問題がある、
【０００９】
また、図７に示す従来の修復方法では、欠陥部である層間はく離部２を除去するだけでなく、修復材料を接着するための接着面を確保するために層間はく離部２の数倍の面積を有する修復領域３を削り取る必要がある。そのため、切削作業に時間を要するという問題、修復材料を準備しなければならないという問題、その他廃棄物が増加してしまうという問題があり、修復方法の簡素化が求められている。
【００１０】
本発明は、このような課題を解決するために成されたものであり、工程の簡素化を図ると共に、複合材料の重量増加を抑えつつ衝撃強さの向上を図った複合材料の修復方法、及び複合材料の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明による複合材料の修復方法、及び複合材料の製造方法は、複合材料内に形成された隙間に充填材を注入して複合材料を修復する方法において、複合材料内の前記隙間に、強化材を含有する充填材を注入する注入工程を備えることを特徴としている。
【００１２】
このような複合材料の修復方法によれば、強化材を含有する充填材を、複合材料内に形成された隙間（例えば層間はく離部）に注入することで、従前のような切削作業、修復材料の準備を不要とし、廃棄物の発生を抑制することができ、修復工程の簡素化を図ることができる。また、強化材を含有する充填材を注入することで、複合材料の重量増加を抑えつつ衝撃強さの向上を図ることができる。
【００１３】
ここで、注入工程では、強化材としてカーボンナノチューブを含有する充填材を注入することが好ましい。このように、強化材としてカーボンナノチューブを含有させることで、複合材料の重量増加を抑えつつ衝撃強さの向上を図ることができる。また、注入工程では、樹脂材及び上記強化材を含有する充填材を注入することが好ましい。
【００１４】
また、マイクロ波を照射して、隙間に注入された強化材を振動させ、強化材の振動熱を利用して樹脂材を硬化させる硬化工程を備えることが好適である。これにより、樹脂材の硬化時間を短縮することができる。また、衝撃強さの向上に寄与する強化材を振動させるため、従前のように発熱材として鉄粉を混入させる必要がない。そのため、複合材料の重量増加を抑制することができる。
【００１５】
また、複合材料の外表面から隙間に連通する注入孔を形成する注入孔形成工程を更に備え、注入工程では、注入孔を通じて充填材を注入することが好ましい。また、注入工程では、隙間を含む領域を減圧して充填材を注入することが好ましい。この場合、隙間を真空とすることで、隙間全体に充填材を注入することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、工程の簡素化を図ると共に、複合材料の重量増加を抑えつつ衝撃強さの向上を図った複合材料の修復方法、及び複合材料の製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明による複合材料の修復方法、及び複合材料の製造方法の好適な実施形態について図面を参照して説明する。なお、図面の説明において同一または相当要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。図１は、層間はく離部に連通する注入孔が形成された複合材料の概略断面図である。本実施形態の複合材料の修復方法は、例えば、ＦＲＰ（fiber reinforced plastics）などの複合材料１０に形成された層間はく離部１２に、充填材（修復材）を注入して修復を行う方法である。また、本実施形態の複合材料の修復方法を用いて、複合材料（複合材料パネル）の生産時に形成された層間はく離部１２を修復して、複合材料を製造する方法として適用してもよい。
【００１８】
図１に示す複合材料１０は、複数のプリプレグ（中間素材）１０ａ〜１０ｇを有し、隣接するプリプレグ１０ａ〜１０ｇは、その炭素繊維の配列方向が異なるように積層されている（例えば、積層構成：［４５／−４５／０／９０／４５／−４５］２ｓ等）。また複合材料１０としては、ＣＦＲＰ（carbon fiber reinforced plastics）、ＧＦＲＰ（glass fiber reinforcedplastics）、ＳＭＣ（シート・モールディング・コンパウンド）などがある。そして、本実施形態の修復方法が適用されて、層間はく離部１２が修復された複合材料１０は、例えば、自動車の車体、各種自動車部品、航空宇宙分野における構成部品等として採用される。
【００１９】
まず、第１実施形態に係る複合材料の修復方法について説明する。図１に示す複合材料１０には、隣接するプリプレグ１０ａ〜１０ｇがはく離する層間はく離部１２が形成されている。
【００２０】
図２は、第１実施形態に係る複合材料の修復方法の工程を示すフローチャートである。第１実施形態の複合材料の修復方法では、検査工程（Ｓ１）、注入孔加工（形成）工程（Ｓ２）、充填材加熱工程（Ｓ３）、減圧工程（Ｓ４）、注入工程（Ｓ５）、硬化工程（Ｓ６）、研磨工程（Ｓ７）を実施する。
【００２１】
まず、ステップ１では、複合材料１０内に形成された層間はく離部１２を検出する検査工程を実施する。検査工程では、例えば、超音波探傷試験等を行い、層間はく離部１２の位置及び大きさを検出する。また、その他の非破壊検査を実施して、層間はく離部１２を検出してもよい。図３は、超音波探傷試験による検査結果であり、層間はく離部を検出した場合の検査結果の一例を示す図である。図３（Ａ）は、複合部材１０を外表面側から視た場合の層間はく離１２の分布状況を示し、図３（Ｂ）、（Ｃ）は、層間はく離の深さ方向の分布を示している。
【００２２】
ステップ２では、充填材の注入に利用される注入孔１４（図１参照）を加工する注入孔加工工程を実施する。注入孔加工工程では、検査工程によって検出された層間はく離部１２の位置及び大きさに基づいて、注入孔１４の位置及び深さを決定し、穴加工を行う。注入孔１４は、層間はく離部１２の発生領域の中心に形成されることが好ましく、注入孔１４の直径Ｄは、充填材に含まれる強化材の大きさ以上とされる。
【００２３】
図１に示すように、例えば、複合材料１０の板厚ｔが６．４８ｍｍ（＝１プライ厚さ０．２７ｍｍ×２４プライ）であり、層間はくり部１２が、プリプレグ１０ａ，１０ｂ間、１０ｂ，１０ｃ間、１０ｃ，１０ｄ間、１０ｄ，１０ｅ間、１０ｆ，１０ｇ間に形成されている場合、注入孔１４として、直径Ｄ（例えば５ｍｍ）のドリル穴を深さ６．２５ｍｍ分加工する。この場合、注入孔１４の複合材料１０の外表面からの深さｄは、次式（１）、注入孔１４の深さｄ（６．２５ｍｍ）＝複合材料１０の板厚ｔ（６．４８ｍｍ）−１プライ厚さｔ１（０．２７ｍｍ）＋穴加工用マージンＭ（０．４ｍｍ）…（１）によって、算出することができる。
【００２４】
ステップ３では、層間はく離部１２に注入される充填材を加熱する充填材加熱工程を実施する。図４は、本発明の実施形態に係る注入工程を説明するための概略断面図である。図４に示すように、充填材Ａは、容器１６内に入れられ、加熱源であるヒータ１８によって加熱される。ヒータ１８の温度は、充填材Ａの流動性向上を考慮して、例えば８０℃に設定されることが好ましい。
【００２５】
ステップ４では、層間はく離部１２を含む領域Ｂを減圧する減圧工程を実施する。この減圧工程では、注入孔１４の開口部１４ａを覆うように耐圧ケース２０がセットされる。また、耐圧ケース２０と複合材料１０との間には、例えばゴム２２等が挿入され、耐圧ケース２０の気密状態が確保されている。さらに、耐圧ケース２０には、この耐圧ケース２０内、注入孔１４及び層間はく離部１２を含む領域Ｂを減圧する減圧手段としての真空ポンプ２４が接続されている。
【００２６】
また、容器１６と注入孔１４とを接続する配管２６は、耐圧ケース２０を貫通すると共に、耐圧ケース２０外に、耐圧ケース２０内の気密状態を確保するために、バルブ２８が設置されている。そして、真空ポンプ２４を作動させることで、層間はく離部１２を含む領域Ｂの空気を吐き出して減圧し、例えば真空状態とする。なお、真空ポンプ２４の作動時において、バルブ２８は閉じられて領域Ｂの気密性は確保されている。
【００２７】
ステップ５では、充填材Ａを層間はく離部１２に注入する注入工程を実施する。ここで、充填材Ａは、樹脂材及び強化材を含有し、複合材料１０の衝撃強度を向上させるための強化材として、カーボンナノチューブが挙げられ、樹脂材としてエポキシ樹脂に硬化剤（常温硬化）を加えたものが挙げられる。注入工程では、配管２６に設置されたバルブ２８が開状態とされ、容器１６内の充填材Ａが配管２６内を流通して、注入孔１４及び層間はく離部１２に流し込まれる。このとき、層間はく離部１２を含む領域Ｂ内が減圧されているため、充填材Ａを、層間はく離部１２の亀裂先端まで浸透させることができる。
【００２８】
ステップ６では、層間はく離部１２に充填（浸透）された充填材Ａを硬化させる硬化工程を実施する。図５は、本発明の第１実施形態に係る硬化工程を説明するための概略断面図である。この硬化工程では、注入孔１４の開口部１４ａを覆うように配置されていたゴム２２、耐圧ケース２０、配管２６などを撤去した後、図５を示すように、注入孔１４の開口部１４ａを覆うように、副資材３０をセットする。この副資材３０として、複合材料１０の表面側から離型フィルム３２、カールプレート３４、ブリーザー３６、バックフィルム３８が配置される。
【００２９】
副資材３０がセットされた後、硬化工程では、副資材３０の周縁部に沿って配置されたシーラント４０を用いて副資材３０によって覆われた領域を密封状態とする。そして、硬化工程では、真空ポンプ２４を用いて、副資材３０によって覆われた領域の空気を抜いて、大気圧（約０．０１ＭＰａ）を修復部である注入孔１４の開口部１４ａ近傍に付与し、注入工程によって注入された充填材Ａを硬化（例えば、常温で約１時間）させる。
【００３０】
ステップ７では、修復部の外表面を研磨する研磨工程を実施する。この研磨工程では、前段の硬化工程で使用した副資材３０を除去した後、修復部の外表面（注入孔１４の開口部１４ａ周り）を研磨して、複合材料１０の表面を仕上げ、元の状態に復元する。
【００３１】
このような複合材料の修復方法では、樹脂材の流動によりカーボンナノチューブ等の強化材を層間はく離部１２に浸透させることができる。そのため、単に層間はく離部１２の修復が可能であるだけでなく、樹脂材及び強化材が浸透された層間はく離部１２の衝撃強さを向上させることができる。また、複合材料１０の外表面に開口された注入孔１４は、強化材を含有する樹脂材が充填され、元の状態に復元される。このように、強化材としてカーボンナノチューブを採用することで、重量増加を抑制して複合材料１０の衝撃強さを向上させることができる。なお、強化材（カーボンナノチューブ）及び樹脂材（エポキシ樹脂）を含有する充填材Ａを層間はく離部１２に充填した場合には、樹脂材単体を層間はく離部１２に充填した場合と比較して、複合材料１０の衝撃強さは、約５割程度向上される。
【００３２】
また、注入孔加工工程（Ｓ２）において、層間はく離部１２の直径（面積）以下、強化材のサイズ以上の小さな注入孔１４を開口させることにより、層間はく離部１２へ通ずる導線（経路）を形成し、複合材料１０内の隙間部を修復することができる。また、従来に比して小さな穴加工で済むため、切削工数（加工工数）、修復材料、廃棄物を従来技術の約１／１０に削減することができる。このように、本実施形態の複合材料の修復方法によれば、工程の簡素化を図ると共に、複合材料１０の重量増加を抑えつつ衝撃強さの向上を図り、好適に複合材料１０の層間はく離部１２の修復を行うことができる。
【００３３】
次に、本発明の第２実施形態に係る複合材料の修復方法（製造方法）について説明する。第２実施形態の修復方法が、第１実施形態の修復方法と違う点は、硬化工程における処理手順が異なる点であり、具体的には、樹脂材を常温硬化させる硬化工程に代えて、樹脂材を加熱して硬化させる硬化工程を実施する。図６は、第２実施形態に係る硬化工程を説明するための概略断面図である。なお、第１実施形態と重複する説明は省略する。
【００３４】
第２実施形態の硬化工程では、図６に示すように、注入孔１４の開口部１４ａを覆うように、副資材３０をセットした後、第１実施形態の硬化工程と同様に、真空ポンプ２４を用いて副資材３０で覆われた領域の空気を抜く。その後、副資材３０を挟んで複合材料１０と対面するように配置されたマイクロ波照射装置４４を用いて、複合材料１０内に充填された樹脂材を硬化させる。例えば、約１０分のマイクロ波の照射により樹脂材を硬化させることができる。
【００３５】
このように第２実施形態の硬化工程では、複合材料１０の充填材注入領域（層間はく離部１２、注入孔１４）にマイクロ波を照射し、充填材に混入された強化材（例えばカーボンナノチューブ）自体を熱媒体として、樹脂材（例えばエポキシ樹脂）を加熱硬化することができる。その結果、マイクロ波を照射しない場合と比較して、硬化時間を短縮することができる。また、強化材を熱媒体とすることで、均一に加熱させることができ、好適に硬化させることが可能となる。
【００３６】
以上、本発明をその実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態において、複合材料として、ＣＦＲＰ、ＧＦＲＰなどを例示しているが、その他の繊維（例えばガラス繊維、セラミックス繊維など）を樹脂（例えばポリエステル樹脂）で固めた複合材料であってもよい。
【００３７】
また、上記実施形態では、強化材として、カーボンナノチューブ（ショートカーボンファイバー）を用いているがその他の強化材（例えばガラス繊維など）を使用してもよい。
【００３８】
また、上記実施形態では、複合材料に形成された隙間として、例えば、隣接したプリプレグがはく離した層間はく離部を例示しているが、その他の亀裂、開口、空間等の修復に、上記充填材（樹脂材及び強化材）を注入してもよい。また、複合材料に形成された隙間は、複合材料の生産過程で生じたものでも、複合材料の使用時に生じたものでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】層間はく離部に連通する注入孔が形成された複合材料の概略断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る複合材料の修復方法の工程を示すフローチャートである。
【図３】超音波探傷試験による検査結果であり、層間はく離部を検出した場合の検査結果の一例を示す図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る注入工程を説明するための概略断面図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係る硬化工程を説明するための概略断面図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る硬化工程を説明するための概略断面図である。
【図７】複合材料の従来の修復方法を説明するための概略断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１０…複合材料、１２…層間はく離部（隙間）、１４…注入孔。
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図３】
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