補助事業番号

2023M-294

補助事業名

2023年度 金属とCFRPの異種材接合のためのハイブリッドCNT添加接合層の創製とセルフセンシング評価 補助事業

補助事業者名神戸市立工業高等専門学校 田邉 大貴

１ 研究の概要
本研究は，炭素繊維強化プラスチック（Carbon Fiber Reinforced Plastics, CFRP）とアルミニウム等の金属を異種材接合するための接合プロセスにおける諸現象や接合強度を探求するものである．具体的には，超音波振動を利用した超音波加熱技術と，接合層に設けたカーボンナノチューブ（Carbon Nanotube, CNT）添加熱可塑性樹脂層を用いて，CFRPと金属の異種材接合を実現することを目的として研究を実施した．CFRPと金属の接合挙動を実験的に評価した結果，CNTを接合層に添加することで，超音波接合時の樹脂溶融が促進されることが分かった．また，接合強度をシングルラップ引張せん断強度試験により評価した結果，CNTを接合層に添加することで，引張せん断強度が最大で約60%向上することが分かった．
２ 研究の目的と背景
炭素繊維強化プラスチック（Carbon Fiber Reinforced Plastics, CFRP）が次世代の航空機や自動車などの輸送機器および産業機器の構造部材として注目されている．CFRP単体では耐久性や耐熱性，製造コストに課題があるため，CFRPを金属や樹脂などの異種材料と組み合わせ，図1に示すようにマルチマテリアル化することで，軽量化コストの削減や諸特性の向上が期待される．
マルチマテリアル化を実現するためには，異種材料同士を何らかの方法で接合する必要がある．CFRPと金属の融着接合手法の一つに超音波加熱を用いた手法が提案されている．本手法
は，超音波振動子から発振される微小な振動を，超音波ホーンで増幅し，接合部の樹脂を摩擦による発熱によって短時間で加熱することができるため，生産性の高い接合が可能となる．熱可塑性CFRPの超音波接合には，エネルギーダイレクタ（Energy director）と呼ばれるシート状の熱可塑性樹脂を接合面に配置して，エネルギーダイレクタに超音波振動を集中させて接合部を直接加熱する手法がある．
本研究では，Al板への陽極酸化処理を行うことで微細構造を形成してアンカー効果を発現させると同時に，エネルギーダイレクタとして熱可塑性エポキシ樹脂（フェノキシ樹脂）とCNTのナノコンポジットを適用することで，高い接合強度と信頼性を発現することを目的とした．また，CNTの導電性を用いて，接合部のセルフセンシングの実現可能性を調査した．

図 1 マルチマテリアルデザイン
３ 研究内容 （https://drive.google.com/file/d/14jX-P0tRFVsno-0m6c0zybsJ46cfmL8T/view）（１）超音波加熱とCNT添加熱可塑性樹脂接合層を用いたCFRPと金属の接合方法
本事業では，図2に示すような当研究室が目指すCFRPおよびCFRTPの革新的接合プロセスの一部として，CFRPと金属の超音波接合プロセスについて研究を行なった．カーボンナノチューブ（CNT）は高い力学的特性を有しており，電気伝導性や熱伝導性にも優れるナノ材料である．本研
究では，CFRPと金属の超音波接合する際に必要となる“エネルギーダイレクタ”にCNTを添加し，接合強度と信頼性を向上させることを試みた．また，CNTの導電性を利用し，接合部の電気抵抗変化をモニタリングすることで，接合部の損傷・破断の検出や，接合中の溶融状態を検出できることが分かった．

図 2 当研究室が目指す CFRP および CFRTP の革新的接合プロセス

（２）接合層へのCNT添加が引張せん断強度に及ぼす影響
接合層へのCNT添加が引張せん断強度に及ぼす影響を図3に示す．横軸の治具表面温度は，超音波接合時の治具の加熱温度を示している．図3より，CNTを接合層に添加した場合では，CNTを添加しない場合と比較して，引張せん断強度が向上することが分かった．これはCNTが超音波振動で発熱したことと，CNTの高い熱伝導率により接合部の樹脂溶融が促進されたためと推察される．

図 3 CNT 添加ありと添加なしの場合の引張せん断強度の比較

４ 本研究が実社会にどう活かされるか―展望
本研究成果により，超音波加熱を用いたCFRPと金属の異種材接合プロセスと，接合部のセルフセンシングの実現可能性を示唆することができた．今後，CFRPの用途拡大が期待される電動航空機や電気自動車などの次世代輸送機器への産業応用が期待できる．

５ 教歴・研究歴の流れにおける今回研究の位置づけ
当研究室では，CFRPの母材樹脂に熱可塑性プラスチックスを用いた熱可塑性CFRPの成形や融着接合プロセスについて研究をこれまでに行ってきた．今回のCFRPと金属の異種材接合研究
は，これまでの研究をさらに発展させるものであり，実際の産業用途への応用展開も期待できる．

６ 本研究にかかわる知財・発表論文等[1] Daiki Tanabe et al., “Evaluation on joining behavior of UD-CF/Epoxy laminates
and aluminum plate using ultrasonic heating”, 23rd International Conference onComposites Materials (ICCM 23), 2023.

[2] Daiki Tanabe et al., “Evaluation on Ultrasonic Joining Behavior of UD-CF/Epoxy
Laminates and Aluminum Plate using Phenoxy Energy Director”, 13th Canada-Japan
Workshop on Composites (CJWC13), 2023.
[3] Daiki Tanabe et al., “Ultrasonic Joining Behavior of UD-CF/Epoxy laminates andAl Plate using Phenoxy Energy Director”, 2nd Japan-China-Korea Joint Symposiumon Composite Materials, 2023.
[4] 田邉 大貴 他2名，“Al板とCF/Epoxy積層板の超音波接合挙動に及ぼすフェノキシ樹脂
エネルギーダイレクタの影響”, 2023年度JCOM若手シンポジウム, 2023.
[5] 田邉 大貴 他2名 “CNT添加フェノキシ樹脂を融着接合層に用いたCF/Epoxy積層板とAl板の超音波接合挙動と引張せん断強度の評価, 第15回 日本複合材料会議, 2024.

７ 補助事業に係る成果物（１）補助事業により作成したもの（２）（１）以外で当事業において作成したもの

８ 事業内容についての問い合わせ先
所属機関名： 神戸市立工業高等専門学校 機械工学科（コウベシリツコウギョウコウトウセンモンガッコウ キカイコウガクカ）
住所： 〒651-2194
兵庫県神戸市西区学園東町8-3

担

当者： 准教授 田邉 大貴（タナベ ダイキ）

E - m a i l： tanabe@kobe-kosen.ac.jp
ＵＲ

Ｌ： 田邉研究室 https://sites.google.com/g.kobe-kosen.ac.jp/composites/home