複合材接着構造の表面処理プロセスへの短パルスレーザーの適用性評価
東京大学大学院 工学系研究科准教授 横関 智弘（平成 26 年度一般研究開発助成 AF-2014201）
キーワード：表面処理，接着構造，短パルスレーザー

１．研究の目的と背景の表面研磨・処理を行える可能性を有しており、複合材料

航空機・自動車をはじめとする輸送システムの環境性能に対しても適用可能であり、自動化も容易なことから、接向上のため、部材軽量化・高性能化が求められており、炭着プロセスの品質安定化、短時間化、クリーン化に寄与で素繊維強化複合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastics,きると考えられる。本研究では、レーザー処理を施したCFRP）をはじめとする複合材料が、本格的に主要構造部材

CFRP について、表面状態の分析を行うと共に、接着フィに適用されはじめている。一方で、大規模構造を製造する

ルムを用いて接着試験片を作成し、接着強度評価を行う。

際には部材同士を接合することが不可避であり、構造の軽従来の研磨プロセスの場合と比較して、複合材接着構造へ量化を達成するためには、複合材料同士あるいは複合材料のレーザー処理の適用性を評価する。

／金属などの異種材を接合するための信頼性の高い接合技術の確立が求められる。複合材料を使用する場合、強度

２．実験方法

性能・プロセス性を勘案し、接着接合が有力な方法の１つ2・1となっており、接着接合に関する強度信頼性、及び製造性

本研究で採用するレーザー処理装置は、ドイツ SLCR 社を両立する技術が必要となる[1-4]。

レーザー処理製短パルス炭酸ガスレーザー（型番：ML 105E、波長 10.6CFRP の通常の接着プロセスにおいては、接着面を研磨

m、最大エネルギー：6.5 J /pulse、パルス周波数：50 Hz、（主に人手による研磨紙やブラスト装置を使用した研磨）最大出力：250 W）である。この波長帯は有機物への吸収後、洗浄し（必要であれば化学的処理も施す）、接着剤を率がよいため、レーザー処理により CFRP 表面の樹脂のみ塗布、もしくは接着フィルムを貼り付け、その後硬化させを処理・加工することができ、CFRP 表面の離型成分除去、る手順となる。製造性を考慮すると、研磨プロセスの品質

凹凸形成に適用できると考え、採用した。照射エネルギー、安定化と短時間化が求められ、製造性・信頼性を両立する

レーザーのスポット面積や走査レートを変えることによ

複合材料用の研磨・接着プロセスが確立すれば、構造の軽り、処理条件を変えることができる。窒素吹付による窒素量化が一層進むと考えられる。

環境下での処理も可能であるが、今回は大気雰囲気中で処CFRP の表面処理としては、サンドペーパー処理やブラ理を実施した。尚、レーザー処理後はエタノール等の洗浄スト処理などの機械的な研磨のほか、ピールプライの使用、プロセスは省いており、今回のレーザー処理は紛体・溶剤プラズマ処理、各種化学的処理などが挙げられる[5]。本を使用しない完全な非接触プロセスである。

研究では、レーザー処理を表面処理に適用することを検討使用した CFRP サンプルは東レ製 T800S/2592 一方向材プする。レーザー処理の中でも、レーザー照射による洗浄（表リプレグをクロスプライ積層し、130℃にてオートクレー面異物の除去）や塗装剥離を目的としたものもあるが、レブ成形したものである。尚、成形時に離型剤及びフッ素系ーザーによる表面の凹凸の形成なども目的としたいわゆの離型フィルムを使用している。幾つかの処理条件でレーるレーザーアブレーション法をターゲットとする。エキシ

ザー処理を検討したが、ここでは、レーザー出力や走査レマレーザーを用いた紫外線（UV）処理方法は多くの検討がートは同じとし、スポット面積を変化させた２条件（条件なされているが、固体レーザー技術の進展に伴い、レーザA 及び条件 B）についての結果を報告する。実施した２条ー処理の検討は、近年さらに盛んに検討されてきている。

件の CFRP の表面状態写真を図１に示す。表面状態が変化

Belcher ら[6]は UV レーザー（波長 355nm）を用いたレーしていることが見て取れる。

ザー処理を CFRP の接着の前処理に適用した結果を報告し

2・2

表面分析ている。また、Fisher ら[7]は、UV レーザー（波長 308nm）レーザー処理を行った CFRP サンプル（条件 A 及び条件や近赤外レーザー（波長 1064nm）を適用した CFRP の接着B）、及び、比較として未処理サンプル及びサンドペーパー強度に関する検討を行っている。

処理（#240 及び#400 粗さのサンドペーパーを順に使用し、本研究では、接着前の研磨プロセスとして、短パルス炭研磨後、エタノールにて表面を洗浄したもの）を施したサ酸ガスレーザー照射による表面処理を複合材接着構造にンプル（計４種類のサンプル）を用いて、以下の表面状態適用することを検討する。短時間に一定の品質で広い面積分析を実施した。

・レーザー顕微鏡観察

３．実験結果・FT-IR 分析（ATR 法、ダイヤモンドプリズム）

3・1

・XPS 分析

レーザー顕微鏡による表面状態観察結果（視野

表面状態の比較

これにより、表面の凹凸状態、官能基状態、元素分析を実256m×256m）を図２に示す。レーザー条件 A では表面の施し、物理的、化学的な表面状態の比較を実施した。

樹脂が概ね除去されており、条件 B では部分的に除去されている状態であることが確認できる。未処理サンプルは樹脂に覆われており、サンドペーパー処理は条件 A に近い状態（A よりも全体的に均一に少し樹脂が残っている状態）であった。今回のレーザー処理においては、処理面内（サンプルの面内方向）について V 字型の走査方法であり、スポット面積、走査レートによりレーザー処理の実効時間が場所によって変わる。そのため、場合によっては周期的な斑模様になる。今回の条件 A では比較的その影響が現れており、繊維が露出している箇所と樹脂が覆っている箇所が混在していることが観察から明らかとなった。レーザー処理により、表面樹脂の除去が行われていることが確認できた。
FT-IR 分析結果を図３に示す。尚、図３のスペクトルは絶対的な比較ではなく、相対的な比較を容易にするため、曲線を上下にずらして表示している。未処理サンプルは樹脂に覆われているため樹脂特性が反映されたスペクトルとなっており、条件 B ではその特性が主に反映されていると考えられ、顕微鏡観察結果と一致する。一方、条件 Aとサンドペーパーは似たピーク（C=O や C-O 由来のものなど）を有していることがわかる。条件 A では繊維が露出している部分もあり、スペクトルが長波長側では大きなシグナルとなる湾曲した形を呈しているが、これは炭素繊維の特徴が表れたものと判断できる。

図１

レーザー処理を施した CFRP 表面の様子

2・3

接着せん断強度試験

2.2 と同様の４種類の処理の CFRP サンプルを用いて、接着せん断強度の取得を行った。接着剤としては、AF-163
フィルム接着剤（3M 製）を使用し、硬化条件は 110℃90分、加圧条件は約 100kPa とした。接着層厚さはいずれも約 0.20mm であった。試験片形状や試験方法は JIS K6850(a) Untreated(b) Abrasive paperに従い、各５本ずつの試験を行った。
接着構造の強度性能などの機械特性に関しては、多くの検討がなされ、接着層厚さ、熱残留応力、湿度の影響など、数多くの因子が機械特性に影響する。そのため、表面処理
前後は CFRP サンプルを低湿槽（相対湿度 25%以下）に保管し、吸湿管理を行い、処理・接着・硬化及び試験のタイミングは全サンプル同時に実施した。尚、静的な接着せん(c) Laser A

断強度だけでなく、衝撃強度、破壊力学的特性、疲労特性なども検討する必要があるが、ここでは、JIS K6850 に準図２(d) Laser B

レーザー顕微鏡による CFRP 表面状態観察結果拠した接着せん断強度を評価し、機械特性に関するサンドペーパー処理とレーザー処理の比較を行った。

XPS 分析により、ワイドスペクトル分析を実施した結果、図４に示す。未処理サンプル表面にはフッ素（F）及びシリコン（Si）成分などが検出された。これは成形時に使用５に接着強度の比較を示す。未処理（平均：19.4MPa、変した離型剤及び離型フィルムの成分が表面に残存してい動係数：21%）と比較してサンドペーパー処理（平均：るためと考えられる。４種類のサンプルに対し、ナロウ分

36.2MPa、変動係数：1.0%）は非常に高い強度を示し、レ析により表面の元素成分比率を定量し、表１にまとめた。

ーザー条件 A（平均：34.7MPa、変動係数：1.2%）はサン

未処理サンプルではフッ素やシリコン成分が多く観察さドペーパー処理とほぼ同等の強度及びばらつきを示してれ、サンドペーパーではそれらの成分が完全に除去されている。条件 B（平均：33.2MPa、変動係数：2.9%）はそれいることがわかる。また、レーザー処理でもフッ素やシリらに比べるとわずかながら低い強度及び大きなばらつきコン成分が少なくなっていることがわかる。特に、条件 Aを示した。

ではかなりの成分が除去されていることが判明した。

試験後の接着部の破断面の様子を図６に示す。サンドペ

レーザー顕微鏡観察、FT-IR 分析、XPS 分析の結果から、ーパー処理及び条件 A は凝集破壊の様相を呈しており、条レーザー条件 A の方がサンドペーパー処理に表面状態は件 B は界面破壊も目立つ結果となっている。この結果から、近く、表面の離型成分の除去もある程度行われていること

レーザー条件 A は、接着強度や破壊モードがサンドペーパがわかった。

ー処理と同等であることが確認でき、接着前処理としてのレーザー処理が適用できる可能性を示しているといえる。

図３

CFRP 表面の FT-IR 分析結果図５

接着せん断強度の比較

レーザー処理条件はパラメータも多くあり、どの条件が対象とする CFRP サンプルにとって最適化を判断することが事前に必要となる。本研究では、接着強度を取得する前段階として、３種類の表面分析を行い、サンドペーパーとの比較データを得た。今回の検討では、実際の接着強度は表面分析結果と一致する点が多く、表面状態がサンドペーパーに近い条件 A が接着強度もサンドペーパーと同等であることが示された。このことから、レーザー条件の事前検討として、表面分析を適用することで、ある程度の目
図４

CFRP の未処理表面における XPS スペクトル表１を行うことにより、条件抽出が効率的に行えるものと思われる。

各表面の元素成分比率
Others [%]Untreated
Abrasivepaper
Laser A
Laser B処を得て、パラメータを絞ったうえで実際に接着強度試験

また、レーザー表面処理後の表面状態は、CFRP の樹脂

F 1s [%]

Si 2p [%]

(C 1s, O 1s,etc.)

特性に依存すると考えられ、最適な処理条件は、樹脂組成

13.13.883.10.00.0100

によっては相手側の接着剤との組み合わせにも影響を受

1.44.71.22.797.492.6

けると考えられる。特に、レーザー処理により CFRP 表面の樹脂変性が生じる可能性もあり、その詳細な表面分析も必要であり、接着剤との組み合わせも分析結果を基に判3・2

接着せん断強度

４種類の表面処理状態の CFRP サンプル（試験片数：各5 本）について、接着せん断強度を常温にて取得した。図断する必要もあるかもしれない。そのため、今回は CFRPとして T800S/2592、接着剤として AF163 を使用し、検討を行ったが、これ以外の組み合わせや異種材においても今回のレーザー処理が適用できるかの検討を行う必要がある。

４．結論
本研究では、接着前の研磨プロセスとして、短パルス炭

尚、今回採用したレーザー処理とは別のレーザー処理を酸ガスレーザー照射による表面処理を複合材接着構造に行っている例もある[8,9]。どの処理が適用できるのか、工適用することを検討した。レーザー条件を選択することで程的に有利なのか、更には長期的な信頼度（疲労特性など）従来のサンドペーパー処理と同等の表面状態及び接着性に関する検討など、総合的な検討も必要と考えられる。

能が得られることを示し、レーザー処理が CFRP に適用できることを示した。
レーザー処理はクリーンプロセスであり、研磨プロセスの品質安定化と短時間化に寄与すると考えられ、今回用いCohesivefailure

た CFRP や接着剤以外の場合や異種材接着への適用性など、より一層の検討が必要である。

謝辞

本研究を実施するにあたり、レーザー処理において株式会社 GIS クレオスのご協力、及び表面分析においては島津製作所のご協力をいただいた。ここに謝意を表する。

参考文献(a) Abrasive paper1) 佐藤千明：日本複合材料学会誌、38(2012)、222-227.
2) R.D. Adams, J. Comyn & W. C. Wake: Structural
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Cohesive
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Stöven:The

19thInternational

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5) A. J. Kinloch: Adhesion and Adhesives, Charpman &(b) Laser AHall, (1987).
6) M. A. Belcher, C. J. Wohl, J. W. Hopkins & J. W.
Connell: 14th European Conference on Composite
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Interfacial
failure7) F. Fischer, S. K. Kreling & K. Dilger: The 19thInternational Conference on Composite Materials,Montreal, Canada, July 28- August 2,(2013).
8) L. J. Hart-Smith: Int. J. Adhes. Adhes., 19(1999),181-191.
9) B. R. K. Blackman, B. B. Johnsen, A. J. Kinloch &W. S. Teo, The Journal of Adhesion, 84(2008),
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(c) Laser B
図６

接着せん断強度試験後の破壊モードの様子