2022/7/14 アルミ車両 技術と情報 第19回講演会

金属素材の接着接合技術

株式会社神戸製鋼所 材料研究所
表面制御研究室 高橋佑輔1

本日の講演内容

2022/7/14 アルミ車両 技術と情報 第19回講演会

1. はじめに
2. 金属素材の接着接合
3. 接着強度の影響因子
4. 接着の強度低下とメカニズム
5. おわりに2

本日の講演内容

2022/7/14 アルミ車両 技術と情報 第19回講演会

1. はじめに
2. 金属素材の接着接合
3. 接着強度の影響因子
4. 接着の強度低下とメカニズム
5. おわりに3

接着接合の特徴

2022/7/14 アルミ車両 技術と情報 第19回講演会

素材の種類を選ばずに接合が可能■異種材料の接合技術■金属－CFRTPの接合強度
（左側）
（右側）

※平田, 溶接学会誌, 2020, 89, 11.

4構造部材適用のメリット

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接合面積が大きく応力集中の緩和により、剛性や衝突エネルギー吸収性が向上する■接合方法と応力集中の違い■ねじり剛性■衝突エネルギー吸収量※伊原ら, 神戸製鋼所R&D技報, 2019, 69, 82.
※“EAA Aluminium Automotive Manual - Joining 9.
Adhesive bonding”, European Aluminium Association,
p. 38 (2015).

接合部が開口せずに折り畳まれることでより多くの変形エネルギーが必要になる

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接着接合とマルチマテリアル

2022/7/14 アルミ車両 技術と情報 第19回講演会

自動車素材のマルチマテリアル化に伴い、接着接合技術の重要性が高まると期待される■自動車の軽量化と接合技術動向予測

接着接合の使用割合■自動車1台あたりに使用される接合技術

MercedesBenz
C-class
Audi
Q7

Ford
F-150

車体の軽量化※S, Brett et al. 2017. Technology Roadmaps, Center for Automotive
Research, Ann Arbor, MIGMCadillac
CT6

※弊社調べ

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鉄道車両における接着技術

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鉄道車両には軽量・高剛性なアルミハニカムパネルが使用されている
アルミハニカムコア

構造用接着剤

アルミ板※神鋼ノースホームページより抜粋

採用実績

軽量

高剛性

平坦

E1系、E2系、E3系、E5/H5系、E6系、E7/W7系
700系、923系、N700系、N700A系、N700S系
500系、800系、700T系、700/N700系レールスター ほか

本日の講演内容

2022/7/14 アルミ車両 技術と情報 第19回講演会

1. はじめに
2. 金属素材の接着接合
3. 接着強度の影響因子
4. 接着の強度低下とメカニズム
5. おわりに8

接着接合部の破壊形態

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接合端部の脆弱箇所から破壊される

応力集中や変形が生じるため破壊の起点になりやすい

被着材表面破壊（表面の強度が低い）

界面破壊（接着剤との相性が悪い）

強度が安定しない（被着材表面状態の改善が必要）

凝集破壊（接着剤との相性が良い）

強度が安定
9

金属の接着を考える

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金属を接着する場合にはその表面状態が重要になる

腐食生成物
金属間化合物

厚く脆い酸化皮膜

有機吸着物

接着剤
金属

金属製造時の傷※村川, 表面技術, 1994, 45, 752.
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金属表面層が接着強度に与える影響

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マグネシウムを含むアルミニウム合金では酸化皮膜の強度が影響する
熱処理によりマグネシウム酸化物が表面に濃化する※宇佐見ら, 住友軽金属技報, 1993, 34, 171.

酸化皮膜が脆く接着強度が著しく低下するため、接着前にエッチングなどの除去処理が必要※豊瀬ら, 軽金属学会第67秋期大会講演概要, 1984, 18.
11磯山ら, 軽金属, 1985, 35, 176.

被着材の機械特性の違いによる強度特性の変化

2022/7/14 アルミ車両 技術と情報 第19回講演会

被着体の機械特性により変形挙動が異なり、接合強度に影響する■強度・板厚の異なる鋼板の変形シミュレーション■板厚の異なるアルミニウム合金の接着強度

接合部の変形が少なくせん断方向の応力が支配的（6000系アルミニウム合金, エポキシ接着剤使用）
10000

板厚2mmt
板厚1mmt

荷重（N）

8000
6000

被着材の変形により応力集中や剥離荷重が発生

4000
2000
005変位（mm）

1015※富士本ら, 溶接学会論文集, 2016, 34, 93.

12接着強度の耐久性

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使用環境でどの程度の強度が維持できるかが強度設計において重要
水、塩、温度変化、紫外線、酸-アルカリなど接着剤や接着界面（金属表面）の状態変化※原賀, 日本接着学会誌, 2007, 43, 319.

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強度低下における水の影響

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塩水を使用する環境で強度低下が大きく金属表面の状態変化の影響が考えられる■高温恒湿試験（80℃, 95%RH）■塩水噴霧試験（JASO M610-92）※平田, 溶接学会誌, 2020, 89, 11.

14表面処理による強度低下の抑制例

2022/7/14 アルミ車両 技術と情報 第19回講演会

金属と接着剤の相互作用を強化することにより接着性や耐久性は改善される（6000系アルミニウム合金, 耐久試験：5%塩水浸漬2週間）
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EtO
EtO

Si

接着樹脂と反応

NH2OEt

表面処理を実施するには被着材の金属表面や接着樹脂との相性が重要

耐久後

25
せん断強度 [MPa]酸化皮膜と反応

初期

2015
1050
エポキシウレタン

洗浄のみ

エポキシウレタン

シランカップリング剤
15強度低下を抑制する接着剤の配合

2022/7/14 アルミ車両 技術と情報 第19回講演会

接着剤の改良によるアプローチもなされている■接着界面の推定劣化メカニズム■添加剤による接着耐久性の変化

塩水による酸化皮膜の破壊

カソード反応によるアルカリ化※小松ら 軽金属, 1991, 41, 276

16本日の講演内容

2022/7/14 アルミ車両 技術と情報 第19回講演会

1. はじめに
2. 金属素材の接着接合
3. 接着強度の影響因子
4. 接着のメカニズム
5. おわりに17接着界面の状態を考える

2022/7/14 アルミ車両 技術と情報 第19回講演会

金属素材の接着性は金属の表面状態や極性、官能基と接着剤分子との相性が重要
接着剤

接着界面

ポリマーブレンド

高分子鎖の長さ

分岐・絡み合い

接着剤

非極性表面

金属表面
酸化皮膜

形状異物汚染

金属極性表面※村川, 表面技術, 1994, 45, 752.

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アミン硬化型エポキシ接着剤界面の分析例（1）2022/7/14 アルミ車両 技術と情報 第19回講演会

接着剤内部と界面では接着樹脂の化学状態が異なる可能性がある
NH3+

NH2

樹脂内部

接着剤の状態と比べると界面近傍にはプロトン化しているアミンの割合が多い
エポキシ接着剤

樹脂側剥離面

アルミニウム合金

金属側剥離面

金属表面が酸、アミンが塩基として相互作用していると考えらえる※R. G. Dillingham, et al. J. Adhes, 1987, 24, 315.

19アミン硬化型エポキシ接着剤界面の分析例（2）2022/7/14 アルミ車両 技術と情報 第19回講演会

接着界面では接着剤分子からアルミニウム表面への電子供与がみられている
HAXPES

IRVisSFG【HAXPES：硬X線光電子分光法】
接着剤を塗布したままの金属表面の状態解析が可能

エポキシ接着剤【SFG分光法：和周波発生分光法】

酸化皮膜
アルミニウム

接着界面における分子の配向状態を分析

Intensity (a. u.)

HAXPES（Al 1s）

1565

Aluminium alloy

SFG

Al metal

Al oxide

1563
1561
Binding energy (eV)Aluminium alloy + adhesive

接着剤との相互作用による化学シフト

Intensity (a. u.)

接着剤の塗布によりアルミ酸化皮膜の電子状態が低エネルギーシフト

1559

酸化皮膜表面のOH基もしくはNH基2800 3000 3200 3400 3600 3800 4000
Wavenumber [cm-1]※高橋ら, 表面技術, 2021, 72, 238.

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エポキシ接着剤と金属界面の推定構造と相互作用

2022/7/14 アルミ車両 技術と情報 第19回講演会

アルミニウムとエポキシ接着剤の界面では、接着剤から酸化皮膜への電子供与、すなわち酸塩基相互作用が生じていると考えられる
エポキシ接着剤

SFG分光法から推定される界面の分子構造

HAXPESから想定される相互作用

酸化皮膜

AlO

AlO

AlO

Al

H
O

AlO

Al
※高橋ら, 表面技術, 2021, 72, 238.
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接着界面の状態を考える

2022/7/14 アルミ車両 技術と情報 第19回講演会

外乱に伴う接着界面の状態変化を考える必要がある
接着剤分子の構造、官能基、配列など
接着剤

外乱（水など）
酸化皮膜

界面の状態変化
酸化皮膜の化学状態22

中性子イメージングによる接着接合部の解析

2022/7/14 アルミ車両 技術と情報 第19回講演会

接合部における接着剤や水の検出・接合強度との関係解明に活用が期待される
鋼板

アルミ板

分子内に水素原子を有する樹脂や水に対してコントラストが得られる
空隙

リベット
接着剤

リベット周囲の接着剤が薄い※独立行政法人新エネルギー・ 産業技術総合開発機構（NEDO）の委託事業「革新的新構造材料等研究開発」の一環である「中性子等量子ビームを用いた構造材料等解析技術の開発」の成果です23計算シミュレーションによる強度低下メカニズム解析

2022/7/14 アルミ車両 技術と情報 第19回講演会

接着界面における水の挙動と強度低下の相関解明が期待される
界面に水なし界面に水あり※S. Ogata, et al. J. Phys. Chem. C, 2016, 120, 13630.

界面に水が存在すると、酸化皮膜と樹脂との相互作用が低下し、応力下での変形が大きくなっている
24

本日の講演内容

2022/7/14 アルミ車両 技術と情報 第19回講演会

1. はじめに
2. 金属素材の接着接合における影響因子
3. 強度低下と表面処理
4. 接着のメカニズム
5. おわりに25

金属の接着に関するまとめ

2022/7/14 アルミ車両 技術と情報 第19回講演会

金属の接着性は界面における正の要因と負の要因の合計で決定される接着樹脂の種類
接着剤
金属

酸化皮膜

負の要因（現実）
 汚染物・欠陥
 表面脆弱部 残留応力正の要因（理想） 化学的相互作用・親和性
 アンカー効果※高橋ら, 日本接着学会誌, 2021, 57, 201.

実際の接着力26

ご紹介2022/7/14 アルミ車両 技術と情報 第19回講演会

 本日ご紹介の内容
 高橋ら, 日本接着学会誌, 2021, 57, 201.
 高橋, 表面分析研究会誌, 2022, 28, 102.

 弊社技術ショールーム

https://www.kobelco.co.jp/kocolab/

https://www.kobelco.co.jp/products/r-d/achieve/1197492_14765.html

ご質問・ご相談等お気軽にお声がけください

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謝辞

2022/7/14 アルミ車両 技術と情報 第19回講演会

本講演で示した研究成果はそれぞれ以下の研究課題やプロジェクト、共同研究の支援を受けたものです。研究にあたりまして多くの方々にご支援いただきましたことを、ここに感謝申し上げます。
 HAXPES
高輝度光科学研究センター（JASRI）課題番号：2018A5020, 2018B5020（株式会社コベルコ科研）
 中性子イメージング
独立行政法人新エネルギー・ 産業技術総合開発機構（NEDO）委託事業「革新的新構造材料等研究開発」-中性子等量子ビームを用いた構造材料等解析技術の開発（国立研究開発法人理化学研究所）
 SFG分光
産業技術総合研究所 接着・界面現象研究ラボ（現千葉大学工学院）宮前教授
 計算シミュレーション
名古屋工業大学工学研究科 尾形教授28

2022/7/14 アルミ車両 技術と情報 第19回講演会

ご清聴ありがとうございました29