2021年11月25日

CFRPとアルミニウムの接合強化に向けたコーティング剤
東京都立産業技術研究センター
事業化支援本部 地域技術支援部 城東支所 主任研究員

小野澤 明良1

FRPとは？
繊維強化プラスチック
F：fiber（繊維）R：reinforced（強化）P：plastics（プラスチック）

繊維プラスチック（母材樹脂）
ガラス繊維強化プラスチック
GFRP：一般・汎用FRP
使用例）生活品（浴槽など）、移動体内装
アラミド繊維強化プラスチック
AFRP：高耐衝撃・高じん性FRP
使用例）屋根補強、自動車
炭素繊維強化プラスチック
CFRP：軽量・高強度FRP
使用例）航空機、自動車、スポーツ分野

課題：コスト、生産性、切断・穴あけ、接合の加工法

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CFRPと異種材料との接合
最近ではCFRPと異種材料を接着・接合（マルチマテリアル化）し、コストを抑え、軽量化を図る需要が増加→接着・接合方法が課題
代表的な接合方法
接合機構
冶金的接合
機械的接合
化学的接合

接合形状
点接合
抵抗スポット溶接
レーザースポット溶接など
ボルト－ナット
かしめ
リベットなど
-線接合
アーク溶接
レーザー溶接など

面接合

ヘミング（かしめ加工）

-

接着

接着-

化学的接合：重量増加を抑えながら接合できることから着目
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代表的なFRPと異種材料の接合方法①①表面研磨による方法（一般的な方法）
金属表面を粗し、アンカー効果で接着強度を向上させる

アルミニウムアルミニウム

接着剤

接着剤塗布

CFRP

②薬品処理による方法
金属に薬品処理し、表面に凹凸形状をつくり、接着強度を向上させる

アルミニウムアルミニウム
薬品処理で、表面に微細な凹凸を形成（数nm～μm程度）

接着剤

接着剤塗布

CFRP

課題：環境負荷の課題および薬品処理する設備導入が必要
4代表的なFRPと異種材料の接合方法②③熱接着フィルムを用いた方法
金属材料に処理を施さず、熱接着シートを被接合材の間に挟んで圧力、温度をかけて接着強度を向上させる

熱・圧力

アルミニウム

熱接着シート

アルミニウム
接着シート

CFRP

CFRP

熱・圧力
課題：新規に設備導入が必要
CFRPと異種材料の接合強度向上に向けた手法が各社で開発→金属表面に着目している接合方法が多い

CFRP表面にあまり着目されていない

5市販品CFRP
熱硬化形エポキシ樹脂CFRP板（株）O-KEI樹脂製（表層：平織り、中層：0°/90°一方向材）

市販品CFRP板の表面粗さ曲線図

CFRP板の表面は平滑ではなく凹凸あり

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研究課題および解決方法
アルミニウム
接着剤
CFRP

CFRP

CFRP表層

接着剤が溝に入り込まない→点接触する可能性あり
接着剤

接着剤
コーティング層

樹脂

CFRP

CFRP

無機フィラー

コーティング剤でしっかり溝に入る→接着剤の点接触から面接触へ

表面にフィラーを隆起させ、アンカー効果をもたらし、接合強化が期待

コーティング剤のイメージ図

CFRPへ表面処理を施すことにより、接合強化を図ることが可能
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試験用CFRP板の作製

サイズ：450×450×2mm
熱硬化形エポキシ樹脂CFRP板（株）O-KEI樹脂製（表層：平織り、中層：0°/90°一方向材）

湿式型切断機タイルカッター

サイズ：約115×約210×2mmに切断

コーティング剤評価用試験片
サイズ：100×150×2mmに切断

引張試験片用サイズ：25×約115×2mmに切断

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コーティング剤の樹脂選定および配合比率
硬化剤
A脂肪族ポリアミン
B酸無水化合物
アミン価：345～385
中和当量：114～120①エポキシ樹脂
分子量：約370
エポキシ当量：184～194

100：50100：120②エポキシ樹脂
分子量：約900
エポキシ当量：450～500

100：15

100：36

主剤

硬化条件
硬化剤A：室温24時間→80℃ 3時間
硬化剤B：80℃ 3時間→120℃ 6時間

上記の組み合わせで液を作製
初期付着性（1次付着性）、長期耐久性（冷熱衝撃試験）試験後の2次付着性を確認

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1次・2次付着性の評価方法
被塗物：CFRP板、塗布：バーコーター法使用したバーコーター種類：No9
評価：初期（1次）および2次付着性付着性試験：クロスカット試験（カット幅2mm）
2次付着性：冷熱衝撃試験後の付着性

冷熱衝撃試験機
バーコーター法

条件： 高温150℃、30分 低温：-40℃、30分
試験時間：500時間

101次・2次付着性の評価結果
硬化剤
A脂肪族ポリアミン
B酸無水化合物
アミン価：345～385
中和当量：114～120

主剤①エポキシ樹脂
分子量：約370
エポキシ当量：184～194②エポキシ樹脂
分子量：約900
エポキシ当量：450～500

1次：分類０2次：分類０

1次：分類０2次：分類０

1次：分類０2次：分類０

1次：分類０2次：分類０

クロスカット試験による付着性の判定

クロスカット試験結果一例（分類０）
引用：（独立）雇用・能力開発機構 職業能力開発総合大学校 能力開発研究センター編： 厚生労働省認定教材 塗料、p203，（社）雇用問題研究会（2008）11

コーティング剤分散の検討
材料
分子量：約370①
エポキシ当量：184～194
エポキシ樹脂分子量：約900②
エポキシ当量：450～500
アルミナ粒子（粒径：1.0 μm）
エポキシシンナー
分散度

ペイントシャーカー

配合
20－－202060
1.5 μm206012 μm

JIS K5600-2-5 分散度測定→分散度の結果、樹脂①をコーティング剤用樹脂として選定

12各種フィラーの選定およびコーティング剤の配合

20 μm
アルミナ（Al）

材料

20 μm
二酸化ケイ素（Si）

フィラーなしエポキシ樹脂40
アルミナ－
二酸化ケイ素－
二酸化チタン－
塩基系高分子型分散剤－
エポキシシンナー60
硬化剤（脂肪族ポリアミン）
20

20 μm
酸化チタン（Ti）

配合（%）
Al
Si
40
40
20－
－
20－
－
1
13939
2020

Ti
40－
－
20
1392013

各フィラーを分散させた物性試験結果
使用したフィラー

分散度（μm）

アルミナ（Al）
二酸化ケイ素（Si）
酸化チタン（Ti）

693

粘度
クロスカット試験
初期
1ヶ月後
1次付着性 2次付着性（mPa・s） （mPa・s）
99
分類０
分類０402405
分類０分類０1111
分類２分類０
付着性：良 分類０← →分類５ 悪※参考：2液型エポキシ接着剤：1700mPa・s（カタログ値）

被塗物：CFRP板
塗布：バーコーター法（No4）クロスカット試験：カット幅2mm
2次付着性：冷熱衝撃試験500時間後の付着性
冷熱衝撃試験条件
高温150℃、30分 低温：-40℃、30分
振動粘度計

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表面粗さ測定結果およびイメージ図
CFRP単体

CFRP
凹凸がある

フィラーなしコーティング層

CFRP
コーティング剤で溝が埋まる
無機フィラーアルミナ（Al）

CFRP
表面にフィラーが隆起

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引張り試験片の層構成
構成1（ブランク）

アルミニウム（A5052）
接着剤

CFRP
引張試験片の作製（アルミニウム表面は♯400で研磨）

構成2
コーティング剤のみ（フィラーなし）

アルミニウム（A5052）
接着剤
コーティング層
CFRP

接着剤

構成3
フィラー入りコーティング剤（Al、Si、Ti）

アルミニウム（A5052）

CFRP

使用した接着剤：市販品2液型エポキシ接着剤

161次付着性引張り試験結果（フィラー別、含有量：20%）1818

約40%強度アップ

1616約20%強度アップ

応力（MPa）

14141212101088 主なはく離箇所
66②cccc

AlAl

Si
SiTi
Ti

442200
はく離箇所番号

②
①

ブランク
ブランク

フィラーなしフィラーなしアルミニウム（A5052）

接着剤

接着剤
コーティング剤

CFRP

CFRP

アルミニウム（A5052）

ブランク

コーティングのみ

アルミニウム（A5052）

はく離箇所番号cab

CFRP

フィラー入りコーティング

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長期耐久試験後（2次付着性）の引張り試験結果（フィラー別、含有量：20%）
30
30

約330%
約250% 強度アップ

応力（MPa）

2525

強度アップ

冷熱衝撃試験条件
高温150℃、30分 低温：-40℃、30分
試験時間：500時間

20201515

主なはく離箇所
CFRP破壊/a CFRP破壊/a1010

CFRP破壊/a CFRP破壊/a5500
はく離箇所番号

②
①

①
ブランク
ブランク

フィラーなしフィラーなしAlAl

アルミニウム（A5052）

接着剤

接着剤
コーティング剤

CFRP

CFRP

アルミニウム（A5052）

ブランク

コーティングのみSiSi
アルミニウム（A5052）

Ti
Ti

はく離箇所番号cab

CFRP

フィラー入りコーティング

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各フィラーの表面粗さ測定結果

アルミナ（Al）

フィラー：二酸化ケイ素（Si）

CFRP
コーティング剤塗布後のイメージ図
フィラー：酸化チタン（Ti）

フィラーの種類によって、隆起の仕方が異なる→接合強化に影響していると考えられる

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研究成果のまとめ①コーティング剤によりCFRP／アルミニウムの接合強度向上に向けた接着が可能②コーティングなしの場合と比べ、1次付着性の接合強度が最大40%向上③コーティングなしの場合と比べ、長期耐久性試験後（2次付着性）の接合強度が最大330%向上

コーティング処理の有効性を見出した
メカニズムの解明は今後の課題
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想定用途①

引用：木崎健太郎、近岡裕：特集1 売れる！使える！異種材料接合，p50，November 2015 NIKKEI MONOZUKURI

接着例（ドローンの骨格）

・軽量、接合強化、耐久性
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想定用途②接着例（イヤホン）

・軽量、デザイン性、接着22

企業への期待・本技術でCFRPと異種材料の接合強度向上に向けた接着が可能
・ CFRPと異種材料の接着技術は注目されており、今後、市場規模の拡大が見込める
ので興味ある企業様との共同研究を希望

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本技術に関する知的財産権• 発明の名称：樹脂金属複合部材及び樹脂金属複合部材の製造方法• 出願番号 ：特願2018-185076• 公開番号 ：特開2020-055118• 出願人：地方独立行政法人
東京都立産業技術研究センター• 発明者：小野澤明良 西川康博

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お問い合わせ先
東京都立産業技術研究センター
経営企画室 産業交流係
ＴＥＬ
０３-５５３０-２１３４
ＦＡＸ
０３-５５３０-２３１８
e-mail sangakuko＠iri-tokyo.jp

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