JP5714864B2 - CFRP prepreg and bonded material - Google Patents
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Description
本発明は、輸送機器、電気機器、医療機器等の製造分野全般において使用されるCFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics)に関する。具体的には、マトリックス樹脂を改良したCFRPプリプレグ、及びそのCFRPプリプレグと被着材(CFRP又は金属合金等)を接合した接合体に関する。 The present invention relates to CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastics) used in the entire manufacturing field of transportation equipment, electrical equipment, medical equipment and the like. Specifically, the present invention relates to a CFRP prepreg obtained by improving a matrix resin, and a joined body obtained by joining the CFRP prepreg and an adherend (CFRP, metal alloy, or the like).
本発明者らは、金属合金同士、又は金属合金とCFRPをエポキシ接着剤により強固に接着する技術を開発した。特許文献1には、アルミニウム合金同士、又はアルミニウム合金とCFRPとを1液性エポキシ接着剤を使用して強固に接着する技術を開示している。同様に、特許文献2、3、4、5、及び6には、マグネシウム合金、銅合金、チタン合金、ステンレス鋼、及び一般鋼材を、それぞれ金属合金又はCFRP部材と1液性エポキシ接着剤を使用して強固に接着する技術を開示している。 The inventors of the present invention have developed a technique for firmly bonding metal alloys to each other or a metal alloy and CFRP with an epoxy adhesive. Patent Document 1 discloses a technique for firmly bonding aluminum alloys or between an aluminum alloy and CFRP using a one-component epoxy adhesive. Similarly, in Patent Documents 2, 3, 4, 5, and 6, magnesium alloy, copper alloy, titanium alloy, stainless steel, and general steel material are respectively used as a metal alloy or a CFRP member and a one-component epoxy adhesive. Thus, a technique for firmly bonding is disclosed.
ここで、上記技術においては金属合金表面を所定の形状、構造とすることで、アンカー効果によって接着力を獲得していた。本発明者らは、この理論を「NAT(Nano Adhesion Technologyの略)」と称している。NATでは、金属合金表面が以下に示す3条件を具備することで、被着材との強固な接着を達成することとしている。 Here, in the said technique, the adhesive force was acquired by the anchor effect by making the metal alloy surface into a predetermined shape and structure. The inventors refer to this theory as “NAT (Nano Adhesion Technology)”. In NAT, the metal alloy surface satisfies the following three conditions to achieve strong adhesion to the adherend.
(1)第1の条件は、最新型のダイナミックモード型の走査型プローブ顕微鏡で金属合金表面を走査したときに、RSmが0.8〜10μmであり、Rzが0.2〜5μmである粗度面となっていることである。ここでRSmは、日本工業規格(JIS B 0601:2001, ISO 4287:1997)に規定される輪郭曲線要素の平均長さであり、Rzは、日本工業規格(JIS B 0601:2001, ISO 4287:1997)に規定される最大高さである。この粗度面を「ミクロンオーダーの粗度を有する表面」と称す。
(2)第2の条件は、上記ミクロンオーダーの粗度を有する金属合金表面に、さらに5nm周期以上の超微細凹凸が形成されていることである。当該条件を具備するために、上記金属合金表面に微細エッチングを行い、前述のミクロンオーダーの粗度をなす凹部内壁面に5〜500nm、好ましくは10〜300nm、より好ましくは30〜100nm(最適値は50〜70nm)周期の超微細凹凸を形成する。
(3)第3の条件は、上記金属合金の表層がセラミック質であることである。具体的には、元来耐食性のある金属合金種に関しては、その表層が自然酸化層レベルかそれ以上の厚さの金属酸化物層であることを要し、耐食性が比較的低い金属合金種(例えばマグネシウム合金や一般鋼材等)では、その表層が化成処理等によって生成した金属酸化物又は金属リン酸化物の薄層であることが第3の条件となる。
(1) The first condition is that when the metal alloy surface is scanned with the latest dynamic mode scanning probe microscope, RSm is 0.8 to 10 μm and Rz is 0.2 to 5 μm. It is a measure. Here, RSm is the average length of contour curve elements defined in Japanese Industrial Standard (JIS B 0601: 2001, ISO 4287: 1997), and Rz is Japanese Industrial Standard (JIS B 0601: 2001, ISO 4287: 1997). This roughness surface is referred to as a “surface having a roughness on the order of microns”.
(2) The second condition is that ultrafine irregularities having a period of 5 nm or more are further formed on the surface of the metal alloy having a roughness on the order of microns. In order to satisfy the conditions, fine etching is performed on the surface of the metal alloy, and the inner wall surface of the concave portion having a roughness on the order of micron is 5 to 500 nm, preferably 10 to 300 nm, more preferably 30 to 100 nm (optimum value). Form ultra-fine irregularities with a period of 50 to 70 nm.
(3) The third condition is that the surface layer of the metal alloy is ceramic. Specifically, with respect to the metal alloy type that originally has corrosion resistance, the surface layer needs to be a metal oxide layer having a thickness equal to or greater than that of the natural oxide layer, and the metal alloy type having relatively low corrosion resistance ( For example, in the case of a magnesium alloy or a general steel material, the third condition is that the surface layer is a thin layer of metal oxide or metal phosphorous oxide generated by chemical conversion treatment or the like.
これらを模式的に図にすると図16のようになる。金属合金40の表面にはミクロンオーダーの粗度を成している凹部(C)が形成され、さらにその凹部内壁には超微細凹凸(A)が形成され、表層はセラミック質層41となっており、この超微細凹凸に接着剤硬化物層42の一部が浸入している。このようにした金属合金表面に液状の接着剤が侵入し、侵入後に硬化すると、金属合金と硬化した接着剤は非常に強固に接合するという簡潔な考え方である。 These are schematically illustrated as shown in FIG. Concave portions (C) having a roughness on the order of microns are formed on the surface of the metal alloy 40, and ultra fine irregularities (A) are formed on the inner walls of the concave portions, and the surface layer is a ceramic layer 41. In addition, a part of the cured adhesive layer 42 penetrates into the ultra-fine irregularities. It is a simple idea that when a liquid adhesive enters the surface of the metal alloy thus formed and hardens after the penetration, the metal alloy and the hardened adhesive are bonded very firmly.
接着剤接合の手順を以下に示す。まず、金属合金表面をエッチングし、上記3条件を満たすようにする。そして、液状の1液性エポキシ接着剤をその金属合金の所定範囲に塗布し、デシケータに入れて一旦真空下に置き、その後常圧に戻すなどして金属合金表面の超微細凹凸に接着剤を侵入させる。即ち、金属合金表面に接着剤を充分に染み込ませる。その後、前記所定範囲に被着材を貼り合わせ、加熱して接着剤を硬化させる。 The procedure of adhesive bonding is shown below. First, the surface of the metal alloy is etched to satisfy the above three conditions. Then, apply a liquid one-component epoxy adhesive to a predetermined range of the metal alloy, put it in a desiccator, place it under vacuum, and then return it to normal pressure. Invade. That is, the adhesive is sufficiently infiltrated into the metal alloy surface. Thereafter, the adherend is bonded to the predetermined range and heated to cure the adhesive.
こうした場合、エポキシ接着剤が液体であれば、その粘度が高くとも、金属合金表面のミクロンオーダーの粗度に係る凹部(前記第1条件における凹凸の凹部)内に侵入可能である。そして侵入したエポキシ接着剤は、その後の加熱でこの凹部内で硬化することになる。実際には、この凹部の内壁面には超微細凹凸がさらに形成されており(前記の第2条件)、且つこの超微細凹凸は、セラミック質の高硬度の薄膜(前記の第3条件)で覆われていることから、凹部内部に侵入して固化したエポキシ樹脂は、スパイクのような超微細凹凸に掴まって抜け難くなる。 In such a case, if the epoxy adhesive is liquid, it can penetrate into the concave portion (concave concave portion in the first condition) on the surface of the metal alloy even if the viscosity is high. And the epoxy adhesive which penetrate | invaded hardens | cures in this recessed part by subsequent heating. Actually, an ultrafine unevenness is further formed on the inner wall surface of the recess (the second condition), and the ultrafine unevenness is a thin ceramic-like thin film (the third condition). Since it is covered, the epoxy resin that has entered the inside of the recess and solidified is difficult to come out by being gripped by ultra-fine irregularities such as spikes.
本発明者らは、「NAT」によって、金属合金同士、又は金属合金とCFRP(carbon fiber reinforced plasticsの略)との高強度の接着が可能であることを実証した。一例として、「NAT」の条件を具備するA7075アルミニウム合金同士を、市販の1液性エポキシ接着剤を使用して接着した結果、70MPaもの強烈なせん断破断力、引っ張り破断力を示す接合体を得ることができた(特許文献1)。 The present inventors have demonstrated that “NAT” enables high-strength bonding between metal alloys or between metal alloys and CFRP (abbreviation of carbon fiber reinforced plastics). As an example, as a result of adhering together A7075 aluminum alloys having the conditions of “NAT” using a commercially available one-component epoxy adhesive, a bonded body exhibiting an intense shear breaking force and tensile breaking force as high as 70 MPa is obtained. (Patent Document 1).
本発明者らは、前述したように市販の1液性エポキシ接着剤を使用し、「NAT」に基づいて、金属合金同士又は金属合金とCFRPを接着接合する実験を行ったが、金属合金とCFRPの接着に関しては、金属合金同士を接着した場合と比較して、せん断破断力及び引っ張り破断力が低下する傾向にあった。金属合金とCFRPの強固な接着は、航空機や船舶等の様々な分野で待望されている。しかしながら、金属合金とCFRPを1液性エポキシ接着剤で接着した場合に、金属合金同士の接着と同等の接着力を安定的に得ることができなかった。具体的に言えば、金属合金とCFRPを接着した複合体は、せん断破断力及び引っ張り破断力の複合体間のばらつきが大きく、実用性に問題があった。接着剤を改良することで、複合体間の接着力のばらつきを幾分小さくすることは可能であったが、根本的な解決には至らなかった。また、このばらつきを小さくしようとすると接着力自体が低下するという問題も生じた。 As described above, the present inventors used a commercially available one-part epoxy adhesive, and based on “NAT”, conducted an experiment to bond and bond metal alloys to each other or a metal alloy and CFRP. Regarding the bonding of CFRP, the shear breaking force and the tensile breaking force tended to be lower than when metal alloys were bonded to each other. Strong adhesion between a metal alloy and CFRP is expected in various fields such as aircraft and ships. However, when a metal alloy and CFRP are bonded with a one-component epoxy adhesive, an adhesive force equivalent to that of metal alloys cannot be stably obtained. Specifically, a composite in which a metal alloy and CFRP are bonded has a large variation between the composites in terms of shear breaking force and tensile breaking force, and has a problem in practical use. By improving the adhesive, it was possible to reduce the variation in adhesive strength between the composites somewhat, but it did not lead to a fundamental solution. In addition, when this variation is reduced, there is a problem that the adhesive strength itself is lowered.
本発明者らが、金属合金同士の接着力と比較してCFRPと金属合金の接着力が劣る要因を調査した結果、以下の事実が明らかになった。端的に述べると、CFRPと金属合金の複合体が破断する要因はCFRP中の炭素繊維とマトリックス樹脂間の接着力にあることが判明した。CFRPと金属合金の複合体を引っ張り破断した後、その金属合金の破断面を拡大観察したところ、その全てについて炭素繊維が多く付着していた。即ち、硬化したCFRPプリプレグ表層における硬化したマトリックス樹脂と硬化した接着剤の間の接着力が、硬化したCFRPプリプレグ内部における硬化したマトリックス樹脂と炭素繊維の間の接着力を超えていたのである。これにより、破断時は、硬化したマトリックス樹脂と炭素繊維の間で先に剥離が生じ、これが低い接着力として現れていた。言い換えると、金属合金表面と接着剤硬化物間、及び接着剤硬化物とマトリックス樹脂硬化物間の相互間の接着力は極めて高く、且つ接着剤硬化物自体も極めて強固であるため、金属合金とCFRPの接着力を決定する要因は、炭素繊維とマトリックス樹脂間の接着力にある。 As a result of investigating factors that cause the adhesive strength between CFRP and metal alloy to be inferior to the adhesive strength between metal alloys, the present inventors have found the following facts. In short, it has been found that the cause of the fracture of the composite of CFRP and metal alloy is the adhesive force between the carbon fiber in CFRP and the matrix resin. When the composite of CFRP and metal alloy was pulled and broken, the fracture surface of the metal alloy was enlarged and observed, and a lot of carbon fibers were attached to all of the fracture surface. That is, the adhesive force between the cured matrix resin and the cured adhesive on the cured CFRP prepreg surface layer exceeded the adhesive force between the cured matrix resin and the carbon fiber inside the cured CFRP prepreg. Thereby, at the time of a fracture | rupture, peeling occurred previously between the hardened matrix resin and carbon fiber, and this appeared as a low adhesive force. In other words, the adhesive strength between the surface of the metal alloy and the cured adhesive and between the cured adhesive and the cured matrix resin is extremely high, and the cured adhesive itself is extremely strong. The factor that determines the adhesive strength of CFRP is the adhesive strength between the carbon fiber and the matrix resin.
このことから、炭素繊維とマトリックス樹脂間の接着力の向上が、金属合金とCFRPとの接着力向上に直接的に寄与すると推定される。本発明は、このような背景のもとになされたものであり、その目的は、炭素繊維とマトリックス樹脂間の接着力を向上させたCFRPプリプレグを提供すること、また、そのCFRPプリプレグと被着材(CFRP又は金属合金)が強固に接合された接合体を提供することにある。 From this, it is estimated that the improvement in the adhesion between the carbon fiber and the matrix resin directly contributes to the improvement in the adhesion between the metal alloy and CFRP. The present invention has been made based on such a background, and an object of the present invention is to provide a CFRP prepreg having improved adhesion between the carbon fiber and the matrix resin, and to apply the CFRP prepreg to the CFRP prepreg. The object is to provide a bonded body in which materials (CFRP or metal alloy) are firmly bonded.
CFRPは超軽量ながら鋼を超える強靭さを有し、極めて優れた構造材料として認められている。高価であるため当初は戦闘機用構造材として使用されるに留まっていたが、近年は航空機、ゴルフクラブ、テニスラケット、釣竿等の民生品にも使用されており、一般的な構造材料として認識されつつある。このような事情もあり、CFRPプリプレグの炭素繊維、炭素繊維の表面処理方法、及びマトリックス樹脂等に関する技術は確立されている。しかしながら、上述したように本発明者らが「NAT」を開発した結果、金属合金と1液性エポキシ接着剤、当該1液性エポキシ接着剤とCFRPとの強固な接着が可能となり、その結果として、CFRPプリプレグにおける炭素繊維とマトリックス樹脂間の接着力が問題化した。 Although CFRP is super lightweight, it has toughness exceeding steel and is recognized as an extremely excellent structural material. Although it was expensive, it was initially used only as a structural material for fighters, but in recent years it has also been used for civilian products such as aircraft, golf clubs, tennis rackets, and fishing rods, and is recognized as a general structural material. It is being done. Under such circumstances, techniques relating to carbon fiber of CFRP prepreg, carbon fiber surface treatment method, matrix resin and the like have been established. However, as described above, as a result of the development of the “NAT” by the present inventors, it becomes possible to firmly bond the metal alloy and the one-part epoxy adhesive, and the one-part epoxy adhesive and the CFRP. The adhesion between the carbon fiber and the matrix resin in the CFRP prepreg became a problem.
炭素繊維とマトリックス樹脂間の接着力を向上させるための手法として(1)最適な炭素繊維の選択(繊維強度ではなく表面性に着目する)、(2)炭素繊維の表面処理方法の改良、及び(3)マトリックス樹脂の改良が考えられる。ここで(1)及び(2)に関しては炭素繊維メーカーでなければ困難であるものの、(3)は炭素繊維メーカー以外でも可能である。近年は、表面処理が施された炭素繊維束又は炭素繊維織物が市場に流通している。本発明ではCFRPプリプレグに使用するマトリックス樹脂を改良することによって、当該マトリックス樹脂と炭素繊維との接着力を向上させた。以下、本発明のCFRPプリプレグの特徴について、通常のCFRPプリプレグと比較して説明する。 As a method for improving the adhesion between the carbon fiber and the matrix resin, (1) selection of an optimal carbon fiber (focus on surface properties, not fiber strength), (2) improvement of the surface treatment method of the carbon fiber, and (3) The matrix resin can be improved. Here, although (1) and (2) are difficult unless a carbon fiber manufacturer, (3) is possible even if it is not a carbon fiber manufacturer. In recent years, carbon fiber bundles or carbon fiber fabrics that have been surface-treated have been distributed on the market. In the present invention, the adhesive strength between the matrix resin and the carbon fiber is improved by improving the matrix resin used in the CFRP prepreg. Hereinafter, the features of the CFRP prepreg of the present invention will be described in comparison with a normal CFRP prepreg.
[CFRPプリプレグ]
30年以上前の資料ではCFRPはACM(Advanced composite materialの略)と言われ、そのプリプレグは炭素繊維織物に1液性エポキシ接着剤を染み込ましたものであった。即ち、離型紙の上に炭素繊維布を敷き、そこへ粘性液体である1液性エポキシ接着剤を塗布し、炭素繊維布全体に浸透させて、これにポリエチレン製フィルムを被せてプリプレグとしていた。このプリプレグはマトリックス樹脂(ここでは1液性エポキシ接着剤)が染込んだ炭素繊維束や炭素繊維布であり、表面は粘着性を有する。それ故、運搬や保管に不便であるため、離型紙又はポリエチレンフィルムをカバー材として使用している。使用時には、カバー材で挟んだ状態のシート状プリプレグを鋏で切断し、その後にカバー材を剥がし、成形治具上にプリプレグを積層して焼成していた。
[CFRP prepreg]
In the material more than 30 years ago, CFRP is said to be ACM (abbreviation of Advanced composite material), and the prepreg was a carbon fiber fabric soaked with a one-component epoxy adhesive. That is, a carbon fiber cloth was laid on a release paper, a one-component epoxy adhesive as a viscous liquid was applied thereto, and the entire carbon fiber cloth was infiltrated, and this was covered with a polyethylene film to form a prepreg. This prepreg is a carbon fiber bundle or carbon fiber cloth in which a matrix resin (here, one-component epoxy adhesive) is impregnated, and the surface has adhesiveness. Therefore, release paper or polyethylene film is used as the cover material because it is inconvenient for transportation and storage. At the time of use, the sheet-like prepreg sandwiched between the cover materials was cut with scissors, and then the cover material was peeled off, and the prepreg was laminated on a forming jig and fired.
現在ではマトリックス樹脂中のエポキシ樹脂及び硬化剤が改良され、マトリックス樹脂は常温で固体又は高粘度の熱硬化性エポキシ樹脂組成物となっている。従って、CFRPプリプレグの加工は容易にできる。現在市販されているCFRPプリプレグの組成、特に、マトリックス樹脂の具体的な組成はメーカーの重要機密であり非公開なので詳細は不明であるが、概ね以下の組成を基本としている。マトリックス樹脂となるエポキシ樹脂は、その主成分がビスフェノールA型エポキシ樹脂の単量体型であり、その他にビスフェノールA型エポキシ樹脂の多量体型、及び、3個以上のエポキシ基を有する多官能型エポキシ樹脂を含む3〜5種類程度の異なったエポキシ樹脂同士の混合物となっている。この混合物に硬化剤として芳香族ジアミン又はジシアンジアミドを加え、加熱しつつ混練したものをマトリックス樹脂としている。 At present, the epoxy resin and the curing agent in the matrix resin are improved, and the matrix resin is a thermosetting epoxy resin composition that is solid at room temperature or has a high viscosity. Therefore, the CFRP prepreg can be easily processed. The composition of the CFRP prepreg currently on the market, particularly the specific composition of the matrix resin, is an important secret of the manufacturer and is not disclosed, so the details are unknown, but it is generally based on the following composition. The epoxy resin used as the matrix resin is a monomer type of bisphenol A type epoxy resin as a main component, and a multimeric type of bisphenol A type epoxy resin and a polyfunctional type epoxy resin having three or more epoxy groups. It is a mixture of about 3 to 5 types of different epoxy resins. A matrix resin is prepared by adding aromatic diamine or dicyandiamide as a curing agent to this mixture and kneading while heating.
硬化剤を芳香族ジアミンとすると、エポキシ樹脂硬化物のTg(ガラス転移点)を150〜190℃と高くすることができ、CFRPの耐熱性を確保できる(非特許文献1)。芳香族ジアミンの添加量はエポキシ当量に基づいた値が最適であり、通常、エポキシ樹脂100質量部に対して25〜35質量部となる。硬化剤として最もよく使用される芳香族ジアミンはジアミノジフェニルスルホン(「DDS」という)であり、これは固体である。エポキシ樹脂混合物は高粘度の液体であり、これに混合する硬化剤は固体であって、かつ、その添加量が上述したように多い。それ故、エポキシ樹脂混合物を60〜80℃に加熱した状態で硬化剤との混合操作を行うことになる。具体的には加熱ロールによって両者が混練されてシート状のマトリックス樹脂となる。即ち、混練物は常温で固体となる。このシート化されたマトリックス樹脂2枚によって、炭素繊維束又は炭素繊維布を挟み込み、再び加熱しつつロールにかけて1層物にしたものがCFRPプリプレグとなる。この方法によるCFRPプリプレグは全体として硬く薄いシート状物であり、マトリックス樹脂が固体となっているのでカバー材は原則必要なく、これを切断する際に自動制御されたカッターが使用できる。 When the curing agent is an aromatic diamine, the Tg (glass transition point) of the cured epoxy resin can be increased to 150 to 190 ° C., and the heat resistance of CFRP can be ensured (Non-patent Document 1). The addition amount of the aromatic diamine is optimally based on the epoxy equivalent, and is usually 25 to 35 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the epoxy resin. The most commonly used aromatic diamine as a curing agent is diaminodiphenyl sulfone (referred to as “DDS”), which is a solid. The epoxy resin mixture is a high-viscosity liquid, and the curing agent mixed therewith is a solid, and the amount of addition is large as described above. Therefore, mixing operation with a hardening | curing agent will be performed in the state which heated the epoxy resin mixture to 60-80 degreeC. Specifically, both are kneaded by a heating roll to form a sheet-like matrix resin. That is, the kneaded product becomes solid at room temperature. A CFRP prepreg is formed by sandwiching a carbon fiber bundle or a carbon fiber cloth between the two matrix resins formed into a sheet and heating it again to form a single layer by heating. The CFRP prepreg by this method is a hard and thin sheet as a whole, and the matrix resin is solid, so that a cover material is not necessary in principle, and an automatically controlled cutter can be used for cutting the cover material.
一方、硬化剤をジシアンジアミドとした場合、そのエポキシ樹脂硬化物のTgはエポキシ樹脂組成によって変化する(非特許文献2)。この非特許文献2には「エポキシ樹脂間の重合について、硬化剤として脂肪族ポリアミン又は芳香族ジアミンを使用した場合と、ジシアンジアミドを硬化剤とした場合とで異なり、ジシアンジアミドの場合は付加重合だけでなく触媒的重合も生じている」とある。その根拠として、ジシアンジアミド粉体を硬化剤として用いた場合、最適の添加量はエポキシ当量に基づく値より遥かに少なく、エポキシ樹脂100質量部に対し3〜8質量部となる。それ故、ジシアンジアミドを硬化剤とした場合、マトリックス樹脂は、硬化剤添加前のエポキシ樹脂混合物より若干の粘度上昇が生じるに過ぎず、常温では固体とならずに通常は高粘度液状物となる。 On the other hand, when the curing agent is dicyandiamide, the Tg of the cured epoxy resin varies depending on the epoxy resin composition (Non-patent Document 2). This non-patent document 2 states that “the polymerization between epoxy resins is different between the case where an aliphatic polyamine or aromatic diamine is used as a curing agent and the case where dicyandiamide is used as a curing agent. There is also catalytic polymerization. " As a basis for this, when dicyandiamide powder is used as a curing agent, the optimum addition amount is far less than the value based on the epoxy equivalent, and is 3 to 8 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the epoxy resin. Therefore, when dicyandiamide is used as the curing agent, the matrix resin is only slightly increased in viscosity compared to the epoxy resin mixture before the addition of the curing agent, and is usually not a solid at room temperature but a high viscosity liquid.
それ故、CFRPプリプレグの製造方法は前述した旧式の方法となる。CFRPプリプレグの両面を離型紙又はポリオレフィンフィルムで挟み込んで製品化している。このCFRPプリプレグの切断には鋏やカッターを使用できる。CFRPプリプレグからCFRP部材を作成する際は、CFRPプリプレグを切断して多数のプリプレグ片を作成する。このプリプレグ片を治具内に積層して全体を締め付けた状態とし、その治具をオートクレーブに入れて真空にしつつ加熱する。または、その治具を耐熱バッグに入れて真空にし、真空にしたまま熱風乾燥機、加熱プレス、又はオートクレーブに入れて加熱する。マトリックス樹脂が加熱されて80〜90℃になると、一端溶融して高粘度液状物となる。従って、この温度で減圧することでCFRPプリプレグ間及びCFRPプリプレグ中の空気を抜くことが出来る。その後、さらに昇温しつつオートクレーブ内を加圧状態にすることが好ましい。このようにすることで、CFRPプリプレグ間やCFRPプリプレグ中の空気が抜けたあとのボイドは潰され、マトリックス樹脂中の気泡を排除して完全硬化させることが可能となる。加熱温度は140〜180℃とし、この温度で1〜2時間加熱することが好ましい。 Therefore, the CFRP prepreg manufacturing method is the above-described old method. CFRP prepreg is commercialized by sandwiching both sides with release paper or polyolefin film. A scissors or a cutter can be used for cutting the CFRP prepreg. When creating a CFRP member from a CFRP prepreg, the CFRP prepreg is cut to create a number of prepreg pieces. This prepreg piece is laminated in a jig so that the whole is clamped, and the jig is placed in an autoclave and heated while being evacuated. Alternatively, the jig is put in a heat-resistant bag to be evacuated, and is heated in a hot air dryer, a heating press, or an autoclave while being evacuated. When the matrix resin is heated to 80 to 90 ° C., it melts at one end to become a highly viscous liquid material. Accordingly, by reducing the pressure at this temperature, the air between the CFRP prepregs and in the CFRP prepreg can be extracted. Then, it is preferable to make the inside of an autoclave into a pressurized state, heating up further. By doing in this way, the voids after the air escapes between the CFRP prepregs or in the CFRP prepregs are crushed, and it becomes possible to completely cure by eliminating bubbles in the matrix resin. The heating temperature is 140 to 180 ° C., and it is preferable to heat at this temperature for 1 to 2 hours.
[マトリックス樹脂の改良]
本発明の目的は硬化したマトリックス樹脂と炭素繊維の間の接着力を向上することにある。本発明者らは前述したNATに適した1液性エポキシ接着剤を開発する過程において、この1液性エポキシ接着剤の組成をCFRPプリプレグのマトリックス樹脂に応用することを検討した。本発明者らは、NATにおける3条件を具備する金属合金同士を1液性エポキシ接着剤によって接着させ、その接着力を測定する実験を行った。このとき明らかになったことは、エポキシ接着剤による金属合金同士の接着力は、金属合金の表面形状、即ち、物理的要因で決定されるということである。言い換えると、金属合金全般に対して化学的な要因、即ち接着剤の濡れ性は好ましかった。これらの金属合金の表層は金属酸化物又は金属リン酸化物の薄層であるから、エポキシ樹脂は含酸素基やイオン性を有する基との親和性が良いと推定される。
[Improvement of matrix resin]
An object of the present invention is to improve the adhesion between a cured matrix resin and carbon fibers. In the process of developing a one-component epoxy adhesive suitable for NAT as described above, the present inventors examined the application of the composition of this one-component epoxy adhesive to a matrix resin of a CFRP prepreg. The present inventors conducted an experiment in which metal alloys having three conditions in NAT are bonded to each other with a one-component epoxy adhesive and the adhesive force is measured. What has become clear at this time is that the adhesive strength between metal alloys by the epoxy adhesive is determined by the surface shape of the metal alloy, that is, physical factors. In other words, the chemical factor, that is, the wettability of the adhesive was favorable for the metal alloy in general. Since the surface layer of these metal alloys is a thin layer of metal oxide or metal phosphate, it is presumed that the epoxy resin has good affinity with oxygen-containing groups and ionic groups.
一方、炭素のみからなるカーボンナノチューブは親油性であるから、炭素繊維も同様の親油性表面を有し、表面に含酸素基は少ないと推定される。それ故に炭素繊維自体はエポキシ樹脂との濡れ性は良くないと推定される。このような問題に対して、(1)炭素繊維に表面処理を施し、繊維表面を酸化させてカルボン酸基又は水酸基等を当該繊維表面に付けることでエポキシ樹脂との親和性を高めるという手段が考えられる。即ち、親和点濃度の向上である。この他にも、(2)炭素繊維表面に凹凸が存在する低級炭素繊維を敢えて選択することで、マトリックス樹脂との接着性を向上させるという方法がある。但し、この方法では炭素繊維自体の繊維強度が低下するという問題がある。その他、(3)マトリックス樹脂中のエポキシ基濃度を向上させる方法も考えられる。 On the other hand, since carbon nanotubes consisting only of carbon are lipophilic, it is presumed that carbon fibers have a similar lipophilic surface and there are few oxygen-containing groups on the surface. Therefore, it is presumed that the carbon fiber itself does not have good wettability with the epoxy resin. For such a problem, (1) means for improving the affinity with the epoxy resin by applying a surface treatment to the carbon fiber and oxidizing the fiber surface to attach a carboxylic acid group or a hydroxyl group to the fiber surface. Conceivable. That is, the affinity point concentration is improved. In addition to this, (2) there is a method of improving the adhesiveness with the matrix resin by deliberately selecting lower carbon fibers having irregularities on the carbon fiber surface. However, this method has a problem that the fiber strength of the carbon fiber itself is lowered. In addition, (3) a method of improving the epoxy group concentration in the matrix resin is also conceivable.
上記(1)及び(2)に関しては、炭素繊維メーカーでないと詳細な検討が困難である。本発明者らは(3)に関して検討した。(3)を達成するために、エポキシ樹脂の平均エポキシ当量を低下させることを試みた。そのためにエポキシ樹脂中のビスフェノールA型エポキシ樹脂単量体型の比率を高め、エポキシ当量の小さい多官能型のエポキシ樹脂の比率を高めた。さらに、硬化剤の含量が少なくて済むように、硬化剤としてジシアンジアミド粉体を使用した。ジシアンジアミド粉体を使用した場合、その接着性能が最高になる添加量はエポキシ樹脂100質量部に対して3〜8質量部に過ぎず、エポキシ当量に基づいて算出される15〜30質量部と大きく異なる。要するに、マトリックス樹脂の硬化剤に芳香族ジアミンでなくジシアンジアミド粉体を使用することで、マトリックス樹脂中の硬化剤の比率を減らし、マトリックス樹脂中のエポキシ基濃度を高めることが出来る。 Regarding (1) and (2) above, detailed examination is difficult unless a carbon fiber manufacturer. The present inventors examined (3). In order to achieve (3), an attempt was made to reduce the average epoxy equivalent of the epoxy resin. Therefore, the ratio of the bisphenol A type epoxy resin monomer type in the epoxy resin was increased, and the ratio of the polyfunctional type epoxy resin having a small epoxy equivalent was increased. Furthermore, dicyandiamide powder was used as a curing agent so that the content of the curing agent was small. When dicyandiamide powder is used, the addition amount that maximizes the adhesive performance is only 3 to 8 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the epoxy resin, and is as large as 15 to 30 parts by mass calculated based on the epoxy equivalent. Different. In short, by using dicyandiamide powder instead of aromatic diamine as the curing agent for the matrix resin, the ratio of the curing agent in the matrix resin can be reduced and the epoxy group concentration in the matrix resin can be increased.
本発明に係るマトリックス樹脂の組成は以下の通りである。このマトリックス樹脂を構成する全エポキシ樹脂混合物を100質量部としたときに、(1)ビスフェノールA型エポキシ樹脂単量体を主体とするビスフェノールA型エポキシ樹脂を45〜75質量部、(2)エポキシ基を3個以上有する多官能型であって且つ芳香環を有するエポキシ樹脂を55〜25質量部混合したものである。(2)としては、エポキシ当量180以下のものが好ましく、フェノールノボラック型エポキシ樹脂「JER154(ジャパンエポキシレジン株式会社製)」、アニリンに3つのエポキシ基が付いたアニリン型エポキシ樹脂「JER630(ジャパンエポキシレジン株式会社製)」、テトラグリシジルジアミノジフェニルメタン(略号でTGDDM)「JER604(ジャパンエポキシレジン株式会社製)」等を使用できる。このエポキシ樹脂混合物100質量部に対して、硬化剤としてジシアンジアミド粉体を3〜8質量部添加し、更に硬化助剤として3−(3,4−ジクロルフェニル)−1,1−ジメチルウレアを1〜4質量部添加した。 The composition of the matrix resin according to the present invention is as follows. When the total epoxy resin mixture constituting this matrix resin is 100 parts by mass, (1) 45 to 75 parts by mass of bisphenol A type epoxy resin mainly composed of bisphenol A type epoxy resin monomer, (2) epoxy It is a polyfunctional type having 3 or more groups and is mixed with 55 to 25 parts by mass of an epoxy resin having an aromatic ring. As (2), those having an epoxy equivalent of 180 or less are preferable. A phenol novolac type epoxy resin “JER154 (manufactured by Japan Epoxy Resin Co., Ltd.)”, an aniline type epoxy resin having three epoxy groups on aniline “JER630 (Japan Epoxy) Resin Co., Ltd.), tetraglycidyl diaminodiphenylmethane (abbreviated as TGDDM), “JER604 (Japan Epoxy Resin Co., Ltd.)” and the like can be used. 3 to 8 parts by mass of dicyandiamide powder is added as a curing agent to 100 parts by mass of this epoxy resin mixture, and 3- (3,4-dichlorophenyl) -1,1-dimethylurea is further added as a curing aid. 1 to 4 parts by mass were added.
本発明は、マトリックス樹脂中の基本組成、即ち、エポキシ樹脂と硬化剤の合計量に含まれるエポキシ基含量を相対的に増やすことで、マトリックス樹脂硬化後の炭素繊維とマトリックス樹脂との接着力を向上せんとするものである。それ故、エポキシ樹脂の全量を分子量の小さいビスフェノールA型エポキシ樹脂単量体にした場合でもその効果を得ることが出来る。しかしながら、エポキシ樹脂分をビスフェノールA型エポキシ樹脂単量体のみとした場合、常温下におけるマトリックス樹脂と炭素繊維の接着力は高いが、CFRP部材の耐熱性(硬化したマトリックス樹脂の耐熱性)が低く、高温下(150℃)における接着力は極めて低くなってしまうという問題がある。それ故、マトリックス樹脂硬化物に耐熱性を備えさせるべく、(2)芳香環を有し且つエポキシ基を3個以上有する多官能型エポキシ樹脂を55〜25質量部混合している。また、マトリックス樹脂硬化物の迅性を向上させるべく、(1)ビスフェノールA型エポキシ樹脂中に分子量の大きいビスフェノールA型エポキシ樹脂オリゴマーを0〜15質量部混合するようにしたものである。 In the present invention, the basic composition in the matrix resin, that is, the epoxy group content contained in the total amount of the epoxy resin and the curing agent is relatively increased to increase the adhesion between the carbon fibers after the matrix resin is cured and the matrix resin. It is intended to improve. Therefore, even when the total amount of the epoxy resin is a bisphenol A type epoxy resin monomer having a small molecular weight, the effect can be obtained. However, when the epoxy resin component is only a bisphenol A type epoxy resin monomer, the adhesion between the matrix resin and the carbon fiber at room temperature is high, but the heat resistance of the CFRP member (the heat resistance of the cured matrix resin) is low. There is a problem that the adhesive strength at a high temperature (150 ° C.) becomes extremely low. Therefore, in order to provide the matrix resin cured product with heat resistance, (2) 55 to 25 parts by mass of a polyfunctional epoxy resin having an aromatic ring and having 3 or more epoxy groups is mixed. In order to improve the quickness of the matrix resin cured product, (1) 0 to 15 parts by mass of a bisphenol A type epoxy resin oligomer having a large molecular weight is mixed in the bisphenol A type epoxy resin.
ここで(2)多官能型エポキシ樹脂55〜25質量部中には、分子量300以下のエポキシ樹脂が十分含まれることが重要である。即ち、この多官能型エポキシ樹脂中の70〜100質量%を分子量300以下のもので構成することが好ましい。このような多官能型エポキシ樹脂を混合することによって、マトリックス樹脂硬化物の硬度を向上させ、高い耐熱性を確保することができた。 Here, it is important that (2) 55 to 25 parts by mass of the polyfunctional epoxy resin sufficiently contain an epoxy resin having a molecular weight of 300 or less. That is, it is preferable that 70 to 100% by mass in the polyfunctional epoxy resin is composed of one having a molecular weight of 300 or less. By mixing such a polyfunctional epoxy resin, it was possible to improve the hardness of the cured matrix resin and to ensure high heat resistance.
本発明者らは、以下のエポキシ樹脂を混合してマトリックス樹脂のエポキシ樹脂分を作成した。
(1)ビスフェノールA型エポキシ樹脂単量体を主体とするビスフェノールA型エポキシ樹脂(以下の2つの混合物)
(1−1)ビスフェノールA型エポキシ樹脂単量体
「JER828(ジャパンエポキシレジン株式会社製)」
粘度:25℃で120〜150P(常温で液状)
エポキシ当量:184〜194
分子量:約370
(1−2)ビスフェノールA型エポキシ樹脂オリゴマー
「JER1004(ジャパンエポキシレジン株式会社製)」
粘度:25℃でQ〜U(ガードナーホルト粘度)
エポキシ当量:875〜975
分子量:約1650
(2)芳香環を有し且つエポキシ基を3個以上有する多官能型エポキシ樹脂(以下の2つの混合物)
(2−1)フェノールノボラック型エポキシ樹脂
「JER154(ジャパンエポキシレジン株式会社製)」
粘度:52℃で350〜650P(常温で固形)
エポキシ当量:176〜180
(2−2)アニリンに3つのエポキシ基が付いたアニリン型エポキシ樹脂
「JER630(ジャパンエポキシレジン株式会社製)」
粘度:25℃で5〜10P(常温で液状)
エポキシ当量:90〜105
The inventors mixed the following epoxy resins to prepare an epoxy resin component of a matrix resin.
(1) Bisphenol A type epoxy resin mainly composed of bisphenol A type epoxy resin monomer (the following two mixtures)
(1-1) Bisphenol A type epoxy resin monomer “JER828 (made by Japan Epoxy Resin Co., Ltd.)”
Viscosity: 120-150P at 25 ° C (liquid at normal temperature)
Epoxy equivalent: 184-194
Molecular weight: about 370
(1-2) Bisphenol A type epoxy resin oligomer “JER1004 (made by Japan Epoxy Resin Co., Ltd.)”
Viscosity: Q to U at 25 ° C (Gardner Holt viscosity)
Epoxy equivalent: 875-975
Molecular weight: about 1650
(2) Polyfunctional epoxy resin having an aromatic ring and having 3 or more epoxy groups (the following two mixtures)
(2-1) Phenol novolac type epoxy resin “JER154 (manufactured by Japan Epoxy Resin Co., Ltd.)”
Viscosity: 350 to 650 P at 52 ° C. (solid at normal temperature)
Epoxy equivalent: 176-180
(2-2) Aniline-type epoxy resin with three epoxy groups attached to aniline “JER630 (manufactured by Japan Epoxy Resin Co., Ltd.)”
Viscosity: 5-10P at 25 ° C (liquid at normal temperature)
Epoxy equivalent: 90-105
ここで、上記(2)としては、次の(2−3)を使用することもできる。
(2−3)4官能のエポキシ樹脂であるテトラグリシジルジアミノジフェニルメタン
「JER604(ジャパンエポキシレジン株式会社製)」
粘度:25℃で50〜100P(常温で高粘度液体)
エポキシ当量:110〜130
Here, as the above (2), the following (2-3) can also be used.
(2-3) Tetraglycidyldiaminodiphenylmethane which is a tetrafunctional epoxy resin “JER604 (made by Japan Epoxy Resin Co., Ltd.)”
Viscosity: 50-100P at 25 ° C (high viscosity liquid at normal temperature)
Epoxy equivalent: 110-130
上記エポキシ樹脂の混合物に無機充填材を混合させて粘度を調整したものをマトリックス樹脂とした。無機充填材として使用するのはタルク又はクレー等の鉱物質充填材に限られない。本発明においては無機充填材としてアルミニウム粉末を使用したときに、マトリックス樹脂と炭素繊維との接着力を向上させることができた。本発明では充填材として粒径分布の中心が10〜30μmであるアルミニウム粉体を10〜30質量部と、粒径分布の中心が10〜30μmのクレーを0〜30質量部(好ましくは10〜25質量部)併用する。これらを十分に混練してマトリックス樹脂とする。 A matrix resin was prepared by adjusting the viscosity by mixing an inorganic filler with the epoxy resin mixture. The inorganic filler is not limited to mineral fillers such as talc or clay. In the present invention, when aluminum powder is used as the inorganic filler, the adhesive force between the matrix resin and the carbon fiber can be improved. In the present invention, 10 to 30 parts by mass of an aluminum powder having a particle size distribution center of 10 to 30 μm and 0 to 30 parts by mass of a clay having a particle size distribution center of 10 to 30 μm (preferably 10 to 30 parts by mass) 25 parts by mass). These are sufficiently kneaded to obtain a matrix resin.
このようにして得られるマトリックス樹脂は高粘度の液状、所謂ペースト状となり、高性能接着剤の組成に近いものとなる。このマトリックス樹脂には、さらに、耐衝撃性を高めることを目的としてCFRPプリプレグで使用されている水酸基付きポリエーテルスルホン樹脂粉体も添加することも可能である。粒径分布の中心が10〜30μmの水酸基付きポリエーテルスルホン樹脂粉体を全エポキシ樹脂100質量部に対し0〜30質量部加えてもCFRPプリプレグの硬化性能、接着性能に影響はなかった。ポリエーテルスルホン樹脂(以下、「PES」という)は融点300℃以上の熱可塑性樹脂であり、常温から150℃程度までであれば十分に硬いが、非常な力がかかった時にはクリープして変形するのでCFRP部材に耐衝撃性を与える。 The matrix resin thus obtained becomes a high-viscosity liquid, so-called paste, which is close to the composition of a high-performance adhesive. To this matrix resin, it is also possible to add a polyethersulfone resin powder with a hydroxyl group used in CFRP prepreg for the purpose of improving impact resistance. Even when 0 to 30 parts by mass of a hydroxyl group-containing polyethersulfone resin powder having a particle size distribution center of 10 to 30 μm was added to 100 parts by mass of the total epoxy resin, the curing performance and adhesion performance of the CFRP prepreg were not affected. Polyethersulfone resin (hereinafter referred to as “PES”) is a thermoplastic resin having a melting point of 300 ° C. or higher, and is sufficiently hard from room temperature to about 150 ° C., but it creeps and deforms when an excessive force is applied. Therefore, impact resistance is given to the CFRP member.
このようにして作成したマトリックス樹脂と市販の炭素繊維を組み合わせてCFRPプリプレグを作成した。このCFRPプリプレグを積層してCFRP部材を作成し、被着材と接着させて接合体の接着力を測定した。その結果、市販のCFRPプリプレグと比較して接着力が著しく改善した。 A CFRP prepreg was prepared by combining the matrix resin thus prepared and a commercially available carbon fiber. The CFRP prepreg was laminated to prepare a CFRP member, which was adhered to the adherend and the adhesion strength of the joined body was measured. As a result, the adhesive strength was remarkably improved as compared with the commercially available CFRP prepreg.
(CFRPプリプレグの作成方法)
市販の表面処理済み炭素繊維織物(以下「CFクロス」という)を用意する。このCFクロスより一回り大きいシリコーン樹脂使用の離型紙とポリエチレンフィルムを用意する。離型紙上にCFクロスを拡げて端部をテープ又はピンで固定し、このCFクロスに上記マトリックス樹脂を塗布する。このマトリックス樹脂はペースト状であり、塗布量はやや多めでよい。塗布後に塗布面をポリエチレンフィルムで覆い、軽く中央から端部に向かって押付けて空気を抜く。そして再度、中央から端部に向かって押付けて余剰のマトリックス樹脂を押し出す。これにより、離型紙、CFRPプリプレグ、ポリエチレンフィルムの3層構造のシート状物が完成する。このシート状物の周囲を切断して端を揃える。得られたシート状物はポリエチレン製の袋に入れて封じ、5℃以下にした冷蔵庫に保管した。使用時には冷蔵庫から出して1時間程度常温で放置し、袋から出して必要な大きさに切断した後、カバー材(離型紙及びポリエチレンフィルム)を剥がして積層して使用する。
(How to create CFRP prepreg)
A commercially available surface-treated carbon fiber fabric (hereinafter referred to as “CF cloth”) is prepared. Prepare a release paper and polyethylene film using silicone resin that is one size larger than the CF cloth. The CF cloth is spread on the release paper and the ends are fixed with tape or pins, and the matrix resin is applied to the CF cloth. This matrix resin is in the form of a paste and may be applied in a slightly larger amount. After application, the coated surface is covered with a polyethylene film, and lightly pressed from the center toward the end to release air. Then, the excess matrix resin is pushed out by pressing again from the center toward the end. Thereby, a sheet-like product having a three-layer structure of release paper, CFRP prepreg, and polyethylene film is completed. The periphery of the sheet is cut to align the edges. The obtained sheet was sealed in a polyethylene bag and stored in a refrigerator at 5 ° C. or lower. When used, take it out of the refrigerator, leave it at room temperature for about 1 hour, remove it from the bag, cut it to the required size, peel off the cover material (release paper and polyethylene film), and use it.
[コボンド法による接合体の作成]
コボンド法によるCFRP部材と被着材の接合体の作成方法について説明する。CFRPプリプレグの積層物を治具で固定し、オートクレーブに入れて減圧下で昇温し、90℃程度まで積層物の温度が上がった後に常圧に戻し、更には数気圧の加圧状態にする。CFRPプリプレグは90℃前後で一旦軟化するので、この時点でCFRPプリプレグの層間に挟まれていた空気が抜ける。次いで加圧されることで、空気が抜けたあとの空隙が潰される。更に積層物を硬化温度まで昇温して完全硬化させ、加熱を止めてオートクレーブから積層物を取り出す。この積層物をCFRP部材とする。又は、必要に応じて積層物を高圧水切断機で切断加工して形状化したものをCFRP部材とする。このCFRP部材と被着材(CFRP部材又は金属合金)を接着剤によって接着することで接合体を作成する。
[Preparation of joined body by co-bonding method]
A method for producing a joined body of a CFRP member and an adherend by the cobond method will be described. Fix the laminate of CFRP prepreg with a jig, put it in an autoclave, raise the temperature under reduced pressure, return to normal pressure after the temperature of the laminate rises to about 90 ° C, and further pressurize it to several atmospheres . Since the CFRP prepreg is once softened around 90 ° C., the air sandwiched between the layers of the CFRP prepreg is released at this point. Then, by applying pressure, the air gap after the air has escaped is crushed. Further, the laminate is heated to the curing temperature to be completely cured, the heating is stopped, and the laminate is taken out from the autoclave. This laminate is a CFRP member. Alternatively, the CFRP member is formed by cutting the laminate with a high-pressure water cutter as necessary. A bonded body is created by bonding the CFRP member and the adherend (CFRP member or metal alloy) with an adhesive.
[コキュア法による接合体の作成]
一方、コキュア法による接合体の作成においては、既硬化のCFRP部材を被着材と接着させるのではなく、未硬化のCFRPプリプレグと被着材を抱き合わせた状態で加熱し、一体化する。例えば、未硬化のCFRPプリプレグの積層物同士を一体化する場合、CFRPプリプレグ積層物同士の所定範囲を密着させた状態で治具を使用して固定する。そして、治具によって固定した状態でオートクレーブに入れて全体を硬化させる方法がある。これがコキュア法によるCFRP(未硬化のCFRPプリプレグの積層物)同士の接着法である。ここで、未硬化のCFRPプリプレグの積層物同士をエポキシ接着剤を介して接着させるようにしても良い。即ち上記所定範囲にエポキシ接着剤を塗布しておき、オートクレーブ内でCFRPプリプレグのマトリックス樹脂とエポキシ接着剤を一時に硬化させる。これもコキュア法による接着である。CFRPプリプレグ積層物同士の接触面に対して上下から締め付ける力を加えることが困難な場合等には、エポキシ接着剤を使用することが好ましい。
[Creating a bonded body by the cocure method]
On the other hand, in the production of the bonded body by the co-curing method, the uncured CFRP member is not bonded to the adherend, but is heated and integrated in a state where the uncured CFRP prepreg and the adherend are conjugated. For example, when uncured CFRP prepreg laminates are integrated, they are fixed using a jig in a state in which a predetermined range of CFRP prepreg laminates is in close contact. And there exists a method of hardening the whole by putting in an autoclave in the state fixed with the jig | tool. This is an adhesion method between CFRP (a laminate of uncured CFRP prepregs) by a co-curing method. Here, a laminate of uncured CFRP prepregs may be bonded together via an epoxy adhesive. That is, an epoxy adhesive is applied to the predetermined range, and the CFRP prepreg matrix resin and the epoxy adhesive are cured at a time in an autoclave. This is also adhesion by the co-curing method. In the case where it is difficult to apply a tightening force from above and below to the contact surfaces of the CFRP prepreg laminates, it is preferable to use an epoxy adhesive.
また未硬化のCFRPプリプレグの積層物と金属合金とを接着させる場合には、先だって金属合金表面の接着領域にエポキシ接着剤を塗布した後、後述する染み込まし処理を行う。その後、その金属合金と未硬化のCFRPプリプレグの積層物とを密着させ、治具によって固定する。これをオートクレーブに入れて加熱し、CFRPプリプレグのマトリックス樹脂とエポキシ接着剤を一時に硬化させる。これもコキュア法による接着である。 In addition, when the uncured CFRP prepreg laminate and the metal alloy are bonded, an epoxy adhesive is first applied to the bonding region on the surface of the metal alloy, and then a soaking process described later is performed. Thereafter, the metal alloy and the uncured CFRP prepreg laminate are brought into close contact with each other and fixed with a jig. This is placed in an autoclave and heated to cure the CFRP prepreg matrix resin and epoxy adhesive at a time. This is also adhesion by the co-curing method.
[CFRP部材の粗面化]
CFRP部材を被着材と接着させる場合、CFRP部材表面を粗面化することで安定した接着力が得られる。この表面の研磨は研磨紙によって可能であり、本発明者らが試行錯誤を行った結果、JISR6252に規定される80番〜480番、好ましくは120番〜240番のやや目の粗い研磨紙でCFRP部材表面を10〜20回程度研磨したものが、安定的に高い接着力を発揮する被着材となった。粗面化後の表面に付着した汚れ(微粉)を除去するため、CFRP部材を洗剤を含む水溶液に浸漬した後、乾燥する。または、強い水流で粗面化した部分の汚れを取り去り、水道水又は純水に漬けて水洗し、乾燥しても良い。後述する実験例では研磨紙を使用したが、研磨用部材は研磨紙に限らない。量産工程では研磨紙に代えてサンドブラストを使用することが可能である。
[Roughening of CFRP member]
When the CFRP member is bonded to the adherend, a stable adhesive force can be obtained by roughening the surface of the CFRP member. This surface can be polished with abrasive paper, and as a result of trial and error by the present inventors, 80-480, preferably 120-240, as specified in JIS R6252 A material obtained by polishing the surface of the CFRP member about 10 to 20 times was an adherend that stably exhibited high adhesive strength. In order to remove dirt (fine powder) adhering to the roughened surface, the CFRP member is immersed in an aqueous solution containing a detergent and then dried. Alternatively, the dirt on the roughened portion may be removed with a strong water flow, soaked in tap water or pure water, washed, and dried. In the experimental examples to be described later, abrasive paper is used, but the polishing member is not limited to abrasive paper. In the mass production process, sandblasting can be used instead of abrasive paper.
CFRP部材表面から炭素繊維の一部が剥き出しとなる程度の粗面化が好ましい。概して炭素繊維とマトリックス樹脂との接着性よりも、炭素繊維と1液性エポキシ接着剤の接着性が優れているからである。市販の1液性エポキシ接着剤を使用した場合、常温下では炭素繊維とマトリックス樹脂との接着性よりも、炭素繊維と1液性エポキシ接着剤の接着性が優れている。しかし、100℃以上の高温下においては市販の1液性エポキシ接着剤と炭素繊維との接着力が急激に低下して、この1液性エポキシ接着剤と炭素繊維との間で破断が生じる。即ち、高温下においては、本発明で使用するCFRPプリプレグにおける炭素繊維とマトリックス樹脂との接着力ではなく、炭素繊維と1液性エポキシ接着剤の接着力の低下によって破断に至るのである。 Roughening to such an extent that a part of the carbon fiber is exposed from the surface of the CFRP member is preferable. This is because the adhesion between the carbon fiber and the one-component epoxy adhesive is generally superior to the adhesion between the carbon fiber and the matrix resin. When a commercially available one-component epoxy adhesive is used, the adhesion between the carbon fiber and the one-component epoxy adhesive is superior to the adhesion between the carbon fiber and the matrix resin at room temperature. However, at a high temperature of 100 ° C. or higher, the adhesive force between the commercially available one-component epoxy adhesive and the carbon fiber is sharply reduced, and breakage occurs between the one-component epoxy adhesive and the carbon fiber. That is, at a high temperature, not the adhesive force between the carbon fiber and the matrix resin in the CFRP prepreg used in the present invention, but a breakage is caused by a decrease in the adhesive force between the carbon fiber and the one-component epoxy adhesive.
この結果に基づけば、高温下における炭素繊維と1液性エポキシ接着剤との接着力を向上させることが可能であれば、常温から高温にかけてCFRP部材と被着材とが極めて強固に接着された接合体を得ることができることになる。即ち、常温下においては、炭素繊維とマトリックス樹脂との接着力が問題となるので、マトリックス樹脂を改良することによって両者の接着力を向上させる。一方で、高温下においては、炭素繊維と1液性エポキシ接着剤との接着力が問題となるので、1液性エポキシ接着剤の改良によってこの接着力を向上させることを試みた。本発明者らが開発した耐熱型1液性エポキシ接着剤を使用した場合、高温においてCFRP部材と被着材とが極めて強固に接着された接合体を得ることができる。これは、剥き出しになった炭素繊維の周囲を改良した1液性エポキシ接着剤が覆うことになるからである。この接着剤に関して以下に説明する。 Based on this result, if it was possible to improve the adhesion between the carbon fiber and the one-component epoxy adhesive at high temperature, the CFRP member and the adherend were bonded extremely firmly from room temperature to high temperature. A joined body can be obtained. That is, since the adhesive force between the carbon fiber and the matrix resin becomes a problem at room temperature, the adhesive force between the two is improved by improving the matrix resin. On the other hand, since the adhesive force between the carbon fiber and the one-component epoxy adhesive becomes a problem at high temperatures, an attempt was made to improve this adhesive force by improving the one-component epoxy adhesive. When the heat-resistant one-component epoxy adhesive developed by the present inventors is used, it is possible to obtain a bonded body in which the CFRP member and the adherend are bonded extremely firmly at a high temperature. This is because the improved one-component epoxy adhesive covers the periphery of the exposed carbon fiber. This adhesive will be described below.
[使用する接着剤]
本発明者らはNATを適用した接着において、主として1液性熱硬化型接着剤を使用した。主液と硬化剤を混合して接着剤を作成し、混合後の数分〜1時間以内に塗布して常温で硬化させる2液性接着剤であっても金属合金とCFRPの接着自体は可能である。しかしながら、接着力は1液性熱硬化型接着剤に及ばない。これはNATにおいては接着剤が金属合金表面のミクロンオーダーの粗度をなす凹部に侵入し、さらにその凹部内壁面にある超微細凹凸にまで侵入した後に硬化することによって強固な接着を可能としているからである。例えば2液性エポキシ樹脂接着剤等の2液性接着剤では、主液と硬化剤を混合した直後から高分子化・ゲル化が開始されるので、分子径が大きくなり過ぎて超微細凹凸に侵入せず、超微細凹凸が接着力の向上に寄与しないという問題がある。その結果として接着力の獲得が困難となる。また2液性接着剤では2液を混合してから金属合金表面に塗布し、金属合金表面に染み込ませる染込ませる作業(後述)までの時間を固定できず、接着力自体が安定しないという問題がある。但し、一般的に2液性接着剤に区分されている接着剤であっても、硬化剤を混合してから直ちに高分子化・ゲル化が起こらず、数時間程度は実質的に反応が進まない物であれば使用できる。少なくともNATを適用した接着においては1液性熱硬化型接着剤と同等に扱うことができる。
[Adhesive used]
The present inventors mainly used a one-component thermosetting adhesive in adhesion using NAT. Adhesive is prepared by mixing the main liquid and curing agent, and even if it is a two-component adhesive that is applied within a few minutes to an hour after mixing and cured at room temperature, the metal alloy and CFRP can be bonded. It is. However, the adhesive strength does not reach that of a one-component thermosetting adhesive. In NAT, the adhesive penetrates into a concave portion having a roughness on the order of microns on the surface of a metal alloy, and further hardens after penetrating into the ultra-fine irregularities on the inner wall surface of the concave portion. Because. For example, in the case of a two-component adhesive such as a two-component epoxy resin adhesive, polymerization / gelation starts immediately after mixing the main solution and the curing agent, so that the molecular diameter becomes too large, resulting in ultra-fine irregularities. There is a problem that it does not penetrate and the ultra fine irregularities do not contribute to the improvement of the adhesive force. As a result, it becomes difficult to obtain adhesive strength. In the case of a two-component adhesive, the time required to mix the two components before being applied to the surface of the metal alloy and soaked into the surface of the metal alloy (described later) cannot be fixed, and the adhesive force itself is not stable. There is. However, even adhesives that are generally classified into two-part adhesives do not polymerize or gel immediately after the curing agent is mixed, and the reaction proceeds substantially for several hours. It can be used if it is not. At least in the case of adhesion using NAT, it can be handled in the same manner as a one-component thermosetting adhesive.
[1液性エポキシ接着剤]
上記理由から本発明においてはCFRPと金属合金の接着に1液性エポキシ接着剤を使用した。NATの3条件を具備する金属合金同士を接着する場合、市販の汎用1液性エポキシ接着剤を使用しても常温下で60〜70MPaのせん断破断力が得られる。一方で150℃におけるせん断破断力は6〜15MPa程度であり、耐熱性が課題となっていた。 本発明者らが、エポキシ樹脂の組成及び充填材に関して改良を施した結果、常温下におけるせん断破断力を70〜80MPaに向上させ、150℃におけるせん断破断力を40MPa前後まで向上させることができた。本発明者らが開発した1液性エポキシ接着剤は特に耐熱性に優れており、NATの3条件を具備する金属合金同士の接着には当然有効であるが、CFRP部材を対象とした接着においても効果を発揮する。
[One-part epoxy adhesive]
For the above reasons, in the present invention, a one-component epoxy adhesive is used for bonding CFRP and a metal alloy. When metal alloys having three NAT conditions are bonded to each other, a shear fracture strength of 60 to 70 MPa can be obtained at room temperature even when a commercially available general-purpose one-component epoxy adhesive is used. On the other hand, the shear breaking force at 150 ° C. is about 6 to 15 MPa, and heat resistance has been a problem. As a result of improving the composition and filler of the epoxy resin by the present inventors, it was possible to improve the shear breaking force at room temperature to 70 to 80 MPa and improve the shear breaking force at 150 ° C. to around 40 MPa. . The one-component epoxy adhesive developed by the present inventors is particularly excellent in heat resistance, and is naturally effective for bonding metal alloys having the three conditions of NAT, but in bonding for CFRP members. Is also effective.
1液性エポキシ接着剤の組成は、前述したマトリックス樹脂と同様である。即ち、以下に示すものとなる。マトリックス樹脂を構成する全エポキシ樹脂混合物を100質量部としたときに、ビスフェノールA型エポキシ樹脂単量体を主体とするビスフェノールA型エポキシ樹脂を45〜75質量部、エポキシ基を3個以上有する多官能型であって且つ芳香環を有するエポキシ当量180以下のエポキシ樹脂を55〜25質量部混合したものである。このエポキシ樹脂混合物100質量部に対して、硬化剤としてジシアンジアミド粉体を3〜8質量部添加し、更に硬化助剤として3−(3,4−ジクロルフェニル)−1,1−ジメチルウレアを1〜4質量部添加する。これに充填材として粒径分布の中心が10〜30μmであるアルミニウム粉体を10〜30質量部、粒径分布の中心が10〜30μmのクレーを10〜30質量部添加する。更に、これに粒径分布の中心が10〜30μmの水酸基付きポリエーテルスルホン樹脂粉体を全エポキシ樹脂100質量部に対し0〜30質量部添加することが好ましい。 The composition of the one-component epoxy adhesive is the same as that of the matrix resin described above. That is, it becomes as follows. When the total epoxy resin mixture constituting the matrix resin is 100 parts by mass, 45 to 75 parts by mass of bisphenol A type epoxy resin mainly composed of bisphenol A type epoxy resin monomer and 3 or more epoxy groups It is a functional type mixture of 55 to 25 parts by mass of an epoxy resin having an aromatic ring and having an epoxy equivalent of 180 or less. 3 to 8 parts by mass of dicyandiamide powder is added as a curing agent to 100 parts by mass of this epoxy resin mixture, and 3- (3,4-dichlorophenyl) -1,1-dimethylurea is further added as a curing aid. Add 1-4 parts by weight. As a filler, 10 to 30 parts by mass of an aluminum powder having a particle size distribution center of 10 to 30 μm and 10 to 30 parts by mass of clay having a particle size distribution center of 10 to 30 μm are added. Furthermore, it is preferable to add 0 to 30 parts by mass of a hydroxyl group-containing polyethersulfone resin powder having a particle size distribution center of 10 to 30 μm to 100 parts by mass of the total epoxy resin.
(スペーサー)
本発明の目的は、CFRP部材と金属合金の強固な接着を可能とするものであるが、この接着に際しては線膨張率の違いが問題となる。CFRP部材の線膨張率は含まれる炭素繊維量によって異なるが、通常は0.3×10−5℃−1程度である。一方、アルミニウムは金属中で最も大きな線膨張率を有し、その値は2.2×10−5℃−1程度である。従って、この両者の間には、1.9×10−5℃−1程度の差がある。常温(25℃)で隙間無く接着したCFRP片とA7075アルミニウム合金片の複合体が150℃の環境下に置かれるとした場合、(1.9×10−5℃−1)×(150℃−25℃)=0.24%のズレが生じ、長さ10mmに対して、10mm×0.24%=0.024mmのズレが生じることになる。従って、耐熱性のある1液性エポキシ接着剤を使用した場合であっても、高温になると軟化して接着力が急激に低下する。それ故に接着される双方の材料が高硬度(高弾性率)であれば、高温下でズレを起そうとする力を接着力で押さえ込むことが不可能になり、破壊が進行すると予測される。
(spacer)
An object of the present invention is to enable strong bonding between a CFRP member and a metal alloy. However, a difference in linear expansion coefficient becomes a problem during this bonding. The linear expansion coefficient of the CFRP member varies depending on the amount of carbon fiber contained, but is usually about 0.3 × 10 −5 ° C.− 1 . On the other hand, aluminum has the largest linear expansion coefficient among metals, and its value is about 2.2 × 10 −5 ° C. −1 . Therefore, there is a difference of about 1.9 × 10 −5 ° C. −1 between the two. When a composite of CFRP pieces and A7075 aluminum alloy pieces adhered without gaps at room temperature (25 ° C.) is placed in an environment of 150 ° C., (1.9 × 10 −5 ° C. −1 ) × (150 ° C.− 25 ° C.) = 0.24% deviation occurs, and 10 mm × 0.24% = 0.024 mm deviation occurs with respect to the length of 10 mm. Accordingly, even when a one-component epoxy adhesive having heat resistance is used, it softens at a high temperature and the adhesive strength is rapidly reduced. Therefore, if both materials to be bonded are of high hardness (high elastic modulus), it is impossible to suppress the force for causing the shift at high temperature with the adhesive force, and it is predicted that the breakage proceeds.
要するに、A7075アルミニウム合金片同士の接合体の接着力よりもCFRP片とA7075アルミニウム合金片の接合体の接着力が常に低く、本発明等の利用によって、その差異を縮めることは可能である。しかし、150℃程度以上の高温下では線膨張率の違いによって生じるズレを完全に封じることは不可能である。本発明者らは高温下における線膨張率の差異を緩和すべく、A7075アルミニウム合金片とCFRP片に挟まれる接着剤硬化物層の厚さを厚くすることを試みた。これは150℃以上の高温となったときに、エポキシ樹脂硬化物の硬度が低下し、充填した純アルミ系アルミニウム粉体及びポリエーテルスルホン樹脂粉体の柔軟性がズレの緩和に寄与することを期待したためである。接着剤硬化物層の厚さとして、百〜数百μmの厚さを確保できれば充填材の迅性が十分に発揮され、その接着剤硬化物層の上面及び下面の間で生じるズレを吸収することができる。 In short, the adhesion force between the CFRP piece and the A7075 aluminum alloy piece is always lower than the adhesion force between the A7075 aluminum alloy pieces, and the difference can be reduced by using the present invention. However, it is impossible to completely seal the deviation caused by the difference in linear expansion coefficient at a high temperature of about 150 ° C. or higher. The present inventors tried to increase the thickness of the cured adhesive layer sandwiched between the A7075 aluminum alloy piece and the CFRP piece in order to alleviate the difference in linear expansion coefficient at high temperatures. This is because the hardness of the cured epoxy resin decreases when the temperature is higher than 150 ° C., and the flexibility of the filled pure aluminum-based aluminum powder and the polyethersulfone resin powder contributes to the relaxation of the deviation. This is because of expectation. As the thickness of the cured adhesive layer, if the thickness of 100 to several hundred μm can be secured, the quickness of the filler is sufficiently exerted, and the deviation generated between the upper surface and the lower surface of the cured adhesive layer is absorbed. be able to.
本発明者らは、45mm×15mm×3mm厚のCFRP片及びアルミニウム合金片を1液性エポキシ接着剤により接着した複合体を作成した。このときの接着面積は0.5cm2程度とした。接着方法はコボンド法であり、CFRP片とアルミニウム合金片の双方の端部に接着剤を塗布し、それぞれについて、後述する染み込まし処理を行った後で接着剤塗布領域同士を密着させてクリップで固定し、熱風乾燥機に入れて接着剤を加熱硬化させたものである。CFRP片及びアルミニウム合金片はクリップによる圧力で接着面の方向に押付けられ、間に挟まった接着剤の多くは縁部から外に押し出される。 The inventors prepared a composite in which a CFRP piece having a thickness of 45 mm × 15 mm × 3 mm and an aluminum alloy piece were bonded with a one-component epoxy adhesive. The adhesion area at this time was about 0.5 cm 2 . The bonding method is a co-bonding method, and an adhesive is applied to both ends of the CFRP piece and the aluminum alloy piece. It is fixed and put in a hot air dryer to heat and cure the adhesive. The CFRP piece and the aluminum alloy piece are pressed in the direction of the bonding surface by the pressure of the clip, and most of the adhesive sandwiched therebetween is pushed out from the edge.
クリップによる圧力を考慮すると、通常の1液性エポキシ接着剤であれば接着剤硬化物層の厚さは0.1mm未満となる。この接着剤硬化物層の厚さが0.1mm以上となるようにすべく、1液性エポキシ接着剤中に粒径100μm前後の粉体を充填材として含ませることとした。この大粒径の粉体を「スペーサー」と称す。本発明者らは、スペーサーとして粒径75〜150μm程度で粒径分布が狭く、且つ入手容易な物を選択した。具体的には、ポリエーテルスルホン樹脂粉体、水酸基付きポリエーテルスルホン樹脂の粉体、ステンレス鋼等の金属粉体、炭酸カルシウム粉体、タルク粉体等である。これらを1液性エポキシ接着剤に添加して、CFRPとA7075アルミニウム合金の接着試験を行った。 Considering the pressure by the clip, the thickness of the cured adhesive layer is less than 0.1 mm if it is a normal one-component epoxy adhesive. In order to make the thickness of the adhesive cured product layer 0.1 mm or more, a powder having a particle size of around 100 μm was included as a filler in the one-component epoxy adhesive. This large particle size powder is referred to as a “spacer”. The present inventors selected a spacer having a particle size of about 75 to 150 μm and a narrow particle size distribution and easily available. Specific examples include polyethersulfone resin powder, polyethersulfone resin powder with a hydroxyl group, metal powder such as stainless steel, calcium carbonate powder, and talc powder. These were added to a one-component epoxy adhesive, and an adhesion test between CFRP and A7075 aluminum alloy was performed.
常温下での接着力を比較した場合、スペーサー含有の1液性エポキシ接着剤とスペーサーを含有しない1液性エポキシ接着剤に明確な差異は認められない。少なくともスペーサーの含有が接着力を低下させる要因になることはないと考えられる。理論的にはエポキシ樹脂との親和性さえ良ければスペーサーとして使用することができる。後述する実験において使用した水酸基付きPES粉体及びステンレス鋼粉体はスペーサーとして適しているといえる。その他、粒径100μm程度のアルミニウム粉体、銅粉、銀メッキ付き銅粉等も使用可能と推定される。これらは市販されているので容易に入手可能である。なお、CFRP同士の接着においては線膨張率の差という問題が生じないのでスペーサーは不要である。スペーサーは接着剤塗布領域に一定の個数以上含まれることで効果が生じる。それ故、添加量に関しては接着面積にもよるが、概ねエポキシ樹脂100質量部に対して1〜20質量部含まれるようにすると良い。 When the adhesive strength at room temperature is compared, there is no clear difference between the one-component epoxy adhesive containing a spacer and the one-component epoxy adhesive not containing a spacer. It is considered that the inclusion of at least a spacer does not cause a decrease in adhesive strength. Theoretically, as long as the affinity with the epoxy resin is good, it can be used as a spacer. It can be said that the PES powder with hydroxyl group and the stainless steel powder used in the experiments described later are suitable as spacers. In addition, it is estimated that aluminum powder having a particle size of about 100 μm, copper powder, copper powder with silver plating, and the like can be used. Since these are commercially available, they are easily available. In addition, since the problem of a difference in linear expansion coefficient does not occur in the adhesion between CFRPs, a spacer is unnecessary. An effect is produced when a certain number or more of spacers are included in the adhesive application region. Therefore, although it depends on the adhesion area, the addition amount is preferably about 1 to 20 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the epoxy resin.
本発明では、マトリックス樹脂を改良することによって炭素繊維とマトリックス樹脂の接着力を向上させた。具体的には、エポキシ樹脂中に含まれるエポキシ基を増やし、硬化剤として芳香族ジアミン類を使用せずにジシアンジアミドを使用することによって硬化剤の添加量を少なくするようにした。即ち、マトリックス樹脂中に含まれるエポキシ基の濃度を向上させた。表面処理された炭素繊維に存在する親エポキシ点に対して、マトリックス樹脂中のエポキシ基濃度を高くすることで接着力を高めようとしたものである。 In the present invention, the adhesive force between the carbon fiber and the matrix resin is improved by improving the matrix resin. Specifically, the epoxy group contained in the epoxy resin was increased, and dicyandiamide was used as the curing agent without using aromatic diamines, thereby reducing the addition amount of the curing agent. That is, the concentration of epoxy groups contained in the matrix resin was improved. The adhesive strength is increased by increasing the epoxy group concentration in the matrix resin with respect to the parent epoxy point present in the surface-treated carbon fiber.
本発明者らは、CFRPプリプレグを積層して硬化させたCFRP片同士を1液性エポキシ接着剤によって接着し、その接合体のせん断破断力を測定する実験を行った。その結果、本発明のCFRPプリプレグを使用したCFRP片は、従来型CFRPプリプレグを使用したCFRP片と比較してせん断破断力で5MPa以上、上回っていた。このときのせん断破断力は、主に炭素繊維とマトリックス樹脂間の接着力で決定されるため、炭素繊維とマトリックス樹脂間の接着力が明確に向上していることになる。また、CFRP片と金属合金片を接着させた場合にも同様の結果を得た。 The present inventors conducted an experiment in which CFRP pieces obtained by laminating and curing CFRP prepregs were bonded to each other with a one-component epoxy adhesive, and the shear breaking strength of the joined body was measured. As a result, the CFRP piece using the CFRP prepreg of the present invention exceeded the shear breaking force by 5 MPa or more as compared with the CFRP piece using the conventional CFRP prepreg. Since the shear breaking force at this time is mainly determined by the adhesive force between the carbon fiber and the matrix resin, the adhesive force between the carbon fiber and the matrix resin is clearly improved. Similar results were obtained when the CFRP piece and the metal alloy piece were bonded together.
本発明のCFRPプリプレグを使用することによって、CFRP部材(硬化させたCFRPプリプレグ)と被着材(金属合金又はCFRP部材)とが極めて強固に接着された接合体を得ることができた。この接合体の接着力は、金属合金同士を接着した接合体に近いものであった。さらに、CFRP部材と被着材の接着に際して、耐熱性を有する1液性エポキシ接着剤を使用することによって、常温から高温にかけて強固な接着力を有する接合体を得ることができた。 By using the CFRP prepreg of the present invention, it was possible to obtain a bonded body in which the CFRP member (cured CFRP prepreg) and the adherend (metal alloy or CFRP member) were bonded extremely firmly. The bonding strength of this bonded body was close to that of a bonded body in which metal alloys were bonded together. Furthermore, when the CFRP member and the adherend are bonded, a bonded body having a strong adhesive force from room temperature to high temperature can be obtained by using a heat-resistant one-component epoxy adhesive.
[被着材としての金属合金]
本発明のCFRPプリプレグは炭素繊維とマトリックス樹脂の接着力を高めたものである。しかし、その接着力が問題となるのは、前述したようにCFRP部材と接着剤硬化物間、接着剤硬化物と被着材間の接着力が極めて高い場合である。従って、被着材がNATの3条件に適合する表面を有する金属合金であれば、CFRPプリプレグのマトリックス樹脂を改良した効果を発揮することができる。以下、被着材としての金属合金について説明する。
[Metal alloys as adherends]
The CFRP prepreg of the present invention has an increased adhesive force between carbon fibers and a matrix resin. However, the adhesive strength becomes a problem when the adhesive strength between the CFRP member and the cured adhesive and between the cured adhesive and the adherend is extremely high as described above. Therefore, if the adherend is a metal alloy having a surface that meets the three conditions of NAT, the effect of improving the matrix resin of the CFRP prepreg can be exhibited. Hereinafter, the metal alloy as the adherend will be described.
(NATの条件に適合する金属合金)
前述の「NAT」に基づく表面構造を具備する金属合金としては、理論上特にその種類に制限はない。しかし、実際に「NAT」を適用できるのは、硬質で実用的な金属合金である。本発明者等は、アルミニウム、マグネシウム、銅、チタン、及び鉄を主成分とする金属合金種に関して「NAT」が適用可能であることを確認した。特許文献1にアルミニウム合金に関する記載をした。特許文献2にマグネシウム合金に関する記載をした。特許文献3に銅合金に関する記載をした。特許文献4にチタン合金に関する記載をした。特許文献5にステンレス鋼に関する記載をした。特許文献6に一般鋼材に関する記載をした。しかし、「NAT」ではアンカー効果により接着力の向上を図っているので、少なくともこれらの金属合金種に限定されるものではない。以下、金属合金表面を「NAT」の条件に適合する表面構造とするための表面処理工程について述べる。
(Metal alloy that meets NAT requirements)
The metal alloy having a surface structure based on the above-described “NAT” is not particularly limited in theory. However, “NAT” can actually be applied to hard and practical metal alloys. The inventors of the present invention have confirmed that “NAT” can be applied to metal alloy types mainly composed of aluminum, magnesium, copper, titanium, and iron. Patent Document 1 describes an aluminum alloy. Patent Document 2 describes a magnesium alloy. Patent Document 3 describes a copper alloy. Patent Document 4 describes a titanium alloy. Patent Document 5 describes stainless steel. Patent Document 6 describes general steel materials. However, since “NAT” aims to improve the adhesive force by the anchor effect, it is not limited to at least these metal alloy types. Hereinafter, a surface treatment process for making the surface of the metal alloy into a surface structure conforming to the “NAT” condition will be described.
(化学エッチング)
この表面処理工程における化学エッチングは、金属合金表面にミクロンオーダーの粗度を生じさせることを目的とする。腐食には全面腐食、孔食、疲労腐食など種類があるが、その金属合金に対して全面腐食を生じる薬品種を選んで試行錯誤し、適当なエッチング剤を選ぶことができる。文献記録(例えば「化学工学便覧(化学工学協会編集)」)によれば、アルミニウム合金は塩基性水溶液、マグネシウム合金は酸性水溶液、ステンレス鋼や一般鋼材全般は、塩酸等ハロゲン化水素酸、亜硫酸、硫酸、これらの塩、等の水溶液で全面腐食するとの記録がある。
(Chemical etching)
The chemical etching in this surface treatment process is intended to produce a roughness on the order of microns on the surface of the metal alloy. There are various types of corrosion, such as general corrosion, pitting corrosion, and fatigue corrosion, but it is possible to select an appropriate etching agent by selecting a chemical species that causes general corrosion for the metal alloy and performing trial and error. According to literature records (for example, "Chemical Engineering Handbook (edited by Chemical Engineering Association)"), aluminum alloys are basic aqueous solutions, magnesium alloys are acidic aqueous solutions, stainless steel and general steel materials in general are hydrohalic acid such as hydrochloric acid, sulfurous acid, There is a record that the entire surface is corroded by an aqueous solution of sulfuric acid or a salt thereof.
又、耐食性の強い銅合金は、高濃度の硝酸水溶液や強酸性とした過酸化水素などの酸化性酸や酸化剤配合液によって全面腐食させられるし、チタン合金は蓚酸や弗化水素酸系の特殊な酸で全面腐食させられることが専門書や特許文献から散見される。実際に市場で販売されている金属合金類は、純銅系銅合金や純チタン系チタン合金のように純度が99.9%以上で合金とは言い難い物もあるが、これらも本発明の金属合金に含まれる。実際に使用されている金属合金の殆どは、特徴的な物性を求めて多種多用な元素が混合されて純金属系の物は少なく、実質的にも合金である。 In addition, copper alloys with strong corrosion resistance can be corroded entirely by highly concentrated nitric acid aqueous solution or strongly acidic oxidizing acid such as hydrogen peroxide or oxidizer compound liquid, and titanium alloys are oxalic acid or hydrofluoric acid based It can be seen from technical books and patent literature that it can be totally corroded with a special acid. The metal alloys that are actually sold in the market, such as pure copper-based copper alloys and pure titanium-based titanium alloys, have a purity of 99.9% or more and are hardly called alloys. Included in the alloy. Most of the metal alloys that are actually used are mixed with a wide variety of elements in order to obtain characteristic physical properties, and there are few pure metal materials, and they are substantially alloys.
即ち、金属合金の殆どは、元々の金属物性を低下させることなく耐食性を向上させることを目的として純金属から合金化されたものである。それ故、金属合金によっては、前記酸・塩基類や特定の化学物質を使っても、目標とする化学エッチングができない場合もよくある。実際には使用する酸・塩基水溶液の濃度、液温度、浸漬時間、場合によっては添加物を工夫しつつ試行錯誤して適正な化学エッチングを行うことになる。 That is, most metal alloys are alloyed from pure metal for the purpose of improving corrosion resistance without deteriorating the original metal properties. Therefore, depending on the metal alloy, even if the acid / base or a specific chemical substance is used, the target chemical etching is often not possible. In practice, appropriate chemical etching is performed by trial and error while devising the concentration of the acid / base aqueous solution to be used, the liquid temperature, the immersion time, and, in some cases, the additive.
化学エッチング法については、特許文献1にアルミニウム合金に関する記載、特許文献2にマグネシウム合金に関する記載、特許文献3に銅合金に関する記載、特許文献4にチタン合金に関する記載、特許文献5にステンレス鋼に関する記載、及び特許文献6に一般鋼材に関する記載をした。 Regarding the chemical etching method, Patent Document 1 describes an aluminum alloy, Patent Document 2 describes a magnesium alloy, Patent Document 3 describes a copper alloy, Patent Document 4 describes a titanium alloy, and Patent Document 5 describes a stainless steel. And Patent Document 6 described general steel materials.
実際に行う作業として全般的に共通する点を説明する。金属合金を所定の形状に形状化した後、当該金属合金用の脱脂剤を溶かした水溶液に浸漬して脱脂し、水洗する。この工程は、金属合金を形状化する工程で付着した機械油や指脂の大部分を除くための処理であり、常に行うことが好ましい。次いで、薄く希釈した酸・塩基水溶液に浸漬して水洗するのが好ましい。これは本発明者等が予備酸洗浄や予備塩基洗浄と称している工程である。一般鋼材のように酸で腐食するような金属合金では、塩基性水溶液に浸漬し水洗する。また、アルミニウム合金のように塩基性水溶液で特に腐食が早い金属合金では、希薄酸水溶液に浸漬し水洗する。これらは、化学エッチングに使用する水溶液と逆性のものを前もって金属合金に付着(吸着)させる工程であり、その後の化学エッチングが誘導期間なしに始まることになって処理の再現性が著しく向上する。それ故にこの予備酸洗浄、予備塩基洗浄工程は本質的なものではないが、実務上、採用することが好ましい。これらの工程の後に化学エッチング工程を行う。 The points that are generally common in the work actually performed will be described. After shaping the metal alloy into a predetermined shape, the metal alloy is degreased by immersing it in an aqueous solution in which a degreasing agent for the metal alloy is dissolved and washed with water. This process is a process for removing most of the machine oil and finger grease adhering in the process of shaping the metal alloy, and it is preferably always performed. Then, it is preferably immersed in a thinly diluted acid / base aqueous solution and washed with water. This is a process that the present inventors have referred to as preliminary acid cleaning and preliminary base cleaning. In the case of a metal alloy that corrodes with an acid such as a general steel material, it is immersed in a basic aqueous solution and washed with water. Further, in the case of a metal alloy that is particularly rapidly corroded with a basic aqueous solution such as an aluminum alloy, it is immersed in a diluted acid aqueous solution and washed with water. These are processes in which a solution opposite to the aqueous solution used for chemical etching is attached (adsorbed) to the metal alloy in advance, and the subsequent chemical etching starts without an induction period, so that the reproducibility of the process is remarkably improved. . Therefore, the preliminary acid cleaning and preliminary base cleaning steps are not essential, but are preferably employed in practice. After these steps, a chemical etching step is performed.
(微細エッチング・表面硬化処理)
また上記表面処理工程における微細エッチングは、金属合金表面に超微細凹凸を形成することを目的とする。また本発明における表面硬化処理は、金属合金の表層を金属酸化物又は金属リン酸化物の薄層とすることを目的とする。金属合金種によっては前記化学エッチングを行っただけで同時にナノオーダーの微細エッチングもなされ、超微細凹凸が形成される場合がある。さらに、金属合金種によっては表面の自然酸化層が元よりも厚くなって表面硬化処理も完了している場合もある。例えば、純チタン系のチタン合金は化学エッチングだけを行うことで、表面がミクロンオーダーの粗度を有し、且つ超微細凹凸も形成される。即ち、化学エッチングと併せて微細エッチングもなされる。しかし、多くは化学エッチングによりミクロンオーダーの大きな凹凸面を作った後で微細エッチングや表面硬化処理を行う必要がある。
(Fine etching and surface hardening treatment)
The purpose of the fine etching in the surface treatment step is to form ultra-fine irregularities on the surface of the metal alloy. Moreover, the surface hardening process in this invention aims at making the surface layer of a metal alloy into a thin layer of a metal oxide or a metal phosphate. Depending on the type of metal alloy, nano-order fine etching may be performed at the same time by performing the chemical etching, and ultra-fine irregularities may be formed. Furthermore, depending on the type of metal alloy, the natural oxide layer on the surface may be thicker than the original and the surface hardening process may be completed. For example, a pure titanium-based titanium alloy is only subjected to chemical etching, so that the surface has a roughness on the order of microns and ultra-fine irregularities are also formed. That is, fine etching is performed together with chemical etching. However, in many cases, it is necessary to perform fine etching or surface hardening treatment after forming a large uneven surface on the order of microns by chemical etching.
この時でも予測できない化学現象に見舞われることが多い。即ち、表面硬化処理や表面安定化処理を目的に化学エッチング後の金属合金に酸化剤等を反応させたり化成処理をしたとき、得られる表面に偶然ながら超微細凹凸が形成される場合がある。マグネシウム合金を過マンガン酸カリ系水溶液で化成処理した場合に生じた酸化マンガンとみられる表面層は10万倍電子顕微鏡でようやく判別つく5〜10nm直径の棒状結晶が錯綜したものである。この試料をXRD(X線回折計)で分析したが、酸化マンガン類由来の回折線は検出できなかったが、表面が酸化マンガンで覆われていることはXPS分析で明らかである。XRDで検出できなかった理由は、結晶が検出限界を超えた薄い層であったからである。要するに、マグネシウム合金では表面硬化処理としての化成処理を施したことで、微細エッチングも併せて完了していたことになった。 Even at this time, we are often hit by unpredictable chemical phenomena. That is, when a metal alloy after chemical etching is reacted with an oxidizing agent or chemical conversion treatment for the purpose of surface hardening treatment or surface stabilization treatment, ultra fine irregularities may be formed on the resulting surface by chance. The surface layer that appears to be manganese oxide formed when a magnesium alloy is subjected to chemical conversion treatment with a potassium permanganate aqueous solution is a complex of rod-like crystals having a diameter of 5 to 10 nm that can be finally identified with a 100,000-fold electron microscope. Although this sample was analyzed by XRD (X-ray diffractometer), diffraction lines derived from manganese oxides could not be detected, but it is clear by XPS analysis that the surface was covered with manganese oxide. The reason why XRD could not be detected is that the crystal was a thin layer exceeding the detection limit. In short, the magnesium alloy was subjected to a chemical conversion treatment as a surface hardening treatment, so that fine etching was also completed.
銅合金でも同様で、塩基性下の酸化で表面を酸化第2銅に変化させる表面硬化処理を行ったところ、純銅系銅合金では、その表面は楕円形の穴開口部で覆われた特有の超微細凹凸面になる。一方、純銅系でない銅合金では凹部型でなく10〜150nm径の粒径物又は不定多角形状物が連なり、一部融け合って積み重なった形の超微細凹凸面になる。この場合でも表面の殆どは酸化第2銅で覆われており、表面の硬化と超微細凹凸の形成が同時に起こる。 The same applies to copper alloys. When surface hardening treatment was performed to change the surface to cupric oxide by oxidation under basic conditions, the surface of pure copper-based copper alloys was covered with an elliptical hole opening. It becomes an ultra fine uneven surface. On the other hand, in the case of a copper alloy that is not pure copper-based, not a concave shape but a particle size or an indefinite polygonal shape having a diameter of 10 to 150 nm is continuous, and an ultrafine uneven surface in a form of being partially melted and stacked. Even in this case, most of the surface is covered with cupric oxide, and the hardening of the surface and the formation of ultrafine irregularities occur simultaneously.
一般鋼材に関しては、更なる検証が必要ではあるものの、ミクロンオーダーの粗度を形成するための化学エッチングだけで超微細凹凸も併せて形成されていることが多く、元来表層(自然酸化層)が硬いこともあって、表面硬化処理や微細エッチング処理を改めて行わずとも、「NAT」の条件を備える場合があった。その際の問題は、自然酸化層の耐食性が十分でないために接着工程までに腐食が開始してしまうこと、また、接着後の環境如何では短時間で接着力が低下することであった。これらは化成処理によって防ぐことができる。例を挙げると、化成処理をしていない一般鋼材(SPCC:冷間圧延鋼材)同士をフェノール樹脂系接着剤で接着した接合体に関しては、4週間という短期間で接着力が急激に低下した。一方、化成処理をした一般鋼材(SPCC)同士をフェノール樹脂系接着剤で接着した接合体に関しては、同じ期間では当初の接着力から低下しなかった。 For general steel materials, although further verification is required, ultra-fine irregularities are often formed only by chemical etching to form micron-order roughness, and originally the surface layer (natural oxide layer) In some cases, the condition of “NAT” is provided without performing a surface hardening process or a fine etching process again. The problem at that time is that the corrosion resistance of the natural oxide layer is not sufficient, so that corrosion starts before the bonding step, and the adhesive strength is reduced in a short time depending on the environment after bonding. These can be prevented by chemical conversion treatment. For example, regarding a joined body in which general steel materials (SPCC: cold rolled steel materials) not subjected to chemical conversion treatment are bonded with a phenol resin adhesive, the adhesive strength rapidly decreased in a short period of 4 weeks. On the other hand, regarding the joined body in which the general steel materials (SPCC) subjected to the chemical conversion treatment were bonded to each other with the phenol resin-based adhesive, they did not decrease from the initial adhesive force in the same period.
また、本発明者らは、一般に、化成処理によって金属合金表面に形成された被膜(化成被膜)の膜厚が厚いと、接着力が低下することが多いことを確認している。前記のマグネシウム合金に付着した酸化マンガン薄層のように、XRDで回折線が検出されないような薄層である方が、強い接着力が得られる。化成被膜が厚い金属合金同士をエポキシ接着剤で接着し、破壊試験した場合、破壊面は殆どが化成皮膜と金属合金層との間となる。本発明者らが行った実験では、厚い化成皮膜とエポキシ接着剤硬化物との接合力は、その化成皮膜と金属合金との接合力より常に強かった。即ち、一般鋼材でも、化成処理時間を更に長くして化成処理層を厚くすれば、接着力は長期間低下しないと考えられる。しかしながら化成皮膜を厚くすれば、接着力自体が低下する。従って、どの程度でバランスを取るかは、使用目的、用途等にもよる。 In addition, the present inventors have generally confirmed that when the thickness of a film (chemical conversion film) formed on the surface of a metal alloy by chemical conversion treatment is thick, the adhesive force often decreases. A strong adhesive force can be obtained when the thin layer is such that the diffraction line is not detected by XRD, such as the thin layer of manganese oxide adhered to the magnesium alloy. When metal alloys having a thick chemical conversion film are bonded to each other with an epoxy adhesive and subjected to a destructive test, most of the fracture surface is between the chemical conversion film and the metal alloy layer. In experiments conducted by the present inventors, the bonding force between the thick chemical conversion film and the cured epoxy adhesive was always stronger than the bonding force between the chemical conversion film and the metal alloy. That is, even with a general steel material, it is considered that the adhesive strength does not decrease for a long period of time if the chemical conversion treatment time is further increased to increase the thickness of the chemical conversion treatment layer. However, if the chemical conversion film is thickened, the adhesive strength itself is lowered. Therefore, the degree of balance depends on the purpose of use and application.
[染み込まし処理]
(金属合金)
NATに適合する第1の条件〜第3の条件を具備する金属合金表面に1液性エポキシ系接着剤を塗布した後、その金属合金をデシケータ等の容器に入れて密閉し、容器内を真空ポンプ等で一旦減圧し、その後に常圧に戻す操作を行う。具体的には、容器内を数十mmHg程度まで減圧して一定時間以上(概ね数秒〜数分)置き、その後空気を入れて常圧に戻す(又は数気圧以上の圧力まで加圧する)ことが好ましい。減圧状態に置く時間は、接着剤の超微細凹凸への侵入具合に応じて調整する。この減圧/常圧戻し操作を数回繰り返すのが好ましい。この減圧/常圧戻し操作に使用する容器、例えばデシケータは使用前に50〜70℃に暖めておくことが好ましい。これは塗布した接着剤の粘度を下げて表面の超微細凹凸に染み込み易くするためである。接着剤の接着剤粘度を15Pa秒以下、好ましくは10Pa秒以下とすることで超微細凹凸に侵入させる。染み込まし処理を終えた金属合金を容器から取り出して熱風乾燥機に入れ、接着剤を硬化させる。
[Soaking process]
(Metal alloy)
After applying a one-component epoxy adhesive to the surface of the metal alloy satisfying the first to third conditions that conform to NAT, the metal alloy is sealed in a container such as a desiccator, and the container is vacuumed. The pressure is once reduced with a pump or the like, and then returned to normal pressure. Specifically, the inside of the container is depressurized to about several tens of mmHg and left for a certain period of time (approximately several seconds to several minutes), and then air is returned to normal pressure (or pressure is increased to a pressure of several atmospheres or more). preferable. The time in which the pressure is reduced is adjusted according to the degree of penetration of the adhesive into the ultra-fine irregularities. This depressurization / return to normal pressure operation is preferably repeated several times. It is preferable that the container used for this decompression / normal pressure return operation, for example, a desiccator, is warmed to 50 to 70 ° C. before use. This is to reduce the viscosity of the applied adhesive so that it can easily penetrate into the ultra-fine irregularities on the surface. By setting the adhesive viscosity of the adhesive to 15 Pa seconds or less, preferably 10 Pa seconds or less, the ultra fine unevenness is caused to enter. The metal alloy soaked and treated is taken out of the container and placed in a hot air dryer to cure the adhesive.
ここで、金属合金表面に塗布しようとする接着剤の粘度が低い(例えば10Pa秒以下である)場合には上記減圧/常圧戻し操作を行うまでもなく、接着剤が超微細凹凸に侵入する場合がある。この場合には、当然染み込まし処理は不要である。また、塗布しようとする接着剤の粘度が高くても、金属合金を暖めておくことにより、塗布後に接着剤の粘度が低下して超微細凹凸に侵入する場合がある。この場合にも染み込まし処理は不要となる。これら、接着剤塗布前における金属合金の加熱、及び染み込まし処理は、接着剤の超微細凹凸への侵入具合に応じて行えばよい。 Here, when the viscosity of the adhesive to be applied to the surface of the metal alloy is low (for example, 10 Pa seconds or less), the adhesive penetrates into the ultra-fine irregularities without performing the above-described decompression / normal pressure return operation. There is a case. In this case, of course, the soaking process is unnecessary. Moreover, even if the viscosity of the adhesive to be applied is high, by warming the metal alloy, the viscosity of the adhesive may decrease after application and may enter into the ultra-fine irregularities. Even in this case, the soaking process is unnecessary. The heating and the soaking process of the metal alloy before application of the adhesive may be performed according to the degree of penetration of the adhesive into the ultra-fine irregularities.
(CFRP部材)
粗面化したCFRP部材の所定箇所に、1液性エポキシ接着剤を塗布した後、デシケータ等の容器に入れて密閉し、容器内を真空ポンプ等で一旦減圧し、その後に常圧に戻す操作を行う。具体的には、容器内を数十mmHg程度まで減圧して一定時間以上(概ね数秒〜数分)置き、その後空気を入れて常圧に戻す(又は数気圧以上の圧力まで加圧する)ことが好ましい。減圧状態に置く時間は、接着剤の粗面化部分に係る凹凸への侵入具合に応じて調整する。この作業は、粗面化により生じたCFRP部材表面の凹凸に接着剤を侵入させることを目的とする。即ち、CFRPのマトリックス樹脂が硬化したエポキシ樹脂硬化物に、エポキシ接着剤である接着剤を染み込ませるのである。硬化剤を混入した後の接着剤の粘度が数十Pa秒以上と高い場合には、染み込まし処理に使用する容器は予め50〜70℃に加熱しておく。これによりエポキシ接着剤の粘度を15Pa秒以下、好ましくは10Pa秒以下にする。
(CFRP member)
After applying a one-component epoxy adhesive to a specified part of the roughened CFRP member, place it in a container such as a desiccator, seal it, and once depressurize the container with a vacuum pump, then return to normal pressure I do. Specifically, the inside of the container is depressurized to about several tens of mmHg and left for a certain period of time (approximately several seconds to several minutes), and then air is returned to normal pressure (or pressure is increased to a pressure of several atmospheres or more). preferable. The time for placing the pressure-reduced state is adjusted according to the degree of intrusion into the irregularities related to the roughened portion of the adhesive. The purpose of this operation is to allow the adhesive to penetrate into the irregularities on the surface of the CFRP member caused by the roughening. That is, the epoxy resin cured product obtained by curing the CFRP matrix resin is soaked with an adhesive as an epoxy adhesive. When the viscosity of the adhesive after mixing the curing agent is as high as several tens of Pa seconds or more, the container used for the soaking process is heated to 50 to 70 ° C. in advance. Thus, the viscosity of the epoxy adhesive is set to 15 Pa seconds or less, preferably 10 Pa seconds or less.
ここで、CFRP部材に塗布しようとする接着剤の粘度が低い(例えば15Pa秒以下である)場合には上記減圧/常圧戻し操作を行うまでもなく、接着剤が粗面化部分に係る凹凸に侵入する場合がある。この場合には、当然染み込まし処理は不要である。また、塗布しようとする接着剤の粘度が高くても、CFRP部材を暖めておくことにより、塗布後に接着剤の粘度が低下して粗面化部分の凹凸に侵入する場合がある。この場合にも染み込まし処理は不要となる。これら、接着剤塗布前におけるCFRP部材の加熱及び染み込まし処理は、接着剤の凹凸への侵入具合に応じて行えばよい。 Here, when the viscosity of the adhesive to be applied to the CFRP member is low (for example, 15 Pa seconds or less), it is not necessary to perform the above-described decompression / normal pressure return operation, and the adhesive is uneven on the roughened portion. May invade. In this case, of course, the soaking process is unnecessary. Even if the viscosity of the adhesive to be applied is high, by warming the CFRP member, the viscosity of the adhesive may decrease after application and may enter the irregularities of the roughened portion. Even in this case, the soaking process is unnecessary. The heating and soaking process of the CFRP member before application of the adhesive may be performed according to the degree of penetration of the adhesive into the unevenness.
[実験例]
以下、本発明の実施の形態を説明する。測定等に使用した機器類は以下に示したものである。
(a)X線表面観察(XPS観察)
数μm径の表面を深さ1〜2nmまでの範囲で構成元素を観察する形式のESCA「AXIS−Nova(クレイトス(米国)/株式会社 島津製作所(日本国京都府)製)」を使用した。
(b)電子顕微鏡観察
SEM型の電子顕微鏡「S−4800(株式会社 日立製作所製)」及び「JSM−6700F(日本電子株式会社(日本国東京都)製)」を使用し1〜2KVにて観察した。
(c)走査型プローブ顕微鏡観察
「SPM−9600(株式会社 島津製作所製)」を使用した。
(d)X線回折分析(XRD分析)
「XRD−6100(株式会社 島津製作所製)」を使用した。
(e)複合体の接合強度の測定
引っ張り試験機「MODEL−1323(アイコーエンジニアリング株式会社(日本国大阪府)製)」を使用し、引っ張り速度10mm/分でせん断破断力を測定した。
次に積層材を構成する金属合金板の表面処理について説明する。
[Experimental example]
Embodiments of the present invention will be described below. The equipment used for measurement etc. is shown below.
(A) X-ray surface observation (XPS observation)
ESCA “AXIS-Nova (Kraitos (USA) / Shimadzu Corporation (Kyoto Prefecture, Japan))” in the form of observing constituent elements on a surface having a diameter of several μm in a depth range of 1 to 2 nm was used.
(B) Electron microscope observation Using SEM type electron microscopes “S-4800 (manufactured by Hitachi, Ltd.)” and “JSM-6700F (manufactured by JEOL Ltd. (Tokyo, Japan))” at 1-2 KV Observed.
(C) Scanning probe microscope observation “SPM-9600 (manufactured by Shimadzu Corporation)” was used.
(D) X-ray diffraction analysis (XRD analysis)
“XRD-6100 (manufactured by Shimadzu Corporation)” was used.
(E) Measurement of Bonding Strength of Composite Material Using a tensile tester “MODEL-1323 (manufactured by Aiko Engineering Co., Ltd. (Osaka, Japan))”, the shear breaking strength was measured at a pulling speed of 10 mm / min.
Next, the surface treatment of the metal alloy plate constituting the laminated material will be described.
[実験例1](アルミニウム合金(A7075)の表面処理)
市販の厚さ3mmのアルミニウム合金板材「A7075」を入手し、切断して45mm×18mmの長方形のA7075片を多数作成した。槽の水に市販のアルミニウム合金用脱脂剤「NE−6(メルテックス株式会社(日本国東京都)製)」を投入して濃度7.5%の水溶液(60℃)とした。これに前記A7075片を7分浸漬し、よく水洗した。続いて別の槽に1%濃度の塩酸水溶液(40℃)を用意し、これに前記A7075片を1分浸漬してよく水洗した。次いで別の槽に1.5%濃度の苛性ソーダ水溶液(40℃)を用意し、これに前記A7075片を4分浸漬してよく水洗した。続いて別の槽に3%濃度の硝酸水溶液(40℃)を用意し、これに前記A7075片を1分浸漬し、水洗した。次いで別の槽に一水和ヒドラジンを3.5%含む水溶液(60℃)を用意し、これに前記A7075片を2分浸漬し、水洗した。次いで5%濃度の過酸化水素水溶液(40℃)を用意し、これに前記A7075片を5分浸漬し、水洗した。次いで前記A7075片を、67℃にした温風乾燥機に15分入れて乾燥した。
[Experimental Example 1] (Surface treatment of aluminum alloy (A7075))
A commercially available aluminum alloy plate “A7075” having a thickness of 3 mm was obtained and cut to produce a large number of 45 mm × 18 mm rectangular A7075 pieces. A commercially available aluminum alloy degreasing agent “NE-6 (manufactured by Meltex Co., Ltd. (Tokyo, Japan))” was added to the water in the tank to prepare an aqueous solution (60 ° C.) having a concentration of 7.5%. The A7075 pieces were immersed in this for 7 minutes and washed thoroughly with water. Subsequently, a 1% hydrochloric acid aqueous solution (40 ° C.) was prepared in another tank, and the A7075 piece was immersed in the tank for 1 minute and washed with water. Next, a 1.5% strength aqueous caustic soda solution (40 ° C.) was prepared in another tank, and the A7075 pieces were immersed in this for 4 minutes and washed with water. Subsequently, a 3% nitric acid aqueous solution (40 ° C.) was prepared in another tank, and the A7075 pieces were immersed in the tank for 1 minute and washed with water. Next, an aqueous solution (60 ° C.) containing 3.5% monohydric hydrazine was prepared in another tank, and the A7075 pieces were immersed in this for 2 minutes and washed with water. Next, a 5% hydrogen peroxide aqueous solution (40 ° C.) was prepared, and the A7075 piece was immersed in the solution for 5 minutes and washed with water. Next, the A7075 pieces were dried in a hot air dryer at 67 ° C. for 15 minutes.
上記処理をしたA7075片を電子顕微鏡観察したところ、40〜100nm径の凹部で覆われていることが分かった。電子顕微鏡を1万倍、10万倍として観察したときの写真を図1に示した((a):1万倍,(b):10万倍)。又、走査型プローブ顕微鏡にかけて粗度データを得た。これによるとRSmは3〜4μm、Rzは1〜2μmであった。 When the A7075 piece treated as described above was observed with an electron microscope, it was found that the A7075 piece was covered with a recess having a diameter of 40 to 100 nm. A photograph of the electron microscope observed at 10,000 times and 100,000 times is shown in FIG. 1 ((a): 10,000 times, (b): 100,000 times). The roughness data was obtained by scanning probe microscope. According to this, RSm was 3-4 μm, and Rz was 1-2 μm.
[実験例2](A5052アルミニウム合金片の表面処理)
市販の厚さ1.6mmのアルミニウム合金板材「A5052」を入手し、切断して45mm×18mmの長方形のA5052片を多数作成した。槽の水に市販のアルミニウム合金用脱脂剤「NE−6」を投入して濃度7.5%の水溶液(60℃)とした。これに前記A5052片を7分浸漬し、よく水洗した。続いて別の槽に1%濃度の塩酸水溶液(40℃)を用意し、これに前記A5052片を1分浸漬してよく水洗した。次いで別の槽に1.5%濃度の苛性ソーダ水溶液(40℃)を用意し、これに前記A5052片を2分浸漬してよく水洗した。続いて別の槽に3%濃度の硝酸水溶液(40℃)を用意し、これに前記A5052片を1分浸漬し、水洗した。次いで別の槽に一水和ヒドラジンを3.5%含む水溶液(60℃)を用意し、これに前記A5052片を2分浸漬し、水洗した。次いで前記A5052片を、67℃にした温風乾燥機に15分入れて乾燥した。
[Experimental Example 2] (Surface treatment of A5052 aluminum alloy piece)
A commercially available 1.6 mm thick aluminum alloy sheet “A5052” was obtained and cut to produce a large number of 45 mm × 18 mm rectangular A5052 pieces. A commercially available degreasing agent “NE-6” for aluminum alloy was added to the water in the tank to prepare an aqueous solution (60 ° C.) having a concentration of 7.5%. The A5052 piece was immersed in this for 7 minutes and washed thoroughly with water. Subsequently, a 1% hydrochloric acid aqueous solution (40 ° C.) was prepared in another tank, and the A5052 pieces were immersed in this for 1 minute and washed with water. Next, a 1.5% strength aqueous sodium hydroxide solution (40 ° C.) was prepared in another tank, and the A5052 pieces were immersed in this for 2 minutes and washed with water. Subsequently, a 3% nitric acid aqueous solution (40 ° C.) was prepared in another tank, and the A5052 piece was immersed in this for 1 minute and washed with water. Next, an aqueous solution (60 ° C.) containing 3.5% monohydric hydrazine was prepared in another tank, and the A5052 pieces were immersed in this for 2 minutes and washed with water. Next, the A5052 pieces were dried in a hot air dryer set at 67 ° C. for 15 minutes.
上記処理をしたA5052片を電子顕微鏡観察したところ、30〜100nm径の凹部で覆われていることが分かった。電子顕微鏡を1万倍、10万倍として観察したときの写真を図2に示した((a):1万倍,(b):10万倍)。又、走査型プローブ顕微鏡にかけて粗度データを得た。これによるとRSmは1〜2μm、Rzは0.3〜0.5μmであった。 When the A5052 piece which carried out the said process was observed with the electron microscope, it turned out that it is covered with the 30-100 nm diameter recessed part. A photograph when the electron microscope is observed at 10,000 times and 100,000 times is shown in FIG. 2 ((a): 10,000 times, (b): 100,000 times). The roughness data was obtained by scanning probe microscope. According to this, RSm was 1-2 μm and Rz was 0.3-0.5 μm.
[実験例3](AZ31Bマグネシウム合金片の表面処理)
市販の厚さ1mmのマグネシウム合金板材「AZ31B」を入手し、切断して45mm×18mmの長方形のAZ31B片を多数作成した。槽の水に市販のマグネシウム合金用脱脂剤「クリーナー160(メルテックス株式会社製)」を投入して濃度7.5%の水溶液(65℃)とした。これに前記AZ31B片を5分浸漬し、よく水洗した。続いて別の槽に1%濃度の水和クエン酸水溶液(40℃)を用意し、これに前記AZ31B片を6分浸漬してよく水洗した。次いで別の槽に1%濃度の炭酸ナトリウムと1%濃度の炭酸水素ナトリウムを含む水溶液(65℃)を用意し、これに前記AZ31B片を5分浸漬してよく水洗した。続いて別の槽に15%濃度の苛性ソーダ水溶液(65℃)を用意し、これに前記AZ31B片を5分浸漬し、水洗した。次いで別の槽に0.25%濃度の水和クエン酸水溶液(40℃)を用意し、これに前記AZ31B片を1分浸漬して水洗した。次いで過マンガン酸カリを2%、酢酸を1%、水和酢酸ナトリウムを0.5%含む水溶液(45℃)を用意し、これに前記AZ31B片を1分浸漬し、15秒水洗した。次いで前記AZ31B片を、90℃にした温風乾燥機に15分入れて乾燥した。
[Experimental Example 3] (Surface treatment of AZ31B magnesium alloy piece)
A commercially available magnesium alloy sheet “AZ31B” having a thickness of 1 mm was obtained and cut to produce a large number of 45 mm × 18 mm rectangular AZ31B pieces. A commercially available magnesium alloy degreasing agent “Cleaner 160 (manufactured by Meltex Co., Ltd.)” was added to the water in the tank to prepare an aqueous solution (65 ° C.) having a concentration of 7.5%. The AZ31B piece was immersed in this for 5 minutes and washed thoroughly with water. Subsequently, a 1% strength aqueous hydrated citric acid solution (40 ° C.) was prepared in another tank, and the AZ31B piece was dipped in this for 6 minutes and washed with water. Next, an aqueous solution (65 ° C.) containing 1% concentration sodium carbonate and 1% concentration sodium hydrogen carbonate was prepared in another tank, and the AZ31B piece was immersed in this for 5 minutes and washed with water. Subsequently, a 15% strength aqueous caustic soda solution (65 ° C.) was prepared in another tank, and the AZ31B piece was immersed in this for 5 minutes and washed with water. Next, a 0.25% strength aqueous hydrated citric acid solution (40 ° C.) was prepared in another tank, and the AZ31B piece was immersed in this for 1 minute and washed with water. Next, an aqueous solution (45 ° C.) containing 2% potassium permanganate, 1% acetic acid and 0.5% hydrated sodium acetate was prepared, and the AZ31B piece was immersed in this for 1 minute and washed with water for 15 seconds. Next, the AZ31B piece was placed in a hot air dryer set at 90 ° C. for 15 minutes and dried.
上記処理をしたAZ31B片を電子顕微鏡観察したところ、5〜20nm径の棒状結晶が複雑に絡み合って100nm径程度の塊となり、その塊が面を作っている超微細凹凸形状で覆われている箇所があった。電子顕微鏡を10万倍として観察したときの写真を図3(a)及び(b)に示した。又、走査型プローブ顕微鏡で走査して粗度観測を行ったところRSmが2〜3μm、Rzが1〜1.5μmであった。 When the above-treated AZ31B piece was observed with an electron microscope, a rod-like crystal having a diameter of 5 to 20 nm was intertwined into a lump having a diameter of about 100 nm, and the lump was covered with a super fine uneven shape forming a surface. was there. 3A and 3B show photographs when the electron microscope is observed at a magnification of 100,000. Further, when the roughness was observed by scanning with a scanning probe microscope, RSm was 2 to 3 μm and Rz was 1 to 1.5 μm.
[実験例4](C1100銅合金片の表面処理)
市販の厚さ1mmの純銅系銅合金であるタフピッチ銅板材「C1100」を入手し、切断して45mm×18mmの長方形のC1100片を多数作成した。槽に市販のアルミニウム合金用脱脂剤「NE−6」を7.5%含む水溶液(60℃)を用意し、これに前記C1100片を5分浸漬して水洗した。次いで1.5%濃度の苛性ソーダ水溶液(40℃)に前記C1100片を1分浸漬して水洗することで予備塩基洗浄した。次いで銅合金用エッチング材「CB−5002(メック株式会社(日本国兵庫県)製)」を20%、30%過酸化水素を18%含む水溶液(25℃)をエッチング用水溶液として用意し、これに前記C1100片をを10分浸漬し、水洗した。次いで別の槽に苛性ソーダを10%、亜塩素酸ナトリウムを5%含む水溶液(65℃)を酸化用水溶液として用意し、これに前記C1100片を1分浸漬してよく水洗した。次いで、前記C1100片を再び前記エッチング用水溶液に1分浸漬して水洗した後、前記酸化用水溶液に1分浸漬し、よく水洗した。その後、前記C1100片を、90℃とした温風乾燥機に15分入れて乾燥した。
[Experimental Example 4] (Surface treatment of C1100 copper alloy piece)
A commercially available tough pitch copper plate material “C1100”, which is a pure copper-based copper alloy with a thickness of 1 mm, was obtained and cut to produce a large number of rectangular C1100 pieces of 45 mm × 18 mm. An aqueous solution (60 ° C.) containing 7.5% of a commercially available aluminum alloy degreasing agent “NE-6” was prepared in a tank, and the C1100 pieces were immersed in this for 5 minutes and washed with water. Next, the base was washed by immersing the C1100 piece in a 1.5% strength aqueous caustic soda solution (40 ° C.) for 1 minute and washing with water. Next, an aqueous solution (25 ° C.) containing 20% of an etching material for copper alloy “CB-5002 (MEC Co., Ltd., Hyogo, Japan)” and 18% of 30% hydrogen peroxide was prepared as an aqueous solution for etching. The C1100 piece was immersed in 10 minutes and washed with water. Next, an aqueous solution (65 ° C.) containing 10% caustic soda and 5% sodium chlorite was prepared as an oxidizing aqueous solution in another tank, and the C1100 pieces were immersed in this for 1 minute and washed with water. Next, the C1100 piece was again immersed in the aqueous solution for etching for 1 minute and washed with water, then immersed in the aqueous solution for oxidation for 1 minute, and thoroughly washed with water. Thereafter, the C1100 piece was placed in a warm air dryer at 90 ° C. for 15 minutes and dried.
上記処理をしたC1100片を走査型プローブ顕微鏡にかけた。その結果、RSmは3〜7μm、Rzは3〜5μmであった。電子顕微鏡を1万倍、10万倍として観察したときの写真を図4に示した((a):1万倍,(b):10万倍)。10万倍電子顕微鏡で観察したところ、直径又は長径短径の平均が10〜150nmの孔開口部又は凹部が30〜300nmの非定期な間隔で全面に存在する超微細凹凸形状でほぼ全面が覆われていた。 The C1100 piece treated as described above was applied to a scanning probe microscope. As a result, RSm was 3 to 7 μm, and Rz was 3 to 5 μm. A photograph of the electron microscope observed at 10,000 times and 100,000 times is shown in FIG. 4 ((a): 10,000 times, (b): 100,000 times). When observed with an electron microscope of 100,000 times, the hole or opening having a diameter or an average of a major axis and a minor axis having an average of 10 to 150 nm is covered with an ultrafine irregular shape having irregular intervals of 30 to 300 nm. It was broken.
[実験例5](C5191銅合金片の表面処理)
市販の厚さ0.8mmのリン青銅板材「C5191」を入手し、切断して45mm×18mmの長方形のC5191片を多数作成した。槽に市販のアルミ合金用脱脂剤「NE−6」を7.5%含む水溶液(60℃)を用意し、これを脱脂用水溶液とした。この脱脂用水溶液に前記C5191片を5分浸漬して脱脂し、よく水洗した。続いて別の槽に銅合金用エッチング材「CB−5002」を20%分、30%過酸化水素水を18%分含む水溶液(25℃)をエッチング用水溶液として用意し、これに前記C5191片を15分浸漬し、水洗した。次いで別の槽に苛性ソーダを10%、亜塩素酸ナトリウムを5%含む水溶液(65℃)を酸化用水溶液として用意し、これに前記C5191片を1分浸漬してよく水洗した。次いで、前記C5191片を再び前記エッチング用水溶液に1分浸漬して水洗した後、前記酸化用水溶液に1分浸漬し、水洗した。その後、前記C5191片を、90℃にした温風乾燥機に15分入れて乾燥した。
[Experimental Example 5] (Surface treatment of C5191 copper alloy piece)
A commercially available phosphor bronze plate material “C5191” having a thickness of 0.8 mm was obtained and cut to produce a large number of rectangular C5191 pieces of 45 mm × 18 mm. An aqueous solution (60 ° C.) containing 7.5% of a commercially available aluminum alloy degreasing agent “NE-6” was prepared in a tank, and this was used as a degreasing aqueous solution. The C5191 piece was immersed in this degreasing aqueous solution for 5 minutes for degreasing and thoroughly washed with water. Subsequently, an aqueous solution (25 ° C.) containing 20% of an etching material for copper alloy “CB-5002” and 18% of 30% hydrogen peroxide was prepared as an aqueous solution for etching in another tank, and the C5191 piece was added thereto. Was immersed for 15 minutes and washed with water. Next, an aqueous solution (65 ° C.) containing 10% caustic soda and 5% sodium chlorite was prepared as an oxidizing aqueous solution in another tank, and the C5191 pieces were immersed in this for 1 minute and washed with water. Next, the C5191 piece was again immersed in the etching aqueous solution for 1 minute and washed with water, and then immersed in the oxidizing aqueous solution for 1 minute and washed with water. Thereafter, the C5191 pieces were placed in a hot air dryer at 90 ° C. for 15 minutes and dried.
上記処理をしたC5191片を走査型プローブ顕微鏡にかけた。その結果、RSmは1〜3μm、Rzは0.3〜0.4μmであった。電子顕微鏡を1万倍、10万倍として観察したときの写真を図5に示した((a):1万倍,(b):10万倍)。10万倍電子顕微鏡で観察したところ、直径又は長径短径の平均が10〜200nmの凸部が混ざり合って全面に存在する超微細凹凸形状であり、純銅系であるタフピッチ銅の微細構造とは全く異なった形状であった。 The C5191 piece treated as described above was applied to a scanning probe microscope. As a result, RSm was 1 to 3 μm and Rz was 0.3 to 0.4 μm. A photograph when the electron microscope is observed at 10,000 times and 100,000 times is shown in FIG. 5 ((a): 10,000 times, (b): 100,000 times). When observed with a 100,000-fold electron microscope, a convex or concave portion having an average diameter or major axis and minor axis of 10 to 200 nm is mixed and is present on the entire surface. What is the microstructure of tough pitch copper that is pure copper? It was a completely different shape.
[実験例6](KFC銅合金片の表面処理)
市販の厚さ0.7mmの鉄含有銅合金板材「KFC(株式会社 神戸製鋼所製)」を入手し、切断して45mm×18mmの長方形のKFC片を多数作成した。槽に市販のアルミニウム合金用脱脂剤「NE−6」を7.5%含む水溶液(60℃)を用意し、これに前記KFC片を5分浸漬し、水洗した。次いで1.5%濃度の苛性ソーダ水溶液(40℃)に前記KFC片を1分浸漬して水洗することで予備塩基洗浄した。次いで銅合金用エッチング材「CB5002」を20%分、30%過酸化水素水を18%分含む水溶液(25℃)をエッチング用水溶液として用意し、これに前記KFC片を8分浸漬し、水洗した。次いで別の槽に苛性ソーダを10%、亜塩素酸ナトリウムを5%含む水溶液(65℃)を酸化用水溶液として用意し、これに前記KFC片を1分浸漬してよく水洗した。次いで、前記KFC片を再び前記エッチング用水溶液に1分浸漬して水洗した後、前記酸化用水溶液に1分浸漬してよく水洗した。その後、前記KFC片を、90℃とした温風乾燥機に15分入れて乾燥した。
[Experimental Example 6] (Surface treatment of KFC copper alloy piece)
A commercially available iron-containing copper alloy sheet “KFC” (manufactured by Kobe Steel, Ltd.) having a thickness of 0.7 mm was obtained and cut to produce a large number of 45 mm × 18 mm rectangular KFC pieces. An aqueous solution (60 ° C.) containing 7.5% of a commercially available aluminum alloy degreasing agent “NE-6” was prepared in a tank, and the KFC pieces were immersed in this for 5 minutes and washed with water. Next, the KFC pieces were immersed in a 1.5% strength aqueous caustic soda solution (40 ° C.) for 1 minute and washed with water to perform preliminary base washing. Next, an aqueous solution (25 ° C.) containing 20% of an etching material for copper alloy “CB5002” and 18% of 30% hydrogen peroxide is prepared as an aqueous solution for etching. The KFC piece is immersed in this for 8 minutes and washed with water. did. Next, an aqueous solution (65 ° C.) containing 10% caustic soda and 5% sodium chlorite was prepared as an oxidizing aqueous solution in another tank, and the KFC pieces were immersed in this for 1 minute and washed with water. Next, the KFC piece was again immersed in the etching aqueous solution for 1 minute and washed with water, and then immersed in the oxidizing aqueous solution for 1 minute and washed with water. Thereafter, the KFC pieces were placed in a hot air dryer at 90 ° C. for 15 minutes and dried.
上記処理をしたKFC片を走査型プローブ顕微鏡にかけた。その結果、RSmは1〜3μm、Rzは0.3〜0.5μmであった。電子顕微鏡を1万倍、10万倍として観察したときの写真を図6に示した((a):1万倍,(b):10万倍)。10万倍電子顕微鏡で観察したところ、直径又は長径短径の平均が10〜200nmの凸部が混ざり合って全面に存在する超微細凹凸形状で全面が覆われていた。 The KFC piece treated as described above was applied to a scanning probe microscope. As a result, RSm was 1 to 3 μm and Rz was 0.3 to 0.5 μm. The photograph when observing the electron microscope at 10,000 times and 100,000 times is shown in FIG. 6 ((a): 10,000 times, (b): 100,000 times). When observed with a 100,000-fold electron microscope, the entire surface was covered with an ultrafine uneven shape in which convex portions having an average diameter or major axis and minor axis of 10 to 200 nm were mixed and present on the entire surface.
[実験例7](KLF5銅合金の表面処理)
市販の厚さ0.7mmの特殊銅合金板材「KLF5(株式会社 神戸製鋼所製)」を入手し、切断して45mm×18mmの長方形のKLF5片を多数作成した。槽に市販のアルミニウム合金用脱脂剤「NE−6」を7.5%含む水溶液(60℃)を用意し、これに前記KLF5片を5分浸漬し、水洗した。次いで1.5%濃度の苛性ソーダ水溶液(40℃)に前記KLF5片を1分浸漬して水洗することで予備塩基洗浄した。次いで銅合金用エッチング材「CB5002」を20%分、30%過酸化水素水を18%分含む水溶液(25℃)をエッチング用水溶液として用意し、これに前記KLF5片を8分浸漬し、水洗した。次いで別の槽に苛性ソーダを10%、亜塩素酸ナトリウムを5%含む水溶液(65℃)を酸化用水溶液として用意し、これに前記KLF5片を1分浸漬してよく水洗した。次いで、前記KLF5片を再び前記エッチング用水溶液に1分浸漬して水洗した後、前記酸化用水溶液に1分浸漬してよく水洗した。その後、前記KLF5片を、90℃とした温風乾燥機に15分入れて乾燥した。
[Experimental Example 7] (Surface treatment of KLF5 copper alloy)
A commercially available 0.7 mm thick special copper alloy sheet “KLF5 (manufactured by Kobe Steel, Ltd.)” was obtained and cut to produce a large number of 45 mm × 18 mm rectangular KLF5 pieces. An aqueous solution (60 ° C.) containing 7.5% of a commercially available aluminum alloy degreasing agent “NE-6” was prepared in a tank, and the KLF5 pieces were immersed in this for 5 minutes and washed with water. Subsequently, the KLF5 pieces were immersed in a 1.5% strength aqueous sodium hydroxide solution (40 ° C.) for 1 minute and washed with water to perform preliminary base washing. Next, an aqueous solution (25 ° C.) containing 20% of an etching material for copper alloy “CB5002” and 18% of 30% hydrogen peroxide is prepared as an aqueous solution for etching. The KLF5 pieces are immersed in this for 8 minutes and washed with water. did. Next, an aqueous solution (65 ° C.) containing 10% caustic soda and 5% sodium chlorite was prepared as an oxidizing aqueous solution in another tank, and the KLF5 pieces were immersed in this for 1 minute and washed with water. Subsequently, the KLF5 piece was again immersed in the etching aqueous solution for 1 minute and washed with water, and then immersed in the oxidizing aqueous solution for 1 minute and washed with water. Thereafter, the KLF5 pieces were placed in a hot air dryer at 90 ° C. for 15 minutes and dried.
上記処理をしたKLF5片を走査型プローブ顕微鏡にかけた。その結果、RSmは1〜3μm、Rzは0.3〜0.5μmであった。電子顕微鏡を1万倍、10万倍として観察したときの写真を図7に示した((a):1万倍,(b):10万倍)。10万倍電子顕微鏡で観察したところ、直径10〜20nmの粒径物及び50〜150nm径の不定多角形状物が混ざり合って積み重なった形状、言わば溶岩台地斜面ガラ場状の超微細凹凸形状でほぼ全面が覆われていた。 The KLF5 piece treated as described above was applied to a scanning probe microscope. As a result, RSm was 1 to 3 μm and Rz was 0.3 to 0.5 μm. A photograph when the electron microscope is observed at 10,000 times and 100,000 times is shown in FIG. 7 ((a): 10,000 times, (b): 100,000 times). When observed with a 100,000-fold electron microscope, the shape is a mixture of 10 to 20 nm diameter particles and 50 to 150 nm indefinite polygonal shapes mixed together, in other words, a lava plateau slope-like ultra-fine uneven shape. The entire surface was covered.
[実験例8](KS40チタン合金片の表面処理)
市販の厚さ1mmの純チタン型チタン合金板材「KS40(株式会社 神戸製鋼所製)」を入手し、切断して45mm×18mmの長方形のKS40片を多数作成した。槽に市販のアルミニウム合金用脱脂剤「NE−6」を7.5%含む水溶液(60℃)を用意し、これを脱脂用水溶液とした。この脱脂用水溶液に前記KS40片を5分浸漬して脱脂し、よく水洗した。次いで別の槽に1水素2弗化アンモニウムを40%含む万能エッチング材「KA−3(株式会社 金属化工技術研究所(日本国東京都)製)」を2%含む水溶液(60℃)を用意し、これに前記KS40片を3分浸漬し、イオン交換水でよく水洗した。次いで前記KS40片を3%濃度の硝酸水溶液に1分浸漬し、水洗した。その後、前記KS40片を、90℃とした温風乾燥機に15分入れて乾燥した。
[Experimental Example 8] (Surface treatment of KS40 titanium alloy piece)
A commercially available pure titanium type titanium alloy plate “KS40 (manufactured by Kobe Steel, Ltd.)” having a thickness of 1 mm was obtained and cut to produce a large number of 45 mm × 18 mm rectangular KS40 pieces. An aqueous solution (60 ° C.) containing 7.5% of a commercially available aluminum alloy degreasing agent “NE-6” was prepared in a tank, and this was used as a degreasing aqueous solution. The KS40 pieces were immersed in this degreasing aqueous solution for 5 minutes to degrease and washed thoroughly with water. Next, an aqueous solution (60 ° C.) containing 2% of a universal etching material “KA-3 (manufactured by Metallurgy Engineering Laboratory (Tokyo, Japan))” containing 40% ammonium difluoride 40% in a separate tank is prepared. Then, the KS40 piece was immersed in this for 3 minutes and washed thoroughly with ion-exchanged water. Next, the KS40 piece was immersed in a 3% strength aqueous nitric acid solution for 1 minute and washed with water. Thereafter, the KS40 pieces were placed in a hot air dryer at 90 ° C. for 15 minutes and dried.
上記処理をしたKS40片を走査型プローブ顕微鏡で観察した。その結果、RSmは1〜3μm、Rzは0.8〜1.5μmであった。電子顕微鏡を1万倍、10万倍として観察したときの写真を図8に示した((a):1万倍,(b):10万倍)。電子顕微鏡での観察から、幅と高さが10〜数百nmで長さが数百〜数μmの湾曲した連山状突起が間隔周期10〜数百nmで面上に林立している超微細凹凸形状であることが分かった。さらに、XPSによる分析から、表面には酸素とチタンが大量に観察され、少量の炭素が観察された。これらから表層は酸化チタンが主成分であることが分かり、しかも暗色であることから3価のチタンの酸化物と推定された。 The KS40 piece subjected to the above treatment was observed with a scanning probe microscope. As a result, RSm was 1 to 3 μm and Rz was 0.8 to 1.5 μm. Photographs obtained by observing the electron microscope at 10,000 times and 100,000 times are shown in FIG. 8 ((a): 10,000 times, (b): 100,000 times). From observation with an electron microscope, a curved continuous mountain-like projection having a width and height of 10 to several hundred nm and a length of several hundred to several μm stands on the surface with an interval period of 10 to several hundred nm. It was found to be an uneven shape. Furthermore, from the analysis by XPS, a large amount of oxygen and titanium were observed on the surface, and a small amount of carbon was observed. From these, it was found that the surface layer was composed mainly of titanium oxide, and because it was dark, it was estimated to be a trivalent titanium oxide.
[実験例9](KSTi−9チタン合金片の表面処理)
市販の厚さ1mmのα−β型チタン合金板材「KSTi−9(株式会社 神戸製鋼所製)」を入手し、切断して45mm×18mmの長方形のKSTi−9片を多数作成した。槽に市販のアルミニウム合金用脱脂剤「NE−6」を7.5%含む水溶液(60℃)を用意し、これを脱脂用水溶液とした。この脱脂用水溶液に前記KSTi−9片を5分浸漬して脱脂し、よく水洗した。次いで別の槽に苛性ソーダ1.5%濃度の水溶液(40℃)を用意し、これに前記KSTi−9片を1分浸漬し、水洗した。次いで別の槽に、市販汎用エッチング試薬「KA−3」を2重量%溶解した水溶液(60℃)を用意し、これに前記KSTi−9片を3分浸漬し、イオン交換水でよく水洗した。このKSTi−9片には黒色のスマットが付着していたので、3%濃度の硝酸水溶液(40℃)に3分浸漬し、次いで超音波を効かしたイオン交換水に5分浸漬してスマットを落とし、再び3%硝酸水溶液に0.5分浸漬し、水洗した。次いで前記KSTi−9片を、90℃とした温風乾燥機に15分入れて乾燥した。乾燥後のKSTi−9片に金属光沢はなく暗褐色であった。
[Experimental Example 9] (Surface treatment of KSTi-9 titanium alloy piece)
A commercially available α-β type titanium alloy plate “KSTi-9 (manufactured by Kobe Steel, Ltd.)” having a thickness of 1 mm was obtained and cut to produce a large number of 45 mm × 18 mm rectangular KSTi-9 pieces. An aqueous solution (60 ° C.) containing 7.5% of a commercially available aluminum alloy degreasing agent “NE-6” was prepared in a tank, and this was used as a degreasing aqueous solution. The KSTi-9 pieces were immersed in this degreasing aqueous solution for 5 minutes for degreasing and thoroughly washed with water. Next, an aqueous solution (40 ° C.) having a caustic soda concentration of 1.5% was prepared in another tank, and the KSTi-9 piece was immersed in this for 1 minute and washed with water. Next, an aqueous solution (60 ° C.) in which 2% by weight of a commercially available general-purpose etching reagent “KA-3” was dissolved was prepared in another tank, and the KSTi-9 piece was immersed in this for 3 minutes and washed thoroughly with ion-exchanged water. . Since this KSTi-9 piece had a black smut attached, it was immersed in a 3% nitric acid aqueous solution (40 ° C.) for 3 minutes, and then immersed in ion-exchanged water subjected to ultrasonic waves for 5 minutes. Then, it was again immersed in a 3% nitric acid aqueous solution for 0.5 minutes and washed with water. Next, the KSTi-9 pieces were placed in a hot air dryer at 90 ° C. for 15 minutes and dried. The dried KSTi-9 pieces had a dark brown color with no metallic luster.
上記処理をしたKSTi−9片を走査型プローブ顕微鏡で観察した。走査解析によるとRSmは4〜6μm、Rzは1〜2μmであった。電子顕微鏡を1万倍、10万倍として観察したときの写真を図9に示した((a):1万倍,(b):10万倍)。その様子は実験例8の図8に酷似した部分に加え、表現が難しい枯葉状の部分が多く見られた。 The above treated KSTi-9 pieces were observed with a scanning probe microscope. According to scanning analysis, RSm was 4-6 μm and Rz was 1-2 μm. A photograph of the electron microscope observed at 10,000 times and 100,000 times is shown in FIG. 9 ((a): 10,000 times, (b): 100,000 times). In addition to the part very similar to FIG. 8 of Experimental Example 8, many dead leaf-like parts that are difficult to express were seen.
[実験例10](SUS304ステンレス鋼片の表面処理)
市販の厚さ1mmのステンレス鋼板材「SUS304」を入手し、切断して45mm×18mmの長方形のSUS304片を多数作成した。槽に市販のアルミニウム合金用脱脂剤「NE−6」を7.5%含む水溶液(60℃)を用意し、これを脱脂用水溶液とした。この脱脂用水溶液に前記SUS304片を5分浸漬して脱脂し、よく水洗した。続いて別の槽に1水素2弗化アンモニウムを1%と98%硫酸を5%含む水溶液(65℃)を用意し、これに前記SUS304片を4分浸漬し、イオン交換水でよく水洗した。次いで、前記SUS304片を、3%濃度の硝酸水溶液(40℃)に3分浸漬して水洗した。次いで前記SUS304片を、90℃とした温風乾燥機に15分入れて乾燥した。
[Experimental Example 10] (Surface treatment of SUS304 stainless steel piece)
A commercially available stainless steel plate material “SUS304” having a thickness of 1 mm was obtained and cut to produce a large number of 45 mm × 18 mm rectangular SUS304 pieces. An aqueous solution (60 ° C.) containing 7.5% of a commercially available aluminum alloy degreasing agent “NE-6” was prepared in a tank, and this was used as a degreasing aqueous solution. The SUS304 piece was immersed in this degreasing aqueous solution for 5 minutes to degrease and washed thoroughly with water. Subsequently, an aqueous solution (65 ° C.) containing 1% ammonium difluoride 1% and 98% sulfuric acid 5% was prepared in another tank, and the SUS304 piece was immersed in this for 4 minutes and washed thoroughly with ion-exchanged water. . Next, the SUS304 piece was immersed in a 3% nitric acid aqueous solution (40 ° C.) for 3 minutes and washed with water. Next, the SUS304 pieces were placed in a hot air dryer at 90 ° C. for 15 minutes and dried.
上記処理をしたSUS304片を走査型プローブ顕微鏡で観察した。走査解析によると、RSmは1〜2μmであり、Rzは0.3〜0.4μmであった。電子顕微鏡を1万倍、10万倍として観察したときの写真を図10に示した((a):1万倍,(b):10万倍)。電子顕微鏡による観察から、表面が直径20〜70nmの粒径物や不定多角形状物が積み重なった形状、言わば溶岩台地斜面ガラ場状の超微細凹凸形状で覆われていた。更に別の1個をXPS分析にかけた。このXPS分析から、表面には酸素と鉄が大量に、又、少量のニッケル、クロム、炭素、ごく少量のモリブデン、珪素が観察された。これらから表層は金属酸化物が主成分であることが分かった。この分析パターンはエッチング前のSUS304と殆ど同じであった。 The SUS304 piece treated as described above was observed with a scanning probe microscope. According to scanning analysis, RSm was 1-2 μm and Rz was 0.3-0.4 μm. A photograph of the electron microscope observed at 10,000 times and 100,000 times is shown in FIG. 10 ((a): 10,000 times, (b): 100,000 times). From observation with an electron microscope, the surface was covered with a shape in which particle diameters having a diameter of 20 to 70 nm and indefinite polygonal shapes were stacked, in other words, a lava plateau slope-like ultra fine uneven shape. Another one was subjected to XPS analysis. From this XPS analysis, a large amount of oxygen and iron was observed on the surface, and a small amount of nickel, chromium, carbon, a very small amount of molybdenum and silicon were observed. From these, it was found that the surface layer was mainly composed of metal oxide. This analysis pattern was almost the same as SUS304 before etching.
[実験例11](SPCC鋼材片の表面処理)
市販の厚さ1.6mmの冷間圧延鋼板材「SPCC」を入手し、切断して45mm×18mmの長方形のSPCC片を多数作成した。槽にアルミニウム合金用脱脂剤「NE−6」を7.5%を含む水溶液(60℃)を用意し、これに前記SPCC片を5分浸漬して水道水(群馬県太田市)で水洗した。次いで別の槽に1.5%苛性ソーダ水溶液(40℃)を用意し、これに前記SPCC片を1分浸漬し、水洗した。次いで別の槽に98%硫酸を10%含む水溶液(50℃)を用意し、これに前記SPCC片を6分浸漬し、イオン交換水で十分に水洗した。次いで前記SPCC片を、1%濃度のアンモニア水(25℃)に1分浸漬して水洗した。次いで前記SPCC片を、2%濃度の過マンガン酸カリ、1%濃度の酢酸、及び0.5%濃度の水和酢酸ナトリウムを含む水溶液(45℃)に1分浸漬して十分に水洗した。その後、前記SPCC片を、90℃とした温風乾燥機内に15分入れて乾燥した。
[Experiment 11] (Surface treatment of SPCC steel piece)
A commercially available cold rolled steel plate material “SPCC” having a thickness of 1.6 mm was obtained and cut to produce a large number of 45 mm × 18 mm rectangular SPCC pieces. An aqueous solution (60 ° C.) containing 7.5% of an aluminum alloy degreasing agent “NE-6” was prepared in a tank, and the SPCC pieces were immersed in this for 5 minutes and washed with tap water (Ota City, Gunma Prefecture). . Next, a 1.5% caustic soda aqueous solution (40 ° C.) was prepared in another tank, and the SPCC pieces were immersed in this for 1 minute and washed with water. Next, an aqueous solution (50 ° C.) containing 10% of 98% sulfuric acid was prepared in another tank, and the SPCC pieces were immersed in this for 6 minutes and sufficiently washed with ion-exchanged water. Next, the SPCC piece was immersed in 1% aqueous ammonia (25 ° C.) for 1 minute and washed with water. The SPCC pieces were then immersed in an aqueous solution (45 ° C.) containing 2% potassium permanganate, 1% acetic acid, and 0.5% sodium hydrate acetate for 1 minute and thoroughly washed with water. Thereafter, the SPCC piece was placed in a warm air dryer at 90 ° C. for 15 minutes and dried.
上記処理をしたSPCC片を走査型プローブ顕微鏡で観察した。走査解析によると、RSmが1〜3μm、Rzが0.3〜1.0μmであった。電子顕微鏡を1万倍、10万倍として観察したときの写真を図11に示した((a):1万倍,(b):10万倍)。10万倍電子顕微鏡による観察結果から、高さ及び奥行きが80〜200nmで幅が数百〜数千nmの階段が無限に続いた形状の超微細凹凸形状でほぼ全面が覆われていることが分かる。パーライト構造が剥き出しになった様子であり化成処理層はごく薄いことが分かる。 The SPCC piece treated as described above was observed with a scanning probe microscope. According to scanning analysis, RSm was 1 to 3 μm and Rz was 0.3 to 1.0 μm. Photographs obtained by observing the electron microscope at 10,000 times and 100,000 times are shown in FIG. 11 ((a): 10,000 times, (b): 100,000 times). From the observation result with a 100,000 times electron microscope, it is found that the entire surface is almost covered with an ultra fine uneven shape having a height and depth of 80 to 200 nm and a width of several hundred to several thousand nm that is infinitely continuous. I understand. It can be seen that the pearlite structure is exposed and the chemical conversion treatment layer is very thin.
[実験例12](SPHC鋼材片の表面処理)
市販の厚さ1.6mmの熱間圧延鋼材「SPHC」を入手し、切断して45mm×18mmの長方形のSPHC片を多数作成した。槽にアルミニウム合金用脱脂剤「NE−6」を7.5%を含む水溶液(60℃)を用意し、これに前記SPHC片を5分浸漬して水道水(群馬県太田市)で水洗した。次いで別の槽に1.5%苛性ソーダ水溶液(40℃)を用意し、これに前記SPHC片を1分浸漬し、水洗した。次いで別の槽に98%硫酸を10%と1水素2弗化アンモニウム1%を含む水溶液(65℃)を用意し、これに前記SPHC片を2分浸漬し、イオン交換水で十分に水洗した。次いで前記SPHC片を、1%濃度のアンモニア水(25℃)に1分浸漬して水洗した。次いで前記SPHC片を、80%正リン酸を1.5%、亜鉛華を0.21%、珪弗化ナトリウムを0.16%、塩基性炭酸ニッケルを0.23%含む水溶液(55℃)に1分浸漬して十分に水洗した。その後、前記SPHC片を、90℃とした温風乾燥機内に15分入れて乾燥した。
[Experiment 12] (Surface treatment of SPHC steel piece)
A commercially available 1.6 mm thick hot rolled steel “SPHC” was obtained and cut to produce a large number of 45 mm × 18 mm rectangular SPHC pieces. An aqueous solution (60 ° C.) containing 7.5% of an aluminum alloy degreasing agent “NE-6” was prepared in a tank, and the SPHC pieces were immersed in this for 5 minutes and washed with tap water (Ota City, Gunma Prefecture). . Next, a 1.5% caustic soda aqueous solution (40 ° C.) was prepared in another tank, and the SPHC pieces were immersed in this for 1 minute and washed with water. Next, an aqueous solution (65 ° C.) containing 10% 98% sulfuric acid and 1% ammonium difluoride was prepared in another tank, and the SPHC pieces were immersed in this for 2 minutes and washed thoroughly with ion-exchanged water. . Next, the SPHC pieces were immersed in 1% aqueous ammonia (25 ° C.) for 1 minute and washed with water. Next, the SPHC piece was an aqueous solution (55 ° C.) containing 80% orthophosphoric acid 1.5%, zinc white 0.21%, sodium silicofluoride 0.16% and basic nickel carbonate 0.23%. For 1 minute and thoroughly washed with water. Thereafter, the SPHC pieces were placed in a warm air dryer at 90 ° C. for 15 minutes and dried.
乾燥後、前記SPHC片を走査型プローブ顕微鏡で観察した。走査解析によると、RSmが1〜3μm、Rzが0.3〜1.0μmであった。電子顕微鏡を1万倍、10万倍として観察したときの写真を図12に示した((a):1万倍,(b):10万倍)。10万倍電子顕微鏡による観察結果から、高さ及び奥行きが80〜500nmで幅が数百〜数万nmの階段が無限に続いた形状の超微細凹凸形状でほぼ全面が覆われていることが分かり、これもパーライト構造であった。 After drying, the SPHC pieces were observed with a scanning probe microscope. According to scanning analysis, RSm was 1 to 3 μm and Rz was 0.3 to 1.0 μm. Photographs obtained by observing the electron microscope at 10,000 times and 100,000 times are shown in FIG. 12 ((a): 10,000 times, (b): 100,000 times). According to the result of observation with an electron microscope of 100,000 times, it was found that the entire surface was covered with an ultra-fine concavo-convex shape having an infinite number of steps having a height and depth of 80 to 500 nm and a width of several hundred to several tens of thousands of nm. Okay, this was also a pearlite structure.
[実験例13](マトリックス樹脂の作成)
ビスフェノールA型エポキシ樹脂の単量体が主成分の分子量約370のエポキシ樹脂「JER828(ジャパンエポキシレジン株式会社製)」、固体である分子量約1650の多量体のビスフェノールA型エポキシ樹脂「JER1004(ジャパンエポキシレジン株式会社製)」、多官能型のフェノールノボラック型エポキシ樹脂「JER154(ジャパンエポキシレジン株式会社製)」、アニリン型の3官能エポキシ樹脂「JER630(ジャパンエポキシレジン株式会社製)」、4官能のエポキシ樹脂であるテトラグリシジルジアミノジフェニルメタン「JER604(ジャパンエポキシレジン株式会社製)」、粒径分布の中心が16μmの純アルミニウム系アルミニウム合金粉体「フィラー用アルミニウムパウダー(東洋アルミニウム株式会社製)」、エポキシ樹脂の硬化剤である微粉型ジシアンジアミド「DICY7(ジャパンエポキシレジン株式会社製)」、硬化助剤として3−(3,4−ジクロルフェニル)−1,1−ジメチルウレア「DCMU99(保土ヶ谷化学工業株式会社製)」、粒径分布の中心が20μmの水酸基付きPES粉体「ウルトラゾーンE2020P−SRMicro(BASF社製)」、平均粒径が8〜12μmの微粉タルク「ハイミクロンHE5(竹原化学工業株式会社(日本国兵庫県)製)」、これと同等の粒径のクレー(カオリン)「サテントン5(竹原化学工業株式会社製)」を入手した。
[Experimental example 13] (Preparation of matrix resin)
An epoxy resin “JER828 (manufactured by Japan Epoxy Resin Co., Ltd.)” whose main component is a monomer of bisphenol A type epoxy resin, and a multimeric bisphenol A type epoxy resin “JER1004” (Japan) Epoxy Resin Co., Ltd.) ”, polyfunctional phenol novolac epoxy resin“ JER154 (Japan Epoxy Resin Co., Ltd.) ”, aniline type trifunctional epoxy resin“ JER630 (Japan Epoxy Resin Co., Ltd.) ”, tetrafunctional Tetraglycidyldiaminodiphenylmethane “JER604 (Japan Epoxy Resin Co., Ltd.)”, a pure aluminum-based aluminum alloy powder with a particle size distribution of 16 μm “Filler aluminum powder (Toyo Aluminum) ”, Fine powdered dicyandiamide“ DICY7 (manufactured by Japan Epoxy Resin Co., Ltd.) ”which is a curing agent for epoxy resin, and 3- (3,4-dichlorophenyl) -1,1-dimethylurea as a curing aid “DCMU99 (manufactured by Hodogaya Chemical Co., Ltd.)”, PES powder with a hydroxyl group whose particle size distribution is 20 μm “Ultrazone E2020P-SRMicro (manufactured by BASF)”, fine powder talc with an average particle size of 8 to 12 μm “High” Micron HE5 (manufactured by Takehara Chemical Industry Co., Ltd. (Hyogo, Japan)) ”and clay (kaolin)“ Satinton 5 (manufactured by Takehara Chemical Industry Co., Ltd.) ”having an equivalent particle size were obtained.
「JER828」を65質量部、「JER1004」を5質量部、「JER154」を10質量部、「JER630」20質量部をビーカーに取り、160℃とした熱風乾燥機内に放置して加熱し、固体型「JER1004」を溶融すると同時によく撹拌し、全体を均一化した。その後、放冷し、エポキシ樹脂液として保管した。 Take 65 parts by weight of “JER828”, 5 parts by weight of “JER1004”, 10 parts by weight of “JER154”, and 20 parts by weight of “JER630” in a beaker and leave them in a hot air drier at 160 ° C. to heat them. The mold “JER1004” was melted and stirred at the same time to make the whole uniform. Then, it stood to cool and stored as an epoxy resin liquid.
次いで乳鉢に、前記混合物100質量部、粒径分布中心が16μmのアルミニウム粉体「フィラー用アルミニウムパウダー」14質量部、粒径分布中心が8〜12μmのクレー「サテントン5」を14質量部、硬化剤としての微粉型ジシアンジアミド「DICY7」5質量部、及び硬化助剤としての「DCMU99」2.5質量部を取った。この乳鉢内容物を乳棒で15分混練した。1時間放置してから再度乳棒で数分混練した。これをポリエチ瓶に取り1日間室温下で放置してエージングし、その後5℃とした冷蔵庫に保管した。 Next, 100 parts by mass of the mixture, 14 parts by mass of aluminum powder “aluminum powder for filler” having a particle size distribution center of 16 μm, and 14 parts by mass of clay “Satinton 5” having a particle size distribution center of 8 to 12 μm are cured in a mortar. 5 parts by mass of fine powder type dicyandiamide “DICY7” as an agent and 2.5 parts by mass of “DCMU99” as a curing aid were taken. The mortar contents were kneaded with a pestle for 15 minutes. The mixture was allowed to stand for 1 hour and then kneaded again with a pestle for several minutes. This was taken in a polyethylene bottle and aged at room temperature for 1 day, and then stored in a refrigerator at 5 ° C.
[実験例14](CFRPプリプレグの作成)
厚さ約0.2mmのCFクロス「TR3110M(三菱レイヨン株式会社製)」を入手し130mm×130mmに切断した。一方、シリコーン樹脂使用の離型紙を200mm×200mmに切断して木製平板の上に置き、4方をテープとピンで固定した。次いで、その中央に130mm×130mmに切断したCFクロスを敷いて、4方をテープとピンで固定した。次いで実験例13で作成したペースト状のマトリックス樹脂を、プラスチック製ヘラを使用してCFクロスの上から塗布した。マトリックス樹脂の塗布層は均一に厚くなるようにした。塗布層の上から200mm×200mmに切断した0.01mm厚のポリエチレンフィルムを被せた。そのポリエチレンフィルムの中央部に重しとなるブロックを置き、一定圧で押さえ付けた状態で中央部から端部に向かって移動させた。これにより、マトリックス樹脂がCFクロス表面に染み出し、余分なマトリックス樹脂はCFクロスの端から外部に押し出される。その後、離型紙及びポリエチレンフィルムに挟まれ、マトリックス樹脂が塗布された状態のCFクロスの端を、カッターによって切断し、110mm×110mmの正方形状のシートを作成した。同様の操作を繰り返して、110mm×110mmの正方形状のシートを多数作成した。これら正方形状のシートをデシケータに入れて密閉し、デシケータ内を真空ポンプで減圧し、5分ほどして常圧に戻した。これによって、マトリックス樹脂及びCFクロス内部の空気を抜いて、マトリックス樹脂をCFクロス全体に行き渡らせる。このようにして作成した多数のCFRPプリプレグ(離型紙及びポリエチレンフィルムに挟まれた状態)を袋に封じ、5℃とした冷蔵庫に保管した。
[Experiment 14] (Preparation of CFRP prepreg)
A CF cloth “TR3110M (manufactured by Mitsubishi Rayon Co., Ltd.)” having a thickness of about 0.2 mm was obtained and cut into 130 mm × 130 mm. On the other hand, a release paper using a silicone resin was cut into 200 mm × 200 mm, placed on a wooden flat plate, and fixed on four sides with a tape and a pin. Next, a CF cloth cut to 130 mm × 130 mm was laid in the center, and the four sides were fixed with a tape and a pin. Next, the pasty matrix resin prepared in Experimental Example 13 was applied from above the CF cloth using a plastic spatula. The coating layer of the matrix resin was made to be uniformly thick. A 0.01 mm thick polyethylene film cut to 200 mm × 200 mm from the top of the coating layer was covered. A block to be overlapped was placed at the center of the polyethylene film, and the block was moved from the center toward the end while being pressed with a constant pressure. As a result, the matrix resin oozes out to the surface of the CF cloth, and excess matrix resin is pushed out from the end of the CF cloth. Thereafter, the end of the CF cloth sandwiched between the release paper and the polyethylene film and coated with the matrix resin was cut with a cutter to prepare a 110 mm × 110 mm square sheet. The same operation was repeated to produce a large number of 110 mm × 110 mm square sheets. These square sheets were put in a desiccator and sealed, and the inside of the desiccator was decompressed with a vacuum pump and returned to normal pressure in about 5 minutes. As a result, air inside the matrix resin and the CF cloth is removed, and the matrix resin is spread over the entire CF cloth. A large number of CFRP prepregs (in a state sandwiched between release paper and polyethylene film) thus prepared were sealed in a bag and stored in a refrigerator at 5 ° C.
[実験例15](CFRP部材の作成)
市販の厚さ0.2mmの平織型CFRPプリプレグ「パイロフィルTR3110(三菱レイヨン株式会社製)」を用意し、これから220mm×220mmの正方形片(厚さ0.2mm)を多数切り出した。図13に示す焼成治具を使用し、CFRPプリプレグの積層物からなるCFRP板を作成する。金型本体2及び金型底板5を組み合わせると、金型本体2の側壁と金型底板5の上面によって金型凹部が形成される。この金型凹部を覆うように、0.05mm厚の離型用フィルム17を敷いた。
[Experiment 15] (Production of CFRP member)
A commercially available plain weave CFRP prepreg “Pyrofil TR3110 (manufactured by Mitsubishi Rayon Co., Ltd.)” having a thickness of 0.2 mm was prepared, and a large number of 220 mm × 220 mm square pieces (thickness 0.2 mm) were cut out therefrom. A CFRP plate made of a laminate of CFRP prepregs is prepared using the firing jig shown in FIG. When the mold body 2 and the mold bottom plate 5 are combined, a mold recess is formed by the side wall of the mold body 2 and the upper surface of the mold bottom plate 5. A release film 17 having a thickness of 0.05 mm was laid so as to cover the mold recess.
この離型用フィルム17の上に、切断しておいた220mm×220mmの市販のCFRPプリプレグ15枚を積層した。これらCFRPプリプレグの積層物が図中のCFRPプリプレグ積層物22として示されている。このCFRPプリプレグ積層物22を覆うように離型用フィルム14を敷いた。離型用フィルム14の上にPTFE製のブロック15を乗せ、ブロック15の上に鉄製の錘18を乗せて大型オートクレーブの中に置いた。オートクレーブの蓋を閉めて内温を約90℃とした後に真空ポンプで内圧を10mmHg以下とした。この温度で15分加熱し、その後温度を上げて135℃に達したときに空気を入れて常圧に戻した。その後、135℃で40分加熱し、その後で更に165℃まで温度を上げて、165℃前後を維持するように調節しつつ30分加熱した。その後、加熱を停止して放冷した。その後、オートクレーブを開き、焼成治具1を分解してCFRP板(CFRPプリプレグ積層物22の硬化物)を得た。このCFRP板を高圧水切断機により切断して、45mm×15mmで厚さ3mmのCFRP片を多数作成した。同様の工程を繰り返し、CFRP片を多数作成した。 On this release film 17, 15 commercially available CFRP prepregs having a size of 220 mm × 220 mm were laminated. A laminate of these CFRP prepregs is shown as CFRP prepreg laminate 22 in the figure. A release film 14 was laid so as to cover the CFRP prepreg laminate 22. A PTFE block 15 was placed on the release film 14, and an iron weight 18 was placed on the block 15 and placed in a large autoclave. After closing the autoclave lid to set the internal temperature to about 90 ° C., the internal pressure was reduced to 10 mmHg or less with a vacuum pump. After heating at this temperature for 15 minutes, the temperature was raised and when it reached 135 ° C., air was introduced to return to normal pressure. Then, it heated at 135 degreeC for 40 minutes, and raised the temperature to 165 degreeC after that, and heated for 30 minutes, adjusting so that it might be around 165 degreeC. Thereafter, heating was stopped and the mixture was allowed to cool. Thereafter, the autoclave was opened and the firing jig 1 was disassembled to obtain a CFRP plate (cured product of the CFRP prepreg laminate 22). The CFRP plate was cut with a high-pressure water cutter to produce a large number of CFRP pieces of 45 mm × 15 mm and a thickness of 3 mm. The same process was repeated to produce a large number of CFRP pieces.
上記のようにして作成したCFRP片の表面端部から15mmを、JISR6252に規定される120番の研磨紙で10数回しっかり研磨して、粗面化した。次いで、超音波発信端を設置した槽にアルミニウム合金用脱脂剤「NE−6」7.5%を含む水溶液(60℃)を用意し、これに超音波をかけた状態として、粗面化したCFRP片を5分浸漬した。その後、このCFRP片を水洗し、80℃にセットした熱風乾燥機に15分入れて乾燥した。このようにして得られたCFRP片はアルミ箔で包んで保管した。 15 mm from the surface end of the CFRP piece prepared as described above was firmly polished 10 times with No. 120 polishing paper defined in JIS R6252 to roughen the surface. Next, an aqueous solution (60 ° C.) containing 7.5% of a degreasing agent for aluminum alloy “NE-6” was prepared in a tank in which an ultrasonic wave transmitting end was installed, and the surface was roughened by applying ultrasonic waves thereto. The CFRP piece was immersed for 5 minutes. Thereafter, this CFRP piece was washed with water and dried in a hot air dryer set at 80 ° C. for 15 minutes. The CFRP piece obtained in this way was wrapped in aluminum foil and stored.
[実験例16](CFRP部材の作成)
市販の厚さ0.2mmの平織型CFRPプリプレグ「パイロフィルTR3110(三菱レイヨン株式会社製)」を用意し、これから220mm×220mmの正方形片(厚さ0.2mm)を多数切り出した。また、実験例14で作成した110mm×110mmで厚さ0.2mmのCFRPプリプレグ(本発明)を多数用意した。このとき本発明のCFRPプリプレグはカバー材(離型紙及びポリエチレンフィルム)で覆われている状態である。図13に示す焼成治具を使用し、これらCFRPプリプレグの積層物からなるCFRP板を作成する。金型本体2及び金型底板5を組み合わせると、金型本体2の側壁と金型底板5の上面によって金型凹部が形成される。この金型凹部を覆うように、0.05mm厚の離型用フィルム17を敷いた。
[Experimental Example 16] (Production of CFRP member)
A commercially available plain weave CFRP prepreg “Pyrofil TR3110 (manufactured by Mitsubishi Rayon Co., Ltd.)” having a thickness of 0.2 mm was prepared, and a large number of 220 mm × 220 mm square pieces (thickness 0.2 mm) were cut out therefrom. In addition, a large number of 110 mm × 110 mm CFRP prepregs (invention) prepared in Experimental Example 14 were prepared. At this time, the CFRP prepreg of the present invention is in a state of being covered with a cover material (release paper and polyethylene film). A CFRP plate made of a laminate of these CFRP prepregs is prepared using the firing jig shown in FIG. When the mold body 2 and the mold bottom plate 5 are combined, a mold recess is formed by the side wall of the mold body 2 and the upper surface of the mold bottom plate 5. A release film 17 having a thickness of 0.05 mm was laid so as to cover the mold recess.
この離型用フィルム17の上に、220mm×220mmに切断しておいた「パイロフィルTR3110」12枚を積層した。更に積層した「パイロフィルTR3110」上に、その形状(220mm×220mm)に合わせて本発明のCFRPプリプレグ(110mm×110mm)を4枚(2枚×2枚)敷き詰めた。この際にはCFRPプリプレグからカバー材(離型紙及びポリエチレンフィルム)を剥がして積層した。さらに、この本発明のCFRPプリプレグ4枚からなる層を、3層構造とした。即ち、本発明のCFRPプリプレグ(110mm×110mm)は、4×3=12枚使用した。これらCFRPプリプレグの積層物が図中のCFRPプリプレグ積層物22として示されている。このCFRPプリプレグ積層物22を覆うように離型用フィルム14を敷いた。 On this release film 17, 12 “Pyrofil TR3110” cut to 220 mm × 220 mm were laminated. Further, four (2 × 2) CFRP prepregs (110 mm × 110 mm) of the present invention were spread on the laminated “Pyrofil TR3110” according to the shape (220 mm × 220 mm). At this time, the cover material (release paper and polyethylene film) was peeled off from the CFRP prepreg and laminated. Further, the layer composed of four CFRP prepregs of the present invention has a three-layer structure. That is, 4 × 3 = 12 CFRP prepregs (110 mm × 110 mm) of the present invention were used. A laminate of these CFRP prepregs is shown as CFRP prepreg laminate 22 in the figure. A release film 14 was laid so as to cover the CFRP prepreg laminate 22.
離型用フィルム14の上にPTFE製のブロック15を乗せ、ブロック15の上に錘18を乗せて大型オートクレーブの中に置いた。オートクレーブの蓋を閉めて内温を約90℃とした後に真空ポンプで内圧を10mmHg以下とした。この温度で15分加熱し、その後温度を上げて135℃に達したときに空気を入れて常圧に戻した。その後、135℃で40分加熱し、その後で更に165℃まで温度を上げて、165℃前後を維持するように調節しつつ30分加熱した。その後、加熱を停止して24時間放冷した。その後、オートクレーブを開き、焼成治具1を分解してCFRP板(CFRPプリプレグ積層物22の硬化物)を得た。このCFRP板を高圧水切断機により切断して、45mm×15mmで厚さ3mmのCFRP片を多数作成した。同様の工程を繰り返し、CFRP片を多数作成した。このCFRP片を構成するCFRPプリプレグ層15層のうち、表層3層が本発明のCFRPプリプレグにより構成される。 A PTFE block 15 was placed on the release film 14, and a weight 18 was placed on the block 15 and placed in a large autoclave. After closing the autoclave lid to set the internal temperature to about 90 ° C., the internal pressure was reduced to 10 mmHg or less with a vacuum pump. After heating at this temperature for 15 minutes, the temperature was raised and when it reached 135 ° C., air was introduced to return to normal pressure. Then, it heated at 135 degreeC for 40 minutes, and raised the temperature to 165 degreeC after that, and heated for 30 minutes, adjusting so that it might be around 165 degreeC. Thereafter, the heating was stopped and the mixture was allowed to cool for 24 hours. Thereafter, the autoclave was opened and the firing jig 1 was disassembled to obtain a CFRP plate (cured product of the CFRP prepreg laminate 22). The CFRP plate was cut with a high-pressure water cutter to produce a large number of CFRP pieces of 45 mm × 15 mm and a thickness of 3 mm. The same process was repeated to produce a large number of CFRP pieces. Of the 15 CFRP prepreg layers constituting the CFRP piece, 3 surface layers are constituted by the CFRP prepreg of the present invention.
上記のようにして作成したCFRP片の表面端部から15mmを、JISR6252に規定される120番の研磨紙で10数回しっかり研磨して、粗面化した。次いで、超音波発信端を設置した槽にアルミニウム合金用脱脂剤「NE−6」7.5%を含む水溶液(60℃)を用意し、これに超音波をかけた状態として、粗面化したCFRP片を5分浸漬した。その後、このCFRP片を水洗し、80℃にセットした熱風乾燥機に15分入れて乾燥した。このようにして得られたCFRP片はアルミ箔で包んで保管した。 15 mm from the surface end of the CFRP piece prepared as described above was firmly polished 10 times with No. 120 polishing paper defined in JIS R6252 to roughen the surface. Next, an aqueous solution (60 ° C.) containing 7.5% of a degreasing agent for aluminum alloy “NE-6” was prepared in a tank in which an ultrasonic wave transmitting end was installed, and the surface was roughened by applying ultrasonic waves thereto. The CFRP piece was immersed for 5 minutes. Thereafter, this CFRP piece was washed with water and dried in a hot air dryer set at 80 ° C. for 15 minutes. The CFRP piece obtained in this way was wrapped in aluminum foil and stored.
[実験例17](コボンド法によるCFRP片同士の接着)
市販の1液性エポキシ接着剤「EP106NL(セメダイン株式会社製)」を入手した。実験例15において作成したCFRP片(市販のCFRPプリプレグのみで構成されるCFRP部材)同士をこの接着剤によって接着した。まず、双方のCFRP片の粗面化した範囲に接着剤を塗布してデシケータに入れて密閉し、デシケータ内を減圧し、減圧下に数分置いてから常圧に戻した。この減圧/常圧戻しを数回繰り返した後、双方のCFRP片をデシケータから取り出した。図14に示すように、双方のCFRP片23、24の接着剤塗布領域同士を密着させて対とし、クリップで固定した。接着面積(図14の斜線部分25)は0.5cm2程度となるようにした。これと同様の方法で、実験例16において作成したCFRP片(市販のCFRPプリプレグと本発明のCFRPプリプレグで構成されるCFRP部材)同士を上記接着剤によって接着した。即ち、双方のCFRP片の粗面化した範囲に接着剤を塗布して、染み込まし処理を行い、双方のCFRP片23、24の接着剤塗布領域同士を密着させて対とし、クリップで固定した。
[Experimental Example 17] (Adhesion of CFRP pieces by cobond method)
A commercially available one-component epoxy adhesive “EP106NL (manufactured by Cemedine Co., Ltd.)” was obtained. The CFRP pieces (CFRP members composed only of commercially available CFRP prepregs) prepared in Experimental Example 15 were bonded together with this adhesive. First, an adhesive was applied to the roughened area of both CFRP pieces, put in a desiccator and sealed, the inside of the desiccator was decompressed, placed under reduced pressure for several minutes, and then returned to normal pressure. After repeating this decompression / return to normal pressure several times, both CFRP pieces were removed from the desiccator. As shown in FIG. 14, the adhesive application areas of both CFRP pieces 23 and 24 were brought into close contact with each other and fixed with clips. The adhesion area (shaded portion 25 in FIG. 14) was set to about 0.5 cm 2 . In the same manner as this, the CFRP pieces (CFRP members composed of a commercially available CFRP prepreg and the CFRP prepreg of the present invention) prepared in Experimental Example 16 were bonded to each other with the adhesive. In other words, an adhesive is applied to the roughened area of both CFRP pieces, soaked and treated, the adhesive application areas of both CFRP pieces 23 and 24 are brought into close contact with each other, and fixed with clips. .
これらを90℃にセットした熱風乾燥機に入れ、135℃に昇温して40分加熱した。その後、さらに165℃まで昇温して30分加熱した後、電源を切って放冷した。このようにして得られたCFRP片23及び24の接合体20について、3日後に試験機を使用して引っ張り破断して、せん断破断力を測定した。これらの試験は常温及び150℃において行った。その結果、実験例15で得たCFRP片同士の接合体は、常温下で46.4MPaのせん断破断力を示した。一方、実験例16で得たCFRP片同士の接合体は、常温下で56.7MPaのせん断破断力を示した。この結果から、接着範囲に本発明のCFRPプリプレグを使用したCFRP片の方が、高い接着力を示すことが確認された。なお、150℃におけるせん断破断力は、いずれの接合体も低く、数MPaであった。 These were put into a hot air dryer set at 90 ° C., heated to 135 ° C. and heated for 40 minutes. Then, after heating up to 165 degreeC and heating for 30 minutes, the power supply was turned off and it stood to cool. The bonded body 20 of the CFRP pieces 23 and 24 thus obtained was pulled and broken using a testing machine after 3 days, and the shear breaking force was measured. These tests were performed at room temperature and 150 ° C. As a result, the joined body of CFRP pieces obtained in Experimental Example 15 exhibited a shear breaking force of 46.4 MPa at room temperature. On the other hand, the joined body of CFRP pieces obtained in Experimental Example 16 exhibited a shear breaking force of 56.7 MPa at room temperature. From this result, it was confirmed that the CFRP piece using the CFRP prepreg of the present invention in the bonding range shows higher adhesive strength. In addition, the shear breaking force at 150 ° C. was low for all joined bodies, and was several MPa.
[実験例18](接着剤1の作成)
1液性エポキシ接着剤を以下のようにして作成した。「JER828」65質量部、「JER1004」5質量部、「JER154」10質量部、「JER630」15質量部、及び「JER604」5質量部をビーカーに取り、160℃とした熱風乾燥機内に放置して加熱し、固体型「JER1004」を溶融すると同時によく撹拌し、全体を均一化した。
[Experiment 18] (Preparation of adhesive 1)
A one-part epoxy adhesive was prepared as follows. Take 65 parts by weight of “JER828”, 5 parts by weight of “JER1004”, 10 parts by weight of “JER154”, 15 parts by weight of “JER630”, and 5 parts by weight of “JER604” in a beaker and leave them in a hot air dryer at 160 ° C. The solid type “JER1004” was melted and stirred at the same time to homogenize the whole.
次いで乳鉢に、前記エポキシ樹脂混合物100質量部、粒径分布の中心が16μmのアルミニウム粉体「フィラー用アルミニウムパウダー」14質量部、粒径分布の中心が8〜12μmのクレー「サテントン5」14質量部、硬化剤としての微粉型ジシアンジアミド「DICY7」5質量部、及び硬化助剤として「DCMU99」2.5質量部を取った。この乳鉢の内容物を乳棒で3分混練した。その後、1時間放置してから再度乳棒で数分混練した。これをポリエチ瓶に取り、5℃とした冷蔵庫に保管した。このようにして得られた1液性エポキシ接着剤を接着剤1とする。 Next, 100 parts by mass of the epoxy resin mixture in the mortar, 14 parts by mass of aluminum powder “aluminum powder for filler” having a particle size distribution center of 16 μm, and 14 parts by mass of clay “Satinton 5” having a particle size distribution center of 8 to 12 μm. 5 parts by mass of fine powder dicyandiamide “DICY7” as a curing agent and 2.5 parts by mass of “DCMU99” as a curing aid. The contents of this mortar were kneaded with a pestle for 3 minutes. Thereafter, the mixture was allowed to stand for 1 hour and then kneaded again with a pestle for several minutes. This was taken in a polyethylene bottle and stored in a refrigerator at 5 ° C. The one-component epoxy adhesive thus obtained is referred to as adhesive 1.
[実験例19](接着剤2の作成)
1液性エポキシ接着剤を以下のようにして作成した。「JER828」50質量部、「JER154」10質量部、「JER630」20質量部、及び「JER604」20質量部をビーカーに取り、160℃とした熱風乾燥機内に放置して加熱し、全体を均一化した。
[Experimental Example 19] (Preparation of Adhesive 2)
A one-part epoxy adhesive was prepared as follows. Take 50 parts by weight of “JER828”, 10 parts by weight of “JER154”, 20 parts by weight of “JER630”, and 20 parts by weight of “JER604” in a beaker and leave them in a hot air dryer at 160 ° C. Turned into.
次いで乳鉢に、前記エポキシ樹脂混合物100質量部、粒径分布の中心が16μmのアルミニウム粉体「フィラー用アルミニウムパウダー」20質量部、粒径分布の中心が8〜12μmのクレー「サテントン5」20質量部、粒度分布の中心が20μmの水酸基付きPES粉体「ウルトラゾーンE2020P−SRMicro(BASF社製)」5質量部、硬化剤としての微粉型ジシアンジアミド「DICY7」5質量部、及び硬化助剤として「DCMU99」3質量部を取った。この乳鉢の内容物を乳棒で3分混練した。その後、1時間放置してから再度乳棒で数分混練した。この混合物をポリエチ瓶に取り、5℃とした冷蔵庫に保管した。 Next, 100 parts by mass of the epoxy resin mixture in the mortar, 20 parts by mass of aluminum powder “aluminum powder for filler” having a particle size distribution center of 16 μm, and 20 parts by mass of clay “Satinton 5” having a particle size distribution center of 8 to 12 μm. 5 parts by mass of PES powder with a hydroxyl group having a particle size distribution center of 20 μm “Ultra Zone E2020P-SRMicro (manufactured by BASF)”, 5 parts by mass of fine powder dicyandiamide “DICY7” as a curing agent, and “ DCMU99 "3 parts by weight were taken. The contents of this mortar were kneaded with a pestle for 3 minutes. Thereafter, the mixture was allowed to stand for 1 hour and then kneaded again with a pestle for several minutes. This mixture was taken in a polyethylene bottle and stored in a refrigerator at 5 ° C.
一方、ステンレス鋼SUS304L製である粒径分布の中心が100μmのステンレス鋼粉体「DAP304L(大同特殊鋼株式会社製)」を入手し、100gをビーカーにとって、市販の中性液体洗剤「アタック(花王株式会社製)」を3質量%含む水溶液1リットルを加え、ガラス棒で1分間掻き回した後、10分放置した。その後、上記ビーカーの液体を濾過し、分離されたステンレス鋼粉体をイオン交換水を大量に使用して洗浄した。そのステンレス鋼粉体をビーカーに移し、苛性ソーダ1質量%を含む水溶液200ccを加えて軽く撹拌した後、1分間放置した。 On the other hand, a stainless steel powder “DAP304L (manufactured by Daido Special Steel Co., Ltd.)” made of stainless steel SUS304L and having a particle size distribution center of 100 μm is obtained. 1 liter of an aqueous solution containing 3% by mass of “made by Co., Ltd.” was added. Thereafter, the beaker liquid was filtered, and the separated stainless steel powder was washed using a large amount of ion-exchanged water. The stainless steel powder was transferred to a beaker, 200 cc of an aqueous solution containing 1% by mass of caustic soda was added, and the mixture was lightly stirred and left for 1 minute.
その後、上記ビーカーの液体を濾過し、分離されたステンレス鋼粉体をイオン交換水を大量に使用して洗浄した。そのステンレス鋼粉体をビーカーに移し、硫酸5質量%と1水素2弗化アンモニウム1質量%を含む水溶液500ccを加えて軽く撹拌した後、5分間放置した。そのビーカーの液体を濾過し、分離されたステンレス鋼粉体をイオン交換水を大量に使用して洗浄した。そのステンレス鋼粉体をビーカーに移し、硝酸3質量%を含む水溶液500ccを加えて軽く撹拌した後、5分間放置した。さらに、そのビーカーの液体を濾過し、分離されたステンレス鋼粉体をイオン交換水を大量に使用して洗浄した。これにより得られたステンレス鋼粉体を大型シャーレに移し、シャーレ全面に広げてからシャーレを傾けて下部に溜る水を濾紙等で吸い取り、100℃にセットした温風乾燥機内に30分置いて乾燥した。このようにして得られたステンレス鋼粉体を使用する。 Thereafter, the beaker liquid was filtered, and the separated stainless steel powder was washed using a large amount of ion-exchanged water. The stainless steel powder was transferred to a beaker, 500 cc of an aqueous solution containing 5% by mass of sulfuric acid and 1% by mass of 1 hydrogen difluoride was added and stirred gently, and then left for 5 minutes. The liquid in the beaker was filtered, and the separated stainless steel powder was washed using a large amount of ion exchange water. The stainless steel powder was transferred to a beaker, 500 cc of an aqueous solution containing 3% by mass of nitric acid was added, and the mixture was lightly stirred and left for 5 minutes. Further, the beaker liquid was filtered, and the separated stainless steel powder was washed using a large amount of ion-exchanged water. The stainless steel powder obtained in this way is transferred to a large petri dish, spread over the entire petri dish, tilt the petri dish, absorb the water accumulated in the lower part with filter paper, etc., and place in a hot air dryer set at 100 ° C for 30 minutes to dry. did. The stainless steel powder thus obtained is used.
前述した冷蔵庫に保管していた混合物を取り出して乳鉢に入れた。その混合物中のエポキシ樹脂量100質量部に対して、ステンレス鋼粉体を5質量部、粒径が90〜106μmの水酸基付きポリエーテルスルホン樹脂粉体を10質量部分加えて1分以上混練した。混練後の混合物を乳鉢からガラス瓶に移して蓋をした後、5℃とした冷蔵庫に保管した。ここで前述した粒径90〜106μmの水酸基付きポリエーテルスルホン樹脂粉体は、水酸基付きポリエーテルスルホン樹脂顆粒「スミカエクセル5003P(住友化学株式会社製)」を粉砕し、分級した物である。このようにして得られた1液性エポキシ接着剤を接着剤2とする。 The mixture stored in the refrigerator was taken out and placed in a mortar. To 100 parts by mass of the epoxy resin in the mixture, 5 parts by mass of stainless steel powder and 10 parts by mass of hydroxyl group-containing polyethersulfone resin powder having a particle size of 90 to 106 μm were added and kneaded for 1 minute or more. The kneaded mixture was transferred from a mortar to a glass bottle, capped, and stored in a refrigerator at 5 ° C. The polyethersulfone resin powder with a hydroxyl group having a particle size of 90 to 106 μm described above is a product obtained by pulverizing and classifying a polyethersulfone resin granule with a hydroxyl group “Sumika Excel 5003P (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.)”. The one-component epoxy adhesive thus obtained is referred to as adhesive 2.
[実験例20](CFRP片とA7075片の接着試験)
実験例1で作成した45mm×15mmのA7075アルミニウム合金片(厚さ3mm)を多数用意し、それぞれの端部に実験例18で作成した接着剤1を塗布して染み込まし処理を行った。一方、実験例15において作成したCFRP片(市販のCFRPプリプレグのみで構成されるCFRP部材)の粗面化範囲に接着剤1を塗布して染み込まし処理を行った。図14に示すように、A7075片とCFRP片の接着剤塗布領域同士を密着させて対とし、クリップで固定した。接着面積(図14の斜線部分)は0.5cm2程度となるようにした。これと同様の方法で、実験例1で作成したA7075片と実験例16において作成したCFRP片(市販のCFRPプリプレグと本発明のCFRPプリプレグで構成されるCFRP部材)同士を接着剤1によって接着した。即ち、A7075片の端部に接着剤1を塗布して染み込まし処理を行い、一方でCFRP片の粗面化した範囲に接着剤1を塗布して染み込まし処理を行い、双方の接着剤塗布領域同士を密着させて対とし、クリップで固定した。
[Experiment 20] (Adhesion test between CFRP piece and A7075 piece)
A large number of 45 mm × 15 mm A7075 aluminum alloy pieces (thickness: 3 mm) prepared in Experimental Example 1 were prepared, and the adhesive 1 prepared in Experimental Example 18 was applied and soaked into the respective end portions for treatment. On the other hand, the adhesive 1 was applied and soaked into the roughened range of the CFRP piece (CFRP member composed only of commercially available CFRP prepreg) prepared in Experimental Example 15, and the treatment was performed. As shown in FIG. 14, the adhesive application areas of the A7075 piece and the CFRP piece were brought into close contact with each other and fixed with clips. The adhesion area (shaded area in FIG. 14) was set to about 0.5 cm 2 . In the same manner, the A7075 piece prepared in Experimental Example 1 and the CFRP piece prepared in Experimental Example 16 (CFRP member composed of a commercially available CFRP prepreg and the CFRP prepreg of the present invention) were bonded together with the adhesive 1. . That is, the adhesive 1 is applied and soaked at the end of the A7075 piece, while the adhesive 1 is applied and soaked into the roughened area of the CFRP piece, and both adhesives are applied. The areas were brought into close contact with each other and fixed with clips.
これらを90℃にセットした熱風乾燥機に入れ、135℃に昇温して40分加熱した。その後、さらに165℃まで昇温して30分加熱した後、電源を切って放冷した。上記のようにして得られた接合体について、1週間後に試験機を使用して引っ張り破断して、せん断破断力を測定した。これらの試験は常温及び150℃において行った。その結果を表1に示す。実験例15で得たCFRP片とA7075片の複合体は、49.5MPaのせん断破断力を示した。一方、実験例16で得たCFRP片とA7075片の複合体は、56.8MPaのせん断破断力を示した。この結果から、接着範囲に本発明のCFRPプリプレグを使用したCFRP片の方が、高い接着力を示すことが確認された。 These were put into a hot air dryer set at 90 ° C., heated to 135 ° C. and heated for 40 minutes. Then, after heating up to 165 degreeC and heating for 30 minutes, the power supply was turned off and it stood to cool. The joined body obtained as described above was subjected to tensile fracture using a testing machine after one week, and the shear fracture strength was measured. These tests were performed at room temperature and 150 ° C. The results are shown in Table 1. The composite of the CFRP piece and A7075 piece obtained in Experimental Example 15 exhibited a shear breaking strength of 49.5 MPa. On the other hand, the composite of the CFRP piece and A7075 piece obtained in Experimental Example 16 exhibited a shear breaking force of 56.8 MPa. From this result, it was confirmed that the CFRP piece using the CFRP prepreg of the present invention in the bonding range shows higher adhesive strength.
また、150℃においても接着範囲に本発明のCFRPプリプレグを使用したCFRP片の方が、高い接着力を示した。なお、本実験例における接着には接着剤1を使用しているが、この接着剤1は、耐熱性を向上させるよう改良した1液性エポキシ接着剤である。150℃におけるせん断破断力は、実験例15のCFRP片を使用した場合で15.7MPa、実験例16のCFRP片を使用した場合で19.8MPaといずれも高く、1液性エポキシ接着剤の効果により耐熱性が良好であった。 Further, even at 150 ° C., the CFRP piece using the CFRP prepreg of the present invention in the bonding range showed higher adhesive strength. In addition, although the adhesive agent 1 is used for the adhesion | attachment in this experiment example, this adhesive agent 1 is the 1 liquid epoxy adhesive improved so that heat resistance might be improved. The shear breaking force at 150 ° C. is as high as 15.7 MPa when the CFRP piece of Experimental Example 15 is used, and 19.8 MPa when the CFRP piece of Experimental Example 16 is used. The effect of the one-part epoxy adhesive As a result, the heat resistance was good.
[実験例21](CFRP片とA7075片の接着試験)
実験例1で作成した45mm×15mmのA7075アルミニウム合金片(厚さ3mm)を多数用意し、それぞれの端部に実験例19で作成した接着剤2を塗布して染み込まし処理を行った。一方、実験例15において作成したCFRP片(市販のCFRPプリプレグのみで構成されるCFRP部材)の粗面化範囲に接着剤2を塗布して染み込まし処理を行った。図14に示すように、A7075片とCFRP片の接着剤塗布領域同士を密着させて対とし、クリップで固定した。接着面積(図14の斜線部分)は0.5cm2程度となるようにした。これと同様の方法で、実験例1で作成したA7075片と実験例16において作成したCFRP片(市販のCFRPプリプレグと本発明のCFRPプリプレグで構成されるCFRP部材)同士を接着剤2によって接着した。即ち、A7075片の端部に接着剤2を塗布して染み込まし処理を行い、一方でCFRP片の粗面化した範囲に接着剤2を塗布して染み込まし処理を行い、双方の接着剤塗布領域同士を密着させて対とし、クリップで固定した。
[Experimental example 21] (Adhesion test between CFRP piece and A7075 piece)
A large number of 45 mm × 15 mm A7075 aluminum alloy pieces (thickness 3 mm) prepared in Experimental Example 1 were prepared, and the adhesive 2 prepared in Experimental Example 19 was applied and soaked into the respective end portions for treatment. On the other hand, the adhesive 2 was applied and soaked into the roughened range of the CFRP piece (CFRP member composed only of commercially available CFRP prepreg) prepared in Experimental Example 15, and the treatment was performed. As shown in FIG. 14, the adhesive application areas of the A7075 piece and the CFRP piece were brought into close contact with each other and fixed with clips. The adhesion area (shaded area in FIG. 14) was set to about 0.5 cm 2 . In the same manner as this, the A7075 piece prepared in Experimental Example 1 and the CFRP piece prepared in Experimental Example 16 (CFRP member composed of a commercially available CFRP prepreg and the CFRP prepreg of the present invention) were bonded together with the adhesive 2. . That is, the adhesive 2 is applied and soaked at the end of the A7075 piece, while the adhesive 2 is applied and soaked in the roughened area of the CFRP piece, and both adhesives are applied. The areas were brought into close contact with each other and fixed with clips.
これらを90℃にセットした熱風乾燥機に入れ、135℃に昇温して40分加熱した。その後、さらに165℃まで昇温して30分加熱した後、電源を切って放冷した。上記のようにして得られた接合体について、1週間後に試験機を使用して引っ張り破断して、せん断破断力を測定した。これらの試験は常温及び150℃において行った。その結果を表1に示す。実験例15で得たCFRP片とA7075片の複合体は、52.5MPaのせん断破断力を示した。一方、実験例16で得たCFRP片とA7075片の複合体は、58.8MPaのせん断破断力を示した。この結果から、接着範囲に本発明のCFRPプリプレグを使用したCFRP片の方が、高い接着力を示すことが確認された。 These were put into a hot air dryer set at 90 ° C., heated to 135 ° C. and heated for 40 minutes. Then, after heating up to 165 degreeC and heating for 30 minutes, the power supply was turned off and it stood to cool. The joined body obtained as described above was subjected to tensile fracture using a testing machine after one week, and the shear fracture strength was measured. These tests were performed at room temperature and 150 ° C. The results are shown in Table 1. The composite of CFRP piece and A7075 piece obtained in Experimental Example 15 exhibited a shear breaking force of 52.5 MPa. On the other hand, the composite of the CFRP piece and A7075 piece obtained in Experimental Example 16 exhibited a shear breaking force of 58.8 MPa. From this result, it was confirmed that the CFRP piece using the CFRP prepreg of the present invention in the bonding range shows higher adhesive strength.
また、150℃においても接着範囲に本発明のCFRPプリプレグを使用したCFRP片の方が、高い接着力を示した。ここで使用した接着剤2は、耐熱性を向上させるよう改良した1液性エポキシ接着剤である。150℃におけるせん断破断力は、実験例15のCFRP片を使用した場合で15.4MPa、実験例16のCFRP片を使用した場合で24.8MPaといずれも高く、1液性エポキシ接着剤の効果により耐熱性が良好であった。 Further, even at 150 ° C., the CFRP piece using the CFRP prepreg of the present invention in the bonding range showed higher adhesive strength. The adhesive 2 used here is a one-part epoxy adhesive that is improved to improve heat resistance. The shear breaking force at 150 ° C. is as high as 15.4 MPa when the CFRP piece of Experimental Example 15 is used, and 24.8 MPa when the CFRP piece of Experimental Example 16 is used. The effect of the one-component epoxy adhesive As a result, the heat resistance was good.
[実験例22〜32](CFRP片と金属合金片の接着試験)
A7075アルミニウム合金片に代えて、実験例2〜12で作成した各種金属合金片を用いて、実験例21と同様の接着実験を行った。即ち、実験例19で作成した接着剤2を使用して、実験例15で作成したCFRP片と各種金属合金片の接着実験を行い、実験例16で作成したCFRP片と各種金属合金片の接着実験を行った。その結果を表2に示す(実験22〜32)。
[Experimental Examples 22 to 32] (Adhesion test between CFRP piece and metal alloy piece)
In place of the A7075 aluminum alloy piece, the same adhesion experiment as in Experimental Example 21 was performed using the various metal alloy pieces prepared in Experimental Examples 2-12. That is, using the adhesive 2 prepared in Experimental Example 19, the CFRP piece prepared in Experimental Example 15 and various metal alloy pieces were bonded, and the CFRP piece prepared in Experimental Example 16 and various metal alloy pieces were bonded. The experiment was conducted. The results are shown in Table 2 (Experiments 22 to 32).
ここで金属合金片の厚さが薄い場合、引っ張り破断試験の際に、曲げ応力に起因して、本来破断する時点(例えば金属合金片の厚さがA7075アルミニウム合金片の様に3mmあるときの破断時点)より前にせん断破断することになる。従って、金属合金片の厚さが薄いA5052アルミニウム合金、AZ31Bマグネシウム合金、C1100銅合金、C5191リン青銅合金、KFC銅合金、KLF5銅合金、「KS40」純チタン系チタン合金、「KSTi−9」α−β系チタン合金、及びSUS304ステンレス鋼に関しては、接着面と反対側の面に、1.6mm厚のSPCC冷間圧延鋼板片を1液性エポキシ接着剤により接着して補強した。図15に複合体30の外観を示す。各種金属合金片33とCFRP34が、接着剤塗布領域35を介して接合されている。上記金属合金33の底面側が、SPCC冷間圧延鋼板片36によって補強されている。これにより、曲げ強度が不十分であるために、せん断破断前に曲がりによる剥離破断が生じてしまうことを防止することができる。 Here, when the thickness of the metal alloy piece is thin, at the time of the tensile fracture test, due to the bending stress, when the metal alloy piece originally breaks (for example, when the thickness of the metal alloy piece is 3 mm like the A7075 aluminum alloy piece) Shear fracture occurs before the time of fracture. Therefore, A5052 aluminum alloy, AZ31B magnesium alloy, C1100 copper alloy, C5191 phosphor bronze alloy, KFC copper alloy, KLF5 copper alloy, “KS40” pure titanium-based titanium alloy, “KSTi-9” α, which are thin metal alloy pieces Regarding the β-type titanium alloy and SUS304 stainless steel, a 1.6 mm-thick SPCC cold-rolled steel plate piece was bonded to the surface opposite to the bonding surface with a one-component epoxy adhesive and reinforced. FIG. 15 shows the appearance of the composite 30. Various metal alloy pieces 33 and CFRP 34 are joined via an adhesive application region 35. The bottom side of the metal alloy 33 is reinforced by SPCC cold-rolled steel plate pieces 36. Thereby, since bending strength is inadequate, it can prevent that the peeling fracture | rupture by bending will arise before a shear fracture.
表2に示すように、全ての金属合金種において、市販のCFRPプリプレグのみにより構成されたCFRP片(実験例15)よりも、本発明のCFRPプリプレグにより構成されたCFRP片(実験例16)と接着させた場合に高いせん断破断力を示した。本発明のCFRPプリプレグを接着範囲に使用することで、常温下においては概ね5〜10MPa程度、150℃では概ね10〜15MPa程度の高いせん断破断力を示した。特に高温下における接着力が向上した理由は、マトリックス樹脂の耐熱性を向上させたことにある。なお、「KS40」純チタン系チタン合金、及び「KSTi−9」α−β系チタン合金に関しては、常温下におけるせん断破断力が2MPa程度しか向上していないが、これは表面形状がNATに規定する理想的な条件には合致していないからと考えられる。 As shown in Table 2, in all the metal alloy types, the CFRP piece (Experimental Example 16) constituted by the CFRP prepreg of the present invention was compared with the CFRP piece (Experimental Example 15) constituted only by a commercially available CFRP prepreg. When bonded, it showed a high shear breaking force. By using the CFRP prepreg of the present invention in the bonding range, a high shear breaking force of about 5 to 10 MPa at room temperature and about 10 to 15 MPa at 150 ° C. was exhibited. The reason why the adhesive strength at high temperature is improved is that the heat resistance of the matrix resin is improved. Regarding “KS40” pure titanium-based titanium alloy and “KSTi-9” α-β-based titanium alloy, the shear fracture strength at room temperature is improved only by about 2 MPa. This is probably because the ideal conditions are not met.
[実験例33](コキュア法によるCFRP片とアルミニウム合金片の接着)
(1)マトリックス樹脂の作成
ビスフェノールA型エポキシ樹脂の単量体が主成分の分子量約370のエポキシ樹脂「JER828(ジャパンエポキシレジン株式会社製)」、多官能型のフェノールノボラック型エポキシ樹脂「JER154(ジャパンエポキシレジン株式会社製)」、アニリン型の3官能エポキシ樹脂「JER630(ジャパンエポキシレジン株式会社製)」、4官能のエポキシ樹脂であるテトラグリシジルジアミノジフェニルメタン「JER604(ジャパンエポキシレジン株式会社製)」、粒径分布の中心が16μmの純アルミニウム系アルミニウム合金粉体「フィラー用アルミニウムパウダー(東洋アルミニウム株式会社製)」、エポキシ樹脂の硬化剤である微粉型ジシアンジアミド「DICY7(ジャパンエポキシレジン株式会社製)」、硬化助剤として3−(3,4−ジクロルフェニル)−1,1−ジメチルウレア「DCMU99(保土ヶ谷化学工業社製)」、粒径分布の中心が15μm径のクレー(焼成カオリン)「サテントン5(竹原化学工業株式会社製)」を入手した。
[Experimental Example 33] (Adhesion of CFRP piece and aluminum alloy piece by cocure method)
(1) Preparation of matrix resin Epoxy resin “JER828 (manufactured by Japan Epoxy Resin Co., Ltd.)” having a molecular weight of about 370 whose main component is a monomer of bisphenol A type epoxy resin, and polyfunctional type phenol novolac type epoxy resin “JER154” "Japan Epoxy Resin Co., Ltd."), aniline-type trifunctional epoxy resin "JER630 (Japan Epoxy Resin Co., Ltd.)", tetrafunctional epoxy resin tetraglycidyldiaminodiphenylmethane "JER604 (Japan Epoxy Resin Co., Ltd.)" , Pure aluminum-based aluminum alloy powder “Aluminum powder for filler (manufactured by Toyo Aluminum Co., Ltd.)” with a particle size distribution center of 16 μm, fine powder type dicyandiamide “DICY7 (Japan Epoxy), which is a curing agent for epoxy resin Jin Co., Ltd.) ”, 3- (3,4-dichlorophenyl) -1,1-dimethylurea“ DCMU99 (manufactured by Hodogaya Chemical Co., Ltd.) ”as a curing aid, and a clay having a particle size distribution center of 15 μm. (Sintered Kaolin) “Satinton 5 (manufactured by Takehara Chemical Co., Ltd.)” was obtained.
乳鉢に「JER828」を50質量部、「JER154」を10質量部、「JER630」20質量部、「JER604」20質量部を取りエポキシ樹脂混合物100質量部とした。ここへ前記のアルミニウム粉体「フィラー用アルミニウムパウダー」15質量部、前記のクレー「サテントン5」を15質量部、硬化剤としての「DICY7」5質量部、及び硬化助剤としての「DCMU99」3質量部を取った。この乳鉢内容物を乳棒で3分混練した。1時間放置してから再度乳棒で1分混練した。このペースト状物をポリエチ瓶に取り5℃とした冷蔵庫に保管した。 In a mortar, 50 parts by mass of “JER828”, 10 parts by mass of “JER154”, 20 parts by mass of “JER630” and 20 parts by mass of “JER604” were taken as 100 parts by mass of the epoxy resin mixture. 15 parts by mass of the aluminum powder “aluminum powder for filler”, 15 parts by mass of the clay “Satinton 5”, 5 parts by mass of “DICY7” as a curing agent, and “DCMU99” 3 as a curing aid. A mass part was taken. The contents of the mortar were kneaded with a pestle for 3 minutes. The mixture was allowed to stand for 1 hour and then kneaded again with a pestle for 1 minute. The pasty material was taken up in a polyethylene bottle and stored in a refrigerator at 5 ° C.
(2)CFRPプリプレグの作成
引っ張り強度4.4GPaの炭素繊維「パイロフィルTR30S(三菱レイヨン株式会社製)」を使用した厚さ約0.23mmの平織りCFクロス「パイロフィル3110M(三菱レイヨン株式会社製)」を入手し130mm四方に裁断した。シリコーン樹脂使用の離型紙を200mm四方に切って木製平板の上に置き、4方をテープとピンで固定した。次いでその中央に上記CFクロスを敷いて、これもテープとピンで固定した。次いで前記(1)で作成したペースト状のマトリックス樹脂を、プラスチック製ヘラを使用してCFクロスの上からやや厚く均一になるように塗り広めた。塗布面上に200mm×200mmに切った0.01mm厚のポリエチレンフィルムを被せた。そのポリエチレンフィルムの中央部に重しとなるブロックを置き、一定圧で押さえ付けた状態で中央部から端部に向かって移動させた。これにより、マトリックス樹脂がCFクロス表面に染み出し、余分なマトリックス樹脂はCFクロスの端から外部に押し出される。その後、離型紙及びポリエチレンフィルムに挟まれ、マトリックス樹脂が塗布された状態のCFクロスの端を、カッターによって切断し、110mm×110mmの正方形状のシートを作成した。同様の操作を繰り返して、110mm×110mmの正方形状のシートを多数作成した。これら正方形状のシートをデシケータに入れて密閉し、デシケータ内を真空ポンプで減圧し、5分ほどして常圧に戻した。これによって、マトリックス樹脂及びCFクロス内部の空気を抜いて、マトリックス樹脂をCFクロス全体に行き渡らせる。このようにして作成した多数のCFRPプリプレグ(離型紙及びポリエチレンフィルムに挟まれた状態)を袋に封じ、5℃とした冷蔵庫に保管した。
(2) Preparation of CFRP prepreg Plain weave CF cloth “Pyrofil 3110M (Mitsubishi Rayon Co., Ltd.)” having a thickness of about 0.23 mm using carbon fiber “Pyrofil TR30S (Mitsubishi Rayon Co., Ltd.)” having a tensile strength of 4.4 GPa. Was obtained and cut into 130 mm squares. The release paper using silicone resin was cut into 200 mm squares and placed on a wooden flat plate, and the four sides were fixed with tape and pins. Next, the CF cloth was laid in the center, and this was also fixed with a tape and a pin. Next, the paste-like matrix resin prepared in the above (1) was spread using a plastic spatula so as to be slightly thick and uniform from above the CF cloth. A 0.01 mm thick polyethylene film cut to 200 mm × 200 mm was placed on the coated surface. A block to be overlapped was placed at the center of the polyethylene film, and the block was moved from the center toward the end while being pressed with a constant pressure. As a result, the matrix resin oozes out to the surface of the CF cloth, and excess matrix resin is pushed out from the end of the CF cloth. Thereafter, the end of the CF cloth sandwiched between the release paper and the polyethylene film and coated with the matrix resin was cut with a cutter to prepare a 110 mm × 110 mm square sheet. The same operation was repeated to produce a large number of 110 mm × 110 mm square sheets. These square sheets were put in a desiccator and sealed, and the inside of the desiccator was decompressed with a vacuum pump and returned to normal pressure in about 5 minutes. As a result, air inside the matrix resin and the CF cloth is removed, and the matrix resin is spread over the entire CF cloth. A large number of CFRP prepregs (in a state sandwiched between release paper and polyethylene film) thus prepared were sealed in a bag and stored in a refrigerator at 5 ° C.
(3)コキュア接着
図17に示す焼成治具1を用いてCFRP片とアルミニウム合金片をコキュア法で接着した接合体を作成する。金型本体2及び金型底板5を組み合わせると、金型本体2の側壁と金型底板5の上面によって金型凹部が形成される。この金型凹部を覆うように、0.05mm厚の離型用フィルム17を敷いた。この離型用フィルム17の上に、実験例1で得た45mm×18mm×3mm厚の表面処理済みA7075アルミニウム合金片11を置いた。このアルミニウム合金片11と金型本体2の側壁の空隙をポリテトラフルオロエチレン樹脂(以下、「PTFE」という。)製のスペーサ16で埋めた。
(3) Cocure adhesion A bonded body in which a CFRP piece and an aluminum alloy piece are adhered by a cocure method is prepared using the firing jig 1 shown in FIG. When the mold body 2 and the mold bottom plate 5 are combined, a mold recess is formed by the side wall of the mold body 2 and the upper surface of the mold bottom plate 5. A release film 17 having a thickness of 0.05 mm was laid so as to cover the mold recess. On the release film 17, the surface-treated A7075 aluminum alloy piece 11 having a thickness of 45 mm × 18 mm × 3 mm obtained in Experimental Example 1 was placed. A space between the aluminum alloy piece 11 and the side wall of the mold body 2 was filled with a spacer 16 made of polytetrafluoroethylene resin (hereinafter referred to as “PTFE”).
次いで(2)で作成したCFRPプリプレグを42mm×15mmの小片(プリプレグ片)に裁断し、各プリプレグ片から離型紙とポリエチレンフィルムを除去した。次いで、A7075アルミニウム合金片11及びスペーサ16の上面に、プリプレグ片を13枚積層した。これらプリプレグ片13枚の積層物が図中のプリプレグ片積層物12として示されている。ここで、図17に示すプリプレグ片積層物12の最下層となるプリプレグ片の底面の左端部分が、A7075アルミニウム合金片11上面と接触している。この接着面積は約0.6cm2(15mm×4mm)である。このプリプレグ片積層物12と金型本体2の側壁の空隙を埋めるためにPTFE製のスペーサ13を設置し、これらを覆うように離型用フィルム14を敷いた。 Next, the CFRP prepreg prepared in (2) was cut into small pieces (prepreg pieces) of 42 mm × 15 mm, and the release paper and the polyethylene film were removed from each prepreg piece. Subsequently, 13 prepreg pieces were laminated on the upper surfaces of the A7075 aluminum alloy piece 11 and the spacer 16. A laminate of these 13 prepreg pieces is shown as a prepreg piece laminate 12 in the figure. Here, the left end portion of the bottom surface of the prepreg piece as the lowermost layer of the prepreg piece laminate 12 shown in FIG. 17 is in contact with the upper surface of the A7075 aluminum alloy piece 11. This bonding area is about 0.6 cm 2 (15 mm × 4 mm). In order to fill the gap between the prepreg piece laminate 12 and the side wall of the mold body 2, a PTFE spacer 13 was installed, and a release film 14 was laid so as to cover them.
離型用フィルム14の上にPTFE製のブロック15を乗せ、ブロック15の上に鉄製の5kgの錘18を乗せて大型オートクレーブの中に置いた。オートクレーブの蓋を閉めて昇温を開始し、真空ポンプで内圧を減圧して15mmHg以下とした。金型本体2の温度が90℃に達したときに空気を入れて常圧に戻した。その後、昇温して135℃で1時間加熱し、その後更に165℃まで温度を上げて、165℃前後を維持するように調節しつつ20分加熱した。その後、加熱を停止してオートクレーブを開いた。温度が100℃まで低下した後、焼成治具1を取り出し、その30分後に分解してA7075アルミニウム合金片11とCFRP片12(プリプレグ片積層物12の硬化物)との接合体を得た。この接合体の作成においては、1液性エポキシ接着剤を使用していない。接着に供されているのはCFRPプリプレグのマトリックス樹脂による。 A PTFE block 15 was placed on the release film 14, and an iron 5 kg weight 18 was placed on the block 15 and placed in a large autoclave. The lid of the autoclave was closed to start the temperature rise, and the internal pressure was reduced with a vacuum pump to 15 mmHg or less. When the temperature of the mold body 2 reached 90 ° C., air was introduced to return to normal pressure. Thereafter, the temperature was raised and the mixture was heated at 135 ° C. for 1 hour, then further heated to 165 ° C. and heated for 20 minutes while being adjusted to maintain around 165 ° C. Thereafter, heating was stopped and the autoclave was opened. After the temperature dropped to 100 ° C., the firing jig 1 was taken out and decomposed 30 minutes later to obtain a joined body of the A7075 aluminum alloy piece 11 and the CFRP piece 12 (cured product of the prepreg piece laminate 12). In the production of this joined body, a one-component epoxy adhesive is not used. It is the matrix resin of CFRP prepreg that is used for adhesion.
上記のようにして得られたアルミニウム合金片とCFRP片の接合体について、1週間後に試験機を使用して引っ張り破断試験を行い、せん断破断力を測定した。これらの試験は常温、及び150℃において行った。その結果、せん断破断力(3対の平均)は、常温下で55.3MPa、150℃下では32.3MPaであった。常温下のせん断破断力は特に高いとはいえないが、150℃下のせん断破断力は極めて高く、従来のCFRPプリプレグでは得られなかったレベルである。この数値は、NATによりA7075アルミニウム合金片同士を接着したときの数値に近い。これは耐熱接着性に優れたマトリックス樹脂を使用したことと、引っ張り強度が中レベルの炭素繊維を使用したことによるとみられる。 The bonded body of the aluminum alloy piece and the CFRP piece obtained as described above was subjected to a tensile fracture test using a testing machine after one week, and the shear fracture strength was measured. These tests were performed at normal temperature and 150 ° C. As a result, the shear breaking force (average of 3 pairs) was 55.3 MPa at room temperature and 32.3 MPa at 150 ° C. The shear breaking force at room temperature is not particularly high, but the shear breaking force at 150 ° C. is extremely high, which is a level that cannot be obtained with conventional CFRP prepregs. This value is close to the value when the A7075 aluminum alloy pieces are bonded to each other by NAT. This is presumably due to the use of a matrix resin excellent in heat-resistant adhesion and the use of carbon fibers having a medium tensile strength.
22…CFRP板
23…CFRP片
24…CFRP片
30…複合体
33…金属合金片
34…CFRP片
35…接着剤塗布領域
36…SPCC冷間圧延鋼板片
40…金属合金
41…セラミック質層
42…接着剤硬化物層
22 ... CFRP plate 23 ... CFRP piece 24 ... CFRP piece 30 ... composite 33 ... metal alloy piece 34 ... CFRP piece 35 ... adhesive application region 36 ... SPCC cold-rolled steel plate piece 40 ... metal alloy 41 ... ceramic layer 42 ... Adhesive cured product layer
Claims (13)
前記マトリックス樹脂を構成するエポキシ樹脂分を100質量部としたときに、当該エポキシ樹脂分は(1)ビスフェノールA型エポキシ樹脂単量体を主体とするビスフェノールA型エポキシ樹脂を45〜75質量部、(2)エポキシ基を3個以上有する多官能型であって且つ芳香環を有するエポキシ当量が180以下のエポキシ樹脂を55〜25質量部含み、
前記マトリックス樹脂は、硬化剤としてジシアンジアミド粉体を3〜8質量部含み、
前記CFRPプリプレグを硬化させた後に、1液性エポキシ接着剤を介して前記被着材と接合させたものであることを特徴とする前記接合体。 A bonded body of a CFRP prepreg made of carbon fiber and a matrix resin and an adherend,
When the epoxy resin component constituting the matrix resin is 100 parts by mass, the epoxy resin component is (1) 45 to 75 parts by mass of bisphenol A type epoxy resin mainly composed of bisphenol A type epoxy resin monomer, (2) 55 to 25 parts by mass of an epoxy resin having a polyfunctional type having 3 or more epoxy groups and an epoxy equivalent having an aromatic ring of 180 or less ,
The matrix resin, dicyandiamide powder 3 viewed 8 parts by weight containing as a curing agent,
The bonded body, wherein the CFRP prepreg is cured and bonded to the adherend via a one-component epoxy adhesive.
(1)ビスフェノールA型エポキシ樹脂には、ビスフェノールA型エポキシ樹脂オリゴマーが0〜15質量部含まれることを特徴とする前記接合体。 A joined body of a CFRP prepreg and an adherend according to claim 1,
(1) The bonded product according to claim 1, wherein the bisphenol A type epoxy resin contains 0 to 15 parts by mass of a bisphenol A type epoxy resin oligomer.
前記マトリックス樹脂は、硬化助剤として3−(3,4−ジクロルフェニル)−1,1−ジメチルウレアを1〜4質量部含むことを特徴とする前記接合体。 A bonded body of a CFRP prepreg and an adherend according to claim 1 or 2 ,
The said matrix resin contains 1-4 mass parts of 3- (3,4-dichlorophenyl) -1,1-dimethylurea as a hardening adjuvant, The said conjugate | zygote characterized by the above-mentioned .
前記マトリックス樹脂は、充填材として粒径分布の中心が10〜30μmであるアルミニウム粉体を10〜30質量部含むことを特徴とする前記接合体。 A bonded body of a CFRP prepreg and an adherend according to claim 1 selected from claims 1 to 3 ,
The matrix resin, the assembly center of particle size distribution, characterized in that it comprises 10 to 30 parts by weight of aluminum powder is 10~30μm as filler.
前記マトリックス樹脂は、充填材として粒径分布の中心が10〜30μmであるクレーを10〜30質量部さらに含むことを特徴とする前記接合体。 A bonded body of a CFRP prepreg and an adherend according to claim 1 selected from claims 1 to 4 ,
The matrix resin, the assembly center of particle size distribution, characterized in that it comprises a a clay 10-30 parts by further 10~30μm as a filler.
前記被着材もCFRPプリプレグであり、そのマトリックス樹脂を構成するエポキシ樹脂分を100質量部としたときに、当該エポキシ樹脂分は(1)ビスフェノールA型エポキシ樹脂単量体を主体とするビスフェノールA型エポキシ樹脂を45〜75質量部、(2)エポキシ基を3個以上有する多官能型であって且つ芳香環を有するエポキシ当量が180以下のエポキシ樹脂を55〜25質量部含み、
前記マトリックス樹脂は、硬化剤としてジシアンジアミド粉体を3〜8質量部含み、
双方のCFRPプリプレグを硬化させた後に、双方のCFRPプリプレグを1液性エポキシ接着剤を介して接合させたものであることを特徴とする前記接合体。 A bonded body of a CFRP prepreg and an adherend according to claim 1 selected from claims 1 to 5 ,
The adherend is also CFRP prepreg, and when the epoxy resin component constituting the matrix resin is 100 parts by mass, the epoxy resin component is (1) bisphenol A mainly composed of bisphenol A type epoxy resin monomer. 45 to 75 parts by mass of a type epoxy resin, (2) 55 to 25 parts by mass of an epoxy resin having a polyfunctional type having 3 or more epoxy groups and having an aromatic ring of 180 or less,
The matrix resin contains 3 to 8 parts by mass of dicyandiamide powder as a curing agent,
The bonded body, wherein both CFRP prepregs are cured, and then both CFRP prepregs are bonded via a one-component epoxy adhesive .
前記被着材は、アルミニウム合金、マグネシウム合金、銅合金、チタン合金、ステンレス鋼、及び鉄鋼材から選択されるいずれか1種の金属合金であって、
当該金属合金表面は、輪郭曲線要素の平均長さ(RSm)が0.8〜10μm、最大高さ(Rz)が0.2〜5μmであるミクロンオーダーの粗度を有し、且つ、その粗度を有する面内には5〜500nm周期の超微細凹凸が形成され、且つ、表層が金属酸化物又は金属リン酸化物の薄層であり、
前記CFRPプリプレグを硬化させた後に、そのCFRPプリプレグと前記金属合金を1液性エポキシ接着剤を介して接合させたものであることを特徴とする前記接合体。 A bonded body of a CFRP prepreg and an adherend according to claim 1 selected from claims 1 to 5 ,
The adherend is any one metal alloy selected from an aluminum alloy, a magnesium alloy, a copper alloy, a titanium alloy, stainless steel, and a steel material,
The surface of the metal alloy has a roughness on the order of microns in which the average length (RSm) of the contour curve element is 0.8 to 10 μm and the maximum height (Rz) is 0.2 to 5 μm, and the roughness In the plane having a degree, ultrafine irregularities with a period of 5 to 500 nm are formed, and the surface layer is a thin layer of metal oxide or metal phosphate,
The bonded body, wherein the CFRP prepreg is cured, and then the CFRP prepreg and the metal alloy are bonded via a one-component epoxy adhesive .
前記1液性エポキシ接着剤は、当該接着剤に含まれるエポキシ樹脂分を100質量部としたときに、
(1)ビスフェノールA型エポキシ樹脂単量体を主体とするビスフェノールA型エポキシ樹脂を45〜75質量部含み、
(2)エポキシ基を3個以上有する多官能型であって且つ芳香環を有するエポキシ当量が180以下のエポキシ樹脂を55〜25質量部含み、
硬化剤としてジシアンジアミド粉体を3〜8質量部含むことを特徴とする前記接合体。 A bonded body of a CFRP prepreg and an adherend according to claim 1 selected from claim 1,
When the one-component epoxy adhesive is 100 parts by mass of the epoxy resin contained in the adhesive,
(1) It contains 45 to 75 parts by mass of a bisphenol A type epoxy resin mainly composed of a bisphenol A type epoxy resin monomer,
(2) 55 to 25 parts by mass of an epoxy resin having a polyfunctional type having 3 or more epoxy groups and an epoxy equivalent having an aromatic ring of 180 or less,
The joined body comprising 3 to 8 parts by mass of dicyandiamide powder as a curing agent.
前記1液性エポキシ接着剤は、硬化助剤として3−(3,4−ジクロルフェニル)−1,1−ジメチルウレアを1〜4質量部含むことを特徴とする前記接合体。 A joined body of a CFRP prepreg and an adherend according to claim 8,
The one-component epoxy adhesive contains 1 to 4 parts by mass of 3- (3,4-dichlorophenyl) -1,1-dimethylurea as a curing aid.
前記1液性エポキシ接着剤は、充填材として粒径分布の中心が10〜30μmであるアルミニウム粉体を10〜30質量部含むことを特徴とする前記接合体。 A bonded body of a CFRP prepreg and an adherend according to claim 8 or 9 ,
The one-component epoxy adhesive contains 10 to 30 parts by mass of aluminum powder having a particle size distribution center of 10 to 30 μm as a filler.
前記1液性エポキシ接着剤は、充填材として粒径分布の中心が10〜30μmであるクレーを10〜30質量部さらに含むことを特徴とする前記接合体。 A joined body of a CFRP prepreg and an adherend according to claim 1 selected from claims 8 to 10 ,
The one-component epoxy adhesive further includes 10 to 30 parts by mass of clay having a particle size distribution center of 10 to 30 μm as a filler.
前記1液性エポキシ接着剤は、粒度分布の中心が10〜30μmの水酸基付きポリエーテルスルホン樹脂粉体を0〜30質量部含むことを特徴とする前記接合体。 A joined body of a CFRP prepreg and an adherend according to claim 1 selected from claims 8 to 11 ,
The said one-part epoxy adhesive contains 0-30 mass parts of polyethersulfone resin powder with a hydroxyl group whose particle size distribution center is 10-30 micrometers.
前記1液性エポキシ接着剤は、スペーサーとして粒径分布の中心が75〜150μmの水酸基付きポリエーテルスルホン樹脂粉体又は金属粉体をさらに含むことを特徴とする前記接合体。 A joined body of a CFRP prepreg and an adherend according to claim 1 selected from claims 8 to 12 ,
The one-component epoxy adhesive further includes a polyethersulfone resin powder or a metal powder with a hydroxyl group having a particle size distribution center of 75 to 150 μm as a spacer.
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