特許 7093610 構造部材

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-06-22

(45)【発行日】2022-06-30

(54)【発明の名称】構造部材

(51)【国際特許分類】

   B32B 15/08 20060101AFI20220623BHJP

   B29C 65/48 20060101ALI20220623BHJP

   B32B 15/20 20060101ALI20220623BHJP

   B60R 19/04 20060101ALI20220623BHJP

   B62D 29/04 20060101ALI20220623BHJP

【ＦＩ】

B32B15/08 105Z

B29C65/48

B32B15/20

B60R19/04 M

B62D29/04 Z

【請求項の数】 1

(21)【出願番号】P 2016191624

(22)【出願日】2016-09-29

(65)【公開番号】P2017119422

(43)【公開日】2017-07-06

【審査請求日】2019-09-05

【審判番号】

【審判請求日】2021-05-15

(31)【優先権主張番号】P 2015255510

(32)【優先日】2015-12-26

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000100791

【氏名又は名称】アイシン軽金属株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100114074

【弁理士】

【氏名又は名称】大谷 嘉一

(72)【発明者】

【氏名】戸田 寛規

(72)【発明者】

【氏名】吉田 朋夫

【合議体】

【審判長】久保 克彦

【審判官】山崎 勝司

【審判官】藤井 眞吾

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第９９／１０１６８（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

B32B 1/00-43/00

B29C 63/00-63/48

B29C 65/00-65/82

B62D 17/00-25/08

B62D 25/14-29/04

B60R 19/00-19/56

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

１２００ｍｍ以上の長さを有するバー状の構造部材であって、
全て質量％で、Ｚｎ：６．０～７．２％，Ｍｇ：１．０～１．９％，Ｃｕ：０．１～０．４％，Ｚｒ：０．１５～０．２５％，Ｔｉ：０．０５％以下であって、残部がＡｌと不純物からなるアルミニウム合金を用いた展伸部材と、当該展伸部材に表面側から圧縮曲げ荷重を受けた際に引張応力が発生する裏面側に直接接着剤にて接着接合した炭素繊維強化樹脂部材とを有し、
前記炭素繊維強化樹脂部材は展伸部材の長手方向に配向した炭素繊維を体積率で５０～７０％含有するシート状の複合材であり、かつ、接着面に炭素繊維が露出するように加工してあることを特徴とする構造部材。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、アルミニウム合金を用いた展伸部材と繊維強化樹脂材との複合化を図った構造部材に関する。

【背景技術】

【0002】

車両の分野において、バンパーリインフォース，ドアビーム等の構造部材には軽量化，耐衝撃吸収性，高剛性等が要求される。
アルミニウム合金を用いた構造材は高強度の軽量部材ではあるが、近年さらなる軽量化，耐衝撃吸収性が要求される。
例えば、特許文献１には角パイプの４つの側面にそれぞれ溝を設けてＣＦＲＰ平板を嵌合接着したＣＦＲＰ補強パイプを開示する。
しかし、同公報に開示する複合部材は、捩り剛性の向上を目的としたものであり、曲げ剛性向上を目的としたものでないため、４つの側面全てにＣＦＲＰを嵌合接着することは製造工数が大きく、高価となる。
特許文献２には、衝撃荷重が作用する側が塑性変形容易な衝撃吸収材（アルミニウム合金）、その反対側が高強度軽量材（繊維強化プラスチック）からなるビーム状の部材を開示する。
しかし、同公報に開示する複合部材は、衝撃吸収材が塑性変形するように、引っ張り側に繊維強化プラスチックを用いたものであり、同公報に炭素繊維よりもガラス繊維で強化されたプラスチックの方がよいと明記されているとおり、ビーム部材の全長の撓みを大きくするのが目的である。
よって、ポール衝突等の局部的な衝撃には耐えられなく、ガラス繊維強化プラスチックが破断する恐れが高い。
特許文献３には、金属材と繊維強化プラスチック材とを粘着剤で粘着接合する複合部材を開示する。
しかし、同公報に開示する発明は、リサイクル時に２つの材料を分離しやすくするのが目的であり、高剛性の向上には不充分である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開平１１－２１０９３７号公報

【文献】特開平６－１０１７３２号公報

【文献】特開２００２－２４０６５８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明は、軽量で高剛性であるアルミニウム合金展伸部材と炭素繊維強化部材とを複合化した構造部材の提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明に係る構造部材は、所定の長さを有するバー状の構造部材であって、アルミニウム合金を用いた展伸部材と、展伸部材に表面側から圧縮曲げ荷重を受けた際に引張応力が発生する裏面側に接着剤にて接着接合した炭素繊維強化樹脂部材とを有し、前記炭素繊維強化樹脂部材は展伸部材の長手方向に配向した炭素繊維を体積率で５０～７０％含有するシート状の複合材であることを特徴とする。
ここで所定の長さを有するバー状の構造部材と表現したのは、車両や各種産業機械等の構造部材として使用できるだけの所定の長さを有するものをいう。
車両用の構造部材としては、バンパーリインフォース，ドアビーム等が例として挙げられる。
このような構造部材にポール衝突等の曲げ圧縮荷重が表面側に加わると、それが裏面側の炭素繊維強化樹脂部材に引張応力荷重として伝達される。
そこで本発明は、体積率で５０～７０％含有する炭素繊維を構造部材の長手方向に配向させた炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）を用いた。

【0006】

本発明に係るアルミニウム合金からなる展伸部材は、０．２％耐力値で４２０ＭＰａ以上のものが好ましい。
高耐力の展伸部材を用いることで、軽量化を図ることができる。
ここで展伸部材は、押出材，引抜材等であってよく、アルミニウム合金の化学組成はＪＩＳ７０００系であって、下記の範囲のものを用いることができる。
以下、全て質量％で、Ｚｎ：６．０～７．２％，Ｍｇ：１．０～１．９％，Ｃｕ：０．１～０．４％，Ｚｒ：０．１５～０．２５％，Ｔｉ：０．０５％以下であって、残部がＡｌと不純物である。
ここで好ましくは、Ｚｎ：６．４～７．０％，Ｍｇ：１．０５～１．６０％，Ｃｕ：０．２～０．３％である。
なお、不純物としては、Ｓｉ：０．１％以下，Ｆｅ：０．２５％以下が好ましい。
また、Ｃｒは０．００１～０．０５％、Ｍｎは０．３％以下の範囲にて含まれていてもよい。
展伸部材の断面形状としては、コ字形状等異形状のソリッド断面形状や口字形状，日字形状，目字形状等の中空断面形状であってもよい。

【0007】

本発明において、炭素繊維強化樹脂部材は、接着面に炭素繊維が露出するように加工してあってもよく、このように接着面に炭素繊維を例えばショットブラスト等にて露出させることで接着剤による密着性が向上する。
また、上記露出面の面粗さは、Ｒｚ＝５～５０μｍの範囲、好ましくはＲｚ＝２０～３０μｍの範囲である。

【0008】

本発明において、接着剤は接着剪断力１５ＭＰａ以上であるのが好ましい。
また、接着剤の伸びは、７５％以上で２５０％以下が好ましい。
これにより、アルミニウム合金からなる展伸部材の曲げ変形に追随しつつ、補強効果が発現する。

【発明の効果】

【0009】

本発明に係る構造部材にあっては、アルミニウム合金の展伸部材に押し込み方向の曲げ荷重が負荷されると反対側のＣＦＲＰ部材に引張応力として伝達されるので、全体として変形量を抑えつつ耐荷重が向上し、軽量化を図るのに有効である。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】評価に用いたアルミニウム合金の化学組成を示す。

【図2】評価に用いた展伸部材（押出形材）の製造条件及び物性値を示す。

【図3】評価に用いた炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）の物性値を示す。

【図4】評価に用いた接着剤及びその接着条件を示す。

【図5】構造部材の性能（強度，剛性）の評価結果を示す。

【図6】構造部材の評価方法を示す。

【図7】評価に用いたサンプルを示す。

【図8】（ａ）～（ｃ）は本発明に係る構造部材の断面形状例を示す。

【図9】（ａ）～（ｃ）はＣＦＲＰ材の接着位置の例を示す。

【図10】ＣＦＲＰ材の貼付範囲を示す。

【図11】ＣＦＲＰ材を部分的に貼付した構造部材の例を（ａ），（ｂ）に示す。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、各種条件にて構造部材を製作し評価したので、説明する。
図１の表に示した化学組成のアルミニウム合金の溶湯を調整し、直径８インチの円柱ビレットを鋳造した。
鋳造したビレットを図２の表中、ＨＯＭＯ保持温度にて均質化処理した。
なお、均質化処理温度は５００～５４０℃の範囲が好ましい。
断面目字形状の押出形材を押出成形した。
押出条件を図２の表に示す。
なお、ビレットの温度は４９０～５３０℃の範囲、押出時のダイス温度は４４０～５００℃の範囲が好ましい。
押出直後にファン冷却を行うことで冷却速度を８０℃／ｍｉｎ以上、好ましくは１００℃／ｍｉｎ以上にするのがよい。
その後に５０～１４０℃＋１４０～２００℃の二段人工時効処理をした。
押出形材の物性値を図２の表に示す。
本発明において、耐力４２０ＭＰａ以上、伸び１０％以上を目標とした。
表中、＜靭性＞はＪＩＳ Ｚ ２２４２「金属材料のシャルピー衝撃試験方法」に従って試験を行った。
目標は１２Ｊ／ｃｍ^２以上とした。
＜ＳＣＣ＞は、ＪＩＳ Ｈ ８７１１「アルミニウム合金の応力腐食割れ試験方法」に従って行い、３点曲げ治具にて４０％応力値を負荷した状態で試験をした。
再結晶を起える亀裂が発生するまでの時間を評価した。
なお、目標は７２ｈｒ以上とした。
＜再結晶率＞は押出形材の断面積に対する再結晶層の面積比率を求めた。
目標は２０％以下とした。
評価に用いたＣＦＲＰ部材の物性値を図３に示す。
なお、表中ＣＦ繊維方向０°とは、長手方向に配向していることを意味する。
アルミニウム合金の押出形材とＣＦＲＰ部材との接着条件を図４の表に示す。
なお、比較例１３は、ＣＦＲＰ部材を貼り合せてない構造部材である。
評価に用いたサンプルの断面を図７に示す。
接着層の厚みは５０μｍ～１ｍｍの範囲で剛性に顕著な差は現れなかった。

【0012】

図６に構造部材の評価方法を示す。
構造部材１０の全長は１２００ｍｍで、ポール２による押し込み荷重Ｆを荷重する側（表面）に展伸部材（押出形材）１１，その反対側の裏面に接着接合したＣＦＲＰ部材１２が位置するように、スパン８８０ｍｍの支点１，１間に載置した。
ポール直径は２０３．２ｍｍであり、下方に向けて一定速度で押し込み、曲げ剛性（ｋＮ／ｍｍ）と全塑性モーメントによる強度（ｋＮｍ）を測定した。
その結果を図５の表に示す。
本発明においては、剛性４．１ｋＮ／ｍｍ以上，強度６０ｋＮｍ以上を目標としたが、実施例１～６はそれらをクリアーした。
なお、実施例７～９は上記目標値をクリアーできなかったが、それに近い値を示し、実用的には問題ないレベルであった。

【0013】

評価結果の内容について、具体的に説明する。
図９（ａ）に示すようにＣＦＲＰ材１２の貼付方法として、展伸部材（アルミ押出材）１１の中空断面のリブを有する裏面側に沿って部分的に貼付したもの（図４の接着範囲にて補強率６０％）と、裏面側全面（補強率１００％）とを比較する。
実施例３と４は、図９（ｂ），図１０に示す補強長さ中央部を中心に、Ｌ_１＝５００ｍｍと同じで展伸部材の耐力が同等であることから、ＣＦＲＰ材を部分的に貼付しても目標をクリアーできることが明らかになった。

【0014】

次に図９（ｂ），図１０に示すように、ＣＦＲＰ材１２を展伸部材１１の中央部にその中心から、Ｌ_０＝１０００ｍｍのもの（実施例２）と、Ｌ_１＝５００ｍｍのもの（実施例３）とを比較すると、Ｌ_１＝５００ｍｍとＬ_０＝１０００の半分でも強度及び剛性が目標をクリアーすることが分かる。

【0015】

接着剤の伸びは、展伸材の曲げ変形に追随させるのに必要であり、実施例１～９の結果及び比較例１８，１９の結果から７５％以上有するのが好ましく、より好ましくは実施例１～５に示すように７５～１２０％の範囲がよい。

【0016】

比較例１３はＣＦＲＰ材のないものであり、比較例１０，１２は展伸部材の耐力が４２０ＭＰａ未満であり、構造部材の強度，剛性が目標をクリアーできなかった。
比較例１１，１２は接着剤の伸びが悪く、比較例１５は接着剤の接着剪断強度が低い例である。

【0017】

本発明に係る構造材の断面形状例を図８及び図１１に示す。
図８は、裏面側に中央部を中心に幅方向の全体にわたってＣＦＲＰ材を接着した例であり、図１２はリブ付近の裏面側に部分的にＣＦＲＰ材を接着した例である。
この場合に、図９（ｃ）に示すようにＣＦＲＰ材１２は、展伸部材１１の断面肉厚が厚い１１ａよりも相対的に薄い１１ｂ側に接着するのが好ましい。

【符号の説明】

【0018】

１ 支点
２ ポール
１０ 構造部材
１１ 展伸部材
１２ ＣＦＲＰ部材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】