特許 7614060 複合部材

(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】2025-01-06

(45)【発行日】2025-01-15

(54)【発明の名称】複合部材

(51)【国際特許分類】

   B29C 70/68 20060101AFI20250107BHJP

   B29C 65/56 20060101ALI20250107BHJP

   B29C 70/02 20060101ALI20250107BHJP

   B29B 15/08 20060101ALI20250107BHJP

   B29K 105/06 20060101ALN20250107BHJP

【ＦＩ】

B29C70/68

B29C65/56

B29C70/02

B29B15/08

B29K105:06

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2021150655

(22)【出願日】2021-09-15

(65)【公開番号】P2022049689

(43)【公開日】2022-03-29

【審査請求日】2024-02-09

(31)【優先権主張番号】P 2020155638

(32)【優先日】2020-09-16

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000003159

【氏名又は名称】東レ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001519

【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】黒川 博幸

(72)【発明者】

【氏名】井上 卓也

(72)【発明者】

【氏名】唐木 琢也

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 功一

【審査官】田村 佳孝

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１１－０１７４００（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－２９８３５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－００２０６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０３－２７２８２８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２９Ｃ ６３／００ － ６３／４８

Ｂ２９Ｃ ６５／００ － ６５／８２

Ｂ２９Ｃ ７０／００ － ７０／８８

Ｂ２９Ｂ １５／０８

Ｂ２９Ｋ １０５／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

母材としての樹脂及び前記樹脂中に繊維を含む本体部と、
前記本体部において、ナノ材料が添加された前記繊維により構成され、他の部材と締結により固定するための締結部を含む第一領域と、
前記本体部において前記第一領域の周囲に設けられ、前記第一領域よりも前記ナノ材料が添加された前記繊維が少ない第二領域と、
を有し、
前記第一領域と前記第二領域との境界部付近における前記第二領域では、前記ナノ材料が添加された前記繊維と前記ナノ材料が添加されていない前記繊維とが混在し、
前記第二領域において前記境界部から離れた場所では、前記ナノ材料が添加されていない前記繊維により構成されている、複合部材。

【請求項2】

前記第一領域と前記第二領域との境界部は、締結方向に対して傾斜している請求項１に記載の複合部材。

【請求項3】

前記締結部における前記第一領域の厚さは、前記本体部の厚さの半分以上を占める請求項１又は２に記載の複合部材。

【請求項4】

前記第一領域の外縁は、前記締結部において締結されるボルトの径をＤとすると、１．５Ｄから５Ｄの範囲にある請求項１～３の何れか１項に記載の複合部材。

【請求項5】

前記ナノ材料は天然素材由来である請求項１～４の何れか１項に記載の複合部材。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、樹脂中に繊維を含む複合部材に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、別部品を取り付ける締結部の繊維体積率を高くし、かつ該締結部への樹脂の含浸を抑制することで、ボルト孔を予め穿設しなくても容易にボルト締めすることを可能とする繊維強化樹脂部材が開示されている。当該繊維強化樹脂部材において、繊維密度の高い締結部に樹脂を含浸させれば、締結部の劣化及び変形が抑制される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開平７－２５６７６９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし、特許文献１のような繊維強化樹脂部材では、繊維密度を高くすることにより、樹脂を含浸しても繊維間に樹脂が行き渡らない場合が生じ得る。すなわち、他の部材との締結部において、繊維密度を高くした結果、かえって繊維間の結合強度が弱くなり、締結部の劣化及び変形を引き起こす可能性がある。

【0005】

本発明は、締結部の劣化及び変形が抑制される複合部材を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

請求項１に記載の複合部材は、母材としての樹脂及び前記樹脂中に繊維を含む本体部と、前記本体部において、ナノ材料が添加された前記繊維により構成され、他の部材と締結により固定するための締結部を含む第一領域と、前記本体部において前記第一領域の周囲に設けられ、前記第一領域よりも前記ナノ材料が添加された前記繊維が少ない第二領域と、を有している。

【0007】

請求項１に記載の複合部材は、樹脂中に繊維を含んでおり、本体部に設けられた締結部において他の部材と締結される。また、当該複合部材の本体部は、締結部を有する第一領域と、第一領域の周囲に設けられた第二領域を有している。この第一領域に含まれる繊維には、第二領域に含まれる繊維よりも多くのナノ材料が添加されていることから、締結部におけるナノ材料の密度は周辺部よりも高い。そのため、当該複合部材によれば、繊維間の結合強度を確保でき、締結部の劣化及び変形を抑制することができる。

【0008】

請求項２に記載の複合部材は、請求項１に記載の複合部材において、前記第一領域と前記第二領域との境界部は、締結方向に対して傾斜している。

【0009】

請求項２に記載の複合部材によれば、ナノ材料の添加度合が異なる二つの領域同士の接着面積を確保することができ、両領域の境界における接合強度が確保される。

【0010】

請求項３に記載の複合部材は、請求項１又は２に記載の複合部材において、前記締結部における前記第一領域の厚さは、前記本体部の厚さの半分以上を占める。

【0011】

請求項３に記載の複合部材によれば、第一領域の厚さの下限を本体部の厚さの半分とすることにより、コストの高いナノ材料の使用量を抑えつつ、締結部の劣化及び変形を抑制することができる。

【0012】

請求項４に記載の複合部材は、請求項１～３の何れか１項に記載の複合部材において、前記第一領域の外縁は、前記締結部において締結されるボルトの径をＤとすると、１．５Ｄから５Ｄの範囲にある。

【0013】

請求項４に記載の複合部材によれば、第一領域の範囲をボルトの径の１．５倍から５倍の範囲に設定することにより、コストの高いナノ材料の使用量を抑えつつ、締結部の劣化及び変形を抑制することができる。

【0014】

請求項５に記載の複合部材は、請求項１～４の何れか１項に記載の複合部材において、前記第一領域と前記第二領域との境界部付近における前記第二領域では、前記ナノ材料が添加された前記繊維と前記ナノ材料が添加されていない前記繊維とが混在し、前記第二領域において前記境界部から離れた場所では、前記ナノ材料が添加されていない前記繊維により構成されている。

【0015】

請求項５に記載の複合部材によれば、第一領域と第二領域との境界部におけるナノ材料の添加度合の急激な変化を抑制することにより、境界部における剥離を抑制することができる。

【0016】

請求項６に記載の複合部材は、請求項１～５の何れか１項に記載の複合部材において、前記ナノ材料は天然素材由来である。

【0017】

請求項６に記載の複合部材によれば、ナノ材料としてカーボンナノチューブを使用する場合と比べて、コストの増加を抑えることができ、さらに、カーボンニュートラルを実現することができる。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、締結部の繊維密度を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】第１の実施形態のパネル及びリインフォースの平面図である。

【図2】第１の実施形態のパネル及びリインフォースの接合部分の断面図である。

【図3】第２の実施形態のパネル及びリインフォースの接合部分の断面図である。

【図4】第３の実施形態のパネル及びリインフォースの接合部分の断面図である。

【図5】第４の実施形態のパネル及びリインフォースの接合部分の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

［第１の実施形態］
図１及び図２には、本実施形態のパネル１０と、パネル１０が固定されているリインフォース３０と、が図示されている。リインフォース３０は、他の部材の一例である。複合部材としてのパネル１０は、炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ：Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）により構成される本体部１２を含んでいる。本体部１２は、ボルト４２が挿通される挿通孔１４Ａを有しており、ボルト４２がナット４４と螺合されることにより、締結力が及ぶ部分が締結部１４として構成される。ここで、締結力が及ぶ部分とは、挿通孔１４Ａの周辺部であって、少なくともボルト４２の頭部が接する範囲を含む。

【0021】

図２に示されるように、パネル１０の本体部１２は、締結部１４を含む第一領域１２Ａと、第一領域の周囲に設けられた第二領域１２Ｂと、を有している。本実施形態において、第一領域１２Ａと第二領域１２Ｂとの境界である境界部１２Ｃは、ボルト４２の締結方向、すなわち軸方向に対して傾斜している。詳しくは、本体部１２の下方から上方に向かうにつれて、挿通孔１４Ａから遠ざかる方向に傾斜している。

【0022】

また、パネル１０は、母材としての樹脂２０と、樹脂２０中に含まれる繊維である炭素繊維２２とを含む。なお、図２においては、炭素繊維２２の延在方向が図面の表裏に延びる一方向に設定されているが、この限りではなく、炭素繊維２２は、層毎に延在方向を変えてもよいし、縦横に織られた織物状にしてもよい（他の実施形態も同様である）。ここで、第一領域１２Ａにおける炭素繊維２２は、その表面にナノ材料であるカーボンナノチューブ２４が添加されている。なお、炭素繊維２２にカーボンナノチューブ２４が添加されている状態は、炭素繊維２２の表面にカーボンナノチューブ２４が付着されている態様のみならず、炭素繊維２２の表面及びその周囲にカーボンナノチューブ２４が分散して存在する態様を含む。一方、第二領域１２Ｂにおける炭素繊維２２には、カーボンナノチューブ２４が添加されていない。

【0023】

なお、第一領域１２Ａよりもカーボンナノチューブ２４が添加された炭素繊維２２の重量比が少なければ、第二領域１２Ｂにおける炭素繊維２２にカーボンナノチューブ２４が添加されていてもよい。

【0024】

本実施形態のパネル１０は、炭素繊維２２に樹脂２０を含浸させたプリプレグを積層した後、プレスにより成型することで製造することができる。ここで、第一領域１２Ａを構成するプリプレグにおける炭素繊維２２は、その表面に予めカーボンナノチューブ２４が添加されている。また、締結部１４付近では、カーボンナノチューブ２４を有するプリプレグを挿通孔１４Ａの径方向にずらしながら積層することで、傾斜した境界部１２Ｃを形成することができる。

【0025】

なお、パネル１０の本体部１２は、本体部１２の形状とされた炭素繊維２２の成型体に液状の樹脂を含浸させる製法、ＳＭＣ（Ｓｈｅｅｔ Ｍｏｌｄｉｎｇ Ｃｏｍｐｏｕｎｄ）をプレス成型する製法、により製造してもよい。

【0026】

以上、本実施形態では、第一領域１２Ａに含まれる炭素繊維２２にはカーボンナノチューブ２４が添加されており、第二領域１２Ｂに含まれる炭素繊維２２にはカーボンナノチューブ２４が添加されていない。そのため、締結部１４におけるカーボンナノチューブ２４の密度は締結部１４の周辺部よりも高い。

【0027】

例えば、特開２０１９－５９８７１号公報に開示されるように、炭素繊維強化樹脂において、炭素繊維の表面にカーボンナノチューブを設けることで、母材の樹脂に対する剥離強度が向上し、機械的強度が向上することが知られている。そのため、本実施形態のように、締結力が及ぶ締結部１４付近において、表面にカーボンナノチューブ２４が添加された炭素繊維２２を使用することにより、炭素繊維２２の密度を増さなくても本体部１２の機械的強度を向上させることができる。これにより、締結部１４の劣化及び変形を抑制することができる。

【0028】

また、炭素繊維２２の密度を増さなくても本体部１２の機械的強度を向上させることができるため、上述した樹脂２０を含浸させる製法によりパネル１０を製造する場合には、樹脂２０の含浸不足が抑制される。さらに、本実施形態は、挿通孔１４Ａに金属カラー等を設けて締結部１４の劣化及び変形を抑制する場合に比べて、金属カラー等の追加の部品や製造時の追加の工数が不要となるため、コスト面で有利である。

【0029】

一方、カーボンナノチューブ２４に代表されるナノ材料は一般的に高価であり、ナノ材料を部品全体に使用した場合、コストの面から用途が限られるという課題がある。これに対して、本実施形態は、締結部１４を含む第一領域１２Ａにのみカーボンナノチューブ２４を添加したので、本体部１２全体にカーボンナノチューブ２４を使用する場合に比して、製造コストが抑制される。

【0030】

また、炭素繊維強化樹脂において、機械的強度の異なる複数の領域がある場合、領域同士の境界部において接合強度を確保することが難しい。これに対し、本実施形態のパネル１０では、第一領域１２Ａと第二領域１２Ｂとの境界である境界部１２Ｃは、ボルト４２の締結方向である軸方向に対して傾斜している。そのため、本実施形態によれば、境界部１２Ｃが締結方向に沿って垂直に形成される場合に比べて、第一領域１２Ａと第二領域１２Ｂとの接着面積を確保することができ、両者の接合強度が確保される。

【0031】

［第２の実施形態］
第２の実施形態は、第１の実施形態と第一領域１２Ａ及び第二領域１２Ｂの配置が異なる。以下、第１の実施形態との相違点について説明する。なお、第１の実施形態と同一の構成については、第１の実施形態と同一の符号を付しており、詳細な説明については省略する。

【0032】

図３に示されるように、本実施形態では、挿通孔１４Ａが第一領域１２Ａ及び第二領域１２Ｂに跨るように配置されており、締結部１４は第一領域１２Ａ及び第二領域１２Ｂの双方に含まれている。そして、本体部１２の厚さ方向に対する第一領域１２Ａが配置される範囲が、本体部１２の厚さで規定されている。具体的に、締結部１４における第一領域１２Ａの厚さｔ１、ｔ２は本体部１２の厚さＴの８割～９割の範囲内に設定されている。なお、図３において、第一領域１２Ａの厚さｔ１は、締結部１４の径方向内側の厚さであり、第一領域１２Ａの厚さｔ２は、締結部１４の径方向外側の厚さである。

【0033】

本実施形態のような構造を有する締結部１４では、第一領域１２Ａの厚さｔ１、ｔ２を本体部１２の厚さＴの半分以上とすることで、機械的強度を確保することができる。そのため、本実施形態のパネル１０によれば、本体部１２の厚さ方向における第一領域１２Ａを減らすことにより、コストの高いカーボンナノチューブ２４の使用量を抑えつつ、締結部１４の劣化及び変形を抑制することができる。その他、本実施形態では、第１の実施形態と同様の効果を有する。

【0034】

［第３の実施形態］
第３の実施形態は、第１及び第２の実施形態と第一領域１２Ａ及び第二領域１２Ｂの配置が異なる。以下、第１の実施形態との相違点について説明する。なお、第１の実施形態と同一の構成については、第１の実施形態と同一の符号を付しており、その詳細な説明については省略する。

【0035】

図４に示されるように、本実施形態では、挿通孔１４Ａが第一領域１２Ａに配置されているものの、締結部１４は第一領域１２Ａ及び第二領域１２Ｂの双方に含まれている。そして、本体部１２の幅方向に対する第一領域１２Ａが配置される範囲が、ボルト４２の径で規定されている。具体的に、締結部１４における第一領域１２Ａの外縁の外径ｄはボルト４２の径をＤとすると、１．５Ｄから５Ｄの範囲に設定されている。

【0036】

本実施形態のような構造を有する締結部１４では、第一領域１２Ａの外径ｄをボルト４２の径Ｄの１．５倍から５倍の範囲に設定することで、機械的強度を確保することができる。そのため、本実施形態のパネル１０によれば、本体部１２の幅方向における第一領域１２Ａを減らすことにより、コストの高いカーボンナノチューブ２４の使用量を抑えつつ、締結部の劣化及び変形を抑制することができる。その他、本実施形態では、第１の実施形態と同様の効果を有する。

【0037】

［第４の実施形態］
第４の実施形態は、第１の実施形態と第一領域１２Ａ及び第二領域１２Ｂの境界部１２Ｃ付近の構造が異なる。以下、第１の実施形態との相違点について説明する。なお、第１の実施形態と同一の構成については、第１の実施形態と同一の符号を付しており、その詳細な説明については省略する。

【0038】

図５に示されるように、本実施形態では、境界部１２Ｃ付近の第二領域１２Ｂでは、カーボンナノチューブ２４が添加された炭素繊維２２とカーボンナノチューブ２４が添加されていない炭素繊維２２とが混在している。また、第二領域１２Ｂにおいて境界部１２Ｃから離れた場所では、カーボンナノチューブ２４が添加された炭素繊維２２は存在しない。

【0039】

本実施形態によれば、第一領域１２Ａと第二領域１２Ｂとの境界である境界部１２Ｃにおけるカーボンナノチューブ２４の添加度合の急激な変化を抑制することにより、境界部１２Ｃにおける剥離を抑制することができる。

【0040】

［第５の実施形態］
上記第４の実施形態では、ナノ材料としてカーボンナノチューブを使用したが、第５の実施形態では、ナノ材料として天然素材由来のセルロースナノファイバーを使用している。なお、ナノ材料の素材以外の構造については、第４の実施形態と同様につき、詳細な説明は割愛する。

【0041】

本実施形態においても、第４の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。なお、セルロースナノファイバーもカーボンナノチューブと同様に高価な材料であるが、セルロースナノファイバーの場合も、カーボンナノチューブと同様、添加量が少なくて済む。そのため、本実施形態によれば、パネル１０のコスト増を抑えることができる。また、セルロースナノファイバーは植物由来の天然素材である。すなわち、植物の成長過程で光合成により二酸化炭素が吸収されるため、ナノ材料としてセルロースナノファイバーを使用することで、いわゆるカーボンニュートラルを実現することができる。

【0042】

なお、第１～第３の実施形態においても、カーボンナノチューブに代えてセルロースナノファイバーを使用してもよい。この場合も、各実施形態の効果に加えて、コスト増の抑制及びカーボンニュートラルの実現を図ることができる。

【実施例】

【0043】

以下、本発明の実施例について、表１及び表２を用いて説明する。なお、各表における「ＣＮＴ」に表記はカーボンナノチューブの略称を示し、「ＣＮＦ」はセルロースナノファイバーの略称を指す。

【0044】

【表1】

【0045】

表１は、実施例１～実施例５の構造及び効果をまとめた表である。実施例１は図２に示す第１の実施形態と同様の構造である。実施例２は図３に示す第２の実施形態と同様の構造であって、締結部１４における第一領域１２Ａの厚さが本体部１２の５割に設定されている。実施例３は図４に示す第３の実施形態と同様の構造であって、締結部１４における第一領域１２Ａの面積がボルト４２の１．２倍となるように設定されている。実施例４は図５に示す第４の実施形態と同様の構造であって、境界部１２Ｃ付近においてカーボンナノチューブ２４が混在している。実施例５は、実施例４と同様の構造であって、カーボンナノチューブ２４に代えてセルロースナノファイバーを使用している。

【0046】

各実施例によれば、締結部においてカーボンナノチューブ２４又はセルロースナノファイバーを含むことにより、ボルト４２締結後１００日後であっても接合強度を確保することができ、かつコストを低減することができる。なお、実施例２については、締結部１４の厚さ方向にカーボンナノチューブ２４を含まない第二領域１２Ｂが含まれるため、他の実施例と比べて、接合強度は低いものの、カーボンナノチューブ２４の使用量が低減した分、コストは有利である。

【0047】

【表2】

【0048】

表２は、比較例１～比較例６の構造及び効果をまとめた表である。比較例１は樹脂２０中に炭素繊維２２を含んでおらず、挿通孔１４Ａに金属カラーを設けた例である。比較例２はカーボンナノチューブ２４を添加していない炭素繊維２２により本体部１２を形成した例である。比較例３は、炭素繊維２２を含まず、カーボンナノチューブ２４を含有させた樹脂２０により本体部１２全体を形成した例である。比較例４～比較例６は、カーボンナノチューブ２４を添加した炭素繊維２２を本体部１２全体で使用した例である。

【0049】

比較例１によれば、金属カラーを挿通孔１４Ａに接着する等で工数が増すため、各実施例に比べてコスト面で不利である。比較例２によれば、炭素繊維２２の密度を増したもののカーボンナノチューブ２４を含んでおらず、ボルト４２を締結してから１００日後の接合強度が低下するため、ボルト４２が緩む。これは、締結部１４においてクリープが発生していることによる。比較例３によれば、炭素繊維２２を含んでいない場合であっても接合強度をある程度確保することができる。ただし、カーボンナノチューブ２４の含有量が多いため、コスト面では最も不利である。比較例４～比較例６は、本体部１２全体にカーボンナノチューブ２４を含むため、接合強度をある程度確保することができるものの、各実施例に比べてコスト面では不利となる。

【0050】

以上、各実施例によれば、各比較例に比べてコストを上げることなく接合強度を確保することが出る。つまり、締結部１４の劣化及び変形が抑制される。

【0051】

［備考］
上記各実施形態では、複合部材としてのパネル１０が炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ：Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）により構成される例を説明したが、この限りではない。例えば、ガラス繊維強化樹脂材（ＧＦＲＰ：Ｇｌａｓｓ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）により、パネル１０を製造してもよい。

【0052】

なお、上記第１～第４の実施形態では（図２～図５においては）、炭素繊維２２の表面にカーボンナノチューブ２４が付着されている態様を図示しているが、これに限らず、炭素繊維２２の表面及びその周囲にカーボンナノチューブ２４が分散して存在してもよい。この場合、第一領域１２Ａでは炭素繊維２２同士の間にもカーボンナノチューブ２４が存在する。第５の実施形態のように、ナノ材料としてカーボンナノチューブに代えてセルロースナノファイバーを適用する場合においても同様にセルロースナノファイバーを分散させてもよい。

【0053】

また、第１～第４の実施形態では、ナノ材料としてカーボンナノチューブ２４を使用した。さらに、第５の実施形態では、ナノ材料としてセルロースナノファイバーを使用した。しかし、この限りではなく、例えば、フラーレン等の他のナノ材料を使用してもよい。

【0054】

上記の第２～第４の実施形態は、それぞれ組み合わせて構成してもよい。例えば、第２又は第３の実施形態の境界部１２Ｃ付近において、カーボンナノチューブ２４が添加された炭素繊維２２とカーボンナノチューブ２４が添加されていない炭素繊維２２とを混在させてもよい。なお、ナノ材料としてカーボンナノチューブに代えてセルロースナノファイバーを適用する場合においても各実施形態の態様を組み合わせてもよい。

【0055】

本発明は、車両の構造部品の接合に好適である。例えば、隔壁とリインフォースとの接合に適用することができる。本発明を車両の構造部品に適用した場合、締結部１４における強度が確保され、締結部１４の劣化及び変形が抑制されるため、車体の捻り剛性は増加する。

【符号の説明】

【0056】

１０ パネル（複合部材）
１２ 本体部
１２Ａ 第一領域
１２Ｂ 第二領域
１２Ｃ 境界部
１４ 締結部
２０ 樹脂
２２ 炭素繊維（繊維）
２４ カーボンナノチューブ（ナノ材料）
３０ リインフォース（他の部材）
４２ ボルト

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】