2018 Fiscal Year Annual Research Report
Creation of nano spatial structure on metal surface and development of direct bonding technology for dissimilar materials
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18H01342
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| Research Institution | Waseda University |
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Principal Investigator |
細井 厚志 早稲田大学, 理工学術院, 准教授 (60424800)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
荒尾 与史彦 東京工業大学, 物質理工学院, 助教 (40449335)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 異種接着 / ナノ構造 / 界面 / 疲労 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、酸化・エッチングプロセス制御によって、金属表面にナノ空間構造体を創製し、炭素繊維強化熱可塑性プラスチック（CFRTP）積層板との異種材直接接着技術を確立することを目的としている。2018年度は新規にアルミニウム合金A5052表面上にナノ構造を創製し、PA6を母材とするCFRTP積層板との直接接着技術を構築した。さらに、静的せん断試験による接着強度特性、双片持梁（DCB）試験による静的破壊靱性、及び疲労剥離進展特性を定量的に評価し、表面ナノ構造がこれらの特性に及ぼす影響を評価した。
静的せん断試験においては表面ナノ構造によって接着面の表面積を増大し、樹脂がナノ構造に含浸することでアンカー効果が生じ、シランカップリング処理と組み合わせることで接着強度を24.4 MPaまで向上させることに成功した。破面は樹脂で破壊していることから、接着強度ほぼ最大値まで向上しており、接着強度特性は樹脂の強度特性に支配されていると示唆された。
静的DCB試験によって層間破壊靭性を評価した結果、表面ナノ構造を有することによりその破壊靱性は平滑な試験片と比較して約2.6倍向上した。ナノ構造を有することにより界面近傍の樹脂が延性的に破壊することに起因していることを明らかにした。また同様の現象は疲労剥離進展にも見られ、表面ナノ構造を有することによって疲労き裂進展速度が大幅に低下することを明らかにした。
加えて、これらの破壊特性を数値シミュレーションによって評価した。実験結果と比較すると静的DCB試験について実験結果と良い一致を示した。一方で、界面が強固に接着していることからアルミニウム合金が塑性変形しており、また非対称構造になっていることに加えて熱残留応力の影響を受け破壊が混合モードになっている。これらを考慮したうえで、純粋なモードⅠ、モードⅡの層間破壊靱性を評価することが今後の課題である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究計画どおりに順調に進んでいるため。
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| Strategy for Future Research Activity |
金属表面のナノ構造体とポリアミド樹脂の接着界面に共有結合を形成し接着強度を向上させるために、シランカップリング処理を施しているが、シランカップリング剤の官能基の違いによって界面の接着特性が大きく異なることがこれまでの実験結果から明らかになっている。そのため、分子シミュレーションによって分離に伴うポテンシャルエネルギ差に対する官能基の影響を評価し、最適な接着分子構造を明らかにする。さらに、界面が強固に接着していることからアルミニウム合金が塑性変形しており、また非対称構造になっていることに加えて熱残留応力の影響を受け破壊が混合モードになっている。これらを考慮したうえで、純粋なモードⅠ、モードⅡの層間破壊靱性を評価することが今後の課題である。接着界面の性状や破壊機構、接着強度発現機構を明らかにした上で、接着条件最適化へフィードバックし、実用化に向けた異種材料接着技術を確立していく。
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