金属に炭素繊維を半含浸させた金属-樹脂系複合材料の高強度接合手法実現と力学的評価

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K14611
• Research Institution: Okayama Prefectural University
• Principal Investigator: 金崎 真人 岡山県立大学, 情報工学部, 助教 (60752110)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: FRP / 異材接合 / 炭素繊維 / アルミニウム合金

Outline of Annual Research Achievements

本申請では、金属に直接繊維を導入し、同時にその金属表面から露出させることで繊維に直接金属-PMC間の荷重を伝達させることにより、異種材接合の解決を試みる提案をした。初年度はCF織物片面へのAlBO導入条件や溶融金属含浸条件を模索し、CFを半含浸した金属板を作製する。その上にPMCを成形することで繊維強化異種材接合構造を持つ試験片を作製することを目標とした。
初年度目標に対し、試験片の作製に必要な環境を構築し、マスクであるPPをCFクロスへ片面のみ含浸させることに成功した。一方、AlBOが製造中止となったため、CFクロスにめっき処理を施すことで、金属への含浸を促す手法を試みた。しかし、めっきが繊維束内部まで到達せず、金属への濡れ性改善が認められなかったことから、繊維強化異種材接合構造を持つ試験片の作製には至っていない。
第2年度では引き続き繊維強化異種材接合構造を持つ試験片の作製を実施する。この際金属の含浸を促すために、微粒子、繊維の種類、繊維の織形態3点を変更することを検討している。
微粒子に関してはAlBOの代替となる、金属の含浸性を促進する微粉末の種類と量について検討する必要がある。候補としては相手側金属と同じ金属種の微粉末があげられる。繊維の種類については、繊維強化プラスチックの強化材としてよく用いられるガラス繊維に変更する方法が考えられる。繊維の織形態については現在平織となっているCFクロスを用いてきたが、不織布状のプリフォームにすることを検討する。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

本申請では、樹脂系複合材料に用いられる炭素繊維（CF）を金属側に半含浸することで露出させ、その露出した繊維ごと金属上にPMCを成形することで、繊維に直接金属-PMC間の荷重を伝達させることにより、異種材接合の解決を試みる新規接合手法（繊維強化異種材接合構造）を提案した。初年度はCF織物片面へのAlBO導入条件や溶融金属含浸条件を模索し、CFを半含浸した金属板を作製する。その上にPMCを成形することで繊維強化異種材接合構造を持つ試験片を作製することを目標とした。
まず、実験室内にマッフル炉を整備し、金属の溶融と炭素繊維への含浸環境を整えた。AlBO導入時に片面をマスクするために必要なポリプロピレン（PP）をCFクロス片面に含浸させた試料を作製できた。一方、金属に対するCFクロスの濡れ性改善のために必要なAlBOウィスカが販売停止となり、新たな手法を検討する必要があった。そこで、申請者研究室で共同研究を行っているめっき会社に依頼し、CFクロスにめっき処理を施し、金属に対する濡れ性改善を試みた。めっきする金属として、銅、ニッケルを用いたが、CFクロス表面でめっき層の成長が止まっており、繊維束内の繊維へめっき処理を行うことは難しかった。原因としては、繊維束が密であり、内部に電解液が十分に流入しないことが考えられた。また、表面にめっきされたCFクロスをマッフル炉内で溶融したA2024に浸漬させても、めっき部にA2024が濡れなかった。以上の検討から、CFクロスにめっきを施してアルミニウム合金を含浸させる試みは中止し、AlBOの代わりとなりうる微粉末を検討中である。
以上の検討をまとめると、初年度目標に対し繊維強化異種材接合構造を持つ試験片の作製には至っていないものの、試験片の作製に必要な環境を構築し、マスクであるPPをCFクロスへ片面のみ含浸させることに成功した。

Strategy for Future Research Activity

上記の進捗状況より、第2年度では引き続き繊維強化異種材接合構造を持つ試験片の作製を実施する。この際金属の含浸を促すために、微粒子、繊維の種類、繊維の織形態3点を変更することを検討している。
まず初めにAlBOの代替となる、金属の含浸性を促進する微粉末の種類と量について検討する必要がある。候補としては相手側金属と同じ金属種の微粉末があげられる。
一方、荷重伝達を行う繊維としてCFを用いてきたが、繊維強化プラスチックの強化材としてよく用いられるガラス繊維に変更する方法も考えられる。ガラス繊維は引張強度や弾性率では炭素繊維に劣るものの、軽金属の溶融温度でも酸素と反応しない特性がある。また、炭素繊維と異なり等方性でありせん断強度に優れる、繊維径が太いため繊維間の隙間が大きく液体を含浸させやすい、絶縁性であり金属とCFの間に配置することで電蝕を防ぐことができるという利点がある。
繊維の織形態については現在平織となっているCFクロスを用いてきたが、金属粒子の径によっては繊維束内にまで到達させることが困難であることが予想される。したがって、繊維を適切な長さに切り、短繊維、長繊維状にしたうえでプリフォーム成形時に水中に拡散させることで繊維束をほぐし不織布状のプリフォームにすることを検討する。
以上3点の改善案を順次検討、必要であれば組み合わせることで、繊維内への金属の含浸を促し、繊維強化異種材接合構造を持つ試験片の作製を目指す。

Causes of Carryover

CFクロスへの金属への含浸が十分に行われていないため、繊維強化異種材接合構造を持つ試験片を作製するために必要となる型の作製を見送っている。試験片作製に適当と考えられる繊維種類や形態、温度が確定したのち、型の設計製作を行う。