繊維強化複合材及び繊維強化複合材の締結構造
【課題】繊維強化複合材の締結部を改質することによるクリープ変形の抑制を目的とする。
【解決手段】繊維強化複合材１は熱硬化性樹脂であるマトリックス２と層状に配置された炭素繊維である強化繊維３で形成されている。繊維強化複合材１は他の部材である金属材８と締結されている。繊維強化複合材１に形成された締結用の貫通孔４に締結部材であるボルト１０が挿入され、金属材８の側からナット１１を締め付けることにより、繊維強化複合材１が金属材８と固定されている。繊維強化複合材１とボルト１０が圧接する領域に被膜層６が形成されている。被膜層６はマトリックス２より硬い材料である鉄５で構成されている。被膜層６によりマトリックス２の流動を抑制することができる。また、ボルト１０を締結した際の応力は被膜層６が受けるため、前記応力を直接マトリックス２が受ける場合に比べ、繊維強化複合材１のクリープ変形を抑制することができる。
【解決手段】繊維強化複合材１は熱硬化性樹脂であるマトリックス２と層状に配置された炭素繊維である強化繊維３で形成されている。繊維強化複合材１は他の部材である金属材８と締結されている。繊維強化複合材１に形成された締結用の貫通孔４に締結部材であるボルト１０が挿入され、金属材８の側からナット１１を締め付けることにより、繊維強化複合材１が金属材８と固定されている。繊維強化複合材１とボルト１０が圧接する領域に被膜層６が形成されている。被膜層６はマトリックス２より硬い材料である鉄５で構成されている。被膜層６によりマトリックス２の流動を抑制することができる。また、ボルト１０を締結した際の応力は被膜層６が受けるため、前記応力を直接マトリックス２が受ける場合に比べ、繊維強化複合材１のクリープ変形を抑制することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、他の部材との締結部を改質した繊維強化複合材及び前記繊維強化複合材と他の部材との締結構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
樹脂をマトリックスとした繊維強化複合材は軽量の構造材として広く使用されている。前記繊維強化複合材は単体で使用される場合は少なく、金属材等の他の部品と接合されて使用される。接合方法としてはボルトによる締結が多い。しかし、前記繊維強化複合材をボルトで直接締結する場合、マトリックスである樹脂のクリープにより前記繊維強化複合材が変形するために、ボルトの軸力が低下し、がたつきが生じるという問題がある。
【０００３】
この対策としては、例えば、成形された樹脂材料に孔を形成し、前記孔にボルト挿入用の金属カラーを圧入することによって、前記金属カラーを介して前記樹脂材料を他の部材に締結する方法がある。また、特許文献１に開示されているように、樹脂材料に金属カラーを挿入し、前記金属カラーにボルトを貫通し、前記ボルトにより前記金属カラーを介して前記樹脂材料をエンジン本体に締結する方法がある。具体的には、車載エンジンの回転検出部を保持する樹脂材料からなるハウジングと一体成形された同じく樹脂材料であるフランジに、金属カラーをインサート成形する。前記金属カラーがボルトで締結されることにより、前記回転検出部が金属材料であるエンジン本体と締結される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
特開２００６−２７５２７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記従来技術のように、金属カラーを利用する方法は金属カラーがボルトの締結による応力を支えるため、ボルトの締結緩みを抑制することはできる。しかし、樹脂材料に形成した孔に金属カラーを挿入する方法の場合、前記金属カラーの圧入精度、前記孔の加工精度が必要であるためコストがかかる。更に金属カラーの分だけ重量が増すという欠点がある。また、特許文献１のように金属カラーをインサート成形する方法では、成形時にエンジン本体やボルトの頭部と接触する金属カラーの端面に樹脂材料が乗り上げる現象が生じる。このため、樹脂材料の乗り上げによる不都合を回避する対策が必要となり、精度の高い成形技術が要求される。また、金属カラーを使用する点で重量増加の問題は避けられない。
【０００６】
本願発明の目的は、繊維強化複合材の締結部を改質することによりクリープ変形の抑制を図ることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の本願発明は、樹脂をマトリックスとして強化繊維を含有し、締結部材が挿入される貫通孔を備え、前記締結部材により他の部材に締結される繊維強化複合材において、前記繊維強化複合材の少なくとも前記締結部材が圧接する領域に前記マトリックスよりも硬い被膜材料を付着させたことを特徴とする。
【０００８】
請求項１に記載の本願発明によれば、前記被膜が形成されたれた領域においては、前記被膜材料が前記締結部材の応力を受けるため、応力の緩和効果により被膜材料が付着されていない場合に比べ、前記繊維強化複合材のクリープ変形を抑制することができる。また、繊維強化複合材を締結するための金属カラー等を必要としないので、貫通孔を有する繊維強化複合材の成形が容易となり、また繊維強化複合材の軽量化にも貢献する。
【０００９】
請求項２に記載の本願発明は、前記被膜材料は前記被膜が形成される領域の前記マトリックス内に混在していることを特徴とする。従って、前記繊維強化複合材において前記締結部材の応力を受ける領域は、前記被膜材料が混在する分、クリープの原因となる前記マトリックスの量が減少するため、前記被膜材料が混在されていない場合と比べ、前記繊維強化複合材のクリープ抑制効果を高めることができる。
【００１０】
請求項３に記載の本願発明は、前記被膜材料は前記マトリックス内に配置された前記強化繊維の層と接触する状態で混在していることを特徴とする。そのため、前記被膜材料を介して前記強化繊維の層の面が前記締結部材の応力を受けるため、前記繊維強化複合材の変形を抑制する効果がある。
【００１１】
請求項４に記載の本願発明は、前記被膜が形成される領域は前記貫通孔の内周面を含むことを特徴とする。従って、繊維強化複合材において、締結部材が挿入される貫通孔の内周面に生じるクリープ変形を抑制することができる。
【００１２】
請求項５に記載の本願発明は、前記他の部材が金属材であることを特徴とする。従って、金属材に対して繊維強化複合材を緩むことなく固定することができる。
【００１３】
請求項６に記載の本願発明は、前記被膜が形成される領域は前記他の部材と接触する表面を含むことを特徴とする。従って、締結部材及び他の部材と接触する全領域に被膜材料が存在するため、クリープ変形の抑制効果をより高めることができる。
【００１４】
請求項７に記載の本願発明は、前記被膜材料は金属であることを特徴とする。従って、前記金属は前記繊維強化複合材の前記マトリックスと線膨張係数が近いため、前記被膜材料が付着された領域において、前記繊維強化複合材を高温で使用した場合の変形やがたつきを防止できる。また、前記金属は延性を持つため、締結部材を締め付ける際の衝撃荷重に対して強く、インパクトレンチにより締め付けることもできる。
【００１５】
請求項８に記載の本願発明は、締結部材と、樹脂をマトリックスとして強化繊維を含有し、前記締結部材が挿入される貫通孔を備える繊維強化複合材と、前記繊維強化複合材を取り付ける他の部材とからなり、前記貫通孔に前記締結部材が挿入されることで前記繊維強化複合材を前記他の部材に締結する繊維強化複合材の締結構造において、前記繊維強化複合材の少なくとも前記締結部材が圧接する領域に前記マトリックスよりも硬い被膜材料を付着させた被膜が形成されることを特徴とする。従って前記繊維強化複合材の前記被膜材料が付着された領域においては、前記被膜材料が前記締結部材の応力を受けるため、前記被膜材料が付着されていない場合に比べ、前記繊維強化複合材のクリープ変形を抑制することができる。また、繊維強化複合材の締結に金属カラーを使用した場合、貫通孔の成形精度の保証が必要であったが、本願発明では必要なくなった。さらに、金属カラーを使用しない分、軽量化にも貢献する。
【発明の効果】
【００１６】
本願発明は、他の部材と締結して使用される繊維強化複合材及び繊維強化複合材の締結構造において、繊維強化複合材のクリープ変形を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１の実施形態における繊維強化複合材の、締結構造を示す断面図である。
【図２】第１の実施形態における繊維強化複合材の製造方法を示す模式図である。
【図３】第２の実施形態における繊維強化複合材の、締結構造を示す断面図である。
【図４】第２の実施形態における繊維強化複合材の製造方法を示す模式図である。
【図５】第３の実施形態における繊維強化複合材の、締結構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
（第１の実施形態）
以下、本願発明を具体化した第１の実施形態を図１及び図２に従って説明する。
【００１９】
繊維強化複合材１は図１のように締結して使用される。繊維強化複合材１は熱硬化性樹脂であるマトリックス２と層状に配置された炭素繊維である強化繊維３を含有し、一部に貫通孔４を有する構成である。繊維強化複合材１において、繊維強化複合材１と後述する締結部材の頭部が圧接する領域に、マトリックス２よりも硬い被膜材料である鉄５を付着したときに形成される被膜層６が、貫通孔４の内周面の後述する締結部材と接触する領域に被膜層７が形成されている。被膜層６及び被膜層７は被膜材料である粉末状の鉄５で構成されている。被膜層６は鉄５がマトリックス２に付着されることにより形成されている。具体的には、図２において詳細に説明するように、鉄５は強化繊維層３と接触する状態でマトリックス２内に混在するとともにマトリックス２の表面を覆うように積層されている。他の部材である金属材８は締結用の貫通孔９を有している。繊維強化複合材１は他の部材である金属材８と締結されている。繊維強化複合材１と金属材８とは、繊維強化複合材１に形成された締結用の貫通孔４と、金属材８に形成された締結用の貫通孔９とが一致し、一組の貫通孔を形成するように配置されている。貫通孔４及び貫通孔９に、繊維強化複合材１の側から締結部材であるボルト１０が挿入される。前記貫通されたボルト１０に金属材８の側からナット１１を締め付けることにより、繊維強化複合材１が金属材８に固定される。
【００２０】
次に、被膜層６、被膜層７を有する繊維強化複合材１の製造装置を図２に基づいて説明する。第１の被膜形成装置１２は、鉄５が充填された収容部１３、収容部１３内の鉄５を加熱するためのヒーター１４、鉄５を噴射する圧縮空気の供給源となる空気圧縮部１５及びメッシュ１６により構成される。ヒーター１４は収容部１３の上部に、収容部１３を覆うように隣接して配置されている。空気圧縮部１５は圧縮シリンダーを備え、ヒーター１４の上部に隣接して配置されている。メッシュ１６は収容部１３の下面に装着され、繊維強化複合材１の貫通孔４と対応する位置１７を除いて被膜層６を形成する領域に対応した通孔１８を有する。第１の被膜形成装置１２の下方には、図示しない駆動源に連結された台１９が回転可能に配設されている。台１９はその中心部に繊維強化複合材１の貫通孔４と同一径かそれよりも大径の孔２０が形成されている。繊維強化複合材１は台１９の上部に、貫通孔４と孔２０の中心部が一致するように配置されている。
【００２１】
台１９の孔２０の下方には、第２の被膜形成装置２１が設けられており、貫通孔４の内周面に被膜層を形成することができる。第２の被膜形成装置２１は、鉄５と同一成分の鉄２２が充填された収容部２３、収容部２３内の鉄２２を加熱するヒーター２４、鉄２２を噴射する圧縮空気の供給源となる空気圧縮部２５、メッシュ２６及びノズル２７により構成される。ヒーター２４は収容部２３の下方に収容部２３を覆うように隣接して配置されている。空気圧縮部２５は、ヒーター２４の下部に隣接して配置されている。メッシュ２６は収容部２３の上面に設置され、第１の被膜形成装置１２におけるメッシュ１６とは異なり、全域に通孔２８が設けられている。ノズル２７はメッシュ２６を覆うようにして収容部２３の上部に取り付けられた下部本体と前記下部本体のほぼ中央部から上方に延び、途中で直角方向に屈曲させた細いパイプとを備えている。このように構成された第２の被膜形成装置２１は図示しない駆動源に連結され、矢印で示すように上下動可能に設けられている。
【００２２】
前記のように構成した製造装置において、台１９上に繊維強化複合材１を載置し、貫通孔４が台１９の孔２０と一致するようにして固定する。第１の被膜形成装置１２によって被膜層６は以下のように形成される。第１の被膜形成装置１２を構成するヒーター１４は図示されていない電源から供給された電力により発熱する。第１の被膜形成装置１２を構成する収容部１３に充填された粒状の鉄５はヒーター１４により、マトリックス２のガラス転移温度（Ｔｇ）以上の所定温度に加熱される。第１の被膜形成装置１２を構成する空気圧縮部１５は図示されていない油圧あるいはモータ等の駆動源の作動により圧縮動作を行っている。加熱された鉄５は、空気圧縮部１５により繊維強化複合材１の表面に向けて噴射され、メッシュ１６の通孔１８を通過して繊維強化複合材１の外側表面を成すマトリックス２に吹き付けられる。マトリックス２の外表面は鉄５の熱により溶融された状態になる。鉄５は溶融されたマトリックス２に付着すると共に、マトリックス２内部に侵入して、強化繊維３の層に達し、強化繊維３と接触した状態でボルト１０の頭部が圧接する領域に被膜層６を形成する。
【００２３】
貫通孔４内周面の被膜層７は第２の被膜形成装置２１により次のように形成される。台１９と第２の被膜形成装置２１の各駆動装置（図示せず）は図示しない制御装置により速度制御及び同期制御されており、台１９が一方向に回転されるとともに第２の被膜形成装置２１が例えば下方位置から上方位置に直線的に移動される。第２の被膜形成装置２１を構成するヒーター２４は図示されていない電源から供給された電力により熱を発する。第２の被膜形成装置２１を構成する収容部２３に充填された鉄２２はヒーター２４により、前記マトリックス２のガラス転移温度（Ｔｇ）以上の所定温度に加熱される。第２の被膜形成装置２１を構成する空気圧縮部２５は図示されていない油圧あるいはモータ等の駆動源の作動により圧縮動作を行っている。前記加熱された鉄２２は、空気圧縮部２５から供給される圧縮空気により噴射され、メッシュ２６の通孔２８を通ってノズル２７に入った後パイプ内部を通り、ノズル２７の先端部から出て、繊維強化複合材１の貫通孔４内周面に付着される。噴射された鉄２２は、被膜層６の形成時と同様に、貫通孔４内周面に形成されたマトリックス２を溶融し、マトリックス２の内部に混在した状態を形成する。また、貫通孔４内周面の表面に露出した強化繊維３にも鉄２２が付着される。
【００２４】
前記した方法により形成された繊維強化複合材１を図１のように金属材８に締結した締結構造における作用を説明する。繊維強化複合材１は締結用の貫通孔４にボルト１０等の締結部材を挿入することで、繊維強化複合材１を金属材８等の他の部材と締結する。通常、繊維強化複合材１においてボルト１０に圧接された領域では、繊維強化複合材１のマトリックス２である熱硬化性樹脂のクリープにより、ボルト１０の軸力が低下する。しかし、第１の実施形態では、ボルト１０が圧接する領域に、マトリックス２より硬い材料である鉄５を付着させた被膜層６が形成されているため、マトリックス２の流動を抑制することができる。ボルト１０の締結による応力はマトリックス２ではなく被膜層６によって直接受けられるのでクリープ変形を抑制することができる。
【００２５】
鉄５は繊維強化複合材１の表面外部を形成するマトリックス２内部においてマトリックス２と混在した状態を形成している。そのため、ボルト１０と繊維強化複合材１が圧接する領域において、混在している鉄５の量だけ、当該領域のマトリックス２の割合が減少する。従って、クリープの原因であるマトリックス２の割合が減るため、繊維強化複合材１のクリープ変形を抑制することができる。
【００２６】
特に第１の実施形態では、マトリックス２内部に混在した鉄５が層状に配置された強化繊維３と接触しているため、ボルト１０の軸力は鉄５を介してクリープなどを発生することが無い強化繊維３の層によって受けられる。従って、繊維強化複合材１の外側表面を形成するマトリックス２が直接ボルト１０から受ける面圧は小さくなり、繊維強化複合材１の締結部のクリープ変形を抑制することができる。
【００２７】
繊維強化複合材１の貫通孔４の内周面には被膜層７が形成されている。そのため、貫通孔４の内周面におけるマトリックス２の流動を抑制することができる。また、ボルト１０の軸力は鉄２２を介して貫通孔４の内周面側のマトリックス２に伝えられるため、マトリックス２にかかる応力を軽減することができる。従って、被膜層７が形成されていない場合に比べてクリープ変形を抑制することができる。
【００２８】
なお、繊維強化複合材１と金属材８とが接触する面積は、締結部材であるボルト１０と繊維強化複合材１とが圧接された領域に比べて十分広い。そのため、締結による圧力は繊維強化複合材１の広い範囲に分散され、繊維強化複合材１にかかる応力が小さくなるため、繊維強化複合材１のクリープ量は問題になるほど大きくならない。また、貫通孔４の内周面においても通常ボルト１０による大きな圧力はかからない。従って、繊維強化複合材１は少なくとも被膜層６を形成すれば、クリープ抑制効果を得ることができる。
【００２９】
前記した第１の実施形態は以下の作用効果を有する。
（１）繊維強化複合材１においてボルト１０と圧接する領域には被膜層６が形成されている。そのため、当該領域では被膜層６によりマトリックス２の流動を抑制することができる。また、鉄５が締結によるボルト１０の応力を受けるため、鉄５が付着されていない場合に比べ、繊維強化複合材１のクリープ変形を抑制することができる。
【００３０】
（２）鉄５は繊維強化複合材１の表面外部を形成するマトリックス２内部に混在しているため、繊維強化複合材１においてボルト１０の圧接による応力を受ける領域では、鉄５が混在する分、クリープの原因となるマトリックス２の量が減少する。そのため、鉄５が混在されていない場合に比べ、繊維強化複合材１のクリープ抑制効果を高めることができる。
【００３１】
（３）鉄５はマトリックス２内に配置された層状の強化繊維３と接触する状態で混在している。従って、鉄５を介して層状の強化繊維３がボルト１０の圧接による応力を受けるため、繊維強化複合材１のクリープ抑制効果をより高めることができる。
【００３２】
（４）繊維強化複合材１の貫通孔４の内周面に被膜層７が形成される。そのため、貫通孔４の内周面においてマトリックス２の流動を抑制することができる。また、ボルト１０の軸力は鉄２２を介して貫通孔４内周面のマトリックス２に伝えられる。従って、被膜層７が形成されていない場合に比べて貫通孔４内周面のクリープ変形を抑制することができる。
【００３３】
（５）被膜層６を形成する鉄５はマトリックス２と線膨張係数が近いため、繊維強化複合材１を高温で使用しても繊維強化複合材１の変形や繊維強化複合材１とボルト１０との間のがたつきを防止できる。
【００３４】
（第２の実施形態）
以下、本願発明を具体化した第２の実施形態を図３及び図４に従って説明する。なお、第１の実施形態と同一の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００３５】
図３に示されるように、繊維強化複合材１には、ボルト１０の頭部が圧接する領域に被膜層６が、貫通孔４の内周面の領域に被膜層７が、金属材８と接する領域に被膜層２９が形成される。
【００３６】
次に、繊維強化複合材１の製造装置を図４に基づいて説明する。第１の被膜形成装置３０は、鉄５が充填された収容部３１、鉄５を噴射する圧縮空気の供給源となる空気圧縮部３２及びメッシュ３３により構成される。空気圧縮部３２は圧縮シリンダーを備え、収容部３１の上部に隣接して配置されている。メッシュ３３は収容部３１の下面に装着され、繊維強化複合材１の貫通孔４と対応する位置３４を除いて被膜層６を形成する領域に対応した通孔３５を有する。第１の被膜形成装置３０の下方には、図示しない駆動源に連結された台１９が回転可能に配設されている。第１の被膜成形装置２５は、繊維強化複合材１の上方貫通孔４と孔２０の中心部とが一致するように配置されている。
【００３７】
台１９の孔２０の下方には、第２の被膜形成装置３６が設けられており、貫通孔４の内周面に被膜層を形成することができる。第２の被膜形成装置３６は、鉄５と同一成分の鉄２２が充填された収容部３７、鉄２２を噴射する圧縮空気の供給源となる空気圧縮部３８、メッシュ３９及びノズル４０により構成される。空気圧縮部３８は収容部３７の下方に隣接して配置されている。メッシュ３９は収容部３７の上面に設置され、第１の被膜形成装置３０におけるメッシュ３３と異なり、全域に通孔４１が設けられている。ノズル４０はメッシュ３９を覆うようにして収容部３７の上部に取り付けられた下部本体と前記下部本体のほぼ中央部から上方に延び、途中で直角方向に屈曲させた細いパイプとを備えている。このように構成された第２の被膜形成装置３６は図示しない駆動源に連結され、矢印で示すように上下動可能に設けられている。
【００３８】
さらに、赤外線ヒーター４２は第１の被膜形成装置３０に隣接し、かつ台１９の上方に設置されている。赤外線ヒーター４２の赤外線発光部は台１９に載置された繊維強化複合材１におけるボルト１０の圧接面を含む領域を照射できるように指向されている。また、赤外線ヒーター４３は第２の被膜形成装置３６に隣接し、かつ台１９の下方に設置されている。赤外線ヒーター４３の赤外線発光部は台１９に載置された繊維強化複合材１における貫通孔４内周面を含む領域を照射できるように指向されている。
【００３９】
第１の被膜形成装置３０によって被膜層６は以下のように形成される。第１の被膜形成装置３０を構成する収容部３１には鉄５が充填されている。第１の被膜形成装置３０を構成する空気圧縮部３２は図示されていない油圧あるいはモータ等の駆動源の作動により圧縮動作を行っている。鉄５は、空気圧縮部３２により繊維強化複合材１の表面に向けて噴射され、メッシュ３３の通孔３５を通過して繊維強化複合材１の外側表面を成すマトリックス２に吹き付けられる。第１の被膜形成装置３０に隣接して配置された赤外線ヒーター４２の赤外線発光部は図示されていない電源から供給される電力により発光する。繊維強化複合材１におけるボルト１０の圧接面を含む領域のマトリックス２は赤外線ヒーター４２によりガラス転移温度（Ｔｇ）以上の所定温度に加熱され、溶融している。鉄５は溶融されたマトリックス２に付着すると共に、マトリックス２内部に侵入して、強化繊維３の層に達し、強化繊維３と接触した状態でボルト１０の頭部が圧接する領域に被膜層６を形成する。
【００４０】
第１の被膜形成装置３０により被膜層６が形成されると同時に、第２の被膜形成装置３６により貫通孔４内周面の被膜層７が次のように形成される。台１９と第２の被膜形成装置３６は図示しない制御装置により速度制御及び同期制御されており、台１９が一方向に回転されるとともに第２の被膜形成装置３６が例えば下方位置から上方位置に直線的に移動される。第２の被膜形成装置３６を構成する空気圧縮部３８は図示されていない油圧あるいはモータ等の駆動源の作動により圧縮動作を行っている。第２の被膜形成装置３６に隣接して設置された赤外線ヒーター４３の赤外線発光部は、図示されていない電源から供給される電力により発光する。繊維強化複合材１の貫通孔４内周面のマトリックス２は、赤外線ヒーター４３によりマトリックス２のガラス転移温度（Ｔｇ）以上の所定温度に加熱され、溶融している。第２の被膜形成装置３６を構成する収容部３７に充填された鉄２２は、空気圧縮部３８から供給される圧縮空気により噴射され、前記溶融したマトリックス２に付着するとともにメッシュ３９の通孔４１を通ってノズル４０に入った後パイプ内部を通り、ノズル４０の先端部から放出されて、繊維強化複合材１の貫通孔４の内周面に付着される。噴射された鉄２２は、貫通孔４内周面のマトリックス２の内部に混在した状態を形成するとともに、貫通孔４内周面の表面に露出した強化繊維３に付着する。
【００４１】
被膜層２９は以下のように形成される。被膜層６が形成された後に、繊維強化複合材１は上下反転され、台１９上に固定される。第１の被膜形成装置３０及び赤外線ヒーター４２はほぼ同様の構成からなる図示しない第３の被膜形成装置及び他の赤外線ヒーターに取り替えられる。前記第３の被膜形成装置は被膜層２９の形成領域、即ち金属材８と接触する繊維強化複合材１の表面領域をカバーできる大きさを有し、また前記赤外線ヒーターは前記表面領域を加熱することができる構成を有する。金属材８と接する表面領域のマトリックス２は前記赤外線ヒーターによりガラス転移温度（Ｔｇ）以上の所定の温度に加熱され、溶融される。次に、前記第３の被膜形成装置が鉄５を噴射することにより、鉄５は金属材８と接する前記表面領域に付着され、マトリックス２内に混在し、被膜層２９を形成する。
【００４２】
従って、この実施形態によれば、第１の実施形態における（１）〜（５）と同様の効果の他に次の効果を得ることができる。
（１）繊維強化複合材１と金属材８とが接触する表面領域に、被膜層２９が形成されているため、金属材８との接触側におけるクリープをより効果的に抑制することができる。
【００４３】
（２）繊維強化複合材１のボルト１０の圧接面を含む領域、貫通孔４の内周面の領域および金属材８と接触する領域におけるマトリックス２を直接加熱しているため、第１の実施形態のように鉄５及び鉄２２を加熱する場合に比較し、マトリックス２を溶融するために加えられる熱量が少なくて済む。
【００４４】
（第３の実施形態）
図５は第３の実施形態における繊維強化複合材の締結構造を示す。繊維強化複合材１は、第１及び第２の実施形態とは異なり、締結される他の部材が繊維強化複合材４４で構成されている。繊維強化複合材１はボルト１０が挿入される貫通孔４を備え、ボルト１０の頭部で圧接される領域に被膜層６が形成されている。繊維強化複合材４４は熱硬化性樹脂からなるマトリックス４６と層状に配置された炭素繊維である強化繊維４７で形成され、ボルト１０が挿入される貫通孔４８を備えるとともにナット１１で圧接される領域に被膜層４５が形成されている。繊維強化複合材１及び繊維強化複合材４４は貫通孔４及び貫通孔４８にボルト１０が挿入され、ナット１１によって締結される。この締結構造において、ボルト１０の頭部は被膜層６に圧接し、ナット１１は被膜層４５に圧接する。そのため、繊維強化複合材１及び繊維強化複合材４４におけるクリープ変形を抑制することができる。被膜層６及び４５は第１の実施形態に示した第１の被膜形成装置１２又は第２の実施形態に示した第１の被膜形成装置３０及び赤外線ヒーター４２を用いて形成することができる。
【００４５】
従って、この実施形態によれば、第１の実施形態における（１）〜（５）及び第２の実施形態における（１）〜（２）と同様の効果の他に次の効果を得ることができる。
（１）繊維強化複合材１が締結されている他の部材は繊維強化複合材４４であるため、他の部材が金属材８である場合に比べて、締結構造全体を軽量化することができる。
【００４６】
（２）繊維強化複合材１には、第１の実施形態あるいは第２の実施形態のように繊維強化複合材１に形成された貫通孔４の内周面に被膜層７あるいは、繊維強化複合材１と繊維強化複合材４４とが接触する面に被膜層２９が形成されていない。そのため、被膜層７や被膜層２９が形成された場合に比べて、鉄５及び鉄２２の使用量を最小量にすることができる。また、第１の実施形態における第２の被膜形成装置２１あるいは第２の実施形態における第２の被膜形成装置３６を必要としないため、製造コストを抑えることができると共に、装置を設置するために必要となる面積を小さくできる。
【００４７】
本願発明は、前記した各実施形態の構成に限定されるものではなく本願発明の趣旨の範囲内で種々の変更が可能であり、次のように実施することができる。
（１）第１及び第２の実施形態において、繊維強化複合材１に被膜層６を形成する被膜材料である鉄５及び被膜層７を形成する被膜材料である鉄２２は、必ずしもマトリックス２の内部に混在しなくても良い。例えば、マトリックス２の表面外部に付着しているのみであっても良い。
【００４８】
（２）第１〜第３の実施形態において、繊維強化複合材１に被膜層６を形成する被膜材料である鉄５及び、被膜層７及び被膜層２９を形成する材料である鉄２２は、マトリックス２の内部で強化繊維３と接触していなくても良い。例えば、マトリックス２の内部に混在している状態であっても良い。繊維強化複合材１においてボルト１０及びナット１１の応力を受ける領域では、鉄５が混在する分、クリープの原因となるマトリックス２の割合が減少するため、鉄５が混在されていない場合と比べ、繊維強化複合材１のクリープ抑制効果を高めることができる。そのため、必ずしも鉄５が強化繊維３と接触していなくても良い。
【００４９】
（３）第１〜第３の実施形態において、繊維強化複合材１は、強化繊維３が層状に配置されていなくても良い。例えば、強化繊維３がマトリックス内部に分散されて配置されている状態であっても良い。つまり、強化繊維３が層状に配置されていなくても、繊維強化複合材１においてボルト１０及びナット１１の応力を受ける領域において、鉄５あるいは鉄２２が混在していれば、混在する鉄５あるいは鉄２２の分クリープの原因となるマトリックス２の量が減少するため、鉄５あるいは鉄２２が混在されていない場合と比べ、繊維強化複合材１のクリープ抑制効果を高めることができるため、強化繊維３の配置を限定しなくても本発明のクリープ抑制効果を得ることができる。
【００５０】
（４）第１及び第２の実施形態において、繊維強化複合材１に被膜層６が形成されていれば、必ずしも被膜層７が形成される必要はない。
【００５１】
（５）第３の実施形態において、被膜層６を形成するだけではなく、貫通孔４の内周面の領域に被膜層を形成しても良い。
【００５２】
（６）第３の実施形態における繊維強化複合材４４は、貫通孔４８の内周面の領域あるいは、繊維強化複合材１と接する面を含む領域に被膜が形成されても良い。
【００５３】
（７）第１の実施形態における繊維強化複合材１に被膜層６が形成される領域は、繊維強化複合材１とボルト８とが圧接する領域の近傍である代わりに、ボルト８の頭部が圧接する側の外側表面全域あるいは、繊維強化複合材１とボルト８とが圧接する領域を含む十分広い領域であっても良い。
【００５４】
（８）第３の実施形態において、繊維強化複合材１に締結される繊維強化複合材４４については、他のクリープ抑制対策が施されれば、必ずしも本件発明のクリープ対策を実施しなくても良い。
【００５５】
（９）繊維強化複合材１の製造方法は、第１の実施形態を説明する図２のように鉄５及び鉄２２をガラス転移温度（Ｔｇ）以上の温度に加熱する方法あるいは、第２の実施形態を説明する図４のようにマトリックス２をガラス転移温度（Ｔｇ）以上の温度に加熱する方法に代えて、図２の加熱方法及び図４の加熱方法を組み合わせ、鉄５、鉄２２及びマトリックス２の両方を同時にガラス転移温度（Ｔｇ）以上に加熱する方法であっても良い。また、図１及び図３、図５に示す繊維強化複合材１は、図２又は図４の方法あるいは図２と図４を組み合わせた方法のいずれの方法で製造しても良い。
【００５６】
（１０）第１〜第３の実施形態において、繊維強化複合材１に挿入される締結部材はボルト１０及びナット１１でなくても良い。例えば、他の部材である金属材８の貫通孔９あるいは繊維強化複合材４４の貫通孔４８に雌ねじを形成し、繊維強化複合材１を雄ねじによって締結するように構成してもよい。また、その場合、貫通孔４８には金属カラー等を装着することが好ましい。
【００５７】
（１１）第１〜第３の実施形態において、繊維強化複合材１を形成するマトリックス２は、例えばエポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アルキド樹脂、ポリウレタン樹脂、熱硬化性ポリイミド等の熱硬化性樹脂である代わりに、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、ポリテトラフルオロエチレン、ＡＢＳ樹脂、ＡＳ樹脂、アクリル樹脂、ポリアミド、ポリアセタール、ポリカーボネート、変性ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、環状ポリオレフィン、ポリフェニレンスルファイド、ポリテトラフロロエチレン、ポリスルホン、ポリエーテルサルフォン、非晶ポリアリレート、液晶ポリマー、ポリエーテルエーテルケトン、熱可塑性ポリイミド、ポリアミドイミド、メチルメタアクリレートのような熱可塑性樹脂を用いても良い。
【００５８】
（１２）第１〜第３の実施形態において、繊維強化複合材１は、炭素繊維を強化繊維３として用いる代わりに、強化繊維３として例えばガラス繊維、ボロン繊維、アラミド繊維、ポリエチレン繊維、ザイロン等を用いても良い。
【００５９】
（１３）第１及び第２の実施形態あるいは第３の実施形態において、繊維強化複合材１が締結される他の材料は、金属材８あるいは繊維強化複合材４４でなくても良い。例えば壁、床や大地を構成する岩石等であっても良い。
【００６０】
（１４）第１及び第２の実施形態において、繊維強化複合材１に被膜層６及び被膜層７を形成する材料は、鉄５及び鉄２２である代わりに、例えばアルミのような、マトリックス２と線膨張係数の近い他の金属材料であっても良い。
【００６１】
（１５）第１の実施形態において、ヒーター１４は収容部１３を覆うように収容部１３に隣接して配置される代わりに、ヒーターの熱が収容部に充填された鉄に伝達されるのであれば、収容部１３の横に隣接して設けても良い。また、ヒーター２４は収容部２３を覆わずに収容部２３の横に隣接して設けても良い。
【符号の説明】
【００６２】
１ 繊維強化複合材
２ マトリックス
３ 強化繊維
４ 貫通孔
５ 鉄
６ 被膜層
７ 被膜層
８ 金属材
９ 貫通孔
10 ボルト
11 ナット
12 第１の被膜形成装置
13 収容部
14 ヒーター
15 空気圧縮部
16 メッシュ
17 繊維強化複合材１の貫通孔５と対応する位置
18 通孔
19 台
20 孔
21 第２の被膜形成装置
22 鉄
23 収容部
24 ヒーター
25 空気圧縮部
26 メッシュ
27 ノズル
28 通孔
29 被膜層
30 第１の被膜形成装置
31 収容部
32 空気圧縮部
33 メッシュ
34 繊維強化複合材１の貫通孔５と対応する位置
35 通孔
36 第２の被膜形成装置
37 収容部
38 空気圧縮部
39 メッシュ
40 ノズル
41 通孔
42 赤外線ヒーター
43 赤外線ヒーター
44 繊維強化複合材
45 被膜層
46 マトリックス
47 強化繊維
48 貫通孔
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、他の部材との締結部を改質した繊維強化複合材及び前記繊維強化複合材と他の部材との締結構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
樹脂をマトリックスとした繊維強化複合材は軽量の構造材として広く使用されている。前記繊維強化複合材は単体で使用される場合は少なく、金属材等の他の部品と接合されて使用される。接合方法としてはボルトによる締結が多い。しかし、前記繊維強化複合材をボルトで直接締結する場合、マトリックスである樹脂のクリープにより前記繊維強化複合材が変形するために、ボルトの軸力が低下し、がたつきが生じるという問題がある。
【０００３】
この対策としては、例えば、成形された樹脂材料に孔を形成し、前記孔にボルト挿入用の金属カラーを圧入することによって、前記金属カラーを介して前記樹脂材料を他の部材に締結する方法がある。また、特許文献１に開示されているように、樹脂材料に金属カラーを挿入し、前記金属カラーにボルトを貫通し、前記ボルトにより前記金属カラーを介して前記樹脂材料をエンジン本体に締結する方法がある。具体的には、車載エンジンの回転検出部を保持する樹脂材料からなるハウジングと一体成形された同じく樹脂材料であるフランジに、金属カラーをインサート成形する。前記金属カラーがボルトで締結されることにより、前記回転検出部が金属材料であるエンジン本体と締結される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
特開２００６−２７５２７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記従来技術のように、金属カラーを利用する方法は金属カラーがボルトの締結による応力を支えるため、ボルトの締結緩みを抑制することはできる。しかし、樹脂材料に形成した孔に金属カラーを挿入する方法の場合、前記金属カラーの圧入精度、前記孔の加工精度が必要であるためコストがかかる。更に金属カラーの分だけ重量が増すという欠点がある。また、特許文献１のように金属カラーをインサート成形する方法では、成形時にエンジン本体やボルトの頭部と接触する金属カラーの端面に樹脂材料が乗り上げる現象が生じる。このため、樹脂材料の乗り上げによる不都合を回避する対策が必要となり、精度の高い成形技術が要求される。また、金属カラーを使用する点で重量増加の問題は避けられない。
【０００６】
本願発明の目的は、繊維強化複合材の締結部を改質することによりクリープ変形の抑制を図ることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の本願発明は、樹脂をマトリックスとして強化繊維を含有し、締結部材が挿入される貫通孔を備え、前記締結部材により他の部材に締結される繊維強化複合材において、前記繊維強化複合材の少なくとも前記締結部材が圧接する領域に前記マトリックスよりも硬い被膜材料を付着させたことを特徴とする。
【０００８】
請求項１に記載の本願発明によれば、前記被膜が形成されたれた領域においては、前記被膜材料が前記締結部材の応力を受けるため、応力の緩和効果により被膜材料が付着されていない場合に比べ、前記繊維強化複合材のクリープ変形を抑制することができる。また、繊維強化複合材を締結するための金属カラー等を必要としないので、貫通孔を有する繊維強化複合材の成形が容易となり、また繊維強化複合材の軽量化にも貢献する。
【０００９】
請求項２に記載の本願発明は、前記被膜材料は前記被膜が形成される領域の前記マトリックス内に混在していることを特徴とする。従って、前記繊維強化複合材において前記締結部材の応力を受ける領域は、前記被膜材料が混在する分、クリープの原因となる前記マトリックスの量が減少するため、前記被膜材料が混在されていない場合と比べ、前記繊維強化複合材のクリープ抑制効果を高めることができる。
【００１０】
請求項３に記載の本願発明は、前記被膜材料は前記マトリックス内に配置された前記強化繊維の層と接触する状態で混在していることを特徴とする。そのため、前記被膜材料を介して前記強化繊維の層の面が前記締結部材の応力を受けるため、前記繊維強化複合材の変形を抑制する効果がある。
【００１１】
請求項４に記載の本願発明は、前記被膜が形成される領域は前記貫通孔の内周面を含むことを特徴とする。従って、繊維強化複合材において、締結部材が挿入される貫通孔の内周面に生じるクリープ変形を抑制することができる。
【００１２】
請求項５に記載の本願発明は、前記他の部材が金属材であることを特徴とする。従って、金属材に対して繊維強化複合材を緩むことなく固定することができる。
【００１３】
請求項６に記載の本願発明は、前記被膜が形成される領域は前記他の部材と接触する表面を含むことを特徴とする。従って、締結部材及び他の部材と接触する全領域に被膜材料が存在するため、クリープ変形の抑制効果をより高めることができる。
【００１４】
請求項７に記載の本願発明は、前記被膜材料は金属であることを特徴とする。従って、前記金属は前記繊維強化複合材の前記マトリックスと線膨張係数が近いため、前記被膜材料が付着された領域において、前記繊維強化複合材を高温で使用した場合の変形やがたつきを防止できる。また、前記金属は延性を持つため、締結部材を締め付ける際の衝撃荷重に対して強く、インパクトレンチにより締め付けることもできる。
【００１５】
請求項８に記載の本願発明は、締結部材と、樹脂をマトリックスとして強化繊維を含有し、前記締結部材が挿入される貫通孔を備える繊維強化複合材と、前記繊維強化複合材を取り付ける他の部材とからなり、前記貫通孔に前記締結部材が挿入されることで前記繊維強化複合材を前記他の部材に締結する繊維強化複合材の締結構造において、前記繊維強化複合材の少なくとも前記締結部材が圧接する領域に前記マトリックスよりも硬い被膜材料を付着させた被膜が形成されることを特徴とする。従って前記繊維強化複合材の前記被膜材料が付着された領域においては、前記被膜材料が前記締結部材の応力を受けるため、前記被膜材料が付着されていない場合に比べ、前記繊維強化複合材のクリープ変形を抑制することができる。また、繊維強化複合材の締結に金属カラーを使用した場合、貫通孔の成形精度の保証が必要であったが、本願発明では必要なくなった。さらに、金属カラーを使用しない分、軽量化にも貢献する。
【発明の効果】
【００１６】
本願発明は、他の部材と締結して使用される繊維強化複合材及び繊維強化複合材の締結構造において、繊維強化複合材のクリープ変形を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１の実施形態における繊維強化複合材の、締結構造を示す断面図である。
【図２】第１の実施形態における繊維強化複合材の製造方法を示す模式図である。
【図３】第２の実施形態における繊維強化複合材の、締結構造を示す断面図である。
【図４】第２の実施形態における繊維強化複合材の製造方法を示す模式図である。
【図５】第３の実施形態における繊維強化複合材の、締結構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
（第１の実施形態）
以下、本願発明を具体化した第１の実施形態を図１及び図２に従って説明する。
【００１９】
繊維強化複合材１は図１のように締結して使用される。繊維強化複合材１は熱硬化性樹脂であるマトリックス２と層状に配置された炭素繊維である強化繊維３を含有し、一部に貫通孔４を有する構成である。繊維強化複合材１において、繊維強化複合材１と後述する締結部材の頭部が圧接する領域に、マトリックス２よりも硬い被膜材料である鉄５を付着したときに形成される被膜層６が、貫通孔４の内周面の後述する締結部材と接触する領域に被膜層７が形成されている。被膜層６及び被膜層７は被膜材料である粉末状の鉄５で構成されている。被膜層６は鉄５がマトリックス２に付着されることにより形成されている。具体的には、図２において詳細に説明するように、鉄５は強化繊維層３と接触する状態でマトリックス２内に混在するとともにマトリックス２の表面を覆うように積層されている。他の部材である金属材８は締結用の貫通孔９を有している。繊維強化複合材１は他の部材である金属材８と締結されている。繊維強化複合材１と金属材８とは、繊維強化複合材１に形成された締結用の貫通孔４と、金属材８に形成された締結用の貫通孔９とが一致し、一組の貫通孔を形成するように配置されている。貫通孔４及び貫通孔９に、繊維強化複合材１の側から締結部材であるボルト１０が挿入される。前記貫通されたボルト１０に金属材８の側からナット１１を締め付けることにより、繊維強化複合材１が金属材８に固定される。
【００２０】
次に、被膜層６、被膜層７を有する繊維強化複合材１の製造装置を図２に基づいて説明する。第１の被膜形成装置１２は、鉄５が充填された収容部１３、収容部１３内の鉄５を加熱するためのヒーター１４、鉄５を噴射する圧縮空気の供給源となる空気圧縮部１５及びメッシュ１６により構成される。ヒーター１４は収容部１３の上部に、収容部１３を覆うように隣接して配置されている。空気圧縮部１５は圧縮シリンダーを備え、ヒーター１４の上部に隣接して配置されている。メッシュ１６は収容部１３の下面に装着され、繊維強化複合材１の貫通孔４と対応する位置１７を除いて被膜層６を形成する領域に対応した通孔１８を有する。第１の被膜形成装置１２の下方には、図示しない駆動源に連結された台１９が回転可能に配設されている。台１９はその中心部に繊維強化複合材１の貫通孔４と同一径かそれよりも大径の孔２０が形成されている。繊維強化複合材１は台１９の上部に、貫通孔４と孔２０の中心部が一致するように配置されている。
【００２１】
台１９の孔２０の下方には、第２の被膜形成装置２１が設けられており、貫通孔４の内周面に被膜層を形成することができる。第２の被膜形成装置２１は、鉄５と同一成分の鉄２２が充填された収容部２３、収容部２３内の鉄２２を加熱するヒーター２４、鉄２２を噴射する圧縮空気の供給源となる空気圧縮部２５、メッシュ２６及びノズル２７により構成される。ヒーター２４は収容部２３の下方に収容部２３を覆うように隣接して配置されている。空気圧縮部２５は、ヒーター２４の下部に隣接して配置されている。メッシュ２６は収容部２３の上面に設置され、第１の被膜形成装置１２におけるメッシュ１６とは異なり、全域に通孔２８が設けられている。ノズル２７はメッシュ２６を覆うようにして収容部２３の上部に取り付けられた下部本体と前記下部本体のほぼ中央部から上方に延び、途中で直角方向に屈曲させた細いパイプとを備えている。このように構成された第２の被膜形成装置２１は図示しない駆動源に連結され、矢印で示すように上下動可能に設けられている。
【００２２】
前記のように構成した製造装置において、台１９上に繊維強化複合材１を載置し、貫通孔４が台１９の孔２０と一致するようにして固定する。第１の被膜形成装置１２によって被膜層６は以下のように形成される。第１の被膜形成装置１２を構成するヒーター１４は図示されていない電源から供給された電力により発熱する。第１の被膜形成装置１２を構成する収容部１３に充填された粒状の鉄５はヒーター１４により、マトリックス２のガラス転移温度（Ｔｇ）以上の所定温度に加熱される。第１の被膜形成装置１２を構成する空気圧縮部１５は図示されていない油圧あるいはモータ等の駆動源の作動により圧縮動作を行っている。加熱された鉄５は、空気圧縮部１５により繊維強化複合材１の表面に向けて噴射され、メッシュ１６の通孔１８を通過して繊維強化複合材１の外側表面を成すマトリックス２に吹き付けられる。マトリックス２の外表面は鉄５の熱により溶融された状態になる。鉄５は溶融されたマトリックス２に付着すると共に、マトリックス２内部に侵入して、強化繊維３の層に達し、強化繊維３と接触した状態でボルト１０の頭部が圧接する領域に被膜層６を形成する。
【００２３】
貫通孔４内周面の被膜層７は第２の被膜形成装置２１により次のように形成される。台１９と第２の被膜形成装置２１の各駆動装置（図示せず）は図示しない制御装置により速度制御及び同期制御されており、台１９が一方向に回転されるとともに第２の被膜形成装置２１が例えば下方位置から上方位置に直線的に移動される。第２の被膜形成装置２１を構成するヒーター２４は図示されていない電源から供給された電力により熱を発する。第２の被膜形成装置２１を構成する収容部２３に充填された鉄２２はヒーター２４により、前記マトリックス２のガラス転移温度（Ｔｇ）以上の所定温度に加熱される。第２の被膜形成装置２１を構成する空気圧縮部２５は図示されていない油圧あるいはモータ等の駆動源の作動により圧縮動作を行っている。前記加熱された鉄２２は、空気圧縮部２５から供給される圧縮空気により噴射され、メッシュ２６の通孔２８を通ってノズル２７に入った後パイプ内部を通り、ノズル２７の先端部から出て、繊維強化複合材１の貫通孔４内周面に付着される。噴射された鉄２２は、被膜層６の形成時と同様に、貫通孔４内周面に形成されたマトリックス２を溶融し、マトリックス２の内部に混在した状態を形成する。また、貫通孔４内周面の表面に露出した強化繊維３にも鉄２２が付着される。
【００２４】
前記した方法により形成された繊維強化複合材１を図１のように金属材８に締結した締結構造における作用を説明する。繊維強化複合材１は締結用の貫通孔４にボルト１０等の締結部材を挿入することで、繊維強化複合材１を金属材８等の他の部材と締結する。通常、繊維強化複合材１においてボルト１０に圧接された領域では、繊維強化複合材１のマトリックス２である熱硬化性樹脂のクリープにより、ボルト１０の軸力が低下する。しかし、第１の実施形態では、ボルト１０が圧接する領域に、マトリックス２より硬い材料である鉄５を付着させた被膜層６が形成されているため、マトリックス２の流動を抑制することができる。ボルト１０の締結による応力はマトリックス２ではなく被膜層６によって直接受けられるのでクリープ変形を抑制することができる。
【００２５】
鉄５は繊維強化複合材１の表面外部を形成するマトリックス２内部においてマトリックス２と混在した状態を形成している。そのため、ボルト１０と繊維強化複合材１が圧接する領域において、混在している鉄５の量だけ、当該領域のマトリックス２の割合が減少する。従って、クリープの原因であるマトリックス２の割合が減るため、繊維強化複合材１のクリープ変形を抑制することができる。
【００２６】
特に第１の実施形態では、マトリックス２内部に混在した鉄５が層状に配置された強化繊維３と接触しているため、ボルト１０の軸力は鉄５を介してクリープなどを発生することが無い強化繊維３の層によって受けられる。従って、繊維強化複合材１の外側表面を形成するマトリックス２が直接ボルト１０から受ける面圧は小さくなり、繊維強化複合材１の締結部のクリープ変形を抑制することができる。
【００２７】
繊維強化複合材１の貫通孔４の内周面には被膜層７が形成されている。そのため、貫通孔４の内周面におけるマトリックス２の流動を抑制することができる。また、ボルト１０の軸力は鉄２２を介して貫通孔４の内周面側のマトリックス２に伝えられるため、マトリックス２にかかる応力を軽減することができる。従って、被膜層７が形成されていない場合に比べてクリープ変形を抑制することができる。
【００２８】
なお、繊維強化複合材１と金属材８とが接触する面積は、締結部材であるボルト１０と繊維強化複合材１とが圧接された領域に比べて十分広い。そのため、締結による圧力は繊維強化複合材１の広い範囲に分散され、繊維強化複合材１にかかる応力が小さくなるため、繊維強化複合材１のクリープ量は問題になるほど大きくならない。また、貫通孔４の内周面においても通常ボルト１０による大きな圧力はかからない。従って、繊維強化複合材１は少なくとも被膜層６を形成すれば、クリープ抑制効果を得ることができる。
【００２９】
前記した第１の実施形態は以下の作用効果を有する。
（１）繊維強化複合材１においてボルト１０と圧接する領域には被膜層６が形成されている。そのため、当該領域では被膜層６によりマトリックス２の流動を抑制することができる。また、鉄５が締結によるボルト１０の応力を受けるため、鉄５が付着されていない場合に比べ、繊維強化複合材１のクリープ変形を抑制することができる。
【００３０】
（２）鉄５は繊維強化複合材１の表面外部を形成するマトリックス２内部に混在しているため、繊維強化複合材１においてボルト１０の圧接による応力を受ける領域では、鉄５が混在する分、クリープの原因となるマトリックス２の量が減少する。そのため、鉄５が混在されていない場合に比べ、繊維強化複合材１のクリープ抑制効果を高めることができる。
【００３１】
（３）鉄５はマトリックス２内に配置された層状の強化繊維３と接触する状態で混在している。従って、鉄５を介して層状の強化繊維３がボルト１０の圧接による応力を受けるため、繊維強化複合材１のクリープ抑制効果をより高めることができる。
【００３２】
（４）繊維強化複合材１の貫通孔４の内周面に被膜層７が形成される。そのため、貫通孔４の内周面においてマトリックス２の流動を抑制することができる。また、ボルト１０の軸力は鉄２２を介して貫通孔４内周面のマトリックス２に伝えられる。従って、被膜層７が形成されていない場合に比べて貫通孔４内周面のクリープ変形を抑制することができる。
【００３３】
（５）被膜層６を形成する鉄５はマトリックス２と線膨張係数が近いため、繊維強化複合材１を高温で使用しても繊維強化複合材１の変形や繊維強化複合材１とボルト１０との間のがたつきを防止できる。
【００３４】
（第２の実施形態）
以下、本願発明を具体化した第２の実施形態を図３及び図４に従って説明する。なお、第１の実施形態と同一の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００３５】
図３に示されるように、繊維強化複合材１には、ボルト１０の頭部が圧接する領域に被膜層６が、貫通孔４の内周面の領域に被膜層７が、金属材８と接する領域に被膜層２９が形成される。
【００３６】
次に、繊維強化複合材１の製造装置を図４に基づいて説明する。第１の被膜形成装置３０は、鉄５が充填された収容部３１、鉄５を噴射する圧縮空気の供給源となる空気圧縮部３２及びメッシュ３３により構成される。空気圧縮部３２は圧縮シリンダーを備え、収容部３１の上部に隣接して配置されている。メッシュ３３は収容部３１の下面に装着され、繊維強化複合材１の貫通孔４と対応する位置３４を除いて被膜層６を形成する領域に対応した通孔３５を有する。第１の被膜形成装置３０の下方には、図示しない駆動源に連結された台１９が回転可能に配設されている。第１の被膜成形装置２５は、繊維強化複合材１の上方貫通孔４と孔２０の中心部とが一致するように配置されている。
【００３７】
台１９の孔２０の下方には、第２の被膜形成装置３６が設けられており、貫通孔４の内周面に被膜層を形成することができる。第２の被膜形成装置３６は、鉄５と同一成分の鉄２２が充填された収容部３７、鉄２２を噴射する圧縮空気の供給源となる空気圧縮部３８、メッシュ３９及びノズル４０により構成される。空気圧縮部３８は収容部３７の下方に隣接して配置されている。メッシュ３９は収容部３７の上面に設置され、第１の被膜形成装置３０におけるメッシュ３３と異なり、全域に通孔４１が設けられている。ノズル４０はメッシュ３９を覆うようにして収容部３７の上部に取り付けられた下部本体と前記下部本体のほぼ中央部から上方に延び、途中で直角方向に屈曲させた細いパイプとを備えている。このように構成された第２の被膜形成装置３６は図示しない駆動源に連結され、矢印で示すように上下動可能に設けられている。
【００３８】
さらに、赤外線ヒーター４２は第１の被膜形成装置３０に隣接し、かつ台１９の上方に設置されている。赤外線ヒーター４２の赤外線発光部は台１９に載置された繊維強化複合材１におけるボルト１０の圧接面を含む領域を照射できるように指向されている。また、赤外線ヒーター４３は第２の被膜形成装置３６に隣接し、かつ台１９の下方に設置されている。赤外線ヒーター４３の赤外線発光部は台１９に載置された繊維強化複合材１における貫通孔４内周面を含む領域を照射できるように指向されている。
【００３９】
第１の被膜形成装置３０によって被膜層６は以下のように形成される。第１の被膜形成装置３０を構成する収容部３１には鉄５が充填されている。第１の被膜形成装置３０を構成する空気圧縮部３２は図示されていない油圧あるいはモータ等の駆動源の作動により圧縮動作を行っている。鉄５は、空気圧縮部３２により繊維強化複合材１の表面に向けて噴射され、メッシュ３３の通孔３５を通過して繊維強化複合材１の外側表面を成すマトリックス２に吹き付けられる。第１の被膜形成装置３０に隣接して配置された赤外線ヒーター４２の赤外線発光部は図示されていない電源から供給される電力により発光する。繊維強化複合材１におけるボルト１０の圧接面を含む領域のマトリックス２は赤外線ヒーター４２によりガラス転移温度（Ｔｇ）以上の所定温度に加熱され、溶融している。鉄５は溶融されたマトリックス２に付着すると共に、マトリックス２内部に侵入して、強化繊維３の層に達し、強化繊維３と接触した状態でボルト１０の頭部が圧接する領域に被膜層６を形成する。
【００４０】
第１の被膜形成装置３０により被膜層６が形成されると同時に、第２の被膜形成装置３６により貫通孔４内周面の被膜層７が次のように形成される。台１９と第２の被膜形成装置３６は図示しない制御装置により速度制御及び同期制御されており、台１９が一方向に回転されるとともに第２の被膜形成装置３６が例えば下方位置から上方位置に直線的に移動される。第２の被膜形成装置３６を構成する空気圧縮部３８は図示されていない油圧あるいはモータ等の駆動源の作動により圧縮動作を行っている。第２の被膜形成装置３６に隣接して設置された赤外線ヒーター４３の赤外線発光部は、図示されていない電源から供給される電力により発光する。繊維強化複合材１の貫通孔４内周面のマトリックス２は、赤外線ヒーター４３によりマトリックス２のガラス転移温度（Ｔｇ）以上の所定温度に加熱され、溶融している。第２の被膜形成装置３６を構成する収容部３７に充填された鉄２２は、空気圧縮部３８から供給される圧縮空気により噴射され、前記溶融したマトリックス２に付着するとともにメッシュ３９の通孔４１を通ってノズル４０に入った後パイプ内部を通り、ノズル４０の先端部から放出されて、繊維強化複合材１の貫通孔４の内周面に付着される。噴射された鉄２２は、貫通孔４内周面のマトリックス２の内部に混在した状態を形成するとともに、貫通孔４内周面の表面に露出した強化繊維３に付着する。
【００４１】
被膜層２９は以下のように形成される。被膜層６が形成された後に、繊維強化複合材１は上下反転され、台１９上に固定される。第１の被膜形成装置３０及び赤外線ヒーター４２はほぼ同様の構成からなる図示しない第３の被膜形成装置及び他の赤外線ヒーターに取り替えられる。前記第３の被膜形成装置は被膜層２９の形成領域、即ち金属材８と接触する繊維強化複合材１の表面領域をカバーできる大きさを有し、また前記赤外線ヒーターは前記表面領域を加熱することができる構成を有する。金属材８と接する表面領域のマトリックス２は前記赤外線ヒーターによりガラス転移温度（Ｔｇ）以上の所定の温度に加熱され、溶融される。次に、前記第３の被膜形成装置が鉄５を噴射することにより、鉄５は金属材８と接する前記表面領域に付着され、マトリックス２内に混在し、被膜層２９を形成する。
【００４２】
従って、この実施形態によれば、第１の実施形態における（１）〜（５）と同様の効果の他に次の効果を得ることができる。
（１）繊維強化複合材１と金属材８とが接触する表面領域に、被膜層２９が形成されているため、金属材８との接触側におけるクリープをより効果的に抑制することができる。
【００４３】
（２）繊維強化複合材１のボルト１０の圧接面を含む領域、貫通孔４の内周面の領域および金属材８と接触する領域におけるマトリックス２を直接加熱しているため、第１の実施形態のように鉄５及び鉄２２を加熱する場合に比較し、マトリックス２を溶融するために加えられる熱量が少なくて済む。
【００４４】
（第３の実施形態）
図５は第３の実施形態における繊維強化複合材の締結構造を示す。繊維強化複合材１は、第１及び第２の実施形態とは異なり、締結される他の部材が繊維強化複合材４４で構成されている。繊維強化複合材１はボルト１０が挿入される貫通孔４を備え、ボルト１０の頭部で圧接される領域に被膜層６が形成されている。繊維強化複合材４４は熱硬化性樹脂からなるマトリックス４６と層状に配置された炭素繊維である強化繊維４７で形成され、ボルト１０が挿入される貫通孔４８を備えるとともにナット１１で圧接される領域に被膜層４５が形成されている。繊維強化複合材１及び繊維強化複合材４４は貫通孔４及び貫通孔４８にボルト１０が挿入され、ナット１１によって締結される。この締結構造において、ボルト１０の頭部は被膜層６に圧接し、ナット１１は被膜層４５に圧接する。そのため、繊維強化複合材１及び繊維強化複合材４４におけるクリープ変形を抑制することができる。被膜層６及び４５は第１の実施形態に示した第１の被膜形成装置１２又は第２の実施形態に示した第１の被膜形成装置３０及び赤外線ヒーター４２を用いて形成することができる。
【００４５】
従って、この実施形態によれば、第１の実施形態における（１）〜（５）及び第２の実施形態における（１）〜（２）と同様の効果の他に次の効果を得ることができる。
（１）繊維強化複合材１が締結されている他の部材は繊維強化複合材４４であるため、他の部材が金属材８である場合に比べて、締結構造全体を軽量化することができる。
【００４６】
（２）繊維強化複合材１には、第１の実施形態あるいは第２の実施形態のように繊維強化複合材１に形成された貫通孔４の内周面に被膜層７あるいは、繊維強化複合材１と繊維強化複合材４４とが接触する面に被膜層２９が形成されていない。そのため、被膜層７や被膜層２９が形成された場合に比べて、鉄５及び鉄２２の使用量を最小量にすることができる。また、第１の実施形態における第２の被膜形成装置２１あるいは第２の実施形態における第２の被膜形成装置３６を必要としないため、製造コストを抑えることができると共に、装置を設置するために必要となる面積を小さくできる。
【００４７】
本願発明は、前記した各実施形態の構成に限定されるものではなく本願発明の趣旨の範囲内で種々の変更が可能であり、次のように実施することができる。
（１）第１及び第２の実施形態において、繊維強化複合材１に被膜層６を形成する被膜材料である鉄５及び被膜層７を形成する被膜材料である鉄２２は、必ずしもマトリックス２の内部に混在しなくても良い。例えば、マトリックス２の表面外部に付着しているのみであっても良い。
【００４８】
（２）第１〜第３の実施形態において、繊維強化複合材１に被膜層６を形成する被膜材料である鉄５及び、被膜層７及び被膜層２９を形成する材料である鉄２２は、マトリックス２の内部で強化繊維３と接触していなくても良い。例えば、マトリックス２の内部に混在している状態であっても良い。繊維強化複合材１においてボルト１０及びナット１１の応力を受ける領域では、鉄５が混在する分、クリープの原因となるマトリックス２の割合が減少するため、鉄５が混在されていない場合と比べ、繊維強化複合材１のクリープ抑制効果を高めることができる。そのため、必ずしも鉄５が強化繊維３と接触していなくても良い。
【００４９】
（３）第１〜第３の実施形態において、繊維強化複合材１は、強化繊維３が層状に配置されていなくても良い。例えば、強化繊維３がマトリックス内部に分散されて配置されている状態であっても良い。つまり、強化繊維３が層状に配置されていなくても、繊維強化複合材１においてボルト１０及びナット１１の応力を受ける領域において、鉄５あるいは鉄２２が混在していれば、混在する鉄５あるいは鉄２２の分クリープの原因となるマトリックス２の量が減少するため、鉄５あるいは鉄２２が混在されていない場合と比べ、繊維強化複合材１のクリープ抑制効果を高めることができるため、強化繊維３の配置を限定しなくても本発明のクリープ抑制効果を得ることができる。
【００５０】
（４）第１及び第２の実施形態において、繊維強化複合材１に被膜層６が形成されていれば、必ずしも被膜層７が形成される必要はない。
【００５１】
（５）第３の実施形態において、被膜層６を形成するだけではなく、貫通孔４の内周面の領域に被膜層を形成しても良い。
【００５２】
（６）第３の実施形態における繊維強化複合材４４は、貫通孔４８の内周面の領域あるいは、繊維強化複合材１と接する面を含む領域に被膜が形成されても良い。
【００５３】
（７）第１の実施形態における繊維強化複合材１に被膜層６が形成される領域は、繊維強化複合材１とボルト８とが圧接する領域の近傍である代わりに、ボルト８の頭部が圧接する側の外側表面全域あるいは、繊維強化複合材１とボルト８とが圧接する領域を含む十分広い領域であっても良い。
【００５４】
（８）第３の実施形態において、繊維強化複合材１に締結される繊維強化複合材４４については、他のクリープ抑制対策が施されれば、必ずしも本件発明のクリープ対策を実施しなくても良い。
【００５５】
（９）繊維強化複合材１の製造方法は、第１の実施形態を説明する図２のように鉄５及び鉄２２をガラス転移温度（Ｔｇ）以上の温度に加熱する方法あるいは、第２の実施形態を説明する図４のようにマトリックス２をガラス転移温度（Ｔｇ）以上の温度に加熱する方法に代えて、図２の加熱方法及び図４の加熱方法を組み合わせ、鉄５、鉄２２及びマトリックス２の両方を同時にガラス転移温度（Ｔｇ）以上に加熱する方法であっても良い。また、図１及び図３、図５に示す繊維強化複合材１は、図２又は図４の方法あるいは図２と図４を組み合わせた方法のいずれの方法で製造しても良い。
【００５６】
（１０）第１〜第３の実施形態において、繊維強化複合材１に挿入される締結部材はボルト１０及びナット１１でなくても良い。例えば、他の部材である金属材８の貫通孔９あるいは繊維強化複合材４４の貫通孔４８に雌ねじを形成し、繊維強化複合材１を雄ねじによって締結するように構成してもよい。また、その場合、貫通孔４８には金属カラー等を装着することが好ましい。
【００５７】
（１１）第１〜第３の実施形態において、繊維強化複合材１を形成するマトリックス２は、例えばエポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アルキド樹脂、ポリウレタン樹脂、熱硬化性ポリイミド等の熱硬化性樹脂である代わりに、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、ポリテトラフルオロエチレン、ＡＢＳ樹脂、ＡＳ樹脂、アクリル樹脂、ポリアミド、ポリアセタール、ポリカーボネート、変性ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、環状ポリオレフィン、ポリフェニレンスルファイド、ポリテトラフロロエチレン、ポリスルホン、ポリエーテルサルフォン、非晶ポリアリレート、液晶ポリマー、ポリエーテルエーテルケトン、熱可塑性ポリイミド、ポリアミドイミド、メチルメタアクリレートのような熱可塑性樹脂を用いても良い。
【００５８】
（１２）第１〜第３の実施形態において、繊維強化複合材１は、炭素繊維を強化繊維３として用いる代わりに、強化繊維３として例えばガラス繊維、ボロン繊維、アラミド繊維、ポリエチレン繊維、ザイロン等を用いても良い。
【００５９】
（１３）第１及び第２の実施形態あるいは第３の実施形態において、繊維強化複合材１が締結される他の材料は、金属材８あるいは繊維強化複合材４４でなくても良い。例えば壁、床や大地を構成する岩石等であっても良い。
【００６０】
（１４）第１及び第２の実施形態において、繊維強化複合材１に被膜層６及び被膜層７を形成する材料は、鉄５及び鉄２２である代わりに、例えばアルミのような、マトリックス２と線膨張係数の近い他の金属材料であっても良い。
【００６１】
（１５）第１の実施形態において、ヒーター１４は収容部１３を覆うように収容部１３に隣接して配置される代わりに、ヒーターの熱が収容部に充填された鉄に伝達されるのであれば、収容部１３の横に隣接して設けても良い。また、ヒーター２４は収容部２３を覆わずに収容部２３の横に隣接して設けても良い。
【符号の説明】
【００６２】
１ 繊維強化複合材
２ マトリックス
３ 強化繊維
４ 貫通孔
５ 鉄
６ 被膜層
７ 被膜層
８ 金属材
９ 貫通孔
10 ボルト
11 ナット
12 第１の被膜形成装置
13 収容部
14 ヒーター
15 空気圧縮部
16 メッシュ
17 繊維強化複合材１の貫通孔５と対応する位置
18 通孔
19 台
20 孔
21 第２の被膜形成装置
22 鉄
23 収容部
24 ヒーター
25 空気圧縮部
26 メッシュ
27 ノズル
28 通孔
29 被膜層
30 第１の被膜形成装置
31 収容部
32 空気圧縮部
33 メッシュ
34 繊維強化複合材１の貫通孔５と対応する位置
35 通孔
36 第２の被膜形成装置
37 収容部
38 空気圧縮部
39 メッシュ
40 ノズル
41 通孔
42 赤外線ヒーター
43 赤外線ヒーター
44 繊維強化複合材
45 被膜層
46 マトリックス
47 強化繊維
48 貫通孔
【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂をマトリックスとして強化繊維を含有し、締結部材が挿入される貫通孔を備え、前記締結部材により他の部材に締結される繊維強化複合材において、
前記繊維強化複合材の少なくとも前記締結部材が圧接する領域に前記マトリックスよりも硬い被膜材料を付着させた被膜が形成されることを特徴とする繊維強化複合材。
【請求項２】
前記被膜材料は前記被膜が形成される領域の前記マトリックス内に混在していることを特徴とする請求項１に記載の繊維強化複合材。
【請求項３】
前記被膜材料は前記マトリックス内に配置された前記強化繊維の層と接触する状態で混在していることを特徴とする請求項２に記載の繊維強化複合材。
【請求項４】
前記被膜は前記貫通孔の内周面を含む領域に形成されることを特徴とする請求項１〜３に記載の繊維強化複合材。
【請求項５】
前記他の部材が金属材であることを特徴とする請求項１〜４に記載の繊維強化複合材。
【請求項６】
前記被膜は前記他の部材と接触する表面を含む領域に形成されることを特徴とする請求項１〜５に記載の繊維強化複合材。
【請求項７】
前記被膜材料は金属であることを特徴とする請求項１〜６に記載の繊維強化複合材。
【請求項８】
締結部材と、樹脂をマトリックスとして強化繊維を含有し、前記締結部材が挿入される貫通孔を備える繊維強化複合材と、前記繊維強化複合材を取り付ける他の部材とからなり、
前記貫通孔に前記締結部材が挿入されることで前記繊維強化複合材を前記他の部材に締結する繊維強化複合材の締結構造において、
前記繊維強化複合材の少なくとも前記締結部材が圧接する領域に前記マトリックスよりも硬い被膜材料を付着させた被膜が形成されることを特徴とする繊維強化複合材の締結構造。
【請求項１】
樹脂をマトリックスとして強化繊維を含有し、締結部材が挿入される貫通孔を備え、前記締結部材により他の部材に締結される繊維強化複合材において、
前記繊維強化複合材の少なくとも前記締結部材が圧接する領域に前記マトリックスよりも硬い被膜材料を付着させた被膜が形成されることを特徴とする繊維強化複合材。
【請求項２】
前記被膜材料は前記被膜が形成される領域の前記マトリックス内に混在していることを特徴とする請求項１に記載の繊維強化複合材。
【請求項３】
前記被膜材料は前記マトリックス内に配置された前記強化繊維の層と接触する状態で混在していることを特徴とする請求項２に記載の繊維強化複合材。
【請求項４】
前記被膜は前記貫通孔の内周面を含む領域に形成されることを特徴とする請求項１〜３に記載の繊維強化複合材。
【請求項５】
前記他の部材が金属材であることを特徴とする請求項１〜４に記載の繊維強化複合材。
【請求項６】
前記被膜は前記他の部材と接触する表面を含む領域に形成されることを特徴とする請求項１〜５に記載の繊維強化複合材。
【請求項７】
前記被膜材料は金属であることを特徴とする請求項１〜６に記載の繊維強化複合材。
【請求項８】
締結部材と、樹脂をマトリックスとして強化繊維を含有し、前記締結部材が挿入される貫通孔を備える繊維強化複合材と、前記繊維強化複合材を取り付ける他の部材とからなり、
前記貫通孔に前記締結部材が挿入されることで前記繊維強化複合材を前記他の部材に締結する繊維強化複合材の締結構造において、
前記繊維強化複合材の少なくとも前記締結部材が圧接する領域に前記マトリックスよりも硬い被膜材料を付着させた被膜が形成されることを特徴とする繊維強化複合材の締結構造。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−２５３６９７（Ｐ２０１０−２５３６９７Ａ）
【公開日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１０３２７０（Ｐ２００９−１０３２７０）
【出願日】平成２１年４月２１日（２００９．４．２１）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月２１日（２００９．４．２１）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]