复合材料的接合方法 |
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| 申请号 | CN201280064479.4 | 申请日 | 2012-12-26 | 公开(公告)号 | CN104023946A | 公开(公告)日 | 2014-09-03 |
| 申请人 | 帝人株式会社; | 发明人 | 加藤卓巳; | ||||
| 摘要 | 提供了一种以良好的接合强度接合 复合材料 的方法，其中，以简单的工艺将各自使用热塑性 树脂 作为基质树脂并且含有 碳 纤维 的复合材料相互接合。一种复合材料的接合方法，包括：(i)将包含热塑性树脂和 碳纤维 并且在一个表面上具有突出部的复合材料(A)和包含热塑性树脂和碳纤维的复合材料(B)层叠并相互固定成使得复合材料(A)的突出部面向内侧的步骤；以及(ii)向包括突出部的接合部位施加 电流 以使接合部位产生热量的步骤。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种复合材料的接合方法，该方法包括： |
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| 说明书全文 | 复合材料的接合方法技术领域[0001] 本发明涉及一种复合材料的接合方法，该复合材料包含作为基质的热塑性树脂和增强纤维。更具体的，本发明涉及一种方法，通过该方法，将包含热塑性树脂和碳纤维并且具有突出部的复合材料接合到另一个复合材料。 背景技术[0003] 由于无法获得高接合强度，所以粘合剂接合不适于结构构件。 [0004] 焊接的技术包括利用电热板、振动或超声波的技术。因为不会由于接合而增加重量并且通过将材料原样一体化而获得高强度，所以对于热塑性树脂来说，焊接被视为及其有利的接合方法。然而，利用电热板的焊接存在由于拉丝而导致的树脂粘着到电热板的问题。振动焊接存在由于用于各个待焊接物的专用固定装置是必需的并且接合表面需要振动的问题，所以焊接技术不适于复杂的形状。超声波焊接的问题在于焊头的尺寸有限，导致难以适用于大尺寸的待焊接物，发出高频声音等。 [0005] 此外，以螺栓和螺母、或铆钉紧固的问题在于由于需要对基材进行钻孔，所以基材的强度降低，并且加工步骤增加。而且，作为由于其强度和轻量特性而带来减重效果的材料的碳纤维复合材料最近吸引了注意。然而，存在下列可能性，即由以螺栓和螺母、或铆钉紧固的部位的数量增加所造成由于增加的紧固部件数量而导致的质量增加损害使用碳纤维复合材料的优点。 [0006] 由此，用于接合包含热塑性树脂作为基质的复合材料并且不受待焊接物的尺寸或形状所影响并在短时间内带来高强度的接合方法是未知的。 [0007] 同时，在金属的相互接合中，一般已知作为电阻焊的在极短时间内使大电流流经金属，能够将金属部分地熔融并相互焊接(专利文献1等)。这种方法能够在短时间内接合具有复杂形状的成形金属并获得具有高强度的接合体。因此这种方法主要用于汽车组装加工。专利文献2描述了通过改变接合部位中的碳纤维数量和其中纤维的方向而将该电阻焊技术应用于包含碳纤维和热塑性树脂的复合材料的方法。 [0008] 专利文献3描述的方法包括：将由碳纤维构成的发热体夹在热塑性树脂成型制品的接合表面之间、在以适当的力压制层叠体的同时向发热体施加电流以向其发热并且熔化接合表面的树脂、随后停止施加电流并且冷却以由于树脂的硬化而将成型制品相互焊接。 [0009] 引用列表 [0010] 专利文献 [0011] 专利文献1：JP-A-6-170551 [0012] 专利文献2：JP-A-2009-73132 [0013] 专利文献3：JP-A-11-300836 发明内容[0014] 本发明待解决的问题 [0015] 专利文献2描述的方法可能存在电流流经存在于热塑性树脂中的具有良好导电性的碳纤维，因而难以充分加热并熔化热塑性树脂以进行接合的缺点。 [0016] 本发明的目的在于提供一种接合方法，通过该方法，将包含热塑性树脂和碳纤维的复合材料容易地相互接合以获得高接合强度。 [0017] 解决所述问题的手段 [0018] 通过本发明人不懈地研究，结果，发现了通过向包含热塑性树脂和碳纤维的复合材料设置突出部，可以由其生产具有良好的接合强度的接合体。 [0019] 即，本发明如下所述。 [0020] [1]一种复合材料的接合方法，该方法包括： [0021] (i)将包含热塑性树脂和碳纤维并且在其一个表面上具有突出部的复合材料A和包含热塑性树脂和碳纤维的复合材料B层叠并固定成使得复合材料A的突出部面向内侧的步骤；以及 [0022] (ii)向包括突出部的接合部位施加电流以产生热量的步骤。 [0025] [4]根据[1]至[3]任意一项所述复合材料的接合方法，其中，复合材料B在其一个表面具有突出部。 [0026] [5]根据[1]至[4]任意一项所述复合材料的接合方法，其中，复合材料A和复合材料B各自具有5至80％的碳纤维体积分数(Vf＝100×(碳纤维的体积)/[(碳纤维的体积)+(热塑性树脂的体积)])。 [0027] [6]根据[1]至[5]任意一项所述复合材料的接合方法，其中，复合材料A和复合材料B各自中的碳纤维平均纤维长度为1mm至100mm。 [0028] [7]根据[1]至[6]任意一项所述复合材料的接合方法，其中，在复合材料A的具有突出部的表面的平面内方向上，将碳纤维分散地布置成随机定向。 [0029] [8]根据[1]至[7]任意一项所述复合材料的接合方法，其中，突出部的形状是选自由下列形状组成的组中的至少一种形状：圆柱体、棱柱体、圆锥台、棱锥台以及半球。 [0030] 本发明的效果 [0031] 根据本发明，能够通过一种方法，通过该方法，能够容易地将包含热塑性树脂和碳纤维的复合材料互相接合，以获得高接合强度。 [0032] 在本发明中，具有突起形状的突出部形成在包含热塑性树脂和碳纤维的复合材料的接合部位上，并且向包括突出部的接合部位施加电流以对其产生热量。结果，能够容易地焊接复合材料，能够获得焊接部位稳定的接合体。 [0033] 由此，接合部位中导电部分的突出部的包含物出人意料地稳定了执行热熔融胶合的部位，使得能够获得具有优异的接合强度的令人满意的碳纤维复合材料的接合体。 [0035] 图1是示出具有突出部的复合材料的实例的示意图。 [0036] 图2是具有突出部的复合材料与不具有突出部的复合材料的接合部的示意图。 [0037] 参考标记列表 [0038] 1：复合材料A [0039] 1’：复合材料B [0040] 2,4：突出部 [0041] 3：电极 具体实施方式[0042] 本发明的复合材料的接合方法包括： [0043] (i)将包含热塑性树脂和碳纤维并且在其一个表面上具有突出部的复合材料A和包含热塑性树脂和碳纤维的复合材料B层叠并固定成使得复合材料A的突出部面向内侧的步骤；以及 [0044] (ii)向包括突出部的接合部位施加电流以向其产生热量的步骤。 [0045] 这里，语句“将复合材料A和复合材料B层叠并固定成使得复合材料A的突出部面向内侧”表示“将复合材料A和复合材料B相互发生接触并且固定成使得复合材料A的突出部面向复合材料B”。 [0046] 语句“包括突出部的接合部位”表示“复合材料A的突出部与复合材料B发生接触的区域”，该区域通过由于施加电流而产生的热量被焊接为结合部位。 [0047] 同时，理所当然的是，本发明可以包括制备复合材料A和复合材料B的步骤。 [0048] 本发明的实施方式解释如下。 [0049] [复合材料A] [0050] 本发明中使用的复合材料A是包含热塑性树脂和碳纤维并且在其一个表面上具有突出部的构件。复合材料A优选为通过将碳纤维并入用作基质的热塑性树脂中而获得的包含碳纤维的复合材料。 [0051] <热塑性树脂> [0052] 对用于本发明的复合材料的热塑性树脂没有特别限制，其实例包括聚酰胺(例如，尼龙6和尼龙66)、聚碳酸酯、聚甲醛、聚苯硫醚、聚苯醚、聚酯(例如，聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯和聚萘二甲酸乙二酯)、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、AS树脂、ABS树脂等。这些树脂可以作为其两种以上的混合物使用。 [0053] 从耐热性、耐冲击性、耐候性、耐化学性、可成型性、强度、成本以及这些因素的平衡的角度，本发明的复合材料中使用的热塑性树脂优选为聚酰胺、聚酯、聚丙烯、聚碳酸酯、或聚苯硫醚。 [0054] <碳纤维> [0056] 碳纤维的平均纤维直径优选为3至12μm，更优选为5至7μm。碳纤维可以单独使用，或者可以组合使用直径不同的两种以上碳纤维。 [0057] 对包含在复合材料中的碳纤维的形式没有特别限制，碳纤维可以是连续纤维或不连续纤维。在连续纤维的情况下，形式的实例包括由单向地排列的碳纤维构成的单向基材和无纺织物。然而，连续纤维不限于这些实例。在不连续纤维的情况下，对纤维长度没有特别限制。在大多数情况下，所使用的碳纤维是附着有上浆剂的碳纤维。附着的上浆剂的量优选为每100质量份的碳纤维0.01至10质量份。 [0058] 在使用不连续纤维的情况下，优选的是，碳纤维在复合材料中被布置成以各向同性并且随机地分散的状态重叠。即，优选的是，碳纤维被分散地布置成在片状的复合材料A的一个表面上的平面内方向随机定向。通过如此分散碳纤维，执行热熔融胶合的区域变得尤其稳定并且能够获得碳纤维复合材料的良好接合体、接合部位的强度稳定的接合体。 [0059] 在此情况下，在平均纤维长度方面，碳纤维的纤维长度优选为1mm以上并且100mm以下，更优选为5mm以上并且100mm以下，还更优选为大于5mm并且小于100mm。其平均纤维长度的上限优选为50mm。尽管本发明的碳纤维的平均纤维长度在该范围内是优选的，但是碳纤维可以包括长度小于1mm的不连续纤维和比100mm长的不连续纤维，其量为以所有的碳纤维计20质量％以下。然而，从接合强度的角度，优选的是碳纤维基本不包括长度小于1mm或长度超过100mm的不连续纤维。 [0060] 碳纤维的单纤维纤度优选为100至5,000dtex，更优选为1,000至2,000dtex。此外，在碳纤维的情况下，优选通过由3,000至6,000单丝结束的非扭绞沙线(股线)构成的连续纤维或通过切割该股线而获得的短纤维。 [0061] <热塑性树脂与碳纤维的比率> [0062] 作为在本发明中使用的复合材料中的热塑性树脂和碳纤维的含量比率，优选的是，以每100质量份的碳纤维50至1,000质量份的量包含热塑性树脂。热塑性树脂的量更优选的为每100质量份的碳纤维50至400质量份，热塑性树脂的量还更优选的为每100质量份的碳纤维50至100质量份。通过满足该比率，获得满意的可成型性，并且最终获得的接合体具有高机械强度。 [0064] 对复合材料中碳纤维的体积分数(Vf＝100×(碳纤维的体积)/[(碳纤维的体积)+(热塑性树脂的体积)])没有特别限制。然而，从强度的角度，理想的是体积分数为5至80％。 [0065] 关于复合材料A的制造方法，该复合材料可以通过诸如压制成型、注塑成型和挤出成型的方法而制造。特别是在要通过本发明获得具有高的优异的机械强度的成形制品的情况下，包含处于纤维束状态的不连续纤维的复合材料是优选的。更理想的是复合材料以特定比率包含由特定数量以上的碳纤维构成的碳纤维束和以及开纤的碳纤维，通过控制碳纤维的开纤程度而获得该开纤的碳纤维。即，优选的是，从获得更好的机械强度的角度，在本发明使用的复合材料中，由临界单纤维数以上的碳纤维构成的碳纤维束(A)与所有碳纤维的比率，以体积比率计，为20vol％以上并且99vol％以下，所述临界单纤维数由下式(1)定义。 [0066] 临界单纤维数＝600/D (1) [0067] (这里，D为单碳纤维的平均纤维直径(μm)。) [0068] 在复合材料中，处于单纤维状态的纤维或由低于临界单纤维数的单纤维所构成的纤维束可以作为除碳纤维束(A)之外的碳纤维而存在。在获得具有高的优异的机械性能的成形制品的情况下，使用的碳纤维束(A)的比率更优选为30vol％以上并且小于90vol％，并且还更优选为30vol％以上并且小于80vol％。 [0069] 此外，优选的是，由临界单纤维数以上的碳纤维构成的碳纤维束(A)中的平均纤维数量(N)满足下式(2)： [0070] 0.7×104/D2 [0071] 其中，D为单碳纤维的平均纤维直径(μm)。 [0072] 更优选的是，式(2)满足下式(2’)。 [0073] 0.7×104/D2 [0074] 由于易于以其获得高纤维体积分数(Vf)，所以碳纤维束(A)中的平均纤维数量4 2 (N)优选为大于0.7×10/D。此外，由于复合材料或作为最终制品的接合体不易局部地具 5 有厚部并且不易形成空隙，所以碳纤维束(A)中的平均纤维数量(N)优选为小于1×10，特 4 2 别地，小于6.0×10/D。 [0075] 在本发明中，复合材料A在其一个表面上具有突出部。该具有突出部的一个表面可以是平面或曲面。优选的是，复合材料A具有至少一个平面部并且突出部形成在该至少一个平面部上。优选的是，复合材料B也具有用于接合到复合材料A的突出部的平面部。优选的是，复合材料A和复合材料B两者都是片状材料。这些平面部可以轻微地弯曲，只要能够接合即可。优选的是，片状复合材料的厚度在0.1mm至10mm的范围内。然而，这样的复合材料的形状不限于上述形状。 [0076] 以下以片状复合材料为代表性实例来解释本发明的复合材料。 [0077] 关于复合材料，在碳纤维随机地分散地布置在平面内方向上的情况下，能够获得具有诸如强度和弹性的性质的大致非平面内各向异性。只要使用这样的复合材料并且结合表面与平面内方向平行，最终获得的接合体在单向强度方面就是优异的，并且在一些应用中是有利的。 [0078] <突出部> [0079] 具有突起形状的突出部形成在本发明的复合材料A的至少一个表面上，用于焊接到复合材料B的一个表面。该突出部优选为由与复合材料A相同的材料制成的突出部。 [0080] 突出部的形状的实例包括图1所示的复合材料1的突出部2的形状。 [0081] 本发明的突出部是具有不影响接合后的制品的形状和尺寸的尺寸，并且没有特别限制。其实例包括下列形状。 [0082] 对突出部的形状没有特别限制，并且其实例包括圆柱体、棱柱体、圆锥台、棱锥台、诸如半球的球形、以及与这些形状类似的形状。此外，突出部的形状可以由这些形状的组合构成，诸如，圆柱状、棱柱状、圆锥状、或端部为圆形(穹形的)的棱锥状。然而，诸如圆锥或棱锥的具有尖锐的末端的形状是不期望的，因为碳纤维不易存在在突出部的末端。 [0083] 在与相对材料(复合材料B)相接触的部位中的表面以柱状和圆锥的截头体形状存在的情况下，与接合部位相接触的部位的形状可以为圆形、椭圆形、多边形形状、或诸如由扇形代表的直线与曲线组合构成的形状。与相对材料(复合材料B)相接触的突出部的末端形状可以与复合材料B的接合部位具有相同的形状，因为这样的构造带来增大的接合面积，从而便于获得良好的接合强度。例如，优选的是，当复合材料B的接合部位为平面时，突出部的末端也为平面。当复合材料B的接合部位具有轻微曲面的形状时，优选的是，突出部的末端也具有相似的曲面形状。 [0084] 优选的是，突出部的基部的面积在0.25mm2至2,500mm2的范围内。在其面积在2 0.25mm 以上的情况下，该突出部易于含有碳纤维。因此，通过施加电流而接合变得容易，这是优选的。关于圆锥台或棱锥台横截面，接合到复合材料B的复合材料A的突出部的末端 2 2 的面积优选为0.1mm 以上。在突出部的末端表面的面积为0.1mm 以上的情况下，该突出部的末端易于包含碳纤维并且不易只包含热塑性树脂。因此，防止电阻增大，并且通过施加电流而接合变得容易。因此，这样的面积是优选的。此外，可以在每个接合部位中形成多个小 2 突起，在此情况下，优选地将每个接合部位的突起的末端的总面积调整为0.1mm 以上。 [0085] 对作为待接合表面的突起的一部分的面积没有特别限制。然而，从加热并焊接复合材料的角度，优选的是，突出部的末端的面积与待流过的电流之间具有如下关系：电流密2 2 度(＝(施加电流期间的电流值)/(用于接合的面积))为0.01A/mm 至100A/mm。电流 2 2 密度更优选为在0.01A/mm 至10A/mm 的范围内。 [0086] 对突出部的高度没有特别限制。然而，从容易接合的角度，其高度优选地在0.01mm至20mm的范围内。 [0087] 从可成型性的角度，突出部中的上升角优选地在0.1°至89.9°的范围内。 [0088] 突出部的优选实例包括每个边长为0.1至30mm并且高度为0.5至20mm的棱柱状突起、φ0.1至30(直径为0.1至30mm)并且高度为0.5至20mm的圆柱状突起等。 [0089] 突出部的特别优选实例包括每个边长为9mm并且高度为1mm的棱柱状突起、φ10(直径为10mm)并且高度为1mm的圆柱状突起等。 [0090] 尽管复合材料可以在其表面上具有一个突出部，但理所当然的是，复合材料可以具有两个以上的突出部。 [0091] [复合材料B] [0092] 本发明的复合材料B是包含热塑性树脂和碳纤维的构件。用于复合材料B的热塑性树脂和碳纤维的实例、其比率、制造方法等与上述关于复合材料A所述的那些相同。尤其是从生产效率的角度，在复合材料B中使用与复合材料A相同的热塑性树脂和相同的碳纤维是有利的。 [0093] 与复合材料A一样，复合材料B可以在其一个表面上具有突出部。在此情况下，突出部可以存在于复合材料B与复合材料A发生接触的一侧或存在于其相对侧，并且该突出部能够被用作与复合材料A接合的部位。 [0094] 对本发明使用的复合材料A和复合材料B的整体形状没有特别限制。复合材料A和复合材料B的形状可以是上述的片状，但不限于片状。其形状可以是板状。复合材料A和复合材料B的形状可以包括弯曲部。复合材料A和复合材料B的形状可以是具有T形、L形、U形或草帽形横截面，或者可以是包括这些形状的三维形状。本发明的复合材料的接合方法能够被应用于这样不同形状的复合材料。 [0095] [复合材料的接合方法] [0096] 本发明的优选的接合方法解释如下，但本发明不限于以下方法。 [0097] 图2示出用于解释本发明的接合方法的实施方式的示意图，该实施方式基于电阻焊。该示意图示出通过将复合材料A和复合材料B层叠成使得复合材料A的突出部面向内侧而准备的焊接部位。数字1表示碳纤维复合材料A，1’表示碳纤维复合材料B，4表示存在于复合材料A的一个表面上的突出部，而3表示电极。 [0098] 制备一对成形制品作为将被层叠并焊接的两个复合材料A和B。作为接合部位的突起形状(突出部)形成在作为两个成形制品中的一个的复合材料A的一个表面上。 [0099] (层叠步骤) [0100] 在本发明的接合方法中，将复合材料A和复合材料B层叠成使得复合材料A的突出部面向内侧。此时，复合材料B与复合材料A的突出部相接触。在本发明中，将复合材料A和复合材料B固定在复合材料A的突出部与复合材料B相接触的状态下。对固定没有限制，只要能够维持复合材料A的突出部与复合材料B相接触的状态即可。可以使用已知的固定手段用于固定。 [0101] 优选的是，压紧包括复合材料A的突出部与复合材料B相接触的部位的接合部位，以夹住接合部位。更优选的是，将复合材料A朝向复合材料B压紧并且将复合材料B朝向复合材料A压紧。在复合材料A和复合材料B为片状的情况下，优选在垂直于片的平面的方向，即在厚度方向上压紧接合部位。 [0102] (施加电流步骤) [0103] 随后，在本发明中，向接合部位施加电流。施加电流的优选方法为将复合材料A和复合材料B夹在一对电极之间并使电流在电极之间流通。尽管可以使用各种手段或装置进行固定、压紧和施加电流，但从简化工艺的角度，优选的是将复合材料夹置、固定并压紧在电极之间。优选的是利用电极压紧来进行复合材料的固定。在施加电流步骤中，优选的是，电流从复合材料A经由复合材料A的突出部流向复合材料B，或者电流从复合材料B经由复合材料A的突出部流向复合材料A。通过由施加电流所产生的热量来加热包括突出部的接合部位。在加热的接合部位中，复合材料A和复合材料B中的热塑性树脂的温度升高，立刻被熔化，并且焊接。随后，停止施加电流，复合材料保持被压紧直到接合部位充分冷却。热塑性树脂固化并且突出部已经变为大致扁平。由此，获得复合材料A和复合材料B相互接合的成形制品(接合体)。 [0104] 对接合方法没有限制，只要能够夹置复合材料A和复合材料B并且能够压紧接合部位并进行施加电流即可。在复合材料A的表面上存在多个突出部的情况下，使用多个突出部作为接合部位在多个点处将复合材料相互接合。由此，该方法能够应用于复杂形状和各种尺寸的复合材料。 [0105] 用于接合的电源可以是交流电源或直流电源。然而，当期望有效的加热时直流电源是优选的。 [0106] 对使用的电极材料和电极直径没有限制。然而，优选地将铜或铜合金用作电极材料。每个电极的直径优选为大约φ3(直径，3mm)至φ30(直径，30mm)。对电极的形状没有特别限制，其实例包括棒状电极或块状电极。 [0108] 接合期间流通的电流值的优选范围为1A至500A，其更优选的范围是1A至200A。其还更优选的范围是10A至200A。施加电流的时间优选为60秒以下，其实质下限为0.1秒。尽管对控制电量没有限制，但控制的实例包括使恒定的电流流通一定时间的方法、进行施加电流以便导致一定电量的方法等。施加的压紧压力优选为0.01MPa以上，实质条件为 1,000MPa以下的压紧压力。压紧压力可以是恒定的或者可以根据工艺增加或减小。 [0109] [接合体] [0110] 根据本发明，构成复合材料A的突出部的热塑性树脂被施加电流所产生的热量加热并在某种情况下熔化，从而将复合材料A一体地接合至复合材料B以获得接合体。作为接合的结果，突出部变平并且基本上消失，在获得的接合体的接合部位中基本上没有残留的突出部。然而，只要获得充足的接合强度，突出部也可以保留。在一些情况下，环绕突出部的区域也被加热并有助于接合。 [0111] 实施例 [0112] 以下将参考实施例来解释本发明，但本发明不限于下列实施例。评价结果示出在表1中。 [0113] [评价方法] [0114] (弹性测试) [0115] 生产十个接合体并且使用由Instron Corp.制造的作为安装在地板上的并且具有300kN的容量的广泛测试机5578、根据JIS K6850(1999)进行拉伸剪切测试。拉伸速度为 1mm/min。由获得的十个数据计算断裂负载的平均值和标准偏差。在使用尼龙6作为基质树脂(实施例1至3和6至9)复合材料中，以下列为基础对每个接合体是否可以接受进行判定。 [0116] ○：(拉伸剪切测试中断裂负载的平均值)－3×(拉伸剪切测试中断裂负载的标准偏差)为3kN以上 [0117] ╳：(拉伸剪切测试中断裂负载的平均值)－3×(拉伸剪切测试中断裂负载的标准偏差)小于3kN [0118] (碳纤维束) [0119] 包含在复合材料中的碳纤维束(A)的比率以下列方式确定。 [0120] 将复合材料切割至100mm×100mm的尺寸，并且将切割片在500℃的烘箱中加热约1小时以完全除去树脂。随后，用镊子从抽出全部纤维束，确定纤维束的数量(I)以及每个纤维束的长度(Li)和质量(Wi)。太小而无法使用镊子抽出的纤维束最后放在一起并进行质量(Wk)测量。对于质量测量来说，使用能够测量至1/100mg的天平。 [0121] 在测量之后，进行下列计算。由所使用的碳纤维的纤度(F)利用下式确定每个纤维束中的纤维数量(Ni)。 [0122] 纤维数量(Ni)＝Wi/(Li×F) [0123] 碳纤维束(A)中的平均纤维数量(N)，通过下式来确定。 [0124] N＝ΣNi/I [0125] 此外，由纤维的密度(ρ)，通过下式来确定碳纤维束(A)与所有纤维的比率(VR)。 [0126] VR＝Σ(Wi/ρ)×100/((Wk+ΣWi)/ρ) [0127] [参考例1：复合材料的制造] [0128] 将碳纤维束(“Tenax”(注册商标)STS4024K，由Toho Tenax制造；平均纤维直径，7μm)切割成使得平均纤维长度为20mm。将切割的纤维手工随机并分散地布置成使得单位 2 面积纤维重量为980g/m，将被处理成粉末状的、Unichika，Ltd.制造的Unichika尼龙6用作基质树脂。随后将碳纤维和树脂设置在尺寸为200mm×200mm的扁平模具中，以便使得碳纤维的比率为45质量％和35vol％。将纤维和树脂在250℃的温度下和10MPa的压制压力下保持10分钟，将模具冷却以获得复合材料。如此获得的复合材料的厚度为1.6mm。从复合材料切割出各自长度为100mm、宽度为25mm并且厚度为1.6mm的板。 [0129] 在获得的复合材料中，纤维随机定向并且分散在平面内方向上。复合材料在该方向上大致是各向同性的。 [0130] 在该复合材料中，临界单纤维数为86，由临界单纤维数以上的碳纤维构成的碳纤维束(A)的比率为35％。平均纤维数量为240。 [0131] [参考例2：在接合表面上具有圆形突出部的复合材料的制造] [0132] 将碳纤维束(“Tenax”(注册商标)STS4024K，由Toho Tenax制造；平均纤维直径，7μm)切割成使得平均纤维长度为20mm。随后，将切割的纤维手工随机并分散地布置成使 2 得单位面积纤维重量为980g/m，将被处理成粉末状的、Unichika，Ltd.制造的Unichika尼龙6用作基质树脂。随后将碳纤维和树脂设置在尺寸为200mm×200mm的扁平模具中，以便使得碳纤维的比率为45质量％和35vol％。将纤维和树脂在250℃的温度下和10MPa的压制压力下保持10分钟，将模具冷却以获得复合材料。如此获得的复合材料的厚度为1.6mm。 从复合材料切割出各自长度为100mm、宽度为25mm并且厚度为1.6mm的板。使用具有特定尺寸的突出部的模具制造该复合材料，从而形成如图1所示的圆柱状突起。突出部的形状为φ10(直径，10mm)的高度为1mm圆柱状(接合表面为圆形)。突出部位于在长度方向上远离一端15mm并且在宽度方向为中心的位置处。 [0133] 在获得的复合材料中，纤维随机定向并且分散在平面内方向上。复合材料在该方向上大致是各向同性的。 [0134] 在该复合材料中，临界单纤维数为86，由临界单纤维数以上的碳纤维构成的碳纤维束(A)的比率为34％。平均纤维数量为266。 [0135] [参考例3：在接合表面上具有矩形突出部的复合材料的制造] [0136] 以与参考例2相同的方式制造复合材料，区别在于每个边长为9mm的矩形棱柱状突出部设置到接合表面以代替参考例2中的圆柱状突出部形成。突出部的高度为1mm。 [0137] 在该复合材料中，临界单纤维数为86，由临界单纤维数以上的碳纤维构成的碳纤维束(A)的比率为34％。平均纤维数量为266。 [0138] [比较例1] [0139] (接合) [0140] 准备根据参考例1制造的两个相同的复合材料并沿宽度方向装准成复合材料在从长度方向上的一端到距其25mm的范围内相互重叠。将重叠部分的大致中央区域以3kN的压紧压力夹在φ14(直径，14mm)的铜电极之间。随后，使50A的电流在电极之间流通3秒，并且随后将接合部位保持被压紧直至接合部位冷却至大约室温，以获得接合体。该操作2 中的电流密度设定为0.33A/mm。 [0141] (评价) [0142] 结果示出在表1中，检测接合体的拉伸剪切强度。结果，破裂负载平均为3.9kN，标准偏差为1.43kN。接合体的接合位点被分离并检测。结果，在插置在电极中央的直径大2 约为25mm的区域内分散地观察到3至5个小点(每个面积为5至50mm 的圆形或椭圆形点)，被认为基质树脂在该点处被焊接以接合复合材料。据认为，比较例1中获得的复合材料被以通过热熔融胶合形成的接合部位保持不稳定的状态被接合。 [0143] [实施例1] [0144] (接合) [0145] 准备一个根据参考例1制造的复合材料和一个根据参考例2制造的复合材料，并沿宽度方向装准成复合材料在从长度方向上的一端到距其25mm的范围内相互重叠。此时，根据参考例2制造的形成有突出部的复合材料被布置成使得突出部面向接合侧。将包括突出部的接合部位以3kN的压紧压力夹在φ14的铜电极之间。随后，使50A的电流在电极之间流通3秒，并且随后将接合部位保持被压紧直至接合部位冷却至大约室温。由此获得接合体。突出部消失并且变平。该操作中的电流密度[(施加电流期间的电流值)/(突出部2 中接合表面的面积)]设定为0.63A/mm。 [0146] (评价) [0147] 检测获得的接合体的拉伸剪切强度。结果，破裂负载平均为4.4kN，标准偏差为0.186kN。结果示出在表1中。 [0148] [实施例2] [0149] (接合) [0150] 准备一个根据参考例1制造的复合材料和一个根据参考例3制造的复合材料，并沿宽度方向装准成复合材料在从长度方向上的一端到距其25mm的范围内相互重叠。此时，根据参考例3制造的形成有突出部的复合材料被布置成使得突出部面向接合侧。将包括突出部的接合部位以3kN的压紧压力夹在φ14的铜电极之间。随后，使50A的电流在电极之间流通3秒，并且随后将接合部位保持被压紧直至接合部位冷却至大约室温。由此获得接2 合体。突出部消失并且变平。该操作中的电流密度设定为0.62A/mm。 [0151] (评价) [0152] 检测获得的接合体的拉伸剪切强度。结果，破裂负载平均为4.1kN，标准偏差为0.206kN。结果示出在表1中。 [0153] [实施例3] [0154] (接合) [0155] 以与实施例1相同的方式获得接合体，区别在于准备一个根据参考例1制造的复合材料和一个根据参考例2制造的复合材料并将其层叠，并且电极直径为φ16(直径，16mm)。 [0156] (评价) [0157] 检测获得的接合体的拉伸剪切强度。结果，破裂负载平均为3.9kN，标准偏差为0.234kN。 [0158] [实施例4] [0159] (没有突出部的复合材料的制造) [0160] 将切割至平均纤维长度为20mm的碳纤维(“Tenax”(注册商标)STS4024K，由Toho Tenax制造；平均纤维直径，7μm)手工随机并分散地布置成使得单位面积纤维重量为2 980g/m。将被处理成粉末状的、96质量％的由Prime Polymer制造的Prime Polypro J108M和4质量％的由Toyobo Co.，Ltd.制造的马来酸酐改性的聚丙烯ToyotacPMAH1000P的共混物，用作基质树脂。随后将碳纤维和基质树脂设置在尺寸为200mm×200mm的扁平模具中，以便使得碳纤维的比率为52质量％和35vol％。将纤维和树脂在190℃的温度下和10MPa的压制压力下保持10分钟，将模具冷却以获得复合材料。如此获得的复合材料的厚度为 1.6mm。从复合材料切割出各自长度为100mm、宽度为25mm并且厚度为1.6mm的板。 [0161] 在获得的复合材料中，纤维随机定向并且分散在平面内方向上。复合材料在该方向上大致是各向同性的。 [0162] (在接合表面上具有圆形突出部的复合材料的制造) [0163] 将切割至平均纤维长度为20mm的碳纤维(“Tenax”(注册商标)STS4024K，由Toho Tenax制造；平均纤维直径，7μm)手工随机并分散地布置成使得单位面积纤维重量为2 980g/m。将被处理成粉末状的、96质量％的由Prime Polymer制造的Prime Polypro J108M和4质量％的由Toyobo Co.，Ltd.制造的马来酸酐改性的聚丙烯ToyotacPMAH1000P的共混物，用作基质树脂。随后将碳纤维和基质树脂设置在尺寸为200mm×200mm的扁平模具中，以便使得碳纤维的比率为52质量％和35vol％。将纤维和树脂在190℃的温度下和10MPa的压制压力下保持10分钟，将模具冷却以获得复合材料。如此获得的复合材料的厚度为 1.6mm。从复合材料切割出各自长度为100mm、宽度为25mm并且厚度为1.6mm的板。使用具有特定尺寸的突出部的模具制造该复合材料，从而形成如图1所示的突出部。突出部的形状为φ10(直径，10mm)的高度为1mm圆柱状(接合表面为圆形)。突出部位于在长度方向上远离一端15mm并且在宽度方向为中心的位置处。 [0164] 在获得的复合材料中，纤维随机定向并且分散在平面内方向上。复合材料在该方向上大致是各向同性的。 [0165] (接合) [0166] 准备上述复合材料和上述具有圆形突出部的复合材料，并沿宽度方向装准成复合材料在从长度方向上的一端到距其25mm的范围内相互重叠。此时，形成有突出部的复合材料被布置成使得突出部面向接合侧。将包括突出部的接合部位以3kN的压紧压力夹在φ14铜电极之间。随后，使25A的电流在电极之间流通3秒，并且随后将接合部位保持被压紧直至接合部位冷却至大约室温。由此获得接合体。突出部消失并且变平。该操作中的电流密2 度设定为0.32A/mm。 [0167] (评价) [0168] 检测获得的接合体的拉伸剪切强度。结果，破裂负载平均为2.0kN，标准偏差为0.113kN。 [0169] [实施例5] [0170] (没有突出部的复合材料的制造) [0171] 将切割至平均纤维长度为20mm的碳纤维(“Tenax”(注册商标)STS4024K，由Toho Tenax制造；平均纤维直径，7μm)手工随机并分散地布置成使得单位面积纤维重量2 为980g/m。将被处理成粉末状的、由SABIC制造的VALOX树脂(包含聚对苯二甲酸丁二酯的树脂)用作基质树脂。随后将碳纤维和基质树脂设置在尺寸为200mm×200mm的扁平模具中，以便使得碳纤维的比率为52质量％和35vol％。将纤维和树脂在250℃的温度下和 10MPa的压制压力下保持10分钟，将模具冷却以获得复合材料。如此获得的复合材料的厚度为1.6mm。从复合材料切割出各自长度为100mm、宽度为25mm并且厚度为1.6mm的板。 [0172] 在获得的复合材料中，纤维随机定向并且分散在平面内方向上。复合材料在该方向上大致是各向同性的。 [0173] (在接合表面上具有圆形突出部的复合材料的制造) [0174] 将切割至平均纤维长度为20mm的碳纤维(“Tenax”(注册商标)STS4024K，由Toho Tenax制造；平均纤维直径，7μm)手工随机并分散地布置成使得单位面积纤维重量2 为980g/m。将被处理成粉末状的、由SABIC制造的VALOX树脂(包含聚对苯二甲酸丁二酯的树脂)用作基质树脂。随后将碳纤维和基质树脂设置在尺寸为200mm×200mm的扁平模具中，以便使得碳纤维的比率为52质量％和35vol％。将纤维和树脂在250℃的温度下和 10MPa的压制压力下保持10分钟，将模具冷却以获得复合材料。如此获得的复合材料的厚度为1.6mm。从复合材料切割出长度各自为100mm、宽度为25mm并且厚度为1.6mm的板。使用具有特定尺寸的突出部的模具制造该复合材料，从而形成如图1所示的突出部。突出部的形状为φ10(直径，10mm)的高度为1mm圆柱状(接合表面为圆形)。突出部位于在长度方向上远离一端15mm并且在宽度方向为中心的位置处。 [0175] 在获得的复合材料中，纤维随机定向并且分散在平面内方向上。复合材料在该方向上大致是各向同性的。 [0176] (接合) [0177] 准备上述复合材料和上述具有圆形突出部的复合材料，并沿宽度方向装准成复合材料在从长度方向上的一端到距其25mm的范围内相互重叠。此时，形成有突出部的复合材料被布置成使得突出部面向接合侧。将包括突出部的接合部位以3kN的压紧压力夹在φ14铜电极之间。随后，使25A的电流在电极之间流通3秒，并且随后将接合部位保持被压紧直至接合部位冷却至大约室温。由此获得接合体。突出部消失并且变平。该操作中的电流密2 度设定为0.32A/mm。 [0178] (评价) [0179] 检测获得的接合体的拉伸剪切强度。结果，破裂负载平均为3.1kN，标准偏差为0.140kN。 [0180] [实施例6] [0181] (接合) [0182] 准备一个根据参考例1制造的复合材料和一个根据参考例2制造的复合材料，并沿宽度方向装准成复合材料在从长度方向上的一端到距其25mm的范围内相互重叠。此时，根据参考例2制造的形成有突出部的复合材料被布置成使得突出部面向接合侧。将包括突出部的接合部位以3kN的压紧压力夹在φ14铜电极之间。随后，使25A的电流在电极之间流通3秒，并且随后将接合部位保持被压紧直至接合部位冷却至大约室温。由此获得接合2 体。突出部消失并且变平。该操作中的电流密度设定为0.32A/mm。 [0183] (评价) [0184] 检测获得的接合体的拉伸剪切强度。结果，破裂负载平均为4.2kN，标准偏差为0.169kN。 [0185] [实施例7] [0186] (接合) [0187] 准备一个根据参考例1制造的复合材料和一个根据参考例3制造的复合材料，并沿宽度方向装准成复合材料在从长度方向上的一端到距其25mm的范围内相互重叠。此时，根据参考例3制造的形成有突出部的复合材料被布置成使得突出部面向接合侧。将包括突出部的接合部位以3kN的压紧压力夹在φ14铜电极之间。随后，使25A的电流在电极之间流通3秒，并且随后将接合部位保持被压紧直至接合部位冷却至大约室温。由此获得接合2 体。突出部消失并且变平。该操作中的电流密度设定为0.31A/mm。 [0188] (评价) [0189] 检测获得的接合体的拉伸剪切强度。结果，破裂负载平均为4.0kN，标准偏差为0.199kN。 [0190] [实施例8] [0191] (接合) [0192] 准备两个根据参考例2制造的复合材料并将其层叠，使得两个复合材料的突出部相互接触。更具体的将两个复合材料沿宽度方向装准成使得两个复合材料的突出部的圆形接合表面相互接触并且使得复合材料在从长度方向上的一端到距其30mm的范围内相互重叠。将包括突出部的接合部位以3kN的压紧压力夹在φ14铜电极之间。随后，使25A的电流在电极之间流通3秒，并且随后将接合部位保持被压紧直至接合部位冷却至大约室温。2 由此获得接合体。突出部消失并且变平。该操作中的电流密度设定为0.32A/mm。 [0193] (评价) [0194] 检测获得的接合体的拉伸剪切强度。结果，破裂负载平均为4.6kN，标准偏差为0.238kN。 [0195] [实施例9] [0196] (具有圆锥台形状的突出部的复合材料的制造) [0197] 将切割至平均纤维长度为20mm的碳纤维(“Tenax”(注册商标)STS4024K，由Toho Tenax制造；平均纤维直径，7μm)手工随机并分散地布置成使得单位面积纤维重量为2 980g/m。将被处理成粉末状的、由Unichika Ltd.制造的Unichika尼龙6用作基质树脂。 随后将碳纤维和基质树脂设置在尺寸为200mm×200mm的扁平模具中，以便使得碳纤维的比率为52质量％和35vol％。将纤维和树脂在250℃的温度下和10MPa的压制压力下保持 10分钟，将模具冷却以获得复合材料。如此获得的复合材料的厚度为1.6mm。从复合材料切割出各自长度为100mm、宽度为25mm并且厚度为1.6mm的板。使用具有特定尺寸的突出部的模具制造该复合材料，从而形成圆锥台形状的突出部。突出部的形状为高度为1mm并且基部的形状为φ12(直径，12mm)的圆锥台，并且圆锥台的横截面中的基部与在垂直方向上从该基部上升的方向之间的角度为45度。突出部位于在长度方向上远离一端15mm并且在宽度方向为中心的位置处。 [0198] 在获得的复合材料中，纤维随机定向并且分散在平面内方向上。复合材料在该方向上大致是各向同性的。 [0199] (接合) [0200] 准备一个根据参考例1制造的复合材料和一个上述具有圆锥台形状的突出部的复合材料，并沿宽度方向装准成复合材料在从长度方向上的一端到距其25mm的范围内相互重叠。此时，形成有突出部的复合材料被布置成使得突出部面向接合侧。将包括突出部的接合部位以3kN的压紧压力夹在φ14铜电极之间。随后，使25A的电流在电极之间流通3秒，并且随后将接合部位保持被压紧直至接合部位冷却至大约室温。由此获得接合体。突 2 出部消失并且变平。该操作中的电流密度设定为0.31A/mm。 [0201] (评价) [0202] 检测获得的接合体的拉伸剪切强度。结果，破裂负载平均为4.2kN，标准偏差为0.255kN。 [0203] 表1 [0204] [0205] 如上所述，通过本发明的接合方法获得的接合体是以突出部作为接合部位将复合材料坚固地相互接合的接合体。此外，经历热熔融胶合的接合位点及其强度稳定，并且经过拉伸剪切强度的检测，接合体的断裂负载的标准偏差的值小。据推测，其原因是由于施加电流的区域有限或者是碳纤维在平面内方向上定向。然而其详细原因尚不清楚。 [0206] 工业应用型 [0207] 根据本发明，能够提供一种方法，通过该方法，能够容易地将包含热塑性树脂和碳纤维的复合材料相互接合，以获得高接合强度。 [0208] 在本发明中，具有突起形状的突出部形成在包含热塑性树脂和碳纤维的复合材料的接合部位上，并且向包括突出部的接合部位施加电流以对其产生热量。结果，能够容易地焊接复合材料。 [0210] 本申请基于2011年12月27日提交的日本专利申请(申请号2011-285610)，其内容通过引用并入本文。 |
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