[发明专利]铝合金复合体及其接合方法

说明书

本申请是申请号为200880008157.1、国际申请日为2008年3月12日、发明名称为“铝合金复合体及其接合方法”的发明申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及在运输机械、电气设备、医疗设备、一般机械、其他产业机械、或民生设备等中使用的金属和金属、或金属和树脂的接合方法，其复合体及它们的制造方法。更详细而言，涉及在汽车部件、航空器部件等构成要求轻量化的运输机械的部件中，将最合适的铝合金部件和树脂制部件双方一体化而使用的铝合金复合体和其接合方法。

背景技术

就航空器而言，近来由于能源价格的高涨而要求其有进一步的技术革新。即，在波音公司（美国）、空中客车公司（法国）新发表的新型机、新型机构想中，为了机体的轻量化，超超级杜拉铝（以下，按照日本工业标准（JIS）为“A7075”）、超级杜拉铝（以下，按照日本工业标准（JIS）为“A2024”）等铝合金的使用率在急速减少，根据其减少量，碳纤维强化塑料（以下将Carbon-Fiber Reinforced Plastic简称为“CFRP”）的使用率在增加。

“A7075”（超超级杜拉铝）是铝合金的一种，其比重为2.7左右，但CFRP的比重为1.6～1.7，其轻量化是无法比拟的。以前，高使用率地将CFRP用作航空器材料，主要是用于战斗机或战斗直升机等军事用途，作为民用航空器用材料的使用，需要开发用于制造大型部件的经验技术，以及成本方面的大小也有影响，不如期待的那样有进展。尽管CFRP具有轻量化、高强度、高耐腐蚀性，但在民需用途方面还未被应用。但是，近来，在上述两家有实力的民营飞机制造公司的研究开发的基础上，由于原油价格高涨且居高不下，从使用材料方面出发，不得不研究机体的轻量化。

汽车业界也需要面对原油高涨和环境问题，混合动力车、电力汽车、欧洲的高性能柴油车等的开发在进展，期待将来会普及能量转换效率最高的燃料电池车。燃料电池的开发有飞跃性发展，但用于汽车的最大问题在于，如何安全顺利地进行燃料氢的处理，仍是很费脑筋的问题。在民需用途方面，安全第一，对于将一般人操作搭载有数百气压的氢气的车日常化，障碍过大。因此，现行的液体燃料系统目前还不会改变。基于这种情况，实际上除了动力系统的改进之外，车体结构的轻量化是重要的。实际上，在一部分车型中正在进行铝合金材料的多用途化，预测CFRP化在将来必然成为课题。

于是，关于航空器制造，为了提高CFRP材料的使用率，除了因高价CFRP的使用导致的材料费升高之外，还存在技术问题。问题之一是，在已经决定批量生产的最新的空中客车、波音两公司制航空器中，铝合金的使用率以重量比计预测为50％以上，共用CFRP材料和A7075材料两种材料。接近机翼端的部分使用CFRP材料，机体的中心结构部分如以往那样使用A7075材料等。通常在两者的结合中因铆钉或螺栓螺母而需要特殊的物件。

这是因为，CFRP材料和金属在其基本物性方面有较大差异。金属材料的伸长（牵拉断裂伸展：Elongation）大，即使是A7075的伸长也为10～16％，但CFRP的伸长仅为数％。当向这些材料施加较强的牵拉力时，金属材料在某种程度的力内发生弹性伸缩（按照杨氏模量进行与力成比例的伸缩），但施加超过该限度的力时，超过杨氏模量而伸长，在A7075材料中，以原始长度为100％，在达到110～116％时断裂。而在CFRP材料中，是沿着与纤维平行的方向牵拉的情况，但碳纤维自身的伸长仅为1～2％，在施加超过基于杨氏模量的伸缩范围的较大牵拉载荷时，碳纤维断开，CFRP被撕裂。总之，就CFRP而言，自身伸长来吸收力的范围小。

不仅在牵拉中如此，而且对于压碎力（压缩力）也是一样。即，在用螺栓螺母紧固的情况下，即便是压缩力超过限度的情况，金属自身也能发生变形而免于被破坏，而在使CFRP负载压缩载荷的情况下，该力首先由固化环氧树脂承受，当施加过度的挤压力时，环氧树脂向周边伸长而变形，尽管如此，伸长被碳纤维限制而不动，在无法变形的情况下导致断裂。

总之，设置贯通CFRP的贯通孔，向其中插入螺栓，已旋入该螺栓的螺母以过度的扭矩紧固时，该CFRP被压缩而断裂。这两者的物性的较大差异，是由原子的金属键形成的金属部件、碳原子等的共价键形成的环氧树脂或碳纤维的本质差异引起的，所以改进其物性自身的手段基本上不存在。因此，为了用螺栓螺母方式将两者紧固而固定，只有不施加过度的力来防止CFRP侧的断裂，只能为此开发特殊的螺栓螺母来使用。据说，正在进行该螺栓结构开发的企业的成功，会推动近来的民用航空器的开发竞争。