Strengthening of Aluminum Foam through Resin Coating

樹脂コーティングによる
発泡アルミニウムの強化
北 薗 幸 一 首都大学東京
発泡アルミニウムは超軽量構造材料として期待されているが、強度が低い
ことが実用化の妨げとなっている。本稿では、発泡アルミニウムに簡便な
樹脂コーティングを施すことにより、強度を向上させる手法について解説
する。
1．はじめに
内部に多数の気孔を有するポーラス金属は、次世
筆者は、できるだけ簡便かつ低コストな発泡アル
代の軽量構造材料として注目されている。特にク
ミニウムの新しい強化法として、発泡アルミニウム
ローズドセル型発泡アルミニウムは、自動車のク
の表面に着目した。一般に発泡アルミニウムの圧縮
ラッシュボックス等への応用が検討されている 。
変形において、ほぼ一定の圧縮応力で変形が進行す
しかしながら、発泡アルミニウムは、既存の構造用
る特徴的なプラトー領域が出現する。これは、内部
アルミニウム合金と異なり、そのセル壁は純アルミ
のセルが不均一かつ連続的に座屈するためである。
ニウムで成り立っている。また、セル構造を破壊す
このとき、発泡アルミニウムの表面の開気孔部分か
るため鍛造加工が不可能であり、結果としてその強
ら局所的な座屈が発生する。したがって、表面の開
1）
度は著しく低い。発泡アルミニウムの実用化には、
気孔部分の局所座屈を抑制できれば、強度を増加さ
その強度向上が不可欠である。
せることができると考えられる。
発泡アルミニウムの強度を向上させる手法として、
発泡アルミニウムの表面状態が、機械的特性に及
（ i ）板材とのサンドイッチ構造や管材への充填に
ぼす影響の例として、スキンが挙げられる。スキン
よる複合化
2）
ニウムの層であるが、同じ密度で比較しても、スキ
といった手法が提案されている。（ i ）の場合、表皮
ンを有する発泡アルミニウムの強度は、スキンなし
に緻密材料を接合することにより、強度および曲げ
のものよりずっと高いことが知られている。これは、
剛性の上昇が期待されるが、部材の形状が、板や管
スキンの存在により表面の開気孔が失われ、結果と
といった単純形状に限定されるといった問題も発生
して局所座屈が抑制されたためである。したがって、
する。また緻密材料の割合に応じて重量も増加する。
筆者は、発泡アルミニウムの表面に対してスキンと
（ii）の場合、既存のアルミニウム合金と同様の固溶
強化や析出強化が期待されるが、合金元素の添加に
より、溶湯の融点、粘性が変化するため、発泡プロ
セスの制御が難しくなるといった問題も発生する。
20
とは、発泡中に形成される最も外側の緻密なアルミ
（ii）合金元素の添加によるセル壁の強化 3）
SOKEIZAI
Vol.53（2012）No.2
同様な処理、つまり樹脂コーティングを施すことに
より、発泡アルミニウムの強度向上を試みた。
特集 ポーラス材料の成形技術
2．樹脂コーティング
4）
市販の神鋼鋼線工業製発泡アルミニウム（ALPORAS）
グされたものよりも約 10％高かった。樹脂コーティ
3
を実験に用いた。インゴットから 30 × 30 × 45 mm
ングされた発泡アルミニウム試験片の例を写真 1 に
の直方体試験片を精密切断機により切り出した。樹
示す。樹脂は直方体の 4 つの側面にコーティングさ
脂コーティング前のかさ密度を ρ *0 とすると、初期気
れており、開気孔部分のみに充填された。光学顕微
孔率
鏡観察により、接合不良は観察されなかったため、
は、
＝1-
エポキシ樹脂とセル壁は、強固に接合されていると
ρ *0
ρS
（1）
考えられる。
と表される。ここで ρ S はセル壁のアルミニウムの密
度である。本研究では、
すべて、
気孔率が ＝ 90 ± 1 ％
の発泡アルミニウムを用いた。
樹脂コーティング用の樹脂として、価格、粘性、
強度の観点から、航空宇宙用炭素繊維強化複合材
料としても用いられるエポキシ樹脂を選択した。本
研究では、エポキシ樹脂として丸本ストルアス製の
Epofix を用いた。密度は、ρ R ＝ 1.15 Mg/m3 である。
樹脂コーティングされた発泡アルミニウム中の樹脂
気孔
気孔
体積分率 θ は、
ρ *θ -ρ *0
θ＝ ρR
θ
（2）
樹脂
樹脂
と定義される。ここで ρ *θ は樹脂コーティング後の
発泡アルミニウムのかさ密度である。
樹脂コーティングは、主に大気中でエポキシ樹脂
を発泡アルミニウム試験片に塗布することにより行
われたが、樹脂体積分率を高めるために、一部、真
空含浸処理も施された。真空含浸された発泡アルミ
ニウムの樹脂体積分率は、大気中で樹脂コーティン
写真 1 （a）側面に樹脂コーティングした発泡アルミニウ
ム試験片の外観写真。試験片サイズは、30 × 30
3
× 45 mm 。（b）エポキシ樹脂を充填された開気
孔部分の拡大写真。
3．室温圧縮特性
20
-4
3
（θ＝0％）
、
× 10-4s-1 とした。図 1 に樹脂コーティング前
ルミニウムの圧縮応力 - ひずみ曲線を示す。初期最
大圧縮応力は樹脂体積分率が増加するにつれて著し
く増加した。この結果より、樹脂コーティングは、
発泡アルミニウムの圧縮強度向上に極めて有効であ
15
圧縮応力 / MPa
樹脂コーティング後（θ＝21.1 and 31.7％）の発泡ア
サイズ: 30X30X45 mm
θ = 31.7 %
10
5
ることがわかった。一方、樹脂コーティングにより
発泡アルミニウム特有のプラトー領域が失われ、脆
性的な発泡アルミニウム特有の変形が見られた。
-1
初期ひずみ速度: 5.5X10 s
圧縮試験は室温で行われ、初期ひずみ速度を 5.5
θ = 21.1 %
0
θ=0%
0
10
20
30 40 50 60
圧縮ひずみ (%)
70
80
図 1 樹脂コーティングされた発泡アルミニウムの室温圧
縮試験結果。破線は未コーティングの発泡アルミニ
ウム。
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SOKEIZAI
21
20
(a)
圧縮強度, σC / MPa
15
図 2（a）に発泡アルミニウムの圧縮強度を樹脂体
図 2（b）に圧縮強度をかさ密度で割った比圧縮強
積分率に対してプロットした。樹脂体積分率に比例
度を樹脂体積分率に対してプロットした。樹脂によ
10
して圧縮強度は増加し、40％樹脂コーティングされ
る重量増加を差し引いても強度は樹脂体積分率の増
た発泡アルミニウムは、未コーティングのものと比
加に伴い増加した。したがって、樹脂コーティング
5
較して 8 倍の圧縮強度を有していた。この結果は、
処理は、重量増加を抑制しつつ発泡アルミニウムの
樹脂による複合強化だけでは説明できず、開気孔部
大幅な強化に有効であることがわかった。
3
分に充填されたエポキシ樹脂が局所座屈の発生を抑
0
制したためと考えられる。
25
(a)
10 15 20 25 30
樹脂体積分率, θ (%)
5
10
5
25
40
(b)
15
10
3
0
35
20
比圧縮強度,
圧縮強度, σC / MPa
15
0
σC/ρ*θ / MPa (Mgm-3)-1
20
サイズ: 30X30X45 mm
3
サイズ: 30X30X45 mm
0
5
10 15 20 25 30
樹脂体積分率, θ (%)
35
40
5
サイズ: 30X30X45 mm
0
10 15 20 25 30
樹脂体積分率, θ (%)
5
35
40
（a）圧縮強度 （b）比圧縮強度 (b)
図 2 樹脂体積分率に対してプロットされた
σC/ρ*θ / MPa (Mgm-3)-1
20
比圧縮強度,
4．室温引張特性
15
3
圧縮試験だけでなく樹脂コーティングの有効性を
2.5
3
サイズ: 30X30X45 mm
した。試験片の形状は、圧縮試験と同じとし、アラ
5
0
5
10
15
20
25
30
35
ルダイト接着剤を用いて引張治具と接合した。
樹脂体積分率, θ (%)
40
引張試験で得られた引張応力 - ひずみ曲線を図 3
に示す。26.5％樹脂コーティングされた発泡アルミ
ニウムの引張強度は、未コーティングのものの約 2
倍であった。しかしながら、圧縮強度に比べて、増
加の割合は小さかった。これは、引張では座屈では
なく引張破断により、セル壁が破壊するため、樹脂
コーティングの寄与が小さかったと考えられる。
引張応力 / MPa
10
引張試験においても確認するため、室温引張試験を
行った。ここでクロスヘッド速度を 0.5 mm/min と
サイズ: 30X30X45 mm3
引張速度: 0.5 mm/min
θ = 26.5 %
2
1.5
1
θ=0%
0.5
0
0
2
4
6
8
10
引張ひずみ (%)
図 3 樹脂コーティングされた発泡アルミニウムの室温引
張試験結果。クロスヘッド速度は 0.5 mm/min。
5．高温圧縮特性
22
エポキシ樹脂は、高温で強度が低下するため、樹
で高温圧縮試験した。ここで試験片をオイルバス中
脂コーティングされた発泡アルミニウムの強度も温
で加熱保持した。圧縮応力 - ひずみ曲線を図 4 に示
度に依存すると考えられる。そこで樹脂体積分率
す。50℃では、樹脂体積分率の増加とともに圧縮強
が θ ＝0-28.6％の発泡アルミニウムを 50℃と 100℃
度が増加したが、100℃では、樹脂体積分率 21.3％と
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特集 ポーラス材料の成形技術
26.1％でほとんど同じ圧縮強度であった。図 5 にそ
15
15
(a) 50℃
れぞれの温度における圧縮強度を樹脂体積分率に対
mm3
(a)30X30X45
50℃
してプロットした。50℃では樹脂コーティングによ
30X30X45 mm3
り、発泡アルミニウムは強化されるが、100℃では、
圧縮応力
/ MPa
圧縮応力
/ MPa
10
樹脂コーティングの影響がほとんど消失することが
θ = 28.6 %
10
わかる。これは 100℃を超えるとエポキシ樹脂が軟
θ = 28.6 %
化するためである。高温圧縮試験結果より、高温環
5
境下で発泡アルミニウムを使用する場合、ポリイミ
5
ド等の耐熱樹脂を用いてコーティングする必要があ
θ = 21.1 %
θ = 21.1 %
θ=0%
10 20 30 40 50 60 70
0
0 10 20 圧縮ひずみ (%)
30 40 50 60 70
圧縮ひずみ (%)
15
0
0
15
ることがわかった。
θ=0%
80
80
15
(b) 100℃
3
サイズ: 30X30X45 mm
mm3
(b)30X30X45
100℃
3
30X30X45 mm
圧縮強度, σC / MPa
圧縮応力
�/ MPa
圧縮応力
�/ MPa
10
10
10
θ = 21.3 %
5
θ = 21.3 %
5
θ = 26.1 %
θ = 26.1 %
0
0
50℃
5
100℃
θ=0%
θ=0%
0
10
0
10
20
30 40 50 60
20 圧縮ひずみ (%)
30 40 50 60
圧縮ひずみ (%)
70
80
70
80
図 4 （a）50 ℃および（b）100 ℃のオイルバス中におけ
る樹脂コーティングされた発泡アルミニウムの圧縮
試験結果。
0
0
5
10 15 20 25 30
樹脂体積分率, θ (%)
35
40
図 5 樹脂体積分率による発泡アルミニウムの高温圧縮強
度の変化。
6．おわりに
代表的なポーラス金属である発泡アルミニウムの
参考文献
強度を簡便かつ低コストで向上させる手法として、
1 ）J. Baumeister, J. Banhart and M. Weber: Mater. Design,
樹脂コーティング処理を試みた。エポキシ樹脂を表
面にコーティングし、開気孔部分に充填することに
より、圧縮強度が著しく増加した。これは、表面か
らの局所座屈が抑制されたためである。更に樹脂は
低密度であるため、圧縮強度だけでなく比圧縮強度
も向上した。樹脂コーティングは、引張条件また
18, 217（1997）.
2 ）H. -W. Seeliger: Adv. Eng. Mater., 4, 753（2002）.
3 ）T. Miyoshi, S. Hara, T. Mukai and K. Higashi: Mater.
Trans., 42, 2118（2001）.
4 ）T. Miyoshi, M. Itoh, S. Akiyama and A. Kitahara: Adv.
Eng. Mater., 2, 179（2000）.
50℃までの高温環境でも発泡アルミニウムの強化に
有効であった。
樹脂コーティングは、曲面にも容易に適用可能で
あり、また塗装の際の下地としても活用できる。こ
首都大学東京 大学院システムデザイン研究科
のように発泡アルミニウムへの樹脂コーティング処
〒 191-0065 日野市旭が丘 6-6
TEL. 042-585-8679 FAX. 042-583-5119
http://www.aerospace.sd.tmu.ac.jp/materials/
理は、構造部材への発泡アルミニウムの適用範囲を
飛躍的に拡大する手助けとなるであろう。
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