異種材料接着・接合理論と強度・信頼性・耐久性向上、寿命予測法

信頼性が高く耐久性が大きく強い接着継手を設計することを目的とする人に対し、接着力発現の原理、接着剤および表面処理法の理論的選定法、異種材料の接着、樹脂射出一体成形法、レーザ溶接法など最新の接合法について解説します。
また、各種継手に発生する応力分布、変形、および破壊条件の解析法、それに基づく強い接着構造の設計法、負荷応力の時間的分布と接着強度のばらつきに基づいた（ストレス－強度モデルによる）継手の希望破壊確率を与える安全率の計算法（直ちに計算可能なEXCEL計算シートを提供）、接着継手の劣化の主要原因である温度、湿度、機械的応力などのストレスと劣化速度との理論的関係およびそれに基づいた加速試験による寿命予測法について、実験結果とともに詳しく解説します（直ちに計算可能な重回帰分析EXCEL計算シートを提供）。
さらに、各種接着強度評価法、接着トラブル事例、その原因別分類と対策についても解説し、最後にご質問に対し講師の50年以上にわたる接着についての実務経験に基づき、ご回答いたします。

〔前編〕 「異種材料接着・接合技術の基礎および応用」
1．接着力発現の原理
　1.1 化学的接着説（結合エネルギーと静的接着強度および耐久性との関係）
　　(1) 原子・分子間引力発生のメカニズム
　　(2) ヤモリ（Gekko）の足の接着力に見るvan derWaals力
　　(3) 接着剤の役割
　1.2 機械的接合説（アンカー効果）
　1.3 からみ合いおよび分子拡散説
　1.4 接着仕事から計算される理想接着強度と実際の接着強度の相違の理由
　1.5 シーリング材の接着力発現の原理と役割
　1.6 粘着剤の接着力発現の原理と役割（どのようなものが粘着剤になりうるのか）

2．各被着材に適した接着剤の選定法
　2.1 Zismanの臨界表面張力による接着剤選定法
　2.2 溶解度パラメータによる接着剤選定法
　　(1) 物質の溶解度パラメーター
　　(2) 2種類の液体が混合する条件（非結晶性材料に適用）
　　(3) 結晶性高分子が難接着性である理由とそれを解決するための表面処理法
 　2.3 被着材と接着剤との相互の物理化学的影響を考慮した接着剤選定法
　　(1) 被着材に含まれる可塑剤による接着剤の可塑化
　　(2) 接着剤に含まれる可塑剤による被着材の可塑化
　　(3) 粗度大な被着材表面への粘性接着剤の選択

3．接着剤の種類、特徴および最適接着剤の選定法
　3.1 各接着剤の種類
　　(1) 耐熱航空機構造用接着剤
　　(2) エポキシ系接着剤（液状）
　　(3) ポリウレタン系接着剤（室温硬化型）
　　(4) SGA（第2世代アクリル系接着剤）
　　(5) 耐熱性接着剤
　　(6) 吸油性接着剤
　　(7) 各種ゴム系接着剤
　　(8) 紫外線硬化形接着剤
　　(9) シリコーン系接着剤
　　(10) 変成シリコーン系接着剤
　　(11) シリル化ウレタン系接着剤
　 （12）ポリオレフィン用接着剤
　3.2 接着剤の耐薬品性および耐候性について
　3.3 各種接着剤のせん断およびはく離接着強度特性
　3.4 各種被着材に適した接着剤の選び方（選定のための接着剤性能表）
　3.5 各種シーリング材の性能および用途
　3.6 種々の接着剤の各種条件（米国連邦規格）における接着強度と変動係数
　3.7 新構造材料技術研究組合 ISMA による接合技術開発状況

4．被着材に対する表面処理法の選定法
　 4.1 各種表面処理法およびその特徴
 　4.2 金属の表面処理法
　　(1) 洗浄および脱脂法
　　(2) ブラスト法（空気式，湿式）
　　(3) アルミニウム（エッチング法，陽極酸化法）
　　(4) 炭素鋼
　　(5) ステンレス鋼
　　(6) 各種エッチング法
　　(7) 銅およびニッケル箔の表面処理状態とはく離エネルギーとの関係
　4.3 プラスチックの表面処理法
　　(1) 洗浄および粗面化
　　(2) コロナ放電処理法
　　(3) プラズマ処理法
　　(4) 火炎処理法
　　(5) UV／オゾン処理法
　　(6) 各種表面処理方法（JISK6848-3法，ふっ素樹脂に対するテトラエッチ液による表面処理法）
　4.4 プライマー処理法

5．最新の異種材料接合法
　5.1 金属の湿式表面処理-接着法
　　(1) ケミブラスト®
　　(2) NAT
　5.2 金属の湿式表面処理-樹脂射出一体成形法
　　(1) NMT
　　(2) PAL-fit®
　　(3) アマルファ®
　5.3 被接合材表面のレーザー処理－樹脂射出一体成形法
　　(1) レザリッジ®
　　(2) D LAMP®
　　(3) AKI-Lock®
　5.4 レーザー接合法
　　(1) LAMP
　　(2) レーザー接合法2
　　(3) PMS処理－レーザー接合
　　(4) インサート材使用のレーザー接合
　5.5 摩擦接合法
　　(1) 摩擦重ね接合（FLJ）
　　(2) 摩擦撹拌接合（FSJ）
　5.6 溶着法
　　(1) 電気抵抗溶着
　　(2) 高周波誘導加熱
　　(3) 熱板融着
　5.7 分子接着剤利用法
　　(1) 分子接着剤
　　(2) CB処理
　　(3) TRI
　5.8 ゴムと樹脂の架橋反応による化学結合法－ラジカロック®
　5.9 接着剤を用いない高分子材料の直接化学結合法（カップリング反応および付加反応利用法）
　5.10 大気圧プラズマグラフト重合処理―接着技術
　5.11 ガス吸着接合技術（シランガスおよび水蒸気利用法）
　5.12 水蒸気VUV利用低温大気圧有機／無機材料ハイブリッド接合技術
　5-13 トリアジンチオール処理金属インサート射出成形法
　5-14 エポキシモノリスを用いる異種材料接合法
　5-15 インモールド表面処理によるCFRP接着界面の破壊靭性の向上法

6．エッチングまたはレーザー処理後の射出成形法または融着法における接着力発現の原理
　6.1 エッチングまたはレーザー処理後の射出成形により接着・接合力が向上する原理
　6.2 耐久性が向上するメカニズム
　6.3 樹脂どうしの融着による接合の場合の接着強度発現の原理

〔後編〕 「接着接合部の強度・信頼性・耐久性向上・寿命予測法およびトラブル対策」 
1．接着継手形式および接着部に加わる外力の種類
　1.1 接着接合の長所と短所
　1.2 各種接着継手形式
　1.3 接着部に加わる外力の種類
　1.4 材料の降伏条件

2．各継手の応力分布および強度評価
　2.1 重ね合せ継手の弾性および弾塑性FEM応力解析による実験結果（破壊条件）の検討例
　2.2 CFRTP重ね合せ接着継手の引張せん断試験結果に対する結合力モデル（CZM）法による解析事例
　2.3 重ね合せ継手の接着層厚さと接着強度との関係（接着層が厚いほど強度が小さくなる理由）
　2.4 バルク接着剤試験片厚さと引張強度との関係（試験片が厚いほど強度が小さくなる理由）
　2.5 バルク接着剤および接着継手接着層における強度の測定法
　2.6 バルク接着剤の応力－ひずみ曲線と引張速度との関係
　2.7 スカーフ継手および突合せ（バット）継手の特徴，応力分布および破壊条件
　2.8 接着接合部における特異応力場の強さを用いた接着強度の評価事例／接着層厚さの異なるバット継手の強度評価事例
　　　／特異応力場の強さHによるスカーフおよびバット継手の強度評価事例
　　　／特異応力場の強さによる単純重ね合せ継手の強度評価事例／まとめ
　2.9 接着層が硬化または温度低下により収縮した場合の応力解析および実測事例
　2.10 スカーフおよびバット継手の接着層収縮応力解析例およびその強度への影響
　2.11 バイメタル法および接着剤硬化収縮量測定装置による実測応力が予想より小さく，
　　　　温度低下による熱応力が硬化収縮応力より大きくなる理由
　2.12 はく離応力の解析例／可撓性被着材のはく離による応力分布／はく離角度による応力分布の変化に関する解析
　　　　／接着層が厚い方がはく離強度が増加する理由
　2.13 スポット溶接－接着併用継手の応力解析例（併用により強度が向上する理由）
　2.14 FEMによる実際の接着接合構造物の強度計算法についてのまとめ

3．最適接合部の設計
　3.1 強い接着接合部を設計するための一般的留意事項
　3.2 接着接合部の設計

4．接着接合部の故障確率と安全率との関係
　4.1 接着接合部の経年劣化による故障発生のメカニズム（ストレス－強度のモデル）

5．所定年数使用後の接着接合部に要求される故障確率確保に必要な安全率の計算法
　5.1 正規分布について
　5.2 ストレス（負荷応力）が一定の場合の故障確率確保のための安全率の決定法
　5.3 ストレス（負荷応力）が変動する場合の接着継手の故障確率の確保のために必要な安全率の決定法
　　　（EXCEL計算シートを提供）
　5.4 実構造物に発生するストレスの変動係数の測定法および必要な故障確率を確保するための方法
　5.5 接着強度の変動係数実測値
　5.6 航空機において安全率が小さく取られる理由
　5.7 ストレス（負荷荷重）の変動係数に実例
　5.8 加速劣化試験または疲労試験による寿命LまたはNにおける継手の接着強度の分布（確率密度関数）の決定方法

6．接着接合部の劣化の要因ならびに加速試験と加速係数
　6.1 接着接合部劣化の要因
　6.2 加速試験と加速係数
　6.3 加速試験条件の決定方法

7．アレニウス式（温度条件）による劣化，耐久性加速試験および寿命推定法
（重回帰分析によるEXCEL計算シートを提供）
　7.1 化学反応速度式と反応次数
　7.2 濃度と反応速度および残存率との関係
　7.3 材料の寿命の決定法
　7.4 反応速度定数と温度との関係
　7.5 アレニウス式を用いた寿命推定法

8．アイリングの式およびジューコフの式による応力，湿度などのストレス負荷条件下の耐久性加速試験および
　　　寿命推定法ならびにウェッジテストによるボーイング社の航空機接着部の耐久性試験結果
　（重回帰分析によるEXCEL計算シートを提供）
　8.1 アイリングの式を用いた寿命推定法
　8.2 アイリング式を用いた湿度に対する耐久性評価法
　8.3 Sustained Load Testによる接着継手の温度，湿度，および応力負荷条件下の耐久性評価結果
　8.4 加速劣化法により耐用年数分経過後の接着強度分布を得る方法
　8.5 （社）自動車技術会による回収市場経年実車接着部の残存接着強度実測値
　8.6 市場経年自動車と同等の残存接着強度接着部を加速試験により作り出す方法
　8.7 水蒸気存在下の材料の酸化反応促進メカニズムの第一原理分子動力学法解析結果
　8.8 ジューコフ（Zhurkov）の式を用いた応力下の継手の寿命推定法
　8.9 ジューコフの式による接着継手のSustained Load Test結果の解析
　8.10 ウェッジテストによるボーイング社の航空機接着部の耐久性試験結果

9．接着継手の耐水性および耐油性に関する熱力学的検討および耐水性向上法
　9.1 液体中における接着接合部の安定性の熱力学的検討
　9.2 接着接着部の耐久性に水が及ぼす物理的および化学的影響の実例
 　9.3 接着接合部の耐水性向上法

10．繰返し応力（疲労）による加速耐久性評価法
　10.1 接着継手の引張せん断疲労特性試験方法
　10.2 アイリングの理論から誘導されるS-N曲線
　10.3 マイナー則（線形損傷則）
　10.4 スポット溶接－接着併用継手（ウェルドボンディング）の
　　　　FEM解析結果および疲労試験結果（クリープ防止策による強度向上法）
　10.5 リベット－接着併用継手（リベットボンディング）の疲労試験結果（クリープ防止策による強度向上法）

11．接着接合部のクリープ破壊強度評価方法
　11.1 大変形クリープの一般的特性
　11.2 クリープ破壊強度，破壊時間，温度間の関係式（ラーソン-ミラーの式）
　11.3 クリープ破断データからラーソン-ミラーの式を求める方法
　11.4 プラスチックのクリープ試験におけるラーソン-ミラー線図
　11.5 JIS K6859 接着剤のクリープ破壊試験方法

12．接着トラブルの原因別分類と対策および各トラブル事例と対策
　12.1 原因別分類とその対策（表による概説）
　12.2 多数の具体的トラブル事例およびその原因と対策 

質疑応答

鈴木接着技術研究所　所長　工学博士　鈴木 靖昭　氏