CN1191926C - 耐紫外线纤维增强复合材料制造的搬送用部件及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了纤维增强复合材料制造的搬送用部件及其制造方法，纤维增强复合材料本来具有量轻、高刚性且具有耐热性等特性，并用紫外线洗净处理不污染精密机器材料。本发明提供了在纤维增强复合材料表面上，用溶射法涂覆形成耐紫外线的涂覆材料，优选的纤维增强复合材料是使用纤维增强的塑料或炭纤维增强的炭复合材料，耐紫外线涂覆材料是使用的选自由陶瓷、金属陶瓷、金属和合金组成组中的一种或两种以上的材料。

Description

耐紫外线纤维增强复合材料 制造的搬送用部件及制造方法

本发明涉及具有耐紫外线性质的纤维增强复合材料制造的搬送用部件及其制造方法，更具体地说，本发明涉及适合搬送液晶显示装置、硅片等的精密机器材料的碳纤维增强复合材料制造的部件及其制造方法。

碳纤维增强的塑料和碳纤维增强的碳复合材料，用于制造高尔夫球球杆(板)、钓鱼竿、网球球拍、滑雪板等的运动日常用品；产业用机器人用的部件；印刷油墨用辊；压力容器等的工业材料和医疗材料、桥梁补修、土木工程补修等，特别是碳纤维增强的碳复合材料，用于飞机的制动器材料、高速铁路的制动器材料、核反应堆的反应炉材料、火箭喷咀的材料等。

近年来，随着液晶显示装置的大型化，搬送这些精密机器材料用的产业用机器人的搬送部件，开始使用量轻、高刚性且耐热性的CFRP制造的搬送用部件代替现有技术中的铝等金属材料。

但是，精密机器材料极易被油、埃或尘等的污染，因此，工程上采用真空紫外区域的紫外线照射使有机物分解洗净除去的方法。由于CFRP制造和C/C复合材料制造的搬送用部件是有机材料，在真空紫外线区域的紫外线照射时装置内的表面分解，因而，不能够作为搬送用部件使用。

本发明解决了上述的问题，使用本来就具有量轻、高刚性且耐热等特性的纤维增强复合材料，提供了使用紫外线洗净处理也不污染精密机器材料的纤维增强的复合材料制造的搬送部件及其制造方法。

(1)本发明涉及具有耐紫外线性质的纤维增强复合材料制造的搬送用部件，在纤维增强复合材料的表面上，使用溶射法涂覆形成耐紫外线的涂复材料层。

(2)本发明涉及具有耐紫外线的纤维增强复合材料制造的搬送用部其中(1)记载的纤维增强复合材料，是由FRP或C/C复合材料构

(3)本发明涉及具有耐紫外线性质的纤维增强复合材料制造的搬送用部件，其特征是(1)或(2)记载的耐紫外线涂复材料，是由选自由陶瓷、金属陶瓷、金属或合金组成组中的一种或两种以上的材料构成。

(4)本发明涉及具有耐紫外线性质的纤维增强复合材料制造的搬送用部件的制造方法，其特征是具有由纤维增强复合材料形成搬送用一次部件的工序和通过溶射法在该搬送用一次部件表面涂覆耐紫外线涂覆材料的工序。

本发明中，涂覆了耐紫外线涂覆材料的纤维增强复合材料具有耐紫外线性质，且可以使用不透过紫外线的任何涂覆材料。

在本发明中，所使用的术语紫外线，波长为100-280nm，能够特别容易地分解有机物，且在波长为100-260nm范围内具有洗净处理效果。

本发明中具有耐紫外线性质是指使用6个25W的低压水银灯波长为180-254nm的紫外线，在空气气氛中，于常温常压下，水银灯与试验片的距离为50mm一次照射5-20分钟，重复照射60次进行紫外线试验(下文称“紫外线照射试验”)，相对于耐紫外线涂覆材料本身不变质、不分解、不劣化、不龟裂和不剥离。

本发明中不透过紫外线是指所使用的涂覆耐紫外线涂覆材料的母材，相对于纤维增强复含材料制造的搬送用部件，进行紫外线照射试验时不变质、不分解、不劣化，优选在紫外线照射试验中纤维增强复合材料制造的搬送用部件的弯曲强度几乎不降低(具体地说，为试验前的80％以上，优选90％以上)的涂覆材料。

本发明中，搬送用部件的构成材料是涂覆耐紫外线涂覆材料前的称为纤维增强复合材料的纤维增强复合材料。

本发明中纤维增强复合材料制造的搬送用一次部件是指相对于涂覆耐紫外线涂覆材料前，对纤维增强的复合材料进行切断面、研磨面、R加工面、孔加工面、槽加工面等的一次加工处理的部件。

本发明中纤维增强复合材料制造的搬送用部件是指使用相对于纤维增强复合材料(包括纤维增强复合材料制造的一次部件)涂覆耐紫外线涂覆材料的纤维增强复合材料。

本发明中所使用的耐紫外线涂覆材料的厚度，优选直到紫外线不能透过母材即纤维增强复合材料的厚度，50-250μm是可以优选使用的厚度范围。该厚度小于50μm时担心涂覆不均匀，某些部分厚度不够，大于250μm时量过大，不利于材料的轻量性，且成本不希望的增加。

耐紫外线涂覆材料的构成材料，可以使用选自陶瓷、金属陶瓷(陶瓷和金属或合金)、金属和合金组成组中的材料。而且，该耐紫外线涂覆材料，可以使用多种构成材料形成2层以上的多层结构。

该陶瓷，可以使用金属氧化物类和金属碳化物类陶瓷等，金属氧化物类陶瓷可以使用氧化铝、尖晶石、莫来石、氧化铝-二氧化钛、二氧化锆、氧化铬、二氧化钛、石榴石等，金属碳化物类陶瓷可以使用碳化钛、碳化铬、碳化钨等。

该金属和金属的合金，可以使用铝、硅铝合金、铝钨合金；铜、铜镍合金、铝青铜合金；镍、镍/铝氧石合金、镍铝/钼合金；铝、铝/铁合金等。

该金属陶瓷，从上述记载的陶瓷和金属或合金中选择，可以使用各一种或2种以上的混合物。

金属陶瓷的混合比，相对100重量份陶瓷，可以使用金属或合金为10-300重量份。

在上述的纤维增强复合材料的表面上涂覆耐紫外线涂覆材料时，由于紫外线不使搬送用部件劣化，纤维增强复合材料不露出，形成薄的涂覆层皮膜，紫外线不透过耐紫外线涂覆材料，特别是不形成不均匀的皮膜。

优选的涂覆方法是等离子体溶射法、高能气体溶射法和CVD法(化学气相沉积法)等，例如，等离子体溶射法和高能气体溶射法是优选的，更优选金属线溶射法、粉末溶射法、劳卡依道溶射法(ロ一カイド溶射法)和斯费可道溶射法(スフエコ一ド溶射法)等。按这些方法形成的皮膜时，氧化铝等的耐紫外线涂覆材料是不透明的，不透过紫外线。

该涂覆材料溶射时的被溶射面的温度优选为50-200℃，温度低于50℃时，涂覆不充分，易脱落，温度在200℃以上时，碳纤维增强的塑料和/或碳纤维增强碳复合材料板由于受热发生不利的反向的变形。

另外，在上述涂覆处理前，可对搬送用部件表面进行物理或化学处理改性，提高该涂覆材料与搬送用部件的密合性，采用碳纤维增强塑料的情况下特别有效。这些物理的处理方法，是研磨或用粗目的砂纸等的处理方法、超声波处理方法等，而化学处理方法，是引入官能团部分氧化表面的方法，可采用电晕处理、等离子体处理、氧化剂处理的方法等。

本发明中，纤维增强的复合材料制造的搬送用部件的母材即一次部件进行切断面、研磨面、R加工面、孔加工面和槽加工面等的一次加工，由于露出碳纤维等部分，进行耐紫外线涂覆材料涂覆处理后，这些表面的部分成为粗的表面，为了使这部分表面光滑，有必要作二次加工处理的研磨处理。这种情况下的研磨处理方法，优选使用金刚石研磨纸等研磨。

本发明的纤维增强复合材料，可以使用纤维增强的陶瓷、纤维增强的碳复合材料、纤维增强的金属复合材料、纤维增强的塑料(下文称“FRP”)等的纤维增强复合材料，优选使用FRP、碳纤维增强的碳复合材料(下文称“C/C复合材料”)。该FRP在增强纤维中使用碳纤维作为主体的碳纤维增强的塑料(下文称“CFRP”)是特别优选的。

使用纤维增强复合材料作基体材料，可以使用热固性树脂、热塑性树脂、碳、陶瓷、金属等和其两种以上的混合物。特别优选使用热固性树脂、碳和其两种以上的混合物。

该热固性树脂，可以使用环氧树脂、酰胺树脂(アラミド树脂)、顺丁烯二酰亚胺树脂、(苯)酚树脂、呋喃树脂、尿素树脂、不饱和聚酯树脂、环氧丙烯酸树脂、二烯丙基邻苯二甲酸树脂、乙烯基树脂、热固性的聚酰亚胺树脂、三聚氰胺树脂等的热固性树脂。

该热塑性树脂，可以使用尼龙树脂、液晶性芳香族聚酰胺树脂、聚酯树脂、液晶性芳香族聚酯树脂、聚丙烯树脂、聚醚磺化树脂、聚苯硫化物树脂、聚醚醚酮树脂、聚砜树脂、聚氯乙烯树脂、维尼龙树脂、酰胺树脂、氟树脂等树脂。

该陶瓷没有特别的限制，可以使用氧化铝、氧化硅、碳化钛、碳化硅、氮化硼、氮化硅等陶瓷。

该金属没有特别的限制，可以使用钛、铝、锡、硅、铜、铁、镁、铬、镍、钼、钨等金属和其一种或两种以上的合金。

在本发明中所使用的增强纤维，有不锈钢纤维、铜纤维、镍纤维、钛纤维、钨纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、碳化钛纤维、氮化硼纤维、石油类的沥青碳纤维、煤类的沥青碳纤维、PAN类碳纤维、玻璃纤维、酰胺纤维、硼纤维，可以采用选择其中的两种以上构成的混合纤维。

本发明的纤维增强复合材料制造的搬送用部件，在使用碳纤维作增强纤维主体时，由于得到量轻高刚性的成形物，可以优选使用。而且，该碳纤维可以与玻璃纤维、酰胺纤维、不锈钢纤维、铜纤维、镍纤维、钛纤维、钨纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、碳化钛纤维、氮化硼纤维及其它纤维组合使用。

上述增强纤维的形态没有特别的限制，可根据任意增强的目的适宜选择一次增强、二次增强、三次增强。例如，增强纤维是短纤维、织布、无纺布、单向材料、二维织物、三维织物等，具体可以使用毡、栅网、组布、裂膜纤维布(ワリフ)、近似等的方材、平织物、缎纹织物、斜纹织物、模纱织物、纱罗织物等材料的层合材料。

本发明的FRP和CFRP可以使用传统的方法制造。例如，上述形态加工的增强纤维含浸热固性树脂预浸后，进一步层合固化，可以得到FRP。在增强纤维中间处，使用单方向材料在0°、±45°、90°等适宜配向层合得到有所要求弹性率的成形物的方法是本发明优选的制造方法。

上述层合方法的一个实例，设置皮层和芯层，该皮层含有相对最终搬送用部件的延长方向于-20°-+20°角度范围内配向且拉伸弹性率为500-1000GPA的第一碳纤维的第一碳纤维增强的塑料层和含有相对上述延长方向于+75°-+90°和/或-75°-90°的范围内配向且拉伸弹性率为200-400GPA的第二碳纤维的第二碳纤维增强的塑料层，该芯层含有相对延伸的方向于+30°-+60°和/或-30°-60°的角度范围内配向且拉伸弹性率为500-1000GPA的第三碳纤维，皮层厚度的比率占皮层和芯层总厚度的80-60％的方法是适合的。而且，在芯层中可使用芯材，优选使用有蜂窝体、多孔体、波纹板(波状的板)空隙的构造体。

上述增强纤维含浸热固性树脂的方法没有特别限制，通常将热固性树脂在60℃-90℃加热含浸增强纤维，可以优选采用所谓的热融涂层法。相对增强纤维和树脂的总量，制造的预浸物中热固性树脂的含量通常为20-50重量％，优选为25-45重量％。

在该树脂中可添加所要求的填充剂，填充剂的实例，可列举云母、氧化铝、滑石、微粒状的氧化硅、硅石灰、海泡石、碱式硫酸镁、碳酸钙、聚四氟乙烯粉末、锌粉、氧化铝粉、有机物微粒、即丙烯酸树脂微粒、环氧树脂微粒、聚酰胺微粒，聚氨基甲酸酯微粒等。

上述的预浸物生成了最终的FRP。例如，预浸物层合成适合形状的搬送用部件，在高压蒸气中或加压下加压等通常于110℃-150℃处理30分钟-3小时，使其加热固化可制造FRP。得到的FRP质量稳定，空隙率低。因为搬送用部件必须有精密的加工精度，得到的FRP可以加工成搬送用部件的适合的形状。

此外，可以使用通常公知的方法制得本发明的C/C复合材料。即可以采用C/C复合材料作为碳纤维的主体，而且可象上述的那样与玻璃纤维等的其它纤维适当的组合。

上述的基体的形成方法，可以使用沥青、热塑性树脂、热固性树脂等含浸增强纤维的方法、化学气相沉积法(CVD)、化学气相渗透法(CVI)等热分解形成碳的方法等。

该沥青可以使用煤沥青、石油沥青、合成沥青等，另外，可以使用这些沥青作原料的等方性沥青、中相沥青等，该热固性树脂可以使用(苯)酚树脂、环氧树脂、呋喃树脂、尿素树脂等。

上述的沥青、热固性树脂、热塑性树脂可以与填充剂例如炭粉、石墨粉、碳化硅粉、氧化硅粉、炭纤维晶须、碳短纤维、碳化硅短纤维混合含浸。

C/C复合材料的制造方法，例如，上述加工的碳纤维含浸沥青、(苯)酚树脂等基体树脂预成形，在热静水压加压下(HIP)处理等含浸碳化得到C/C复合材料。使用单向材料与上述的FRP相同，碳纤维可以与芯层和皮层层合。

上述的碳化条件为在惰性气体中，通常400℃-3500℃，优选在500-3300℃温度下加热。

而且，得到的C/C复合材料可以进行致密化处理，具体地说，通过反复进行基体的成形工程，可以提高复合材料的密度。

本发明纤维增强复合材料制造的搬送用部件的形状，根据适当的用途，可为板状、条状、分叉状、蜂窝状、中空杆状、T字状、工字状、弯曲面状，也可以有由这些形状形成的各种各样的组合形状。

图1示出了实施例1得到的C/C复合物制的搬送用一次部件的一个实例。

图2示出了加工孔的部分放大图。1表示联轴器，2表示法兰孔。

实施例

下文列举的实施例，是对本发明的具体说明，不是对本发明的限制。

在实施例中，紫外线照射试验是在常温、常压、空气中，于180-254nm波长，用25W低压水银灯6只，试验板与灯的距离为50mm，照射时间为10分钟，反复照射60次。

实施例1

(1)制造C/C复合材料制造的搬送用部件

将拉伸强度为3500MPa、拉伸弹性率为800GPa、热传导率为300W/mK

沥青炭纤维在一方向拉伸同步层合，进而于1Mpa压力下含浸碳质沥青，

于1000℃温度下加压碳化处理，再含浸碳质沥青，反复加压碳化致密化处理，得到一方向增强的复合材料。将该一方向增强的复合材料加工成为内径为2.5mm的孔、和加工成长1000mm、宽380mm、厚8mm的有孔联轴器，成为搬送用一次部件。由于这种成形体的刚性非常高，因此成形体的碳纤维从延伸方向的先端部A和B方向配向。

这样得到的C/C复合材料制造的搬送用一次部件，松密度为1.90g/cm³，纤维堆积含有率Vf＝60％，拉伸弹性率245GPA，碳纤维配向方向的热传导率为400W/mK，碳纤维垂直方向的热传导率为20W/mK。

(2)耐紫外线涂覆材料的形成

上述的C/C复合材料制造的搬送用一次部件的端部的2mm R加工处用压缩空气喷咀清除表面的粘附物后，用平均粒径为5μm的氧化铝粉末，等离子体溶射法溶射C/C复合材料制造的搬送用一次部件(母材)的不露出部分，形成100μm的厚度。得到的氧化铝涂覆的C/C复合材料制造的搬送用部件的表面用600#，1000#和1600#金刚砂研磨纸研磨表面。

(3)耐紫外线试验

将上述氧化铝溶射的C/C复合材料制造的搬送用部件置入紫外线照射装置内，进行紫外线照射试验。照射后，观察取出表面的结果，没有细微尘埃，没有耐紫外线涂覆材料的劣化、龟裂等的变化，更没有发现母材即C/C复合材料部分的变质、劣化。

(4)机械物性试验

0°/90°层合的平织物含浸石油沥青得到预成形物，将其进行热静水压处理，于2000℃加压碳化，得到Vf(纤维体积含有率)为40％、密度为1.62g/cm³的C/C复合材料。将该复合物切成长100mm、宽15mm和厚2mm的试验片，用氧化铝等离子体法溶射，得到涂覆了20μm皮膜的C/C复合材料制造的搬送用部件。而且，该部件在进行紫外线照射试验后，测定弯曲强度，照射前为105MPA，照射后该部件的弯曲强度为104MPA，弯曲强度没有发生变化。

实施例2

(1)制作皮层

沿单方向同步拉伸的拉伸弹性率为800GPA的沥类碳纤维，含浸顺丁烯二酰亚胺树脂得到单向的预成形物，其增强方向与相对搬送用部件的延伸方向为0°，(即同方向)，此外，沿单向同步拉伸拉的伸弹性率为230GPA的PAN类碳纤维，含浸顺丁烯二酰亚胺树脂得到单向预成形物，其增强方向相对上述延伸方向为90°(即相互垂直)，各自数张层合，高压处理，制作厚度为1.2mm的皮层。而且，前者的预成形物的皮层中使用的沥青类碳纤维的体积比为75％，其余的25％PAN碳纤维用于后者预成形物中。

(2)制作芯层

沿单方向同步拉伸的拉伸弹性率为600GPA的沥青类碳纤维，含浸顺丁烯二酰亚胺树脂得到单向的预成形物，其增强方向相对上述的延伸方向成±45°方向，且在芯层中这种预成形物的5体积％数张层合，其余部分含浸顺丁烯二酰亚胺树脂的玻璃纤维预成形物，数张层合，制作厚度为5.6mm的芯层。

(3)制作FRP制造的搬送用一次部件

在2层上述的皮层之间，设置接合上述的芯层，并在两皮层的表面上，贴合拉伸弹性率为230GPA的碳纤维织物(缎纹织物，厚度为0.1mm)形成交织层CFRP。在该CFRP板上加工内径为6mm的孔，开真空法兰的孔和加工宽6mm、深2mm的槽，制作长1000mm、宽100mm、厚8.2mm的CFRP制的搬送用一次部件。

(4)耐紫外线涂覆材料的形成

上述的CFRP制的搬送用一次部件的端部2mm R加工处用压缩空气清除表面粘附物后，使用5μm的氧化铝粉末，等离子体溶射法溶射CFRP制的搬送用一次部件(母材)不露出部分，涂覆厚度为100μm。得到的氧化铝涂覆的CFRP制的搬送用部件表面用600#、1000#和1600#金刚砂纸研磨表面。

(5)耐紫外线试验

将上述的用氧化铝溶射涂覆的CFRP制的搬送用部件装入紫外线照射装置内进行紫外线照射试验。照射后，观察取出表面的结果，没有微细的尘埃，耐紫外线涂覆材料没有劣化或剥裂，没发现母材即CFRP部分变质劣化。

(6)机械的物性试验

于350°F拉伸弹性率为235GPA、拉伸强度为3.53GPA固化型环氧树脂组合物含浸碳纤维，制作Vf为60％的单向预成形物。将预成形物层合，于180℃固化2小时后，切出长100mm、宽15mm、厚2mm的试验片，用氧化铝等离子体溶射涂覆，得到涂覆厚度为20μm皮膜的CFRP制的搬送用部件。

该部件在紫外线照射试验后，测定弯曲强度，照射前该部件的弯曲强度为750GPA，照射后为748GPA，没有弯曲强度的变化。

比较例1

实施例2的CFRP制的搬送用一次部件用常温搪瓷剂《斯卡依弥库SRC库里阿(スカイミツクSRCクリア一)(大阪有机工业社制)(固化剂＝100/10重量比》涂覆，使其厚度为30μm后，于50℃固化1小时。

该CFRP制的搬送用部件装入紫外线照射装置内，进行紫外线照射试验。照射后，观察取出的表面，完全没有表面涂覆剂，CFRP部分的基体树脂或CF的一部分受紫外线损伤。

发明的效果

本发明的纤维增强复合材料(特别是CFRP和/或C/C复合材料)制的搬送用部件来自炭纤维，不污染精密机器材料，且量轻、耐热并具有高刚性，可以充分发挥纤维增强复合材料的原有性能，而且，根据本发明纤维增强复合材料制的搬送用部件的制造方法，耐紫外线涂覆材料处理后的表面光滑，且该搬送用部件等不发生不利的变形。

Claims (6)

1.一种具有耐紫外线性质的纤维增强复合材料制造的搬送用部件，其特征是在纤维增强复合材料的表面上具有用溶射法涂覆的耐紫外线的涂覆材料层。

2.按权利要求1所述的具有耐紫外线性质的纤维增强复合材料制造的搬送用部件，其特征是纤维增强复合材料，是由纤维增强的塑料或炭纤维增强的炭复合材料构成。

3.按权利要求1或2所述的耐紫外线性质的纤维增强复合材料制造的搬送用部件，其特征是耐紫外线涂覆材料是选自由陶瓷、金属陶瓷、金属和合金组成组中的一种或两种以上的材料构成。

4.具有耐紫外线性质的纤维增强复合材料制造的搬送用部件的制造方法，其特征是具有由纤维增强复合材料形成搬送用一次部件的工序和通过溶射法在该搬送用一次部件表面涂覆耐紫外线涂覆材料的工序。

5.按权利要求4所述的具有耐紫外线性质的纤维增强复合材料制造的搬送用部件的制造方法，其特征是纤维增强复合材料，是由纤维增强的塑料或炭纤维增强的炭复合材料构成。

6.按权利要求4或5所述的具有耐紫外线性质的纤维增强复合材料制造的搬送用部件的制造方法，其特征是耐紫外线涂覆材料是选自由陶瓷、金属陶瓷、金属和合金组成组中的一种或两种以上的材料构成。

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