JP2548601B2 - 強化繊維分布が制御されたガラスマトリックス複合材料の製造方法 - Google Patents
強化繊維分布が制御されたガラスマトリックス複合材料の製造方法Info
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Landscapes
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- Glass Compositions (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明が関係する技術分野は成形法、より詳細には繊
維強化複合材料製品のための成形法である。
維強化複合材料製品のための成形法である。
背景技術 従来の多くの高温構造用金属は希少であり且高価であ
るため、従来の高温金属合金の代りに非金属の繊維強化
複合材料が注目されるようになった。金属の代替物、即
ち高強度繊維強化樹脂及び高強度繊維強化金属マトリッ
クス複合材料の使用は、スポーツ用品から最新のジェッ
ト飛行機部品に至る領域の製品に於て商業的に受け入れ
られる点まで進歩した。しかしながらかかる複合材料の
有する大きな問題の一つは、最高使用温度であった。
るため、従来の高温金属合金の代りに非金属の繊維強化
複合材料が注目されるようになった。金属の代替物、即
ち高強度繊維強化樹脂及び高強度繊維強化金属マトリッ
クス複合材料の使用は、スポーツ用品から最新のジェッ
ト飛行機部品に至る領域の製品に於て商業的に受け入れ
られる点まで進歩した。しかしながらかかる複合材料の
有する大きな問題の一つは、最高使用温度であった。
セラミック、ガラス及びガラス−セラミック製のボデ
ーが高温で使用され得ることは、当該技術分野では既知
である。しかしながら不幸にもかかるボデーはしばしば
所望の機械的強度を欠き、剛性及び耐衝撃性に一定の欠
陥を有する。かかる状況のため、無機物繊維が連続的に
または非連続的に分散されたセラミック、ガラス、又は
ガラス−セラミック材のマトリックスからなる複合材料
製ボデーの製造が引起された。以下ガラスマトリックス
複合材料について説明すると、かかる物質は米国特許第
4314852号及び第4324843号に於て記述されている。上記
の特許による技術によって製造されるガラス−セラミッ
クマトリックス−炭化ケイ素繊維複合材料による構成部
品は、高温エンジン及び他の適用に於て使われることに
よってその挙動が著しく改善され得る物理的特性を示
す。しかしながらかかる適用に於て、強度を改善するた
めに例えば少なくとも三次元的に分布された強化繊維を
有する複雑な形状の物質を製造するための新規な製造方
法が発見される必要がある。
ーが高温で使用され得ることは、当該技術分野では既知
である。しかしながら不幸にもかかるボデーはしばしば
所望の機械的強度を欠き、剛性及び耐衝撃性に一定の欠
陥を有する。かかる状況のため、無機物繊維が連続的に
または非連続的に分散されたセラミック、ガラス、又は
ガラス−セラミック材のマトリックスからなる複合材料
製ボデーの製造が引起された。以下ガラスマトリックス
複合材料について説明すると、かかる物質は米国特許第
4314852号及び第4324843号に於て記述されている。上記
の特許による技術によって製造されるガラス−セラミッ
クマトリックス−炭化ケイ素繊維複合材料による構成部
品は、高温エンジン及び他の適用に於て使われることに
よってその挙動が著しく改善され得る物理的特性を示
す。しかしながらかかる適用に於て、強度を改善するた
めに例えば少なくとも三次元的に分布された強化繊維を
有する複雑な形状の物質を製造するための新規な製造方
法が発見される必要がある。
かかる領域に於て大きな進歩がなされたが、改善され
た複合材料製品を製造する方法に於て困難が存在する。
かつて平行な繊維テープ、フェルト及び紙を使用するこ
とにより複合材料製品の連続繊維による強化が実施さ
れ、それはかかる物質をガラス−キャリア・スラリーに
含浸させ、所定形状に切断し、一定方向に配列し、ホッ
トプレスのためにダイスに充填することによってなされ
た。しかしながらこの方法ではより複雑な形状に対して
は有効でない、というのは平面的な繊維の配列しかなさ
れないからである。更にかかる材料では円筒形または他
の複雑な形状を形成するのは困難である。
た複合材料製品を製造する方法に於て困難が存在する。
かつて平行な繊維テープ、フェルト及び紙を使用するこ
とにより複合材料製品の連続繊維による強化が実施さ
れ、それはかかる物質をガラス−キャリア・スラリーに
含浸させ、所定形状に切断し、一定方向に配列し、ホッ
トプレスのためにダイスに充填することによってなされ
た。しかしながらこの方法ではより複雑な形状に対して
は有効でない、というのは平面的な繊維の配列しかなさ
れないからである。更にかかる材料では円筒形または他
の複雑な形状を形成するのは困難である。
更に多く樹脂、金属及びガラスマトリックス複合材料
の適用に於て、強化繊維を入念に予備配列する必要はな
く、切断された繊維のよりランダムな分布によって充分
な挙動特性が提供され得る。
の適用に於て、強化繊維を入念に予備配列する必要はな
く、切断された繊維のよりランダムな分布によって充分
な挙動特性が提供され得る。
これによって正確に所定形状の製品が迅速に且低費用
で製造されることができる。
で製造されることができる。
本出願人と同一人に譲渡された米国特許第4464192号
に於て、複雑な形状(例えば曲面又は曲面壁を有する)
の繊維強化ガラスマトリックス複合材料を射出成形法に
より製造する方法が開示されており、本明細書において
参照によって組込まれいる。しかしながら成形技術を改
善する必要性が継続的に存在する。
に於て、複雑な形状(例えば曲面又は曲面壁を有する)
の繊維強化ガラスマトリックス複合材料を射出成形法に
より製造する方法が開示されており、本明細書において
参照によって組込まれいる。しかしながら成形技術を改
善する必要性が継続的に存在する。
従ってガラスマトリックス複合材料の製造方法とりわ
けかかる複合材料を複雑な形状に形成するために適応さ
れる迅速で比較的簡単な方法の絶えざる研究がこの技術
の分野に於てなされている。
けかかる複合材料を複雑な形状に形成するために適応さ
れる迅速で比較的簡単な方法の絶えざる研究がこの技術
の分野に於てなされている。
発明の開示 本発明は射出ノズルを使用する射出成形によって不連
続繊維で強化されたガラスマトリックス複合材料を製造
する方法に係り、前記射出ノズルによって実質的に全て
の糸が個々の繊維に分離され、それによって複合材料が
より大きなクラック抵抗性を有することとなる。この方
法には連続的なフィラメント糸をガラスマトリックス粉
状物に含浸させることが含まれており、前記ガラスマト
リックス粉状物にはガラス、ガラス−セラミック粉状物
又はそれらの混合物が含まれる。かかる含浸されたマル
チフィラメント糸は不連続な長さに切断され、前記マト
リックス材が軟化するのに十分な温度に曝される。前記
含浸されて加熱されたマルチフィラメント糸が射出ノズ
ルを通って鋳型に移されるのに充分な圧力が適用され、
前記射出ノズルには充分なダイス壁剪断力が発生し、そ
れによって実質的に全てのマルチフィラメント糸が個々
のフィラメントに分離するように構成された形状を有す
る。鋳型圧力はガラスの歪点に達するまで、複合材料が
弛緩するのを防止されるのに十分維持される。
続繊維で強化されたガラスマトリックス複合材料を製造
する方法に係り、前記射出ノズルによって実質的に全て
の糸が個々の繊維に分離され、それによって複合材料が
より大きなクラック抵抗性を有することとなる。この方
法には連続的なフィラメント糸をガラスマトリックス粉
状物に含浸させることが含まれており、前記ガラスマト
リックス粉状物にはガラス、ガラス−セラミック粉状物
又はそれらの混合物が含まれる。かかる含浸されたマル
チフィラメント糸は不連続な長さに切断され、前記マト
リックス材が軟化するのに十分な温度に曝される。前記
含浸されて加熱されたマルチフィラメント糸が射出ノズ
ルを通って鋳型に移されるのに充分な圧力が適用され、
前記射出ノズルには充分なダイス壁剪断力が発生し、そ
れによって実質的に全てのマルチフィラメント糸が個々
のフィラメントに分離するように構成された形状を有す
る。鋳型圧力はガラスの歪点に達するまで、複合材料が
弛緩するのを防止されるのに十分維持される。
本発明によってガラスマトリックス繊維強化技術に於
て顕著な進歩がなされ、それは繊維を分離しより強度の
高い複合材料をもたらす方法を提供することによってな
される。
て顕著な進歩がなされ、それは繊維を分離しより強度の
高い複合材料をもたらす方法を提供することによってな
される。
本発明の以上の及び他の特徴及び利点は以下の記述と
添付される図面からより明らかになるであろう。
添付される図面からより明らかになるであろう。
発明を実施するための最良の実施例 複合材料に高温強度特性を付与することができるガラ
スが本発明に使われるが、コーニング(Corning)7740
又は7070・ほう珪酸ガラス(コーニングガラス工業、コ
ーニング市、ニューヨーク州)が本発明の方法にとって
充分に適することが発見された。同様にコーニング1723
・アルミノ珪酸ガラスが推奨される。ほう珪酸ガラスと
アルミノ珪酸ガラスは325メッシュ篩下の粒径の形態で
使われることができる。これらのガラスによる混合物の
他、かかるガラスと高シリカガラス(コーニング7913、
7930及び7940・高シリカガラス)の混合物も使われるこ
とがある。特にほう珪酸ガラスを使用することが好まし
い、というのはその粘性温度特性によって流動性が高め
られるからである。
スが本発明に使われるが、コーニング(Corning)7740
又は7070・ほう珪酸ガラス(コーニングガラス工業、コ
ーニング市、ニューヨーク州)が本発明の方法にとって
充分に適することが発見された。同様にコーニング1723
・アルミノ珪酸ガラスが推奨される。ほう珪酸ガラスと
アルミノ珪酸ガラスは325メッシュ篩下の粒径の形態で
使われることができる。これらのガラスによる混合物の
他、かかるガラスと高シリカガラス(コーニング7913、
7930及び7940・高シリカガラス)の混合物も使われるこ
とがある。特にほう珪酸ガラスを使用することが好まし
い、というのはその粘性温度特性によって流動性が高め
られるからである。
本発明の方法にとって他の魅力的なガラスマトリック
ス材はガラス−セラミックである。複合材料が緻密化さ
れる間マトリックスはガラス状態で維持され、従って繊
維の損傷が防止され低圧下で緻密化が増進される。繊維
及びマトリックスが所望の形状に緻密化された後、ガラ
ス状マトリックスは結晶状態に変化させられるが、結晶
化の程度と大きさはマトリックス複合材料と施される熱
処理スケジュールによって制御される。広範囲なガラス
−セラミックスがこのような方法で使われることができ
るが、しかし炭化ケイ素繊維が使われる時には、ガラス
中に存在するチタニウムの量と活性について厳格な制限
を制御することが重要である。従って炭化ケイ素繊維と
チタニアの核生成剤が使われる時には、チタニアは不活
性にされるか又は重量が1%以下に保たれなければなら
ない。これは単に従来使われているチタニアの代りにジ
ルコニアのような他の核生成剤で代替することによって
又は炭化ケイ素繊維に対するチタニアの反応性をマスキ
ングする作用物質を加えることによってなし遂げること
ができる。
ス材はガラス−セラミックである。複合材料が緻密化さ
れる間マトリックスはガラス状態で維持され、従って繊
維の損傷が防止され低圧下で緻密化が増進される。繊維
及びマトリックスが所望の形状に緻密化された後、ガラ
ス状マトリックスは結晶状態に変化させられるが、結晶
化の程度と大きさはマトリックス複合材料と施される熱
処理スケジュールによって制御される。広範囲なガラス
−セラミックスがこのような方法で使われることができ
るが、しかし炭化ケイ素繊維が使われる時には、ガラス
中に存在するチタニウムの量と活性について厳格な制限
を制御することが重要である。従って炭化ケイ素繊維と
チタニアの核生成剤が使われる時には、チタニアは不活
性にされるか又は重量が1%以下に保たれなければなら
ない。これは単に従来使われているチタニアの代りにジ
ルコニアのような他の核生成剤で代替することによって
又は炭化ケイ素繊維に対するチタニアの反応性をマスキ
ングする作用物質を加えることによってなし遂げること
ができる。
しかしながら何れの場合であっても、チタニアの炭化
ケイ素繊維に対する効力を除去するか又はマスキングし
て複合材料の良好な高温強度特性を得る必要がある。通
常アルミノ珪酸リチウムが好ましいガラス−セラミック
であるが、セラミックマトリックス材がチタニウムフリ
ー(1%重量以下)であるか又はマスキングされている
限り他の通常のガラス−セラミックス例えばアルミノ珪
酸塩、アルミノ珪酸マグネシウム及びそれらの組合せが
使われることができる。本願出願人と同一の出願人に譲
渡された米国特許4324843号に於て開示された内容は以
下で参照によって組込まれている。特に炭素繊維と炭化
ケイ素繊維の適合性が強められるという理由でアルミノ
珪酸リチウムを使用することが推奨される。
ケイ素繊維に対する効力を除去するか又はマスキングし
て複合材料の良好な高温強度特性を得る必要がある。通
常アルミノ珪酸リチウムが好ましいガラス−セラミック
であるが、セラミックマトリックス材がチタニウムフリ
ー(1%重量以下)であるか又はマスキングされている
限り他の通常のガラス−セラミックス例えばアルミノ珪
酸塩、アルミノ珪酸マグネシウム及びそれらの組合せが
使われることができる。本願出願人と同一の出願人に譲
渡された米国特許4324843号に於て開示された内容は以
下で参照によって組込まれている。特に炭素繊維と炭化
ケイ素繊維の適合性が強められるという理由でアルミノ
珪酸リチウムを使用することが推奨される。
一般に出発物質であるガラス−セラミック材はガラス
状態で粉状物として入手されることができる。しかしな
がらもしガラス−セラミック材が結晶形で入手されるな
ら、かかるガラス−セラミック材をガラス状態になるよ
うに溶融し、固形化しそして更に粉状形に、好ましくは
−325メッシュになるようにすることが必要であり、そ
の後本発明によるスラリーに形成される。ガラス−セラ
ミック材を選択する時に重要なのは、かかるガラス−セ
ラミック材がガラス状態の時充分低い粘度で緻密化され
ることができそれによってその後完全な結晶状態に変化
する時に実質的に完全な緻密化が許されるように選ばれ
るということである。しかしながら、緻密化のための加
圧に先立って予熱処理する間に出発物質である結晶粉状
物をガラス状態に変換することも亦可能である。
状態で粉状物として入手されることができる。しかしな
がらもしガラス−セラミック材が結晶形で入手されるな
ら、かかるガラス−セラミック材をガラス状態になるよ
うに溶融し、固形化しそして更に粉状形に、好ましくは
−325メッシュになるようにすることが必要であり、そ
の後本発明によるスラリーに形成される。ガラス−セラ
ミック材を選択する時に重要なのは、かかるガラス−セ
ラミック材がガラス状態の時充分低い粘度で緻密化され
ることができそれによってその後完全な結晶状態に変化
する時に実質的に完全な緻密化が許されるように選ばれ
るということである。しかしながら、緻密化のための加
圧に先立って予熱処理する間に出発物質である結晶粉状
物をガラス状態に変換することも亦可能である。
本発明による方法では高温安定繊維材が使われること
ができ、炭化ケイ素、アルミナ又は窒化ケイ素、炭素繊
維がとりわけ推奨される。平均フィラメント径が10μm
以下例えば約7〜8ミクロンのマルチフィラメント炭素
糸がとりわけ推奨される。デラウエア州ウィルミントン
市のハーキュリーズ社(Hercules Incorporated)で
は、トウあたり1000,3000、6000又は12000繊維であり平
均繊維径が8μmである糸が生産されている。かかる繊
維の平均強さはおよそ2758メガパスカル(MPa)であ
る。この糸はまたおよそ1.84g/cm3の密度とおよそ379ギ
ガパスカル(GPa)の弾性係数を有する。マトリックス
ガラスに対する適合性という理由でハーキュリーズ社か
ら入手されるHMU(商品名)炭素繊維を使用することが
とりわけ好ましい。繊維ウイスカ、例えばArco Chemica
ls社(サウスカロライナ州)によって販売されているF
−9炭素ケイ素ウイスカ又はタテホ化学工業(株)によ
って作られているSNW−窒化ケイ素が使われることがあ
る。
ができ、炭化ケイ素、アルミナ又は窒化ケイ素、炭素繊
維がとりわけ推奨される。平均フィラメント径が10μm
以下例えば約7〜8ミクロンのマルチフィラメント炭素
糸がとりわけ推奨される。デラウエア州ウィルミントン
市のハーキュリーズ社(Hercules Incorporated)で
は、トウあたり1000,3000、6000又は12000繊維であり平
均繊維径が8μmである糸が生産されている。かかる繊
維の平均強さはおよそ2758メガパスカル(MPa)であ
る。この糸はまたおよそ1.84g/cm3の密度とおよそ379ギ
ガパスカル(GPa)の弾性係数を有する。マトリックス
ガラスに対する適合性という理由でハーキュリーズ社か
ら入手されるHMU(商品名)炭素繊維を使用することが
とりわけ好ましい。繊維ウイスカ、例えばArco Chemica
ls社(サウスカロライナ州)によって販売されているF
−9炭素ケイ素ウイスカ又はタテホ化学工業(株)によ
って作られているSNW−窒化ケイ素が使われることがあ
る。
特定の選択されたキャリア物質中で容易に溶解し又は
分散し、且潤滑性を有しそれにより冷間圧縮が促進され
るポリマ結合材が本発明に於て使われることができる。
ラテックス・アクリル樹脂系ポリマー、とりわけロープ
レックス(Rhoplex、商品名)ラテックス・アクリル樹
脂(Rohm & Haas Corporation、ペンシル州)が本発明
の方法にとってとりわけ好ましい結合材料でることが発
見された。同様にカーボワックス(Carbowax、商品名)
(ユニオンカーバイド社)シリーズのポリマー、特にカ
ーボワックス4000が好ましい。
分散し、且潤滑性を有しそれにより冷間圧縮が促進され
るポリマ結合材が本発明に於て使われることができる。
ラテックス・アクリル樹脂系ポリマー、とりわけロープ
レックス(Rhoplex、商品名)ラテックス・アクリル樹
脂(Rohm & Haas Corporation、ペンシル州)が本発明
の方法にとってとりわけ好ましい結合材料でることが発
見された。同様にカーボワックス(Carbowax、商品名)
(ユニオンカーバイド社)シリーズのポリマー、特にカ
ーボワックス4000が好ましい。
一方選択された特定のキャリア物質中で容易に溶解し
又は分散する無機結合材が本発明で使われることができ
る。
又は分散する無機結合材が本発明で使われることができ
る。
コロイド状シリカ溶液、とりわけルドックス(Ludo
x、商品名)(E.I.Du Pont De Nemours、デラウエア
州)が本発明の方法にとってとりわけ好ましい結合材料
であることが発見された。従ってかかる結合材に対して
適合性あるキャリア物質が使われることができ、水が好
ましい物質である。
x、商品名)(E.I.Du Pont De Nemours、デラウエア
州)が本発明の方法にとってとりわけ好ましい結合材料
であることが発見された。従ってかかる結合材に対して
適合性あるキャリア物質が使われることができ、水が好
ましい物質である。
各物質の量は変ることがあるが、一般にガラスマトリ
ックス粉状物、結合材及びキャリア液の混合物が繊維に
付加されると硬い混合物となるようなスラリーが準備さ
れる。典型的には付加されるガラスの量は、キャリア液
と結合材が取除かれた時に繊維の体積濃度がおよそ15〜
50%になるような値であろう。典型的にはスラリー中の
−325メッシュのガラス粉状物の1gに対して、キャリア
液(望ましくは水)の約1.8mlと有機物結合材の約0.2ml
である。成形された最終製品にはガラスマトリックスが
体積で約50%〜85%、望ましくは約70%が含まれる。
ックス粉状物、結合材及びキャリア液の混合物が繊維に
付加されると硬い混合物となるようなスラリーが準備さ
れる。典型的には付加されるガラスの量は、キャリア液
と結合材が取除かれた時に繊維の体積濃度がおよそ15〜
50%になるような値であろう。典型的にはスラリー中の
−325メッシュのガラス粉状物の1gに対して、キャリア
液(望ましくは水)の約1.8mlと有機物結合材の約0.2ml
である。成形された最終製品にはガラスマトリックスが
体積で約50%〜85%、望ましくは約70%が含まれる。
繊維トウはガラス−結合材−水のスラリー中を通って
引出され、それによって繊維トウはスラリーによって充
満される。上述の典型的な比率を使用することによっ
て、繊維トウはガラス部分の体積が望ましい範囲である
50〜85%になるのに充分なガラス量で含浸されることが
発見された。含浸されたトウはその後マンドレルに巻か
れて乾燥される。乾燥されたトウはその後所定形状の成
形で使われる長さに切断される。かかるトウの選択され
た長さは鋳型壁の高さ(例えばシリンダ壁高さ)の最少
長さに依存する。成形複合物質は、かかる鋳型壁を通過
する時に固まるのが防止されるのに充分な短さでなけれ
ばならない。好ましくはかかる繊維トウは約0.635cm〜
2.54cmの長さであり、例えば約0.254cmの鋳型壁厚さに
対して1.27cm以下の長さの繊維トウが使われる。
引出され、それによって繊維トウはスラリーによって充
満される。上述の典型的な比率を使用することによっ
て、繊維トウはガラス部分の体積が望ましい範囲である
50〜85%になるのに充分なガラス量で含浸されることが
発見された。含浸されたトウはその後マンドレルに巻か
れて乾燥される。乾燥されたトウはその後所定形状の成
形で使われる長さに切断される。かかるトウの選択され
た長さは鋳型壁の高さ(例えばシリンダ壁高さ)の最少
長さに依存する。成形複合物質は、かかる鋳型壁を通過
する時に固まるのが防止されるのに充分な短さでなけれ
ばならない。好ましくはかかる繊維トウは約0.635cm〜
2.54cmの長さであり、例えば約0.254cmの鋳型壁厚さに
対して1.27cm以下の長さの繊維トウが使われる。
成形複合物質はその後熱処理されて残余の水分と結合
材が追出されて第1図に示されるような成形装置の貯蔵
室に充填される。第1図によるとガラス混合物は貯蔵工
具1内に導入されて、前記工具は以下で記述される温度
まで加熱され、プランジャ6によって圧力が加えられそ
れによって加熱された混合物が射出ノズル2を通るよう
に強いられ、下方の空隙部3(鋳型形状)に押込められ
る。別の方法として成形複合物質はホットプレスされて
適切なビレットが形成されることがある。
材が追出されて第1図に示されるような成形装置の貯蔵
室に充填される。第1図によるとガラス混合物は貯蔵工
具1内に導入されて、前記工具は以下で記述される温度
まで加熱され、プランジャ6によって圧力が加えられそ
れによって加熱された混合物が射出ノズル2を通るよう
に強いられ、下方の空隙部3(鋳型形状)に押込められ
る。別の方法として成形複合物質はホットプレスされて
適切なビレットが形成されることがある。
或いは別の方法として成形複合物質はホットプレスさ
れて射出成形のために適切なビレットが形成され、その
後適切な雰囲気内でキャリア液と結合材が燃焼除去され
る。幾つかの実施例では、作られるべき部分の大きさと
形状に依存するが、切断された繊維(又はウイスカ)及
びガラス状粉状物を適切な混合機によって単純に機械的
に混合することによって作られる混合物は、付加的な予
備的な緻密化をすることなしに射出成形されることがで
きる適切な成形混合物から構成されることがある。しか
しながらかかる混合物は極めて低い密度を有するから
(典型的には成形された製品の密度の約10%)、実質的
な体積の減少に対処し得る能力を有する非常に大きな成
形装置が要求される。
れて射出成形のために適切なビレットが形成され、その
後適切な雰囲気内でキャリア液と結合材が燃焼除去され
る。幾つかの実施例では、作られるべき部分の大きさと
形状に依存するが、切断された繊維(又はウイスカ)及
びガラス状粉状物を適切な混合機によって単純に機械的
に混合することによって作られる混合物は、付加的な予
備的な緻密化をすることなしに射出成形されることがで
きる適切な成形混合物から構成されることがある。しか
しながらかかる混合物は極めて低い密度を有するから
(典型的には成形された製品の密度の約10%)、実質的
な体積の減少に対処し得る能力を有する非常に大きな成
形装置が要求される。
成形複合物質は緩い状態であるか又は予め固形化され
た状態であるかを問わずこのとき射出成形が可能とな
る。成形装置(鋳型を含む)はガラスマトリックスが柔
かくなるのに充分な温度にまで加熱され、望ましくはそ
の粘度が約103から約105ポアズであり、ここでポアズは
絶対粘度のcgs単位であり0.1パスカル秒に等しい。105
ポアズ以上ではガラスマトリックスは粘性が高すぎ、従
って射出ノズルの閉塞が起きる場合がある。103ポアズ
以下ではガラスマトリックスは流動性が高すぎて、繊維
とマトリックスの分離が起きることがある。上述の通常
のガラスとセラミックに対してはかかる温度は典型的に
は約900℃〜約1500℃が要求される。しかしながら炭素
繊維−ほう珪酸塩ガラス混合物の場合には、かかる温度
は約1000〜1250℃である。
た状態であるかを問わずこのとき射出成形が可能とな
る。成形装置(鋳型を含む)はガラスマトリックスが柔
かくなるのに充分な温度にまで加熱され、望ましくはそ
の粘度が約103から約105ポアズであり、ここでポアズは
絶対粘度のcgs単位であり0.1パスカル秒に等しい。105
ポアズ以上ではガラスマトリックスは粘性が高すぎ、従
って射出ノズルの閉塞が起きる場合がある。103ポアズ
以下ではガラスマトリックスは流動性が高すぎて、繊維
とマトリックスの分離が起きることがある。上述の通常
のガラスとセラミックに対してはかかる温度は典型的に
は約900℃〜約1500℃が要求される。しかしながら炭素
繊維−ほう珪酸塩ガラス混合物の場合には、かかる温度
は約1000〜1250℃である。
「溶融」ガラスマトリックス−繊維混合物はその後、
射出ノズルを通って所定形状を有する鋳型の中に配置
(即ち移転)される。射出ノズルは所定の形状をしてい
るから(即ち所定形状に作られており)、それによって
充分なダイス壁(ノズル壁)剪断力が発生しそれによっ
て実質的に全ての(少なくとも約90%)の切断されたマ
ルチフィラメント糸が個々のフィラメントに分離され
る。ダイス壁剪断力は、成形複合物質がノズルを通って
移動される時に射出ノズルの壁によって引起こされる摩
擦抵抗によって発生する。かかる摩擦抵抗力によって、
繊維トウはフィラメントが損傷されることなく個々のフ
ィラメントに剪断分離される。かかる剪断分離が良好に
達成されるためには、射出ノズルは円形開口部を両端に
有し、内側面は円筒形であることが望ましい。一定の大
きさであり一定形状の断面を有するノズルであれば充分
な結果が生みだされるが、ダイス壁剪断力を一点に集中
化させるのに望ましい断面形状は円形である。円形射出
ノズルの場合、ノズル径が繊維トウの切断長さより小さ
い時に最良の結果(分離の程度に関して)が得られる、
というのはかかるノズルによってノズル内でトウが一直
線になることが強いられそれによりトウが効果的に分離
されるからである。例えばトウの長さが約1.25cm〜約1.
50cmであってノズル径が約0.75cm〜約1.00cmである時、
実質的に全てのフィラメントの分離が行われそれゆえ均
一な混合物が形成された。
射出ノズルを通って所定形状を有する鋳型の中に配置
(即ち移転)される。射出ノズルは所定の形状をしてい
るから(即ち所定形状に作られており)、それによって
充分なダイス壁(ノズル壁)剪断力が発生しそれによっ
て実質的に全ての(少なくとも約90%)の切断されたマ
ルチフィラメント糸が個々のフィラメントに分離され
る。ダイス壁剪断力は、成形複合物質がノズルを通って
移動される時に射出ノズルの壁によって引起こされる摩
擦抵抗によって発生する。かかる摩擦抵抗力によって、
繊維トウはフィラメントが損傷されることなく個々のフ
ィラメントに剪断分離される。かかる剪断分離が良好に
達成されるためには、射出ノズルは円形開口部を両端に
有し、内側面は円筒形であることが望ましい。一定の大
きさであり一定形状の断面を有するノズルであれば充分
な結果が生みだされるが、ダイス壁剪断力を一点に集中
化させるのに望ましい断面形状は円形である。円形射出
ノズルの場合、ノズル径が繊維トウの切断長さより小さ
い時に最良の結果(分離の程度に関して)が得られる、
というのはかかるノズルによってノズル内でトウが一直
線になることが強いられそれによりトウが効果的に分離
されるからである。例えばトウの長さが約1.25cm〜約1.
50cmであってノズル径が約0.75cm〜約1.00cmである時、
実質的に全てのフィラメントの分離が行われそれゆえ均
一な混合物が形成された。
同様にノズルの長さは繊維束の長さより大きいかまた
は等しく、それによってトウが一直線になることが許さ
れるべきである。射出ノズルの長さが長すぎると成形装
置の大きさが不必要に大きくなるが、上記のトウ長さと
ノズル径に対してはノズルの長さは約1.50cm又はそれ以
上である。成形装置のプランジャに適応される圧力は、
成形複合物質が完全に圧密化されるのに充分な大きさで
なければならない。これによって成形複合物質が射出ノ
ズルを通って一定形状のダイス空隙部に移動されること
となる。かかる圧力の正確な範囲は、マトリックスガラ
スの正確な組成、繊維の含有量及び加圧される時の温度
に依存する。望ましい炭素繊維−ほう珪酸ガラスマトリ
ックス混合物が体積で約15%〜30%の繊維を含んでおり
約1000℃〜約1150℃の温度で加圧される場合に、約7MPa
〜約17MPaの圧力が適応されると所定形状のダイス空隙
部内で複合材料の完全な射出と圧密化がなされる。圧力
がこの範囲以下では一般に、射出ノズルの閉塞とダイス
空隙部での不完全な充填がもたらされることとなろう。
圧力がこの領域以上の場合には成形装置に過度な応力が
生ずることがある。ノズルの径及び長さと適応される圧
力間には相互依存関係があることが認められることがで
きる。もしより高い圧力が使われる時には、より小さな
ノズル径又はより長いノズル長又はその両者が使われる
とうまくいくことがある。
は等しく、それによってトウが一直線になることが許さ
れるべきである。射出ノズルの長さが長すぎると成形装
置の大きさが不必要に大きくなるが、上記のトウ長さと
ノズル径に対してはノズルの長さは約1.50cm又はそれ以
上である。成形装置のプランジャに適応される圧力は、
成形複合物質が完全に圧密化されるのに充分な大きさで
なければならない。これによって成形複合物質が射出ノ
ズルを通って一定形状のダイス空隙部に移動されること
となる。かかる圧力の正確な範囲は、マトリックスガラ
スの正確な組成、繊維の含有量及び加圧される時の温度
に依存する。望ましい炭素繊維−ほう珪酸ガラスマトリ
ックス混合物が体積で約15%〜30%の繊維を含んでおり
約1000℃〜約1150℃の温度で加圧される場合に、約7MPa
〜約17MPaの圧力が適応されると所定形状のダイス空隙
部内で複合材料の完全な射出と圧密化がなされる。圧力
がこの範囲以下では一般に、射出ノズルの閉塞とダイス
空隙部での不完全な充填がもたらされることとなろう。
圧力がこの領域以上の場合には成形装置に過度な応力が
生ずることがある。ノズルの径及び長さと適応される圧
力間には相互依存関係があることが認められることがで
きる。もしより高い圧力が使われる時には、より小さな
ノズル径又はより長いノズル長又はその両者が使われる
とうまくいくことがある。
鋳型は、最良の複合物質に対して鋳型が充填されるま
での典型的には約1100℃〜約1250℃に維持される。上述
の複合物質に対して、かかる時間は典型的には約0.25時
間から約1.0時間である。鋳型は、充填された後約15℃
/分〜約30℃/分の割合で冷却されることが許される、
というのは冷却速度が極めて速いとガラスマトリックス
に余分な割目が生ずることがあるからである。典型的に
はガラスマトリックス−繊維複合物質に負荷される圧力
は、ガラスの歪点に達するまでかかる複合材料が弛緩す
るのを防止されるに充分維持される。歪点はASTM・C336
及びC598で定義される。歪温度はまた焼なまし領域の最
低端であり、おそよ10の14.5乗ポアズである。複合材料
中の多孔質の形成の原因となる複合材料構造の弛緩を防
止するために、望ましくは約7MPa〜17MPaの圧力が典型
的には約2時間維持されるが、かかる値は特定のガラス
複合物質及び成形温度に依存する。
での典型的には約1100℃〜約1250℃に維持される。上述
の複合物質に対して、かかる時間は典型的には約0.25時
間から約1.0時間である。鋳型は、充填された後約15℃
/分〜約30℃/分の割合で冷却されることが許される、
というのは冷却速度が極めて速いとガラスマトリックス
に余分な割目が生ずることがあるからである。典型的に
はガラスマトリックス−繊維複合物質に負荷される圧力
は、ガラスの歪点に達するまでかかる複合材料が弛緩す
るのを防止されるに充分維持される。歪点はASTM・C336
及びC598で定義される。歪温度はまた焼なまし領域の最
低端であり、おそよ10の14.5乗ポアズである。複合材料
中の多孔質の形成の原因となる複合材料構造の弛緩を防
止するために、望ましくは約7MPa〜17MPaの圧力が典型
的には約2時間維持されるが、かかる値は特定のガラス
複合物質及び成形温度に依存する。
実施例 マグナマイト(Magnamite、商品名)グラファイト繊
維型HMU(ハーキュリーズ社)(3000フィラメント/ト
ウ)の長さが85.4mで重さ18.7gが、ガラス−水−結合材
スラリーに含浸された、即ち、繊維糸をフィードスプー
ルからほどき、その糸をブンゼンバーナの炎中に適度の
速さ(約6.5m/分)で通過させることによって繊維のサ
イジングを取除き、撹拌されたスラリー中にかかる糸を
浸しそしてテイクアップマンドレル上にかかる充満した
糸をまきつけることによってなされた。かかるスラリー
は、−325メッシュのコーニング7740・ほう珪酸ガラス
粉状物の200gとルドックス・コロイド状シリカの25g及
び蒸留水の250mlから構成されたものである。充分なス
ラリーによって52.7gのガラスが付加されるような糸の
長さだけ含浸された。充満された糸はテイクアップマン
ドレル上で乾燥され水分が取除かれた。
維型HMU(ハーキュリーズ社)(3000フィラメント/ト
ウ)の長さが85.4mで重さ18.7gが、ガラス−水−結合材
スラリーに含浸された、即ち、繊維糸をフィードスプー
ルからほどき、その糸をブンゼンバーナの炎中に適度の
速さ(約6.5m/分)で通過させることによって繊維のサ
イジングを取除き、撹拌されたスラリー中にかかる糸を
浸しそしてテイクアップマンドレル上にかかる充満した
糸をまきつけることによってなされた。かかるスラリー
は、−325メッシュのコーニング7740・ほう珪酸ガラス
粉状物の200gとルドックス・コロイド状シリカの25g及
び蒸留水の250mlから構成されたものである。充分なス
ラリーによって52.7gのガラスが付加されるような糸の
長さだけ含浸された。充満された糸はテイクアップマン
ドレル上で乾燥され水分が取除かれた。
乾燥後含浸された糸はテイクアップマンドレルから取
除かれ、平均トウ長さが1.25cmになるように切断され
た。切断された成形複合物質はそれから、第1図に示さ
れるのと同様な形態の成形装置の貯蔵室内に移された。
この実施例に於ては射出ノズルは0.95cmの径と1.25cmの
長さを有した。射出成形装置は更に真空ホットプレス内
に移され、1275℃にまで加熱され、プランジャに負荷さ
れる荷重が14MPaになるような荷重がかけられ30分間維
持された。炉の電力は切断されて組立体は500℃まで冷
却されその温度で荷重が取除かれた。組立体はその後室
温にまで冷却されて、射出成形部は鋳型から取除かれ
た。
除かれ、平均トウ長さが1.25cmになるように切断され
た。切断された成形複合物質はそれから、第1図に示さ
れるのと同様な形態の成形装置の貯蔵室内に移された。
この実施例に於ては射出ノズルは0.95cmの径と1.25cmの
長さを有した。射出成形装置は更に真空ホットプレス内
に移され、1275℃にまで加熱され、プランジャに負荷さ
れる荷重が14MPaになるような荷重がかけられ30分間維
持された。炉の電力は切断されて組立体は500℃まで冷
却されその温度で荷重が取除かれた。組立体はその後室
温にまで冷却されて、射出成形部は鋳型から取除かれ
た。
本発明による複合材料の挙動の改良点に関する実施例
として、三つの複合材料試料の断片について耐荷重能力
を測定するために、各断片が平らなプラテンと鋼製たが
ねチップ間に配置され圧縮された。試料の二つは本発明
によって製造されたものであり、耐荷重能力は5930ニュ
ートン(N)及び8145Nであった。三番目の試料は同一
の複合物質を一方向にホットプレスすることによって製
造されたものであり、耐荷重能力は1713Nであった。
として、三つの複合材料試料の断片について耐荷重能力
を測定するために、各断片が平らなプラテンと鋼製たが
ねチップ間に配置され圧縮された。試料の二つは本発明
によって製造されたものであり、耐荷重能力は5930ニュ
ートン(N)及び8145Nであった。三番目の試料は同一
の複合物質を一方向にホットプレスすることによって製
造されたものであり、耐荷重能力は1713Nであった。
本発明によって製造された複合材料の強さが増加した
のは、少なくとも二つの要因の結果である。射出ノズル
を使用することによって繊維の分布が改善されそれによ
ってより均一な繊維強化が提供されたことによる。かか
る技術は前記の複合材料の一部分の断面を比較すること
によって明らかになり、第2図に示される。同図のAで
示されるように繊維が三次元に配列されていることが好
ましく、それはかかる配列によってより等方的な強化が
提供されるからである。一方同図のBで示されるように
繊維が著しく平面的に分布しているのは好ましくない、
というのは分布方向と垂直な方向の強化が不十分だから
である。既に議論されたように、射出ノズルを使用する
ことによって繊維トウが各フィラメントに分離すること
となる。かかる事実は第3図に於て示されており、同図
ではホットプレスされた複合材料Bの微細構造(分離さ
れていない繊維を有する)が射出成形された複合材料と
比較されている。この複合材料は上で議論されたものと
同様の組成を有するが、トウの長さは0.64cmであり、射
出ノズルは、0.48cmの径で2.72cmの長さであった。
のは、少なくとも二つの要因の結果である。射出ノズル
を使用することによって繊維の分布が改善されそれによ
ってより均一な繊維強化が提供されたことによる。かか
る技術は前記の複合材料の一部分の断面を比較すること
によって明らかになり、第2図に示される。同図のAで
示されるように繊維が三次元に配列されていることが好
ましく、それはかかる配列によってより等方的な強化が
提供されるからである。一方同図のBで示されるように
繊維が著しく平面的に分布しているのは好ましくない、
というのは分布方向と垂直な方向の強化が不十分だから
である。既に議論されたように、射出ノズルを使用する
ことによって繊維トウが各フィラメントに分離すること
となる。かかる事実は第3図に於て示されており、同図
ではホットプレスされた複合材料Bの微細構造(分離さ
れていない繊維を有する)が射出成形された複合材料と
比較されている。この複合材料は上で議論されたものと
同様の組成を有するが、トウの長さは0.64cmであり、射
出ノズルは、0.48cmの径で2.72cmの長さであった。
本発明の方法はとりわけ複雑な形状の製品に適してい
る。とりわけ繊維強化が二次元以上必要である場合にか
かる方法は有効である、というのは従来のホットプレス
複合材料では典型的には二次元方向であったからであ
る。かかる事実は繊維トウが個々のフィラメントに分離
するため、強化繊維の分布がよりランダムであり同時に
より均一な分散がなされるからである。
る。とりわけ繊維強化が二次元以上必要である場合にか
かる方法は有効である、というのは従来のホットプレス
複合材料では典型的には二次元方向であったからであ
る。かかる事実は繊維トウが個々のフィラメントに分離
するため、強化繊維の分布がよりランダムであり同時に
より均一な分散がなされるからである。
本発明によって作られることがある複雑な形状の典型
例としては円筒形があり、たとえばシリンダライナー及
び銃身、コップのような中空容器、スパークプラグ及び
イグナイタのインシュレータ、及び圧縮機のシュラウド
セグメントのような大きな又は厚い壁材がある。
例としては円筒形があり、たとえばシリンダライナー及
び銃身、コップのような中空容器、スパークプラグ及び
イグナイタのインシュレータ、及び圧縮機のシュラウド
セグメントのような大きな又は厚い壁材がある。
本発明の方法によって最終形状の部品を製造すること
が促進され得る、というのはホットプレス法とは対照に
複雑な形状の複数の複合的なダイスが使われ得るからで
ある。本発明によって繊維強化ガラスマトリックス複合
材料の複雑な形状のものが大量生産されるのに適した方
法が提供されるばかりでなく、この方法により製造され
た製品は繊維が三次元方向にランダムに配向するため三
次元方向に極めて大きな強度を有する。更に繊維がより
ランダムに三次元的に分布するため、複雑な形状の部品
について繊維強化が改善される。
が促進され得る、というのはホットプレス法とは対照に
複雑な形状の複数の複合的なダイスが使われ得るからで
ある。本発明によって繊維強化ガラスマトリックス複合
材料の複雑な形状のものが大量生産されるのに適した方
法が提供されるばかりでなく、この方法により製造され
た製品は繊維が三次元方向にランダムに配向するため三
次元方向に極めて大きな強度を有する。更に繊維がより
ランダムに三次元的に分布するため、複雑な形状の部品
について繊維強化が改善される。
通常の技術による不連続な繊維強化複合材料には1200
0フィラメントに達する繊維束が含まれる。かかる繊維
束は成形行程を経た後も残存し、マトリックスリッチな
領域を含む特徴的な微細構造が生成され、それによって
亀裂が容易に発達し得る。ここで記述された本発明によ
ってかかる繊維束は個々のフィラメントに分離され、マ
トリックス内に均一に分散される。それによってより強
いより均一な複合材料が生成される。
0フィラメントに達する繊維束が含まれる。かかる繊維
束は成形行程を経た後も残存し、マトリックスリッチな
領域を含む特徴的な微細構造が生成され、それによって
亀裂が容易に発達し得る。ここで記述された本発明によ
ってかかる繊維束は個々のフィラメントに分離され、マ
トリックス内に均一に分散される。それによってより強
いより均一な複合材料が生成される。
結局本発明の方法によって迅速な部品製造が促進され
る、というのは多数の空隙部を有する部品が単一の貯蔵
から供給されるからである。このように生産効率が上昇
することによって費用が減少される。更に付加えると、
本発明の方法によってトウ数の高い出発糸(低いトウ数
の糸より安価である)を使用するのことが可能となりし
かも良好な繊維分散が維持される。
る、というのは多数の空隙部を有する部品が単一の貯蔵
から供給されるからである。このように生産効率が上昇
することによって費用が減少される。更に付加えると、
本発明の方法によってトウ数の高い出発糸(低いトウ数
の糸より安価である)を使用するのことが可能となりし
かも良好な繊維分散が維持される。
かくして本発明によって、繊維強化ガラスマトリック
ス複合材料の成形の分野に於て顕著な進歩が得られる。
ス複合材料の成形の分野に於て顕著な進歩が得られる。
本発明は図示され記述された特定の実施例に制限され
ることはなく、様々な変化と修正が付記された特許請求
の範囲によって決められる発明概念の精神と範囲から逸
脱することなくなされる得ることは理解され得るであろ
う。
ることはなく、様々な変化と修正が付記された特許請求
の範囲によって決められる発明概念の精神と範囲から逸
脱することなくなされる得ることは理解され得るであろ
う。
第1図は本発明の成形装置のノズル部を通るフィラメン
トの最終段階を示す部分破断断面図を示す。 第2図は繊維分布が改善されたことを示す本発明の方法
による複合材料の一部分の断面(A)とホットプレス法
による複合材料の一部分の断面(B)の写真である。 第3図は繊維分離が改善されたことを示す本発明の方法
による複合材料の断面(A)とホットプレス法による複
合材料の断面(B)の写真である。 1……貯蔵工具,2……射出ノズル,3……空隙部,6……プ
ランジャ
トの最終段階を示す部分破断断面図を示す。 第2図は繊維分布が改善されたことを示す本発明の方法
による複合材料の一部分の断面(A)とホットプレス法
による複合材料の一部分の断面(B)の写真である。 第3図は繊維分離が改善されたことを示す本発明の方法
による複合材料の断面(A)とホットプレス法による複
合材料の断面(B)の写真である。 1……貯蔵工具,2……射出ノズル,3……空隙部,6……プ
ランジャ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アントニオ・ビー・カルオロ アメリカ合衆国コネチカット州、ヴァー ノン、ボルトン・ロード 63 (56)参考文献 特開 昭58−217437(JP,A) 特開 昭58−156582(JP,A) 特開 昭59−182249(JP,A) 特開 昭59−199547(JP,A)
Claims (1)
- 【請求項1】不連続繊維で強化されたガラスマトリック
ス複合材料を製造する方法にして、 (A)連続性マルチフィラメント糸をガラス−セラミッ
ク粉状物又はそれらの混合物を含むスラリーに含浸させ
ることと、 (B)前記含浸されたマルチフィラメント糸を不連続な
長さに切断することと、 (C)前記含浸されて切断されたマルチフィラメント糸
を前記マトリックスが軟化するのに充分な温度に曝すこ
とと、 (D)前記含浸されて切断されて加熱されたマルチフィ
ラメント糸が、充分なダイス壁剪断力が発生しそれによ
り実質的に全ての前記マルチフィラメント糸が個々のフ
ィラメントに分離されるように構成された形状を有する
射出ノズルを通って鋳型に移動されるに充分な圧力を前
記含浸されて切断されて加熱されたマルチフィラメント
糸に適用することと、 (E)前記複合材料の弛緩を防ぐために充分な成形圧力
をガラスの歪点に到達するまで維持することと、 の各段階を含んでおり、 それによってより高い耐クラック性を有する複合材料を
生成することを特徴とするガラスマトリックス複合材料
の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63075817A JP2548601B2 (ja) | 1988-03-29 | 1988-03-29 | 強化繊維分布が制御されたガラスマトリックス複合材料の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63075817A JP2548601B2 (ja) | 1988-03-29 | 1988-03-29 | 強化繊維分布が制御されたガラスマトリックス複合材料の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01249631A JPH01249631A (ja) | 1989-10-04 |
| JP2548601B2 true JP2548601B2 (ja) | 1996-10-30 |
Family
ID=13587114
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63075817A Expired - Lifetime JP2548601B2 (ja) | 1988-03-29 | 1988-03-29 | 強化繊維分布が制御されたガラスマトリックス複合材料の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2548601B2 (ja) |
-
1988
- 1988-03-29 JP JP63075817A patent/JP2548601B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01249631A (ja) | 1989-10-04 |
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