JP2639072B2 - 金属系複合材料 - Google Patents
金属系複合材料Info
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- JP2639072B2 JP2639072B2 JP1067581A JP6758189A JP2639072B2 JP 2639072 B2 JP2639072 B2 JP 2639072B2 JP 1067581 A JP1067581 A JP 1067581A JP 6758189 A JP6758189 A JP 6758189A JP 2639072 B2 JP2639072 B2 JP 2639072B2
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、金属系複合材料に係わり、特に航空宇宙分
野で利用される金属系複合材料に関するものである。
野で利用される金属系複合材料に関するものである。
［従来の技術］ 一般に航空機材料としては、アルミニウム（Al）やチ
タニウム（Ti）が採用されており、通常、アルミニウム
は約150℃までの温度で使用され、チタニウムは300〜40
0℃までの温度で使用されている。そして、航空機の機
体やエンジン部品等には、性能を向上させるべく軽量か
つ強度を有することが要求される。軽量化を図るために
は材料の肉厚を薄くすれば良いが、その反面強度が劣る
ことになる。例えば、強度のない軟らかい材料を機体に
使用すると撓んで振動が生じ、又、エンジンに使用する
と、その高速回転による遠心力で形状が変化してしま
う。
タニウム（Ti）が採用されており、通常、アルミニウム
は約150℃までの温度で使用され、チタニウムは300〜40
0℃までの温度で使用されている。そして、航空機の機
体やエンジン部品等には、性能を向上させるべく軽量か
つ強度を有することが要求される。軽量化を図るために
は材料の肉厚を薄くすれば良いが、その反面強度が劣る
ことになる。例えば、強度のない軟らかい材料を機体に
使用すると撓んで振動が生じ、又、エンジンに使用する
と、その高速回転による遠心力で形状が変化してしま
う。
そこで、近年、軽量かつ強度を有する材料として金属
系複合材料が創案され航空宇宙分野を始めとする多くの
分野で使用されている。
系複合材料が創案され航空宇宙分野を始めとする多くの
分野で使用されている。
この金属系複合材料は、例えばアルミニウム合金やチ
タニウム合金のマトリックス（基地）中に、炭素繊維
（CF）や、化学蒸着法（CVD法）等によって得た炭化珪
素繊維（SiCF）等の繊維を含有させたものである。
タニウム合金のマトリックス（基地）中に、炭素繊維
（CF）や、化学蒸着法（CVD法）等によって得た炭化珪
素繊維（SiCF）等の繊維を含有させたものである。
このような金属系複合材料を用いると、例えば航空機
エンジンのファンブレードに剛性を持たせることができ
るので、振動が防止され相隣接するブレード同士が干渉
し難くくなり、当該ブレードの中央部に設けられている
ミッド・スパン・シュラウドが不要となるため、空力性
能を向上させることができる。
エンジンのファンブレードに剛性を持たせることができ
るので、振動が防止され相隣接するブレード同士が干渉
し難くくなり、当該ブレードの中央部に設けられている
ミッド・スパン・シュラウドが不要となるため、空力性
能を向上させることができる。
［発明が解決しようとする課題］ しかし、従来の金属系複合材料は、材料を軽量にし、
かつ強度を持たせるべく金属マトリックス中に繊維を含
有させているが、例えば上記CFのような直径0.005〜0.0
15mmφの細い繊維を含有させると、繊維の体積含有率は
増加して全体としての剛性は向上するものの、繊維方向
の強度が小さいという問題があった。
かつ強度を持たせるべく金属マトリックス中に繊維を含
有させているが、例えば上記CFのような直径0.005〜0.0
15mmφの細い繊維を含有させると、繊維の体積含有率は
増加して全体としての剛性は向上するものの、繊維方向
の強度が小さいという問題があった。
また、例えば上記SiCFのような直径0.1〜0.2mmφの太
い繊維を含有させると、繊維方向の破断伸びは大きいも
のの、体積含有率が減少するため全体として大きな強度
及び剛性は得られないという問題があった。
い繊維を含有させると、繊維方向の破断伸びは大きいも
のの、体積含有率が減少するため全体として大きな強度
及び剛性は得られないという問題があった。
従って、金属系複合材料に全体として強度及び剛性を
持たせ、その上で特定方向の破断伸びを著しく向上させ
ることはできなかった。
持たせ、その上で特定方向の破断伸びを著しく向上させ
ることはできなかった。
上述の如き課題に鑑みて本発明は、軽量で全体として
強度及び剛性を有すると共に、特定方向の破断伸びの著
しく優れた金属系複合材料を提供することを目的とする
ものである。
強度及び剛性を有すると共に、特定方向の破断伸びの著
しく優れた金属系複合材料を提供することを目的とする
ものである。
［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために特許請求の範囲１記載の発
明は、直径が0.1〜0.2mmの太い連続繊維を同一平面上に
複数本並行に配してなる太繊維層と表面にAl合金がイオ
ンプレーティングされた直径が0.005〜0.015mmの細い連
続繊維を同一方向に複数本配してなるシート状の細繊維
層を、Al合金箔を介して交互に多層に積層し、これを熱
間プレス成形したものである。
明は、直径が0.1〜0.2mmの太い連続繊維を同一平面上に
複数本並行に配してなる太繊維層と表面にAl合金がイオ
ンプレーティングされた直径が0.005〜0.015mmの細い連
続繊維を同一方向に複数本配してなるシート状の細繊維
層を、Al合金箔を介して交互に多層に積層し、これを熱
間プレス成形したものである。
［作用］ 上記構成によれば、金属マトリックス中に太い連続繊
維と細い連続繊維を交互に多層に積層させたことによ
り、太い連続繊維同士の間隙に細い連続繊維を入り込ま
せることができ、太い連続繊維を用いても複合材料中に
おける繊維の体積含有率を向上されることができる。こ
のため、金属系複合材料を軽量化することができると共
に、強度及び剛性全体を向上することができ、さらに、
太い連続繊維と細い連続繊維が直交する金属系複合材料
の場合、太い連続繊維の長手方向と90゜の方向の破断伸
びを著しく向上することができる。
維と細い連続繊維を交互に多層に積層させたことによ
り、太い連続繊維同士の間隙に細い連続繊維を入り込ま
せることができ、太い連続繊維を用いても複合材料中に
おける繊維の体積含有率を向上されることができる。こ
のため、金属系複合材料を軽量化することができると共
に、強度及び剛性全体を向上することができ、さらに、
太い連続繊維と細い連続繊維が直交する金属系複合材料
の場合、太い連続繊維の長手方向と90゜の方向の破断伸
びを著しく向上することができる。
［実施例］ 以下に本発明の好適一実施例を添付図面に基づいて詳
述する。
述する。
本発明の金属系複合材料は第１図及び第２図に示した
断面ミクロ組織の如く構成されている。第１図は、金属
マトリックス１中に太い繊維（連続繊維）２と細い繊維
（連続繊維）３とを同一方向（０゜方向/0゜方向）に含
有させたものである。また第２図は、金属マトリックス
１中に太い繊維２と細い繊維３とを直交方向（０゜方向
/90゜方向）に含有させたものである。上記太い繊維２
としては、例えば、SiCFからなる直径が0.1〜0.2mmφの
連続繊維を用いる。また、上記細い繊維３としては、例
えば、CFからなる直径が0.005〜0.015mmφの連続繊維を
用いる。実際には、市販のSiCFのグリーンテープとCFAl
（HM5052）イオンプレーティングプリフォーム（カーボ
ン繊維のシートの両面をAlでイオンプレーティングして
形成したシート状のプリフォームシート）を主強化材と
して用いる。そして、これら主強化材をAl合金箔を介し
て間接積層し、熱間プレスしたものである。上記Al合金
箔にはJIS 2017Al合金（25μｍ）を使用した。さらに、
上記熱間プレスによる成形条件は、CFAlの界面反応と成
形性から、853k×39.2MPa×15min.を採用した。
断面ミクロ組織の如く構成されている。第１図は、金属
マトリックス１中に太い繊維（連続繊維）２と細い繊維
（連続繊維）３とを同一方向（０゜方向/0゜方向）に含
有させたものである。また第２図は、金属マトリックス
１中に太い繊維２と細い繊維３とを直交方向（０゜方向
/90゜方向）に含有させたものである。上記太い繊維２
としては、例えば、SiCFからなる直径が0.1〜0.2mmφの
連続繊維を用いる。また、上記細い繊維３としては、例
えば、CFからなる直径が0.005〜0.015mmφの連続繊維を
用いる。実際には、市販のSiCFのグリーンテープとCFAl
（HM5052）イオンプレーティングプリフォーム（カーボ
ン繊維のシートの両面をAlでイオンプレーティングして
形成したシート状のプリフォームシート）を主強化材と
して用いる。そして、これら主強化材をAl合金箔を介し
て間接積層し、熱間プレスしたものである。上記Al合金
箔にはJIS 2017Al合金（25μｍ）を使用した。さらに、
上記熱間プレスによる成形条件は、CFAlの界面反応と成
形性から、853k×39.2MPa×15min.を採用した。
次に上記実施例における作用を述べる。
上述の如く、金属マトリックス１中に太い繊維２と細
い繊維３とを組合わせて含有する（以下ハイブリッドと
いう）本発明の金属系複合材料４の成形体の性能を評価
すべく室温（RT）、573K及び723Kにおいて引張試験を行
った。その引張強度を下記表.1に、又、室温での引張弾
性係数と弾性ひずみを下記表.2に示す。ここで引張方向
はSiCFを中心とした表示としており、例えばSiCFとCFの
０゜/90゜直交ハイブリッドの０゜方向特性はSiCF方向
を意味する。
い繊維３とを組合わせて含有する（以下ハイブリッドと
いう）本発明の金属系複合材料４の成形体の性能を評価
すべく室温（RT）、573K及び723Kにおいて引張試験を行
った。その引張強度を下記表.1に、又、室温での引張弾
性係数と弾性ひずみを下記表.2に示す。ここで引張方向
はSiCFを中心とした表示としており、例えばSiCFとCFの
０゜/90゜直交ハイブリッドの０゜方向特性はSiCF方向
を意味する。
尚、表.1,2中Vfは繊維の体積含有率である。
また、第３図及び第４図に本発明のSiCF/CFAlハイブ
リッドと従来の2017箔（JIS 2017）をインサートしたCF
Al及びSiCF6061（JIS 6061）との高温引張強度を比較す
る。第３図は、０゜方向の高温引張強度の対比であり、
第４図は90゜方向の高温引張強度の対比を示すものであ
る。尚、第５図は上記2017箔インサートCFAlの断面ミク
ロ組織を示すものである。
リッドと従来の2017箔（JIS 2017）をインサートしたCF
Al及びSiCF6061（JIS 6061）との高温引張強度を比較す
る。第３図は、０゜方向の高温引張強度の対比であり、
第４図は90゜方向の高温引張強度の対比を示すものであ
る。尚、第５図は上記2017箔インサートCFAlの断面ミク
ロ組織を示すものである。
まず、第３図に示すように０゜方向の強度について
は、０゜/0゜強化材の0.43SiCF/0.11CFハイブリッドは
平均1777MPaを示し、0.5SiCF6061と同等以上の強度とな
っており、また引張弾性係数及び破断ひずみも同等以上
となっている。そして、０゜/90゜強化材の0.32SiCF/0.
10CFハイブリッドの場合、SiCFのVfが低い分当然強度は
低くなっており、0.27CF5052/2017よりも高い強度を示
すが、SiCF6061よりも低い強度を示している。従って、
０゜方向の強度はSiCFVfの値が支配していることが判
る。しかし、少なくともCFを90゜方向に入れたことによ
る０゜方向強度低下はない。
は、０゜/0゜強化材の0.43SiCF/0.11CFハイブリッドは
平均1777MPaを示し、0.5SiCF6061と同等以上の強度とな
っており、また引張弾性係数及び破断ひずみも同等以上
となっている。そして、０゜/90゜強化材の0.32SiCF/0.
10CFハイブリッドの場合、SiCFのVfが低い分当然強度は
低くなっており、0.27CF5052/2017よりも高い強度を示
すが、SiCF6061よりも低い強度を示している。従って、
０゜方向の強度はSiCFVfの値が支配していることが判
る。しかし、少なくともCFを90゜方向に入れたことによ
る０゜方向強度低下はない。
０゜方向の高温引張強度については、０゜/0゜強化材
及び０゜/90強化材共に、SiCFが33％級の体Vf材は723K
での対室温強度保持率70％程度であり、SiCF6061と同等
であるが、SiCFが43％級のハイブリッド材は同強度保持
率で80％を上回っており、高温強度が大きく向上した。
及び０゜/90強化材共に、SiCFが33％級の体Vf材は723K
での対室温強度保持率70％程度であり、SiCF6061と同等
であるが、SiCFが43％級のハイブリッド材は同強度保持
率で80％を上回っており、高温強度が大きく向上した。
また、第４図に示すように90゜方向については、０゜
/0゜強化材の0.43SiCF/0.11CFハイブリッドは、引張強
度並びに破断ひずみともSiCF6061に比べ小さいが、０゜
/90゜強化材の0.34SiCF/0.09CFハイブリッドでは、室温
から723kまで明らかな強度改善が見られる。
/0゜強化材の0.43SiCF/0.11CFハイブリッドは、引張強
度並びに破断ひずみともSiCF6061に比べ小さいが、０゜
/90゜強化材の0.34SiCF/0.09CFハイブリッドでは、室温
から723kまで明らかな強度改善が見られる。
次に、第６図に応力−ひずみ曲線図を例示した。図示
するように、SiCF6061の90゜方向材が破断する0.07％前
後のひずみ域を越えると、０゜/90゜強化ハイブリッド
材の90゜方向の応力−ひずみ曲線は階段状の振動を示し
始め、比較的直線的な低い勾配で上昇する。この90゜方
向破断強度とひずみはVfによっても異なり、またばらつ
きが大きいものの、0.34SiCF/0.09CFの低Vf材では90゜
方向破断ひずみが平均1.0％、最大2.25％となってい
る。これは第７図の断面ミクロ組織に示すように、0.34
SiCF/0.09CFの低Vf材の０゜/90゜積層成形時のCFの蛇行
の程度により、この破断ひずみは決定されるものと考え
られる。
するように、SiCF6061の90゜方向材が破断する0.07％前
後のひずみ域を越えると、０゜/90゜強化ハイブリッド
材の90゜方向の応力−ひずみ曲線は階段状の振動を示し
始め、比較的直線的な低い勾配で上昇する。この90゜方
向破断強度とひずみはVfによっても異なり、またばらつ
きが大きいものの、0.34SiCF/0.09CFの低Vf材では90゜
方向破断ひずみが平均1.0％、最大2.25％となってい
る。これは第７図の断面ミクロ組織に示すように、0.34
SiCF/0.09CFの低Vf材の０゜/90゜積層成形時のCFの蛇行
の程度により、この破断ひずみは決定されるものと考え
られる。
また、参考に第８図及び第９図に破断面の状況を示す
が、2017を用いたことによりSiCFと金属マトリックスと
の接合性及びCFのプルアウトも良好である。
が、2017を用いたことによりSiCFと金属マトリックスと
の接合性及びCFのプルアウトも良好である。
このように、金属マトリックス１中に太い繊維２とし
てSiCFと、細い繊維３としてCFとが含有されたことによ
り、太いSiCF同士の間隙に細いCFを含有させることがで
きるので、太いSiCFを含有させても繊維の体積含有率Vf
を向上させることができるため、軽量化されると共に、
材料の強度及び剛性を全体として向上させることができ
る。特に０゜方向/0゜方向ハイブリッドの場合は、体積
含有率Vfが著しく向上する。
てSiCFと、細い繊維３としてCFとが含有されたことによ
り、太いSiCF同士の間隙に細いCFを含有させることがで
きるので、太いSiCFを含有させても繊維の体積含有率Vf
を向上させることができるため、軽量化されると共に、
材料の強度及び剛性を全体として向上させることができ
る。特に０゜方向/0゜方向ハイブリッドの場合は、体積
含有率Vfが著しく向上する。
そして、太いSiCFの方向の破断伸びを著しく向上させ
ることができるものである。
ることができるものである。
［発明の効果］ 以上要するに本発明によれば、軽量で全体として強度
及び剛性を有すると共に、特定方向の破断伸びが著しく
優れた材料を得ることができるものである。
及び剛性を有すると共に、特定方向の破断伸びが著しく
優れた材料を得ることができるものである。
第１図は本発明の０゜方向/0゜方向ハイブリッド金属系
複合材料を示す断面ミクロ組織、第２図は、本発明の０
゜方向/90゜方向ハイブリッド金属系複合材料を示す断
面ミクロ組織、第３図は０゜方向の高温引張強度の対比
を示すグラフ、第４図は90゜方向の高温引張強度の対比
を示すグラフ、第５図は2017箔インサートCFAlを示す断
面ミクロ組織、第６図は応力−ひずみ曲線図、第７図は
低Vfの０゜方向/90゜方向ハイブリッド金属系複合材料
を示す断面ミクロ組織、第８図は０゜方向/90゜方向0.3
4SiCF/0.09CFの90゜方向破断面の状況を示す断面ミクロ
組織、第９図０゜方向/90゜方向0.34SiCF/0.09CFの０゜
方向の破断面の状況を示す断面ミクロ組織である。 図中、１は金属マトリックス、２は太い繊維、３は細い
繊維、４は金属系複合材料である。
複合材料を示す断面ミクロ組織、第２図は、本発明の０
゜方向/90゜方向ハイブリッド金属系複合材料を示す断
面ミクロ組織、第３図は０゜方向の高温引張強度の対比
を示すグラフ、第４図は90゜方向の高温引張強度の対比
を示すグラフ、第５図は2017箔インサートCFAlを示す断
面ミクロ組織、第６図は応力−ひずみ曲線図、第７図は
低Vfの０゜方向/90゜方向ハイブリッド金属系複合材料
を示す断面ミクロ組織、第８図は０゜方向/90゜方向0.3
4SiCF/0.09CFの90゜方向破断面の状況を示す断面ミクロ
組織、第９図０゜方向/90゜方向0.34SiCF/0.09CFの０゜
方向の破断面の状況を示す断面ミクロ組織である。 図中、１は金属マトリックス、２は太い繊維、３は細い
繊維、４は金属系複合材料である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−204139（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−227049（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−75163（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−295346（ＪＰ，Ａ)
Claims (1)
- 【請求項１】直径が0.1〜0.2mmの太い連続繊維を同一平
面上に複数本並行に配してなる太繊維層と表面にAl合金
がイオンプレーティングされた直径が0.005〜0.015mmの
細い連続繊維を同一方向に複数本配してなるシート状の
細繊維層を、Al合金箔を介して交互に多層に積層し、こ
れを熱間プレス成形したことを特徴とする金属系複合材
料。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1067581A JP2639072B2 (ja) | 1989-03-22 | 1989-03-22 | 金属系複合材料 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1067581A JP2639072B2 (ja) | 1989-03-22 | 1989-03-22 | 金属系複合材料 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02247343A JPH02247343A (ja) | 1990-10-03 |
| JP2639072B2 true JP2639072B2 (ja) | 1997-08-06 |
Family
ID=13349035
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1067581A Expired - Lifetime JP2639072B2 (ja) | 1989-03-22 | 1989-03-22 | 金属系複合材料 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2639072B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008184655A (ja) * | 2007-01-30 | 2008-08-14 | Nippon Oil Corp | 炭素繊維複合金属材料 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61295346A (ja) * | 1985-06-21 | 1986-12-26 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | 繊維強化金属の製造方法 |
-
1989
- 1989-03-22 JP JP1067581A patent/JP2639072B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH02247343A (ja) | 1990-10-03 |
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