JP2648968B2 - 繊維強化金属 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は繊維強化金属（FRM）に関するものである。

（従来の技術） 近年、各種機械部品や構造材などにおいて、種々の複
合材料例えば金属を繊維で強化したFRMが使用されてい
る。FRMに用いられる強化繊維は母材（マトリックス）
金属、特にアルミニウム合金やマグネシウム合金などと
は濡れにくい反面、一端濡れると反応して繊維が劣化す
る。このため、一般には強化繊維に表面処理が行われ
る。処理法としては例えばCVD法、めっき法が挙げられ
る。これらの方法では強化繊維の表面に金属やセラミッ
クを均一に膜状に被覆するが、強化繊維との間の熱膨張
係数の差による剥離が生じて表面処理の効果が減少した
り、又、被膜を厚くすると強化繊維のしなやかさが失わ
れたり、硬く脆くなるため繊維が損傷し易くなるなど問
題が多い。更に、繊維の一本一本に表面処理を行うため
には複雑な装置を必要とし、コスト的にも不利である。
又、これらの強化繊維を使用して高圧凝固鋳造法によっ
てFRMを製造すると、繊維が片寄り繊維の分布が粗な部
分と密な部分が生じ易い。このため、FRA中の繊維体積
率（Vf）の制御が困難であり、特にVfが小さい場合に強
化繊維が均一に分散したFRMは得難く、FRM本来の特色で
ある設計の自由度が損なわれていた。又、連続繊維のみ
で強化したFRMでは強度の異方性が大きく、例えば前記
高圧凝固鋳造法による炭素連続繊維強化アルミニウム合
金では繊維の長さ方向の強さは130kg/mm²以上あるのに
対して、それと直角方向では数kg/mm²しかない。短繊維
のみを使用したFRMでは等方性ではあるが強度は一般に
低い。

又、従来より複合材料に用いる強化繊維として連続繊
維又は長繊維と短繊維又はウイスカとを組み合わせて使
用する方法等が提案されている。例えば、FRM部材の内
側には長繊維を使用し、外側には短繊維を使用する方法
がある。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、前記従来例においても例えば長繊維と
短繊維とを部材の内外で使い分ける方法は製造工程が煩
雑となる。又強度も充分でない。更にプリプレグ製造時
に長繊維と短繊維とを混在せしめる方法は、長繊維束中
の表面にはけ等によって、短繊維を付着させることはで
きるが内部の長繊維の一本一本の表面に均一に付着させ
ることは困難であり、得られる繊維体の品質が不均一と
なる。

本発明は上記従来技術における問題点を解決するため
のものであり、その目的とするところは、母材金属中に
連続繊維を均一に分散させることにより繊維体積率を制
御でき、又、互いに特性の異なる連続繊維や短繊維、ウ
イスカ又は粉末を組み合わせることにより、異方性や残
留応力、耐摩耗性等の機械特性が向上した繊維強化金属
を提供することにある。

（課題を解決するための手段） すなわち本発明の繊維強化金属は、炭化ケイ素、窒化
ケイ素、アルミナ、シリカ、アルミナ−シリカ、ジルコ
ニア、ベリリア、炭化ボロン、炭化チタン、炭素、ホウ
素、金属、合金、金属間化合物からなる耐熱性物質より
選択された少なくとも１種からなる連続繊維束と、 超音波の付与により、該連続繊維束の繊維間隙に介在
し、該連続繊維束内部まで各繊維に均一に付着してなる
炭化ケイ素、窒化ケイ素、アルミナ、シリカ、アルミナ
−シリカ、ジルコニア、ベリリア、炭化ボロン、炭化チ
タン、炭素、金属、金属間化合物からなる耐熱性物質よ
り選択された少なくとも１種からなる短繊維、ウイスカ
又は粉末のうちの少なくとも１種と、 母材金属とからなり、 連続繊維が該母材金属中に均一に分散してなることを
特徴とする。

連続繊維束を構成する連続繊維としては炭化ケイ素、
窒化ケイ素、アルミナ、シリカ、アルミナ−シリカ、ジ
ルコニア、ベリリア、炭化ボロン、炭化チタンからなる
セラミック、又は炭素、ホウ素、あるいは耐熱性金属、
合金、若しくは金属間化合物例えばモリブデン，タング
ステン，鋼，ステンレス鋼,CuZn,FeAl等の材料よりなる
繊維を単独又は組み合わせて用いることができる。繊維
の太さや断面形状等の性状は用途に応じて選択する。

短繊維としては、耐熱性物質として金属、金属間化合
物、合金を用いるのが望ましい。これは、繊維体を複合
材に適用するに際して、複合化工程において母相となる
溶融状態又は高温状態の金属に対して化学反応等により
上記繊維が消失しないためである。又、ウイスカとして
は、耐熱性非金属元素を用いるのが望ましい。これは、
上記短繊維の場合と同様に母相金属に対する化学的・熱
的安定性に優れているためである。更に、粉末としては
金属間化合物を用いるのが望ましい。これは、上記短繊
維、ウイスカの場合と同様な理由による。

連続繊維束を構成する連続繊維の繊維間隙に介在させ
る短繊維、ウイスカ又は粉末の量は両者の性状や製造し
たFRMの用途などによっても異なるが、機械部品や構造
材に用いる場合には連続繊維、短繊維、ウイスカ又は粉
末の連続繊維に対する体積率は0.5〜500％程度とするの
が好ましい。

本発明のFRMに使用できる母材金属としてはアルミニ
ウム若しくはマグネシウム又はこれらを主成分とする合
金が挙げられる。母材金属と強化繊維体との比率は、母
材金属及び強化繊維体の種類や製造したFRMの用途など
によって種々に変化させることができる。

本発明のFRMは、懸濁液浸漬法によって製造すること
ができる。懸濁液浸漬法の一例としては、例えばボビン
などに巻き付けた連続繊維束（適当数の連続繊維を束ね
たもの）を巻き戻して、短繊維、ウイスカ又は粉末のう
ちの少なくとも１種を懸濁した液体中に浸漬し、連続繊
維の各々の表面に短繊維、ウイスカ又は粉末を付着さ
せ、引き揃えて再びボビンに巻き取る方法が挙げられ
る。

連続繊維束を構成する際に使用する連続繊維の数は特
に限定されないが、少ない方が各繊維一本一本に均一に
短繊維などを付着させることができてよい。又、繊維数
の多い連続繊維束を浸漬する液体には超音波により振動
を与えて各繊維に均一に繊維束内部の繊維まで付着を行
う。超音波は浸漬液又は溶湯等の液体を入れた容器の外
壁に設けた超音波付加器によって外壁を介して少なくと
も連続繊維束に与えてもよいし、又は適当数の超音波振
動子例えばセラミック振動子を液体中に適切に配置して
直接液体に与えてもよい。超音波の照射パターンは連続
的であってもパルス状であってもよい。その強度や振動
数及び照射時間は連続繊維やこれに付着させる短繊維、
ウイスカ又は粉末の種類、あるいは上記付着物の液中濃
度、連続繊維の浸漬時間などの処理条件によって選択す
るが、例えば振動数は10KHz〜2000KHz程度が使用し易
い。

付着させるべき物を懸濁させる処理液は水でもよい
が、有機溶剤例えばエタノール、メタノール、アセトン
特にエタノールが好ましい。とりわけ、連続繊維の表面
にサイジング剤が塗布されている場合には、エタノール
などの有機溶剤を用いるとサイジング剤の溶解により短
繊維などの付着が容易となり、又、揮発性が水に比べて
高いので乾燥が早く、生産性が向上する利点がある。
又、上記有機溶剤と水との混合物を使用してもよい。

処理液中の付着物濃度は特に限定されないが、あまり
小さいと連続繊維上に均一な付着がみられず効果が少な
くなり、又逆に大きすぎると付着量が必要以上に多くな
るため、例えば付着物として炭化ケイ素ウイスカを用
い、繊維数6000本／ヤーンの連続繊維束を処理する場
合、炭化ケイ素ウイスカ濃度は0.5g/〜30g/程度が
好ましい。

多数の連続繊維よりなる束を処理液中に浸漬する場合
には浸漬前に繊維束にブロワを当てて開繊することが望
ましい。繊維数や処理液への超音波振動の有無によって
ブロワの吐出流量を調整するとよい。繊維数が少ない
か、又は処理液に充分な強さの超音波振動を付与する場
合にはブロワは必ずしも必要ではない。

処理液を入れた処理槽の数は１基でもよいが、複数の
付着物を用いる場合などには、各々の付着物を懸濁した
複数の処理槽を用いてもよい。浸漬時間の調整は可動ロ
ールなどの通常の方法により行うことができる。又、必
要ならば処理した連続繊維束をボビンに巻き取る前に乾
燥炉や赤外線乾燥機、熱風乾燥機等を用いて乾燥させ
る。

次いで上記方法によって製造した繊維体を適当な長さ
に切断するか、又は該繊維体を予め所望のFRM製品に応
じた大きさ、形状の予備成形体とし、鋳造型のキャビテ
ィ内に配置する。異なる種類の繊維体を組み合わせて使
用してもよい。

又、上記繊維体あるいは予備成形体を溶湯中で製造す
る場合には、連続繊維と短繊維、ウイスカ又は粉末のう
ち少なくとも１種とを鋳造型のキャビティ内に配置す
る。

この予備成形体を所定温度例えば700〜800℃に予熱
し、次いでキャビティ内に予備成形体とほぼ同温度に加
熱した母材金属の溶湯を注入する。次いで、この溶湯を
所定圧例えば400kg/cm²〜900kg/cm²に加圧しながら室温
まで冷却して母材金属を固化させる。

なお、上記により形成された繊維体あるいは予備成形
体を含む溶湯をキャビティ内で冷却・固化するとFRM物
品が製造される。又、溶湯に上記繊維体を通すか、ある
いは短繊維、ウイスカ又は粉末のうちの少なくとも１種
を含む溶湯中に連続繊維を通し、引上げて固化するとFR
Mワイヤが製造される。更に必要があれば得られた製品
について表面加工や機械加工を行ってもよい。

本発明に用いる連続繊維やこの表面に付着させる短繊
維、ウイスカ又は粉末及び母材金属は市販品をそのまま
使用することができる。

第１図に本発明の繊維強化金属の一例を示す。図中、
13はウイスカ（又は短繊維）、14は連続繊維（連続繊維
束を構成する連続繊維）、15は母材金属を示し、連続繊
維14を間隙にウイスカ13が配置され、残る空間に母材金
属15を充填した構造を有する。ウイスカ13の種類や性
状、付着時の条件又はウイスカ13を付着した連続繊維14
の充填条件などを選択すれば、ウイスカ13を間隙に均一
に配置することもできるし、又は連続繊維14の周囲に集
中的に配置することもできる。ウイスカ13によって母材
金属15は強化されるが、更に強化するために所望の元素
を所定量添加することも可能である。この場合、母材の
合金組成は限定されるものではない。連続繊維14の間隙
にウイスカ13が配置されることによって、連続繊維14同
士の接触が防止される利点があるほか、ウイスカ13の量
を変えることによって連続繊維14の体積率を制御でき
る。

更に、ウイスカ13の存在によって連続繊維14と直角方
向の強度が改善されるために、繊維強化金属の異方性が
軽減される。母材金属15より小さい熱膨張係数を有する
ウイスカ13を使用すれば、熱的残留応力が軽減される効
果がある。

すなわち、本発明のFRMにおいては連続繊維に短繊維
などが均一に付着し、且つ該連続繊維が母材金属中に均
一に分布するため、FRMの強度が向上すると共に、連続
繊維と母材金属との熱膨張係数の差がより減少し、熱的
残留応力が軽減される。更に詳しく説明すると、母材金
属15の熱膨張係数は連続繊維14のそれよりも大きため、
繊維強化金属の冷熱サイクル負荷時に連続繊維14と母材
金属15間でずれ、あるいは剥離が生ずる。しかしなが
ら、連続繊維14の繊維間隙に介在するウイスカ13の熱膨
張係数が母材金属15のそれよりも小さいと、ウイスカ13
が連続繊維14と母材金属15との界面における熱膨張の緩
衝材として働き、連続繊維14と母材金属15との熱膨張係
数の差が減少する。そのため、熱的残留応力が軽減され
る。更に、耐摩耗性を有するウイスカ13を使用すること
によって、耐摩耗性に優れた繊維強化金属を得ることが
できる。

（実施例） 以下の実施例及び比較例において本発明を更に詳細に
説明する。なお、本発明は下記実施例に限定されるもの
ではない。

実施例： 第２図は本発明の繊維強化金属に用いる強化繊維体の
製造装置の一例を示す。炭化ケイ素ウイスカ（平均直径
約0.2μm,平均長さ約100μｍ）5gをエタノール1000ccの
入った処理槽１中に投入後、超音波付加器２により超音
波振動を与えて懸濁させ、処理液３を調製した。東レ
（株）製M40炭素繊維束（繊維直径７〜８μm,繊維数600
0本，サイジング剤付）４をボビンから巻き戻し、超音
波を付加させたままで浸漬時間が約15秒となるよう可動
ローラ６及び７によって調節して処理液３中に浸漬しな
がら通し、次いで圧力ローラ８及び９によって押圧した
後再びボビン10に巻取り、室温・大気中で乾燥させた。

図中、11はブロワ、12は乾燥炉を示し、必要に応じて
使用する。

処理前黒色であった繊維は処理後うぐいす色を帯び、
電子顕微鏡（SEM）観察の結果、第３図に示すようにウ
イスカ13が連続繊維14上に付着しているのが認められ
た。又、処理後秤量の結果、繊維束長さ10m当たり0.15g
（連続繊維に対する体積率2.3％）のウイスカが付着し
ているのが分かった。

次いで、第４図（Ａ）に示すように、上記方法により
製造した繊維体16を長さ150mmに切断して50本束ね、鋼
製パイプ17中に挿入した。次いで（Ｂ）に示すように、
鋼製パイプ17をヒータ18により窒素ガス中で760℃に予
熱し、更に（Ｃ）に示すように鋳造型19内に配置して、
760℃に加熱した純アルミニウムの溶湯20を注入し、パ
ンチ21を用いて50kg/cm²で60秒加圧した。

得られた繊維強化金属の連続繊維の繊維軸に対して直
角方向の金属組織の断面図を第１図に示す。図から明ら
かなように、連続繊維14は母材金属15中に均一に分散さ
れ、相互の接触はほとんど認められなかった。又、繊維
間隙には多数のウイスカ13が存在し、これらウイスカ13
は母材金属15と直接接触してなることが確認された。

実施例2: 炭化ケイ素ウイスカ（実施例１で用いたもので同じ）
と窒化ケイ素ウイスカ（平均直径約0.3μm,平均長さ約2
00μｍ）各5gを、第２図に示すエタノール1000ccの入っ
た処理槽１中に投入後、超音波付加器２により超音波振
動を与えて懸濁させ、処理液３を調整した。実施例１と
同一の炭素繊維束を使用し、浸漬時間を20秒とする以外
は実施例１と同一の方法でウイスカを付着させた連続繊
維体を製造したところ、繊維束長さ10m当たり0.2g（連
続繊維に対する体積率3.1％）のウイスカが付着した。

次いで第４図（Ａ）に示すように、前記方法により製
造した繊維体16を長さ150mmに切断して100本束ね、鋼製
パイプ17中に挿入した。次いで、（Ｂ）に示すように、
鋼製パイプ17を窒素ガス中で720℃に予熱し、更に
（Ｃ）に示すように、鋳造型19内に配置して、720℃に
加熱した純マグネシウムの溶湯20を注入し、パンチ21を
用いて750kg/cm²で60秒加圧した。

得られた繊維強化金属の、連続繊維の繊維軸に対して
直角方向の金属組織の断面図は第１図と同様であり、繊
維間隙には多数のウイスカが認められ、連続繊維同士の
接触は著しく少なかった。又、ウイスカと母材金属とは
直接接触していた。

曲げ強さ測定試験： 実施例１と同様の方法を用いて、ウイスカ付着条件を
変えて本発明の繊維強化金属を製造し、連続繊維の繊維
軸に対して直角方向に対する曲げ試験を行った。結果を
第５図に示す。ウイスカを付着させた連続繊維を用いた
本発明の繊維強化金属は、ウイスカを用いない従来の繊
維強化金属に比べて約２〜５倍曲げ強さが向上してお
り、ハイブリッド効果が明確に現れている。又、超音波
付加の効果及び処理液にエタノールを用いる効果も明瞭
であり、付着時の条件を適切に選択することにより大き
な曲げ強さが得られることが判る。

（発明の効果） 上述のように本発明の繊維強化金属は、所定性状の連
続繊維束と、超音波の付与により、該連続繊維束の繊維
間隙に介在し、且つ該連続繊維束内部まで各繊維に均一
に付着してなる所定性状の短繊維、ウイスカ又は粉末の
うち少なくとも１種と、母材金属とからなるものである
ため、母材金属中に各々の連続繊維を均一に分散させる
ことができ、繊維体積率を非常に広範囲に制御すること
が可能であり、更に連続繊維と付着物及び母材金属の種
々の組み合わせが可能であるため広範囲にわたる要求特
性を満たすことができる。又、連続繊維同士の接触が減
少し、且つその組成が均一となるため圧縮剪断強さなど
の機械特性も改善された。特い連続繊維の繊維軸に垂直
な方向の強度が著しく向上し、異方性が改善された。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の繊維強化金属の一例の金属組織の光学
顕微鏡写真、 第２図は本発明の繊維強化金属に用いる強化繊維体の製
造装置の一例の概略図、 第３図は第２図の装置を用いて製造した繊維体における
繊維の形状を示す電子顕微鏡写真、 第４図は第３図の繊維体を用いて本発明の繊維強化金属
を製造する工程を示す概略図、 第５図は本発明の繊維強化金属のウイスカ付着条件と曲
げ強さ及び従来の繊維強化金属の曲げ強さを示すグラフ
である。 図中、 １……処理槽、２……超音波付加器、３……処理液 ４……炭素繊維束、5,10……ボビン、6,7……可動ロー
ラ 8,9……圧力ローラ、11……ブロワ、12……乾燥炉 13……ウイスカ、14……連続繊維、15……母材金属 16……繊維体、17……パイプ、18……ヒータ 19……鋳造型、20……溶湯、21……パンチ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−226140（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−166932（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−91341（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】炭化ケイ素、窒化ケイ素、アルミナ、シリ
   カ、アルミナ−シリカ、ジルコニア、ベリリア、炭化ボ
   ロン、炭化チタン、炭素、ホウ素、金属、合金、金属間
   化合物からなる耐熱性物質より選択された少なくとも１
   種からなる連続繊維束と、 超音波の付与により、該連続繊維束の繊維間隙に介在
   し、該連続繊維束内部まで各繊維に均一に付着してなる
   炭化ケイ素、窒化ケイ素、アルミナ、シリカ、アルミナ
   −シリカ、ジルコニア、ベリリア、炭化ボロン、炭化チ
   タン、炭素、金属、金属間化合物からなる耐熱性物質よ
   り選択された少なくとも１種からなる短繊維、ウイスカ
   又は粉末のうちの少なくとも１種と、 母材金属とからなり、 連続繊維が該母材金属中に均一に分散してなることを特
   徴とする繊維強化金属。