JP2717618B2 - 繊維強化複合材料の製造方法 - Google Patents

繊維強化複合材料の製造方法

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昭仁 酒井
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、航空宇宙,鉄道車両用
の構造材料として、或いはまたエンジン,原子力,産業
機械用の高耐熱材料として用いる繊維強化複合材料を
造する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】通常の複合材料は、図12に示すように
高強度高剛性の強化繊維1と延びのあるマトリックス2
とを組み合わせたもので、繊維方向には強いが、それ以
外方向には弱い。一般にこの一方向強化の複合材料3
は、異方性をうまく利用して使われるが、強化されてい
ない方向には損傷が起り易く、一旦クラックが入るとそ
の進展がとまらない。特にセラミックス等の脆性なマト
リックスで問題となる。
【0003】このようなことから、図13に示すように
強化繊維1を三次元に配向した複合材料4や、図14に
示すように一方向の強化繊維1間を粒子や短繊維等のウ
ィスカ5で強化しようとする複合材料6が検討されてき
た。しかし、図13の複合材料4は、空間が多くできて
強化繊維1をたくさん入れられず、また強化繊維の配向
方向に制約(多くの場合直交のみ)がある等の欠点があ
って、実用化されてはいるが、あまり普及していない。
図14の複合材料6は、強化繊維1にウィスカ5をまぶ
し、その後樹脂を含浸するか、または樹脂中にウィスカ
5を分散させ、これを強化繊維1に含浸して作るのであ
るが、いずれの場合も次のような問題がある。 ウィスカ5が凝集して「ダマ」になり、均一に混ざら
ない。 含浸,成形時の圧力でウィスカ5が流動し、外部へ押
し出されたり、加圧の少ない所に片寄ったりする。 ウィスカ5が片寄るために、ウィスカ5の多い所では
強化繊維1同士が離れることになり、強化繊維1自体の
配合もばらつく。従って、図14の複合材料6は、強化
繊維1に垂直な方向に強化材が無いため、極めて脆弱で
ある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】そこで本発明は、繊維
強化複合材料の繊維が配向している方向の強度,靭性を
損うことなく、繊維が配向されていない方向の強度,靭
性を向上させる繊維強化複合材料の製造方法を提供しよ
うとするものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明の繊維強化複合材料の製造方法の1つは、炭素
繊維又はセラミック繊維の一次元,二次元,三次元のい
ずれかの集合体の各素繊維表面に存在する最小0.1μ
mの直径を有する開口空隙に、化学気相充填法を用いて
セラミックウィスカを成長させ、その後この集合体に、
炭素又はセラミックス又は金属又は樹脂を含浸,充填す
ることを特徴とするものである。
【0006】 さらに上記課題を解決するための本発明の
繊維強化複合材料の製造方法の他の1つは、炭素繊維又
はセラミック繊維の一次元,二次元,三次元のいずれか
の集合体の空隙の一部にセラミックス又は炭素を充填し
て得られる多孔質予備成形体の残余気孔中に、化学気相
充填法を用いてセラミックウィスカを成長させ、その後
この予備成形体に、セラミックス又は/及び炭素を充填
することを特徴とするものである。
【0007】 本発明の繊維強化複合材料の製造方法にお
いて、 多孔質体又は細片集合体の開口空隙に、化学気相
充填法を用いてウィスカを成長させる方法は、予め任意
に配置された強化繊維(多孔質体であればマトリックス
を含む)に、「固体を含まない金属粒の原料液体」と
「ウィスカの原料となるガス」を含浸(流通)すること
でウィスカを得るものであり、これらの原料はいずれも
流体であり、強化繊維等の間隙に自由に流通させ得るも
のであるため、その結果として成長するウィスカの分散
状態は均一なものとなる。また、「金属粒液体の濃度,
含浸回数」でウィスカの本数を正確にコントロールで
き、「ウィスカ原料ガスを流す時間(反応時間)」でそ
の大きさを正確にコントロールできる。
【0008】
【作用】 本発明の繊維強化複合材料の製造方法は、素繊
維表面に存在する開口空隙や多孔質予備成形体の残余気
孔中に、化学気相充填法によりセラミックウィスカを成
長させるので、このウィスカは繊維に垂直な方向に成長
する。従って、その後開口空隙や多孔質予備成形体の残
余気孔中に、炭素,セラミックス,金属,樹脂等を含
浸,充填して得た繊維強化複合材料は、繊維平行方向の
剪断に対し、ウィスカの剪断強度が寄与して全体の剪断
強度が向上する。また、繊維垂直方向の引張に対し、ウ
ィスカの引き抜けに要するエネルギーの分、強度が向上
する。つまりウィスカは強化繊維という「土台」に生え
ており、勝手に動けないからマトリックスからウィスカ
を引き抜くのに比較的大きな応力を必要とし、その分強
度が向上する。さらに、マトリックスの繊維と平行なク
ラックがウィスカで止められるので、繊維間の靭性が向
上する。
【0009】
【実施例】本発明の繊維強化複合材料の製造方法の説明
に先立って、セラミックウィスカの成長方法の実施例
説明すると、図1に示す炭素又はセラミックス、本例で
は炭素よりなる多孔質体10中に存在する0.1〜10
0μmの直径を有する多数の開口空隙11に、固体を含
まない金属粒の原料本体の1つである塩化金酸(AuH
Cl・4HO)5%水溶液を加圧含浸し、90℃,
10時間で乾燥した後、1気圧のアルゴンガス中で90
0℃,10時間熱処理して開口空隙11内に、図2に示
すように金粒12を形成付着し、次にウィスカの原料で
あるガス、本例ではTiCl:0.3vol%、
:70vol%、N:残部よりなる反応ガスを、
1065℃に加熱した前記多孔質体10の開口空隙11
に流通させて、図3に示すように金粒12の部分に、平
均長さ2μmのTiNウィスカ13を成長させた。
【0010】 このように炭素よりなる多孔質体10中の
開口空隙11に、化学気相充填法により成長させたTi
Nウィスカ13の分散状態は均一なものであった。
【0011】 さて、 本発明の繊維強化複合材料の製造方
法の1つの一実施例を図によって説明すると、図4に示
す炭素繊維の平織物の積層集合体15を界面活性剤(ナ
トリウムを含まないもの)で処理し、即ちOctano
yl−N−methylglucamide5%水溶液
を加圧含浸した。次に、塩化金酸(AuHCl・4H
O)5%水溶液を加圧含浸し、80〜90℃で10時
間乾燥した後、1気圧のアルゴンガス中で900℃,1
0時間熱処理して積層集合体15の平織物の開口空隙
で、図5に示すように金粒16を形成付着させた。次い
で、ウィスカの原料であるガス、本例ではTiCl
0.3vol%、H:70vol%、N:残部より
なる反応ガスを、1065℃に加熱した積層集合体15
の開口空隙に流通させて、図6に示すように金粒16の
部分に、平均長さ3μmのTiNウィスカ17を成長さ
せた。然る後、この積層集合体15に液状フェノール樹
脂を含浸させ、オートクレーブ2kg/cm、150
℃で2時間かけて硬化し、繊維強化複合材料18を得
た。
【0012】 次に 本発明の繊維強化複合材料の製造方法
の他の1つの一実施例を図によって説明すると、図7に
示すように炭素繊維の織物100部に液状フェノール樹
脂20部を含浸させたプリプレグ20を10枚積層し、
オートクレーブ2kg/cmで150℃,2時間かけ
て硬化した後、1気圧のアルゴンガス中で2000℃,
1時間加熱(2000℃に昇温するまでの昇温率20℃
/h)して、図8に示すような多孔質予備成形体21を
得た。次に、この多孔質予備成形体21に界面活性剤
(ナトリウムを含まないもの)、例えばOctanoy
l−N−methylglucamide5%水溶液を
加圧含浸した後、塩化金酸(AuHCl・4HO)
5%水溶液を加圧含浸させ、80〜90℃で10時間か
けて乾燥し、1気圧のアルゴンガス中で900℃,10
時間かけて熱処理し、図9に示すように多孔質予備成形
体21の気孔22内に、金粒23を形成付着させた。次
いで、ウィスカの原料であるガス、本例ではTiC
:0.3vol%、H:70vol%、N:残
部よりなる反応ガスを、1065℃に加熱した前記の多
孔質予備成形体21の気孔22内に1気圧,2秒間流通
させることを2000回繰り返して、図10に示すよう
に金粒23の部分に、平均長さ2μmのTiNウィスカ
24を成長させた。然る後、この多孔予備成形体21の
気孔22内にフラン樹脂を加圧含浸させ、1000℃で
フラン樹脂を炭化し、昇温率10℃/hで1600℃ま
で昇温し、比重1.6を超えるまで、前記のフラン樹脂
の加圧含浸,樹脂の炭化を繰り返して、図11に示す炭
素繊維/ウィスカ複合強化炭素複合材料25を得た。
【0013】 前記のように図6の積層集合体15に液状
フェノール樹脂を含浸させ加熱硬化して得た繊維強化複
合材料及び図11の炭素繊維/ウィスカ複合強化炭素複
合材料25は、繊維の垂直方向に成長したウィスカを有
するので、繊維平行方向の剪断に対し、ウィスカの剪断
強度が寄与し、複合材料全体の剪断強度が向上する。ま
た、繊維垂直方向の引張りに対し、ウィスカの引き抜き
に要するエネルギーの分、強度が向上する。さらに、マ
トリックスの繊維と平行なクラックがウィスカで止めら
れるので、繊維間の靭性が向上する。
【0014】
【発明の効果】以上の通り本発明の繊維強化複合材料の
製造方法は、素繊維表面に存在する開口空隙や多孔質予
備成形体の残余気孔中に、化学気相充填法によりセラミ
ックウィスカを成長させるので、このウィスカは繊維に
垂直な方向に成長する。従って、その後開口間隙や残余
気孔中に、炭素,セラミックス,金属,樹脂等を含浸充
填して得た繊維強化複合材料は、繊維が配向されている
方向の強度,靭性を損うことなく、ウィスカにより繊維
が配向されていない方向の強度,靭性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1〜図3】セラミックウィスカの成長方法の実施例
の工程を示す図である。
【図4〜図6】本発明の繊維強化複合材料の製造方法の
1つの一実施例の工程を示す図である。
【図7〜図11】本発明の繊維強化複合材料の製造方法
の他の1つの一実施例の工程を示す図である。
【図12】通常の繊維強化複合材料の概略断面図であ
る。
【図13】強化繊維を三次元に配向した複合材料の概略
断面図である。
【図14】一方向の強化繊維間をウィスカで強化しよう
とする複合材料を示す概略断面図である。
【符号の説明】
15 炭素繊維の平織物の積層集合体 16 金粒 17 ウィスカ 18 繊維強化複合材料 20 プリプレグ 21 多孔質予備成形体 22 気孔 23 金粒 24 TiNウィスカ 25 炭素繊維/ウィスカ複合強化炭素複合材料
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 C30B 29/62 C04B 35/80 B B29C 67/14 X

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 炭素繊維又はセラミック繊維の一次元,
    二次元,三次元のいずれかの集合体の素繊維表面に、化
    学気相充填法を用いてセラミックウィスカを成長させ、
    その後この集合体に、炭素又はセラミックス又は金属又
    は樹脂を含浸,充填することを特徴とする繊維強化複合
    材料の製造方法。
  2. 【請求項2】 炭素繊維又はセラミック繊維の一次元,
    二次元,三次元のいずれかの集合体の空隙の一部にセラ
    ミックス又は炭素を充填して得られる多孔質予備成形体
    の残余気孔中に、化学気相充填法を用いてセラミックウ
    ィスカを成長させ、その後この予備成形体に、セラミッ
    クス又は/及び炭素を充填することを特徴とする繊維強
    化複合材料の製造方法。
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