JP2909211B2 - 強化アロイラミネート - Google Patents

強化アロイラミネート

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は強化アロイラミネート、特にアルミニウム合
金の層の間に接着結合された樹脂材料のマトリックス中
に埋め込まれた長いファイバーの強化材を含有するラミ
ネートに関する。
研究によって、このようなラミネートは従来のモノリ
シック形態の高強度アルミニウム合金に較べて改善され
た損傷耐性を示すことが示された。このため、その低い
密度と考え合わせて、これらのラミネートは、損傷耐性
が設計上要求される航空宇宙用途、例えば圧力船室の部
品又は翼の底面への用途用に特に魅力あるものとなる。
この改善された損傷耐性は耐疲労クラック生長性の増大
となって表れるが、これはクラックの進む先にある完全
なファイバーの働きによりクラックの開裂が抑制される
からである。
この効果は「長い」ファイバー、例えば最短の長さが
10mmのファイバーを使ったときのみに現われ、以下本明
細書中で「長い」ファイバーという場合はこのように解
釈されたい。この効果はファイバーの長さに敏感であ
る。なぜなら、抑制の機構はクラッキングの間の金属表
皮から下に横たわっている中間層のファイバーへの効果
的な負荷の移動を要求するからである。短いファイバー
やウィスカーは適していない。なぜならそれらの多くは
金属中に生じたクラック間にまたがるには長さが不十分
であるからである。クラック間に橋架けをするそのよう
なファイバーのうちの多くは、その端の短い長さの部分
がマトリックス材料に埋め込まれているのみである。こ
れはこれらのファイバーがクラックが拡がる間にマトリ
ックスから引き離され易いことを意味する。
繊維強化ラミネート中のファイバーの配向は最終製品
の特定の工学的要件に適するように変えても良い。ここ
で考えている材料では、ファイバーの配向は無秩序より
むしろ予め決められているので、最終製品中の異方性を
予想通りに制御することが可能である。ファイバーの特
定の配向、例えば金属シートの圧延の軸に平行な配向を
採用する場合を除き、便宜上ファイバーは単に「（方向
が）揃っている」ということとする。
この術語は本明細書を通じて、本材料をランダムなフ
ァイバーの配向を有するものと区別するために使う。
クラック抑制のためにファイバーに要求される基本的
な特性は張力下での強さ及び疲労に対する最小の敏感性
である。理想的には、クラックが進む途上で起こるファ
イバーの破損を最小にするために、ファイバーと金属層
の間の樹脂界面は比較的弱くあるべきである。もしこの
界面が強すぎると、金属の表皮に応力がかかったときは
いつでもファイバーの破断が起こり易い。
軽いアロイラミネート中で、細いファイバーの強化材
を使うことの効果は、1960年代に最初に研究された。こ
のタイプの初期の材料の欠点のうちの１つは薄いアルミ
ニウムシートがすぐに初期クラッキングを起こす傾向が
あったことである。これらのクラックは、クラックを開
裂させる十分な歪みが生じていてファイバー強化材に負
荷を分配しなければならない点まで急速に成長してい
た。この意味するところは、強化層はその有益な効果を
ラミネートの寿命の間もともと意図されたよりもずっと
早く働かせる必要があったということであり、その結果
寿命の終わりもまた早くなっていたのである。
この困難さにもかかわらず、Royal Aircraft Establi
shmentにおいてForsyth、George及びRyderによってなさ
れた研究の結果、良好な耐疲労クラック生長性及び良好
な破壊靭性がスチールワイヤーの強化材を使うことによ
り達成され得ることが示された（Applied Materials Re
search（1964）223〜228頁）。それらの材料は依然とし
て初期クラッキングがすぐに発生し、そしてその結果生
じたクラックは依然として強化材が歪みを受ける点まで
急速に成長した。しかしながら１度この状態になると、
生長速度の低下という意味でも、また不安定にならない
で許容できるクラックの長さの点でも、クラックの生長
特性の改善が見られた。
この初期クラッキングの問題を克服するための努力に
おいて、Vogelesang等は欧州特許出願第0056288号で強
化コンクリートで一般に適用されているプレストレス法
の使用について記載している。彼らの方法ではラミネー
トのアルミニウム合金シートに圧縮応力が、そして強化
ファイバーに持続する引張応力が与えられる。アルミニ
ウム合金シートを圧縮下におくことにより、クラック発
生を禁止する。これにより、モノリシックな合金と較べ
て、特にファイバー方向で良好な全引張り性能が得られ
るが、繊維強化非金属層の貧弱な圧縮性能のために圧縮
強度及び耐座屈性は低下する。
プレストレス法の別の欠点はこの方法はシート毎に個
別に行われるので製造のコストが高いことである。連続
的製造よりもずっと高価であるばかりでなく、応力の不
均一性の問題も生じる。もしもシートを横切る方向ある
いは場合によってはシート毎の歪みの変化といったよう
に一様でない特性がラミネート製品に導入されると、一
定でない残留応力及び不均一な機械的特性が最終製品に
生じ得る。加えて、施されたプレストレスが適切でなけ
れば、耐疲労クラック発生性は相当するストレスをかけ
ていないラミネートとほとんど変わらない。なぜなら初
期のクラッキングの間の負荷は主として金属層に担われ
るからである。
更に、アロイラミネートは一般にそれらの可能な最大
の軽量化を達成し得ない。なぜならそれらは十分には薄
くし得ないからである。実用的な取扱適性を持ったアル
ミニウムシートの最小寸法ではラミネートの強さの要求
は越えている。所望の軽量化はより薄いアルミニウムシ
ートを使わずには達成し得ない。しかしながら、これら
は圧縮で非常に壊れやすいので十分な座屈耐性を提供で
きず、いかなる場合でも製造は取扱いの難しさにより妨
げられるようになる。
したがって、本発明の目的はこれら困難の多くを、プ
レストレスに頼ることなく改善された破壊靭性と、疲労
クラックの発生と成長に対する改善された耐性を示し、
さらに既知のアルミニウム合金ラミネート材料と比較し
て改善された圧縮特性を示す繊維強化アロイラミネート
を提供することにより克服することである。
本発明は、少なくとも２枚のアルミニウム合金のシー
トから成り各シートが、樹脂材料のマトリックスに埋め
込まれた長い、方向の揃った強化用ファイバーから成る
繊維強化複合材料の中間層により隣のシートと隔てられ
ている繊維強化アルミニウム合金張り合わせラミネート
材料であって、アルミニウム合金シートが粒子又はウイ
スカーから成るセラミック成分の強化材を含む金属マト
リックス複合材料で形成され、繊維強化複合材料中のフ
ァイバーが、繊維強化複合材料の弾性率が少なくとも金
属マトリックス複合シートの弾性率と同じになるように
十分な剛性をもっていることを特徴とする繊維強化アル
ミニウム合金ラミネート材料である。
セラミック成分の強化材はアルミニウム合金シートの
剛性を上げるのに役立つ。これは、これらシートに対応
するモノリシックなシートと同じ厚さのシートがラミネ
ートの耐座屈性を上げるために使われ得ることを意味す
る。又は、より薄いシートが全体の重量を減らすために
使われ得る。
実際上、ウイスカー強化材で得られる有益な効果と粒
子で得られる効果との間には違いはほとんどない。
本発明の好ましい形態では、アルミニウム合金シート
は１〜３重量％のリチウムを含むアルミニウム合金から
形成される。典型的には、そのような合金から作られた
金属マトリックス複合シートは弾性率が90〜100GPaであ
る。特に好ましいものは、アメリカアルミニウム協会
（Aluminium Association of America）によって8090と
称されるタイプのアルミニウム−リチウム合金である。
その合金は公称の組成、重量割合で表して2.2〜2.7％
Li;1.0〜1.6％ Cu;0.6〜1.3％ Mg;0.04〜0.16％ Zr;
最大0.20％までのSi及び最大0.30％までのFeそして付随
する不純物を除いて残りがアルミニウムである組成を持
つ。アルミニウム−リチウム合金を使用すると2000また
は7000シリーズ（これらもまたAluminum Association o
f Americaの名称である）の従来の合金から形成された
同じ厚さのパネルに較べて重さが軽いという利点が得ら
れる。8090タイプのアルミニウム−リチウム合金の典型
的な値であるリチウムのレベル2.5重量％では重量の低
減はほぼ10％である。アルミニウム−リチウム合金を使
うことの更なる利点はそれはリチウムを含まないものよ
りも本質的に硬い（剛性である）ということである。前
記の通り、この剛性が上がるため、航空宇宙設計者が有
利に使うことができ、非常に薄いシートの取り扱いで遭
遇する困難のいくつかを軽減し得る。
強化用ファイバーに要求される物理的特性は高強度と
共に低密度及び高弾性率である。適した候補は、カーボ
ン、ポリアロマティックアミド（アラミド）、アルミナ
及びシリコンカーバイドのファイバー、又はそれらの混
合物である。アルミナ及びシリコンカーバイドファイバ
ーは高剛性と低化学反応性を合せ持つが、それらは脆さ
の点ではカーボンファイバーに劣っている。実際上、ア
ルミナおよびシリコンカーバイドファイバーの高コスト
は次のことを意味する。それらは、おそらく、低化学反
応性が評価できる利益をもたらす用途、例えばガルバニ
ック腐食の発生を最小化することが重要である用途のみ
に使われる。
非金属層で使われている複合材料の剛性を金属層の剛
性に合わせて、最適化するべきであることは重要であ
る。このことにより、アルミニウム合金層と繊維強化中
間層との間で実用的な負荷の分配が確保される。実際上
このことは金属成分をほんの少し超えた剛性を持った複
合材料を使うことにより達成され、その結果、長さの短
いクラックに対してでさえ、耐疲労クラック生長性が改
善される。しかしながら、複合材料は金属成分に較べ
て、非常に硬いべきではない。そうでないと、それは負
荷の大部分を受けることになる。このことは負荷が主と
して金属層によって担われる状況と同じくらい望ましく
ない。好ましくは、複合材料は、金属成分のものよりも
50％まで高い弾性率を持つ。
非金属層中の複合材料の弾性率とアルミニウム合金層
の弾性率とを同じにして、本発明の最大利益を達成する
ことが本質的であることはグラスファイバー強化材での
実験で確かめられる。グラスファイバー強化材を有する
ラミネートが、相当するモノリシック構造の合金と比較
して、耐疲労クラック生長性がいくらか改善されること
が示されている一方、これは長いクラック長さでのみ見
られる。これは、グラスファイバーの弾性率が、短いク
ラックへの効果を示すには低すぎることを示している。
カーボンファイバーが強化用成分として使われている
材料では、もしも、中間のモジュラスのファイバーが使
われれば最高の結果が達成されることが見出だされた。
これはファイバーが200〜300GPaの範囲の弾性率を持つ
ことを意味する。そのようなファイバーが樹脂材料のマ
トリックスに埋め込まれたとき、得られた複合材料の近
似のモジュラスは樹脂の寄与を無視し、ファイバー成分
のモジュラスにファイバーの体積分率を掛けることによ
って評価される。このように、たとえば230GPaのモジュ
ラスを持った体積分率60％のファイバーで形成された複
合材料は230×0.6のモジュラス即ち138GPaを持つ。
本発明を以下の実施例及び図を用いて、更に詳説す
る。
図１は本発明に従って構成したラミネート材料と貼り
合わされていない金属マトリックス複合材料の耐疲労ク
ラック性の比較である。
図２は図１で使ったいくつかの材料であるが異なった
実験条件のもとでの耐疲労クラック性の同じような比較
である。
実施例１ 公称の組成Al-2.5Li-1.2Cu-0.7Mg-0.2Zrの8090アルミ
ニウム−リチウム合金から成り、20重量％のシリコンカ
ーバイド粒子（平均粒径３μｍ）を含む金属マトリック
ス複合材を厚さ0.5mmに熱間圧延した。
２枚のこのシートを15分間535℃で均質化し、冷水で
急冷した。脱脂後にシートを、出版されている英国防衛
基準（U.K.Defence Standards）03-2/1及び03-24/第２
版に従って、層間の結合を増進するためにクロム酸中で
食刻し、陽極酸化した。
上記のように製造した金属マトリックス複合シートの
２枚の表皮とGrafil XASカーボンファイバー−エポキシ
プレプレッグの中間層からなる３層ラミネートを、ファ
イバーを金属マトリックス複合シートの圧延方向に沿っ
て並べて構成した。これをオートクレーブ中で120℃、7
00kPaで１時間キュアーした。Grafil XASは、中間のモ
ジュラスのカーボンファイバーである。このプレプレッ
グはCiba-Geigyより供給され、Fibredux 913（特許改質
エポキシ樹脂）のマトリックス中に約60体積％のファイ
バーを含んでいる。
キュアー過程は又、ラミネートの２つの外側の層のア
ルミニウム−リチウム合金の時効にも役立った。
下の表１に、上記ラミネートの機械的特性をファイバ
ーの方向に沿って及び直交して測定した値を比較して示
す。明らかに多少の異方性はあるが、金属マトリックス
複合体のもともとの剛性がラミネートのファイバーの向
きに対し横の方向の特性を許容できる限界に保つのを助
けた。
実施例２ 上記実施例１で製造した金属マトリックス複合シート
の２つの表皮とKevlar 49−エポキシプレプレッグの中
間層から成る３層ラミネートを前記のとおりに組み合わ
せ、キュアーした（Kevlarは登録商標である）。この実
施例のファイバーの体積分率は50％であるが他の点につ
いては、この物質は同じエポキシ樹脂マトリックスを使
用し、同じキュアー条件をつかって実施例１のラミネー
トとできるだけ同じように製造した。この実施例の疲労
特性を他のラミネートの疲労特性と比較して図１に示
す。
本発明に従って構成した３層ラミネートのファイバー
に沿って及び直交して測定した機械的特性の比較 実施例３（比較） 上記実施例１のように製造した金属マトリックス複合
シートの２つの表皮とＥグラスファイバー−エポキシプ
レプレッグの中間層から成る３層ラミネートを前述の如
く組み合わせキュアーした。この実施例中でのファイバ
ーの体積分率は60％であった。その疲労特性を図１中で
他のラミネートの疲労特性と比較した。
上記実施例中で使用したエポキシ樹脂プレプレッグは
金属層に接合するために特に接着剤を使用する必要がな
いタイプである。しかし、他のシステムでは独立した接
着剤が必要であるかも知れないことが理解されるであろ
う。
アルミニウム−リチウム合金シート中のセラミック成
分は好ましくは10〜30重量％の間から成り、特に15〜25
重量％の間から成る。上記実施例中で使ったセラミック
強化材の重量割合は20％であり、ほぼ17％の体積分率に
相当する。このことによって、疲労特性は大幅に改善さ
れるが、セラミック成分の割合を高くすると、合金シー
トの延性の低下をもたらすことがわかった。この様な状
況下では加工熱処理を使用して有用な延性を得ることが
できるときがある。
図１及び２は上記実施例で製造したいくつかのラミネ
ート材と貼り合わされていない金属マトリックス複合材
料のサンプルの耐疲労クラック性の比較を示す。疲労ク
ラック生長速度は、各々、ファイバーの方向に対して横
に伸びる長さ10mmのクラックを有する380mm×152mmのシ
ートパネルを用い、パルスポテンシャルドロップ法を使
ってクラック生長をモニターすることによって決定し
た。テストパネルに縦の方向にむらなく各70MPaと90MPa
の平均応力で応力比0.1（図１）と0.385（図２）の負荷
を与えた。両方の図から、貼り合わされていない金属マ
トリックス複合材料サンプルのクラック生長速度は貼り
合わされた材料のクラック生長速度に較べてずっと速い
ことが示された。実際、カーボンファイバー強化ラミネ
ートではクラック生長速度は最初の応力の後に僅かに減
少し、その後は広い応力強度因子（ΔＫ）にわたってほ
ぼ一定である。
下の表２中に、剛性パラメータが一連のアルミニウム
ベースの合金、複合材及びラミネートについて比較して
ある。これは、アルミニウム合金マトリックス中にセラ
ミック強化材を含有させるのみならず、アルミニウム−
リチウム合金を金属成分として採用することによって達
成し得る特性の改善を示す。金属マトリックス複合体が
そのベースとなるアルミニウム−リチウム合金よりも高
い密度を持っているにしても、表に示されているように
複合材料はリチウムなしの通常のアルミニウムシートよ
り高い比剛性を持っており、その結果20％改善された座
屈特性を示す。同じく、エポキシ樹脂マトリックス中に
カーボンファイバーを埋め込んだ中間層を使っているラ
ミネートでは、座屈の改善は30％に近づく。
本発明をアルミニウム−リチウム合金の金属マトリッ
クス複合体に関して特に記述してきたが、後に続く請求
の範囲を外れることなしの他の変形も当業者には明かで
ある。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−282921（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−98247（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−102927（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−136737（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) B32B 15/08 B64C 1/00

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】少なくとも２枚のアルミニウム合金のシー
    トから成り各シートが、樹脂材料のマトリックスに埋め
    込まれた長い、方向の揃った強化用ファイバーから成る
    繊維強化複合材料の中間層により隣のシートから隔てら
    れている繊維強化アルミニウム合金貼り合わせラミネー
    ト材料であって、アルミニウム合金シートが粒子又はウ
    イスカーから成るセラミック成分の強化材を含む金属マ
    トリックス複合材料で形成され、繊維強化複合材料中の
    ファイバーが、繊維強化複合材料の弾性率が少なくとも
    金属マトリックス複合シートの弾性率と同じになるよう
    に十分な剛性をもっていることを特徴とする材料。
  2. 【請求項２】アルミニウム合金が１〜３重量％のリチウ
    ムを含むことを更に特徴とする請求項１に記載の繊維強
    化アロイラミネート材料。
  3. 【請求項３】アルミニウム−リチウム合金が公称の組
    成、重量割合で表して2.2〜2.7％ Li;1.0〜1.6％ Cu;
    0.6〜1.3％ Mg;0.04〜0.16％ Zr;最大0.20％までのSi
    及び最大0.30％までのFeそして付随する不純物を除いて
    残りがアルミニウムである組成を持つアメリカアルミニ
    ウム協会（Aluminum Association of America）によりA
    A8090と称されるタイプであることを更に特徴とする請
    求項２に記載の繊維強化アロイラミネート材料。
  4. 【請求項４】強化用ファイバーがカーボン、ポリアロマ
    ティックアミド、アルミナ及びシリコンカーバイドのフ
    ァイバー、又はそれらの混合物から成る群の中から選ば
    れることを更に特徴とする前記請求項のいずれかに記載
    の繊維強化アロイラミネート材料。
  5. 【請求項５】複合材料がアルミニウム合金シートよりも
    50％まで高い弾性率を持つことを更に特徴とする前記請
    求項のいずれかに記載の繊維強化アロイラミネート材
    料。
  6. 【請求項６】セラミック成分がアルミニウム合金シート
    の10〜30重量％を構成することを更に特徴とする前記請
    求項のいずれかに記載の繊維強化アロイラミネート材
    料。
  7. 【請求項７】セラミック成分がアルミニウム合金シート
    の15〜25重量％を構成することを更に特徴とする請求項
    ６に記載の繊維強化アロイラミネート材料。
  8. 【請求項８】セラミック成分がアルミニウム合金シート
    の20重量％を構成することを更に特徴とする請求項７に
    記載の繊維強化アロイラミネート材料。
  9. 【請求項９】セラミック成分が平均粒径３μｍの粒子か
    ら成ることを更に特徴とする前記請求項のいずれかに記
    載の繊維強化アロイラミネート材料。
  10. 【請求項１０】金属マトリックス複合シートがアルミニ
    ウム−リチウム合金から成り、弾性率が90〜110GPaであ
    ること及び、ファイバー／樹脂複合材料が中間のモジュ
    ラスのカーボンファイバーから成ることを更に特徴とす
    る耐疲労性材料である前記請求項のいずれかに記載の繊
    維強化アロイラミネート材料。
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