JP2940325B2 - Frm用プリフォームの製造方法 - Google Patents

Frm用プリフォームの製造方法

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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、ウイスカや短繊維等の
強化繊維を強化材としてFRM(FiberReinf
orced Metals;繊維強化金属)を製造する
際に必要なプリフォームの製造方法に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】最近、金属を繊維強化したFRM(繊維
強化金属)の開発が進められている。このFRMを製造
するに当たって繊維と金属とを複合一体化するために
は、金属の十分な塑性流動が必要であり、製造時に高温
にすることが避けられない。このため、繊維と金属との
界面に化学的反応が生じて劣化しやすい。また、溶融状
態の金属は、一般に、繊維とはぬれにくいため、金属が
繊維間の隙間に十分に浸透し得ない等の製造上の不都合
が多い。このような事情から、繊維と金属との複合化を
容易にするために、FRMの製造の前段階としてプリフ
ォームと呼ばれる中間的な成形体をつくることが行われ
ている。
【0003】FRM用プリフォームには、強化繊維の種
類、マトリックス金属の種類、製造方法等によって異な
ったタイプのものがあるが、加圧成形用プリフォームと
高圧鋳造用プリフォームの2種類に大別される。
【0004】加圧成形用プリフォームの素材としては、
接着剤のスプレー或いはマトリックス金属の溶射にて繊
維を金属箔上に固定して成るグリーンテープ、蒸発させ
た金属原子をイオン化して電界によって加速して繊維の
表面に付着させて成るイオンプレーティングシート、細
径のマルチフィラメントの束に溶融金属を浸透させて成
るワイヤプリフォーム(コンポジットワイヤ)等があ
る。以上のようなプリフォーム素材を積層してホットプ
レスやHIP(熱間等方静水圧プレス)等によって高温
で加圧することにより複合一体化し、これにより所定形
状の加圧成形用プリフォームを製造するようにしてい
る。
【0005】また、高圧鋳造用プリフォームの代表例と
しては、ウィスカ等の短繊維のプリフォームがある。高
圧鋳造用プリフォームの代表例であるウィスカプリフォ
ームの製造は、従来、図2に示す乾式プリフォーム製造
方法又は湿式プリフォーム製造方法により次のように行
っているのが実状である。
【0006】すなわち、乾式プリフォーム製造方法の場
合には、図2(A)に示すようにランダムに配向された
原料短繊維強化繊維(ウィスカ)10の集合から成るバ
ルク11を原料短繊維として用意し、これを図2(B)
に示すように型12内に入れて、図2(C)に示すよう
に押圧部材13による一軸プレスを行う。これにより、
バルク11を所望の繊維体積率(Vf )になるように調
整し、図2(D)に示す如きプリフォーム14を製造す
るようにしている。
【0007】一方、湿式プリフォーム製造方法の場合に
は、図3(A)に示すようにランダムに配向された強化
繊維10の集合体から成るバルク11を用意し、このバ
ルク11を図3(B)に示すように容器15の中に入れ
て溶媒16に混合することによりスラリー17を調整す
る。次いで、図3(C)に示すように、スラリー17を
型18内に流し込んで吸引叉はろ過により脱液した後に
図3(D)に示すように押圧部材19による一軸プレス
にて所望の繊維体積率(Vf )になるように調整して乾
燥させることにより、図3(E)に示す如きプリフォー
ム20を製造するようにしている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
FRM用プリフォームの製造方法では、次のような問題
点がある。すなわち、乾式により強化繊維をプレスして
FRM用プリフォームの成形を行う場合には、強化繊維
(例えば、Si Cウィスカ、アルミナ短繊維等)の見か
け密度は低いので嵩高くなり、これを一軸プレスしてF
RM用プリフォームとすると、強化繊維は圧縮方向に直
交する面に強く配向された状態で積層される。すなわ
ち、図2(B)において示すプレス前の高さαと図2
(D)に示すプレス後の高さβとの差(プレス高さ)が
大きいので、強化繊維10がプレス方向に対して直交す
る方向にほぼ沿って横にねてしまい、水平方向面内へ強
く配向することとなる。
【0009】一方、湿式によりプリフォームを製造する
場合には、溶媒を吸引脱液すると、どうしても強化繊維
が水平方向に強く配向された状態で積層されてしまうこ
ととなる。そして、これを加圧して繊維体積率(Vf
を調整すると、この配向傾向はさらに強くなる。
【0010】従って、これらの製造方法により製造され
るFRMは、強化繊維が積層する面方向とこれに直交す
る方向では配向状態が大きく異なり、強い異方性を有す
る異方性体となる。異方性のプリフォームを用いてFR
Mを製造した場合には、FRM内における強化繊維の配
向が不均一となり、強度や剛性の大きさが方向によって
異なる材質のものとなる。
【0011】本発明は、上述の如き問題点を解消するた
めになされたのもであって、その目的は、強化繊維をF
RM用プリフォーム中に3次元の各方向にランダムに配
向させることができ、等方性を示すFRM用プリフォー
ムを得ることができるようなFRM用プリフォームの製
造方法を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、本発明では、強化繊維を溶媒に分散して成るスラ
リーを噴霧乾燥することによって造粒し、この造粒によ
り得られる造粒粉の集合体を乾式加圧成形するようにし
ている。
【0013】
【作用】造粒された造粒粉(粒子)は見かけ密度が高く
なっており、成形するプリフォームの見かけ密度までプ
レスするのに圧縮高さが少なくてよいため、造粒粉を構
成する強化繊維のランダムな配向を損なわずに済む。従
って、造粒した造粒粉の集合体を乾式加圧成形(ドライ
プレス成形)することにより、強化繊維が3次元の各方
向にランダムに配向したFRM用プリフォームが得られ
る。
【0014】
【実施例】以下、本発明の一実施例について図1を参照
して説明する。
【0015】図1(A)〜(E)は本発明に係るFRM
用プリフォームの製造方法を施行する際のプロセスを示
すものであって、各プロセスを経時的に述べると次の通
りである。
【0016】まず、図1(A)に示すように、ランダム
に配向されたウィスカや短繊維等の強化繊維1の集合か
ら成るバルク2を原料短繊維として用意し、これを図1
(B)に示すように容器3内に入れて適当な溶媒4に分
散させてバインダ等の必要な材料を加え、これを機械的
攪拌手段5にて均一に攪拌することにより強化繊維含有
のスラリー6を調製する。
【0017】次いで、このスラリー6を噴霧乾燥(スプ
レードライ)することにより、図1(C)に示す如く球
形の外形形状を有する造粒粉(粒状物)7を造粒する。
具体的には、スラリー6を加熱状態の乾燥室内で噴霧す
ることにより、噴霧した液滴をその表面張力にて球状に
して飛散せしめ、その状態で乾燥させることにより造粒
する。噴霧乾燥によって得られる造粒粉7にあっては、
強化繊維1が3次元の各方向(直交座標におけるX,Y
及びZ方向)にそれぞれランダムな配向性をもって均一
に分散した状態となっている。なお、この造粒粉7内に
おける強化繊維1の密度は、綿状の原料短繊維の見かけ
密度(0.1g/cm程度)より高く(0.3〜0.4
g/cm程度)なるように造粒する。
【0018】しかる後、図1(D)に示すように、造粒
粉7を型8の中に投入して充填し、この造粒粉7の集合
体を押圧部材9にて一軸プレス(乾式加圧成形)する。
これにより、造粒粉7の集合体が圧搾されて変形される
と共に、互いに隣接する造粒粉7どうしが密着状態で一
体に連結され、図1(E)に示す如き所定形状に成形さ
れた一つのFRM用プリフォームPが製造される。
【0019】このような製造方法によれば、強化繊維1
が3次元の各方向にそれぞれランダムに配向された等方
性のFRM用プリフォームPを得ることができる。それ
は、次のような理由からである。すなわち、造粒した造
粒物7(粒子)は、見かけ密度が高くなっており、成形
するFRM用プリフォームPの見かけ密度までプレスす
る圧縮高さが少なくてよいので、造粒粉7を構成する強
化繊維のランダムな配向を損なわないためである。さら
に具体的に述べると、図1(D)において示すプレス前
の高さaと図1(E)に示すプレス後の高さbとの差
(プレス高さ)が小さいので、各造粒粉7内における強
化繊維1のランダムな配向性が残存するからである。
【0020】これに対し、造粒しないで強化繊維をプレ
スしてFRM用プリフォームを作ると、圧縮高さが多い
ので、プレス後は強化繊維が水平方向(X方向及びY方
向)にのみ配向して積層し、高さ方向(Z方向)には配
向しないこととなる。従って、強化繊維は水平面内では
ランダムに配向されるが、高さ方向には配向しないた
め、3次元の各方向にそれぞれランダムに配向されたプ
リフォームを得ることができない。3次元の各方向にそ
れぞれランダムに配向されていないプリフォームを複合
化して得られるFRMは、水平面と高さ方向とでは強度
に違いを生じ、異方性のある材料となってしまう。
【0021】さらに、本例の製造方法によれば、上述の
如く等方性のFRM用プリフォームPを製造することが
できることに加えて、次のような付随的な利点がある。
すなわち、造粒した粒状粉7を使うようにしたので、製
造作業時における材料の搬送、分取がしやすくなり、ま
た発塵も抑えることができる。
【0022】本例の製造方法により得られるFRM用プ
リフォームPを複合化したFRMの等方性を調べるため
に以下のような試験を行った。
【0023】試験例 強化繊維としてホウ酸アルミニウムウィスカ(四国化成
工業(株)製)を用い、マトリックスとしてJISAC
8Aを用いて、従来の製造方法と本発明の製造方法とに
より複合材料(FRM)をそれぞれ作製し、3点曲げ試
験を行った。
【0024】試験条件は以下の通りである。 (a) 資料A 従来の乾式プリフォーム成形法により、ホウ酸アルミニ
ウムウィスカに無機バインダ粉末を混合し、これを型内
で一軸プレスした。プレス後のプリフォームの高さはプ
レス前の高さの約5分の1となって、焼成して繊維体積
率Vf =20%のプリフォームを得た。これを金型内で
750℃に予熱しておき、700℃のアルミニウム溶湯
を1000気圧で加圧することにより含浸凝固させて複
合材料とした。 (b) 資料B 本発明の方法に従って、ホウ酸アルミニウムウィスカ、
有機バインダ、及び無機バインダを水に分散させ、これ
をスプレードライヤーで造粒した。そして、これにより
得られた造粒粉の集合体を型内で一軸プレス(乾式加圧
成形)した。プレス後のプリフォームの高さはプレス前
の高さの約3分の2となって、焼成して繊維体積率Vf
=20%のプリフォームを得た。これを前記資料Aと同
じ条件で複合材料とした。
【0025】 (1) テストピース番号1〜5 資料A,B共に、テストピース番号1〜5は、プリフォ
ーム成形時のプレス方向と曲げ試験の荷重負荷方向が
するように切り出した試験片である。 (2) テストピース番号6〜10 資料A,B共に、テストピース番号6〜10は、プリフ
ォーム成形時のプレス方向と曲げ試験の荷重負荷方向が
一致するように切り出した試験片である。
【0026】上述の如き資料の試験片について、曲げ強
さσb (kgf/mm2 )を求めるべく試験を行ったと
ころ、下記の表1に示す結果を得た。表1において、P
は最大荷重(Kgf)、bは試験片の幅(mm)、hは
試験片の高さ(mm)、支点間距離は17mmである。
なお、前記曲げ強さσb は下記の数式によって求められ
る。
【0027】
【表1】
【0028】
【数1】
【0029】この試験結果より、資料Aではテストピー
ス番号6〜10の強さを100とするとテストピース番
号1〜5の強さは28であり、資料Bではテストピース
番号6〜10の強さを100とするとテストピース番号
1〜5の強さは92であることが判明した。この結果よ
り、従来法によるプレス成形プリフォームでは強化繊維
の配向性が強く、そのプリフォームを用いて製造した複
合材料は異方性を強く示すのに対し、本発明の製造方法
により得られるプリフォームを複合した複合材料は等方
性を示すことが確認された。
【0030】以上、本発明の一実施例につき述べたが、
本発明はこの実施例に限定されるものではなく、本発明
の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能であ
【0031】
【発明の効果】以上の如く、本発明は、強化繊維を溶媒
に分散して成るスラリーを噴霧乾燥することによって
粒し、この造粒により得られる造粒粉の集合体を乾式加
圧成形することによりFRM用プリフォームを得るよう
にしたものであるから、FRM用プリフォーム中におけ
る強化繊維を3次元の各方向(直交座標のX,Y,Z方
向)にそれぞれランダムに配向させることができ、等方
性を示す複合材料を製作することができる。
【0032】また、造粒粉を使用するようにしているの
で、製造作業時の搬送や分取がしやすくなり、しかも発
塵等の不具合の発生を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るFRM用プリフォームの製造方法
を説明するためのものであって、(A),(B),
(C)、(D)及び(E)はこの製造方法を施行するプ
ロセスを示す工程図である。
【図2】従来のFRM用プリフォームの乾式の製造方法
を説明するためのものであって、(A),(B),
(C)及び(D)はこの製造方法を施行するプロセスを
示す工程図である。
【図3】従来のFRM用プリフォームの湿式の製造方法
を説明するためのものであって、(A),(B),
(C)、(D)及び(E)はこの製造方法を施行するプ
ロセスを示す工程図である。
【符号の説明】
1 強化繊維 2 バルク 4 溶媒 6 スラリー 7 造粒粉(粒状物) 8 型 9 押圧部材 P FRM用プリフォーム

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 強化繊維を溶媒に分散して成るスラリー
    噴霧乾燥することによって造粒し、この造粒により得
    られる造粒粉の集合体を乾式加圧成形するようにしたこ
    とを特徴とするFRM用プリフォームの製造方法。
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