JP2993791B2 - Low thermal expansion composite material and method of manufacturing the same - Google Patents

Low thermal expansion composite material and method of manufacturing the same

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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、精密機器用の低熱膨
張性の複合材料及び同材料の製造方法に関するものであ
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a composite material having low thermal expansion for precision equipment and a method for producing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】複合材料は材料特性を設計できることが
最大の特徴で、例えば積層複合材料の場合、面内特性に
関しては広い設計領域を持っており、CFRPの一方向
の特性であれば熱膨張係数をほぼ0に設計することが可
能である。図7の一方向連続繊維強化複合材料について
考えてみると、繊維軸方向では繊維含有率Vf によって
異なるが、大略−1〜0×10-6程度の熱膨張係数を維
持できるが、繊維軸と直角の方向ではマトリックスの特
性に支配され樹脂や金属基複合材料では、10〜100
×10-6程度の価にしか熱膨張係数を設計することがで
きない。面内特性であれば繊維配向角を変えて積層する
ことにより、一方向連続繊維強化複合材料程ではないに
しろ、1〜5×10-6程度の価に設計することができる
が、板厚方向の特性は設計が困難で、この方向の特性が
問題となるプリント配線板やICパッケイジング用等の
複合材料では、解決が必要な課題として取り上げられて
きた。
2. Description of the Related Art A composite material is characterized by being capable of designing material properties. For example, a laminated composite material has a wide design area in terms of in-plane characteristics. The coefficient can be designed to be almost zero. Considering the unidirectional continuous fiber reinforced composite material shown in FIG. 7, the thermal expansion coefficient in the fiber axis direction can be maintained approximately from −1 to 0 × 10 −6 , although it depends on the fiber content V f . In the direction perpendicular to the direction, the properties of the matrix are dominant, and in the case of a resin or a metal matrix composite material,
The coefficient of thermal expansion can be designed only to a value of about × 10 −6 . If it is in-plane characteristics, it can be designed to have a value of about 1-5 × 10 -6 by laminating with changing fiber orientation angle, though not as much as unidirectional continuous fiber reinforced composite material, The characteristics in the direction are difficult to design, and in the case of composite materials for printed wiring boards and IC packaging where the characteristics in the direction are problematic, they have been taken up as a problem to be solved.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】このように従来の複合
材料では、熱膨張係数の設計可能範囲は当然のことなが
ら限られており、板材の厚さ方向の特性に至っては通常
同方向に強化材が配向していないために、ほとんど材料
設計は不可能であるという問題があった。
As described above, in the conventional composite material, the designable range of the thermal expansion coefficient is naturally limited, and the characteristics in the thickness direction of the sheet material are generally strengthened in the same direction. Since the materials are not oriented, there is a problem that material design is almost impossible.

【0004】この発明は、上記のような問題点を解消す
るためになされたもので、通常の複合材料に比べて幅広
い熱膨張係数の設計可能領域を持ち、しかも材料設計が
容易に行える、複合材料及び同材料の製造方法を提供す
ることを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and has a wide range in which a thermal expansion coefficient can be designed as compared with a general composite material, and furthermore, a composite material which can be easily designed. It is an object to provide a material and a method for manufacturing the same.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】この発明に係る低熱膨張
複合材料は、マトリックス、このマトリックスに分散
し、弾性率が上記マトリックスのそれより高く、熱膨張
係数が上記マトリックスのそれより低い強化材、並びに
上記マトリックスに分散し、ボイド、クラックまたは弾
性率が上記マトリックスのそれより1オーダー以上低い
充填材を備えたもの、また上記強化材が三次元的に組合
わされているものである。 また、この発明に係る低熱膨
張複合材料の製造方法は、強化材を三次元的に組合わせ
てプリフォームを得る工程、このプリフォームをマトリ
ックス樹脂に浸漬する工程、および上記プリフォームを
上記マトリックス樹脂から引き上げ上記プリフォームに
付着した上記マトリックス樹脂を硬化する工程を施す方
法であって、上記強化材の弾性率が上記マトリックスの
それより高く、上記強化材の熱膨張係数が上記マトリッ
クスのそれより低い方法である。 即ち、この発明に係る
低熱膨張複合材料は、従来、複合材料の構成材料である
マトリックスと繊維や粒子等の強化材料の他に、低熱膨
張化を起こすためのボイドやクラックを人為的に導入し
分散させたものである。ボイドやクラックの必要量をマ
トリックス材料内になるべく均一に分散させるための方
法として、三つの方法を用い、第一の方法では、成形時
の熱歪みのミスマッチを利用した。即ち、マトリックス
材料に比べて熱膨張係数の大きなフィラーを混入分散さ
せ、このフィラーとマトリックス樹脂との熱膨張係数の
差により生じる熱応力でフィラー/マトリックス界面に
剥離を生じさせてフィラーの部分を実質上ボイドとして
みられるようにした。また、第二の方法では、繊維強化
複合材料中の熱応力を利用して繊維に直角方向にいわゆ
るペニーシェイプクラックを導入した。第三の方法で
は、三次元強化複合材料に未含浸部分を残し多孔質構造
にする方法を用いた。なお、上記ではボイドやクラック
に特定しているが、これらの部分は弾性率がマトリック
スに比べて1オーダー以上低ければよく、例えば樹脂マ
トリックスにゴム粒子を分散させた系でも得られる効果
は同様である。
SUMMARY OF THE INVENTION According to the present invention, low thermal expansion is provided.
Composite material dispersed in matrix, this matrix
Has a higher modulus of elasticity than that of
A reinforcement having a lower modulus than that of the matrix, and
Voids, cracks or bullets dispersed in the above matrix
The modulus is at least one order of magnitude lower than that of the above matrix
Those with fillers and the above-mentioned reinforcing materials are three-dimensionally combined
It has been forgotten. In addition, the low thermal expansion according to the present invention.
The method of manufacturing the upholstery composite material combines the three-dimensional reinforcement
To obtain a preform by matrices
Immersing the resin in the resin, and
Pull up from the matrix resin to the preform
Those who perform the process of curing the adhering matrix resin
Wherein the modulus of elasticity of the reinforcement is
Higher than that, the coefficient of thermal expansion of the reinforcement
It is a lower method than that of Kusu. That is, the low-thermal-expansion composite material according to the present invention has conventionally introduced artificial voids and cracks for lowering the thermal expansion, in addition to the matrix, which is a constituent material of the composite material, and reinforcing materials such as fibers and particles. It is dispersed. As a method for dispersing the required amount of voids and cracks as uniformly as possible in the matrix material, three methods were used, and the first method utilized a mismatch in thermal distortion during molding. That is, a filler having a larger thermal expansion coefficient than that of the matrix material is mixed and dispersed, and the filler / matrix interface is separated by a thermal stress caused by a difference in thermal expansion coefficient between the filler and the matrix resin, thereby substantially reducing the filler portion. Now visible as an upper void. In the second method, a so-called penny-shaped crack was introduced in a direction perpendicular to the fiber by utilizing thermal stress in the fiber-reinforced composite material. In the third method, a method of leaving a non-impregnated portion in the three-dimensional reinforced composite material to form a porous structure was used. In the above description, voids and cracks are specified, but these portions need only have an elastic modulus lower by at least one order than the matrix. For example, the same effect can be obtained even in a system in which rubber particles are dispersed in a resin matrix. is there.

【0006】[0006]

【作用】この発明における低熱膨張複合材料は、複合材
料中に導入されたボイド、クラック、またはマトリック
スに比べて弾性率が1オーダー以上低い充填材には、繊
維や粒子等の強化材と相互作用の結果として圧縮力が作
用する。この圧縮力が原動力となってボイドが潰れてい
くことが、本発明に係る複合材料の低熱膨張化のメカニ
ズムである。このような圧縮力が作用するためには、強
化材の弾性率がマトリックスのそれに比べて高く、強化
材の熱膨張率がマトリックスのそれに比べて低いことが
条件となる。
The low thermal expansion composite material of the present invention has a filler whose elastic modulus is at least one order of magnitude lower than that of voids, cracks, or matrix introduced into the composite material. As a result, a compressive force acts. The collapse of the voids caused by the compressive force is the mechanism for reducing the thermal expansion of the composite material according to the present invention. In order for such a compressive force to act, it is required that the elastic modulus of the reinforcing material is higher than that of the matrix, and that the thermal expansion coefficient of the reinforcing material is lower than that of the matrix.

【0007】[0007]

【実施例】【Example】

実施例1.以下、この発明の一実施例を図について説明
する。図1は粒子分散複合材料のミクロ組織の概念図
で、図において1は強化材、2はボイド、3はマトリッ
クス領域を示している。本実施例では、強化材としてシ
リカ粒子(ヤング率:7000kg/mm-2,熱膨張
率:1×10-7)、マトリックスにはビスマレイミド樹
脂、またはエポキシ樹脂(ヤング率:300kg/mm
-2,熱膨張率:6.8×10-5)を用い、マトリックス
中にボイドを分散させるための素材にはシリコンゴムの
球形微粒子(Torayシリコン製トレフィルE60
0)を用いた。即ちシリコンゴムの熱膨張係数は3.2
×10-4とマトリックスの6.8×10-5に比べて高
く、図2に示すように、成型時の樹脂硬化温度から室温
への温度降下中にマトリックス/シリコンゴム界面に生
じるミスマッチ熱応力によって界面を剥離させ、シリコ
ンゴム領域を実質上ボイドとみなせるようにしている。
ビスマレイミド樹脂を用いた場合、同材料はプレミック
ス法によって作製した。即ち溶剤(Nメチル2ピロリド
ン)とビスマレイミド樹脂よりなるワニス中に、シリカ
粒子及びシリコンパウダーを所定量混入させたスリラー
状のサスペンジョンを、ビスマレイミド樹脂に対しては
貪溶媒となり溶剤には溶解性があるメタノールが高速攪
拌している中に滴下し、分離された樹脂付着シリカ粒子
及びシリコンパウダーを回収する。この回収された材料
を加圧加熱成型することにより図1に示すような複合材
料を得た。
Embodiment 1 FIG. An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a conceptual diagram of the microstructure of a particle-dispersed composite material, in which 1 indicates a reinforcing material, 2 indicates a void, and 3 indicates a matrix region. In this embodiment, silica particles (Young's modulus: 7000 kg / mm -2 , thermal expansion coefficient: 1 × 10 -7 ) as a reinforcing material, and a bismaleimide resin or an epoxy resin (Young's modulus: 300 kg / mm) as a matrix.
-2 , thermal expansion coefficient: 6.8 × 10 -5 ), and spherical particles of silicon rubber (Toray Silicon Trefil E60) are used as a material for dispersing voids in the matrix.
0) was used. That is, the thermal expansion coefficient of silicone rubber is 3.2
× 10 -4 and higher than 6.8 × 10 -5 of the matrix. As shown in FIG. 2, mismatch thermal stress generated at the matrix / silicon rubber interface during the temperature drop from the resin curing temperature during molding to room temperature. This causes the interface to be peeled off, so that the silicone rubber region can be substantially regarded as a void.
When a bismaleimide resin was used, the same material was prepared by a premix method. That is, a slurry (suspension) in which a predetermined amount of silica particles and silicon powder are mixed in a varnish composed of a solvent (N-methyl-2-pyrrolidone) and a bismaleimide resin becomes a solvent for the bismaleimide resin and becomes soluble in the solvent. A certain amount of methanol is dropped while being stirred at high speed, and the separated resin-adhered silica particles and silicon powder are collected. The recovered material was subjected to pressure and heat molding to obtain a composite material as shown in FIG.

【0008】エポキシ樹脂の場合は混練法によって作製
した。即ちエポキシ樹脂中にシリカ粒子及びシリコンパ
ウダーを二本ロールを用いて所定量混入混合し、これを
加圧熱成形することにより図1に示すような複合材料を
得た。
In the case of an epoxy resin, it was prepared by a kneading method. That is, a predetermined amount of silica particles and silicon powder were mixed and mixed in an epoxy resin using two rolls, and the mixture was subjected to pressure thermoforming to obtain a composite material as shown in FIG.

【0009】図3は前項の方法で得られた複合材料(エ
ポキシ樹脂)の熱膨張係数(CTE)のボイド積分率で
はVv による変化を示したもので、シリカ粒子の体積分
率Vf は56%である。図示のように、ボイド率の増加
と共に熱膨張係数は低下する。この熱膨張係数の低下
は、シリカ粒子の存在によってその周りに圧縮応力が発
生し、この圧縮応力によってボイドが収縮するという機
構によるものである。なお、実線は等価介在物法による
予測値であるが、熱膨張係数の低下率は既存の複合則
(等価介在物法による)を用いて設計可能なことが分か
る。この例では、素材がシリカ粒子/時樹脂マトリック
スである複合材料を対象としたが、本発明のメカニズム
は、マトリックスに比べて強化材の弾性率が高く熱膨張
係数が低ければ作用する。従って材料系としては、金属
基あるいはセラミックス基の複合材料であってもかまわ
ない。また、上記ではボイドやクラックに特定している
が、これらの部分は弾性率がマトリックスに比べて1オ
ーダー以上低ければよく、例えば樹脂マトリックスにゴ
ム粒子を分散させた系でも同様の効果がある。
[0009] Figure 3 shows changes by V v is the void volume fraction of the composite material obtained in the previous section of the way the thermal expansion coefficient of the (epoxy resin) (CTE), the volume fraction ratio V f of the silica particles 56%. As shown, the coefficient of thermal expansion decreases as the void fraction increases. This decrease in the coefficient of thermal expansion is due to a mechanism in which a compressive stress is generated around the silica particles due to the presence of the silica particles, and the voids shrink due to the compressive stress. Note that the solid line is a predicted value by the equivalent inclusion method, but it can be seen that the rate of decrease in the coefficient of thermal expansion can be designed using the existing compound rule (by the equivalent inclusion method). In this example, a composite material in which the material is a silica particle / hour resin matrix is used, but the mechanism of the present invention works when the elastic modulus of the reinforcing material is higher and the coefficient of thermal expansion is lower than that of the matrix. Therefore, the material system may be a metal-based or ceramic-based composite material. Although voids and cracks are specified in the above description, it is sufficient that these portions have an elastic modulus lower by at least one order than that of the matrix. For example, a system in which rubber particles are dispersed in a resin matrix has the same effect.

【0010】実施例2.実施例1では強化素材にシリカ
の球形粒子を用いたが、素材に関連するパラメータの効
果を、図3の予測で有効であった等価介在物法を用いて
ボイド含有複合材料の熱膨張係数を検討した結果による
と、熱膨張率を効率よく低下させるためには強化材とし
て弾性率が高く繊維状の物が好ましく、また、空隙(ボ
イドまたはクラック)の形状としても球形のものより繊
維状のもののほうがよい。そこで次の実施例としては、
強化材料に繊維を用いた場合を示す。
Embodiment 2 FIG. In Example 1, spherical particles of silica were used as the reinforcing material, but the effect of parameters related to the material was evaluated by using the equivalent inclusion method that was effective in the prediction of FIG. 3 to determine the thermal expansion coefficient of the void-containing composite material. According to the results of the study, in order to efficiently reduce the coefficient of thermal expansion, a fibrous material having a high elastic modulus is preferable as a reinforcing material, and the shape of voids (voids or cracks) is more fibrous than spherical. Things are better. So, as the next example,
The case where fibers are used as the reinforcing material is shown.

【0011】本実施例では強化材にICI製のアルミナ
短繊維サフィルを用い、ボイドの発生源には上記同様シ
リコンゴム微粒子を用いた。複合材料の作製に当たっ
て、まず強化材とシリコンゴムの混合物をマット状に予
備成形した。予備成形体の作製は抄紙法を応用した。通
常の抄紙法ではパルプ繊維の分散の媒体には水を用いて
いるが、シリコンゴムは水には均一分散しにくいため、
本予備成形体の抄紙液には水の代わりにイソプロピルア
ルコールを媒体として用いた。即ちイソプロピルアルコ
ール中にアルミナ短繊維とシリコンゴム粒子を所定量分
散させ、更にこれに予備成形体のバインダーとなるミク
ロフィブリル化セルロースをサフィルの3重量%程度混
入させ充分に攪拌する。この時イソプロピルアルコール
中のアルミナ短繊維の濃度が3重量%以下であれば、ア
ルミナ短繊維どうしが絡みあうことなく容易に均一分散
する。次に上記の均一分散されたサスペンジョンを高速
で吸引濾過してマット状の予備成形体を得る。このよう
にして抄紙法によって作製したプリフォーム体中のアル
ミナ短繊維は、ほぼ二次元ランダム配向しており、従っ
て得られる複合材料は面内等方性を示す。
In this embodiment, ICI alumina short fiber sapphire is used as a reinforcing material, and silicon rubber fine particles are used as a void generation source in the same manner as described above. In producing the composite material, first, a mixture of the reinforcing material and the silicone rubber was preformed in a mat shape. The papermaking method was applied for the preparation of the preform. In a normal papermaking method, water is used as a medium for dispersing pulp fibers.Since silicon rubber is difficult to uniformly disperse in water,
Isopropyl alcohol was used as a medium instead of water in the papermaking liquid of the preform. That is, a predetermined amount of alumina short fibers and silicon rubber particles are dispersed in isopropyl alcohol, and microfibrillated cellulose serving as a binder of the preform is mixed therein at about 3% by weight of saphir, and sufficiently stirred. At this time, if the concentration of the alumina short fibers in the isopropyl alcohol is 3% by weight or less, the alumina short fibers can be easily and uniformly dispersed without entanglement. Next, the suspension uniformly dispersed is suction-filtered at a high speed to obtain a mat-shaped preform. The alumina short fibers in the preform produced by the papermaking method in this manner are almost two-dimensionally randomly oriented, and thus the obtained composite material shows in-plane isotropy.

【0012】以上のようにして得られた予備成形体は、
空隙が多く繊維含有率が低い多孔質構造をしている。従
ってこれに樹脂を含浸させ加圧加熱成型するときに、圧
縮率を変えれば繊維含有率を変化させることができる。
ただし、圧縮し過ぎると強化繊維であるサフィルが破壊
して補強効果が大幅に低下してしまうため、繊維含有率
f の上限はおよそ40%程度であった。下表に試作し
たサンプルの熱膨張率の実測値を示す。
The preformed body obtained as described above is
It has a porous structure with many voids and low fiber content. Therefore, when the resin is impregnated with the resin and subjected to pressure and heat molding, the fiber content can be changed by changing the compression ratio.
However, if the material is excessively compressed, the sapphire, which is a reinforcing fiber, breaks and the reinforcing effect is significantly reduced. Therefore, the upper limit of the fiber content Vf is about 40%. The following table shows the measured values of the coefficient of thermal expansion of the prototypes.

【0013】[0013]

【表1】 [Table 1]

【0014】表中、αL とαT はそれぞれ面内及び面外
方向の熱膨張係数である。なお、この例では素材がアル
ミナ短繊維/エポキシ樹脂マトリックスである複合材料
を対象としたが、本発明のメカニズムは、マトリックス
に比べて強化材の弾性率が高く、熱膨張係数が低ければ
作用する。従って材料径としては、金属基あるいはセラ
ミックス基に比べて高剛性で低熱膨張の繊維を用いた複
合材料であればかまわない。また、上記ではボイドやク
ラックに特定しているが、これらの部分は弾性率がマト
リックスに比べて1オーダー以上低ければよく、例えば
樹脂マトリックスにゴム粒子を分散させた系でも同様の
効果がある。
In the table, α L and α T are the in-plane and out-of-plane thermal expansion coefficients, respectively. In this example, a composite material whose material is an alumina short fiber / epoxy resin matrix is used. However, the mechanism of the present invention works when the elastic modulus of the reinforcing material is higher and the coefficient of thermal expansion is lower than that of the matrix. . Therefore, the material diameter may be a composite material using fibers having high rigidity and low thermal expansion as compared with a metal-based or ceramic-based material. Although voids and cracks are specified in the above description, it is sufficient that these portions have an elastic modulus lower by at least one order than that of the matrix. For example, a system in which rubber particles are dispersed in a resin matrix has the same effect.

【0015】実施例3.ボイドあるいはクラックの効果
は、その形状が偏平で繊維軸に対して偏平な面が直角に
向いているほうが顕著に現われることが、既述の等価介
在物法によって予測されている。そこでこのようなクラ
ックを[0,90°]対称積層板にヒートサイクルをか
けて発生させた。発生するトランスバースクラックは図
4に示すようなもので、大体一定間隔sに配列する。本
試作では、炭素連続繊維(TorayM40)/エポキ
シ樹脂より成る図4の構成の積層板を、繊維含有率を変
えて作製し、液体窒素(−196℃)と沸騰水(100
℃)間のヒートサイクルを加えた。本成形品より得られ
た積層板の面内熱膨張率αL を下表に示す。
Embodiment 3 FIG. The effect of voids or cracks is expected to be more pronounced when the shape is flat and the plane that is flat with respect to the fiber axis is oriented at right angles, according to the above-described equivalent inclusion method. Therefore, such cracks were generated by subjecting the [0,90 °] symmetric laminate to a heat cycle. The generated transversal cracks are as shown in FIG. 4, and are arranged at substantially constant intervals s. In this trial production, a laminated board composed of continuous carbon fiber (Toray M40) / epoxy resin and having the structure shown in FIG. 4 was manufactured by changing the fiber content, and liquid nitrogen (−196 ° C.) and boiling water (100 ° C.) were used.
C.). The in-plane coefficient of thermal expansion α L of the laminate obtained from this molded product is shown in the table below.

【0016】[0016]

【表2】 [Table 2]

【0017】表中、L−1とL−4はヒートサイクルな
し、L−2とL5はヒートサイクル5回、L−3とL−
6はヒートサイクル20回かけた後のものである。な
お、この例では、素材が炭素連続繊維/エポキシ樹脂マ
トリックスである複合材料を対象としたが、本発明のメ
カニズムは、マトリックスに比べて強化材の弾性率が高
く熱膨張係数が低ければ作用する。従って材料系とし
は、金属基あるいはセラミックス基にそれに比べて高剛
性で低熱膨張の繊維を用いた複合材料であればかまわな
い。
In the table, L-1 and L-4 have no heat cycle, L-2 and L5 have five heat cycles, L-3 and L-
No. 6 is after 20 heat cycles. Note that, in this example, the composite material in which the material is a carbon continuous fiber / epoxy resin matrix is used, but the mechanism of the present invention works when the elastic modulus of the reinforcing material is higher and the coefficient of thermal expansion is lower than that of the matrix. . Therefore, any material may be used as long as it is a composite material using fibers having higher rigidity and lower thermal expansion than metal-based or ceramic-based materials.

【0018】実施例4.上記までのものは主として強化
された面内の熱膨張率だけを減少させるものであった。
本例では、三次元的に強化された複合材料中に、ボイド
あるいはクラックを発生させた熱膨張係数の三次元的制
御が可能な材料を例示する。三次元強化のための素材と
して、ここでプルトルージョン法で作られた一方向強化
の細径ロッドを図5の様に組み上げて使用した。三次元
の強化構造としては図5の3種類の他にも多種のものが
知られているが、以下の実施例では主に三軸強化のもの
を取り上げる。用いた細径ロッドは、炭素繊維(Tor
ayM46J)/エポキシ樹脂で構成される直径0.6
8mm,繊維含有率65%のものである。三次元強化複
合材料を得るために、図5のようなプリフォームを、溶
剤で希釈した樹脂(ワニス)中に浸積し、引き上げオー
ブン中で加熱硬化させるディッピング法を用いた。樹脂
の付着量は、ワニス濃度を変えるかあるいはディッピン
グ法の繰り返し回数を増減することにより変化させた。
Embodiment 4 FIG. The above ones mainly reduce only the enhanced in-plane coefficient of thermal expansion.
In this example, a material capable of three-dimensionally controlling the coefficient of thermal expansion that causes voids or cracks in a three-dimensionally reinforced composite material is illustrated. As a material for three-dimensional strengthening, a one-way strengthened small diameter rod made here by a pultrusion method was assembled and used as shown in FIG. Although various types of three-dimensional reinforcing structures other than the three types shown in FIG. 5 are known, the following embodiment mainly deals with a three-dimensional reinforcing structure. The small-diameter rod used was a carbon fiber (Torr
ayM46J) / diameter 0.6 composed of epoxy resin
8 mm, 65% fiber content. In order to obtain a three-dimensional reinforced composite material, a dipping method was used in which a preform as shown in FIG. 5 was immersed in a resin (varnish) diluted with a solvent, and then pulled and heated and cured in an oven. The amount of the resin adhered was changed by changing the varnish concentration or increasing or decreasing the number of repetitions of the dipping method.

【0019】三軸三次元強化多孔質複合材料の熱膨張係
数αは図6のような挙動を示す。図中横軸のVREは、
プリフォームにおいてロッド以外の空隙となっている体
積を占めるディッピング法で付着させたマトリックス樹
脂の体積率を示している。従ってVRE=0は、樹脂が
付着していないプリフォームの状態を示し、VRE=1
00%は樹脂で空隙が完全充填埋した通常の三次元強化
複合材料を表わしている。この図から三次元強化複合材
料は、成型残留応力が一般の二次元複合材料に比べて高
く、ボイドの混入によって急激に熱膨張係数を低下させ
ることが分かる。しかしながら、その低下もVRE=8
0%程度までで、VRE<80%の領域では安定して1
×10-6<α<2×10-6の範囲内におさまっている。
三軸強化材以外にも、四軸強化と七軸強化の場合を調べ
たが、同様の挙動を示すことが分かった。ただし、四軸
では安定領域の熱膨張係数が0×10-6<α<1×10
−6の範囲に、また、七軸では−1×10−6<α<0
×10-6の範囲にあり、三軸、四軸及び七軸の三者を合
わせると熱膨張係数を三次元的に−1×10-6<α<2
×10-6の範囲に精密に制御できることが分かる。
The thermal expansion coefficient α of the triaxial three-dimensionally reinforced porous composite material behaves as shown in FIG. VRE on the horizontal axis in the figure is
The figure shows the volume ratio of the matrix resin attached by the dipping method occupying the volume other than the rod in the preform. Therefore, VRE = 0 indicates the state of the preform to which no resin is attached, and VRE = 1
00% represents a normal three-dimensional reinforced composite material in which voids are completely filled with resin. From this figure, it can be seen that the three-dimensional reinforced composite material has a higher molding residual stress than a general two-dimensional composite material, and the thermal expansion coefficient is rapidly lowered by the inclusion of voids. However, the decrease is also VRE = 8
Up to about 0%, stable 1 in the region of VRE <80%
× 10 −6 <α <2 × 10 −6 .
In addition to the triaxial reinforcement, the case of four-axis reinforcement and seven-axis reinforcement was examined, and it was found that the same behavior was exhibited. However, in the four axes, the thermal expansion coefficient of the stable region is 0 × 10 −6 <α <1 × 10
−6 , and −1 × 10 −6 <α <0 in seven axes.
× is in the range of 10 -6, triaxial, four axes and three-dimensionally -1 × thermal expansion coefficient Together tripartite Nanajiku 10-6 <alpha <2
It can be seen that it can be precisely controlled in the range of × 10 -6 .

【0020】[0020]

【発明の効果】以上のように、この発明の低熱膨張複合
材料はマトリックス、このマトリックスに分散し、弾性
率が上記マトリックスのそれより高く、熱膨張係数が上
記マトリックスのそれより低い強化材、並びに上記マト
リックスに分散した、ボイド、クラックまたは弾性率が
上記マトリックスのそれより1オーダー以上低い充填材
を備えたものであり、また、この発明の低熱膨張複合材
料の製造方法は、強化材を三次元的に組合わせてプリフ
ォームを得る工程、このプリフォームをマトリックス樹
脂に浸漬する工程、および上記プリフォームを上記マト
リックス樹脂から引き上げ上記プリフォームに付着した
上記マトリックス樹脂を硬化する工程を施す方法であっ
て、上記強化材の弾性率が上記マトリックスのそれより
高く、上記強化材の熱膨張係数が上記マトリックスのそ
れより低い方法であり、複合材料の熱膨張係数を従来に
比べて大幅に低減でき、従来の複合材料の熱膨張設計範
囲を大きく拡張することができるという効果がある。
た、この材料は温度によって変形することを嫌う精密機
器用の材料として、さらに他の部材に熱膨張係数を合わ
せることが望まれる複合構造物等の材料として有用な効
果がある。
As described above, the low thermal expansion composite of the present invention
The material is a matrix, dispersed in this matrix, elastic
Rate is higher than that of the above matrix and the coefficient of thermal expansion is higher
A lower reinforcement than that of the matrix,
Voids, cracks or modulus of elasticity
Fillers one order of magnitude lower than those of the above matrix
And the low thermal expansion composite material of the present invention.
The method of manufacturing the preform is based on a pre-
Process to obtain the preform
A step of immersing the preform in the fat
Pulled up from Rix resin and adhered to the above preform
A method of performing the step of curing the matrix resin.
The modulus of the reinforcement is greater than that of the matrix
High, the coefficient of thermal expansion of the reinforcement is higher than that of the matrix.
A lower method than Re, the thermal expansion coefficient of the composite material can be greatly reduced as compared with the conventional, there is an effect that the Ru can be extended thermal expansion design range of conventional composite material increases. In addition, this material has a useful effect as a material for precision equipment which does not want to be deformed by temperature, and as a material for a composite structure or the like where it is desired to match the thermal expansion coefficient with other members.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】この発明の一実施例による粒子分散低熱膨張複
合材料の概念図である。
FIG. 1 is a conceptual diagram of a particle-dispersed low thermal expansion composite material according to one embodiment of the present invention.

【図2】この発明の一実施例におけるボイド発生の機構
を示す説明図である。
FIG. 2 is an explanatory view showing a mechanism of void generation in one embodiment of the present invention.

【図3】この発明の一実施例である粒子分散低熱膨張複
合材料におけるボイド率と熱膨張係数の関係図である。
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the void fraction and the coefficient of thermal expansion in the particle-dispersed low thermal expansion composite material according to one embodiment of the present invention.

【図4】この発明の一実施例による炭素連続繊維強化低
熱膨張複合材料の材料構成図である。
FIG. 4 is a material configuration diagram of a carbon continuous fiber reinforced low thermal expansion composite material according to an embodiment of the present invention.

【図5】この発明の一実施例に利用した三次元強化用プ
リフォームの概念図である。
FIG. 5 is a conceptual diagram of a three-dimensional reinforcing preform used in an embodiment of the present invention.

【図6】この発明の一実施例である三軸三次元強化低熱
膨張複合材料における樹脂充填率VREと熱膨張係数α
の関係図である。
FIG. 6 shows a resin filling rate VRE and a thermal expansion coefficient α in a triaxial three-dimensional reinforced low thermal expansion composite material according to an embodiment of the present invention.
FIG.

【図7】従来材料である一方向強化連続繊維強化複合材
料の素材構成図である。
FIG. 7 is a material configuration diagram of a unidirectional reinforced continuous fiber reinforced composite material which is a conventional material.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 強化材 2 ボイド 3 マトリックス 4 シリコンゴム微粒子 5 クラック 6 強化繊維束 7 クラックスペーシング 8 強化繊維 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Reinforcement material 2 Void 3 Matrix 4 Silicon rubber fine particle 5 Crack 6 Reinforcement fiber bundle 7 Crack spacing 8 Reinforcement fiber

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI C08K 7/18 B29C 67/14 G // B29K 105:06 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C08L 1/00 - 101/14 B29C 43/02 B29C 67/14 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 identification symbol FI C08K 7/18 B29C 67/14 G // B29K 105: 06 (58) Field surveyed (Int.Cl. 6 , DB name) C08L 1/00-101/14 B29C 43/02 B29C 67/14

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 マトリックス、このマトリックスに分散
し、弾性率が上記マトリックスのそれより高く、熱膨張
係数が上記マトリックスのそれより低い強化材、並びに
上記マトリックスに分散し、ボイド、クラックまたは弾
性率が上記マトリックスのそれより1オーダー以上低い
充填材を備えた低熱膨張複合材料。
A matrix, dispersed in the matrix
Has a higher modulus of elasticity than that of
A reinforcement having a lower modulus than that of the matrix, and
Voids, cracks or bullets dispersed in the above matrix
The modulus is at least one order of magnitude lower than that of the above matrix
Low thermal expansion composite material with filler .
【請求項2】 強化材が三次元的に組合わされているこ
とを特徴とする請求項1に記載の低熱膨張複合材料。
2. The reinforcing material is three-dimensionally combined.
The low thermal expansion composite material according to claim 1, wherein:
【請求項3】 強化材を三次元的に組合わせてプリフォ3. A prefoamer comprising three-dimensionally combining reinforcing materials.
ームを得る工程、このプリフォームをマトリックス樹脂The process of obtaining a preform
に浸漬する工程、および上記プリフォームを上記マトリImmersing the preform in the matrices
ックス樹脂から引き上げ上記プリフォームに付着した上From the resin and adhered to the above preform
記マトリックス樹脂を硬化する工程を施す方法であっA method of curing the matrix resin.
て、上記強化材の弾性率が上記マトリックスのそれよりThe modulus of the reinforcement is greater than that of the matrix
高く、上記強化材の熱膨張係数が上記マトリックスのそHigh, the coefficient of thermal expansion of the reinforcement is higher than that of the matrix.
れより低いことを特徴とする低熱膨張複合材料の製造方For producing a low thermal expansion composite material characterized by a lower thermal expansion
法。Law.
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