JP3080742B2 - 複合予備成形体、モジュール及び構造体 - Google Patents

複合予備成形体、モジュール及び構造体

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JP3080742B2 JP34974091A JP34974091A JP3080742B2 JP 3080742 B2 JP3080742 B2 JP 3080742B2 JP 34974091 A JP34974091 A JP 34974091A JP 34974091 A JP34974091 A JP 34974091A JP 3080742 B2 JP3080742 B2 JP 3080742B2
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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、金属或いはセラミック
箔に予備成形された溝内に繊維補強材を配置して成る複
合予備成形体及びその複合予備成形体を使用して多層複
合構造体を製造する方法に関するものである。
【０００２】以下の説明において、「複合予備成形体」
とは、マトリックス材料に繊維補強材即ち補強用繊維
（フィラメント）を分布せしめた最終製品前の材料とし
て定義される。複合予備成形体は、他の複合予備成形体
と組合せそして合体されて複合構造体に成形されるに適
した形態（ディスク、リボン）を有する。
【０００３】「複合モジュール」とは、合体されるべく
成形されそして集合された複層の予備成形体として定義
される。単層予備成形体も含みうる。
【０００４】
【従来の技術】複合材料及び複合構造体は、航空・宇宙
用構造物、スポーツ用品、ジェットエンジン、並びに高
い強度／重量比が所望されるすべての分野で広く使用さ
れている。
【０００５】繊維補強金属複合リング、ディスク及びそ
の他の形態の構造体を製造するのに幾つかの方法が現在
使用されている。
【０００６】繊維補強金属リング或いはディスクを製造
するための第１の方法は、所望のリングの最大高さに等
しい巾を有する単一方向複合単層テープ或いはストリッ
プを先ず製造し、そしてこのテープ或いはストリップを
所望の内径及び外径を有するリングに巻回することであ
る。
【０００７】別の第２の方法として、リングは、繊維テ
ープ（交差織りの金属リボンと共に保持される）を金属
ストリップと同時巻きすることにより成形される。
【０００８】こうして成形されたリングはその後、スト
リップ表面に適用される内部圧或いは外部圧いずれかを
使用して圧縮・合体される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】上述した第１の方法に
おいて、繊維及び金属がシリンダ状の複層組立体に巻か
れるに際して、巻かれたパッケージは、繊維の巻き模様
を歪ませることなく金属を有効に流動せしめそして複合
体に合体するのには半径方向における圧力の適用を必要
とする。しかし、半径方向内方に或いは外方に圧力を適
用することは、繊維をバックリング（腰折れ、座屈、巻
きつぶれ）或いは破断せしめ、それによりリングを歪ま
せそして複合体の性質を低下させる。
【００１０】第２の方法は、単一フィラメントと金属リ
ボンとをマンドレルに形成された深い溝中に同時に巻き
付けて金属により分画された繊維の連続した平面状のら
せん体を形成することを必要とする。米国特許第４，６
９７，３２４号を参照されたい。この組立体はその後、
成形物の軸線に平行な方向に圧力を適用することにより
圧縮・合体されて、第１の方法で記載したコイル巻きパ
ッケージを半径方向に圧縮・合体することから生じる繊
維の歪み、繊維の破断或いは繊維のバックリングに対す
る問題を克服する。
【００１１】しかしながら、金属リボンと一緒に単一繊
維をマンドレルにおける深い溝内にらせん状に巻くこと
は困難でありそして不整な繊維／リボン模様をもたらす
恐れがあり、これが高性能材料性質を損なう。
【００１２】第２の方法に対する改善として、第３の方
法は、同じ形態の金属箔テープ及び金属リボン交差織り
体と一緒に保持されるらせん巻きフィラメントテープを
使用する。これら２種のらせんテープは、金属箔の巻き
部とフィラメント巻き部が交互するようにしてらせん状
組立体を形成する。
【００１３】この方法は、すべてが一つの位置で終端す
る多数の繊維を含む織りテープを使用し、応力集中域を
もたらす。経験から、交差織りリボンは各繊維をその近
傍から分離した状態で完全には保持せず、その結果圧縮
・合体されないで残る空洞領域、その結果として機械的
性質が乏しい領域が発生する危険があることがわかって
いる。また、ディスクの輪郭を形どるには、不規則な巾
のテープは必要とされる。これは製作に費用がかかりそ
して組立中管理することが困難である。
【００１４】更に別の第４の方法は、第２の方法に記載
したのと同様にらせん巻き繊維を使用する。しかし、こ
の場合には、繊維は、半径方向に置かれた交差織り金属
リボンにより然るべく保持されそして離間される。この
らせん巻き予備成形体はその後、金属箔を間に差し挟ま
れそして軸線方向に圧力を適用することにより圧縮・合
体される。しかし、この方法もまた、繊維を充分離間状
態に保持しない。
【００１５】本発明の課題は、上述した欠点のない金属
マトリックス複合材料及び構造体を製造するのに使用さ
れうる金属箔複合予備成形体を提供することである。
【００１６】本発明のまた別の課題は、上述した欠点の
ないセラミックマトリックス複合材料及び構造体を製造
するのに使用されうるセラミック複合予備成形体を提供
することである。
【００１７】本発明の課題は、繊維の歪みなく軸線方向
に圧縮・合体することの出来る複合予備成形体を開発す
ることである。
【００１８】本発明のまた別の課題は、繊維が集中した
領域で終端しないような複合予備成形体を開発すること
である。
【００１９】本発明の更にまた別の課題は、成形ディス
クが個々の予備成形体に対する繊維の配置を変更するこ
とにより作製しうるような複合予備成形体を開発するこ
とである。
【００２０】本発明の更に別の課題は、上述した利益及
び改善点のすべてを具備する真直な或いは曲がったリボ
ンの形状の複合予備成形体を開発することである。
【００２１】本発明のまた別の課題は、複合予備成形体
を所定の性質を有する所望の形状に積み重ねそしてそれ
を圧縮・合体することにより成形構造体を製造するに適
した方法を開発することである。
【００２２】
【課題を解決するための手段】金属箔複合予備成形体
は、所定の深さ及び巾を有する溝を備え、そして連続長
の繊維が溝内に置かれる。気体が溝から逃出することを
可能ならしめるように気体排出手段もまた設けられう
る。予備成形体はアルキメデスらせんである溝を備えた
リング或いはディスクの形状をとることが出来る。別様
には、予備成形体は多数の溝を内部に構成したリボンで
ありうる。溝内に繊維を保持するための保持材も設けら
れる。
【００２３】本発明はまた、所望の形状に形づくられた
複数の金属箔複合予備成形体を積み重ねそして加熱及び
加圧下で予備成形体を圧縮・合体して高密度複合材料或
いは構造体を形成することを必要とする多層複合構造体
を製造する方法を含む。
【００２４】
【作用】溝付きの箔を使用して、溝内部に繊維補強材を
配置することにより予備成形体を作製し、これらを複数
枚重ねて垂直方向に加圧することにより圧縮・合体中の
繊維の変位及び損傷を防止し、繊維の離間状態を維持
し、繊維の適正分布をもたらす。
【００２５】
【実施例】主として金属マトリックス構造に適合した従
来方法と違って、本発明はまた、セラミックマトリック
ス複合予備成形体及び構造体を製造するのにも適合す
る。しかし、ここでは、本発明を金属箔と主として関連
して説明する。
【００２６】図１及び２には、最も基本的な形態におい
て、箔複合予備成形体１が示されている。ここでは、ら
せん巻き予備成形体は、アルミニウム、チタン、アルミ
ナイド或いは複合材料乃至構造体を製造するのに一般に
使用されている任意の金属乃至合金から作製されたディ
スク状の箔１０に形成されたらせん溝１２に繊維補強材
１６を配置することにより形成される。
【００２７】図２に明示するように、金属箔から成るデ
ィスク１０は該箔の表面１４において構成されたらせん
溝１２を有し、このらせん溝１２内に繊維補強材１６が
配置される。ディスク１０はまた、圧縮・合体中予備成
形体から気体を抜くために使用される複数の半径方向に
配向された気体抜き溝１８をも含んでいる。
【００２８】溝は代表的には 化学的エッチングにより
形成されるが、刻印その他の方法でも形成可能である。
【００２９】繊維補強材の型式は特に重要ではない。繊
維補強材１６は、炭素、ボロン（硼素）、炭化珪素、二
硼化チタン等となしうる。繊維補強材１６の形態は、ト
ウ或いはモノフィラメント形態いずれでもよい。
【００３０】現在のところ、チタン箔内に炭化珪素モノ
フィラメントを配した構造が好ましい組合せ例である。
【００３１】図１を参照すると、繊維補強材１６を収納
する溝１２は、指定された極座標点「Ａ」を始点として
３６０度一回転を何回か続ける。らせんは、最初の極座
標位置と同じ角度位置を有する最終極座標点「Ｂ」にお
いて終端する。アルキメデスらせんを所望するなら、３
６０度回転毎に一定の半径方向増分づつ増大する構造と
なる。これは、溝内での繊維の安定性を向上する。
【００３２】繊維を溝内に一時的に保持するために、図
２に示すように、アクリル樹脂等の逃散性のバインダー
のような保持材２４が例えば箔（ディスク）全面に薄い
皮膜として被覆される。保持材は部分的に形成してもよ
い。好ましい逃散性バインダーはアクリル樹脂である。
アクリル樹脂はそれが蒸発されるとき残渣を全く残さな
い。繊維を然るべく保持する他の手段は、プラズマ溶射
オーバコート或いは表面における穴を通して適用される
真空吸引作用である。
【００３３】ディスク１０の内径２０から外径２２まで
半径方向外方に伸延する複数の直線溝１８もまた含めら
れる。この直線状半径溝は１８は、気体の逃出或いは溝
内に繊維を一時的に保持するのに用いられた逃散性の樹
脂バインダーを爾後の合体段階前乃至段階中除去するこ
とを可能ならしめる。
【００３４】らせん溝１２は、そこに置かれる単一の連
続繊維に対して一定のそして等半径方向間隔を提供す
る。らせん溝形態は、同一平面内のらせん状フィラメン
トの全体長に沿ってすべての点で相続く旋回間に溝設計
形態により決定されるものとしての半径方向間隔を維持
するようなものである。上述したように、アルキメデス
らせんが好ましい形態例である。
【００３５】図３を参照すると、ワッシャー（座金）の
形態の複合予備成形体を構成する方法の一例が示してあ
る。繊維１６は、スプール２５から繰り出されそして溝
１２内部に置かれ、そこに図示していないアクリル樹脂
或いは他の種バインダーで結着される。その他の固定方
法も使用出来る。ディスク１０は矢印２８の方向にゆっ
くりと回転せしめられる。繊維１６は、溝１２内へとロ
ーラ２６の下側で給送される。ローラ２６はバインダー
が適用されるまで溝内に繊維を維持する。
【００３６】図４は、互いに鏡面対象関係にある浅い形
態の溝４４及び４６を有する２つの箔４０及び４２から
形成された組立体を示す。この具体例は、一層高い繊維
容積或いは箔厚みを必要に応じ提供するのに使用されう
る。
【００３７】図７Ａを参照すると、互いに積み重ねて同
心的に置かれた複数の単層予備成形体１０が示される。
箔３０が、一番上の予備成形体１０の上に置かれてい
る。図７Ａは、一定の積層順序で様々の繊維補強材断面
配列を生成する方法例を例示する（ここでは１−２−３
−４−３−２−１）。この予備成形体組立体は、圧縮・
合体されて複合構造体を製造しうる状態にある。
【００３８】図７Ｂは、圧縮・合体のための複合中での
繊維の間隔の変更例を示す。
【００３９】図５は、リボン形の複合予備成形体３１を
示し、ここではすべての溝３２は真直でそして互いに平
行に箔３３に形成されている。溝３２の各々は、繊維補
強材１６を納めている。横断溝３４が圧縮・合体中の気
体抜き出しのための溝の代表例である。繊維は、アクリ
ル樹脂のような逃散性（揮発性）バインダーの薄い層３
６により然るべく保持される。
【００４０】図６は、マンドレル周囲にリボン予備成形
体を巻き付けることにより形成された円筒状の管の一部
を示す。複合構造体（この場合は複合管）は、リボン層
を圧縮・合体することにより形成される。
【００４１】
【発明の効果】以上の予備成形体は、前述した課題を解
決すると共に、次のような多くの効果を与える： （１）最終部品設計に合うよう必要に応じてディスク内
径寸法及び厚さ寸法を変更することができる。 （２）最終部品設計基準に合うよう溝深さ及び巾を変更
することができる。 （３）最終部品設計の応力及び歪み要件に合うように一
旋回毎の半径方向長さの一定量の長さ増大分を変更する
ことができる。
【００４２】以上、本発明の具体例を説明したが、本発
明の範囲内で多くの変更を為しうることを銘記された
い。
【図面の簡単な説明】
【図１】ディスクの形状における複合予備成形体の上面
図である。
【図２】図１の２−２線に沿う断面図である。
【図３】ディスクの形状における複合予備成形体を作製
する方法の説明図である。
【図４】分割箔を使用する複合ディスクを構成する別の
方法の説明図である。
【図５】リボン形の複合予備成形体を示す斜視図であ
る。
【図６】リボン予備成形体を巻き上げていくことにより
構成された部分円筒管の斜視図である。
【図７】圧縮・合体のため位置付けられたリング複数の
予備成形体の断面を部分的に示し、Ａ及びＢは別の配置
例をそれぞれ示す。
【符号の説明】
１ 複合予備成形体（ディスク） １０ 溝付き箔 １２ らせん溝 １６ 繊維補強材 １８ 気体抜き溝 ２４ 保持材 ２５ スプール ２６ ローラ ３０ 箔 ３１ 複合予備成形体（リボン） ３２ 真直溝 ３３ 溝付き箔 ３４ 横断溝 ３６ 保持材 ４０、４２ 箔 ４４、４６ 溝
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−56261（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B32B 1/00 - 35/00

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 （ａ）少なくとも一つの溝を形成した箔
    と、 （ｂ）該溝内に配置された繊維補強材と、 （ｃ）該溝内に該繊維補強材を一時的に保持するための
    保持材と、を含む圧縮合体される 複合予備成形体であって、該保持
    材は圧縮合体されるときに気化されて、圧縮合体した複
    合構造体中には存在しないことからなる、圧縮合体され
    る複合予備成形体。
  2. 【請求項２】 溝から気体を抜き出し且つ複合予備成形
    体の圧縮合体間に保持材の気化を許容するための少なく
    とも一つの気体抜き溝を更に備える請求項１記載の圧縮
    合体される複合予備成形体。
  3. 【請求項３】 溝がアルキメデスらせんの形態にある請
    求項１又は２記載の圧縮合体される複合予備成形体。
  4. 【請求項４】 保持材が逃散性バインダーである請求項
    １又は２記載の圧縮合体される複合予備成形体。
  5. 【請求項５】 ディスクの形態にある請求項１又は２記
    載の圧縮合体される複合予備成形体。
  6. 【請求項６】 圧縮合体した複合構造体を製造する方法
    であって、 （ａ）少なくとも一つの溝を形成した箔と、該溝内に配
    置された繊維補強材と、該溝内に該繊維補強材を保持す
    るための保持材とを含む複合予備成形体を複数枚重ねる
    段階と、 （ｂ）前記予備成形体を高い熱及び加圧下で圧縮合体さ
    せ、これによって保持材を気化させて高密度複合体を形
    成する段階と、 を包含する圧縮合体した複合構造体の製造法。
  7. 【請求項７】 予備成形体が気体を抜き出すための少な
    くとも一つの気体抜き溝を更に備え、保持材が気化さ
    れ、そして該気体抜き溝を通して圧縮合体中に気体を抜
    く請求項６記載の方法。
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