JP4167568B2

JP4167568B2 - 繊維強化複合材料の製造方法及び製造装置

Info

Publication number: JP4167568B2
Application number: JP2003309636A
Authority: JP
Inventors: 雅藤田; 俊雄羽賀
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2003-09-02
Filing date: 2003-09-02
Publication date: 2008-10-15
Anticipated expiration: 2023-09-02
Also published as: JP2005074491A

Description

本発明は、繊維強化複合材料の製造方法に関し、詳しくは、長繊維又は不織布を用いた繊維強化複合材料を一対のロールを用いて連続的に製造する方法及び装置に関するものである。

近年、強度・剛性・靭性・耐熱性等の様々な特性を発揮させることを目的として、２種類以上の素材を組み合わせて作られる複合材料が広く普及している。例えば、金属と繊維を組み合わせた複合材料（以下、「繊維強化複合材料」という）は、延性・高靭性・高熱伝導性等の金属特性と、低熱膨張性・耐摩耗性・引張強度等の繊維特性の双方が得られるので、機械装置メーカ等種々の業界から次世代の材料として注目されている。

従来、このような繊維強化複合材料の製造方法としては、（１）金属又は合金箔と強化繊維を積層して拡散接合する固相法、（２）予め配列された繊維束（プリフォーム）の中に金属を含浸させる液相法、（３）溶射、メッキ、ＣＶＤ、ＰＶＤ等によって母材と異なる金属を堆積させる沈積法、（４）繊維とマトリクス金属粉末との混合剤を加圧化において焼結する粉末冶金法等があった。

また、（５）繊維強化複合材料を連続的に製造するため、連続鋳造圧延法を利用した製造方法もあった（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１には、所定の隙間を有して配置された一対のロールの一方の表面に供給した溶融金属を冷却して半凝固させると共に、前記ロール間に長繊維を供給し、前記ロール間において、半凝固させた溶融金属と長繊維を圧延することにより一体化させて、繊維強化複合材料を製造する技術が開示されている。
特開昭６０−２３４７４３号公報（第２頁左上欄第８行目〜右上欄第５行目、第１図）

しかしながら、（１）の固相法及び（２）の液相法では、接合に時間がかかるため、繊維の劣化を招き易いという問題や、量産性が劣るという問題点があった。また、（３）の沈積法では、コストがかかり、生産性が低いという問題点があった。また、（４）の粉末冶金法では、連続的に生産することが困難で、量産性が悪いという問題点があった。さらに、（１）から（４）に示したいずれの製造方法も、長繊維を用いた繊維強化複合材料（以下、「長繊維強化複合材料」という）を連続的に製造することが困難であった。
一方、（５）の方法によれば、長繊維強化複合材料の連続的な製造が可能であるが、異なる母相の合わせ構造を持った長繊維強化複合材料を製造することができなかった。

そこで、本発明では、前記した問題を解決し、容易に、かつ、連続して量産することが可能な繊維強化複合材料の製造方法及び製造装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、請求項１に係る発明では、繊維強化複合材料の製造方法であって、所定の隙間を有して上下に配置された一対のロールのうち、上側のロールの表面に溶融金属を供給するとともに、下側のロールの表面に前記溶融金属よりも融点の高い溶融金属を供給する工程と、前記上側のロールと下側のロールとの間に融点の低い方の前記溶融金属のパドルを形成しつつ前記ロールの各表面で前記溶融金属を各々冷却して半凝固させる工程と、前記ロール間に強化用の長繊維又は不織布を供給する工程と、前記ロール間において、半凝固させた溶融金属と前記長繊維又は前記不織布を圧延することにより一体化させる工程とを備えることを特徴とする。

請求項1に係る繊維強化複合材料の製造方法によれば、一対のロールを回転させながら、それぞれのロールに溶融金属を注湯し、ロールの表面で冷却して凝固させる。そして、例えば、炭素繊維からなる長繊維又は不織布をロール間に巻き込みながら、半凝固させた溶融金属をロール間で圧延して凝固させ、繊維強化複合材料を製造する。このように、それぞれのロールで冷却して半凝固させられた溶融金属は長繊維又は不織布を巻き込みながら圧延され、繊維強化複合材料として連続的に製造される。半凝固させられた溶融金属と繊維は、ロール間で圧延される極短時間接触するだけなので、溶融金属と繊維が反応しやすい組合わせである場合もその反応を抑制できる。

また、請求項１に記載の繊維強化複合材料の製造方法において、前記ロールに注湯される前記溶融金属は前記ロールごとに異種材料であってもよい。

この製造方法によれば、請求項１に係る発明による作用に加え、ロールにそれぞれ注湯される溶融金属は異種材料である。異種材料による組合わせであっても、ロール間で圧延されるので、それぞれのロールで半凝固させられた溶融金属を複合化することができる。なお、一対のロールを互いに水平に配置した場合、良好なクラッド構造を形成するためには、融点のより高い金属を下側のロールに注湯することが好ましい。

本発明の繊維強化複合材料の製造方法及び製造装置によれば、繊維強化複合材料を容易に、かつ、連続的に量産することができる。二種類の母相を有する繊維強化複合材料も製造することができる。さらに、強化用の繊維の劣化を抑制することができる。

次に、本発明の一実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る繊維強化複合材料の製造装置を模式的に示した斜視図であり、図２は、図１の製造装置を模式的に示した側面図である。
図１及び図２に示すように、本実施形態の繊維強化複合材料の製造装置（以下、「複合材料製造装置」という）Ｍは、異種材料の溶融金属Ａ１，Ａ２を鋳造圧延する一対のロール１１，１２と、ロール１１，１２に注湯する溶融金属Ａ１，Ａ２を貯溜する保持炉２１，２２と、ロール１１，１２間に長繊維３１を供給する繊維供給部３とを備えて構成されている。なお、本実施形態では、強化用繊維として長繊維を適用した場合について説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、連続する不織布を用いることもできる。

図２に示すように、一対のロール１１，１２は水平に配置され、ロール１１とロール１２の隙間は、圧延部１３になっている。ロール１１，１２は、図示しない駆動手段により、注湯される溶融金属Ａ１，Ａ２を圧延部１３に送り込む方向に回転する。ロール１１，１２は、その表面で、溶融金属Ａ１，Ａ２を冷却凝固させて鋳造片（半凝固させた溶融金属）Ａ１’，Ａ２’を形成し、圧延部１３において鋳造片Ａ１’，Ａ２’を圧延して、長繊維強化複合材料Ｃを製造する。従って、ロール１１及びロール１２の隙間は、製造される長繊維強化複合材料Ｃの板厚に対応して設定される。この隙間は、用いられる溶融金属Ａ１，Ａ２の種類に合わせて適宜調整できるようにしてもよい。また、ロール１１，１２の材質は、鋳造圧延するための冷却能、圧延負荷等を考慮して、適宜選択するものとする。例えば、急冷半凝固による材料組織の改善や、溶融金属Ａ１，Ａ２と長繊維３１の反応抑制等を達成するためには、水冷された銅合金ロールを用いるとよい。

なお、圧延部１３には、上方に配置されるロール１１側の溶融金属Ａ１で溶湯溜まり（以下、「パドル」という）Ｐが形成される。このとき、下方に配置されるロール１２側においては、圧延部１３と後記する供給口２６ａとの距離（溶融金属Ａ２との接触距離）を適当に保ち、供給口２６ａから供給される溶融金属Ａ２が液相の状態で鋳造片表面に存在しないような条件に設定する。ロール１２と溶融金属Ａ２の接触距離を適当に保てば、圧延部１３近傍で固相率の高い半凝固状態を得ることができ、溶融金属Ａ２のパドルの形成を抑制することができる。
溶融金属Ａ１から形成されるパドルＰは、溶融金属Ａ１，Ａ２の供給量が同じならば、ロール１１，１２の回転速度が速くなるほど小さくなり、下方に配置されるロール１２で形成される鋳造片Ａ２との接触時間が短くなる。その結果、鋳造片表面の活性化が不十分となり良好な接合面が得られなくなる場合もあるので、適度なロール回転速度を設定する必要がある。

また、溶融金属Ａ１，Ａ２としては、例えば、アルミニウム、マグネシウム、銅、亜鉛、鉛、銀、より選択される少なくとも一種以上の金属、又は、それらの合金等が挙げられるが、本発明はこれに限定されるものではない。なお、ロール１１とロール１２にそれぞれ融点の異なる異種の溶融金属を注湯する場合は、上方に位置するローラ１１に低融点金属を注湯し、下方に位置するローラ１２に高融点金属を注湯する。これは、上方に位置するロール１１に高融点金属を注湯すると、高融点金属のパドルＰが下方のロール１２で形成（半凝固）された鋳造片を再び溶解するため、鋳造片が接合界面で互いに過度に溶融しあい、また、溶質原子が過度に拡散することから、良好なクラッド構造が形成できなくなるからである。

図２に示すように、保持炉２１，２２は、ロール１１，１２に対してそれぞれ設けられている。また、保持炉２１，２２を傾動させるための機構として保持炉傾動機２３，２４と、溶融金属Ａ１，Ａ２の注入流の整流を得るために使用される耐火物内張り容器のタンディッシュ２５，２６が設けられている。そして、溶融金属Ａ１，Ａ２が溜められている保持炉２１，２２を保持炉傾動機２３，２４により傾動させて、タンディッシュ２５、２６に溶融金属Ａ１，Ａ２をそれぞれ供給できるようになっている。なお、タンディッシュ２５，２６の液位を検出し、保持炉２１，２２の傾斜角度を制御することで、溶融金属Ａ１，Ａ２の供給量を調整する制御機構等を設けてもよい。

また、タンディッシュ２５，２６には、供給口２５ａ，２６ａが設けられている。タンディッシュ２５，２６に供給された溶融金属Ａ１，Ａ２は、供給口２５ａ，２６ａを介してロール１１，１２に供給され、その表面で冷却、半凝固されて鋳造片Ａ１’，Ａ２’に形成されながら圧延部１３まで搬送されるようになっている。そのため、供給口２５ａ，２６ａは、回転するローラ１１，１２に対して圧延部１３より上流側に位置する。なお、供給口２５ａ，２６ａは、溶融金属Ａ１，Ａ２の材質や形成される鋳造片Ａ１’，Ａ２’の厚みに応じて、ロール１１，１２に対する間隔及び供給口２５ａ，２６ａから圧延部１３までの距離を適宜調整できるものとし、また、ロール１１，１２の周方向で位置を変え、ロール１１，１２と溶融金属Ａ１，Ａ２の接触位置から圧延部１３までの位置を調整することで、溶融金属Ａ１，Ａ２の冷却時間を適宜調整できるものとする。

繊維供給部３は、ロール状に形成されており、長繊維３１を巻回している。この繊維供給部３は、タンディッシュ２５，２６間に設けられ、圧延部１３に向けて長繊維３１を供給する。なお、供給する長繊維３１に適度なテンションを与えるために、繊維供給部３から圧延部１３までの経路中に複数のピンチローラ等を設けてもよい。
また、本実施の形態で用いられる長繊維３１については特に限定はなく、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、硼素繊維、炭化ケイ素繊維、あるいは、アルミニウム繊維、ステンレス繊維、銅繊維、黄銅繊維、ニッケル繊維などの金属繊維、ポリアミド繊維、ポリエステル繊維、ポリアリレート繊維、ポリイミド繊維などの有機繊維等からなるものを用いることができる。これらの繊維は一種用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてもよい。また、長繊維単独で用いてもよいし、長繊維をメッシュ状等に規則的に編み込んだシートを用いてもよい。

次に、このように構成された複合材料製造装置Ｍを使用して行う長繊維強化複合材料Ｃの製造方法について説明する。
まず、図２に示す保持炉２１，２２にアルミニウム合金等を溶融した溶融金属Ａ１，Ａ２を移し、保温しながら保持させる。このとき、ロール１１，１２ごとに融点が異なる溶融金属を用いる場合は、上方のロール１１に溶融金属を注湯するための保持炉２１に低融点金属を保持させ、下方のロール１２に溶融金属を注湯するための保持炉２２に高融点金属を保持させる。そして、図示しない制御機構で、タンディッシュ２５，２６の液位を検出し、その検出量に基づき保持炉傾動機２３，２４で保持炉２１，２２を傾動することで、タンディッシュ２５，２６に溶融金属Ａ１，Ａ２を供給する。

タンディッシュ２５，２６に供給した溶融金属Ａ１，Ａ２は、供給口２５ａ，２６ａを介してロール１１，１２に供給される。ロール１１，１２は回転しながら、供給された溶融金属Ａ１，Ａ２を冷却、半凝固して鋳造片Ａ１’，Ａ２’を形成しつつ、この鋳造片Ａ１’，Ａ２’を圧延部１３まで搬送する。

一方、繊維供給部３からは、圧延部１３に向けて長繊維３１を供給する。供給時には、溶融金属Ａ１，Ａ２を含浸させやすくするため、長繊維３１を予め加熱しておくとよい。そして、圧延部１３では、回転するロール１１，１２によって形成された鋳造片Ａ１’，Ａ２’を、その間に長繊維３１を巻き込みながら圧延する。このとき、ロール１１，１２によって形成された鋳造片Ａ１’，Ａ２’が長繊維３１の間に入り込みながら、鋳造片Ａ１’，Ａ２’同士もその接合界面近傍で拡散反応が生じて接合されるので品質の良い長繊維強化複合材料Ｃを得ることができる。

具体的には、複合材料製造装置Ｍを下記の仕様に設定し、下記の種類の溶融金属を用いた場合、品質の良い長繊維強化複合材料Ｃを得ることができた。

複合材料製造装置Ｍの仕様は、
ロール径上ロール（１１）２５０ｍｍ、下ロール（１２）３００ｍｍ
ロール荷重５０Ｎ／ｍｍ
ロール回転速度１０ｍ／ｍｉｎ
溶融金属冷却距離（供給口から圧延部までの距離）８０ｍｍ
とした。

溶融金属としては、純アルミニウムＡ１０５０と、アルミニウム合金Ａ３５６（Al-7mass%Si-0.4mass%Mg）を使用し、融点が６１０℃のアルミニウムＡ１０５０を保持炉２１に供給し、融点が６５０℃のアルミニウム合金Ａ３５６を保持炉２２に供給した。また、長繊維には東レ製ＰＡＮ系炭素繊維（T-300/3000無処理、直径7μm×3000フィラメント）を使用した。

上記の条件で製造した長繊維強化複合材料Ｃの断面組織を図３に示す。長繊維強化複合材料Ｃの母相と繊維の間には、反応異常や濡れ不良等は確認されなかった。

以上によれば、本実施の形態において以下の効果を得ることができる。
それぞれのロール１１，１２に溶融金属Ａ１，Ａ２をそれぞれ独立して供給するので、異なる母相を有する長繊維強化複合材料Ｃを容易に製造することができる。
また、長繊維３１を巻き込みながらロール１１，１２間で連続的に鋳造片Ａ１’，Ａ２’を圧延して作製するので、長繊維強化複合材料Ｃを容易かつ安価に、かつ、連続的に量産することができる。このようにして得られた長繊維強化複合材料Ｃの内部は、空隙等が無く品質良好である。
また、長繊維３１と鋳造片Ａ１’，Ａ２’が反応する時間が圧延時だけという極短時間であるので、長繊維３１の劣化を抑制できる。さらに、鋳造片を圧延して接合するので、無加圧状態では濡れ性が悪く、複合できない鋳造片（母相）の組合わせにも対応することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態には限定されない。例えば、本実施形態では、ロール１１，１２を互いに水平に配置したが、ロールの配置はこれに限定されず、例えば、図４に示す複合材料製造装置Ｍ’のように、ロール１４，１５を互いに横並びになるように配置することもできる。

実施形態に係る複合材料製造装置を模式的に示した斜視図である。実施形態に係る複合材料製造装置を模式的に示した側面図である。実施例に係る長繊維強化複合材料の断面組織図である。他の実施形態に係る複合材料装置を模式的に示した側面図である。

符号の説明

３繊維供給部
１１、１２ロール
１３圧延部
２１，２２保持炉
Ｍ複合材料製造装置

Claims

所定の隙間を有して上下に配置された一対のロールのうち、上側のロールの表面に溶融金属を供給するとともに、下側のロールの表面に前記溶融金属よりも融点の高い溶融金属を供給する工程と、
前記上側のロールと下側のロールとの間に融点の低い方の前記溶融金属のパドルを形成しつつ前記ロールの各表面で前記溶融金属を各々冷却して半凝固させる工程と、
前記ロール間に強化用の長繊維又は不織布を供給する工程と、
前記ロール間において、半凝固させた溶融金属と前記長繊維又は前記不織布を圧延することにより一体化させる工程とを備えることを特徴とする繊維強化複合材料の製造方法。