JP4290324B2 - 繊維強化複合材料製部材 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は繊維強化複合材料製部材に係り、特に、線状の複合材料を強化部材として用いた繊維強化複合材料製部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、異種材料を組み合わせて所望の特性を持たせる複合材料が用いられている。複合材料には、アルミニウム、鉄、銅、マグネシウム、チタン等の金属をマトリックスとし、炭素繊維、アルミナ繊維、ボロン繊維などの強化繊維やウィスカー、フィラー等を強化材とした繊維強化金属（ＦＲＭ：Fiber-reinforced Metal）があり、軽量強化部材として用いられている。図９に強化繊維金属のモデル斜視図を示す。同図において、符号１１は金属マトリックスであり、符号１３は強化繊維やウィスカー、フィラー等の強化材である。
【０００３】
図９に示したような繊維強化金属は、例えば、強化繊維が分散した状態のプリフォームを成形し、このプリフォームに溶融した金属マトリックスを含浸させることによって製造される。但し、強化繊維の配向度合や分散度合によっては特性にばらつきが生じることがあるため、超音波を用いて強化繊維を均一に分散させるなど、特殊な製造方法によって製造されることもある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の製造方法で大きな構造部材の強化繊維金属を製造することは工業的に難しいという問題点があった。また、強化繊維やウィスカー、フィラー等の強化材と金属マトリックスとの接着接合性（濡れ性）が悪いときは強化材に表面処理等の特殊処理を施す必要があるため、製造コストが上がってしまうという問題点もあった。
【０００５】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであって、特性が均一な軽量強化部材として、構造が大きな部材も容易に製造可能な繊維強化複合材料製部材を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１に係る繊維強化複合材料製部材は、マトリックス中に繊維を含有する線状の繊維強化複合材料を骨材として母材中に備えた繊維強化複合材料製部材において、前記繊維強化複合材料は屈折形状を保持するための材料によって被覆され、前記材料によって被覆されている繊維強化複合材料は屈曲した状態で前記母材中に埋設されている。
【０００８】
また、請求項２に係る繊維強化複合材料製部材は、請求項１に記載の繊維強化複合材料製部材において、前記マトリックスおよび前記繊維強化複合材料の屈曲形状を保持するための材料は同じ材質である。
【０００９】
また、請求項３に係る繊維強化複合材料製部材は、請求項１または２に記載の繊維強化複合材料製部材において、前記母材と前記マトリックスまたは前記繊維強化複合材料の屈曲形状を保持するための材料は同じ材質である。
【００１０】
また、請求項４に係る繊維強化複合材料製部材は、請求項１、２または３に記載の繊維強化複合材料製部材において、前記マトリックス、前記繊維強化複合材料の屈曲形状を保持するための材料または前記母材が金属または合金である。
【００１１】
また、請求項５に係る繊維強化複合材料製部材は、請求項４に記載の繊維強化複合材料製部材において、前記マトリックスまたは前記繊維強化複合材料の屈曲形状を保持するための材料は、溶融点が１３００℃以下の金属である。
【００１２】
また、請求項６に係る繊維強化複合材料製部材は、請求項１、２、３、４または５に記載の繊維強化複合材料製部材において、前記母材内の複数の繊維強化複合材料または前記材料によって被覆されている複数の繊維強化複合材料は、それぞれ平行に配列されている。
【００１３】
また、請求項７に係る繊維強化複合材料製部材は、請求項１、２、３、４、５または６に記載の繊維強化複合材料製部材において、前記母材中に中空粒子が混在されている。
【００１４】
さらに、請求項８に係る繊維強化複合材料製部材は、請求項７に記載の繊維強化複合材料製部材において、前記中空粒子は直径が０．０１μｍ以上３５０μｍ以下のセラミック粒子である。
【００１５】
本発明の請求項１に係る繊維強化複合材料製部材では、マトリックス中に繊維を含有する線状の繊維強化複合材料を骨材として母材中に備えている。繊維強化複合材料は高強度かつ軽量であるため、繊維強化複合材料製部材の剛性を強化かつ軽量化できる。また、繊維強化複合材料の特性が一様であり、かつ、繊維強化複合材料が母材中に一様に配列されていれば、均一な特性の繊維強化複合材料製部材を得ることができる。さらに、この繊維強化複合材料製部材は、繊維強化複合材料を配列してそこに溶融した母材を含浸させるといった簡単な方法で製造することができるため、構造が大きな繊維強化複合材料製部材も容易に製造することができる。
【００１６】
加えて、請求項１に係る繊維強化複合材料製部材では、繊維強化複合材料は屈折形状を保持するための材料によって被覆され、この材料によって被覆されている繊維強化複合材料は屈曲した状態で母材中に埋設されている。このように、骨材として用いられている繊維強化複合材料には被覆のための材料が被覆されているため剛性が強く、繊維強化複合材料を屈曲させてもその屈曲形状が保持される。したがって、繊維強化複合材料が屈曲した状態で繊維強化複合材料製部材を製造することができるため、屈曲形状の繊維強化複合材料製部材を容易に製造することができる。
【００１７】
また、請求項２に係る繊維強化複合材料製部材では、マトリックスおよび繊維強化複合材料の屈曲形状を保持するための材料は同じ材質である。
また、請求項３に係る繊維強化複合材料製部材では、母材とマトリックスまたは繊維強化複合材料の屈曲形状を保持するための材料は同じ材質である。同じ材質であれば接着接合性（濡れ性）は良いため、強度を保つことができる。
【００１８】
また、請求項４に係る繊維強化複合材料製部材では、マトリックス、繊維強化複合材料の屈曲形状を保持するための材料または母材が金属または合金であることが望ましい。特に、請求項５に係る繊維強化複合材料製部材では、マトリックスまたは繊維強化複合材料の屈曲形状を保持するための材料は、溶融点が１３００℃以下の金属であることが望ましい。
【００１９】
また、請求項６に係る繊維強化複合材料製部材では、母材内の複数の繊維強化複合材料または材料によって被覆されている複数の繊維強化複合材料は、それぞれ平行に配列されている。したがって、繊維強化複合材料の配列方向に応じて特定方向からの力に対する強度を増すことができる。
【００２０】
また、請求項７に係る繊維強化複合材料製部材では、母材中に中空粒子が混在されている。母材中に繊維強化複合材料を骨材として含み、かつ、セラミック粒子等の中空粒子が混入されているとき、繊維強化複合材料製部材は強度を保ちつつ軽量となる。
【００２１】
さらに、請求項８に係る繊維強化複合材料製部材では、中空粒子は直径が０．０１μｍ以上３５０μｍ以下のセラミック粒子である。セラミック粒子を母材に混入させることによって、耐磨耗性に優れた繊維強化複合材料製部材を提供することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の繊維強化複合材料製部材の実施の形態について、〔第１の実施形態〕、〔第２の実施形態〕、〔第３の実施形態〕の順に図面を参照して詳細に説明する。
【００２３】
〔第１の実施形態〕
第１の実施形態の繊維強化複合材料製部材では、強化部材として金属−繊維複合体（以下、金属ファイバ複合体という）が用いられている。図１は、第１の実施形態で使用される金属ファイバ複合体を示すモデル断面図（ａ）およびモデル斜視図（ｂ）である。特許請求の範囲の繊維強化複合材料に該当する金属ファイバ複合体１００は、図１（ａ）に示すように、繊維状材、線状材、繊維状材束または線状材束で構成された特許請求の範囲の繊維に該当する芯材１０１と、マトリックスに該当する金属マトリックス１０３とから形成された複合材料であり、図１（ｂ）に示すように、形状が線状あるいはワイヤー状である。また、図１（ｃ）に示すように、形状がテープ状でも良い。
【００２４】
金属ファイバ複合体１００の芯材１０１には炭素繊維、アルミナ繊維、ボロン繊維、金属繊維、有機繊維、無機繊維等の高強度繊維が用いられ、金属マトリックス１０３にはアルミニウムや銅またはその合金等が用いられている。なお、金属マトリックス１０３は、溶融点が約１３００℃以下の金属または合金であることが望ましい。
【００２５】
金属ファイバ複合体１００は、例えば図２に示すように、加圧された内部に溶融された金属マトリックスを有する含浸槽２０１の底部に設けられた入口シール部２０３より、芯材１０１となる線状材を連続的に導入して、上記溶融された金属マトリックスの液面高さ近傍に設けられた絞り部２０５で溶融された金属マトリックスが含浸された線状材を絞り、次いで、含浸槽２０１に設けられた出口シール部２０７から金属マトリックスが含浸された金属ファイバ複合体１００を連続的に取り出す溶融含浸法によって製造される。このようにして製造された金属ファイバ複合体１００は強化材として芯材１０１を含むため、高強度かつ軽量となる。
【００２６】
図３は、本発明の第１の実施形態に係る繊維強化複合材料製部材を示す斜視図（ａ）および側面図（ｂ）（ｃ）である。同図において、本実施形態の繊維強化複合材料製部材３００ａは、図３（ａ）に示すように、上述した金属ファイバ複合体１００と、特許請求の範囲の母材に該当する母材金属３０１とから構成されており、金属ファイバ複合体１００は繊維強化複合材料製部材３００ａの骨材として用いられている。なお、母材金属３０１は、上述した金属ファイバ複合体１００の金属マトリックス１０３と接着接合性（濡れ性）の良い金属または合金であることが望ましい。また、母材金属３０１と金属マトリックス１０３との接着接合性をより高めるために、金属マトリックス１０３の表面にメッキやフラックス等の表面処理を施しても良い。
【００２７】
本実施形態の繊維強化複合材料製部材３００ａは、複数の金属ファイバ複合体１００を平面的に配列し、その上から溶融した母材金属３０１を含浸させることによって製造される。製造された繊維強化複合材料製部材３００ａは、金属ファイバ複合体１００の配列方向に応じて特定方向からの力に対する剛性が強化される。例えば図３（ａ）に示した繊維強化複合材料製部材３００ａでは、金属ファイバ複合体１００の長手方向のたわみに対する剛性が強化される。また、図３（ｂ）に示すように、複数の繊維強化複合材料製部材３００ａを重ね合わせたり、図３（ｃ）に示すように、金属ファイバ複合体１００の配列方向がそれぞれ異なるよう複数の繊維強化複合材料製部材３００ａを重ね合わせることによって、これらを一体として使用しても良い。
【００２８】
また、繊維強化複合材料製部材３００ａを製造する際、複数の金属ファイバ複合体１００を立体的に配置し、これに溶融した母材金属３０１を含浸しても良い。このとき、複数の金属ファイバ複合体１００はそれぞれ平行となるように配列する形態のみならず、互いに交差するよう配置しても良い。また、金属ファイバ複合体１００の配列時、２次元的に配列するにしろ３次元的に配置するにしろ、その本数は変更可能であり、部分的に疎密としても良い。さらに、太さの異なる金属ファイバ複合体１００を用いても良い。
【００２９】
以上説明したように、本実施形態の繊維強化複合材料製部材３００ａでは、高強度の金属ファイバ複合体１００を繊維強化複合材料製部材３００ａの骨材として用いているため、金属ファイバ複合体１００の配列方向に応じて特定方向からの力に対する強度を増すことができる。また、金属ファイバ複合体１００が軽量であるため、繊維強化複合材料製部材３００ａも軽量化することもできる。また、所望の強度に応じて金属ファイバ複合体１００の本数を変えたり、部分的に金属ファイバ複合体１００を疎密とすることによって、繊維強化複合材料製部材３００ａの強度を全体的または部分的に変更することもできる。さらに、繊維強化複合材料製部材３００ａは、金属ファイバ複合体１００を配列してそこに溶融した母材金属３０１を含浸させるといった簡単な方法で製造することができるため、構造が大きな繊維強化複合材料製部材も容易に製造することができる。
【００３０】
〔第２の実施形態〕
第１の実施形態の繊維強化複合材料製部材３００ａで用いられる金属ファイバ複合体１００は、図２に示したように線状またはワイヤー状に製造されるため、繊維強化複合材料製部材３００ａの製造時、金属ファイバ複合体１００を屈曲して使用しようとしてもその弾性によって所望の形状を維持することができない。したがって、第２の実施形態では、第１の実施形態で使用されている金属ファイバ複合体１００の屈曲形状を保持するための金属が被覆された金属ファイバ複合体１００′を用いる。
【００３１】
図４は、第２の実施形態で使用される金属被膜付き金属ファイバ複合体１００′を示すモデル断面図である。同図において、図１（第１の実施形態）と重複する部分には同一の符号を附して説明を省略する。図４において符号４０１は金属被膜であり特許請求の範囲の「屈折形状を保持するための材料」に該当する。なお、金属被膜４０１は金属マトリックス１０３と濡れ性の良い金属であることが望ましい。
【００３２】
この金属ファイバ複合体１００′を製造するための図５に示す溶融含浸装置は被覆炉５０１を備え、金属ファイバ複合体１００′は、芯材１０１に金属マトリックスが含浸された線状材（金属ファイバ複合体１００）に対して被覆炉５０１で溶融した金属を被覆することによって製造される。このようにして製造された金属ファイバ複合体１００′は、表面に金属被膜４０１が被覆されているため強度が強く、屈曲してもその形状を保つことができる。
【００３３】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る繊維強化複合材料製部材を示す斜視図である。同図において、図３（第１の実施形態）と重複する部分には同一の符号を附して説明を省略する。本実施形態の繊維強化複合材料製部材３００ｂは、図６（ａ）に示すように、上述した金属ファイバ複合体１００′と母材金属３０１とから構成されており、第１の実施形態と同様に、金属ファイバ複合体１００′は繊維強化複合材料製部材３００ｂの骨材として用いられている。なお、母材金属３０１は、上述した金属ファイバ複合体１００の金属被膜４０１と接着接合性（濡れ性）の良い金属または合金であることが望ましい。また、母材金属３０１と金属被膜４０１との接着接合性をより高めるために、金属被膜４０１の表面にメッキやフラックス等の表面処理を施しても良い。
【００３４】
本実施形態の繊維強化複合材料製部材３００ｂも、図６（ｂ）に示すように複数の金属ファイバ複合体１００′を平面的に配列し、その上から溶融した母材金属３０１を含浸させることによって製造される。また、図６（ｂ）に示すように、複数の繊維強化複合材料製部材３００ｂを重ね合わせることによって、これらを一体として使用しても良い。また、繊維強化複合材料製部材３００ｂを製造する際、複数の金属ファイバ複合体１００を立体的に配置し、これに溶融した母材金属３０１を含浸しても良い。
【００３５】
以上説明したように、本実施形態では、骨材として用いられる金属ファイバ複合体１００′には金属被膜４０１が被覆されているため剛性が強く、金属ファイバ複合体１００′を屈曲させてもその屈曲形状が保持される。したがって、金属ファイバ複合体１００′が屈曲した状態で繊維強化複合材料製部材３００ｂを製造することができるため、屈曲形状の繊維強化複合材料製部材３００ｂを容易に製造することができる。
【００３６】
〔第３の実施形態〕
第３の実施形態の繊維強化複合材料製部材３００ｃでは、第１および第２の実施形態の金属ファイバ複合体１００，１００′に含浸される母材金属３０１を発泡させて気泡（ボイド）を混在させたり、セラミックス等の中空粒子やフィラーを添加剤として混在させることによって繊維強化複合材料製部材３００ｃの軽量化を図っている。また、セラミックス等の中空粒子を母材金属３０１に混在すると、耐磨耗性が良好となる。
【００３７】
図７は、本発明の第３の実施形態に係る繊維強化複合材料製部材を示す斜視図である。同図に示す本実施形態の繊維強化複合材料製部材３００ｃは、骨材として金属ファイバ複合体１００または１００′を有する母材金属３０１中に、特許請求の範囲の中空粒子に該当する直径が０．０１〜３５０μｍのセラミックス中空粒子７０１を含んでいる。このため、繊維強化複合材料製部材３００ｃは第１および第２の実施形態の繊維強化複合材料製部材３００ａ，３００ｂと比較して軽い部材となるが、同時に、外部応力に対して極めて弱くなる。しかしながら、内部に補強用の金属ファイバ複合体１００または１００′を有するため強度を保つことができる。
【００３８】
以上説明したように、本実施形態の繊維強化複合材料製部材３００ｃは、骨材として金属ファイバ複合体１００または１００′を有し、かつ、母材金属３０１中にセラミックス中空粒子７０１が混在されているため、強度を保ちつつ軽量な部材を提供することができる。また、セラミックス中空粒子７０１が混入された繊維強化複合材料製部材３００ｃは耐磨耗性が優れているため、例えば、金属研磨用やすりとして用いることができる。なお、セラミックス中空粒子の代わりに難燃性のあるフィラー等を用いても良い。
【００３９】
以上説明した第１〜第３の実施形態に係る繊維強化複合材料製部材３００ａ〜３００ｃは、例えば、図８の符号８０１で示した車のフロントバンパー等のリーンフォースメントに利用される。なお、上記実施形態では、金属ファイバ複合体１００，１００′のマトリックス（金属マトリックス１０３）や繊維強化複合材料製部材３００ａ〜３００ｃの母材（母材金属３０１）、金属ファイバ複合体１０１′の屈曲形状を保持するための被膜（金属被膜４０１）として金属を用いたが、樹脂等の材料を用いても良い。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の繊維強化複合材料製部材によれば、マトリックス中に繊維を含有する線状の繊維強化複合材料を骨材として母材中に備えている。繊維強化複合材料は高強度かつ軽量であるため、繊維強化複合材料製部材の剛性を強化かつ軽量化できる。また、繊維強化複合材料の特性が一様であり、かつ、繊維強化複合材料が母材中に一様に配列されていれば、均一な特性の繊維強化複合材料製部材を得ることができる。さらに、この繊維強化複合材料製部材は、繊維強化複合材料を配列してそこに溶融した母材を含浸させるといった簡単な方法で製造することができるため、構造が大きな繊維強化複合材料製部材も容易に製造することができる。
【００４１】
また、繊維強化複合材料は屈折形状を保持するための材料によって被覆され、この材料によって被覆されている繊維強化複合材料は屈曲した状態で母材中に埋設されている。このように、骨材として用いられている繊維強化複合材料には被覆のための材料が被覆されているため剛性が強く、繊維強化複合材料を屈曲させてもその屈曲形状が保持される。したがって、繊維強化複合材料が屈曲した状態で繊維強化複合材料製部材を製造することができるため、屈曲形状の繊維強化複合材料製部材を容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態で使用される金属ファイバ複合体を示すモデル断面図（ａ）（ｃ）およびモデル斜視図（ｂ）である。
【図２】第１の実施形態で使用される金属ファイバ複合体を製造するための溶融含浸装置を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る繊維強化複合材料製部材を示す斜視図（ａ）および側面図（ｂ）（ｃ）である。
【図４】第２の実施形態で使用される金属被膜付き金属ファイバ複合体を示すモデル断面図である。
【図５】第２の実施形態で使用される金属ファイバ複合体を製造するための溶融含浸装置を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る繊維強化複合材料製部材を示す斜視図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る繊維強化複合材料製部材を示す斜視図である。
【図８】車のバンパーに利用された本発明の繊維強化複合材料製部材を示す説明図である。
【図９】従来の強化繊維金属を示すモデル斜視図である。
【符号の説明】
１００，１００′ 金属ファイバ複合体
１０１ 芯材
１０３ 金属マトリックス
３００ａ，３００ｂ，３００ｃ 繊維強化複合材料製部材
３０１ 母材金属
４０１ 金属被膜
７０１ セラミックス中空粒子
【発明の属する技術分野】
本発明は繊維強化複合材料製部材に係り、特に、線状の複合材料を強化部材として用いた繊維強化複合材料製部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、異種材料を組み合わせて所望の特性を持たせる複合材料が用いられている。複合材料には、アルミニウム、鉄、銅、マグネシウム、チタン等の金属をマトリックスとし、炭素繊維、アルミナ繊維、ボロン繊維などの強化繊維やウィスカー、フィラー等を強化材とした繊維強化金属（ＦＲＭ：Fiber-reinforced Metal）があり、軽量強化部材として用いられている。図９に強化繊維金属のモデル斜視図を示す。同図において、符号１１は金属マトリックスであり、符号１３は強化繊維やウィスカー、フィラー等の強化材である。
【０００３】
図９に示したような繊維強化金属は、例えば、強化繊維が分散した状態のプリフォームを成形し、このプリフォームに溶融した金属マトリックスを含浸させることによって製造される。但し、強化繊維の配向度合や分散度合によっては特性にばらつきが生じることがあるため、超音波を用いて強化繊維を均一に分散させるなど、特殊な製造方法によって製造されることもある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の製造方法で大きな構造部材の強化繊維金属を製造することは工業的に難しいという問題点があった。また、強化繊維やウィスカー、フィラー等の強化材と金属マトリックスとの接着接合性（濡れ性）が悪いときは強化材に表面処理等の特殊処理を施す必要があるため、製造コストが上がってしまうという問題点もあった。
【０００５】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであって、特性が均一な軽量強化部材として、構造が大きな部材も容易に製造可能な繊維強化複合材料製部材を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１に係る繊維強化複合材料製部材は、マトリックス中に繊維を含有する線状の繊維強化複合材料を骨材として母材中に備えた繊維強化複合材料製部材において、前記繊維強化複合材料は屈折形状を保持するための材料によって被覆され、前記材料によって被覆されている繊維強化複合材料は屈曲した状態で前記母材中に埋設されている。
【０００８】
また、請求項２に係る繊維強化複合材料製部材は、請求項１に記載の繊維強化複合材料製部材において、前記マトリックスおよび前記繊維強化複合材料の屈曲形状を保持するための材料は同じ材質である。
【０００９】
また、請求項３に係る繊維強化複合材料製部材は、請求項１または２に記載の繊維強化複合材料製部材において、前記母材と前記マトリックスまたは前記繊維強化複合材料の屈曲形状を保持するための材料は同じ材質である。
【００１０】
また、請求項４に係る繊維強化複合材料製部材は、請求項１、２または３に記載の繊維強化複合材料製部材において、前記マトリックス、前記繊維強化複合材料の屈曲形状を保持するための材料または前記母材が金属または合金である。
【００１１】
また、請求項５に係る繊維強化複合材料製部材は、請求項４に記載の繊維強化複合材料製部材において、前記マトリックスまたは前記繊維強化複合材料の屈曲形状を保持するための材料は、溶融点が１３００℃以下の金属である。
【００１２】
また、請求項６に係る繊維強化複合材料製部材は、請求項１、２、３、４または５に記載の繊維強化複合材料製部材において、前記母材内の複数の繊維強化複合材料または前記材料によって被覆されている複数の繊維強化複合材料は、それぞれ平行に配列されている。
【００１３】
また、請求項７に係る繊維強化複合材料製部材は、請求項１、２、３、４、５または６に記載の繊維強化複合材料製部材において、前記母材中に中空粒子が混在されている。
【００１４】
さらに、請求項８に係る繊維強化複合材料製部材は、請求項７に記載の繊維強化複合材料製部材において、前記中空粒子は直径が０．０１μｍ以上３５０μｍ以下のセラミック粒子である。
【００１５】
本発明の請求項１に係る繊維強化複合材料製部材では、マトリックス中に繊維を含有する線状の繊維強化複合材料を骨材として母材中に備えている。繊維強化複合材料は高強度かつ軽量であるため、繊維強化複合材料製部材の剛性を強化かつ軽量化できる。また、繊維強化複合材料の特性が一様であり、かつ、繊維強化複合材料が母材中に一様に配列されていれば、均一な特性の繊維強化複合材料製部材を得ることができる。さらに、この繊維強化複合材料製部材は、繊維強化複合材料を配列してそこに溶融した母材を含浸させるといった簡単な方法で製造することができるため、構造が大きな繊維強化複合材料製部材も容易に製造することができる。
【００１６】
加えて、請求項１に係る繊維強化複合材料製部材では、繊維強化複合材料は屈折形状を保持するための材料によって被覆され、この材料によって被覆されている繊維強化複合材料は屈曲した状態で母材中に埋設されている。このように、骨材として用いられている繊維強化複合材料には被覆のための材料が被覆されているため剛性が強く、繊維強化複合材料を屈曲させてもその屈曲形状が保持される。したがって、繊維強化複合材料が屈曲した状態で繊維強化複合材料製部材を製造することができるため、屈曲形状の繊維強化複合材料製部材を容易に製造することができる。
【００１７】
また、請求項２に係る繊維強化複合材料製部材では、マトリックスおよび繊維強化複合材料の屈曲形状を保持するための材料は同じ材質である。
また、請求項３に係る繊維強化複合材料製部材では、母材とマトリックスまたは繊維強化複合材料の屈曲形状を保持するための材料は同じ材質である。同じ材質であれば接着接合性（濡れ性）は良いため、強度を保つことができる。
【００１８】
また、請求項４に係る繊維強化複合材料製部材では、マトリックス、繊維強化複合材料の屈曲形状を保持するための材料または母材が金属または合金であることが望ましい。特に、請求項５に係る繊維強化複合材料製部材では、マトリックスまたは繊維強化複合材料の屈曲形状を保持するための材料は、溶融点が１３００℃以下の金属であることが望ましい。
【００１９】
また、請求項６に係る繊維強化複合材料製部材では、母材内の複数の繊維強化複合材料または材料によって被覆されている複数の繊維強化複合材料は、それぞれ平行に配列されている。したがって、繊維強化複合材料の配列方向に応じて特定方向からの力に対する強度を増すことができる。
【００２０】
また、請求項７に係る繊維強化複合材料製部材では、母材中に中空粒子が混在されている。母材中に繊維強化複合材料を骨材として含み、かつ、セラミック粒子等の中空粒子が混入されているとき、繊維強化複合材料製部材は強度を保ちつつ軽量となる。
【００２１】
さらに、請求項８に係る繊維強化複合材料製部材では、中空粒子は直径が０．０１μｍ以上３５０μｍ以下のセラミック粒子である。セラミック粒子を母材に混入させることによって、耐磨耗性に優れた繊維強化複合材料製部材を提供することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の繊維強化複合材料製部材の実施の形態について、〔第１の実施形態〕、〔第２の実施形態〕、〔第３の実施形態〕の順に図面を参照して詳細に説明する。
【００２３】
〔第１の実施形態〕
第１の実施形態の繊維強化複合材料製部材では、強化部材として金属−繊維複合体（以下、金属ファイバ複合体という）が用いられている。図１は、第１の実施形態で使用される金属ファイバ複合体を示すモデル断面図（ａ）およびモデル斜視図（ｂ）である。特許請求の範囲の繊維強化複合材料に該当する金属ファイバ複合体１００は、図１（ａ）に示すように、繊維状材、線状材、繊維状材束または線状材束で構成された特許請求の範囲の繊維に該当する芯材１０１と、マトリックスに該当する金属マトリックス１０３とから形成された複合材料であり、図１（ｂ）に示すように、形状が線状あるいはワイヤー状である。また、図１（ｃ）に示すように、形状がテープ状でも良い。
【００２４】
金属ファイバ複合体１００の芯材１０１には炭素繊維、アルミナ繊維、ボロン繊維、金属繊維、有機繊維、無機繊維等の高強度繊維が用いられ、金属マトリックス１０３にはアルミニウムや銅またはその合金等が用いられている。なお、金属マトリックス１０３は、溶融点が約１３００℃以下の金属または合金であることが望ましい。
【００２５】
金属ファイバ複合体１００は、例えば図２に示すように、加圧された内部に溶融された金属マトリックスを有する含浸槽２０１の底部に設けられた入口シール部２０３より、芯材１０１となる線状材を連続的に導入して、上記溶融された金属マトリックスの液面高さ近傍に設けられた絞り部２０５で溶融された金属マトリックスが含浸された線状材を絞り、次いで、含浸槽２０１に設けられた出口シール部２０７から金属マトリックスが含浸された金属ファイバ複合体１００を連続的に取り出す溶融含浸法によって製造される。このようにして製造された金属ファイバ複合体１００は強化材として芯材１０１を含むため、高強度かつ軽量となる。
【００２６】
図３は、本発明の第１の実施形態に係る繊維強化複合材料製部材を示す斜視図（ａ）および側面図（ｂ）（ｃ）である。同図において、本実施形態の繊維強化複合材料製部材３００ａは、図３（ａ）に示すように、上述した金属ファイバ複合体１００と、特許請求の範囲の母材に該当する母材金属３０１とから構成されており、金属ファイバ複合体１００は繊維強化複合材料製部材３００ａの骨材として用いられている。なお、母材金属３０１は、上述した金属ファイバ複合体１００の金属マトリックス１０３と接着接合性（濡れ性）の良い金属または合金であることが望ましい。また、母材金属３０１と金属マトリックス１０３との接着接合性をより高めるために、金属マトリックス１０３の表面にメッキやフラックス等の表面処理を施しても良い。
【００２７】
本実施形態の繊維強化複合材料製部材３００ａは、複数の金属ファイバ複合体１００を平面的に配列し、その上から溶融した母材金属３０１を含浸させることによって製造される。製造された繊維強化複合材料製部材３００ａは、金属ファイバ複合体１００の配列方向に応じて特定方向からの力に対する剛性が強化される。例えば図３（ａ）に示した繊維強化複合材料製部材３００ａでは、金属ファイバ複合体１００の長手方向のたわみに対する剛性が強化される。また、図３（ｂ）に示すように、複数の繊維強化複合材料製部材３００ａを重ね合わせたり、図３（ｃ）に示すように、金属ファイバ複合体１００の配列方向がそれぞれ異なるよう複数の繊維強化複合材料製部材３００ａを重ね合わせることによって、これらを一体として使用しても良い。
【００２８】
また、繊維強化複合材料製部材３００ａを製造する際、複数の金属ファイバ複合体１００を立体的に配置し、これに溶融した母材金属３０１を含浸しても良い。このとき、複数の金属ファイバ複合体１００はそれぞれ平行となるように配列する形態のみならず、互いに交差するよう配置しても良い。また、金属ファイバ複合体１００の配列時、２次元的に配列するにしろ３次元的に配置するにしろ、その本数は変更可能であり、部分的に疎密としても良い。さらに、太さの異なる金属ファイバ複合体１００を用いても良い。
【００２９】
以上説明したように、本実施形態の繊維強化複合材料製部材３００ａでは、高強度の金属ファイバ複合体１００を繊維強化複合材料製部材３００ａの骨材として用いているため、金属ファイバ複合体１００の配列方向に応じて特定方向からの力に対する強度を増すことができる。また、金属ファイバ複合体１００が軽量であるため、繊維強化複合材料製部材３００ａも軽量化することもできる。また、所望の強度に応じて金属ファイバ複合体１００の本数を変えたり、部分的に金属ファイバ複合体１００を疎密とすることによって、繊維強化複合材料製部材３００ａの強度を全体的または部分的に変更することもできる。さらに、繊維強化複合材料製部材３００ａは、金属ファイバ複合体１００を配列してそこに溶融した母材金属３０１を含浸させるといった簡単な方法で製造することができるため、構造が大きな繊維強化複合材料製部材も容易に製造することができる。
【００３０】
〔第２の実施形態〕
第１の実施形態の繊維強化複合材料製部材３００ａで用いられる金属ファイバ複合体１００は、図２に示したように線状またはワイヤー状に製造されるため、繊維強化複合材料製部材３００ａの製造時、金属ファイバ複合体１００を屈曲して使用しようとしてもその弾性によって所望の形状を維持することができない。したがって、第２の実施形態では、第１の実施形態で使用されている金属ファイバ複合体１００の屈曲形状を保持するための金属が被覆された金属ファイバ複合体１００′を用いる。
【００３１】
図４は、第２の実施形態で使用される金属被膜付き金属ファイバ複合体１００′を示すモデル断面図である。同図において、図１（第１の実施形態）と重複する部分には同一の符号を附して説明を省略する。図４において符号４０１は金属被膜であり特許請求の範囲の「屈折形状を保持するための材料」に該当する。なお、金属被膜４０１は金属マトリックス１０３と濡れ性の良い金属であることが望ましい。
【００３２】
この金属ファイバ複合体１００′を製造するための図５に示す溶融含浸装置は被覆炉５０１を備え、金属ファイバ複合体１００′は、芯材１０１に金属マトリックスが含浸された線状材（金属ファイバ複合体１００）に対して被覆炉５０１で溶融した金属を被覆することによって製造される。このようにして製造された金属ファイバ複合体１００′は、表面に金属被膜４０１が被覆されているため強度が強く、屈曲してもその形状を保つことができる。
【００３３】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る繊維強化複合材料製部材を示す斜視図である。同図において、図３（第１の実施形態）と重複する部分には同一の符号を附して説明を省略する。本実施形態の繊維強化複合材料製部材３００ｂは、図６（ａ）に示すように、上述した金属ファイバ複合体１００′と母材金属３０１とから構成されており、第１の実施形態と同様に、金属ファイバ複合体１００′は繊維強化複合材料製部材３００ｂの骨材として用いられている。なお、母材金属３０１は、上述した金属ファイバ複合体１００の金属被膜４０１と接着接合性（濡れ性）の良い金属または合金であることが望ましい。また、母材金属３０１と金属被膜４０１との接着接合性をより高めるために、金属被膜４０１の表面にメッキやフラックス等の表面処理を施しても良い。
【００３４】
本実施形態の繊維強化複合材料製部材３００ｂも、図６（ｂ）に示すように複数の金属ファイバ複合体１００′を平面的に配列し、その上から溶融した母材金属３０１を含浸させることによって製造される。また、図６（ｂ）に示すように、複数の繊維強化複合材料製部材３００ｂを重ね合わせることによって、これらを一体として使用しても良い。また、繊維強化複合材料製部材３００ｂを製造する際、複数の金属ファイバ複合体１００を立体的に配置し、これに溶融した母材金属３０１を含浸しても良い。
【００３５】
以上説明したように、本実施形態では、骨材として用いられる金属ファイバ複合体１００′には金属被膜４０１が被覆されているため剛性が強く、金属ファイバ複合体１００′を屈曲させてもその屈曲形状が保持される。したがって、金属ファイバ複合体１００′が屈曲した状態で繊維強化複合材料製部材３００ｂを製造することができるため、屈曲形状の繊維強化複合材料製部材３００ｂを容易に製造することができる。
【００３６】
〔第３の実施形態〕
第３の実施形態の繊維強化複合材料製部材３００ｃでは、第１および第２の実施形態の金属ファイバ複合体１００，１００′に含浸される母材金属３０１を発泡させて気泡（ボイド）を混在させたり、セラミックス等の中空粒子やフィラーを添加剤として混在させることによって繊維強化複合材料製部材３００ｃの軽量化を図っている。また、セラミックス等の中空粒子を母材金属３０１に混在すると、耐磨耗性が良好となる。
【００３７】
図７は、本発明の第３の実施形態に係る繊維強化複合材料製部材を示す斜視図である。同図に示す本実施形態の繊維強化複合材料製部材３００ｃは、骨材として金属ファイバ複合体１００または１００′を有する母材金属３０１中に、特許請求の範囲の中空粒子に該当する直径が０．０１〜３５０μｍのセラミックス中空粒子７０１を含んでいる。このため、繊維強化複合材料製部材３００ｃは第１および第２の実施形態の繊維強化複合材料製部材３００ａ，３００ｂと比較して軽い部材となるが、同時に、外部応力に対して極めて弱くなる。しかしながら、内部に補強用の金属ファイバ複合体１００または１００′を有するため強度を保つことができる。
【００３８】
以上説明したように、本実施形態の繊維強化複合材料製部材３００ｃは、骨材として金属ファイバ複合体１００または１００′を有し、かつ、母材金属３０１中にセラミックス中空粒子７０１が混在されているため、強度を保ちつつ軽量な部材を提供することができる。また、セラミックス中空粒子７０１が混入された繊維強化複合材料製部材３００ｃは耐磨耗性が優れているため、例えば、金属研磨用やすりとして用いることができる。なお、セラミックス中空粒子の代わりに難燃性のあるフィラー等を用いても良い。
【００３９】
以上説明した第１〜第３の実施形態に係る繊維強化複合材料製部材３００ａ〜３００ｃは、例えば、図８の符号８０１で示した車のフロントバンパー等のリーンフォースメントに利用される。なお、上記実施形態では、金属ファイバ複合体１００，１００′のマトリックス（金属マトリックス１０３）や繊維強化複合材料製部材３００ａ〜３００ｃの母材（母材金属３０１）、金属ファイバ複合体１０１′の屈曲形状を保持するための被膜（金属被膜４０１）として金属を用いたが、樹脂等の材料を用いても良い。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の繊維強化複合材料製部材によれば、マトリックス中に繊維を含有する線状の繊維強化複合材料を骨材として母材中に備えている。繊維強化複合材料は高強度かつ軽量であるため、繊維強化複合材料製部材の剛性を強化かつ軽量化できる。また、繊維強化複合材料の特性が一様であり、かつ、繊維強化複合材料が母材中に一様に配列されていれば、均一な特性の繊維強化複合材料製部材を得ることができる。さらに、この繊維強化複合材料製部材は、繊維強化複合材料を配列してそこに溶融した母材を含浸させるといった簡単な方法で製造することができるため、構造が大きな繊維強化複合材料製部材も容易に製造することができる。
【００４１】
また、繊維強化複合材料は屈折形状を保持するための材料によって被覆され、この材料によって被覆されている繊維強化複合材料は屈曲した状態で母材中に埋設されている。このように、骨材として用いられている繊維強化複合材料には被覆のための材料が被覆されているため剛性が強く、繊維強化複合材料を屈曲させてもその屈曲形状が保持される。したがって、繊維強化複合材料が屈曲した状態で繊維強化複合材料製部材を製造することができるため、屈曲形状の繊維強化複合材料製部材を容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態で使用される金属ファイバ複合体を示すモデル断面図（ａ）（ｃ）およびモデル斜視図（ｂ）である。
【図２】第１の実施形態で使用される金属ファイバ複合体を製造するための溶融含浸装置を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る繊維強化複合材料製部材を示す斜視図（ａ）および側面図（ｂ）（ｃ）である。
【図４】第２の実施形態で使用される金属被膜付き金属ファイバ複合体を示すモデル断面図である。
【図５】第２の実施形態で使用される金属ファイバ複合体を製造するための溶融含浸装置を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る繊維強化複合材料製部材を示す斜視図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る繊維強化複合材料製部材を示す斜視図である。
【図８】車のバンパーに利用された本発明の繊維強化複合材料製部材を示す説明図である。
【図９】従来の強化繊維金属を示すモデル斜視図である。
【符号の説明】
１００，１００′ 金属ファイバ複合体
１０１ 芯材
１０３ 金属マトリックス
３００ａ，３００ｂ，３００ｃ 繊維強化複合材料製部材
３０１ 母材金属
４０１ 金属被膜
７０１ セラミックス中空粒子
Claims (8)
- マトリックス中に繊維を含有する線状の繊維強化複合材料を骨材として母材中に備えた繊維強化複合材料製部材において、
前記繊維強化複合材料は屈折形状を保持するための材料によって被覆され、
前記材料によって被覆されている繊維強化複合材料は屈曲した状態で前記母材中に埋設されている
ことを特徴とする繊維強化複合材料製部材。 - 前記マトリックスおよび前記繊維強化複合材料の屈曲形状を保持するための材料は同じ材質である
ことを特徴とする請求項１記載の繊維強化複合材料製部材。 - 前記母材と前記マトリックスまたは前記繊維強化複合材料の屈曲形状を保持するための材料は同じ材質である
ことを特徴とする請求項１または２記載の繊維強化複合材料製部材。 - 前記マトリックス、前記繊維強化複合材料の屈曲形状を保持するための材料または前記母材が金属または合金である
ことを特徴とする請求項１，２または３記載の繊維強化複合材料製部材。 - 前記マトリックスまたは前記繊維強化複合材料の屈曲形状を保持するための材料は、溶融点が１３００℃以下の金属である
ことを特徴とする請求項４記載の繊維強化複合材料製部材。 - 前記母材内の複数の繊維強化複合材料または前記材料によって被覆されている複数の繊維強化複合材料は、それぞれ平行に配列されている
ことを特徴とする請求項１、２、３、４または５記載の繊維強化複合材料製部材。 - 前記母材中に中空粒子が混在されている
ことを特徴とする請求項１、２、３、４、５または６記載の繊維強化複合材料製部材。 - 前記中空粒子は直径が０．０１μｍ以上３５０μｍ以下のセラミック粒子である
ことを特徴とする請求項７記載の繊維強化複合材料製部材。
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