JP4975583B2 - Manufacturing method of fiber reinforced composite material - Google Patents
Manufacturing method of fiber reinforced composite material Download PDFInfo
- Publication number
- JP4975583B2 JP4975583B2 JP2007276906A JP2007276906A JP4975583B2 JP 4975583 B2 JP4975583 B2 JP 4975583B2 JP 2007276906 A JP2007276906 A JP 2007276906A JP 2007276906 A JP2007276906 A JP 2007276906A JP 4975583 B2 JP4975583 B2 JP 4975583B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- film
- fiber
- reinforced composite
- forming
- composite material
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims description 82
- 239000003733 fiber-reinforced composite Substances 0.000 title claims description 49
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 19
- 239000002657 fibrous material Substances 0.000 claims description 52
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 claims description 38
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims description 38
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 33
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 20
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 12
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 11
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 6
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 claims description 6
- 239000010408 film Substances 0.000 description 128
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 description 23
- 238000000034 method Methods 0.000 description 21
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 18
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 13
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 10
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 9
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 8
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 7
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 7
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 7
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 7
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 7
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 6
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 6
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 5
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 4
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 4
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000002390 adhesive tape Substances 0.000 description 3
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 3
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 3
- UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N tungsten carbide Chemical compound [W+]#[C-] UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 2
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000010419 fine particle Substances 0.000 description 2
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010955 niobium Substances 0.000 description 2
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000484 niobium oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- URLJKFSTXLNXLG-UHFFFAOYSA-N niobium(5+);oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Nb+5].[Nb+5] URLJKFSTXLNXLG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QGLKJKCYBOYXKC-UHFFFAOYSA-N nonaoxidotritungsten Chemical compound O=[W]1(=O)O[W](=O)(=O)O[W](=O)(=O)O1 QGLKJKCYBOYXKC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 2
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000007751 thermal spraying Methods 0.000 description 2
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910001930 tungsten oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000003870 refractory metal Substances 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Description
本発明は、繊維で強化された金属膜などの複合材料の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a composite material such as a metal film reinforced with fibers.
近年、コーティング技術の重要性が急速に高まってきており、種々のコーティング法が開発されている。
しかし、数10〜数100μm程度の膜厚の高密度なコーティング膜を低温で施工することが可能なコーティング法は知られていなかった。
In recent years, the importance of coating technology has increased rapidly, and various coating methods have been developed.
However, a coating method capable of applying a high-density coating film having a thickness of about several tens to several hundreds of μm at a low temperature has not been known.
非特許文献1および非特許文献2は、超音速フリージェット(Supersonic Free Jet:SFJ)物理蒸着(Physical Vapor Deposition:PVD)装置について開示している。
このSFJ−PVD装置は、蒸発チャンバーと成膜チャンバーを備える。
蒸発チャンバー内には、水冷されたハース上に設置した蒸発源材料と、高融点金属(具体的にはタングステン)製の電極が備えられており、一度蒸発チャンバー内を所定の圧力に減圧した後、所定のガス雰囲気に置換して、蒸発源をアノード(陽極)とし、アノードと一定間隔離れた位置にある高電導性金属製電極をカソード(陰極)とし、それぞれ負電圧と正電圧を印加して両極間にアーク放電を生起させる移行式アークプラズマによって、蒸発源材料が加熱されて蒸発する。所定のガス雰囲気とした蒸発チャンバー内では、蒸発源の加熱により蒸発した原子は互いに凝集しナノメートルオーダーの直径の微粒子(以下ナノ粒子と称する)が得られる。
Non-Patent
The SFJ-PVD apparatus includes an evaporation chamber and a film formation chamber.
The evaporation chamber is equipped with an evaporation source material placed on a water-cooled hearth and an electrode made of a refractory metal (specifically tungsten). After the pressure in the evaporation chamber has been reduced to a predetermined pressure once The gas source is replaced with a predetermined gas atmosphere, the evaporation source is the anode (anode), and the highly conductive metal electrode at a certain distance from the anode is the cathode (cathode), and a negative voltage and a positive voltage are applied respectively. The evaporation source material is heated and evaporated by the transfer arc plasma that causes arc discharge between the two electrodes. In the evaporation chamber having a predetermined gas atmosphere, atoms evaporated by heating of the evaporation source are aggregated together to obtain fine particles having a diameter of nanometer order (hereinafter referred to as nanoparticles).
得られたナノ粒子は蒸発チャンバーと成膜チャンバー間の差圧(真空度差)により生起するガス流に乗って移送管を通して成膜チャンバーへと移送される。成膜チャンバー内には、成膜対象基板が設置されている。
差圧によるガス流は、蒸発チャンバーから成膜チャンバーへと接続する移送管の先端に取り付けられた特別に設計された超音速ノズル(ラバールノズル)によりマッハ数3.6程度の超音速にまで加速され、ナノ粒子は超音速フリージェットの気流に乗って高速に加速されて成膜チャンバー中に噴出し、成膜対象基板上に堆積する。
The obtained nanoparticles are transported to the film forming chamber through the transfer pipe on the gas flow generated by the differential pressure (vacuum degree difference) between the evaporation chamber and the film forming chamber. A deposition target substrate is installed in the deposition chamber.
The gas flow due to the differential pressure is accelerated to a supersonic speed of about 3.6 Mach by a specially designed supersonic nozzle (Laval nozzle) attached to the tip of a transfer pipe connected from the evaporation chamber to the deposition chamber. The nanoparticles are accelerated at a high speed in the supersonic free jet stream, and are ejected into the deposition chamber and deposited on the deposition target substrate.
上記のSFJ−PVD装置を用いることにより、従来難しかった、数10〜数100μm程度の膜厚の高密度なコーティング膜を低温で施工することが可能となっている。 By using the SFJ-PVD apparatus, it is possible to apply a high-density coating film having a film thickness of about several tens to several hundreds of μm, which has been difficult in the past.
また、例えば特許文献1には、2つの蒸発チャンバーにおいて第1微粒子と第2微粒子を生成し、これらを非特許文献3に記載の同軸対向衝突噴流の発振現象を利用して混合し、超音速ガス流に乗せて基板上に物理蒸着させる物理蒸着装置が開示されている。
上記の物理蒸着装置などを用いて、例えば、特許文献2に開示されるように、アルミニウムマトリクス中にシリコン微粒子が分散されてなる膜を成膜することが可能となった。
Further, for example, in
Using the above physical vapor deposition apparatus or the like, for example, as disclosed in Patent Document 2, it has become possible to form a film in which silicon fine particles are dispersed in an aluminum matrix.
ところで、金属などの薄膜中に炭化ケイ素などの繊維を配して膜の強度を向上した繊維強化複合材料膜が開発されている。
上記の繊維強化複合材料膜の製造方法としては、内包させる繊維材料を基板上に並べておき、その上方から溶融した状態の金属などの膜形成材料を流し込む溶融法や、溶融した金属材料を吹き付ける溶射法により形成する方法が知られている。
By the way, a fiber reinforced composite material film in which fibers such as silicon carbide are arranged in a thin film of metal or the like to improve the strength of the film has been developed.
As a manufacturing method of the above-mentioned fiber reinforced composite material film, a fiber material to be included is arranged on a substrate, a melting method in which a film forming material such as a molten metal is poured from above, or a thermal spraying in which a molten metal material is sprayed A method of forming by the method is known.
しかしながら、上記の従来の繊維強化複合材料膜の製造方法は、溶融した状態の膜形成材料を高温状態のままで繊維材料と接触させるため、膜形成材料と繊維材料が化学的または物理的に反応してしまい、繊維により膜強度の強化が不十分となることや、膜の組成自体が意図するものでなくなることがあり、膜形成材料と繊維材料の反応を抑制することが困難である。
解決しようとする課題は、膜形成材料中に繊維材料を内包させた繊維強化複合材料膜の製造方法において、膜形成材料と繊維材料の反応を抑制することが困難であることである。 The problem to be solved is that it is difficult to suppress the reaction between the film forming material and the fiber material in the method for producing a fiber reinforced composite material film in which the fiber material is encapsulated in the film forming material.
本発明の繊維強化複合材料膜の製造方法は、表面に繊維材料が固定された基板を真空チャンバーに配置する工程と、不活性ガス雰囲気で、膜形成材料の蒸発源の加熱により膜形成材料粒子を生成する工程と、前記膜形成材料粒子を移送し、超音速フリージェットの気流に乗せて前記真空チャンバー中に噴出して、前記繊維材料が固定された前記基板上に物理蒸着させて、前記膜形成材料からなる膜中に前記繊維材料が内包された繊維強化複合材料膜を形成する工程とを有する。 The method for producing a fiber-reinforced composite material film of the present invention includes a step of placing a substrate having a fiber material fixed on a surface in a vacuum chamber, and a film-forming material particle by heating an evaporation source of the film-forming material in an inert gas atmosphere. And the film-forming material particles are transferred, placed in a supersonic free jet air stream and ejected into the vacuum chamber, and physically vapor-deposited on the substrate on which the fiber material is fixed, Forming a fiber-reinforced composite material film in which the fiber material is encapsulated in a film made of a film-forming material.
上記の本発明の繊維強化複合材料膜の製造方法は、表面に繊維材料が固定された基板を真空チャンバーに配置する。一方、不活性ガス雰囲気で、膜形成材料の蒸発源の加熱により膜形成材料粒子を生成する。次に、膜形成材料粒子を移送し、超音速フリージェットの気流に乗せて真空チャンバー中に噴出して、繊維材料が固定された基板上に物理蒸着させて、膜形成材料からなる膜中に繊維材料が内包された繊維強化複合材料膜を形成する。 In the method for producing a fiber-reinforced composite material film of the present invention, a substrate having a fiber material fixed on the surface is placed in a vacuum chamber. On the other hand, film-forming material particles are generated by heating the evaporation source of the film-forming material in an inert gas atmosphere. Next, the film-forming material particles are transferred, placed in a supersonic free jet air stream, ejected into a vacuum chamber, and physically vapor-deposited on a substrate on which a fiber material is fixed, into a film made of the film-forming material. A fiber reinforced composite film containing the fiber material is formed.
本発明の繊維強化複合材料膜の製造方法は、好適には、前記膜形成材料が金属である。
あるいは好適には、前記膜形成材料がセラミックスである。
また、好適には、前記繊維強化複合材料膜を形成する工程において、成膜温度を600℃以下として前記繊維強化複合材料膜を形成する。
また、好適には、前記繊維強化複合材料膜を形成する工程において、10μm以上の膜厚の繊維強化複合材料膜を形成する。
In the method for producing a fiber-reinforced composite film of the present invention, preferably, the film forming material is a metal.
Alternatively, preferably, the film forming material is ceramic.
Preferably, in the step of forming the fiber reinforced composite material film, the fiber reinforced composite material film is formed at a film forming temperature of 600 ° C. or lower.
Preferably, in the step of forming the fiber reinforced composite material film, a fiber reinforced composite material film having a thickness of 10 μm or more is formed.
本発明の繊維強化複合材料膜の製造方法は、膜形成材料中に繊維材料を内包させた繊維強化複合材料膜を低温で成膜できるので、膜形成材料と繊維材料の反応を抑制することができる。 The method for producing a fiber reinforced composite material film of the present invention can suppress a reaction between the film forming material and the fiber material because a fiber reinforced composite material film in which the fiber material is included in the film forming material can be formed at a low temperature. it can.
以下に、本発明に係る繊維強化複合材料膜の製造方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。 Embodiments of a method for producing a fiber-reinforced composite material film according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1(a)は本実施形態に係る繊維強化複合材料膜の模式的な斜視図であり、図1(b)は図1(a)中のX−X’における断面図、図1(c)は図1(a)中のY−Y’における断面図である。
例えば、チタンあるいはチタン合金などの金属、セラミックス、あるいは高分子などからなる基板33上に、チタン、タングステン、アルミニウム、ニオブあるいはシリコンなどの金属、酸化チタン、酸化タングステン、酸化アルミニウム、酸化ニオブあるいは酸化シリコンなどの金属酸化物、あるいはその他のセラミックスなどからなる皮膜1が形成されている。
Fig.1 (a) is a typical perspective view of the fiber reinforced composite material film | membrane which concerns on this embodiment, FIG.1 (b) is sectional drawing in XX 'in Fig.1 (a), FIG.1 (c). ) Is a cross-sectional view taken along line YY ′ in FIG.
For example, a metal such as titanium, tungsten, aluminum, niobium or silicon, titanium oxide, tungsten oxide, aluminum oxide, niobium oxide or silicon oxide on a
皮膜1の内部には、例えば、炭化シリコン(SiC)ファイバ、炭化タングステン(WC)ファイバ、カーボンファイバなどの繊維材料(2a,2b)が配されている。
上記のようにして、本実施形態に係る繊維強化複合材料膜が形成されている。被膜の内部に繊維材料が埋め込まれた構成とすることで、機械的な強度が高められた複合材料膜となっている。
Inside the
As described above, the fiber-reinforced composite material film according to this embodiment is formed. By adopting a structure in which a fiber material is embedded inside the coating, a composite material film with increased mechanical strength is obtained.
皮膜1の膜厚は、例えば、数μm〜1000μm程度であり、好ましくは10μm以上、さらに好ましくは30μm以上である。
皮膜1は、膜全体で組成が均一であってもよく、例えば厚み方向に組成が変化するようなプロファイルを持っていてもよい。
The film thickness of the
The
また、繊維材料(2a,2b)は、例えば、一定間隔で並べられた第1層の繊維材料2aの上層に、第1層に接して、第2層の繊維材料2bが一定間隔で並べられた構成となっている。
繊維材料(2a,2b)は、例えば、直径が数μm〜数100μm程度となっている。
In addition, for example, the fiber material (2a, 2b) is arranged such that the second-
The fiber material (2a, 2b) has a diameter of about several μm to several hundred μm, for example.
上記のように繊維材料が上記のように複数の層を有する構成の場合、上記のように、第1層の繊維材料2aが第1の方向に沿って並べられ、第2層の繊維材料2bが第1の方向と直行する第2の方向に沿って並べられた構成とすることができる。あるいは、第1の方向と第2の方向が同じ方向、またはその他の異なる方向としてもよい。
上記の繊維材料(2a,2n)の各層は、上記のように互いに接していてもよく、接さないように設けられてもよい。
あるいは、1層のみの構成で設けられていてもよい。
When the fiber material has a plurality of layers as described above as described above, the first layer of
The layers of the fiber material (2a, 2n) may be in contact with each other as described above, or may be provided so as not to contact each other.
Or you may be provided with the structure of only one layer.
また、上記の繊維材料としては、複数の方向に沿って並べられた繊維材料が編みこまれた状態で、皮膜1内に配置されている構成としてもよい。
Moreover, as said fiber material, it is good also as a structure arrange | positioned in the membrane | film |
上記の皮膜1は、不活性ガス雰囲気で金属や金属酸化物などの蒸発源の加熱により膜形成材料粒子を生成し、得られた膜形成材料粒子を移送し、超音速フリージェットの気流に乗せて真空チャンバー中に噴出して、真空チャンバー中に配置された基板上に物理蒸着させて形成した膜である。
成膜の前に基板33の表面に繊維材料を固定しておくことで、繊維材料が膜中に埋め込まれるように形成された膜となっている。
The
By fixing the fiber material to the surface of the
本実施形態においては、上記のような皮膜を形成する方法として、基板上へのナノ粒子の高速での堆積により皮膜を形成する、超音速フリージェット(SFJ:Supersonic Free Jet)−物理蒸着(PVD:Physical Vapor Deposition)法を用いる。SFJ−PVD法は、ほとんど全ての蒸発源材料をナノ粒子として堆積し、厚い皮膜を形成することができる。 In this embodiment, a supersonic free jet (SFJ) -physical vapor deposition (PVD) in which a film is formed by high-speed deposition of nanoparticles on a substrate as a method for forming the film as described above. : Physical Vapor Deposition) method is used. The SFJ-PVD method can deposit almost all evaporation source materials as nanoparticles and form a thick film.
以下に、上記のSFJ−PVD法により金属酸化膜を形成するためのSFJ−PVD装置について説明する。 Below, the SFJ-PVD apparatus for forming a metal oxide film by said SFJ-PVD method is demonstrated.
図2は、上記の本実施形態に係るSFJ−PVD装置の模式構成図である。
本実施形態のSFJ−PVD装置は、蒸発チャンバー10及び成膜用の真空チャンバーである成膜チャンバー30を備え、両者は移送管17により接続されている。
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the SFJ-PVD apparatus according to the present embodiment.
The SFJ-PVD apparatus according to this embodiment includes an
蒸発チャンバー10には真空ポンプVP1に接続した排気管11が設けられており、真空ポンプVP1の作動により蒸発チャンバー10内が排気され、例えば10−10Torr程度の超高真空雰囲気とされる。さらに、蒸発チャンバー10の雰囲気ガスとして、マスフローコントローラ12を介して設けられたガス供給源13から、He、ArあるいはN2などの不活性ガスが所定の流量で供給され、蒸発チャンバー10内が所定の圧力雰囲気とされる。あるいは、大気雰囲気としてもよい。
The
蒸発チャンバー10内には、水冷された銅製のるつぼ14が設けられ、この中に、チタン、タングステン、アルミニウム、ニオブあるいはシリコンなどの金属、あるいは、酸化チタン、酸化タングステン、酸化アルミニウム、酸化ニオブあるいは酸化シリコンなどの金属酸化物、あるいはその他のセラミックスなどからなる蒸発源15が入れられている。
蒸発源15の近傍にアークトーチあるいはプラズマトーチなどの加熱部16が設けられており、加熱部16により蒸発源15が加熱されて蒸発し、蒸発源15から蒸発した原子からナノメートルオーダーの直径の膜形成材料粒子が形成される。
In the
A
一方、成膜チャンバー30には真空ポンプVP3に接続した排気管31が設けられており、真空ポンプVP3の作動により成膜チャンバー30内が排気され、例えば10−10Torr程度の超高真空雰囲気とされる。
On the other hand, the
成膜チャンバー30内には、X−Y方向に駆動するステージが設けられ、このステージに電気抵抗加熱システムを有する基板ホルダー32が接続され、成膜用の基板33が固定される。基板33の温度は、基板33の成膜領域に近接した点において不図示の熱電対により測定され、電気抵抗加熱システムにフィードバックされて温度制御される。
A stage driven in the XY direction is provided in the
成膜対象の基板としては、特に限定はないが、例えば、純チタン板(JISグレード1)、A1050アルミニウム合金板、SUS304ステンレススチール板などを用いることができる。基板は、成膜チャンバー30にセットする前にアセトン中で超音波洗浄してから用いることが好ましい。
また、基板の成膜領域は、例えば7mm角とする。
Although there is no limitation in particular as a board | substrate of film-forming object, For example, a pure titanium board (JIS grade 1), an A1050 aluminum alloy board, a SUS304 stainless steel board etc. can be used. The substrate is preferably used after being ultrasonically cleaned in acetone before being set in the
The film formation region of the substrate is, for example, 7 mm square.
上記の基板33の表面には、少なくとも上記の成膜領域において、成膜前に予め炭化シリコンファイバ、炭化タングステンファイバ、カーボンファイバなどの繊維材料が固定される。繊維材料の固定は、例えば接着テープあるいは接着剤で固定する方法、あるいは、物理的に押さえるクリップ材などで固定する方法がある。また、基板33の成膜面が鉛直上方を向いている場合には、おもりなどを置いて繊維材料の押さえとすることも可能である。
A fiber material such as a silicon carbide fiber, a tungsten carbide fiber, or a carbon fiber is fixed to the surface of the
蒸発チャンバー10に接続されている移送管17の他方の端部が成膜チャンバー30内に導かれており、移送管17の先端に超音速ノズル(ラバールノズル)35が設けられている。
上記の蒸発チャンバー10と成膜チャンバー30の間において、両チャンバー間の圧力差によりガスの流れが生じ、蒸発チャンバー10で生成された膜形成材料粒子は雰囲気ガスとともに移送管を通して成膜チャンバー30へと移送される。
膜形成材料粒子と雰囲気ガスを含む流体は、超音速ノズル35から超音速ガス流(超音速フリージェットの気流)として成膜チャンバー30中において基板33に向けて噴出する。
The other end of the
A gas flow is generated between the
The fluid containing the film forming material particles and the atmospheric gas is ejected from the
超音速ノズル35は、1次元もしくは2次元の圧縮性流体力学理論を基にガスの種類と組成および成膜チャンバー30の排気能力に応じて設計されており、移送管の先端に接続され、あるいは移送管の先端部分と一体に形成されている。具体的には、ノズル内部径が変化している縮小−拡大管であり、蒸発チャンバー10と成膜チャンバー30間の差圧により生起するガス流を、例えばマッハ数1.2以上、例えばマッハ数3.6の超音速まで高めることができる。
膜形成材料粒子は上記のように加速され、超音速ガス流に乗って成膜チャンバー30中に噴出し、成膜対象である基板33上に堆積(物理蒸着)して皮膜1が形成される。
The
The film-forming material particles are accelerated as described above, are ejected into the film-forming
上記の成膜において、基板33上には予め繊維材料が固定されていることから、上記のようにして膜形成材料からなる皮膜が形成されるときに、膜中に繊維材料が内包された繊維強化複合材料膜が形成される。
In the above film formation, since the fiber material is fixed on the
上記のSFJ−PVD装置を用いた、本実施形態に係る繊維強化複合材料膜の形成方法について説明する。
まず、表面に繊維材料が固定された基板33を成膜チャンバー30に配置する。
図3(a)は本実施形態に係る繊維強化複合材料膜の製造工程における上記の工程を示す模式的な斜視図であり、図3(b)は図3(a)中のX−X’における断面図、図3(c)は図3(a)中のY−Y’における断面図である。
例えば、チタンなどからなる基板33上に、炭化シリコンファイバなどからなる繊維材料を配置する。ここでは、例えば、基板33に接するように、一定間隔で第1層の繊維材料2aを並べ、その上層に、第1層に接して、第2層の繊維材料2bを一定間隔で並べる。
A method for forming a fiber-reinforced composite material film according to this embodiment using the SFJ-PVD apparatus will be described.
First, the
Fig.3 (a) is a typical perspective view which shows said process in the manufacturing process of the fiber reinforced composite material film concerning this embodiment, FIG.3 (b) is XX 'in Fig.3 (a). FIG. 3C is a cross-sectional view taken along line YY ′ in FIG.
For example, a fiber material made of silicon carbide fiber or the like is disposed on the
本実施形態においては、上記の第1層の繊維材料2aが並べられる第1の方向と、第2層の繊維材料2bが並べられる第2の方向とが直行する関係とする。
また、上記の繊維材料(2a,2b)を基板33に固定するには、例えば、接着テープ3を用いる。
上記の繊維材料(2a,2n)の各層は、上記のように互いに接していてもよく、接さないように設けられてもよい。
In the present embodiment, the first direction in which the first-
Moreover, in order to fix said fiber material (2a, 2b) to the board |
The layers of the fiber material (2a, 2n) may be in contact with each other as described above, or may be provided so as not to contact each other.
一方、蒸発チャンバー10内を排気して所定の超高真空雰囲気とした後、He、ArあるいはN2などの不活性ガスを所定の流量で供給して所定の圧力雰囲気とする。
On the other hand, after the inside of the
次に、蒸発チャンバー10内のるつぼ14に入れられたチタンなどの金属、あるいは金属酸化物またはその他のセラミックスなどからなる蒸発源15を、アークトーチあるいはプラズマトーチなどの加熱部16により加熱して蒸発させ、蒸発源15から蒸発した原子からナノメートルオーダーの直径の膜形成材料粒子を形成する。
Next, an
また、成膜チャンバー30内を排気して所定の超高真空雰囲気とする。
蒸発チャンバー10と成膜チャンバー30の間の圧力差によりガスの流れを生じさせ、蒸発チャンバー10で生成された膜形成材料粒子を雰囲気ガスとともに移送管を通して成膜チャンバー30へと移送し、本実施形態に係る繊維強化複合材料膜の製造工程における工程を示す模式的な斜視図である図4に示すように、超音速ノズル35から、膜形成材料粒子を超音速フリージェットJの気流に乗せて成膜チャンバー30中に噴出して、成膜チャンバー30中に配置された基板33上に堆積(物理蒸着)させる。
以上のようにして、図1に示すような、基板33上において、膜形成材料粒子からなる膜中に繊維材料が内包されて機械的強度が強化された繊維強化複合材料膜である皮膜1を形成する。
Further, the
A gas flow is generated by the pressure difference between the
As described above, as shown in FIG. 1, on the
上記の本実施形態の繊維強化複合材料膜の形成方法は、好適には、繊維強化複合材料膜を形成する工程において、成膜温度を600℃以下として形成する。さらに好適には、成膜温度を室温程度とする。
従来方法でのCVD法や溶射法と比較して低温処理で成膜可能であり、形成される繊維強化複合材料膜は応力によって破壊されにくい膜となる。
The method for forming a fiber reinforced composite material film of the present embodiment is preferably formed at a film formation temperature of 600 ° C. or lower in the step of forming the fiber reinforced composite material film. More preferably, the film forming temperature is about room temperature.
Compared with the conventional CVD method or thermal spraying method, the film can be formed by low-temperature treatment, and the formed fiber-reinforced composite material film becomes a film that is not easily broken by stress.
上記の本実施形態の繊維強化複合材料膜の形成方法は、繊維強化複合材料膜を形成する工程において、10μm以上の膜厚の繊維強化複合材料膜を形成する。
物理蒸着であるので、スパッタリング法に比べて速い成膜速度を実現でき、例えば、数μm〜1000μm程度、好ましくは10μm以上、さらに好ましくは30μm以上の厚い繊維強化複合材料膜を容易に形成することができる。
In the method for forming a fiber reinforced composite material film of the present embodiment, the fiber reinforced composite material film having a thickness of 10 μm or more is formed in the step of forming the fiber reinforced composite material film.
Since it is physical vapor deposition, it is possible to realize a high film formation rate as compared with the sputtering method. For example, it is easy to form a thick fiber reinforced composite film of about several μm to 1000 μm, preferably 10 μm or more, more preferably 30 μm or more. Can do.
上記のように、本実施形態の繊維強化複合材料膜の形成方法により、低温処理である物理蒸着によって膜形成材料粒子を堆積させることが可能となり、繊維材料を内包することで機械的強度が高められ、さらに、応力によって破壊されにくい膜形成材料粒子を、速い成膜速度で成膜することができる。 As described above, the fiber-reinforced composite film forming method of the present embodiment makes it possible to deposit film-forming material particles by physical vapor deposition, which is a low-temperature treatment, and the mechanical strength is increased by including the fiber material. Furthermore, film-forming material particles that are not easily broken by stress can be formed at a high film formation rate.
SFJ−PVD法によって繊維強化複合材料膜を形成することにより、以下のような効果を享受することができる。
(1)膜形成材料中に繊維材料を内包させた繊維強化複合材料膜を低温で成膜できるので、膜形成材料と繊維材料の反応を抑制することができる。
(2)内包させる繊維材料の種類や強度を変更することで、種々の強度な膜厚などに対応した繊維強化複合材料膜に対応できる。
By forming the fiber reinforced composite material film by the SFJ-PVD method, the following effects can be obtained.
(1) Since the fiber reinforced composite material film in which the fiber material is encapsulated in the film forming material can be formed at a low temperature, the reaction between the film forming material and the fiber material can be suppressed.
(2) By changing the type and strength of the fiber material to be included, it is possible to cope with fiber reinforced composite material films corresponding to various film thicknesses.
本発明は上記の説明に限定されない。
例えば、繊維強化複合材料膜の種類は特に限定されず、種々の組成の皮膜を形成することができる。皮膜を構成する膜形成材料としては、金属及び金属酸化物のほか、金属酸化物以外のセラミックス材料を用いることができる。繊維材料としては、例示したものの他、皮膜の機械的強度を向上できる種々の繊維材料を用いることができる。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
The present invention is not limited to the above description.
For example, the type of the fiber reinforced composite material film is not particularly limited, and films having various compositions can be formed. As a film forming material constituting the film, ceramic materials other than metal oxides can be used in addition to metals and metal oxides. As the fiber material, various fiber materials that can improve the mechanical strength of the film can be used in addition to those exemplified.
In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
本発明の繊維強化複合材料膜の形成方法は、種々の物品を被覆する皮膜を形成する方法として適用できる。 The method for forming a fiber-reinforced composite material film of the present invention can be applied as a method for forming a film covering various articles.
1…皮膜
2a,2b…繊維材料
3…接着テープ
10…蒸発チャンバー
11…排気管
12…マスフローコントロール
13…ガス供給源
14…るつぼ
15…蒸発源
16…加熱部
17…移送管
30…成膜チャンバー
31…排気管
32…ステージ
33…基板
35…超音速ノズル
J…超音速フリージェット
DESCRIPTION OF
Claims (5)
不活性ガス雰囲気で、膜形成材料の蒸発源の加熱により膜形成材料粒子を生成する工程と、
前記膜形成材料粒子を移送し、超音速フリージェットの気流に乗せて前記真空チャンバー中に噴出して、前記繊維材料が固定された前記基板上に物理蒸着させて、前記膜形成材料からなる膜中に前記繊維材料が内包された繊維強化複合材料膜を形成する工程と
を有する繊維強化複合材料膜の製造方法。 Placing a substrate having a fiber material fixed on its surface in a vacuum chamber;
Generating film-forming material particles by heating an evaporation source of the film-forming material in an inert gas atmosphere;
The film-forming material particles are transported, placed in a supersonic free jet stream, jetted into the vacuum chamber, and physically vapor-deposited on the substrate on which the fiber material is fixed. Forming a fiber reinforced composite film in which the fiber material is encapsulated. A method for producing a fiber reinforced composite film.
請求項1に記載の繊維強化複合材料膜の製造方法。 The method for producing a fiber-reinforced composite material film according to claim 1, wherein the film-forming material is a metal.
請求項1に記載の繊維強化複合材料膜の製造方法。 The method for producing a fiber-reinforced composite film according to claim 1, wherein the film forming material is ceramic.
請求項1に記載の繊維強化複合材料膜の製造方法。 The method for producing a fiber-reinforced composite material film according to claim 1, wherein in the step of forming the fiber-reinforced composite material film, the fiber-reinforced composite material film is formed at a film forming temperature of 600 ° C or lower.
請求項1に記載の繊維強化複合材料膜の製造方法。 The method for producing a fiber-reinforced composite material film according to claim 1, wherein in the step of forming the fiber-reinforced composite material film, a fiber-reinforced composite material film having a thickness of 10 μm or more is formed.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007276906A JP4975583B2 (en) | 2007-10-24 | 2007-10-24 | Manufacturing method of fiber reinforced composite material |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007276906A JP4975583B2 (en) | 2007-10-24 | 2007-10-24 | Manufacturing method of fiber reinforced composite material |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2009102712A JP2009102712A (en) | 2009-05-14 |
JP4975583B2 true JP4975583B2 (en) | 2012-07-11 |
Family
ID=40704691
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2007276906A Active JP4975583B2 (en) | 2007-10-24 | 2007-10-24 | Manufacturing method of fiber reinforced composite material |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4975583B2 (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011214059A (en) * | 2010-03-31 | 2011-10-27 | Tama Tlo Ltd | Physical vapor-deposition apparatus and physical vapor-deposition method |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB2219006A (en) * | 1988-05-26 | 1989-11-29 | Rolls Royce Plc | Coated fibre for use in a metal matrix |
US5045407A (en) * | 1989-12-22 | 1991-09-03 | General Electric Company | Silicon carbide fiber-reinforced titanium base composites having improved interface properties |
JP2941589B2 (en) * | 1992-12-25 | 1999-08-25 | 三菱重工業株式会社 | SiC fiber reinforced TiAl composite material |
-
2007
- 2007-10-24 JP JP2007276906A patent/JP4975583B2/en active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2009102712A (en) | 2009-05-14 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CA2967253C (en) | Thermal spray coated reinforced polymer composites | |
US8136480B2 (en) | Physical vapor deposition system | |
US20080216602A1 (en) | Coating process for manufacture or reprocessing of sputter targets and x-ray anodes | |
JP5438892B2 (en) | Method for forming metal oxide film and physical vapor deposition apparatus | |
JP2010509502A (en) | Substrate coating method and coated product | |
JP2011214059A (en) | Physical vapor-deposition apparatus and physical vapor-deposition method | |
Cho et al. | Characterization of plasma-sprayed tungsten coating on graphite with intermediate layers | |
TWI677589B (en) | A preparation method of sputtering target | |
Chen et al. | Oxidation resistance coatings of Ir–Zr and Ir by double glow plasma | |
JP4975583B2 (en) | Manufacturing method of fiber reinforced composite material | |
WO2010013304A1 (en) | Physical vapor deposition apparatus and physical vapor deposition method | |
JP4947358B2 (en) | Physical vapor deposition apparatus and physical vapor deposition method | |
CN114405797B (en) | Graphene coating based on liquid material plasma spraying technology and spraying process thereof | |
JP5242062B2 (en) | Hydroxyapatite particle-dispersed metal film and method for forming the same | |
JP4979882B2 (en) | Method for forming Al-Si film | |
JP5736102B2 (en) | Polycrystalline silicon film forming method, polycrystalline silicon film forming apparatus, and substrate on which polycrystalline silicon film is formed | |
EP3034648A1 (en) | Methods for coating gas turbine engine components | |
JPH03260054A (en) | Cubic bn coated member having superior exfoliation resistance and its production | |
JP7174508B2 (en) | Filter device and cathodic arc evaporation method | |
JP4912572B2 (en) | Method for forming Ti-Al-N film | |
TW201912820A (en) | Evaporation method for forming metal/ceramic coating which is excellent in abrasion-resistance, temperature-resistance and friction improvement | |
KR20190060495A (en) | Vacuum suspension plasma spray aparattus and vacuum suspension plasma spray method | |
RU2492276C1 (en) | Method of applying sandwich coatings on substrate | |
TW200404103A (en) | Sputtering cathode, production method and cathode hereto | |
Singh et al. | Net-shape rhenium fabrication by EB-PVD: EB-PVD is a one-step process for the cost-effective fabrication of rhenium net shape components having superior microstructure and mechanical properties |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20101020 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20120210 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20120313 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20120411 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 4975583 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150420 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150420 Year of fee payment: 3 |
|
S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313113 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150420 Year of fee payment: 3 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |