JP4975583B2 - Manufacturing method of fiber reinforced composite material - Google Patents

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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 Document 1 and Non-Patent Document 2 disclose a supersonic free jet (SFJ) physical vapor deposition (PVD) apparatus.
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 Patent Document 1, first particles and second particles are generated in two evaporation chambers, and these are mixed using the oscillation phenomenon of the coaxial opposed collision jet described in Non-Patent Document 3 to obtain a supersonic speed. A physical vapor deposition apparatus for performing physical vapor deposition on a substrate in a gas flow is disclosed.
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。
特開2006−111921号公報 特開2006−45616号公報 A. Yumoto, F. Hiroki, I. Shiota, N. Niwa, Surface and Coatings Technology, 169-170, 2003, 499-503 湯本敦史、廣木富士男、塩田一路、丹羽直毅:超音速フリージェットPVDによるTiおよびAl膜の形成、日本金属学会誌、第65巻、第7号(2001)pp635−643 山本圭治郎、野本明、川島忠雄、中土宣明:同軸対向衝突噴流の発振現象、油圧と空気圧(1975)pp68−77
However, in the above conventional fiber reinforced composite film manufacturing method, the film forming material in a molten state is brought into contact with the fiber material in a high temperature state, so that the film forming material and the fiber material react chemically or physically. As a result, the fiber strength may not be sufficiently strengthened by the fibers, or the composition of the film itself may not be intended, and it is difficult to suppress the reaction between the film forming material and the fiber material.
JP 2006-111921 A JP 2006-45616 A A. Yumoto, F. Hiroki, I. Shiota, N. Niwa, Surface and Coatings Technology, 169-170, 2003, 499-503 Atsushi Yumoto, Fujio Kashiwagi, Ichiji Shioda, Naoki Niwa: Formation of Ti and Al films by supersonic free jet PVD, Journal of the Japan Institute of Metals, Vol. 65, No. 7 (2001) pp 635-643 Shinjiro Yamamoto, Akira Nomoto, Tadao Kawashima, Nobuaki Nakado: Oscillation Phenomenon of Coaxial Opposing Collision Jet, Oil Pressure and Air Pressure (1975) pp 68-77

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 substrate 33 made of metal such as titanium or titanium alloy, ceramics, or polymer. A film 1 made of a metal oxide such as, or other ceramics is formed.

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 coating 1, for example, fiber materials (2a, 2b) such as silicon carbide (SiC) fiber, tungsten carbide (WC) fiber, and carbon fiber are disposed.
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 film 1 is, for example, about several μm to 1000 μm, preferably 10 μm or more, and more preferably 30 μm or more.
The film 1 may have a uniform composition throughout the film, for example, may have a profile such that the composition changes in the thickness direction.

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-layer fiber material 2b is arranged at regular intervals in contact with the first layer on the upper layer of the first-layer fiber material 2a arranged at regular intervals. It becomes the composition.
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 fiber material 2a is arranged along the first direction as described above, and the second layer of fiber material 2b. Can be arranged along a second direction perpendicular to the first direction. Alternatively, the first direction and the second direction may be the same direction or other different directions.
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 | coat 1 in the state in which the fiber material arranged along the some direction was knitted.

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 coating 1 generates film-forming material particles by heating an evaporation source such as a metal or metal oxide in an inert gas atmosphere, transfers the obtained film-forming material particles, and places them on a supersonic free jet stream. The film is formed by ejecting into the vacuum chamber and physically vapor-depositing on the substrate disposed in the vacuum chamber.
By fixing the fiber material to the surface of the substrate 33 before the film formation, the film is formed so that the fiber material is embedded in the film.

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 evaporation chamber 10 and a film forming chamber 30 that is a vacuum chamber for film formation, and both are connected by a transfer pipe 17.

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N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 evaporation chamber 10 is provided with an exhaust pipe 11 connected to the vacuum pump VP1, and the inside of the evaporation chamber 10 is exhausted by the operation of the vacuum pump VP1, for example, an ultra-high vacuum atmosphere of about 10 −10 Torr. Furthermore, an inert gas such as He, Ar, or N 2 is supplied at a predetermined flow rate from the gas supply source 13 provided via the mass flow controller 12 as the atmospheric gas in the evaporation chamber 10, and the inside of the evaporation chamber 10 is determined in a predetermined manner. Pressure atmosphere. Or it is good also as an air atmosphere.

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 evaporation chamber 10, a water-cooled copper crucible 14 is provided, in which a metal such as titanium, tungsten, aluminum, niobium or silicon, or titanium oxide, tungsten oxide, aluminum oxide, niobium oxide or oxide. An evaporation source 15 made of a metal oxide such as silicon or other ceramics is contained.
A heating unit 16 such as an arc torch or a plasma torch is provided in the vicinity of the evaporation source 15. The evaporation source 15 is heated and evaporated by the heating unit 16, and has a diameter of nanometer order from atoms evaporated from the evaporation source 15. Film-forming material particles are formed.

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 film forming chamber 30 is provided with an exhaust pipe 31 connected to the vacuum pump VP3, and the inside of the film forming chamber 30 is exhausted by the operation of the vacuum pump VP3, for example, an ultrahigh vacuum atmosphere of about 10 −10 Torr. Is done.

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 film forming chamber 30, and a substrate holder 32 having an electric resistance heating system is connected to the stage, and a film forming substrate 33 is fixed. The temperature of the substrate 33 is measured by a thermocouple (not shown) at a point close to the film formation region of the substrate 33 and is fed back to the electric resistance heating system to be temperature controlled.

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 film forming chamber 30.
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 substrate 33 in advance at least in the film formation region before film formation. The fiber material can be fixed by, for example, a method of fixing with an adhesive tape or an adhesive, or a method of fixing with a clip material that is physically pressed. Moreover, when the film-forming surface of the substrate 33 faces vertically upward, it is possible to place a weight or the like to press the fiber material.

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 transfer pipe 17 connected to the evaporation chamber 10 is led into the film forming chamber 30, and a supersonic nozzle (Laval nozzle) 35 is provided at the tip of the transfer pipe 17.
A gas flow is generated between the evaporation chamber 10 and the film forming chamber 30 due to a pressure difference between the two chambers, and the film forming material particles generated in the evaporation chamber 10 are transferred together with the atmospheric gas to the film forming chamber 30 through a transfer pipe. And transferred.
The fluid containing the film forming material particles and the atmospheric gas is ejected from the supersonic nozzle 35 toward the substrate 33 in the film forming chamber 30 as a supersonic gas flow (supersonic free jet airflow).

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 supersonic nozzle 35 is designed according to the type and composition of the gas and the exhaust capacity of the film forming chamber 30 based on the one-dimensional or two-dimensional compressible fluid dynamics theory, and is connected to the tip of the transfer pipe, or It is formed integrally with the tip portion of the transfer pipe. Specifically, it is a reduction-expansion tube in which the inner diameter of the nozzle is changed, and the gas flow generated by the differential pressure between the evaporation chamber 10 and the film formation chamber 30 is, for example, a Mach number of 1.2 or more, for example, a Mach number. It can be increased to a supersonic speed of 3.6.
The film-forming material particles are accelerated as described above, are ejected into the film-forming chamber 30 by riding on a supersonic gas flow, and are deposited (physical vapor deposition) on the substrate 33 as a film-forming target to form the film 1. .

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 substrate 33 in advance, when the film made of the film forming material is formed as described above, the fiber in which the fiber material is included in the film A reinforced composite film is formed.

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 substrate 33 having a fiber material fixed on the surface is placed in the film forming chamber 30.
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 substrate 33 made of titanium or the like. Here, for example, the first layer of fiber material 2a is arranged at regular intervals so as to be in contact with the substrate 33, and the second layer of fiber material 2b is arranged at regular intervals in contact with the first layer.

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-layer fiber materials 2a are arranged and the second direction in which the second-layer fiber materials 2b are arranged are orthogonal to each other.
Moreover, in order to fix said fiber material (2a, 2b) to the board | substrate 33, the adhesive tape 3 is used, for example.
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N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 evaporation chamber 10 is evacuated to a predetermined ultra-high vacuum atmosphere, an inert gas such as He, Ar, or N 2 is supplied at a predetermined flow rate to obtain a predetermined pressure atmosphere.

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 evaporation source 15 made of a metal such as titanium, a metal oxide, or other ceramics placed in a crucible 14 in the evaporation chamber 10 is heated by a heating unit 16 such as an arc torch or a plasma torch to evaporate. Then, film-forming material particles having a diameter of nanometer order are formed from atoms evaporated from the evaporation source 15.

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 film forming chamber 30 is evacuated to a predetermined ultra-high vacuum atmosphere.
A gas flow is generated by the pressure difference between the evaporation chamber 10 and the film forming chamber 30, and the film forming material particles generated in the evaporation chamber 10 are transferred to the film forming chamber 30 through the transfer pipe together with the atmospheric gas. As shown in FIG. 4, which is a schematic perspective view showing a process in the manufacturing process of the fiber-reinforced composite film according to the embodiment, the film-forming material particles are placed on the air flow of the supersonic free jet J from the supersonic nozzle 35. The film is ejected into the film forming chamber 30 and is deposited (physical vapor deposition) on the substrate 33 disposed in the film forming chamber 30.
As described above, as shown in FIG. 1, on the substrate 33, the film 1 which is a fiber reinforced composite material film in which the fiber material is included in the film made of the film forming material particles and the mechanical strength is enhanced. Form.

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.

図1(a)は本発明の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。FIG. 1A is a schematic perspective view of a fiber-reinforced composite film according to an embodiment of the present invention, FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line XX ′ in FIG. (C) is sectional drawing in YY 'in Fig.1 (a). 図2は本発明の実施形態に係るSFJ−PVD装置の模式構成図である。FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the SFJ-PVD apparatus according to the embodiment of the present invention. 図3(a)は本発明の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。Fig.3 (a) is a typical perspective view which shows the process in the manufacturing process of the fiber reinforced composite material film | membrane which concerns on embodiment of this invention, FIG.3 (b) is XX 'in Fig.3 (a). FIG. 3C is a cross-sectional view taken along line YY ′ in FIG. 図4は本発明の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。FIG. 4 is a schematic perspective view showing a process in the manufacturing process of the fiber-reinforced composite material film according to the embodiment of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

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 SYMBOLS 1 ... Film | membrane 2a, 2b ... Fiber material 3 ... Adhesive tape 10 ... Evaporation chamber 11 ... Exhaust pipe 12 ... Mass flow control 13 ... Gas supply source 14 ... Crucible 15 ... Evaporation source 16 ... Heating part 17 ... Transfer pipe 30 ... Deposition chamber 31 ... Exhaust pipe 32 ... Stage 33 ... Substrate 35 ... Supersonic nozzle J ... Supersonic free jet

Claims (5)

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.
前記膜形成材料が金属である
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.
前記膜形成材料がセラミックスである
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.
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
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.
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
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.
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