JPH01132876A - 複合材料用繊維体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明１末繊維強化金属（ＦＲＭ）などの１合材料に用
いる繊維体に関するものである。

〔従来の技術〕

近年、各種機械部品や構造材などにおいて、糧々の複合
材料例えば金属を繊維で強化したＦＲＭなどが使用され
ている。ＦＲＭなどに用いられる強化繊維はマトリック
ス金属、特にアルミニウム合金やマグネシウム合金など
とは侵れにくい反面、−旦浮れると反応して繊維が劣化
する。このため、一般には強化繊維に表面処理が行われ
る。処理法としては例えばＣＶＤ法、めっき法が挙げら
れる。これらの方法では強化繊維の表面に金属やセラミ
ックスを均一に膜状に被覆するが、強化繊維との間の熱
膨張係数の差による剥離が生じて表面処理の効果が減少
したシ。

又、被膜を厚くすると強化繊維のしなやかさが失われた
り、硬く脆くなるため繊維が損傷し易くなるなど問題が
多い。更に、繊維の一本一本に表面処理を行うためには
複雑な装置を必要とし、コスト的にも不利である。又、
これらの強化繊維を使用して高圧凝固鋳造法によってＦ
ＲＭを製造すると、繊維が片寄り繊維の分布が粗な部分
と密な部分が生じ易い。このため、ＦＲＭ中の繊維体積
率（Ｖｆ　）の制御が困難であり、特にＶｆが小さい場
合に強化繊維が均一に分散したＦＲＭは得離く、ＦＲＭ
本来の特色である設計の自由度が損われていた。

従来より複合材料に用いる強化繊維として連続繊維又は
長繊維と短繊維又はウィスカとを組合せて使用する方法
等が提案されている。例えば、ＦＲＭ部材の内側には長
繊維を使用し、外側には短繊維を使用する方法、又は長
繊維と短繊維とを混在せしめて加圧成形することにより
　ＦＲＭ用のプリプレグ（前駆体）を製造する方法があ
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、前記従来例においても例えば長繊維と短
繊維とを部材の内側で使い分ける方法は製造工程が煩雑
となる。また強度も充分でない。さらにプリプレグ製造
時に長繊維と短繊維とを混在せしめる方法は、長繊維束
中の表面に短繊維を付着させることはできるが、内部の
長繊維の一本一本の表面に均一に付着させることは困難
であシ、繊維体の品質が不均一となる。

本発明は上記従来技術における問題点を解決するための
ものであシ、その目的とするところは、ＦＲＭ等に使用
した場合に金属マトリックスとの浮れ性を改善し、複合
材中に連続繊維を均一に分散させて繊維体積率を制御で
き、又、互いに特性の異なる連続繊維を組合せることに
より例えば連続繊維とマ）　ＩＪフックス間熱応力軽減
等の複合材の機械特性を向上させることができる複合材
料用繊維体を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

すなわち本発明の複合材料用繊維体は、炭化ケイ素、窒
化ケイ素、アルミナなどのセラミックス、非金属元素、
金属、合金よりなる耐熱性物質より選択された少なくと
も１種よりなる連続繊維の各々の表面に、サイジング剤
を介して炭化ケイ素、窒化ケイ素、アルミナなどのセラ
ミックス、非金属元素、金属、合金よりなる耐熱性物質
より選択された少なくとも１種よりなる短繊維、ウィス
カ又は粉末のうちの少なくとも１種を連続繊維に対して
α５〜５００チの体積率で付着させた連続繊維束よりな
ることを特徴とする。

又、本発明の複合材料用繊維体の好ましい実施態様とし
ては下記のものが挙げられる。

（１）短繊維、ウィスカ又は粉末は、その２種以上が連
続繊維の表面に直接付着してなること全特徴とする複合
材料用繊維体。

（１１）短繊維、ウィスカ又は粉末のうちの少なくとも
１種は、連続繊維に対して１〜９％の体積率で付着して
なることを特徴とする複合材料用繊維体。

連続、繊維としてはセラミックス例えば炭化ケイ素、窒
化ケイ素、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、アルミナ、
シリカ、又は耐熱性非金属元素例えば炭素、ホウ素、あ
るいは耐熱性金属若しくは合金例えば鋼、ステンレス鋼
、タングステン等の材料よりなる繊維を単独又は組合せ
て用いることができる。繊維の太さや断面形状等の性状
は用途に応じて選択する。

短繊維、ウィスカ又は粉末としては前記連続繊維に使用
したものと同一の材料を用いて製造したものを用いるこ
とができる。短繊維、ウィスカ又は粉末はいずれか１種
を用いてもよいし、２種以上を組合せて用いてもよい。

短繊維やウィスカの長さ、太さ及び断面形状及び粉末の
平均粒径等の性状は連続繊維との組合せや要求特性を考
慮して選択するとよい。

なお、上記の中でも短繊維としては、耐熱性金属若しく
け合金を用、いるのが望ましい。これは、繊維体を複合
材に適用するに際して、例えば金属の複合材の場合、複
合化工程において母相と力る溶融状態又は高温状態の金
属に対して化学反応等により上記短繊維が消失しないた
めである。又、ウィスカとしては、耐熱性非金属元素を
用いるのが望ましい。これは、上記短繊維の場合と同様
の理由による。

連続繊維に付着させる短繊維、ウィスカ又は粉末の量は
両者の性状や製造した繊維体の用途などによっても異な
るが、連続繊維、短繊維、ウィスカ又は粉末の連続繊維
に対する体積率はα５〜５００％の範囲内で選択する。

繊維体により強化した複合材料においては、連続繊維の
繊維軸方向の強度は主として連続繊維が分担し、連続繊
維軸に垂直方向の強度は主としてマトリックス（付着物
を含む）が分担する。複合材料中における連続繊維体積
率（９ｇ）と付着物体積率（＠との関係を第８図に示す
。又、マトリックスと繊維体との界面強度が大きい場合
と小さい場合における、付着物体積率（働と複合材料の
連続繊維軸方向強度δ１及び連続繊維軸に対する垂直方
向強度δ１との関係を第９図及び第１０図に示す。

第９図及び第１０図から明らかな如く、連続繊維軸に垂
直な方向において高強度の複合材料を得るためには、短
繊維、ウィスカ又は粉末のうちの少なくとも１種（付着
物）の連続繊維に対する比率を（Ｌ　５　ｖｏ１％以上
とする必要がある。

その比率がｌｌｓ　ｖｏ１％未満では効果が少ない。−
方、連続繊維軸方向において高強度の複合材料を得るた
めには付着物の比率を５００ｖｏｌチ以下とする必要が
ある。その比率が５００ｖｏ１％より多いと連続繊維の
強化効果が極めて小さくなる。

それ故、連続繊維軸に垂直な方向及び連続繊維軸方向の
両方において充分な強度を得るためには付着物体積率を
［Ｌ５〜５００％とする必要がある。

又、第９図及び第１０図において示す如く、連続繊維軸
方向及びその垂直方向ともに優れた強度を有する複合材
料を得るためには、付着物体積率は１〜９チとするのが
特に好ましい。

サイジング剤は慣用のもの例えば市販品をそのまま使用
することができる。連続繊維に短繊維等を付着させる場
合Ｋ、サイジング剤を介することにより繊維の損傷を防
ぐことができ、更に連続繊維の処理液に対する博れが促
進されるので短繊維等の付着性が向上する。

本発明の繊維体が使用できるマトリックスとしてはアル
ミニウム、マグネシウムなどの金属、あるいは各種セラ
ミック、プラスチック等が挙げられる。

本発明の繊維体を製造する方法は特に限定され々いが例
えば電着法、流動床を用いる方法、吹付は法、懸濁液浸
漬法が挙げられる。簡便さ及び適用範囲の広さなどの点
で懸濁液浸漬法が好ましい。懸濁液浸漬法の一例として
は、例えばボビンなどに巻き付けた連続繊維又は適当数
の該連続繊維を束ねた連続繊維束を巻戻して、短繊維、
ウィスカ又は粉末のうちの少なくとも１種以上を懸濁し
た液体中に浸漬し、該連続繊維の各々の表面に該短繊維
、ウィスカ又は粉末を付着させる方法が挙げられる。

連続繊維束を使用する場合には繊維の数は特に限定され
ないが少ない方が各繊維１本１本に均一に短繊維などを
付着させることができてよい。又、とシわけ繊維数の多
い連続繊維束を浸漬する場合には処理液中の連続線維に
超音波により振動を与えて各繊維に均一に繊維束内部の
繊維まで付着を行う。

超音波を処理液中の連続繊維に付与することにより連続
繊維が振動して開繊される。又、処理液の超音波による
疎密波のキャビテーシ冒ン効果が相乗されて開繊効果が
促進される。このように液体状態の処理液に超音波を付
与すると大きなエネルギ伝達が可能となる。

超音波は液体を入れた容器の外側に設けた超音波付加器
によって与えてもよいし、又は適当数の超音波振動子例
えばセラミック振動子を処理液中に適切に配置して与え
てもよい。超音波の照射パターンは連続的であって本パ
ルス状であってもよい。その強度や振動数及び照射時間
は連続線維やこれに付着させる短繊維、ウィスカ又は粉
末の種類、あるいは前記付着物の液中濃度、連続線維の
浸漬時間などの処理条件によって選択するが、例えば振
動数１０ＫＨｚ〜２０００ＫＨｚＮ度が使用し易い。

付着させるべき物を懸濁させる処理液は水でもよいが、
有機溶剤例えばエタノール、メタノール、アセトン特に
エタノールが好ましい。連続繊維の表面にサイジング剤
が塗布されているので、サイジング剤の溶層により短繊
維などの付着が容易となり、又、揮発性が水に比べて高
いので乾燥が早く、生産性が向上する。又、前記有機溶
剤と水との混合物を使用してもよい。

処理液中の付着物濃度Ｆｉ特に限定されないが、あまシ
小さいと連続繊維上に均一な付着がみられず効果が少な
くなシ、又逆に大きすぎると付着量が必要以上多く々る
ため、濃度はα５ｇ７１〜５０　ｇ／ｌ程度が好ましい
。

多数の連続繊維よりなる束を処理液中に浸漬する場合に
は浸漬前ＫＩ＃！維束にプロワを当てて開繊することが
望ましい。繊維数や処理液中の連続繊維に付与する超音
波振動の有無によってプロワの吐出流量を調整するとよ
い。繊維数が少ないか、又は充分に超音波振動を付与す
る場合にはプロワけかならずしも必要ではない。

処理液を入れた処理槽の数は１基でもよいが、複数の付
着物を用いる場合などには、各々の付着物を懸濁した複
数の処理槽を用いてもよい。

浸漬時間の調整は可動ロールなどの通常の方法により行
うことができる。又、必要ならば処理した連続繊維束を
ボビンに巻取る前に乾燥炉や赤外線乾燥機、熱風乾燥機
等を用いて乾燥させる。

本発明に用いる連続繊維やこの表面に付着させる短繊維
、ウィスカ又は粉末は市販品をそのまま便用することが
できる。

〔実施例〕

以下の実施例において本発明を更に詳細に説明する。な
お、本発明は下記実施例に限定されるものではない。

実施例１： 第１図は本発明の複合材料用繊維体の製造装置の一例を
示す。炭化ケイ素ウィスカ（平均直径的１２μ、平均長
さ約１００μ）５ｇをエタノール１０００ｃｃの入った
処理槽１中に投入後、超音波付加器２により超音波振動
（２８ＫＨ２）を与えて懸濁させ、処理液３を調整した
。東しく株）製Ｍ４０炭素繊維束（繊維直径７〜８μ、
繊維数６０００本、サイジング剤付）４をボビン５かう
巻戻し、浸漬時間が約１５秒となるよう可動ローラ６及
び７によって調節して処理液５中に浸漬しながら通し、
次いで圧力ロー２８及び９によって押圧した後再びボビ
ン１０に巻取り、室温・大気中で乾燥させた。

図中、１１けプロワ、１２け乾燥炉を示し、必要に応じ
て使用する。

処理前黒色であった繊維は処理後うぐいす色を帯び、電
子顕微鏡（ＳＥＭ）観察の結果、第２図及び第３図に示
すようにウィスカ１３が連続繊維１４上に付着している
のが認められた。又、処理後秤量の結果、繊維束長さ１
０ｍ当り［１１５ｇのウィスカが付着しているのが判っ
た。

実施例２： 炭化ケイ素ウィスカの代シに窒化ケイ素ウィスカ（平均
直径的１３μ、平均長さ約２００μ）を用いて、実施例
１と同様の方法により処理したところ、繊維束長さ１０
ｍ当Ｄ（Ｌ２ｇのウィスカが付着した。

実施例３： 実施例１の方法において炭化ケイ素ウィスカ２５ｇを使
用し、炭素繊維の代シに住友化学■製アルミナ繊維（サ
イジング剤付）を用い、更に処理液に２８ＫＨｚの超音
波を与えながら浸漬時間が１０秒となるように浸漬する
こと以外は同様にして、処理を行った。

処理前に白色であった繊維はうぐいす色を帯び、ＳＥＭ
観察の結果、第４図に示すようにウィスカ１３の付着が
認められた。秤量の結果、繊維束長さ１０ｍ当シα１ｇ
のウィスカの付着しているのが判った。

実施例４： 実施例１の方法において、炭化ケイ素ウィス力の代シに
窒化ケイ素ウィスカ２５ｇを使用し、炭素繊維の代シに
日本カーボン（株）製炭化ケイ素繊維（商品名二カロン
、サイジング剤付）を用い、処理液に２８　ＫＨｚの超
音波を与えながら、浸漬時間が８秒となるように浸漬す
ること以外は実施例１と同様にして、処理を行った。ウ
ィスカ付着量は繊維束長さ１０ｍ当り１４２ｇであった
Ｃ 実施例５： ベータ型炭化ケイ素粉末（平均粒径（Ｌ２３μ）２０ｇ
をエタノール１０００ｃｃに懸濁した処理液を使用する
こと以外は実施例１と同様にして処理を行った。ＳＥＭ
観察の結果、第５図に示すように繊維上又は繊維間隙の
炭化ケイ素粉末１６の存在が確認された。乾燥後秤量し
た結果、繊維束長さ１０ｍ当り（１１５ｇの粉末が付着
しているのが判った。

実施例６： ベータ型炭化ケイ素粉末の代シにアルフ゛ア型アルミナ
粉末（平均粒径（ＬＯ３μ）２０ｇを使用し、浸漬時間
を約１０秒とすること以外は実施例５と同様にして処理
を行った。粉末付着量は繊維束長さ１０ｍ当り（Ｌｌｇ
であった。

処理条件とウィスカ又は粉末付着量との関係：第６図に
炭素繊維（繊維数６０００本／ヤーン）ｔＯｍ当シの、
懸濁液のウィスカ又は粉末濃度、超音波付加の有無及び
溶媒の稽類等の処理条件とウィスカ付着量との関係を示
す。超音波付加の効果は明らかであり、特にエタノール
と組合せた場合に効果が大きいことが判る。すなわち、
各因子を選択することにより付着量を自由に制御するこ
とができる。

ＦＲＭの製造： 本発明の複合材料用繊維体を用いて製造したＦＲＭの一
例の金属組織の電子顕微鏡写真を第７図に示す。図より
明らかなようにＦＲＭ中の連続繊維１４ｔ：ｔウィスカ
１３等の付着により繊維の間隔が適度に保たれるためマ
）　ＩＪフックス属１５中に均一に分散し、付着させな
い場合に比べて繊維同士の接触などは減少した。又、炭
素繊維／アルミニウム複合材の場合、圧縮剪断強さは付
着処理を行なわない物は２　Ｋｅ　／　ｍｍ”であった
が、炭化ケイ素ウィスカを付着させた本発明の繊維体を
使用した物は１０〜／ｍｍ”となシ大幅に改善された。

又、繊維体積率は付着処理を行わない物＃ｉ６０〜７０
チの範囲でしか設定できなかったが、ウィスカ付着量を
変えることによって１０〜７０％の範囲で設定できるよ
うになった。

サイジング剤の有無の比較： 実施例７： ベータ型炭化ケイ素粉末（平均粒径２μ）、３０ｇをエ
タノール１０００ｃｃに懸濁した処理液を使用すること
以外は実施例１と同様にしてサイジング剤付のＭ４０炭
素繊維束に付着処理した。

前記粉末の付着量は体積比率で炭素繊維束９５％、粉末
５チであった。得られた繊維体をＡ１合金と複合化し、
繊維軸に垂直方向の曲げ試験を行ったところ、曲げ強さ
は１０　ｈ／　ｍ　ｍ”であった。

比較例１： サイジング剤が付いていないＭ４０炭素繊維束を使用す
ること以外は実施例７と同様にして処理した。粉末の付
着量は体積比率で炭素繊維束９ａ８チ、粉末１．２チで
あった。得られた繊維体をＡ１合金と複合化し、繊維軸
に垂直方向の曲げ試験を行ったところ、曲げ強さは４５
　Ｋｆ／　ｍ　ｍ”であった。

実施例８： 炭化ケイ素ウィスカ（平均直径約ｃｔ２μ、平均長さ約
１００μ）３０ｇをエタノール１０００　ｃｃに懸濁し
た処理液を使用すること以外は実施例１と同様にしてサ
イジング剤付のＭ４０炭素繊維束に付着処理した。前記
ウィスカの付着量は体積比率で炭素繊維束９１チウイス
力９チであった。

得られた繊維体をＡＪ金合金複合化し、繊維軸に垂直方
向の曲げ試験を行ったところ、曲げ強さは１２ｍｗ／ｍ
ｍ雪であった。

比較例２： サイジング剤が付いていないＭ４０炭素繊維束を使用す
ること以外は実施例８と同様にして処理した。ウィスカ
の付着量は体積比率で炭素繊維束９５８チ、ウィスカ４
．２チであった。得られた繊維体をＡ１合金と複合化し
、繊維軸に垂直方向の曲げ試験を行ったところ、曲げ強
さは５す／ｍｍ２であった。

〔発明の効果〕

上述のように本発明の複合材料用繊維体は、連続繊維の
各々の表面に短繊維、ウィスカ又は粉末のうちの少なく
とも１種をサイジング剤を介して付着させた連続繊維束
よりなるものであるため、複合材中に各々の連続繊維を
均一に分散させることができ、繊維体積率を非常に広範
囲に制御することが可能であり、更に連続繊維と付着物
の種々の組合せが可能であるため広範囲にわたる要求特
性を満たすことができる。又、連続繊維同士の接触が減
少し、且つ複合材を形成した場合その組成が均一となる
ため圧縮剪断強さなどの機械特性も改善された。

更に、サイジング剤によって連続繊維の処理液に対する
翠れが促進され、連続繊維に対する短繊維、ウィスカ又
は粉末の付着性が向上したので、本発明の繊維体を使用
してＦＲＭを製造した場合、サイジング剤のない場合に
比べて得られたＦＲＭの機械特性が向上した。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の複合材料用繊維体の製造装置の一例の
概略図、 第２図ないし第５図は本発明の繊維体における繊維の形
７ＩＫを示す電子顕微鏡写真、第６図は炭素繊維束の処
理条件とウィスカ又は粉末付着量との関係を示すグラフ
、 第７図は本発明の繊維体を用い７’ＣＦＲＭの一例の金
属組織の電子顕微鏡写真、 第８図は本発明の繊維体を用いた複合材料中の付着体積
率と連続繊維体積率との関係を表わすグラフ、 第９図は本発明の繊維体を用いた複合材料において、マ
ド１７ツクスと繊維体との界面強度大なる場合における
付着物体積率と複合材料の連続繊維軸方向強度及び連続
繊維軸に対する垂直方向強度との関係を表わすグラフ、 第１０図は本発明の繊維体を用いた複合材料において、
マトリックスと繊維体との界面強度小なる場合における
付着物体積率と複合材料の連続繊維軸方向強度及び連続
繊維軸に対する垂直方向強度との関係を表わすグラフで
ある。 図中、 １・・・処理槽　　　　　２・・・超音波付加器３・・
・処理液　　　　　４・・・炭素繊維束５．１０・・・
ボビン　　　　６．７・・・可動ローラ８．９・・・圧
力ローラ　　１１・・・プロワ１２・・・乾燥炉　　　
　　１５・・・ウィスカ１４・・・連続繊維　　　　１
５・・・マ）　ＩＩフックス属特許出願人　　　株式会
社　豊田中央研究所−１二：、：１ ：ン 第１図 ４　・戻埴殖雑束 Ｃ）　　　寸 才８図 牙９　図 付１物体傾十（’／、） （芥同弦危犬グる鳩舎） ：０ｔ、） 矛１０図 付る物体１千（０１０ン （件１強度・）、０６場合）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）炭化ケイ素、窒化ケイ素、アルミナなどのセラミ
   ックス、非金属元素、金属、合金よりなる耐熱性物質よ
   り選択された少なくとも１種よりなる連続繊維の各々の
   表面に、サイジング剤を介して炭化ケイ素、窒化ケイ素
   、アルミナなどのセラミックス、非金属元素、金属、合
   金よりなる耐熱性物質より選択された少なくとも１種よ
   りなる短繊維、ウィスカ又は粉末のうちの少なくとも１
   種を連続繊維に対して０．５〜５００％の体積率で付着
   させた連続繊維束よりなることを特徴とする複合材料用
   繊維体。
2. （２）短繊維、ウィスカ又は粉末は、その２種以上が連
   続繊維の表面に直接付着してなることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の複合材料用繊維体。
3. （３）短繊維、ウィスカ又は粉末のうちの少なくとも１
   種は、連続繊維に対して１〜９％の体積率で付着してな
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の複合材
   料用繊維体。