JPH02127563A - ハイブリッド繊維の製造方法 - Google Patents

ハイブリッド繊維の製造方法

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JPH02127563A
JPH02127563A JP63327710A JP32771088A JPH02127563A JP H02127563 A JPH02127563 A JP H02127563A JP 63327710 A JP63327710 A JP 63327710A JP 32771088 A JP32771088 A JP 32771088A JP H02127563 A JPH02127563 A JP H02127563A
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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) 本発明は、繊維強化金属(以下FRMと言う)の素材と
して好適に使用できる強化繊維及びそれで強化されたF
RMに関する。
(従来の技術) 近年、強化繊維として、アルミナ繊維、シリカ繊維、シ
リコンカーバイド繊維、ボロン繊維、窒化ケイ素繊維、
炭素繊維などを用い、マトリ・ノクス金属としてアルミ
ニウム、マグネシウム、チタン、銅などを用いたF R
Mが開発され、例えば各種機械部品や構造材など多くの
産業分野に利用され始めている。
FRMは、複合則で示される機械的性質を与えることが
予想されるが、実際には、連続無機繊維同志の接触や繊
維の片寄りなどのため、所定の機械的性質が得られてい
ない。
これらの問題の解決策として、特開昭61−26666
6号公報には、繊維の表面に無機ウィスカ、金属ウィス
カ、無機短繊維あるいはセラミックス、炭素、金属等の
粉末などの介在物を付着させたハイブリッド繊維が、ま
た、特開昭61−295346号公報には、そのハイブ
リッド繊維を用いたFRMが、それぞれ開示されている
。このハイブリッド繊維を使用することによって、繊維
が均一に分散されたFRMを製造することができるとい
う効果が奏される。
(発明が解決しようとする問題点) 上記公報には、ハイブリッド繊維の製法として例えば第
1図に示すような装置を使用して、介在物の懸濁液に連
続無機繊維束を浸漬する方法が記載さている。
連続無機繊維束1はボビン2がら巻き戻され、介在物の
懸濁液3が収容されている処理浴4中をプーリー5.6
.7及び8に導かれて通過する。
この間に連続無機繊維束1を構成する繊維の表面に介在
物が付着する。
介在物が付着された連続無機繊維束1は圧力ローラ9.
10によって押圧されて連続無機繊維束l中に含有され
る液体が絞り出され、ついで乾燥炉11によって乾燥さ
れ、ドラム12に巻き取られる。
上記方法を連続的に実施する場合、介在物がブーlJ6
.7及び8及び圧力ローラ9.10に固着する。そのた
め、プーリ及びローラに固着した介在物と連続無機繊維
束1とが接触する際に、両者が擦れ合って、あるいは繊
維の長さ方向に対して横方向に力が加わって、連続無機
繊維束1の損傷あるいは破断が生ずるようになる。この
連続無機繊維の損傷あるいは破断は、得られるハイブリ
ッド繊維の毛羽立ちによって容易に判定することができ
る。損傷あるいは破断したハイブリッド繊維を織物など
の所望形状のプリフォームに成形することは著しく困難
であると共に、このプリフォームを使用して得られるF
RMは所定の強度を示さない。
(問題点を解決するだめの手段) 本発明の目的は、上記問題点を解決した強化繊維の製造
方法及びこの繊維で強化された金属を提供することにあ
る。
本発明によれば、 耐熱性物質の粉末、短繊維及びウィスカからなる群から
選択される介在物の懸濁液に連続無機繊維束を浸漬して
、この繊維束を構成する連続無機繊維の表面に介在物が
付着したハイブリッド繊維を製造するに際し、連続無機
繊維及び/または介在物が予め有機物でコーティングさ
れていることを特徴とするハイブリッド繊維の製造方法
が提供される。
また、本発明によれば 耐熱性物質の粉末、短繊維及びウィスカからなる群から
選択される介在物の懸濁液に連続無機繊維束を浸漬して
、この繊維束を構成する連続無機繊維の表面に介在物が
付着したハイブリッド繊維を製造するに際し、上記懸濁
液に有機物が溶解されていることを特徴とするハイブリ
ッド繊維の製造方法が提供される。
また、本発明によれば 上記の両製造方法で得られるハイブリッド繊維を開繊す
るハイブリッド繊維の製造方法が提供される。
されに、本発明によれば、これら三者の製造方法で得ら
れるハイブリッド繊維で強化された金属が提供される。
本発明を図面を参照して詳しく説明する。
第1図及び第2図は、本発明のハイブリッド繊維の製造
方法において好適に使用される装置の概略図である。
連続無機繊維束1はボビン2から巻き戻される。
連続無機、繊維束1がサイジング剤で収束されていない
ときは、第1図に示すように、繊維束1を直接に処理浴
4に供給することができる。繊維束1がサイジング剤で
収束されているときは、介在物を均一に連続無機繊維表
面に付着させるために、繊維束1を電気炉15中を通過
させてサイジング剤を分解除去することが好ましい。
連続無機繊維束1を構成する繊維としては、例えば炭化
ケイ素繊維、窒化ケイ素繊維、窒化硼素繊維、窒化アル
ミニウム繊維、シリカ繊維、ポロン繊維、アルミナ繊維
、炭素繊維、ポリメタロカルボシランを焼成して得られ
る5t−Ti又はZr−C−0系の無機繊維(宇部興産
■製、チラノ繊維:登録商標)などが挙げられ、これら
の繊維は単独又は組み合わせて用いることが出来る。
連続無機繊維束1は、プーリー5.6.7及び8に導か
れて介在物の懸濁液3を収容した処理浴4内を通過する
介在物を構成する耐熱性物質は、金属あるいはセラミッ
クスからなり、金属としては、AlT1Cu、Ni、C
o、Zr5Si、Cr、Zn、W。
MOなどが、セラミックスとしては、炭化物、窒化物、
硼化物及び酸化物などを用いることができる。
介在物としては、これら金属あるいはセラミックスの粉
末、短繊維又はウィスカを単独又は2種以上を組み合わ
せて用いることができる。
短繊維、ウィスカの長さ、太さ、形状及び粉末の粒度等
は繊維との組み合わせを考慮して選択するとよいが、短
繊維及びウィスカは連続繊維の平均直径の1/3000
〜115の平均直径及びアスペクト比50〜1000で
あるものが望ましく、また、微粒子は連続繊維の平均直
径の115000〜1/2の平均直径を有するものが望
ましい。
懸濁液3中の介在物の濃度は、特に制限はなく、0.3
〜300wt%程度とするのが一般的であるが、好まし
くは0.3〜30wt%の範囲である。
本発明における繊維束1への介在物の付着の第1の態様
においては、処理浴4内を通過する連続無機繊維及び介
在物の少なくとも一方が予め有機物でコーティングされ
る。
コーティングに使用される有機物は、繊維束と介在物と
の摩擦、圧縮等の力を緩和し、繊維の損傷、破断を無く
するような効果を有するものであればよい。摩擦を減少
させ、繊維の損傷や破断を無くするものとしては、潤滑
性を有する滑剤が効果的に使用される。滑剤が繊維及び
付着物の少な(とも一方の表面にコーティングされるこ
とにより、この両者の間の滑りが良好となり、脆(、破
損しやすい繊維の破損、破断をなくすることが可能とな
る。
滑剤としては、例えば、天然パラフィン、マイクロワッ
クス、合成パラフィンワックス、ポリエチレンワックス
、フルオロカーボン油、高級脂肪酸、高級オキシ脂肪酸
、高級脂肪酸アミド、ビス脂肪酸アミド、高級脂肪酸、
低級アルコールエステル、高級脂肪酸の多価アルコール
エステル、ヘキストワックス、天然ワンクス、高級脂肪
族アルコールなどが挙げられる。
滑剤は単独で用いること以外に、結合剤、可塑剤などと
組み合わせて使用してもよい。
滑剤の付着量は、被コーテイング物100重量部に対し
て0.5〜20.0重量部の範囲が好ましい。
被コーテイング物に対して滑剤の量が少なすぎれば効果
がなく、又多すぎても多くしたことによる利点はなく、
経済的でない。
滑剤のコーティング方法としては、滑剤を溶解した溶液
に繊維束又は介在物を浸漬する方法、滑剤を溶解した溶
液を繊維束にスプレーする方法などの一般的なコーティ
ング法が用いられる。
コーティング層の厚さは繊維または介在物のどれにコー
ティングするか、それらの径や太さなどにもよるが、1
μm以下で充分である。
無機繊維への介在物の付着を促進するために上記懸濁液
3中に結合剤が溶解されていることが好ましく、結合剤
としては、例えば、ポリエチレンオキサイド、エチルセ
ルロース等が挙げられる。
結合剤の懸濁液中の濃度は0.1〜0.2重量%が適当
である。
本発明における繊維束1への介在物の付着の第2の態様
においては、介在物が懸濁され、さらに前記有機物が溶
解された媒体に連続無機繊維束lを浸漬する。
介在物が懸濁され、場合によりさらに有機物が溶解され
る媒体の具体例としては、メタノール、エタノールのよ
うなアルコール、ベンゼン、トルエン、キシレンのよう
な有機溶媒が挙げられる。
尚、介在物のみを懸濁させる溶媒としては水も使用する
ことができる。本発明の第1の態様及び第2の態様にお
いて、介在物の懸濁液、場合により介在物が懸濁されか
つ有機物が溶解された媒体に連続無機繊維束1を浸漬す
る方法については特別の制限はなく、それ自体公知の方
法をすべて採用することができる。
なお、処理浴4中で介在物を均一に懸濁させるために、
第1図に示すように、マグネテインクスクーラー13に
よってスターラービース14を回転させて!A!に、濁
液を攪拌することができる。
処理浴4中を通過し、介在物が付着した繊維束1は、第
1図に示すように圧力ローラ9.10によって押圧し媒
体を絞り出した後、あるいは第2図に示すようにそのま
ま乾燥炉11中を通過させて、媒体を蒸発除去する。
こうして得られたハイブリッド繊維は、直接FRM製造
用の強化繊維として使用することができるが、FRM製
造時にハイブリッド繊維へ金属溶湯を迅速かつ均一に含
浸させるためには、FRMの製造に先立って開繊するこ
とが好ましい。
ハイブリッド繊維の繊維束の開繊方法については特別の
制限はないが、均一に開繊するためには第2図に示すよ
うに、ローラ群(16,17,18及び19)によって
開繊するのが好ましい。このローラ群(以下開繊用ロー
ラと呼ぶ)は巻き取りドラム12直前に設置され、繊維
束を上下にしごき繊維束への張力を変化させることによ
り繊維束を偏平化して開繊する。開繊用ローラの個数は
使用する強化繊維の収束本数に応じて使い分ければよく
、例えば200本ならば2個、400本ならば3個、8
00本ならば4個と増やすことにより200本束が2〜
3 mm幅、400本束が4〜6mm幅、800本束が
8〜10mm幅に開繊することができる。
上記のようにして、充分に開繊したハイブリッド繊を用
いFRMを製造すると、マトリックス中に繊維がより均
一に分散し、機械的性質の極めて優れたFRMが得られ
る。
本発明の方法で得られたハイブリッド繊維を用いてFR
Mを製造する方法については特別の制限はないが、特に
高圧鋳造法、溶射法によりプリプレグシートを製造し、
これを用い拡散接合法によりFRMを製造する方法が、
機械的性質の優れたFRMを製造するのに好適に使用で
きる。
前述の方法で開繊され、ドラム12上に一層をなすよう
に螺旋状に巻き取られたハイブリッド繊維に対してマト
リックス金属粒子をプラズマ溶射し、プリプレグシート
を製造し、ドラム軸方向に切り開いて平らなシートとし
、これを複数枚積層し、ホットプレスすることにより、
優れた機械的性質を有するFRMを製造することができ
る。
また、ドラム12上に巻き取ることなく、開繊され、ド
ラム12上を通過するハイブリッド繊維に対してマトリ
ックス金属を溶射することによりプリプレグシートを連
続して製造することもできる。
プラズマ溶射によるプリプレグシートの製造について、
以下にさらに詳細に説明する。
プリプレグシートの製造に際し、第3図及び第4図に示
すように、ドラム12上のハイブリッド繊維層31とプ
ラズマガン33の間にスリット35を有するマスク36
を置き、プラズマ流で搬送されるマトリックス金属粒子
のうち、中心部にあって完全に溶融している部分のみを
穴35を通して繊維層31に溶射し、プラズマ流34の
周縁部にあり外気で冷却され充分に溶融されていない金
属粒子を遮ることもできる。このようにすると、未溶融
の金属粒子の衝突による繊維の破断や損傷を回避するこ
とができる。
また、プリプレグシートの製造に際しは、マトリックス
金属粒子の溶射前に、繊維層を例えば、予備加熱炉中を
通過させて予熱することも有利である。予熱することに
より、溶射粒子は繊維表面で急激な冷却を受けず、溶射
粒子の粘度が急激に失われないため、マトリックス層は
密になり、繊維表面と溶射粒子との接着性も向上する。
さらに、溶射粒子の流動性も保持されため、マトリック
ス金属の繊維間への回り込みも向上する。本発明のハイ
ブリッド繊維を用いた場合、繊維が充分に離間された状
態にあるため予熱によるマトリックス金属の繊維間隙へ
の回り込み向上の効果が顕著に発現される。
(発明の効果) 本発明によれば、繊維に金属あるいはセラミックを付着
させて複合材料用ハイブリッド繊維とする際、繊維束の
浸漬処理及び開繊処理中の繊維の損傷、破断が無くなる
。従って本発明で得られるハイブリッド繊維は支障なく
織物にすることができる。また、本発明によれば、金属
あるいはセラミックによる繊維の損傷、破断を伴わずに
均一に開繊されたハイブリッド繊維が得られるので、こ
れにマトリックス金属粒子を溶射しプリプレグシートと
し、次いでFRM化することにより、従来より格段に機
械的特性の優れたFRMを連続して製造することができ
る。
更に、この開繊されたハイブリッド繊維を用い作られた
繊維成形体は、開繊せずに作られた成形体に比べより密
度むらがないため高圧鋳造法等の液相法によりFRMを
製造する際にも適用され、従来より格段に機械的性質が
優れ、かつ強度むらがないFRMを製造できる。
(実施例) 以下の実施例により本発明を更に詳細に説明する。
実施例1 直径0.2〜0.5μm、平均長さ50〜200μmの
炭化ケイ素ウィスカを、ステアリン酸を8Wむ%溶解し
たトルエン溶液中に分散させ、濾過後乾燥させることに
より、表面にステアリン酸をコーティングした炭化ケイ
素ウィスカを得た。重量増加より求めたステアリン酸コ
ーテイング量は3゜5wt%であった。この炭化ケイ素
ウィスカ5gを水200dとエチルアルコール1800
 mflの混合物の入った処理槽中に入れて、撹拌を行
いながら懸濁させた。
本実施例においては、第1図に示す装置を用い、以下の
ようにハイブリッド繊維を製造した。
直径9〜10μmの5i−Ti−C−0繊維(宇部興産
■製チラノ繊維:登録商標)800木よりなる連続繊維
束1をポビン2から巻き戻しながら、この懸濁液3中を
、3m/minの速度で浸漬しながら通した。
プーリ5.6.7.8によって繊維束を処理槽4中に浸
し、次いで圧力ローラ9.10によって押圧した後乾燥
機11を通し再びドラム12に巻き取った。この時、乾
燥炉11を出て来た繊維束にはほとんど枝毛の発生を認
めることが出来なかった。また、繊維強度の低下は無か
った。このことから、ステアリン酸の潤滑効果を確認す
ることができた。
比較例1 炭化ケイ素ウィスカを処理することなく市販品をそのま
ま使用した以外は、実施何重と同様の操作を行った結果
、乾燥機11を出て来た繊維束は多数の枝毛の発生が認
められ、繊維の破断が起こっているのが認められた。
圧力ローラ9.10を取り除いて上記と同様に行った場
合、枝毛の発生は大幅に改善され、1〜2本/mになっ
たものの、繊維の性状は実施例1より劣っていた。
実施例2 平均粒径0.2μmの炭化ケイ素粉末を、ステアリン酸
を8wt%溶解したトルエン溶液中に分散させ、濾過後
乾燥させることにより、炭化ケイ素粉末表面にステアリ
ン酸をコーティングした炭化ケイ素粉末を得た。重量増
加より求めたステアリン酸のコーテイング量は4.0 
w t%であった。この炭化ケイ素粉末60gを水20
0成とエチルアルコール1800 mlの混合物の入っ
た処理槽中に入れて、攪拌を行いながら懸濁させた。次
いで、この懸濁液に、結合剤としてポリエチレンオキサ
イドを0.1重量%の濃度になるように溶解させた。
本実施例においては、第2図に示す装置を用い、以下の
ようにハイブリッド繊維を製造した。
直径が9〜10μmで、引張強度が314Kg/ m 
m ”の5i−Ti−C−0繊維(宇部興産株製チラノ
繊維:登録商標)800本よりなる繊維束1をボビン2
から送り出し、500°Cの温度に保持された電気炉1
5中を通過させ収束剤を消失させた。次いで、繊維束1
を処理槽4に収容された上記懸濁液3中にガイドロール
5.6.7及び8によって誘導しながら、3m/mtn
の速度で浸漬しながら通過させ炭化ケイ素粉末を繊維表
面に付着させた後、乾燥炉11を通過させ乾燥させた。
その後、開繊ローラ16.17、工8.19へ次々に接
触させ繊維束1を徐々に開繊し、ドラム12に巻き取っ
た。ドラム12に巻き取られた繊維にはほとんど毛羽立
ちの発生が認められなかった。
開繊後の引張強度は309Kg/mm”であり、浸漬処
理及び開繊処理の間に繊維の強度が殆ど低下していない
ことが判明した。
比較例2 炭化ケイ素粉末をステアリン酸でコーティングせず市販
品をそのまま使用し、開繊用ロールによる開繊処理も行
わない以外は、実施例2と同様の操作を行った結果、ド
ラム12に巻き取られた繊維は毛羽立っており、繊維の
破断が起こっていることが認められた。
実施例3 実施例2において得られた開繊されたハイブリッド繊維
から第5図に示す保形用治具42を用い、以下の手順で
FRMを作製した。使用した治具42はグラファイト類
で、本体42aと142 bからなる。本体42aは、
長さ15cmで、巾8c+++、深さICImの長さ方
向に貫通した溝43を有する。
一定長に切断したハイブリッド繊維を溝43内に繊維体
積率が60%になるように均一に充填し、ついで本体4
2aにIF52 bをボルトナツトにより固着した。こ
のようにハイブリッド繊維44を収納したグラファイト
製保形用治具42を大気中で650°Cに加熱し、第6
図に示すように金型45の中に750°Cのアルミニウ
ム溶湯46(JIS規格1070)を注入した後、前記
保形用治具42をガス抜き用穴49を設けた蓋42bが
上になるように、金型内に設置した。ついで、第7図に
示すように、プランジャ47により前記アルミニウム溶
湯46を1000 kg/ciに加圧し、両側の開口孔
及び本体42aの下面に適当に穿設されたアルミニウム
注入穴50から溶湯を保形用治具内に圧入、凝固させ、
繊維強化金属を製造した。
なお、第7図において繊維保形用治具42のガス抜き用
穴49に対接するプランジャ下面に水平にガス排気溝5
1を設けると、−層ガスの排出が良好となる。
この複合材料を取り出し、断面組織観察を行ったところ
、空孔等の鋳造欠陥、繊維配向の乱れ等は、全く観察さ
れなかった。さらに、この複合材料について、繊維配向
方向の曲げ強度を測定したところ、180kg/mm2
という高い値が得られた。
第8図、第9図及び第10図はこうして得られたFRM
の繊維方向と直角方向の金属組織の光学顕微鏡写真であ
り、第8図は上層部の、第9図は中間部の及び第10図
は下層部の金属組織の光学顕微鏡写真である。各写真中
、黒丸は強化繊維であり、これらの写真は本発明による
FRMにおいては、全体にわたって強化繊維が均一に分
散されていることを示す。
比較例3 炭化珪素粉末をステアリン酸でコーティングせず、開繊
用ロールによる開繊処理も行わない以外は実施例3と同
様の操作を行い繊維強化金属を製造した。
得られた繊維強化金属の曲げ強度は125kg/鵬2で
あった。
第11図、第12図及び第13図は、この比較例によっ
て得られたFRMの実施例3におけると同様の金属組織
の光学顕微鏡写真である。第13図は1.下層において
繊維束の分散が不十分で、繊維が偏在していることを示
している。
実施例4 実施例2で得られた、ドラム12に巻き取られたハイブ
リッド繊維(繊維中200mm)に対して、上記ドラム
を回転させ溶射用アルミニウム粉末を繊維体積率が30
%になるよう溶射し、プリプレグシートを製造した。そ
の際、プラズマスプレー装置のノズルは繊維面より14
0m離して設置した。ノズルと繊維の移動速度はハイブ
リッド繊維の全中との兼ね合いで決定した。
得られたプリプレグシートの厚さは130〜150μm
であった。
このプリプレグシートより繊維方向に90胴、繊維と垂
直方向に60mmのシートを切り出し、そのシートを2
0枚積層して、一方向積層体とし、これを金型中にセッ
トした。
この金型をホットプレス装置内に入れ容器内を5X 1
0−5To r rに保持し550°Cに加熱した後、
油圧プレスにて金型を400kg/mm”の圧力で15
分間プレスして、厚さ2.0胴の繊維強化金属を得た。
得られた繊維強化金属の繊維方向の曲げ強度は100 
kg/ n+m”であった。
比較例4 炭化珪素粉末をステアリン酸でコーティングせず、開繊
用ロールによる開繊処理も行わない以外は実施例4と同
様の操作を行い繊維強化金属を製造した。
得られた繊維強化金属の繊維方向の曲げ強度は40kg
/mm”であった。
【図面の簡単な説明】
第1図は、ハイブリッド繊維の製造に用いる従来の製造
装置の一例の概略図であり、第2図は本発明に用いる製
造装置の一例の概略図である。 第3図、第4図はプラズマ溶射によるプリプレグシート
の製造を示す概略図である。 第5図、第6図及び第7図は高圧鋳造によるFRMの製
造を示す概略図である。 第8図、第9図及び第10図は実施例3において得られ
たFRMの繊維方向と直角方向の金属組織の光学顕微鏡
写真であり、 第11図、第12図及び第13図は比較
例3において得られたF 12Mの繊維方向と直角方向
の金属組織の光学顕微鏡写真である。 ■ 1・一連続無機繊維     3−処理液5.6.7.
8− プーリ ド−乾燥炉 6.17.18.19・・−開繊用ローラ33−・−プ
ラズマガン 42・−保形用治具 プランジャ 34−プラズマ流 45−金型 48−接合ボルト穴

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)耐熱性物質の粉末、短繊維及びウィスカからなる
    群から選択される介在物の懸濁液に連続無機繊維束を浸
    漬して、この繊維束を構成する連続無機繊維の表面に介
    在物が付着したハイブリッド繊維を製造するに際し、連
    続無機繊維及び/または介在物が予め有機物でコーティ
    ングされていることを特徴とするハイブリッド繊維の製
    造方法。
  2. (2)耐熱性物質の粉末、短繊維及びウィスカからなる
    群から選択される介在物の懸濁液に連続無機繊維束を浸
    漬して、この繊維束を構成する連続無機繊維の表面に介
    在物が付着したハイブリッド繊維を製造するに際し、上
    記懸濁液に有機物が溶解されていることを特徴とするハ
    イブリッド繊維の製造方法。
  3. (3)介在物が付着した連続無機繊維を開繊することを
    特徴とする特許請求の範囲第1項または第2項に記載の
    ハイブリッド繊維の製造法。
  4. (4)特許請求の範囲第1項、第2項又は第3項に記載
    のハイブリッド繊維で強化された金属。
JP63327710A 1988-05-02 1988-12-27 ハイブリッド繊維の製造方法 Expired - Lifetime JPH086250B2 (ja)

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JPH086250B2 JPH086250B2 (ja) 1996-01-24

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