JPH0244271B2 - - Google Patents

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JPH0244271B2
JPH0244271B2 JP60502885A JP50288585A JPH0244271B2 JP H0244271 B2 JPH0244271 B2 JP H0244271B2 JP 60502885 A JP60502885 A JP 60502885A JP 50288585 A JP50288585 A JP 50288585A JP H0244271 B2 JPH0244271 B2 JP H0244271B2
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、成形法に係り、特に繊維強化複合材
料物品の製造法に係る。
従来の技術 高温用構造体の構成要素の形成に使用される多
くの従来の金属は、その価格が高くまたそれらの
供給量が充分でない。従つてこれらの金属材料に
代る繊維強化複合材料物品の必要性が益々高くな
つてきている。
繊維強化ガラス又はガラス−セラミツク複合材
料を製造するための製造方法に関する種々の技術
が既に開示されており、それらのうち本願出願人
と同一の譲受人に譲渡された米国特許として、米
国特許第4314852号、同第4412854号、同第
4428763号、同第4324843号がある。
一般にこれらの従来の技術はマトリツクス材に
有機バインダを加えてスラリーを形成し、強化繊
維をそのスラリー中に通し、繊維をスラリーにて
被覆し、被覆された繊維を巻取りリールに巻取
り、被覆された繊維を乾燥させ、マトリツクスに
て含浸されたテープを形成することを含んでい
る。次いでマトリツクスにて含浸されたテープは
所望の長さ及び形状に切断され、適正な繊維配向
にて積層され、しかる後それらの積層体が炉内に
配置されてバインダが燃焼により除去される。次
いで積層体は注意深く鋳型内に配置され、加熱及
び加圧された状態にて稠密化されることにより複
合材料が形成される。
発明が解決しようとする課題 かかる複合材料物品の製造方法には多数の欠点
がある。第一の欠点は、テープ形成工程中にマト
リツクスが繊維に良好に接着するようスラリー状
のマトリツクスに有機バインダが付加されるため
これを除去するという追加の工程が必要であり、
該追加の工程により複合材料物品製造プロセスの
労働コスト及びエネルギコストが増大されている
ということである。更に上述の如き消失性バイン
ダは最終的に得られる複合材料中に於ける好まし
からざる不純物源となることがある。第二の欠点
は、スラリーを形成し、該スラリーを繊維に付着
させ、テープを形成することは時間を要する工程
であり、最終的に得られる物品のコストを増大さ
せるということである。第三の欠点は、マトリツ
クスが必ずしも均一に繊維に適用される訳ではな
く、そのため不均一な複合材料物品が形成される
ということである。第四の欠点は、上述の如きプ
ロセスによる場合には、複雑な形状または三次元
的形態の複合材料構造体を製造することが困難で
あるという点である。
従つて当技術分野に於て必要とされているもの
は、比較的簡単であり、労働コスト及びエネルギ
コストが低く、複雑な形の複合材料物品を容易に
製造することのできる繊維強化複合材料物品の製
造方法である。
発明を解決するための手段 本発明はガラス、ガラス−セラミツク、又はセ
ラミツクをマトリツクスとする繊維強化複合材料
物品の製造方法を開示するものである。本発明の
方法は、マトリツクス材及び強化材を短繊維に形
成し、次いで通常の方法を使用してマトリツクス
短繊維及び強化材短繊維の均一なフエルト紙を形
成することを含んでいる。マトリツクス短繊維及
び強化材短繊維のフエルト紙は次いで所定の形状
又はプリフオームに切断され、それらのプリフオ
ームが積層されることによつて積層体が形成され
る。次いで積層体が型内に配置され、マトリツク
ス材料を強化繊維のフエルト紙全体に亙り流動化
させるに十分な圧力及び温度下にて稠密化され、
これにより複合材料物品が形成される。
更に本発明の方法の実施に使用されるフエルト
紙は、マトリツクス材繊維と強化材繊維との混合
物よりなるハイブリツドフエルト紙として形成さ
れてもよい。かかるハイブリツドフエルト紙は所
定のプリフオームに切断され、プリフオームを積
層して形成された積層体が型内に配置され、十分
な温度及び圧力下にて強化材繊維の周りにマトリ
ツクス材料が流動化せしめられ、これにより複合
材料物品が形成される。
実施例 繊維の形態に形成し得る任意のガラス、ガラス
−セラミツク、又はセラミツク材がマトリツクス
材料として使用されてよい。何れの材料を使用す
るかの選定は、最終的に得られる複合材料物品に
必要とされる特定の性質次第である。マトリツク
スの幾つかは優れた熱的安定性、優れた破壊靭性
を有しており、また特定の強化繊維との両立性に
優れている。これらの特徴及び他の特徴により何
れのマトリツクスを選定すべきかが決定される。
例えばガラス−セラミツクマトリツクス及び炭化
ケイ素繊維よりなる複合材料を形成する場合に
は、マトリツクス材料は満足し得る複合材料を製
造するためには実質的にチタニウムを含有しない
ものでなければならない。有用であることが解つ
ているガラスマトリツクスとしては、Ｅ−
Glass、Corning 1723アルミノシリケート、
Corning 7740ボロシリケート・ガラス、Corning
7930高シリカ含有ガラス（96wt％シリカ）があ
る。更にガラス−セラミツクマトリツクスとして
はリチウム・アルミノシリケート、アルミノシリ
ケート、マグネシウム・アルミノシリケートがあ
り、セラミツク材の例としてはムライトがある。
ガラス、ガラス−セラミツク、又はセラミツク
マトリツクスは、連続繊維を製造するスピニング
又は短繊維を製造するブローイングの如き任意の
通常の方法により繊維の形態に形成される。
製造される繊維の直径及び長さは形状（即ち平
坦、楕円形、丸など）と同様種々のものであつて
よい。しかし繊維は実質的に断面円形であり、約
１〜25μ（５〜15μが特に好ましい）の直径を有す
ることが好ましい。
強化材は任意の通常の複合強化材、即ち炭素、
黒鉛、炭化ケイ素、窒化ケイ素、アルミナなどで
あつてよい。強化材を選定する際の制限因子は、
マトリツクスを稠密化するに必要な温度との熱的
両立性及び物理的両立性、即ちマトリツクス及び
強化材の膨張係数が互いに近似していること、反
応性などである。何れの強化材が選定されるかは
最終的に得られる複合材料物品に必要な特性次第
である。
強化材も任意の通常の方法を使用して短繊維の
形態に形成される。製造される繊維の直径及び長
さは形状（即ち平坦、楕円形、円形など）と同様
種々のものであつてよく、本発明の方法の実施に
重要な事柄ではない。しかし繊維は実質的に断面
円形であり、約５〜200μの直径を有することが
好ましい。
次いでマトリツクス繊維及び強化材繊維は短繊
維に形成すべく任意の通常の方法を用いて所望の
長さに切断される。繊維の長さは形成されるべき
構造体の大きさ及び複合材料物品に必要とされる
最終的な特性次第である。一般のこれらの短繊維
の長さは約0.25〜４インチ（0.64〜10cm）であ
る。次いで短繊維はそれらを無作為に蓄積させて
積層体とすることにより不織フエルト紙に形成さ
れる。このことは真空成形法又は圧縮成形法、又
は任意の他の通常の不織フエルト紙を形成する方
法を用いて行われてよい。フエルト紙の形成方法
は公知であり、本発明の一部をなすものではな
い。一般にフエルト紙の形成は、短繊維を液体
（水）中に懸濁させその懸濁液をスクリーン又は
ストレーナ上に配置し、吸引によつて液体を除去
し、繊維が無作為に配向された不織フエルト紙の
形態にてスクリーン上に繊維を残存させることに
よつて行われる。
かかるフエルト紙は均一なものであり、例えば
マトリツクス繊維又は強化材繊維のみを含んでい
てよく、或いはマトリツクス繊維及び強化材繊維
の混合物よりなるハイブリツドフエルト紙であつ
てよい。
フエルト紙の厚さ及び密度はそのフエルト紙を
許容し得る複合材料物品に形成し得るか否かによ
つてのみ制限される。一般にこのことはマトリツ
クス材料がフエルト紙を実質的に均一に貫通し強
化材繊維を囲繞し得ることを意味する。多くの場
合フエルト紙の厚さは約５〜10mil（0.13〜0.25
mm）である。
フエルト紙の形態のマトリツクス材及び強化材
を購入することにより上述の如きフエルト紙形成
工程が省略されてもよい。
フエルト紙はその形成後にプリフオームと呼ば
れる所定の形状に切断される。次いでそれらのプ
リフオームが互いに積層されて積層体が形成され
る。均質なフエルト紙が使用される場合には、強
化材繊維のフエルト紙は一つ又はそれ以上のマト
リツクス材のフエルト紙にて挾まれなければなら
ない。かかる挾込みは稠密化中にマトリツクス材
料が複合材料物品全体に亙り均一に分散された状
態になるよう行われる。一般に複合材料物品は約
30〜70vol％のマトリツクス材料を含んでおり、
好ましい範囲は約40〜60vol％である。従つてか
かる組成を有する複合材料を形成するためには上
述の組成に応じて各プリフオームの数及び密度が
選定されなければならない。
本発明の第二の実施例としてマトリツクス材繊
維及び強化材繊維の混合物よりなるハイブリツド
フエルト紙が使用されてよい。この場合、マトリ
ツクス材料が強化材繊維の間に既に分散されてい
るので、プリフオームを挾込んで積層する必要は
ない。ハイブリツドフエルト紙を使用して複合材
料物品を製造する場合には、使用されるフエルト
紙の組成が最終的に得られる物品の組成に反映す
ることは明らかである。例えば最終的に得られる
物品の組成が50％強化材、50％マトリツクス材で
あることを要する場合には、フエルト紙は50％の
マトリツクス材繊維と50％の強化材繊維とを含有
するよう形成されなければならない。
ハイブリツドフエルト紙が使用される場合に
は、フエルト紙の厚さの上限はホツトプレス型の
容量によつてのみ制限される。
ハイブリツドフエルト紙の積層体を稠密化する
プロセス及び均質なフエルト紙の積層体の稠密化
するプロセスは互いに同一である。積層体が曝さ
れる温度、圧力、及び滞留時間はマトリツクス材
料を軟化させてそれを強化繊維の周りに流動させ
るに十分な程高い値でなければならないが、強化
繊維を損傷させる程高い値であつてはならない。
一般にガラス、ガラス−セラミツク、又はセラミ
ツクからなるマトリツクスについては、圧力は約
1.7〜13.8MPa（250〜2000psi）であり、温度は約
1050〜1700℃であり、滞留時間は約15分である。
好ましい圧力の範囲は約3.4〜6.9MPaであり、好
ましい温度範囲は約1100〜1500℃である。これら
の条件は形成される物品により異なる。
発明の効果 上述の方法は、バインダと共にスラリーを形成
し、マトリツクスにて含浸されたテープを形成す
る労力及びエネルギを多量に消費する工程が不要
であるので、複合材料物品を簡単に製造すること
ができる。
以上に於ては本発明を特定の実施例について詳
細に説明したが、本発明はかかる実施例に限定さ
れるものではなく、本発明の範囲内にて他の種々
の実施例が可能であることは当業者にとつて明ら
かであろう。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ ガラス、ガラス−セラミツク又はセラミツク
    をマトリツクス材とする繊維強化複合材料物品の
    製造方法にして、 マトリツクス材を短繊維に形成する過程と、 マトリツクス材短繊維をフエルト紙に形成する
    過程と、 強化材を短繊維に形成する過程と、 強化材短繊維をフエルト紙に形成する過程と、 前記強化材短繊維のフエルト紙及び前記マトリ
    ツクス材短繊維のフエルト紙を所定形状のプリフ
    オームに切断する過程と、 前記マトリツクス材プリフオームと前記強化材
    プリフオームとを重ね合わせて積層体を形成する
    過程と、 前記積層体を型内に配置し、前記強化材繊維の
    周りに前記マトリツクス材を流動化させるに十分
    な熱及び圧力を適用して複合材料物品を形成する
    過程と、 を含む製造方法。 ２ ガラス、ガラス−セラミツク又はセラミツク
    をマトリツクス材とする繊維強化複合材料物品の
    製造方法にして、 マトリツクス材を短繊維に形成する過程と、 強化材を短繊維に形成する過程と、 前記マトリツクス材短繊維及び強化材短繊維よ
    りなるフエルト紙であつて、前記マトリツクス材
    短繊維が前記フエルト紙の実質的に30〜70vol％
    であるフエルト紙を形成する過程と、 前記フエルト紙を所定形状のプリフオームに形
    成する過程と、 一つ又はそれ以上の前記プリフオームよりなる
    積層体を形成する過程と、 前記積層体を型内に配置し、前記マトリツクス
    材を前記強化材繊維の周りに流動化させるに十分
    な温度及び圧力とし、これにより複合材料物品を
    形成する過程と、を含む製造方法。
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