JPH0257648A - 繊維強化金属 - 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） 本発明はｔａ維強化金属（ＦＲＭ）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。

種々の複合材料例えば金属を繊維で強化したＦＲＭが使
用されている。ＦＲＭに用いられる強化繊維は母材（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２ｉ濡れにくい反面、−旦濡れると反応して繊
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り剥離が生じて表面処理の効
果か゛減少したり、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ＦＲＭ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
は得難く、ＦＲＭの特色である設計の自由度が損われて
いた。又、連続繊維のみで強化したＦＲＭでは強度の異
方性が大きく、例えば前記高圧凝固鋳造法による炭、も
連続ｔａ維強化アルミニウム合金では１ｍ雄の長さ方向
の強さは１３０　ｋ　ｇ／ｎｒｒ？以上であるのに対し
て、それと直角方向では数ｋ　ｇ　／　ｍ　ｒｎ’　Ｌ
、かない、短繊維のみを使用したＦＲＭは１方性ではあ
るが強度は一般に低い。

又、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２外側に
は短繊維を使用する方法がある。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、前記従来例においても例えば反Ｆａ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。ヌ強度も部分でない、さらにプリプレグ製造
時に長繊維と短ｉａｍとを混在せしめる方法は、長繊維
束中の表面にはけ等によって、短ｔａｍを付着させるこ
とはできる。しかしながら内部の長ｍｓの一本一本の表
面に均一に付着させることは困難であり、１ａ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
ものであり、その目的とするところは、母材金属中に連
続繊維を均一に分散させることにより繊維体積率を制御
でさ、又、互いに特性の異なる連続繊維や短繊維、ウィ
スカ又は粉末を組合せることにより、異方性や残留応力
、耐摩耗性等の機械特性が向上した繊維強化金属を提供
することにある。

（課題を解決するための手段） すなわち本発明の繊維強化金属は、炭化ケイ素、窒化ケ
イ素、アルミナ、シリカ、アルミナ−シリカ、ジルコニ
ア、ベリリア、炭化ボロン、）変化ケイ素、炭化チタン
等のセラミック）々よ、金属、金属間化合物等のｆＩＩ
＃熱性物賀より選択された少なくとも１種からなる連続
繊維と、 該連続ｔａ維の繊維間隙に介在し、該連続繊維の一本一
本に均一に付着してなる炭化ケイ素、窒化ケイ素、アル
ミナ、シリカ、アルミナーンリカ、ジルコニア、ベリリ
ア、炭　化ボロン、ＩＲ化ケイ素、炭化チタン等のセラ
ミック、炭素金属、金属間化合物等の耐熱性物質より選
択された少なくとも１種からなる短繊維、ウィスカ又は
粉末のうちの少なくとも１種と、 ｔｉｌ材金属とからなり、 該１υ繊維、ウィスカ又は粉末の熱膨張係数が該ｎＩ材
金金属熱膨張係数よりも小さく、且っ該ｉ！Ｕ続繊線繊
維Ｌ１材金属中に均一に分散してなることを特徴とする
。

又、本発明のＦＲＭの好ましい実施態様としては上記の
ものが挙げられる。

（ｉ）連続繊維の長平方向にわたり少らｉの短繊維、ウ
ィスカ又は粉末のうちの少なくとも１種が均一に付着し
、且つ該連続繊維同志の接触がほとんどない繊維強化金
属。

（ｉｉ）繊維強化金属のいかなる断面においても、連続
繊維の体積率が実質的に一定であり、且つ該連続ａｍ同
志の接触が実質的にない繊維強化金属。

（ＩＩ＋　）短繊維、ウィスカ又は粉末のうちの少なく
とも１種の連続繊維に対する体積率が１〜９％である繊
維強化金属。

連続Ｈｈ、Ｉ！としては前記セラミック、又は耐熱性非
金属例えば炭素、ホウ素、あるいは耐熱性金属、合金、
若しくは金属間化合物例えばモリブデン、タングステン
、鋼、ステンレス鋼。

ＣｕＺｎ、ＦｅＡｌ　　”ｉｐの材料よりなるｔａｍ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。

なお、上記の中でも短繊維としては、＃熱性物質として
金属、金属間化合物、合金等を用いるのが９ましい。

これは、繊維体を複合材に適用するに際して、複合化工
程において母相とな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
う。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に母相
金属に対する化学的・熱的安定性に優れているためであ
る。更に、粉末としては、金属間化合物を用いるのが望
ましい、これは、上記短繊維、ウィスカの場合と同様な
理由による。

上記（１）の構成により、連続ａｍの繊維軸に対して平
行あるいは垂直の両方向で高強度のＦＲＭを得ることが
できる。

又、上記（ｉ）の構成により、部品としての品質が安定
した、すなわち強度及び剛性が一定であり、しかも熱膨
張による曲がり等の変形が抑制されたＦＲＭを得ること
ができる。

連続繊維の繊維間隙に介在させる短繊維、ウィスカ又は
粉末の量は両者の性状や製造したＦＲＭの用途などによ
っても異なるが、機械部品や構造材に用いる場合には連
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０．５％〜５００％程度とするのが好ましい。

更に好ましくは、上記（ｉｉｉ　）の構成の如く短繊維
、ウィスカ又は粉末の連ｂｃ繊維に対する体積−（シは
１〜９％の範囲内とする。この範囲内であれば、連続繊
維の体積率を適度に保つことができるので、繊維軸に対
して平行あるいは重置の両方向で高強度のＦＲＭを得る
ことができる。

本発明のＦＲＭに使用できる母材金属としてはアルミニ
ウム若しくはマグネシウム又はこれらを主成分とする合
金が挙げられる。母材金属と強化繊維体との比率は、母
材金属及び強化繊維体の種類や製造したＦＲＭの用途な
どによって種々に変化させることができる。

本発明のＦＲＭに用いる繊維体を製造する方法は特に限
定されヰないが例えば電着法、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？、（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１ａ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ｈｔ−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、引き揃えて１１）びポビンに巻取る方法が挙げられ
る。

又、鋳造型のキャビティ内に注入した溶湯内に連続繊維
と、短繊維、ウィスカ又は粉末のうちの少なくとも１種
とをそれぞれ配置して溶湯内で該連続ｆａ維の表面に前
記短繊維等を付着させて繊維体を製造してもよい。

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ａｍ−木−木に均一に短ｍ＃Ｉなど
を付着させることができてよい、又、繊維数の多い連続
繊維束を浸漬する液体には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、趙ｉ７
−波は浸漬液又は溶湯等の液体を入れた容器の外壁に設
けた超音波付加器によって外壁を介して少なくとも連続
繊維に午えてもよいし、又は適当数の超音波振動子例え
ばセラミック振動子を液体中に適切に配置して直接与え
てもよい、超音波の照射パターンは連続的であってもパ
ルス状であってもよい、その強度や振動数及び照射時ｕ
■は連続繊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、連続繊維
の浸漬時間などの処理条件によって選択するが、例えば
振動数は１０ＫＨｚ〜２０００ＫＨｚ程度が使用し易い
。

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、とりわけ、連続繊維の表面にサ
イジング剤が塗布されている場合には、サイジング剤の
溶解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速く、生産性が向１−する
利点がある。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は特に限定されないが、あまり小
さいと連続繊維上に均一な付りがみられず効果が少なく
なり、又逆に大きすぎると付着ｒＩｉが必要以上に多く
なるため、例えば伺着物として炭化ケイ素ウィスカを用
い、繊維数６０００木／ヤーンの連続ｍ離京を処理する
場合、炭化ケイ素ウィスカ濃度は０−５　ｇ　／　ｌ〜
３０　ｇ　／　ｉ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授精する場合に
は浸漬前にｔａ維離京ブロワを当てて開繊することが望
ましい、ｆａ繊維数処理液への超音波振動子 ３１ｆｆｉするとよい、繊維数が少ないか、又は処Ｊｌ
ｌｌ液に充分に超音波振動を付与する場合にはブロワは
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ｔｍ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。

次いで前記方法によって製造した繊維体を適当な長さに
切断するか、又は該繊維体を予め所望のＦＲＭ製品に応
じた大きさ、形状の予ｆｌＬ＆形体とし、鋳造型のキャ
ビティ内に配置する。

異なる種類のｍ雌体を組合せて使用してもよい。

又、前記繊維体あるいは予備成形体を溶湯中で製造する
場合には、連続繊維と短繊維、ウィスカ又は粉末のうち
の少なくとも１種とを鋳造型のキャビティ内に配置する
。

この鋳造型を所定温度例えば７００℃〜８００℃に予熱
し２次いでキャビティ内に鋳造型とほぼ同温度に加熱し
た母材金属の溶湯を注入する。

次いで、この溶湯を所定圧例えば４００ｋｇ／ｃｒｎ’
〜９００ｋｇ／ｃｍ’に加圧しながら室温まで冷却して
１１材金属を固化させる。

なお、前記により形成された繊維体あるいは予備成形体
を含む溶湯をキャビティ内で冷却・固化するとＦＲＭ物
品が製造される。又、溶湯に前記ａｍ体を通すか、ある
いは短繊維、ウィスカ又は粉末のうちの少なくとも１種
を含む溶湯中に連続繊維を通し、引上げて固化するとＦ
ＲＭワイヤが製造される。更に必要があれば表面加重や
機械加工を行ってもよい。

本発明に用いる連続Ｉａ維やこの表面に付着させる短繊
維、ウィスカ又は粉末及び金属母材は市販品をそのまま
使用することができる。

第１図に本発明の繊維強化金属の一例を示す。図中、１
３はウィスカ（又は短繊維）、１４は連続繊維、１５は
母材金属を示し、連続繊維１４の間隙にウィスカ１３が
配置され、残る空１？＋＋に母材金属１５を充填した構
造を有する。ウィスカ１３の種類や性状、付着時の条件
又はウィスカ１３を付着した連続縁＃１４の充填条件な
どを選択すれば、ウィスカ１３を間隙に均一に配置する
こともできるし、又は連続繊維１４の周囲に集中的に配
置することもできる。ウィスカ１３によって母材金属１
５は強化されるが、更に強化するために元素添加するこ
とも可能である。この場合、母材の合金組成は限定され
るものではない、連続繊維１４の間隙にウィスカ１３が
配置されることによって、連続繊維１４同士の接触が防
止される利点があるほか、ウィスカ１３の賃を変えるこ
とによって連続繊維１４の体積率を制御できる。更に、
ウィスカ１３の存在によって連続繊維１４と直角方向の
強度が改善されるために、繊維強化金属のｗ方性が軽減
される。１；Ｉ材金Ｆ＆１５より小ぎい熱膨張係数を有
するウィスカ１３を使用すれば、熱的残留応力が軽減さ
れる効果がある。

すなわち、本発明のＦＲＭにおいては連続繊維に短繊維
などが均一に付着し、且つ該連続繊維が母材金属中に均
一に分布するため、ＦＲＭの強度が向上すると共に、連
続繊維とｆ１１材金属との熱膨張係数の差がより減少し
、熱的残留応力が軽減される。更に詳しく説明すると、
母材金属１５の８膨張係数は連続繊維１４のそれよりも
大きいため、繊維強化金属の冷熱サイクルｒ１荷時に連
続ｔａ維１４と母材金属１５間でずれあるいは剥離が生
ずる。しかしながら、ｉ！１！続繊維１４の繊維間隙に
介在するウィスカ１３の熱膨張係数が母材金属１５のそ
れよりも小さいと、ウィスカ１３が連続ｍ雄１４と母材
金属１５の界面における熱膨張の緩衝材として働き、連
続繊維１４と母材金属１５との熱膨張係数の差が減少す
る。そのため、熱的残留応力が軽減される。更に、耐摩
耗性を有するウィスカ１３を使用することによって耐摩
耗性に優れた繊維強化金属を得ることができる。

（実施例） 以−ド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２図は本発明に用いる強化繊維体の製造装置の一例を
示す。炭化ケイ素ウィスカ（Ｗ均直径約０．２終ｍ、平
均長さ約１００終ｍ）５ｇをエチルアルコール１０００
ｃｃの入った処理槽ｌ中に投入後、超音波付加器２によ
り超音波振動を与えて懸濁させ、処理液３を調整した。

東しく株）製Ｍ４０炭素繊維東Ｃ繊維直径７〜８延ｍ、
繊維数６０００本、サイジング削材）４をポビン５から
巻戻し、超音波を付加させたままで浸漬時間が約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
３中に浸漬しながら通し、次いで圧力ローラ８及び９に
よって押圧した後再びポビン１０に巻取り、室温・大気
中で乾燥させた。

図中、１１はブロワ、１２は乾燥炉を示し、必要に応じ
て使用する。

処理面黒色であったＩａ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、繊維条長さｌｏｍ当り
Ｏ，１５ｇ　（連続繊維に対する体積率２．３％）のウ
ィスカが伺着しているのが判った。

次いで、第４図（Ａ）に示すように、前記方ツノ、によ
り製造した繊維体１６を長さ１５０　ｍ　ｍに切断して
５０本束ね、鋼製パイプ１７中に挿入した０次いで（Ｂ
）に示すように、鋼製パイプ１７をヒータ１８により窒
素ガス中で７６０℃に予熱し、更に（Ｃ）に示すように
鋳造型１９内に配置して、７６０℃に加熱した純アルミ
ニウムの溶湯２０を注入し、パンチ２１を用いて５００
　ｋ　ｇ　／　ｃ　ｍ’　テロ　０秒加圧した。

得られた繊維強化金属の連続繊維の繊維軸線に対して直
角方向の金属組織の断面図を第１図に示す。図から明ら
かなように、連続繊維１４はｌｌｌ金金属１５中均一に
分散され、相互の接触はほとんど認められなかった。又
、繊維間隙には多数のウィスカ１３の存在が確認された
。

実施例２： ）５化ケイ素ウィスカ（実施例１で用いたものと同じ）
と窒化ケイ素ウィスカ（平均直径約０．３用　平均長さ
約２００用ｍ）各５ｇを、第２図に示すエチルアルコー
ル１ｏ００ｃｃの入った処理槽１中に投入後、！音波付
加器２によりＭｉ汗波振動を与えて懸濁させ、処理液３
を調整した。実施例１と同一の炭素繊維束を使用し、浸
漬時間を２０秒とする以外は実施例１と同様の７７法で
ウィスカを付着させた連続繊維体を製造したところ、繊
維東長さ１０ｍ１′！’１リ　０．２ｇ　（連続繊維に
対する体積率３．１％）のウィスカが付着した。

次いで第４図（Ａ）に示すように、前記方法により製造
した繊維体１６を長ざ１５０ｍｍに切断して１００本束
ね、鋼製パイプ１７中に挿入した。次いで（Ｂ）にに、
１（すように、鋼製パイプ１７を窒素ガス中で７２０℃
に予熱し、更に（Ｃ）に示すように、鋳造型１９内に配
置して、７２０℃に加熱した純マグネシウムの溶湯２０
を注入し、パンチ２１を用いて７５０ｋｇ／　ｃ　ｒｎ
’で６０秒加圧した。

得られた繊維強化金属の、連続繊維のａｍ軸線に夕、＋
して直角方向の金属組織の断面図は第１図と同様であり
、ｔ’ａ維間隙には多数のウィスカが認められ、連続繊
維同士の接触は著しく少なかった。

曲げ強さ測定試験： 実施例１と同様の方法を用いて、ウィスカ付着条ヂ［を
変えて本発明の繊維強化金属を製造し、連続繊維の繊維
軸に対して直角方向に対する曲げ試験を行った。結果を
第５図に示す。

ウィスカを付着させた連続繊維を用いた本発明の繊維強
化金属は、ウィスカを用いない従来のｌａ維強化金属に
比べて約２〜５倍曲げ強さが向１−シており、ハイブリ
ッド効果が明確に現われている。又、超音波付加の効果
及び処理液にエタノールを用いる効果も明瞭であり、イ
・１着時の条件を適切に選択することにより大きな曲げ
強さが得られることが判る。

（発明の効果） （−述のように本発明の繊維強化金属は、所定形状の、
連続繊維と、該連続繊維の繊維間隙に介在する短繊維、
ウィスカ又は粉末のうちの少なくとも１種と、母材金属
とからなるものであるため、母材金属中に各々の連続繊
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
着物及び母材金属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ｍ
雄同士の接触が誠少し、且つ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。特に連続繊
維の繊維軸線に垂直な方向の強度が著しく向−１−し、
異方性が改善された。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の繊維強化金属の一例の金属組織の光学
顕微鏡写真、 第２図は本発明の繊維強化金属に用いる強化繊維体の製
造装置の一例の概略図、 第３図は第２図の装置を用いて製造した繊維体における
繊維の形状を示す電子ＷＪ微鏡写真、第４図は第３図の
繊維体を用いて本発明の繊維強化金属を製造する工程を
示す概略図、第５図は本発明の繊維強化金属のウィスカ
付７１条件と曲げ強さ及び従来の繊維強化金属の曲げ強
さを示すグラフである。 図中、 ｌ・・・処理槽 ３・・・処理液 ５．１０・・・ボビン ８．９・・・圧力ローラ １２・・・乾燥炉 １４−を続ｊａｍ １６・・・繊維体 １８・・・ヒータ ２０・・・溶湯 ２・・・超音波付加器 ４・・・炭素繊維束 ６．７・・・［１１動ローラ １１・・・ブロワ １３・・・ウィスカ １５・・・母材金属 １７・・・パイプ １９・・・鋳造型 ２１・・・パンチ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）炭化ケイ素、窒化ケイ素、アルミナ、シリカ、ア
   ルミナ−シリカ、ジルコニア、ベリリア、炭化ボロン、
   炭化ケイ素、炭化チタン等のセラミック、炭素、金属、
   金属間化合物等の耐熱性物質より選択された少なくとも
   １種からなる連続繊維と、 該連続繊維の繊維間隙に介在し、該連続繊維の一本一本
   に均一に付着してなる炭化ケイ素、窒化ケイ素、アルミ
   ナ、シリカ、アルミナ−シリカ、ジルコニア、ベリリア
   、炭化ボロン、炭化ケイ素、炭化チタン等のセラミック
   、炭素金属、金属間化合物等の耐熱性物質より選択され
   た少なくとも１種からなる短繊維、ウィスカ又は粉末の
   うちの少なくとも１種と、 母材金属とからなり、 該短繊維、ウィスカ又は粉末の熱膨張係数が該母材金属
   の熱膨張係数よりも小さく、且つ該連続繊維が該母材金
   属中に均一に分散してなることを特徴とする繊維強化金
   属。
2. （２）連続繊維の長手方向にわたり少量の短繊維、ウィ
   スカ又は粉末のうちの少なくとも１種が均一に付着し、
   且つ該連続繊維同志の接触がほとんどないことを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の繊維強化金属。
3. （３）繊維強化金属のいかなる断面においても、連続繊
   維の体積率が実質的に一定であり、且つ該連続繊維同志
   の接触が実質的にないことを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の繊維強化金属。
4. （４）短繊維、ウィスカ又は粉末のうちの少なくとも１
   種の連続繊維に対する体積率が１〜９％であることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の繊維強化金属。