JPH03174360A - 成形用治具材料及び成形方法 - 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〕 本発明は成形用治具材料に関する。更に詳しくは、繊維
と樹脂、繊維特に炭素繊維と炭素、繊維とセラくツク等
の複合材料の真空、加圧成形を行う際に使用する母型用
材料に関する。

〔従来の技術〕

近時、航空機、自動車等の構造材としては、強化プラス
チック（以下ＦＲＰという）等の複合材が多く用いられ
、製造方法としては真空バッグ−オートクレーブが主流
を占めている。この際の型材（母型）としては、鋼材、
アルミニウム、ジュラルミン、ＦＲＰが使われている。

然しこれらの型材には下記の利点と欠点があった。即ち
金属系型材は不浸透性が大きく、且つ壊れにくいという
利点を有するが、一方欠点としては、 （ｉ）重い、特に大型の場合３〜４　ｔｏｎ程度もあり
、取扱が大変である。

（ｉｉ　）その結果、付属設備は構造、強度の点からこ
れに耐える必要があり、高強度、大型のものが必要とな
って来る。

（ｉｉｉ　）母型としての精密加工が難しく、母型加工
費が嵩む。

（ｉｖ　）炭素材と金属型との熱膨張係数（以下ＣＴＥ
という）との差が大きくこのためヒビ割れが生ずる。

（ｖ）型表面に離形処理を施す必要がある。

等が挙げられる。

またＦ　ＲＰ　７．１合材を型材とした場合には、利点
として不浸透性、軽重最長゛び壊れにくい等が挙げられ
るが、他面、欠点として、熱膨張特性に異方性があり、
高価で精密加工しにくい等が挙げられる。

このような従来の材料の欠点を補うべく、現在炭素材を
母型とする成形方法が提案されるに至っている。

炭素材を成形用型材即ち治具として使用した場合、利点
としては、軽い（金属に比べ平均４分の１）、加工性が
容易である、熱膨張係数（Ｃ，Ｔ、ε、）が小さく製品
の寸法精度が良好である、離型性が良い、熱伝導率がＦ
ＲＰに比べて良好である、耐熱性が良好である等が挙げ
られるが、一方欠点としては、 （イ）金属やＦＲＰ材に比べ脆く、壊れ易い。

（ロ）表面が柔らかく、粉が出易い。これは作業環境の
低下と、製品の汚染に影響する。

（ハ）不浸透性ではない。浸透性であると、真空、加圧
底形用の母型として用いると、被成形材料が炭素材の微
細な細孔内に浸透し、離型性が悪くなると共に、製品の
肌合いが悪くなり、また加工を繰り返した場合型そのも
のの寿命も著しく短くなる。

等の欠点が挙げられる。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は、前記の炭素材の利点を生かしつつ、上記の欠
点即ち、粉が発生する、不浸透性材料ではない欠点を補
い、完全に近い成形用治具を得ることである。

〔課題を解決するための手段〕

この課題は炭素材の表面に含窒素系樹脂又は（及び）芳
香族系樹脂を塗布、含浸後硬化せしめて得られる材料を
この種成形用型材料として使用することにより解決され
る。

さらにはまた、硬化せしめた材料を史に高温で上記樹脂
層を焼成、炭化せしめることにより、更に一段と好まし
い特性を有するものとなる。

〔発明の構成並びに作用］ 本発明に於いては、炭素材に含窒素系樹脂及び芳香族系
樹脂の少なくとも１種を塗布または含浸し、これを硬化
せしめ、更に必要に応じ炭化せしめた材料をこの種成形
用型材即ち治具として使用するものである。

本発明に於いて使用される含窒素系樹脂としては、代表
例としてボリイよド系樹脂が例示でき、この際のポリイ
ミド系樹脂としては、通常ポリイミド樹脂として知られ
ているものが使用され、たとえば、ポリイミドカプトン
、ボリイξドアξドを例示出来る。また含窒素系樹脂と
してはその他ポリアクリロニトリルも含まれる。好まし
いポリイミド系樹脂としては加熱硬化後に六角面状の高
分子配向をなすものが好ましく、その軟化点は合成樹脂
中最も高い樹脂の範晴に入るものである。

好ましい具体例を挙げると以下の通りである。

（東し−デュポン社製） 芳香族系樹脂として、は、広く各種のものが使用される
が、特にポリフェニレンオキサジアゾール（ｒＰＯＤＪ
　：　松下技研製）　、ポリフェニレンビニレン（ｒＰ
ＰＶＪ　：住友化学？り等が挙げられる。

このような樹脂を炭素材に塗布、含浸せしめ、昇温、硬
化せしめる。

塗布の方法は、刷毛塗り、スプレー吹付法、漬浸法枠任
意の方法が採用される。樹脂塗布層の厚さは、全面を覆
うに足る最小１４１２の厚さで良く、塗布後硬化せしめ
た硬化膜の厚みとして通常５〜２００μｍ好ましくは１
０〜５０μｍである。余りに厚きに過ぎると寧ろヒビ割
れ、剥離等の弊害が生じ好ましくない。樹脂自体は、そ
の浸透外によって炭素材の表層付近に含浸されるが、必
要に応じて、表面に樹脂を塗布後、外部より数〜数十ｋ
Ｂ／　ｃ＋ｆｌの圧力をかけて強制的に深部にまで圧入
せしめる方法も採られる。

樹脂の塗布及び含浸操作の後、昇温、硬化処理が行われ
る。硬化の条件は、樹脂の種類によって多少変化するが
、２００°Ｃ〜４００℃の範囲が適当である。

樹脂は硬化処理前は粘稠な液状であるが硬化後には、炭
素材の表層付近の細孔内に拡散浸透して硬化するので樹
脂層のアンカー効果により、樹脂層は炭素材に強固に接
合する。

また硬化前の樹脂層は表面張力により、平滑に炭素材の
表面を覆い、硬化処理後もその緻密な平滑さを失わない
。

このような昇温、硬化させた段階でも充分通常の成形加
工、例えば１５０〜２５０°Ｃ前後の温度で炭素繊維ま
たはガラス繊維と合成樹脂例えばポリエステル、フェノ
ール系Ｗ脂、フルフリールアルコール系樹脂、エポキシ
樹脂等の成形加工の母型として使用できる。

基材である炭素材の耐熱性、軽量性、熱伝導性等に加え
て、ポリイミド系樹脂層による不浸透性、防塵性、耐熱
性、離型性、平滑性によって、従来の炭素材そのままを
加工用母型とした場合の欠点を悉く解決することが出来
る。

しかし最近の技術の進歩により、より耐熱性の高い樹脂
が開発されると共に、要求される複合材料に対する期待
値も大きくなり、その成形条件も益々厳しいものが要求
されている。

このような要求に対しては本発明にかかる成形用治具材
料を更に高温処理し、表面のポリイミド樹脂を炭化せし
めることにより、より高い温度での成形条件に耐えるこ
とができる。

即ち１１１記の方法により、炭素基材の表面にポリイミ
ド樹脂を塗布、含浸せしめた’ｆｒＡ料を、昇温、硬化
せしめた後、更に８００〜１１００°Ｃに昇温して樹脂
層を炭化せしめた母型を用いることにより解決される。

前記のポリイミド系樹脂層は、好都合にも、昇温、炭化
後も気泡の発生もなく平滑性を失わず、充分な不浸透性
を有する。

またアンカー効果により、樹脂が炭化した層と炭化基材
との剥離も起こらず、耐熱性も充分で約４００°Ｃの高
温成形にも耐えることが出来る。

耐熱樹脂を塗布若しくは含浸せしめるべき基材たる炭素
材については、後記実施例１〜６にも示した通り等方性
炭素材を用いることが望ましい。

等方性炭素材は、通常の炭素材と異なり、方向性を有せ
ず、Ｘ５ＹＳＺ軸全ての方向について、物理的、機械的
、電気的性質がほぼ均等であり、この性質は特に本発明
に於いては、 ■熱膨張係数が各方向に均等であること、■製品である
炭素／炭素複合材（ｃ／ｃ）又は炭素／樹脂複合材（Ｃ
ＦＲＰ”）と膨張係数が金属型よりも近いので、ヒビ割
れ等の欠陥を生じないこと、 ■母型を切削、加工する場合、金属と同様に自由に機械
工作が出来ること、 等の利点を有し、好都合である。

また基材とする炭素材として、炭素／炭素複合材を用い
ることも出来る。この炭素／炭素複合材自体は、常法に
よって調製したもので良く、例えば、（イ）炭素長繊維
を捲回したもの、布状に織ったもの、不織布、三次元状
に織ったもの、短繊維（ごルド）、ウィスカー状のもの
等、（口〉これにフェノール樹脂、フルフリルアルコー
ル（又は低重合物）樹脂等を含有せしめプレカーサー状
にしたもの、（ハ）常法にまり昇温、炭化、焼成黒鉛化
したものなどを例示出来る。

〔実　施　例〕

以下に本発明にかかる材料を成形用母型材として使用し
た場合の具体的な例を示す。

実施例１〜６ 成形用型製作用基材として、東洋炭素性等方性黒鉛材Ｎ
に１１Ｊを用いた。

ｒｌｃ；ＩＩＪの基本的物性は下記の通り。

この炭素材は金属に比べて、比重は約Ａと軽く、熱膨張
係数は小さく、且つ等方性であるため、寸法安定性も良
好であるが、ガス透過性（に）が１０−　’　ｄ／秒と
大きく、触ると炭素の粉が付着する。

この炭素材に、前記例示のＵワニス（宇部興産型）を所
定の厚さに塗布した後、所定の温度で熱処理した。

熱処理条件及び得られた試料のガス透過率の測定結果を
下記第１表に記す。

（注）昇温速度は４００”Ｃ／時にて実施ガス透過率は
次式により求めた。

第１図に測定装置を示す、試験片はφ３０×７ｔ（ｍｓ
）寸法である。先ずチャンバー（１）を真空にした後チ
ャンバー（１）に所定のＮ２ガスを導入し、チャンバー
（２）の圧力変化を読み取る。

これ等を下記式■ により計算してＫを求めた。

但し、第１図中（３）は試料、（４）はゴムパツキン、
（５）は圧力センサーで、レコーダー（６）と接続して
いる。また（７）はＮ２導入口、（８）は排出口であり
真空ポンプと接続している。（９）は圧力センサーで、
レコーダー０ωと接続している。（１１）は排出口であ
り、真空ポンプと接続している。

樹脂層または炭化樹脂層の膜厚は１０〜２０μｍ。

いずれもガス透過性（Ｋ）は、樹脂塗布、硬化又は炭化
処理によって、著しく原基材より低くなり、不滲透性と
なっていることが判る。

このことは、後に記す真空、加圧成形加工処理に用いた
場合に、良好な前型性と表面が平滑な美しい製品が得ら
れることを意味する。

また型の取扱も軽く、触っても粉の付着は認められなか
った。

実施例７ 実施例６で得られた成形用母型を用いて、第２図に示す
装置を用いて、真空、加圧高温成形を行った。

成形条件：底形圧力　　　６〜７　ｋｇ／　ＣＩδ威形
底形　　　２００″Ｃ 成形サイクル　３時間 成形物　　　　航空機翼 但し第２図中（２１）はバッグフィルム、（２２）は型
、（２３）はシール材、（２４）はプレプレグを示し、
矢印Ａは加圧用空気導入、矢印Ｂは真空ポンプでの吸引
を示す。

実施例８ 実施例１〜６のいずれかの例の方法により、先ず母型を
製作する。但しこの際炭素剤としては等方性炭素材を用
いた。この母型を用いて、第２の型を製造する例を第３
図を用いて説明する。第３図（八）は第２の型を製造す
る場合を、第３図（Ｂ）はこの第２の型を用いて炭素／
樹脂複合体（ＣＦＲＰ）を製造する場合を、第３図（Ｃ
）は得られたＣ　Ｆ　ＲＰを示す。先ず第３図（Ａ）に
示す通り、母型（３１）に離型剤（３２）を介して炭素
／樹脂プレプレグ（３３）を配置し、耐熱シート（３４
）で被覆する。但しく３６）は加熱用抵抗体、（３７）
は電源ターミナル、（３８）は母型（３１）の表面に形
成された耐熱樹脂の炭化層である。プレプレグとしては
フェノール樹脂に炭素繊維を含浸せしめたものを用いた
。

母型（３１）側から矢印へで示す様に吸引すると、プレ
プレグ（３３）は可撓性の耐熱性シー）　（３４）を介
して、大気圧（矢印Ｂで示す）により圧着され、母型と
同じ形状になる。その後、全体を１６０〜４００°Ｃに
昇温せしめるとプレプレグは硬化し、母型から取り外し
ても形状は変化しない。昇温方法は全体を密閉室に入れ
、抵抗体に通電する方法と、炭素母型自体を抵抗体とし
て、通電、発熱せしめる方法が適宜採用される。離）１
す剤（３２）としては、ＢＮシート又は、フッ素樹脂シ
ートを用いることが好ましい。

硬化した炭素／樹脂（Ｃ１；’ＲＰ）プレプレグ（３３
）は、取り外した後、更により高い温度、例えば６００
〜ｉ　ｏ　ｏ　ｏ　’ｃに昇温して樹脂を炭化せしめる
。次いでポリイ稟ド樹脂（Ｕワニス）を実施例１〜６と
同様の方法により塗布、昇温、炭化せしめる。かくして
第２の母型が製造される（プレプレグが一体化され第２
の母型となる）。

この第２の母型（３９）を用いて第３図（Ｂ）に示す通
り、炭素／樹脂（ＣＦＲＰ）（４０）を第３図（Ａ）と
同様の方法により成形する。かくして第３図（Ｃ）に示
す製品（４１）が製造される。但し図中（４２）は耐熱
性樹脂の炭化層である。

但し、第３図（Ｂ）及び（Ｃ）に於いて得られる製品（
４１）は、加熱処理してｃ／ｃ材に転換せしめる必要あ
るときはフェノール樹脂、フルフリルアルコール低重合
物等を用いるが、その必要のないときは、炭素繊維と共
にエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂系のような、より耐熱
性が高く、炭素繊維と接着力の強い樹脂を用いたプレプ
レグを用いることが多い。硬化に必要な温度まで昇温せ
しめた・後、ｃ／ｃ型材より外される。

この方法による場合、炭素母型を用いる人工程の方法で
、数十個のｃ／ｃ母型を製作し、そのｃ／ｃ母型を用い
たＢ工程の方法で回持並行して、ＣＦＲＰ製品を作るこ
とが出来るので、同一型の製品を複数場所で量産するこ
とが出来る特徴がある。

〔効　　果〕

従来の金属型に比べ膨張係数の著しく低い炭素材を用い
その表面にポリイミド樹脂系 後硬化、必要によりこれを部分または全部炭化して得ら
れた炭素材治具型を用いることにより、（Ａ）極めて寸
法安定性の優れた成形体が得られたこと。

（Ｂ）より高温処理を要する樹脂を用いた成形加工が可
能となったこと。

（Ｃ）細孔の多い多孔性材料である炭素材の欠点であっ
た浸透性をポリイミド系樹脂コート法により、実用上差
し支えない程に不透過性に改質し得たこと、その結果と
して、極めて平滑な表面を持つ製品と、良好な離型性が
得られたこと。

（Ｄ）製品に対し戻粉の付着・トラブルが解消されたこ
と。

（Ｅ）　Ｍ型性と炭素の熱伝導度の良さとの相乗効果に
より加工サイクル時間が従来の金型の場合よりも著しく
短縮され、特に製品離型後の型のパリ掃除は殆ど不要で
、作業性が良好となり、型の繰り返し連用性も向上した
ので経費節減にも効果があること。

（Ｆ）　Ｍ産効果が挙げられること。

等が判明した。

【図面の簡単な説明】

第１図はガス透過性を測定する際に使用する測定用装置
の１例を示し、また第２図は本発明加圧成形用型を用い
て加圧成形する際に使用する装置の一例を示す、また第
３図は本発明治具を用いて底形する最の工程を模擬的に
図示した図面である。 １・・・チャンバー　　　２５・・・受は台２・・・チ
ャンバー　　　２６・・・穴３・・・試　料　　　　　
２７・・・オートクレーブ４・・・ゴムパツキン　　３
１・・・母型５・・・圧力センサー　　３２・・・離型
剤６・・・レコーダー　　　３３・・・プレプレグ７・
・・Ｎｔ導入口　　　　３４・・・シート８・・・排出
口　　　　　３５・・・ＣＦＲＰ９・・・圧力センサー
　　３６・・・抵抗体１０・・・レコーダー　　　３７
・・・電源ター主ナル２１・・・バッグフィルム　３８
・・・耐熱樹脂炭化層２２・・・型　　　　　　　３９
・・・第２の母型２３・・・シール材　　　　４０・・
・ＣＦＲＰ２４・・・プレプレグ　　　４１・・・製品
（以　上） 第 図

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）炭素材料を基材とし、この表面に含窒素系樹脂及
   び芳香族系樹脂の少なくとも１種を塗布、又は含浸せし
   め、硬化せしめて得られる材料を成形用母型として用い
   ることを特徴とする成形用治具材料。
2. （２）炭素基材として等方性炭素材を用いることを特徴
   とする請求項（１）の材料。
3. （３）炭素基材として、炭素／炭素複合材を用いること
   を特徴とする請求項（１）の材料。
4. （４）表面に塗布又は含浸せしめた樹脂を硬化後更に炭
   化することを特徴とする請求項（１）に記載の成形用治
   具材料。
5. （５）請求項（１）乃至（４）のいずれかの治具材料を
   用いて成形することを特徴とする成形方法。
6. （６）基材として用いる炭素材に通電して、被成形体を
   加熱、硬化せしめることを特徴とする請求項（５）の成
   形方法。