JPH03284937A - 繊維強化複合材料の成形方法及び装置 - 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］ 軽量性と高強度を有する繊維強化複合材料は、航空・宇
宙・海洋等先端的技術分野において重視されている。こ
の分野では、繊維の強度を最大限に利用するために、製
品の形状とその部位に作用する外力に応じた繊維配列と
輪郭を有するよう立体的に賦形されたニアネットシェー
ブの織物や。

縦、横、垂直方向など多軸方向に繊維が配列した三次元
多軸織物（以下、これらを総称して立体織物という。）
の製織技術、及びこれに樹脂などのマトリックスを一体
化させて所要の立体的形状に成形する技術の確立が望ま
れている。

このような複合材料の成形技術によれば、裁断や接合の
手段を用いずに、曲面や凹凸を有する複雑な形状の成形
と、製品の部位に作用する外力に応じた繊維配列を可能
とし、得られる複合材料に成形物としての欠陥がなく、
過度の負荷条件のもとでの物性に対する高い信頼性を得
ることができる。

本発明は、上述の立体織物の輪郭形状と繊維配列を保持
した状態で、立体織物を構成する繊維とマトリックスと
の一体化と製品化のための成形を可能にした繊維強化複
合材料の成形方法及びその装置に関するものである。

［従来の技術］ 繊維を強化材料（基材）とした繊維強化複合材料は、熱
硬化性樹脂をマトリックスとしたＦＲＰ及び熱可塑性樹
脂をマトリックスとしたＦＲＴＰに大別され、これらの
成形には樹脂の特性や基材の構成条件（ロービングや織
物の積層状態など）及び成形品の大きさに応じた成形法
が用いられている。その中で最も一般的成形法としては
、加熱した雌雄一対の金型の凹部（キャビティ）内に。

強化繊維と樹脂などのマトリックスからなる素材（以下
、被成形体という。）を入れ、金型をブレスの定盤間に
挟んで加熱・加圧して賦形後、型開きして成形品を取り
出す金型圧縮成形法が、比較的に形状が単純な製品の成
形に用いられている。

例えば、ＦＲＴＰにおけるプレス成形法、スタンピング
法、サーモフォーミンク法は、基本的にこの金型圧縮成
形法に準じたものである。

また、上記の金型による圧縮に代えて、金型の凸側をそ
の型と同じ形状をしたフレキシブルな幕（バッグ）によ
って形成し、金型とこのバッグとの間で、バッグ側から
空気、水、油等による流体圧を作用させて成形を行う金
型−バッグ式加圧バッグ法、金型部及びバッグ部を加熱
・加圧容器内に収容して成形を行うオートクレーブ式等
の加圧バッグ法も用いられている。

しかしながら、対向する金型内または金型とバッグ間の
押圧作用により成形を行う上記の金型圧縮成形法または
加圧バッグ法によって、成形体の厚さの方向に繊維を配
列した立体織物の成形を行うときは、特定の方向（例え
ば厚さ方向）のみから圧力を与えるため、与圧方向即ち
金型及びバッグが対向する方向に配列した繊維がその与
圧方向に極端に変形（座屈）することになり、有効な三
次元的繊維配列効果を得ることができない。

また、加圧バッグの場合、繊維組織へのマドノックスの
圧入及び型に沿った形状に賦形するために、被成形体を
フィルムなどの薄膜で芭封することが必要となり、比較
的に革純な形状の成形物に限定されている。しかも、成
形に際して１層間ボイドの除去、マトリックス硬化中の
加圧の均一化、成形精度の表面粗度の維持などを目的と
して、上記のフィルムの他に、多くの副資材を必要とす
る。

さらに、近年、超音速機などにおいて耐熱性の高い成形
体が要求されており、この分野では成形体の成形温度の
高温域化に加えて、成形体の大形、複雑化に対する成形
の要請が大であり、従来の金型圧縮成形法及び加圧バッ
グ法では、成形体の治具（金型）との熱膨張の差による
成形寸法の精度の低下や、加圧バッグの耐熱性の限界な
どのため、これらの要請に応えることが困難になってき
ている。

［発明が解決しようとする課題］ 立体織物を強化材とする複合材料の成形においては、材
料の厚さの方向などの特定方向に配列した繊維に、配列
状態の変化や座屈等の変形を生じさせることなく、三次
元的繊維の配列効果を得ることが必要である。

本発明の技術的課題は、成形のための加熱・加圧に際し
て、適切な加熱・加圧媒体の利用により繊維の配列状態
の変化や座屈等の変形を生じさせることなく、立体的複
雑形状の複合材料を成形する方法及び装置を提供するこ
とにある。

また、本発明の他の課題は、成形のための加熱・加圧に
際して、バッグ等の成形用副資材を不用とすることによ
り、高温域の成形を可能にすると共に、成形品の形状の
精度を高めた複合材料の成形方法及び装置を提供するこ
とにある。

［課題を解決するための手段・作用］ 上記課題を解決するための本発明の繊維強化複合材料の
成形方法は、強化繊維と、熱可塑性または熱硬化性のマ
トリックスからなる立体織物状の被成形体を、液状の加
熱・加圧媒体中に浸漬した状態で、その加熱・加圧媒体
によりマトリックスの融点以上または硬化反応開始温度
以上に加熱すると共に加圧し、被成形体に全方位から上
記媒体による静水圧を直接作用させることにより、強化
繊維間へマトリックスを圧入して複合材料の成形を行う
ことを特徴とするものである。

マトリックスとして熱可塑性のものを用いる場合に、上
記被成形体としては、強化繊維とその強化繊維の繊維間
を埋める繊維状のマトリックスとを多軸方向に配列して
製織した立体織物を用いることができる。

また、本発明の成形装置は、強化繊維とマドノックスか
らなる被成形体を加熱・加圧媒体と共に収容する耐圧容
器と、上記加熱・加圧媒体を。

それ自体の融点以上で、且つマトリックスの融点または
硬化反応開始温度以上に加熱する加熱手段と、上記加熱
・加圧媒体を必要な成形圧力に加圧する加圧手段とを備
え、強化繊維間へマトリックスを圧入して複合材料の成
形を行うことを特徴とするものである。

さらに具体的に説明すると、本発明に係る複合材料の成
形において、マトリックスとして熱可塑性材料を用いる
場合には、被成形体として、炭素繊維、金属繊維、また
はセラミックス繊維などの強化繊維と、その強化繊維の
繊維間を埋めて繊維相互を接合するためのマトリックス
となる繊維（以下、マトリックス用繊維という。）とを
混繊してなるフィラメントまたはロービング状の繊維束
（コミングルトヤーン）、あるいは強化繊維をマトリッ
クスで被覆した繊維（ジ−ストヤーン）の繊維束を多軸
方向に配列して製織した立体織物が好適に用いられる。

また、必要に応じて、それらの繊維の間にマトリックス
用繊維と実質的に同質のマトリックス用粉体を介在させ
たものを用いることもできる。このマトリックス用粉体
は、繊維から構成される被成形体の繊維間の空隙をマド
Ｊ・ンクスによって十分に充填するために用いるもので
ある。マトリックスとして用いる熱可塑性樹脂としては
、例えば、ポリアミドやポリエーテルエーテルケトン（
ＰＥＥＫ）　等が適している。

また、マトリックスとして熱硬化性の材料を用いる場合
には、炭素繊維、金属繊維、またはセラミックス繊維な
どの強化繊維の繊維束に未硬化状態（所謂Ｂステージ状
態）にあるエポキシ樹脂などを予め含浸したヤーン状の
プリプレグを用い。

それを立体的に製織した立体織物が被成形体が好遣に用
いられる。

以下においては、上記マトリックス用繊維やマトリック
ス用粉体、並びにプリプレグなどにおける未硬化状態に
ある樹脂を総称してマトリックス用素材と呼ぶ。

このような強化繊維とマトリックスからなる立体織物状
の被成形体は、予め乾燥した後、耐圧容器内において溶
融状態とした金属などの加熱・加圧媒体で加熱すると共
に加圧し、熱可塑性のマトリックス用素材を溶融したの
ち、それを加圧固化し、またマトリックスが熱硬化性の
樹脂である場合には、加熱・加圧媒体により硬化反応開
始温度以上に加熱すると共に加圧して硬化させる。

加熱・加圧媒体による加圧過程においては、被成形体に
静水圧による全方位からの圧力が直接作用するため、強
化繊維間へマトリックスは圧入されるが、被成形体には
特定の方向の繊維の配列状態の変化や座屈等の変形を生
じることなく、加鈷・加圧媒体中への配設時に賦形され
ていた形状を保持した状態でｌｆｆ１形される。

上記被成形体においては、必要な強化繊維と、瀉融時に
おいて強化繊維との濡れ性の良好なマトリックス素材（
強化繊維との接触角が小さい材質）が用いられる。

一方、加熱・加圧媒体には、強化繊維及びマドノックス
用素材との濡れ性の少ない材質（金属等の接触角の大き
な材質）が選択される。また、加熱下にあっても被成形
体を構成する強化繊維及びマトリックス用素材と化学的
に安定な性質を有し、溶融温度の比較的低い低融点材料
が適し、低融点金属としては、例えば、鉛、または鉛と
錫とビスマスとの合金などが使用される。即ち、加熱・
加圧媒体としては、被成形体を構成する素材との表面張
力の差が大きく、高温においてもそれ自体及び対被成形
体との関係において化学的に安定な材料が使用上好適な
ものとして選定される。

上記の条件に沿って、強化繊維、マトリックス用素材及
び加熱・加圧媒体を選定し、マトリックス用素材を加熱
、加圧するとき、流動可能な状態にあって強化繊維との
濡れ性が高いマトリックス用素材は１強化繊維間に圧入
されてマトリックスを形成し、強化繊維と複合化される
。この際、表面張力が大きく強化繊維との濡れ性の低い
加熱・加圧媒体は、溶融状態にあっても微細な繊維間の
空隙には流入せず、強化繊維とマトリックス用素材か、
らなる被成形体を外部から静水圧により加圧するように
作用し、従って被成形体が変形することなく予め賦形さ
れた形状に成形される。また、被成形体に対する加熱・
加圧媒体による加圧が静水圧によって行われるため、溶
融状態にあるマトリックス用素材が強化繊維間の微細な
空隙を埋めるような流動を行うことによって、被成形体
の外周に強化繊維が突出しても、織物などの繊維組織体
を金型でｍ械的に加圧する際に見られるような繊維の座
屈等の変形は生じない。

このような本発明の成形方法は、マトリックスとして上
記熱可塑性の材料を用いる場合、加熱・加圧媒体の融点
がマトリックス用素材の融点より低い場合と、高い場合
において若干の別異の配慮を必要とするので、以下にそ
れらに特有の問題を個別的に詳述する。

まず、加熱・加圧媒体の融点がマトリックス用素材の融
点より低い場合には、耐圧容器内において加熱されて溶
融状態にある加熱・加圧媒体中に被成形体を浸漬し、加
熱・加圧媒体を介して被成形体中のマトリックス用素材
の融点以上に被成形体を加熱し、マトリックス用素材を
溶融した状態で、加熱・加圧媒体を加圧し、被成形体に
静水圧を加える。この過程で、溶融されたマトリックス
用素材は加熱・加圧媒体の静水圧による圧入作用により
強化繊維の各繊維間に均一に分布するように流動し、強
化繊維と一体化される。

さらに、この状態で、加熱・加圧媒体の温度をマトリッ
クス用素材の融点より低く、且つ加熱・加圧媒体の融点
より高い範囲に保持することにより、マトリックス素材
は強化繊維と一体化された状態で固化され、複合材料が
形成される。

次に、加熱・加圧媒体の融点がマトリックス用素材の融
点より高い場合における成形動作について述べる。

この場合には、被成形体の成形に先立って、適宜な手段
により、被成形体の形状に忠実な反転像のキャビティを
有する仮型を固化状態の加熱・加圧媒体により作成し、
仮型のキャビティ内に被成形体を配設した後、耐圧容器
内において加圧することなく仮型を加熱して溶融させ、
仮型が完全に溶融したのち、所要の圧力のもとで加圧す
る。加熱・加圧媒体により作成した仮型が溶解に至るま
での過程において、仮型の状態にある加熱・加圧媒体を
介して加熱された被成形体の温度が、マドノックス用素
材の融点以上に達したときには、マトリックス用素材が
溶融し、マトリックスとして強化繊維間へ流動し始める
。さらに、仮型を溶融するまで加熱し、加熱・加圧媒体
が溶融状態となったときには、加熱・加圧媒体を加圧し
、被成形体に静水圧を加える。この段階で、溶融された
マトリックス用素材は、加熱・加圧媒体の静水圧による
圧入作用により強化繊維の各繊維間に均一に分布するよ
う流動し、強化繊維と一体化される。

その後、加熱・加圧媒体の温度をマトリックス用素材の
融点より低い範囲に保持すると、マトリックス素材は強
化繊維と一体化された状態で固化され、複合材料を形成
する。この段階で、冷却時に大きな熱膨張を示す加熱・
加圧媒体を利用することは、被成形体の高密度化や高精
度化を得るのに効果的である。

上記の成形過程では、■加熱・加圧媒体が仮型の形状を
保持し、マトリックス用素材が溶融状態にある段階、■
溶融状態となった加熱・加圧媒体を加圧し、被成形体に
静水圧を加える段階、及び■加熱・加圧媒体の温度をマ
トリ１．クス用素材の融点より低い範囲に保持してマト
リックスを固化し、強化繊維と一体化して複合材料を形
成する段階、を経過するが、各段階の温度及びその保持
時間、成形圧及びその保持時間は、各段階での作用と、
被成形体の素材の特性を考慮した最適値が採用される。

次に、被成形体を構成するマトリックス用素材が未硬化
の熱硬化性樹脂の場合における成形動作について説明す
る。

この場合には、被成形体の成形に先立って、適宜な手段
により、溶融状態とした加熱・加圧媒体または上述の仮
型のキャビティ内に被成形体を配設し、マトリックス用
素材が硬化反応を開始する温度以上に、加熱・加圧媒体
を介して加熱し、同時に溶、融状態とした加熱・加圧媒
体による静水圧をマトリックス用素材の硬化反応が終了
するまで加え、成形を完了する。この後、必要に応じて
成形歪除去等のための徐冷を行う。

［実施例］ 以下に１図面を参照して本発明の繊維強化複合材料成形
装置の実施例について説明する。

第１図（一部断面図）に示す成形装置において、強化繊
維とマトリックス用素材からなる被成形体ｌを加熱・加
圧媒体２と共に収容する耐圧容器３には、（６融した加
熱・加圧媒体２に静水圧を加えるための加圧手段として
、圧力導入口４を設けている。さらに、この耐圧容器３
内または耐圧容器３とは別に、図示していないが、マト
リックスの融、ｌｐ、または硬化反応開始温度以上に加
熱する加熱手段が設けられる。図中、５は被成形体１と
加熱・加圧媒体２との比重差による浮力で被成形体ｌが
移動するのを防止する支持用具を示している。

上記構成を有する成形装置は、耐圧容器３を加熱手段に
よって加熱し、加熱・加圧媒体２を介して、被成形体中
のマトリックス用素材の融点または硬化反応開始温度以
上に被成形体１を加熱し、その状態で、適宜加圧装置に
より圧力導入口４から加圧流体　（溶融金属、油、空気
等）を導入して加熱・加圧媒体２を加圧し、被成形体１
に静水圧を加えるものである。この過程で、溶融状態に
あるマトリックス用素材Ｃ−１加熱・加圧媒体の静水圧
による圧入作用により強化繊維の各繊維間に均一に分布
するよう流動し、強化繊維と一体化される。

第２図は他の成形装置の実施例を示し、この成形装置に
おいては、強化繊維とマトリックス用素材からなる被成
形体１１を加熱・加圧媒体１２と共に収容する加圧可能
な耐圧容器１３を、加圧手段を構成する機枠１４内に着
脱可能に設置し、スプリング１５によって耐圧容器１３
内の加熱・加圧媒体１２に所要の静水圧を作用させるよ
うにしている。この配圧容器１３内または耐圧容器１３
とは別に加熱手段を設けるのは勿論である。なお、図中
、１６は被成形体１１が移動するのを防止する支持用具
を示している。

この成形装置は、機枠１４におけるスプリング１５によ
って加熱・加圧媒体１２を加圧し、それによって被成形
体１１に静水圧を加える点を除いて、上記第１図の装置
と同様に使用されるものである。

［発明の効果］ 以上に詳述した本発明の繊維強化複合材料の成形方法及
び装置によれば、溶融状態の加熱・加圧媒体を用いて被
成形体を加熱・加圧することにより成形を行うので、被
成形体に含まれる立体織物の繊維配列を乱すことな（、
且つ被成形体の複雑形状のネットシェーブ成形を可能に
するばがっでな（、従来の成形方法において工程の省力
化や高温域化の障害となっていたバッグなどの多種の副
資材を不用とするため、成形工程の単純化、高温域化を
図ることが可能となる。さらに、成形の最終段階の加圧
に金型なとの治具を不用とするため、被成形体と治具と
の熱膨張の差に起因する成形精度のトラブルなどがなく
、寸法や表面状態の精度の高い成形が可能になる。

従って、本発明の方法及び装置は、航空・宇宙・海洋な
ど先端的技術分野において必要とされる軽量性、高強度
、耐熱性を備えた繊維強化複合材料の成形に極めて有効
なものである。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示し、第１図及び第２図はそれ
ぞれ異なる成形装置の実施例を示す一部断面図及び正面
図である。 ｌ、１１・・被成形体、２，１２・・加熱・加圧媒体、
３．１３・・耐圧容器。 第１　区 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、強化繊維と熱可塑性のマトリックスからなる立体織
   物状の被成形体を、液状の加熱・加圧媒体中に浸漬した
   状態で、その加熱・加圧媒体によりマトリックスの融点
   以上に加熱すると共に加圧し、被成形体に全方位から上
   記媒体による静水圧を直接作用させることにより、強化
   繊維間へマトリックスを圧入して複合材料の成形を行う
   ことを特徴とする繊維強化複合材料の成形方法。 ２、請求項１に記載の方法において、強化繊維とマトリ
   ックスからなる被成形体として、強化繊維とその強化繊
   維の繊維間を埋める繊維状のマトリックスとを多軸方向
   に配列して製織した立体織物を用いることを特徴とする
   繊維強化複合材料の成形方法。 ３、強化繊維と熱硬化性のマトリックスからなる立体織
   物状の被成形体を、液状の加熱・加圧媒体中に浸漬した
   状態で、その加熱・加圧媒体によりマトリックスの硬化
   反応開始温度以上に加熱すると共に加圧し、被成形体に
   全方位から上記媒体による静水圧を直接作用させること
   により、強化繊維間へマトリックスを圧入して複合材料
   の成形を行うことを特徴とする繊維強化複合材料の成形
   方法。 ４、強化繊維とマトリックスからなる立体織物状の被成
   形体を加熱・加圧媒体と共に収容する耐圧容器と、上記
   加熱・加圧媒体を、それ自体の融点以上で、且つマトリ
   ックスの融点または硬化反応開始温度以上に加熱する加
   熱手段と、上記加熱・加圧媒体を必要な成形圧力に加圧
   する加圧手段とを備え、強化繊維間へマトリックスを圧
   入して複合材料の成形を行うことを特徴とする繊維強化
   複合材料の成形装置。