JPH0374691B2

JPH0374691B2 -

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Publication number: JPH0374691B2
Application number: JP60124711A
Authority: JP
Priority date: 1985-06-07
Filing date: 1985-06-07
Publication date: 1991-11-27
Also published as: JPS61283625A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、炭素繊維とアルミナ繊維を強化材と
して併用し、合成樹脂、あるいはゴム類から造ら
れたハイブリツド繊維強化複合材料に関するもの
である。

近年、航空宇宙産業、輸送機械産業を始めとす
る多くの産業分野で、さらに、スポーツレジヤー
用などの民生分野で、炭素繊維強化樹脂
（CFRP）、ガラス繊維強化樹脂（GFRP）、アル
ミナ繊維強化樹脂（ALFRP）等の繊維強化樹脂
（FRP）は広く利用されておりその利用分野はさ
らに多岐に拡がりつつある。

一般にFRPは、その強化繊維の特性に従つて、
それぞれ特有の長所、欠点、特徴を有する。例え
ばCFRPは軽量で高強度、高剛性という特長を有
するが、電気伝導性であるので、絶縁性を求めら
れる用途には使用できないし、金属との接合物で
電食という問題を生じる、又炭素繊維は黒いの
で、FRP自体への着色は不可能である。GFRP
は、他のFRPと比較すれば安価で、絶縁性であ
り、着色も可能であるが、剛性がCFRPの1/3と
低く、圧縮強度、疲労働強度も低い。ALFRPは
絶縁性で、着色も可能で、剛性はCFRP並であ
り、圧縮強度も、CFRPより優れるが、引張強度
はCFRPよりも劣り、比重も2.5と、CFRPの1.5
より大きく重い。芳香族ポリアミド繊維強化樹脂
は軽量、高引張強度で、絶縁性であるが、剛性は
CFRP、ALFRPの1/2〜2/3と低く、圧縮強度も
低く、着色もできない。

一方、多くの産業分野、民生分野の技術的発展
にともない、FRPの利用分野も広がつていつた
が、この結果、材料に要求される特性は多岐にわ
たるようになり、さらに、それぞれの特性値の要
求水準も、著しく高度、苛酷となつてきている。

例えば、航空宇宙産業用には、軽量でかつ高剛
性高強度な材料が求められている。この要求に最
も合致する特性を有するものはCFRPであり、実
際にかなり用いられている。しかしながら金属と
の接合物で、電食により金属部分が劣化するとい
う問題があり、CFRPの特性を有してかつ電食の
ない材料が求められている。又、CFRPはその軽
量、高強度、高剛性という特長を生かして、釣
竿、ゴルフシヤフトとして多く用いられている。
しかしながら、CFRPは電導性であるため、高圧
電線との釣竿、釣糸の接触、あるいは釣竿、ゴル
フシヤフトへの落雷による感電事故が起り、はな
はだしい場合は、死亡に至る例も報告され、問題
となつている。さらに釣竿、ゴルフシヤフト等の
民生用分野では、商品価値を高めるため、塗装に
よらず、FRP自体を着色したいという要望があ
るが、これは黒色のCFRPでは望むべくもなく、
又GFRPでは、着色は可能であるが、剛性が不足
で性能的に満足なものが得られない。

本発明者らは、これらの材料に対する相矛盾す
る要求を満たすべく、鋭意研究を重ねた結果、
FRP中の強化繊維の一部をアルミナ質繊維に置
き換えることにより、元のFRPの特性を損なう
ことなく、新しい別個の特性を有する新規な
FRP材料を提供し得ることを見出し、本発明に
至つた。

すなわち、本発明は下記ＡおよびＢの繊維を強
化材とし、合成樹脂および／またはゴム類をマト
リツクスとしたことを特徴とする繊維強化複合材
料。

Ａ：炭素繊維Ｂ：Al₂O₃72重量％以上、SiO₂28重量％以下の成
分からなり、Ｘ線的構造においてα−Al₂O₃の
反射を実質的に示さないアルミナ質繊維を提供する。

本発明によればアルミナ質繊維（繊維Ｂ）の優
れた諸特性を利用し、繊維Ａの強化材の一部をア
ルミナ質繊維に置き換えることにより、繊維Ａで
強化された複合材料の諸特性を損うことなく、さ
らに別個のすぐれた特性を有する新規なハイブリ
ツド型複合材料を提供することが可能である。

本発明について以下に詳述する。

本発明において繊維Ａとして用いられる炭素繊
維は通常市販されているものがそのまま使用し得
る。例えばマグナマイトAS−４（住化ハーキユ
レス(株)製があげられる。

一方、本発明において繊維Ｂとして用いられる
アルミナ質繊維はAl₂O₃72重量％以上、SiO₂28重
量％以下の成分からなり、Ｘ線的構造においてα
−Al₂O₃の反射を実質的に示さないものである。
詳述すればアルミナ（Al₂O₃）含有量が72〜100
重量％、好ましくは75〜95重量％であり、シリカ
（SiO₂）含有量が０〜28重量％、好ましくは２〜
25重量％の組成のものである。またシリカ含有量
の中繊維全重量に対して10％以下、好ましくは５
％以下の範囲でこれをリチウウ、ベリウム、ホウ
素、ナトリウム、マグネシウム、ケイ素、リン、
カリウム、カルシウム、チタン、クロム、マンガ
ン、イツトリウム、ジルコニウム、ランタン、タ
ングステン、バリウムの一種または二種以上の酸
化物で置き換えてもよい。

また該アルミナ質繊維のＸ線的構造においてα
−アルミナの反射を実質的に示さないものが望ま
しい。一般に無機繊維は高温において繊維内に繊
維を形成する無機物の結晶粒子が成長し、これら
結晶粒子間の粒界破壊のために繊維強度が著しく
低下する。この事情は該アルミナ質繊維において
本発明者らの検討の結果によれば、そのＸ線回折
像にα−アルミナによる反射が現われることによ
つて特徴づけられる。従つて本発明に用いられる
アルミナ質繊維はそのＸ線回折像にα−アルミナ
の反射が現われないように製造されたものでなけ
ればならない。

上記のアルミナ質繊維は引張り強度、弾性率は
それぞれ200Kg／mm²、25t／mm²以上の値を有し、繊
維表面が化学的に活性であるので、樹脂、ゴム類
との接着性にすぐれ、従つて強度、弾性率、層間
剪断強度に優れた複合材料を容易に製造し得るも
のである。また、このアルミナ質繊維は、電気絶
縁性であり、無色透明である。

上記のアルミナ質繊維は特公昭51−12736号公
報、同51−13768号公報等に記載された方法で製
造することができる。

本発明において用いられる繊維ＡおよびＢの体
積比率は要求性能によつて異なるが１：１〜
100：１の範囲が好ましい。また複合材料中の繊
維ＡおよびＢの体積含有率は20〜80％が好まし
い。

また、本発明において用いられる繊維の形態
は、炭素繊維である繊維Ａ、アルミナ質繊維であ
る繊維Ｂ共、その使用目的により、通常のFRP
成形に用いられる下記の形態のいずれか、又はそ
れらを組合せたものである。すなわち、チヨツプ
ドストランド、ウイスカーなどの短繊維形状、又
はそれらを不織布としたもの、あるいはストラン
ド、トウ、ヤーンなどの連続繊維、朱子織、平織
などの織物、さらには三次元織物などである。

また本発明に用いられる合成樹脂およびゴム類
としてはエポキシ樹脂、フエノール樹脂、アルキ
ツド樹脂、尿素−ホルムアルデヒド樹脂、メラミ
ン−ホルムアルデヒド樹脂、ポリエステル樹脂、
芳香族ポリアミド樹脂、ポリアミド−イミド樹
脂、ポリエステル−イミド樹脂、ポリイミド樹
脂、ポリベンゾチアゾール樹脂、ケイ素樹脂など
の熱硬化性樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレ
ン、ポリメチルメタアクリレート、ポリスチレン
（いわゆるハイ・インパクト・ポリスチレンも含
む）、ポリ塩化ビニール、ABS樹脂、スチレン−
アクリロニトリル共重合体、ポリアミド（ナイロ
ン６，６・６，６・10，６・11，６・12など）、
ポリアセタール、ポリスルホン、ポリカーボネー
ト、ポリフエニレンオキサイド、ポリエーテルス
ルホン、ポリエーテルエーテルケトンなどの熱可
塑性樹脂、ポリブタジエン、ポリイソプレン、ポ
リクロロプレン、スチレン−ブタジエン共重合体
（SBR）、スチレン−アクリロニトリル共重合体
（NBR）シリコーンゴムなどの合成ゴム類および
天然ゴムをあげることができる。

本発明の新規なハイブリツド複合材料を製造す
る方法としては、FRPを製造する公知であるす
べての方法を用いることができる。

たとえば、ハンドレイアツプ法、スプレーアツ
プ法、シートモールデイングコンパウンド法、バ
ルクモールデイングコンパウンド法、レジンイン
ジエクシヨンモールデイング法、あるいは繊維シ
ートに半硬化させた樹脂を含浸させた連続引揃え
プリプレグ織物プリプレブを用いた、プレス成形
法、オートクレープ成形法、テープラツピング成
形法、さらには、フイラメントワインデイング
法、ブルトルージヨン法、二次元織物、三次元織
物を用いたレジントランスフアーモールデイング
法などがあげられる。

又、本発明の新規なハイブリツド複合材料の形
状は、平板状、パイプ状、長尺ビーム状、タンク
状、各種異形、部品形状など、上記の公知な成形
技術で成形し得る、すべての形状をとることがで
きる。

さらに、強化繊維Ａと強化繊維Ｂは、複合材料
内で均一に分散、混合させて、使用することもで
きるし、複合材料中の強化繊維Ａの一部を局部的
にアルミナ質繊維で置き換えた形で使用すること
もできる。

前者の複合材料中で両強化繊維を均一に分散混
合させる方法としては、例えば下記のような方法
が利用できる。両繊維のチヨツプドストランド、
ウイスカーなどをあらかじめ混合した後、樹脂、
ゴム膜と複合化させる方法、両繊維を樹脂、ゴム
類と混練して均一にした後、賦形硬化させて、
FRP成形体とする方法、強化繊維Ａの織物、三
次元織物を製造する際、その一部をアルミナ質繊
維に置き換える方法、強化繊維Ａを用いた一方向
引揃えプリプレグシートを作成する際、その一部
をアルミナ質繊維で置き換える方法、フイラメン
トワインデイング法、プルトルージヨン法におい
て使用する、複数本数の強化繊維ヤーンの一部
を、アルミナ質繊維のヤーンで置き換える方法、
一本のヤーン中に強化繊維Ａと強化繊維Ｂとを混
合させた混合ヤーンを用いる方法、強化繊維Ａの
プリプレグを積層、硬化成形する際、その一部を
アルミナ質繊維プリプレグに置き換える方法、な
どである。

これらの方法により、その一部にアルミナ質繊
維を用いたハイブリツドFRPとすることにより、
元の強化繊維ＡのみのFRPの特性を損うことな
く、以下のような新しい特性を兼ねそなえた新規
なFRPを製造することができる。

まず、構造要素例えばピンジヨイントとして使
用するCFRPにおいて、ボルト結合部分、ブツシ
ング部分をアルミナ質繊維のFRPとしたものは、
ボルト、ブツシング部分の電食を起こさず、耐水
性、耐塩水性に優れたものとなる。上述のアルミ
ナ質繊維FRPに使用した部分にGFRP、ケプラー
等の有機繊維を使用したものは、電食は起さない
が、いずれも繊維の弾性率が低いため、変形しや
すく、CFRP程のベアリング強度が得られない。
本発明の特徴である高強度、高弾性でかつ電気絶
縁性である、アルミナ質繊維のFRPを用いるこ
とにより、軽量、高強度、高剛性というCFRPの
特長を損うことなく、電食を示さないFRP構造
要素を得ることができるのである。次に釣竿、ゴ
ルフシヤフト等に用いられるパイプ状CFRPの外
層10〜30％をALFRPで置きかえたハイブリツド
FRPパイプは、実質上電気絶縁性であり、又、
ALFRPのマトリツクス樹脂に顔料を混合するこ
とにより、所要の色に着色することが可能であ
り、この色は、表面に塗装したものと異なり、使
用中にはげることがない、又、パイプの曲げ強
度、弾性率も、100％CFRPのものと同様のもの
が得られる。従つて、安全で商品価値の高い
FRPパイプを提供し得るのである。

次に本発明を実施例についてさらに詳しく説明
するが、本発明はこれらによつて限定されもので
はない。

実施例１アルミナ繊維（Al₂O₃含有率85重量％、SiO₂含
有率15重量％、繊維径15μ、引張強度250Kg／mm²、
引張弾性率25t／mm²）を1000本束ねた連続ストラ
ンドを用いて目付500ｇ／m²の朱子織織布を作成
した。この織布にエポキシ樹脂を含浸し、織物プ
リプレグａを作成した。これと炭素繊維織物プリ
プレグｂ（マグナマイトA370−5H／1908）お
よび炭素繊維引揃えプリプレグｃ（マグナマイト
AS−４／1908UDテープ）（いずれも住化ハー
キユレス(株)製）を用いて通常のオートクレープ成
形により第１図に示すピンジヨイントを作成し
た。

上記ａを１の胴部及びブラツシングと接するブ
ツシング部分、ｂを２のラグ部及びｃを３の周囲
部に使用した。尚、ピンジヨイントの厚みは22
mm、幅は76mm、胴部長さ170mm、ピン間距離250
mm、周囲部厚み５mmでピン穴には内径40mmφ、外
径44mmφの鋼鉄製ブツシングを使用した。

このものを、ASTM、Ｄ−953に準じた方法で
ベアリング強度を測定したところ、19Kg／mm²であ
つた。さらにこれを１％食塩水中に１ヶ月浸漬さ
せた後のベアリング強度は18Kg／mm²であり、保持
率は95％であつた。

比較例１実施例１と同一形状のピンジヨイントを、先述
の炭素繊維ピリプレグA370−5H／1908を胴部、
ラグ部にAS−４／1908 UDテープを周囲部に用
いて、同様にオートクレープ成形にて作成した。
このものをASTMの方法でベアリング強度を測
定したところ、20Kg／mm²であつた。さらに１％食
塩水中に１ヶ月浸漬させた後のベアリング強度は
８Kg／mm²であり、保持率は40％であつた。

比較例２実施例１と同一形状のピンジヨイントを同様に
作成した。ただしアルミナ繊維プリプレグの代わ
りに、朱子織GF織物SLS210（旭フアイバーグラ
ス）にエポキシ樹脂を含浸させた、GFプリプレ
グを使用した。このもののベアリング強度は、10
Kg／mm²であり、１％食塩水中に１ヶ月浸漬させた
後のベアリング強度は８Kg／mm²であり、保持率は
80％であつた。

比較例３引揃え炭素繊維プリプレグマグナマイトAS
−４／1908、PA401（CF目付ｇ／m²樹脂含量
38wt％、住化ハーキユレス(株)製）を径15mm、長
さ1200mm、テーパ1.5／1000のマンドレルに４回
巻きつけ、テープラツピング成形して外径16mm、
長さ1000mm、厚み0.5mmのパイプを成形した。こ
のパイプの曲げ強度は80Kg／mm²曲げ弾性率を
12t／mm²であり表面抵抗は、＜100Ωであり実質的
に電導性であつた。又、色は黒色であつた。

実施例２炭素繊維プリプレグマグナマイトAS−４／
19.08 PA401を、実施例４と同一のマンドレルに
同様に３回巻きつけた後、住友アルミナ繊維引揃
えプリプレグ（ALF目付235ｇ／mm²、樹脂含量
30wt％）を１回巻きつけてテープラツピング成
形し、外径16mm、長さ1000mm、厚さ0.5mmのパイ
プを成形した。このパイプの曲げ強度は、75Kg／
mm² 曲げ弾性率は12t／mm²であり、表面抵抗は
10¹⁵Ωであり、実質的に絶縁性であつた。色は黒
色であつた。

実施例３実施例で用いたALFプリプレグのマトリツク
ス樹脂と同様のエポキシ樹脂に、青色の顔料を
0.5wt％混合したものをマトリツクス樹脂として、
着色引揃えALFプリプレグを作成した。このも
のを実施例２と同様にCFプリプレグをマンドレ
ルに３回巻きつけた上に１回巻きつけた後、テー
プラツピング成形し外径16mm、長さ1000mm、厚さ
0.5mmのパイプを成形した。このパイプの曲げ強
度は75Kg／mm²であり、曲げ弾性率は12t／mm²であ
り、表面抵抗は10¹⁵Ωであり実質的に絶縁性であ
つた。色調はサフアイアブルーであつた。

実施例４アルミナ繊維（Al₂O₃含有率85重量％、SiO₂含
有率15重量％、繊維径15μ、引張強度250Kg／mm²、
引張弾性率25t／mm²）を1000本束ねた連続ストラ
ンドを用いて目付500ｇ／m²の朱子織織布を作成
した。

この織布にエポキシ樹脂を含浸し、織物プリプ
レグａを作成した。これと炭素繊維織物プリプレ
グｂ（マグナマイトA370−5H／1908）および
炭素繊維引揃えプリプレグｃ（マグナマイトAS
−４／1908UDテープ）（いずれも住化ハーキユ
レス(株)製）を用いて通常のオートクレープ成形に
より第１図に示すピンジヨイントを作成した。

上記ａを２のラグ部（４のブツシングと接する
ブツシング部と共に一体になつたもの）に、ｂを
１の胴部に及びｃを３の周囲に使用した。

尚ピンジヨイントの厚みは22mm、幅は76mm、胴
部長さ170mm、ピン間距離250mm、周囲部厚さ５mm
でピン穴には内径40mmφ、外径44mmφの鋼鉄製ブ
ツシングを使用した。

このものを、ASTM Ｄ−953に準じた方法で
ベアリング強度を測定したところ、19Kg／mm²であ
つた。さらにこれを１％食塩水中に１ヶ月浸漬さ
せた後のベアリング強度は18Kg／mm²であり、保持
率は95％であつた。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例、比較例に用いたピンジヨイン
トの平面図を示す。１……胴部、２……ラグ部、３……周囲部、４
……ブツシング。

Claims

【特許請求の範囲】１下記ＡおよびＢの繊維を強化材とし、合成樹
脂および／またはゴム類をマトリツクスとしたこ
とを特徴とする繊維強化複合材料Ａ：炭素繊維Ｂ：Al₂O₃72重量％以上、SiO₂28重量％以下の成
分からなり、Ｘ線的構造においてα−Al₂O₃の
反射を実質的に示さないアルミナ質繊維２複合材料中の繊維Ａと繊維Ｂの体積含有率の
比が１：１〜100：１である特許請求の範囲第１
項に記載の繊維強化複合材料３複合材料中の繊維Ａおよび繊維Ｂの合計体積
含有率が20〜80％である特許請求の範囲第２項に
記載の繊維強化複合材料。