JPH0459938A

JPH0459938A - 炭素繊維強化複合材料

Info

Publication number: JPH0459938A
Application number: JP16843390A
Authority: JP
Inventors: Shoichi Sekiguchi; 関口　昭一; Katsutoshi Yamada; 勝利山田; Keizo Hashimoto; 橋本　敬三
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1990-06-28
Filing date: 1990-06-28
Publication date: 1992-02-26

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、自動車、航空機などの構成部材に好適な、軽
量で高強度を特徴とする炭素繊維強化複合材料に係わる
。

（従来の技術）炭素繊維は、軽量で強度、剛性が極めて高く、価格も比
較的安いため、複合材料の強化ｗ＆維として最適である
と考えられている。事実、プラスチックをマトリックス
とした複合材料（ＣＦＲＰ）は軽量・高強度素材として
、航空機、　自動車などの構造材料やゴルフシャフト、
テニスラケットなどのスポーツ用品に広く使われている
。　しかしながら、ＣＦＲＰは耐熱性に乏しく１００℃
以上の高温環境下では使用することができない、また、
電気及び熱の伝導性も悪い。

上記のような問題点に鑑み、マトリックスを金属とした
複合材料が考案され、各方面で旅力的に研究が進められ
ている。特に、アルミニウム合金をマトリックスに用い
た複合材料は軽ｆで製造が比較的容易なため最も研究が
進んでおり、それらに係わる繊維強化金属材料及びその
製造方法が種々提案されている。

マトリックスにアルミニウム合金を用いる場合の製造上
の問題点は、炭素繊維とアルミニウム合金との濡れ性が
悪いことである。このため溶融したアルミニウム中に単
に炭素繊維を浸漬しても両者は結合せず、複合材料を製
造することは困難である。　この対策としてＴｉ−８コ
ーテイングなどの濡れ性を改善するための繊維前処理方
法が提案されているが、コストがかかり生産性も低い。

このような問題点に鑑み開発された複合材料の製造方法
が加圧含浸法である。　　加圧含浸法は強化繊維束を充
填い」型内に溶融金属を導入し、前記の鋳型に嵌合する
プランジャ要素により溶融金属を鋳型内に圧入した後、
凝固させる方法で高圧鋳造法、溶湯鍛造法などの名称で
も呼ばれている。この加圧含浸法を用いれば、？！雑な
形状を有する部材を効率よく製造することができ、比較
的低コストである。なお、＃ｊＪ型内への溶融金属の導
入を容易にするため、鋳造に先立って鋳型及び繊維束を
マトリックス金属の溶融点近（の温度に予熱する必要が
ある。加圧含浸法は一連の操作を大気中で行なうのが一
般的であるが、炭素繊維を強化繊維とする場合は、予熱
時に繊維が酸化（二よって劣化する可能性がある。　さ
らに強化繊維束内に残留した空気が溶融金属の圧入を阻
害し、繊維とマトリックスとの結合性を悪くするばかり
か、場合によっては鋳型内の一部にマトリックス力（入
〕込まない、いわゆる　巣　を作る場合がある。

このような問題に対処するために１例えば特開昭５９−
５０１４９号公報に記載されている方法が提案されてい
るが、この方法では、繊維の酸化の問題が解決されない
。

このような問題点に鑑み、本　発明ではカロ圧含浸法の
一連の操作を真空中または減圧アルゴンガス雰囲気中で
行っている。この方法を空気中で操業する一般的な加圧
含浸法と区別するため、ここでは真空加圧含浸法と称す
る。

加圧含浸法に使用されているアルミニウム合金は、一般
にＪＩＳ規格の鋳造用合金が多く１例えばＪＩＳ規格Ａ
Ｃ４Ｃ（６，５〜７．５％Ｓ１．０．２５〜０．４％Ｍ
ｇ、　　残部Ａｌ）、ＪＩＳ規格ＡＣ８Ａ（０，８−１
，３％Ｃｕ、１１．０−１３、　０Ｓｉ、０．　３〜１
．３％４ｇ、１．　０〜２．５％Ｎｉ、残部Ａｌ＞など
である力（、得られた複合材料の強度は、強化繊維とし
て用（Ｘる炭素繊維の強度から期待される値に比して著
しく低０場合が多い。

このため、炭素繊維と適合性のよし＼合金元素の検討が
行われ、例えば特開昭５９−５０１４９号公報の如きＭ
ｇを０．　４〜４．５重量％含有するアルミニウム合金
が提案されている。

（発明が解決しようとする課題）本発明は　引張強度及び曲げ強度に優れた炭素維強化複
合材料を安価に提供することを目的とするものである。

（課題を解決するための手段及び作用）本発明は、炭素
繊維を強化ｍ維として、Ｍｇを５、　０〜１１．０重量
％含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物よりなるアル
ミニウム合金をマトリックスとする炭素繊維強化複合材
料、　さらには、マトリックスのアルミニウム合金にさ
らに８１を０５〜３０重量％添加した炭素繊維強化複合
材料である。

本発明の主要な特徴は、マトリックス金属としてのアル
ミニウム合金にＭｇを５．０〜１１．０重量％、好まし
くは７．０〜１０．０！ｉｊｉ％含有していることで、
　ＪＩＳ規格の鋳造用アルミニウム合金を用いた従来の
炭素繊維強化アルミニウム合金複合材料に比して引張強
度及び曲げ強度に優れており、　自動車や航空機などで
軽量かつ高強度が要求される部材の構成材料として好適
のものであ　る。

炭素繊維の如き連続繊維で強化された複合材料の引張強
度は、理想的には複合剤と呼ばれてし＼る次式で表され
る強度に近い値を示すと考えられる。

σ＝ｃ＋Ｆ−Ｖｆ−＋−σＭ　（１−Ｖｆ）ここで　Ｏ
＝複合材料の引張強度 σＦ＝強化繊維の引張強度 σＭ；マトリックスの引張強度Ｖｆ冨強化繊維の体積率プラスチックをマトリックスとする複合材料の場合はほ
ぼこの複合剤に見合った引張強度が得られているのに対
し、ＪＩＳ規格鋳造用アルミニウム合金を用い、加圧含
浸法で製造した炭素繊維強化金属基複合材料の引張強度
は、この複合剤の数分の一程度に過ぎない場合が多い、
　　この原因として、繊維の配列不良や繊維とマトリッ
クスの結合不良及び加熱・加圧プロセスにともなう繊維
の劣化・損傷による二とも考えられるが、最も大きな原
因は、炭素繊維とアルミニウムが反応して、金属間化合
物であるＡ　Ｉ　ｒ　Ｃｓが生成することにある。

二の金属間化合物は、炭素繊維と垂直にクサビ状に形成
され、かつ脆弱であることが知られている。

このため金属間化合物に応力集中が生じ、極めて低い応
力で材料全体を破壊に到らしめると考えられる。

本発明の炭素繊維強化複合材料が引張強度及び曲げ強度
に優れている理由は、炭素繊維とマトリックスが適度の
強さで結合しており、かつ有害な金属間化合物の生成が
少ないためである。

アルミニウム合金中のＭｇは、おそらく炭素繊維とアル
ミニウム合金の反応を抑制する働きと両者間の濡れ性を
悪くするなどの理由により、ｍ維とマトリックスとの界
面の結合強度を低下させる働きがあるものと考えられる
０Ｍｇｆ！Ｌが５．０重量％より少ない場合は、炭素繊
維とアルミニウム合金は強固に結合しているが、炭素繊
維とアルミニウム合金とが反応して多量のＡ１．Ｃ，が
生成するものと推測される。このＡ　Ｉ　４Ｃ＊が材質
に悪影響を及ぼすため、得られた複合材料の引張及び曲
げ強度は低くなる。また、Ｍｇ量が＋１．ＯｆＩ量％よ
り多すぎる場合は、炭素繊維とアルミニウム合金の反応
はほとんど生じないが、炭素繊維とアルミニウム合金と
の濡れ性が悪くなりすぎ、真空加圧含浸法をもってして
も繊維とマトリックスとの界面の結合強度が十分な水準
に至らず、得られた複合材料の強度は低くなる。

Ｍｇのもう一つの効果は、アルミニウム合金の融点をＦ
げることである。融点が下がればそれだけ操業温度を下
げることができ、炭素繊維とアルミニウム合金の反応を
少なくすることが出来る。

例えば１Ｍｇを１０．０重量％添加するとアルミニウム
合金の融点は約５０℃低下する０本願発明者らの研究結
果では、操業温度を５０℃下げると、得られた複合材料
の曲げ強度を最大で約５０℃低下ｍｍ２高められること
が明らかになっている。

以上の観点から本発明ではＭｇ量の範囲を５０〜１１．
０！ｉ量％とじた。

先願である特開昭５９−５０１４号公報記載の発明にお
いては、最適なるＭｇ量を０．　５〜４５重量％と規定
しているが、本発明者らの実験結果ではＭｇｆｆ１がこ
の範囲内では２強度の優れた複合材料は得られなかった
。　この理由として、用いた炭素繊維の種類が異なるた
めとも考えられるが最も大きな理由は、上記発明が複合
材の製造に加圧含浸法を用いているのに対し、本発明が
真空加圧含浸法を用いたことにあると考えられる。加圧
含浸法は空気の影響により真空加圧含浸法に比べ繊維と
マトリックスとの結合性が相対的に悪く。

Ｍｇが多くなって濡れ性が悪くなると十分な結合強度が
得られなくなる。このため最適なＭｇ量は本発明に比べ
低くなると考えられる。

本発明では１Ｍｇに加えてＳｉを０．　５〜３０１ｉ量
％添加してもよい、　ＳｉはＳ流れ性を良くするため、
ｒＭ雑な形状に鋳造する場合に添加すると鋳造欠陥（巣
）の発生を防止するとともに、製品の表面を平滑にする
。　しかしながら、多量に添加すると炭素繊維と反応し
て、延性を低下させるＳｉＣが生成すること　さらに、
マトリックス中に脆弱な粗大Ｓ１が晶出するため、複合
材料の強度を低下させる。このため本発明ではＳｌの範
囲を０．　５〜３．０１量％とした。

アルミニウム合金に通常含まれる不純物元素としてＣｕ
、Ｔｉ、　Ｆｅ、Ｎｉ、　　Ｚｎなどがある。

これらの元素は、それぞれアルミニウム合金の強度、靭
性　耐食性、耐摩耗性、溶接性などの特性のいずれかを
改善する目的で添加されるが、複合材料のマトリックス
に添加しても、複合材料の強度改善には影響しないため
７本発明では積極的に添加するものではないが、不Ｍ物
レベルとして合計１，０重量％以下程度であれば特に問
題はない。

（実施例）コートルズ社製Ｅ　ＨＭ　Ｓ炭素ｍ維を強化ｍｍとして
１表１に示す種々のアルミニウム合金を用い、第３図に
示す真空加圧含浸装置を用いて、以下の手順により炭素
繊維強化複合材料を製造した。

真空加圧含浸装置はマトリックス溶解機構、鋳型機構及
び加圧機構より構成され、全体が真空容器】内に格納さ
れている。　まず、炭素ｍｔａにより縦１５ｍｍ横５０
ｍｍ長さｌｏｏｍｍ、ｍ雄体積率７０％のプリフォーム
２を作製、グラファイト類の鋳型３に充填し、さらにそ
の鋳型を金型４内に挿入した９次いで、真空容器内を約
５ｘｌＯ−ｔＴｏｒｒの真空にし、金型をアルミニウム
合金の融点より２０℃低い温度で３０分間加熱した後。

坩堝５内であらかじめ溶解し、融点より８０℃高い！ｉ
度に保持したアルミニウム合金溶ｔ１１６を金型に注湯
して、プランジャー７により６００ｋｇ／ｃｍ”の圧力
で溶湯を５分間加圧、炭素繊維束内にアルミニウム合金
を含浸させた。その後、金型の加熱を停止し、加圧状態
でアルミニウム合金が完全に凝固するまで保持した。

表ネＩＡ部はＡ１以上の方法により製造した炭素繊維強化複合材料の繊維
体積率は釣７０％であり、ＩＩ＆維はマトリックス中に
、　はぼ均一に分散してい花。この炭素１１１Ｍ強化複
合材料より、繊維の配向方向に平行に試験片を切り出し
、引張試験及び三点曲げ試験を行った。この試験結果を
表２及び第１図、第２図に示す、なお、表２の合金Ｎｏ
は表１のそれに対応している。

表　　２この第１図及び第２図より、Ｍｇ含有量が０〜約９．Ｏ
Ｊｌ量％の範囲内では、？！合材料の引張強度及び三点
曲げ強度はＭｇ含有量に比例して増大し、Ｍｇ含有量が
約９．０１ｉ量％を越える範囲ではＭ　ｇ含有量の増大
とともに引張強度は低下するが、Ｍｇ含有！５０〜１１
．ＣＪｌｌｔ％のｉ回内では実用に十分な引張強度及び
曲げ強度を持つ複合材料が得られる二とがわかる。

また　Ｍｇとともに８１を０・５〜３．０１ｉ量％の範
囲内で添加したものは、鋳造表面がより一層平滑であっ
た。また、材質的にも問題が無いことが表２よりわかる
。

（発明の効果）本発明により炭素繊維強化複合材料の引張強度及び曲げ
強度を実用上十分なるレベルまで高めることができ、航
空機及び自動車などの構成部材への適用を可能にした。

【図面の簡単な説明】

第１図は炭素繊維を強化繊維としアルミニウム合金をマ
トリックスとする複合材料のＷ＆維配向方向の引張強度
とマトリックス中のＭｇ含有量の関係を示す図、第２図
は同じく三点曲げ強度とＭｇ含有量の関係を示す図、第
３図は炭素繊維強化複合材料の製造に用いた真空加圧含
浸装置の概要を示す図である。１・・真空容器、　２・・炭素繊維プリフォーム、　３
・・・グラファイト鋳型、　４　・金型、　５・・坩堝
、　６・・・アルミニウム合金溶湯、　７・・・プラン
ジャー、　８・・・高周波加熱コイル

Claims

【特許請求の範囲】

（１）炭素繊維を強化繊維として、Ｍｇを５．０〜１１
．０重量％含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物より
なるアルミニウム合金をマトリックスとする炭素繊維強
化複合材料。
（２）炭素繊維を強化繊維として、Ｍｇを５．０〜１１
．０重量％、Ｓｉを０．５〜３．０重量％含有し、残部
がＡｌ及び不可避的不純物よりなるアルミニウム合金を
マトリックスとする炭素繊維強化複合材料。