JPH0524266B2

JPH0524266B2 -

Info

Publication number: JPH0524266B2
Application number: JP60108772A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Towata; Senichi Yamada
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1985-05-21
Filing date: 1985-05-21
Publication date: 1993-04-07
Also published as: JPS61266666A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は繊維強化金属（FRM）などの複合材
料に用いる繊維体の製造方法に関するものであ
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で繊維で強化した
FRMなどが使用されている。FRMなどに用いら
れる強化繊維はマトリツクス金属、特にアルミニ
ウム合金やマグネシウム合金などとは濡れにくい
反面、一旦濡れると反応して繊維が劣化する。こ
のため、一般には強化繊維が表面処理が行われ
る。処理法としては例えばCVD法、めつき法が
挙げられる。これらの方法では強化繊維の表面に
金属やセラミツ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る剥離が生
じて表面処理の効果が減少したり、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
固鋳造法によつて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本来の
特色である設計の自由度が損われていた。

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イスカとを組合せ
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、外側には
短繊維を使用する方法、又は長繊維と短繊維とを
混在せしめて加圧成形することによりFRM用の
プリプレグ（前駆体）を製造する方法がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、前記従来例においても例えば長
繊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。また強度も充分でない。
さらにプリプレグ製造時に長繊維と短繊維とを混
在せしめる方法は、長繊維束中の表面に短繊維を
付着させることはできるが、内部の長繊維の一本
一本の表面に均一に付着させることは困難であ
り、繊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、
FRM等に使用した場合に金属マトリツクスとの
濡れ性を改善し、複合材中に連続繊維を均一に分
散させて繊維体積率を制御でき、又、互いに特性
の異なる連続繊維を組合せることにより例えば連
続繊維とマトリツクス間の熱応力軽減等の複合材
の機械特性を向上させることができる複合材料用
繊維体の製造方法を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

すなわち本発明の複合材料用繊維体の製造方法
は、炭化ケイ素、窒化ケイ素、アルミナなどのセ
ラミツクス、非金属元素、金属、合金よりなる耐
熱性物質より選択された少なくとも１種よりなる
連続繊維又は連続繊維束を、炭化ケイ素、窒化ケ
イ素、アルミナなどのセラミツクス、非金属元
素、金属、合金よりなる耐熱性物質より選択され
た少なくとも１種よりなる短繊維、ウイスカ又は
粉末の１種以上を懸濁した処理液中に浸漬すると
ともに、連続繊維の間に空隙を生ぜしめて短繊
維、ウイスカ又は粉末のうちの少なくとも１種を
各連続繊維に均一に付着させるために処理液中の
連続繊維に超音波により振動を与えて、連続繊維
の各々の表面に短繊維、ウイスカ又は粉末のうち
の少なくとも１種を付着させることを特徴とす
る。

又、本発明の方法の好ましい実施態様としては
下記のものが挙げられる。

(i) 処理液は、短繊維、ウイスカ又は粉末の１種
以上が0.5〜30ｇ／の濃度で懸濁してなる複
合材料用繊維体の製造方法。

(ii) 処理液は、水を含有してなる複合材料用繊維
体の製造方法。

連続繊維としてはセラミツクス例えば炭化ケイ
素、窒化ケイ素、窒化ホウ素、窒化アルミニウ
ム、アルミナ、シリカ、又は耐熱性非金属元素例
えば炭素、ホウ素、あるいは耐熱性金属若しくは
合金例えば鋼、ステンレス鋼、タングステン等の
材料よりなる繊維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。

短繊維、ウイスカ又は粉末としては前記連続繊
維に使用したものと同一の材料を用いて製造した
ものを用いることができる。短繊維、ウイスカ又
は粉末はいずれか１種を用いてもよいし、２種以
上を組合せて用いてもよい。短繊維やウイスカの
長さ、太さ及び断面形状及び粉末の平均粒径等の
性状は連続繊維との組合せや要求特性を考慮して
選択するとよい。

なお、上記の中でも短繊維としては、耐熱性金
属若しくは合金を用いるのが望ましい。これは、
繊維体を複合材に適用するに際して、例えば金属
の複合材の場合、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る。又、
ウイスカとしては、耐熱性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の理
由による。

連続繊維に付着させる短繊維、ウイスカ又は粉
末の量は両者の性状や製造した繊維体の用途など
によつても異なるが、FRMに用いる場合には連
続繊維、短繊維、ウイスカ又は粉末の連続繊維に
対する体積率は0.5〜500％の範囲内で選択する。

繊維体により強化した複合材料においては、連
続繊維の繊維軸方向の強度は主として連続繊維が
分担し、連続繊維軸に垂直方向の強度は主として
マトリツクス（付着物を含む）が分担する。複合
材料中における連続繊維体積率（％）と付着物体
積率（％）との関係を第８図に示す。又、マトリ
ツクスと繊維体との界面強度が大きい場合と小さ
い場合における、付着物体積率（％）と複合材料
の連続繊維軸方向強度δ_L及び連続繊維軸に対する
垂直方向強度δ_Tとの関係を第９図及び第１０図に
示す。

第９図及び第１０図から明らかな如く、連続繊
維軸に垂直な方向において高強度の複合材料を得
るためには、短繊維、ウイスカ又は粉末のうちの
少なくとも１種（付着物）の連続繊維に対する比
率を0.5vol％以上とする必要がある。その比率が
0.5vol％未満では効果が少ない。一方、連続繊維
軸方向において高強度の複合材料を得るためには
付着物の比率を500vol％以下とする必要がある。
その比率が500vol％より多いと連続繊維の強化効
果が極めて小さくなる。それ故、連続繊維軸に垂
直な方向及び連続繊維軸方向の両方において充分
な強度を得るためには付着物体積率を0.5〜500％
とする必要がある。

又、第９図及び第１０図において示す如く、連
続繊維軸方向及びその垂直方向ともに優れた強度
を有する複合材料を得るためには、付着物体積率
は１〜９％とするのが特に好ましい。

本発明の製造方法によつて得られた繊維体が使
用できるマトリツクスとしてはアルミニウム、マ
グネシウムなどの金属、あるいは各種セラミツク
ス、プラスチツク等が挙げられる。

本発明の方法の一例としては、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繊維
を束ねた連続繊維束を巻戻して、短繊維、ウイス
カ又は粉末のうちの少なくとも１種以上を懸濁し
た液体中に浸漬し、該連続繊維の各々の表面に該
短繊維、ウイスカ又は粉末を付着させて再びボビ
ンに巻取る方法が挙げられる。

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繊維１本１本に均一
に短繊維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場合でも
処理液中の連続繊維に超音波により振動を与えて
いるので各繊維に均一に繊維束内部の繊維まで付
着を行うことができる。

超音波は液体を入れた容器の外側に設けた超音
波付加器によつて与えてもよいし、又は適当数の
超音波振動子例えばセラミツク振動子を処理液中
に適切に配置して与えてもよい。超音波の照射パ
ターンは連続的であつてもパルス状であつてもよ
い。その強度や振動数及び照射時間は連続繊維や
これに付着させる短繊維、ウイスカ又は粉末の種
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つて選択するが、例
えば振動数は10KHz〜2000KHz程度が使用し易
い。

本発明の方法において超音波を処理液中の連続
繊維に付与することにより、連続繊維が振動して
開繊される。又、処理液の超音波による疎密波の
キヤビテーシヨン効果が相乗されて開繊効果が促
進される。このように液体状態の処理液に超音波
を付与すると大きなエネルギ伝達が可能となる。

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
て高いので乾燥が早く、生産性が向上する利点が
ある。又、前記有機溶剤と水との混合物を使用し
てもよい。水を含有することにより界面活性剤が
容易に使用でき、付着物の懸濁分散が促進され
る。

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着がみられ
ず効果が少なくなり、又逆に大きすぎると付着量
が必要以上に多くなるため、付着物濃度は0.5
ｇ／〜30ｇ／程度が好ましい。この濃度範囲
であると、沈殿が少なくなり、処理液を撹拌しな
くてもよい。

多数の連続繊維よりなる束を処理液中に浸漬す
る場合には浸漬前に繊維束にブロワを当てて開繊
することが望ましい。繊維数や処理液中の連続繊
維に付与する超音波振動の強弱によつてブロワの
吐出流量を調整するとよい。繊維数が少ないか、
又は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前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。

本発明の方法に用いる連続繊維やこの表面に付
着させる短繊維、ウイスカ又は粉末は市販品をそ
のまま使用することができる。

〔実施例〕

以下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１図は本発明の方法に用いる製造装置の一例
を示す。炭化ケイ素ウイスカ（平均直径約0.2μ、
平均長さ約100μ）５ｇをエタノール1000c.c.の入
つた処理槽１中に投入後、超音波付加器２により
超音波振動（28KHz）を与えて懸濁させ、処理液
３を調整した。東レ(株)製M40炭素繊維束（繊維直
径７〜8μ、繊維数6000本、サイジング剤付）４
をボビン５から巻戻し、浸漬時間が約15秒となる
よう可動ローラ６及び７によつて調節して超音波
を付与しつつ処理液３中に浸漬しながら通し、次
いで圧力ローラ８及び９によつて押圧した後再び
ボビン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。

処理前黒色であつた繊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２図
及び第３図に示すようにウイスカ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、繊維束長さ10ｍ当り0.15ｇのウイ
スカが付着しているのが判つた。

実施例２：炭化ケイ素ウイスカの代りに窒化ケイ素ウイス
カ（平均直径約0.3μ、平均長さ約200μ）を用い
て、実施例１と同様の方法により処理したとこ
ろ、繊維束長さ10ｍ当り0.2ｇのウイスカが付着
した。

実施例３：実施例１の方法において炭化ケイ素ウイスカ25
ｇを使用し、炭素繊維の代りに住友化学(株)製アル
ミナ繊維を用い、更に処理液に28KHzの超音波を
与えながら浸漬時間が10秒となるように浸漬する
こと以外は同様にして、処理を行つた。

処理前に白色であつた繊維はうぐいす色を帯
び、SEM観察の結果、第４図に示すようにウイ
スカ１３の付着が認められた。秤量の結果、繊維
束長さ10ｍ当り0.1ｇのウイスカの付着している
のが判つた。

実施例４：実施例１の方法において、炭化ケイ素ウイスカ
25ｇ及び東レ(株)製M40炭素繊維束（繊維直径７〜
8μ、繊維数6000本、サイジング剤なし）を使用
し、処理液に45KHzの超音波を与えながら浸漬時
間が８秒となるように浸漬すること以外は同様に
して、処理を行つた。

処理前に黒色であつた繊維はうぐいす色を帯び
た。ウイスカ付着量は、繊維束長さ10ｍ当り0.25
ｇであつた。

実施例５：実施例１の方法において、炭化ケイ素ウイスカ
の代りに窒化ケイ素ウイスカ25ｇを使用し、炭素
繊維の代りに日本カーボン(株)製炭化ケイ素繊維
（商品名ニカロン）を用い、処理液に28KHzの超
音波を与えながら、浸漬時間が８秒となるように
浸漬すること以外は実施例１と同様にして、処理
を行つた。ウイスカ付着量は繊維束長さ10ｍ当り
0.42ｇであつた。

実施例６：ベータ型炭化ケイ素粉末（平均粒径0.23μ）20
ｇをエタノール1000c.c.に懸濁した処理液を使用す
ること以外は実施例１と同様にして処理を行つ
た。SEN観察の結果、第５図に示すように繊維
上又は繊維間隙の炭化ケイ素粉末１６の存在が確
認された。乾燥後秤量した結果、繊維束長さ10ｍ
当り0.15ｇの粉末が付着しているのが判つた。

実施例７：ベータ型炭化ケイ素粉末の代りにアルフア型ア
ルミナ粉末（平均粒径0.03μ）20ｇを使用し、浸
漬時間を約10秒とすること以外は実施例６と同様
にして処理を行つた。粉末付着量は繊維束長さ10
ｍ当り0.1ｇであつた。

処理液条件とウイスカ又は粉末付着量との関係：第６図に炭素繊維（繊維数6000本／ヤーン）10
ｍ当りの、懸濁液のウイスカ又は粉末濃度、超音
波付加の有無及び溶媒の種類等の処理条件とウイ
スカ付着量との関係を示す。超音波付加の効果は
明らかであり、特にエタノールと組合せた場合に
効果が大きいことが判る。すなわち、各因子を選
択することにより付着量を自由に制御することが
できる。

FRMの製造：本発明の方法によつて得られた複合材料用繊維
体を用いて製造したFRMの一例の金属組織の電
子顕微鏡写真を第７図に示す。図より明らかなよ
うにFRM中の連続繊維１４はウイスカ１３等の
付着により繊維の間隔が適度に保たれるためマト
リツクス金属１５中に均一に分散し、付着させな
い場合に比べて繊維同士の接触などは減少した。
又、炭素繊維／アルミニウム複合材の場合、圧縮
剪断強さは付着処理を行なわない物は２Kg／mm²で
あつたが、炭化ケイ素ウイスカを付着させた本発
明の方法によつて得られた繊維体を使用した物は
10Kg／mm²となり大幅に改善された。又、繊維体積
率は付着処理を行わない物は60〜70％の範囲でし
か設定できなかつたが、ウイスカ付着量を変える
ことによつて10〜70％の範囲で設定できるように
なつた。

〔発明の効果〕

上述のように本発明の複合材料用繊維体の製造
方法は、短繊維、ウイスカ又は粉末の１種以上か
らなる付着させるべき物を懸濁した処理液中に連
続繊維又はその束を浸漬するとともに処理液中の
連続繊維に超音波により振動を与える方法である
ため、連続繊維の間に空隙を生ぜしめて付着させ
るべき物を各連続繊維に均一に付着させることが
でき、又簡便で生産効率が高い。更に処理液とし
て有機溶剤、含水有機溶剤等を使用するなどの各
種変法が可能であり、これにより付着量を制御で
きるため同一設備で各種の複合材料用繊維体を製
造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の複合材料用繊維体の方法に用
いる装置の一例の概略図、第２図ないし第５図は
本発明の方法によつて得られた繊維体における繊
維の形状を示す電子顕微鏡写真、第６図は炭素繊
維束の処理条件とウイスカ又は粉末付着量との関
係を示すグラフ、第７図は本発明の方法によつて
得られた繊維体を用いたFRMの一例の金属組織
の電子顕微鏡写真、第８図は本発明の方法によつ
て得られた繊維体を用いた複合材料中の付着体積
率と連続繊維体積率との関係を表わすグラフ、第
９図は本発明の方法によつて得られた繊維体を用
いた複合材料において、マトリツクスと繊維体と
の界面強度大なる場合における付着物体積率と複
合材料の連続繊維軸方向強度及び連続繊維軸に対
する垂直方向強度との関係を表わすグラフ、第１
０図は本発明の方法によつて得られた繊維体を用
いた複合材料において、マトリツクスと繊維体と
の界面強度小なる場合における付着物体積率と複
合材料の連続繊維軸方向強度及び連続繊維軸に対
する垂直方向強度との関係を表わすグラフであ
る。図中、１…処理槽、２…超音波付加器、３…処
理液、４…炭素繊維束、５，１０…ボビン、６，
７…可動ローラ、８，９…圧力ローラ、１１…ブ
ロワ、１２…乾燥炉、１３…ウイスカ、１４…連
続繊維、１５…マトリツクス金属。

Claims

【特許請求の範囲】１炭化ケイ素、窒化ケイ素、アルミナなどのセ
ラミツクス、非金属元素、金属、合金よりなる耐
熱性物質より選択された少なくとも１種よりなる
連続繊維又は連続繊維束を、炭化ケイ素、窒化ケ
イ素、アルミナなどのセラミツクス、非金属元
素、金属、合金よりなる耐熱性物質より選択され
た少なくとも１種よりなる短繊維、ウイスカ又は
粉末の１種以上を懸濁した処理液中に浸漬すると
ともに、連続繊維の間に空隙を生ぜしめて短繊
維、ウイスカ又は粉末のうちの少なくとも１種を
各連続繊維に均一に付着させるために処理液中の
連続繊維に超音波により振動を与えて、連続繊維
の各々の表面に短繊維、ウイスカ又は粉末のうち
の少なくとも１種を付着させることを特徴とする
複合材料用繊維体の製造方法。２処理液は、短繊維、ウイスカ又は粉末の１種
以上が0.5〜30ｇ／の濃度で懸濁してなること
を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の複合材
料用繊維体の製造方法。３処理液は、水を含有してなることを特徴とす
る特許請求の範囲第１項記載の複合材料用繊維体
の製造方法。