JPH0530778B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、繊維強化組成物に関するものであ
る。特に、本発明は、ガラス基材製の繊維強化組
成物に関するものである。

［従来の技術］ 周知のように、繊維強化組成物は、種々の用途
において金属材料よりも優れた性能を発揮してい
る。繊維強化組成物の金属材料との比較における
性能上の利点は、以下の点にある。繊維強化組成
物の特徴は高剛性、高強度、低密度等の性能が自
由に組み合わせ可能な点にある。この繊維強化組
成物の特性を生かして特定の適用の要請に合わせ
て特定の組成物の特性を調整することが可能であ
る。

組成物の利点は、特に航空宇宙産業、自動車産
業において、急速に普及してきた。繊維強化ガラ
ス基材組成物および繊維強化ガラスセラミツク基
材組成物は、高温下の適用のために開発されてき
たものである。強度が高く、比較的単純な幾何形
状（例．方形平面板）をとる繊維強化ガラス基材
組成物、および、強度が低く、比較的複雑で不規
則な幾何形状（例．点対称図形）をとる繊維強化
ガラスマトリツクス組成物の成形方法が開発され
てきた。

［発明の解決しようとする課題］ しかし乍ら、上述した従来開発されて来た、繊
維強化組成物は、いずれも単純な形状のものであ
り、複雑な形状の製品への適用は困難なものとさ
れている。これは、複雑な形状の製品において
は、強化繊維の均一な配合が難しく、製品各部を
強度を均一することが困難なことに起因している
と考えられる。この結果、繊維強化組成物の優れ
た特性は充分に認識されているものの、その用途
は限られたものとなつていた。

そこで、本発明の目的は、こうした従来におけ
る繊維強化組成物の製造上の問題点を解決して、
組成物の適用範囲を飛躍的に拡大し得る、繊維強
化組成物の製造方法及び成形方法を提供すること
にある。

上記の目的を達成するために、本発明の第一の
構成によれば、所定の方向に規則的に連続する繊
維強化組成物を有する外層と、任意に方向づけら
れた不連続の繊維強化材を有する内核から構成さ
れる繊維強化ガラスマトリツクス組成物が提供さ
れる。

本発明の第二の構成によれば、ガラスを含浸さ
せた連続繊維テープを、成形槽の内表面の所定位
置に少なくとも一層配設し、続いて、非連続繊維
と溶解ガラスの液体混合物を成形槽に充頃し、液
体混合物を加圧して液体混合物を圧縮するととも
に連続繊維テープ層を圧縮結合させ、非連続繊維
強化ガラス組成物の内核と連続繊維強化ガラス組
成物の外層を有する繊維強化ガラス組成物を成形
するようにしたことを特徴とする繊維強化ガラス
組成物の成形方法が提供される。

また、本発明の第三の構成によれば、所望の方
向に規則的に配設した連続繊維強化材を有する外
層と、任意に方向づけられた不連続繊維強化材を
有する内核から構成される繊維強化ガラス組成物
製エーロフオイル翼形成形品が提供される。

［実施例］ 以下に、本発明の好適実施例による繊維強化組
成物及びその製造方法を、添付する図面を参照し
つつ説明する。

本発明の所定の組成物において、同一のガラス
マトリツクス材が、連続繊維強化部分と非連続繊
維強化部分の双方に用いられている。ガラスマト
リツクス材は高温において高い強度を保証するた
めに選択されるものである。ガラス混合物と同様
に、ボロシリケイト（例．Corning 7740）、ハイ
シリカ（例．Corning 7930）、あるいはアルミノ
シリケイト（例．Corning 1723）も適当なマト
リツクス材である。ガラスセラミツク材（例．リ
チウムアルミノシリケイト）もガラスマトリツク
ス材として用いることが可能である。ガラスマト
リツクス材の選択は、特定の適用の特定の要請に
基づくものである。例えば、ボロシリケイトガラ
スは約550度までの耐温性を必要とする適用に選
択されるガラスマトリツクス材である。これは、
ボロシリケイトガラスは他のガラス材と比較して
耐温性が低い一方で、工程が容易なためである。
約1200度までの耐温性を必要とする適用には、よ
りすぐれた耐温性をもつたリチウムアルミノシリ
ケイトがマトリツクス材として選択される。

本発明の繊維強化材は、高温下で高い引張強度
と高い引張応力、および安定性を示す繊維を含有
する。適当な繊維として、グラフアイト繊維、シ
リコンカーバイド繊維、シリコンニトライド繊
維、および難溶性（耐火性）の金属酸化物繊維が
挙げられる。これらの金属酸化物繊維中、シリコ
ンカーバイドが特に望ましい。フイラメントの平
均直径が約10ミクロン以下の多フイラメント型の
シリコンカーバイドヤーンが特に望ましい。ニカ
ロン（“NICALON”：登録商標 日本カーボン
社）は、本発明の実施上、最も適していることが
明らかになつているシリコンカーバイドヤーンで
ある。

連続繊維強化部分と非連続繊維強化部分に、異
なつた繊維材および／または異なつたマトリツク
ス材を用いることは可能であるが、各部分の熱膨
張係数を調和するために、同一の繊維材およびマ
トリツクス材が望ましい。

連続繊維強化ガラスセラミツクマトリツクス組
成物の製造工程は、アメリカ特許第4324843号に
示されており、同アメリカ特許の開示内容は本明
細書中の開示の一部として採用する。

繊維強化材は、体積比20％から60％を連続繊維
強化ガラスマトリツクス部分から構成されること
が望ましい。もし、繊維の体積比が約20％よりも
低い場合には、連続繊維の適正な分布を得ること
は困難であり、繊維の体積比が60％を越えるとガ
ラスマトリツクス組成物の、せん断特性が低下す
ることになる。

本発明の組成物の非連続繊維強化部分は、非連
続繊維とガラス粉（粉砕された成形用混合物）の
混合物を用いて成形される。粉砕された成形用混
合物の製造工程は、アメリカ特許第4464192号に
示されており、同アメリカ特許に記載された製造
工程に関する開示内容は、開示の一部として採用
する。

非連続繊維とガラスマトリツクス成形用混合物
は、約50％から85％の体積比のガラスマトリツク
ス材から構成されることが望ましい。

本発明の工程は、第１図、第２図によつて図解
される。

第１図、第２図は、この工程に適当な成形装置
の断面図を示しており、成形型２と下板３は成形
キヤビテイ４を形成しており、この成形キヤビテ
イ４は、オリフイス１０を有する上板８によつて
リザーバ６と分離されている。リザーバ６にはラ
ム１２が摺動可能に挿入されている。

第２図の装置は第１図の装置に類似している
が、オリフイス１０から下板３に伸びる注入管１
４が加えられている。注入管１４は、中実の下部
１６と中空の上部１８から成つている。中空の上
部１８の管壁には少なくとも１つの開口部２０が
貫通している。注入管を使用することによつて、
例えば、外層へ加わるせん断力を軽減するため
に、粉砕された成形用混合物の流入パターンの制
御が高められる。注入管は、グラフアイトステン
レスチールやモリブデンのように、例えば機械加
工、エツチング、酸化によつて完成品からは除去
される素材から構成されている。

本発明の工程の概略は、連続繊維強化ガラスマ
トリツクステープの層で成形槽の裏打ちをし、多
量の粉砕された成形用混合物を成形キヤビテイに
充頃し、外層を成形型の内表面に対して圧縮する
静水圧を内部に加圧することによつて、外側の連
続繊維強化材層を結合するという射出成形を行う
ものである。

ガラスを含浸させた連続繊維層２２を、成形キ
ヤビテイ４を輪郭づける成形型２に沿つて積層す
る。連続繊維強化層は、完成品において要求特性
を提供するために、選択的に配置されている。射
出成形工程において連続繊維が移動したり方向が
ずれたりすることを最小限に留どめるために、積
層パターンを設計する際には配慮を忘れてはなら
ない。粉砕された成形用混合物の射出工程におい
て連続繊維層にかかるせん断力を軽減するため
に、最も内側の層の方向は、粉砕された成形用混
合物の流動方向と整合するように調整されること
が望ましい。また、最も内側の連続繊維強化層
は、上板８と成形型２の上端部の間に固定される
のに十分な長さを持つことが望ましい。最も内側
の層を成形型の上端部に固定し、粉砕された成形
用混合物の流動方向に沿つて、最も内側の層の繊
維強化材を方向づけることは、貯蔵槽から成形槽
へ粉砕された成形用混合物を流入させる間に連続
繊維層が崩壊したり、あるいはまた方向がずれた
りすることを防止する。

各々の連続繊維強化層は、繊維層に弾力性を与
えるのに十分な温度まで加熱し、圧縮して加熱さ
れた繊維層の体積を減少させるという工程によつ
て加温成形されることが好ましい。繊維層の体積
減少は、「デバルキング」と呼ばれる。連続繊維
強化層は、約140度から160度の温度に加熱され、
約15分から45分間、気圧約60psiから100psiで圧
縮されることが、最も望ましい。圧縮の工程は、
例えば、圧縮機の加熱板の間に繊維層を置くこと
によつて行われる。加熱され、部分的にデバルク
された繊維層は、次に、成形型の内部に積層され
る。加温成形方法は、成形型の内表面に沿つて繊
維層を配置するのを容易にするものである。

貯蔵槽は、粉砕された成形用混合物で満たさ
れ、その混合物は、ガラスが軟化し混合物が流動
化するのに十分な温度まで加熱される。一般的に
はこのためには、10²から10⁴ポアズの名目マトリ
ツクス粘度を生み出す1000度から1400度程度の温
度にまで加熱されることが必要である。1400度を
越えて加熱することは、実質上、繊維とマトリツ
クス材との間で望ましくない化学作用を引き起こ
す可能性を増大させるので、回避されなければな
らない。

貯蔵槽内の粉砕された成形用混合物は、ラム１
２を使つて加圧される。粉砕された成形用混合物
を貯蔵槽から、オリフイスを通して、またはオリ
フイスと注入管を通して、成形槽へ、圧入するの
に十分な圧力を加えられる。成形槽が満たされる
と、成形槽を輪郭づける連続繊維強化層を結合す
るために、成形用混合物に対して十分な圧力が加
えられなければならない。一般的には、外層を結
合するために、外層に対して250psiから500psiの
圧力が加えられなければならない。システム全体
での圧力低下のために、貯蔵槽内の粉砕された成
形用混合物にはより高い加圧が必要である。一般
的には、500psiから2000psiの圧力が必要とされ
る。貯蔵槽内の粉砕された成形用混合物には
1000psiから1500psiの圧力が加えられることが望
ましい。粉砕された成形用混合物の圧縮によつて
提供される内部の加圧状態は、成形型の内表面に
対して連続繊維強化層を圧縮する。

加圧と加熱の状態は、連続繊維強化層を完全に
結合するのに十分な時間、維持される。これは一
般的には、５分から１時間の間で達成されるであ
ろう。成形型が満たされ、連続繊維層が完全に結
合されると、加熱は中止され、加圧は、成形槽と
成形物が、マトリツクスの焼鈍（アニール）温度
以下にまで冷却されるのに十分な間、持続され
る。

［実施例 １］ シリコンカーバイドヤーン（例えば、ニカロン
“NICALON”：登録商標）は、リチウムアルミ
ノシリケイトガラス粉、水、接合剤のスラリーに
よつてコーテイング去れ、マンドレル上に巻き漬
けられてテープを形成する。テープは乾燥させら
れ、0.2インチの長さに切断される。次に、切断
された素材は、有機接合剤を除去するために、空
気中で熱処理される。そして、約25体積パーセン
トのマトリツクス濃度を獲得するために、少量の
リチウムアルミノシリケイトガラス粉がさらに添
加される。

連続繊維強化組成物の前形態が準備される。前
形態は、上に概略を示した工程で、シリコンカー
バイド繊維リチウムアルミノシリケイトテープを
成形することによつて準備される。テープから方
形のシートを切り取り、０、＋45、−45、90度のレ
イアツプ法でテープを積み重ね、成形槽を輪郭づ
ける。最も内側の（90度）層は、成形槽よりも長
く作られ、ダイの上部と上板との間には、特別の
長さのものが押し込まれる。積み重ねられた層
は、150度、80psiで成形され、成形槽の内側に、
壁面の形に沿つて配置される厚さ0.075インチの
シートを形成する。成形槽と連続繊維強化材前形
態を空気中で加熱し、有機接合剤を分解する。

約600グラムの粉砕された成形用混合物が、貯
蔵槽に装填され、約1200度まで加熱される。貯蔵
槽は1200psiまで加圧され、直径0.5インチの通口
を通して、粉砕された成形用混合物を成形槽の連
続繊維強化層へ圧入する。成形槽を満たし、連続
繊維強化外層を結合する間、約30分間、加熱と加
圧が維持される。外層が結合すると、加熱は中止
され、成形槽とその内容物は、加圧下で、500度
の温度まで冷却される。

そのようにして成形された繊維強化ガラスマト
リツクス組成物は、第３図に示されている。この
組成物は、選択的に方向づけられた連続繊維強化
材による外層３０と、実質上任意に方向づけられ
た非連続繊維強化材による内核３２から成つてい
る。組成物は、およそ長さ４インチ、幅3.9イン
チ、厚さ１インチで、曲線的な前縁と後縁を持
つ。

［実施例 ２］ 繊維強化ガラスマトリツクス組成物は、第２図
に示されるように、粉砕された成形用混合物がス
テンレススチールの注入管を通じて成形槽へ注入
される場合を除いては、実施例．１の工程に従つ
て成形される。結合後、25体積パーセントの塩酸
と75体積パーセントの硝酸に浸漬することによつ
て、注入管は、繊維強化ガラスマトリツクス組成
物から取り外され、第４図に示されるような組成
物が成形される。この組成物は、選択的に方向づ
けられた連続繊維強化材による外層４０、および
注入管の除去によつて残された導管４４を持ち、
実質上任意に方向づけられた非連続繊維強化材か
ら成る。核４２から構成される。

［実施例 ３］ 繊維強化ガラスマトリツクスのエーロフオイル
（翼形）は、実施例．１の工程に従つて成形され、
適当な形状をしたダイが用いられる。製造される
エーロフオイルは、第５図に示される。エーロフ
オイルは、選択的に方向づけられた連続繊維強化
材による外層５０と、実質上任意に方向づけられ
た非連続繊維強化材による核５２から構成され
る。

本発明の工程は、複雑な形状を取る繊維強化ガ
ラスマトリツクス組成物において、選択的に方向
づけられた連続繊維によつて強化されたガラスマ
トリツクスを有する外層に、靱性と強度を与えて
いる。この組み合わせは、従来の技術では得られ
なかつたものである。複雑な形状を取る事例とし
ては、円筒のような回転体、複雑な湾曲を特徴と
する表面を持つた翼型の物体が挙げられる。加熱
圧搾のような従来の技術では、外層の連続繊維強
化材の方向を制御することは不可能であつたが、
本発明による方法では、外層へ結合圧力を加える
際に引き起こされる繊維崩壊防ぐために、可能と
なつている。本発明の工程では、繊維崩壊の問題
を解消するために、内部加圧方法を採用してい
る。また同時に、本工程では、非連続繊維強化ガ
ラスマトリツクス組成物による内核が形成されて
いる。

この非連続繊維強化材の内核は、成形物に対し
て、圧縮強度と負荷荷重下での構造的崩壊への耐
性を与えている。

注入管の使用によつて、非連続繊維強化材の内
核の内部には導管が形成される。その際に、導管
の表面には改善された繊維分布が提供される。そ
のような導管は、例えば、冷却媒体の流動路とな
つたり、成形物の重量を軽減したりするという点
で有効である。

本発明は、上記のように実施例に関して説明し
たが、本発明はこれに限定されるものではなく、
これらの形態および詳細事項は、本発明の請求事
項の意図や領域から離れることなく、多様な変更
が可能であることが理解されるであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は、成形装置の一実施例を示す断面図。
第２図は、成形装置の他の実施例を示す断面図。
第３図は、繊維強化組成物で形成する成形物を示
す斜視図である。第４図は、繊維強化組成物で成
型する成形物の他例を示す斜視図である。第５図
は、繊維強化組成物で形成する翼形成形体を示す
斜視図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 所定の方向に規則的に連続する繊維強化材を
   有する外層と、任意に方向づけられた不連続の繊
   維強化材を有する内核から構成される繊維強化ガ
   ラスマトリツクス組成物。 ２ ガラスを含浸させた連続繊維テープを、成形
   槽の内表面の所定位置に少なくとも一層配設し、
   続いて、非連続繊維と溶融ガラスの液体混合物を
   成形槽に充頃し、液体混合物を加圧して液体混合
   物を圧縮するとともに連続繊維テープ層を圧縮、
   結合させ、非連続繊維強化ガラス組成物の内核と
   連続繊維強化ガラス組成物の外層を有する繊維強
   化ガラス組成物を成形するようにしたことを特徴
   とする繊維強化ガラス組成物の成形方法。 ３ 所望の方向に規則的に配設した連続繊維強化
   材を有する外層と、任意に方向づけられた不連続
   繊維強化材を有する内核から構成される繊維強化
   ガラス複合製エーロフオイル翼形成形品。