JPH05346B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、複合物品の成形に関し、特に繊維
強化複合材料物品の成形方法に関するものであ
る。

［従来の技術］ 従来からの多くの耐熱構造金属においては、そ
の材料価格の増大及び経費節減等の要請により、
耐熱合金の代替えとして非金属繊維強化複合材料
が注目されている。現在は、高張力繊維強化樹脂
及び同質の高張力繊維強化金属マトリツクス複合
材料等が、金属材料の代わりとして、スポーツ商
品から最新技術のジエツト機に至るまで商業的に
広く脚光をあびている。しかしながら、これら複
合材料は使用最高温度に関して幾つかの問題があ
る。

高温度作用下において使用可能な材料として
は、従来よりセラミツク、ガラス及びガラスセラ
ミツクス材等が知られている。しかしながら、こ
れら素材はその靱性及び衝撃抵抗等の機械的強度
に関して、所望する強度が得られないという欠点
があるため、連続あるいは不連続的な無機物繊維
を含有するセラミツクス、ガラス、ガラスセラミ
ツクス材のマトリツクスからなる複合材の必要性
が高まつてきた。これらガラスマトリツクス複合
材料としては、米国特許第4314852号及び第
4324843号に開示されたものがある。この発明に
よるシリコンカーバイト繊維強化ガラス／セラミ
ツクス複合材料は、熱機関内において使用可能な
物理的特性を有し、また、その改良された性能に
よつて適用範囲が増大した。しかしながら、例え
ば、少なくとも三方向に対して強度を改善するた
めに強化繊維を配した複雑な形状部品に関しては
新たな製造方法が必要とされている。

［発明が解決しようとする課題］ 近年においては、上記技術分野に関する飛躍的
な技術進歩があつたが、これら最新技術による複
合物品の製造方法においても、未だ幾つかの問題
が取り残されている。例えば、平行に配置した繊
維テープ、ガラス、キヤリアスラリーを浸透させ
たフエルト及び紙を使用し、大きさを整えて、方
向を調整し、金型内で積み重ねホツトプレスを行
うことによつて従来の複合物品を連続繊維により
強化することができる。しかしながら、この方法
を採用できない場合が幾つかある。例えば、円筒
形状の成形及び平坦な材料を用いた複雑な形状物
品を成形する場合である。

最新の樹脂マトリツクス複合材料技術による編
組み繊維構造を採用すれば、上記欠点を解消する
ことは可能である。この編組み繊維とは、布又は
実際の物品の形状に合わせて製織した構造となつ
ており、成形工程の硬化前においては樹脂と共に
低粘度状態になり、さらに、これら樹脂は繊維を
容易に濡らす性質のため、樹脂を容易に染み込ま
せることが可能となる。

繊維強化ガラス複合材の製造において使用され
た他の方法としては、切断した繊維及びガラスを
加熱可塑化したビレツトによる射出成形、及び所
定形状の繊維を配した金型へ加熱可塑化したビレ
ツトを移送するトランスフアー成形技術である。
しかしながら、これら技術は、高粘度のガラスと
高圧力とを必要とするため、強化繊維の移動及び
歪みが等が成形中に発生してしまう。

したがつて、この発明は、上記問題点を解決す
る複合材料物品の成形方法を提供することを目的
とする。

［課題を解決するための手段］ 上記課題を解決するためにこの発明によれば、
中空の複合物品プレフオームを形成する高温度安
定繊維を金型キヤビテイ内に配置し、高温度安定
ガラスマトリツクス材のビレツトを溶融点以上に
加熱し、加熱可塑化したマトリツクス材を金型キ
ヤビテイ内に配置された上記繊維を含むようにこ
の繊維の中及びその周辺に加圧移送し、この繊維
強化されたマトリツクス材を冷却することにより
中空の複合物品を形成する繊維強化ガラスマトリ
ツクス複合物品の成形方法において、マトリツク
ス材を中空物品のプレフオームの内側で、かつ、
中空成形物品の縦軸の略中間部の少なくとも一点
から中空物品プレフオームへ前記ガラスマトリツ
クスを注入し、成形完成品の寸法精度の向上を図
るとともに物品プレフオームの歪みを最小減にす
る繊維強化ガラスマトリツクス複合材料の成形方
法が提供される。

［作用］ この発明の成形方法によれば、中空の複合材料
物品のプレフオームとして金型のキヤビテイ内に
高温度安定繊維を配置し、高温度安定ガラスマト
リツクス材のビレツトを、その溶融点以上に加熱
し、その熱可塑化したマトリツクス材を、次に、
金型のキヤビテイ内へ加圧移送し、中空物品プレ
フオームの内部に設けられた物品プレフオームの
垂直流路にそつた中間点から繊維周辺へ注入す
る。この熱可塑化したマトリツクス材は、プレフ
オームに染み込み、その後に冷却されて中空の複
合材物品が形成される。したがつて、この方法に
よれば、物品プレフオームの繊維歪みは最小限に
抑えられ、さらには、形状の寸法精度は著しく向
上することとなる。

［実施例］ 以下、添付図面に基づいてこの発明の実施例を
詳細に説明する。

ここにおいて、以下使用する“ガラス繊維マト
リツクス”の用語は、ガラス及びガラスセラミツ
クスを含むものとする。

この発明に係る複合材料に耐熱強度特性を付加
するガラス材料としては、種々のシリカガラスの
使用が可能である。例えば、コーニング7740
（Corning GlassWorks）ホウケイ酸ガラス及び
シリカ含有量の多いガラスは高い安定性を示す
が、アルミノケイ酸塩ガラスは、さらに優れてい
ることが判明している。

さらに、他の材料としては、上記したガラスマ
トリツクス材料がある。この発明の成形工程にお
けるガラス及びガラスセラミツクス材料の粘度
は、約10⁴ポアズ以下となつている。ガラスマト
リツクス及びガラスセラミツクス材料は、冷却す
ると直ちに結晶化する性質を有し、その結晶化の
度合い及びその範囲は、使用されたマトリツクス
成分及び熱処理工程により制御することができ
る。上記した米国特許第4324843号においては、
一般的なリチウムアルミノケイ酸塩が好適なガラ
スセラミツクスとして開示されているが、他に、
アルミノケイ酸塩、マグネシウム−アルミノケイ
酸塩及びそれらの混合物をガラスセラミツクスと
して使用することも可能である。

高温度安定強化材としては、粘性のマトリツク
スが染み込む性質を有するものであれば使用可能
である。例えば、シリコンカーバイド繊維等は適
した材質であり、フイラメントの平均直径が50ミ
クロンまでの複合フイラメントシリコンカーバイ
ドヤーン等が使用されてきており、日本カーボン
会社等は、平均直径約10ミクロンのトウ当たり約
250本の繊維のヤーンを生産している。この繊維
の平均強度は、約2000MPaであり、その使用温
度は。約1200℃である。また、単位立方当たり約
2.6グラムの比重及び約221GPaの弾性係数を有し
ている。以下に示す例において編組みシリコンカ
ーバイド布を使用した成形方法を述べるが、非編
組み連続糸、不連続糸またはそれらを組み合わせ
た糸であつても同様に使用可能なものである。

ガラスビレツトは、通常、繊維に十分染み込ま
せて繊維強化物品を成形できる量を準備し、例え
ば、ガラスが溶解して流れ始め、金型への流し込
みが可能な加工点以上の温度まで加熱する。一般
的には、この温度範囲は、約1000℃か1500℃であ
る。金型のキヤビテイ内に加熱されたビレツトを
流し込むのに使用する圧力は、密に織られた繊維
構造の使用により高圧の使用も可能であるが、一
般的には、約100psiから3000psiの範囲内で、約
60秒間加圧する。物品への繊維混入量は、一般的
には、重さにして約20％から50％の範囲内となつ
ている。

通常、繊維は、金型キヤビテイの形状に沿つた
特定の方向に手作業又は機械によつて配置される
が、繊維を所望する物品の形状に、例えば、高分
子結合材等の使用によつて、形成しておくことも
できる。その後、この成形した繊維を、例えば、
予熱を消して仮接合剤を取り除いた後、トランス
フアー金型内へ配置し、繊維内及びその周辺にガ
ラスを移送する。

一般的に、このような方法においては、カーボ
ワツクスシリーズ（Union Carbide Corp.）等が
有用であり、特に、カーボワツクス4000、ロプレ
ツクス樹脂（Rohm and Haas Corp.）のような
アクリル樹脂が適している。

上述したように、繊維は、金型キヤビテイ内に
配置されて特定の方向に対抗する強度を得ること
ができる。例えば、円柱形状の物品の場合は、繊
維を管状型の中心型コアの周囲方向に配置してフ
ープ強度を与え、円柱の軸方向に沿つて繊維を配
置すると、円柱形状の物品の長さ方向に対する強
度が得られる。以下に例示する製織素材を使用す
ると、これら双方の方向について強度を呈するよ
うになる。実際上は、タービンブレード等の複雑
な形状において、所望する特有の強度が得られる
ウイービングの使用等は、この方法にとつて特に
有効なものである。

つぎに、この発明に係る一例を説明する。

第１図に示す円柱形状の金型は、商業的に有用
なグラフアイトを機械成形したものである。この
金型１の側壁及び金型の中心部２及び３によつ
て、約長さが６インチ、外径が２インチ、厚さが
0.125インチの円柱体が構成される。また、この
金型の上部４及び底部５は金型１の両端に設けら
れている。金型の中心部２及び３は、垂直軸８に
沿つて金型の中心を通りほぼ中程に位置する平面
部７へ加熱可塑化したマトリツクス材を流すチヤ
ネル６を画成するように配置されている。（平面
部の中間点からの位置変動は、余り大きいと不良
品となるが、例えば、±10％のわずかな変動程度
の場合は、許容できる）。

編組みシリコンカーバイド繊維の円柱プレフオ
ーム（図示せず）は、金型キヤビテイー内に配設
し、その後、上部４及び中心部２及び３が設置さ
れる。ホウケイ酸ガラスを含むスラリーを編組み
シリコン繊維プレフオームを配置したグラフアイ
ト金型内に注入する。この金型のキヤビテイー上
のリザーバ（図示せず）内には、さらにガラスパ
ウダーを添加する。金型及びガラスマトリツクス
材を含むリザーバの温度は、加熱されてガラスマ
トリツクスの流点温度になる。

直径3.5インチの上ラムから100psi（pounds per
square inchi）で加圧し、2462〓の温度まで30秒
間加熱する。このようなマトリツクストランスフ
アー成形方法において、単動式制御雰囲気の真空
ホツトプレスを使用して強化（consolidation）
が行なわれる。マトリツクス材を移送後、金型を
冷却し、成形完成品を取り出す。次に、成形物品
検査直後に、マトリツクス強化によつて繊維プリ
フオームに歪みを生じたか否かを測定する。上記
プレスにおいて、粘性のあるガラス媒体を介した
静水圧のみを使用して、全強化を行うことが可能
であることも証明されている。

第２図は、流路１０及び１１を通り円筒部１２
内へ流れるマトリツク材の流路を示す。また、第
３図は、この発明により成形され得る完成品を示
す。（第２図において示す流路は、例えば、ハン
マ、のみ又はのこぎり等で容易に取り除くことが
可能に構成されている）。

この発明に係る成形方法により製造可能な高温
度安定構造を有する代表的なものとしては、ガス
タービンエンジンブレード、カン型燃焼器セグメ
ント、中空エアーフオイルベン及び燃焼室等の中
空容器及びコンツアード物体等がある。また、上
述したように、この方法によれば、製品の寸法精
度に関するの品質管理が大幅に向上するとともに
物品のプレフオーム繊維の歪みを最小限にするこ
とが可能となる。

上述した実施例は、この発明に係る好適な一実
施例にすぎず、この発明の精神及びその範囲から
逸脱することなく種々の形状に関して実施可能で
あることは、この技術分野における当業者によつ
て容易に理解されるものであろう。

［発明の効果］ この発明の特有の効果としては、溶融ガラスマ
トリツクスをプレフオームの内側で、かつ、縦軸
に対して比較的中間部より注入するために、繊維
歪みは最小限に抑えられ、さらには、製品形状の
寸法精度を向上させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明に係る金型を示す断面図、
第２図は、成形通路とこの発明に係る成形物品を
示す図、第３図は、この発明に従つて成形された
物品を示す図である。

【特許請求の範囲】

１ 大気下において稼働中のガラス成形用の金型
の内部に不飽和系炭化水素ガスを供給し着火して
爆発燃焼させ、これによつて生ずる微細なカーボ
ン粒子を金型内表面に付着させたうえゴブを投入
し、常法による成形を行うことを特徴とするガラ
ス成形方法。 ２ 不飽和系炭化水素ガスとして、メチルアセチ
レンと液化石油ガスとの混合ガスを使用する特許
請求の範囲第１項記載のガラス成形方法。