JPH0561094B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上利用分野〕 軽量性と高強度を有する繊維強化複合材料は、
航空・宇宙・海洋等先端的技術分野において重視
されている。この分野では、繊維の強度を最大限
に利用するために、製品の形状とその部位に作用
する外力に応じた繊維配列と輪郭を有するよう立
体的に賦形されたニアネツトシエープの織物や、
縦、横、垂直方向など多軸方向に繊維が配列した
三次元多軸織物（以下、これらを総称して立体織
物という。）の製織技術、及びこれに樹脂などの
マトリツクスを一体化させて所要の立体的形状に
成形する技術の確立が望まれている。

このような複合材料の成形技術によれば、裁断
や接合の手段を用いずに、曲面や凹凸を有する複
雑な形状の成形と、製品の部位に作用する外力に
応じた繊維配列を可能とし、得られる複合材料に
成形物としての欠陥がなく、過度の負荷条件のも
とでの物性に対する高い信頼性を得るとができ
る。

本発明は、上述の立体織物の輪郭形状と繊維配
列を保持した状態で、立体織物を構成する繊維と
マトリツクスとの一体化と製品化のための成形を
可能にした繊維強化複合材料の成形方法及びその
装置に関するものである。

〔従来の技術〕

繊維を強化材料（基材）とした繊維強化複合材
料は、熱硬化性樹脂をマトリツクスとしたFRP
及び熱可塑性樹脂をマトリツクスとしたFRTPに
大別され、これらの成形には樹脂の特性や基材の
構成条件（ロービングや織物の積層状態など）及
び成形品の大きさに応じた成形法が用いられてい
る。その中で最も一般的成形法としては、加熱し
た雌雄一対の金型の凹部（キヤビテイ）内に、強
化繊維と樹脂などのマトリツクスからなる素材
（以下、被成形体という。）を入れ、金型をプレス
の定盤間に挟んで加熱・加圧して賦形後、型開き
して成形品を取り出す金型圧縮成形法が、比較的
に形状が単純な製品の成形に用いられている。例
えば、FRTPおけるプレス成形法、スタンピング
法、サーモフオーミング法は、基本的にこの金型
圧縮成形法に準じたものである。

また、上記の金型による圧縮に代えて、金型の
凸側をその型と同じ形状をしたフレキシブルな幕
（バツグ）によつて形成し、金型とこのバツグと
の間で、バツグ側から空気、水、油等による流体
圧を作用させて成形を行う金型−バツグ式加圧バ
ツグ法、金型部及びバツグ部を加熱・加圧容器内
に収容して成形を行うオートクレープ式等の加圧
バツグ法も用いられている。

しかしながら、対向する金型内または金型とバ
ツグ間の押圧作用により成形を行う上記の金型圧
縮成形法または加圧バツグ法によつて、成形体の
厚さの方向に繊維を配列した立体織物の成形を行
うときは、特定の方向（例えば厚さ方向）のみか
ら圧力を与えるため、与圧方向即ち金型及びバツ
グが対向する方向に配列した繊維がその与圧方向
に極端に変形（座屈）することになり、有効な三
次元繊維配列効果を得ることができない。

また、加圧バツグの場合、繊維組織へのマトリ
ツクスの圧入及び型に沿つた形状に賦形するため
に、被成形体をフイルムなどの薄膜で密封するこ
とが必要となり、比較的に単純な形状の成形物に
限定されている。しかも、成形に際して、層間ボ
イドの除去、マトリツクス硬化中の加圧の均一
化、成形精度の表面粗度の維持などを目的とし
て、上記のフイルムの他に、多くの副資材を必要
とする。

さらに、近年、超音速機などにおいて耐熱性の
高い成形体が要求されており、この分野では成形
体の成形温度の高温域化に加えて、成形体の大
形、複雑化に対する成形の要請が大であり、従来
の金型圧縮成形法及び加圧バツグ法では、成形体
の治具（金型）との熱膨張の差による成形寸法の
精度の低下や、加圧バツグの耐熱性の限界などの
ため、これらの要請に応えることが困難なつてき
ている。

〔発明が解決しようとする課題〕

立体織物を強化材とする複合材料の成形におい
ては、材料の厚さの方向などの特定方向に配列し
た繊維に、配列状態の変化や座屈等の変形を生じ
させることなく、三次元的繊維の配列効果を得る
ことが必要である。

本発明の技術的課題は、成形のための加熱・加
圧に際して、適切な加熱・加圧媒体の利用により
繊維の配列状態の変化や座屈等の変形を生じさせ
ることなく、立体的複雑形状の複合材料を成形す
る方法及び装置を提供することにある。

また、本発明の他の課題は、成形のための加
熱・加圧に際して、バツグ等の成形用副資材を不
用とすることにより、高温域の成形を可能にする
と共に、成形品の形状の精度を高めた複合材料の
成形方法及び装置を提供ることにある。

〔課題を解決するための手段・作用〕

上記課題を解決するための本発明の繊維強化複
合材料の成形方法は、強化繊維と、熱可塑性また
は熱硬化性のマトリツクスからなる立体織物状の
被成形体を、液状の加熱・加圧媒体中に浸漬した
状態で、その加熱・加圧媒体によりマトリツクス
の融点以上または硬化反応開始温度以上に加熱す
ると共に加圧し、被成形体に全方位から上記媒体
による静水圧を直接作用させることにより、強化
繊維間へマトリツクスを圧入して複合材料の成形
を行うことを特徴とするものである。

マトリツクスとして熱可塑性のものを用いる場
合に、上記被成形体としては、強化繊維とその強
化繊維の繊維間を埋める繊維状のマトリツクスと
を多軸方向に配列して製織した立体織物を用いる
ことができる。

また、本発明の成形装置は、強化繊維とマトリ
ツクスからなる被成形体を加熱・加圧媒体と共に
収容する耐圧容器と、上記加熱・加圧媒体を、そ
れ自体の融点以上で、且つマトリツクスの融点ま
たは硬化反応開始温度以上に加熱する加熱手段
と、上記加熱・加圧媒体を必要な成形圧力に加圧
する加圧手段とを備え、強化繊維間へマトリツク
スを圧入して複合材料の成形を行うことを特徴と
するものである。

さらに具体的に説明すると、本発明に係る複合
材料の成形において、マトリツクスとして熱可塑
性材料を用いる場合には、被成形体として、炭素
繊維、金属繊維、またはセラミツクス繊維などの
強化繊維と、その強化繊維の繊維間を埋めて繊維
相互を接合するためのマトリツクスとなる繊維
（以下、マトリツクス用繊維という。）とを混繊し
てなるフイラメントまたはロービング状の繊維束
（コミングルドヤーン）、あるいは強化繊維をマト
リツクスで被覆した繊維（シースドヤーン）の繊
維束を多軸方向に配列して製織した立体織物が好
適に用いられる。また、必要に応じて、それらの
繊維の間にマトリツクス用繊維と実質的に同質の
マトリツクス用粉体を介在させたものを用いるこ
ともできる。このマトリツクス用粉体は、繊維か
ら構成される被成形体の繊維間の空〓をマトリツ
クスによつて十分に充填するために用いるもので
ある。マトリツクスとして用いる熱可塑性樹脂と
しては、例えば、ポリアミドやポリエーテルエー
テルケトン（PEEK）等が適している。

また、マトリツクスとして熱硬化性の材料を用
いる場合には、炭素繊維、金属繊維、またはセラ
ミツクス繊維などの強化繊維の繊維束に未硬化状
態（所謂Ｂステージ状態）にあるエポキシ樹脂な
どを予め含浸したヤーン状のプリプレグを用い、
それを立体的に製織した立体織物が被成形体が好
適に用いられる。

以下においては、上記マトリツクス用繊維やマ
トリツクス用粉体、並びにプリプレグなどにおけ
る未硬化状態にある樹脂を総称してマトリツクス
用素材と呼ぶ。

このような強化繊維とマトリツクスからなる立
体織物状の被成形体は、予め乾燥した後、耐圧容
器内において溶融状態とした金属などの加熱・加
圧媒体で加熱すると共に加圧し、熱可塑性のマト
リツクス用素材を溶融したのち、それを加圧固化
し、またマトリツクスが熱硬化性の樹脂である場
合には、加熱・加圧媒体により硬化反応開始温度
以上に加熱すると共に加圧して硬化させる。

加熱・加圧媒体による加圧過程においては、被
成形体に静水圧による全方位からの圧力が直接作
用するため、強化繊維間へマトリツクスは圧入さ
れるが、被成形体には特定の方向の繊維の配列状
態の変化や座屈等の変形を生じることなく、加
熱・加圧媒体中への配設時に賦形されていた形状
を保持した状態で成形される。

上記被成形体においては、必要な強化繊維と、
溶融時において強化繊維との濡れ性の良好なマト
リツクス素材（強化繊維との接触角が小さい材
質）が用いられる。

一方、加熱・加圧媒体には、強化繊維及びマト
リツクス用素材との濡れ性の少ない材質（金属等
の接触角の大きな材質）が選択される。また、加
熱下にあつても、被成形体を構成する強化繊維及
びマトリツクス用素材と化学的に安定な性質を有
し、溶融温度の比較的低い低融点材料が適し、低
融点金属としては、例えば、鉛、または鉛と錫と
ビスマスとの合金などが使用される。即ち、加
熱・加圧媒体としては、被成形体を構成する素材
との表面張力の差が大きく、高温においてもそれ
自体及び対被成形体との関係において化学的に安
定な材料が使用上好適なものとして選定される。

上記の条件に沿つて、強化繊維、マトリツクス
用素材及び加熱・加圧媒体を選定し、マトリツク
ス用素材を加熱、加圧するとき、流動可能な状態
にあつて強化繊維との濡れ性が高いマトリツクス
用素材は、強化繊維間に圧入されてマトリツクス
を形成し、強化繊維と複合化される。この際、表
面張力が大きく強化繊維との濡れ性の低い加熱・
加圧媒体は、溶融状態にあつても微細な繊維間の
空〓には流入せず、強化繊維とマトリツクス用素
材からなる被成形体を外部から静水圧により加圧
するように作用し、従つて被成形体が変形するこ
となく予め賦形された形状に成形される。また、
被成形体に対する加熱・加圧媒体による加圧が静
水圧によつて行われるため、溶融状態にあるマト
リツクス用素材が強化繊維間の微細な空〓を埋め
るような流動を行うことによつて、被成形体の外
周に強化繊維が突出しても、織物などの繊維組織
体を金型で機械的に加圧する際に見られるような
繊維の座屈等の変形は生じない。

このような本発明の成形方法は、マトリツクス
として上記熱可塑性の材料を用いる場合、加熱・
加圧媒体の融点がマトリツクス用素材の融点より
低い場合と、高い場合において若干の別異の配慮
を必要とするので、以下にそれらに特有の問題を
個別的に詳述する。

まず、加熱・加圧媒体の融点がマトリツクス用
素材の融点より低い場合には、耐圧容器内におい
て加熱されて溶融状態にある加熱・加圧媒体中に
被成形体を浸漬し、加熱・加圧媒体を介して被成
形体中のマトリツクス用素材の融点以上に被成形
体を加熱し、マトリツクス用素材を溶融した状態
で、加熱・加圧媒体を加圧し、被成形体に静水圧
を加える。この過程で、溶融されたマトリツクス
用素材は加熱・加圧媒体の静水圧による圧入作用
により強化繊維の各繊維間に均一に分布するよう
に流動し、強化繊維と一体化される。

さらに、この状態で、加熱・加圧媒体の温度を
マトリツクス用素材の融点より低く、且つ加熱・
加圧媒体の融点より高い範囲に保持することによ
り、マトリツクス素材は強化繊維と一体化された
状態で固化され、複合材料が形成される。

次に、加熱・加圧媒体の融点がマトリツクス用
素材の融点より高い場合における成形動作ついて
述べる。

この場合には、被成形体の成形に先立つて、適
宜な手段により、被成形体の形状に忠実な反転像
のキヤビテイを有する仮型を固化状態の加熱・加
圧媒体により作成し、仮型のキヤビテイ内に被成
形体を配設した後、耐圧容器内において加圧する
ことなく仮型を加熱して溶融させ、仮型が完全に
溶融したのち、所要の圧力のもとで加圧する。加
熱・加圧媒体により作成した仮型が溶解に至るま
での過程において、仮型の状態にある加熱・加圧
媒体を介して加熱された被成形体の温度が、マト
リツクス用素材の融点以上に達したときには、マ
トリツクス用素材が溶融し、マトリツクスとして
強化繊維間へ流動し始める。さらに、仮型を溶融
するまで加熱し、加熱・加圧媒体が溶融状態とな
つたときには、加熱・加圧媒体を加圧し、被成形
体に静水圧を加える。この段階で、溶融されたマ
トリツクス用素材は、加熱・加圧媒体の静水圧に
よる圧入作用により強化繊維の各繊維間に均一に
分布するよう流動し、強化繊維と一体化される。
その後、加熱・加圧媒体の温度をマトリツクス用
素材の融点より低い範囲に保持すると、マトリツ
クス素材は強化繊維と一体化された状態で固化さ
れ、複合材料を形成する。この段階で、冷却時に
大きな熱膨張をす加熱・加圧媒体を利用すること
は、被成形体の高密度化や高精度化を得るのに効
果的である。

上記の成形過程では、加熱・加圧媒体が仮型
の形状を保持し、マトリツクス用素材が溶融状態
にある段階、溶融状態となつた加熱・加圧媒体
を加圧し、被成形体に静水圧を加える段階、及び
加熱・加圧媒体の温度をマトリツクス用素材の
融点より低い範囲に保持してマトリツクスを固化
し、強化繊維と一体化して複合材料を形成する段
階、を経過するが、各段階の温度及びその保持時
間、成形圧及びその保持時間は、各段階での作用
と、被成形体の素材の特性を考慮した最適値が採
用される。

次に、被成形体を構成するマトリツクス用素材
が未硬化の熱硬化性樹脂の場合における成形動作
について説明する。

この場合には、被成形体の成形に先立つて、適
宜な手段により、溶融状態とした加熱・加圧媒体
または上述の仮型のキヤビテイ内に被成形体を配
設し、マトリツクス用素材が硬化反応を開始する
温度以上に、加熱・加圧媒体を介して加熱し、同
時に溶融状態とした加熱・加圧媒体による静水圧
をマトリツクス用素材の硬化反応が終了するまで
加え、成形を完了する。この後、必要に応じて成
形歪除去等のための徐冷を行う。

〔実施例〕

以下に、図面を参照して本発明の繊維強化複合
材料成形装置の実施例について説明する。

第１図（一部断面図）に示す成形装置におい
て、強化繊維とマトリツクス用素材からなる被成
形体１を加熱・加圧媒体２と共に収容する耐圧容
器３には、溶融した加熱・加圧媒体２に静水圧を
加えるための加圧手段として、圧力導入口４を設
けている。さらに、この耐圧容器３内または耐圧
容器３とは別に、図示していないが、マトリツク
スの融点または硬化反応開始温度以上に加熱する
加熱手段が設けられる。図中、５は被成形体１と
加熱・加圧媒体２との比重差による浮力で被成形
体１が移動するのを防止する支持用具を示してい
る。

上記構成を有する成形装置は、耐圧容器３を加
熱手段によつて加熱し、加熱・加圧媒体２を介し
て、被成形体中のマトリツクス用素材の融点また
は硬化反応開始温度以上に被成形体１を加熱し、
その状態で、適宜加圧装置により圧力導入口４か
ら加圧流体（溶融金属、油、空気等）を導入して
加熱・加圧媒体２を加圧し、被成形体１に静水圧
を加えるものである。この過程で、溶融状態にあ
るマトリツクス用素材は加熱・加圧媒体の静水圧
による圧入作用により強化繊維の各繊維間に均一
に分布するよう流動し、強化繊維と一体化され
る。

第２図は他の成形装置の実施例を示し、この成
形装置においては、強化繊維とマトリツクス用素
材からなる被成形体１１を加熱・加圧媒体１２と
共に収容する加圧可能な耐圧容器１３を、加圧手
段を構成する機枠１４内に着脱可能に設置し、ス
プリング１５によつて耐圧容器１３内の加熱・加
圧媒体１２に所要の静水圧を作用させるようにし
ている。この耐圧容器１３内または耐圧容器１３
とは別に加熱手段を設けるのは勿論である。な
お、図中、１６は被成形体１１が移動するのを防
止する支持用具を示している。

この成形装置は、機枠１４におけるスプリング
１５によつて加熱・加圧媒体１２を加圧し、それ
によつて被成形体１１に静水圧を加える点を除い
て、上記第１図の装置と同様に使用されるもので
ある。

〔発明の効果〕

以上に詳述した本発明の繊維強化複合材料の成
形方法及び装置によれば、溶融状態の加熱・加圧
媒体を用いて被成形体を加熱・加圧することによ
り成形を行うので、被成形体に含まれる立体織物
の繊維配列を乱すことなく、且つ被成形体の複雑
形状のネツトシエープ成形を可能にするばかりで
なく、従来の成形方法において工程の省力化や高
温化の障害となつていたバツグなどの多種の副資
材を不用とするため、成形工程の単純化、高温域
化を図ることが可能となる。さらに、成形の最終
段階の加圧に金型などの治具を不用とするため、
被成形体と治具との熱膨張の差に起因する成形精
度のトラブルなどがなく、寸法や表面状態の精度
の高い成形が可能になる。

従つて、本発明の方法及び装置は、航空・宇
宙・海洋など先端的技術分野において必要とされ
る軽量性、高強度、耐熱性を備えた繊維強化複合
材料の成形に極めて有効なものである。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示し、第１図及び第２
図はそれぞれ異なる成形装置の実施例を示す一部
断面図及び正面図である。 １，１１……被成形体、２，１２……加熱・加
圧媒体、３，１３……耐圧容器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 強化繊維と熱可塑性のマトリツクスからなる
   立体織物状の被成形体を、液状の加熱・加圧媒体
   中に浸漬した状態で、その加熱・加圧媒体により
   マトリツクスの融点以上に加熱すると共に加圧
   し、被成形体に全方位から上記媒体による静水圧
   を直接作用させることにより、強化繊維間へマト
   リツクスを圧入して複合材料の成形を行うことを
   特徴とする繊維強化複合材料の成形方法。 ２ 請求項１に記載の方法において、強化繊維と
   マトリツクスからなる被成形体として、強化繊維
   とその強化繊維の繊維間を埋める繊維状のマトリ
   ツクスとを多軸方向に配列して製織した立体織物
   を用いることを特徴とする繊維強化複合材料の成
   形方法。 ３ 強化繊維と熱硬化性のマトリツクスからなる
   立体織物状の被成形体を、液状の加熱・加圧媒体
   中に浸漬した状態で、その加熱・加圧媒体により
   マトリツクスの硬化反応開始温度以上に加熱する
   と共に加圧し、被成形体の全方位から上記媒体に
   よる静水圧を直接作用させることにより、強化繊
   維間へマトリツクスを圧入して複合材料の成形を
   行うことを特徴とする繊維強化複合材料の成形方
   法。 ４ 強化繊維とマトリツクスからなる立体織物状
   の被成形体を加熱・加圧媒体と共に収容する耐圧
   容器と、上記加熱・加圧媒体を、そ自体の融点以
   上で、且つマトリツクスの融点または硬化反応開
   始温度以上に加熱する加熱手段と、上記加熱・加
   圧媒体を必要な成形圧力に加圧する加圧手段とを
   備え、強化繊維間へマトリツクスを圧入して複合
   材料の成形を行うことを特徴とする繊維強化複合
   材料の成形装置。