JPH0592502A - フアイバー強化ガラス母材およびガラス／セラミツクス複合母材を用いた複合部材 - Google Patents
フアイバー強化ガラス母材およびガラス／セラミツクス複合母材を用いた複合部材Info
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- Civil Engineering (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Laminated Bodies (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 従来の複合部材よりも更に力学的特性を向上
させた複合部材を提供する。 【構成】 互いに向き合った位置に配置された面シート
１２と、それらの間に張られたリブ１６とからなるファ
イバー強化ガラス母材またはガラス／セラミックス複合
母材を用いた複合部材１０である。リブのファイバー
は、面シートのファイバーと絡み合わされて構成され、
この構造により、高い剪断応力特性が得られる。
させた複合部材を提供する。 【構成】 互いに向き合った位置に配置された面シート
１２と、それらの間に張られたリブ１６とからなるファ
イバー強化ガラス母材またはガラス／セラミックス複合
母材を用いた複合部材１０である。リブのファイバー
は、面シートのファイバーと絡み合わされて構成され、
この構造により、高い剪断応力特性が得られる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ファイバー強化ガラス
母材およびガラス／セラミックス複合母材を用いた複合
部材に関するものである。
母材およびガラス／セラミックス複合母材を用いた複合
部材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】ファイバー強化ガラス母材およびガラス
／セラミックス複合母材を用いた複合部材の従来の技術
は、米国特許第４，３１４，８５２号、第４，３２４，
８４３号、第４，４２８，７６３号及び第４，７８６，
３１４号に記載されている。
／セラミックス複合母材を用いた複合部材の従来の技術
は、米国特許第４，３１４，８５２号、第４，３２４，
８４３号、第４，４２８，７６３号及び第４，７８６，
３１４号に記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】これらの従来技術によ
るファイバー強化複合部材は、航空機産業や自動車産業
の分野で広く用いられているが、現状の設計では、更に
力学的特性を向上させた複合部材へのニーズが高まって
いる。従来技術は、これらのニーズに応えることはでき
ていない。
るファイバー強化複合部材は、航空機産業や自動車産業
の分野で広く用いられているが、現状の設計では、更に
力学的特性を向上させた複合部材へのニーズが高まって
いる。従来技術は、これらのニーズに応えることはでき
ていない。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明によるファイバー
強化複合部材は、互いに向き合った面シートとその間に
張られたリブとからなることを特徴とし、リブと面シー
トとは、ガラスまたはガラス／セラミック複合母材の中
に非金属質のファイバーを編み合わせて形成されたお
り、リブのファイバーは、面シートのファイバーと絡み
合わされて複合部材を構成している。
強化複合部材は、互いに向き合った面シートとその間に
張られたリブとからなることを特徴とし、リブと面シー
トとは、ガラスまたはガラス／セラミック複合母材の中
に非金属質のファイバーを編み合わせて形成されたお
り、リブのファイバーは、面シートのファイバーと絡み
合わされて複合部材を構成している。
【０００５】本発明の好適な実施形態では、、面シート
とリブのファイバーは、向き合った面シートの間に張ら
れたリブを渡り合って、２つの面シートの間を連続して
撚り合わされるような構造となっている。
とリブのファイバーは、向き合った面シートの間に張ら
れたリブを渡り合って、２つの面シートの間を連続して
撚り合わされるような構造となっている。
【０００６】本発明によるファイバー強化複合部材の破
壊応力と弾性係数は、金属材料で同様の形状、寸法に仕
上げられた部材に比べて、同等あるいはそれ以上であ
る。更に、部材の密度は、金属材料で同様の形状、寸法
に仕上げられ、本発明によるファイバー強化複合部材と
同等の高温度耐性をもつ部材に比べて、１／３から１／
２である。
壊応力と弾性係数は、金属材料で同様の形状、寸法に仕
上げられた部材に比べて、同等あるいはそれ以上であ
る。更に、部材の密度は、金属材料で同様の形状、寸法
に仕上げられ、本発明によるファイバー強化複合部材と
同等の高温度耐性をもつ部材に比べて、１／３から１／
２である。
【０００７】
【作用】本発明のトラスパネルは、トラスを構成する各
歪曲ファイバーは、一方の面シートから他方の面シート
の間に渡りあい、それぞれの面シートの歪曲ファイバー
と撚り合わさられる構造となっている。更に、トラスを
構成する各歪曲ファイバーは、一方の面シートから他方
の面シートの間に渡り合うことを繰り返して、面シート
と撚り合わさられる構造となっている。
歪曲ファイバーは、一方の面シートから他方の面シート
の間に渡りあい、それぞれの面シートの歪曲ファイバー
と撚り合わさられる構造となっている。更に、トラスを
構成する各歪曲ファイバーは、一方の面シートから他方
の面シートの間に渡り合うことを繰り返して、面シート
と撚り合わさられる構造となっている。
【０００８】上記のように、面シートとリブの各ファイ
バーが撚り合わされる構造は、公知例によるファイバー
強化複合材料に比べ、より優れた剪断応力特性を示すも
のとなっている。公知例による構造では、ファイバーが
面シートとリブとの間に渡り合って張られていないた
め、面シートとリブとの接合点での剪断応力特性は、一
般に、面シート及びリブ自体の母材の特性と同等であ
る。また、一般に、これらの母材は脆弱なため、剪断応
力特性も良好ではない。一方、本発明によるトラスパネ
ルの剪断応力特性は、一般に、面シート及びリブ自体の
母材の特性とファイバーを撚り合わされた構造により得
られる特性とを併せたものに等しくなる。
バーが撚り合わされる構造は、公知例によるファイバー
強化複合材料に比べ、より優れた剪断応力特性を示すも
のとなっている。公知例による構造では、ファイバーが
面シートとリブとの間に渡り合って張られていないた
め、面シートとリブとの接合点での剪断応力特性は、一
般に、面シート及びリブ自体の母材の特性と同等であ
る。また、一般に、これらの母材は脆弱なため、剪断応
力特性も良好ではない。一方、本発明によるトラスパネ
ルの剪断応力特性は、一般に、面シート及びリブ自体の
母材の特性とファイバーを撚り合わされた構造により得
られる特性とを併せたものに等しくなる。
【０００９】更に、本発明によるファイバー強化複合部
材がもつ、従来の部材に対する有利な諸特性について
は、以下の実施例にて詳細に説明する。
材がもつ、従来の部材に対する有利な諸特性について
は、以下の実施例にて詳細に説明する。
【００１０】
【実施例】本発明によるファイバー強化複合部材１０の
実施例を図１に示す。ファイバー強化複合部材１０は、
互いに向かい合った２つの面シートを含んでいる。互い
に向かい合った２つの面シートの間には、１つ以上のリ
ブあるいはトラス１６が、張られている。以上の形状よ
り、本発明のファイバー強化複合部材は、ファイバー強
化トラスパネル、あるいは簡単に、トラスパネルと呼ば
れる。２つのリブ１６と面シートに囲まれた部分は、セ
ル１８を構成している。図１において、セル１８の断面
形状は、三角形である。なお、本発明では、セルの断面
形状は、図１に示されるような三角形に限られず、長方
形、任意の多角形等他の形状のものであってもよい。ま
た、本発明の主旨に沿うものであれば、トラスパネルの
各セルが、異なった形状、寸法をもつもので構成される
ものであってもよい。すなわち、トラスパネル内のすべ
てのセルが同一の形状、寸法を有する必要はない。
実施例を図１に示す。ファイバー強化複合部材１０は、
互いに向かい合った２つの面シートを含んでいる。互い
に向かい合った２つの面シートの間には、１つ以上のリ
ブあるいはトラス１６が、張られている。以上の形状よ
り、本発明のファイバー強化複合部材は、ファイバー強
化トラスパネル、あるいは簡単に、トラスパネルと呼ば
れる。２つのリブ１６と面シートに囲まれた部分は、セ
ル１８を構成している。図１において、セル１８の断面
形状は、三角形である。なお、本発明では、セルの断面
形状は、図１に示されるような三角形に限られず、長方
形、任意の多角形等他の形状のものであってもよい。ま
た、本発明の主旨に沿うものであれば、トラスパネルの
各セルが、異なった形状、寸法をもつもので構成される
ものであってもよい。すなわち、トラスパネル内のすべ
てのセルが同一の形状、寸法を有する必要はない。
【００１１】本発明によるトラスパネルを構成する面シ
−トとリブは、ガラスまたはガラス／セラミック複合材
を母材とした、非金属質のファイバーから構成される。
ここで、ガラス母材の材料としては、ホウケイ酸ガラ
ス、アルミノケイ酸塩、珪素ガラスがある。また、ガラ
ス／セラミック複合材の材料としては、リチウムとアル
ミノケイ酸塩の混合材料、マグネシウムとアルミノケイ
酸塩の混合材料、バリウムとマグネシウムとアルミノケ
イ酸塩の混合材料、カルシウムとアルミノケイ酸塩の混
合材料、バリウムとアルミノケイ酸塩の混合材料、そし
てバリウムとリチウムとアルミノケイ酸塩の混合材料な
どがある。本発明によるトラスパネルの材料としては、
ガラス母材としは、前述のガラス母材を混合させて用い
ることが可能であり、また、ガラス／セラミック複合母
材としては、前述のガラス／セラミック複合母材を混合
させて用いることが可能である。更に、前述のガラス母
材及びガラス／セラミック複合母材を混合して用いるこ
とも可能である。
−トとリブは、ガラスまたはガラス／セラミック複合材
を母材とした、非金属質のファイバーから構成される。
ここで、ガラス母材の材料としては、ホウケイ酸ガラ
ス、アルミノケイ酸塩、珪素ガラスがある。また、ガラ
ス／セラミック複合材の材料としては、リチウムとアル
ミノケイ酸塩の混合材料、マグネシウムとアルミノケイ
酸塩の混合材料、バリウムとマグネシウムとアルミノケ
イ酸塩の混合材料、カルシウムとアルミノケイ酸塩の混
合材料、バリウムとアルミノケイ酸塩の混合材料、そし
てバリウムとリチウムとアルミノケイ酸塩の混合材料な
どがある。本発明によるトラスパネルの材料としては、
ガラス母材としは、前述のガラス母材を混合させて用い
ることが可能であり、また、ガラス／セラミック複合母
材としては、前述のガラス／セラミック複合母材を混合
させて用いることが可能である。更に、前述のガラス母
材及びガラス／セラミック複合母材を混合して用いるこ
とも可能である。
【００１２】面シート１２とリブ１６のファイバーは、
図２に示されるように、互いに、撚り合わされたものと
なっている。図２では、歪曲したファイバー２０と２２
が中心ファイバー２４を挟むように繰り返し撚り合わさ
れ、面シート１２が形成されている。同様に、歪曲した
ファイバー２６と２８が中心ファイバー３０を挟むよう
に繰り返し撚り合わされ、リブ１６が形成されている。
リブ１６と面シート１２の交差する位置では、リブ１６
の歪曲ファイバー２６と２８が、面シート１２の歪曲フ
ァイバー２０，２２と中心ファイバー２４とに絡み合う
ように、撚り合わされる。
図２に示されるように、互いに、撚り合わされたものと
なっている。図２では、歪曲したファイバー２０と２２
が中心ファイバー２４を挟むように繰り返し撚り合わさ
れ、面シート１２が形成されている。同様に、歪曲した
ファイバー２６と２８が中心ファイバー３０を挟むよう
に繰り返し撚り合わされ、リブ１６が形成されている。
リブ１６と面シート１２の交差する位置では、リブ１６
の歪曲ファイバー２６と２８が、面シート１２の歪曲フ
ァイバー２０，２２と中心ファイバー２４とに絡み合う
ように、撚り合わされる。
【００１３】図２では、リブ１６の歪曲ファイバーと中
心ファイバーとは、規則的に波状のパタンで撚り合わさ
れ、直線状に織り込まれている。すなわち、２本の歪曲
ファイバーが、正弦波状のパタンで中心ファイバーを上
下から互いちがいにはさみながら、撚り合わされている
構造となっている。この撚り合わせパタンの他に、例え
ば、２本のファイバーを一纏にして中心ファイバーをは
さむような形状のものも考えられる。撚り合わせファイ
バーの部分は、全体の３５から５０％とすべきであり、
４０％が最も好ましい比率である。
心ファイバーとは、規則的に波状のパタンで撚り合わさ
れ、直線状に織り込まれている。すなわち、２本の歪曲
ファイバーが、正弦波状のパタンで中心ファイバーを上
下から互いちがいにはさみながら、撚り合わされている
構造となっている。この撚り合わせパタンの他に、例え
ば、２本のファイバーを一纏にして中心ファイバーをは
さむような形状のものも考えられる。撚り合わせファイ
バーの部分は、全体の３５から５０％とすべきであり、
４０％が最も好ましい比率である。
【００１４】また、図２では、リブ１６の歪曲ファイバ
ー２６，２８と面シートの歪曲ファイバー２０，２２と
中心ファイバー２４とが絡み合わされた部分において、
リブ１６の歪曲ファイバー２６と２８がともに、面シー
トの中心ファイバー２４の外側面２５ａを外側から回り
込むように絡み合わされていることを示している。ま
た、図２では、上記の部分における面シートのファイバ
ーの撚り合わせパタンが、通常のものと変わっているこ
とも示している。すなわち、通常は、中心ファイバーの
外側面２５ａと内側面２５ｂとをはさむ形で、面シート
の歪曲ファイバー２０，２２が絡み合わされるものが、
この部分では、歪曲ファイバー２０，２２ともに、中心
ファイバーの内側面２５ｂを内側から回り込むように絡
み合わされたものとなっている。
ー２６，２８と面シートの歪曲ファイバー２０，２２と
中心ファイバー２４とが絡み合わされた部分において、
リブ１６の歪曲ファイバー２６と２８がともに、面シー
トの中心ファイバー２４の外側面２５ａを外側から回り
込むように絡み合わされていることを示している。ま
た、図２では、上記の部分における面シートのファイバ
ーの撚り合わせパタンが、通常のものと変わっているこ
とも示している。すなわち、通常は、中心ファイバーの
外側面２５ａと内側面２５ｂとをはさむ形で、面シート
の歪曲ファイバー２０，２２が絡み合わされるものが、
この部分では、歪曲ファイバー２０，２２ともに、中心
ファイバーの内側面２５ｂを内側から回り込むように絡
み合わされたものとなっている。
【００１５】以上のように、本発明のトラスパネル１０
では、トラスを構成する各歪曲ファイバーは、一方の面
シートから他方の面シートの間に渡りあい、それぞれの
面シートの歪曲ファイバーと撚り合わさられる構造とな
っていることが望ましい。更に、トラスを構成する各歪
曲ファイバーは、一方の面シートから他方の面シートの
間に渡り合うことを繰り返して、面シートと撚り合わさ
られる構造となっていることが望ましい。
では、トラスを構成する各歪曲ファイバーは、一方の面
シートから他方の面シートの間に渡りあい、それぞれの
面シートの歪曲ファイバーと撚り合わさられる構造とな
っていることが望ましい。更に、トラスを構成する各歪
曲ファイバーは、一方の面シートから他方の面シートの
間に渡り合うことを繰り返して、面シートと撚り合わさ
られる構造となっていることが望ましい。
【００１６】上記のように、面シートとリブの各ファイ
バーが撚り合わされる構造は、公知例によるファイバー
強化複合材料に比べ、より優れた剪断応力特性を示すも
のとなっている。公知例による構造では、ファイバーが
面シートとリブとの間に渡り合って張られていないた
め、面シートとリブとの接合点での剪断応力特性は、一
般に、面シート及びリブ自体の母材の特性と同等であ
る。また、一般に、これらの母材は脆弱なため、剪断応
力特性も良好ではない。一方、本発明によるトラスパネ
ルの剪断応力特性は、一般に、面シート及びリブ自体の
母材の特性とファイバーを撚り合わされた構造により得
られる特性とを併せたものに等しくなる。
バーが撚り合わされる構造は、公知例によるファイバー
強化複合材料に比べ、より優れた剪断応力特性を示すも
のとなっている。公知例による構造では、ファイバーが
面シートとリブとの間に渡り合って張られていないた
め、面シートとリブとの接合点での剪断応力特性は、一
般に、面シート及びリブ自体の母材の特性と同等であ
る。また、一般に、これらの母材は脆弱なため、剪断応
力特性も良好ではない。一方、本発明によるトラスパネ
ルの剪断応力特性は、一般に、面シート及びリブ自体の
母材の特性とファイバーを撚り合わされた構造により得
られる特性とを併せたものに等しくなる。
【００１７】本発明のトラスパネルに用いられるファイ
バーは、多芯線構造であり、複数の芯線を束ねた束線の
形で用いられる。通常、ひとつの束線は、２５０から１
２００本の芯線を含み、各芯線の直径は５から２０ミク
ロンである。束線の直径は、複雑な形状に撚り合わせが
可能となるよう、十分小さくすることが必要である。工
業規格上の、一束線あたりの芯線数の下限は、２５０本
であるが、本発明によるトラスパネルは、このような工
業規格上の制限にとらわれることなく実施が可能であ
る。
バーは、多芯線構造であり、複数の芯線を束ねた束線の
形で用いられる。通常、ひとつの束線は、２５０から１
２００本の芯線を含み、各芯線の直径は５から２０ミク
ロンである。束線の直径は、複雑な形状に撚り合わせが
可能となるよう、十分小さくすることが必要である。工
業規格上の、一束線あたりの芯線数の下限は、２５０本
であるが、本発明によるトラスパネルは、このような工
業規格上の制限にとらわれることなく実施が可能であ
る。
【００１８】ファイバーの芯線の材料に好ましい組成
は、黒鉛、炭化物、ホウ化物、窒化物及び酸化物であ
る。一例としては、SiC，TiB2，Si3N4並びにTiN，Al2O3
等がある。芯線は、束線の形でファイバーとして撚り合
わされる前工程で、ガラス母材あるいは、ガラス／セラ
ミック母材の中に浸され、ファイバーの内部にも母材が
行き渡るようにする。
は、黒鉛、炭化物、ホウ化物、窒化物及び酸化物であ
る。一例としては、SiC，TiB2，Si3N4並びにTiN，Al2O3
等がある。芯線は、束線の形でファイバーとして撚り合
わされる前工程で、ガラス母材あるいは、ガラス／セラ
ミック母材の中に浸され、ファイバーの内部にも母材が
行き渡るようにする。
【００１９】ファイバーにしみ込ませる母材としては、
前述のように、ガラス母材の材料としての、ホウケイ酸
ガラス、アルミノケイ酸塩、珪素ガラスがある。また、
ガラス／セラミック複合材の材料としては、リチウムと
アルミノケイ酸塩の混合材料、マグネシウムとアルミノ
ケイ酸塩の混合材料、バリウムとマグネシウムとアルミ
ノケイ酸塩の混合材料、カルシウムとアルミノケイ酸塩
の混合材料、バリウムとアルミノケイ酸塩の混合材料、
そしてバリウムとリチウムとアルミノケイ酸塩の混合材
料などがある。また、前述のガラス母材及びガラス／セ
ラミック複合母材を混合して用いることも可能である。
前述のように、ガラス母材の材料としての、ホウケイ酸
ガラス、アルミノケイ酸塩、珪素ガラスがある。また、
ガラス／セラミック複合材の材料としては、リチウムと
アルミノケイ酸塩の混合材料、マグネシウムとアルミノ
ケイ酸塩の混合材料、バリウムとマグネシウムとアルミ
ノケイ酸塩の混合材料、カルシウムとアルミノケイ酸塩
の混合材料、バリウムとアルミノケイ酸塩の混合材料、
そしてバリウムとリチウムとアルミノケイ酸塩の混合材
料などがある。また、前述のガラス母材及びガラス／セ
ラミック複合母材を混合して用いることも可能である。
【００２０】本発明によるファイバー強化複合部材の製
造方法について、以下その各工程を詳細に説明する。
造方法について、以下その各工程を詳細に説明する。
【００２１】まず、複数のリールに巻き取られた複数の
ファイバー線を繰りだし、それらを編み合わせて、図１
に示したような、三次元形状のトラスパネルを形成す
る。リブのファイバーは、面シートのファイバーと絡み
合うように、撚り合わされる。このファイバーの撚り合
せ、編み合わせプロセスは、所望のトラスパネルの形状
とファイバーの編み合わせパターンが得られるように制
御される。
ファイバー線を繰りだし、それらを編み合わせて、図１
に示したような、三次元形状のトラスパネルを形成す
る。リブのファイバーは、面シートのファイバーと絡み
合うように、撚り合わされる。このファイバーの撚り合
せ、編み合わせプロセスは、所望のトラスパネルの形状
とファイバーの編み合わせパターンが得られるように制
御される。
【００２２】トラスパネルがファイバーを編み合わされ
て形成されると、次に、トラスパネルを所定の母材に浸
す。
て形成されると、次に、トラスパネルを所定の母材に浸
す。
【００２３】まず、トラスパネルの各セルの部分に、堅
い固定材を挿入し、トラスパネルの骨格を形成している
ファイバーの編み合わせ部分が、所定の三次元形状を保
つようにする。この固定材は、母材を浸す過程で加えら
れる温度や圧力に十分耐えらるような、材質でなければ
ならない。この固定材の好ましい材質としては、黒鉛、
セラミックス、金属等がある。
い固定材を挿入し、トラスパネルの骨格を形成している
ファイバーの編み合わせ部分が、所定の三次元形状を保
つようにする。この固定材は、母材を浸す過程で加えら
れる温度や圧力に十分耐えらるような、材質でなければ
ならない。この固定材の好ましい材質としては、黒鉛、
セラミックス、金属等がある。
【００２４】次に、図３に示すように、固定材３２を所
定のセルに挿入した後、ファイバーを編み合わせて形成
したトラスパネル１０を空洞部３６を有する型（図３で
は、想像線で描かれている）の中に据える。空胴部３６
は、トラスパネル１０を収容するのに適した形状、寸法
を有するものとなっている。更に、ガラス母材あるいは
ガラス／セラミック複合母材を溶融温度以上に加熱して
流体状にしたものを、型の中に流し込み、空胴部３６に
導き、母材が、ファイバーを編み合わされたトラスパネ
ルをその形状のまま、その周囲を固めるようにする。流
体状母材の流し込み方向は、トラスパネルの各面に垂直
な方向であることが望ましい。母材が空胴部３６に流し
込まれた後、型３４とその内部の温度が室温になるまで
冷却し、母材を固化させる。その後、固定材３２をトラ
スパネルから、浸出あるいは機械的破壊によって取り除
く。母材としてガラス／セラミック複合材料を用いた場
合には、仕上がったトラスパネルの熱処理により、母材
を結晶化させることが可能である。母材の結晶化は、ト
ラスパネルの強度、弾性及びその他の材料力学的特性を
向上させることが可能となる。
定のセルに挿入した後、ファイバーを編み合わせて形成
したトラスパネル１０を空洞部３６を有する型（図３で
は、想像線で描かれている）の中に据える。空胴部３６
は、トラスパネル１０を収容するのに適した形状、寸法
を有するものとなっている。更に、ガラス母材あるいは
ガラス／セラミック複合母材を溶融温度以上に加熱して
流体状にしたものを、型の中に流し込み、空胴部３６に
導き、母材が、ファイバーを編み合わされたトラスパネ
ルをその形状のまま、その周囲を固めるようにする。流
体状母材の流し込み方向は、トラスパネルの各面に垂直
な方向であることが望ましい。母材が空胴部３６に流し
込まれた後、型３４とその内部の温度が室温になるまで
冷却し、母材を固化させる。その後、固定材３２をトラ
スパネルから、浸出あるいは機械的破壊によって取り除
く。母材としてガラス／セラミック複合材料を用いた場
合には、仕上がったトラスパネルの熱処理により、母材
を結晶化させることが可能である。母材の結晶化は、ト
ラスパネルの強度、弾性及びその他の材料力学的特性を
向上させることが可能となる。
【００２５】最後に、必要ならば、トラスパネルを機械
加工して、所望の形状に仕上げる。
加工して、所望の形状に仕上げる。
【００２６】ファイバー材と母材との最適な組合せは、
トラスパネルの利用目的に応じて決定される。トラスパ
ネルの使用温度が４３０°以下であれば、ホウケイ酸ガ
ラスの母材と、黒鉛のファイバーを用いるのが好適であ
る。トラスパネルの使用温度が６５０°以下であれば、
ホウケイ酸ガラスの母材と、炭化珪素あるいは酸化アル
ミニウムのファイバーを用いるのが好適である。また、
使用温度が１１００°以下であれば、アルミノケイ酸塩
の母材と、炭化珪素あるいは酸化アルミニウムのファイ
バーを用いるのが好適である。更に、使用温度が１１０
０°以上である場合には、母材にバリウムとアルミノケ
イ酸塩の混合セラミック材料を用いるのが好適である。
その他、用途に応じ、母材とファイバー材の最適な組合
せが考えられる。例えば、カルシウムとアルミノケイ酸
塩の混合セラミック材料と、マグネシウムとアルミノケ
イ酸塩の混合セラミック材料は、使用温度が１３００°
までの母材に適している。また、バリウムとアルミノケ
イ酸塩の混合セラミック材料は、使用温度が１５００°
までの母材に適している。
トラスパネルの利用目的に応じて決定される。トラスパ
ネルの使用温度が４３０°以下であれば、ホウケイ酸ガ
ラスの母材と、黒鉛のファイバーを用いるのが好適であ
る。トラスパネルの使用温度が６５０°以下であれば、
ホウケイ酸ガラスの母材と、炭化珪素あるいは酸化アル
ミニウムのファイバーを用いるのが好適である。また、
使用温度が１１００°以下であれば、アルミノケイ酸塩
の母材と、炭化珪素あるいは酸化アルミニウムのファイ
バーを用いるのが好適である。更に、使用温度が１１０
０°以上である場合には、母材にバリウムとアルミノケ
イ酸塩の混合セラミック材料を用いるのが好適である。
その他、用途に応じ、母材とファイバー材の最適な組合
せが考えられる。例えば、カルシウムとアルミノケイ酸
塩の混合セラミック材料と、マグネシウムとアルミノケ
イ酸塩の混合セラミック材料は、使用温度が１３００°
までの母材に適している。また、バリウムとアルミノケ
イ酸塩の混合セラミック材料は、使用温度が１５００°
までの母材に適している。
【００２７】通常は、リブ１６に用いるファイバーの直
径と、面シート１２に用いるファイバーの直径は等しい
ものとなっている。しかし、異なる直径をもつファイバ
ーを組み合わせることにより、本発明によるトラスパネ
ルの力学的特性を所望のものに仕上げることが可能とな
る。例えば、面シートには、直径８ミクロンと１５ミク
ロンのファイバーを組み合わせて用い、リブには、直径
８ミクロンのファイバーのみを用いることは、本発明の
主旨に沿うものである。
径と、面シート１２に用いるファイバーの直径は等しい
ものとなっている。しかし、異なる直径をもつファイバ
ーを組み合わせることにより、本発明によるトラスパネ
ルの力学的特性を所望のものに仕上げることが可能とな
る。例えば、面シートには、直径８ミクロンと１５ミク
ロンのファイバーを組み合わせて用い、リブには、直径
８ミクロンのファイバーのみを用いることは、本発明の
主旨に沿うものである。
【００２８】トラスパネルの力学的特性を修正するため
に、７５から２００ミクロンの比較的大きな直径を持つ
単芯ファイバーを中心ファイバーとして、トラスパネル
内の特定の位置に用いることが可能である。
に、７５から２００ミクロンの比較的大きな直径を持つ
単芯ファイバーを中心ファイバーとして、トラスパネル
内の特定の位置に用いることが可能である。
【００２９】リブ１６に用いるファイバーの材質と、面
シート１２に用いるファイバーの材質は、通常、同一で
ある。しかるに、いくつかの異なる材質からなるファイ
バーを組み合わせてトラスパネルを構成することによ
り、トラスパネルの力学的特性を変化させることができ
る。例えば、炭化珪素と酸化アルミニウムの２種類のフ
ァイバーを面シートに用い、リブには、炭化珪素のファ
イバーのみを用いることができる。
シート１２に用いるファイバーの材質は、通常、同一で
ある。しかるに、いくつかの異なる材質からなるファイ
バーを組み合わせてトラスパネルを構成することによ
り、トラスパネルの力学的特性を変化させることができ
る。例えば、炭化珪素と酸化アルミニウムの２種類のフ
ァイバーを面シートに用い、リブには、炭化珪素のファ
イバーのみを用いることができる。
【００３０】本発明による複合部材は、航空機産業の分
野で多く使用される。例えば、本発明によるファイバー
強化部材は、２．４ｇ／ｃｍ3の密度をもち、この値
は、ニッケル合金部材の 密度８．１ｇ／ｃｍ3や、チタ
ン合金部材の密度４．６ｇ／ｃｍ3を大きく下回る。本
発明にファイバー強化部材の破壊応力特性は、上記の合
金部材と同等あるいはそれ以上であり、弾性特性は、上
記の合金部材に及ばないが、熱疲労特性およびスチフネ
ス特性は、合金部材に優る。
野で多く使用される。例えば、本発明によるファイバー
強化部材は、２．４ｇ／ｃｍ3の密度をもち、この値
は、ニッケル合金部材の 密度８．１ｇ／ｃｍ3や、チタ
ン合金部材の密度４．６ｇ／ｃｍ3を大きく下回る。本
発明にファイバー強化部材の破壊応力特性は、上記の合
金部材と同等あるいはそれ以上であり、弾性特性は、上
記の合金部材に及ばないが、熱疲労特性およびスチフネ
ス特性は、合金部材に優る。
【００３１】図４は、流体輸送の用途のために、本発明
の複合部材を適用した実施例である。
の複合部材を適用した実施例である。
【００３２】図４は、図１に示したトラスパネルと同様
の形状を持つトラスパネルの断面図を示したものである
が、図４ではのトラスパネルでは、セルが長方形状とな
っている。図４では、部分４０がトラスパネルであり、
部分４２が面シートである。互いに向かい合った面シー
ト４２の間にリブ４４が張られ、長方形状の断面形状を
もつセル４６が形成されている。リブ４４の途切れた部
分４８により、セル間を流体が自由に流動できる構造と
なっている。この構造は、気体あるいは液体による冷却
作用のために所定の温度にトラスパネルを保つ用途に、
特に好適である。つまり、リブ４４に設けられた途切れ
た部分４８により、図４に矢印で示された方向に、冷媒
はセル４６の間を自由に流動できる。リブ４４に設けら
れる途切れた部分４８は、ファイバーの編み合わせの段
階か、編み合わせ後あるいは母材をしみ込ませた後の機
械的加工の段階で形成される。
の形状を持つトラスパネルの断面図を示したものである
が、図４ではのトラスパネルでは、セルが長方形状とな
っている。図４では、部分４０がトラスパネルであり、
部分４２が面シートである。互いに向かい合った面シー
ト４２の間にリブ４４が張られ、長方形状の断面形状を
もつセル４６が形成されている。リブ４４の途切れた部
分４８により、セル間を流体が自由に流動できる構造と
なっている。この構造は、気体あるいは液体による冷却
作用のために所定の温度にトラスパネルを保つ用途に、
特に好適である。つまり、リブ４４に設けられた途切れ
た部分４８により、図４に矢印で示された方向に、冷媒
はセル４６の間を自由に流動できる。リブ４４に設けら
れる途切れた部分４８は、ファイバーの編み合わせの段
階か、編み合わせ後あるいは母材をしみ込ませた後の機
械的加工の段階で形成される。
【００３３】本発明の他の実施例として、複合部材のセ
ルを部分的にあるいは全セルを、母材と同等あるいは異
なる組成の発泡性物質で充填することにより、トラスパ
ネルの力学的特性を修正あるいは、向上させことができ
る。網目状に空孔を含むセラミック材料などの発泡性物
質をセルに充填することにより、リブの座屈強度を増
し、力学的特性を向上させることが可能となる。また、
熱伝導率の高いあるいは低い物質をセルに充填すること
により、トラスパネルの熱伝達特性を変化させることも
可能である。更に、誘電率の高いあるいは低い物質をセ
ルに充填することにより、トラスパネルの電磁気的特性
を変化させることも、同様に可能である。
ルを部分的にあるいは全セルを、母材と同等あるいは異
なる組成の発泡性物質で充填することにより、トラスパ
ネルの力学的特性を修正あるいは、向上させことができ
る。網目状に空孔を含むセラミック材料などの発泡性物
質をセルに充填することにより、リブの座屈強度を増
し、力学的特性を向上させることが可能となる。また、
熱伝導率の高いあるいは低い物質をセルに充填すること
により、トラスパネルの熱伝達特性を変化させることも
可能である。更に、誘電率の高いあるいは低い物質をセ
ルに充填することにより、トラスパネルの電磁気的特性
を変化させることも、同様に可能である。
【００３４】図５は、２つのトラスパネル５２，５４を
密着させて一つの集合体５０を組み立てた、本発明の更
に他の実施例を示すものである。結合するトラスパネル
５２，５４の密着面である、面シート５６，５８の間
は、高粘性セラミックス等の接着剤をもちいて結合す
る。また、クリップ、ボルトなどの機械的な締結部品を
用いて、面シート５６と５８の間を結合することも可能
である。図５において、セル５３と５５は、奥行はとも
に同一方向である。しかし、結合される２つのトラスパ
ネルのセルの方向が同一である必要はなく、トラスパネ
ルの用途に応じ、その方向が直交していたり、斜めに交
叉する構造であってよい。また、集合体５０の特性を所
望のものに変化させるために、結合する面シート５６と
５８との間に緩衝材を挿入する構成であってもよい。更
に、図５に示したような２つのトラスパネルを結合した
形状をもつ集合体を作るために、上記のように２つのト
ラスパネルを結合する代わりに、ファイバーの編み合わ
せの段階で、集合体の内部面（前記面シート５６と５８
が接合されて形成した面）をリブと一体で形成する製造
方法も可能である。この場合、リブのファイバーは、内
部面のファイバーと絡み合わせて形成されるものとなっ
ている。
密着させて一つの集合体５０を組み立てた、本発明の更
に他の実施例を示すものである。結合するトラスパネル
５２，５４の密着面である、面シート５６，５８の間
は、高粘性セラミックス等の接着剤をもちいて結合す
る。また、クリップ、ボルトなどの機械的な締結部品を
用いて、面シート５６と５８の間を結合することも可能
である。図５において、セル５３と５５は、奥行はとも
に同一方向である。しかし、結合される２つのトラスパ
ネルのセルの方向が同一である必要はなく、トラスパネ
ルの用途に応じ、その方向が直交していたり、斜めに交
叉する構造であってよい。また、集合体５０の特性を所
望のものに変化させるために、結合する面シート５６と
５８との間に緩衝材を挿入する構成であってもよい。更
に、図５に示したような２つのトラスパネルを結合した
形状をもつ集合体を作るために、上記のように２つのト
ラスパネルを結合する代わりに、ファイバーの編み合わ
せの段階で、集合体の内部面（前記面シート５６と５８
が接合されて形成した面）をリブと一体で形成する製造
方法も可能である。この場合、リブのファイバーは、内
部面のファイバーと絡み合わせて形成されるものとなっ
ている。
【００３５】以上に示した本発明の実施例では、トラス
パネルの面シートは、平面で互いに平行に配置された形
状を持つものとなっていたが、図６に示すように、面シ
ートが曲面となっているものも構成できる。図６では、
面シート６２および６４は曲面であり、各々、軸Ａを中
心とする曲率半径は、Ｒ1，Ｒ2となっている。リブ６６
は、面シート６２と６４の間に、軸Ａを中心とした放射
状に張られており、リブのファイバーは、面シートのフ
ァイバーと絡み合うように形成されている。図６に示さ
れる形状のトラスパネル６０は、ガスタービンエンジン
のような回転機械の構成部材として用途が見込まれる。
パネルの面シートは、平面で互いに平行に配置された形
状を持つものとなっていたが、図６に示すように、面シ
ートが曲面となっているものも構成できる。図６では、
面シート６２および６４は曲面であり、各々、軸Ａを中
心とする曲率半径は、Ｒ1，Ｒ2となっている。リブ６６
は、面シート６２と６４の間に、軸Ａを中心とした放射
状に張られており、リブのファイバーは、面シートのフ
ァイバーと絡み合うように形成されている。図６に示さ
れる形状のトラスパネル６０は、ガスタービンエンジン
のような回転機械の構成部材として用途が見込まれる。
【００３６】本発明の一例としては、三角形状のセルを
持ちガラス／セラミックス複合母材のファイバー強化ト
ラスパネルは、１２ミクロンの直径を持つ炭化珪素ファ
イバー線材を編み合わせて、図１に示した形状と同様の
構造をもつものが挙げられる。ファイバー線材を編み合
わせた後、三角柱形状の黒鉛の固定材を各セルに充填す
る。固定材が充填されたファイバー部材を黒鉛の型の空
胴部に挿入し、リチウムとアルミノケイ酸塩のガラス／
セラミック複合材を１３００°Ｃに加熱して流体状にし
たものを型の空胴部に流し込む。約３０分間加圧したの
ち、減圧、冷却する。母材が充填されたトラスパネルを
型から取出し、黒鉛の固定材も取り除く。最後に、母材
を結晶化させるため、トラスパネルをアルゴンガス中で
１１００°Ｃの温度で約１２分間加熱する。
持ちガラス／セラミックス複合母材のファイバー強化ト
ラスパネルは、１２ミクロンの直径を持つ炭化珪素ファ
イバー線材を編み合わせて、図１に示した形状と同様の
構造をもつものが挙げられる。ファイバー線材を編み合
わせた後、三角柱形状の黒鉛の固定材を各セルに充填す
る。固定材が充填されたファイバー部材を黒鉛の型の空
胴部に挿入し、リチウムとアルミノケイ酸塩のガラス／
セラミック複合材を１３００°Ｃに加熱して流体状にし
たものを型の空胴部に流し込む。約３０分間加圧したの
ち、減圧、冷却する。母材が充填されたトラスパネルを
型から取出し、黒鉛の固定材も取り除く。最後に、母材
を結晶化させるため、トラスパネルをアルゴンガス中で
１１００°Ｃの温度で約１２分間加熱する。
【００３７】以上の工程で製造した、トラスパネルは、
面の厚み約０．１８mm、幅約１２cm、長さ約３０cm、高
さ約１．８cmの大きさに仕上がる。仕上がり容積の約４
０％がファイバー材料の容積である。応力破壊寿命は、
８７５°Ｃで約１０３ＭＰａであり、弾性係数は、約８
３ＧＰａである。以上の工程で製造したトラスパネルと
同一の形状、構造で、インコネル６１７等のニッケル合
金で製造したトラスパネルは、本発明のファイバー強化
複合材によるトラスパネルの重さの３倍の重量となり、
その応力破壊寿命は、約６２ＭＰａであり、弾性係数
は、約１６０ＧＰａである。
面の厚み約０．１８mm、幅約１２cm、長さ約３０cm、高
さ約１．８cmの大きさに仕上がる。仕上がり容積の約４
０％がファイバー材料の容積である。応力破壊寿命は、
８７５°Ｃで約１０３ＭＰａであり、弾性係数は、約８
３ＧＰａである。以上の工程で製造したトラスパネルと
同一の形状、構造で、インコネル６１７等のニッケル合
金で製造したトラスパネルは、本発明のファイバー強化
複合材によるトラスパネルの重さの３倍の重量となり、
その応力破壊寿命は、約６２ＭＰａであり、弾性係数
は、約１６０ＧＰａである。
【００３８】
【発明の効果】本発明によれば、従来のものよりも一層
力学的特性を向上させた複合部材が得られる。
力学的特性を向上させた複合部材が得られる。
【図１】本発明によるファイバー強化複合部材の透視図
である。
である。
【図２】面シートとリブのファイバーの撚り合せパタン
を示す、図１の２−２線断面図である。
を示す、図１の２−２線断面図である。
【図３】本発明による複合部材の製造に用いられる装置
を想像線で描いた透視図である。
を想像線で描いた透視図である。
【図４】本発明の一実施例である複合部材の断面図であ
る。
る。
【図５】本発明の一実施例である複合部材の透視図であ
る。
る。
【図６】本発明の一実施例である複合部材の透視図であ
る。
る。
１０ ファイバ強化複合部材 １２ 面シート １６ リブ ４０，６０ トラスパネル ５０ 集合体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マーテイン ジヨン ギブラー アメリカ合衆国，コネチカツト，マンチエ スター，プロスペクト ストリート 28 (72)発明者 グレン マイケル アレン アメリカ合衆国，コネチカツト，ヴアーノ ン，アパートメント 40，ウエスト ロー ド 24
Claims (16)
- 【請求項１】 互いに向き合った位置に配置された、第
１及び第２の面シートと、前記第１の面シートと前記第
２の面シートの間に張られたリブとからなるファイバー
強化ガラス母材またはガラス／セラミックス複合母材を
用いた複合部材であって、 前記面シートとリブは、ガラス母材またはガラス／セラ
ミックス複合母材の中に、非金属質のファイバーを編み
合わせたものからなり、 リブのファイバーは、面シートのファイバーと絡み合わ
されて構成されることを特徴とする複合部材。 - 【請求項２】 複数のリブを含むことを特徴とする請求
項１に記載の複合部材。 - 【請求項３】 前記第１の面シートと前記第２の面シー
トとの間に前記リブを張ったことを特徴とする請求項２
に記載の複合部材。 - 【請求項４】 請求項２に記載の複合部材において、前
記リブと面シートによりセルが形成され、母材と同一ま
たは異なる組成をもつ固体また発泡体が部分的にあるい
は全てのセルに充填されたことを特徴とする複合部材。 - 【請求項５】 請求項２に記載の複合部材において、前
記リブと面シートによりセルが形成され、隣接するセル
の間に流体の流動路が形成されたことを特徴とする複合
部材。 - 【請求項６】 請求項２に記載の複合部材において、前
記リブのファイバーの組成が、前記面シートのファイバ
ーの組成と同一であることを特徴とする複合部材。 - 【請求項７】 請求項２に記載の複合部材において、前
記リブのファイバーの直径が、前記面シートのファイバ
ーの直径と同一であることを特徴とする複合部材。 - 【請求項８】 請求項２に記載の複合部材の構成におい
て、母材の組成が、ホウケイ酸ガラス、アルミノケイ酸
塩、珪素ガラス、リチウムとアルミノケイ酸塩の混合材
料、マグネシウムとアルミノケイ酸塩の混合材料、バリ
ウムとマグネシウムとアルミノケイ酸塩の混合材料、カ
ルシウムとアルミノケイ酸塩の混合材料、バリウムとア
ルミノケイ酸塩の混合材料の一つあるいは複数の組み合
わせにより構成されることを特徴とする複合部材。 - 【請求項９】 請求項２に記載の複合部材の構成におい
て、ファイバーの組成が、黒鉛、炭化物、ホウ化物、窒
化物及び酸化物の一つあるいは複数の組合せにより構成
されることを特徴とする、複合部材。 - 【請求項１０】 請求項９に記載の複合部材の構成にお
いて、ファイバーの直径が５ミクロンと２０ミクロンの
間であることを特徴とする複合部材。 - 【請求項１１】 請求項９に記載の複合部材の構成にお
いて、ファイバーの直径が８ミクロンと１５ミクロンの
間であることを特徴とする複合部材。 - 【請求項１２】 互いに向き合った位置に配置された、
第１及び第２の面シートと、前記第１の面シートと前記
第２の面シートの間に張られた１つ以上のリブとからな
り、前記リブと面シートにより前記第１と第２の面シー
トの間にセルが形成された、ファイバー強化ガラス母材
またはガラス／セラミックス複合母材を用いた複合部材
であって、前記面シートとリブは、ガラス母材またはガ
ラス／セラミックス複合母材の中に、ファイバーを編み
合わせたものからなり、ファイバーは、前記第一の面シ
ートから前記リブを通して前記第２の面シートに張ら
れ、前記リブのファイバーは、前記面シートのファイバ
ーと絡み合わされて構成され、さらに、前記ファイバー
組成は、黒鉛、炭化物、ホウ化物、窒化物及び酸化物の
一つあるいは複数の組合せにより構成され、前記母材の
組成は、ホウケイ酸ガラス、リチウムとアルミノケイ酸
塩の混合材料、及びバリウムとアルミノケイ酸塩の混合
材料の一つあるいは複数の組み合わせにより構成される
ことを特徴とする、ファイバー強化ガラス母材またはガ
ラス／セラミックス複合母材を用いた複合部材。 - 【請求項１３】 請求項１２記載の複合部材の構成にお
いて、ファイバーの直径が５ミクロンと４０ミクロンの
間であることを特徴とする複合部材。 - 【請求項１４】 請求項１２記載の複合部材の構成にお
いて、ファイバーの組成が黒鉛であり、母材の組成がホ
ウケイ酸ガラスであることを特徴とする複合部材。 - 【請求項１５】 請求項１２記載の複合部材の構成にお
いて、ファイバーの組成がアルミニウム酸化物あるいは
珪素炭化物であり、母材の組成がホウケイ酸ガラスであ
ることを特徴とする複合部材。 - 【請求項１６】 請求項１２記載の複合部材の構成にお
いて、ファイバーの組成がアルミニウム酸化物あるいは
珪素炭化物であり、母材の組成がリチウムとアルミノケ
イ酸塩の混合材料であることを特徴とする複合部材。
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