JPH06505204A - 強化アロイラミネート - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は強化アロイラミネート、特にアルミニウム合金の層の間に接着結合され た樹脂材料のマトリックス中に埋め込まれた長いファイバーの強化材を含有する ラミネートに関する。

研究によって、このようなラミネートは従来のモノリシック形態の高強度アルミ ニウム合金に較べて改善された損傷耐性を示すことが示された。このため、その 低い重度と考え合わせて、これらのラミネートは、損傷耐性が設計上要求される 航空宇宙用途、例えば圧力船室の部品又は翼の底面への用途用に特に魅力あるも のとなる。この改善された損傷耐性は耐疲労クラック生長性の増大となりで表れ るが、これはクラックの進む先にある完全なファイバーの働きによりクラックの 開裂が抑制されるからである。

この効果は「長い」ファイバー、例えば最短の長さが１０ｍｍのファイバーを使 ったときのみに現れ、以下本明細書中で「長い」ファイバーという場合はこのよ うに解釈されたい。この効果はファイバーの長さに敏感である。なぜなら、抑制 の機構はクラブキングの間の金属表皮から下に横たわりている中間層のファイバ ーへの効果的な負荷の移動を要求するからである。

短いファイバーやウィスカーは適していない。なぜならそれらの多くは金属中に 生じたクラック間にまたがるには長さが不十分であるからである。クラック間に 橋架けをするそのようなファイバーのうちの多くは、その端の短い長さの部分が マトリックス材料に埋め込まれているのみである。これはこれらのファイバーが クラックが拡がる間にマトリックスから引き離され易いことを意味する。

繊維強化ラミネート中のファイバーの配向は最終製品の特定の工学的要件に適す るように変えても良い。ここで考えている材料では、ファイバーの配向は無秩序 よりむしろ予め決められているので、最終製品中の異方性を予想通りに制御する ことが可能である。ファイバーの特定の配向、例えば金属シートの圧延の軸に平 行な配向を採用する場合を除き、便宜上ファイバーは単に「（方向カリ揃ってい る」ということとする。

この術語は本明細書を逼じて、本材料をランダムなファイバーの配向を有するも のと区別するために使う。

クラック抑制のためにファイバーに要求される基本的な特性は張力下での強さ及 び疲労に対する最小の敏感性である。理想的には、クラックが進む途上で起こる ファイバーの破損を最小にするために、ファイバーと金属層の間の樹脂界面は比 較的弱くあるべきである。もしこの界面が強すぎると、金属の表皮に応力がかか ったときはいつでもファイバーの破断が起こり易い。

軽いアロイラミネート中で、細いファイバーの強化材を使うことの効果は、１９ ６０年代に最初に研究された。このタイプの初期の材料の欠点のうちの１つは薄 いアルミニウムシートがすぐに初期クラブキングを起こす傾向があったことであ る。これらのクラックは、クラックを開裂させる十分な歪みが生じていてファイ バー強化材に負荷を分配しなければならない点まで急速に成長していた。この意 味するところは、強化層はその有益な効果をラミネートの寿命の間もともと意図 されたよりもずっと早（働かせる必要があったということであり、その結果寿命 の終りもまた早くなっていたのである。

この困難さにもかかわらず、Ｒｏｙａｌ　ＡｉｒｃｒａｆｔＥｓｔａｂｌｉｓｈ ｍｅｎｔにおいてＦｏｒｓｙｔｂ。

Ｇｅｏｒｇｅ及びＲｙｄｅｒによってなされた研究の結果、良好な耐疲労クラッ ク生長性及び良好な破壊靭性がスチールワイヤーの強化材を使うことにより達成 され得ることが示された（Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｒｅ５ｅａｒ ｃｈ（１９６４）２２３〜２２８頁）。それらの材料は依然として初期クラブキ ングがすぐに発生し、そしてその結果化じたクラックは依然として強化材が歪み を受ける点まで急速に成長した。

しかしながら１度この状態になると、生長速度の低下という意味でも、また不安 定にならないで許容できるクラックの長さの点でも、クラックの生長特性の改善 が見られた。

この初期クラブキングの問題を克服するための努力において、Ｖｏｇｅｌｅｓａ ｎｇ等は欧州特許出願第００５６２８８号で強化コンクリートで一般に適用され ているプレストレス法の使用について記載している。彼らの方法ではラミネート のアルミニウム合金シートに圧縮応力が、そして強化ファイバーに持続する引張 応力が与えられる。アルミニウム合金シートを圧縮下におくことにより、クラッ ク発生を禁止する。これにより、モノリシックな合金と較べて、特にファイバ一 方向で良好な全引張り性能が得られるが、繊維強化非金属層の貧弱な圧縮性能の ために圧縮強度及び耐座屈性は低下する。

プレストレス法の別の欠点はこの方法はシート毎に個別に行われるので製造のコ ストが高いことである。連続的製造よりもずっと高価であるばかりでなく、応力 の不均一性の問題も生じる。もしもシートを横切る方向あるいは場合によっては シート毎の歪みの変化といったように一様でない特性がラミネート製品に導入さ れると、一定でない残留応力及び不均一な機械的特性が最終製品に生じ得る。加 えて、施されたプレストレスが適切でなければ、耐疲労クラック発生性は相当す るストレスをかけていないラミネートとほとんど変らない。なぜなら初期のクラ ブキングの間の負荷は主として金属層に担われるからである。

更に、アロイラミネートは一般にそれらの可能な最大の軽量化を達成し得ない。

なぜならそれらは十分には薄くし得ないからである。実用的な取扱適性を持った アルミニウムシートの最小寸法ではラミネートの強さの要求は越えている。所望 の軽量化はより薄いアルミニウムシートを使わずには達成し得ない。

しかしながら、これらは圧縮で非常に壊れやすいので十分な座屈耐性を提供でき ず、いかなる場合でも製造は取扱いの難しさにより妨げられるようになる。

したがって、本発明の目的はこれら困難の多くを、プレストレスに頼ることなく 改善された破壊靭性と、疲労クラックの発生と成長に対する改善された耐性を示 し、さらに既知のアルミニウム合金ラミネート材料と比較して改善された圧縮特 性を示す繊維強化アロイラミネートを提供することにより克服することである。

本発明は、少なくとも２枚のアルミニウム合金のシートから成り各シートが、樹 脂材料のマトリックスに埋め込まれた長い、方向の揃った強化用ファイバーから 成る繊維強化複合材料の中間層により隣のシートと隔てられている繊維強化アル ミニウム合金張り合わせラミネート材料であって、アルミニウム合金シートが粒 子又はウィスカーから成るセラミック成分の強化材を含む金属マトリックス複合 材料で形成され、繊維強化複合材料中のファイバーが、繊維強化複合材料の弾性 率が少なくとも金属マトリックス複合シートの弾性率と同じになるように十分な 剛性をもっていることを特徴とする繊維強化アルミニウム合金ラミネート材料で ある。

セラミック成分の強化材はアルミニウム合金シートの剛性を上げるのに役立つ。

これは、これらシートに対応するモノリシックなシートと同じ厚さのシートがラ ミネートの耐座屈性を上げるために使われ得ることを意味する。又は、より薄い シートが全体の重量を減らすために使われ得る。

実際上、ウィスカー強化材で得られる有益な効果と粒子で得られる効果との間に は違いはほとんどない。

本発明の好ましい形態では、アルミニウム合金シートは１〜３重量％のリチウム を含むアルミニウム合金から形成される。特に好ましいものは、アメリカアルミ ニウム協会（Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ　Ａｓ５ｏｃｉａｔｉｏｎ　ｏｆＡｍｅｒｉｃ ａ）によって８０９０と称されるタイプのアルミニウムーリチウム合金である。

その合金は公称の組成、重量割合で表して２．２〜２．７％　Ｌｉ、１．０〜１ ．６％　Ｃｕ；０．６〜１．３％　Ｍｇ；０．０４〜０．１８％　ｚｒ；最大０ ．２０％までのＳｉ及び最大０．３０％までのＦｅそして付随する不純物を除い て残りがアルミニウムである組成を持つ。

アルミニウムーリチウム合金を使用すると２０００または７０００シリーズ（こ れらもまたＡｌｕｍｉｎｕｍＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ａｍｅｒｌｃａの 名称である）の従来の合金から形成された同じ厚さのパネルに較べて重さが軽い という利点が得られる。８０９０タイプのアルミニウムーリチウム合金の典型的 な値であるリチウムのレベル２．５重量％では重量の低減はほぼ１０％である。

アルミニウムーリチウム合金を使うことの更なる利点はそれはリチウムを含まな いものよりも本質的に硬い（剛性である）ということである。前記の通り、この 剛性が上がるため、航空宇宙設計者が有利に使うことができ、非常に薄いシート の取り扱いで遭遇する困難のいくつかを軽減し得る。

強化用ファイバーに要求される物理的特性は高強度と共に低密度及び高弾性率で ある。適した候補は、カーボン、ポリアロマティックアミド（アラミド）、アル ミナ及びシリコンカーバイドのファイバー、又はそれらの混合物である。アルミ ナ及びシリコンカーバイドファイバーは高剛性と低化学反応性を合せ持つが、そ れらは脆さの点ではカーボンファイバーに劣っている。実際上、アルミナおよび シリコンカーバイドファイバーの高コストは次のことを意味する。それらは、お そらく、低化学反応性が評価できる利益をもたらす用途、例えばガルバニック腐 食の発生を最小化することが重要である用途のみに使われる。

非金属層で使われている複合材料の剛性を金属層の剛性に合Φ わせ、最適化するべきであることは重要である。このことにより、アルミニウム 合金層と繊維強化中間層との間で実用的な負荷の分配が確保される。実際上この ことは金属成分をほんの少し超えた剛性を持った複合材料を使うことにより達成 され、その結果、長さの短いクラックに対してでさえ、耐疲労クラック生長性が 改善される。しかしながら、複合材料は金属成分に較べて、非常に硬いべきでは ない。そうでないと、それは負荷の大部分を受けることになる。このことは負荷 が主として金属層によって担われる状況と同じくらい望ましくない。好ましくは 、複合材料は、金属成分のものよりも５０％まで高い弾性率を持つＯ 非金属層中の複合材料の弾性率とアルミニウム合金層の弾性率とを同じにして、 本発明の最大利益を達成することが本質的であることはグラスファイバー強化材 での実験で確かめられる。

グラスファイバー強化材を有するラミネートが、相当するモノリシック構造の合 金と比較して、耐疲労クラック生長性がいくらか改善されることが示されている 一方、これは長いクラック長さでのみ見られる。これは、グラスファイバーの弾 性率が、短いクラックへの効果を示すには低すぎることを示している。

カーボンファイバーが強化用成分として使われている材料では、もしも、中間の モジュラスのファイバーが使われれば最高の結果が達成されることが見出だされ た。これはファイバーが２００〜３００ＧＰａの範囲の弾性率を持つことを意味 する。

そのようなファイバーが樹脂材料のマトリックスに埋め込まれたとき、得られた 複合材料の近似のモジュラスは樹脂の寄与ヲ無視し、ファイバー成分の、モジュ ラスにファイバーの体積分率を掛けることによりて評価される。このように、た とえば２３００Ｐａのモジュラスを持った体積分率６０％のファイバーで形成さ れた複合材料は２３０Ｘ０．６のモジュラス即ち１３８ＧＰａを持つ。

本発明を以下の実施例及び図を用いて、更に詳説する。

図１は本発明に従って構成したラミネート材料と貼り合わされていない金属マト リックス複合材料の耐疲労クラック性の比較である。

図２は図１で使ったいくつかの材料であるが異なった実験条件のもとでの耐疲労 クラック性の同じような比較である。

実施例１ 公称の組成Ａｌ−２，５Ｌｉ−１，２Ｃｕ−０，７Ｍｇ−〇、２Ｚｒの８０９０ アルミニウム一リチウム合金から成り、２０重量％のシリコンカーバイド粒子（ 平均粒径３μｍ）を含む金属マトリックス複合材を厚さ０．５ｍｍに熱間圧延し た。

２枚のこのシートを１５分間５３５℃で均質化し、冷水で急冷した。脱脂後にシ ートを、出版されている英国防衛基準（Ｕ。

Ｋ、Ｄｅｆｅｎｃｅ　５ｔａｎｄａｒｄｓ）０３−２／１及び０３−２４／第２ 版に従って、層間の結合を増進するためにクロム酸中で食刻し、陽極酸化した。

上記のように製造した金属マトリックス複合シートの２枚の表皮とＧｒａｆｉｌ 　ＸＡＳカーボンファイバーーエポキシプレブレッグの中間層からなる３層ラミ ネートを、ファイバーを金属マトリックス複合伊シートの圧延方向に沿って並べ て構成した。これをオートクレーブ中で１２０℃、７００ｋＰａで１時間キュア ーした。Ｇｒａｆｉｌ　ＸＡＳは、中間のモジュラスのカーボンファイバーであ る。このプレプレラグはＣｉｂａ−Ｇｅｉｇｙより供給され、Ｆｉｂｒｅｄｕｘ 　９１３（特許改質エポキシ樹脂）のマトリックス中に約６０体積％のファイバ ーを含んでいる。

キュアー過程は又、ラミネートの２つの外側の層のアルミニウムーリチウム合金 の時効にも役立った。

下の表１に、上記ラミネートの機械的特性をファイバーの方向に沿って及び直交 して測定した値を比較して示す。明らかに多少の異方性はあるが、金属マトリッ クス複合体のもともとの剛性がラミネートのファイバーの向きに対し横の方向の 特性を許容できる限界に保つのを助けた。

実施例２ 上記実施例１で製造した金属マトリックス複合シートの２つの表皮とＫｅｖｌａ ｒ　４９−エポキシブレプレラグの中間層から成る３層ラミネートを前記のとお りに組み合わせ、キュアーした（Ｋｅｖｌａｒは登録商標である）。この実施例 のファイバーの体積分率は５０％であるが他の点については、この物質は同じエ ポキシ樹脂マトリックスを使用し、同じキュアー条件をつかって実施例１のラミ ネートとできるだけ同じように製造した。この実施例の疲労特性を他のラミネー トの疲労特性と比較して図１に示す。

本発明に従って構成した３層ラミネートのファイバーに沿って及び直交して測定 した機械的特性の比較実施例３（比較） 上記実施例１のように製造した金属マトリックス複合シートの２つの表皮とＥグ ラスファイバーーエポキシブレプレッグの中間層から成る３層ラミネートを前述 の如く組み合わせキュアーした。この実施例中でのファイバーの体積分率は６０ ％であった。その疲労特性を図１中で他のラミネートの疲労特性と比に接合する ために特に接着剤を使用する必要がないタイプである。しかし、他のシステムで は独立した接着剤が必要であるかも知れないことが理解されるであろう。

アルミニウムーリチウム合金シート中のセラミック成分は好ましくは１０〜３０ 重量％の間から成り、特に１５〜２５重量％の間から成る。上記実施例中で使っ たセラミック強化材の重量割合は２０％であり、はぼ１７％の体積分率に相当す る。このことによりて、疲労特性は大幅に改善されるが、セラミック成分の割合 を高くすると、合金シートの延性の低下をもたらすことがわかった。この様な状 況下では加工熱処理を使用して有用な延性を得ることができるときがある。

図１及び２は上記実施例で製造したいくつかのラミネート材と貼り合わされてい ない金属マトリックス複合材料のサンプルの耐疲労クラック性の比較を示す。疲 労クラック生長速度は、各々、ファイバーの方向に対して横に伸びる長さ１０ｍ ｍのクラックを有する３　８０ｍｍＸ　１５２ｍｍのシートパネルを用い、パル スポテンシャルドロップ法を使ってクラック主義をモニターすることによって決 定した。テストパネルに縦の方向にむらなく各７０　Ｍ　Ｐ　ａと９０ＭＰａの 平均応力で応力比０．１（図１）と０．３８５（図２）の負荷を与えた。両方の 図から、貼り合わされていない金属マトリックス複合材料サンプルのクラではク ラック生長速度は最初の応力の後に債かに減少し、その後は広い応力強度因子（ ΔＫ）にわたってほぼ一定である。

下の表２中に、剛性パラメータが一連のアルミニウムベースの合金、複合材及び ラミネートについて比較しである。これは、アルミニウム合金マトリックス中に セラミック強化材を含有させるのみならず、アルミニウムーリチウム合金を金属 成分として採用することによって達成し得る特性の改善を示す。金属マトリック ス複合体がそのベースとなるアルミニウムーリチウム合金よりも高い密度を持っ ているにしても、表に示されているように複合材料はリチウムなしの遥常のアル ミニウムシートより高い比剛性を持っており、その結果２０％改善された座屈特 性を示す。同じく、エポキシ樹脂マトリックス中にカーボンファイバーを埋め込 んだ中間層を使っているラミネートでは、座屈の改善は３０％に近づく。

本発明をアルミニウムーリチウム合金の金属マトリックス複合体に関して特に記 述してきたが、後に続く請求の範囲を外れることなしの他の変形も当業者には明 らかである。

Ｇｌ／ｕｌｕｌ）　３１　ｌ’ ＧＷ／””）ｍ　ｌ’ 補正書の写しく課沢幻提出書（特許法第１８４条の８）１、特許出願の表示　Ｐ ＣＴ／ＧＢ　９２１００３５１、発明の名称　強化アロイラミネート ３、特許出願人 住　所　イギリス国、ロンドン・ニス・ダブリュ・トエイ・２・エイチ・ビイ、 ホワイトホール（番地なし） 名　称　イギリス国 ４、代　理　人　東京都新宿区新宿１丁目１番１４号　山田ビル５、補正書の提 出年月日　１９９２年１１月２６日セラミック成分の強化材はアルミニウム合金 シートの剛性を上げるのに役立つ。これは、これらシートに対応するモノリシッ クなシートと同じ厚さのシートがラミネートの耐座屈性を上げるために使われ得 ることを意味する。又は、より薄いシートが全体の重量を減らすために使われ得 る。

実際上、ウィスカー強化材で得られる有益な効果と粒子で得られる効果との間に は違いはほとんどない。

本発明の好ましい形態では、アルミニウム合金シートは１〜３重量％のリチウム を含むアルミニウム合金から形成される。

典型的には、そのような合金から作られた金属マトリックス複合シートは弾性率 が９０〜１００ＧＰａである。特に好ましいものは、アメリカアルミニウム協会 （ＡｌｕｍｉｎｉｕｍＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ａｍｅｒｉｃａ）によっ て８０９０と称されるタイプのアルミニウムーリチウム合金である。その合金は 公称の組成、重量割合で表して２．２〜２．７％　ｔ、ｉ　；１．ｏ〜ｔ、ｅ％ 　Ｃｕ　；　０．６〜１．３％　Ｍｇ。

０．０４〜０．１６％　ｚｒ；最大０．２０％までのＳｉ及び最大０．３０％ま でのＦｅそして付随する不純物を除いて残りがアルミニウムである組成を持つ。

アルミニウムーリチウム合金を使用すると２０００または７０００シリーズ（こ れらもまたＡｌｕｍｉｎｕｍ　Ａｓ５ｏｃｉａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ａｍｅｒｉｃａ の名称である）の従来の合金から形成された同じ厚さのパネルに較べて重さが軽 いという利点が得られる。８０９０タイプのアルミニウムーリチウム合金の典型 的な値であるリチウムのレベル２．５重量％では重量の低減はほぼ１０％である 。

アルミニウムーリチウム合金を使うことの更なる利点はそれはリチウムを含まな いものよりも本質的に硬い（剛性である）ということである。前記の通り、この 剛性が上がるため、航空宇宙設計者が有利に使うことができ、非常に薄いシート の取り扱いで遭遇する困難のいくつかを軽減し得る。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．少なくとも２枚のアルミニウム合金のシートから成り各シートが、樹脂材料 のマトリックスに埋め込まれた長い、方向の揃った強化用ファイバーから成る繊 維強化複合材料の中間層により隣のシートから隔てられている繊維強化アルミニ ウム合金貼り合わせラミネート材料であって、アルミニウム合金シートが粒子又 はウイスカーから成るセラミック成分の強化材を含む金属マトリックス複合材料 で形成され、繊維強化複合材料中のファイバーが、繊維強化複合材料の弾性率が 少なくとも金属マトリックス複合シートの弾性率と同じになるように十分な剛性 をもっていることを特徴とする材料。
2. ２．アルミニウム合金が１〜３重量％のリチウムを含むことを更に特徴とする請 求項１に記載の繊維強化アロイラミネート材料。
3. ３．アルミニウムーリチウム合金が公称の組成、重量割合で表して２．２〜２． ７％Ｌｉ；１．０〜１．６％Ｃｕ；０．６〜１．３％Ｍｇ；０．０４〜０．１６ ％Ｚｒ；最大０．２０％までのＳｉ及び最大０．３０％までのＦｅそして付随す る不純物を除いて残りがアルミニウムである組成を持つアメリカアルミニウム協 会（ＡｌｕｍｉｎｕｍＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ａｍｅｒｉｃａ）により ＡＡ８０９０と称されるタイプであることを更に特徴とする請求項２に記載の繊 維強化アロイラミネート材料。
4. ４．強化用ファイバーがカーボン、ポリアロマティックアミド、アルミナ及びシ リコンカーバイドのファイバー、又はそれらの混合物から成る群の中から選ばれ ることを更に特徴とする前記請求項のいずれかに記載の繊維強化アロイラミネー ト材料。
5. ５．複合材料がアルミニウム合金シートよりも５０％まで高い弾性率を持つこと を更に特徴とする前記請求項のいずれかに記載の繊維強化アロイラミネート材料 。
6. ６．セラミック成分がアルミニウム合金シートの１０〜３０重量％を構成するこ とを更に特徴とする前記請求項のいずれかに記載の繊維強化アロイラミネート材 料。
7. ７．セラミック成分がアルミニウム合金シートの１５〜２５重量％を構成するこ とを更に特徴とする請求項６に記載の繊維強化アロイラミネート材料。
8. ８．セラミック成分がアルミニウム合金シートの２０重量％を構成することを更 に特徴とする請求項７に記載の繊維強化アロイラミネート材料。
9. ９．セラミック成分が平均粒径３μｍの粒子から成ることを更に特徴とする前記 請求項のいずれかに記載の繊維強化アロイラミネート材料。
10. １０．金属マトリックス複合シートがアルミニウムーリチウム合金から成り、弾 性率が９０〜１１０ＧＰａであること及び、ファイバー／樹脂複合材料が中間の モジュラスのカーボンファイバーから成ることを更に特徴とする耐疲労性材料で ある前記請求項のいずれかに記載の繊維強化アロイラミネート材料。