JPH06509293A - 複合材料の誘導加熱法 - 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】 複合材料の誘導加熱法 発明の背景 本発明は磁気誘導による繊維強化樹脂材料の加熱方法に関し、特に導電性繊維を 実質的に加熱することなく磁気誘導により導電性繊維で強化された樹脂の複合材 料を選択的に加熱する方法に関する。

米国特許第４８７０４１２号は、基層に熱可塑性プラスチック層を接合する方法 であって、この熱可塑性プラスチック層が炭素繊維のような導電性繊維を含み、 ３−４ＭＨｚの周波数範囲でこの繊維内に電流を誘導することによりこれを加熱 される方法を特徴とする特許権者は、包含された周波数範囲において、循環渦電 流が炭素繊維を加熱して熱可塑性プラスチックを軟化温度又は溶融温度まで上げ 、繊維間、隣接層間及び恐らくは１層内でも破壊を生ずるに十分な電圧が炭素繊 維内に誘導されると信じた。

米国特許第２３９３５４１号は、強磁性を有し微細に分割された金属粒子及び合 金を適切に選択することにより、高周波磁場の存在における加熱温度を接合剤、 接着剤又はプラスチックのような材料の熱処理に必要な特定温度又は温度範囲に 容易に限定し又は制御できることを明らかにした。強磁性体級の種々の金属又は 合金は、いずれもそのキュリ一点として知られ寸定温度に加熱されると、強磁性 の特性を失う。その結果、粒子が／Ｊ％ａμ）場合は、高周波磁場の更なる適用 は更に加熱をさせるには実質的に効果がない。かなりの大きさの金属のマスは、 渦電流の確立、並びに強磁性体級の金属の場合のヒステリシス効果のため、これ を加熱することができる。特許権者は次のことを明らかにした。即ち、強磁性体 粒子が微細に分割されかつこれと混合された接着剤又はその他の誘電材料により 互いに効果的に絶縁されるので、渦電流によるキュリ一点以上の実質的な加熱が ないこと、及び破壊が更なる温度上昇なしでのより長時間の加熱により起こり得 る性質のものであるならば、この破壊に対して不導体材料が保護されるように、 粒子のキュリ一点に達すると加熱効果が中断されるような粒子を選択できること である。

発明の概要 本発明は、炭素繊維のような導電性材料で強化された熱可塑性樹脂のような不導 体材料を含んだ複合構造を選択的に加熱する方法であって、この複合構造を高い 透磁性、高いヒステリシス損失ループ及びキュリ一温度が樹脂材料の溶融温度又 は固化温度に近い特徴を有する優先加熱材料と組み合わせ、更にこの構造を約３ ｋＨｚから７ＭＨｚの周波数で誘導された外部の磁気フラックスを受けさせ、こ れによりこの優先加熱材料はフラックス場に対する感受体として応答して優先的 に加熱され、これにより複合構造を希望温度又は選定された温度に加熱する方法 を包含する。

本発明の原理は、これを接着作業又は鋳造又は成型作業に関連して使用すること ができる。

誘導の場により優先加熱材料だけが加熱され、樹脂又は炭素繊維はいずれも磁力 線により実質的に加熱されない。複合材料の高性能特性を与える強化用繊維及び プラスチックの構造的な完全性は、炭素繊維自体が感受体であり春暖ソースによ り加熱される状況の場合に有り得るような誘導磁場を作るために高周波が使用さ れるときのこの方法の鍵となる態様は、複合構造及び組み合わせられた優先加熱 材料を、これらが誘導磁場の平面内にありかつ整列されるように方向を定め、こ れにより循環渦電流が導電性繊維を実質的に加熱せず材料を過熱させないように することである。

優先加熱材料は、磁性体の粒子の形式であることが好ましい。しかし、箔及び網 のようなその他の形式の材料も使用に十分である。

図面の簡単な説明 図１は誘導磁場内で方向を決められた複合構造の図式的な説明図である。

図２は誘導磁場内の複合材料の詳細を示す図１の一部分の拡大図である。

図３−６は磁場と結合されかつ複合構造と組み合わせられた別の位置の粒子を示 す。

図示された実施例の詳細な説明 図１及び２に図解のために示された実施例において、複合構造１０はコイル１２ で囲まれ、このコイルは矢印の方向に瞬間的な電流を流す誘導発電機１２ａによ り励磁される。励磁されたコイルは、実質的に誘導磁場１４の面に揃えられた複 合構造１０を囲むフラックスの瞬間誘導磁場１４を作る。図２に最もよく見られ るように、複合構造１０は、炭素繊維のような導電性材料２０で強化された樹脂 基磐１９を備える。好ましくは、炭素繊鴫解樹脂材料内の２次元の平面アレーで ある。樹脂フィルム内に埋めらハ雄多数の結合用粒子１８を有する樹脂フィルム 層１６が、複合構造１０の下面と組み合わせられる。ここに用いられる結合用粒 子は、導電性粒子でありかつ電流を流されたときに電荷キャリヤでなけばならな い。一般に、総ての金属粒子は導電性粒子である。好ましくは、結合用粒子はキ ュリ一点及びヒステリシスループを有する磁性体である。

図３−６は、結合用粒子１８を複合構造１０と組み合わせるだめの別の配置の実 施例を示す。より特別には、図３においては、結合用粒子１８は導電性繊維２０ と混合され複合構造１０ａ内にある。図４においては、結合用粒子１８は複合構 造１０ｂ内ではあるが一方の表面近くに置かれる。図５では、結合用粒子１８は 複合構造１０ｃの表面にあり、更に図６においては、結合用粒子１８は複合構造 １０ｄの表面に隣接して置かれたフィルム１６内に埋められる。

作業の際は、コイル１２に高周波交流が加えられ、このコイルが公知の磁気回路 理論に従って磁場１４を作る。磁場１４は実質的に１平面内で方向付けられて示 される。複合構造は粒子のヒステリシス加熱を効果的にするように磁場の平面内 で方向付けされ、この粒子は複合構造の粒子と組み合わせられた領域の選択的加 熱を導き、更に伝導性繊維の磁力線１４に！露される面積が小さいため、循環渦 電流を繊維間でなく個々の繊維内に拘束する傾向があり、これにより発生熱を最 小にするため、導電体を十分に可熱せず又は実質的に加熱しない。

例１ 導電性繊竺可強化された樹脂及び磁場と結合しうる粒子を含んだ樹脂の加熱の際 の講波数及び誘導磁場内の方向の効果を示すための一連の試験において、次の２ ５．４ｍｍｘ２５．４ｍｍ　（１インチ×１インチ）の複合材料の試料が作られ 試験された。複合材料はポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫｌｆ脂及びポリエ ーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂であり、両者とも正規直径が８μｍのＡ Ｓ−４炭素繊維で強化された。

ＰＥＫＫ及びＰＥＥＫ複合材料においては、端子繊維の体積分画は積層体の６０ ％であった。繊維は単方向性の準等方性又は積層の織物のいずれかであった。

一連の１．２７ｍｍ　（０，０５インチ）のフィルムを作るために、ハイゾール デクスターエポキシバッチ０１５１　（Ｈｙｓｏｌ　ＤｅｘｔｅｒＥｐｏｘｙ　 Ｐａｔｃｈ　０１５１）接着剤の中で、種々の形式及び寸法の結合用粒子が別々 に混合された。

ＰＥＥＫ／？ｊ！合材料及びＰＥ合材槽合材料の各及び結合用粒子を含んだ接着 剤フィルムの各が、６．３５ｍｍ　（０，２５インチ）の銅管で作られかつ次の 誘導発電機により種々の周波数で作られた誘導磁場に暴露された直径５０．４ｍ ｍ（２インチ）の誘導コイル内に別個に置かれた。

アシャックス（Ａ　Ｊ　ＡＫ）誘導発電機（オハイオ州アジャックス・コーポレ ーション・イン・クリーブランド製）は１５ｋＷ、３−１０ｋＨｚの発電機であ る。

アメリサーム（Ａｍｅｒｉｔｈｅｒｍ）誘導発電機にューヨーク、アメリサーム ・インク・イン・スコッッビル製）は、タイプ５Ｐ−１５，１５ｋＷ、周波数５ Ｏ−２００ｋＨｚの発電機である。

サイクルダイン（Ｃｙｃ　］　ｅ　Ｄｙｎｅ）誘導発電機にューヨーク、サイク ル・ダイン・コーポレーション・イン・ジャマイカ製）は、タイプＥｙ４−３０ ．２ｋＷ、周波数２−７ＭＨｚの発電機である。

複合材料及び接着剤フィルムの状態及び加熱量はそれぞれ表１及び２に示される 。

１７’）　ｕ’）　１７’） 表ＩＩから次の点が注意される。

結合用粒子の大きさが大きくなると温度上昇が早くなる。

結合用粒子の負荷が大きくなると、より高温となる。

周波数が高くなると結合用粒子を、より早く、より高温に加熱する。

磁気ヒステリシス損失ループが大及び／又は比透磁率が大きくなると、より高い 温度になる。

例ＩＩ ６、３５ｍｍ　（０，２５インチ）の鋼管をコイル内径が６３．５ｍｍ（２，５ インチ）になるように８回巻いたコイルが、アメリサーム発電機（８５ｋＨｚ、 出力６．１２ｋＷに調整）で励磁された。

マグネチック・オキサイドの結合用粒子がＰＥＫＫ６０　：　４０の熱可塑性ニ ート崩脂フィルムに混合された。結合用粒子の寸法はサブミクロン台であり、結 合用粒子の濃度は重量で７０％であった。結合用フィルムが作られ、その厚さは １．０１６ｍｍ　（０，０４インチ）であった。

３．１７５ｍｍｘ２５．４ｍｍＸ１５２．４ｍｍ　（０，１２５インチ×１イン チ×６インチ）の２個の積層体が２５．４ｍｍ（１インチ）の１箇所で重なった 形状で重なり、この材料の重なり部分に結合用フィルムが挟まれた。

積層体は１２ブライの準−等方性ＡＳ−４／ＰＥＫＫであった。ＰＥＫＫ樹脂は ７０：３０タイプであり、連続炭素繊維の体積分画は６０％であった。積層体は 、パイルが誘導磁力線と０°になるように置かれ、重なりの部分は２．８１ｋｇ ／ｃｍ２（４０ｐｓ　ｉ）の圧力下に置かれた。

１６秒で連結が作られた。、複合材料フィルムの温度は３４０℃に達し、一方、 複合積層体の温度はも伝導のため２００°Ｃに達しＩこ。

複合材料は磁力線に対して０°に置かれたときは温度上昇しないことが例■で示 されたので、今回の複合材料の温度上昇の理由は結合用フィルムからの熱伝導に よる。

引っ張り剪断強さはＡＳＴＭ標準規格Ｄ３１６３による判定で７７゜３６ｋｇ／ ｃｍ”（１１００ｐｓｉ）であった。

例ＩＩＩ 箔又は網と組み合わせられた導電性繊維複合材料で強化された樹脂の加熱に対す る誘導磁場の影響を示す一連の試験において、複合材料は準等方性の形に配置さ れたＡＳ−４連続炭素繊維で強化されたポリエーテルエーテルケトンのパイルで あった。炭素繊維の体積分画は各ブライの６０％であった。積層パイルの組合せ は（＋４５°／−４５°／９０°１０°）ＮＳであった。各試験において、箔又 は網は複合材料の８ブライ層と８ブライ層との間に挟まれた。上述ののサンドウ ィッチの各が誘導コイル内に置かれ、例Ｉに説明された方法と同様な方法で加熱 された。

箔及び針金網に対する加熱の条件及び加熱量が、それぞれ表ＩＩＩ及び■ｖに示 される。

例ＩＶ ６．３５ｍｍ　（０，２５インチ）の鋼管を（１０’１．６ｍｍＸ　５０．８ｍ ｍ）（４インチ×２インチ）の長方形コイルになるように６回巻いたコイルが、 アジャックス発電機（４，６ｋＨｚ、出力１４ｋＷに調整）で励磁された。この コイルは、コイルの下方の結合用フィルムに磁力線を指向させるようにコイルの 底側におけるフラックスの集中を持つ。

結合用フィルムは、０．２０３ｍｍ　（８ミル）のビロメリトジエチルエステル ジアシド／１．４−ビス（４−アミノフヱレンオキシ）−２−フェニルベンゼン 混合物（アヴイミド、Ａｖｉｍｉｄ、商品名）Ｋニート樹脂フィルムの間に、４ ０Ｘ４０メツツユで大きさ４０．６４ｍｍｘ１５２、４ｍｍ　（１，６インチ× ６インチ）の銅の網を挟むことにより作られた。２個の１．５２４ｍｍＸ１５２ ．４ｍｍＸ１５２．４ｍｍ　（０，０６インチ×６インチ×６インチ）の積層体 が、４０．６４ｍｍ　（１，６インチ）の重なりを有する１個の重なり部分の中 に一緒に置かれ、積層体の重なり部分に結合用フィルムが挾まれた。次いで、こ の組立体全体がコイルの下側に置かれた。

積層体は１２ブライの単方向性炭素繊維アヴイミド（商品名）Ｋであった。炭素 繊維の体積分画は６０％であった。積層体はコイルの下に位置決めされ、重なり 部分は１．０５ｋｇ／ｃｍ２（１５ｐｓ　ｉ）の圧力を受けた。

１２秒間で連結が作られた。結合用フィルムの温度は３６０℃に達し、一方、複 合材料積層体の温度は熱伝導のため１９０６Ｃに達した。

引っ張り剪断強さは、ＡＳＴす準規格Ｄ３１６３による判定で２２５ｋｇ／ｃｍ ”　（３２００ｐｓ　１）１９であった。

ふ ＦＩＧ、１ ＦＩＧ、２ ＦＩＧ、３　ＦＩＧ、５ 国際調査報告 ＋ｅｌｅ＋＊ｓ＋１ｍｍａｅｐＨａｍｗｌ１ｗ　ＰＣＴ／ＵＳ　９２７０６１１ ２国際調査報告 ：：′：；：二；−二＝二ｖＺ”ｅ”ｍ＋＊ｌ二″：、２Ｈ“；”？？、Ｉ：： 二：Ｏｎ−二ｉフざ；七フ；１゛ｃｌ°ｎ　Ｉｓ　ｎｎ−ｅ窒奄Wアマｉノ度１ −“―”■′“１ Ｔｈ＠ｔｕＩ′ａＨ針ＰＭＩ＊ＲＩＷｎｅｍＩ＠ＩＲＲ＠ｆｉＹｌｌａｍａｍ１ Ｍｖ＋＋ｐ匍＋ｌｃ＋＋＋ａｗｗｌｈｌｅｋｅｒａ＋ｅｅｒP−１ｒｅ１ｗｗｋ ｒｌ−會一＋ｙｗ＊＠ｌｌ＋＋１ｍｌシ＠Ｌフロントページの続き （５１）　Ｉｎｔ、　Ｃ１，５識別記号　庁内整理番号／／　Ｂ　２９　Ｋ　１ ０５：０６ Ｉ

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. １．導電性繊維で強化された樹脂で形成された構造をある周波数で誘導された磁 場の手段により優先的に加熱する方法であって、前記構造を優先加熱材料と組み 合わせることを含み、前記優先加熱材料は前記磁場と結合できかつこれにより加 熱され、前記導電性繊維は前記磁場により実質的に加熱されることなく前記磁場 と結合できる方法。
2. ２．前記優先加熱材料が磁性体でありかつ電気不導体である請求の範囲１の方法 。
3. ３．前記優先加熱材料が磁性体であるかつ導電体である請求の範囲１の方法。
4. ４．前記優先加熱材料が非磁性体でありかつ導電体である請求の範囲１の方法。
5. ５．前記優先加熱材料が前記構造内に組み込まれた粒子である請求の範囲２、３ 又は４の方法。
6. ６．前記構造が少なく１個の表面を有し、前記優先加熱材料が前記表面にある請 求の範囲２、３又は４の方法。
7. ７．前記構造が少なくも１個の表面を有し、前記優先加熱材料が樹脂フィルムの 層の中に組み込まれ、前記樹脂フィルムの層が前記表面に隣接する請求の範囲２ 、３又は４の方法。
8. ８．前記周波数が約３ｋＨｚから約７０ｋＨｚの範囲内にある請求の範囲１の方 法。
9. ９．前記優先加熱材料がマネチックオキサイドである請求の範囲２に定められた 方法。
10. １０．前記優先加熱材料がニッケルである請求の範囲３に定められた方法。
11. １１．前記優先加熱材料が網である請求の範囲２、３又は４の方法。
12. １２．前記優先加熱材料が箔である請求の範囲２、３又は４の方法。
13. １３．前記繊維が炭素繊維である請求の範囲１の方法。
14. １４．前記樹脂がポリエーテルケトンケトンである請求の範囲１の方法。
15. １５．前記樹脂がアヴィミド（Ａｖｉｍｉｄ、商品名）Ｋである請求の範囲１の 方法。
16. １６．複数の前記構造を重ねる段階、及び構造を結合するように構造が磁場で誘 導されている間にこの重ねらた構造に圧力を加える段階を含んだ請求の範囲１の 方法。
17. １７．導電性繊維で強化された樹脂で形成された構造を、平面内の予定された方 向において、ある周波数で誘導された磁場の手段により優先的に加熱する方法で あって、前記構造を優先加熱材料と組み合わせることを含み、前記優先加熱材料 は前記磁場と結合できかつこれにより加熱され、更に前記繊維が前記誘導磁場に より実質的に加熱されることなく実質的に前記誘導磁場の平面内にありかつこれ と整列されるように前記磁場内で前記構造を方向付けることを含んだ方法。