JPH06510714A - 定方向性グラファイト引抜成形ロッドおよびその製造法 - Google Patents

Abstract

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Description

【発明の詳細な説明】 定方向性グラファイト引抜成形ロットおよびその製造法発明の背景 １、発明の分野 本発明は、　「複合材料」として一般に知られている技術の分野に関し、特に複 合材料および高強度の構造物を製造する方法および装置に関する。

２、背景の技術情報 繊維と樹脂母材とからなる複合材料は、ガラスファイバー製のヨツトから最近の レーダーの探知を受けないステルス型航空機に至るまでの広い範囲の有用な製品 を製造するのに用いられている。複合材料で製造された構造物は、数多くの利点 をイｌしているか、他の金属のような材料でてきたものよりも、強度が高く重量 か軽いという謡文句もその−っである。しかし、この謡文句は、また完全には実 現されていない。複合材料によっては、特にグラファイト繊維を使った複合材料 は圧縮強度か低く、その引張強度の何十分の−しかないからである。理論上では 、グラファイト繊維の圧縮強度は、引張強度に等しくてよいはずである。実際に はその圧縮強度ははるかに小さく、理由もいまだ完全には理解されるにいたって いないのである。

いままでに分かったことによると、曲かったグラファイト繊維を内部に有する複 合材料の疲労抵抗性は小さいということである。示唆されているのは、複合材料 中のグラファイト繊維に波状のうねりかあると、圧縮強度か小さくなる可能性か あるいうことである。

ところで、市販の複合材料で、グラファイトを内部に有するものの製造は、上記 の波状のうねりのためか、あるいは他の理由か定かてはないか、依然として圧縮 強度の小さい繊維で行われている。その結果、複合材料を使って重量を減少させ るという謡文句は、依然として実現されておらず、その結果航空機のような構造 物のコストか上昇し、性能か低くなっているのである。

発明の概要 本発明の技術的基盤は、理論で予測される軸持性を積層物が有するためには、硬 化積層物中の繊維は真っ直ぐなけばならない、または現在使われている繊維より はるかに直線的なものでなければならないという認識である。プレブレツブの製 造、積層、圧縮、および硬化のような多段操作についての知見から、繊維の配列 を悪くする機会はたくさんあることか分かる。繊維の強度や剛性に主要な改良が 行われ、更に繊維の径もますます微細になってきている。あまりにも細くなった ので、繊維の直線性を維持する力かはとんとなくなっているほどである。本発明 は、達成し得る最高の繊維直線性か本質的に内蔵され、後段の処理で出会うよう な劣化に耐えるようになっている材料特性を提供するものである。

本発明は、十分な直径を有しているので、積層や硬化の段階で決してよしれるこ とがないようにするに適当な生来固有な剛性を有する、繊維と完全硬化の樹脂と のロットを製造することである。この直径とは、上記ロッドが物体の線に合致す ることができ、大径の繊維と同しように処理することができるくらい十分細いも のでなければならない。同時に一本一本を別々に取り扱うことができるように十 分に大きいものでなければならない。

繊維の波状のうねりか剛性および圧縮強度の低下の原因であることが理解されれ ば、直線またはほとんど直線の繊維のロッドを使用することの利点は説明の要は ないほど明白である。これらのロットを何本も束ねて、交差重織のテープまたは 布で積層し、航空機の翼または胴体構造を形成する。このロッドか軸負荷を支え る縦通材または梁受縦材となって、布積層の表皮か剪断を支える。

繊維が直線またはほとんと直線のグラファイト繊維と完全硬化の樹脂とのロッド を用いると、現状の形状であるテープや布やロービング（ｒｏｖｉｎｇ）で示さ れた剛性および圧縮強度が向上する。１Ｍ６か代表的なものであるが、高強度、 中伸性の繊維に対しては、複合材ロッドの剛性が１５％だけ増加し、この剛性は 張力および圧縮下でも維持されることは、解析的に証明することができる。現行 の材料形態では非線形の応カー歪み挙動を示す。つまり、引っ張ると硬くなり、 圧縮すると軟化する。この現象は、硬化された積層物の中にある繊維の本質的な 波状うねりのために起こる。本明細書の開示の要件に従って積層処理の間ずっと 繊維か直線に保たれれば、圧縮中の軟化は無視てきるものとなろう。

剛性か増大することに加えて、解析的には３１０，０００ｐｓｉを超える圧縮強 度か証明されよう。これに対して、現行の材料形態ては、典型的には２５０゜０ ００ｐｓ　ｉ以下の値が得られるにすぎない。

理論的な見地からずれば、剛性を低下させる波状うねりは小さくても影響する。

その割合は、振幅を波長で割った値（Ａ／Ｌ）を９６で表示して示すことができ る。

現行の材料形態は、１．　２％を超える波状うねりを有することか示されている 。

提唱されているような大きな剛性と高い強度を得るためには、Ａ／Ｌ比は、０゜ ９％未満てなければならない。実際上の見地からは、本発明では所与の断面での 繊維配向に見出される不規則性の分布を測定することによって定義されることに なろう。

本発明者らの主張は、繊維というのは、そもそも、巻き取った後更にいろいろな 取扱か行われたものよりは、グラファイト炉から出た時のほうか真っ直ぐである ということである。従って、本発明者らの提唱する当ロット製造の一つの方法と は、繊維の一つの束または−８１のトウか炉から出てきたところでプルトルージ ョン（ｐｕ　ｌ　ｔ　ｒｕｓ　１ｏｎ）即ち、引抜成形法で連続的に硬化ロッド へ転化させることである。この時点て該ロットを製造することがてきそうな含浸 法や硬化法はたくさん存在すると考えられる。

複合材料の１０〜５０容量％の範囲、好ましくは２０％が樹脂である必要がある 。残りの９０〜５０９６は繊維である。グラファイト繊維は、断面の径としては 約０．００１インチ以下である。プルトルージョン成形されたロットは、構造物 中で７トリノクス母材の中で配列されて、圧縮負荷を含む負荷荷重を支えるロッ ト層を形成する。

本発明の」二記の目的ならびに他の目的、特長、および利点は以下の詳細な説明 の章で明らかになろう。

図面の簡単な説明 図１は、振幅（Ａ）と波長（Ｌ）とて繊維の波状うねりの幾何図形的形状を表す ものである。

図２は、応カー歪み計算について反復計算で解をめる方法を示す。

図３は、複合材料に用いられるグラファイト繊維を製造する既往の技術の方法を 概略的に示すものである。

図４は、複合材料のプルトルージョン成形ロッド（グラファイト繊維を含有する ものを含む）を製造する既往の技術の方法を概略的に示すものである。

図５は、本発明を概略的に示すものである。

図６は、複合材料で製造されたヘリコプタ−に使用される空気フレームの透視図 である。

図７は、図６に示される胴体下部の透視図である。

図８は、図６に示される胴体下部の一部の拡大図である。

図９は、図６に示される胴体下部の一部の別の拡大図であり、本発明の複合材料 を使用する構造部を示すために複合材料の部分を分解して示している。

本発明の理論的背景についての詳細な説明−理論的アプローチ　− 幾何学的観点から 定方向性複合材料の薄層片を考える。その中の繊維は図１に示されるように初め は変形している。ユークリッド平面Ｒ２、（ｘ−ｙ面）の繊維の形の関数表示は 、のように正弦波関数で示されるものと仮定する。

この式て、Ａは振幅て、Ｌは正弦曲線の全波長である。ここで、スカラー量であ るＡ／Ｌを繊維の波状うねりと定義する。ｙ　（ｘ）の微分係数は、次式％式％ （２） ここて、ｔａｎθ＝ｄｙ／ｄｘて、θは図１に示されるように局部繊維配向角で ある。θは、次式： ％式％（３） のように書くことができる。

さて、図１に示されるような弧の微小長さのｄｓを考える。

ｄｇ’　−ｄ−ｘ”→ｄｙ２（４） 式（４）は、 ｄｓ　−［１＋　（ｃｉｙ／ｄｘ）”１１／”　ｃｈ　（５）と書く、−とかて 、＼’ｌ）、（２）を（５）に代入して、α・−１２，πｘ　／’　＋５．Ｌす ると、式（５）は、とｉすく３丁どかてきる。さで、メ１＝（２πＡ／’Ｌ）　 ２とし、η２二μ／（Ｉｉ−μ）、１−すると、式（６）は、最終のメ（１の形 、 どなる。式（７）はモジュラスηか０〈ηくｌの軸回のときの第一種楕円積分の 形を有する。式（７）の楕円積分は、 Ｓ（η）　−Ｆ（−１／２，１／２，１．η２）２πＬ（１千μ）”／”　（８ ）として表すことかてきる。１一式て　は球面調和理論の中にある超幾何微分力 程代の特殊解を示す超幾何数列である。ここで、Ｆ（ψ、φ、λ、ｘ）−Σ（ψ ）ｋ（φ）ｋＸｋ／（λ）ｋｋｌてあり、この式で（ζ）ｋは以下の意味を有す る。

（ｒ）Ｑ　−１ （（）ｋ−ｒ（ｒ＋１）、、、（ｒ＋に−１）　ｋ　−１，２，、、。

この式て′、ζは変数ψ、φ、λ、Ｘを示ずものである。さて、式（８）の１− 記数列を展開１２、杵■−の数′７的操作を行・うど、式（７）は、のように書 ＜、−どか−（きる。二項定理から、（１，−ｑ”）−１１２−１＋　ｑ”／２ 　＋　３＋７２７８　＋、、（１，３，５，、（２＋ｚ　−１）１７２）／（２ ，４，６，、ｚν）　（１０）であること４・知り、式（１０）を武（９）へ代 入す、乞）１１．式（９）は高次多項弐ｓル＝　１　＋　Ｑ２／４　＋　１３Ｑ ’／６４　＋　９０＋７”１５１２　＋、、、　（１１）・＼ど簡易化さ才する 。式（１１）はｓ／１．をη２またはＡ　、、、／　Ｌ、て表す基本関係式を示 す。

（１１）の根は、非線形多ｌｎ式の概略解をりえる一ニーｌ・ン・ラブソン（Ｎ ｅｗｔｏｎ−Ｒａｐｈｓｏｎ）反復計算法を用いる、−とによって得ることかて 八る１つ 剛性Ｌデル 薄層弾性モジュラス 繊維か式（１）で表される薄層を考える。図１に示されるように、Ｘ一方向のみ に（σア・σ８ｒ・０）定方向の応力（σＫ）をこの薄層に加えるものどじよう 。

構造系（Ｘ−Ｙ）のある点の歪みの内面状態は、ここで、 １１１−　ｃｏｓ’１ｌｓＨ＋　ｓｉｎ”θＣｏ５２θ（２Ｓ１２＋５６６）　 ＋　ｓｉｎ’１ｌｓ２２５２２−　Ｓｉｎ’＃Ｓｌｌ　＋　５ｉｎ２θｃｏｓ” θ（２Ｓ１２＋５６６）　＋　ｃｏｓ’＃ｓ２２である。上式で、エンンニアリ ング材料の性質に特仔なコンプライアンス定数は、５１１−１／Ｅ１・　Ｓ２２ −１／Ｅ２・　５１２−−”１２／Ｅ２・　Ｓ６６−１／Ｇ１２である。

応力の境界条件を用いると、式（１２）は、となる。さて、Ｘ一方向の波長に対 する全歪みは、てあり、そして伸長上ツユラス（ヤング係数）は、である。式（ １３）て注目す・＼きは、Ｓ＋１は式（３）で与えられるθ（Ｘ）の関数である ということである。従って式（１６）は弾性係数と繊維の波状うねりＡ／Ｌとの 間の明快な関係式を示すものである。式（１６）の解は、ガウス・ルジャンドル （Ｇａｕｓｓ−Ｌｅｇｅｎｄｒｅ）の近似法に基づく数値積分を行うことによっ て得られる。

増分負荷法 この解析法は、薄層へ歪みの増分をかけ、その結果繊維の波状うねりが少し生ず るようにすることを原理とするものである。繊維の波状うねりの変化に基づいて 材料の性質を計算する。歪みの増分に応じた応力の増分を計算し、応力の状態を 更新していく。次々に反復計算していくと、引張または圧縮状想にある薄層に対 して完全な応カー歪み曲線を描ける。図２はこの解析法で用いられるステップを 示す。

１、以下の初期条件を与える。すなわち、振幅　八〇 初期引張応力　σア。

初期繊維波状うねりＡ’　／Ｌ０が与えられているので、弾性係数Ｅ、は式（１ ６）を用いて計算される。

２、薄層の応力と歪み 引張歪みΔｅの小さな増分を与えることによって、歪み増分へ〇による応力増分 Δσつが、フックの法則： ΔＣ１ｘ−−Δｅ（１７） を用いて計算される。

薄層のある点における現在の応力は、応力増分の５１算値ど前の計算との和の応 力の結果から計算される。

（ｉ）　（ｉ）　（１−１） σエ　−Δσ８　＋　σｘ（１ｇ） ３、薄層の歪み 現（■−の薄層の歪みは、 のように計算される。

４　繊維の歪み 繊維歪みの増分は、繊維方向に沿って歪み状態（１４）の非テンソル変換を行っ て得られる。すなわち、 （１）　＋　−＋　（１） Δｉｆ−［ｃｏｓ”＃　Ｓｌｌ　＋　ｓｌｎ”＃　Ｓ２２　＋　ｓｌｎ＃ｃｏｓ ＃　５１２１Δσ８（１３）を（２０）へ代入すると、次式：を得ることができ る。さて、繊維の平均歪みのその方向への増分は、てあり、繊維の全歪みは、 ５、新しい波長および弧の長さ 新しい波長並びに新しい弧の長さは、それぞれ次のように導くことができる。

（１）　（Ｌ＞ Ｌ　−［（Ｘ　＋　１　］Ｌ’　（２４）従って、新しいｓ　／　Ｌ比を導くこ とができ、新しいＡ／Ｌが式（ｌ　ｌ）を用いて再計算される。順次再計算を行 うと、薄層に対する完全な応カー歪み曲線を描くことができる。歪みの負の増分 （−Δｅ）を適用することによって応カー歪み曲線の圧縮部分も描けることに注 意のこと。例えば、１Ｍ６／ＨＳＴ７の性質をこれらの式へ入れ、Ａ／Ｌが１． ５％と仮定すると、この系の測定された非線形応カー歪み応答がこの理論によっ てもう一度得られる。Ａ／Ｌがゼロと仮定すると、線形応カー歪み応答が予測さ れる。

適切な公開データ 繊維に少しの波状うねりがあっても薄層の圧縮強度が敏感に影響されることは、 文献にも暗示されていたが、応カー歪み応答の非線形性や圧縮強度が低いことは 、バーン教授（Ｔ、Ｈａｈｎ）とブランディ氏（Ｊ、Ｍ、Ｐｒａｎｄｙ）によれ ば（１９９０年４月２８１こ行われた３５回国際ＳＡＭＰＥシンポジウムで「炭 素繊維の圧縮強度」の題目で報告）、繊維の異方性に起因するものとされた。本 明細書記載の理論的研究の明快に示すところによれば、この挙動は、繊維の波状 うねりの結果か唯一の原因であろうということである。バーン教授の上記の参考 文献には、文献に既知のどれよりも大きい、破壊に至る圧縮歪みが記載されてい る。

このデータ（研究記録として十分に文書化されている）に対する荷重−屈曲曲線 を（本発明者らが）その後で調べて明らかになったことは、破断に至る線形の挙 動から見て、非線形性が繊維組織に本質的なものであるという可能性は全くない ということである。更に調へて分かったことは、標本調製の際に、含浸や硬化の 前に短繊維を出してしまって繊維を意図せずして真っ直ぐにしてしまったことも あった。この結果の重要性は、上記の研究の最初の研究者には分からなかったの である。

本発明者らは、厚い積層物での硬化の圧縮工程時の動きの結果としての大きな繊 維波状うねりによる強度や剛性のロスを定義するために理論的研究を始めた。

積層物の貼り合わせ、圧縮および硬化を行う際には、繊維の波状うねりは、知ら ないで済ませられる程また検知できない程度の少しは起こってしまうので、プレ プレグや部分的製造工程の間に繊維の配向を保証する技法をなにがしか開発する 必要があった。

繊維が真っ直ぐあるいはほとんど真っ直ぐである、グラファイト繊維と硬化マト リックスのロッ１−は、現行の材料形態、すなわち、テープ、繊維およびロービ ングの従来的プルトルート成形形聾が示す剛性や圧縮強度に比へて優れた剛性や 圧縮強度を有することになろう。硬化ロットの繊維波状うねりについては、ＡＺ Ｌ比で０．９％未満を示す必要がある。この波状うねり度は、本発明では所与の 断面での繊維配向に見出される不規則性の分布を測定することによって定義され よう。

複合材料のｌＯ〜５０容量％の範囲、好ましくは２０％か樹脂である必要がある 。本発明のロット形懇か他の形態に比へて有する有利性は、繊維の強度や剛性か 増大するにつれて大きくなる。繊維の改良程度は、小さい径の繊維に対しては急 な学習曲線−Ｆて続く。現存の材料の形態では処理の間に直線性を保たせるのは 、小さな径の繊維になるほど本質的に困難である。ロット゛にすると、業者の方 は高容量制御法で繊維の最も良好な直線性を達成することができるので、これを 確実に製造者の方へ渡せることになる。また、ロツ）−にすることにより、構造 物を製造するのに使われる各種の異なる積層プロセスの間この繊維の直線性を確 実に保てるようになる。

好ましい悪様の説明 さて、図面を参照する。特に図３を参照すると、数字ＩＩは、ポリアクリロニト リルのような繊維材料を巻いた玉を示す。ここからフィラメント糸（ストランド ）１３を引っ張り出し、炉Ｉ５を通して繊維の糸（ストランドまたはトウ）を炭 素に変える。ここで得た炭素繊維Ｉ７を引っ張って大きな二番目の炉１９へ入れ て、ここで高温に加熱して、炭素１７の幾分かをグラファイトにして、剛性のあ る、高強度の繊維２１を生成する。グラファイト繊維は糸巻２３に巻かれる。

糸は最終的にはこれから取り出され、一時計えられ、その後でグラファイト繊維 と樹脂マトリックスとの複合材料を製造する製造工程に送られる。この製造方法 は、次の特許に開示されている。

Ａ、シントウらの日本特許４４０５（１９６２）およびＷ、ワットらの英国特許 １．１４８，８７４ 図３に示されている方法で製造されるグラファイト繊維２１を用いる別の製造法 の概略か図４に示される。ここでは、グラファイト繊維２１が、図３に示される 糸巻２３からプルトルージョン・ダイへ引き抜かれ、多数の本数のストランドが 注入樹脂に暴露される。その結果ダイの中で硬化されると、剛性のあるロッドが 形成され、大口径の糸巻またはリール２９に巻き取られる。引き抜き成形ロフト 製造のこの方法は、１９８５年１月２８日に開催されたＲＰ／ＣＩの第４０回年 金で発表されたゴールトワージ４　（Ｇｏｌｄｗｏｒｔｈｙ）の論文［プルトル ージョン成形複合材−市場浸透への青図、第一部（ＰｕＩ　ｔｒｕｄｅｄＣｏｍ ｐｏｓｉｔｅｓ−Ａ　ＢｌｕｅＰｒｉｎｔ　Ｆｏｒ　ＭａｒｋｅｔＰｅｎｅｔｒ ａｔ　１ｏｎ）Ｊに開示されている。

波状うねりの測定はつぎのようにして行なう。すなわち、繊維に関して浅い角度 で積層物を切断する。各繊維の楕円形の断面の長軸と短軸とを測定する。特定の 切断角で切断された繊維のものからのこれらの寸法の分散は繊維が局部的に配向 が異なる程度を示す値であり、その分布を取ると波状うねりの大きさになる。

繊維の波状うねりの範囲の測定は、次の方法によって行なうことができる。（複 合材産業における標準的な技術を用いて）繊維の面に対して５度で代表試料を機 械加工し、研磨する。すると、炭素繊維の楕円形断面が４００Ｘの拡大倍率でき れいに見える。測定誤差を避けるために試料の５箇所を無作為に選んで顕微鏡写 真を取る。各楕円断面の長軸、短軸の径を測定し、記録する。各繊維の傾斜角は 、角　＝　ａｒｃｓ　ｉｎ　（ｂ／ａ）により算出される。

ここで、ａ−楕円の長軸の径、ｂ−楕円の短軸の径である。

写真を全部取った各繊維断面に対する繊維傾斜角を計算する。最低３００個の繊 維角測定が必要である。

繊維角データのセットすへての標準偏差を計算する。この後では、本明細書の中 では直線的ロッドとは、標準偏差計算値か０．８８度以下のロッドである。

本発明者らの観察によれば、図３や図４に開示される従来技術の製造方法を使う と、剛性と圧縮強度とを低下させる波状うねり繊維を存する複合材料を得る結果 となる。複合積層物に存在する波状うねりは、トウの中に異なる長さのものがあ ることから生まれる直接的結果である。引っ張り状態にある他の繊維の場合と対 比して、ぶらぶらしているカーテンやドレープのような繊維にその証拠が見られ る。グラファイト繊維中の波状うねりを最小にするかまたはなくしてしまう方法 は、図５に示される。すなわち、ＰＡＮ　（前駆体とも呼ばれる）３１の多数の 糸玉からス１ヘラント３３を引っ張り、第−炉またはオーブン３５を通し、ここ でＰＡＮを炭素繊維３７に転化する。この繊維はすぐに連続的に、より大きい第 二のオーブンまたは炉３９に引っ張り、グラファイト繊維４１を生成する。この 繊維がまだ直っすぐで、連続のままの状態で、プルトルージョン・ダイ４３に引 き抜く。図５にはプルトルージョン・ダイ４３は、二個のみしか示していないが 、これは図面を単純にするためである。グラファイト繊維４１の三本も破線で示 しているが、これらも図示されてはいないか、これらに対応するダイに延びてし ）る。

ここで、樹脂を繊維に注入し、硬化し、プルトルージョン成形口・ソト４５を形 成し、大口径の糸巻リール４７に巻き取る。従って、図５にｕＢ（Ｊ＜Ｊｌこ示 される方法は図３と図４に示される従来的技術の方法の組み合わせである。大き な違いは、図４に示されるプルトルージョン・ダイ２５へ炭素繊維を入れる前に この繊維を受け取る比較的小口径の従来技術中間糸巻２３を無くすることである 。プルトル−ジョン成形機の引っ張り装置は、繊維製造プロセスの延伸要求値の 少なくとも一部を満たす必要がある。得られたトウの寸法は、炉またはオーブン の内部にあるロールの回りにトウを引っ張るにつれて生ずる長さの差を、最小に するように決めなければならない。

「混合物の法則」とは、積層物の複合成分の性質をそれぞれの容量％に比して概 括的に表現するのに用いられる術語である。大径の、０．００４インチを超える 繊維例えば、ポロンカーバイドまたはシリコンカー）くイドまたはスチールを含 むエポキシ複合体について適用してみると、剛性はエンジニアリング上での精度 内、つまりプラスマイナス３％の範囲で予測され、この剛性は応力に関してほぼ 一定である。最近用てきている中程度または高度弾性のグラファイトについて適 用してみると、測定された剛性は、予測値よりも小さい。さらに、測定された剛 性は、引張応力が増加するにつれて増加し、圧縮応力か増加するにつれて減少す る。これらのグラファイト繊維は、径は非常に小さく、０．００１インチより小 さい径であるので、樹脂の含浸やその後の積層物の貼り合わせの際に容易に配向 がくるってしまう。このようにして起こった繊維の配向の狂い（波形うねり）が ると、非線形の応カー歪み応答がおきてしまい、剛性か低下することになる。

図５に１ａ１３的に示される方法によって製造されたプルトルージョン成形ロッ ドは、断面の直径か約０．０１０〜０．２５、好ましくは約０．０５０〜０．０ ７０インチの範囲であり、波形うねりを最小とするために、直線配向の多数の直 線グラファイト繊維を含有している。図５のプルトルージョン・ダイ４３中て繊 維の回りに形成され、硬化されたマトリックス剤は、繊維の直線的配向を維持す ると共に、その後段での製造工程の際にもずっと直線性を保つだせるのである。

樹脂は、最少限でも複合体の少なくとも１０％を構成するが、その範囲は１０〜 ５０％でよく、好ましくは２０％である。該樹脂は、後段の処理または層さ温度 で融解または軟化しないものならば、熱可塑性であれ、熱硬化性であれ、とのよ うなポリマーても差しつかえない。例えば、シェルオイル社から市販のシェル９ ３１０〜９３６０エポキシ樹脂のようなものでよい。グラファイト繊維の断面の 直径は０．００１インチ未満、通常は０．０００１〜０．０００３インチの範囲 である。

上に記載のプルトルージョン成形ロットは、図６に示されるヘリコプタ−用空気 フレーム４９の製造に使用されるものとして説明する。空気フレーム４９の破線 で示されるのは下部胴体５１てあって、複数のキール・ビーム５３．５４を含む ものである。これらのキール・ビームは、荷重、例えば存料荷重によってかけら れる荷重を空気フレーム全体に分散するものである。

下部胴体５１の拡大図は、図７に示されるが、この図には再びキール・ビーム５ ３．５４か示され、複合材テープまたは布で形成されている表皮５７で連結され ている。この表皮は、従来の技術の方法でキール・ビーム５３．５４に貼り付け 、接合されて、大荷重と大曲げ応力に耐える力のある一体の構造をなしている。

図８は、図７に示される下部胴体の一部分の拡大透視図である。ここでは、キー ル・ビーム５５は、曲面部５９を形成する表皮５７と垂直壁６１．６３とから構 成されている。別に平面部分６５と６７とが垂直部分つまり壁６３のそれぞれ上 部と下部とから伸びて下部胴体パネルを完結している。

図８に示されているように、下部胴体５１を強化しているのは、外側の縦通材６ ６、それぞれ二本の上部縦通材６７．６９および下部縦通材７１．７２である。

図９に示されるように６９のような縦通材は各々二層のロッド７３．７５を内蔵 しており、各ロッドはマトリックスつまり樹脂８１て巻かれている。これらの口 ・ｙｌ・は、複合材テープ７７．７９の二層て構造物にしっかりと固定されてい る。

説明中の構造物のような典型的な構造物では、ウェブ６３と６５は剪断荷重に耐 え、典型的には交差積層のテープまたは織り布である。キール・ビーム５５に記 載のような曲げ荷重は剪断荷重と軸荷重の両方を受けなければならない。軸荷重 は、引張も圧縮も６９のような縦通材で受けなければならない。構造物の効率は 、ウェブも縦通材もともに強度および剛性に対する重量比に直接関係している。

織布または交差積層のテープは、ウェブには使用可能であるが、縦通材の剛性お よび強度不足は、複合材に完全な繊維特性を実現させようとするならば、あって はならないことである。プルトルージョン成形ロッドの層に直線性のグラフアイ ）・繊維があれば、原材料の段階でもこれらの性質を賦与することになり、しか も製造工程を通してこれらの性質を維持するようになる。０．８８度標準偏差で 定義のものより直線性が劣る繊維のロットは、積層、圧縮、そして硬化工程中そ れ以上の劣化は無く以上のものより少し低い諸性質を保つことになろう。従って 、積層物中の離散的な軸荷重に対して局部的な層のロッドを用いることは、直線 性の程度の如何を問わず保証される。

本発明については、特定の態様を参照して説明を行なったけれとも、その説明に よってなんら限定されるものではない。開示の態様をいろいろに修飾することも 、本発明の別の態様も当業者には明らかとなろう。

へ 従来の杉術 従来の技術 フロントページの続き （７２）発明者　レイ、ハビップ、ジー。

アメリカ合衆国　７６０２２　テキサス州ベッドフォード、ナンバー　２４９． メドウ　パーク　サークル　２４８８

Claims (34)

【特許請求の範囲】
1. １．グラファイト繊維の波状うねりを最小にすることによって圧縮強度を増加さ せることを目的とした、グラファイト繊維とマトリックスとの複合材料を製造す る方法において、 炭素繊維の直線性を維持するように引き抜きながら炭素繊維をある温度まで加熱 して、少なくとも部分的に炭素をグラファイトへ転化させ、多数の本数の前記繊 維を張力を掛けながらダイを通して連続的に引っ張り、波状うねりを最小にする 程度に繊維を真っ直ぐにし、前記張力下に繊維に樹脂複合材料を含浸させ、樹脂 が複合材の少なくとも１０容量％を構成するようにさせ、 張力下に複合ロッドの樹脂を硬化させ、波状うねりがほとんど無い樹脂グラファ イト繊維の堅い複合ロッドを形成させ、ロッドの圧縮強度が引張強度に近くなる ようにする、 諸工程を包含するグラファイト繊維とマトリックスとの複合材料を製造する方法 。
2. ２．樹脂が、複合材の約２０〜５０容量％を構成するようにする請求項１記載の 方法。
3. ３．繊維が、選択された断面における繊維の配向に見出される不規則性の分布を 測定することによって定められるＡ／Ｌ比０．９％より小さい程度の波状うねり であり、しかも３００試料の不規則性測定の標準偏差が０．８８度以下である、 請求項２記載の方法。
4. ４．さらに、０．００１インチ以下の断面積径を有する繊維を包含することを特 徴とする請求項１，２または３記載の方法。
5. ５．高い圧縮強度を有する、グラファイト繊維とマトリックスとの複合材料にお いて、 選択された程度の波状うねりで線形に配向された実質的に直線の複数のグラファ イト繊維、 繊維の回りに形成され、選択された繊維を維持するために固化され、後段の処理 工程の間に堅い複合材料中に選択された程度の波状うねりが増大するのを防止す るマトリックス材料であり、このマトリックスは複合材の約１０〜５０容量％を 構成する、 以上から得られる、引張強度に近づく圧縮強度を有するグラファイトとマトリッ クスとの複合材料を包含する、グラファイト繊維とマトリックスとの複合材料。
6. ６．樹脂が複合ロッドの少なくとの１０容量％を構成するようにする請求項５記 載の複合材料。
7. ７．樹脂が複合ロッドの約２０〜５０容量％を構成するようにする請求項５記載 の複合材料。
8. ８．繊維が、選択された断面における繊維の配向に児出される不規則性の分布を 測定することによって定められるＡ／Ｌ比０．９％より小さい程度の波状うねり であり、しかも３００個の試料の不規則性測定の標準偏差が０．８８度以下であ る、請求項５記載の複合材料。
9. ９．さらに、０．００１インチ以下の断面積径を有する繊維を包含することを特 徴とする請求項５，６，７または８記載の複合材料。
10. １０．マトリックス材が、熱硬化性樹脂である請求項５記載の複合材料。
11. １１．マトリックス材が、エポキシ樹脂である請求項５記載の複合材料。
12. １２．マトリックス材が、熱可塑性樹脂である請求項５記載の複合材料。
13. １３．マトリックス材が、硬化されている請求項５記載の複合材料。
14. １４．剛性のある複合材料か、ロッドである請求項５記載の複合材料。
15. １５．ロッドの径が、約０．０１〜０．２５インチである請求項１４記載の複合 材料。
16. １６．ロッドの径が、約０．０５０〜０．０７０インチである請求項１５記載の 複合材料。
17. １７．グラファイト繊維の径が、約０．０００１〜０．０００３インチである請 求項９記載の複合材料。
18. １８．炭素グラファイト繊維が、ポリアクリロニトリルから紡糸される請求項５ 記載の複合材料。
19. １９．増大した圧縮強度を有する、グラファイト繊維とマトリックスとの複合材 料において、 約０．９％より小さい振幅の長さに対する（Ａ／Ｌ）比を有する波状うねりの程 度に線形に配向され、増大した圧縮強度を有する、複数のグラファイト繊維、繊 維の回りに形成され、選択された繊維を維持するために固化され、後段の処理工 程の間に堅い複合材料中に選択された程度の波状うねりが増大するのを防止する マトリックス材料であり、このマトリックスは複合材の約１０〜５０容量％を構 成する、 以上から得られる、引張強度に近づく圧縮強度を有するグラファイトとマトリッ クスとの複合材料を包含する、グラファイト繊維とマトリックスとの複合材料。
20. ２０．マトリックス材が、熱硬化性樹脂である請求項１９記載の複合材料。
21. ２１．マトリックス材が、エポキシ樹脂である請求項２０記載の複合材料。
22. ２２．マトリックス材が、熱可塑性樹脂である請求項１９記載の複合材料。
23. ２３．マトリックス材が、硬化されている請求項１９記載の複合材料。
24. ２４．剛性のある複合材料が、ロッドである請求項１９記載の複合材料。
25. ２５．ロッドの径が、約０．０１〜０．２５インチである請求項２４記載の複合 材料。
26. ２６．ロッドの径が約０．０５０〜０．０７０インチである請求項２５記載の複 合材料。
27. ２７．グラファイト繊維の径が、約０．００１インチ未満である請求項１９記載 の複合材料。
28. ２８．グラファイト繊維の径が、約０．０００１〜０．０００３インチである請 求項２７記載の複合材料。
29. ２９．炭素グラファイト繊維が、ポリアクリロニトリルから紡糸される請求項１ ９記載の複合材料。
30. ３０．複合材料を含み、そしてグラファイト繊維と樹脂とのプルトルージョン成 形ロッドを含む構造において、 少なくとも一層の複合材料のプルトルージョン成形ロッド、複数のグラファイト 繊維と、繊維の配向を維持するために繊維の回りに形成され、硬化された樹脂マ トリックス材料を含むプルトルージョン成形ロッド、を包含し、 従来的複合材料形態の積層物に局部的に配設されているロッドの層が、向上した 圧縮負荷負担能力を有する構造を作っていることを特徴とす構造。
31. ３１．樹脂が、プルトルージョン成形ロッドの複合材料の少なくとも１０容量％ を構成し、硬化樹脂中の繊維が波形うねりがほとんど無く、その結果ロッドの圧 縮強度が引張強度に近くなるようにすることを特徴とする請求項３０記載の構造 。
32. ３２．樹脂が、プルトルージョン成形ロッドの複合材料の約２０〜５０容量％を 構成するようにする請求項３０記載の構造。
33. ３３．繊維が、選択された断面における繊維の配向に見出される不規則性の分布 を測定することによって定められるＡ／Ｌ比０．９％より小さい程度の波状うね りであり、しかも３００試料の不規則性測定の標準偏差が０．８８度以下である 、請求項３１記載の構造。
34. ３４．さらに、０．００１インチ以下の断面積径を有する繊維を包含することを 特徴とする請求項３０，３１，３２または３３記載の構造。