JPH07500080A - 二次マトリクス強化材を用いた繊維強化ガラスマトリクス複合体 - Google Patents

Abstract

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Description

【発明の詳細な説明】 二次マトリクス強化材を用いた繊維強化ガラスマトリクス複合体技術分野 本発明は、繊維強化ガラスマトリクス複合体に関する。

背景技術 近年、繊維強化ガラスマトリクス複合体は、高強度、剛性、軽量性を要求される 多くの用途において金属にとって代わりつつある。

より普遍的な繊維強化ガラスマトリクス複合体の中には、炭素繊維強化複合体が ある。このような複合体は、スポーツ用品からジェットエンジンにおよぶさまざ まな製品に見ることができる。

通常、炭素繊維強化ガラスマトリクス複合体（ＣＦＲＧＭ複合体）は、炭素繊維 を埋め込んだガラスまたはガラスセラミクスのマトリクス（基質）からなる。炭 素強化繊維は、用途に応じて、連続繊維または不連続繊維のいずれかになる。連 続繊維は、複合体製品の全長にわたって延在する。一方、不連続繊維は、連続繊 維よりもかなり短く、より局部的なマトリクス強化材を提供する。そこで、連続 ＣＦＲＯＭ複合体は、荷重支持構造としての用途に頻繁に用いられる。一方、不 連続ＣＦＲＯＭ複合体は、無荷重のまたは低荷重を支持する非構造的用途に適し ている。不連続ＣＦＲＯＭ複合体は、複雑な形状を有する製品に特に適している 。

炭素繊維とマトリクスとの相互作用により、ＣＦＲＧＭ複合体には、金属に置き 代わるものとして適当な優れた機械的特性が付与される。繊維は、繊維−マトリ クス界面結合を介してマトリクスから伝達される荷重を吸収することにより、複 合体の強度と弾性係数に寄与する。また、繊維は、マトリクス内のクラックの形 成を阻止または抑制することにより、複合体の靭性を高める。さらに、マトリク ス表面に露出した炭素繊維により、その良好な潤滑性が複合体に与えられる。

総体的に機械的特性が優れているにもかかわらず、ＣＦＲＯＭ複合体、特に射出 成形による不連続ＣＦＲＯＭ複合体のワイブル係数が低くなることがある。ワイ ブル係数とは、多くの複合体試料に対する、曲げ強さなどの機械的特性データに おける広がりの統計的尺度である。ワイブル係数が低いということは、データの 広がりがより大きいことを示す。ワイブル係数が低いと、信頼性を保証するため に、技術者に、製品に対して大きな設計許容値をもたせることが要求されること になり、好ましくない。この場合、材料のワイブル係数が高い場合にくらべて、 製品をより大きくより重くすることが要求される。そこで、特に、大きさ、重量 、信頼性が重要な要件となる用途には、高いワイブル係数をもつ材料が望ましい 。

ＣＦＲＯＭ複合体は、他の炭素含有複合体と同様、炭素の酸化が起きやすい。こ の問題は、ガラスマトリクスと炭素繊維との熱膨張不整合の結果として製造中に 形成されるマトリクス微細クラックの存在により悪化する。微細クラックは、特 に、不連続繊維を含む複合体において多くなる。これは、繊維のランダムな三次 元配置に起因する複合応力状態による。マトリクス微細クラックは、酸素をマト リクスに侵入させる通路を作り、高温にさらされたときにマトリクスの内部で炭 素繊維が酸化する条件を与える。炭素繊維の酸化は、複合体の強度と潤滑性を急 速に破壊する。これにより、炭素繊維複合体は用途によっては不適当なものとな り、あるいは、これらの複合体から構成された部品の頻繁な交換が必要になる。

したがって、高いワイブル係数と、すぐれた信頼性を持ち、酸化に抵抗し、特に 高温において、その強度と潤滑性を維持できるＣＦＲＯＭ複合体を得ることが望 ましい。

発明の開示 本発明は、高いワイブル係数と、すぐれた信頼性を持ち、酸化に抵抗し、高温に おいてその強度と潤滑性を維持できるＣＦＲＯＭ複合体に関する。

本発明の一態様は、ガラスマトリクスと、マトリクス内に分散させた複数の一次 強化繊維と、マトリクス内に分散させた複数の二次強化繊維とを有する繊維強化 ガラスマトリクス複合体を含む。二次強化繊維は、−次繊維よりも短い。

本発明の別の態様は、繊維強化ガラスマトリクス複合体を製造する方法を含む。

複数の二次強化繊維を、分散剤中に均等に分布させる。ガラス粉末を担体液に混 合してスラリーを調製し、二次強化繊維と分散剤をゆっくりとスラリーに添加し 、添加しながら繊維を均等に分散させる。さらに、結合剤をスラリーに添加する 。連続繊維にスラリーを含浸させ、含浸繊維を乾燥させて担体液を除く。含浸繊 維を適当な長さに切断し、適当な成形法により成形して繊維強化ガラスマトリク ス複合体を形成する。

これらのおよびその他の特徴ならびに利点は、以下の説明と添付図面からさらに 明らかになる。

図面の簡単な説明 図は、−次および二次強化繊維と、窒化硼素二次強化粒子を含む本発明の複合体 の走査電子顕微鏡写真である。

発明を実施するための最良の形態 本発明の複合体は、もっとも簡単な例では、マトリクスおよびマトリクス内に分 散させた複数の一次ならびに二次強化繊維を有している。二次強化繊維は、−夕 張化繊維によっては強化されることのないマトリクス濃密領域を埋め、二次強化 相として働く。

マトリクスには、複合体に成形性、熱安定性、摩耗抵抗性を与える各種のガラス またはガラスセラミクスを用いることができる。適当なガラス材料としては、硼 珪酸ガラス、高シリカ含有ガラス、アルミノ珪酸ガラス、これらの混合物などが ある。適当なガラスセラミクス材料としては、リチウムアルミノ珪酸、および、 アルミノ珪酸、バリウム−マグネシウムアルミノ珪酸、バリウムアルミノ珪酸、 マグネシウムアルミノ珪酸、カルシウムアルミノ珪酸、これらの組合わせなどの 従来のその他のガラスセラミクスがある。

硼珪酸ガラスは、他の材料にくらべてより容易に加工でき、満足すべき熱安定性 を有していることから、好ましい÷トリクス材料である。適当な硼珪酸ガラスと しては、コーニング製品コード７０７０およびコーニング製品コード７７４０　 にューヨーク州コーニングのコーニング・グラス・ワークス）がある。コーニン グ製品コード７０７０ガラスは、粘性が低く複合体製品をよりたやすく製造でき ることから、特に好ましい。コーニング製品コード７０７０ガラスの引張り係数 は７．４Ｘ１０１１ボンド毎平方インチ（ｐｓｉ）、密度は２．１３グラム毎立 方センナメートル（ｇ／ｃｍ”）、熱膨張係数（ＣＴＥ）は３２Ｘ１０〜７セン チメ一ドル毎センナメートル毎摂氏温度（ｃ　ｍ／　ｃ　ｍ”ｃ）　、焼鈍点は ４９６℃、軟化点は７６０℃、作業点は１０６８℃である。コーニング製品コー ド７７４０ガラスの引張り係数は９．１Ｘ１０”ｐｓｉ、密度は２．２３ｇ／ｃ ｍ３、ＣＴＥは３２．５　Ｘ　１０−’ｃｍ／ｃｍ”ｃ、焼鈍点は５６０”Ｃ１ 軟化点は８２１℃、作業点は１２５２℃である。

−次および二次強化繊維のいずれも、ガラスまたはガラスセラミクスマトリクス の強化に従来用いられている各種のモノフィラメント繊維またはマルチフィラメ ント糸でよい。たとえば、強化繊維として、炭素、炭化ケイ素などの炭化物、窒 化ケイ素などの窒化物、酸化物を用いることができる。炭化ケイ素を基礎とした 適当な繊維には、ＮＩ　ＣＡＬＯＮ”グループの繊維（日本国東京の日本カーボ ン）、ＴＹＲＡＮＮＯＦＩＢＥＲ”シリーズ（日本国宇部市の宇部興産）がある 。窒化ケイ素を基礎とした適当な繊維には、ＨＰＺ繊維（ミシガン州ミツドラン ドのダウ−コーニング・インコーホレイテッド）がある。−次および二次強化繊 維は炭素繊維、特に、引っ張り強度的３００Ｘ１０”ｐｓｉ以上、引張り係数約 ３５Ｘ１０’ｐｓｉ以上の、不活性雰囲気中で約１４００℃までの温度において 安定な炭素繊維であることが好ましい。モノフィラメント繊維を用いてもよいが 、マルチフィラメント炭素系が好ましい。約６ミクロン（μｍ）から約１０μｍ 、特に約７μｍから約１０μｍの平均フィラメント直径をもつマルチフィラメン ト炭素系が特に好ましい。

適当な炭素系としては、ＨＭＵ”（プラウエア州つィルミントンのヘラクレスや コーポレーション）　、ＨＭ−３（カリフォルニア州ピッツバーグのハイツル・ ゲラフィル・カンパニー）、Ｐ−１００（コネチカット州リッジフィールドのア モコ・パフォーマンス・プロダクツ）、ＦＯＲＣＡ　ＦＴ７００（日本国東京の 東燃）がある。ＨＭ　Ｕ　Ｔ　Ｍ糸は、それぞれ東あたり繊維数［ｆｉｂｅｒｓ 　ｐｅｒ　ｔｏｗ］　１０００５３０００．６０００．１２０００で平均繊維直 径８μｍのものが入手可能である。その引張り強度は４００Ｘ１０”ｐｓＬ、引 張り係数は５５Ｘ１０’ｐｓｉＳＣＴＥは一７Ｘ１０−’Ｃｍ／ｃｍ”ｃ、密度 は１．８４ｇ／ａｍ”である。ＨＭ−Ｓ繊維は直径６．５μｍでありＨＭ　Ｕ　 Ｔ＆ｌ糸と同じ機械的特性を有している。Ｐ−１００繊維の引張り強度は３２５ Ｘ１０３ｐｓｉ、引張り係数は１０５ｘｌＯ’ｐｓ　ｉ、ＣＴＥは一１６Ｘ１０ ０−７ｃｍ／ｃｍ”ｃ、密度は２．１６ｇ／ｃｍ３である。ＦＴ７００糸の引張 り強度は５００Ｘ１０”ｐｓｉ。

引張り係数は１００Ｘ１０’ｐｓ　ｔ、ＣＴＥは一１５Ｘ１０−’ａｍ／　ｃ　 ｍ　℃、密度は２．１４ｇ／ｃｍ”である。ＨＭ　Ｕ　Ｔ＆′繊維は、本来備え ている破断ひずみが高いことから、不連続強化複合体として好ましい。

用途に応じ、−次弾化繊維は連続状または不連続状のいずれかになる。−次弾化 繊維が連続状である場合には、その長さと配向は、従来の連続繊維強化ガラスマ トリクス複合体成形技術に適合可能なものでなければならない。−次弾化繊維が 不連続状の場合には、その長さは約３ｍｍ　（０，１２５インチ）〜約２５ｍｍ （１インチ）である。好ましくは、不連続−次弾化繊維の長さは約６ｍｍ　（０ ゜２５インチ）〜約１２．７ｍｍ　（０，５インチ）であり、もつとも好ましく は、長さ約１２．７ｍｍである。二次強化繊維の直径は一次繊維の直径と同程度 でなければならないが、二次強化繊維は一次繊維よりも短くなければならない。

すなわち、二次強化繊維の長さは約０．５ｍｍ　（０，０２インチ）〜約２ｍｍ 　（０，０８インチ）である。好ましくは、二次強化繊維の長さは約０．８ｍｍ 　（０，０３インチ）〜約１．２ｍｍ　（０，０５インチ）である。もっとも好 ましくは、二次強化繊維の長さは約１ｍｍ（０，０４インチ）である。マトリク ス内の不連続−次および二次強化繊維の分布は均等かつランダムでなければなら ない。

本発明の複合体の酸化安定性および潤滑性を向上させるため、追加の二次強化相 としてマトリクス内に分散させた複数の窒化硼素（ＢＮ）粒子を複合体に含める ことができる。ＢＮ強化粒子は、棒、円盤、小板、球など、従来のさまざまな形 状のものでよい。円盤と小板は好ましい形状である。好ましくは、粒子は、少な くとも５：１の縦横比をもち、その大きさは、あらゆる方向において強化繊維の 直径の約半分以下である。円盤形粒子、たとえば、約５：１の縦横比をもつ小板 は、１．２５〜２．５の正規化強靭化増加度をもつ。

正規化強靭化増加度は、理論パラメータであり、１．０はマトリクス強靭化なし を示し、１．０より大きい値はマトリクス強靭化の相対変を示す。縦横比が大き くなるにつれて、正規化強靭化増加度はさらに大きくなる。もっとも好ましくは 、ＢＮ粒子の大きさは、あらゆる方向において炭素繊維の直径の約１０％から約 ４０％以下である。好ましくは、マトリクス中のＢＮ粒子の分布は、均等でラン ダムである。直径約０．５μｍから約２．０μｍ１厚さ約０．１０μｍ以下のＢ Ｎ小板は、−次弾化繊維の直径が約７μｍ〜約１０μｍの炭素繊維強化硼珪酸ガ ラス複合体に用いるのに特に適している。

好適なりＮ小板としては、六角ＢＮ（ウィスコンシン州ミルウォーキーのセラッ ク）　、ＨＣＰＳＨＰＦ、および、ＭＷ−５ＢＮ（オハイオ州クリーブランドの ユニオン・カーバイド・アドバンスト・セラミクス）　、Ｃｏｍｂａ　ｔ”ＢＮ 　にューヨーク州ナイアガラ・フォールズのスタンダード・オイル帝エンジニア ード・マテリアルズ）　、Ｔｙｐｅ　Ｓ　ＢＮ　（コネチカット州ニュー轡カナ ンのＥＳＫエンジニアード拳セラミクス）がある。

本発明の複合体製品は、二次強化相を含まない同様な複合体を製造するための各 種の公知の方法により製造することができる。圧縮成形および射出成形は好まし い方法である。公知の方法と本発明を実施するために要求される方法との重要な 相違は、複合体に二次強化相を追加することである。

二次強化相は、いくつかの方法により複合体に組み込むことができる。たとえば 、二次強化繊維およびＢＮ粒子を、プレプレグ処理し剪断した一次強化繊維と機 械的に混合してもよい。好ましい方法は、プレプレグ処理工程中に二次強化相を ガラス粉末とともに一次繊維束に直接組み入れることである。この方法によれば 、プレプレグ処理した一次強化繊維の間に二次強化相が均等に分布し、ガラスを 他の構成要素から分離するような混合状態は全く排除される。

二次強化相は、ガラス粉末と二次強化相と担体液のスラリーを用いて一次繊維束 に直接組み込むことができる。好ましくは、ガラス粉末は、約−３２５メツシユ であり、二次強化繊維の長さは約１ｍｍ、ＢＮ強化粒子を用いるならばその直径 は約１μｍとする。好ましい担体は水であるが、工程において後で添加される結 合材と適合性があるものであればどんな液体でも用いることができる。二次強化 繊維が複合体中の唯一の二次相である場合には、担体液と結合剤を取り除いたと きに、−夕張化繊維約１５容積パーセント（ｖｏ１％）〜約４０ｖｏ１％、二次 強化繊維約１ｖｏ１％〜約１０ｖｏ　１％、ガラスマトリクス約５０ｖｏ１％〜 約８４ｖｏ１％を含むプレプレグが得られるような量の材料を、スラリーに含め なければならない。複合体がさらにＢＮ粒子を含む場合には、担体液と結合剤を 取り除いたときに、−夕張化繊維約１５ｖｏ１％〜約４０ｖｏ１％、二次強化繊 維約１ｖｏ１％〜約１０ｖｏ　１％、ＢＮ粒子約１０ｖ。

１％〜約３０ｖｏ１％、ガラスマトリクス約４Ｑｖｏ１％〜約７４ｖｏ１％を含 むプレプレグが得られるような材料を、スラリーに含ませなければならない。ガ ラス、繊維、ＢＮ粒子の好ましい量は、用途に依存する。二次強化繊維とＢＮ粒 子の両方を含む複合体において、二次強化繊維は約４ｖｏ　１％、ＢＮ粒子は約 １４ｖｏ１％であることが望ましい。

スラリーを調製するためには、適当な容器内で、適当な量のガラス粉末を適当な 量の担体に添加する。容器を強く振り、ガラス粉末を担体中に分散させる。得ら れたガラス粉末／担体のスラリーをミキサーに載せ、ガラス粉末の分散を続ける 。最終スラリーにＢＮ粒子が含まれる場合には、この時点でガラス粉末／担体の スラリーに添加すべきである。ＢＮ含有スラリーを数分間強く振ってまずＢＮ粒 子を分散させ、つぎに粉砕処理によりＢＮ粒子の塊を砕く。好ましくは、１５分 間にわたり、あるいは、すべてのＢＮ塊が粉砕されるまで、超音波ミキサーを用 いてスラリーの粉砕処理を行なう。ＶＴ６００型Ｖｉｂｒａ−Ｃｅ　１１高強度 超音波プロセッサ（コネチカット州ダンベリーのソエックス・アンド・マテリア ルズ）は好適な超音波ミキサーである。出カフ０％およびデユーティサイクル５ ０％（オンオフサイクル１：１）で粉砕機を運転すると、特に効果的である。

二次強化繊維をガラス粉末／担体のスラリーまたはガラス粉末／ＢＮ粒子／担体 のスラリーに容易に添加できるようにするには、まず、二次繊維を適当な分散剤 中に均等に分布させて分散材料を調製する。分散剤は、少量の湿潤剤を含んでい なければならない。適当な分散剤としては、水、および、メタノール、エタノー ル、プロパツール、ブタノールなどのアルコールがある。好ましい分散剤は２− プロパツールである。湿潤剤は、分散剤との適合性をもち、分散剤の能力を向上 させて二次強化繊維を湿潤させるものであれば従来の湿潤剤のどれでもよい。た とえば、分散剤が２−プロパツールである場合には、ＴＥＲＧＩＴＯＬ”非イオ ン１５−５−９界面活性剤にューヨーク州タリータウンのユニオン・カーバイド 壷コーポレーション、研究開発部）が好適な湿潤剤である。分散剤と湿潤剤の量 を特定することは重要ではないが、かなり稀薄な分散材料が得られるよう十分な 分散剤を用いるべきである。用いられる湿潤剤の量はできるだけ少なく、それで もなおスラリーの担体が二次強化繊維を湿潤することができるような量でなけれ ばならない。分散材料を生成した後１、好ましくは超音波粉砕機を用いて、分散 材料を粉砕にかけ、二次繊維の均等な分布を確実にする。分散材料をゆっくりと スラリーに添加し、添加しながら二次繊維を均等に分布させ、−緒にかたまらな いようにする。二次繊維の良好な分散を保証するために、好ましくは超音波粉砕 機を用いて、スラリーを粉砕にかけることもできる。

二次強化繊維をスラリーに添加しすべての粉砕処理が完成した後、後で行なわれ る切断すなわち剪断操作中にガラス粉末と二次強化相が繊維束内に固定されるよ うに、結合剤を添加する。結合剤は、炭素繊維のプレプレグ処理に通常用いられ る結合剤のどれでもよい。

たとえば、結合剤には、担体中に容易に溶解または分散するポリマー系結合剤を 用いることができる。好ましいポリマー系結合剤には、ラテックス−アクリル系 ＲＨＯＰＬＥＸ”　（ペンシルバニア州フィラデルフィアのローム−アンド◆ハ ース番コーポレーション）などのラテックス−アクリル型ポリマー、ＣＡＲＢＯ ＷＡＸ”４０００などのＣＡＲＢＯＷＡＸＲシリーズのポリマー（コネチカット 州ダンベリーのユニオン・カーバイド・コーポレーション）がある。あるいは、 結合剤は、担体中に容易に溶解または分散する無機結合剤でもよい。好ましい無 機結合剤には、ＬＵＤＯＸ”　（プラウエア州つィルミントンのＥ、１．デュポ ン・ド・ネムーア）などのコロイド状シリカ溶液がある。

ガラス粉末／二次強化相／担体／結合剤のスラリーが調製されると、繊維束をス ラリー中に通して、スラリーを繊維束に含ませる。

適正な割合のスラリー構成要素を用いた場合には、繊維束には、ガラスの容積骨 を所望の範囲とするのに十分な量のガラスが含浸される。含浸済の繊維束を次に マンドレルに巻回し乾燥させる。

乾燥した繊維束は、予定された成形工程に適した長さに切断される。たとえば、 射出成形については、オリフィスを通過して型に入る際に塊になるのを防ぐこと ができる程度に、繊維を短く切断する。

好ましくは、射出成形に用いられる一次繊維の長さは、約５ｍｍ〜約１２．７ｍ ｍである。最後に、ＣＦＲＯＭ複合体を形成するための公知の方法のいずれかに より、含浸済の繊維束を所望の製品に形成する。

以下の例は、本発明の広い範囲を制限することなく、本発明を例示するために与 えられるものである。

実施例１ ３２６メートル、重さ７２グラム、東あたりフィラメント数３０００のＨＭＵ” ＭＡＧＮＡＭＩＴＥＲグラファイト繊維（プラウエア州つィルミントンのヘラク レス・インコーホレイテッド）に、ガラス粉末／二タ張化繊維／水／結合剤のス ラリーを含浸させた。スラリーは、−３２５メツシユのコーニング製品コード７ ０７０硼珪酸ガラス粉末にューヨーク州コーニングのコーニング・グラス・ワー クス）を３８１グラム、平均長１ｍｍのＨＭ−Ｓ炭素繊維（カリフォルニア州ピ ッツバーグのハイツル・ゲラフィル・カンパニー）を１６．５グラム、ＬＵＤＯ ＸＩコロイド状シリカ結合剤（プラウエア州つィルミントンのＥ、１．デュポン 争ド会ネムーア）ヲ５０グラム、蒸留水５００ｍ１、ＨＭ−Ｓ炭素繊維のための 分散剤として用いられる２−プロパ／−／Ｉｚ３００ｍｌＳＴＥＲＧＩＴＯＬ’ 湿潤剤にューヨーク州タリータウンのユニオン・カーバイド・コーポレーション 、研究開発部）数滴から構成されていた。ＨＭ−５炭素繊維をスラリー内にゆっ くりと混合する前に、この繊維をＴＥＲＧＩＴＯＬ”を添加した２−プロパツー ル中に分散させた。スラリーを調製したのち、繊維糸を供給スプールがら繰り出 し、約６．５メ一トル／分でブンゼンバーナー炎を通過させて繊維サイジング剤 を除き、撹拌したスラリーに浸漬して糸に含ませ、巻取マンドレルに巻き取った 。糸には十分なスラリーが含浸され、３１６グラムのガラス粉末と１４グラムの ＨＭ−３炭素繊維が添加された。含浸糸を巻取マンドレル上で乾燥させ、水分を 除いた。

乾燥の後、含浸糸を巻取マンドレルがら取り外し、平均長１２゜７ｍｍに切断し た。成形用混合物として知られている剪断されたプレプレグ繊維を、幅５．１ｍ ｍ長さ７５ｍｍの射出口をもつ射出成形装置のタンク室に収容した。射出成形装 置を真空高温プレス機内に配置し、１２７５℃に加熱した。プランジャーに対し て７　Ｍ　Ｐ　ａが加わるように計算された荷重をがけ、３０分間保持した。炉 出力を遮断し、機構を５００’Ｃに冷却し、この温度において圧力を除いた。機 構を室温に冷却し、射出成形部品を型から取り出した。

実施例２ 実施例１と同様にしてスラリー中に繊維を通すことにより、３５５メートル、重 さ７６グラム、東あたりフィラメント数３０００のＨＭＵＴｌ″ＭＡＧＮＡＭＩ ＴＥＲグラファイト繊維に、ガラス粉末／二タ張化繊維／ＢＮ粒子／水／結合剤 のスラリーを含浸させた。スラリーは、−３２５メツシユのコーニング製品コー ド７０７０硼珪酸ガラス粉末を３００グラム、平均長１ｍｍのＨＭ−Ｓ炭素繊維 を１６．５グラム、六角ＢＮ小坂（ウィスコンシン州ミルウオーキーのセラック ）を８０グラム、ＬＵＤＯＸ’コロイド状シリカ結白シリカ結合剤グラム、蒸留 水６００ｍ１、ＨＭ−Ｓ炭素繊維のための分散剤として用いられる２−プロパツ ール３００ｍ１、ＴＥＲＧＩＴ。

Ｌｌｌ湿潤剤数滴から構成されていた。糸には十分なスラリーが含浸され、ガラ ス粉末２１６グラムと、ＨＭ−Ｓ炭素繊維１２グラムと、ＢＮ小板５８グラムが 添加された。含浸糸を巻取マンドレル上で乾燥させ、水分を除いた。乾燥の後、 実施例１と同様にして、含浸糸を切断して成形用混合物とし射出成形を行なった 。図は、この複合体の断面の走査電子顕微鏡写真である。なめらかな繊維はＨＭ Ｕ？Ｍ繊維であり、でこぼこの繊維はＨＭ−８繊維である。ＢＮ小板はマトリク ス内に良好に分散している。

これらの実施例において製造された複合体の視覚的分析により、−夕張化繊維で 埋められなかったマトリクス領域が二次強化相によって埋められたことが示され た。その結果、複合体は、未強化マトリクス濃厚領域をごくわずかしか有してい なかった。その後の加工工程で、本発明の複合体は、ＢＮ小板が存在するために 容易に加工でき、二次繊維で埋められてマトリクス濃厚領域が減少したために割 れにくいことが示された。

次表の試験データによれば、本発明の複合体が、従来の複合体と比較してすぐれ た機械的特性を有することが示された。従来の複合体はコーニング製品コード７ ０７０ガラスマトリクスと長さ１２゜７ｍｍの炭素繊維のみを有していた。

表 複合体 従来の　複合体　十二次繊維 複合体　十二次繊維　十ＢＮ −次繊維　ｖｏ１％　２３　２５　２４二次繊維　ｖｏ１％　０　４　４ 窒化硼素　ｖｏ１％　ＯＯ１４ ワイブル係数　４．３５　データネ足　６．５２曲げ弾性係数　５．０　５．９ 　９．５１０’ｐｓｉ 曲げ強さ　１９　２４　２１ ０３ｐｓｉ 酸化曲げ強さ　５　１６　２０ １０’ｐｓｆ みかけの多孔度　％　０．６０　０．４０　０．１９これらのデータは、二次強 化相を含む複合体が、従来の複合体よりも良好な弾性係数と曲げ強さをもってい たことを示す。二次繊維とＢＮを含む複合体も、やはり、従来の複合体よりも高 いワイブル係数をもち、より信頓性が高いことが示された。二次繊維を含む複合 体についてはデータが十分ではなく、ワイブル係数を算出できなかったが、得ら れたデータにおける拡散度は低く、この複合体がやはり従来の複合体よりも高い ワイブル係数をもつであろうことが示唆される。これらの特性を向上させること に加え、二次強化相は、マトリクス中のクラック通路をより長くより曲がりくね ったものとする。その結果、二次強化相を含む複合体は、従来の複合体とくらべ て靭性と破壊仕事量が改善される。酸化曲げ強さのデータは、二次強化相により 本発明の複合体の酸化安定性が向上したことを示している。これらのデータは、 酸素中に４５ＰＣで１００時間にわたり保持された複合体から得られた。二次強 化相は、マトリクス微細クラックの量を減少させることにより酸化安定性を向上 させる。みかけの多孔度のデータは、二次強化相がマトリクス微細クラックを減 少させた程度を示す。二次強化相として機能することに加え、ＢＮ小板は、本発 明の複合体の摩擦係数をも減少させる。この改善は、複合体表面の炭素繊維のい くぶんがか酸化される熱処理の後で特に重要となる。

実施例３ ガスタービンエンジン用の６個のコンプレッサ内部シュラウドを本発明の複合体 から製造した。３つのシュラウドは、硼珪酸ガラス７６、．８ｖｏ１％と、−吹 下連続炭素繊維１９．５ｖｏ、１％と、二次炭素繊維３．７ｖｏ１％とを含んで いた。他の３つのシュラウドは、硼珪酸ガラス５９．４ｖｏ１％と、−吹下連続 炭素繊維２２゜９ｖｏ１％と、二次炭素繊維３．６ｖｏ１％と、ＢＮ小板１４． １ｖｏ１％とを含んでいた。これらのシュラウドは、エンジン内で、３１５℃以 上の温度で２８５時間以上にわたり試験された。どちらのシュラウドも、申し分 なく作動し、試験の終了時において構造上の故障の兆候はみられなかった。従来 の複合体から製造したシュラウドとくらべて、本発明の複合体を用いて製造した シュラウドでは、摩耗抵抗および酸化抵抗が向上した。したがって、本発明の複 合体から製造したシュラウドは、従来の複合体から製造したシュラウドよりも耐 用年数が長いと言えよう。

本発明の複合体は、従来の複合体よりもすぐれたいくつかの利点を提供する。た とえば、本発明の複合体は、従来の複合体にくらべて、すぐれたマトリクス靭性 、強度、剛性、加工性、信頼性、酸化安定性、潤滑性を有する。当業者であれば 、本発明の複合体の利用法を数多くあげることができよう。

本発明はここに示し説明した特別な実施例に限定されるものではない。本発明の 趣旨および範囲から逸脱することなく、数々の変更や修正が可能であることは言 うまでもない。

国際調査報告 国際調査報告 フロントページの続き ウェザ−スフイールド、ステイルウオルドドライブ　１７８ −０１．フオタナ　ハイツ　（番地なし）

Claims (22)

【特許請求の範囲】
1. １．ガラスマトリクスと、前記マトリクス内に分散させた複数の一次強化繊維と 、前記マトリクス内に分散させた複数の二次強化繊維とを含み、前記二次強化繊 維は前記一次繊維よりも短いことを特徴とする繊維強化ガラスマトリクス複合体 。
2. ２．前記マトリクス内に分散させた複数個の窒化硼素強化粒子をさらに含むこと を特徴とする請求の範囲第１項の複合体。
3. ３．前記ガラスマトリクスは硼珪酸ガラスからなることを特徴とする請求の範囲 第１項の複合体。
4. ４．前記一次強化繊維の長さは約３ｍｍ〜約２５ｍｍであることを特徴とする請 求の範囲第１項の複合体。
5. ５．前記一次強化繊維は炭素からなることを特徴とする請求の範囲第１項の複合 体。
6. ６．前記二次強化繊維の長さは約０．５ｍｍ〜約２ｍｍであることを特徴とする 請求の範囲第１項の複合体。
7. ７．前記二次強化繊維は炭素からなることを特徴とする請求の範囲第１項の複合 体。
8. ８．前記窒化硼素強化粒子は、縦横比が少なくとも５：１の円盤状であることを 特徴とする請求の範囲第１項の複合体。
9. ９．二次強化繊維を約１Ｖｏ１％〜約１０ｖｏ１％含むことを特徴とする請求の 範囲第１項の複合体。
10. １０．前記マトリクス内に分散させた窒化硼素強化粒子約１０ｖｏ１％〜約３０ ｖｏ１％をさらに含むことを特徴とする請求の範囲第１項の複合体。
11. １１．硼珪酸ガラスマトリクスと、前記マトリクス内に分散させた複数の一次強 化炭素繊維と、前記マトリクス内に分散させた約１ｖｏ１％〜約１０ｖｏ１％の 二次強化炭素繊維とを含み、前記二次強化繊維の長さは約０．５ｍｍ〜約２ｍｍ であることを特徴とする炭素繊維強化ガラスマトリクス複合体。
12. １２．前記マトリクス中に分散させた窒化硼素強化粒子約１０ｖｏ１％〜約３０ ｖｏ１％をさらに含むことを特徴とする請求の範囲第１１項の複合体。
13. １３．（ａ）複数の二次強化繊維を分散剤中に均等に分布させ、（ｂ）ガラス粉 末を担体液中に混合してスラリーを調製し、（ｃ）前記二次強化繊維と前記分散 剤とを前記スラリーにゆっくりと混合し、前記スラリーに添加しながら前記繊維 を均等に分散させ、 （ｄ）前記スラリーに結合剤を添加し、（ｅ）連続繊維に前記スラリーを含浸さ せ、（ｆ）前記含浸繊維を乾燥させて担体液を除き、（ｇ）前記含浸繊維を適当 な長さに切断し、（ｈ）前記切断された含浸繊維糸を適当な成形法により成形し て繊維強化ガラスマトリクス複合体を形成する工程からなる、繊維強化ガラスマ トリクス複合体の製造方法。
14. １４．湿潤剤を前記分散剤に添加して、前記二次強化繊維を湿潤する前記分散剤 の能力を向上させたことを特徴とする請求の範囲第１３項の方法。
15. １５．前記繊維に前記スラリーを含浸させる前に、前記スラリーに複数個の窒化 硼素強化粒子を混合する工程をさらに含むことを特徴とする請求の範囲第１３項 の方法。
16. １６．前記二次強化繊維は炭素であることを特徴とする請求の範囲第１３項の方 法。
17. １７．前記二次強化繊維は、長さ約０．５ｍｍ〜約２ｍｍであり、前記複合体の 約１ｖｏ１％〜約１０ｖｏ１％を構成することを特徴とする請求の範囲第１３項 の方法。
18. １８．前記窒化硼素粒子は、前記複合体の約１０ｖｏ１％〜約３０ｖｏｌ％窒化 硼素を構成することを特徴とする請求の範囲第１５項の方法。
19. １９．前記分散剤は水またはアルコールであることを特徴とする請求の範囲第１ ３項の方法。
20. ２０．前記ガラス粉末は硼珪酸ガラスからなることを特徴とする請求の範囲第１ ３項の方法。
21. ２１．前記成形法は圧縮成形法であることを特徴とする請求の範囲第１３項の方 法。
22. ２２．前記成形法は射出成形法であることを特徴とする請求の範囲第１３項の方 法。