JPH10168699A - 繊維複合材料およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】破壊エネルギー値が大きく、かつ層間剥離強度
を改善でき、また肉厚で複雑形状の繊維構造体を比較的
に容易に形成することが可能な繊維複合材料およびその
製造方法を提供する。 【解決手段】金属および樹脂の少なくとも一方から成る
マトリックス中に繊維構造体を複合化した繊維複合材料
において、上記繊維構造体は、複数の連続繊維を束ねて
成る繊維束２を組み糸として織り上げて成形したブレー
ディング織物１から成り、複合材料中に占める上記繊維
構造体１の体積率（Ｖｆ）が１０〜６０体積％であるこ
とを特徴とする。またブレーディング織物１を構成する
組み糸（繊維束）２が互いに斜交するように配置すると
よい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は繊維複合材料および
その製造方法に係り、特に複合化する繊維に組ひも構造
を付与することにより、形状対応性および層間強度特性
を改善した信頼性が高い繊維複合材料およびその製造方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】無機材料，有機材料，金属材料などから
成る各種の長繊維を樹脂、金属あるいはセラミックスな
どのマトリックス中に複合化した複合材料は、マトリッ
クス自体と比較して力学的特性や物理化学的性質が改善
されるため、各種産業分野および生活分野において、そ
の研究・実用化が進められている。例えば、プラスチッ
クをカーボン繊維やガラス繊維で複合化した繊維強化プ
ラスチックス（ＦＲＰ）は、その複合化した繊維が有す
る高弾性特性と高強度特性とによって、軽量であるとい
う特徴を保持しながら複合材料としての力学的特性を大
幅に改善できる。そのため、これらの複合材料は、航空
機，船舶，自動車等の工業製品の構成部品として活用さ
れている一方で、スキー板，テニスラケットフレーム，
ゴルフクラブシャフト，釣竿等のスポーツ用品や娯楽生
活関連部品等においても広く実用化されている。

【０００３】一方、近年になってセラミックス系の長繊
維を金属やセラミックス焼結体中に複合化した繊維複合
材料の開発も広く進められている。具体例として、カー
ボン繊維で強化したカーボンマトリックス複合材料は、
特に高温度域における比強度が大きい特性を有するた
め、高温炉のモールド材料や宇宙往還機の耐熱構造部品
として使用されている。

【０００４】またガスタービン部品，航空機部品，自動
車部品に使用される構造部品には、耐熱性および高温強
度に加えて高い信頼性が要求される。その要求に対応す
るため、無機物質や金属から成る繊維，ウィスカー，プ
レート，粒子等の複合素材をマトリックス中に分散複合
化させて破壊靭性値や破壊エネルギー値や耐熱衝撃性等
を高めたセラミックス基複合材料（ＣＭＣ）部品や金属
基複合材料（ＭＭＣ）部品の実用化研究が内外の研究機
関等において進められている。

【０００５】特に上記のような長繊維を分散複合化させ
た材料では、力学特性の改善効果が大きくなる。しか
し、そのためには、比較的に多量の繊維をマトリックス
中に複合化する必要がある。また複合材特性の異方性を
低減するために、長繊維を２次元方向または３次元方向
に織り合せて形成したプリフォームを繊維構造体として
使用している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ように各種の長繊維から成る繊維構造体をマトリックス
中に複合化した従来の繊維複合材料においては、各繊維
の配向方向によって、複合材料の強度特性等に異方性を
生じる欠点があり、部品全体としての特性が問題になる
ことがあった。特に製造が容易である観点から一般的に
採用される積層構造材の場合、すなわち複数の繊維織物
を積層して繊維構造体とし、この繊維構造体をマトリッ
クス中に配置した複合材料においては、層間剥離強度が
極端に低下してしまう問題点もあった。

【０００７】上記層間剥離強度を改善するために、各積
層材（繊維織物）の層間を結合する方向に別途繊維を配
置する各種方法、または、層間剥離を回避するために各
積層材を接合する端面処理等の方法が提案されている。
しかしながら、前者の方法は本質的な改良法ではある
が、各積層材（繊維織物）の織り工程が非常に複雑にな
り、製造性が著しく阻害されるため、広範囲に適用され
るには至っていない。一方、後者の端面処理方法におい
ても製造工程が複雑化する割には剥離防止効果が少な
く、抜本的な解決策にはなっていない。

【０００８】さらに、各種セラミックス系長繊維は一般
に屈曲やこすれに対してダメージを受け易く、繊維を構
成するモノフィラメントが切断したり、毛羽立ちを生じ
たりするため、２次元織物や３次元織物等の複雑な形状
を有するプリフォーム（繊維構造体）の形成が困難とな
る問題点がある。

【０００９】本発明は上記の問題点を解決するためにな
されたものであり、層間剥離強度を改善でき、また肉厚
で複雑形状の繊維構造体を比較的に容易に形成すること
が可能な繊維複合材料およびその製造方法を提供するこ
とを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本願発明者らは、種々の製法によって繊維構造体を
形成して複合材料を調製し、上記繊維構造体の製法や構
造が複合材料の強度特性、特に層間剥離強度に及ぼす影
響を比較調査した。その結果、連続繊維を束ねた繊維束
をブレーディング法によって織り上げて所定形状のブレ
ーディング織物を形成し、そのブレーディング織物を所
定の繊維体積率で金属や樹脂から成るマトリックスに複
合化させて複合材料としたときに繊維構造体の部品形状
付与が極めて容易であり、また層間剥離強度に優れた繊
維複合材料が初めて得られた。

【００１１】また上記繊維束を組み糸としてブレーディ
ング織りで織り上げて成形した織物要素を、さらにブレ
ーディング法，ステッチング法，直交３次元織り法，平
織り法などによって織り上げて繊維構造体を形成したと
きに、繊維の配置がより複雑化して、強度特性の異方性
を低減することができる。

【００１２】さらに上記織物要素を織り上げてさらに厚
い織物を形成することにより、部品形状に対応した繊維
構造体を形成することが容易になり、複合材料の層間剥
離強度を向上させることができた。すなわち厚い織物を
使用することにより、部品に要求される所定の肉厚を得
るための織物の積層数を減少させることができる。特に
１層の織物のみで繊維構造体を形成することもできる。
複合材料の層間剥離強度は他方向の強度と比較して低く
なることは避けられない。しかし上記のように織物の積
層数を減少させることにより、脆弱な部位を減らすこと
ができる。

【００１３】また上記のように形成した繊維構造体にお
いては、複合材料の厚さ方向に対して斜めまたは平行に
繊維が配置されるため、繊維構造体の層内における剥離
強度が大幅に改善されるという知見も得られた。本発明
は上記知見に基づいて完成したものである。

【００１４】すなわち本発明に係る繊維複合材料は、金
属および樹脂の少なくとも一方から成るマトリックス中
に繊維構造体を複合化した繊維複合材料において、上記
繊維構造体は、複数の連続繊維を束ねて成る繊維束を織
り上げて成形したブレーディング織物から成り、複合材
料中に占める上記繊維構造体の体積率（Ｖｆ）が１０〜
６０体積％であることを特徴とする。またブレーディン
グ織物を構成する繊維束が互いに斜交するように配置す
るとよい。さらに連続繊維はセラミックス，金属および
樹脂から選択される少なくとも１種で形成するとよい。
また、連続繊維は炭化けい素（ＳｉＣ）を主たる構成材
料とすることが好ましい。ブレーディング織物は中央糸
を含み、中央糸のヤング率を組み糸のヤング率より大き
くすることが可能である。さらに中央糸の径を組み糸の
径より大きくすることも可能である。

【００１５】また繊維構造体は、繊維束を組み糸として
ブレーディング織りで織り上げて成形した複数の織物要
素から成り、各織物要素を素材としたブレーディング織
り構造，ステッチング構造，直交３次元織り構造，平織
り構造および朱子織り構造のいずれかの製織構造を有す
るように形成してもよい。

【００１６】さらに織物要素は、帯状に形成した平打ち
ブレーディング織物または袋帯状に平坦化した丸打ちブ
レーディング織物で構成するとよい。

【００１７】ここで上記繊維複合材料のマトリックスを
構成する金属および樹脂としては、例えばアルミニウム
（Ａｌ），けい素（Ｓｉ），銅（Ｃｕ），鉄（Ｆｅ），
鉛（Ｐｂ），すず（Ｓｎ），これらの合金などの比較的
低融点の金属材やエポキシ樹脂，フェノール樹脂，ユリ
ア樹脂，メラミン樹脂，不飽和ポリエステル樹脂などの
熱硬化性樹脂およびポリエチレン，ポリスチレン，塩化
ビニール樹脂，ＡＢＳ樹脂などの熱可塑性樹脂を使用す
ることが可能である。これらの金属材および樹脂材によ
れば、繊維織物または繊維構造体内部への溶融含浸操作
が容易である。

【００１８】また上記マトリックス中に配置されるブレ
ーディング織物は複合材料の強度を高めるために所定の
繊維体積率Ｖｆで複合化される。上記ブレーディング織
物は、１００〜１００００本の連続繊維（モノフィラメ
ント）を束ねて成る繊維束を組み糸としてブレーディン
グ法により織り上げて形成される。上記ブレーディング
織物の繊維束を構成する連続繊維の材質は、特に限定さ
れるものではなく、各種セラミックス繊維，金属繊維，
樹脂繊維を用いることができる。このような繊維の具体
例としては、炭化けい素系繊維（ＳｉＣ，Ｓｉ−Ｃ−
Ｏ，Ｓｉ−Ｔｉ−Ｃ−Ｏ等），ＳｉＣ被覆繊維（芯線は
例えばＣ），アルミナ繊維，ジルコニア繊維，炭素繊
維，ボロン繊維，窒化けい素系繊維，Ｓｉ₃ Ｎ₄ 被覆繊
維（芯線は例えばＣ）およびムライト（３Ａｌ₂ Ｏ₃ ・
２ＳｉＯ₂ 〜２Ａｌ₂ Ｏ₃ ・ＳｉＯ₂）繊維，ガラス繊
維，タングステン（Ｗ）繊維，トリウム−タングステン
（ＴｈＯ₂ −Ｗ）繊維，ドープタングステン（Ｓｉ
Ｏ₂ ，Ａｌ₂ Ｏ₃ ，Ｋ−Ｗ）繊維，モリブデン（Ｍｏ）
繊維，カーボン（Ｃ）繊維，タングステン繊維またはカ
ーボン繊維を芯線として、その表面にボロン（Ｂ）を析
出させて形成したボロン繊維，鋼線，ピアノ線，ステン
レス鋼繊維，Ｂｅ繊維，Ｔｉ線，，Ａｌ線，Ｍｇ線，ア
ラミド繊維等があり、これらから選択された少なくとも
一種を使用するとよい。

【００１９】繊維の径および長さは、成形体中における
繊維の配置や、体積分率、そして複合材料の強度特性に
大きく影響を及ぼすものであり、本発明では直径が３〜
１５０μｍの連続繊維を使用する。直径が３μｍ未満の
場合には、複合効果が小さく、また直径が１５０μｍを
超える太い繊維では、繊維とマトリックスとの境界面に
熱膨脹差等による応力が生じ、いずれの場合も繊維によ
る複合効果を大幅に改善することが困難になる。

【００２０】上記連続繊維（モノフィラメント）は１０
０〜１００００本程度に束ねられて所定太さの繊維束
（ヤーン）とされ、しかる後に繊維束は組み糸としてブ
レーディング法によって織り上げられてブレーディング
織物または織物要素とされる。

【００２１】本発明で使用する繊維構造体は、部品形状
付与が容易な上記ブレーディング織物をそのまま使用し
て形成することが可能であるが、このブレーディング織
物を織物要素として使用し、さらに２回以上のブレーデ
ィング処理を施して所定の形状および寸法を有する繊維
構造体を形成してもよい。さらに上記ブレーディング織
物を素材として使用し、ステッチング構造，直交三次元
織り構造，平織り構造，朱子織り構造などの他の製織構
造を有するように処理して肉厚で大型の繊維構造体を形
成することも可能である。

【００２２】以下に上記ブレーディング織物または織物
要素を使用した繊維構造体について添付図面を参照して
具体的に説明する。

【００２３】図１は円筒形状のブレーディング織物（繊
維構造体）１をブレーディング法を適用して製造してい
る状態を示す正面図である。ブレーディング機のキャリ
アから導出された複数の組み糸（繊維束）２がマンドレ
ル（中子）３の表面に巻き付けられるようにして縦横に
織り上げられることにより、組ひも構造を有するブレー
ディング織物１が形成される。

【００２４】図２はブレーディング織物の構造例を示す
平面図であり、経方向の繊維束２ａと緯方向の繊維束２
ｂとが約６０度の交差角θで織り上げられてブレーディ
ング織物１ａが形成されている。

【００２５】図３はブレーディング織物の他の構造例を
示す平面図であり、図２に示す構成に加えて、上下方向
に延びる中央糸４を織り込んでブレーディング織物１ｂ
が形成されている。

【００２６】図４は平打ちブレーディング織物５の構成
例を示す平面図であり、この平打ちブレーディング織物
５は、９本の繊維束２を組み糸としてブレーディング処
理することによって平面状に形成されている。この平打
ちブレーディング織物５を形成するためには、少なくと
も５本の繊維束２が組み糸として必要である。

【００２７】図５は平打ちブレーディング織物５ａの他
の構成例を示す平面図であり、この平打ちブレーディン
グ織物５ａは、２５本の繊維束２と１２本の中央糸４と
をブレーディング処理することによって平面状に形成さ
れる。

【００２８】図６は丸打ちブレーディング織物６の構成
例を示す斜視図であり、この丸打ちブレーディング織物
６は８本の繊維束２を組み糸としてブレーディング処理
することによって管状に形成される。

【００２９】また、本発明において使用する繊維構造体
は、上記のように調製した複数のブレーディング織物を
要素（織物要素）として、さらに２次元構造または３次
元構造となるように製織して形成してもよい。図７〜図
９はブレーディング織りによる織物要素を２次元的に製
織した繊維構造体をそれぞれ示す。

【００３０】すなわち、図７に示す繊維構造体１ｄは、
複数の織物要素７を平織り（plainweave ）構造となる
ように製織して形成される。この繊維構造体１ｄにおい
ては、縦方向と横方向との織物要素７，７が１本ずつ交
互に交錯している組織を有する。縦横の織物要素７，７
の交錯が最も多いため繊維構造体１ｄが緊密で硬くな
る。

【００３１】図８に示す繊維構造体１ｅは、複数の織物
要素７，７を綾織り（twill weave）構造となるように
製織して形成される。この繊維構造体１ｅにおいては、
縦方向または横方向の要素が２本以上並列して、他の要
素と交錯して組み合された組織を有する。この組織を有
する繊維構造体１ｅは平織り構造の繊維構造体１ｄと比
較して柔らかくて伸び易い。

【００３２】図９に示す繊維構造体１ｆは、織物要素
７，７を朱子織り（satin weave ）構造となるように製
織して形成される。この繊維構造体１ｆにおいては、縦
方向または横方向の多くの織物要素７が並列して、所々
に交錯部を形成した組織を有する。この組織を有する繊
維構造体１ｆは前記綾織りの繊維構造体１ｅと比較し
て、さらに柔らかい性質を有する。

【００３３】上記繊維構造体の柔らかさは、複合材料の
破壊エネルギーに大きな影響を及ぼし、繊維構造体の柔
らかさが増加するに伴って、複合材料の破壊エネルギー
値も増加する傾向がある。

【００３４】図１０〜図１１は、織物要素を３次元的に
製織した繊維構造体をそれぞれ示している。すなわち図
１０に示す繊維構造体１ｇは、図６に示すような丸打ち
ブレーディング織物６を織物要素７として使用し、この
織物要素７を、互いに直交するＸ軸方向，Ｙ軸方向およ
びＺ軸方向に配設して３次元織り構造となるように製織
して形成される。

【００３５】また図１１は、ステッチング構造を有する
繊維構造体１ｈをマトリックス８中に複合化した繊維複
合材料１０を示す斜視断面図である。この複合材料１０
の繊維構造体１ｈは、例えば図４に示す平打ちブレーデ
ィング織物５を織物要素７として４層積層して積層体と
し、この積層体をステッチング用繊維束９によって厚さ
方向に縫い付けて一体的に形成される。

【００３６】従来の平織物は、経方向の組み糸と（繊維
束）と緯方向の組み糸との交差角θが９０度である場合
に相当し、この交差角度に限定される。したがって、従
来の平織物を複合化した繊維複合材料では、異方性のあ
る強度特性が問題となる場合が多い。

【００３７】ところが、図２〜図３に示すように本願発
明で用いるブレーディング織物を構成する経方向の繊維
束２ａと緯方向の繊維束２ｂとは、従来の平織物のよう
に互いに９０度の交差角をもって直交するのではなく、
１０〜１７０度程度の任意の交差角θをもって互いに斜
交するように構成される。したがって、図１に示すよう
に繊維束２が互いに斜交するように形成したブレーディ
ング織物１の半径方向に主にフープ応力が作用した場合
あるいは軸方向に主応力が作用した場合においても、各
々斜交した全ての繊維束２をこの応力に有効に対抗させ
るように配置できる。さらに、ブレーディング織物１内
に対しマトリックスを成形する際に発生する応力および
マトリックスの焼成時に発生する収縮応力にも十分に耐
えることができ、織物自体および複合材料の形状精度を
高く保持することができる。

【００３８】本発明ではブレーディング法によって繊維
構造体（ブレーディング織物）または織物要素を形成し
ているため、連続繊維の切断や毛羽立ちなどのダメージ
を生じることなく、複雑形状であっても容易に繊維構造
体を形成することができる。すなわち従来の平織物では
横糸シャトルの往復および縦糸の稼動箇所において繰り
返して繊維が屈曲し、繊維同士がこすれる回数が大き
い。一方、ブレーディング法によれば、連続した繊維束
をマンドレル外周に巻回して所定形状の織物を形成する
方法であるため、繊維束同士がこすれる箇所は交差部に
おいて１回限りとなる。したがって、繊維束の屈曲やこ
すれによる繊維の切断や毛羽立ちが少ないため、信頼性
が高く、形状精度が良好な繊維構造体が得られる。

【００３９】また図３に示すように、経方向の繊維束２
ａおよび緯方向の繊維束２ｂの各交差部を接続するよう
に中央糸４を設けたブレーディング織物１ｂを使用する
ことにより、中央糸４を設けた方向における織物特性を
調整することができる。特に中央糸４は屈曲がほぼ無い
ので、そのヤング率を組み糸２ａ，２ｂのヤング率より
大きく設定することが可能であり、中央糸４を配設した
方向における強度特性を増加させることができ、またマ
トリックス原料の含浸時などに外力が作用した場合にお
いても変形が少なく、ブレーディング織物の形状精度を
高く保持できる。

【００４０】また同様に中央糸４は屈曲がほぼ無いの
で、その繊維径を組み糸２ａ，２ｂの繊維径より大きく
設定することが可能である。そのため、クラックや破壊
の進行阻止効果が高められ、亀裂進展抵抗が大きな複合
材料が得られる。また、各繊維間のスペーサとしての機
能が発揮され、繊維束の少ない積層数で所定の肉厚の織
物を効率的に製造できる利点もある。上記中央糸４のス
ペーサとしての機能は、繊維体積率を調整する上でも有
効である。

【００４１】上記のようにブレーディング法を使用して
繊維織物を形成するに際して、各組み糸の交差角θ，中
央糸４の配設の有無を適宜選択して容易に制御すること
が可能であるため、複合材料で形成する部品の用途、要
求特性に応じた繊維配置が可能となる。

【００４２】上記中央糸４は繊維束の交差部など屈曲が
少ない箇所に配置されるものであるため、高ヤング率の
繊維あるいは太い直径を有する繊維であっても折損が少
ない。中央糸４は上記のように繊維構造体自体の強度を
改善すると同時に、複合材料全体の機械的強度を向上さ
せる上で有効である。

【００４３】ブレーディング法によって形成したブレー
ディング織物（繊維構造体）は、複合材料全体に対して
繊維体積率（Ｖｆ）で１０％以上の割合でマトリックス
と複合化される。しかしながら繊維体積率が６０％を超
える過量となると、織物を構成する各繊維周囲に均一に
マトリックスを配置することが困難になり、空隙など欠
陥の発生に伴い複合材料の強度特性が急激に低下してし
まう。したがって複合効果が現れる好ましい体積率は１
０〜６０体積％の範囲である。

【００４４】上記マトリックス中にブレーディング織物
を配置した繊維複合材料は、例えば以下のように製造さ
れる。すなわち複数の連続繊維を束ねて成る繊維束をブ
レーディング法にて織り上げて所定形状の繊維構造体を
形成し、得られた繊維構造体にマトリックス原料を含浸
せしめて成形体とし、含浸したマトリックス原料を固化
せしめマトリックスと繊維構造体とを一体化して製造さ
れる。

【００４５】または、複数の連続繊維を束ねて成る繊維
束をブレーディング法にて織り上げて複数の織物要素を
形成し、各織物要素を素材としてブレーディング織り構
造，ステッチング構造，直交３次元織り構造，平織り構
造および朱子織り構造のいずれかの製織構造を有する所
定形状の繊維構造体を形成し、得られた繊維構造体にマ
トリックス原料を含浸せしめて成形体とし、含浸したマ
トリックス原料を固化せしめてマトリックスと繊維構造
体とを一体化して製造してもよい。

【００４６】なお、上記製造方法で繊維要素を形成した
段階においてもマトリックス原料を織物要素に含浸する
ことにより、織物要素内にもマトリックスが緻密に形成
されることになるため、より強度特性が良好な繊維複合
材料を得ることができる。

【００４７】上記構成に係る繊維複合材料およびその製
造方法によれば、ブレーディング法によって繊維構造体
（ブレーディング織物）を形成しているため、連続繊維
の切断や毛羽立ちなどのダメージを生じることなく、複
雑形状であっても容易に繊維構造体を形成することがで
きる。

【００４８】また、本願発明で用いるブレーディング織
物は組ひも構造を有し、組み糸の交差角度を任意に制御
できるため、部品に発生する主応力方向に有効に繊維を
複合することが可能である。したがって、このブレーデ
ィング織物を使用した複合材料部品は信頼性が高い。

【００４９】上記ブレーディング織物を構成する経方向
の繊維束と緯方向の繊維束とが互いに斜交するように構
成することにより、ブレーディング織物に外力が作用し
た場合においても、斜交した全ての繊維束がこの外力に
対抗する作用を発揮し、ブレーディング織物の変形を効
果的に防止できる。したがって、ブレーディング織物内
にマトリックス原料を含浸させる際に発生する応力に耐
え、またマトリックス原料の固化時に発生する収縮応力
にも十分に耐えることができ、織物自体および複合材料
の形状精度を高く保持することができる。

【００５０】

【発明の実施の形態】以下本発明の一実施例について添
付図面を参照して説明する。

【００５１】実施例１ 直径２０μｍのガラス繊維（商品名：ＰＥＲ−２３１，
日本板硝子株式会社製）を実施例１用の連続繊維として
用意した。このガラス連続繊維を４００本束ねて繊維束
（ヤーン）を調製した。さらに得られた繊維束を使用
し、組み糸２４本と中央糸１２本とから成る丸打ちブレ
ーディング織物を調製した。さらに得られた丸打ちブレ
ーディング織物を袋帯状に圧潰して織物要素とした。さ
らに、図１２に示すように、この織物要素を組み糸２ｃ
として使用し、外径１００mm×高さ１００mmの中子（マ
ンドレル）３ａの外周に上記織物要素をブレーディング
することにより、組み糸２４本（中央糸はゼロ本）から
成る厚いブレーディング織物を調製した。さらに、この
厚いブレーディング織物を３層積層することにより、外
径１１６mm×内径１００mm×長さ１００mm×厚さ８mmで
ある実施例１用の繊維構造体１ｃを調製した。

【００５２】次に上記繊維構造体を溶融したエポキシ樹
脂（商品名：ＥＰＯＭＩＸ Ｒ−１４０，三井石油化学
株式会社製）中に浸漬し、真空脱泡した。そしてマトリ
ックス原料としてのエポキシ樹脂を繊維構造体内に含浸
させた後に取り出し、常温（２５℃）で２４時間放置し
て樹脂材を硬化させた。さらに硬化させた成形体を恒温
槽内に配置し、温度１００℃で２時間のアフターキュア
処理を実施することにより、図１３に示すような実施例
１に係る円筒形状の繊維複合材料１０ａを調製した。

【００５３】上記実施例１に係る繊維複合材料１０ａ
は、エポキシ樹脂から成るマトリックス８ａ中にガラス
連続繊維から成るブレーディング織物１ｃが複合化した
構造を有する。

【００５４】得られた円筒形状の繊維複合材料の密度は
２．１ｇ／cm³と高密度であった。また、この繊維複合
材料から板状の試験片を切り出し、内部組織を詳細に観
察したところ、いずれもガラス繊維の周囲にエポキシ樹
脂から成るマトリックスが均一に、かつ緻密に形成され
ていた。また切り出した試験片について引張り強度試験
を実施し、最大強度を測定するとともに、引張り強度試
験における荷重変位曲線から有効破壊エネルギーを測定
した。また層方向の剪断剥離強度を測定して表１に示す
結果を得た。

【００５５】この繊維複合材料の強度特性値はいずれも
高い値を示した。

【００５６】実施例２ 直径１４μｍのＳｉＣセラミックス連続繊維（商品名：
ハイニカロン，日本カーボン株式会社製）を実施例２用
の連続繊維として用意した。このＳｉＣセラミックス連
続繊維を５００本束ねた繊維束（ヤーン）を組み糸とし
て用意した。繊維束のヤング率は２７０ＧＰａとした。

【００５７】さらに得られた繊維束を使用し、組み糸６
本と中央糸２４本とから成る丸打ちブレーディング織物
を調製した。さらに得られた丸打ちブレーディング織物
を袋帯状に圧潰して織物要素とした。さらに、この織物
要素を組み糸として使用し、外径１００mm×高さ１００
mmの中子（マンドレル）の外周に織物要素をブレーディ
ングすることにより、組み糸２４本（中央糸はゼロ本）
から成る厚いブレーディング織物を調製した。さらに、
この厚いブレーディング織物を３層積層することによ
り、外径１１０mm×内径１００mm×長さ１００mm×厚さ
５mmである実施例２用の繊維構造体を調製した。

【００５８】次に上記繊維構造体を耐火性鋳型内にセッ
トし、加圧鋳込み法を使用して、温度６７０℃の溶融ア
ルミニウム合金をマトリックス原料として繊維構造体内
に加圧含浸させて、実施例２に係る円筒形状の繊維複合
材料を調製した。

【００５９】得られた円筒形状の繊維複合材料の密度は
２．７ｇ／cm³と高密度であった。また複合材料から板
状の試験片を切り出し、内部組織を詳細に観察したとこ
ろ、いずれもセラミックス繊維の周囲にアルミニウム合
金から成るマトリックスが均一に、かつ緻密に形成され
ていた。また切り出した試験片について引張り強度試験
を実施し、最大強度を測定するとともに、引張り強度試
験における荷重変位曲線から有効破壊エネルギーを測定
した。また層方向の剪断剥離強度を測定して表１に示す
結果を得た。

【００６０】この繊維複合材料の強度特性値はいずれも
高い値を示した。

【００６１】実施例３ 直径１０〜１３μｍのアルミナ（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）系セラミ
ックス連続繊維（商品名：ネクステル６１０，スリーエ
ム株式会社製）を実施例３用の連続繊維として用意し
た。このＡｌ₂ Ｏ₃ セラミックス連続繊維を３９０本束
ねて繊維束（ヤーン）を調製した。

【００６２】さらに得られた繊維束を使用し、組み糸２
４本と中央糸１２本とから成る丸打ちブレーディング織
物を調製した。さらに得られた丸打ちブレーディング織
物を袋帯状に圧潰して織物要素とした。さらに、この織
物要素を組み糸として使用し、外径１００mm×高さ１０
０mmの中子（マンドレル）の外周に織物要素をブレーデ
ィングすることにより、組み糸２４本（中央糸はゼロ
本）から成る厚いブレーディング織物を調製した。さら
に、この厚いブレーディング織物を３層積層することに
より、外径１１４mm×内径１００mm×長さ１００mm×厚
さ７mmである実施例３用の繊維構造体を調製した。

【００６３】次に上記繊維構造体を耐火性鋳型内にセッ
トし、加圧鋳込み法を使用して、温度６７０℃の溶融ア
ルミニウム合金をマトリックス原料として上記繊維構造
体内に加圧含浸させて、実施例３に係る円筒形状の繊維
複合材料を調製した。

【００６４】上記実施例３に係る複合材料は、アルミニ
ウム合金から成るマトリックス中にＡｌ₂ Ｏ₃ 連続繊維
から成る繊維構造体が複合化した構造を有する。

【００６５】得られた円筒形状の複合材料の密度は２．
８ｇ／cm³と高密度であった。また複合材料から板状の
試験片を切り出し、内部組織を詳細に観察したところ、
いずれもＡｌ₂ Ｏ₃ セラミックス繊維の周囲にＡｌ合金
から成るマトリックスが均一に、かつ緻密に形成されて
いた。また切り出した試験片について引張り強度試験を
実施し、最大強度を測定するとともに、引張り強度試験
における荷重変位曲線から有効破壊エネルギーを測定し
た。また層方向の剪断剥離強度を測定して表１に示す結
果を得た。

【００６６】この繊維複合材料の強度特性値はいずれも
高い値を示した。

【００６７】比較例１ 実施例１において用意したガラス連続繊維を４００本束
ねて繊維束（ヤーン）を調製した。この繊維束を従来の
平織り構造となるように製織して平織りクロスを製造
し、さらに帯状に裁断した。

【００６８】次に外径１００mm×高さ１００mmの中子
（マンドレル）外周に、上記帯状の平織り物を１２層巻
回することにより、外径１１６mm×内径１００mm×長さ
１００mm×厚さ８mmの円筒状の繊維構造体を調製した。

【００６９】以下、実施例１と同様に、上記繊維構造体
中にマトリックス原料としてのエポキシ樹脂を含浸し、
さらにエポキシ樹脂を硬化せしめることにより、比較例
１に係る繊維複合材料を製造した。

【００７０】比較例２ 実施例２において用意したＳｉＣ系セラミックス連続繊
維を５００本束ねて繊維束（ヤーン）を調製した。この
繊維束を従来の平織り構造となるように製織して平織り
クロスを製造し、さらに帯状に裁断した。

【００７１】次に外径１００mm×高さ１００mmの中子
（マンドレル）外周に、上記帯状の平織り物を１２層巻
回することにより、外径１１０mm×内径１００mm×長さ
１００mm×厚さ５mmの円筒状の繊維構造体を調製した。

【００７２】以下、実施例２と同様に、上記繊維構造体
中にマトリックス原料としての溶融アルミニウム合金を
加圧含浸して固化せしめることにより、比較例２に係る
繊維複合材料を製造した。

【００７３】こうして製造した実施例１〜３および比較
例１〜２に係る各繊維複合材料から引張り試験片を切り
出し、室温（２５℃）における密度、引張り試験による
最大強度を測定した、また引張り試験によって得られた
荷重変位曲線から各複合材料の破壊エネルギーおよび層
方向剪断剥離強度を測定した。測定結果を下記表１に示
す。

【００７４】

【表１】

【００７５】上記表１に示す結果から明らかなように、
ブレーディング織りによって得られた繊維構造体を使用
した各実施例の繊維複合材料は、従来の平織り構造の繊
維構造体を使用した比較例１〜２の複合材料と比較して
最大強度が大きく、また、有効破壊エネルギーが大幅に
改善されることが判明した。また層間剪断剥離強度につ
いては３〜１２倍程度と飛躍的に改善でき、また最大強
度も同等から２倍以上となり、優れた強度特性および耐
久性が得られることが実証された。

【００７６】

【発明の効果】以上説明の通り、本発明に係る繊維複合
材料およびその製造方法によれば、ブレーディング法に
よって繊維構造体（ブレーディング織物）を形成してい
るため、層間剥離強度が改善でき、また連続繊維の切断
や毛羽立ちなどのダメージを生じることなく、複雑形状
であっても容易に繊維構造体を形成することができる。

【００７７】また、本願発明で用いるブレーディング織
物は組ひも構造を有し、組み糸の交差角度を任意に制御
できるため、部品に発生する応力方向に有効に繊維を複
合することが可能である。したがって、このブレーディ
ング織物を使用した繊維複合材料部品は信頼性が高い。

【００７８】上記ブレーディング織物を構成する経方向
の繊維束と緯方向の繊維束とが互いに斜交するように構
成することにより、ブレーディング織物に外力が作用し
た場合においても、斜交した全ての繊維束がこの外力に
対抗する作用を発揮し、ブレーディング織物の変形を効
果的に防止できる。したがって、ブレーディング織物内
にマトリックス原料を含浸させる際に発生する応力に耐
えることができ、織物自体および複合材料の形状精度を
高く保持することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】円筒形状のブレーディング織物を製造している
状態を示す正面図。

【図２】ブレーディング織物の一実施例を示す平面図。

【図３】ブレーディング織物の他の実施例を示す平面
図。

【図４】平打ちブレーディング織物の構成例を示す平面
図。

【図５】平打ちブレーディング織物の他の構成例を示す
平面図。

【図６】丸打ちブレーディング織物の構成例を示す斜視
図。

【図７】ブレーディング織りによる織物要素を、さらに
平織り構造となるように製織した繊維構造体の構造を示
す図。

【図８】ブレーディング織りによる織物要素を、さらに
綾織り構造となるように製織した繊維構造体の構造を示
す図。

【図９】ブレーディング織りによる織物要素を、さらに
朱子織り構造となるように製織した繊維構造体の構造を
示す図。

【図１０】ブレーディング織りによる織物要素を、さら
に３次元構造となるように製織した繊維構造体の構造を
示す斜視図。

【図１１】ステッチング構造を有する繊維構造体をマト
リックス中に複合化した繊維複合材料の構造を示す斜視
断面図。

【図１２】実施例で使用したブレーディング織物の形状
を示す斜視図。

【図１３】実施例に係る円筒形状の繊維複合材料を部分
的に破断して示す斜視図。

【符号の説明】

１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ，１ｇ ブレ
ーディング織物（繊維構造体） ２，２ａ，２ｂ，２ｃ 組み糸（繊維束） ３，３ａ マンドレル（中子） ４ 中央糸 ５，５ａ 平打ちブレーディング織物 ６ 丸打ちブレーディング織物 ７ 織物要素 ８，８ａ マトリックス ９ ステッチング用繊維束 １０，１０ａ 繊維複合材料

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｃ０８Ｊ 5/04 ＣＦＣ Ｄ０３Ｄ 25/00 Ｄ０３Ｄ 25/00 Ｄ０４Ｃ 1/06 Ｃ Ｄ０４Ｃ 1/06 Ｂ２９Ｃ 67/14 Ｘ (72)発明者 魚住 忠司 京都府京都市伏見区竹田向代町136番地 村田機械株式会社本社内 (72)発明者 濱田 泰以 京都府京都市左京区松ヶ崎御所海道町 京 都工芸繊維大学内 (72)発明者 藤田 章洋 京都府京都市左京区松ヶ崎御所海道町 京 都工芸繊維大学内

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属および樹脂の少なくとも一方から成
   るマトリックス中に繊維構造体を複合化した繊維複合材
   料において、上記繊維構造体は、複数の連続繊維を束ね
   て成る繊維束を組み糸として織り上げて成形したブレー
   ディング織物から成り、複合材料中に占める上記繊維構
   造体の体積率（Ｖｆ）が１０〜６０体積％であることを
   特徴とする繊維複合材料。
2. 【請求項２】 ブレーディング織物を構成する繊維束が
   互いに斜交するように配置したことを特徴とする請求項
   １記載の繊維複合材料。
3. 【請求項３】 連続繊維はセラミックス，金属および樹
   脂から選択される少なくとも１種から成ることを特徴と
   する請求項１記載の繊維複合材料。
4. 【請求項４】 連続繊維は炭化けい素（ＳｉＣ）を主た
   る構成材料としていることを特徴とする請求項１記載の
   繊維複合材料。
5. 【請求項５】 ブレーディング織物は中央糸を含み、中
   央糸のヤング率が組み糸のヤング率より大きいことを特
   徴とする請求項１記載の繊維複合材料。
6. 【請求項６】 中央糸の径が組み糸の径より大きいこと
   を特徴とする請求項５記載の繊維複合材料。
7. 【請求項７】 繊維構造体は、繊維束を組み糸としてブ
   レーディング織りで織り上げて成形した複数の織物要素
   から成り、各織物要素を素材としたブレーディング織り
   構造，ステッチング構造，直交３次元織り構造，平織り
   構造および朱子織り構造のいずれかの製織構造を有する
   ように形成されたことを特徴とする請求項１記載のセラ
   ミックス基繊維複合材料。
8. 【請求項８】 織物要素は、帯状に形成した平打ちブレ
   ーディング織物であることを特徴とする請求項７記載の
   繊維複合材料。
9. 【請求項９】 織物要素は、袋帯状に平坦化した丸打ち
   ブレーディング織物であることを特徴とする請求項７記
   載の繊維複合材料。
10. 【請求項１０】 複数の連続繊維を束ねて成る繊維束を
    ブレーディング法にて織り上げて所定形状の繊維構造体
    を形成し、得られた繊維構造体にマトリックス原料を含
    浸せしめて成形体とし、含浸したマトリックス原料を固
    化せしめてマトリックスと繊維構造体とを一体化するこ
    とを特徴とする繊維複合材料の製造方法。
11. 【請求項１１】 複数の連続繊維を束ねて成る繊維束を
    ブレーディング法にて織り上げて複数の織物要素を形成
    し、各織物要素を素材としてブレーディング織り構造，
    ステッチング構造，直交３次元織り構造，平織り構造お
    よび朱子織り構造のいずれかの製織構造を有する所定形
    状の繊維構造体を形成し、得られた繊維構造体にマトリ
    ックス原料を含浸せしめて成形体とし、含浸したマトリ
    ックス原料を固化せしめてマトリックスと繊維構造体と
    を一体化することを特徴とする繊維複合材料の製造方
    法。
12. 【請求項１２】 繊維要素を形成した段階においてもマ
    トリックス原料を織物要素に含浸することを特徴とする
    請求項１１記載の繊維複合材料の製造方法。
13. 【請求項１３】 複合材料に占める繊維構造体の体積率
    （Ｖｆ）を１０〜６０体積％の範囲に設定することを特
    徴とする請求項１０または１１記載の繊維複合材料の製
    造方法。