JPH10511049A

JPH10511049A - 複合材料の製造用のワイヤ予備成形物及びその製造方法

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Publication number: JPH10511049A
Application number: JP8535728A
Authority: JP
Inventors: ウィリアムエムハヌシアク; リサビーハヌシアク; ジェフリーエムパーネル; スティーヴンアールスピア; チャールズアールロウ
Original assignee: アトランティックリサーチコーポレイション
Priority date: 1995-05-23
Filing date: 1996-05-09
Publication date: 1998-10-27
Anticipated expiration: 2016-05-09
Also published as: KR19990014942A; ES2184862T3; EP0883486A4; WO1996037364A1; DE69624595T2; KR100311743B1; KR100311744B1; US5763079A; JP3011771B2; KR100257646B1; DE69624595D1; EP0883486B1; ATE226885T1; EP0883486A2

Abstract

(57)【要約】ワイヤ（１１）と繊維（５）を組み合わせて繊維強化複合材（１０）を製造する製造方法を開示する。繊維（５）を接着剤被覆（３）基板（１）にドラム巻きし、続いて、これにバリヤー層（７）を付けて繊維の間隔を保つ。次に、接着剤（３）の層を繊維巻き（５）に付け、ワイヤ（１１）をそれに巻く。次いで、一連の粘性の増した粘着材料をワイヤ巻き（１０）に付けてワイヤ（１１）間隔を隔てたのあらゆる隙間を埋める。本発明による方法は、繊維強化複合材料に加工することができる普通のワイヤ／繊維予備成形物、可変の間隔のワイヤ／繊維予備成形物、及びワイヤだけの予備成形物を形成するのに使用することができる。

Description

【発明の詳細な説明】複合材料の製造用のワイヤ予備成形物及びその製造方法発明の分野本発明は複合材料の製造用のワイヤ予備成形物に関し、特に、繊維又は賄賂の間隔を保つのに、互いに不溶解性の接着剤及び被覆材料を使用して繊維の層及びワイヤの層を利用するワイヤ予備成形物に関する。背景技術複合材料の製造にワイヤ予備成形物又は予備ペグ（ｐｒｅｐｅｇｓ）を使用することは当該技術において周知である。これらの種類の予備では、ワイヤ材料は引き続く加工のための形態におけるマトリックス材料又は補強要素のような他の材料とともに、或いはそのような材料なしに、複合材料に組み込まれる。グラント等に対する米国特許第４,６９７,３２４号はフィラメント強化複合リング及びその製造方法を開示する。所望のマトリックス合金のリボンのようなワイヤ状材料はフィラメント材料と一緒にらせん単層に巻かれる。単層は互いに積み重ねられて合体されてリング形複合部材を形成する。ドブルに対する米国特許第４,７８２,９９２号はフィラメントの連続で織られた平らならせんテープ及び箔の連続で平らならせんテープを使用して複合物品を形成する他の方法を開示する。２つのらせんテープは、箔の巻回と交互になるフィラメントの巻回を有するらせん組立体を形成するように挟み込まれる。２つの螺旋テープは変形力を受けて複合リング構造を形成する。これらの先行技術の方法の欠点の１つは強化材料とマトリックス材料との間に所望の間隔関係を維持することである。繊維の間隔が変わると、製造された複合成分に望ましくない空虚ができてしまうことがある。先行技術の方法はまた複合材料について単位面積当たりの質量の適切な制御をもたらさない。空虚はまた繊維等のような強化材料のらせん巻き中に起こることがある。加えて、この種のらせん巻きは繊維の半径方向の移動を生じさせ、その結果、巻き工程中に繊維切れを引き起こすことがある。上記のように先行技術における欠陥に照らして、変化する単位面積当たりの予備質量の正確な制御を可能にし、コストが低く、引き続く複合材料の製造用の高密度の予備成形物を生産する、ワイヤ及び繊維を使用して複合材料予備成形物を作る改良方法を提供する要望が起こってきた。この要望に答えて、本発明は複合材料を製造するのにワイヤ、及び随意に繊維を使用する製造方法を提供する。本発明による方法はワイヤ及び繊維を一緒に特定な配列に置き、次いで、この配列は、引き続く合体中維持する事が出来る。本発明による方法はまたコストが低く、容易に反復でき、引き続く複合材料の製造用の高密度ワイヤ予備成形物を生産する。発明の概要従って、本発明の第１の目的は、複合材料の製造用のワイヤ予備成形物を製造する新規且つ改良された方法及びそれによる製品を提供することにある。本発明の他の目的は、引き続く加工中繊維／ワイヤの配列を維持する高密度予備成形物を生産する予備成形物製造方法を提供することにある。本発明の更なる目的は、硬化、脱ガス等のような引き続く加工中適所に保持されるマトリックス及び補強材料を収容する予備成形物を提供することにある。本発明の更なる目的は、繊維及びワイヤが層の関係に配列され、引き続いて、繊維強化リング又はディスクに加工するための予備成形物として一緒に巻かれる、フィラメント巻き成分の製造方法を提供することにある。本発明の他の目的及び利点は説明が進むにつれて明らかになろう。上記の目的及び利点を満たす上で、本発明は、その最も広い実施形態では、基板と、基板上の接着剤と、接着剤上に置かれた複数のワイヤと、複数のワイヤ上に付けられたバリヤー層と、を有する、複合材料の製造用のワイヤ予備成形物を開示する。バリヤー層と接着剤は、バリヤー層が基板とそれに付けられたワイヤとの間の接着に悪影響を及ぼさないように互いに不溶解性である。好ましい実施形態では、接着剤はヘキサン中のポリイソブチレンであり、バリヤー層はアセトン溶剤中のポリメチルメタクリレートである。ワイヤ材料は好ましくはチタン又はチタン合金であり、繊維材料は好ましくは炭化珪素である。変形例として、予備成形物の部品として繊維とワイヤの両方を利用するワイヤ予備成形物を提供する。この実施形態では、先ず、複数の繊維を接着剤被覆基板に供給し、続いてバリヤー層を付ける。第２の接着剤層を第１の接着剤層に付け、続いて、それに複数のワイヤを付ける。次いで、もう１つのバリヤー層を複数のワイヤに付ける。この実施形態では、接着剤とバリヤー層は再び互いに不溶解性である。この実施形態のワイヤ予備成形物は上記のように付けられた繊維及びワイヤの追加の層を有するのがよい。上記のいずれのワイヤ予備成形物をも繊維強化複合材料の製造に使用するために積み重ねられるのがよい。本発明の他の観点では、ワイヤ材料は予備成形物中の空虚の量を最小にするために種々の断面形状を有することができる。例えば、ワイヤは断面が十字形をなし、ワイヤ面の角張った凹部か、湾曲凹部のいずれかを有する。繊維及び又はワイヤの間隔は、管状又は円筒構造に使用する予備成形物を製造するとき、変更してもよい。本発明の方法の１つの実施形態によれば、ワイヤ予備成形物は、基板を準備する段階と、基板に接着剤を付ける段階とによって作られる。複数のワイヤが接着剤に付けられ、続いてバリヤー層が付けたワイヤに付けられる。次いで、第２の接着剤層がバリヤー層に付けられ、接着剤とバリヤー層は互いに不溶解性である。この実施形態では、ワイヤ予備成形物は好ましくは一体被覆として使用される。変形態様では、予備成形物は複数の繊維とワイヤを積み重ね関係に積み合わせて作られる。基板に接着剤を付けるのに続いて、複数の繊維をその接着剤に間隔を隔てた関係に付ける。次いで、バリヤー層を繊維の上に付け，続いてバリヤー層の上に接着剤をさらに付ける。次いで、間隔を隔てた関係をなした複数のワイヤをバリヤー層を被う接着剤層に付ける。再び、接着剤層とバリヤー層は上記のように互いに不溶解性である。この方法で、ワイヤは隣接した繊維を受け入れるための凹部をもった断面形状を有するのがよく、凹部は形状が角張っていても良いし或いは湾曲していても良い。繊維は均一に間隔を隔てられ、或いは、特に、予備成形物が円筒構造又は管状構造に使用れさることになるとき、次々の繊維層のための繊維相互間隔を増すことができる。好ましくは、ワイヤ及び繊維はドラム巻き技術を使って付けられる。ワイヤ予備成形物は引き続く複合材料の製造のために基板材料と一緒に或いは基板材料なしに積み重ねられる。本発明の更なる観点では、巻き構造の内径から外径まで連続繊維を有するフィラメント巻き成分を製造する方法及び装置を提供する。この実施形態では、ワイヤ／繊維予備成形物は複数の繊維収容ボビン及びワイヤ収容ボビンを準備する段階にようって作られる。繊維及びワイヤはそれぞれのボビンから引き出され、そして層配列がマンドレルに形成されるようにマンドレル収容回転ドラムに巻かれる。層配列はワイヤの平らな層に隣接した繊維の平らな層を有する。先ず、ワイヤ及び繊維を巻き段階の前に接着剤を使用してマンドレルに付ける。繊維及びワイヤの各々をマンドレルに巻き、それぞれの繊維及びワイヤの軸線はドラムの巻き面とほぼ垂直に維持され、従って繊維及びワイヤは螺旋に巻かれない。好ましくは、繊維及びワイヤを平らな層に案内し、さらにドラム巻きのために層配列に案内するセラミックガイドが利用される。ワイヤは隣接した繊維との重なりをよくするために上記の断面形状を有するのがよい。図面の簡単な説明本発明の図面を参照する。図１は本発明による例示のワイヤ／繊維予備成形物の断面図である。図２は本発明による予備成形物を製造する例示方法の概略図である。図３ａー３ｃは本発明による予備成形物の繊維／ワイヤ配列の３つの異なる形態の断面図である。図４は本発明による予備成形物の他の実施形態の断面図である。図５は多層を有し且つ繊維間隔の変化している、図４の予備成形物の断面図である。図６はワイヤ材料だけを使用する本発明による予備成形物の他の実施形態の断面図である。図７はフィラメント巻き成分を製造するための本発明によるクリール装置の概略図である。図８は図７のマンドレル巻きフィラメント成分の一部分の断面図である。好ましい実施形態の説明本発明による、複合材料の製造用のワイヤ及びワイヤ／繊維予備成形物の製造方法及び装置は、高価であり、複雑な装置を要し、かつ所望の補強成分分布及びマトリックス材料と補強成分との間に適切な割合を有する高品質の予備成形物を提供し損ねる周知の先行技術に比して著しい進歩を表している。本発明によれば、その最も広範な実施形態では、基板に接着剤を被覆する。次いで、ワイヤ複合材料成分を接着剤被覆基板に付ける。複合材料の上にバリヤー層を付け、バリヤー層は基板上の接着剤で互いに不溶解性である。相互不溶解性は接着剤の成分、例えばポリマー又は溶剤のどちらもバリヤー層成分、例えばその溶剤又はポリマー、又はその反対の成分に溶解しないことを意味するものである。接着剤とバリヤー層との間の相互不溶解性により、接着剤に付けられたワイヤ複合材料成分は引き続く予備成形物の硬化及び又は他の処理中その場にとどまる。即ち、バリヤー層成分のどれも接着を壊しワイヤの不整列を引き起こさない。その結果、引き続く層形成又は他の複合材製造関連処理段階中所望の複合材料成分の配向及び位置決めに影響を及ぼさない。所望ならば、ワイヤ複合材料成分に付けられるバリヤー被覆に再び接着剤を被覆し、それに引き続いてワイヤ及びバリヤー層を重ねる。この実施形態では、ワイヤ予備成形物は好ましくはワイヤ／繊維予備成形物を使用する繊維強化複合材の製造における一体被覆材料として使用される。ワイヤはどんな合金でも、サイズ及び形状でもよい。好ましくは、ワイヤの合金は製造される複合材のマトリックス合金、例えばチタン又はチタン合金である。もっと好ましい実施形態では、ワイヤ複合材料成分はワイヤ／繊維予備成形物を作るために繊維成分と組み合わされる。この実施形態では、繊維、例えば、炭化珪素のような補強材料が接着剤被覆基板上に間隔を隔てた関係に位置決めされる。接着剤が乾いたら、付けた繊維にバリヤー材料を被覆し、それに続いて接着剤層をもう一つ被覆する。これは引き続くワイヤ材料の層のベースとして作用する。次いで、このワイヤ材料にバリヤー層を被覆してワイヤ／繊維予備成形物を形成しても良い。繊維及びワイヤの追加の層を上記したようにその上に付けてもよい。繊維材料は繊維強化複合材料の補強要素として典型的に使用されるどんな種類でもよい。これらの繊維の例示はカーボン、ケブラー、ボロン、炭化珪素、窒化珪素、アルミニウム、等である。好ましくは、炭化珪素繊維が利用される。接着剤を受ける基板は接着材を受けられるどんな種類でもよい。基板は、予備成形物の引き続く加工に使用されるどんな溶剤にも化学的に不活性で、且つ間隔を隔てた繊維のような材料に不安を引き起こさない平滑で欠陥のない表面をもたらさなければならない。基板はアルミニウム箔又はポリエチレン若しくはテフロンテープのようなシート又はストリップ材料であるのがよい。ワイヤ又は繊維を基板材料に固着するのに使用される接着剤材料は、乾燥中最小の収縮、ワイヤ又は繊維の間隔、引き続く加工に使用される他の溶剤による不溶解性、予備成形物を製造環境で扱えるに充分な、基板との接着、予備成形物の製造後支持材料又は基板材料の除去を可能にするに充分な接着剤剥離性及び完全に脱ガスされる能力のような特性を有しなければならない。好ましい粘着接着剤はポリマーの１重量％でヘキサンに溶解させたポリイソブチレンである。しかしながら、上記で与えられた基準に従い且つ望ましい粘着をもたらす他の周知の接着剤を本発明に利用してもよい。ワイヤ及び繊維成分の寸法は複合材料の製造に適しているものならばどんなものでもよい。繊維はどんな直径でも長さでもよく、ワイヤ材料と関連して使用されるときには、、選択されたワイヤが的確に重ねられる限り、どんな間隔に巻かれてもよい。好ましくは、直径０.００５インチの炭化珪素が利用される。典型的には、ワイヤは直径が０.００７インチである。本発明によるワイヤ及びワイヤ／繊維予備成形物及び製造方法は複合材料製造用の周知の方法及び装置に使用することができる。これらのタイプの方法の例は拡散ボンディング、液体金属浸透、熱間静水圧圧縮成形などのような粉末冶金処理技術を含む。これらの技術は当該技術において周知であるから、その更なる詳細な説明は本発明の理解にとって必要ではないと思われる。本発明による方法は、繊維及びワイヤ複合材料成分と関連した種々の可変物の選択により、所定の予備成形物が作られるとき、質量添加の正確な制御を許す。即ち、ワイヤ及び又は繊維のサイズを、所望な繊維体積分率が達成されるように選ぶことができる。ワイヤのサイズ及び形状はまた以下にもっと詳細に説明するように複合材の生密度を決定することができる。ワイヤ／繊維予備成形物を作るとき、繊維間の間隔を、製造される複合材料の形状寸法に順応するように変えても良い。例えば、予備成形物が引き続く加工のために管状又は円筒形の型に巻かれることになるならば、円筒形態に巻かれるとき、半径長さが増すことにより次々の層で繊維間の間隔が増す。ワイヤ及び繊維の上に付けられるバリヤー層被覆は接着剤についての上述したごとき同様な要件を満たさなければならない。即ち、バリヤー被覆はワイヤ及び又は繊維間隔を支持するために乾燥中最小の収縮を有し、引き続く加工に使用されるどんな溶剤にも溶解せず、そして完全に脱ガスすることができなければならない。好ましい実施形態では、バリヤー層の材料はポリマーの１重量％でアセトンに溶解されたポリメチルメタクリレートである。今、図１を参照すると、本発明の第１の実施形態を全体敵に参照番号１０で指示し、これは基板１と、接着剤層３と、その上に付けられた間隔を隔てた繊維５と、を有することが分かる。繊維５は接着剤３の上に間隔を隔てた関係をなして置かれる。基板１は引き続く加工に使用されるどんな溶剤にも化学的に不活性であり、かつまた平滑で、欠陥のない表面をもたらさなければならない。この表面は、これに繊維が付けられたとき、繊維の間隔に不安を引き起こさない。好ましくは、基板は焼き戻タイプＡＡ１１００シリーズのアルミ箔の厚さ０.００３インチの層である。繊維５が基板に付けられたら、間隔を隔てた繊維の上にバリヤー層７を付ける。次いで、バリヤー層の上に接着剤３を付け、続いてワイヤ１１の層及び他の接着剤層３を付ける。次いで、完成した予備成形物を繊維強化複合材料の製造に使用するために積み重ねることができる。予備成形物の積み重ねは基板１を付けて又は付けずしてなされることを理解すべきである。ワイヤ及び又は複合材料成分を接着剤被覆基板に付けるのにどんな周知の技術をも使用することができるけれども、ドラム巻き法を利用するのがよい。今、図２を参照すると、略図的なドラム巻き装置を全体敵に参照番号２０で示す。装置２０は基板１の下で出っ張りになり、繊維の間隔の妨げを引き起こすような埃、粉等がドラム面にないようにきれいにされたドラム２１を含む。基板１の一方の面もきれいにされ、基板は、きれいな側がドラムに面してドラムに巻かれる。基板を、周知の方法で、例えば接着剤等を使用してドラムに接着するのがよい。基板１を、好ましくは幅が約１／４インチの隙間２３を残してドラムに巻く。ドラム上の同じ場所に位置した隙間２３は予備成形物材料の取り外しを容易にする。基板１がドラム２１に付けられたら、基板を平滑にして外面をきれいにする。この清掃中、ドラムのオペレータは基板に強く圧迫を加え、いかなる包有物、出っ張り等をも明確にする。次いで出っ張りを剃刀で擦ってそれらを平滑にする。ドラムが回転している間に接着剤のポリイソブチレンーヘキサン混合物を発泡体ブラシで基板に付ける。十分な量のポリイソブチレンーヘキサン混合物を、ワイヤがドラム巻き中基板上で移動しないように、好ましくは、多被覆に付けるべきである。被覆を、次の被覆を付ける前に、完全に乾燥させるべきである。被覆にはまた気泡や雫、ブラシ跡、或いは繊維間隔の不安を引き起こすかもしれない他の欠陥があってはならない。依然として、図２を参照すると、装置２０は繊維スプール２５を有し、該繊維スプールはドラムにまかれるべき繊維５を保持する。繊維５は張力付与ホイール２９及びアライナー３１を通して送られる。次いで繊維をドラムの一方の縁の近くで基板にテープ止めする。アライナー先端３３を繊維に位置決めし、ドラム巻きを開始する。繊維が所望幅でドラムに巻かれたとき、巻き工程を停止する。所定張力では、繊維がワイヤよりも小さい歪み値を有しているので、また欠陥のないマット又は予備成形物を得るために、大きい補強材料が外側になければならないので、繊維を、好ましくは、先ず巻く。マットが要求されるほどの幅になったとき、巻きを停止し、繊維の端を基板にテープ止めする。次いで繊維にバリヤー被覆、好ましくは、アセトン溶剤中１重量％のＰＭＭＡを噴霧する。図１及び２を参照すると、繊維５がドラムに螺旋に巻かれ、そしてこれにバリヤー層７が被覆されるたら、繊維マットに粘着接着剤３を好ましくは２被覆付けて粘着面を作り、この上にワイヤを巻く。ドラムワインダトラバース機構を巻き始めに戻し、ワイヤを繊維と同じ方向に巻くことができるようにする。ワイヤ１１を反対方向に巻くべきではない。これはワイヤが隣接した繊維によって作られる溝内に位置しなくなるからである。ワイヤスプールを繊維スプールの代わりにドラムワインダーに取り付け、ワイヤをワインダーに供給して繊維と同じ方法でドラムにテープ止めする。次いで、ワイヤを繊維と同じドラムワインダー設定で巻き、マットが必要なほどの幅になったとき、テープ止めする。図３ａ−３ｃを参照すると、ワイヤ１１は図３ｂ及び３ｃに示すように、円形断面又は十字形断面形状１１’を有する。図３ｂでは、十字形ワイヤ１１’は、形状が直角をなし、且つワイヤの外面に沿って長手方向に延びる凹部１３を形成する。同様に、図３ｃを参照すると、ワイヤ’’は弧状凹部１３’を有する。ワイヤの寸法及び形状が得られた複合材の生密度（これは固形物（複合予備成形物中の繊維及びワイヤ対全体積の比である）を決定するから、ワイヤの形状１１’及び１１’’は密度の増大をもたらす。この増大した密度は或る成分を作る能力を改善する。好ましくは、円形ワイヤ又はワイヤ形状１１’及び１１’’は０.００７インチの直径又は断面幅を有する。図３ａでは、円形ワイヤ１１は約８０％の生密度をもたらす。これに対して、図３ｂ及び３ｃはそれぞれ９０％及び９８％の生密度をもたらす。再び、図１を参照すると、次いで、ワイヤ巻き１１に次の方法で粘着接着剤３を被覆する。先ず、溶剤の層をワイヤ１１に付ける。この溶剤層は繊維とワイヤとの間に配置された粘着接着剤３を若干溶解する。再び、溶剤は好ましくはヘキサンである。この初期の溶剤層付けに続いて、粘性の増す粘着接着剤被覆の３つの層を作る。３つの粘着接着剤被覆の最初の２つは繊維５に被覆するのに使用される粘着材料よりも粘性の小さい混合物であり、最も薄い混合物を先ず付ける。この実施形態では、最初の粘着接着剤被覆は０.１％ポリイソブチレン／ヘキサン混合物を使用し、続いて０.７５％ポリイソブチレン／ヘキサン混合物を使用する。これら２つの層の各々の被覆を付けた後、最後の粘着接着剤層を付ける。最後の接着剤層は上記の粘着接着剤材料の要件を満たすどんな材料でもよい。再び、１％ポリイソブチレン／ヘキサン混合物が好ましい。最後の粘着接着剤材料層３が付けられたら、完成した予備成形物をドラムから取り外して、繊維強化複合材料の周知製造技術に使用するために積み重ねることができる。図４は順次変化した繊維間隔を利用する変形例の予備成形物１０’を示す。即ち、繊維は中心線間隔Ｓ₁で接着剤被覆基板１に巻かれる。次いで、トラバース速度及び又はドラムの回転を変えて繊維間隔をＳ₂で表された中心線間隔まで増す。次いで、間隔Ｓ₂を、他の間隔を望むまで、予備成形物の所望幅継続する。次いで、トラバース速度及び又はドラムの回転を再び変えて希望通りのより小さい又はより大きい間隔を達成する。予備成形物１０’の製造工程が上記の順次変化した繊維間隔を除いて予備成形物１０について上で説明した工程と等しいことを理解すべきである。予備成形物１０’は軸線方向に強化した管状構造に使用するのに理想的である。これらの構造の製造中、予備成形物１０’を、各次々の層又はプライが前のそれと整合するように巻き上げるのがよい。この整合は図５に最も良く示され、一連の予備成形物１０’が円筒型３０に巻かれる。円筒体に予備成形物１０’を巻き又は積み重ね、コアの軸線から半径方向距離が増した（プライの円周長さが増した）結果、繊維及びワイヤの間隔は所望な重ねを達成するように次々の予備成形物が付けられる度に増大しなければならない。型３０に隣接した繊維はＳ₁で表された間隔を必要とする。次のプライの繊維は、引き続いて付けられる予備成形物の円周長さが増す結果、より大きな間隔Ｓ₂を必要とする。同様に、次の繊維層はもっと大きな間隔Ｓ₃を必要とする。製造されるべき成分の寸法形状を知ると、図５の各予備成形物層が、付けられる予備成形物層の一層増す円周距離に順応する増大した繊維間隔を有するように予備成形物の製造中の繊維間隔（図４参照）を調整することができる。バリヤー層及び接着剤を明瞭化の目的で図５には示してないことを理解すべきである。図６はワイヤだけからなる変形例の予備成形物４０’を示す。ワイヤ予備成形物４０’は繊維５の欠如を除いて、図１及び２に記載した実施形態と同様に製造される。ワイヤ１１は接着剤被覆基板１に直接巻かれ、それにバリヤー被覆７が噴霧される。もう１つの接着剤層３がこれに付けられる。予備成形物４０’は好ましくは上記のワイヤ／繊維予備成形物を利用して繊維強化複合材の製造において一体材料又は被覆として使用される。接着剤及びバリヤー被覆材料の層の変化する数を開示したけれども、層の数が望まれるワイヤの種類、繊維の種類又は複合材料の形状寸法に応じて変えても良いことを理解すべきである。即ち、バリヤー及び接着剤被覆の１つ又はそれ以上を上記の付与段階中要求してもよい。その上、これらの被覆材料のいずれかの中の溶剤パーセントの調整によって粘性を調整してもよい。上記の予備成形物は、ワイヤ材料がチタン又はチタン合金であり、繊維材料が炭化珪素であるチタンマトリックス複合材に特に適している。別の例として、ワイヤがチタンとアルミニウムのような他の元素の合金であってもよいし、或いは異なる金属の組み合わせ又はチタンとアルミニウムのワイヤのような合金であってもよい。本発明の他の観点では、図７及び８を参照すると、巻かれた繊維及びワイヤが巻かれた構造の内径から外径まで連続であるフィラメント巻き成分を容易にする新規名方法及び装置を開示する。今、図７を参照すると、クリール装置を全体的に参照番号５０で指示する。クリール装置５０は、ワイヤ及び繊維の軸線が巻き面にほぼ垂直に維持されるように繊維及びワイヤを巻く能力を有する。これは、繊維を切ってしまうことがある、図２に示す如き繊維及びワイヤの螺旋巻きの先行技術と対照である。クリール装置５０はマンドレル５３を有するドラム５１を備える。所定の繊維層の中の繊維毎に１個ずつある、一連の繊維ボビン５５が設けられる。同様に、一連のワイヤボビン５７が設けられ、各ワイヤボビンは層の中の所定のワイヤに対応する。ガイド５９が繊維５及びワイヤ１１をドラム巻きのために整合ガイド６１に差し向ける。ボビッ５５及び５７を明瞭化の目的で誇張した間隔で示していることを理解すべきである。任意の数のボビン５５及び５７を予備成形物の所望幅及びマンドレルに巻かれるべき層の数に応じて幅方向及び垂直方向の両方に利用することができる。参照番号６３はガイド６１によって整合されたワイヤ／繊維を横切って切断された拡大断面図を表す。ワイヤ１１は繊維５の間に重ねられ、参照番号６５で指示したこの積み重ね配列でマンドレル５３に巻かれる。上述したように、積み重ね配列６５は繊維５及びワイヤ１１の単一層からなっていても良いし、或いは繊維５及びワイヤ１１の多層からなっていても良い。多層を使用するときには、多数のボビン５５及び５７が垂直方向に積み重ねられる。巻き始めるに先立って、ボビン５５及び５７の各々は全な巻き成分を完了するに充分な繊維又はワイヤを収容すべきであり、さもなければ、繊維間隔の不安を引き起こすことがある繊維継ぎを必要とする。必要とされるスプールの数及び材料の長さは部品形状及び所望の軸線方向と半径方向の繊維間隔によって決定される。更に、ワイヤ１１は寸法及び形状が変化し、上記のように合金で作られる。巻く前に、繊維及びワイヤをガイド５９及び６１を通して送り、マンドレル５３に取り付ける。繊維及びワイヤをマンドレルの１つの場所に取り付けるのがよいが、好ましくは別々の箇所に取り付ける。マンドレルとの取り付けは、マンドレルを、繊維及びワイヤのゆるみなく回転させのに充分に強く、完全に脱ガスすることができる材料でなされるのが良い。好ましくは、取り付けは参照番号６７で表した如きシアノアクリレート接着剤を付けてなされる。ワイヤ１１及び繊維５を接着剤６７を使用して取り付けたら、マンドレル５３を回転させ、繊維及びワイヤを、要求されるほどの層が形成されるまで巻く。繊維／ワイヤ巻きによって形成された例示のリング構造の横断面を図８に示す。図８から明らかであるように、ワイヤ１１は隣接した繊維５によって作られた溝に落ち込む。巻きが完了した後、繊維及びワイヤを同じ接着剤６７を使用して取り付ける。次いで、余分のワイヤ又は繊維を予備成形物から切り離す。次いで、繊維強化リング又はディスクに引き続いて加工するために、マンドレル５３をドラム５１から取り外す。ワイヤ及び繊維を積み重ね配列に巻くことによって、各繊維及びワイヤの巻き軸線は巻いている間中ほぼ一定のままであり、即ちワイヤ又は繊維の半径方向の移動はない。かくして、特に繊維には繊維切れが起こらず、改良された予備成形物が作られる。このように、本発明を上記の如き発明の目的の各々を満たし且つ複合材料の製造用の新規且つ改良されたワイヤ予備成形物及びその製造方法及び装置を提供する発明の好ましい実施形態を説明した。勿論、本発明の教示から種々の変更、修正、及び変形を発明の意図する精神及び範囲から逸脱することなく、当業者によって計画することができる。従って、本発明を添付の請求の範囲によってのみ制限されるべきものである。

【手続補正書】【提出日】１９９８年３月６日【補正内容】請求の範囲 1.ａ）基板を準備し、ｂ）前記基板に接着剤を付け、ｃ）前記接着剤に複数のワイヤを付け、ｄ）前記ワイヤにバリヤー層を付け、ｅ）前記バリヤー層に接着剤を付け、ｆ）前記接着剤と前記バリヤー層は互いに不溶解性である、複合材料製造用のワイヤ予備成形物の製造方法。 2.ａ）基板を準備し、ｂ）前記基板に接着剤を付け、ｃ）前記接着剤に複数の繊維を間隔を隔てた関係に付け、ｄ）前記繊維にバリヤー層を付け、ｅ）前記バリヤー層を被う接着剤に複数のワイヤを間隔を隔てた関係に付け、ｆ）前記複数のワイヤに前記接着剤を付け、ｇ）前記接着剤と前記バリヤー層は互いに不溶解性である、複合材料製造用のワイヤ予備成形物の製造方法。 3. 接着剤は溶剤としてヘキサンを使用し、バリヤー層は溶剤としてアセトンを使用する、請求の範囲２に記載の方法。 4. 前記接着剤はポリイソブチレンであり、バリヤー層はポリメチルメタクリレートである、請求の範囲２に記載の方法。 5. 前記ワイヤは隣接した繊維を受け入れるための凹部を有する断面形状を有する、請求の範囲２に記載の方法。 6. 前記予備成形物がマンドレルに巻かれて複数の交互の繊維層とワイヤ層を形成するとき、隣接した繊維間の距離が前記マンドレルに巻かれた次々の繊維層について増すように、前記基板に付けられたとき前記繊維の間隔を隔てた関係を調整することを更に有する、請求の範囲２に記載の方法。 7.ａ）基板と、ｂ）前記基板上の接着剤層と、ｃ）前記接着剤に置かれた複数のワイヤと、ｄ）前記ワイヤ上に形成されたバリヤー層と、ｅ）前記バリヤー層上に形成された他の接着剤層と、ｆ）前記バリヤー層及び各前記接着剤層は互いに不溶解性である、複合材料製造用のワイヤ予備成形物。 8. 各前記接着剤層はヘキサン中の１.０重量％のポリイソブチレンであり、前記バリヤー層はアセトン中の１.０重量％のポリメチルメタクリレートである、請求の範囲７に記載のワイヤ予備成形物。 9.ａ）基板と、ｂ）前記基板上の接着剤層の第１層と、ｃ）前記接着剤に間隔を隔てた関係をなして付けられた複数の繊維と、ｄ）前記繊維に付けられたバリヤー層と、ｅ）前記第１のバリヤー層に付けられた前記接着剤の第２の層と、ｆ）前記複数のワイヤに前記第２の接着剤層に付けられた複数のワイヤと、ｇ）前記複数のワイヤに付けられた前記接着剤の第３の層と、を有し、ｈ）前記接着剤と前記バリヤー層は互いに不溶解性である、複合材料製造用のワイヤ予備成形物。 10. 前記繊維は、前記予備成形物がマンドレルに巻かれて複数の交互の繊維層とワイヤ層を形成するとき、隣接した繊維間の距離が前記マンドレルに巻かれた次々の繊維層について増すように、不均一に間隔を隔てられる、請求の範囲９に記載のワイヤ予備成形物。 11.ａ）複数の繊維収容ボビンを準備し、ｂ）複数のワイヤ収容ボビンを準備し、ｃ）マンドレル収容回転ドラムを準備し、ｄ）前記繊維及びワイヤを、ワイヤの平らな層に隣接した繊維の少なくとも１つの平らな層を有する層配列をなして引出し、ｅ）前記層配列の端を前記マンドレルに取り付け、ｆ）前記マンドレルに前記層配列を巻き、ｇ）前記層配列の他端を前記巻かれた層配列に取り付け、ｈ）前記ドラムからマンドレルを取り外し、ｉ）各前記繊維及び各前記ワイヤをマンドレルに巻き、それぞれの繊維及びワイヤの軸線はドラムの巻き面とほぼ垂直に維持される、複合材料製造用のワイヤ予備成形物の製造方法。 12.ａ）マンドレルと、ｂ）一端を前記マンドレルに取り付けたワイヤの第１の平らな層と、ｃ）一端を前記マンドレルに取り付けた繊維の第２の平らな層と、を有し、ｄ）ワイヤの前記第１の平らな層及び繊維の前記第２の層は隣接した積み重ね関係をなして前記マンドレルに配置され、繊維及びワイヤの隣接した層は互いに重ねられ、前記ワイヤ及び繊維の軸線は前記マンドレルの表面に対してほぼ垂直である、複合材料製造用のワイヤ繊維予備成形物。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ハヌシアクリサビーアメリカ合衆国ニューハンプシャー州 03034 キャンディアパッテンヒルロード２ (72)発明者パーネルジェフリーエムアメリカ合衆国マサチューセッツ州 01824 チェルムスフォードストーンゲートロード 49 (72)発明者スピアスティーヴンアールアメリカ合衆国ニューハンプシャー州 03038 デリーハーバードヒルロード 21 (72)発明者ロウチャールズアールアメリカ合衆国ニューハンプシャー州 03038 ビリーバートンウッドドライヴ７

Claims

【特許請求の範囲】 1.ａ）基板を準備し、ｂ）前記基板に接着剤を付け、ｃ）前記接着剤に複数のワイヤを付け、ｄ）前記ワイヤにバリヤー層を付け、ｅ）前記バリヤー層に接着剤を付け、ｆ）前記接着剤と前記バリヤー層は互いに不溶解性である、複合材料製造用のワイヤ予備成形物の製造方法。 2. 前記ワイヤ予備成形物は複合材料のための一体の被覆として使用さレル、請求の範囲１に記載の方法。 3.ａ）基板を準備し、ｂ）前記基板に接着剤を付け、ｃ）前記接着剤に複数の繊維を間隔を隔てた関係に付け、ｄ）前記繊維にバリヤー層を付け、ｅ）前記バリヤー層を被う接着剤に複数のワイヤを間隔を隔てた関係に付け、ｆ）前記複数のワイヤに前記接着剤を付け、ｇ）前記接着剤と前記バリヤー層は互いに不溶解性である、複合材料製造用のワイヤ予備成形物の製造方法。 4. 接着剤は溶剤としてヘキサンを使用し、バリヤー層は溶剤としてアセトンを使用する、請求の範囲３に記載の方法。 5. 前記接着剤はポリイソブチレンであり、バリヤー層はポリメチルメタクリレートである、請求の範囲３に記載の方法。 6. 前記ワイヤはチタン又はチタン合金である、請求の範囲３に記載の方法。 7. 前記ワイヤは隣接した繊維を受け入れるための凹部を有する断面形状を有する、請求の範囲３に記載の方法。 8. 前記凹部は角張った形状又は湾曲形状をする、請求の範囲７に記載の方法。 9. 前記湾曲形状の凹部は前記繊維の湾曲形状に対応するように寸法決めされている、請求の範囲８に記載の方法。 10. 前記繊維は均一に間隔を隔てられている、請求の範囲３に記載の方法。 11. 前記予備成形物がマンドレルに巻かれて複数の交互の繊維層とワイヤ層を形成するとき、隣接した繊維間の距離が前記マンドレルに巻かれた次々の繊維層について増すように、前記基板に付けられたとき前記繊維の間隔を隔てた関係を調整することを更に有する、請求の範囲３に記載の方法。 12. 前記基板をドラムに取り付け、前記ワイヤをそれに巻く、請求の範囲３に記載の方法。 13. 複数の予備成形物が作られ、引き続く複合材料の製造用に互いに積み重ねられる、請求の範囲３に記載の方法。 14.ａ）基板と、ｂ）前記基板上の接着剤層と、ｃ）前記接着剤に置かれた複数のワイヤと、ｄ）前記ワイヤ上に形成されたバリヤー層と、ｅ）前記バリヤー層上に形成された他の接着剤層と、ｆ）前記バリヤー層及び各前記接着剤層は互いに不溶解性である、複合材料製造用のワイヤ予備成形物。 15. 各接着剤層は溶剤としてヘキサンを有し、前記バリヤー層は溶剤としてアセトンを有する、請求の範囲１４に記載のワイヤ予備成形物。 16. 各前記接着剤層はポリイソブチレンを有する、請求の範囲１４に記載のワイヤ予備成形物。 17. 前記バリヤー層はポリメチルメタクリレートを有する、請求の範囲１４に記載のワイヤ予備成形物。 18. 各前記接着剤層はヘキサン中の１.０重量％のポリイソブチレンであり、前記バリヤー層はアセトン中の１.０重量％のポリメチルメタクリレートである、請求の範囲１４に記載のワイヤ予備成形物。 19. 前記ワイヤはチタン又はチタン合金である、請求の範囲１４に記載のワイヤ予備成形物。 20.ａ）基板と、ｂ）前記基板上の接着剤層の第１層と、ｃ）前記接着剤に間隔を隔てた関係をなして付けられた複数の繊維と、ｄ）前記繊維に付けられたバリヤー層と、ｅ）前記第１のバリヤー層に付けられた前記接着剤の第２の層と、ｆ）前記複数のワイヤに前記第２の接着剤層に付けられた複数のワイヤと、ｇ）前記複数のワイヤに付けられた前記接着剤の第３の層と、を有し、ｈ）前記接着剤と前記バリヤー層は互いに不溶解性である、複合材料製造用のワイヤ予備成形物。 21. 接着剤層は溶剤としてヘキサンを有し、前記バリヤー層は溶剤としてアセトンを有する、請求の範囲２０に記載のワイヤ予備成形物。 22. 前記接着剤はポリイソブチレンを有する、請求の範囲２０に記載のワイヤ予備成形物。 23. 前記バリヤー層はポリメチルメタクリレートを有する、請求の範囲20に記載のワイヤ予備成形物。 24. 前記接着剤層はヘキサン中の１.０重量％のポリイソブチレンであり、前記バリヤー層はアセトン中の１.０重量％のポリメチルメタクリレートである、請求の範囲１４に記載のワイヤ予備成形物。 25. 前記ワイヤはチタン又はチタン合金である、請求の範囲２０に記載のワイヤ予備成形物。 26. 前記繊維は炭化珪素である、請求の範囲２０に記載のワイヤ予備成形物。 27. 前記繊維は均一に間隔を隔てられている、請求の範囲２０に記載のワイヤ予備成形物。 28. 前記繊維は、前記予備成形物がマンドレルに巻かれて複数の交互の繊維層とワイヤ層を形成するとき、隣接した繊維間の距離が前記マンドレルに巻かれた次々の繊維層について増すように、不均一に間隔を隔てられる、請求の範囲２０に記載のワイヤ予備成形物。 29. 前記ワイヤは隣接した繊維を受け入れるための凹部を有する断面形状を有する、請求の範囲２０に記載のワイヤ予備成形物。 30. 前記凹部は角張った形状又は湾曲形状をする、請求の範囲２９に記載のワイヤ予備成形物。 31. 前記湾曲形状の凹部は前記繊維の湾曲形状に対応するように寸法決めされている、請求の範囲３０に記載のワイヤ予備成形物。 32.ａ）複数の繊維収容ボビンを準備し、ｂ）複数のワイヤ収容ボビンを準備し、ｃ）マンドレル収容回転ドラムを準備し、ｄ）前記繊維及びワイヤを、ワイヤの平らな層に隣接した繊維の少なくとも１つの平らな層を有する層配列をなして引出し、ｅ）前記層配列の端を前記マンドレルに取り付け、ｆ）前記マンドレルに前記層配列を巻き、ｇ）前記層配列の他端を前記巻かれた層配列に取り付け、ｈ）前記ドラムからマンドレルを取り外し、ｉ）各前記繊維及び各前記ワイヤをマンドレルに巻き、それぞれの繊維及びワイヤの軸線はドラムの巻き面とほぼ垂直に維持される、複合材料製造用のワイヤ予備成形物の製造方法。 33. 前記層配列は繊維及びワイヤの交互の平らな層からなる、請求の範囲３２に記載の方法。 34. 前記層配列は、多プライ層配列を形成するために、前記他端を取り付けるに先立って前記マンドレルドラムに多巻回に巻かれる、請求の範囲３２に記載の方法。 35. 接着剤は前記取り付け段階に使用される、請求の範囲３２に記載の方法。 36. 前記接着剤はシアノアクリレート接着剤である、請求の範囲３５に記載の方法。 37. 前記層配列のワイヤ及び繊維の前記平らな層は前記マンドレルに取り付けられる、請求の範囲３２に記載の方法。 38. 各前記ワイヤは隣接した繊維を受け入れるための凹部を有する断面形状を有する、請求の範囲３２に記載の方法。 39. 前記凹部は角張った形状又は湾曲形状をする、請求の範囲３８に記載の方法。 40. 前記湾曲形状の凹部は前記繊維の湾曲形状に対応するように寸法決めされている、請求の範囲３９に記載の方法。 41.ａ）マンドレルと、ｂ）一端を前記マンドレルに取り付けたワイヤの第１の平らな層と、ｃ）一端を前記マンドレルに取り付けた繊維の第２の平らな層と、を有し、ｄ）ワイヤの前記第１の平らな層及び繊維の前記第２の層は隣接した積み重ね関係をなして前記マンドレルに配置され、繊維及びワイヤの隣接した層は互いに重ねられ、前記ワイヤ及び繊維の軸線は前記マンドレルの表面に対してほぼ垂直である、複合材料製造用のワイヤ繊維予備成形物。 42. 前記繊維は炭化珪素であり、前記ワイヤはチタン又はチタン合金である、請求の範囲４１に記載のワイヤ繊維予備成形物。 43. 前記積み重ね関係は繊維とワイヤの隣接した多層からなる、請求の範囲４１に記載のワイヤ繊維予備成形物。 44. 各前記ワイヤは隣接した繊維を受け入れるための凹部を有する断面形状を有る、請求の範囲４１に記載のワイヤ繊維予備成形物。 45. 前記凹部は角張った形状又は湾曲形状をする、請求の範囲４４に記載のワイヤ予備成形物。 46. 前記湾曲形状の凹部は前記繊維の湾曲形状に対応するように寸法決めされている、請求の範囲４５に記載のワイヤ予備成形物。