JPS58107435A - 炭素繊維強化金属複合材料 - 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】 本発明は屓素繊維と金属とからなる複合材料に関し・さ
らに詳細には１強度、耐熱性、１１摩耗性にすぐれ、か
つ軽量であつて、ポンプのベーンなとの摺動材料、耐熱
性を要求される自動車部品等の材料として最適な複合材
料に関する。

近年、耐熱性６強度にすぐれた軽量材料として繊細強化
金属複合材料、とりわけ繊細として屓素繊維を用いた縦
索織縁強化金属複合材料（以下「ＣＦＲＭＪと略記する
）が注目な簗めている。

しかし屓素繊維自体は金属との親和性が悪いため、屓素
繊維と金属とを複合化させようとしても。

一体性がなく、複合材料としての強度は期待できなかっ
た。

のみならず屓素繊維は高温下では金属と反応し劣化して
しまうため、すぐれた特性を有するＣＦＲＭを得ること
は非常に困離でもあった。

本発明はかかる事情に鑑みなされたものであり。

脚素繊紬を母材金属上の親和性の良い物質で被覆するこ
とにより、屓素繊維と母材金属との一体性を確保すると
ともに、高温下における炭素繊維と母材金属との反応を
被覆層によつて防止し、材質の劣化を防ぎ、もって耐熱
性等にすぐれた特性を有するＣＦＲＭを提供せんとする
ものである。

すなわち９本発明の廣票繊維強化金属複合材料は金属母
材中ｃｍ素繊細が埋設された複合材料において該炭素繊
維は鍍金属母材と親和性のある物質によって被覆されて
いることを特徴とするものである。

ここで、炭素繊維とは、アクリル繊細を熱分解。

あるいはＩ−ルビＶチを繊維とし加熱旭環あるいは鯉素
の気相成長によって得られる炭素な構成要素２する繊維
で、４１１１度０弾性か高い特性をもつ。

市販の各種炭素繊維を採用することができる。

金属母材としてはアル電ニウム、アルミニラム合金、マ
グネＶウム、マグネシウム合金等の軽金属あるいは鋼、
鋼合金の母材が適している。神にアル電ニウム、アル電
ニウム合金がよい、ここで母材とは炭素繊維を埋設する
主体となる物質を意味する。

炭素繊維を被覆する物質は母材金属と親和性があり、か
つ炭素繊維を侵食しないものがよい、母材金属との親和
性は炭素繊維の強度、剛性を接合材料に生かすために必
須のものである。なお、＊素繊維と反応し、１２素繊維
を侵食するものであれば炭素繊維の強度、剛性が消失す
る會従って１羨素繊維と強力に接合し、炭素繊維の特性
を生かすものである必要がある。かかる物質としては膨
化珪素がすぐれている。なお、ｌＩｅ化珪素以外に炭化
チタニウム等の膨化物、窒化すｌ＝ウム、ｉｌ化珪素等
の窒化物およびベリリウムが採用できる。なお、かかる
物質を以肇被覆物質と称する。

炭素繊維に被覆物質を被覆する方法としては。

化学蒸着法（以下、ＣＶＤｋ称する）、物理蒸着法（以
下、ＰＶＤと称す）、メッキ法等暮々のもぐれている。

被着物質が被着された炭素繊維と母材金属の複合状−は
従来と同じでよい、すなわち、−次元的に炭素繊維を配
列すれば繊維の配列万両に強度剛性の高い複合材料が得
られる。また二次元的に繊維を配向すれば二次元方角に
強度、剛性の高い材料が得られる。

複合方法としては廖融した金属と被覆物質を被覆した炭
素繊維を混合する方法、粉末金属・金属箔を使用し焼結
あるいはホットプレスする方法等がある。１票繊維の密
度、ｌｉ３列方内方向御しやすい方法としては粉氷金属
。金属箔を使用し傘！ドブレスする方法→ある。

本発明の複合材料は、炭素繊維含有量８０〜４０重量優
で、引張強度約８０＃／■１．引張弾性率目１０００＃
／■２．密度ｇ、ａｆ／ｄ、耐熱性ｓｏ。

℃程度の特性をもつ。

以下　ｍ進方法とともに実施例を説明すゐ。

まず１脚素繊維の表ａｉｃ被覆物質を被覆する方法とし
て化学蒸着法により膨化珪素（ＳＩＣ）を被覆する方法
を採用した。化学蒸着は＠ＩＩＩＥ概略を示す装置で実
施した。この装置はガス供給部８と夏応部８とで構成さ
れ、連続的ｃ１４素繊ａｌｌｌの表１１ｉｃ羨化珪素を
被覆するものである。ガス供給部８は、水素ガスとアＡ
／：Ｉ＃ンまたはへｑラムの不活性イスおよびメチルト
リクロルｖ９ン（ＣＨａ８　ｌ　Ｃｊｓ　）　ｌｉｉ気
の混合ガスを供給するものである。水素ガスは水素ボン
ベｌＯａより配管＋１１１ａ２４４流量制御弁１ｍｍお
よび流量計ｇｌｌａを通って気化装置８４に供給される
。気化装置８４はメチルトリタロルｖ９νｓ６を取置す
る容器８６とメチルトリク騨ルＶランｓ６を加熱蒸発さ
せるための温度制御装置付加熱手段Ｉ７とよりなる。

気化装置２４に供給された水素はキャリアガスとして気
化装置２１４で気化したメチルトリクロルシランをとも
ない配管ｆｆ１８ｍより合同配管１１９に送られ１合同
配管Ｑ９より夏応部８に送られる。水素ガスは別ルート
でｉ管ｇ　ｌ　ｂ、流量制御弁ｓｓｂ。

流量計１８％、配管８８ｂより合同配管９ＨＣ送られる
。また不活性ガスは不活性−スボンベｆｌｏ＠より配管
２１・、流量制御弁３１・、流量計Ｂｓ・。

配管Ｂ８＠を通り合同配管１９ＩＣ送られ、この合同配
管８９より反応部８に供給される。夏応部８は夏応容ｗ
ａｇ之温度制御装置付加熱手８８Ｂとより成る。ｙ応春
ｌｌ８ｍの両端は水ｆＭＶ−ルなどの手段によりＶ−ル
されている。加熱手段８８は図のような外部加熱方式で
あってもよく、また内熱方式でありてもよい。

この装置による廣素繊−１１の被覆は以下のように行な
われる。

まず複数個の巻取機４１から送り出された廣素繊ｆｉｌ
ｌはロー＊４１１１ｃよって整列させられた後。

反応客器８ｇの内部へ送り込まれる。

この反応客器８ｇへは不活性ガスボンベｓＯ・かもアル
ゴン又はヘリウムなどの７Ｆ活性ガスが供給される。そ
してこの不活性ガス雰囲気において炭素繊維１１は所定
の温度（たとえば１１００℃糧度）まで加熱され２表面
から不純物や不純ガスを放出させ１表面が浄化される。

一方気化装置１４においては、メナｐトリクロｋＶラン
（ＣＨａｊｉ！ｉｃ１ｇ　）を所定温度（たとえば１０
〜８０℃）に加熱し、その蒸気圧を一定の値（たとえば
１８０ｍＨｇ）とし、これに水素ボンベＢ０１から一定
の流速（たとえ−ｆＱｌ！１１／ｗｉｍ）の水素を供給
する。

そして上記浄化処理の終了した反応客器８ｇへ／＄４１
３りａｐｖｓｙ９ン（ＣＨｓＳｉＣｌｍ　）の蒸気。

水素、及び不活性ガスを供給し、ｆｆ応容Ｗｓｓ内に於
て。

ＣＨｉ　８１Ｃ１ｍ　＋Ｈｓ　→８１Ｃ＋８ＨＣ１十〇
ｍの化学反応により、＊素繊維１１の表ｍに炭化ケイ素
（８１Ｃ）を析呂し被覆するのである。この際発生する
ガスはトラップ装置８５１Ｃより吸収される。なお、極
く細い繊細の一本一本にまで、緻密かつ絢−な炭化ケイ
素（８１Ｃ）の被膜を形成するためくは、前述の化学度
広を６〜８０分行なわせなければならない。したがうて
炭素繊維１’ｌは６〜８０分間、反応客器内に滞留させ
る必要がある。

滞留時間は巻１［１１１４１及び４３の圓転遭度を調整
することにより制御される。

このようにして、被覆地ｓされた炭素繊維１’１は巻取
機４８により９反応春１ｓｓｓ外へ導かれる。

なお炭化ケイ素（ｇｌｃ）の化学蒸着は、前述の方法の
みならず。

８１　Ｃ１ａ　　＋　ＣＨａ　　＋　Ｈａ　　→８１Ｃ
十会ＨＣ凰　＋Ｈ糎の化学度広を利用してもよい。

以上のようにして被覆物質の形成された炭素繊維１１は
次にアル電ニウムなどの母材金属１０と接合処理され、
ＣＦＲＭとして成形される。

接合処理方法は、楕冶金法またはロール拡散接合ｖ１に
よるのが良い。

第８図は被覆処理された炭素繊維１１と母材金属ｌＯと
を箔冶金法により成形する装置の概略的構成を示す縦断
面図である。

即ちこの装置は、被覆処理された廣素繊８１１とアルミ
ニウム箔１００とを積層したものを金型６６の中に収納
し、加熱しつつプレスする装置であり、この装置による
接合処理は以下のように行なう。

まず、被覆処理した羨素繊１ｋｌｌと母材金属ｌＯたと
えばアルミニウム箔１００とを、炭素繊維１１の含有率
が３６ｇ６〜４０ｇ６となるように積層する。

この際、炭素繊維１１の司列方崗は、ＣＦＲＭ成形品の
用途に応じて決定する。つまり、もし一方向に強化した
ＣＦＲＭ成形品が所望であれば廣素繊１１１１１の配列
方向は一方向とし０等方的に強化　　　　　゛したＣＦ
ＲＭ成形品が所望であれば配列方向は各方向に、という
具合にするのである。

次に、この積層したものを金９６６の内部に収納し１図
示されていない真空ボンｆｃよって密封容１１６ｇの内
部を真空に保つ（あるいはアルゴンなどの不活性ガス雰
囲気としてもよい、）。しかる俵、管状炉６８を加熱し
、６００〜６１ｓＯ℃とし、デｖｘ５１により１００〜
６００＃／ｄの圧力を加え、８０分〜８時間、この状態
を保持する。

なおこの際密封春１１６ｅｌに加わる力はベローズ６６
により吸収されている。

楕冶金法によるＣＦＲＭ成形品の製造は以上のようにし
て行なわれる０以上のようにして得られたＣＦＲＭ成形
品の縦断面図を第１図Ｃ，また該成形品の引！ｌ！鎗度
啼の特性を、ＣＦＲＰ（廣素−錐強化デ９スナック）、
アル遡ニウム駿及び鉄よ比較した一一一を表に示す。

なお、アルミニウム箔１００のかわりにアルミニウム粉
末を用い、焼結するという方法によ憧てもよいが、この
方法は時間もかかり、また取扱いも春島ではない。ただ
しこの方法により製造したＣＦＲＭ成形品の強度はアＡ
／ｌ＝つふ箔１００を利用した場合と大差はない。

ロール拡散接合法による。炭素織８１１と母材金属１０
との接合ＩＩ＆堰は第８図にその概略を示す装置により
行なう。

この装置は炭素繊維１１と母材金属１０との積層、及び
積層した物の加熱加圧による接合とを連続的に行なう装
置であり、それは以下のように付なう。

まずリール６１から送り出された一素繊ｌ１ｌｌは、配
列用ロール６３で配列された俵、アルミニラム幅用ロー
Ａ／６！から送り出されたアルミニウム箔１００と積層
用ロー１ｖ６４で積層され、積層用ロール６４の圧力に
よって密着する。ここに積層用ロー４７６番には図示さ
れていないスライド機構があり１片側のロールは図の左
右方向へ移動可能であり、したがつてロール間の空隙は
調整可能であり０脚素繊維１１とア、１％／！ニウふ箔
１００とを任意の厚さに積層することができる・次いで
積層用ロー４６４１Ｃより密着したγル電ニウムｌ’１
ｌｏｏと脚素繊１１ｉ１１１は入口６７から密封春器６
６の内部へ導かれ、接合用ロール６５により加熱接合さ
れる。ここに、密＃ｌｌ器６６の入口６７及び出口６８
は水銀Ｖ−Ｊ４／ｌｌｌＩｃよりＶ−ルされており、ま
た、接合用ローＡ／６６はヒーターを有し加熱可能であ
り、さらに接合用ローＡ／６６は積層用ローＡ／６４と
同様なスライド機構をも有するため、ロール間の空隙幅
を自在に調節できる。

加熱温度は６００〜６６０℃としなければならない。

以上のようにして製造されたＣＦｉＬＭａ形品は。

出口６８から外部へ導かれ、冷却された後＊］［装置６
９ｅＣ巻取られる。

このローＮ拡散接合法の利点は、廣素繊１１１１の被覆
熱湯と、ＣＦＲＭｒ！Ｉｔ形品の製造とが、連続的に一
貫してできるということである。

なお、アルミニウム箔１００と炭素繊維１１との積層の
厚さはＣＦＲＭ成形品の用途に応じ、任意の厚さとして
よいことはもとよりである。

以上のような各方法により製造されたＣＦＲＭ成形品は
１表からも明らかなように、＊熱性−強度□等従来の材
料に比し著しくす゛ぐれた特性を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は化学蒸着法により炭素繊維を処理する装置の概
略構成図、＊ｇ図は箔冶金法によりＣＦＲＭ成形品を成
形する１ｊｌの断面図、第８図はローＮ拡散接合法によ
りＣＦＲＭ成形品を成形する装置の概略構成図、第４図
はＣＦＲＭ成形品の縦断面図。 ｌ・・−・−ＣＦＲＭ成形品　１０φ・・・・母材金属
１００・−６・・ア／Ｌ’篭ニウム箔　１１会・拳拳φ
脚素繊緒１８　・ｌ・・被覆物質 ８・憂・φ・ガス供給部　　　８・・争・・Ｋ広部６・
拳・・・箔冶信法によるＣＦＲＭａ形品の製造装置 ６拳・−０ｐ−ル拡散接合法によるＣＦＲＭ成形品の製
造装置 特許出願人 日本電鋏株式会社 代理人 弁珊十大川　宏

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）金属母材中Ｃ炭素繊維が埋設された複合材料にお
   いて該屓素繊維は該金属母材と親和性のある物質によっ
   て被覆されていることを特徴とする屓素繊維強化金属複
   合材料 （８）　　金属母材はアルミ＝ウム、アルミニラム合金
   、マグ車Ｖウム、マグネＶウム合金等の軽金属あるいは
   銅、銅合金であり、該金属母材と親和性のある物質は傘
   つ素、訳化珪素、＃２化チタニウム、窒化珪素、ｉＩ化
   チタニウムである特許−求の範囲第１項記載の複合材料
   （８）縦索繊維の金属母材と親和性のある物質による被
   覆は化学墓着法によ嘩てなされた特許請求の範囲第１項
   記載の複合材料