JPS58217435A - 繊維強化ガラスマトリツクス複合材料物品の製造方法 - 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、繊維強化ガラスマトリックス複合材料物品の
製造方法に係り、更に詳細には複雑な形状の繊軒（強化
ガラスマトリックス複合材料物品を製’１Ｍ−５＋−る
に適した方法に係る。

従来の多くの構造用耐熱金属が不足しイのコストが増大
していることにより、耐熱合金に対する代替材料として
非金属繊維にて強化された複合材料に対する関心が高Ｊ
、ってきている。かかる耐熱合金の代替材料、即ち高温
度に於て安定なＭ＆＜ｔｔにて強化された樹脂や高温度
に於て安定な繊維にて強化された金属−？トリックス複
合材料は、スポー′ツ用品から高度なジェット航空機の
構成要素に至るまで種々の製品に於て商業的に適用され
るに到っている。しかしこれらの複合材料に於ける重大
な問題の一つのはそれらの使用可能な最高温度が比較的
低いということである。

セラミック、ガラス、ガラス−セラミック等の材料は高
温度の用途に於ても採用され得る月利であることが従来
より知られている。しかしこれらの材料は所望の機械的
強度を１１シていないことが多く、また靭性及び耐ｍ撃
性の点で不十分である。

かかる状況から、舵機繊維が連続的に又は不連続的に分
散されたレラミック、ガラス、又はガラスーレラ、−、
ミンクのマトリックスよりなる複合材料が製造されるよ
うに４にってきた。例えばガラスマトリックス複合材Ｈ
の幾つかの例が米国特許第４゜３１４．８５２号及び第
４，３２４，８４３号に記載されている。−Ｆ記米国特
許に記載されている開示内容に従って形成されたガラス
−セラミックマトリックス／炭化ケ、イ素繊組複合材別
製の構成要素は性１１１を大きく改善すべく熱機関や他
の用途に於て使用することを可能にづる物理的性質を有
している。しかしかかる用途に於ては、例えば強を廟を
改善すべく強化繊維が少くとも三つの方向に配向された
複雑な形状の部材を製″Ａ！ｉすることのできる新規な
方法が必要とされる。

当技術分野に於てはこれまで多大の努力が払われている
が、上述の如き改善された複合材料製物品を製造する方
法には種々の問題点がある。従来より、物品を連続繊維
にて強化することは、所定の＝Ｊ法に裁断され、所定の
方向に配向され、ホットプレスすべくへ１！内に積層さ
れる繊維が一方向に配向されたテープなどを用い刃杆わ
れている。しかし、かかる方法は、その方法によっては
繊維が平面的にしか配列されないとい−う点に於てより
一層複雑な形状の物品を製造することに関しては不十分
である。

現在の樹脂マトリックス複合材料に於ては、かかる欠点
は織られた繊維よりなる繊１ｒ成形体を用いることによ
って解決されている１、繊維は織られることにより布又
は実際に三次元的な物品の形状に形成される。繊維が織
られた後には、かくして形成された繊維成形体は、樹脂
のイの固化前に於ける粘性が非常に小ざく、また樹脂が
強化繊維に容易に濡れるので、樹脂にて容易に含浸され
得るものである。

かか方法は樹脂マトリックス複合材料の製造に関しては
良好な方法であるが、マトリックスが粘性の高いガラス
で′ある場合にはマトリックスを一様に分布させること
が困難である。特にきつく織られた大きな複雑な形状の
ｍ　ｔ（ｆ成形体に対しては、ガラスの粘性が低い場合
にもガラスをｌ　ｉ［［成形体内に一様に充填し高密度
にすることが不可能である。ま）千市販のガラスの多く
はそれらのガラスが強化繊軒１と化学的に両立し得る温
度範囲に於て高い粘性“を呈する。更にこれらの問題点
が解決されたとしても、強化繊維の体積率を高くすべく
強化ｍ　Ｈ（（がきつく織られている場合や、強化ｐＡ
紺とマトリックスとの間の濡れ性が不足することにより
強化繊維が溶融ガラスにて含浸されることに抗する場合
には、溶融ガラスにて繊維成形体を含浸することは特に
困り１１である。

本発明の目的は、複雑イに形状の繊維強化ガラスマトリ
ックス複合材お１を製造する方法であって、ガラスマト
リックスが実質的に一様に充填されることを可能にする
方法を提供することである。

本発明は、繊維強化ガラスマトリックス複合材料物品を
製造する方法であって、特に複雑な形状の繊維強化ガラ
スマトリックス複合材料物品を製造するに適した方法゛
に関するものである。本発明は重合体バインダを含有す
るキャリア液体中にガラス粉末を含むスラリー中に連続
的な長さを有する強化繊維を通Ｊ゛ことを含んでいる。

次いでかくしてスラリーを付着された強化繊軒１は乾燥
され、織られて成る予め定められた繊維成形体の形状に
形成される。次いでかくして織られ所定の形状に成形さ
れた繊維成形体はホットプレスされて最終形状に形成さ
れ、これにより互いに垂心な三つの方向に複軸線方向強
度を有し実質的にマトリックスが一様に充填された複合
材料物品が形成される。

本発明の伯の一つの局面には、はぼ正味の形状に１曳断
された複数個の上述の如（織られたシートを所望の形態
に積層し、次いでかくして組立てられたシートを最終形
状にホットプレスすることを含む繊維にて強化された複
合材料物品の製造方法が含まれている。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例について
詳細に説明する。

本発明に関連する複合材料に高温強度特性をイ１与する
任意のガラスが使用されてよいが、本発明の方法につい
てはＣｏｒｎｉｎｌ　７４０　（ＣｏｒｎｉｎｇＱｌａ
Ｓｓ　　Ｗｏｒｋｓ＞ボロシリケートガラスが適してい
ることがわかっている。同様に、ポロシリケートガラネ
よりボロンを浸出することにより得られるＣｏｒｎｉｎ
ｇ７９３０　（シリカ約９５ｗｔ％）及びＣｏｒｎｉｎ
ｊ　１７２３は好ましい高シリカ含有ガラスである。こ
れらのボ［］シリケートガラス及びアルミノシリケート
ガラスは粒径０．０４４ｍｍ以下の市販されている形態
にて使用されてよいが、高シリカ含有ガラスマトリック
ス複合材料についての所望の特性は、１００時間以上に
Ｅリプロバノール中にてボールミル加工された高シリカ
含有ガラスを用いた場合にのみ得られる。また上述のガ
ラスの混合物も使用されてよい。

本発明の方法に於て好適な他の一つのマトリックス材料
はガラス−セラミックである。複合月利の稠密化中には
、マトリックスが非晶質状態に保持さね、これにより繊
維の損傷が回避され、また低圧加圧にＪ：る稠密化が促
進される。所望の繊維／マトリックス構造にまで稠密化
された後には、非晶質のマトリックスは結晶状態に転換
され、その場合の結晶化の稈爪及び範囲はマトリックス
の組成及び採用される熱処理スケジコールによりｆｌ、
ＩＩ御される。かくして広範囲の種々のガラス−セラミ
ックが使用されてよいが、強化繊維どして炭化ケイ素繊
維が使用される場合には、ガラス中にγ？在するヂタニ
ウムの行１及σ活性が髄しく制限されることが重要であ
る。従って炭化ケイ究繊組及びチタニア核生成剤が使用
される場合には、チタニアは不活性化されるか又は１ｗ
ｔ％以下に維持されな（）ればならない。このことは、
チタニアをジルコニアの如き他の核生成剤に買換するこ
とにより、又は炭化ケイ素繊維に対するチタニアの反応
４！ｌ：を（１（減Ｊる薬剤を添加することにより達成
される。

しかし何れの場合にも、良好な高温強度特性を有する複
合、材料を得るためには、炭化ケイ累繊維に対するチタ
ニアの影響を低減若しくは排除する必要がある。従来よ
り存在するリヂウム・アルミノシリケートは好ましいガ
ラス−セラミックであるが、セラミックマトリックス材
料がヂタニウムを含有していない（約１ｗｔ％以下）か
又はチタニアの影響が低減されている限り、アルミノシ
リケート、マグネシウム・アルミノシリケート、イれら
の混合惣の如き従来より存在する他のガラス−セラミッ
クが使用されてよい。この点に関しては本願出願人と同
一の譲受人に譲渡された米国特許第’Ｉ−、３２４．８
４３号を参照されたい。

一般に原わ１としてのガラス−セラミック材料は非晶質
の粉末状にて得られる。しかしセラミック材料が結晶状
態にて得られる場合には、セラミック材料を溶融させて
非晶質状態にし、イれを凝固させ、しかる後本発明に従
ってスラリーを形成する前に好ましくけ粒径約０．０４
４ｍｍ以下の粉末状に粉砕する必要がある。ガラス−セ
ラミック材料を選定するに際しては、完全な稠密化を行
い１［）るに十分な程小さい粘性を右する非晶質状態に
て稠密化することができしかる後実質的に完全に結晶状
態に転換し得るガラス−セラミックが選定されることが
重要である。しかし稠密化を行うべく圧力今加えるに先
立って予備熱処理中に原料としての結晶粉末を非晶質状
態に転換することも可能である。

本発明による方法に於ては高温に於て安定な任意の繊維
材料が使用されてよいが、特に黒鉛繊維、アルミナ繊維
、炭化ケイ素繊維が９Ｙましい。５０μまでの、例えば
５〜５０μの平均ＩＪＪ　’４（（径をイｊ　−ｄ−る
複フィラメント炭化りイ索Ｖ−ンが特に好ましい。日本
カーボン株式会７１は１トウ当り約２５０本の繊維を有
し平均繊随径が約１０μである」−述の如きセーノを生
産している。このｌｊ　ｉｆｆの平均強度は約２０００
ＭＰａであり、モの使用可能温度は１２００℃までであ
る。またこのＡ７−ンの密度は約２．６ｇ／−であり、
弾性係数は約２２１Ｇｐａである。

選定された特定のキャリア材料中に容易に溶解若しくは
分散する任意の熱可−塑性重合体バイングが本発明との
関連で使用されて良い。Ｒｏｌｔｍ　ａｎｄＨａａｓ　
Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（７）　Ｒｈｏｐｌｅｘアクリ
ル小合体は、本発明の方法に於て特にりＴ適なバイング
材わ１であることが解っている。従ってかかるバインダ
と両立し得−る任意のキャリア材料が使用されて良く、
特にキャリア材１１”Ｉとしては水が好ましい。

これらの材料のけは最終的に形成された複合材料物品７
．に於て必要とされる強度及び特性に応じて変化されて
よいが、スラリーは一般に２０〜５０ｗｔ％めガラス粉
末と、１０〜２Ｑｗｔ％の重合体バインダと、残部とし
てのキャリア液体とを含有している。分散剤の如き伯の
成分もスラリーに添加されてよい。スラリーは＠終的に
製造された複合材第３１物品の約３０〜８０ｖｏ１％、
典型的には約５０ｖ０１％がガラスマトリックスとなる
よう強化繊維に付着される。

強化ｍ維は市販の織機により通常の要領にて織られてよ
く、典型的には垂線に対し±１５°の角度にて織られる
（第２図参照）。かくして、織られた材ｒ１のプライが
ほぼ正味の形状に裁断されｄ例えば織り軸線がＬｊいに
伯に対し９０°をなすよ−う積層される本発明の一゛つ
の実施例に於ては、かくして１ｑられる物品は垂線に対
し１５６及び７５の角Ｉ復をなす強化繊維を有し実質的
に平面的等方性を有する（第３図参照。尚第３図に於て
実線は繊維の軸線を示しており、線△及び［３ｔａ交互
のシートの繊維を示しており、破線Ａ′及びＢ’ＧＪＪ
ＪＪ紐の織り軸線を示している）。

バインダ及びガラス粉末を付着された強化１１　Ｎ（ｔ
の乾燥は、例えば空気乾燥又は熱源により補助された乾
燥の如く任意の所望の方法により行われてよい。同様に
ホットプレスはコロイド状窒化ボロンにて被覆された金
型又は窒化ボロン粉末にてスプレーされた黒鉛型内に配
置されて真空雰囲気中又はアルゴンの如き不活性ガス雰
囲気中にて任意の通常のホットプレス装置により行われ
てよい。

典型的には圧力は６．９〜１３．８ＭＰａ　　（１００
０〜２０００ｐｓｉ＞であり、温度は１０５０〜１４５
０℃である。

例 炭化ケイ素のヤーン（日本カーボン株式会社製［ニカロ
ン１）がスプールより巻き戻され、それをブンゼンバー
ナの火炎中に通すことにより浄化された。次いでかくし
て浄化された繊岸１１が約４００ｇのＣｏｒｎｉｎｇ７
７４０ボ１１　シＩＪクー）−１１５ス（！：約７８０
１の水とを含有するスラリー中に通された。またこのス
ラリー【ま約２００（ＩのＲｈ０ｒ）ｌｅＸバイングを
含イｊしていた。次いでかくしてスラリーを付着された
繊維が巻き取りドラム上に巻き取られ且乾燥された。か
くして得られた繊維は約６１ｖｏ１％のガラスと３’８
ｖｏ１％の炭化ケイ素１　ｌｉｔとよりなっていた。−
ぞの後の織り■程を容易に行い得るよう、繊維をドラム
上にて乾燥させる際にヤーンは靴紐の如く平坦′にされ
た。次いでかくして処理された繊維が、全厚に亙り炭化
ケイ素繊維を含み旧平面内に於ては炭化ケイ素ｔｓＪｉ
ｌがベルトの主軸線に対し±１５°の角度をなす（第２
図参照）ベルトに織られた。次いでかくして形成された
ベルトが矩形に裁断され、ステンレス鋼製の整合県内に
て個々のベルト片がその主軸線が交互に互いに他に対し
９０６をなすよう配列された。次しＡで整合具が炉（空
気雰囲気）内に配置され、７００℃に加熱されてＲｈ０
ｐｌｅｘバインダが燃焼により除去された。次いでかく
して処理されたベルト片の積層体がアルゴン雰囲気（真
空又は他の不活性ガス雰囲気が使用されてもよい）中に
て圧力６．で）ＭＰａ、温度１３００℃にて１５分間に
亙りホットプレスされた。かくして得られた複合材料板
の横断方向のミクロ組織が第１図に示されている。

この第１図より、複合材料が良好に一体化されており、
約４０ｖｏ１％の繊維を含有しており、この体積率はス
ラリーを（１着され織られる前に於けるヤーンに良好に
対応していることが解る。このことから稠密化を行う以
前に於ける材料の成分比率を決定することを非常に容易
に行うことができる。

また上述の如く形成されたサンプルについて破断強さを
測定したところ、長手方向の強さは２４１゜３２ＭＰａ
であった。

マトリックスに必要とされる性質に応じて、マトリック
ス中に有機バインダの熱分解残留物が添加されてもよく
また添加されなくもよい。前者の場合（残留物が添加さ
れる場合）には、織られた繊維よりなる物品のポットプ
レスは不活性雰囲気中にて行われる。これに対し後者の
場合（残留物が添加されない場合）には、圧力を付与す
る前に有機パンイタを分解する熱処理がホットプレスサ
イクル中に行われるか、又はホットプレスに先立って特
定、のバインダ／繊Ｎ１４′完成物品に対し行われる独
立した熱処理中に行われる。

本発明の方法により製造されて良い典型的な複雑な形状
の物品１ｊ、銃心の如き円筒体、カップの如ぎ中空コン
テナ、Ｉ形ビーム、ガスタービンエンジンのファンブレ
ード、Ａ−グメンターフラップのヒンジプレートなどで
ある。本発明により製造される物品は、その成分の組成
を基準に見れば、例えばガスタービンエンジンや内燃機
関の構成要素の如く、耐酸化性、高温強度、靭性などが
必要とされる環境に於ける高温構造部材として特に有用
なものである。この点に関しては米国特許第４゜３２４
．８４３号を参照されたい。

以上に於ては本発明を特定の実施例について詳細に説明
したが、本発明はかかる実施例に限定されるものではな
く、本発明の範囲内にて種々の実施例が可能であること
は当業者にとって明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従って製＝された−１１へ（ヒガラス
マ１〜リツクス複合材１１１１勿ＩＳｉ’ｌのＨｔ断面
を示寸顕牧鏡写真である。 第２図は本発明による方法に於て１１５成される織られ
たＩｎ　）１１よりなるマットの１（【の方０１を示す
解図である。 第３図【五本発明による方法に於Ｇブる織られた繊維よ
りなるｌ【成形体であって１ｈされ積層さＩｔＬこｌ（
成形体の！！１帷の方（１１を示ず解図であイ）。 特許出願人　　コナイテツ１：・チクノロシーズ・コー
ポレイション 代　　理　　人　　　弁　　理　　士　　　明　　石　
　昌　　毅ＦＩＧ、　　１ λ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 特に複層１な形状の繊維強化ガラスマトリックス複合材
   料物品を製造するに適した＃Ｂ維強化ガラスマトリック
   ス複合材料物品の製造方法にして、ガラス粉末と重合体
   バインダを含有するキャリア液体とよりなるスラリー中
   に高温度にて安定な連続繊維を通して該連続繊維にスラ
   リーをイ」着させ、かくしてスラリーを付着された連続
   ｕＩｉＭｔを乾燥させ、かくしてスラリーを付着され乾
   燥された連続繊維を織って所定の構造部材の形状に形成
   し、かくして織られた連続繊維をポットプレスして三つ
   の互いに垂直−な方向に複軸線方向強電を有する繊維強
   化ガラスマトリックス複合材料物品に形成することを特
   徴とする方法。