JPS60200929A - 金属マトリツクス−繊維複合材料の製造方法 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、金属マトリックスに繊維が特定の方向をもっ
て介在する複合材料の製造方法に係し、特に、長尺の複
合材料を連続的に製造するに好適な複合材料の製造方法
に関する。

〔発明の背景〕

各種金属て、繊維を特定の方向たとえば、一方向、網状
、うず巻状等に埋込んだ金属マトリックス−繊維複合材
料は、金属マトリックスと繊維両者の特性を併せもった
特性が可能であるため、各種機器の有用な材料となる。

マトリックスと繊維の複合化方法は、マトリックス内の
繊維の分散、方向性、マトリックスと繊維のぬれ性、反
応性、さらには、マトリックスと繊維間の固溶、拡散等
を考慮する必要がある。しかし複合材料の素材成分によ
っては、複合化のさいの加熱によって繊維が、金属マト
リックスと反応し、あるいは拡散して、繊維本来の特性
が、損なわれ、目的とする複合材を得ることができない
。そのため、通常、繊維とマトリックスの成分を基本に
、適正な複合化方法を選定、適用される。

従来このような複合化方法が、種々提案されている。そ
れらの複合化の分類は、必ずしも確立したものではない
が、原料となる金属を液相として扱う場合には、繊維を
液相の金属にどぶづけする含浸法、金属を固相として扱
う場合には、金属を粉末あるいは板（箔）を繊維間に介
在させ、高温に加熱しながら加圧するホットプレス法等
があり、その他、種々の複合化方法が提案されている。

これら各種の複合化方法の中で、最も普遍的な方法とし
ては、ホットプレスが挙げられる。特に、繊維にマトリ
ックスとなる金属を被覆し、これを高温・高圧にし、被
覆金属同志を結合させるホットプレス法は、繊維間への
マトリックス介在を確実なものとできるため、特に有効
な方法である。

また、この方法は、繊維とぬれ性をもたない金属との複
合化も可能である利点がある。しかしながら、通常、高
温高圧による繊維とマトリックスを複合化する際、鋳型
を用いるため、製造し得る寸法は、短尺品に限られる。

また、一連の工程を完了するまでの所要時間は、比較的
長く必ずしも生産性の点で満足するものではない。

他方、ホットプレス法では繊維を目的の方向（たとえば
一方向）にマトリックスに介在させるために繊維を所定
の長さに切断、シ、鋳型に所定の方向に並べることが必
要である。そのさい繊維の性状、特に数μの直径で、か
っ可撓性のある場合には、繊維の取扱いが難しく、黒鉛
鋳型への繊維装入のさい繊維の交差が生じ、繊維の真直
性が損なわれ、複合化の特性にばらつきが発生しゃすい
傾向をもつ。

ホットプレス法で製造する複合材料の有用な成分系の一
つとして、Ｃｕマトリックス−〇繊維複合材が挙げられ
る。たとえばＣ繊維を一方向にＣｕマトリックスに埋込
んだ一方向Ｃｕ−Ｃ繊維複合材は、Ｃ繊維の高強度とＣ
ｕの導電性から高強度・高導電材として用いられ、また
、繊維を網状にＣｕマトリックスに埋込んだ網状のＣＵ
−Ｃ繊維複合材は、Ｃ繊維の低熱膨張とＣＬＩの高熱伝
導性から、二次元等方性の低熱膨張・高熱伝導特性が得
られ半導体用材料となる。この複合材は、ＣｕとＣ繊維
がぬれ性をもたないため、その製造方法は、現在、ホッ
トプレス法が唯一なものである反面、前述したように改
良すべき点をもつ。すなわち、生産性に医れ長尺品が可
能な複合化（製造）方法が望まれる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、特性にばらつきの少ない長尺の金属マ
トリックス−繊維複合材料を生産性によく連続的に製造
できる方法を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、金属マトリックスと繊維とのぬれ性を回避し
うるホットプレス法に着目し、予めマトリックスとなる
金属を繊維に被覆したものを複合化するに際し、張力を
写えた複数個の原料を加熱したロールを介して加熱加圧
して、マトリックスを拡散混合させるものである。

本発明において、繊維へのマトリックス金属の被覆は、
めっき（電気・無電解）の他、化学蒸着法（ＣｖＤ）、
蒸着、スパッタリング、イオングレーテインク法（ＰＶ
Ｄ）等により行うことができる。

金属を被覆した繊維（原料）を用い、連続的に複合化す
るには、回転する一対のロールで高温高圧をかければホ
ットプレス同様にマトリックスの拡散結合が生じ、かつ
連続的に複合材料を得ることができる。しかしながら、
クラツド材の製造法のごとく原料を予め加熱し、加熱し
ていないロール（したがって加熱された原料よりも低い
温度のロール）で加圧すると、ロールによる加圧時、条
件によっては、原料が冷却され、その結果マトリックス
の拡散結合が不十分となり、かつ繊維が切断されやすく
なる。したがって複合化に際しては、加熱したロールで
加熱加圧することが好ましい。

すなわち、金属被覆の繊維をロールにより、効果的に複
合化するには、マトリックスが相互に拡散結合し得る充
分な温度を維持し、かつ加圧することが必要である。更
に一般に複合化は、金属被覆同志の拡散結合であるので
、ロールの加熱温度はマ）ＩＪソクスの融点以下、マト
リックスが軟化する温匪範囲が望ましい。ロールの加熱
温度が低すぎると、マトリックスの拡散結合が不十分と
なり、またロールの加熱温度が高すぎるとマトリックス
と繊維との間で反応、あるいは拡散結合が起り、複合材
料としての特性が低下しやすい。したがって、例えばＣ
Ｕ−Ｃ繊維複合材料では加熱温度は８００〜１０５０Ｃ
程度（Ｃｕの融点１０８３Ｃ）が望ましく、Ａ／＝−Ｃ
繊維複合材料では（４５０〜５００ｃ）程度（Ａ、ａ（
７）融点６５９　Ｃ）が好ましい。

ロールの加熱方法は、通電加熱法、一対のロールをチャ
ンバで覆い高周波により加熱する方法、あるいはロール
を高周波コイルによシ直接加熱する方法等が挙げられる
。特に通電加熱法は、ロールを容易に加熱し得、複合材
製造するに好適であるその四−ル材質は、高温、高圧に
耐え、かつ原料の被覆金属と反応し難いことが条件であ
る。このような条件に合致する材質としては黒鉛、５ｉ
ｃ１罹が特に有効であるが、通電加熱によりロールの部
分的な加熱の場合、金属マトリックスの種類によっては
、上記の他に、Ｗ、Ｍｏ等のように導電性を有する高融
点の金属ロールも使用できる。

第１図は本発明の複合材料の製造方法を概略的に示す説
明図であって、第１図中Ａ、Ｂ、Ｃにおける複合材料の
概略図を第２図Ｗ、お）、（Ｑに示す。

図において、原料のＡ部分は、未複合化となっている複
数の金属被覆繊維、Ｃ部分は原料の値合化が完了した金
属マトリックス−繊維複合材料を示し、Ａ”Ｃの過程は
、ロールの回転で連続的に行なわれる。

すなわち、上ロール１と下ロール２との一対のロール間
を加熱し、原料３（繊維３Ａ、金属マトリックス３Ｂ）
を連続的に送りながら複合化して複合材料４を得る。こ
のような操作において、原料３は繊維のＡ１７ｉ−性を
維持するため、所定の張力が付加される。第３図に示す
ようにテンションローラ５により張力をかけることによ
り、マトリックス内の繊維は、良好な真直性で介在し、
特性のばらつきを軽減する。また加圧は、荷重一定力式
により実質的に生ずる原料の厚さ不均一による加圧むら
を軽減するのに好ましい。間隙一定力式では、厚さによ
る加圧むら生じ、繊維の切断の発生を生じやすい。原料
に張力を付加し、荷重一定とするロール加熱により、原
料部分Ｂは、マトリックスが充分軟化し、繊維の切断を
軽減し原料Ａに介在する空洞を消失させると同時に、被
覆金属同志の拡散結合により良好な複合材が得られる。

ロール間隙の原料Ｂ部分を効果的に加熱するには、第３
図のごとく黒鉛ロール（上ロール１）〜原料３〜黒鉛ロ
ール（下ロール２）間に通電電極６および通り＝極７に
より通電することにより、原料Ｂ部分を瞬時に加熱がで
き、ロールの回転すなわち、原料の送り速度に無関係に
、原料Ｂ部分を加熱でき、生産性の点で好適な方法とな
る。

このような加熱が可能である理由は、原料部分Ｂと黒鉛
ロールの接触抵抗が大きく、かつ、線状の接触で′ｉｌ
［ｆｉ積が小さいため、通電よりジュール熱が集中的に
発生するためであり、原料自体の加熱のほか、黒鉛ロー
ル自体も部分的に加熱され、確実な複合化温度を連続的
に、原料Ｂ部分に与えることができる。

〔発明の実施例〕

実施例１ 第４図に示す幅２叫深さ２咽直径１００ｍの溝付きの下
ロール（黒鉛ロール）２の溝に予め準備した原料Ｃｕめ
つきＣ繊維（■（２中速元処理品）６０００本を通した
。次に、繊維束に上側ロール１で荷重１５Ｋｐｔをかけ
繊維束を引張り、張力１助ｔを与えた。これら準備した
後、上側ロール１〜繊維束３〜下側ロール２に電流４０
０Ａ通電し、繊維束をＮ２　８Ｈ２ガス雰囲気中で温度
１０００Ｃ加熱すると同時に、ロールを回転させ繊維を
６画／騙の速さで送り、ｃｕとｃ＃！維を複合化し、一
方向Ｃｕ−Ｃ繊維複合材を製造した。なお、温度に１、
ロールに接触するアルンルクロソル熱電対８で検出し通
電する電流値を増減させることにより、コントロールし
た。また、荷重は、上側ロールを上下に移動できるよう
にし、繊維束の厚さ変化に追従するようにした。

以上の製造法により、厚さ０．５を幅２咽の連続状の一
方向Ｃｌ−４５ｖｏ１％Ｃ繊維複合材が作製でき、その
導電率４９　ｌＡＣ３％で、引張強さ８５に９　ｔ　７
ｍｍ２が得られ、同一原料を用いたホットプレス法によ
るＣＵ−Ｃ繊維複合材の特性と同等以上であった。

以上より黒鉛ロールを用い、荷重一定力式の加圧並びに
通電加熱による複合材は、連続状（長尺品）の金属マト
リックスー繊維複合材を製造できる効果がある。

実施例２ 予め３０００本のＣｕめつきＣ繊維で平織りの織布（ｒ
ｌ］ｌＯｗｒＩ厚さ０．８　ｒｒｒｍ　）を作製し、第
４図に示す黒鉛ロール２の溝幅を１０陥深さ３ｍとし、
上述の織布２枚を重ねて通し、以後の手順及び条件を実
施例１と同一にして、幅１０ｍｍ厚さ０．５　ｒｒｒｍ
の網状Ｃｕ−４５ｖｏ１％Ｃ繊維を作製した。その結果
、熱膨張５．５Ｘ１０’／Ｃ（Ｒ，Ｔ　〜３００Ｃ間）
の特性が、得られ、ホントプレスによるそれと同等の値
を得た。

さらに、本実施例で得られた網状Ｃｕ−４５ｖｏｔチＣ
から、直径７．５朝の半導体用電極を加工しＮｉめつき
を施した後、Ｓｉチンプ〜ＣＵ−Ｃ繊維複合材電極〜Ｃ
ＬＩディスクの形で半田付したダイオードを作製し、３
０〜１００ｃ（ΔＴ−７０Ｃ）の熱疲労試験を実施した
が、１００００回以上でも、半田の剥離等の劣化は生じ
なかった。

本実施例によれば、実施例１による製造方法は半導体用
網状ＣＵ−Ｃ繊維複合材の製造に適用できる効果がある
。

実施例３ Ｃ繊維にイオンプレーテインク法によりＡｔを蒸着し、
その成分が平均でＡｔ　−４０ｖｏｌ　％　ＣとなるＡ
ｔ被覆Ｃ繊維３０００本束を準備した。これを加熱温度
４５０Ｃとし、それ以外の条件は実施例１と同一とし、
実施例１の手順で一方向Ａｔ−Ｃ繊維複合材を作製した
結果、厚さ０．５５＋＋＋ｍ（幅２１廁）の連続状すな
わち長尺品ができた。その引張強さは７５〜８８Ｋｇｔ
／配２を示し、ホントプレスと同等の特性を示した。

以上の実施例から、実施例１の製造方法は、Ａｔ−Ｃ繊
維複合材の製造に適用できる効果がある。。

〔発明の効果〕

本発明によれば、連続的に金属マ）　ＩＪックスー繊維
複合拐が製造できるので、生産性が向上するほか、長尺
品の複合材のため、各種機器への応用拡大の効果がある
。

【図面の簡単な説明】

第１図は（載維と金属マトリックス複合化過程を示す説
明図、＠２図四日（０はそれぞれ第１図中のＡ、Ｂ、Ｃ
の各部分における繊維と金属マトリックスの状態を示す
説明図、第３図は本発明の方法の一例を示す概略的説明
図、第４図は本発明の方法におけるロール部の一例を示
す説明図。 １・・・上ロール（黒鉛ロール）、２・・・下ロール（
黒鉛ロール）、３・・・原料、３Ａ・・・繊維、３Ｂ・
・・金属マトリックス、４・・・複合材料、５・・・テ
ンションローラ、６，７・・・通電電極、８・・・熱電
対。 代理人　弁理士　鵜沼辰之 茅　１　口 ２ 茅２　図 （Ａ　）　ＣＢ）　（Ｃ） ＄３区

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　マトリックスとなる金属を被覆した繊維を原料と
   するマトリックス−繊維複合材料の製造方法において、
   張力を与えた状態の複数個の原料を加熱したロールを介
   して加熱加圧して、マトリックスを拡散結合させながら
   連続的に複合化することを特徴とする全組マトリックス
   ー繊維複合材料の製造方法。 ２、特許請求の範囲ｍ１ＪＪにおいて、前記ロールを通
   電加熱法によって加熱するとともに製造過程時一定の荷
   重で加圧することを特徴とする金属マトリックス−繊維
   複合材料の製造方法。 ３、％許晶求の範囲第１項において、前記ロールは、少
   なくともその表面積が黒鉛、ＳｉＣ又はＷＣからなるこ
   とを特徴とする金属マトリックス−繊維複合材料の製造
   方法。 ４、特許請求の範囲第１項において、前記原料がＣｕを
   被覆したＣ繊維であることを特徴とする金属マトリック
   ス−繊維複合材料の製造方法。 ５、特許請求の範囲第１項において、前記原料がＡｔを
   被覆したＣ繊維であることを特徴とする金属マトリック
   ス−繊維複合材料の製造方法。