JPS61266666A - 複合材料用繊維体とその製造方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明Ｉｎ維強化金属（ＦＲＭ）などの複合材料に用い
る繊維体とその製造方法に関するものである。

〔従来の技術〕

近年、各種機械部品や構造材などにおいて、種々の複合
材料例えば金属を繊維で強化したＦＲＭなどが使用され
ている◇ＦＲＭ　などに用いられる旬化繊維はマトリッ
クス金属、特にアルミニラム合金やマグネシウム合金な
どとけ濡れにぐい反面、一旦濡れると反応して繊維が劣
化する。このなめ、一般に社強化繊維に表面処理が行わ
れる＠処理法としては例えばＯＶＤ法、めっき法が挙げ
られる０これらの方法では強化繊維の表面に金属やセラ
ミックスを均一にａ状に被覆するが、強化繊維との間の
熱膨張係数の差による剥離が生じて表面処理の効果ボ腋
少したり、父、被膜を厚くすると強化繊維のしなやかさ
が失われな９、硬ぐ脆くなるため繊維が僧傷し易くなる
など問題が多い０（に、繊維の一本一本に表面処理を行
うために＃″を俟雑な装置を必要とし、コスト的にも不
利である。又、これらの強化縁Ｉａを＃！　Ｉ＃　して
高圧凝固鋳造法によってＦＲＭ　を製造すると、繊維が
片寄り繊維の分布が粗な部分と密なｆｆｆ、分が生じ易
ｆｏこのため、ＦＲＭ中の繊維体積率（Ｖｆ）の制御が
困難であり、特にＶｆが小さい場合に強化ｌＩ＆雄が均
一に分散し六ＦＲＭは得呻＜、Ｆ’ＲＭ本来の特色であ
る設計の自由度が喝われていか〇 従来より複合材料に用いる強化繊維として連続繊維又状
長繊維と短績維父はウィスカとを組合せて使用する方法
等が提案されている。例えば、Ｆ　ＲＭ面部材内側にけ
長繊維を使用し・外側には短繊維を使用する方法、又は
長繊維と短繊維とを混在せしめて加圧成形することによ
りＦＢ、Ｍ用のプリプレグ（前駆体）を製造する方法が
ある。

〔発明が解決しようとする間頌点〕

しかしながら、前記従来例においても例えば長繊維と短
璧維とを部材の内側で使い分ける方法は製造工程が煩雑
となる。また強度も充分でない＠さらにプリプレグ製造
時に長繊維と短繊維とを混在せしめる方法は、長繊維束
中の表面に短繊維を付着させることはできるが、内部の
長繊維の一本一本の表面に均一に付着させることけ困難
であり、横雄体の品質が不均一となる〇本発明は上記従
来技術における間頂点を解決するためのものであり、そ
の目的とするところ社、ＦＲＭ等に使用した場合に金属
マトリックスとの濡れ性を改善し、複合材中に連続繊維
を均一に分散させて繊維体積率を制御でき、又、互いに
特性の異なる連続繊維を組合せることにより例えば＊ｉ
ｐ、ｍ維とマトリックス間の熱応力軽減等の複合材の機
械特性を向上させることができる複合材料用繊維体とそ
の製造方法を提供することにある。

〔間顕点を解決するなめの手段〕

すなわち本発明の複合材料用繊維体は、炭化ケイ素、窒
化ケイ素、アルミナなどのセラミックス、炭素、金町等
の耐熱性物質より選択された少なくとも１種よりなる連
続繊維の灸々の表面に、炭化ケイ★、窒化ケイ素、アル
ミナなどのセラミックス、炭素、金属等の耐熱性物質よ
り選択された少な（とも１！！ａよりなる短耕維、ウィ
スカ又は粉末を付着させた連続繊維束よりなることを特
徴とする◇ 連続繊維としてけセラミックス例えば炭化ケイ素、窒化
ケイ素、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、アルミナ、シ
リカ、又は耐熱性非金属元素例えば炭素、ホウ素、ある
い岐耐熱性金属若しく＃″を合金例えば鋼、ステンレス
濶、タングステン等の材料よりなる繊維を単独又岐組合
せて用いることができみ。繊維の太さや断面形状等の性
状は用途に応じて選択する。

短繊維、ウィスカ又は粉末としては前記連続繊維に使用
したものと同一の材料を用いて製造し念ものを用いるこ
とができる０短轍維、ウィスカ又は粉末けいずれか１ｆ
ｌｌｆを用いてもよいし一２粗ＣＬ上を組合せて用いて
もよい。短繊維やウィスカの長さ、太さ及び断面形状及
び粉末の平均粒径等の性状＃−１連続轍維との組合せや
要求特性を考慮して選択するとよい。

連続繊維に付着させる短Ｒａ、ウィスカ又は粉末の頃は
両番の性状や製造した繊維体の用途などによっても異な
るが、ＦＲＭに用いる場合に岐連続轍維、短繊維、ウィ
スカ又は粉末の連続繊維に対する体積率ＨＱ、５％〜５
ｎＯ％桿度とするのが好ましい。

本発明の横雄体が使用できるマ）　ＩＪフックスしてけ
アルミニウム、マグネシウムなどの金属１あるいは各種
セラミック、プラスチック等が挙げられる。

本発明のｍ雄体な製造する方法は特に限定されないが例
えば電着法、流動床を用いる方法、吹付は法、懸濁液浸
漬法が挙げられる。簡便さ及び適用範囲の広さなどの点
で蝕濁液浸漬法が好ましい。懸濁液浸漬法の一例として
け、例えばボビンをどに俸き付は之連続繊維又は適当数
の該連続繊維を束ねな連続繊維束を伸戻して、短ゆ雄、
ウィスカ又は粉末のうちの少なくとも１釉以上を懸濁し
た液体中に浸漬し、該連続繊維、の各々の表面に該短繊
維、ウィスカ又綻粉末を付着させて再びボビンに拌取る
方法が挙げられる。

連＃ｌ１ＮＩ１．維束を使用する場合には繊維の１には
特に限定されないが少ない方が各繊維１本１本に均一に
短繊維などを付着させることができてよい。父、綾維数
の多い連続繊維束を浸漬する液体・にけ超音波により振
動を与えると各繊維に均一に繊維束内部の繊維まで付着
を行うことができる。超行波社液体を入れた容器の外側
に設けな超音波付ＩＭ’ａによって与えてもよいし、又
は適当数の超音波振動子例えばセラミック振動子を液体
中に適切に配置して与えてもよい。超音波の照射／ぜタ
ーンは連続的であってもパルス状であってもよい。七〇
強変や振動数及び照射時間岐４続９維やこれに付着させ
る短繊維、ウィスカ又は粉末の種類、あるいけ前記付着
物の液中？Ｉｋ崖、連続繊維の浸漬時間などの処理条件
によって選択するが、例えば振動数は１０　ＫＨｚ〜２
０００ＫＨｚ程度が使用し易い。

付着させるべき物を懸濁させる処理液は水で−もよいが
、有機溶剤例えはエタノール、エタノール、アセトン特
にエタノールが好ましい◇とりわけ、連Ｍ１ｍ！維の表
面にサイジング剤が塗布されている場合にけ、サイジン
グ剤の溶解により短繊維などの付着が容易となり、父、
揮発性が水に比べて高いので乾燥が早く、生産性が向上
する利点がある。父、前記有機溶剤と水との混合物を使
用してもよい０ 処理液中の付着物４度は特に限定されないが１あまり小
さいと連続繊維上に均一な付着がみられず効果が少なく
なり、文通に大きすぎると付！ｉが必要以とに多くなる
ため、例えば付着物として炭化ケイ素ウィスカを用い、
繊維数印（１）本／ヤーンの４続繊維束な処理する場合
、炭化ケイ素つィスカ衾度け（１，５ｇ／　ｌ　−３０
ｇ／　１ｍ度が好ましい＠ 多数の連続繊維よりなる束を処理液中に浸漬する場合に
は浸漬前に繊維束にブロワを当てて開繊することが望ま
しい、Ｒ離数や処理液への超音波振動の有無によってブ
ロワの吐出流量を、傾整する七よい。繊維数が少ないか
、又は処理液に充分に超音波振動を付与する場合にはブ
ロワ妓かならずしも必要ではな≠０ 処理液を入れな処理槽の数は１基でもよいが、複数の付
着物を用いる場合をどには、各々の付着物を懸濁した複
数の処理槽を用いてもよい０浸漬時ｒ市の調整は可動ロ
ールなどの通常の方法により行うことができる０又、必
要ならば処理した１！！続繊ＭＦＲをボビンに傳収る前
に乾燥炉や赤外線乾燥鴫、熱風乾燥機等を用いて乾燥さ
せるＯ 本発明に用いる連続繊維やこの表面に付着させる短繊維
、ウィスカ又４齢域粉末は市販品をそのまま使用するこ
とができる。

〔実噸例〕

以下の′Ｘ癩例において本発明を更に作柚に説明する。

なお、本発明は下記都・噛例に限定されるもので社ない
◇ 実・眉Ｉｔ： 第１図は本発明に用いる媚造装置の一列を示す。炭化ケ
イ素ウィスカ（平均直径約０．２μ、平均長さ約１００
μ）５ｇをエチルアルコール１０００ｃｃの入りな処理
［１中に投入後、超音波付加器２により超音波振動を与
えて懸濁させ、処理液３をＲ整しな。東しく株）製Ｍ４
０炭素繊維束（繊維直径７〜８μ、ｆｆｌ維数６０００
本、サイジング割付）４を水°ビン５から傳戻し、浸漬
時間妙ｆ約１５秒となるよう可動ローラ６及び７により
て調節して処理液３中に浸漬しながら通し、次いで圧力
ローラ８及び９によって押圧しな後再びボビン１０に善
取り、室温・大気中で乾燥させ念。

図中、１１はプロワ、１２社乾燥炉を示し、必要に応じ
て使用する。

処理前黒色であっ念Ｒａは処理攪うぐいす色を帯び、電
子顕微鏡（ＳｆｆＭ）観察の結果、何２図及び第３図に
示すようにウィスカ１３が連続繊維１４上に付着してい
るのが認められた◇又、処理後秤量の結果、繊維束長さ
ｌＯｍ当り０．１５ｇのウィスカが付着しているのが判
った◎ 実施例２： 炭化ケイ素ウィスカの代りに窒化ケイ素ウィスカ（平均
直径約０．３μ、平均長さ約２００μ）を用いて、寿暢
ｆ＠ＩＩと同様の方法により処理したところ、繊維束長
さｌＯｍ当り０．２　ｇのウィスカが付着した。

実施例３： 鬼、１例１の方法において炭化ケイ素ウィスカ２５ｇを
使用し、炭素繊維の代りに住友化学（株）呵アルミナ線
維を用い、更に処理液に２８　ＫＨｚの超音波を与えな
がら浸漬時間が１０秒となるように浸漬すること以外岐
同様にして、処理を行りた０ 処理前に白色であっな繊維けうぐいす色を帯び、１Ｍ観
察の結果、第４図に示すようにウィスカ１３の付着が認
められ念。秤量の結果、繊維束長さＬＯｍ当り０．１　
ｇのウィスカの付着しているのが判っな。

実鴨例４＝ 都嘲例１の方法において、炭化ケイ素ウィスカ２５ｇ及
び東しく株）゛塀Ｍ４０炭素繊ａ束（線維直径７〜８μ
、繊ａ数６０００本、サイジング剤なし）を使用し、処
理液に４５ＫＨｚの超音波を与えながら浸漬時間が８秒
となるように浸漬すること以外は同様にして、処理を行
っな〇 処理前に黒色であっな繊維けうぐいす色を帯び念。ウィ
スカ付着ｌｌけ、繊維束長さ１０ｍ当り０．２５ｇであ
った。

実権例５： 実施例１の方法において、炭化ケイ素ウィスカの代りに
窒化ケイ素ウィスカ２５ｇを使用し、炭素繊維の代りに
日本カーゴ２１株）Ｎ炭素ケイ素繊維（商品名二カロン
）を用い、処理液に四ＫＨｚの超音波を与えながら、浸
漬′Ｆ８間が８秒となるように浸漬すること以外は実権
例１と同様にして、処理を行った０ウィスカ付着量叶繊
維束長さ１０ｍ当り０．４２ｇであっ念。

実権例６： ベータ型炭化ケイ素粉末（平均粒径０．２３μ）２０ｇ
をエチルアルコール１（１００ＣＣに懸濁した処理液質
使用すること以外岐実−例１と同様にして処理を行った
０８ｇＭ観察の結果、第５図に示すように繊維上又は繊
維間隙の炭化ケイ素粉末１６の存在が１４認され七。乾
燥後秤量した結果、繊維束長さ１０ｍ当り０．１５　ｇ
の粉末が付層しているの−Ｓ！ｌ’ｌＪっな。

実施例７： ベータ型炭化ケイ素粉末の代りにアルファ型アルミナ粉
末（平均粒径０．０３μ）２０ｇを使用し、浸漬時間を
約１０秒とすること以外は実穫例６と同様にして処理を
行っな。粉末付着ｆＩｋは繊維束長さ１０ｍ当り０．１
ｇであっな。

処理条件とウィスカ又轄粉末付着量との関係：第６図に
炭素繊維（繊維数６０００本／ヤーン）１０ｍ当りの、
懸濁液のウィスカ又は粉末帽ＬＳ青波付加の有無及び溶
媒の種類等の処理条件とウィスカ付着量との関係を示す
。超音波付加の効果は明らかであり、特にエタノールと
組合せ念場合に効果が大きいことが判る。すなわち、各
因子を選択することにより付着量を自由に制御すること
ができる。

ＦＲＭの製造： 本発明の複合材料用繊維体を用いて製造し九ＦＲＭの一
例の金ＪｉＩ組織の成子顕微鏡写真を第７図に示す０図
より明らかなようにＦＲＭ中の連続繊維１４社ウィスカ
１３等の付着により繊維の間隔が適魔に保なれるなめマ
トリックス金属１５中に均一に分散し、付層させない場
合に比べて繊維同士の接触など社減少した。又、炭素繊
維／アルミニウム複合材の場合、圧縮剪断強さは付着処
理を行なわない物は２ｋｇ／ｍｍ２であっなが、炭化ケ
イ素ウィスカを付着させた本発明の繊維体を使用しな物
は１０ｋｇ／ｍｒｎ　　となり大幅に改善され念。父、
繊維体積率は付着処理を行わない物Ｆｉ’６０〜７０％
の範囲でしか設定できなかつ念が、ウィスカ付着量を変
えることによって１０〜７０％の範囲で設定できるよう
になっな。

〔発明の効果〕

上述のように本発明の複合材料用繊維体は、連続繊維の
各々の表面に短繊維、ウィスカ又状粉末のうちの少なく
とも１種を付着させた連続繊維束よりなるものであるな
め、複合材中に各々の連続繊維を均一に分散させること
ができ、繊維体積率を非常に広範囲に制御することが可
能であり、更に連続繊維と付着物の種々の組合せが可能
であるため広範囲にわたる要求特性を満念すことができ
る０又、連続繊維同士の接触か鍼少し、且つ複合材を形
成しな場合その組成が均一となるなめＦＥｈ剪断＠きな
どの機械特性も改善された。

父、本発明の製造方法は前記の付着させるべき物を懸濁
しな処理液中に連４繊維又はその束を傳戻し・啓取手段
により浸漬する方法であるため簡便で生産効率が高い０
更に処理液に超音波を付加したり、処理液として有機溶
剤を使用するなどの各種変法が可能であり、これにより
付着量を制御できる念め同−設備で各種の複合材用繊維
体を傅造することができる０

【図面の簡単な説明】

４１図社本発明に用いる製造装置の一例の概略図、 第２図ないし第５図は本発明の繊維体における繊維の形
状を示す電子顕微鏡写真、 第６図は炭素繊維束の処理条件とウィスカ又岐粉末付着
量との関係を示すグラフ、 第７図は本発明の繊維体を用いたＦＲＭの一例の金穫組
織の電子顕微鏡写真である。 図中、 １・・・処理槽　　　　　　２・・・超音波付加器３・
・・処理液　　　　　　４・・・炭素繊維束５．１０・
・・ボビン　　　　　６．７−・・可動ローラ８．９−
・・圧力ローラ　　　　１１・・・ブロワ１２・・・乾
燥炉　　　　　　１３・・・ウィスカ１４・・・連続繊
維　　　　　　１５・・・マトリックス金属特許出願人
　　株式今岐　豊田中央研究所第１図 ４・・・・７ｊ！事描雑東 、１．帛ｊ　　　く！川 ）１〈）＋□〆 １Ｆ）”＄’　　　旧　　（、Ｑ −□１ｒヤ１ｒ１１１１１１□１１市　　　□Ｈ１１７
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Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）炭化ケイ素、窒化ケイ素、アルミナなどのセラミ
   ックス、炭素、金属等の耐熱性物質より選択された少な
   くとも１種よりなる連続繊維の各々の表面に、炭化ケイ
   素、窒化ケイ素、アルミナなどのセラミックス、炭素、
   金属等の耐熱性物質より選択された少なくとも１種より
   なる短繊維、ウィスカ又は粉末を付着させた連続繊維束
   よりなることを特徴とする複合材料用繊維体。
2. （２）炭化ケイ素、窒化ケイ素、アルミナなどのセラミ
   ックス、炭素、金属等の耐熱性物質より選択された少な
   くとも１種よりなる連続繊維又は連続繊維束を巻戻して
   、炭化ケイ素、窒化ケイ素、アルミナなどのセラミツク
   ス、炭素、金属等の耐熱性物質より選択された少なくと
   も１種よりなる短繊維、ウィスカ又は粉末の１種以上を
   懸濁した処理液中に浸漬し、該連続繊維の各々の表面に
   該短繊維、ウィスカ又は粉末を付着させて巻取ることを
   特徴とする複合材料用繊維体の製造方法。
3. （３）処理液に超音波により振動を与えることを特徴と
   する特許請求の範囲第２項記載の方法。
4. （４）処理液がエタノールなどの有機溶剤よりなり、且
   つ該処理液に超音波により振動を与えることを特徴とす
   る特許請求の範囲第２項記載の方法。