JPS61501910A - 繊維強化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】 複雑な形状の複合材料物品の製造方法 技術分野 本発明は、成形プロセスに係り、特に繊維強化複合材料物品を製造するための成 形プロセスに係る。

背景技術 高温用構造体の構成要素の形成に使用されている多くの従来の金属のコストが増 大しまたそれらが不足していることにより、金属材料に代る繊維強化複合材料物 品の必要性が益々高くなってきている。

繊維強化ガラス又はガラス−セラミック複合材料を製造するための製造方法に関 する種々の技術が既に開示されており、それらのうち本願出願人と同一の譲受人 に譲渡された米国特許として、米国特許第４．３１４．８５２号、同第４．４１ ２．８５４号、同第４．４２８．．７６３＠、同第４．３２４．８４３号がある 。

一般にこれらの従来の技術はマトリックス材料を有機バインダと共にスラリーに 形成し、強化繊維をそのスラリー中に通し、繊維をスラＶ−にて被覆し、被覆さ れた繊維を巻取りリールに巻取り、被覆された繊維を乾燥させ、マトリックスに て含浸されたテープを形成することを含んでいる。次いでマトリックスにて含浸 されたテープは所望の長さ及び形状に切断され、適正な繊維配向にて積層され、 しかる後それらの積層体が炉内に配置されてバインダが燃焼により除去される。

次いで積層体は注意深く鋳型内に配置され、加熱及び加圧された状態にて稠密化 されることにより複合材料が形成される。

かかる複合材料物品の製造方法には多数の欠点がある。

その一つは、テープ形成工程中にマトリックスが繊維に良好に接着するようスラ リー状のマトリックスに使用される有機バインダを除去するという追加の工程が 必要であり、該追加の工程により複合材料物品製造プロセスの労働コスト及びエ ネルギコストが増大されているということである。

更に上述の如き消失性バインダは最終的に得られる複合材料中に於ける好ましか らざる不純物源となることがある。

他の一つの欠点は、スラリーを形成し、該スラリーをＩＩａｌｌに付着させ、テ ープを形成することは時間を要する工程であり、最終的に得られる物品のコスト を増大させるということである。第三の欠点は、マトリックスが必ずしも均一に 繊維に適用される訳ではなく、そのため不均一な複合材料物品が形成されるとい うことである。更に上述の如きプロセスによる場合には、複雑な形状または三次 元的形態の複合材料構造体を製造することが困難である。

従って当技術分野に於て必要とされているものは、比較的単純であり、労働コス ト及びエネルギコストが低く、複雑な複合材料物品を容易に製造することのでき る繊維強化複合材料物品の製造方法である。

発明の開示 本症明【、象、ＩＮ　Ｉｆ強ｆｌ′；複菖材料’ｉ！］　、′ｌ；、ｌｌ１）％ ’４　ｉ？ｉ　’ｈ　７Ｆｙ　’ｖ　ｌ？）　ｖ　’Ｌ、、パＴ７ス、ノＪ　′ ＞スヘ−１＝うミンク、険：Ａ５文ｔ−ニー；ミッン−１ｔ・１ｊツ′ノス々／ ＋１１’“１！Ｉｉ帷（Ｊ二形［位寸ろ過Ｃ・ζど、−１１らの一机帷を？−７ ／に肪を戊ヰる過程と、ヤーン・２慈るか望・ち・ｌ゛）＼闇・１ｙが１ノーＵ 　’Ｎ’　ｌ−リ・・２′ノ２人本クネ３１の均質な合」を−汗１成η・５過程 、−二、弓噴化材Ｑ］林２緒を形αλづる過程、４二、（浄化材床Ｗの；−７− 二・４−■・じ成・丁Ｂｌｉど、τれらのσ−シを編むかぎるかし、′Ｃ強化に 雑の均質な市を一形成づ一イ）過程と、各市１より所定形状の裕数個のプリフォ ームをＦＪ′Ｊ断する過程と、強化繊維布プリフォームをマｊ−リックスＩ’１ ｉ−ｌリノオームの一つ１ｘトの店ど乍ね合ぜで積層体３形成号−るＶ程と、該 積層体を型内Ｃｔｄ　’ｄ（ｉ−ろ退庁と、複合材料物品を形成すべく積層体？ 加熱及び加圧された状態←二Ｃ槻密化１′う過程とを含む製造方法を開示する４ ）のである。

本発明の他の一つの局面は、６ラス、１１丁ラス・−ゼラニミック、又はセラミ ・ソクマ１〜す”／クス材料のＶ−ン及びＫＮ強化材の）・−ンを織るか編むか して一つの布とすることにより形成されるハイブリッド缶材料が形成されること であり、ハイブリッド布材料より所定形状の複数個のプリフォームを切断し、そ れらのブリ７．１−ムを積居して積層体を形成し、積層体をや内に配置し、複合 材料物品を形成すべく積層体を加熱及び加圧された状態にて稠密化することが行 われる。

本発明の史に他の一つの局面は、マ［・リックス材料の繊維と強化材の繊維とを 含むハイブリッドヤーンを使用してｉ１１小Ｕ”）　Ｏｆ］　５５’　ｆｆｉ　 １．、：代ｆｖ　６　Ａ　４−ｆｊＪ　：ｙ　ｉ’イＴｉが１．’＋　ｈＮ：さ Ｑ　ｄ＞　（−■■ あり、！＼イＩす゛Ｆドヤーン４帳・行がべ・５り１しでハーイ’　−，７１， ｌシ１−ｎｌｆ　ＩＩＪ　＋＆　ｔ、、＋、ハｌ’　−，７’Ｊ　７　ｔ’　ｆ Ｅｉ　、、ｔ：　（Ｅ　戸１ｉ　’７二形：Ｋ　Ｇ’）　ｑ　ａ@ＩＩＡ！　＆ ）ブ （Ｉ−７）４−−−ムんｌニアＪ断ｌ・、をれらの・′リノ、ｔ−ム、を撓≠！ −，・Ｃ稿ゑｊ休ぞ：形成、１−７、梢一体・、Ｐ型内（、−配置し１、’＋９ ８１・冷・１；ξ４物晶乏−形成すべく積層体ｒ帽膚化すること）″メ行：っれ で）。

Ａ発明の史に他の一つの局面は、連続的な２］−リｙｖ　、／７スヤーン及び連 続的４ν強化ｔＪＡＭ又は〜フ・−ンを編むか帽むかしてほぼ最終的形態の１］ ４造体を形成し、次いでその構造イんを稠密化し“ｒ６合材ｎ力品を形成づ−る ことであイ）。

以トー＝城付の図を１旧−１つ：）本発明を実施例しＥつい１．　：４’細に説 明する。

図面の簡単な説明 第１図はマトリックスｒ−ンよりなる一つの典型的な布を示している。

第２図は強化繊組Ｖ−ンよりなる一つの典へν的な布を示しでいる。

第３図及び第４図はそれぞれ７１−リックスのヤーン及び強化繊維のヤーンを含 む一つの典型的な布を示している。

第５図はマトリックスｓｓｍ及び強化繊維の混合物にて形成されたヤーンよりイ 蒙る一つの典型的なハイブリッド布を示しでいる。

第６図はトリックス繊維及び強化繊維を含むハイブリッドＶ−ンの断面を示して いる。

発明を実施するための最良の形態 繊維の形態に形成し得る任意のガラス、ガラス−セラミック、又はセラミック材 料がマトリックス材料として使用されてよい。何れの材料を使用するかの選定は 、最終的に得られる複合材料物品に必要とされる特定の特性次第である。マトリ ックスの幾つかは優れた熱的安定性、優れた破壊靭性を有しており、また特定の 強化繊維との両立性に優れている。これらの特徴及び他の特徴により何れのマト リックスを選定すべきかが決定される。例えばガラス−セラミックマトリックス 及び炭化ケイ素繊維よりなる複合材料を形成する場合には、マトリックス材料は 満足し得る複合材料を製造するためには実質的にチタニウムを含有しないもので なければならない。本発明の方法の実施に有用であることが解っているガラスマ トリックスとしては、Ｅ−Ｇｌａｓｓ、　Ｃｏｒｎｉｎｇ　１７２３アルミノシ リケート、Ｃ０ｒｎｉｎＱ７７４０ボロシリケート・ガラス、ＣｏｒｎｉＨ７９ ３０高シリカ含有ガラス（９６ｗｔ％シリカ）がある。更にガラス−セラミック マトリックスとしてはリチウム・アルミノシリケート、アルミノシリケート、マ グネシウム・アルミノシリケートがあり、セラミック材料の例としてはムライト がある。

ガラス、ガラス−セラミック、又はセラミックマトリックスは、スピニングの如 き任意の通常の方法により連続繊維の形態に形成される。製造される繊維の直径 及び長さは重要ではなく、形状も任意の形状（即ち平坦、楕円形、丸など）であ ってよい。しかし繊維は実質的に断面円形であり、約１〜２５μ（５〜１５μが 特に好ましい）の直径を有することが好ましい。マトリックスを、通常の方法を 使用して織るか組むか編むかして布に形成されるヤーンに形成され得る繊維に形 成することが重要である。ヤーンは一つのモノフィラメント繊維であってよく、 また数百若しくはそれ以上の繊維を含んでいてよい。一般にヤーンは約２５０本 又はそれ以上の繊維を含んでいる。

繊維強化材は任意の通常の複合強化材、即ち炭素、黒鉛、炭化ケイ素、アルミナ などであってよく、引抜き、スピニングの如き通常の繊維形成法の何れかを使用 して形成されてよい。強化材を選定する際のＩＩＩ限因子は、マトリックスを稠 密化するに必要な温度との熱的両立性及び強化材とマトリックスとの間の物理的 両立性、即ちマトリックス及び強化材の膨張係数が互いに近似していること、反 応性などである。何れの強化材が選定されるかは最終的に得られる複合材料物品 に必要な特性次第である。更に強化繊維の直径、長さ、及び形状も重要ではない 。しかし強化繊維は実質的に断面円形であり、約５〜２００μ（５〜１５０μが 特に好ましい〉の直径を有することが好ましい。

次いで強化連続繊維は典型的には２５０本又はそれ以上の繊維を含むヤーンに形 成される。ががるヤーンはそれが通常の方法を使用して織るか編むが組むがして 布に形成されるよう形成されなければならない。

以上に於ては強化材及びマトリックス材料を繊維及びヤーンに形成する実施例に ついて本発明を説明したが、かかる工程は省略されてよく、強化材及びマトリッ クスの繊維又はヤーンが購入されてもよい。

モノフィラメント繊維を組むか織るか編むかして布を直接形成し、これによりヤ ーンを形成するという余分な工程が排除されてもよい。この場合にはヤーンを製 造するのに使用される繊維よりも直径の大きい繊維が使用される。更にかかる繊 維はそれらの繊維を組むか織るか編むかする工程に付されるに十分な可撓性及び 強度を有していなければならない。

次いでマトリックス繊維及び強化繊維のヤーンは織るか編まれることによって布 に形成される。この布は第１図及び第２図に示されている如く均質である。これ らの布は全てマトリックスのヤーン１０又は全て強化材のヤーン１２を含んでい る。ヤーンを織ることは、平織り、あや嘲り、サテンの如き従来の織りパターン や、ガーゼ、パイル、ひだの如きより巧妙な織りパターンを生じる通常の方法を 使用して行われてよい。またヤーンを編む工程も通常の方法にて行われてよく、 典型的には布は縦糸又は横糸のデザインにて編まれる。これらの布は繊維が互い に他に対し実質的に９０”にて配向されるよう形成される。しかし本発明はかか る織り方に限定されるものではなく、繊維がＯ／±３０’　、Ｏ／±６０１　、 Ｏ／±４５°　、Ｏ／±４５°　／９０°の如き種々の角度の何れかにて配向さ れるよう布を形成することが望ましいこともある。

マトリックスヤーン又は強化材ヤーンの均質な布を形成することに加えて、布は マトリックスヤーン１０及び強化材ヤーン１２の混合ヤーンを有するハイブリッ ド布（第３図及び第４図参照）として形成されてもよい。かかるハイブリッド布 を形成る場合には、何れのヤーンが縦糸として使用され、何れのヤーンが横糸と して使用されるかは問題ではない。

またヤーン１４（第６図参照）それ自身がマトリックス繊＄１１６及び強化繊維 １８より形成されたハイブリッドヤーンであるハイ・ブリッド布（第５図参照） を形成することが行われてもよい。この場合ハイブリッドヤーンは通常の方法を 使用して布に形成される。

また二種類の連続強化繊維が一種類のマトリックスとの組合せで使用される三成 分系を形成することが行われてもよい。特に直径の大きい強化モノフィラメント と強化材ヤーンとを同時に使用することにより、調整された性能を得ることがで きる。

マトリックス材料及び強化材のハイブリッド布を形成する場合には、布巾に存在 するマトリックス材料は一般に固体の体積で見て約３０〜７０％の範囲であり、 特に約４０〜６０％の範囲が好ましい。従ってこれらの布は典型的には約３０〜 ７０ｖｏ１％（特に４０〜６０ｖ０１％が好ましい）である所望のマトリックス 材料含有急を有する複合材料物品となる。

マトリックス材料及び繊維強化材の均質な布が形成された後には、各市よりプリ フォームが切断され、それらが積層されて積層体が形成される。複合材料物品は 典型的には約３０〜７Ｑｖｏ１％（特に約４０〜５Ｑｖｏ１％が好ましい）のマ トリックス材料を含んでいるので、積層体内に配置されるプリフォームの数は上 述の組成を有する複合材料を形成し得るよう選定されなければならない。均質な 布を使用して積層体を形成する場合には、稠密化後に得られる最終の複合材料物 品全体に厘りマトリックス材料がより一層均−に分配されるよう、均質なマトリ ックス布のプリフォームと強化繊維布のプリフォームとを重ね合せることが必要 である。次いで積層体は通常の稠密化型内・に配置され、繊維強化材の周りにマ トリックス材料が実質的に均一に流動し得るに十分な圧力及び温度下にて稠密化 される。

積層体形成過程に於けるプリフォームの重ね合せ工程は、マトリックス材料及び 強化材のハイブリッド布が使用される場合には不要である。何故ならば、その場 合にはマトリックスが既に積層体全体に亙り密に分配されているからである。

ハイブリッド布の積層体を稠密化する工程及び均質な布の積層体を稠密化する工 程は互いに同一である。積層体が曝される温度、圧力、及び滞留時間はマトリッ クス材料を軟化させてそれを強化繊維の周りに流動させるに十分なほど高い値で なければならないが、強化繊維を損傷させるほど高い値であってはならない。一 般にガラス、ガラス−セラミック、セラミックマトリックスについては、圧力は 約１．７〜１３．８ＭＰａ　（２５０〜２０００　ｐｓｉ）であり、温度は約１ ０５０〜１７００℃であり、滞留時間は約１５分である。好ましい圧力の範囲は 約３．４〜６．９ＭＰａであり、好ましい温度範囲は約１１００〜１５００℃で ある。これらの条件は形成される物品により異なる。

織るか編むか組むかして強化材及びマトリックス材料の連続繊維又はヤーンより なるほぼ最終的形態の構造体を形成する工程も本発明の範囲内に含まれる。使用 されるヤーン又はｍ雑は上述の組合せの何れであってもよい。かくして織るか編 むか組むかすることにより複合材料構造体全体に亙り連続繊維が存在する物品が 得られる。

かかる三次元的物品は始めのうちは通常の編み方（米国特許第４．３１２，２６ １号に開示されたマグナ織りが好ましい）を使用して形成されてよい。

かかる方法によれば、直交方向のシエディング運動及びその後の組合せ又は圧縮 運動を使用してヤーン又は繊維を完全に三次元的に一体化することができる。ま たこの方法によればほぼ最終的形態の構造体を形成するに際しヤーン又は繊維の 分配又は配向の制御の自由度を高くすることができる。構造体は適当な型内に配 置され、強化ｍｔ１１の周りにマトリックスを流動化させるに１分な温度及び圧 力下にて稠密化され、これにより複合材料物品が形成される。

例 本発明の方法を使用して３　Ｘ　３　Ｘ　０　、０４５１ｎｃｈ　（７６Ｘ７６ ｘ１．１ｍ５）の複合材料物品が以下の如く形成される。

ユニオン−カーバイド（（Ｊ　ｎ１ｏｎ　Ｃａｒｂｉｄｅ）社製のＴｈ。

ｒｎｅｌ　３００（７）平織’）（ＰＷ）（７）炭素繊維布Ｊ：す３Ｘ３ｉｎｃ ｈ（７６ｘ７６ｍｌの８枚の正方形シートが形成された。

この布は１１ｎｃｈ（２５，４１１１）当たり１２Ｘ１２のヤーンの織り目を有 し、０．１１８　ｇ／ｉｎ２　（０，０１８３ｇ／Ｃ１）の面積密度を有してい た。また布の総重量は８．５９ｇであった。

平織りＥ−ガラスの３ｘ３ｉｎｃｈ（７６ｘ７６ｍｓ＋）の１４枚の正方形シー トが、１１ｎｃｈ（２５，１＋ｍ）当たり５７Ｘ５４１）Ｄ−ンヲ有し０．１９ ５　Ｑ／Ｌｎ”　（０，０３０２Ｑ／Ｃ１）の面積密度を有する布より形成され た。ガラス布の総重量は２４．５６１１１であった。これらの正方形シートが一 つのＴ　ｈｏｒｎｅｌの正方形シート、二つのガラスの正方形シート、次いで一 つりＴｈｏｒｎｅｌの正方形シートの順序にて約Ｑ、５ｃ＋ａの高さまで積層さ れた。

積層体が形成された後、該積層体が離型剤として作用する窒化ボロンにて軽く被 覆された通常の黒鉛製ホットプレス型組立体内に配置された。型より複合材料が 離型することを容易にすべく、型のプランジャと積層体との間に一枚のモリブデ ンフォイルが配置された。

次いで型組立体がホットプレス装置内に配置され、約１３５０℃の温度に加熱さ れた。プランジャの温度が１１００℃に到達した時点に於て、圧力が１０００　 Ｄｓｉ（７０゜３　ｋｇ／　Ｃｌ１１２　）に上昇された。組成物は１５分間に 屋り高温度にて加圧された状態に維持され、次いで加圧された状態のままヒータ の作動が停止され、型が約４００℃に冷却された。次いで圧力が解除され、複合 材料がＭ温（約２５℃）に冷却された後、その複合材料が型より取出された。

かくして得られた複合材料の断面は複合材料全体に亙りガラスマトリックスが良 好に浸透し分布した状態を呈した。

かかる方法を使用して形成された複合材料の物理的性質（即ち９０００〜１５０ ００　ｐｓｉ（６３３〜１０５５ｋａ／Ｃ−２）は従来の方法及び上述の材料を 使用して形成される複合材料の物理的性質と同等であった。

本発明の方法によれば、ガラス、ガラス−セラミック、又はセラミックマトリッ クスを有する繊維強化複合材料物品を製造するための従来の方法に代わる方法が 得られる。

この方法によれば、かかる複合材料物品の形成に於ける多量の労力及び経費を要 する多数の工程が不要になる。このことはマトリックスのスラリーを形成し、次 いで繊維をスラリ〜にて被覆し、その後物品の形状に形成されて稠密化されるテ ープを形成する工程を排除することによって行われる。更に上述の如きテープの 形成に際しては一般に有機バインダが使用されており、有機バインダは稠密化工 程に先立って除去されなければならない。更に本発明の方法によれば、積層工程 中及び最終的に得られる複合材料物品に於てマトリックス材料に関しより高い均 一性を得る制御を行うことができる。更に本発明の方法によれば、複雑で三次元 的形態の複合材料物品を容易に製造することができる。

消失性のバインダの必要性がないことにより得られる複合材料の高純度も非常に 重要である。

また組むか編むかして形成されたほぼ最終的形態の構造体を使用する方法よれば 、複合材料物品内にて連続繊維やヤーンが積み重ねられることにより得られる優 れた性質を有する複雑な形状の複合材料物品を製造することができる。

かかる方法はＩ形ビーム、型材、チューブ、の如き構造体をコンピュータにて補 助された設計に適用され得るものである。

完全に一体化された三次元的（３−Ｄ　＞が織られ編まれ組まれた繊維構造体の コンピュータにて補助された設ｉｔ、解析、形成に於ける最近の進歩により、複 合材料技術に於ける主要な進歩がもたらされる。強化材が上述の如く一体化され ることにより複合材料に与えられる厚さ方向の強度は、従来のブライ積層型の複 合材料構造体に於ける横断方向の強度及びラミネート間の剪断特性が比較的乏し いことにより以前に於ては不可能であると考えられていた複合材料の新たな用途 を切り開く。

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、本発明はこれ らの実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲内にて他の種々の実施例が 可能であることは当業者にとって明らかであろう。

ＦＩＧ、　／　ＦＩＧ、　２ 国際調査報告

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）繊維強化ガラス、ガラスーセラミック、若しくはセラミックマトリックス 複合材料物品の製造方法であって、特に複雑な形状の複合材料物品を製造し得る 製造方法にして、 マトリックス材料を繊維に形成する過程と、前記繊維をヤーンに形成する過程と 、 前記ヤーンを布に形成する過程と、 繊維強化材を繊維に形成する過程と、 前記強化繊維をヤーンに形成する過程と、前記強化繊維ヤーンを布に形成する過 程と、前記マトリックス布より所定形状の複数個のプリフォームを切断する過程 と、 前記強化繊維布より所定形状の複数個のプリフォームを切断する過程と、 マトリックス材料が積層体の実質的に３０〜７０ｖｏ１％となるよう、前記マト リックス布プリフォーム及び前記強化繊維布プリフォームを重ね合せて所定高さ の積層体を形成する過程と、 前記積層体を型内に配置する過程と、 前記強化繊維の周りに前記マトリックス材料を流動させるに十分な熱及び圧力を 与えて複合材料物品を形成する過程と、 を含む製造方法。
2. （２）繊維強化ガラス、ガラスーセラミック、若しくはセラミックマトリックス 複合材料物品の製造方法であって、特に複雑な形状の複合材料物品を製造し得る 製造方法にして、 マトリックス材料を繊維に形成する過程と、前記マトリックス繊維をヤーンに形 成する過程と、強化材を繊維に形成する過程と、 前記強化繊維をヤーンに形成する過程と、マトリックスヤーンが布の実質的体に ３０〜７０ｖｏｌ％であるマトリックスヤーン及び強化繊維ヤーンのハイブリッ ド布を形成する過程と、 前記ハイブリッド布より所定形状の複数個のプリフォームを切断する過程と、 前記プリフォームよりなる所定高さの積層体を形成する過程と、 前記積層体を型内に配置する過程と、 前記強化繊維の周りに前記マトリックス材料を流動させるに十分な熱及び圧力を 与えて複合材料物品を形成する過程と、 を含む製造方法。
3. （３）繊維強化ガラス、ガラスーセラミック、若しくはセラミックマトリックス 複合材料物品の製造方法であって、特に複雑な形状の複合材料物品を製造し得る 製造方法にして、 マトリックス材料を繊維に形成する過程と、強化材を繊維に形成する過程と、 ヤーンが実質的に３０〜７０ｖｏｌ％のマトリックス繊維を含むマトリックス繊 維と強化繊維とよりなるハイブリッドヤーンを形成する過程と、 前記ヤーンにてハイブリッド布を形成する過程と、前記ハイブリッド布より所定 形状の複数個のプリフォームを切断する過程と、 前記プリフォームよりなる所定高さの積層体を形成する過程と、 前記積層体を型内に配置する過程と、 前記強化繊維の周りに前記マトリックス材料を流動させるに十分な熱及び圧力を 与えて複合材料物品を形成する過程と、 を含む方法。
4. （４）繊維強化ガラス、ガラスーセラミック、若しくはセラミックマトリックス 複合材料物品の製造方法にして、マトリックス材料を連続繊維に形成する過程と 、前記マトリックス繊維をヤーンに形成する過程と、強化材を連続繊維に形成す る過程と、 前記強化繊維をヤーンに形成する過程と、前記マトリックスヤーン及び前記強化 繊維ヤーンを編組して前記マトリックスヤーンが構造体の実質的に３０〜７０ｖ ｏｌ％をなす実質的に最終の形状の構造体を形成する過程と、 前記構造体を型内に配置する過程と、 前記強化繊維の周りに前記マトリックス材料を流動させるに十分な熱及び圧力を 与えて複合材料物品を形成する過程と、 を含む製造方法。