JPS61501911A

JPS61501911A - 繊維強化複合材料物品の製造方法

Info

Publication number: JPS61501911A
Application number: JP60502885A
Authority: JP
Inventors: プリユーオ，カール・エム; レイデン，ジヨージ・ケイ
Original assignee: ユナイテッド・テクノロジ−ズ・コ−ポレイション
Priority date: 1984-04-20
Filing date: 1985-04-19
Publication date: 1986-09-04
Also published as: WO1985004834A1; JPH0244271B2; DE3563596D1; EP0179908B1; US4666645A; EP0179908A1; EP0179908A4

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】繊維強化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４．４１２．８５４号、同第４．４２８．７６３号、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、繊維をスラリーにて被覆し、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ＩＪＡＮ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、該スラリーを繊維に付着させ、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。更に上述の如きブＯ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。

発明の開示本発明はガラス、ガラス−セラミック、又はセラミックをマトリックスとするｍ雑強化複合材料物品の製造方法を開示するものである。本発明の方法は、マトリックス及び強化材料を短５ｌＩＩｌに形成し、次いで通常の方法を使用してマトリックス短ｍ雑及び強化短繊維の均一なフェルトベーパを形成することを含んでいる。マトリックス短繊維及び強化短繊維のフェルトベーパは次いで所定の形状又はプリフォームに切断され、それらのプリフォームが積層されることによって積層体が形成される。次いで積層体が型内に配置され、マトリックス材料を強化繊維のフェルトペーパ全体に屋り流動化させるに十分な圧力及び温度下にてｍ密化され、これにより複合材料物品が形成される。

更に本発明の方法の実施に使用されるフェルトベーパは、マトリックス繊維と強化繊維との混合物よりなるハイブリッドフェルトベーパとして形成されてもよい。かかるハイブリッドフェルトベーパは所定のプリフォームに切断され、プリフォームが積層されることによって積層体が形成され、該積層体が型内に配置され、十分な温度及び圧力下にて強化ｉｍｍの周りにマトリックス材料が流動化せしめられ、これにより複合材料物品が形成される。

以下に本発明を実施例について詳細に説明する。

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。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−Ｑｌａｓｓ、　ＣｏｒｎｉｎＧ　１７２３アルミノシリケート、ＱＯｒ口ｉｎａ　７７４０ボロシリケート・ガラス、Ｑｏｒｎｉｎａ　７９３０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、連続繊維を製造するスピニング又は短繊維を製造するブローイングの如き任意の通常の方法によりＩＩＭの形態に形成される。

製造される繊維の直径及び長さは形状（即ち平坦、楕円形、丸など）と同様種々のものであってよい。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。

繊維強化材は任意のも常の複合強化材、即ち炭素、黒鉛、炭化ケイ素、窒化ケイ素、アルミナなどであってよい。強化材を選定する際のｕ１限因子は、７１〜リツクスを稠密化するに必要な温度との熱的両立性及び物理的両立性、即５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碑合材料物品に必要な特性次第である。

強化材も任意の通常の方法を使用して短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形状（即ち平坦、楕円形、円形など）と同様種々のものであってよく、本発明の方法の実施に重要な事柄ではない。しがしｍ雑は実質的に断面円形であり、約５〜２００μの直径を有１−ることが好ましい。

次いでマトリックス繊維及び強化繊維は短繊維に形成すべく任意の通常の方法を用いて所望の長さに切断される。

ｍｔ４の長さは形成されるべき構造体の大きさ及び複合材料物品に必要とされる＠柊的な特性次第である。一般のこれらの短ｌｉ＆Ｈの長さは約０．２５〜４インチ（０，８４〜１Ｑｃｍ）である。次いで短ｗ４Ｍはそれらを無作為に蓄積させて積層体とすることにより不織フェルトベーパに形成される。このことは真空成形法又は圧縮成形法、又は上述の如き不織フェルトベーパを形成する任意の他の通常の方法を用いて行われてよい。フェルトベーパの形成方法は公知であり、本発明の一部をなすものではない。−股にフェルｌ−ベーパの形成は、短繊維を液体（水）中に懸濁させその懸濁液をスクリーン又はストレーナ上に配置し、吸引によって液体を除去し、繊維が無作為に配向された不織フェルｉ・ベーパの形態にてスクリーン上にｌ！維を残存させることによって行われる。

かかるフェルトベーパは均一なものであり、例えば７１−リックス繊雛又は強化繊維のみを含んでいてよく、或いはマトリックス繊維及び強化ｌｉＨの混合物よりなるハイブリッドフェルトベーパであってよい。

フェルトベーパの厚さ及び密度はそのフ１ルト−ベーバを許容し得る複合材料物品に形成し得るか否か（−よっ−（のみ制限される。一般にこのことＧ；ｔ７ｉ −リックス材料がフェル１−ベーパを実質的に均一に貫通し強化繊維を囲繞（］得ることを意味する。多くの場合フェルトベーパの厚さは約５へ一１０ｍ１ｌ（０゜１３〜０．２５１１）である。

フェル１−ベーパの形態のマトリックス材料及び強化材を購入することにより上述の如きフェルトベーパ形成工程が省略されてもよい。

フェルトベーパはその形成後にはプリフォームと呼ばれる所定の形状に切断される。次いでそれらのプリフォームが互いに積層されて積層体が形成される。均質なフェルトベーパが使用される場合には、強化繊維のフェルトベーパは一つ又はそれ以上のマトリックスフェルトベーパにて挾まれなければならない。ががる挾込みは稠密化中にマトリックス材料が複合材料物品全体に亙り均一に分散された状態になるよう行われる。一般に複合材料物品は約３０〜７０ｖ０１％のマトリックス材料を含んでおり、好ましい範囲は約４０〜６０ｖｏ１％である。従ってかがる組成を有する複合材料を形成するためには上述の組成に応じて各プリフォームの数及び密度が選定されなければならない。

７１ヘワツクス繊維及び強化ｍＨの混合物よりなるハイブリッドフェルトベーパが使用される場合には、マトリックス材料が強化繊維の間に既に分散されているので、プリフォームを挾込んで積層する必要はない。ハイブリッドフェルトベーパを使用して複合材料物品を製造する場合には、使用されるフェルトベーパの組成が最終的に得られる物品の組成に反映することは明らかである。例えば最終的に得られる物品がその組成が５０％強化材、５０％マトリックスであることを要する場合には、フェルトベーパは５０％のマトリックス繊維と５０％の強化繊維とを含有するよう形成されなければならない。

ハイブリッドフェルトベーパが使用される場合には、フェルトベーパの厚さの上限はホットプレス型の容量によってのみ制限される。

ハイブリッドフェルトベーパの積層体を稠密化するプロセス及び均質なフェルトベーパの積層体を稠密化するプロセス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程高い値でなければならないが、強化繊維を損傷させる程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、又はセラミックマトリックスについては、圧力は約１．７〜１３．８ＭＰａ　（２５０〜２０００ｐｓｉ）であり、温度は約１０５０へ一１７００℃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。これらの条件番よ形成される物品により異なる。

上述の方法は、バインダと共にスラリーを形成し、マトリックスにて含浸されたテープを形成する労力及びエネルギを多量に消費する工程が不要であるので、複合材料物品を単純に製造することができる。

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。

国際調査報告

Claims

【特許請求の範囲】

（１）繊維強化ガラス、ガラスーセラミック、又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短繊維に形成する過程と、マトリックス短繊維をフエルトペーパに形成する過程と、繊維強化材を短繊維に形成する過程と、強化短繊維をフエルトペーパに形成する過程と、前記強化短繊維のフエルトペーパ及び前記マトリックス短繊維のフエルトペーパを所定形状のプリフォームに切断する過程と、前記マトリックスプリフォームと前記強化繊維プリフォームとを重ね合わせて積層体を形成する過程と、前記積層体を型内に配置し、前記強化繊維の周りに前記マトリックス材料を流動化させるに十分な熱及び圧力を適用して複合材料物品を形成する過程と、を含む製造方法。
（２）繊維強化ガラス、ガラスーセラミック、又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短繊維に形成する過程と、強化材を短繊維に形成する過程と、マトリックス短繊維及び前記強化短繊維よりなるフエルトペーパであって、前記マトリックス短繊維が前記フエルトペーパの実質的に３０〜７０ｖｏ１％であるフエルトペーパを形成する過程と、前記フエルトペーパを所定形状のプリフォームに形成する過程と、一つ又はそれ以上の前記プリフォームよりなる積層体を形成する過程と、前記積層体を型内に配置し、前記マトリックス材料を前記強化繊維の周りに流動化させるに十分な温度及び圧力の状態を与え、これにより複合材料物品を形成する過程と、を含む製造方法。