JPS62199739A - 繊維強化型複合材料用繊維成形体の製造方法 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明は、繊維強化型複合材料における強化用繊維と
して利用される繊維強化型複合材料用繊維成形体の製造
方法に関するものである。

（従来の技術） 材料中に強化用繊維を複合化ぎせて、当該材料の強度お
よび靭性を高めるようにする手法は、当初は合成樹脂材
料において採用され１例えばグラスファイバー強化型合
成樹脂（Ｇ　Ｆ　ＲＰ）や炭素繊維強化型合成樹脂（Ｃ
Ｆ’ＲＰ）などとして実績を重ねてきたが、近年におい
ては、金属材料中に強化用繊維を複合化させて、当該繊
維強化型金属材料（ＦＲＭ）の強度および靭性を高める
ようにする試みがなされ、自動車用部品の素材としてす
でに実用化されているものもある。

このようなｍＭ１強化型複合材料の製造方法としては、
例えば、短繊維とワックスとの混合物からなる成形体の
表面に耐火物層を被覆形成したのち加熱してワックスを
除去し、内部に繊維を含むキャビティが形成された耐火
物層よりなる鋳型内にマトリックス金属を注湯して凝固
させ、型ばらし後に繊維強化型複合材料（部品）を得る
方法がある（例えば、特開昭５７−１１８８５４号、特
開昭５７−１１８８５５号公報。）。

（）Ａ明が解決しようとする問題点） しかしながら、このような従来の繊維強化型複合材料で
は、繊維の配向が２次元的あるいは３次元的なランダム
なものとなっていたため、例えば自動車用レシプロエン
ジンに使用されるコンロッドのようなとくに一方向に引
張および圧縮が頻繁に加わる用途においては、機械的強
度に不安があるという問題点があった。そして、このよ
うな繊維が２次元ランダムに配向されている場合に、引
張強度の向上に寄与する繊維量は全繊維量の約３分の１
．３次元ランダムに配向されている場合には同じく約６
分の１というように、繊維強化率がかなり劣るという問
題点を有し、比較的高価な繊維の使用効率が低下すると
いう問題点があった。

また、従来、繊維が３次元ランダムに配向された繊維強
化複合材料に押し出し加工を加えることにより複合材料
中のｍ維の配向をそろえる方法も提案されてい・だが、
この方法によると押し出し時に複合材料中で繊維が切断
されて細かくなってしまい、有効な繊維強化となり得な
いという問題点があった。

この発明はこのような従来の問題点に着目してなされた
もので、繊維強化型複合材料に用いられる＃＃！維成形
成形体維配向がそろっており、このような繊維成形体を
使用した繊維強化型複合材料の強度および靭性を向上さ
せることが可能であり、強化用繊維の使用効率を高める
ことが可能である繊維強化型複合材料用繊維成形体の製
造方法を提供することを目的としている。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） この発明によるｌａｍ強化型複合材料用繊維成形体の製
造方法は、溶媒物質の溶融液中もしくは半溶融液中に、
２次元ランダムないしは３次元ランダム等の適宜の配向
でｍ維を含ませたのち、前記溶媒物質を加熱等による可
塑状態で押し出して前記繊維の配向をそろえ、その後前
記溶媒物質を除去するようにしたことを特徴としている
。

この発明において、溶媒物質としては、例えば燃焼後に
残液が実質的に残留しない樹脂およびワックス等の有機
物質が用いられ、この溶媒物質の溶融液中もしくは半溶
融液中に２次元ランダムないしは３次元ランダム等の適
宜の配向で含まれる繊維としては、Ｃ，Ｂ等の単位元素
系。

ＳｉＣ等の炭化物系、Ｓｉ３Ｎ４等の窒化物系。

ＡＪｌｊ２０３　　、ＺｒＯ２，５ｉ０２ｃ７）酸化物
系。

５１３Ｎ４−Ａ交２０３等の複合系、あるいは有機物系
など、各種のものの中から適宜選んで採用することがで
き、ウィスカ繊維やその他各種の繊維が使用される。

この場合、溶融状態もしくは半溶融状態の溶媒物質中に
繊維を含ませるに際しては、あらかじめ選定した繊維を
前記溶媒中に入れて混合分散させるようにしたり、ある
いはあらかじめ２次元ランダムないしは３次元ランダム
等の適宜に配向した繊維成形体を前記溶融状態等の溶媒
物質中に浸漬したのち、加圧あるいは減圧して上記繊維
成形体中に溶媒物質を浸透させるようにしたりする手段
を採用することができる。

このようにして２次元ランダムないしは３次元ランダム
等の適宜の配向で繊維を含ませた溶媒物質に対して押し
出しを行うに際しては、前記溶媒物質がそのままでは押
し出し難い場合に、軟化状態（例えば半溶融状態）にし
て押し出すようにする。この場合の押し出しに際しては
、通常は押し出しダイスとプランジャとを備えた押し出
し装置が使用されるが、特に押し出し手段については限
定されない。

そして、押し出し後に得られた成形体に対しては、例え
ば加熱を行って溶媒物質を燃焼除去（バーンオフ）等の
方法により除去することにより、繊維がほぼ一方向に配
向した繊維成形体を得る。

その後は、この繊維成形体を適宜の手段で合成樹脂また
は金属材料中に複合化させることにより、繊維強化型複
合材料を得るようにし、例えば＃ａｍ強化型金属（ＦＲ
Ｍ）の場合は高圧凝固鋳造法、減圧吸引法などによって
繊維強化系複合材料を得るようにする。

（実施例） 以下、この発明の実施例を、９面に基づし・て説明する
。

この実施例では、最終的に得られる繊維成形体のかさ密
度が０．６４ｇ／ｃｍ３となるようにして実施した。ま
ず、強化用繊維１として５ｉＣ（炭化けい素）ウィスカ
ａｍを用い、この繊維１を分散させて均一な水分散＃１
１維スラリーを作成した。この際、水分散スラリーに対
して超音波振動を与えると、ｍ維１を均一に分散させる
のに効果的である。また、アニオン系の活性剤たとえば
シントレッキス（日本油脂製）を加えることにより一層
分散性を良くすることができる。

次いで、このスラリーを使用し、真空成形法によって第
１図に示すような直径９８ｍｍＸ厚さ５０ｍｍの円盤状
の繊維成形体２を作成した。この場合、第１図に示すよ
うに、＃ｌｌ！維成形体２中における個々の強化用繊維
１はｘ−ｙ−ｚ方向のどの平面内においてもランダムに
配向されているものである。

続いて、第２図に示すように、前記ｍ形成形体２を真空
装置３の容器４内に配置し、前記容器４内に、パラフィ
ンワックス（日木精ろう製）。

ＥＶＡ　（東洋曹達製、ＵＥ７２２．共重合比率２８）
および表面活性剤（日本油脂製、スタホームＤｏ）から
なる溶媒物質５を投入し、次いでヒータ６により１００
℃に加熱溶融させた後真空ポンプにより容器４内を減圧
することによって前記繊維成形体２中の空気と溶融ワッ
クスとを貯換させ、真空中で常温硬化させることにより
溶媒物質であるワックスとｔａｇ成形体２との複合体（
第３図の符号１０）を得た。

次に、第３図に示すように、前記複合体１０を押し出し
用金型装置１１のモールドキャビティ１２内に配置し、
ヒータ１３で５５°Ｃに加熱して前記複合体１０を軟化
させて可塑状態とした。そして、引き続き前記複合体１
０をプランジャ１４によって１０６ｋｇｆ／ｃｍ２の圧
力で加圧して、金型装置１１の底板１５に設けた直径２
０ｍｍの貫通穴１６から押し出し成形することにより第
４図に示すような強化用繊ｍ１の配向が押し出し方向に
そろった円柱体２０を得た。

次いで、前記円柱体２０を、第５図に示すように、側面
に貫通孔２１ａを有する鋼製の円筒体２１で拘束して約
２００　’ｃで脱ろうを行った後、８００°Ｃで焼成し
て前記溶媒物質であるワックスを燃焼除去（パーンオフ
）することにより、円筒体２１内に拘束収容された状態
の第６図に示す繊維成形体２２を得た。

次に、拘束された繊維成形体２２をそのまま円筒体２１
と共に第７図に示す加圧鋳造用金型装置３１のモールド
キャビティ３２の底板３３上に横置きに配置し、前記モ
ールドキャビティ３２内にアルミニウム合金（ＪＩＳ規
格、ＡＣ８Ａ合金）の溶湯（溶湯温度約８００°Ｃ）３
４を注湯し、次いで前記溶湯３４をプランジャ３５によ
り８００ｋｇｆ／ａｍ２の圧力で加圧し、この加圧状態
を溶湯３４が完全に凝固するまで保持した。このように
して、外径１００ｍｍ、高さ７０ｍｍの円柱状の凝固体
を加圧鋳造し、次いで前記凝固体に対して熱処理（Ｔ６
処理）を施すことによって、第８図に示すように、炭化
けい素ウィスカよりなる強化用繊維を金属マトリックス
３４中に局部的に複合分散させた繊維強化型金属複合材
料３６を製造した。

次いで、上記のようにして製造した複合材料３６のうち
１強化用繊維によって強化された部分から、外径６．１
ｍｍ、平行部長さ３０ｍｍの引張試験片を作成した。

このとき、引張試験片は、引張力向に強化用繊維が配向
されるように作成した。

次に、上記の引張試験片をオートグラフ（島津製作所製
ＤＣＩＯ型）にセットし、引張速度１ｍｍ／ｍｉｎで引
張試験を行った。この引張試験の結果を第９図に示す。

なお、比較のために、アルミニウム合金（Ａ　Ｃ８Ａ）
のみからなる引張試験片と、炭化けい素ウィスカよりな
る強化用繊維が３次元ランダムに配向した繊維強化型金
属複合材料からなる引張試験片とを作成して、同様の引
張試験を行った。これらの結果を同じく第９図に示す。

第９図において、縦軸は引張強度（ｋｇ　ｆ／ｍｍ２）
を測定した結果の平均値（５木）を示しており、横軸は
比較例のアルミニウム合金材料（図中ＡＣ８Ａ）、３次
元ランタムウィスカ強化型金属複合材＄４（図中３−３
）および本発明例の一方向つイスカ強化型金屈複合材料
（図中１−３）を示している。

第９図に示す結果から、炭化けい素ウィスカにより一方
向強化された引張試験片の引張強度は、アルミニウム合
金材料（Ａ　Ｃ８Ａ）そのものおよび３次元ランダム強
化された引張試験片の引張強度よりもかなり高いことが
わかる。

以上の引張試験の結果より、炭化けい素ウィスカで強化
する場合には、引張方向に沿って繊維を配向することが
特に好ましく、例えばピストン側と連結する小端部とク
ランク側と連結する大端部とを秤部で一体化したエンジ
ン用コンロッドでは、当該押部における繊維の配向を秤
部の長さ方向にそろえることが特に好ましいことが確か
められた。

［発明の効果］ 以上説明してきたように、この発明によるｍ都強化型複
合材料用ｍ維成形体の製造方法では、溶媒物質の溶融液
中もしくは半溶融液中に適宜の配向で繊維を含ませたの
ち、前記溶媒物質を可塑状態で押し出して前記繊維の配
向をそろえ、その後前記溶媒物質を除去することによっ
て繊維成形体を製造するようにしたから、このような繊
維成形体を繊維強化型複合材料に複合化することによっ
て、当該複合材料の繊維方向における強度を著しく増大
させることが可能であり、特定の方向により大きな引張
強度が要求される機械構造用部品に適した素材を得るこ
とができるようになるという非常に優れた効果がもたら
される。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例において工程途中に作成し
たランダム配向繊維成形体の斜視図、第２図は前記繊維
成形体に溶媒物質であるワックスを含浸させるのに用い
た真空装置の断面説明図、第３図は第２図のワックス含
浸繊維複合体の押し出しに使用した押し出し用金型装置
の断面説明図、第４図は押し出し後の円柱体の斜視図、
第５図は前記円柱体を鋼製の円筒体で拘束した状態を示
す斜視図、第６図は焼成後に繊維を円筒体内に拘束収容
した状態を示す斜視図、第７図は繊維中に合金溶湯を浸
透させて複合化するのに用いた加圧鋳造用金型装置の断
面説明図、第８図は繊維を局部的に複合化して強化させ
た繊維強化型金属複合材料の斜視図、第９図は引張試験
の結果を示すグラフである。 １・・・強化用繊維、 ２・・・ランダム配向繊維成形体、 ５・・・溶媒物質、 １０・・・溶媒物質と強化用繊維との複合体、１１・・
・押し出し用金型装置、 ２２・・・繊維成形体。 特許出願人　　　日産自動車株式会社 同　出願人　　　ニチアス株式会社 代理人弁理士　　小　　塩　　　豊 ｒつ ○ 区 ト η

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）溶媒物質の溶融液中もしくは半溶融液中に適宜の
   配向で繊維を含ませたのち、前記溶媒物質を可塑状態で
   押し出して前記繊維の配向をそろえ、その後前記溶媒物
   質を除去することを特徴とする繊維強化型複合材料用繊
   維成形体の製造方法。