JPS6235391B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、繊維強化複合材に係り、更に詳細に
は炭化ケイ素繊維にて強化されたガラス複合材に
係る。

通常の多くの高温構造金属が不足しそのコスト
が増大してきていることから、従来の高温金属含
有材料の代替材料としての非金属含有複合材に注
目が集められるようになつてきた。かかる高温金
属材料の代替材料、即ち高強度繊維にて強化され
た樹脂複合材や高強度繊維にて強化された金属マ
トリツクス複合材を使用することは、スポーツ用
品から高度のジエツト航空機構成要素に至るまで
種々の製品に商業的に採用される程広く行われる
ようになつてきている。しかしこれらの複合材に
於ける重要な問題の一つは、それらの最高使用可
能温度である。例えばグラフアイト繊維にて強化
されたガラスやアルミナ繊維にて強化されたガラ
スの如き複合材を使用することにより、使用可能
温度を上昇させる多大の努力がなされているが、
未だに使用可能温度に関し多くの改善の余地が残
されている。例えばグラフアイト繊維にて強化さ
れたガラス複合材は強度、耐被労性、破壊靭性の
レベルは高いが、高温度に於て有害な繊維の酸化
を受け易いものである。またアルミナ繊維にて強
化されたガラスの如き複合材は高温度に於ても酸
化に対し安定なものではあるが、これらの複合材
により得られる全体としての強度及び靭性のレベ
ルは例えばグラフアイト繊維にて強化されたガラ
ス複合材の場合よりも低い。従つて当技術分野に
於て求められているものは、強度及び破壊靭性が
高く高温度に於ける酸化安定性に優れた複合材で
ある。

本発明は、従来の複合材に於ける強度、破壊靭
性、酸化安定性の問題を解決すべく、高温度に於
ても強度及び破壊靭性が高く酸化安定性に優れた
炭化ケイ素短繊維にて強化されたガラス複合材を
提供することを目的とする。

ガラスマトリツクス中に実質的にインプレイン
ランダム配向にて（一つの平面に沿つた無作為の
方向への配置）積層された炭化ケイ素短繊維を含
む本発明による高強度複合材は、例えば300℃以
上、更には500℃以上の高温度に於てもガラスマ
トリツクスの強度及び破壊靭性よりも高い強度及
び破壊靭性を有するものである。

本発明の一つの詳細な特徴によれば、本発明に
よる複合材は酸化環境中に於ける300℃以上の温
度に於て10000psi（68.8MPa、MPaはメガパスカ
ル＝10⁶ニユートン／平方メートル）以上の撓み
強さを有している。

本発明の他の一つの詳細な特徴によれば、本発
明による複合材は酸化環境中に於ける300℃以上
の温度に於て20000psi（138MPa）以上の撓み強
さを有している。

本発明の更に他の一つの詳細な特徴によれば、
本発明による複合材は酸化環境中に於ける300℃
以上の温度に於て3MPa・ｍ^3/2以上の破壊靭性
を有している。

本発明の更に他の一つの詳細な特徴によれば、
本発明による複合材は酸化環境中に於ける300℃
以上の温度に於て5MPa・ｍ^3/2以上の破壊靭性
を有している。

以下に本発明を実施例について詳細に説明す
る。

上述の如き特性を与える任意のボロシリケート
ガラスが本発明との関連で使用されてよいが、
Corning7740（Corning Glass Works）が上述の
如き特性を発揮するに特に適したものであること
が解つている。同様に、ボロシリケートガラスよ
りボロンを浸出させることにより得られる
Corning7930（約96wt％シリカ）及び
Corning1723がそれぞれ好ましい高シリカ含有ガ
ラス、アルミノシリケートガラスである。ボロシ
リケートガラス及びアルミノシリケートガラスは
粒子寸法0.044mmの販売されている形態にて使用
されてよいが、高シリカ含有ガラス複合材に於け
る所望の特性は、100時間以上プロパノール中に
てボールミル加工されたガラスを用いて製造され
た場合にのみ得られる。また上述の如きガラスの
混合も使用されてよく、その場合には特性を適宜
に調整することができる。

所要の強度を有する任意の炭化ケイ素繊維が使
用されてよいが、50μまでの平均フイラメント直
径を有する複フイラメント炭化ケイ素ヤーンが好
ましく、特に５〜50μの平均フイラメント直径を
有する複フイラメント炭化ケイ素ヤーンが好まし
い。日本炭素株式会社は１トウ当り約250本の繊
維を有し約10μの平均繊維直径を有する上述の如
きヤーンを製造している。この繊維の平均強度は
約2000MPa（300000psi）であり、1500℃までの
使用可能温度を有している。このヤーンの密度は
約2.7ｇ／c.c.であり、弾性係数は約221GPa（32×
10⁶psi）である。これらの繊維は任意の通常の装
置によりペーパー長さ（例えば約1.0〜3.0cm）に
切断され、従来の製紙法によりシートに形成され
る。炭化ケイ素繊維は約15〜50vol％の量にて複
合材料中に存在している。

本発明のサンプルに使用された炭化ケイ素ペー
パーは等方的に積層され、即ち一つの平面内の全
ての方向に実質的等しい数の繊維が存在するよう
インプレインランダム配向された繊維のペーパー
（紙の如き繊維の集合体）が積層されたが、複合
材料にて形成される物品が主に一つの方向に応力
を受けることが解つている場合には、その物品の
製造に於ては或る特定の一つの方向に繊維が揃え
て積層されることが好ましい。しかし本発明の複
合材料の改善された特性を確保するためには、上
述の如く特定方向に揃えて配向される繊維は全繊
維の約90％を越えてはならず、繊維は一つの平面
内に（インプレイン）に置かれなければならず、
平均繊維長は好ましくは約１〜３cmでなければな
らない。

本発明の複合材料は、上述の如く形成されたペ
ーパーを所望の複合材料の形状に切断し、しかる
後例えば溶媒中に浸漬したり各プライ（ペーパー
から切出された繊維のシート体であつて繊維の積
層体の各層を構成するもの）をブンゼンバーナー
の火炎に曝してバインダを焼失させるなどの方法
により製紙バインダを除去することによつて形成
されることが好ましい。次いでプライはガラスの
スラリー中に浸漬されるか、又は各プライ間の空
間を実質的に充填するに充分なガラス粉の層を各
プライ間に介装しつつ積層される。次いでかくし
て形成された物品は高温度にてホツトプレスされ
て複合材に形成される。かかる処理のパラメータ
及び使用される材料の組成は物品の用途に応じて
広範囲に変化されてよい。各プライを任意の特定
の方向に配向する必要はないが、個々のプライが
同一の方向に配向された場合に、即ち全てのプラ
イが積層時に整合されてそれらの元の方向がペー
パーロールの軸線と同一方向に維持される場合に
最高の強度特性が得られることが解つている。

添付の第１図は、繊維１が座標軸１と２とを含
む平面に平行な平面に沿つてインプレインランダ
ム配向されてなるプライ２が座標軸３の方向に積
層された状態を示す図である。

以上の処理の説明及び下記の例より解る如く、
本発明の複合材料は長繊維（連続的な繊維）を用
いた複合材よりもはるかに容易に製造し得るもの
である。長繊維を配向する際に払われなければな
らない特定の注意は本発明の複合材を製造する場
合には必要でない。更に長繊維を含む複合材はそ
れらが圧縮された場合に繊維の長さ方向に平行な
微小割れを発生し、その結果溝ができたり流体の
漏洩が生じたりすることがあることが知られてい
る。本発明の複合材に於ては繊維が不連続的に配
向されているので、上述の如き不具合は生じな
い。また炭化ケイ素長繊維にて強化されたガラス
複合材は0.1〜0.3％程度の破壊に対する引張り歪
の比を有しているが、本発明の炭化ケイ素短繊維
にて強化されたガラス複合材は0.6％以上の破壊
に対する引張り歪の比を有しているものと考えら
れる。

例 前述の日本炭素株式会社より販売されている炭
化ケイ素繊維がInternational Paper Co.により
約2.0cmの長さに切断され、約５〜10wt％のポリ
エステルバインダを含有するペーパー状のシート
に形成され、次いでそのシートが約2.75インチ×
0.625インチ（6.99cm×1.59cm）の個々のプライに
切断された。次いで各プライをブンゼンバーナの
火炎上に保持してバインダを焼失させることによ
りバインダが除去された。次いでプライが
Corning7740ボロシリケートガラスとプロパノー
ルとよりなるスラリー中に浸漬された。一つの例
示的なスラリーの組成は780milのプロパノール中
に40ｇのガラス粉を含むものであつた。ガラスは
その90％が0.044mmの開口寸を有する篩を通過し
得るよう粉砕されることが好ましい。かくしてス
ラリーにて含浸されたプライは溶媒を除去すべ
く、空気中にて乾燥されてもよくまた加熱ブロア
の如き輻射熱源にて乾燥されてよい。同様に複合
材を形成する前に短繊維にて形成されたシートが
所望の形状に切断される必要はなく、ガラススラ
リーにて含浸された後に所望の形状に形成されて
もよい。上述の如くスラリーにて含浸されたペー
パーが高温度にて一体化されるようダイス組立体
内に約50の層にて積層された。次いで温度1450
℃、圧力約6.9MPa（１×10³psi）にて約60分間
不活性雰囲気（真空とアルゴン）中にてホツトプ
レスによる一体化が行われた。かくして得られた
複合材は約44vol％の炭化ケイ素繊維を含有して
おり、残りの部分はボロシリケートガラスよりな
つていた。このサンプルの厚さは約0.07インチ
（0.178cm）であつた。

強度、破壊歪、インプレイン等方性（等方的に
配向された繊維による）、流体不透過性、破壊靭
性、耐摩耗性、加工性、機械加工性が優れており
且製造が容易であることは、本発明による複合材
を従来の複合材より区別する重要な特性である。
本発明の複合材の上述の如き特性が優れているこ
とを確認すべく、三点曲げ強度試験が行われた。
この三点曲げ強度試験に於ては、試験されたサン
プルの寸法は5.5cm×0.5cm×0.2cmであつた。全て
のサンプルはその製造の段階で生じた過剰の表面
ガラスを除去すべく、ダイヤモンド研磨ホイール
にて予め表面が研削された。試験された三つのサ
ンプルの撓み強さの値は36.9×10³psi
（254MPa）、36.6×10³psi（252Mpa）、33.2×
10³psi（228MPa）であり、撓み係数の値は11.4
×10⁶psi（78GPa、Ｇはギガ即ち10⁹の意）、11.9
×10⁶psi（82GPa）、10.6×10⁶psi（73Gpa）であ
つた。更にこれらの値は酸化雰囲気中に於ける高
温度（例えば300℃以上、更には500℃以上）に於
ても維持されるものと考えられる。このことは上
述の如き条件下に於ては上述の如き強度を維持す
ることのできない同様に構成されたグラフアイト
繊維にて強化された複合材に勝る本発明の複合材
が有する重要な利点である。例えばグラフアイト
短繊維にて強化された複合材が酸化環境中にて高
温露呈試験された場合に生じる問題が記載されて
いる本願出願人と同一の譲受人に壌渡された米国
特許第4263367号のコラム８の第60行以下を参照
されたい。

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種々の修
正並びに省略が可能であることは当業者にとつて
明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

添付の第１図はインプレインランダム配向され
た繊維のプライが積層された状態を示す図であ
る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 炭化ケイ素繊維にて強化されたガラス複合材
   にして、ガラスマトリツクス中に実質的にインプ
   レインランダム配向され且積層された高強度及び
   高弾性係数を有する炭化ケイ素短繊維を含み、こ
   れによつて酸化環境に於ける300℃以上の温度に
   於てガラスマトリツクスの強度及び破壊靭性より
   高い強度及び破壊靭性を有することを特徴とする
   ガラス複合材。 ２ 特許請求の範囲第１項のガラス複合材にし
   て、前記炭化ケイ素繊維の平均長さは実質的に１
   〜３cmであり、前記炭化ケイ素繊維の含有率は実
   質的に15〜50vol％であることを特徴とするガラ
   ス複合材。