JPS63162542A - 複合材料体の製造方法 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は繊維強化複合材料、特にガラスもしくはガラス
セラミックをは村とずる複合ｒ４　ｆ’ｌの製造に閏ず
るものである，更に訂しくは本発明はロツド．チューブ
．リボン等の１軸方向に均一な断面を有ずる細長い複合
材料体の形成に関するものである。

（従来の技術） 繊維強化複合材ｆ１はＩ．｝村内に強化繊維を埋め込ん
で結合してなっている．このＪ：うな複合材享１はｒ｝
Ｒ　Ｉｉ’−独の場合に比して機械的強さや靭性が極め
て大きいために多くの分野で注１を集めている。

従来は存機ボリマーもしくは金属をＩ１材とするグラス
ファイバー強化複合材１１が主流であったが、近年ガラ
スもしくはガラスセラミックをｒ１材とずる複合ｔ＋　
ｉ−ｉが特に高温環境用として関心を集めている。

曲げ強さが１　００，０００ｐｓ　ｉ（＞Ｌ＜はそれ以
上であり、しかも靭性が極めて優れた複合材料が”Ａ　
ｔ’ｉされたことが報告されている．この種の複合材ｆ
’ｌはガラスもしくはガラスセラミックのｊＬ材を炭化
（ｐ素あるいはグラファイ１−の繊維で強化したもので
ある．この様な村ｆ’ｌおよび熱間圧縮によるその製造
方法が米ロ：１特詐第４，４８５，１７９号、第４．５
１１，６６３号、第４．５８８．６９９号、第４，５８
９．９００号等に開示されている。

ハロゲン化銀粒子あるいは分離ガラス相を第２相として
含むガラスに応力を加えて指向性（ｐ。

ｌａｒｉｚｉｎｇ　　　　ｐｒｏｐｃｒＬｉｅｓ）　　
を　リ・えることが提案されている．そのようなガラス
に応力を加えることによって第２相に異方性が与えられ
る．応力はガラスの圧延、押出、延伸によって加えるこ
とができ、その際第２相は仲ばされ、かつ、整列せしめ
られる．米ＩＬ１特許第３．６５３。

８６３号、第４，２８２．０２２号および第４。

３０４、５８４号を参照されたい。

米ｆｆＪ特許第ａ．５８１．０５３号には、ガラス含浸
繊ｌ１！ｉ物のプレプレグから繊維強化ガラス複合４４
　ｉ’ｌを製造することが開示されている。長尺の繊維
にガラス粉末のスラリーが含浸され、そのような含浸繊
維束が数本所定の構造用形材、例えば。

ベルＩ−に織られる。得られた繊維織物の網状ｔ８造は
数ブライに切られ、所望の形状に重ねられ、熱間圧縮さ
れて繊維強化ガラスｒ１材複合材↑４とされる。この複
合材ｆ１はほぼ均一に分布したガラスけ（（を存し、互
いに垂直な３方向に多軸強度を示す。

（発明の目的） 上記のような事情に監みて本発明は主にガラス等の無機
材料をｌＬ材とする複合材ｆ１の実用的な製造方法を提
（ｊ％することを目的とするものである。

（発明の構成） 本発明片は圧縮ダイから繊維の含浸体を引くことによっ
て無機複合材Ｕを製造する方法を発明し、米１１．１特
許出願した。（米田特許出ｌ！ＩＮｏ、９４２．２８１
）本発明は圧縮ダイを使用ぜずに複合材ｔ１をＶＪ造す
る方法を提供せんとするものであり、繊維間に本来的に
軸方向張力として発生ずる焼結圧が繊維に加えられるよ
うなｔＩ％造の繊維の網状ｔ＾造を１由川するものであ
る。

すなわち、本発明の方法は１軸方向に均一な断面を存す
る細長い繊維強化複合材８体を製造する方法であって、 数本の長尺のマルチファイバーにＩ＃材を含浸さぜ、１
１）られた含浸マルチファイバーの数本を編むことまた
は撚ることによって、細長い網状構造であって前記各含
浸マルチファイバーがその網状構造の軸に対してｉｌめ
に互いに交差するように延びるような網状構造を形成し
、その網状構造中に含浸されているＩ″Ｌ村を軟化させ
、その網状構造の軸方向に張力をかけることによって、
その網状構造を更に却１長くするとともに交差する各マ
ルチファイバー間に圧力を発生させてその網状構造を一
体化し、それを冷却することを特徴とするものである　
Ｓｌ＋ましい実施例においては安定したガラスあるいは
熱的にガラスセラミックに変換されるガラスがｌ’Ｅ川
される０本発明の方法は広い範囲のｌ′Ｌ村に適用する
ことができるが、ガラスＩ′Ｌ材の場合に使用するのに
特に重要である。

本発明は特にリボン、ロッド、チューブ等の則Ｉ）い形
状の複合材１番を製造する方法を提供するものである。

ガラス、セラミック、プラスチック等の煩−の材料は押
出や圧延によって州長い形にできるが、複合材料を細長
い形にする場合には、１、νに繊維を整列させる必要が
あるときには、そのような方法は使用できない。

前記の米ｌＹ１特許出願Ｎｏ、’？４２，２８１　にＬ
ＬガラスもしくはガラスセラミックをＩ’Ｌ　Ｈとする
繊維強化複合材料の製造に引出成形を使用することが記
載されている。その方法においては加えられた軸方向張
力が次第にダイの接近する壁の作用と相まって焼結圧を
ほぼ半径方向に発生させる。

これに対して本発明の方法の場合にはダイは全く使用し
ないか、あるいは使用したとしても、造形部材として使
用するのみである。繊維の網状構造に軸方向張力が加え
られると、ダイ壁によって加えられる圧力と同等な焼結
圧が、１本の含浸ス１−ランドからの隣接する他の含浸
ストランドへの圧力によって内部的に発生ずる。

最６Ｊの工程として網状構造を構成するストランドない
し糸にＩ’Ｌ村を含浸させる。充分に繊維束に浸１ｉす
るように、ｌＯ″ポアズ以下以下紙粘度にｉ＋を持する
ことができればｉｊ融浴を使用することができるが、既
存のガラスに関してはこれは実用的ではないようである
。したがって本発明では別工程でＩａ粉砕したｌＬ材の
スラリーをｌ・つ、ストランドもしくは糸に含浸させる
という方法をとる。

この方法では、例えば、選択されたガラスを溶融し、微
粉砕する。平均粒度は約３０ミクロン以下である必要が
あり、１０ミクロン以下程度であるのが望ましい、また
その粒子はスラリーの形で懸濁状態にされる。そのスラ
リーはビヒクル（例えばアルコールや水）、溶媒５分散
剤、粘度調整剤およびバインダー（ラデックスバインダ
ー等）を含んでいる。繊維束をそのスラリー内を通ずこ
とによって含浸が行われる。含浸された繊維束は０２３
％した後、プレプレグとして貯蔵しておいて、後で以降
の工程に供するようにしてもよいし、直接以降の工程に
供してもよい。

ガラス母材は公知のどのような組成のものでもよいが、
ポロシリグー１−ガラスあるいはアルミノシリケートガ
ラスの場合に優れた１ν性がｉｌられることが経験的に
分かっている。ｌ′目イをガラスセラミックとしたい場
合にはそれにあったガラスを使用し、後に結晶化する９
通常そのｎｕ用ガラスは予備溶融され微粉砕される。

繊維強化材料はトウ、スｌ〜ランドもしくは糸の形の複
数の繊維によって構成される。その繊維としてはグラフ
ァイト、炭化珪素等公知のものを使用できる。必要なら
ば不活性雰囲気または還元性雰囲気を使用して繊維や母
材を保護するようにしてもよい、繊維とｎ村のｖ１合は
用途によって異なるが、形成される。ｌ１Ｉｌ長い複合
材１１は繊維をｌ　Ｏ％程度しか含んでいなくともよい
し、また８０％程もふくんでいてもよい、しかしながら
現在のところ繊維の割合は４０〜５０容Ｖ％であるのが
望ましい。

本発明の重要な特徴の−っは複数の含浸ストランドを編
んで織物状とした繊維構造を使用することである。その
繊維横道は原末の編み機で形成してさしつかえなく、そ
の繊維横積を作る装置や方法は本発明とは直接関係ない
。

本発明において特に重要なことは２組の平行ストランド
がその一方が前記繊ｔｌｔ構造の中心軸に対して比較的
大きな角をなすようにして互いに交差するｒ１％　３ｎ
になっていることである。そのストランドと中心軸の間
の角度は用途によって異なるが、重要なことは一体１１
つ前の網状構造にＪ３けるその値が大きく、張力が加え
られるにしたがって相当小さくなることである。

他方の組のストランドは岐初の組のストランドに直角に
交差して、Ｌい、各組のス１−ランドは交互に他方の組
のストランドの１・、および下を通るようにしてｔ７い
に交差する。

編まれたＪｒＭ逍の中心軸方向に引っ張り力を加えるこ
とによってその構造がその軸方向に細長くなる。これに
よってストランドの交差パターンがほぼ直角に交差する
パターンから、各ス１−ランドが中心軸に対してなす角
が次第に小さくなり、４１＋１長い菱形状の交差パター
ンとなる。

本発明は、ＬＬ材が軟化し、網状構造が中心軸方向に伸
ばされて／４ｒ＜につれて、ストランドが互いに相手に
大きな圧力を及ぼず傾向があるという発見に基づくとこ
ろが大きい。

このようにして、一体化したｔＡ　ｊａ体が、考えられ
るよりずっと低い温度下で、かつずっと高い粘度におい
て得られる０級高温度はガラスの粘度が１０ポアズとな
る温度より高くならない、ガラスは液体が流れるのに通
常必要とする温度と枯Ｊ（の関係に近づかないから、発
生ずるカは−・体化方ないし焼結力と称することにする
。

軸方向張力を加えて、編まれた網状ｔＡｎを伸ばす前に
、その網状構造を管状炉あるいは入り目と出口を備える
とともに区分温度調節機能を有する適当な加熱室を通し
てもよい、また、その加１さ室は非酸化性雰囲気、例え
ば、チッソ雰囲気を維持する手段を備えていてもよい。

編まれた網状構造は軸方向張力を１旧すられっつ、ガラ
スが軟化するように徐々に加熱される。これに６Ｌって
、その網状構造が仲ばされる。更に３１くはこれによっ
て、交差繊維が互いに直交する関係から菱形状に交差す
る関係になるように引っ張られる。結果として、各ス１
−ランドは張られて、角応力が発生ずる。そして、それ
によってガラスが繊維内でしっかりと圧縮されて繊維に
結合された一体化された格込木が形成される。さらに、
その一体化された格逍体はフォーミングダイを通して引
っ張られ、冷却される。

第１１ｆｆ＋は本発明の方法を実施するうえてカーボン
繊維束に含浸させる方法の一例を示すものである。第１
Ｈに示ずようにストランド１２が供給ロール１４から引
き出されて容２＝１８内の含浸スラリー　１６内を通さ
れる。ストランドＩ２はローラー２０の上側を通ってス
ラリー１６内に入り、容器１８内の１７−ラー２２の下
側を通される。含浸後のストランド２４はスラリー１６
から引き出された後ダイ２６を通過せしめられて、余分
のスラリーを落とさ八、ローラー２８の上側を通って水
？に戻される。

分かり易くするために１本のストランドを含浸する場合
について第１図に示したが、数本のストランドを一度に
含浸するようにしてもＪ、い、含浸したストランドはそ
れぞれ１７−ル状にしてＩｒｉ蔵される。さもなければ
、複数の含浸ストランド２１１を直接編機（ＩＡ示せず
）にかけて、所望の織物状としてもよい０編機との関係
で必要ならば＾浸ストランドを乾燥させてもよい。

第２図は本発明の方法に使用するべ＃′、備として撚っ
た状ＩＩの２本の含浸ストランドＸ−Ｙの一部を示すも
のである。第２図に示ず、１うに含浸ス１−ランドは最
初はほぼ直角をなすように交差している。

また、交互の交差部において上Ｆが逆になる。ｌうに撚
られており、これによって互いに相゛［に固定されると
ともに、綱状ｔＡ　＝に軸方向張力がかけられたときに
互いに相手に押し付けられるようになっている。

この点について第３　ａ　、　３１）　、　３　ｅ　Ｆ
／ｌにより詐　細に示されている。第３ａ図は二軸系Ａ
　１１　ＣＩ）の成分を一蝦化して示すものである。こ
のような系は４節リンク機格に似ている。また、このよ
うな、系は本来的に不安定であり、偏心（せん断）荷重
が加えられるとつぶれる。

したがって、伸長力等の力が軸ＡＣに加えられると、第
３１１．３（：図に順に示すように、系は簡単に対角線
ＡＣ方向に！ｌ長くなる。さらに、図示の、ｌうにΔＣ
に垂直な軸ｎＤ力方向系は圧縮される。すなわち、軸Ａ
Ｃ方向に張力を加えると軸ＢＤｈ向に圧縮力が発生ずる
ことになる。実際には、織１勿、編み１初、ブレード笠
の複数のストランドからなる構造が使用されるが、説明
の簡単のために、基本的な２木のスｌ−ランドを撚った
構造を図示した。

実用的な一形態においては二軸ブレードのチューブ状Ｉ
１１物が編機のマンドレル−１−で含浸ストランドで編
まれる。このチューブ状構造は加熱室を通るように調整
されたｆ＆、軸方向に引っ張られる。

これによって、そのチューブ状ｔＡ　５Ｆｉはつぶれて
、■鎖構造となる。このようにチューブ状構造がつぶれ
ることによって半径方向の圧縮力がその＋１４　ａに鋤
くことになる。この圧縮力は前述の米「ｌ特許出願Ｎ　
ｏ　、　Ｑ　４２　、２８１の方法にＪｊいてブランク
が先細りのダイ内を引かれるときに生ずる圧縮焼結力に
似たものて゛ある。

第４ＵＡは含浸ストランド２　／Ｉを編んだ構造体４２
を一体化温度に加熱するための管状炉４０を示している
。炉４０はその人目開１］と１１目−１開１１を１７１
鎖するためのキャップ４６を備えている。その入口開口
と出口開口を１７１鎖することによって炉内の非酸化性
気体、例えばチッソのｉ［圧を維Ｔ′ｒすることができ
る。

構造体４０は炉内を引かれて予備加熱部４４とＬ加熱部
４８を通される。主加熱部４８においては、含浸されて
いるガラスが軟化し、繊維の隙間に浸透すると同時に繊
維のｔｇ造がつぶれる。これによって、加えられた軸方
向張力によって発生ずる力の下に圧縮され、焼結され、
強イヒされたガラス質体が形成される。

加熱部４４．４８は、供給される熱りを所定のレベルに
υ１９−することのできるニレメン１−５４によって加
熱される。

そのガラス質体を造形ダイ５０を通ずことによって、炉
４０から出て来る細長い複合材１１体を所望の断面形状
とする。空気等の冷却用流体を炉から出て来るル合材？
１にかけて、その複合材料が軸方向張力源、この例では
引張１７−ル５６、に達するｒｉｉｒに固化させるよう
にしてもよい。

（実施例１） ８本のグラファイト繊維のトウに、平均粒径が約１０ミ
クロン以下のボ１７シリケートガラスのスラリーを含浸
させた。得られた含浸ｌ〜つを乾燥して、１／４インチ
プラスチック管上でプレーディングして、チューブ状織
物を作った。

このようにして得られた長さ１５０インチのチューブ状
＆ｌ物を第４図に示すような炉内を通し、ガラスを軟化
させた。炉の温度は９５０”Ｃとした。軸方向張力を前
述のロール５６によって連続的に加えた。これによって
チューブ状織物がつぶれて一体化した複合材料体を造形
ダイを通して長さ１２０インチ、径１／８インチの棒と
した。

（実施例２） 実施例１と同様にして得られた含浸１〜つから３次元に
プレーディングした部（（を得た。この部（４を重りで
引っ張ることによって軸方向引、力を加えながら加熱し
た。これによってその部（Ｉはつぶれて断面積が１１５
以下になり、Ｉ／／ｌ−Ｘ　　ｌ、／８“０の剛体のｔ
異造用の棒が１−）られな。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明においてカーボン繊ｔｔｔのス１ランド
を含浸させる方法の一例を示すＩ［ｌ”２１、第２図は
２本の含浸ストランドを緩く撚り合わＣ−た状態を示す
図、第３ａ、３ｂ、３ｃ図は編まれたストランドに軸方
向引っ張り力を加えたときに、その断面が変化する様子
を示ずベタ１〜ル１４、第１１図は本発明の方法を実施
するのに使用することのできる炉の一例示す概略図であ
る。 １２　　、、、　　ストランド １６　　、、、スラリー、　２６　　、、、　　ダイ４
０、、、炉 Ｆｉｇ、　／ Ｆｉｇ、　４

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. （１）１軸方向に均一な断面を有する細長い繊維強化複
   合材料体を製造する方法であって、 数本の長尺のマルチファイバーに母材を含浸させ、得ら
   れた含浸マルチファイバーの数本を編むことまたは撚る
   ことによって、細長い網状構造であって前記各含浸マル
   チファイバーがその網状構造の軸に対して斜めに互いに
   交差するように延びるような網状構造を形成し、その網
   状構造中に含浸されている母材を軟化させ、その網状構
   造の軸方向に張力をかけることによって、その網状構造
   を更に細長くするとともに交差する各マルチファイバー
   間に圧力を発生させてその網状構造を一体化して中実な
   複合材料体とし、それを冷却することを特徴とする製造
   方法。
2. （２）前記網状構造を加熱することによって前記母材を
   軟化させることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の製造方法。
3. （３）前記母材がガラスないしガラスセラミックである
   ことを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の製造方法
   。
4. （４）前記マルチファイバーに微粉砕したガラスないし
   ガラスセラミックのスラリーを含浸させることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の製造方法。
5. （５）前記ガラスないしガラスセラミックの平均粒径が
   約３０ミクロン以下であることを特徴とする特許請求の
   範囲第４項記載の製造方法。
6. （６）前記強化用繊維がカーボン繊維もしくは炭化珪素
   繊維であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の製造方法。
7. （７）前記網状構造の中心軸に対する前記各マルチファ
   イバーの角度が一体化が進むにつれて大幅に小さくなる
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の製造方法
   。
8. （８）前記網状構造がチューブ状に編まれていることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の製造方法。
9. （９）前記網状構造をガラスの粘度が１０″ポアズとな
   る温度以下で加熱することを特徴とする特許請求の範囲
   第２項記載の製造方法。
10. （１０）前記網状構造を、閉鎖したチャンバ内で一体化
    温度まで加熱することを特徴とする特許請求の範囲第２
    項記載の製造方法。
11. （１１）前記網状構造を非酸化性雰囲気中で加熱するこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第１０項記載の製造方法
    。
12. （１２）前記一体化した網状構造を造形ダイを通して引
    っ張った後冷却することを特徴とする特許請求の範囲第
    １項記載の製造方法。
13. （１３）前記網状構造の中心軸方向に延伸力を加えると
    ともに、前記一体化後の前記網状構造をそれがその延伸
    力を加える手段に達する前に固化させることを特徴とす
    る特許請求の範囲第１項記載の製造方法。
14. （１４）前記母材が結晶化させ得るガラスであり、前記
    一体化後の複合材料体を加熱してそのガラス質母材をガ
    ラスセラミックに変化させることを特徴とする特許請求
    の範囲第３項記載の製造方法。