JPS63249645A - 炭素繊維−アルミニウム複合材料の製造方法 - 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、炭素繊維を強化材としたアルミニウム複合材
料の製造方法に関する。

従来の技術 複合材料は従来の金属材料あるいはプラスチック材料と
比較すると、高比強度、高比弾性という特徴°を有する
。そのため、複合材料は、航空宇宙産業、自動車産業と
言った分野への実用化が望まれている。更に、複合材料
をそのマトリックス成分に注目して分類すれば、金属基
複合材料（ＭＭＣ）とプラスチック基複合材料とに大別
できる。

前者は後者と比べて耐熱性に優れているといる利点があ
る。

一般にＭＭＣのマトリックス金属としては１通常、アル
ミニウムまたはその合金が、強化繊維としては、炭素、
ポロン、アルミナ等が用いられる。特に、強化繊維とし
て、比重が小さく、引張強度にも優れ、しかも安価な炭
素繊維が実用化されれば、その産業界への寄与は多大で
ある。

しかしながら、炭素繊維−アルミニウム複合材料を製造
する場合、克服しなければならない問題がいくつかある
。

その第一は、炭素繊維と、アルミニウムまたはその合金
との濡れ性の問題である０例えば「アルミニウム」誌（
Ａｌｍｉｎｕｍ、　ｖｏｌ、５０．　Ｎｏ、５．１９７
４年発行）に、純アルミニウム及びいくつかのアルミニ
ウム合金とカーボンとの濡れ角がまとめられている。そ
れによると１合金成分によって濡れ角の値に若干のバラ
つきがあるものの、９００℃以下ではいずれも９０度を
越えており、前記のように炭Ｘ繊維とアルミニウムおよ
びアルミニウム合金とは濡れないために、炭素＃Ｊｌｌ
ｌ維とアルミニウムまたはその合金との′ｌＩ：着性の
良い複合体を得るのが困難である。

第二は、炭素繊維とアルミニウムとは高温で反応しやす
く、脆弱なアルミニウムカーバイドを形成してしまうと
いう問題である。これは炭素繊維そのものの有効断面積
の低下および１強化Ｉａ維とマトリックス合金の間への
脆弱な第三層の形成による複合材料の強度低下を意味す
る。そのために、複合材料として期待されたほどの強度
が実現できない。

そこで上記のような問題点を克服し、より健全な炭素繊
維−アルミニウム複合材料を作製するための炭素ｍｓの
表面処理法がいくつか提案されている。以下にこれらの
表面処理法の例とその問題点を簡単に述べる。

製造法■　ニッケル、銅、銀のような単一金属　　　　
。

被覆を一層施す方法。

単一金属被覆では、アルミニウムと炭素繊維との反応を
抑えるにはかなり厚い被覆が必要であり、アルミ合金マ
トリックスを使った軽量化という利点が薄れてしまう。

製造法■　チタンポライドを被覆する方法。

アルミニウムと炭素繊維との濡れ性は向上されるが、Ｃ
ＶＤ法による被覆のためコスト高となる。

製造法■　シリコンカー・バイト、チタンカ゛−バイト
のようなカーバイドを被覆する 方法。

アルミニウムと炭素繊維との濡れ性は向上されるが、Ｃ
ＶＤ法やイオンブレーティング法による被覆のためコス
ト高となる。

発明が解決しようとする問題点 本発明は、炭素繊維とアルミニウム合金との濡れ性の向
上および反応性の抑制を実現する炭素繊維−アルミニウ
ム複合材料の安価な製造方法を提供するものである。

問題点を解決するための手段 本発明は、補強材として銅の第一被覆層の上に、マトリ
ックスを構成するアルミニウム合金のアルミニウム以外
の成分元素からなる金属の第二被覆層を形成させた炭素
繊維を用い、この補強材と前記のアルミニウム合金とを
複合させることを特徴とする炭素繊維−アルミニウム複
合材料の製造方法である。

以下、さらに本発明の内容を詳述する。

本発明の、上記目的を達成する手段は、以下に説明する
ように、炭素繊維への表面処理法にあり、この表面処理
法は、二層被覆層の形成という特徴を持つ。

本発明で使用される炭素繊維は、特に制限はなく、ポリ
アクリロニトリル（ＰＡＮ）系、ピッチ系など一般に提
供されているものならば何でもよいが、アルミニウム複
合材料の特性向上のためには、高強度、高弾性率のもの
を用いることが望ましい、また、繊維の長さや径につい
ての制限もない。

先ず第一段階として、炭素ｔａ維衣表面上均一に銅を被
覆する。銅の第一被覆層は、炭素ｍ維とアルミニウムま
たはその合金との反応を抑制するバリヤ一層としての役
割を担う、具体的被覆方法は１通常の電解メッキ法４蒸
着法等の方法を用いれば良い。

第二段階は、ＭＭＣのマトリックスとして用いられるア
ルミニウム合金のアルミニウム以外の成分元素からなる
金属を第二被覆層として、銅の第一被覆層の上に均一に
被覆することである。

第二被覆層の金属としては１例えば、マトリックス合金
としてアルミニウム−７％シリコン合金を用いるならば
シリコンを、アルミニウム−Ｓ％亜鉛合金を用いるなら
ば亜鉛を、アルミニウム−１０％マグネシウム合金を用
いるならばマグネシウムを被覆する。

これにより、補強材である炭素繊維と、アルミニウム合
金の融液との濡れ性を向上させることができる。

具体的被覆方法は、第一段階で形成した銅の第一被覆層
を破壊しないならば１通常の電解メッキ法、ノに着法、
あるいは融液含浸法等どのような手段でもよい。

これら第−及び第二被覆層の厚さに制限はないが、均一
に被覆され、反応を抑制できる厚さであればｉｉ７能な
限り薄い方が望しい。

第１図に本発明の二段階被覆による二層被覆層を施した
炭素繊維の概念図を示す。

第１図は、図の中心にある炭素繊維（ＣＦ）　１の表面
に銅（Ｃｕ）の第一被覆層２とマトリックスを構成する
アルミニウム合金のアルミニウム以外の成分元素からな
る金属の第二被覆層３を形成した状態を示すものであり
、これを補強材として用いる。

次いでこの補強材とマトリックスを構成するアルミニウ
ム合金とを複合化させるには、アルミニウム合金の融液
中に浸漬するなどの従来方法と同様にすればよい６例え
ば、上記二層被覆層を表面に形成させた炭素繊維または
その東を、所望のアルミニウム合金の融液中に浸漬し、
十分含浸した後引き玉げればよいが、この含浸時間はで
きるだけ短い方が好ましい。このようにして製造された
炭素繊維−アルミニウム複合材料は安価で、炭素繊維と
アルミニウム合金との濡れ性の向上および反応性の抑制
された複合材料として優れた特性を有するものとなる。

以下実施例により、さらに具体的に本発明を説明する。

実施例 平均引張強度９１．７Ｋｇ／ｃｍ’で平均直径８川厘の
円形断面を有するピッチ系炭素繊維三千本東を強化材と
して用いたアルミニウム合金複合材料を作製した。以下
その手順を示す。

先ず、アルミニウム合金と炭素繊維との反応抑制の為に
銅を繊維表面に均一に連続メッキした。

このときの送り速度は１．８ｃｍ／ｓｉｎ　、電流値は
０．６〜０．８Ａであった０次に、この銅メツキ繊維を
４３０℃の溶融亜鉛中に１２０秒間浸漬した。これによ
り、第一被覆層に銅層、第二被覆層である最表面が亜鉛
層となった銅、亜鉛二層被覆炭素繊維を１与だ。

更にこれヲ８６０℃のアルミニウム−５％亜鉛融液中に
１０秒間浸漬したところ、良好な濡れを示し、アルミニ
ウム合金が補強材と密着した炭素繊維−アルミニウム複
合材料が作製された。このときの複合材料中の炭素繊維
量は３０体積％、引張強度は２９Ｋｇ／ｍｍ’であった
。この場合、複合側に基づく理想引張強度は３４．５Ｋ
ｇ／ｍｒｎ’であるから、現実の引張強度は理想のそれ
に比べて約８４％が達成されたことになる。

尚、比較のために、銅層のみを被覆した炭素繊維と、ア
ルミニウム−５％亜鉛との複合材料を作製した。複合材
料中の炭素＃１重量が３０体積％の場合、引張強度は１
８．３Ｋｇ／ｍｍ’であった。

発明の効果 本発明の炭素Ｈ／ｉｍ−アルミニウム複合材料の製造法
と従来の製造法■、ｌメ、・ネ）とを比較してみると、
何れの場合も繻れ性の向上が図られているという面では
かわりない、しかしながら、本発明の製造法はＣＶＤや
イオンブレーティングなどコスト高な手段を使わないで
、電解メッキのような簡便な手段により、炭素繊維とア
ルミニウム合金との反応性を抑制し、複合材料としての
特性を十分に発揮できる安価な製造法であるという点で
優れており、実用１−極めて有意義なものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明で補強材として用いる二層被覆を施し
た炭Ｊ繊維の概念図である。 ｌ・・・炭素繊維、２・・・第一・被覆層（銅層）、３
・・・第二被覆層（Ａ（１合金のＡ９以外の成分元素か
らなる金属層）。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）炭素繊維の表面に第１被覆層として銅層、第２被
   覆層としてマトリックスを構成するアルミニウム合金の
   アルミニウム以外の成分元素からなる金属層を形成させ
   た補強材と、前記のアルミニウム合金とを複合させるこ
   とを特徴とする炭素繊維−アルミニウム複合材料の製造
   方法。
2. （２）第２被覆層が亜鉛、マトリックス合金がアルミニ
   ウム−亜鉛合金であることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の炭素繊維−アルミニウム複合材料の製造方
   法。