JPS6371307A - 物品前駆体を物品に成形する方法及びポリマー材料 - 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 本発明は成形方法及び組成物、特に加圧された状態にて
物品を成形することに有用な組成物に係る。

従来の技術 複合材料はそれらが高強度及び低密度の非常に好ましい
性質の組合せを有しているので、現在高い関心を呼んで
いる。一般に、複合材料はエポキシ樹脂、フェノール樹
脂、又は他のポリマー樹脂のマトリックス中に埋設され
た黒鉛、ボロン、ガラス等の繊維よりなっている。密度
対する強度の比の高い特に好ましい特性を有する進歩し
た複合材料は航空宇宙の用途に特にを望である。しかし
他の進歩した航空宇宙用材料と同様、複合材料は比較的
処理することが困難なものであり、繊維と樹脂とをただ
単に積層し、それを室温にて硬化させることによっては
製造することができないものである。航空宇宙用複合材
料は製造することがより一層困難な樹脂を含んでいるだ
けでなく、実質的に欠陥を含まない仕上げられた部品を
製造し得るものでなければならないことが多い。従って
航空宇宙用の複合材料は、一般に、高；Ｈ度に於て実質
的な圧力が作用した状態にて成形され硬化せしめられる
。

成形の一つの方法（加圧パッド成形）は熱膨張の大きい
シリコンゴムよりなる所定形状のパッドを使用すること
を含んでいる。未硬化のプリプレグが互いに隣接するパ
ッドの間の空間に配置され、その組立体がそれを密に収
容する金属容器内に収容される。容器及びそれに収容さ
れた組立体は物品を硬化させ、またその硬化中にゴムを
膨張させて物品に圧力を与えるべく高温度に加熱される
。

加圧パッドはトラップされたゴム工具とも呼ばれる。

トラップされたゴム工具に於ては高度の熱伝導性が必要
とされることが多い。熱伝導性が高いと、加圧工程中物
品がより一層迅速に加熱されるようになる。アルミニウ
ム粉末は良好な熱伝導性を有し、密度が低く、低置であ
るので、アルミニウム粉末が一般に使用される。しかし
金属添加物は複合物中のポリマーの量を低減し、その結
果熱膨張率が低下する。また金属は工具のゴムの硬さを
増大し、これにより加圧された条件下に於て不規則な物
品に従って変形する性質が低減される。

例えば圧縮成形、圧力バッグや圧力容器を使用する平衡
加圧成形、加圧パッド成形の如く、高温且高圧下にて複
合材料を成形するために従来より種々の成形法が使用さ
れているが、これらの方法には例えばバッグの漏洩の如
き種々の聞届がある。

発明の開示 従って本発明の目的は、加圧媒体と物品との間の障壁に
僅かな割れ等が発生しても圧力損失を生じることのない
複合材料の成形方法を提供することである。

本発明は、熱伝導性を存し、特に高圧且高温の成形プロ
セスに於て加圧媒体として使用されるよう構成された流
動可能な粒状のポリマー及び金属混合物に関するもので
ある。本発明の材料は、室温に於て１０．３４ＭＰａの
圧力が与えられた条件下に於て直径１．１ｃｍ、長さ７
．６ｃｍのバイブを通過する場合で見て少なくとも０．
６ｇ／ｓの公称流量を有する約２０〜９０％の固体の流
動可能な粒状シリコンゴムと、採用される成形温度より
も低い融点を有し前記シリコンゴムと実質的に化学的に
両立可能な約１０〜８０％の熱伝導性を有する粒状金属
と゛の実質的に均一な混合物を含んでいる。

本発明の他の一つの局面は、粒状金属によって物品前駆
体に熱を伝達する加圧媒体を使用して高温度に於て物品
前駆体を物品に成形する方法に関する。本発明の方法は
圧力容器内に物品前駆体を配置し、しかる後実質的に均
一な混合物にて圧力容器を実質的に充填することを含ん
でいる。この場合混合物は固体の流動可能なポリマー媒
体と、前記高温度よりも低い融点を有し熱伝導性を有す
る粒状金属とを含んでいる。また粒状金属は前記ポリマ
ーと実質的に化学的に両立可能である。混合物は金属の
融点に等しいかそれよりも高い温度に曝され、これによ
り物品前駆体の表面に対し実質的に均一な所定の媒体圧
力が与えられる。

本発明は、熱伝導性を有ししかも流動可能である加圧媒
体を提供することにより、物品成形の技術分野に重大な
進歩をもたらすものである。

以下に添付の図を参照しつつ、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 本発明に於てを用な特定のポリマー媒体及び金属混合物
は本発明にとって重要な構成要素である。

その温度及び圧力に対する応答性、及び成形温度に於け
るその流動性及び固体としての性質により本発明の混合
物は有用である。これらの特性によりポリマー媒体は物
品前駆体の表面に好ましく実質的に均一で制御可能な圧
力を及ぼすことができる。本発明の一つの典型的な実施
例に於ては、ポリマー媒体は一４＋３０米国メツシュ篩
寸法（目開き寸法４．７−０．４２ｍｍ）の充填されて
いないシリコンゴム粒子であり、加圧されると６９　　
ｋＰａ（１０ｐｓｉ）の圧力に於て実質的に空孔のない
媒体として一体化するに十分な自己柔軟性を有している
。

典型的には加圧用ポリマーとしてシリコンゴムが使用さ
れる。このゴムは米国特許第３．８４３゜６０１号に記
載された２種類のゴムを改良したものであることが好ま
しい。また米国特許第４，０１１．９２９号を参照され
たい。一般に、好ましい材料はビニル基ｉ有するジメチ
ルシリコンである。ジメチルシリコンは種々の加硫法を
使用してポリシロキサンより製造する方法の如き従来の
商業的方法により製造されてよい。これまで使用されて
いる好ましい材料は、アメリカ合衆国ミシガン州、ミツ
ドランド所在のダウ・コーニング・コーポレイション（
Ｄｏｗ　Ｃｏｒｎｌｎｇ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）に
より製造されているＸ５−８０１７なる商品名（以前に
はＮｏ、６３６０　８１と呼ばれており、これ以降単に
８０１７という）の実験用の充填されていないシリコン
ゴム材料である。

ダウ・コーニング・コーポレイションの通常の充填材を
含んでいない他の一つのシリコンゴムＮｏ、９３−１０
４（これ以降単に９Ｂ−１０４と呼ぶ）も有用である。

米国特許第３，８４３，６０１号に記載された材料であ
ると考えられるアメリカ合衆国コネチカット州、ウェス
トポート所在のストラウファー・ケミカル・カンパニー
（Ｓｔａｕ［’ｌ’ｅｒ　Ｃｈｅａ＋Ｉｃａｌ　Ｃｏｌ
ｌ１ｐａｎｙ）製のＰｏｌｙｇｅｌＣ−１２００シリコ
ンゴムも本発明に有用である。

他の好ましい材料は、本願出願人と同一の譲受人に譲渡
された米国特許第９０７，９４６号に記載されたダウ・
コーニング社のＮｏ、Ｘ５−８０２６の如きビニルメチ
ルシロキサン−ジメチルシロキサン（ＶＭＳ−ＤＭＳ）
ポリマーである。何故ならば、この材料は高温度（例え
ば３１６℃（６００下）や４８２℃（９００下））に於
て使用可能であるからである。

好ましい材料はシリコンゴムであるが、好ましい特徴を
有する他のポリマー材料が使用されてもよい。大抵のシ
リコンゴムは長期間使用されるには温度の制限を受け、
例えば一般に約２３２℃（４５０下）までの温度に制限
される。しかしビニルメチルシロキサン型やシルフェニ
レン型のシリコン樹脂を試験したところ、これらは約４
８２’Ｃ（９００下）までの温度に於て使用可能である
ことが認められた。必要な挙動特性が維持されるならば
、媒体内に充填材や他の不純物（例えば後述の金属粒子
）が含まれていてよい。

ポリマー自身内及び成形されるべき物品への伝熱を向上
させるために使用され、しかも後述のポリマー特性を損
ねることのない熱伝導性を有する粒状添加物は粒状金属
を含んでいる。「熱伝導性を有する」とは金属や合金に
典型的な熱伝導性であって、有機材料の熱伝導性よりも
高い熱伝導性を意味する。また「粒状」とは粒径的０．
５ｍｍ未満の粒子であることを意味する。これらの大き
さにより金属はポリマーと混合することができ、これに
より均一な混合物が得られる。このことにより熱伝導用
金属が混合物全体に亙り分散されるので、熱伝導を向上
させることが補助される。粒状金属は粒径的０．００５
〜０．５ａｍであることが特に好ましい。粒子の粒径が
約０．００５ｍｍ未満である場合には、それらの粒子は
急激に酸化し易い。更に溶融金属がポリマー粒子の周り
にて流動し、他の金属粒子と結合し得るようにするため
には、金属粒子はポリマー粒子の平均粒径よりも小さい
か又はこれに等しいことが好ましい。粒径が比較的大き
い場合には粒子は互いに独立した状態に留まり、粒子が
互いに接触しないので、適正に分散された粒子の場合に
比して熱伝導性が低下する。

物品が成形される場合の温度よりも低い融点を有するほ
ぼ全ての任意の金属又はその組合せ（例えば合金）が使
用されてよい。金属の融点は、初期予備成形工程中及び
温度が変化する過程中媒体が流動するに十分な程低いこ
とが好ましい。このことは金属粒子が成形中ポリマー及
び金属混合物の媒体に組織を与えてはならないので重要
である。

混合物に組織が与えられると、後述の如く本発明にとっ
て重要である媒体の流動性が低減される。

金属は溶融状態に於ては個々のポリマー粒子の間に於て
潤滑剤として作用し、少なくとも媒体の流動を阻害しな
い。好ましい合金としては鉛、スズ、亜鉛、ビスマスの
合金があり、これらは媒体の流動性を現実に向上させる
。従ってポリマーの熱伝導性が流動性を損なうことなく
改善される。典型的には融点は金属が初期予備成形工程
中及び硬化工程中に多量の組織を与える温度である約２
３２’Ｃ（４５０下）よりも低い。勿論このことは物品
を成形するに必要ム成形温度によって異なる。例えば１
７７℃（３５０下）のエポキシ樹脂については、融点は
約１２１℃（２５０下）未満であることが好ましい。３
１６℃（６００下）又はそれ未満の温度に於て硬化され
るポリイミド樹脂については、金属は約１７１℃（３４
０下）に於て溶融することが好ましい。

溶融した金属は粒状ポリマー媒体の不規則な表面に従う
ものと考えられる。このことにより全てのポリマー粒子
を覆う連続的な金属膜が形成され、これにより熱伝導性
が向上される。また金属及びポリマー媒体混合物は、そ
れが高温状態にある場合には、低温状態のポリマー媒体
のみの場合よりも流動性が高いものと考えられる。

また選定される金属や合金は選定されるポリマーと実質
的に化学的に両立可能なものである。

「実質的に化学的に両立可能な」とは、採用される成形
温度に於てもポリマー媒体の約１０％以上が戻りや分解
を促進することがないことを意味する。、戻りとはポリ
マーがオイル状の粘性の高い液体媒体に分解することや
ガス化することを意味する。金属がポリマーと化学的に
両立するものでない場合には、ポリマー媒体の過度の分
解が発生する。

更に選定される金属や合金は高い熱伝導性、低い比熱、
低い密度、溶融状態での低い粘性、低い表面張力を有し
ていることが特に好ましい。何故ならば、これらの特性
の組合せにより最も好ましい成形用金属及びポリマー媒
体混合物が得られるからである。

粒状金属は共晶合金を含んでいることが好ましい。好ま
しい材料は下記の表に示された材料であるが、好適であ
るものと考えられる多数の銅合金、鉛合金、スズ合金、
ビスマス合金が存在する。多数の純金属がアメリカ合衆
国ニューシャーシー州、バーゲンフィールド所在のアト
ランチツク・イクイップメント・エンジニアーズ＜　Ａ
ｔ１ａｎｔ１ｃ　Ｅｑｕｉｐｓｅｎｔ　Ｅｎｇｉｎｅｅ
ｒｓ）より販売されている。

融　　点　　元　　　素　　　　　比 三元共品　　　　９５℃　Ｂｊ、Ｐｂ、ＳＮ　　５２．
５：３２：１５．５０一ズ合金　　　１０９℃　Ｂｉ、
Ｐｂ、Ｓｎ　　５０：２８：２２三元共品　　　１３０
℃　旧、Ｓｎ、Ｚｎ　　５８：４０：４二元共晶　　　
１４０℃　Ｂｆ、Ｓｎ　　　５８：４２共晶はんだ　　
１ｇ３℃　Ｓｎ、Ｐｂ　　　８３：３７二元共品　　　
　１９８℃　Ｓｎ、Ｚｎ　　　９Ｇ、５：３．５ポリマ
ー及び粒状金属の混合物は約２０〜９０％のポリマーと
約１０〜８０％の粒状金属とを含んでいることが好まし
い。何故ならば、粒状金属の量が約９０％を越えると、
金属がポリマーより絞り出され、逆に約１０％未満の場
合には熱伝導性を改善するに必要な連続的な層を形成す
るに十分な金属が存在しなくなるからである。また使用
される金属の密度は「絞り出し」の程度に影響する。金
属の量は成形圧力に依存する。何故ならば、圧力が高く
なると金属はポリマー粒子の周囲に於て薄い層に圧搾さ
れるからである。また金属の比重が高くなればなる程、
金属は層状化し易くなり、このことは好ましくない。金
属が上掲の表に示されたＢｌ　−Ｐｂ−３口三元共晶で
ある場合には、ポリマー及び粒状金属混合物は約２５〜
４０％のポリマーと約６０〜７５％の粒状金属とを含ん
でいることが特に好ましい。三元共晶は低温用（例えば
２３２℃（４５０下）までの）複合材料に有用である。

好ましい他の一つの材料は上述の如き共晶はんだである
。何故ならば、この材料は比較的高い温度（例えば３１
６〜３９９℃（６００〜７５０下））に於て有用である
からである。

以上に於ては特定の組成の混合物について説明したが、
」二連の値とは異なるが本明細書に記載された利点を存
する他の混合物が使用されてもよい。

本願出願人と同一の譲受人に譲渡された米国特許出願第
　　　　　号に記載されている如く、混合物に使用され
るポリマーに応じて、ポリマー及び金属はポリマーの再
利用を容易にすべく使用後に互いに分離されてよい。例
えば典型的にはポリマーは約１未満の比重を有している
のに対し、金属粒子は約３よりも高い比重を有している
。かくして両者の比重が異なっているので、水洗（ポリ
マーを浮遊させ洗浄するために洗浄剤が使用されること
が好ましい）によりポリマーが金属より効果的に分離さ
れる。多くの場合混合物は適当な乾燥工程後にすぐに再
利用されてよい。このことにより材料が汚染された場合
にも材料を再利用することが容易になる。

以上に於ては金属粒子及びポリマー粒子に対する金属粒
子の比率について説明したので、これより本発明に於て
使用されるポリマーについて説明する。

好ましい８０１７シリコンゴムは低強度及び高破砕性を
特徴としている。「高破砕性」とは、適度な大きさの固
体が適度な機械的力に曝された場合に、指の間にて擦り
合わされた場合であっても、小さい粒子に崩壊する程低
強度であることを意味する。、８０１７材料は１未満の
ショアＡ硬さく５０〜５５のショアＯＯ硬さ）を有して
おり、面積２、　５ＣＩ’、厚さ１．２７ｃｍの標本で
測定して７０ｋＰａ程度の圧縮強度を有しており、約４
０％の圧縮変形を生じると小さい粒子に破砕する。この
挙動は比較的高い強度及び比較的高い変形抵抗、及び破
断までの伸びが比較的大きい従来のゴムの挙動とは対照
的である。また本発明にを用な好ましいポリマーであっ
て、後に説明する如く小さいオリフィス又は直径１．１
ｃｍのバイブに強制的に通されたポリマーは小さい粒子
に崩壊する傾向を有していることが認められた。例えば
約５０ｗｔ％の粉末が４０メツシユのスクリーン上に保
持される公称で３０メツシユ寸法の粉末は、成る時間を
かけると４０メツシユのスクリーン上に約２５ｖｔ％の
粉末しか保持されない粉末に変化することが解っている
。

ポリマーの上述の挙動により、実質的に均一な圧力及び
温度が制御された態様にて独立に適用される状況下に於
て均一な特性を有する複雑な形状の複合ポリマ一部材を
製造することができる。

「実質的に均一な」とは変化が１０％以内であることを
意味する。本発明の一つの実施例に於ては、ポリマーは
約１５未満の、典型的には８未満の、好ましくは１未満
のショアＡ硬さををしており、圧縮強さは１ＭＰａ未満
、好ましくは０．２ＭＰａ未満である。

本発明の媒体が成形圧力下に於て流動し得ることは、良
好な媒体の特性を反映しているものと考えられる。かか
る特徴により、圧力容器内に於て、また圧力容器内及び
外へ媒体が再分布することが可能であり、このことによ
り圧力の絶対レベル及び変動を制御することができる。

また試験により、本発明の媒体の材料を加圧パッド成形
法に於て従来より使用されている材料と区別するものは
かかる性質であることが解っている。流動特性は推論上
粘性と同様であると考えられる。しかしこの特性の本発
明にとっての重要性を測定するための明確な標準的な試
験法は存在せず、従って媒体のポリマ一部分を試験する
ために上述の４口く下方へ運動可能なピストンを有する
シリンダよりなる試験装置が作成された。シリンダは試
験されるべきゴム又は他の媒体にて充填される。シリン
ダの側部より交換可能なパイプが延在しており、該パイ
プはゴムを重量計上へ排出し、ゴムに与えられトランス
デユーサにより測定された圧力及び時間の関数として重
量が記録される。パイプは内径１．１ｃａｌの平滑なス
テンレス鋼製のチューブであり、その表面は公称で３２
−３２−６４Ｒ二乗平均値平方根）の表面仕上げを存し
ている。パイプの長さは必要に応じて選定され、７．６
ｃｍ及び１５．２ｃ１１が好ましい。

かくして一般に、ポリマーは流動性を有している、即ち
成形圧が与えれると質量移動が生じるといわれてよいも
のである。好ましいポリマーは１０．３ＭＰａ　　（１
５００ｐｓ１　）及び１５．２ｃｍ（６１ｎｃｈ）のパ
イプを使用する上述の装置に於て試験した場合、少なく
とも０．６ｇ／ｓ、典型的には６　ｇ　／　ｓ　、好ま
しくは２５　ｇ　／　ｓの流量を有している。

ポリマー及び金属混合物のポリマーの部分について更に
説明する。本発明の実施に於ては、典型的には粒状エラ
ストマが使用される。８０１７ボリマーが粒状固体とし
て使用される場合には、圧力が与えられる前の状態に於
ては、粒状体は物品前駆体の表面に於ては互いに隔置さ
れた状態にある。しかし圧力が与えられると、粒状体は
自己柔軟性を有するようになり、連続的な空孔のない塊
に合体する。共晶合金（又は金属）が添加されると、合
金は溶融してポリマー粒子の形状に従う。

かかる性質及び固有の弾性に起因して、均一な液体に似
た圧力が物品前駆体の表面に与えられる。

試験により、金属添加物を含まない８０１７ボリマーは
７０ｋＰａ程度の適度な圧縮圧力が与えられ゛ると一体
化し、かかる状態に於ては各粒子の間の粒界は、圧縮さ
れたゴムが不透明ではなく半透明になる程柔軟になる。

８０１７ボリマーは０゜９７ｇ／ｃｃの真の密度を有し
、−３０メツシュ寸法の粉末の場合０．５ｇ／ｃｃの見
掛けの密度を有しており、約７０ｋＰａの圧力が与えら
れることにより０．９４〜０．９７ｇ／ｃｃの密度を宵
する一体化した半透明の材料に圧縮される（７０ｋＰａ
〜１３．８ＭＰａの範囲にて更に圧縮されると、１０Ｍ
Ｐａ当り約０．４％の体積変化を生じる）。

上述の一体化した状態に於ては、吸収したガスを除き、
粒子の間の隙間には殆ど空孔やガスが存在しないものと
考えられる。

かくしてこの好ましい材料は粒状の形態にて使用される
場合には、３５０ｋＰａよりも低い圧力に於て、好まし
くは２４０ｋＰａよりも低い圧力に於て、更に好ましく
は約６９ｋＰａよりも低い圧力に於て自己柔軟性を有す
るようになり、明らかに空孔のない塊として一体化する
。

種々の成形試験及び材料特性の測定に基いて判断すれば
、好ましい結果は低強度、成形圧力のレベルに於ける自
己柔軟性、及び流動性を有し、液体の如き挙動を示すポ
リマーに関連している。８０１７以外のシリコンゴムが
本願出願前に使用され、公知であるか又は開発され得る
材料であって、本発明の必須の特徴を達成する他の有機
ポリマーや他の材料が存在することが解っている。良好
な成形結果に関連する好ましい特性の特徴を求めるべく
、上述の流動試験装置や標章装置を用いて実際の複合材
料物品についての成形試験に於て種々のゴムについて圧
縮試験が行われた。

粒状８０１７材料について行われた試験に於ては、約６
．９ＭＰａの公称圧力に於て２％程度の最大圧力変化が
生じ、他の有用な材料は１０９６以内の圧力均一性を示
した。溶融金属マトリックスの添加によっては上述の特
性に悪影響は及ばない。

また材料の有用性が成形され仕上げられた製品の完全性
に応じて評価され、検査により適正に圧力及び温度が与
えられなかった領域に加熱サイクル中又は冷却サイクル
中に低密度の領域や割れが生じることが認められた。

ポリマー（及び金属混合物）は現在市販されている幾つ
かの材料の特性に応じてしか特徴が求められておらず、
これらのデータは測定された特性の組合せを総計するこ
とが必要であることを確立するには不十分である。これ
に反しポリマーの特性には余裕があり、それらの特性は
個別に本発明を特徴付けるものと考えられる。

真空バッグに気密シールが存在する必要はなく、しかも
実質的に等圧の条件が達成される。小さい粒子は小孔を
閉塞し、複合材料に浸透しない。一般に粒子が存在する
こと及びその圧力によりバッグをシールすることが補助
される。高圧を含むサイクルの後に、ポリマー及び金属
混合物がその周囲の大気圧に戻されると、粒子は実質的
に互いに接若せず、それらは従来の真空装置等によって
圧力容器より容品に除去される。

好ましいポリマーを粒子として成形装置に導入し再利用
することが望ましいが、ポリマーを部分的に又は全体と
して大きい一つの塊として導入することも可能である。

成形中には容器及び補助装置（使用される場合）内に於
て媒体が流動することがある。かかる流動により媒体の
他の繰返し生じる実質的な変形と同様、媒体が粒子に分
断される。かくして好ましいモードにて粒子を使用する
ことに関連する現象は単一の固体の塊を使用する場合に
も観察される。

使用される圧力容器はポリマー媒体や物品を支持するも
のであれば任意のものであってよい。従って圧力容器は
金属容器（例えばステンレス鋼や合金鋼製）や更には工
具との組合せでの真空バッグであってよい。換言すれば
、圧力容器は成形されるべき物品を収容する物品である
。

また以上に於ては本発明を密閉された容器について説明
したが、本発明の方法の原理によれば種々の修正が可能
である。例えばロケットモータのケース内にライニング
が成形される場合の如く、物品は現場に於て成形されて
もよい。また本発明は、ポリマー媒体が圧縮成形中金型
や工具のキャビティ内に捕捉される場合の如く、密閉さ
れた容器が存在しない状況に於ても採用されてよい。例
えば雌型の上型が物品前駆体を受入れ且成形するキャビ
ティを有する雄型の下型を受入れるようになっていてよ
い。シリコンゴム及び金属媒体は雌型内の物品前駆体の
上方の空間を充填する。互いに対向するピストンが上型
及び下型を互いに近付く方向へ移動させると、媒体の体
積が変化し、これにより加圧され、物品が成形される。

かくして一般に、本発明は種々の成形状況に適用され得
るものである。

圧力容器は主として所望のポリマー及び金属媒体及び成
形されるべき物品を収容していることが好ましい。しか
し媒体中に他の物体、粒子、材料が含まれていてもよい
。また以上に於ては材料を成形中実質的に空孔のないも
のとして説明したが、これは溶融金属と個々のポリマー
媒体との間に空間が存在しないことを意味するものであ
り、ポリマー粒子の製造の性質に起因して鋳造又は成形
されたポリマー粒子中に存在することがある空孔まで制
限するものではない。

以上に於ては本発明を複合ポリマー材料（例えば従来の
ガラス繊維、黒鉛繊維等が充填された従来のポリアミド
樹脂、ポリイミド樹脂、ポリベンゾイミダゾール（ＦＢ
Ｉ）樹脂、ビスマレイミド（ＢＭＩ）樹脂、エポキシ樹
脂−更にはポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリスル
ホン樹脂等）の成形について説明したが、本発明は他の
ポリマー材料やラミネートの成形、金属（例えばアルミ
ニウムの如〈従来の粉末金属プリフォーム）やセラミッ
クを含む他の材料にて形成された物品の処理にも同様に
適用可能なものである。本明細書に於て使用されている
「成形」とは、材料（物品前駆体）の表面に圧力及び熱
が与えられ、これにより成形された物品が形成される全
ての材料処理法を含むものである。

添付の図は、■金材料プリプレグの如き物品前駆体１が
例えば合金鋼にて形成された圧力容器３内に配置され、
ポリマー媒体及び金属混合物（媒体）６にて囲繞される
本発明による方法及び装置を解図的に示している。物品
及びポリマー媒体の汚染を回避すべく、ポリマー媒体と
物品との間に障壁層２５を設け、また障壁層２５が物品
に付着しないよう離型織物２６を配置することが好まし
い。上１空バッグとは異なり、障壁層は気密性を有して
いる必要はない。例示的な障壁材料は通常のアルミフォ
イルである。障壁層はガス排出口３１を経て真空導管４
０と連通ずるガラス織物通気層を覆っていてよい。これ
らは物品より揮発性物質を除去するために使用されてよ
い。典型的には物品前駆体１に特定の形状を与え又は維
持すべく、媒体には接触していない物品前駆体１の表面
が工具７に隣接して、例えばこれに接触して配置される
。加圧装置（例えば機械的ピストン）９が物品前駆体に
対し所要の一様に分配される媒体圧力を与えることがで
きるようになっている。しかし圧力はポリマー媒体６の
熱膨張により与えられることが好ましい。従来の圧カド
ランスデューサ１２の如き測定装置が所要の圧力を検出
すべく圧力容器３内の種々の位置に挿入されていてよい
。本発明に於ては任意の圧力が採用されてよいが、複合
材料の如き物品を成形するためには、一般に２０゜６７
ＭＰａ　　（３０００ｐｓｌ　）までの圧力が必要とさ
れる。

成形されるべき物品１を成形（例えば硬化、結晶化、焼
なましなど）するために加熱装置１５が使用される。物
品を直接加熱することは誘導コイルである加熱装置３０
によっても達成されてよい。

金属を含む媒体の温度を上昇させることにより、熱が媒
体に隣接して配置された物品へ伝達される。

この場合伝熱は媒体中に金属を組込むことにより有利に
向上される。必ずしも全ての金属が溶融される必要はな
いが、媒体に剛性即ち組織を与えることなく伝熱を向上
されるべく、物品前駆体に間近に近接して配置された金
属は溶融されることが好ましい。「間近に近接して」と
は約２．５ｃａ＋又は５ｃｌ１以内であることを意味す
る。このことは物品に間近に近接して配置され成形され
るべき物品に熱を与えるよう設計された加熱装置１５が
存在する場合に生じる。かくして物品前駆体に間近に近
接した（例えば約２．５ｃｍ又は５ｃｍ以内）媒体は加
熱され、金属は溶融するが、物品より離だ金属は溶融し
ない。本発明に於ける特定の金属はポリマーの流動性を
低減しない。何故ならば、本発明に於ける金属は採用さ
れる成形温度に於て溶融されるからである。蒸気導管の
如き第二の熱伝達チューブ１８が、加圧媒体の大きい熱
膨張によって圧力を変化させるために使用されることが
好ましい。典型的には加圧媒体を膨張させるために使用
される温度は物品前駆体を硬化されるために使用される
温度よりも遥かに低い。かくしてチューブ１８は、その
チューブに高温又は低温の何れの流体が通されるかに応
じて媒体を加熱又は冷却するために使用されてよい。か
かる圧力変化の制御は解放弁２１、ピストン９、若しく
は流体加熱及び冷却装置１８により達成されてよい。

例 アメリカ合衆国カリフォルニア用、マウンテンビュー所
在のアキューレックス（Ａｃｕｒｅｘ）より販売されて
いる４５ｗｔ％のポリベンゾイミダゾール（ＦＢＩ）樹
脂と、アメリカ合衆国コネチカット州、ダンベリー所在
のユニオン・カーバイド（ＯｎＩｏｎ　Ｃａｒｂｉｄｅ
　）より販売されている５５ｖ【％のＴｈｏｒｎｅｌ　
Ｔ−３００（登録商標）黒鉛繊維とを含有するプリプレ
グが積層され、適当なマンドレル（鋳型）上に配置され
る。この物品前駆体はアメリカ合衆国ユタ州、ソルトΦ
レーク・シティ所在のティ・エムＱアイｅインコーポレ
イテッド（Ｔ、　Ｍ、　１．．１ｎｃ、）より販売され
ているテフロンにて被覆されたガラス織物であるＡｒｍ
ａｌｏｎ　　（登録商標）の一つの層、及びティ・エム
・アイ・インコーホレイテッドより販売されており真空
排気口と連通する５ｔｙｌｅ＃１５８１ガラス織物（通
気層）の一つの層にて覆われる。次いで厚さ０．０１７
７ａ＋ｍ（０，０００７１ｎｃｈ）のアルミフォイルの
一つの層が排気口の部分を除きガラス織物上に配置され
る。次いでもう一つのガラス織物の層がアルミフォイル
上に配置され、通気層を形成するよう排気口が形成され
る。最後にアルミフォイルの三つの層が積層体上に配置
され、マンドレルに対しテープにより固定される。

上述の如く形成された成形組立体がそれを処理すべく圧
力容器（鋳型）内に配置される。次いで圧力容器が閉ざ
され、７５％の合金（６３％５ｎｓ３７％Ｐｂ）と２５
％の８０１７ボリマーとを含む混合物が反応容器内に導
入され、硬化サイクルカミ開始される。物品を適正に硬
化させるべく鋳型に熱が与えられる。第二の熱源が部材
及び成形組立体が圧力容器内に設置された後に部材に間
近に近接して設置される。所望の圧力条件を維持すべく
、制御コイルチューブも加熱され冷却される。

硬化サイクル中には、ＦＢＩ樹脂を適正に硬化させて最
適の物理的及び機械的性質を得るべく、５段階の温度サ
イクルが実施される。硬化ササイクルの初期の部分に於
て加熱が不適正であると、樹脂が過剰に流失し不足する
ことがある。制御コイルチューブはポリマーの熱膨張に
よって上述の圧力が得られる温度に維持される。圧カド
ランスデューサにより所望の圧力情報が供給される。以
下のサイクルが採用される。

時間［１ｎ］　温度［’Ｃ］　　　圧力０−８０　　　
　１９１　　０．１７　ＭＰａ　（２５ｐｓｉ）ＧＯ−
７５２３２９，６５ＭＰａまで増大７５−９０　　　　
２３２　　９．８５　ＭＰａ　（１４００ｐｓｉ）９０
−１２０　　　　２８８　　９．６５　ＭＰａ　（１４
００ｐＳｌ）１２０−１８０　　　　３７１　　９．６
５　ＭＰａ　（１４００ｐｓｌ）１８０−３００　　　
　４６８　　９．６５　ＭＰａ　（１４００ｐｓｌ）負
圧及び媒体圧力（等圧）にも段階的なサイクルが採用さ
れてよい。負圧は硬化サイクルの初期の部分に於ては水
銀柱１２５〜３８０■（５〜１５１ｎｃｈ）に通気層に
於て制御される。この部分的な負圧は反応性モノマーを
除去することなく凝縮した揮発性物質を除去することを
容易にするために必要とされる。次いで部材の温度が１
４９℃（３００下）以上になった時点に於て、圧力が水
銀柱的６６０〜７６０　ｔａｇ　（２６〜３０１ｎｃｈ
）に増大される。またこの時点に於て成形圧も９．６５
ＭＰａ　　（１４００ｐｓｌ　）に増大される。樹脂の
粘性が樹脂の過剰の漏出を防止するに十分なほど増大す
る前に過剰の圧力を回避することが必要である。

負圧及び成形圧は最終の硬化工程が完了した後も継続さ
れる。成形圧は、部材の温度が１２１〜１４９℃以下に
なるまで（この時点に於て金属は凝固するが、容易に粉
砕されて自由に流動する塊になる）まで維持される。負
圧及び成形圧はその時点に於て停止される。

圧力容器は取扱い得るほど低温になった時点に於て開か
れ、粉末状態の媒体が工業用真空クリーナや他の空気圧
式輸送システムにより除去される。

物品及び工具が除去され、物品の外面が真空により浄化
される。アルミフォイルの障壁層が除去された後には、
部材は次の工程（即ち機械加工、閃光加工、浄化、接合
）に送られる。

本発明の方法は成形工具により加熱することができない
物品を成形するのに特に適している。溶融金属媒体によ
る高い伝熱により、局部的に配置された熱源により物品
前駆体を加熱することができる。

本発明は特に物品が曝される圧力及び温度を良好に制御
することを可能にするものである。更に媒体は粒状金属
を含んでいるので、媒体の流動特性を減することなく伝
熱特性を改善することができる。媒体は固体であるので
、成形される物品はガスや液体の透過を阻止するようシ
ールされる必要はなく、真空バッグ法の如き従来の方法
に於ける種々の問題が大きく緩和される。製造される物
品は特に嫂雑な形状の物品の場合には、例えば従来の方
法により製造された物品に比して、遥かに均一な特性を
存している。

金属マトリックスはサーマルサイクルの時間を低減し、
これにより高熱及び高圧に曝されることに起因する損傷
を低減する。金属の熱伝導率が高いことにより複雑な形
状の物品前駆体の加熱が改善され、また内部に於て加熱
される工具が複合材料プリプレグを加熱する必要性が低
減される。また金属マトリックスにより乾燥したポリマ
ー媒体の流動性が改善される。更にポリマー粒子の周り
に於ける連続的な金属接触によって溶融しない金属と同
程度の伝熱性を得るべく低い金属含宵量が採用されても
よい。かくして本発明は、高温且高圧にて行なわれる成
形方法を提供することにより、航空宇宙産業に多大の進
歩をもたらすものである。

以」二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。

【図面の簡単な説明】

添付の図は加熱装置によりポリマー媒体及び金属混合物
の温度を制御し、またピストンの如き機械的装置により
成形されるべき物品に与えられる圧力を随意に制御する
ことにより、本発明の成型方法を実施するための装置を
一部破断して示す斜視図である。 １・・・物品前駆体、３・・・圧力容器、６・・・ポリ
マー媒体及び金属混合物、７・・・工具、９・・・加圧
装置、１２・・・圧カスランスデューサ、１５・・・加
熱装置、１８・・・チューブ（加熱及び冷却装置）、２
１・・・解放弁、２５・・・障壁層、２６・・・離型織
物、３０・・・加熱装置、３１・・・ガス排出口、４０
・・・真空導管特許出願人　　　ユナイテッド・テクノ
ロジーズコーポレイション

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）高温度に於て物品前駆体を物品に成形する方法に
   して、 物品前駆体を圧力容器内に配置する過程と、固体の流動
   可能なポリマー媒体と、実質的に前記高温度よりも低い
   融点を有し前記ポリマーと実質的に化学的に両立可能な
   熱伝導性を有する粒状金属とを含む実質的に均一な混合
   物にて前記圧力容器を実質的に充填する過程と、 前記物品前駆体に近接して配置された前記混合物を前記
   融点に等しいかそれよりも高い温度に曝す過程と、 前記混合物に前記物品前駆体の表面に対し実質的に均一
   な所定の媒体圧力を発生させる過程と、を含む方法。
2. （２）高圧且高温の成形プロセスに使用されるよう構成
   されたポリマー材料にして、 室温及び１０．３４ＭＰａの圧力が与えれた条件下に於
   て直径１．１ｃｍ、長さ７．６ｃｍのパイプを通過する
   場合で見て少なくとも０．６ｇ／ｓの公称流量を有する
   実質的に２０〜９０％の固体の流動可能な粒状シリコン
   ゴムと、 実質的に前記高温よりも低い融点を有し、前記シリコン
   ゴムと実質的に化学的に両立可能である実質的に１０〜
   ８０％の熱伝導性を有する粒状金属と、 の実質的に均一な混合物を含み、熱伝導性を有する流動
   可能な加圧媒体であることを特徴とするポリマー材料。