JP2579754B2

JP2579754B2 - プリフオ−ムワイヤ−およびプリフオ−ムシ−トの製造方法

Info

Publication number: JP2579754B2
Application number: JP61168106A
Authority: JP
Inventors: 敏功石川; 久米雄臼田; 義一今井
Original assignee: Nippon Carbon Co Ltd
Current assignee: Nippon Carbon Co Ltd
Priority date: 1986-07-18
Filing date: 1986-07-18
Publication date: 1997-02-12
Anticipated expiration: 2012-02-12
Also published as: JPS6326318A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の属する分野］本発明は、繊維強化金属複合材（FRM）用プリフォー
ムワイヤーおよびプリフォームシートの製造方法に関
し、詳しくは炭化ケイ素繊維等の繊維に溶融槽中で金属
またはガラスを含浸させる際に、溶融槽の外部より高周
波電磁振動を印加するプリフォームワイヤーおよびプリ
フォームシートの製造方法に関する。

［従来技術およびその問題点］従来から、炭化ケイ素繊維等の繊維材料にアルミニウ
ム等の金属を含浸せしめた繊維強化金属複合材は、強靭
性、軽量性または柔軟性等の諸特性に優れ、かつ、金属
や繊維のそれぞれの長所を兼ね備えているため、車両、
航空機、ロケツト、宇宙船等各種の材料に広範に利用が
見込まれ期待されている。

このような繊維強化金属複合材を製造するためには、
まず複合材前駆体（プリフォーム）のワイヤーまたはシ
ート等のプリフォーム材を製造し、このプリフォーム材
より種々の形状の成形品を製造する。このようなプリフ
ォーム材を製造する方法は種々提案されいる。例えば、
プラズマジェット、メタリコンまたは真空蒸着のように
金属細粒または金属蒸気を繊維束に吹付けて繊維表面に
金属を付着させ繊維強化金属複合材あるいはその前駆体
であるプリフォーム材を作る方法が知られている。しか
し、これらの方法においては、金属細粒または金属蒸気
を直進的に吹きつけるため繊維束の内部にまでは十分に
金属が浸透せず満足できる強度や弾性のものが得られな
いという欠点がある。

また、他の方法として溶融金属槽中に繊維束を浸漬す
ると共に、溶融金属槽に超音波振動を与える溶融金属を
繊維束の内部まで浸透させる方法が提案されている。こ
の方法では、超音波振動により繊維束が開繊し、内部の
空気を排出するため繊維束の内部まで金属がよく浸透す
るが、この超音波振動により繊維が雑然と開繊した状態
で固定されてしまうため、繊維強化金属複合材に所望の
強度、弾性を付与することが困難である。また、超音波
振動装置を用いる際に、使用時間の経過と共に振動子の
ホーンの冷却水用の空孔の部分からクラックが発生し、
溶融金属槽中に浸漬されている先端ホーンまで振動が伝
達されないという問題が生じる。

このような問題点を解決するものとして特開昭61−34
167号公報に記載の発明が提案されている。この発明
は、予め引揃えた炭化ケイ素繊維束にアルミニウム等の
金属を溶射または蒸着した後、超音波振動装置により振
動が与えられている溶融金属槽中に含浸し、かつ、この
際用いられる超音波振動装置を高温から保護するため
に、振動子のホーンの溶融金属槽に浸漬されていない上
部で超音波の半波長の節に相当する部分に冷却水用の空
孔を設けるか、または水冷ジャケットを設けるこを特徴
とするもので、このことによりホーンにクラックが発生
するのを防止し、長時間にわたり安定した品質のものが
得られるのである。しかしながらこの方法は以下に示す
欠点を有する。

1.超音波振動子が金属槽中にあるため、該振動子の金属
が溶解し、それによってプリフォーム材のマトリックス
金属成分が変動し、均質なプリフォーム材が得られな
い。

2.超音波振動子が溶損するため、プリフォーム材のマト
リックス金属を均一に被覆充填するには、振動周波数
（19〜20KHz）を最適にするため常時調整しなければな
らない。

3.超音波振動子が溶損するため、マトリックス金属の種
類または超音波振動子の材質が限定されてしまう。

4.超音波振動子を冷却する冷却水が高温槽中に漏れる恐
れがあり危険である。

このように、高品質、量産性、メンテナンス性、安全
性に優れた繊維強化金属複合材の製造方法は未だ得られ
ていない。

［発明の目的］本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであ
り、高品質、量産性、メンテナンス性、安全性に優れた
繊維強化金属複合材、特にアルミニウム等の金属と炭化
ケイ系繊維等の繊維とからなるFRM用プリフォームワイ
ヤーまたはプリフォームシートの製造方法を提供するこ
とを目的とする。

［問題を解決するための手段および作用］上記の目的を達成するため、本発明のプリフォームワ
イヤーおよびプリフォームシートの製造方法では、溶融
槽中で溶融している金属またはガラスを、連続的に供給
される繊維束に含浸させる際に、高周波振動印加用の誘
導コイルを前記金属またはガラスの溶湯に接触させるこ
となく該溶湯中の繊維に高周波振動を印加することを特
徴とする。

この場合、前記高周波振動が、10kHz〜500kHzの電磁
振動であることが好ましい。

本発明においては、まず繊維を溶融槽中に浸漬し、繊
維に金属またはガラスを含浸させる。ここで用いられる
繊維としては、炭素繊維、ホウ素繊維、炭化ケイ素繊
維、窒化ケイ素繊維、アルミナ繊維、シリカ−アルミナ
繊維等が用いられる。

また、本発明においては、繊維に金属またはガラスを
含浸する前に、高周波処理による繊維束の乱れを防ぐた
め繊維束に予め金属を溶射または蒸着する工程を設けて
もよい。この工程としては、各繊維を平行に固定する手
段であればいずれも採用される。

上述のように、本発明においては、溶融槽中で繊維に
溶融した金属またはガラスを含浸させる。ここで用いら
れる金属としては、アルミニウム、マグネシウム、チタ
ン、アンチモン、亜鉛、錫、鉛、銅、シリコン等が適宜
選択され、これらの合金を用いてもよい。またガラスと
しては任意の組成のものが使用される。

次に、溶融槽に浸漬された繊維束に溶融槽の外部より
高周波電磁誘導装置により高周波電磁振動を印加する。
また、高周波電磁誘導装置による振動は、周波数を適宜
定めることにより制御され、一般的には周波数が10KHz
〜500KHzのものが用いられる。

このように予め引揃えた状態で高周波電磁誘導処理を
施された繊維束は、繊維間に充分金属やガラスが浸透
し、空隙の少ないものとなる。

本発明においては、繊維束の表面に予め付着させた金
属が、溶融槽の外部に設けられた誘導コイルの直下に至
る時点で溶解することが必要であり、誘導コイルの直下
においても溶解しないと、高周波電磁誘導処理を施して
も繊維束の内部まで十分に金属やガラスを浸透させるこ
とができない。このことを考慮に入れると、溶融槽の浴
温は、金属またはガラスの溶融温度よりも20〜100℃程
度高いことが好ましく、例えば金属としてアルミニウム
を用いる場合には、浴温は650〜750℃程度が好ましい。
また、槽中の繊維束の糸通し速度は0.5〜20m/minが好ま
しい。0.5m/minよりも遅いと、金属またはガラスとプリ
フォームワイヤーとの反応により繊維強度が劣化し、生
産性も低下するので好ましくない。一方、20m/minより
大きいと、生産性の面では向上するが、繊維の開繊が不
充分となるため、金属またはガラスの含浸不良が起り好
ましくない。

このようにして得られたFRM用プリフォームワイヤー
またはプリフォームシートは、繊維間に金属またはガラ
スが充分に浸透し、空隙のないものが得られ、軽量で、
かつ強度、弾性等の特性が優れる。

以下、本発明を図面に基づいて詳細に説明する。

第１図は、本発明のFRM用プリフォームワイヤーの製
造方法の一実施例を示す工程概略図である。

第１図において、繊維束引揃え装置１により繊維束を
広げて引揃えられた繊維束２は、プラズマジェットやメ
タリコン等の金属溶射装置３によってアルミニウム等の
溶融金属が吹き付けられ、繊維束２の各繊維の平行性が
固定される。

この金属の付着した繊維束２はガイドロール4a、4bを
経て、アルミニウム等の溶融している金属またはガラス
５が満たされている溶融槽６に導入され、含浸される。

また、この溶融金属またはガラス５には高周波電磁誘
導装置７により振動が与えられている。この高周波電磁
誘導装置７は高周波発振器８と誘導コイル９からなり、
誘導コイル９は溶融金属またはガラス槽６の外部上面に
設置されており、高周波発振器８からの信号により、誘
導コイル９を通じて溶融金属またはガラス５に電磁振動
を与える。この高周波電磁振動によって繊維間に金属ま
たはガラスを充分に含振させることができる。

金属またはガラスを含浸した繊維束２は、さらにガイ
ドロール4c、4dやスリット10またはダイスを通して連続
的に引き出され、所望の形状を与えられると共に、過剰
の金属またはガラスを絞り取り、所定の繊維体積含有率
（Vf）のプリフォームワイヤーとされ、例えば巻き取り
装置11により巻き取られる。なお、本発明においてはプ
リフォームワイヤーについて述べたが、プリフォームシ
ートまたはプリフォームテープについても適用されるこ
とはいうまでもない。

［実施例］以下、本発明を実施例および比較例を用いて、に基づ
き、さらに詳細に説明する。

実施例１第１図の工程に伴い、500本の繊維束からなる引張り
強度300kg/mm²の炭化ケイ素繊維（商品名：ニカロン、
日本カーボン社製）束を引揃えてからプラズマジェット
でアルミニウムを溶射し、炭化ケイ素繊維束表面にアル
ミニウムを付着させた。次に、アルミニウムを付着させ
た炭化ケイ素繊維束をガイドロールを経て700℃のアル
ミニウム槽中を連続的に通過させると共に高周波電磁誘
電処理を施した。この際、高周波電磁誘導装置の周波数
は約30KHz、誘導コイルとアルミニウム槽との距離は０
〜20mm、好ましくは5mm以下、槽中への炭化ケイ素繊維
束の浸浸時間は50秒以下、好ましくは10秒以下、スリッ
トへの糸通し速度は、約20m/min、好ましくは10m/min以
下で行なった。

このアルミニウムを含有する炭化ケイ素繊維束をスリ
ットおよびガイドロールを通過させ、所望の形状とする
と共に、過剰のアルミニウムを絞り取り、巻き取り装置
で巻き取り、FRM用アルミニウムプリフォームワイヤー
とした。このFRM用アルミニウムプリフォームワイヤー
の繊維体積含有率は30容量％であり、繊維間に金属が充
分に浸透し、空隙は認められなかった。また、引張り強
度は、理論値と同じ90kg/mm²を示し、繊維配列に乱れが
ないことが実証された。なお、このFRM用アルミニウム
プリフォームワイヤーの炭化ケイ素繊維束の強度を調べ
るために、得られたワイヤーのアルミニウムを化学的に
溶解除去して取り出した炭化ケイ素繊維束の引張り強度
を測定したところ、処理前の繊維強度と差異が認められ
ず、金属と繊維との反応による繊維強度の炭化が起って
いないことが確認された。

実施例２繊維として引張り強度200kg/mm²のアルミナ繊維（Al₂
O₃）を用いた以外は、実施例１と同様にしてFRM用プリ
フォームワイヤーを作成した。この結果、繊維体積含有
率は30容量％でり、繊維間に金属が充分に浸透し、空隙
は認められなかった。また、引張り強度は、理論値と同
じ60kg/mm²であった。

比較例１実施例１において、高周波電磁誘電装置の代わりに超
音波発振器を用いた以外は、実施例１と同様にしてFRM
用プリフォームワイヤーを作成した。この結果、繊維体
積含有率は30容量％であり、引張り強度は60kg/mm²であ
った。しかし、製造開始後の時間経過とともにFe等の混
入により実施例１に比べ最大で30％以上の強度劣化が見
られ、また、超音波振動子の溶解損失により２〜３時間
の連続運転しかできなかった。

比較例２実施例１と同じ炭化ケイ素繊維を用い加圧含浸法（オ
ートクレーブ法）により金属を含浸させFRM用プリフォ
ームワイヤーを作成した。この結果、繊維体積含有率は
30容量％であり、引張り強度は40kg/mm²であった。溶湯
に接触している時間が長いため金属と糸との反応による
強度劣化が見られ、実施例１に比べ半分以下の強度しか
得られなかった。

［発明の効果］以上説明したように、本発明は、溶融槽中で溶融して
いる金属またはガラスを、連続的に供給される繊維束に
含浸させる際に、前記金属またはガラス浴に高周波振動
印加用の誘導コイルを接触させることなく該浴中の繊維
に高周波振動を印加するようにしたため、以下の効果を
有する。

槽と誘導コイルが非接触なので、 1.不純金属が溶け込むことがなく、均質なプリフォーム
材が得られる。

2.連続運転が容易に行なえて生産性が高い。

3.メンテナンスが容易である。

4.マトリックス金属の種類または超音波振動子の材質が
限定されない。

5.誘導コイルはニカロン等耐熱性のある断熱材で被覆さ
れているため安全性が高い。

また、高周波電磁誘導装置を採用したため、 6.振動周波数が限定されない。

7.金属だけでなくガラスのプリフォーム材も製作でき
る。この際ガラスマトリックスが自己発熱し、湯温の低
下を防止できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のFRMプリフォームワイヤーの製造方
法の一実施例を示す工程概略図である。 1:引揃え装置、2:炭化ケイ素繊維束、 3:金属溶射装置、 5:溶融金属またはガラス、6:溶融槽 7:高周波電磁誘導装置、8:高周波発振器、 9:誘導コイル。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】溶融槽中で溶融している金属またはガラス
を、連続的に供給される繊維束に含浸させる際に、高周
波振動印加用の誘導コイルを前記金属またはガラスの溶
湯に接触させることなく該溶湯中の繊維に高周波振動を
印加することを特徴とするプリフォームワイヤーおよび
プリフォームシートの製造方法。
【請求項２】前記高周波振動が、10kHz〜500kHzの電磁
振動である特許請求の範囲第１項記載の製造方法。
【請求項３】前記金属またはガラスを含浸させる前の繊
維を広げて引き揃えた後、金属を溶射または蒸着する特
許請求の範囲第１または２項に記載の製造方法。
【請求項４】前記繊維が、炭素繊維、ホウ素繊維、炭化
ケイ素繊維、窒化ケイ素繊維、アルミナ繊維、シリカ−
アルミナ繊維から選択される特許請求の範囲第１〜３項
のいずれかに記載の製造方法。
【請求項５】前記溶融金属がアルミニウム、マグネシウ
ム、シリコン、チタン、アンチモン、亜鉛、錫、鉛、
銅、もしくはこれらの合金から選択される特許請求の範
囲第１〜４項のいずれかに記載の製造方法。