JP2830051B2 - 炭素繊維強化金属複合材料用プリフォームの製造方法 - Google Patents
炭素繊維強化金属複合材料用プリフォームの製造方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、炭素繊維強化金属複合材料（CFRM）の製
造に使用するプリフォームを製造する方法に関する。
造に使用するプリフォームを製造する方法に関する。
［従来の技術］ 炭素繊維を補強材とし、金属をマトリクスとするCFR
M、なかでも、アルミニウム、マグネシウムや、それら
の合金をマトリクスとするものは、比強度、比剛性が特
に優れ、また、耐熱性や熱伝導性にも優れていることか
ら、航空・宇宙分野をはじめとするいろいろな分野で大
きな期待が寄せられている。
M、なかでも、アルミニウム、マグネシウムや、それら
の合金をマトリクスとするものは、比強度、比剛性が特
に優れ、また、耐熱性や熱伝導性にも優れていることか
ら、航空・宇宙分野をはじめとするいろいろな分野で大
きな期待が寄せられている。
ところで、CFRMを製造する方法はいろいろあるが、そ
の一つに、炭素繊維の連続繊維束をマトリクスとなる金
属の溶湯中に導き、その溶湯を連続繊維束に含浸し、引
き上げて凝固されることによってワイヤ状のプリフォー
ムとなし、そのプリフォームを、たとえば一方向に引き
揃え、ホットプレス等で行って一体化する方法がある。
ところが、炭素繊維には、それに固有の性質として溶融
金属と濡れにくいという性質があるため、特性の優れた
プリフォーム、ひいてはCFRMの製造は、なかなか難し
い。そこで、炭素繊維と溶融金属との濡れ性を改善する
方法が古くから検討されている。
の一つに、炭素繊維の連続繊維束をマトリクスとなる金
属の溶湯中に導き、その溶湯を連続繊維束に含浸し、引
き上げて凝固されることによってワイヤ状のプリフォー
ムとなし、そのプリフォームを、たとえば一方向に引き
揃え、ホットプレス等で行って一体化する方法がある。
ところが、炭素繊維には、それに固有の性質として溶融
金属と濡れにくいという性質があるため、特性の優れた
プリフォーム、ひいてはCFRMの製造は、なかなか難し
い。そこで、炭素繊維と溶融金属との濡れ性を改善する
方法が古くから検討されている。
たとえば、特公昭59−12733号公報には、ガス状チタ
ン化合物とガス状ホウ素化合物との混合物を炭素繊維の
表面上で同時に還元する化学気相蒸着法（CVD法）によ
って、炭素繊維表面に、ホウ化チタン、または、ホウ化
チタンと炭化チタンとの混合物からなる層を形成するこ
とが濡れ性の改善に有効であることが記載されている。
また、“Failure Mode in Composites"IV、第301頁（Th
e Metallurgical Society of AIME、1979年）には、上
述した方法においては、CVD法による処理を施す前に、
炭素繊維に付着しているサイジング剤を除去しておくこ
とが必要であることが記載されている。サイジング剤
は、よく知られているように、炭素繊維の連続繊維束の
集束性を向上させてハンドリング性をよくするために用
いられているもので、一般に、エポキシ系樹脂が使用さ
れている。しかしながら、この方法を、示された条件で
実施してみると、濡れ性は必ずしも十分には向上せず、
連続繊維束の太さ方向および長手方向で溶融金属の含浸
状態にかなりのむらがでてくる。すなわち、相当の注意
を払っても、一様なプリフォームの製造はなかなか難し
い。
ン化合物とガス状ホウ素化合物との混合物を炭素繊維の
表面上で同時に還元する化学気相蒸着法（CVD法）によ
って、炭素繊維表面に、ホウ化チタン、または、ホウ化
チタンと炭化チタンとの混合物からなる層を形成するこ
とが濡れ性の改善に有効であることが記載されている。
また、“Failure Mode in Composites"IV、第301頁（Th
e Metallurgical Society of AIME、1979年）には、上
述した方法においては、CVD法による処理を施す前に、
炭素繊維に付着しているサイジング剤を除去しておくこ
とが必要であることが記載されている。サイジング剤
は、よく知られているように、炭素繊維の連続繊維束の
集束性を向上させてハンドリング性をよくするために用
いられているもので、一般に、エポキシ系樹脂が使用さ
れている。しかしながら、この方法を、示された条件で
実施してみると、濡れ性は必ずしも十分には向上せず、
連続繊維束の太さ方向および長手方向で溶融金属の含浸
状態にかなりのむらがでてくる。すなわち、相当の注意
を払っても、一様なプリフォームの製造はなかなか難し
い。
［発明が解決しようとする課題］ この発明は、従来の方法の上述した問題点を解決し、
炭素繊維と溶融金属との濡れ性を改善することによっ
て、一様性に優れたプリフォームを得る方法を提供する
ことを目的としている。
炭素繊維と溶融金属との濡れ性を改善することによっ
て、一様性に優れたプリフォームを得る方法を提供する
ことを目的としている。
［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、この発明は、化学構造式
中にエーテル結合を含むサイジング剤が付着している炭
素繊維の連続繊維束を350〜800℃の不活性雰囲気中に通
してサイジング剤を熱分解するとともに、エーテル結合
の一部または全部が含まれているサイジング剤の分解残
渣を残す前処理工程と、サイジング剤を熱分解せしめた
連続繊維束に、700〜800℃の温度下で、チタン化合物お
よびホウ素化合物を含む原料ガスと、亜鉛を含む還元ガ
スとを同時に作用させて連続繊維束を構成している各単
繊維にチタン酸化物およびホウ素酸化物からなる下地層
を形成するとともにその下地層の上にチタンおよびホウ
素からなる表面層を形成する化学気相蒸着工程と、下地
層および表面層を形成した後の連続繊維束を大気から隔
絶しつつマトリクスとなる金属の溶湯中に導き、その溶
湯を連続繊維束に含浸し、引き上げて凝固させる複合工
程と、を含むことを特徴とする、炭素繊維強化金属複合
材料用プリフォームの製造方法を提供する。以下、この
発明を工程別にさらに詳しく説明する。
中にエーテル結合を含むサイジング剤が付着している炭
素繊維の連続繊維束を350〜800℃の不活性雰囲気中に通
してサイジング剤を熱分解するとともに、エーテル結合
の一部または全部が含まれているサイジング剤の分解残
渣を残す前処理工程と、サイジング剤を熱分解せしめた
連続繊維束に、700〜800℃の温度下で、チタン化合物お
よびホウ素化合物を含む原料ガスと、亜鉛を含む還元ガ
スとを同時に作用させて連続繊維束を構成している各単
繊維にチタン酸化物およびホウ素酸化物からなる下地層
を形成するとともにその下地層の上にチタンおよびホウ
素からなる表面層を形成する化学気相蒸着工程と、下地
層および表面層を形成した後の連続繊維束を大気から隔
絶しつつマトリクスとなる金属の溶湯中に導き、その溶
湯を連続繊維束に含浸し、引き上げて凝固させる複合工
程と、を含むことを特徴とする、炭素繊維強化金属複合
材料用プリフォームの製造方法を提供する。以下、この
発明を工程別にさらに詳しく説明する。
前処理工程： この工程は、炭素繊維の連続繊維束（以下、炭素繊維
束という）を350〜800℃の不活性雰囲気中に通し、それ
に付着せしめられている。化学構造式中にエーテル結合
を含むサイジング剤を熱分解してエーテル結合を残す工
程である。
束という）を350〜800℃の不活性雰囲気中に通し、それ
に付着せしめられている。化学構造式中にエーテル結合
を含むサイジング剤を熱分解してエーテル結合を残す工
程である。
ここで、炭素繊維は、ポリアクリロニトリル系、ピッ
チ系、レーヨン系等、いずれであってもよいが、連続繊
維束であることが必要である。もっとも、形態は、通常
はストランドの形態のものを用いるが、それを織成した
編成したもの、すなわち、織物や編物であってもよい。
チ系、レーヨン系等、いずれであってもよいが、連続繊
維束であることが必要である。もっとも、形態は、通常
はストランドの形態のものを用いるが、それを織成した
編成したもの、すなわち、織物や編物であってもよい。
また、炭素繊維は、表面酸化処理が施されているもの
であってもよいし、施されていない無処理のものであっ
てもよい。
であってもよいし、施されていない無処理のものであっ
てもよい。
さらに、後述する、マトリクスとなる金属がアルミニ
ウムまたはその合金である場合には、レーザーラマン分
光分析法によって得られるスペクトルのうち、結晶バン
ドの強度の2/3におけるバンド幅（以下、IA 2/3幅とい
う）が25〜75cm-1の範囲にある炭素繊維を使用するのが
好ましい。そのような炭素繊維は、黒鉛化が進んでい
て、それだけ不活性であるから、アルミニウムとの反応
が起こりにくく、強度がより優れたプリフォームを製造
することができるようになる。
ウムまたはその合金である場合には、レーザーラマン分
光分析法によって得られるスペクトルのうち、結晶バン
ドの強度の2/3におけるバンド幅（以下、IA 2/3幅とい
う）が25〜75cm-1の範囲にある炭素繊維を使用するのが
好ましい。そのような炭素繊維は、黒鉛化が進んでい
て、それだけ不活性であるから、アルミニウムとの反応
が起こりにくく、強度がより優れたプリフォームを製造
することができるようになる。
ここで、レーザーラマン分光分析法は、よく知られて
いるように、物質レーザー光を照射したとき、その物質
に特有な量だけ波長がシフトした散乱光が出てくる現
象、すなわち、ラマン効果を利用して、物質の分子構造
に関する情報を得る分析法である。この発明において
は、仏国ジョバン・イボン（Jobin Yvon）社製レーザー
ラマンシステム“Ramanor"U−1000を使用し、ホルダー
に取り付けた炭素繊維束に、窒素雰囲気中で波長514.5n
mのアルゴンイオンレーザーをあて、ラマン散乱光を集
光してダブルグレーティングで分光し、その分光した光
をフォトマルチメータで検出し、フォトン・カウンティ
ング・システム（Photon Counting System）を用いてス
ペクトルを測定する。このとき、黒鉛構造のE2g対称の
振動によるものであるといわれている波数1585cm-1付近
のバンド、すなわち、結晶バンドが得られるので、それ
からIA 2/3幅を読み取る。
いるように、物質レーザー光を照射したとき、その物質
に特有な量だけ波長がシフトした散乱光が出てくる現
象、すなわち、ラマン効果を利用して、物質の分子構造
に関する情報を得る分析法である。この発明において
は、仏国ジョバン・イボン（Jobin Yvon）社製レーザー
ラマンシステム“Ramanor"U−1000を使用し、ホルダー
に取り付けた炭素繊維束に、窒素雰囲気中で波長514.5n
mのアルゴンイオンレーザーをあて、ラマン散乱光を集
光してダブルグレーティングで分光し、その分光した光
をフォトマルチメータで検出し、フォトン・カウンティ
ング・システム（Photon Counting System）を用いてス
ペクトルを測定する。このとき、黒鉛構造のE2g対称の
振動によるものであるといわれている波数1585cm-1付近
のバンド、すなわち、結晶バンドが得られるので、それ
からIA 2/3幅を読み取る。
さて、上述したように、炭素繊維には、化学構造式中
にエーテル結合を含むサイジング剤が付着せしめられて
いる。そのようなサイジング剤は、エポキシ系樹脂であ
るのが普通であるが、そうである必要はない。炭素繊維
にサイジング剤を付着せしめる方法自体は、特公昭57−
49675号公報ほかに記載されているように、よく知られ
ている。この発明は、要するに、化学構造式中にエーテ
ル結合を含むサイジング剤が付着せしめられている炭素
繊維を選択、使用すればよい。
にエーテル結合を含むサイジング剤が付着せしめられて
いる。そのようなサイジング剤は、エポキシ系樹脂であ
るのが普通であるが、そうである必要はない。炭素繊維
にサイジング剤を付着せしめる方法自体は、特公昭57−
49675号公報ほかに記載されているように、よく知られ
ている。この発明は、要するに、化学構造式中にエーテ
ル結合を含むサイジング剤が付着せしめられている炭素
繊維を選択、使用すればよい。
前処理工程においては、上述した、化学構造式中にエ
ーテル結合を含むサイジング剤が付着している炭素繊維
束を、350〜800℃の不活性雰囲気中に通す。すると、サ
イジング剤が熱分解され、その大半が飛散する。しかし
ながら、上述した範囲の温度では分解残渣があり、その
中にエーテル結合の一部または全部が含まれている。そ
うして、エーテル結合が残っていると、後述する化学気
相蒸着工程において、十分に還元された活性状態のチタ
ンとホウ素がエーテル結合中の酸素と結合して炭素繊維
束を構成している１本１本の炭素繊維（単繊維）の表面
に下地層を形成し、さらにその下地層の上に、活性状態
のチタンとホウ素が析出して表面層を形成するようにな
る。すなわち、下地層はチタンとホウ素が酸素と結合し
た酸化物になり、表面層は活性なチタンとホウ素になる
わけで、そのため、炭素繊維との結合力が強くなるばか
りか、溶融金属との濡れ性が向上するようになる。
ーテル結合を含むサイジング剤が付着している炭素繊維
束を、350〜800℃の不活性雰囲気中に通す。すると、サ
イジング剤が熱分解され、その大半が飛散する。しかし
ながら、上述した範囲の温度では分解残渣があり、その
中にエーテル結合の一部または全部が含まれている。そ
うして、エーテル結合が残っていると、後述する化学気
相蒸着工程において、十分に還元された活性状態のチタ
ンとホウ素がエーテル結合中の酸素と結合して炭素繊維
束を構成している１本１本の炭素繊維（単繊維）の表面
に下地層を形成し、さらにその下地層の上に、活性状態
のチタンとホウ素が析出して表面層を形成するようにな
る。すなわち、下地層はチタンとホウ素が酸素と結合し
た酸化物になり、表面層は活性なチタンとホウ素になる
わけで、そのため、炭素繊維との結合力が強くなるばか
りか、溶融金属との濡れ性が向上するようになる。
炭素繊維の表面に残存するエーテル結合の量は、炭素
繊維をESCAによって分析したとき、存在する酸素の量
が、炭素に対する原子数比で0.1以上、0.5以下であるこ
とが好ましい。この比が0.1未満では、濡れ性を改善す
るのに十分な量のチタンとホウ素の析出しなかったり、
ホウ化チタンが形成されたりすることがある。また、0.
5を越えると、析出するチタンとホウ素の多くが酸素チ
タンや酸化ホウ素になって、溶融金属との濡れ性が十分
に向上しなくなることがある。
繊維をESCAによって分析したとき、存在する酸素の量
が、炭素に対する原子数比で0.1以上、0.5以下であるこ
とが好ましい。この比が0.1未満では、濡れ性を改善す
るのに十分な量のチタンとホウ素の析出しなかったり、
ホウ化チタンが形成されたりすることがある。また、0.
5を越えると、析出するチタンとホウ素の多くが酸素チ
タンや酸化ホウ素になって、溶融金属との濡れ性が十分
に向上しなくなることがある。
ここで、ESCAは、試料の表面に軟Ｘ線を照射し、光電
効果によって叩き出された電子の運動エネルギーを測定
して電子の結合エネルギーを求めるものである。そし
て、物質中には構成原子に固有の原子軌道があるが、ES
CAのスペクトルはこの軌道のパターンを表わしていて、
その固有の位置の化学シフトから元素の酸化数や結合状
態を知ることができる。この発明においては、上記の分
析を、株式会社島津製作所製Ｘ線光電子分光光度計ESCA
750を使用し、励起Ｘ線をMgKα線（1253.6eV）とし、管
電圧7kV、管電流30A、温度20℃、真空度1.0×10-5Paと
いう条件で行う。
効果によって叩き出された電子の運動エネルギーを測定
して電子の結合エネルギーを求めるものである。そし
て、物質中には構成原子に固有の原子軌道があるが、ES
CAのスペクトルはこの軌道のパターンを表わしていて、
その固有の位置の化学シフトから元素の酸化数や結合状
態を知ることができる。この発明においては、上記の分
析を、株式会社島津製作所製Ｘ線光電子分光光度計ESCA
750を使用し、励起Ｘ線をMgKα線（1253.6eV）とし、管
電圧7kV、管電流30A、温度20℃、真空度1.0×10-5Paと
いう条件で行う。
前処理工程は、アルゴンやヘリウム、窒素等の不活性
雰囲気中で行う。大気等の活性雰囲気中で行うと、炭素
繊維の酸化が起こってその強度が低下したり、著しい場
合には消滅してしまう。
雰囲気中で行う。大気等の活性雰囲気中で行うと、炭素
繊維の酸化が起こってその強度が低下したり、著しい場
合には消滅してしまう。
また、温度は、上述したように350〜800℃の範囲でな
ければならない。すなわち、350℃未満ではサイジング
剤のほとんどが残存し、後の化学気相蒸着工程で炭素繊
維束中にガスが浸入しにくくなり、下地層が十分に形成
されなくなる。また、800℃を越えると、エーテル結合
がすべてなくなってしまい、下地層を形成できなくなっ
て濡れ性向上効果をもつチタンとホウ素の表面層の形成
が不十分になり、結局、炭素繊維束への溶融金属の含浸
が一様に行われなくなってしまう。
ければならない。すなわち、350℃未満ではサイジング
剤のほとんどが残存し、後の化学気相蒸着工程で炭素繊
維束中にガスが浸入しにくくなり、下地層が十分に形成
されなくなる。また、800℃を越えると、エーテル結合
がすべてなくなってしまい、下地層を形成できなくなっ
て濡れ性向上効果をもつチタンとホウ素の表面層の形成
が不十分になり、結局、炭素繊維束への溶融金属の含浸
が一様に行われなくなってしまう。
化学気相蒸着工程： この工程は、前処理工程を実施した後の炭素繊維束
に、700〜800℃の温度下で、チタン化合物およびホウ素
化合物を含む原料ガスと、亜鉛を含む還元ガスとを同時
に作用させて連続繊維束を構成している１本１本の炭素
繊維（単繊維）に、チタン酸化物およびホウ素酸化物か
らなる下地層を形成するとともに、その下地層の上に、
濡れ性向上に寄与するチタンおよびホウ素からなる表面
層を形成する工程である。もっとも、下地層と表面層と
の間に明確な界面が存在するわけではない。チタン酸化
物とホウ素酸化物が相当量を占めているのが下地層であ
り、チタンとホウ素が相当量を占めているのが表面層で
あるといった程度の意味である。
に、700〜800℃の温度下で、チタン化合物およびホウ素
化合物を含む原料ガスと、亜鉛を含む還元ガスとを同時
に作用させて連続繊維束を構成している１本１本の炭素
繊維（単繊維）に、チタン酸化物およびホウ素酸化物か
らなる下地層を形成するとともに、その下地層の上に、
濡れ性向上に寄与するチタンおよびホウ素からなる表面
層を形成する工程である。もっとも、下地層と表面層と
の間に明確な界面が存在するわけではない。チタン酸化
物とホウ素酸化物が相当量を占めているのが下地層であ
り、チタンとホウ素が相当量を占めているのが表面層で
あるといった程度の意味である。
チタン化合物は、四塩化チタン（TiCl4）や臭化チタ
ン（TiBr4）等、なかでも四塩化チタンであるのが好ま
しく、また、ホウ素化合物は、三塩化ホウ素（BCl3）や
臭化ホウ素（BBr3）等、なかでも三塩化ホウ素であるの
が好ましい。
ン（TiBr4）等、なかでも四塩化チタンであるのが好ま
しく、また、ホウ素化合物は、三塩化ホウ素（BCl3）や
臭化ホウ素（BBr3）等、なかでも三塩化ホウ素であるの
が好ましい。
また、温度は700〜800℃の範囲でなければならない。
700℃未満では、十分な還元反応が起こらず、表面層の
形成ができなくなる。また、800℃を越えると、表面層
に、溶融金属との漏れ性がよくない、炭化チタンやホウ
化チタンが含まれるようになる。
700℃未満では、十分な還元反応が起こらず、表面層の
形成ができなくなる。また、800℃を越えると、表面層
に、溶融金属との漏れ性がよくない、炭化チタンやホウ
化チタンが含まれるようになる。
この化学気相蒸着工程においては、たとえば、チタン
化合物として四塩化チタンを、また、ホウ素化合物とし
て三塩化ホウ素をそれぞれ用いる場合、 TiCl4＋Zn→TiCl2＋ZnCl2 …… 2BCl3＋3Zn→2B＋3ZnCl2 …… 3TiCl2＋2B→3Ti＋2BCl2 …… なる反応が起こるものと推定される。上記式の反応
は、あるいは、 2TiCl2＋2B→Ti＋2B＋TiCl4 …… なる反応であるかもしれない。
化合物として四塩化チタンを、また、ホウ素化合物とし
て三塩化ホウ素をそれぞれ用いる場合、 TiCl4＋Zn→TiCl2＋ZnCl2 …… 2BCl3＋3Zn→2B＋3ZnCl2 …… 3TiCl2＋2B→3Ti＋2BCl2 …… なる反応が起こるものと推定される。上記式の反応
は、あるいは、 2TiCl2＋2B→Ti＋2B＋TiCl4 …… なる反応であるかもしれない。
化学気相蒸着工程は、いろいろな方法によって実施す
ることができるが、最も好ましいのは、反応管中に、炭
素繊維束の走行方向に沿って、チタン化合物とホウ素化
合物とを含む原料ガスをアルゴンをキャリアガスとして
流しながら、それと直角な方向において、２〜８か所か
ら、反応管中に、亜鉛を含む還元ガスをアルゴンをキャ
リアガスとして導入し、炭素繊維束の極く近傍で両者が
混合されて原料ガスの還元が起こるようにすると、表面
層の組成がより安定するようになるので好ましい。この
方法によれば、炭素繊維束の近傍で原料ガスと還元ガス
が混合されて十分な還元反応が起こった後、直ちに炭素
繊維束に到達する。したがって、十分に還元された活性
なチタンとホウ素が炭素繊維の表面に存在するようにな
り、これらが炭素繊維表面のエーテル結合中の酸素とよ
く結合して下地層が形成されるようになる。しかも、原
料ガスの流れが炭素繊維束の走行方向と同一であるか
ら、下流側ほど還元反応が十分に進み、表面層は、外側
ほど活性に富んだチタンとホウ素が多くなる。
ることができるが、最も好ましいのは、反応管中に、炭
素繊維束の走行方向に沿って、チタン化合物とホウ素化
合物とを含む原料ガスをアルゴンをキャリアガスとして
流しながら、それと直角な方向において、２〜８か所か
ら、反応管中に、亜鉛を含む還元ガスをアルゴンをキャ
リアガスとして導入し、炭素繊維束の極く近傍で両者が
混合されて原料ガスの還元が起こるようにすると、表面
層の組成がより安定するようになるので好ましい。この
方法によれば、炭素繊維束の近傍で原料ガスと還元ガス
が混合されて十分な還元反応が起こった後、直ちに炭素
繊維束に到達する。したがって、十分に還元された活性
なチタンとホウ素が炭素繊維の表面に存在するようにな
り、これらが炭素繊維表面のエーテル結合中の酸素とよ
く結合して下地層が形成されるようになる。しかも、原
料ガスの流れが炭素繊維束の走行方向と同一であるか
ら、下流側ほど還元反応が十分に進み、表面層は、外側
ほど活性に富んだチタンとホウ素が多くなる。
複合工程： この工程は、化学気相蒸着工程を経た後の炭素繊維束
を、大気から隔絶しながら、マトリクスとなる金属の溶
湯中に導き、その溶湯を炭素繊維束に含浸し、引き上げ
て凝固させる工程である。
を、大気から隔絶しながら、マトリクスとなる金属の溶
湯中に導き、その溶湯を炭素繊維束に含浸し、引き上げ
て凝固させる工程である。
大気から隔絶しながら溶湯に導くのは、表面層におけ
るチタンとホウ素の酸化を防止するためで、具体的に
は、炭素繊維束が通る経路を500℃程度以下の窒素雰囲
気やアルゴン雰囲気等の不活性雰囲気に保っておくこと
でよい。
るチタンとホウ素の酸化を防止するためで、具体的に
は、炭素繊維束が通る経路を500℃程度以下の窒素雰囲
気やアルゴン雰囲気等の不活性雰囲気に保っておくこと
でよい。
マトリクスとなる金属は、アルミニウム、マグネシウ
ム、錫、亜鉛等の単体金属や、それらの少なくとも１種
を主成分とする合金等である。なお、マトリクスとなる
金属がアルミニウム合金で、炭素繊維が表面酸化処理を
施したものである場合、アルミニウム合金の種類によっ
ては、界面近傍に共晶組織のような脆弱な相が生成し、
プリフォームの強度が低下することがある。そのような
場合には、ケイ素の量が0.45重量％以下で、かつ、銅の
量が0.1重量％以下であるアルミニウム合金を選択、使
用するとよい。
ム、錫、亜鉛等の単体金属や、それらの少なくとも１種
を主成分とする合金等である。なお、マトリクスとなる
金属がアルミニウム合金で、炭素繊維が表面酸化処理を
施したものである場合、アルミニウム合金の種類によっ
ては、界面近傍に共晶組織のような脆弱な相が生成し、
プリフォームの強度が低下することがある。そのような
場合には、ケイ素の量が0.45重量％以下で、かつ、銅の
量が0.1重量％以下であるアルミニウム合金を選択、使
用するとよい。
溶湯中における炭素繊維束の滞留時間は、30秒程度以
下とするのが好ましい。これは、上述した下地層と表面
層との合計厚みは50〜500Å程度と大変薄いので、あま
り長時間滞留させると、チタンやホウ素が溶け出した
り、溶湯中に拡散したりするからである。
下とするのが好ましい。これは、上述した下地層と表面
層との合計厚みは50〜500Å程度と大変薄いので、あま
り長時間滞留させると、チタンやホウ素が溶け出した
り、溶湯中に拡散したりするからである。
［実施例および比較例］ 実施例１ 化学構造式中にエーテル結合を含むエポキシ系樹脂を
含むサイジング剤が付着せしめられた、東レ株式会社製
ポリアクリロニトリル系炭素繊維束M40J（単繊維数:600
0本）を、窒素雰囲気下に保たれ、かつ、700℃に維持さ
れた環状炉中に３分間通して上記サイジング剤を熱分解
した（前処理工程）。
含むサイジング剤が付着せしめられた、東レ株式会社製
ポリアクリロニトリル系炭素繊維束M40J（単繊維数:600
0本）を、窒素雰囲気下に保たれ、かつ、700℃に維持さ
れた環状炉中に３分間通して上記サイジング剤を熱分解
した（前処理工程）。
次に、前処理工程を経た炭素繊維束を、反応管内に、
その滞留時間が２分になるように通し、炭素繊維束を構
成している１本１本の炭素繊維に、チタン酸化物および
ホウ素酸化物からなる下地層と、チタンおよびホウ素か
らなる表面層とを形成した（化学気相蒸着工程）。この
とき、反応管は750℃に維持し、炭素繊維束の走行方向
に、６重量％の四塩化チタンと、1.7重量％の三塩化ホ
ウ素と、92.3重量％のアルゴンとからなるガスを流し、
一方、それと直交する４か所から、14重量％の亜鉛と、
86重量％のアルゴンとからなるガスを流した。
その滞留時間が２分になるように通し、炭素繊維束を構
成している１本１本の炭素繊維に、チタン酸化物および
ホウ素酸化物からなる下地層と、チタンおよびホウ素か
らなる表面層とを形成した（化学気相蒸着工程）。この
とき、反応管は750℃に維持し、炭素繊維束の走行方向
に、６重量％の四塩化チタンと、1.7重量％の三塩化ホ
ウ素と、92.3重量％のアルゴンとからなるガスを流し、
一方、それと直交する４か所から、14重量％の亜鉛と、
86重量％のアルゴンとからなるガスを流した。
次に、化学気相蒸着工程を経た後の炭素繊維束を、ア
ルゴン雰囲気によって大気と隔絶しながら、680℃のア
ルミニウム合金（JIS A1100）の溶湯中に導き、その溶
湯中を滞留時間が15秒になるように走行させ、引き上げ
てアルミニウム合金を凝固させた（複合工程）。
ルゴン雰囲気によって大気と隔絶しながら、680℃のア
ルミニウム合金（JIS A1100）の溶湯中に導き、その溶
湯中を滞留時間が15秒になるように走行させ、引き上げ
てアルミニウム合金を凝固させた（複合工程）。
かくして得られたプリフォームを樹脂中に埋め込み、
研磨して、その横断面を光学顕微鏡で観察したところ、
第１図（倍率:100倍）に示すように、炭素繊維束中にア
ルミニウム合金が一様かつ十分に含浸されていた。
研磨して、その横断面を光学顕微鏡で観察したところ、
第１図（倍率:100倍）に示すように、炭素繊維束中にア
ルミニウム合金が一様かつ十分に含浸されていた。
比較例１ 炭素繊維束として、実施例１で用いたM40Jではある
が、一切のサイジング剤が付着せしめられていないもの
を用い、以下、実施例１と同様にしてプリフォームを得
た。
が、一切のサイジング剤が付着せしめられていないもの
を用い、以下、実施例１と同様にしてプリフォームを得
た。
このプリフォームについて、実施例１と同様に横断面
を観察したところ、第２図に示すように、炭素繊維束の
外側にはアルミニウム合金が含浸されているものの、内
部にはほとんど含浸されていなかった。もっとも、外観
上は実施例１のものと変わりはなかった。
を観察したところ、第２図に示すように、炭素繊維束の
外側にはアルミニウム合金が含浸されているものの、内
部にはほとんど含浸されていなかった。もっとも、外観
上は実施例１のものと変わりはなかった。
比較例２ 前処理工程における温度を850℃としたほかは実施例
１と同様にして、プリフォームを得た。
１と同様にして、プリフォームを得た。
このプリフォームについて、実施例１と同様に横断面
を観察したところ、第２図に示すものほどではなかった
が、やはり、炭素繊維束の内部にはほとんどアルミニウ
ム合金が含浸されていなかった。
を観察したところ、第２図に示すものほどではなかった
が、やはり、炭素繊維束の内部にはほとんどアルミニウ
ム合金が含浸されていなかった。
比較例３ 化学気相蒸着工程における温度を650℃にしたほかは
実施例１と同様にして、プリフォームを得た。
実施例１と同様にして、プリフォームを得た。
このプリフォームについて、実施例１と同様に横断面
を観察したところ、第２図に示すものほどではなかった
が、やはり、炭素繊維束の内部にはほとんどアルミニウ
ム合金が含浸されていなかった。
を観察したところ、第２図に示すものほどではなかった
が、やはり、炭素繊維束の内部にはほとんどアルミニウ
ム合金が含浸されていなかった。
比較例４ 化学気相蒸着工程における温度を850℃にしたほかは
実施例１と同様にして、プリフォームを得た。
実施例１と同様にして、プリフォームを得た。
このプリフォームについて、実施例１と同様に横断面
を観察したところ、炭素繊維束の内部にはほとんど全く
アルミニウム合金が含浸されていなかった。
を観察したところ、炭素繊維束の内部にはほとんど全く
アルミニウム合金が含浸されていなかった。
実施例２ 前処理工程における温度を350℃としたほかは実施例
１と同様にして、プリフォームを得た。
１と同様にして、プリフォームを得た。
このプリフォームについて、実施例１と同様に横断面
を観察したところ、第１図に示したものと同様、炭素繊
維束の内部にアルミニウム合金が一様かつ十分に含浸さ
れていた。
を観察したところ、第１図に示したものと同様、炭素繊
維束の内部にアルミニウム合金が一様かつ十分に含浸さ
れていた。
実施例３ 前処理工程における温度を600℃としたほかは実施例
１と同様にして、プリフォームを得た。
１と同様にして、プリフォームを得た。
このプリフォームについて、実施例１と同様に横断面
を観察したところ、第１図に示したものと同様、炭素繊
維束の内部にアルミニウム合金が一様かつ十分に含浸さ
れていた。
を観察したところ、第１図に示したものと同様、炭素繊
維束の内部にアルミニウム合金が一様かつ十分に含浸さ
れていた。
実施例４ 前処理工程における温度を800℃としたほかは実施例
１と同様にして、プリフォームを得た。
１と同様にして、プリフォームを得た。
このプリフォームについて、実施例１と同様に横断面
を観察したところ、第１図に示したものと同様、炭素繊
維束の内部にアルミニウム合金が一様かつ十分に含浸さ
れていた。
を観察したところ、第１図に示したものと同様、炭素繊
維束の内部にアルミニウム合金が一様かつ十分に含浸さ
れていた。
第１図は実施例の、第２図は比較例のプリフォームの横
断面における炭素繊維の形状を示す顕微鏡写真である。
断面における炭素繊維の形状を示す顕微鏡写真である。
Claims (1)
- 【請求項１】化学構造式中にエーテル結合を含むサイジ
ング剤が付着している炭素繊維の連続繊維束を350〜800
℃の不活性雰囲気中に通してサイジング剤を熱分解する
とともに、エーテル結合の一部または全部が含まれてい
るサイジング剤の分解残渣を残す前処理工程と、サイジ
ング剤を熱分解せしめた後の連続繊維束に、700〜800℃
の温度下で、チタン化合物およびホウ素化合物を含む原
料ガスと、亜鉛を含む還元ガスとを同時に作用させて、
連続繊維束を構成している各単繊維にチタン酸化物およ
びホウ素酸化物からなる下地層を形成するとともにその
下地層の上にチタンおよびホウ素からなる表面層を形成
する化学気相蒸着工程と、下地層および表面層を形成し
た後の連続繊維束を大気から隔絶しつつマトリクスとな
る金属の溶湯中に導き、その溶湯を連続繊維束に含浸
し、引き上げて凝固させる複合工程と、を含むことを特
徴とする、炭素繊維強化金属複合材料用プリフォームの
製造方法。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1125788A JP2830051B2 (ja) | 1989-05-18 | 1989-05-18 | 炭素繊維強化金属複合材料用プリフォームの製造方法 |
| EP90109056A EP0398224B1 (en) | 1989-05-18 | 1990-05-14 | A method for manufacturing a precursor wire for a carbon-fiber-reinforced metal composite material |
| DE69011946T DE69011946T2 (de) | 1989-05-18 | 1990-05-14 | Verfahren zur Herstellung eines Vorläuferdrahts aus Kohlenstoffaser verstärktem Metallmatrixverbundmaterial. |
| US07/524,079 US5049419A (en) | 1989-05-18 | 1990-05-16 | Method for manufacturing a precursor wire for a carbon-fiber-reinforced metal composite material |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1125788A JP2830051B2 (ja) | 1989-05-18 | 1989-05-18 | 炭素繊維強化金属複合材料用プリフォームの製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02305933A JPH02305933A (ja) | 1990-12-19 |
| JP2830051B2 true JP2830051B2 (ja) | 1998-12-02 |
Family
ID=14918880
Family Applications (1)
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