JPH0116291B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、FRM用プリフオームワイヤーの製
造方法および該方法に用いられる超音波振動装置
に関し、詳しくは炭化ケイ素繊維／金属複合材中
に炭化ケイ素繊維が金属に充分に浸透し、空隙の
ない軽量で弾性および強度の優れたFRM用プリ
フオームワイヤーの製造方法並びに該製造方法に
用いられる溶融金属溶湯に振動を効率よく付与す
る超音波振動装置に関する。なお、本発明でいう
FRM用プリフオームワイヤーはプリフオームシ
ートまたはテープも含むものとする。

従来から、炭化ケイ素繊維等の繊維状材料にア
ルミニウム等の金属を含浸せしめてなる複合材料
は、強靭性、軽量性または柔軟性等の金属や繊維
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。

このような金属／繊維複合材を製造する方法は
種々提案され、例えば、プラズマジエツト、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
させ金属／繊維複合材あるいはその前駆体を作る
方法が知られている。しかし、この方法において
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までには十分に金属が浸透せ
ず満足の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浴中に繊維束を
含浸すると共に、溶融金属浴に超音波振動を加え
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、この振動の
ため繊維が雑然と開繊した状態で固定されてしま
い、金属／繊維複合材に所望の強度、弾性を付与
することが困難となる。また、超音波振動装置を
用いた際に、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ツクが発生
し、溶融金属浴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。

このように、軽量で強度、弾性に優れた金属／
繊維複合材の製造方法は未だ得られておらず、ま
たこのような方法に好適に用いられる超音波振動
装置も得られていない。

本発明は、上述のような問題点に鑑みてなされ
たものであり、従来のものよりも軽量でかつ強
度、弾性に優れた金属／繊維複合材、特にアルミ
ニウム等の金属と炭化ケイ素繊維とからなる
FRM用プリフオームワイヤーの製造方法並びに
該方法に用いる超音波振動装置を提供することを
目的とする。

本発明者らは、上記の目的に沿つて鋭意研究し
た結果、予め引揃えた炭化ケイ素繊維束に必要に
応じてアルミニウム等の金属を溶射または蒸着し
た後、振動子のホーン上部の音波半波長の節に相
当する部分に冷却手段を有する超音波振動装置に
より振動が与えられている溶融金属浴中に含浸さ
せることにより、好適なFRM用プリフオームワ
イヤーが得られることを見出し、また、この際
に、振動子のホーンの溶融金属浴に浸漬されてい
ない上部に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、または水冷ジヤケツ
ト、すなわち上記した冷却手段を設けることによ
つて、使用時ホーンにクラツクが発生せずに、高
温に絶え使用時にホーンにクラツクが発生しない
装置となることを見出し本発明に到達した。

すなわち本発明のFRM用プリフオームワイヤ
ーの製造方法とは、炭化ケイ素繊維束を広げて引
揃えた後、振動子のホーン上部の音波半波長の節
に相当する部分に冷却手段を有する超音波振動装
置により振動が与えられている溶融金属湯に50秒
以下、好ましくは２秒以下含浸させることを特徴
とするもので、この方法により得られる金属／炭
化ケイ素繊維複合材は繊維間に金属が充分に浸透
し、空隙のないものが得られる。また、本発明の
方法においては、超音波振動による含浸前に、広
げて引揃えた炭化ケイ素繊維束に金属を溶射また
は蒸着したものを用いてもよく、さらに含浸時に
電磁振動を付与してもよい。このようにして得ら
れたFRM用プリフオームワイヤーは、軽量で、
かつ強度、弾性等の特性が優れる。

また、本発明の超音波振動装置とは、FRM用
プリフオームワイヤーを含浸する溶融金属溶湯に
振動を与える振動子および超音波発振器からなる
超音波振動装置であつて、該振動子のホーン上部
の超音波半波長の節に相当する部分に冷却水用の
空孔または水冷ジヤケツトを設けたことを特徴と
するもので、このことにより高温から超音波振動
装置を保護して長期の使用においてもホーンにク
ラツクが発生し、溶融金属浴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欠点が
解消される。

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用プリフオームワイ
ヤーの製造方法の一実施例を示す工程概略図であ
り、第２図は本発明の超音波振動装置の振動子部
分を示す概略図である。

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炭化ケイ素繊維束２
は、プラズマジエツトやメタリコン等の金属溶射
装置３によつてアルミニウム等の溶融金属が吹き
付けられ、炭化ケイ素繊維束２の各繊維の平行性
が固定される。また、本発明においては金属溶射
装置３のみならず、真空蒸着等の炭化ケイ素繊維
束２に金属を付着させ、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。なお、本発明
においては、炭化ケイ素繊維束に金属を溶射また
は蒸着する工程を省略してもよい。

この金属の付着した炭化ケイ素繊維束２はガイ
ドロール４ａ，４ｂを経て、アルミニウム等の溶
融金属５が満たされている溶融金属槽６に導入さ
れ、含浸される。この炭化ケイ素繊維束２を溶融
金属５を含浸する際に、ガイドロール４ａと４ｂ
との間に電磁振動を付与していてもよい。ここに
おいて用いられる金属とは、アルミニウム、マグ
ネシウム、チタン、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、この溶融金属５は超音波振動装置７によ
り振動が与えられている。この超音波振動装置７
は発振器８と振動子９からなり、振動子９のホー
ン１０の下部が溶融金属槽６の溶融金属５中に浸
漬されており、発振器８からの信号により、振動
子９のホーン１０が溶融金属５に振動を与える。
第２図に示すように、このホーン１０には溶融金
属５の熱を振動子９に伝達しないように、ホーン
１０の上部に冷却水用の空孔または水冷ジヤケツ
ト１１を有することが必要で、その位置は音波の
半波長の節に相当する部分に設ける必要がある。
この部分に冷却水用の空孔または水冷ジヤケツト
１１を設けることによつて、超音波処理を長時間
行なつてもホーン部分からクラツクが生じるとい
うことはなく、従来の欠点が是正される。ホーン
の長さと周波数の関係は、ホーン１０の長さをＬ
としたときに、下記に示す式によつて示され
る。

Ct（湯温でのホーンの音束）＝ Ｌ（ホーン波長）×（周波数） …… 本発明においては、炭化ケイ素繊維束２の表面
に付着した金属が、溶融金属槽６中のホーン１０
の直下に至る時点で溶解することが必要で、溶融
金属槽６中のホーン１０直下に至る前に溶解する
と、予め炭化ケイ素繊維束２の各繊維間を平行に
固定した意味がなくなり、またホーン１０直下に
おいても溶解しないと、超音波処理を施しても炭
化ケイ素繊維束２の内部まで十分に金属を浸透さ
せることができない。このことを考慮に入れる
と、溶融金属槽６の浴温は、金属の溶融温度より
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
680〜760℃程度が好ましい。また、浴中の炭化ケ
イ素繊維束２の浸漬時間は、50秒以下、好ましく
は２秒以下、更に好ましくは１秒以下であること
が必要である。

また、超音波振動装置７による振動は、共振周
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19〜20KHzのものが用いられる。

本発明の超音波振動装置７においては、ホーン
１０の材質等を適宜選択することが必要で、溶融
金属５中でホーン１０が消耗することから、耐消
耗性の大きい材料、例えばステンレス鋼、ニツケ
ル合金、モリブデン、タングステン、チタン、セ
ラミツクス等が適宜選択される。また、ホーン１
０は通常２本接続して使用すると最も振動効率が
高く、３本以上接続すると振動効率が幾分低下す
る。また、ホーン１０の断面形状は任意であり、
例えば円形、長方形、馬蹄形等が採用される。

このように引揃えた状態で超音波処理を施され
た炭化ケイ素繊維束２は、繊維間に充分アルミニ
ウム等の金属が浸透し、空隙の少ないものとな
る。

この炭化ケイ素繊維束２は、さらにガイドロー
ル４ｃ，４ｄやスリツト１２またはダイスを通し
て連続的に引き出し、所望の形状を与えると共
に、過剰の金属を絞り取り、所定の繊維体積含有
率のプリフオームワイヤーとされ、例えば巻き取
り装置１３により巻き取られる。なお、本発明に
おいてはプリフオームワイヤーについて述べた
が、前述のごとく本発明でいうプリフオームワイ
ヤーはプリフオームシートまたはテープを包含す
るものとする。

以下、本発明を実施例に基づき、さらに詳細に
説明する。

実施例 第１図の工程に従い、500本の繊維束からなる
炭化ケイ素繊維束を引揃えてからプラズマジエツ
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720℃のアルミニウム浴中に連続的に通
過させると共に超音波処理を施した。この際、超
音波振動装置の共振周波数は約20KHz、浴中の炭
化ケイ素繊維束の含浸時間は、約１秒で行なつ
た。

このアルミニウムを含有する炭化ケイ素繊維束
をスリツ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
ウムプリフオームワイヤーとした。このFRM用
アルミニウムプリフオームワイヤーの繊維体積は
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つた。また、引張り強度は、
理論値80Kg／mm²に対して、測定値は65Kg／mm²であ
り、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オームワイ
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、処理前の強度と差異が認め
られず、金属との反応による劣化の起つていない
ことが確認された。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のFRMプリフオームワイヤ
ーの製造方法の一実施例をを示す工程概略図、お
よび第２図は本発明の超音波振動装置の振動子部
分を示す概略図。 １：引揃え装置、２：炭化ケイ素繊維束、３：
金属溶射装置、４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ：ガイド
ロール、５：溶融金属、６：溶融金属槽、７：超
音波振動装置、８：発振器、９：振動子、１０：
ホーン、１１：空孔または水冷ジヤケツト、１
２：スリツト、１３：巻き取り装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 炭化ケイ素繊維束を広げて引揃えた後、振動
   子および超音波発振器からなり、かつ振動子のホ
   ーン上部の音波半波長の節に相当する部分に冷却
   手段を有する超音波振動装置により振動が与えら
   れている溶融金属湯に50秒以下含浸させることを
   特徴とするFRM用プリフオームワイヤー、プリ
   フオームシートまたはテープの製造方法。 ２ 前記含浸前に、前記炭化ケイ素繊維束に金属
   を溶射または蒸着する前記特許請求の範囲第１項
   に記載の製造方法。 ３ 前記含浸時に電磁振動が与えられている前記
   特許請求の範囲第１項または第２項に記載の製造
   方法。 ４ 前記金属がアルミニウム、マグネシウム、シ
   リコン、チタン、鉛、銅もしくはこれらの合金か
   ら選択される前記特許請求の範囲第１項、第２項
   または第３項に記載の製造方法。 ５ 前記含浸時間が２秒以下である前記特許請求
   の範囲第１項、第２項、第３項または第４項に記
   載の製造方法。 ６ FRM用プリフオームワイヤーを含浸する溶
   融金属湯に振動を与える振動子および超音波発振
   器からなる超音波振動装置であつて、該振動子の
   ホーン上部の音波半波長の節に相当する部分に冷
   却水用の空孔または水冷ジヤケツトを設けたこと
   を特徴とする超音波振動装置。 ７ 前記ホーンの材質がステンレス鋼、ニツケル
   合金、モリブデン、タングステン、チタン、セラ
   ミツクスから選択される特許請求の範囲第６項に
   記載の超音波振動装置。 ８ 前記ホーンが２本以上の接続からなる特許請
   求の範囲第６項または第７項に記載の超音波振動
   装置。 ９ 前記ホーンの長さ(L)が、 Ct（湯温でのホーンの音速）＝ Ｌ（ホーン波長）×（周波数） で示される前記特許請求の範囲第６項、第７項ま
   たは第８項に記載の超音波振動装置。