JPS63111136A - 繊維強化金属複合材料の製造法 - 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〉 本発明は厚物の繊維強化複合材料の製造方法に関するも
のである。

〈従来の技術〉 繊維強化金属複合材料は軽量で優れた機械的性質、耐熱
性を備えた材料として知られ、高強度、耐熱構造材料や
航空機、自動車の部材等への応用開発研究が盛んに行わ
れている。

また、繊維強化金属複合材料の製造法の一つとして金型
内に強化材としての繊維を充填した後、溶融金属を圧入
し、次いで凝固させる溶湯鍛造法がある。この方法は生
産性の高い繊維強化複合材料の製造法として注目されて
いる。

〈発明が解決しようとする問題点〉 しかしながら、繊維強化金属複合材料の厚物についての
成形方法、設計方法などは現在のところ余り研究されて
いない。

本発明者らの検討では金型内に繊維を積層した後、溶融
金属を圧入し、ついで凝固させて厚物の繊維強化金属複
合材料を製造した場合、強化繊維の積層方向によっては
隣接する層と層で熱膨張率が異なり、さらに強化繊維と
金属でも熱膨張率が大きく異なるため、得られた繊維強
化金属複合材料に熱応力が生じ、表面および内部に割れ
を発生させ、複合材料の機械的強度を大きく低下させる
という現象が見出された。

本発明者らは上記の問題についてさらに有限要素法によ
る解析も併用して検討を行った結果、複合材料において
熱応力は積層材の末端部で最大となる、詳しくは末端部
から積層材内部へ向かって積層材の板厚程度の距離の位
置付近から応力の集中が始まり末端部が最大となること
が判った。　　゛また、第１図は強化繊維にアルミナ繊
維を使用し、マトリックスとして銅５Ｚのアルミニウム
合金を用いて一方向繊維シートを０８および９０°に交
互に積層して面対称とし、全体の厚さ２０ＩＩＩＩ１１
の繊維強化金属複合材料を成形した場合の同一配向の繊
維層−層の厚さと温度差５００　℃において積層間に生
じる厚さ方向の応力との関係を有限要素法を用いたコン
ピューターシミュレーションの結果を示したものである
が、この結果から同一配向の繊維層−層の厚さにより得
られる複合材料の積層間に生しる応力が異なり、−層の
厚さを薄くすることにより応力を小さくすることができ
ることが判った。

これらのことから、生じる熱応力を分散させて、得られ
る複合材料に割れを生しさせないためには同一方向に続
けて積層する厚さを特定の厚さ以下になるように積層さ
せればよいことを見出した。

本発明の目的は割れの生しない厚物の繊維強化金属複合
材料の製造方法を提供することにある。

〈問題点を解決するための手段〉 本発明は、無機連続繊維の一方向引き揃え樹脂含浸シー
トを積層した無機繊維予備成形体を金型内に充填した後
、溶融金属を圧太し、ついで凝固させて繊維強化金属複
合材料を製造する方法において、該繊維強化金属複合材
料の厚みを５ｍｍ以上とし、かつ繊維を同一方向に続け
て積層する厚さをＩｎ＋ｍ以下とし、さらに積層したシ
ートの繊維の配列方向が対称積層材になるように積層す
ることを特徴とする繊維強化金属複合材料の製造方法を
提供するものである。

以下、本発明について詳述する。

本発明に使用される無機連続繊維としては繊維強化金属
複合材料の強化繊維として使用されているものが使用で
き、具体的にはアルミナ繊維、シリカ繊維、シリコンカ
ーバイド繊維、炭素繊維、ボロン繊維等が挙げられる。

これら繊維は使用するに当っては必要に応じて予め表面
に金属、金属間化合物等で被覆したものを用いてもよい
。

これら連続繊維は一方向に引き揃えたものに常法により
樹脂を含浸させて繊維シートの形にして用いる。

含浸する樹脂としては溶融金属圧入の前の熱処理または
予熱の際の熱により分解気化して炭素等の残渣を残さな
い樹脂が使用され、具体的にはポリメチルメタクリレー
ト、ポリメチルメタクリレート等のメタアクリル系樹脂
等が使用されるがこれに限定されるものではない。樹脂
含浸繊維シートの厚みは５００　μ以下、好ましくは３
００　μ以下である。

該繊維シートを金型内に積層して充填するが、繊維シー
トの繊維の方向は同一方向に続けて積層する厚さを１ｍ
ｍ以下、好ましくは０．５ｍｍ以下とし、かつ全体とし
て繊維の配列方向が対称積層材となる、すなわち積層中
心に対して面対称となるようにｆＩＮすることが必要で
ある。

また、積層する場合、同一方向に続けて積層してもよい
が、その厚みは１ｍｍ以下、好ましくは０゜５ｍｍ以下
とする必要がある。この場合、例えば厚みが３００μの
繊維シートであれば３枚毎角度を変えて積層し、また厚
さが２００　μの繊維シートであれば同一方向に５枚ま
で積層してもよいことを意味している。

１ＩＩｎを超えて厚みが５ｍｍ以上の複合材料を製造す
ると材料に割れが生じ、機械的強度が低下し易くなり、
本発明の目的を達成できない。

繊維シートを積層した予備成形体を金型内に充填し、次
いで溶融金属を圧入する。

マトリックスに使用される金属としては特に限定される
ものでなく、この種の繊維強化金属複合材料のマトリッ
クスとして用いられているものが使用できる。具体的に
は、アルミニウム、マグネシウム、銅、鉄、ニッケル、
鉛、賜、亜鉛、およびそれらの合金が使用できるが軽量
で大きな機械的強度が得られるとの観点からはアルミニ
ウム、マグネシウムおよびアルミニウムー銅合金、アル
ミニウムーマグネシウム合金、アルミニウムーマグネシ
ウム−銅合金等のアルミニウム合金、マグネシウム−ア
ルミニウム合金等のマク名シウム合金等が好ましい。

これらの溶融金属を圧入後、金属を凝固させる。

凝固後、冷却して金型から複合材料を取り出す。

得られる繊維強化金属複合材料中の上記強化繊維の割合
は１５〜７０容量ｚの範囲内で目的に応じて適宜変える
ことができる。

本発明においては、この複合材料の厚みが５ｍｍ以上、
特に１０ｍｍ以上の厚物を製造する場合、顕著な効果を
発揮する。

何故ならば、従来の薄物の複合材料であればこのような
繊維シートの積層法を採らなくとも、元々熱応力が小さ
いため割れが発生することはなく、厚物になって始めて
割れの問題が生じるからである。

〈発明の効果〉 本発明によれば金属、強化繊維の種類にもよるが製造時
の温度変化による各積層間で生じる厚さ方向の応力を２
０Ｋｇ／ｍ−ｍ”以下、好ましくは１０Ｋｇ／ｍｍ”以
下に抑えることができ、外面および内部に割れの生じな
い機械的強度の優れた厚物の繊維強化金属複合材料を得
ることができる。

〈実施例〉 以上本発明を実施例によってさらに詳細に説明するが本
発明はこれら実施例によって何ら限定されるものではな
い。

実施例１ 強化繊維として平均繊維径１７μ、引張強度１８０Ｋｇ
／ｍｍ”、引張弾性率２３５００Ｋｇ／ｍｍ２のアルミ
ナ繊維（Ａｌｉａｓ含有率８５重量Ｘ　、　５ｉＯｚ１
５重量％）を用いた。

−束１０００フィラメントの繊維束をマンドレルに平行
に巻き取り、ポリメチルメククリレート溶液を滴下して
繊維に含浸させ、ついで溶剤を蒸発除去して繊維と直角
方向に裁断し、マンドレルから引き離して一方向に引き
揃えたアルミナ繊維のシート状物を得た〔厚さ２５０μ
、繊維体積含有率５０容量２〕。

シート状物を１００ｍｍ　Ｘ　１００ｍｍに切取り、金
型内に１枚づつ繊維の配列角度を９０°変えて４０枚積
層した。ついでアルミニウムのシ容場を６００Ｋｇ／ｃ
ｍ”　の圧で圧太し、圧をかけたままアルミニウムを凝
固させ、ついで１００　℃／ｍｉｎの速度で冷却した。

得られた複合材料の厚みは１０ＩＩＩＩＷであった。

この材料をカッターで二分し、内部の割れを観察したと
ころ割れは全く見られなかった。また、外表面にも割れ
は全く見られなかった。

比較例１ 実施例１で得られた繊維のシート状物を同し方向に８枚
積層し、その上に配列角度を９０６変えて２４枚積層し
、さらに９０″′変えて８枚積層した以外は実施例１と
同様にして複合材料を成形したところ割れが発生した。

実施例２ 実施例１で得た繊維のシート状物を角度を変えて５０ｍ
ｍ　Ｘ　５０ｍｍに切取り、繊維の角度がある一辺に対
してＯ″のものと４５°のものを得た。これを４５゜づ
つ角度を変えて２１枚積層し、残りの２０枚は２１枚目
を中心として前に積層したものと面対称となるように角
度を変えて積層して５０ｍｍ　Ｘ　５０ｍｍ　Ｘ　１０
．２５１μｍの擬似等方性対称積層体を作成した。

この積層体を各ステンレス製鋳型管に入れ、６００℃で
１時間焼成して樹脂分を除去した。

次いでアルミニウム（純度９９．９８Ｘ）１０００ｇを
黒鉛製ルツボにとり、約７００　℃に加熱し溶融させた
。

電気銅（純度９９．９６χ）５０ｇをこの中に加え、炭
素鋼棒で十分攪拌し、Ａｔ−４重量Ｘｃｕ合金とし、こ
の中に鋳型管の一方を浸漬し、溶湯表面に５０Ｋｇ／ｃ
ｍ”の圧力をかけてアルミニウム合金を繊維間に含浸さ
せ、冷却しく７００℃から３００℃までの冷却速度１０
０／ｍ１ｎ）　、各積層タイプの複合材料を得た。

次に鋳型管から複合材料を取り出した複合材料を熱処理
した。熱処理条件は５３０℃で１０時間保持後、水冷し
、さらに１６０　℃で６時間焼き戻した。

この複合材料をカッターで切出し引張試験片を作成し、
室温での引張強度を測定した結果、および試験片より内
部の割れの有無の観察結果を第１表に示す。

比較例２ 実施例１で得られた繊維状シートの配向角度を同じにし
て先ず５枚積層し、＋４５６角度を変え同様に５枚積層
し、さらに＋９０’角度を変え５枚積層し、次いで一４
５６角度を変え５枚積層し、＋９０＠角度を変え１枚（
Ａ）ＩＩし、あとの２０枚を（Ａ）を中心にして面対称
となるように積層した以外は実施例１と同様にして複合
材料を成形し、試験に供した。

室温での引張強度を測定した結果、および試験片より内
部の割れの有無の観察結果を第１表に示す。

比較例３ 実施例１で得られた繊維状シートの配向角度を同じにし
て先ず５枚積層し、＋４５”角度を変え同様に５枚積層
し、さらに＋４５°角度を変え５枚積層し、次いで＋４
５°角度を変え５枚積層し、＋４５’角度を変え１枚（
Ａ）積層し、あとの２０枚を（Ａ）を中心にして面対称
となるように積層した以外は実施例１と同様にして複合
材料を成形し、試験に供した。

室温での引張強度を測定した結果、および試験片より内
部の割れの有無の観察結果を第１表に示す。

第　　　　１　　　　表

【図面の簡単な説明】

第１図は積層強化繊維を使用した繊維強化複合材料の繊
維の各層の厚さと温度変化による積層間で生しる厚さ方
向の応力との関係を示す図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 無機連続繊維の一方向引き揃え樹脂含浸シートを積層し
   た無機繊維予備成形体を金型内に充填した後、溶融金属
   を圧入し、ついで凝固させて繊維強化金属複合材料を製
   造する方法において、該繊維強化金属複合材料の厚みを
   ５ｍｍ以上とし、かつ繊維を同一方向に続けて積層する
   厚さを１ｍ以下とし、さらに積層したシートの繊維の配
   列方向が対称積層材になるように積層することを特徴と
   する繊維強化金属複合材料の製造方法