JPH0293031A - 繊維強化複合材の製造方法 - 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、金属又は合成樹脂等の基材に繊維を混入して
なる繊維強化複合材の製造方法に関する。

〔従来の技術〕

繊維強化複合材は、金属又は合成樹脂等を基材とし、こ
れに強化材として強さや剛性の高い繊維を混入させ、材
料に作用する力を繊維に受は持たせることにより基材単
体の場合には得られない優れた機械的性質を得ることを
目的とするものであり、繊維に軽量、高弾性、高強度の
ものを用いることにより、大きな比弾性率、比強さを有
する材料が得られ、又、耐熱性を有する繊維を用いるこ
とにより高温下でも優れた特性を有する材料を得ること
が可能である。

前記基材に混入される繊維には、長繊維（連続繊維）と
短繊維（不連続繊維）とがあり、長繊維を用いた場合に
は該繊維の長さ方向における材料の機械的性質が改善さ
れるものであり、又、短繊維を用いるときには、基材中
の繊維を特定方向へ配向させることにより、この繊維が
配向した方向における材料の機械的性質の向上を達成す
ることができる。このように、複合材中の短繊維を特定
方向へ配向させる方法としては、例えば第１２図に示し
た押出法による線材の製法や、又は第１３図に示した圧
延法によりシート材を製造する方法が知られている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、上記の押出法や圧延法においては、基材Ｍ中に
混入される繊維ｆは、押出ロイから線状に押し出される
基材Ｍや圧延ロールロ、口開から送出されるシート状基
材Ｍの長さ方向にのみ配向されるものであり、その他の
方向へ繊維を配向させて材料の強化を図ることはできな
い。

又、特に基材として金属材料を用いた繊維強化金属の場
合、金属基材中に繊維を混入させるために基材を高温に
加熱したり、又は溶融状態とした場合に、基材と混入す
べき繊維との界面において反応が起こり、繊維の強度低
下を招いたり、又は高温で極めて活性なチタン金属や又
はアルミニウム等の空気中の酸素により酸化されやすい
金属の場合には、これら金属基材自身の化学的変化によ
り、材料強度が低下する、といった問題があり、例えば
ＡｌとＳｉＣとの組み合わせでは高温（溶融状態）で反
応し、両者の界面に化合物を生成する為、複合材の強度
低下をおこし、このため従来法においてはＳｉＣに表面
処理を施す必要があった。

本発明は上記の問題点に鑑み、基材中に短繊維を特定方
向に配向させてなる繊維強化複合材において、基材中の
繊維を複合材の長さ方向以外の方向、即ち回転体形状の
複合材における回転方向に配向させることにより、材料
の径方向及び円周方向の機械的性質の向上を可能とする
とともに、基材中への繊維の混合、配向時に基材を高温
に加熱したり、又は基材を溶融状態とすることなく機械
的に加工を行うことにより、基材や繊維、又は両者間の
化学反応等による材料強度の低下を防止し、基材と繊維
との結合による優れた物理的及び機械的性質を有する繊
維強化複合材を得ることを目的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は上記の目的を達成するために、基材と強化繊維
とからなる素材を加圧シリンダー容器内で加圧した状態
でシリンダー容器内面における素材との接触面を回転さ
せて加圧状態下の素材へ回転方向の剪断力を付与するこ
とにより、強化繊維を基材中で回転方向へ配向させてな
ることを特徴とするものである。

前記した素材への剪断力の付与は、加圧シリンダー容器
内面の素材に接する側端面を回転させて加圧状態の材料
へその端面から回転方向の剪断力を付与し、又は加圧シ
リンダー容器の素材に接する内周面を回転させて加圧状
態の素材へその外周面から回転方向の剪断力を付与した
り、更には加圧シリンダー容器の回転面をこれと接する
素材に対してその長さ方向に移動させて材料に剪断力を
付与する、等の各種方法が採用されうる。

そして、素材としては基材中に強化繊維を混入してなる
固形材料、粉末状態の基材と強化繊維を混合したもの、
溶融状態の基材中に強化繊維を混入させたもの、又は強
化繊維に基材をコーティングしてなるもの、更には、薄
層状の材料を多数積層して基材とし、この基材の各層間
に強化繊維を介在させて混入したもの等、種々の態様の
材料を用いることができるのである。

〔作　用〕

本発明は上記の如く構成してなり、繊維を含んだ基材が
容器内で加圧された状態で回転方向の剪断力を付与され
ることにより素材内部で回転方向に塑性流動し、この基
材の塑性流動に伴って該基材に混入されている繊維が回
転方向、即ち円周方向に配向されるとともに、基材の結
晶粒子の塑性変形、微細化、及び基材内部組織の均質化
等の作用により、基材自身も強化される。そしてこの加
圧操作は加圧容器内で行われるため、素材に付与される
回転方向の剪断力が確実に素材に作用するとともに、素
材として固形材を用いた場合にも基材にクランク等が発
生することを防止して内部で塑性流動させて繊維を配向
するとともに素材自体の強化も効果的に行われるのであ
る。又、基材として粉体材料を用いた場合にも、基材の
粉体粒子が加圧、剪断により塑性変形されることにより
接着するとともに、結晶粒子の微細化、均質化等の作用
により基材が固形化されて複合材となしうるのである。

〔実施例〕

以下、本発明を更に詳細に説明する。

本発明によって製造される繊維強化複合材には、基材と
して金属材料を用いた繊維強化金属と、基材として合成
樹脂を用いてなる繊維強化プラスチックスとがある。

前記繊維強化金属の場合における基材としては、例えば
Ｍｇ、、Ａｌ、Ｔｉ等、又はＦｅ５Ｎｉ基合金等がある
。これらに混入される強化繊維としては、例えば、炭化
珪素繊維、炭素繊維、アルミナ繊維、ボロン繊維、又は
ウィスカーとしての５ｉＣＳＳｉ３Ｎ４、Ａｊ２２０３
等がある。又、繊維強化プラスチックスにおける基材と
しては、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、フェ
ノール樹脂等の熱硬化性樹脂やポリエチレン樹脂、ポリ
プロピレン樹脂、ナイロン、ポリスチレン樹脂等の熱可
塑性樹脂等があり、これらの基材に混入される繊維とし
ては、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、金属繊維
等がある。

本発明においては、上記の金属又は合成樹脂等の基材と
強化繊維とからなる素材に加圧状態で回転方向の剪断力
を付与することにより、基材内部で塑性流動を発生させ
ることにより繊維を配向させると同時に基材の強化をも
行うものである。

前記素材は、基材中に強化繊維を混入してなる固形材料
、粉末状態の基材と強化繊維を混合したもの、溶融状態
の基材中に強化繊維を混入させたもの、更には強化繊維
に基材をコーティングしてなるもの、又は薄層状に形成
した基材を多層に積層して各層間に強化繊維を挟み込み
、例えばロール状に巻回したようなもの等、種々の態様
の材料を用いることができる。又、固形又は粉体状態の
基材を用いた場合には、加圧、剪断加工時の摩擦熱の発
生により基材が溶融状態となることもある。

又、加圧、剪断加工時に必要に応じて固体又は粉体状の
素材を加熱したり、又、加工後に得られた複合材料を冷
却することも考慮されるのである。

更には、素材状態で予め溶融状態又はそれに近い状態と
して供給し、加圧、剪断加工の最中に降温させて加工終
了時に再結晶温度以下となるように材料温度を調節して
もよい。

以下、添付図面に基づき説明すると、 第１図及び第２図に示したものは、本発明の１実施態様
を示すものであり、有底のシリンダー１と、加圧ピスト
ン２とにより加圧シリンダー容器３を構成し、前記シリ
ンダー１の内部に加圧ピストン２との間で形成される円
柱状内部空間に、基材Ｍ中に繊維ｆを混入してなる素材
４を装填し、加圧、剪断加工するものである。

前記シリンダー容器３の加圧ピストン２はシリンダ−１
開口端から内部へ摺動、且つ軸回りで回転可能に嵌挿し
てなり、容器３内部に装填した素材４を該ピストン２に
てシリンダー１の底面１ａ方向へ押圧することにより加
圧するとともに、この加圧状態で加圧ピストン２をその
軸回りで回転させて、加圧ピストン端面２ａから該端面
と接触している素材４の端面に対して剪断力を付与する
ことにより、素材４内部の基材Ｍを塑性流動させ、繊維
ｆをこの基材Ｍの流動に伴って配向させるのである。こ
のとき、第３図の如く、シリンダー１の内周面１ｂに摩
擦係数の小さな合成樹脂等の被膜７を形成したり、又は
素材４との間に摺動リング等を介装しておくことにより
、該内周面１ｂとこれに接触する素材４との間に発生す
る摩擦力を軽減し、前記加圧ピストン２の回転により材
料４へ付与される剪断力がシリンダー１の内周面１ｂと
の摩擦力により素材４の下部への伝達を阻害されること
なく、加圧ピストン２の回転による剪断力により、素材
４は加圧ピストン端面２ａとシリンダー底面１ａとの間
で加圧された状態でその内部にて基材Ｍが回転方向に塑
性流動する。第４図に示したものは、このときの素材４
中の基材Ｍの塑性流動に伴う繊維ｆの配向の様子を表す
ものであり、第４図（イ）の如く円柱形状の素材４は、
その上下両端面から加圧Ｐされた状態でピストン２の回
転により上端面４ａに回転方向の剪断力が加えられ、素
材４における基材Ｍは回転方向に塑性流動することによ
り、該基材Ｍ中に混入された繊維ｆが基材Ｍの流動方向
、即ち回転方向に配向され、最終的には第４図（ハ）の
如く殆ど全ての繊維ｆが複合材中において円周方向へ配
向した状態となる。第５図に示したものは上記の方法で
得られる複合材と従来の方法で得られる複合材をそれぞ
れ円柱状に成形した場合の繊維ｆの配向の状態を比較し
たものであり、本発明方法によるもの（第５図（イ））
においては、円柱形状の基材Ｍで繊維ｆが円周方向へ配
向しているのに対し、押出法によるもの（第５図（ロ）
）は円柱形状の軸に平行な方向に配向する。又、延伸法
によるもの（第５図（ハ））では、繊維ｆは軸に対して
直交する方向に配向されており、本発明方法における複
合材中の繊維ｆの配向は従来のものに較べてその方向を
全く異にするものであり、例えば円板状又はリング状製
品のように円周方向の強度を要求される複合材として好
ましい繊維配向を有するものである。

次に、第６図に示したものはリング状の繊維強化複合材
を作成するための装置であり、有底のシリンダー１と加
圧ピストン２とによりシリンダー容器３を構成し、前記
シリンダー１の底面中央に設けた貫通孔５に加圧ピスト
ン２の先端に突設した突軸６を挿入してシリンダー１と
加圧ピストン２とにより形成されるリング状空間内に素
材４を装填し、これを加圧ピストン２にて加圧するとと
もに、該加圧ピストン２をその軸回りで回転させること
により、加圧ピストン２の下端面２ａ及び突軸６の外周
面６ａから素材４に対して回転方向の剪断力が付与され
るのである。このとき、第７図に示したように、シリン
ダー底面１ａ及び加圧ピストン下端面２ａを摩擦係数の
小さな合成樹脂等の被膜にて被覆するか又は素材４との
間に摺動リング８を介装しておくことにより、突軸外周
面６ａのみからリング状の素材４の外周方向に向かって
回転方向の剪断力を伝達するのである。このときの素材
４中の繊維ｆは、第８図に示す如くリング状の基材Ｍ中
で円周方向に配向され、リング状製品において要求され
る円周方向における機械的強度が向上する。

又、第９図（イ）〜（ハ）に示したものは、本発明に係
る他の方法を示すものであり、両端開口のシリンダー１
内に装填した素材４を、シリンダー１の両端開口から嵌
装した加圧ピストン２．２′にて加圧した状態で、一方
の加圧ピストン２を回転させるとともに、シリンダー１
の一部１１をシリンダー１の他の部分１２に対して回転
させることにより、隣接する回転部１１と固定部１２と
の境界面Ａにおいて材料４に回転方向の剪断力を付与し
ながら加圧ピストン２及び２′を図中左方へ移動させ、
材料４全体を順次前記境界面Ａを通過させることにより
、材料４の全長にわたって均一に回転方向の剪断力を付
与して繊維ｆを配向させるものである。この場合の素材
４中における基材Ｍの塑性流動及び繊維ｆの配向の様子
は第１０図に示すようなものとなる。即ち、素材４はシ
リンダー内で両端から加圧ピストンで加圧Ｐされた状態
で、相対的に回転している隣接する回転部１１と固定部
１２との境界面Ａにおいて回転方向の剪断力を与えられ
、この部分で回転方向への塑性流動が起こるのである。

そして素材４をシリンダー１内で移動させてその一端か
ら他端へわたって前記境界面Ａを通過させ、素材４全体
にわたって基材Ｍを塑性流動させて繊維ｆを配向させる
のである。

更に第１１図に示したものは、本発明の他の実施例を示
すものであり、一端を閉鎖した回転シリンダ一部１１の
開放端から、両端を開口し回転方向に固定され且つ軸方
向に移動可能とした移動シリンダ一部１５を内挿すると
ともに、該移動シリンダ一部１５の開口端には加圧ピス
トン２を内挿して加圧シリンダー容器３を構成し、前記
加圧ピストン２にて容器３内部に装填した材料４を加圧
した状態で回転シリンダ一部１１を回転させるとともに
、移動シリンダ一部１５を加圧ピストン２方向へ後退さ
せることより、回転シリンダ一部ｌｌ内に位置する移動
シリンダ一部１５の開口端面Ｂにおいて材料４へ回転方
向の剪断力を付与することにより、基材Ｍを回転方向に
塑性流動させて繊維ｆを配向させるものである。

〔発明の効果〕

以上の如く、本発明に係る繊維強化複合材の製造方法に
よれば、金属又は合成樹脂等の基材に強化繊維を混入さ
せることにより基材単体の場合には得られない物理的、
機械的強度を有する複合材を製造しうるとともに、前記
素材中の繊維を回転する方向へ配向させることにより円
周方向において優れた機械的性質を有するものとして、
円板状又はリング状等に成形した場合に好ましい強度を
有する複合材を提供しうるちのであり、又、前記繊維の
配向とともに基材自体の強化を可能として、複合材とし
てより優れた機械的強度を付与することができる。

又、本発明方法によれば、固形状又は粉体状の４゜ 基材の場合にもこれを加熱したり又は溶融状態とするこ
となく機械的に加工して基材中に容易に繊維を混入し、
且つ特定方向に配向させることが可能であり、加工時の
化学反応等により基材や繊維の強度低下を起こすことも
なく、優れた物性を有する複合材を提供うるちのである
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法を実施するための加圧シリンダー容
器の一実施例の斜視図、第２図は前記シリンダー容器を
用いた本発明方法の説明用側断面図、第３図は前記方法
の他の実施例の側断面説明図、第４図は前記方法におけ
る基材の塑性流動及び繊維の配向の様子を示す説明図、
第５図は各種製法による複合材中の繊維配向状態を比較
したものであり、（イ）は本発明方法によるもの、（ロ
）は押出法によるもの、（ハ）は圧延法によるものであ
り、第６図は他のシリンダー容器を用いた本発明方法の
説明用側断面図、第７図は前記方法の他の実施例の側断
面説明図、第８図は前記方法におけ基材の塑性流動及び
繊維の配向の様子を示す説明図、第９図（イ）〜（ハ）
は他の実施例の工程説明図、第１０図は第９図の方法に
おける基材の塑性流動及び繊維の配向の様子を示す説明
図、第１１図は更に他実施例の説明用側断面図であり、
第１２図は従来の押出法、第１３図は従来の圧延法の説
明図である。 ｌニジリンダ−１２：加圧ピストン、３：加圧シリンダ
ー容器、４：素材、５：貫通孔、６：突軸、７：被膜、
８：リング、９：供給口、１１：回転部、１２：固定部
、１５：移動部。 Ｍ：基材、ｆ：繊維。 特許出願人　有限会社　イブアリサーチ（外１名）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）基材と強化繊維とからなる素材を、加圧シリンダー
   容器内で加圧した状態でシリンダー容器内面における素
   材との接触面を回転させて加圧状態下の素材へ回転方向
   の剪断力を付与することにより、強化繊維を基材中で回
   転する方向へ配向させてなることを特徴とする繊維強化
   複合材の製造方法。 ２）加圧シリンダー容器内面の素材に接する側端面を回
   転させることにより、加圧状態の素材へその端面から回
   転方向の剪断力を付与することを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の繊維強化複合材の製造方法。 ３）加圧シリンダー容器の材料に接する内周面を回転さ
   せることにより、加圧状態の素材へその外周面から回転
   方向の剪断力を付与することを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の繊維強化複合材の製造方法。 ４）加圧シリンダー容器の回転面をこれと接する素材に
   対してその長さ方向に移動させて材料に剪断力を付与す
   ることを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の繊維強
   化複合材の製造方法。 ５）素材として、基材中に強化繊維を混入させた固形材
   料を用いてなることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の繊維強化複合材の製造方法。 ６）素材として、粉末状態の基材と強化繊維を混合した
   ものを用いてなることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の繊維強化複合材の製造方法。 ７）素材として、溶融状態の基材中に強化繊維を混入さ
   せたものを用いてなることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の繊維強化複合材の製造方法。 ８）素材として、強化繊維に基材をコーティングしてな
   るものを用いてなる特許請求の範囲第１項記載の繊維強
   化複合材の製造方法。 ９）素材として、薄層状の材料を多層に積層してなる基
   材の隣接する各薄層間に強化繊維を混入させたものを用
   いてなる特許請求の範囲第１項記載の繊維強化複合材の
   製造方法。