JPH03234614A - 繊維強化複合材製中空構造物 - 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〕 この発明は繊維強化複合材製中空構造物、特に低熱膨張
材料として電波部品などに使用される繊維強化金属製角
ビームに適した繊維強化複合材製中空構造物に関するも
のである。

〔従来の技術〕

熱膨張係数が小さな繊維、たとえば炭素ａ！維と複合化
した繊維強化金属（以下、ＦＲＭという）は低熱膨張で
あり、かつ熱および電気の良導体であるので、電子部品
用材料として使用される。またこの特性は電波部品とし
ても適しており、例えは寒波管などの材料として期待さ
れている。

第３図はこのような導波管などの電波部品に使用されて
いるＦＲＭ製の角形ビームの一般的な形状を示す斜視図
であり、図において、（１）はＦＲ１’ｌ製の角ビーム
で、長尺の中空構造物からなり、長尺の複合材層（２）
の中央部に中空部（３）が形成されている・第４図およ
び第５図の（ａ）は従来のＦＲＭ製の角ビームを示す斜
視図、（ｂ）はそれらの断面図であり。

図において、（４）は強化繊維層である。

従来、この種の角ビーム（１）を得る場合には、第４図
（ａ）に示すように、まず角形のマンドレル（図示せず
）の周囲に連続繊維状またはクロス状の強化繊維を複数
回巻付けて、複数の強化繊維層（４）からなるプリフォ
ームを成形する。そして、このプリフォームにマトリッ
クスとなる金属を液相含浸させて硬化させ、繊維と金属
とを一体化させて複合材層（２）を形成し、これを加工
してＦＲＭ製の角ビーム（１）を形成する。第４図（ｂ
）中、（４）は複合材層（２）中にある強化繊維！（４
）が周方向から見るとどのように入っているかを模式的
に示している。

また、第５図（ａ）、（ｂ）は従来のＦＲＭ製角ビーム
の他の例を示しており、この角ビーム（１）は、複合材
層（２）の板材（５）を４枚組み合わせたもので、各々
の付合せ部はろう材等の接合材（６）によって互いに接
合されている５ 上記のようにして形成されたそれぞれのＦＲＭ製の角ビ
ーム（１）は、熱膨張係数か小さく５熱および電気伝導
率が高いので、温度変化した場合の寸法変化が小さく、
また発生する熱を伝導により池へ逃す能力が高いため、
導波管なとの電波部品として優れた特性を示す。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記のＦＲＭ製角ビームのような従来の
繊維強化複合材製中空構造物にあっては、熱変形の均一
性が得られず、また強度が低いという問題点があった。

すなわち、第４図の角ビーム（１）においては。

強化繊維層（４）の層が厚くなるに伴って、コーナー部
分が丸みを帯び、このコーナー部分が丸みを帯びてくる
と直線部分にもその影響が現われ、第４図（ａ）、（ｂ
）に（４ａ）で示すように、強化繊維層（４）が外側へ
湾曲して、いわゆる巻太り現象が生し５る。

そして、角ビーム（１）を最終形状に仕上げるために、
通常外周を切削することが行われるが、巻太りを生じて
いるとその際に強化繊維層（４）を切断する二とが避け
られず、その結果として繊維分布の均一性が乱れ、熱変
形の不均一が生してしまうという問題点があった。

第５図の角ビーム（１）においては、巻太りによる繊維
分布の不均一性は生しないが、複合材層（２）の板材（
５）の付合せ部には接合材（６）が存在するので、その
部分で強化繊維層（４）が連続していないため、その箇
所の強度が低下するという問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解消するためになさ
れたもので、熱変形が均一でかつ小さく、また強度の高
い繊維強化複合材製中空構造物を得ることを目的とする
。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係る繊維強化複合材製中空構造物は、角形の
マンドレルの外周に強化、ｗｉ！！維を巻付けて複数の
強化繊維層を形成し、この強化繊維層にマトリックスを
液相含浸させた状態で硬化させて複合化した繊維強化複
合材製中空構造物において、コーナー部における強化繊
維層間に、繊維強化複合材を前記マンドレルの軸方向に
沿って介在させたものである。

本発明において、強化繊維としては、炭素、炭化ケイ素
、窒化ケイ素、アルミナ、窒化ホウ素、チタン酸カリウ
ム、ガラス等の連続繊維、クロスなど、従来より強化繊
維として使用されているものが使用できる。また、マト
リックスとしては、アルミニウム、マグネシウム、銅、
亜鉛、錫、これらの合金等の金属のほか、エポキシ樹脂
等の樹脂など、従来から用いられているものが使用でき
る。

〔作　用〕

この発明の繊維強化複合材製中空構造物においては、コ
ーナー部における強化繊維層間に、繊維強化複合材をマ
ンドレルの軸方向に沿って介在させたので、コーナー部
の曲率が常に一定となって、巻太りが防止され、これよ
り強化繊維の分布が均一となり熱変形も小さい。また１
強化繊維の切断や付合せ部がないので１強度の高いもの
が得られる。

〔発明の実施例〕

第１図（ａ）はこの発明の一実施例によるＦＲＭ製の角
ビームの斜視図、（ｂ）はその断面図であり１図におい
て第３図ないし第５図と同一符号は同一または相当部分
を示す。

強化繊維層（４）は、角ビーム（１）の複合材層（２）
の全体の厚みに応じて、適当に複数の層に分割して強化
繊維を巻付けて形成されている。（１１）は角ビーム（
１）のコーナー部における強化繊維層（４）間に、マン
ドレルの軸方向に沿って介在する棒状の繊維強化複合材
で、上記強化繊維層（４）と交互に積層されている。繊
維強化複合材（１１）は複合材層（２）と同種の強化繊
維およびマトリックスにより、予め形成されたものであ
る。

第２図（ａ）〜（ｅ）は上記の角ビーム（１）の製造工
程を模式的に示す斜視図であり、図中、（１２）は強化
繊維、（１３）はマンドレル、　（＋４）はフィラメン
トワインディング機のデリバリイアイ、（１５）はプリ
フォーム、（１６）はマトリックスの液相含浸を行うた
めの保護ケースである５マンドレル（１：ｉ）およびデ
リハリイアイ（１４）は矢印、ｉＸ、Ｂ方向にそれぞれ
可動できるようになっている。

角ヒーム（１）の製造方法は、まず第２図（ａ）に示す
ように、角形のマンドレル（１３）の外周に強化繊維（
１２）をデリハリイアイ（１４）を通してフィラメント
ワインディングにより巻付け、強化繊維層（４）を形成
する。そして第２図（ｂ）に示すように。

層巻く毎に４個のコーナー部にそれぞれ繊維強化複合材
（ＩＩ）を配置し、さらにその上にフィラメントワイン
ディングにより強化繊維（１２）を巻付けて強化繊維層
（４）を形成する。この工程を繰り返し、第２図（Ｃ）
に示すように所定の強化繊維層（４）の厚みを持つプリ
フォーム（１５）を成形する。

次に第２図（ｄ）に示すように、このプリフォーム（１
５）を保護ケース（１６）に収納して１（１６ａ）で上
部を覆い、保護ケース（１６）と共にプリフォーム（１
５）を加熱する。

そしてこれらを液相含浸金型のキャビティに入れ、マト
リックスとなる金属の溶湯をそのキャビティに満たし、
プランジャーで溶湯を加圧してプリフォーム（１５）に
金属を含浸させて複合化する。

その後、第２図（ｅ）に示すよ、うに、保護ケース（１
６）を取り外し、必要寸法となるように外周および内周
を機械加工して、最終形状の角ビーム（１）を形成する
。

このようにして得られる角ビーム（１）は、コーナー部
に繊維強化複合材（１１）を介在させることにより、コ
ーナー部の全体の厚さが１周方向に巻く強化繊維層（４
）の厚さとほぼ同一になり、コーナー部の曲率が周方向
に巻付ける強化繊維層（４）の数にかかわらず常に一定
になる。このため、前述の巻太り現象は防止される。ま
た、コーナー部に積層配設した棒状の繊維強化複合材（
１１）としては、強度が高くかつ熱膨張係数が低い材料
を選択することができるので１強化繊維層（４）との熱
膨張の差に起因する応力の発生、およびそれに伴う異常
熱変形を低減することができ、熱変形が均一で小さくな
る。さらに、コーナー部において強化繊維層（４）は連
続するので、その部分の機械的性質が爆縮に低下するこ
とはない。また繊維強化複合材（１１）は剛性のある棒
状であるため、繊維単体のように剛性がなく、治工具で
張力をかけなければならないものと比較して、コーナー
部への配設、積層が容易である。さらにマトリックスと
同一の棒状のみの場合は、溶湯したマトリックスの含浸
時に溶かされて変形するという欠陥があるが、繊維強化
複合材（１１）は強化繊維が存在するため、変形は起こ
らず１強度の高いものが得られる。

上記実施例において角ビーム（１）の製造に際し、強化
繊維（１２）として炭素繊維、マトリックスとなる金属
として純アルミニウムを用い、繊維強化複合材として（
１１）として同種ものを用いたところ、成形したＦＲＭ
製角ビーム（１）の周方向の熱膨張係数は０．５　Ｘ　
１．０−’／’Ｃ１軸方向の熱膨張係数は４Ｘ１０−’
／℃であり、軸方向の熱伝導率は１２０１＋ｌ／ｍ／に
であった。また電気伝導率は２０　ｌＡＣ３％であった
。そして、この実施例においては、コーナー部へ繊維強
化複合材（１１）を配設したことによって角の曲率が各
層共一定となり、繊維の巻太りが生じず、第４図のよう
な従来のものと比べて角型の直線部分における強化繊維
層（４）の乱れが少なくなった。従って熱膨張は均一で
、異常な変形が認められなかった。またコーナー部にお
いて強化ａ椎が連続しているため、第５図のような従来
のものと比べ、機械的性質が不連続となる欠点が解消さ
れた。

なお、上記実施例における強化繊維（１２）、マトリッ
クス、および繊維強化複合材（１１）は、その種類が実
施例で述べたものに限定されるものではなく、強化繊維
（１２）として炭素のほか、炭化ケイ素、窒化ケイ素、
アルミナ、窒化ホウ素、チタン酸カリウムなどの連続繊
維またはクロスを用いることが可能であり、マトリック
スはアルミニウムまたはその合金のほか、マグネシウム
、銅、亜鉛、錫またはそれらの合金などを用いることが
できる。

また上記の説明はＦＲＭに関するものであったが、マト
リックスとして樹脂を用いることにより、繊維強化プラ
スチック（ＦＲＰ）とすることもできる。

この場合１強化繊維にマトリックスを含浸させた状態で
巻付けることができる。

さらに中空構造物の形状は、断面四角形のビームに限ら
机るものではなく、断面形状に直線部およびコーナー部
を含み、周方向へ繊維が配向される構成を含む角ビーム
、その池の構造のものに適用できる。また、繊維を巻付
ける方法は、フィラメントワインディングのみでなく、
繊維のクロスなど適当な繊維のプリフォームを巻付ける
方法であってもよい。この繊維の配向は、周方向の成分
を含むものであればよく、ビームの軸と平行な繊維の配
向をもつものであってもよい。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、コーナー部における
強化繊維層間に、繊維強化複合材をマンドレルの軸方向
に沿って介在させたため、巻太りを防止することができ
、これにより強化繊維の分布が均一となり、熱変形が均
一で小さくなるとともに、強度が高くなるという効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）はこの発明の一実施例による角ビームを示
す斜視図、（ｂ）はその断面図、第２図（ａ）〜（ｅ）
は実施例の角ビームの製造工程を模式的に示す斜視図、
第３図は一般的な繊維強化金属製角ビームを示す斜視図
、第４図および第５図の（ａ）は従来の角ビームを示す
斜視図、（ｂ）はそれらの断面図である。 各図中、同一符号は同一または相当部分を示し、（１）
は角ビーム、（２）は複合材層、（４）は強化繊維層、
（１１）は繊維強化複合材、（１２）は強化繊維、（■
３）はマンドレル、（Ｉ５）はプリフォーム、（Ｉ６）
は保護ケースである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）角形のマンドレルの外周に強化繊維を巻付けて複
   数の強化繊維層を形成し、この強化繊維層にマトリック
   スを液相含浸させた状態で硬化させて複合化した繊維強
   化複合材製中空構造物において、コーナー部における強
   化繊維層間に、繊維強化複合材を前記マンドレルの軸方
   向に沿って介在させたことを特徴とする繊維強化複合材
   製中空構造物。