JPH0470376B2 - - Google Patents

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JPH0470376B2
JPH0470376B2 JP59193469A JP19346984A JPH0470376B2 JP H0470376 B2 JPH0470376 B2 JP H0470376B2 JP 59193469 A JP59193469 A JP 59193469A JP 19346984 A JP19346984 A JP 19346984A JP H0470376 B2 JPH0470376 B2 JP H0470376B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は炭素繊維を含有するアルミニウム系お
よびマグネシウム系金属複合材料に関する。
炭素繊維を含有するアルミニウム系、あるいは
マグネシウム系金属は一般に炭素繊維強化軽金属
とよばれる。炭素繊維強化金属はCFRPより耐熱
性の高い軽量構造材料として航空宇宙分野を初め
とする各種の工業分野に使用するため開発研究が
進められているが、炭素繊維は上記軽金属の溶融
物にぬれにくく、複合化困難なため、融液含浸法
によつて複合材料を製造するためには、炭素繊維
を溶融軽金属にぬれ易くするための被膜を被覆す
る必要がある。このぬれ性改善被膜としてはチタ
ン−ホウ素間化合物が知られている(特開昭51−
81703)が、チタン−ホウ素を薄く被覆した炭素
繊維で強化したアルミニウムあるいはマグネシウ
ム金属は必ずしも強化材に用いた炭素繊維の強度
を高度に活用するものとなつていない。その強化
効率は繊維の熱処理温度が低いほど低く、特に
1500℃前後の温度以下で焼成されている炭化糸の
場合にそれが顕著である。これは炭素繊維がこれ
ら金属と接触し、反応して劣化するためとみられ
る。このため、劣化防止のための被膜を炭素繊維
に被覆させる必要があるが、このような被膜を被
覆させることによる炭素繊維の強度低下もまた著
しい。そこで種々研究の結果、劣化反応防止被膜
を被覆させる前に炭素被膜を被覆させておくこと
がこの点の改善に有効なことを認めた。しかしな
がらこのようにして炭素被膜、反応防止被膜、ぬ
れ性改善被膜を重ねて被覆した炭素繊維が、果し
て軽金属の強化において高い強化効率を示すかは
不明である。そこで、複合材料の調整条件を検討
し、その結果、上記三層の被膜を被覆した炭素繊
維を強化材とすることによつて、強度の高い炭素
繊維強化軽金属が得られることを発見した。した
がつて、本発明は炭素繊維に炭素被膜、劣化反応
防止被膜、ぬれ性改善被膜を順次被覆し、ついで
この繊維を軽金属と複合させる複合材料製造方法
とその複合材料を提出するものである。劣化反応
防止被膜としては金属炭化物、窒化チタン、窒化
ホウ素が使用され、ぬれ性改善被膜としてはチタ
ン−ホウ素系、ホウ素、ホウ素−ケイ素系が用い
られる。
本発明方法で使用される炭素繊維はPAN系、
レーヨン系、液晶ピツチ系に限るものではない。
各種の炭素繊維が用いられる。焼成温度は1000℃
以上のものが推奨される。形状には多数の連続フ
イラメントの糸、あるいは織布、フエルト等があ
り、また他の形状のものも使用できる。短繊維の
各種集積物を用いることもできる。
炭素繊維上に炭素を被覆させる方法としては公
知の方法(たとえば特開昭57−82570)を適用す
ることができる。これは空気を排除した反応室に
おいて加熱した炭素繊維に炭素原子を含む化合物
の気体を750〜2000℃の間で接触させるものであ
り、その化合物にはプロパン、メタン、ベンゼン
その他多くの炭化水素が含まれる。また混合物を
用いることもできる。さらに、濃度を不活性ガス
や水素の混合物によつて調節することができる。
炭素被膜は表面が、炭素繊維表面の形状に応じて
平滑であることが望ましい。このような被膜は黒
鉛層平面が炭素繊維表面に平行方向に配向したい
わゆる層状構造をとるものである。そのような被
膜の生成条件の設定はさほど困難ではない。被膜
は少なくとも95%炭素を含むものが望ましく、厚
さは0.001〜2.0μmが望ましい。
炭素被膜の上側に被覆される劣化反応防止用金
属炭化物被膜はたとえばケイ素、ホウ素、チタ
ン、ジルコニウム、タングステン、ニオブ、タン
タル等の金属の炭化物であり、その被覆には気相
から沈着させる方法が適している。これには、た
とえば特開昭58−31167に記載されているCVD法
を用いることができる。金属炭化物被膜は、その
金属のハロゲン化物と炭化水素、水素、不活性ガ
スの混合ガスを1000〜1700℃の間の温度の炭素被
覆炭素繊維に接触させることによつて生成させる
ことができる。炭化ケイ素の被覆にはCH3SiCl3
(CH32SiCl2等を用いることができる。ここで
は、また二種以上の金属を含有させることが金属
含有化合物ガスの選択によつて可能である。窒化
チタン被膜は、たとえば、四塩化チタン、窒素、
水素の混合ガスを用いて生成させるできる。ま
た、窒化ホウ素は、たとえば三弗化ホウ素とアン
モニアを含むガスから生成させることができる。
これらの被膜も1000〜1500℃の間で生成させるこ
とができる。その被膜の厚さは2〜0.001μmであ
る。
ぬれ性改善被膜も気相から被覆させる方法が推
奨される。これでは、チタン−ホウ素被膜は特開
昭51−81703に記載の方法を適用することができ
る。これは四塩化炭素、三塩化ホウ素の混合ガス
を亜鉛蒸気で還元する方法である。ホウ素被膜は
三塩化ホウ素を、ホウ素−ケイ素被膜は三塩化ホ
ウ素と四塩化ケイ素を亜鉛蒸気を含む気体ととも
に加熱した炭素繊維に接触させることによつて被
覆させることができる。この場合も、不活性ガ
ス、水素を用いて上記ガスの濃度を調節すること
ができる。被覆温度は500〜900℃である。被膜の
厚さとしては2〜0.001μmである。さらに炭素被
膜、劣化反応防止被膜、ぬれ性改善被膜の厚さの
合計は3〜0.003μmの範囲が望ましい。
三層を被覆した繊維を軽金属に混入させるには
各種の手法を用いることができるが、溶融金属を
繊維集合体に含浸させる方法が推奨できる。この
場合炭素繊維に順次被膜を被覆させるが、ぬれ性
改善被膜を被覆させた後は酸化性雰囲気に接触さ
せることなく溶融金属に浸漬することが望まし
い。このようにして、溶融金属を大気圧の雰囲気
下で、特別に加圧しなくても繊維集合体に含浸す
ることができる。また被覆炭素繊維に軽金属を蒸
着し、これを重ねて、あるいは軽金属フイルムま
たは粉末等を重ねて加熱加圧して複合材料にする
ことができる。
軽金属としてはアルミニウム、マグネシウムお
よびそれらの各々を主成分とする各種の合金を用
いることができる。これらの合金はJISあるいは
ASTM規格に定められたものを用いることがで
きるが、必ずしもそれに限定されるものではな
い。含有成分としては、たとえばアルミニウム系
ではケイ素、マグネシウム、銅、マンガンがあ
る。マグネシウム系ではたとえばアルミニウム、
亜鉛、マンガン、ケイ素、銅、ニツケルがある。
炭素繊維およびここに記載の被膜はぜいせい材
料であり、また薄い被膜の多重被覆であるため、
軽金属母材複合材料の強度、耐熱劣化性に及ぼす
被覆効果を予測することは不可能である。そこ
で、炭素繊維一方向強化軽金属のワイヤを合成
し、その強度を測定して被覆効果を検討した。そ
の結果、PAN系炭化糸の場合ぬれ性改善被膜の
みを、被覆した繊維の場合は複合則からの予測値
の約30%、劣化反応防止被膜とぬれ性改善被膜を
被覆した繊維では約50%の強度を示したが、本発
明方法にしたがつて調製した三層被膜被覆炭素繊
維の場合は70%以上、高い場合は85%以上の強度
を示した、なお上記数値々末被覆炭素繊維の引張
強度を基準にしたものである。また、300℃,400
℃加熱後の強度変化測定結果も本発明被覆炭素繊
維強化複合材料が他の場合に比し、明らかに耐熱
劣化性の高いことを示した。なお、本発明による
複合材料においては、炭素繊維の焼成温度が炭化
糸のそれより高い場合は強化効率、耐熱劣化性は
炭化糸の場合より高くとも低くなることはない。
以下、実施例によつて本発明を説明する。
実施例 1 PAN系炭化糸(8μmフイラメント3000本、強
度310Kg/mm2)を1150℃、プロパン0.2%のアルゴ
ン気流中とCH3SiCl3,H2,Arをそれぞれ2,
20,250の容積比で含む気流中を通過させ、つい
でBCl3,TiCl4,Ar,Znの蒸気それぞれ1.4,
2.0,230ml/min,20mg/minの700℃混合気流中
と730℃溶融アルミニウム合金6061中を順次通過
させた。ワイヤ状の炭素繊維強化アルミニウム合
金を得た。繊維容積含有率38%、強度は未被覆炭
素繊維強度から計算して複合則値の86%を示し
た。
実施例 2 PAN系炭化糸(7μmフイラメント6000本、強
度440Kg/mm2)を1300℃でメタン0.3%のアルゴン
気流中と1100℃でTiCl4、メタン、水素、アルゴ
ンそれぞれ0.5,0.6,9,90%の混合気流中で連
続的に加熱し、炭素被膜(厚さ0.05μm)、炭化チ
タン(0.3μm)を二重に被覆した。この繊維を
BCl3,SiCl4,Arを1:3:100の容積比で含む
混合気流中を通過させ、ついで7000℃の溶融マグ
ネシウム合金AZ61A中を通過させた。繊維容積
含有率32%のワイヤを得た。複合則値の79%の強
度を示した。
実施例 3 PAN系黒鉛化糸(8μmフイラメント3000本、
強度210Kg/mm2)にプロパン0.3%を含むArガス
から1300℃で炭素被膜(厚さ0.05μm)を生成さ
せ、ついでこの繊維をTiCl4,N2,H2,Arを
0.5,3,1.5,90%の容積比で含む混合ガス中
1200℃で加熱してTiN被膜(厚さ0.6μm)を生成
させた。得られた繊維を実施例1と同様にして
Ti−B被膜生成装置を通過させて、さらに720℃
溶融Al合金中を通過させた。繊維容積含有率32
%、複合則値84%の強度のワイヤを得た。
実施例 4 液晶ピツチ系炭素繊維(10μmフイラメント
2000本、強度250Kg/mm2)に炭素被膜(0.1μm)
を被覆し、その後容積比0.4,0.4,0.2,99%の
BF3,NH3,H2Arの混合気流中を通してBN(厚
さ0.3μm)を被覆させた。この繊維にB−Si被膜
を被覆させ、ついで溶融Al合金中を通過させた。
強化効率の高いワイヤを得た。
実施例 5 レーヨン系炭素繊維(ソーネル25)に実施例1
と同様にして炭素被膜を被覆し、ついでBCl3
プロパン、H2,Ar気流中で1200℃に加熱し、炭
化ホウ素被膜(厚さ0.4μm)を生成させた。これ
をさらにBCl3,Zn混合気流中を通し、連続して
溶融Al合金中を通過させた。繊維容積含有率28
%、強化効率の充分高いワイヤを得た。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 炭素95重量%以上を含む第1の被膜、金属炭
    化物、窒化チタンおよび窒化ホウ素からなる群か
    ら選ばれた化合物の少なくとも1種を主成分とす
    る第2の被膜、ならびにチタン−ホウ素、ホウ素
    およびケイ素−ホウ素からなる群から選ばれた化
    合物の少なくとも1種を主成分とする第3の被膜
    を外側に向けて順次備えた炭素繊維を含有するア
    ルミニウム系またはマグネシウム系軽金属複合材
    料。 2 金属炭化物がケイ素、ホウ素、チタン、ジル
    コニウム、タングステン、ニオブおよびタンタル
    からなる群から選ばれた金属の炭化物である特許
    請求の範囲1項に記載の複合材料。 3 炭素繊維表面の第1の被膜、第2の被膜およ
    び第3の被膜のそれぞれの厚さが0.001〜2μmの
    範囲内にある特許請求の範囲1項に記載の複合材
    料。 4 炭素繊維表面の第1の被膜、第2の被膜およ
    び第3の被膜の合計厚さが0.003〜3μmの範囲内
    にある特許請求の範囲1項に記載の複合材料。 5 炭素繊維が1000℃以上の温度で焼成したもの
    である特許請求の範囲1項に記載の複合材料。 6 炭素繊維上に炭素95重量%以上を含む第1の
    被膜、金属炭化物、窒化チタンおよび窒化ホウ素
    からなる群から選ばれた化合物の少なくとも1種
    を主成分とする第2の被膜、ならびにチタン−ホ
    ウ素、ホウ素およびケイ素−ホウ素からなる群か
    ら選ばれた化合物の少なくとも1種を主成分とす
    る第3の被膜を順次被覆した後、得られた被覆炭
    素繊維をアルミニウム系またはマグネシウム系軽
    金属に含有させることを特徴とする複合材料の製
    造方法。
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