JPH05201750A - 不連続型カーボンファイバー強化ガラスマトリクス組成物 - Google Patents
不連続型カーボンファイバー強化ガラスマトリクス組成物Info
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 すぐれた特性を持つ不連続型カーボンファイ
バー強化ガラスマトリクス組成物と、その製造方法、な
らびに、上記製造方法により製造された物品を提供す
る。 【構成】 不連続型カーボンファイバー強化ガラスマト
リクス組成物は、ガラスマトリクス内に分散した複数個
の強化用カーボンファイバーと、マトリクス内に分散し
た複数本の強化用窒化ホウ素粒とを含んでいる。この組
成物は、ガラスパウダーと強化用窒化ホウ素粒とをキャ
リヤ液中に混合し、スラリーを生成し、結合剤を上記ス
ラリーに添加することにより製造される。連続型多繊維
カーボンファイバー糸にスラリーを含浸させ、乾燥させ
てキャリヤ液を除去する。含浸カーボンファイバー糸を
適当な長さに切断し、適当な成形手段内で成形し、不連
続型カーボンファイバー強化ガラスマトリクス組成物を
形成する。
バー強化ガラスマトリクス組成物と、その製造方法、な
らびに、上記製造方法により製造された物品を提供す
る。 【構成】 不連続型カーボンファイバー強化ガラスマト
リクス組成物は、ガラスマトリクス内に分散した複数個
の強化用カーボンファイバーと、マトリクス内に分散し
た複数本の強化用窒化ホウ素粒とを含んでいる。この組
成物は、ガラスパウダーと強化用窒化ホウ素粒とをキャ
リヤ液中に混合し、スラリーを生成し、結合剤を上記ス
ラリーに添加することにより製造される。連続型多繊維
カーボンファイバー糸にスラリーを含浸させ、乾燥させ
てキャリヤ液を除去する。含浸カーボンファイバー糸を
適当な長さに切断し、適当な成形手段内で成形し、不連
続型カーボンファイバー強化ガラスマトリクス組成物を
形成する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、カーボンファイバー強
化ガラスマトリクス組成物に関し、特に不連続型カーボ
ンファイバーを用いて強化したガラスマトリクス組成物
に関する。
化ガラスマトリクス組成物に関し、特に不連続型カーボ
ンファイバーを用いて強化したガラスマトリクス組成物
に関する。
【０００２】
【従来の技術】金属の代替物としてカーボンファイバー
強化ガラスマトリクス組成物（ＣＦＲＧＭ組成物）を使
用することは、優れた強度、剛性、軽量が要求される分
野において、広く行なわれるようになってきた。このよ
うな組成物を用いた製品は、スポーツ用品からジェット
エンジンまで多岐にわたっている。
強化ガラスマトリクス組成物（ＣＦＲＧＭ組成物）を使
用することは、優れた強度、剛性、軽量が要求される分
野において、広く行なわれるようになってきた。このよ
うな組成物を用いた製品は、スポーツ用品からジェット
エンジンまで多岐にわたっている。
【０００３】ＣＦＲＧＭ組成物は、通常、カーボンファ
イバーを埋め込んだガラスまたはガラスセラミックスの
マトリクスから構成される。強化用カーボンファイバー
としては、用途に応じて、連続型あるいは不連続型のも
ののいずれかが選択される。連続型ファイバーは組成物
のほぼ全長にわたって延在する。一方、不連続型ファイ
バーは、連続型ファイバーよりもかなり短く、より局部
的なマトリクス強化を施すものである。
イバーを埋め込んだガラスまたはガラスセラミックスの
マトリクスから構成される。強化用カーボンファイバー
としては、用途に応じて、連続型あるいは不連続型のも
ののいずれかが選択される。連続型ファイバーは組成物
のほぼ全長にわたって延在する。一方、不連続型ファイ
バーは、連続型ファイバーよりもかなり短く、より局部
的なマトリクス強化を施すものである。
【０００４】したがって、連続型ファイバーＣＦＲＧＭ
組成物は耐荷重建造物などに用いられることが多く、一
方、不連続型ファイバーＣＦＲＧＭ組成物は無荷重また
は低荷重の非建造物、特に、複雑な形状の部品などの製
造に適している。このような組成物は、ともに本出願人
に対して譲渡された、米国特許第４，３１４，８５２号
（Brennan et al）及び米国特許第４，３２４，８４３
号（Brennan et al）に開示されている。カーボンファ
イバー強化組成物からなる物品は、さまざまな方法によ
り製造することができる。たとえば、金型内のホットプ
レスによる製造が、上記米国特許第４，３１４，８５２
号に開示されている。
組成物は耐荷重建造物などに用いられることが多く、一
方、不連続型ファイバーＣＦＲＧＭ組成物は無荷重また
は低荷重の非建造物、特に、複雑な形状の部品などの製
造に適している。このような組成物は、ともに本出願人
に対して譲渡された、米国特許第４，３１４，８５２号
（Brennan et al）及び米国特許第４，３２４，８４３
号（Brennan et al）に開示されている。カーボンファ
イバー強化組成物からなる物品は、さまざまな方法によ
り製造することができる。たとえば、金型内のホットプ
レスによる製造が、上記米国特許第４，３１４，８５２
号に開示されている。
【０００５】また、トランスファー成形による方法が、
本出願人に譲渡された米国特許第４，４２８，７６３号
（Layden）に、射出成形による方法が、ともに本出願人
に譲渡された米国特許第４，４６４，１９２号（Layden
et al）及び米国特許第４，７８０，４３２号（Minfor
d et al ）に、それぞれ開示されている。
本出願人に譲渡された米国特許第４，４２８，７６３号
（Layden）に、射出成形による方法が、ともに本出願人
に譲渡された米国特許第４，４６４，１９２号（Layden
et al）及び米国特許第４，７８０，４３２号（Minfor
d et al ）に、それぞれ開示されている。
【０００６】カーボンファイバーとマトリクス物質との
相互作用により、ＣＦＲＧＭ組成物は優れた特性を発揮
する。ファイバーは、ファイバー／マトリクス界面結合
を介してマトリクスから伝達される負荷を吸収すること
により、組成物の強度と弾性係数に寄与する。また、フ
ァイバーによりマトリクス内のクラックの形成を妨害あ
るいは抑止できるので、組成物の靭性が改善される。さ
らに、マトリクスの表面に露出したカーボンファイバー
により、組成物の潤滑特性は良好なものとなる。
相互作用により、ＣＦＲＧＭ組成物は優れた特性を発揮
する。ファイバーは、ファイバー／マトリクス界面結合
を介してマトリクスから伝達される負荷を吸収すること
により、組成物の強度と弾性係数に寄与する。また、フ
ァイバーによりマトリクス内のクラックの形成を妨害あ
るいは抑止できるので、組成物の靭性が改善される。さ
らに、マトリクスの表面に露出したカーボンファイバー
により、組成物の潤滑特性は良好なものとなる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＣＦＲ
ＧＭ組成物は、上述したように優れた物理的特性を持っ
ているが、特に高温にさらされた場合には、カーボンフ
ァイバーの酸化が生じやすい。この問題は、ガラスマト
リクスとカーボンファイバー間の熱膨張不均衡の結果と
して製造中にマトリクスの微細クラックが生じることよ
り、ますます大きくなる。
ＧＭ組成物は、上述したように優れた物理的特性を持っ
ているが、特に高温にさらされた場合には、カーボンフ
ァイバーの酸化が生じやすい。この問題は、ガラスマト
リクスとカーボンファイバー間の熱膨張不均衡の結果と
して製造中にマトリクスの微細クラックが生じることよ
り、ますます大きくなる。
【０００８】特に不連続型強化組成物の場合、ファイバ
ーの三次元ランダム配列により複合的ストレス相が生じ
るため、微細クラックが広範囲にわたって生じてしま
う。
ーの三次元ランダム配列により複合的ストレス相が生じ
るため、微細クラックが広範囲にわたって生じてしま
う。
【０００９】マトリクス内の微細クラックは、酸素がマ
トリクス内に侵入する通路となり、高温にさらされた時
に、マトリクス内部のカーボンファイバーが酸化する要
因を提供することになる。カーボンファイバーの酸化に
より組成物の強度と潤滑性は速やかに失われる。このた
め、用途によっては、カーボンファイバー組成物の使用
は勧められない。また、これらの組成物から構成された
部品は、頻繁な交換を必要とする。
トリクス内に侵入する通路となり、高温にさらされた時
に、マトリクス内部のカーボンファイバーが酸化する要
因を提供することになる。カーボンファイバーの酸化に
より組成物の強度と潤滑性は速やかに失われる。このた
め、用途によっては、カーボンファイバー組成物の使用
は勧められない。また、これらの組成物から構成された
部品は、頻繁な交換を必要とする。
【００１０】したがって、特に高温下において、酸化を
防ぎ、強度と潤滑性を維持することができる不連続型強
化ＣＦＲＧＭ組成物を得ることが望ましい。
防ぎ、強度と潤滑性を維持することができる不連続型強
化ＣＦＲＧＭ組成物を得ることが望ましい。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、ガラス
マトリクスと、複数本の強化用不連続型カーボンファイ
バーと、上記マトリクス内に分散した複数個の強化用窒
化ホウ素粒とを含む、不連続型カーボンファイバー強化
ガラスマトリクス組成物が得られる。
マトリクスと、複数本の強化用不連続型カーボンファイ
バーと、上記マトリクス内に分散した複数個の強化用窒
化ホウ素粒とを含む、不連続型カーボンファイバー強化
ガラスマトリクス組成物が得られる。
【００１２】また、本発明によれば、上記ガラスマトリ
クスは、ボロシリケートガラスからなることを特徴とす
る前記不連続型カーボンファイバー強化ガラスマトリク
ス組成物が得られる。
クスは、ボロシリケートガラスからなることを特徴とす
る前記不連続型カーボンファイバー強化ガラスマトリク
ス組成物が得られる。
【００１３】また、本発明によれば、上記強化用窒化ホ
ウ素粒は、少なくとも５：１の縦横比を有することを特
徴とする前記不連続型カーボンファイバー強化ガラスマ
トリクス組成物が得られる。
ウ素粒は、少なくとも５：１の縦横比を有することを特
徴とする前記不連続型カーボンファイバー強化ガラスマ
トリクス組成物が得られる。
【００１４】また、本発明によれば、上記強化用窒化ホ
ウ素粒の含有量は、約１０乃至２５容量％であることを
特徴とする前記不連続型カーボンファイバー強化ガラス
マトリクス組成物が得られる。
ウ素粒の含有量は、約１０乃至２５容量％であることを
特徴とする前記不連続型カーボンファイバー強化ガラス
マトリクス組成物が得られる。
【００１５】また、本発明によれば、（ａ）ガラスパウ
ダーと強化用窒化ホウ素粒とをキャリヤ液中に混合し、
スラリーを生成する工程と、（ｂ）上記スラリーに結合
剤を添加する工程と、（ｃ）連続型多繊維カーボンファ
イバー糸にスラリーを含浸させる工程と、（ｄ）上記含
浸カーボンファイバー糸を乾燥させてキャリヤ液を除去
する工程と、（ｅ）上記含浸カーボンファイバー糸を所
定の長さに切断する工程と、（ｆ）上記含浸カーボンフ
ァイバー糸を所定の成形手段において成形し、不連続型
カーボンファイバー強化ガラスマトリクス組成物を形成
する工程とを含むことを特徴とする不連続型カーボンフ
ァイバー強化ガラスマトリクス組成物の製造方法が得ら
れる。
ダーと強化用窒化ホウ素粒とをキャリヤ液中に混合し、
スラリーを生成する工程と、（ｂ）上記スラリーに結合
剤を添加する工程と、（ｃ）連続型多繊維カーボンファ
イバー糸にスラリーを含浸させる工程と、（ｄ）上記含
浸カーボンファイバー糸を乾燥させてキャリヤ液を除去
する工程と、（ｅ）上記含浸カーボンファイバー糸を所
定の長さに切断する工程と、（ｆ）上記含浸カーボンフ
ァイバー糸を所定の成形手段において成形し、不連続型
カーボンファイバー強化ガラスマトリクス組成物を形成
する工程とを含むことを特徴とする不連続型カーボンフ
ァイバー強化ガラスマトリクス組成物の製造方法が得ら
れる。
【００１６】また、本発明によれば、上記成形手段はホ
ットプレス装置であることを特徴とする請求項５記載の
不連続型カーボンファイバー強化ガラスマトリクス組成
物の製造方法が得られる。
ットプレス装置であることを特徴とする請求項５記載の
不連続型カーボンファイバー強化ガラスマトリクス組成
物の製造方法が得られる。
【００１７】また、本発明によれば、上記成形手段は射
出成形装置であることを特徴とする前記不連続型カーボ
ンファイバー強化ガラスマトリクス組成物の製造方法が
得られる。
出成形装置であることを特徴とする前記不連続型カーボ
ンファイバー強化ガラスマトリクス組成物の製造方法が
得られる。
【００１８】また、本発明によれば、上記ガラスパウダ
ーと上記強化用窒化ホウ素粒とを超音波混合装置を用い
て混合することを特徴とする前記不連続型カーボンファ
イバー強化ガラスマトリクス組成物の製造方法が得られ
る。
ーと上記強化用窒化ホウ素粒とを超音波混合装置を用い
て混合することを特徴とする前記不連続型カーボンファ
イバー強化ガラスマトリクス組成物の製造方法が得られ
る。
【００１９】また、本発明によれば、上記ガラスパウダ
ーはボロシリケートガラスからなることを特徴とする前
記不連続型カーボンファイバー強化ガラスマトリクス組
成物の製造方法が得られる。
ーはボロシリケートガラスからなることを特徴とする前
記不連続型カーボンファイバー強化ガラスマトリクス組
成物の製造方法が得られる。
【００２０】また、本発明によれば、上記強化用窒化ホ
ウ素粒は少なくとも５：１の縦横比を有することを特徴
とする前記不連続型カーボンファイバー強化ガラスマト
リクス組成物の製造方法が得られる。
ウ素粒は少なくとも５：１の縦横比を有することを特徴
とする前記不連続型カーボンファイバー強化ガラスマト
リクス組成物の製造方法が得られる。
【００２１】また、本発明によれば、窒化ホウ素粒と、
強化用カーボンファイバーと、ガラスパウダーとをそれ
ぞれ適量用いることにより、約１０乃至２５容量％の窒
化ホウ素粒を含む組成物を製造することを特徴とする前
記不連続型カーボンファイバー強化ガラスマトリクス組
成物の製造方法が得られる。
強化用カーボンファイバーと、ガラスパウダーとをそれ
ぞれ適量用いることにより、約１０乃至２５容量％の窒
化ホウ素粒を含む組成物を製造することを特徴とする前
記不連続型カーボンファイバー強化ガラスマトリクス組
成物の製造方法が得られる。
【００２２】また、本発明によれば、前記不連続型カー
ボンファイバー強化ガラスマトリクス組成物の製造方法
により製造される物品が得られる。
ボンファイバー強化ガラスマトリクス組成物の製造方法
により製造される物品が得られる。
【００２３】また、本発明によれば、上記ガラスパウダ
ーはボロシリケートガラスを有することを特徴とする前
記物品が得られる。
ーはボロシリケートガラスを有することを特徴とする前
記物品が得られる。
【００２４】また、本発明によれば、上記強化用窒化ホ
ウ素粒は少なくとも５：１の縦横比を有することを特徴
とする前記物品が得られる。
ウ素粒は少なくとも５：１の縦横比を有することを特徴
とする前記物品が得られる。
【００２５】また、本発明によれば、約１０乃至２５容
量％の窒化ホウ素粒を含む組成物を製造するための、窒
化ホウ素粒と、強化用カーボンファイバーと、ガラスパ
ウダーとをそれぞれ所定量用いてなることを特徴とする
前記物品が得られる。
量％の窒化ホウ素粒を含む組成物を製造するための、窒
化ホウ素粒と、強化用カーボンファイバーと、ガラスパ
ウダーとをそれぞれ所定量用いてなることを特徴とする
前記物品が得られる。
【００２６】すなわち、本発明は、特に高温下におい
て、酸化を防ぎ、強度と潤滑性を維持することができる
不連続型強化ＣＦＲＧＭ組成物を提供するものである。
て、酸化を防ぎ、強度と潤滑性を維持することができる
不連続型強化ＣＦＲＧＭ組成物を提供するものである。
【００２７】また、本発明の一態様は、ガラスマトリク
スと、上記マトリクス内に分散した複数本の強化用カー
ボン繊維と、上記マトリクス内に分散した複数個の強化
用窒化ホウ素粒とを含む、不連続型カーボンファイバー
強化ガラスマトリクス組成物である。
スと、上記マトリクス内に分散した複数本の強化用カー
ボン繊維と、上記マトリクス内に分散した複数個の強化
用窒化ホウ素粒とを含む、不連続型カーボンファイバー
強化ガラスマトリクス組成物である。
【００２８】本発明の別の態様は、不連続型カーボンフ
ァイバー強化ガラスマトリクス組成物の製造方法であ
る。ガラスパウダーと強化用窒化ホウ素粒とをキャリヤ
液中に混合してスラリーを生成し、上記スラリーに結合
剤を添加する。連続型多繊維カーボンファイバー糸にス
ラリーを含浸させ、乾燥させてキャリヤ液を除去する。
含浸カーボンファイバー糸を適当な長さに切断し、適当
な成形手段において成形し、不連続型カーボンファイバ
ー強化ガラスマトリクス組成物を形成する。
ァイバー強化ガラスマトリクス組成物の製造方法であ
る。ガラスパウダーと強化用窒化ホウ素粒とをキャリヤ
液中に混合してスラリーを生成し、上記スラリーに結合
剤を添加する。連続型多繊維カーボンファイバー糸にス
ラリーを含浸させ、乾燥させてキャリヤ液を除去する。
含浸カーボンファイバー糸を適当な長さに切断し、適当
な成形手段において成形し、不連続型カーボンファイバ
ー強化ガラスマトリクス組成物を形成する。
【００２９】本発明のさらに別の態様は、上述したカー
ボンファイバー強化ガラスマトリクス組成物から製造さ
れる物品である。
ボンファイバー強化ガラスマトリクス組成物から製造さ
れる物品である。
【００３０】
【作用】本発明の不連続型カーボンファイバー強化ガラ
スマトリクス組成物に含まれる窒化ホウ素粒は、優れた
耐酸化性をもつことから、組成物の酸化安定性を向上さ
せ、組成物の強度を改善する。また、窒化ホウ素粒はマ
トリクス物質よりも熱膨脹係数が低く、マトリクス全体
の熱膨脹係数を減少させ、マトリクスとカーボンファイ
バー間の熱的不均衡を緩和し、熱ストレスによる微細ク
ラックの発生を減少させる。さらに、窒化ホウ素粒はマ
トリクス物質との間に有効な化学結合を形成しないた
め、マトリクスに印加されるストレスを緩和し、クラッ
ク形成を抑制する。クラック形成を抑制することによ
り、組成物の靭性が向上するとともに、マトリクス内部
への酸素の侵入を抑え、一次的強化物質であるカーボン
ファイバーの酸化を抑制する。また、窒化ホウ素粒は、
潤滑性に優れたグラファイト状の結晶構造を有している
ため、組成物の潤滑性を良好に保つことができる。
スマトリクス組成物に含まれる窒化ホウ素粒は、優れた
耐酸化性をもつことから、組成物の酸化安定性を向上さ
せ、組成物の強度を改善する。また、窒化ホウ素粒はマ
トリクス物質よりも熱膨脹係数が低く、マトリクス全体
の熱膨脹係数を減少させ、マトリクスとカーボンファイ
バー間の熱的不均衡を緩和し、熱ストレスによる微細ク
ラックの発生を減少させる。さらに、窒化ホウ素粒はマ
トリクス物質との間に有効な化学結合を形成しないた
め、マトリクスに印加されるストレスを緩和し、クラッ
ク形成を抑制する。クラック形成を抑制することによ
り、組成物の靭性が向上するとともに、マトリクス内部
への酸素の侵入を抑え、一次的強化物質であるカーボン
ファイバーの酸化を抑制する。また、窒化ホウ素粒は、
潤滑性に優れたグラファイト状の結晶構造を有している
ため、組成物の潤滑性を良好に保つことができる。
【００３１】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。
する。
【００３２】本発明の実施例に係るガラスマトリクス
は、組成物に成形性、熱安定性、耐摩耗性を供与できる
ものであれば、どんなガラスまたはガラスセラミックス
でもよい。ボロシリケート、シリカ高率含有ガラス、ア
ルミノシリケートガラス、及びこれらの混合物がそのよ
うな特性を有している。好適なガラスセラミックス物質
としては、リチウム・アルミノシリケート、及び、アル
ミノシリケート、バリウムーマグネシウム・アルミノシ
リケート、これらの組合せなど、従来のその他のガラス
セラミックスがある。
は、組成物に成形性、熱安定性、耐摩耗性を供与できる
ものであれば、どんなガラスまたはガラスセラミックス
でもよい。ボロシリケート、シリカ高率含有ガラス、ア
ルミノシリケートガラス、及びこれらの混合物がそのよ
うな特性を有している。好適なガラスセラミックス物質
としては、リチウム・アルミノシリケート、及び、アル
ミノシリケート、バリウムーマグネシウム・アルミノシ
リケート、これらの組合せなど、従来のその他のガラス
セラミックスがある。
【００３３】ボロシリケートガラスは、他のガラスマト
リクス物質に比べて容易に処理することができ、しか
も、かなり良好な熱安定性を有しているので、マトリク
ス物質として適している。コーニング・コード７０７０
やコーニング・コード７７４０などの好適なボロシリケ
ートガラスが、コーニングガラスワークス［Corning Gl
ass Works］（アメリカ合衆国ニューヨーク州コーニン
グ在）により、提供されている。コーニング・コード７
０７０ガラスは、低粘性をもつことから、組成物の製造
が容易であり、特に好適である。コーニング・コード７
０７０ガラスは、引張り係数７．４×１０６ポンド／平
方インチ（ｐｓｉ）、比重２．１３グラム／立方センチ
メートル（ｇ／ｃｍ３）、熱膨張係数（ＣＴＥ）３２×
１０−７センチメートル／センチメートル摂氏（ｃｍ／
ｃｍ℃）、焼なまし点４９６℃、軟化点７６０℃、作業
点１０６８℃である。コーニング・コード７７４０ガラ
スは、引張り係数９．１×１０６ｐｓｉ、密度２．２３
ｇ／ｃｍ３、ＣＴＥ３２．５×１０−７ｃｍ／ｃｍ℃、
焼なまし点５６０℃、軟化点８２１℃、作業点１２５２
℃である。
リクス物質に比べて容易に処理することができ、しか
も、かなり良好な熱安定性を有しているので、マトリク
ス物質として適している。コーニング・コード７０７０
やコーニング・コード７７４０などの好適なボロシリケ
ートガラスが、コーニングガラスワークス［Corning Gl
ass Works］（アメリカ合衆国ニューヨーク州コーニン
グ在）により、提供されている。コーニング・コード７
０７０ガラスは、低粘性をもつことから、組成物の製造
が容易であり、特に好適である。コーニング・コード７
０７０ガラスは、引張り係数７．４×１０６ポンド／平
方インチ（ｐｓｉ）、比重２．１３グラム／立方センチ
メートル（ｇ／ｃｍ３）、熱膨張係数（ＣＴＥ）３２×
１０−７センチメートル／センチメートル摂氏（ｃｍ／
ｃｍ℃）、焼なまし点４９６℃、軟化点７６０℃、作業
点１０６８℃である。コーニング・コード７７４０ガラ
スは、引張り係数９．１×１０６ｐｓｉ、密度２．２３
ｇ／ｃｍ３、ＣＴＥ３２．５×１０−７ｃｍ／ｃｍ℃、
焼なまし点５６０℃、軟化点８２１℃、作業点１２５２
℃である。
【００３４】強化用カーボンファイバーとしては、いか
なるなものでもよいが、特に、張力は約３００×１０３
ｐｓｉ以上、引張り係数は３５×１０６ｐｓｉ以上で、
約１４００℃までの不活性雰囲気中で安定であるものが
好ましい。単繊維ファイバーを用いることもできるが、
多繊維カーボンファイバー糸が好ましい。約６ミクロン
から１０ミクロンの平均繊維径をもつ多繊維カーボン
糸、特に、約７ミクロンから１０ミクロンのものが好ま
しい。
なるなものでもよいが、特に、張力は約３００×１０３
ｐｓｉ以上、引張り係数は３５×１０６ｐｓｉ以上で、
約１４００℃までの不活性雰囲気中で安定であるものが
好ましい。単繊維ファイバーを用いることもできるが、
多繊維カーボンファイバー糸が好ましい。約６ミクロン
から１０ミクロンの平均繊維径をもつ多繊維カーボン
糸、特に、約７ミクロンから１０ミクロンのものが好ま
しい。
【００３５】好適なカーボン糸としては、ヘラクレスコ
ーポレーション［Hercules Corporation］（アメリカ合
衆国デラウェア州ウィルミントン在）が製造するＨＭＵ
ｔｍ、アモコパフォーマンスプロダクツ［Amoco Perfor
mance Products］（アメリカ合衆国コネチカット州リッ
ジフィールド在）が製造するＰ−１００、東燃株式会社
（東京）が製造するＦＯＲＣＡ ＦＴ７００などがあ
る。ＨＭＵｔｍ糸は、束あたりファイバー数１０００、
３０００、６０００、１２０００のものがあり、平均フ
ァイバー径は８ミクロンである。張力は４００×１０３
ｐｓｉ、引張り係数５５×１０６ｐｓｉ、ＣＴＥ−７×
１０−７ｃｍ／ｃｍ℃、密度は１．８４ｇ／ｃｍ３であ
る。Ｐ−１００ファイバーは、張力３２５×１０３ｐｓ
ｉ、引張り係数１０５×１０６ｐｓｉ、ＣＴＥ−１６×
１０−７ｃｍ／ｃｍ℃、密度は２．１６ｇ／ｃｍ３であ
る。ＦＴ７００糸は、張力５００×１０３ｐｓｉ、引張
り係数１００×１０６ｐｓｉ、ＣＴＥ−１．５×１０−
６ｃｍ／ｃｍ℃、密度は２．１４ｇ／ｃｍ３である。Ｈ
ＭＵｔｍファイバーは、高い減衰性をもつことから、不
連続型強化組成物として好適である。
ーポレーション［Hercules Corporation］（アメリカ合
衆国デラウェア州ウィルミントン在）が製造するＨＭＵ
ｔｍ、アモコパフォーマンスプロダクツ［Amoco Perfor
mance Products］（アメリカ合衆国コネチカット州リッ
ジフィールド在）が製造するＰ−１００、東燃株式会社
（東京）が製造するＦＯＲＣＡ ＦＴ７００などがあ
る。ＨＭＵｔｍ糸は、束あたりファイバー数１０００、
３０００、６０００、１２０００のものがあり、平均フ
ァイバー径は８ミクロンである。張力は４００×１０３
ｐｓｉ、引張り係数５５×１０６ｐｓｉ、ＣＴＥ−７×
１０−７ｃｍ／ｃｍ℃、密度は１．８４ｇ／ｃｍ３であ
る。Ｐ−１００ファイバーは、張力３２５×１０３ｐｓ
ｉ、引張り係数１０５×１０６ｐｓｉ、ＣＴＥ−１６×
１０−７ｃｍ／ｃｍ℃、密度は２．１６ｇ／ｃｍ３であ
る。ＦＴ７００糸は、張力５００×１０３ｐｓｉ、引張
り係数１００×１０６ｐｓｉ、ＣＴＥ−１．５×１０−
６ｃｍ／ｃｍ℃、密度は２．１４ｇ／ｃｍ３である。Ｈ
ＭＵｔｍファイバーは、高い減衰性をもつことから、不
連続型強化組成物として好適である。
【００３６】強化用窒化ホウ素（ＢＮ）粒は、耐酸化性
をもち、マトリクス物質よりもＣＴＥが低いので、本発
明に適している。
をもち、マトリクス物質よりもＣＴＥが低いので、本発
明に適している。
【００３７】特に重要なのは、このホウ素粒がマトリク
ス物質との間に有効な化学結合を形成しないということ
である。有効な化学結合とは、マトリクスとの反応ある
いはマトリクス内における部分的溶解から生じる結合を
意味する。
ス物質との間に有効な化学結合を形成しないということ
である。有効な化学結合とは、マトリクスとの反応ある
いはマトリクス内における部分的溶解から生じる結合を
意味する。
【００３８】ところで、マトリクス物質と強力な結合を
形成する粒子は、マトリクスに印加される全ストレスを
受け、クラックを抑制するよりもむしろ破砕しやすい。
強化用ＢＮ粒は、マトリクス物質と弱い物理的結合を形
成するだけであり、その特性は、ＢＮ粒がマトリクス物
質に有効に濡れないという事実によって特徴づけること
ができる。
形成する粒子は、マトリクスに印加される全ストレスを
受け、クラックを抑制するよりもむしろ破砕しやすい。
強化用ＢＮ粒は、マトリクス物質と弱い物理的結合を形
成するだけであり、その特性は、ＢＮ粒がマトリクス物
質に有効に濡れないという事実によって特徴づけること
ができる。
【００３９】また、マトリクス物質に有効に濡れる粒子
は、マトリクス物質とより強力な物理的または化学的結
合を形成しやすく、本発明にはおそらく不適であると考
えられる。ＢＮ以外の物質の粒子でも、耐酸化性があ
り、マトリクス物質よりもＣＴＥが低く、マトリクス物
質と有効な化学的結合を形成しないものであれば、本発
明の実施に好適である。
は、マトリクス物質とより強力な物理的または化学的結
合を形成しやすく、本発明にはおそらく不適であると考
えられる。ＢＮ以外の物質の粒子でも、耐酸化性があ
り、マトリクス物質よりもＣＴＥが低く、マトリクス物
質と有効な化学的結合を形成しないものであれば、本発
明の実施に好適である。
【００４０】棒状、円盤状、小板状、球状など、さまざ
まな形状のＢＮ粒を、本発明において用いることができ
る。好ましくは、この粒子は、少なくとも５：１の縦横
比を有し、どの方向の長さもカーボンファイバーの直径
の約半分以下である。
まな形状のＢＮ粒を、本発明において用いることができ
る。好ましくは、この粒子は、少なくとも５：１の縦横
比を有し、どの方向の長さもカーボンファイバーの直径
の約半分以下である。
【００４１】円盤形粒子、たとえば小板については、約
５：１の縦横比により、１．２５〜１．５の正規化強度
増分が得られる。正規化強度増分は、理論的パラメータ
であり、１．０はマトリクス強化が得られないことを示
し、１．０より大きい値はマトリクス強化の相対度を示
す。縦横比をより大きくすれば、いっそう高い正規化強
度増分が得られる。
５：１の縦横比により、１．２５〜１．５の正規化強度
増分が得られる。正規化強度増分は、理論的パラメータ
であり、１．０はマトリクス強化が得られないことを示
し、１．０より大きい値はマトリクス強化の相対度を示
す。縦横比をより大きくすれば、いっそう高い正規化強
度増分が得られる。
【００４２】最も好ましくは、粒子のどの方向の長さ
も、カーボンファイバーの直径の約１０乃至４０％以下
である。最大の効果を得るには、マトリクス物質全体に
粒子を均一に分布しなければならない。好ましくは、粒
子をランダムに分布する。直径約７乃至１０ミクロンの
強化用カーボンファイバーを含有するカーボンファイバ
ー強化ボロシリケートガラス組成物に用いるものとして
は、直径約０．５乃至２．０ミクロンで厚さ約０．１０
ミクロン以下のＢＮ小板が、特に適していることがわか
った。このような小板としては、セラック［Cerac］
（アメリカ合衆国ウィスコンシン州ミルウォーキー在）
の六方晶窒化ホウ素、ユニオンカーバイドアドバンスト
セラミックス社［Union Carbide Advanced Ceramics］
（アメリカ合衆国オハイオ州クリーブランド在）のＨＣ
Ｐ窒化ホウ素、ＨＰＦ窒化ホウ素、ＭＷ−５窒化ホウ
素、スタンダードオイルエンジニアードマテリアルズ
［StandardOil Engineered Materials］（アメリカ合衆
国ニューヨーク州ナイアガラフォールズ在）のＣｏｍｂ
ａｔＲ窒化ホウ素、ＥＳＫエンジニアードセラミックス
［ESK Engineered Ceramics］（アメリカ合衆国コネチ
カット州ニューキャナーン在）のＴｙｐｅＳ窒化ホウ素
などがある。
も、カーボンファイバーの直径の約１０乃至４０％以下
である。最大の効果を得るには、マトリクス物質全体に
粒子を均一に分布しなければならない。好ましくは、粒
子をランダムに分布する。直径約７乃至１０ミクロンの
強化用カーボンファイバーを含有するカーボンファイバ
ー強化ボロシリケートガラス組成物に用いるものとして
は、直径約０．５乃至２．０ミクロンで厚さ約０．１０
ミクロン以下のＢＮ小板が、特に適していることがわか
った。このような小板としては、セラック［Cerac］
（アメリカ合衆国ウィスコンシン州ミルウォーキー在）
の六方晶窒化ホウ素、ユニオンカーバイドアドバンスト
セラミックス社［Union Carbide Advanced Ceramics］
（アメリカ合衆国オハイオ州クリーブランド在）のＨＣ
Ｐ窒化ホウ素、ＨＰＦ窒化ホウ素、ＭＷ−５窒化ホウ
素、スタンダードオイルエンジニアードマテリアルズ
［StandardOil Engineered Materials］（アメリカ合衆
国ニューヨーク州ナイアガラフォールズ在）のＣｏｍｂ
ａｔＲ窒化ホウ素、ＥＳＫエンジニアードセラミックス
［ESK Engineered Ceramics］（アメリカ合衆国コネチ
カット州ニューキャナーン在）のＴｙｐｅＳ窒化ホウ素
などがある。
【００４３】強化用ＢＮ粒を含有するＣＦＲＧＭ組成物
は、強化用粒子を含まない同様の組成物を形成する公知
の方法により形成することができる。好ましい方法は、
ホットプレス及び射出成形である。公知の方法と本発明
を実施するために要求される方法との重要な相違点は、
ＣＦＲＧＭ組成物への強化用粒子の添加である。
は、強化用粒子を含まない同様の組成物を形成する公知
の方法により形成することができる。好ましい方法は、
ホットプレス及び射出成形である。公知の方法と本発明
を実施するために要求される方法との重要な相違点は、
ＣＦＲＧＭ組成物への強化用粒子の添加である。
【００４４】ＣＦＲＧＭ組成物に強化用ＢＮ粒を混合す
るには、いくつかの方法がある。たとえば、含浸処理
し、切断したカーボンファイバーに、ＢＮ粒を機械的に
混合してもよい。好ましい方法は、含浸処理中に、強化
用粒子をガラスパウダーとともにカーボンファイバー束
に直接混合することである。この方法によれば、含浸処
理したカーボンファイバー間における強化用ＢＮ粒子の
均一な分布が得られ、構成物質の分離を生じるようなこ
とはない。
るには、いくつかの方法がある。たとえば、含浸処理
し、切断したカーボンファイバーに、ＢＮ粒を機械的に
混合してもよい。好ましい方法は、含浸処理中に、強化
用粒子をガラスパウダーとともにカーボンファイバー束
に直接混合することである。この方法によれば、含浸処
理したカーボンファイバー間における強化用ＢＮ粒子の
均一な分布が得られ、構成物質の分離を生じるようなこ
とはない。
【００４５】まず、ガラスパウダーのスラリー、強化用
ＢＮ粒、キャリヤ液を準備する。強化用ＢＮ粒は、組成
物のマトリクス全体に均一に分布するよう、スラリー内
に充分に分散されなければならない。好ましくは、ガラ
スパウダーは約−３２５メッシュで強化用粒子の直径は
約１ミクロンである。キャリヤ液は、次工程において添
加される結合剤に対して適合性をもつ液体であれば使用
できるが、水が好ましい。適量のガラスパウダーとＢＮ
粒を、適量のキャリヤ液に添加する。スラリー中の物質
の量が変化しても、キャリヤ液と結合剤を除去した後に
約１５乃至４０容積％（ｖｏｌ％）のファイバーと約１
０乃至２５ｖｏｌ％の強化用粒子が得られるように、適
量のガラスを添加する。最終成形品は、おもに、約４０
乃至７５ｖｏｌ％のガラスマトリクスを含んでいる。ガ
ラスとＢＮ粒の好適な量は、用途に応じて異なる。混合
物を数分間強振し、ガラスパウダーとＢＮ粒をキャリヤ
液内に分散する第一段階の分散を行なう。
ＢＮ粒、キャリヤ液を準備する。強化用ＢＮ粒は、組成
物のマトリクス全体に均一に分布するよう、スラリー内
に充分に分散されなければならない。好ましくは、ガラ
スパウダーは約−３２５メッシュで強化用粒子の直径は
約１ミクロンである。キャリヤ液は、次工程において添
加される結合剤に対して適合性をもつ液体であれば使用
できるが、水が好ましい。適量のガラスパウダーとＢＮ
粒を、適量のキャリヤ液に添加する。スラリー中の物質
の量が変化しても、キャリヤ液と結合剤を除去した後に
約１５乃至４０容積％（ｖｏｌ％）のファイバーと約１
０乃至２５ｖｏｌ％の強化用粒子が得られるように、適
量のガラスを添加する。最終成形品は、おもに、約４０
乃至７５ｖｏｌ％のガラスマトリクスを含んでいる。ガ
ラスとＢＮ粒の好適な量は、用途に応じて異なる。混合
物を数分間強振し、ガラスパウダーとＢＮ粒をキャリヤ
液内に分散する第一段階の分散を行なう。
【００４６】しかしながら、ＢＮ粒は、その形状と極小
サイズのために塊まりやすく、振動だけではＢＮ粒をよ
く分散させることができない。そこで、振動によるガラ
スパウダーとＢＮ粒の第一段階の分散を行なった後、ガ
ラスパウダー／ＢＮ粒／キャリヤ液の混合物を攪拌す
る。好ましくは、超音波混合器を用いて約１５分間もし
くはＢＮ塊がすべて分解されスラリー内に均一に分散し
たことを確認できるまで、混合物を攪拌する。ソニック
スアンドマテリアルズ［Sonics & Materials］（アメリ
カ合衆国コネチカット州ダンベリー在）のＶＴ６００型
バイブラ−セル高強度超音波プロセッサーが、好適な超
音波混合器である。出力７０％、作業サイクル５０％
（オンオフサイクル１：１）における攪拌動作が特に効
果的であることが判明した。
サイズのために塊まりやすく、振動だけではＢＮ粒をよ
く分散させることができない。そこで、振動によるガラ
スパウダーとＢＮ粒の第一段階の分散を行なった後、ガ
ラスパウダー／ＢＮ粒／キャリヤ液の混合物を攪拌す
る。好ましくは、超音波混合器を用いて約１５分間もし
くはＢＮ塊がすべて分解されスラリー内に均一に分散し
たことを確認できるまで、混合物を攪拌する。ソニック
スアンドマテリアルズ［Sonics & Materials］（アメリ
カ合衆国コネチカット州ダンベリー在）のＶＴ６００型
バイブラ−セル高強度超音波プロセッサーが、好適な超
音波混合器である。出力７０％、作業サイクル５０％
（オンオフサイクル１：１）における攪拌動作が特に効
果的であることが判明した。
【００４７】ガラスパウダー／ＢＮ粒／キャリヤ液のス
ラリーを攪拌した後、結合剤を添加することにより、次
の切断作業の間、ガラスパウダーとＢＮ粒は、ファイバ
ー束内に定着保持される。混合物の過剰な発泡が起きる
ので、攪拌前に結合剤を添加してはならない。結合剤
は、カーボンファイバーの含浸処理に通常用いられる結
合剤ならどれでもよい。たとえば、キャリヤ液内に容易
に溶解もしくは分散するポリマー結合剤を用いることが
できる。好ましいポリマー結合剤としては、ロームアン
ドハースコーポレーション［Rohm & Haas Corporatio
n］（アメリカ合衆国ペンシルバニア州フィラデルフィ
ア）のＲｈｏｐｉｅｘｔｍラテックス−アクリルなどの
ラテックス−アクリル型ポリマー、及び、ユニオンカー
バイドコーポレーション［Union Carbide Corporatio
n］（アメリカ合衆国コネチカット州ダンベリー）のＣ
ａｒｂｏｗａｘ４０００などのＣａｒｂｏｗａｘｔｍシ
リーズがあげられる。あるいは、キャリヤ液に容易に溶
解あるいは分散する無機的結合剤でもよく、好ましい無
機的結合剤としては、イー．アイ．デュポンドネモール
［E.I. DuPont de Nemours］（アメリカ合衆国デラウェ
ア州ウィルミントン）のＬｕｄｏｘｔｍなどのコロイド
状シリカ溶液がある。
ラリーを攪拌した後、結合剤を添加することにより、次
の切断作業の間、ガラスパウダーとＢＮ粒は、ファイバ
ー束内に定着保持される。混合物の過剰な発泡が起きる
ので、攪拌前に結合剤を添加してはならない。結合剤
は、カーボンファイバーの含浸処理に通常用いられる結
合剤ならどれでもよい。たとえば、キャリヤ液内に容易
に溶解もしくは分散するポリマー結合剤を用いることが
できる。好ましいポリマー結合剤としては、ロームアン
ドハースコーポレーション［Rohm & Haas Corporatio
n］（アメリカ合衆国ペンシルバニア州フィラデルフィ
ア）のＲｈｏｐｉｅｘｔｍラテックス−アクリルなどの
ラテックス−アクリル型ポリマー、及び、ユニオンカー
バイドコーポレーション［Union Carbide Corporatio
n］（アメリカ合衆国コネチカット州ダンベリー）のＣ
ａｒｂｏｗａｘ４０００などのＣａｒｂｏｗａｘｔｍシ
リーズがあげられる。あるいは、キャリヤ液に容易に溶
解あるいは分散する無機的結合剤でもよく、好ましい無
機的結合剤としては、イー．アイ．デュポンドネモール
［E.I. DuPont de Nemours］（アメリカ合衆国デラウェ
ア州ウィルミントン）のＬｕｄｏｘｔｍなどのコロイド
状シリカ溶液がある。
【００４８】ガラスパウダー／ＢＮ粒／キャリヤ液／結
合剤のスラリーを用意したら、スラリーがファイバー束
に含浸するように、カーボンファイバー束をスラリー中
に浸漬する。スラリー構成物質の比率が適切であれば、
ファイバー束に適量のガラスが含浸して、ガラスの容量
比が４０乃至７５ｖｏｌ％の所望範囲になる。スラリー
を含浸させたファイバー束は、マンドレルに巻回され乾
燥される。
合剤のスラリーを用意したら、スラリーがファイバー束
に含浸するように、カーボンファイバー束をスラリー中
に浸漬する。スラリー構成物質の比率が適切であれば、
ファイバー束に適量のガラスが含浸して、ガラスの容量
比が４０乃至７５ｖｏｌ％の所望範囲になる。スラリー
を含浸させたファイバー束は、マンドレルに巻回され乾
燥される。
【００４９】乾燥済みのファイバー束は、予定される成
形工程に好都合な長さに切断される。たとえば、射出成
形工程にファイバーを用いるのであれば、オリフィスを
通過して型に入る際にかたまるのを防ぐため、充分短く
切断する。好ましくは、射出成形に用いられるファイバ
ーの長さは約０．６３５乃至１．２７ｃｍである。最後
に、ファイバー束は、ＣＦＲＧＭ組成物を形成する公知
の方法により所望の物品に成形される。
形工程に好都合な長さに切断される。たとえば、射出成
形工程にファイバーを用いるのであれば、オリフィスを
通過して型に入る際にかたまるのを防ぐため、充分短く
切断する。好ましくは、射出成形に用いられるファイバ
ーの長さは約０．６３５乃至１．２７ｃｍである。最後
に、ファイバー束は、ＣＦＲＧＭ組成物を形成する公知
の方法により所望の物品に成形される。
【００５０】実験例 束あたり３０００本の繊維を有する、重さ６５グラム、
長さ２９８メートルのＨＭＵｔｍＭａｇｎａｍｉｔｅｔ
ｍグラファイトファイバー（ヘラクレスインコーポレー
テッド、アメリカ合衆国デラウェア州ウィルミントン
在）に、以下の工程にしたがって、グラスパウダー／Ｂ
Ｎ粒／水／結合剤のスラリーを含浸させた。供給スプー
ルからファイバー糸をほどき、ファイバー糸を約６．５
メートル／分の中速で送ってブンゼンバーナーの炎を通
過させることによりファイバーのサイズ剤を除去し、攪
拌されたスラリー内に糸を浸漬し、スラリーが含浸した
糸を巻取マンドレルに巻回した。スラリーは、−３２５
メッシュのコーニング・コード７０７０ボロシリケート
ガラスパウダー（コーニングガラスワークス、アメリカ
合衆国ニューヨーク州コーニング在）３００グラム、六
方晶窒化ホウ素小板（セラック、アメリカ合衆国ウィス
コンシン州ミルウォーキー在）１００グラム、Ｌｕｄｏ
ｘｔｍコロイド状シリカ結合剤（イー．アイ．デュポン
ドネモール、アメリカ合衆国デラウェア州ウィルミント
ン在）５０グラム、及び蒸留水６００ミリリットルとを
含んでいた。充分なスラリーが糸に含浸し、ガラスパウ
ダー２５９グラムと窒化ホウ素８７グラムが添加され
た。含浸後の糸は巻取マンドレル上で乾燥され水分が取
り除かれた。
長さ２９８メートルのＨＭＵｔｍＭａｇｎａｍｉｔｅｔ
ｍグラファイトファイバー（ヘラクレスインコーポレー
テッド、アメリカ合衆国デラウェア州ウィルミントン
在）に、以下の工程にしたがって、グラスパウダー／Ｂ
Ｎ粒／水／結合剤のスラリーを含浸させた。供給スプー
ルからファイバー糸をほどき、ファイバー糸を約６．５
メートル／分の中速で送ってブンゼンバーナーの炎を通
過させることによりファイバーのサイズ剤を除去し、攪
拌されたスラリー内に糸を浸漬し、スラリーが含浸した
糸を巻取マンドレルに巻回した。スラリーは、−３２５
メッシュのコーニング・コード７０７０ボロシリケート
ガラスパウダー（コーニングガラスワークス、アメリカ
合衆国ニューヨーク州コーニング在）３００グラム、六
方晶窒化ホウ素小板（セラック、アメリカ合衆国ウィス
コンシン州ミルウォーキー在）１００グラム、Ｌｕｄｏ
ｘｔｍコロイド状シリカ結合剤（イー．アイ．デュポン
ドネモール、アメリカ合衆国デラウェア州ウィルミント
ン在）５０グラム、及び蒸留水６００ミリリットルとを
含んでいた。充分なスラリーが糸に含浸し、ガラスパウ
ダー２５９グラムと窒化ホウ素８７グラムが添加され
た。含浸後の糸は巻取マンドレル上で乾燥され水分が取
り除かれた。
【００５１】乾燥後、含浸糸を巻取マンドレルからはず
し、平均束長１．２５ｃｍに切断した。切断された含浸
ファイバーは、成形用混合物として知られるものである
が、幅０．５１ｃｍ長さ７．５ｃｍの射出口を有する射
出成形装置のタンク室に収容された。真空ホットプレス
機内に射出成形装置を配置し、１２７５℃に加熱した。
プランジャに対して７ＭＰａを印加すべく算出された負
荷を与え、３０分間維持した。炉の電源を遮断し、構造
体を５００℃にさまし、この時点で圧力を取り除いた。
構造体を室温まで冷やし、射出成形された部分を型から
取り出した。
し、平均束長１．２５ｃｍに切断した。切断された含浸
ファイバーは、成形用混合物として知られるものである
が、幅０．５１ｃｍ長さ７．５ｃｍの射出口を有する射
出成形装置のタンク室に収容された。真空ホットプレス
機内に射出成形装置を配置し、１２７５℃に加熱した。
プランジャに対して７ＭＰａを印加すべく算出された負
荷を与え、３０分間維持した。炉の電源を遮断し、構造
体を５００℃にさまし、この時点で圧力を取り除いた。
構造体を室温まで冷やし、射出成形された部分を型から
取り出した。
【００５２】図の走査型電子顕微鏡写真は、上記実験例
にしたがって製造された不連続型ＣＦＲＧＭ組成物内に
良好に分布したＢＮ小板を示す。ＢＮ小板は、より大き
いカーボンファイバーのあいだに分散した白色の小粒と
して観察される。ＢＮ小板は、マトリクス全体に均一に
分布し、各カーボンファイバー間に含まれ、空間的方向
性はランダムであり、整列したり向きがかたよることは
ない。小板の大部分は、離散した粒子として存在し、数
個の小板が大きな塊を作ることは少ない。図示のような
ＢＮ粒の分布により、カーボンファイバーや強化粒子の
いずれによっても強化されない富マトリクス領域がきわ
めて少ない、より均質な物質が得られる。その結果、組
成物は、酸化安定性にすぐれた、より強固なマトリクス
を有することになる。図示したようなＢＮ粒の分布が好
ましいが、ランダム性がやや劣り、より塊状を呈するよ
うな粒子分布によっても、多少は本発明の利点が得られ
る。
にしたがって製造された不連続型ＣＦＲＧＭ組成物内に
良好に分布したＢＮ小板を示す。ＢＮ小板は、より大き
いカーボンファイバーのあいだに分散した白色の小粒と
して観察される。ＢＮ小板は、マトリクス全体に均一に
分布し、各カーボンファイバー間に含まれ、空間的方向
性はランダムであり、整列したり向きがかたよることは
ない。小板の大部分は、離散した粒子として存在し、数
個の小板が大きな塊を作ることは少ない。図示のような
ＢＮ粒の分布により、カーボンファイバーや強化粒子の
いずれによっても強化されない富マトリクス領域がきわ
めて少ない、より均質な物質が得られる。その結果、組
成物は、酸化安定性にすぐれた、より強固なマトリクス
を有することになる。図示したようなＢＮ粒の分布が好
ましいが、ランダム性がやや劣り、より塊状を呈するよ
うな粒子分布によっても、多少は本発明の利点が得られ
る。
【００５３】
【表１】
【００５４】表１は、強化用ＢＮ粒を含まない従来のＣ
ＦＲＧＭ組成物のサンプル（従来組成物）の特性と、実
験例により製造された、ＢＮ小板を約１７ｖｏｌ％含有
する同様なＣＦＲＧＭ組成物（組成物＋ＢＮ）の特性と
を比較するものである。両組成物はコーニング・コード
７０７０ガラスマトリクス及び約２５ｖｏｌ％のカーボ
ンファイバーとを含んでいた。見かけの多孔度は、マト
リクスの微細クラックから生じるサンプルの表面多孔度
の測定であるが、表面クラックは内部微細クラックに関
連していることが多いので、組成物内部に酸素を運ぶた
めに利用される相対的容積のよい指標となる。表に示さ
れるように、ＢＮ小板を含有するＣＦＲＧＭ組成物の見
かけの多孔度は、従来のＣＦＲＧＭ組成物の１／３以下
であった。したがって、ＢＮ小板を含有する組成物は、
従来の組成物よりも酸化安定性に優れていると期待され
る。
ＦＲＧＭ組成物のサンプル（従来組成物）の特性と、実
験例により製造された、ＢＮ小板を約１７ｖｏｌ％含有
する同様なＣＦＲＧＭ組成物（組成物＋ＢＮ）の特性と
を比較するものである。両組成物はコーニング・コード
７０７０ガラスマトリクス及び約２５ｖｏｌ％のカーボ
ンファイバーとを含んでいた。見かけの多孔度は、マト
リクスの微細クラックから生じるサンプルの表面多孔度
の測定であるが、表面クラックは内部微細クラックに関
連していることが多いので、組成物内部に酸素を運ぶた
めに利用される相対的容積のよい指標となる。表に示さ
れるように、ＢＮ小板を含有するＣＦＲＧＭ組成物の見
かけの多孔度は、従来のＣＦＲＧＭ組成物の１／３以下
であった。したがって、ＢＮ小板を含有する組成物は、
従来の組成物よりも酸化安定性に優れていると期待され
る。
【００５５】正規化平均重量損失及び曲げ強さに関して
報告された数値は、ＢＮ小板を含むＣＦＲＧＭ組成物が
従来のＣＦＲＧＭ組成物よりも優れた酸化安定性をもつ
ことを示している。両組成物は、温度８００°Ｆ及び大
気圧のもとで５００時間にわたり酸素流にさらされる。
重量損失は、おもにカーボンファイバーの酸化によるも
のであり、ファイバー損失の程度を示す。ＢＮ含有組成
物では重量損失が少ないが、これは、マトリクス内の微
細クラックの広がりが少ないことによる。酸化率が低い
ことから期待されるとおり、ＢＮ含有組成物は、ＢＮを
含まない組成物に比べて、曲げ強さをより多く維持する
ことができた。さらに興味深いことは、ＢＮ含有組成物
は、従来組成物よりも、プレス時すなわち非酸化時の曲
げ強さが高いことである。この、より優れた曲げ強さ
は、マトリクス内のＢＮの存在に起因するものであり、
組成物をさらに強化する。
報告された数値は、ＢＮ小板を含むＣＦＲＧＭ組成物が
従来のＣＦＲＧＭ組成物よりも優れた酸化安定性をもつ
ことを示している。両組成物は、温度８００°Ｆ及び大
気圧のもとで５００時間にわたり酸素流にさらされる。
重量損失は、おもにカーボンファイバーの酸化によるも
のであり、ファイバー損失の程度を示す。ＢＮ含有組成
物では重量損失が少ないが、これは、マトリクス内の微
細クラックの広がりが少ないことによる。酸化率が低い
ことから期待されるとおり、ＢＮ含有組成物は、ＢＮを
含まない組成物に比べて、曲げ強さをより多く維持する
ことができた。さらに興味深いことは、ＢＮ含有組成物
は、従来組成物よりも、プレス時すなわち非酸化時の曲
げ強さが高いことである。この、より優れた曲げ強さ
は、マトリクス内のＢＮの存在に起因するものであり、
組成物をさらに強化する。
【００５６】摩擦係数のデータによれば、ＢＮ小板を含
むＣＦＲＧＭ組成物は、従来のＣＦＲＧＭ組成物に比べ
て優れた潤滑性を有している。これらのデータは、室温
において、リーオメトリクスモデル［Rheometrics Mode
l］ＲＤＳIIなる流量計で、回転速度と負荷をさまざま
に変化させて、プレス時組成物をＩｎｃｏｎｅｌ７１８
カウンターフェースに対して接触させることにより、得
られたものである。データは、動態（振動）及び定常状
態（滑動）の両方の条件下でとられた。報告された摩擦
係数は、各回転速度におけるデータの平均値である。従
来組成物が低い摩擦係数を示しているのは、良好な潤滑
特性をもつことが知られている強化用カーボンファイバ
ーが、組成物の表面に露出していることによる。強化用
カーボンファイバーと同様、ＢＮは、やはり良好な潤滑
特性を与えるグラファイト状の結晶構造を有する。
むＣＦＲＧＭ組成物は、従来のＣＦＲＧＭ組成物に比べ
て優れた潤滑性を有している。これらのデータは、室温
において、リーオメトリクスモデル［Rheometrics Mode
l］ＲＤＳIIなる流量計で、回転速度と負荷をさまざま
に変化させて、プレス時組成物をＩｎｃｏｎｅｌ７１８
カウンターフェースに対して接触させることにより、得
られたものである。データは、動態（振動）及び定常状
態（滑動）の両方の条件下でとられた。報告された摩擦
係数は、各回転速度におけるデータの平均値である。従
来組成物が低い摩擦係数を示しているのは、良好な潤滑
特性をもつことが知られている強化用カーボンファイバ
ーが、組成物の表面に露出していることによる。強化用
カーボンファイバーと同様、ＢＮは、やはり良好な潤滑
特性を与えるグラファイト状の結晶構造を有する。
【００５７】したがって、ＢＮをＣＦＲＧＭ組成物に添
加すれば、組成物のプレス時潤滑性を改善できる。ＢＮ
含有ＣＦＲＧＭ組成物は、組成物の酸化後において、従
来のＣＦＲＧＭ組成物よりも、格段にすぐれた潤滑性を
示すはずである。酸化により、従来組成物内の表面に露
出したカーボンファイバーの大半が破壊され、潤滑性は
大幅に失なわれる。一方、ＢＮ含有組成物は、カーボン
ファイバーの残存が多く、したがって、ファイバーに起
因する潤滑性の損失は少ない。さらに、ＢＮは、カーボ
ンファイバーに比べて、酸化速度が少なくとも１００倍
は遅いため、ＢＮに起因する潤滑性のほとんどすべてが
維持される。
加すれば、組成物のプレス時潤滑性を改善できる。ＢＮ
含有ＣＦＲＧＭ組成物は、組成物の酸化後において、従
来のＣＦＲＧＭ組成物よりも、格段にすぐれた潤滑性を
示すはずである。酸化により、従来組成物内の表面に露
出したカーボンファイバーの大半が破壊され、潤滑性は
大幅に失なわれる。一方、ＢＮ含有組成物は、カーボン
ファイバーの残存が多く、したがって、ファイバーに起
因する潤滑性の損失は少ない。さらに、ＢＮは、カーボ
ンファイバーに比べて、酸化速度が少なくとも１００倍
は遅いため、ＢＮに起因する潤滑性のほとんどすべてが
維持される。
【００５８】表１のデータから明らかなように、ＣＦＲ
ＧＭ組成物にＢＮ粒を添加することにより、組成物の特
性は、少なくとも２通りに改善される。
ＧＭ組成物にＢＮ粒を添加することにより、組成物の特
性は、少なくとも２通りに改善される。
【００５９】第一は、ＢＮ粒自身が二次的強化及び潤滑
作用をもつことである。
作用をもつことである。
【００６０】第二に、ＢＮ粒は、マトリクス内の微細ク
ラックの形成を抑圧することにより、カーボンファイバ
ーの酸化を減少させる。ＢＮ粒が微細クラックの形成を
抑制するのは、１つには、微細クラックの形成時に微細
クラックを鈍化させ、それによりマトリクスを強固にす
るとともに酸素が強化用カーボンファイバーに侵入する
通路となる長溝の発達を防ぐことによって行われる。
ラックの形成を抑圧することにより、カーボンファイバ
ーの酸化を減少させる。ＢＮ粒が微細クラックの形成を
抑制するのは、１つには、微細クラックの形成時に微細
クラックを鈍化させ、それによりマトリクスを強固にす
るとともに酸素が強化用カーボンファイバーに侵入する
通路となる長溝の発達を防ぐことによって行われる。
【００６１】ＢＮ粒が微細クラックの形成を抑制するも
う１つの方法は、「マトリクス」とカーボンファイバー
との熱的不均衡を減少させることによって行われる。
う１つの方法は、「マトリクス」とカーボンファイバー
との熱的不均衡を減少させることによって行われる。
【００６２】ここで、「マトリクス」とはガラスとＢＮ
粒との組み合わせと考えられる。基本的には、ＢＮ粒
は、ガラスよりも低いＣＴＥを有しており、「マトリク
ス」全体のＣＴＥを減少させる。「マトリクス」とカー
ボンファイバー間の熱膨張不均衡は少ないので、熱応力
に起因する微細クラックは少ない。
粒との組み合わせと考えられる。基本的には、ＢＮ粒
は、ガラスよりも低いＣＴＥを有しており、「マトリク
ス」全体のＣＴＥを減少させる。「マトリクス」とカー
ボンファイバー間の熱膨張不均衡は少ないので、熱応力
に起因する微細クラックは少ない。
【００６３】ＢＮ粒を含む不連続型強化ＣＦＲＧＭ組成
物から製造される物品は、ＢＮ粒を含まない同様のＣＦ
ＲＧＭ組成物に比べて、優れた酸化安定性、潤滑性、マ
トリクス靭性、強度、剛性、工作性を示す。当業者であ
れば、本発明の組成物をさまざまに利用することが可能
である。
物から製造される物品は、ＢＮ粒を含まない同様のＣＦ
ＲＧＭ組成物に比べて、優れた酸化安定性、潤滑性、マ
トリクス靭性、強度、剛性、工作性を示す。当業者であ
れば、本発明の組成物をさまざまに利用することが可能
である。
【００６４】本発明は上述の実施例に限定されることな
く、本発明の趣旨を逸脱することなく種々の変更や変形
が可能であることは言うまでもない。
く、本発明の趣旨を逸脱することなく種々の変更や変形
が可能であることは言うまでもない。
【００６５】
【発明の効果】以上説明したとおり、本発明によれば、
優れた酸化安定性、潤滑性、マトリクス靭性、強度、剛
性、工作性をもつＢＮ含有不連続型強化ＣＦＲＧＭ組成
物が得られる。
優れた酸化安定性、潤滑性、マトリクス靭性、強度、剛
性、工作性をもつＢＮ含有不連続型強化ＣＦＲＧＭ組成
物が得られる。
【図１】本発明による不連続型ＣＦＲＧＭ組成物のマト
リクスにおける窒化ホウ素粒の分布を示す走査型電子顕
微鏡写真である。
リクスにおける窒化ホウ素粒の分布を示す走査型電子顕
微鏡写真である。
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成４年１２月２４日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正内容】
【図１】本発明による不連続型ＣＦＲＧＭ組成物のマト
リクスにおけるガラスセラミックス材料である窒化ホウ
素粒の組織分布を示す走査型電子顕微鏡写真である。
リクスにおけるガラスセラミックス材料である窒化ホウ
素粒の組織分布を示す走査型電子顕微鏡写真である。
Claims (15)
- 【請求項１】 ガラスマトリクスと、複数本の強化用不
連続型カーボンファイバーと、上記マトリクス内に分散
した複数個の強化用窒化ホウ素粒とを含む、不連続型カ
ーボンファイバー強化ガラスマトリクス組成物。 - 【請求項２】 上記ガラスマトリクスは、ボロシリケー
トガラスからなることを特徴とする請求項１記載の不連
続型カーボンファイバー強化ガラスマトリクス組成物。 - 【請求項３】 上記強化用窒化ホウ素粒は、少なくとも
５：１の縦横比を有することを特徴とする請求項１記載
の不連続型カーボンファイバー強化ガラスマトリクス組
成物。 - 【請求項４】 上記強化用窒化ホウ素粒の含有量は、約
１０乃至２５容量％であることを特徴とする請求項１記
載の不連続型カーボンファイバー強化ガラスマトリクス
組成物。 - 【請求項５】 （ａ）ガラスパウダーと強化用窒化ホウ
素粒とをキャリヤ液中に混合し、スラリーを生成する工
程と、 （ｂ）上記スラリーに結合剤を添加する工程と、 （ｃ）連続型多繊維カーボンファイバー糸にスラリーを
含浸させる工程と、 （ｄ）上記含浸カーボンファイバー糸を乾燥させてキャ
リヤ液を除去する工程と、 （ｅ）上記含浸カーボンファイバー糸を所定の長さに切
断する工程と、 （ｆ）上記含浸カーボンファイバー糸を所定の成形手段
において成形し、不連続型カーボンファイバー強化ガラ
スマトリクス組成物を形成する工程とを含むことを特徴
とする不連続型カーボンファイバー強化ガラスマトリク
ス組成物の製造方法。 - 【請求項６】 上記成形手段はホットプレス装置である
ことを特徴とする請求項５記載の不連続型カーボンファ
イバー強化ガラスマトリクス組成物の製造方法。 - 【請求項７】 上記成形手段は射出成形装置であること
を特徴とする請求項５記載の不連続型カーボンファイバ
ー強化ガラスマトリクス組成物の製造方法。 - 【請求項８】 上記ガラスパウダーと上記強化用窒化ホ
ウ素粒とを超音波混合装置を用いて混合することを特徴
とする請求項５記載の不連続型カーボンファイバー強化
ガラスマトリクス組成物の製造方法。 - 【請求項９】 上記ガラスパウダーはボロシリケートガ
ラスからなることを特徴とする請求項５記載の不連続型
カーボンファイバー強化ガラスマトリクス組成物の製造
方法。 - 【請求項１０】 上記強化用窒化ホウ素粒は少なくとも
５：１の縦横比を有することを特徴とする請求項５記載
の不連続型カーボンファイバー強化ガラスマトリクス組
成物の製造方法。 - 【請求項１１】 窒化ホウ素粒と、強化用カーボンファ
イバーと、ガラスパウダーとをそれぞれ適量用いること
により、約１０乃至２５容量％の窒化ホウ素粒を含む組
成物を製造することを特徴とする請求項５記載の不連続
型カーボンファイバー強化ガラスマトリクス組成物の製
造方法。 - 【請求項１２】 請求項５記載の不連続型カーボンファ
イバー強化ガラスマトリクス組成物の製造方法により製
造される物品。 - 【請求項１３】 上記ガラスパウダーはボロシリケート
ガラスを有することを特徴とする請求項１２記載の物
品。 - 【請求項１４】 上記強化用窒化ホウ素粒は少なくとも
５：１の縦横比を有することを特徴とする請求項１２記
載の物品。 - 【請求項１５】 約１０乃至２５容量％の窒化ホウ素粒
を含む組成物を製造するための、窒化ホウ素粒と、強化
用カーボンファイバーと、ガラスパウダーとをそれぞれ
所定量用いてなることを特徴とする請求項１２記載の物
品。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US07/662,649 US5118560A (en) | 1991-03-01 | 1991-03-01 | Discontinuous carbon fiber reinforced glass matrix composites with secondary matrix reinforcement |
| US662,649 | 1991-03-01 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05201750A true JPH05201750A (ja) | 1993-08-10 |
Family
ID=24658583
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4079292A Pending JPH05201750A (ja) | 1991-03-01 | 1992-02-27 | 不連続型カーボンファイバー強化ガラスマトリクス組成物 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5118560A (ja) |
| EP (1) | EP0501510B1 (ja) |
| JP (1) | JPH05201750A (ja) |
| DE (1) | DE69213048T2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5552215A (en) * | 1991-10-09 | 1996-09-03 | United Technologies Corporation | Fiber reinforced glass matrix composites with secondary matrix reinforcement |
| US5902755A (en) * | 1993-05-03 | 1999-05-11 | Tox-Wastech, Inc. | High Strength composite materials |
| US5700342A (en) * | 1993-06-30 | 1997-12-23 | Simmonds Precision Products Inc. | Composite enclosure for electronic hardware |
| US10053608B2 (en) | 2017-01-06 | 2018-08-21 | United Technologies Corporation | Method to fabricate high temperature composite |
Family Cites Families (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1392045A (en) * | 1971-08-19 | 1975-04-23 | Atomic Energy Authority Uk | Armour |
| US4324843A (en) * | 1980-02-13 | 1982-04-13 | United Technologies Corporation | Continuous length silicon carbide fiber reinforced ceramic composites |
| US4314852A (en) * | 1980-05-07 | 1982-02-09 | United Technologies Corporation | Silicon carbide fiber reinforced glass composites |
| US4428763A (en) * | 1982-05-25 | 1984-01-31 | United Technologies Corporation | Transfer molding method of producing fiber reinforced glass matrix composite articles |
| US4464192A (en) * | 1982-05-25 | 1984-08-07 | United Technologies Corporation | Molding process for fiber reinforced glass matrix composite articles |
| JPS6228411A (ja) * | 1985-07-31 | 1987-02-06 | Teijin Ltd | ピツチ系炭素繊維の製造法 |
| JPS6228412A (ja) * | 1985-07-31 | 1987-02-06 | Teijin Ltd | ピツチ系炭素繊維の製造方法 |
| US4511663A (en) * | 1984-08-09 | 1985-04-16 | Corning Glass Works | Fiber-reinforced composites |
| JPS6220786A (ja) * | 1985-07-20 | 1987-01-29 | 本田技研工業株式会社 | 自動二輪車のチエン駆動スプロケツト装置 |
| US4780432A (en) * | 1986-09-02 | 1988-10-25 | United Technologies Corporation | Controlled fiber distribution technique for glass matrix composites |
| US4919991A (en) * | 1988-05-23 | 1990-04-24 | Corning Incorporated | Hybrid ceramic matrix composite articles comprising particulate additives and method |
| DE68909526T2 (de) * | 1988-07-02 | 1994-01-20 | Agency Ind Science Techn | Mit Fasern und dispergierten Partikeln verstärkter Mullit-Werkstoff und Verfahren zu seiner Herstellung. |
| US4971779A (en) * | 1989-02-17 | 1990-11-20 | University Of New Mexico | Process for the pyrolytic conversion of a polymeric precursor composition to boron nitride |
| US5023214A (en) * | 1989-04-11 | 1991-06-11 | Hercules Incorporated | Silicon nitride ceramics containing a metal silicide phase |
-
1991
- 1991-03-01 US US07/662,649 patent/US5118560A/en not_active Expired - Fee Related
-
1992
- 1992-02-27 JP JP4079292A patent/JPH05201750A/ja active Pending
- 1992-02-28 EP EP19920103472 patent/EP0501510B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1992-02-28 DE DE69213048T patent/DE69213048T2/de not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US5118560A (en) | 1992-06-02 |
| DE69213048T2 (de) | 1997-04-03 |
| EP0501510A1 (en) | 1992-09-02 |
| DE69213048D1 (de) | 1996-10-02 |
| EP0501510B1 (en) | 1996-08-28 |
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