JPH05504111A - 繊維強化複合物 - Google Patents

Abstract

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Description

【発明の詳細な説明】 繊維強化複合物 本発明は、マトリックス中に補強フィラメントを有する強化複合物の製造に関す る。本発明は特に、補強フィラメントが樹脂マトリックス中に組込まれている強 化プラスチック複合物の製造に適用され、ここでは主にこのような複合物に関連 して本発明を説明する。しかし、補強フィラメントがその繊維の一体性を損なう ことなく他の材料中に組込まれ得る限り、金属、金属アロイ又はセラミックスの ような他の材料をマトリックスとして用いることも可能である。

本発明は、特にフィラメント巻回法による強化複合物の製造に適用されるが、こ れに限定されるものではない。フィラメント巻回の技術は周知であり、広範な中 空製品の製造に用いられる。典型的には、例えば炭素繊維またはガラス繊維の連 続的なフィラメントがリールから取り出され、樹脂塗布器を通して導かれ、一般 的には均一な張力の下で回転マンドレル上に案内される。一般には、幾つかのフ ィラメントがマンドレル上に同時に巻回される。マンドレル上に必要な形状で巻 き上げるためにプログラム可能なフィラメント巻回装置か、当該技術分野におい て公知であり、入手可能である。樹脂が硬化した後に該複合物はマンドレルから 取り外されるが、形成された製品の取り外しに適合させるために、マンドレルに は製造プロセスの前工程として離型剤が塗布される。従来のフィラメント巻回法 に用いられるフィラメントは、連続した繊維または予め紡糸されたステーブルヤ ーン（これらは、その長さに沿って実質的に均一な断面、従って単位長さ当たり 均一な重量を意味する）からなる。加えて、長手方向の張力負荷の下で良好な強 度特性を示す一方、どのような顕著な伸びをも受けない結果として、過剰な負荷 の下では顕著に延ばされる前に破断することがこのフィラメントの特徴である。

公知のフィラメント巻回法には、一定の欠点がない訳ではない。例えば、平行な シリンダー形状に回されるときは、マンドレルに沿った折り返しの夫々のコース を巻回した後、マンドレルの端部で一定の休止時間をおくことが必要である。

これは、フィラメントガイドの移動が反転することによって、端部での折り返し が該端部から引き戻されてしまうのを回避するためである。この休止時間のため に、夫々の端部において、材料の余分なループ又は膨らみが形成さる。これらは 切除され、スクラップとして廃棄されなければならない。これは不都合であり、 また明らかに材料の浪費である。非シリンダー形状のモールド製品、例えば圧力 容器または複雑な形状を製造すべきとき、公知のフィラメント巻回法は効率が低 くなる。小さい径の上に必ずしも必要とされないより多くの材料を巻回する傾向 がある。その結果、仕上がったモールディングは、理論的に要求されるよりも重 くなり、高価になるであろう。加えて、単位長さ当たりの重量が均一であるとい うフィラメントの特性の結果として、巻回法の制限により、モールディングの他 の領域に厳密に必要とされるより多くのフィラメントを適用することなく、モー ルディングの所定の領域における充分な強度を確保することが往々にして不可能 である。

本発明は上記の欠点を少な（とも緩和することを目的としており、本発明によれ ばマトリックス中にステープルヤーン補強フィラメントが組込まれた強化複合物 の製造方法が提供される。この方法は、前記フィラメントが、張力による伸びが 可能な充分に弱い経って不連続な繊維から紡糸されたステープルヤーンであり、 該ヤーンは制御された延伸を受けることによって単位長さ当たりの重量かその長 さ方向に沿って変化するものであることを特徴とする。

フィラメント巻回法に用いられる従来の紡糸ステープルヤーンフィラメントの製 造において、該ステーブルヤーンは、典型的には長さｌＯ〜１００ｍ＋ｎの不連 続な繊維から紡糸される。

この繊維は最初は粗いトウに紡がれ、続いて長く細い繊維にまで実質的に延伸さ れる。ヤーンを一緒に保持する堅い緩りかヤーンに与えられ、最終的なり−ンは 延伸よりもむしろ破断を受けるように、繊維間に大きな摩擦を有する。本発明に よって提案される方法においては、ヤーンが強い張力を受けたときに繊維が相互 に滑動できるほど充分に緩くなるように、ヤーンは比較的弱い瑳りで紡糸される 。また、ヤーンは単位長さ当たりの重量が対応して減少するように永久的に延伸 される。ヤーンに適用される延伸力を制御することによって、その伸び、従って その単位長さ当たりの重量（および断面）は、供給源から引き取られとき及びフ ィラメント巻回のような方法で使用される直前に、ヤーンの長さに沿って要求さ れるように変化される。

ヤーンが本発明の方法に従う制御された延伸を受けた後、更なる伸びの危険を減 少するために、該ヤーンは合体強化され得る。

本発明はまた、上記方法の実施に用いるための装置を提供する。この装置は、ス テーブルヤーンを供給源から取り出し、該ヤーンを供給経路に沿って二次加工手 段へ案内する手段を具備し、ヤーン引張り手段が前記経路に沿って離間して設け られ、その間で該ヤーンを張力下に維持することと、前記ヤーンに作用する張力 を調節し、それにより前記二次加工手段へ配送されるヤーンの単位長さ当たりの 重量を調節するために、前記引張り手段を制御するための制御手段が設けられて いることとを特徴とする。　′ 前記二次加工手段は、更に加工して強化複合物を製造するための、強化プリフォ ーム、強化テープまたは強化繊布を製造するために適用され得る。或いは、この 二次加工手段は、補強フィラメントを組み込んだ複合初成形体を製造するために 適用され得る。例えば、この二次加工手段は引抜き成形ダイであってもよく、ま たは樹脂塗布器および樹脂含浸ヤーンが巻回されるマンドレルを具備するもので あってもよい。

前記引張り手段は、ヤーン経路に沿って離間され、夫々がヤーンを把持するよう に設けられた一対の装置を具備するのが便宜である。好ましい態様において、こ れら装置は、夫々が遊びローラと共働し制御速度で回転可能な駆動ローラを有す るニップであり得る。延伸が単一ステップで行われることは不可欠ではなく、二 以上の連続した延伸段階が用いられてもよい。

本発明の更なる側面に従えば、マトリックス中に補強フィラメントを具備した複 合材料からなる製品であって、少なくとも一つのフィラメントが不連続な繊維か ら紡糸され、該フィラメントの長さに沿って変化する単位長さ当たりの重量を有 するステーブルヤーンであることと、該製品が不均一な強度および／または剛性 および／または寸法特性を有する製品が提供される。

添付図面を参照した以下の詳細な説明によって、本発明のより良い理解か得られ るであろう。

ここで、図１は本発明に従うフィラメント巻回装置を模式的に示す説明図である 。

図２ａは、付加されたヤーン供給システムの詳細な駆動機構を含む、図１に示し た装置の側面図である。

図２ｂは、図２ａに示された装置の一変形例を示す図である。

図３は、本発明の方法によって製造され得る非対照シリンダを示す断面図である 。

図４は、本発明の方法によって製造されたエーロホイル（翼）を示す断面図であ る。

図５は、引抜き成形ダイの模式図である。

図６は、引抜き成形ダイによって製造されたプロファイル中での補強フィラメン トの可能な分布を示す図である。

図７は、二分割モールドを断面で示す図である。

図１および図２ａに示した装置は、駆動フヤフト２に装着されたマンドレル１を 含んでいる。駆動シャフト２は、歯付きベルト４を介してモータ３により軸回転 で駆動されるように設けられている。図示のマンドレルは円形シリンダー形状で あるが、製造される個々のモールド製品に従かう技術において周知の他の形状を 有していてもよい。キャリッジ５上に搭載されたフィラメント供給システムが示 されており、前記キャリッジ５は、往復運動のために、マンドレル軸に対して平 行に延設された一対のレール６により支持されている。このシステムには、軽く 紡糸されたヤーン８の供給源、例えば図示のクリールが含まれている。このクリ ールは、ヤーンボビン１０と、案内アイ９と、ヤーン供給経路に沿って直列に配 置されたヤーン８を把持するための第一のローラ対１１゜１２と、第一のローラ 対から離間して配置された第二のローラ対であって、両ローラ対間のヤーン区画 を引張り、延伸するために該ヤーンを把持する第二のローラ対１３．１４と、ヤ ーンを横方向に案内するための案内コーム１５と、樹脂塗布器１６と、案内アイ １７で構成される。

図示の樹脂塗布器１６は、液状樹脂２１の浴中に部分的に浸漬されたローラ２０ を具備し、ヤーン８が該ローラの頂部と接触するタイプのものである。このロー ラは、摺動クラッチおよび駆動ベルト２４を介してモータ２３により回転される 樹脂の量は、樹脂コーティングの厚さを調節するために、例えばモータ及びリー ドスクリューによりローラに向かって突出しまたローラから後退するドクターブ レード２５によって制御される。摺動クラッチは、ローラ２０がヤーン８に対し て過剰な張力を与えるのを回避し、またヤーンへの樹脂の過剰塗布または過少塗 布を起こすスリップを回避するために用いられる。図示した上記樹脂塗布器の代 わりに、ヤーンを直接に樹脂浴を通して導くように配置されたヤーン案内装置の ように、ヤーンに対して液状樹脂を塗布するために知られた他の何れの形の装置 を用いてもよい。本発明に従えば、主要な新しい特徴は、ヤーン供給源と樹脂塗 布器との間に、ヤーン８を種々の量で延伸するための手段を装置に組み込んだこ とである。この手段は、離間された二つのローラ対１１゜１２及び１３．１４に よって構成される。ヤーン８は軽く繕ったステープルヤーン、例えば、主に１０ ０ｍ〜２００ｍのランダムな長さの繊維からなる不連続な繊維から紡糸されたも のである。ヤーンを延伸する操作において、長い繊維は破断され得る。ヤーンに 用いられる繊維は、ガラス、アラミド、炭素、または炭化硅素のような適切な何 れの材料からなっていてもよい。しかし、従来のヤーンとは異なり、本発明に用 いられるヤーンは張力負荷の下に伸びまたは延伸が可能なように軽く瑳られてい るだけである。第一のローラ対は、駆動ローラ１１及び該ローラ１１に接触した 遊びローラ１２を含み、第一のニップを定義している。一方、第二のローラ対は 駆動ローラ１３及び遊びローラ１４を含み、第二のニップを定義してる。ローラ １１，１３の夫々は歯付きベルト３１を介して対応するモータ３０により駆動さ れ、またその駆動システムにはローラ回転を遅くするためのブレーキが含まれて いる。

ローラ１１，１Ｂが実質的に同じ速度で駆動されるとき、ヤーンか同じ速度で進 み、また樹脂塗布器１６、続いてマンドレルへと送給されるヤーンの単位長さ当 たり重量がクリールを引き出されるヤーンのそれと同じになるような制御を便利 かつ容易に行うために、ローラ１１，１Ｂは同じ径であるのが好ましい。（ロー ラ１１，１３を同じ速度で駆動できることは、必要ならばこの機械を連続的なフ ィラメント巻回にも使用できるから、多用性または融通性が改善される。）ヤー ンの単位長さ当たり重量を調節、特に減少させるためには、第二のニップのロー ラ１３を第一のニップのローラ１１よりも速く回転させる。その結果、二つのニ ップの間のヤーン区画は、ローラ１１，１３の周面速度の相違に応じた量だけ延 伸される。この速度の相違を調節することによって、ヤーンの単位長さ当たりの 重量、従ってヤーンの径は巻回プロセスを行なう間に変化され得る。また、採用 される巻ロバターンを考慮し、マンドレルの回転に関連してこの調節を制御する ことによって、マンドレルに適用される樹脂含浸ヤーンの太さをマンドレルの異 なった領域で変化させ、必要なモールド形状を得ることができる。

ヤーンの供給速度はマンドレルの回転に同期されなければならないから、何れの 実際的な装置においても、ヤーンの伸びを調節するためには、第二のニップのロ ーラ］、３を定速で駆動し、ローラ１１の回転速度を変化させるのが最も便利で あろう。ローラ１３が定速で回転されるとはいっても、巻回が進行するに伴って マンドレル上に堆積される材料の構築される厚さをこの技術分野で一般に知られ た方法で補正するために、或いは非円形もしくは非シリンダ状のマンドレルを可 能とするために、この速度は巻回プロセスの間に変更され得る。

本発明の実際的な態様において、ローラ１１の周面速度はローラ１３の対応速度 の１００％〜ｌＯ％の限度内で変更され得る、これによって単位長さ当たりの重 量は略５．２：１の範囲の比で変化する。試験の結果、ローラを５．２：１の速 度比で駆動するのが確かに実際的であることが示された。

勿論、ローラ対１１．１２及び１３．１４のニップ間でヤーンを延伸することは 、ヤーンが第二のニップを出た後にマンドレルに達するまでの遅れを考慮しなけ ればならない。しかし、これは如何なる大きな困難をも提示するものではなく、 本発明の実施において採用され得る電子機械的制御システムまたはマイクロプロ セッサ制御システムによって賄うことができる。

最終複合物中の補強繊維に対する樹脂マトッリックスの望ましい比または比率を 維持するように、ヤーンに塗布される樹脂の量を、その単位長さ当たりの重量に 従って制御するのが望ましい。この目的のために、ローラ２０に対するドクター ブレード２５の位置が、好ましくはヤーン８が延伸される量、即ちローラ１１， １３の速度差に応じて自動的に調節され得る。

ヤーンが単一ステップで延伸されることは必要ではなく、延伸は二辺上の連続的 段階で行われ得る。図２ｂに示されているのは、二段階延伸操作を行う改良され たヤーン延伸機構である。この目的のために、第一のローラ対１１．１２と第二 のローラ対１３．１４との中間に、ローラ対１８．１９が追加されている。ロー ラ１８は、ローラ１１，１３と同様に歯付きベルト３１を介してモータ３０によ り駆動される。ヤーンはヤーン案内コーン９を通して第一のローラ対に供給され 、更にヤーンを第二のローラ対１３．１４に案内するためにヤーンガイド２９が 配置されている。中間ローラ対１８゜１９に付随してその下流には、駆動ローラ １８とそこから離間した平行ローラの回りを走行する連続ラバーベルト２８が延 設されている。該ベルト２８の上面は、延伸の第二段階の間、ヤーンのための成 る種の支持を提供する。中間の駆動ローラ１８は、ヤーン８が二つの連続した段 階で延伸されるように、駆動ローラ１１，１３の中間の速度に制御された速度で 駆動される。延伸が幾つかの段階でもっと徐々に行われることが必要であれば、 更なるローラ対が含まれ得る。夫々の中間ローラを駆動するために個別の七−夕 を用いる代わりに、差動歯車または遊星歯車を用いてもよい。

単一のヤーンをマンドレルに供給するものとして本発明の詳細な説明してきたが 、従来技術のフィラメント巻同機において普通であるように、この装置は好まし くは、離間した平行なり−ンからなる平らなテープという一般的な形で、幾つか のヤーンをマンドレルに同時に供給するように適用される。

巻回プロセスを行う間に、単位長さ当たりの重量特性を変化させることを可能と することによって、本発明はフィラメント巻回法に対し、従来は得られなかった 追加の多様性または融通性を付与する。従って、上記のような平行シリンダを巻 回する場合は、モールディングの端部での提示時間の間、端部での膨らみを除き 、または少なくとも膨らみの寸法を低減するために、ヤーンは延伸されてより細 くされ得る。加えて、製品の肉厚が製品の全体に亘って望ましい仕方で変化する ように、例えば正規には薄い部分が平均よりも厚くなるように、製品を製造する ことができる。図３に示した例は、本発明の方法を採用することによって、シリ ンダの回りで肉厚が変化し、肉厚最小の位置に対して半径方向に反対の位置で肉 厚が最大であるように形成されたシリンダーである。図４に示した別の例は、リ ーディング端に近接した上部において壁の肉厚か最大であるように形成された翼 の断面である。

マンドレル上に巻回される全てのフィラメントが、巻回プロセス中に変化された 単位長さ当たり重量を有する必要はなく、このような伸びを受けないフィラメン トは何れも、従来のフィラメント巻回法において用いられる連続繊維または防止 ヤーンで作られ得る。図１および図２ａは、ボビン４２から供給され、延伸ロー ラ対の下流、即ち案内コーム１５の位置で供給経路に導入されるこのような追加 のヤーン４１を示している。或いは、ヤーン４１はロール対１３．１４の間のニ ップ中に導入されてもよく、またはコーン２９を通して導入されてもよい。追加 のヤーン４１は実際にヤーン８と組み合わされ、二つのヤーンは同一のアイ１７ を通して案内される。これは、混合ヤンーンがマンドレル上に適用されるとき、 非延伸性ヤーン４１の補助によってヤーン８の望ましくない追加の延伸が防止さ れるという利点を有している。一定の単位長さ当たり重量を有する追加の連続的 繊維または紡糸ヤーン４１は、何れも、選択的延伸を受ける紡糸ヤーン８の材料 と同じ材料で作られてもよいが、これは必ずしも必要なことではない。例えば、 追加のヤーン４１は炭素で、ヤーン８はガラスであってもよい。

マンドレルに適用されるヤーンの張力が複合物の樹脂含量に影響するので、正規 のプラクティスでは、このマンドレルに適用されるヤーンを制御された張力下に 維持する（手段は図示しない）。図示の本発明の装置においては、ローラ１３の 前では伸び性のないヤーンは全く導入されないと仮定して、ローラ１３及びマン ドレル１の速度の不適合を補償するために、ローラ対１３．１４とコーム１５の 間でのヤーン８の小程度の伸びは許容され得る。

延伸された後、ヤーン８は瑳り部材を具備した追加のロール対（図示せず）のよ うな手段によって合体強化され、ヤーンに「擬似瑳り（ｆａｌｓｅ　ｔｗｉｓｔ ）　Ｊまたは「自己瑳り（ｓｅｌｆ　ｔｗｉｓｌ）Ｊか付与される。この両タイ プの嵯りは、紡糸ヤーンの分野では周知である。こうして得られた最終的なり− ンは、ヤーン４１中に連続フィラメントをも含み得る。延伸に続いて、ステープ ルヤーンの繊維間の結合力を改善するために採用され得る他の公知技術は、「ラ ップ紡糸」である。

本発明の方法は、複合材料の厚さを通して硬さか変化する複合物の製造に採用さ れ得る。この結果を達成する一つの方法は、例えば複合物の外表面において増大 した硬さが望まれる層に適用される補強繊維中において、追加の、例えば連続的 ヤーンの相対的な量を増加することである。図１および図２に示したフィラメン ト巻回システムにより製造されるシリンダ形状の製品の場合、このような結果は 、最初はローラ対１１．１２を最小速度で回転しながら（即ち、マンドレルに送 給されるヤーン８は単位長さ当たり最小の重量を有する）補強繊維をマンドレル 上に巻回し、充分な厚さが構築された後はローラ対１１．１２の速度を最大限に 上昇させ（ヤーンは単位長さ当たり最大の重量でマンドレルに供給される）、続 いてローラ対１１．１２の速度を再び最小限に低下させ、シリンダ状製品の外層 を形成することによって達成され得る。

この特別な技術は、例えば周面変形に対する高い抵抗をもった地下で使用される パイプを製造するために用いられ得る。

勿論、最大および最小の速度のみを用いることが不可欠ではなく、中間の速度も また可能である。このような中間の速度は、例えば高速および定速の間で徐々に 変化させるために用いられるであろう。

上記の説明から明らかなように、本発明は、フィラメント巻回製造法を用いると きに、これまで可能ではなかった方法で壁の厚さを変化させるのを可能とするこ とに加えて、複合物製品の構造における強度特性をも変化させることが可能であ る。

本発明の方法の他の変形に従えば、最終製品に望ましい特性を得るために、製造 プロセスの間で樹脂を変化させ得る。

例えば既述の実施例の方法において、ローラ対１１．１２の速度を増大させると き、樹脂浴２１に供給される樹脂を異なる組成のものに変更し得る。例えば、イ ソフタル酸ポリエステル樹脂からオルトフタル酸ポリエステル樹脂に変更しても よく、またロール対の速度を再度低下させるときに樹脂組成を更に変更してもよ く、変更しなくてもよい。樹脂の変更は、液状樹脂に充填材粒子を添加すること 、或いは樹脂に添加されるこのような充填材の量を変化させることであってよく 、この操作を含むものであってもよい。この技術は、例えば、コア領域の樹脂に 対して低コストの充填材粒子を多量に充填し得ることを意味し、このことは経済 性の観点から有利であり得る。

また、樹脂のタイプを変化させることによっても、強度／剛性の特性は影響され 得るが、この場合は他の性質も変化する可能性がある。例えば、既述した地下パ イプのような製品は、内側および外側の両者において化学侵襲に抵抗性の表層を 有する一方、パイプ壁構造の内部、即ち樹脂ラミネートのコア部分の材料の性質 は異なったものであり得る。例えば、コア部の樹脂は表層のそれに比較して腐食 耐性が低く、比較的安価なものであり得る。また、表面の腐食耐性の喪失を伴う ことなく全体のコスト節減が達成されるように、高レベルの上記充填材を含み得 る。ニュートラル軸上にステープル繊維を高率で組み込むことによって、剪断ス トレスの最も高いところに良好な眉間剪断強度が与えられる。

液状樹脂をヤーンに塗布するフィラメント巻回法に関連して本発明を説明してき たか、本発明はより広い適用を有することに留意すべきである。フィラメント巻 回法においては、マンドレル上に巻回されるフィラメントに熱可塑性材料の繊維 を含ませ、該繊維をマンドレル上に巻回される直前に加熱するか、またはを回ス テップが完了した時点で加熱することによって前記熱可塑性材料を溶融させ、補 強繊維を埋め込んだ樹脂マトリックスを提供することも知られている。本発明は このような方法にも適用され得、既述したのと同じ利点を確保することができる 。加えて、本発明は繊維強化複合物の製造に用いられる他の方法にも、本発明の 利点を伴って適用され得る。このような代替法の一つは、フィラメントの束（通 常は連続繊維）および含浸樹脂が、望ましい断面を得るために成形ダイを通して 引き抜かれる引抜き成形として知られているものである。本発明に従えば、引抜 き成形タイに供給される前に少なくとも幾つかのフィラメントが制御された延伸 を受けることにより、例えばその長さに沿って変化する可撓性をもった断面が得 られる。ダイの開口部は、もし必要とされ又は望ましいならば、フィラメント束 の単位長さ当たり重量に同調して調節され得る。矩形断面の複合物を製造するた めの適切な引抜き成形ダイの一例か、図５に示されている。これは、Ｕ字型の第 一のダイ部分５０と、該第−のタイ部分に対して移動可能で、これにより断面が 変化するダイオリフイスを限定する第二のダイ部分５１を含んでいる。勿論、こ の移動可能なダイ部品は、このダイ断面の変化を容易にするために、傾斜し及び ／又はその長さに沿っである程度の可撓性を有し得ることが必要であろう。樹脂 含浸された繊維束はこのダイを通して引き抜かれ、該ダイの二つの部分はモール ドを通過する繊維の量（これはダイに供給されるヤーンを本発明に従って延伸す ることにより変化する）に従って調節される。

この態様により傾斜した断面が形成され得、また例えば効率的な末端固定アタッ チメントのための太い先端をもったテンション部材を製造することが可能であろ う。引抜き成形の技術において最も好都合には、連続的な補強フィラメントは表 面で濃縮され、ステーブルヤーンフィラメントは複合物のコア９４で濃縮される 。また、ステーブル繊維は、最も必要とされるところでの剪断強度および層間強 度を改善するであろう。引き向き成形によって形成される複合物９１の表面付近 における、少なくとも幾らかが織布またはテープとして導入され得る連続的な繊 維９０の濃度は、可変アパーチャー引抜き成形ダイ９２．９３を通しての断面を 模式的に示す図６に描かれている。

別の代替法には、所謂プリプレグをラッピングすることが含まれる。ここでは、 補強フィラメントが未硬化樹脂または部分的に硬化された樹脂（典型的にはエポ キシ樹脂）中に組み込まれた可撓性テープか、望ましい形状を与え且つ硬化プロ セスを完結するために、成形器具の回りにラッピングされ或いはモールド上に置 かれる。ここで、「テープ」の用語は平行繊維の群または束を含むものとして用 いられる。プリプレグテープを製造する間に補強繊維が選択的且つ制御された伸 びを受けるならば、その単位長さ当たり重量はテープに沿って変化するであろう し、また該テープは、例えばその長さに沿って厚さを減少し得る。これによって 、最終モールド製品における壁厚の望ましい変化が提供される。

予め製造されたプリプレグチーブを用いる代りに、モールド上に載置する直前に 、ファイバーを樹脂で含浸してもよい。

更に、補強樹脂は熱可塑性繊維と混ぜられ、次いで加熱加圧下にモールド上で溶 融されてもよい。これらの方法において、モールドは平坦であっても、或いは他 の何れの形状であってもよい。補強フィラメントか樹脂マトリックス中に組み込 まれ得る上記の方法と同様に、他の方法も可能である。この方法には、制御延伸 を受けたヤーンを具備する補強フィラメントを、必要な形状の成形器具上に樹脂 の不存在化で巻回して強化プリフォームとし、次いで樹脂中に含浸するために、 これを密閉モールド内に配置することが含まれる。巻回されたプリフォームは、 巻回フィラメントを一緒に針で縫い合わせることによって、或いは典型的にはポ リエステル樹脂（この技術分野では周知である）のような粉末バインダのエマル ジョンをスプレー又は塗布し、その形状とすることにより安定化され得る。この プリフォームは、モールドに負荷される前に、一つのピースとして成形器具から 取り除かれてもよく、又は成形器具からの除去を可能とするために分割して、例 えば二辺上のセグメントに分割して取り除かれてもよい。プリフォーム化の操作 を容易にするために、成形器具は骨組み構造および／又は表面四部（例えば溝） を有するものであるのが好ましい。モールド内でプリフォームを含浸する代りに 、内部に熱可塑性樹脂を組み込み、プレス又はオートクレーブ内で加熱して複合 物製造を完結するようにしてもよい。

図７は、前巻回されたプリフォーム８０（又はプリフォームセグメント）を、熱 硬化樹脂とのモールディングのために二分割モールド８１．８２内に収容された 状態の断面で示している。同図はまた、加熱野ためにプレス内に置かれた状態の 、熱可塑性フィラメントを組み込んだ前巻回されたプリフォーム（プリフォーム セグメント）を示すためにも役立つ。

破線で示したように、モールド／プレスは、これをプリフォームの回りに閉鎖し たときに、凸部の反転によって四部を形成するようにして、プリフォームの形状 を変えるために適合され得る。

本発明の実施に用いられるヤーンに必要とされるような、不連続な繊維を使用す ることによって得られる追加の利点は、突出する繊維末端の数が増大することで あり、これにより、連続繊維で得られる結果に比較して、複合物の層間特性が改 善されることが知られている。この傾向は、ヤーン中に単繊維（例えば長さｌＯ 〜４０１］］ｍのもの）を組み込むことによって、またはコーム１５（図１およ び図２）の領域でヤーンを織込むことによって増大し得る。

本発明のフィラメント巻回法は、これまで、所定の巻回パターンに従ってマンド レル上にヤーンを分布させるために、ヤーン供給システムを支持するキャリッジ が往復されるような装置に関連して説明された。しかし、ヤーン遠心機構は、ロ ボットアームによって制御され且つ成形器具の回りにヤーンを巻回するように配 置されたアイ等を有するフィラメント巻回機においても、等しく使用され得る。

このような態様において、ヤーンの延伸はアイの動きに同期するであろうと思わ れる。

ヤーン延伸の原理は、壁厚か変化するモールドシリンダーのためのテーパ重量プ リフォームを製造する編み機に組み込まれ得る。

また、ヤーン延伸の原理は、複合物強化のための織布中におけるワープヤーンの 重量を変化させるためにも用いられ得る。従って、単位面積当たり重量が一方向 にチー、くする織布を組み込むことによって、航空機翼のスキンのようなツクネ ルがモールドされ得る。この織布はまた、電話ポールのようなカンチレバーモー ルディングを製造するために、ラップ及びモールドされ得る（これら製品におい ては、最適な構造特性のために、単位長さ当たり重量が一定に変化することか要 求される）。

マトリックス材料中にフィラメント補強材を組み込むために、上記で既に説明し た技術に加えて、この分野で知られている他の何れの技術も採用し得る。これら 公知の技術の例として、下記のものが挙げられる。

１）マトリックスは、補強プリフォームの隙間内で生じる化学反応によって、該 隙間のその場所で形成される。この技術は、特にセラミックマトリックス内への フィラメントの組込みに適用され得る。

１１）マトリックスは、プリフォームに対して気相成長により適用される。この 技術は、例えば炭素マトリックス中の炭素フィラメントを具備した複合物に適し ている。ここで、マトリックス材料の炭素は、フィラメントのそれとは異なった 分子構造を有している。

１１１）フィラメントは、液状バインダ（例えば水）中のセラミック粉末スラリ ーを通して導かれる。この液状バインダは、フィラメントが例えばマンドレル上 に巻回された後、バインダが水のときは加熱等によって除去され、次いで加熱お よび加圧を含む焼結工程が行われてセラミックスマトリックスが形成される。こ の技術の変形として、マトリックスを形成する化合物を塗布するために、上記ス ラリーの代わりにゾル又はゲルを用いることができる。

ｉｖ）補強プリフォームは、金属の浸透によって含浸される。

この技術の一つの変形に従えば、プリフォームが中空ダイに置かれる。その後、 加圧下で溶融された金属（例えば金属アロイ）がダイ中に投入され、次いでラム （ｒａｍ）がダイ中に挿入されて、金属をプリフォームに含浸させると同時に、 必要とされる製品に従った形に金属を成形する。他の変形においては、補強プリ フォームかモールド内に置かれ、該モールドは閉鎖され、加圧下に溶融金属か注 入されてプリフォームを含侵し、該モールドにより決定される形状の強化部品が 製造される。

Ｖ）炭素マトリックス内に炭素フィラメントを有する複合物の製造において、マ トリックスを形成するためのポリマーの熱分解が使用され得る。プリフォームの 炭素繊維は、まず熱分解によって炭素になるフェノール樹脂バインダーで含浸／ 被覆される。次いで、夫々のステップが有機アルコールの添加に続いて該アルコ ールを炭素にするための熱分解を含む一連の連続するステップにおいて、炭素マ トリックスが構築される。

完成複合物の望ましい不均一な強度特性、剛性特性および／または寸法特性を得 るために、本発明が提案する制御された延伸を受けた補強フィラメントと共に、 上記の全ての技術が採用され得る。何れの例においても、使用すべき特定の技術 の選択は、主に、補強フィラメント及び該フィラメントか組込まれるマトリック スの材料によって決定されるであろう。

製造される複合物製品の形状もまた、考慮に入れるべき相対的な因子である。勿 論、選択される材料は要求される性質によって決定される。例えば、炭素−炭素 複合物は非常に強く、またガラスマトリックス中の炭化硅素補強繊維は非常に高 い耐熱性を示す。

如何なる疑義をも回避するために理解されなければならないことは、スライバー が供給源から供給され、ステープルヤーンに紡糸される前に、該スライバーか張 力付加手段により制御延伸を受けることによって、紡糸手段から直接に二次加工 手段へ送られる紡糸ヤーンがその長さに沿って変化する単位長さ当たり重量を有 するようにする方法および装置も、本発明の範囲内に含まれることである。

要約書 マトリックス中に補強フィラメントを有する強化複合物の製造において、不連続 繊維から弱い瑳りで紡糸されたステープルヤーンからなるフィラメントが、該ヤ ーンの単位長さ当たり重量かヤーンの長さに沿って変化するように制御された延 伸を受ける。この延伸操作を実施するための装置は、ヤーン供給経路に沿って離 間して設けられ、ヤーンの望ましい延伸を得るために制御された速度で回転する 二つのローラ対（１１，１，２および１３．１４）を具備する。このヤーンは、 例えば樹脂をヤーンに塗布し、これをマンドレル若しくは成形器具の上に巻回す ることにより、複合物の製造に直接用いられる。或いは、複合初成形体の製造に 使用されるプリフォーム、プリプレグチーブ又は織布等の製造に用いられる。本 発明によれば従来は可能でなかった仕方で、複合物の特性、例えば厚さおよび／ または強度を変化させることが可能にな国際調査報告 一一一一一一・自・−・・−一・・・・紬・−１＋ＰＣＴ／ＧＢ９１１００２６ ：１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．マトリックス中にステーブルヤーン補強フィラメントが組込まれた強化復合 物の製造方法であって、前記フィラメントは、張力下での伸びが可能な充分に弱 い縒りで不連続な繊維から紡糸されたステーブルヤーンであり、該ヤーンは制御 された延伸を受けることによって単位長さ当たりの重量がその長さ方向に沿って 変化するものであることを特徴とする方法。 ２．請求の範囲第１項に記載の方法であって、前記の制御された延伸を受けた後 、前記ヤーンは、単位長さ当たりの重量が実質的に一定である少なくとも一つの 追加のフィラメントと組み合わされる方法。 ３．請求の範囲第２項に記載の方法であって、前記追加のフィラメントが連続繊 維からなる方法。 ４．請求の範囲第２項に記載の方法であって、前記追加のフィラメントが本質的 に延伸不能な紡糸ヤーンである方法。 ５．請求の範囲第１項〜第４項の何れか１項に記載の方法であって、制御された 延伸を受けた前記ヤーンが、その更なる伸びを最小限にするために合体強化され る方法。 ６．請求の範囲第５項に記載の方法であって、前記ヤーンが「擬似縒り」もしく は「自己縒り」を付与するように縒ることによって、または「ラップ紡糸」する ことによって強化される方法。 ７．請求の範囲第１項〜第６項の何れか１項に記載の方法であって、前記ヤーン は供給源から引き出されて回転するマンドレル（１）上に巻回され、また前記ヤ ーンの延伸は前記マンドレルの回転に従って制御される方法。 ８．請求の範囲第１項〜第６項の何れか１項に記載の方法であって、制御された 延伸を受けた前記ヤーンは移動可能なガイド（１７）を介して成形器（１）上に 向けられ、また前記ヤーンの延伸は前記ガイド（１７）の移動に従って制御され る方法。 ９．請求の範囲第１項〜第８項の何れか１項に記載の方法であって、前記マトリ ックスは樹脂を含み、また該樹脂は、前記ヤーンをその制御された延伸に続いて 液状樹脂塗布手段（１６）を通して導くことによりヤーンに塗布される方法。 １０．請求の範囲第１項〜第８項の何れか１項に記載の方法であって、制御され た延伸を受けた前記ヤーンが補強プリフォームの製造に用いられる方法。 １１．請求の範囲第１０項に記載の方法であって、前記マトリックスは樹脂を含 み、前記プリフォームの製造において熱可塑性繊維が前記補強ファイバに組み込 まれ、また前記プリフォームを加熱して前記熱可塑性ファイバを溶融することに より前記樹脂マトリックスが提供される方法。 １２．請求の範囲第１０項に記載の方法であって、モールディング工程、前記プ リフォームの隙間内のその位置でのマトリックス形成、気相成長による前記プリ フォームヘのマトリックス材料の適用、焼結によるセラミックマトリックスの形 成、溶融金属での浸透、または化学的熱分解によって、前記プリフォームがマト リックス材料中に組み込まれる方法。 １３．請求の範囲第１１項に記載の方法であって、前記プリフォームがプレスま たはオートクレーブ内で加熱される方法。 １４．請求の範囲第１０項〜第１３項の何れか１項に記載の方法であって、前記 プリフォームは、フィラメントを成形器具上に巻回し、巻回されたプリフォーム を成形器具上で安定化し、該プリフォームを成形器具から取り外すことによって 製造される方法。 １５．請求の範囲第１１項に記載の方法であって、前記プリフォームは前記補強 ファイバおよび熱可塑性繊維をマンドレル上に巻回することによって製造され、 また熱可塑性材料を溶融させるために、この巻回された材料がマンドレル上で加 熱され、或いは前記ファイバ及び繊維がマンドレル上に巻回される直前に加熱さ れる方法。 １６．請求の範囲第１項〜第６項の何れか１項に記載の方法であって、制御され た延伸を受けた前記ヤーンが、引抜き成形ダイに供給されるフィラメント束内に 含められる方法。 １７．請求の範囲第１６項に記載の方法であって、前記ダイの開口部が、ダイに 供給されるフィラメント束の単位長さ当たり重量に従って調節され、制御される 方法。 １８．請求の範囲第１７項に記載の方法であって、連続フィラメントは製造され る複合物の表面近くに濃縮され、ステープルヤーンは前記複合物のコア部に濃縮 される方法。 １９．請求の範囲第９項に記載の方法であって、複合物を製造するコースにおい て、前記液状樹脂の組成が変えられる方法。 ２０．請求の範囲第９項または第１９項に記載の方法であって、製造のコースに おいて、重点材を添加することにより及び／または添加される重点材の量を変化 することにより前記樹脂が変えられる方法。 ２１．請求の範囲第１項〜第６項の何れか１項に記載の方法であって、制御され た延伸を受けた前記ヤーンがテープ、編まれたプリフォーム又は織布の製造に用 いられる方法。 ２２．請求の範囲第２１項に記載の方法であって、前記マトリックスは樹脂を含 み、前記可撓性テープは未硬化の又は部分的に硬化した樹脂中に補強フィラメン トを具備する可撓性テープが製造され、該テープはモールド上に置かれて硬化プ ロセスが完結される方法。 ２３．請求の範囲第１項〜第２２項の何れか１項に記載の方法であって、前記延 伸が複数の連続したステップで行われる方法。 ２４．請求の範囲第１項に記載の方法の実施に用いるための装置であって、ステ ーブルヤーンを供給源から取り出し、該ヤーンを供給経路に沿って二次加工手段 へ案内する手段を具備し、ヤーン引張り手段（１１，１２および１３，１４）が 前記経路に沿って離間して設けられ、その間で該ヤーンを張力下に維持すること と、前記ヤーンに作用する張力を調節し、それにより前記二次加工手段へ配送さ れるヤーンの単位長さ当たりの重量を調節するために、前記引張り手段を制御す るための制御手段（３０）が設けられていることとを特徴とする装置。 ２５．請求の範囲第２４項に記載の装置であって、前記ヤーン引張り手段がヤー ンを把持する対の器具（１１，１２；１３，１４）を具備する装置。 ２６．請求の範囲第２５項に記載の装置であって、前記器具の一方または両方が ローラを具備し、前記制御手段が該ロールの回転速度を制御するように設けられ ている装置。 ２７．請求の範囲第２５項に記載の装置であって、夫々の器具は、その間にヤー ンを把持するための一つの駆動ローラ（１１，１３）および一つの遊びローラ（ １２，１４）を含むニップを具備し、前記制御手段は駆動ローラ（１１，１３） の相対的な回転速度を変化させるように動作される装置。 ２８．請求の範囲第２７項に記載の装置であって、ヤーンの張力を調節するため に、上流側ニップの駆動ローラ（１１）の回転速度が下流側ニップの駆動ローラ （１３）の回転速度に関して制御される装置。 ２９．請求の範囲第２７項または第２８項に記載の装置であって、ヤーンを二以 上の段階で延伸するために、上流側ニップと下流側ニップとの間に、少なくとも 一つの中間ローラ対（１８，１９）が配置されている装置。 ３０．請求の範囲第２４項〜第２９項の何れか１項に記載の装置であって、前記 ヤーンに対して液状樹脂を塗布する手段と、塗布される樹脂の量を二次加工手段 に送給されるヤーンの単位長さ当たり重量に従って制御するように、前記樹脂塗 布手段を調節する手段とを具備する装置。 ３１．請求の範囲第３０項に記載の装置であって、前記樹脂塗布手段は共働する ドクターブレード（２５）をもったローラ（２０）を具備し、前記調節手段は前 記ローラ（２０）に対する該ドクターブレードの位置を変化させるように作用す る装置。 ３２．マトリックス中に補強フィラメントを具備する複合材料からなる製品であ って、該補強フィラメントの少なくとも一つが不連続繊維から防止されステーブ ルヤーンであり、また、製品が不均一な強度特性および／または剛性特性／およ び／または寸法特性を有するように、該ステーブルヤーンはフィラメントの長さ 方向に沿って変化する単位長さ当たり重量を有する製品。 ３３．請求の範囲第１項〜第２３項の何れか１項に記載の方法によって製造され た強化複合物。