JPH0626810B2 - 複合体用のフイラメント状構造モジユール - Google Patents

複合体用のフイラメント状構造モジユール

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JPH0626810B2
JPH0626810B2 JP60261623A JP26162385A JPH0626810B2 JP H0626810 B2 JPH0626810 B2 JP H0626810B2 JP 60261623 A JP60261623 A JP 60261623A JP 26162385 A JP26162385 A JP 26162385A JP H0626810 B2 JPH0626810 B2 JP H0626810B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、複合構造体製造用フィラメント状構造モジュ
ールに関するものである。
〔従来の技術〕
強化リング（たとえばトーラス状若しくはドーナツ状の
リング）を作成する現在の方法は、先ず所望リングの最
大高さに等しい幅を有する一方向性の単層ストリツプ若
しくはテープを作成することから出発する。このストリ
ツプを巻いて、所望の内径及び外径を有するリングにす
る。このように形成されたリングを次いで、内部若しく
は外部の半径方向圧力（すなわちストリツプ表面に対し
垂直方向の圧力）によつて一体に結合する。これらリン
グを製作するのに使用する方法と同様な方法で、ラグ強
化物が製作されている。ストリツプ若しくはテープが連
続したものでなければ、リングの厚さにわたりフイラメ
ントの連続性が得られない。
取付穴部の局部的円形強化物はスリツプをリングとして
巻くことにより製作されず、また製作することができな
い。代表的には、これらの局部的円形強化物は、一方向
性の積層体をクロスプライ（０゜、±４５゜）すること
により製作される。
矩形断面を有するリングの他の製作方法は、複数のフイ
ラメント層をマンドレル上に巻回し、各層をマトリツク
ス材料のシートで分離することである。所望厚さが得ら
れるまで巻回を継続する。次いで、巻回物をマンドレル
から取り外して一体結合させる。
本出願人は、本発明で実現される方法及び構造体に近似
するような先行特許又は文献を知らない。しかしなが
ら、リング又はトーラスを形成するのに有用な幾つかの
従来技術が米国特許第3,427,185号、第３，５７５，７
８３号、第３，９００．１５０号、第３，９８４，０４
３号及び第３，９９１，９２８号に記載されている。更
には、特開昭５２−９３６６３号に記載されるように、
マトリックス材と強化材とを布目状に織り合わせた布状
の組成体を重ねてこれを加熱及び加圧することにより複
合材料を製造することも提唱された。
〔発明が解決しようとする問題〕
一方向性単層フィラメントをマトリックス内に埋入した
所要幅のストリップをマンドレル周囲に巻回した構造体
を半径方向に内側から或いは外側から圧縮して製造する
場合には、外面から圧力をかけるときには座屈が生じや
すく、他方内面から圧力をかけるときにはフィラメント
の破断や繊維の歪みを生じた。
特開昭５２−９３６６３号に記載されるようなマトリッ
クス材と強化材とを布目状に織り合わせた布状の組成体
を重ねてこれを加熱及び加圧することにより複合材料を
製造する場合には、繊維を織り合わせることは面倒でま
た高価な繊機を必要とし、マトリックス繊維と強化繊維
とは互いに織り合わされているので同一平面になく、複
合体を形成するべくそれらを重ねて加圧するとき、かな
りの剪断力が強化繊維上にかかり、強化繊維が可撓性で
なければ、繊維は破断する危険がある。位置のづれも起
こり易い。
こうした欠点に鑑みて、本発明の目的は、もっと簡便
で、剛性の繊維を使用した場合でも繊維の破断や位置づ
れが起こらないフィラメント強化複合金属構造体を製造
する技術を確立することである。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明によれば、フイラメント強化モジユールは、目
的、マトリツクスから形成されたリボンと組み合せて面
状円形螺旋若しくは非円形螺旋（たとえば楕円形若しく
は長円形）として開孔部若しくは穴部の周囲に巻回した
連続強化フイラメントの単層からなつている。この螺旋
の隣接フイラメントは螺旋が解きほぐれるのを防止する
為少なくとも局部的に互いに付着されている。さらに構
造モジユールは、このモジユールの一面又は両面に付加
的なマトリツクス材被覆を含むことができる。フイラメ
ント強化複合構造体は、これらモジユールを所望の厚さ
まで積み重ね、或いはこれらモジユールに一方向性テー
プを挿し挟んで組み合せそしてこの組合体を一体結合す
ることにより製作される。
〔実施例〕
以下、添付図面を参照して本発明を実施例につきその目
的及び利点と共に詳細に説明する。
第１Ａ図を参照すれば、一方向性フイラメント１１の単
層をマトリツクス材料１２内に埋入してなる慣用のスト
リツプ１０が示されている。リング（特に矩形断面を有
するリング）を製作するには、ストリツプ１０をマンド
レル（図示せず）周囲に巻回して第１Ｂ図に示したコイ
ル１３を形成する。この製作において、フイラメントは
コイル１３の軸線１４に対し直交整列する。矢印１６
は、コイル１３の内側表面１８に対し半径方向圧力をか
けることによりコイル１３を一体係合しうることを示し
ている。代案として、矢印２０は、外側表面に対し半径
方向圧力をかけることによりコイル１３を一体結合しう
ることを示している。
ストリツプ単層を使用する欠点は、主として一体結合化
の方向に関する。内径表面から開始する際の半径方向に
おける一体結合化（矢印１６）はフイラメントに大きい
引張応力にかける結果、フイラメントの破断をもたら
し、したがつて構造一体性を喪失せしめる。
外径表面から半径方向圧力をかける場合（矢印２０）、
たとえば参照符号２２で示した個所に座屈が生ずる（第
１Ｃ図）。この座屈は、フイラメントの破断と繊維の円
形通路の歪みを伴ない、これら両者により構造一体性を
低下させる。
ストリップ単層巻回方式における他の欠点は、真円形状
（すなわち矩形断面を有する形状）しか結合化しえない
ことである。トーラス状若しくはその他の非矩形断面が
望ましい場合、煩わしい二次的機械加工を行なわねばな
らない。この種の機械加工を行なうと、機械加工表面は
極めて大きい比率のフイラメント断面を露出させる。こ
の状態は脆い反応生成物が過度に形成されるため、構造
体への後の拡散結合に対し悪影響がある。
第２Ａ図を参照すれば、本発明を具体化する基体構造モ
ジユール１５が示されている。このモジユールはフイラ
メント強化材２４と金属ストリツブ２６との共巻回物か
らなつている（同様に第２Ｂ図参照）。この巻回物は平
面形状すなわち平面状巻回物としての螺旋体からなつて
いる。円形穴部と螺旋とが示されているが、この技術は
たとえば楕円形及び長円形のような他の形状にも使用し
うることに銘記すべきである。一般に、複数の基本構造
モジユール１５を積み重ねて複合リンダを作成する。
最後に、本発明は基本構造モジユール、並びに完全一体
結合した複合構造体の両者の作成方法に向けられる。
この種の螺旋単層物は、フイラメント２４と適切なフイ
ラメント対フイラメントの間隔を与えて目標フイラメン
ト容積部分を達成する厚さ（太さ）を持つた所望のマト
リツクス合金のリボン２６とを一緒に巻回することによ
り製作される。この共巻回物を、リングの所望巻回内径
よりも僅かに小さい直径を有するマンドレル上に巻回す
る。
好ましくは、このマンドレルは単層を面状螺旋列として
維持するのに充分な間隔を有する２個の扁平な円形定盤
の間の中心に位置せしめる。フイラメント２４とリボン
２６とを、螺旋列が完成する前又は完成した後にたとえ
ばアクリル樹脂のような揮発性結合剤２５で濡らして、
マンドレルから外す際に螺旋が解きほぐれるのを防止す
る。この形態におけるモジユールを「生」モジユール若
しくはプレフオームと言う。
この時点において、生モジユールを、適当なマトリツク
ス材料よりなる１個若しくは２個の円形フオイル２８の
間に載置することができる（第２Ｂ図及び第２Ｃ図参
照）。次いで、これら生プレフオームを第２Ｃ図に示し
たように所望厚さまで上下に積み重ね、かつ熱及び圧力
によつて一体結合化し、リング状の複合部材を形成す
る。種々異なる直径のプレフオームを使用して、矩形以
外の断面形状を形成することができる。この種の非矩形
形状を第２Ｄ図及び第２Ｅ図に示す。
結合化は、螺旋の面に対し垂直方向におけるプレフオー
ムの軸線に沿つて行なわれる。これら条件下において
は、座屈又はフイラメント破断が生ずる余地はなく、し
たがつて形状同心性が容易に維持される。
代案として、共巻回リボンを円錐マンドレルの周囲に巻
回することもできる。このように作成された円錐巻回物
を、次いでマンドレルから取り外す際に扁平な平面構造
体に潰すことができる。この代案は、しかしながら、乏
しいフイラメントの整列をもたらす。
第２Ｄ図及び第２Ｅ図に示した形状を選択して、基本モ
ジユール自身が矩形断面を持たないリングを作成しうる
ことを示した。各モジユール１５の寸法は、リングの積
み重ねに際しその目的位置に対応するよう選択される。
フイラメントはたとえば炭素、硼素、炭化珪素、窒化珪
素、アルミナ、グラフアイトなどの任意の種類の強化フ
イラメントとすることができる。或いは、これらフイラ
メントの組み合せ又は誘導体を使用することもできる。
たとえば、Ｂ4Ｃで被覆された硼素フイラメント又はた
とえば炭素リツチな炭化珪素層若しくは珪素層のような
他の材料の被覆又は表面処理を有する炭化珪素フイラメ
ントは誘導フイラメントと考えられる。極めてしばし
ば、硼素及び炭化珪素などのフイラメントは特定の性質
を得るためメツキされ、これらの誘導フイラメントも有
用である。
本発明は主として高い曲げ弾性率又は極めて高い剛性、
たとえば２４．５×１０３kg/cm2（３５０×１０３psi
）以上の引張り強さと２．１×１０６kg/cm2（３０×
１０６psi ）以上の引張弾性率とを有するフイラメント
を使用する用途がある。それぞれの場合、この種の剛性
フイラメントは最小の曲げ半径を有し、これが結果的に
開孔部又は穴部２３の直径を決定し、或いはたとえば楕
円形穴部のような非円形穴部の場合には湾曲表面の最小
半径を決定する。螺旋の半径方向積み重ねについては限
界がないと思われる。
本発明はアルミニウム、チタン、マグネシウム、銅など
のようなマトリツクス材料を使用する金属マトリツクス
構造体に主たる用途を有する。しかしながら、この構造
体は明らかに、たとえばエポキシマトリツクス又はポリ
イミドマトリツクス材料のような樹脂マトリツクスにつ
き使用することができる。
第３Ａ〜３Ｃ図は、基本構造モジュール１５を使用する
締付け用ラグの２つの製造方法を示している。第３Ａ図
を参照すれば、中央に複合材料の一方向性単層１０が示
されている。基本構造モジユール１５を、一方向性単層
１０の内部に作成された穴部３２内に位置せしめる。上
記構造体の上及び下には、一方向フイラメントを有する
他の単層１０が存在する。これら単層のそれぞれは、基
本構造モジユール１５と同軸整列して基本構造モジユー
ル１５に対応する形状のフオイル３４のシートを有す
る。第３Ａ図には、積層体を固定化する前に種々の単層
１０から取り除かれる複数のタブ３６が示されている。
完成ラグは、積み重ねた単層とホイルと基本構造モジユ
ールとを前記した方法で軸線に沿つて結合することによ
り作成される。結合は、基本構造モジュール１５の共巻
回物におけるフオイル３４に含まれたマトリツクス材料
と単層のマトリツクス材料との拡散結合を可能にするの
に充分な熱及び圧力をかけて行なわれる。アルミニウム
の結合は、オートクレーブ又はＨＩＰ装置において、た
とえば６０４〜６１６℃、５６〜７０kg/cm2かつ３０分
間の「熱成形」により行なわれる。チタンに対する結合
は、たとえば熱プレス又はHIP装置において８９９〜９
５４℃、４２０〜５６０kg/cm2かつ１時間の「拡散結
合」によつて行なわれる。その結果、第２Ｅ図に示した
種類の均質構造体が得られ、フオイル３４と基本構造モ
ジユール１５と単層１０との間にはマトリツクス材料に
境界が認められない。
好ましくは、一方向性単層を積み重ね（しばしば「積
層」と呼ばれる）、所望形状にする。積層体又は積重物
は、その深さにわたつて形成された第１開孔部を有す
る。一方向性単層とリングとの組み合せとを、次いで単
一構造体に結合する。
或いは、ラグの断面直径が単層の積層体の厚さと対応す
る必要がなければ、基本構造モジユール１５を組み合
せ、或いは第３Ｃ図に示したように一方向性フイラメト
の単層間に介装することもでき、この場合一方向性単層
１０とモジユール１５とにおける穴部は対応して互いに
上下に整列する。結合の後、ラグは単層の積み重ねに基
づく厚さよりも大きい厚さを有することが極めて明らか
である。
明らかに、このモジユールの思想を用いて、一方向性強
化エポキシマトリツクス材料の積層間に金属マトリツク
スの予備形成リングを設けることもでき、或いはその逆
も可能である。
要するに、本発明はフイラメント強化材とマトリツクス
材料とをほぼ平面螺旋形状に共巻回した基本単層を特徴
とする。たとえばアクリル性の一時的結合材のような何
らかの手段を用いて、螺旋を完全状態に維持する。基本
構造モジユールの変形は、基本構造モジユール１５をマ
トリツクス材料から作成されたフオイルで覆うことであ
る。フオイルの厚さ並びに共巻回物を構成するマトリツ
クスストリツプ２６は寸法は、複合体の強化材とマトリ
ツクスとの間の相対容積比率を決定する。
以上、詳細に説明した実施例につき種々の変更をなしう
ることが了解されよう。上記の説明は、当業者が本発明
を実施しうるように示したものであり、何ら限定を意味
するものでないと解釈すべきであり、本発明の範囲内に
おいて多くの変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
第１Ａ図は一方向性フイラメント強化単層のストリツプ
の斜視図であり、 第１Ｂ図はリングとして巻回された第１Ａ図のストリツ
プの斜視図であり、 第１Ｃ図は半径方向結合した後の第１Ｂ図のリングにお
ける誇張した説明図であり、 第２Ａ図は基本的構造モジムールの平面図であり、 第２Ｂ図は第２Ａ図の２Ｂ−２Ｂ線断面図であり、 第２Ｃ図は積層されつつあるモジユールの斜視図であ
り、 第２Ｄ図はリングを形成するためのモジユ ルの積層体
を結合する方向を示す略図であり、 第２Ｅ図は完全に結合された第２Ｄ図の断面図であり、 第３Ａ図はラグを製作するためのモジユールの使用に関
する分解図であり、 第３Ｂ図は完成したラグの斜視図である。 第３Ｃ図は、別構成の断面図である。 １０：ストリツプ １１：フイラメント １２：マトリツクス材料 １３：コイル １６：矢印 １８：内側表面
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭52−93663（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−80370（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−8687（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−3880（ＪＰ，Ａ) 実開 昭51−58572（ＪＰ，Ｕ)

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】金属マトリックス内に強化用フィラメント
    を分布せしめた複合構造体を製造するためのフィラメン
    ト状構造モジュールであって、連続したフィラメントと
    前記金属マトリックス材料製の連続したリボンとを、隣
    り合うフィラメント巻回部が該金属マトリックス材料製
    リボンにより分画された状態で軸線の周りに単層平面状
    螺旋として巻回した構造を有し、螺旋の解きほぐれを防
    止するために隣り合う巻回部が少なくとも部分的に付着
    されていることを特徴とするフィラメント状構造モジュ
    ール。
  2. 【請求項２】フィラメントが２４．５×１０３kg/cm
    2（３５０×１０３psi ）以上の引張り強さ及び（又
    は）２．１×１０６kg/cm2（３０×１０６psi ）以上の
    引張弾性率を有する特許請求の範囲第１項記載のフィラ
    メント状構造モジュール。
  3. 【請求項３】フィラメントが炭素、硼素、炭化珪素、窒
    化珪素、アルミナ、グラファイト或いはその組合せ或い
    はその誘導体から成る材料群から選択される特許請求項
    の範囲第１項記載のフィラメント状構造モジュール。
  4. 【請求項４】金属マトリックス内に強化用フィラメント
    を分布せしめた複合構造体を製造するためのフィラメン
    ト状構造モジュールであって、連続したフィラメントと
    前記金属マトリックス材料製の連続したリボンとを、隣
    り合うフィラメント巻回部が該金属マトリックス材料製
    リボンにより分画された状態で軸線の周りに単層平面状
    螺旋として巻回した構造を有し、螺旋の解きほぐれを防
    止するために隣り合う巻回部が少なくとも部分的に付着
    されそして螺旋表面の少なくとも一面を被覆するマトリ
    ックス材から成るフォイルを有することを特徴とするフ
    ィラメント状構造モジュール。
JP60261623A 1984-12-06 1985-11-22 複合体用のフイラメント状構造モジユール Expired - Lifetime JPH0626810B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US678847 1984-12-06
US06/678,847 US4697324A (en) 1984-12-06 1984-12-06 Filamentary structural module for composites

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPS61139407A JPS61139407A (ja) 1986-06-26
JPH0626810B2 true JPH0626810B2 (ja) 1994-04-13

Family

ID=24724530

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