JPH06316436A - 繊維強化ガラス基材及びガラス／セラミックスを基材とする複合材物品の製造方法 - Google Patents

繊維強化ガラス基材及びガラス／セラミックスを基材とする複合材物品の製造方法

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JPH06316436A
JPH06316436A JP3145370A JP14537091A JPH06316436A JP H06316436 A JPH06316436 A JP H06316436A JP 3145370 A JP3145370 A JP 3145370A JP 14537091 A JP14537091 A JP 14537091A JP H06316436 A JPH06316436 A JP H06316436A
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glass
preform
ceramic
enclosure
forming die
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JP3145370A
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Karl M Prewo
マイケル プレウォ カール
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    • C03B19/06—Other methods of shaping glass by sintering, e.g. by cold isostatic pressing of powders and subsequent sintering, by hot pressing of powders, by sintering slurries or dispersions not undergoing a liquid phase reaction
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B37/00—Manufacture or treatment of flakes, fibres, or filaments from softened glass, minerals, or slags
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明の目的は、コストの高い減圧下におけ
るホットプレスの工程を及び同工程において使用する装
置を省略することが出来、従って製造コストを飛躍的に
低減させるとともに、作業時間を大幅に短縮することの
出来る方法を提供することにある。また、本発明のもう
一つの目的は、切断された繊維とガラス又はガラス／セ
ラミック粉末の混合物より複合材製品を製造するため
に、処理温度をガラス粉末が変形可能となり、各ガラス
の領域において隣接するガラス粉末間に結合が生じる温
度とする方法を提供することにある。 【構成】 本発明は、強化繊維材料とガラス又はガラス
／セラミック基材の混合物によりプリフォームをガラス
又はガラス／セラミックが変形可能となるのに十分な温
度まで加熱し、所望形状に形成されるとともに加熱され
たプリフォームよりも低温の成形型により前記プリフォ
ームを変形させるとともに成形型に伝達することにより
プリフォームを冷却して成形型の形状に対応する所望の
形状の複合材製品を得るようにした方法を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、繊維強化ガラス基材
及び／又はガラス／セラミックを基材とする複合材製品
の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】多数の高温構造材用金属における高密
度、温度制限、材料不足やコストの高騰に伴って、高温
金属含有材料に代わる金属を含有しない複合材への需要
が注目されてきている。金属材料に代わる高強度繊維強
化樹脂や高強度繊維強化金属基材複合材料の使用は、ス
ポーツ用品をはじめ自動車部品やジェット機の構造材と
しての用途が拡大している。こうした複合材料は、高強
度、強靭性や耐摩耗性において優れた特性を示してい
る。また、こうした複合材料は、摩擦特性の調整が容易
であり、用途に応じた摩擦力を得ることが出来る。
【０００３】繊維強化ガラス基材及びガラス／セラミッ
クを基材とする複合材の製造方法に関する多数の技術が
提案されている。従来提案されている製造技術の例とし
ては、出願人の所有するアメリカ特許第４，３２４，８
４３号及びアメリカ特許第４，６１３，４７３号等があ
る。
【０００４】アメリカ特許第４，３２４，８４３号に開
示された技術は、例えば、炭化けい素等の繊維のトウ
が、スプールよりゆっくりした速度で連続的に繰り出さ
れ粉末セラミックと液状の担体及びバインダで形成する
スリップを通過させてこれらを繊維のトウに含浸させ
る。含浸された繊維は大きな回転スプールに再度巻き付
けられる。このとき使用されるスリップの組成は、例え
ば４０ｇの粉末セラミックと７８０ｍｌの水、２０ｇ
の、例えばペンシルバニア州フィラデルフィアのローム
アンド ハス社(Rhom and Haas Co.) によって製造さ
れているロプレックス(RHOPLEX)（商標名）と呼ばれる
バインダ等の適当な有機性バインダである。スリップを
通過して表面にスリップの層を形成された繊維は適当な
方法で乾燥され基材を含浸したテープを形成する。基材
を含浸したテープは、所望の長さ又は形状に切断され、
適当な繊維の配置で積層される。その後、テープはオー
ブンに入れられ、バインダを焼失させる。次いで、繊維
の配置をバインダの除去前の状態に保持しながら、繊維
をモールド内にセットして、高温及び高圧状態で成形を
行い繊維の密度を高めながら複合材を形成する。繊維の
高密度化は、例えば、減圧状態又例えばアルゴン等の不
活性ガスの存在下において、コロイド状窒化ほう素でコ
ーティングされた金属製成形型又は窒化ほう素粉末をス
プレーしたグラファイト製成形型中で６．９乃至１３．
８ＭＰａ（１０００乃至２０００ｐｓｉ）の圧力及び摂
氏１１００度乃至１３００度の温度でホットプレスを行
うことで得られる。ホットプレスの処理時間は製造する
複合材によって異なるが、一般的に１０分乃至１時間で
ある。
【０００５】一方、アメリカ特許第４，６１３，４７３
号には、ガラス、ガラス／セラミック又はセラミックを
基材とする複合材による繊維の製造技術が示されてい
る。この技術は、ガラス、ガラス／セラミック又はセラ
ミックを基材とする複合材製の繊維によって糸を形成
し、この糸によって布状、編み物状又はニット状の基材
の均質な織物を形成する。これと同時に、強化材となる
繊維により糸が形成され、この糸がニット状又は布状の
均質な強化材として使用される。こうして形成された布
状又はニット状の強化材により、所望の形状のプリフォ
ームが形成される。次いで、ガラス、ガラス／セラミッ
ク又はセラミックの基材で形成した織物の一又は複数の
層内に強化材で形成したプリフォームが介装されて、積
層体が形成される、この積層体を成形型中にセットして
高温、高圧で高密度化して複合材製品を形成する。な
お、高密度化の処理は前記したアメリカ特許第４，３２
４，８４３号において用いられていた技術と同じであ
る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】上記した従来提案され
ている技術においては、未だに解決されていない問題点
が、高密度化の工程にがあった。まず第一に、高密度化
を行う為に用いられる装置が大型で高価なため、操業及
び保守のコストが高いという問題がある。また、成形を
減圧雰囲気で行う場合の装置内の減圧や操業を不活性雰
囲気で行う場合の雰囲気の不活性化に相当な時間が必要
となる問題がある。
【０００７】従って、繊維強化複合材製品の製造方法に
おいて、装置の運転コストを低減することが出来、しか
も製造に要する時間を短縮することの出来る方法が必要
とされている。
【０００８】発明者等はガラス及びガラス／セラミック
基材が、より高い処理温度において加圧することによ
り、急激に高密度化することに注目して本発明の完成に
至ったものである。なお、発明者等の知見において、ガ
ラス及びガラス／セラミック基材を高密度化するために
必要な処理時間は、化学反応の発生する時間よりも短
く、ガラスの各領域における結合が接触とほぼ同時にお
こるものである。
【０００９】そこで、本発明の目的は、コストの高い減
圧下におけるホットプレスの工程を及び同工程において
使用する装置を省略することが出来、従って製造コスト
を飛躍的に低減させるとともに、作業時間を大幅に短縮
することの出来る方法を提供することにある。
【００１０】本発明のもう一つの目的は、切断された繊
維とガラス又はガラス／セラミック粉末の混合物より複
合材製品を製造するために、処理温度をガラス粉末が変
形可能となり、各ガラスの領域において隣接するガラス
粉末間に結合が生じる温度とする方法を提供することに
ある。
【００１１】本発明のさらにもう一つの目的は、複合材
製品の製造において、高密度化がガラス又はガラス／セ
ラミック基材と切断された繊維による所望形状への成形
と同時に行うことの出来る方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の第一の構成によれば、強化繊維材料とガ
ラス又はガラス／セラミック基材の混合物によりプリフ
ォームを形成し、前記プリフォームをガラス又はガラス
／セラミックが変形可能となるのに十分な温度まで加熱
し、所望形状に形成されるとともに加熱されたプリフォ
ームよりも低温の成形型により前記プリフォームを変形
させ、前記プリフォームの熱を前記成形型に伝達するこ
とによりプリフォームを冷却して成形型の形状に対応す
る所望の形状の複合材製品を得るようにしたことを特徴
とするガラス又はガラス／セラミック基材複合材製品の
製造方法が提供される。
【００１３】なお、前記のプリフォームの形成工程が、
前記プリフォームを大気より遮断する工程を含むように
することも出来る。この場合、前記プリフォームを大気
より遮断する工程が、プリフォームを収容する包囲体を
形成する工程と、前記包囲体をシールする工程と、前記
包囲体内部の雰囲気を変更して前記プリフォームを有害
物質より遮断する工程とを含むようにすることが出来
る。また、この場合に、前記包囲体の雰囲気を変更する
工程が包囲体内部の気体を排気する工程、又は包囲体内
部に不活性雰囲気を導入する工程を含むようにすること
が出来る。
【００１４】また、前記プリフォームが切断繊維とガラ
ス又はガラス／セラミック粉末によって構成することが
出来る。前記プリフォームが実質的に平行な繊維の強化
材の複数の層で構成され、前記の各層がガラス又はガラ
ス／セラミックの基材組成成分を含んでおり、隣接する
各層の繊維は互いに平行に又は所定の角度を存して積層
して構成する事も出来る。さらに、前記プリフォームが
複数の織物状層によって構成され、積層された織物状層
のひとつおきの層が強化繊維で構成され、強化繊維で構
成された層の間にガラス基材で形成された織物状層が介
在する構成も可能である。前記プリフォームが複数の織
物状層によって構成され、積層された織物状層の各層が
強化繊維と基材で構成することも出来る。
【００１５】本発明の第二の構成によれば、強化繊維材
料とガラス又はガラス／セラミック基材の混合物により
プリフォームを形成し、該プリフォームを予備モールド
に収容し、前記プリフォームと前記予備モールドをガラ
ス又はガラス／セラミックが変形可能となるのに十分な
温度まで加熱し、所望形状に形成されるとともに加熱さ
れたプリフォームよりも低温の成形型により前記プリフ
ォームを変形させ、前記プリフォームの熱を前記成形型
に伝達することによりプリフォームを冷却して成形型の
形状に対応する所望の形状の複合材製品を得るようにし
たことを特徴とするガラス又はガラス／セラミック基材
複合材製品の製造方法が提供される。
【００１６】さらに、本発明の第三の構成によれば、強
化繊維材料とガラス又はガラス／セラミック基材の混合
物によりプリフォームを形成し、前記プリフォームと前
記予備モールドをガラス又はガラス／セラミックが変形
可能となるのに十分な温度まで加熱し、加熱されたプリ
フォームを最終製品の形状に対応する形状の予備モール
ドに収容し、所望形状に形成されるとともに加熱された
プリフォームよりも低温の成形型により前記プリフォー
ムを変形させ、前記プリフォームの熱を前記成形型に伝
達することによりプリフォームを冷却して成形型の形状
に対応する所望の形状の複合材製品に形成し、前記予備
モールドと成形された製品を前記成形型より取り出すよ
うにしたことを特徴とするガラス又はガラス／セラミッ
ク基材複合材製品の製造方法が提供される。
【００１７】
【実施例】前述のように、本発明はガラス及びガラス／
セラミック基材が、より高い処理温度において加圧する
ことにより、急激に高密度化することに関する知見に基
づくものであり、さらに、ガラス及びガラス／セラミッ
ク基材を高密度化するために必要な処理時間は、化学反
応の発生する時間よりも短く、ガラスの各領域における
結合が接触とほぼ同時におこるものであることの知見に
基づくものである。
【００１８】本発明の方法によれば、図１のプリフォー
ム２０が形成される。このプリフォーム２０は、切断さ
れた繊維及びガラス粉末の混合物を含む適当な包囲体２
２（図２）が形成された。切断された繊維は、例えば、
炭素、グラファイト、炭化けい素、アルミナ等の適当な
複合強化材料で形成されたものを使用することが出来
る。また、この繊維の製造は、引き抜き、スピニング等
の周知の繊維製造技術によって製造される。本発明の実
施において注意を要する点は、強化材の選択において基
材との、基材を高密度化する温度における熱適合性及び
熱膨張係数、反応性等の物理的適合性である。即ち、物
理的な適合性に関して言えば、強化繊維の熱膨張係数は
基材の熱膨張係数と出来る限り近いものとすることが必
要である。この強化繊維の選択は、目的とする複合材製
品の所望の特性に応じて行われる。また、繊維の径、長
さ及び形状も適宜選択されるもので、本発明において特
定のものを選択するものではない。しかしながら、繊維
は実質的に円形断面を有し、径が約５ミクロン乃至約１
５０ミクロンの範囲とするのが好ましく、特に繊維の柔
軟性を考慮すると繊維の径は約５ミクロン乃至２５ミク
ロンの範囲とするのが好ましい。
【００１９】切断繊維とガラス粉末の混合体は高密度の
成形材料でも、低密度の成形材料でも良い。即ち、成形
材料は切断繊維とガラス又はガラス／セラミックの硬化
物でも流動物でも良い。いずれの場合においても、成形
材料は、高い空隙率を有しており、この空隙率は以下に
説明するプレス工程において低減されなければならな
い。高密度のプリフォームの場合には、切断繊維とガラ
ス又はガラス／セラミックが事前に適宜の形状の高密度
化されて複合材製品となっており、極小さい空隙率を有
しているか又は空隙率のない状態となっている。この完
全に高密度化されたプリフォーム、他の状態のものに比
べてコンパクトで最終成形工程において除去する必要の
ある空気や不活性ガスが入り込む可能性のある空隙がな
いので有利である。完全に高密度化されたプリフォーム
を使用する場合には、従って、最終工程は単に複合材製
品を成形する工程となる。しかしながら、この高密度化
されたプリフォームは、他の状態の材料と比較して高価
である。
【００２０】包囲体２２は、焼結により大気不透過性と
なる金属、固形ガラス又は焼結ガラスフリットで構成す
ることが出来る。この包囲体は、所望の最終製品の形状
に適合した形状に形成される。
【００２１】なお、複合材が大気中において加熱された
場合に品質が低下しないか又はその変化及び品質の低下
が特定の用途に応じた許容範囲である場合には、包囲体
２２は不要となる。一方、包囲体を使用することが必要
な場合、この包囲体は十分にシールされ排気される。ま
た、必要に応じて、この包囲体内にアルゴンガスや窒素
ガスのような不活性ガス又は非酸化性ガスを導入するこ
とが出来る。
【００２２】他のプリフォームの形成方法においては、
前述したように必ずしも必要ではないが、必要に応じ
て、積層体が包囲体内に収容される。この積層体は、複
数の所望の基材を構成するガラス又はガラス／セラミッ
ク基材層と連続強化繊維層を積層して形成する。各層に
おける繊維は基本的に平行に配置され、繊維の軸線は隣
接する層の繊維の軸線に対して平行に又はこれと所定の
角度を存して配置される。前記したように、包囲体を使
用する場合には、包囲体は十分にシールされ、排気され
又は不活性ガスを充填される。
【００２３】また、さらに他のプリフォームの形成方法
においては、強化材と基材の双方が繊維状又は糸状に形
成される。この場合、繊維状又は糸状の基材によって形
成された布状又はニット状の基材層の隣には同様に形成
された布状又はニット状の強化材層が積層される。ま
た、これに代えて、各層を構成する布状又はニット状材
料を、基材と強化材の双方を含むハイブリッド構成とす
ることも可能である。この場合、基材で形成した糸と強
化材で形成した糸の一方が縦糸として用いられ、他方が
横糸として用いられる。さらに他の構成によれば、基材
の繊維と強化材の繊維の双方を用いて糸を形成して、こ
れによって布状又はニット状の織物層を形成することも
出来る。いずれの場合においても、積層体は、布状又は
ニット状の織物層を積層して形成されるが、この場合、
織物層が所望の最終製品形状に容易に変形されうること
が重要である。前述したように、積層体の構成材料が熱
により劣化する場合又は熱変化及び劣化が許容範囲では
ない場合には、この積層体は包囲体に収容される。そう
でない場合には、包囲体は不要となる。
【００２４】上記のいずれの場合においても、包囲体に
収容された又は包囲体に収容されないプリフォームはガ
ラスが変形可能となるのに十分な温度まで加熱される。
この工程における代表的な温度範囲は摂氏８００度乃至
１３００度である。この工程における処理において、プ
リフォームは、取り扱いを容易とするため、予備硬化さ
れた状態又は硬化された状態となっている。この状態に
おいて、プリフォームは、未だに最終製品の形状とはな
っていないが、その形状の維持に注意を払わずに移送す
ることが可能となる。また、材料が硬化していない場合
には、包囲体に収容されている場合及び収容されていな
い状態の双方の場合において、最終成形位置への搬送を
十分に注意して行わなければならない。なお、プリフォ
ームは所望の最終製品の形状に形成された「予備モール
ド」と呼ばれるモールド２４に収容することが望まし
い。これによって、プリフォームは、本発明の次の処理
工程において用いられる成形型により容易にセットする
ことが出来、効率良く作業を行うことが出来るものとな
る。
【００２５】最終工程においては、加熱されたプリフォ
ームが成形型２６，２８（図４）間にセットされる。こ
の時、成形型２６，２８の温度はプリフォームの温度よ
りも低い温度となっている。次いで、成形型が迅速に閉
塞され、プリフォームを成形型の形状に沿った形状に変
形させる。この成形工程により図５に示す形状の複合材
製品３０が形成される。この製品３０は、成形型に熱を
奪われて自然に冷却される。これにより、成形された複
合材製品は、最終製品の図５に示す形状を維持すること
が出来る。従って、成形作業は最小時間で完結する。
【００２６】
【発明の効果】上記のように、本発明の方法によれば、
減圧下におけるホットプレスの工程が不要となり、従っ
て、ホットプレスに使用する装置も不要となる。この結
果、繊維強化複合材製品の製造において主要な部分を占
めていた工程及び装置を省略することが可能となり、ま
た、装置の保守や操業に必要な費用も低減することが出
来る。さらに、本発明においてはプリフォームを摂氏８
００度乃至１３００度に加熱する工程を、成形型の外で
行うようにして、高価な成形型が高温にさらされる時間
を短縮しているので、型の寿命を飛躍的に延ばすことが
出来る。同様に、成形型がプリフォームの最高温度まで
加熱されることがないので、型の寿命が延長出来ると同
時に、比較的な安価な低温用の型を使用することも可能
となる。従って、本発明によれば、成形型の閉塞と同時
に高密度化が起こるので、型閉塞後短時間で最終製品に
成形された複合材を取り出すことが出来る。従って、本
発明によれば、成形時間を大幅に短縮出来るものとな
る。
【００２７】なお、本発明は、上記の実施例に限定され
るものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の
要旨を変更しないいかなる態様の構成をも包含するもの
である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法における初期の工程において形成
される予備硬化された又は予備硬化されないガラス基材
複合材のプリフォームを示す斜視図である。
【図２】図１のプリフォームを適当な包囲体に収容した
状態を示す一部を切り欠いて示す斜視図である。
【図３】予備モールドにプリフォームをセットした状態
の断面図である。
【図４】予め加熱されたガラス基材複合材のプリフォー
ムを低温の成形型にセットして高密度化を行う状態を示
す正面図である。
【図５】完全に高密度化された本発明の最終製品の断面
図である。
【符号の説明】
２６，２８ 成形型

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 強化繊維材料とガラス又はガラス／セラ
    ミック基材の混合物によりプリフォームを形成し、 前記プリフォームをガラス又はガラス／セラミックが変
    形可能となるのに十分な温度まで加熱し、 所望形状に形成されるとともに加熱されたプリフォーム
    よりも低温の成形型により前記プリフォームを変形さ
    せ、 前記プリフォームの熱を前記成形型に伝達することによ
    りプリフォームを冷却して成形型の形状に対応する所望
    の形状の複合材製品を得るようにしたことを特徴とする
    ガラス又はガラス／セラミック基材複合材製品の製造方
    法。
  2. 【請求項２】 前記のプリフォームの形成工程が、前記
    プリフォームを大気より遮断する工程を含んでいる請求
    項１の方法。
  3. 【請求項３】 前記プリフォームを大気より遮断する工
    程が、プリフォームを収容する包囲体を形成する工程
    と、前記包囲体をシールする工程と、前記包囲体内部の
    雰囲気を変更して前記プリフォームを有害物質より遮断
    する工程とを含んでいる請求項２の方法。
  4. 【請求項４】 前記包囲体の雰囲気を変更する工程が包
    囲体内部の気体を排気する工程を含んでいる請求項３の
    方法。
  5. 【請求項５】 前記包囲体の雰囲気を変更する工程が包
    囲体内部に不活性雰囲気を導入する工程を含んでいる請
    求項３の方法。
  6. 【請求項６】 前記プリフォームが切断繊維とガラス又
    はガラス／セラミック粉末によって構成されている請求
    項１の方法。
  7. 【請求項７】 前記プリフォームが実質的に平行な繊維
    の強化材の複数の層で構成され、前記の各層がガラス又
    はガラス／セラミックの基材組成成分を含んでおり、隣
    接する各層の繊維は互いに平行に又は所定の角度を存し
    て積層される請求項１の方法。
  8. 【請求項８】 前記プリフォームが複数の織物状層によ
    って構成され、積層された織物状層のひとつおきの層が
    強化繊維で構成され、強化繊維で構成された層の間にガ
    ラス基材で形成された織物状層が介在している請求項１
    の方法。
  9. 【請求項９】 前記プリフォームが複数の織物状層によ
    って構成され、積層された織物状層の各層が強化繊維と
    基材で構成されている請求項１の方法。
  10. 【請求項１０】 強化繊維材料とガラス又はガラス／セ
    ラミック基材の混合物によりプリフォームを形成し、 該プリフォームを予備モールドに収容し、 前記プリフォームと前記予備モールドをガラス又はガラ
    ス／セラミックが変形可能となるのに十分な温度まで加
    熱し、 所望形状に形成されるとともに加熱されたプリフォーム
    よりも低温の成形型により前記プリフォームを変形さ
    せ、 前記プリフォームの熱を前記成形型に伝達することによ
    りプリフォームを冷却して成形型の形状に対応する所望
    の形状の複合材製品を得るようにしたことを特徴とする
    ガラス又はガラス／セラミック基材複合材製品の製造方
    法。
  11. 【請求項１１】 強化繊維材料とガラス又はガラス／セ
    ラミック基材の混合物によりプリフォームを形成し、 前記プリフォームと前記予備モールドをガラス又はガラ
    ス／セラミックが変形可能となるのに十分な温度まで加
    熱し、 加熱されたプリフォームを最終製品の形状に対応する形
    状の予備モールドに収容し、 所望形状に形成されるとともに加熱されたプリフォーム
    よりも低温の成形型により前記プリフォームを変形さ
    せ、 前記プリフォームの熱を前記成形型に伝達することによ
    りプリフォームを冷却して成形型の形状に対応する所望
    の形状の複合材製品に形成し、 前記予備モールドと成形された製品を前記成形型より取
    り出すようにしたことを特徴とするガラス又はガラス／
    セラミック基材複合材製品の製造方法。
JP3145370A 1990-05-23 1991-05-21 繊維強化ガラス基材及びガラス／セラミックスを基材とする複合材物品の製造方法 Pending JPH06316436A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US527,148 1990-05-23
US07/527,148 US5116398A (en) 1990-05-23 1990-05-23 Process for forming fiber reinforced composite articles

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH06316436A true JPH06316436A (ja) 1994-11-15

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ID=24100299

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