JPS58214009A - 繊維強化ガラスマトリツクス複合材料を構造部材に固定する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、＄４造部材を互いに固定する方法に係り、特
に機械的な手段により構造部材を互いに固定する方法に
係る。

従来の多くの構造用耐熱金属が不足しそのコストが増大
していることにより、耐熱合金に対する代替材料として
非金属繊維にて強化された複合材料に対する関心が高ま
ってきている。かかる耐熱合金の代替材料、即ち高温度
に於て安定な繊維にて強化された樹脂や高温度に於て安
定な繊維にて強化された金属マトリックス複合材料は、
スポーツ用品から高度なジェット航空機の構成要素に至
るまで種々の製品に於て商業的に適用されるに到ってい
る。しかしこれらの複合材料に於ける重大な問題の一つ
のはそれらの使用可能な最高温度が比較的低いというこ
とである。

セラミック、ガラス、ガラス−セラミック等の材料は＾
渇疫の用途に於ても採用され、得る材料であることが従
来より知られている。しかしこれらの材料は所望の機械
的強度を有していないことが多く、また靭性及び耐衝撃
性の点で不十分である。

かかる状況から、無機繊維が連続的に又は不連続的に分
散されたセラミック、ガラス、又はガラス−セラミック
のマトリックスよりなる複合材料が製造されるようにな
ってきた。例えばガラスマトリックス複合材料の幾つか
の例が米国特許第４゜３１４．８５２号及び第４．３２
４，８４３号に記載されている。

」一連の如く、かかる複合材料の可能な用途はガスター
ビンや他の熱機関の分野であり、これらの分野に複合材
料が適用されれば、これらの複合材料が破断強ざや耐酸
化性に優れており、また低密度であることにより、エン
ジン全体としての効率が大きく改善され、また燃料消費
量が大きく低減される。同様にかかる繊維にて強化され
た複合材料は、繊維にて強化されていないセラミックや
炭素繊維にて強化された複合材料に比して靭性及び耐酸
化性が優れているので、エンジン以外の高温度に於て使
用される多くの構造体に於ても好ましいものである。し
かしこれらの複合材料を互いに連結固定したり高温度の
環境に於て使用される金属又はセラミック製の構成要素
の如き他の構造部材に連結固定する場合には種々の問題
が発生する。

かかる部材の連結部は１．１が大きく変化する状況の下
に於ても互いに密に固定された状態に維持されなＧフれ
ばならず、また材料自体の相互反応又は部材とエンジン
環境との相互反応による連結部材の腐食を発生させるも
のであってはならない。多くの場合、繊維強化複合材料
及びその連結部は過酷な温度条件に曝される。従ってそ
の連結部材も過酷な環境条件に曝される。

本発明の目的は、長期間に亙り過酷な環境条件の下に於
ても繊維強化ガラスマトリックス複合材料を他の構造部
材に固定的に連結固定する方法を提供することである。

本発明によれば、繊維強化ガラスマトリックス複合材料
を構造部材に連結固定する方法が開示される。また本発
明によれば、高温間に於て安定なガラスマトリックス内
に炭化ケイ素の連続的な繊Ｎ（長繊維）又は不連続な繊
Ｈ（知識Ｍ）が分散された複合材料よりなるリベット又
はボルトが成型又はホットプレスにより製造され、これ
らのリベット又はボルトは複合材料を構造部材に連結固
定づるために使用される。かかる締結手段を用いること
により、温度が激しく変化する条件の如き悪条件の下に
於ても互いに固定的に締結された状態を維持する複合材
料−構造部材の組合せを得ることができる。構造部材は
繊維強化ガラスマトリックス複合材料であってもよく、
また他の複合材料、繊維にて強化されていないセ、ラミ
ック、又は金属の如き他の構造部材であってもよい。

本発明の他の一つの局面に於ては、上述の如きリベット
又はポル１−を製造する方法が含まれており、この製造
方法に於ては、一方向に配向された長ＩＩｉ維にて強化
されたガラスマトリックス複合材料のシートが形成され
、該シートより断面矩形の棒材が切断され、該棒材が断
面円形の棒材に加工され、該棒材の一端にヘッドが形成
される。ボルトの場合には断面円形の棒材の周りにねじ
が切られる。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例について
詳細に説明する。

本発明に関連する複合材料及び本発明による締結手段を
製造する方法は、本願出願人と同一の譲受人に譲渡され
た米国特許第４．３１４，８５２号及び同第４．３２４
，８４３号に記載されたものと同様である。これらの米
国特許に記載されている如く、本発明に同速する複合材
料に高温強度特性を付与する任意のボロシリケートガラ
スが使用されてよいが、本発明の方法についてはＣｏｒ
ｎｉｎＱ　７７４０　（ＣＯｒｎｉｎｇＧ　１ａｓｓ　
　ＷＯｒｋＳ）が適していることがわかっている。同様
に、ボロシリケートガラスよりボロンを浸出することに
より得られるＣ　ｏｒｎ＋ｎｏ７９３０　（シリカ約９
６１１ｔ％）は好ましい高シリカ含有ガラスであり、ま
たＣ０ｒｎｉｎ。

１７２３は好ましいアルミノシリケートガラスである。

これらのボロシリケートガラス及びアルミノシリク−ト
ガラスは０．０４４ｍ１１１の大きさの市販されている
形態にて使用されてよいが、高シリカ含有ガラスマトリ
ックス複合材料についての所望の特性は、ｉ’ｏ’ｏａ
ｓ間以上に亙りプロパツール中にてボールミル加工され
た高シリカ含有ガラスを用いた場合にのみ得られる。ま
た上述のガラスの混合物も使用されてよい。本発明に関
連する複合材料に所要の強度及び種々の環境に於ける安
定性を与える任意のガラス又はガラスセラミックが使用
されてよいが、上述の如ぎ目的からはリチウム・アルミ
ノシリケートガラス−セラミックが特に適していること
がわかった。

複合材料の稠密化中には、マトリックスが非晶質状態に
保持され、これにより繊維の損傷が回避され、また低圧
加圧による稠密化が促進される。

所望の繊ＩＩ／マトリックス構造にまで稠密化された後
には、非晶質の７１へリックスは結晶状態に転換され、
その場合の結晶化の程度及び範囲はマトリックスの組成
及び採用される熱処理スク゛ジュールにより制御される
。かくして広範囲の種々のガラス−セラミックが使用さ
れてよいが、強化Ａ１１Ｎとして炭化ケイ素繊維が使用
される場合には、ガラス中に存在するチタニウムの量及
び活性が厳しく制限されることが重要である。従って炭
化ケイ素繊維及びチタニア核生成剤が使用される場合に
は、チタニアは不活性化されるか又は１ｗｔ％以下に維
持されなければならない。このことは、チタニアをジル
コニアの如き伯の核生成剤に置換することにより、又は
炭化ケイ素繊維【こ対するチタニアの反応性を低減する
薬剤を添加することにより達成される。しかし何れの場
合にも、良好な高温強度特性を有する複合材料を得るた
めには、炭化ケイ素繊随に対するチタニアの影響を低減
若しくは排除する必要がある。従来より存在するリチウ
ム・アルミノシリケートは好ましいガラス−セラミック
であるが、セラミックマトリックス材料がチタニウムを
含有していない（約１ｗｔ％以下）が又はチタニアの影
響が低減されている限り、アルミノシリケート、マグネ
シウム・アルミノシリケート、それらの混合物の如き従
来より存在する他のガラス−セラミックが使用されてよ
い。この点に関しては本願出願人と同一の譲受人に譲渡
された米国特許第＝１，３２４．８４３号を参照された
い。一般に原料としてのガラス−セラミック材料は非晶
質の粉末状にて得られる。しかしセラミック材料が結晶
状態にて得られる場合には、セラミック材料を溶融させ
て非晶質状態にし、イれを凝固させ、しかる後本発明に
従ってスラリーを形成する餉に好ましぐは粒径的０゜０
４４１１１ｍの粉末状に粉砕する必要がある。ガラス−
セラミック材料を選定するに際しては、完全な稠密化を
行い得るに十分な程小さい粘性を有する非晶質状態にて
稠密化することができしかる後実質的に完全に結晶状態
に転換し得るガラス−セラミックが選定されることが重
要である。しかし稠密化を行うべ（圧力を加えるに先立
って予熱中に原料としての結晶粉末を非晶質状態に転換
することも可能である。

本発明による方法に於ては高温に於て安定な任意の繊維
材料が使用されてよいが、特に炭化ケイ素繊維が好まし
い。５０μまでの、例えば５〜５０μの平均繊維径を有
する複フィラメント炭化ケイ素ヤーンが特に好ましい。

日本カーボン株式会社は１トウ当り約２５０本の−ｍ維
を有し平均繊維径が約１０μである上述の如ぎヤーンを
生産している。この繊維の平均強度は約２０００ＭＰａ
であり、その使用可能温度は１２００℃までである。

またこのヤーンの密度は約２．６Ｑ／ａｍ３であり、弾
性係数は約２２１ＧＰａである。

本発明によるリベットにて部材の取付が行われる場合に
は、リベットの端部はそれが部材より抜出すことを防止
すべくリベットの端部をガラスマトリックスの軟化点以
上の温度に昇温することにより、通常のリベットと同様
シールされる。また本発明によるボルトが使用される場
合には、通常の金属ナツト又はリベットについて上述し
た如く複合材料の長方形のシート材より切出すことによ
りまたは射出成形法により形成された繊維強化ガラスマ
トリックス複合材料又は繊維強化ガラス−セラミックマ
トリックス複合材製のナツトが使用されてよい。互いに
固定されるべき部材には本発明によるリベット及びボル
トを受番プる孔が形成される。ガラス−セラミックマト
リックス複合材料に対する穿孔はダイヤモンドコアドリ
ルを用いて最も良好に達成される。或いは部材が鋳造に
より形成される場合には、その鋳造時に適宜に位置決め
された孔が形成されてよい。本発明により固定されてよ
い物品の種類は、アウタ先端シュラウド、バーナカンセ
グメント、増力器のダクトライナ、スプレーバ−、ベー
ンの如きジェット１ンジンの構成要素であり、これらの
構成要素はガラスマトリックス複合材料、高温に於て安
定な他の複合材料、又は繊維にて強化されていない高温
に於て安定なセラミックにて形成される。

轡１ 一方向に配向された炭化ケイ素繊維にて強化されたリチ
ウム・アルミノシリケートガラスマトリックス複合材料
よりなる３インチ×３インチ×０゜１３６インチ（７，
６ｃｍｘ７．６ｃｍＸ’０．３４５ｃｍ）の板が米国特
許第４．３２４．８４３号に記載されている如く製造さ
れた。次いでこの複合材料の板が幅約０．２１’Ｏイン
チ（’０．５３０ＩＩｌ）の棒材に切断された。この棒
材の断面積は直径０゜１９インチ（’０．４８ｃｍ）の
丸棒の断面積と実質的に等しいものであった。かくして
形成された断面矩形の棒材は予成形体として機能した。

厚さ０゜００６インチ（’０．０１５ｃｍ）の厚紙によ
り分離された状態にて３インチ×３インチ×０．５イン
チ（７、６ｃｍｘ　７　、６ｃｍｘ　１　、３ｃｍ）の
二つの黒鉛板を互いにクランプし、直径０．１９３５イ
ンチ（ｏ、４９ｃｎ＋）のドリル（Ｎ’０．１’Ｏ）を
用いて厚紙の周りに対称に孔を形成づることにより、丸
棒成型用の型が形成された。厚さ０．’０’０３インチ
（’Ｏ、’Ｏ’０７６ｃｍ）のモリブデンのシートが上
述の如く形成された黒鉛型の形状に一致するよう変形さ
れた。次いで断面矩形の棒材がモリブデンのシート間に
配置され、かくして棒材を配置された型がホットプレス
内に配置され、アルゴン雰囲気中にて１４００℃にまで
加熱された。温度が１４００℃に到達した時点に於て、
型に圧力が加えられて断面矩形の棒材が丸棒に変形（コ
イニング）せしめられた。かくして形成された予成形体
１が第１Ａ図に図示されており、型２が第１Ｂ図に図示
されており、コイニングにより形成された丸棒３が第１
Ｃ図に図示されている。リベットのヘッドを形成すべく
第二のコイニング工程が行われた。この工程に使用され
た型が第２図に図示されている。この型はリベットを受
は入れるべく穿孔された孔２２とヘッドを形成するため
の傾斜されたセクション２３とを有する黒鉛ブロック２
１よりなっていた。第２図には第３図に示されている如
き完成したリベットを形成するためのプレスプレート２
４も図示されている。かくして形成された一つのリベッ
トのヘッドを通る軸線方向断面を示す顕微鏡写真が第４
図に示されている。かくして形成されたリベットについ
て引張試験が行われた。この引張試験に於ては、ヘッド
が８２℃に加熱された標準的なブツシュにより保持され
、シャフト部が柔軟な金属スリーブを介して二つのジョ
ーを備えた把持装置に把持され、破断が生じるまで毎分
０．０５インチ（０，１２７Ｃ１１）の割合にて歪みが
与えられた。全ての破断は第６図に示されている如く、
ヘッドのへ゛゛−ス郁グツ１於て発生した。破断は急激
なものではなく徐々に生じ、試験された各サンプルは第
５図に示された応カー歪み曲線に示されている如く、破
断が発生し始めた後に於ても高い荷重に耐えるものであ
った。

例２ 炭化ケイ素繊維にて強化されたガラスーセラミックマト
リッークス複合材製の棒材は第７図に示されている如く
、旋盤による単点切削によりねじを形成され得るもので
あることが認められた。またねじの形成は丸棒がコイニ
ングにより形成される場合と同様の要領にてそれと同時
にコイニングによって行われてもよい。コイニングによ
りねじを形成されたボルトについての破断試験は行われ
なかったが、０°／９０°方向に配向された繊維にて強
化されたガラスマトリックス複合材料よりなりタップ（
Ｎ　ａｔｉｏｎａｌ　　Ｆ　ｉｎｅ　　Ｔｈｒｅａｄ　
　ｎｕｍｂｅｒ　　１’０−３２）によりねじを切られ
た板についての荷重担持データは、上述の複合材料のね
じを剪断によって潰すに要する荷重を示しており、該デ
ータが第８図に示されている。この第８図より、剪断強
さが約６５’Ｏ’０ｐｓｉ　　（４４，７ＭＰａ　）で
ある材料についてはねじ荷重が適当であることがわかる
。

多数のコイニング法を用いて締結要素が製造されたが、
かかる製造方法は大量生産用に自動化され得るものであ
り、大抵の用途に於て締結要素を形成するには一回のコ
イニング工程で１分であることが当業者に理解されよう
。

以上に於ては本発明を特定の実施例について詳細に説明
したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものでは
なく、本発明の範囲内にて種々の実施例が可能であるこ
とは当業者にとって明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図、第１Ｂ図、第１Ｃ図はそれぞれ本発明の一つ
の実施例に於ける予成形体、型、コイニング加工された
丸棒を示す斜視図である。 第２図は本発明に従ってリベットにヘッドをコイニング
加工するための型を示す斜視図である。 第３図は本発明に従って製造されたリベットを示す斜視
図である。 第４図は本発明によるリベットのヘッドを通る軸線方向
断面を示す顕微鏡写真である。 第５図は本発明に従って形成されたリベットについて行
われた引張試験の結宋を示ず応カー歪み曲線である。 第６図は引張試験に於て破断じたリベットを示す斜視図
である。 第７図は本発明によるねじを切られたボルトを示す斜視
図である。 第８図は本発明に従って使用されるに有用な炭化ケイ素
繊維にて強化されたガラス−セラミック複合材料製の板
に形成されたねじを剪断によって潰すに必要な荷重を示
すグラフである。 １・・・予成形体、２・・・型、３・・・丸棒、２１・
・・黒船ブロック、２２・・・孔、２３・・・傾斜され
たセクション、２４・・・プレスプレート、５１・・・
へ゛−人音管特許出願人　　ユナイテツ８ド・チクノロ
シーズ・コーポレイション 代　　理　　人　　　弁理士　　明　　石　　昌　　毅
節ＩＡ図 第１Ｂ図 第１Ｃ図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）繊維強化ガラスマトリックス複合材料を構造部材
   に固定する方法にして、高温度に於て安定な１ｌｉ１強
   化ガラスマトリックス複合材料を成型及び機械加工によ
   りリベット又はボルトの形状に形成し、前記複合材料及
   び構造部材にそれらの取付位置にて実質的に互いに整合
   した孔を形成し、前記孔に前記リベット又はボルトを挿
   通することにより前記複合材料を前記構造部材に固定し
   、前記リベット又は前記ボルトの通し側端部をそれぞれ
   熱変形又はナツトにより閉じ、これにより温度が激しく
   変化する条件の下に於ても互いに固定された状態を維持
   する複合材料／構造部材とすることを特徴とする方法。
2. （２）繊維強化ガラスマトリックス複合材料製のリベッ
   ト又はボルトを製造する方法にして、約２０〜６’０ｖ
   ｏ１％の高温度に於て安定なｌ維とガラスマトリックス
   材料との混合物をホットプレスすることにより高温度に
   於て安定なｍ雑強化ガラスマトリックス複合材料のシー
   トを形成し、該シートを切断して実質的に断面矩形の棒
   材を形成し、かくして形成された棒材を型内にて加熱す
   ることにより実質的に断面円形の棒材を形成し、かくし
   て形成された棒材の一端を加熱して平坦なヘッド部を形
   成することを含んでいることを特徴とする方法。