JPS59220251A

JPS59220251A - 繊維強化複合材料の製造方法

Info

Publication number: JPS59220251A
Application number: JP58094936A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiro Kishi; 岸　克宏; Yutaka Makuchi; 裕馬久地; Hiroe Okawa; 広衛大川
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1983-05-31
Filing date: 1983-05-31
Publication date: 1984-12-11

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】（産業上の利用分野）この発明は、ヘリカル型の繊維強化複合材料の製造方法
に関し、例えば、宇宙航空機器あるいは自動車等の構造
用材料として使用される繊維強化複合材料の製造方法に
関するものである。

（従来技術）近年、軽量でかつ高強度を有する材料として、繊維強化
プラスチックス（ＦＲＰ）や繊維強化金属（ＦＲＭ）等
の繊維強化複合材料が注目されるようになってきている
。このような繊維強化複合材料の従来の製造方法として
は、■静止状態にあるマトリックス融液中に強化用繊維
を通過させて前記繊維間の融液を凝固させる方法のほか
、■真空鋳造法、■粉末冶金法、■プラズマスプレー法
、■めっき法などがあった。また、本発明者らは上記■
の改良として、遠心力によって加圧ｙれたマトリックス
融液中に強化用繊維を通過させて前記繊維間の融液を凝
固させる方法を提案した（特願昭５７−７８１０２号）
。

このような方法により製造された繊維強化複合材料は、
強化用繊維を直線状に配向させたものであり、大きな引
張強度を有しているものの破断伸びはかなり小さいとい
う特性を有している。そこで、引張強度が大きい割には
破断伸びが小さいという材料特性上のアンバランスを少
しでも解消するために、繊維をヘリカル状（らせん状）
に加工した上でマトリックス融液と複合化させることに
よって破断伸びを向上させ、材料特性」二のバランスを
とろうとする試みもなされている。このヘリカル型の繊
維強化複合材料は、直線配向型のｍ維強化複合材料に比
べて、破壊靭性に優れていると共に伸びも著しく向上す
るなどの特長を有しているため、工業的に期待される材
料のひとつである。

このようなヘリカル型の繊維強化複合材料の従来の製造
方法としては、例えば、（１）マトリックス金属と同種の細線をコアとし、この
コアに小型フライス盤等で繊維を巻きつけたものを多数
用意し、二まい重ねのマトリックス金属盤中に圧延など
の手段によって拡散接合させる方法、（２）同様の方法で細線に繊維を巻きつけたものを用意
し電着によってマトリックスとの複合化を行う方法、などがあった。

しかしながら、このような従来の方法は、細線に繊維を
巻きつける工程や１ｍ維とマトリックスとの複合化の工
程などが非常に面倒でかつ煩雑であって、未だ実験室的
な段階にとどまっているものであり、工業的大量生産に
向く方法ではないというのが実情であった。

（発明の目的）この発明は、上述した従来の問題点に着目してなされた
もので、引張強度と破断伸びに代表される材料特性上の
バランスがかなり良好であるヘリカル型の繊維強化複合
材料を工業的大量生産によって安価に製造することがで
きる方法を提供することを目的とするものである。

（発明の構成）この発明によるヘリカル型繊維強化複合材料の製造方法
は、回転する鋳型内に収容したマトリックス融液中に１
種または２種以上の複数本の繊維を通過させて前記繊維
間のマトリックス融液を凝固させると共に前記複数本の
繊維にねじり力を加えるようにしたことを特徴とするも
のである。

この発明において使用される繊維としては、炭素繊維、
ポロン繊維、アラミド繊維、ガラス繊維、ア、ルミナ繊
維、炭化けい素繊維等の非金属系の繊維や金属系の繊維
などを適宜選択してこれらの１種または２種以上を使用
することができる。

また、マトリックスとしては、低融点金属、例えば、Ａ
ＪＬ、Ｍｇ、Ｃｕおよびこれらの合金さらには他の金属
および合金もしくは非金属材料の中から適宜使用目的等
に応じて選択することができる。

この場合、繊維とマトリックスの組合わせ条件としては
、マトリックスよりも繊維の比重の方が大きいことが製
造上より簡便になるため望ましいが、繊維を適宜の手段
によってマトリックス融液中で拘束したり、繊維に表面
被覆を施したりすることにより繊維の比重がマトリック
スの比重より小さいときでも複合化が可能である。

さらに、マトリックス融液を遠心力によっ加圧する際に
は、水平軸方向に回転可能にした横型筒状鋳型内にマト
リックス融液を供給して当該鋳型を回転させる構成や、
垂直軸方向に回転可能にした縦型筒状鋳型内にマトリッ
クス融液を供給して当該鋳型を回転させる構成などを採
用することができる。

以下、この発明の構成を図に示す一実施態様に基いてさ
らに説明する。

第１図ないし第４図はこの発明の一実施態様を示す図で
あって、ｌは立上りの円筒部１ａを有するスプール支持
台であり、このスプール支持台ｌ上に、各々繊維３を巻
いた複数個（図示例では１２個）のスプール４が設置し
である。このとき、各スプール４は、スプール支持台ｌ
の円筒部ｌａの内側に設けたスプール支持枠５の溝５ａ
内に嵌合されて回転自在となっている。

上記スプール支持台ｌは、炉体６の上部において、フレ
ーム７に案内されたロールベアリング８上に設置してあ
り、また、スプール支持台１の円筒部１ａの外周部分に
設けたリングギヤ９と、可変速機付モーター１０の可変
速軸に連結し且つ炉体６を貫通する回転軸１１の上部に
固定したギヤ１２をかみ合わせることによって、スプー
ル支持台ｌが回転するようになっている。このとき、円
筒部１ａの外周４個所に凸部１ｂを形成すると共に、リ
ングギヤ９の内周部４個所に凹部９ｂを形成して、これ
ら凸部１ｂと凹部９ｂとを第２図に示すように嵌合する
ことによって、回転伝達が確実に行えるようにしである
。また、リングギヤ９には、炉体６の上部に回転自在に
設置した合計３個のダミーギヤ１５を９０°間隔でかみ
合わせてあり、スプール支持台ｌが回転中に横振動を生
ずるのを防ぐようにしである。

また、スプール支持台１の円筒部１ａの内面側には環状
突起１ｃが設けてあり、この環状突起１ｃと複数の割片
１６との間で環状カバー１７が固定してあって、この環
状カバー１７により各スプール４に巻かれた繊維３を保
護するようにしている。この環状カバー１７には、マト
リックス融氷供給管１８が臨ませてあり、この融液供給
管１８は、炉体６に設けた支柱１９にねじ２０を繰綿す
ることによって昇降固定可能にした支持腕２１に保持さ
れるようになっている。

さらに、図において、２５はステンレス鋼製の縦型円筒
状鋳型であり、内面側にセラミック溶射が施しである。

この鋳型２５は炉体６内に設置してあり、炉体６の内壁
部に設けたヒータ２６によって加熱されうるようになっ
ている。また、鋳型２５は、その」二部が開口していて
前記融液供給管１８の下端部が臨むようになっており、
その下部には下端に向けて次第に開口径が小さくなる引
抜孔２５ａが形成しである。そして、鋳型２５の下部外
周にはりングギャ２７を固定し、このリングギヤ２７と
前記回転軸１１に固定したギヤ２８（ギヤ１２とピッチ
円直径が同じ）とをかみ合わせて鋳型２５の回転力警可
能であるようにしている。このとき、鋳型２５の回転が
円滑に行われるように、鋳型台３０に放射状に取付けた
複数のロールベアリング３１上に鋳型２５を設置してい
る。また、鋳型２５の横振動を防ぐために、合計３個の
ダミーギア３２を９０’間隔で設置（他の２個は図に表
われず）している。

この鋳型２５の回転速度は、モータ１０の可変速機を調
節することにより調整可能であり、鋳型２５およびスプ
ール支持台ｌの回転速度が同時に変化する。

上記鋳型２５の下方には、鋳型２５内に供給したマトリ
ックス融液３５と繊維３とが複合して形成された複合材
料３６を支持する複合材料支持用ギヤ３７が配設しであ
る。このギヤ３７の内周側には複数（図示の場合は２個
）のロール３８が嵌合しテアリ、このロール３８によっ
て複合材料３６を圧接支持するようになっている。また
、ギヤ３７は前記回転軸１１に固定したギヤ３９とかみ
合っていて、モータ１０の回転により回転する構成とな
っている。このとき、ギヤ３７に合計３個のダミーギヤ
４０を９０°間隔でかみ合わせることによって、ギヤ３
７の横振れを防ぐようにしている。また、ギヤ３７．３
９の比と、ギヤ２７．２８の比を若干異ならせ、鋳型２
５の回転速度の方がギヤ３７の回転速度（すなわちロー
ル３８の旋回速度）よりも若干大きくなるようにしであ
る。さらに、ギヤ３９およびダミーギヤ４０に各々フラ
ンジ３９ａおよび４０ａが設けてあり、このフランジ３
９ａ、４０ａ、によってギヤ３７を支えるようにしであ
る。

また、前記ギヤ３７の下方には、繊維引抜き装置４１が
設置してあり、このｍ維引抜き装置４１の三方ロール４
２によってヘリカル型の複合材料４６を引き抜くように
している。

（作用）次に、図に示した装置の作用について説明すると、まず
、スプール支持台ｌ上の各スプール４に巻き取っである
繊維（もしくは繊維束）３をそれぞれ引き出し、各端部
を鋳型２５の内部に導びき、鋳型２５の引抜孔２５ａを
経て繊維引抜き装置４１まで引き出して掛止させる。こ
の状態で。

ヒータ２Ｇに通電し、モータ１０を作動させて、鋳型２
５およびスプール支持台１を同じ低速で回転させながら
鋳型２５を加熱する。鋳型２５が所定の温度に到達した
のち、可変速機を調整して鋳型２５の回転数を所定値ま
で高め、この後融液供給管１８よりマトリックス３５を
供給する。この状態では、第１図および第３図に示すよ
うに、マトリックス融液３５および繊維３が遠心力によ
って鋳型２５の内壁部に寄せられるようにして流下する
。

このとき、繊維３が例えば２０００本単位０繊維束であ
ったとしてもこれらは遠心力によって均一に分散される
うえ、マトリックス融液３５が遠心力によって加圧され
ているため、マトリックス融液３５は繊維３の間に十分
浸透し、繊維３の界面全域にマトリックス融液３５の被
膜が形成される。

次いで、マトリックス融液３５および繊維３はヒータ２
６から次第に離れ、マトリックス融液３５が凝固しはじ
めると共に、鋳型２５の内径が次第に小さくなる下方部
分へと移り、続いて引抜孔２５ａによりかしめられて非
常に強固な繊維−マトリックス界面を有する複合材料３
６となる。

次いで、この複合材料３６はロール３８を通過するが、
前述したように、ギヤ３７．３９の比とギヤ２７．２８
の比を若干異ならせ、鋳型２５の回転速度の方がロール
３８の旋回速度よりも若干大きくなるようにしであるの
で、複合材料３６にねじり力が加えられてヘリカル型の
複合材料４６が形成され、この複合材料４６が繊維引抜
き装置４１によって連続的に引抜かれる。なお、鋳型２
５の回転速度よりもロール３８の旋回速度の方が、若干
大きくなるようにギヤ比を設定した場合には、ねじれの
方向が上記とは反対のヘリカル型の複合材料４６が製造
される。

なお、ヘリカル型の複合材料４６を製造するに際し、上
記の説明ではギヤ２７．２８とギヤ３７．３９のピッチ
円直径を変えて複合材料３６にねじり力が加わるように
しているが、ギヤ２７．２８とギヤ９，１２のピンチ円
直径を変えるようにすれば、前述の如く複合材料３６自
体に鋳型２５とロール３８との間で必ずしもねじり力を
加えなくとも、マトリックス（融液３５）内で繊維がね
じれた状態のヘリカル型複合材料を得ることができる。

しかし、ヘリカル角を安定させるためにはギヤ２７　、
２８ｔ３７．３９のピッチ円直径を変える方がより望ま
しい。

したがって、上記実施態様によれば、鋳型２５は鉛直軸
を中心に回転するため、マトリックス融液３５の分布が
均一化すると共に、マトリックス融液３５に浮上物質が
ある場合、例えばアルミニウム合金溶湯面にスラグが浮
上するような場合に、前記スラグは鋳型２５の上方に浮
くので、複合材料中にスラグ等の不純物が混入するおそ
れが小さいという利点を有している。

また、繊維３の比重をマトリックス融液３５の比重より
大きいものを選ぶことによって、繊ａ３は複合材料３６
．４６の最外周部分に集中して整列することになるので
、外部から発生する亀裂に対しては極初期の段階で繊維
３が亀裂の進行を妨げる作用をなし、明断応力が非常に
高い複合材料４６が得られる。なお、＃ＩＩ＆維３の比
重は、叉なる繊維を組合わせたり、表面被覆を施したり
することによって、調整することも可能である。さらに
、ヘリカル型の複合材料４６を製造するに際し、ギヤ９
．１２のピッチ円直径の比、ギヤ２７．２８のピッチ円
直径の比、ギヤ３７．３９のピッチ円直径の比、および
繊維引抜き装置４１による引抜き速度等を適宜変更して
組合わせることにより、複合材料４６中の繊＃＆３のヘ
リカル角を任意に決定することができる。

なお、鋳型２５０回転方向は」−記した垂直軸の方向に
限定されず、水平軸や傾斜軸の方向に回転させることも
もちろん可能である。

（実施例１）第１図〜第４図に示す装置を使用し、繊維３としてアル
ミナ繊維を用いると共に、マドす・ンクス融液３５とし
てアルミニウム合金鋳物（ＡＣ８Ａ）を用いた。また、
鋳型２５の犯心加速度１０００ｍ／ｓ’、周速４４０ｍ
／ｍｉｎとなるように設定（具体的には、内径１００ｍ
ｍの鋳型２５で約１４００回転）し、繊維引抜き装置４
１による引抜き速度２ｃｍ／ｍｉｎ、複合材＄′１支持
用ギヤ３７の回転数的１３９０回転の条件で直径４　ｍ
　ｍの棒状のヘリカル型繊維複合材料４６を製造したと
ころ、繊維３のヘリカル角約４５°のものが得られた。

なお、その他の条件として、アルミナ繊維巻きつけ用の
スプール４の数は１２個であり、各スプール４に３２５
本束の連続アルミナ繊維を巻きつけたものを使用した。

また、ブト１ルンクス融液の温度は６５０＠にした。こ
こで使用したアルミナ繊％１．３およびマトリックス金
属（３５）の特性を第１表に示す。

第　　　１　　　表このようにして製造したヘリカル型繊維複合材料４６の
繊維体積率は約３％であり、これを冷間圧延したところ
圧下率０．２においても複合材料に亀裂等は生じなかっ
た。さらに、この複合材料を引張試験に供したところ、
第２表に示す結果が得られた。

第２表第２表に示すように、得られた複合材料は優れた引張強
さおよび破断伸びを有しており、従来の直線状配向の複
合材料に比べてより優れた破断伸びを示すことが確かめ
られた。

（実施例２）同様にして第１図〜第４図に示す装置を使用し、複合材
料支持用ギヤ３７とギヤ３９のピッチ円直径を変えるこ
とによって、鋳型２５の回転数的１４００回転に対して
複合材料支持用ギヤ３７の回転数的１３５０回転にして
複合材料４６を製造した。なお、繊維３およびマトリッ
クス融液３５の組み合わせおよび他の製造条件等は実施
例１と同じにした。このようにして製造した複合材料４
６中の［１：３のヘリカル角は約ｌθ℃であった。そし
て、この複合材料４６を冷間圧延したところ、圧下率０
．４まで繊維の破断なとは観察されなかった。

（参馬例）第１図〜第４図に示す装置を使用し、鋳型２５の回転数
と複合材料支持用ギヤ３７の回転数が同じになるように
設定し、その他は実施例１と同じ条件で複合材料を製造
した。これによって製造Ｓれた複合材料の繊維は直線状
に配向されており、実施例１と同様にして圧下率０．２
まで冷間圧延したところ複合材料に亀裂を生じた。

（発明の効果）以上説明してきたように、この発明によれば、回転する
鋳型内に収容したマトリックス融液中に１種または２種
以上の複数本の繊維を通過させて前記繊維間のマトリッ
クス融液を凝固させると共に前記複数本の繊維にねじり
力を加えるようにしたから、ヘリカル型のｔＲ維強化複
合材＊’１（ＦＲＰ、ＦＲＭ）を連続的に製造すること
が可能であり、マトリックス融液に遠心力が付与された
加圧状態で繊維が当該マトリックス融液中を通過するた
め繊維−マトリックス間の界面での接合力が非常に大き
く、強度および破断伸びの特性が著しく優れた繊維強化
複合材料を得ることができ、繊維のヘリカル角を自由に
制御することが可能であるため複合材料の特性に幅をも
たせることができるという非常に優れた効果を有し、宇
宙航空機器用材料や自動車用構造材料において要求か強
い軽量でかつ高強度の特性に合致する複合材料を提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施態様によるヘリカル型繊維強
化複合材料の製造装置を示す縦断面図、第２図、第３図
および第４図は各々第１図のｎ−■線、ト１線およびＩ
Ｖ−ＩＶ線断面図である。ｌ・・・スプール支持台、３・・・繊維、４・・・スプ
ール、６・・・炉体、２５・・・回転鋳型、３５・・・
マトリックス融液、３６・・・複合材料、３７・・・複
合材料支持用ギヤ、４１・・・ｍｓ引抜き装置、４６・
・・ヘリカル型繊維強化複合材料。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）回転する鋳型内に収容したマトリックス融液中に
１種または２種以上の複数本の繊維を通過させて前記繊
維間のマトリックス融液を凝固させると共に前記複数本
の繊維にねじり力を加えることを特徴とするヘリカル型
繊維強化複合材料の製造方法。