JPH06212316A

JPH06212316A - 複合材料およびその製造方法

Info

Publication number: JPH06212316A
Application number: JP25320193A
Authority: JP
Inventors: Toshiya Ikeda; 利哉池田; Takeshi Miyazaki; 健史宮崎
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1992-10-09
Filing date: 1993-10-08
Publication date: 1994-08-02

Abstract

(57)【要約】【目的】工業的な大量生産が可能な複合材料を提供す
る。【構成】金属コーティングを施した繊維からなる強化
材と、金属コーティング用金属の融点より低い融点を有
し、かつ当該金属と反応しにくい金属またはそれを主体
とする合金からなるマトリックスとを含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、複合材料およびその製
造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、複合材料は、高い比強度を得るた
めに、軽量なマトリックス、たとえばＡｌ、Ａｌを主体
とする合金、ＭｇまたはＭｇを主体とする合金を用いて
きた。また、その製造方法は、溶融状態にあるＡｌ、Ａ
ｌを主体とする合金、ＭｇまたはＭｇを主体とする合金
と繊維とを複合化させる、あるいは、固体状態にあるＡ
ｌ、Ａｌを主体とする合金、ＭｇまたはＭｇを主体とす
る合金と繊維とを複合化させる方法が一般的であった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、Ａｌ、
Ａｌを主体とする合金、ＭｇまたはＭｇを主体とする合
金と繊維とを直接複合化させると、濡れ性、反応性の問
題から複合材料として良好な特性が得られなかった。す
なわち、Ａｌ、Ａｌを主体とする合金、ＭｇまたはＭｇ
を主体とする合金は、繊維との濡れ性が悪く容易に繊維
束中に浸入しないため、良好な特性の複合材料を得るこ
とができなかった。また、Ａｌ、Ａｌを主体とする合
金、ＭｇまたはＭｇを主体とする合金を繊維束中に分散
させ、拡散接合等を利用して複合化した場合には、Ａ
ｌ、Ａｌを主体とする合金、ＭｇまたはＭｇを主体とす
る合金と繊維とが反応し、繊維が劣化して繊維界面に脆
弱な反応層を形成するため、良好な特性の複合材料が得
られなかった。

【０００４】これらの問題を解決するため、すなわち、
繊維表面に濡れ性を付与し、かつ、マトリックスとの反
応を制御するために、金属コーティングまたはセラミッ
クコーティングを施した繊維を用いて複合材料を製造す
ることが試みられた。しかし、金属コーティングは、Ａ
ｌ、Ｍｇまたはその合金と繊維との反応を防ぐ効果が低
く、得られた複合材料の特性は低いものであった。一
方、セラミックコーティングは、良好な特性の複合材料
が得られるものの、その製造には熱ＣＶＤ法等の設備を
必要とするため、工業的な大量生産には不向きであっ
た。

【０００５】この発明の目的は、上述の問題点を解決
し、工業的な大量生産が可能な複合材料を提供すること
にある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明による複
合材料は、金属コーティングを施した繊維からなる強化
材と、金属コーティング用金属の融点より低い融点を有
し、かつ当該金属と反応しにくい金属またはそれを主体
とする合金からなるマトリックスとを含む。

【０００７】請求項２の発明による複合材料は、請求項
１の発明において、マトリックスとして用いられる金属
または合金は、Ｚｎ、Ｚｎを主体とする合金、Ｐｂ、Ｐ
ｂを主体とする合金、Ｓｎ、Ｓｎを主体とする合金のい
ずれかから選ばれる。

【０００８】請求項３の発明による複合材料は、請求項
１の発明において、繊維は、長繊維、短繊維、ウィスカ
ーのいずれかから選ばれる。

【０００９】請求項４の発明による複合材料は、請求項
１の発明において、繊維は、炭素繊維、無機繊維、金属
繊維のいずれかから選ばれる。

【００１０】請求項５の発明による複合材料は、請求項
１の発明において、金属コーティング用金属は、Ｎｉ、
Ｃｕ、Ｃｕ−Ｚｎ合金のいずれかから選ばれる。

【００１１】請求項６の発明による複合材料の製造方法
は、繊維に金属コーティングを施すステップと、金属コ
ーティング用金属の融点より低い融点を有し、かつ当該
金属と反応しにくい金属またはそれを主体とする合金を
固相線以上に溶融するステップと、金属コーティングさ
れた繊維を溶融した金属または合金に浸漬するステップ
とを備える。

【００１２】請求項７の発明による複合材料の製造方法
は、繊維に金属コーティングを施すステップと、金属コ
ーティング用金属の融点より低い融点を有し、かつ当該
金属と反応しにくい金属またはそれを主体とする合金
を、金属コーティングされた繊維の金属コーティング上
に付着させるステップと、金属または合金が付着された
金属コーティングされた繊維を複数本集めて、付着され
た金属または合金を互いに接合させるステップとを備え
る。

【００１３】請求項８の発明による複合材料の製造方法
は、請求項７の発明において、金属または合金を金属コ
ーティングされた繊維の金属コーティング上に付着させ
るステップは、ＣＶＤ法または真空蒸着法を用いて行な
われる。

【００１４】請求項９の発明による複合材料の製造方法
は、請求項７の発明において、付着された金属または合
金を互いに接合させるステップは、圧力付与および／ま
たは熱付与条件下において行なわれる。

【００１５】

【作用】請求項１〜請求項５の発明の複合材料の繊維
は、金属コーティングが施されている。そのため、マト
リックスとして用いられる金属との濡れ性が向上し、か
つ反応が制御されるため、特性の良好な複合材料が得ら
れる。この金属コーティングに用いられる金属として
は、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｕ−Ｚｎ合金等の、めっき技術を用
いることができるものが、工業的な生産には有効と考え
られる。

【００１６】また、請求項１〜請求項５の発明による複
合材料のマトリックスは、金属コーティング用金属の融
点より低い融点を有し、かつ当該金属と反応しにくい金
属またはそれを主体とする合金からなる。複合材料の比
重は、繊維の体積割合が増加するにつれ繊維の比重に近
づくため、マトリックスは必ずしも軽量である必要はな
い。具体的な金属マトリックスとしては、Ｚｎ、Ｚｎを
主体とする合金、Ｐｂ、Ｐｂを主体とする合金、Ｓｎま
たはＳｎを主体とする合金が、実用金属であることから
も適切であると考えられる。これらの金属は、上述の金
属コーティング用金属の融点よりかなり低い融点を有す
る。そのため、繊維と金属との複合化の際にも、金属コ
ーティングを維持でき、繊維とマトリックスとの反応を
防ぐことができる上に、濡れ性が向上するため、良好な
特性の複合材料が得られる。

【００１７】このような複合材料の製法の１つとして、
請求項６の発明による方法は、金属コーティング繊維を
溶融状態にあるマトリックス中に浸漬する方法である。
上述のように金属コーティングとマトリックスの濡れ性
は良好であり、マトリックスは繊維束中に容易に浸入
し、かつ、反応も抑制されるため、良好な特性の複合材
料を得ることができる。

【００１８】次に、複合材料の製法の別法として、請求
項７〜請求項９の発明によれば、金属コーティングを施
した繊維に、金属コーティングとの量比を明らかにして
金属を付着させる。ここで示す付着は、金属コーティン
グに物理的あるいは化学的な付着、結合のどちらの場合
でも構わない。具体的な金属の付着手段としては、単に
粉末金属を金属コーティングにまぶす方法、めっき法等
があるが、一般には、気相法とされる手段、すなわち、
ＣＶＤ法あるいは真空蒸着法等が金属の付着の均一性を
確保するうえからも適切と考えられる。しかし、金属を
均一に付着できる手段であれば、これに限られるもので
はない。

【００１９】ここで、付着させる金属とコーティング金
属の量比を調整する目的は、次の工程において、金属コ
ーティングと付着金属の反応あるいは拡散によるコーテ
ィング厚さの増加を調整し、繊維の繊維割合と複合材料
の耐熱性を制御するためである。浸漬による方法では、
溶融金属がほぼ無限に供給されるため、このような制御
が行ないにくい。

【００２０】また、請求項７〜請求項９の発明におい
て、金属を付着させた金属コーティングを施した繊維を
複数本集めて、付着された金属または合金を互いに接合
させるステップでは、付着金属とコーティング金属間の
拡散あるいは反応を利用した接合を行なう。低融点の付
着金属の接合を主としているので、低温、低圧力で接合
させることが可能である。接合を得るための手段として
は、ホットプレス、ロール拡散接合、ＨＩＰ等の手段を
用いることができるが、圧力付与および／または熱付与
条件下において接合させる手段であれば、特に限定する
必要はない。

【００２１】請求項７〜請求項９の方法では、金属コー
ティング量と付着金属の量の比を予め設定し、所望の耐
熱性と繊維の体積割合を有する良好な特性の複合材料を
得ることができる。

【００２２】

【実施例】以下、実施例により本発明による複合材料を
示す。

【００２３】（実施例１）炭素繊維３０００本にＣｕま
たはＮｉをコーティングした炭素繊維束（トレカめっき
糸東レファインケミカル製）と、マトリックスとして
ＺｎまたはＰｂ−Ｓｎ合金を用い、表１に示すような複
合材料の試作を実施した。また、同時に比較のため、Ａ
ｌをマトリックスとした複合材料も試作した。複合化
は、溶融金属中を炭素繊維を通糸させることで行ない、
一方向強化複合材料を得た。なお、溶融金属の温度は、
Ｚｎ＝４５０℃、Ｐｂ−Ｓｎ合金＝３００℃、Ａｌ＝７
００℃である。繊維の溶融金属浸漬時間は、複合材料中
の繊維体積割合、複合材料の寸法、溶融金属の種類によ
って異なるが、本実施例の場合、Ｚｎ、Ｐｂ−Ｓｎ合金
およびＡｌへの浸漬時間は、それぞれ６０ｓｅｃ、０．
５ｓｅｃおよび９０ｓｅｃである。

【００２４】このようにして得られた複合材料の特性
を、表１に示す。表１中の理論強度とは、繊維の引張り
強さおよびマトリックスの引張り強さより予想される、
計算による引張り強さを示す。

【００２５】

【表１】

【００２６】表１より、ＺｎまたはＰｂ−Ｓｎ合金をマ
トリックスに用いた複合材料は、Ａｌをマトリックスに
用いた複合材料よりも理論強度に近い特性が得られてお
り、理論強度達成率が高いことがわかる。

【００２７】図１は、ＺｎまたはＰｂ−Ｓｎ合金をマト
リックスに用いた複合材料の断面図を示す。また、図２
は、Ａｌをマトリックスに用いた複合材料の断面図を示
す。図１および図２からわかるように、ＺｎまたはＰｂ
−Ｓｎ合金をマトリックスに用いた場合には、Ｚｎまた
はＰｂ−Ｓｎ合金と金属コーティングとの反応が生じる
ものの、繊維表面に金属コーティングが維持でき、繊維
とマトリックスとが過剰に反応しない。それに対して、
Ａｌをマトリックスに用いた場合は、金属コーティング
がＡｌと反応し破壊され、Ａｌと繊維とが反応すると同
時に破壊された金属コーティングが、マトリックスに不
均一に分散してしまう。

【００２８】表１より明らかなように、実施例の複合材
料は、比重の面ではＡｌをマトリックスとした従来例の
複合材料に及ばない。しかし、実施例の複合材料は、比
強度の面ではＡｌをマトリックスとした場合より上回っ
ている。

【００２９】この実施例１の製法によれば、簡易に良好
な特性の複合材料を得ることができる。しかし、上述の
方法では、金属コーティングとマトリックスの反応ある
いは拡散を生じ、コーティング厚さ（金属コーティング
とマトリックスの反応あるいは拡散によるコーティング
厚さの増分を含むコーティング厚さ）が増加し、繊維の
間隔が大きくなる。このように繊維間隔が大きくなる場
合、複合材料中の繊維体積割合が大きくできず、強度を
向上させることができない。また、繊維の間隔が大きく
なる場合、複合材料中で金属コーティングが占める量よ
りも低融点金属の占める量が大きくなり、複合材料の耐
熱性が低くなる。

【００３０】以下、実施例２および実施例３に、かかる
問題を解決するためになされた本複合材料の製法の別法
を示す。

【００３１】（実施例２）炭素繊維３０００本にＮｉを
０．２μｍ、０．５μｍの厚さでめっきした炭素繊維束
（トレカめっき糸、東レファインケミカル製）を、Ａｒ
ガス雰囲気中５００℃、１０分間でサイジング剤を十分
に除去した後、Ｚｎの蒸着を実施した。

【００３２】図３は、蒸着装置の一例を示す概略図であ
る。図３を参照して、この蒸着装置は、Ａｒガス送入管
１ａ，１ｂを有する蒸着室２と、炭素繊維３を送り出す
ための送りリール４と、炭素繊維３を巻取るための巻取
リール５とを備えている。蒸着室２内には、Ｚｎ６を入
れるためのるつぼ７が設置されている。また、このるつ
ぼ７内のＺｎ６を加熱するため、蒸着室２の外部には、
電気炉８が設けられている。

【００３３】このような装置を用いて、以下のようにし
て蒸着を行なった。まず、Ａｒガス送入管１ａ，１ｂよ
り、Ａｒガスを蒸着室２内へ送入した。次に、Ａｒガス
雰囲気中で、るつぼ７内のＺｎ６を電気炉８を用いて７
００℃に加熱した。そして、このるつぼ７の上を、送り
リール４および巻取リール５とを用いて、金属コーティ
ング炭素繊維３を矢印９に示す方向へ通過させた。

【００３４】Ｚｎの金属コーティング上への付着量は、
金属コーティング炭素繊維のるつぼ上での滞在時間に比
例した。このため、金属コーティング炭素繊維の通過速
度を変化させ、金属コーティング炭素繊維への低融点金
属の付着量、すなわち、金属コーティング用金属と付着
用金属の量比および合計を調節した。

【００３５】次に、金属を付着させた金属コーティング
炭素繊維をホットプレスにより接合させ、２ｍｍ×１５
ｍｍ×２００ｍｍの一方向強化複合材料を得た。ホット
プレスの条件は、一次接合が３８０℃、５０ＭＰａ、５
分間で、二次接合が４６０℃、２５ＭＰａ、１０分間で
あった。

【００３６】得られた複合材料についてその強化方向で
引っ張り試験を実施した結果を、表２に示す。

【００３７】

【表２】

【００３８】表２より明らかなように、理論強度に近い
特性が得られていることがわかる。（実施例３）炭素繊維３０００本にＣｕを０．５μｍの
厚さでめっきした炭素繊維束（トレカめっき糸、東レフ
ァインケミカル製）を、Ａｒガス雰囲気中５００℃、１
０分間でサイジング剤を十分に除去した後、Ｐｂ−５０
ｗｔ％Ｓｎを付着させた。付着には溶射を用いた。Ｐｂ
−Ｓｎ合金を付着させたＣｕコーティング炭素繊維をロ
ールにて接合し、テープ形状（幅１０ｍｍ×厚さ２ｍ
ｍ）の一方向強化複合材料を作製した。ロール接合は、
直径２５０ｍｍのロールを用い、加熱温度１５０℃、圧
延荷重１ｔ、ロール周速１０ｍｍ／分の条件で実施し
た。

【００３９】得られた複合材料の繊維強化方向の引っ張
り強さ測定結果を、表３に示す。

【００４０】

【表３】

【００４１】表３より明らかなように、理論値に近い特
性が得られることがわかる。（実施例４）実施例１に示した製法による複合材料と、
実施例２の製法による複合材料の耐熱性の比較を、表４
に示す。耐熱性の評価は、５００℃において引っ張り試
験を行ない、引っ張り強さを測定し、強度保持率を比較
することにより実施した。なお、強度保持率とは、室温
引っ張り強さにより高温時の引っ張り強さを除した値を
百分率で示したものである。

【００４２】

【表４】

【００４３】表４より明らかなように、実施例２の製法
による複合材料の方が、耐熱性に優れていることがわか
る。

【００４４】以上のように、実施例２および実施例３に
示す低融点を有する金属を金属コーティングに付着させ
る製造方法は、実施例１の浸漬する方法に比較し、低融
点金属の量を少なくすることができることより、複合材
料の耐熱性を改善することができる。しかしながら、工
程数は浸漬法に比較し多くなることから、いずれの製法
を用いるかは用途によって選択すればよい。なお、複合
材料の耐熱性が必要な場合には、繊維も耐熱性に優れる
ものを用いる方が望ましい。たとえば、炭素繊維である
ならば、ＰＡＮ系高強度型炭素繊維よりも、ＰＡＮ系高
弾性型炭素繊維、ピッチ系炭素繊維の利用が望ましい。

【００４５】なお、以上の実施例に関する開示は、本発
明の単なる具体例にすぎず、本発明の技術的範囲を何ら
制限するものではない。

【００４６】すなわち、本発明の複合材料に用いられる
繊維の形態は、強化効率が大きいことから長繊維が最も
望ましいと考えられるが、短繊維、ウィスカーを用いて
も何ら支障はない。

【００４７】また、繊維の材質は、軽量性、機械的特性
が他の繊維と比べて優れているため、炭素繊維が最適で
あるが、このほかには、炭化ケイ素、アルミナ繊維等の
無機繊維を用いることが望ましい。また、ボロン繊維、
タングステン線、ステンレス線等の金属繊維を用いても
同等の効果を期待できる。

【００４８】さらに、金属コーティング用金属には、電
気めっきまたは無電解めっきにより工業的な生産が可能
なＮｉ、Ｃｕ、Ｃｕ−Ｚｎ等が好ましい。しかし、この
金属コーティングは、濡れ性付与およびマトリックスと
の反応制御を目的とするものであるため、これらに特に
限定されるわけではない。

【００４９】また、マトリックスには、Ｚｎ、Ｚｎを主
体とする合金、Ｐｂ、Ｐｂを主体とする合金、Ｓｎ、Ｓ
ｎを主体とする合金が、実用金属であるこからも適切で
あると考えられる。しかし、この金属種は、金属コーテ
ィングを侵さないものであれば、特に限定する必要はな
い。

【００５０】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、工業的
な大量生産が可能な複合材料を提供することができる。
また、本発明による複合材料を実施例のように細径の複
合材料とすれば、二次成形用のプリフォームワイヤとし
て適用できる。さらに、線材を作製しロープとして使用
することも可能である。また、鋳型に予めセットし溶融
金属を鋳込むことにより、ニアネットシェープの複合材
料にも対応できる。さらに、金属コーティングと低融点
金属の量比を制御することにより、耐熱性に優れる複合
材料が得られ、タービンブレード等への適用も可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に従う複合材料の一例の断面図である。

【図２】従来の複合材料の一例の断面図である。

【図３】本発明に従い複合材料を製造する際に用いられ
る蒸着装置の一例の概略図である。

【符号の説明】

３金属コーティング炭素繊維６Ｚｎ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属コーティングを施した繊維からなる
強化材と、前記金属コーティング用金属の融点より低い融点を有
し、かつ当該金属と反応しにくい金属またはそれを主体
とする合金からなるマトリックスとを含む、複合材料。
【請求項２】前記マトリックスとして用いられる金属
または合金は、Ｚｎ、Ｚｎを主体とする合金、Ｐｂ、Ｐ
ｂを主体とする合金、Ｓｎ、Ｓｎを主体とする合金のい
ずれかから選ばれる、請求項１記載の複合材料。
【請求項３】前記繊維は、長繊維、短繊維、ウィスカ
ーのいずれかから選ばれる、請求項１記載の複合材料。
【請求項４】前記繊維は、炭素繊維、無機繊維、金属
繊維のいずれかから選ばれる、請求項１記載の複合材
料。
【請求項５】前記金属コーティング用金属は、Ｎｉ、
Ｃｕ、Ｃｕ−Ｚｎ合金のいずれかから選ばれる、請求項
１記載の複合材料。
【請求項６】繊維に金属コーティングを施すステップ
と、前記金属コーティング用金属の融点より低い融点を有
し、かつ当該金属と反応しにくい金属またはそれを主体
とする合金を固相線以上に溶融するステップと、前記金属コーティングされた繊維を、前記溶融した金属
または合金に浸漬するステップとを備える、複合材料の
製造方法。
【請求項７】繊維に金属コーティングを施すステップ
と、前記金属コーティング用金属の融点より低い融点を有
し、かつ当該金属と反応しにくい金属またはそれを主体
とする合金を、前記金属コーティングされた繊維の金属
コーティング上に付着させるステップと、前記金属または合金が付着された金属コーティングされ
た繊維を複数本集めて、付着された金属または合金を互
いに接合させるステップとを備える、複合材料の製造方
法。
【請求項８】前記金属または合金を金属コーティング
された繊維の金属コーティング上に付着させるステップ
は、ＣＶＤ法または真空蒸着法を用いて行なわれる、請
求項７記載の複合材料の製造方法。
【請求項９】前記付着された金属または合金を互いに
接合させるステップは、圧力付与および／または熱付与
条件下において行なわれる、請求項７記載の複合材料の
製造方法。