JPS5912733B2 - 繊維−金属複合体を形成する方法 - Google Patents

繊維−金属複合体を形成する方法

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JPS5912733B2
JPS5912733B2 JP619775A JP619775A JPS5912733B2 JP S5912733 B2 JPS5912733 B2 JP S5912733B2 JP 619775 A JP619775 A JP 619775A JP 619775 A JP619775 A JP 619775A JP S5912733 B2 JPS5912733 B2 JP S5912733B2
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エイ ペンテイ ロバ−ト
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【発明の詳細な説明】 本発明は、複合材料、特に金属マトリックス中に埋めら
れた炭素繊維からなる複合材料の製法に関する。
フィラメントをマトリックス中に埋めた或は固10めた
複合体から高強度の軽量構造体を形成することができる
特に炭素繊維は高い引張ク強度及び大きな弾性係数を有
し:従つて予想される最大応力の方向に配列させたその
ような繊維を含む金属マトリックスから形成された複合
体は、広い温度15範囲に亘つて大きな強度対密度比及
び大きな弾性係数対密度比を必要とする成分に対して容
易に用いることができる。金属−黒鉛複合体も、黒鉛の
潤滑性と金属の靭性とを併せもち、低摩擦係数及び耐摩
耗性の材料を与える。アルミニウムと銅の20如き材料
と黒鉛との複合体は、大きな強度と高い電気伝導度を示
す。アルミニウム等の如き多くの金属は、融解状態で容
易に黒鉛を濡らすことはない。
黒鉛は、もし炭化アルミニウムの層を先ず金属と繊維と
の界面25に形成すると溶融アルミニウムによつて濡ら
すことができるが、そのような炭化アルミニウム相は、
その熱化学的及び機械的不安定性によシ許容できないこ
とが示唆されている。R、V、Saraによる米国特許
第3553820号には、アルミニウx ム黒鉛繊維複
合体は、先ず繊維を溶融塩浴から電着によつてタンタル
被膜で被覆し、それらをポンプで非常に低い圧力にかけ
て繊維から気体を除去し、その脱ガスした繊維を加圧溶
融アルミニウム浴中へ繊維の間隙を満すように浸漬する
ことによ35つて形成することができる事が教示されて
いる。R、V、Saraによる米国特許第357190
1号には同様な方法が記載されており、この方法では、
炭素繊維を先ず銀又は銀アルミニウム合金で、メツキ用
洛液から電着によつて被覆し、次いでそれら繊維をアル
ミニウム箔と接触させ、そ0一緒にした箔一繊維を加圧
下で箔の固相温度迄加熱する。
之等の方法の両方に於て、金属被覆をスパツタリング(
Supttering)又は金属の塩の還元によつて適
用できることも示唆されている。銀又はタンタルを用い
て、繊維上に均一な薄い被覆を得ることは困難であシ、
とに角、得られた複合体は銀及びタンタルの如き高価な
重い物質の実質的I含んでいる。電着と化学的付着法も
、マトリツクス物質を直接黒鉛繊維の周囲に付着させる
のに用いられて卦シ、被覆した繊維を次に高温加圧して
複合体を形成している。
そのような付着法で複合体を形成する方法の主たる欠点
は、大低の場合、マトリツクス材料が通常むしろ純粋な
金属に限定されて訃ジ、純粋金属は多くの目的に対し合
金と比較し著しく劣つた性質をもつている事である。本
発明の主たる目的は、従つて高圧或は高温にたよること
なく、金属/黒鉛複合体を形成する簡単で独得な方法を
与えることである。
本発明の他の目的は、マトリツクス材料の組成を広い範
囲に亘つて変えることができる独得な金属/黒鉛複合体
を形成する方法を与えることである。本発明の更に他の
目的は、一部は自ずから明らかになう、一部は次の記載
に見られるであろう。従つて本発明は、方法及びいくつ
かの工程と、一つ以上のそれらの工程の相互間の関係と
、素材の特徴、性質と相関関係を有する生成物及び組成
を含み、それらは次の詳細な記載中に例示され、特許請
求の範囲に示されている。
一般に上記及び他の目的を達成するため、本発明は、炭
素繊維上に硼化チタン、炭化チタン又はそれら両者の混
合物である湿潤剤を薄く実質的に均一な被覆を形成する
ことを含んでいる。
被覆された繊維間の間隙は、周囲の圧力下で液体として
最初に浸透した金属で満されている。通常の原子価の概
念で硼化物の一般的式を説明することはできないと考え
られるので、ここで用いる硼化物という語は、特に指示
しない限如特定の化学働的関係に限定されるものと考え
るべきではない。本発明の性質及び目的を一層完全に理
解するため、図面と関連した次の詳細な記載を参照すべ
きである。図面には本発明の教示によう製造された炭素
繊維金属複合体を断面で概略的に例示している。黒鉛繊
維は、本発明の実施には好ましいが、炭素繊維という言
葉は黒鉛性及び非黒鉛性炭素繊維の両方を含むものとす
る。
本発明に用いられる炭素繊維は、ピツチ、レイヨン、ポ
リアクロニトリル等の如き多くの先駆物質のいずれかか
ら、ヤーン、トウ、及び織り、編み、或はフエルト化し
たウエブ等の如き形状で作ることができる。好ましい形
状としては、繊維はヤーン中約11000本の繊維を有
するように平均数ミクロンの繊維径のレーヨンから同軸
的ヤーン状にしたものから導かれた黒鉛である。そのよ
うな炭素繊維及び織物はよく知られて卦シ、商業的に手
入でき、それらを作る方法も当分野では知られている。
図面に示した如く本発明に訃いて製造された複合体は、
硼化チタン、炭化チタン或はそれら両者の混合物である
湿潤剤の実質的に連続な表面被覆21を夫々有する複数
の黒鉛繊維20を含んでいる。
典型的には墜維の径は、約7ミクロンで被覆の厚さは1
00A位の薄さである。その結果、明瞭に示すため、図
中の被覆の相対的厚さは誇張して描かれている。繊維は
、アルミニウム、マグネシウム、銅、鉛、亜鉛、錫及び
、アルミニウム/珪素等の如き之等金属の種々の合金で
ある固体金属マトリツクス22中に埋められている。繊
維の束が液体への浸漬で浸透又は包囲されるためには、
液体は繊維表面を濡らさなければならない。
前述の如くアルミニウム及び銅の如き洛融金属は容易に
は黒鉛を濡らさない。従つて本発明は黒鉛繊維表面上に
、湿潤剤の被覆を形成する。この被覆は硼化チタン、炭
化チタン又はそれらの混合物の実質的に均一な層で、好
ましくは100〜10000Aの範囲の厚さにある。繊
維を被覆するには多くの方法がある瓜本発明で好ましい
方法は、被覆材料がガス状チタン化合物とガス状硼素化
合物との混合物を同時に還元した結果として被覆材料が
付着する蒸気相付着法を含んでいる。被覆を形成するた
めの蒸気相付着法は当分野ではよく知られて訃シ、通常
約900〜1400℃の間の温度で行われる。例えば硼
化ハフニウムの如き金属間化合物は、ガス状塩化ハフニ
ウムと三塩化硼素の混合物から水素ガスによる還元によ
シ被覆として付着できることが知られている。杢発明の
方法に於て、好ましい蒸気相付着法は、四塩化チタンと
三塩化硼素との混合物を還元剤として亜鉛金属蒸気で、
比較的低い温度で還元することを含んでいる。
緩慢な還元剤として働く亜鉛 J金属を用いることによ
つて極めて種々の反応を起すことができ、それによつて
この工程に亘つて一層よい調節が行われるようにするこ
とを求めている。例えば、その混合物の四塩化硼素に対
する三塩化硼素の相対的重蔽比が低い(即ち約1/3よ
り小さい)と、繊維上の被覆は、炭化チタンと実質的に
TiBとして大体の組成を有する硼化物との混合物から
なるであろう。
その重量比が一層大きくなると、付着した被覆の組成は
TiB2に近づくであろう。上述した事は、付着程中気
相中で黒鉛繊維表面の所で起きると考えられる次の一連
の想定されの反応に基いて説明することができる。
最初の二つの式は起きる還元工程を表わしていると考え
られ2)。(1)TiCl4+Zn−+TiCl2+Z
nCl2(2)2BC13+3Zn→2B+3ZnC1
2次に、このようにして生じた硼素と繊維の炭素は二塩
化チタンと大体次の如く反応すると考えられる:(3)
2TiC12−1XB−+Ti?+TiCl4(4)2
TiC12−1−C→TiC+TiCl4式(支)から
、比較的過剰の硼素を与えるに充分なハロゲン化硼素が
存在し、その結果(3)式中のXが約2の値になるよう
にすると、形成された硼化チタンの形は、極めてTiB
2に近くなることが分る。
この後者の考察は、満足すべき複合体を得るためには、
繊維の被覆がマトリツクス金属による濡れを促進するこ
とが望ましいばかジでなく、それが繊維とマトリツクス
金属との間に化学的に安定な界面を与えることが望まし
いので重要である。
例えば、もし、マトリツクスの金属が銅であるならば、
TiCとTiBとの混合物である被覆が満足すべきもの
である。一方、もしマトリツクス金属がアルミニウム又
はアルミニウムの%が大きい合金であるならば、被覆組
成物は実質的にTiB2であるべきであることが判明し
ている。ノ 次に必要な被覆を有する繊維を、醇融金属マトリツクス
の入つた浴中を通して引帳る。
繊維は濡らされるので、繊維間の間隙への浸透が起きる
。全浸透工程は、好ましくはアルゴン等の如き不活性雰
囲気中で周囲の圧力で行うことができる。次に金属繊維
物体を金属の固相温度よV)低く冷却させ、それによつ
て固体複合体を形成する。複合体は最初線、棒、テープ
或はシート状に作ることができるが、それらをマトリツ
クスの融点よジ上の温度で一緒に圧搾し、棒、アングル
部品及びパネルの如き種々の形の嵩ばつた複合体を作る
ことができる。もし望むならば、そのような成形物の圧
搾中、繊維の体積%を増加するため複合体から余分な金
属を絞ジ出してもよい。次の実施健ま、本発明によ)炭
素繊維複合体を製造する方法を一層明確に例示している
しかし本発明は、それら実施例に記載された特定の具体
例に限定されるものと考えるべきではない。実施例 1
約11000本の単繊維を有する50×106モジエラ
スの黒鉛ヤーンを、0.38%TiCl4,O.2l%
BCl3,及び0.80%Zn残クアルゴン(%は全て
重量による)から形成された気相反応混合物1した。
ガス混合物を650℃の温度で30分間維持し、ヤーン
繊維上実質的にTiB2であると考えられる約200A
の被覆を形成した。被覆した繊維を、珪素−アルミニウ
ム合金を13重験%含む?融浴へアルゴン下で移し、そ
の浴に浸漬したまま650℃で2分間保持した。得られ
た金属一繊維複合体を、浴から取)出し、次いで合金の
固相温度より低く冷却した。複合体を通つて繊維の長軸
を横切つてとつた断面は、実質的に図面に示されるよう
に見えた。この実施例に記載した複合体の多くの断片を
、600℃で真空下で黒鉛型中へ圧搾し、6インチ長さ
×0.5インチ巾×0.05インチ厚の複合体板を形成
した。
実施例 2 実施例1で用いたものと同様な黒鉛ヤーンを、同様なガ
ス混合物に曝した。
但し組成は次の通りであつた:0.38重量%TiCl
4,O.l4重量%BCl2及び0.80重験%Zn,
残うアルゴン。繊維をそのガス混合物に650℃で30
分間曝し、TiCとTiBの混合物からなる被覆を形成
し、そして約90重I%Cuと10重量%Snの青銅合
金を含む醇融浴にアルゴン下で移し、約980℃で1分
間保持した。複合体を浴から取り出し、冷却して固体物
品を形成した。実施例 3 被覆黒鉛繊維を、実施例1の如く調整し、銅合金(0.
4%Ca,99.6f6Pb)の入つた約550℃に保
つた洛融洛へアルゴン下に移した。
繊維を浴中10分間保ち、次に複合体を取シ出して合金
の固相温度より低く冷却した。得られた複合体を高温圧
搾して軸受けを形成することができた。上記方法につい
て、本発明の範囲から離れることなく或る変化を行わせ
ることができるので、上記記載に含まれ、或は図面に示
されたものは全て例示のためであつて限定的意味にとら
れるべきではない。
以上本発明を詳細に説明したが、以下に本発明の実施態
様を示す。
(1)被覆工程が、前記繊維の存在下でガス状チタン化
合物の還元作用を含み、それによつて前記硼化チタン或
は硼化チタンと炭化チタンとの混合物が生成する、特許
請求の範囲に記載の方法。
(2)被覆工程を鐵維の各々に約100〜10000A
の範囲の厚さの被覆を付着するのに充分な時間行う特許
請求の範囲に記載の方法。
【図面の簡単な説明】
図面は、本発明によう作られた炭素一繊維複合体の概略
的断面図である。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 ガス状チタン化合物と、ガス状硼素化合物との混合
    物を炭素繊維の表面上で同時に還元する気相付着法によ
    り硼化チタン及び硼化チタンと炭化チタンとの混合物か
    らなる群から選ばれた材料の被覆を複数の炭素繊維上に
    形成し;前記被覆した繊維をマグネシウム、鉛、亜鉛、
    銅、アルミニウム、錫、アルミニウム−珪素合金及びそ
    れら金属の合金からなる群から選ばれた融解金属中に、
    その融解金属が前記繊維間の間隙を実質的に満すまで浸
    漬し;そして前記被覆繊維が中に埋められた金属体を、
    前記金属が固化する温度迄冷却する諸工程からなる、繊
    維−金属複合体を形成する方法。
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JPS5616638A (en) * 1979-07-23 1981-02-17 Sumitomo Chem Co Ltd Aluminous fiber-reinforced aluminum type metal-base composite material
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US5244748A (en) * 1989-01-27 1993-09-14 Technical Research Associates, Inc. Metal matrix coated fiber composites and the methods of manufacturing such composites

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