JPS6126737A - 炭素繊維強化金属複合体の製造方法 - Google Patents
炭素繊維強化金属複合体の製造方法Info
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- JPS6126737A JPS6126737A JP14554984A JP14554984A JPS6126737A JP S6126737 A JPS6126737 A JP S6126737A JP 14554984 A JP14554984 A JP 14554984A JP 14554984 A JP14554984 A JP 14554984A JP S6126737 A JPS6126737 A JP S6126737A
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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。
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〕
本発明は炭素繊維強化金属複合体の製造方法に関するも
のであって、よシ詳しくは、高温下、長時間使用しても
高特性を保持し得る炭素繊維強化金属複合体の製造方法
に関するものである。
のであって、よシ詳しくは、高温下、長時間使用しても
高特性を保持し得る炭素繊維強化金属複合体の製造方法
に関するものである。
炭素繊維或はウィスカー等と金属とから形成される複合
体は、耐熱性を有する高強度の軽量構造体として広く用
いられている。特に、炭素繊維は引張強度も、弾性率も
大きいので、応力の最大となる方向に配列させた炭素繊
維と金属との複合体は極めて大きな比強度（複合体の密
度に対する強度の割合）と比弾性率（複合体の密度に対
する弾性率の割合）を有するので有用である。
体は、耐熱性を有する高強度の軽量構造体として広く用
いられている。特に、炭素繊維は引張強度も、弾性率も
大きいので、応力の最大となる方向に配列させた炭素繊
維と金属との複合体は極めて大きな比強度（複合体の密
度に対する強度の割合）と比弾性率（複合体の密度に対
する弾性率の割合）を有するので有用である。
しかるに、炭素と金属は一般に濡れ性が悪く、従って、
これらから形成された複合材は上記の優れた特性を高温
下、長時間にわたって維持することが難しい。特に、マ
トリックスがアルミニウムの場合は、下記（１）式の反
応によシ炭素とアルミニウムの界面に炭化アルミニウム
（Ａ１．Ｏａ）が生成して両者の接着力を弱め、この複
合体の高温における強度特性を著しく悪化させる。
これらから形成された複合材は上記の優れた特性を高温
下、長時間にわたって維持することが難しい。特に、マ
トリックスがアルミニウムの場合は、下記（１）式の反
応によシ炭素とアルミニウムの界面に炭化アルミニウム
（Ａ１．Ｏａ）が生成して両者の接着力を弱め、この複
合体の高温における強度特性を著しく悪化させる。
≠Ａｌ ＋ Ｊ Ｏ＝ Ａ１４０． （１
）そこで、ＡＩ、Ｏ，のような相関化合物を形成しない
で、しかも、マトリックスを構成する金属との濡れ性を
改善する方法が稚々開発されておシ、例えばＮ１、Ａｇ
％Ｏｕ、 Ｔａ％Ｂ、 Ｓｉ、Ｈａ１ａｎ、Ｗのような
金属、あるいはＴｉ０１Ｚ ｒ ＣｓＳｉＯ、ＴｉＢ、
のような高触点化合物等による炭素繊維表面の被覆が試
みられてきた。（例えば特開昭グざ一−ＩＯ６号公報、
特開昭ｊコー、２ｇ弘３３号公報、特開昭！λ−３６５
０２号公報、特開昭５６−／≠λｒＪｔ号公報参照）ま
たＡｍ、Ｏ，等の相聞化合物の生成を抑制するもう一つ
の手段として、Ａｌ、Ｏ，が生成する温度領域よシ低温
側で炭素繊維と金属の複合体を製造する方法も試みられ
ている。このようなプロセスの一つにイオンブレーティ
ング等の物理蒸着の手段によってアルミニウムを炭素繊
維に薄く被覆し、一旦複合体の前駆体（プリフォーム）
を製造する方、法が有る＜＊公昭、！ｒＪ−Ｊｌｉ０１
３号公報）。このプリフォームラ集めて、ロール圧延、
プレス等の拡散接合の手段によシ目的とする炭素繊維強
化金属複合体を得ることができる。
）そこで、ＡＩ、Ｏ，のような相関化合物を形成しない
で、しかも、マトリックスを構成する金属との濡れ性を
改善する方法が稚々開発されておシ、例えばＮ１、Ａｇ
％Ｏｕ、 Ｔａ％Ｂ、 Ｓｉ、Ｈａ１ａｎ、Ｗのような
金属、あるいはＴｉ０１Ｚ ｒ ＣｓＳｉＯ、ＴｉＢ、
のような高触点化合物等による炭素繊維表面の被覆が試
みられてきた。（例えば特開昭グざ一−ＩＯ６号公報、
特開昭ｊコー、２ｇ弘３３号公報、特開昭！λ−３６５
０２号公報、特開昭５６−／≠λｒＪｔ号公報参照）ま
たＡｍ、Ｏ，等の相聞化合物の生成を抑制するもう一つ
の手段として、Ａｌ、Ｏ，が生成する温度領域よシ低温
側で炭素繊維と金属の複合体を製造する方法も試みられ
ている。このようなプロセスの一つにイオンブレーティ
ング等の物理蒸着の手段によってアルミニウムを炭素繊
維に薄く被覆し、一旦複合体の前駆体（プリフォーム）
を製造する方、法が有る＜＊公昭、！ｒＪ−Ｊｌｉ０１
３号公報）。このプリフォームラ集めて、ロール圧延、
プレス等の拡散接合の手段によシ目的とする炭素繊維強
化金属複合体を得ることができる。
しかしながら、前者の方法において、Ｓ１０、τ１０、
ＴｉＢ、等で炭素繊維の表面を被覆することによシ若干
の濡れ性の改善が認められたが、未だ不十分であシ、ま
た電気めっき、無電解めっき等の方法によるＳｌ等の金
属での炭素繊維表面の被覆では得られる複合体の高温時
における強度等に問題があった。更に後者の方法におい
ては、Ａｌ４０．の生成を抑制して製造した炭素繊維強
化アルミニウム複合体でも高温で長時間使用すると炭素
繊維とアルミニウムの界面にＡｍ、Ｏ，が徐々に生成し
て、強度特性が次第に悪化してくる。
ＴｉＢ、等で炭素繊維の表面を被覆することによシ若干
の濡れ性の改善が認められたが、未だ不十分であシ、ま
た電気めっき、無電解めっき等の方法によるＳｌ等の金
属での炭素繊維表面の被覆では得られる複合体の高温時
における強度等に問題があった。更に後者の方法におい
ては、Ａｌ４０．の生成を抑制して製造した炭素繊維強
化アルミニウム複合体でも高温で長時間使用すると炭素
繊維とアルミニウムの界面にＡｍ、Ｏ，が徐々に生成し
て、強度特性が次第に悪化してくる。
いずれにしても従来の方法で得られた炭素繊維強化複合
体は高温使用時での強度特性が劣化するという問題があ
った。
体は高温使用時での強度特性が劣化するという問題があ
った。
本発明者は、このような点に留意し、複合体の強度劣化
をもたらすＡ１．Ｃ，等の生成を容易に抑制でき、しか
も、炭素繊維とマトリックスを構成する金属との濡れ性
が改善された炭ｌ／！４繊維強化金属複合体を製造する
方法を提供すぺ〈鋭意検討した結果、複合体を形成後、
特定条件下で加熱処理することにより、所期の目的が達
成されることを知得し、本発明を完成するに至った。
をもたらすＡ１．Ｃ，等の生成を容易に抑制でき、しか
も、炭素繊維とマトリックスを構成する金属との濡れ性
が改善された炭ｌ／！４繊維強化金属複合体を製造する
方法を提供すぺ〈鋭意検討した結果、複合体を形成後、
特定条件下で加熱処理することにより、所期の目的が達
成されることを知得し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明の目的は炭素繊維とマトリックス金属
との濡れ性が改善され、かつ高温使用時での強度特性の
劣化が抑制されｆＣ炊素繊維強化金属複合体を製造する
もので、この目的は炭素繊維とマトリックス金属とから
なる炭素繊維強化金属複合体をＳｉＯガスを含有するガ
ス雰囲気下、３００℃以上の温度で加熱処理することに
より達成される。
との濡れ性が改善され、かつ高温使用時での強度特性の
劣化が抑制されｆＣ炊素繊維強化金属複合体を製造する
もので、この目的は炭素繊維とマトリックス金属とから
なる炭素繊維強化金属複合体をＳｉＯガスを含有するガ
ス雰囲気下、３００℃以上の温度で加熱処理することに
より達成される。
以丁、本発明の詳細な説明する。
本発明で使用するマトリックスを構成する金属（しマト
リックス金属」）としては、例えば、アルミニウム、マ
グネシウム等が挙げられるう特に、汎用性の点からアル
ミニウムが好ましい。
リックス金属」）としては、例えば、アルミニウム、マ
グネシウム等が挙げられるう特に、汎用性の点からアル
ミニウムが好ましい。
また、炭素繊維としては、ポリアクリルニトリルやピッ
チ等から常法に従い、炭化或は黒鉛化して得らｎるもの
が挙けられる。好ましくは、引張強度／ ｊ Ｏｋｇ／
−以上、弾性率ｉｓｔ／ｄ以上のものが使用される。
チ等から常法に従い、炭化或は黒鉛化して得らｎるもの
が挙けられる。好ましくは、引張強度／ ｊ Ｏｋｇ／
−以上、弾性率ｉｓｔ／ｄ以上のものが使用される。
マトリックス金属と炭素繊維との複合体は、例えば、炭
素繊維にプラズマスプレー法、イオンブレーティング法
、さらには、電気めっき、無電解めっき等によシマｔｌ
ックス金属を堆積させることによって形成できる。特に
、簡単な装置で比較的容易に行える特開昭５７−７≠ｌ
ｌｊ号公報、特開昭５７−７≠ｌｌＺ号公報等に記載の
プラズマスプレー法が好ましい。
素繊維にプラズマスプレー法、イオンブレーティング法
、さらには、電気めっき、無電解めっき等によシマｔｌ
ックス金属を堆積させることによって形成できる。特に
、簡単な装置で比較的容易に行える特開昭５７−７≠ｌ
ｌｊ号公報、特開昭５７−７≠ｌｌＺ号公報等に記載の
プラズマスプレー法が好ましい。
本発明においては、上述のような方法によシ、炭素繊維
にマトリックス金属を薄く堆積させ、複合体のプリフォ
ームを形成し、これを積み重ねて、例えば、３００−４
００．℃でロール圧延、ホットプレス等の拡散接合法に
よって複合体を形成してもよい。
にマトリックス金属を薄く堆積させ、複合体のプリフォ
ームを形成し、これを積み重ねて、例えば、３００−４
００．℃でロール圧延、ホットプレス等の拡散接合法に
よって複合体を形成してもよい。
マトリックス金属に対する炭素繊維の使用割合は、得ら
れる複合体の使用目的等によっても異なるが、通常、★
トリックス金属に対し、体積混合比（Ｖｆ）で７４以上
、好ましくは、３０％以上の範囲で使用される。
れる複合体の使用目的等によっても異なるが、通常、★
トリックス金属に対し、体積混合比（Ｖｆ）で７４以上
、好ましくは、３０％以上の範囲で使用される。
上記の様にして得られた複合体あるいは複合体のプリフ
ォームを、ＥｌｉＯガスを含有するガス雰囲気下で通常
３００℃以上、好ましくはＳＯＯ℃以上であって、マト
リックス金属が溶融しない程度の温度範囲内で加熱処理
を行う。
ォームを、ＥｌｉＯガスを含有するガス雰囲気下で通常
３００℃以上、好ましくはＳＯＯ℃以上であって、マト
リックス金属が溶融しない程度の温度範囲内で加熱処理
を行う。
具体的には、炭素繊維強化金属複合体を石英製反応管内
で加熱処理する方法、あるいは石英以外の材質からなる
反応管内で加熱処理する方法等があるが、装置、操作等
の簡便さの点から前者の方が好ましい。
で加熱処理する方法、あるいは石英以外の材質からなる
反応管内で加熱処理する方法等があるが、装置、操作等
の簡便さの点から前者の方が好ましい。
前者の方法において、例えば炭素繊維強化アルミニウム
複合体を石英製反応管内で加熱処理する場合は、高真空
下、上記の温度範囲で該複合体の形状、大きさに応じた
時間で処理を行う。
複合体を石英製反応管内で加熱処理する場合は、高真空
下、上記の温度範囲で該複合体の形状、大きさに応じた
時間で処理を行う。
高真空下としては通常／×１０ τｏｒｒ以下、好まし
くは／ Ｘ ／ ０−’ Ｔｏｒｒ以下がよい。
くは／ Ｘ ／ ０−’ Ｔｏｒｒ以下がよい。
この場合、高温、高真空下の条件によシマトリックス中
のアルミニウムが蒸発し、下記（２）式により反応管の
成分である石英（Ｓｉｎ、 ）と反応してＳｉＯガスが
生成すると考えられる。
のアルミニウムが蒸発し、下記（２）式により反応管の
成分である石英（Ｓｉｎ、 ）と反応してＳｉＯガスが
生成すると考えられる。
ｊ ＥｌｉＯ，′十、２ Ａｌ−３ｓ１ｏ ＋ ＡＩ、
０．（２）このようにして生成したＳｉＯガスは、（３
）式に従ってマトリックスのアルミニウムと反応してＳ
ｌを生成する。
０．（２）このようにして生成したＳｉＯガスは、（３
）式に従ってマトリックスのアルミニウムと反応してＳ
ｌを生成する。
ＪＳｉＯ＋２ＡＩ−→３ｓ１＋Ａｌ、Ｏ，（３）生成し
たＳｌは縦索繊維とアルミニウムの界面に沿ってマトリ
ックス中に拡散し、炭素繊維表面とアルミニウムとが直
接接触することを妨げ、Ａ １．Ｏ、の生成が抑制され
るものと推定される。
たＳｌは縦索繊維とアルミニウムの界面に沿ってマトリ
ックス中に拡散し、炭素繊維表面とアルミニウムとが直
接接触することを妨げ、Ａ １．Ｏ、の生成が抑制され
るものと推定される。
次いで後者の石英以外の材質からなる反応管を用いて加
熱処理する場合は、反応管内に上記温度範囲でマトリッ
クス金属と反応してＳｉＯガスを生成するよりなＳ１０
．を含有する物質を存在させ加熱処理を行うか、あるい
は予め生成させたＳｉＯガスを反応管内に導入し上記温
度範囲で加熱処理を行ってもよい。この場合も前述し世
通り、マトリックス金属と反応して生成したＳｌが炭素
繊維とマトリックス金属との界面に沿って拡散し、相聞
化合物の生成を抑制するものである。
熱処理する場合は、反応管内に上記温度範囲でマトリッ
クス金属と反応してＳｉＯガスを生成するよりなＳ１０
．を含有する物質を存在させ加熱処理を行うか、あるい
は予め生成させたＳｉＯガスを反応管内に導入し上記温
度範囲で加熱処理を行ってもよい。この場合も前述し世
通り、マトリックス金属と反応して生成したＳｌが炭素
繊維とマトリックス金属との界面に沿って拡散し、相聞
化合物の生成を抑制するものである。
また、加熱処理する複合体としては、複合体のプリフォ
ームを用いても、あるいは該プリフォームを積層しホッ
トプレス等の拡散接合法によって得られた複合体を用い
てもよいが、Ｓｉが炭素繊維とマトリックス金属との界
面に沿って拡散できるような断面を有することが好まし
く、また加熱処理回数全考慮すると積層され九複合体を
用いるのがよい。
ームを用いても、あるいは該プリフォームを積層しホッ
トプレス等の拡散接合法によって得られた複合体を用い
てもよいが、Ｓｉが炭素繊維とマトリックス金属との界
面に沿って拡散できるような断面を有することが好まし
く、また加熱処理回数全考慮すると積層され九複合体を
用いるのがよい。
ここで８１が炭素繊維とマトリックス金属との界面に沿
って拡散する理由は複合体を構成する成分の熱膨張の差
に由来するものと思われる。
って拡散する理由は複合体を構成する成分の熱膨張の差
に由来するものと思われる。
すなわち、ホットプレス等の拡散接合法によシ製造した
複合体では炭素繊維とマトリックス金属は化学的に結合
しているものではなく、機械的に接着している状態であ
るため、高温下ではマトリックス金属が炭素繊維より膨
張し、炭素繊維との界面がルーズとなシ易く、このルー
ズとなった界面に沿ってＳｌが拡散するものを考えられ
る。
複合体では炭素繊維とマトリックス金属は化学的に結合
しているものではなく、機械的に接着している状態であ
るため、高温下ではマトリックス金属が炭素繊維より膨
張し、炭素繊維との界面がルーズとなシ易く、このルー
ズとなった界面に沿ってＳｌが拡散するものを考えられ
る。
その結果、炭素繊維とマトリックス金属とが直接接触せ
ず、相間化合物の生成が抑制される。
ず、相間化合物の生成が抑制される。
本発明の炭素繊維強化金属複合体は、炭素繊維とマトリ
ックス金属とが直接接触していないので、高温下で長時
間使用しても強度低下の原因である相聞化合物の生成が
抑制されるため、複合体の特性を十分に保持でき、各種
構造用材料として有利に使用することができる。
ックス金属とが直接接触していないので、高温下で長時
間使用しても強度低下の原因である相聞化合物の生成が
抑制されるため、複合体の特性を十分に保持でき、各種
構造用材料として有利に使用することができる。
以下実施例を挙けて更に具体的に本発明を説明する。
実施例１
平均径７μｍの炭素繊維ハ２０００本から成る繊維束を
開織し、巾１５ｃｍ、直径７０ｃｍのドラムに巻き付け
、これにアルミニウム粉末をプラズマスプレー法によシ
、マトリックスアルミニラムに対して炭素繊維のＶｆが
３０％となるように吹きつけてプリフォームシートを作
製した。
開織し、巾１５ｃｍ、直径７０ｃｍのドラムに巻き付け
、これにアルミニウム粉末をプラズマスプレー法によシ
、マトリックスアルミニラムに対して炭素繊維のＶｆが
３０％となるように吹きつけてプリフォームシートを作
製した。
このプリフォーム素材を約ＵＯ枚重ねて型台に設置し、
ホットプレスによ＃）Ａｃｍｘｌｏｃｍの板プレスした
。この板状試料を１．ｒｃｒｎｘｊｃＩｎの形状に切断
して熱処理用試料とした。
ホットプレスによ＃）Ａｃｍｘｌｏｃｍの板プレスした
。この板状試料を１．ｒｃｒｎｘｊｃＩｎの形状に切断
して熱処理用試料とした。
この試料を石英製反応管内で、／ Ｘ ／ ０−’ Ｔ
ｏｒｒ。
ｏｒｒ。
１００℃で所定時間加熱処理した。その結果を第１図に
示した。第１図から明らかなように、１２０時間の加熱
後においても引張強度の低下はわずか２０％程度であっ
た。
示した。第１図から明らかなように、１２０時間の加熱
後においても引張強度の低下はわずか２０％程度であっ
た。
また、り５時間石英管中で加熱後の複合体のマトリック
スアルミニウムと炭素繊維との界面のオージェ分析結果
を未処理品と比較して第１表に示した。第１表から、界
面において本処理品はＳｌとＯが多いことから、上記加
熱処理によって反応（３）によシ８１が界面に拡散した
ことが分る。
スアルミニウムと炭素繊維との界面のオージェ分析結果
を未処理品と比較して第１表に示した。第１表から、界
面において本処理品はＳｌとＯが多いことから、上記加
熱処理によって反応（３）によシ８１が界面に拡散した
ことが分る。
第１表 炭素繊維・マトリックス界面の組成分析（オー
ジェ分析結果より推算） ｗｔチ 比較例／ 実施例／において、石英製反応管内で試料を加熱処理す
る際、その試料をステンレス製の容器に入れ、Ａ１蒸気
と石英との接触を抑え、実質加熱のみの影響を受けるよ
うにする＃１かは、同様にしてコＯ，ＳＳおよびｉｏｏ
時間加熱処理したところ引張強度がそれぞれｊ／、３り
および２ｔ％と大幅に低下した。
ジェ分析結果より推算） ｗｔチ 比較例／ 実施例／において、石英製反応管内で試料を加熱処理す
る際、その試料をステンレス製の容器に入れ、Ａ１蒸気
と石英との接触を抑え、実質加熱のみの影響を受けるよ
うにする＃１かは、同様にしてコＯ，ＳＳおよびｉｏｏ
時間加熱処理したところ引張強度がそれぞれｊ／、３り
および２ｔ％と大幅に低下した。
第１図は炭素繊維強化アルミニウム複合体の熱処理時間
に対する引張強度の低下の割合の変化を表わしたもので
ある。 図中臼トは実施例／の結果を表わし、−トは比較例／の
結果を表わす。 出 願 人 三菱化成工業株式会社 代 理 人 弁理士 要否用 −ほか７名 第 １ 隠 然箆理時聞（ｈｒ）
に対する引張強度の低下の割合の変化を表わしたもので
ある。 図中臼トは実施例／の結果を表わし、−トは比較例／の
結果を表わす。 出 願 人 三菱化成工業株式会社 代 理 人 弁理士 要否用 −ほか７名 第 １ 隠 然箆理時聞（ｈｒ）
Claims (1)
- （１）炭素繊維とマトリックス金属とからなる炭素繊維
強化金属複合体を、ＳｉＯガスを含有するガス雰囲気下
、３００℃以上の温度で加熱処理することを特徴とする
炭素繊維強化金属複合体の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14554984A JPS6126737A (ja) | 1984-07-13 | 1984-07-13 | 炭素繊維強化金属複合体の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14554984A JPS6126737A (ja) | 1984-07-13 | 1984-07-13 | 炭素繊維強化金属複合体の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6126737A true JPS6126737A (ja) | 1986-02-06 |
| JPH0524212B2 JPH0524212B2 (ja) | 1993-04-07 |
Family
ID=15387745
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP14554984A Granted JPS6126737A (ja) | 1984-07-13 | 1984-07-13 | 炭素繊維強化金属複合体の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6126737A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4929513A (en) * | 1987-06-17 | 1990-05-29 | Agency Of Industrial Science And Technology | Preform wire for a carbon fiber reinforced aluminum composite material and a method for manufacturing the same |
| US5531943A (en) * | 1988-10-17 | 1996-07-02 | Sumitomo Metal Industries, Ltd. | Method of making a carbon/metal composite |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5514480A (en) * | 1993-08-06 | 1996-05-07 | Aisin Seiki Kabushiki Kaisha | Metal-based composite |
-
1984
- 1984-07-13 JP JP14554984A patent/JPS6126737A/ja active Granted
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4929513A (en) * | 1987-06-17 | 1990-05-29 | Agency Of Industrial Science And Technology | Preform wire for a carbon fiber reinforced aluminum composite material and a method for manufacturing the same |
| US5531943A (en) * | 1988-10-17 | 1996-07-02 | Sumitomo Metal Industries, Ltd. | Method of making a carbon/metal composite |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0524212B2 (ja) | 1993-04-07 |
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