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技術 繊維強化金属複合材料に用いられる繊維径が30μm以下で繊維表面の炭素成分を除去したセラミックス繊維とその製法

出願人 臼田久米雄
発明者 臼田久米雄
出願日 2000年12月25日 (19年2ヶ月経過) 出願番号 2000-404638
公開日 2002年7月10日 (17年8ヶ月経過) 公開番号 2002-194666
状態 特許登録済
技術分野 複合金属又は合金の製造 繊維製品の化学的、物理的処理 無機繊維
主要キーワード 脱炭素処理 セラミック繊維材 複合則 強化繊維材料 ホウ酸アルミニウムウイスカ 脱炭素 繊維添加 金属含浸
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この項目の情報は公開日時点(2002年7月10日)のものです。
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課題

繊維強化金属複合材料の製造に当たって、マトリックス金属強化材セラミックス繊維濡れ難く複合則に見合う強度の金属複合材料が得られていない。セラミックス繊維の炭素アルミニウムとその合金金属シリコンとその合金、マグネシウム金属とその合金等とカ−バイド化する反応があるので軽金属との複合材料化学的に不安定である。

課題解決の手段

セラミックス繊維表面の炭素成分を除去したセラミックス繊維を強化材とする。これによりマトリックス金属と強化材のセラミックス繊維がよく濡れて複合則に見合う強度の金属複合材料が得られる。炭素成分がアルミニウムとその合金、金属シリコンとその合金、マグネシウム金属とその合金等とカ−バイド化する反応も防止できるので軽金属との複合材料も化学的に安定である。

概要

背景

機械的強度耐熱性、軽量化等の物性を改善する複合材料として金属に各種繊維を強化材とするFRM(Fiber Rreinforced Metals)は、各種の提案がなされ実用化もされている。

用いられる強化繊維材料は直径5〜11μmの炭素繊維、直径102〜203μmのボロン系繊維、直径102〜203μmのタングステンや炭素繊維をコアにしたSiC繊維、直径127μmのベリリウムスチ−ルやモリブデン繊維があり、直径100μm以上の繊維は自由な形状のFRMを得にくい。

FRMは、アルミニウム合金マグネシウム合金チタン合金等の軽金属セラミックス繊維粒子を強化材にして高強度、耐摩耗性から自動車エンジン部材に広く使用されている。

その製法には鋳造法ホットプレス法中間素材プリフォ−ムワイヤ(Pre−form wire)を成形する製造法が知られている。

鋳造法では溶融金属との高温度接触時間が長いことにより、強化材であるセラミックス繊維との界面反応によって繊維強度劣化を防止できず、複合則に見合う強度のFRMが得られていない。

ホットプレス法では高温度での接触時間を短縮することにより、鋳造法に比較して高強度のFRMが得られるが高価な設備等を要しコスト低減量産化には困難を伴う。

中間素材のプリフォ−ムワイヤを成形する製造法においては、溶融金属との高温接触時間が長いため繊維強度の低下を生じて複合則に見合う高強度高剛性のFRMが得られていない。

この原因として金属と強化繊維との界面での反応により繊維強度が劣化することが上げられている。界面の反応を抑制するために各種の方法が提案されている。

FRM等に使用されるセラミック繊維材表面改質に方法には、例えば、特開平5−117098号公報にはホウ酸アルミニウムウイスカ−を窒化層被覆して強化材とする方法が提案されている。

また、特開平4−91226号公報にはシリカ含有アルミナ繊維表面を窒化ケイ素被覆して強化材とする方法が提案されている。

特開平6−35626号公報にはアルミナ繊維と非晶質アルミナシリカ繊維の混合物を強化材とする方法が提案されている。

特開平9−295898号公報にはホウ酸アルミニウムウイスカ−表面を0.1〜1μmの窒化アルミニウムで被覆して強化材とする方法が提案されている。

特開平11−79713号公報には強化繊維成形体の繊維の表面に金属水酸化物を被覆し、更に焼成被覆材金属酸化物改質し、強化材とする方法が提案されている。

概要

繊維強化金属複合材料の製造に当たって、マトリックス金属と強化材のセラミックス繊維が濡れ難く複合則に見合う強度の金属複合材料が得られていない。セラミックス繊維の炭素アルミニウムとその合金金属シリコンとその合金、マグネシウム金属とその合金等とカ−バイド化する反応があるので軽金属との複合材料も化学的に不安定である。

セラミックス繊維表面の炭素成分を除去したセラミックス繊維を強化材とする。これによりマトリックス金属と強化材のセラミックス繊維がよく濡れて複合則に見合う強度の金属複合材料が得られる。炭素成分がアルミニウムとその合金、金属シリコンとその合金、マグネシウム金属とその合金等とカ−バイド化する反応も防止できるので軽金属との複合材料も化学的に安定である。

目的

本発明は、強化材の繊維表面を改質し強化材の繊維強度から予測される複合則に見合う高強度高剛性のFRMを安価に提供する。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
1件

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請求項1

繊維強化金属複合材料に用いられる繊維径が30μm以下で繊維表面の炭素成分を除去したことを特徴とするセラミック繊維

請求項2

ID=000002HE=020 WI=141 LX=0345 LY=0450するセラミック繊維。

請求項3

請求項1のセラミック繊維が表面にSiC、TiC又はB4Cで被覆されていることを特徴とするカ−ボン繊維。

請求項4

セラミック繊維表面の炭素成分除去のために500〜950℃好ましくは650〜850℃水素ガス雰囲気中脱炭素処理することを特徴とする請求項1のセラミック繊維の製法

技術分野

0001

本発明は繊維強化金属複合材料(以下、FRM)において、繊維表面の炭素成分を除去した繊維径が30μm以下のセラミック繊維強化材とすることにより、マトリックスの金属との濡れ性を高め界面反応を抑えた高強度高剛性の繊維強化金属複合材料を提供する。

背景技術

0002

機械的強度耐熱性、軽量化等の物性を改善する複合材料として金属に各種繊維を強化材とするFRM(Fiber Rreinforced Metals)は、各種の提案がなされ実用化もされている。

0003

用いられる強化繊維材料は直径5〜11μmの炭素繊維、直径102〜203μmのボロン系繊維、直径102〜203μmのタングステンや炭素繊維をコアにしたSiC繊維、直径127μmのベリリウムスチ−ルやモリブデン繊維があり、直径100μm以上の繊維は自由な形状のFRMを得にくい。

0004

FRMは、アルミニウム合金マグネシウム合金チタン合金等の軽金属セラミックス繊維粒子を強化材にして高強度、耐摩耗性から自動車エンジン部材に広く使用されている。

0005

その製法には鋳造法ホットプレス法中間素材プリフォ−ムワイヤ(Pre−form wire)を成形する製造法が知られている。

0006

鋳造法では溶融金属との高温度接触時間が長いことにより、強化材であるセラミックス繊維との界面反応によって繊維強度劣化を防止できず、複合則に見合う強度のFRMが得られていない。

0007

ホットプレス法では高温度での接触時間を短縮することにより、鋳造法に比較して高強度のFRMが得られるが高価な設備等を要しコスト低減量産化には困難を伴う。

0008

中間素材のプリフォ−ムワイヤを成形する製造法においては、溶融金属との高温接触時間が長いため繊維強度の低下を生じて複合則に見合う高強度高剛性のFRMが得られていない。

0009

この原因として金属と強化繊維との界面での反応により繊維強度が劣化することが上げられている。界面の反応を抑制するために各種の方法が提案されている。

0010

FRM等に使用されるセラミック繊維材表面改質に方法には、例えば、特開平5−117098号公報にはホウ酸アルミニウムウイスカ−を窒化層被覆して強化材とする方法が提案されている。

0011

また、特開平4−91226号公報にはシリカ含有アルミナ繊維表面を窒化ケイ素被覆して強化材とする方法が提案されている。

0012

特開平6−35626号公報にはアルミナ繊維と非晶質アルミナシリカ繊維の混合物を強化材とする方法が提案されている。

0013

特開平9−295898号公報にはホウ酸アルミニウムウイスカ−表面を0.1〜1μmの窒化アルミニウムで被覆して強化材とする方法が提案されている。

0014

特開平11−79713号公報には強化繊維成形体の繊維の表面に金属水酸化物を被覆し、更に焼成被覆材金属酸化物改質し、強化材とする方法が提案されている。

発明が解決しようとする課題

0015

本発明は、強化材の繊維表面を改質し強化材の繊維強度から予測される複合則に見合う高強度高剛性のFRMを安価に提供する。

課題を解決するための手段

0016

本発明は、従来法で得られたFRMの強度が、強化材の添加量に応じ複合則に則した材料強度が得られていない点に注目し検討した。

0017

その結果強化材であるセラミックス繊維とマトリックスである金属との濡れの改善と界面反応の防止が必要であることに注目した。

0018

セラミックス繊維とマトリックス金属との濡れについては、繊維表面に金属酸化物や炭素成分の存在がありマトリックス金属との濡れを阻害していること特に炭素成分の存在が溶融金属との濡れを阻害している。

0019

炭素成分がアルミニウムとその合金金属シリコンとその合金、マグネシウム金属とその合金等のマトリックス金属とカ−バイド化反応していることが判明した。軽量化が期待できるアルミニウム又はアルミニウム合金をマトリックスとするFRMにおいて反応生成物のアルミニウムカ−バイドは吸水性が有り、吸水すると加水分解してしまうので極力この反応を防止する必要がある。

0020

そこで本発明者は繊維表面の炭素成分及び金属酸化物のうち特に炭素成分を除去したセラミック繊維を強化材とすることによって、金属との濡れを良好にし、マトリックス金属とのカ−バイド化反応が防止し、高強度高剛性の繊維強化金属複合材料が得られる結果を得た。

0021

また本発明の応用として炭素繊維の表面をSiC、TiC又はB4Cの薄膜で被覆したセラミック繊維としても、繊維表面の炭素成分を除去すると炭素繊維の強度を保持して良好な高強度高剛性の繊維強化金属複合材料が得られる。

発明を実施するための最良の形態

0022

以下に実施形態を説明する。セラミックス繊維を炭素成分除去のために500〜950℃好ましくは650〜850℃水素ガス雰囲気中脱炭素処理する。

0023

この時の繊維の形態は短繊維チョップ繊維、織布、長繊維のヤ−ン、フェルトのいずれもが使用出来る。このとき短繊維は切断端面を含む繊維の全表面が脱炭素されるので好ましい形態である。

0024

この水素ガス雰囲気水素ガス単独雰囲気又は窒素ガスアルゴンガス希釈された水素ガス雰囲気とする。

0025

その処理時間は繊維の重量に応じて適宜選択される。連続でなくてバッチ処理炉おいては、共詰めした炭素繊維の消滅又は焼き細り切断によって脱炭素処理の状態を判定できる。

0026

炭素繊維に検出のための小電流を流しこの小電流のON,OFFによって脱炭素処理時間を電気信号に変換できる。

0027

ID=000003HE=020 WI=141 LX=0345 LY=1250
等のセラミック繊維表面がSiC、TiC又はB4Cで被覆されている繊維のいずれも好適に使用可能である。

0028

Si−C−O繊維であるフィラメント径14μm、引張強度2.9GPa(300kgf/mm2)、引張弾性率206GPa(2100kgf/mm2)の繊維長2〜3mmのチョップを繊維表面の炭素成分を除去するために800℃水素ガス雰囲気中で脱炭素処理した。

0029

脱炭素処理した繊維の強度に変化なく引張強度は2.9GPa(300kgf/mm2)であり、引張弾性率は206GPa(2100kgf/mm2)であった。

0030

脱炭素処理した短繊維をアルミニウム合金(AC8A)溶湯に10重量%添加しFRMとした。得られたFRMの曲げ強さは420MPa(43kgf/mm2)、曲げ弾性率は91GPa(9300kgf/mm2)であった。これはアルミニウム合金(AC8A)の曲げ強さ196MPa(20kgf/mm2)の約2倍、弾性率78GPa(8000kgf/mm2)の1.1倍の強度向上をしめした。

0031

Si−C−O繊維であるフィラメント径14μm、引張強度2.9GPa(300kgf/mm2)、引張弾性率206GPa(2100kgf/mm2)の繊維長2〜3mmのチョップを繊維表面の炭素成分を除去処理なしで、アルミニウム合金(AC8A)溶湯に10重量%添加しFRMとした。得られたFRMの曲げ強さは186MPa(19kgf/mm2)、曲げ弾性率は65GPa(6600kgf/mm2)であった。これはアルミニウム合金(AC8A)の曲げ強さ196MPa(20kgf/mm2)の95%、弾性率78GPa(8000kgfmm2)の83%で繊維を添加した効果が出ていない。

0032

実施例1で得られた脱炭素処理した短繊維を高強度金属含浸炭素摺動材料材質NC−094:日本カ−ボン株式会社製)に10%添加した。得られた材料の曲げ強さは343MPa(35kgf/mm2)、曲げ弾性率は60GPa(6100kgf/mm2)であった。これはアルミニウム合金(AC8A)の曲げ強さ196MPa(20kgf/mm2)の約1.7倍、弾性率78GPa(8000kgf/mm2)の0.8倍の強度である。

0033

NC−094は硬質炭素粉が50vol%アルミニウム合金に添加された構造であり、曲げ強さは216MPa(22kgf/mm2)、曲げ弾性率は39GPa(4000kgf/mm2)である。繊維添加の効果では曲げ強さで1.6倍、弾性率で1.5倍をしめした。

0034

Si−C−O繊維であるフィラメント径14μm、引張強度2.9GPa(300kgf/mm2)、引張弾性率206GPa(2100kgf/mm2)の繊維長2〜3mmのチョップを繊維表面の炭素成分を除去処理なしで、高強度金属含浸炭素摺動材料(材質名NC−094:日本カ−ボン株式会社製)に10%添加した。得られた材料の曲げ強さは186MPa(19kgf/mm2)、曲げ弾性率は39GPa(4000kgf/mm2)であった。繊維添加によって弾性率に変化なく曲げ強さで89%に強度低下した。

発明の効果

0035

本発明は以上のように構成されており、セラミックス繊維表面の炭素成分が除去されているため、マトリックス金属と強化材のセラミックス繊維がよく濡れて複合則に見合う強度の金属複合材料が得られる。炭素成分がアルミニウムとその合金、金属シリコンとその合金、マグネシウム金属とその合金等とカ−バイド化する反応も防止できるので軽金属との複合材料も化学的に安定である。

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