(57)【要約】【課題】炭素繊維などの高強度繊維を弾性変形させることにより生じた圧縮残留応力を利用して、金属部材の高温強度を改善する。【解決手段】金属又は合金からなる金属部材１０，２０と、弾性変形したままで、この金属部材に組み込まれた高強度繊維３０とを具備した繊維強化複合材料。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属又は合金からなる金属部材と、弾性変形したままで、この金属部材に組み込まれた高強度繊維とを具備した繊維強化複合材料。
【請求項２】
高強度繊維は、炭素繊維である請求項１に記載の繊維強化複合材料。
【請求項３】
高強度繊維は、その表面が金属コーティングされている請求項１又は２に記載の繊維強化複合材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車、機械、医療、スポーツ、航空宇宙、電気・通信工学産業分野の機械、器具、装置、デバイスに適用される繊維強化複合材料に係り、特に耐熱性或いは超軽量の繊維強化複合材料の製造に適している。
【背景技術】
【０００２】
従来、補強材の弾性変形を利用した複合材料として、弾性変形したままのピアノ線で強化したコンクリートが知られている。しかし、この複合材料はコンクリートを強化した物であり、金属を強化したものではない。従って、本発明が意図する上記用途に適用することはできない。
【０００３】
本発明者は、先に、炭素繊維と金属材料とを接合する技術を提案したが（特許文献１）、この提案を更に発展させ、炭素繊維などの高強度繊維を弾性変形させたまま金属材料に組み込むことにより、繊維強化複合材料の高温強度を高めることができることを見出した。
【特許文献１】特開２００４−１０６０４５号公報、特許請求の範囲
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、炭素繊維などの高強度繊維を弾性変形させることにより生じた圧縮残留応力を利用して、金属部材の高温強度を改善した繊維強化複合材料を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明は以下の構成を備える。
【０００６】
金属又は合金からなる金属部材と、弾性変形したままで、この金属部材に組み込まれた高強度繊維とを具備した繊維強化複合材料。
【０００７】
金属部材の成分は用途に応じて適宜設定されるが特に限定されるものではない。例えば、リチウム合金、マグネシウム合金、アルミニウム合金、チタニウム合金、金、銀、銅、白金、パラジウム、これらの合金等の貴金属、鉄、ニッケル、コバルト、これらの合金、鉛、錫、半田合金などが挙げられる。本発明の金属部材は同種のものでも、或いは異種の金属材料の組み合わせでも構わない。
【０００８】
高強度繊維として、炭素繊維が代表的であるが、他に酸化しない、或いは酸化しにくいセラミックス系のグラスファイバーやチラノ繊維等が挙げられる。更には、低温の処理の場合は高強度の高分子系繊維も同様に適用できる。
【０００９】
炭素繊維などの高強度繊維は、金属部材との馴染みを良くするために、その表面に金属コーティングがなされているのがよい。コーティング金属としては、ニッケル、アルミニウム、チタン、貴金属、及びこれら金属の合金が挙げられ、これらの単層でも複層でもよい。炭素繊維などの高強度繊維の性状は特に限定されない。例えば、束状及び織ないし編んだシート状等が挙げられる。また、シート状高強度繊維は、その用途等に応じて適宜選択される。
【００１０】
高温で使用される用途の場合、炭素繊維などの高強度繊維の成分と金属部材の成分との高温反応により脆い化合物が形成される惧れがある。脆い化合物の形成は高強度繊維の劣化を招き、高温での長時間処理は残留応力が開放されて強度が低下する。このような場合、高強度繊維の熱による金属との反応などに伴う劣化を防ぐため、コーティング金属の種類や高温での熱履歴が重要な技術開発のポイントとなる。コーティング金属の膜厚を数原子層から数ミクロンメートルの範囲、具体的には１０ｎｍ〜２μｍ程度とすることにより、脆い化合物相が形成されても、脆さを防止することができる。
【００１１】
また、炭素繊維などの高強度繊維は、繊維強化樹脂の形態、例えばＣＦＲＰ，ＦＲＰ，ＦＲＭとすることも可能である。  
更に炭素繊維として、先に特開２００２−３７１４６１号公報で提案した、電子線を照射線量４０〜２００Ｍｒａｄの条件下で照射した超高強度炭素繊維を使用することも可能である。  
炭素繊維などの高強度繊維の弾性変形量は、材料の種類、用途などによっても異なるが、０．５〜２．０％程度が好ましい。
【００１２】
本発明に係る繊維強化複合材料は、金属材料に、弾性変形したままの高強度繊維を組み込むことにより製造することができる。具体的には、電気溶接法によるスポット溶接によりおこなうことができる。この場合、接合強度を高めるために、スポット電圧を１６０〜２３０Ｖ、特に１８０〜１９０Ｖとするのがよい。具体的には特開２００４−１０６０４５号公報に開示された技術を本発明にも適用することができる。スポット溶接以外にも電気接合、パーカッション溶接、鋳ぐるみ、粉末冶金、鍛造、圧延、押出し、引抜き加工などが挙げられる。接合構造としては、複数の金属部材間に高強度繊維をサンドイッチ状に配置した構造、二つの金属部材を突合せ、突合せ面の外周面を高強度繊維で巻回した構造、弾性変形した高強度繊維をメッキや鋳造で包み込み、凝固後残りの部分を異種金属で包み込んだ構造等がある。
【発明の効果】
【００１３】
炭素繊維などの高強度繊維を弾性変形したままで金属部材に組み込むことにより、その高い圧縮応力を積極的に利用して高温強度を高めることができる。特に、炭素繊維を用いると高温での弾性率の低下の抑制効果が顕著である。短時間であれば、母相金属材料の再結晶温度程度でも耐熱性を発揮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明は、炭素繊維のような高強度繊維を弾性変形したままで金属母相に埋め込むことにより、耐熱高強度複合材料を製造する。特に、高強度繊維として炭素繊維を用いると、高温での弾性率の低下の抑制が顕著である。短時間であれば、金属母相の再結晶温度程度でも耐熱性を発揮することができる。従って、高強度防振材料、耐高温強度バネ軽合金、耐高温強度導電性バネ材、異種金属接合部品の用途に有効である。一般に、炭素繊維そのものの引張り破断応力は２〜４ＧＰａであるが、複合材料の機械的性質はほぼ複合則に従い、炭素繊維と母相合金の体積比と強度により設定できる。
【００１５】
更に説明を加えれば、本発明に係る繊維複合材料は、熱膨張率が低く、比表面積の非常に大きい高強度繊維を弾性変形し、凝固収縮や熱収縮率の大きな金属融体にセットし、室温にまで冷却することにより、高強度繊維が母相に接合されて製造される。繊維複合材料の強度は高強度繊維の破断に支配され、高強度繊維の接合部近傍での強度と総断面積との積である。例えば、純鉄は凝固時に４．４０％、凝固後室温までに５．９７％の大きな体積収縮が見られる。さらに、鉄がグラファイトの熱収縮率の３．５±２．０倍であることからも、炭素繊維に金属母相から圧縮応力が付加され、母相と炭素繊維が強力に接合され得る。さらに母相金属で包まれている炭素繊維を引張る際の母相の変形抵抗力や静摩擦力に起因する比表面積の広い繊維−母相界面付近における強度が、炭素繊維の破壊強度より更に大きいため、炭素繊維の強度がこの破壊強度を支配する。
【００１６】
更に、例えば、６マイクロメータ直径の炭素繊維における繊維−母相界面近傍における比表面積は６．６７×１０５ｍ−１である。すなわち、接合面積は単位体積（ｍ３）当り６６．７万平方メートルである。例えば、１０ｃｍ×１ｃｍ×１ｃｍの２本の棒を底面と側面で接合した場合、接合比表面積はそれぞれ１０ｍ−１と１０２ｍ−１である。すなわち、接合面積は単位体積（ｍ３）当り１０と１００平方メートルであり、３桁から４桁小さい。
【００１７】
（構造）  
図１（ａ）は、炭素繊維などの高強度繊維のシート３０に張力をかけて弾性変形させている状態を示す。この状態を維持したまま、同図（ｂ）に示すように、金属部材１０，２０との間にシート３０を挟み込みこれらを接合する。このことにより、本発明に係る繊維強化複合材料４０を製造することができる。図２（ｃ）の繊維強化複合材料５０は、図１の方法で得られた繊維強化複合材料を複数層に積層して得られたものである。
【００１８】
図３（ｂ）は、高強度繊維のシート３０に張力をかけて弾性変形させている状態のままで、端面を突合わせた同種又は異種の金属部材１０．２０の外周を包み込み、（ｃ）に示すように接合することにより本発明に係る繊維強化複合材料６０を製造することができる。
【００１９】
図４（ｂ）は、高強度繊維のシート３０に張力をかけて弾性変形させている状態のままで、その下側半分を金属で鋳込み、その凝固後同図（ｃ）に示すように、その上半分を同種又は異種の金属で鋳込んで本発明に係る繊維強化複合材料７０を製造することができる。
【００２０】
（実施例）  
例１  比重１未満のリチウム合金（金属母層）に、炭素繊維のシートを弾性変形したままで（弾性変形量１％）鋳込みにより埋め込み、導電性高温超高強度超軽量複合材料を製造した。複合材料の弾性率は炭素繊維の含有率で決まる。例えば、弾性率が２０ＧＰａのクロスマット状に配列した炭素繊維の体積を２０％又は５０％含有した場合、リチウム合金の回復温度以下までについては、通常の曲げ試験法を用いると２ＧＰａおよび５ＧＰａまでの弾性率とすることが可能である。リチウムの比重は０．６であるので、この方法により超高比強度の複合材料を作ることができる。
【００２１】
また、炭素繊維のシートは弾性変形したままなので、耐熱性が高く、金属母材の回復温度を越えた状態（２００℃）が１００時間程度までは、室温の弾性率の８０％程度を維持することができる。
【００２２】
例２  防振が期待できるマグネシウム合金に、炭素繊維を弾性変形したままで（弾性変形量１％）鋳込みにより金属母相に埋め込み、高温超高強度超軽量複合材料を製造した。このため、複合材料の弾性率は炭素繊維の含有率で決まり、もし弾性率が２０ＧＰａのクロスマット状に配列した炭素繊維の体積を５０％含有すると、マグネシウム合金の回復温度以下まで通常の曲げ試験法を用いて測定すると５ＧＰａまで可能である。マグネシウムの比重は１．５であるので、高比強度の複合材料を作ることができる。
【００２３】
また、炭素繊維のシートは弾性変形したままなので、耐熱性が高く、金属母材の回復温度を越えた状態（２００℃）が１００時間程度までは、元の弾性率の８０％程度を維持することができる。
【００２４】
例３  アルミニウム合金に炭素繊維を弾性変形したままで（弾性変形量１％）鋳込みにより金属母相に埋め込み、導電性高温超高強度軽量複合材料を製造した。複合材料の弾性率は炭素繊維の含有率で決まる。弾性率が２０ＧＰａのクロスマット状に配列した炭素繊維の体積を５０％含有すると、アルミニウム合金の回復温度以下まで通常の曲げ試験法を用いて測定すると５ＧＰａまで可能である。アルミニウムの比重は２．７であるので、高比強度の複合材料を作ることができる。
【００２５】
また、炭素繊維のシートは弾性変形したままなので、耐熱性が高く、金属母材の回復温度を越えた状態（２００℃）が１００時間程度までは、室温の弾性率の８０％程度を維持することができる。
【００２６】
例４  チタニウム合金に炭素繊維のような高強度繊維を弾性変形したままで（弾性変形量１％）鋳込みにより金属母相に埋め込み、導電性高温超高強度軽量複合材料を製造した。複合材料の弾性率は炭素繊維の含有率で決まる。弾性率が２０ＧＰａのクロスマット状に配列した炭素繊維の体積を５０％含有すると、チタニウム合金の回復温度以下まで通常の曲げ試験法を用いて測定すると５ＧＰａまで可能である。チタニウムの比重は３．６であるので、高比強度の複合材料を作ることができる。
【００２７】
また、炭素繊維のシートは弾性変形したままなので、耐熱性が高く、金属母材の回復温度を越えた状態（３００℃）が１００時間程度までは、室温の弾性率の８０％程度を維持することができる。
【００２８】
例５  金、銀、銅、白金、パラジウムのような貴金属に炭素繊維を弾性変形したままで（弾性変形量１％）鋳込みにより金属母相に埋め込み、導電性高温超高強度軽量複合材料を製造した。複合材料の弾性率は炭素繊維の含有率で決まる。弾性率が２０ＧＰａのクロスマット状に配列した炭素繊維の体積を５０％含有すると、貴金属合金の回復温度以下まで通常の曲げ試験法を用いて測定すると５ＧＰａまで可能である。
【００２９】
また、炭素繊維のシートは弾性変形したままなので、耐熱性が高く、金属母材の回復温度を越えた状態（３００℃）が１００時間程度までは、室温の弾性率の８０％程度を維持することができる。
【００３０】
例６  鉄、ニッケル、コバルト合金に炭素繊維を弾性変形したままで（弾性変形量１％）鋳込みにより金属母相に埋め込み、導電性高温超高強度軽量複合材料を製造した。複合材料の弾性率は炭素繊維の含有率で決まる。弾性率が２０ＧＰａのクロスマット状に配列した炭素繊維の体積を５０％含有すると、貴金属合金の回復温度以下まで通常の曲げ試験法を用いて測定すると５ＧＰａまで可能である。
【００３１】
また、炭素繊維のシートは弾性変形したままなので、耐熱性が高く、金属母材の回復温度を越えた状態（３００℃）が１００時間程度までは、室温の弾性率の８０％程度を維持することができる。
【００３２】
例７  鉛、錫、半田合金に炭素繊維を弾性変形したままで（弾性変形量１％）鋳込みにより金属母相に埋め込み、導電性高温超高強度軽量複合材料を製造した。複合材料の弾性率は炭素繊維の含有率で決まる。弾性率が２０ＧＰａのクロスマット状に配列した炭素繊維の体積を５０％含有すると、鉛、錫、半田合金の回復温度以下まで通常の曲げ試験法を用いて測定すると５ＧＰａまで可能である。
【００３３】
また、炭素繊維のシートは弾性変形したままなので、耐熱性が高く、金属母材の回復温度を越えた状態（１００℃）が１００時間程度までは、室温の弾性率の８０％程度を維持することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明は、自動車、機械、医療、スポーツ、宇宙科学、電気通信工学産業分野などで使用される機械、器具、装置、デバイスの製造に有効に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】弾性変形した炭素繊維シートを金属の薄板と接合して、本発明に係る複合材料とすることを示す図で、（ａ）は炭素繊維シートに張力を付加している状態、（ｂ）は金属の薄板間に張力が付加された炭素繊維が配置されている状態を示す。
【図２】弾性変形した炭素繊維シートを金属の薄板と接合し、この接合束同士で接合し、本発明に係る複合材料とすることを示す図で、（ａ）は炭素繊維シートに張力を付加している状態、（ｂ）は金属の薄板間に張力が付加された炭素繊維が配置されている状態、（ｃ）はこれを更に積層した状態を示す。
【図３】弾性変形した炭素繊維シートで接合部の外部表面を包み（巻き）合金を強化し、更に異種合金の接合を強化し、本発明に係る複合材料とすることを示す図で、（ａ）は炭素繊維シートに張力を付加している状態、（ｂ）は金属の薄板間に張力が付加された炭素繊維を突合わせた２つの金属部材の外周に巻き付けた状態、（ｃ）は更に接合した状態を示す。
【図４】弾性変形した炭素繊維の束やシートを合金でメッキや鋳造で包み、凝固後、さらに異種金属で残りの束やシートを包み、異種金属を接合して本発明に係る複合材料とすることを示す図で、（ａ）は炭素繊維シートに張力を付加している状態、（ｂ）は張力が付加された炭素繊維シートの下部を包むように鋳造する工程を示し、（ｃ）は張力が付加された炭素繊維シートの上部を包むように鋳造した工程を示す。
【符号の説明】
【００３６】
１０…金属部材
２０…金属部材
３０…高強度繊維（炭素繊維）
４０，５０，６０，７０…繊維強化複合材料
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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