(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加圧された内部に溶融金属を有する金属含浸槽の底部に設けられた入口シール部より、芯材となる線状材を連続的に導入して、含浸槽上部に設けられた出口シール部より連続的に取り出す線状材の溶融金属含浸方法において、該入口シール部付近に設けられたフラックス塗布槽によって、該入口シール部より前記金属含浸槽に導入される線状材にフラックスを連続的に塗布した後、該フラックスが塗布された線状材を溶融金属に線状材を含浸して行い、かつ、該線状材が炭素繊維であって、該フラックスが塩化リチウムあるいは塩化ナトリウムであることを特徴とする溶融金属含浸方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、繊維強化金属などの金属系複合材料の製造方法である溶融金属含浸方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
繊維強化金属など、線状材によって補強された金属材料は、通常の複合材料に比べ耐熱性や比強度などに優れ、また、導電性に優れているため、特に航空宇宙分野、建築構造物あるいは電気通信分野を中心に応用展開されている。
【０００３】
このような、線状材によって補強された金属は、金属がメッキされた線状材を加圧しながら、その金属を溶融する温度以上に加熱することによっても得られるが、通常は生産性が良好で、コスト的に有利な方法である、溶融金属に線状材を浸漬する方法により製造される。
【０００４】
ここで線状材を溶融金属に浸漬して含浸させる方法について図を用いて説明する。
図４は加圧溶融含浸式線状複合材料製造装置の一例を示すモデル図である。
【０００５】
加圧可能な圧力容器内に溶融金属が入った電気炉が設けられていて、容器下部に設けられた入口シール部より線状材束（この例では繊維）が、容器内に連続的に導入される。
【０００６】
導入された線状材は電気炉内の溶融金属に浸漬される。このとき線状材束内に金属が含浸される。その後、容器上部に設けられた出口シール部より金属が含浸された線状材が連続的に取り出され、このものは金属が固化次第、線状複合材料となる。なお、圧力容器内は、溶融金属に対して不活性なガスで加圧されているため、上記含浸時に、ボイドなどの含浸不良個所の発生が防止される。
【０００７】
このような加圧溶融含浸式線状複合材料製造装置を用いた場合、溶融金属がアルミニウムあるいはアルミニウム合金であって、線状材が炭化ケイ素（ＳｉＣ）繊維あるいはアルミナ繊維である場合には比較的良好な複合材料が得られる。しかし、これら炭化ケイ素繊維、アルミナ繊維は極めて高価で、これらに比べてコスト面で有利な炭素繊維等を線状材として用いた場合、線状材表面における溶融金属に対するぬれ性が悪いため、線状材とマトリックス金属との間に間隙が生じたり、あるいは、ボイド（マトリックス含浸不良部）が発生したりして、本来得られるべき性能（電気的、機械的性能）が得られず、その改善が求められていた。
【０００８】
ここで線状材表面における溶融金属に対するぬれ性を改善するため、線状材表面に予め金属層を設けるなどの方法が提案されてきた。
このような例として金属溶射法や真空蒸着法が知られている。
ここで金属溶射・真空蒸着法で用いられる装置を図５にモデル的に示す。
【０００９】
図５において真空容器内に電極が設けられ、電圧が印加されている。この真空容器内には金属蒸気で満たされており、容器下部より連続的に導入された線状材（この例では繊維）表面に金属層が形成される。その後、表面に金属層が形成された線状材は出口シール部より連続的に取り出される。なお、容器は真空ラインに接続されて、内部の減圧状態が維持されるようになっている。
【００１０】
しかしながらこのような金属溶射・真空蒸着法による前処理には、真空維持に関しトラブルが生じやすい上、その効果が安定しない場合が多く、また、高コストとなる。このため、ボビンに巻かれた線状材、及び巻き取りボビンを真空容器内に内蔵する金属溶射・真空蒸着装置も考えられているが、この場合、コスト面での大幅な改善は望めない上、生産性がはるかに劣ると云った欠点があった。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記した従来の問題点を改善する、すなわち、生産性が良く、安定生産が可能でありながら大幅なコスト上昇を招かずに、理想的な性能を有する線状材補強金属材料を生産できる溶融金属含浸方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の溶融金属含浸方法は上記課題を解決するため、請求項１に記載の通り、加圧された内部に溶融金属を有する金属含浸槽の底部に設けられた入口シール部より、芯材となる線状材を連続的に導入して、含浸槽上部に設けられた出口シール部より連続的に取り出す線状材の溶融金属含浸方法において、該入口シール部付近に設けられたフラックス塗布槽によって、該入口シール部より前記金属含浸槽に導入される線状材にフラックスを連続的に塗布した後、該フラックスが塗布された線状材を溶融金属に線状材を含浸して行い、かつ、該線状材が炭素繊維であって、該フラックスが塩化リチウムあるいは塩化ナトリウムである溶融金属含浸方法である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の溶融金属含浸方法において、予めフラックスを塗布した線状材を用いることが必要である。このようなフラックスを塗布した線状材を用いることにより、溶融金属に対する線状材表面のぬれ性を改善し、あるいはマトリックス金属の表面張力を小さくし、マトリックスとなる溶融金属を線状材束内部まで含浸させることが可能となり、その結果、含浸不良個所のない、理想的な線状複合材料を安定して生産することができる。
【００１６】
本発明において、フラックスとは、溶融金属に対する線状材表面のぬれ性を改善するものを云う。ただし、線状材あるいはマトリックス材料である金属を腐食し、あるいは劣化させるおそれのないものを選択する必要があり、用いる線状材、及び、マトリックス用金属の種類によって、無機フラックス、有機フラック等公知のものから適宜選択する。
これらフラックスのうち、線状材が炭素繊維である場合には塩化リチウム、塩化ナトリウムを用いることがぬれ性の改善効果が大きいため好ましい。
【００１７】
なお、塗布時のフラックスは液状であることが望ましく、そのため常温で固体のフラックスの場合には加熱し、あるいは、適当な溶媒を用いて溶解（あるいは分散）させるなどして液状にする。
【００１８】
補強材である線状材としては、マトリックスの溶融温度において、分解、溶融、劣化などの変化を生じないものであることが必要であり、例えば、マトリックスとのぬれ性が良くない黒鉛繊維、炭素繊維、炭化ケイ素繊維、シリカ繊維、ボロン繊維などの無機繊維（セラミック繊維）、ステンレス、銅、スチールなどの金属繊維あるいは金属線が挙げられるが、用いるマトリックス用金属の融点が低い場合、ポリイミドなどの有機繊維、有機材料を用いることも可能である。
【００１９】
なお、線状材のうち、繊維などは表面にサイズ剤（サイジング剤）などが付着している場合があり、これによりフラックスの効果が妨げられる場合にはサイズ剤を溶媒を用いたり、あるいは、ヒートクリーニングなどによって除去する。
【００２０】
マトリックス用材料である金属としては、例えば銅、アルミ、鉄、銀、鉛、錫、マグネシウムなどの金属、あるいはそれらの各種合金を用いることができる。マトリックスの選択に当たっては、特に、複合材形成時に上記線状材の性能を低下させないものを選択することが必要である。
【００２１】
本発明で用いる線状材はフラックスが塗布された後、一旦ボビン等に巻き取られるなど、バッチ的に用いられても良いが、塗布された直後に溶融金属含浸装置に導入されることにより、生産性を著しく向上させることができる。
【００２２】
フラックスを塗布するには、フラックス塗布手段としてフラックス塗布槽を設け液状のフラックスに線状材を浸漬することによっても良く、あるいは、噴霧、滴下、ローラによる塗布などの手段をフラックス塗布手段として応用しても良い。ただし、線状材表面全体に塗布されることが望ましく、液状のフラックスを容する容器に浸漬するする方法が容易でかつ確実である。
【００２３】
ここで本発明について、モデル図を用いて具体的に説明する。
図１に底部に入口シール部１、上部に出口シール部２を有する金属含浸槽３、及び、上記入口シール部付近に、入口シール部から金属含浸槽内に連続的に導入される線状材にフラックスを塗布するフラックス塗布手段を有し、かつ、金属含浸槽内部を加圧状態に保つ加圧手段とを有する溶融含浸装置を示す。
【００２４】
金属含浸槽内にはマトリックス用材料である金属インゴット４が容されている。この金属インゴットは中空であって、金属含浸槽の入口シール部付近及び出口シール部付近にはそれぞれ連通穴があり、入口シール部にはフラックス塗布手段として、液状のフラックス５を容するフラックス塗布槽６が設けられており、フラックス塗布槽下部にはフラックス塗布槽下部シール部６ａが設けられている。線状材である繊維束７はこれらフラックス塗布槽下部シール部６ａ、フラックス塗布槽６、入口シール部１、金属含浸槽３及び出口シール部２を挿通している。なお、このフラックス塗布槽６ａは金属含浸槽入口シール部から金属含浸槽内に連続的に導入される線状材にフラックスを塗布するフラックス塗布手段である。
【００２５】
金属含浸槽内部は金属含浸槽内部を加圧状態に保つ加圧手段であり、マトリックス用材料に対して不活性なガス（本例ではアルゴン）のガスボンベによって加圧されている。金属含浸槽３出口シール部２はオリフィスシールとなっていているが、金属含浸槽内部のガスが少量ずつ漏出するので、上記不活性なガスは継続的に金属含浸槽内部に供給され、内部の圧力が一定に保たれるようになっている。なお、金属含浸槽３内部はヒータ３ａによって加熱可能となっている。
【００２６】
線状材である繊維束７は装置下部から連続的に供給され、出口シール部２から連続的に取り出されていて、フラックス塗布槽下部シール部６ａは内径が狭く、オリフィスシール構造を有しているため、フラックス塗布槽６内の液状フラックス５の漏出が防止されている。なおフラックス塗布槽６内では繊維束７の個々の繊維表面に液状フラックス５が連続的に塗布される。
【００２７】
この状態でヒータ３ａにより金属含浸槽３内部を加熱すると、金属含浸槽３内壁に接した部分から金属インゴット４が溶融し、図２にモデル的に示す状態となる。
すなわち、金属含浸槽３内の金属インゴット４は溶融し溶融金属４’となり、また金属含浸槽３内部がガスによって加圧されていることと相俟って、フラックス塗布槽６内で表面に液状フラックスが塗布された繊維束の個々の繊維表面まで溶融金属４’が到達しすることができる。
【００２８】
このように溶融金属４’が含浸した繊維束は出口シール部から連続的に金属含浸槽外に取り出される。このとき繊維束に含浸された溶融金属４’が固化して線状複合材料７’が形成される。
【００２９】
このような装置を使用することにより加圧された内部に溶融金属を有する金属含浸槽の底部に設けられた入口シール部より、芯材となる線状材を連続的に導入して、含浸槽上部に設けられた出口シール部より連続的に取り出す線状材の溶融金属含浸方法において、該入口シール部付近に設けられたフラックス塗布槽によって、該入口シール部より前記金属含浸槽に導入される線状材にフラックスを連続的に塗布することが可能となり、その結果、製造される線状複合材料はボイドなどの欠陥部分がなく、マトリックスと線状材との密着性に優れたものであり、機械的特性等、本来の性能が十全に発揮される。
【００３０】
図３は本発明の溶融金属含浸装置の他の例を示すモデル図である。
この装置の金属含浸槽３の部分は図１及び図２に示した溶融金属含浸装置と同じ構造であるが、金属含浸槽３の底部に設けられた入口シール部１に、入口シール部１から金属含浸槽３内に連続的に導入される線状材（繊維束）７にフラックスを塗布するフラックス塗布手段としてフラックス供給槽６’を有する。フラックス供給槽６’上部には小孔（図示しない）があり、供給槽６’内部の液状フラックスは少量ずつ金属含浸槽３の入口シール部１に供給される。
【００３１】
金属含浸槽３の入口シール部１に達した線状材である繊維束７はこのフラックス供給槽６’内部から少量ずつに供給される液状フラックス５に接触し、その結果フラックス５は繊維束７の個々の繊維表面にに塗布される。このようにフラックスが塗布された繊維と金属含浸槽内部の溶融金属（この図では溶融前のインゴットが示されているが、ヒータ３ａの加熱により溶融金属となる）によって良好な線状複合材料が形成される。
【００３２】
【発明の効果】
本発明の溶融金属含浸方法は、生産性が高く、低コストで理想的な性能を有する線状複合材料が得られる優れた溶融金属含浸方法である。
本発明の溶融金属含浸装置は、低コストでで理想的な性能を有する線状複合材料を可能とする優れた溶融金属含浸装置である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る溶融金属含浸装置を示すモデル図である。
【図２】図１の装置の稼働状態を示すモデル図である。
【図３】本発明に係る他の溶融金属含浸装置を示すモデル図である。
【図４】従来の溶融金属含浸装置を示すモデル図である。
【図５】従来の溶融金属含浸装置で併用する金属溶射・真空蒸着装置を示すモデル図である。
【符号の説明】
１  入口シール部
２  出口シール部
３  金属含浸槽
３ａ  ヒータ
４  金属インゴット
４’  溶融金属（マトリックス用材料）
５  フラックス
６  フラックス塗布槽
６ａ  フラックス塗布槽下部シール部
６’  フラックス供給槽
７    繊維束（線状材）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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