(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
芯となる繊維（５）の外周上に粘着力のある第１の接着剤（３）を塗布する第１ステップと、
前記第１の接着剤（３）上に粉末の第１の充填材（７）を塗布して前記第１の充填材を前記第１の接着剤に付着させる第２ステップと、
前記第１の充填材（７）上に、前記第１の接着剤と互いに不溶性のポリマーの被覆層（９）を張り付ける第３ステップと、
前記被覆層（９）上に粘着力を有する第２の接着剤（３）を塗布する第４ステップと、
前記第２の接着剤（３）上に粉末の第２の充填材（７）を塗布して前記第２の充填材を前記第２の接着剤に接着させる第５ステップと、
前記第２の充填材（７）上に、前記第２の接着剤と互いに不溶性のポリマーの第２の被覆層（９）を張り付ける第６ステップと
を備える、複合材料被覆繊維の製造方法。
【請求項２】
芯となる繊維（５）の外周に複合材料が被覆された、複合材料被覆繊維であって、
前記繊維の外周を覆うように塗布された粘着力のある第１の接着剤（３）と、
前記第１の接着剤（３）上に塗布された粉末の第１の充填材（７）と、
前記第１の充填材（７）上に貼りつけられた、前記第１の接着剤と互いに不溶性のポリマーの第１の被覆層（９）と、
前記第１の被覆層（９）の外周を覆うように塗布された粘着力を有する第２の接着剤（３）と、
前記第２の接着剤（３）上に塗布された粉末の第２の充填材（７）と、
前記第２の充填材（７）上に貼りつけられた、前記第２の接着剤と互いに不溶性のポリマーの第２の被覆層（９）と
を備えた、複合材料被覆繊維。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は複合材料を製造するためのプレフォームを作るための方法およびプレフォームから製品を製造するための方法に関し、特に、粉末被覆繊維、不織マットおよびテープキャストプレフォームを形成するためにチタン粉末を用いる方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複合材料の製造においてプレフォームまたはプレプレグを用いることは技術分野において周知である。これらのプレフォームには、繊維、ホイスカ、微粒子などの強化材料が、その後繊維強化複合材料に加工されるような形でマトリクス材料とともに組込まれている。
【０００３】
タケザワ他（Takezawa et al. ）の米国特許第５，２７９，８７９号は、炭素繊維および少なくとも１つの他の強化繊維を含む混成プレプレグを開示している。強化炭素繊維および異質繊維がエポキシなどの熱硬化性マトリクス樹脂に含浸される。異質繊維および強化繊維の大きさはプレプレグの機械的な強さを高めるよう調整される。
【０００４】
第１に有機質粘結剤および粗い粉末のスラリーを形成することによってプレプレグまたはプレフォームを作ることも公知である。その後、表面上の所望の高さに設定されたドクターブレードを用いて、繊維を含む表面にスラリーが均一に与えられる。他の先行技術のプロセスでは、粉末、粘結剤および溶媒によってスラリーが形成され、このスラリーが可動テープ上に与えられて硬化される。その後、複合材料に用いるための繊維材料がテープ表面に押圧される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
これらの先行技術の欠点として、有機質粘結剤との混合に用いられる粉末の粗さが原因となる、繊維への損傷および繊維の不整列が挙げられる。ドクターブレードを用いると、粗い粉末はブレードによって引きずられることが多く、これは繊維の整列および間隔の開き具合を損なうおそれがある。さらに、適用媒体としてスラリーを用いると、複合材料プレフォームの１単位面積の質量を調整することが困難になる。
【０００６】
粗い粉末を含むスラリーを用いる場合、スラリーの塗布時に繊維を定位置に保つために用いられる接着剤がスラリーコンポーネントによって破壊されるおそれがある。繊維を定位置に保つ接着が損なわれると繊維の不整列が生じ、さらにプレフォーム材料の１単位面積当りの質量に悪影響が及ぼされるおそれがある。
【０００７】
これらの先行技術のプロセスの欠点に鑑みて、複合材料プレフォームであって、プレフォームの１単位面積当りの質量の変化を精密に調整できるようにし、コストが安く、かつプレフォームの製造時にプレフォームにおける強化材料の整列を破壊しないものを作るための改善した方法を提供する必要性が生じた。
【０００８】
このような必要性に応じて、この発明は乾いた粉末をさまざまな表面に調整しながら塗布して種々の成形物、コーティングまたは他の型の複合材料を形成できるようにする製造方法を提供する。この発明の方法は粉末を塗布するようスラリーなどを形成するための、複雑で高価な装置の必要をなくし、かつプレフォームまたはプレプレグの、積み重ねられたまたは他の多数の層か、または構成物を製造する際に容易に繰返すことができる。
【０００９】
したがってこの発明の第１の目的は、複合材料を製造するためのプレフォームおよびプレフォームから製品を製造するための改善した新しい方法を提供することである。この発明の別の目的は、所与のプレフォームの１単位面積当りの質量を精密に調整できるようにする、プレフォームの製造方法を提供することである。この発明の別の目的は、プレフォームの製造時に繊維材料が精密に整列するようにする、プレフォームの製造方法を提供することである。この発明のさらなる目的は、硬化およびガス抜きなどのその後のプロセスの間に定位置に保たれるマトリクス材料および強化材料または充填材を含むプレフォームを提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の複合材料被覆繊維の製造方法は、繊維を提供するステップの後、この繊維の外周上に第１の粘着接着剤を塗布する第１ステップと、第１の粘着接着剤上に第１の粉末充填材を塗布して該第１の粉末充填材が前記第１の粘着接着剤に接着するようにする第２ステップと、第１の粉末充填材上に、第１の粘着接着剤と互いに不溶性のポリマーの第１のバリア層を張り付ける第３ステップと、第１のバリア層上に第２の粘着接着剤を塗布する第４ステップと、第２の粘着接着剤上に第２の粉末充填材を塗布して該第２の粉末充填材が第２の粘着接着剤に接着するようにする第５ステップと、第２の粉末充填材上に、第２の粘着接着剤と互いに不溶性のポリマーの第２のバリア層を張り付ける第６ステップとを備える。
【００１１】
この製造方法によって製造される複合材料被覆繊維は、芯となる繊維の外周に複合材料が被覆された、複合材料被覆繊維であって、繊維の外周を覆うように塗布された第１の粘着接着剤と、第１の粘着接着剤上に塗布されて接着された第１の粉末充填材と、第１の粉末充充填材料上に貼りつけられた、第１の粘着接着剤と互いに不溶性のポリマーの第１のバリア層と、第１のバリア層の外周を覆うように塗布された第２の粘着接着剤と、第２の粘着接着剤上に塗布されて接着された第２の粉末充填材と、第２の粉末充充填材料上に貼りつけられた、第２の粘着接着剤と互いに不溶性のポリマーの第２のバリア層とを備える。
【００１２】
【発明の実施の形態】
複合材料を製造するためのプレフォームまたはプレプレグを作るための方法は、コストが高く複雑な装置を必要とし、強化コンポーネントの分布が望ましく、かつマトリックス材料および強化コンポーネントの比が適切である質の高いプレフォームを提供できない、公知の先行技術よりもかなり進歩している。
【００１３】
以下に図示によって説明する、この発明にとって参考となる構造の一例において、接着剤で被覆された基板に少なくとも１つの複合材料コンポーネントが張り付けられる。複合材料コンポーネント上にはバリア層が張り付けられ、このバリア層は基板上の接着剤とは互いに不溶性である。互いに不溶性であるということは、接着剤のすべてのコンポーネント、たとえばポリマーまたは溶媒がバリア層コンポーネント、たとえばその溶媒またはポリマーのうちいずれにも溶けず、また、すべてのバリア層コンポーネント、たとえばその溶媒またはポリマーが接着剤のすべてのコンポーネント、たとえばポリマーまたは溶媒のいずれにも溶けないことを意味するよう意図される。
【００１４】
接着剤とバリア層とが互いに不溶性であれば、接着剤に張り付けられる複合材料コンポーネントはその後のプレフォームの硬化および／または他の処理時に定位置に保たれる。したがって、所望の複合材料コンポーネントの配向および位置付けはその後の一連の積み重ねまたは複合物の製造に関した他の処理工程において影響を受けない。
【００１５】
複合材料コンポーネントは強化複合材料に用いられる公知の強化要素のうちいかなるものを含んでもよい。好ましくは、複合材料コンポーネントは粉末、ホイスカ、粒子材料および短いまたは長い繊維などの充填材である。より好ましい実施例において、複合材料コンポーネントは間隔のあけられた関係で配置された繊維の第１の層であって、間隔のあけられた繊維間に分散した粉末材料を有するものを含み、粉末材料は基板上の接着剤によって定位置に保たれる。その後繊維および粉末がバリア層で被覆される。このように、繊維はそれらの所与の関係に維持され、粉末は間隔のあけられた繊維間に露出した接着剤に接着する。余分な粉末はすべて、高価なまたは複雑な処理技術を必要とすることなく単にブラシで取除かれるか、または重力によって取除くことができる。
【００１６】
この発明の複合材料コンポーネントは複合材料の製造に従来用いられてきたいかなる材料であってもよく、これらの材料にはたとえば繊維、ホイスカなどの強化コンポーネントには炭素、ケブラー、ホウ素、シリコンカーバイド、シリコン窒化物およびアルミナなどが含まれる。
【００１７】
もし複合材料コンポーネントが、間隔のあけられた繊維間に位置付けられるか、またはマトリクス材料として作用するようにされた充填材料であれば、この充填材料は好ましくは粉末材料である。より好ましくは、粉末材料はたとえばチタンなどの複合マトリクスである金属粉末である。
【００１８】
接着剤を受取る基板は接着剤を受取るよう適合可能ないかなる型のものであってもよい。基板はその後のプロセスに用いられるすべての溶媒に対して化学的に不活性であり、かつ間隔のあけられた繊維などの、基板上に置かれた材料に悪影響を及ぼさない欠陥のない滑らかな表面を提供しなければならない。基板はアルミニウムホイル、ポリエチレンテープまたはテフロン（Ｒ）テープなどのシートまたはストリップ材料であってもよい。これに代えて、基板の材料はシリンダの形であってもよく、たとえばシリコンカーバイドなどのワイヤまたは繊維材料であってもよい。
【００１９】
繊維または粉末などの複合材料コンポーネントを基板材料に固定するために用いられる接着材料は以下のような特性を有するべきである。すなわち、繊維の間隔を維持するよう、乾くときにはわずかにしか収縮しないということ、その後のプロセスに用いられる他の溶媒すべてに対して不溶性であるということ、製造環境においてプレフォームを取扱うことができるよう基板に十分に接着すること、テープキャスティング後に裏打ちまたは基板の材料を取除くことができるよう、接着しても十分に取外し可能であることおよび完全にガス抜きできることなどである。好ましい粘着接着剤はポリマーの重量の１．０％だけヘキサンに溶解したポリイソブチレンである。しかしながら、上記の基準に従い、かつ所望の粘着性を提供する他の公知の接着剤がこの発明に用いられてもよい。
【００２０】
複合材料コンポーネントの大きさは複合材料を製造するためにはいかなる適切な大きさであってもよい。繊維またはホイスカはいかなる直径および長さであってもよく、かつ粉末充填材に関連して用いられる場合には、選択された粉末のメッシュサイズであるいくらかの粒子が繊維間に嵌まるのであれば、いかなる間隔で与えられるかまたは巻かれてもよい。好ましくは、シリコンカーバイド繊維は０．００５″の直径で選択される。
【００２１】
粉末材料のメッシュサイズは粉末の最終用途に依存して、いかなる所望の組成またはサイズであってもよい。粉末が単に複合材料コンポーネントとして用いられるのであれば、粉末のサイズは間隔のあけられた繊維間に嵌まるという要件を満たす必要はない。粉末が繊維とともに用いられるよう選択されるのであれば、粉末のサイズは繊維間に嵌まるよう十分に小さくなければならない。好ましくは、粉末は間隔のあけられた繊維に用いられるのであれば２００メッシュよりも小さい。
【００２２】
発明のプレフォームおよび製造方法は複合材料を製造するためのいかなる公知のプロセスおよび装置に用いられてもよい。これらのタイプのプロセスの例としては、拡散接合、液体金属浸透および熱アイソスタティク成形などの粉末冶金加工技術などが含まれる。これらの技術は技術分野においては周知であるため、それらのより詳細な説明はこの発明を理解するためには必要であるとはみなされない。
【００２３】
接着剤、複合材料コンポーネントおよびバリアコーティングの、単一層の形にある、この発明方法によって作られたプレフォームは、他のプレフォームと用いられる場合には、主に表面材料としてモノリシックシートなどの単一層に用いられるか、テープキャストプレフォームのためのベースとして用いられるか、または繊維強化複合材料の製造に用いられるようホイルの層で積み重ねられ得る不織マットとして用いられてもよい。製造された複合材料の典型的な形としては、構造上のコンポーネント、またはインサートとしてのシート、ギアおよびタービンロータのためのリング、チューブまたはシャフト、アクチュエータロッドおよびシェル、ファンブレードおよびタービンコンポーネントなどが含まれる。
【００２４】
１つまたはそれ以上の選択された複合材料コンポーネントに関連したさまざまな変化要因を選択することにより、この発明方法は所与のプレフォームが作られるときに質量の負荷が精密に調整できるようにする。すなわち、粉末材料が用いられるならば、粉末のサイズ、サイズ分布、プレフォーム層の形および数を調節してその後の複合材料の製造のために、１単位面積当りの所与の質量の値を達成することができる。この発明方法は粉末を含むスラリーの使用を省くため、粉末または他の複合材料コンポーネントの精密な調整が維持できる。このように、コストが低く、プレフォームの製造に一貫して繰返すことのできる方法が提供される。
【００２５】
与えられた粉末を保持するために粘着性接着層を単独でまたは間隔のあけられた繊維と組合せて用いることにより、ブラッシング、拭き取りまたは粉末を取除くために重力を用いることといった簡単な機械的な工程によって余分な粉末が容易に取除かれるため、粉末の負荷を正確に調整することができる。さらに、粘着接着剤に接着しない粉末材料は後の積層工程で容易に再利用することができる。
【００２６】
図１には、本発明にとって参考となるマット１０が示されている。このマット１０は、基板１と、接着層３と、それに取付けられた間隔のあけられた繊維５とが含まれる。繊維５は間隔があけられた関係で接着剤３上に置かれる。その後粉末材料７が繊維上に塗布されて繊維５の間の接着剤３に接着する。接着剤３とは互いに不溶性であるバリア層９が繊維５および粉末７上に張り付けられる。
【００２７】
好ましくは、基板の材料はＯテンパ型ＡＡ１１００アルミニウムホイルの、０．００３″の厚さの層である。接着剤はヘキサン溶媒中における、１％の重量のポリイソブチレンである。バリア層はアセトンに溶解したポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）の重量の１％である。
【００２８】
接着剤を含む基板に複合材料コンポーネントを与えるためにはいかなる公知の技術を用いてもよいが、間隔のあけられた繊維が用いられる場合には、ドラムワインディングプロセスを用いることが好ましい。次に図２を参照して、概略的なドラムワインディング装置が参照符号２０で全体的に示される。装置２０は、基板１下のバンプになり、それにより繊維の間隔の妨げとなる塵および粉末などがドラム表面上にないよう清浄にされている。基板１の１方の表面がさらに清浄にされ、基板は清浄にされた側がドラムに対面するようドラムのまわりに巻付けられる。基板は接着剤などを用いることのようないかなる公知の態様でドラムに接着されてもよい。
【００２９】
基板１は好ましくは約４分の１インチの幅であるギャップ２３を残してドラム上に巻かれる。好ましくはドラム上の同じ場所にあるギャップ２３によりプレフォーム材料の取外しが容易になる。
【００３０】
基板１がドラム２１に巻き付けられると、基板は滑らかにされ外面が清浄にされる。この清浄時にドラムのオペレータは基板に対して強く押圧するためすべての介在物およびバンプなどが規定される。その後バンプはレザーブレードによって削り落とされて滑らかにされる。
【００３１】
ドラムが回転している間にポリイソブチレンおよびヘキサンの混合物が発泡ブラシによって基板に与えられる。ドラムワインディング時の基板上で繊維がずれないよう十分な量のポリイソブチレンおよびヘキサンの混合物が多数の被覆で与えられなければならない。被覆は次のものが適用される前に十分に乾くようにされなければならない。被覆はまた、気泡、点滴、ブラシ跡または繊維の間隔に悪影響を及ぼし得るいかなる他の欠陥も有してはならない。
【００３２】
さらに図２を参照して、装置２０は繊維スプール２５を含み、この繊維スプールはドラムまわりに巻付けられる繊維２７を保持する。繊維２７は引張ホイール２９およびアライナ３４によって送られる。その後繊維はドラムの一方の端縁近くで基板に留め付けられる。アライナチップ３３は繊維の横に位置付けられ、ドラムワインディングが始まる。繊維が所望の幅でドラムまわりに巻かれると、ワインディングプロセスは止まり、繊維２７の端部が基板に留め付けられる。好ましくは、５ミルの直径のシリコン繊維が用いられ、１インチにつき１２５本の繊維の割合で巻かれる。このワインディングにより繊維間には３ミルのギャップが提供され、このギャップは粉末などの所望の充填材を受取るためのものである。
【００３３】
繊維がドラム上で定位置に巻かれると、ドラムに巻かれたマット上に粉末７が塗布される。繊維間に位置付けられていない粉末はすべて、ドラムに巻かれたマットの表面を軽くブラッシングすることによって取除かれる。繊維間に嵌まらないブラシまたは布を用いて繊維間から少ししかまたは全く粉末が取除かれないようにしてもよい。
【００３４】
粉末を塗布した後、アセトンにおけるＰＭＭＡのバリア層がマット上に張り付けられる。これに代えて、先に粘着接着剤３が粉末を塗布されたマットに与えられて粉末を密閉し、繊維間から粉末が落ちないようにしてもよい。その後バリア層９が接着剤上に適用されることとなる。
【００３５】
バリア層が張り付けられると、マット１０がドラムから取外され、繊維強化複合材料の製造に用いるために積み重ねられ得る。これに代えて、所望であれば積み重ねの前に基板が取除かれてもよい。
【００３６】
代替的な参考例において、繊維５および粉末７は、粉末を密閉し粉末が繊維間から落ちないようにする接着剤３で単に被覆されていてもよい。バリア層を有さないこのマット構造は、その後の繊維強化複合材料の製造のために、接着剤で被覆された繊維および粉末にホイルの層が隣接するよう積み重ねることができる。
【００３７】
別の参考例において、マット１０は図３に示されるようなテープキャストシリコンカーバイド繊維プレフォームを製造するために用いられてもよい。図３はバリア層９に塗布された付加的な接着層３を有するマット１０を示す。接着層３は上に塗布される粉末７を受取る粘着表面を提供する。その後、粉末で覆われたマット１０がバリア材料９で被覆される。
【００３８】
１単位面積当りの予め規定された質量を達成するためにさらなる積層が必要である場合には、バリアコーティング９が好ましくは２つの被覆によって接着剤３で被覆され、その後別の一連の粉末コーティングが行なわれ、次にバリア層が張り付けられる。その後図３のテープキャストプレフォームが積み重ねられて繊維強化複合材料の製造に用いることができる。
【００３９】
本発明のさらに他の参考例においては、繊維材料を有さないモノリシックテープキャスト粉末プレフォームが形成されてその後の複合材料の製造に用いることができる。図４において、接着剤３は粉末材料７で被覆される。その後バリア層９が粉末材料７上に形成され、続いて接着材料３がもう一度塗布される。第２の粉末層材料７が接着剤３に塗布され、その後バリア層と接着層との組合せによって被覆される。このプロセスを繰返していかなる数の粉末材料の層を形成してもよい。これらのモノリシックシートは好ましくは、図３に示されるようなテープキャストプレフォームで積み重ねられる場合には表面材料として用いられる。ここでもまた、粉末材料および基板はこれらのタイプのモノリシックテープキャスト粉末プレフォームのためのいかなる公知の複合物であっもよい。好ましくは基板はモリブデンホイルである。
【００４０】
上記参考例のプレフォームは、特にチタンマトリクス複合材料に用いるよう適合されている。すなわち、マトリクス材料はチタンアルミナイドを有するかまたは有さないチタンおよびシリコンカーバイドなどの強化材料である。
【００４１】
本発明の一実施例においては、図５を参照して、繊維５が基板として用いられる。基板として繊維を用いると、プレフォームは粉末で被覆された繊維プレフォームになり、これはその後上述のようにテープキャストプレフォームを形成するよう組立てることができる。基板繊維５がまず接着剤３で被覆される。その後粉末材料７が接着剤３に塗布され、続いて被覆層９で被覆される。
【００４２】
好ましくは、接着材料の２つの被覆が被覆層９上に塗布され、その後別の一連の粉末７の塗布、被覆層９の被覆および粘着接着剤３による被覆が２回行なわれる。この一連の工程は所望の数の層を形成するまで続けることができ、または粉末材料を一度積み重ねた後に終了してもよい。
【００４３】
図５に示された実施例おいて、粉末材料は接着層３上に塗布されてもよく、その後繊維５を回転して、接着剤が露出した表面全体が粉末で被覆されるようにしてもよい。これに代えて、回転装置に繊維が取付けられて、粉末が塗布されるときに繊維が回転するようにしてもよい。もちろん粉末材料を所与の接着層に塗布するためには、いかなる他の公知の技術が用いられてもよい。同様に、粘着接着剤３および不粘着被覆層９は、ブラシッングおよび噴霧などの従来技術を用いて塗布することができる。
【００４４】
複合材料コンポーネントはマトリックス材料であるか、またはマトリックス材料と強化コンポーネントとの組合せであってもよい。たとえば、粉末材料はチタンおよびシリコンカーバイドの両方の粉末を組合せることができる。これに代えて、粉末材料はその後の複合材料の製造時にチタンアルミナイドを形成するよう十分なアルミニウムを含むチタンマトリクスを形成するような割合のチタンおよびアルミニウムを含んでもよい。
【００４５】
さまざまな数の接着剤および被覆層を開示したが、層の数は粉末、繊維またはプレフォームの製造時に用いられる他の複合材料コンポーネントのタイプに依存して変わり得ることを理解されたい。たとえば、粉末のサイズが金属材料と非金属材料との組合せによって変わる場合、すべての粉末が被覆され得る前に被覆層のいくつかの層が必要とされるであろう。同様に、複合材料コンポーネントの付加的な層を適用する際には１つ以上の接着層が必要とされるであろう。
【００４６】
そのようなものとして、この発明は好ましい実施例として開示され、これらの好ましい実施例は上述のこの発明の各々の目的すべてを満たし、かつ複合材料を製造するためのプレフォームを製造し、かつプレフォームから製品を製造するための改善した新しい方法を提供する。
【００４７】
もちろん、この発明の教示からさまざまな変更、修正および代替が、その意図される精神および範囲から離れることなく当業者には考えられるであろう。したがって、この発明は添付の請求の範囲によってのみ制限されるよう意図される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明にとって参考となる不織マットの一例を示す断面図である。
【図２】  この発明にとって参考となるプレフォームを作るための方法を一例として示す概略図である。
【図３】  この発明にとって参考となるテープキャスト粉末／繊維プレフォームの一例を示す断面図である。
【図４】  この発明にとって参考となるテープキャスト粉末プレフォームの他の例を示す断面図である。
【図５】  本発明の一実施例の粉末被覆繊維プレフォームを示す断面図である。
【符号の説明】
３  接着剤、  ５  繊維、  ７  粉末材料、  ９  バリア層
【図１】
0004169501.tif 000002
【図２】
0004169501.tif 000003
【図３】
0004169501.tif 000004
【図４】
0004169501.tif 000005
【図５】
0004169501.tif 000006