JP2000502028A - 高い接合強度を有する粗い炭素―炭素複合材料の接合 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 炭素−炭素複合材料部分が最小限の表面調製で接合される。１ミルより大きな厚さを有する反応接合性中間層が、炭化物形成性金属成分及び炭素から形成される。この接合中間層は、接合されるべき２つの炭素−炭素部分の間に挟まれ、その組立体は、圧縮力下で、その接合反応を完結させるのに十分な温度に加熱される。反応接合の性質に起因して、その炭素−炭素部分のための特別な表面調製は必要ではない。接合部の機械的特性は、熱膨張の不一致が最小になるように金属−炭素成分を選択することによって確保される。得られる接合部により示される剪断強さは、炭素−炭素複合材料部分の層間剪断強さより大きい。

Description

【発明の詳細な説明】 高い接合強度を有する粗い炭素−炭素複合材料の接合 関連出願との相互関係 この出願は、１９９５年１１月２０日に出願された米国特許出願第６０／００ ６,９９６号の利益を主張するものである。 発明の背景 １．発明の分野 本発明は、炭素−炭素複合材料に関し、より特定的には、最小限の表面調製し か有さない炭素−炭素複合材料を接合する方法に関する。２．先行技術の説明 炭素−炭素複合材料の接合は、新たな技術の発展がより大きくかつより複雑な 形状を必要とするので、益々重要になっている。利用可能な接合方法は、接着性 材料、アロイろう付け、拡散接合、及び溶接での接合に限られている。接着性材 料又はアロイろう付けでの接合によりもたらされる接合は、炭素−炭素複合材料 の温度許容性よりずっと低い低温から中温の用途に適しているに過ぎない。耐熱 性の金属又はコンパウンドを用いる拡散接合は、通常、本質的に無気孔炭素の表 面調製物を非常に注意深く接合すること、並びに高圧下で非常な高温（しばしば ＞２０００℃）に長時間加熱することを要する。溶接は、更に高い接合温度を要 するので、出来上がる接合部は粗末で低い強度しか示さない。米国特許第５,０ ２１,１０７号は、２５〜１００マイクロメーターの接合中間層厚を必要とする 精巧に仕上げられた炭素−炭素複合材料を接合する方法を記載している。その方 法は、どちらかと言えば、注意深い表面調製と接合中間層材料の融点に近い高い 接合温度（ＴＭＰ，タングステンは約３４４℃である）を必要とする。更には、 その接合の強度は低いものであるが、その特許に明記されていなかった。最小限 の表面調製しか必要とせずかつ高強度と高温適用許容性を有する接合をもたらす 、普通の炭素−炭素複合材料を接合する方法に強い技術的必要性が存在する。発明の要旨 本発明は、最小限の表面調製しか必要としない反応接合方法による炭素−炭素 複合材料の接合を提供する。一般的に言えば、この方法は、２つの炭素−炭素複 合材料部分を接合するために用いられ、次の工程を含む：（a）約２５〜２５０ ０マイクロメーターの範囲の厚さを有する反応接合性コンパウンド層を調製して 、該接合されるべき炭素−炭素部分の小さな接合面に寸法合わせをする工程であ って、該コンパウンド層が、微細粒子にサイズ合わせされた炭化物形成性金属成 分及び炭素を含んでなり、かつ非化学量論的に金属が豊富である組成を有する工 程；（b）該炭素−炭素部分と該反応接合性層を、該反応接合性層が該部分間の 接合中間層になる構成体を形成するように組み立てる工程；及び（c）真空又は 不活性ガス雰囲気のいずれかで、該構成体を、圧縮力下で、前記接合中間層内で あって前記中間層と前記炭素−炭素複合材料部分の間で起こる接合反応を完結さ せるのに十分な時間及び温度で加熱する工程。 より具体的には、本発明の方法においては、接合中間層は、２５マイクロメー ターより大きな厚さを有する、金属成分と炭素の非化学量論混合物から作られる 。炭素表面は高度に仕上げ処理されていないので、接合層は２５〜２５００マイ クロメーターであると考えられる。この厚い中間層の存在は、接合部の熱膨張が 炭素−炭素の熱膨張と十分に一致すること及び中間層組成の均質性を必要とする 。この発明の反応接合方法においては、この効果は、拡散及び完全な反応が予め 選択された時間及び温度範囲内で起こるように、金属成分並びに炭素を注意深く 選択すること及び粒子サイズを注意深く選択することにより達成される。このよ うにして、１５００℃程度の低さの温度及び１／２時間又はそれ未満の拡散時間 で高品質の接合が提供される。このように形成された均質な中間層は、炭素−炭 素との優れた熱膨張一致性に起因して、高い接合強度を示す。その結果、接合操 作は、より低い投資とより低い操作コストを必要とするに過ぎない。エネルギー 節約は、この発明の方法によりもたらされるもう一つの利益である。有利なこと には、接合されるべき２つの部分の表面は、その表面の粗さが２５００マイクロ メーター未満である限りは、特別に調製されることを要しない。表面調製工程が 不要であることは接合操作を簡略化するので、コストの節約並びに生産サイクル 時 間の短縮に帰着する。接合層は、これら２つの表面の間に挟まれ、その組立体を 一定の加圧下で一緒に保持しながら、接合反応の完結を促進するのに十分な温度 及び時間加熱する。そのような接合操作は、通常、接合中間層の金属成分の融点 の半分よりもかなり低い温度で３０分以内に達成することができる。金属−炭素 成分を、熱膨張の不一致が最小になるように選択することによって、高い接合強 度を確保することができる。本発明の方法により生成する生成物の接合部剪断強 さは、炭素−炭素複合材料の層間剪断強さよりもずっと高い。有利なことには、 本発明の生成物は２８００℃もの高さの高温で使用するのに適している。 図面の簡単な説明 本発明の好ましい態様の以下の詳細な説明及び添付の図面を参照すれば、本発 明はより十分に理解されかつ更なる効果が明らかになるであろう。 図１は、接合されることが予定されている２つの炭素−炭素複合材料部分を図 示する断面図であり； 図２は、接合表面に適用される反応接合層を有する部分を図示する断面図であ り； 図３は、中間層接合面の断面図であって、接合操作中の構成体を図示するもの であり； 図４は、図３に示した中間層接合面の断面の拡大図であり；そして 図５は、接合した炭素−炭素複合材料片を図示する断面図である。 好ましい態様の詳細な説明 本発明は、炭素−炭素複合材料部分を比較的低い温度で及び該部分の最小限の 表面調製だけで接合する方法を提供する。本発明を実施する過程を、図１〜図５ を参照しながら以下に説明する。 図１を参照すると、接合されることが予定されているた炭素−炭素複合材料部 分１及び２が示されている。これら２つの部分が接合面３及び４に接合されるの に、如何なる特別な調製も必要とされない。反応接合性コンパウンド５の層を、 図２に示すように、表面３及び４の一方又は両方に適用する。それら２つの部分 を、反応接合性コンパウンドが部分１及び２の間で中間層５になるように一緒に する。反応接合性コンパウンド層５を、粉末と液体キャリア、例えば、結合剤入 り又は無しのイソプロパノール、のスラリーを用いるハケ塗り又は噴霧のような 種々のコーティング方法により、表面３及び４に適用することができる。また、 この接合層をプラスチック結合剤とこれら粉末から作られた所望の厚さのテープ 片の形態で適用することもできる。少量の結合剤は、接合操作の加熱中に蒸発又 は燃焼するであろう。結合剤を用いる利点は、それが十分な“未処理”接合強度 を提供するので、加熱操作前に部分が離れてしまう危険性なしに安全に取り扱う ことができかつ移動することができることである。更に、予め決められた厚さを 有するテープを用いることにより、接合中間層の厚さを制御することがより容易 である。反応接合性コンパウンド中間層は、良好な接合結果を達成するために２ ５マイクロメーターより大きな厚さを有するべきである。 反応接合性層を適用した後、部分を接合反応が完結するのに十分な温度に加熱 する。この接合反応は、殆ど接合中間層内で起こるが、僅かな度合いで中間層と 炭素−炭素複合材料部分の間でも起こる。この加熱操作中、圧縮力６を部分にか ける。この接合操作は、真空下又は不活性ガス雰囲気下のいずれかで行われる。 部分は冷却すると堅く一緒に接合されて１つの固体片になる。接合操作後、接合 中間層７は、主として、耐火性炭化物、及びある場合には少量のケイ化物からな るので高温用途に適する。 反応接合性コンパウンドは、金属が豊富な、金属と炭素の非化学量論混合物で ある。選択された金属は、接合操作中に炭素と反応して、耐火性炭化物、及びケ イ素も成分の１つである場合には、少量のケイ化物を形成する。これは、生成す る接合物に良好な高温安定性を保証する。タングステンは、その反応生成物、つ まり炭化タングステンが、炭化金属の中で最も低い熱膨張率を有するので、本接 合性コンパウンドにおける好ましい主要金属成分である。この理由から、タング ステンは、炭素−炭素の低い熱膨張率とよく一致している。より小さな熱膨張率 の不一致は、接合部内により小さな熱的ストレスしかもたらさないので、その接 合強度を向上させる。本反応接合方法を用いて得られる接合部剪断強さは、炭素 −炭素複合材料の層間剪断強さ（典型的には、７．９メガパスカル）よりずっと 高い２０メガパスカルに接近する。 金属成分及び炭素の双方の微粉末（１００マイクロメーターより小さな粒子サ イズ）が接合性コンパウンドに用いられる。微細な粒子サイズはその大きな表面 積に起因して反応速度を高め、炭化物又はケイ化物形成反応を完結するのに必要 な接合温度をかなり低下させるので、このことも、比較的低温の接合操作を達成 するためには必須である。 ある場合には、長さが５ｍｍまでの短い炭素繊維を反応接合性コンパウンドに 加えて、更に接合部を強化すると共に接合部のためのより低い平面熱膨張率を達 成してもよい。セラミックスへの炭素繊維の強化作用によりもたらされる効果は 、当業者に容易に分かるであろう。接合部のこの低い熱膨張率は、炭素繊維が通 常は横（繊維断面を横切る）方向に比べて縦（繊維の長さに沿う）方向において ずっと低い熱膨張率を有し、そして接合過程の間に圧力をかけることが繊維を接 合層の平面に自然に整列させるという事実からきている。接合部の“平面熱膨張 率”は、それが接合一体性を左右するので、最も重要なパラメーターである。 反応接合性コンパウンド層は、充填剤として、ホウ化物、炭化物、ケイ化物、 及び窒化物のファミリーからの１又はそれを越える耐火性化合物を含有すること もできる。そのような耐火性化合物の代表例は、ＴｉＢ₂、ＢＮ、Ｂ₄Ｃ、ＳｉＣ 、ＴｉＣ、ＭｏＳｉ₂、ＷＳｉ₂である。 以下の実施例は、本発明のより完全な理解を提供するために示される。本発明 の原理及び実用性を説明するために記載した具体的な技術、条件、材料、割合及 び報告データは例示に過ぎず、本発明の範囲を限定するものと解釈されるべきで はない。 実 施 例 これら接合実験で用いる炭素−炭素複合材料は、テキサス州 Fort Worth の Ｃarbon-Carbon Advanced Techno1ogies，Inc.により製造されたものである。こ の積層材料は、ＡＣＣ−４含浸／熱分解法を用いて二次加工されたものである。 このシート状材料は４.６ｍｍの厚さを有し、それを１０ｍｍ×２０ｍｍの大き さの試験片に切断した。受入れたままの材料に特別な表面調製は加えなかった。 実施例１ 反応接合性コンパウンドスラリーを１０ｇのタングステン粉末（粒子サイズ≦ ３マイクロメーター）と０.５ｇの炭素粉末（粒子サイズ≦４４マイクロメータ つの２０ｍｍ×１０ｍｍ×４.６ｍm炭素−炭素複合材料部分の接合面上にハケ塗 りにより塗布した。これら接合面は、炭素強化層の平面に対して平行であった。 スラリ一塗布層の部分乾燥の後、これら２つの部分を、反応接合性層が１５０マ イクロメーターになるように一緒にした。次いで、この試験片をアルゴン雰囲気 下及び５メガパスカルの圧縮力下で１４５０〜１５８０℃の範囲の温度に１０〜 ３０分間加熱した。 冷却後、その接合組成物をＸ線回折法により分析して、期待通り、炭化タング ステン、つまりＷＣ及びＷ₂Ｃの混合物を含有することが分かった。その試験片 の接合部剪断強さを二重ノッチ剪断試験法（double-notch shear testing techn ique）により測定した。得られた強度値は、室温で２０.８メガパスカルで１６ ２０℃で１９.２メガパスカルであった。 実施例２ 反応接合性コンパウンドスラリーを５ｇのタングステン粉末（粒子サイズ≦３ マイクロメーター）、０.５ｇのチタン粉末（粒子サイズ≦３７マイクロメータ ー）、０.５ｇのケイ素粉末（粒子サイズ≦１０マイクロメーター）、及び0.５ ルから作った。接合試験片の調製及び接合操作は、実施例１に記載したのと同じ 方法で行った。接合後、その接合組成物をＸ線回折法により分析して、炭化タン グステンＷＣ、Ｗ₂Ｃ、炭化チタン（ＴｉＣ）、及びケイ化タングステンＷ₅Ｓｉ₃ 、ＷＳｉ₂ の混合物であることが分かった。二重ノッチ剪断試験法により測定 した室温接合部剪断強さは１２.４メガパスカルであった。 実施例３ 反応接合性コンパウンドテープを次の成分から調製した：１０ｇのタングステ ン粉末（粒子サイズ≦３マイクロメーター）、０.５ｇの炭素粉末（粒子サイズ ≦４４マイクロメーター）、０.６１ｇのポリビニルブチラール（結合剤）、及 び０.６１ｇのブチルベンジルフタレート（可塑剤）。この混合物を標準的カレ ンダー法を用いて１３０マイクロメーターの厚さのテープに圧延した。そのテー プから２０ｍｍ×１０ｍｍ片を切り取ってから、接合されるべき炭素−炭素部分 の２つの接合面の間に中間層として配置した。それら２つの接合面にまずイソプ ロパノールをハケ塗りしてテープとそれら表面の間の接着性を促進させた。続く 接合操作は、実施例１に記載したのと同じ方法で行った。真空で４００℃になる までは加熱速度を落として、溶媒の蒸発及び結合剤と可塑剤の分解を行われ易く した。このサンプルをこの温度で更に３０分間維持して、それら添加剤を完全に 除去した。この方法で作成した試験片について、二重ノッチ剪断試験法により測 定した室温接合部剪断強さは２１．１メガパスカルであった。 実施例４ 反応接合性コンパウンドスラリーを１９.３７ｇのタングステン粉末（粒子サ イズ≦３マイクロメーター）、１.１２ｇの炭素粉末（粒子サイズ≦４４マイク ロメーター）、０.２６ｇのポリビニルブチラール（結合剤）、０．２６ｇのブ チルベンジルフタレート（可塑剤）、３０ｇのイソプロパノール、及び０．７５ ｇの砕断した短い炭素繊維（１〜５ｍｍの長さ）から調製した。接合試験片の調 製及び接合操作は、真空で４００℃になるまでは加熱速度を落とし、この温度で 更に３０分間維持して結合剤と可塑剤を分解及び蒸発させたこと以外は、実施例 １に記載したのと同じ方法で行った。 このように本発明を十分詳細に記載してきたが、そのような委細に厳密に従う 必要がないこと、及び添付の請求項によって規定される本発明の範囲内に入ると ころの全ての更なる変更及び修飾が提案され得ることが当業者に理解されるであ ろう。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，Ｓ Ｚ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ ，ＣＡ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＥＥ，ＧＥ，ＩＬ，ＩＳ， ＪＰ，ＫＰ，ＫＲ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＶ，Ｍ Ｇ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＺ，ＰＬ，ＲＯ，ＲＵ ，ＳＤ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．２つの炭素−炭素複合材料部分を接合する反応接合方法であって： ａ．約１〜１００ミルの範囲の厚さを有する反応接合性コンパウンド層を調製 して、該接合されるべき炭素−炭素部分の小さな接合面に寸法合わせをする工程 であって、前記コンパウンド層が、微細粒子にサイズ合わせされた炭化物形成性 金属成分及び炭素を含んでなりかつ非化学量論的に金属が豊富である組成を有す る工程； ｂ．前記炭素−炭素部分と前記反応接合性層を、該反応接合性層が該部分間の 接合中間層になる構成体を形成するように組み立てる工程； ｃ．真空又は不活性ガス雰囲気のいずれかで、前記構成体を、圧縮力下で、前 記接合中間層内及び前記中間層と前記炭素−炭素複合材料部分の間で起こる接合 反応を完結させるのに十分な時間及び温度で加熱する工程 を含む方法。 ２．反応接合性コンパウンド層が更に有機結合剤系を含む、請求項１記載の 方法。 ３．反応接合性コンパウンド層が更に５ｍｍまでの平均長を有する短い炭素 繊維を含む、請求項２記載の方法。 ４．反応接合性コンパウンドの金属成分が、Ｗ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｔａ、Ｎｂ、 ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、ｃｒ、及びＭｏからなる群から選択される少なくとも１の元素 を含む、請求項１記載の方法。 ５．反応接合性コンパウンドが、更に、ホウ化物、炭化物、ケイ化物、及び 窒化物のファミリーからの少なくとも１の耐火性化合物を含んでなる充填剤を含 む、請求項１記載の方法。 ６．接合温度を反応接合性コンパウンド中の金属成分の融点の半分未満であ る温度に下げることができる、請求項１記載の方法。 ７．構成体にかけられる圧縮力が約０．１〜５０メガパスカルの範囲である 、請求項１記載の方法。 ８．接合後に、炭素−炭素複合材料部分が、その層間剪断強さより大きな接 合部剪断強さを有する炭素−炭素接合部を形成する、請求項１記載の方法。 ９．接合後に、炭素−炭素複合材料部分が、５メガパスカルより大きな接合 部剪断強さを有する炭素−炭素接合部を形成する、請求項１記載の方法。 １０．２５マイクロメーターより大きな接合部厚さを有する炭素−炭素接合部 であって、その熱膨張が炭素−炭素に一致している中間層を有する接合部。