JP2001206778A - 繊維強化複合部材の製造方法およびその装置 - Google Patents

繊維強化複合部材の製造方法およびその装置

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JP2001206778A JP2000013754A JP2000013754A JP2001206778A JP 2001206778 A JP2001206778 A JP 2001206778A JP 2000013754 A JP2000013754 A JP 2000013754A JP 2000013754 A JP2000013754 A JP 2000013754A JP 2001206778 A JP2001206778 A JP 2001206778A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 複数の製品を同時に製造することができ、こ
れにより繊維ロスを大幅に低減し、かつ生産性を高める
ことができる繊維強化複合部材の製造方法およびその装
置を提供する。 【解決手段】 複数の治具を連結して一体治具１０を構
成し、一体治具の表面に繊維織物１を成形し、成形した
繊維織物にマトリックスを含浸させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、複数の製品を同時
に製造することができる繊維強化複合部材の製造方法お
よびその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】ＮＴＯ／Ｎ2Ｈ4，ＮＴＯ／ＭＭＨ等を推
進剤とするロケットエンジンの高性能化のために、燃焼
器（スラストチャンバ）の耐熱温度を高めることが要望
される。そのため、耐熱温度が約１５００℃であるコー
ティング付きのニオブ合金が、従来多くのロケットエン
ジンのチャンバ材料として用いられてきた。しかしこの
材料は、密度が高いため重く、高温強度が低く、コーテ
ィングの寿命が短い欠点があった。
【０００３】一方、セラミックスは耐熱性が高いが脆い
欠点があるため、これをセラミックス繊維で強化したセ
ラミックス基複合部材（Ｃｅｒａｍｉｃ Ｍａｔｒｉｘ
Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ：以下、ＣＭＣと略称する）が開
発されている。すなわち、セラミックス基複合部材（Ｃ
ＭＣ）はセラミックス繊維とセラミックスマトリックス
とからなる。なお、一般にＣＭＣはその素材により、セ
ラミックス繊維／セラミックスマトリックス（例えば、
両方がＳｉＣからなる場合、ＳｉＣ／ＳｉＣ）と表示さ
れる。なお、以下、セラミックス基複合部材（ＣＭＣ）
について詳述するが、本発明は、これに限定されず、炭
素系複合材（Ｃ／Ｃ）、Ｃ／ＳｉＣ、ＳｉＣ／Ｃ等にも
同様に適用することができる。
【０００４】ＣＭＣは、軽量かつ高温強度が高いため、
上述したロケットエンジンの燃焼器（スラストチャン
バ）の他、高温部の燃料配管、ジェットエンジンのター
ビン翼、燃焼器、アフターバーナ部品等に極めて有望な
材料である。
【０００５】しかし、従来のＣＭＣは、気密性を保持す
ることができず、かつ耐熱衝撃性が低い問題点があっ
た。すなわち、従来のＣＭＣは、所定の形状をセラミッ
クス繊維で構成したのち、いわゆるＣＶＩ処理（Ｃｈｅ
ｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ：
気相含浸法）で繊維の隙間にマトリックスを形成する
が、このＣＶＩで繊維間の隙間を完全に埋めるには実用
不可能な長期間（例えば１年以上）を要する問題点があ
った。また、このように形成した従来のＣＭＣを高温で
試験等すると、激しい熱衝撃（例えば温度差が９００℃
以上）が作用した場合に、強度低下が激しく、再使用が
ほとんどできない問題点があった。そのため、従来のセ
ラミックス基複合部材（ＣＭＣ）は、燃焼器（スラスト
チャンバ）や燃料配管のような気密性と耐熱衝撃性を要
する部品には実質的に使用できなかった。
【０００６】本発明の発明者は、上述した問題点を解決
するために、気密性と耐熱衝撃性を大幅に高めることが
でき、これによりスラストチャンバ等にも実用可能な
「セラミックス基複合部材及びその製造方法」（特願平
１１−１９４１６号、未公開）を創案し出願した。この
発明は、図３に模式的に示すように、成形した繊維織物
１の表面にＳｉＣマトリックス層を形成するＣＶＩ処理
を行った後に、そのマトリックス層の隙間に有機珪素ポ
リマーを基材として含浸し焼成するＰＩＰ処理を行うも
のである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】図３に示した製造工程
において、（１）の織り工程（Ｂｒａｉｄｉｎｇ）から
（３）のＣＶＩ工程までは、例えばカーボン等からなる
治具を用い、その周りに繊維織物１を成形し次いでＣＶ
Ｉ処理を行う。このＣＶＩ処理により繊維織物１の隙間
にマトリックスが形成されて形状が保持されるので、こ
の段階で治具を外し、その後の（４）ＰＩＰ処理と
（５）機械加工（Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ）を従来行ってい
た。なお、織り工程では、図４に模式的に示すように、
中央糸に組み糸を交互に斜めに織り込むブレード織りが
例えば用いられる。
【０００８】しかし、上述した製造工程において、従来
はセラミックス基複合部材からなる製品（以下、ＣＭＣ
製品）を１つずつ個別に製造していた。この場合、特に
織り工程では、治具の上に繊維を巻き付ける際に、織機
へのかけ代や治具の製品部分以外への巻き付けのため、
製品部分に使用する繊維に比べ最終的に無駄になる繊維
の割合が多く、繊維ロス等が多く、コスト高になってい
た。例えば、ＣＭＣ製品に使用するセラミックス繊維は
高価であるにもかかわらず、従来は比較的大きなＣＭＣ
製品（スラストチャンバ等）の場合でも、繊維の有効利
用率は２０％前後にすぎず約８０％がロスとなってい
た。
【０００９】また、織り工程以降のＣＶＩ処理、ＰＩＰ
処理及び機械加工も、従来は１つづつ個別に行うため、
特に小型のＣＭＣ製品では装置へのセット準備等に手間
取り、生産性が低い問題点があった。
【００１０】本発明はかかる問題点を解決するために創
案されたものである。すなわち、本発明の目的は、複数
の製品を同時に製造することができ、これにより繊維ロ
スを大幅に低減し、かつ生産性を高めることができる繊
維強化複合部材の製造方法およびその装置を提供するこ
とにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、複数の
治具を連結して一体治具を構成し、該一体治具の表面に
繊維織物を成形し、成形した繊維織物にマトリックスを
含浸させる、ことを特徴とする繊維強化複合部材の製造
方法が提供される。また本発明によれば、治具の表面に
繊維織物を成形し、成形した繊維織物にマトリックスを
含浸させる繊維強化複合部材の製造装置において、複数
の治具を連結する連結セグメントを備えたことを特徴と
する繊維強化複合部材の製造装置が提供される。
【００１２】上記本発明の方法および装置によれば、複
数の治具を連結した一体治具を用いて、セラミックス基
複合部材の製造するので、複数の治具の表面に同時に複
数の製品を製造することができる。また、織機へのかけ
代や治具の製品部分以外への巻き付けのため織り工程で
発生する繊維ロスは、一体治具を用いても単一製品を１
つづつ個別に製造する場合と絶対量はほぼ同一であるの
で、複数の製品分を同時に織ることで、単一製品あたり
の繊維ロスを数分の１にすることができる。更に、織り
工程以降のＣＶＩ処理、ＰＩＰ処理及び機械加工におい
ても、複数の製品分を同時に加工でき、１つずつ個別に
行う場合に比べて、装置へのセット準備等の手間を単一
製品あたり数分の１に低減し、その分生産性を向上させ
ることができる。
【００１３】また本発明の好ましい実施形態によれば、
前記連結セグメントの最大径は、治具との連結部より小
径に形成されている。
【００１４】この構成により、治具セグメントの連結部
に段付きがほとんどできなず、従って、織り工程で繊維
を一体治具の全面にスムースに巻き付けることができ、
各治具セグメントの表面に繊維織物を成形することがで
きる。また、ＣＶＩ処理やＰＩＰ処理の後、製品毎の処
理が必要な場合には、治具セグメントの連結部を分離し
て、簡単に各製品毎に分離することができる。
【００１５】また、前記治具は、両端部より細い中間部
で分割可能に構成されている。この構成により、両端部
より細い中間部で治具セグメントを分割することによ
り、治具を製品にダメージを与えずに分離・除去するこ
とができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施形態
を図面を参照して説明する。図１は、本発明の製造装置
に適用する治具の構成図である。この図に示すように、
この治具１０は、単一製品用の治具セグメント１２の両
端部１２ａ，１２ｂを互いに連結して、複数（この図で
は３つ）の治具セグメントを直線状に連結した一体治具
である。
【００１７】また、治具セグメント１２の両端部１２
ａ，１２ｂには、連結セグメント１４ａ，１４ｂがねじ
等で連結され、治具セグメント１２の同一端部（例えば
１２ａと１２ａ、又は１２ｂと１２ｂ）を互いに着脱可
能に連結している。なお、この連結セグメント１４ａ，
１４ｂを用い、治具１０を４つ以上の治具セグメント１
２からなる一体治具としてもよい。
【００１８】更に、治具セグメント１２は、両端部１２
ａ，１２ｂより細い中間部１２ｃでねじ等で分割可能に
構成されている。なお、この中間部が特に細い場合に
は、円周状に溝を設け、この溝に沿って破断して分割す
る構成であってもよい。
【００１９】また、図１に示すように、連結セグメント
１４ａ，１４ｂの最大径は治具セグメントの連結部より
小径に形成されている。これにより、隣接する治具セグ
メント１２の間に製品より小径の溝１５を構成する。
【００２０】図２は、図１の治具を用いた製造方法の模
式図である。この図において、（Ａ）は、織り工程〜機
械加工までの図、（Ｂ）は製品毎の分割工程図、（Ｃ）
は連結セグメントの分解図、（Ｄ）は治具セグメントの
分解図である。
【００２１】図２（Ａ）に示すように、本発明の方法で
は、一体治具１０の表面に繊維織物１を成形してから、
成形した繊維織物１にマトリックスを含浸させ、更に、
必要により外周面の機械加工までを一体治具１０のまま
で行う。これにより、複数の治具セグメント１２の表面
に同時に複数の製品を製造することができる。
【００２２】なお、本発明の方法では、治具セグメント
１２の両端部１２ａ，１２ｂの同一端部が互いに連結さ
れているので、連結部に段付きがほとんどできない。従
って、織り工程で繊維を一体治具１０の全面にスムース
に巻き付けることができ、各治具セグメント１２の表面
に繊維織物１を成形することができる。
【００２３】また、織機へのかけ代や治具の製品部分以
外への巻き付けのため織り工程で発生する繊維ロスは、
一体治具１０を用いても単一製品を１つづつ個別に製造
する場合と絶対量はほぼ同一であるので、複数の製品分
を同時に織ることで、単一製品あたりの繊維ロスを数分
の１にすることができる。更に、織り工程以降のＣＶＩ
処理、ＰＩＰ処理及び機械加工においても、複数の製品
分を同時に加工でき、１つづつ個別に行う場合に比べ
て、装置へのセット準備等の手間を単一製品あたり数分
の１に低減し、その分生産性を向上させることができ
る。
【００２４】また、図２（Ｂ）に示すように、その後、
製品分離用の溝１５の部分で、例えばカッタ１６を用い
てそれぞれの製品（セラミックス基複合部材２）に切断
し分割する。次いで、図２（Ｃ）に示すように、治具セ
グメント１２の連結部を分離して、各製品毎に分離する
ことができる。
【００２５】更に、図２（Ｄ）に示すように、治具セグ
メント１２をそれぞれの端部１２ａ，１２ｂに中間部１
２ｃで分割することにより、それぞれ単品の製品（セラ
ミックス基複合部材２）に分割し、その後、必要な工程
（例えば、ＰＩＰ処理や機械加工）を更に施すことによ
り、製品を完成することができる。
【００２６】なお、本発明は上述した実施の形態に限定
されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更でき
ることは勿論である。例えば、上述の説明では、スラス
トチャンバのような回転体が製品である場合について詳
述したが、本発明はこれに限定されず、任意の形状の燃
料配管、タービン翼、燃焼器、アフターバーナ部品等に
も適用することができる。また、図２（Ｂ）の製品毎の
分割工程は、ＰＩＰ処理及び機械加工が完了した後に行
うのが好ましいが、本発明はこれに限定されず、ＣＶＩ
処理をある程度行い製品形状が保持できるようになった
後であればよい。
【００２７】
【発明の効果】上述したように、本発明の繊維強化複合
部材の製造方法およびその装置は、複数の製品を同時に
製造することができ、これにより繊維ロスを大幅に低減
し、かつ生産性を高めることができる、等の優れた効果
を有し、特に小型（出口径１００ｍｍ以下）のチャン
バ、ノズルに有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の製造装置に適用する治具の構成図であ
る。
【図２】図１の治具を用いた製造方法の模式図である。
【図３】本発明を適用するＣＭＣの製造方法の模式図で
ある。
【図４】ブレード織りの模式図である。
【符号の説明】
１ 繊維織物、２ セラミックス基複合部材、１０ 一
体治具、１２ 治具セグメント、１２ａ，１２ｂ 端
部、１２ｃ 中間部、１４ａ，１４ｂ 連結セグメン
ト、１５ 溝

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 複数の治具を連結して一体治具を構成
    し、該一体治具の表面に繊維織物を成形し、成形した繊
    維織物にマトリックスを含浸させる、ことを特徴とする
    繊維強化複合部材の製造方法。
  2. 【請求項２】 治具の表面に繊維織物を成形し、成形し
    た繊維織物にマトリックスを含浸させる繊維強化複合部
    材の製造装置において、複数の治具を連結する連結セグ
    メントを備えたことを特徴とする繊維強化複合部材の製
    造装置。
  3. 【請求項３】 前記連結セグメントの最大径は、治具と
    の連結部より小径に形成されている、ことを特徴とする
    請求項２に記載の繊維強化複合部材の製造装置。
  4. 【請求項４】 前記治具は、両端部より細い中間部で分
    割可能に構成されている、ことを特徴とする請求項２ま
    たは３に記載の繊維強化複合部材の製造装置。
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