JP2004517796A - 炭素/炭素部材を製造するためのプロセス - Google Patents
炭素/炭素部材を製造するためのプロセス Download PDFInfo
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Abstract
−−本発明の目的は、炭素/炭素部材を製造するためのプロセスであって、2.5D、3.5Dまたは4.5Dのクロスから部材を切り出し、それを組み立てて予備成形し、次いでそれを樹脂法、ガス法または併用法により緻密化することによって製造する。
−−炉の要素、ビームおよびより複雑な構造物として、炭素/炭素のモノリシックな産業用部材を製造するための応用。
【選択図】図1
−−炉の要素、ビームおよびより複雑な構造物として、炭素/炭素のモノリシックな産業用部材を製造するための応用。
【選択図】図1
Description
【0001】
本発明の目的とするところは、炭素/炭素部材を製造するためのプロセスである。
【0002】
そのようなプロセスにより、産業用部材を安価に製造することが可能となるが、そのようなものを特にあげれば、炉の構成要素、閉じ込め室、炉床、部材搬送プレート、高圧抵抗(high power resistances)、あるいは化学工業での容器などであって、それは、炭素/炭素が高温においても、腐蝕性の薬剤に非常に強いからである。
【0003】
ところで先行技術においては、非常に高純度のグラファイトの部材が得られることが判っているが、産業用途として用いるには、この材料は脆いために、その寿命があまりにも短いのである。
【0004】
部材を扱う際に、取り付け・取り外しを頻繁に繰り返したり、繰り返し熱応力がかかったりすると、この脆さが大きな問題となってくる。
【0005】
似たようなことで、場合によっては、高温において薬剤をグラファイトと接触させると、脆弱化が促進される。
【0006】
寿命が短い別の原因は、最終製品を構成する要素部材の組み立て方法そのものにもあるが、その理由はたとえば、ショックや点過荷重、たとえば軽く叩いたような場合にでも、その結合部分が耐えられないからである。
【0007】
したがってグラファイトを、機械的強度がより大きな炭素/炭素材料に置き換えることができれば好ましい。
【0008】
炭素を2000℃以上、さらには2400℃もの高温の状態に置くと、炭素がグラファイト化されて、機械的特性の改良された材料となることが知られている。このグラファイトは、塩素化された雰囲気中を通すことで精製される。米国特許第5,683,281号および第5,858,486号にはこの件についての記載がある。
【0009】
化学の分野では、特に炭素膜を蒸着させて表面コーティングをすることによって、その材料の化学的な不活性さを増す方法も存在はしていたが、この解決法は、実施するのに細心の注意が必要であり、コストも高くつくことから、満足のいくものではない。
【0010】
織物状の基材を作るためには各種の技術が用いられており、たとえば米国特許第5,858,486号をあげることができるが、そこでは、2次元の織物状基材と、それに関連して、繊維の位置決め法が開示されている。
【0011】
米国特許第5,207,992号では、ワインディングを薄くするような、複合材が得られている。
【0012】
日本国特許出願特開平10−324591号には、型押し/マトリックスの組合せで予備含浸させた2Dのクロスを成形する、公知の方法が開示されている。
【0013】
本発明の目的は、炭素/炭素部材を製造するためのプロセスを提供することであり、このプロセスは最終製品に至るまでのステップの数が少ない単純なものでありながら、必要な化学的純度は維持し、充分な機械的特性、特に、前書きで述べたような産業用の部材を製造するのに使用できる機械的特性を付与するものである。
【0014】
目的とする製品が複雑な形状をしていると、成形が問題となり、ワインディングやカバリングのステップに依存する公知の技術では、複数の炭素/炭素の基本部材を製造することが必要となり、それらを組み合わさなければならない。
【0015】
本発明のプロセスでは、極めて大きな適応性と馴染み易さを備えているので、要素部材の個数を減らし、さらには直接部材の最終の形状の基材を得ることさえできる。
【0016】
もう一つの解決すべき問題としては、充分な厚みをもたせて所望の機械的特性を得ることがあるが、これも本発明によるプロセスで解決される。
【0017】
炭素/炭素部材の場合、剥離の危険性が一切ないことが望ましいが、本発明のプロセスでは、層の間で剥離が始まることは全く無い。
【0018】
本発明のプロセスについて、以下でさらに詳しく説明する。
【0019】
2Dと呼ばれているアーマチュアは、2方向に配向させた繊維補強材を持つアーマチュアであるが、このものの垂直方向の機械的強度は極端に低い。製造している途中でさえ容易に剥がれが生じる可能性があるので、そのようなアーマチュアを予定の用途で使用することは困難となる。物品が製造できたとしても、そのマトリックスは用途によっては充分な接着力を持つにはいたらず、剥離を起こす危険性を内包している。
【0020】
3Dのアーマチュアの場合、繊維が三面体の3軸の方向、あるいは極座標系(polar system)に配向された構造なので、垂直方向に脆いという欠点は克服されている。
【0021】
しかしながら、フィラメントの層間の隙間が大きすぎ、またそれによって大きな空間が生じるために、厚みの調整が問題となり、緻密化(densification)が妨げられる。その上、このタイプのアーマチュアは成形が困難である。
【0022】
本出願人の名による仏国特許第2 610 951号には、2.5Dと呼ばれる特殊な織り方をしたアーマチュアの製造方法が開示されている。
【0023】
この2.5Dアーマチュアでは、たて糸とよこ糸を織り交ぜてあって、アーマチュアの面に対して垂直の方向への抵抗性が優れているが、それでも、このアーマチュアに垂直なフィラメントは含まれてはいない。
【0024】
そのためこのアーマチュアでは、繊維含量が非常に高いにもかかわらず、緻密化プロセスにより、ガス状または液状のマトリックスの流動性が良好である。
【0025】
また仏国特許第2 753 993号および同第2 718 757号により3.5Dおよび4.5Dタイプのアーマチュアが公知であるが、これらも同様な利点を有している。これらの材料では等方性があるために、機械的抵抗性が上がり、また、高い抵抗性および/または大きな剛性を要求される用途では興味深い材料である。
【0026】
グラファイトの場合にあったような接合部での脆さの問題に関しては、本発明においては、炭素/炭素の部材に公知の組み立てプロセスを用いることで解決されている。
【0027】
本出願人の名による仏国特許第2 687 174号も参照することが可能であるが、その内容はここに引用することにより、本明細書に組み入れられたものとする。この特許には、連続フィラメントを結節することなくステッチによって部材を組み立てるプロセスが開示されており、そこでは部材は折り重ねるか、または、互いに角度を持たせておく。
【0028】
これまた同一の出願人の名による仏国特許第2 718 757号では、数枚の圧縮した層にループを用いることで部材を組み合わせるプロセスが完成されていて、この場合フィラメントは層の間での摩擦だけで保たれている。この特許書類による教示も、本明細書に包含されると受け取られるべきである。
【0029】
本発明によるプロセスは、乾燥または予備含浸させた、少なくとも2.5Dのクロスを使用して、産業用部材を直接製造することからなる。さらに詳しくは、このクロスは成形支持体を使用することで、単一の操作で成形される。したがって、平坦な部材、中空の部材、円筒状の部材、円錐状の部材、ねじれた部材などを製造することが可能である。例として、図1(single figure)を添付する。
【0030】
以上から、本プロセスは以下のステップのシーケンスからなる。すなわち、
a)炭素フィラメントを用いて、2.5D、3.5Dまたは4.5Dのアーマチュアを織るステップ、
b)製品の異なった部位を構成する要素部材を切り出すステップ、
c)それらの要素部材をステッチにより組み合わせて、モノリシックな集合体を形成させるステップ、
d)このようにして組み合わせた部材を成形するステップ、そして、
e)緻密化させるステップ、であるが、
用途によっては、ステップc)とd)を逆にすることも可能で、これによってプロセスとしての変更があるわけでなく、以下の順になる。
a)炭素フィラメントを用いて、2.5D、3.5Dまたは4.5Dのアーマチュアを織るステップ、
b)製品の異なった部位を構成する要素部材を切り出すステップ、
d)それらの部材を成形するステップ、
c)それらの要素部材をステッチにより組み合わせて、モノリシックな集合体を形成させるステップ、そして、
e)緻密化させるステップ、である。
【0031】
切り出しの際の精度を上げれば、実質的に最終の大きさのものが得られる。
【0032】
緻密化工程は重要なステップであるので、最適条件で行わねばならない。
【0033】
公知の方法としては、ガス法、樹脂法、あるいはそれらの併用法による緻密化がある。
【0034】
これらの方法のいずれをとっても、それぞれのステップで複数の役割を果たす利点があり、それによって製造の工数、時間、コストが削減される。
【0035】
ガス法の場合、2.5D、3.5Dまたは4.5Dのクロスを使用した場合でも、繊維の量が多いにも関わらず、ガス流の循環が良好である。これによって、表面だけではなく深さ方向にも部材の緻密化が進むが、一種の皮張りができて中心部には本当には届かない。
【0036】
樹脂法の場合には、本発明においては、予備成形した織物に含浸操作を行い、重合させて、最終の形状にこの予備形品を硬化させるが、これらすべてを同一の工程で実施し、最終的には焼成する。さらに、焼成(pyrolysis)のステップを焼成だけに必要な温度よりは高くして時間を長くし、調節された中性雰囲気で行うようにすると、材料を安定させ純度を保つことが可能となる。
【0037】
部材によっては、この含浸から熱処理までのステップを数回繰り返す必要がある場合もある。こうすることで、取り扱う際に充分な剛性を有する部材が得られる。
【0038】
樹脂法では、以下のステップを順に実施する、すなわち、
a)炭素フィラメントを用いて、2.5D;3.5Dまたは4.5Dのアーマチュアを織るステップ、
b)そのアーマチュアから、製品の異なった部位を構成する要素部材を切り出すステップ、
c)その要素部材をステッチにより組み合わせて、最終的な部材サイズのモノリシックな集合体を形成させるステップ、
d)そのモノリシックな集合体を成形のための支持体の上に置くステップ、
e1)a)とb)の間、および/または、b)とc)、および/またはc)とd)の間に、このアーマチュアに樹脂を含浸し、乾燥させるステップ、
e2)そのモノリシックな集合体を重合させ、そして成形のための支持体から集合体を取りだすステップ、
e3)その重合させたモノリシックな集合体を焼成するステップ、
e4)含浸と焼成のステップを繰り返して、所望の密度とするステップ、である。
【0039】
手順としては、併用法が好ましいのは確かで、その理由は、これらのステップが相乗的効果をもって組み合わされるからである。この方法では、樹脂法のために織物の予備成形品を作り、予備含浸し、次いで第一の急速緻密化を、中心までではあるが、ガスの最終的な循環を可能とする多孔性を与えるという樹脂特性を生じる適量の樹脂量で行う。こうすることで、緻密化をガス法のステップにより補足される。塩素化されたガスを使用することなく、真空下で高温に加熱することで、部材の精製が可能となる。
【0040】
これらは、次のステップの順となる。
a)炭素フィラメントを用いて、2.5D;3.5Dまたは4.5Dのアーマチュアを織るステップ、
b)そのアーマチュアから、製品の異なった部位を構成する要素部材を切り出すステップ、
c)その要素部材をステッチにより組み合わせて、最終的な部材サイズのモノリシックな集合体を形成させるステップ、
d)そのモノリシックな集合体を成形のための支持体の上に置くステップ、
e1)a)とb)の間、および/または、b)とc)の間、および/またはc)とd)の間に、このアーマチュアに樹脂を含浸し、乾燥させるステップ、
e2)そのモノリシックな集合体を重合させてから、成形のための支持体から集合体を取りだすステップ、
e3)その重合させたモノリシックな集合体を第一の焼成にかけるステップ、
e4)所望により、含浸と焼成のステップを繰り返すステップ、そして、
e5)ガス法により部材の緻密化を行って、所望の密度を有するものを得るステップ、である。
【0041】
これら3つの場合、精密に仕上げるためには、一部については機械加工をする必要があるが、変形が限られているので、ほんの少しだけでよい。
【0042】
注目すべきは、本発明によるプロセスにおいて、少なくとも2.5Dのクロスを使用することによって、アーマチュアの厚みを変えて、機械的な抵抗性を増大させたり、変形能を向上させたりすることが可能となることであり、これは、たて糸とよこ糸の相対的な量を変化させることにより可能となる。
【0043】
さらに、熱伝導性や電気伝導性において要求される機能に合わせて、最初の織物の工程で、各種のタイプの繊維を選択することも可能である。
【0044】
炉の要素を製造するための、本発明によるプロセスの実施について、以下に例をあげる。この炉の要素は、複雑な形状をしているが、それは円錐−円筒形状に切り出され、組み合わせるからである。
【0045】
2.5Dの乾燥したクロスを作るが、それは、以下のような特性を有している、すなわち、
−−織った炭素繊維が17層、
−−重合後の厚みが4mm、
−−たて糸方向が1cmあたり、30フィラメント、
−−よこ糸方向が1cmあたり、16フィラメント、
−−たて糸方向の繊維の量が20%、
−−よこ糸方向の繊維の量が40%、そして、
−−単位面積当たりの重量が4kg/m2である。
【0046】
次いで、補強材とするため、4.5Dの乾燥したクロスを作るが、それは、以下のような特性を有している。すなわち、
−−織った炭素繊維が57層、
−−重合後の厚みが10mm、
−−90°、45°、0°および135°の基本パターンが14回繰り返されて最後の層が90°、そして、
−−単位面積当たりの重量が9.8kg/m2である。
【0047】
織り上がった材料の出口のところで、幅もの(widths)を切り出すが、このものは幅が1.5m、必要な長さが1.5mである。
【0048】
このように切り出した幅ものは、微量の水分も含んでいてはならず、そのためには80℃の乾燥器に2時間通すことにより、その状態を得る。
【0049】
こうした乾燥させた幅ものに樹脂を含浸させる。この実施態様では、バッチ法の浸漬によりおこなった。
【0050】
この含浸溶液は公知の方法にしたがって、高純度のフェノール樹脂を、含浸を促進するする目的でアルコール溶媒中に溶解させたものである。
【0051】
樹脂の付着量は、2.5Dあるいは4.5Dの場合で、クロス1m2あたり、4kgから9kg程度である。この幅ものを金網上で脱液をするが、金網にポリエチレンフィルムをかぶせて、幅ものが金網に付着しないようにする。
【0052】
次いでこの幅ものを、45℃の乾燥器を通して乾燥させる。
【0053】
以上のようにして、幅ものを含浸させてから切断し、その幅ものから直接、所望の円錐−球状の形を覆う部材または必要な補強材の形を得る。クロスに吸収された樹脂量を調べるために、試験片を取り出しておく。
【0054】
4.5Dで作った補強用の条片を型押しの周辺部のまわり、最終の位置に配する。
【0055】
保持用要素を円盤状に所定の位置に置く。
【0056】
補強材を4隅にステッチすることで取り付ける。
【0057】
次いで、2.5Dの部材を置き、型押しで押せるようにし、4.5Dの条片でその縁部全体を覆い、さらに2.5Dの部材をステッチして補強材条片の縁部全体を結合させて、単一のモノリシックな部材とする。
【0058】
以下のステップは、真空下で部材から脱液をするために、バッキングを用いた処理からなる。
【0059】
空気袋を部材に取り付け、周辺のシーリングをして、真空下で等方性の圧力がかかるようにする。
【0060】
重合は炉の温度を少なくとも180℃にすれば、開始させることができる。
【0061】
冷却後、バッキングを取り除いて空気袋およびその他の付属品を外し、処理された炉の要素が取り出す。このものには重合した樹脂によって所定の機械的強度が与えられている。
【0062】
こうして得られた炉の要素は、その後の取扱いで汚染されないように保護しておくのが好ましい。
【0063】
この炉の要素は次いで、1700℃から最高2200℃までの間の温度で48時間焼成するが、その際真空下で10mbarのオーダーとなるよう窒素を流しておく。
【0064】
このようにして得られた構造物は完全に炭素からできているが、次いで炭素の気相蒸着(DCVP)を行って、炭素/炭素構造を作り、所望の密度、今のケースなら密度約1.7の炉の要素とする。
【0065】
この緻密化炉では構造物を、温度950℃から1100℃の間、真空下で7から15mbarになるようメタンを流し、数百時間加熱し、(このケースではざっと400時間)所望の密度になるようにする。
【0066】
このようにして得られた炭素/炭素の炉の要素は、最終的に機械加工して、目的の寸法にする。
【0067】
このようにして製造した炉の要素は最終的に、好ましくは緻密化させた直後に、最終段階に移し、そこでは炉の要素を、1700から2900℃の間の温度で、真空下で窒素を流して10mbarとした状態で、48時間処理する。
【0068】
このようにすれば、産業用途で十分満足のいく純度特性を有する、炉の要素が得られる。
【0069】
別な例としては、I型ビームの製造があるが、その場合にはフランジと織物の切片を結節無しのステッチ、または摩擦力で組み合わせる。
【0070】
同様にして、アーチ状のフレームをもつ複雑な部材も製造することが可能である。
【0071】
このように、単一の部材として製造するならばその部材の機械的な抵抗性は充分なものとなるが、いくつかの部材から作るとなると、それらを組み合わせねばならないので、それは簡単なことではなく、場合によっては、たとえばフレームのアングルのような場合には不可能でさえある。
本発明の目的とするところは、炭素/炭素部材を製造するためのプロセスである。
【0002】
そのようなプロセスにより、産業用部材を安価に製造することが可能となるが、そのようなものを特にあげれば、炉の構成要素、閉じ込め室、炉床、部材搬送プレート、高圧抵抗(high power resistances)、あるいは化学工業での容器などであって、それは、炭素/炭素が高温においても、腐蝕性の薬剤に非常に強いからである。
【0003】
ところで先行技術においては、非常に高純度のグラファイトの部材が得られることが判っているが、産業用途として用いるには、この材料は脆いために、その寿命があまりにも短いのである。
【0004】
部材を扱う際に、取り付け・取り外しを頻繁に繰り返したり、繰り返し熱応力がかかったりすると、この脆さが大きな問題となってくる。
【0005】
似たようなことで、場合によっては、高温において薬剤をグラファイトと接触させると、脆弱化が促進される。
【0006】
寿命が短い別の原因は、最終製品を構成する要素部材の組み立て方法そのものにもあるが、その理由はたとえば、ショックや点過荷重、たとえば軽く叩いたような場合にでも、その結合部分が耐えられないからである。
【0007】
したがってグラファイトを、機械的強度がより大きな炭素/炭素材料に置き換えることができれば好ましい。
【0008】
炭素を2000℃以上、さらには2400℃もの高温の状態に置くと、炭素がグラファイト化されて、機械的特性の改良された材料となることが知られている。このグラファイトは、塩素化された雰囲気中を通すことで精製される。米国特許第5,683,281号および第5,858,486号にはこの件についての記載がある。
【0009】
化学の分野では、特に炭素膜を蒸着させて表面コーティングをすることによって、その材料の化学的な不活性さを増す方法も存在はしていたが、この解決法は、実施するのに細心の注意が必要であり、コストも高くつくことから、満足のいくものではない。
【0010】
織物状の基材を作るためには各種の技術が用いられており、たとえば米国特許第5,858,486号をあげることができるが、そこでは、2次元の織物状基材と、それに関連して、繊維の位置決め法が開示されている。
【0011】
米国特許第5,207,992号では、ワインディングを薄くするような、複合材が得られている。
【0012】
日本国特許出願特開平10−324591号には、型押し/マトリックスの組合せで予備含浸させた2Dのクロスを成形する、公知の方法が開示されている。
【0013】
本発明の目的は、炭素/炭素部材を製造するためのプロセスを提供することであり、このプロセスは最終製品に至るまでのステップの数が少ない単純なものでありながら、必要な化学的純度は維持し、充分な機械的特性、特に、前書きで述べたような産業用の部材を製造するのに使用できる機械的特性を付与するものである。
【0014】
目的とする製品が複雑な形状をしていると、成形が問題となり、ワインディングやカバリングのステップに依存する公知の技術では、複数の炭素/炭素の基本部材を製造することが必要となり、それらを組み合わさなければならない。
【0015】
本発明のプロセスでは、極めて大きな適応性と馴染み易さを備えているので、要素部材の個数を減らし、さらには直接部材の最終の形状の基材を得ることさえできる。
【0016】
もう一つの解決すべき問題としては、充分な厚みをもたせて所望の機械的特性を得ることがあるが、これも本発明によるプロセスで解決される。
【0017】
炭素/炭素部材の場合、剥離の危険性が一切ないことが望ましいが、本発明のプロセスでは、層の間で剥離が始まることは全く無い。
【0018】
本発明のプロセスについて、以下でさらに詳しく説明する。
【0019】
2Dと呼ばれているアーマチュアは、2方向に配向させた繊維補強材を持つアーマチュアであるが、このものの垂直方向の機械的強度は極端に低い。製造している途中でさえ容易に剥がれが生じる可能性があるので、そのようなアーマチュアを予定の用途で使用することは困難となる。物品が製造できたとしても、そのマトリックスは用途によっては充分な接着力を持つにはいたらず、剥離を起こす危険性を内包している。
【0020】
3Dのアーマチュアの場合、繊維が三面体の3軸の方向、あるいは極座標系(polar system)に配向された構造なので、垂直方向に脆いという欠点は克服されている。
【0021】
しかしながら、フィラメントの層間の隙間が大きすぎ、またそれによって大きな空間が生じるために、厚みの調整が問題となり、緻密化(densification)が妨げられる。その上、このタイプのアーマチュアは成形が困難である。
【0022】
本出願人の名による仏国特許第2 610 951号には、2.5Dと呼ばれる特殊な織り方をしたアーマチュアの製造方法が開示されている。
【0023】
この2.5Dアーマチュアでは、たて糸とよこ糸を織り交ぜてあって、アーマチュアの面に対して垂直の方向への抵抗性が優れているが、それでも、このアーマチュアに垂直なフィラメントは含まれてはいない。
【0024】
そのためこのアーマチュアでは、繊維含量が非常に高いにもかかわらず、緻密化プロセスにより、ガス状または液状のマトリックスの流動性が良好である。
【0025】
また仏国特許第2 753 993号および同第2 718 757号により3.5Dおよび4.5Dタイプのアーマチュアが公知であるが、これらも同様な利点を有している。これらの材料では等方性があるために、機械的抵抗性が上がり、また、高い抵抗性および/または大きな剛性を要求される用途では興味深い材料である。
【0026】
グラファイトの場合にあったような接合部での脆さの問題に関しては、本発明においては、炭素/炭素の部材に公知の組み立てプロセスを用いることで解決されている。
【0027】
本出願人の名による仏国特許第2 687 174号も参照することが可能であるが、その内容はここに引用することにより、本明細書に組み入れられたものとする。この特許には、連続フィラメントを結節することなくステッチによって部材を組み立てるプロセスが開示されており、そこでは部材は折り重ねるか、または、互いに角度を持たせておく。
【0028】
これまた同一の出願人の名による仏国特許第2 718 757号では、数枚の圧縮した層にループを用いることで部材を組み合わせるプロセスが完成されていて、この場合フィラメントは層の間での摩擦だけで保たれている。この特許書類による教示も、本明細書に包含されると受け取られるべきである。
【0029】
本発明によるプロセスは、乾燥または予備含浸させた、少なくとも2.5Dのクロスを使用して、産業用部材を直接製造することからなる。さらに詳しくは、このクロスは成形支持体を使用することで、単一の操作で成形される。したがって、平坦な部材、中空の部材、円筒状の部材、円錐状の部材、ねじれた部材などを製造することが可能である。例として、図1(single figure)を添付する。
【0030】
以上から、本プロセスは以下のステップのシーケンスからなる。すなわち、
a)炭素フィラメントを用いて、2.5D、3.5Dまたは4.5Dのアーマチュアを織るステップ、
b)製品の異なった部位を構成する要素部材を切り出すステップ、
c)それらの要素部材をステッチにより組み合わせて、モノリシックな集合体を形成させるステップ、
d)このようにして組み合わせた部材を成形するステップ、そして、
e)緻密化させるステップ、であるが、
用途によっては、ステップc)とd)を逆にすることも可能で、これによってプロセスとしての変更があるわけでなく、以下の順になる。
a)炭素フィラメントを用いて、2.5D、3.5Dまたは4.5Dのアーマチュアを織るステップ、
b)製品の異なった部位を構成する要素部材を切り出すステップ、
d)それらの部材を成形するステップ、
c)それらの要素部材をステッチにより組み合わせて、モノリシックな集合体を形成させるステップ、そして、
e)緻密化させるステップ、である。
【0031】
切り出しの際の精度を上げれば、実質的に最終の大きさのものが得られる。
【0032】
緻密化工程は重要なステップであるので、最適条件で行わねばならない。
【0033】
公知の方法としては、ガス法、樹脂法、あるいはそれらの併用法による緻密化がある。
【0034】
これらの方法のいずれをとっても、それぞれのステップで複数の役割を果たす利点があり、それによって製造の工数、時間、コストが削減される。
【0035】
ガス法の場合、2.5D、3.5Dまたは4.5Dのクロスを使用した場合でも、繊維の量が多いにも関わらず、ガス流の循環が良好である。これによって、表面だけではなく深さ方向にも部材の緻密化が進むが、一種の皮張りができて中心部には本当には届かない。
【0036】
樹脂法の場合には、本発明においては、予備成形した織物に含浸操作を行い、重合させて、最終の形状にこの予備形品を硬化させるが、これらすべてを同一の工程で実施し、最終的には焼成する。さらに、焼成(pyrolysis)のステップを焼成だけに必要な温度よりは高くして時間を長くし、調節された中性雰囲気で行うようにすると、材料を安定させ純度を保つことが可能となる。
【0037】
部材によっては、この含浸から熱処理までのステップを数回繰り返す必要がある場合もある。こうすることで、取り扱う際に充分な剛性を有する部材が得られる。
【0038】
樹脂法では、以下のステップを順に実施する、すなわち、
a)炭素フィラメントを用いて、2.5D;3.5Dまたは4.5Dのアーマチュアを織るステップ、
b)そのアーマチュアから、製品の異なった部位を構成する要素部材を切り出すステップ、
c)その要素部材をステッチにより組み合わせて、最終的な部材サイズのモノリシックな集合体を形成させるステップ、
d)そのモノリシックな集合体を成形のための支持体の上に置くステップ、
e1)a)とb)の間、および/または、b)とc)、および/またはc)とd)の間に、このアーマチュアに樹脂を含浸し、乾燥させるステップ、
e2)そのモノリシックな集合体を重合させ、そして成形のための支持体から集合体を取りだすステップ、
e3)その重合させたモノリシックな集合体を焼成するステップ、
e4)含浸と焼成のステップを繰り返して、所望の密度とするステップ、である。
【0039】
手順としては、併用法が好ましいのは確かで、その理由は、これらのステップが相乗的効果をもって組み合わされるからである。この方法では、樹脂法のために織物の予備成形品を作り、予備含浸し、次いで第一の急速緻密化を、中心までではあるが、ガスの最終的な循環を可能とする多孔性を与えるという樹脂特性を生じる適量の樹脂量で行う。こうすることで、緻密化をガス法のステップにより補足される。塩素化されたガスを使用することなく、真空下で高温に加熱することで、部材の精製が可能となる。
【0040】
これらは、次のステップの順となる。
a)炭素フィラメントを用いて、2.5D;3.5Dまたは4.5Dのアーマチュアを織るステップ、
b)そのアーマチュアから、製品の異なった部位を構成する要素部材を切り出すステップ、
c)その要素部材をステッチにより組み合わせて、最終的な部材サイズのモノリシックな集合体を形成させるステップ、
d)そのモノリシックな集合体を成形のための支持体の上に置くステップ、
e1)a)とb)の間、および/または、b)とc)の間、および/またはc)とd)の間に、このアーマチュアに樹脂を含浸し、乾燥させるステップ、
e2)そのモノリシックな集合体を重合させてから、成形のための支持体から集合体を取りだすステップ、
e3)その重合させたモノリシックな集合体を第一の焼成にかけるステップ、
e4)所望により、含浸と焼成のステップを繰り返すステップ、そして、
e5)ガス法により部材の緻密化を行って、所望の密度を有するものを得るステップ、である。
【0041】
これら3つの場合、精密に仕上げるためには、一部については機械加工をする必要があるが、変形が限られているので、ほんの少しだけでよい。
【0042】
注目すべきは、本発明によるプロセスにおいて、少なくとも2.5Dのクロスを使用することによって、アーマチュアの厚みを変えて、機械的な抵抗性を増大させたり、変形能を向上させたりすることが可能となることであり、これは、たて糸とよこ糸の相対的な量を変化させることにより可能となる。
【0043】
さらに、熱伝導性や電気伝導性において要求される機能に合わせて、最初の織物の工程で、各種のタイプの繊維を選択することも可能である。
【0044】
炉の要素を製造するための、本発明によるプロセスの実施について、以下に例をあげる。この炉の要素は、複雑な形状をしているが、それは円錐−円筒形状に切り出され、組み合わせるからである。
【0045】
2.5Dの乾燥したクロスを作るが、それは、以下のような特性を有している、すなわち、
−−織った炭素繊維が17層、
−−重合後の厚みが4mm、
−−たて糸方向が1cmあたり、30フィラメント、
−−よこ糸方向が1cmあたり、16フィラメント、
−−たて糸方向の繊維の量が20%、
−−よこ糸方向の繊維の量が40%、そして、
−−単位面積当たりの重量が4kg/m2である。
【0046】
次いで、補強材とするため、4.5Dの乾燥したクロスを作るが、それは、以下のような特性を有している。すなわち、
−−織った炭素繊維が57層、
−−重合後の厚みが10mm、
−−90°、45°、0°および135°の基本パターンが14回繰り返されて最後の層が90°、そして、
−−単位面積当たりの重量が9.8kg/m2である。
【0047】
織り上がった材料の出口のところで、幅もの(widths)を切り出すが、このものは幅が1.5m、必要な長さが1.5mである。
【0048】
このように切り出した幅ものは、微量の水分も含んでいてはならず、そのためには80℃の乾燥器に2時間通すことにより、その状態を得る。
【0049】
こうした乾燥させた幅ものに樹脂を含浸させる。この実施態様では、バッチ法の浸漬によりおこなった。
【0050】
この含浸溶液は公知の方法にしたがって、高純度のフェノール樹脂を、含浸を促進するする目的でアルコール溶媒中に溶解させたものである。
【0051】
樹脂の付着量は、2.5Dあるいは4.5Dの場合で、クロス1m2あたり、4kgから9kg程度である。この幅ものを金網上で脱液をするが、金網にポリエチレンフィルムをかぶせて、幅ものが金網に付着しないようにする。
【0052】
次いでこの幅ものを、45℃の乾燥器を通して乾燥させる。
【0053】
以上のようにして、幅ものを含浸させてから切断し、その幅ものから直接、所望の円錐−球状の形を覆う部材または必要な補強材の形を得る。クロスに吸収された樹脂量を調べるために、試験片を取り出しておく。
【0054】
4.5Dで作った補強用の条片を型押しの周辺部のまわり、最終の位置に配する。
【0055】
保持用要素を円盤状に所定の位置に置く。
【0056】
補強材を4隅にステッチすることで取り付ける。
【0057】
次いで、2.5Dの部材を置き、型押しで押せるようにし、4.5Dの条片でその縁部全体を覆い、さらに2.5Dの部材をステッチして補強材条片の縁部全体を結合させて、単一のモノリシックな部材とする。
【0058】
以下のステップは、真空下で部材から脱液をするために、バッキングを用いた処理からなる。
【0059】
空気袋を部材に取り付け、周辺のシーリングをして、真空下で等方性の圧力がかかるようにする。
【0060】
重合は炉の温度を少なくとも180℃にすれば、開始させることができる。
【0061】
冷却後、バッキングを取り除いて空気袋およびその他の付属品を外し、処理された炉の要素が取り出す。このものには重合した樹脂によって所定の機械的強度が与えられている。
【0062】
こうして得られた炉の要素は、その後の取扱いで汚染されないように保護しておくのが好ましい。
【0063】
この炉の要素は次いで、1700℃から最高2200℃までの間の温度で48時間焼成するが、その際真空下で10mbarのオーダーとなるよう窒素を流しておく。
【0064】
このようにして得られた構造物は完全に炭素からできているが、次いで炭素の気相蒸着(DCVP)を行って、炭素/炭素構造を作り、所望の密度、今のケースなら密度約1.7の炉の要素とする。
【0065】
この緻密化炉では構造物を、温度950℃から1100℃の間、真空下で7から15mbarになるようメタンを流し、数百時間加熱し、(このケースではざっと400時間)所望の密度になるようにする。
【0066】
このようにして得られた炭素/炭素の炉の要素は、最終的に機械加工して、目的の寸法にする。
【0067】
このようにして製造した炉の要素は最終的に、好ましくは緻密化させた直後に、最終段階に移し、そこでは炉の要素を、1700から2900℃の間の温度で、真空下で窒素を流して10mbarとした状態で、48時間処理する。
【0068】
このようにすれば、産業用途で十分満足のいく純度特性を有する、炉の要素が得られる。
【0069】
別な例としては、I型ビームの製造があるが、その場合にはフランジと織物の切片を結節無しのステッチ、または摩擦力で組み合わせる。
【0070】
同様にして、アーチ状のフレームをもつ複雑な部材も製造することが可能である。
【0071】
このように、単一の部材として製造するならばその部材の機械的な抵抗性は充分なものとなるが、いくつかの部材から作るとなると、それらを組み合わせねばならないので、それは簡単なことではなく、場合によっては、たとえばフレームのアングルのような場合には不可能でさえある。
Claims (13)
- 炭素/炭素製品を製造するためのプロセスであって、
a)炭素フィラメントを用いて、2.5D、3.5Dまたは4.5Dのアーマチュアを織るステップ、
b)製品の異なった部位を構成する要素部材を切り出すステップ、
c)それらの要素部材をステッチにより組み合わせて、モノリシックな集合体を形成させるステップ、
d)このようにして組み合わせた部材を成形するステップ、そして、
e)緻密化させるステップ、を含むプロセス。 - 炭素/炭素製品を製造するためのプロセスであって、
a)炭素フィラメントを用いて、2.5D、3.5Dまたは4.5Dのアーマチュアを織るステップ、
b)製品の異なった部位を構成する要素部材を切り出すステップ、
d)それらの部材を成形するステップ、
c)それらの要素部材をステッチにより組み合わせて、モノリシックな集合体を形成させるステップ、そして、
e)緻密化させるステップ、を含むプロセス。 - 緻密化させるステップe)は、ガス法を用いて、温度を調節しながら行うことを特徴とする、請求項1または2に記載された製造プロセス。
- 緻密化は樹脂法で行われ、
a)炭素フィラメントを用いて、2.5D、3.5Dまたは4.5Dのアーマチュアを織るステップ、
b)そのアーマチュアから、製品の異なった部位を構成する要素部材を切り出すステップ、
c)その要素部材をステッチにより組み合わせて、最終的な部材サイズのモノリシックな集合体を形成させるステップ、
d)そのモノリシックな集合体を成形のための支持体の上に置くステップ、
e1)a)とb)の間、および/または、b)とc)の間、および/またはc)とd)の間に、このアーマチュアに樹脂を含浸させ乾燥させるステップ、
e2)そのモノリシックな集合体を重合させてから、この集合体から成形のための支持体を取りだすステップ、
e3)そのモノリシックな重合集合体を焼成するステップ、
e4)含浸と焼成のステップを繰り返して、所望の密度とするステップを含む請求項1または2に記載された製造プロセス - 緻密化は併用法で行われ、
a)炭素フィラメントを用いて、2.5D;3.5Dまたは4.5Dのアーマチュアを織るステップ、
b)そのアーマチュアから、製品の異なった部位を構成する要素部材を切り出すステップ、
c)その要素部材をステッチにより組み合わせて、最終的な部材サイズのモノリシックな集合体を形成させるステップ、
d)そのモノリシックな集合体を成形のための支持体の上に置くステップ、
e1)a)とb)の間、および/または、b)とc)の間、および/またはc)とd)の間に、このアーマチュアに樹脂を含浸し乾燥させるステップ、
e2)このモノリシックな集合体を重合させてから、この集合体から成形のための支持体を取りだすステップ、
e3)その重合させたモノリシックな集合体を第一の焼成にかけるステップ、
e4)含浸と焼成のステップを必要なだけ繰り返すステップ、そして、
e5)ガス法により部材の緻密化を行って、所望の密度を得るステップを含む請求項1または2に記載された製造プロセス。 - 焼成または緻密化のための加熱の最後のステップの後に、真空下で1700℃から2900℃の間の極めて高い温度で精製するステップを行う、先行する請求項のいずれか1項に記載された製造プロセス。
- 要素のために切り出した部材を、連続フィラメントを結節せずにステッチにより組み立てることを特徴とする、先行する請求項のいずれか1項に記載された製造プロセス。
- 要素のために切り出した部材を、異なった厚みを通したループを使用してステッチにより組み立て、フィラメントは摩擦によって保たれていることを特徴とする、請求項1から6のいずれか1項に記載された製造プロセス。
- 繊維の量と繊維の性質を変えることによって、強度、成形性および伝導性などの各種のパラメータを適合させえることを特徴とする、先行する請求項のいずれか1項に記載された製造プロセス。
- 支持材上に組み立てたモノリシックな集合体を、容器に収めで真空下に置き、等方性の圧力をかけながら前記の集合体が動かないようにして加圧操作することを特徴とする、先行する請求項のいずれか1項に記載された製造プロセス。
- 先行する請求項のいずれか1項の方法によって炉の要素を製造するプロセスであって、
−−織った炭素繊維AU4GCPが17層、
−−重合後の厚みが4mm、
−−たて糸方向が1cmあたり、30繊維、
−−よこ糸方向が1cmあたり、8フィラメント、
−−たて糸方向の繊維の量が20%、
−−よこ糸方向の繊維の量が40%、そして、
−−単位面積当たりの重量が4kg/m2、というパラメータを有する2.5Dのクロスを用いることを特徴とする製造プロセス。 - 先行する請求項のいずれか1項の方法によって炉の要素の補強材を製造するプロセスであって、
−−織った炭素繊維が57層、
−−重合後の厚みが10mm、
−−90°、45°、0°および135°の基本パターンが14回繰り返されて最後の層が90°、そして、
−−単位面積当たりの重量が9.8kg/m2、というパラメータを有する4.5Dのクロスを用いることを特徴とする製造プロセス。 - 請求項11または12によって炉の要素を製造するプロセスであって、
−−そのクロスから幅ものを切り出して、乾燥させて微量の水分をも除去するステップ、
−−それらの幅ものをアルコールで稀釈したフェノール性組成物に、2.5Dまたは4.5Dの場合にクロス1m2あたり4から9kgの量になるよう含浸・乾燥させ、この樹脂量が焼成後にある多孔性をもたらすようにするステップ、
−−それらの幅ものから、炉の要素とその強化材を製造するための部材を切り出すステップ、
−−その要素部材を、結節なしにステッチにより組み合わせて、最終的な部材サイズのモノリシックな集合体を形成させるステップ、
−−そのモノリシックな集合体を空気袋の中に入れるステップ、
−−そのモノリシックな集合体を180℃で重合させ、空気袋と成形用支持材を除くステップ、
−−真空下で窒素を10mbarのオーダーなるよう流しながら、このモノリシックな重合集合体に温度1700℃から2200℃の間で、第一の焼成を行うステップ、そして、
−−こうして得られた部材の緻密化を、ガス法によって温度を950から1000℃になるようにメタン気流中でおこなって、所望の密度を得るステップ、を含むプロセス。
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