JP2005239539A

JP2005239539A - ＣＶＩ／ＳｉＣセラミックマトリクス複合材ラミネートの熱機械特性強化プライ

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Publication number: JP2005239539A
Application number: JP2005045205A
Authority: JP
Inventors: Timothy D Kostar; ティモシー・ダニエル・コスター; Toby George Darkins Jr; トビー・ジョージ・ダーキンズ，ジュニア; Douglas Melton Carper; ダグラス・メルトン・カーパー
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2004-02-23
Filing date: 2005-02-22
Publication date: 2005-09-08
Also published as: EP1566370A2; US20050186878A1; EP1566370A3

Abstract

【課題】本発明は、一般に、セラミックマトリクス複合材構成及びその製法に関する。
【解決手段】セラミックマトリクス複合材ラミネート（１１４）は、少なくとも２つの指向性連続セラミック繊維プリフォームラミナ（１０）を含み、各々は織り合せ又は編組された繊維から形成される。不織マットの層は、結合剤が混合された複数のチョップトセラミック繊維（１１８）を含む。該不織マット層は、隣接する指向性連続セラミック繊維プリフォームラミナ（１０）間に介在し、該隣接する指向性連続セラミック繊維プリフォームラミナ（１０）間に形成されるラミナ間のギャップを実質的に除去する。追加のチョップト・ファイバ含有物は、結果として得られるセラミックマトリクス複合材ラミネート（１１４）のラミナ間の機械的及び熱機械的材料特性を向上させる。
【選択図】図５

Description

本発明は、一般に、セラミックマトリクス複合材構成及びその製法に関する。具体的には、本発明は、改良されたセラミックマトリクス複合材構成体及びその製法に関し、該構成体は、ラミナ間の機械的及び熱機械的特性を有意に向上させ、ラミナ間の亀裂に対する抵抗を高める。

セラミックマトリクス内に積層されてラミネートを形成する連続セラミック繊維布ラミナのプライを備えるセラミックマトリクス複合材料（ＣＭＣ）は、これらの高い強度対重量比及び高温能力に起因して使用されることが多い。材料の起源すなわち製造履歴は、基礎的な熱機械的特性を含む最終製品性能に直接影響を及ぼす。従来の製造手法はレイアップを用い、これは、特定の方向及び順序で材料の指向性連続繊維プライを積み重ねることを伴う。通常、レイアップは、指向性連続セラミック繊維のプライ又はラミナからの多層ドライラミナを含む。これらのラミナは通常、連続セラミック繊維トウから作製される、単一方向又は２次元の織り合せ又は編組布から構成される。

ＣＭＣを作製するため、化学気相浸透法（ＣＶＩ）のようなＣＭＣ稠密化の実際的な方法が、ドライ繊維ラミネート内部にＳｉＣのようなマトリクス材料を堆積させるために使用される。ＣＶＩは、セラミックマトリクス組成物の作製のために用いられる化学蒸着プロセスであり、該プロセスにおいては、所与の温度でＳｉＣを堆積させる前駆体ガスの化学蒸気が、多孔性連続セラミック繊維又は織布プリフォーム上に堆積される。

隣接する２次元連続セラミック繊維織布プライは、界面で接合する。この界面は通常、それらの間にラミナ間ギャップとも称される平面ギャップを含み、該ギャップは通常、ＳｉＣマトリクスリッチで且つ多孔質であり、結果として生じる該多孔質のマトリクスリッチ界面での不十分な複合材料性能特性は、セラミック繊維材料の強化に実質的に欠けている。この不十分な複合材料性能はまた、連続織繊維プライの使用及び該布の対応する「凹凸性」に起因するものであり、比例的に大きなラミナ間空隙が生じることになる。３次元プリフォーム製造技術は研究中であるが、基礎的な手法は、依然として指向性連続セラミック繊維ラミネートのレイアップのうちの１つである。
特開２００１−５０８３８８号公報

従って、必要とされるものは、ＣＶＩ稠密化処理の間に隣接するプリフォーム層の間の層間空隙及びＳｉＣマトリクスリッチ領域の形成を実質的に減少させる、セラミックマトリクス複合材のための２次元連続繊維ラミネートのレイアップに適合性のあるプライ構成体又は手法である。更に、該複合材ラミネートプライ構成技法は、該領域の補強繊維を強化及び／又は強靭化させると共に、ラミネートマトリクス稠密化処理間での製造及び組込みに安価でなければならない。

本発明の１つの実施形態は、少なくとも２つの指向性連続セラミック繊維プリフォームのラミナを含む改良されたセラミックマトリクス複合材ラミネートに関する。不織マット構成体の層は、結合剤が混合された複数のチョップト・ファイバを含む。チョップト・ファイバ層は、少なくとも２つの指向性連続セラミック繊維プリフォームラミナ間に介在し、繊維強化界面を形成し、且つ隣接する指向性連続セラミック繊維プリフォームラミナ間に形成されるラミナ間空隙が低減されるようにする。

本発明の代替的な実施形態は、少なくとも２つの指向性連続セラミック繊維プリフォームラミナを備えるセラミックマトリクス複合ラミネートを製作する方法に関し、少なくとも２つのプリフォームラミナの各々は、織られ又は編組されたセラミック繊維トウから形成される。この段階は、少なくとも２つのプリフォームラミナの隣接する指向性連続セラミック繊維の織り合され又は編組されたプリフォームラミナ間に介在して、チョップト・ファイバ層が指向性連続セラミック繊維ラミナ間に挟まれるようにされる、結合剤と混合された複数のチョップトセラミック繊維を含む不織構成体の層を提供する段階を含む。チョップト・ファイバマット層は、界面を充填する無指向性繊維を提供し、これによって、指向性連続セラミック繊維層の表面がマトリクス稠密化処理中に連続層状のマトリクスリッチ界面を形成することが抑制される。

本発明の複合材構成の１つの利点は、ラミネート内の連続層状のマトリクスリッチ界面層の生成を抑制することによって、ラミナ間の機械的及び熱機械的材料特性を向上させ、ラミナ間の空隙率を低下させる安価な手法であることである。

本発明の複合材構成の別の利点は、向上したラミナ間の破壊靭性及び亀裂成長抵抗性を有することである。指向性連続セラミック繊維プライ間の界面は、強化繊維が実質的にないマトリクス材料の界面よりも低い空隙率の繊維を含む層で構成されているので、該構造は向上した強度及び熱伝導性も有する。

本発明の指向性連続セラミック繊維とチョップト・ファイバ不織体とが混成された複合材ラミネート構成の更なる利点は、織り合せ層の間に挟まれる不織層が、従来型の指向性連続セラミック繊維ラミナのレイアップ技法に適合することである。

本発明の他の特徴及び利点は、本発明の原理を例証として示す添付図面と共に読むと、以下の好ましい実施形態の詳細な説明から明らかになるであろう。

可能な限り、同じ参照数字が図面全体を通じて同じ又は同様の部分を示すのに使用される。

本発明が適用可能な典型的な複合材構成が、図１に例証として示される。通常、織物プリフォームのＳｉＣ繊維／ＳｉＣマトリクス複合ラミネートは、ドライプライのレイアップに織られ又は編組された指向性連続セラミック繊維ラミナからなるラミネート又はプライ１０を用いて製作される。連続繊維トウ１２の形態のＳｉＣ繊維は、織られ又は編組されて（すなわち、平織、ファイブハーネス繻子織、トリアキシャル編み、など）プライ１０又はドライラミナが製作される。次いで、これらのプライは切断して成形され、通常は手動でセットされて層状繊維プリフォーム構造体が形成される。プリフォーム構造体は、加工設備の寸法及び形状と共形となるように加工設備上に置かれ、マトリクス稠密化に作製される。他の複合材構成は、単一方向プライを用い、すなわち、連続繊維プライは単一方向に整列される。しかしながら、連続繊維プライの角度方向はプライごとに変化し、複数の方向における強化された複合材料特性を提供することができる。単一方向プライで作られる複合材ラミネートもまた、織物プリフォームの、織られ又は編組された連続繊維プライに見られる界面と同様に、連続繊維プライ間に層状の連続したマトリクスリッチ界面を有する。

図２を参照すると、ＳｉＣマトリクス稠密化が化学蒸着プロセスによって部分的に達成されてラミネート１４が形成される。セラミックマトリクス複合材の作製に使用される最も一般的な化学蒸着プロセスは、化学気相浸透法（ＣＶＩ）である。通常、ＣＶＩマトリクス浸透プロセスにおいて、ホットガス（又はガスの混合物）が拡散によって連続繊維ラミナ１０のプライ間に浸透し、加工プリフォームを形成する連続繊維内に堆積する。例えば、ＡｌＣｌ_３−Ｈ_２−ＣＯ_２は、多孔質アルミナ繊維又はプリフォームから構成されるプライ上にアルミナを堆積させて、アルミナ−アルミナＣＭＣを形成させるのに使用される。ＳｉＣマトリクスでは、ＣＶＩガスはシラン及びメタンガスを含み、これはＳｉＣ繊維又はプリフォーム上へのＳｉＣの堆積をもたらし、ＳｉＣ−ＳｉＣ複合材が形成される。

織られ又は編組された２次元の連続繊維プリフォームプライ１０の波状又は「凹凸のある」性質に起因して、連続繊維ラミナ１０が図３に示すように積み重ねられ又はレイアップされたときに、プライ１０間に比例して大きく不規則なラミナ間ギャップ１６が生成される。堆積する繊維がない場合のＣＶＩプロセスの結果は、複合ラミネートの連続繊維プライ間のマトリクス及びボイドリッチ領域である。ラミナ間ギャップが最小化された場合でも、プライの間の連続層状界面は、通常は高い空隙率を有するマトリクス材料で充たされ、実質的に繊維が無い。このことは、ＣＶＩプロセスにおけるマトリクス堆積の性質に起因する。マトリクスは、トウ表面に均一に形成されて、最終的にギャップ領域１６内へのガス浸透が阻止され、結果として空隙が形成される。例えば、ＳｉＣマトリクスリッチ領域もボイド領域も、これらに付随する低い熱的及び構造的特性に起因して望ましくない。従って、ラミナ間の空隙１６は、ＳｉＣ−ＳｉＣＣＭＣラミネートにおける最も弱い構造特性の限界領域であることが知られており、ここで破壊が最も起こり易い。結果として得られる低い機械的、熱機械的特性は、設計用途における設計範囲を制限する。更なる開示は、ＳｉＣ−ＳｉＣＣＭＣに関するものであるが、ＳｉＣ−ＳｉＣＣＭＣは例示的なものであり、本発明の技術はＣＶＩ技法によって製造される他のセラミックマトリクス複合材にも適用可能であるので、従って、ＣＭＣの低いラミナ間強度の問題は一般に共通のものである点は当業者には理解されるであろう。

図４を参照すると、不織層１１６は複数のチョップト・ファイバ１１８を有し、該チョップド・ファイバ１１８は、必ずしもそうではないが、通常は互いに対してランダムに配向されている。すなわち、繊維１１８は通常はランダムに配向されているが、必要に応じて、繊維１１８間の配向整列の程度の変化が生じる場合がある。繊維１１８フィラメントの直径は約１０−２０ミクロン（約０．０００４−０．０００８インチ）の範囲にあり、繊維含量は約１０−５０パーセントであって、１０−２０パーセントが好ましい。言い換えると、不織層１１６の空隙率は好ましくは約８０−９０パーセントである。通常、不織層１１６は、好ましくは約１インチ以内の長さの寸法に細断された原料繊維で形成される。繊維はホッパー（図示せず）に供給され、ポリビニルアルコールなどの結合材と混合され、次に薄い布層に押出され、次いで乾燥されて結合材が除去される。この構成は、「綿毛状の」又は「有毛の」特徴を有する不織層又はマットを提供し、該特徴は、製造プロセスの特性、相対的に短いフィラメント長、及び実質的にランダムな繊維配向の組合せに起因するものである。マットは十分な強度を有するので、更なる処理に対処することができるが、弾力性も極めて高い。この「綿毛性」は、隣接するＳｉＣの指向性連続セラミック繊維プライ間に組込まれたときに、有利な空隙充填機能を提供し、これは以下に更に詳細に説明される。不織布層又はマットは、約０．０２５４ｍｍ（０．００１インチ）から少なくとも約６．３５ｍｍ（０．２５インチ）までの極めて広範囲の厚みを有して製作することができるが、ＣＶＩ堆積プロセスに使用するためにはできる限り薄いことが好ましい。該製造プロセスは、商業的に利用可能であるので、セラミック繊維製の不織ラミナを安価に生産することができる。

次に、図５から図６を参照して、本発明の不織層１１６の有利な応用を説明する。改良ラミネート１１４の好ましい実施形態は、チョップト・ファイバの不織層１１６を組込んでおり、その他の点ではラミネート１４と同様である。すなわち、改良ラミネート１１４もまた、織り合せラミナ１０又は単一方向プライを利用しており、これは、以下に指向性連続セラミック繊維プライ、ラミナ、又は層として全体として言及される。しかしながら、ラミネート１１４の場合には、不織チョップト・ファイバ層１１６が、隣接する織り合せラミナ１０間に介在する。すなわち、層１１６の対向する表面又は面は、各隣接ラミナ１０の表面又は面と接し、集合層１１６とラミナ１０はラミネートを形成する。圧縮力をラミネート１１４に印加して、隣接ラミナ１０の対応する表面を互いにより近接させ、低密度多孔性不織マット層１１６を局所的に圧縮する。マトリクスリッチ界面層を強化するために必要な最小限のチョップト・ファイバ容積を提供するための層１１６の厚みは、好ましくは約０．０２５４から０．０５０８ｍｍ（０．００１から０．００２インチ）である。次いで、レイアップをＣＶＩプロセスにかけて、レイアップに繊維間の空隙を充たすセラミックマトリクス材料を浸透させる。少なくとも部分的に不織細断マット１１６の弾力的性質、又は「綿毛性」に起因して、層１１６及びラミナ界面によって形成されるラミナ間空隙は、隣接する指向性連続セラミック繊維ラミナ間から、完全には除去されない場合でも大きさが縮小される。また、ラミナ間の空隙は有意に縮小された大きさのものであり、更にＣＶＩプロセスの間に少なくとも実質的に充填される可能性が高いが、これは、チョップト・ファイバの形態のより多くの繊維がＣＶＩＳｉＣ堆積のこうした領域内で利用可能であり、チョップト・ファイバのランダムな配向により該繊維の一部がラミナ間空隙内へ延びて、ラミナ間の空隙に実質的に均一に分布し、上述のようにラミナ間空隙の容積比率を低下させることになるためである。

不織層１１６によって、結果として得られたＣＭＣラミネートは隣接する織り合せラミナ１０間に形成されるラミナ間空隙率が低下しており、残りの空隙については、その大きさが有意に縮小されている。従って、不織層１１６は、改良された破壊靭性又は亀裂成長抵抗、強度、及び高い熱伝導性といった強化されたラミナ間特性を提供する。指向性連続セラミック繊維プライ間の界面にある繊維は、該界面での性能を向上させ、ＣＭＣラミネートの性能を向上させる。このことは、ラミネート１４内に出現するマトリクスリッチ材料領域又は空隙領域に対する、ラミネート１１４の不織層１１６内に繊維１１８が存在することに起因する。好ましい実施形態は、隣接する指向性連続セラミック繊維ラミナ間に介在する単一の不織層を示しているが、同様の厚み又は有意に異なる厚みの少なくとも２つの不織層は、隣接する指向性連続セラミック繊維ラミナ間の挿入のために結合することができる。

本発明は、連続織繊維ラミナ間に介在するチョップトマットに関して実質的に説明したが、本発明はまた、単一方向連続繊維ラミナ間に挟まれるチョップト・ファイバマットを包含した。更に、好ましい実施形態においては、チョップト・ファイバと、織られ、編組され、及び／又は単一方向の２次元連続繊維とは、同じセラミック組成のものであるが、本発明はまた、織られ、編組された連続繊維又は単一方向連続繊維ラミナとは異なる組成を有するチョップト・ファイバの使用も想定される。本発明はまた、必要に応じて、指向性連続セラミック繊維プリフォームラミナ間の不織チョップト・ファイバマットの複数の層の使用も想定される。本発明は、不織チョップト・ファイバマットの単一層に限定されるものではない。複数の不織マット繊維ラミナが異なる繊維材料のものであってもよいことも想定される。

本発明を好ましい実施形態を参照しながら説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく、種々の変更を行うことができ、均等物をその要素と置き換え得ることは当業者には理解されるであろう。加えて、本発明の本質的な範囲を逸脱することなく、本発明の教示に対して特定の状況又は材料を適合させるために多くの修正を行うことができる。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

従来技術の織り合せラミナの斜視図。従来技術のＣＭＣラミネートを形成するために従来技術の化学気相浸透プロセスを受けている複数の織り合せラミナの概略立面図。図２の従来技術のＣＭＣラミネートの拡大部分立面図。本発明の不織層の斜視図。本発明のＣＭＣラミネートを形成するために化学気相浸透プロセスを受けている不織層が介在する複数の織り合せラミナの概略立面図。本発明の図５のＣＭＣラミネートの拡大部分立面図。

符号の説明

１０指向性連続セラミック繊維プリフォームラミナ
１１４セラミックマトリクス複合材ラミネート
１１６不織層

Claims

改良されたセラミックマトリクス複合材ラミネート（１１４）であって、
各々がセラミックマトリクス内の指向性連続繊維のセラミック繊維から形成された複数のプリフォームラミナ（１０）と、
前記複数のプリフォームラミナ（１０）の内の隣接するプリフォーム連続繊維ラミナ（１０）間に介在して前記連続繊維ラミナ（１０）間に隣接する連続繊維プリフォームラミナ（１０）間の空隙を減少させ且つ連続層状のマトリクスリッチ層を抑制する界面を形成する、セラミックマトリクス内の複数のチョップトセラミック繊維（１１８）を含む不織マットの層と、
前記連続繊維セラミックラミナ（１０）及び前記チョップト・ファイバ不織マットラミナ内に浸透する相溶性セラミック材料のマトリクスと、
を備えるセラミックマトリクス複合材ラミネート（１１４）。
前記不織チョップト・ファイバマットが、少なくとも２つのプリフォームラミナ（１０）の隣接する連続繊維プリフォームラミナ（１０）間に介在する前に、約０．０２５４ｍｍ（０．００１インチ）ないし約（６．３５ｍｍ）０．２５インチの厚みであることを特徴とする請求項１に記載のセラミックマトリクス複合材ラミネート（１１４）。
前記不織チョップト・ファイバマットが、少なくとも２つのプリフォームラミナ（１０）の隣接する連続繊維プリフォームラミナ（１０）間に介在した後に、約０．０２５４ｍｍ（０．００１インチ）ないし約０．０５０８ｍｍ（０．００２インチ）の厚みであることを特徴とする請求項２に記載のセラミックマトリクス複合材ラミネート（１１４）。
前記不織マットが、ランダム配向のチョップト・ファイバ（１１８）から構成されることを特徴とする請求項１に記載のセラミックマトリクス複合材ラミネート（１１４）。
前記チョップト・ファイバ（１１８）が、約１インチ未満の長さであることを特徴とする請求項１に記載のセラミックマトリクス複合材ラミネート（１１４）。
前記チョップト・ファイバ（１１８）がセラミック繊維であることを特徴とする請求項１に記載のセラミックマトリクス複合材ラミネート（１１４）。
前記複数のプリフォームラミナ（１０）の隣接するプリフォームラミナ（１０）間に介在する前記不織マットにより、ラミナ間空隙の数が低減されることを特徴とする請求項１に記載のセラミックマトリクス複合材ラミネート（１１４）。
前記複数のプリフォームラミナ（１０）の隣接するプリフォームラミナ（１０）間に介在する前記不織マットにより、ラミナ間空隙の大きさが縮小されることを特徴とする請求項１に記載のセラミックマトリクス複合材ラミネート（１１４）。
前記複数のプリフォームラミナ（１０）の隣接するプリフォームラミナ（１０）間に介在する前記不織マットにより、ラミナ間空隙の容積比率が低下されることを特徴とする請求項１に記載のセラミックマトリクス複合材ラミネート（１１４）。
前記複数のプリフォームラミナ（１０）の隣接するプリフォームラミナ（１０）間に介在する前記不織マットが、ラミナ間空隙に均一に分布することを特徴とする請求項１に記載のセラミックマトリクス複合材ラミネート（１１４）。