JP2010254484A - Ｃ／ＳｉＣハニカム複合体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、十分に軽量で高精度なＣ／ＳｉＣハニカム複合体及びその製造方法を得ることを目的とするものである。
【解決手段】Ｃ／ＳｉＣハニカム複合体は、ハニカム構造部１と、ハニカム構造部１の一側に固定されたプレート部２とを有している。ハニカム構造部１は、炭素短繊維と黒鉛粉末と粉末樹脂とを含む混合原料を成形し炭素化してなるＣ／ＣハニカムコアをＣ／ＳｉＣ化してなっている。プレート部２は、Ｃ／Ｃハニカムコアと同一の混合原料を成形し炭素化してなるＣ／ＣプレートをＣ／ＳｉＣ化してなっている。ハニカム構造部１とプレート部２とは、Ｃ／ＣハニカムコアとＣ／Ｃプレートとにシリコンを含浸してＣ／ＳｉＣ化することにより一体化されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えば、熱的な環境変化が厳しい宇宙空間で使用される望遠鏡や光アンテナ等に用いられるＣ／ＳｉＣハニカム複合体、及びその製造方法に関するものである。

人工衛星に搭載される光学系システムは、光学性能を向上させるために大型化が必要とされている。しかし、その一方で、打上可能な重量の制約があるため、光学系システムを構成する部品（反射鏡等）は、十分な剛性を持ちながら軽量であることが望まれている。

これに対して、従来のガラス材又はＳｉＣ材等のセラミックス系材料では、接着レスの超軽量一体化構造（例えば、ハニカムコアと表皮とを組み合わせた構造）の製造が、製造期間やコストの面から困難であった。

一方、Ｃ／ＳｉＣ（炭素繊維強化炭化珪素）の超軽量構造を構成するには、ハニカムコア状の構造体が不可欠である。そして、Ｃ／ＳｉＣ化に適応可能な材料としては、ＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）製のハニカムコアを熱処理して得られるＣ／Ｃ製のハニカムコアがある。

従来のＣＦＲＰハニカムコアは、連続繊維の布織、又はマットに樹脂を含浸させたシートを、凹凸形状に仮成形して１層ずつ積み重ねて製造されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平４−２２９２５７号公報

上記のような従来のＣＦＲＰハニカムコアは、繊維強化のシートを接着して構成されているため、素材内部に繊維配向による物性の異方性がある。また、接着部と非接着部とでは、壁部の厚さに差があり（１層部と２層部）、構造としての不均一（異方性）がある。さらに、このようなハニカムコアを表皮と組み合わせ、シリコンとの反応焼結により一体化させた場合、反応による寸法変化が一様ではないため、歪みや割れが発生し、一体化焼結が困難であった。

また、ハニカムコアの代わりにフォーム構造体を用いた場合、フォーム構造体の比重がハニカムコアに比べて高いため、十分に軽量な構造体が製造できない。さらに、機械加工によりフォーム材をハニカムコアのような軽量構造に加工する場合、コアの壁の厚さや高さに加工限界があり、十分な軽量化及び大型化が困難であり、また、加工コストが高くなるとともに、製造期間が長くかかる。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、十分に軽量で高精度なＣ／ＳｉＣハニカム複合体及びその製造方法を得ることを目的とする。

この発明に係るは、ハニカム構造部と、ハニカム構造部の一側に固定されたプレート部とを有するＣ／ＳｉＣハニカム複合体であって、ハニカム構造部は、炭素繊維と黒鉛粉末と粉末樹脂とを含む混合原料を成形し炭素化してなるＣ／ＣハニカムコアをＣ／ＳｉＣ化してなり、プレート部は、Ｃ／Ｃハニカムコアと同一の混合原料を成形し炭素化してなるＣ／ＣプレートをＣ／ＳｉＣ化してなり、ハニカム構造部とプレート部とは、Ｃ／ＣハニカムコアとＣ／Ｃプレートとにシリコンを含浸してＣ／ＳｉＣ化することにより一体化されている。

この発明のＣ／ＳｉＣハニカム複合体は、ハニカム成形体を炭素化してなるＣ／Ｃハニカムコアを用いてハニカム構造部を構成したので、フォーム材を機械加工する場合に比べて、ハニカム構造部を高精度に構成することができる。また、プレート部は、Ｃ／Ｃハニカムコアと同一の混合原料を成形し炭素化してなるＣ／ＣプレートをＣ／ＳｉＣ化してなり、ハニカム構造部とプレート部とは、Ｃ／ＣハニカムコアとＣ／Ｃプレートとにシリコンを含浸してＣ／ＳｉＣ化することにより一体化されているので、金属等に比べて熱変形が小さく、ＳｉＣのように比強度及び比剛性が高いＣ／ＳｉＣ材により、十分に軽量で大型のＣ／ＳｉＣハニカム複合体を、比較的短期間に低コストで製造することができる。

この発明の実施の形態１によるＣ／ＳｉＣハニカム複合体を示す斜視図である。 図１のハニカム構造部１を作製するための成形用治具の治具本体を示す斜視図である。 図２の治具本体に外枠を装着した状態を示す斜視図である。 図３の成形用治具上に押し板をセットする様子を示す斜視図である。 図１のハニカム構造部の作製途中の状態を示す斜視図である。 図１のプレート部の作製途中の状態を示す斜視図である。 図５のＣ／Ｃハニカムコアを図６のＣ／Ｃプレートの形状に合わせて加工した状態を示す斜視図である。

以下、この発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるＣ／ＳｉＣハニカム複合体を示す斜視図であり、この例では、宇宙空間で使用される反射鏡を示している。図において、Ｃ／ＳｉＣハニカム複合体は、略円形のハニカム構造部１と、ハニカム構造部１の一側（厚さ方向の一端）に固定された円板状のプレート部２とを有している。また、Ｃ／ＳｉＣハニカム複合体の中央には、光路を確保するための光路孔３が設けられている。

次に、Ｃ／ＳｉＣハニカム複合体の製造方法について説明する。図２は図１のハニカム構造部１を作製するための成形用治具の治具本体を示す斜視図である。治具本体は、長方形の平板状の底板（ボトムプレート）４と、底板４上に互いに間隔をおいて立設された複数のコア芯５とを有している。各コア芯５の断面形状は、ハニカム形状を構成する６角形となっている。即ち、各コア芯５の外形は、六角柱である。

また、各コア芯５は、底板４の材料よりも線膨張係数が大きい材料により構成されている。具体的には、コア芯５は、例えばアルミニウム合金等の比較的熱膨張率の大きい材料により構成されており、底板４は、コア芯５の材料よりも熱膨張率の小さいステンレス鋼等により構成されている（熱膨張率の関係は、コア芯５＞底板４）。

ハニカム構造部１を作製する場合、図３に示すように、底板４と同様の材料からなる外枠６を治具本体の外周に装着する。そして、コア芯５間の隙間、及びコア芯５と外枠６との間の隙間に、ランダムに分散した炭素短繊維と黒鉛粉末と粉末樹脂とを含む混合原料を充填する。

この後、図４に示すように、成形用治具内の隙間、即ち混合原料を充填した部分に対応した形状の押し板７により、混合原料を加圧する。そして、押し板７により加圧した状態で、混合原料を加熱し硬化させる。なお、押し板７は、底板４と同様の材料からなり、コア芯５が挿入される多数の孔を有している。

この後、成形用治具を冷却すると、底板４は殆ど伸び縮みしないが、コア芯５が大きく収縮するため、成形体とコア芯５との境界に隙間ができ、成形体を成形用治具から容易に取り出すことができる。このようにして、ＣＦＲＰ製のハニカム成形体が作製される。

次に、脱型したハニカム成形体を不活性雰囲気中で熱処理し、マトリックス樹脂を熱分解して炭素化する（炭素化焼成）。これにより、図５に示すようなＣ／Ｃハニカムコア８が得られる。

一方、Ｃ／Ｃハニカムコア８を作製する際と同一の混合原料で成形したブロックを炭素化焼成し、Ｃ／Ｃブロックを作製する。そして、Ｃ／Ｃブロックをプレート部２の形状に加工して、図６に示すようなＣ／Ｃプレート９を作製する。また、図７に示すように、Ｃ／Ｃハニカムコア８の形状をＣ／Ｃプレート９に合わせて加工する。

この後、Ｃ／Ｃハニカムコア８とＣ／Ｃプレート９とを仮接着して組み合わせ、これらに真空中でシリコンを溶融し含浸させる。これにより、シリコンを炭素と反応させてＳｉＣ化し、Ｃ／Ｃハニカムコア８及びＣ／Ｃプレート９をＣ／ＳｉＣ化させる。このＣ／ＳｉＣ化により、ハニカム構造部１とプレート部２とが一体化され、図１に示したＣ／ＳｉＣハニカム複合体が得られる。

このようなＣ／ＳｉＣハニカム複合体のハニカム構造部１は、空隙の多い構造であり、嵩比重が０．８から１．０程度と軽量である。また、ハニカム構造部１の壁の厚さは、格子間隔に対して十分に薄く、ハニカム構造部１の空隙率は９０〜９８％である。さらに、ハニカム構造部１及びプレート部２には、炭素短繊維が均等に分散されているため、シリコン含浸によるＳｉＣ化反応において均一な寸法変化を示し、歪みを生じずに一体の超軽量構造を得ることができる。

さらにまた、ハニカム構造部１とプレート部２とは同一の原料により成形された成形体を接着し、シリコン含浸により反応させて一体化されているため、接着部も反応しＳｉＣ化された接着部（異種材料）のない一体構造になっている。

このように、実施の形態１のＣ／ＳｉＣハニカム複合体では、ハニカム成形体を炭素化してなるＣ／Ｃハニカムコア８を用いてハニカム構造部１を構成したので、フォーム材を機械加工する場合に比べて、ハニカム構造部１を高精度に構成することができる。

また、プレート部２は、Ｃ／Ｃハニカムコア８と同一の混合原料を成形し炭素化してなるＣ／Ｃプレート９をＣ／ＳｉＣ化してなり、ハニカム構造部１とプレート部２とは、Ｃ／Ｃハニカムコア８とＣ／Ｃプレート９とにシリコンを含浸してＣ／ＳｉＣ化することにより一体化されているので、金属等に比べて熱変形が小さく、ＳｉＣのように比強度及び比剛性が高いＣ／ＳｉＣ材により、十分に軽量で大型のＣ／ＳｉＣハニカム複合体を、比較的短期間に低コストで製造することができる。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２について説明する。実施の形態２では、成形用治具のコア芯５にアルミニウム合金を用い、底板４及び外枠６に熱膨張率の小さいインバー材を用いた。また、孔のない平板状の押し板を用いた。そして、実施の形態１と同様の混合原料を成形用治具の隙間に充填して押し板で加圧し、その状態で１５０℃まで加熱して原料を硬化させた。その後、室温まで冷却すると、成形体とコア芯５との境界には隙間が発生しており、成形体を成形用治具から容易に取り出すことができた。他の製造方法は、実施の形態１と同様である。

このような製造方法によっても、クラックや歪みのない軽量なＣ／ＳｉＣハニカム複合体を得ることができた。
ここで、熱膨張率が大きく異なるコア芯５と底板４との組み合わせを用いつつ、孔のない押し板を用いる場合、コア芯５の熱膨張により、充填した原料を圧縮して成形することが可能であり、より薄いハニカム成形体を得ることができる。

なお、上記の例では、正六角形を並べたハニカムコア構造を示したが、これに限定されるものではなく、例えば三角形、四角形、又は円形を並べた構造であってもよい。
また、成形用治具の材料は上記の例に限定されるものではなく、例えば、コア芯５の材料として鉄系材料やステンレス鋼等を用い、底板４の材料として、金属に比べて熱膨張率の小さいガラス系材料やセラミックス材料等を用いてもよい。
さらに、上記の例では、ハニカム構造部１の一側のみにプレート部２が固定されているが、同様の一体化方法でハニカム構造部１の他側にもプレート部２を固定してサンドイッチ構造体としてもよい。
さらにまた、上記の例では、反射鏡に用いられるＣ／ＳｉＣハニカム複合体を示したが、これに限定されるものではなく、例えば、光学系システム内の他の装置に用いたり、宇宙空間以外の環境で使用される装置に用いたりしてもよい。

１ ハニカム構造部、２ プレート部、４ 底板、５ コア芯、８ Ｃ／Ｃハニカムコア、９ Ｃ／Ｃプレート。

Claims (5)

1. ハニカム構造部と、前記ハニカム構造部の一側に固定されたプレート部とを有するＣ／ＳｉＣハニカム複合体であって、
   前記ハニカム構造部は、炭素繊維と黒鉛粉末と粉末樹脂とを含む混合原料を成形し炭素化してなるＣ／ＣハニカムコアをＣ／ＳｉＣ化してなり、
   前記プレート部は、前記Ｃ／Ｃハニカムコアと同一の混合原料を成形し炭素化してなるＣ／ＣプレートをＣ／ＳｉＣ化してなり、
   前記ハニカム構造部と前記プレート部とは、前記Ｃ／Ｃハニカムコアと前記Ｃ／Ｃプレートとにシリコンを含浸してＣ／ＳｉＣ化することにより一体化されていることを特徴とするＣ／ＳｉＣハニカム複合体。
2. 前記ハニカム構造部の嵩比重が０．８〜１．０の範囲内であることを特徴とする請求項１記載のＣ／ＳｉＣハニカム複合体。
3. 前記ハニカム構造部の空隙率が９０〜９８％であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＣ／ＳｉＣハニカム複合体。
4. 炭素繊維と黒鉛粉末と粉末樹脂とを含む混合原料を成形してなるハニカム成形体を炭素化してＣ／Ｃハニカムコアを作製する工程、
   前記Ｃ／Ｃハニカムコアと同一の混合原料を成形し炭素化してＣ／Ｃプレートを作製する工程、及び
   前記Ｃ／Ｃハニカムコアの一側に前記Ｃ／Ｃプレートを組み合わせ、前記Ｃ／Ｃハニカムコア及び前記Ｃ／Ｃプレートにシリコンを含浸し反応させてＣ／ＳｉＣ化する工程
   を含むことを特徴とするＣ／ＳｉＣハニカム複合体の製造方法。
5. 底板と、前記底板上に互いに間隔をおいて設けられ、線膨張係数が前記底板の線膨張係数よりも大きい複数のコア芯とを有する成形用治具を用いて、前記ハニカム成形体を成形することを特徴とする請求項４記載のＣ／ＳｉＣハニカム複合体の製造方法。

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