JP2011140716A - 繊維状物質の連続コーティングのための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】繊維状物質上にコーティングを連続的に付着させるための方法及び装置を提供する。
【解決手段】繊維状物質の複数のストランド４６を、ハウジング４２により画定された包囲されたチャンバー４４内のコーティングゾーンに通して連続的に移動させることにより、ストランドの一部分がチャンバーを通って移動するときに前記部分が反応物質ガスと接触し、ストランドと物理的に接触することなく、かつハウジングを直接に加熱することなく、ストランドの前記部分を直接加熱し、反応物質ガスがストランドの前記部分と接触し分解する結果としてストランド上にコーティング材料を付着させてコーティング材料のコーティングを形成することを含む化学蒸着法である。
【選択図】図３

Description

本発明は、一般に、コーティングの方法及び装置に関する。より詳細には、本発明は、繊維状物質上にコーティングを連続的に設置するための方法及び装置に関する。

セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）材料は一般にセラミックマトリックス材料中に埋め込まれたセラミック繊維強化材を含んでいる。この強化材は、マトリックス材料中に分散した不連続の短繊維又はマトリックス材料内で配向された連続繊維若しくは繊維束（トウ）であり得、マトリックスに亀裂が入った場合にはＣＭＣの負荷担持成分として働く。一方、セラミックマトリックスは強化材を保護し、その繊維の配向を維持し、強化材に対する負荷を分散するように機能する。個々の繊維（フィラメント）は、これらの繊維とセラミックマトリックス材料との限定され制御された滑りを許容する脆弱な界面又は剥離（de-bond）層を形成するように窒化ホウ素（ＢＮ）又は炭素のような剥離材で被覆されることが多い。ＣＭＣ内に亀裂が発生したとき、その亀裂を横切る１以上の繊維が、その負荷をマトリックス材料の隣接する繊維及び領域に再分配して、その亀裂がさらに伝播するのを阻止するか又は少なくとも遅らせるように作用する。

連続繊維で強化されたセラミック複合材（ＣＦＣＣ）は、ガスタービンエンジンのシュラウド、燃焼器ライナー、ベーン、ブレード及びその他の高温部品を含めて種々の高温負荷担持用途に対して軽量、高強度及び高剛性を提供するＣＭＣの一種である。ＣＦＣＣ材料は一般に連続繊維（フィラメント）により特徴付けられ、これらの連続繊維（フィラメント）は、並べられて一方向アレイの繊維を形成していてもよいし、又は並べられて一方向アレイのトウを形成するトウに束ねられていてもよいし、又は織られて二次元のファブリックを形成するか又は織られるか若しくは編まれて三次元のファブリックを形成するトウに束ねられていてもよい。三次元のファブリックでは、複数の組の一方向性のトウが、例えば、互いに横断して織り合わせられ得る。個々の繊維で強化されたＣＭＣと同様に、ＣＦＣＣ材料の個々のトウは剥離材でコートして、亀裂の伝播を阻止する剥離層を形成することができる。

ＳｉＣ、炭化チタン（ＴｉＣ）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）及びアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を始めとする種々のセラミックマトリックス材料のための強化材として炭化ケイ素（ＳｉＣ）繊維が使用されている。高温用途に特に重要なものは、炭化ケイ素がマトリックス及び／又は強化材であるケイ素系の複合材である。注目に値する１つの例は、Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ社によりＨｉＰｅｒＣｏｍｐ（登録商標）という名称で開発されたＳｉＣ／Ｓｉ−ＳｉＣ（繊維／マトリックス）ＣＦＣＣ材料であり、これは炭化ケイ素及び元素状ケイ素又はケイ素合金のマトリックス中に連続炭化ケイ素繊維を含有する。適切な炭化ケイ素繊維材料としては、限定されることはないが、日本カーボン（株）から市販されているＮＩＣＡＬＯＮ（登録商標）、ＨＩ−ＮＩＣＡＬＯＮ（登録商標）及びＨＩ−ＮＩＣＡＬＯＮ（登録商標）Ｔｙｐｅ Ｓ繊維、並びに宇部興産（株）から入手可能なＴｙｒａｎｎｏ類の繊維がある。

ＳｉＣ／Ｓｉ−ＳｉＣ ＣＦＣＣ材料の特定の例及び方法は本出願人に譲渡されている米国特許第５０１５５４０号、同第５３３０８５４号、同第５３３６３５０号、同第５６２８９３８号、同第６０２４８９８号、同第６２５８７３７号、同第６４０３１５８号及び同第６５０３４４１号、並びに本出願人に譲渡されている米国特許出願公開第２００４／００６７３１６号に開示されている。一例として、ＳｉＣ／Ｓｉ−ＳｉＣ ＣＦＣＣ材料はフィラメントワインディングプロセスを用いて製造することができ、この方法によって繊維、通常は長繊維トウの形態の繊維に、適切な溶媒及び結合剤中にマトリックス粉末を含有する前駆体スラリーを含浸させる。このスラリーに好ましい組成はセラミックマトリックスに望ましい特定の組成に依存する。この前駆体を含浸したトウを次にドラムに巻き取り、スラリーを部分的に乾燥させる。次いで、得られたプリプレグをドラムから外し、他のプリプレグをレイアップした後、圧力と温度を高めて減量し（debulk）、硬化させて硬化したプリフォームを形成する。この硬化したプリフォームを次に真空中又は不活性雰囲気中で加熱して結合剤を分解し、溶融したケイ素による溶融浸透（ＭＩ）にそのままかけられる多孔性のプリフォームを得る。溶融浸透中、ケイ素及び／又は１種以上のケイ素合金（通例外部からプリフォームに加えられる）が溶融し、溶融したケイ素及び／又はケイ素合金がプリフォームの気孔中に浸透する。溶融したケイ素の一部はプリフォーム中に存在する炭素と反応して炭化ケイ素を形成し、一方残りの溶融したケイ素は気孔を満たす。冷却により、マトリックスが炭化ケイ素相と固体の元素状ケイ素及び／又は１種以上のケイ素合金相とを含むＣＭＣ構成要素が生成する。上記方法の具体的な加工処理技術及びパラメーターは材料の特定の組成に依存し、その他の点では当業者の能力の範囲内であり、従ってここでは述べない。

図１に、上記方法に従って製造することができるタイプのＣＦＣＣ材料を概略的に示す。図１で、ＣＦＣＣ構成要素１０の表面領域は、各々がセラミックマトリックス前駆体を含浸した一方向に並んだトウ１４を含む個々のプリプレグに由来する複数の薄層１２を含むものとして表されている。結果として、各々の薄層１２は、炭化ケイ素、元素状ケイ素及び／又はケイ素合金相（図には示してない）を含むセラミックマトリックス１８内に包まれた一方向に並んだ繊維１６を含有する。

前述したように、繊維１６は、繊維１６、トウ１４及びセラミックマトリックス１８間の限定され制御された滑りを可能にする脆弱な界面又は剥離層（図には示してない）、通例は窒化ホウ素、炭素又はこれらの混合物で被覆されるのが好ましい。また、ＣＭＣの加工処理中繊維１６を保護するといったような様々な目的で追加の及び／又は異なるコーティングを設けてもよい。繊維コーティングを設けるために、スラリー−浸漬、ゾル−ゲル、スパッタリング及び化学蒸着（ＣＶＤ）のような幾つかの異なる技術が開発されている。これらのうちで、ＣＶＤは均一な厚さと制御された組成の連続剥離層を生成するのに特に適していることが示されている。典型的なＣＶＤプロセスでは、１以上の繊維又はトウと所望のコーティングのガス源（反応物質ガス）とを加熱して反応物質ガスを分解させ、繊維又はトウ上にコーティングとして付着させる。ＣＶＤコーティングはバッチ式又は連続式に設けられるが、後者の場合通例反応器内に流される反応物質ガスを含有する反応器に１以上の繊維又はトウを連続的に通す。

上記のようなタイプの繊維コーティングプロセスの非限定例には、米国特許出願公開第２００２／００６６４０９号及び同第２００７／００９９５２７号がある。かかるプロセスに使用される反応器は通例、トウ又は繊維が通され反応物質ガスが流れる管状の形態を有している。例として図２に示されているように、反応器２０は、トウ（又は繊維）２６と反応物質ガスが端から端まで通り抜ける完全に包囲された通路又はチャンバー２４を画定する管状ハウジング２２を有する。反応器２０は高温壁の反応器であり、すなわちトウ２６とガスを暖めるのに必要な熱はハウジング２２を取り囲む加熱炉２８により供給されることになる。有効ではあるが、この方法の欠点は、反応器ハウジング２２の壁が加熱炉２８により加熱されるので、ハウジング２２の内面もトウ２６とほぼ同じ程度に被覆され、幾らかの反応物質ガスを不必要に消費することである。繊維トウは、トウ２６が反応器２０を通って移動するときに放出され得る破断したフィラメントを幾らかの割合で含有することが多いので、ハウジング２２の内壁上に付着するコーティングは破断したフィラメントを含有する可能性がある。コーティングと破断したフィラメントが蓄積されると最終的にハウジング２２を通るガスの流れが遮断され、反応器２０の作動停止と洗浄が必要となる。

繊維コーティングプロセスは通例ＣＭＣ方法全体の高価な工程であるので、コーティング作業のコストの削減はＣＭＣ構成要素のコスト全体に対して大きな影響を有し得る。従って、反応器壁へのコーティング及び繊維の付着を低減又は排除することができれば望ましいであろう。１つのかかるアプローチは、反応器の両端において繊維と電気的に接触させ、次に反応器内の繊維部分に十分に大きい電流を通して繊維を加熱することによって、繊維を直接加熱することである。しかし、このアプローチは被覆される繊維材料の電気伝導度によってある程度制限される。

米国特許第６５０３４４１号明細書

本発明は、コーティング装置上へのコーティングの付着を回避するか又は少なくとも最小化しながら、繊維状物質上にコーティングを連続的に付着させるのに適した方法と装置を提供する。

本発明の第１の局面によると、この方法は化学蒸着法であり、ハウジングによって画定される包囲されたチャンバー内のコーティングゾーンに通して繊維状物質の複数のストランドを連続的に移動させて、そのストランドの一部分がチャンバーを通って移動するときにその部分が反応物質ガスと接触するようにさせ、ストランドのその部分を、そのストランドと物理的に接触せずハウジングを直接加熱しない加熱手段で直接加熱し、反応物質ガスがストランドの前記部分と接触し分解する結果としてストランド上にコーティング材料を付着させて、コーティング材料のコーティングを形成することを含む。この加熱段階は、静電結合、誘導結合、マイクロ波放射及び輻射加熱を始めとする様々な非接触技術によって達成することができる。

本発明の第２の局面によると、本装置は、ハウジングにより画定される包囲されたチャンバー内のコーティングゾーン、繊維状物質のストランドをチャンバーに通して連続的に移動させるためのデバイス、ストランドの一部分がチャンバーを通って移動する際にそのストランドの前記一部分を反応物質ガスと接触させるためのデバイス及び前記ストランドの部分を、ストランドと物理的に接触することなく、またハウジング直接加熱することなく直接加熱するためのデバイスを含んでいる。加熱デバイスは静電結合デバイス、誘導結合デバイス、マイクロ波放射生成デバイス、又は輻射加熱デバイスである。

上記のことから分かるように、本発明の技術的効果は、単一又は複数のトウ（繊維／フィラメントの束）のような繊維状物質の直接加熱を、繊維状物質と直接の電気的接触を形成することなく実現することができるということである。加熱は実質的に繊維状物質に限定されるので、周囲のコーティング装置へのコーティングの付着は回避するか又は少なくとも大きく最小化することができる。加熱はまた多種多様な材料から形成された繊維及びトウで達成することもでき、また誘電体又は電気絶縁材料を含めて多種多様なコーティング材料を付着させることもできる。コーティング装置へのコーティングの蓄積がないので、装置を洗浄する必要なくより長い期間運転することが可能であろう。

本発明の他の局面及び利点は以下の詳細な説明からより良好に理解されるであろう。

図１は、ＣＦＣＣ物品の部分断面図を概略的に示す。 図２は、図１のＣＦＣＣ物品の製造に使用される種類の繊維及びトウにコーティングを連続的に付着させるための従来技術による高温壁の反応器を概略的に示す。 図３は、本発明の特定の実施形態に従って繊維／トウを容量性に加熱する（capacitively heating）ことにより繊維及びトウにコーティングを連続的に付着させるための反応器を概略的に示す。 図４は、本発明の別の実施形態に従って、反応器ハウジングを直接加熱することなく輻射加熱デバイスで繊維／トウを加熱することにより繊維及びトウにコーティングを連続的に付着させるための反応器を概略的に示す。 図５は、本発明の別の実施形態に従って、反応器ハウジングを直接加熱することなく輻射加熱デバイスで繊維／トウを加熱することにより繊維及びトウにコーティングを連続的に付着させるための反応器を概略的に示す。

図３は、繊維状物質の１以上のストランド４６にコーティングを連続的に付着させるのに適合した反応器４０を概略的に示す（図３には１本のストランド４６のみが示されている）。ストランド４６はＣＭＣ物品中に強化材として使用するのに適したタイプのものであり得、かかる物品の非限定例にはガスタービンエンジンのシュラウド、燃焼器ライナー、ベーン、ブレード、その他の高温部品がある。また、各々のストランド４６は複数の繊維でも、１つのトウ（繊維の束）でも、複数のトウでもよい。特定の非限定例として、ストランド４６は約４００〜８００本の個々の繊維の束を含有するトウからなり得る。ＣＭＣ強化材の目的では、ストランド４６内の繊維は約４〜約２５マイクロメートル、普通は約１４マイクロメートルの直径を有するのが好ましいが、広範囲の直径が考えられる。ストランド４６をＣＦＣＣその他のＣＭＣ材料中の強化材として使用しようとする用途の場合、ストランド４６は繊維状セラミック材料、例えば、炭化ケイ素又はアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）若しくはムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２）のような酸化物から形成されるであろうが、他の繊維状物質も本発明の範囲内である。加えて、特に重要なコーティングは、ストランド４６とＣＭＣのセラミックマトリックス材料との間の限定され制御された滑りを可能にする脆弱な界面又は剥離層を形成するために１種以上の剥離材を含有しており、その非限定例としては窒化ホウ素（ＢＮ）、ケイ素をドープした窒化ホウ素、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）及び炭素がある。ＣＭＣ物品中の強化材として使用するのに適したセラミック繊維状物質に関連して本発明の実施形態を説明するが、他の用途も本発明の範囲内である。

図３に示した反応器４０は、繊維状物質の１以上のストランド４６が反応物質ガスと接触しながら通り抜けるコーティングゾーンを画定する化学蒸着（ＣＶＤ）装置である。反応器４０は、反応物質ガスが加熱されたストランド４６と接触したときにそのガスの分解を引き起こすのに充分な持続時間の間充分な温度にストランド４６をコーティングゾーン内で加熱する役目を果たす。反応物質ガスの組成はコーティングに望まれる組成に依存する。例えば、炭素を含有するコーティングを設ける目的の場合、ガスはメタン（ＣＨ_４）のような炭化水素を含有し得るか又は場合によって全体的にかかる炭化水素からなり得る。窒化ホウ素がコーティングの目的とする成分である場合、ガスは三塩化ホウ素（ＢＣｌ_３）とアンモニア（ＮＨ_３）を含有し得るか又は場合によって全体が三塩化ホウ素（ＢＣｌ_３）とアンモニア（ＮＨ_３）からなり得る。ケイ素をドープした窒化ホウ素コーティングはケイ素前駆体、例えば、ジクロロシラン（Ｈ_２Ｃｌ_２Ｓｉ）、トリクロロシラン（ＨＣｌ_３Ｓｉ）、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ_４）及び／又はシラン（ＳｉＨ_４）を含む反応物質の混合物から形成することができる。また、窒化ケイ素コーティングはケイ素及び窒素前駆体、例えば、ジクロロシランとアンモニアを含有する反応物質ガスの混合物を用いて形成することができる。反応物質ガスは、化学蒸着反応に直接関与しないが、反応物質ガスを希釈して反応の速度及び反応温度を制御するのに有用な水素、窒素又はその他のガスを伴っていてもよい。最後に、ストランド４６は、例えば、反応器４０と同じでも異なっていてもよい一連の反応器にストランド４６を通過させることにより、異なる組成の複数の層を含有するコーティングを備えることができるということが了解されよう。当業者には分かるように、様々な他のコーティング材料及び構造も可能であり、従って本発明の範囲内である。

図３に示されているように、反応器４０は、繊維状物質の１以上のストランド４６が通り抜ける通路又はチャンバー４４を画定する包囲された管状ハウジング４２をもっている。ストランド４６は、当技術分野で周知のように、一対のスプール５２と５４の間でハウジング４２を通って連続的に運ばれるものとして示されている。反応物質ガス（本明細書で使用する場合反応物質ガス混合物であり得る）は２つのポート５０の１つを介してチャンバー４４内に導入され、一方反応副生成物と残留する反応物質ガスは残りのポート５０を介してハウジング４２から出て行く。このように、チャンバー４４はハウジング４２内にコーティングゾーンを画定し、そこではストランド４６が進む方向と同じか又は反対の方向でストランド４６の長手方向にガスが流れるときストランド４６とガスの密な接触が起こる。ハウジング４２内で、反応物質ガス圧力は大気圧より低い〜大気圧の範囲であることができる。チャンバー圧力はＣＶＤ蒸着プロセスにおいて可変量であり、ガスが分解する速度及びガス分子の平均自由行程に影響を及ぼす。チャンバー４４の断面は円形でよいが、他の断面も可能である。また、ハウジング４２の内側の断面寸法は、ストランド４６の直径にある程度依存して変化することができる。実際には、ハウジング４２の内壁をストランド４６から約１〜約２５センチメートルの間隔をあけて離すことによって適切な結果を得ることができると考えられる。

図２の反応器２０とは対照的に、図３の反応器４０は高温壁の反応器ではない。すなわち、反応器４０の壁はチャンバー４４により画定されるコーティングゾーン内のストランド４６及び反応物質ガスを加熱する目的で直接にも意図的にも加熱されない。特に、反応器４０は、図２におけるハウジング２２の壁を囲んで意図的に加熱する加熱炉２８又は同様なデバイスをもっていない。代わりに、ハウジング４２の壁は比較的冷たいままであるので、反応物質ガスはハウジング４２により有意に加熱されることがなく、その代わりにストランド４６と接触する結果として加熱され分解する。こうして、反応器４０は、図２の反応器２０に伴う欠点、例えば、コーティングが反応器ハウジング４２の内壁表面に付着する傾向及び最終的にはハウジング４２を通るガス流を遮断する可能性があるコーティング及び破断したフィラメントの蓄積を回避する。

図３の実施形態は、ハウジング４２の直接加熱を回避しつつストランド４６を加熱することができる電気的静電結合システムを使用するものとして示されている。図３に概略的に示されているように、静電結合システムはハウジング４２の両端に隣接して一対の容量性（capacitive）電極４８ａ及び４８ｂ（例えば、プレート又はシリンダー）を含んでいる。電極４８ａ及び４８ｂは各々がハウジング４２を囲み、ストランド４６と静電結合して、各々のストランド４６のハウジング４２内で電極４８ａと４８ｂの間にある部分を、ストランド４６がハウジング４２を通して連続的に引き抜かれる所与の時間直接加熱する。静電結合は、ストランド４６に沿って長手方向に、またストランド４６から半径方向に、電極４８ａと４８ｂの間隔を適切にあけ、ハウジング４２の大きさ及び所望のコーティング温度に適当なレベルの電力を電源から電極４８ａ及び４８ｂに供給することによって達成される。

ハウジング４２はストランド４６の周囲を完全に囲むことにより、ストランド４６を包囲すると共に支持する役割を果たす。高いコーティング温度で反応性のガスに耐えることができる適当な材料、例えば石英又は別の電気絶縁材料でハウジング４２を形成することによって、ハウジング４２はストランド４６の静電結合に干渉せず、従ってストランド４６の加熱に干渉しない。電極４８ａと４８ｂの間隔及び電極４８ａと４８ｂに供給される電力レベルは、ハウジング４２及びストランド４６の材料と同様に、ストランド４６において反応物質ガスを分解するのに充分な熱を達成するための要因である。さらに、コーティングの付着速度は、チャンバー４４（コーティングゾーン）の長さ、ストランド４６の送り速度及び反応物質ガスの体積流量に依存する。電力、ストランド４６の送り速度及び反応物質ガスの体積流量は特定の反応物質ガスに対して必要に応じて容易に調節することができ、反応物質ガスの組成は適切な厚さのコーティングを付着させるためにストランド４６に対して一定の暴露時間を必要とし得る。実際、石英から形成されたハウジングで、長手方向に約１メートル離れ、トウから約０．５センチメートルの間隔であり、約３６０ワットの電力レベルで交流電源に接続されたキャパシター電極でおよそ１メートルの長さの炭化ケイ素トウを加熱して、適切な結果が得られている。これらの条件で、窒化ホウ素と炭素剥離コーティングを付着させるのに望ましい温度、例えば、約１０００℃〜約１６００℃以上が達成可能である。

別の検討事項は、窒化ホウ素、ケイ素をドープした窒化ホウ素及び窒化ケイ素を始めとするコーティング化学の付着が副生成物、換言すると、意図したコーティング組成物以外の化合物を生成する傾向があるということである。注目に値する非限定例は塩化アンモニウム（ＮＨ_４Ｃｌ）である。通例、ストランド４６上並びに反応器ハウジング４２の内壁表面上へのプロセスの副生成物の付着（凝結）を回避するのが望ましい。塩化アンモニウムは窒化ホウ素、ケイ素をドープした窒化ホウ素及び窒化ケイ素より低い温度で付着するので、この副生成物のストランド４６上への付着は特定のコーティング化学を付着させるのに必要な温度にストランド４６を加熱することにより回避することができる。しかし、本発明の好ましい局面はハウジング４２の直接加熱を意図的に回避することであるので、ハウジング４２の低い温度はプロセスの副生成物をハウジング４２の内壁表面上に付着させる結果となる可能性がある。このため、反応器ハウジング４２の内壁表面の間接加熱を制御して塩化アンモニウム及び／又はプロセスのその他の副生成物の凝結を回避することが必要になり得る。より詳細には、ハウジング４２の壁は、プロセスの副生成物の凝結を回避するのに十分に高いが、それでも意図したコーティング構成成分のハウジング４２の壁への付着を回避するのに十分に低い温度に維持するべきである。これを実現する１つのアプローチは、ストランド４６とハウジング４２の壁との間隔を調節（低減）することにより、ストランド４６によるハウジングの壁の間接加熱を制御することである。或いは、又は加えて、様々な公知の加熱デバイスを用いてハウジング４２の壁を直接に加熱することができよう。

図３に関連して上記した加熱技術はストランド４６を電気素子と直接接触させることによりストランド４６を加熱することがない。ストランド４６を誘導結合したりストランド４６をマイクロ波放射又は輻射加熱に付すと行ったような他の非接触加熱技術を使用してもよい。例えば、誘導結合は図３に概略的に示したハウジング４２と同様であるが、容量性電極４８ａ及び４８ｂの所定の位置の１以上の誘導コイル並びにこれらのコイルと殆ど又は全く誘導結合を示さないハウジングを利用する反応器で達成することができる。マイクロ波放射もまた、図３のハウジング４２と同様であるが、容量性電極４８ａ及び４８ｂの所定の位置のマイクロ波発生機並びにマイクロ波放射をあまり吸収しないハウジングを利用する反応器を用いて適用することができる。特に、炭化ケイ素から形成された繊維状物質はマイクロ波放射と充分に結合することが知られている。マイクロ波加熱の場合、チャンバー４４内のストランド４６の均一な加熱は電磁放射線の波長及びマイクロ波発生機／アプリケーターのデザインに依存する。上記容量性加熱技術と同様に、チャンバー４４の長さ、ストランド４６の送り速度及び反応物質ガスの体積流量は選択された放射線の周波数及び特定の反応物質ガスに対して必要に応じて調節することができる。

１つの実験で、複数の炭化ケイ素トウ（ＨＩ−ＮＩＣＡＬＯＮ（登録商標））を図３に示したのと同様な反応器に通した。ハウジングはおよそ２インチ（約５センチメートル）の直径の石英管であった。容量性電極の代わりに、このハウジングは、繊維トウのアレイをマイクロ波放射で均一に加熱するように具体的に設計されたマイクロ波アプリケーターによって囲まれていた。これらのトウをハウジングに通して送ると同時に三塩化ホウ素とアンモニアガスをハウジングに通した。希釈ガスとして窒素もハウジングに通した。およそ２ｋＷのマイクロ波エネルギーをトウに加え、トウ表面の約１４００℃の高い温度を光高温計で記録した。プラズマは発生しなかったが、その代わりにトウをマイクロ波エネルギーで直接加熱し、トウの温度を、トウの表面上で反応物質ガスを分解させるのに充分な温度とした。ハウジングを通り抜けた後、トウを巻き取りスプールに巻き取った。走査型顕微鏡による検査で、約２２０ナノメートルの厚さを有するコーティングの存在が示された。ＸＰＳ分析で、このコーティングがＢＮであることが示された。

単一の繊維のマイクロ波加熱とは対照的に、複数の繊維、特に複数のストランド４６、例えば８〜１２のトウを同時にマイクロ波加熱すると、個々の繊維及びトウの電気的性質の変動に起因してトウの非均一な加熱が起こる可能性がある。この実施形態の好ましい局面は、ハウジング４２の内面を赤外線反射コーティングで被覆することで、個々の繊維及びトウから放出された熱が赤外反射コーティングによりストランド４６の方へ反射されて、より高温の繊維及びストランド４６がより冷たい繊維及びストランド４６を加熱するのを補助できるようにすることにより、コーティングプロセス中にストランド４６のより均一な加熱が達成されることである。

図４と５は、輻射加熱炉７０及び８０を概略的に示すが、これらはそれぞれ、ハウジング７２及び８２によりその内部に画定されるコーティングチャンバー内で繊維状物質の複数のストランド７６上にコーティングを加熱し連続的に付着させるのに使用することができる。ハウジング７２と８２は図３に概略的に示されたハウジング４２と同様であることができるが、ハウジング７２と８２はそれぞれの光源７８、８８ａ及び８８ｂにより放出された光に対して透明又は実質的に透明でなければならないというさらなる限定がある。図４は、コーティングハウジング７２と、好ましくは可視及び赤外範囲の波長を有する電磁放射線を発生する高強度光源である光源７８とを取り囲む輻射加熱炉７０を示す。コーティングハウジング７２は光源７８が放出する光に対して透明又は実質的に透明でなければならない。輻射加熱炉７０は楕円形の断面形状を有しており、その内面は１以上の光反射器（ミラー）７３で被覆されている。光源７８は、例えば単一の線形フィラメントを有するタングステン／ハロゲンランプであり得るが、他のタイプの光源が公知であり使用することができよう。反射器７３は陽極酸化アルミニウムシート材料のような高度に反射性の材料で形成されるが、他の適切な高反射性材料も反射器７３として使用することが考えられる。光源７８は反射器７３の楕円形の形状の１つの焦点７７ａに位置しているか又はその付近に集中しており、ハウジング７２は楕円形の形状の第２の焦点７７ｂに位置しているか又はその付近に集中していて、反射器７３が、第１の焦点７７ａにある光源７８により発生した光を、第２の焦点７７ｂにあるハウジングチャンバー７４内に位置するストランド７６上に集中させるようになっている。ここで、先の実施形態に関して記載したのと同様なポート（図には示してない）を介して、反応物質ガスをチャンバー７４中に導入することができ、反応副生成物及び残留反応物質ガスをチャンバー７４から抜き出すことができる。輻射加熱炉７０の長手方向の長さは好ましくは光源７８の長さに等しい。

図４の単一の光源７８ではストランド７６を所望の温度に加熱するのに充分なエネルギーが得られない場合は、図５の輻射加熱炉８０を使用することができる。図５はコーティングハウジング８２とこのハウジング８２の両側にある２つの高強度光源８８ａ及び８８ｂとを取り囲む輻射加熱炉８０を示している。輻射加熱炉７０は、２つの別れた焦点８７ａを画定し共通の焦点８７ｂを有する２つの交差する楕円により画定される断面形状を有している。図４の実施形態と同様に、輻射加熱炉８０の内面は１以上の光反射器（ミラー）８３で被覆されている。反射器８３は、光源８８ａと８８ｂが各々の楕円形の形状の焦点８７ａに位置するか又はその付近に集中し、コーティングハウジング８２が交差する楕円形形状の一致する焦点８７ｂに位置するか又はその付近に集中するように配置されている。こうして、輻射加熱炉８０内面を被覆する反射器８３は、焦点８７ａに位置する光源７８により発生した光を、一致する焦点８７ｂにあるハウジングチャンバー８４内に位置するストランド８６上に集中させる。先の実施形態について記載したのと同様に、反応物質ガスを導入し、反応副生成物と残留反応物質ガスをポート（図には示してない）を介してチャンバー８４から抜き出す。ストランド８６は線形のアレイとして並んでおり、そのアレイの中心は一致する焦点８７ｂに位置する。或いは、ストランド８６は、例えば、ストランド８６のより均一な加熱を促進するために、その軸が焦点８７ｃに位置する円形パターンのような異なるパターンで配置することができよう。

光源７８、８８ａ及び８８ｂで発生した光エネルギーを正確に集中させることができる輻射加熱炉は一般に光源７８、８８ａ及び８８ｂに使用されるランプのフィラメントとほぼ同じ大きさの加熱ゾーンを画定する。適切に設計された光学素子を使用することにより任意の光源形状が線形のストランド７６及び８６上に集光することができるので、適切な光源が線形の形状に限定されないということは明らかであろう。加えて、加熱炉は、各々が他の反射器と共通の第２の焦点を有する自身の楕円形の反射器を備えている異なる数の光源を収容するように構成することができよう。複数のストランド７６及び８６の均一な加熱は、光源７８、８８ａ及び８８ｂにより生成した放射線エネルギーがハウジング７２及び８２内のより広い断面積にわたって集中するように、光源７８、８８ａ及び８８ｂを焦点７７ａ及び８７ａから少しずらして配置することにより、光源７８、８８ａ及び８８ｂの焦点７７ｂ及び８７ｂをぼかすことによってさらに促進することができる。

マイクロ波加熱及び誘導加熱はストランド４６の繊維材料の電気伝導度に依存するが、輻射加熱炉７０及び８０は加熱のための繊維放射率（emissivity）に依存し、より広い種々の繊維材料の加熱が可能になる。最も注目すべきことに、炭化ケイ素のような導電性繊維に加えて、繊維材料が光源７８又は８８ａ及び８８ｂにより放出されたエネルギーを吸収する限り、アルミナ又はムライトのような非導電性繊維をこの技術によって加熱することができる。

別の実験において、複数の炭化ケイ素トウ（ＨＩ−ＮＩＣＡＬＯＮ（登録商標））を図５に示したような加熱炉に通した。ハウジングはおよそ２インチ（約５センチメートル）の直径の石英管であった。トウをハウジングに通して送り、同時に三塩化ホウ素及びアンモニアガスをハウジングに通した。希釈ガスとして窒素もハウジングに通した。ハウジングは光源とおよそ同じ長さであり、光源は約１０インチ（約２５センチメートル）の長さを有する２つの工業用２ｋＷ石英／ハロゲンランプであった。各々のランプは楕円形の反射器を有しており、これらの楕円形の反射器は共通の第２の焦点を有していた。トウを共有の第２の焦点において、約４インチ／分（約１０センチメートル／分）の速度でハウジングに通して送り、同時に三塩化ホウ素及びアンモニアガスを通した。窒素を希釈ガスとして使用した。ハウジングを通り抜けた後、トウを巻き取りスプールに巻き取った。走査型顕微鏡によるトウの検査で、約２５０ナノメートルの厚さを有するコーティングの存在が示された。ＸＰＳ分析は、このコーティングがＢＮであることを示していた。

図３〜５に示したタイプの反応器を用いてストランド４６、７６及び８６のコーティングをした後、ストランド４６、７６及び８６は、ＣＭＣ物品、殊にＣＦＣＣ物品を製造するために後に巻き戻しＣＭＣプロセスで強化材として使用するために、スプール（図３中の５４）に巻き取ることができる。例えば、適切なＣＭＣプロセスとしては、米国特許第５０１５５４０号、同第５３３０８５４号、同第５３３６３５０号、同第５６２８９３８号、同第６０２４８９８号、同第６２５８７３７号、同第６４０３１５８号及び同第６５０３４４１号、並びに米国特許出願公開第２００４／００６７３１６号に開示されているものを含めて上記のものがある。

特定の実施形態に関して本発明を説明して来たが、当業者は他の形態を採用することができることは明らかである。例えば、反応器の物理的構成は示したものと異なることができるし、記載したもの以外の材料及び方法を使用することができよう。従って、本発明の範囲は特許請求の範囲によってのみ限定されるべきである。

１０ 部品
１２ 薄層
１４ トウ
１６ 繊維
１８ マトリックス
２０ 反応器
２２ ハウジング
２４ チャンバー
２６ 繊維
２８ 加熱炉
３０
４０ 反応器
４２ ハウジング
４４ チャンバー
４６ ストランド
４８ａ 電極
４８ｂ 電極
５０ ポート
５２ スプール
５４ スプール
７０ 輻射加熱炉
７２ ハウジング
７３ ミラー
７４ チャンバー
７６ ストランド
７７ａ 点
７７ｂ 点
７８ 光源
８０ 輻射加熱炉
８２ ハウジング
８３ 反射器
８４ チャンバー
８６ ストランド
８７ａ 点
８７ｂ 点
８８ａ 光源
８８ｂ 光源

Claims (10)

1. 繊維状物質の複数のストランド（４６，７６，８６）を、ハウジング（４２，７２，８２）により画定される包囲されたチャンバー（４４，７４，８４）内のコーティングゾーンに通して連続的に移動させることによって、ストランド（４６，７６，８６）の一部分がチャンバー（４４，７４，８４）を通って移動するときに前記部分が反応物質ガスと接触し、反応物質ガスがストランド（４６，７６，８６）の前記部分と接触し分解する結果としてコーティング材料をストランド（４６，７６，８６）上に付着させてコーティング材料のコーティングを形成することを含む化学蒸着法であって、
   ストランド（４６，７６，８６）と物理的に接触せず、ハウジング（４２，７２，８２）を直接加熱しない加熱手段（４８ａ，４８ｂ，７８，８８ａ，８８ｂ）で、ストランド（４６，７６，８６）の前記部分を直接加熱し、前記加熱手段（４８ａ，４８ｂ，７８，８８ａ，８８ｂ）が容量性又は誘導結合手段（４８ａ，４８ｂ）、マイクロ波放射発生手段（４８ａ，４８ｂ）及び輻射加熱手段（７８，８８ａ，８８ｂ）からなる群から選択されることを特徴とする、前記化学蒸着法。
2. ストランド（４６，７６，８６）の前記部分がマイクロ波放射発生手段（４８ａ，４８ｂ）及びそれにより発生したマイクロ波放射によって加熱されることを特徴とする、請求項１記載の化学蒸着法。
3. さらに、ハウジング（４２）の内面上の赤外−反射性コーティングにより特徴付けられ、赤外−反射性コーティングがストランド（４６）から放出された熱をストランド（４６）の方に向けて反射するように適合している、請求項２記載の化学蒸着法。
4. ストランド（４６，７６，８６）の前記部分が輻射加熱手段（７８，８８ａ，８８ｂ）及びそれにより発生した電磁放射線によって加熱されることを特徴とする、請求項１記載の化学蒸着法。
5. さらに、ハウジング（７２，８２）及び輻射加熱手段（７８，８８ａ，８８ｂ）を含有する光反射器（７３，８３）により特徴付けられる、請求項４記載の化学蒸着法。
6. 光反射器（７３）が楕円形の断面を有し、輻射加熱手段（７８）が楕円形の断面の第１の焦点（７７ａ）に位置し、ハウジング（７２）が楕円形の断面の第２の焦点（７７ｂ）に位置することを特徴とする、請求項５記載の化学蒸着法。
7. 光反射器（８３）が少なくとも２つの交差する楕円により画定される断面を有し、各々の楕円が個別に第１の焦点（８７ａ）を有し、楕円が一致する第２の焦点（８７ｂ）を共有し、輻射加熱手段（８８ａ，８８ｂ）が各々第１の焦点（８７ａ）に位置し、ハウジング（８２）が一致する第２の焦点（８７ｂ）に位置することを特徴とする、請求項５記載の化学蒸着法。
8. コーティング材料が繊維状物質とセラミック材料との結合を阻止する剥離層であることを特徴とする、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の化学蒸着法。
9. さらに、前記付着工程により製造された被覆されたストランドをセラミックマトリックス複合材料中の強化材として使用することを特徴とする、請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載の化学蒸着法。
10. 請求項１乃至請求項９のいずれか１項記載の方法を実施するのに適した化学蒸着装置（５０，７０，８０）。

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