JP2018145392A

JP2018145392A - 高分子リン酸化アミドを含むアブレーティブ材料

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Publication number: JP2018145392A
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Inventors: ミシェル・エル・チャフィー; L Chaffey Michele; アーサー・ロホ; Rojo Arthur
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Abstract

【課題】高分子リン酸化アミドを含むアブレーティブ材料を提供する。【解決手段】アブレーティブ材料は、フェノール樹脂、高分子リン酸化アミドおよびいくつかのフィラーを含む。高分子リン酸化アミドは、重量で、フェノール樹脂または樹脂固形物100部あたり1〜10部の間の割合の高分子リン酸化アミドである。【選択図】図1

Description

本開示は、概して、アブレーティブ材料に関する。さらに具体的には、本開示は、高分子リン酸化アミドを含むアブレーティブ材料に関する。

アブレーティブ材料（ablative material、以下、「溶融防熱材料」、「融除材料」ともいう）は、材料の一部を犠牲にすることによって、構造物を過剰な熱から保護する。アブレーティブ材料は、月または惑星周回ビークルなどの大気突入ビークルの熱シールドに使用され、多量の熱にさらされる任意の構造物に使用され得る。

中程度の熱流束（400W／cm²〜1500W／cm²）の既存のアブレーティブ材料は剛性が高く、ひずみ能力が低い。中程度の熱流束の既存のアブレーティブ材料の材料特性は、ビークルまたは他の構造物のたわみ時に、望ましくない性能条件につながる恐れがある。

柔軟性がより高い既存のアブレータは、中程度の熱流束の従来のアブレーティブ材料よりも熱防護のレベルが低い。望ましいレベルの熱防護は、柔軟性がより高い既存のアブレーティブ材料では可能ではない可能性がある。

アブレーティブ材料の屈曲を防ぐために、剛性が高いビークル構造物またはひずみ遮断パッドが使用され得る。しかし、剛性が高いビークル構造物は、ビークルの重量を余分に増加させる。ひずみ遮断パッドはまた、コストを余分に著しく増大させ、アブレーティブ材料の取付けを複雑にする可能性がある。

したがって、前述の問題の少なくとも一部、ならびにその他の可能性がある問題を考慮した方法および装置を有することが望ましいと言える。例えば、望ましいレベルの熱防護および望ましい剛性の両方を備えたアブレーティブ材料を有することが望ましい。

本開示の例示的な実施形態は、アブレーティブ材料を提供する。アブレーティブ材料は、フェノール樹脂、高分子リン酸化アミドおよびいくつかのフィラーを含む。高分子リン酸化アミドは、重量で、フェノール樹脂または樹脂固形物100部あたり1〜10部の間の比率の高分子リン酸化アミドである。

本開示の別の例示的な実施形態は、所望の形状に硬化されたアブレーティブ材料を含む構造物を提供する。アブレーティブ材料は、レゾールフェノール樹脂、重量で、フェノール樹脂または樹脂固形物100部あたり1〜10部の間の比率の高分子リン酸化アミドである高分子リン酸化アミド、ならびにいくつかの密度フィラーおよびいくつかの構造補強フィラーを含むいくつかのフィラーを含む。

本開示の別の例示的な実施形態は、ある方法を提供する。フェノール樹脂がミキサーに加えられる。重量で、フェノール樹脂または樹脂固形物100部あたり1〜10部の間の高分子リン酸化アミドがミキサーに加えられる。フェノール樹脂および高分子リン酸化アミドは、少なくとも5分間混合される。いくつかのフィラーがミキサーに加えられる。いくつかのフィラー、高分子リン酸化アミドおよびフェノール樹脂が混合されてアブレーティブ材料を生成する。

特徴および機能は、本開示のさまざまな実施形態において独立して実現することができて、または、さらに別の実施形態において組み合わせてもよく、さらにその詳細は、以下の説明および図面を参照することによって分かる。
例示的な実施形態に特徴的であると考えられる新規の特徴は、添付された特許請求の範囲に記載されている。しかし、例示的な実施形態、ならびに好ましい使用モード、その別の目的および特徴は、以下の本開示の例示的な実施形態の詳細な説明を参照し、添付の図面と併せて読むと最も良く理解される。

例示的な実施形態による製造環境のブロック図を例示する図である。例示的な実施形態が実施され得る宇宙船を例示する図である。例示的な実施形態によるアブレーティブ材料を生成するための方法のフローチャートを例示する図である。

例示的な実施形態では、1つまたは複数の異なる考慮すべき事項を認識し、かつ考慮している。例えば、例示的な実施形態では、材料の添加剤が混合物の複数の材料特性に影響し得ることを認識し、かつ考慮している。例示的な実施形態では、剛性を下げながらアブレーティブ材料の防熱性を維持するアブレーティブ材料のための添加剤を有することが望ましいであろうことを認識し、かつ考慮している。

例示的な実施形態ではまた、添加剤が、望ましくは、アブレーティブ材料に均質に混合されることも認識し、かつ考慮している。その上さらに、例示的な実施形態では、添加剤が、望ましくは、混合後に分離しないことを認識し、かつ考慮している。

例示的な実施形態ではまた、複合材料が、2つ以上の機能性成分を組み合わせることによって作り出された靭性のある軽量材料であることも認識し、かつ考慮している。例えば、複合材料は、ポリマー樹脂マトリックスに結合された補強繊維を含んでもよい。繊維は一方向でもよく、あるいは織布またはファブリックの形態を取ってもよい。繊維と樹脂は並べられて硬化され、複合材料を生成する。

例示的な実施形態では、異なる形態の複合材料が、異なる加工技術を利用することを認識し、かつ考慮している。例えば、いくつかの例示的な例において、樹脂を布内に含浸させて、または樹脂で長繊維を濡らして複合材料を生成してもよい。これらの複合材料が、硬化前にツール上に積層されるとき、複合材料は、「プリプレグ」または予備含浸複合材料と呼ばれることもある。プリプレグ材料は主として一方向である。一方向複合材料は、1つの方向に向いた繊維を有する。

別の形態の複合材料は、樹脂中に混合されたフィラー繊維を含むバルク樹脂である。フィラー繊維は、プリプレグの繊維より短くてもよい。混合プロセスのために、フィラー繊維は一方向ではない。生じる複合材料は、任意の望ましい方法によって型成形されてもよい。

例示的な実施形態では、材料特性および複合部品の機能性が多くの要因によって影響されることを認識し、かつ考慮している。例示的な実施形態では、複合材料の内容物、ならびに複合材料の加工が複合材料の材料特性に影響することを認識し、かつ考慮している。例えば、樹脂のタイプ、繊維のタイプ、繊維の長さ、繊維の方向、添加剤のタイプ、硬化の長さ、硬化の温度および硬化時に加えられる圧力がすべて複合材料の材料特性に影響する可能性がある。さらに、複合材料部品の厚さ、複合材料部品の形状、および繊維の方向に対して部品に加えられる力の方向がすべて、複合部品がどのように振る舞うかに影響する。

例示的な実施形態では、複合材料の材料特性が、製造された複合部品を試験することによって測定されることを認識し、かつ考慮している。例示的な実施形態では、複合材料の成分の化学的および機械的相互作用のために、フェノール系アブレーティブ材料に対する添加剤の影響は、繰り返し試験によって測定されることを認識し、かつ考慮している。

ここで図を参照すると、特に図1を参照すると、例示的な実施形態による製造環境のブロック図が例示されている。アブレーティブ材料100は、製造環境102において作り出された、または加工されたもののうちの少なくとも1つであってもよい。

本明細書において用いられるとき、「〜のうちの少なくとも1つ」という語句は、項目のリストと共に用いられるとき、列挙された項目のうちの1つまたは複数の異なる組み合わせが用いられてもよく、リスト中の各項目のうちのただ1つが必要とされてもよいことを意味する。言い換えれば、「〜のうちの少なくとも1つ」は、項目の任意の組み合わせおよびいくつかの項目がリストから用いられてもよいが、リスト中の項目のすべてが必要とされるわけではないことを意味する。項目は、特定の物体、物またはカテゴリーであってもよい。

例えば、「項目A、項目B、または項目Cのうちの少なくとも1つ」は、限定することなしに、項目A、項目Aおよび項目B、または項目Bを含んでもよい。この例はまた、項目A、項目B、および項目C、または項目Bおよび項目Cを含んでもよい。もちろん、これらの項目の任意の組み合わせが存在してもよい。他の例では、「〜のうちの少なくとも1つ」は、例えば、限定することなしに、2個の項目A、1個の項目B、および10個の項目C；4個の項目Bおよび7個の項目C；または他の適した組み合わせであってもよい。

アブレーティブ材料100は、フェノール樹脂104、高分子リン酸化アミド106およびいくつかのフィラー108を含む。本明細書において用いられるとき、「いくつかの（a number of）」は、項目を参照して用いられるとき、1つまたは複数の項目を意味する。したがって、いくつかのフィラー108は、1つまたは複数のフィラーを含む。

高分子リン酸化アミド106は、重量で、フェノール樹脂104または樹脂固形物100部あたり1〜10部の間の比率の高分子リン酸化アミド106である。高分子リン酸化アミド106をフェノール樹脂104に指定の割合で混合すると、高分子リン酸化アミド106がフェノール樹脂104の一部と結合して弾性率109を低下させる。示す通り、いくつかのフィラー108は、炭素繊維110、シリカ繊維112、フェノール系マイクロスフェア114、またはシリカマイクロスフェア116のうちの少なくとも1つを含む。

いくつかのフィラー108は、アブレーティブ材料100に材料特性を与えるために使用される。いくつかのフィラー108は、いくつかの構造補強フィラー118およびいくつかの密度フィラー120を含む。いくつかの構造補強フィラー118は、アブレーティブ材料100に構造補強を施す。シリカ繊維112および炭素繊維110のいずれもアブレーティブ材料100に構造補強を施す。したがって、シリカ繊維112および炭素繊維110は、構造補強フィラーと呼ばれることもある。

アブレーティブ材料100は、構造物122を生成するために使用される。構造物122が、航空機、宇宙船、または重量の考慮すべき事項を有する他のプラットフォームにおいて使用されるとき、構造物122の密度が望ましく低減されてもよい。いくつかの密度フィラー120が、アブレーティブ材料100の密度を低減するために使用されてもよい。シリカマイクロスフェア116およびフェノール系マイクロスフェア114は密度低減フィラーとして使用される。

いくつかのフィラー108は、フェノール樹脂104の望ましい材料特性が大きく損なわれないように選択される。例えば、いくつかのフィラー108が、フェノール樹脂104のアブレーティブ特性を向上させるために選択されてもよい。シリカ繊維112および炭素繊維110は、熱性能およびアブレーティブ性能を向上させる。シリカマイクロスフェア116およびフェノール系マイクロスフェア114もまた、アブレーティブ材料100の熱性能およびアブレーティブ性能を向上させる。

いくつかのフィラー108のサイズおよび材料は、アブレーティブ材料100に望ましい材料特性を与えるために選択される。1つの例示的な例において、シリカ繊維112は、約1．19μm〜1．75μmの直径を有してもよい。1つの例示的な例において、炭素繊維110は、約150μmの長さおよび約7〜9μmの直径を有するミルドファイバーであってもよい。シリカマイクロスフェア116は、約20〜250μmの間の直径を有してもよい。フェノール系マイクロスフェア114は、約20〜100μmの間の最も一般的な直径を有してもよい。しかし、記載の測定値は、単なる例示的な例である。いくつかのフィラー108のサイズおよび材料は、特定の用途の要求に合うように選択されてもよい。

フェノール樹脂104は、望ましい材料特性または製造の考慮すべき事項のうちの少なくとも1つに基づいて選択される。望ましい材料特性は、フェノール樹脂104の剛性、耐熱性、強度などの特性、またはその他の任意の特性を指す。望ましい材料特性は、構造物122の性能の期待値に基づいて選択されてもよい。

望ましい製造の考慮すべき事項には、製造のための任意の要因が含まれてもよい。例えば、フェノール樹脂104に関する製造の考慮すべき事項には、任意の数量の成分、硬化温度、毒性、取扱温度または取扱時間、あるいは加工のために必要な添加剤が含まれる。加工のための添加剤はまた、フェノール樹脂104の材料特性に影響し得る。例えば、フェノール樹脂104は、硬化剤、希釈剤、または溶媒などの添加剤が存在しないとき、より良い熱力学的応答特性を持ち得る。

いくつかの例示的な例において、フェノール樹脂104はレゾールフェノール樹脂123である。1つの具体的な例において、フェノール樹脂104はPlenco 11956樹脂である。Plenco 11956樹脂は、水系の単一成分である。Plenco 11956樹脂は、加工のための溶媒、硬化剤または希釈剤などの追加の添加剤を必要としない。さらに、Plenco 11956樹脂は、加熱せずに室温で混合される。

別の具体的な例において、フェノール樹脂104はHexion SC1008 VHSである。Hexion SC1008 VHSはイソプロピルアルコール系の単一成分である。Hexion SC1008 VHSは、加工のための溶媒、硬化剤または希釈剤などの追加の添加剤を必要としない。さらに、Hexion SC1008 VHSは、加熱せずに室温で混合される。VHSは、非常に高い固形分（very high solids）の頭字語である。Hexion SC1008 VHSも高い固形分を有する。さらに具体的には、Hexion SC1008 VHSは、重量で50％〜80％の範囲内の固形分を有する。

アブレーティブ材料100は、硬化剤が存在しないとき、より長い室温可使時間を有し得る。より長い可使時間は、構造物122を熱シールドなどの大きなモノリシック構造物にすることを可能にする。

アブレーティブ材料100を生成するための成分の混合は、高いせん断力を混合物に与えるが、繊維およびマイクロスフェアを細断または粉砕しないミキサー124内で行われる。いくつかの例示的な例において、ミキサー124は、市販のパンミキサーであってもよい。フェノール樹脂104は、まずミキサー124に加えられる。

アブレーティブ材料100を生成するとき、成分は、所望の順番で加えられてもよい。所望の順番は、アブレーティブ材料100の成分の均一な濡れおよび粘稠度を得るように選択されてもよい。所望の順番は、均一なブレンディングを得、凝集を避けるように選択されてもよい。1つの例示的な例において、高分子リン酸化アミド106は、いくつかのフィラー108を加える前にフェノール樹脂104に加えられる。高分子リン酸化アミド106を最初に加えることで、高分子リン酸化アミド106は、フェノール樹脂104に望ましく結合し得る。

この例示的な例において、高分子リン酸化アミド106を加えた後、いくつかのフィラー108が配合物に加えられる。いくつかの例示的な例において、いくつかのフィラー108は、望ましい添加の順番を有する。望ましい添加の順番は、混合後に均一な濡れおよび粘稠度を与えるように選択される。

1つの例示的な例において、シリカ繊維112が混合物に最初に加えられ、炭素繊維110、シリカマイクロスフェア116およびフェノール系マイクロスフェア114が続く。各添加の後に混合が実施される。いくつかの例では、各添加の後に混合が実施される。シリカ繊維112、炭素繊維110、シリカマイクロスフェア116およびフェノール系マイクロスフェア114をすべて加えた後、均一な分散およびフェノール樹脂104による濡れが実現されるようにアブレーティブ材料100が混合される。

いくつかの例示的な例において、高分子リン酸化アミド106はポリ（水素ホスフィノヒドラジド（phosphinohydrazide））ポリマー126である。ポリ（水素ホスフィノヒドラジド（phosphinohydrazide））は、H−PPAと呼ばれることもある。いくつかの例示的な例において、高分子リン酸化アミド106はポリ（メチル−ホスフィノヒドラジド）ポリマー128である。ポリ（メチル−ホスフィノヒドラジド）ポリマー128は、M−PPAと呼ばれることもある。

構造物122は、所望の形状に硬化されたアブレーティブ材料100を含む。アブレーティブ材料100は、レゾールフェノール樹脂123、重量で、フェノール樹脂または樹脂固形物100部あたり1〜10部の間の比率の高分子リン酸化アミド106である高分子リン酸化アミド106、ならびにいくつかの密度フィラー120およびいくつかの構造補強フィラー118を含むいくつかのフィラー108を含む。

いくつかの例示的な例において、いくつかの構造補強フィラー118は、炭素繊維110およびシリカ繊維112から選択される。いくつかの例示的な例において、いくつかの密度フィラー120は、フェノール系マイクロスフェア114およびシリカマイクロスフェア116から選択される。いくつかの例示的な例において、レゾールフェノール樹脂123は、Plenco 11956樹脂またはHexion SC1008 VHSのうちの1つである。

構造物122を形成するため、アブレーティブ材料100は成形および硬化される。アブレーティブ材料100は、任意の望ましい型成形プロセスによって成形される。

いくつかの例示的な例において、構造物122はコア130をさらに含み、ここで、アブレーティブ材料100は、共硬化によってコア130に付着（接着）する。共硬化が用いられるとき、アブレーティブ材料100およびコア130がいずれも同じ型内に置かれる。共硬化において、アブレーティブ材料100およびコア130は、同じ硬化温度および圧力が一緒に施される。

アブレーティブ材料100は、コア130に取り込まれてもよい。例えば、コア130は、コア130へのアブレーティブ材料100の付着を促進するための、エチレンジアミンなどのカップリング剤で処理されたガラス−フェノール系補強コアであってもよい。

任意の望ましいタイプのツーリング134が、アブレーティブ材料100を成形するために使用されてもよい。構造物122が、宇宙船のための熱シールドであるとき、ツーリング134は、アブレーティブ材料100を成形するために使用される、面積が最大約5ft²の高さ3〜5インチのフレームを含んでもよい。コア130が使用される場合、これが、アブレーティブ材料100の導入前にツーリング134内に置かれる。

いくつかの例示的な例において、ツーリング134は、型136を含む。構造物122を形成するため、アブレーティブ材料100が型136内に加えられ、アブレーティブ材料100が硬化される。コア130が構造物122内に存在するとき、コア130が型136に加えられ、アブレーティブ材料100を硬化するステップは、アブレーティブ材料100を硬化して、アブレーティブ材料100をコア130に結合させるステップを含む。

アブレーティブ材料100は、パン生地のような粘稠度を有する。粘稠度のために、アブレーティブ材料100は、分離した0．5インチ〜1．0インチの塊に分解されてもよい。いくつかの例示的な例において、アブレーティブ材料100は、ふるいを用いて分解されてもよい。次いで、塊は、ツーリング134（および存在する場合はコア130）内に振りまかれ、ツーリング134、および存在する場合はコア130の上方の少なくとも1インチを満たす。アブレーティブ材料100がツーリング134の上に突き出る場合は、平坦なツールで押さえつけられる。押さえつけたら、接着を促進するためにアブレーティブ材料100の上に刻みを入れた後、さらにアブレーティブ材料100を上に振りまく。

いくつかの例示的な例において、バッチ全体がツーリング134内に振りまかれるように、使用されるツーリング134のサイズに十分なバッチにアブレーティブ材料100が準備され、混合される。当て板がアブレーティブ材料100の上に置かれ、構造物122に望ましい外面特性を与える。当て板の形状および材料は、構造物122およびアブレーティブ材料100に基づいて選択される。

構造物122が、宇宙船のための熱シールドであるとき、Armalon、ゴムおよび／またはアルミニウムハニカム当て板が、フッ化エチレンプロピレン（FEP）、Kapton、または他の適切なポリマーシート材料で覆われたアブレーティブ材料100の上に置かれ、硬化時にフェノール樹脂104を含む。

次いで、ツーリング134は、ブリーザーおよび真空バッグ材料で覆われ、オートクレーブ内で、選択された樹脂に望ましい第1の温度まで緩やかな勾配で、30〜60psi、次いで60〜125psiのステップ状の圧力でグリーン状態に硬化される。オートクレーブ硬化の後、当て板および覆いが取り出され、アブレーティブ材料100がツーリング134から取り出され、ブリーザーを備えた新しい真空バッグ内に置かれる。第2段階の硬化のために、パネルがオーブン内に置かれる。第2段階の硬化は、選択された樹脂の第2の望ましい温度で実施される。いくつかの例では、第2の望ましい温度は、望ましい第1の温度よりも高い。

いくつかの例示的な例において、望ましい第1の温度は、200°F〜260°Fの範囲内である。いくつかの例示的な例において、第2の望ましい温度は、260°F〜330°Fの範囲内である。

硬化のための特定の温度は、アブレーティブ材料100の望ましい性能および材料特性に基づいて選ばれる。さらに、硬化のための特定の温度は、フェノール樹脂104のタイプに基づいて選ばれる。

いくつかの例では、アブレーティブ材料100は、ビークルのキャリヤー構造物上に直接硬化されてもよい。これらの例において、コア130は、使用される場合、ツーリング134がその周りに置かれ、アブレーティブ材料100が取り込まれる前に、まず、キャリヤー構造物にフィルム接着剤で接着される。次いで、構造物122は、非破壊評価が行われ、最終形状に機械加工される。

いくつかの例示的な例では、アブレーティブ材料100をキャリヤー構造物上に直接硬化せずに、アブレーティブ材料100が、材料の別々のブロックに硬化されてもよい。構造物122は、これらの材料のブロックのうちの1つであってもよい。構造物122など、材料のブロックのそれぞれが、所望の形状およびサイズに機械加工され、適切な高温接着剤またはエポキシでキャリヤー構造物上に接着される。存在するとき、コア130は、アブレーティブ材料100に補強を施す。コア130は任意選択である。いくつかの例示的な例において、構造物122は、コア130なしでアブレーティブ材料100から形成される。コア130が存在しないとき、アブレーティブ材料100は、補強なしで型成形されてもよい。

ここで図2を見ると、例示的な実施形態が実施され得る宇宙船が例示されている。宇宙船200は、熱シールド202を含む。熱シールド202は、宇宙船200および任意の貨物または乗員を、惑星大気への突入時の熱から保護する。熱シールド202は、図1の構造物122の1つの物理的実施態様である。熱シールド202は、図1のアブレーティブ材料100などのアブレーティブ材料を含む。

宇宙船200および熱シールド202は、宇宙船および熱シールドのただ1つの物理的実施態様である。宇宙船200は、任意の望ましい設計を有してもよい。熱シールド202は、任意の望ましい設計および形状を有してもよい。

宇宙船200は、図1のアブレーティブ材料100を取り込んでいるプラットフォームのただ1つの物理的実施態様である。例示的な実施形態の例示的な例が、宇宙船に関して説明されているが、例示的な実施形態が、他のタイプのプラットフォームに適用されてもよい。アブレーティブ材料100は、高温になる任意の望ましいプラットフォームにおいて使用されてもよい。プラットフォームは、例えば、移動するプラットフォーム、静止したプラットフォーム、陸上の構造物、水中の構造物または宇宙の構造物であってもよい。さらに具体的には、プラットフォームは、水上船舶、タンク、人員輸送車、列車、宇宙船、宇宙ステーション、人工衛星、潜水艦、自動車、発電所、橋、ダム、家屋、製造施設、ビル、および他の適したプラットフォームであってもよい。

図2に示す異なる構成要素は、図1中の構成要素と組み合わせられても、図1中の構成要素と共に使用されてもよく、または2つの組み合わせでもよい。さらに、図2中の構成要素のいくつかは、図1中にブロック形式で示される構成要素が、物理的構造物としてどのように実施され得るかの例示的な例であってもよい。

ここで図3を見ると、例示的な実施形態による、アブレーティブ材料を生成するための方法のフローチャートが例示されている。図1のアブレーティブ材料100を生成するために、方法300が利用されてもよい。図2の熱シールド202を生成するために使用されるアブレーティブ材料を生成するために、方法300が利用されてもよい。

方法300では、フェノール樹脂をミキサーに加える（操作302）。いくつかの例示的な例において、フェノール樹脂はレゾールフェノール樹脂である。いくつかの例示的な例において、フェノール樹脂はHexion SC1008 VHSである。

方法300では、重量で、フェノール樹脂または樹脂固形物100部あたり1〜10部の間の高分子リン酸化アミドをミキサーに加える（操作304）。いくつかの例示的な例において、高分子リン酸化アミドは、ポリ（メチル−ホスフィノヒドラジド）ポリマーまたはポリ（水素ホスフィノヒドラジド）ポリマーのうちの1つである。方法300では、フェノール樹脂および高分子リン酸化アミドを少なくとも5分間混合する（操作306）。

方法300では、いくつかのフィラーをミキサーに加える（操作308）。いくつかの例示的な例において、いくつかのフィラーは、炭素繊維、シリカ繊維、フェノール系マイクロスフェア、またはシリカマイクロスフェアのうちの少なくとも1つを含む。方法300では、いくつかのフィラー、高分子リン酸化アミドおよびフェノール樹脂を混合してアブレーティブ材料を生成する（操作310）。その後、本方法は終了する。

示した異なる例示的な実施形態のフローチャートおよびブロック図は、例示的な実施形態における装置および方法のいくつかの可能性のある実施態様のアーキテクチャ、機能性および操作を示す。この点に関して、フローチャートまたはブロック図の各ブロックは、モジュール、セグメント、機能および／または操作もしくはステップの一部を表し得る。

例示的な実施形態のいくつかの代替の実施態様において、ブロックに記載の1つまたは複数の機能は、図に記載の順番以外で起こり得る。例えば、場合によって、連続して示す2つのブロックがほぼ同時に実行されてもよく、またはブロックが、場合によって、関与する機能性に応じて逆の順番で実施されてもよい。また、フローチャートまたはブロック図において、例示したブロックに加えて、他のブロックが加えられてもよい。

例えば、方法300は、アブレーティブ材料をプリフォームに製造するステップをさらに含んでもよい。別の例として、方法300は、アブレーティブ材料を型に加えるステップと、アブレーティブ材料を硬化するステップとをさらに含んでもよい。いくつかの例示的な例において、方法300はまた、アブレーティブ材料を硬化するステップが、アブレーティブ材料を硬化して、アブレーティブ材料をコアに結合させるステップを含む、コアを型に加えるステップを含む。

方法300は、アブレーティブ材料のひずみコンプライアンスを増加させる方法として記述され得る。方法300は、アブレーティブ材料の先の組成物に高分子リン酸化アミドを加えることにより、既知のアブレーティブ材料のひずみコンプライアンスを増加させる。アブレーティブ材料はフェノール樹脂から形成されるため、方法300は、フェノール系アブレータのひずみコンプライアンスを増加させる方法として記述され得る。

カプセルまたはプローブベース熱シールドのための既存の材料よりも高いひずみコンプライアンス、低い弾性率、低い密度、および改善されたチャーの安定性など、特性の改善をアブレーティブ材料において可能にするアブレーティブ熱防護材料配合物および加工方法が開発された。

高分子リン酸化アミドをフェノール樹脂ベースのアブレーティブ材料に加えると、フェノール鎖内の化学結合により、機械的特性および熱的特性が既存の配合物よりも向上する。例示的な例では、中間域の熱流束（400W／cm²〜1500W／cm²）を可能にする、弾性率が低いアブレーティブ熱防護材料が得られる。弾性率の低下は、アブレーティブ材料において、応力による割れの形成を軽減する。

アブレーティブ材料はまた、密度が低減され、これにより、ビークルまたは他のプラットフォームに加わる重量が減少する。アブレーティブ材料はまた、チャーの安定性が改善され、その結果、アブレーティブ材料による伝熱が低下し、アブレーティブ材料を熱／再突入条件にさらすことができる時間が延びる。アブレーティブ材料は、チャーの安定性がより高く、密度がより低いため、既存のアブレーティブ材料よりも、同じ熱防護を実現するためにビークルに加えられる重量は小さい。

ひずみコンプライアンスを増加させ、弾性率を低下させて、宇宙船の熱シールドの構造のたわみに材料が耐えられるようになるポリ（メチル−ホスフィノヒドラジド）ポリマー添加剤を含むフェノール系アブレーティブ材料の製造を例示的なプロセスで詳述する。配合物には、重量で、フェノール樹脂または樹脂固形物100部あたり1〜10部含まれる。添加剤は、高いせん断力をブレンドに与えるが、繊維およびマイクロスフェアを細断または粉砕しない市販のパンミキサーを使用して樹脂に取り込まれる。2つの液体は、最低5分間混合すべきである。ポリ（メチル−ホスフィノヒドラジド）が樹脂に取り込まれたら、アブレーティブ材料のフィラーが液体に混合される。

生成済みのアブレーティブ材料は、コアへのアブレーティブ材料の接着を促進するために、エチレンジアミンなどのカップリング剤で処理されたガラス−フェノール系補強コアに取り込むことができて、または、補強なしで型成形されてもよい。面積が最大約5ft²の高さ3〜5インチのフレームからなるツーリングが、アブレーティブ材料を型成形するために使用される。コアが使用される場合、これが、アブレーティブ材料の導入前にツーリング内に置かれる。パン生地程度の粘稠度のアブレーティブ材料は、通常はふるいを用いて、分離した0．5インチ〜1．0インチの塊に分解される。次いで、塊は、ツール（および存在する場合はコア）内に振りまかれ、ツール、および存在する場合はコアの上方の少なくとも1インチを満たす。材料がツールの上に突き出る場合は、平坦なツールで押さえつけられる。接着を促進するために、押さえつけた材料の上に刻みを入れた後、さらに材料をその上に振りまく。次に、バッチ全体がツール内に振りまかれるように、使用されるツールのサイズ（the size tool）に十分なバッチに材料が準備され、混合される。Armalon、ゴムおよび／またはアルミニウムハニカム当て板が、フッ化エチレンプロピレン（FEP）、Kapton、または他の適切なポリマーシート材料で覆われた材料の上に置かれ、硬化時に樹脂を含む。次いで、ツールは、標準的なブリーザーおよび真空バッグ材料で覆われ、オートクレーブ内で、最高温度まで緩やかな勾配で、30〜60psi、次いで60〜125psiの圧力のステップ状の圧力でグリーン状態に硬化される。最高温度は、選択された樹脂に基づいて選択される。オートクレーブ硬化の後、当て板および覆いが取り出され、材料がツーリングから取り出され、ブリーザーを備えた新しい真空バッグ内に置かれる。第2段階の硬化のために、パネルがオーブン内に置かれる。いくつかの例では、第2段階の硬化は、オートクレーブ硬化よりも高い温度での硬化である。第2段階の硬化は、所望のレベルの硬化がアブレーティブ材料において得られるまで実施される。いくつかの例示的な例において、硬化のレベルは、硬さおよび強度のデータに基づいて求められてもよい。

アブレーティブ材料は、ビークルのキャリヤー構造物上に直接硬化されてもよく、この場合、補強コアは、使用される場合、ツーリングがその周りに置かれ、アブレーティブ材料が取り込まれる前に、まず、HT−424などのフィルム接着剤でキャリヤー構造物に接着される。次いで、熱シールドは、非破壊評価が行われ、最終形状に機械加工される。代わりに、材料は、材料の別々のブロックに硬化され、所望の形状およびサイズに機械加工され、室温硬化加硫ゴム（RTV−560）などの適切な高温接着剤またはエポキシでキャリヤー構造物上に接着されてもよい。

さまざまな例示的な実施形態の説明は例示および説明の目的のために提示されたものであり、網羅的であること、または開示されている形態の実施形態に限定することを意図するものではない。多くの修正および変形が当業者には明らかになるであろう。さらに、さまざまな例示的な実施形態が、他の例示的な実施形態と比べて、異なる特徴をもたらし得る。1つまたは複数の選択された実施形態は、実施形態の原理、実際の応用を最も良く説明するために、かつ、他の当業者が、さまざまな実施形態において、検討している特定の利用にふさわしいようさまざまに修正して本開示を理解できるよう選択および説明されている。

100 アブレーティブ材料
102 製造環境
104 フェノール樹脂
106 高分子リン酸化アミド
108 いくつかのフィラー
109 弾性率
110 炭素繊維
112 シリカ繊維
114 フェノール系マイクロスフェア
116 シリカマイクロスフェア
118 いくつかの構造補強フィラー
120 いくつかの密度フィラー
122 構造物
123 レゾールフェノール樹脂
124 ミキサー
126 ポリ（水素ホスフィノヒドラジド）ポリマー
128 ポリ（メチル−ホスフィノヒドラジド）ポリマー
130 コア
134 ツーリング
136 型
200 宇宙船
202 熱シールド
300 方法

Claims

フェノール樹脂（104）と、
重量で、前記フェノール樹脂（104）または樹脂固形物100部あたり1〜10部の割合の高分子リン酸化アミド（106）である高分子リン酸化アミド（106）と、
いくつかのフィラー（108）と
を含むアブレーティブ材料（100）。
前記いくつかのフィラー（108）が、炭素繊維（110）、シリカ繊維（112）、フェノール系マイクロスフェア（114）、またはシリカマイクロスフェア（116）のうちの少なくとも1つを含む、請求項1に記載のアブレーティブ材料（100）。
前記フェノール樹脂（104）がレゾールフェノール樹脂（123）である、請求項1または2に記載のアブレーティブ材料（100）。
前記フェノール樹脂（104）がHexion SC1008 VHSである、請求項3に記載のアブレーティブ材料（100）。
前記高分子リン酸化アミド（106）が、ポリ（メチル−ホスフィノヒドラジド）ポリマー（128）またはポリ（水素ホスフィノヒドラジド）ポリマー（126）のうちの少なくとも1つである、請求項1から4のいずれか一項に記載のアブレーティブ材料（100）。
レゾールフェノール樹脂（123）と、
重量で、前記フェノール樹脂（104）または樹脂固形物100部あたり1〜10部の割合の高分子リン酸化アミド（106）である高分子リン酸化アミド（106）と、
いくつかの密度フィラー（120）およびいくつかの構造補強フィラー（118）を含むいくつかのフィラー（108）と
を含む、所望の形状に硬化されたアブレーティブ材料（100）
を含む構造物（122）。
前記いくつかの構造補強フィラー（118）が、炭素繊維（110）およびシリカ繊維（112）から選択される、請求項6に記載の構造物（122）。
前記いくつかの密度フィラー（120）が、フェノール系マイクロスフェア（114）およびシリカマイクロスフェア（116）から選択される、請求項6または7に記載の構造物（122）。
前記レゾールフェノール樹脂（123）がHexion SC1008 VHSである、請求項6から8のいずれか一項に記載の構造物（122）。
共硬化によって前記アブレーティブ材料（100）と付着したコア（130）
をさらに含む、請求項6から9のいずれか一項に記載の構造物（122）。
フェノール樹脂（104）をミキサー（124）に加えるステップと、
重量で、前記フェノール樹脂（104）または樹脂固形物100部あたり1〜10部の間の高分子リン酸化アミド（106）を前記ミキサー（124）に加えるステップと；
前記フェノール樹脂（104）および前記高分子リン酸化アミド（106）を少なくとも5分間混合するステップと、
いくつかのフィラー（108）を前記ミキサー（124）に加えるステップと、
前記いくつかのフィラー（108）、前記高分子リン酸化アミド（106）および前記フェノール樹脂（104）を混合してアブレーティブ材料（100）を生成するステップと
を含む方法。
前記フェノール樹脂（104）がレゾールフェノール樹脂（123）である、請求項11に記載の方法。
前記フェノール樹脂（104）がHexion SC1008 VHSである、請求項12に記載の方法。
前記高分子リン酸化アミド（106）が、ポリ（メチル−ホスフィノヒドラジド）ポリマー（128）またはポリ（水素ホスフィノヒドラジド）ポリマー（126）のうちの少なくとも1つである、請求項11から13のいずれか一項に記載の方法。
前記いくつかのフィラー（108）が、炭素繊維（110）、シリカ繊維（112）、フェノール系マイクロスフェア（114）、またはシリカマイクロスフェア（116）のうちの少なくとも1つを含む、請求項11から14のいずれか一項に記載の方法。
前記アブレーティブ材料（100）をプリフォームに製造するステップ
をさらに含む、請求項11から15のいずれか一項に記載の方法。
前記アブレーティブ材料（100）を型（136）に加えるステップと
前記アブレーティブ材料（100）を硬化するステップと
をさらに含む、請求項11から16のいずれか一項に記載の方法。
コア（130）を前記型（136）に加えるステップであって、前記アブレーティブ材料（100）を硬化するステップが、前記アブレーティブ材料（100）を硬化して、前記アブレーティブ材料（100）を前記コア（130）に結合させるステップを含む、ステップ
をさらに含む、請求項17に記載の方法。