JP2019501849A - 炭素繊維強化炭化物‐セラミック複合部材 - Google Patents

Abstract

本発明は、炭化ケイ素およびケイ素元素を含むセラミックマトリクスに埋込まれた少なくとも２層の一方向性非圧着炭素繊維布の少なくとも１つのスタックを備えるセラミック部材であって、前記少なくとも１つのスタック内の全ての隣接する層が互いに直接隣接しており、前記少なくとも１つのスタックが前記層の平面に垂直な方向において少なくとも１．５ｍｍの厚さを有し、前記セラミックマトリクスが前記部材全体に基本的に浸透していることを特徴とする、セラミック部材に関する。

Description

本発明は、炭素繊維の一方向性層を含むセラミック部材であって、該部材において該層が直接接して配置または積層されており、少なくとも１．５ｍｍの高さまたは厚さを有する積層されたスタックを形成しているセラミック部材に関する。本発明はまた、前記部材を製造するための方法、および高温で物品を処理するための装入ラック（ｃｈａｒｇｉｎｇ ｒａｃｋ）としての前記部材の使用に関する。

装入ラックは、機械部材または自動車産業用の部材などの物品を硬化するために必要とされるものであり、例えば前記物品は装入ラック上に支持されて高温にさらされる。このような装入ラックの材料の要件は、高い機械的耐荷力（剛性および強度）、耐熱性、および低重量である。これらの基準を満たす理想的な材料の１つは、炭素繊維強化炭素である。このような装入ラックは、樹脂で事前に含浸され、上下に積層され、高圧および高温の下で硬化した後に熱分解を受けて、硬化された樹脂が炭素へと変換される、例えばプリプレグの形態の一方向性炭素繊維不織布によって製造される。

この場合（および本発明の明細書において）、一方向性炭素繊維不織布は、近接して平行に位置する連続した炭素繊維の連続ストリップから成る。予備含浸炭素繊維不織布の複数の層が積層され、樹脂が硬化されると、炭素繊維強化ポリマー（ＣＦＲＰ）が生成され、硬化樹脂がＣＦＲＰのマトリクスを形成する。通常略８００℃でＣＦＲＰが熱分解されるときに、ポリマーマトリクスは分解されてそこに含まれた揮発性成分は放出される。炭素繊維強化炭素（ＣＦＲＣ）が残留する。

しかしながら、ＣＦＲＣ装入ラックは、酸化されやすく、高い開放気孔率を有する点で不利である。したがって、このような装入ラックは、酸素のない状態で高温で処理しなければならない。これは、通常は、伝動装置などの装入材料が硬化される、保護ガス雰囲気または真空下での工業硬化炉において使用される場合である。しかしながら、例えば伝動装置の歯が切断されるなど、硬化される装入材料はまず初めに通常グリーン機械加工される。次いで、装入材料から切削液または洗浄液などの残留物を除去して前記材料を乾燥させなければならない。このため、装入物全体は、常圧条件下でガス炎を使用して最高５００℃まで加熱され、このプロセスが前記不純物を焼失させる。装入材料は次いで、実際の熱処理システムまたは硬化炉へと移される。装入物は、２つのプロセスの間において、ある程度まで冷却され、移動されて再加熱されなければならないため、装入ラックの装入はプロセスコストを大幅に上昇させるため、両方の熱処理プロセスにおける装入材料は、好ましくは同一の装入ラック上に装入される。

しかしながら、ＣＦＲＣの耐酸化性に起因して、予備酸化、続く熱処理、および硬化段階の間でＣＦＲＣ装入ラックを連続的に使用することは不利である。

さらに、熱処理プロセスの最後に装入ラックおよび装入材料を冷却するときに、必要であればこれらは流体（例えば油）を含む冷却皿内に配置される。空気冷却と比較してより速い冷却速度が可能であるが、冷却媒体が装入ラック材料の開放気孔に浸入する。該媒体は、次の硬化サイクルにおいて再蒸発されるため、材料に有害な影響を及ぼす。

したがって、本発明の目的は、装入ラックとして使用することができ、より高い耐酸化性を有すると同時に高い機械耐荷力（剛性および強度）、耐熱性、低重量、および低い開放気孔率を有する、改良された部材を提供することにある。

例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）‐セラミック部材は耐酸化部材として知られている。これらは、典型的に、ＣＦＲＣ成形体を液体でケイ素化処理することによって、すなわちＣＲＦＣに液体ケイ素を含浸させることによって作製され得る。この場合、炭素の一部がケイ素元素と反応してＳｉＣを形成する。ＥＰ１３４０７３３Ｂ１には、例えば、強化繊維（特に炭素繊維）が一方向に配列されたＳｉＣ−セラミック複合材料が記載されている。そこでは、一方向性強化繊維は、互いに一定の距離をおいた個々のロービング束の形態である。液体ケイ素が均一かつ十分にＣＦＲＣ基体に浸透するためには適切な細孔構造が唯一の手段であるため、ＣＦＲＰが炭化されてＣＦＲＣ基体が形成されるときに形成される細孔構造は、その後の成形体のケイ素化およびＳｉＣマトリクスの形成に重要である（ＥＰ１３４０７３３Ｂ１の段落６参照）。強化繊維のロービングが面内で固定されずに平行に配列されている場合、バインダ樹脂の炭化によって、ＣＦＲＣのロービングが互いに非常に近接して位置し、最小の開放気孔率で隣接するように縮小するように、繊維方向に直交する方向における無妨害の収縮がもたらされる。これにより、短繊維または織物で強化されたＣＦＲＣプリフォームと比べて材料内の毛管（微細経路）の分布および細孔容積が不利に修飾されるため、ケイ素化プロセスがより困難となる。したがって、従来の方法によって、一方向性繊維（ＵＤ繊維）で強化されたＣ／ＳｉＣ材料の良好な性質を得ることはこれまで不可能であった（ＥＰ１３４０７３３Ｂ１の段落８参照）。したがって、ＥＰ１３４０７３３Ｂ１において、ロービング束の間の距離は、液体ケイ素がＣＦＲＣ成形体に完全に浸透または含浸できるために必要なものである。

ＤＥ１０２００７００７４１０Ａ１にもまた、炭素繊維が一方向に配列されたＳｉＣ‐セラミック複合材料が記載されている。この文献では、一方向性炭素繊維不織布は、前述のＣＦＲＣ装入ラックと同様に処理される。しかしながら、ＥＰ１３４０７３３Ｂ１において言及された問題点に起因して、前記部材を完全にケイ素化する段階を実行できるようにするために、一方向性炭素繊維不織布の間によこ糸のシステムまたはコーティングの形態のスペーサが提供される。スペーサは、熱分解の間に好ましくは完全に揮発して、ケイ素化プロセスの間に必要とされる細孔構造を提供する。

しかしながら、ＥＰ１３４０７３３Ｂ１およびＤＥ１０２００７００７４１０Ａ１における解決策は、２つの解決策において提案されたロービングまたは不織布の間の距離によって、炭素繊維で強化されない領域が存在するようになり、その結果、部材がより厚く、すなわち重くなる点で不利である。

したがって、本発明の目的は、改良された部材を提供することを対象とする。

本発明おいて、特定の条件下で、一方向性炭素繊維不織布を含み、繊維状の不織布を全く離間せずに直接積層し、スタックが事実上任意の所望の厚さを有することができる、炭化物‐セラミック部材を作製できることが初めて確認された。密接に充填された一方向性炭素繊維にもかかわらず、液体ケイ素は完全にＣＦＲＣプリフォームに浸透することができる。

欧州特許第１３４０７３３号明細書 独国特許出願公開第１０２００７００７４１０号明細書 独国特許出願公開第１０２０１１００７８１５号明細書

したがって、本発明の目的は、炭化ケイ素およびケイ素元素を含むセラミックマトリクスに埋込まれた少なくとも２層の一方向性炭素繊維不織布からなる少なくとも１つのスタックを備えるセラミック部材であって、前記少なくとも１つのスタック内の全ての隣接する層が互いに直接隣接しており、前記少なくとも１つのスタックが前記層の平面に垂直な方向において少なくとも１．５ｍｍの厚さを有し、前記セラミックマトリクスが前記部材全体に実質的に浸透していることを特徴とする、セラミック部材を提供することによって達成された。

本発明の明細書において、「少なくとも１つのスタック内の全ての隣接する層が互いに直接隣接している」との表現は、ＥＰ１３４０７３３Ｂ１およびＤＥ１０２００７００７４１０Ａ１のように、層が意図的に離間されていないことを意味するものと理解すべきである。しかしながら、本発明は、繊維の予備含浸層が上下に直接積層されるときにマトリクスが事実上常に存在する、層の間または隣接する層の繊維の間にマトリクスフィルムが提供されるかまたは提供され得ることを含む。

層が上下に近接して配置されるため、本発明による部材は、向上した強度を有することを特徴とする。したがって、該部材は、より薄く、例えば装入ラックとして、特定の応用のためにより軽量に設計することができる。これにより、前記部材の取り扱いがより容易になり、低質量に起因して加熱するために必要なエネルギーが少ないため、装入ラックを使用するコストが低減される。

上下に直接積層された一方向性炭素繊維不織布のスタックの厚さまたは高さには上限がない。スペーサによって離間された炭素繊維不織布の層の各々が略０．１ｍｍほどの厚さを有する（ＤＥ１０２００７００７４１０Ａ１の図面参照）ＤＥ１０２００７００７４１０Ａ１と比較すると、本発明による層または積層スタックの厚さは、少なくとも１．５ｍｍである。これは、既知の方法を使用して実現することができない。前記厚さは好ましくは少なくとも２．０ｍｍ、より好ましくは少なくとも２．５ｍｍである。本発明によると、最も好ましくは、部材内の積層スタックは、部材自体の全体と同じ厚さを有する、すなわち、部材は、層が互いに直接隣接する、セラミックマトリクスに埋設された一方向性炭素繊維不織布の層のスタックのみから好ましくは構成される。

一方向性炭素繊維不織布の個々の層の厚さは、特に限定されない。単に１層のモノフィラメント層からなる、すなわち層の厚さが典型的に６から９μｍの範囲にある１本の炭素繊維の直径に事実上対応する程度に層を薄くすることができる。このようなものフィラメント層を使用する場合、本発明によって上下に直接配置される層の数は、積層スタックが少なくとも１．５ｍｍの高さを有するものである。例えば０．７５ｍｍより厚いものなどの特に厚い層では、部材は、本発明に従って上下に直接配置された単に２つの層を含み得、スタックの厚さは少なくとも１．５ｍｍである。

一方向性炭素繊維不織布は、特定の幅で離間された１つまたは複数の炭素繊維ロービングによって通常得られる。炭素繊維ロービングは、ねじれまたは絡み合っていない連続した平行な炭素繊維フィラメントの束である。この場合、１つまたは複数の５０Ｋロービングが典型的に使用される。５０Ｋロービングは、略５０，０００の個々のフィラメントから構成される。これらのスライバは、特に、樹脂で予備含浸され、プリプレグとして利用可能である。それらは、典型的に、略０．２５ｍｍの厚さを有する。以下に記載する本発明による方法は、例えばこのタイプのプリプレグから開始することができる。

酸化雰囲気における高温用途に適した部材を作製するために、セラミックマトリクスが部材全体に実質的に浸透することが重要である。以下の本発明による方法の明細書においてさらに説明されるように、このことは、ケイ素化プロセスの間に液体ケイ素がＣＦＲＣプリフォームに完全に浸透し、ＣＦＲＣプリフォームの炭素マトリクスが少なくとも部分的にＳｉＣに変換されることを意味する。したがって、例えば、大気中の酸素が経時的に前記部材の内部に浸透し、部材の完全性および安定席を徐々に破壊する、表面のみがケイ素化されたＣＦＲＣ部材と比較して、本発明による部材は酸化耐性がかなり高い。

マトリクスは、部材全体にわたって好ましくは均質な組成を有する。しかしながら、これは、表面の特定の深さまでマトリクスに浸透することができる特定の表面処理を部材が含むことができることを排除しない。しかしながら、マトリクスの構成部材の組成、すなわちその強度に寄与するものは、好ましくは均質である。これにより、その強度および酸化耐性などの部材の一様な均質特性がもたらされる。

本発明による部材の好ましい実施形態によると、少なくとも１つのスタック内の連続する層は、繊維の方向の点で互いに異なる。例えば、層は、繊維方向が０°と９０°との間で交互に代わるように上下に配置され得、この場合、わずかに生成が複雑であるが、繊維の一方向性の層の全てが１つの方向、０°方向に配列された部材と比較して、０°方向に垂直な方向において部材の安定性が著しく向上するため、この変量が好ましい。連続する層に対して０°／６０°／１２０°の順序もまた可能である。個々の層の繊維方向の変化のタイプは、特に制限されず、その後の使用の間の部材の負荷プロファイルに従って設計され得る。

本発明による部材は、好ましくは３．５％以下、より好ましくは３．０％以下の開放気孔率を有する。部材の開放気孔率が小さいほど、酸化攻撃に曝露される表面が少なくなる。例えば液体炭素供給物を使用して１回または複数回ＣＦＲＣ基体を再圧縮することによって、開放気孔率が低減され得る。このプロセスは、本発明による方法の好ましい実施形態の一部として、以下でさらに詳細に説明される。

本発明による部材は、５０〜６５％の範囲の繊維体積比を好ましくは有する。繊維体積比は、例えば顕微鏡写真に基づいて幾何学的または光学的に決定され得る。高い繊維体積比は、部材に相応して高い弾性率を与える。本発明によるスタックの厚さが部材の総厚に相当する好ましい実施形態に記載されているように、ＳｉＣ‐セラミック部材における炭素繊維の高い繊維体積比は、既知の方法を使用して製造することはできない。炭素繊維不織布が互いにきつく押し付けられている場合でさえ、繊維で充填されていないギャップが布内に必然的に存在するため、繊維体積比は布より低い。

本発明による部材の単純な実施形態によると、前記部材は平板であり、その面に繊維不織布が配置される。本発明のより複雑な実施形態は、好ましくはこのタイプの個々の平板状部材から組み立てられる。本発明による好ましい方法の一部として以下に記載されるように、この組立プロセスは、ケイ素化プロセスの前に行われる。黒鉛化ＣＦＲＣ状態において連動可能に組み立てられた部材は、次いで全体がケイ素化される。この場合、部材は、接続部で互いに一体的かつ不可逆的に接続される。したがって、本発明の好ましい実施形態は、互いに一体的に結合される少なくとも２つの部材を備え、少なくとも２つの部材の各々もまた本発明によるセラミック部材として形成されているセラミック部材に関する。

セラミック部材の相互接続された部材の境界面の間の一体的接合部は、好ましくはケイ素元素を含む。しかしながら、連動可能に接続されたＣＦＲＣ部材には、接着接続部が設けられ得る。この場合、接着剤は好ましくは炭化され得、加熱されて組み立てられた部材がケイ素化されるときに炭素へと変換され得る。その多孔性に起因して、この炭素は、２つの接続された部材のうちの１つの部材から別の部材へと液体ケイ素を誘導する。したがって、得られたセラミック部材は、相互接続された部材の境界面の間の一体的接合部にケイ素元素に加えてＳｉＣをさらに含む。結合および接合材料がケイ素化されるこの技術は知られており、例えばＤＥ１０２０１１００７８１５Ａ１に記載されている。例えば、そこに含まれる接着剤およびフィラーの種類は特に限定されない。

４００℃で１時間の間空気中で行われる酸化試験において、本発明による部材は、０．０５％以下、より好ましくは０．０３％以下の酸化重量減少を好ましくは有する。

本発明による部材は、少なくとも６０ＧＰａの弾性率を好ましくは有する。本発明による部材は、少なくとも１９０ＭＰａの強度を好ましくは有する。弾性率および強度が試験規格ＥＮ６５８−３に準拠する３点曲げ試験において決定されることは周知である。組み立てられた部材において、これらのパラメータは当然、接合部によって妨げられない個々の均質な部材にのみ適用される。

本発明による部材は、２．０ｇ／ｃｍ^３以下の密度を好ましくは有する。この低い密度は、比較的高い炭素含有量に由来するものであり、同様に高い繊維体積比の結果である。したがって、部材中の炭素繊維は、実質的に影響を受けないままであり、ケイ素によってわずかにのみ攻撃されてＳｉＣへと変換される。低い密度は低い熱容量にも関連し、使用中のエネルギーコストを低下するため、装入ラックでの使用に特に有利である。

本発明の別の態様は、
ａ）ポリマーまたはポリマー前駆体で含浸された少なくとも２つの一方向性炭素繊維不織布を上下に直接積層する段階と、
ｂ）上下に積層された前記炭素繊維不織布を、高圧および高温の下で圧密化して炭素繊維強化ポリマーを得る段階と、
ｃ）前記炭素繊維強化ポリマーを６００℃から１０００℃の間の温度で炭化して炭素繊維強化炭素を得る段階と、
ｄ）前記炭素繊維強化炭素を少なくとも１８００℃の温度で黒鉛化する段階と、
ｅ）段階ｄ）において黒鉛化された前記炭素繊維強化ポリマーをケイ素化する段階であって、表面が液体ケイ素と接触している黒鉛化された炭素繊維強化炭素の表面上で、少なくとも１つの前記炭素繊維不織布の少なくともいくつかの炭素繊維の端部が前記表面に向かうように、前記炭素がケイ素化される、ケイ素化する段階と、
を含む、セラミック部材を製造する方法に関する。

本発明による上記の部材は、好ましくは本発明による方法を使用して製造される。したがって、本発明による部材に関連して言及されたすべての特徴は、対応して方法にも適用され、その逆も同様である。

「上下に直接積層する」とは、含浸された一方向性炭素繊維不織布が上下に直接配置される、すなわちそれらの間に何も提供されないことを意味するものと理解される。ＥＰ１３４０７３３Ｂ１およびＤＥ１０２００７００７４１０Ａ１に関連して先に説明したように、不織布に緊密に充填された炭素繊維の細孔構造は、液体ケイ素が基体に浸透できるために不十分であるため、一方向性炭素繊維不織布を含むＣＦＲＣ基体を液体ケイ素化することは容易に可能ではない。本発明において、液体ケイ素が基体に完全に浸透することを可能にする方法が見いだされた。

段階ｄ）において言及されたＣＦＲＣ基体を黒鉛化するプロセスは、ＣＦＲＣ基体への適切な細孔システムの形成に大きな影響を及ぼす。１８００℃およびそれより高い温度での黒鉛化において、炭素繊維はその形状において特定の変化を経る。炭素繊維は、より短くなると同時により厚くなり、すなわち炭素繊維は繊維方向に縮小してそれに垂直な方向に膨張する。この膨張により、ケイ素化プロセスに適した冷却の後、炭素繊維に沿ったチャネルの形成がもたらされる。実際には、黒鉛化プロセスは、それらの間で冷却せずに、先行する炭化プロセスと共に１つの段階において実施することも可能である、すなわち１つの段階において、炭化および黒鉛化される基体を選択された黒鉛化温度に到達させてもよい。

ここでケイ素がこれらのチャネルに到達できるようにするために、本発明によると、液体ケイ素化されるときに、黒鉛化炭素繊維強化炭素の炭素繊維の少なくとも一部の端部が液体ケイ素と接触する表面に向けられるように黒鉛化されたＣＦＲＣ基体が液体ケイ素と接触される。これらの炭素繊維が接触面に向けられる詳細な角度は、ここでは特に限定されない、すなわち炭素繊維は接触面と角度をなして向けられてもよい。より明確に表現するために、例えば不織布の繊維が０°／９０°で配列している本補発明による平板形状部材において、対応するＣＦＲＣ平板の任意の端面がケイ素化され得る。ケイ素がプリフォームの内部への経路を見つけると、前記プリフォームが完全に含浸されることが明らかとなった。逆に、例えばウィック上に配置されることによって、例として言及された平板形状プリフォームが不織布に平行な大表面にわたってケイ素化されることが意図される場合、ケイ素化プロセスはより困難となる。

段階ａ）において言及されるポリマーまたはポリマー前駆体は特に限定されない。溶液、溶融材料もしくは合成樹脂粉末、熱可塑物またはそれらの前駆体であってよく、通常は変形されて寸法に関して安定な熱硬化性ポリマーを形成することができるため合成樹脂が好ましい。適当な好ましい合成樹脂は、フェノール樹脂、フラン樹脂およびシアン酸エステルである。好ましい実施形態によると、したがって、ポリマーまたはポリマー前駆体は、フェノール樹脂、フラン樹脂およびシアン酸エステルからなる群から選択された合成樹脂を含む。炭化され得る熱可塑物は、好ましい熱可塑物として使用される。この場合、「炭化され得る熱可塑物」とは、酸化材料のない状態で少なくとも８００℃の温度まで加熱されたときに、質量が使用された熱可塑物の質量（溶液中、乾燥質量）の少なくとも２０％である残留炭素を形成する熱可塑物を指す。

段階ｂ）における「圧密化」は、上下に積層された含浸後の炭素繊維不織布が固化されてＣＦＲＰ体を形成することを意味すると理解することができる。フェノール樹脂、フラン樹脂およびシアン酸エステルなどの熱硬化性ポリマー前駆体では、圧密化する段階は、合成樹脂を硬化する段階を含む。熱可塑物では、圧密化する段階は、熱可塑物の溶融によって層を互いに接続する段階を含む。

本発明の好ましい実施形態によると、段階ｃ）による炭素繊維強化炭素には、
Ｃ１）炭素繊維強化炭素に液体炭素供給物を含浸させる段階と、
Ｃ２）含浸後の段階ｃ）による炭素繊維強化炭素を炭化する段階と、
を含む後処理が少なくとも１回施される。

「炭素供給物」とは、熱分解または炭化プロセスの後に炭素が残留する液体物質を意味するものと理解され得る。さらに、本明細書において、「熱分解」および「炭化」との用語は、類義語と理解され得る。好ましい炭素供給物は、高い炭素収率を有するため、ピッチ、フェノール樹脂、およびフルフリルアルコールである。

本発明の好ましい実施形態によると、ポリマーまたはポリマー前駆体に含浸される一方向性炭素繊維不織布は、フェノール樹脂プリプレグ、フラン樹脂プリプレグ、およびシアン酸エステルプリプレグからなる群から選択されたプリプレグである。これらは、上下に積層されたときの有利な取り扱い性を特徴とし、寸法に関して安定したＣＦＲＰ体を形成する。

合成樹脂および特にプリプレグを使用する場合、上下に配置した炭素繊維不織布を圧密化する段階は、合成樹脂を硬化する段階を含む。

本発明の好ましい実施形態によると、黒鉛化された炭素繊維強化炭素は、セラミック部材の所望の形状にしたがって機械的に加工されて成形体を作製される。本明細書において、成形体とは、ケイ素化される前に機械加工された黒鉛化ＣＦＲＣ体であると理解される。ＣＦＲＣ体の機械加工は、より硬いケイ素化された部材の機械処理よりもかなり複雑性が低い。

本発明の好ましい実施形態によると、両方の成形体上で、表面が互いに接触している接続された成形体のそれぞれの境界面上で、少なくとも１つの炭素繊維不織布の少なくともいくつかの炭素繊維の端部が前記境界面に向かうように、少なくとも２つの成形体は連動可能に接続される。このことは、ケイ素が１つの部材から別の部材へとより効果的に移動することに寄与する。この場合、「端部」との表現は、本発明による部材と関連して上記で定義されたものと同一の意味を有する。こうして接合された部材は一体的であり、ばね、締金などの追加の複雑な接続要素によって接続する必要がない。この実施形態の好ましい変形例では、接合部は個々の長尺プレートの２つの長い縁部の一方で形成されており、接合部の幅はプレートの厚さに相当する。これらの接合部は、プレートの中心または長軸の真上のプレートの縁部から離れて適切な角度で内側に向かう。こうして接合されたプレートは、組み立てられてログキャビン構造に類似したチェッカー盤状格子を形成する。次いで、格子全体がケイ素化され得る。この例は、別の部材と接触している部材の境界面全体にわたって境界面で終端する端部を有する繊維を提供する必要がないことを示している。代わりに、境界面の領域においてのみ境界面で終端する端部を有する繊維を提供するだけで十分であり、部材の対応する領域は、少なくとも部分的に、互いに接触しなければならない。

本発明の別の態様は、装入ラックとして、好ましくは高温（少なくとも５００℃）の応用における装入ラックとして、より好ましくは大気酸素の存在下で、本発明によるセラミック部材を使用することに関する。本発明は、または本発明による部材は、この有利な使用に関して先に広く説明されており、反復を避けるためにそこに言及される。
本発明は、特定の実施例を利用して以下で説明される。

［実施例］
それぞれの方向が０°／９０°で交互になるように２０層のＵＤプリプレグを上下に配置した。この場合、ＵＤプリプレグは、硬化されていないフェノール樹脂で含浸された平行な炭素繊維から構成される。本発明によると、プリプレグは、炭素繊維の繊維方向を横切る方向に補助的な糸または他の部材を全く含まない。このプリプレグの１つの層は、略０．２５ｍｍの高さまたは厚さ、および略１．２０ｍの幅を有する。フラットプレスモールドにおいて１ｂａｒの下で１４０℃で８時間、積層体を硬化する。溶出した樹脂を得られたＣＦＲＰプレートの表面から除去し、前記プレートを切断して１０ｃｍ×１０ｃｍの寸法を有するより小さな試験片を形成する。

ＣＦＲＰプレートを保護ガス（窒素）の下で９００℃で炭化する。炭化されたプレートの試験片に以下の再圧縮手順を２回実施し（実施例１）、別の試験片に以下の再圧縮手順を３回実施した（実施例２）。
‐ピッチで含浸する
‐再度炭化する（９００℃）

次いで、実施例１および実施例２の試験片を略２０００℃で２４時間黒鉛化した。黒鉛化されたＣＦＲＣ試験片をケイ素化チャンバ内に配置し、略１７００℃でケイ素化した。この場合、試験片は、ケイ素化プロセスに十分な量のケイ素粉末を含む黒鉛るつぼ内に配置される、黒鉛製のラックに挿入される。この場合、一部の炭素繊維の端部が縁部で終端するため、黒鉛ラックは、部材がケイ素浴表面に対して本発明の通りに配列される、すなわちケイ素化プロセスの間にプレートの一端がＳｉ溶融物と接触することを保証する。

実施例２による試験片に対して酸化試験を実施した。空気中で４００℃で８時間の後に略０．１５％の重量減少が認められ、これは１時間当たり略０．０２％の重量減少に相当する。

両試験片において、極めて高い含有量のフリー炭素が明らかであり、これは高い繊維体積比に由来するものである。これにより、最終的に、高弾性率および低密度がもたらされ、低い酸化感度と組み合わせて既知のセラミック材料に優る。さらに、実施例２のような追加の再圧縮プロセスが高い弾性率をもたらすことが明らかである。これは、おそらく炭素繊維が結果としてさらによく保護されることによってより多くの繊維が維持されるためである。実施例２におけるＣ含有量またはＳｉＣ含有量もまたこのことを示唆する。

Claims (15)

1. 炭化ケイ素およびケイ素元素を含むセラミックマトリクスに埋込まれた少なくとも２層の一方向性炭素繊維不織布からなる少なくとも１つのスタックを備えるセラミック部材であって、
   前記少なくとも１つのスタック内の全ての隣接する層が互いに直接隣接しており、前記少なくとも１つのスタックが前記層の平面に垂直な方向において少なくとも１．５ｍｍの厚さを有し、前記セラミックマトリクスが前記部材全体に実質的に浸透していることを特徴とする、セラミック部材。
2. 前記マトリクスが前記部材全体にわたって均質な組成を有することを特徴とする、請求項１に記載のセラミック部材。
3. 前記少なくとも１つのスタック内の連続する層が、それらの繊維の方向の点において互いに異なることを特徴とする、請求項１に記載のセラミック部材。
4. 前記部材が３．５％以下の開放気孔率を有することを特徴とする、請求項１に記載のセラミック部材。
5. 前記部材が５０〜６５％の範囲の繊維体積比を有することを特徴とする、請求項１に記載のセラミック部材。
6. 前記部材が、互いに一体的に接合された少なくとも２つの部材を備え、前記少なくとも２つの部材の各々もまた請求項１に記載のセラミック部材として形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のセラミック部材。
7. 前記部材が２．０ｇ／ｃｍ^３以下の密度を有することを特徴とする、請求項１に記載のセラミック部材。
8. セラミック部材を製造する方法であって、
   ａ）ポリマーまたはポリマー前駆体で含浸された少なくとも２つの一方向性炭素繊維不織布を上下に直接配置する段階と、
   ｂ）上下に配置された前記炭素繊維不織布を高圧および高温の下で圧密化して、炭素繊維強化ポリマーを得る段階と、
   ｃ）前記炭素繊維強化ポリマーを６００℃から１０００°Ｃの間の温度で炭化して、炭素繊維強化炭素を得る段階と、
   ｄ）前記炭素繊維強化炭素を少なくとも１８００℃の温度で黒鉛化する段階と、
   ｅ）段階ｄ）において黒鉛化された前記炭素繊維強化炭素をケイ素化する段階であって、表面が液体ケイ素と接触している黒鉛化された炭素繊維強化炭素の表面上で、少なくとも１つの前記炭素繊維不織布の少なくともいくつかの炭素繊維の端部が前記表面に向かうように、前記炭素がケイ素化される、ケイ素化する段階と、
   を含む、方法。
9. 段階ｃ）による前記炭素繊維強化炭素に、
   Ｃ１）前記炭素繊維強化炭素に液体炭素供給物を含浸させる段階と、
   Ｃ２）段階ｃ）によって含浸された前記炭素繊維強化炭素を炭化する段階と、
   を含む後処理を少なくとも１回実施することを特徴とする、請求項８に記載の方法。
10. 前記ポリマーまたはポリマー前駆体が、フェノール樹脂と、フラン樹脂と、シアン酸エステルとからなる群から選択された合成樹脂を含むことを特徴とする、請求項８に記載の方法。
11. ポリマーまたはポリマー前駆体で含浸された前記一方向性炭素繊維不織布が、フェノール樹脂プリプレグと、フラン樹脂プリプレグと、シアン酸エステルプリプレグとからなる群から選択されたプリプレグであることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
12. 上下に配置された前記炭素繊維不織布を圧密化する段階が合成樹脂を硬化する段階を含む、請求項８に記載の方法。
13. 前記セラミック部材の所望の形状にしたがって黒鉛化炭素繊維強化炭素を機械加工することによって、成形体を生成することを特徴とする、請求項８に記載の方法。
14. 連結された成形体の互いに接するそれぞれの境界面で、対応する成形体の前記炭素繊維の少なくとも一部の端部が前記境界面に向けられるように、少なくとも２つの成形体が連動連結されることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
15. 請求項１に記載のセラミック部材の装入ラックとしての使用。