JP2023004113A - セラミックス基複合材の成形方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】成形不良の発生を抑制しつつ、好適にセラミックス基複合材を成形する。【解決手段】セラミックス粉末を含むスラリーを強化繊維に含浸させたシートを積層し、硬化させた後に焼結することで、セラミックス基複合材を成形するセラミックス基複合材の成形方法において、前記シートを積層方向に積層して積層体を形成するステップと、前記積層体を真空バッグで被覆し、前記真空バックの内部を真空引きして、硬化体を成形するステップと、を実行し、前記硬化体を成形するステップでは、前記積層体に対して、余剰となる前記スラリーを吸収するためのスラリー除去材を配置すると共に、前記積層体の少なくとも一方側に設けられ、前記積層体の内部に発生する気泡を排出するための脱気回路部材を配置する。【選択図】図3
Description
本開示は、セラミックス基複合材の成形方法に関するものである。
従来、セラミックス基複合材の成形方法として、セラミックス粉末を含むスラリーを強化繊維に含浸させたスラリー含浸シートを、金型を用いて圧力を加えてプレス加工するセラミックス基複合材料部材の製造方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1の製造方法では、薄板のセラミックス基複合材を成形する場合、品質が確保可能となる一方で、厚板のセラミックス基複合材を成形する場合、品質の確保が困難である。具体的に、厚板のセラミックス基複合材を成形する場合、金型の変形を抑制するために金型が長大となったり、また、複合材の板厚が厚いことによって、内部の脱気が不十分となり、ボイドが形成されることで、成形不良が発生し易いものとなったりする。特に、スラリーは水分を含むことから、スラリーを強化繊維に含浸させたシートは、真空引きすると、水分が気泡となるため、樹脂を強化繊維に含浸させた樹脂含浸シートよりも気泡が発生し易い。
そこで、本開示は、成形不良の発生を抑制しつつ、好適にセラミックス基複合材を成形することができるセラミックス基複合材の成形方法を提供することを課題とする。
本開示のセラミックス基複合材の成形方法は、セラミックス粉末を含むスラリーを強化繊維に含浸させたシートを積層し、硬化させた後に焼結することで、セラミックス基複合材を成形するセラミックス基複合材の成形方法において、前記シートを積層方向に積層して積層体を形成するステップと、前記積層体を真空バッグで被覆し、前記真空バックの内部を真空引きして、硬化体を成形するステップと、を実行し、前記硬化体を成形するステップでは、前記積層体に対して、余剰となる前記スラリーを吸収するためのスラリー除去材を配置すると共に、前記積層体の少なくとも一方側に設けられ、前記積層体の内部に発生する気泡を排出するための脱気回路部材を配置する。
本開示によれば、成形不良の発生を抑制しつつ、好適にセラミックス基複合材を成形することができる。
以下に、本開示に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能であり、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせることも可能である。
[実施形態1]
図1は、実施形態1に係るセラミックス基複合材の成形方法を示す説明図である。図2は、実施形態1に係るセラミックス基複合材の成形方法の他の一例を示す説明図である。図3は、積層構造を示す断面図である。
図1は、実施形態1に係るセラミックス基複合材の成形方法を示す説明図である。図2は、実施形態1に係るセラミックス基複合材の成形方法の他の一例を示す説明図である。図3は、積層構造を示す断面図である。
実施形態1に係るセラミックス基複合材の成形方法は、セラミックス粉末を含むスラリーを強化繊維に含浸させたシートを積層して乾燥及び硬化させた後、焼成することにより、セラミックス基複合材を成形する方法となっている。セラミックス基複合材としては、例えば、酸化物系CMC(Ceramic Matrix Composites)である。なお、セラミックス基複合材は、酸化物系CMCに、特に限定されず、本実施形態の成形方法により成形可能なセラミックス基複合材であれば、何れであってもよい。
(セラミックス基複合材の成形方法)
セラミックス基複合材の成形方法では、図1に示すように、先ず、溶質となるセラミックス粉末2を溶媒に分散させたスラリー4を調製するステップS1を実行する。実施形態1の成形方法では、セラミックス粉末2として、酸化物系セラミックス粉末が用いられ、具体的に、アルミナ粉末が用いられる。また、実施形態1の成形方法では、溶媒として水が用いられる。ステップS1では、セラミックス粉末2と水とが撹拌装置3に投入され混合されることで、スラリーが調合される。なお、酸化物系CMCを成形可能な溶質及び溶媒を含むスラリーであれば、材料は特に限定されない。
セラミックス基複合材の成形方法では、図1に示すように、先ず、溶質となるセラミックス粉末2を溶媒に分散させたスラリー4を調製するステップS1を実行する。実施形態1の成形方法では、セラミックス粉末2として、酸化物系セラミックス粉末が用いられ、具体的に、アルミナ粉末が用いられる。また、実施形態1の成形方法では、溶媒として水が用いられる。ステップS1では、セラミックス粉末2と水とが撹拌装置3に投入され混合されることで、スラリーが調合される。なお、酸化物系CMCを成形可能な溶質及び溶媒を含むスラリーであれば、材料は特に限定されない。
続いて、セラミックス基複合材の成形方法では、ステップS1において調合されたスラリーが溜められた含浸槽5に、強化繊維シート1を浸漬させるステップS2を実行する。ステップS2では、強化繊維シート1に含浸槽5のスラリー4を含浸させることで、スラリー含浸シートとなるプリプレグ6(シート)を形成する(ステップS3)。
次に、セラミックス基複合材の成形方法では、プリプレグ6を積層方向に積層して積層体10を形成するステップS4を実行する。ステップS4では、プリプレグ6を単純に積層したり、板または真空圧等により積層したプリプレグ6を押さえつけたりすることで、積層体10を形成する。
そして、セラミックス基複合材の成形方法では、積層体10を真空バッグで被覆し、真空バックの内部を真空引きして、硬化体を成形するステップS5を実行する。ステップS5では、図1に示すように、ヒータにより積層体10を加熱しない場合と、図2に示すように、ヒータにより積層体10を加熱する場合とがある。また、図1に示す構成では、オーブン等を用いて、積層体10を外部から加熱する場合もある。ここで、図3を参照し、ヒータにより積層体10を加熱する場合のステップS5における積層構造について説明する。
図3に示すように、ステップS5では、先ず、積層体10が設置される台となる成形型11を用意する。成形型11は、例えば、アルミニウムまたは鉄等の金属材料が用いられる。なお、成形型11は、複合材料が用いられてもよい。成形型11の上面には、断熱材としてのブリーザ12が配置される。ブリーザ12は、成形型11へ熱が伝達することを抑制している。ブリーザ12の上面には、ヒータマット13が配置される。ヒータマット13は、積層体10を加熱する加熱源となっている。ヒータマット13の上面には、積層体10(硬化後の硬化体)を成形したい形状に賦形する賦形部材16が設けられている。賦形部材16は、例えば、炭素繊維複合材料を用いて形成されており、硬化体が所定の形状となるように賦形するための部材である。
賦形部材16の上面には、ピールプライ17aを介して積層体10が設置される。積層体10の下側となるピールプライ17aは、硬化後の積層体10を賦形部材16から引き剥がすための層となっている。なお、ピールプライ17aは、積層体10に含まれる余剰となるスラリー4を吸収する機能、及び真空引き時における脱気回路としての機能も有する。また、積層体10の周囲となるヒータマット13の上面には、プリプレグ6の積層体10からの流出を抑制するダム部材18が配置されている。
積層体10の上面には、ピールプライ17bを介してスラリー除去材20が設けられる。積層体10の上側となるピールプライ17bは、硬化後の積層体10をスラリー除去材20から引き剥がすための層となっている。なお、ピールプライ17bは、真空引き時における脱気回路としての機能も有する。スラリー除去材20は、例えば、複数枚のガラスクロスを重ね合わせたものとなっており、積層体10に含まれる余剰となるスラリー4を吸収している。また、スラリー除去材20は、真空引き時において、積層体10の脱気を行うための流路となる脱気回路部材としても機能している。脱気回路部材としてのスラリー除去材20は、積層体10の内部に発生する気泡を排出している。
スラリー除去材20の上面には、積層体10を押圧するプレッシャプレート21(押圧板)が設けられている。プレッシャプレート21は、例えば、炭素繊維複合材料または金属材料等を用いて形成されており、平板形状となっている。なお、プレッシャプレート21の形状を平板形状としたが、特に形状は限定されず、積層体10の成形に適切な形状であればよい。また、プレッシャプレート21は、(貫通孔の無い)単なる平板形状としたが、板厚方向に貫通孔が貫通形成されていてもよい。この場合、プレッシャプレート21は、真空引き時において、プレッシャプレート21の貫通孔を介して、積層体10の内部に発生する気泡を排出可能となる。
プレッシャプレート21の上面には、ブリーザ22が配置される。ブリーザ22は、真空引き時において、積層体10を被覆する真空バッグ23の内部の雰囲気を排出するための部材として機能する。また、ブリーザ22は、積層体10の内部に発生する気泡を排出する脱気回路部材としても機能する。プレッシャプレート21に貫通孔が形成される場合には、積層体10の上面からも脱気することができ、脱気の促進を図ることができる。
ブリーザ22の上面には、真空バッグ23が被覆される。また、真空バッグ23と成形型11との間には、封止部材25が設けられる。このため、真空バッグ24の内部は、気密に封止される。真空バッグ23には、図示しない吸引ポートが設けられている。
上記のような積層構造において、吸引ポートを介して真空引きを行うと、大気圧によりプレッシャプレート21を介して積層体10が押圧され、また、ヒータマット13により積層体10が加熱される。これにより、ステップS5では、積層体10への押圧と加熱とが行われることで、積層体10の乾燥と硬化とが行われ、積層体10が硬化体となる。
また、ステップS5では、積層体10の加熱時において、積層体10の積層方向の一方側からヒータマット13による加熱が実行されると共に、積層方向の他方側からスラリー除去材20を介した脱気が実行される。つまり、ステップS5では、加熱源に近い積層体10の部位から加熱及び硬化を行い、加熱源に遠い積層体10の部位から脱気を行う。
そして、セラミックス基複合材の成形方法では、ステップS5において形成された硬化体を、電気炉等の焼成炉において焼成するステップS6を実行する。ステップS6を実行することにより、硬化体が焼成されることで、成形されたセラミックス基複合材となる。
なお、実施形態1のステップS4では、プリプレグ6を積層したが、プリプレグ6の積層後に、プリプレグ6の表面にスラリー4を塗布してもよい。これにより、プリプレグ6の表面にスラリー4が不足してボイドが形成される場合であっても、スラリー4を塗布することで、スラリー4により隙間を埋めることができるため、スラリー4の欠損を抑制することができる。
また、実施形態1のステップS4では、プリプレグ6の積層後に、プリプレグ6を真空バッグで被覆して、真空バックの内部を真空引きしてもよい。これにより、積層時においてプリプレグ6が空気を巻き込む場合であっても、真空引きを行うことで、空気を除去することができるため、ボイドの形成を抑制することができる。なお、ステップS4において、真空引きを行うことで、空気を除去すると共に、余剰となるスラリー4を除去してもよい。この場合、余剰となるスラリー4は事前に除去されることから、積層体10とピールプライ17bとの間に、穴あき離型フィルムなどのガスを透過するフィルムを配置してもよい。このとき、スラリー除去材20は、脱気回路部材として機能する。なお、積層体10とスラリー除去材20との間に設けられるガスを透過するフィルムは、実施形態1のステップS5において配置してもよい。
また、実施形態1のステップS6において、硬化体へ加圧を行ってもよい。この場合、ステップS6では、焼成時における硬化体への加圧が大きくなるように、ステップS5の成形時における積層体10への加圧に比して、焼成時における硬化体への加圧を大きくしてもよい。これにより、焼成時において硬化体への加圧を大きくすることができるため、硬化体に残留ひずみが入っている場合であっても、割れを抑制することができる。なお、ステップS6における加圧は、後述する実施形態2においてより効果が発揮される。
また、実施形態1では、積層体10の上方側に脱気回路部材となるスラリー除去材20を配置したが、積層体10の下方側に脱気回路部材をさらに設けてもよい。
また、実施形態1では、積層体10の上方側に脱気回路部材となるスラリー除去材20を配置し、積層体10の下方側にヒータマット13を配置したが、スラリー除去材20とヒータマット13との配置は、逆の配置となっていてもよい。
[実施形態2]
次に、図4を参照して、実施形態2について説明する。なお、実施形態2では、重複した記載を避けるべく、実施形態1と異なる部分について説明し、実施形態1と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。図4は、実施形態2に係るセラミックス基複合材の成形方法における積層構造を示す断面図である。
次に、図4を参照して、実施形態2について説明する。なお、実施形態2では、重複した記載を避けるべく、実施形態1と異なる部分について説明し、実施形態1と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。図4は、実施形態2に係るセラミックス基複合材の成形方法における積層構造を示す断面図である。
実施形態2では、ステップS5において、プレッシャプレート21が、積層体10を押圧する押圧面積に比して、加圧により押圧される被押圧面積が大きくなっている。被押圧面積は、プレッシャプレート21の上面であり、大気圧P1が付与される面の面積である。押圧面積は、プレッシャプレート21の下面であり、プレッシャプレート21が積層体10に圧力P2を付与する面の面積である。具体的に、プレッシャプレート21は、積層体10を押圧する本体部の上方側にフランジ部が形成された形状となっている。押圧面積は、被押圧面積に比して小さいことから、押圧面積において付与する圧力P2は、被押圧面積に付与される圧力P1に比して大きなものとなる。
以上のように、実施形態に記載のセラミックス基複合材の成形方法は、例えば、以下のように把握される。
第1の態様に係るセラミックス基複合材の成形方法は、セラミックス粉末2を含むスラリー4を強化繊維(強化繊維シート1)に含浸させたシート(プリプレグ6)を積層し、硬化させた後に焼結することで、セラミックス基複合材を成形するセラミックス基複合材の成形方法において、前記シートを積層方向に積層して積層体10を形成するステップS4と、前記積層体10を真空バッグ23で被覆し、前記真空バッグ23の内部を真空引きして、硬化体を成形するステップS5と、を実行し、前記硬化体を成形するステップS5では、前記積層体10に対して、余剰となる前記スラリー4を吸収するためのスラリー除去材20を配置すると共に、前記積層体10の少なくとも一方側に設けられ、前記積層体10の内部に発生する気泡を排出するための脱気回路部材(スラリー除去材20)を配置する。
この構成によれば、硬化体を成形するステップS5において、真空バッグ23を用いて、積層体10の余剰のスラリー4を除去しつつ、積層体10の脱気を行うことができる。このため、積層体10の内部に発生するスラリー4を起因とする気泡を、好適に除去することができるため、セラミックス基複合材の成形不良の発生を抑制することができる。また、金型を用いたプレス加工を行うことがないため、成形に要する設備の長大化を抑制することができる。
第2の態様として、前記スラリー4は、溶質としての前記セラミックス粉末2と、溶媒としての水と、を含む。
この構成によれば、スラリー4が水分を含んだものであり、成形時において気泡を形成し易いものであっても、脱気回路部材が設けられているため、気泡を好適に除去することができる。なお、スラリー4は、バインダ樹脂を含んでいてもよい。
第3の態様として、前記硬化体を形成するステップSでは、前記積層方向において、前記積層体10を挟んで前記脱気回路部材の反対側にヒータ(ヒータマット13)を配置しており、前記積層方向の一方側から前記ヒータによる加熱が実行されると共に、前記積層方向の他方側から前記脱気回路部材を介した脱気が実行される。
この構成によれば、加熱源に近い積層体10の部位から加熱及び硬化を行い、加熱源に遠い積層体10の部位から脱気を行うことができる。このため、積層体10の内部で発生した気泡を好適に除去することができるため、ボイドの形成を抑制することができる。
第4の態様として、前記硬化体を形成するステップS5では、前記積層体10に対して押圧する押圧板(プレッシャプレート21)を配置している。
この構成によれば、積層体10に対して押圧板により均一となるように押圧することができる。
第5の態様として、前記押圧板は、板厚方向に貫通して形成された貫通孔を有する。
この構成によれば、プレッシャプレート21を介した積層体10の脱気を行うことができるため、ボイドの形成をさらに抑制することができる。
第6の態様として、前記積層体10を形成するステップS4では、前記シートの積層後に、前記シートの表面に前記スラリー4を塗布する。
この構成によれば、複合材に隙間が形成される場合であっても、スラリー4を塗布することで、スラリー4により隙間を埋めることができるため、スラリー4の欠損を抑制することができる。
第7の態様として、前記積層体を形成するステップS4では、前記シートの積層後に、前記積層体を真空バッグで被覆して、前記真空バッグの内部を真空引きする。
この構成によれば、積層時において複合材が空気を巻き込む場合であっても、真空引きを行うことで、空気を除去することができるため、ボイドの形成を抑制することができる。また、真空引きを行うことで、空気を除去すると共に、余剰となるスラリー4を除去することも可能となる。
第8の態様として、前記硬化体を形成するステップS5では、前記積層体と前記脱気回路部材との間に、ガスを透過する離型フィルムを配置する。
この構成によれば、離型フィルムを介した積層体10の脱気を行うことができるため、ボイドの形成をさらに抑制することができる。
第9の態様として、前記硬化体を形成するステップS5では、前記積層体10に対して押圧する押圧板(プレッシャプレート21)を配置しており、前記押圧板は、前記積層体を押圧する押圧面積に比して、加圧により押圧される被押圧面積が大きくなっている。
この構成によれば、押圧面積において付与する圧力P2を、被押圧面積に付与される圧力P1に比して大きくすることができる。このため、積層体10の加圧を好適に行うことができる。
1 強化繊維シート
2 セラミックス粉末
3 撹拌装置
4 スラリー
5 含浸槽
6 プリプレグ
10 積層体
11 成形型
12 ブリーザ
13 ヒータマット
16 賦形部材
17a,17b ピールプライ
18 ダム部材
20 スラリー除去材
21 プレッシャプレート
22 ブリーザ
23 真空バッグ
25 封止部材
2 セラミックス粉末
3 撹拌装置
4 スラリー
5 含浸槽
6 プリプレグ
10 積層体
11 成形型
12 ブリーザ
13 ヒータマット
16 賦形部材
17a,17b ピールプライ
18 ダム部材
20 スラリー除去材
21 プレッシャプレート
22 ブリーザ
23 真空バッグ
25 封止部材
Claims (9)
- セラミックス粉末を含むスラリーを強化繊維に含浸させたシートを積層し、硬化させた後に焼結することで、セラミックス基複合材を成形するセラミックス基複合材の成形方法において、
前記シートを積層方向に積層して積層体を形成するステップと、
前記積層体を真空バッグで被覆し、前記真空バッグの内部を真空引きして、硬化体を成形するステップと、を実行し、
前記硬化体を成形するステップでは、
前記積層体に対して、余剰となる前記スラリーを吸収するためのスラリー除去材を配置すると共に、前記積層体の少なくとも一方側に設けられ、前記積層体の内部に発生する気泡を排出するための脱気回路部材を配置するセラミックス基複合材の成形方法。 - 前記スラリーは、溶質としての前記セラミックス粉末と、溶媒としての水と、を含む請求項1に記載のセラミックス基複合材の成形方法。
- 前記硬化体を形成するステップでは、
前記積層方向において、前記積層体を挟んで前記脱気回路部材の反対側にヒータを配置しており、
前記積層方向の一方側から前記ヒータによる加熱が実行されると共に、前記積層方向の他方側から前記脱気回路部材を介した脱気が実行される請求項1または2に記載のセラミックス基複合材の成形方法。 - 前記硬化体を形成するステップでは、
前記積層体に対して押圧する押圧板を配置している請求項1から3のいずれか1項に記載のセラミックス基複合材の成形方法。 - 前記押圧板は、板厚方向に貫通して形成された貫通孔を有する請求項4に記載のセラミックス基複合材の成形方法。
- 前記積層体を形成するステップでは、
前記シートの積層後に、前記シートの表面に前記スラリーを塗布する請求項1から5のいずれか1項に記載のセラミックス基複合材の成形方法。 - 前記積層体を形成するステップでは、
前記シートの積層後に、前記積層体を真空バッグで被覆して、前記真空バッグの内部を真空引きする請求項1から6のいずれか1項に記載のセラミックス基複合材の成形方法。 - 前記硬化体を形成するステップでは、
前記積層体と前記脱気回路部材との間に、ガスを透過する離型フィルムを配置する請求項1から7のいずれか1項に記載のセラミックス基複合材の成形方法。 - 前記硬化体を形成するステップでは、
前記積層体に対して押圧する押圧板を配置しており、
前記押圧板は、前記積層体を押圧する押圧面積に比して、加圧により押圧される被押圧面積が大きくなっている請求項1から8のいずれか1項に記載のセラミックス基複合材の成形方法。
Priority Applications (3)
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JP2021105620A JP2023004113A (ja) | 2021-06-25 | 2021-06-25 | セラミックス基複合材の成形方法 |
DE102022206232.9A DE102022206232A1 (de) | 2021-06-25 | 2022-06-22 | Bearbeitungsverfahren für keramikbasierten Verbundwerkstoff |
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Applications Claiming Priority (1)
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JP2021105620A JP2023004113A (ja) | 2021-06-25 | 2021-06-25 | セラミックス基複合材の成形方法 |
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Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP6978896B2 (ja) | 2017-10-31 | 2021-12-08 | 三菱重工業株式会社 | セラミック基複合材料部材の製造方法、及びセラミック基複合材料部材製造用金型装置 |
-
2021
- 2021-06-25 JP JP2021105620A patent/JP2023004113A/ja active Pending
-
2022
- 2022-06-22 DE DE102022206232.9A patent/DE102022206232A1/de active Pending
- 2022-06-23 US US17/847,619 patent/US20220411338A1/en active Pending
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