JP2894828B2 - 炭素繊維予備成形物およびその製造方法 - Google Patents

炭素繊維予備成形物およびその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、炭素−炭素複合材料の製造のために且つ特
に該材料から作られる炭素ブレーキ円板のような物品の
製造のために使用されるような炭素繊維予備成形物の製
造に関する。
化学蒸着（CVD）法による炭素ブレーキ円板の製造に
おいて、適当なジグ内の炭素繊維布の層の堆積をCVD炉
中へ装填する前に該堆積をジグ中で圧縮することが通例
である。ジグは組立に時間を必要とし且つ炉中で貴重な
空間を取る。本発明の１つの目的はジグを必要としない
自立する炭素繊維予備成形物を作るための改良された方
法を提供することである。
本発明の一観点に従えば、炭素繊維予備成形物を作る
方法は、炭素繊維又は炭素繊維先駆物質材料の圧縮可能
な物体を成形することと、該物体を必要な厚さまで圧縮
する手段を提供することと、該物体を圧縮することと、
該物体を圧縮したまま該圧縮された物体のほぼ全厚さを
貫くように針手段で圧縮された物体に作用することとか
らなり、それにより圧縮された予備成形物が自立し且つ
圧縮された状態で圧縮手段による作用から取り除かれ
る。
もし該方法が物体成形のために炭素繊維先駆物質材料
を利用するならば、圧縮された物体は炭素繊維予備成形
物を生産するために炭化の作用を受けるべきである。
好ましくは、炭素繊維又は炭素繊維先駆物質材料の少
なくとも10層、より好ましくは少なくとも20層の体積か
らなる物体が使用される。各層中の繊維は布の形態に製
繊することができもしくはバット又は不織布の形態であ
ることができる。別に、物体の繊維は非層状の様態で配
置することができ、例えばそれらは無作為に又は選択的
に配向された繊維の三次元配列として配置することがで
きる。
炭素繊維又は炭素繊維先駆物質材料は例えばステープ
ルファイバー及び／又は連続したフィラメントの不織の
酸化されたポリアクリロニトリル（PAN）のものである
ことができ、圧縮可能な物体の厚さは生産される物品の
所望の厚さに従って選択することができる。
本発明の別の観点に従えば、針手段は、圧縮された予
備成形物を自立し且つ圧縮された状態でプレスからほぼ
取り除くことを可能にするように多数の針パンチング動
作のそれぞれにおいて圧縮された物体のほぼ全体の厚さ
を貫く針毛突起付針からなることができる。
航空機の炭素ブレーキ円板の場合、必要とされる厚さ
は少なくとも50mmのオーダーを有することができ、材料
の個々の層の針刺し又は材料の層の部分的に組立てられ
た堆積の針刺しは先に開示されているが（例えば英国特
許第2012671号を参照）、本発明は、繊維又は繊維束の
ような要素が自立する即ち自己支持する構造を提供する
ために充分しっかり層、または三次元の非層状の配列の
繊維を一緒にロックするように予備成形物の全体厚さを
貫き、該構造がその後の取扱、炭化、及びCVD緻密化中
にその寸法及び形状を維持するためにジグを必要としな
い全厚さの予備成形物を作ることにある。なお、本発明
における繊維要素は、予備成形物を構成する繊維又は繊
維束、および後述する縫製動作に用いられる糸状物をさ
す。
針刺し工程はパンチング動作の間、針に対して物体を
横断方向（針の移動方向に対し横方向）へ移動すること
なく行うことができ、このため針は各パンチング動作中
布の同じ領域を貫くことを保証する。その効果は圧縮さ
れた予備成形物の全体厚さをほぼ貫通する太い繊維束を
作ることである。
針刺し工程は２連のパンチング動作からなることがで
き、物体は前記２連のパンチング動作の間で針に対して
移動することができ、それにより予備成形物のほぼ全体
の厚さをそれぞれが貫通する太い繊維束の２つの配列を
作る。物体は針刺しがその両側から起こるように２つの
パンチング動作の間で逆転することができる。横断方向
の相対移動は物体がプレスに対して移動され得るように
物体をプレスによる圧縮から解放することによって行う
ことができる。別に、２連の針穴を有するプレス部材を
使用することができ、それにより物体と針との間の横断
方向移動は、１連の針穴を貫通する針で１連のパンチン
グ動作を行い、次に針をプレス部材に対して移動して第
２連のパンチング動作を行い、その間針が第２連の針穴
を貫通することによって行うことができる。
また、本発明による一つの方法は物体へ入るように配
置された２つの配列の針によって物体を針刺しすること
からなり、一方の配列が物体の一方の面にあり、他方の
配列が物体の他方の面にあることができる。２つの配列
の針は同時に針刺し動作を行うように配置することがで
きる。好ましくは、２つの配列の針はほぼ同じ方向へ移
動する。
針毛突起付針による針刺しの代替例として、物体のほ
ぼ全体厚さを貫く針手段によって圧縮された物体上で行
う前記ステップは、炭素又は炭素先駆物質（即ち炭化可
能な）又は他の材料の要素が物体のほぼ全体厚さを貫く
ようにする動作からなることができる。
物体のほぼ全体厚さを貫く手段によって圧縮された物
体上で行う前記ステップは、要素が典型的には針又は空
気推進装置のような他の装置の助けで圧縮された物体の
全体厚さを交互方向へ連続的に通過するようにされる所
謂縫製（すなわち縫い込み）形式の動作であることがで
きる。縫製パターンは例えば円形、直線又はジグザグ形
態であることができ、ロック又は走行形式（locking/ru
nning type）の縫製からなることができる。
要素は例えば連続したフィラメント糸又は紡績糸であ
ることができ、いずれの場合にも要素は炭素又は炭化可
能な繊維から、又はシリカ又は炭化珪素のような別の形
式の繊維から作ることができる。要素はセラミック形式
の材料のものであることができる。
好ましくは、要素は700℃よりも高い温度、より好ま
しくは1000℃よりも高い温度に露程された時に重大な劣
化に耐える種類のものである。
特に縫製形式の動作で使用するために特に適当な要素
は、微細な炭素スライバを形成するように延伸破断さ
れ、且つ次に糸に紡がれた炭素繊維トウから作られた糸
である。これらの紡績糸は、より良好な可撓性と紡織機
械により加工される能力の故に初めの連続したフィラメ
ントトウより縫製のためにより適している。延伸破断さ
れたトウにもかかわらず、その結果できた糸は良好な引
張強さ（典型的には初めのトウの引張強さの90〜95％の
オーダー）を示す。
典型的には、複数個の要素が採用され、より典型的に
は複数個の要素が物体のほぼ全体厚さを同時に貫くよう
にされる。
又、本発明は、１つ又はそれ以上の要素が自立する即
ち自己支持する構造を提供するために充分しっかり層を
一緒にロックするように又は三次元の非層状の配列の繊
維を一緒にロックするように予備成形物の全体厚さを貫
き、該構造がその後の取扱、炭化、及び例えばCVD又は
樹脂／木炭化技術（resin/char technique）による機密
化の最中にその寸法及び形状を維持するためにジグを必
要としない航空機の炭素ブレーキ円板用の全厚さ予備成
形物を提供する。
もし物体が繊維の分離した層からなるならば、層の少
なくとも幾つかは単一のシートからなることができ、且
つ層の少なくとも幾つかは炭素先駆物質又は炭素繊維材
料の部分の複数個からなることができる。例えば円板又
は環状形状の予備成形物は層から組立てられることがで
き、その少なくとも１つ又は随意的にはその全てが複数
個の部分、例えば扇形形状の部分からなる。
本発明に従う方法を次に添付図面を参照して例として
だけ説明する。図面において、 第１図は本発明の１つの方法に従って使用するための
針刺しプレスの概略的な立面図であり、そして 第２図は本発明に従う別の方法で動作される前の予備
成形物の斜視図である。
プレスは基板10を含み、該基板は先駆物質布のシート
14の堆積12が組立てられる下方位置（破線で示す）と、
堆積12が穴あき剥離板16に対して圧縮される上方位置
（実線で示す）までの間で持上げ機構11によって垂直方
向に移動することができる。多数の垂直方向に整合され
た針毛突起付針19を有する針板18は穴あき剥離板16より
上で垂直方向に移動可能に取付けられ、針19は板16中の
穴（図示せず）を通過する。針板18の垂直方向往復移動
を行うために通常の動力作動手段（図示せず）が設けら
れ、針19を堆積12のほぼ全体厚さを通して刺す。もし基
板10が鋼又は同様な材料のものであるならば、基板の表
面の直ぐ手前で停止するように針の垂直方向移動の限界
を設定することが必要である。代りに、基板表面を降伏
する材料から作ることができ、針が堆積を完全に通過し
且つ降伏表面中へ入ることを可能とする。
特定の例では、酸化されたPANトウをステープルフア
ィバー酸化PAN基板に針刺しすることによって作られた
不織布が炭素ブレーキ円板のための予備成形物の製造の
ために使用された。34の層が431mmの外径及び133mmの内
径を有する環状体の形態で切断され、高さおよそ180〜2
03mmの圧縮可能な多層堆積を形成するように積上げられ
た。堆積は基板と剥離板との間で43mmの厚さまで圧縮さ
れ、およそ7750針／m2の密度で等分に離間された針毛突
起付針で150パンチを与えられた。基板は降下され、堆
積は反転され、再び圧縮され且つ逆側から150パンチを
与えられた。この動作は各側から100パンチでもう４回
繰返され、合計700パンチを与え、構造を完全にロック
した。自立する予備成形物はこのときおよそ43mmの厚さ
を有し、その形態で炭化されることができた。予備成形
物の体積百分率の繊維はおよそ30％であった。
上記工程において、繊維は１つの動作中針の針毛突起
によって多層堆積の上方表面から下方表面まで運ばれ
る。各パンチング動作中針の貫きは布の同じ場所で起こ
り、これは針が貫く領域で多数の繊維が層を横切って変
位されることを保証する。パックの移動はパックが基板
及び剥離板の間に保持されることによって防止される。
両側から針刺しすることによって、繊維は両表面から
予備成形物を通して引き込まれ、構造を一体にロック
し、同じ領域で繰返されたパンチング動作は太い繊維束
が頂部表面から底部表面まで存在するようにさせる。
本発明の第２の実施例に従えば（第２図参照）、炭素
ブレーキ円板20の製造用多層炭素予備成形物は、酸化さ
れたPANトウをステープルファイバー酸化PAN基板に針刺
しすることによって作られた不織布の層21からなる。34
の層21が431mmの外径及び133mmの内径を有する環状体の
形態で切断され、高さおよそ180〜203mmの圧縮可能な多
層堆積を形成するように積上げられた。堆積は縫製機械
の案内板の間で43mmの厚さまで圧縮された。圧縮された
堆積は次に縫製動作の作用を受け、そこで環状堆積はそ
の主軸線22の周りに回転され、複数個の円周方向の延在
する縫目線を生じ、そのそれぞれにおいて縫製された糸
は34層の堆積を完全に通過している。このため、縫製動
作の完了時に、予備成形物は圧縮された状態で自立する
ことができる。
この例で用いられた縫製された糸は800デニールのも
のであり、且つ社名XAS Grafitex Heltra（元Courtula
ds Fibres Ltd）のもとで商業的に入手可能な種類のも
のであり、それは微細な炭素スライバを形成するように
延伸破断され且つ次に糸に紡がれた炭素繊維トウから作
られている。
その結果できた自立する予備成形物はおよそ43mmの厚
さを有し、次にその形態で炭化される。予備成形物の体
積百分率繊維はおよそ30％である。
前記した針刺し又は縫製の方法のいずれかによって作
られた予備成形物は炭化されることができ、その動作中
繊維は収縮し、構造を更に一緒にロックする。このブレ
ーキ予備成形物は構造を所定の繊維体積まで圧縮するた
めにジグを必要とせずに扱われることができ、必要とさ
れる繊維体積は針刺し中プレスによって又は縫製機械の
案内板によって、及びその後の炭化の収縮作用によって
加えられた圧縮によって既に達成されている。ジグの使
用を排除することによって、予備成型物はCVD操作中炭
素の浸透によって自立状態で処理されることができ、炉
空間の一層有効な利用を炭素ブレーキ円板の生産で達成
することができる。
円板を通して軸線方向に延びる太い繊維束の存在のた
め、軸線方向のより良い熱伝動率及びより高い積層間せ
ん断強さが得られる。
本発明は、例えば空間が貴重であるCVD炉中でその後
の処理のためにジグ中に炭素繊維又は炭素繊維先駆物質
材料の物体を保持する従来の必要性を排除する１つの観
点においてのみ重要なものではない。また、それは層の
堆積からなる物体のために、１つ以上の堆積の層が、従
来用いられている単一の部片ではなく、むしろシート材
料の複数個の部分から容易に組立てることができること
でも重要性を有し、ブレーキ円板のための環状の形状を
構成する際に、層は複数個のセグメントから作ることが
でき、環状の形状に予め切断された部片を用いる時に生
じるよりも原シート材料の無駄がはるかに少ない。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 ＦＩ Ｆ１６Ｄ 69/02 Ｃ０４Ｂ 35/52 Ｅ (72)発明者 ウィリアムズ，ケイス・アラン イギリス国バーミンガム ビー23・６キ ューイー，アーディントン，ディーン・ ロード 35 (72)発明者 フィッシャー，ロナルド イギリス国ワーウィックシャー シーブ イ22・５エルエフ，ラグビー，バウン・ ロード 19 (56)参考文献 特開 平１−118655（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) D04H 1/46 D04H 3/00 - 3/16

Claims (16)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】炭素繊維又は炭素繊維先駆物質材料の圧縮
    可能な物体（12）を成形することと、該物体を必要な厚
    さまで圧縮する手段を提供することと、該物体を圧縮す
    ることとからなる炭素繊維予備成形物を作る方法であっ
    て、圧縮された物体（12）は圧縮されたまま該物体のほ
    ぼ全体厚さを貫くように針手段（19）によって作用さ
    れ、それにより圧縮された予備成形物が自立し且つ圧縮
    された状態で圧縮手段（10、16）による作用から取り除
    かれることを特徴とする炭素繊維予備成形物を作る方
    法。
  2. 【請求項２】圧縮可能な物体（12）は炭素先駆繊維材料
    の別々の層（21）からなることを特徴とする請求項１に
    記載された方法。
  3. 【請求項３】物体（12）は炭素繊維又は先駆繊維材料の
    少なくとも10層、一層好ましくは少なくとも20層（21）
    からなることを特徴とする請求項２に記載された方法。
  4. 【請求項４】物体（12）は前記繊維材料の三次元配列か
    らなることを特徴とする請求項１に記載された方法。
  5. 【請求項５】前記配列は選択的に配向された繊維材料か
    らなることを特徴とする請求項４に記載された方法。
  6. 【請求項６】針手段は、圧縮された予備成形物を自立し
    且つ圧縮された状態でプレス（10、16）からその後取り
    除くことができるように複数の針パンチング動作のそれ
    ぞれにおいて圧縮された物体のほぼ全体厚さを貫くよう
    にされる針毛突起付針（19）からなることを特徴とする
    請求項１から５のいずれか１項に記載された方法。
  7. 【請求項７】２連の針穴を有するプレス部材を使用し、
    それにより針を１連の針穴を貫通して１連のパンチング
    動作を行い、次に針をプレス部材に対して移動して第２
    連のパンチング動作を行い、その最中に針が第２連の針
    穴を貫通することによって物体と針の間の相対的な横断
    方向への移動が達成され得ることを特徴とする請求項６
    に記載された方法。
  8. 【請求項８】針パンチング後物体（12）は逆転され且つ
    逆側から針パンチされることを特徴とする請求項７に記
    載された方法。
  9. 【請求項９】針手段は縫製作用を行い、そこで圧縮され
    た予備成形物をその後自立し且つ圧縮された状態で圧縮
    手段による作用から取り除くことを可能とするように少
    なくとも１つの縫製された要素が圧縮された物体のほぼ
    全体厚さを貫くことからなることを特徴とする請求項１
    から３のいずれか１項に記載された方法。
  10. 【請求項１０】縫製作用を受ける要素は700℃より高い
    温度、一層好ましくは1000℃より高い温度による劣化に
    耐えることを特徴とする請求項９に記載された方法。
  11. 【請求項１１】炭素−炭素複合物質のための予備成形物
    であって、ほぼ互いに整列されかつ該予備成形物の厚み
    方向に平行な繊維要素によって予備圧縮された状態に維
    持された予備圧縮された炭素繊維または炭素繊維先駆物
    質の本体（12）を備え、前記繊維要素は予備成形物のほ
    ぼ全体厚さを通して延び、これにより予備成形物のほぼ
    全体厚さを前記予備圧縮された状態に維持していること
    を特徴とする該予備成形物。
  12. 【請求項１２】前記本体（12）が炭素繊維または炭素繊
    維先駆物質の別々の層からなることを特徴とする請求項
    11に記載された予備成形物。
  13. 【請求項１３】前記繊維要素は針刺しによって形成され
    た繊維要素の束からなることを特徴とする請求項11また
    は12に記載された予備成形物。
  14. 【請求項１４】前記繊維要素は縫製された繊維要素から
    なることを特徴とする請求項11または12に記載された予
    備成形物。
  15. 【請求項１５】前記縫製された繊維要素は700℃より高
    い温度、一層好ましくは1000℃より高い温度による劣化
    に耐えることを特徴とする請求項14に記載された予備成
    形物。
  16. 【請求項１６】請求項11乃至15のいずれか１つにより圧
    縮された予備成形物からなる炭素−炭素ブレーキ円板。
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