JP3121375B2 - マンドレルの成形方法 - Google Patents

マンドレルの成形方法

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JP3121375B2 JP03141821A JP14182191A JP3121375B2 JP 3121375 B2 JP3121375 B2 JP 3121375B2 JP 03141821 A JP03141821 A JP 03141821A JP 14182191 A JP14182191 A JP 14182191A JP 3121375 B2 JP3121375 B2 JP 3121375B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、複合材料中空体の製造
に関するものである。
【０００２】
【従来の技術および課題】立体である複合材料中空体の
とくに好適である製造方法は、限定する訳ではないが以
下の方法を用いることである。外側表面が前記中空体の
内側表面に対応する支持体マンドレルにおいて、少なく
とも実質上硬質の部材が前記外側表面に対して垂直に置
かれ、続いて前記マンドレルの外側表面上に、重ねられ
且つ直交している繊維（ガラス、カーボン、ボロン等）
が適用される。この繊維の配列は、硬化可能なバインダ
ーによって硬化される。前記バインダーは、マトリック
スとなり、マンドレルに適用する前にこの繊維を前記バ
インダーで含浸するか、または好ましくは繊維を配列さ
せた後にこれを前記バインダーで含浸する（例えば気相
においてこのバインダーを蒸着させる）ことのいずれか
により、繊維の配列中に導入することができる。この
後、前記マンドレルは、得られた中空体から取り除かれ
る。本発明は、とくに上記の中空体の製造方法を実施す
るためのマンドレルに関するものであり、さらに複合材
料中空体を製造するためのマンドレルに関するものであ
る。
【０００３】上記の中空体の製造方法は、例えば米国特
許第A-3,577,294号に記載されている。この特許におい
て、前記の硬質部材は、繊維で形成されており、前記繊
維の配列と一体化され、立体の中空体の１部分を形成す
るようになっている。これらの部材を収納するために、
使用されるマンドレルは、発泡体のような材料によっ
て、その表面上が形成されている。この硬質部材は、ま
ずその材料中に容易に貫通して完成する。さらに、でき
る限り正確な形状をもつ中空体を得るために、前記の繊
維の配列がマンドレルによって支持されるとき、硬化可
能なバインダーが硬化する。このようにして硬化してい
る間、繊維の配列の安定性が確実なものとなる。このよ
うに、マンドレルは、繊維の硬化の後にのみ、取り除か
れる。硬化した中空体からマンドレルを取り除くため
に、米国特許第A-3,577,294号は、部分的に熱によって
破壊されるマンドレルを提供している。
【０００４】マンドレルを取り除く前に、繊維の配列を
硬化しなければならないことは、非常に不利である。実
際、このような硬化は高温で行うことができず、もし行
われるとしても、正確な位置におかれた硬質部材および
／または前記のマンドレルの熱によって破壊される部分
を維持する発泡体材料は、前記の繊維の配列の硬化の間
壊されるため、マンドレルは、もはや正確な位置に維持
できなくなる。現在、硬化操作は、硬化可能なバインダ
ーとして使用できるある種の樹脂を重合させるために、
高温（例えば１５０℃よりも高い温度）で行われること
が要求されている。さらに、以下に示すように、このよ
うな方法で得られた中空体に高い機械的特性を付与する
ためには、しばしばさらに高い温度での処理が必要であ
る高密度化操作の使用が要求される。
【０００５】仏国特許第A-2,587,375号において、約１
６５０℃の温度に連続的に耐え、且つ２０００℃近くま
で１時的に耐えることのできるマンドレルが記載されて
いる。このマンドレルは、シリカ繊維で形成されたフェ
ルト、および例えばシリケート類の混合物で形成された
ミネラルバインダーにより、表面上を形成するためのも
のである。このマンドレルは、例えばセメントまたは金
属で作製された内部の支持体上に前記のシリカフェルト
を結合することにより、およびミネラルバインダーの硬
化によって硬質となるように少なくとも８０℃で４８時
間、前記フェルトを硬化させることにより得られる。前
記フェルトを圧力２次成形または成形（おそらく硬化の
前）することにより、あるいは硬化の後フェルトを機械
加工することによるいずれかによって、このマンドレル
の形状が得られる。
【０００６】このようなマンドレルの構造は不均質であ
って（覆っている表面フェルトは他の材料により作られ
た支持体と結合している）、この均質性のないマンドレ
ルは、高温にかけたとき不利な点が生ずることがまず第
１に分かるであろう。さらに、シリカは約１６００℃で
溶融するので、このようなシリカフェルトマンドレル
は、耐熱性を考慮して作業するのが望ましい。しかし、
上記の特許においては、とくに他の情報もなく、シリカ
以外の無機材料、たとえば炭素によって製造されたフェ
ルトからこのマンドレルが成形され得ると述べている。
【０００７】しかし、炭素は約４００℃で燃えてしまう
ので、炭素フェルトから製造されたこのようなマンドレ
ルの耐熱性を考慮した作業は、シリカフェルトマンドレ
ルにおける作業よりも非常に悪いものであると推論せざ
るを得ない。さらに、上記の特許は、硬質の炭素フェル
トを製造する方法をとくに記載していないため、シリカ
フェルトマンドレルに使用されるミネラル剤（mineral
agent）の種類によって硬質化が得られると推論せざる
を得ず、これはマンドレルの均質性のなさをさらに増加
させている。しかし、炭素フェルトはシリカフェルトよ
りも安いために、高温での高密度化操作にかけられた複
合中空体を形成するために、均質な炭素フェルトマンド
レルを使用することは興味のあることである。このよう
に、本発明の目的の１つは、炭素フェルトによって製造
された均質なマンドレルが得られるようにすることであ
る。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の複合材料中空体
の製造方法は、配列した繊維をマンドレル上に適用し、
続いて高温の適用が必要とされる操作によって、前記の
配列された繊維を硬化し且つ高密度化し、その後、前記
の配列された繊維で形成された硬化され且つ高密度化し
た中空体をマンドレルから取り出す方法であり、前記マ
ンドレルは、その外側表面が前記中空体の内側表面に対
応するように、硬質化され且つ機械加工されたグラファ
イトフェルトによって形成されている。
【０００９】また、本発明の上記の製造方法に用いるマ
ンドレルの成形方法は、グラファイトフェルトブロック
が、炭素を生成できる重合可能生成物で含浸し、続いて
前記のグラファイトフェルトブロックを、該重合可能生
成物が熱分解されるように、中性雰囲気において高温に
かけることにより硬質化され、その後、前記の硬質化し
たブロックを所望するマンドレルの形状に機械加工する
ことを特徴としている。
【００１０】このように、グラファイトフェルトブロッ
クを使用することは、このフェルトと異なる性質の内部
支持体を必要としない。さらに、前記重合可能生成物を
熱分解することにより、前記フェルトのグラファイト繊
維をコーティングする炭素マトリックスが形成される。
このように、炭素／炭素材料マンドレルが得られる。こ
れは中性雰囲気において操作するので、グラファイトフ
ェルトブロックは、高温の熱分解（例えば約８５０℃）
でも損傷することなく耐えることができる。本発明を用
いることにより、マンドレルは、炭素／炭素材料（この
構成する材料に関する限りでは均質）によって成形する
ことができる。これは： ・直交し且つ重なった層を適用するとき、硬質部材が表
面上に差し込められ、且つ正確な位置に維持される； ・酸化雰囲気において約４００℃の高温に耐えられる； ・前記の重なった層を適用するとき、これに加えられる
力（主に周辺の曲がりに対応するもの）に対して変形す
ることなく耐えられる十分な機械的強度を有する。 硬質化したフェルトの具体的な密度は、少なくとも０.
２g／cm3であるのが好ましい。このようなマンドレル
は、固体または中空であることができる。これはフィラ
メントの曲がりにより直交し重なった層を適用するため
に回転体の形状をもつことができる。フェルトは通常プ
レートの形状（円形の場合もある）であり、ブロックの
形状ではないことが商業的に知られている。従って、本
発明方法の１つの実施態様において、フェルトプレート
は、ブロックを得るために共に組み立てられ用いられ
る。このプレートを組み立てるときに、十分な機械的強
度を有するように、このプレートを組み立てる前に重合
可能生成物で含浸させ、プレートを組み立てた後に、生
成物を熱分解するのが有利である。このように、これら
を組み立てるとき、プレートは重合された炭素生成生成
物により少なくとも部分的に硬質化される。
【００１１】このプレートの組立体は、さらに炭素を生
成する生成物を用いて結合させるのが好ましい。この結
合生成物は、フェルトを含浸するための生成物と同じ種
類であることができ、例えばフェノール樹脂である。こ
の結合生成物は、炭素粉末を充填するのが有利である。
このように、得られたマンドレルは、炭素のみによって
成形される。
【００１２】この繊維の配列を適用する方法の場合にお
いては、マンドレル上にある繊維層を通して、連続的に
オープンループを形成するつながった細繊維（thread）
を導入するために（欧州特許第A-0,284,497号に記載さ
れているような）、バーブ（barbs）のような固定され
た硬質部材（米国特許第A-3,577,294号の場合であると
き）だけではなく、ニードルのような可動性の硬質部材
も使用しており、これは、これが貫通するマンドレルと
の相互動作により生じるニードルの摩擦係数を改善する
のが有利である。
【００１３】従って、マンドレルの１つの実施態様にお
いて、限定するわけではないが、とくに詳細には、前記
欧州特許に記載されている方法を実施するために、前記
マンドレルは少なくともその表面層をゴム系バインダー
で含浸する。このゴム系バインダーにより含浸されたマ
ンドレルの表面層の厚さは、少なくともマンドレルの中
に前記のニードルが貫通する深さと等しいものであるの
が有利である。
【００１４】この場合において、硬質化したフェルトブ
ロックは、ほとんど機械にかけられるのみで、マンドレ
ルの前駆体が得られ、続いてこの前駆体は、少なくとも
その表面を硬化可能なゴム系バインダーでの含浸にかけ
られ、その後、この前駆体が機械加工され、マンドレル
の最終的な形状となる。このような含浸は、ゴム系バイ
ンダー溶液を含む溜において前駆体を回転することによ
り達成され、過剰なバインダーは、例えばこのバインダ
ーが硬化する前に回転させることにより除去される。こ
のようなバインダーはネオプレンラテックスであること
ができる。ゴム系バインダーは、マンドレル上にマンド
レルを覆うような単一な表面を形成してさらに厚さを増
すのではなく、反対に、マンドレルの表面材料に深く含
浸されていることが分かる。
【００１５】また、本発明は、以下の製造方法を用いる
複合材料中空体の製造方法にも関するものであることが
分かる。この方法は、配列した繊維をマンドレル上に適
用し、続いて高温の適用が必要とされる操作によって、
前記の配列された繊維を硬化し且つ高密度化し、その
後、前記の配列された繊維で形成された硬化され且つ高
密度化した中空体をマンドレルから取り出す方法であ
り、前記マンドレルは、その外側表面が前記中空体の内
側表面に対応するように、硬質化され且つ機械加工され
たグラファイトフェルトを含有してなり、このマンドレ
ルは、熱分解炭素マトリックスにおいて、繊維がはめ込
まれる均質なグラファイトフェルトブロックで形成され
ていることを特徴としている。本発明のマンドレルは、
さらに少なくともその表面層が、ゴム系バインダーで含
浸できることが優れている。本発明の他の目的は、配列
された繊維の高密度化のときに見られる、上記の従来の
技術の欠点を克服することであり、高温、例えば２６０
０℃またはそれ以上での使用が高密度化操作において必
要であったとしても、硬化または高密度化のときに、マ
ンドレルが配列された繊維を正確な位置におけるように
することである。
【００１６】従って、本発明の他の見地によって、最初
にグラファイトフェルトを用いてマンドレルが成形さ
れ、これはその外側表面が中空体の内側表面に対応する
ように、硬質化され且つ機械加工され；続いて、配列さ
れた繊維が、高温を必要とする操作により、硬化され且
つ高密度化され；その後、前記の配列された繊維により
形成された硬化され且つ高密度化された中空体が、マン
ドレルから取り出される、複合材料中空体を製造する方
法は：前記のマンドレルを得るためにグラファイトフェ
ルトブロックが、炭素生成重合可能生成物で含浸するこ
とにより硬質化され、続いてこのグラファイトフェルト
ブロックが、前記の重合可能生成物を熱分解するために
中性雰囲気において高温にかけられ、その後、前記の硬
質化したブロックが、所望するマンドレルの形状となる
ように機械加工され、；および、配列された繊維の高密
度化が、中性雰囲気において行われることを特徴として
いる。高密度化が中性雰囲気において行われるので、マ
ンドレルの寸法安定性の品質を失うことなく高温で高密
度化を行うことができる。
【００１７】本発明方法の有利な実施態様において、配
列された繊維をマンドレル上に適用するときには、高い
破断強度をもつ炭素繊維で配列された繊維を形成し、繊
維の配列が形成された後、中性雰囲気において、少なく
とも２６００℃で、少なくとも１回黒鉛化処理を、マン
ドレルにより支持された繊維に適用するのがよい。この
ように、繊維は柔軟であって且つ該繊維のみが硬質化さ
れる（黒鉛化操作により）ので、マンドレル上の繊維の
配列の形成は容易となる。このような黒鉛化の後、配列
された繊維は、気相における化学的炭素蒸着により高密
度化される。このように、この炭素蒸着は、配列された
繊維のマトリックスを形成する。最適な高密度化を得る
ために、中性雰囲気において少なくとも２４００℃に加
温する気相における化学的炭素蒸着の第１操作後、気相
における化学的炭素蒸着の第２操作を提供するのが有利
である。実際、２番目の化学的気相蒸着操作により蒸着
された炭素が、配列された繊維の密度を増加させている
間、配列された繊維の内側に深く貫通できるように、こ
の加温操作は、配列された繊維に気孔が開くようになっ
ている。もし必要ならば、所望する密度が得られるよう
に、少なくとも２４００℃に加温するいくつかの付加的
な操作を、いくつかの気相化学的炭素蒸着操作と入れ換
えてもよい。
【００１８】
【実施例】以下の実施例１および２に、どのようにして
本発明のマンドレルが製造できるかさらによく示してあ
る。 実施例１ 回転体の形状をもつ本発明のマンドレルを成形するため
に、ドイツのシグリ・エレクトログラファイト社（SIGR
I ELEKTROGRAPHIT GmbH）で製造され、市販されている
商品名シグラテルム（SIGRATHERM）のグラファイトフェ
ルトディスクを使用した。これらのディスクは、商業標
準（commercial reference）PR-201-16を有し、０.１６
g／cm3の比重を有する。これらの厚さは、４０mmであ
り、且つその炭素含量は、少なくとも９９％である。マ
ンドレルの成形手順を以下に示す： （ａ）これらのグラファイトフェルトディスクを、例え
ば仏国のローヌ・プーラン（RHONE POULENC）で製造さ
れた商業標準RA 101で知られる重合可能なフェノール樹
脂で含浸し、続いてこの樹脂を重合する。このように、
硬質化したグラファイトフェルトディスクが、例えば旋
削によって機械加工で得られる； （ｂ）（ａ）で得られた個々のフェルトディスクの硬質
化の後、これらのディスクをシリンダーとなるように積
層し結合させる。好ましくは結合が温度によく耐えるよ
うに、炭素粉末を充填した樹脂を使用するのがよい。こ
の樹脂は、操作（ａ）に使用されたものと同じものであ
ることができる。炭素粉末の割合は、３重量％であるこ
とができる。 （ｃ）操作（ｂ）に従って得られたグラファイトフェル
トシリンダーを、中性雰囲気において８５０℃で熱分解
にかける。このような熱分解によって、フェノール樹脂
が炭素に移され、グラファイトフェルトを硬質化する。
熱分解の後、グラファイトフェルトシリンダーの比重
は、０.２２g／cm3である。これは、酸化雰囲気におい
て、４００℃の温度に耐える。その機械的特性を以下に
示す： ディスクに平行な弾性限度歪＝０.３ＭＰａ； ディスクに垂直な弾性限度歪＝０.１ＭＰａ； ディスクに平行な弾性率＝１６０ＭＰａ； ディスクに垂直な弾性率＝７ＭＰａ； （ｄ）操作（ｃ）に従って得られた硬質化したグラファ
イトフェルトシリンダーを所望するマンドレルの最終的
な形状に機械加工する。
【００１９】実施例２ 実施例１の（ａ）、（ｂ）および（ｃ）を繰り返し、そ
の最終形状にマンドレルを機械加工する代わりの機械加
工操作（ｄ）として、マンドレルのだいたいの前駆体を
成形した。続いて、以下の操作を行った： （ｅ）硬質化したグラファイトフェルトマンドレル前駆
体の少なくともその表面をゴム系バインダーで含浸し
た。このゴム系バインダーは、例えば米国イー・アイ・
デュポン・ド・ヌームール（E.I. DUPON DE NEMOURS）
社で製造されている商業標準115として知られるよう
な、ネオプレンラテックスである。含浸は、水で希釈さ
れたネオプレンラテックス（７５％ネオプレン−２５％
水）を含むシールされた溜においてマンドレル前駆体を
回転させることにより達成することができる。過剰なネ
オプレンラテックスは、降下回転により除去される； （ｆ）ネオプレンラテックスで含浸されたマンドレル前
駆体を乾燥する； （ｇ）操作（ｆ）の乾燥の後、ネオプレンラテックスを
加硫し；および、 （ｈ）少なくともその表面を加硫したネオプレンラテッ
クスで含浸したマンドレル前駆体を、所望するマンドレ
ルの最終形状に機械加工する。 このように、本発明によって、硬化の間、繊維に対して
正確な位置に重ねられ且つ直交した層を保持することの
できるマンドレルが得られる。本発明のマンドレルがゴ
ム系で含浸された表面を含有する場合において、このよ
うな含浸は、中空体を硬化する間に壊されるであろう。
しかし、このような破壊は、層の完全な硬化によって、
立体の中空体材料が完成する前の、マンドレルが正確な
位置に中空体を保持することに対して何ら影響はないと
分かるであろう。
【００２０】以下の実施例３は、本発明による中空体の
製造を示すものである。 実施例３ 実施例２に記載した方法を用いて得られたマンドレル上
に、高い破断強度をもつ配列された炭素繊維（すなわち
非常に柔軟性がある）を、上記の欧州特許第A-0,284,49
7号に記載されている方法を用いて積層した。このマン
ドレル上の配列された炭素繊維を層となすことは、この
繊維の高い柔軟性により容易なものであった。炭素繊維
の配列を形成した後、これを （ｉ）高い破断強度の炭素繊維を高い弾性率、すなわち
高い剛性をもつ繊維とするために、中性雰囲気において
黒鉛化処理にかける（マンドレルによって）。この黒鉛
化処理は、例えば以下の操作を包含することができる： （ｉ１）温度を２６００℃まで２５時間かけて上昇させ
る； （ｉ２）温度を２６００℃で１時間保持する； （ｉ３）時間に制限を設けず、温度を２６００℃から雰
囲気温度まで低下させる。 （ｊ）続いて、グラファイト繊維の配列の密度を増加さ
せるために気相における化学的炭素蒸着にかける。例え
ば、この気相蒸着操作は、１０００℃で５０時間行われ
る； （ｋ）続いて、炭素繊維の黒鉛化が完全となり且つ高密
度化のときに配列された繊維に気孔が開くように、中性
雰囲気において２６００℃に新たに温度を上昇させる； （ｌ）最後に、気相において、１０００℃で約５０時
間、化学的炭素蒸着を新たに行う。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−38364（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−98893（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−116672（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−264964（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−9868（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C04B 35/52

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 配列した繊維をマンドレル上に適用し、
    続いて高温の適用が必要とされる操作によって、該配列
    された繊維を硬化し且つ高密度化し、その後、該配列さ
    れた繊維で形成された中空体をマンドレルから取り出
    し、硬化し且つ高密度化し、該マンドレルは、その外側
    表面が該中空体の内側表面に対応するように、硬質化さ
    れ且つ機械加工されたグラファイトフェルトによって形
    成されている製造方法を用いる複合材料中空体を製造す
    るために用いるマンドレルの成形方法であり、 グラファイトフェルトブロックを、炭素を生成できる重
    合可能生成物で含浸し、続いて該グラファイトフェルト
    ブロックが該重合可能生成物が熱分解されるように、中
    性雰囲気において高温にかけることにより硬質化され、
    少なくともマンドレルの表面層が、ゴム系バインダーで
    含浸され、その後、該硬質化したブロックを所望するマ
    ンドレルの形状に機械加工することを特徴とする、マン
    ドレルの成形方法。
  2. 【請求項２】 硬質化したフェルトの比重が、少なくと
    も０.２g／cm3に等しい、請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 フェルトプレートが、ブロックを得るた
    めにともに組み立てられて使用される、請求項１に記載
    の方法。
  4. 【請求項４】 プレートが、組み立てられる前に重合可
    能生成物で含浸され、該プレートが組み立てられた後に
    該生成物の熱分解が行われる、請求項３に記載の方法。
  5. 【請求項５】 プレートの組立体が、炭素を生成する生
    成物を用いて結合されることより得られる、請求項３に
    記載の方法。
  6. 【請求項６】 結合生成物が、フェルトを含浸するため
    の生成物と同じ種類である、請求項５に記載の方法。
  7. 【請求項７】 結合生成物が、炭素粉末で充填されてい
    る、請求項６に記載の方法。
  8. 【請求項８】 ゴム系バインダーが、ネオプレンラテッ
    クスである、請求項１に記載の方法。
  9. 【請求項９】 つながっている細繊維が、連続的にオー
    プンループを形成するために、マンドレル上にある繊維
    層を通って、可動性の硬質部材によって導入され、その
    際、ゴム系バインダーで含浸したマンドレルの表面層の
    厚さは、少なくとも硬質部材の貫通する深さに等しい、
    繊維を配列する方法を実施するために用いられるマンド
    レルを成形するための、請求項１に記載の方法。
  10. 【請求項１０】 ブロックをゴム系バインダーで含浸し
    た後に、フェルトブロックが、マンドレルの最終的な形
    状に機械加工される、請求項１に記載の方法。
  11. 【請求項１１】 配列した繊維をマンドレル上に適用
    し、続いて高温が必要とされる操作によって、該配列さ
    れた繊維を硬化し且つ高密度化し、その後、該配列され
    た繊維で形成された中空体を該マンドレルから取り出
    し、硬化し且つ高密度化し、該マンドレルは、その外側
    表面が該中空体の内側表面に対応するように、硬質化さ
    れ且つ機械加工されたグラファイトフェルトを含有して
    なり、ここで 該マンドレルは、繊維が熱分解炭素マトリックス
    中に埋め込まれたグラファイトフェルトの均質なブロッ
    クで形成されているとともに、少なくともその表面層
    が、ゴム系バインダーで含浸されている、複合材料中空
    体を製造するためのマンドレル。
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