JP3163491U - 被覆炭素フォーム製品 - Google Patents

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Abstract

【課題】複合工具における使用又はその他の高温における使用に有用な炭素フォーム製品を提供する。【解決手段】炭素フォーム製品は、炭素フォーム基板と、シート状の中間材料と、工具表面材料が設けられ、中間材料は、炭素フォーム基板と工具表面材料との間に配置されている。炭素フォーム基板は、気孔率が６５〜９５％の間であり、窒素浸透率が３．０ダルシー以下である。【選択図】図１

Description

本出願は、同時係属の、同一出願人による、Gray D. Shivesらを名義人とする、２００７年９月１１日に出願され「炭素フォーム工具」と称された米国仮出願番号60/971,425、及び、２００７年１２月５日に出願された、「被覆炭素フォーム製品」と称された米国仮出願番号60/992,779の優先権を主張し、当該仮出願の内容は全てここに引用することにより組み込まれているものとする。
本考案は、複合材料工具などを含む応用において有用な炭素フォームに関する。特に、本考案は、炭素フォームを含む工具に関し、また、該炭素フォーム及び該炭素フォームからなる工具の製造方法に関する。
炭素フォームは、低密度でありながら非常に高い熱伝導性又は非常に低い熱伝導性を有していることから、近年非常に注目されている。従来においては、炭素フォームは二つの一般的な方法により製造される。メソフェーズピッチを高圧下で熱処理することにより高黒鉛化フォームが製造される。このようなフォームは高い熱的及び電気的伝導率を有する傾向がある。例えば、Klettによる米国特許第6,033,506号には、メソフェーズピッチを１０００ｐｓｉの圧力を加えながら加熱して、セルの大きさが９０〜２００ミクロンの、相互連結細孔を有するオープンセルフォームを製造することが記載されている。Klettによると、２８００度摂氏まで熱処理することにより、前記フォームの固体部分が層間間隔０．３６６ｍｍを有する高結晶性黒鉛構造に変化する。このフォームの圧縮強度は以前のフォームよりも高くなると主張されている（密度０．５３ｇ／ｃｃに対して３．４ＭＰａ又は５００ｐｓｉ）。
Hardcastleら（米国特許第6,776,936号）は、最大８００ｐｓｉの圧力下で金型内のピッチを加熱して、密度０．６７８〜１．５ｇ／ｃｃを有する炭素フォームを製造することを開示している。この炭素フォームは、高黒鉛化されており、高い熱伝導率（２５０Ｗ／ｍ・Ｋ）を有していることが主張されている。
第４３回SAMPE国際会議会報の７５６ページ（１９９８年）には、H.J.Andersonらにより、メソフェーズピッチを酸化熱硬化処理及び９００度摂氏で炭化処理することにより炭素フォームが生成されると記載されている。この炭素フォームは、相互連結細孔を有するオープンセル構造を有し、セルの形状は様々であるとともに該セルの直径は３９〜４８０ミクロン以上におよぶ。
第４５回SAMPE国際会議会報の２９３ページ（２０００年）には、Rogersらにより、石炭ベースの前駆物質を高圧下で熱処理することで密度０．３５〜０．４５ｇ／ｃｃ及び圧縮強度２０００〜３０００ｐｓｉ（従って強度／密度比は約６０００ｐｓｉ／ｇ／ｃｃ）を有する炭素フォーが生成されると記載されている。これらの炭素フォームは相互連結細孔を有するオープンセル構造であり、セルの大きさは最大１０００ミクロンである。これらは前述のメソフェーズピッチから生成される炭素フォームとは異なり、高黒鉛化されていない。近年の刊行物にはこのようなタイプの炭素フォームの性質が記載されている（「高性能複合材料」、２００４年９月、２５ページ）。この炭素フォームは、密度０．２７ｇ／ｃｃに対する圧縮強度８００ｐｓｉ、又は強度／密度比３０００ｐｓｉ／ｇ／ｃｃを有している。
Stillerら（米国特許第5,888,469号）は、水素化石炭抽出物を加圧下で熱処理することにより炭素フォームを生成することを記載している。これらの物質は、密度０．２〜０．４ｇ／ｃｃに対する圧縮強度６００ｐｓｉ（強度／密度比１５００〜３０００ｐｓｉ／ｇ／ｃｃ）を有すると主張されている。これらの炭素フォームは、ガラス質の炭素又はガラスのような性質を有する、黒鉛化されていない炭素フォームよりも高い強度を有することが示唆されている。
また、ポリマー又はポリマー前駆物質の混合物質を直接炭化処理することにより、炭素フォームを生成することができる。Mitchellは、米国特許第3,302,999号の中で、ポリウレタンポリマーフォームを空気中で２００〜２５５度摂氏で熱処理し、その後不活性雰囲気中で９００度摂氏で炭化処理することにより炭素フォームを生成することを記載している。これらの炭素フォームは密度０．０８５〜０．３８７ｇ／ｃｃ及び圧縮強度１３０〜２０４０ｐｓｉ（強度／密度比１５２９〜５２７１ｐｓｉ／ｇ／ｃｃ）を有している。
米国特許第5,945,084号の中で、Droegeは、水酸化ベンゼン及びアルデヒド（フェノール系樹脂前駆物質）から得られる有機ゲルを熱処理することによりオープンセル炭素フォームを製造することを記載している。この炭素フォームは、密度０．３〜０．９ｇ／ｃｃを有するとともに２〜５０ｎｍの大きさのメソ細孔を含む。
Mercuriらは、フェノール系樹脂を熱分解することにより炭素フォームを製造している（第９回炭素会議会報、２０６ページ、１９６９年）。密度０．１〜０．４ｇ／ｃｃを有するような炭素フォームの圧縮強度／密度比は２３８０〜６６１１ｐｓｉ／ｇ／ｃｃである。密度０．２５ｇ／ｃｃを有する炭素フォームにおいて、セルは直径２５〜７５ミクロンを有する楕円形の形状をしている。
Stankiewicz（米国特許第6,103,149号）は、アスペクト比が０．６〜１．２に制御された炭素フォームの製造について記載している。この特許権所有者は、優れた性質を有する、理想的にはアスペクト比１．０であるような完全な等方性を有する炭素フォームがユーザーから必要とされていることを指摘している。ポリウレタンフォームに炭化樹脂を含浸させた後熱硬化処理して炭化処理することで、オープンセル炭素フォームが生成される。元のポリウレタンフォームのセルのアスペクト比は、従って、１．３〜１．４から０．６〜１．２に変化している。
しかしながら、上記した従来方法により製造される炭素フォームの一部は、様々な高温での使用、例えば複合材工具としての使用において有効でない。一般的に利用可能なフォームは、モノリシック（monolithic）でなく、前記のような応用に求められる強度及び強度／密度比の要求を満たしていない。さらに、相互連結細孔が多く含まれる気孔率を有することから、このようなオープンセルフォームは前記の応用には適さない。
米国公開特許出願番号US2006/086043の中では、Douglas J. Miller、Irwin C. Lewis及びRobert A. Mercuriが、従来の方法により生成される炭素フォームの上記欠点を克服する炭素フォームについて開示している。具体的には、Millerらによる炭素フォームは比較的円形の大きな細孔と小さな細孔とが組み合わさった二峰性のセル構造を有しており、それにより望ましい大きさ及び形状に生成可能であるとともに容易に機械加工可能な炭素フォームが提供される。従って、強度が高いという性質と比較的軽量であるという性質が組み合わさった密度、圧縮強度、圧縮強度／密度比を示す、これまでにない炭素フォームが提供される。このような二峰性細孔分布は、二つの平均細孔サイズの組み合わせから構成されており、その主画分は大きなサイズの細孔であって副画分は小さなサイズの細孔である。
しかしながら、複合材工具として機能するために、炭素フォームの多くは、工具が作用する表面に表面層を適用することが要求される。炭素フォームの半多孔性や炭素フォームと表面層との間の熱膨張係数（CTE）の不整合が原因で、工具として使用する際の炭素フォームの有効性が妨げられる。
従って、複合材工具などの応用に利用可能な炭素フォーム製品を製造する方法が望まれる。具体的には、炭素フォームコアとその上の表面層を有する炭素フォーム製品とを製造する方法、及び、該方法により製造される製品が求められている。望ましい炭素フォーム製品はモノリシックであり、制御可能なセル構造を有している。複合材工具並びにその他の応用における使用に適した炭素フォームは、そのような炭素フォームに適したセル構造、強度、及び強度対密度比を有することにより提供される。実際に、従来技術において予期されるものよりも高い強度対密度比を含む特徴が組み合わさって備わっていることにより、複合材工具として炭素フォームを使用する上で非常に有利になることが分かっている。
本考案は、複合材工具のための工具として有用な製品であって、炭素フォーム基板と、該基板の少なくとも一つの表面に設けられた中間層と、該中間層上に設けられた表面層と、を含む製品に関する。工具を作るための方法には、炭素フォームの基板上に膜状の中間層を配置すること、及び、該中間層上に表面層を適用することが含まれる。前記中間層は、前記表面層を適用する前に硬化（一部又は全体）されてもよく、又は、中間層と表面層とが所定の場所で共に硬化されてもよい。
特に、ここに記載される一実施形態においては、炭素フォーム基板と、該炭素フォーム基板の表面上に設けられた中間材料と、炭素製品の外面上、又は中間材料の上表面上であってもよい、に設けられた工具表面材料と、を有する炭素製品が含まれる。前記炭素フォームは、その圧縮強度対密度比が約７０００ｐｓｉ／（ｇ／ｃｃ）以上、その密度が約０．０５〜約０．４ｇ／ｃｃ、その圧縮強度が約２０００ｐｓｉ以上とされることが有利である。実際に、好ましい実施形態においては、前記炭素フォームの気孔率は約６５〜約９５％である。好ましくは、細孔量の約９０％以上が約１０〜約１５０ミクロンの直径を有する細孔とされ、細孔量の約１％以上が約０．８〜約３．５ミクロンの直径を有する細孔とされる。
前記中間材料は、エラストマー材料又は硬質材料であってもよく、また、シート状であってもよく、又は表面処理工程において蒸着されるものであってもよい。一実施形態においては、前記中間材料は複数のエラストマーのシート（膜）から構成され得、例えば隣り合うシートが互いに重ね合わせられて構成されていてもよい。一実施形態においては、前記中間材料として、エラストマー、ベンゾオキサジン樹脂、フェノール系樹脂、エポキシ樹脂、ビスマレイミド樹脂フィルム接着剤、ポリイミド複合材、高温ペースト接着剤、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される少なくとも一つの材料が含まれる。
前述の一般的な記載及び後述の詳細な記載の両方に、本考案の実施形態、及び、請求される考案の概要又は枠組み、及び、本考案の性質及び特徴が、記載されている。添付の図面は本考案のさらなる理解のために用いられ、本明細書に組み込まれるとともにその一部を構成する。本考案の様々な実施形態が図面に記載され、本考案の原理および作用が本明細書と図面とに併せて記載されている。
本考案に係る工具の一実施形態の概略図である。
図１には、複合材工具として使用される工具として有用な、本考案の一実施形態に係る炭素フォーム製品１０の断面図である。製品１０は炭素フォーム基板１２を有する。基板１２を構成している炭素フォームは、石炭、ピッチ、及び／又はポリマーフォームのような、しかしこれらに限定されない、どの様なタイプの前駆体材料から構成されていてもよい。一実施形態においては、基板１２は複数の炭素フォーム片で構成されてもよい。そのような実施形態においては、複数の炭素フォーム片を炭素質のセメントを用いて結合してもよい。別の実施形態においては、隣り合うフォーム片の間に膜、接着剤又はエラストマーシートを用いて前記フォーム片を結合してもよい。前記フォームを結合するために用いる材料は、工具を製造する工程及び／又は工具を使用する過程の何れか又は両方において適用される最高温度に耐え得ることが好ましい。そのような接着剤に適する温度は例えば最大約５４０度摂氏以上である。具体的な一実施形態では、前記接着剤の温度安定性は、最大約３００度摂氏であり、別の実施形態においては、最大約２５０度摂氏である。炭素フォームのブロックを結合するための好適な材料は、例えばPelseal（登録商標）3159（Pelseal Technologies LLCから販売のフルオロエラストマー）、Hysol（登録商標）EA9394/C2（Dexter Corp.から販売されている熱硬化性プラスチック）、Fluorolast WB（登録商標）200（Laurnell International Inc.から発売されている重合体コーティング）、X-Pando（登録商標）（X-Pando Corp.から発売）、BMI樹脂、及びC-34TMセメント（GrafTech International Holdings Inc.から発売）が含まれる。別の実施形態においては、基板１２は炭素フォームのモノリシックなブロックから構成される。
前述したように、炭素フォームは、その他の材料、例えばピッチ、石炭及び／又はその他の炭化可能な材料であってフォームになり得る材料から構成されていてもよい。しかしながら、好ましい実施形態においては、炭素フォーム基板１２を構成するために用いられる炭素フォームは、ポリマーフォーム、例えばポリウレタンフォーム又はフェノール系フォームから生成され、好ましくはフェノール系フォームから生成される。フェノール系樹脂は、ポリマー及びオリゴマーを含む大きな一群であり、フェノールとホルムアルデヒドの反応生成物を基本とする多様な構造から構成される。フェノール系樹脂は、酸性又は塩基性触媒の存在下でフェノール又は置換されたフェノールと、アルデヒド、特にホルムアルデヒドとが反応することにより生成される。フェノール系樹脂フォームは、オープンセルとクローズドセルとからなる硬化された樹脂(cured system)である。この樹脂は通常、ホルムアルデヒド：フェノールの比が変更可能であるが好ましくは約２：１である時に水酸化ナトリウムによって触媒される、水性レゾール樹脂である。ホルムアルデヒド捕捉剤として尿素が使用されてもよいが、遊離フェノール及びホルムアルデヒド含有量は低く設定されるべきである。
樹脂の含水量を調節し、界面活性剤（例えばエトキシル化された非イオン系）、発泡剤（例えばペンタン、メチレンクロライド、又はクロロフルオロ炭素）、及び触媒（例えばトルエンスルホン酸又はフェノールスルホン酸）を加えることにより、フォームが生成される。スルホン酸が反応に触媒作用し、一方で樹脂中に乳化している発泡剤が発熱により蒸発してフォームが膨張する。界面活性剤によりセルの大きさ並びにオープンセル対クローズドセルの単位セルの比を制御することができる。バッチ式プロセス及び連続式プロセスの両製法が使用される。連続式プロセスにおける機械は連続ポリウレタンフォームに使用する機械と同様である。フォームの性質は主に密度及びセル構造に依存する。
好ましいフェノールはレゾルシノールであるが、その他の、アルデヒドと縮合生成物を形成できる種類のフェノールを用いることも可能である。その様なフェノールとしては、１価フェノール及び多価フェノール、ピロカテコール、ヒドロキシン、アルキル置換されたフェノール、例えばクレゾール又はキシレノールと、多核１価フェノール又は多価フェノール、例えばナフトール、ｐ．ｐ'−ジヒドロキシ酸ビフェニルジメチルメタン又はヒドロキシアントラセンとを含む。
フォーム出発材を生成するために使用されるフェノールは、フェノールと同じようにアルデヒドと反応可能な非フェノール系化合物と混合して使用することもできる。
溶液中に用いるのに好ましいアルデヒドはホルムアルデヒドである。その他の好適なアルデヒドとしてはフェノールと同じように反応するアルデヒドがある。これらの材料にはアセトアルデヒド及びベンズアルデヒド等が含まれる。
一般的に、本考案のプロセスに使用可能なフェノール及びアルデヒドは米国特許番号第３，９６０，７６１号及び第５，０４７，２２５号に開示されるものであり、これらの開示は参照として本明細書の中に盛り込まれる。
炭素フォームコアを製造するための出発材として用いられるポリマーフォームは、形成すべき炭素フォームに所望される最終密度を反映するような初期密度を有しているべきである。即ち、ポリマーフォームは密度約０．０１〜約０．６ｇ／ｃｃを有し、より好ましくは約０．０１〜約０．５ｇ／ｃｃを有するべきである。炭素フォーム基板１２として用いられる炭素フォームの密度は、好ましくは約１．０ｇ／ｃｃ未満であり、より好ましくは約０．６ｇ／ｃｃ未満とされる。他の実施形態においては、好ましくは、炭素フォーム基板１２を構成するために用いられるフォームの密度は約０．０３ｇ／ｃｃ以上である。ポリマーフォームのセル構造は、気孔率約６５％〜約９５％を有し、また、比較的高い圧縮強度、即ち約１００ｐｓｉ以上、そして最大約３００ｐｓｉ以上の高いオーダーの圧縮強度を有するべきである。
炭素フォームは、比較的均一な細孔分布を有していることが有利である。さらに、細孔は比較的等方であることが好ましく、従って細孔は比較的球状であり、即ち細孔のアスペクト比の平均は約１．０（この時完全な球形状となる）〜約１．５である。アスペクト比は、細孔のより長い寸法をその細孔のより短い寸法で割り算することで得られる。
上記したように、炭素フォームの総気孔率は約６５％〜約９５％とされるべきであり、より好ましくは約７０％〜約９５％とされるべきである。さらに、二峰性細孔分布を有すること、即ち２つの平均細孔サイズを有し且つ主画分を大きいサイズの細孔からなるものとし副画分を小さいサイズの細孔からなるものとして構成することが、非常に有利である。好ましくは、上記細孔のうち、細孔量の約９０％以上、より好ましくは細孔量の約９５％以上が大きいサイズの細孔である画分とされるべきであり、細孔量の約１％以上、より好ましくは細孔量の約２％〜約１０％以上が小さいサイズの細孔である画分とされるべきである。
炭素フォームにおける二峰性細孔分布の大きい細孔の画分は、直径約１０〜約１５０ミクロン、より好ましくは直径約１５〜約９５ミクロン、最も好ましくは直径約２５〜約９５ミクロンを有する細孔を含むべきである。小さい方の細孔画分は、直径約０．８〜約３．５ミクロン、より好ましくは直径約１〜約２ミクロンを有する細孔を含むべきである。炭素フォーム基板１２に用いられるフォームの細孔分布の双峰性によりオープンセルフォームとクローズドフォームの間の中間的構造が得られ、それにより、該フォームの液体浸透性が制限されるとともにフォーム構造が維持される。実際、炭素フォームの窒素浸透率は、約３．０ダルシー以下、より好ましくは約２．０ダルシー以下とされることが有利である（例えばASTM C577を用いて測定される）。
通常、気孔率、個別の細孔の大きさ、形状などの特徴は、例えば明視野照明を用いるエポキシマイクロスコピーマウントを使用して光学的に測定され、市販のソフトウェア、例えばメリーランド州シルバースプリングスのMediaCybernetic社から発売されているImage-Pro Softwareを用いて決定される。
ポリマーフォームを炭素フォームに変化させるには、温度約５００度摂氏、より好ましくは８００度摂氏以上から最大約３２００度摂氏で、窒素存在下などの不活性又は空気を排除した雰囲気中でポリマーフォームを熱処理して該ポリマーフォームを炭化させる。ポリマーフォームは、炭化中に約５０％以上も収縮する可能性があるため、ポリマーフォームが数日間かけて所望温度へと到達するよう加熱速度が調節されるべきである。好ましくは、ポリマーフォームはほぼ一様に加熱されるべきである。
不活性又は空気を排除した雰囲気中で熱処理されたポリマーフォームを用いることにより、密度は出発ポリマーフォームとほぼ等しいものの、圧縮強度は少なくとも約２０００ｐｓｉであって、有意には、強度対密度比が少なくとも約７０００ｐｓｉ／（ｇ／ｃｃ）、より好ましくは少なくとも約８０００ｐｓｉ／（ｇ／ｃｃ）であるような、非黒鉛化ガラス質炭素フォームが得られる。炭素フォームは、上記の二峰性サイズ細孔分布において等方細孔の比較的均一な分布を有しており、該細孔のアスペクト比の平均は約１．０〜約１．５である。
再び図１を参照すると、中間材料１４は炭素フォーム基板１２の上表面の上に配置されている。ここに記載される一実施形態においては、中間材料１４の厚さは約１〜約６０ミルであり、好ましくは約３〜４０ミルであり、より好ましくは約５〜２０ミルである。製品１０は、工具として用いられる際、その外表面上に工具表面材料１６を有する。
中間材料１４として用いるのに有利な材料を使用することにより、次に記載する利益の一部又は全てが得られる。このような利益としては、（１）基板１２と表面材料１６との間の熱膨張係数（「ＣＴＥ」）の不適合が前記中間材料により適合され得ること、（２）前記中間材料により、炭素フォーム基板１２と工具表面材料１６との間の接触面に強度が与えられ得ること、（３）前中間記材料により、基板１２と表面材料１６との間の接触面に所望の弾性力を与えることができること、（４）適用中及び／又は表面材料１６の硬化中、基板１２の本体内に表面材料１６が浸透しないように、基板１２の表面を適切に密封することができること、が挙げられる。中間材料１４のその他の望ましい性質には熱安定性が含まれ、この熱安定性により、工具１０の製造工程の一部における熱サイクル並びに該工具１０の使用中における熱サイクルに耐えることが可能となる。特定の実施形態においては、非常に好ましい中間材料を適用することで、基板１２に不浸透性が与えられ、該基板１２と工具表面材料１６との間のＣＴＥの不整合によるストレスをなくすことができる。
有利な実施形態では、中間材料１４はエラストマー材料を含み、該エラストマー材料はシート状又は膜状であってもよい。好適なエラストマー材料には、例えばブチルゴム、シンジオタクチックのゴム、エチレンプロピレンジエンモノマー（ＥＰＤＭ）、及び、エラストマー又はフルオロエラストマーを含むフッ素（エラストマーを含む窒素は硬化されても硬化されなくてもよい）が含まれる。一実施形態においてはフルオロエラストマーは液体状である。好適な中間材料１４のその他の例としては、ベンゾキサジン膜(benzoxazine film)、フェノール系樹脂、中間層を含む膜接着剤、高温ペースト接着剤、及び／又はエポキシ樹脂が含まれる。市販されている中間材料でそのような中間材料としては、例えば、Henkelから販売されているHysol（登録商標）9394/C-2エポキシ樹脂、Cytec Engineered Material社から販売されているCytec FM2550B、ビスマレイミド樹脂（BMI）/ポリイミド/ガラスキャリア/BMI重構造材料、Airtechが販売するBeta 8610接着剤フィルム、Airtechが販売する1069 Vitron Rubber、フルオロエラストマー、Advanced Composite Group社から販売されている、LTE 16-40Bを含む又は含まないHTE 18-75E、Pelseal 3159、Pelseal PLV-6023フルオロエラストマー、Lauren Fluorolast WB-200、及び、Huntsmanから販売されているXU 3560が含まれる。さらに、中間材料１４は、上記のエラストマー材料の一又は複数の被膜又は層から構成されていてもよい。
ある実施形態においては、異なるＣＴＥを有する炭素フォーム基板１２と工具表面材料１６とを適合させるために中間材料１４を用いてもよい。言い換えれば、炭素フォーム基板１２のＣＴＥ及び工具表面材料１６のＣＴＥの整合性が取れていない場合、中間材料１４を用いることでＣＴＥの整合性が取れていない基板１２と工具表面材料１６とを有効利用することが可能となる。別の実施形態においては、複数のエラストマーシートを用いて中間材料１４を構成することが可能となる。好ましくは、この実施形態においては、隣り合うシートが互いに重なるように結合される。
別の実施形態においては、例えばオートクレーブを用いる硬化中に工具表面材料１６を構成している樹脂が炭素フォーム基板１２に浸透してしまうのを防止する役割をする材料で、中間材料１４を構成してもよい。
工具表面材料１６は、工具の応用に用いられる製品１０上の表面を構成するのに適した材料であれば、どのような材料であってもよい。言い換えれば、工具表面材料１６は、工具として用いる上で必要とされる特性を有していなければならず、その特性には、不浸透性、滑らかさ、耐久性、及び、工具として用いる際にさらされ得る高温に耐え得る能力が含まれる。工具表面材料１６は、硬化された樹脂であることが有利であるものの、その他の材料、例えばセラミクス、金属製材料、粉末または膜のようなものであってもよい。また、それらの材料の様々な組み合わせであってもよい。好適な樹脂の例としては、エポキシ、ビスマレイミド、シアン酸エステル、シアネートエポキシ、及びそれらの組み合わせが含まれる。任意的に、樹脂は、伸長性が最大４０００ＭＰａ、温度が最大約７００度摂氏、熱伝導率が約０．０３５Ｗ／ｍＫよりも大きくない玄武岩繊維、炭素繊維、炭素ナノチューブ、ファイバーガラス、黒鉛繊維、黒鉛ナノチューブ、グラフェン、及びそれらの組み合わせなどの補強材を含んでいてもよい。さらに、補強材は織りマットの形状を有していてもよい。工具表面材料１６として使用可能な市販の材料としては、例えばHexcelから販売されているHextool M61、Cytecから販売されているDuratool 450、Advanced Composite Group社から販売されているHTM 512、HTM 512-1、HTM 512-2及びHTM 552が含まれる。工具表面材料１６として使用可能なその他のタイプの材料としては、時に64FeNi又はFeNi36とも称されるニッケルと鋼の合金又はニッケルと鉄の合金であるINVAR（登録商標）、炭化ケイ素、ジルコニアセラミクス、及びそれらの組み合わせが含まれる。それらのどの組み合わせを用いて工具表面材料１６としてもよい。任意的に、材料１６の上表面（図１に記載の配置からみて）は、製品１０の上表面を形成する剥離剤または剥離ライナーで覆われていてもよい。その他の代替的な実施形態においては、工具表面材料１６は、材料１４の近傍に、硬化された樹脂に加えてポリイミドバリア膜を含んでもよい。そのような膜の一例としては、DuPontから販売されているKAPTON（登録商標）膜が挙げられる。
製品１０を形成する一つの方法には、炭素フォーム基板１２に中間材料１４を適用し、該中間材料１４が基板１２に硬化されていない状態で適用された場合には、その後中間材料１４を硬化することが含まれる。材料１４は、固体又は液体の形態で適用されてもよい。任意的には、中間材料１４を硬化する前に、基板１２に負の圧力を加えて、促進させるように又は材料１４を部分的に基板１２に浸透させるようにしてもよい。通常、材料１４は、基板１２と材料１４の組立品を温度約１５０度華氏まで加熱することにより、半硬化される（即ち２５％以上であって但し約９０％以下だけ硬化される）。材料１４のいくつかの実施形態においては、材料１４を少なくとも室温で半硬化させることで、半硬化用加熱工程を省くことができる。
次に、工具表面材料１６が、少なくとも半硬化された中間材料１４の上表面に適用される。表面材料１６はその後加熱及び加圧されて硬化される。一実施形態においては、硬化されていない状態で適用された表面材料１６は、プリプレグとして周知のものである。通常の硬化温度は、少なくとも約３００度華氏であり、好ましくは少なくとも約３５０度華氏である。
一実施形態においては、中間材料１４及び／又は表面材料１６を硬化させるためにオートクレーブを用いてもよい。
製品１０のさらなる製造方法には、基板１２の上表面に中間材料１４を適用することが含まれる。そして工具表面材料１６が中間材料１４の上表面に適用され、その後中間材料１４及び表面材料１６の両方が硬化される。この実施形態においては、通常、中間材料１４はシート状である。
ある特定の実施形態においては、複数の工程を経て中間材料１４が基板１２に適用される。この実施形態においては、第一の粘度を有する第一のエラストマーが基板１２に適用される。該エラストマーはシート状又は液状の形で適用されてもよい。液状のエラストマーは、スプレー、ローリング、ペインティング、及びこれらの組み合わせのいずれかの技法を用いて適用され得る。好ましくは、基板１２の本体内部に液状基板を浸透させてもよい。液状エラストマーを浸透させることで基板１２のいくつかの細孔が塞がれ、及び／又は、基板１２の細孔間の結合が密閉(seal)される。任意的には、第一の粘度を有するエラストマーを一又は複数の応用に適用してもよい。
次に、第二の粘度を有する第二のエラストマーが被覆された基板１２に適用され得る。第一のエラストマー及び第二のエラストマーは同一の材料であっても又は異なる材料であってもよい。好ましくは、第一の粘度は第二の粘度よりも大きくても又は小さくてもよい。好ましい実施形態においては、第二の粘度は第一の粘度よりも大きいとされる。第二のエラストマーを、第一のエラストマーと同様の方法で適用してもよい。
最後に、第三のエラストマーが第二のエラストマーの上に適用される。第三のエラストマーの粘度は、第二のエラストマーの粘度よりも大きくても又は小さくてもよい。好ましい実施形態においては、第三のエラストマーの粘度は第二のエラストマーの粘度よりも大きいとされる。第三のエラストマーは、第一のエラストマー及び第二のエラストマーの何れかと同一の材料であってもよく又はそのどちらとも異なる材料であってもよい。第一のエラストマー及び第二のエラストマーを適用する技法と同様の技法で、第三のエラストマーを適用してもよい。
この実施形態においては、中間材料１４により覆われた基板１２は、その上に工具表面材料１６を有していても有していなくてもよく、どちらの場合も、工具応用に用いる工具として有用な製品１０として機能する。最後に、中間材料１４により覆われた基板１２は、水などの液体に対する不浸透性を有していてもよく、また製品１０が浮くのに差し支えない密度を有していてもよい。
工具を機械加工することもまた可能である。工具は望ましい方法であれなどのような方法で機械加工されてもよい。そのような方法の一つには、望ましい工具の画像が表面材料のなかに機械加工されることが含まれる。あるいは、基板１２を機械加工して、そして望ましい外側材料（中間材料１４及び／又は表面材料１６）を基板１２の機械加工された表面に適用してもよい。あるいは、中間材料１４を機械加工される表面としてもよい。さらに、工具１０の部分以外を機械加工してもよい。例えば、これに限定されるものではないが、望ましい形状のラフ画像を基板１２の表面のなかに機械加工してもよい。好ましくは、機械加工は閉じられた環境の中で行われる。機械加工の工具の二つの例は超硬工具及びダイヤモンド工具である。
基板１２の水分含量を減らすことが望ましい場合、密封する前に基板１２を乾燥してもよい。通常基板１２は熱処理により乾燥される。一実施形態においては、基板１２は、該基板１２を最大３０時間、温度１００〜２００度摂氏にさらすことで乾燥され、好ましい実施形態においては、約１２〜２４時間の乾燥時間の間約１２０〜１５０度摂氏にさらすことで乾燥される。好ましい水分含量レベルの例は、約５重量パーセント未満、約２重量パーセント未満、約１重量パーセント未満、及び約０．５重量パーセント未満である。好ましくは、基板１２は乾燥時間４８時間未満以内に密封され、より好ましくは乾燥時間３６時間未満以内に密封される。
乾燥に加えて、あるいは乾燥のかわりに、基板１２に通気路を設けてもよい。通気路は基板１２の内部にドリルされて設けられたものでもよく、該通気路は、基板１２の一部又は全体を構成するものであって発泡体片の並んだ粉砕溝が結合されたものであってもよく、又は、該通気路は、基板１２に路(channel)を形成するのに適するその他の技法で設けられたものであってもよい。好ましい通気面積は、基板１２の密度により変化してもよい。例えば、工具（基板１２）体積ごとの通気面積は、通気面積１．０〜５．０平方メートル／工具体積立方メートルの範囲でも良く、好ましくは１．５〜４．０である。さらに、密度の高い基板１２ほど多くの通気路を含んでいる。例えば、通気路間距離は、約１００センチメートル〜約１０センチメートルの範囲に渡る。約０．２５ｇ／ｃｃよりも小さい密度を有する基板１２においては、通気路同士は約５０〜１００センチメートル離れている。約０．２５ｇ／ｃｃよりも大きい密度を有する基板１２においては、通気路同士は約５０〜１０センチメートル離れている。
上記の種々の実施形態は、個別に又はそれらの組み合わせで実施することができる。
本考案の原理および動作をさらに記述ために、以下に例を挙げる。しかしながら、この例は本考案を描写するだけのものであり本考案を限定するものでない。
例 寸法が、７．８インチ長さ、３．９インチ幅、２．９インチ厚の矩形のフェノール系フォームブロックを、下記の方法で炭素フォームに変換する。出発フェノール系フォームは、密度０．３２ｇ／ｃｃ及び圧縮強度約３００ｐｓｉを有している。該フォームはスチール缶内にパックされて空気から保護され、そして温度５５０度摂氏になるまで毎時間２度摂氏で加熱され、その後、９００度摂氏になるまで毎時間１０度摂氏で加熱され、そして約２０時間その温度が維持された。結果として得られた炭素フォームは、密度０．３３６ｇ／ｃｃ及び圧縮強度４２０６ｐｓｉを有し、強度対密度比は１２，５１７ｐｓｉ／（ｇ／ｃｃ）となった。該フォームの熱伝導率を測定すると２５度摂氏において０．３Ｗ／ｍ・Ｋであり、そして窒素浸透率を測定すると０．１７ダルシーであった。
このフォームは光学顕微鏡を用いて調べられ、該フォームの気孔率は７９．５％であることがわかった。セルの２つのセットが観測されるとともに該セルはほぼ均一な直径を有する球形であることがわかった。２つの異なるセルのセットの平均直径及びアスペクト比は画像分析処理を用いて決定された。２５ミクロンより大きな直径の大きなサイズのセルに関しては、算出された平均直径は３５ミクロンであり、標準偏差は４．７ミクロンであった。算出された細孔のアスペクト比は１．１６であり、ほぼ球形であることが示された。これらの大きな細孔は総気孔率の細孔容積の９６％を占める。総気孔率の細孔容積の４％を占めるより微細な細孔の平均直径は１．７３ミクロンであり、標準偏差は０．３５であった。これらの細孔のアスペクト比は１．１０であることが測定された。
前記フォームのセル構造は、クローズドセルとオープンセル形状の間の形状である点でその他のフォームと比較してユニークである。大きなセルは、微細な孔を介して互いに弱く相互連結しているだけであり、従って前記フォームは、水分存在下において浸透性を示すもののより粘性のある液体を直ぐに吸収することはない。
異なる密度を有する前駆体材料を用いて一連の炭素フォームを生成した。これらの生成された炭素フォームの特性を表１に示す。
Figure 0003163491
結果からわかるように、本考案を実施することにより、今までに見られない特徴を有する炭素フォームが生成された。これらの炭素フォームは、非常に高い圧縮強度対密度比を有するとともに特徴的な二峰性のセル構造を有しており、これにより複合工具の応用などにおいて用いる際に特殊な効果が奏される。
本出願の中で参照される全ての引用特許及び刊行物の記載が本明細書の中に参照することにより組み込まれている。
本明細書の記載は、当業者が本考案を実施できるようにすることを意図している。本明細書の記載から当業者にとって明らかとなる全ての可能な変更及び修正を詳細に記載することは意図されない。しかしながら、そのような変更及び修正は全て、実用新案登録請求の範囲に記載される考案の範囲内に含まれていることが意図される。実用新案登録請求の範囲は、特に特記事項がないかぎり、本考案が意図する目的を達成するために有効な、本明細書に示される要素及び方法及びそれらの変更をカバーすることを意図している。

Claims (20)

  1. 炭素フォーム基板と、該炭素フォーム基板の表面上に設けられた中間材料と、工具表面材料と、が設けられた炭素フォーム製品において、
    前記中間材料が前記工具表面材料と前記炭素フォーム基板との間に配置されるように、前記工具表面材料が、前記炭素フォーム製品の外面上に設けられていることを特徴とする炭素フォーム製品。
  2. 前記中間材料が、エラストマー材料、硬質材料、及びそれらの組み合わせのうちの少なくとも一つからなることを特徴とする請求項１に記載の炭素フォーム製品。
  3. 前記中間材料がシート状とされることを特徴とする請求項２に記載の炭素フォーム製品。
  4. 前記中間材料が、複数のシートから構成され、かつ、
    隣り合う前記シート同士が、互いに重なりあうように配されている
    ことを特徴とする請求項２に記載の炭素フォーム製品。
  5. 前記炭素フォーム基板の圧縮強度対密度比が、７０００ｐｓｉ／（ｇ／ｃｃ）以上とされることを特徴とする請求項１に記載の炭素フォーム製品。
  6. 前記炭素フォーム基板が、密度０．０５〜０．４ｇ／ｃｃと圧縮強度２０００ｐｓｉ以上とを有していることを特徴とする請求項１に記載の炭素フォーム製品。
  7. 前記炭素フォーム基板の気孔率が６５〜９５％の間とされることを特徴とする請求項１に記載の炭素フォーム製品。
  8. 前記炭素フォーム基板に含まれる細孔の９０％以上が、１０〜１５０ミクロンの直径を有する細孔とされることを特徴とする請求項１に記載の炭素フォーム製品。
  9. 前記炭素フォーム基板に含まれる細孔の１％以上が、０．８〜３．５ミクロンの直径を有する細孔とされることを特徴とする請求項８に記載の炭素フォーム製品。
  10. 前記炭素フォーム基板の窒素浸透率が、３．０ダルシー以下とされることを特徴とする請求項１に記載の炭素フォーム製品。
  11. 前記中間材料が、エラストマー、ベンゾオキサジン樹脂、フェノール系樹脂、エポキシ樹脂、ビスマレイミド樹脂フィルム接着剤、ポリイミド、高温ペースト接着剤、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される少なくとも一つの材料からなることを特徴とする請求項１に記載の炭素フォーム製品。
  12. （ａ）炭素フォームに含まれる細孔の９０％以上が１０〜１５０ミクロンの直径を有する細孔であり且つ該炭素フォームに含まれる細孔の１％以上が０．８〜３．５ミクロンの直径を有する細孔であるような細孔分布を有する炭素フォーム基板と、
    （ｂ）前記炭素フォーム基板の表面上に設けられた中間材料と、
    （ｃ）工具表面材料と、
    が設けられた炭素フォーム製品において、
    前記工具表面材料が、前記炭素フォーム製品の外面上に設けられ、かつ、
    前記中間材料が、前記工具表面材料と前記炭素フォーム基板との間に配置されている
    ことを特徴とする炭素フォーム製品。
  13. 前記炭素フォーム基板が複数の炭素フォーム片から構成されていることを特徴とする請求項１２に記載の炭素フォーム製品。
  14. 前記炭素フォーム基板の密度が１．０ｇ／ｃｃ未満とされることを特徴とする請求項１２に記載の炭素フォーム製品。
  15. 前記中間材料が、エラストマー材料、硬質材料、及びそれらの組み合わせのうちの少なくとも一つからなることを特徴とする請求項１２に記載の炭素フォーム製品。
  16. 前記エラストマー材料がシート状とされることを特徴とする請求項１５に記載の炭素フォーム製品。
  17. 前記中間材料が、複数のエラストマーシートから構成され、かつ
    隣り合う前記エラストマーシート同士が、互いに重なりあうように配されている
    ことを特徴とする請求項１６に記載の炭素フォーム製品。
  18. 前記炭素フォーム基板の圧縮強度対密度比が、７０００ｐｓｉ／（ｇ／ｃｃ）以上とされることを特徴とする請求項１２に記載の炭素フォーム製品。
  19. 前記炭素フォーム基板が、密度０．０５〜０．４ｇ／ｃｃと圧縮強度２０００ｐｓｉ以上とを有していることを特徴とする請求項１２に記載の炭素フォーム製品。
  20. 前記中間材料が、エラストマー、ベンゾオキサジン樹脂、フェノール系樹脂、エポキシ樹脂、ビスマレイミド樹脂フィルム接着剤、ポリイミド、高温ペースト接着剤、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される少なくとも一つの材料からなることを特徴とする請求項１２に記載の炭素フォーム製品。
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