JP3969602B2 - C/c製容器の成形治具 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軽量でかつ耐熱・耐食性に優れた炭素繊維/炭素複合材料を素材としたC/C製容器を成形するのに利用されるC/C製容器の成形治具に関するものである。
【0002】
【発明が解決しようとする課題】
炭素繊維を強化材とし、炭素をマトリックスとしたC/C複合材は、通常の炭素材料に比べて高強度・高弾性であり、耐熱・耐食性に優れていることから、宇宙航空機器の分野においては飛翔体のリーディングエッジ,ロケットのノズル,航空機のブレーキなどの素材として利用され、その他ガスタービン機関のタービンブレードや高速車両のブレーキなどの素材として、あるいはまた各種化学装置や非汚染溶解装置などの素材としても利用されている。
【0003】
このようなC/C複合材を構成する炭素繊維としては、PAN系繊維,ピッチ系繊維,レーヨン系繊維などが使用され、マトリックスとなる炭素としては、ピッチのほか、フェノール樹脂,エポキシ樹脂,フラン樹脂,イミド樹脂などの熱硬化性樹脂を炭化処理または炭化処理および黒鉛化処理したものが使用されている。
【0004】
この種のC/C複合材を素材としたC/C製容器を成形するに際しては、炭素繊維として、高強度(HT)品とする場合には例えばPAN系の炭素繊維を使用し、高弾性(HM)品とする場合には例えばピッチ系の炭素繊維を使用し、この炭素繊維にマトリックス材として、ピッチや、熱硬化性樹脂である例えばフェノール樹脂を含浸させることによってプリプレグとなし、このプリプレグを適宜フィラメントワインディング法によりC/C製容器の形状に巻回してプリフォームに成形する。
【0005】
次いで、プリフォームに成形したのち例えば150〜220℃程度の温度でフェノール樹脂を硬化させることによってCFRPとなし、さらに、例えば500〜900℃程度の温度で焼成することによって炭化処理し、場合によってはさらに2000〜3000℃程度の温度で焼成することによって黒鉛化処理し、さらに場合によってより一層緻密化して密度をさらに向上させるために、ピッチ含浸と、500〜900℃程度の温度での常圧炭化処理と、さらには2000〜3000℃程度の温度での黒鉛化処理を適宜繰返すことによってC/C製容器を得るようにしていた。
【0006】
しかしながら、このようなフィラメントワインディング法によってC/C製容器を成形した場合には、ハンドル/ハンドル間の強度および層間の強度が低くなることがあり、剥離や欠陥が発生しやすいことがあるという問題点があった。
【0007】
また、フィラメントワインディング法では、フェノール樹脂を含む炭素繊維を巻回することにより成形しているが、この成形段階でフェノール樹脂の収縮による割れが発生したり、炭化段階でもフェノール樹脂の収縮による割れが発生したりすることがあるという問題点があった。
【0008】
【発明の目的】
本発明は、このような従来の問題点を解消するためになされたものであって、フィラメントワインディング法による場合の層間での剥離や割れなどの欠陥の発生のおそれをなくし、層間強度が高い品質の良好な耐熱性および耐食性に優れたC/C製容器を成形できるようにすることを目的としている。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わるC/C製容器の成形治具は、請求項1に記載しているように、筒形状をなす側壁部と側壁部の下端を塞ぐ底部をそなえたC/C製容器の成形治具であって、C/C製容器の底部内面側と側壁部内面側の形状に対応した内面用成形面を有する内側成形治具と、C/C製容器の底部外面側と側壁部外面側の形状に対応した外面用成形面を有する外側成形治具をそなえ、内側成形治具および外側成形治具の少なくとも一方に含浸用開口を形成し、内側成形治具は、筒軸方向に90°の等角度で4分割された結合体からなると共に、底部内面側の形状に対応した成形面を有する底部内面用内側成形治具と、側壁部内面側の形状に対応した成形面を有する側壁部内面用内側成形治具に分割されており、外側成形治具は、筒軸方向に90°の等角度で4分割された結合体からなると共に、底部外面側の形状に対応した成形面を有する底部外面用外側成形治具と、側壁部外面側の形状に対応した成形面を有する側壁部外面用外側成形治具に分割されている構成としたことを特徴としている。
【0010】
そして、本発明に係わるC/C製容器の成形治具の実施態様においては、請求項2に記載しているように、内側成形治具の分割面に、含浸用開口形成のためのスリットを設けているものとすることができる。
【0012】
同じく、本発明に係わるC/C製容器の成形治具の実施態様においては、請求項5に記載しているように、外側成形治具の分割面に、含浸用開口形成のためのスリットを設けているものとすることができる。
【0014】
同じく、本発明に係わるC/C製容器の成形治具の実施態様においては、請求項に記載しているように、内側成形治具および外側成形治具は、各々、筒軸方向に等角度で4分割された結合体としてC/C製容器の底部内面側および側壁部内面側ならびに底部外面側および側壁部外面側の成形面に合わせ加工されてなるものとすることができる。
【0017】
【発明の効果】
本発明によるC/C製容器の成形治具では、筒形状をなす側壁部と側壁部の下端を塞ぐ底部をそなえたC/C製容器の成形治具であって、C/C製容器の底部内面側と側壁部内面側の形状に対応した内面用成形面を有する内側成形治具と、C/C製容器の底部外面側と側壁部外面側の形状に対応した外面用成形面を有する外側成形治具をそなえ、内側成形治具および外側成形治具の少なくとも一方に含浸用開口を形成した構成としたから、フィラメントワインディング法によりC/C製容器を成形する場合のような層間での剥離や割れなどの欠陥の発生をなくすことができ、層間強度が高い品質の良好な耐熱性および耐食性に優れたC/C製容器を提供することが可能になるという著大なる効果がもたらされる。
【0018】
そして、本発明によるC/C製容器の成形治具では、内側成形治具、筒軸方向に90°の等角度で4分割された結合体からなると共に、底部内面側の形状に対応した成形面を有する底部内面用内側成形治具と、側壁部内面側の形状に対応した成形面を有する側壁部内面用内側成形治具に分割されているものとし、且つ、外側成形治具が、筒軸方向に90°の等角度で4分割された結合体からなると共に、底部外面側の形状に対応した成形面を有する底部外面用外側成形治具と、側壁部外面側の形状に対応した成形面を有する側壁部外面用外側成形治具に分割されているものとすることによって、内側成形治具および外側成形治具の成形に際しての加工性を良好なものにすることが可能であると共に、成形後のC/C製容器の離型性をも良好なものにすることが可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。
【0019】
また、請求項に記載しているように、内側成形治具の分割面に、含浸用開口形成のためのスリットを設けているものとすることによって、内側成形治具と外側成形治具とで炭素繊維の積層体をはさんだ状態にしてピッチや樹脂などの含浸を良好に行うことが可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。
【0022】
さらにまた、請求項に記載しているように、外側成形治具の分割面に、含浸用開口形成のためのスリットを設けているものとすることによって、内側成形治具と外側成形治具とで炭素繊維の積層体をはさんだ状態にしてピッチや樹脂などの含浸を良好に行うことが可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。
【0024】
さらにまた、請求項に記載しているように、内側成形治具および外側成形治具は、各々、筒軸方向に等角度で4分割された結合体としてC/C製容器の底部内面側および側壁部内面側ならびに底部外面側および側壁部外面側の成形面に合わせ加工されてなるものとすることによって、各治具における分割された合わせ面(つなぎ面)での段差の発生などの不具合をなくすことができ、分割結合体でありながら一体型と同程度の良好なる成形面での精度を確保することが可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。
【0027】
【実施例】
図1ないし図3は、本発明に係わるC/C製容器の成形治具の一実施例による全体構成を示すものであって、図1は縦断面説明図、図2は平面説明図、図3は底面説明図である。
【0028】
図1ないし図3に示すC/C製容器の成形治具11は、図15に示すような筒形状をなす側壁部1aと側壁部1aの下端を塞ぐ底部1bをそなえると共に、上端に開口部1cを有するC/C製容器1を成形するのに使用されるものである。
【0029】
図1ないし図3に示すC/C製容器の成形治具11は、内側成形治具21と、外側成形治具31を備え、各々のフランジ部21a,31aの部分で円環部材41を介してボルト51により結合した構造をなすものである。
【0030】
そして、内側成形治具21は、筒軸方向に90°の等角度をもって4分割されたものとなっており、分割面に図6に示す介挿材25を介在させた状態にしてボルト52により結合して一体化した結合体からなるものとしていて、各分割面において、ピッチや樹脂等の含浸用開口21bが形成されたものとしている。
【0031】
また、外側成形治具31は、筒軸方向に90°の等角度をもって4分割されたものとなっており、ボルト53により結合して一体化した結合体からなるものとしていて、各分割面において、ピッチや樹脂等の含浸用開口31bが形成されたものとしている。
【0032】
このうち、内側成形治具21は、図4および図5にそれぞれ示すように、C/C製容器1の底部内面側の形状に対応した底部内面用成形面22aを有する底部内面用内側成形治具22と、C/C製容器1の側壁部内面側の形状に対応した側壁部内面用成形面23aを有する側壁部内面用内側成形治具23とに分割されており、ボルト54により一体化されている。
【0033】
そして、図4に示す底部内面用内側成形治具22には、含浸用開口21bを形成するための含浸用開口形成スリット22bが形成してあると共に、ボルト54のためのめねじ穴22cが形成してある。
【0034】
また、図5に示す側壁部内面用内側成形治具23には、含浸用開口21bを形成するための含浸用開口形成スリット23bが形成してあると共に、ボルト54のための貫通孔23cと、ボルト51のための貫通孔23dと、ボルト52のための貫通孔23eが形成してある。
【0035】
また、外側成形治具31は、図7および図8にそれぞれ示すように、C/C製容器1の底部外面側の形状に対応した底部外面用成形面32aを有する底部外面用外側成形治具32と、C/C製容器1の側壁部外面側の形状に対応した側壁部外面用成形面33aを有する側壁部外面用外側成形治具33に分割されており、ボルト55により一体化されている。
【0036】
そして、図7に示す底部外面用外側成形治具32には、含浸用開口31bを形成するための含浸用開口形成スリット32bが形成してあると共に、ボルト51,55のための貫通孔32cと、ボルト56のための貫通孔32dが形成してある。
【0037】
また、図8に示す側壁部外面用外側成形治具33には、含浸用開口31bを形成するための含浸用開口形成スリット33bが形成してあると共に、ボルト51,55のための貫通孔33cと、ボルト53のための貫通孔33dが形成してある。
【0038】
このような構造をもつC/C製容器1の成形治具11を用いて、図15に示すC/C製容器1を成形するに際しては、図4に示した底部内面用内側成形治具22と図5に示した側壁部内面用内側成形治具23と図6に示した介挿材25を用い、ボルト52,54で締結することによって、内側成形治具21に組み立てる。そして、より精度の高い組立体とする場合には、組み立て状態で仕上げ加工代を有するものとして、組み立てたのち合わせ加工を行うことにより、合わせ面のずれが全くないものとする。
【0039】
次いで、クロス繊維からなる炭素繊維を用い、図10に示すように、底部対応部61aと4片の側壁部対応部61bとを有する形状に繊維方向に対し0°/90°方向に裁断した花弁形状裁断材61を用意して、底部対応部61aの表面にカーボンブラック粒子混合(5重量部混合)溶液を塗布して内側成形治具21の底部内面用成形面22aに当て、次いで、花弁形状裁断材61の側壁部対応部61bの表面にカーボンブラック粒子混合溶液を塗布しながら内側成形治具21の側壁部内面用成形面23aに沿って貼り付ける。
【0040】
続いて、同じくクロス繊維からなる炭素繊維を用い、図11に示すような繊維方向に対し45°方向に裁断した側壁部対応裁断材62bを用意して、側壁部内面用成形面23a上でかつ前記側壁部対応部61bの間に、同様にカーボンブラック粒子混合溶液を塗布しながら貼り付ける。
【0041】
また、場合によっては、適宜若干寸法を異ならせた花弁形状裁断材(61)や側壁部対応裁断材(62b)を用意して、同様にカーボンブラック粒子混合溶液を塗布しながら所要数だけ平均的に積層する。
【0042】
次いで、図12に示すように、底部対応部63aと8片の側壁部対応部63bとを有する形状に繊維方向に対し0°/90°方向および45°方向に裁断した花弁形状裁断材63を用意して、同様にカーボンブラック粒子混合溶液を塗布しながら積層し、さらに、図13に示すように、底部対応裁断材64を用意して同様にカーボンブラック粒子混合溶液を塗布しながら所要枚数積層することによって、図14に示すような側壁部71aとこの側壁部71aの下端を閉塞する底部71bをそなえていると共に上端に開口部71cを有する容器形状のプリフォーム成形体71を内側成形治具21の成形面22a,23a上に成形する。
【0043】
そして、図7に示した底部外面用外側成形治具32と図8に示した側壁部外面用外側成形治具33を用い、ボルト53,56で組み立てた外側成形治具31(この場合も、必要に応じて、合わせ仕上げ加工を行って精度を高めたものとしておくこともできる。)の成形面32a,33aを前記容器形状のプリフォーム成形体71の外面に当接した状態にし、内側成形治具21のフランジ部21aと外側成形治具31のフランジ部31aとの間に図9に示した円環部材41を介在させた状態にしてボルト51で固定することによって、内側成形治具21と外側成形治具31との間にプリフォーム成形体71が介在した状態とする。
【0044】
次いで、内側成形治具21と外側成形治具31にそれぞれ形成したスリット22b,32bよりなる含浸用開口21b,31bから一実施例ではピッチを真空含浸し、他の実施例ではフラン樹脂を真空含浸した。
【0045】
ここで、ピッチを含浸する場合には従前の一般的なC/C複合材を得ることを意図しており、フラン樹脂を含浸する場合には耐Siアタック性に優れた(例えば、Si単結晶引き上げ装置用るつぼの素材に適した)C/C複合材を得ることを意図している。
【0046】
次いで、最高温度180℃での樹脂硬化処理を行い、続いて、最高圧力1000kgf/cm,最高温度700℃での高圧炭化処理(HIP処理)と、最高温度2500℃での黒鉛化処理を施すことによって、そしてまた、このようなピッチ含浸,炭化処理および黒鉛化処理を繰り返すことによって、C/C複合材からなりかつ図15に示すように側壁部1aとこの側壁部1aの下端を塞ぐ底部1bをそなえると共に、上端に開口部1cを有するC/C製容器1を得た。
【0047】
その後、図15に示す仮想線の形状に仕上げ加工を行うことによって、図16に示すようなC/C複合材からなりかつ側壁部81aとこの側壁部81aの下端を塞ぐ底部81bをそなえると共に、上端に開口部81cを有するC/C製るつぼ81を得た。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施例によるC/C製容器の成形治具の基本構成を示す縦断面説明図である。
【図2】 本発明の実施例によるC/C製容器の成形治具の基本構成を示す平面説明図である。
【図3】 本発明の実施例によるC/C製容器の成形治具の基本構成を示す底面説明図である。
【図4】 本発明の実施例によるC/C製容器の成形治具のうち内側成形治具を構成する底部内面用内側成形治具の平面説明図(図4の(A))および図4の(A)のIV−IV線断面説明図(図4の(B))である。
【図5】 本発明の実施例によるC/C製容器の成形治具のうち内側成形治具を構成する側壁部内面用内側成形治具の平面説明図(図5の(A))および図5の(A)のV−V線断面説明図(図5の(B))である。
【図6】 本発明の実施例によるC/C製容器の成形治具のうち内側成形治具の分割面に挿入される介挿材の側面説明図(図6の(A))および図6の(A)のVI−VI線断面説明図(図6の(B))である。
【図7】 本発明の実施例によるC/C製容器の成形治具のうち外側成形治具を構成する底部外面用外側成形治具の(B)図VII−VII線断面説明図(図7の(A))および平面説明図(図7の(B))である。
【図8】 本発明の実施例によるC/C製容器の成形治具のうち外側成形治具を構成する側壁部外面用外側成形治具の(B)図VIII−VIII線断面説明図(図8の(A))および平面説明図(図8の(B))である。
【図9】 本発明の実施例によるC/C製容器の成形治具のうち円環部材の(B)図IX−IX線断面説明図(図9の(A))および平面説明図(図9の(B))である。
【図10】 本発明の実施例で用いた炭素繊維クロス花弁形状裁断材の平面説明図である。
【図11】 本発明の実施例で用いた側壁部対応裁断材の平面説明図である。
【図12】 本発明の実施例で用いた花弁形状裁断材の平面説明図である。
【図13】 本発明の実施例で用いた底部対応裁断材の平面説明図である。
【図14】 本発明の実施例で積層成形した容器形状のプリフォーム成形体の断面説明図である。
【図15】 本発明の実施例で成形したC/C製容器の断面説明図である。
【図16】 本発明の実施例で成形したC/C製るつぼの断面説明図である。
【符号の説明】
1 C/C製容器
1a C/C製容器の側壁部
1b C/C製容器の底部
1c C/C製容器の開口部
11 C/C製容器の成形治具
21 内側成形治具
21b 内側成形治具の含浸用開口
22 底部内面用内側成形治具
22a 底部内面用内側成形治具の底部内面用成形面
22b 底部内面用内側成形治具の含浸用開口形成スリット
23 側壁部内面用内側成形治具
23a 側壁部内面用内側成形治具の側壁部内面用成形面
31 外側成形治具
31b 外側成形治具の含浸用開口
32 底部外面用外側成形治具
32a 底部外面用外側成形治具の底部外面用成形面
32b 底部外面用外側成形治具の含浸用開口形成スリット
33 側壁部外面用外側成形治具
33a 側壁部外面用外側成形治具の側壁部外面用成形面
71 容器形状のプリフォーム成形体
81 C/C製るつぼ

Claims (4)

  1. 筒形状をなす側壁部と側壁部の下端を塞ぐ底部をそなえたC/C製容器の成形治具であって、C/C製容器の底部内面側と側壁部内面側の形状に対応した内面用成形面を有する内側成形治具と、C/C製容器の底部外面側と側壁部外面側の形状に対応した外面用成形面を有する外側成形治具をそなえ、内側成形治具および外側成形治具の少なくとも一方に含浸用開口を形成し
    内側成形治具は、筒軸方向に90°の等角度で4分割された結合体からなると共に、底部内面側の形状に対応した成形面を有する底部内面用内側成形治具と、側壁部内面側の形状に対応した成形面を有する側壁部内面用内側成形治具に分割されており、
    外側成形治具は、筒軸方向に90°の等角度で4分割された結合体からなると共に、底部外面側の形状に対応した成形面を有する底部外面用外側成形治具と、側壁部外面側の形状に対応した成形面を有する側壁部外面用外側成形治具に分割されている
    ことを特徴とするC/C製容器の成形治具。
  2. 内側成形治具の分割面に、含浸用開口形成のためのスリットを設けている請求項1に記載のC/C製容器の成形治具。
  3. 外側成形治具の分割面に、含浸用開口形成のためのスリットを設けている請求項1に記載のC/C製容器の成形治具。
  4. 内側成形治具および外側成形治具は、各々、筒軸方向に等角度で4分割された結合体としてC/C製容器の底部内面側および側壁部内面側ならびに底部外面側および側壁部外面側の成形面に合わせ加工されてなる請求項1〜3のいずれか1項に記載のC/C製容器の成形治具。
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