JP4433558B2

JP4433558B2 - セラミックス基複合部材の製造装置

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Publication number: JP4433558B2
Application number: JP2000112598A
Authority: JP
Inventors: 武志中村; 裕茂村田; 宗義塩田
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1999-09-06
Filing date: 2000-04-13
Publication date: 2010-03-17
Anticipated expiration: 2020-04-13
Also published as: JP2001146486A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気密性にすぐれたセラミックス基複合部材の製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＮＴＯ／Ｎ₂Ｈ₄、ＮＴＯ／ＭＭＨ等を推進剤とするロケットエンジンの高性能化のために、燃焼器（スラストチャンバ）の耐熱温度を高めることが要望される。そのため、耐熱温度が約１５００℃であるコーティング付きのニオブ合金が、従来多くのロケットエンジンのチャンバ材料として用いられてきた。しかしこの材料は、密度が高いため重く、高温強度が低く、コーティングの寿命が短い欠点があった。
【０００３】
一方、セラミックスは耐熱性が高いが脆い欠点があるため、これをセラミックス繊維で強化したセラミックス基複合部材（Ceramic Matrix Composite：以下、ＣＭＣと略称する）が開発されている。すなわち、セラミックス基複合部材（ＣＭＣ）はセラミックス繊維とセラミックスマトリックスとからなる。なお、一般にＣＭＣはその素材により、セラミックス繊維／セラミックスマトリックス（例えば、両方がＳｉＣからなる場合、ＳｉＣ／ＳｉＣ）と表示される。
【０００４】
ＣＭＣは、軽量かつ高温強度が高いため、上述したロケットエンジンの燃焼器（スラストチャンバ）の他、高温部の燃料配管、ジェットエンジンのタービン翼、燃焼器、アフターバーナ部品等に極めて有望な材料である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のＣＭＣは、気密性を保持することができず、かつ耐熱衝撃性が低い問題点があった。すなわち、従来のＣＭＣは、所定の形状をセラミックス繊維で構成したのち、いわゆるＣＶＩ処理（Chemical Vapor Infiltration：気相含浸法）で繊維の隙間にマトリックスを形成するが、このＣＶＩで繊維間の隙間を完全に埋めるには実用不可能な長期間（例えば１年以上）を要する問題点があった。
【０００６】
また、ＣＭＣの気密性自体を上げるには、溶融した原料ポリマーにセラミックス繊維からなる部品を単に浸して焼成するＰＩＰ処理（Polymer Impregnate and Pyrolysis Method）が有効であるが、含浸・焼成のサイクルを多数回繰り返す必要があり（例えば４０回以上）、効率が悪かった。
【０００７】
また、米国特許第０５６３２３２０号にポリマーマトリックス含浸に、ＰＭＣ(Polymer Matrix Composite)で用いられる加圧含浸の一種であるＲＴＭ法 (Resin Transfer Molding)を適用しているが、金型等の大がかりな装置を必要とした。
【０００８】
本発明は上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、短期間に気密性を高めることができ、これによりスラストチャンバ等にも実用可能なセラミックス基複合部材の製造装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
参考例によれば、（ａ）成形した繊維織物の表面にＳｉＣマトリックス相を形成する含浸工程と、（ｂ）使用時の加圧方向に有機珪素ポリマーを加圧して前記マトリックス相の隙間に有機珪素ポリマーを含浸させる加圧含浸工程と、（ｃ）高温で焼成する焼成工程とを備えた、ことを特徴とするセラミックス基複合部材の製造方法が提供される。
【００１０】
参考例の方法は、繊維織物の表面にＳｉＣマトリックス相を形成した後に、加圧含浸工程を行う点に特徴がある。ＳｉＣマトリックス相は、例えばＣＶＩ処理により亀裂のない緻密なマトリックスをセラミックス繊維のまわりに形成することができる。次いで、ＰＩＰ処理により使用時の加圧方向に有機珪素ポリマーを加圧して加圧含浸することにより、マトリックス相の隙間に優先的にマトリックスを形成して、ＣＶＩ処理後の隙間を充填し、気密性を高めることができる。
【００１１】
また、ＰＩＰ処理によるマトリックスには、微細な亀裂が存在するため、セラミックス繊維の拘束力が弱い。そのため、特願平１１０１９４１６号（未公開）に示されるように、ＣＶＩ処理に加えＰＩＰ処理を施すことにより、ＣＶＩ処理のみによる従来のＣＭＣに比較して、ヤング率を低減することができ、その結果、熱応力が軽減され耐熱衝撃性が大幅に向上することが確認されている。
【００１２】
好ましくは、前記加圧含浸工程においてマトリックス相の隙間を通して有機珪素ポリマーが液洩れする圧力で所定時間保持し、次いで焼成工程を行い、更にこの加圧含浸工程と焼成工程を十分な気密性を得られるまで繰り返す。
【００１３】
この方法により、複合部材を貫通する空隙に優先的にマトリックスを形成して、短期間に気密性を高めることができる。
【００１４】
前記加圧含浸工程は、耐酸化性の点からＣＶＩマトリックス含浸後に行うのが望ましいが、インターフェイスコーティングを施した後なら、どのタイミングでも適用することが可能である。
【００１５】
また本発明によれば、表面にＳｉＣマトリックス相を形成した繊維織物（１１）を水密に保持する保持装置（１２）と、繊維織物の使用時の加圧方向に有機珪素ポリマー（８）を加圧して供給する加圧供給装置（１４）とを備え、
前記保持装置は、中空円筒状の前記繊維織物を挟持する第１および第２の挟持部材を有し、第１の挟持部材は、前記繊維織物の一端側から他端側へ向けて、前記繊維織物を介して第２の挟持部材に力を作用させ、第２の挟持部材は、前記他端側から前記一端側へ向けて、前記繊維織物を介して第１の挟持部材に力を作用させ、
前記加圧供給装置は、有機珪素ポリマーを収容した溶液容器と、該溶液容器を気密に囲む気密容器と、前記溶液容器内の有機珪素ポリマーを前記繊維織物の内側へ導く供給管と、を有し、前記気密容器内を圧力媒体で加圧し前記溶液容器内の有機ポリマーを前記繊維織物内に供給するように構成されている、ことを特徴とするセラミックス基複合部材の製造装置が提供される。
【００１６】
本発明のこの構成によれば、保持装置（１２）により表面にＳｉＣマトリックス相を形成した繊維織物（１１）を水密に保持した状態で、加圧供給装置（１４）により繊維織物の使用時の加圧方向に有機珪素ポリマー（８）を加圧して供給するので、圧力調整により、繊維織物に有機珪素ポリマーをほぼ均一の圧力で供給することができる。また、使用時の加圧方向に有機珪素ポリマーを加圧して加圧含浸できるので、マトリックス相の隙間に優先的にマトリックスを形成して、ＣＶＩおよびＰＩＰ処理後の隙間を充填し、気密性を高めることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、参考例と本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。図１は、参考例のセラミックス基複合部材の製造方法を示すフロー図である。この図に示すように、参考例の方法は、成形工程１、ＣＶＩ工程２、ＰＩＰ工程３、加圧含浸工程４、および焼成工程５からなる。
【００１８】
成形工程１では、ＳｉＣ繊維を用いて所定の形状の繊維織物を成形する。成形する形状は、適用するロケットエンジンの燃焼器（スラストチャンバ）の他、高温部の燃料配管、タービン翼、燃焼器、アフターバーナ部品等に適した立体形状であるのがよい。
【００１９】
ＣＶＩ工程２は、成形した繊維織物の表面に減圧雰囲気でＳｉＣマトリックス相を形成するＣＶＩ処理工程である。ＣＶＩ処理は、インターフェイスＣＶＩ工程とＳｉＣマトリクスＣＶＩ工程とからなる。インターフェイスＣＶＩ工程は、成形された繊維織物にカーボン（好ましくはグラファイトカーボン）又はＢＮ等をコーティングする工程である。コーティングの厚さは、０．１?１．０μｍ程度であるのがよい。かかるコーティング相は、特開昭６３?１２６７１号公報に開示されるように、マトリックスとセラミックス繊維とを分離し繊維のじん性を強化する役割を果たす。
【００２０】
ＳｉＣマトリクスＣＶＩ工程は、いわゆるＣＶＩ法（Chemical Vapor Infiltration：気相含浸法）で処理する工程であり、炉内に専用治具で固定された織物を加熱し、減圧雰囲気にて例えばメチルトリクロロシランを流入させてＳｉＣを合成させる。なお、この工程は必要に応じて繰り返し、ＣＶＩ処理で合成されるマトリックスの体積比率を約５％以上かつ約８０％以下にする。
【００２１】
ＰＩＰ工程３は、ＣＶＩ工程２で形成したマトリックス相の隙間に有機珪素ポリマーを基材として含浸する含浸工程とその後の焼成工程とからなる。含浸工程と焼成工程は、必要に応じて繰り返して行う。
【００２２】
加圧含浸工程４は、使用時の加圧方向に有機珪素ポリマーを加圧して前記マトリックス相の隙間に有機珪素ポリマーを含浸させる工程でありＰＩＰ含浸の一種である。加圧含浸工程４ではマトリックス相の隙間を通して有機珪素ポリマーがわずかに液洩れする圧力で所定時間保持する。この所定時間は、例えば２分間でも５分間でもよい。
【００２３】
加圧含浸工程４に使用する有機珪素ポリマーは、ポリカルボシラン溶液、ポリビニルシラン、ポリメタロカルボシラン等、或いはこれらとＳｉＣ粉末との混合物であるのがよい。これらの有機珪素ポリマーを用いて含浸し焼成する加圧含浸工程４により、微細な亀裂が存在するマトリックスを短時間に形成することができる。
【００２４】
焼成工程５は、使用温度附近の温度（例えば約１０００?１４００℃）で一定時間（例えば１時間以上）焼成する。加圧含浸工程４と焼成工程５を十分な気密性が得られるまで繰り返しおこなう。
【００２５】
図２は、本発明によるセラミックス基複合部材の製造装置の全体構成図である。また図3は、本発明によるセラミックス基複合部材の製造装置の別の全体構成図である。
図２及び図３に示すように、本発明のセラミックス基複合部材の製造装置１０は、保持装置１２、加圧供給装置１４、及び脱気装置１６からなる。
【００２６】
保持装置１２は、表面にＳｉＣマトリックス相を形成した繊維織物１１を水密に保持する。すなわち、この例では、繊維織物１１は中空円筒状部材であり、その両端部（上下端）の開口を耐溶液性のシールゴム１２ａを介して上下の挟持部材１２ｂで挟持し、両端部から有機珪素ポリマー８が漏れないようになっている。挟持圧力は、繊維織物１１に損傷を与えないように設定する。
また、図３に示すように、端部の板厚や形状の都合により、端部で挟持できないときは、繊維織物の内面部を利用して保持する。
【００２７】
加圧供給装置１４は、図２に示すように、有機珪素ポリマー８を収容した溶液容器１４ａ、溶液容器１４ａを気密に囲む気密容器１４ｂ、溶液容器１４ａ内の有機珪素ポリマー８を繊維織物１１の内側に導く供給管１４ｃ、等からなり、気密容器１４ｂ内を圧力媒体ガス（Ａｒ，Ｎ₂等）で加圧し、この圧力で溶液容器１４ａ内の有機珪素ポリマー８を押し上げて、繊維織物１１内に供給するようになっている。
【００２８】
また、図３に示すように、加圧供給装置１４は、有機珪素ポリマー８を収容したシリンダ１４dと、シリンダ１４d内の有機珪素ポリマー８を押し上げるピストン１４eと、シリンダ１４d内の有機珪素ポリマー８を繊維織物１１の内側に導く供給管１４ｃ等からなり、有機珪素ポリマー８を繊維織物１１内に供給するようになっている。
【００２９】
脱気装置１６は、この例では上部の挟持部材１２ｂに取り付けられた開閉弁であり、供給される有機珪素ポリマーに含まれる大量の気泡含有部分を除去した後に閉鎖する。なお、本発明は図２及び図３の構成に限定されず、例えば、全体を水平に配置し、或いは上下を逆に配置してもよい。
【００３０】
図２及び図３の製造装置１０によれば、保持装置１２により表面にＳｉＣマトリックス相を形成した繊維織物１１を水密に保持した状態で、加圧供給装置１４により繊維織物の使用時の加圧方向に有機珪素ポリマー８を圧力媒体ガスで加圧して供給するので、圧力媒体ガスの圧力調整により、繊維織物に有機珪素ポリマーをほぼ均一の圧力で供給することができる。また、使用時の加圧方向に有機珪素ポリマーを加圧して加圧含浸できるので、気密したい方向のマトリックス相の隙間に優先的にマトリックスを形成して、ＣＶＩ処理後の隙間を充填し、効率良く気密性を高めることができる。さらに、脱気装置１６により有機珪素ポリマーの表面に形成される大量の気泡含有部分を除去できるので、気泡を含まない均質の有機珪素ポリマーをマトリックス相の隙間に優先的に供給し、気密性の高いマトリックスを形成することができる。
【００３１】
【実施例】
以下、実施例を説明する。
１．チャンバの製造方法図１に示した製造方法により、ＳｉＣ／ＳｉＣチャンバを製造した。このチャンバ用のＳｉＣ繊維として、宇部興産製のチラノＬｏｘ？Ｍ繊維を使用した。この繊維をマンドレル上に編み、ＳｉＣマトリックスを含浸させた。また、マトリックスの含浸には、ＣＶＩ工程２と通常のＰＩＰ処理工程３と上述した加圧含浸工程４とを組み合わせた。
【００３２】
２．リーク試験
リーク試験は０．７ＭＰａで実施した。チャンバを水中に沈め、Ｎ₂ガスで加圧し、チャンバを通過したガスを捕獲しリーク量として計測した。シール部は、チャンバとチャンバスロートの間である。
【００３３】
リーク試験の結果を図４に示す。ＣＶＩ工程２でＣＶＩ処理を約１ケ月実施した後でも、全体の約２０％程度の空隙があり、全体で約０．０４ｍｍ²の孔に相当するリーク量があった。この量は、ＣＭＣとしては十分小さいが気密性を要する燃焼器（スラストチャンバ）、燃料配管等には不十分である。
【００３４】
次に、通常のＰＩＰ工程３を焼成を含めて約２０回実施した。この結果、リーク量は約１／７以下まで減少し、実用可能なレベルに達した。なお、このＰＩＰ処理工程３には、約１．５ケ月の処理期間を要した。
次いで、上述した加圧含浸工程４を３回実施した結果、リーク量は皆無となった。この処理期間は約１週間であった。
【００３５】
３．耐圧試験
加圧媒体として水を用い、４．５ＭＰａでチャンバの耐圧試験を実施した。シール方法はリーク試験と同様である。
耐圧試験は、３ＭＰａで１０分間保持後、最大圧力４．５ＭＰａとする加圧プロフィールで試験したが、リーク、変形、その他の損傷も検出されなかった。
【００３６】
４．燃焼試験方法
燃焼条件における耐熱性と耐酸化性を確認するために燃焼試験をロケット試験設備を用いて実施し、ＮＴＯ／Ｎ₂Ｈ₄を推進剤として使用した。またこの試験では、噴射膜冷却率が２６％と９％の２種を試験した。
４回の燃焼試験を実施し、最長使用時間は２２秒であった。また、チャンバ壁の計測最高温度は１４２４℃であった。
【００３７】
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種種変更できることは勿論である。
【００３８】
【発明の効果】
上述したように、参考例の方法は、繊維織物の表面にＳｉＣマトリックス相を形成した後に、加圧含浸工程を行う点に特徴がある。ＳｉＣマトリックス相は、例えばＣＶＩ処理により亀裂のない緻密なマトリックスをセラミックス繊維のまわりに形成することができる。次いで、ＰＩＰ処理により使用時の加圧方向に有機珪素ポリマーを加圧して加圧含浸することにより、マトリックス相の隙間に優先的にマトリックスを形成して、ＣＶＩ処理後の隙間を充填し、気密性を高めることができる。
【００３９】
更に、本発明の装置によれば、保持装置１２により表面にＳｉＣマトリックス相を形成した繊維織物１１を水密に保持した状態で、加圧供給装置１４により繊維織物の使用時の加圧方向に有機珪素ポリマー８を加圧して供給するので、圧力媒体ガスの圧力調整により、繊維織物に有機珪素ポリマーをほぼ均一の圧力で供給することができる。
【００４０】
また、使用時の加圧方向に有機珪素ポリマーを加圧して加圧含浸できるので、マトリックス相の隙間に優先的にマトリックスを形成して、ＣＶＩ処理後の隙間を充填し、気密性を高めることができる。さらに、脱気装置１６により有機珪素ポリマーの表面に形成される大量の気泡含有部分を除去できるので、気泡を含まない均質の有機珪素ポリマーをマトリックス相の隙間に優先的に供給し、気密性の高いマトリックスを形成することができる。
【００４１】
従って、本発明のセラミックス基複合部材の製造装置は、短期間に気密性を高めることができ、これによりスラストチャンバ等にも実用可能となる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】参考例のセラミックス基複合部材の製造方法を示すフロー図である。
【図２】本発明によるセラミックス基複合部材の製造装置の全体構成図である。
【図３】本発明によるセラミックス基複合部材の製造装置の別の全体構成図である。
【図４】ＣＭＣのリーク試験結果を示す図である。
【符号の説明】
１成形工程
２ＣＶＩ工程
３ＰＩＰ工程
４加圧含浸工程
５焼成工程
８有機珪素ポリマー
１０複合部材製造装置
１１繊維織物
１２保持装置
１２ａシールゴム
１２ｂ挟持部材
１４加圧供給装置
１４ａ溶液容器
１４ｂ機密容器
１４ｃ供給管
１４ｄシリンダ
１４ｅピストン
１６脱気装置

Claims

表面にＳｉＣマトリックス相を形成した繊維織物（１１）を水密に保持する保持装置（１２）と、繊維織物の使用時の加圧方向に有機珪素ポリマー（８）を加圧して供給する加圧供給装置（１４）とを備え、
前記保持装置は、中空円筒状の前記繊維織物を挟持する第１および第２の挟持部材を有し、第１の挟持部材は、前記繊維織物の一端側から他端側へ向けて、前記繊維織物を介して第２の挟持部材に力を作用させ、第２の挟持部材は、前記他端側から前記一端側へ向けて、前記繊維織物を介して第１の挟持部材に力を作用させ、
前記加圧供給装置は、有機珪素ポリマーを収容した溶液容器と、該溶液容器を気密に囲む気密容器と、前記溶液容器内の有機珪素ポリマーを前記繊維織物の内側へ導く供給管と、を有し、前記気密容器内を圧力媒体で加圧し前記溶液容器内の有機ポリマーを前記繊維織物内に供給するように構成されている、ことを特徴とするセラミックス基複合部材の製造装置。