JP5836050B2 - Method and apparatus for densifying porous structure - Google Patents
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Description
本発明は、多数の微細空洞を有する多孔質構造体を、例えば、宇宙機や高速飛翔体のノズルライナとしての使用に耐え得る高密度の多孔質構造体としたり、ブレーキディスクとしての使用に耐え得る高密度の多孔質構造体としたりするのに好適な多孔質構造体の高密度化方法及び高密度化装置に関するものである。 The present invention can make a porous structure having a large number of fine cavities, for example, a high-density porous structure that can withstand use as a nozzle liner of a spacecraft or a high-speed flying object, or can withstand use as a brake disk. The present invention relates to a high-density method and high-density device for a porous structure suitable for making a high-density porous structure.
従来、上記した多孔質構造体の高密度化方法としては、例えば、特許文献1に記載された方法が知られている。
この多孔質構造体の高密度化方法において、多数の微細空洞を有する多孔質構造体、例えば、カーボンから成る多孔質構造体を高密度化するに際しては、まず、多孔質構造体を炭化水素系の液相前駆体に浸漬し、次いで、グラファイトから成る加熱誘導体を誘導加熱(又は抵抗加熱)することで、液相前駆体とこの液相前駆体に浸漬させた多孔質構造体とを加熱して、これにより分解する液相前駆体の分解成分であるカーボン(又はグラファイト)を多孔質構造体の多数の微細空洞に含浸蒸着させるようになっている。
Conventionally, as a method for increasing the density of the porous structure described above, for example, the method described in
In this method for densifying a porous structure, when densifying a porous structure having a large number of fine cavities, for example, a porous structure made of carbon, first, the porous structure is converted into a hydrocarbon-based structure. Then, the liquid phase precursor and the porous structure immersed in the liquid phase precursor are heated by induction heating (or resistance heating) of the graphite derivative. Thus, carbon (or graphite), which is a decomposition component of the liquid phase precursor to be decomposed, is impregnated and deposited in a number of fine cavities of the porous structure.
ところが、上記した多孔質構造体の高密度化方法では、加熱誘導体を誘導加熱(又は抵抗加熱)することで、液相前駆体とこの液相前駆体に浸漬させた多孔質構造体とを加熱する場合において、強度的に難のあるグラファイトから成る加熱誘導体を用いているので、例えば、宇宙機のノズルライナに要求される高密度の多孔質構造体を製造することができない。
また、要求に近い多孔質構造体の高密度化を実現することができたとしても、グラファイトを用いる限り加熱誘導体の肉厚を厚くする必要があり、その結果、カーボンを成長させるための加熱に多くの時間を費やさなければならない、すなわち、製造に数日を要するという問題を有しており、これらの問題を解決することが従来の課題となっていた。
However, in the above-described method for densifying the porous structure, the heated derivative is heated by induction heating (or resistance heating) to heat the liquid phase precursor and the porous structure immersed in the liquid phase precursor. In this case, since a heated derivative made of graphite, which is difficult in strength, is used, for example, a high-density porous structure required for a spacecraft nozzle liner cannot be manufactured.
In addition, even if the density of the porous structure close to the requirement can be achieved, it is necessary to increase the thickness of the heated derivative as long as graphite is used, and as a result, heating for growing carbon is required. There is a problem that a lot of time has to be spent, that is, it takes several days to manufacture, and it has been a conventional problem to solve these problems.
本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、例えば、宇宙機のノズルライナに要求される高密度の多孔質構造体を製造することが可能であり、その製造に要する時間の大幅な短縮を実現することができる多孔質構造体の高密度化方法及び高密度化装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made by paying attention to the above-described conventional problems. For example, it is possible to manufacture a high-density porous structure required for a nozzle liner of a spacecraft. An object of the present invention is to provide a high-density method and high-density device for a porous structure that can realize significant shortening.
本発明の請求項1に係る発明は、多数の微細空洞(微細な孔を含む)を有する多孔質構造体、例えば、カーボンから成る多孔質構造体の前記多数の微細空洞にカーボンを含浸蒸着させて、該多孔質構造体を高密度化する方法であって、前記多孔質構造体を炭素繊維の3方向性プリフォームを高圧で等方的に圧縮して緻密化するHIP処理を複数回行って製造される密度が1.95g/cm3以上、望ましくは2.00g/cm3程度の高密度C/Cコンポジット(炭素繊維強化炭素複合材)から成る加熱誘導体で支持すると共に、該加熱誘導体に支持された前記多孔質構造体を液状の炭化水素である液相前駆体に浸漬した後、前記加熱誘導体を誘導加熱及び抵抗加熱のうちの少なくともいずれか一方で加熱して、前記液相前駆体とこの液相前駆体に浸漬させた前記多孔質構造体とを加熱し、この誘導加熱及び抵抗加熱のうちの少なくともいずれか一方の加熱により分解する前記液相前駆体の分解生成物を前記多孔質構造体の多数の微細空洞に含浸蒸着させる構成としたことを特徴としており、この多孔質構造体の高密度化方法の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。
In the invention according to
また、本発明の請求項2に係る多孔質構造体の高密度化方法において、前記液相前駆体の分解生成物を多数の微細空洞に含浸蒸着させて成る前記多孔質構造体は、これを支持する前記加熱誘導体と一体で製品化される構成としている。
さらに、本発明の請求項3に係る多孔質構造体の高密度化方法において、前記液相前駆体の分解生成物を多数の微細空洞に含浸蒸着させて成る前記多孔質構造体は、これを支持する前記加熱誘導体から分離されて別体で製品化される構成としている。
Further, in the method for densifying a porous structure according to
Furthermore, in the method for densifying a porous structure according to
一方、本発明の請求項4に係る発明は、多数の微細空洞を有する多孔質構造体の前記多数の微細空洞にカーボンを含浸蒸着させて、該多孔質構造体を高密度化する多孔質構造体の高密度化装置であって、液状の炭化水素である液相前駆体を収容する反応器と、前記反応器内に配置されて該反応器に収容された前記液相前駆体に前記多孔質構造体を浸漬させた状態で支持する密度が1.95g/cm3以上、望ましくは2.00g/cm3程度のC/Cコンポジットから成る加熱誘導体と、前記加熱誘導体を誘導加熱及び抵抗加熱のうちの少なくともいずれか一方で加熱して、前記反応器内において前記液相前駆体とこの液相前駆体に浸漬させた前記多孔質構造体とを加熱し、この誘導加熱及び抵抗加熱のうちの少なくともいずれか一方の加熱で分解する前記液相前駆体の分解生成物を前記多孔質構造体の多数の微細空洞に含浸蒸着させる電力供給部と、前記加熱誘導体の温度に応じて前記電力供給部からの供給電力量をコントロールする制御部を備えた構成としている。
On the other hand, the invention according to
本発明に係る多孔質構造体の高密度化方法及び高密度化装置において、液相前駆体には、炭化水素系の、例えば、シクロヘキサンを用いることができる。 In the porous structure densification method and the densification apparatus according to the present invention, hydrocarbon-based, for example, cyclohexane can be used as the liquid phase precursor.
また、本発明に係る多孔質構造体の高密度化方法及び高密度化装置において、加熱誘導体の形状はとくに限定されるものではなく、円柱状や円筒状や平板状の加熱誘導体とすることができ、加熱誘導体が円柱状や円筒状を成す場合には、周囲に多孔質構造体を嵌装するようにして支持し、加熱誘導体が平板状を成す場合には、一方の面に多孔質構造体を貼り付けるようにして支持する。 Further, in the method and apparatus for densifying a porous structure according to the present invention, the shape of the heating derivative is not particularly limited, and may be a columnar, cylindrical, or flat plate heating derivative. If the heating derivative has a columnar shape or a cylindrical shape, the porous structure is supported around the periphery, and if the heating derivative has a flat plate shape, the porous structure is formed on one side. Support as if pasting the body.
そして、円柱状の加熱誘導体の場合には、電極を介して直接通電すれば抵抗加熱することができ、外側に誘導コイルを配置すれば誘導加熱することができる。円筒状の加熱誘導体の場合には、誘導コイルを外側や内側に配置すれば誘導加熱することができ、平板状の加熱誘導体の場合には、電極を介して直接通電することで抵抗加熱することができる。 In the case of a cylindrical heating derivative, resistance heating can be performed by directly energizing through an electrode, and induction heating can be performed by arranging an induction coil on the outside. In the case of a cylindrical heating derivative, induction heating can be performed if the induction coil is disposed outside or inside. In the case of a flat heating derivative, resistance heating is performed by directly energizing through an electrode. Can do.
本発明に係る多孔質構造体の高密度化方法及び高密度化装置では、加熱誘導体に密度が1.95g/cm3以上、望ましくは2.00g/cm3程度の高密度C/Cコンポジットを用いているので、熱伝導率が高く(グラファイトと同程度の熱伝導率で)且つ熱衝撃に優れた加熱誘導体として機能することとなり、本発明の請求項2に係る多孔質構造体の高密度化方法のように、加熱誘導体が、液相前駆体の分解生成物を多数の微細空洞に含浸蒸着させて成る多孔質構造体と一体で製品化される場合には、例えば、宇宙機のノズルライナに要求される高密度の多孔質構造体を製造し得ることとなる。
In densified methods and densification apparatus of the porous structure of the present invention has a density in the heating derivative 1.95 g / cm 3 or more, a desirably high density C / C composite of about 2.00 g / cm 3 Therefore, the porous structure according to
一方、本発明の請求項3に係る多孔質構造体の高密度化方法のように、液相前駆体の分解生成物を多数の微細空洞に含浸蒸着させて成る多孔質構造体が加熱誘導体から分離されて別体で製品化される場合には、例えば、ブレーキディスクに要求される高密度の多孔質構造体を製造し得ることとなり、いずれの場合もこの高密度の多孔質構造体の製造に要する時間の大幅な短縮が図られることとなる。
On the other hand, as in the method for densifying a porous structure according to
本発明に係る多孔質構造体の高密度化方法及び高密度化装置では、上記した構成としているので、製造時間の大幅な短縮を実現したうえで、要求される高密度の多孔質構造体を製造することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。 In the porous structure densification method and the densification apparatus according to the present invention, since the above-described configuration is adopted, the required high-density porous structure is obtained after realizing a significant reduction in manufacturing time. The very good effect that it is possible to produce is brought about.
また、本発明の請求項2に係る多孔質構造体の高密度化方法では、上記した構成としているので、例えば、宇宙機のノズルライナに要求される高密度の多孔質構造体を製造することができ、一方、本発明の請求項3に係る多孔質構造体の高密度化方法では、上記した構成としているので、例えば、ブレーキディスクに要求される高密度の多孔質構造体を製造することが可能であり、いずれの場合も、この高密度の多孔質構造体の製造に要する時間の大幅な短縮を実現することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。
Further, in the method for densifying a porous structure according to
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図1は、本発明の一実施例による多孔質構造体の高密度化装置を示しており、この実施例において、多孔質構造体がカーボンプリフォームである場合を例に挙げて説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 shows an apparatus for densifying a porous structure according to an embodiment of the present invention. In this embodiment, a case where the porous structure is a carbon preform will be described as an example.
図1に示すように、この多孔質構造体の高密度化装置1は、液相前駆体Cを収容する反応器2と、この反応器2に液相前駆体Cを供給する前駆体供給ポンプ3と、反応器2内に配置されてこの反応器2に収容された液相前駆体Cに多孔質構造体であるカーボンプリフォームWを浸漬させた状態で支持する加熱誘導体4と、この加熱誘導体4に電極5a,5bを介して電力を供給することで抵抗加熱により加熱して、反応器2内において液相前駆体C及びこの液相前駆体Cに浸漬させたカーボンプリフォームWを加熱する電力供給部6と、反応器2の上端開口を塞ぐように配置されて上記加熱による反応で消費されない未分解の液相前駆体Cを凝縮する凝縮器7と、反応器2から液相前駆体Cを排出させる前駆体排出バルブ8を備えており、加熱誘導体4及び電力供給部6の間には、加熱誘導体4の温度に応じて電力供給部6からの供給電力量をコントロールする制御部10が配置してある。
As shown in FIG. 1, this porous
この場合、加熱誘導体4には、密度が1.99g/cm3で且つ熱伝導率が100W/M/Kの高密度C/Cコンポジットから成る円柱状のものを使用し、液相前駆体Cとして炭化水素系のシクロヘキサンを用いた。
In this case, the
円柱状を成す加熱誘導体4は、図2に示すように、アクリル繊維を使ったPAN系の炭素繊維又は石油や石炭などの副生成物を使ったピッチ系の炭素繊維を3次元に織って(炭素繊維を円柱状に形成して)3方向性プリフォームを形成する工程aと、易含浸性のピッチを用いるピッチ含浸工程bと、この工程bを経た3方向性プリフォームを高圧で等方的に圧縮するHIP処理を行うHIP処理工程cと、このHIP処理工程cを経た3方向性プリフォームを高温で黒鉛化する黒鉛化工程dを経て製造され、ピッチ含浸工程b,HIP処理工程c及び黒鉛化工程dを複数回(この実施例では10回)繰り返すことで、加熱誘導体4の緻密化及び高熱伝導率化を実現している。
As shown in FIG. 2, the
この多孔質構造体の高密度化装置1により多数の微細空洞を有するカーボンプリフォームWを高密度化するに際しては、図3に示すように、ブロックB1においてカーボンプリフォームWを密度が1.99g/cm3の高密度C/Cコンポジットから成る円柱状の加熱誘導体4で支持すると共に、この加熱誘導体4に支持されたカーボンプリフォームWをブロックB2において液相前駆体Cに浸漬させる。
When densifying the carbon preform W having a large number of fine cavities using the porous structure densifying
この後、ブロックB3において加熱誘導体4に電極5a,5bを介して電力供給部6から電力(10〜40kHzの高周波電流)を供給することで抵抗加熱により1000〜1300℃に加熱して、反応器2内において液相前駆体C及びこの液相前駆体Cに浸漬させたカーボンプリフォームWを加熱し、この加熱により分解する液相前駆体Cの分解生成物をカーボンプリフォームWの多数の微細空洞に含浸蒸着させると、カーボンプリフォームWの高密度化が成されることとなる。
Thereafter, in block B3, the
この間、電力供給部6から加熱誘導体4への供給電力量は、加熱誘導体4の温度に応じて制御部10によりコントロールされ、未分解炭化水素は凝縮器7で凝縮され、分解された水素は排気口9を介して外部に放出される。
During this time, the amount of power supplied from the power supply unit 6 to the
このように、本実施例に係る多孔質構造体の高密度化装置1では、加熱誘導体4として、炭素繊維の3方向性プリフォームを高圧で等方的に圧縮して緻密化するHIP処理を複数回行って成る密度が1.99g/cm3の高密度C/Cコンポジットを用いているので、熱伝導率が高く且つ熱衝撃に優れた加熱誘導体4として機能し、加えて、この高密度のカーボンプリフォームWの製造に要する時間の大幅な短縮が図られることとなる。
As described above, in the porous
そこで、加熱誘導体4に密度が1.99g/cm3の高密度C/Cコンポジットを用いた本実施例に係る多孔質構造体の高密度化装置1と、加熱誘導体として密度が1.74g/cm3のC/Cコンポジットを用いた比較例1に係る高密度化装置と、加熱誘導体として密度が1.7g/cm3程度のグラファイトを用いた従来タイプの比較例2に係る高密度化装置によって、それぞれカーボンプリフォームWの高密度化を行った。本実施例及び比較例1,2の各加熱誘導体の仕様及び結果を表1に示す。
表1から判るように、本実施例に係る多孔質構造体の高密度化装置1では、製品密度が1.74g/cm3のカーボンプリフォームWが約20時間という短時間で得られたのに対して、比較例1に係る高密度化装置では、製品密度が1.70g/cm3のカーボンプリフォームWを得るのに5日という長い期間を要し、さらに、加熱誘導体としてグラファイトを用いた従来タイプの比較例2に係る高密度化装置にいたっては、製品密度が1.68g/cm3のカーボンプリフォームWを得るのに6日を要したうえ、グラファイト製の加熱誘導体自体が破損した。
As can be seen from Table 1, in the porous
このことから、本実施例に係る多孔質構造体の高密度化装置1では、製造時間の大幅な短縮を実現しつつ、高密度のカーボンプリフォームWを製造し得ることが実証できた。 From this, it was proved that the high-density carbon preform W according to the present example can produce the high-density carbon preform W while realizing a significant reduction in the production time.
上記した実施例では、液相前駆体Cとして、炭化水素系のシクロヘキサンを用いた場合を示したが、これに限定されるものではない。 In the above-described embodiments, the case where hydrocarbon-based cyclohexane is used as the liquid phase precursor C is shown, but the present invention is not limited to this.
また、上記した実施例では、加熱誘導体4が円柱状を成している場合を示したが、これに限定されるものではなく、円筒状や平板状の加熱誘導体を採用することができ、加熱誘導体が円筒状を成す場合には、周囲に多孔質構造体を嵌装するようにして支持し、加熱誘導体が平板状を成す場合には、一方の面に多孔質構造体を貼り付けるようにして支持する。
Moreover, although the case where the
さらに、上記した実施例では、円柱状の加熱誘導体4に、電極5a,5bを介して直接通電することで抵抗加熱する場合を示したが、これに限定されるものではなく、他の構成として、例えば、図4に示すように、周囲にカーボンプリフォームWを嵌装した円柱状の加熱誘導体14の外側に誘導コイル15を配置すれば誘導加熱することができるほか、図5に示すように、円筒状の加熱誘導体24の場合には、周囲にカーボンプリフォームWを嵌装した加熱誘導体24の内側に誘導コイル25を配置すれば誘導加熱することができる。
Further, in the above-described embodiment, the case where resistance heating is performed by directly energizing the
ここで、図5に示す円筒状の加熱誘導体24の周囲にカーボンプリフォームWを嵌装するように成す場合において、このカーボンプリフォームWとこれを支持する加熱誘導体24とが一体で製品化されるようにしてもよく、このようにすることで、例えば、高密度が要求される宇宙機のノズルライナを製造し得ることとなり、一方、カーボンプリフォームWがこれを支持する加熱誘導体から分離されて別体で製品化されるようにしてもよく、この場合には、例えば、高密度が要求されるブレーキディスクを製造し得ることとなる。
Here, in the case where the carbon preform W is fitted around the
本発明に係る多孔質構造体の高密度化方法及び高密度化装置の構成は、上記した実施例の構成に限定されるものではない。 The configurations of the porous structure densification method and the densification device according to the present invention are not limited to the configurations of the above-described embodiments.
1 多孔質構造体の高密度化装置
2 反応器
4,14,24 加熱誘導体
6 電力供給部
10 制御部
C 液相前駆体
W カーボンプリフォーム(多孔質構造体)
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記多孔質構造体を炭素繊維の3方向性プリフォームを高圧で等方的に圧縮して緻密化するHIP処理を複数回行って製造される密度が1.95g/cm3以上の高密度C/Cコンポジットから成る加熱誘導体で支持すると共に、該加熱誘導体に支持された前記多孔質構造体を液状の炭化水素である液相前駆体に浸漬した後、
前記加熱誘導体を誘導加熱及び抵抗加熱のうちの少なくともいずれか一方で加熱して、前記液相前駆体とこの液相前駆体に浸漬させた前記多孔質構造体とを加熱し、
この誘導加熱及び抵抗加熱のうちの少なくともいずれか一方の加熱により分解する前記液相前駆体の分解生成物を前記多孔質構造体の多数の微細空洞に含浸蒸着させる
ことを特徴とする多孔質構造体の高密度化方法。 A method of densifying and vapor-depositing carbon in a large number of fine cavities of a porous structure having a large number of fine cavities, thereby densifying the porous structure,
High density C having a density of 1.95 g / cm 3 or more manufactured by performing HIP treatment for densifying the porous structure by compressing a three-way carbon fiber preform isotropically at high pressure. After being supported by a heated derivative comprising a / C composite and immersing the porous structure supported by the heated derivative in a liquid phase precursor that is a liquid hydrocarbon ,
Heating the heated derivative at least one of induction heating and resistance heating to heat the liquid phase precursor and the porous structure immersed in the liquid phase precursor;
A porous structure characterized in that a decomposition product of the liquid phase precursor that decomposes by heating at least one of induction heating and resistance heating is impregnated and deposited in a number of fine cavities of the porous structure. Body densification method.
液状の炭化水素である液相前駆体を収容する反応器と、
前記反応器内に配置されて該反応器に収容された前記液相前駆体に前記多孔質構造体を浸漬させた状態で支持する密度が1.95g/cm3以上のC/Cコンポジットから成る加熱誘導体と、
前記加熱誘導体を誘導加熱及び抵抗加熱のうちの少なくともいずれか一方で加熱して、前記反応器内において前記液相前駆体とこの液相前駆体に浸漬させた前記多孔質構造体とを加熱し、この誘導加熱及び抵抗加熱のうちの少なくともいずれか一方の加熱で分解する前記液相前駆体の分解生成物を前記多孔質構造体の多数の微細空洞に含浸蒸着させる電力供給部と、
前記加熱誘導体の温度に応じて前記電力供給部からの供給電力量をコントロールする制御部を備えた
ことを特徴とする多孔質構造体の高密度化装置。 A porous structure densifying device for impregnating and vapor-depositing carbon in the numerous fine cavities of a porous structure having many fine cavities, and densifying the porous structure,
A reactor containing a liquid phase precursor which is a liquid hydrocarbon;
The reactor in disposed in said porous structures you supported while immersed density is 1.95 g / cm 3 or more C / C composite in the contained the liquid phase precursor into the reactor A heated derivative consisting of
The heated derivative is heated by at least one of induction heating and resistance heating to heat the liquid phase precursor and the porous structure immersed in the liquid phase precursor in the reactor. A power supply unit for impregnating and vapor-depositing a decomposition product of the liquid phase precursor, which is decomposed by at least one of induction heating and resistance heating, into a plurality of fine cavities of the porous structure;
A device for densifying a porous structure, comprising: a control unit that controls an amount of power supplied from the power supply unit according to a temperature of the heating derivative.
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