JP6009758B2 - 三次元繊維プリフォームの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、三次元繊維プリフォームの製造方法に関する。特に、本発明の適用分野は、炭素−炭素複合材料から環状物品を作製、特にブレーキディスクを作製する、ための三次元繊維プリフォームを製造することである。

複合材料、特に炭素繊維補強材および炭素マトリックスを有する複合材料（炭素−炭素複合材料）、から製造されるブレーキディスクは、よく知られている。それらを作製することは、環状繊維プリフォームを製造し、マトリックスとともに緻密化することを含む。

繊維プリフォームは、繊維シートの層（layers またはplies)）を積層することにより、そしてその層を一緒に結合することにより、典型的にはニードリングすることにより、製造される。繊維シートは線状であってもよく、そこではプリフォームの環形状は、繊維シートを積層して製造されるブロックからディスクを切り出すことにより得られる。あるいは、繊維シートは、らせん状であってもよく、プリフォームの環形状は繊維シートの層を積層およびニードリングすることにより直接に得られる。

このようにして得られる環状繊維プリフォームは、化学蒸着浸透（chemical vapor
infiltration）（CVI）により、または液相法（マトリックス前駆体である樹脂で含浸し、樹脂を熱分解する）により、緻密化されるのが一般的である。

本発明は上記の問題を解決するために、緻密化の速度が改良され得、繊維シートの或る層における繊維密度を増加させることにより繊維プリフォームの電磁特性を部分的に変更することができる、繊維プリフォームの製造方法を提案することである。

本発明は、上記課題を解決するために以下の発明を提供する。

炭素−炭素複合材料から環状物品を作製するための三次元繊維プリフォーム製造方法であり、その方法は炭素の糸またはトウから構成される繊維シートを積層すること、およびそれらを一緒に結合するために重ね会わされたままで1つずつ層をニードリングすることにあり、その方法はさらに繊維プリフォームの半分厚さに位置される繊維シート層の繊維密度を増加させることにより繊維プリフォームの電磁特性を部分的に変更することを特徴とする、三次元繊維プリフォーム製造方法。

本発明によれば、緻密化の速度が改良され得る、繊維プリフォームの製造方法が提供され、繊維シートの或る層における繊維密度を増加させることにより繊維プリフォームの電磁特性を部分的に変更することができる。

本発明の目的は、本発明により、繊維シートの或る層における繊維密度を増加させることにより繊維プリフォームの電磁特性を部分的に変更するように、準備がなされる。繊維密度は、繊維シートを構成する炭素の糸またはトウの性質を変えることなく、部分的に増加される。この増加は、プリフォームの特定の帯域で供される電磁カップリングを向上させるのに役立つ。この帯域を適切に選ぶことにより、膜沸騰によるプリフォームの緻密化を促進することができる。

有利には、繊維密度は繊維プリフォームの半分厚さに位置される繊維シートの層について増加される。プリフォームの半分厚さにおいて電磁カップリングを向上させることにより、そのようなプリフォームの緻密化はプリフォームのこの帯域で始まり、緻密化の前端はプリフォームの厚さの半分のみを通過する必要がある。これは一層速い緻密化サイクルを生じさせる。

本発明のもう１つの実施態様において、繊維密度が増加される、繊維シート層は、他の層が供されるニードリングのパラメータとは異なるパラメータでニードリングに供される。

このように、繊維密度が増加される繊維シートの層は、他の層が供されるニードリングのニードリング密度よりも大きいニードリング密度で、ニードリングに供される。たとえば、これらの層は、約５０〜７０ストローク/ｃｍ^２程度、好ましくは約６０ストローク/ｃｍ^２のニードリング密度でニードリングに供され、他の層は、約２０〜４０ストローク/ｃｍ^２、好ましくは約３０ストローク/ｃｍ^２のニードリング密度でニードリングに供される。

あるいは、繊維密度が増加される繊維シートの層は、他の層が供されるニードルの侵入深さより大きい侵入深さでニードリングに供される。たとえば、これらの層は１４．５ｍｍ〜１５．５ｍｍの範囲にあるニードル侵入深さでニードリングに供され、他の層は約１２．５ｍｍのニードル侵入深さでニードリングに供される。

本発明のもう１つの実施態様において、繊維密度が増加される繊維シートの層は、他の層よりも大きい質量を示す。たとえば、これらの層は、１１００ｇ/ｍ^２のオーダーの質量（たとえば１０００〜１２００ｇ/ｍ^２）を示し得るが、他の層は７００ｇ/ｍ^２のオーダーの質量（たとえば６００〜８００）を示す。

本発明は、特に、炭素−炭素（C-C）複合材料からブレーキディスクを作製するのに使用する（限定されない）ための三次元繊維プリフォームの製造に関する。

複合材料、特に炭素繊維補強材料および炭素マトリックスを有する複合材料（炭素−炭素複合材料）、からのブレーキディスクの作製は、繊維シートから環状繊維プリフォームを製造すること（それぞれは炭素の糸またはトウから構成される）、およびマトリックスとともに環状繊維プリフォームを緻密化することを含む。

特に本発明が適用される、緻密化のもう１つの公知の方法は、膜沸騰（film-boiling）である。これは２つのらせん誘導コイルの間の反応器内に環状繊維プリフォームを置くことにあり、反応器は大気温度で液体である炭素前駆体で充たされる。その結果、プリフォームと誘導コイルは、液体に完全に浸漬される。ついで、プリフォームは、内部温度が約１０００℃に達するまで電磁カップリングにより加熱され、それによりプリフォーム内の前駆体を分解し、その結果炭素マトリックスが堆積される。

従来ブレーキディスクの作製に用いられているCVI緻密化と比べて、膜沸騰緻密化の利点は、緻密化の高速度にある（気相法を用いる緻密化より約１００倍速い）。これらの反応動力学は、沸騰している、前駆体により冷却されるプリフォームの芯と表面間の急勾配の温度傾斜を設定することによりなされ得る。このようにして、緻密化は、CVIにより緻密化を実施するときに生じるように、材料の表面よりも芯において優先的に生じ、それにより速い反応動力学を生じさせる条件を使用することを可能にする。

この特別な緻密化の方法は、プリフォーム自体の特性と密接に関係する、特に繊維補強材の形態、使用される繊維の種類、プリフォーム内の欠陥等、すべては電磁カップリング内に発生される温度プロファイル、およびプリフォームが緻密化される速度に有意の影響を有する。

緻密化が膜沸騰により実施されるとき、環状繊維プリフォームは、一般的な方法により、２つのらせん状誘導コイルの間の反応容器内に置かれる。ついで、反応容器は、プリフォームおよび誘導コイルを十分に浸漬するように、大気温度で液体である炭素前駆体で充たされる。

プリフォームは電気伝導性である糸またはトウで製造されるので、内部温度が約１０００℃に達するまで、電磁カップリングにより直接に加熱され得、それによりプリフォームに前駆体内で分解を生じさせ、ついで炭素マトリックスを堆積させる。

膜沸騰プロセスを促進するために、本発明は、繊維プリフォームの特定帯域において、この操作の間、電磁カップリングを向上させようとするものである。

この目的のために、本発明は、繊維プリフォームを形成する、或るシートの繊維密度を−したがって、電気伝導度を、増加させることにより繊維の電磁特性部分的に変更させるための準備をする。

完全には、繊維プリフォームは環状であるので、繊維密度の部分的増加は、プリフォームの中間厚さに位置されるシートに関する。

本発明により製造される繊維プリフォームの２つの実施態様は、以下のとおりである。どんな実施態様でも、本発明の繊維プリフォームのシートについての繊維密度の部分的増加は、繊維シートにおける糸またはトウの性質を変えることなく達成されることが観察されるべきである。

例１ ニードリングパラメータの変更で線状シートからの繊維プリフォームの製造
この例において、繊維プリフォームは炭素の糸またはトウ、たとえば酸化されたポリアクリロニトリル（PAN）フィラメントのトウから構成された二次元線状シートより製造される。線状シートの層は、ニードリング台上で互いに積層され、ブロックを形成するために、重なり合うように１つずつニードリングされる。ついで、環状繊維プリフォームがブロックから切り出される。

繊維プリフォームを製造する間に使用されるニードリング台自体はよく知られており、したがってここでは詳しく説明しない。概略は、台は、線状シートがその上に置かれる水平な作業面、作業面上にシートを駆動する手段、ならびに作業面に対して垂直に往復運動するニードリングヘッド、を含む。

ニードリングヘッドは、プリフォームの接着された層から繊維を取り、層を通ってプリフォームに侵入させるためのとげ（barbs）、フックまたはフォークを備えるニードルを持つ。さらに、毎時、新しい層がニードリングされ、ニードリング台の作業面は適切な駆動手段によりニードリングされた層の厚さに対応する、所定の下方へのステップを通って垂直に移動される。

そのような台を用いるときに変更され得るニードリングパラメータは、特定のニードリング速度、すなわちニードリングヘッドの下を通過するにつれてニードリングのために層の受ける平方センチメーター（ｃｍ^２）あたりのストローク数、およびプリフォームへのニードルの侵入深さ、を含む。

この実施態様において、繊維プリフォームは線状シートの２１層の積層から製造され、シートは酸化されたＰＡＮフィラメントのトウから構成されている。

線状シートの最初の２層が重ね合わせられ、ついでニードリング密度３０ストローク/ｃｍ^２およびニードル侵入約１２．５ｍｍで一緒にニードリングされる。

次の７層は同一のニードリング密度（３０ストローク/ｃｍ^２）を用いて１つずつ積層され、ニードリングされるが、ニードルの侵入深さが一定、すなわち約１２．５ｍｍのままであることを確実にするような方法で、台の作業面を下方に移動させる。

次の３層（すなわち、第１０層、１１層、および１２層）は９層の上に重ね合わせられ、9層をニードリングするために使用されるよりも大きいニードリングみつどで１つずつニードリングされ、その結果、これらの層における繊維密度を増加させる。

たとえば、ニードリング密度６０ストローク/ｃｍ^２が、ニードルの侵入深さが１２．５ｍｍのままであることを確実にするために、ニードリング台の作業面を下方に移動させるようにプログラムさせて、選ばれる。

プリフォームの中央厚さに位置される３層により受け取られるｃｍ^２当たりのストローク数の増加は、３層が自動的にニードリングヘッドの下を通るにつれて、これらの層を通過するニードルの数、そして下にある層からこれらの３つの層に移動される繊維の数を増加させるのに役立つことは容易に理解され得る。

最後に、次の９層は最初の１２層上に積層され、最初の９層で使用されたのと同一のニードリング密度およびニードル侵入深さを用いて１つずつニードリングされる。

この実施態様の変形において、ニードリング密度は線状シートの２１層のすべてと同一のままであり、プリフォームの半分厚さに位置される3層（すなわち、第１０層、１１層、および１２層）は、他の層に適用されるニードリングに使用される深さよりも大きい侵入深さを有するニードルでニードリングに供される。

たとえば、侵入深さはこれらの３層に対して１４．５ｍｍ〜１５．５ｍｍの範囲にあるニードルのために選ばれ、そこでは繊維密度を増加させるのが望ましいが、他の層は約１２．５ｍｍのニードル侵入深さでニードリングに供される。

この変形において、プリフォームの半分厚さに位置される３層について、ニードリング台のニードルはもっと深くプリフォームに侵入するが、ニードルはニードリングヘッドの下を通る。このように、比較的多数の繊維が下にある層からこれらの３層に移動される。これはそれらの繊維密度を増加させる。

その結果、このような方法で形成された繊維プリフォームの半分厚さに位置される３層は、プリフォームの最初の9層および最後の９層の繊維密度よりも大きい繊維密度を示し、この繊維密度の増加は線状繊維シートを構成する炭素トウの性質を変えないで得られる。

ついで、環状繊維プリフォームはこのようにして得られたままの板から切り出され、上記のように、２つのらせん状誘導コイルの間の膜沸騰反応器内に置かれる。各環状繊維プリフォームは半分厚さで比較的大きい繊維密度を有するので、膜沸騰操作の間、電磁カップリングはその帯域において向上される。その結果、プリフォームの緻密化は半分厚さの帯域で始まり、緻密化前端は、プリフォームの厚さの半分のみを通過する必要がある。これはプリフォームの緻密化全体の加速を生じさせる。
例２ シートの質量を変更してらせん状シートからの繊維プリフォームの製造
この実施態様において、最初の環状繊維プリフォームは二次元らせん状シートから製造され、それぞれは炭素の糸またはトウ、たとえば酸化されたポリアクリロニトリル（PAN）フィラメントのトウから構成される。このようならせん状シート自体はよく知られているのでここでは詳しく説明しない。

これらのらせん状シートの層は円形のニードリング台上で互いに積層され、環状繊維プリフォームを直接に形成するために重ね合わせられように徐々に互いにニードリングされる。

この実施態様で用いられる円形のニードリング台は上記のものと操作に関して実質的に同一であり、したがって詳しくは説明しない。必要であれば、その態様を説明するＷＯ０２/０８８４５１を参照され得る。

最初に、異なる質量を有する、2種類のらせん状シートが用意される。たとえば、１つのシートは７００ｇ/ｍ^２の質量であり、残りは１１００ｇ/ｍ^２の質量である。１１００ｇ/ｍ^２の質量のシートは、シートの作製時に、1方向、たとえば円周方向に延びる炭素トウの量を増加させることにより得られ得る。したがって、このシートは７００ｇ/ｍ^２の質量のシートよりも大きい繊維密度を示す。

７００ｇ/ｍ^２のシートの９層は最初に積層され、同一のニードリング密度で互いにニードリングされるが、台の作業面はニードルが一定深さに侵入することを確実にするために下方に移動される。たとえば、ニードリング密度４５ストローク/ｃｍ^２が、ニードル侵入深さ約１２ｍｍとともに選択される。

ついで、７００ｇ/ｍ^２のシートは１０００ｇ/ｍ^２のシートにより替えられる。ついで、このらせん状シートの３層（すなわち、プリフォームの第１０層、１１層、および１２層）は最初の９層上に重ね合わせられ、プリフォームの中央層を構成するように同一のニードリングパラメータ（ニードリング密度４５ストローク/ｃｍ^２、およびニードル侵入深さ約１２ｍｍ）で1つずつニードリングされる。

ついで、７００ｇ/ｍ^２のシートは、ニードリング台上にもう1度置かれ、このシートの新たな９層は他の層上に重ね合わせられ、同一のニードリングパラメータで１つずつニードリングされる。

このような方法で製造された繊維プリフォームの半分厚さに位置される３つの層は、プリフォームの最初の9層および最後の９層の繊維密度よりも大きい繊維密度を示し、これは線状シートを構成するトウの性質を変えないで繊維密度を増加させる。

ついで、このようにして得られたままの環状繊維プリフォームは、上記のように２つのらせん状誘導コイルの間の膜沸騰反応容器内に置かれる。このプリフォームは半分厚さで比較的大きい繊維密度を有するので、膜沸騰操作時に電磁カップリングはこの帯域で向上される。その結果、プリフォームの緻密化は半分厚さの帯域で始まり、各緻密化前端は、プリフォームの厚さの半分のみを通過する必要がある。これはプリフォームの緻密化全体の加速を生じさせる。

あるいは、同一の７００ｇ/ｍ^２のシートは繊維プリフォームの２１層すべてを製造するのに使用され得、ついで同一の種類の付加的トウが、第１０層、１１層、および１２層におけるニードリング時に組み込まれ、これらの層の質量を増加させる。

たとえば、7つの円周方向トウ（いわゆる０度トウ）および１０の横断方向トウ（いわゆる６０度トウ）から構成されるシートで、このシートは幅１０ｃｍ、質量７００ｇ/ｍ^２であり、第１０層、１１層、および１２層のニードリングの間に、５つの付加的トウを組み込むことが可能である。シートを形成し、３．８ｇ/ｍの質量のと同一のトウを使用することにより、得られるプリフォームの第１０層、１１層、および１２層の質量は、１９０ｇ/ｍ^２増加する。

実際には、組み込まれる０度トウは、第１０層のニードリングのときに最初にシート上に固定される（たとえばニードリング、接着、またはブローイングにより固定）。ついで、第１０層、１１層、および１２層はこれらの付加的なトウとともにニードリングされ、さらに第１２層のニードリングの後に切断される。

本発明によれば、炭素/炭素複合材料から環状物品を作製、特にブレーキディスクを作製する、ための三次元繊維プリフォームを製造することができる。

Claims (4)

1. 炭素−炭素複合材料から環状物品を作製するための三次元繊維プリフォーム製造方法であり、その方法は炭素の糸またはトウから構成される繊維シートを積層すること、およびそれらを一緒に結合するために重ね会わされたままで1つずつ層をニードリングすることにあり、その方法はさらに繊維プリフォームの半分厚さに位置される繊維シート層の繊維密度を増加させることにより繊維プリフォームの電磁特性を部分的に変更することを特徴とし、
   繊維密度が増加される繊維シート層が、他の層が供されるニードリングのニードリング密度よりも大きいニードリング密度で、および他の層が供されるニードルの侵入深さと同一の侵入深さで、または
   他の層が供されるニードルの侵入深さより大きい侵入深さで、および他の層が供されるニードリング密度と同一のニードリング密度で、ニードリングに供される、
   三次元繊維プリフォームの製造方法。
2. 繊維密度が増加される繊維シート層が、６０ストローク/ｃｍ^２のニードリング密度でニードリングに供され、他の層は３０ストローク/ｃｍ^２のニードリング密度でニードリングに供される請求項１に記載の方法。
3. 繊維密度が増加される繊維シートの層は、１４．５ｍｍ〜１５．５ｍｍの範囲にあるニードル侵入深さでニードリングに供され、他の層は１２．５ｍｍのニードル侵入深さでニードリングに供される請求項１に記載の方法。
4. 炭素−炭素複合材料から環状物品を作製する方法であり、その方法は、
   −請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法により三次元繊維プリフォームを製造すること、ならびに
   −膜沸騰法により炭素マトリックスの堆積によって繊維プリフォームを緻密化すること、を含む。