JP6261275B2 - 積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えばボディアーマーと呼ばれる防弾チョッキ等の素材、船舶や航空機の被弾に対する耐衝撃用材料として有用な、軽量かつ耐衝撃性及び破壊靭性に優れた低コストの積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料の製造方法に関する。

例えば、緻密で強度および靱性値に優れており、特に高温下において優れた機械的特性と信頼性とを必要とする航空機部品、ガスタービン部品、原子力部品等の構造用材料として利用される積層型セラミック複合材料が知られている（特許文献１参照）。

特許２９９７８６８号公報

上記積層型セラミック複合材料は、セラミックス連続長繊維のヤーン（糸束）を複数本、任意の幅に水平に並べて連続的に引張りながら、ガラス組成の焼結助剤を含むマトリックス充填用セラミックスのスラリー中を含浸・通過させ、キャリアフィルム上に任意の幅に水平に並べて固着・乾燥させて、セラミックス長繊維補強の生セラミックスのモノレイヤーシート状のプリプレグを作製し、このプリプレグを複数枚任意方向に積層・加圧し、セラミックス長繊維の熱劣化温度以下の温度で焼結して複合化することで製造されるようになっている。

このような積層型セラミック複合材料は、上述したような技術分野の構造用材料として使用するには非常に適している。しかしながら、連続長繊維のヤーンを複数本任意の幅に水平に並べて連続的に引っ張りながら構成されているため、例えば図４に示すように、このようなプリプレグ２０を複数枚任意に積層しても、非常で高速で局所的な部位に当たるいわゆるピストルやライフル等の弾丸Ｂは、それぞれの平行に配列したヤーンが２１ａを押し広げて貫通してしまう場合がある。このような不具合は、例えば図５に示すように、それぞれが任意の幅に水平に並べて連続に引っ張りながら構成されたセラミックス連続長繊維のヤーン２１ａ，３１ａの構造を有するマトリックスの積層時にそれぞれのヤーンの交差角度を変えて構成した状態であっても、局所的な部位に弾丸Ｂが当たった場合、各ヤーン２１ａ，３１ａの間を押し広げて弾丸Ｂは積層したプリプレグ２０，３０を貫通してしまう虞がある。

一方、一般的に防弾チョッキ等は、例えばケブラー（登録商標）繊維とステンレス鋼板等で構成され、ケブラー（登録商標）繊維を弾丸が突き破ってもステンレス鋼板が弾丸の進行方向に凹んで変形することによって、弾丸が防弾チョッキを貫通するのを阻止するようになっている。しかしながら、ステンレス鋼板の凹み量が大きいと、その反対側の突出部の突出量が大きくなることで防弾チョッキの装着者の身体に損傷を与えるので、この弾丸の凹み量があまり大きくならないように安全規格等で厳密に定められている。従って、現状の防弾チョッキは、このような危険性を有していると共に、上述のような鋼板の凹み量が規格量に収まるようにし、装着者への危険性を回避しようとすると、必要以上に厚みのあるステンレス鋼板を備えざるを得ず、その分ステンレス鋼板自体の重量が重くなるため、装着者の俊敏な動きを妨げ、本来の防弾チョッキとしての機能を十分果たさなくなってしまう。

本発明の目的は、いわゆるボディアーマーと言われる防弾チョッキ等の素材、船舶や航空機の被弾に対する耐衝撃用材料として有用な、軽量かつ耐衝撃性及び破壊靭性に優れた低コストの積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料の製造方法を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料の製造方法は、
織布、編み構造布、組み紐構造布の少なくとも何れかからなり、かつ所定寸法を有するセラミックテキスタイルを用意し、
焼結温度がセラミックス長繊維の熱劣化温度以下とならしめるための焼結助剤としての役目を果たすガラス組成の助剤を配合したマトリックス充填用セラミックスのスラリーを前記セラミックテキスタイルに含浸させることでプリプレグ中間体を作製し、
前記プリプレグ中間体を真空脱泡装置内に入れて当該真空脱泡装置内で真空度及び脱泡時間を調整することにより前記プリプレグ中間体に内包する気泡量を制御した後、これを乾燥させることでセラミックス長繊維補強の生セラミックスのプリプレグを作製し、
前記プリプレグを複数枚任意方向に積層・加圧して焼結することで前記複数枚のプリプレグを複合一体化させることによって、防弾素材として使用可能な防弾素材用積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料を製造することを特徴としている。
また、本発明の請求項２に記載の積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料の製造方法は、
織布、編み構造布、組み紐構造布の少なくとも何れかからなり、かつ所定寸法を有するセラミックテキスタイルを用意し、
焼結温度がセラミックス長繊維の熱劣化温度以下とならしめるための焼結助剤としての役目を果たすガラス組成の助剤を配合したマトリックス充填用セラミックスのスラリーを前記セラミックテキスタイルに含浸させることでプリプレグ中間体を作製し、
前記プリプレグ中間体を真空脱泡装置内に入れて当該真空脱泡装置内で真空度及び脱泡時間を調整することにより前記プリプレグ中間体に内包する気泡量を制御した後、これを乾燥させることでセラミックス長繊維補強の生セラミックスのプリプレグを作製し、
前記プリプレグを複数枚任意方向に積層・加圧して焼結することで前記複数枚のプリプレグを複合一体化させることによって、高温下で利用する構造材料用積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料を製造することを特徴としている。

このような製造方法により、積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料がセラミック長繊維のセラミックテキスタイルを積層させた形態をとっているため、従来の積層型セラミックス複合材料とは異なり、弾丸等が局所的に当たっても破壊し難い耐衝撃性に優れた性質を有することになる。

また、このようなセラミックテキスタイルにスラリーを含浸させた後に、これに内包する気泡量を真空脱泡装置で制御しているので、内包するボイドに起因する界面損傷を回避でき、上述した耐衝撃性や破壊靭性を好ましい特性の範囲に留めることができるようになる。

また、本発明の請求項３に記載の積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料の製造方法は、請求項１又は請求項２に記載の積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料の製造方法において、
前記プリプレグを作製するにあたって、キャリアフィルム上に前記セラミックテキスタイルを所定の幅を保ったまま載せた状態で、前記焼結温度がセラミックス長繊維の熱劣化温度以下とならしめるための焼結助剤としての前記ガラス組成の助剤を配合したマトリックス充填用セラミックスのスラリー中に前記セラミックテキスタイルを含浸させながら通過させることで、セラミックス長繊維補強の生セラミックスのプリプレグを作製することを特徴としている。

このような製造方法により、大きな構造を有するプリプレグを連続的に作製でき、ひいては積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料を連続的に製造することができる。

また、本発明の請求項４に記載の積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料の製造方法は、請求項１又は請求項２に記載の積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料の製造方法において、
オープンモールド内において前記焼結温度がセラミックス長繊維の熱劣化温度以下とならしめるための焼結助剤としての前記ガラス組成の助剤を配合したマトリックス充填用セラミックスのスラリーを前記セラミックテキスタイルに含浸・固着させたことを特徴としている。

このような製造方法により、オープンモールド内のセラミックテキスタイルに対応する大きさのプリプレグを効率良く作製でき、ひいては所望の大きさの積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料を効率良く製造することができる。

また、本発明の請求項５に記載の積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料の製造方法は、請求項１又は請求項２に記載の積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料の製造方法において、
密閉することのできる一対の上下モールド内に、前記所定寸法のセラミックテキスタイルを１枚または複数枚任意方向におき、前記焼結温度がセラミックス長繊維の熱劣化温度以下とならしめるための焼結助剤としての前記ガラス組成の助剤を配合したマトリックス充填用セラミックスのスラリーを前記モールドの一端から注入すると共に、前記モールドの他端から真空吸引することでこれを前記セラミックテキスタイルに含浸させ、真空度及び真空吸引時間を調整することにより内包するボイド量を制御したセラミックス長繊維補強の生セラミックスの前記プリプレグを作製したことを特徴としている。

このような製造方法により、１つのプリプレグ製造装置でプリプレグの製造に必要とされる２つの製造工程を一度に実施することができるので、限られた所定寸法の積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料を効率良く製造することができる。

また、本発明の請求項６に記載の積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料の製造方法は、請求項１乃至請求項５の何れかに記載の積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料の製造方法において、
マトリックス基材としてのセラミックスがＡｌ_２Ｏ_３であることを特徴としている。

マトリックス基材として、上述のような比較的廉価な材質を用いることで、コストパフォーマンスの優れたセラミックス基セラミックテキスタイル複合材料を得ることができる。

また、本発明の請求項７に記載の積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料の製造方法は、請求項１乃至請求項５に記載の何れかに記載の積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料の製造方法において、
マトリックス基材としてのセラミックスがＳｉＣであることを特徴としている。

マトリックス基材として、上述のような汎用的に使われている入手し易い材料を用いることで、所望のセラミックス基セラミックテキスタイル複合材料を容易に製造することができる。

また、本発明の請求項８に記載の積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料の製造方法は、請求項１乃至請求項５に記載の何れかに記載の積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料の製造方法において、
マトリックス基材としてのセラミックスがＳｉ_３Ｎ_４であることを特徴としている。

マトリックス基材として、上述のような入手し易い材料を用いることで、セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料を容易、かつ迅速に製造することができる。

本発明によると、いわゆるボディアーマーと言われる防弾チョッキ等の素材、船舶や航空機の被弾に対する耐衝撃用材料として有用な、軽量かつ耐衝撃性及び破壊靭性に優れた低コストの積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料の製造方法を提供することができる。

本発明の第１の実施形態にかかる積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料の製造方法を実施するにあたって使用するプリプレグ中間体製造装置を説明する概略側面図である。 図１に示した第１の実施形態にかかるプリプレグ中間体の製造装置の平面図である。 図１及び図２に示したプリプレグ中間体の製造装置によってマトリックス充填用セラミックスのスラリーが含浸されたセラミックテキスタイルの真空脱泡を制御する工程に使用する真空脱泡制御装置を概略的に示す斜視図である。 従来技術で説明した積層型セラミックス基セラミック複合材料に弾丸が衝突する状態を分かり易く示す説明図である。 図４とは異なる従来技術で説明した積層型セラミックス基セラミック複合材料に弾丸が衝突する状態を分かり易く示す説明図である。 図１及び図２に示した第１の実施形態にかかる積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料に弾丸が衝突する状態を分かり易く示す説明図であり、図４及び図５に対応する説明図の弾丸の進行方向から見た図（図６（ａ））、積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料の各ヤーン同士の間隔が積層状態で非常に狭まっていることを示す説明図（図６（ｂ））、及び実際のセラッミクテキスタイルに近い構造を示す平面図である（図６（ｃ））である。 本発明の第２の実施形態にかかる積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料の製造方法を実施するにあたって使用するプリプレグ中間体の製造装置を説明する概略平面図（図７（ａ））、及び概略側面図（図７（ｂ））である。 本発明の第３の実施形態にかかる積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料の製造方法を実施するにあたって使用するプリプレグの製造装置を示す概略説明図である。 本発明の第１実施例における密度、焼成温度、及び破壊靭性値との相関関係を説明する説明図である。 本発明の第２実施例における第１の比較例に疑似弾丸（先端が球状に加工された衝撃棒、以後、「疑似弾丸」と呼ぶ）を撃ち込んだ状態を疑似弾丸が突き抜けた方向から撮像した平面写真（図１０（ａ））及び疑似弾丸の貫通方向に沿って撮像した側面写真（図１０（ｂ））である。 本発明の第２実施例における第２の比較例に疑似弾丸を撃ち込んだ状態を疑似弾丸が貫通した後に裏面から撮像した平面写真である。 本発明の第２実施例における本実施例に疑似弾丸を撃ち込んだ状態を疑似弾丸が突き抜けた方向から撮像した平面写真（図１２）である。

本発明の場合、マトリックス充填用セラミックスのスラリーに焼結助剤としてガラス組成の助剤を配合したセラミックスのスラリーがセラミックテキスタイルに供給されて充填された後、これによって作製されたプリプレグ中間体を真空脱泡装置内で予め真空度及び脱泡時間を調整することによりこのプリプレグ中間体に内包する気泡量を制御した後、このセラミックスのスラリーが含浸されたセラミックテキスタイルを乾燥させることで、セラミックス長繊維補強の生セラミックスのプリプレグを作製し、この状態のセラミックスプリプレグを複数任意方向に積層・加圧して焼結複合化させることで、積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料を製造することを特徴としている。

以下、本発明の各実施形態にかかる積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料の製造方法について図面に基づいて説明する。図１は、本発明の第１の実施形態にかかる積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料の製造方法を実施するにあたって使用するプリプレグ中間体の製造装置を説明する概略側面図である。また、図２は、図１に示した第１の実施形態にかかるプリプレグ中間体の製造装置の平面図である。また、図３は、図１及び図２に示したプリプレグ中間体の製造装置によってマトリック充填用セラミックスのスラリーが含浸されたセラミックテキスタイルの真空脱泡を制御する工程に使用する真空脱泡制御装置を概略的に示す斜視図である。

図１及び図２に示すプリプレグ中間体製造装置１００は、いわゆるドクターブレードという装置であり、ベース板１１０と、ベース板上に配置されマトリックス充填用セラミックスのスラリー１２の含浸されたセラミックテキスタイル１１を上面に載せながら一方向（図中右方向）に送り続けるキャリアフィルム１２０と、キャリアフィルム上に載せられたセラミックテキスタイル１１にマトリックス充填用セラミックスのスラリー１２を含浸させるスラリー含浸用タンク１３０と、長さの長いセラミックテキスタイル１１を所定の速度でキャリアフィルム上に供給するボビン１４０等を有している。スラリー含浸用タンク１３０は、その底部に幅広で高さの低い形状を有した第１の開口部１３１と、この第１の開口部１３１の下流側に設けられ幅広で第１の開口部１３１より更に高さが低く第１の開口部１３１よりも開口面積が狭い第２の開口部１３２を有している。そして、第２の開口部１３２の幅はキャリアフィルム上に載せられたセラミックテキスタイル１１の幅に対応しており、ここでは簡略化して示す第２の開口部１３２からセラミックテキスタイル１１の上面にマトリックス充填用セラミックスのスラリー１２を供給し、この位置からセラミックテキスタイル１１を下流側に送る過程で、そのセラミックテキスタイル１１の表裏及び内部にマトリックス充填用セラミックスのスラリー１２を含浸させるようになっている。なお、スラリー含浸用タンク１３０には、ここでは簡略化して示す攪拌機１３３が設けられ、常に均一な濃度及び組成のマトリックス充填用セラミックスのスラリー１２をセラミックテキスタイル１１に供給するようになっている。

かかるプリプレグ中間体製造装置１００のキャリアフィルム上にボビン１４０から図中矢印で示すようにセラミックテキスタイル１１を所定の送り速度で供給する。本実施形態では、従来とは異なりセラミックスの長繊維を織布、編み構造布、組み紐構造布のように構成したセラミックテキスタイル１１を用いるようになっている（図６（ｃ）参照）。

そして、プリプレグ中間体製造装置１００においてスラリー含浸用タンク１３０の第２の開口部１３２から焼結助剤としてガラス組成の助剤を配合したマトリックス充填用セラミックスのスラリー１２をセラミックテキスタイル１１に供給する。

このマトリックス充填用セラミックスのスラリー１２において結助剤としてガラス組成の助剤を配合する理由は、後述するプリプレグ１０は焼結温度を９００℃程度に抑えるためである。

本実施形態では、マトリックス基材としてのセラミックスにＳｉＣを用いており、強化繊維素材としてのセラミックス長繊維がＳｉＣ長繊維またはＳｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ（宇部興産（株）「チラノ繊維」）長繊維を用いている。マトリックス基材として上述のような汎用的に使われている入手し易い材料を用いることで、所望のセラミックス基セラミックテキスタイル複合材料１を容易に製造することができる。

なお、上述とは異なりマトリックス基材としてのセラミックスにＡｌ_２Ｏ_３を用いても良い。マトリックス基材として、このような比較的廉価な材質を用いることで、コストパフォーマンスの優れたセラミックス基セラミックテキスタイル複合材料を得ることができる。

また、上述とは異なりマトリックス基材としてのセラミックスにＳｉ_３Ｎ_４を用いても良い。マトリックス基材として、上述のような入手し易い材料を用いることで、セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料を容易、かつ迅速に製造することができる。なお、以上のマトリックス基材の選択肢の自由度については、後述する第２及び第３実施形態についても同様である。

そして、このマトリックス充填用セラミックスのスラリー１２を焼結温度がセラミックス長繊維の熱劣化温度以下となるように含浸させ、固着させた後に乾燥させて、セラミックス長繊維補強の生セラミックスのプリプレグ中間体１０を作製する。

このようにしてマトリックス充填用セラミックスのスラリー含浸済のセラミックテキスタイルとなったプリプレグ中間体１０ａを得た後、次工程に移行する。図３は、次工程で使用する真空脱泡装置を示す図であり、図１及び図２に示したプリプレグ中間体製造装置１００によってマトリックス充填用セラミックスのスラリー１２が含浸されたセラミックテキスタイル１１の真空脱泡を制御する工程に使用する真空脱泡制御装置４００を概略的に示す斜視図である。

この次工程では、図３に示す真空脱泡装置４００内において真空度及び脱泡時間を調整することにより内包する気泡量を最適な気泡量に制御してプリプレグ１０を作製する。

真空脱泡装置４００は、真空脱泡部４１０と真空ポンプ４２０と真空引きパイプ４３０を有している。そして、本実施形態の場合、真空脱泡装置４００内で予め、ゲージ圧が−０．０８０ＭＰａ〜−０．０９５ＭＰａの減圧下で３〜１５ｍｉｎの含浸脱泡時間を適度に調整することにより内包する気泡量を制御した後に乾燥することで、最適な気泡量を内在したプリプレグ１０を作製する。

このように内包する気泡量を制御する理由は以下の通りである。積層型セラミック複合材料は、積層界面に気泡を内包し易い欠点がある。この状態で焼成した時には、セラミック複合材料は脆性的となり内包するボイドに起因した界面損傷を生じ易く、従って、耐衝撃性及び破壊靭性が著しく低下することとなる。一方、内包する気泡が少な過ぎると、積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料の脆性化が高まる（脆くなる）虞があるためである。しかしながら、本実施形態のようにプリプレグの作成に当たって真空脱泡処理による気泡量の制御を行なうことで、このような不具合の発生を回避することができる。

なお、この状態のプリプレグ１０は、曲面状、円筒状または角柱状等任意の形状に変形可能な可撓性を有している。そして、このようなプリプレグ１０を複数枚任意方向に積層・加圧した後、ここでは図示しない焼成炉内に入れて加熱しながら所定の温度下で焼結させて一体化（複合化）させ、本実施形態にかかる積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料１（図６参照）とする。

なお、本実施形態においては９００℃程度での低温焼成を行なうことで、積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料を得る。この理由は、以下の通りである。焼成炉に入れて焼成する際、セラミックス単体材料は１５００℃以上の高温で焼成するのが一般的である。純度や添加物により異なるが、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）の場合の焼成温度は１６００℃〜１８００℃、炭化ケイ素（ＳｉＣ）の場合は２１００℃〜２２００℃、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）の場合には１６００℃〜１９００℃くらいである。セラミック複合材料をこのような高温で焼成する場合、強化繊維が酸化して熱劣化を生じ、気孔を多量に内包する多孔質なセラミック複合材料となり、その結果、極めて脆い材質となる。このようなことを考慮して、本実施形態においては９００℃程度での低温焼成を行なうことで、ガラス組成の焼結助剤を含むセラミックスのスラリーが含浸した耐衝撃性に優れた積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料１の製造を実現している。

このようにして得られた積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料１は、セラミック長繊維のセラミックテキスタイルを積層させた形態をとっているため、従来とは異なり図６に示すように、弾丸Ｂ等が局所的に当たっても破壊し難い耐衝撃性に優れた性質を有することになる。この理由について以下により詳細に説明する。

図４は、従来技術で説明した積層型セラミックス基セラミック複合材料２に弾丸Ｂが衝突する状態を分かり易く示す説明図である。また、図５は、図４とは異なる従来技術で説明した積層型セラミックス基セラミック複合材料３に弾丸Ｂが衝突する状態を分かり易く示す説明図である。なお、これらの図面においては、説明の都合上セラミックスの長繊維の太さを実際より細く描いている。

図４から明らかなように、従来の積層型セラミックス基セラミック複合材料２においては、例えば大きな運動エネルギーを要する弾丸Ｂがその複合材料に局所的に当たった場合、弾丸Ｂが互いに平行に隣接するセラミックスの長繊維（ヤーン）２１ａの間をこれらのセラミックスの長繊維の間隔を押し広げながら通り抜けてしまう。図５においても、各プリプレグのセラミックスの長繊維（ヤーン）２１ａ，３１ａがそれぞれ互いに平行に並んで構成されているため、これらのプリプレグを積層させた積層型セラミックス基セラミック複合材料３においても、大きな運動エネルギーを要する弾丸Ｂがその複合材料に局所的に当たった場合、弾丸Ｂが各層において互いに平行に隣接するセラミックスの長繊維（ヤーン）２１ａ，３１ａの間をこれらのセラミックスの長繊維の間隔を押し広げながら通り抜けてしまう。

一方、図６（ａ）は、図１及び図２に示した第１の実施形態にかかる積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料１に弾丸Ｂが衝突する状態を分かり易く示す説明図であり、図４及び図５に対応する説明図である。また、図６（ｂ）は、図６（ａ）の弾丸Ｂの進行方向から見た図である。また、図６（ｃ）は、積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料１の各マトリックス同士の間隔が非常に狭まっていることを示す説明図の製造方法及び実際のセラッミクテキスタイル１１を１枚の状態で示す平面図である。

これらの図から分かるように、本実施形態にかかる積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料１によると、各層において織布、編み構造布、組み紐構造布の何れかからなるセラミックテキスタイル１１の長繊維（ヤーン）１１ａ，１１ｂを弾丸Ｂが押し広げて通過するのが難しく、結果的に複数層積層された本実施形態にかかるプリプレグ１００からなる積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料１を弾丸Ｂが貫通するのは極めて難しくなる。

続いて、本発明の第２の実施形態について説明する。なお、第１の実施形態と同等の構成については、対応する符号を付して詳細な説明を省略する。本発明の第２の実施形態にかかる積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料の製造方法を実施するにあたって使用するプリプレグ中間体製造装置２００を説明する概略平面図（図７（ａ））、及び概略側面図（図７（ｂ））である。

第２の実施形態に使用するプリプレグ中間体製造装置２００は、平面視長方形形状を有し、両面に深さが浅く幅広のテキスタイル収容用凹み部２１１が形成されたオープンモールド２１０と、このオープンモールド２１０の上面の幅とほぼ合致し、所定寸法にセラミックテキスタイル１１を載せると共に焼結助剤としてガラス組成の助剤を配合したマトリックス充填用セラミックスのスラリー１２をセラミックテキスタイルに含浸させた状態でテキスタイル収容用凹み部２１１の全体に亘ってセラミックテキスタイル１１をオープンモールド２１０のテキスタイル収容用凹み部２１１の上面に押し付けるローラー２２０を有している。なお、オープンモールド２１０は、プリプレグ中間体作製用のモールドである。

第２の実施形態が上述の第１の実施形態と異なる点は、第２の実施形態においては、第１の実施形態のようにセラミックテキスタイル１１のボビン１４０によりキャリアフィルム上にセラミックテキスタイル１１を連続的に送らず、所定寸法のセラミックテキスタイル１１を１枚毎にオープンモールド２１０のテキスタイル収容用凹み部２１１に載せ、マトリックス充填用セラミックスのスラリー１２をセラミックテキスタイル１１の全体に含浸させた後、ローラー２２０でセラミックテキスタイル１１の全体をテキスタイル収容用凹み部２１１の上面に所定の力で押し付けることで、マトリックス充填用セラミックスのスラリー１２をセラミックテキスタイル１１の表裏及び内部にしっかりと含浸させるようにしている。即ち、この工程において、セラミックテキスタイル１１をその上面からローラー２２０により加圧しているので、セラミックテキスタイル１１を２枚以上重ねた状態でオープンモールド２１０のテキスタイル収容用凹み部２１１に収容し、マトリックス充填用セラミックスのスラリー１２を充填させても、ローラー２２０の加圧力によりこれらのセラミックテキスタイル１１に十分な量のマトリックス充填用セラミックスのスラリー１２を同時に充填させることが可能となる。

なお、本実施形態において使用するセラミックテキスタイル１１の材質やガラス組成の助剤を配合したマトリックス充填用セラミックスのスラリー１２の材質は、第１の実施形態と同等である。

このようにして、ローラー２２０でセラミックテキスタイル１１にマトリックス充填用セラミックスのスラリー１２をしっかりと含浸させプリプレグ中間体１０ａを作製した後、これを上述した図３に示す真空脱泡装置４００の真空脱泡部４１０に入れてマトリックス充填用セラミックスのスラリー１２が全体的に含浸したセラミックテキスタイル１１の内部に気泡が好ましい所定量だけ残留するように真空ポンプ４２０で真空引きする。そして、この真空引きして製作されたプリプレグ１０を上述した第１の実施形態と同様にここでは図示しない焼成炉に所定の枚数だけ積層・加圧した後に焼成し、積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料１を製造する。

なお、本実施形態による気泡量の制御に関しては、上述した実施形態と同様にゲージ圧が−０．０８０ＭＰａ〜−０．０９５ＭＰａの減圧下で３〜１５ｍｉｎの含浸脱泡時間を適度に調整することにより行なう。また、焼成炉内の加圧温度は上述したように９００℃とする。

第２の実施形態においてこのような装置を利用することで、オープンモールド２１０のテキスタイル収容用凹み部２１１に収容されたセラミックテキスタイル１１に対応する大きさのプリプレグ１０を効率良く作製でき、ひいては所望の大きさの積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料１を効率良く製造することができる。

続いて、本発明の第３の実施形態について説明する。なお、第１の実施形態と同等の構成については、対応する符号を付して、詳細な説明を省略する。

図８は、本発明の第３の実施形態にかかる積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料１の製造方法を実施するにあたって使用するプリプレグ製造装置３００を示す概略説明図である。

第３の実施形態において使用する装置は、第１の実施形態及び第２の実施形態において使用するプリプレグ中間体製造装置１００，２００と真空脱泡装置４００を一体化させたことに特徴がある。具体的には、第３の実施形態に係るプリプレグ製造装置３００は、本発明のプリプレグを製造するためのプリプレグ作製型３１０と、このプリプレグ作製型３１０に連結したスラリートラップ３２０と、スラリートラップ３２０に連結した真空ポンプ３３０と、開閉バルブ３４１を介してプリプレグ作製型３１０に備わったセラミックススラリータンク３４０とを有している。

プリプレグ形成型３１０は、図８に示すように上型３１１と下型３１２からなり、この隙間に予め所定形状及び所定枚数のセラミックテキスタイル１１が挟み込まれるようになっている。そして、挟み込まれたセラミックテキスタイル１１の外周部は、シールガスケット３１３を介して上型３１１と下型３１２が気密状態でシールされるようになっている。セラミックテキスタイル１１の挟まれる部分の中央部には、マトリックス充填用セラミックスのスラリー１２の供給通路３１５が形成され、供給通路３１５に開閉バルブ３４１を介してセラミックススラリータンク３４０が接続されている。プリプレグ形成型３１０のセラミックテキスタイル１１を挟み込む一方の端部には、真空脱泡用パイプ３２１がスラリートラップ３２０まで接続されている。また、真空脱泡パイプ３３１が、スラリートラップ３２０から真空ポンプ３３０まで更に延在して接続されている。そして、セラミックススラリータンク３４０に設けられたバルブ３４１を開放することでマトリックス充填用セラミックスのスラリー１２をセラミックテキスタイル１１に供給して含浸させるようになっている。

続いて、かかるプリプレグ製造装置３００の使用の仕方について説明する。最初にプリプレグ形成型３１０の上型３１１と下型３１２を分離してその間に所定寸法のセラミックテキスタイル１１を挟み、上型３１１と下型３１２をしっかりと閉じる。この際に挟み込むセラミックテキスタイル１１は、一枚でも良いし、複数枚でも良い。その後、上述したバルブ３４１を開いてセラミックススラリータンク３４０からマトリックス充填用セラミックスのスラリー１２をプリプレグ形成型３１０の上型３１１と下型３１２内に挟み込まれたセラミックテキスタイル１１に供給する。マトリックス充填用セラミックスのスラリー１２をセラミックテキスタイル１１に十分供給した後に真空ポンプ３３０を作動させ、所定の量だけ真空脱泡を行なう。

真空脱泡の制御においては、第１及び第２の実施形態と異なり、真空ポンプ３３０の真空引き量を制御する。制御にあたっては、第１及び第２の実施形態と同様に、ゲージ圧が−０．０８０ＭＰａ〜−０．０９５ＭＰａの減圧下で３〜１５ｍｉｎの含浸脱泡時間を適度に調整する。このようにプリプレグ形成型３１０内のプリプレグ中間体１０ａに内包する気泡量を制御した後に乾燥することで、最適な気泡量を内在したプリプレグ３００を作製する。

この際、マトリックス充填用セラミックスのスラリー１２を含浸したセラミックテキスタイル１１から空気が真空脱泡パイプ３２１を介して脱泡されると共に、余分なマトリックス充填用セラミックスのスラリー１２が真空脱泡パイプ３２１に吸い取られるが、この余分なマトリックス充填用セラミックスのスラリー１２についてはスラリートラップ３２０に溜めるようになっている。そして、真空脱泡パイプ３３１及び真空ポンプ３３０を介して真空脱泡を所定の好ましい程度に制御した後、プリプレグ形成型３１０の上型３１１と下型３１２を外してプリプレグ１０を取り出す。取り出したプリプレグ１０を互いに積層・加圧した後に、上述した第１の実施形態及び第２の実施形態のようにここでは図示しない焼結炉内に入れて所定温度（９００℃程度）で焼成した後にこれを取出し、積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料１の製造を終える。

この第３の実施形態によると、１つのプリプレグ製造装置３００でプリプレグ１０の２つの製造工程を一度に実施することができたり、セラミックテキスタイルが複数枚積層された状態のプリプレグ１０を一度に作成できたりするので、所定寸法の積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料を効率良く製造することができる。

以下、本発明の有用性を明らかにした実験を行なったので、その内容及び実験結果を実施例１及び実施例２として説明する。
（実施例１）
実施例１においては、第１の実施形態に係る製造方法を用いて製造した積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料を４種類用意した。以下に各積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料のスペックについて説明する。セラミックテキスタイルの材質・形状・寸法、については同一、セラミックテキスタイルに含浸するスラリーであって焼結助剤としての役目を果たすガラス組成の助剤を配合したマトリックス充填用セラミックスのスラリーの材質・形状・寸法についても同一で、真空脱泡工程における条件を変えることで密度のみを変化させている。そして、この４種類の積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料（以下試験片１乃至４とする）のそれぞれについて製造工程でそれぞれ異なる焼成温度で焼成した。

図９は、本発明の実施例における焼成温度と破壊靭性値との関係を説明する説明図である。この実験結果から分かるように、焼成温度が９００℃で焼成した密度２．０２（ｇ／ｃｍ^３）の試験片１が約１９ＭＰａ×ｍ^{（１／２）}と最も良好な破壊靭性値（耐衝撃性）を示した。次いで、焼成温度が９２０℃の密度１．６４（ｇ／ｃｍ^３）の試験片２が約１４ＭＰａ×ｍ^{（１／２）}と２番目に良好な破壊靭性値（耐衝撃性）を示した。次いで、焼成温度が８７５℃で焼成した密度２．１６（ｇ／ｃｍ^３）の試験片３が約１３ＭＰａ×ｍ^{（１／２）}という破壊靭性値（耐衝撃性）を示した。なお、焼成温度を更に低くして８５０℃で焼成した密度２．２３（ｇ／ｃｍ^３）の試験片４の破壊靭性値（耐衝撃性）が約４ＭＰａ×ｍ^{（１／２）}と最も低かった。以上のことから、本発明においては、試験片の焼成温度については、焼成時の焼成温度が９００℃であることが最も高い破壊靭性値（耐衝撃性）を有する積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料を製造するのに重要であることが判明した。また、試験片の密度においては、２．０２（ｇ／ｃｍ^３）程度が最適であることが分かった。これは、密度の小さい試験片２に関しては内包する気泡の量が多すぎるため、界面損傷が生じ易いので破壊靱性値が若干劣るようになっており、密度の大きい試験片４に関しては内包する気泡が少なく局所的な衝撃に対する気泡による衝撃吸収効果が十分発揮されず脆弱性を有していると考えられる。
（実施例２）
実施例２においては、第１の実施形態に係る積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料を本実施例とし、ステンレス鋼板を第１比較例とし、炭素繊維で強化した樹脂マトリックスの複合材料を第２比較例とした。そして、それぞれに対し、疑似弾丸（先端が球状に加工された衝撃棒、以後、「疑似弾丸」と呼ぶ）を４．４ｍ／ｓｅｃの衝撃速度で打ち込んで貫通させ、その貫通後の状態を確認した。これら本実施例、第１比較例、第２比較例のスペックは、以下の通りである。
・疑似弾丸：材質クロムモリンブデン鋼ＳＣＭ４３０からなり、疑似弾丸の棒の直径１２．７ｍｍ
・本実施例：厚さ１ｍｍ、寸法７０ｍｍ×７０ｍｍ、重量９．９ｇ
・第１比較例：厚さ０．３ｍｍ、寸法７０ｍｍ×７０ｍｍ、重量１１．５ｇ
・第２比較例：厚さ１．１ｍｍ、寸法７０ｍｍ×７０ｍｍ、重量９．７ｇ
図１０は、本発明の第２実施例における第１の比較例に疑似弾丸を撃ち込んだ状態を疑似弾丸が突き抜けた方向から撮像した平面写真（図１０（ａ））及び疑似弾丸の貫通方向に沿って撮像した側面写真（図１０（ｂ））である。また、図１１は、本発明の第２実施例における第２の比較例に疑似弾丸を撃ち込んだ状態を疑似弾丸が貫通した後に裏面から撮像した平面写真である。また、図１２は、本発明の第２実施例における本実施例に疑似弾丸を撃ち込んだ状態を疑似弾丸が突き抜けた方向から撮像した平面写真（図１２）である。

これらの写真から明らかなように、第１比較例に関しては疑似弾丸の貫通方向にステンレス鋼板がかなり突出した。従って、このような鋼板を例えば防弾チョッキの一部として利用した場合、この突出部が装着者の身体に食い込んで身体に損傷を与える危険があることが分かった。また、第２比較例に関しては、第１比較例と同様に疑似弾丸の貫通方向に突出していると共に、元々積層されていた樹脂マトリックスの複合材料がばらばらに剥離していることが分かった。一方、本実施例の場合、疑似弾丸の貫通孔のみ生じており、特にそれ以外の上述した第１比較例に見られた突出部や第２比較例に見られた複合材料の剥離については全く生じていないことが分かった。その結果、本実施例の場合、その厚みを更に厚くすれば疑似弾丸が積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料を貫通しないであろうことを確認した。

なお、上述した各実施形態に記載した材質、寸法、温度、圧力については、あくまで一例を記載したものに過ぎず、本発明の作用を発揮し得る範囲内であれば、それ以外の材質、寸法、温度、圧力においても本発明の範囲内に含まれる積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料を製造可能であることは言うまでもない。

具体的には、プリプレグを作製するにあたって、焼結助剤としての役目を果たすガラス組成の助剤を配合したマトリックス充填用セラミックスのスラリーを１枚のセラミックテキスタイルに含浸させる代わりに、複数枚のセラミックテキスタイルにこのスラリーを含浸させても良い。具体的には、第１の実施形態の場合、例えばボビンにセラミックテキスタイルを二重巻にしても良い。また、第２の実施形態の場合、プリプレグ中間体製造用のオープンモールドの凹み部に２枚又は３枚程度の同一材料のセラミックテキスタイルを同時に収容して、ローラーによって加圧しながらこれらにマトリックス充填用セラミックスのスラリーを十分含漬させるようにしても良い。また、第３の実施形態の場合、セラミックテキスタイル収容型に複数枚のセラミックテキスタイルを同時に収容して上型と下型とでしっかり挟んだ状態でこれらにマトリックス充填用セラミックスのスラリーを十分含漬させるようにしても良い。

また、焼成炉にプリプレグを入れる段階においては、プリプレグはある程度自由に変形させることができる程度に適度に乾燥しているので、複数のプリプレグを重ねた状態で曲面状、円筒状または角柱状等の形状に変形させた状態で焼成しても良い。これによって、所望の形状を有する積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料を製造することが可能である。

以上説明した本発明に係る積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料の製造方法は、例えばボディアーマーと呼ばれる防弾チョッキ等の材質、船舶や航空機の被弾に対する耐衝撃用材料として有用な軽量かつ耐衝撃性及び破壊靭性に優れた低コストの積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料を製造することに限定されず、例えば、緻密で強度および靱性値に優れており、特に高温下において優れた機械的特性と信頼性とを必要とする航空機部品、ガスタービン部品、原子力部品等の構造用材料として利用される積層型セラミック複合材料を製造することにも好適に利用可能である。

１ 積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料
２，３ 積層型セラミックス基セラミック複合材料
１０ プリプレグ
１０ａ プリプレグ中間体
１１ セラミックテキスタイル
１１ａ，１１ｂ 長繊維（ヤーン）
１２ マトリックス充填用のセラミックススラリー
２０ プリプレグ
２１ａ セラミックスの長繊維（ヤーン）
３０ プリプレグ
３１ａ セラミックスの長繊維（ヤーン）
１００ プリプレグ中間体製造装置
１１０ ベース板
１２０ キャリアフィルム
１３０ スラリー含浸用タンク
１３１ 第１の開口部
１３２ 第２の開口部
１３３ 攪拌機
１４０ ボビン
２００ プリプレグ中間体製造装置
２１０ オープンモールド
２１１ テキスタイル収容用凹み部
２２０ ローラー
３００ プリプレグ製造装置
３１０ プリプレグ作製型
３１１ 上型
３１２ 下型
３１３ シールガスケット
３１５ 供給通路
３２０ スラリートラップ
３２１，３３１ 真空脱泡パイプ
３３０ 真空ポンプ
３４０ セラミックススラリータンク
３４１ 開閉バルブ
４００ 真空脱泡装置
４１０ 真空脱泡部
４２０ 真空ポンプ
４３０ 真空引きパイプ
Ｂ 弾丸

Claims (8)

1. 織布、編み構造布、組み紐構造布の少なくとも何れかからなり、かつ所定寸法を有するセラミックテキスタイルを用意し、
   焼結温度がセラミックス長繊維の熱劣化温度以下とならしめるための焼結助剤としての役目を果たすガラス組成の助剤を配合したマトリックス充填用セラミックスのスラリーを前記セラミックテキスタイルに含浸させることでプリプレグ中間体を作製し、
   前記プリプレグ中間体を真空脱泡装置内に入れて当該真空脱泡装置内で真空度及び脱泡時間を調整することにより前記プリプレグ中間体に内包する気泡量を制御した後、これを乾燥させることでセラミックス長繊維補強の生セラミックスのプリプレグを作製し、
   前記プリプレグを複数枚任意方向に積層・加圧して焼結することで前記複数枚のプリプレグを複合一体化させることによって、防弾素材として使用可能な防弾素材用積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料を製造することを特徴とする積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料の製造方法。
2. 織布、編み構造布、組み紐構造布の少なくとも何れかからなり、かつ所定寸法を有するセラミックテキスタイルを用意し、
   焼結温度がセラミックス長繊維の熱劣化温度以下とならしめるための焼結助剤としての役目を果たすガラス組成の助剤を配合したマトリックス充填用セラミックスのスラリーを前記セラミックテキスタイルに含浸させることでプリプレグ中間体を作製し、
   前記プリプレグ中間体を真空脱泡装置内に入れて当該真空脱泡装置内で真空度及び脱泡時間を調整することにより前記プリプレグ中間体に内包する気泡量を制御した後、これを乾燥させることでセラミックス長繊維補強の生セラミックスのプリプレグを作製し、
   前記プリプレグを複数枚任意方向に積層・加圧して焼結することで前記複数枚のプリプレグを複合一体化させることによって、高温下で利用する構造材料用積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料を製造することを特徴とする積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料の製造方法。
3. 前記プリプレグを作製するにあたって、キャリアフィルム上に前記セラミックテキスタイルを所定の幅を保ったまま載せた状態で、前記焼結温度がセラミックス長繊維の熱劣化温度以下とならしめるための焼結助剤としての前記ガラス組成の助剤を配合したマトリックス充填用セラミックスのスラリー中に前記セラミックテキスタイルを含浸させながら通過させることで、セラミックス長繊維補強の生セラミックスのプリプレグを作製することを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料の製造方法。
4. オープンモールド内において前記焼結温度がセラミックス長繊維の熱劣化温度以下とならしめるための焼結助剤としての前記ガラス組成の助剤を配合したマトリックス充填用セラミックスのスラリーを前記セラミックテキスタイルに含浸・固着させたことを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料の製造方法。
5. 密閉することのできる一対の上下モールド内に、前記所定寸法のセラミックテキスタイルを１枚または複数枚任意方向におき、前記焼結温度がセラミックス長繊維の熱劣化温度以下とならしめるための焼結助剤としての前記ガラス組成の助剤を配合したマトリックス充填用セラミックスのスラリーを前記モールドの一端から注入すると共に、前記モールドの他端から真空吸引することでこれを前記セラミックテキスタイルに含浸させ、真空度及び真空吸引時間を調整することにより内包するボイド量を制御したセラミックス長繊維補強の生セラミックスの前記プリプレグを作製したことを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料の製造方法。
6. マトリックス基材としてのセラミックスがＡｌ _２ Ｏ _３ であることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れかに記載の積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料の製造方法。
7. マトリックス基材としてのセラミックスがＳｉＣであることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れかに記載の積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料の製造方法。
8. マトリックス基材としてのセラミックスがＳｉ _３ Ｎ _４ であることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れかに記載の積層型セラミックス基セラミックテキスタイル複合材料の製造方法。

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