JP6449908B2 - 多孔複合部材を製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は、複合材料から成る多孔部材、すなわち、マトリックスによって緻密化された繊維強化材から成る、複数の孔が形成された部材を製造することに関する。

複合材料から形成された多孔部材は具体的には、特に濾過及び音響の分野において利用されている。音響機能を有する複合材料部材の場合、孔を形成することが一般的であり、これは例えば航空機エンジン内に存在する音響減衰パネルのスキンに当てはまる。音波がこのようなパネルの内部に進入して減衰されるのを可能にするために、パネルのスキンは複数の孔を備える必要がある。

セラミックマトリックス複合（ＣＭＣ）材料から形成される部材の場合、これらの部材は、セラミックの前駆体である樹脂を、部材の強化材を形成することになる繊維テキスチャに含浸させ、樹脂を重合し、そして続いて含浸済テキスチャを熱分解してテキスチャ内にセラミックマトリックスを形成することによって、形成される必要がある。

ＣＭＣ材料から形成された部材内には孔を種々の方法で形成することができる。具体的には、含浸済テキスチャをこれが重合された段階にあるときにドリルビットを使用して孔開けすることによって、孔を形成することができる。とはいうものの、機械加工は、含浸済テキスチャ内に存在する材料の劣化を回避するために、潤滑なしに実施される必要がある（化学的な不適合性）。このことはドリルビットの時期尚早の摩耗を引き起こす。加えて切削も完全ではなく、孔内にフィブリルが現れるのを許す。このようなフィブリルは部材の製造時に後続の問題を招く。

孔はレーザーを使用して、重合された段階で含浸済テキスチャを孔開けすることによって形成されてもよい。このような環境下では、テキスチャはきれいに切削される（フィブリルがない）が、熱的な影響を及ぼされたゾーン（ＴＡＺ）がテキスチャ内に現れる。

別の解決手段は、表面スパイクを有するボード上に、樹脂を含浸させたテキスチャを置き、次いで樹脂を重合することにある。とはいうものの、このような工具は極めて高価であり、そして使用が難しい場合がある。

本発明が適用される複合材料部材は、酸化物／酸化物タイプのＣＭＣ材料から形成することもできる。すなわちこれらの部材は、酸化物繊維から成る繊維テキスチャ内部に耐火性酸化物粒子を堆積し、次いでテキスチャ内に耐火性酸化物マトリックスを形成するように粒子を焼結することによって形成することができる。

孔形成技術の上記欠点は、耐火性酸化物粒子を含む繊維テキスチャ内に孔を形成するときにも同様に生じる。

従って、複合材料部材内に複数の孔を形成し、しかもこの孔形成を、（フィブリルがない）孔のために定義された形状に従いながら、できる限り低い製造コストで行うのを可能にする解決手段が必要である。

上記の課題を解決するために、本発明は、複合材料から多孔部材を製造する方法であって、該方法が、
・重合セラミック前駆体樹脂を含浸させた繊維テキスチャを含むプリフォーム上にサンドブラスト用マスクを位置決めし、前記マスクが、プリフォーム内に形成されるべき孔に相当する複数の開口を有する、工程と、
・前記マスクの前記開口内で露出したプリフォームに穿孔を施すように、マスクの表面に対して研磨粒子を高速で発射（サンドブラスト）する工程と、
・多孔繊維テキスチャ内にセラミックマトリックスを形成するように、多孔プリフォームを熱分解する工程とを含む、複合材料から多孔部材を製造する方法を提案する。

このように、サンドブラスト技術を用いることによって、多孔部材が正確且つ低廉に複合材料から形成されるのが可能になる。とはいえ、本発明によれば、孔は部材製造時の中間段階において、すなわち重合の後、そして樹脂を熱分解によってセラミックに変化させる前に形成される。具体的には、樹脂が熱分解された後では、部材の複合材料は高い硬さを示し、これによりサンドブラストは長時間にわたって且つ／又は大きい力で実施されることが必要となる。このような環境下では、サンドブラスト用マスクを損傷するかなりのリスクがある。これは、孔のために定義された形状を保証できないことを意味する。

本発明はまた、複合材料から多孔部材を製造する方法であって、該方法が、すなわち、
・耐火性酸化物粒子を含有する繊維テキスチャを含むプリフォーム上にサンドブラスト用マスクを位置決めし、前記マスクが、プリフォーム内に形成されるべき孔に相当する複数の開口を含む、工程と、
・前記マスクの開口内で露出したプリフォームに穿孔を施すように、マスクの表面に対して研磨粒子を高速で発射（サンドブラスト）する工程と、
・多孔プリフォーム内に耐火性酸化物マトリックスを形成するように、耐火性酸化物粒子を焼結する、工程を含む、複合材料から多孔部材を製造する方法を提供する。

上記のように、孔は部材製造時の中間段階において、すなわち酸化物粒子を焼結する前に、そして部材がサンドブラストと適合性を有する硬さレベル、つまりサンドブラスト用マスクの完全性が保たれるのを可能にする時間にわたって且つ／又はこれを可能にする力によって行われるサンドブラストと適合性を有する硬さレベルをまだ示している間に形成される。

本発明の方法の具体的に態様において、熱分解工程又は焼結工程の後、これらの方法は、多孔繊維テキスチャを緻密化する工程を含み、この工程は、炭化ケイ素の化学蒸気浸透によって実施される。部材の緻密化を完了するのに加えて、この工程は、炭化ケイ素被膜を形成するのを可能にする。この被膜は、孔内で露出している部材材料を保護する。

本発明の特徴によれば、研磨粒子は、４５°〜６０°の角度でサンドブラスト用マスクの表面に対して発射される。これにより、サンドブラストの効率を高め、その継続時間を短くすることができる。

非制限的な例として提供された本発明の具体的な実施態様を添付の図面を参照しながら説明することから、本発明の他の特徴及び利点が明らかになる。

図１は、本発明の実施態様に基づく多孔部材を製造するために使用される繊維構造を示す概略的な斜視図である。 図２は、図１の繊維構造を使用して得られたプリフォームを示す概略的な斜視図である。 図３は、図２のプリフォーム上に位置決めされるサンドブラスト用マスクを示す概略的な斜視図である。 図４は、図２のプリフォーム内に孔を形成するために使用されるサンドブラスト機械を示す概略的な断面図である。 図５は、本発明の実施態様においてセラミックマトリックス複合材料から形成された多孔部材を示す斜視図である。

本発明の方法は、セラミックマトリックス複合（ＣＭＣ）材料から成る部材、すなわち少なくとも部分的にセラミックであるマトリックスによって緻密化された耐火性繊維（炭素繊維又はセラミック繊維）から成る強化材を有する部材を製造することに関する。ＣＭＣ材料の例は、Ｃ／ＳｉＣ複合体（炭素繊維強化材及び炭化ケイ素マトリックス）、Ｃ／Ｃ−ＳｉＣ複合体（炭素繊維強化材、及び概ね繊維に近い炭素相、及び炭化ケイ素相の両方を含むマトリックス）、ＳｉＣ／ＳｉＣ複合体（炭化ケイ素から成る強化繊維及びマトリックス）、及び酸化物／酸化物複合体（アルミナから成る強化繊維及びマトリックス）である。強化繊維とマトリックスとの間には相間層が介在されていてよく、これにより材料の機械強度を改善する。

本発明によれば、ＣＭＣ材料部材の製造時の中間段階においてサンドブラストを施すことによって孔が形成される。より具体的には、部材のＣＭＣ材料から成るマトリックスがセラミック前駆体樹脂を使用して少なくとも部分的に形成されるときに、樹脂が重合された段階で、すなわち前駆体をセラミックに変化させるために樹脂が熱分解される前に、サンドブラスト作業を行うことができる。マトリックスが、酸化物／酸化物タイプのＣＭＣ材料におけるように、耐火性酸化物粒子から形成される場合には、サンドブラストは、耐火性酸化物マトリックスを形成することになる粒子を焼結する前に行われる。

図５は、複数の孔１１を含むＣＭＣ材料から成るアコースティックスキン１０を示している。一例としては、アコースティックスキン１０は、音響減衰パネルを形成するために多孔質構造と一緒に集成することを目的とする。

音響パネルの製造は、図１に示されているように耐火性繊維から、例えば炭素、セラミック、又は酸化物繊維から繊維テキスチャ１００を形成することによって始まる。

使用される繊維テキスチャは具体的には、
・二次元（２Ｄ）布地、
・具体的には、国際公開第２０１０／０６１１４０号に記載されているような３Ｄ又は多層製織によって得られる三次元（３Ｄ）布地、
・編組体（braid）、
・ニット、
・フェルト、
・ヤーン又はトウ（tow）から成る一方向（ＵＤ）シート、又は複数のＵＤシートを異なる方向に重ね合わせ、そして例えば縫合、化学接着剤の使用、又はニードリングによってこれらのＵＤシートを接合することによって得られる多方向（ｎＤ）シート、を含む様々な種類及び形状を有していてよい。

布地、編組体、ニット、フェルト、シート、トウなどから成る、重ね合わされた複数の層から形成された繊維構造を使用することも可能である。これらの層は、例えば縫合によって、ヤーン又は剛性エレメントを埋め込むことによって、又はニードルによって、互いに接合される。

マトリックスの液状前駆体からセラミックマトリックスを形成するときには、樹脂を、通常は樹脂のための溶媒と一緒に含有する浴内に繊維テキスチャを浸漬する。他の周知の含浸技術、例えば連続する含浸器に繊維テキスチャを通すこと、浸出による含浸、又は樹脂トランスファー成形（ＲＴＭ）による含浸を用いてもよい。

有機前駆体は通常、場合によっては溶媒中に希釈されたポリマー、例えば樹脂の形態を成す。一例としては、セラミック、具体的にはＳｉＣのための液状前駆体は、ポリカルボシラン（ＰＣＳ）タイプ、ポリシロキサン（ＰＳＸ）タイプ、ポリチタノカルボシラン（ＰＴＣＳ）タイプ、又はポリシラザン（ＰＳＺ）タイプの樹脂であってよい。

繊維テキスチャに含浸を施し、そして場合によっては繊維テキスチャを乾燥させた後、樹脂は重合され、これにより繊維テキスチャを団結(consolidating)させる。

酸化物タイプのマトリックスを形成する場合には、耐火性酸化物粒子を繊維構造内に堆積する。このような堆積のための１つの周知の技術は、
・テキスチャの１つの側にスリップを置き、このスリップがサブマイクロメートルの耐火性酸化物粒子粉末を含有しており、
・スリップを強制的にプリフォームに通すために圧力差を確立し、そして
・耐火性酸化物粒子をプリフォーム内部に保持するために、プリフォームを通過した液体を濾過することにある。

本発明によれば、部材製造時のこの中間段階、すなわち樹脂が重合された後、又はテキスチャ内に耐火性酸化物粒子が堆積された後、テキスチャ１００に対応するプリフォーム１１０が存在する段階（図２）において、孔が形成される。

本発明によれば、孔はサンドブラストによって、すなわちプリフォーム１１０に対して研磨粒子を高速で発射することによって形成される。

サンドブラスト作業の前に、図３に示されているように、プリフォームの表面上にサンドブラスト用マスク又はステンシル２５０を位置決めする。サンドブラスト用マスク２５０は、プリフォーム１１０内に形成されることになる孔に相当する複数の開口２５１を有している。マスク２５０は、発射された研磨粒子に耐えるために、そしていかなる形状のプリフォームにも適応するために、具体的には湾曲した形状を示すプリフォームに適応するために、可撓性材料から形成される。一例としては、マスク２５０は、プリフォームと接触することになる表面２５２上に接着剤を含むエラストマーから形成されてよい。この接着剤は、マスクが所定の位置に保持されることを保証するのに役立つ。

図４に示されているように、マスク２５０に覆われたプリフォーム１１０は、サンドブラスト機械２００の支持体２１０上に配置されている。サンドブラスト機械２０はまた、ノズル２２１を備えたサンドブラスト用ヘッド２２０を有している。ノズルからは、研磨粒子を高速で発射することによってプリフォーム１１０内に孔１１５を形成する。サンドブラスト用ヘッド２２０は、（サンドブラスト用マスクの厚さを無視して）ノズル２２１とサンドブラストのためのプリフォームの表面との間の距離ｈを調節するために、高さ調節可能である。サンドブラスト用ヘッド２２０はまた、粒子がテキスチャに対して発射される角度θを調節するために傾倒可能である。

重合セラミック前駆体樹脂を含浸された繊維テキスチャに相当するプリフォームを穿孔する際に使用するのに適した研磨粒子は、例えば鋭利なエッジを備えた角張った形状を有し、１００マイクロメートル（μｍ）に近い粒径を示す炭化ケイ素粒であってよい。耐火性酸化物粒子を含有する繊維テキスチャに相当するプリフォームを穿孔するためには、鋭利なエッジを備えた角張った形状を有し、１００マイクロメートルに近い粒径を有する白色コランダム（white corundum）（純度９９．６％の結晶化無水アルミナ酸化物）粒、又は炭化ケイ素粒のような研磨粒子を使用することが可能である。

発射距離、すなわちノズルの出口とサンドブラストのためのプリフォームとの間の距離は、粒子がノズルの出口から発射される際の圧力の関数として調節される。より正確に言えば、定められたノズル出口圧力に対して、発射距離は、マスクを攻撃しないように注意しながら穿孔速度を最適化するように調節される。一例といては、ノズルが７ｂａｒの圧力で研磨粒子を発射する場合、発射距離は９０ミリメートル（ｍｍ）〜１５０ｍｍであってよい。発射距離は、発射角度θが９０°であるときには高さｈに相当する。発射距離は、発射角度θが９０°未満であるときには高さｈよりも大きい。

発射角度θ、すなわち研磨粒子がプリフォームに衝突する角度に関しては、９０°の発射角を用いることが可能ではあるものの、４５°〜６０°の発射角度を用いるときに孔が最も効果的且つ経済的に形成されることが判っている。具体的に言えば９０°の発射は実際には、より大きい衝撃強度をもたらすが、しかし多量の粒子が衝突後に跳ね返り、そしてぶつかることにより入射粒子を破壊するスクリーンを形成するので、効率が低減される。

孔の全てが形成されると、サンドブラスト用マスクが取り外され、図５のアコースティックスキン１０が得られる。アコースティックスキンは、ＣＭＣ材料から形成された多孔部材、すなわちセラミック（炭化ケイ素、酸化ケイ素など）から少なくとも部分的に形成されたマトリックスによって緻密化された耐火性繊維強化材によって構成された部材に相当する。

サンドブラスト作業後、部材には炭化ケイ素の化学蒸気浸透（ＣＶＩ）を施すことができる。化学蒸気浸透は、プリフォームの緻密化を終了させるだけでなく、孔内で露出している部材部分を保護する炭化ケイ素被膜（「シールコート」）を形成するのにも役立つ。周知の形式で、反応ガスが流入させられる炉内に部材を入れる。炉内部に存在する圧力及び温度、並びに反応ガスの組成は、ガス分解の成分のうちの１つから生じる、又は複数のその成分間の反応から生じる固形物質を堆積することによりマトリックスを形成するために、ガスが未処理孔内でそして部材表面内に拡散するのを可能にするように選択される。一例としては、セラミック、具体的にはＳｉＣのガス状前駆体はメチルトリクロロシラン（ＭＴＳ）であってよく、メチルトリクロロシランは、（場合によっては水素の存在における）ＭＴＳの分解によりＳｉＣを提供する。

Claims (8)

1. 複合材料から多孔部材（１０）を製造する方法であって、該方法が、
   ・重合セラミック前駆体樹脂を含浸させた繊維テキスチャ（１００）を含むプリフォーム（１１０）上にサンドブラスト用マスク（２５０）を位置決めし、前記サンドブラスト用マスクが、該プリフォーム（１１０）内に形成されるべき孔に相当する複数の開口（２５１）を有する、工程と、
   ・前記サンドブラスト用マスクの前記開口内で露出した該プリフォーム（１１０）に穿孔を施すように、該マスク（２５０）の表面に対して研磨粒子を高速で発射する工程と、
   ・該多孔繊維テキスチャ内にセラミックマトリックスを形成するように、該多孔プリフォームを熱分解する工程とを含む、複合材料から多孔部材（１０）を製造する方法。
2. 前記熱処理工程の後、前記方法が、炭化ケイ素の化学蒸気浸透によって実施される、前記多孔プリフォーム（１１０）を緻密化する工程を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記研磨粒子が、鋭利なエッジを有する角張った形状の炭化ケイ素粒であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記研磨粒子が、４５°〜６０°の角度で前記サンドブラスト用マスクの表面に対して発射されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 複合材料から多孔部材（１０）を製造する方法であって、該方法が、
   ・耐火性酸化物粒子を含有する繊維テキスチャ（１００）を含むプリフォーム（１１０）上にサンドブラスト用マスク（２５０）を置き、前記サンドブラスト用マスクが、該プリフォーム（１１０）内に形成されるべき孔に相当する複数の開口（２５１）を含む、工程と、
   ・前記サンドブラスト用マスクの開口内で露出した該プリフォーム（１１０）に穿孔を施すように、該マスク（２５０）の表面に対して研磨粒子を高速で発射する工程と、
   ・該多孔プリフォーム内に耐火性酸化物マトリックスを形成するように、該耐火性酸化物粒子を焼結する工程とを含む、複合材料から多孔部材（１０）を製造する方法。
6. 前記熱処理工程の後、前記方法が、炭化ケイ素の化学蒸気浸透によって実施される、前記多孔プリフォーム（１１０）を緻密化する工程を含むことを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 前記研磨粒子が、鋭利なエッジを有する角張った形状の白色コランダム粒又は炭化ケイ素粒であることを特徴とする、請求項５又は６に記載の方法。
8. 前記研磨粒子が、４５°〜６０°の角度で前記サンドブラスト用マスクの表面に対して発射されることを特徴とする、請求項５〜７のいずれか１項に記載の方法。

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