JPH01238929A - 保護被覆した複合材料 - Google Patents

保護被覆した複合材料

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JPH01238929A
JPH01238929A JP63315252A JP31525288A JPH01238929A JP H01238929 A JPH01238929 A JP H01238929A JP 63315252 A JP63315252 A JP 63315252A JP 31525288 A JP31525288 A JP 31525288A JP H01238929 A JPH01238929 A JP H01238929A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 く技術分野〉 本発明は複合材料に関し、特に複合材料の保護被膜に関
する。
〈従来の技術〉 グラファイト・エポキシ複合材料などのグラファイト繊
維を含む複合材料は、機械的強度がきわめて高く、軽量
であり（物理的密度が低く）、かつ耐熱性がよいので、
宇宙船の構造部材などの部品を形成するのによく用いら
れている。しかしこれらの複合材料はこの用途で３つの
欠点をもっている。第１の欠点は、色が暗く、通常灰色
ないし黒色であることである。その結果、これらの材料
は太陽放射線の強い吸収体となりゃすく、そのためこの
材料で製作された宇宙船を熱安定化するのが困難になる
。
第２の欠点は、複合材料が有機物を含有することに由来
する。これら材料は軌道条件下、特に高度が低い軌道条
件下で、オゾン、酸素イオンおよび酸素原子、その他の
ガス状または高エネルギーの粒子との衝突によって物理
的劣化（浸食）および化学的劣化（炭化その他の組成変
化）が生じゃすい。酸素は、炭素そのものも含めてほと
んどの有機物と化学的親和性が高いので、最悪の問題を
ひき起こす。またこれら複合材料は、真に耐火性ではな
いので、レーザービームをあてると容易に焼尽する。第
３の欠点として、これらの材料は幾分多孔性であるため
、通常の温度および湿度条件では、部品に成形して宇宙
船に搭載した後、比較的多量（１，５重量％以下）の水
を吸収しがちである。表面に吸収された水は、埋設グラ
ファイト繊維にそった毛細管作用で促進される拡散過程
を通して、エポキシ母材中に迅速に広がる。実際、この
水は、硫酸銅のような無機結晶質材料中の水和水と同様
な挙動を示す。その後、宇宙空間の真空下で水分の大部
分が水蒸気の形でしだいに脱着される。この水のしみ出
しは宇宙船の汚染の原因となり、更に悪いことには、構
成部品の弱体化、収縮、そりの形で構造的損害を与え、
その結果宇宙船の設備の変形が生じる。同様に、低温に
よって水がエポキシ母材の内部で凍結すると、構成材料
のひび割れあるいは破壊を起こすことがある。
このような障害は、たとえば所期の性能を発揮させるた
めに精密な位置決めを必要とする光学システムに重大な
欠点となる。
表面に、反射率の高い材料、例えば銀、アルミニウム、
マグネシウムまたは金の不透明な被膜を施すことによっ
て熱安定性が得られることは周知である。これによって
熱の問題は解消するかもしれないが、低高度の地球周回
軌道条件下でオゾン、酸素イオンおよび酸素原子、その
他のガス状および高エネルギーの粒子との衝突によって
起こる化学的劣化および物理的損傷により、この被膜に
浸食と破壊が生じる恐れがある。反射性被膜の上に金属
酸化物の保護被膜を設けること、また反射性被膜を設け
るために表面を平滑化するための金属酸化物の下地層を
設けることが提案されている。
この薄い被膜は、例えばｆｉＪ２０ｓ　（酸化アルミニ
ウム）、５Ｌ０２（二酸化ケイ素）　、Ｔｒｏｔ　（二
酸化チタン）または−０（酸化マグネシウム）のような
化学的に非常に安定で、光学的に透明な硬質の耐火性金
属酸化物で形成することができる。これらの酸化物はブ
リネル硬度が高いので、機械的損傷（ひきかき、ピッテ
ィング）に対して非常に強い。
このような構成によって、太陽放射線に対する防護が得
られると共に、低高度の地球周回軌道条件下でオゾン、
酸素イオンおよび酸素原子、その他のガス状または高エ
ネルギー粒子の衝突による物理的劣化および化学的劣化
に対する保護が得られる。しかし、このような構成は、
地球で吸収された大量の水分がその後に宇宙の真空下で
水蒸気の形でしだいに脱離されて、宇宙船の汚染および
構造的損傷や位置狂いを生じさせることに対しては、何
の保護も果たせない。
〈発明の開示〉 本発明の一つの実施態様によれば、グラファイト・エポ
キシ複合材料などの複合材料に関連する水分の問題を、
複合材料の上に防水層を設けることによって解決する。
く好適実施態様の説明〉 第１図に示す実施態様では、グラファイト・エポキシ複
合材料１１を、厚さ５０〜５ｏｏｏ人（オングストロー
ム）の第１金属酸化物（ＭＯＸ）の下地層１３で被覆し
、次いで厚さ５００〜５０００人の光学的に反射性の金
属の中間層１５で被覆し、さらに厚さ５０〜１０００人
の光学的に透明な金属酸化物（ＭＯＸ）の外層１７で被
覆する。
厚さ５００〜５０００人の中間層を構成する光学的に反
射性の金属は反射率の高い材料、例えば、銀、アルミニ
ウム、マグネシウムまたは金である。
この反射性中間層・の上のオーバーコートすなわち外層
は光学的に透明な金属酸化物１７であり、例えば、酸化
アルミニウム、二酸化ケイ素、二酸化チタン、二酸化マ
グネシウム、五酸化タンタル、五酸化ニオブのような金
属酸化物とすることができる。従来、金属酸化物の下地
層１３は、温度制御用の反射材料を堆積する前に複合材
料の表面を調整するのに使用されていた。グラファイト
・エポキシ複合材料の表面は一般に粗い光沢のない表面
であるので、その上に直接堆積された金属層による反射
は、例えば板ガラスまたは石英板のような平滑な表面に
同じ材料を堆積した場合のような鏡面反射ではなく、む
しろ大きく拡散反射する。
この拡散散乱効果があると、所定波長での反射率は通常
の高い固有値から著しく低い値となる。太陽放射パワー
は約０．４８ミクロンにピークを有するので、正味の結
果として太陽光吸収指数αが悪化しくすなわち増加し）
、これと対応して重要な比率α／ε（εは正常な熱放射
率）に悪影響をもたらす。しかし、金属酸化物の薄層を
設けることによって鏡面反射率が大幅に向上し、αが著
しく減少し、これにより被膜の熱−光性能が向上する。
しかし、金属酸化物の層を設けるだけでは防湿層が形成
されるわけではない。
本発明によれば、この内側の下地層が防湿層でもあるこ
とが望ましい。つまり複合材料の表面全体にわたってピ
ンホールがなく、エピタキシャルでなく、非晶質で、か
つ均一な被膜を設けるのが望ましい。この層は不透過性
の高い防水層としても働く。従ってこの層は複合材料に
よる水分の吸収を防ぐか、少なくとも水分吸収を大幅に
遅らせる。グラファイト・エポキシ複合材料を脱水して
、所望の最終形状に成形した後、ただちにこの酸化物層
をグラファイト・エポキシ複合材料の表面に設けなけれ
ばならない。好ましい堆積方法は、イオンめっきを併用
するマグネトロン・スパッタリング法である。この方法
によれば、被覆される部品が大きくても、全表面にわた
って密着して均一に被覆する堆積層が得られる。基体の
バイアスを可変とし、イオンめっきを併用することによ
って、応力の低い、極めてコンパクトで密着性のよい、
粒界のない膜（層）が確実に堆積される。高品質の膜（
層）を作るのに使用できる他の堆積法、例えば、電子ビ
ーム蒸着法も使用できる。いずれの場合でも、膜の堆積
の際に回転または周転可能な適切な基体ホルダを用いる
ことにより、所望の膜特性、特に厚さの均一性と被覆の
連続性を高めることができる。
本発明の他の好適な実施態様においては、グラファイト
・エポキシ複合材料の表面と直接接する下地層を、ポリ
パラキシレンのような不透過性で化学的に極めて不活性
なポリマーの薄層で構成する。このようなポリマーの層
を作るのに用いられる二量体材料は例えば商標名「パリ
レンＪ　　（Ｐａｒｙｌｅｎｓ）としてユニオンカーバ
イド社（Ｕｎｉｏｎ　Ｃａｒｂｉｄｅ　）から販売され
ている。このポリバラキシレンは、第２図に示すグラフ
ァイト・エポキシ複合材料２２を被覆する層２３で表わ
した水分遮断封止コーティングとして真空蒸着すること
ができる。
この「パリレン」の°下地層は厚さ２００〜２５０００
０人とすればよい。
このポリマーはまた、グラファイト繊維をエポキシ母材
の中に導入する前にグラファイト繊維自体を予め被覆す
るのに用いることもできる。適切に制御された堆積条件
（例えば蒸気圧、堆積、基体温度）下では、ポリパラキ
シレンは、２００人のように薄い膜であっても、優れた
防湿性を有し、かつ極めて緻密で、連続した、ピンホー
ルのない、粒界のない、非晶質または単結晶の膜を形成
する。
ポリマー成長機構のため、ポリパラキシレンは陰影（ｓ
ｈａｄｏｗｉｎｇ　）効果を生じることなく、基体の表
面にできた微少な凹凸（くぼみ、突起等）や粒界でも均
一に被覆する。上述したようにポリパラキシレンは、他
の材料、例えば金属および金属酸化物の被覆層との密着
性も非常によい。このポリマーは２５０℃もの高温に耐
え、この高温で連続使用可能であり、モして強鉱酸およ
び塩基等の有機および無機化学薬品による化学的侵食に
対してほとんど完全な抵抗性がある。このポリマーの堆
積方法としては、結晶質二量体を熱昇華し、その二量体
を高反応性モノマージラジカルに熱開裂し、そして−５
０℃〜＋５０℃の温度範囲に維持した基体表面上に自然
重合させるのが好ましい。しかし、この基本的な方法を
種々変更することもできる。
第２図に示すように、上述したような厚さが２００〜２
５００００人のポリバラキシレン下地層２３を、厚さ５
００〜５０００人の光学的に反射性の金属の中間層２５
で被覆し、この中間層を、例えば厚さが５０〜１０００
人の光学的に透明な金属酸化物の外層２７で被覆する。
第３の実施態様の構造を第３図に示す。この実施態様で
も、グラファイト・エポキシ複合材料３０を「パリレン
」の下地層３３で被覆する。反射性金属［３５と下地層
３３との間には金属酸化物の表面調整層３４が設けられ
、この表面調整層は反射性金属層３５に対する表面を提
供する。更に、第３の実施態様によれば、光学的に透明
な金属酸化物の最外層３７が設けられる。
〈発明の効果〉 これらの層はすべて、比較的コストの低い材料のみを使
用し、また十分に確立されていてほとんどの薄層研究所
で容易に使用できる堆積技術を採用しているので、経済
的に作製できる。このように作製された層の組合せは、
はとんどの点で公知の被膜よりも優れている。特に、例
えばデイツプ（ｄｉｐ’）被覆よりもはるかに高い防湿
性を得ることができる。本発明による被覆層は、光学的
反射器や高感度電子部品のような、浸食や化学変化や湿
度感受性に対して同様な保護を必要とする他の表面にも
適用することができる。
【図面の簡単な説明】 第１図は、本発明の第１の実施態様に従って金属酸化物
の下地層、光学的に反射性の金属の中間層および光学的
に透明な金属酸化物の保護層で被覆したグラファイト・
エポキシ複合材料の断面図である。 第２図は、本発明の第２の実施態様に従って「パリレン
」ポリマー材料の下地層、光学的に反射性の金属の中間
層および光学的に透明な金属酸化物の外層で被覆したグ
ラファイト・エポキシ複合材料の断面図である。 第３図は、本発明の第３の実施態様に従って「パリレン
」ポリマーの下地層、金属酸化物の表面調整層、反射性
金属層および光学的に透明な金属酸化物の外層で被覆し
た複合材料の断面図である。 ［符号の説明］ １１：複合材料 １３：金属酸化物の下地層 １５：反射性金属の中間層 １７：透明な金属酸化物の外層 ２２：複合材料 ２３：ポリマーの下地層 ２５：反射性金属の中間層 ２７：透明な金属酸化物の外層 ３０：複合材料 ３３：ポリマーの下地層 ３４：金属酸化物の表面調整層 ３５：反射性金属層 ３７：透明な金属酸化物の外層。

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）複合材料、 上記複合材料を被覆する、連続した、ピンホールのない
    非晶質の防水性材料の第１層、 上記第１層を被覆する不透明で、反射率の大きい金属の
    第２層、および 上記第２層を被覆する透明な金属酸化物材料の第３層、 を含む保護被覆した複合材料。
  2. （２）上記第１層がイオンめっきした金属酸化物である
    請求項１記載の保護被覆した複合材料。
  3. （３）上記イオンめっきした金属酸化物が二酸化ケイ素
    、酸化アルミニウム、二酸化チタン、二酸化マグネシウ
    ム、五酸化タンタルまたは五酸化ニオブである請求項２
    記載の保護被覆した複合材料。
  4. （４）上記第１層がポリマーである請求項１記載の保護
    被覆した複合材料。
  5. （５）上記ポリマーがポリパラキシレンである請求項４
    記載の保護被覆した複合材料。
  6. （６）上記第２層が銀、アルミニウム、マグネシウムお
    よび金から選ばれた反射性の金属である請求項１記載の
    保護被覆した複合材料。
  7. （７）上記第３層が酸化アルミニウム、二酸化ケイ素、
    二酸化チタンおよび酸化マグネシウムから選ばれた金属
    酸化物である請求項１記載の保護被覆した複合材料。
  8. （８）複合材料、 上記複合材料を被覆する防水層、 上記防水層を被覆する第１の金属酸化物層、上記金属酸
    化物層を被覆する反射性金属の第３層、および 上記第３層を被覆する第２の金属酸化物層、を含む保護
    被覆した複合材料。
  9. （９）上記複合材料がグラファイト・エポキシ複合材料
    である請求項８記載の保護被覆した複合材料。
  10. （１０）上記防水層がポリマー材料である請求項９記載
    の保護被覆した複合材料。
  11. （１１）上記ポリマー材料がポリパラキシレンである請
    求項１０に記載の複合材料。
  12. （１２）結晶質二量体を熱昇華し、その二量体を高反応
    性モノマージラジカルに熱開裂し、そして−５０℃〜＋
    ５０℃の温度範囲に維持した基体表面上に自然重合させ
    ることにより上記ポリマーが堆積されている請求項１１
    に記載の保護被覆した複合材料。
  13. （１３）複合材料を脱水し、 上記複合材料を防湿性下地層で被覆し、 この防湿性下地層を反射率の高い表面の金属層で被覆し
    、 上記の反射性の金属層を金属酸化物の保護層で被覆する
    各工程を含む、複合材料に保護被膜を形成する方法。
  14. （１４）上記防湿性下地層がイオンめっきを併用したマ
    グネトロン・スパッタリング堆積により形成された金属
    酸化物層である請求項１３記載の方法。
  15. （１５）上記マグネトロン・スパッタリングおよびイオ
    ンめっきによる堆積工程が基体ホルダを使用して複合材
    料を回転および周転させることを含む請求項１４記載の
    方法。
  16. （１６）上記防湿性下地層がポリパラキシレン層である
    請求項１３記載の方法。
  17. （１７）ポリパラキシレン層を形成する工程が、結晶質
    二量体を熱昇華し、その二量体を高反応性のモノマージ
    ラジカルに熱開裂し、そして−５０℃〜＋５０℃の温度
    範囲に維持した基体表面上に自然重合させることにより
    ポリマーを堆積することを含む請求項１６記載の方法。
  18. （１８）複合材料の被膜を請求項１７記載の方法によっ
    て形成した保護被覆した複合材料。
  19. （１９）複合材料の被膜を請求項１３記載の方法によっ
    て形成した保護被覆した複合材料。
JP63315252A 1987-12-16 1988-12-15 保護被覆した複合材料 Granted JPH01238929A (ja)

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