JPH0215513B2 - - Google Patents
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- JPH0215513B2 JPH0215513B2 JP55185093A JP18509380A JPH0215513B2 JP H0215513 B2 JPH0215513 B2 JP H0215513B2 JP 55185093 A JP55185093 A JP 55185093A JP 18509380 A JP18509380 A JP 18509380A JP H0215513 B2 JPH0215513 B2 JP H0215513B2
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- Ceramic Products (AREA)
- Laminated Bodies (AREA)
Description
本発明は、３次元炭素繊維強化炭素材料（以下
3D−CFRCと略記する）からなるロケツトノズ
ル及びその製造法に関するものである。 ロケツトノズルは、ロケツトの性能を左右する
最も重要な部品の１つであり、従来は未強化の炭
素材料が用いられていたが、炭素材料は強度が低
く、ロケツトの燃焼噴射時に高温ガス噴出による
摩耗が大きかつた。これを改良するため近時3D
−CFRCのロケツトノズルが検討されている。 従来3D−CFRCの製造に関しては、以下２種
の方法が提案されているが、これらは、後述の如
き欠点を有している。 (1) あらかじめ３次元織物を作り、これに樹脂を
含浸させたのち硬化、緻密化を行うか、又は
CVD（ケミカル・ベーパー・デイポジシヨン）
法により熱分解炭素を沈着させるかして3D−
CFRCのロケツトノズルを得る。この3D−
CFRCには、下記の欠点がある。 イ） ３次元織物を織る織機が高価であり、高
度の技術を要するため、得られた3D−
CFRCも必然的に高価になる。 ロ） 繊維密度の高い３次元織物が得られにく
く、また、得られたとしても樹脂含浸が困難
となり、したがつて炭素繊維（以下「CF」
と略記する）体積含有率（以下「vf」と略記
する）の高い3D−CFRCが得られ難い。 ハ） 成形時にプレスして樹脂を硬化させる
と、繊維が曲つてしまい補強効果が得られな
い。プレスせずに硬化させると、成形物にボ
イドが多く、また、vfを高めることができな
い。摩耗量の改良には限界がある。 ニ） この3D−CFRCは出発物質が織物であ
るため、どの強化繊維も本質的には真直でな
い。 (2) あらかじめ成形硬化させた１方向CF強化樹
脂のニードルを多方向に並べて組立て成形して
ロケツトノズルを得る。 このロケツトノズルには、下記の欠点があ
る。 イ） 少くとも３方向にニードルを組立てて、
これに樹脂を含浸させて硬化炭素化するか、
又は、CVD法によりニードルを結合するが、
ニードルの組立て及び結合するまでの固定が
難かしい。 ロ） ニードルは剛直であるためニードルを組
立てた場合、ニードルとニードルの間に必ず
空間ができる。この空間は未強化の炭素で埋
められることとなるため、得られた3D−
CFRCは微視的に見て未強化の炭素からなる
部分が存在し、この部分はロケツトの燃焼噴
射時速く摩耗し、ノズル面が凹凸となる。こ
のため強化炭素の部分の摩耗を速める結果と
なる。 ハ） 上記空間のため、やはり高いvfが得られ
ず、更にこの空間でのボイドの少いものが得
られ難い。 以上の如き問題を解決すべく検討の結果、本発
明に至つた。 本発明は下記のとおりである。 (1) 繊維強化材として面内に多方向積層された繊
維層と、該繊維層に対してほぼ垂直方向でかつ
各層を連続的直線的に貫通する繊維束を有する
３次元炭素繊維強化炭素からなるロケツトノズ
ル。 (2) 面積層された繊維層面がロケツトのガス噴射
方向にほぼ垂直である特許請求の範囲１のロケ
ツトノズル。 (3) ２方向以上の面内多方向に積層した未硬化樹
脂含浸炭素繊維層にあらかじめ成形硬化した１
方向炭素繊維強化樹脂からなる多本数のニード
ルを該積層面に対しほぼ垂直に貫通せしめ、次
いで、硬化、炭素化及び緻密化することを特徴
とするロケツトノズルの製造法。 本発明において面内に多方向積層された繊維層
とは、例えば、樹脂含浸１方向CFプリプレグ
を平板上に〔０度／90度〕〔０度／±45度／90度〕
〔０度／±30度／±60度／90度〕〔０度／±22.5
度／±45度／±67.5度／90度〕……の如く積層す
るか、CFクロスプリプレグを積層するか、若
しくは、面内にCFの短繊維がランダムに配向
しているSMC（シート・モールデイング・コンパ
ウンド）の如きシート状プリプレグを積層する
か、又は、これらを組合せて積層するかして、
形成された繊維層である。各繊維は面内擬等方性
になる如く面内に多方向に配列することが好まし
い。〔０度／90度〕よりも〔０度／±45度／90度〕
又はそれ以上の方が好ましい。 本発明の3D−CFRCは、上記の如く面内多方
向積層された繊維層に対しほぼ垂直方向でかつ各
繊維層を連続的直線的に貫通する繊維束が存在す
ることが特色である。この繊維束は、あらかじめ
成形した１方向CF強化樹脂からなるニードルを、
前記繊維層に対しほぼ垂直に貫通して配し、成形
することによつて得られる。 本発明の3D−CFRCを、前記２種の従来方法
で得られたそれと比較すると、本発明の3D−
CFRCにあつては、少くとも１方向の繊維は、本
質的に真直であり、また、3D−CFRC内に未強
化炭素部分が存在しない。更に、前記２種の従来
方法ではVf50％以上の3D−CFRCとすることが
困難であるが、本発明では、容易である。 更に、本発明では、積層面内にほとんど等方性
に強化繊維を配した3D−CFRCとすることがで
きるので、この面をロケツトの燃焼噴射方向と垂
直にすることによりロケツトノズルの全周にわた
り摩耗程度を均等とすることができ、ロケツトの
安定性を高めることができる。 本発明に用いられるCFは、アクリル系繊維、
レーヨン、ピツチ等を原料として既知の方法で得
られた炭素繊維及び黒鉛繊維であり、例えば引張
強度150Kg／mm2以上、引張弾性率20ton／mm2以上の
高強度、高弾性のものであることが好ましい。 CF層に含浸させる樹脂は、フエノール樹脂、
フラン樹脂の如き炭素化可能な熱硬化性樹脂であ
る。 未硬化の樹脂を含浸したCFの１方向プリプレ
グ、織物、不織布、マツト等を通常の方法により
平面的にかつ繊維軸が前述した如く面内で多方向
に配列する如く積層する。次いで、樹脂が未硬化
のうちに、あらかじめ成形された１方向CF強化
樹脂のニードルを各層を貫通して配置する。 樹脂製ニードルの成形に用いた樹脂は、織物等
に含浸した樹脂と同一又は同一系統の樹脂である
ことが好ましい。ニードルの成形は、繊維束に樹
脂を含浸させ必要によりダイスを通して樹脂量を
調整し、又は、引抜成形方法により樹脂を含浸さ
せたのち、硬化させて行う。 ニードルの長さは、成形後の成形物の厚み以下
であることが必要であり、成形後の厚みよりやや
短いのがよい。ニードルの長さが成形後の厚みよ
り長い場合は、成形時の圧縮の際にニードルが折
れたり傾いたりする。ニードルを積層繊維層を貫
通して配する前に該積層繊維層を１度圧縮し、全
体の厚さを成形後の厚さに近づけた後ニードルを
配置すると作業上都合がよい。ニードルを積層繊
維層に通す際、ニードルを50〜150℃に予熱して
おくか又は金属製ガイド棒を使用することもでき
る。ニードルの直径は、0.1〜５mm程度であり、
なるべく細いニードルを多数分配して均一に配設
することが望ましい。このようにして積層繊維層
とニードルを配設され、マトリツクス樹脂を硬化
し、得られた成形物は、窒素、アルゴン、水素、
ヘリウムの如き非酸化性雰囲気中で700〜1500℃
で炭素化する。炭素化により成形物の密度は大幅
に低下するので、更に樹脂の含浸−炭素化を繰返
し緻密化する。樹脂の含浸は、3D−CFRCを樹
脂の入つた耐圧容器に入れ、真空−加圧して行わ
れる。また、CVD法によつて緻密化させること
もできる。 緻密化に使われる樹脂は、フエノール樹脂、フ
ラン樹脂等の他、コールタール、ピツチ類、アス
フアルト等である。 ロケツトノズルは、密度1.5ｇ／cm3以上、特に
2.0ｇ／cm3程度まで緻密化することが好ましい。 熱処理は、2000℃以上、好ましくは2500℃以上
の温度で行い最終的には黒鉛質になつていること
が好ましい。黒鉛化のための処理は、緻密化の各
サイクル毎に行つてもよいが、最終段階で行うこ
ともできる。 黒鉛化後、目的の形状に機械加工するが、機械
加工の後、更に緻密化するには、CVD法により
表面を更に高密度とすることも良い結果を与え
る。 本発明ノズルの積層面方向の強度、弾性率と、
ニードル方向の強度、弾性率との比は、面積層さ
れたCFと、ニードル中のCFとの割合を変えるこ
とによつて変えることができる。例えば、細くて
長いロケツトノズルの場合は、ニードルの比を多
くすることが必要であるが、太くて短いロケツト
ノズルの場合は、ニードルの比を少くしてもよ
い。 一般的には〔面積層されたCF〕：〔ニードル中
のCF）の比は（１：１）〜（10：１）である。 本発明のロケツトノズルは従来の3D−CFRC
ロケツトノズルに比較して下記の優れた効果を有
する。 イ） 成形が容易である。 ロ） ノズルの円周方向にほぼ等方性とすること
ができるため、摩耗が均一である。 ハ） vfを高くすることができるため、強度が高
くかつ摩耗量の少ないノズルができ、したがつ
て、ノズルの軽量化を図ることができる。 ニ） 摩耗が均一である。 ホ） ボイドが少いものが容易に得られ、ノズル
壁を通して燃焼ガスがもれることがなく、ロケ
ツトの推進力が増加するばかりか、もれたガス
による計器の物理的、化学的損傷を防ぐことが
できる。 第１図は、本発明のロケツトノズルにおける面
積層とニードルの状態を示す切欠概念図である。
図において、１は面積層繊維層を示し、２は、ニ
ードルを示す。３は噴射口である。 実施例 １ 12000本構成CFストランド〔0.8ｇ／ｍ、強度
310Kg／mm2、弾性率24ton／mm2、東邦レーヨン(株)
製〕を直径1mのドラムの外周に300ｇ／m2となる
ように巻き、フエノール樹脂〔住友デユレス(株)製
スミライトPR50273）のメタノール溶液を樹脂含
有率45重量％となる如く塗布含浸させた後、メタ
ノールを蒸発させ、１方向プリプレグとした。 このプリプレグを110mm×110mmの正方形となる
如く切断し、繊維軸方向が〔０度＋45度−45度90
度〕の繰返しとなる如く330枚積層した。次いで、
この積層物を金型に入れ、積層物の厚みが140mm
に室温で圧縮した。除圧すると141.6mmとなつた。 この積層物に100℃に加熱した直径１mmのスチ
ール製丸棒をガイドとして直径0.9mm長さ138mmの
ニードルを20本／cm2となる如く挿入した。ニード
ルは、1200本構成CFストランドにフエノール樹
脂（前記のものと同一）を含浸させ、0.9mmのダ
イスを通して硬化させたものである。次いで、厚
みが140mmになる如く圧縮しつつ150℃で１時間処
理して樹脂を硬化した。この成形物を、250℃の
空気中で２時間アフターキユアし、次いで、N2
中３時間1000℃まで昇温し30分間保持した後、徐
冷し3D−CFRCを得た。このものの密度は1.14
ｇ／cm3であつた。この3D−CFRCをコールター
ルの入つた圧力容器に入れ、60torrで減圧脱気後
５Kg／cm2に加圧してコールタールを含浸させた。
次いで、N2中３時間で1000℃まで昇温し、30分
間保持し、緻密化を行つた。この緻密化を10回繰
返すことにより、密度は1.58ｇ／cm3になつた。得
られた緻密化3D−CFRCを黒鉛化炉に入れ、ア
ルゴン中で10時間かかつて2800℃まで昇温しつつ
処理し、黒鉛化した、このものの密度は1.61ｇ／
cm3、気孔率は15％であつた。 この3D−CFRCの面積層されたCFのvfは約40
％であり、これと垂直なCFのvfは９％で、全体
としてvfは49％であつた。 この3D−CFRC積層面の０度方向（Ｘ軸方
向）、90度方向（Ｙ軸方向）及びこれと垂直方向
（Ｚ軸方向）の強度は、夫々15.3Kg／mm2、15.1
Kg／mm2、8.5Kg／mm2であつた。 実施例 ２ CF3000本構成ストランドをたてよこ夫々492
本／ｍ打込んだCF平織物にフラン樹脂〔ヒタフ
ランVF−302、日立化成(株)製〕を含浸させたプリ
プレグを中央に内径40mmの孔を有する外径110mm
の円板に切り、たて糸が〔０度45度〕となるよう
に交互に490枚積層した。次いで、厚みが135mmに
なるまで圧縮し、除圧すると厚みは140.5mmとな
つた。次いで、前述のフラン樹脂を用いた外は実
施例１と同様のニードルを40本／cm2となる如く同
様に挿入した後、厚みが140mmに圧縮しつつ120℃
で１時間、更に200℃で30分圧縮成形することに
より第１図に示す円筒状成形物を得た。 この成形物を実施例１と同様にして炭素化緻密
化及び黒鉛化を行い密度1.64ｇ／cm3、気孔率13.3
％の円筒状3D−CFRCを得た。 この円筒状3D−CFRCの面積層されたCFのvf
は約40％であり、これと垂直方向のvfは約18％で
あり、全体としてvfは58％であつた。 比較例 １ 実施例１で用いた直径約0.9mm、vf約73％のニ
ードルを、互いに垂直なＸ、Ｙ、Z3方向に、
１：１：１の割合で最密充填し、実施例１で用い
た樹脂を含浸し、硬化させ、110mm×110mm×140
mmの３次元強化成形物を得た。 この成形物のvfは約21.5％であり、密度は1.34
ｇ／cm3であつた。この成形物を実施例１と同様に
炭素化したところ、密度は0.75ｇ／cm3であつた。 この物について、実施例１と同様に緻密化を10
回繰返したが、密度は1.35までしか上昇しなかつ
た。次いで、実施例１と同様に黒鉛化することに
より、密度1.38ｇ／cm3、気孔率27％の3D−CFRC
を得た。得られた3D−CFRCのＸ方向、Ｙ方向、
Ｚ方向の強度はそれぞれ7.3Kg／mm2、7.5Kg／mm2、
7.2Kg／mm2であり、vfは22.3％であつた。 比較例 ２ Ｘ、Ｙ、Ｚ方向のニードルの割合を４：４：１
となる如く最密充填した他は比較例１と同様にし
てvf33.1％、密度1.43ｇ／cm3、気孔率24％、Ｘ方
向、Ｙ方向、Ｚ方向の強度はそれぞれ11.0Kg／
mm2、10.8Kg／mm2、4.3Kg／mm2の3D−CFRCを得た。 比較例 ３ 黒鉛化前の比較例１、２の3D−CFRCについ
て更に５回緻密化を繰返したが、密度はそれぞれ
1.49ｇ／cm3、1.55ｇ／cm3までしか上昇しなかつ
た。 試験例 実施例１及び比較例１、２で得られた3D−
CFRCから、面積層繊維面（Ｘ軸−Ｙ軸平面）内
で、Ｘ軸に対する角度θを０度、22.5度、22.5
度、45度、67.5度、90度で各辺の長さが10×10×
100（mm）の角柱となる試験片を切り出した。第２
図は、この試験片を示すものであり、面ａはＸ−
Ｙ平面、面ｂはこれに垂直な平面を示す。この試
験片につき、次の試験を行つた。 ） 強度試験 支点間距離90mmで支点間の中央部のａ面に垂
直負荷を加えることによる３点曲げ試験 ） バーナーガスによる摩耗試験 窒素雰囲気中にて温度約2800℃の酸水素バー
ナーをｂ面に垂直に10秒間噴射し、摩耗の深さ
を測定する。 結果を第１表に記す。
3D−CFRCと略記する）からなるロケツトノズ
ル及びその製造法に関するものである。 ロケツトノズルは、ロケツトの性能を左右する
最も重要な部品の１つであり、従来は未強化の炭
素材料が用いられていたが、炭素材料は強度が低
く、ロケツトの燃焼噴射時に高温ガス噴出による
摩耗が大きかつた。これを改良するため近時3D
−CFRCのロケツトノズルが検討されている。 従来3D−CFRCの製造に関しては、以下２種
の方法が提案されているが、これらは、後述の如
き欠点を有している。 (1) あらかじめ３次元織物を作り、これに樹脂を
含浸させたのち硬化、緻密化を行うか、又は
CVD（ケミカル・ベーパー・デイポジシヨン）
法により熱分解炭素を沈着させるかして3D−
CFRCのロケツトノズルを得る。この3D−
CFRCには、下記の欠点がある。 イ） ３次元織物を織る織機が高価であり、高
度の技術を要するため、得られた3D−
CFRCも必然的に高価になる。 ロ） 繊維密度の高い３次元織物が得られにく
く、また、得られたとしても樹脂含浸が困難
となり、したがつて炭素繊維（以下「CF」
と略記する）体積含有率（以下「vf」と略記
する）の高い3D−CFRCが得られ難い。 ハ） 成形時にプレスして樹脂を硬化させる
と、繊維が曲つてしまい補強効果が得られな
い。プレスせずに硬化させると、成形物にボ
イドが多く、また、vfを高めることができな
い。摩耗量の改良には限界がある。 ニ） この3D−CFRCは出発物質が織物であ
るため、どの強化繊維も本質的には真直でな
い。 (2) あらかじめ成形硬化させた１方向CF強化樹
脂のニードルを多方向に並べて組立て成形して
ロケツトノズルを得る。 このロケツトノズルには、下記の欠点があ
る。 イ） 少くとも３方向にニードルを組立てて、
これに樹脂を含浸させて硬化炭素化するか、
又は、CVD法によりニードルを結合するが、
ニードルの組立て及び結合するまでの固定が
難かしい。 ロ） ニードルは剛直であるためニードルを組
立てた場合、ニードルとニードルの間に必ず
空間ができる。この空間は未強化の炭素で埋
められることとなるため、得られた3D−
CFRCは微視的に見て未強化の炭素からなる
部分が存在し、この部分はロケツトの燃焼噴
射時速く摩耗し、ノズル面が凹凸となる。こ
のため強化炭素の部分の摩耗を速める結果と
なる。 ハ） 上記空間のため、やはり高いvfが得られ
ず、更にこの空間でのボイドの少いものが得
られ難い。 以上の如き問題を解決すべく検討の結果、本発
明に至つた。 本発明は下記のとおりである。 (1) 繊維強化材として面内に多方向積層された繊
維層と、該繊維層に対してほぼ垂直方向でかつ
各層を連続的直線的に貫通する繊維束を有する
３次元炭素繊維強化炭素からなるロケツトノズ
ル。 (2) 面積層された繊維層面がロケツトのガス噴射
方向にほぼ垂直である特許請求の範囲１のロケ
ツトノズル。 (3) ２方向以上の面内多方向に積層した未硬化樹
脂含浸炭素繊維層にあらかじめ成形硬化した１
方向炭素繊維強化樹脂からなる多本数のニード
ルを該積層面に対しほぼ垂直に貫通せしめ、次
いで、硬化、炭素化及び緻密化することを特徴
とするロケツトノズルの製造法。 本発明において面内に多方向積層された繊維層
とは、例えば、樹脂含浸１方向CFプリプレグ
を平板上に〔０度／90度〕〔０度／±45度／90度〕
〔０度／±30度／±60度／90度〕〔０度／±22.5
度／±45度／±67.5度／90度〕……の如く積層す
るか、CFクロスプリプレグを積層するか、若
しくは、面内にCFの短繊維がランダムに配向
しているSMC（シート・モールデイング・コンパ
ウンド）の如きシート状プリプレグを積層する
か、又は、これらを組合せて積層するかして、
形成された繊維層である。各繊維は面内擬等方性
になる如く面内に多方向に配列することが好まし
い。〔０度／90度〕よりも〔０度／±45度／90度〕
又はそれ以上の方が好ましい。 本発明の3D−CFRCは、上記の如く面内多方
向積層された繊維層に対しほぼ垂直方向でかつ各
繊維層を連続的直線的に貫通する繊維束が存在す
ることが特色である。この繊維束は、あらかじめ
成形した１方向CF強化樹脂からなるニードルを、
前記繊維層に対しほぼ垂直に貫通して配し、成形
することによつて得られる。 本発明の3D−CFRCを、前記２種の従来方法
で得られたそれと比較すると、本発明の3D−
CFRCにあつては、少くとも１方向の繊維は、本
質的に真直であり、また、3D−CFRC内に未強
化炭素部分が存在しない。更に、前記２種の従来
方法ではVf50％以上の3D−CFRCとすることが
困難であるが、本発明では、容易である。 更に、本発明では、積層面内にほとんど等方性
に強化繊維を配した3D−CFRCとすることがで
きるので、この面をロケツトの燃焼噴射方向と垂
直にすることによりロケツトノズルの全周にわた
り摩耗程度を均等とすることができ、ロケツトの
安定性を高めることができる。 本発明に用いられるCFは、アクリル系繊維、
レーヨン、ピツチ等を原料として既知の方法で得
られた炭素繊維及び黒鉛繊維であり、例えば引張
強度150Kg／mm2以上、引張弾性率20ton／mm2以上の
高強度、高弾性のものであることが好ましい。 CF層に含浸させる樹脂は、フエノール樹脂、
フラン樹脂の如き炭素化可能な熱硬化性樹脂であ
る。 未硬化の樹脂を含浸したCFの１方向プリプレ
グ、織物、不織布、マツト等を通常の方法により
平面的にかつ繊維軸が前述した如く面内で多方向
に配列する如く積層する。次いで、樹脂が未硬化
のうちに、あらかじめ成形された１方向CF強化
樹脂のニードルを各層を貫通して配置する。 樹脂製ニードルの成形に用いた樹脂は、織物等
に含浸した樹脂と同一又は同一系統の樹脂である
ことが好ましい。ニードルの成形は、繊維束に樹
脂を含浸させ必要によりダイスを通して樹脂量を
調整し、又は、引抜成形方法により樹脂を含浸さ
せたのち、硬化させて行う。 ニードルの長さは、成形後の成形物の厚み以下
であることが必要であり、成形後の厚みよりやや
短いのがよい。ニードルの長さが成形後の厚みよ
り長い場合は、成形時の圧縮の際にニードルが折
れたり傾いたりする。ニードルを積層繊維層を貫
通して配する前に該積層繊維層を１度圧縮し、全
体の厚さを成形後の厚さに近づけた後ニードルを
配置すると作業上都合がよい。ニードルを積層繊
維層に通す際、ニードルを50〜150℃に予熱して
おくか又は金属製ガイド棒を使用することもでき
る。ニードルの直径は、0.1〜５mm程度であり、
なるべく細いニードルを多数分配して均一に配設
することが望ましい。このようにして積層繊維層
とニードルを配設され、マトリツクス樹脂を硬化
し、得られた成形物は、窒素、アルゴン、水素、
ヘリウムの如き非酸化性雰囲気中で700〜1500℃
で炭素化する。炭素化により成形物の密度は大幅
に低下するので、更に樹脂の含浸−炭素化を繰返
し緻密化する。樹脂の含浸は、3D−CFRCを樹
脂の入つた耐圧容器に入れ、真空−加圧して行わ
れる。また、CVD法によつて緻密化させること
もできる。 緻密化に使われる樹脂は、フエノール樹脂、フ
ラン樹脂等の他、コールタール、ピツチ類、アス
フアルト等である。 ロケツトノズルは、密度1.5ｇ／cm3以上、特に
2.0ｇ／cm3程度まで緻密化することが好ましい。 熱処理は、2000℃以上、好ましくは2500℃以上
の温度で行い最終的には黒鉛質になつていること
が好ましい。黒鉛化のための処理は、緻密化の各
サイクル毎に行つてもよいが、最終段階で行うこ
ともできる。 黒鉛化後、目的の形状に機械加工するが、機械
加工の後、更に緻密化するには、CVD法により
表面を更に高密度とすることも良い結果を与え
る。 本発明ノズルの積層面方向の強度、弾性率と、
ニードル方向の強度、弾性率との比は、面積層さ
れたCFと、ニードル中のCFとの割合を変えるこ
とによつて変えることができる。例えば、細くて
長いロケツトノズルの場合は、ニードルの比を多
くすることが必要であるが、太くて短いロケツト
ノズルの場合は、ニードルの比を少くしてもよ
い。 一般的には〔面積層されたCF〕：〔ニードル中
のCF）の比は（１：１）〜（10：１）である。 本発明のロケツトノズルは従来の3D−CFRC
ロケツトノズルに比較して下記の優れた効果を有
する。 イ） 成形が容易である。 ロ） ノズルの円周方向にほぼ等方性とすること
ができるため、摩耗が均一である。 ハ） vfを高くすることができるため、強度が高
くかつ摩耗量の少ないノズルができ、したがつ
て、ノズルの軽量化を図ることができる。 ニ） 摩耗が均一である。 ホ） ボイドが少いものが容易に得られ、ノズル
壁を通して燃焼ガスがもれることがなく、ロケ
ツトの推進力が増加するばかりか、もれたガス
による計器の物理的、化学的損傷を防ぐことが
できる。 第１図は、本発明のロケツトノズルにおける面
積層とニードルの状態を示す切欠概念図である。
図において、１は面積層繊維層を示し、２は、ニ
ードルを示す。３は噴射口である。 実施例 １ 12000本構成CFストランド〔0.8ｇ／ｍ、強度
310Kg／mm2、弾性率24ton／mm2、東邦レーヨン(株)
製〕を直径1mのドラムの外周に300ｇ／m2となる
ように巻き、フエノール樹脂〔住友デユレス(株)製
スミライトPR50273）のメタノール溶液を樹脂含
有率45重量％となる如く塗布含浸させた後、メタ
ノールを蒸発させ、１方向プリプレグとした。 このプリプレグを110mm×110mmの正方形となる
如く切断し、繊維軸方向が〔０度＋45度−45度90
度〕の繰返しとなる如く330枚積層した。次いで、
この積層物を金型に入れ、積層物の厚みが140mm
に室温で圧縮した。除圧すると141.6mmとなつた。 この積層物に100℃に加熱した直径１mmのスチ
ール製丸棒をガイドとして直径0.9mm長さ138mmの
ニードルを20本／cm2となる如く挿入した。ニード
ルは、1200本構成CFストランドにフエノール樹
脂（前記のものと同一）を含浸させ、0.9mmのダ
イスを通して硬化させたものである。次いで、厚
みが140mmになる如く圧縮しつつ150℃で１時間処
理して樹脂を硬化した。この成形物を、250℃の
空気中で２時間アフターキユアし、次いで、N2
中３時間1000℃まで昇温し30分間保持した後、徐
冷し3D−CFRCを得た。このものの密度は1.14
ｇ／cm3であつた。この3D−CFRCをコールター
ルの入つた圧力容器に入れ、60torrで減圧脱気後
５Kg／cm2に加圧してコールタールを含浸させた。
次いで、N2中３時間で1000℃まで昇温し、30分
間保持し、緻密化を行つた。この緻密化を10回繰
返すことにより、密度は1.58ｇ／cm3になつた。得
られた緻密化3D−CFRCを黒鉛化炉に入れ、ア
ルゴン中で10時間かかつて2800℃まで昇温しつつ
処理し、黒鉛化した、このものの密度は1.61ｇ／
cm3、気孔率は15％であつた。 この3D−CFRCの面積層されたCFのvfは約40
％であり、これと垂直なCFのvfは９％で、全体
としてvfは49％であつた。 この3D−CFRC積層面の０度方向（Ｘ軸方
向）、90度方向（Ｙ軸方向）及びこれと垂直方向
（Ｚ軸方向）の強度は、夫々15.3Kg／mm2、15.1
Kg／mm2、8.5Kg／mm2であつた。 実施例 ２ CF3000本構成ストランドをたてよこ夫々492
本／ｍ打込んだCF平織物にフラン樹脂〔ヒタフ
ランVF−302、日立化成(株)製〕を含浸させたプリ
プレグを中央に内径40mmの孔を有する外径110mm
の円板に切り、たて糸が〔０度45度〕となるよう
に交互に490枚積層した。次いで、厚みが135mmに
なるまで圧縮し、除圧すると厚みは140.5mmとな
つた。次いで、前述のフラン樹脂を用いた外は実
施例１と同様のニードルを40本／cm2となる如く同
様に挿入した後、厚みが140mmに圧縮しつつ120℃
で１時間、更に200℃で30分圧縮成形することに
より第１図に示す円筒状成形物を得た。 この成形物を実施例１と同様にして炭素化緻密
化及び黒鉛化を行い密度1.64ｇ／cm3、気孔率13.3
％の円筒状3D−CFRCを得た。 この円筒状3D−CFRCの面積層されたCFのvf
は約40％であり、これと垂直方向のvfは約18％で
あり、全体としてvfは58％であつた。 比較例 １ 実施例１で用いた直径約0.9mm、vf約73％のニ
ードルを、互いに垂直なＸ、Ｙ、Z3方向に、
１：１：１の割合で最密充填し、実施例１で用い
た樹脂を含浸し、硬化させ、110mm×110mm×140
mmの３次元強化成形物を得た。 この成形物のvfは約21.5％であり、密度は1.34
ｇ／cm3であつた。この成形物を実施例１と同様に
炭素化したところ、密度は0.75ｇ／cm3であつた。 この物について、実施例１と同様に緻密化を10
回繰返したが、密度は1.35までしか上昇しなかつ
た。次いで、実施例１と同様に黒鉛化することに
より、密度1.38ｇ／cm3、気孔率27％の3D−CFRC
を得た。得られた3D−CFRCのＸ方向、Ｙ方向、
Ｚ方向の強度はそれぞれ7.3Kg／mm2、7.5Kg／mm2、
7.2Kg／mm2であり、vfは22.3％であつた。 比較例 ２ Ｘ、Ｙ、Ｚ方向のニードルの割合を４：４：１
となる如く最密充填した他は比較例１と同様にし
てvf33.1％、密度1.43ｇ／cm3、気孔率24％、Ｘ方
向、Ｙ方向、Ｚ方向の強度はそれぞれ11.0Kg／
mm2、10.8Kg／mm2、4.3Kg／mm2の3D−CFRCを得た。 比較例 ３ 黒鉛化前の比較例１、２の3D−CFRCについ
て更に５回緻密化を繰返したが、密度はそれぞれ
1.49ｇ／cm3、1.55ｇ／cm3までしか上昇しなかつ
た。 試験例 実施例１及び比較例１、２で得られた3D−
CFRCから、面積層繊維面（Ｘ軸−Ｙ軸平面）内
で、Ｘ軸に対する角度θを０度、22.5度、22.5
度、45度、67.5度、90度で各辺の長さが10×10×
100（mm）の角柱となる試験片を切り出した。第２
図は、この試験片を示すものであり、面ａはＸ−
Ｙ平面、面ｂはこれに垂直な平面を示す。この試
験片につき、次の試験を行つた。 ） 強度試験 支点間距離90mmで支点間の中央部のａ面に垂
直負荷を加えることによる３点曲げ試験 ） バーナーガスによる摩耗試験 窒素雰囲気中にて温度約2800℃の酸水素バー
ナーをｂ面に垂直に10秒間噴射し、摩耗の深さ
を測定する。 結果を第１表に記す。
【表】
第１表において、θ＝０及びθ＝90の強度は
夫々Ｘ軸方向の強度及びＹ軸方向の強度に相当す
るものである。この表より明らかな如く、実施例
１の3D−CFRCは比較例の3D−CFRCと比較し
てＸ−Ｙ軸平面内の各方向での強度、摩耗が均一
であり、これはロケツトノズルとして使用した場
合ノズルの円周方向の摩耗が均一であることであ
り、ロケツトノズルとしての適性を示している。
また、バーナーによる摩耗面は平滑である。 これに対し、比較例のものは、摩耗面に凹凸が
認められ、ニードルの空間部分で未強化の部分が
多く摩耗していることが観察された。 ニードルを組合せる方法で、Ｘ−Ｙ面内でニー
ドルを多方向に組合せれば、ニードル空間は多く
なり、益々vfが低くなる。 噴射テスト例 実施例１、２、比較例１、２で得られた3D−
CFRCを、ノズル孔の中心軸がＺ方向となり、か
つ長さ135mm、外径110mm、スロート部内径50mmの
ロケツトノズルを用いて地上での噴射テストを行
つた。 テスト時の噴射ガスは、スロート部において温
度約2800℃、圧力約30気圧、噴射速度約1000m／
秒であつた。25秒噴射後ノズルの摩耗度を測定し
た。 テスト結果を示すと第２表の通りであり、本発
明のものは、摩耗量が少いのみならず、部分的で
あつた。
夫々Ｘ軸方向の強度及びＹ軸方向の強度に相当す
るものである。この表より明らかな如く、実施例
１の3D−CFRCは比較例の3D−CFRCと比較し
てＸ−Ｙ軸平面内の各方向での強度、摩耗が均一
であり、これはロケツトノズルとして使用した場
合ノズルの円周方向の摩耗が均一であることであ
り、ロケツトノズルとしての適性を示している。
また、バーナーによる摩耗面は平滑である。 これに対し、比較例のものは、摩耗面に凹凸が
認められ、ニードルの空間部分で未強化の部分が
多く摩耗していることが観察された。 ニードルを組合せる方法で、Ｘ−Ｙ面内でニー
ドルを多方向に組合せれば、ニードル空間は多く
なり、益々vfが低くなる。 噴射テスト例 実施例１、２、比較例１、２で得られた3D−
CFRCを、ノズル孔の中心軸がＺ方向となり、か
つ長さ135mm、外径110mm、スロート部内径50mmの
ロケツトノズルを用いて地上での噴射テストを行
つた。 テスト時の噴射ガスは、スロート部において温
度約2800℃、圧力約30気圧、噴射速度約1000m／
秒であつた。25秒噴射後ノズルの摩耗度を測定し
た。 テスト結果を示すと第２表の通りであり、本発
明のものは、摩耗量が少いのみならず、部分的で
あつた。
第１図は、本発明のロケツトノズルの一部切欠
概念図である。第２図は試験片の斜視図を示す。
概念図である。第２図は試験片の斜視図を示す。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 繊維強化材として面内に多方向積層された繊
維層と、該繊維層に対してほぼ垂直方向でかつ各
層を連続的直線的に貫通する繊維束を有する３次
元炭素繊維強化炭素からなるロケツトノズル。 ２ 面積層された繊維層面がロケツトのガス噴射
方向にほぼ垂直である特許請求の範囲１のロケツ
トノズル。 ３ ２方向以上の面内多方向に積層した未硬化樹
脂含浸炭素繊維層にあらかじめ成形硬化した１方
向炭素繊維強化樹脂からなる多本数のニードルを
該積層面に対しほぼ垂直に貫通せしめ、次いで、
硬化、炭素化及び緻密化することを特徴とするロ
ケツトノズルの製造法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP55185093A JPS57110751A (en) | 1980-12-27 | 1980-12-27 | Rocket nozzle |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP55185093A JPS57110751A (en) | 1980-12-27 | 1980-12-27 | Rocket nozzle |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS57110751A JPS57110751A (en) | 1982-07-09 |
| JPH0215513B2 true JPH0215513B2 (ja) | 1990-04-12 |
Family
ID=16164712
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP55185093A Granted JPS57110751A (en) | 1980-12-27 | 1980-12-27 | Rocket nozzle |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS57110751A (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011000750A (ja) * | 2009-06-17 | 2011-01-06 | Ihi Aerospace Co Ltd | ロケットノズルとその製造方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1215589A (en) * | 1966-12-13 | 1970-12-09 | Carborundum Co | Laminated, reinforced carbon articles |
| JPS5252912A (en) * | 1975-10-25 | 1977-04-28 | Nippon Carbon Co Ltd | Manufacture of carbon materials |
| JPS54133581A (en) * | 1978-03-29 | 1979-10-17 | Europ Propulsion | Cyclic network structure |
-
1980
- 1980-12-27 JP JP55185093A patent/JPS57110751A/ja active Granted
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1215589A (en) * | 1966-12-13 | 1970-12-09 | Carborundum Co | Laminated, reinforced carbon articles |
| JPS5252912A (en) * | 1975-10-25 | 1977-04-28 | Nippon Carbon Co Ltd | Manufacture of carbon materials |
| JPS54133581A (en) * | 1978-03-29 | 1979-10-17 | Europ Propulsion | Cyclic network structure |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS57110751A (en) | 1982-07-09 |
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