JPH05286773A - 耐熱繊維強化複合材料の製造方法 - Google Patents

耐熱繊維強化複合材料の製造方法

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JPH05286773A
JPH05286773A JP4091125A JP9112592A JPH05286773A JP H05286773 A JPH05286773 A JP H05286773A JP 4091125 A JP4091125 A JP 4091125A JP 9112592 A JP9112592 A JP 9112592A JP H05286773 A JPH05286773 A JP H05286773A
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JP
Japan
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fiber
composite material
reinforced composite
matrix
continuous fiber
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Withdrawn
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JP4091125A
Other languages
English (en)
Inventor
Tomoyuki Wakamatsu
智之 若松
Yosuke Takemura
洋輔 竹村
Masatake Sakagami
正剛 阪上
Takatoshi Takemoto
隆俊 竹本
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Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、材料内部のマトリックスの充填率
の変化を最小限に抑えて均一な組成を持つ高性能な耐熱
繊維強化複合材料を製造することを目的とする。 【構成】 本発明は、上記目的を達成するため、フィラ
メント・ワィンディング法によって耐熱繊維強化複合材
料を製造する際に、連続繊維の巻取りを行なう間同時に
蒸着法を用いてマトリックスの充填を行なうように構成
する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、耐熱繊維強化複合材
料の製造方法に関し、特に、連続繊維を用いてフィラメ
ント・ワィンディング法によって耐熱繊維強化複合材料
を製造する耐熱繊維強化複合材料の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、ロケットのノズル、リーディング
エッジまたはガスタービンエンジン部品等には、立体形
状の部品でかつ耐熱性・高温強度が求められる材料が必
要である。このような材料として、C/Cコンポジット
などの繊維強化複合材料が従来使用されていた。
【0003】しかしながら、立体形状を繊維強化複合材
料で製造する場合、性能を向上させるために、長繊維を
使用する必要があり、また、繊維の配向性も問題とな
る。このため、従来では、フィラメント・ワィンディン
グ法(以下F/W法という。)や三次元織りを用いて、
求める立体形状の繊維基材のニアシェープ(近い形状の
もの)を製造した後、マトリックスを充填する方法が採
られている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】前述のように、従来で
は、繊維強化複合材料の性能を向上させるため、F/W
法などが用いられていた。
【0005】しかしながら、従来の繊維強化複合材料の
製造方法では、求める立体形状の繊維基材のニアシェー
プを製造した後に、マトリックスを充填して高密度化を
行なうため、特に厚い材料や複雑形状のものでは内部の
高密度化が難しいという不都合が生じていた。この結
果、マトリックスの充填率が部分によって異なるという
欠点があった。
【0006】この発明は、上記のような課題を解決する
ためになされたもので、耐熱繊維強化複合材料の製造方
法において、材料内部のマトリックスの充填率の変化を
最小限に押え均一な組成を持つ高性能な耐熱繊維強化複
合材料を製造することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】請求項1に記載の耐熱繊
維強化複合材料の製造方法は、連続繊維を用いてフィラ
メント・ワィンディング法により耐熱繊維強化複合材料
を製造する耐熱繊維強化複合材料の製造方法であって、
連続繊維の巻取りを行なう間同時に蒸着法を用いてマト
リックスの充填を行なう工程を備えている。
【0008】
【作用】請求項1に記載の耐熱繊維強化複合材料の製造
方法では、連続繊維の巻取りを行なう間同時に蒸着法に
よってマトリックスの充填が行なわれるので、材料内部
のマトリックスの充填率の変化が最小限に押さえられ
る。また、マトリックスの充填率が高く、気孔率を少な
くできる。したがって、従来法では基材中心部のマトリ
ックス充填率が特に低い高気孔率のものしか作成できな
かったが、この製法を用いると炭素繊維のまわりを充分
にセラミックスマトリックスで充填された耐酸化性に優
れる材料(たとえばロケットノズル)が作成可能であ
る。
【0009】
【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。
【0010】まず、実施例について説明する前に、本発
明の本質について説明する。本発明は、従来のように繊
維基材をニアシェープに製造した後にマトリックスを充
填するのではなく、連続長繊維の成形中に順次マトリッ
クスの充填を行なう。すなわち、F/W法の巻取りの
間、成形中間体の連続長繊維が巻取られた直後の部分
に、CVD法(化学気相成長法)またはPVD法(物理
蒸着法)などの蒸着法を用いて順次マトリックスの充填
を行なうことにより、緻密化を行なう。つまり、連続繊
維が成形中間体に巻取られた直後の部分だけに、ノズル
などを用いてマトリックス原料ガスを吹付けることによ
り、マトリックスの生成・充填を行なう。これにより、
巻取られた部分は、常にマトリックスの充填が終了また
はそれに近い状態になる。この結果、F/W法による巻
取り初期の内層部でのマトリックスの充填率と、巻取り
終了時の最外層でのマトリックス充填率とが同じ材料が
形成され、材料全体で均一な組成をもつ材料が得られ
る。本発明の方法に使用する連続繊維は、耐熱性・高温
強度に優れる繊維で、具体的には、炭素繊維、セラミッ
クス繊維(SiC、Si3 4 、ZrO2 、Al2 3
など)、金属繊維(タングステンなど)、ボロン繊維な
どの繊維のうち、1種類または2種類以上の混合物を用
いればよい。
【0011】また、マトリックスとしては、耐熱性・高
温強度に優れた物質で、炭素、ボロン、セラミックス
(SiC、Si3 4 、TiC、ZrC、ZrO2 、H
fC、HfO2 、HfSi2 、HfSiO2 、AL2
3 など)の材料のうち1種類または2種類以上からなる
混合物を用いればよい。マトリックス原料の前駆体によ
って、CVD法を用いるかPVD法を用いるかを選択す
る。繊維/マトリックス比、マトリックスの配向状態お
よび気孔率などは、使用条件によって選択する必要があ
る。具体的には、F/Wの巻取り速度およびノズル形
状、CVDおよびPVD条件を使用条件に従って最適化
する。
【0012】上記した本発明の本質に基づき、実際に以
下のような材料作成を行なった。すなわち、F/W法を
用いて、外径6cm、内径2cmおよび高さ約7cmの
成形体を、以下に示す製造方法によって作成した。
【0013】(実施例1) (1) まず、本実施例で用いる装置について説明す
る。図1は本発明の耐熱繊維強化複合材料の製造方法
(F/W法+CVD法)を行なうための装置を示した概
略構成図である。図1を参照して、この装置は、チャン
バー10と、チャンバー10の所定の位置に設けられた
排気孔1と、チャンバー10の所定の位置に設けられ、
原料ガスを注入するための原料ガス注入孔2と、チャン
バー10内の所定位置に回転可能に取付けられた原料連
続繊維ボビン3と、原料連続繊維ボビン3から供給され
る連続繊維5の送り位置を制御するためのトラバーサ7
と、トラバーサ7から送られる連続繊維5が巻取られて
形成されるF/W成形体9と、F/W成形体9を形成し
ながら同時に原料ガス8をF/W成形体9に供給するた
めのノズル6と、原料ガス注入孔2からノズル6に原料
ガスを供給するためのフレキシブルチューブ4とを備え
ている。このような装置を用いて、実施例1では、装置
内でCVDを行ないながらF/W法によりC/Cコンポ
ジット成形体を作成した。加熱はF/W成形体9の心材
となる黒鉛に通電するにより行なった。温度は、110
0℃、原料ガスとしてはメタンを用いた。装置内の圧力
は、100Torrで行なった。
【0014】(比較例1) (1) 直径2cmの炭素材上にF/W法を用いて外径
6cmになるまで炭素繊維収束糸を巻付け、基材とし
た。
【0015】(2) ここで、この比較例1で用いる装
置について説明する。図2は、従来の繊維強化材をCV
Dした後マトリックスを充填するための装置を示した概
略構成図である。図2を参照して、この従来の装置は、
チャンバー13と、チャンバー13の所定箇所に設けら
れた排気孔11と、チャンバー13の排気孔11とは反
対側に取付けられた原料ガスを注入するための原料ガス
注入孔14とを備えている。比較例2では、このような
装置内でCVDを行ない、まずF/Wプリフォーム12
を形成した後、原料ガスを注入することによってC/C
コンポジット成形体を形成した。なお、加熱は、心材の
黒鉛(直径2cm(図示せず))に通電することによっ
て行なった。温度は、1100℃、原料ガスとしてはメ
タンを用いた。装置内の圧力は100Torrであっ
た。
【0016】(実施例2) (1) 図1で示した装置内でCVDを行ないながら、
F/W法を用いてC/SiCコンポジット成形体を作成
した。加熱は心材の黒鉛(直径2cm(図示せず))に
通電することによって行なった。温度は1300℃、原
料ガスとして四塩化珪素、キャリアガスとして水素を用
いた。装置内の圧力は、50Torrであった。
【0017】(比較例2) (1) 直径2cmの炭素材上にF/W法を用いて外径
6cmになるまで炭素繊維収束糸を巻付け、基材とし
た。
【0018】(2) 図2に示した装置内でCVDを行
なった後マトリックスを充填することによりC/SiC
コンポジット成形体を作成した。加熱は、心材の黒鉛に
通電することにより行なった。温度は1300℃、原料
ガスとして、四塩化珪素、キャリアガスとして水素を用
いた。また装置内の圧力は50Torrであった。
【0019】上記した実施例1、2および比較例1、2
についてそれぞれ以下のような物性評価を行なった。
【0020】(1) 測定 実施例1、2および比較例1、2でそれぞれ得られた材
料について測定試料を切出し、見掛け密度、気孔率測定
を行なった。図3は、試作したサンプル材料からの物性
測定サンプル採取位置を説明するための断面図である。
図3を参照して、試料断面104の半径方向に沿って、
内層103、中間層102および外層101の部分を切
り測定試料として切出す。
【0021】試料の形状:縦×横×高さ=4mm×4m
m×4mm 個数:n=5(各部分に対して) (2) 試験結果 上記測定で得られた気孔率および見掛け密度から炭素繊
維体積含有量およびマトリックス体積含有量を算出し
た。この結果を、以下の表1および表2に示す。
【0022】
【表1】
【0023】
【表2】
【0024】上記表1および表2を参照して、実施例1
および2で得られた材料は、表に示すような均一な組成
を持つものが得られた。また、偏光顕微鏡により組織観
察を行なったところ、実施例1および2では場所による
マトリックス配向性の違いも観測されなかった。
【0025】以上のように、本発明の耐熱繊維強化複合
材料の製造方法では、均一な組織を持ち、かつ、気孔率
の少ない高密度の高性能な立体形状の耐熱繊維強化複合
材料が製造できる。
【0026】
【発明の効果】以上のように、請求項1に記載の発明に
よれば、連続繊維の巻取りを行なう間同時に蒸着法を用
いてマトリックスの充填を行なうことにより、材料内部
のマトリックスの充填率の変化を最小限に抑え、均一な
組成を持つ高性能な耐熱繊維強化複合材料を製造するこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の耐熱繊維強化複合材料の製造方法に用
いられる装置を示した概略構成図である。
【図2】従来の繊維強化材をCVDした後マトリックス
を充填する装置を示した概略構成図である。
【図3】試作したサンプル材料からの物性測定サンプル
採取位置を説明するための断面図である。
【符号の説明】
1:排気孔 2:原料ガス注入孔 3:原料連続繊維ボビン 4:フレキシブルチューブ 5:連続繊維 6:ノズル 7:トラバーサ 8:原料ガス 9:F/W成形体 10:チャンバー 101:外層 102:中間層 103:内層 104:試料断面
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 竹本 隆俊 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目1番1号 住友 電気工業株式会社伊丹製作所内

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 連続繊維を用いてフィラメント・ワィン
    ディング法により耐熱繊維強化複合材料を製造する耐熱
    繊維強化複合材料の製造方法であって、前記連続繊維の
    巻取りを行なう間、同時に蒸着法によってマトリックス
    の充填を行なう工程を備える、耐熱繊維強化複合材料の
    製造方法。
  2. 【請求項2】 前記連続繊維の巻取りの間同時にマトリ
    ックスの充填を行なう工程は、成形中間体の連続長繊維
    が巻取られた直後の部分に、蒸着法を用いて順次マトリ
    ックスの充填を行なう工程を含む、請求項1に記載の耐
    熱繊維強化複合材料の製造方法。
  3. 【請求項3】 前記耐熱繊維強化複合材料はロケットノ
    ズルであり、前記連続繊維としてカーボン繊維を用い
    て、前記マトリックスとしてSi、Ti、Zr、Bおよ
    びHfの炭化物のうち少なくとも1種類を用いて、前記
    ロケットノズルを製造する、請求項1に記載の耐熱繊維
    強化複合材料の製造方法。
JP4091125A 1992-04-10 1992-04-10 耐熱繊維強化複合材料の製造方法 Withdrawn JPH05286773A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1997048601A3 (en) * 1996-06-06 1998-04-09 Allied Signal Inc Method for making a rhenium rocket nozzle
JP2017047615A (ja) * 2015-09-02 2017-03-09 トヨタ自動車株式会社 繊維強化複合材料の製造装置および製造方法

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WO1997048601A3 (en) * 1996-06-06 1998-04-09 Allied Signal Inc Method for making a rhenium rocket nozzle
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Effective date: 19990706