JPH05501136A - 炭素繊維予備成形物およびその製造方法 - Google Patents

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】 炭素繊維予備成形物 本発明は、炭素−炭素複合材料の製造のために且つ特に該材料がら作られる炭素 ブレーキ円板のような物品の製造のために使用されるような炭素繊維予備成形物 の製造に間する。

化学蒸着（ＣＶＤ）法による炭素ブレーキ円板の製造において、適当なジグの炭 素繊維布の層の堆積をＣＶＤ炉中へ装填する前に該堆積をジグ中で圧縮すること が通例である。ジグは組立に時間を必要とし且つ炉中で貴重な空間を取り、本発 明の１つの目的はジグを必要としない自立する炭素繊維予備成形物を作るための 改良された方法を提供することである。

本発明の一説点に従えば、炭素繊維予備成形物を作る方法は、炭素繊維又は炭素 繊維先駆物質材料の圧縮可能な物体を成形することと、該物体を必要な厚さまで 圧縮する手段を提供することと、該物体を圧縮することと、該物体のほぼ全厚さ を貫く手段で圧縮された物体上で動作することとがらなり、それにより圧縮され た予備成形物が自立し且つ圧縮された状態で圧縮手段による作用がら取り除がれ る。

もし該方法が物体成形のために炭素繊維先駆物質材料を利用するならば、圧縮さ れた物体は炭素繊維予備成形物を生産するために炭化の作用を受けるべきである 。

好ましくは、炭素繊維又は炭素繊維先駆物質材料の少なくとも１０層、より好ま しくは少なくとも２０層の堆積からなる物体が使用される。各層中の繊維は布の 形態に製織されることができもしくはバット又は不織布の形態であることができ る。別に、物体の繊維は非層状の様態で配置されることができ、例えばそれらは 無作為に又は選択的に配向された繊維の三次元配列として配置されることができ る。

炭素繊維又は炭素繊維先駆物質材料は例えばステープルファイバー及び／又は連 続したフィラメントの不織の酸化されたポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）のもの であることができ、圧縮可能な物体の厚さは生産される物品の所望の厚さに従っ て選択されることができる。

本発明の別の観点に従えば、炭素繊維予備成形物を作る方法は、炭素繊維又は炭 素繊維先駆物質材料の圧縮可能な物体を成形することと、該物体をプレス中で必 要な厚さまで圧縮することと、圧縮された物体を針毛突起付針で針刺しし、該針 毛突起付針が圧縮された予備成形物を自立する及び圧縮された状態でプレスから ほぼ取り除くことを可能にするように多数の針パンチング動作のそれぞれにおい て物体のほぼ全体の厚さを貫くこととからなる。

航空機の炭素ブレーキ円板の場合、必要とされる厚さは少なくとも５０關のオー ダーを有することができ、材料の個々の層の針刺し又は材料の層の部分的に組立 てられた堆積の針刺しは先に開示されているが（ＰＡえば英国特許第２０１２８ ７１号を参照）、本発明は、繊維又は繊維束のような要素が自立する即ち自己支 持する構造を提供するために充分しつかり三次元の非層状の配列の層又は繊維を 一緒に締付けるように予備成形物の全体厚さを貫き、該構造がその後の取扱、炭 化、及びＣＶＤＩ密化中にその寸法及び形状を維持するためにジグを必要としな い全厚さ予備成形物を作ることをめる。

針刺し工程はパンチング動作の間針に対して物体を横断方向へ移動することなく 行われることができ、このため針は各パンチング動作中布の同じ領域を貫くこと を保証する。この作用は圧縮された予備成形物の全体厚さをほぼ貫通する厚い繊 維束を作ることである。

針刺し工程は２つの連続のパンチング動作からなることができ、物体は前記２つ の連続のパンチング動作の間で針に対して移動されることができ、それにより予 備成形物のほぼ全体の厚さをそれぞれが貫通する厚い繊維束の２つの配列を作る 。物体は針刺しがその両側から起こるように２つのパンチング動作の間で逆転さ れることができる。横断方向の相対移動は物体がプレスに対して移動され得るよ うに物体をプレスによる圧縮から解放することによって行われることができる。

別に、２つの連続の針穴を有するプレス部材を使用することができ、それにより 物体と針との間の横断方向移動は１つの連続の針穴を貫通する針で１つの連続の パンチング動作を行い、次に針をプレス部材に対して移動して第２の連続のパン チング動作を行い、その間針が第２の連続の針穴を貫通することによって行われ ることができる。

才な、方法は物体へ入るように配置された２つの配列の針によって物体を針刺し することからなり、一方の配列が物体の一方の面にあり、他方の配列が物体の他 方の面にあることができることが本発明によって教示される。２つの配列の針は 同時に針刺し動作を行うように配置されることができる。好ましくは、２つの配 列の針はほぼ同じ方向へ移動する。

針刺りの代替例として、物体のほぼ全体厚さを貫く手段によって圧縮された物体 上で行う前記ステップは、炭素又は炭素先駆物質（即ち炭化可能な）又は他の材 料の要素からなる手段が物体のほぼ全体厚さを貫くようにされる動作からなるこ とができる。

物体のほぼ全体厚さを貫く手段によって圧縮された物体上で行う前記ステップは 、要素が典型的には針又は空気推進装置のような他の装置の助けで圧縮された物 体の全体厚さを交互方向へ連続的に通過するようにされる所謂縫合形式の動作で あることができる。縫合パターンは例えば円形、直線又はジグザグ形態であるこ とができ、ロック又は走行形式の縫合からなることができる。

要素は例えば連続したフィラメント糸又は紡績糸であることができ、いずれの場 合にも要素は炭素又は炭化可能な繊維から、又はシリカ又は炭化珪素のような別 の形式の繊維から作られることができる。要素はセラミック形式の材料のもので あることができる。

好ましくは、要素は７００℃よりも高い温度、より好ましくは１０００’Ｃより も高い温度に露呈された時に重大な劣化に耐える種類のものである。

特に縫合形式の動作で使用するために特に適当な要素は、微細な炭素銀を形成す るように延伸破断され且つ次に糸に紡がれた炭素繊維トウがら作られた糸である 。これらの紡績糸は、より良好な可撓性と紡織機械により加工される能力の故に 初めの連続したフィラメントトウよりも縫合のためにより適している。延伸破断 されたトウにもかかわらず、その結果できた糸は良好な引張強さく典型的には初 めのトウの引張強さの９０〜９５％のオーダー）を示す。

典型的には、複数個の要素が採用され、より典型的には複数個の要素が物体のほ ぼ全体厚さを同時に貫くようにされる。

また、本発明は、１つ又はそれ以上の要素が自立する即ち自己支持する構造を提 供するために充分しっかり層を一緒に締付けるように又は三次元の非層状の配列 の層又は繊維を一緒に締付けるように予備成形物の全体厚さを貫き、該構造がそ の後の取扱、炭化、及び例えばＣＶＤ又は樹脂／木炭技術による緻密化の最中に その寸法及び形状を維持するためにジグを必要としない航空機の炭素ブレーキ円 板用全厚さの予備成形物を提供する。

もし物体が繊維の別個の層からなるならば、層の少なくとも幾つかは単一のシー トからなることができ、且つ層の少なくとも幾つかは炭素外部物質又は炭素繊維 材料の部分の複数個からなることができる０例えば円板又は環状形状の予備成形 物は層から組立てられることができ、その少なくとも１つ又は随意にはその合で か複数個の部分、例えば扇形形状の部分からなる。

本発明に従う方法を次に添付図面を参照して例としてだけ説明する０図面におい て、 第１図は本発明の１つの方法に従って使用するための針刺しプレスの概略的な立 面図であり、そして 第２図は本発明に従って別の方法で動隼される前の予備成形物の斜視図である。

プレスは基板１０を含み、該基板は先駆物質布のシート１４の堆積１２が組立て られる上方位１（破線で示す）と、堆積１２が穴あき剥離板１６に対して圧縮さ れる上方位置（実線で示す）までの間で持上げ機構１１によって垂直方向に移動 することができる。多数の垂直方向に整合された針毛突起付針１９を有する針板 １８は穴あき剥離板１６より上で垂直方向に移動可能に取付けられ、針１９は板 １６中の穴（図示せず）を通過する。針板１８の垂直方向往復移動を行うために 通常の動力作動手段〈図示せずンが設けられ、針１９を堆Ｍ１２のほぼ全体厚さ を通して刺す、もし基板１０が鋼又は同様な材料のものであるならば、基板の表 面の直ぐ手前で停止するように針の垂直方向移動の限界を設定することが必要で ある。別に、基板表面は降伏する材料から作られることができ、針が堆積を完特 表千５−５０１１３６　（３） 全に通過し且つ降伏表面中へ入ることを許す。

特別の例では、酸化されたＰＡＮ）つをステープルファイバー酸化ＰＡＮ基板ま で針刺しすることによって作られた不織布が炭素ブレーキ円板のための予備成形 物の製造のために使用された。３４の層が４３１１の外径及び１３３關の内径を 有する環状体の形態で切断され、高さおよび１８０〜２０３＋ｎの圧縮可能な多 層堆積を形成するように積上げられた。堆積は基板と剥離板との間で４３ＩＩＩ Ｉ＋の厚さまで圧縮され、およそ７７５０針／ｍ２の密度で等分に離間された針 毛突起付針で１５０パンチを与えられた。基板は降下され、堆積は反転され、再 び圧縮され且つ逆側から１５０パンチを与えられた。この動作は各側から１００ パンチでもう４回繰返され、合計７００パンチを与え、構造を完全に締付けた。

自立する予備成形物はこのときおよそ４３輪輪の厚さを有し、その形態で炭化さ れることができた。予備成形物の体積百分率の繊維はおよそ３０％であった。

上記工程において、繊維は１つの動作中針の針毛突起によって多層堆積の上方表 面から下方表面まで実行される。各パンチング動作中針の貫きは布の同じ場所で 起こり、これは針が貫く領域で多数の繊維が層を横切って変位されることを保証 する。バックの移動はバックが基体及び剥離板の間に保持されることによって防 止される。

両側から針肩しすることによって、繊維は両表面から予備成形物を通して引かれ 、構造を一緒に締付け、同じ領域で繰返されたパンチング動作は厚い繊維束が頂 部表面から底部表面まで存在するようにさせる。

本発明の第２の実施例に従えば（第２図参照）、炭素ブレーキ円板２０の製造用 多層炭素予備成形物は、酸化されたＰＡＮ）つをステープルファイバー酸化ＰＡ Ｎ基板まで針刺しすることによって作られた不織布の層２１からなる。３４の層 ２１が４３１順の外径及び１３３ＩＩＩＩの内径を有する環状体の形態で切断さ れ、高さおよそ１８０〜２０３ｍｍの圧縮可能な多層堆積を形成するように積上 げられた６堆積は縫合機械の案内板の間で４３ｍｍの厚さまで圧縮された。圧縮 された堆積は次に縫合動作の作用を受け、そこで環状堆積はその主軸線２２の周 りに回転され、複数個の円周方向の延在する縫目線を生じ、そのそれぞれにおい て縫合された糸は３４層の堆積を完全に通過している。このため、縫合動作の完 了時に、予備成形物は圧縮された状態で自立することができる。

この例で用いられた縫合された糸は８００デニールのものであり、且つ社名ＸＡ Ｓ　Ｇｒａｆｉｔｅｘ　１ｌｅｌｔｒａ（元Ｃｏｕｒｔｕｌａｄｓ　Ｆｉｂｒｅ ｓ　Ｌｔｄ）のもとて商業的に入手可能な種類のものであり、それは微細な炭素 銀を形成するように延伸破断され且つ次に糸に紡がれた炭素繊維トウから作られ ている。

その結果できた自立する予備成形物はおよそ４３龍の厚さを有し、次にその形態 で炭化される。予備成形物の体積百分率繊維はおよそ３０％である。

前記した針刺し又は縫合の方法のいずれかによって作られた予［成形物は炭化さ れることができ、その動作中繊維は収縮し、構造を更に一緒に締付ける。このブ レーキ予備成形物は構造を与えられた繊維体積まで圧縮するためにジグを必要と せずに扱われることができ、必要とされる繊維体積は針刺し中プレスによって又 は縫合機械の案内板によって、及びその後の炭化の収縮作用によって加えられた 圧縮によって既に達成されている。ジグの使用を排除することによって、予備成 形物はＣＶＤ操作中炭素の浸透によって自立状態で処理されることができ、炉空 間の一層有効な利用を炭素ブレーキ円板の生産で達成することができる。

円板を通して軸線方向に延びる厚い繊維束の存在のため、軸線方向のより良い熱 伝動率及びより高い積層関せん断強さが得られる。

本発明は、例えば空間が予圧室にあるＣＶＤ炉中でその後の処理のためにジグ中 に炭素繊維又は炭素繊維先駆物質材料の物体を保持する従来の必要を排除するそ の１つの観点においてのみならず重要なものである。また、それは層の堆積から なる物体のために堆積の１つ以上の層が従来用いられている単一の部片よりはむ しろシート材料の複数個の部分から容易に組立てられることができることで重要 な重要性を有し、ブレーキ円板のための環状の形状を構成する際に層は複数個の セグメントから作られることができ、環状の形状に予め切断された部片を用いる 時に生じるより原シート材料のもはるかに少ない無駄ですむ。

補正書の翻訳文提出書 （特許法第１８４条の８） 平成　４年　１月２４日

Claims (28)

【特許請求の範囲】
1. １．炭素繊維又は炭素繊維先駆物質材料の圧縮可能な物体を成形することと、該 物体を必要な厚さまで圧縮する手段を提供することと、該物体を圧縮することと 、該物体のほぼ全体厚さを貫く手段で圧縮された物体上で動作することとからな り、それにより圧縮された予備成形物が自立し且つ圧縮された状態で圧縮手段に よる作用から取り除かれる炭素繊維予備成形物を作る方法。
2. ２．圧縮可能な物体は炭素先駆物質材料の別々の層からなる請求項１に記載され た方法。
3. ３．物体は炭素繊維又は先駆物質材料の少なくとも１０層、一層好ましくは少な くとも２０層からなる請求項２に記載された方法。
4. ４．物体は前記繊維材料の三次元配列からなる請求項１に記載された方法。
5. ５．前記配列は選択的に配向された繊維材料からなる請求項４に記載された方法 。
6. ６．物体をプレス中で必要とされる厚さまで圧縮することと、圧縮された予備成 形物を自立し且つ圧縮された状態でプレスからその後取り除くことができるよう に複数の針パンチング動作のそれぞれにおいて物体のほぼ全体厚さを貫く針毛突 起付針で圧縮された物体を針刺しすることとからなることを特徴とする請求項１ から５のいずれか１項に記載された方法。
7. ７．針刺し工程は一連のパンチング動作中物体を針に対して横断方向へ移動する ことなく実行され、それにより針は連続の各パンチング動作中布の同じ領域を貫 き、それにより予備成形物のほぼ全体厚さを貫通する厚い繊維束の配列を生じる 請求項６に記載された方法。
8. ８．物体は２つの連続のパンチング動作の作用を受け且つ該２つの連続のパンチ ング動作の間で針に対して横断方向へ移動され、それにより予備成形物のほぼ全 体厚さをそれぞれが貫通する厚い繊維束の２つの配列を生じる請求項７に記載さ れた方法。
9. ９．プレスはプレス及び針に対する堆積の横断方向移動を許すように解放される 請求項８に記載された方法。
10. １０．２つの連続の針穴を有するプレス部材を使用し、それにより１つの連続の 針穴を貫通する針で１つの連続のパンチング動作を行い、次に針をプレス部材に 対して移動して第２の連続のパンチング動作を行い、その最中に針が第２の連続 の針穴を貫通することによつて物体及び針の間の相対的横断方向移動が達成され 得る請求項８に記載された方法。
11. １１．物体は基板と、針毛突起付針がパンチング動作中物体を貫くように通る穴 あき剥離板との間で圧縮状態で保持される請求項６に記載された方法。
12. １２．針パンチング後物体は逆転され且つ逆側から針パンチされる請求項６から １１のいずれか１項に記載された方法。
13. １３．物体は各側から針パンチングのために多数回逆転される請求項１２に記載 された方法。
14. １４．物体は針パンチング動作の間で逆転されることなく２つの側から針パンチ される請求項６から１１のいずれか１項に記載された方法。
15. １５．物体は両側から同時に針パンチされる請求項１４に記載された方法。
16. １６．各針パンチング動作中針は物体に対して同じ方向へ移動する請求項１２か ら１５のいずれか１項に記載された方法。
17. １７．物体を必要とされる厚さまで圧縮する手段を提供することと、物体を圧縮 することと、圧縮された物体上で縫合動作によって動作し、そこで圧縮された予 備成形物をその後自立し且つ圧縮された状態で圧縮手段による作用から取り除く ことを可能とするように少なくとも１つの縫合された要素が物体のほぼ全体厚さ を貫くこととからなることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載さ れた方法。
18. １８．前記少なくとも１つの縫合された要素が炭素又は炭化可能な材料からなる 請求項１７に記載された方法。
19. １９．前記少なくとも１つの縫合された要素はシリカ又は炭化珪素からなる請求 項１７又は請求項１８に記載された方法。
20. ２０．縫合動作を受ける要素は７００℃より高い温度、一層好ましくは１０００ ℃より高い温度による劣化に耐える請求項１７から１９のいずれか１項に記載さ れた方法。
21. ２１．炭素繊維又は炭素繊維先駆物質材料は不織ステーブルファイバーである請 求項１から２０のいずれか１項に記載された方法。
22. ２２．炭素繊維又は炭素繊維先駆物質材料は連続したフィラメントからなる請求 項１から２１のいずれか１項に記載された方法。
23. ２３．炭素繊維文は炭素繊維先駆物質材料は酸化されたポリアクリロニトニル繊 維である請求項１から２２のいずれか１項に記載された方法。
24. ２４．圧縮可能な物体は環状である請求項１から２３のいずれか１項に記載され た方法。
25. ２５．添付図面を参照してここで実質的に説明したような炭素繊維予備成形物を 作る方法。
26. ２６．請求項１から２５のいずれか１項に記載された方法によつて作られた炭素 −炭素複合物品の予備成形物。
27. ２７．請求項１から２５のいずれか１項に記載された方法によって作られた予備 成形物からなる炭素−炭素毛組立体号物品。
28. ２８．請求項２７に記載され且つ炭素ブレーキ円板を構成する物品。