JPH0710578B2 - 炭素−炭素複合パネルの製造方法 - Google Patents

炭素−炭素複合パネルの製造方法

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JPH0710578B2 JP62293861A JP29386187A JPH0710578B2 JP H0710578 B2 JPH0710578 B2 JP H0710578B2 JP 62293861 A JP62293861 A JP 62293861A JP 29386187 A JP29386187 A JP 29386187A JP H0710578 B2 JPH0710578 B2 JP H0710578B2
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Description

【発明の詳細な説明】 （イ）産業上の利用分野 本発明は、パネル、特に、例えば、航空機の構造に使用
する軽量パネルに関するが、これにのみ限定されるもの
ではない。
本明細書の説明上、「パネル」という用語は、少なくと
も１端縁により画成される表面積を呈し、円筒体、円錐
体または球の１部のように、１または複数の面の断面が
平坦または湾曲した表面を提供するあらゆる壁構成要素
を意味するものとする。
（ロ）従来の技術 剛度対重量比の大きいパネルを構成するためには、適当
な材料製の２枚の薄厚外層間に峰の巣構造のような軽量
の芯材を装填してかかるパネルを製造することは公知で
ある。この芯材は、外層材とは別の材料製とする。
（ハ）発明が解決しようとする問題点 本発明は、主として、高温時の剛度および強度の大きい
軽量パネル、特に航空機用（但し、これにのみ限定され
ない）パネルを提供することを目的とする。
（ニ）問題点を解決するための手段 本発明に依れば、パネルの製造方法は、スペースまたは
相接続したポアがパネルの１端縁に対する通気口を提供
する芯構造体によって支持され且つ分離された１対の壁
面部材を有するパネルのプレフォームであって壁面部材
および芯材が繊維材料を備えるプレフォームを準備する
段階と、および熱分解法を利用して、繊維材料内の繊維
の周囲に熱分解母体を形成し、熱分解中、ガスを通気口
に流動させる段階とを備えている。
本発明に依る、炭素−炭素複合パネルの好適な製造方法
は、パネルの１端縁に対する通気口を提供するスペース
を画成する１連の中空炭素繊維部材として芯構造体を形
成する段階と、１対の炭素繊維製壁面部材をそれぞれ芯
の両側部に固着する段階と、および熱分解法を利用し、
炭素繊維の周囲に熱分解の炭素母体を形成し、熱分解
中、ガスを通気口に流動させる段階とを備えている。
本発明は、また、上記２つの方法の何れかの方法によっ
て製造したパネルを提供するものである。
本明細書および特許請求の範囲において、「熱分解母
体」という用語は、例えば、ガス状の副産物を放出させ
ることにより炭素化合物を炭素に変える場合のように母
体の先駆物質を化学的に分解させるため、あるいは、例
えば、炭素系ガスを導入し、このガスを分解させて（ガ
ス状副産物の生成と共に）炭素を折出させるため、400
℃以上の熱の作用により形成された母体のみを意味する
ものとする。本明細書にて説明するこの高温「分解」お
よび「析出」工程において、ガスがパネルに対して出入
りし得るようにするための通気手段を設けることが重要
であり、「熱分解」および「熱分解母体」という用語
は、ガスが出入りするための手段を必要としない他の化
学的方法によって製造された母体を除外する意味で使用
するものである。
壁面部材および芯構造体は、化学析出（CVD）法によっ
て析出させ炭素−炭素複合体を形成させてさせて補強す
るか、またはピッチまたは樹脂炭化法（これら全ての方
法は公知である）によって強化した炭素繊維プレフォー
ムを備えることができる。繊維材料は、樹脂炭化法また
はCVD法あるいはその双方にて結合させ、強化すること
が望ましい。炭素繊維は、必要とされる熱伝導性如何に
よって黒鉛化処理するか、一部黒鉛化処理するか、また
は完全に黒鉛化処理する。例えば、酸化アクリル系（即
ちポリアクリロニトリル）繊維で製造した布を用いて予
炭化するか、または現場にて炭化させることができる。
（「予炭化」とは、壁面部材または芯材に組み込む前に
炭素繊維を完全に炭化させることを意味するものとす
る。） 別の態様として、芯構造体は、強化フェルトまたは連続
気泡構造の発泡材料を備えることができる。炭化ケイ素
繊維または炭素繊維と炭化ケイ素繊維の混合体のような
繊維材料を使用することも可能である。高温時の酸化抵
抗性を備えるため、他のセラミックまたはガラスセラミ
ック系繊維を使用してもよい。母体は酸化防止剤、その
他の添加剤のような物質を含有することができ、また、
炭化ケイ素母体を使用してもよい。変換法を利用して、
繊維プレフォームをその他の形態に変換することができ
る。例えば、適当な熱化学的方法によって炭素プレフォ
ームを炭化ケイ素に変換することができる。
（ニ）実施例 以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施態様につ
いて説明する。
第１図に示したパネル10は、芯構造体13に結合され、且
つこの芯構造体13によって分離された２つき外壁面部材
または外層材11、12を備えている。
芯構造体13は、酸化アクリル編繊維で形成し、単一構造
体を提供し得るよう結合させた１連の六角管16、17を備
えている。上記単一構造体において、管は、編布ウエブ
20、21、22によって結合されている。
製造時、管16、17、18は、適当な形状のフオーマ（例え
ば、炭素製）を挿入して六角形に形成し、且つ炭化処理
を行なう。次いで、フオーマに代えて一時的な支持体を
使用する。炭素繊維布製である外層材11、12は、第１図
に示すように適当な樹脂接着剤を使用して管の外面に軽
く接着させる。組立体は、樹脂の硬化および炭化処理
中、炭素板の間に平らに保持し、その結果得られる支持
せずに自立するパネルは、炭素を化学析出させ、芯材13
および外層材11、12の双方を強化する。
パネル10の面に対し平行に伸長する管16、17、18の形態
による中空部材を採用することにより、パネル構造体
は、化学ペーパをパネルの面に対して平行に伸長するス
ペース23、24、25を通して構造体の全部品まで透過さ
せ、且つパネルも端縁に通気させ、必要な強化炭素母体
を均一に析出させることができる。
別の態様として、芯材または外層材、もしくはその双方
は、適当な樹脂を予含浸し、その後その樹脂を炭化させ
て、芯材の開放構造体が樹脂の炭素以外の成分をガス状
の形態にて逃がすためのスペースを提供するようにす
る。
第２図に示した構造は、管26、27、28が結合するウエブ
を伴わずに、横に並んだ一体の固着状態にて相互に編ま
れ、円形の断面形状にて外層材29、30間に保持される点
を除いて第１図の構造と同様である。
第３図の構造は、同様にウエブ31、32、33と一体に編ん
だ円形断面の管36、37、38を備えている。
編み方を変え、適当なフォーマを提供することにより希
望通りの間隔または管の断面形状が得られる。
第４図は、パネルの端縁に通気するスペース46、47、48
を包囲する三角管43、44、45によって芯材42を提供する
点を除いて、上述と同様の構造のパネル40を示す。芯材
42を形成する布は、隣接管の端縁50、51、52にてかがり
一体の構造体として編むか、または、図示した形状にて
適当なフォーマの周囲にもろよりした織布、不織布また
は編布にて形成することができる。
第４図に示した芯構造体の１つの利点は、三角管43、4
4、45の側部によって、それぞれの外層材55、56と接触
する大きい接着面積部分が得られることである。
第５図は、管66、67を内蔵する外層材62、64を備えるパ
ネル60の１部に示す。このパネル60の構造は第２図の構
造と略同様であるが、この場合、芯材66、67は、管と外
層材間の接着面積を増大させ得るよう扁平な断面形状に
してある。
本発明に依るパネルの製造方法について次の実施例のご
とくさらに詳細に説明する。
実施例１ 第５図に示したパネルを製造するためには、酸化アクリ
ル布を成形して、呼び径10mm、ピッチ約12mmおよび呼び
厚1mmの一体の編み管66、67、68とする。
編み管には、直径10mmの黒鉛ロッドを挿入する。これら
ロッドは、その後の炭化工程中支持手段となり、編み管
は円形断面を維持する。
アクリル繊維の炭化は、窒素中で加熱し、窒素、炭素、
水素および酸素の混合体を追い出し、繊維を炭素に変換
させることによって行った。温度は、１時間当たり100
℃の割合にて上昇させ、1,020℃（±10℃）の温度に
し、４時間この温度を保った。加熱および冷却中、常
時、窒素を連続的に流動させて窒素の正圧を維持した。
炭化後、黒鉛ロッドを除去し、編み管各々に巻き紙管70
を挿入した（第６図参照）。紙管は懈け易いため、第６
図に矢印で示すような軽い外方への力が作用し、編み管
を支持する。次いで、以下に説明するように、管に樹脂
を塗り、別個に製造した外層材62、64に接着させた。巻
き紙は、その後の工程にて容易に除去し得る支持手段と
なった。
外層材62、64は、２層に整合状態に配設した酸化アクリ
ル繊維の不織布にて製造し、各層は、相互に垂直になる
ようにし、軽く針で縫った。布は、編み管に対すると同
様の方法にて炭化させた。
次いで、管および外層材は、別個に、フェノール系樹脂
（BPケミカルの販売するCell bond J22255）とアセトン
の混合体を体積比約50％の割合にて均一に塗装し、各構
成要素の全表面に亘り約0.05g/cm2の樹脂が塗布される
ようにした。
次いで外層材は第２図に示すように、編み管の両側にそ
れぞれ位置決めし、外面の繊維が管の軸線に対して平行
となるようにした。壁面部材および芯材を備える、この
ようにして形成したパネル組立体は、扁平な黒鉛板の間
に押し込み、全厚みが10mm（適当な間隔材にて設定）と
なるようにし、両側のシリコン処理紙の層により、樹脂
が板に接着しないようにした。次いで、板の頂部に重り
を積み重ねることにより7,000N/m2の圧力をパネルに作
用させた。紙管により編み管は、変形し、第５図に示し
た形状となった。
一昼夜乾燥させた後、黒鉛板間の間隔を10mmに保ちなが
ら、パネルの樹脂を加熱して乾燥させた。温度は、最初
の１時間は、80℃に保ち、６℃／時の割合にて昇温さ
せ、120℃にて２時間、150℃にて３時間、175℃にて３
時間、および210℃にて４時間加熱した。
樹脂の硬化後、間隔材を除去し、扁平な黒鉛板によって
約15N/m2の軽るい圧力を作用させ、炭化中、歪みが生じ
ないようにした。
次に、窒素中で加熱することにより樹脂の炭化を行っ
た。温度は20℃／時の割合にて750℃まで、また、50℃
／時の割合にて1,050℃まで昇温させ、1,050℃にて４時
間加熱した。加熱および冷却中、常時、連続的に流動さ
せることにより窒素の正圧を維持した。
炭化後、パネルは支持されずに自力で立った。炭化した
紙管およびシリコン処理紙を除去した。
次にパネルはその端縁を保持具に入れて保持し、低圧の
メタンを供給した真空炉内で高温にて500時間の浸潤工
程を行った。メタンは、化学析出（CVD）法により分解
させ、パネルの繊維間の母体内に炭素を析出させ得るよ
うにした。析出した炭素量は、パネル面積（即ち、パネ
ルの大きい面の面積）cm2当たり、0.4g程度であった。
仕上がったパネルは、次の構成要素および特性を備えて
いた。
重量比％ 編み炭素繊維管 21 炭素繊維外層材 12 炭化樹脂炭素母体 11 CVD炭素母体 56 平均壁密度＝1.18g/cm3 総体積密度＝0.62g/cm3 総厚み＝10mm 単位面積当たり重量＝0.62g/cm2 各外層材の厚み＝1mm 実施例２ 実施例１の構造体と略同様の編み酸化アクリル繊維構造
体を実施例１の方法により組立て、炭化処理した。この
実施例において、外層材は、東レ製のアクリル系炭素繊
維（T300）の100フィラメント・トウを使用して、８−
ハーネスの朱子織物（Fothergill Engineering Fabrics
が販売するA0021）で製造した。
各外層材は、樹脂塗布した単一層の布を備えており、外
層材の繊維が管の軸線に対して０゜および90゜になるよ
うに編み管の両側に１つずつ組合せた。
次いで、実施例１と同一の方法にて炭化およびCVD法を
行った。
仕上がったパネルは、次の構成要素および特性を備えて
いた。
重量比％ 編み炭素繊維管 37 炭素繊維外層材 5 炭化樹脂炭素母体 13 CVD炭素母体 45 平均壁密度＝1.1g/cm3 総体積密度＝0.71g/cm3 総厚み＝9mm 単位面積当たり重量＝0.64g/cm2 各外層材の厚み＝0.25mm 実施例３ 実施例１と同様、酸化アクリル系の一体編みの繊維管お
よび不織布外層材の組立体を準備した。但し、この実施
例の場合、組立体は、樹脂、その他の接着材を一切使用
せずに１工程にて炭化処理した。直径10mmの黒鉛ロッド
を編み管内に挿入し、布外層は管の軸線と平行な外面を
繊維で補強した。炭化中、この組立体は、約7,000N/m2
の一定の圧力下で２枚の扁平な黒鉛板の間に保持した。
炭化サイクルは、実施例１における外層および芯材に対
するものと同様とした。一定に作用させた圧力は、炭化
中、収縮し、湾曲し易い繊維の性質と相俟って、外層お
よび管状の芯材同志を「締付ける」作用をした。
炭化後、10mmのロッドおよび扁平板を慎重に取り除い
た。その結果生じた繊維板は、板およびロッドによる形
状を保ち（第２図に示すように）、それ自体で立ち、且
つ手で取り扱うことができた。
次いで、この繊維板は、その端縁を黒鉛保持具に入れて
保持し、実施例１で説明したように、その後のCVD浸潤
中、それ自体を中心とし、且つ芯材の中空管に沿ってガ
スが流動し得るようにした。CVD法によって析出した炭
素量は、約0.6g/cm2であった。
仕上がったパネルは、次の構成要素および特性を備えて
いた。
重量比％ 編み炭素繊維管 18 炭素繊維外層材 10 CVD炭素母体 72 平均壁密度＝1.4g/cm3 総体積密度＝0.72g/cm3 総厚み＝11.5mm 単位面積当り重量＝0.83g/cm2 各外層材の厚み＝1mm 実施例４ 最初の炭化中、非円形の黒鉛ロッドを使用して、管を支
持した点を除いて、実施例３と同一の方法によりパネル
を製造し、非円形断面を炭化後、第５図に示すような構
造体とし、その後、この構造体は、実施例３に記載した
CVD法を行った。
実施例４にて剛性な一定形状の黒鉛ロッドを使用して内
部を支持したことにより、編み管の芯材と外層間の接触
面積が大きくなり、最初の炭化により、芯材と外層をさ
らに良好に接着させることができた。
仕上がったパネルは、次の構成要素および特性を備えて
いた。
重量比％ 編み炭素繊維管 15 炭素繊維外層材 15 CVD炭素母体 70 平均壁密度＝1.4g/cm3 総体積密度＝0.51g/cm3 総厚み＝12mm 単位面積当たり重量＝0.55g/cm2 各外層材の厚み＝1mm 上述の方法にて製造したパネルは、低密度で剛度が大き
いという利点がある。主な特徴は、芯材を貫通する間隔
材を設け、化学析出法において、ガスが透過し、または
強化のための樹脂炭化法においてガスが逃げ得るように
した点である。
パネルは、炭化法および強化法において適当な保持具を
使用することにより容易に希望通りの形状に製造するこ
とができる。
本発明に依る特定種類のパネル、特に、黒鉛化しない炭
素−炭素複合体にて製造したパネルは、（芯材の中空ス
ペースに起因して）パネルの垂直方向に対する熱伝導率
が小さく、機械的強度が大きいから、極低温の用途にも
適したものである。
上述した実施例において、芯構造体によって分離させた
２つの壁面部材を使用したが、芯材は、１または複数の
補強部材を備えることができ、例えば多層のサンドイッ
チ構造体は、中間に外層材を使用し、重ね合わせた少な
くとも２つの芯構造体を備えることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の方法にて製造したパネルの１部を示
す、線図的な断面図、 第２図、第３図、第４図および第５図は、本発明の方法
にて製造した別構造のパネルを示す、第１図と同様の
図、および 第６図は、製造中のパネルの一部を示す、線図的な断面
図である。 （主要符号の説明） 10……パネル、11、12……外層材 13……芯構造体、16、17、18……六角管 20、21、22……編布ウエブ、26、27、28……管 29、30……外層材、31、32、33……ウエブ 36、37、38……管、40……パネル 42……芯材、43、44、45……三角管 46、47、48……スペース、55、56……外層材 60……パネル、62、64……外層材 66、67……管、70……巻き紙管
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 シャロン・レスリー・フォルクナー イギリス国ウエスト・ミドランズ，コヴェ ントリーシーブイ３・５・ジーダブリュ ー，チェイルズモアー，セント・クリスチ ャンズ・ロード 33 (72)発明者 ロナルド・フィッシャー イギリス国ウォリックシャー州 シーブイ 22・５エルエフ，ラグビー，ボーウェン・ ロード 19 (72)発明者 トレヴァー・チャールズ・ウェルス イギリス国ウォリックシャー州 シーブイ 32・６ディーエル，リーミントン・スペー ス，セント・マークス・ロード 19 (72)発明者 ポール・ハドラム イギリス国ウエスト・ミドランズ，コヴェ ントリー シーブイ２・４ディーイー，ス トーク，ホルムフィールド・ロード 26

Claims (24)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】間隔材（23、24、25;46、47、48）または
    相接続したポアがパネルの端縁に通気口を提供する芯材
    （13、42）によって分離し、且つ支持した１対の壁面部
    材（11、12;55、56;62、64）を有するパネルを準備し、
    壁面部材および芯材が繊維材料を備え、および熱分解法
    によって繊維材料内の繊維の周囲に熱分解母体を形成
    し、熱分解中、通気口にガスを流動させることを特徴と
    するパネルの製造方法。
  2. 【請求項２】パネルの端縁に対する通気口を提供するス
    ペース（23-25、46-48）を画成する炭素繊維の１連の中
    空部材（16、17、18;26、27、28;36、37、38;43、44、4
    5;66、67）として芯構造体（13、42）を準備し、１対の
    炭素繊維製壁面部材（11、12;55、56;62、64）を各々芯
    材の両側に固着し、および熱分解法によって繊維材料内
    の繊維の周囲に熱分解母体を形成し、熱分解中、通気口
    にガスを流動させることを特徴とする炭素−炭素複合パ
    ネルの製造方法。
  3. 【請求項３】芯構造体（13）の炭素繊維を炭化可能な繊
    維材料製のプレフォームを炭化させることにより現場に
    て製造することを特徴とする特許請求の範囲第２項に記
    載した方法。
  4. 【請求項４】酸化アクリル繊維で製造したプレフォーム
    を炭化させることにより芯材（13、42）を製造すること
    を特徴とする特許請求の範囲第２項に記載した方法。
  5. 【請求項５】壁面部材（11、12;55、56;62、64）の炭素
    繊維を炭化可能な繊維材料を炭化させることにより現場
    で製造することを特徴とする特許請求の範囲第２項乃至
    第４項の何れかの項に記載した方法。
  6. 【請求項６】壁面部材（11、12;55、56;62、64）の炭素
    繊維を酸化させたアクリル繊維を炭化させることにより
    現場にて製造することを特徴とする特許請求の範囲第５
    項に記載した方法。
  7. 【請求項７】芯材（13、14）を予炭化させた繊維材料で
    製造することを特徴とする特許請求の範囲第２項に記載
    した方法。
  8. 【請求項８】壁面部材（11、12;55、56;62、64）を予炭
    化させた炭素繊維で製造することを特徴とする特許請求
    の範囲第２項に記載した方法。
  9. 【請求項９】芯構造体が１連の管（16〜18、26〜28、36
    〜38、43〜45、66、67）を備えることを特徴とする特許
    請求の範囲第２項に記載した方法。
  10. 【請求項１０】管が編み繊維であることを特徴とする特
    許請求の範囲第９項に記載した方法。
  11. 【請求項１１】フォーマ（70）を挿入し、管を成型する
    ことを特徴とする特許請求の範囲第10項に記載した方
    法。
  12. 【請求項１２】管（26〜28、36〜38）を円形断面に製造
    することを特徴とする特許請求の範囲第９項乃至第11項
    の何れかの項に記載した方法。
  13. 【請求項１３】樹脂を塗布し、硬化させる間、管（16〜
    18、26〜28、36-38、43〜45、66、67）を非剛性の内部
    支持体によって支持することを特徴とする特許請求の範
    囲第11項に記載した方法。
  14. 【請求項１４】樹脂を塗布し、硬化させる間、管（16〜
    18、26〜28、36〜38、43〜45、66、67）を内部の巻き管
    によって支持することを特徴とする特許請求の範囲第13
    項に記載した方法。
  15. 【請求項１５】壁面部材（62、64）および芯材（66、6
    7）を硬化可能な樹脂で接着させ、および樹脂の硬化
    中、前記壁面部材および芯材に圧力を作用させ、管の断
    面を扁平にすることを特徴とする特許請求の範囲第13項
    または第14項に記載した方法。
  16. 【請求項１６】内部支持体を挿入することにより、管
    （16、17、18）を非円形断面に成型することを特徴とす
    る特許請求の範囲第９項乃至第11項の何れかの項に記載
    した方法。
  17. 【請求項１７】編み繊維が管を結合させる縫い目、また
    はウェブ（20、21、22;31、32、33）を形成することを
    特徴とする特許請求の範囲第10項に記載した方法。
  18. 【請求項１８】管（16、17、18）を六角形断面に成型す
    ることを特徴とする特許請求の範囲第９項、第10項、第
    11項、第15項または第16項の何れかの項に記載した方
    法。
  19. 【請求項１９】管（43、44、45）を三角形の断面に成型
    することを特徴とする特許請求の範囲第９項または第10
    項に記載した方法。
  20. 【請求項２０】管（43、44、45）をもろより布にて製造
    することを特徴とする特許請求の範囲第２項乃至第19項
    の何れかの項に記載した方法。
  21. 【請求項２１】壁面部材（11、12;55、56;62、64）を不
    繊布にて製造することを特徴とする特許請求の範囲第２
    項乃至第20項の何れかの項に記載した方法。
  22. 【請求項２２】壁面部材（11、12;55、56;62、64）を繊
    布にて製造することを特徴とする特許請求の範囲第２項
    乃至第20項の何れかの項に記載した方法。
  23. 【請求項２３】芯材をフェルト材料にて製造することを
    特徴とする特許請求の範囲第２項に記載した方法。
  24. 【請求項２４】芯材を連続気泡式発泡材料にて製造する
    ことを特徴とする特許請求の範囲第２項に記載した方
    法。
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