JPH11505205A

JPH11505205A - 繊維予備成形物及び構造用複合材料の速い成形加工方法

Info

Publication number: JPH11505205A
Application number: JP8534784A
Authority: JP
Inventors: クレット、ジェイムズ・ダブリュー; バーチェル、ティモシー・ディー; ベイリー、ジェフリー・エル
Original assignee: ロッキード・マーチン・エナジー・システムズ・インク
Priority date: 1995-05-19
Filing date: 1995-11-17
Publication date: 1999-05-18
Anticipated expiration: 2015-11-17
Also published as: US5744075A; DE69522478T2; JP3309858B2; US5871838A; WO1996036473A1; EP0827445B1; EP0827445A1; AU4894396A; EP0827445A4; DE69522478D1

Abstract

(57)【要約】圧縮炭素マトリックス炭素繊維複合材料予備成形物は、炭素繊維と炭化され得る有機粉末の水スラリーを真空成形し、成形部品を形成することによって製造される。当該成形部品は、５０℃にて１４時間、炉内で乾燥され、且つ、２０００ｐｓｉ、４００℃にて３時間、熱圧される。当該熱圧された部品は、６５０℃にて３時間、窒素下で炭化され、且つ、２４００℃にて黒鉛化され、圧縮炭素マトリックス炭素繊維複合材料子備成形物のマトリックス中に黒鉛構造を形成する。当該圧縮予備成形物は、１．１ｇ／ｃｃを超える密度を有する。

Description

【発明の詳細な説明】繊維予備成形物及び構造用複合材料の速い成形加工方法本発明は、契約ＤＥ−ＡＣ０５−８４ＯＲ２１４００の下、米国エネルギー省によってマーチン・マリエッタ・エネルギー・システムズ社に与えられた政府の支援の下になされたものであり、政府は、この発明に一定の権利を有する。発明の分野本発明は、圧縮（又は緻密化）複合材料の製造方法、より詳細には、圧縮（又は緻密化）炭素マトリックス炭素繊維複合材料予備成形物の製造方法に関する。発明の背景炭素−炭素複合材料は、航空機のブレーキ系統における摩擦材料として広く用いられており、当該ブレーキ系統においては、それらの高い熱伝導性、大きな熱容量及び優れた摩擦及び摩耗挙動により、航空機のブレーキ性能が十分に改良されている。従って、大きな市販されている航空機（例えば、ボーイング７４７、７５７及び７６７）や、すべての軍用航空機は、それらのブレーキ系統に、炭素 −炭素複合材料を使用している。炭素複合材料の製造プロセスは、非常に冗長であり、そのため、炭素複合材料は非常に高価である。一般的には、予備成形物は、炭素繊維織物の人手によるレイアップ（堆積）により、あるいは、細断（チョップ）された炭素繊維と樹脂との混合物（プリプレグ）の熱圧（ホット・プレス）により調製される。予備成形物は、その後、次の論文、即ち、トーマス・アール・コリン(Ｔhomas,Ｃolin Ｒ.)、「炭素−炭素複合材料とは何か、及び、それらが何を提供するのか」、炭素−炭素複合材料の本質的要素、トーマス・アール・コリン編、王立化学学会、ケンブリッジ、１−３６頁、１９９３年、及びロナルド・フィッシャー(Ｆisher,Ｒonald)、「炭素−炭素の製造の考察」、炭素−炭素複合材料の本質的要素、トーマス・アール・コリン編、王立化学学会、ケンブリッジ、１０３−１１７頁、１９９３年で議論されたように、ピッチ又は樹脂を用いて液体含浸を繰り返すことにより、あるいは、トーマスの論文と、エヌ・ムーディー(Murdie，N.)、シー・ピー・ジュ(C．P．Ju)、ジェイ・ダン（J ．Don）及びエム・エイ・ライト(M．A．Wright)、「炭素−炭素マトリックス材料」、炭素−炭素材料及び複合材料、ジェイ・ディー・バックレイ(J.D.Buckley)編、ノイエス（Noyes）出版、ニューヨーク、１０５−１６８ページ、１９８９年で議論されたように、炭素気相析出法によって緻密化され、その後、ケイ・ジェイ・ハッティンガー(Ｈuttinger,Ｋ.Ｊ.)、「炭素繊維強化炭素（ＣＦＲＣ）の炭素マトリックスの基礎としての液相熱分解の理論的及び実際的側面」、炭素の繊維、フィラメント及び複合材料、フィグエイレド（Ｆigueiredo）編、クルワー・アカデミック（Ｋluwer Ａcademic）出版、ボストン、３０１−３２６頁、１９９０年、及び、ブライアン・ランド(Ｒand,Ｂrian)、「炭素−炭素複合材料のマトリックス前駆体」、炭素−炭素複合材料の本質的要素、トーマス・アール・コリン編、王立化学学会、ケンブリッジ、６７−１０２頁、１９９３年に記載されたようにして、炭化及び黒鉛化が行われる。エル・イー・マクアリスター(Ｍc Ａllister,Ｌ.Ｅ.)、「多次元的に強化された炭素／黒鉛マトリックス複合材料」、設計された（Ｅngineered）材料の便覧−複合材料、テオドール・ジェイ・レインハート（Ｔheodore Ｊ.Ｒeinhart）(技術責任者)、エイ・エス・エム・インターナショナル(ＡＳＭＩnternational)、メタルズ・パーク(Ｍetals Ｐark)、オハイオ州、９１５−９１９頁、１９８７年において論じられたように、１．８ｇ／ｃｃという所望の密度を達成するためには、５サイクルまでの緻密化／炭化の反復が必要であり、それには、６〜９ヶ月を必要とする。炭素−炭素複合材料のこの高コストが、これまでのところ、これらの材料の広範囲にわたる用途を、性能の追求に走ったあるいは比較的コストに無感覚な、航空機のブレーキ及びその他の用途に制限している。しかしながら、炭素−炭素複合材料の有用性は、フィッシャーによって論じられたように、高性能のレース用自動車の競技場において証明されている。フィッシャーによって論じられたように、炭素−炭素複合材料の十分に改良された性能と摩耗特性のために、現代のフォーミュラＩレース用自動車は、炭素−炭素複合材料製ブレーキ及びクラッチを使用している。仮に製造コストが実質的に低減され得るならば、これらの利益は、容易に市販品部門に移転され得るだろう。市販品部門の用途には、大型（重量）トラック又は鉄道機関車及び軌道車のクラッチ及びブレーキ系統がある。更に、軍用部門内においては、戦闘用乗り物（戦車、装甲車、自走砲等）のブレーキ及びクラッチにおいて、多くの用途がある。ここに開示された技術は、炭素−炭素複合材料の成形加工のための刷新的なプロセスであって、加工時間を大幅に低減する可能性を有し、その結果、炭素−炭素複合材料ブレーキ・ディスク完成品を、１−４週間で（より一般的な２４週間以上と比べて）作り上げられるようにするプロセスに関する。明らかに、コストの相応の低減が達成され得る。発明の目的従って、新しく且つ改良された、炭素又はセラミック繊維予備成形物及び構造用複合材料の成形加工方法の提供が、本発明の目的である。本発明の更なるそして他の目的は、ここに含まれる説明から明らかとなろう。発明の概要本発明の一態様によれば、新しく且つ改良された、圧縮炭素マトリックス炭素繊維複合材料予備成形物（プレフォーム）の製造方法は、次の工程を含む：工程１：炭素繊維、炭化され得る有機粉末、リジダイザー及び分散剤の水スラリーを提供しなさい。リジダイザーは、ある軟化点温度範囲及びある揮発温度範囲を有する。工程２：スラリーを真空成形し、成形部品を形成しなさい。工程３：成形部品を、リジダイザーの軟化点温度範囲よりも高い温度で且つリジダイザーの揮発温度範囲よりも低い温度で乾燥し、乾燥硬化された成形部品であって、その中に均一に分散されており且つ任意（ランダム）に配向している炭素繊維を有する部品を形成しなさい。工程４：乾燥硬化された成形部品を熱圧（ホット・プレス）し、熱圧された部品を形成しなさい。工程５：熱圧された部品を、不活性雰囲気下において、圧縮炭素結合炭素繊維複合材料予備成形物を形成するのに十分な時間及び温度で炭化しなさい。本発明の他の態様は、次の工程を含む方法によって製造された、新しく且つ改良された圧縮炭素マトリックス炭素繊維複合材料予備成形物（プレフォーム）である：工程１：炭素繊維、炭化され得る有機粉末、リジダイザー及び分散剤の水スラリーを提供しなさい。リジダイザーは、ある軟化点温度範囲及びある揮発温度範囲を有する。工程２：スラリーを真空成形し、成形部品を形成しなさい。工程３：成形部品を、リジダイザーの軟化点温度範囲よりも高い温度で且つリジダイザーの揮発温度範囲よりも低い温度で乾燥し、乾燥硬化された成形部品であって、その中に均一に分散されており且つ任意（ランダム）に配向している炭素繊維を有する部品を形成しなさい。工程４：乾燥硬化された成形部品を熱圧（ホット・プレス）し、熱圧された部品を形成しなさい。工程５：熱圧された部品を、不活性雰囲気下において、圧縮炭素マトリックス炭素繊維複合材料予備成形物を形成するのに十分な時間及び温度で炭化しなさい。図面の簡単な説明図面中において：図１は、本発明による、成形しっぱなしで且つ乾燥された部品の薄片（セクション）の、１００倍倍率の走査型電子顕微鏡の顕微鏡写真である。図２は、本発明による、図１の成形しっぱなしで且つ乾燥された部品の薄片の、３００倍倍率の走査型電子顕微鏡の顕微鏡写真である。図３は、本発明による、図１の成形しっぱなしで且つ乾燥された部品の薄片の、高分解能走査型電子顕微鏡の顕微鏡写真である。図４は、本発明による、１３０℃で熱圧された予備成形物の薄片の、１００倍倍率の走査型電子顕微鏡の顕微鏡写真である。図５は、本発明による、図４の１３０℃で熱圧された予備成形物の薄片の、３００倍倍率の走査型電子顕微鏡の顕微鏡写真である。図６は、本発明による、図４の１３０℃で熱圧された予備成形物の薄片の、高分解能走査型電子顕微鏡の顕微鏡写真である。図７は、本発明による、炭化された部品（６００℃）の薄片の、１００倍倍率の走査型電子顕微鏡の顕微鏡写真である。図８は、本発明による、図７の炭化された部品（６００℃）の薄片の、３００倍倍率の走査型電子顕微鏡の顕微鏡写真である。図９は、本発明による、図７の炭化された部品（６００℃）の薄片の、高分解能走査型電子顕微鏡の顕微鏡写真である。図１０は、本発明による、熱圧され且つ炭化された複合材料の薄片の、２００倍倍率の走査型電子顕微鏡の顕微鏡写真である。図１１は、本発明による、図１０の熱圧され且つ炭化された複合材料の薄片の、３００倍倍率の走査型電子顕微鏡の顕微鏡写真である。図１２は、本発明による、図１０の熱圧され且つ炭化された複合材料の薄片の、高分解能走査型電子顕微鏡の顕微鏡写真である。本発明の他の且つ更なる目的、有利さ及び性能と共に、本発明をより良く理解するために、上記図面に関連して、次の開示及びそれに付随する請求項が参照される。好適態様の詳細な説明航空機及びその他の市販のブレーキ系統用の炭素−炭素複合摩擦材料の速い製造のための、新規のプロセスが説明される。当該プロセスは、スラリー成形技術による、約１０μｍ〜約１０ｍｍの長さの細断（チョップ）又は微粉砕（ミル）された炭素繊維と樹脂又はメソフェーズ・ピッチ・バインダーとを含む繊維予備成形物の成形加工を含む。その後、予備成形物は、最終の密度近くまで熱圧され、更にその後に、炭化及び黒鉛化がなされる。熱圧された複合材料中での繊維の分布は、相対的に任意（ランダム）であり、熱圧操作に起因する明らかな繊維の損傷はない。バインダー／含浸剤としてメソフェーズ・ピッチを用いると、最終生成物が高い熱伝導性及び改良された摩擦及び摩耗特性を有することが確実となる。もし必要であれば、最終の炭素（又は化学）気相析出法（ＣＶＩ）による緻密化工程により、密度は１．８ｇ／ｃｃ超まで高められるであろう。ここに記載のルートによる炭素−炭素複合摩擦材料の成形加工では、反復される液体含浸又は長いＣＶＩによる加工工程が除去されることにより、加工時間の実質的な低減がもたらされる。材料成形加工コストの相応の低減が期待される。次のものは、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）繊維及びフェノール樹脂を用いた、硬質予備成形物の製造技術である。目標とした密度は、ＣＶＩによる緻密化において理想的な、１．０ｇ／ｃｃである。方法Ａ１．適切な繊維長を選びなさい。２．細断（チョップ）された炭素繊維を樹脂粉末と混合し、水中でスラリー化しなさい。３．所望の形の部品になるように、真空成形しなさい。４．成形部品を、５０℃にて１４時間、熱対流炉内で乾燥し、成形ジグから取り出しなさい。５．約２０００ｐｓｉまでの圧力で且つ１３０℃で、嵌め合せ型（マッチド・モールド）内で熱圧し、且つそれを３時間保持しなさい。６．窒素下で３時間、炭化を行い、樹脂バインダーを熱分解しなさい。当該プロセスが実行可能であることを示すために、約０．５ｇ／ｃｃ〜約１．３ｇ／ｃｃの範囲内の密度を有するいくつかの予備成形物を、方法Ａを用いて製造した。図１、２及び３は、スラリーから作られた成形しっぱなしで且つ乾燥された部品（ρ＝０．２１ｇ／ｃｃ）の薄片の、走査型電子顕微鏡の顕微鏡写真（それぞれ、１００倍倍率、３００倍倍率及び高分解能）である。走査型電子顕微鏡の顕微鏡写真中に示されているように、繊維は、任意（ランダム）に配向している。これが、横断方向における強度と熱伝導性を改良している。図４、５及び６は、熱圧された部品（ρ＝１．１０ｇ／ｃｃ）の薄片の、走査型電子顕微鏡の顕微鏡写真（それぞれ、１００倍倍率、３００倍倍率及び高分解能）である。それらから分かるように、圧縮の間の繊維の損傷はなく、繊維は依然として完全に任意に配向しているように見える。図７、８及び９は、炭化された部品（ρ ＝０．６７ｇ／ｃｃ）の薄片の、走査型電子顕微鏡の顕微鏡写真（それぞれ、１００倍倍率、３００倍倍率及び高分解能）であり、それらから分かるように、ＣＶＩによる緻密化工程の間の気体の適切な流路（プロパー・チャンネリング）のための、依然として十分な連続多孔度（オープン・ポロシティ）がある。予備成形物の密度は、工程５の間の圧縮圧力を調節することにより、制御され得る。図１０、１１及び１２は、マトリックス前駆体としてメソフェーズ・ピッチを用いて製造された炭化された部品（ρ＝１．１ｇ／ｃｃ）の薄片の、走査型電子顕微鏡の顕微鏡写真（それぞれ、２００倍倍率、３００倍倍率及び高分解能）であり、それらから分かるように、炭素に由来するピッチが繊維上に均一に堆積されており、それが、連続多孔度を著しく低減させている。材料全体にわたる繊維の均一な分散が明らかである。他の研究者らが、マトリックス前駆体としてメソフェーズ・ピッチを用いると、最終部品の密度は少なくとも１．５ｇ／ｃｃであり、２４００℃に至るまでの温度での黒鉛化により、１．７ｇ／ｃｃもの高さに到達し得ることを示している。ジェイ・ダブリュウ・クレット(Ｋlett,Ｊ.Ｗ)、「高熱伝導性炭素／炭素複合材料」、デイサーテイション（Ｄissertation）博士、クレムソン（Ｃlemson）大学、クレムソン、エス・シー(ＳＣ)、１９９４年、及びジェイ・エル・ホワイト（Ｗhite,Ｊ.Ｌ.）及びピー・エム・シーファー(Ｐ.Ｍ.Ｓheaffer)、炭素、２７巻、６９７頁、１９８９年。方法Ａは、何ら緻密化工程を有さないことに気付くことが重要である。それゆえ、方法Ｂによる、ピッチ（又はポリアクリロニトリル）繊維をメソフェーズ・ピッチ・マトリックス前駆体と共に用いる更なるプロセスを、以下に説明する。方法Ｂ１．適切な炭素繊維（ポリアクリロニトリル又はピッチ）と繊維長を選びなさい。２．細断（チョップ）された炭素繊維をメソフェーズ・ピッチ粉末及びリジダイザー（ポリエチレングリコール等）と混合し、水中で当該混合物をスラリー化しなさい。ピッチ粉末の水への分散を促進するために、界面活性剤又は分散剤（２−ブトキシエタノール等）が必要とされるかもしれない。３．所望の形の部品になるように、真空成形しなさい。４．成形部品を、５０℃にて１４時間、熱対流炉内で乾燥し、成形ジグから取り出しなさい。５．２０００ｐｓｉまでの圧力で且つ６５０℃で、嵌め合せ型内で熱圧し、且つそれを３時間保持しなさい。６．窒素下で３時間、炭化を行い、ピッチ・バインダーを熱分解しなさい。７．２４００℃にて黒鉛化を行い、マトリックス中に黒鉛構造を発現させ、熱伝導性及び機械強度を改良しなさい。圧縮炭素マトリックス炭素繊維複合材料予備成形物の製造のための他の例は、次の工程を含む：工程１．炭素繊維、炭化され得る有機粉末、リジダイザー及び分散剤を含む水スラリーを提供しなさい。当該リジダイザーは、ある軟化点温度範囲及びある揮発温度範囲を有する。炭素繊維は、レーヨン、ポリアクリロニトリル、等方性ピッチ、メソフェーズ・ピッチ及びそれらの混合物等の材料から作られる。炭素繊維は、細断（チョッピング）、微粉砕（ミリング）等のプロセスによって微粉砕（コミニュート）される。炭素繊維は、２０：１以上のアスペクト比、１０ｍｍ以下の長さ、及び約６μｍ〜約１６μｍの直径を有する。細断（チョップ）された炭素繊維は、約１ｍｍ〜約１０ｍｍの長さを有する。微粉砕（ミル）された炭素繊維は、約１００μｍ超で約４００μｍ未満の、より具体的には、約２００ μｍ〜約４００μｍの平均長さを有する。炭化され得る有機粉末は、メソフェーズ・ピッチ粉末、粉末等方性ピッチ、フェノール樹脂及びそれらの混合物からなる群から選択され、、約３０μｍ〜約１００μｍの平均粉末サイズを有する。表１には、本発明で使用されたあるいは使用され得る、種々の炭化され得る有機粉末の軟化点温度及び揮発温度の一覧を示す。分散剤は、２−ブトキシエタノール、液体洗剤、イソプロパノール及びそれらの混合物からなる群から選択される。リジダイザーは、約４９℃以上で約９１℃ までの温度範囲内の軟化点と、１４０℃以下から約２００℃までの揮発温度範囲とを有する、水溶性有機固体である。リジダイザーは、パラフィンろう、ポリエチレングリコール及びそれらの混合物等の群から選択される。工程２．スラリーを真空成形し、成形部品を形成しなさい。工程３．成形部品を、リジダイザーの軟化点温度範囲よりも高い温度で且つリジダイザーの揮発温度範囲よりも低い温度で乾燥し、乾燥硬化された成形部品であって、その中に均一に分散されており且つ任意に配向している前記炭素繊維を有する部品を形成しなさい。乾燥工程は、成形部品を７５℃にて１４時間加熱することを含む。工程４．乾燥硬化された成形部品を、約２００ｐｓｉｇ〜約２０００ｐｓｉｇの圧力で且つ約１３０℃〜約４００℃の温度で嵌め合せ型内で熱圧し、熱圧された部品を形成しなさい。具体的な熱圧温度は、どのような炭化され得る有機粉末が使用されるかに依存するであろう。具体的な炭化され得る有機粉末が、十分に軟化され、硬質化された成形部品中を完全に流動できることが重要である。加えて、具体的なリジダイザーが、そのプロセスの間に除去され、残留物による汚れ（コンタミネーション）が防がれることが重要である。より具体的には、熱圧は、２０００ｐｓｉまでの圧力で且つ約１３０℃〜約３００℃の温度で３時間、乾燥された成形部品を、嵌め合せ型内で圧することを含む。あるいは、熱圧は、加えて、約４００℃〜約６５０℃の範囲内のあるいは６５０℃を超える温度での、約２０００ｐｓｉまでの圧力での、熱圧プレス機内での、嵌め合せ型内での、熱圧された部品それ自体の炭化を含む。工程５．熱圧された部品を、不活性雰囲気下において、圧縮炭素マトリックス炭素繊維複合材料予備成形物を形成するのに十分な時間及び温度で炭化しなさい。炭化は、窒素下で３時間、約６５０℃〜約１０００℃の範囲内の温度で行われる。圧縮炭素マトリックス炭素繊維複合材料予備成形物は、１．１ｇ／ｃｃを超える密度を有する。圧縮炭素マトリックス炭素繊維複合材料予備成形物は、２４００℃にて黒鉛化され、黒鉛構造のマトリックスを有する圧縮炭素結合炭素繊維複合材料を形成する。本発明者等の材料から得られたデータ（図２−４）に基づき、いくつかの情報がもたらされ得る。硬い一体式（モノリシック）の予備成形物は、ＣＶＩによる緻密化を行うに相応しい、十分な連続多孔度を有する形で製造され得る。予備成形物は、繊維の損傷なしに容易に熱圧され得、且つ、依然として、繊維の任意の（ランダムな）配向を保持している。プロセス時間は、現在の製造技術よりも短い時間で且つずっと小さい労働強度で、もしかすると大きさの程度に従い得る。このプロセスは、メソフェーズ・ピッチを用い、熱圧工程は一回だけで高密度の部品を形成するために使用され得る。それにより、成形加工時間及び部品コストは、劇的に低減される。これは、図１２に示されており、同図においては、メソフェーズ・ピッチに由来する炭素が繊維上に均一に堆積しており、それに伴って、多孔度が低減されている。伝統的なｃ／ｃ（炭素／炭素）ブレーキの製造には、およそ６ヶ月を要する。硬質予備成形物の製造のためのここに開示された技術とＣＶＩによる緻密化の使用により、成形加工時間をおよそ１又は２ヶ月に低減することができる。更に又、ピッチに基づく予備成形物の加圧炭化により、成形加工時間は、おそらく約１週間に低減され得る。それゆえ、このプロセスの有利さは、成形加工時間の十分な低減にある。この技術で成形加工された炭素／炭素では、微粉砕（ミル）された繊維が任意の（ランダムな）分布と配向とを有しており、そのために、非常に均質な材料を生じているであろう。そのような材料は、従来の技術で成形加工されたものと比べて、非常に優れた熱特性及び機械特性を示すであろう。炭素／炭素ブレーキ・ディスクの速い成形加工により、より廉価なブレーキ集成部品がもたらされるであろう。そして、それゆえ、乗用車等の大きな市場への浸透が可能となるであろう。本発明に独特の特徴及び有利さは、次の通りである。伝統的なｃ／ｃブレーキの製造には、およそ６ヶ月を要する。一方、硬質予備成形物の製造のためのここに開示された技術とＣＶＩによる緻密化の使用により、成形加工時間をおよそ１又は２ヶ月に低減することができる。更に又、ピッチに基づく予備成形物の加圧炭化により、成形加工時間は、おそらく約１週間に低減され得る。それゆえ、このプロセスの有利さは、成形加工時間の十分な低減にある。本発明の替わり得る変形態様及び／又は使用には、次のものがある。大きな機械加工が可能なｃ／ｃ部品；ＣＶＩ又は溶融含浸による緻密化のための、複雑な形状の予備成形物の成形加工（このプロセスは、部品全体にわたって均質に分布された酸化防止剤又は他の添加剤を含むｃ／ｃを成形加工するために、使用され得る）；燃焼エンジンのピストン；再突入ビークルのための防熱材；タービン・ローター；ＲＦアンテナ・レフレクター；骨折の一体固定；代用股関節及び／又はバイオ・インプラント。現在、何が本発明の好適態様として考えられるかについては、示されており且つ説明されているけれども、付随する請求項によって定義された本発明の範囲から離れることなしに、その範囲内で様々な変更及び修飾が行われ得ることが、当業者には明らかであろう。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＮ，ＣＺ，ＥＥ，ＦＩ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者バーチェル、ティモシー・ディーアメリカ合衆国、テネシー州 37830、オーク・リッジ、グレイウッド・プレイス 109 (72)発明者ベイリー、ジェフリー・エルアメリカ合衆国、テネシー州 37716、クリントン、スイート・レーン 223

Claims

【特許請求の範囲】請求するのは：１．次の工程を含む圧縮炭素マトリックス炭素繊維複合材料予備成形物の製造方法：工程１．炭素繊維、炭化され得る有機粉末及びリジダイザー（当該リジダイザーは、ある軟化点温度範囲及びある揮発温度範囲を有する）を含む水スラリーを提供する；工程２．前記スラリーを真空成形し、成形部品を形成する；工程３．前記成形部品を、前記リジダイザーの前記軟化点温度範囲よりも高い温度で且つ前記リジダイザーの前記揮発温度範囲よりも低い温度で乾燥し、乾燥硬化された成形部品であって、その中に均一に分散されており且つ任意に配向している前記炭素繊維を有する部品を形成する；工程４．前記の乾燥硬化された成形部品を熱圧し、熱圧された部品を形成する；及び工程５．前記の熱圧された部品を、不活性雰囲気下において、圧縮炭素マトリックス炭素繊維複合材料予備成形物を形成するのに十分な時間及び温度で炭化する。２．次の工程を含む圧縮炭素マトリックス炭素繊維複合材料予備成形物の製造方法：工程１．炭素繊維、炭化され得る有機粉末、リジダイザー（当該リジダイザーは、ある軟化点温度範囲及びある揮発温度範囲を有する）及び分散剤を含む水スラリーを提供する；工程２．前記スラリーを真空成形し、成形部品を形成する；工程３．前記成形部品を、前記リジダイザーの前記軟化点温度範囲よりも高い温度で且つ前記リジダイザーの前記揮発温度範囲よりも低い温度で乾燥し、乾燥硬化された成形部品であって、その中に均一に分散されており且つ任意に配向している前記炭素繊維を有する部品を形成する。工程４．前記の乾燥硬化された成形部品を、約２００ｐｓｉｇ〜約２０００ｐｓｉｇの圧力で且つ約１３０℃〜約４００℃の温度で熱圧し、熱圧された部品を形成する；及び工程５．前記の熱圧された部品を、不活性雰囲気下において、圧縮炭素マトリックス炭素繊維複合材料予備成形物を形成するのに十分な時間及び温度で炭化する。３．前記炭素繊維が、レーヨン、等方性ピッチ、メソフェーズ・ピッチ、ポリアクリロニトリル及びそれらの混合物からなる群から選択される材料から作られる、請求項２の方法。４．前記炭素繊維が、細断(チョッピング)、微粉砕（ミリング）及びそれら組み合わせからなる群から選択されるプロセスによって微粉砕（コミニュート）される、請求項２の方法。５．前記炭素繊維が、約１００μｍ〜約４００μｍの長さと２０：１以上のアスペクト比を有する、請求項２の方法。６．前記炭素繊維が、約１ｍｍ〜約１０ｍｍの長さと約６μｍ〜約１６μ ｍの直径を有する細断（チョップ）された炭素繊維である、請求項２の方法。７．前記炭素繊維が、約１００μｍ超で約４００μｍ未満の平均長さと約６μｍ〜約１６μｍの直径を有する微粉砕（ミル）された炭素繊維である、請求項２の方法。８．前記炭素繊維が、１０ｍｍ以下の長さを有する、請求項２の方法。９．前記の炭化され得る有機粉末が、メソフェーズ・ピッチ粉末、粉末等方性ピッチ、フェノール樹脂及びそれらの混合物からなる群から選択される、請求項２の方法。１０．前記の炭化され得る有機粉末が、約３０μｍ〜約１００μｍの平均粉末サイズを有する、請求項２の方法。１１．前記分散剤が、２−ブトキシエタノール、液体洗剤、イソプロパノール及びそれらの混合物からなる群から選択される、請求項２の方法。１２．前記乾燥工程が、工程２で得られた前記成形部品を５０℃にて１４時間加熱することを含む、請求項２の方法。１３．前記リジダイザーが、約４９℃以上で約９１℃までの軟化点温度範囲と、１４０℃以下から約２００℃までの揮発温度範囲とを有する水溶性有機固体である、請求項２の方法。１４．前記リジダイザーが、パラフィンろう、ポリエチレングリコール及びそれらの混合物からなる群から選択される、請求項２の方法。１５．前記の圧縮炭素マトリックス炭素繊維複合材料予備成形物が、１．１ｇ／ｃｃを超える密度を有する、請求項２の方法。１６．前記熱圧が、約２０００ｐｓｉまでの圧力で且つ１３０℃の温度で３時間、前記の乾燥硬化された成形部品を嵌め合せ型内で圧することを含む、請求項２の方法。１７．前記炭化が窒素下で３時間行われる、請求項２の方法。１８．前記の炭化され得る有機粉末がメソフェーズ・ピッチ粉末である、請求項２の方法。１９．前記の圧縮炭素マトリックス炭素繊維複合材料予備成形物が、２４００℃にて黒鉛化され、黒鉛構造のマトリックスを有する圧縮炭素マトリックス炭素繊維複合材料を形成する、請求項２の方法。２０．請求項２の方法によって製造された、圧縮炭素マトリックス炭素繊維複合材料予備成形物。２１．前記熱圧が、２０００ｐｓｉまでの圧力で且つ約４００℃〜約６５０ ℃の温度で、嵌め合せ型内で、前記の乾燥された成形部品それ自体を炭化することを含む、請求項２の方法。２２．次の工程を含む方法によって製造された、圧縮炭素マトリックス炭素繊維複合材料予備成形物：工程１．炭素繊維、炭化され得る有機粉末及びリジダイザー（当該リジダイザーは、ある軟化点温度範囲及びある揮発温度範囲を有する）を含む水スラリーを提供する；工程２．前記スラリーを真空成形し、成形部品を形成する；工程３．前記成形部品を、前記リジダイザーの前記軟化点温度範囲よりも高い温度で且つ前記リジダイザーの前記揮発温度範囲よりも低い温度で乾燥し、乾燥硬化された成形部品であって、その中に均一に分散されており且つ任意に配向している前記炭素繊維を有する部品を形成する；工程４．前記の乾燥硬化された成形部品を熱圧し、熱圧された部品を形成する；及び工程５．前記の熱圧された部品を、不活性雰囲気下において、圧縮炭素マトリックス炭素繊維複合材料予備成形物を形成するのに十分な時間及び温度で炭化する。