(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
飛翔体の表面を高熱ガスから保護するアブレータ材料であって、繊維強化樹脂を炭化ないしは炭化および黒鉛化処理して炭素繊維／炭素複合材とし、炭素繊維／炭素複合材中にフェノール樹脂を含浸させたのちキュア処理してなることを特徴とするアブレータ材料。
【請求項２】
請求項１に記載のアブレータ材料を製造するに際して、繊維クロスにフェノール樹脂を含浸させたプリプレグを積層したのちキュア処理して得た繊維強化樹脂を炭化ないしは炭化および黒鉛化処理して炭素繊維／炭素複合材とし、炭素繊維／炭素複合材中にフェノール樹脂を含浸させたのちキュア処理することを特徴とするアブレータ材料の製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載のアブレータ材料を製造するに際して、３方向に編んだドライプリフォームにフェノール樹脂を含浸させたのちキュア処理して得た繊維強化樹脂を炭化ないしは炭化および黒鉛化処理して炭素繊維／炭素複合材とし、炭素繊維／炭素複合材中にフェノール樹脂を含浸させたのちキュア処理することを特徴とするアブレータ材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、飛翔体の表面を高熱ガスから保護するのに利用されるアブレータ材料およびその製造方法に係わり、従来の繊維強化樹脂（ＦＲＰ）製アブレータ材料に比べてリセッション量が少ないと共に、従来の炭素繊維／炭素複合材（Ｃ／Ｃ材）製アブレータ材料に比べて断熱性の良いアブレータ材料およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
飛翔体が地球などの大気圏に再突入する時には、大気との摩擦によって高熱状態となるので、内部機器などへの熱影響を回避するためには、飛翔体の表面を高熱ガスから保護することが必要である。
【０００３】
従来、このような高熱ガスに対する熱保護のための方法としては、例えば、
（ｉ）比較的弱い加熱を長時間受ける場合に適したものとして、耐熱性に優れた表面材料を高温に保持し、表面からの輻射放熱によって熱保護を行うようにした輻射冷却法、具体的には、耐熱タイルを用いる方法や、
（ｉｉ）比較的強い加熱を短時間受ける場合に適したものとして、熱容量の大きい機体で熱を吸収して、機体表面の溶融・燃焼等による変形を防ぐようにした加熱吸収法、具体的にはノーズキャップを用いる方法や、
（ｉｉｉ）強い加熱を長時間受ける場合に適したものとして、樹脂を主材料とする表面材の熱分解・燃焼・昇華に伴う低温気体の噴出によって加熱を減じ、高温表面からの輻射冷却と併せて熱防護を行うようにしたＦＲＰ製アブレータを用いるアブレーション法や、表面の酸化消耗によるリセッション量が少ないＣ／Ｃ製アブレータを用いるアブレーション法などがある。
【０００４】
本発明は、上記（ｉｉｉ）のアブレーション法に採用されるアブレータ材料に関するものであるが、従来のＦＲＰ製アブレータとしては、例えば、図４に示す工程で製造されるものがあった。
【０００５】
すなわち、図４に示すように、繊維クロスに樹脂を含浸させたプリプレグを適当な大きさに切断したのち積層し、次いでキュア処理してＦＲＰ化することにより、密度（ρ）が１．３〜１．５ｇ／ｃｍ３程度の２Ｄ−ＣＦＲＰ製アブレータ材料を得る。
【０００６】
一方、従来のＣ／Ｃ製アブレータとしては、例えば、図５や図６に示す工程で製造されるものがあった。
【０００７】
すなわち、図５に示すように、３Ｄ方向に編みあげたドライプリフォームに樹脂を含浸させたのちＨＩＰ処理（熱間等方圧加圧処理）して樹脂を高圧炭化し、さらに温度を上げて黒鉛化し、この樹脂含浸と炭化処理と黒鉛化処理を数サイクル繰り返して密度を高めることにより密度（ρ）が１．８〜２．０ｇ／ｃｍ３程度の炭素繊維／炭素複合材（３Ｄ−Ｃ／Ｃ材）製アブレータ材料を得る。
【０００８】
また、図６に示すように、２Ｄ方向に編んだプリプレグを積層してキュア処理することによってＣＦＲＰ素材としたのち炭化および黒鉛化処理し、さらに樹脂含浸と炭化処理と黒鉛化処理とを数サイクル繰り返して密度を高めることによって密度（ρ）が１．８〜２．０ｇ／ｃｍ３程度の炭素繊維／炭素複合材（２Ｄ−Ｃ／Ｃ材）製アブレータ材料を得る。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来のアブレータ材料のうち、ＣＦＲＰ製アブレータ材料では、加熱された際に樹脂の熱分解ガスを発生するためブロッキング効果が大であり、熱分解ガスによる冷却作用を得ることができると共に断熱性が良好であるという利点を有しているものの、樹脂が熱分解したあとには強度の低い炭化層が形成されると共にこの炭化層の表面の酸化消耗が多く、また、動圧を受けた際のメカニカルエローションが大きいためにリセッション量がかなり多くなるという問題点があった。
【００１０】
一方、２Ｄ−Ｃ／Ｃ材ないしは３Ｄ−Ｃ／Ｃ材製アブレータ材料では、加熱された際に熱分解ガスの発生がないためブロッキング効果を得ることができず熱がそのまま伝達されることになるものの、表面の酸化消耗によるリセッション量が少なく、また、動圧に対しても当初から強固な炭化層を形成しているためメカニカルエローションがほとんどなく、これによってもリセッション量がかなり少ないという利点を有しているが、断熱性があまりよくなく、また、上記したように加熱された際に熱分解ガスの発生がないためこの熱分解ガスによる冷却作用を得ることができず、熱の伝達が多くなるため、内部機器に対する熱保護が十分でない場合もあり得るという問題点があった。
【００１１】
【発明の目的】
本発明は、このような従来の課題にかんがみてなされたものであって、従来のＦＲＰ製アブレータ材料に比べてリセッション量が少なく、また、従来のＣ／Ｃ製アブレータ材料に比べて断熱性が良好であるアブレータ材料を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わるアブレータ材料は、請求項１に記載しているように、飛翔体の表面を高熱ガスから保護するアブレータ材料であって、繊維強化樹脂を炭化ないしは炭化および黒鉛化処理して炭素繊維／炭素複合材とし、炭素繊維／炭素複合材中にフェノール樹脂を含浸させたのちキュア処理してなる構成としたことを特徴としている。
【００１３】
また、本発明に係わるアブレータ材料の製造方法は、請求項２に記載しているように、請求項１に記載のアブレータ材料を製造するに際して、繊維クロスにフェノール樹脂を含浸させたプリプレグを積層したのちキュア処理して得た繊維強化樹脂を炭化ないしは炭化および黒鉛化処理して炭素繊維／炭素複合材とし、炭素繊維／炭素複合材中にフェノール樹脂を含浸させたのちキュア処理する構成としたことを特徴としている。
【００１４】
さらに、本発明に係わるアブレータ材料の製造方法は、請求項３に記載しているように、請求項１に記載のアブレータ材料を製造するに際して、３方向に編んだドライプリフォームに樹脂をフェノール含浸させたのちキュア処理して得た繊維強化樹脂を炭化ないしは炭化および黒鉛化処理して炭素繊維／炭素複合材とし、炭素繊維／炭素複合材中にフェノール樹脂を含浸させたのちキュア処理する構成としたことを特徴としている。
【００１５】
【発明の作用】
本発明によるアブレータ材料では、繊維強化樹脂を炭化ないしは炭化および黒鉛化処理して従来のものよりも低密度に調整した炭素繊維／炭素複合材とし、このように低密度に調整した炭素繊維／炭素複合材中にフェノール樹脂を含浸させたのちキュア処理してなるものとしているので、フェノール樹脂のもつ熱分解ガスの発生によるブロッキング作用ならびに良好なる断熱性特性と、炭素繊維／炭素複合材のもつ良好なる耐リセッション性とが活かされたものとなって、従来のＦＲＰ製アブレータ材料に比べてリセッション量が少なくかつまた従来のＣ／Ｃ製アブレータ材料に比べて断熱性の良好なアブレータ材料となる。
【００１６】
また、本発明によるアブレータ材料の製造方法では、繊維強化樹脂（ＦＲＰ）、すなわち、繊維クロスにフェノール樹脂を含浸させたプリプレグを積層したのちキュア処理して得た繊維強化樹脂や、３方向に編んだドライプリフォームにフェノール樹脂を含浸させたのちキュア処理して得た繊維強化樹脂を炭化ないしは炭化および黒鉛化処理して従来のものよりも低密度に調整した炭素繊維／炭素複合材とし、この低密度に調整した炭素繊維／炭素複合材の内部にフェノール樹脂を含浸させたのちキュア処理する構成としているので、フェノール樹脂のもつ熱分解ガスの発生によるブロッキング作用ならびに良好なる断熱性特性と、炭素繊維／炭素複合材のもつ良好なる耐リセッション性とが活かされて、従来のＦＲＰ製アブレータ材料に比べてリセッション量が少なくかつまた従来のＣ／Ｃ製アブレータ材料に比べて断熱性の良好なアブレータ材料が製造されることととなる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は本発明によるアブレータ材料の製造方法の第一実施形態を示すものであって、繊維クロスにフェノール樹脂を含浸させたプリプレグを適宜の大きさに切断してこれらを積層して所要厚さにしたのち、キュア処理してＦＲＰ化することにより繊維強化樹脂を得る。
次いで、この繊維強化樹脂を炭化し、場合によってはさらに黒鉛化したのちＨＩＰ処理によって樹脂を含浸させる。
【００１８】
次いで、この繊維強化樹脂を炭化し、場合によってはさらに黒鉛化したのちＨＩＰ処理によってフェノール樹脂を含浸させる。
【００１９】
そして、このような炭化，（黒鉛化），フェノール樹脂含浸の工程は、従来の炭素繊維／炭素複合材の製造方法では必要サイクルを得り返すことによって、炭素繊維／炭素複合材の密度を高めるようにしているのであるが、本発明では炭素繊維／炭素複合材の中にフェノール樹脂を含浸させたままのものとするため、これらの炭化，（黒鉛化），フェノール樹脂含浸の工程は１サイクルないしは数サイクルにとどめ、低密度に調整した炭素繊維／炭素複合材とすることによって、この炭素繊維／炭素複合材中にフェノール樹脂を含浸させ、この状態でキュア処理することによりＦＲＰ化する。
【００２０】
これによって、炭素繊維／炭素複合材中にフェノール樹脂が含浸された２Ｄ−Ｃ／ＣＦＲＰよりなるアブレータ材料が製造される。
【００２１】
図２は本発明によるアブレータ材料の製造方法の他の実施形態を示すものであって、ドライプリフォームを３次元に編むことによって３Ｄ−ドライプリフォームを得たのち、フェノール樹脂含浸し、キュア処理を行ってＦＲＰ化することにより繊維強化樹脂を得る。
【００２２】
次いで、この繊維強化樹脂に対して図１に示したと同様の処理を施すことによって、低密度に調整した炭素繊維／炭素複合材中にフェノール樹脂が含浸された３Ｄ−Ｃ／ＣＦＲＰよりなるアブレータ材料が製造される。
【００２３】
【発明の効果】
本発明に係わるアブレータ材料は、繊維強化樹脂を炭化ないしは炭化および黒鉛化処理して従来のものよりも低密度に調整した炭素繊維／炭素複合材とし、このように低密度に調整した炭素繊維／炭素複合材中にフェノール樹脂を含浸させたのちキュア処理してなるものであるから、従来の繊維強化樹脂（ＦＲＰ）製アブレータ材料のように熱分解ガスの発生によるブロッキング効果を得ることができると共に従来の繊維強化樹脂（ＦＲＰ）製アブレータ材料に比べてリセッション量を少ないものとすることが可能であり、かつまた、従来の炭素繊維／炭素複合材（Ｃ／Ｃ材）製アブレータ材料のように強固な炭化層を形成させてメカニカルエロージョンの少ないものにできると共に従来の炭素繊維／炭素複合材（Ｃ／Ｃ材）製アブレータ材料に比べて断熱性の良いアブレータ材料とすることが可能であるという著しく優れた効果がもたらされ、この結果、大気圏再突入カプセル用アブレーション材料として使用した場合に空力形状を安定なものにすることが可能であると共に薄肉化を実現することができ、軽量で且つ高性能なアブレータ材料を提供することが可能であるという著大なる効果がもたらされる。
【００２４】
また、本発明に係わるアブレータ材料の製造方法では、上記した構成としたから、従来の繊維強化樹脂（ＦＲＰ）製アブレータ材料のように熱分解ガスの発生によるブロッキング効果を得ることができると共に従来の繊維強化樹脂（ＦＲＰ）製アブレータ材料に比べてリセッション量を少ないものとすることが可能であり、かつまた、従来の炭素繊維／炭素複合材（Ｃ／Ｃ材）製アブレータ材料のように強固な炭化層を形成させてメカニカルエロージョンの少ないものにできると共に従来の炭素繊維／炭素複合材（Ｃ／Ｃ材）製アブレータ材料に比べて断熱性の良いアブレータ材料を製造することが可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。
【００２５】
この際、繊維クロスにフェノール樹脂を含浸させたプリプレグを積層したのちキュア処理して得た繊維強化樹脂を用いると、繊維配向が２次元構造の２Ｄ−Ｃ／ＣＦＲＰアブレータ材料を製造することが可能であり、一方、３次元方向に編んだドライプリフォームにフェノール樹脂を含浸させたのちキュア処理して得た繊維強化樹脂を用いると、繊維配向が３次元構造の３Ｄ−Ｃ／ＣＦＲＰアブレータ材料を製造することが可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。
【００２６】
【実施例】
発明例
表１の発明例の欄に示す繊維およびマトリックス構成を有する密度１．５２ｇ／ｃｍ３の複合化アブレータ材料（２Ｄ−Ｃ／ＣＦＲＰ）を図１に示す工程に従って製造した。
【００２７】
この場合、はじめのキュア（ＦＲＰ化）処理は、１５０℃×１０ｋｇｆ／ｃｍ２×５ｈｒの条件で行い、その後の炭化処理は、Ｎ２中で、７５０℃×１ｋｇｆ／ｃｍ２×２ｈｒの条件で行い、その後の黒鉛化処理は、Ａｒ中で、２５００℃×１ｋｇｆ／ｃｍ２×１ｈｒの条件で行い、その後の樹脂含浸（ＨＩＰ）は、真空脱泡を室温で０．１ｋｇｆ／ｃｍ２×１ｈｒの条件で行うと共に含浸を室温で５ｋｇｆ／ｃｍ２×１ｈｒの条件で行い、その後のキュア（ＦＲＰ化）処理は、１５０℃×１０ｋｇｆ／ｃｍ２×５ｈｒの条件で行った。
【００２８】
従来例１
表１の従来例１の欄に示す繊維およびマトリックス構成を有する密度１．３８ｇ／ｃｍ３の繊維強化樹脂製アブレータ材料（２Ｄ−ＣＦＲＰ）を図４に示す工程に従って製造した。
【００２９】
従来例２
表１の従来例２の欄に示す繊維およびマトリックス構成を有する密度１．８３ｇ／ｃｍ３の炭素繊維／炭素製アブレータ材料（３Ｄ−Ｃ／Ｃ）を図５に示す工程に従って製造した。
【００３０】
評価例
上記発明例および従来例１，２で製造したアブレータ材料において、図３に示すように、供試体１の直径をＤ＝３０ｍｍとし、厚さをＴ＝４０ｍｍとし、表面から深さがＬ＝２５ｍｍ入ったところに熱電対２の先端が位置するようにして、矢印Ａ方向からのアーク加熱による風洞試験を行った。
【００３１】
ここで、アーク加熱風洞試験条件は、大気圏再突入をシミュレーションするものとして次のとおりに設定した。
【００３２】
・気流エンタルピー：１１．０ＭＪ／ｋｇ
・加熱率          ：１８ＭＷ／ｍ２
・加熱時間        ：３０ｓｅｃ
・動圧            ：１．６５ｋｇ／ｃｍ２
・雰囲気          ：空気
この結果を同じく表１に示す。
【００３３】
【表１】
0003644612.tif 000002
【００３４】
表１に示す結果より明らかなように、本発明例によるアブレータ材料は、従来例１の繊維強化樹脂（ＦＲＰ）製アブレータ材料に比べてリセッション量がかなり少なく、また、従来例２の炭素繊維／炭素複合材（Ｃ／Ｃ材）製アブレータ材料に比べて最大内部上昇温度が低いと共に最大内部上昇温度時刻が長く断熱性の良いものとなっていることが確かめられた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態によるアブレータ材料の製造工程を例示する説明図である。
【図２】本発明の他の実施形態によるアブレータ材料の製造工程を例示する説明図である。
【図３】本発明の実施例において採用した評価試験の要領を示す説明図である。
【図４】従来のＦＲＰ製アブレータ材料の製造工程を例示する説明図である。
【図５】従来の３Ｄ−Ｃ／Ｃ材製アブレータ材料の製造工程を例示する説明図である。
【図６】従来の２Ｄ−Ｃ／Ｃ材製アブレータ材料の製造工程を例示する説明図である。
【図１】
0003644612.tif 000003
【図２】
0003644612.tif 000004
【図３】
0003644612.tif 000005
【図４】
0003644612.tif 000006
【図５】
0003644612.tif 000007
【図６】
0003644612.tif 000008