(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マトリックスプリカーサ中にポア率を減らすフィラーを添加したプリプレグを板厚の中心部に配し、その上下両面にフィラー無添加のプリプレグを積層し、硬化させた後、これを焼成して、板厚の中心部から外表面にポア率を傾斜的に増やしたプリフォームを作ることを特徴とする傾斜ポア複合材プリフォームの製造方法。
【請求項２】
マトリックスプリカーサ中にポア率を減らすフィラーを添加したプリプレグを板厚の中心部に配し、その上下両面にフィラー無添加のプリプレグを積層し、さらにその上下両面に順次マトリックスプリカーサ中にポア率を増やすフィラーを添加したプリプレグを少なくとも一層積層し、硬化させた後、これを焼成して、板厚の中心部から外表面にポア率を傾斜的に増やしたプリフォームを作ることを特徴とする傾斜ポア複合材プリフォームの製造方法。
【請求項３】
フィラーを添加するマトリックスプリカーサが、フェノール樹脂等の残炭率の高い樹脂、またはセラミックス前駆体であることを特徴とする請求項１または２記載の傾斜ポア複合材プリフォームの製造方法。
【請求項４】
ポア率を減らすフィラーが、焼成しても揮散しないＣ粉末、ＳｉＣ，ＴｉＣ，Ｂ４  Ｃ等の炭化物、ＺｒＮ，ＴｉＮ等の窒化物、Ａｌ２  Ｏ，Ｙ２  Ｏ３  等の酸化物などのセラミックスであることを特徴とする請求項１又は２記載の傾斜ポア複合材プリフォームの製造方法。
【請求項５】
ポア率を増やすフィラーが、焼成時にＡｌ４  Ｃ３  等として揮散するＡｌ粉末等の金属粉末、焼成時にガス化して揮散するポリマー粉末、焼成時に炭素またはセラミックスとして残る量が少ない樹脂のいずれかであることを特徴とする請求項２記載の傾斜ポア複合材プリフォームの製造方法。
【請求項６】
板厚の中心部に、織りの密な炭素繊維あるいはセラミックス繊維の織物にフェノール樹脂等の残炭率の高い樹脂又はセラミックス前駆体等を含浸させて焼成によりポア率が低くなるようにしたプリプレグを配し、その上下両面に織りの粗い炭素繊維あるいはセラミックス繊維の織物にフェノール樹脂等の残炭率の高い樹脂又はセラミックス前駆体等を含浸させて焼成によりポア率が高くなるようにしたプリプレグを配して積層し、硬化させた後、これを焼成して、板厚中心部から外表面にポア率を傾斜的に増やしたプリフォームを作ることを特徴とする傾斜ポア複合材プリフォームの製造方法。
【請求項７】
板厚の中心部に、炭素繊維あるいはセラミックス繊維１００％の織物にフェノール樹脂等の残炭率の高い樹脂又はセラミックス前駆体等を含浸させてなるプリプレグを配し、その上下両面に順次ポリマー繊維混紡率を増やした炭素繊維あるいはセラミックス繊維の織物にフェノール樹脂等の残炭率の高い樹脂又はセラミックス前駆体等を含浸させて焼成によりポリマー繊維がガス化して揮散しポア率が高くなるようにしたプリプレグを配して積層し、硬化させた後、これを焼成して、板厚中心部から外表面にポア率を傾斜的に増やしたプリフォームを作ることを特徴とする傾斜ポア複合材プリフォームの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、板厚の中心部から外表面に、ポア率を傾斜的に増やした傾斜ポア複合材プリフォームの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
航空機のガスタービンブレード、宇宙機の外板などには、高比強度で耐熱性のある複合材料が必要とされる。このような耐熱複合材料は、高硬度素材の複合構造のため、切削などの加工が容易でなく、成形段階に於いて、所定の形状，寸法の材料を製造すること（形状付与性）が要求されている。
従来、このような形状付与性を有する高性能耐熱複合材料としては、ＣＶＩ法により製造されるセラミックスマトリックスコンポジット（ＣＭＣ：繊維強化セラミックス）が知られている。
前記ＣＶＩ法は、所定の形状・寸法、任意の温度に保持した炭素繊維等を予備成形したもの（プリフォーム）に原料ガスを流し、プリフォームのポアにマトリックス（基質）を析出充填させることにより複合材料を得るものである。
【０００３】
ところで、通常のＣ／Ｃプリフォームは、パルスＣＶＩ法を実施すると、大きさ，形状等によってはセラミックスが板厚の中心部まで析出充填されないことがある。これは原料ガスがＣ／Ｃプリフォームの表面部のポアから浸透し、セラミックスが析出充填されてくると、ポアの途中が目詰まりし、それ以上原料ガスが浸透しなくなるからである。このような場合、得られたＣ／Ｃ複合材料は、板厚の中心部がポーラスである為、高い強度は望めない。
一方、緻密化したＣ／Ｃプリフォームは、緻密化によって表面ポアが目詰まりを起しており、ＣＶＩ法によるセラミックスの内部充填は極めて困難である。従って、マトリックスの多元化によるＣ／Ｃ複合材料の高性能化やＣＶＤ法によるコーティング膜のより高い密着性は望めない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は、板厚中心部が緻密で、表面層がポーラスで、ＣＶＩ法によるセラミックスの内部析出充填が容易で、またＣＶＤ法によるコーティング膜の高い密着性が得られる傾斜ポア複合材プリフォームの製造方法を提供しようとするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明の傾斜ポア複合材プリフォームの製造方法の１つは、マトリックスプリカーサ中にポア率を減らすフィラーを添加したプリプレグを板厚の中心部に配し、その上下両面にフィラー無添加のプリプレグを積層し、硬化させた後、これを焼成して、板厚の中心部から外表面にポア率を傾斜的に増やしたプリフォームを作ることを特徴とするものである。
【０００６】
本発明の傾斜ポア複合材プリフォームの製造方法の他の１つは、マトリックスプリカーサ中にポア率を減らすフィラーを添加したプリプレグを板厚の中心部に配し、その上下両面にフィラー無添加のプリプレグを積層し、さらにその上下両面に順次マトリックスプリカーサ中にポア率を増やすフィラーを添加したプリプレグを少くとも一層積層し、硬化させた後、これを焼成して、板厚の中心部から外表面にポア率を傾斜的に増やしたプリフォームを作ることを特徴とするものである。
【０００７】
上記の２つの傾斜ポア複合材プリフォームの製造方法に於いて、フィラーを添加するマトリックスプリカーサは、フェノール樹脂等の残炭率の高い樹脂、またはセラミックス前駆体であることが好ましい。
また、上記の２つの製造方法に於いて、ポア率を減らすフィラーは、焼成しても揮散しないＣ粉末、ＳｉＣ，ＴｉＣ，Ｂ４  Ｃ等の炭化物、ＺｒＮ，ＴｉＮ等の窒化物、Ａｌ２  Ｏ３  ，Ｙ２  Ｏ３  等の酸化物などのセラミックス粉末であることが好ましい。
さらに、上記の後者の製造方法に於いて、ポア率を増やすフィラーは、焼成時にＡｌ４  Ｃ３  等として揮散するＡｌ粉末等の金属粉末、焼成時にガス化して揮散するポリエチレン，ナイロン，ポリプロピレン，ビニロン等のポリマー粉末、焼成後に炭素として残る量が少ない、所謂炭化収率の低い樹脂、例えばエポキシ樹脂等であることが好ましい。
【０００８】
本発明の傾斜ポア複合材プリフォームの製造方法の別の１つは、板厚の中心部に、織りの密な炭素繊維あるいはセラミックス繊維の織物にフェノール樹脂等の残炭率の高い樹脂又はセラミックス前駆体等を含浸させて焼成によりポア率が低くなるようにしたプリプレグを配し、その上下両面に織りの粗い炭素繊維あるいはセラミックス繊維の織物にフェノール樹脂等の残炭率の高い樹脂又はセラミックス前駆体等を含浸させて焼成によりポア率が高くなるようにしたプリプレグを配して積層し、硬化させた後、これを焼成して、板厚の中心部から外表面にポア率を傾斜的に増やしたプリフォームを作ることを特徴とするものである。
【０００９】
本発明の傾斜ポア複合材プリフォームの製造方法のさらに別の１つは、板厚の中心部に、炭素繊維あるいはセラミックス繊維１００％の織物にフェノール樹脂等の残炭率の高い樹脂またはセラミックス前駆体等を含浸させてなるプリプレグを配し、その上下両面に順次ポリマー繊維混紡率を増やした炭素繊維又はセラミックス繊維の織物にフェノール樹脂等の残炭率の高い樹脂又はセラミックス前駆体を含浸させて焼成によりポリマー繊維がガス化して揮散しポア率が高くなるようにしたプリプレグを配して積層し、硬化させた後、これを焼成して、板厚の中心部から外表面にポア率を傾斜的に増やしたプリフォームを作ることを特徴とするものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
上記の本発明の夫々の傾斜ポア複合材プリフォームの製造方法によれば、板厚の中心部から外表面にポア率を傾斜的に増やしたプリフォームが容易に得られ、この傾斜ポア複合材プリフォームは板厚の中心部が緻密であるので、高強度となり、表面層はポーラスであるので、ＣＶＩ法によるセラミックスの内部析出充填が容易で、マトリックスの多元化による無機系複合材料の高性能化が可能となり、またＣＶＤ法によるコーティング膜は表面層がポーラスなので、アンカー効果により高い密着性が得られる。
【００１１】
【実施例】
本発明の傾斜ポア複合材プリフォームの製造方法の１つの一実施例を説明すると、フェノール樹脂中に炭素繊維の開繊維物１８ｐｌｙを含浸させたプリプレグにポア率を減らすフィラーとして平均粒径２μｍのＣ粉末を３０ｗｔ％添加してなるプリプレグ１を、図１のａに示すように板厚の中心部に配し、その上下両面にフェノール樹脂中に炭素繊維の開繊維物３ｐｌｙを含浸させたフィラー無添加のプリプレグ２を積層し、硬化して、図１のｂに示すようにＦＲＰ３を作り、次にこのＦＲＰ３を焼成して、板厚の中心部から外表面にポア率を傾斜的に増やした図１のＣに示す傾斜ポアＣ／Ｃプリフォーム４を作った。
【００１２】
次に本発明の傾斜ポア複合材プリフォームの製造方法の他の１つの一実施例を説明すると、フェノール樹脂中に炭素繊維の開繊織物１２ｐｌｙを含浸させたプリプレグにポア率を減らすフィラーとして平均粒径２μｍのＣ粉末を３０ｗｔ％添加してなるプリプレグ１を、図２のａに示すように板厚の中心部に配し、その上下両面にフェノール樹脂中に炭素繊維の開繊織物３ｐｌｙを含浸させたフィラー無添加のプリプレグ２を積層し、さらにその上下両面にフェノール樹脂中に炭素繊維の平織物１ｐｌｙを含浸させたプリプレグにポア率を増やすフィラーとして平均粒径５μｍのＡｌ粉末を３０ｗｔ％添加してなるプリプレグ５を積層し、硬化して、図２のｂに示すＦＲＰ６を作り、次にこのＦＲＰ６を焼成して、板厚の中心部から外表面にポア率を傾斜的に増やした図２のＣに示す傾斜ポアＣ／Ｃプリフォーム７を作った。
【００１３】
次に本発明の傾斜ポア複合材プリフォームの製造方法の別の１つの一実施例を説明すると、板厚の中心部に、図３のａに示すように織りの密な炭素繊維の開繊織物１８ｐｌｙをフェノール樹脂に含浸させてなるプリプレグ８を配し、その上下両面に織りの粗い炭素繊維の平織物１ｐｌｙをフェノール樹脂に含浸させてなるプリプレグ９を積層し、硬化して、図３のｂに示すようにＦＲＰ１０を作り、次にこのＦＲＰ１０を焼成して、板厚の中心部から外表面にポア率を傾斜的に増やした図３のＣに示す傾斜ポアＣ／Ｃプリフォーム１１を作った。
【００１４】
次に本発明の傾斜ポアＣ／Ｃプリフォームの製造方法のさらに別の１つの一実施例を説明すると、板厚の中心部に図４のａに示すように炭素繊維１００％の開繊織物１２ｐｌｙをフェノール樹脂に含浸させてなるプリプレグ１２を配し、その上下両面にポリマー繊維，本例の場合ナイロン繊維（ポリエチレン繊維の場合もある）の混紡率４０％にした炭素繊維の開繊織物３ｐｌｙをフェノール樹脂に含浸させてなるプリプレグ１３を配し、さらにその上下両面にナイロン繊維（ポリエチレン繊維の場合もある）の混紡率を８０％にした炭素繊維の平織物１ｐｌｙをフェノール樹脂に含浸させてなるプリプレグ１４を積層し、硬化して、図４のｂに示すようにＦＲＰ１５を作り、次にこのＦＲＰ１５を焼成して、板厚の中心部から外表面にポア率を傾斜的に増やした図４のＣに示す傾斜ポアＣ／Ｃプリフォーム１６を作った。
【００１５】
こうして作った実施例１〜４の傾斜ポアＣ／Ｃプリフォーム４，７，１１，１６と、従来の通常のＣ／Ｃプリフォーム、即ちフェノール樹脂中に炭素繊維の開繊織物２４ｐｌｙを含浸させたプリプレグを硬化してＦＲＰとし、これを焼成して得たポア率が均一なＣ／Ｃプリフォームとを、プリフォーム特性について測定した処、下記の表１に示すような結果を得た。
【００１６】
【表１】
0003624388.tif 000002
【００１７】
上記の表１で判るようにマトリックスプリカーサ中に、各種フィラーを添加したり、織物の織り密度を変えたり、ポリマー繊維との混紡の織物を使用したりすることによって、焼成後のポアの体積含有率Ｖｐを変化させることができる。また実施例１〜４の傾斜ポアＣ／Ｃプリフォームと従来例のＣ／Ｃプリフォームとは表面の平均ポア径に大差はない。
【００１８】
実際に実施例１〜４の傾斜ポアＣ／Ｃプリフォームと従来例のＣ／Ｃプリフォームに、４００００パルスのＣＶＩを実施してＳｉＣを内部に析出充填させ、その前後のポア率と引張強度を測定したところ、下記の表２に示すような結果を得た。
【００１９】
【表２】
0003624388.tif 000003
【００２０】
上記表２で判るように、実施例１〜４の傾斜ポアＣ／Ｃプリフォームは、ＣＶＩ後ポア率が低下し、引張強度が向上しているのに対し、従来例のＣ／Ｃプリフォームはポア率の低下が少なく、引張強度の向上率が低い。これは実施例１〜４の傾斜ポアＣ／Ｃプリフォームが、ＣＶＩ実施により原料ガスが内部に奥深く浸透し、ＳｉＣが析出充填されて内部が緻密となるのに対し、従来例のＣ／Ｃプリフォームが、ＣＶＩ実施により表層部で早期にポアがＳｉＣの析出充填により目詰りを起こし、その部分から原料ガスが浸透しなくなって内部がポーラスのままであるからに他ならない。
【００２１】
【発明の効果】
以上の説明で判るように本発明の傾斜ポア複合材プリフォームの製造方法によれば、板厚中心部が緻密で高強度な、表面に向かうにしたがってポーラスでＣＶＩ法によるセラミックスの内部析出充填が容易な、マトリックスの多元化による無機系複合材料の高性能化が可能な、またＣＶＤ法によるコーティング膜を表面層のポアでのアンカー効果により高い密着性を得ることの可能な、優れた傾斜ポア複合材プリフォームを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の傾斜ポアＣ／Ｃプリフォームの製造方法１つの一実施例を示すもので、ａ〜ｃはその工程図である。
【図２】本発明の傾斜ポアＣ／Ｃプリフォームの製造方法の他の１つの一実施例を示すもので、ａ〜ｃはその工程図である。
【図３】本発明の傾斜ポアＣ／Ｃプリフォームの製造方法の別の１つの一実施例を示すもので、ａ〜ｃはその工程図である。
【図４】本発明の傾斜ポアＣ／Ｃプリフォームの製造方法のさらに別の１つの一実施例を示すもので、ａ〜ｃはその工程図である。
【符号の説明】
１  Ｃ粉末添加のプリプレグ
２  フィラー無添加のプリプレグ
３  ＦＲＰ
４  傾斜ポアＣ／Ｃプリフォーム
５  Ａｌ粉末添加のプリプレグ
６  ＦＲＰ
７  傾斜ポアＣ／Ｃプリフォーム
８  織りの密な炭素繊維の開繊織物が配されているプリプレグ
９  織りの粗い炭素繊維の平織物が配されているプリプレグ
１０  ＦＲＰ
１１  傾斜ポアＣ／Ｃプリフォーム
１２  炭素繊維１００％の開繊織物が配されているプリプレグ
１３  混紡率４０％の炭素繊維の開繊織物が配されているプリプレグ
１４  混紡率８０％の炭素繊維の平織物が配されているプリプレグ
１５  ＦＲＰ
１６  傾斜ポアＣ／Ｃプリフォーム
【図１】
0003624388.tif 000004
【図２】
0003624388.tif 000005
【図３】
0003624388.tif 000006
【図４】
0003624388.tif 000007