(57)【要約】【課題】複合材、複合材を作製する方法、及びプリプレグ複合材プライを提供する。【解決手段】複合材は第１の層、第２の層及び第３の層を含む。第１の層は一方向性テープの少なくとも１つのプライを含む。第２の層は、第１の層に隣接し、少なくとも１つの複合材プライを含む。少なくとも１つの複合材プライは、薄い連続マトリックスプライシートを含みその上に複数のランダムに配向した一方向性テープ断片を有する。第３の層は、第２の層に隣接し、一方向性テープの少なくとも１つのプライを含む。セラミックマトリックス複合材は、含まれるすべてのプライが一方向性プライである複合材に相対して約１５％〜約２０％の強度を実現し、セラミックマトリックス複合材は、シャーリー剛性試験に基づく３ｃｍ〜２５ｃｍの曲げ長さを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方向性テープの少なくとも１つのプライを含む第１の層と；
薄い連続マトリックスプライシートを含みその上に複数のランダムに配向した一方向性テープ断片を有する少なくとも１つの複合材プライを含む、第１の層に隣接した第２の層と；
一方向性テープの少なくとも１つのプライを含む、第２の層に隣接した第３の層と
を含むセラミックマトリックス複合材であって、
含まれるすべてのプライが一方向性プライである複合材に相対して約１５％〜約２０％の強度を実現し、シャーリー剛性試験に基づく３ｃｍ〜２５ｃｍの曲げ長さの曲げ比を有する、
セラミックマトリックス複合材。
【請求項２】
第１の層が、一方向性テープのプライを１〜４つ含む、請求項１記載のセラミックマトリックス複合材。
【請求項３】
第２の層が、複合材プライを１〜２０つ含む、請求項１記載のセラミックマトリックス複合材。
【請求項４】
少なくとも１つの複合材プライが、約１２７ミクロン〜約３８１ミクロンの厚さを有する、請求項１記載のセラミックマトリックス複合材。
【請求項５】
薄い連続マトリックスプライシートが、バインダーと混合された炭化ケイ素粉末、有機バインダーと混合されたセラミック粉末、エポキシ、ポリウレタン、及びそれらの組み合わせから成る群から選択される、請求項１記載のセラミックマトリックス複合材。
【請求項６】
複数のランダムに配向した一方向性テープ断片それぞれが、約２５．４ミリメートル〜約５０８．０ミリメートルの長さを有する、請求項１記載のセラミックマトリックス複合材。
【請求項７】
複数のランダムに配向した一方向性テープ断片それぞれが、約２５．４ミリメートル〜約２０３．２ミリメートルの幅を有する、請求項１記載のセラミックマトリックス複合材。
【請求項８】
複数のランダムに配向した一方向性テープ断片が、薄い連続マトリックスプライシートの表面積の約５０％〜約９９％を占める、請求項１記載のセラミックマトリックス複合材。
【請求項９】
第３の層が、プリプレグ一方向性テープのプライを１〜４つ含む、請求項１記載のセラミックマトリックス複合材。
【請求項１０】
第３の層が第１の層と実質的に同じである、請求項１記載のセラミックマトリックス複合材。
【請求項１１】
一方向性の配向を有し、一方向性テープの少なくとも１つのプライを含む、第１の層を用意するステップと；
ランダムな繊維配向を有する第２の層であり、薄い連続マトリックスプライシートを含みその上に複数のランダムに配向した一方向性テープ断片を有する少なくとも１つの複合材プライを含む第２の層を、第１の層に貼り合わせるステップと；
一方向性の配向を有し、一方向性テープの少なくとも１つのプライを含む第３の層を、第２の層に貼り合わせるステップと；
第１の層、第２の層及び第３の層を硬化させて、含まれるすべてのプライが一方向性プライである複合材に相対して約１５％〜約２０％の強度を実現し且つシャーリー剛性試験に基づく３ｃｍ〜２５ｃｍの曲げ長さを有するセラミックマトリックス複合材を形成させるステップと
を含む、セラミックマトリックス複合材を作製する方法。
【請求項１２】
第１の層が、一方向性テープのプライを１〜４つ含む、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
第２の層が、複合材プライを１〜２０つ含む、請求項１１記載の方法。
【請求項１４】
少なくとも１つの複合材プライが、約１２７ミクロン（５ミル）〜約３８１ミクロン（１５ミル）の厚さを有する、請求項１１記載の方法。
【請求項１５】
薄い連続マトリックスプライシートが、炭化ケイ素粉末から成る群から選択される、請求項１１記載の方法。
【請求項１６】
ランダムに配向した一方向性テープ断片が、約２５．４ミリメートル〜約５０８．０ミリメートルの長さを有する、請求項１１記載の方法。
【請求項１７】
ランダムに配向した一方向性テープ断片が約２５．４ミリメートル〜約２０３．２ミリメートルの幅を有する、請求項１１記載の方法。
【請求項１８】
複数のランダムに配向した一方向性テープ断片が、薄い連続マトリックスプライシートの表面積の約５０％〜約９９％を占める、請求項１１記載の方法。
【請求項１９】
第３の層が、プリプレグ一方向性テープのプライを１〜４つ含む、請求項１１記載の方法。
【請求項２０】
薄い連続マトリックスプライシートを含みその上に複数のランダムに配向した一方向性テープ断片を有するプリプレグ複合材プライであって、複数のランダムに配向した一方向性テープ断片が、薄い連続マトリックスプライシートの表面積の約５０％〜約９９％を占める、プリプレグ複合材プライ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にセラミックに関し、より詳細には、セラミックマトリックス複合材、セラミックマトリックス複合材を形成する方法、及びプリプレグ複合材プライに関する。
【背景技術】
【０００２】
セラミックマトリックス複合材の積層体組立においては、溶融含浸プロセスによって、積層体が１０００°Ｆを超える温度にさらされる。セラミックマトリックス複合材の積層体を作製するための製造プロセスにおいては、内側の積層体層に使用できる材料の選択が非有機材料に限定される。セラミックなどの非有機材料は高温に耐えることができる場合があるが、複合材料ほど可撓性ではない。内側の材料における構造的負荷及び熱的負荷は、特に歪みの負荷を再分配するための補強材が利用できない場合には、モノリシックセラミックの歪み限界を超えることがある。モノリシックセラミックのフィラーは、過度の歪みによって亀裂を生じる傾向がある。一方向性ＣＭＣテープを用いた場合、斯かるテープは、構造又は熱に関する歪み下に置かれた場合に亀裂に抵抗することができるが、コストを増大させる。
【０００３】
したがって、上記の欠点に悩まされない複合材、複合材を作製する方法、及びプリプレグ複合材プライが当技術分野において望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１１／０００８５７４号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
当初の請求項に記載される発明と範囲が同等である特定の実施形態の概要を以下に述べる。これらの実施形態は、請求項に記載される発明の範囲を限定することを意図しておらず、むしろこれらの実施形態は、本発明の可能な形態の概要を提供することのみを意図している。実際、本発明は、以下に示す実施形態と同様であるか又は異なっていてもよい様々な形態を包含してもよい。
【０００６】
本開示の例示的実施形態によれば、複合材が提供される。この複合材は、第１の層、第２の層及び第３の層を含む。第１の層は一方向性テープの少なくとも１つのプライを含む。第２の層は第１の層に隣接し、第２の層は少なくとも１つの複合材プライを含む。第２の層の少なくとも１つの複合材プライは、薄い連続マトリックスプライシートを含みその上に複数のランダムに配向した一方向性テープ断片を有する。第３の層は第２の層に隣接し、第３の層は一方向性テープの少なくとも１つのプライを含む。この複合材は、含まれるすべてのプライが一方向性プライである複合材に相対して約１５％〜約２０％の強度を実現し、この複合材は、シャーリー剛性試験に基づく３ｃｍ〜２５ｃｍの曲げ長さを有する。
【０００７】
本開示の別の例示的実施形態によれば、複合材を形成する方法が提供される。一方向性の配向を有する第１の層が用意され、第１の層は一方向性テープの少なくとも１つのプライを含む。ランダムな繊維配向を有する第２の層は第１の層に貼り合わされ、第２の層は少なくとも１つの複合材プライを含み、複合材プライは薄い連続マトリックスプライシートを含みその上に複数のランダムに配向した一方向性テープ断片を有する。一方向性の配向を有する第３の層は第２の層に貼り合わされ、第３の層は一方向性テープの少なくとも１つのプライを含む。第１の層、第２の層及び第３の層を硬化させて複合材を形成させる。この複合材は、含まれるすべてのプライが一方向性プライである複合材に相対して約１５％〜約２０％の強度を実現し、セラミックマトリックス複合材は、シャーリー剛性試験に基づく３ｃｍ〜２５ｃｍの曲げ長さを有する。
【０００８】
本開示の別の例示的実施形態によれば、プリプレグ複合材プライが提供される。プリプレグ複合材プライは薄い連続マトリックスプライシートを含みその上に複数のランダムに配向した一方向性テープ断片を有する。複数のランダムに配向した一方向性テープ断片は、薄い連続マトリックスプライシートの表面積の約５０％〜約９９％を占める。
【０００９】
本発明の他の特徴及び利点は、例を通じて本発明の原理を説明する添付の図面と併せて、以下の好ましい実施形態のより詳細な説明から明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本開示の複合材の斜視図である。
【図２】本開示の複合材の側面図である。
【図３】本開示の一方向性テープの上面図である。
【図４】本開示のプリプレグ複合材プライの上面図である。
【図５】本開示のセラミックマトリックス複合材を形成する方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
可能な限り、同じ部分を表すのに同じ符号を図面の全体にわたって使用する。
【００１２】
先行技術における欠点に悩まされない、複合材を形成する経済的に実行可能な方法、複合材を作製する方法、及びプリプレグ複合材プライが提供される。本開示は一般に、セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）、ポリマーマトリックス複合材（ＰＭＣ）、及び金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）を含めた複合材に適用可能である。本開示の実施形態の１つの利点は、複合材の構築がＣＭＣ、ＰＭＣ及びＭＭＣに歪みの負荷をもたらすことである。本開示のさらに別の利点は、複合材が熱歪み下で亀裂に耐えることである。本開示の実施形態の別の利点は、プライの浮き上がりの低減である。本開示の実施形態のさらに別の利点は、ＣＭＣ、ＰＭＣ、ＭＭＣ、並びにＣＭＣ、ＰＭＣ及びＭＭＣを用いて作製された部材におけるボイドの低減を含む。別の利点は、ＣＭＣ、ＰＭＣ、ＭＭＣ及び部材を形成するための加工がより容易で高歩留りであることである。本開示の実施形態のさらに別の利点は、ＣＭＣ、ＰＭＣ、ＭＭＣ、及びそれらから形成される部材の形成におけるコストがより低いことである。
【００１３】
本発明の１つ又は複数の特定の実施形態を以下に説明する。これらの実施形態の簡潔な説明を提供することに努めると、実際の実施のすべての特徴を本明細書において説明することはできない。エンジニアリング又は設計プロジェクトにおけるような、あらゆるそのような実際の実施の開発において、開発者の特定の目的を実現するために、システム関連及びビジネス関連の制約の順守などの、実施に固有の決定が多くなされなければならず、斯かる制約は実施によって様々であり得ることを理解するべきである。さらに、そのような開発努力は複雑で時間がかかる場合があるものの、この開示の利益を享受する当業者にとって設計、製作及び製造の定型作業であることを理解するべきである。
【００１４】
本発明の様々な実施形態の要素を導入する場合、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」及び「前記」はその要素が１つ又は複数あることを意味することを意図する。用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」及び「有する」は包括的であることを意図し、列挙される要素以外のさらなる要素があってもよいことを意味する。
【００１５】
図１は複合材１００の斜視図である。複合材１００は、第１の層１０２、第２の層１０４及び第３の層１０６を含む。第１の層１０２は一方向性テープ３００の少なくとも１つのプライを含む（図３を参照）。第２の層１０４は第１の層１０２と隣接して置かれている。第２の層１０４は少なくとも１つの複合材プライ４００（図４を参照）を含む。複合材プライ４００は、複数のランダムに配向した一方向性テープ断片４０４を有する薄い連続マトリックスプライシート４０２を含む（図４を参照）。第３の層１０６は第２の層１０４に隣接して置かれている。第３の層１０６は一方向性テープ３００の少なくとも１つのプライを含む。複合材１００は、含まれるすべてのプライが一方向性プライである複合材に相対して約１５％〜約２０％の強度を実現し、複合材１００はシャーリー剛性試験に基づく約３センチメートル〜約２５センチメートル、あるいは約５センチメートル〜約２２センチメートル、あるいは約１０センチメートル〜約２０センチメートルの曲げ長さを有する。
【００１６】
図２は、第１の層１０２、第２の層１０４及び第３の層１０６を含む複合材１００の側面図である。第１の層１０２は一方向性テープ３００のプライを約１〜４つ含む。第２の層１０４は複合材プライ４００を１〜２０つ含む。第３の層１０６は一方向性テープ３００のプライを約１〜４つの含む。一実施形態において、第３の層１０６は第１の層１０２と実質的に同じである。
【００１７】
図３は一方向性テープ３００のプライの上面概略図である。一方向性テープ３００は実質的に同じ配向を有するように並べられた複数の繊維３０２を含む。一方向性繊維３０２の配向は、限定はされないが、０°、４５°又は９０°などの任意の適切な配向であってもよい。一方向性テープ３００の繊維３０２に適した材料としては、限定されるものではないが、ケイ素、炭素、炭化ケイ素、希土類ケイ酸塩、窒化ケイ素、アルミナ、シリカ、ホウ素、炭化ホウ素、ポリパラフェニレンテレフタルアミド（ＤｕＰｏｎｔ社のＫＥＶＬＡＲ（登録商標））、耐火材料、超合金、Ｓ−ガラス、ベリリウム及びそれらの組み合わせが挙げられる。
【００１８】
一実施形態において、一方向性テープ３００はＣＭＣであり、複数の繊維３０２は、限定されるものではないが、炭素、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、ムライト、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）、Ｔｉ、Ｚｒ、又はＡｌを取り込んだ炭化ケイ素、オキシ炭化ケイ素（ＳｉＯｘＣｙ）、ケイ素ホウ素炭素窒化物（ＳｉＢｘＣｙＮｚ）、及びそれらの組み合わせから選択されるセラミック繊維である。代替的実施形態において、一方向性テープ３００はＰＭＣであり、複数の繊維３０２としては、限定されるものではないが、炭素、アラミド、ガラス、ホウ素、ポリパラフェニレンテレフタルアミド（ＫＥＶＬＡＲ（登録商標））、及びそれらの組み合わせから選択される、ポリマーの強化に適した繊維が挙げられる。別の実施形態において、一方向性テープ３００はＭＭＣであり、複数の繊維３０２は、限定されるものではないが、炭素、炭化ケイ素、炭化ホウ素、ダイヤモンド、遷移金属の炭化物、窒化物、及びケイ化物、金属線、及びそれらの組み合わせから選択される、金属マトリックス複合材の強化に適した繊維又は粒子である。
【００１９】
一方向性テープ３００は、既知の製造法を用いて形成され、繊維３０２を所定の位置に保持するプリプレグマトリックスを含む。プリプレグマトリックスの好適な例としては、限定されるものではないが、熱可塑性又は熱硬化性である樹脂又はポリマーが挙げられる。例えば、ＣＭＣ系一方向性テープは、酸化物系繊維、並びに酸化物系マトリックス及び有機バインダーのバインディング混合物から構築され、有機バインダーとしては、限定されるものではないが、エポキシ、ポリウレタン又は酢酸ポリビニル（ＰＶＡ）が挙げられる。別の例としては、非酸化物又は炭化ケイ素繊維、並びに非酸化物系マトリックス及び有機バインダーのバインディング混合物から構築されるＣＭＣ系一方向性テープが挙げられ、これらは、繊維が均等な間隔をもってマトリックススラリーと一体化されて一方向性テープの形態を形成するように、ドラムの壁の周りに円周方向に巻き付けられるか又は平面上に直線状に並べられる。
【００２０】
図４に示すように、複合材プライ４００は、薄い連続マトリックスプライシート４０２を含み、その上に複数のランダムに配向した一方向性テープ断片４０４を有する。複合材プライ４００は約１２７ミクロン（５ミル）〜約３８１ミクロン（１５ミル）、あるいは約１５０ミクロン〜約３５０ミクロン、あるいは約１７５ミクロン〜約３２５ミクロンの厚さを有する。薄い連続マトリックスプライシート４０２は、バインダーと混合された炭化ケイ素粉末、有機バインダーと混合されたセラミック粉末、エポキシ、ポリウレタン、及びそれらの組み合わせから構築される。一実施形態において、連続マトリックスプライシート４０２がＣＭＣプライシートである場合、炭化ケイ素粉末をバインダーと混合する。代替的実施形態において、連続マトリックスプライシート４０２がＰＭＣである場合、シート４０２はエポキシ又はポリウレタンである。さらに別の実施形態において、連続マトリックスプライシート４０２がＭＭＣである場合、シート４０２は有機バインダーと混合された粉末金属である。有機バインダーの好適な例としては、限定されるものではないが、エポキシ、ポリウレタン又は酢酸ポリビニル（ＰＶＡ）が挙げられる。
【００２１】
複合材１００の構築においては、同じ化学組成、即ち、ＣＭＣのみ、ＰＭＣのみ又はＭＭＣのみを用い、複合材１００を作製するのに基本的な複合材の化学組成は混用しない。複合材プライ４００は、一組のランダムに並んだ小細長片又は一方向性テープ断片４０４を薄いマトリックス層の上に組み立てることによって構築される。マトリックス層の厚さは約０．０７６２ミリメートル（０．００３インチ）〜約０．３０４８ミリメートル（０．０１２インチ）である。一方向性テープ断片４０４が貼り付けられる表面の連続性を作り出すためにマトリックス層が使用され、それによって複合材プライ４００が構築される。本開示においては、少なくとも１つ且つ３つまでの一方向性テープ断片４０４の上張り／オーバーラップによってベースマトリックス層の１００パーセントの被覆率を実現し、それぞれの追加の一方向性テープ断片４０４は、露出したマトリックス領域を埋め、一方向性テープ断片４０４の積み重ねが３層を上回る場合には、ずらされるか又は向きを変えられる。一方向性テープ断片４０４をマトリックスに置いた後、得られた組立品を次いで圧力下に置いて一方向性テープ断片の組立品を圧縮して緻密なプライ積層物とし、それにより複合材プライ４００が得られ、これは、マクロベースの積層体組立品及び最終複合材部材を構築するにあたり、ミクロレベルでは均一なプライとして働く。
【００２２】
一方向性テープ断片４０４は、使い残し又は細断した一方向性セラミック複合材テープから形成される。ランダムに配向した一方向性テープ断片４０４は、薄い連続マトリックスプライシート４０２の表面積の約５０％〜約９９％、あるいは約６０％〜約９０％、あるいは約６５％〜約８５％を占める。ランダムに配向した一方向性テープ断片４０４は、約２５．４ミリメートル（１インチ）〜約５０８．０ミリメートル（２０インチ）、あるいは約５０ミリメートル〜約４００ミリメートル、あるいは約７５ミリメートル〜約３００ミリメートルの長さを有する。ランダムに配向した一方向性テープ断片４０４は、約２５．４ミリメートル（１インチ）〜約２０３．２ミリメートル（８インチ）、あるいは約３０ミリメートル〜約１９０ミリメートル、あるいは約５０ミリメートル〜約１５０ミリメートルの幅を有する。
【００２３】
本開示の複合材プライ４００をランダム配向繊維テープシートと比較すると、複合材プライ４００は、ＣＭＣ、ＰＭＣ又はＭＭＣを形成する場合に、より目視検査しやすく設置しやすい。加えて、複合材プライ４００はボイドの発生がより少ない。なぜなら、複合材プライ４００はシャーリー剛性試験に基づく３ｃｍ〜２５ｃｍの曲げ長さを有し、このことはランダム配向繊維シートと比較して複合材プライ４００が部材の複雑な表面に適合することを可能にするからである。本明細書で使用する「曲げ剛性」は布地又は繊維の特殊な特性であり、曲げ剛性は布地が支えなしで自立し続ける性質である。曲げ剛性は、布地及び一方向性プライ積層体の手触り及びドレープを調べる上で重要な要素である。
【００２４】
図５は、セラミックマトリックス複合材１００を作製する方法５００を説明するフローチャートである。方法５００は、一方向性の配向を有する第１の層１０２（図１及び２を参照）を用意するステップ５０１を含む。第１の層１０２は、一方向性テープ３００の少なくとも１つのプライ（図３を参照）を含む。方法５００は、第２の層１０４を第１の層１０２に貼り合わせる（図１及び２を参照）ステップ５０３を含む。第２の層１０４は、ランダムな繊維配向を有し、少なくとも１つの複合材プライ４００を含む。複合材プライ４００は、薄い連続マトリックスプライシート４０２を含みその上に複数のランダムに配向した一方向性テープ断片４０４を有する（図４を参照）。方法５００は、第３の層１０６を第２の層１０４に貼り合わせる（図１及び２を参照）ステップ５０５を含む。第３の層１０６は、一方向性の配向を有し、一方向性テープ３００（図３を参照）の少なくとも１つのプライを含む。本方法は、第１の層１０２、第２の層１０４及び第３の層１０６を硬化させてセラミックマトリックス複合材１００を得るステップ５０７を含む。セラミックマトリックス複合材１００は、含まれるすべてのプライが一方向性プライである複合材に相対して約１５％〜約２０％の強度を実現し、セラミックマトリックス複合材１００は、シャーリー剛性試験に基づく３ｃｍ〜２５ｃｍの曲げ長さを有する。
【００２５】
本発明を好ましい実施形態に関して説明したが、本発明の範囲から逸脱せずに様々な変更を行ってもよく、均等物でその要素を置き換えてもよいことは、当業者によって理解されるであろう。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱せずに、多くの修正を行って特定の状況又は材料を本発明の教示に適合させてもよい。したがって、本発明は本発明を実施するために考えられる最良の形態として開示される特定の実施形態に限定されないが、本発明は添付の特許請求の範囲内にあるあらゆる実施形態を含むことになることを意図する。
【符号の説明】
【００２６】
１００  複合材
１０２  第１の層
１０４  第２の層
１０６  第３の層
３００  一方向性テープ
３０２  繊維、
４００  複合材プライ
４０２  薄い連続マトリックスプライシート
４０４  一方向性テープ断片
５００  セラミックマトリックス複合材１００を作製する方法
５０１  第１の層を提供するステップ
５０３  第２の層を第１の層に貼り合わせるステップ
５０５  第３の層を第２の層に貼り合わせるステップ
５０７  層を硬化させるステップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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