(57)【要約】  難分解性コンポジット物品(10)であって、多数の連続的な多結晶質の化学量論的な炭化ケイ素強化用繊維を抑制された炭素マトリックス(11)に含み、該炭素マトリックスが、少なくとも炭素の化学的蒸気浸透によって炭素化とそれによる高密度化に付されて炭化ケイ素繊維で強化された炭素コンポジットを形成する阻害剤化合物を含有する有機樹脂であり、及び該炭化ケイ素繊維で強化された炭素コンポジットがSiCパックセメント結合コーティング(12)でコーティングされ、該難分解性コンポジットを形成する物品。該パックセメント結合コーティング(12)は、パック混合組成物を提供する工程、該コンポジットを離型剤でコーティングする工程、該離型剤でコーティングされたコンポジットを該パック混合組成物で取り囲む工程、及び該コンポジットを燃焼させて保護SiCパックセメント結合コーティング(12)を該コンポジット(10)上に形成する工程によって調製される。
2009517313.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
抑制された炭素/炭素コンポジット材料より高い酸化抵抗を有する難分解性コンポジット物品であって、連続的な多結晶質の化学量論的なSiC強化用繊維のコンポジットを、酸化阻害剤を含有する抑制された炭素マトリックスに含み、該コンポジットがSiCパックセメント結合コーティングを有する、物品。
【請求項２】
該抑制された炭素マトリックスが、酸化抵抗を提供するのに有効な量から約25体積%以下で該酸化阻害剤を含有し、該酸化阻害剤が、ホウ素、炭化ホウ素、窒化ホウ素、四ホウ化ケイ素、六ホウ化ケイ素、又は二ホウ化ジルコニウムの少なくとも1種;又はハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、又はタングステンの少なくとも1種の難分解性金属ホウ化物;又はそれらの混合物を含み、該抑制された炭素マトリックスが、炭素、炭化ケイ素、窒化ケイ素、又はそれらの混合物の少なくとも1種を含む充填剤をさらに含有していてもよい、請求項１記載の物品。
【請求項３】
該パックセメント結合コーティングが、
a)該パック混合組成物の全質量に基づいて約15質量%〜約50質量%のSi;
b)該パック混合組成物の全質量に基づいて0質量%〜約25質量%のB;
c)該パック混合組成物の全質量に基づいて約0.01質量%〜約3質量%のSiO2;
d)該パック混合組成物の全質量に基づいて約40質量%〜約85質量%のSiC:
を含む反応性パック混合組成物から誘導される、請求項１記載の物品。
【請求項４】
該パックセメント結合コーティングが、
a)該パック混合組成物の全質量に基づいて約15質量%〜約50質量%のSi;
b)該パック混合組成物の全質量に基づいて0質量%〜約25質量%のB;
c)該パック混合組成物の全質量に基づいて約0.01質量%〜約3質量%のSiO2;
d)該パック混合組成物の全質量に基づいて約40質量%〜約85質量%のSiC:
を含む反応性パック混合組成物から誘導される、請求項２記載の物品。
【請求項５】
該繊維が、織物、細断織物、ヤーン、細断ヤーン、又はテープを含む、請求項１記載の物品。
【請求項６】
該繊維がTyrannoTMSA-3繊維を含む、請求項１記載の物品。
【請求項７】
該反応性パック混合組成物が、
a)該パック混合組成物の全質量に基づいて約25質量%〜約40質量%のSi;
b)該パック混合組成物の全質量に基づいて約0質量%〜約15質量%のB;
c)該パック混合組成物の全質量に基づいて約0.01質量%〜約1質量%のSiO2;
d)該パック混合組成物の全質量に基づいて約44質量%〜約75質量%のSiC:
を含む、請求項３又は４記載の物品。
【請求項８】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の物品であって、該パックセメント結合コーティングが、
a)該パック混合組成物の全質量に基づいて約15質量%〜約50質量%のSi、0質量%〜約25質量%のB、約0.01質量%〜約3質量%のSiO2、及び約40質量%〜約85質量%のSiCの反応性パック混合組成物を提供する工程、
b)該コンポジットを離型剤でコーティングする工程、
c)該離型剤でコーティングされたコンポジットを該パック混合組成物で取り囲む工程、及び
d)保護SiCパックセメント結合コーティングの形成を該コンポジット上に行うのに十分な時間、該コンポジットを燃焼する工程、
によって調製される、物品。
【請求項９】
該離型剤が結合剤含有液体キャリアに懸濁されているコルクを含むスラリーであり、該結合剤含有液体キャリアはキサンタンガムの水溶液でもよい、請求項８記載の物品。
【請求項１０】
多数の連続的な多結晶質の化学量論的な炭化ケイ素強化用繊維を抑制された炭素マトリックスに含む難分解性コンポジット物品であって、該炭素マトリックスが酸化阻害性化合物を含有する有機樹脂を含み、該有機樹脂が少なくとも炭素の化学的蒸気浸透によって炭素化とそれによる高密度化に付されて炭化ケイ素繊維で強化された炭素コンポジットを形成し、該炭化ケイ素繊維で強化された炭素コンポジットがSiCパックセメント結合コーティングでコーティングされ、該難分解性コンポジットを形成する、物品。
【請求項１１】
該抑制された炭素マトリックスが、酸化抵抗を提供するのに有効な量から約25体積%以下で該酸化阻害剤を含有し、該酸化阻害剤が、ホウ素、炭化ホウ素、窒化ホウ素、四ホウ化ケイ素、六ホウ化ケイ素、又は二ホウ化ジルコニウムの少なくとも1種;又はハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、又はタングステンの少なくとも1種の難分解性金属ホウ化物;又はそれらの混合物を含み、該抑制された炭素マトリックスが、炭素、炭化ケイ素、窒化ケイ素、又はそれらの混合物の少なくとも1種を含む充填剤をさらに含有していてもよい、請求項１０記載の物品。
【請求項１２】
酸化阻害剤を含有する抑制された炭素マトリックスに多数の連続的な多結晶質の化学量論的な炭化ケイ素強化用繊維を含む、抑制された炭素/炭素コンポジット材料より高い酸化抵抗を有する構造用途のための網状成形コンポジット材料であって、該繊維を有機樹脂で含浸し及びステージングしてプレプレッグを形成し、該プレプレッグを成形及び硬化してラミネートを形成し、該成形したラミネートを炭素化して炭素化部品を形成し、及び化学的蒸気浸透により該炭素化部品を高密度化して部品を形成することによって形成され、該炭素化の前に該有機樹脂は酸素阻害性化合物を含有し、及び該部品はSiCパックセメント結合コーティングでコーティングされる、材料。
【請求項１３】
該有機樹脂が、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、及びフラン樹脂の少なくとも1種を含む、請求項１２記載の成形材料。
【請求項１４】
該酸化阻害剤が、ホウ素、炭化ホウ素、窒化ホウ素、四ホウ化ケイ素、六ホウ化ケイ素、又は二ホウ化ジルコニウムの少なくとも1種;又はハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、又はタングステンの少なくとも1種の難分解性金属ホウ化物;又はそれらの混合物を含み、該抑制された炭素マトリックスが、炭素、炭化ケイ素、窒化ケイ素、又はそれらの混合物の少なくとも1種を含む充填剤をさらに含有していてもよい、請求項１２記載の成形材料。
【請求項１５】
該繊維が、織物、細断織物、ヤーン、細断ヤーン、又はテープを含む、請求項１２記載の成形材料。
【請求項１６】
該繊維がTyrannoTMSA-3繊維を含む、請求項１２記載の成形材料。
【請求項１７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の難分解性コンポジット物品を含む航空エンジンのための、部品。
【請求項１８】
フラップ、シール、ライナー又はフレームホルダーの少なくとも1種を含む、請求項１７記載の部品。
【請求項１９】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の難分解性コンポジットを含む極超音速車両のための、構造部品。
【請求項２０】
該構造部品が、ボルト、ファスナー、スキン又は先端の少なくとも1種を含む、請求項１９記載の構造部品。
【請求項２１】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の難分解性コンポジット物品を含む、熱保護材料。
【請求項２２】
請求項１２〜１６のいずれか１項に記載の成形材料を含む航空エンジンのための、部品。
【請求項２３】
フラップ、シール、ライナー又はフレームホルダーの少なくとも1種を含む、請求項２２記載の部品。
【請求項２４】
請求項１２〜１６のいずれか１項に記載の成形材料を含む極超音速車両のための、構造部品。
【請求項２５】
該構造部品が、ボルト、ファスナー、スキン又は先端の少なくとも1種を含む、請求項２４記載の構造部品。
【請求項２６】
請求項１２〜１６のいずれか１項に記載の成形材料を含む、熱保護材料。
【請求項２７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の難分解性コンポジット材料を含む、タービンローター。
【請求項２８】
請求項１２〜１６のいずれか１項に記載の成形材料を含む、タービンローター。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本出願は、2005年11月23日に提出された米国仮特許出願第60/739,192号明細書の出願日の利益を要求し、その全体をここに組み込む。
【０００２】
〔背景技術〕
炭素マトリックスにおける炭化ケイ素(SiC)繊維のコンポジットが製造され、アフターバーナーにおける航空機フラップ及びシールに首尾よく用いられている。これらのコンポジットはいくらかの酸素を含有するアモルファス炭化ケイ素繊維を用い、日本炭素からセラミックグレードのNicalon(登録商標)繊維として市場で入手可能である。このタイプのコンポジットは米国特許第5,759,688号明細書に開示されており、これは以下に全体が書き出されている参照として組み込まれる。
アモルファス強化用繊維の制限された耐熱性のために、これらのコンポジットは1371℃(2500°F)の最大使用温度を有する。これらの温度で操作するために該コンポジットは一般的に化学的蒸着CVD/SiCでコーティングされ、外部密閉剤で上塗りされ得る。試験は、CVDコーティング及びアモルファス炭化ケイ素繊維で強化された炭素コンポジット間の界面結合の性質により、該コーティングの破砕が拡張された熱サイクル、及び/又は塩水噴霧露出下で起こり得ることを示している。
【０００３】
〔発明の開示〕
抑制された炭素/炭素コンポジット材料より高い酸化抵抗を有する難分解性コンポジット物品であって、連続的な多結晶質の化学量論的なSiC強化用繊維のコンポジットを、酸化阻害剤を含有する抑制された炭素マトリックスに含み、該コンポジットがSiCパックセメント結合コーティングを有する物品が提供される。
多数の連続的な多結晶質の化学量論的な炭化ケイ素強化用繊維を抑制された炭素マトリックスに含む難分解性コンポジット物品であって、該炭素マトリックスが酸化阻害性化合物を含有する有機樹脂を含み、該有機樹脂が少なくとも炭素の化学的蒸気浸透によって炭素化とそれによる高密度化に付されて炭化ケイ素繊維で強化された炭素コンポジットを形成し、該炭化ケイ素繊維で強化された炭素コンポジットがSiCパックセメント結合コーティングでコーティングされ、該難分解性コンポジットを形成する物品が提供される。
【０００４】
酸化阻害剤を含有する抑制された炭素マトリックスに多数の連続的な多結晶質の化学量論的な炭化ケイ素強化用繊維を含む、抑制された炭素/炭素コンポジット材料より高い酸化抵抗を有する構造用途のための網状成形コンポジット材料であって、該繊維を有機樹脂で含浸し及びステージング(staging)してプレプレッグを形成し、該プレプレッグを成形及び硬化してラミネートを形成し、該成形したラミネートを炭素化して炭素化部品を形成し、及び化学的蒸気浸透により該炭素化部品を高密度化して部品を形成することによって形成され、該炭素化の前に該有機樹脂は酸素阻害性化合物を含有し;及び該部品はSiCパックセメント結合コーティングでコーティングされる材料が提供される。
【０００５】
ここで、多結晶質の化学量論的なSiC繊維の同一又は類似の炭素マトリックスとの使用が、難分解性コンポジットの最大使用温度を1649℃(3000°F)以上まで拡張し、その機械的特性の大部分を保持することが見出された。これら多結晶質のSiC強化用繊維の優れた熱安定性は、反応性パックへのSiCコーティングの塗布(すなわち、パックセメント結合コーティング)を可能にし、それによって界面接合を向上させ、コーティング破砕に耐える。これら多結晶質のSiC繊維のより高い熱膨張係数(CTE)は、該反応性パック由来のパックセメント結合コーティングのCTEとより良く適合し、該コーティングにおける冷却クラックの形成を減らすのに役立つ。
【０００６】
静的酸化試験では、該反応性パックコーティング基体が8時間の露出で538℃(1000°F)、816℃(1500°F)、又は1093℃(2000°F)のいずれにおいても非常にわずかな質量増加(約1g/m2)を示した。1649℃(3000°F)の下降サイクル試験では、該反応性パックコーティングコンポジットが60時間(3サイクル)で少ない質量増加(約14g/m2)のみを示し、極超音速車両用途のためのこのコーティングされたコンポジットの適合性を示した。
【０００７】
該反応性パックコーティングされた多結晶質の化学量論的なSiC繊維で強化された炭素マトリックスコンポジットシステムは、その構成要素の熱適合性及びその単純性のために性能利点を有する。該反応性パックコーティングは表面のマトリックス炭素を転化し、それによって該基体に対する良好な接着を有する。実質的にクラックの無い表面では外部密閉剤は必要無く、該基体マトリックスではより少ない阻害剤を用いることができる。ガラス形成は最小限であると期待できる。これらの要因の全ては、コーティング破砕の発生減少に寄与する。
【０００８】
長期の高温露出後でも特性を維持する軽量、頑強、強靭、且つ酸化抵抗のあるコンポジットが提供される。パックセメント結合コーティングを有する多結晶質の化学量論的なSiC繊維で強化された炭素コンポジットは、1760℃(3200°F)以下の高い温度上昇に耐えることのできる材料を必要とする用途に特に有用である。網目形状の加工性及び加工されるコンポジットの能力が、広い種類のサイズ、形状及び形態を有する部品の製造を無制限に可能にする。
そのような反応性パックコーティング多結晶質の化学量論的なSiC繊維で強化された炭素コンポジットの有用な例は、航空エンジンのための構造用部品、例えばフラップ、シール、フレームホルダー及びライナー;タービンローター及び極超音速車両のための構造部品、例えばボルト、ファスナー、スキン及び先端である。これらのコンポジットは熱保護材料、例えば熱保護足場パネルとしても用いられ得る。
【０００９】
これらのSiC/Cコンポジットを製造するための方法は、以下の記載を含む。連続的な多結晶質の化学量論的なSiC繊維は、充填剤を含有する熱硬化性樹脂で含浸される。続いて、該繊維をオーブンにおいて約38℃〜約104℃(約100°F〜約220°F)でステージングし、溶媒を除去して該樹脂を部分的に硬化してよい。該ステージングされた繊維を切り、要望通りにレイアップして成形に備える。該繊維は、水圧下又はオートクレーブにおいて、フェノール又はエポキシのラミネートを硬化させるための従来の手順によって成形することができる。該成形部分は、続いて約538℃〜約1760℃(約1000°F〜約3200°F)の温度で不活性環境下において熱処理され、該有機マトリックスを炭素に転化する。該炭素化部分は、続いて高密度化のための炭素化学的蒸気含浸(CVI)に付される。
【００１０】
このコンポジット物品に用いることのできるSiC繊維は、限定はしないが、宇部興産のTyrannoTMシリーズの連続的な多結晶質の化学量論的なSiC繊維、例えばTyrannoTMSA-3繊維、日本カーボンのHi-NicalonTMタイプS繊維、及びDow CorningのSylramicTM繊維を含む。最も好適な多結晶質の化学量論的なSiC繊維は、約0.3質量%〜約0.8質量%以下の酸素を含有し得る。約1質量%以下の酸素を含有する多結晶質の化学量論的なSiC繊維が、主題のコンポジットに用いられ得る。対照的に、セラミックグレードのアモルファスSiC繊維は、約10質量%以上の酸素を含有し得る。該繊維は織物、細断織物、ヤーン、細断ヤーン、及びテープの形態を取り得る。SiCヤーンは、ブレード又は多方向製織によって網目形状に織られ得る。
【００１１】
該繊維の含浸は、製織の前又は後に行うことができる。該ヤーン、織物、及び/又はテープを機械に平らに置いて重ね、一つ又は複数の方向で該薄層の面に位置合わせされた繊維を有する層状強化材を形成し得る。該ヤーン、織物、及び/又はテープは主軸周囲に包まれる又は巻き付けられ、種々の形状及び強化配向を形成し得る。ラミネートにおける繊維体積は約25〜約60%にすることができる。含浸された繊維などを用いることにより、非常に高度の繊維配向及び配列を有する複雑な形状の構造体を製造することができる。
【００１２】
該繊維を含浸するのに用いたスラリーは、分散された充填剤を含有するフェノール樹脂、エポキシ樹脂、又はフラン樹脂を含み得る。代表的なフェノール類は、限定はしないが、商品名Durite(登録商標)SC1008でBorden Chemical, Inc.から供給されているもの、及びArofeneTM 134AでAshland Chemicalから供給されているものを含む。代表的なエポキシは、限定はしないが、Resolution Performance Productsから商品名Epon 828及びEpon 1031で供給されているものを含む。代表的なフランは、限定はしないが、Dynachem, Inc.から商品名PhenAlloy 440及びPhenAlloy 2160で供給されているものを含む。
【００１３】
用いた充填剤は、限定はしないが炭素、ホウ素、炭化ホウ素、窒化ホウ素、ケイ素、炭化ケイ素、窒化ケイ素、四ホウ化ケイ素、六ホウ化ケイ素、二ホウ化チタン、及び二ホウ化ジルコニウムをそれぞれ単独か又は組み合わせて含み得る。該マトリックスにおける充填剤の体積は約2%〜約25%にすることができる。
【００１４】
SiC繊維で強化されたコンポジットの炭素マトリックスは、酸化抵抗を向上させるのに有効な量で酸化阻害剤として作用する充填剤を含有し得る。これらは、ケイ素、ホウ素及び蒸気充填剤を含有するホウ素、並びに難分解性金属ホウ化物などの化合物、例えばハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン及びタングステンを含む他のホウ素を含む。ある種の実施態様では、酸化阻害剤は該マトリックスに約25%以下の体積で存在し得る。ある種の実施態様では、該マトリックスにおける阻害剤の体積が約2%〜約25%であり得る。特別な実施態様では、該マトリックスにおける阻害剤の体積が約5%〜約15%であり得る。
【００１５】
該有機樹脂を炭素化するのに用いた熱処理スケジュールは、揮発性物質を該部分内で余りに急に生成しないよう十分遅くあるべきであり、これは層間剥離を引き起こし得る。該温度は、該強化用繊維を熱分解することなく該樹脂を主に炭素に転化するのに十分高くあるべきである。ある種の実施態様では、成形部品が周囲温度から約538℃〜約1760℃(約1000°F〜約3200°F)まで約50〜約250時間でもたらされる。
【００１６】
化学的蒸気浸透(CVI)は、該コンポジットが炭素化又は熱分解を受けた後に行われる。1種以上の浸透が最適強度及び酸化抵抗に必要である。第一のCVIは好ましくは炭素による。その後のCVIは炭素又はSiCで行うことができる。ある種の実施態様では、少なくとも1種のCVIが炭素で行われる。炭素CVIは、低分子量のアルカン又はアルケン、例えばメタン、エタン、プロパン、プロペン、又はそれらの混合物、例えば天然ガスにより、約816℃〜約1204℃(約1500°F〜約2200°F)及び約670Pa〜6.67kPa(約5〜50torr)の圧力で行われ得る。SiC CVIは、メタン及びシラン、例えば四塩化ケイ素、又は有機シラン、例えばメチルトリクロロシラン、ジメチルジクロロシラン、メチルジクロロシラン又はそれらの混合物により、約871℃〜約1204℃(約1600°F〜約2200°F)及び約267Pa〜約26.7kPa(約2〜約200torr)の圧力で行われ得る。
【００１７】
炭素、窒化ホウ素、又は他のコーティングは、該繊維に塗布されて該コンポジットの強度及び靭性を向上させることができる。該コーティングは、該マトリックスから該繊維へのクラック増殖を妨げることのできる低モジュラスの材料層からなるべきである。繊維コーティングは、化学的蒸着、電気化学的、湿式化学的、又はスラリー方法によって塗布することができる。該繊維コーティングは、含浸される前か又は該コンポジットが熱処理(炭素化)された後に現場で該ヤーン及び/又は織物に直接塗布され得る。
【００１８】
本発明の多結晶質な化学量論的なSiC繊維で強化された炭素コンポジットは、該多結晶質のSiC強化用繊維の優れた熱安定性及びより高い熱膨張係数(CTE)のために、該SiC繊維で強化された炭素マトリックス基体のための反応性パックコーティングの使用に特に適する。炭素質基体の反応性パックセメント結合コーティング、例えば炭素/炭素コンポジットが知られている。ここで用いられている"パックセメント結合"というフレーズは、該炭素質物品を囲んでいる該反応性パック混合物によって供給されるケイ素の液体及び/又はSiOガスの浸潤及びそれらとの反応による、炭素マトリックスコンポジットにおける外部表面炭素の主に炭化ケイ素への熱駆動転化を意味する。
【００１９】
約427℃(800°F)以上の温度で分解から該炭素質基体を保護するためのSiCパックセメント結合コーティングの形成に有用な反応性パック混合組成物、すなわち、該コンポジットの炭素マトリックスは、一つの実施態様では、全コーティング組成物の約15質量%〜約50質量%のSi;存在するならば全コーティング組成物の0質量%〜約25質量%のB;全コーティング組成物の約0.01質量%〜約3質量%のSiO2;及び全コーティング組成物の約40質量%〜約85質量%のSiCを含む。
【００２０】
そのようなコーティングは、反応性パック混合組成物を調製する工程、これは全反応性パック混合組成物の約15質量%〜約50質量%のSi、存在するならば約25質量%以下のB(Bは0質量%〜約25質量%)、約0.01質量%〜約3質量%のSiO2、及び約40質量%〜約85質量%のSiCを含む;該SiC/Cコンポジット炭素質基体を離型剤でコーティングする工程;該離型剤でコーティングされた炭素質基体を該パック混合組成物で囲む工程;及び該炭素質基体を該炭素質基体上に保護用SiCパックセメント結合コーティングの形成を行うのに十分な時間燃焼させる工程、によって該SiC/Cコンポジットに塗布され得る。該炭素質基体から使用済みパック組成物の綺麗な離型を提供するのに好適な離型剤はコルクであるが、他の離型剤も用いられ得る。
【００２１】
元素状態のケイ素はElkem Materials, Inc.から0.045mm(-325メッシュ)の粉末として購入することができ、アモルファス形態の該ホウ素はTronox, Inc.,からTronaTM元素ホウ素粉末として購入でき、該SiO2はAtlantic Equipment Engineersから0.045mm以上に微細な(-325メッシュ)粉末として購入でき、及び該SiC(緑色)はAtlantic Equipment Engineersから0.009mm(1200グリット)の粉末として購入できる。コルクは、0.074mm以上に微細な(-200メッシュ)粒子サイズ及び128〜160kg/m3(8〜10lbs/ft3)の密度でMaryland Cork Co., Incから購入できる。しかし、種々の粒子サイズ及び密度がここで述べられている目的に有効である。使い易さのために、ある種の実施態様では、粉末化コルクを液体キャリア、例えば0.4%のキサンタンガム水溶液と混合してよい。該キサンタンガムはCP KelcoからKelzanTM-S粉末として購入できる。
【００２２】
該炭素質基板を非反応性レトルトに入れ、全ての側面をパック混合物で囲んでよい。あるいは、該パックコーティング基体を、最初にレトルトに入れることなく炉に直接入れてもよい。該パックされたレトルト、又はレトルトを用いない該パックコーティングされた基体を炉に入れ、これを約1593℃〜約1760℃(約2900°F〜約3200°F)の温度に加熱する。この温度を続いて約2〜約16時間保持し、該基体の反応性及び所望の取り上げたコーティングの量に依存し得る。該基体の燃焼は不活性雰囲気下、例えばアルゴン下で行ってよく、一つの実施態様では約101.3kPaのわずかに高い圧力で行われ得る。
【００２３】
該パック混合組成物は燃焼させると該炭素質基体と反応し、該基体表面の一部をSiCに転化して高温で該基体の酸化を保護し、それによって該SiC/Cコンポジット基体が長時間に渡ってその機械的保全性を保持するのを可能にする。
反応性パックセメント結合コーティングは米国特許第第5,275,983号明細書においてさらに論じられており、これは以下に全体が書き出されている参照として組み込まれる。
【００２４】
連続的な多結晶質の化学量論的なSiC繊維で強化された抑制炭素コンポジットは、従来のセラミックコンポジットと比べて著しい利点を有する。抑制された炭素マトリックスの利用は、セラミック材料と比べて炭素の有する利点の全て、例えば熱安定性、弾力性及び加工性を提供し、乏しい酸化抵抗である炭素の不都合を克服する。一般的に靭性を測定するのに用いられる切り欠きizod衝撃強度は、SiC繊維で強化された炭素コンポジットが、モノリシックなセラミックよりも壊損に対して10〜100倍の抵抗力を有することを示している。
【００２５】
該SiC繊維で強化された炭素コンポジットは、大きく複雑な形状に加工され、構造上用途に好適な機械的特性を説明することができる。環境に配慮したコンポジット製作は、航空宇宙産業に周知の従来のガラス/エポキシ成形技術によって行うことができる。炭素/炭素(C/C)コンポジットを同様の様式で製造することができるが、それらは該抑制されたSiC/C材料によって示される高度の酸化抵抗を提供せず、該コーティングが破られたときに壊損を受ける。
【００２６】
さらに、連続的な多結晶質の化学量論的なSiC繊維で強化された炭素コンポジットは、C/Cコンポジット又はさらに類似の強度のアモルファスSiC繊維で強化された炭素コンポジットよりも反応性パックコーティングに適合し、C/Cコンポジットよりも高い圧縮及び層間特性、及びアモルファスSiC繊維で強化された炭素コンポジットよりも高い引張弾性率を有する。該SiC繊維で強化された炭素コンポジットの酸化抵抗は、最良に抑制されたC/C又はC/SiC材料よりも著しく高く、多くの場合において炭素コーティングされた繊維を有するSiC/SiCコンポジットよりも優れている。反応性パックコーティングされた連続的多結晶質の化学量論的なSiC繊維で強化された抑制炭素コンポジットの温度抵抗は、コーティングされたC/Cコンポジット又はアモルファスSiC繊維で強化された抑制炭素コンポジットよりも高い。
【００２７】
実施例1
40.6cm(16インチ)の幅、105cm(41.5インチ)の長さで8ハーネスのサテンTyrannoTMSA-3繊維(多結晶質の化学量論的な炭化ケイ素繊維を含む)の一枚のシートを、18%の炭化ホウ素粉末、52%のAshland ArofeneTM 134A(フェノール樹脂)、及び30%のイソプロピルアルコール(質量%)からなる158グラムのスラリーで含浸した。成形(フェノール)コンポジットは、58.3質量%の繊維、29.2質量%の樹脂、及び12.5質量%の炭化ホウ素を含んだ。コーティングされたシートを回転式オーブンに入れ、30分間88℃(190°F)でステージングした。該ステージングされたシートを10個の長方形パターンである19.7cm(7.75インチ)幅の21.0cm(8.25インチ)長さに切り分け、位置合わせしたワープ繊維で重ねた。重ねたプライを2枚の金属プレートの間で挟み、排気口を有するプラスチックバッグに密閉した。該バッグ部分をオートクレーブに入れ、該排気口を真空に接続した。該オートクレーブを1.03MPa(150psig)に加圧し、154℃(310°F)まで4時間かけてもたらし、及び154℃(310°F)で3時間保持した。続いて、該オートクレーブを冷却し、該固まったプライを除去した。該硬化コンポジットを炉に入れ、816℃(1500°F)まで80時間かけて窒素下でもたらした。冷却後、該部分を真空炉に移し、1760℃(3200°F)まで22時間かけてアルゴン下でもたらした。続いて、熱分解された部分を2度に渡ってCVI方法により熱分解性炭素で浸潤した。該浸潤されたコンポジットは、2230kg/m3(2.23g/cc)の密度、約47%の繊維体積、及び約11.5%の阻害剤体積を有した。
【００２８】
生じた抑制されたSiC/Cコンポジットを機械的に試験すると、248MPa(36ksi)の引張強さ、331MPa(48ksi)の圧縮強さ、296MPa(43ksi)の曲げ強さ、103GPa(15msi)の引張弾性率、30.3MPa(4400psi)の層間剪断強度、及び15.9MPa(2300psi)の層間引張強さを有した。
7種のさらなる屈曲のクーポンを離型剤でコーティングし、59.5質量%の炭化ケイ素粉末、35質量%の金属ケイ素粉末、5質量%のアモルファスホウ素粉末、及び0.5質量%の二酸化ケイ素粉末の反応性混合物にグラファイトレトルトにおいてパックした。該レトルトを真空炉に入れ、アルゴン下で1510℃(2750°F)に19時間かけて1時間保持し、続いて1760℃(3200°F)まで3時間かけて8時間保持した。
【００２９】
冷却後、該クーポンを引き抜いた。一つのクーポンを曲げてテストし、続いて光学的検査のために細断した。平均して0.127mm(5ミル)の厚みの連続的なSiCコーティングを有することが見出された。該クーポンの厚みを引いた該コーティングの厚みで計算した曲げ強さは、コーティングされていないクーポンと変化が無かった。空気中において538℃(1000°F)、816℃(1500°F)、及び1093℃(2000°F)で8時間に渡る静的酸化テストは、わずかな質量変化のみを示した。1649℃(3000°F)に2時間曝すと、8g/m2の質量増加が得られた。下降サイクルテストを行い、クーポンを1649℃(3000°F)での2時間の露出、その後に649℃(1200°F)での18時間の露出、続いて35℃(95°F)及び95%の相対湿度に設定した湿気チャンバーにおいて16時間の露出に付した。累積性質量増加は、第一のサイクル後に9g/m2、第二のサイクル後に12g/m2、及び第三のサイクル後に14g/m2であった。
【００３０】
実施例2
CVDでコーティングされた炭素マトリックスにおけるアモルファス炭化ケイ素繊維及び反応性パックコーティングを有する炭素マトリックスにおける多結晶質の化学量論的なSiC繊維のコンポジットを調製し、テストした。コーティングされた柔軟性クーポンを用いた該2種のコンポジットの特性比較を、以下の表に示す。
【００３１】
2009517313.tif 000003
【００３２】
柔軟性強度における22%の減少が全クーポンの厚みの計算値を用いて観察されたが、該コーティングを取り除くと該柔軟性強度には変化が無かった。不成功の柔軟性クーポンの一つを細断し、高倍率で調べた。SiC反応性パックでコーティングされた多結晶質の化学量論的なSiC繊維で強化された炭素コンポジット10を含む柔軟性クーポンの顕微鏡写真が、図に示されている。積み重なったプライからなるコンポジット物品11は、SiCパックセメント結合コーティング12を有した。該表面は幾分不規則である。該コーティング12の厚みは平均して0.127mm(5ミル)であった。
【００３３】
2種のコーティングされたコンポジット間の違いが顕著である。該多結晶質の化学量論的なSiC繊維は、より高い耐熱性、より高い熱膨張及びより高いモジュラスを有する。これは、1371℃(2500°F)で長期間、及び1760℃(3200°F)で短期間などのかなり高い温度で用いることのできる硬いコンポジットを生じる。さらに重要なことは、該多結晶質の化学量論的なSiC繊維で強化された炭素コンポジットを反応性パック由来のSiC(パックセメント結合)コーティングで保護することができ、基体及びコーティングの間の接着を向上させ、コーティング破砕を最小化させる。
【００３４】
該化学量論的な繊維は、該SiCパックセメント結合コーティングに完全に調和する熱膨張係数(CTE)を有し、名目上はクラックの無いコーティングを生じ、SiCでコーティングされた抑制炭素マトリックスコンポジットにおけるガラス形成を最小化させる。さらに、コンポジット引張弾性率における65%の改善が、反応性パック由来のパックセメント結合コーティングを有する炭素マトリックスに多結晶質の化学量論的なSiC繊維を含むコンポジットで示された。
該難分解性コンポジットが上記記載及び前述の実施例に詳細に記載されているが、これらの実施例は説明の意図のみのためであり、変形及び改良が当業者によって本発明の意図及び範囲を逸脱すること無くなされ得ることが理解される。上記実施態様はいずれか一方だけでなく、組み合わせることもできると理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】パックセメント結合コーティングを有する、細断されたSiC繊維で強化された炭素マトリックスコンポジットクーポンの顕微鏡写真。
2009517313.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成20年6月5日(2008.6.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
抑制された炭素/炭素コンポジット材料より高い酸化抵抗を有する難分解性コンポジット物品であって、連続的な多結晶質の化学量論的なSiC強化用繊維のコンポジットを、酸化阻害剤を含有する抑制された炭素マトリックスに含み、該コンポジットがSiCパックセメント結合コーティングを有する、物品。
【請求項２】
前記抑制された炭素マトリックスが、
a)酸化抵抗を提供するのに有効な量から25体積%以下の前記酸化阻害剤、該酸化阻害剤は、ホウ素、炭化ホウ素、窒化ホウ素、四ホウ化ケイ素、六ホウ化ケイ素、又は二ホウ化ジルコニウムの少なくとも1種;又はハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、又はタングステンの少なくとも1種の難分解性金属ホウ化物;又はそれらの混合物を含む、
b)炭素、炭化ケイ素、窒化ケイ素、又はそれらの混合物の少なくとも1種を含む充填剤、又は
a)及びb)、
を含有する、請求項１記載の物品。
【請求項３】
前記パックセメント結合コーティングが、
a)前記パック混合組成物の全質量に基づいて15質量%〜50質量%のSi;
b)前記パック混合組成物の全質量に基づいて0質量%〜25質量%のB;
c)前記パック混合組成物の全質量に基づいて0.01質量%〜3質量%のSiO2;
d)前記パック混合組成物の全質量に基づいて40質量%〜85質量%のSiC:
を含む反応性パック混合組成物から誘導される、請求項１又は２記載の物品。
【請求項４】
前記繊維が、織物、細断織物、ヤーン、細断ヤーン、テープ、又はTyrannoTMSA-3繊維を含む、請求項１又は２記載の物品。
【請求項５】
請求項３記載の物品であって、前記パックセメント結合コーティングが、
a)前記パック混合組成物の全質量に基づいて15質量%〜50質量%のSi、0質量%〜25質量%のB、0.01質量%〜3質量%のSiO2、及び40質量%〜85質量%のSiCの反応性パック混合組成物を提供する工程、
b)前記コンポジットを離型剤でコーティングする工程、
c)前記離型剤でコーティングされたコンポジットを該パック混合組成物で取り囲む工程、及び
d)保護SiCパックセメント結合コーティングの形成を該コンポジット上に行うのに十分な時間、該コンポジットを燃焼する工程、
によって調製される、物品。
【請求項６】
多数の連続的な多結晶質の化学量論的な炭化ケイ素強化用繊維を抑制された炭素マトリックスに含む難分解性コンポジット物品であって、該炭素マトリックスが酸化阻害性化合物を含有する有機樹脂を含み、該有機樹脂が少なくとも炭素の化学的蒸気浸透によって炭素化とそれによる高密度化に付されて炭化ケイ素繊維で強化された炭素コンポジットを形成し、該炭化ケイ素繊維で強化された炭素コンポジットがSiCパックセメント結合コーティングでコーティングされ、該難分解性コンポジットを形成する、物品。
【請求項７】
前記抑制された炭素マトリックスが、
a)酸化抵抗を提供するのに有効な量から25体積%以下の前記酸化阻害剤、該酸化阻害剤は、ホウ素、炭化ホウ素、窒化ホウ素、四ホウ化ケイ素、六ホウ化ケイ素、又は二ホウ化ジルコニウムの少なくとも1種;又はハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、又はタングステンの少なくとも1種の難分解性金属ホウ化物;又はそれらの混合物を含む、
b)炭素、炭化ケイ素、窒化ケイ素、又はそれらの混合物の少なくとも1種を含む充填剤、又は
a)及びb)、
を含有する、請求項６記載の物品。
【請求項８】
酸化阻害剤を含有する抑制された炭素マトリックスに多数の連続的な多結晶質の化学量論的な炭化ケイ素強化用繊維を含む、抑制された炭素/炭素コンポジット材料より高い酸化抵抗を有する構造用途のための網状成形コンポジット材料であって、該繊維を有機樹脂で含浸し及びステージングしてプレプレッグを形成し、該プレプレッグを成形及び硬化してラミネートを形成し、該成形したラミネートを炭素化して炭素化部品を形成し、及び化学的蒸気浸透により該炭素化部品を高密度化して部品を形成することによって形成され、該炭素化の前に該有機樹脂は酸素阻害性化合物を含有し、及び該部品はSiCパックセメント結合コーティングでコーティングされる、材料。
【請求項９】
前記有機樹脂が、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、及びフラン樹脂の少なくとも1種を含む、請求項８記載の成形材料。
【請求項１０】
a)前記酸化阻害剤が、ホウ素、炭化ホウ素、窒化ホウ素、四ホウ化ケイ素、六ホウ化ケイ素、又は二ホウ化ジルコニウムの少なくとも1種;又はハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、又はタングステンの少なくとも1種の難分解性金属ホウ化物;又はそれらの混合物を含む、
b)前記有機樹脂が、炭素、炭化ケイ素、窒化ケイ素、又はそれらの混合物の少なくとも1種を含む充填剤をさらに含有する、又は
a)且つb)である、請求項８記載の成形材料。
【請求項１１】
前記繊維が、織物、細断織物、ヤーン、細断ヤーン、テープ、又はTyrannoTMSA-3繊維を含む、請求項８記載の成形材料。
【請求項１２】
a)フラップ、シール、ライナー又はフレームホルダーを含む航空エンジンのための部品、
b)ボルト、ファスナー、スキン又は先端を含む極超音速車両のための構造部品、
c)熱保護材料、又は
d)タービンローター、
を含む、請求項１又は２記載の物品。
【請求項１３】
a)フラップ、シール、ライナー又はフレームホルダーを含む航空エンジンのための部品、
b)ボルト、ファスナー、スキン又は先端を含む極超音速車両のための構造部品、
c)熱保護材料、又は
d)タービンローター、
を含む、請求項６〜１１のいずれか１項に記載の物品又は成形材料。
【国際調査報告】
2009517313.tif 000005