(57)【要約】【課題】スラリ浸透により、セラミックマトリクス複合材料を製造する方法を提供する。【解決手段】  セラミックマトリクス複合材料を製造する方法は、のり抜きされたセラミック布積み重ね構造を非セラミック布バッグの中に挿入することと、バッグを密封し、バッグ入りセラミックプレフォーム（１０）を形成することと、バッグ入りセラミックプレフォーム（１０）に、セラミック含有スラリを浸透させることと、非セラミックバッグを分解する間に、スラリをセラミックに変換するために、プレフォーム（１０）を焼結することとを含む。本発明の方法は、セラミック布に対する損傷を最小限に抑えつつ、セラミック布トウ束のスラリ浸透を最大限にする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックマトリクス複合材料構成要素を形成する方法において、
セラミック布の少なくとも１つのプライを、あらかじめ選択された形状に切断する工程と；
設計仕様に従って、前記少なくとも１つのプライを積み重ねる工程と；
前記少なくとも１つのプライを洗浄し且つのり抜きするのに十分な温度まで、前記少なくとも１つのプライを加熱する工程と；
非セラミック材料から形成され、少なくとも１つの開口部を有するバッグの中に、洗浄され且つのり抜きされた前記少なくとも１つのプライを挿入する工程と；
バッグ入りセラミックプレフォームを形成するために、密封手段を使用して、前記バッグの少なくとも１つの開口部を閉鎖する工程とから成る方法。
【請求項２】
前記少なくとも１つのプライを洗浄し且つのり抜きするのに十分な温度は、最低約８００°Ｆである請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記非セラミック材料は、織物材料である請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記織物材料は、木綿、ポリエステル、レーヨン又はナイロンである請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記密封手段は、テーピング、貼り合わせ、縫い合わせ、ミシン縫い及びホチキス留めより成る群から選択される請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記バッグ入りセラミックプレフォームを縫い合わせることにより、前記バッグ入りセラミックプレフォームを安定させる工程を更に含む請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記バッグ入りセラミックプレフォームを製造工具とかみ合わせる工程を更に含む請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記バッグ入りセラミックプレフォームに、セラミック含有スラリを浸透させる工程を更に含む請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記バッグ入りセラミックプレフォームに浸透させる工程は、
前記バッグ入りセラミックプレフォームをスラリ浸透装置の内部に挿入する工程と；
前記バッグ入りセラミックプレフォームを形状成形型の上に載せる工程と；
前記バッグ入りセラミックプレフォーム及び前記形状成形型をスラリ浸透装置の内部に挿入する工程と；
前記バッグ入りセラミックプレフォームに浸透させる工程とを含む請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記バッグ入りセラミックプレフォームをスラリ浸透装置の内部に挿入する工程は、真空型スラリ浸透装置の内部に前記バッグ入りセラミックプレフォームを挿入することを含み、前記バッグ入りセラミックプレフォームに浸透させる工程は、
目の粗い材料を提供する工程と；
前記目の粗い材料にセラミック含有スラリをしみ込ませる工程と；
前記セラミック含有スラリをしみ込ませた前記目の粗い材料を、前記バッグ入りセラミックプレフォームの前記非セラミックバッグ材料とほぼ接触する状態に配置して、サンドイッチ構造を形成する工程と；
真空型スラリ浸透装置内で、前記サンドイッチ構造を密封する工程と；
前記スラリ浸透装置を動作させ、前記目の粗い材料から前記セラミック含有スラリを吸い出し、前記バッグ入りセラミックプレフォームの前記セラミック布に前記スラリを引き込んで、浸透バッグ入りセラミックプレフォームを形成する工程とを含む請求項９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スラリ浸透により、セラミックマトリクス複合材料を製造する方法に関する。特に、本発明は、セラミックマトリクス複合材料（ＣＭＣ）を製造する新規なスラリ浸透方法に関する。本発明の方法は、セラミック布に対する損傷を最小限に抑えつつ、セラミック布トウ束のスラリ浸透を最大限にする。
【背景技術】
【０００２】
セラミック布を使用して、ＣＭＣを製造する方法として、現在、少なくとも５種類の方法が知られている。一般に、それらの方法は、１）一連のローラ及び引っ張り部材を通して、セラミック布を送り出し、セラミック布をスラリタンクの中に浸漬し、タワー内で乾燥させ、プラスチックシートの層の間に挟み、管に巻き付けることにより実行されるプレプレグ製造；２）セラミック布プライから成るプレフォームを化学蒸気反応器の内部に配置し、プレフォームを加熱し、蒸気の形をとる原子又は分子をプレフォーム上と、望ましくはセラミック布の内部とに付着させる化学蒸気浸透；３）セラミック布に特殊薬剤を織り込み、特殊薬剤をセラミック材料に変換する液体金属浴の中に、セラミック布を浸漬するｌａｎｘｉｄｅプロセス；４）セラミックプレフォームに、液体金属を浸透させ、その後、金属をセラミックに変換するために、浸透させたプレフォームを処理する溶融物浸透；及び５）セラミック粒子含有スラリを、真空中で、セラミック布プレフォームに浸透させ、その後、ＣＭＣを形成するために、セラミック布プレフォームを加熱するスラリ浸透である。
【０００３】
スラリ浸透プロセスは、セラミック布繊維に対する磨耗及びその他の損傷が懸念される場合、及び液体セラミック前駆物質を布に完全に浸透させることが望まれる場合に好ましい。スラリ浸透プロセスの問題点は、適正なＣＭＣを形成するために、多くの浸透／熱処理工程が必要とされることである。浸透／熱処理工程の数は、セラミックスラリからのセラミック材料の収量によって決まる。更に、周知のスラリ浸透プロセスでは、織物であるセラミック布の中のトウ束に、スラリは完全には浸透しない。別の問題は、特に、洗浄又はのり抜きされたセラミック布を使用するプロセスにおいて、セラミック布の機械処理の結果として繊維が損傷し、また、周知のスラリ浸透プロセスの間にも、繊維の損傷が起こることである。のり抜きは、のり付けされた繊維からのりを除去する洗浄プロセスであり、スラリを浸透させる前に実行される。繊維間のマトリクスが負荷を伝達するには不十分であるため、トウ束への浸透が不完全であることにより、ＣＭＣにおいて、領域の強度が低下する。ローラ及び引っ張り装置を必要とするほぼ全てのプロセスで、繊維が互いに重なり合って転がるという作用により、必然的に、浸透中にセラミック布の繊維の損傷が起こる。転がり作用は、繊維に切り傷を形成し、その結果、ＣＭＣの強度が低下する。これらの問題は、全て、ＣＭＣの構造特性及び信頼性が欠落する原因である。
【特許文献１】米国特許６，１７４，５９５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、セラミック布に対する損傷を最小限に抑え、且つ布のトウ束及び繊維へのスラリ浸透を最大限にするスラリ浸透の方法が必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、浸透前の機械的処理、及び浸透プロセスなどによる布の損傷を最小限に抑えつつ、トウ束へのスラリ浸透を最大限にする処理方法を提供することにより、従来の技術の問題を回避する。従って、本発明は、浸透の問題と、布繊維の損傷の問題に同時に対処する。
【０００６】
浸透プロセス前及び浸透プロセスの間の繊維の損傷の問題を克服するために、本発明は、セラミック布のプレフォームを製造する方法を提供する。特に、セラミック布プレフォームは、のり付けされたセラミック布のプライを切断することと、設計仕様に従って、プライを積み重ねることと、炉の中で熱洗浄を実行することによりセラミック布積み重ね構造をのり抜きすることと、のり抜きされた積み重ね構造を取り出し、更に処理を行うために、不堅牢バッグの中に挿入することとにより製造される。この方法により、特に、セラミック布が洗浄又はのり抜きされた状態であるとき、セラミック布を最小限の範囲で処理する必要のあるプレフォームを形成し、従って、繊維を損傷する可能性は、最小限に抑えられる。本発明は、トウ束への浸透を最大限にする新規なスラリ浸透方法を更に提供する。
【０００７】
本発明のその他の特徴及び利点は、添付の図面と関連させた、好ましい実施形態の以下の更に詳細な説明から明らかになるであろう。図面は、実例を挙げて、本発明の原理を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の方法は、セラミック布の１つ以上のプライを、プレフォームに対して望ましい形状及び向きに切断することから開始する。プレフォームの形成に使用されるセラミック布は、互いに関して所定の角度で配置された単方向プライの多数の層であってもよいし、あるいは織物であってもよい。一実施形態においては、まず、設計仕様に従って、のり付けされたセラミック布の少なくとも１つのプライ、好ましくは多数のプライが積み重ねられる。次に、洗浄用の炉などの内部で、最低約８００°Ｆまで加熱することにより、積み重ねられたプライは、のり抜きされる。のり抜き工程は、繊維を被覆するために繊維メーカーが繊維に対して使用した全てののり付け材料を除去するために実行される。繊維ののり付けは、織布又は他の種類の処理の間に、セラミック繊維が互いに磨耗し合わないようにするために行われる。のり抜きが実行されるのは、のり付けがＣＭＣにおける接合を妨害するからである。のり付け用ののりの大半は、ポリビニルアルコール（「ＰＶＡ」）又はエポキシ系であるので、のりを分解し、残留する炭素を全て燃焼させるのに十分な時間をかけて、十分な温度までセラミック布を加熱することにより、のり抜きを実行できる。炭素を除去するのに十分な長さの時間にわたり、布が炉の中にとどまっているのであれば、通常、約８００°Ｆを超えるどの温度でも十分である。温度の上限は、セラミック繊維の機械的性能を劣化させない温度であり、約８００°Ｆを超える値である。のりは、約１，２００°Ｆで完全に分解されるため、のり抜きは、この温度で実行されるのが好ましい。
【０００９】
のり抜きされたセラミック布積み重ね構造は、慎重に炉から取り出され、木綿、ポリエステル、ナイロン又は他の非セラミック材料の織物から成るバッグなどの、非セラミック材料から製造された不堅牢バッグの中に挿入される。不堅牢バッグは、一方の端部が開き、３方は閉鎖されていてもよく、側壁により形成される２つの対向する開いた端部を有する管であってもよく、あるいは３方が開いていてもよい。いずれの場合にも、セラミック布積み重ね構造をバッグに挿入できるように、バッグは、少なくとも１つの開口部を有する。その後、バッグの端部は、当業者に知られているテーピング、貼り合わせ、高温接着、ミシン縫い、縫い合わせ、ホチキス留め、又は他の手段などの密封手段により密封され、それにより、バッグ入りセラミックプレフォームが形成される。特に、単純な形状及び平坦なパネルの場合、次に、バッグ入りプレフォームは、スラリ浸透装置の内部に挿入される。プレフォームを更に安定させ、また、より複雑な形状を製造するために、バッグ入りプレフォームに対して、何らかのミシン縫い又は縫い合わせ（バッグ及びセラミック布の双方を通して縫うか、又は単にバッグのみを縫う）が実行されてもよい。縫い目は、設計分析により指示される、応力の小さい領域に配置されるのが好ましい。
【００１０】
バッグ入りプレフォームに所望の形状を与えるために、プレフォームは、最終的には、製造工具とかみ合わされる。製造工具にかみ合わせるタイミングは、部品の特性、特に、その大きさと形状によって決まるため、様々に異なる。例えば、小さな形状又は相対的に平坦なパネルの場合、プレフォームバッグは、製造工具の上に載せられ、バッグ及び工具は、スラリ浸透チャンバ内に挿入される。更に、バッグの最上部に、エアウィーブ材料が配置され、その後、エアウィーブ材料にスラリが浸透される。大型の部品又は相対的に複雑な形状の場合には、プロセスは、相対的に平坦な、縫い合わされたプレフォームバッグにスラリを浸透させることと、バッグを浸透装置から取り出すことと、次に、浸透されたバッグ入りプレフォームを製造工具上に載せることとを含む。例えば、平坦な板又は単純な輪郭を有する形状などの単純な形状の場合の一実施形態においては、セラミック布は切断され、１枚の不堅牢バッグ材料の上に重ね合わされ、別のバッグ布層で被覆され、スラリを浸透させるために、スラリ浸透装置の内部に配置される。円形又は凸形などの更に複雑な形状、あるいは輪郭又は角部がより複雑な形状に適する別の実施形態では、セラミック布プライは積み重ねられ、のり抜きされ、その後、不堅牢バッグ内に挿入される。その後の製造工具における作業中に、バッグ内部に挿入されたプライが所定の向きから外れること、束になって固まること、又はしわがよることを防止するために、不堅牢バッグは、所定の場所で縫い合わされる。いずれの実施形態においても、バッグ入りプレフォームは、積層に先立って、成形のために製造工具にかみ合わされる。最後に、積層部品の焼結により、セラミック含有スラリ及びセラミック布はセラミックに変換され、ＣＭＣが形成される。
【００１１】
これらの方法を使用すると、プレフォーム安定化プロセス中に、セラミック布に対して起こる繊維の損傷は、最小限に抑えられる。これは、１つには、切断作業及び積み重ね作業がのり付け状態で実行されるためであり、１つには、のり抜きされ、積み重ねられたセラミック布プライをバッグが保護するためである。
【００１２】
図１に示されるように、本発明は、安定化されたセラミック材料プレフォームへのセラミックスラリの浸透を最適化するための新規な方法を更に提供する。図１の好ましい実施形態においては、方法は、真空密閉システムを使用して、プレフォームの内部にスラリを引き込むことを含む。この実施形態では、バッグ入りセラミック布プレフォーム１０は、形状成形型１２の上に載せられる。次に、ポリエステルエアウィーブ材料などの分厚い目の粗い材料１４（当業者には、「エアウィーブ」として知られている場合もある）に、セラミックスラリをしみ込ませ、スラリ浸透目の粗い材料１４を形成する。好ましい一実施形態においては、目の粗い材料は、１／８インチの厚さのポリエステルエアウィーブである。スラリ浸透目の粗い材料１４は、バッグ入りセラミック布プレフォーム１０の近傍、好ましくは形状成形型１２とバッグ入りセラミック布プレフォーム１０との間に配置される。次に、バッグ入りセラミック布プレフォーム１０、型１２及びセラミックを含んだ分厚い目の粗い材料１４から成るサンドイッチ構造は、プラスチック又はシリコーンの真空バッグ１６などの密閉容器システムの内部に密封される。システムが真空状態になることにより、必然的に、スラリ浸透目の粗い材料１４からバッグ入りセラミック布プレフォーム１０へ、セラミックスラリが移動する。真空バッグ１６からバッグ入りセラミック布プレフォーム１０に加えられる圧力は、セラミックプライを互いに密接に接触する状態に維持すると共に、不堅牢バッグ材料及び目の粗い材料１４を維持する。更に、繊維の表面張力と、真空による引き込みは、トウ束へのセラミックスラリの優れた浸透を助長する。目の粗い材料は、スラリのどの成分をも優先的に除去しないように選択される。従って、スラリは、目の粗い材料及び不堅牢バッグを通って容易に移動し、バッグ入りセラミック布プレフォーム１０のセラミック布に浸透する。
【００１３】
スラリ浸透に続く工程では、スラリ浸透プレフォームが乾燥される。従来のどの乾燥方法が利用されてもよいが、スラリをプレフォームのプライ全体に更に行き渡らせ、湿ったセラミック布繊維に対する損傷を促進する可能性がある付加的な処理を回避するためには、室温での空気乾燥が望ましい。乾燥に要する時間は、プレフォームの厚さ、セラミックスラリ中の溶剤の種類及び量、並びにプレフォームの周囲の室温及び気流に応じて異なる。
【００１４】
次に、セラミック布及びスラリを、加熱、加圧下で圧密するために、乾燥されたプレフォームは積層される。積層すると、プレフォームの非セラミックバッグ材料は、積層部品の外表面層になるが、続く積層部品の焼結中に、この層は、ほぼ分解する。分解が起こるのは、バッグ材料が、炭素系繊維のような、より低温の材料であるからである。そのような材料は、積層部品の焼結温度以下の高温で、酸素又は空気にさらされたときに、分解する。次に、セラミックプレフォーム中のセラミックスラリをセラミックマトリクスに変換するために、積層部品は焼結され、ＣＭＣを形成する。この焼結工程は、バッグ材料を更に分解し、部品の表面に、柔軟なマトリクス材料が残される。柔軟なマトリクス材料と、バッグ材料中に残留する余分なスラリマトリクスは、簡単な手作業による研磨又はサンドブラストにより容易に除去される。
【００１５】
以下の実施例は、単なる例であり、本発明を限定しない２つの実施形態を例示することが意図されている。
【実施例１】
【００１６】
Ｎｅｘｔｅｌ７２０布（3M Corporation）強化アルミナシリカ（Ａｌ２Ｏ３‐ＳｉＯ３）マトリクスＣＭＣ（商品名AS-N720）。この実施例においては、セラミックプレフォームは、Ｎｅｘｔｅｌ720布のプライを一体に積み重ね、最低約１，２００°Ｆで、積み重ね構造をのり抜きし、のり抜きした積み重ね構造を綿布のバッグに挿入し、DuPontのTeflon（登録商標）ブランドのテープなどのポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）テープによって、バッグの両端をテーピングすることにより作成された。次に、本明細書に参考として取り入れられている特開０３−０６５５７１号に記載されるように、極微小アルミナ粉末、シリカ生成ポリマー、溶剤及び解膠剤を含むセラミックスラリをしみ込ませた、厚さ１／８インチの目の粗い材料をプレフォームの上に重ね合わせた。このサンドイッチ構造をシリコーン真空バッグの中に入れ、セラミックプレフォームにスラリを浸透させるために、約２０ｉｎ．Ｈｇを超える真空を、約１５分を超える時間にわたり加えた。スラリが浸透したプレフォームを、周囲空気の中で、一晩乾燥させ、その後、約３００°Ｆで、約２００ｐｓｉの公称積層条件以上の条件でプレフォームを積層した。積層工程で、セラミックプレフォームは、十分に圧密され、シリカ生成ポリマーを硬化することにより、セラミックプレフォームは、「未加工」形状として硬化した。次に、シリカ生成ポリマーをセラミックマトリクスに変換し、複合材料の成分を一体に接合して、ＣＭＣを形成するために、十分な温度で、十分な時間をかけて、例えば、約１，８００°Ｆで少なくとも約４時間という条件で、試料は焼結された。
【実施例２】
【００１７】
Ｎｅｘｔｅｌ440布（3M Corporation）強化シリカ（ＳｉＯ３）マトリクスＣＭＣ（商品名S-N440）。この実施例においては、セラミックプレフォームは、Nextel 440布のプライを一体に積み重ね、約１，２００°Ｆで、積み重ね構造をのり抜きし、のり抜きされた積み重ね構造を木綿バッグの中に挿入し、DuPontのTeflon（登録商標）ブランドのテープなどのポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）テープによって、バッグの両端をテーピングすることにより作成された。次に、実施例１で記載されているように、セラミックスラリをしみ込ませた、厚さ１／８インチの目の粗い材料をプレフォームの上に重ね合わせた。特開０３−０６５５７１号により定義されるように、S-N440系に使用されるスラリは、極微小シリカ、シリカ生成ポリマー、溶剤及び解膠剤を含む。このサンドイッチ構造をシリコーン真空バッグの中に入れ、セラミックプレフォームにスラリを浸透させるために、約２０ｉｎ．Ｈｇを超える真空を、約１５分を超える時間にわたり加えた。スラリが浸透したプレフォームを、周囲空気の中で、一晩乾燥させ、その後、約３００°Ｆで、約２００ｐｓｉの公称積層条件以上の条件でプレフォームを積層した。積層工程で、セラミックプレフォームは、十分に圧密され、シリカ生成ポリマーを硬化することにより、セラミックプレフォームは、「未加工」形状として硬化した。次に、シリカ生成ポリマーをセラミックマトリクスに変換し、複合材料の成分を一体に接合して、ＣＭＣを形成するために、十分な温度で、十分な時間をかけて、この場合には、約１，６００°Ｆで少なくとも約４時間という条件で、試料は焼結された。
結果：上記の実施例により得られた構造特性の改善の比較を、以下の表に示す。
【００１８】
【表１】
2006111526.tif 000003
【００１９】
＊上記の3つの方法において、積層及び焼結の工程は同一である
＊＊手作りプレプレグ‐壁塗りの場合と同様の方法で、塗料ローラを使用して、セラミック布にスラリが塗布される。
【００２０】
本発明においては、他の材料と比較して、少なくとも２０％の平均撓み強さが改善され、S-N440材料の場合には、少なくとも約２０％の改善が見られるプレフォーム、すなわち、ほぼ同一の材料を使用するが、異なる方法により製造されたＣＭＣが得られる。
【００２１】
好ましい一実施形態に関連して、本発明を説明したが、本発明の範囲から逸脱せずに、様々な変更を実施でき、実施形態の要素を等価の要素と置き換えてもよいことは、当業者には理解されるであろう。更に、本発明の本質的範囲から逸脱せずに、特定の状況又は材料を本発明の教示に適合させるために、数多くの変形を実施できるであろう。従って、本発明は、本発明を実施するための最良の態様であると考えられる実施形態として開示された特定の実施形態に限定されず、本発明は、添付の特許請求の範囲の範囲内に入る全ての実施形態を含むことが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】真空型スラリ浸透システムの内部に封入された分厚い目の粗いバッグ材料、セラミック布プレフォーム、及び製造工具を含むサンドイッチ構造を示した側面図である。
【符号の説明】
【００２３】
１０…バッグ入りセラミック布プレフォーム、１２…形状成形型、１４…目の粗い材料、１６…真空バッグ
【図１】
2006111526.tif 000004