(57)【要約】      （修正有）【課題】複合材料ツーリング、または、その他の高温での用途（適用）に有用な炭素発泡体製品を提供する。【解決手段】基板１２と、スキン１６と、前記基板の上面に沿って複数の開放セルを実質的に埋めるフィラー１４と、を含む複合材料ツール１０であって、前記スキンによって前記ツールの作業面が形成され、前記作業面の少なくとも大部分の表面粗さが、約６３マイクロインチ以下であり、前記フィラー及び前記スキンの組み合わせが、前記基板の前記上面から約５２５マイクロメートル以下だけ延在する。さらに、前記基板は炭素発泡体、膨張黒鉛、黒鉛発泡体、及び、イソモールド黒鉛から選択される１以上の材料により形成する。【選択図】図１
0003174817.tif 000002
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
基板と、スキンと、前記基板の上面に沿って複数の開放セルを実質的に埋めるフィラーと、を含む複合材料ツールであって、
前記スキンによって前記ツールの作業面が形成され、
前記作業面の少なくとも大部分の表面粗さが、約６３マイクロインチ以下であり、
前記ツールが、少なくとも５分間に亘って損失約０．５in-Hg未満の真空完全性を有し、
前記フィラー及び前記スキンの組み合わせが、前記基板の前記上面から約５２５マイクロメートル以下だけ延在し、そして、
前記基板が、炭素発泡体、膨張黒鉛、黒鉛発泡体、及び、イソモールド黒鉛から選択される１以上の材料を含む
ことを特徴とする複合材料ツール。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は、複合材料工具（composite material tooling）などを含む用途に有用な材料に関する。より詳しくは、本考案は、炭素発泡体（carbon foam）或いはその他の炭素、または、黒鉛材料を含むツール（tool）に関し、かつ、前記物質の製造方法、及び、前記材料から複合材料（composite）を製造するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素発泡体は、その低密度特性及び低熱膨張性と、それに関連する非常に高いまたは低い熱導電性のために、最近非常に注目されている。従来、炭素発泡体は二通りの一般的な経路により製造されている。非常に黒鉛化し易い発泡体（foam）は、中間相ピッチを高圧下で熱処理することにより製造されている。これらの発泡体は、熱的および電気的伝導率が高い傾向がある。例えば、Klettの米国特許第６，０３３，５０６号では、メソフェーズピッチを加熱しながら圧力１０００ｐｓｉをかけて、大きさが９０〜２００ミクロンの互いに接続された細孔を含む連続気泡フォームが製造されている。Klettによれば、２８００℃に加熱処理した後、発泡体の固体部分が、層間空間が０．３６６ｎｍの結晶性の高いグラファイト系構造に発達する。この発泡体は、以前の発泡体より大きい圧縮強度を有する（密度０．５３ｇｍ／ｃｃに対して３．４ＭＰａまたは５００ｐｓｉ）とされている。
【０００３】
Hardcastleら（米国特許第６，７７６，９３６号）によれば、密度範囲０．６７８〜１．５ｇｍ／ｃｃを有する炭素発泡体が、型の中で、８００ｐｓｉまでの圧力でピッチを加熱することにより製造されている。この発泡体は、易黒鉛化性が高く、高い熱伝導率（２５０Ｗ／ｍ°Ｋ）を備えるとされている。
【０００４】
H.J. Andersonらによれば、文献［Proceedings of the 43d International SAMPE Meeting, p756(1998)］において、炭素発泡体が、メソフェーズピッチを９００℃に酸化性熱硬化および炭化することにより製造される。この発泡体は、様々な形状を有し、細孔径が３９〜４８０ミクロンを超える互いに接続された細孔の連続気泡構造を有する。
【０００５】
Rogersらは、文献［Proceedings of the 45th SAMPE Conference, pg293 (2000)］において、石炭系前駆物質から、高圧下で熱処理により、密度０．３５〜０．４５ｇ／ｃｃ、圧縮強度２０００〜３０００ｐｓｉ（従って、強度／密度比約６０００ｐｓｉ／ｇ／ｃｃ）の材料を得る炭素発泡体の製造を開示している。これらの発泡体は、細孔径が１０００ミクロンまでの互いに接続された細孔の連続気泡構造を有する。上記のメソフェーズピッチ発泡体と異なり、これらの発泡体は易黒鉛化性が高くない。最近の出版物で、この種の発泡体の特性が記載されている(High Performance Composites September 2004, pg.25)。この発泡体は、密度０．２７ｇ／ｃｃで圧縮強度が８００ｐｓｉ、すなわち強度と密度の比が３０００ｐｓｉ／ｇ／ｃｃである。
【０００６】
Stillerら（米国特許第５，８８８，４６９号）は、水素化処理された石炭抽出物の加圧熱処理による炭素発泡体の製造を開示している。これらの材料は、密度０．２〜０．４ｇｍ／ｃｃに対して高い圧縮強度６００ｐｓｉ（強度／密度比１５００〜３０００ｐｓｉ／ｇ／ｃｃ）を有するとされている。これらの発泡体は、易黒鉛化性ではないガラス状炭素またはガラス質の性格を有する発泡体よりも強度が高いことが示唆されている。
【０００７】
炭素発泡体は、重合体または重合体前駆物質混合物の直接炭化によっても製造することができる。Mitchellは、米国特許第３，３０２，９９９号において、ポリウレタン重合体発泡体を空気中、２００〜２５５℃で加熱し、続いて不活性雰囲気中、９００℃で炭化することにより、炭素発泡体を製造することを開示している。これらの発泡体は、密度が０．０８５〜０．３８７ｇ／ｃｃであり、圧縮強度が１３０〜２０４０ｐｓｉ（強度／密度比１５２９〜５２７１ｐｓｉ／ｇ／ｃｃ）である。
【０００８】
米国特許第５，９４５，０８４号においてDroegeは、ヒドロキシル化ベンゼンおよびアルデヒドに由来する有機ゲル（フェノール系樹脂前駆物質）を熱処理することによる連続気泡炭素発泡体の製造を開示している。これらの発泡体は、密度が０．３〜０．９ｇ／ｃｃであり、大きさが２〜５０ｎｍの小さなメソ孔から構成されている。
【０００９】
Mercuriら(Proceedings of the 9th Carbon Conference, pg206 (1969))は、フェノール系樹脂の熱分解により炭素発泡体を製造している。密度０．１〜０．４ｇｍ／ｃｃの発泡体に対して、圧縮強度と密度の比は２３８０〜６６１１ｐｓｉ／ｇ／ｃｃであった。密度０．２５ｇｍ／ｃｃの炭素発泡体で、細孔の形状は長円形であり、細孔径は２５〜７５ミクロンであった。
【００１０】
Stankiewicz（米国特許第６，１０３，１４９号）は、調整された縦横比０．６〜１．２を有する炭素発泡体を製造している。この特許は、使用者が、優れた特性を得るために完全に等方性の発泡体を要求することが多く、縦横比１．０が理想的であることを指摘している。ポリウレタン発泡体に炭化性樹脂を含浸させ、続いて熱硬化および炭化させることにより、連続気泡炭素発泡体が製造される。これによって、元のポリウレタン発泡体の細孔縦横比が１．３〜１．４から０．６〜１．２に変化する。
【００１１】
残念ながら、先行技術の方法により製造された炭素発泡体は、多くの高温用途、例えば複合材料機械類（composite tooling）には効果的ではなかった。一般的に入手できる発泡体はモノリスではなく、そのような用途に必要な強度および強度対密度比を有していなかった。さらに、高度に相互接続されたセルを含む連続気泡発泡体は、そのような用途に適していない多孔度を有する。
【００１２】
米国公開公報第US2006/086043（Douglas J. Miller, Irwin C. Lewis、及びRobert A. Mercuri）には、先行技術のプロセスによって製造された発泡体における前述の欠点を克服するための炭素発泡体が記載されている。より詳しくは、この炭素発泡体は、より大きい及びより小さい比較的球状の孔（セル）の組み合わせを備えたバイモードセル構造（bimodal cell structure）を有する。それによって、炭素発泡体は、所望の大きさ及び配置に製造でき、かつ、容易に加工できるので、これまでなかった強度とともに比較的軽量特性を提供できる、密度、圧縮強度、及び、圧縮強度対密度の比率を有する炭素発泡体が得られる。このバイモードセル分布は、２つの平均セルサイズの組み合わせを提供する（その一方は、より大きいサイズの孔からなる一次分画であり、他方は、より小さいサイズの孔からなる副次分画である。）
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【００１３】
本考案は、複合材料工具などを含む用途に有用な材料を提供する。より詳しくは、本考案は、炭素発泡体或いはその他の炭素、または、黒鉛材料を含むツールを提供し、かつ、前記材料の製造方法、及び、前記材料から複合材料を製造するための方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本考案は、基板と、スキンと、を含むツールを提供する。その基板は、炭素発泡体、膨張黒鉛、黒鉛発泡体、及び、イソモールド黒鉛から選択される１以上の材料を含む。スキンは、ツールの作業面を形成する。ツールは、前記基板の上面に沿って複数の開放セルを実質的に埋めるフィラーを含む。作業面の表面粗さが、約６３マイクロインチ以下であるのが好ましい。ツールは、少なくとも５分間に亘って約０．５in-Hg未満の損失の真空完全性を有するのが好ましい。フィラー及びスキンの組み合わせは、基板の上面から約５２５マイクロメートル以下だけ延在しているのが好ましい。また、本考案は、そのようなツールの製造方法を提供する。
【００１５】
また、本考案は複合材料プロトタイプ部品の製造方法を提供する。その方法は、プロトタイプ部品を作るためのプリプレグをツールに適用することを含む。そのツールは、基板及びフィラー‐スキン組み合わせを備え、その組み合わせは、基板の上面から約５２５マイクロメートル以下延在し、ツールは、表面粗さ約６３マイクロインチ以下の作業面を有する。
【考案の効果】
【００１６】
本考案のツールは、プロトタイプツーリング（prototype tooling）に用いられる別のタイプのツールに対して様々な利点をもたらす。こうした利点の一つに、ツールは、同様の用途を有するそれ以外のツールよりもより高い硬化温度で用いられる点を挙げることができる。また、ツールは、非常に早く製造できるので、ツールのための短いリードタイム（lead time）を可能にする。
【００１７】
前述した一般的な説明、及び、以下の詳細な説明は、本考案の具体例を提供すると共に、特許請求の範囲に記載された本考案の本質を理解するための概観又はフレームワークを提供する。添付された図面は、本考案の理解を深めるために設けられ、本明細書の一部をなす。図面は、本考案の様々な実施例を示しており、考案の詳細な説明とともに本考案の原理および作用について説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、この明細書に記載されたツール（tool）の実施例を概略的に示す図面である。
【考案を実施するための形態】
【００１９】
図１には、複合工具用途（composite tooling）に適したツールとして有用な複合製品(composite article)１０の実施例を示す断面図である。製品１０は、基板１２を備えている。その基板は、炭素発泡体(carbon foam)、押出黒鉛（extruded graphite）、黒鉛発泡体（graphite foam）、及び、イソモールド（isomolded）黒鉛から選択される１以上の材料を含んでも良い。基板１２を形成する炭素発泡体は、石炭、ピッチ(pitch)、同位性ピッチ（isotropic pitch）、中間相ピッチ（mesophase pitch）、及び／または、ポリマー発泡体のような任意の前駆体材料（precursor mateiral）から製造され得る。一例において、基板１２は、１枚（１ピース）以上の炭素発泡体から製造することができる。かかる実施例において、各ピースの炭素発泡体は、炭素質セメントによって互いに接合される。別の例において、各ピースの炭素発泡体は、フィルム、接着剤を使用することによって、または、隣接したピースの炭素発泡体の間にエラストマーシートを用いることによって、互いに接合される。好ましくは、炭素発泡体を結合するために用いられる材料は、ツールを製造するプロセス及び／またはツールを用いるプロセスのいずれか一方または両方の最も高い加工温度に耐えられるものである。そういった接着剤に適した温度の例は、約５４０℃を上回る温度までを含む。接着剤の温度安定性（temperature stability）は、一例において、約３００℃までであり、別の例においては、約２５０℃までである。炭素発泡体のブロック（block）を接合させるのに適した材料の例として、Pelseal（登録商標）3159 (フルオロ−エラストマー、Pelseal Technologies LLC社製)、Hysol（登録商標）EA 9394/C-2、熱硬化性プラスチック、Dexter Corp.社製)、Fluorolast WB（登録商標）200(ポリマーコーティング、Laurnell International Inc.社製)、X-Pando（登録商標）(X-Pando Corp.社製)、BMIフィルム接着剤(Cytec社製またはHexcel社製)、及び、C-34（登録商標）セメント(GrafTech International Holdings Inc.社製)が含まれる。別の実施例において、基板１２はモノリシックブロック(monolithic block)の炭素発泡体で構成されている。
【００２０】
前述のとおり、炭素発泡体は、ピッチ、石炭、中間相ピッチ、同位体ピッチ（isotropic pitch）、及び／または、その他の膨張され得る炭化可能な材料（carbonizable material）から製造され得る。しかしながら、好ましい実施例において、炭素発泡体の基板１２を形成するのに用いられる炭素発泡体は、ポリマー発泡体、例えば、ポリウレタン発泡体又はフェノール樹脂発泡体（phenolic foam）から製造される。ここで、炭素発泡体が、フェノール樹脂発泡体であるのが好ましい。フェノール樹脂は、フェノールとホルムアルデヒドとの反応生成物に基づく様々な構造からなるポリマー又はオリゴマー類である。フェノール樹脂は、酸性又は塩基性触媒の存在下でフェノール又は置換フェノールとアルデヒド、特に、ホルムアルデヒドとの反応によって製造される。フェノール樹脂発泡体は、オープンセル（open cell）及びクローズドセル（closed cell）からなる硬化システムである。この樹脂は、概してホルムアルデヒド：フェノールの比率（様々であるが、約２：１であるのが好ましい。）で水酸化ナトリウムによって触媒された水性レゾール（resole）である。ホルムアルデヒド・スカベンジャーとしてウレアを用いることも可能であるが、遊離フェノール及びホルムアルデヒドの含量は、低くなければならない。
【００２１】
発泡体は、樹脂の水含量を調整し、かつ、界面活性剤（例えば、エトキシ化非イオン性）、発泡剤（例えば、ペンタン、塩化メチレン、又は、クロロフルオロカーボン）、及び、触媒（例えば、トルエンスルホン酸、または、フェノールスルホン酸）を加えることによって製造することができる。このスルホン酸が、反応を触媒する一方で、発熱反応（exotherm）によって、樹脂中に乳化されている発泡剤（blowing agent）を蒸発させるとともに、その発泡体を膨張させる。界面活性剤は、セルサイズ及び開放対閉鎖セルユニット（open-to-closed cell unit）の比率を制御する。バッチ工程も連続工程も用いられる。連続工程において、機械類は、連続ポリウレタン発泡体に用いられる物と同様である。発泡体の特性は、主にセル構造及び密度に依存する。
【００２２】
好ましいフェノールは、レゾルシノールであるが、アルデヒドと縮合生成物を形成できるその他のフェノールをも用いることができる。かかるフェノールは、一価又は多価フェノール、ピロカテコール、ハイドロキノン、アルキル置換フェノール（例えば、クレゾール、又は、キシレノール）、多核（多環）一価又は多価フェノール（例えば、ナフトール、ｐ，ｐ'−ジヒドロキシジフェニルジメチルメタン、若しくは、ヒドロキシアントラセン）などがある。
【００２３】
発泡体出発物質を製造するのに用いられるフェノールは、フェノールと同様にアルデヒドと反応できる非フェノール系化合物と混合して使用され得る。
【００２４】
溶液に用いられる好ましいアルデヒドとして、ホルムアルデヒドがある。その他のアルデヒドとして、同様にフェノールと反応するものが含まれる。これらには、例えば、アセトアルデヒド、及び、ベンズアルデヒドがある。
【００２５】
一般的に、本考案の方法に用いられるフェノール及びアルデヒドとして、米国特許第３，９６０，７６１号、及び、第５，０４７，２２５号に記載されたものがある。この特許文献の記載内容は、参考までに本明細書に含まれる。
【００２６】
本考案における炭素発泡体を製造するための出発物質として用いられるポリマー発泡体は、形成すべき炭素発泡体に望まれる最終密度を反映した（即ち、それに似た）初期密度（initial density）を有しなければならない。言い換えれば、ポリマー発泡体は、約０．０１〜約０．６g/cc、好ましくは、約０．０１〜約０．５g/ccの密度を有しなければならない。炭素発泡体基板１２として用いられる炭素発泡体という観点からは、約１．０ｇ／ｃｃ未満の密度が好ましく、約０．６ｇ／ｃｃ未満の密度がさらに好ましい。また別の実施例において、基板１２として用いられる発泡体は、約０．０３ｇ／ｃｃ以上の密度を有するのが好ましい。ポリマー発泡体のセル構造は、約６５％〜約９５％の孔隙率（porosity）を有し、かつ、比較的高い圧縮強度（即ち、約１００ｐｓｉ以上、好ましくは、約３００ｐｓｉ以上）を有する。
【００２７】
好ましくは、炭素発泡体は、セルの比較的均一な分布を有する。また、このセルは、比較的等方性を有するのが好ましい。ここで、等方性とは、セルが比較的球状であることを意味し、より具体的に、孔が平均して約１．０（完全な球状である。）〜約１．５のアスペクト比（aspect ratio）を有することを意味する。このアスペクト比は、セルにおける最も長い寸法をその最も短い寸法で割って決めることができる。
【００２８】
その発泡体の全孔隙率（total porosity）は、約６５％〜約９５％であり、より好ましくは、約７０％〜約９５％である。また、複峰型のセル分布（bimodal cell distribution）、つまり、２つの平均セルサイズの組み合わせ（その一次分画（primary fraction）は、よりサイズの大きいセルであり、その副次分画（minor fraction）は、よりサイズの小さいセルである。）を有するのが有利である。好ましくは、セルのうち、孔体積（pore volume）の約９０％以上、より好ましくは、孔体積の約９５％以上が、よりサイズの大きい分画であり、そして、孔体積の約１％以上、より好ましくは、孔体積の約２％〜約１０％がよりサイズの小さい分画である。
【００２９】
炭素発泡体における複峰型のセル分布のうちよりサイズの大きい分画は、その直径が約１０〜約１５０ミクロンのセルを含み、より好ましくは、その直径が約１５〜約９５ミクロンのセルを含み、最も好ましくは、その直径が約２５〜約９５ミクロンのセルを含む。より小さい分画のセルは、その直径が約０．８〜約３．５ミクロンのセルを含み、より好ましくは、その直径が約１〜約２ミクロンのセルを含む。炭素発泡体基板１２を形成するために用いられる発泡体の複峰型のセル分布によって、開放セル発泡体と閉鎖セル発泡体の中間構造が得られるが、それによって、発泡体の構造を維持しつつも発泡体の液体透過性を制限することができる。実際、有利なことに、本考案の炭素発泡体は、約３．０ダルシー(darcy)以下、より好ましくは約２．０ダルシー以下の窒素透過性を示すべきである（例えば、ＡＳＴＭＣ５７７により測定して）。
【００３０】
通常、孔隙率、個々のセルのサイズ及び形状のような特徴は、明視野照明を用いるエポキシ顕微鏡マウント（epoxy microscopy mount）を使用するなどして光学的に測定され、かつ、メディアサイベメチック社（Media Cybemetic）（マリーランド州、シルバースプリングに所在する。）製のイメージ−プロソフトウェア（Image-Pro Software）のような商業用ソフトウェアを用いて決定することができる。
【００３１】
ポリマー発泡体を炭素発泡体に転換させるために、不活性雰囲気又は空気が除かれた雰囲気下で（例えば、窒素存在下で）約５００℃から（好ましくは、約８００℃）から約３２００℃までの温度に加熱することによって、その発泡体を炭化する。ここで、ポリマー発泡体が数日にわたって所定の温度に達するようにその加熱速度を制御しなければならないが、それは、ポリマー発泡体が炭化工程において約５０％（体積）以上収縮することがあるからである。ポリマー発泡体を実質的に均一に加熱するのが好ましい。
【００３２】
不活性雰囲気又は空気が除かれた雰囲気下で加熱されたポリマー発泡体を使用することによって、非黒鉛化（non-graphitizing）ガラス質炭素発泡体が得られる。この発泡体は、出発ポリマー発泡体の密度に近い密度を有するが、約２０００psi以上の圧縮強度、及び、７０００psi/g/cc以上、好ましくは、約８０００psi/（g/cc）以上の強度：密度の比率を有する。この炭素発泡体は、平均して約１．０〜約１．５のアスペクト比を有する、複峰型（セルの大きさの分布）の、等方性セルの比較的均一な分布を示す。必要に応じて、炭素発泡体は、典型的な黒鉛化温度に加熱され得る。
【００３３】
黒鉛発泡体を含んだ基板１２の場合、その発泡体は、伝導性発泡体（conductive foam）であっても良い。実施例において、その発泡体は、約0.15g/ccから約0.45g/cc以上までの密度を有し得る。別の実施例において、基板１２の黒鉛発泡体は、垂直方向（rise direction）にほぼ均一な密度を有し、好ましくは、垂直方向及び水平方向の両方にほぼ均一な密度を有する。黒鉛発泡体のバルク熱伝導率は、約20W/mK以上、好ましくは、約40W/mK以上、より好ましくは、約100W/mK以上、最も好ましくは、約150W/mK以上である。実施例において、熱伝導率は、約180W/mK以下である。
【００３４】
黒鉛発泡体は、約15psi以上、好ましくは、約50psi以上、より好ましくは、約100psi以上、最も好ましくは、約150psi以上の圧縮強度を有し得る。実施例において、圧縮強度は、約200psiまでである。別の実施例において、黒鉛発泡体は、約１００ミクロン以上約５００ミクロン以下の孔サイズを有する孔構造（pore structure）を含んでも良い。また、そういった発泡体は、１インチあたり約２０個〜約１００個の孔密度（pore concentration）を有し得る。
【００３５】
炭素発泡体及び／または黒鉛発泡体に加えて、または、それに代わって、基板１２は膨張黒鉛（extruded graphite）及びイソモールド（isomolded）黒鉛のいずれか一方または両方を含んでも良い。膨張黒鉛の例として、CS（登録商標）、CSX（登録商標）、及び、CBY（登録商標）（これらは、オハイオ州パーマに所在するグラフテックインターナショナルホールディングズインコーポレーティッドから入手することができる。）などがあるが、それらに制限されるものではない。また、イソモールド黒鉛の例としてATJ（登録商標）、 ATA（登録商標）、及び、ATR（登録商標）（これら全ては、オハイオ州パーマに所在するグラフテックインターナショナルホールディングズインコーポレーティッドから入手することができる。）などがあるが、それらに制限されるものではない。基板１２として用いられる前述した材料の組み合わせをも使用することができる。
【００３６】
図１に基づけば、炭素発泡体基板１２の上面（top surface）にフィラー材料１４が配されている。ここに記載した実施例によれば、材料１４は、上面上に約２５μｍ以下、好ましくは、約１５μｍ以下、より好ましくは、約１０μｍ以下の距離だけ延設されている。例えば、フィラー１４は、基板１２の上面上にわずかに延設されただけである。製品１０は、ツールとして用いられるときに、その外面上に膜（skin material）１６をさらに備えていて、好ましくは、ツール１０の作業面（working surface）を形成する。
【００３７】
フィラー１４として用いられる材料の一部は、以下に掲げる利点のうちいずれかまたは全てをもたらし得る：
（１）フィラー１４は、いったん基板の上面に適用（途布）されると、基板−フィラー組み合わせの上面の表面粗さ（surface roughness）を、基板のみの表面粗さを下回る程度にまで減少させ、好ましくは、その表面粗さを約１／３以上減少させ、より好ましくは、その粗さを１／２以上減少させる
（２）その材料は、基板１２の上面に沿って容易に分散でき、かつ、基板１２の上面上に存在する任意のセル、空隙、くぼみ、または、その他の凸凹を十分埋める程度の粘度を有し、それによって、基板１２とフィラー１４との組み合わせに実質的に空隙のない、実質的に滑らかな上面をもたせる
（３）材料が粒子を有する、及び／または、
（４）スキン１６が設けられたときに、ツール１０に所定の滑らかさ（smoothness）、かつ、真空完全性（vacuum integrity）を備えた作業面が得られるよう、基板１２のセル、くぼみ、及び／または、空隙を十分に埋める
フィラー１４は、十分な真空完全性を提供できても良く、そうでなくても良い。
【００３８】
好ましい粒子の大きさは、基板１２の上面に開いた任意のセル、くぼみ等を埋めるのに適した大きさを含む。適当な粒子の大きさの例を挙げると、約１５０ミクロン未満、約１００ミクロン未満、約５０ミクロン未満、約２５ミクロン未満、約１０ミクロン未満である。粒子に適した材料の例として、炭素質の材料（例えば、炭素、及び／または、黒鉛粉末）、粘土、タルク、炭酸カルシウム、石英、及び、これらの組み合わせを挙げることができる。
【００３９】
フィラー１４が、部品（部分）、及び／または，ツール１０を製造する工程における熱サイクリング（thermal cycling）によって膨張し得る材料であるのが好ましい。しかしながら、フィラー１４が、基板１２の内部構造に圧力を加えない程度に膨張するのがより好ましい。フィラー１４として用いられる材料の例を挙げると、アクリル系材料、石こう系材料、ニトロセルロース系材料、及び、これらの組み合わせがある。
【００４０】
実施例において、フィラー１４は、拡散（spreading）、削り（scraping）などの機械的な技術を使って、基板１２上に分散され得る。
【００４１】
表面粗さに戻って、一つの実施例において、フィラー１４を基板１２の上面に適用すると、上面の粗さは４００μインチ以上から２００μインチ以下にまで減少する。
【００４２】
基板１２−フィラー１４の組み合わせの上面を研磨しても良い。好ましくは、フィラー１４が硬化した後、軽く研磨するのが好ましい。かかる研磨（sanding）は、肉眼によって観察可能なフィラー１４の分離された塊（isolated build-up）を取り除く程度に行っても良い。
【００４３】
スキン１６に関しては、スキン１６が基板とフィラー１４のアセンブリの上面に配されているのが好ましい。スキン１６が約５００μｍ以下、好ましくは、約４００μｍ以下、さらに好ましくは、２５０μｍ以下の厚さを有するのが好ましい。スキン１６が、ロール法、ブラッシ法、スキージ法（squeegeeing）、溶射法（spraying）などによって、実質的に液体の形態で適用（途布）されるのに十分な粘度を有するのが好ましい。一つの実施例において、スキン１６は、約２５０°Ｆより高い温度で安定している。スキン１６は、約３５０°Ｆ以上、好ましくは、約３７５°Ｆの熱サイクリング（thermal cycling）の間に、（スキンが）ツール１０のその他の部分から薄い層に剥離されないように、熱サイクリングに対する十分な程度の弾性（elasticity）を有するのが好ましい。スキン材料は真空完全性（vacuum integrity）を維持するのが好ましい。また、スキン１６が、約３５０°Ｆ以上の温度（さらに、その温度は、約３７５°Ｆ以上である。）、約１００ｐｓｉの圧力におけるオートクレーブ硬化（autoclave curing）に耐えられるものであるのが好ましい。スキン１６として有用な材料の例として、エポキシ‐アクリル性材料がある。別の実施例において、フィラー１４はスキン１６とは異なる材料で構成されていても良い。
【００４４】
一つの実施例によれば、フィラー１４及びスキン１６の両方は、それぞれ基板１２のＣＴＥ（熱膨張係数）の約２０倍より小さいＣＴＥを有する。好ましくは、１５倍以下のＣＴＥを有し、より好ましくは、約１０倍以下のＣＴＥを有する。
【００４５】
フィラー１４及びスキン１６を備えたツール１０が、上面の大部分が約６３μインチ以下、好ましくは、約５０μインチ以下、より好ましくは、約４０μインチ以下、さらに好ましくは、約３０μインチ以下の表面粗さを備えた上面（「作業面」として知られている。）を有するのが好ましい。前述したいずれかの実施例において、その表面の約７５％以上が上記表面粗さを有するのが好ましく、その表面の約９０％以上が上記表面粗さを有するのがより好ましく、そして、すべて又は実質的にすべての作業面が上記表面粗さを有するのが最も好ましい。第ＩＩ相ＴＲ１００表面粗さテスター（以下、「テスター」という。）を用いて、表面粗さを決定することができる。一例を挙げると、表面粗さは、スキン１６の上面の１以上の場所でテスターを用いて決定することができる。一つの実施例によれば、テスターは、二乗平均平方根（root-mean square）アルゴリズムを用いて、表面粗さを計算する。しかしながら、適当な任意のアルゴリズムを用いて表面粗さを計算することも可能である。例えば、そのような別のアルゴリズムの例として、算術平均（arithmetic mean）がある。また、必要に応じて、表面粗さを減らすために、ツール表面に対しウェット研磨（wet sanding）を行っても良い。ツール１０を使用するときだけでなく、ツール１０を形成するときにも、スキン１６が、真空完全性（vacuum integrity）を阻害し得るマイクロクラック（microcrack）やその他の欠陥を生じさせないものであるのが好ましい。
【００４６】
必要に応じて、ツール１０の上面上のスキン１６は、様々な理由から（例えば、表面粗さを調整する、材料の集塊のポケットを取り除く等の理由）ドライまたはウェット研磨され得る。
【００４７】
真空完全性（vacuum integrity）に関して、ツール（１０）が、約５分以上、好ましくは、約２０分以上、より好ましくは、約３０分以上にわたって約０．５in-Hg以下の損失（loss）を有する程度に真空完全性を維持するのが好ましい。別の実施例において、その損失は、上記所定の時間に対し約０．２in-Hg以下であり、好ましくは、約０．１in- Hg以下である。
【００４８】
製品１０を形成する方法の一つに、フィラー材料１４を炭素発砲体基板１２に適用し、その後、フィラー１４を硬化することが含まれる。
【００４９】
次に、スキン材料１６を、基板１２とフィラー材料１４との組み合わせの上面に適用する。
【００５０】
ツール１０の機械加工（machining）も行われ得る。ツール１０は、所定の方法に基づいて機械加工され得る。その方法の一つに、所定のツールイメージ（tool image）をスキンに機械加工する。或いは、基板１２を機械加工し、所定の外部材料（outer material）（フィラー材料１４及び／又はスキン材料１６）を、基板１２の機械加工された表面に適用しても良い。或いは、基板１２とフィラー１４の組み合わせの上面が機械加工された表面であっても良い。また、ツール１０の一部以上（一ヶ所以上）が機械加工されても良い。例えば、所定の形状の大まかなイメージを基板１２の表面へ機械加工しても良い。その後、所定の形状の最終イメージを、基板１２−フィラー１４の組み合わせの上面へ機械加工しても良い。好ましくは、機械加工は、上面の１以上の方向に行われ、より好ましくは、２以上の方向（例えば、ｘおよびｙ方向、および、三方向（例えば、ｘ、ｙ、ｚ方向））に行われる。好ましくは、機械加工は、閉鎖環境（enclosed environment）において行われる。機械加工ツール（machining tool）の２つの例は、カーバイド(carbide)およびダイヤモンド被覆機械加工ツールである。
【００５１】
ツール１０は、プロトタイプの複合材料部品（prototype composite part）を製造するために用いられる。例えば、プリプレグ（prepreg）材料をツール１０の作業面に適用する。そのプリプレグは、任意の特定のプリプレグに制限されない。適当なプリプレグとして、例えば、低温硬化材料（例えば、約２００℃以下、好ましくは、約４０〜２００℃の温度で硬化される。）を含むプリプレグ、および、高温硬化材料（例えば、約２００℃を超える温度で硬化される。）を含むプリプレグを含む。その部分または部品を製造するためのプリプレグとして用いられる材料の例が、ＷＯ２００５／０７０４６２に記載されている（この文献の記載内容は参考までに本明細書に含まれる。）。部分又は部品を製造するために用いられるプリプレグ以外の材料として、樹脂、ビニルエステル類が含まれる。これらの材料についても、前記文献に記載されている（この文献の記載内容は参考までに本明細書に含まれる。）。
【００５２】
プリプレグ（プリプレグが樹脂またはビニルエステル類に適用可能であるとのこの明細書の記載に基づく。）は、作業面上に配置され、プリプレグを所定の形状に成形するに適した条件にさらされ、それにより、プリプレグから複合材料部品が形成される。実施例において、成形（molding）は、そのプリプレグが非大気圧（non-atmospheric pressure）及び／または温度（例えば、真空条件）にさらされることによって促進される。さまざまな技術を用いることによって、ツール１０から部分（部品）が製造され得る。前記技術のうち２つは、樹脂トランスファー成形（resin transfer molding）、及び、真空補助樹脂トランスファー成形（vacuum assisted resin transfer molding）である。その部分または部品を製造するのに用いられる条件の例として、プリプレグを備えたツール１０を約６００℃以下、好ましくは、約４００℃以下の温度に加熱し、及び／または、そのプリプレグをツール１０上に置いたまま０超〜約３０in Hgの真空に供することが挙げられる。樹脂トランスファー成形の詳細については、米国特許第５、１５２、９４９号を参照されたい。その文献の記載内容は、参考のため本明細書の一部をなす。
【００５３】
別の実施例において、プリプレグは、ツール１０の上に置かれている間に真空充填され得る（vacuum bagged）。真空充填（vaccum bagging）は、作業面に直接プリプレグを充填するか、または、ツール１０とともにプリプレグを真空充填することを含む。一つの実施例において、プリプレグは、そのプリプレグの周りに配置された真空膜（その膜は、ツール１０の側面に取り付けられている。）によって真空充填される。それによって、プリプレグが閉じ込められたインクロージャー（enclosure）が形成される。別の実施例によれば、そのバック（bag）は薄膜であり、そのバックは、ナイロン、強化シリコーンゴム（reinforced silicone rubber）、または、非強化シリコーンゴムといった、様々なタイプの材料から製造され得る。
【００５４】
さらに、プリプレグはツール１０上で硬化され得る。一つの実施例において、プリプレグを硬化するためにオーブンが用いられるか、または、プリプレグは実質的にオートクレーブ圧力下で硬化され得る。また、プリプレグの硬化の際に、そのインクロージャーから空気を取除かれ得る。好ましくは、硬化されるプリプレグ内の空隙（空間）の形成を統合し、それを減らすために適量の空気が取除かれる。その上、ツール１０からその複合材料部品を取り除く。その方法は、ツール１０からさらなる複合材料部品（通常、約１０個以下、より典型的には約５個以下）を製造することを含み得る。最小限、ツール１０は残り、１以上の部分を製造する。
【００５５】
ツール１０は、プロトタイプ工具（prototype tooling）に用いられる別のタイプのツールに対して様々な利点をもたらす。こうした利点の一つに、ツール１０は、同様の用途を有するそれ以外のツールよりもより高い硬化温度で用いられる、ということがある。また、ツール１０は、非常に早く製造できるので、ツール１０のメーカーに対しツール１０のための短いリードタイム（lead time）を可能にする、という利点を有している。
【００５６】
以上の様々な実施例は、個別に実施することができ、また、それらを組み合わせて実施することができる。
【００５７】
この明細書で引用した全ての特許及び刊行物の記載内容は、参考までに本明細書に含まれる。
【００５８】
前記説明は、当業者が本考案を実施することを可能にするために提供したものである。本明細書を読んだ当業者にとって明らかな変更及び変形までは扱っていない。しかしながら、実用新案登録請求の範囲によって定まる本考案の技術的範囲には、そのような変形及び変更が含まれると解すべきである。実用新案登録請求の範囲は、本考案に意図される目的を満たすものであれば、その順番及び配置を変えたステップ及び構成要素をも含むものとする。
【図１】
0003174817.tif 000003
【手続補正書】
【提出日】平成24年2月3日(2012.2.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】実用新案登録請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
基板と、スキンと、前記基板の上面に沿って複数の開放セルを実質的に埋めるフィラーと、を含む複合材料ツールであって、
前記スキンによって前記ツールの作業面が形成され、
前記作業面の少なくとも大部分の表面粗さが、約６３マイクロインチ以下であり、
前記フィラー及び前記スキンの組み合わせが、前記基板の前記上面から約５２５マイクロメートル以下だけ延在し、そして、
前記基板が、炭素発泡体、膨張黒鉛、黒鉛発泡体、及び、イソモールド黒鉛から選択される１以上の材料を含む
ことを特徴とする複合材料ツール。