(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
治具の表面に繊維織物を成形し、成形した繊維織物にマトリックスを含浸させ、平滑な面である基準面を有する前記治具の一部を繊維織物と一体のまま残して治具を取り外し、
前記治具の繊維織物と一体のまま残された部分を前記基準面を利用して機械加工する、ことを特徴とする繊維強化複合部材の製造方法。
【請求項２】
前記繊維織物は製品寸法よりも長く成形される、ことを特徴とする請求項１に記載の繊維強化複合部材の製造方法。
【請求項３】
平滑な面である基準面を有する治具の表面に繊維織物を成形し、成形した繊維織物にマトリックスを含浸させる繊維強化複合部材の製造装置において、
前記治具は繊維強化複合部材の製品寸法よりも長く形成されており、
前記基準面を利用した加工手段を有する、ことを特徴とする繊維強化複合部材の製造装置。
【請求項４】
前記治具の繊維強化複合部材の製品寸法よりもはみ出した部分は、端に向かって拡径する部分を有し、該拡径部分は製品寸法端部の外径より大きい径を有する環状部分と残りの部分とに分離できるように構成されている、ことを特徴とする請求項３に記載の繊維強化複合部材の製造装置。
【請求項５】
前記環状部分の表面には前記繊維織物と絡み付く溝または突起が形成されている、ことを特徴とする請求項３または４に記載の繊維強化複合部材の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機械加工時の加工基準（軸心や基準面）を正確に備えることができるセラミックス基複合部材及び炭素系複合材料の製造方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＮＴＯ／Ｎ2Ｈ4，ＮＴＯ／ＭＭＨ等を推進剤とするロケットエンジンの高性能化のために、燃焼器（スラストチャンバ）の耐熱温度を高めることが要望される。そのため、耐熱温度が約１５００℃であるコーティング付きのニオブ合金が、従来多くのロケットエンジンのチャンバ材料として用いられてきた。しかしこの材料は、密度が高いため重く、高温強度が低く、コーティングの寿命が短い欠点があった。
【０００３】
一方、セラミックスは耐熱性が高いが脆い欠点があるため、これをセラミックス繊維で強化したセラミックス基複合部材（Ｃｅｒａｍｉｃ  Ｍａｔｒｉｘ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ：以下、ＣＭＣと略称する）が開発されている。すなわち、セラミックス基複合部材（ＣＭＣ）はセラミックス繊維とセラミックスマトリックスとからなる。なお、一般にＣＭＣはその素材により、セラミックス繊維／セラミックスマトリックス（例えば、両方がＳｉＣからなる場合、ＳｉＣ／ＳｉＣ）と表示される。
【０００４】
ＣＭＣは、軽量かつ高温強度が高いため、上述したロケットエンジンの燃焼器（スラストチャンバ）の他、高温部の燃料配管、ジェットエンジンのタービン翼、燃焼器、アフターバーナ部品等に極めて有望な材料である。
【０００５】
しかし、従来のＣＭＣは、気密性を保持することができず、かつ耐熱衝撃性が低い問題点があった。すなわち、従来のＣＭＣは、所定の形状をセラミックス繊維で構成したのち、いわゆるＣＶＩ処理（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ：気相含浸法）で繊維の隙間にマトリックスを形成するが、このＣＶＩで繊維間の隙間を完全に埋めるには実用不可能な長期間（例えば１年以上）を要する問題点があった。また、このように形成した従来のＣＭＣを高温で試験等すると、激しい熱衝撃（例えば温度差が９００℃以上）が作用した場合に、強度低下が激しく、再使用がほとんどできない問題点があった。
そのため、従来のセラミックス基複合部材（ＣＭＣ）は、燃焼器（スラストチャンバ）や燃料配管のような気密性と耐熱衝撃性を要する部品には実質的に使用できなかった。
【０００６】
本発明の発明者は、上述した問題点を解決するために、気密性と耐熱衝撃性を大幅に高めることができ、これによりスラストチャンバ等にも実用可能な「セラミックス基複合部材及びその製造方法」（特願平１１−１９４１６号、未公開）を創案し出願した。この発明は、図４に模式的に示すように、成形した繊維織物１の表面にＳｉＣマトリックス層を形成するＣＶＩ処理を行った後に、そのマトリックス層の隙間に有機珪素ポリマーを基材として含浸し焼成するＰＩＰ処理を行うものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図４に示した製造工程において、（１）の織り工程（Ｂｒａｉｄｉｎｇ）から（３）のＣＶＩ工程までは、例えばカーボン等からなる治具を用い、その周りに繊維織物１を成形し次いでＣＶＩ処理を行う。このＣＶＩ処理により繊維織物１の隙間にマトリックスが形成されて形状が保持されるので、この段階で治具を外し、その後の（４）ＰＩＰ処理と（５）機械加工（Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ）を従来行っていた。なお、織り工程では、図５に模式的に示すように、中央糸に組み糸を交互に斜めに織り込むブレード織りが例えば用いられる。
【０００８】
しかし、織り工程（例えばブレード織り）後、ＣＶＩ処理及びＰＩＰ処理を施した後のセラミックス基複合部材２は、その表面の凹凸が大きく、機械加工の基準がとれない問題点があった。すなわち、図６に模式的に示すように、半製品（セラミックス基複合部材２）の表面の凹凸が大きいため、加工の基準点・基準面が精度よく定義できず、例えば図６のＺ−Ｚ軸のまわりに回転させてその振れが最小になるように軸心を決定し、更にこの状態で例えば最小直径部分を決定してその位置を軸方向の位置決めの基準としていた。従って、かかる方法では、軸心や軸方向の基準面が正確に定められず、結果として軸方向の切断箇所の不良、及び片当たり加工による製品板厚の不均一（強化繊維の切断）等の加工精度不良を起こしていた。
【０００９】
また、この問題を解決するために、治具を機械加工時まで取付けておくのが好ましいが、この場合には、ＣＶＩもしくはＰＩＰ処理におけるマトリックスにより、治具に製品が貼り付いてしまい、製品の取り外しが困難又は不可能となり、製品の破損率が増大し歩留りが大幅に低下する問題点があった。
【００１０】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、治具との貼付やこれによる破損のおそれなしに、機械加工時の加工基準（軸心や基準面）を正確に備えることができ、これにより最終製品の加工精度と歩留りを大幅に高めることができる繊維強化複合部材の製造方法およびその装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、治具の表面に繊維織物を成形し、成形した繊維織物にマトリックスを含浸させ、平滑な面である基準面を有する前記治具の一部を繊維織物と一体のまま残して治具を取り外し、
前記治具の繊維織物と一体のまま残された部分を前記基準面を利用して機械加工する、ことを特徴とする繊維強化複合部材の製造方法が提供される。
【００１２】
上述した本発明の方法によれば、治具の一部を繊維織物と一体のまま残して治具を取り外すので、残されら治具と接触しない製品部分を従来と同様に十分にマトリックス含浸・形成することができる。また、マトリックス含浸処理後の半製品（繊維強化複合部材）には、治具の一部が残されているので、この治具の一部を機械加工時の加工基準（軸心や基準面）とすることにより、治具上で決まっていた軸方向位置と軸心を保持することができる。従って、この基準面を予め平滑な面とすることで、半製品表面の凹凸が大きい場合でも、加工基準を正確に備えることができ、加工後の板厚の不均一化をなくすことができ、かつ、形状精度の向上のみならず、繊維の切断による強度低下を抑えることができる。
【００１３】
また、本発明によれば、平滑な面である基準面を有する治具の表面に繊維織物を成形し、成形した繊維織物にマトリックスを含浸させる繊維強化複合部材の製造装置において、
前記治具は繊維強化複合部材の製品寸法よりも長く形成されており、
前記基準面を利用した加工手段を有する、ことを特徴とする繊維強化複合部材の製造装置が提供される。
本発明の好ましい実施形態によれば、前記治具の繊維強化複合部材の製品寸法よりもはみ出した部分は、端に向かって拡径する部分を有し、該拡径部分は製品寸法端部の外径より大きい径を有する環状部分と残りの部分とに分離できるように構成されている。
この構成により、製品寸法端部の外径より大きい径を有する環状部分を繊維織物と一体のまま残し、残りの部分を取り外すことができる。
以上
【００１４】
また、前記環状部分の表面には前記繊維織物と絡み付く溝または突起が形成されている、ことが好ましい。この構成により、環状部分と繊維強化複合部材との連結／一体化を強化し、治具の取り外し時における環状部分の変位を防止することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の製造装置を構成する治具の構成図である。図４に示したように、本発明の繊維強化複合部材の製造方法およびその装置では、治具１０の表面に繊維織物１を成形し、成形した繊維織物１の表面にＳｉＣマトリックス層を形成するＣＶＩ処理を行った後に、そのマトリックス層の隙間に有機珪素ポリマーを基材として含浸し焼成するＰＩＰ処理を行う。
【００１６】
本発明の製造方法およびその装置では、図１に示すように、治具１０を基準面１１ａ，１１ｂを有する基準セグメント１２ａ，１２ｂとその他の成形セグメント１４ａ，１４ｂの組合せからなる分割構造とする。すなわち、この例で、成形セグメント１４ａ，１４ｂは、製品部分の最も細い部分１４ｃで分割されており、それらの中心部を貫通する連結ロッド１６とその両端に螺合するナット１７により、一体に組み立てられている。
また、基準セグメント１２ａ，１２ｂの軸方向の端面１１ａは、製品の軸線Ｚ−Ｚに垂直に形成され、後述する機械加工時の軸方向の基準面となる。更に、基準セグメント１２ａ，１２ｂの内面１１ｂは、軸線Ｚ−Ｚと同心の円筒面であり、機械加工時の軸心の基準面となる。
基準セグメント１２ａ，１２ｂは、成形セグメント１４ａ，１４ｂに設けられた円筒部分の外側に隙間がほとんどないように嵌合する。
【００１７】
図２は、図１の治具１０を用いた製造方法の模式図である。この図において、（Ａ）は治具１０の表面に繊維織物１を成形する工程から、更に成形した繊維織物１の表面にＳｉＣマトリックス層を形成するＣＶＩ処理を行う工程までの図である。また、（Ｂ）は、その後、ＰＩＰ処理前に基準セグメント１２ａ，１２ｂを繊維織物２と一体のまま残して成形セグメント１４ａ，１４ｂを取り外した状態の図である。機械加工はＣＶＩ、ＰＩＰ工程のいかなる段階で行ってもよい。なお、成形セグメント１４ａ，１４ｂの取り外しは、ＣＶＩ処理の完了後でも、その途中であってもよい。
【００１８】
図２（Ａ）に示すように、セラミックス基複合部材２の製品部分の外側に製品部分より大径の連結部分２ａ，２ｂを準備し、この連結部分と治具１０の基準セグメント１２ａ，１２ｂを連結するのがよい。
また、基準セグメント１２ａ，１２ｂに製品部分と同心でかつこれより大径の貫通孔１３（この例では、基準セグメント１２ａ，１２ｂの内面１１ｂに相当する）を設け、製品部分を成形するための成形セグメント１４ａ，１４ｂをこの貫通孔を通して取り外せるように構成するのがよい。
【００１９】
更に、図１及び図２に示すように、基準セグメント１２ａ，１２ｂの表面に繊維織物１との連結強度を高めるための溝１５ａ，１５ｂ及び突起物を設けるのがよい。この溝１５ａ，１５ｂは、この例では、周方向に１本のみであるが、複数本設けて、繊維織物１の繊維（例えば織り糸をこの溝に嵌め込み、基準セグメント１２ａ，１２ｂとセラミックス基複合部材２との連結／一体化を強化するようになっている。なお、この部分の基準セグメント１２ａ，１２ｂの表面に予め接着剤（例えば、ＰＩＰ処理におけるポリマー溶液）を塗付して溝１５ａ，１５ｂ及び突起物を省略してもよい。
【００２０】
上述した本発明の方法によれば、表面に繊維織物１を成形する治具１０が基準面１１ａ，１１ｂを有する基準セグメント１２ａ，１２ｂとその他の成形セグメント１４ａ，１４ｂの組合せからなる分割構造となっており、繊維織物１と治具１０がマトリックス含浸により接着してしまう前に基準セグメント１２ａ，１２ｂを繊維織物１と一体のまま残して成形セグメントを取り外すので、基準セグメントと接触しない製品部分を従来と同様に十分にマトリックス処理することができる。
【００２１】
また、機械加工時の半製品（セラミックス基複合部材２）には、基準セグメント１２ａ，１２ｂが残されているので、この基準セグメントの基準面１１ａ，１１ｂを加工基準（軸心や基準面）とすることにより、治具上で決まっていた軸方向位置と軸心を保持することができる。従って、この基準面を予め平滑な面とすることで、半製品表面の凹凸が大きい場合でも、加工基準を正確に備えることができ、加工後の板厚の不均一化をなくすことができ、かつ、形状精度の向上のみならず、繊維の切断による強度低下を抑えることができる。
【００２２】
図３は、本発明の方法の実施例による精度比較図である。この図において、横軸は製造したスラストチャンバの軸方向位置であり、縦軸は、板厚と形状の公差を示している。
この図から従来の方法による板厚公差と形状公差は、いずれもほぼ±０．５ｍｍ以上にばらついており、目標とする±０．２５ｍｍ以内には到底達していない。これに対して、本発明の方法による板厚公差と形状公差は、ほぼ目標の±０．２５ｍｍ以内に収まっているのがわかる。
【００２３】
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。例えば、上述の例では、スラストチャンバのような回転体が製品である場合について詳述したが、本発明はこれに限定されず、任意の形状の燃料配管、タービン翼、燃焼器、アフターバーナ部品等に適用することができる。
【００２４】
【発明の効果】
上述したように本発明の繊維強化複合部材の製造方法およびその装置は、治具との貼付やこれによる破損のおそれなしに、機械加工時の加工基準（軸心や基準面）を正確に備えることができ、これにより最終製品の加工精度と歩留りを大幅に高めることができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の製造装置を構成する治具の構成図である。
【図２】図１の治具を用いた製造方法の模式図である。
【図３】本発明の方法の実施例による精度比較図である。
【図４】本発明を適用するＣＭＣの製造方法の模式図である。
【図５】ブレード織りの模式図である。
【図６】従来の製造方法における加工基準の模式図である。
【符号の説明】
１  繊維織物、２  セラミックス基複合部材、２ａ，２ｂ  連結部分、
１０  治具、１１ａ，１１ｂ  基準面、１２ａ，１２ｂ  基準セグメント、
１３  貫通孔、１４ａ，１４ｂ  成形セグメント、１５ａ，１５ｂ  溝、
１６  連結ロッド、１７  ナット
【図１】
0004446135.tif 000002
【図２】
0004446135.tif 000003
【図３】
0004446135.tif 000004
【図４】
0004446135.tif 000005
【図５】
0004446135.tif 000006
【図６】
0004446135.tif 000007