(57)【要約】【課題】様々な形状及び寸法を有する炭素を含有する多孔質の中間品を、高品質で、また特に、明確な相組成と高度の均質性とを有する成形体として製造することのできる、ケイ素浸透方法を提案する。【解決手段】ケイ素及びバインダ材料を含有する均質な被着物質から成る可撓性を有する薄層体を、圧延成形、型成形、または押出成形により製作するステップと、炭素を含有する成形体に、前記薄層体を被着するステップと、前記薄層体を被着した前記成形体を、真空下で、ケイ素浸透度の目標値に応じて制御される数分間から数時間の加熱処理時間に亘って、１４００℃以上の温度で加熱処理するステップと、を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素を含有する多孔質の中間品に、溶融相浸透処理を施すことにより、ケイ素浸透成形体を製造する方法において、
ａ）ケイ素及びバインダ材料を含有する均質な被着物質から成る可撓性を有する薄層体を、圧延成形、型成形、または押出成形により製作するステップと、
ｂ）炭素を含有する成形体に、前記薄層体を被着するステップと、
ｃ）前記薄層体を被着した前記成形体を、真空下で、ケイ素浸透度の目標値に応じて制御される数分間から数時間の加熱処理時間に亘って、１４００℃以上の温度で加熱処理するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記薄層体の厚さを、前記中間品の材料分布に適合するように及び／または局所的なケイ素浸透度の目標値に適合するように定めることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記被着物質が、ケイ素の他に更に、フェノール樹脂またはフラン樹脂と、ポリビニルブチラールと、フタル酸ブチルベンジルと、イソプロパノールとを含有するものであることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
前記被着物質が、イソプロパノールの替わりに、エタノールとメチルエチルケトンとの共沸混合物を含有するものであることを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記薄層体を被着するのに先立って、前記成形体の表面に多孔質の分離層を形成することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の方法。
【請求項６】
前記ステップｂ）と前記ステップｃ）との間において、炭素を含有し、対応した接触面を有する第２の成形体を、前記薄層体の上に配置することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の方法。
【請求項７】
前記ステップｃ）に先立って、前記薄層体を被着した前記成形体を、８００℃付近の温度で加熱することを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば炭素繊維強化樹脂材料などの、炭素を含有する多孔質の中間品に、溶融相浸透処理を施すことにより、ケイ素浸透成形体（複合セラミックス成形体）を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維強化樹脂材料に焼成処理を施すことによって実行される炭素繊維強化樹脂材料の溶融相ケイ素浸透処理としては、航空機ないし宇宙航行機の分野で利用されるものがドイツ特許公開第197 30 674 A1号公報により公知となっており、機器類を好適に構成するためのものがドイツ特許公開第42 07 009 A1号公報により公知となっており、支持構造物を構成するためのものがドイツ特許第197 27 587 C2号公報により公知となっている。また、液相ケイ素浸透処理が、いわゆる毛管式ケイ素浸透処理方法として一般的に実施されている。この処理方法においては、ケイ素浸透処理を施そうとする部品を、ケイ素に浸漬された、グラファイト硬質フェルト製の灯心状部材（毛管作用部材）の上に載置する。液体状のケイ素は、この灯心状部材を介して、ケイ素浸透処理を施そうとする部品に吸収される。この処理方法に付随する短所は、浸透させるために必要とされる毛管引力の大きさに限界があることから、可能最大浸透高さに限界があることである。そのため実際問題として、この処理方法では、限られた高さの部品にしか、ケイ素浸透処理を施すことができない。
【０００３】
ドイツ特許公開第198 50 468 A1号公報により公知となっているケイ素浸透成形体の製造方法は、例えば炭素繊維強化樹脂材料を含有するなどして炭素を含有している少なくとも部分的に多孔質のグリーン体に、酸素遮断雰囲気下において、液体状のケイ素を浸透させ、その際に、炭素をコーティングした粒体を材料として成形され添加用ケイ素を含有している成形体を、ケイ素を浸透させようとする多孔質の中間品の上に載置するというものである。ケイ素浸透処理を実行すると、ケイ素を浸透させようとする多孔質の中間品の表面で溶融したケイ素が、重力によってその中間品の中へ流入する。添加用ケイ素を含有する成形体は、その全体形状ないし表面形状を、ケイ素を浸透させようとする中間品の形状に正確に適合する形状にしておく。これにより、浸透距離を短くし、ケイ素浸透度を正確に目標値にすることができるようにしている。同特許公開公報の第３コラム、第２７行〜第４１行には、添加用ケイ素含有成形体の替わりに用いる別実施例として、ケイ素を浸透させようとする中間品の表面に、粘着性を有するバインダ層を塗布形成して添加用ケイ素粒子を付着させることや、添加用ケイ素とバインダ材料との混合物を、刷毛塗り、吹き付け、或いはヘラ盛りなどによって塗布することも記載されている。同特許公開公報に記載されている方法によれば、毛管式ケイ素浸透処理方法と比べて、中間品のケイ素浸透処理に顕著な改善が得られ、特に、より複雑でより大型の構造体を製造する際に大きな改善が得られる。しかしながら、その中間品が、大型の部品であって、その表面形状が複雑な立体形状を呈している場合には、また特に、その厚さが薄く、表面積の大きな部品である場合には、指定されたとおりに正確にケイ素浸透処理を実施することはなお、非常に困難である。
【特許文献１】ドイツ特許公開第197 30 674 A1号公報
【特許文献２】ドイツ特許公開第42 07 009 A1号公報
【特許文献３】ドイツ特許第197 27 587 C2号公報
【特許文献４】ドイツ特許公開第198 50 468 A1号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、本発明が解決しようとする課題は、例えば、その厚さが薄く表面積の大きな部品や、平面状の表面及び／または曲面状の表面を有する部品などのように、様々な形状及び寸法を有する炭素を含有する多孔質の中間品を、高品質で、また特に、明確な相組成と高度の均質性とを有する成形体として製造することのできる、ケイ素浸透方法を提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によれば、かかる課題は、炭素繊維強化樹脂材料などの炭素を含有する多孔質の中間品に、溶融相浸透処理を施すことにより、ケイ素浸透成形体を製造する方法であって、以下のステップを含むことを特徴とする方法により解決される。
ａ）ケイ素及びバインダ材料を含有する均質な被着材料から成る可撓性を有する薄層体を、圧延成形、型成形、または押出成形により製作するステップ。
ｂ）炭素を含有し、好ましくはＣＦＲＰ（炭素繊維強化樹脂材料）から成る、成形体に、前記薄層体を被着するステップ。
ｃ）前記薄層体を被着した前記成形体を、真空下で、ケイ素浸透度の目標値に応じて制御される数分間から数時間の加熱処理時間に亘って、１４００℃以上の温度で加熱処理するステップ。
【０００６】
本発明に係る方法の主たる利点は、ケイ素を浸透させようとする中間品である成形品のケイ素浸透度を極めて正確に調節し得ることにあり、この利点は特に、使用する被着材料の薄層体を、優れた健全性と適切な厚さとを有するものとすることができ、また、被着材料の薄層体を正確な位置に局所的に配置できることによって達成されるものである。更に、浸透距離を極めて短くすることができ、また何よりも、部品の表面全体に亘って浸透距離を一定にすることができる。また、複雑な表面形状を有し、表面積の大きな部品の場合であっても、形成されるその部品の複合セラミックスは、その材料組織が高度の均質性を有するものとなる。被着材料の薄層体の厚さを、中間品の材料分布に適合するように定めることは、中間品の材料分布が一定していない場合に、ケイ素の浸透が意図した通りに行われ材料が均一性を有するようにする上で、特に有利な手段である。
【０００７】
本発明に係る方法の具体的な実施の形態においては、前記被着物質を、ケイ素の他に更に、フェノール樹脂またはフラン樹脂と、ポリビニルブチラールと、フタル酸ブチルベンジルと、イソプロパノールとを含有するものとしている。かかる組成とした被着物質は、圧延成形や、押出成形に加えて、更に型成形によっても、薄層体に成形することが可能である。また、このようにして製作された薄層体が、可撓性を有するものであるということは、この薄層体を中間品に貼着する際に、その中間品の表面形状に正確に合わせることができるようにする上で重要な点である。
【０００８】
本発明の具体的な実施の形態においては、前記被着物質に、その１つの成分であるイソプロパノールの替わりに、エタノールとメチルエチルケトンとの共沸混合物を添加するようにしてもよい。
【０００９】
熱処理の過程（約８００℃付近、例えば、８００℃±１００℃）において、薄層体を被着した炭素繊維強化樹脂材料（ＣＦＲＰ）の中間品の焼成が行われて、ケイ素を含有する薄層体の有機バインダ成分が炭素に変化し、しかる後に、温度を約１４００℃以上、好ましくは１４５０℃以上にすることで、薄層体のケイ素の溶融相浸透が発生し、ケイ素を浸透させようとする中間体に液体状のケイ素が浸透して行く。ケイ素を含有する薄層体に含まれている炭素は、炭化ケイ素に変化し、それによって、浸透処理が実行されているときの、溶融状態の薄層体が安定化される。浸透が完了し、冷却が完了したならば、浸透処理が完了した部品を、被着物質の薄層体の残滓から取外す必要があり、即ち、炭化ケイ素から取外す必要がある。薄層体の残滓を除去しやすくするために、本発明に係る方法の具体的な実施の形態においては、薄層体を被着するのに先立って、成形体の表面に多孔質の分離層を形成することを提案している。これによって、面倒な表面加工処理を行うことなく、シリコン浸透処理が完了した部品の表面を清浄にすることができるようにしている。
【００１０】
本発明に係る方法の具体的な実施の形態においては、ステップｂ）（即ち、中間品に薄層体を被着するステップ）と、ステップｃ）（即ち、溶融相ケイ素浸透ステップ）との間で、炭素を含有し、好ましくは炭素繊維強化樹脂材料（ＣＦＲＰ）から成る、対応した接触面を有する第２の成形体を、薄層体の上に配置するようにしている。この実施の形態によれば、溶融相ケイ素浸透処理によって、ケイ素の浸透と同時に、材料健全性に優れた結合部が形成されることにより、部品の構成部分どうしが接合されるため、これを利用して複合部品を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に添付図面を参照しつつ、本発明に係る方法の実施の形態について説明する。
【００１２】
先ず、後に溶融相ケイ素浸透処理を施すための、炭素を含有する多孔質の中間品を製作する。この中間品は、例えば、東レ株式会社の製品である品番T1000/12Kの連続繊維を編成することなどによって製作する。また、その際には、例えば、芯材の上に、複数の繊維層を積層するようにする。こうして製作した炭素繊維体に、加熱により生成される炭素及びＳｉＮＣから成る炭素保護膜を形成する。それには先ず、この炭素繊維体に、例えばＲＴＭ法やＶＡＰ法などにより、炭素含有樹脂を浸透させる。続いて、１バール（約１００ｋＰａ）の圧力、及び１８０℃の温度で、その炭素含有樹脂の硬化処理を実行し、それによって、形状安定性を有するＣＦＲＰ体（炭素繊維強化樹脂材料体）が得られる。また、このＣＦＲＰ体は、その繊維体積率が約３５％〜６０％となるようにする。このＣＦＲＰ体の表面に、ケイ素を含有する薄層体を被着する。この薄層体は、スラリー材料を成形型により型成形することによって製作されるものであり、このスラリー材料は、ケイ素、フェノール樹脂、ポリビニルブチラール、フタル酸ブチルベンジル、品番KD2のハイパーマー（登録商標）、及び、エタノールとメチルエチルケトンとの共沸混合物を含有して成るものである。薄層体をこのようにして製作することによって、ケイ素含有量の精度の高い薄層体とすることができ、また、薄層体の中にケイ素を均一に分布させることができる。こうして得られた薄層体を、フラン樹脂を含有する接着剤を用いて、ＣＦＲＰ体から成る中間品に貼着する。続いて、窒素雰囲気下において、８００℃の温度で焼成処理を施す。続いて、真空下において、１４５０℃の温度にまで加熱する。これによって、薄層体のケイ素成分が溶融して、中間品への溶融層ケイ素浸透が発生する。更に、その際に、薄層体の炭素成分がケイ素と化合して炭化ケイ素となり、それによって薄層体が安定化される。以上によって、Ｃ／ＳｉＣ体が得られる。この時点では、Ｃ／ＳｉＣ体の表面に、図１（ｂ）に示したように、薄層体の残滓が付着しており、これを室温にまで冷却する。そして、ケイ素含有薄層体の残滓を除去することによって、図１（ｃ）に示した状態となる。
【００１３】
図２に模式図で示したものは、半円筒形のＣＦＲＰ体の表面に分離層を形成し、その分離層の上にケイ素含有薄層体を被着したものであり、こうすることによって、溶融相ケイ素浸透処理の実行後に薄層体の残滓を除去することが容易になる。
【００１４】
図３に模式図で示したものは、部品の２つの構成部分１、２が互いに接合されており、この接合は、それら構成部分の間に、本発明に係る方法に用いられるケイ素含有薄層体を配置して、溶融相ケイ素浸透が行われるようにしたことによって成されたものである。かかる複合部品を製造する際には、ケイ素含有薄層体と、炭素を含有する中間品との間に、分離層を設けることはしない。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】（ａ）はシリコン含有薄層体が貼着された炭素を含有する中間品の、未焼成の状態、（ｂ）は（ａ）に示した中間品の、溶融相ケイ素浸透処理実行後の状態、（ｃ）は（ａ）及び（ｂ）に示した部品の、複合セラミックス部品として完成した状態をそれぞれ示した写真である。
【図２】ケイ素含有薄層体を用いて溶融相ケイ素浸透処理を施すための構造を示した模式的構造図である。
【図３】溶融相ケイ素浸透処理により部品の２つの構成部分を接合した構造を示した模式的構造図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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