(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボン／カーボン複合材料又はグラファイトの耐酸化性を向上させる方法であって、
多孔性のカーボン／カーボン複合材料又はグラファイトの表面を、以下の組合せ：２０〜５０ｗｔ％のＨ２Ｏ、３０〜５５ｗｔ％のＨ３ＰＯ４、０〜２５ｗｔ％のＭｎＨＰＯ４・１．６Ｈ２Ｏ、０〜３０ｗｔ％のＡｌＰＯ４、０〜２ｗｔ％のＢ２Ｏ３、０〜１０ｗｔ％のＺｎ３（ＰＯ４）２、及び０．１〜２５ｗｔ％のアルカリ金属モノ−、ジ−、又はトリ−塩基性リン酸塩であって、ＡｌＰＯ４、ＭｎＨＰＯ４・１．６Ｈ２Ｏ、及びＺｎ３（ＰＯ４）２のうち少なくとも１種が存在する組合せ；から形成されるイオンを含むリン酸をベースとする浸透剤塩溶液で処理することを含む、前記方法。
【請求項２】
リン酸をベースとする浸透剤塩溶液が、本質的に以下の組合せ：重量基準でＨ２Ｏが２０〜５０ｗｔ％、Ｈ３ＰＯ４が３０〜５５ｗｔ％、ＭｎＨＰＯ４・１．６Ｈ２Ｏが０〜１５ｗｔ％、ＡｌＰＯ４が２〜１５ｗｔ％、Ｂ２Ｏ３が０．５〜２ｗｔ％、Ｚｎ３（ＰＯ４）２が１〜７ｗｔ％、及びアルカリ金属モノ−、ジ−、又はトリ−塩基性リン酸塩が１０〜２０ｗｔ％；から形成されるイオンからなる、請求項１記載の方法。
【請求項３】
リン酸をベースとする浸透剤塩溶液が、本質的に以下の組合せ：重量基準でＨ２Ｏが２０〜５０ｗｔ％、Ｈ３ＰＯ４が３０〜５５ｗｔ％、ＡｌＰＯ４が２〜１５ｗｔ％、Ｂ２Ｏ３が０．５〜２ｗｔ％、及びアルカリ金属モノ−、ジ−、又はトリ−塩基性リン酸塩が１０〜２０ｗｔ％；から形成されるイオンからなる、請求項１記載の方法。
【請求項４】
カーボン／カーボン複合材料又はグラファイトの耐酸化性を向上させる方法であって、
多孔性のカーボン／カーボン複合材料又はグラファイトの表面を、以下の組合せ：２０〜５０ｗｔ％のＨ２Ｏ、３０〜５５ｗｔ％のＨ３ＰＯ４、０〜２５ｗｔ％のＭｎＨＰＯ４・１．６Ｈ２Ｏ、０〜３０ｗｔ％のＡｌＰＯ４、０〜２ｗｔ％のＢ２Ｏ３、０〜１０ｗｔ％のＺｎ３（ＰＯ４）２、及び０．１〜２５ｗｔ％のアルカリ金属モノ−、ジ−、又はトリ−塩基性リン酸塩であって、ＡｌＰＯ４、ＭｎＨＰＯ４・１．６Ｈ２Ｏ、及びＺｎ３（ＰＯ４）２のうち少なくとも１種が存在する組合せ；から形成されるイオンを含む、リン酸をベースとする浸透剤塩溶液で処理することを含む方法。
【請求項５】
多孔性のカーボン／カーボン複合材料又はグラファイトの表面に施し、耐酸化性を向上させるためのリン酸をベースとする浸透剤溶液であって、
２０〜５０ｗｔ％のＨ２Ｏ、３０〜５５ｗｔ％のＨ３ＰＯ４、０〜２５ｗｔ％のＭｎＨＰＯ４・１．６Ｈ２Ｏ、０〜３０ｗｔ％のＡｌＰＯ４、０〜２ｗｔ％のＢ２Ｏ３、０〜１０ｗｔ％のＺｎ３（ＰＯ４）２、及び０．１〜２５ｗｔ％のアルカリ金属モノ−、ジ−、又はトリ−塩基性リン酸塩であって、ＡｌＰＯ４、ＭｎＨＰＯ４・１．６Ｈ２Ｏ、及びＺｎ３（ＰＯ４）２のうち少なくとも１種が存在する組合せから形成されるイオンを含む前記溶液。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の分野
本発明は、耐酸化性のあるカーボン／カーボン複合材料及び他のグラファイト様材料と、カーボン／カーボン複合材料及び他のグラファイト様材料の耐酸化性を高めるための新規な浸透剤と、これらの材料を製造するための方法と、高温用途、好ましくは飛行機のブレーキにおけるそれらの使用とを規定する。
【０００２】
発明の背景
カーボン／カーボン複合材料を飛行機用ブレーキのスタック・ディスクとして利用する場合、着陸の間や離陸が中止されたときに飛行機を停止させるため、運動エネルギーを大量に吸収することが必要となる。かかる停止の間には、カーボンが充分高い温度まで熱せられて、空気に曝された表面が酸化することがある。慣用的なカーボン複合材料の中には、特定のブレーキ設計に要求される必要な熱的特性及び機械的特性を有しているものがあるが、これらの慣用的な複合材料は、内部酸化を起こさせる開口気孔率（open porosity）（典型的には５％〜１０％）を有する。内部酸化が起きると、ブレーキングの間にトルクを伝達する領域であるブレーキ・ローター・ラグ若しくはステーター・スロットの中や周りの材料が弱くなる。
【０００３】
酸化と関連する損傷のために、現在のブレーキ製造業者はみな種々の飛行機のカーボンブレーキディスクを早期に取り外すに至っている。激しく酸化された領域にはカリウム又はナトリウムの存在が確認されることがあり、アルカリ金属（例えば、ナトリウム及びカリウム）及びアルカリ土類金属はカーボンの酸化を触媒することがよく知られている。触媒による酸化（catalyzed oxidation）は、汚染物質の存在により促進されるカーボンの酸化である。これらの汚染物質は、飛行機に使用される洗浄用及び除氷用化学物質、並びに特に空港の滑走路上で使用される除氷剤からブレーキに付着する。Ｋ又はＮａを含有するこれらの液体、及び他の除氷剤又は洗浄剤は多孔性のカーボンディスクに入り込み、触媒作用のある堆積物が孔の中に残ってしまうことがある。そのような汚染が起きると、酸化による炭素の損失速度は１００倍大きくなってしまう。これらの物質がブレーキ材料の酸化を触媒する能力は実験室で証明されている。
【０００４】
従って、本発明の包括的な目的は、８５０℃まで、そして８５０℃を超える高温でカーボン／カーボン複合材料又はグラファイトを保護して、通常の運転温度における接触酸化（catalytic oxidation）を有意に減らすことである。フィールドデータと理論モデルはどちらも、現代のカーボン／カーボン製飛行機用ブレーキはしばしばピーク温度が８５０℃より高くなることと、幾つかのモデルは有効寿命を超える８００℃〜１２００℃の間を長期間経験することがあることとを示している。
【０００５】
カーボン／カーボン複合材料製品の酸化を抑制するためには、リン酸をベースとする浸透剤が広く使用されてきた。例えば、McAllisterらの米国特許第４，８３７，０７３号を参照のこと。この文献は参照により本明細書中に援用される。しかし、これらの系の応用は、典型的には７００℃より低い温度に限定されている。
【０００６】
本発明の複合材料は、複合材料上にコートされる新規なリン酸浸透剤の使用を通じて、典型的な運転温度範囲の高温端で、かつ飛行機の滑走路用除氷剤中の一般的な成分である酢酸カリウムなどの既知の酸化触媒の高濃度存在下で、有意に向上された耐酸化性を有する。
【０００７】
発明の要旨
カーボン／カーボン複合材料、及びグラファイトなどの他のカーボン材料は、高温で最も不活性かつ反応性の低い既知の材料の一つであるが、酸化は強度低下と材料損失の非常に重要な原因であるので、酸化反応を阻止できれば、直接酸化による消耗を少なくするだけでなく、酸化が引き起こす強度の損失を原因とする破損を少なくすることにより消耗を少なくする点で非常に有益である。
【０００８】
従って本発明は、一態様として、グラファイト及び類似した炭素質の物質上に酸化を抑制する表面処理を行うための材料を提供する。
また本発明は、一態様として、カーボン／カーボン複合材料及びグラファイト様材料の酸化に対して有効な保護を形成する、高温において必ずしも「コンディショニング」を必要としない材料を提供する。
【０００９】
また本発明は、一態様として、カーボン／カーボン複合材料及びグラファイト様材料に施用して、酸化防止コーティングを形成することができる「塗料状」材料を提供する。
【００１０】
また本発明は、一態様として、貯蔵寿命が長く、カーボン／カーボン複合材料及びグラファイト様材料に施用して、酸化防止コーティングをつくることができる「塗料状」材料を製造するための方法を提供する。
【００１１】
本発明に従った耐酸化性のあるカーボン／カーボン複合材料及びグラファイト様材料は、好ましくは飛行機用ブレーキに使用されるが、スチールのアーク融解用電極、金属鋳造用成形素材、ロケットノズル、炉のライニング、及びホール・セル・アノード（Hall cell anode）などの他の高温用途に使用されてもよい。
【００１２】
とりわけ、本発明はまた、一態様として、新規なリン酸浸透剤を提供し、それをカーボン／カーボン材料上にコートすることにより、典型的な運転温度範囲の高温端で、かつ飛行機の滑走路用除氷剤中の一般的な成分である酢酸カリウムなどの既知の酸化触媒の高濃度存在下で、材料の耐酸化性が有意に向上する。かかるリン酸をベースとする浸透剤は、以下の組合せ：１０〜８０ｗｔ％のＨ２Ｏ、２０〜７０ｗｔ％のＨ３ＰＯ４、０〜２５ｗｔ％のＭｎＨＰＯ４・１．６Ｈ２Ｏ、０〜３０ｗｔ％のＡｌＰＯ４、０〜２ｗｔ％のＢ２Ｏ３、０〜１０ｗｔ％のＺｎ３（ＰＯ４）２、及び０．１〜２５ｗｔ％のアルカリ金属モノ−、ジ−、又はトリ−塩基性リン酸塩（alkali metal mono-, di-, or tri-basic phosphate）；から形成されるイオンを含有する。
【００１３】
本発明の利点は、以下に示す具体的な説明からより明らかになる。しかし、具体的な説明及び特定の実施例は本発明の好ましい態様を示すものであり、説明のためにのみ与えられ、当業者であれば、この具体的な説明から、本発明の精神及び範囲を超えずに種々の変更及び修飾をなし得ることは理解すべきである。
【００１４】
発明の具体的な説明
本発明は、高温で耐酸化性のある、表面処理されたカーボン／カーボン複合材料又はグラファイト様材料であって：
１０〜８０ｗｔ％のＨ２Ｏ、２０〜７０ｗｔ％のＨ３ＰＯ４、０〜２５ｗｔ％のＭｎＨＰＯ４・１．６Ｈ２Ｏ、０〜３０ｗｔ％のＡｌＰＯ４、０〜２ｗｔ％のＢ２Ｏ３、０〜１０ｗｔ％のＺｎ３（ＰＯ４）２、及び０．１〜２５ｗｔ％のアルカリ金属モノ−、ジ−、又はトリ−塩基性リン酸塩の組合せであって、ＡｌＰＯ４、ＭｎＨＰＯ４・１．６Ｈ２Ｏ、及びＺｎ３（ＰＯ４）２のうち少なくとも１種が存在する組合せから形成されるイオンを含有する、リン酸をベースとする浸透剤塩溶液と接触している繊維強化カーボン／カーボン複合材料又はグラファイト、を含む材料を包含する。
【００１５】
本明細書中、「カーボン−カーボン複合材料」という語は、炭素繊維を炭素マトリクス中に埋め込んだ複合材料をいう。「グラファイト様材料」には、グラファイトとその修飾物が含まれる。
【００１６】
一の態様においては、リン酸をベースとする浸透剤塩溶液は、以下の組合せ：２０〜５０ｗｔ％のＨ2Ｏ、３０〜５５ｗｔ％のＨ3ＰＯ4、及び５〜２５ｗｔ％のアルカリ金属モノ−、ジ−、又はトリ−塩基性リン酸塩；から形成されるイオンを含有する。
【００１７】
別の態様においては、リン酸をベースとする浸透剤塩溶液は、本質的に以下の組合せ：２０〜５０ｗｔ％のＨ２Ｏ、３０〜５５ｗｔ％のＨ３ＰＯ４、０〜１５ｗｔ％のＭｎＨＰＯ４・１．６Ｈ２Ｏ、２〜１５ｗｔ％のＡｌＰＯ４、０．５〜２ｗｔ％のＢ２Ｏ３、１〜７ｗｔ％のＺｎ３（ＰＯ４）２、及び１０〜２０ｗｔ％のアルカリ金属二水素リン酸塩；から形成されるイオンからなる。
【００１８】
別の態様においては、リン酸をベースとする浸透剤塩溶液は、本質的に以下の組合せ：重量基準で２０〜５０％のＨ２Ｏ、３０〜５５％のＨ３ＰＯ４、２〜１５％のＡｌＰＯ４、０．５〜２％のＢ２Ｏ３、及び１０〜２０％のアルカリ金属二水素リン酸塩；から形成されるイオンからなる。
【００１９】
更に別の態様においては、リン酸をベースとする浸透剤塩溶液は、本質的に以下の組合せ：重量基準で２０〜５０ｗｔ％のＨ2Ｏ、３０〜５５ｗｔ％のＨ3ＰＯ4、１〜７ｗｔ％のＺｎ3（ＰＯ4）2、及び１０〜２０ｗｔ％のアルカリ金属二水素リン酸塩；から形成されるイオンからなる。
【００２０】
リン酸をベースとする浸透剤塩溶液は、本質的に以下の組合せ：重量基準で２０〜５０ｗｔ％のＨ２Ｏ、３０〜５５ｗｔ％のＨ３ＰＯ４、２〜１５ｗｔ％のＭｎＨＰＯ４・１．６Ｈ２Ｏ、及び１０〜２０ｗｔ％のアルカリ金属二水素リン酸塩；から形成されるイオンからなる。
【００２１】
アルカリ金属モノ−、ジ−、又はトリ−塩基性リン酸塩には、ＮａＨ2ＰＯ4、ＫＨ2ＰＯ4、又はそれらの混合物が含まれる。好ましくは、アルカリ金属モノ−、ジ−、又はトリ−塩基性リン酸塩はＮａＨ2ＰＯ4である。
【００２２】
上に述べた配合で形成される塩溶液が他の塩類で形成され得ることは、当業者にとっては明らかである。例えば、硬化温度においてＡｌＮＯ３＋３Ｈ３ＰＯ４→ＡｌＰＯ４となることから、ＡｌＰＯ４をＡｌＮＯ３と代えることができる。また、アルカリ金属の水酸化物とリン酸との適当な化学量論の混合物は溶液中でアルカリ金属モノ−、ジ−、又はトリ−塩基性リン酸塩を形成する。これらのタイプの変更は当業者の通常の技術の範囲内であると考えられ、かくして、本発明に包含される。
【００２３】
本発明には、また、カーボン／カーボン複合材料又はグラファイト様材料の耐酸化性を向上させるための方法であって、カーボン／カーボン複合材料又はグラファイト様材料の表面を、上に述べた複数の配合のうちいずれか一つの配合を含む浸透剤溶液で処理することを含む方法も含まれる。カーボン／カーボン複合材料又はグラファイト様材料の表面にブラシ塗り、浸漬、スプレー、又は他の塗布手法により浸透剤溶液を浸透させてから、表面処理されたカーボン／カーボン複合材料又はグラファイト様材料を５００〜９００℃の温度で硬化させる。
【００２４】
そのうえ、本発明には、耐酸化性を有するカーボン／カーボン複合材料又はグラファイト様材料を製造するための方法であって、カーボン／カーボン複合材料又はグラファイト様材料の表面を、上で述べた複数の配合のうちいずれか一つの配合を含む浸透剤溶液で処理することを含む方法が含まれる。カーボン／カーボン複合材料又はグラファイト様材料の表面をブラシ塗り、浸漬、スプレー、又は他の塗布手法により浸透剤溶液で処理してから、表面処理されたカーボン／カーボン複合材料又はグラファイト様材料を５００〜９００℃の温度で硬化させる。典型的には、表面を浸透剤溶液で１〜３回コート処理し、硬化工程を通常１〜６時間行う。
【００２５】
浸透剤溶液は、追加として、ポリオール類、アルコキシル化された一価アルコール類、シリコーン系界面活性剤からなる群から選択される相溶性のある湿潤剤を一定量含有してもよい。湿潤剤は典型的には、（ａ）及び（ｂ）の組合せの重量基準で約０．３％〜約３％、又は約０．５％〜約２％、又は約０．７５％〜約１．５％の量で存在する。一の態様においては、湿潤剤は、（ａ）及び（ｂ）の組合せの重量基準で約０．５％〜約１％の量で存在する。湿潤剤は一般的には、含水組成物（aqueous composition）の重量基準で約０．１％〜約２％、又は約０．３％〜約１％の量で含水組成物中に存在する。
【００２６】
別の態様においては、浸透剤溶液は本質的には、塩酸、酸化スズ、酸化ケイ素、酸化チタン又はリチウム化合物を全く含まない。
役務の間に出くわす汚染性の液体中のＮａ、Ｋ、又は他の金属の触媒作用による急な酸化から炭素を保護するためには、金属のリン酸塩の堆積物を、気孔の中に均一に（例えば、堆積物の間の間隙が約１ｍｍ以下）、曝露された表面からＯ2拡散により影響される範囲をカバーするのに充分な深さまで（約１ｃｍ）分散すべきである。
【００２７】
カーボン／カーボン基板（substrate）
カーボン−カーボン複合材料は一般的には、炭素製プレフォームから製造される。炭素製プレフォームは炭素繊維でできており、予め酸化されたアクリロニトリル樹脂から形成されていてもよい。一の態様においては、これらの繊維を一緒に層状に積み重ねて、摩擦ブレーキなどの型を形成することができる。その型を加熱し、メタン又は別の熱分解できる炭素源を浸透させて、カーボン−カーボン複合材料を形成する。一の態様においては、カーボン−カーボン複合材料は、約１．６〜約１．９ｇ／ｃｍ3の密度を有する。特に有用なカーボン−カーボン複合材料は約１．７５ｇ／ｃｍ3の密度を有する。カーボン−カーボン複合材料及びそれらの製造方法は当業者に知られている。この分野における包括的な参考文献は、Carbon-Carbon Materials and Composites, John D. Buckley and Dan D. Edie, Noyes Publications, 1993であり、参照により本明細書中に援用される。
【００２８】
本発明は種々のカーボン／カーボン材料に適用できるが、以下に説明するように、ＣＶＤを利用して炭素で密度を高めた不織のＰＡＮ前駆体炭素繊維からなる、飛行機用ブレーキのカーボン／カーボン複合材料製摩擦材料であるHoneywell International, INC.（かつてはAlliedSignal, Inc.）により市販されているＣＡＲＢＥＮＩＸ（登録商標）４０００銘柄のカーボン／カーボン複合材料と、炭素処理したフェノール樹脂で密度を高めＣＶＤからの炭素で密度を高めた前駆体炭素繊維からなる、飛行機用ブレーキのカーボン／カーボン複合材料製摩擦材料であるHoneywell International, INC.（かつてはAlliedSignal, Inc.）により市販されているＣＡＲＢＥＮＩＸ（登録商標）２４００銘柄のカーボン／カーボン複合材料とに関して試験と評価を行った。
【００２９】
処理施用
溶液を以下に説明するように、ブラシ塗り、浸漬、スプレー、又は他の塗布手法により複合材表面に施用する。これらの材料中には実質的な孔があるので、実質的な表面下の浸透が起こる。次いで、材料を５００〜９００℃で「硬化」して、不溶性の耐熱性化合物又は混合物を形成する。
【００３０】
硬化速度は臨界的ではないが、典型的な硬化プロフィールでは、サンプル温度が室温から１００℃／時の速度で上昇し、ピーク温度で２時間保持される。硬化は不活性雰囲気中で行い、典型的には窒素、アルゴン及び／又はヘリウムを用いるが窒素が好ましい。高温での硬化が好ましく、それにより確実にリン酸が脱水されその結果材料が不溶性となる。
【００３１】
浸透剤施用
カーボン／カーボン複合材において耐酸化性を得るために、種々のリン酸ベース抗酸化浸透剤を使用することができる。典型的な浸透剤の配合を以下にチャート１に示す（米国特許第４，８３７，０７３号を参照のこと）。本発明においては、アルカリ金属のリン酸塩、例えば、リン酸カリウム若しくはリン酸ナトリウム、又はこれらの混合物を１００部当たり０．１部〜２５部添加することによりこれらの配合を変更する。
【００３２】
【表１】
0004022402.tif 000002
【００３３】
改良抗酸化配合物の酸化試験（１６００°Ｆ（８７１℃））
試験試料（１．９”（４．８３ｃｍ）直径、．２３０”（０．５８４ｃｍ）厚の円筒形クーポン、ＣＡＲＢＥＮＩＸ（登録商標）４０００及びＣＡＲＢＥＮＩＸ（登録商標）２４００）を１６００°Ｆ（８７１℃）の温度で６時間空気流（３ｓｃｆｈ）に曝露した。これらの条件下での重量損失を測定して、酸化保護の有効性を評価した。酸化による重量損失は、カーボン／カーボン複合材摩擦材料のフィールド酸化でみられるように、ヒートシンク質量（heatsink mass）の損失を直接評価する。そのうえ、酸化による重量損失と構造的強度の損失との間には強い関係がみられた。各々の組成について２０の試料を試験した。各々のグループの酸化による平均重量損失と標準偏差とを以下に図で示す。（Ｐ−１３は上のチャート１中に説明した浸透剤Ｃである。ＰＫ−１３は浸透剤Ｃをリン酸二水素カリウム（ＫＨ２ＰＯ４）１２ｗｔ％で改質したものである。）
試験試料（１．９” （４．８３ｃｍ）直径、．２３０” （０．５８４ｃｍ）厚の円筒形クーポン、ＣＡＲＢＥＮＩＸ（登録商標）２４００）を上で定義したＰ−１３及びＰＫ−１３で２回コートして処理してから、酢酸カリウムの濃縮溶液に曝露した。（カリウム１７６，０００ｐｐｍ、未希釈の滑走路用除氷剤と等量。）サンプルを乾燥して残った水分を除去してから、１２００°Ｆ（６４９℃）の温度で２４時間空気流に曝露した。これまでの検討により、酢酸カリウムはこれらの温度において炭素を酸化する強い触媒であることが示された。そのうえ、フィールドにおいて酸化により損傷されたブレーキの分析試験したところ、多量の酢酸カリウムが存在することが示された。各々の組成について３０の試料を試験した。結果を以下に図で示す。
【００３４】
本発明をその好ましい態様に関連して説明してきたが、その種々の変更は当業者にとって明細書を読めば明らかであることは理解すべきである。従って、本明細書中に開示された発明は、そのような変更を特許請求の範囲の範囲内のものとして包含すると意図されていることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、Ｐ−１３抗酸化剤及びＰＫ−１３抗酸化剤の１６００°Ｆ（８７１℃）での比較を表す図である。
【図２】  図２は、改質された保護系を用いたＣＡＲＢＥＮＩＸ（登録商標）２４００の“１００％”酢酸カリウムの触媒作用を伴う酸化を表す図である。
【図１】
0004022402.tif 000003
【図２】
0004022402.tif 000004