(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒形状をなす側壁部と側壁部の下端を塞ぐ底部をそなえたＣ／Ｃ製容器の成形治具であって、Ｃ／Ｃ製容器の底部内面側と側壁部内面側の形状に対応した内面用成形面を有する内側成形治具と、Ｃ／Ｃ製容器の底部外面側と側壁部外面側の形状に対応した外面用成形面を有する外側成形治具をそなえ、内側成形治具および外側成形治具の少なくとも一方に含浸用開口を形成し、
内側成形治具は、筒軸方向に９０°の等角度で４分割された結合体からなると共に、底部内面側の形状に対応した成形面を有する底部内面用内側成形治具と、側壁部内面側の形状に対応した成形面を有する側壁部内面用内側成形治具に分割されており、
外側成形治具は、筒軸方向に９０°の等角度で４分割された結合体からなると共に、底部外面側の形状に対応した成形面を有する底部外面用外側成形治具と、側壁部外面側の形状に対応した成形面を有する側壁部外面用外側成形治具に分割されている
ことを特徴とするＣ／Ｃ製容器の成形治具。
【請求項２】
内側成形治具の分割面に、含浸用開口形成のためのスリットを設けている請求項１に記載のＣ／Ｃ製容器の成形治具。
【請求項３】
外側成形治具の分割面に、含浸用開口形成のためのスリットを設けている請求項１に記載のＣ／Ｃ製容器の成形治具。
【請求項４】
内側成形治具および外側成形治具は、各々、筒軸方向に等角度で４分割された結合体としてＣ／Ｃ製容器の底部内面側および側壁部内面側ならびに底部外面側および側壁部外面側の成形面に合わせ加工されてなる請求項１〜３のいずれか１項に記載のＣ／Ｃ製容器の成形治具。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軽量でかつ耐熱・耐食性に優れた炭素繊維／炭素複合材料を素材としたＣ／Ｃ製容器を成形するのに利用されるＣ／Ｃ製容器の成形治具に関するものである。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
炭素繊維を強化材とし、炭素をマトリックスとしたＣ／Ｃ複合材は、通常の炭素材料に比べて高強度・高弾性であり、耐熱・耐食性に優れていることから、宇宙航空機器の分野においては飛翔体のリーディングエッジ，ロケットのノズル，航空機のブレーキなどの素材として利用され、その他ガスタービン機関のタービンブレードや高速車両のブレーキなどの素材として、あるいはまた各種化学装置や非汚染溶解装置などの素材としても利用されている。
【０００３】
このようなＣ／Ｃ複合材を構成する炭素繊維としては、ＰＡＮ系繊維，ピッチ系繊維，レーヨン系繊維などが使用され、マトリックスとなる炭素としては、ピッチのほか、フェノール樹脂，エポキシ樹脂，フラン樹脂，イミド樹脂などの熱硬化性樹脂を炭化処理または炭化処理および黒鉛化処理したものが使用されている。
【０００４】
この種のＣ／Ｃ複合材を素材としたＣ／Ｃ製容器を成形するに際しては、炭素繊維として、高強度（ＨＴ）品とする場合には例えばＰＡＮ系の炭素繊維を使用し、高弾性（ＨＭ）品とする場合には例えばピッチ系の炭素繊維を使用し、この炭素繊維にマトリックス材として、ピッチや、熱硬化性樹脂である例えばフェノール樹脂を含浸させることによってプリプレグとなし、このプリプレグを適宜フィラメントワインディング法によりＣ／Ｃ製容器の形状に巻回してプリフォームに成形する。
【０００５】
次いで、プリフォームに成形したのち例えば１５０〜２２０℃程度の温度でフェノール樹脂を硬化させることによってＣＦＲＰとなし、さらに、例えば５００〜９００℃程度の温度で焼成することによって炭化処理し、場合によってはさらに２０００〜３０００℃程度の温度で焼成することによって黒鉛化処理し、さらに場合によってより一層緻密化して密度をさらに向上させるために、ピッチ含浸と、５００〜９００℃程度の温度での常圧炭化処理と、さらには２０００〜３０００℃程度の温度での黒鉛化処理を適宜繰返すことによってＣ／Ｃ製容器を得るようにしていた。
【０００６】
しかしながら、このようなフィラメントワインディング法によってＣ／Ｃ製容器を成形した場合には、ハンドル／ハンドル間の強度および層間の強度が低くなることがあり、剥離や欠陥が発生しやすいことがあるという問題点があった。
【０００７】
また、フィラメントワインディング法では、フェノール樹脂を含む炭素繊維を巻回することにより成形しているが、この成形段階でフェノール樹脂の収縮による割れが発生したり、炭化段階でもフェノール樹脂の収縮による割れが発生したりすることがあるという問題点があった。
【０００８】
【発明の目的】
本発明は、このような従来の問題点を解消するためになされたものであって、フィラメントワインディング法による場合の層間での剥離や割れなどの欠陥の発生のおそれをなくし、層間強度が高い品質の良好な耐熱性および耐食性に優れたＣ／Ｃ製容器を成形できるようにすることを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わるＣ／Ｃ製容器の成形治具は、請求項１に記載しているように、筒形状をなす側壁部と側壁部の下端を塞ぐ底部をそなえたＣ／Ｃ製容器の成形治具であって、Ｃ／Ｃ製容器の底部内面側と側壁部内面側の形状に対応した内面用成形面を有する内側成形治具と、Ｃ／Ｃ製容器の底部外面側と側壁部外面側の形状に対応した外面用成形面を有する外側成形治具をそなえ、内側成形治具および外側成形治具の少なくとも一方に含浸用開口を形成し、内側成形治具は、筒軸方向に９０°の等角度で４分割された結合体からなると共に、底部内面側の形状に対応した成形面を有する底部内面用内側成形治具と、側壁部内面側の形状に対応した成形面を有する側壁部内面用内側成形治具に分割されており、外側成形治具は、筒軸方向に９０°の等角度で４分割された結合体からなると共に、底部外面側の形状に対応した成形面を有する底部外面用外側成形治具と、側壁部外面側の形状に対応した成形面を有する側壁部外面用外側成形治具に分割されている構成としたことを特徴としている。
【００１０】
そして、本発明に係わるＣ／Ｃ製容器の成形治具の実施態様においては、請求項２に記載しているように、内側成形治具の分割面に、含浸用開口形成のためのスリットを設けているものとすることができる。
【００１２】
同じく、本発明に係わるＣ／Ｃ製容器の成形治具の実施態様においては、請求項５に記載しているように、外側成形治具の分割面に、含浸用開口形成のためのスリットを設けているものとすることができる。
【００１４】
同じく、本発明に係わるＣ／Ｃ製容器の成形治具の実施態様においては、請求項４に記載しているように、内側成形治具および外側成形治具は、各々、筒軸方向に等角度で４分割された結合体としてＣ／Ｃ製容器の底部内面側および側壁部内面側ならびに底部外面側および側壁部外面側の成形面に合わせ加工されてなるものとすることができる。
【００１７】
【発明の効果】
本発明によるＣ／Ｃ製容器の成形治具では、筒形状をなす側壁部と側壁部の下端を塞ぐ底部をそなえたＣ／Ｃ製容器の成形治具であって、Ｃ／Ｃ製容器の底部内面側と側壁部内面側の形状に対応した内面用成形面を有する内側成形治具と、Ｃ／Ｃ製容器の底部外面側と側壁部外面側の形状に対応した外面用成形面を有する外側成形治具をそなえ、内側成形治具および外側成形治具の少なくとも一方に含浸用開口を形成した構成としたから、フィラメントワインディング法によりＣ／Ｃ製容器を成形する場合のような層間での剥離や割れなどの欠陥の発生をなくすことができ、層間強度が高い品質の良好な耐熱性および耐食性に優れたＣ／Ｃ製容器を提供することが可能になるという著大なる効果がもたらされる。
【００１８】
そして、本発明によるＣ／Ｃ製容器の成形治具では、内側成形治具が、筒軸方向に９０°の等角度で４分割された結合体からなると共に、底部内面側の形状に対応した成形面を有する底部内面用内側成形治具と、側壁部内面側の形状に対応した成形面を有する側壁部内面用内側成形治具に分割されているものとし、且つ、外側成形治具が、筒軸方向に９０°の等角度で４分割された結合体からなると共に、底部外面側の形状に対応した成形面を有する底部外面用外側成形治具と、側壁部外面側の形状に対応した成形面を有する側壁部外面用外側成形治具に分割されているものとすることによって、内側成形治具および外側成形治具の成形に際しての加工性を良好なものにすることが可能であると共に、成形後のＣ／Ｃ製容器の離型性をも良好なものにすることが可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。
【００１９】
また、請求項２に記載しているように、内側成形治具の分割面に、含浸用開口形成のためのスリットを設けているものとすることによって、内側成形治具と外側成形治具とで炭素繊維の積層体をはさんだ状態にしてピッチや樹脂などの含浸を良好に行うことが可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。
【００２２】
さらにまた、請求項３に記載しているように、外側成形治具の分割面に、含浸用開口形成のためのスリットを設けているものとすることによって、内側成形治具と外側成形治具とで炭素繊維の積層体をはさんだ状態にしてピッチや樹脂などの含浸を良好に行うことが可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。
【００２４】
さらにまた、請求項４に記載しているように、内側成形治具および外側成形治具は、各々、筒軸方向に等角度で４分割された結合体としてＣ／Ｃ製容器の底部内面側および側壁部内面側ならびに底部外面側および側壁部外面側の成形面に合わせ加工されてなるものとすることによって、各治具における分割された合わせ面（つなぎ面）での段差の発生などの不具合をなくすことができ、分割結合体でありながら一体型と同程度の良好なる成形面での精度を確保することが可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。
【００２７】
【実施例】
図１ないし図３は、本発明に係わるＣ／Ｃ製容器の成形治具の一実施例による全体構成を示すものであって、図１は縦断面説明図、図２は平面説明図、図３は底面説明図である。
【００２８】
図１ないし図３に示すＣ／Ｃ製容器の成形治具１１は、図１５に示すような筒形状をなす側壁部１ａと側壁部１ａの下端を塞ぐ底部１ｂをそなえると共に、上端に開口部１ｃを有するＣ／Ｃ製容器１を成形するのに使用されるものである。
【００２９】
図１ないし図３に示すＣ／Ｃ製容器の成形治具１１は、内側成形治具２１と、外側成形治具３１を備え、各々のフランジ部２１ａ，３１ａの部分で円環部材４１を介してボルト５１により結合した構造をなすものである。
【００３０】
そして、内側成形治具２１は、筒軸方向に９０°の等角度をもって４分割されたものとなっており、分割面に図６に示す介挿材２５を介在させた状態にしてボルト５２により結合して一体化した結合体からなるものとしていて、各分割面において、ピッチや樹脂等の含浸用開口２１ｂが形成されたものとしている。
【００３１】
また、外側成形治具３１は、筒軸方向に９０°の等角度をもって４分割されたものとなっており、ボルト５３により結合して一体化した結合体からなるものとしていて、各分割面において、ピッチや樹脂等の含浸用開口３１ｂが形成されたものとしている。
【００３２】
このうち、内側成形治具２１は、図４および図５にそれぞれ示すように、Ｃ／Ｃ製容器１の底部内面側の形状に対応した底部内面用成形面２２ａを有する底部内面用内側成形治具２２と、Ｃ／Ｃ製容器１の側壁部内面側の形状に対応した側壁部内面用成形面２３ａを有する側壁部内面用内側成形治具２３とに分割されており、ボルト５４により一体化されている。
【００３３】
そして、図４に示す底部内面用内側成形治具２２には、含浸用開口２１ｂを形成するための含浸用開口形成スリット２２ｂが形成してあると共に、ボルト５４のためのめねじ穴２２ｃが形成してある。
【００３４】
また、図５に示す側壁部内面用内側成形治具２３には、含浸用開口２１ｂを形成するための含浸用開口形成スリット２３ｂが形成してあると共に、ボルト５４のための貫通孔２３ｃと、ボルト５１のための貫通孔２３ｄと、ボルト５２のための貫通孔２３ｅが形成してある。
【００３５】
また、外側成形治具３１は、図７および図８にそれぞれ示すように、Ｃ／Ｃ製容器１の底部外面側の形状に対応した底部外面用成形面３２ａを有する底部外面用外側成形治具３２と、Ｃ／Ｃ製容器１の側壁部外面側の形状に対応した側壁部外面用成形面３３ａを有する側壁部外面用外側成形治具３３に分割されており、ボルト５５により一体化されている。
【００３６】
そして、図７に示す底部外面用外側成形治具３２には、含浸用開口３１ｂを形成するための含浸用開口形成スリット３２ｂが形成してあると共に、ボルト５１，５５のための貫通孔３２ｃと、ボルト５６のための貫通孔３２ｄが形成してある。
【００３７】
また、図８に示す側壁部外面用外側成形治具３３には、含浸用開口３１ｂを形成するための含浸用開口形成スリット３３ｂが形成してあると共に、ボルト５１，５５のための貫通孔３３ｃと、ボルト５３のための貫通孔３３ｄが形成してある。
【００３８】
このような構造をもつＣ／Ｃ製容器１の成形治具１１を用いて、図１５に示すＣ／Ｃ製容器１を成形するに際しては、図４に示した底部内面用内側成形治具２２と図５に示した側壁部内面用内側成形治具２３と図６に示した介挿材２５を用い、ボルト５２，５４で締結することによって、内側成形治具２１に組み立てる。そして、より精度の高い組立体とする場合には、組み立て状態で仕上げ加工代を有するものとして、組み立てたのち合わせ加工を行うことにより、合わせ面のずれが全くないものとする。
【００３９】
次いで、クロス繊維からなる炭素繊維を用い、図１０に示すように、底部対応部６１ａと４片の側壁部対応部６１ｂとを有する形状に繊維方向に対し０°／９０°方向に裁断した花弁形状裁断材６１を用意して、底部対応部６１ａの表面にカーボンブラック粒子混合（５重量部混合）溶液を塗布して内側成形治具２１の底部内面用成形面２２ａに当て、次いで、花弁形状裁断材６１の側壁部対応部６１ｂの表面にカーボンブラック粒子混合溶液を塗布しながら内側成形治具２１の側壁部内面用成形面２３ａに沿って貼り付ける。
【００４０】
続いて、同じくクロス繊維からなる炭素繊維を用い、図１１に示すような繊維方向に対し４５°方向に裁断した側壁部対応裁断材６２ｂを用意して、側壁部内面用成形面２３ａ上でかつ前記側壁部対応部６１ｂの間に、同様にカーボンブラック粒子混合溶液を塗布しながら貼り付ける。
【００４１】
また、場合によっては、適宜若干寸法を異ならせた花弁形状裁断材（６１）や側壁部対応裁断材（６２ｂ）を用意して、同様にカーボンブラック粒子混合溶液を塗布しながら所要数だけ平均的に積層する。
【００４２】
次いで、図１２に示すように、底部対応部６３ａと８片の側壁部対応部６３ｂとを有する形状に繊維方向に対し０°／９０°方向および４５°方向に裁断した花弁形状裁断材６３を用意して、同様にカーボンブラック粒子混合溶液を塗布しながら積層し、さらに、図１３に示すように、底部対応裁断材６４を用意して同様にカーボンブラック粒子混合溶液を塗布しながら所要枚数積層することによって、図１４に示すような側壁部７１ａとこの側壁部７１ａの下端を閉塞する底部７１ｂをそなえていると共に上端に開口部７１ｃを有する容器形状のプリフォーム成形体７１を内側成形治具２１の成形面２２ａ，２３ａ上に成形する。
【００４３】
そして、図７に示した底部外面用外側成形治具３２と図８に示した側壁部外面用外側成形治具３３を用い、ボルト５３，５６で組み立てた外側成形治具３１（この場合も、必要に応じて、合わせ仕上げ加工を行って精度を高めたものとしておくこともできる。）の成形面３２ａ，３３ａを前記容器形状のプリフォーム成形体７１の外面に当接した状態にし、内側成形治具２１のフランジ部２１ａと外側成形治具３１のフランジ部３１ａとの間に図９に示した円環部材４１を介在させた状態にしてボルト５１で固定することによって、内側成形治具２１と外側成形治具３１との間にプリフォーム成形体７１が介在した状態とする。
【００４４】
次いで、内側成形治具２１と外側成形治具３１にそれぞれ形成したスリット２２ｂ，３２ｂよりなる含浸用開口２１ｂ，３１ｂから一実施例ではピッチを真空含浸し、他の実施例ではフラン樹脂を真空含浸した。
【００４５】
ここで、ピッチを含浸する場合には従前の一般的なＣ／Ｃ複合材を得ることを意図しており、フラン樹脂を含浸する場合には耐Ｓｉアタック性に優れた（例えば、Ｓｉ単結晶引き上げ装置用るつぼの素材に適した）Ｃ／Ｃ複合材を得ることを意図している。
【００４６】
次いで、最高温度１８０℃での樹脂硬化処理を行い、続いて、最高圧力１０００ｋｇｆ／ｃｍ２，最高温度７００℃での高圧炭化処理（ＨＩＰ処理）と、最高温度２５００℃での黒鉛化処理を施すことによって、そしてまた、このようなピッチ含浸，炭化処理および黒鉛化処理を繰り返すことによって、Ｃ／Ｃ複合材からなりかつ図１５に示すように側壁部１ａとこの側壁部１ａの下端を塞ぐ底部１ｂをそなえると共に、上端に開口部１ｃを有するＣ／Ｃ製容器１を得た。
【００４７】
その後、図１５に示す仮想線の形状に仕上げ加工を行うことによって、図１６に示すようなＣ／Ｃ複合材からなりかつ側壁部８１ａとこの側壁部８１ａの下端を塞ぐ底部８１ｂをそなえると共に、上端に開口部８１ｃを有するＣ／Ｃ製るつぼ８１を得た。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例によるＣ／Ｃ製容器の成形治具の基本構成を示す縦断面説明図である。
【図２】  本発明の実施例によるＣ／Ｃ製容器の成形治具の基本構成を示す平面説明図である。
【図３】  本発明の実施例によるＣ／Ｃ製容器の成形治具の基本構成を示す底面説明図である。
【図４】  本発明の実施例によるＣ／Ｃ製容器の成形治具のうち内側成形治具を構成する底部内面用内側成形治具の平面説明図（図４の（Ａ））および図４の（Ａ）のＩＶ−ＩＶ線断面説明図（図４の（Ｂ））である。
【図５】  本発明の実施例によるＣ／Ｃ製容器の成形治具のうち内側成形治具を構成する側壁部内面用内側成形治具の平面説明図（図５の（Ａ））および図５の（Ａ）のＶ−Ｖ線断面説明図（図５の（Ｂ））である。
【図６】  本発明の実施例によるＣ／Ｃ製容器の成形治具のうち内側成形治具の分割面に挿入される介挿材の側面説明図（図６の（Ａ））および図６の（Ａ）のＶＩ−ＶＩ線断面説明図（図６の（Ｂ））である。
【図７】  本発明の実施例によるＣ／Ｃ製容器の成形治具のうち外側成形治具を構成する底部外面用外側成形治具の（Ｂ）図ＶＩＩ−ＶＩＩ線断面説明図（図７の（Ａ））および平面説明図（図７の（Ｂ））である。
【図８】  本発明の実施例によるＣ／Ｃ製容器の成形治具のうち外側成形治具を構成する側壁部外面用外側成形治具の（Ｂ）図ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面説明図（図８の（Ａ））および平面説明図（図８の（Ｂ））である。
【図９】  本発明の実施例によるＣ／Ｃ製容器の成形治具のうち円環部材の（Ｂ）図ＩＸ−ＩＸ線断面説明図（図９の（Ａ））および平面説明図（図９の（Ｂ））である。
【図１０】  本発明の実施例で用いた炭素繊維クロス花弁形状裁断材の平面説明図である。
【図１１】  本発明の実施例で用いた側壁部対応裁断材の平面説明図である。
【図１２】  本発明の実施例で用いた花弁形状裁断材の平面説明図である。
【図１３】  本発明の実施例で用いた底部対応裁断材の平面説明図である。
【図１４】  本発明の実施例で積層成形した容器形状のプリフォーム成形体の断面説明図である。
【図１５】  本発明の実施例で成形したＣ／Ｃ製容器の断面説明図である。
【図１６】  本発明の実施例で成形したＣ／Ｃ製るつぼの断面説明図である。
【符号の説明】
１  Ｃ／Ｃ製容器
１ａ  Ｃ／Ｃ製容器の側壁部
１ｂ  Ｃ／Ｃ製容器の底部
１ｃ  Ｃ／Ｃ製容器の開口部
１１  Ｃ／Ｃ製容器の成形治具
２１  内側成形治具
２１ｂ  内側成形治具の含浸用開口
２２  底部内面用内側成形治具
２２ａ  底部内面用内側成形治具の底部内面用成形面
２２ｂ  底部内面用内側成形治具の含浸用開口形成スリット
２３  側壁部内面用内側成形治具
２３ａ  側壁部内面用内側成形治具の側壁部内面用成形面
３１  外側成形治具
３１ｂ  外側成形治具の含浸用開口
３２  底部外面用外側成形治具
３２ａ  底部外面用外側成形治具の底部外面用成形面
３２ｂ  底部外面用外側成形治具の含浸用開口形成スリット
３３  側壁部外面用外側成形治具
３３ａ  側壁部外面用外側成形治具の側壁部外面用成形面
７１  容器形状のプリフォーム成形体
８１  Ｃ／Ｃ製るつぼ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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