JP6700262B2 - 二重壁熱構造モノリシック複合部品の製造方法及び製造された部品 - Google Patents

Description

本発明は、複合材料でできた２つのスキン（ｓｋｉｎ）であって、相互に離間され、且つ複合材料でできた複数の糸状スペーサーによって相互に接続された２つのスキンを有する熱構造モノリシック繊維／マトリクス複合部品の製造方法に関し、この複合部品は高い内圧及び／又は外圧に耐えることができる。本発明はまた、この種の方法を実施して製造されるモノリシック部品に関する。

特許文献１は、例えば、流体を搬送可能なパネルや、宇宙光学装置用の支持体、高解像度レーダー用の耐熱性レドーム等を形成することを意図したこの種のモノリシック複合部品を記載している。同様に、特許文献２は、二重壁モノリシック複合部品及び糸状スペーサーに言及している。

更に、特許文献３は、追加的な含浸作業や硬化作業を何ら伴わず、また縫糸を事前に含浸することもなく、それでも含浸鋳型に繊維性構造体を精密に位置付け且つそのスキンを構成する繊維の機械特性を最適な態様で利用することを可能にする、熱構造モノリシック部品の製造方法を開示している。この目的のために、複合材料の複数の糸状スペーサーによって相互に接続されると共に相互に離間した複合材料の２つのスキンを備えた熱構造モノリシック繊維／マトリクス複合部品の製造方法では、
ａ）針で貫通可能であるがマトリクスを生成する樹脂を通さない材料で作られた中間可撓性コアと、この可撓性コアの反対側の外面に配置された２つの外側可撓性繊維性フレームとを備えた可撓性サンドイッチ構造体が形成され、
ｂ）サンドイッチ構造体の繊維性フレーム及びコアを通過する糸部分を含む編目を形成する縫糸を用いて繊維性フレーム及びコアが縫合して連結され、この縫糸は、互いに結合されていない複数のフィラメントを備えたロービングからなり、縫合作業後に、繊維性フレーム及びコアを通過する糸部分が、フィラメント間に設けられた長手方向通路をコア内に有し、これらの通路が繊維性フレームの一方から他方に延びており、
ｃ）サンドイッチ構造体が粘性状態の樹脂で含浸され、この含浸作業は、この硬化性樹脂が、糸貫通部分の長手方向通路を通り、これらの部分の各位置に樹脂ブリッジを形成し、このブリッジの両端が可撓性繊維性フレームに含浸した樹脂と接触するように行われ、また
ｄ）サンドイッチ構造体に含浸した樹脂がその後硬化される。

この標準的方法では、コアを除去する前に、スキンの繊維性フレームの含浸時に糸貫通部分に樹脂が含浸し、繊維性フレームの硬化時にその糸貫通部分が硬化されて複合材料の糸状スペーサーとなり、複合スキンの間に配置される。

仏国特許発明第２７４９３２７号明細書 仏国特許発明第２７１８６７０号明細書 仏国特許発明第２８３６６９０号明細書 国際公開第２００８／１０６９３２号

本発明の目的は、この種の複合材料の複数の糸状スペーサーによって相互に接続されると共に相互に離間した複合材料の２つのスキンを備えた熱構造モノリシック繊維／マトリクス複合部品の製造方法を改良することである。

この目的を達成するために、本発明によれば、上記方法は、少なくとも
Ａ）中間可撓性コアと、可撓性コアの反対両側の外面に配置された２つの外側繊維性フレームとを有するサンドイッチ構造体であって、繊維性フレームを通過する糸部分によって繊維性フレーム同士が連結されているサンドイッチ構造体を備えた繊維性プリフォームを製造するステップであって、このプリフォームが樹脂で含浸されているステップと、
Ｂ）プリフォームを硬化し、コアを除去するステップと、
Ｃ）得られた構造体を高密度化（ｄｅｎｓｉｆｙ）するステップと
を含む。この方法は、
ステップＣにおいて、液相浸透法によりその構造体を高密度化することを特徴とする。

このＬＳＩ液相浸透法（液体ケイ素浸透法）によって、使用するケイ素がプリフォームの中心を通ることができ、高密度化の制御が容易となる。

また、この液相高密度化は、特に、コストや性能といった他の利点がある。

好適な実施形態において、カーボン−カーボン（Ｃ−Ｃ）材料を製造するプリフォームを、ひいてはスペーサーを形成する糸貫通部分を、事前に高密度化する（ｐｒｅ−ｄｅｎｓｉｆｙ）ために、ステップＢにおいてＣＶＩ気相浸透法（化学気相浸透法）によって事前高密度化が行われる。好ましくは、Ｒ−ＣＶＩ高速浸透法（高速化学気相浸透法）が使用される。この種の浸透法は、コスト、実施時間及び性能の点で有利である。

こうして事前高密度化を行うことにより、糸貫通部分はカーボン層を有し、これにより、ステップＣにおいて液相高密度化の際にこれらの部分を保護することが可能となる。従ってこの好適な実施形態は、事前高密度化と、（Ｃ−Ｃ／ＳｉＣ材料を製造する）高密度化ステップとの組み合わせに基づくものであり、事前高密度化により、モノリシック複合部品の剛性向上に貢献するスペーサーを形成する糸部分を損傷させることなく高密度化が可能となり、また、高密度化には前述の利点がある。

また、この好適な実施形態において、ステップＢとステップＣとの間の中間ステップにおいて、ステップＢで事前高密度化されたプリフォームが加工される。事前高密度化したプリフォーム（Ｃ−Ｃ）を後述の態様で加工することは可能であるが、この加工の適用は、高密度化後の最終材料（Ｃ−Ｃ／ＳｉＣ）に対しては極めて困難である。

この中間ステップは、好ましくは、薄厚機械加工ステップであり、液相高密度化構造体を準備し、その構造体を最終的に所望の幾何学形状とするために採用される。

また、この中間ステップにおいて、ねじ穴及び／又はボアを加工すると有利である。この場合、これらのねじ穴及びボアの閉塞を防止するために、少なくとも高密度化ステップであるステップＣの間、プラグを穴及びボアに挿入すると有利である。

好適な実施形態において、液相高密度化を実現するために、ステップＣにおいて、液体ペースト状のケイ素が導入され、これは高密度化炉内の熱及び圧力の影響で広がる。

また、ステップＡにおいて、厚さが変化し、例えばスティフナーが設けられた繊維性プリフォームを製造すると有利である。

更に、好適な実施形態において、ステップＡにおいて、特に特許文献３に記載されているように以下の作業が行われる。
ａ）針で貫通可能であるがマトリクスを生成する樹脂を通さない材料で作られた中間可撓性コアと、可撓性コアの反対両側の外面に配置された２つの外側可撓性繊維性フレームとを備えた可撓性サンドイッチ構造体が形成される。
ｂ）サンドイッチ構造体の繊維性フレーム及びコアを通過する糸部分を含む編目を形成する縫糸を用いて繊維性フレーム及びコアが縫合により連結され、この糸は、互いに結合されていない複数のフィラメントを備えたロービングからなる。この縫合作業後に、繊維性フレーム及びコアを通過する糸部分は、フィラメント間に設けられた長手方向通路をコア内に有し、これらの通路は繊維性フレームの一方から他方に延びている。
ｃ）サンドイッチ構造体が樹脂で含浸され、この含浸作業は、この硬化性樹脂が、糸貫通部分の長手方向通路を通り、これらの部分の各位置に樹脂ブリッジを形成し、このブリッジの両端が繊維性フレームに含浸した樹脂と接触するように行われる。

本発明は、複合材料の複数の糸状スペーサーによって相互に接続されると共に相互に離間した複合材料の２つのスキンを備え、前述の方法を実施して製造されるモノリシック繊維／マトリクス複合部品にも関する。

特定の実施形態において、少なくとも１つのスキンの外側に少なくとも１つの被膜が付着される（例えば、そのスキンに不浸透性を与えることを目的として）。

本発明は、特に、非常に高い温度及び／又は非常に高い内圧及び／又は外圧に耐えることができるこの種のモノリシック複合部品を必要とする数多くの分野で使用できる。

添付図面の図により、本発明をどのように実施できるか明確に理解されよう。これらの図では、同一の参照番号は同様の要素を示す。

図１は、本発明を実施する際に製造され使用されるプリフォームの部分概略図である。 図２は、図１のプリフォームから製造された複合部品の部分概略図である。 図３は、パネル形状に製造された、液相浸透工程用のプラグを有するモノリシック部品の斜視図である。

本発明は、熱構造モノリシック繊維／マトリクス複合部品１０の製造方法に関し、複合部品１０は、複合材料の２つのスキン１１及び１２を備え、スキン１１及び１２は相互に離間した、複合材料の複数の糸状スペーサー１３によって相互に接続されている。例えば断熱手段を形成ように意図された、図２の部分概略図に示すこの種のモノリシック複合部品１０は、非常に高い内圧及び／又は外圧に耐えることができなければならない。

上記製造方法は、以下を含む。
Ａ／中間可撓性コア４と、２つの外側繊維性フレーム２及び３とを有するサンドイッチ構造体を備えた繊維性プリフォーム１を通常の方法で形成すること。繊維性フレーム２及び３は、図１に示すように、可撓性コア４の反対側の外面に配置され、且つ繊維性フレーム２及び３を通過する糸部分８及び９によって連結されている。後述するように、プリフォーム１は樹脂で含浸されている。
Ｂ／プリフォーム１を硬化し、コア４を除去すること。
Ｃ／得られた構造体を高密度化すること。

本発明によれば、工程Ｃ／において、構造体は、ＳｉＣに富んだ層が適用されるように液相浸透法（ｌｉｑｕｉｄ−ｐｈａｓｅ ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ）によって高密度化される。

後述するように、この種のＬＳＩ液相浸透法（液体ケイ素浸透法）は、特に、使用するケイ素がプリフォームの中心を通ることを可能にし、それにより高密度化の制御が容易となる。

また、この液相高密度化は、特に、
コスト削減、及び
性能向上
といった他の利点を有する。

好適な実施形態では、プリフォーム１を、ひいては（スペーサー１３を形成する）糸貫通部分８及び９を事前に高密度化するために、工程Ｂ／においてＣＶＩ気相浸透法（化学気相浸透法）によって事前に高密度化が行われる。こうして事前に高密度化を行うことにより、カーボン−カーボン（Ｃ−Ｃ）構造体の製造が可能となる。好ましくは、Ｒ−ＣＶＩ高速浸透法（高速化学気相浸透法）が使用される。この種の浸透法は、コスト、実施時間及び性能の点で有利である。

こうして事前に高密度化を行うことにより、糸貫通部分８及び９がカーボン層を備え、これにより、工程Ｃ／において液相高密度化が行われる際にこれらの部分を保護することが特に可能となる。

従ってこの好適な実施形態は、事前に高密度化を行う工程（工程Ｂ／）と、高密度化工程（工程Ｃ／）との組み合わせに基づくものであり、Ｃ−Ｃ／ＳｉＣ構造体の生成が可能となる。実際、高密度化を事前に行うことによって、（モノリシック複合部品１０の剛性向上に貢献する）スペーサー１３を形成する糸部分８及び９を損傷させることなく高密度化が可能となる。また高密度化には前述の利点があり、セラミック構造体の形成が可能となる。

好適な実施形態において、工程Ａ／を行うため、特に特許文献３に記載されているように以下の作業を行う。
ａ）針で貫通可能であるが、マトリクスを生成する樹脂を通さない材料で作られた中間可撓性コア４を有する可撓性サンドイッチ構造体１が形成される。可撓性サンドイッチ構造体１は、可撓性コア４の反対側の外面に配置された２つの外側可撓性繊維性フレーム２，３も有する。
ｂ）図１に示すように、サンドイッチ構造体１の繊維性フレーム２，３及びコア４が、糸５を用いて縫合して連結される。繊維性フレーム２，３及びコア４を通過する糸部分８，９を含む編目を糸５は形成する。この縫糸５は、互いに結合されていない複数のフィラメント（単繊維）を有するロービング（粗糸）からなる。この縫合作業後、繊維性フレーム２，３及びコア４を通過する糸部分８，９は、コア内に長手方向通路を有し、これらの通路は前記フィラメントの間に設けられ、且つ、繊維性フレームの一方から他方に延びる。
ｃ）サンドイッチ構造体１が樹脂で含浸される。この含浸作業は、この硬化性樹脂が、糸貫通部分８，９の長手方向通路を通り、これらの部分の各位置に樹脂ブリッジを形成し、このブリッジの両端が、可撓性繊維性フレーム２，３に含浸した樹脂と接触するように行われる。

なお、以下の点に留意すべきである。
− 板形状で示される可撓性コア４は、実際には、２つの反対側の面を有していれば如何なる形状でもよく、例えば円柱、円錐又は角柱であってもよい。このコアは、針で貫通可能な材料、例えばポリウレタン発泡体又はポリプロピレン、好ましくはポリスチレンで作られる。またこの材料は、可撓性繊維性フレーム２及び３に含浸するために使用される樹脂を通さない。
− 可撓性繊維性フレーム２及び３のそれぞれは、既知の態様で製造し得る繊維性構造を有する。フレーム２及び３はそれぞれ層形状であり、高強度繊維を形成できるカーボン繊維又は他の材料で作られる。またフレーム２及び３は、異なる及び多様な厚さ及び形状を有することができる。

図１に示すように、フレーム２及び３が相互に平行で、糸貫通部分８及び９がこれらのフレームに対して直交していることに利点がある。図１及び２では、明確化のため、各編目の２つの糸部分の間は大きく距離を空けているが、実際には勿論、これらの糸部分を相互にかなり近づけることもできる。

なお、糸５及び６によって連結されるサンドイッチ構造体１は可撓性であり、また場合により形状が変えられてもよい。更に、本方法のこの段階において、構造体１の寸法を確認することが好ましい。

縫合後、サンドイッチ構造体１は硬化性樹脂で含浸される。この樹脂が繊維性フレーム２及び３だけでなく糸５の長手方向通路も通るように、含浸を真空圧力下で行うことが好ましい。

この含浸作業の際、コア４は上記樹脂を通さないので含浸されない。その後、含浸した樹脂は、例えば、可能であれば（数バールの）圧力を加えつつ温度を上昇させることによって、硬化される。

本発明によれば、サンドイッチ構造体１のＣ−Ｃカーボンマトリクスを形成するために、上記のようにこの構造体を気相浸透法により事前に高密度化し（前述の工程Ｂ／）、これによりコア４も除去し得る。

その後、得られた構造体に対して以下のように他の作業を行い、そして、セラミックマトリクスを製造することを目的として工程Ｃ／の高密度化を行う。

図２のモノリシック複合部品１０は最終的に製造されると、（可撓性フレーム２及び３から得られる）複合材料の２つのスキン１１及び１２を有し、スキン１１及び１２は相互に離間すると共に、スキン１１及び１２にスキン対して直交する（貫通糸部分８及び９から得られる）複合材料の複数の糸状スペーサー１３によって相互に接続されている。好適な適用例では、特にモノリシック複合部品１０が高温に耐え得るように、２つのスキン１１及び１２の間の空間１４に冷却剤が流入される。空間１４を形成する２つのスキン１１及び１２は、糸状スペーサー１３によって相互に距離を保つ。このような適用例では、糸状スペーサー１３は、構造体の形状を規定し、冷却剤の耐圧性を確保し、対流熱伝達を促進する。

また好適な実施形態では、前述の工程Ｂ／と工程Ｃ／との間の中間工程として、工程Ｂ／において事前に高密度化したプリフォームに対して非破壊試験が行われる。

次いて、事前に高密度化したプリフォームが加工される。事前に高密度化したプリフォーム（Ｃ−Ｃ）を、標準的手段を使用して加工できる。しかし、この加工の適用は、高密度化後に非常に硬くなる最終材料（Ｃ−Ｃ／ＳｉＣ）に対しては極めて困難である。

この中間工程は、好ましくは薄厚機械加工工程であり、これは、液相高密度化のための構造体を準備するため、及び構造体を最終的に所望の幾何学形状とするために使用される。

また、この中間工程において、例えば部品１０上に冷却剤供給手段を取り付けるために部品１０にねじ穴及び／又はボアが必要な場合に、ねじ穴及び／又はボアが加工される。この加工作業は、例えば超音波によって行うことができる。

次に、プラグ１５を部品１０のねじ穴及びボアに配置する。図３に示すように、部品１０はプレート１６として製造され、その肩部にねじ穴が設けられる。プラグ１５は、ねじ穴及びボアの閉塞を防止するために、少なくとも高密度化工程である工程Ｃ／の際に使用される（それゆえ、これらは最終部品に存在する）。

好適な実施形態において、工程Ｃ／において、液相高密度化を実現するために、液体ペースト状（スラリー）のケイ素を導入し、当初はペーストで覆われていない壁に運ばれたガス及び毛細管現象により高密度化炉内の熱及び圧力の影響下で部品に展開する。適切な加熱処理によってシリコナイジングを実現し得る。好適な実施形態において、国際公開第２００８／１０６９３２号に記載の方法を実施してこの高密度化が行われる。

本方法のこの段階において、部品１０の寸法を確認することが一般的である（非破壊試験を使用する）。

なお、本発明に係る方法を、図３のパネル１６の縁部１７Ａ及び１７Ｂによって例示されるように厚さが変化する部品１０を製造するために使用できる。このために、工程Ａ／において製造される繊維性プリフォーム１は、適切な形状及び適切な寸法を有し、且つ、例えばスティフナーが設けられてもよい。

更に、例えば不浸透性を与えるために標準的に使用される封止材を使用した少なくとも１つの被膜によって、部品１０のスキン１１又は１２の少なくとも１つの外面を覆うことも可能である。

Claims (5)

1. 熱構造モノリシック繊維／マトリクス複合部品（１０）の製造方法であって、前記熱構造モノリシック繊維／マトリクス複合部品（１０）は、複合材料でできた２つのスキン（１１，１２）を有し、前記２つのスキン（１１，１２）は、複合材料でできた複数の糸状スペーサー（１３）によって相互に離間され且つ相互に接続されている、熱構造モノリシック繊維／マトリクス複合部品（１０）の製造方法において、
   Ａ）サンドイッチ構造体を備えた繊維性プリフォーム（１）を製造するステップであって、前記サンドイッチ構造体は、中間可撓性コア（４）、及び前記可撓性コア（４）の反対側の外面に配置された２つの外側繊維性フレーム（２，３）を有し、前記２つの外側繊維性フレーム（２，３）は、前記繊維性フレーム（２，３）を通過する糸部分（８，９）によって連結され、また前記プリフォーム（１）は樹脂で含浸されている、ステップと、
   Ｂ）前記プリフォームを硬化し、また前記コア（４）を除去するステップと、
   Ｃ）得られた構造体を高密度化するステップと
   を少なくとも含み、
   ステップＣにおいて、前記構造体が液相浸透法により高密度化されること、
   ステップＢにおいて、ステップＣの前記高密度化に先立つ事前の高密度化が気相浸透法によって行われ、それにより前記プリフォーム（１）が、ひいては前記スペーサー（１３）を形成するための前記糸貫通部分（８，９）が、事前に高密度化されていること、及び
   ステップＢとステップＣとの間の中間ステップにおいて、ステップＢで事前に高密度化された前記プリフォームが加工され、それによりねじ穴及び／又はボアが加工されること
   を特徴とする方法。
2. 少なくとも高密度化ステップであるステップＣの間、プラグ（１５）が前記ねじ穴及び前記ボア内に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. ステップＣにおいて、液相高密度化を実現するために、液体ペースト状のケイ素が導入されて、高密度化炉内の熱及び圧力の影響で広がることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. ステップＡにおいて、厚さが変化する繊維性プリフォームが製造されることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか一項に記載の方法。
5. ステップＡにおいて、
   ａ）針で貫通可能であり且つマトリクスを生成する樹脂を浸透させない材料で作られた中間可撓性コア（４）と、前記可撓性コア（４）の反対側の外面に配置された２つの外側可撓性繊維性フレーム（２，３）とを有する可撓性サンドイッチ構造体（１）が形成され、
   ｂ）前記サンドイッチ構造体（１）の前記繊維性フレーム（２，３）及び前記コア（４）は、前記繊維性フレーム（２，３）及び前記コア（４）を通過する糸部分（８，９）を含む縫糸を形成する糸（５）を用いた縫合によって連結され、前記縫糸（５）は、互いに結合されていない複数のフィラメントを有するロービングからなり、前記繊維性フレーム（２，３）及び前記コア（４）を通過する前記糸部分（８，９）は、前記縫合作業後に、前記フィラメント間に設けられた複数の長手方向通路であって、前記繊維性フレームの一方から他方に延びる複数の長手方向通路を前記コア内に有し、
   ｃ）前記サンドイッチ構造体（１）は前記樹脂で含浸され、この含浸作業は、前記各糸貫通部分（８，９）の位置に樹脂ブリッジを形成するために、前記硬化性樹脂が前記糸貫通部分（８，９）の前記長手方向通路を通るように行われ、前記樹脂ブリッジの両端は、前記可撓性繊維性フレーム（２，３）に含浸した樹脂と接触している
   ことを特徴とする、請求項１から４までのいずれか一項に記載の方法。

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