JP3890400B2 - 耐酸化型ｃ／ｃ基材 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロケットや宇宙往還機等の機体構成部材やエンジン構成部材等に適用される耐酸化型Ｃ／Ｃ基材に関するものである。なお、Ｃ／Ｃとは、炭素繊維強化炭素複合材料を意味する。
【０００２】
【従来の技術】
ロケットや宇宙往還機等の機体構成部材やエンジン構成部材等は、大気圏内での空気摩擦により、超高温度（例えば１２００℃〜１３００℃以上）に曝される。このような超高温度に耐える材料は金属にはないが、Ｃ／Ｃ材は、上記超高温度においても強度が低下しないので、有望な材料として注目されている。しかし、Ｃ／Ｃ材は、空気中で超高温度に曝されると酸化して著しく強度が劣化するという問題が有る。
【０００３】
そこで、Ｃ／Ｃ材の表面に耐熱・耐酸化材料製被膜層を形成して被覆することが特開平５−１７０５７７号公報、特開平７−２６７７６４号公報、特開平８−１６９７８６号公報等で提案されている。
【０００４】
ところがこの場合、急激な温度上昇によって、Ｃ／Ｃ材と、その表面を被覆する耐熱・耐酸化材料製被膜層との熱膨張係数差による熱応力で層間剥離やクラックが発生し、Ｃ／Ｃ材が酸化する問題があった。
【０００５】
この点を改善するため、例えば、特開平６−２３４５７０号公報、特開平８−２５３８６１号公報、特開平１１−２６８９７８号公報等が提案されている。これらの提案は、Ｃ／Ｃ材の表面に、熱膨張係数差による熱応力を段階的に緩和するための耐熱・耐酸化材料製被膜層を多層に形成したり、中間層として形成しておくというものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の提案は、Ｃ／Ｃ材の表面に耐熱・耐酸化材料製被膜層を多層的に積層形成するという発想に基づくものである。
【０００７】
ところがこれであると、Ｃ／Ｃ材と、多層的に積層形成された耐熱・耐酸化材料製被膜層との結合力が十分ではなく、超高速で飛翔するロケットや宇宙往還機の機体の如く大気圏内で急激に超高温に加熱される場合では、層間剥離や亀裂等が発生する問題があった。しかも、Ｃ／Ｃ材の表面に耐熱・耐酸化材料製被膜層を多層的に積層形成するには、手数がかかり、コスト上でも問題があった。また、従来技術はコーティング層と基材との膨張係数差による熱破壊を解決させるために、Ｃ／Ｃ基材とＳi Ｃ被膜との間に数百ミクロンの薄い中間層を設け熱応力緩和を図っているが、繊維強度が応力を支配するために十分な熱応力制御ができなかった。
【０００８】
本発明は、Ｃ／Ｃ基材の表面層にセラミックス繊維を組織的に織り込んだり、埋め込むなどして基材内での繊維配向率で熱膨張率や剛性特性の制御を図るとともに、面外の繊維で基材を拘束一体化し、急激に超高温に加熱されても耐熱・耐酸化材料製被膜層とＣ／Ｃ材との境界面での層間剥離や亀裂等の発生を抑制した耐酸化型Ｃ／Ｃ基材を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１に記載の耐酸化型Ｃ／Ｃ基材は、耐熱／耐酸化性繊維のみからなる表層糸を面内に二次元に配向して構成された表層組織部と、耐熱／耐酸化性繊維と炭素繊維との複数種の糸からなる中層糸を面内に二次元に配向して構成された中層組織部と、炭素繊維のみからなる深層糸を面内に二次元に配向して構成された深層組織部と、それらの層をわたり三層を一体化する耐熱／耐酸化性繊維または炭素繊維あるいはそれらの配合糸で構成された層間結合糸とからなることを特徴とする。この構成によれば、表層組織部と、中層組織部と、深層組織部とが、層間結合糸によって物理的に強固に結合されるため、層間剥離することがない。しかも、Ｃ／Ｃ基材を構成するに当り、例えば、表層組織部には耐熱／耐酸化性繊維のみからなる表層糸を使用し、中層組織部には耐熱／耐酸化性繊維と炭素繊維とを配合した中層糸を使用し、深層組織部には炭素繊維のみからなる深層糸を使用することによって、耐酸化型Ｃ／Ｃ基材の製造が容易となる。さらに、表層組織部は、耐熱／耐酸化性繊維のみからなる表層糸を面内に二次元方向に配向して構成されているため、超高温下においても耐熱／耐酸化機能を備えており、これによって、深層組織部のＣ／Ｃ材が酸化することを防止させることが可能となる。また、中層組織部は、耐熱／耐酸化性繊維と炭素繊維とを配合した中層糸を面内に二次元方向に配向し、熱膨張係数差による熱応力を緩和させることができる。
【００１０】
本発明の請求項２に記載の耐酸化型Ｃ／Ｃ基材は、前記中層組織部に配向される中層糸の耐熱／耐酸性繊維と炭素繊維との配合比率が、表層組織部側から深層組織部側に向けて耐熱／耐酸化性繊維を漸次減少させると共に、炭素繊維の配合比率を漸次増加させたことを特徴とする。この構成によれば、熱膨張係数差による熱応力を一層効果的に緩和させることができる。
【００１１】
本発明の請求項３記載の耐酸化型Ｃ／Ｃ基材は、前記中層組織部の面内に配向される中層糸が耐熱／耐酸化性繊維と炭素繊維との合糸または撚糸であることを特徴とする。この構成によって、中層組織部の配合糸の製作が容易となり、織成も容易となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る耐酸化型Ｃ／Ｃ基材の一例を示す要部概略斜視断面図である。
【００１３】
図１において、符号１０は本発明に係る耐酸化型Ｃ／Ｃ基材を示すもので、表層組織部１１と、中層組織部１２と、深層組織部１３と、層間結合糸４からなり、全体を三次元織組織で構成している。
【００１４】
表層組織部１１は、耐熱／耐酸化性繊維のみからなる表層糸１をＸＹ面内に二次元方向に配向して構成されている。表層組織部１１の厚さは、表層に平行に配向される表層糸１の積層段数にして適宜段数とされ、例えば、図１においては、Ｘ方向とＹ方向とに配向される表層糸１の１〜３段分程度とする。
【００１５】
中層組織部１２は、耐熱／耐酸化性繊維と炭素繊維とを配合した中層糸２をＸＹ面内に二次元方向に配向して構成される。中層組織部１２の厚さは、表層に平行に配向される中層糸２の積層段数にして適宜段数とされ、例えば、図１においては、２〜６段分程度とし、耐熱／耐酸化性繊維と炭素繊維との配合比率が、表層組織部１１側から深層組織部１３側に向けて耐熱／耐酸化性繊維を漸次減少させると共に、炭素繊維の配合比率を漸次増加させたものとする。理想的には、耐熱／耐酸化性繊維と炭素繊維との配合比率を、１００：０（％）（表層側）〜０：１００（％）（深層側）とするのが最良であるが、これに近似させて段階的に配合比率を変化させるものである。
【００１６】
深層組織部１３は、炭素繊維のみからなる深層糸３のみをＸＹ面内に二次元方向に配向して構成されている。
【００１７】
層間結合糸４は、前記表層組織部１１、中層組織部１２及び深層組織部１３の各層をわたり三層を一体化するもので、耐熱／耐酸化性繊維または炭素繊維あるいはそれらの配合糸で構成される。この層間結合糸４は、連続繊維で構成してもよく、または、短繊維で構成してもよい。
【００１８】
本発明の耐酸化型Ｃ／Ｃ基材１０は、前記表層組織部１１の表面が、最終的には、耐熱／耐酸化材料製被膜層で被覆されるもので、これにより、表層組織部１１の織目が耐熱／耐酸化材料で埋められるものである。
【００１９】
本発明において、前記耐熱／耐酸化性繊維としては、Ｓｉー Ｔｉー Ｃー Ｏ系、Ｓi-Ｚr-Ｃ- Ｏ系、Ｓi-Ａl-Ｃ系、Ｓi-Ｃ- Ｏ系、Ｓi-Ｃ系、Ａl₂Ｏ₃-Ｓi Ｏ₂ 系のいずれかを使用することができる。
【００２０】
本発明の実施形態は以上の通りであって、上記構成の耐酸化型Ｃ／Ｃ基材１０によれば、表層組織部１１と、中層組織部１２と、深層組織部１３とが、各層間を結合する糸４によって物理的に強固に結合されるため、層間剥離することがない。しかも、表層組織部１１は、耐熱／耐酸化性繊維のみからなる表層糸１を面内に二次元方向に配向して構成されているため、超高温下においても耐熱／耐酸化機能を備えており、これによって、中層組織部１２および深層組織部１３の炭素繊維が酸化することを防止させることが可能となる。また、中層組織部１２は、耐熱／耐酸化性繊維と炭素繊維とを配合した中層糸２を面内に二次元方向に配向して構成され、かつ、耐熱／耐酸化性繊維と炭素繊維との配合比率を、表層組織部１１側から深層組織部１３側に向けて耐熱／耐酸化性繊維を漸次減少させると共に、炭素繊維の配合比率を漸次増加させているため、熱膨張係数差による熱応力を緩和させることができる。
【００２１】
本発明に係る耐酸化型Ｃ／Ｃ基材１０の耐熱性能を確認するために、図１に示す構成の本発明の耐酸化型Ｃ／Ｃ基材１０をＣ／Ｃ材として表面に耐熱耐酸化材料製被膜層を施し、図２に示す加熱試験温度パターンで耐熱性能試験を実施したところ、図３に示す結果が得られた。なお、図２は試料片を２００℃から１７００℃まで急激に（約２７分間で）加熱昇温させ、その状態をしばらく（約１０分間）持続し、急冷したことを示している。図３は、（Ａ）従来品を基材にした試験片と（Ｂ）本発明品を基材にした試験片の加熱冷却試験後の表面状態とその拡大図を示す。加熱冷却試験は、１５００℃×１０サイクルと、１７００℃×１サイクルの計１１サイクルを行ったが、従来品試験片は表面のコーティング層にクラックが入ったり、層が大きく剥離する現象がみられたが、本発明品試験片の表面状態は試験前となんら変化はなかった。このことから、ロケット等が大気圏を通過する時間と発生摩擦熱の平均値よりも多い目の過酷な耐熱試験でも耐熱・耐酸化材料製被膜層に剥離や亀裂が起こらないことが確認できた。
【００２２】
本発明の実施形態では、表層組織部１１と、中層組織部１２と、深層組織部１３とを構成する糸の配向方向を直交ＸＹ方向としているが、本発明は、これらの方向に斜交する方向の糸をＸＹ面内に配向し、これらの各層をわたり一体化する層間結合糸をＺ方向に貫通配向して三次元織組織としたものも含むものである。
【００２３】
また、本発明は、前記中層組織部１２を表層組織部１１と深層組織部１３との間に介在させることが理想的であるが、ロケットの内部等の熱的条件がやや緩慢な箇所に適用される部品等に対しては、前記中層組織部１２を省略し、表層組織部１１と深層組織部１３とだけで構成し、これら二層を層間結合糸４で結合したＣ／Ｃ基材を用いて製作してもよい。この場合でも、深層組織部１３のＣ／Ｃ材の酸化を表層組織部１１によって防止させることができ、かつ、層間結合糸４の物理的結合力によって表層組織部１１の層間剥離や亀裂を防止させることができる。
【００２４】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、表層組織部と、中層組織部と、深層組織部とが層間結合糸によって物理的に強固に結合されるため、層間剥離することがない。しかもＣ／Ｃ基材を構成するに当り、例えば表層組織部には耐熱／耐酸化性繊維のみからなる表層糸を使用し、中層組織部には耐熱／耐酸化性繊維と炭素繊維とを配合した中層糸を使用し、深層組織部には炭素繊維のみからなる深層糸を使用することによって、耐酸化型Ｃ／Ｃ基材の製造が容易となる。これを用いてＣ／Ｃ材とし、耐熱・耐酸化材料製被膜層を表面にコーティングした場合、急激に超高温に加熱されても熱歪みの差による境界面での剥離が起こらない。さらに、表層組織部は、耐熱／耐酸化性繊維のみからなる表層糸を面内に二次元方向に配向して構成されているため、超高温下においても耐熱／耐酸化機能を備えており、これによって、深層組織部のＣ／Ｃ材が酸化することを防止させることが可能となる。また、中層組織部は、耐熱／耐酸化性繊維と炭素繊維とを配合した中層糸を面内に二次元方向に配向し、かつ、耐熱／耐酸化性繊維と炭素繊維との配合比率を、表層組織部１１側から深層組織部１３側に向けて耐熱／耐酸化性繊維を漸次減少させると共に、炭素繊維の配合比率を漸次増加させているため、熱膨張係数差による熱応力を緩和させることができる。
【００２５】
請求項２の発明によれば、熱膨張係数差による熱応力を一層効果的に緩和させることができる。
【００２６】
請求項３の発明によれば、中層組織部の配合糸の製作が容易となり、織成も容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る耐酸化型Ｃ／Ｃ基材の一例を示す要部概略斜視断面図。
【図２】 耐熱性能試験の加熱試験温度パターンの一例を示すグラフ。
【図３】 加熱冷却後の（Ａ）従来品を基材にした試験片と、（Ｂ）本発明品を基材にした試験片の表面状態の比較図（写真）とその拡大図( 写真）。
【符号の説明】
１０ 耐酸化型Ｃ／Ｃ基材
１１ 表層組織部
１２ 中層組織部
１３ 深層組織部
１ 表層糸
２ 中層糸
３ 深層糸
４ 層間結合糸

Claims (3)

1. 耐熱／耐酸化性繊維のみからなる表層糸を面内に二次元に配向して構成された表層組織部と、耐熱／耐酸化性繊維と炭素繊維との複数種の糸を配合した中層糸を面内に二次元に配向して構成された中層組織部と、炭素繊維のみからなる深層糸を面内に二次元に配向して構成された深層組織部と、それらの層をわたり三層を一体化する耐熱／耐酸化性繊維または炭素繊維あるいはそれらの配合糸で構成された層間結合糸とからなることを特徴とする耐酸化型Ｃ／Ｃ基材。
2. 前記中層組織部に配向される中層糸の耐熱／耐酸性繊維と炭素繊維との配合比率が、表層組織部側から深層組織部側に向けて耐熱／耐酸化性繊維を漸次減少させると共に、炭素繊維の配合比率を漸次増加させたことを特徴とする請求項１記載の耐酸化型Ｃ／Ｃ基材。
3. 前記中層組織部の面内に配向される中層糸が耐熱／耐酸化性繊維と炭素繊維との合糸または撚糸であることを特徴とする請求項１記載の耐酸化型Ｃ／Ｃ基材。

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