JP2016504265A - セラミックマトリックス複合材料構造物を形成する方法、セラミックマトリックス複合材料構造物を形成するための装置、およびセラミックマトリックス複合材料構造物 - Google Patents

Abstract

セラミックマトリックス複合材料構造物を形成する方法。この方法は、セラミック繊維のプレフォームとプレセラミックマトリックスのスラリーを含む少なくとも一つのプレプレグ化複合材料を形成することを含む。セラミック繊維のプレフォームはセラミック繊維の単一のトウ、複数のトウのテープまたは織物を含んでいてもよい。改良された繊維の配置装置を用いて少なくとも一つのプレプレグ化複合材料を成形型の少なくとも一つの表面の上を覆って配置し、それにより少なくとも部分的に未硬化の複合材料構造物を形成する。少なくとも部分的に未硬化の複合材料構造物を少なくとも高温に曝露し、それにより少なくとも部分的に未硬化の複合材料構造物をセラミックマトリックス複合材料構造物に転化させる。セラミックマトリックス複合材料構造物を形成するためのシステム、改良された繊維の配置装置、およびセラミックマトリックス複合材料構造物も記載される。セラミックマトリックスは酸化物と非酸化物の両方の場合がある。【選択図】図２

Description

関連出願

優先権の主張
本出願は「セラミックマトリックス複合材料構造物を形成する方法、および関連するシステム、装置、およびセラミックマトリックス複合材料構造物」と題する米国特許出願１３／７４１０５２号（２０１３年１月１４日提出）の出願日の利益について権利主張する。

本開示は概して言えば、様々な態様において、セラミックマトリックス複合材料構造物を形成する方法、および関連するシステム、装置、およびセラミックマトリックス複合材料構造物に関する。特に本開示は、改良された繊維の配置装置を用いてセラミックマトリックス複合材料構造物を形成する方法、および関連するシステム、装置、およびセラミックマトリックス複合材料構造物に関する。

セラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）は、セラミックのマトリックス（母材）の中に埋め込まれた強化用セラミック繊維を含む材料である。ＣＭＣは、高温安定性、高い耐熱性、高い機械的保全性、高い硬度、高い耐食性、軽量性、非磁気特性、および非導電性などの様々な望ましい特性を示すことができる。従って、ＣＭＣは、これらの特性の一つ以上を必要とする構造物、例えば航空宇宙、海洋および自動車の構造物を含めた多くの産業用および軍事用の構造物を形成するために用いることができる。

ＣＭＣ構造物を形成するための一つの方法には、樹脂トランスファー成形（ＲＴＭ）の使用が含まれる。ＲＴＭを用いてＣＭＣ構造物を形成するために、セラミック繊維は型の中に所望の配置で置かれる。次いで、型は排気され、樹脂が型の中に圧力をかけて導入され、そして樹脂が固まることができるように型の温度が制御される。次いで、樹脂は硬化され、そして高温で熱分解されてＣＭＣ構造物が形成される。しかしながら、あいにく、ＲＴＭは一般に（例えば、型のサイズの制限のために）比較的小さなＣＭＣ構造物の形成における使用に限定されていて、またセラミックマトリックスの均一さの問題が生じる場合がある。例えば、加工を行う間に樹脂の中にガスの泡が導入されるか、あるいは樹脂の中でガスの泡が発生する可能性があり、硬化および熱分解を行う間にそれらの泡を逃がすことはできず、あるいは除去することも困難である。その結果、ＣＭＣ構造物のセラミックマトリックスの中にガスの泡が存在するかもしれず、構造物の望ましい特性に悪影響を及ぼす可能性がある。

ＣＭＣ構造物を形成するための別の方法には、化学的蒸気浸透（ＣＶＩ）の使用が含まれる。ＣＶＩを用いてＣＭＣ構造物を形成するためには、乾燥したセラミックの織物のような乾燥セラミック繊維のプレフォーム（予備成形物）が成形型の上に所望の配置で置かれ、それにより乾燥したセラミック繊維構造物が形成される。次いで、化学蒸着（ＣＶＤ）のプロセスが用いられて乾燥セラミック繊維構造物にセラミックマトリックスを浸透させ、それによりＣＭＣ構造物が形成される。しかしながら、あいにく、乾燥セラミック繊維構造物が適切な形状になることが保証されて、またＣＭＣ構造物が均一なセラミックマトリックスを含むことが保証されるためには、ＣＶＩは複雑で費用の高い成形用具を必要とする。加えて、ＣＶＤプロセスの特質は典型的に成形用具の再利用性を制限するものであり、そのためＣＭＣ構造物の製作コストが著しくかさむことになる。

ＣＭＣ構造物を形成するためのさらに別の方法には、プレセラミックマトリックスのスラリーを浸透させたセラミック繊維のプレフォーム（例えば、セラミックテープまたはセラミックの織物）を成形型の上に手作業で配置して（例えば、レイアップ（堆積）して）、それにより未硬化の複合材料構造物を形成することが含まれる。次いで、未硬化の複合材料構造物は硬化され、そして焼結または熱分解されて所望のＣＭＣ構造物が形成される。しかしながら、あいにく、手作業での配置には時間がかかって大きな労働力を要するかもしれないので、そのようなプロセスはかなり高費用になり、また人為的ミスにより製品に欠陥が生じる可能性が高まる。

ＣＭＣ構造物を形成するためのさらに別の方法には、プレセラミックマトリックスのスラリーを浸透させたセラミック繊維のトウを成形型の上にフィラメント巻きして、それにより未硬化の複合材料構造物を形成することが含まれる。次いで、未硬化の複合材料構造物は硬化され、そして焼結または熱分解されて所望のＣＭＣ構造物が形成される。しかしながら、あいにく、フィラメント巻きは一般に、実質的に円筒形のＣＭＣ構造物を形成することに限定される。すなわち、上にトウを巻きつける成形型は一般に実質的に円筒形のものに限定され、従って、トウは、それが成形型の上の決まった位置に留まることが可能な配置経路（例えば、測地線のような経路）に沿うことになる。

従って、ＣＭＣ構造物を形成するための従来の方法、システムおよび装置に比べて容易に用いることができて、費用対効果が高く、迅速で、そしてより一層多目的に使用できる、ＣＭＣ構造物を形成するための新たな方法、システムおよび装置を得ることが望ましいだろう。そのような方法、システムおよび装置は、例えば、産業および軍事の用途におけるＣＭＣ構造物の採用と使用の増大を促進しうる。

ここに記載される態様には、セラミックマトリックス複合材料構造物を形成する方法、および関連するシステム、装置、およびセラミックマトリックス複合材料構造物が含まれる。例えば、ここに記載される一つの態様によれば、セラミックマトリックス複合材料構造物を形成する方法は、セラミック繊維のプレフォームとプレセラミックマトリックスのスラリーを含む少なくとも一つのプレプレグ化複合材料を形成することを含む。少なくとも一つのプレプレグ化複合材料は、改良された繊維の配置装置を用いて成形型の少なくとも一つの表面の上を覆って配置され、それにより少なくとも部分的に未硬化の複合材料構造物が形成される。少なくとも部分的に未硬化の複合材料構造物は少なくとも高温に曝露され、それにより少なくとも部分的に未硬化の複合材料構造物はセラミックマトリックス複合材料構造物に転化する。

さらなる態様において、セラミックマトリックス複合材料構造物を形成するためのシステムは、改良された繊維の配置装置、硬化装置、および緻密化装置を含む。改良された繊維の配置装置は、成形型の少なくとも一つの表面の上を覆って少なくとも一つのプレプレグ化複合材料を配置するように構成され、少なくとも一つのプレプレグ化複合材料はプレセラミックマトリックスのスラリーを浸透させたセラミック繊維のプレフォームを含む。硬化装置は、少なくとも部分的に未硬化の複合材料構造物を硬化して、それにより実質的に硬化した複合材料構造物を形成するように構成される。緻密化装置は、実質的に硬化した複合材料構造物を緻密にして、それによりセラミックマトリックス複合材料構造物を形成するように構成される。

さらなる態様において、改良された繊維の配置装置は、プレセラミックマトリックスのスラリーを浸透させたセラミック繊維のプレフォームを含む少なくとも一つのプレプレグ化複合材料を引き抜く、整列させる、配置する、切断する、および再装着するように構成された少なくとも一つの配置ヘッドと、少なくとも一つのプレプレグ化複合材料の少なくとも一つのリール（巻枠）を含む。

さらなる態様において、セラミックマトリックス複合材料構造物は、セラミック繊維のプレフォームとプレセラミックマトリックスのスラリーを含む少なくとも一つのプレプレグ化複合材料を形成し、少なくとも一つのプレプレグ化複合材料を、改良された繊維の配置装置を用いて成形型の少なくとも一つの表面の上を覆って配置して、それにより少なくとも部分的に未硬化の複合材料構造物を形成し、そして少なくとも部分的に未硬化の複合材料構造物を少なくとも高温に曝露して、それにより少なくとも部分的に未硬化の複合材料構造物をセラミックマトリックス複合材料構造物に転化させることを含む方法によって形成される構造物を含む。

図１はＣＭＣ構造物を形成する方法の簡略化した流れ図であり、本開示の態様に係るものである。 図２は図１に示す方法についてのレイアップ工程の簡略化した斜視図であり、本開示の態様に係るものである。 図３Ａはプレセラミックマトリックスのスラリーを浸透させる前のセラミック繊維のプレフォームの一部分の俯瞰図を示す写真であり、本明細書で提示する実施例に記載したものである。 図３Ｂは成形型の表面の上にプレプレグ化複合材料を配置するために用いられるＡＦＰ装置の配置ヘッドを示す側面図であり、本明細書で提示する実施例に記載したものである。 図３Ｃは成形型の上のプレプレグ化複合材料の二つの層の側面図を示す写真であり、本明細書で提示する実施例に記載したものである。 図３Ｄは硬化した複合材料構造物の斜視図を示す写真であり、本明細書で提示する実施例に記載したものである。 図３ＥはＣＭＣ構造物の斜視図を示す写真であり、本明細書で提示する実施例に記載したものである。

ＣＭＣ構造物を形成する方法、関連するシステム、装置、およびＣＭＣ構造物について説明する。幾つかの態様において、ＣＭＣ構造物を形成する方法は、改良された繊維の配置（ＡＦＰ）装置（これは「自動化した」繊維配置装置と呼んでもよい）を用いて成形型（tool）の少なくとも一つの表面の上に（または上を覆って）プレプレグ化複合材料を配置して（例えば、「レイアップ（堆積）して」）、それにより少なくとも部分的には硬化していない複合材料構造物を形成することを含む。次いで、少なくとも部分的に未硬化の複合材料構造物は硬化されてもよく、そして焼結または熱分解されてＣＭＣ構造物が形成される。このＣＭＣ構造物は広範囲の産業および軍事の用途において用いるために望ましい特性を示すだろう。本開示の態様の方法、システムおよび装置は、ＣＭＣ構造物を形成するために用いられる従来の方法、システムおよび装置よりも迅速で、費用対効果が高く、そしてより一層多目的なものであろう。

以下の記載では、本開示の態様の完全な説明を与えるために、材料のタイプや加工条件などの具体的な細目を提示する。しかし、本開示の態様はこれらの具体的な細目を用いることなく実施してもよいということを、当業者であれば理解するであろう。実際には、本開示の態様は当分野で用いられる従来の技術と共に実施されてもよい。本開示の態様を理解するのに必要なプロセスの行為と構造だけが、以下で詳しく説明される。本開示のＣＭＣ構造物を形成するための追加の行為は従来の技術によって行われるかもしれないが、それらの事についてはここでは詳しくは説明しない。また、本出願に付属する図面は例示のためだけのものであり、それらの図面は一定の縮尺では描かれていない。さらに、図面どうしで共通する要素は同じ数字によって示されているだろう。

本明細書で用いられている「で構成されている」、「を含む」、「によって特徴づけられる」およびこれらの文法上の同義語は、追加の列挙されていない要素または工程を排除しない包括的または無制限な用語であるだけでなく、もっと制限的な用語である「から成る」および「本質的に．．．から成る」およびこれらの文法上の同義語も含んでいる。本明細書で用いるとき、材料、構造、特徴点または方法の行為に関しての「であってもよい」という用語は、それらのことが本開示の態様の実施において用いることがあり得ることを示し、そしてその用語は、組合わせて用いることができる他の互換性のある材料、構造、特徴点および方法は排除されるべきであるという意味合いが避けられるように、もっと制限的な用語である「である」よりも優先して用いられる。

本明細書で用いるとき、文脈で明確に示していない限り、単数形の語は複数形のものも含めることが意図されている。
本明細書で用いるとき、「および／または」という用語は、関連する列挙された細目の一つ以上のものの任意の組み合わせおよび全ての組み合わせを含む。

本明細書で用いるとき、「第一の」、「第二の」、「上方に」、「頂点に」、「底部に」、「下にある」などの相関的な用語は、本開示と添付図面を理解する際の明確さと便宜のために用いられていて、文脈で明確に示していない限り、何らかの特定の優先性、方位または順序を示唆するものではなく、あるいはそれらに依存するものではない。

本明細書で用いるとき、所定のパラメーター、特性または条件に関しての「実質的に」という用語は、その所定のパラメーター、特性または条件がわずかな程度の分散を満たすこと（例えば、容認できる製造許容差の範囲内にあること）を当業者が理解できる程度以下であることを意味する。

図１は本開示の態様に係るＣＭＣ構造物を形成する方法を例示する簡略化した流れ図である。この方法は、ＡＦＰ装置を用いて成形型の表面の上に（または上を覆って）少なくとも一つのプレプレグ化複合材料を配置することを含むレイアップ（堆積）工程１０２、成形型の表面の上に（または上を覆って）配置した後にプレプレグ化複合材料を硬化し、それにより硬化した複合材料構造物を形成することを含む硬化工程１０４、硬化した複合材料構造物を焼結または熱分解し、それによりＣＭＣ構造物を形成することを含む緻密化工程１０６、および、場合により、ＣＭＣ構造物をさらに処理する（例えば、機械加工すること、被覆することなど）を含む仕上げ工程１０８を含んでもよい。以下で提示する説明によって、ここで説明する方法は様々な用途において用いてもよいことが、当業者であれば容易に明らかになるであろう。言い換えると、この方法は、ＣＭＣ構造物を形成することが望ましいときはいつでも用いることができる。

ここで、本開示の一つの態様を図２を参照して説明する。図２はレイアップ工程１０２の簡略化した斜視図を例示している。図２に示すように、レイアップ工程１０２は、ＡＦＰ装置２００を用いて成形型２０４の少なくとも一つの表面２０６の上に（または上を覆って）少なくとも一つのプレプレグ化複合材料２０２を配置することを含む。プレプレグ化複合材料２０２としては、プレセラミックマトリックスのスラリーを浸透させた（例えば、含浸させた）セラミック繊維のプレフォームがある。本明細書で用いるとき、「セラミック繊維のプレフォーム」という用語は、セラミック繊維で形成された構造物およびセラミック繊維を含む構造物を意味し、またそのような構造物を含むものである。セラミック繊維は連続していてもよく、またセラミック繊維のプレフォームの長手に対して概ね平行な方向、概ね垂直な方向、または別の角度の方向に配向していてもよい。セラミック繊維のプレフォームは、セラミック繊維の単一のトウ（例えば、セラミック繊維の実質的に一方向の束）を含んでいてもよく、あるいはセラミック繊維の複数のトウのテープ（例えば、ガラス材料のようなもう一つの材料を用いて縫い合わせたセラミック繊維の実質的に一方向のトウが整列したもの）を含んでいてもよく、あるいはセラミック繊維の複数のトウの織物（例えば、複数のトウの平織り、複数のトウの４枚朱子織り、複数のトウの５枚朱子織り、複数のトウの８枚朱子織りなど）を含んでいてもよい。セラミック繊維のプレフォームは、プレプレグ化複合マトリックス材料２０２を成形型２０４に付与するのに用いられるＡＦＰ装置２００と適合する任意の寸法（例えば、長さ、幅、厚さ）を有していてもよい。例えば、セラミック繊維のプレフォームは、所望の量のプレプレグ化複合材料２０２を成形型２０４の表面２０６の上に（または上を覆って）配置することを可能にする長さを有していてもよく、またＡＦＰ装置２００の配置手段（例えば、配置ヘッド）と適合する幅、例えば、約１/８インチ（すなわち、約３．１７５ミリメートル）から約１インチ（すなわち、約２５．４ミリメートル）までの範囲内の幅を有していてもよい。幾つかの態様において、セラミック繊維のプレフォームの幅は約１インチ（すなわち、約２５．４ミリメートル）である。

セラミック繊維のプレフォームのセラミック繊維は、プレプレグ化複合材料２０２の他の成分（例えば、プレセラミックマトリックスのスラリー）と適合するセラミック材料であって、形成されるＣＭＣ構造物を強化するのに適した物理的特性およびＣＭＣ構造物を形成するために用いられる加工条件（例えば、温度、圧力、周囲雰囲気など）に耐えられるように配合されたセラミック材料で形成されているか、またそのようなセラミック材料を含んでいてもよい。本明細書で用いるとき、「適合する」という用語は、意図的でない形で別の材料と反応せず、または別の材料を破壊もしくは吸収せず、また意図的でない形で別の材料の化学的および／または機械的な性質を損なわない材料を意味し、またそのような材料を含むものである。セラミック繊維は酸化物セラミックの繊維であってよく、あるいは非酸化物セラミックの繊維であってもよい。従って、セラミック繊維のプレフォームは酸化物をベースとするセラミック繊維のプレフォームであってよく、あるいは非酸化物をベースとするセラミック繊維のプレフォームであってもよい。適当な酸化物セラミックの繊維の非限定的な例としては、アルミナ繊維、アルミナ-シリカ繊維、およびアルミナ-ボリア-シリカ繊維がある。そのような酸化物セラミックの繊維は多くの供給元から市販されていて、そのような供給元としては、（これに限定はされないが）３Ｍ社（ミネソタ州、セントポール）がある（例えば、NEXTEL（登録商標）312、NEXTEL 440、NEXTEL 550、NEXTEL 610、およびNEXTEL 720の商品名で売られているもの）。適当な非酸化物セラミックの繊維の非限定的な例としては、炭化ケイ素繊維、窒化ケイ素繊維、炭素の心部の上の炭化ケイ素を含む繊維、チタンを含む炭化ケイ素の繊維、オキシ炭化ケイ素の繊維、オキシ炭窒化ケイ素の繊維、および炭素繊維がある。そのような非酸化物セラミックの繊維は多くの供給元から市販されていて、そのような供給元としては、（これらに限定はされないが）COI Ceramics, Inc.（カリフォルニア州、サンディエゴ）（例えば、SYLRAMIC（登録商標）の商品名で売られているもの）、日本カーボン（株）（日本、東京）（例えば、CG NICALCON（登録商標）、HI-NICALCON（登録商標）およびNICALCON TYPE S（登録商標）の商品名で売られているもの）および宇部興産（日本、東京）（例えば、TYRANNO SAおよびTYRANNO LoxMの商品名で売られているもの）がある。幾つかの態様において、セラミック繊維プレフォームのセラミック繊維はNEXTEL（登録商標）610繊維である。セラミック繊維を含むセラミック繊維プレフォームは慣用の工程と装置を用いて形成されてもよく、それらについて、ここでは詳しく説明はしない。

プレセラミックマトリックスのスラリーはセラミック繊維のプレフォームの上と周囲にセラミックマトリックスを形成するのに適したスラリーであってよく、後にさらに詳しく説明するように、ＡＦＰ装置２００を用いて成形型２０４の表面２０６の上に（または上を覆って）プレプレグ化複合材料２０２を配置することを容易にするために十分な化学的および機械的な性質（例えば、剛性、粘着性、耐環境性など）を有するものである。例えば、プレセラミックマトリックスのスラリーは、さらなる加工処理（例えば、焼結、熱分解など）によって酸化物セラミックのマトリックスまたは非酸化物セラミックのマトリックスを形成することができるように配合されたスラリーであってよく、またプレプレグ化複合材料２０２をＡＦＰ装置２００によって切断することができて、配置を行う間にそれ自体が少なくとも成形型２０４の表面２０６とプレプレグ化複合材料２０２に接着し、そして配置を完了させるために必要である限りにおいて、プレプレグ化複合材料２０２の配置と関連する物理的条件と環境上の加工条件に耐えて実質的に劣化することなく適応するように配合されたスラリーであってもよい。

非限定的な例として、プレセラミックマトリックスのスラリーは、酸化物セラミックのゾルと酸化物セラミックの充填材を含む酸化物をベースとするプレセラミックマトリックスのスラリーであってもよい。酸化物セラミックのゾルはアルミナゾル（例えば、水中のコロイドアルミナ）、シリカゾル（例えば、水中のコロイドシリカ）、アルミナ-シリカゾル（例えば、水中のコロイドアルミナ-シリカ）、またはこれらの組み合わせであってもよい。幾つかの態様において、酸化物セラミックのゾルはシリカゾルである。固体分（例えば、シリカ）は、酸化物セラミックのゾルの総重量の約１５パーセントから約６０パーセントまでを構成してもよい。一方、酸化物セラミックの充填材は、少なくとも一つの酸化物セラミック材料の粒子（例えば、アルミナ、シリカ、ジルコニアのうちの少なくとも一つの粒子）を含んでいてもよい。幾つかの態様において、酸化物セラミックの充填材はアルミナの粒子を含む。各々の粒子は所望の大きさ（例えば、約２０ナノメートルから約１０００ナノメートルまでの範囲内）および形状（例えば、球形、六面体形状、長円体形状、円柱形状、不整形状など）のものであってよい。加えて、粒子は単分散のものであってもよく、この場合、各々の粒子は実質的に同じ大きさと形状を有し、あるいは粒子は多分散のものであってもよく、この場合、粒子は様々な大きさおよび／または形状のものを含む。

酸化物をベースとするプレセラミックマトリックスのスラリーにおける酸化物セラミックゾル対酸化物セラミック充填材の比率は、酸化物セラミックゾルと酸化物セラミック充填材のために選択される材料の特性（例えば、熱安定性、粘度、重量、導電性など）、プレプレグ化複合材料２０２からＣＭＣ構造物を形成するために用いられる加工条件、および形成されるＣＭＣ構造物の所望の特性（例えば、熱安定性、耐熱衝撃性、機械的安定性、硬度、耐食性、重量、導電性など）に依存するだろう。酸化物をベースとするプレセラミックマトリックスのスラリーは、例えば、約２０重量パーセントから約６０重量パーセントまで（例えば、約２５重量パーセントから約４０重量パーセントまで）の酸化物セラミックのゾルを含んでいてもよく、そして約２０重量パーセントから約８０重量パーセントまで（例えば、約４０重量パーセントから約７０重量パーセントまで）の酸化物セラミックの充填材を含んでいてもよい。幾つかの態様において、酸化物をベースとするプレセラミックマトリックスのスラリーは、約２８重量パーセントのシリカゾルと約６０重量パーセントのアルミナ充填材を含む。

場合により、酸化物をベースとするプレセラミックマトリックスは、少なくとも一つの加工助剤を含んでいてもよい。加工助剤は、プレプレグ化複合材料２０２を配置する前、配置する間、および配置した後に適用される加工条件（例えば、温度、圧力、周囲環境など）との組み合わせでプレプレグ化複合材料２０２の一つ以上の特性を向上させる物質を含んでいてもよい。加工助剤は、例えば、成形型２０４の表面２０６の上にプレプレグ化複合材料２０２を配置する前および配置する間にプレプレグ化複合材料２０２の剛性、粘着性および耐環境特性（例えば、加工条件への最大に可能な適用時間）のうちの少なくとも一つを向上させる物質を含んでいてもよい。例えば、加工助剤は水溶性の有機物質を含んでいてもよく、そのようなものとしては、（これらに限定はされないが）ポリオール（例えば、グリセロール）、セルロースガム（例えば、メチルセルロース）、ビニルアルコール（例えば、ポリビニルアルコール）、グリコール（例えば、プロピレングリコール、エチレングリコール）、およびアラビアガムがある。幾つかの態様において、少なくとも一つの加工助剤にはプロピレングリコールとポリビニルアルコールが含まれる。（加工助剤が）含まれている場合は、加工助剤は酸化物をベースとするプレセラミックマトリックスの総重量の約０．１パーセントから約２０パーセントまで、例えば、酸化物をベースとするプレセラミックマトリックスの総重量の約５パーセントから約１５パーセントまでを構成していてもよい。幾つかの態様において、酸化物をベースとするプレセラミックマトリックスは約１０．５重量パーセントのプロピレングリコールと約１．５重量パーセントのポリビニルアルコールを含む。

別の非限定的な例として、プレセラミックマトリックスのスラリーは、非酸化物プレセラミックのポリマーと非酸化物セラミックの充填材を含む非酸化物をベースとするプレセラミックマトリックスのスラリーであってもよい。非酸化物プレセラミックのポリマーは、さらなる加工処理（例えば、硬化と熱分解）によって非酸化物セラミックのマトリックスを形成するとともに、プレプレグ化複合材料２０２を配置することを容易にするために十分な化学的および機械的な性質を有するように配合されたオルガノシリコンポリマーであってもよい。例えば、非酸化物プレセラミックのポリマーは、ポリシロキサン、ポリシラザン（例えば、ヒドリドポリシラザン、シラシクロブタシラザン、ホウ素変性ヒドリドポリシラザン、およびビニル変性ヒドリドポリシラザンのうちの少なくとも一つ）、ポリシラン、ポリカーボシラン、ポリカーボシラザン、およびポリシルセスキオキサンのうちの少なくとも一つを含んでいてもよく、このポリマーは、プレプレグ化複合材料２０２をＡＦＰ装置２００によって切断することを可能にするとともに、ＡＦＰ装置２００を用いて成形型２０４の表面２０６の上に（または上を覆って）配置することを可能にするものである。適当な非酸化物プレセラミックのポリマーは多くの供給元から市販されていて、そのような供給元としては、（これに限定はされないが）Starfire Systems（ニューヨーク州、スケネクタディ）がある（例えば、SMP-500およびSMP-800の商品名で売られているもの）。幾つかの態様において、非酸化物プレセラミックのポリマーはSMP-500である。一方、非酸化物セラミックの充填材は、少なくとも一つの非酸化物セラミック材料の粒子を含んでいてもよく、例えば、炭化ケイ素、窒化ケイ素、六ホウ化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、炭化ホウ素、ホウ化チタン、炭化チタン、および炭化ハフニウムのうちの少なくとも一つの粒子を含んでいてもよい。幾つかの態様において、非酸化物セラミックの充填材は炭化ケイ素の粒子を含む。各々の粒子は所望の大きさ（例えば、約２０ナノメートルから約１０００ナノメートルまでの範囲内）および形状（例えば、球形、六面体形状、長円体形状、円柱形状、不整形状など）のものであってよい。加えて、粒子は単分散のものであってもよく、この場合、各々の粒子は実質的に同じ大きさと形状を有し、あるいは粒子は多分散のものであってもよく、この場合、粒子は様々な大きさおよび／または形状のものを含む。

非酸化物をベースとするプレセラミックマトリックスのスラリーにおける非酸化物プレセラミックポリマー対非酸化物セラミック充填材の比率は、非酸化物プレセラミックポリマーと非酸化物セラミック充填材のために選択される材料の特性（例えば、熱安定性、粘度、重量、導電性など）、プレプレグ化複合材料２０２からＣＭＣ構造物を形成するために用いられる加工条件、および形成されるＣＭＣ構造物の所望の特性（例えば、熱安定性、耐熱衝撃性、機械的安定性、硬度、耐食性、重量、導電性など）と関係するだろう。非酸化物をベースとするプレセラミックマトリックスのスラリーは、例えば、約２０重量パーセントから約６０重量パーセントまで（例えば、約３０重量パーセントから約５０重量パーセントまで）の非酸化物プレセラミックのポリマーを含んでいてもよく、そして約２０重量パーセントから約６０重量パーセントまで（例えば、約３０重量パーセントから約５０重量パーセントまで）の非酸化物セラミックの充填材を含んでいてもよい。

場合により、非酸化物のプレセラミックマトリックスは少なくとも一つの硬化触媒を一つ以上と、少なくとも一つの相溶性溶剤（例えば、テトラヒドロフラン、ヘキサン、ヘプタン、ベンゼン、トルエン、キシレンなど）を含んでいてもよい。本明細書で用いるとき、「硬化触媒」という用語は、プレプレグ化複合材料２０２における非酸化物プレセラミックポリマーの深部の不融性化（例えば、硬化）を実質的に触媒することができる物質を指す。適当な硬化触媒は多くの供給元から市販されていて、そのような供給元としては、（これに限定はされないが）シグマ・アルドリッチ（ミズーリ州、セントルイス）がある（例えば、Luperox（登録商標）101の商品名で売られているもの）。（硬化触媒が）含まれている場合は、硬化触媒は酸化物をベースとするプレセラミックマトリックスの総重量の約０．１パーセントから約２パーセントまで、例えば、酸化物をベースとするプレセラミックマトリックスの総重量の約０．１パーセントから約１．５パーセントまでを構成していてもよい。

セラミック繊維のプレフォームとプレセラミックマトリックスのスラリーを含むプレプレグ化複合材料２０２は慣用の方法と装置を用いて形成してもよく、それらについてはここでは詳しく説明はしない。非限定的な例として、プレセラミックマトリックスのスラリーは、慣用の吹付け被覆法、慣用の浸漬被覆法、および慣用の浸軟法（ソーキング法）のうちの少なくとも一つを用いてセラミック繊維プレフォームのセラミック繊維の上および周囲に形成してもよい。プレプレグ化複合材料２０２を形成するのに用いられるプロセスの如何にかかわらず、セラミック繊維プレフォームの上および周囲にプレセラミックマトリックスのスラリーが均一かつ完全に浸透することが促進されるように、そのプロセスを制御してもよい。

幾つかの態様において、例えば、非酸化物のセラミックマトリックスをセラミック繊維プレフォームの上および周囲に含むＣＭＣ構造物を形成するのが望ましい場合、セラミック繊維プレフォームの上および周囲にプレセラミックマトリックスのスラリーを形成する前に、セラミック繊維プレフォームの上に少なくとも一つの界面材料を形成してもよい。界面材料は、例えば、セラミック繊維プレフォームとプレセラミックマトリックスのスラリーの間の界面接合を容易にするか、または接合を高める物質であってもよい。非限定的な例として、界面材料は窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、炭化ホウ素、およびカーボンのうちの少なくとも一つであってもよい。界面材料はセラミック繊維プレフォームの上に（または上を覆って）慣用のプロセス（例えば、化学蒸着、ポリマーの先駆物質での被覆とそれに続く熱分解、その他）と装置を用いて形成してもよく、それらについて、ここでは詳しく説明はしない。

引き続いて図２を参照すると、成形型２０４は所望の形態（例えば、大きさおよび形状）を呈する構造物であってもよく、プレプレグ化複合材料２０２と化学的および機械的に適合するものであって、そしてＡＦＰ装置２００を用いて成形型の表面２０６の上に（または上を覆って）プレプレグ化複合材料２０２を配置するために用いられる加工条件（例えば、温度、圧力、周囲環境など）に耐えることができる構造物である。成形型は、例えば、円錐形、ピラミッド形、立方体形状、直方体形状、球形、半球形、円筒形状、半円筒形状、これらの切頭状のもの、または不規則形状などの三次元形状を有していてもよい。不規則な三次元形状には、航空宇宙、海洋および自動車の構造物および装置（例えば、排気ダクト、ノズル、ファンカウル、および逆スラスト装置のような高温排気構造物、補助動力装置、胴体、テーパーウィングスキン、ノーズコーンなど）と関連する形状のような複雑な形状が含まれる。成形型２０４の表面２０６は平面または非平面（例えば、少なくとも部分的に凹状面、少なくとも部分的に凸状面、またはこれらの組み合わせのような曲線状）であってもよい。成形型２０４は慣用の方法と装置を用いて形成してもよく、それらについて、ここでは詳しく説明はしない。

成形型２０４は静止したものであってもよく、あるいは可動のものであってもよい。例えば、図２に示すように、成形型２０４は、その上に（または上を覆って）プレプレグ化複合材料２０２を配置する間に成形型２０４を回転させるように構成された回転装置２０８に取り外しできるように取り付けられていてもよい。成形型２０４の回転は、（もしそれを行うとすれば）ＡＦＰ装置２００に対して（例えば、コンピュータ数値制御によって）プレプレグ化複合材料２０２が成形型２０４の表面２０６の上に（または上を覆って）所望の形態（例えば、パターン）で配置されるように、制御することができる。

ＡＦＰ装置２００は、成形型２０４の表面２０６の上に（または上を覆って）プレプレグ化複合材料２０２を配置するように構成および操作される、いかなるＡＦＰ装置であってもよい。例えば、ＡＦＰ装置２００は、プレプレグ化複合材料２０２を引き抜く、整列させる、配置する、切断する、および再装着するように構成および操作される慣用の多軸ＡＦＰ装置であってもよい。図２に示すように、ＡＦＰ装置２００は例えば、少なくとも一つのリール（巻枠）２１０から少なくとも一つのプレプレグ化複合材料２０２（例えば、プレセラミックマトリックスのスラリーを浸透させた一つ以上のセラミックのトウ、セラミックのテープ、またはセラミックの織物の形の複合材料２０２）を引き抜いて、プレプレグ化複合材料２０２の少なくとも一部を成形型２０４の表面２０６の上に（または上を覆って）整列および配置して、配置した後にプレプレグ化複合材料２０２を切断し、そして所望のさらなる配置を行うためにプレプレグ化複合材料２０２を再装着するように構成および操作される配置ヘッド２１２を有していてもよい。ＡＦＰ装置２００はまた、成形型２０４の表面２０６の上に（または上を覆って）配置を行う前および／または間にプレプレグ化複合材料２０２の一つ以上の物理的特性（例えば、粘着性、剛性など）を操作するように構成および操作されてもよい。例えば、ＡＦＰ装置２００は、成形型２０４の表面２０６の上に（または上を覆って）配置を行う前にプレプレグ化複合材料２０２を（例えば、その剛性を増大させるために）約−２５℃から約３５℃までの範囲内の温度に冷却し、そして／または、成形型２０４の表面２０６の上に（または上を覆って）配置を行う間にプレプレグ化複合材料２０２を（例えば、その粘着性を増大させるために）約８５℃から約１６５℃までの範囲内の温度に加熱するように構成および操作されてもよい。プレプレグ化複合材料２０２の物理的特性の操作は、ＡＦＰ装置２００の単一の部分（例えば、配置ヘッド２１２の中）で行ってもよく、あるいはＡＦＰ装置２００の複数の部分（例えば、少なくとも一つのリール２１０を含む囲いの中、および配置ヘッド２１２の中）で行ってもよい。ＡＦＰ装置２００によって行われる操作は（例えば、コンピュータ数値制御の使用によって）実質的に自動的なものとしてもよい。ＡＦＰ装置２００として用いるのに適したＡＦＰ装置の非限定的な例は、米国特許５２９０３８０号、同６０５０３１５号、および同６０９６１６４号に記載されている。

ＡＦＰ装置２００は、複数のプレプレグ化複合材料２０２（例えば、プレセラミックマトリックスのスラリーを浸透させた複数のセラミックのトウ、セラミックのテープ、および／またはセラミックの織物）を成形型２０４の表面２０６の上に、連続して端から端まで接触させて配置するものであってもよい。複数のプレプレグ化複合材料２０２は、同時に、順に、またはこれらの組合せで配置してもよい。加えて、ＡＦＰ装置２００は、ＡＦＰ装置２００を用いて前に配置した複数のプレプレグ化複合材料２０２の上に（または上を覆って）追加のプレプレグ化複合材料２０２（例えば、プレセラミックマトリックスのスラリーを浸透させた追加のセラミックのトウ、セラミックのテープ、および／またはセラミックの織物）を配置するものであってもよい。従って、ＡＦＰ装置２００は、成形型２０４の表面２０６の上にプレプレグ化複合材料２０２を任意の所望の量の範囲および任意の所望の厚さになるまで配置することができる。複数のプレプレグ化複合材料２０２は、成形型２０４の表面２０６の上に（または上を覆って）少なくとも部分的に未硬化の複合材料の構造物（図示せず）を形成するものであってもよい。加えて、成形型２０４の表面２０６の上にプレプレグ化複合材料２０２の複数の層（例えば、プライ）を配置する場合、プレプレグ化複合材料２０２の各々の層は実質的に同じ方向に延びていてもよく（例えば、プレセラミックマトリックスのスラリーを浸透させた各々のセラミックのトウ、セラミックのテープ、および／またはセラミックの織物が、プレセラミックマトリックスのスラリーを浸透させた他の各々のセラミックのトウ、セラミックのテープ、および／またはセラミックの織物と平行な向きになる）、あるいは、プレプレグ化複合材料２０２の少なくとも一つの層は、プレプレグ化複合材料２０２の少なくとも一つの他の層とは異なる方向に延びていてもよい（例えば、プレセラミックマトリックスのスラリーを浸透させた一つの層におけるセラミックのトウ、セラミックのテープ、および／またはセラミックの織物が、プレセラミックマトリックスのスラリーを浸透させた別の層における他のセラミックのトウ、セラミックのテープ、および／またはセラミックの織物とは異なる方向に延びている）。

このレイアップ工程１０２は、従来のポリマーマトリックス複合材料（ＰＭＣ）の製造において用いられたＡＦＰ装置を利用することができる、という利点を有する。そのようなＡＦＰ装置はＰＭＣ構造物を製作するのに首尾よく用いられていたが、そのようなＡＦＰ装置の以前の利用においては、ＣＭＣ構造物を形成するためのその装置の使用については認識または評価されなかった。

レイアップ工程１０２に続いて、少なくとも部分的に未硬化の複合材料の構造物を、所望の形態を有するＣＭＣ構造物を形成するために少なくとも硬化工程１０４（図１）および緻密化工程１０６（図１）に供してもよい。硬化工程１０４は、少なくとも部分的に未硬化の複合材料の構造物を、取り扱うのに十分な機械的保全性を有する実質的に硬化した複合材料構造物（図示せず）を形成するのに十分な時間にわたって、（例えば、オートクレーブ、圧縮成形用金型または積層プレスのような硬化装置を用いて）高温および高圧のうちの少なくとも一つの環境に供することを含んでもよい。非限定的な例として、少なくとも部分的に未硬化の複合材料の構造物が実質的に未硬化である場合、硬化工程１０４は、上に（または上を覆って）形成された少なくとも部分的に未硬化の複合材料の構造物を含む成形型２０４を減圧バッグの中に置くことと、少なくとも部分的に未硬化の複合材料の構造物を、実質的に硬化した複合材料の構造物を形成するのに十分な時間にわたって、約１７５℃以下の少なくとも一つの温度および約１００ポンド/平方インチ（ｐｓｉ）（すなわち、約６．８９×１０^５パスカル）以下の少なくとも一つの圧力に晒すことを含んでもよい。次いで、実質的に硬化した複合材料の構造物は成形型２０４から取り出され、そしてＣＭＣ構造物を形成するためのさらなる加工に供してもよく、これについては後にさらに詳しく説明する。あるいは、少なくとも部分的に未硬化の複合材料の構造物が十分な機械的保全性を示す場合、硬化工程１０４は、少なくとも部分的に未硬化の複合材料の構造物を成形型２０４から取り出すことと、少なくとも部分的に未硬化の複合材料の構造物を、少なくとも部分的に未硬化の複合材料を保持するように構成された別の成形型（図示せず）の上に配置することと、少なくとも部分的に未硬化の複合材料の構造物と別の成形型を減圧バッグの中に置くこと、および、少なくとも部分的に未硬化の複合材料の構造物を、実質的に硬化した複合材料の構造物を形成するのに十分な時間にわたって上述した温度と圧力に晒すことを含んでもよい。

緻密化工程１０６は、実質的に硬化した複合材料の構造物を（例えば、高温炉のような緻密化装置を用いて）高温で焼結または熱分解し、それによりＣＭＣ構造物（図示せず）を形成することを含んでもよい。例えば、実質的に硬化した複合材料の構造物が酸化物のプレセラミックマトリックスを含む場合、実質的に硬化した複合材料の構造物を、所望の量の多孔率（例えば、約１０パーセントの多孔率から約２５パーセントの多孔率まで）を示す酸化物ＣＭＣ構造物を形成するのに十分な時間にわたって約１０００℃から約１３５０℃までの範囲内の温度で焼結してもよい。別の例として、実質的に硬化した複合材料の構造物が非酸化物のプレセラミックマトリックスを含む場合、実質的に硬化した複合材料の構造物を、不活性の周囲雰囲気（例えば、窒素雰囲気、アルゴン雰囲気など）の中で約６００℃から約１４００℃までの範囲内の温度で熱分解し、それにより非酸化物プレセラミックマトリックスのプレセラミックポリマーの少なくとも７０％を非酸化物セラミック材料に転化し、そして非酸化物ＣＭＣ構造物を形成してもよい。熱分解プロセスによってプレセラミックポリマーの全体未満が非酸化物セラミック材料に転化する場合、慣用の方法を用いて非酸化物ＣＭＣ構造物に追加のプレセラミックポリマーを浸透させ、次いで、少なくとも一つの追加の熱分解プロセスに供してもよく、この追加の熱分解プロセスは、非酸化物ＣＭＣ構造物が所望の量の非酸化物セラミック材料で形成された非酸化物セラミックマトリックスを有するようになるまで行う（例えば、約９５パーセント以上の非酸化物セラミック材料で形成された非酸化物セラミックマトリックスを有するようになるまで行う）。

図１に関して前に説明したように、緻密化工程１０６に続いて、場合により、ＣＭＣ構造物を少なくとも一つの仕上げ工程１０８に供してもよい。仕上げ工程１０８には、例えば、ＣＭＣ構造物を機械加工すること（例えば、トリミング（調整）、平坦化など）およびシールコーティング（封鎖被覆）すること（例えば、ＣＭＣ構造物が非酸化物ＣＭＣ構造物である場合）のうちの一つ以上が含まれてもよい。あるいは、仕上げ工程１０８を省いてもよく、ＣＭＣ構造物をそのまま用いてもよい。

本開示の方法、システムおよび装置を使用して、広範囲の形状と大きさ（例えば、軍事および産業の用途と関連する大きくて複雑な造形品を含めて）のＣＭＣ構造物の形成を、迅速に、かつ費用対効果の高いやり方で達成することができる。従って、本開示の方法、システムおよび装置は、非ＣＭＣ材料で形成される対応する航空宇宙、海洋および自動車の構造物と比較して、ＣＭＣ構造物の入手可能性を向上させ、改善された特性（例えば、温度安定性、耐熱性、硬度、耐食性、重量、非磁気特性、非導電性など）を示す航空宇宙、海洋および自動車の構造物の生産の増大を促進するだろう。

以下の実施例は、本開示の幾つかの態様をさらに詳しく説明するために提示される。この実施例は、その開示の範囲に関して、網羅的または排他的なものであるとは解釈されない。

シリカゾル、アルミナ充填材、プロピレングリコール加工助剤およびポリビニルアルコール加工助剤を含むプレセラミックマトリックスのスラリーを、慣用のボールミル法を用いて調製した。シリカゾルは水中に分散したコロイドシリカを含んでいた。コロイドシリカの粒子はシリカゾルの総重量の約４０パーセントを構成していて、シリカゾルはプレセラミックマトリックススラリーの総重量の約２８．１１パーセントを構成していた。アルミナ充填材はプレセラミックマトリックススラリーの総重量の約５９．９０パーセントを構成していて、そして約３００ナノメートルの平均直径を有するアルミナ粒子を含んでいた。プロピレングリコール加工助剤はプレセラミックマトリックススラリーの総重量の約１０．６２パーセントを構成していた。ポリビニルアルコール加工助剤はプレセラミックマトリックススラリーの総重量の約１．３７パーセントを構成していた。

次いで、ガラス繊維と縫い合わせた１５００デニールのNEXTEL（登録商標）610のトウから成る１０００リニアフィート（すなわち、３０４．８メートル）で幅が１インチ（すなわち、２５．４ミリメートル）のテープにプレセラミックマトリックスのスラリーを浸透させ、それにより、自動化したプレプレグ作製装置においてプレプレグ化複合材料を形成した。図３Ａは１５００デニールのNEXTEL 610のトウのテープの一部分の俯瞰図を示す写真であり、プレセラミックマトリックスのスラリーを浸透させる前のものである。プレプレグ化複合材料をリールの上に巻きつけ、そして、プレプレグ化複合材料の引き抜き、配置および切断を行うように構成された慣用のＡＦＰ装置に供した。図３Ｂは使用したＡＦＰ装置の配置ヘッド３１２を示す側面図であり、装置上にプレプレグ化複合材料３０２のリール３１０を備えている。

このＡＦＰ装置は、機尾エンジンカバー（aft cowl）の寸法と形状を有する成形型の上に８層のプレプレグ化複合材料を形成するために用いられた。図３Ｃは成形型の上の８層のプレプレグ化複合材料の側面図を示す写真である。８層のうちの最初の層をＡＦＰ装置を用いて成形型の曲線状の表面上に配置し、８層のうちの第二の層をＡＦＰ装置を用いて最初の層の上に配置し、そして後続の層を同様のやり方で配置した（例えば、第三の層をＡＦＰ装置を用いて第二の層の上に配置し、第四の層をＡＦＰ装置を用いて第三の層の上に配置した）。第二の層のNEXTEL 610の繊維は、最初の層のNEXTEL 610繊維の方向から約＋４５度の向きに斜めにずれるようにした。同様に、後続の層（すなわち、第三の層から第八の層まで）のNEXTEL 610の繊維はそれぞれ、最初の層のNEXTEL 610繊維の方向から約−４５度、約９０度、約９０度、約−４５度、約＋４５度および約０度の向きにずれるようにした。

成形型の上への配置に続いて、８層のプレプレグ化複合材料を減圧バッグに入れ、次いで、約１２５℃の最大適用温度と約３０ｐｓｉ（すなわち、約２．０７×１０^５パスカル）の最大適用圧力を用いてオートクレーブの中で硬化し、それにより硬化した複合材料の構造物を形成した。図３Ｄは硬化した複合材料構造物の斜視図を示す写真である。次いで、硬化した複合材料構造物を、約１１５０℃の最大適用温度を用いて焼結し、そして通常の機械加工工程に供し、それにより機尾エンジンカバーの寸法と形状を有するＣＭＣ構造物を形成した。図３Ｅは得られたＣＭＣ構造物の斜視図を示す写真である。

本開示は様々な修正と代替の形態が可能であるが、図面における実施例として特定の態様を示し、それを本明細書で詳しく説明した。しかし、本開示は開示した特定の形態に限定することを意図してはいない。むしろ、本開示は、以下に添付する特許請求の範囲とそれらの法的な同等物によって定義される本発明の範囲に入る全ての変更、同等物および代替物を含むものである。

１０２ レイアップ工程、 １０４ 硬化工程、 １０６ 緻密化工程、 １０８ 仕上げ工程、 ２００ ＡＦＰ装置、 ２０２ プレプレグ化複合材料、 ２０４ 成形型、 ２０６ 成形型の表面、 ２０８ 回転装置、 ２１０ リール、 ２１２ 配置ヘッド、 ３０２ プレプレグ化複合材料、 ３１０ リール、 ３１２ 配置ヘッド。

Claims (26)

1. セラミックマトリックス複合材料構造物を形成する方法であって、次の各工程：
   セラミック繊維のプレフォームとプレセラミックマトリックスのスラリーを含む少なくとも一つのプレプレグ化複合材料を形成すること；
   改良された繊維の配置装置を用いて少なくとも一つのプレプレグ化複合材料を成形型の少なくとも一つの表面の上を覆って配置し、それにより少なくとも部分的に未硬化の複合材料構造物を形成すること；および
   少なくとも部分的に未硬化の複合材料構造物を少なくとも高温に曝露し、それにより少なくとも部分的に未硬化の複合材料構造物をセラミックマトリックス複合材料構造物に転化させること；
   を含む前記方法。
2. 改良された繊維の配置装置を用いて少なくとも一つのプレプレグ化複合材料を成形型の少なくとも一つの表面の上を覆って配置することは、少なくとも一つのプレプレグ化複合材料を引き抜く、整列させる、配置する、切断する、および再装着するように構成された装置を用いて、少なくとも一つのプレプレグ化複合材料を成形型の少なくとも一つの表面の上を覆って配置することを含む、請求項１に記載の方法。
3. 少なくとも一つのプレプレグ化複合材料を成形型の少なくとも一つの表面の上を覆って配置することは、改良された繊維の配置装置を用いて少なくとも一つのプレプレグ化複合材料を成形型の曲線状の表面の上を覆って配置することを含む、請求項１に記載の方法。
4. 少なくとも一つのプレプレグ化複合材料を成形型の少なくとも一つの表面の上を覆って配置することは、改良された繊維の配置装置を用いて複数のプレプレグ化複合材料を成形型の少なくとも一つの表面の上を覆って配置することを含む、請求項１に記載の方法。
5. 改良された繊維の配置装置を用いて複数のプレプレグ化複合材料を成形型の少なくとも一つの表面の上を覆って配置することは、次の各工程：
   改良された繊維の配置装置を用いてプレプレグ化複合材料の最初の層を成形型の少なくとも一つの表面の上に配置すること；および
   改良された繊維の配置装置を用いてプレプレグ化複合材料の第二の層をプレプレグ化複合材料の最初の層の上に異なる配向で配置すること；
   を含む、請求項４に記載の方法。
6. 少なくとも一つのプレプレグ化複合材料を形成することは、セラミック繊維の単一のトウ、セラミック繊維の複数のトウのテープ、およびセラミック繊維の複数のトウの織物のうちの少なくとも一つにプレセラミックマトリックスのスラリーを浸透させることを含む、請求項１に記載の方法。
7. 少なくとも一つのプレプレグ化複合材料を形成することは、改良された繊維の配置装置によって切断するのに十分な剛性と成形型の少なくとも一つの表面に付着するのに十分な粘着性をプレプレグ化複合材料に付与するように、プレセラミックマトリックスのスラリーを配合することを含む、請求項１に記載の方法。
8. 少なくとも一つのプレプレグ化複合材料を形成することは、酸化物をベースとするセラミック繊維のプレフォームに酸化物をベースとするプレセラミックマトリックスのスラリーを浸透させることを含み、酸化物をベースとするセラミック繊維のプレフォームは酸化物セラミックの繊維を含み、そして酸化物をベースとするプレセラミックマトリックスは酸化物セラミックのゾルと酸化物セラミックの充填材を含む、請求項１に記載の方法。
9. 酸化物セラミックの繊維にはアルミナ繊維、アルミナ-シリカ繊維およびアルミナ-ボリア-シリカ繊維のうちの少なくとも一つが含まれる、請求項８に記載の方法。
10. 酸化物セラミックのゾルにはアルミナゾル、シリカゾルおよびアルミナ-シリカゾルのうちの少なくとも一つが含まれ、そして酸化物セラミックの充填材にはアルミナとシリカのうちの少なくとも一つが含まれる、請求項８に記載の方法。
11. 酸化物をベースとするプレセラミックマトリックスは、成形型の少なくとも一つの表面の上に配置する前および配置する間に少なくとも一つのプレプレグ化複合材料の剛性、粘着性および耐環境特性のうちの少なくとも一つを増大させるように配合された水溶性の有機物質をさらに含む、請求項８に記載の方法。
12. 少なくとも部分的に未硬化の複合材料構造物を少なくとも高温に曝露し、それにより少なくとも部分的に未硬化の複合材料構造物をセラミックマトリックス複合材料構造物に転化させることは、次の各工程：
    少なくとも部分的に未硬化の複合材料構造物を硬化し、それにより実質的に硬化した複合材料構造物を形成すること；および
    実質的に硬化した複合材料構造物を焼結し、それによりセラミックマトリックス複合材料構造物を形成すること；
    を含む、請求項８に記載の方法。
13. 少なくとも一つのプレプレグ化複合材料を形成することは、非酸化物をベースとするセラミック繊維のプレフォームに非酸化物をベースとするプレセラミックマトリックスのスラリーを浸透させることを含み、非酸化物をベースとするセラミック繊維のプレフォームは非酸化物セラミックの繊維を含み、そして非酸化物をベースとするプレセラミックマトリックスは非酸化物プレセラミックのポリマーと非酸化物セラミックの充填材を含む、請求項１に記載の方法。
14. 非酸化物セラミックの繊維には炭化ケイ素繊維、窒化ケイ素繊維、炭素の心部の上の炭化ケイ素を含む繊維、チタンを含む炭化ケイ素の繊維、オキシ炭化ケイ素の繊維、オキシ炭窒化ケイ素の繊維および炭素繊維のうちの少なくとも一つが含まれる、請求項１３に記載の方法。
15. 非酸化物プレセラミックのポリマーにはポリシロキサン、ポリシラザン、ポリシラン、ポリカーボシラン、ポリカーボシラザンおよびポリシルセスキオキサンのうちの少なくとも一つが含まれ、そして非酸化物セラミックの充填材には炭化ケイ素、窒化ケイ素、六ホウ化ケイ素、窒化ホウ素、炭化ホウ素、ホウ化チタン、炭化チタン、炭化ハフニウムおよび窒化アルミニウムのうちの少なくとも一つが含まれる、請求項１３に記載の方法。
16. 非酸化物プレセラミックのポリマーは、成形型の少なくとも一つの表面の上に配置する前および配置する間に少なくとも一つのプレプレグ化複合材料の剛性、粘着性および耐環境特性のうちの少なくとも一つを増大させるように配合される、請求項１３に記載の方法。
17. 少なくとも部分的に未硬化の複合材料構造物を少なくとも高温に曝露し、それにより少なくとも部分的に未硬化の複合材料構造物をセラミックマトリックス複合材料構造物に転化させることは、次の各工程：
    少なくとも部分的に未硬化の複合材料構造物を硬化し、それにより実質的に硬化した複合材料構造物を形成すること；および
    実質的に硬化した複合材料構造物を熱分解することによって非酸化物プレセラミックのポリマーを非酸化物セラミック材料に転化し、それによりセラミックマトリックス複合材料構造物を形成すること；
    を含む、請求項１３に記載の方法。
18. セラミックマトリックス複合材料構造物を形成するためのシステムであって、次の各要素：
    成形型の少なくとも一つの表面の上を覆って少なくとも一つのプレプレグ化複合材料を配置するように構成された改良された繊維の配置装置、ここで、少なくとも一つのプレプレグ化複合材料はプレセラミックマトリックスのスラリーを浸透させたセラミック繊維のプレフォームを含む；
    少なくとも部分的に未硬化の複合材料構造物を硬化して、それにより実質的に硬化した複合材料構造物を形成するように構成された硬化装置；および
    実質的に硬化した複合材料構造物を緻密にして、それによりセラミックマトリックス複合材料構造物を形成するように構成された緻密化装置；
    を含む前記システム。
19. 改良された繊維の配置装置は、少なくとも一つのプレプレグ化複合材料を引き抜く、整列させる、配置する、切断する、および再装着するように構成されている、請求項１８に記載のシステム。
20. 改良された繊維の配置装置は、複雑な形状を有する三次元の成形型の曲線状の表面の上を覆って少なくとも一つのプレプレグ化複合材料を配置するように構成されている、請求項１８に記載のシステム。
21. 改良された繊維の配置装置は、成形型の少なくとも一つの表面の上を覆って少なくとも一つのプレプレグ化複合材料の配置を行う前および間に少なくとも一つのプレプレグ化複合材料の粘着性と剛性のうちの少なくとも一つを操作するように構成されている、請求項１８に記載のシステム。
22. 改良された繊維の配置装置は、成形型の少なくとも一つの表面の上を覆って複数のプレプレグ化複合材料を同時に、順に、またはこれらの組合せで配置するように構成されている、請求項１８に記載のシステム。
23. 改良された繊維の配置装置であって、次の各要素：
    プレセラミックマトリックスのスラリーを浸透させたセラミック繊維のプレフォームを含む少なくとも一つのプレプレグ化複合材料を引き抜く、整列させる、配置する、切断する、および再装着するように構成された少なくとも一つの配置ヘッド；および
    少なくとも一つのプレプレグ化複合材料の少なくとも一つのリール；
    を含む前記装置。
24. 少なくとも一つのプレプレグ化複合材料は、次の各要素：
    セラミック繊維の単一のトウ、セラミック繊維の複数のトウのテープ、またはセラミック繊維の複数のトウの織物を含むセラミック繊維プレフォーム；および
    セラミック繊維プレフォームの上および周囲にあるプレセラミックマトリックスのスラリー；
    を含む、請求項２３に記載の改良された繊維の配置装置。
25. 少なくとも一つの配置ヘッドは、成形型の少なくとも一つの表面の上を覆って配置を行う前に少なくとも一つのプレプレグ化複合材料を冷却し、そして成形型の少なくとも一つの表面の上を覆って配置を行う間に少なくとも一つのプレプレグ化複合材料を加熱するように構成されている、請求項２３に記載の改良された繊維の配置装置。
26. セラミックマトリックス複合材料構造物であって、次の各工程：
    セラミック繊維のプレフォームとプレセラミックマトリックスのスラリーを含む少なくとも一つのプレプレグ化複合材料を形成すること；
    少なくとも一つのプレプレグ化複合材料を、改良された繊維の配置装置を用いて成形型の少なくとも一つの表面の上を覆って配置して、それにより少なくとも部分的に未硬化の複合材料構造物を形成すること；および
    少なくとも部分的に未硬化の複合材料構造物を少なくとも高温に曝露して、それにより少なくとも部分的に未硬化の複合材料構造物をセラミックマトリックス複合材料構造物に転化させること；
    を含む方法によって形成される構造物を含む、前記セラミックマトリックス複合材料構造物。