JPH04219369A - セラミック繊維強化炭素材料及びその製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は宇宙往還機の熱防護材、
高温炉材等の高エネルギー吸収材として使用されるセラ
ミック繊維強化炭素材料及びその製造法に関する。

【０００２】

【従来の技術】宇宙往還機は高温から機体本体を防護す
る耐熱性、断熱性を備えるほかに、打上げ時や着陸時の
空気圧力による荷重、衝撃、振動等に耐える高強度、高
剛性、軽量などが要求される。特に大気圏突入時は、摩
擦熱により苛酷な高温環境にさらされる。このような高
速の飛行体のエネルギー吸収材料として、例えばアラミ
ド繊維織布の樹脂成形品（ＡＦＲＰ）の上に、炭化珪素
（ＳｉＣ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、炭化硼素（Ｂ４
Ｃ）等のセラミックの板を接着し、飛行体の鋭角の突端
に取付けたものが使用されている。この構成によれば、
セラミック板は飛行体が衝突したとき、セラミックの硬
さにより飛行体の頭部を変形させて貫通力を弱める。エ
ネルギーの大きさによってはセラミック板が割れ、この
場合はＡＦＲＰの層が飛行体のエネルギーを吸収し、貫
通を防止する。なお、割れたセラミック板は飛散しない
ようにテープで固定されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記したようなエネル
ギーの吸収材料は、（１）セラミック板とＡＦＲＰとの
二層構造であるため製造工程が複雑である、（２）セラ
ミックの板は複雑な形状にすることが難しく、かつ大き
さに制限がある、（３）アラミド繊維は紫外線により強
度が劣化するため、屋外の太陽光に曝露されるところで
はアラミド繊維単体例えばＡＦＲＰだけでは使用年数に
限界があるなど、製造上及び使用上の問題点を含んでい
る。

【０００４】本発明は上記した問題を解消するセラミッ
ク繊維強化炭素材料及びその製造法を提供することを目
的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、シリカ及び／
又はアルミナを主成分とするセラミック繊維多重織布の
空隙に炭素マトリックスを充填してなるセラミック繊維
強化炭素材料並びにシリカ及び／又はアルミナを主成分
とするセラミック繊維を紡糸し、これを多重織布とし、
液状の炭素源を含浸し、次いで焼成炭化するセラミック
繊維強化炭素材料の製造法に関する。

【０００６】本発明において、セラミック繊維はシリカ
及び／又はアルミナを主成分とするものが使用され、紡
糸してヤーンとされ、更に織機により多重織布とされる
。多重織布の層の数は使用目的に応じて選定され、特に
制限はない。該セラミック繊維はスフ、木綿等の有機繊
維と混綿して用いれば、これら有機繊維は液状の炭素源
との濡れが良く、多重織布への含浸性が良くなり、好ま
しい。

【０００７】液状の炭素源はタールピッチ、熱硬化性樹
脂のワニス等の炭化率の大きいものが用いられる。熱硬
化性樹脂は水溶性のフェノール樹脂が取扱いが容易で好
ましい。液状の炭素源の多重織布への含浸は浸漬、減圧
含浸、加圧含浸等のいずれでもよく、それらの組合せで
もよい。含浸後は熱硬化性樹脂を用いた場合はこれを加
熱硬化させ、タールピッチを用いた場合は冷却して成形
体とされる。次いで成形体を焼成して炭素源を炭化して
炭素マトリックスとして多重織布の空隙に充填し、セラ
ミック繊維を結合させると共に表面硬度の大きいセラミ
ック繊維強化炭素材料を得る。前記含浸及び焼成は２回
以上行えば、より結合強度及び表面硬度が大きくなり好
ましい。またセラミック繊維の１部を炭素繊維で置換し
てもよく、耐熱性を増大させるために例えばメチルシリ
ケートの含浸及び乾燥を行い、気孔にシリカを充填させ
てもよい。セラミック繊維強化炭素材料は、組成が重量
でセラミック繊維３５〜５０％及び炭素マトリックスが
６５〜５０％、気孔率が１２．５〜２２．５％、密度が
１．７５〜２．２５ｇ／ｃｍ３の場合がエネルギー吸収
性能が優れており、好ましい。

【０００８】

【実施例】次に本発明の実施例を説明する。

【０００９】実施例１ アルミナ及びシリカを主成分とするセラミック繊維（ニ
チアス製、ファインフレックスバルクファイバー、ＴＯ
ＭＢＯ　　Ｔ／＃５３００）９０重量％及びスフ１０重
量％を混綿機で混綿し、これをカーディングマシンにか
けてスライバーとし、次いでリング精紡機により撚りを
かけてセラミック繊維８５重量％及びスフ１５重量％の
セラミック紡糸とした。この糸は１０ｇ／ｍの重量で５
０回／ｍのＳ撚りがかかっている。この紡糸を２本Ｚ撚
り（５０回／ｍ）を加え、２０〜２５ｇ／ｍのヤーンと
した。このヤーンを多重織布織機にかけ、厚さ方向にヤ
ーンが５層に重ねられ、縦、横、厚さ方向にヤーンが織
り込められた幅３０ｃｍ、厚さ１ｃｍの織布を織り上げ
た。この織布の見掛密度は８０〜９０ｇ／１００ｃｍ３
であった。

【００１０】この織布を２０ｃｍ平方に切断し、水溶性
フェノール樹脂（日立化成工業製、ＰＲ５２４）のワニ
ス中に常温常圧で２４時間浸漬し、次いでオートクレー
ブに入れて６Ｋｇ／ｃｍ２の空圧をかけ、１６０℃で６
時間保持して成形体とした。この成形体の樹脂分は３５
重量％、吸水率は１５重量％であった。この成形体を鋼
鉄の焼成箱に入れ、周囲に１〜１．５ｍｍφの炭素粒を
充填し、蓋をして焼成し、樹脂を炭化させた。焼成は、
室温から１６０℃までを毎時１０℃で昇温して１６０℃
で６時間保持し、１６０℃から９００℃までを毎時５℃
で昇温して９００℃で６時間保持する方法によった。

【００１１】上記したフェノール樹脂の含浸及び焼成炭
化を更に３回繰返して、組成が重量でセラミック繊維５
０％及び炭素マトリックス５０％のセラミック繊維強化
炭素材料を得た。

【００１２】実施例２ アルミナを主成分とするセラミック繊維（ニチアス製、
ルビールバルクファイバー、Ｔ／＃５４７０−ＲＳ）９
０重量％及びスフ１０重量％を実施例１と同様にして混
綿及び紡糸してヤーンとした。但し、Ｚ撚りの回数は１
ｍ当り４０〜４５回とした。このヤーンから実施例１と
同様にして実施例１と同様の多重織布を織り上げた。こ
の織布の見掛密度は９０ｇ／１００ｃｍ３であった。

【００１３】この織布を２０ｃｍ平方に切断して加圧含
浸槽に入れて５ｍｍＨｇまで減圧した。この中に３５０
℃に加熱溶融したタールピッチ（川崎製鉄製、ＰＫ−Ｌ
）を注入して常圧に戻し、更に６Ｋｇ／ｃｍ２の空圧を
かけて６時間保持した後取出し、成形体を得た。この成
形体のピッチ含浸率は６０重量％であった。この成形体
を実施例１と同様の鋼鉄の焼成箱に入れ、周囲に１〜１
．５ｍｍφの炭素粒を充填し、蓋をして焼成し、ピッチ
を炭化させた。焼成は、室温から４００℃まで毎時１０
℃、４００℃から６００℃まで毎時５℃で昇温し、６０
０℃で５時間保持後１１００℃まで毎時１０℃で昇温し
、１１００℃で１０時間保持する方法によった。

【００１４】上記したピッチ含浸及び焼成炭化を更に３
回繰返して、組成が重量でセラミック繊維約４０％及び
炭素マトリックスが約６０％のセラミック繊維強化炭素
材料を得た。

【００１５】実施例１及び２で得られたセラミック繊維
強化炭素材料の特性を、防弾材に使用されている米国カ
ーボランダム社製の各種タイル（ＳｉＣ材を比較例１、
Ｂ４Ｃ材を比較例２及びＡｌ２Ｏ３材を比較例３とする
）と比較して、表１に示した。表において曲げ強度の縦
方向とは織布の長手方向、横方向とは織布の幅方向を示
す。

【００１６】

【表１】

【００１７】表１から、実施例のものは軽量であること
がわかる。また曲げ強度は大きくないが、比較例のセラ
ミック体のように一気に破壊せず、徐々に強度低下して
ゆく破壊モードであり、破面は繊維でつながっている。 また実施例のものの破断面にはセラミックの短繊維が毛
羽状に出ており、破壊片はばらばらにならなかった。こ
れらのことから実施例のものは断熱材ばかりでなく、防
弾材としても優れていることがわかる。

【００１８】実施例３ 高アルミナ短繊維（ニチアス製、ＴＯＭＢＯ　　Ｔ／＃
５４７０ＲＳ）の５重量部及びスフ５重量部を実施例１
と同様の方法で混綿、紡糸をして、重量が１０ｇ／ｍ、
撚りが５０回／ｍの単糸とした。この単糸２本と高張力
の炭素繊維（東レ製、トレカＴ３００）とを更にリング
精紡機で合糸して、重量が２０〜２５ｇ／ｍ、撚りが５
０回／ｍのヤーンを得た。このヤーンを実施例１と同様
にして多重織布織機にかけ、実施例１と同じ構成の織布
を得た。この織布の見掛密度は、５０ｇ／１００ｃｍ２
であった。

【００１９】この織布を３０ｃｍ平方に切断し、１１０
℃で５時間脱湿後、真空減圧含浸機に入れて５ｍｍＨｇ
に１時間保持した。次いで水溶性フェノール樹脂ＰＲ５
２４のワニスを注入し、常圧に戻して１２時間保持した
。この樹脂含浸物をそのままオートクレーブに入れ、６
Ｋｇ／ｃｍ２の空気圧をかけ、１６０℃で６時間保持し
て成形体を得た。この成形体は織布５５重量％及び樹脂
４５重量％からなり、吸水率は２０重量％、密度は１．
６３ｇ／ｃｍ３であった。この成形体を実施例１と同様
に鋼鉄の焼成箱に入れ、周囲に１〜１．５ｍｍφの炭素
粒を充填し、蓋をして焼成し、樹脂を炭化させた。焼成
は、室温から１６０℃まで３時間で昇温して１６０℃で
３時間保持し、１６０℃から６００℃まで毎時５℃で昇
温して６００℃で５時間保持し、６００℃から９００℃
までを毎時２０時間で昇温して９００℃で５時間保持し
、９００℃から１２００℃までを２０℃で昇温する方法
によった。

【００２０】上記したフェノール樹脂の含浸及び焼成炭
化を更に３回繰返して得たセラミック繊維・炭素繊維強
化炭素材料を真空減圧含浸槽に入れ、５ｍｍＨｇに減圧
した後メチルシリケート（多摩化学製Ｍ５１）に水、メ
タノール及び希塩酸を添加混合してｐＨを３．０とした
溶液を注入し、常圧に戻して１２時間浸漬した。次いで
取出して２４時間風乾後、１２０℃で５時間乾燥して耐
熱タイルを得た。なおＳｉＯ２としての重量増加は５％
であった。

【００２１】実施例３で得られた耐熱タイルの特性を、
米国ファイバー・マテリアル社（Ｆｉｂｅｒ　　Ｍａｔ
ｅｒｉａｌ　　Ｉｎｃ．）の繊維強化黒鉛材ＨＤＦＧＴ
Ｍ（比較例４とする）、ニチアス製の熱防護材用セラミ
ックタイル（比較例５とする）及び宇宙開発事業団の宇
宙往還機用耐熱タイルの目標値と比較して表２に示した
。

【００２２】

【表２】

【００２３】表２から、実施例３のタイルは宇宙往還機
の耐熱タイル目標値に曲げ強度が近く、熱膨張率は実用
化されている比較例５のセラミックタイルに近く、密度
及び熱伝導度は比較例４の繊維強化黒鉛材に近い。そし
て圧縮強度は比較例４及び５よりも優れていることがわ
かる。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、宇宙往還機用耐熱材料
の要件である軽量、耐熱性、断熱性及び破損に強い性質
を備えたセラミック繊維強化炭素材料を、形状や大きさ
に制限なく、簡単な工程で製造することが可能である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　シリカ及び／又はアルミナを主成分と
   するセラミック繊維多重織布の空隙に炭素マトリックス
   を充填してなる繊維強化炭素材料。
2. 【請求項２】　　シリカ及び／又はアルミナを主成分と
   するセラミック繊維を紡糸し、これを多重織布とし、液
   状の炭素源を含浸し、次いで焼成炭化することを特徴と
   する請求項１記載のセラミック繊維強化炭素材料の製造
   法。