繊維マトリックス及び繊維マトリックスの作成方法
三次元繊維構造の形成方法を開示する。本方法は、ａ）液体担体、繊維、及びバインダーを含む出発物質を提供する工程、ｂ）出発物質を基板に通過させ、基板上に繊維を堆積させる工程、ｃ）三次元繊維マトリックスを形成する工程、及びｄ）バインダーを硬化する工程を含む。基板上の出発物質の流れが無秩序であり、高い割合の空隙を含有する三次元構造内に繊維が配置されるように、基板上への材料の流れを調整してもよい。このプリフォームは、湿潤状態で加圧してもよく、圧力下で硬化する。繊維は、炭素繊維を含んでもよい。再生炭素繊維が特に有用であることがわかった。得られたプリフォームは確率的であってもよく、融蝕用途及びブレーキ用途での使用に最適である。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、繊維ベースのプリフォーム及びかかるプリフォーム用の繊維マトリックスの作成方法に関する。このプリフォームは、融蝕、高性能、摩擦、摩耗及び耐食の各用途での使用に最適である。特に、本発明は、ブレーキ、ロケットモーター用ハウジング等の高温用途で使用される炭素ベースのマトリックスの生成方法に関する。
【０００２】
炭素−炭素複合材料用途で使用するためにプリフォームを製造することはよく知られている。Ｍｏｒｇａｎは、「炭素繊維とその複合材料（Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｒｅｓ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ）」の中で、プリフォーム、及びかかるプリフォームを炭素複合材料生成の前駆体として生成する方法について詳細に述べている。
【０００３】
また、炭化ケイ素、ＰＰＳ繊維、ＰＥＥＫ繊維、又はセラミック酸化物繊維等のその他の繊維から繊維ベースのプリフォームを製造することも知られている。かかる複合材料は熱分解後、一般的にブレーキ用途で使用される。熱分解プロセスの１つの形式として、炭化水素及び気体による化学蒸着が挙げられる。かかるプロセスは、一般的にＣＶＤと呼ばれている。代替的な熱分解プロセスとして、熱硬化性樹脂による注入、又はピッチ材料若しくは液体シリコーン材料による液体含浸が挙げられる。かかるプロセスは、一般的にＣＶＩプロセスと呼ばれている。
【０００４】
細断繊維のトウの一方向、２次元、及び３次元の不織布プリプレグ（予備含浸複合材料繊維）を使用することが知られている。このような材料は、高温の注入プロセスのベースとして使用されてきた。
【０００５】
高温用途で使用される炭素−炭素複合材料は、最終構造中の繊維量が高いことが望ましい。不織布材料は集中的な熱処理が必要であり、炭化プロセス中に収縮する場合が多い。また、かかる材料は圧縮しない限り繊維体積率が低いことがよく知られている。さらに、炭素繊維は破砕性を有し、且つ圧縮力を過剰に用いるとプリフォームの本体内で炭素繊維が著しく破損することが当技術分野ではよく知られている。いくつかの複合材料は圧縮されてきたが、全炭素含有量が少なく、使用される炭素はナノ粒子であった。
【０００６】
織物プリプレグを使用してプリフォームの繊維体積率を向上させることができる。織物プリプレグは層状で使用でき、各層の厚さ及び坪量は有限であり、多くの層を互いに接着して最終プリフォームを形成することができる。層ごとに繊維構造のｘ／ｙ位置合わせを行うことにより、フィルムの低回転速度での形成が促進され、従ってブレーキ用途における低温剪断摩耗が低減される。しかし、繊維の平面配向を貫通する「ｚ」方向繊維を有し、確実にプリフォーム体の内部構造が隣接する層同士の界面で破局的剪断故障を起こさないようにすることが望ましい。典型的に、この問題は、ニードリング又はステッチングのいずれかにより解決されてきた。かかるプロセスは、ＵＳ５１４３１８４及びＵＳ５５９９６０３で教示されている。
【０００７】
不織布材料の場合、ニードリング及びステッチングを用いて、プリフォーム基板の最終体積率を向上させることもできる。ＵＳ５５９９６０３では、不織布地を所望の厚さに糸で縫合している。
【０００８】
ニードリングの所望性については、例えば、ＵＳ６３６１７２２、ＵＳ５８０３２１０及びＥＰ１８１３８３３の実施例で述べられている。十分に高い繊維体積率を有するプリフォームを得るためにニードリングを必要とすることが一般的に受け入れられている。最終プリプレグに布地が使用されていることを考えると、最終体積率は制限要因と考えられる。緻密化前の繊維体積率が十分に高くない場合、この材料は要求が緩い融蝕用途には最適だが、繊維体積率が低いため、高性能ブレーキ用途等の高摩耗用途ではこのプリフォームを使用することはできない。
【０００９】
織物材料を用いると繊維の高い本体体積率が得られるが、多重層を使用し且つ緻密化前にプリフォームを構成するため、構成プロセスの詳細に慎重なハンドリング及び注意が求められる。これは、破局的平面貫通破壊の可能性を排除するために各層の繊維の配向を変える必要があるため、確実に多重層を特定の幾何学的配列に揃えなければならないためである。多重層を得るためには、ＵＳ２００８／００９００６４で詳述されているニードリング又はステッチングを使用する必要がある。このため、プリフォームの生成に数週間程度のかなりの期間を要する可能性がある。
【００１０】
Ｂｕｒｃｈｅｌｌ氏、Ｊｕｄｋｉｎｓ氏、Ｒｏｇｅｒ氏及びＳｈａｗ氏の「炭素繊維ベースの吸着剤Ｍｏｎｏｌｉｔｈｓの構造及び特性（Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｒｅ ｂａｓｅｄ ａｂｓｏｒｂｅｎｔ Ｍｏｎｏｌｉｔｈｓ）」及びＭａｔｅｒｉａｌｓ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ＬＬＣ社のＳＢＩＲフェーズ１最終報告書（ＳＢＩＲ Ｐｈａｓｅ １ Ｆｉｎａｌ Ｒｅｐｏｒｔ）に記載されているように、炭素繊維及びバインダーを含有するスラリーからプリフォームを製造することが知られている。周知の方法では、スラリーを撹拌する必要があり、多孔質成形型を有するモールドをこのスラリー内に沈め、その後このスラリー混合物から引き上げる。繊維は多孔質成形型上に沈降する。水などの溶媒は、真空を加えることにより成形型から除去することができる。代替的に、スラリー材料をタンクから多孔質成形型まで下方向に流し、何らかの方法で多孔質成形型に真空を加え、成形型から溶媒を吸出し、炭素繊維をモールド内に残すことも行われてきた。
［発明の概要］
本発明の第１局面によれば、繊維マトリックスの作成方法が提供され、本方法は以下を含む。
ａ．液体担体、繊維及びバインダーを含む出発物質を提供し、
ｂ．前記出発物質を基板に通過させて、前記基板上に繊維を堆積させ、
ｃ．三次元繊維マトリックスを形成し、及び
ｄ．前記バインダーを硬化する。
【００１１】
好ましくは、前記三次元マトリックスは以下の少なくとも１つにより形成される。
ｉ）真空力を前記基板上の前記繊維に加え、
ｉｉ）前記基板上に出発物質の無秩序流を創出する。
【００１２】
従って、前記第１局面の１つのオプションでは、前記方法は以下を含む。
ａ．液体担体、繊維及びバインダーを含む出発物質を提供し、
ｂ．前記出発物質を基板に通過させて、前記基板上に繊維を堆積させ、
ｃ．真空力を前記基板上の前記繊維に加えて、三次元繊維マトリックスを形成し、及び
ｄ．前記バインダーを硬化する。
【００１３】
前記第１局面の第２オプションでは、前記方法は以下を含む。
ａ．液体担体、繊維及びバインダーを含む出発物質を提供し、
ｂ．前記出発物質を基板に通過させて、前記基板上に繊維を堆積させ、
ｃ．前記基板上に出発物質の無秩序流を創出して、三次元繊維マトリックスを形成し、及び
ｄ．前記バインダーを硬化する。
【００１４】
１つの実施形態では、前記三次元マトリックスを形成するため、ｉ）前記基板上の前記繊維に真空力を加えること、及びｉｉ）前記基板上に出発物質の無秩序流を創出すること、の両方を行ってもよい。
【００１５】
好ましい本発明の第１局面によれば、繊維マトリックスの作成方法が提供され、本方法は以下を含む。
ａ．液体担体、繊維、及びバインダーを含む出発物質を提供し、且つモールド内に基板を提供し、
ｂ．出発物質の流れを調整して前記モールド内に流入させ、且つ前記モールドにおいて前記出発物質を基板に通過させて、基板上に繊維を堆積させ、
ｃ．三次元繊維マトリックスを形成し、及び
ｄ．前記バインダーを硬化する。
【００１６】
好ましくは、前記好ましい第１局面において、前記三次元マトリックスは以下の少なくとも１つによって形成される。
ｉ）前記基板上の前記繊維に真空力を加えること、
ｉｉ）前記基板上に出発物質の無秩序流を創出すること。
【００１７】
従って、前記好ましい第１局面の１つのオプションにおいて、前記方法は以下を含む。
ａ．液体担体、繊維、及びバインダーを含む出発物質を提供し、且つモールド内に基板を提供し、
ｂ．出発物質の流れを調整して前記モールド内に流入させ、前記出発物質を基板に通過させて、基板上に繊維を堆積させ、
ｃ．前記基板上の前記繊維に真空力を加え、三次元繊維マトリックスを形成し、及び
ｄ．前記バインダーを硬化する。
【００１８】
前記好ましい第１局面の第２のオプションにおいて、前記方法は以下を含む。
ａ．液体担体、繊維、及びバインダーを含む出発物質を提供し、且つモールド内に基板を提供し、
ｂ．出発物質の流れを調整して前記モールド内に流入させ、前記出発物質を基板に通過させて、前記基板上に繊維を堆積させ、
ｃ．前記基板上に出発物質の無秩序流を創出して、三次元繊維マトリックスを形成し、及び
ｄ．前記バインダーを硬化する。
【００１９】
好ましい第１局面の１つの実施形態において、前記三次元マトリックスを形成するため、ｉ）前記基板上の前記繊維に真空力を加えること、及びｉｉ）前記基板上に出発物質の無秩序流を創出すること、の両方を行ってもよい。
【００２０】
好ましくは、前記繊維は炭素繊維を含む。
本発明の第２局面によれば、三次元マトリックスを有する繊維不織布基板を含む繊維プリフォームが提供される。この場合、繊維は硬化バインダーによりマトリックス形成物内で固着させることを特徴とする。
【００２１】
本発明の第３局面によれば、前記第１局面の方法によって入手可能な繊維マトリックスである繊維プリフォームが提供される。
本発明は、第４局面において、ブレーキ又はロケットモーター用ハウジングで使用される物品等、高温用途で使用される物品の製造における、前記第２又は第３局面のプリフォームの使用を提供する。
【００２２】
本発明は、第５局面において、ブレーキ又はロケットモーター用ハウジングで使用される物品等の、高温用途で使用される物品の生成方法を提供し、前記方法は以下の工程を含む。
ｉ）前記第２又は第３局面のプリフォームを提供し、
ｉｉ）前記プリフォームに対してＣＶＤ又はＣＶＩプロセスを実行する。
【００２３】
また、本発明は、第６局面において、前記第２又は第３局面のプリフォームを含む、ブレーキ又はロケットモーター用ハウジングで使用される物品等、高温用途で使用される物品を提供する。
［発明の詳細な説明］
好ましくは、出発物質は、液体担体、繊維及びバインダーを含み、繊維は炭素繊維を含むことを特徴とする。
【００２４】
本発明において、実験室での繊維体積率は、低くても１５〜１８％、高い場合は３０％超を容易に達成した。このような高い繊維体積率は、微粉砕炭素微粒子を含まなければならない可能性があるが、４０％までの繊維体積率又はさらにそれよりも高い繊維体積率も達成可能である。従って、繊維体積率は、１５〜４０％（１８〜４０％等、例えば２０〜３５％）であってもよく、又はこれより高くてもよい。
【００２５】
１つの実施形態において、繊維体積率は、１５％以上（例えば１５〜７５％又は１５〜７０％）、又は１８％以上（例えば１８〜７５％又は１８〜７０％）、又は２０％以上（例えば２０〜７５％、又は２０〜７０％、又は２０〜６５％、又は２０〜６０％、又は２０〜５５％、又は２０〜５０％）である。
【００２６】
繊維体積率の好ましい範囲は、２０％〜３０％以上（例えば２０％〜５０％、２０〜４５％等）、特に２０％〜４０％である。かかる繊維体積率は、不織布炭素繊維構造ではこれまで達成されなかった。
【００２７】
この範囲の繊維体積率はアルミナ繊維等の無機材料で得られてきたが、これらは加工が容易な繊維である。これに対し、従来の賢明な方法では、炭素繊維等の他の繊維に対して必要な加工を行う場合、基本的に粉末化するであろう。従って、本発明の方法は、炭素繊維を含む全ての種類の繊維において繊維体積率を２０％〜３０％、又はそれ以上にでき、非常に有利である。
【００２８】
第１局面の方法の特に有利な点は、出発物質が細断されたポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）炭素繊維の場合、繊維体積率が少なくとも３０％以下の生成物を得ることができることである。その上、出発物質がピッチをベースとした炭素繊維である場合、少なくとも４０％までの繊維体積率を達成することができる。
【００２９】
出発物質がバージン又は再生炭素繊維の場合、例えば５０％以上又は６０％以以上の高い繊維体積率を得ることができる。
当技術分野で知られているように、繊維体積率は、マトリックスの厚さを測定し、且つそのマトリックスのサンプルを秤量することによって測定してもよい。サンプルのバインダー含有量は、そのサンプルを秤量し、サンプルをバインダーが燃え尽きる温度以上の温度にさらし、その後再秤量して重量差を算出することにより設定してもよい。サンプルを何度まで加熱するかは、バインダーの種類により異なる。従って、単位面積当たりの繊維量及び空隙量を計算することができる。
【００３０】
１つの実施形態において、三次元マトリックスは、基板上に出発物質の無秩序流を創出し、任意にさらに基板上の繊維に真空力を加えることにより形成される。
無秩序流を生じさせる手段を１つ以上使うことにより、基板上に出発物質の無秩序流を生じさせてもよい。無秩序流とは、システム挙動がシステムの正確な初期条件に非常に依存するため、事実上、予測不可能でランダム過程と区別ができない流れであると理解してもよい。典型的に、流れシステムにおいて、無秩序システム流は、層流よりむしろ乱流を示唆するレイノルズ数を有する。
【００３１】
あるシステムのレイノルズ数（Ｒ）は、Ｒ＝（システムの密度）×（システムの速度）×（システムの落下距離又はシステムが貫流するパイプの直径）／（システムの粘度）によって定義される。システムの密度の測定はｋｇ／ｍ3、及び速度の測定はｍ／ｓで行う。距離又は直径の測定はｍ、及び粘度の測定はｋｇ／ｍ・ｓで行う。
【００３２】
密度の測定は室温及び室圧で行う。粘度の測定は、室温及び室圧下で粘度メーター、特にＮｏｒｃｒｏｓｓ製Ｍ８ＢＯ粘度メーター（Ｎｏｒｃｒｏｓｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｎｅｗｔｏｎ，ＭＡ，ＵＳＡ）を使って行う。システムの速度（流量）の測定は、室温及び室圧下で流量計を使用して、特にＴｉｔａｎ ＦＴ２ Ｔｕｒｂｉｎｅ流量計（Ｔｉｔａｎ Ｆｌｏｗｍｅｔｅｒｓ，ＵＫ）により行う。
【００３３】
層流システムの値は２０００を十分下回るが、無秩序流又は乱流システムのレイノルズ数は２０００以上であり、３０００以上又はさらに４０００以上と高い可能性がある。
出発物質を基板上に落下させることにより、基板上に出発物質の無秩序流を生じさせてもよい。
【００３４】
代替的に又は追加的に、基板上の出発物質の無秩序流は、複数の出口ポイントから出発物質を基板に通過させることにより生じさせてもよい。複数の出口ポイントは、２つ以上の出口を有するマニホールドによって提供されてもよい。
【００３５】
代替的に又は追加的に、高圧力による流れを用いて出発物質をモールドに供給することにより、基板上に出発物質の無秩序流を生じさせてもよい。
代替的に又は追加的に、リストリクタプレートを供給パイプ内に挿入し、供給パイプ内に背圧を創出し、より高い力で材料を基板上に押し出すことにより、基板上に出発物質の無秩序流が得られよう。
【００３６】
代替的に又は追加的に、出発物質を基板に対して角度を持たせて供給することにより出発物質の無秩序流を基板上に生じさせてもよい。いくつかの実施形態では、この無秩序流をモールドの側面から基板に供給するようにしてもよい。好ましくは、出発物質は圧力下でポンプによってモールド内に送られる。出発物質の対向する入口ポイントを提供することにより、出発物質の直交流が基板上に無秩序流を形成するようにすることが望ましい場合もある。
【００３７】
代替的に又は追加的に、基板の下に複数の真空ポイントを提供することによって、基板上に出発物質の無秩序流を生じさせたり支援したりしてもよい。真空マニホールドを提供し、基板に多くの真空箇所を適用するようにしてもよい。
【００３８】
無秩序流を生じさせる１つ以上の手段を組み合わせてもよい。例えば、基板に加えられる真空力に加え、出発物質を単一の入口ポイントから基板上に落下させたり、又はマルチポイントマニホールドから基板を通過させたりしてもよい。
【００３９】
１つの実施形態において、真空力を基板に加えてもよい。基板に真空力を加えて、基板上に堆積した繊維を介して液体担体が排出され、繊維から排出されることが好ましい。
１つの実施形態において、出発物質は、保持容器からマニホールド内に送られ、マニホールド内に集められる。出発物質は、マニホールドから複数のマニホールド出口を介して基板上に送られる。マニホールド出口は基板表面に対して実質的に９０°であってもよく、又は鋭角又は鈍角であってもよい。出発物質は、マニホールド出口から圧力下で流れてもよく、又はマニホールドから重力で排出されてもよい。
【００４０】
いくつかの実施形態において出発物質は自重でマニホールドに運ばれるが、他の実施形態において出発物質の運搬はポンプによって行われてもよい。繊維の損傷を防止するには蠕動ポンプシステムが好ましいが、代替的なポンプシステムを用いてもよい。
【００４１】
周知の方法に勝る利点は、基板を介した担体材料の複数の流れが、三次元の確率的構造を基板上に形成することにある。つまり、形成される構造は、ｘ、ｙ及びｚ方向の繊維を有し、これらの繊維はランダムに配向される。
【００４２】
出発物質からの液体担体の基板を通る流れは比較的速いことが望ましい。１つの実施形態において、液体担体の速度は、１ｍ／ｓ以上（２ｍ／ｓ以上、３ｍ／ｓ以上、４ｍ／ｓ以上、又は５ｍ／ｓ以上等）である。代替的な実施形態において、液体担体の速度は１０ｍ／ｓ以上である。
【００４３】
好ましくは、液体担体流の速度は、重力で１メートル落下するときの速さ以上である。
好ましい方法では、出発物質は保持容器から基板までの距離を落下可能とされる。基板は、側壁を有するモールド内に置いてもよい。１つの実施形態において、出発物質は、単一の流れで保持容器から基板に落下する。好ましい距離は、繊維を運ぶために必要な液体担体量に依存する。運搬速度も、最も好ましい距離に影響し得る。落下距離は、０．５ｍ〜１０ｍ（０．５〜７．５ｍ等）、好ましくは０．７５〜６ｍ、及び最も好ましくは１〜５ｍ（１〜４ｍ又は１〜２ｍ等）であってもよい。１つの実施形態において、好ましい距離は約１．５ｍである。
【００４４】
２０００ｇｓｍのプリフォームを生成する１つの好ましい実施形態において、出発物質の全量が、排出の開始前にモールドに移される。１ｍ2の基板の場合、モールドの体積は４ｍ2、従って距離は４ｍである。この実施形態では２００ｍｍの供給パイプが使用される。モールドの充填と排出を同時に行う場合、距離を短くしてもよい。
【００４５】
出発物質は、基板を通過する前に加圧されてもよい。
液体担体が出発物質から基板を貫流する際に高い速度を達成するように、出発物質に最適な圧力がかかっていることが望ましい。好ましくは、この圧力は、５ｋＰａ以上（６ｋＰａ以上、７ｋＰａ以上、８ｋＰａ以上等）、好ましくは９ｋＰａ以上（例えば１０ｋＰａ以上）である。１つの実施形態において、出発物質の最小圧力は、１５ｋＰａ以上（例えば２０ｋＰａ以上（３０ｋＰａ以上等））であってもよい。
【００４６】
好ましくは、基板上の無秩序流を最大化するため、出発物質は、基板までの距離を落下することにより創出される圧力を超える圧力まで加圧される。落下によって生成される圧力の近似値は、９．７５ｍ（３２フィート）当たり１０３ｋＰａ（１５ｐｓｉ）である。落下により生成される圧力の１．５倍又は２倍の圧力が望ましいと考えられる。
【００４７】
２ｍ落下する場合、出発物質の圧力は、３１ｋＰａ（４．５ｐｓｉ）以上、好ましくは４１ｋＰａ（６ｐｓｉ）以上であってもよい。４ｍ落下する場合、出発物質の最小圧力は、６９ｋＰａ（１０ｐｓｉ）以上、好ましくは９０ｋＰａ（１３ｐｓｉ）であってもよい。より高い圧力が好ましい場合もある。
【００４８】
基板上の出発物質の流れは無秩序であり、レイノルズ数が、２０００以上（２５００以上等）、好ましくは３０００以上（３５００以上等）、より好ましくは４０００以上（例えば４５００以上、５０００以上、６０００以上、７０００以上、８０００以上、９０００以上、又は１０，０００以上）であることが望ましい。
【００４９】
いくつかのシステムでは非常に高いレイノルズ数を達成してもよく、１４０，０００〜１６０，０００以上の高い値であってもよい。
１つの好ましい範囲は、３０００〜１０，０００以上（例えば３０００〜２００，０００（４０００〜１６０，０００等））である。いくつかの実施形態において、好ましい範囲は、５０００〜２５，５００以上（例えば５０００〜１８０，０００）である。他の実施形態において、好ましい範囲は、２５，５００〜１００，０００以上（例えば２５，５００〜１７０，０００）であってもよい。
【００５０】
出発物質は、基板を通過する前にマニホールドに入るようにしてもよい。マニホールドは単一の出口を有してもよいし、又は２〜２０個（例えば２〜１０個等）の複数の出口を有してもよい。好ましくは、マニホールドの出口数は、出発物質によって覆われる基板の大きさにより、２、４、６、８又は１０である。基板が大きければ、より多くの出口を提供してもよい。出発物質は、複数の流れとなって基板上を流れる。基板上には２つ以上の出発物質の流れが存在する。いくつかの実施形態において、４つ又は６つ又は８つの流れが存在してもよい。好ましい流れの数は、基板及び形成されるマトリックスの面積に依存してもよい。流れの数は、好ましくは、形成されるマトリックスの面積とともに増加する。基板１平方フィート（０．０９２９０ｍ2）毎に１つの出口を提供してもよい。各出口は直径を有し、好ましくは、各マニホールド出口の直径は同じである。
【００５１】
従来の方法では、繊維は一般的に２次元に展開される。いくつかの繊維は部分的に第３次元で配置されるが、これは完全な三次元マトリックスではなく、その上確率的構造は得られない。本発明において、三次元マトリックスが形成される。さらに、確率的構造が生成され得る。
【００５２】
従来の方法では、出発物質は基板方向に流れるため、大部分は担体材料が流れる方向に配向される。流れが基板に衝突すると、流れは基板面に方向転換され、従って繊維は基板面に配向され基板に対して垂直ではなくなる。
【００５３】
本発明の方法では、出発物質の流れは無秩序であってもよく、多くの流れや向流は繊維をいくつもの配向に方向付け、そのため確率的構造が形成される。かかる確率的構造では、繊維の配向は３次元であり、繊維はｘ、ｙ及びｚ方向に配置される。実際、繊維は事実上、平面とその平面に対して９０度の間の角度の、ほとんど全てではないにしてもそのほとんどで配向されてもよい。例えば、繊維は、平面とその平面に対して９０度の間の角度の５０％以上（６０％以上、７０％以上、８０％以上、９０％以上、又は９５％以上等）で配向されてもよい。
【００５４】
個々の繊維は、水平面から垂直に０〜±９０°で配向されてもよい。また、個々の繊維は、水平面を起点にして３６０°以内でランダムに配向されてもよい。
好ましくは、本発明において形成される３次元マトリックスでは、繊維の５重量％以上（１０重量％以上等）が、実質的に「ｚ」方向に配向される。好ましくは、繊維の５〜３０重量％（１０〜２５重量％等）が、実質的に「ｚ」方向に配向される。より好ましくは、繊維の１０重量％〜２０重量％が、実質的に「ｚ」方向に配向される。
【００５５】
確率的構造を有するマトリックスの形成は、プリフォームとして使用可能であり且つ高い割合の空隙を含有する生成物を提供していることがわかった。このことは、ＣＶＤでの気体注入及びＣＶＩでの液体注入を容易にするという点で望ましい。織物繊維の堆積によって形成される従来技術のプリフォームの欠点は、比較的少ない空隙しか存在せず、そのため気体又は液体の注入が困難であり、プロセスに数日または数週間かかり非常に遅い点である。これと比較して、本発明のマトリックスの空隙率では気体の注入は比較的早く、必要な気体注入はものの数時間で行うことができる。
【００５６】
好ましくは、本マトリックスは、１０体積％以上の空隙（１５体積％以上の空隙等）を含有し、好ましくは、本マトリックスは２０体積％以上の空隙を含有し、及びより好ましくは、２０〜８０体積％の空隙（２０〜７０体積％の空隙等）を含有しうる。１つの好ましい実施形態において、本マトリックスは、３０〜７０体積％（３０〜６０体積％等）の空隙を含有する。１つの好ましい実施形態において、本マトリックスは４０〜７０体積％の空隙、より好ましくは４０〜６０体積％（４０〜５０体積％等）を含有する。
【００５７】
プリフォーム中の空隙の存在及び配置は、Ｃ−ＳＣＡＮ又はＳＥＭ顕微鏡又はその他の同様の技術を使って測定することができる。個々の空隙の大きさは、かかる技術により測定してもよいが、一般的に実際の空隙率は平均化される。マトリックス中の空隙率は、繊維及びバインダーの含有量と１００体積％との差である。
【００５８】
さらなる、本発明のプロセスは、空隙の分布が秩序的又は幾何学的というよりもランダムであるマトリックスを生成する。このことは気体注入が最適化されることを意味するため有利である。特に、従わなければならない特定の幾何学的形状又は経路は存在しないであろう。
【００５９】
Ｃ−ＳＣＡＮ又はＳＥＭ顕微鏡を使ってマトリックスを検証することによって、ランダム分布の存在を確認してもよい。かかる技術により、当業者であれば、空隙が幾何学的又は規則的分布ではなく、ランダム（非秩序的）分布であるか否かわかるであろう。
【００６０】
例えば、担体材料が保持容器から基板へ垂直に移動して担体材料の衝突又は担体材料流の第３方向への方向付けを創出することによって得られうる基板上の担体材料の無秩序流は、形成される繊維マトリックスの確率性を向上させることがわかった。
【００６１】
所望の繊維坪量は、出発物質の基板への送達及び液体担体の除去の好ましい形態に影響し得る。例えばマニホールドからの単一の出口ポイント又は複数の出口ポイントによって、又は上方からの単一の又は複数の出口ポイントと組み合わせて使用してもよい側面の入口ポイントから、出発物質を基板に送達するシステムを用いることにより、低坪量材料を十分に形成することがわかった。特に好ましい実施形態は、側面入口供給が基板の上方からの単一の又は複数の入口ポイントと組み合わせられたシステムを適用する。下り流にぶつかる側面入口ポイントからの直交流は、基板上の出発物質の無秩序流の度合いを高める。
【００６２】
繊維マトリックスの繊維坪量が２０００ｇｓｍ以上であることが望ましい場合、基板の下流にある多数の吸出しポイントによって基板の下に排流を提供することが好ましい場合もある。マニホールドは基板の下に提供されてもよい。多数の出口パイプの全面積が一般的なドレーンパイプの面積よりも僅かに小さいため、液体担体の排出速度はあまり速くないことが好ましい。単一の出口が出発物質を基板に送達することが好ましい。坪量が増えるにつれて液体及び繊維量が増加し、単一の出口は基板上への材料流に対応することが求められるため、単一の出口を出発物質の供給手段として使用することが好ましい場合もある。高流量に対応可能な代替的なシステムを使用してもよい。
【００６３】
液体担体、繊維及びバインダーを含む出発物質はスラリーを形成することが望ましい場合がある。
出発物質は、基板を通過する前は保持容器内に保持されてもよい。保持容器内の出発物質は加熱してもよい。出発混合物を加熱することにより、さらに高温のバインダーの使用を容易にする。さらなる高温を用いることにより、液体担体としてさらに高粘性の材料も使用できるようになる。
【００６４】
モールド又は成形型内に基板を提供してもよい。出発物質の流れを調整してモールド内に流入させることは本発明の重要な局面であると考えられる。また、モールド内の出発物質が基板を通過する流れを調整することも望ましい。
【００６５】
工程ａ）で使用する出発物質は、液体担体、繊維及びバインダーを任意の順序で混合することによりにより提供してもよい。例えば、繊維を液体担体に添加し、それからバインダーを添加してもよい。代替的に、バインダーを液体担体に添加し、それから繊維を添加してもよい。
【００６６】
好ましくは、出発物質は、液体担体中に繊維を含むスラリー又は分散液の形態をとる。
液体担体は、水又は水溶液等の水性生成物でもよいし、又は有機溶媒等の非水性生成物でもよい。好ましい実施形態において、担体は水性生成物である。基板を通過する前に出発物質を加熱する場合は、液体担体としてさらに高粘性の材料を使用してもよい。
【００６７】
液体担体は、繊維を分離して液体流により基板に移動させるための媒体としての役割を果たす。液体担体の比重は出発混合物中で使用される繊維の比重より低いことが望ましい。使用する繊維より比重が低い液体担体を使用することにより、液体担体は繊維を浮遊させることなく繊維を分散させ、液体担体流中で繊維を移動させることができる。炭素繊維を使用する実施形態では、炭素繊維の比重は１．７〜１．８であるため、比重が１．７未満の液体担体を好ましくは使用すべきである。
【００６８】
液体担体は、例えば、分散助剤、粘度調整剤、チキソトロープ剤、及び界面活性剤等の、湿った簀の目入り不織布生成物で使用される周知の添加剤から選択される１つ以上のさらなる成分を含んでもよい。
【００６９】
好ましくは、出発物質は、繊維が分離され自由に流れ得る高剪断混合物である。出発物質中の繊維の流れを維持し、保持容器の底部に繊維がとどまるのを防止することが望ましい。混合物を撹拌してもよい。撹拌は連続的であってもよく、又は断続的であってもよい。剪断ミキサーを使用してもよい。
【００７０】
好ましくは、出発物質の粘度は低い。好ましくは、出発物質の粘度は、１００ｍＰａ・Ｓ未満、より好ましくは５０ｍＰａ・Ｓ未満、及びさらにより好ましくは１０ｍＰａ・Ｓ未満である。最も好ましくは、出発物質の粘度は、５ｍＰａ・Ｓ未満、より好ましくは３ｍＰａ・Ｓ未満、及びさらにより好ましくは２ｍＰａ・Ｓ未満である。好ましくは、出発物質の粘度は、０．１ｍＰａ・Ｓ〜１ｍＰａ・Ｓ（０．５ｍＰａ・Ｓ〜１ｍＰａ・Ｓ等）である。
【００７１】
より好ましくは、液体担体の粘度は水と同様に低い。液体担体の量に対する、液体担体に添加される繊維の割合は、出発物質が非粘性溶液として機能し且つ水と同様の粘度を有するように調整してもよい。
【００７２】
従って、１つの実施形態において、液体担体に対する繊維の比率は、出発物質全体の粘度が水の粘度、即ち約０．８〜０．９ｍＰａ・Ｓになるように調整される。
好ましくは、基板は、５以上、１０以上、又は２０以上の穿孔等、多くの穿孔を有する。好ましい実施形態において、繊維の長さは、少なくとも１つの穿孔の直径を超える。最も好ましい実施形態において、繊維の最小長さは穿孔の最大直径を超える。
【００７３】
工程ｂ）において、繊維状マットが基板上に形成されるように上記溶液を基板に付着させてもよい。基板は適切には平面であるか、又は実質的に平面である。従って、マット中の繊維は、繊維が基板上に堆積するにつれ、基板の平面に平行な２次元で、及び基板に垂直な第３次元で連結し得る。
【００７４】
基板は、プラスチック又は金属又は合金等の任意の最適な材料から作成されてもよく、例えばスチール又はアルミニウム又は同様の材料から作成されてもよい。基板は、液体担体、バインダー及び繊維成分に対して不活性である材料からなることが好ましい。
【００７５】
基板は、繊維が堆積した領域を画定する側面部又は周縁部を備えてもよい。側面部又は周縁部は、液体担体が穿孔を介して注ぎ込まれる漏斗の役割を果たし得る。側面部は、繊維マトリックスの最終用途に合わせて所望の形状にしてもよい。
【００７６】
側面部は多くの流れポイントを有するように形成されてもよい。流れポイントは、繊維が堆積する領域内に出発物質が入るための入口ポイントを含んでもよい。代替的に又は追加的に、流れポイントは１つ以上の排流ポイントであってもよい。基板の一部分において排流ポイントの密度を高めることによって、その領域での排流量が増加してその部分により多くの繊維を集め、プリフォームの当該部分に堆積する繊維の密度を高めてもよい。
【００７７】
１つの実施形態において、基板はメッシュの形態をとる。代替的に、基板は有孔スクリーンであってもよい。メッシュあるいはスクリーンなどの基板は、設置型であってもよく、又はコンベヤーベルト等、移動するように配置されてもよい。
【００７８】
工程ｃ）で、真空力を基板上の繊維に加えてもよい。堆積した繊維中の水などの液体や分子に真空力が加えられ、真空力下で繊維内を移動させる。水などの液体や分子が真空力下で繊維内を移動する際、分子は繊維の少なくともいくらかを、基板の平面に対して角度を有する平面（「ｚ」平面）に配向させる。
【００７９】
基板に加えられた真空力下で担体分子が堆積した繊維を介して移動することにより、繊維の少なくともいくらかはｚ平面にさらに配向し、確率的構造の形成を支援する。
好ましい実施形態おいて、真空力は、低度から中程度の真空を達成するようにしてもよい。真空力は、１００ｋＰａ（約７５０トル）以下（例えば１００ｋＰａ〜３ｋＰａ（約７５０トル〜約２５トル）又は３ｋＰａ〜１００ｍＰａ（約２５トル〜約１ｘ１０-3トル）等）であってもよい。代替的に、１００ｍＰａ以下（１００ｍＰａ〜１００ｎＰａ（約１ｘ１０-3トル〜約１ｘ１０-9トル）等）の真空力を加えることによって、高程度の真空を達成してもよい。
【００８０】
加えられる真空力は、「ｚ」平面に配向される繊維の数に影響してもよい。また、加えられる真空力は、繊維が「ｚ」平面に移動する距離に影響してもよい。
真空力を加える角度は、基板平面に対して４５度以上（６０度以上等）、好ましくは７０度以上又は８０度以上（８５度以上等）であってもよい。より好ましい実施形態において、基板の平面に対して実質的に９０度で真空力を加える。
【００８１】
基板は排流パイプ等のドレーン装置への接続部を備えてもよい。真空力は、ドレーン装置に取り付けられた吸引ポンプ、特に低真空吸引ポンプによって加えるようにしてもよい。真空力は、マルチポイント真空マニホールドによって加えてもよい。
【００８２】
好ましい方法では、繊維を基板に付着させ、最初に液体担体のいくらかを重力で繊維から排出させる。一定の割合（例えば４０重量％以上、５０重量％以上、６０重量％以上、７０重量％以上、又は８０重量％以上）の液体担体を排出させたら、真空力を繊維に加える。これは液体担体のさらなる割合を除去するとともに、繊維を三次元マトリックスに形作る役割を果たす場合がある。
【００８３】
基板は、適切には穿孔処理され、第１面及び対向する第２面を有する。特に好ましい実施形態において、基板は、第１面及び対向する第２面を有する有孔スクリーンの形態をとる。
【００８４】
繊維は基板の第１面上に堆積する。真空力は好ましくは、基板の対向する第２面に加えられる。真空力は、穿孔処理された基板の第１面の方へ繊維を引き出し、繊維の三次元マトリックスを形成する役割を果たす。真空力は、基板の第２面に直接加えてもよく、又は遠隔的に加えてもよい。例えば、基板にドレーン装置が備えられている場合、第２面から最も遠く離れたドレーン装置の端部に真空力を加えてもよい。
【００８５】
好ましくは、真空力下で繊維中の全湿分が除去されるわけではなく、繊維状マトリックスは一定の割合の湿分を含有する。
出発物質中の繊維対液体比は、１：２５〜１：２００（１：５０〜１：１５０等）、好ましくは１：７５〜１：１２５であってもよい。１：２００等の低い比率は長さが２５ｍｍ以上の繊維に使用してもよく、一方１：２５等の高い比率は長さが３ｍｍ以下の繊維等の短い繊維に使用してもよい。好ましい繊維対液体比率は１：１００である。上述のように、繊維対液体比を調整して出発物質の最適な粘度を達成してもよい。
【００８６】
基板に付着した繊維から液体が排出され真空力が加えられたら、即ち工程ｃ）の後、繊維液体比は１：２〜１：１４（１：２〜１：１０等、例えば１：３〜１：９）まで低下させもよい。好ましい繊維対液体比は１：５〜１：９、特に好ましい繊維対液体比は１：７である。
【００８７】
工程ｄ）でバインダーを硬化する。これは、３次元繊維マトリックスを任意の繊維体積率で任意の形状に固定する役割を果たす。
硬化工程は適切には熱を加えることを含む。特に、繊維状マトリックスは、バインダーの硬化温度を上回る温度まで加熱してもよい。適切には、バインダーの硬化温度は７０℃以上であるため、工程ｄ）は繊維状マトリックスを７０℃以上に加熱することを含む。
【００８８】
工程ｄ）で熱を加えることにより繊維状マトリックスを乾燥してもよい。熱を加えるための任意の最適な技術を考察してもよい。例えば、基板を通過する熱空気供給の形態で熱を供給してもよいし、又は基板の近傍に備えられた電気的要素によって加熱を達成してもよい。繊維状マトリックスを乾操器内に置いてもよいし、又は最適な温度に加熱した乾操器を通過させてもよい。
【００８９】
好ましくは、硬化工程ｄ）は７０℃〜４５０℃の温度で実施される。より好ましい実施形態において、この温度は１００℃〜４５０℃であってもよい。特に好ましい範囲は１２０℃〜２２０℃である。使用する硬化温度は、使用するバインダー及び重合体バインダーの熱安定性によって決定してもよい。硬化温度はバインダーの分解温度より低くなければならない。本方法の１つの実施形態において、硬化温度は１６５℃〜２２０℃である。
【００９０】
硬化工程ｄ）の継続時間はほんの数秒〜数分であってもよい。好ましくは、工程ｄ）の継続時間は１０秒〜６０分であってもよい。より好ましくは、継続時間は１分〜３０分であってもよい。継続時間は、温度が上昇する時間とプリフォームの冷却時間を含んでもよい。
【００９１】
好ましい任意の工程では、工程ｃ）で形成された繊維状マトリックスはその後圧縮される。好ましくは、繊維状マトリックスは、湿分を含有した状態で圧縮される。繊維状マトリックスは、基板に真空を加えることにより得られたものであってもよい。代替的に又は追加的に、繊維状マトリックスは、基板上の液体担体の無秩序流を生じさせることによって得られる三次元マトリックスであってもよい。上記で参照したように、無秩序流を生じさせる要因は、
−多くの出口ポイントから基板上に流れる出発物質
−圧力下
−基板に対して角度を有する
−多くの直交流
−基板上への落下
の少なくとも１つであってもよい。
【００９２】
このさらなる任意の圧縮工程で加えられる圧縮圧力は５ｋＰａ以上、好ましくは５０ｋＰａ〜５００００ｋＰａ以上（１００ｋＰａ〜２５０００ｋＰａ以上等）であってもよい。これは、繊維状マトリックスの厚さ及び体積を低減する役割を果たす。静的圧力により圧縮力を加えてもよい。代替的に、連続的に送り込まれるニップローラー又はベルトにより圧縮力を加えることもできる。
【００９３】
好ましい圧力は、要求される繊維の最終体積率によって決定してもよい。体積率が約５〜１０％と低い場合、少なくとも４０Ｎ／ｃｍ2（４００ｋＰａ）の圧力を加えてもよい。体積率が３０％〜４０％と高い場合、５００Ｎ／ｃｍ2（５０００ｋＰａ）又は２５０００ｋＰａ以上のプレス圧力を加えてもよい。
【００９４】
好ましくは、硬化工程ｄ）は、任意の圧縮工程と同時に、又は任意の圧縮工程の後に行われる。硬化と圧縮が同時に生じることが好ましい。
驚くべきことに、繊維状マトリックスが湿分を含有する状態（例えば、繊維対液体比が１：２〜１：１４）で圧縮し実質的に同時にバインダーを硬化すると有利な硬化が得られることがわかった。特に、マトリックスが炭素繊維を含有する場合、この処理を行うと、高い圧力処理に通常伴う炭素繊維の望ましくない脆い特性が、驚くべきことに、顕著又は過剰ではなくなることがわかった。繊維破損は生じない。本体繊維長のかなりの部分で、圧縮力を加えることで破損、粉末化又は縮小は生じないことがわかった。
【００９５】
従って、好ましくは、工程ｄ）で圧力を加えながらバインダーを硬化させる。１つの実施形態において、最初に圧力を加え、その後圧力を加え続けながらバインダーを硬化させる。
【００９６】
バインダーが一旦硬化したら、（所望の繊維体積率（例えば２０％〜３０％以上）の）繊維マトリックスはもはや緩和したりもとの厚さに戻ったり（結果として繊維体積率が減少したり）することはない。従って、硬化工程ｄ）の完了後は圧力を加え続ける必要はない。
【００９７】
硬化が完了したら繊維マトリックスに熱を加え続け、マトリックスを完全に乾燥させる。硬化が生じる温度まで昇温し、マトリックスが硬化するまでその温度を維持し、その後マトリックスの乾燥が生じる温度に調節してもよい。マトリックスは、１００℃〜４５０℃の温度で乾燥してもよい。好ましい実施形態おいて、この温度は１００℃〜４００℃であってもよく、より好ましい実施形態において、この温度は２５０℃〜４００℃である。
【００９８】
マトリックスの加熱は重金属プレート等のプレートによって行ってもよい。プレートはマトリックスの一側面のみに提供されてもよく、好ましくはマトリックスの両側面に提供される。１つの実施形態において、マトリックスの温度は連続的に硬化温度まで上げられる。好ましい実施形態おいて、温度は１００℃〜１２０℃まで上げられ、この温度は一定の時間保持され、流れがマトリックスから流出できるようにする。この時間は、数分〜数時間であってもよい。さらに、この時間は特に５分〜２時間の間で変化してもよい。この時間はマトリックスの厚さによって決定してもよい。厚さが６ｍｍの好ましい実施形態では１００℃〜１２０℃での加熱時間は６分であり、厚さが３５ｍｍの実施形態では１００℃〜１２０℃での加熱時間は１時間である。
【００９９】
工程ｄ）中に繊維マトリックスに加えられる圧力は、５ｋＰａ以上、好ましくは５０ｋＰａ〜５００００ｋＰａ（１００ｋＰａ〜２５０００ｋＰａ等、例えば２５０〜７５０ｋＰａ）であってもよい。繊維マトリックスに加えられる圧力は、５０Ｎ／ｃｍ2（５００ｋＰａ）であってもよい。代替的に、加えられる圧力は２５Ｎ／ｃｍ2（２５０ｋＰａ）であってもよい。繊維が短い場合は、加えられる圧力はさらに高くてもよい。
【０１００】
２段階で圧力を加えることが望ましいことがわかった。第１段階では、マトリックスの厚さをもとの厚さに比べて約５０％（もとの厚さに比べて４０〜６０％の厚さ等）まで縮める。第１段階で使用される圧力は、１００ｐｓｉ（６７０ｋＰａ）〜３００ｐｓｉ（２０７０ｋＰａ）、より好ましくは２００ｐｓｉ（１３８０ｋＰａ）〜３００ｐｓｉ（２０７０ｋＰａ）（約２５０ｐｓｉ（１７２５ｋＰａ）等）であってもよい。好ましくは、第２段階では繊維体積率を増加させるためより高い圧力を使用する。この第２段階で使用される圧力は、１０００ｐｓｉ（６８９０ｋＰａ）〜４０００ｐｓｉ（２７６００ｋＰａ）ｐｓｉ（１５００ｐｓｉ（１０３００ｋＰａ）〜３０００ｐｓｉ（２０７００ｋＰａ）等）であってもよい。１５００ｐｓｉ（１０３００ｋＰａ）の二次圧では２０〜２５％の繊維体積率が得られ、３０００ｐｓｉ（２０７００ｋＰａ）の二次圧では繊維体積率は３０〜３３％に増加することがわかった。
【０１０１】
１つの実施形態において、硬化工程ｄ）に続いて、繊維状マトリックスを圧縮下でさらに冷却する。しかしこれは必須ではなく、大気圧下でマトリックスを冷却してもよい。
工程ｂ）での繊維の堆積、工程ｃ）での三次元構造の形成、及び硬化工程ｄ）、さらに任意の圧縮又は冷却工程は、連続プロセスであってもよく、又はバッチプロセスであってもよい。
【０１０２】
出発物質中の繊維は、適切には、ＰＡＮ繊維及び／又はピッチ炭素繊維及び／又は再生炭素繊維等の炭素繊維を含む。その他の種類の繊維も任意に炭素繊維とともに存在してもよい。出発物質に含まれるかかるさらなる繊維の種類は、例えば、金属繊維、ガラス繊維、ＰＰＳ、ＰＥＥＫ、ケブラー（Ｋｅｖｌａｒ）等のアラミド繊維、又は融蝕及びブレーキ用途で使用されるその他の最適な繊維から選択されてもよい。
【０１０３】
１つの実施形態において、ガラス繊維、金属繊維、ＰＰＳ、ＰＥＥＫ、及びケブラー（Ｋｅｖｌａｒ）等のアラミド繊維から選択される繊維は、０〜８０重量％（０〜５０重量％等）の繊維を含む。１つのかかる実施形態において、ガラス繊維又は金属繊維に含まれる繊維は、１重量％〜２０重量％、より好ましくは２重量％〜１０重量％、最も好ましくは３重量％〜７重量％である。１つの好ましい実施形態において、金属繊維又はガラス繊維に含まれる繊維は、４〜６重量％（５重量％等）である。１つのかかる好ましい実施形態において、バインダーはＭｏｗｌｉｔｈ ＶＣ６００等の酢酸ビニル、塩化ビニル共重合体である。
【０１０４】
好ましくは、繊維の１０重量％以上（２０重量％以上、２５重量％以上、３０重量％以上、３３重量％以上、４０重量％以上、又は５０重量％以上等）は、炭素繊維である。
例えば、炭素繊維と他の種類の繊維との配合物の重量比は１：４〜４：１（例えば１：３〜３：１、１：２〜２：１等）になると予想することができる。この場合、重量比は１：１を含む。
【０１０５】
１つの実施形態において、繊維の６０重量％以上（７０重量％以上、８０重量％以上、９０重量％以上、９５重量％以上、又は９９重量％以上等）は、炭素繊維である。
１つの実施形態において、繊維の９０重量％以上（９５重量％以上又は９９重量％以上等）は、炭素繊維、又はガラス繊維、金属繊維、ＰＰＳ、ＰＥＥＫ、及びケブラー（Ｋｅｖｌａｒ）等のアラミド繊維の１つ以上と組み合わせた炭素繊維から選択される。
【０１０６】
１つの実施形態において、出発物質中の繊維は、炭素繊維であってもよく、及びＰＡＮ（ポリアクリロニトリル）繊維、ピッチ炭素繊維又は再生炭素繊維から選択されてもよい。驚くべきことに、再生炭素繊維は、炭素繊維のかなりの部分に有害な破損を生じさせることなく使用でき、且つ本方法の処理を実行することができることを発見した。炭素繊維は、完全織物、不織布、一方向、２次元及び３次元の炭素布地、並びに完全に樹脂を注入し成形した複合材料構造等、多くの用途から再生してもよい。再生炭素繊維は、特定の長さに切断された繊維、又はランダムな長さに細断された繊維の混合物、又はこれらの配合物として供給及び使用してもよい。
【０１０７】
直径が２０ミクロン以下、特に５ミクロン〜２０ミクロンであり、且つ繊維長さが１ｍｍ〜６０ｍｍのＰＡＮ炭素繊維又はピッチ炭素繊維は、本発明における使用で特に最適であることがわかった。かかる繊維は、ＳＧＬ ｃａｒｂｏｎ Ｇｒｏｕｐ社、Ｔｏｈｏ Ｔｅｎａｘ社、及びＺｏｌｔｅｋ社から、細断されたトウの形態で入手してもよい。より好ましくは、炭素繊維の直径は５ミクロン〜１０ミクロンであり、最も好ましくは約７ミクロンである。
【０１０８】
代替的に、出発物質中の繊維は、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ケブラー（Ｋｅｖｌａｒ）等のアラミド繊維、又は融蝕用途及びブレーキ用途での使用に最適なその他の繊維から選択されてもよい。
【０１０９】
１つの実施形態において、細断繊維を供給してもよい。細断繊維は、例えば、基板と同じ長さ又は基板と同じ深さであってもよい。１つの実施形態において、基板の厚さは３５ｍｍ以下であり、使用する繊維は、長さが１００ｍｍ以下の繊維である。１つの実施形態において、基板の厚さは３５ｍｍ以下であり、使用する繊維は、長さが５０ｍｍ以下の繊維である。１つの実施形態において、基板の厚さは３５ｍｍ以下であり、使用する繊維は、長さが２５ｍｍの繊維又は長さが２５ｍｍ及び５０ｍｍの繊維の配合物である。
【０１１０】
本発明における最大繊維長さは１００ｍｍであってもよく、又はそれより長い可能性もある。本発明における最小繊維長さは、１ｍｍであってもよく、又はそれよりも短い可能性もある。
【０１１１】
１つの実施形態において、本発明における最大繊維長さは、６０ｍｍであってもよいが、最大長さは通常５０ｍｍとなろう。１つの実施形態において、細断繊維は長さ１ｍｍ以上及び５０ｍｍ以下で使用される。これらの細断繊維は、全てがこの範囲内の単一の長さを有する繊維、又はこの範囲内の２つ以上の異なる長さを有する繊維を含んでもよい。特に様々な長さの細断繊維の混合物を使用してもよい。この場合、最小長さは１ｍｍ、最大長さは５０ｍｍである。
【０１１２】
従って、いくつかの実施形態において、使用する繊維は、長さが異なる繊維の配合物、例えば２つ以上の異なる長さの繊維の配合物であってもよい。この場合、長さは１２ｍｍ、２５ｍｍ及び５０ｍｍから選択される。好ましい配合物は、長さが２５ｍｍと５０ｍｍの繊維の５０／５０（重量）の配合物である。代替的な配合物は、長さが３ｍｍ〜１２ｍｍの繊維の任意の混合物を含む。選択された繊維長の配合は、繊維マトリックスの所望の最終厚さによって決定してもよい。
【０１１３】
長い繊維を使用してもよいと考えられる。炭素繊維は保持容器内で撹拌中に剪断されないことが望ましいため、繊維の長さの制限要因は、撹拌用保持容器で使用するポンプ又は剪断ミキサーの大きさとなる。大型ポンプを使用すれば長い繊維を使用できると考えられる。
【０１１４】
また、任意の長さの繊維を１００重量％（長さ３ｍｍの繊維を１００重量％、又は長さ６ｍｍの繊維を１００重量％、又は長さ１２ｍｍの繊維を１００重量％、又は長さ１８ｍｍの繊維を１００重量％、又は長さ２５ｍｍの繊維を１００重量％等）使用することも可能である。
【０１１５】
別の好ましい実施形態において、炭素繊維の直径は６ミクロン〜１２ミクロンである。繊維の長さは、３ｍｍ〜５０ｍｍ（例えば３ｍｍ〜３５ｍｍ）から選択されてもよい。
少なくとも繊維マトリックス中の一定の割合の繊維（例えば繊維の５重量％以上、繊維の１０重量％以上等）が、最終繊維マトリックスの意図された厚さの少なくとも半分の長さを有する繊維であると有利となり得る。かかる繊維は、繊維マトリックスを十分に支持し得り、且つより耐性の高いマトリックスを提供し得る。例えば、３２ｍｍの厚さを有する繊維マトリックスは、繊維長さが１６ｍｍ以上（例えば長さ２０ｍｍ以上、長さ２０〜２５ｍｍ等）の繊維を少なくともいくらか含む繊維から生成され得る。３５ｍｍの厚さを有する繊維マトリックスは、長さが１７．５ｍｍ以上（例えば長さ２０ｍｍ以上、長さ２０〜２５ｍｍ等）の繊維を少なくともいくらか含む繊維から生成されてもよい。
【０１１６】
所望の厚さが３０〜３５ｍｍである場合、３ｍｍ〜２５ｍｍの長さを有する繊維の配合物を使用すると有利であることがわかった。
明らかに、繊維の加工性に留意する必要があり、長さが５０ｍｍｍ以上の繊維は加工が困難であり得ることが理解されよう。従って、厚さが１００ｍｍ以上のマトリックスを所望した場合、繊維マトリックスを十分に支持し得り且つより耐性の高いマトリックスを提供し得る長い繊維を有する利点を、長い繊維の加工の困難さが上回る可能性がある。
【０１１７】
特に有利な使用可能な繊維配合物は、相当割合（例えば２０重量％以上、３０重量％以上、又は４０重量％以上）の長さ２ｍｍ〜５ｍｍ（例えば約３ｍｍ）の短い繊維と、２０重量％以下（例えば１〜２０重量％、５〜１５重量％等）の長さ２０ｍｍ以上等の長い繊維を含む。また、この配合物は５ｍｍ超２０ｍｍ以下の長さを有する中程度の長さの繊維を含んでもよい。
【０１１８】
１つの実施形態において、以下の繊維が存在し得る：
２０〜６０重量％（例えば２０〜５５重量％）の長さ２ｍｍ〜５ｍｍの繊維、
２０〜７０重量％（例えば３０〜６５重量％）の長さ５ｍｍ超２０ｍｍ以下の繊維、
１〜２０重量％（例えば５〜１５重量％）の長さ２０ｍｍ〜５０ｍｍの繊維。
【０１１９】
マトリックスの所望の厚さが大きい場合、長い繊維を繊維配合物に含んでもよいことが実現されよう。
好ましい実施形態おいて、本発明の再生炭素繊維は、繊維の一部又は全てとして使用される。再生炭素繊維は、例えば、３ｍｍ〜１００ｍｍの長さに細断されてもよい。１つの実施形態において、再生炭素繊維は、例えば、３ｍｍ〜２５ｍｍの長さに細断してもよい。
【０１２０】
１つの実施形態において、使用される繊維は、全て再生炭素繊維である。代替的な実施形態において、ＰＡＮ炭素繊維は、再生炭素繊維と配合される。ＰＡＮ繊維は、好ましくは、１２ｍｍ繊維と２５ｍｍ繊維の配合物である。
【０１２１】
再生炭素繊維は、英国のＭｉｌｌｅｄ Ｃａｒｂｏｎ社及びドイツのＣＦＫ Ｖａｌｌｅｙ Ｒｅｃｙｃｌｉｎｇ社から入手することができる。再生炭素繊維は、バージン炭素繊維のもとの特性の９０〜９５％を有することが示されている。再生炭素繊維は、炭素繊維の実用化された用途で使用することができる。従って、バージン炭素繊維が高い市場価格を占有しているため、加工費を抑えることができる。さらに、より経済的な炭素−炭素複合材料が生成され、繊維を再生及び再利用できるためＰＡＮからの炭素繊維を製造することによる環境への負荷が低減される。
【０１２２】
使用する繊維は、単一の繊維形態であってもよいし、又は２つ以上の種類の繊維の配合物であってもよい。好ましい実施形態は、再生炭素繊維とケブラー（Ｋｅｖｌａｒ）等のアラミド繊維との混合物である。出発物質は、単一の長さを有する再生炭素繊維を含有してもよいし、又はこの再生炭素繊維は２つ以上の長さを有する配合物であってもよい。特に好ましい炭素繊維配合物は、３ｍｍと１２ｍｍの長さの混合物である。再生炭素繊維及びアラミド繊維の配合比は、好ましくは１：４〜４：１、より好ましくは１：２〜２：１である。特に好ましい比率は１：１である。この比率は、所望の終末生成物の性能特性によって決定してもよい。炭素繊維の割合を増やすと終末生成物の剛度及び強度が上昇する一方、アラミドは耐衝撃性及び耐摩擦性特性を向上させるのに最適である。
【０１２３】
代替的に、他の繊維配合物を使用してもよい。例えば、金属繊維及びガラス繊維を炭素繊維との配合物中に使用してもよいことがわかった。
出発繊維、繊維配合、溶液中に繊維を含む分散液の均一性、及び繊維長さ又は長さの配合の選択を調整することにより、形成される繊維状マトリックスの物理特性を選択することができる。マトリックスは、深さが均一のシートとして生成されてもよいし、又は炭素繊維が凝集した部位を含んでもよい。１８ｍｍ超の長さを有する繊維等の長い繊維を含むには、高レベルの凝集を回避するため、繊維を分散させる液体を増やす必要があり得ることがわかった。長い繊維は最終マトリックスの強化に貢献すると考えられる。
【０１２４】
出発物質にはバインダーが含まれる。バインダーは、任意の最適なバインダーから選択されてもよく、黒鉛化及び炭化プロセスと相溶性のあるバインダーが好ましい。バインダーは、好ましくは、一旦硬化したら繊維と接着して繊維をマトリックス形成物内に閉じ込める役割を果たすバインダーか、又は一旦硬化したら繊維のマトリックス内にフィルム状の基板を形成して繊維をマトリックス形成物内に閉じ込めるバインダーのいずれかでなければならない。
【０１２５】
特に分散液又は乳化剤としてバインダーを添加する場合は、バインダーは出発物質中にゲル又は凝集を形成することが望ましい。バインダーはさらなる成分を添加することなく出発物質中にゲル又は凝集を形成するようにしてもよい。代替的に、さらなる成分を添加して出発物質の特性を改善することが好ましい場合もある。例えば、凝集剤を含むことが望ましい場合がある。好ましい凝集剤は、選択されたバインダーによって決定してもよい。代替的に、出発物質中のバインダーを不安定化してゲル形成を促進する役割を果たす成分を添加することが望ましい場合もある。出発物質中にゲル又は凝集を形成するバインダーを使用する利点は、形成されるマトリックス内にバインダーが保持されバインダーが排出されないことにある。代替的に、バインダーは粉末の形態で添加されてもよく、かかるバインダーはゲル化しないが、繊維マトリックス内に捕捉されるためバインダーは排出されない。好ましいバインダーは、Ｐｈｅｎｏｄｕｒ ＶＰＷ １９４６及び１９４２等のエポキシノボラックバインダーから選択してもよい。
【０１２６】
マトリックス中に低炭化性有機種を取り入れたバインダーを使用することができるが、あまり好ましくない。かかるバインダーは、ウレタン、アクリル酸、メタクリル酸、スチレン、ポリウレタンの共重合体を含む。
【０１２７】
より好ましいバインダーは、フェノール、ポリビニルイミド及びポリビニルアルコール並びに酢酸ビニル／塩化ビニル共重合体を含む群から選択されてもよい。ポリアミド、ＰＶＣ、ＰＶＤＣ、及びポリビニルスルホンは、いくつかの用途で使用してもよい。さらに、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ポリエステル、ポリヒドロキシエーテル、及びエポキシ系材料等のバインダー材料が最適と考えられる。ブラジルのＳａｏ Ｐａｕｌｏ州Ｂｒｏｏｋｌｉｎに所在するＢｉｏｒｅｓｉｎ社から商品名Ｂｉｏ Ｐｏｌｙｏｌで販売されている、ひまし油ベースのヒドロキシ官能性ポリオールは、最適な炭素材料との粘結剤として知られており、また最適であり得る。また、エポキシノボラックを使用してもよい。
【０１２８】
好ましいバインダーは、有機バインダー又はシランバインダーである。このようなバインダーは、繊維又は粉末として乾いた形式で供給してもよいし、又は溶液、分散液又は乳化剤として供給してもよい。基板上に形成されるマトリックスの細孔の大きさを上回る繊維の長さ／粉末の大きさを選択して担体液体とともにマトリックスからバインダーが流出しないようにできるため、繊維又は粉末の形態で使用するバインダーは、凝集剤及び不安定化剤の添加を必要としない場合がある。
【０１２９】
１つの実施形態において、フェノールバインダーが好ましい。これは、フェノールバインダーはマトリックス中に種を組み込まず、高い炭化収率及び低い収縮性を有するためである。Ｄｕｒｏｐｈｅｎ ９３４０又はＤｕｒｏｐｈｅｎ ＦＮ等の最適な水と相溶性のあるフェノールバインダーをＣｙｔｅｃ社から入手することができる。
【０１３０】
また、最適なバインダーはアクリルラテックスであってもよい。
本発明の別の好ましい形態において、バインダーは、オーストリアのＨＯＳ Ｔｅｃｈｎｉｋ社が供給するＨｏｍｉｄｅ ２５０、又はＥｎｓｉｎｇｅｒ−Ｈｙｄｅ社が乾燥粉末として供給するＵｌｔｅｍ等の高炭化性イミドバインダーである。
【０１３１】
代替的な実施形態において、ポリビニルピリリドン（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｐｙｒｒｉｌｉｄｏｎｅ）バインダーを使用してもよい。Ｓｕｎｆｌｏｗｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏ．Ｌｔｄが供給するＳｕｎｖｉｄｏｎｅ（登録商標）Ｋ、又はＢＡＳＦ社が製造するＬｕｖｉｔｅｃ（登録商標）Ｋ１７等の材料が特に最適であることがわかった。
【０１３２】
高炭化性バインダーは、エポキシバインダー及びサイズ剤を燃え尽きるまで燃焼するためのコストを低減できるため、使用することが望ましい。
本発明の第一の使用目的は、ＣＶＤ又はＣＶＩ用に準備を整えた材料を生成することであるため、繊維（特に炭素繊維）にサイズ剤を塗工しないことが好ましい。これに対し、従来は、炭素繊維マトリックスを押圧する場合、マトリックスに圧力を加える間に炭素繊維を保護するための保護被覆を提供するため、炭素繊維にサイズ剤を塗工することが望ましいと理解されてきた。
【０１３３】
従って、いくつかの実施形態において、水と相溶性のあるサイズ剤を繊維に塗工してもよいが、好ましくは、炭素繊維及び／又はその他の繊維配合物にサイズ剤を塗工しない。
本発明では、バインダーは熱硬化性であることが好ましい。本発明での使用に最適である非熱硬化性バインダーは、酢酸ビニル、二塩化ビニル共重合体であるＭｏｗｌｉｔｈ ＶＣ６００であることがわかった。バインダーは、非融蝕性、樹脂との相溶性、並びに水及び／又は塩等の環境要因への耐性の少なくとも１つを有することが望ましい。
【０１３４】
バインダーは、液体又は固体の形態で液体担体に添加してもよい。バインダーは、液体担体中で安定することが好ましいが、それほど安定しないため、十分な量のバインダーは繊維マトリックス中に捕捉されず、束縛効果は得られない。有利には、バインダーは、液体担体中に重合体のゲル又は凝集を形成する。好ましくは、基板上に形成された繊維マトリックスを通過できないほど重合体鎖が大きくなるように、凝集にサイズ剤を塗工する。バインダーは、適切には、７０℃超の温度（７０〜４５０℃等、例えば１００〜４５０℃）で硬化するバインダーであってもよい。好ましくは、バインダーは硬化温度を超える温度までは安定する。
【０１３５】
好ましくは、最終生成物中のバインダーの割合が乾燥した繊維状マトリックスの最終重量の５％〜６０％となるように、バインダーを添加する。例えば、最終生成物中のバインダーの割合は、乾燥した繊維状マトリックスの最終重量の５％〜３０％（５％〜２５％等）であってもよい。好ましい実施形態おいて、バインダーは、マトリックスの最終重量の１０％〜２０％を構成してもよい。
【０１３６】
出発物質中に他の薬剤を含むか、又は工程ｂ）を実施する前に出発物質にかかる薬剤を添加することが望ましい場合もある。各薬剤は、分散剤、界面活性剤、チキソトロープ剤又は粘度調整剤、溶液中のバインダーを不安定化する添加剤、凝集剤、発泡防止剤を含む群から選択してもよい。不安定化剤として酸、塩基及びアミンを使用してもよい。
【０１３７】
１つの実施形態において、微粒子の形態での添加充填材料は、出発物質中に含まれてもよく、又は工程ｂ）が実施される前に出発物質に添加されてもよい。かかる添加充填材料は、複合材料の機能性又は最終特性を向上させる場合がある。
【０１３８】
添加充填材料の添加量は、乾燥した繊維状マトリックス中の重量％として、１％〜５０％（例えば５〜４５％、１０〜４０％等）であってもよい。添加充填材料は、乾燥した材料として、又は分散液もしくは溶液の形態での湿った状態で供給されてもよい。
【０１３９】
最適な添加充填材料は、金属、二酸化ケイ素、及び炭素を含む。従来技術の不織布プリフォームはこれらの材料を含むが、これらの材料はプリフォームを製造した後に添加するために別途プロセスを必要とすることが知られている。本方法の利点は、プリフォームに組み込まれた添加剤を用い、別の製造プロセスを必要とすることなくプリフォームを製造することにある。
【０１４０】
好ましい実施形態おいて、二酸化ケイ素は、乾燥した繊維状マトリックスの重量に対するシリカの乾燥時重量の割合で表すと、１０％〜２０％の割合で添加される。二酸化ケイ素は、ヒュームドシリカの形態で乾燥した粉末として、又はコロイド状シリカ等の溶液として、上記溶液に添加することができる。かかる材料は、ＷＲ Ｇｒａｃｅ社、Ｇｒａｃｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ社、及びＥＫＡ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ社から入手することができる。コロイド状シリカを使用する場合、液体担体への正確な添加量を決定するため、コロイド状でのシリカの乾燥時重量の要求量を提供するためにどれだけの量のコロイド状シリカが必要であるかを算出する必要がある。
【０１４１】
本発明の１つの実施形態において、炭素微粒子を添加充填材料として使用することができる。これは、その後の熱分解プロセスの効率を向上させ、繊維状マット内の自由体積空間を減少させることができる。ＣＶＩ等のその後の炭素析出プロセスにおいて、自由体積空間が少ないため、炭素析出が少ないことが求められよう。好ましい実施形態おいて、直径１０ミクロン以下の微粉砕炭素粒子が添加される。
【０１４２】
添加充填材料の粒径は２５０ミクロン以下であることが望ましい。好ましくは、添加充填材料の微粒子の大きさは１００ミクロン以下、より好ましくは５０ミクロン以下であり、添加微粒子の大きさが２０ミクロン以下であることが最も好ましい。
【０１４３】
好ましくは、添加充填材料として使用する炭素粒子の直径は小さく（例えば１００ミクロン以下）、好ましくは５０ミクロン以下である。直径が小さい粒子を使用すると、マットの繊維圧縮への粒子の影響が限られる。小さい炭素粒子は、圧縮が加えられるとマット内のより大きな細孔に移動する。この移動の結果、任意の気体、樹脂又は液体の注入材料は、あまり蛇行していない注入経路に従わなければならない。
【０１４４】
さらに、直径１０ミクロン以下の小さい粒子を使用すると、繊維状マット構造全体の微粒子分布を容易に均一にすることができる。さらに、小さい粒子を使用すると、基板の外表面が優先的に充填されるのを防止すると考えられる。プリフォームの外表面の細孔の充填を回避することは重要である。なぜなら、プリフォームの本体内に多孔質経路を提供し、効果的な炭化及び注入を可能にするため、外側の細孔が詰まると、費用が嵩む機械加工により細孔の詰まりを除去する必要が出てくる可能性があるからである。
【０１４５】
本発明の第２局面によると、三次元マトリックスを有する繊維不織布基板を含む繊維プリフォームが提供される。この繊維は、硬化バインダーによりマトリックス形成物内で固着することを特徴とする。
【０１４６】
この繊維プリフォームは、第１局面の方法で入手可能な繊維マトリックスであってもよい。
プリフォーム中の繊維は、第１局面で記載した通りであってもよい。好ましくは、繊維プリフォームは、炭素繊維を含む。任意にその他の種類の繊維（例えば金属繊維、ガラス繊維、ＰＰＳ繊維、ＰＥＥＫ繊維、又はケブラー（Ｋｅｖｌａｒ）繊維等のアラミド繊維）も存在してもよい。好ましくは、炭素繊維の直径は５ミクロン以上である。好ましい実施形態おいて、炭素繊維は、ＰＡＮ、ピッチ炭素繊維又は再生炭素繊維から選択される。代替的な繊維は、ＰＰＳ又はＰＥＥＫ、又はケブラー（Ｋｅｖｌａｒ）繊維等のアラミド繊維であってもよい。いくつかの実施形態において、上記繊維は、繊維の配合物であってもよい。配合される繊維は、例えば、炭素繊維とアラミド繊維（ケブラー（Ｋｅｖｌａｒ）繊維等）を含んでもよい。使用する重量比は１：４〜４：１であってもよい。特に好ましい比率は１：１である。繊維（同じ種類の繊維又は異なる種類の繊維の配合物）は、同じ長さでも、又は異なる長さでもよい。
【０１４７】
プリフォーム中のバインダーは、上述の種類であってもよい。好ましい実施形態おいて、プリフォーム中のバインダーは、フェノールバインダー、イミドバインダー、又はポリビニルピリリドンバインダー等の炭化性バインダー材料を含む。バインダーは、例えば、マトリックスの重量の１０重量％〜２０重量％の量で存在してもよい。
【０１４８】
好ましい実施形態おいて、プリフォームは、炭素又は二酸化ケイ素又は金属等の微粒子の形態での添加充填材料である添加剤をさらに含む。添加充填材料は、上記の通りであってもよい。１つの実施形態において、添加剤は、直径１０ミクロン以下の微粉砕炭素粒子の形態での炭素である。より好ましくは、充填剤の直径は１０ミクロン〜２５０ミクロンであり、直径２０ミクロン〜２５０ミクロンが特に好ましい。添加充填材料は、例えば、マトリックス重量の５重量％〜３０重量％であってもよい。任意の厚さで繊維体積率が増加すると、充填剤含有量も増加し得る。
【０１４９】
いくつかの実施形態において、プリフォームはモノリシック構造であり、これは単一の形成構造物から得られてもよい。モノリシック構造は多重層を有さない。好ましくは、プリフォームは確率的である。プリフォームは層状三次元構造であってもよい。
【０１５０】
プリフォームの厚さは１ｍｍ〜２５０ｍｍであってもよい。好ましくは、厚さは、１ｍｍ〜５０ｍｍ、より好ましくは１ｍｍ〜４０ｍｍであってもよい。
プリフォームの坪量（単位面積当たりの重量）は、６００ｇ／ｍ2〜１００，０００ｇ／ｍ2超の範囲で変化してもよい。
【０１５１】
好ましくは、プリフォームは２０体積％以上（３０体積％以上等）の空隙を含有する。好ましくは、プリフォームは２０〜８０体積％の空隙、より好ましくは３０〜７０体積％の空隙、例えば３０〜６０体積％の空隙を含有する。１つの実施形態において、プリフォームは４０〜５０体積％の空隙を含有する。
【０１５２】
好ましくは、プリフォームの繊維体積率は１０％〜４０％以上（例えば２０〜７０％）、より好ましくは２０％〜４０％である。１つの実施形態において、プリフォーム中の繊維はＰＡＮ炭素繊維であり、繊維体積率は３０％以下であってもよい。代替的な実施形態において、繊維はピッチベースの炭素繊維であり、繊維体積率は４０％以下であってもよい。代替的な実施形態において、繊維はバージン炭素繊維又は再生炭素繊維であり、繊維体積率は５０又は６０％以下、又はさらに高くてもよい。
【０１５３】
プリフォームは、気体を注入可能に構成され且つ耐性の高いマトリックスを提供する繊維マトリックスを有する３次元確率的構造を有することが望ましい。２０％未満の繊維体積率はブレーキ用途での使用では抵抗特性が不十分であり、４０％超の繊維体積率は構造内の細孔を詰まらせＣＶＩの効率性を損なう傾向があることがわかった。
【０１５４】
等方性を有するマトリックス材料として、及び取り扱いが簡単な薄板として、プリフォームを使用してもよい。ＣＶＤ又はＣＶＩプロセスでプリフォームを使用してもよい。
本発明の重坪量プリフォームは、硬質板として生成されてもよい。硬質板は、ＣＶＤ又はＣＶＩプロセスでの任意の調整前に、容易に切断して成形できる。従って、高額な形成プロセスを排除できる。
【０１５５】
プリフォームは、ブレーキ用途及び炉のライニング等の融蝕用途で使用してもよい。さらに、プリフォームは、その他の要求の少ない用途で使用してもよい。
繊維マトリックスは、積層プリフォームを調製する場合に使用してもよいことがわかった。１つ以上のマトリックスのシートをアラミド繊維の層と組み合わせてもよい。好ましくは、マトリックスの２つ以上の層をアラミド繊維の１つ以上の層と組み合わせてもよい。１つの実施形態において、マトリックスの１つ以上のシートの厚さは１ｍｍである。厚さは０．５ｍｍ〜１００ｍｍであってもよい。好ましくは、厚さは０．７５ｍｍ〜７５ｍｍであってもよい。厚さは１ｍｍ〜５０ｍｍであってもよい。マトリックス中のバインダーはアラミド繊維の接着剤として機能することがわかった。得られる材料は、軽量且つ高耐衝撃性であり、有利な特性を有することがわかった。
【０１５６】
特に好ましい積層体は、本発明の第１局面に従って形成された繊維マトリックスの積層を用いて作成され、アラミド繊維を含有する層と積層された再生炭素繊維を含有する。好ましい実施形態おいて、この積層体は、３層以上の層を含む。積層体は、アラミド繊維又は炭素繊維を核層として形成してもよい。積層体は、共重合体を使って積層し、これを押圧することによって形成してもよい。特に好ましい共重合体は、酢酸ビニル／塩化ビニル共重合体である。代替的な共重合体は、メタクリル酸、ウレタン、ポリエステル、ＰＶＯＨ、エポキシド、及びスチレンを含む。
【０１５７】
短い細断炭素繊維は、マトリックスの各層間の充填剤として使用してもよい。代替的に、織物プリプレグを、マトリックス層間で使用してもよい。ＳｉＯ2等のその他の微粒子を使用してもよい。ＳｉＯ2は、これまで、湿った簀の目入り基板及び／又は不織布基板に使用されたことはないと考えられる。
【０１５８】
本発明の第３局面によると、第１局面の方法により得られる繊維マトリックスである繊維プリフォームが提供される。
第２又は第３局面のプリフォームは、融蝕、高性能、摩擦、摩耗及び／又は耐食の各用途で使用されてもよい。
【０１５９】
本発明は、第４局面において、ブレーキ又はロケットモーター用ハウジングで使用される物品等の高温用途で使用される物品の製造での第２又は第３局面のプリフォームの使用を提供する。
【０１６０】
本発明は、第５局面において、ブレーキ又はロケットモーター用ハウジングで使用される物品等の、高温用途で使用される物品の生成方法を提供する。本方法は以下の工程を含む。
ｉ）第２又は第３局面のプリフォームを提供する工程
ｉｉ）プリフォームにＣＶＤ又はＣＶＩプロセスを実行する工程
１つの実施形態において、工程（ｉ）は、第１局面の方法を実行することによって達成してもよい。
【０１６１】
１つの実施形態において、工程（ｉｉ）は、熱分解によって達成されてもよい。工程（ｉｉ）は、炭化水素及び気体による化学蒸着、又は熱硬化性樹脂による化学蒸着、又はピッチ材料又は液体シリコーン材料による液体含浸を含んでもよい。
【０１６２】
また、本発明は、第６局面において、ブレーキ又はロケットモーター用ハウジングで使用される物品等の、高温用途で使用される物品も提供する。本物品は、第２又は第３局面のプリフォームを含む。
【０１６３】
前記物品は、第５局面の方法によって得られてもよい。
１つの実施形態において、前記物品はブレーキシューのライニングである。
本発明の第１局面の好ましい特徴は、適宜、本発明の第２〜第６局面にも適用されることが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【０１６４】
【図１】実験室試験システムのスケッチである。
【図２】製造システムを示す図である。
【図３】多重真空マニホールドを用いた代替的製造システムを示す図である。
【図４】基板に無秩序流が流れる代替的製造システムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０１６５】
以下の実施例及び図面を参照しながら、例を挙げながら本発明をさらに詳しく説明する。
図１では、液体担体、バインダー、及び炭素繊維からなるスラリー１を含む出発物質が、容器２から、モールド６の基部に配置されたメッシュ４を含む基板上に注がれ落下する。モールド壁８はメッシュ４を包囲し、モールド６内では出発物質の無秩序流が生じる。液体担体材料は、メッシュ４を介してドレーン１０内に排出される。ドレーン１０に真空力が加えられる。
【０１６６】
図２は、剪断ミキサー１４を有する保持容器１２内で出発物質を調製する製造システムを示す。出発物質は、保持容器から、出口１６を介してパイプ１８を通り、マニホールド２０内に流れる。出発物質は、マニホールド内で分散し、複数のマニホールド出口２２からモールド２４内に排出される。本実施形態では、マニホールドは８つのマニホールド出口を備え、出発物質は重力でモールド２４内に排出される。マニホールドは、モールド２４の基部に位置するメッシュ基板２６の少なくとも約１００ｃｍ上方に配置される。出発物質は、８つのマニホールド出口２２からモールド２４内に流入し、モールド内で出発物質の向流及び直交流が起こり、無秩序流が創出され、三次元確率的マトリックスが形成される。
【０１６７】
液体担体はモールドから排出され排水路２８を流れる。真空３０により真空力が加えられる。モールド２４からメッシュ基板２６が除去され、コンベヤー３０によってプレスに運ばれる。プレスでは、プリフォームに圧力をかけ、プリフォームを加熱して硬化させる。
【０１６８】
図３は、基板から液体担体を吸い出す多重真空マニホールド４０を用いた代替的製造システムを示す。本製造システムは、図２を参照して説明した製造システムとほとんど同じである。本製造システムは、分散した繊維を含有する保持容器４２を含む。出発物質は、保持容器内に保持される前に加熱してもよいし、又は保持容器内に保持されてから加熱してもよい。出発物質はパイプ４４によって保持容器から除去され、ポンプ４６が出発物質の除去を調整する。出発物質はモールド４８内に流入し、モールド４８の基部に位置する基板５０上に落下する。ポンプ４６は圧力下で出発物質をモールド４８内に送り出すようにしてもよいことが理解されよう。吸出しマニホールド４０は、基板５０の下に位置し、中央ドレーン５４に通ずる多数の吸出しポイント５２を有する。多数の吸出しポイント５２を真空マニホールド４０に提供することにより、基板上に堆積したマトリックスを通過する多くの液体担体流が創出され、三次元繊維マトリックス構造が形成される。
【０１６９】
図４は、自重又はポンプにより保持容器からマニホールド６０に供給される製造システムの代替的な実施形態を示す。マニホールド６０は、多くの出口６２を有する。これらのうち８つの出口６２は、モールド６６の基部に位置する基板６４に出発物質を垂直に送出するように配置される。その他のマニホールド６０からの出口は、モールド６６の側面６８に接続される。
［実施例］
全ての実施例は本発明のプロセスを用いて調製される。本プロセスでは、上記の液体担体、繊維及びバインダーを含む出発物質を基板に通過させて基板上に繊維を堆積させ、三次元繊維マトリックスを形成し、バインダーを硬化する。
［実施例１］
本発明のプロセスを用いて０．０９６８ｍ2のサンプルを調製した。
以下を用いて出発物質を調製した。
−繊維配合物（２５ｍｍ炭素繊維５０重量％及び５０ｍｍ炭素繊維５０重量％）４８０ｇ
−水 １２ｋｇ
−バインダー（アクリル系バインダーシステム） １２０ｇ
この出発物質を落下させてメッシュ基板を通過させ、基板上に繊維を堆積させ、その後約５５０トルの真空力を加えてから、７０Ｎ／ｃｍ2の圧縮力下で１７０℃まで加熱した。
【０１７０】
繊維量２３％及び坪量４０００ｇｍ2を有する厚さ１０．２ｍｍのシートを生成した。この実施例の生成物中の空隙率は約６９％であった。
［実施例２］
実施例１と同じ方法及び材料を用いてさらなるサンプルを調製した。しかし、３０重量％のコロイド状シリカを出発物質に添加した。
【０１７１】
この場合の最終繊維体積率は２６％、厚さは８．２ｍｍ、坪量は３６５０ｇｍ2であった。この実施例の生成物中の空隙率は約６０％であった。
［実施例３〜８］
これら全ての実施例において、終末生成物の１０ｋｇ、２０ｋｇ又は３０ｋｇのバッチを作成した。
［実施例３］
以下を用いて出発物質を調製した。
−ＰＡＮバージン繊維配合物（長さ３ｍｍ：４０重量％、長さ６ｍｍ：３０重量％、長さ１２ｍｍ：２５重量％、長さ２５ｍｍ：５重量％）
−ポリビニル（ＰＶＯＨ）バインダー
−水
充填剤は添加しなかった。
【０１７２】
ポンプ供給を用いて出発物質を加圧し、この供給のレイノルズ数が４０００を超えるようにした。この出発物質はメッシュ基板を通過して基板上に繊維を堆積させ、その後約６００トルの真空力を加えてから、約１２０Ｎ／ｃｍ2の圧縮力下で１８０℃まで加熱した。
【０１７３】
生成された繊維マトリックスは以下を含んだ。
−炭素繊維 ８０重量％
−ＰＶＯＨバインダー ２０重量％
大きさ６５０ｍｍｘ６５０ｍｍ及び厚さ１６ｍｍ〜３２ｍｍのプリフォームを調製した。坪量は１２２００ｇｍ2〜１３２００ｇｍ2であった。
【０１７４】
厚さ３２ｍｍの生成物の繊維体積率は２３％〜２４％であった。この生成物中の空隙率は約７０％であった。
厚さ１６ｍｍの生成物の繊維体積率は４９％であった。この生成物中の空隙率は約３７．５％であった。
［実施例４］
以下を用いて出発物質を調製した。
−ＰＡＮバージン繊維配合物（長さ３ｍｍ：４０重量％、６ｍｍ：３０重量％、長さ１２ｍｍ：２５重量％、長さ２５ｍｍ：５重量％）
−ポリビニル（ＰＶＯＨ）バインダー
−水
充填剤は添加しなかった。
【０１７５】
ポンプ供給を用いて出発物質を加圧し、この供給のレイノルズ数が４０００を超えるようにした。この出発物質はメッシュ基板を通過して基板上に繊維を堆積させ、その後約６００トルの真空力を加えてから、約１２０Ｎ／ｃｍ2の圧縮力下で１８０℃まで加熱した。
【０１７６】
生成された繊維マトリックスは以下を含んだ。
−炭素繊維 ８５重量％
−ＰＶＯＨバインダー １５重量％
大きさ５００ｍｍｘ５００ｍｍ及び厚さ１６ｍｍ〜３２ｍｍのプリフォームを調製した。坪量は１２２００ｇｍ2〜１３２００ｇｍ2であった。
【０１７７】
厚さ３２ｍｍの生成物の繊維体積率は２３％〜２４％であった。この生成物中の空隙率は７１．５％であった。
厚さ１６ｍｍの生成物の繊維体積率は４９％であった。この生成物中の空隙率は約３９％であった。
［実施例５］
以下を用いて出発物質を調製した。
−１００％再生炭素（繊維長３〜１２ｍｍをランダムに配合）
−ポリビニル（ＰＶＯＨ）バインダー
−水
−最大粒径５０μｍの微粉砕炭素の充填剤（ＰＶＰバインダーとともに液体担体中の分散液として提供）
ポンプ供給を用いて出発物質を加圧し、この供給のレイノルズ数が４０００を超えるようにした。この出発物質はメッシュ基板を通過して基板上に繊維を堆積させ、その後約７００トルの真空力を加えてから、１４０Ｎ／ｃｍ2の圧縮力下で１８０℃まで加熱した。
【０１７８】
生成された繊維マトリックスは以下を含んだ。
−炭素繊維 ７０重量％
−ＰＶＯＨバインダー １０重量％
−微粉砕炭素 １５重量％
−ＰＶＰバインダー ５重量％
大きさ５００ｍｍｘ５００ｍｍ及び厚さ３２ｍｍのプリフォームを調製した。繊維体積率は２３％〜２４％、坪量は１２２００ｇｍ2〜１３２００ｇｍ2であった。この生成物中の空隙率は約６９％であった。
［実施例６］
以下を用いて出発物質を調製した。
−ＰＡＮバージン繊維配合物（長さ３ｍｍ：２５重量％、長さ６ｍｍ：２５重量％、長さ１２ｍｍ：３５重量％、長さ２５ｍｍ：１５重量％）
−ポリビニル（ＰＶＯＨ）バインダー
−水
−最大粒径５０μｍの微粉砕炭素の充填剤（ＰＶＰバインダーとともに液体担体中の分散液として提供）
ポンプ供給を用いて出発物質を加圧し、この供給のレイノルズ数が４０００を超えるようにした。この出発物質はメッシュ基板を通過して基板上に繊維を堆積させ、その後約７００トルの真空力を加えてから、１４０Ｎ／ｃｍ2の圧縮力下で１８０℃まで加熱した。
【０１７９】
生成された繊維マトリックスは以下を含んだ。
−炭素繊維 ７０重量％
−ＰＶＯＨバインダー １０重量％
−微粉砕炭素 １５重量％
−ＰＶＰバインダー ５重量％
大きさ５００ｍｍｘ５００ｍｍ及び厚さ３２ｍｍのプリフォームを調製した。繊維体積率は２３％〜２４％、坪量は１２２００ｇｍ2〜１３２００ｇｍ2であった。この生成物中の空隙率は約６９％であった。
［実施例７］
大きさ５００ｍｍｘ５００ｍｍ及び厚さ６ｍｍのプリフォームを調製した。
［変形例Ａ］
以下を用いて出発物質を調製した。
−ＰＡＮバージン繊維配合物（長さ３ｍｍ：４０重量％、長さ６ｍｍ：３０重量％、長さ１２ｍｍ：２５重量％、長さ２５ｍｍ：５重量％）
−ポリビニル（ＰＶＯＨ）バインダー
−水
ポンプ供給を用いて出発物質を加圧し、この供給のレイノルズ数が４０００を超えるようにした。この出発物質はメッシュ基板を通過して基板上に繊維を堆積させ、その後約６００トルの真空力を加えてから、２６０Ｎ／ｃｍ2の圧縮力下で１７０℃まで加熱した。
【０１８０】
繊維体積率は約３０％、坪量は２５５０ｇｍ2〜３１００ｇｍ2であった。この生成物中の空隙率は約６５％であった。
［変形例Ｂ］
以下を用いて出発物質を調製した。
−ＰＡＮバージン繊維配合物（３ｍｍ繊維：４０重量％、６ｍｍ繊維：３０重量％、１２ｍｍ繊維：２５重量％、２５ｍｍ繊維：５重量％）及び微粉砕炭素微粒子
−ポリビニル（ＰＶＯＨ）バインダー
−水
−最大粒径５０μｍの微粉砕炭素の充填剤（ＰＶＰバインダーとともに液体担体中の分散液として提供）
ポンプ供給を用いて出発物質を加圧し、この供給のレイノルズ数が４０００を超えるようにした。この出発物質はメッシュ基板を通過して基板上に繊維を堆積させ、その後約７００トルの真空力を加えてから、２４０Ｎ／ｃｍ2の圧縮力下で１８０℃まで加熱した。
【０１８１】
繊維体積率は約３０％、坪量は２５５０ｇｍ2〜３１００ｇｍ2であった。この生成物中の空隙率は約６０％であった。
生成された繊維マトリックスは以下を含んだ。
−炭素繊維 ７０重量％
−ＰＶＯＨバインダー １０重量％
−微粉砕炭素 １５重量％
−ＰＶＰバインダー ５重量％
［実施例８］
大きさ５００ｍｍｘ５００ｍｍ及び厚さ３５ｍｍ又は１７．５ｍｍのプリフォームを調製した。
［変形例Ａ］
以下を用いて出発物質を調製した。
−１００％再生炭素繊維（繊維長３〜１２ｍｍの任意配合物）
−ポリビニル（ＰＶＯＨ）バインダー
−水
充填剤は使用しなかった。
【０１８２】
ポンプ供給を用いて出発物質を加圧し、この供給のレイノルズ数が４０００を超えるようにした。この出発物質はメッシュ基板を通過して基板上に繊維を堆積させ、その後約７００トルの真空力を加えてから、２６０Ｎ／ｃｍ2の圧縮力下で１８０℃まで加熱した。
【０１８３】
生成された繊維マトリックスは以下を含んだ。
−炭素繊維 ８５重量％
−ＰＶＯＨバインダー １５重量％
繊維体積率は約３０％、坪量は１４，９００ｇｍ2〜１７，９００ｇｍ2であった。厚さ３５ｍｍの生成物中の空隙率は約６５％であった。
［変形例Ｂ］
以下を用いて出発物質を調製した。
−再生炭素繊維配合物（繊維長３〜１２ｍｍの任意配合物）
−ポリビニル（ＰＶＯＨ）バインダー
−水
−最大粒径５０μｍの微粉砕炭素を含む充填剤（ＰＶＰバインダーとともに液体担体中の分散液として提供）
ポンプ供給を用いて出発物質を加圧し、この供給のレイノルズ数が４０００を超えるようにした。この出発物質はメッシュ基板を通過して基板上に繊維を堆積させ、その後約６００トルの真空力を加えてから、２４０Ｎ／ｃｍ2の圧縮力下で１７０℃まで加熱した。
【０１８４】
生成された繊維マトリックスは以下を含んだ。
−炭素繊維 ６０重量％
−ＰＶＯＨバインダー １０重量％
−微粉砕炭素充填剤 ２５重量％
−ＰＶＰバインダー ５重量％。
【０１８５】
繊維体積率は約３０％、坪量は１４，９００ｇｍ2〜１７，９００ｇｍ2であった。厚さ３５ｍｍの生成物の空隙率は約５７．５％であった。
［実施例９］
大きさ５００ｍｍｘ７００ｍｍ及び厚さ３ｍｍ又は１７ｍｍのプリフォームを調製した。
【０１８６】
以下を用いて出発物質を調製した。
−１００％再生炭素繊維（繊維長３〜１００ｍｍでランダムに配合）
−酢酸ビニル／塩化ビニル共重合体バインダー（Ｍｏｗｌｉｔｈ ＶＣ６００）
−水
充填剤は使用しなかった。
【０１８７】
この出発物質を高い位置から落下させてメッシュ基板に通過させることにより、繊維を基板上に堆積させ、その後約７００トルの真空力を加えてから、２６０Ｎ／ｃｍ2の圧縮力下で１８０℃まで加熱した。
【０１８８】
生成された繊維マトリックスは以下を含んだ。
−炭素繊維 ７０重量％
−バインダー ３０重量％
作成された第１生成物の坪量は１６０００ｇｓｍ、及び厚さは１７ｍｍであった。繊維体積率は５２％、空隙率は２３％であった。
【０１８９】
作成された第２生成物の坪量は２０００ｇｓｍ、及び厚さが３ｍｍであった。繊維体積率は３６％、空隙率は４０％であった。
［実施例１０］
本発明によって形成された繊維マトリックスを用いて積層材料を生成した。全体の繊維坪量が３０００ｇｓｍの基板は、３つの層で形成された。この３層の積層の上部及び下部は６ｍｍの細断アラミド繊維（ケブラー（Ｋｅｖｌａｒ））から形成された１０００ｇｓｍの基板で形成された。３層の積層の核は、繊維長が３ｍｍ〜１２ｍｍの再生炭素繊維から形成された１０００ｇｓｍの基板で形成された。この核は、上述の方法に従って形成された（実施例９）。１７０℃の温度で酢酸ビニル／塩化ビニル共重合体（Ｍｏｗｌｉｔｈ ＶＣ６００）を１０％添加して、各層を積み重ねて押圧した。ケブラー繊維を含む各層も本発明に従って形成された。この積層の最終繊維体積率は約３０％、及び空隙率は約６８％であった。
［実施例１１］
全体的な繊維坪量が１０００ｇｓｍの基板を用いて、代替的な種類の積層材料を上部層及び下部層として形成した。この基板は、長さが３ｍｍ〜２３ｍｍの再生炭素を用いて形成され、且つ上記の方法に従って作成された（実施例９）。６ｍｍの細断アラミド繊維（ケブラー）からなる核層を使用した。この核層の全体的な繊維坪量は１０００ｇｓｍであった。積層材料は、酢酸ビニル／塩化ビニル共重合体（Ｍｏｗｌｉｔｈ ＶＣ６００）を１０％添加して積み重ねて押圧することにより形成され、１７０℃で硬化した。この積層材料の全体的な繊維坪量は３０００ｇｓｍ、繊維体積率は約３０％、及び空隙率は約６８％であった。
［実施例１２］
繊維の配合物を用いて繊維マトリックスを形成した。本実施例では、６ｍｍの細断繊維（ケブラー）及び細断長さが３ｍｍ〜１２ｍｍの再生炭素繊維を、再生炭素繊維対ケブラー繊維比１：１（重量比）で配合した。実施例９の方法を用いた。１０％の酢酸ビニル／塩化ビニルバインダー（Ｍｏｗｌｉｔｈ ＶＣ６００）で繊維マトリックスを押圧及び硬化し、繊維体積率約３０％及び空隙率約６８％を得た。
【０１９０】
実施例１０〜１２に示されたアラミド繊維配合物の変形例は、摩擦及び弾道用途で特に有用である可能性があると考えられる。
［実施例１３］
バージン炭素繊維を用いて繊維マトリックスを形成した。出発物質を提供するために水と組み合わせた材料は以下の通りであった。
−３ｍｍ繊維：３０重量％
−６ｍｍ繊維：２０重量％
−１２ｍｍ繊維：１５重量％
−２５ｍｍ繊維：５重量％
−酢酸ビニル／塩化ビニル共重合体バインダー（Ｍｏｗｌｉｔｈ ＶＣ６００）：３０重量％
出発物質は、単一の入口と８つの出口を有するマニホールドを通って、モールド内に位置するメッシュ基板に送られた。出発物質は、単一の入口を介してマニホールド内に落下し、８つのマニホールド出口から排出され、モールド内に入る。マニホールドはメッシュ基板の上方に配置され、スラリーを高い位置からメッシュ基板上に落下させる。
【０１９１】
出発物質はメッシュ基板を通過し、基板上に繊維を堆積させ、約７００トルの真空力を加えてから、２６０Ｎ／ｃｍ2の圧縮力下で１８０℃まで加熱した。
１６０００ｇｓｍのシートを押圧して厚さを１３．５ｍｍとし、繊維体積率約６６％及び空隙率約３０％を得た。
［実施例１４］
再生炭素繊維を用いて繊維マトリックスを形成した。出発物質を提供するために水と組み合わせた材料は以下の通りであった。
−細断されたランダムな再生炭素（長さ３ｍｍ〜１２ｍｍ）：７０重量％
−酢酸ビニル／塩化ビニル共重合体バインダー（Ｍｏｗｌｉｔｈ ＶＣ６００）：３０重量％
出発物質は、単一の入口と８つの出口を有するマニホールドを通って、モールド内に位置するメッシュ基板に送られた。出発物質は、単一の入口を介してマニホールド内に落下し、８つのマニホールド出口から排出され、モールド内に入る。マニホールドはメッシュ基板の上方に配置され、スラリーをメッシュ基板上に落下させる。
【０１９２】
この出発物質をメッシュ基板に通過させ、約７００トルの真空力を加えてから、２６０Ｎ／ｃｍ2の圧縮力下で１８０℃まで加熱した。
１６０００ｇｓｍのシートを押圧して厚さを１３．５ｍｍとし、繊維体積率約６６％及び空隙率約３０％を得た。
［バインダー試験］
多くの異なるバインダーを用いて実験を行い、有用性を比較した。結果をまとめた表を以下に示す。表中、ＦＢＷは繊維坪量（ｇ／ｍ2）であり、ＶＦは繊維体積率である。
【０１９３】
【表１】
【０１９４】
【表２】
【０１９５】
【表３】
【０１９６】
【表４】
【０１９７】
【表５】
【０１９８】
【表６】
【０１９９】
上記の結果から、カルボキシル化アクリルとＰｅｒｃｏｌは、この実験では、高い繊維体積率の最適なマトリックスを形成しなかったことがわかる。しかし、代替的な不安定化剤は、出発物質中に最適なゲルを形成し、高い繊維体積率が求められる用途で達成される結果を改善すると考えられる。硫酸カルシウムを不安定化添加剤として使用することにより、ゲル化が生じて基板上のポリマー獲得が改善され、改善した結果を達成した。
【０２００】
Ｆｕｌａｔｅｘの形態でのアクリルバインダーは、高い繊維体積率を達成でき、優れた結果を示したことがわかる。
前述のように、硬化温度を超える温度で安定化するバインダーを選択する。Ｐｈｅｎｏｄｕｒ １９４６を用いて２００℃まで加熱する実施例では、バインダー物質がこの温度で分解を始めることが試験により示されている。しかし、１８０℃での硬化で十分であり、バインダー物質は分解されない。
【０２０１】
選択したバインダーが最終生成物の特性に寄与し、従ってバインダーの選択によって生成物の特性をハンドリング性及び剛度の点で調整することができる。
上記実施例から、とりわけ、以下のいずれかの実施形態を用いた場合の生成物で特に好ましい結果が得られることがわかる。
−出発物質を離れた距離から基板上に落下させ、さらに真空力を基板上の繊維に加える。
−出発物質を複数の出口ポイントから基板に通過させ、真空力を基板上の繊維に加える。
−一定の圧力で出発物質を基板に供給し、さらに真空力を基板上の繊維に加える。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、繊維ベースのプリフォーム及びかかるプリフォーム用の繊維マトリックスの作成方法に関する。このプリフォームは、融蝕、高性能、摩擦、摩耗及び耐食の各用途での使用に最適である。特に、本発明は、ブレーキ、ロケットモーター用ハウジング等の高温用途で使用される炭素ベースのマトリックスの生成方法に関する。
【０００２】
炭素−炭素複合材料用途で使用するためにプリフォームを製造することはよく知られている。Ｍｏｒｇａｎは、「炭素繊維とその複合材料（Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｒｅｓ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ）」の中で、プリフォーム、及びかかるプリフォームを炭素複合材料生成の前駆体として生成する方法について詳細に述べている。
【０００３】
また、炭化ケイ素、ＰＰＳ繊維、ＰＥＥＫ繊維、又はセラミック酸化物繊維等のその他の繊維から繊維ベースのプリフォームを製造することも知られている。かかる複合材料は熱分解後、一般的にブレーキ用途で使用される。熱分解プロセスの１つの形式として、炭化水素及び気体による化学蒸着が挙げられる。かかるプロセスは、一般的にＣＶＤと呼ばれている。代替的な熱分解プロセスとして、熱硬化性樹脂による注入、又はピッチ材料若しくは液体シリコーン材料による液体含浸が挙げられる。かかるプロセスは、一般的にＣＶＩプロセスと呼ばれている。
【０００４】
細断繊維のトウの一方向、２次元、及び３次元の不織布プリプレグ（予備含浸複合材料繊維）を使用することが知られている。このような材料は、高温の注入プロセスのベースとして使用されてきた。
【０００５】
高温用途で使用される炭素−炭素複合材料は、最終構造中の繊維量が高いことが望ましい。不織布材料は集中的な熱処理が必要であり、炭化プロセス中に収縮する場合が多い。また、かかる材料は圧縮しない限り繊維体積率が低いことがよく知られている。さらに、炭素繊維は破砕性を有し、且つ圧縮力を過剰に用いるとプリフォームの本体内で炭素繊維が著しく破損することが当技術分野ではよく知られている。いくつかの複合材料は圧縮されてきたが、全炭素含有量が少なく、使用される炭素はナノ粒子であった。
【０００６】
織物プリプレグを使用してプリフォームの繊維体積率を向上させることができる。織物プリプレグは層状で使用でき、各層の厚さ及び坪量は有限であり、多くの層を互いに接着して最終プリフォームを形成することができる。層ごとに繊維構造のｘ／ｙ位置合わせを行うことにより、フィルムの低回転速度での形成が促進され、従ってブレーキ用途における低温剪断摩耗が低減される。しかし、繊維の平面配向を貫通する「ｚ」方向繊維を有し、確実にプリフォーム体の内部構造が隣接する層同士の界面で破局的剪断故障を起こさないようにすることが望ましい。典型的に、この問題は、ニードリング又はステッチングのいずれかにより解決されてきた。かかるプロセスは、ＵＳ５１４３１８４及びＵＳ５５９９６０３で教示されている。
【０００７】
不織布材料の場合、ニードリング及びステッチングを用いて、プリフォーム基板の最終体積率を向上させることもできる。ＵＳ５５９９６０３では、不織布地を所望の厚さに糸で縫合している。
【０００８】
ニードリングの所望性については、例えば、ＵＳ６３６１７２２、ＵＳ５８０３２１０及びＥＰ１８１３８３３の実施例で述べられている。十分に高い繊維体積率を有するプリフォームを得るためにニードリングを必要とすることが一般的に受け入れられている。最終プリプレグに布地が使用されていることを考えると、最終体積率は制限要因と考えられる。緻密化前の繊維体積率が十分に高くない場合、この材料は要求が緩い融蝕用途には最適だが、繊維体積率が低いため、高性能ブレーキ用途等の高摩耗用途ではこのプリフォームを使用することはできない。
【０００９】
織物材料を用いると繊維の高い本体体積率が得られるが、多重層を使用し且つ緻密化前にプリフォームを構成するため、構成プロセスの詳細に慎重なハンドリング及び注意が求められる。これは、破局的平面貫通破壊の可能性を排除するために各層の繊維の配向を変える必要があるため、確実に多重層を特定の幾何学的配列に揃えなければならないためである。多重層を得るためには、ＵＳ２００８／００９００６４で詳述されているニードリング又はステッチングを使用する必要がある。このため、プリフォームの生成に数週間程度のかなりの期間を要する可能性がある。
【００１０】
Ｂｕｒｃｈｅｌｌ氏、Ｊｕｄｋｉｎｓ氏、Ｒｏｇｅｒ氏及びＳｈａｗ氏の「炭素繊維ベースの吸着剤Ｍｏｎｏｌｉｔｈｓの構造及び特性（Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｒｅ ｂａｓｅｄ ａｂｓｏｒｂｅｎｔ Ｍｏｎｏｌｉｔｈｓ）」及びＭａｔｅｒｉａｌｓ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ＬＬＣ社のＳＢＩＲフェーズ１最終報告書（ＳＢＩＲ Ｐｈａｓｅ １ Ｆｉｎａｌ Ｒｅｐｏｒｔ）に記載されているように、炭素繊維及びバインダーを含有するスラリーからプリフォームを製造することが知られている。周知の方法では、スラリーを撹拌する必要があり、多孔質成形型を有するモールドをこのスラリー内に沈め、その後このスラリー混合物から引き上げる。繊維は多孔質成形型上に沈降する。水などの溶媒は、真空を加えることにより成形型から除去することができる。代替的に、スラリー材料をタンクから多孔質成形型まで下方向に流し、何らかの方法で多孔質成形型に真空を加え、成形型から溶媒を吸出し、炭素繊維をモールド内に残すことも行われてきた。
［発明の概要］
本発明の第１局面によれば、繊維マトリックスの作成方法が提供され、本方法は以下を含む。
ａ．液体担体、繊維及びバインダーを含む出発物質を提供し、
ｂ．前記出発物質を基板に通過させて、前記基板上に繊維を堆積させ、
ｃ．三次元繊維マトリックスを形成し、及び
ｄ．前記バインダーを硬化する。
【００１１】
好ましくは、前記三次元マトリックスは以下の少なくとも１つにより形成される。
ｉ）真空力を前記基板上の前記繊維に加え、
ｉｉ）前記基板上に出発物質の無秩序流を創出する。
【００１２】
従って、前記第１局面の１つのオプションでは、前記方法は以下を含む。
ａ．液体担体、繊維及びバインダーを含む出発物質を提供し、
ｂ．前記出発物質を基板に通過させて、前記基板上に繊維を堆積させ、
ｃ．真空力を前記基板上の前記繊維に加えて、三次元繊維マトリックスを形成し、及び
ｄ．前記バインダーを硬化する。
【００１３】
前記第１局面の第２オプションでは、前記方法は以下を含む。
ａ．液体担体、繊維及びバインダーを含む出発物質を提供し、
ｂ．前記出発物質を基板に通過させて、前記基板上に繊維を堆積させ、
ｃ．前記基板上に出発物質の無秩序流を創出して、三次元繊維マトリックスを形成し、及び
ｄ．前記バインダーを硬化する。
【００１４】
１つの実施形態では、前記三次元マトリックスを形成するため、ｉ）前記基板上の前記繊維に真空力を加えること、及びｉｉ）前記基板上に出発物質の無秩序流を創出すること、の両方を行ってもよい。
【００１５】
好ましい本発明の第１局面によれば、繊維マトリックスの作成方法が提供され、本方法は以下を含む。
ａ．液体担体、繊維、及びバインダーを含む出発物質を提供し、且つモールド内に基板を提供し、
ｂ．出発物質の流れを調整して前記モールド内に流入させ、且つ前記モールドにおいて前記出発物質を基板に通過させて、基板上に繊維を堆積させ、
ｃ．三次元繊維マトリックスを形成し、及び
ｄ．前記バインダーを硬化する。
【００１６】
好ましくは、前記好ましい第１局面において、前記三次元マトリックスは以下の少なくとも１つによって形成される。
ｉ）前記基板上の前記繊維に真空力を加えること、
ｉｉ）前記基板上に出発物質の無秩序流を創出すること。
【００１７】
従って、前記好ましい第１局面の１つのオプションにおいて、前記方法は以下を含む。
ａ．液体担体、繊維、及びバインダーを含む出発物質を提供し、且つモールド内に基板を提供し、
ｂ．出発物質の流れを調整して前記モールド内に流入させ、前記出発物質を基板に通過させて、基板上に繊維を堆積させ、
ｃ．前記基板上の前記繊維に真空力を加え、三次元繊維マトリックスを形成し、及び
ｄ．前記バインダーを硬化する。
【００１８】
前記好ましい第１局面の第２のオプションにおいて、前記方法は以下を含む。
ａ．液体担体、繊維、及びバインダーを含む出発物質を提供し、且つモールド内に基板を提供し、
ｂ．出発物質の流れを調整して前記モールド内に流入させ、前記出発物質を基板に通過させて、前記基板上に繊維を堆積させ、
ｃ．前記基板上に出発物質の無秩序流を創出して、三次元繊維マトリックスを形成し、及び
ｄ．前記バインダーを硬化する。
【００１９】
好ましい第１局面の１つの実施形態において、前記三次元マトリックスを形成するため、ｉ）前記基板上の前記繊維に真空力を加えること、及びｉｉ）前記基板上に出発物質の無秩序流を創出すること、の両方を行ってもよい。
【００２０】
好ましくは、前記繊維は炭素繊維を含む。
本発明の第２局面によれば、三次元マトリックスを有する繊維不織布基板を含む繊維プリフォームが提供される。この場合、繊維は硬化バインダーによりマトリックス形成物内で固着させることを特徴とする。
【００２１】
本発明の第３局面によれば、前記第１局面の方法によって入手可能な繊維マトリックスである繊維プリフォームが提供される。
本発明は、第４局面において、ブレーキ又はロケットモーター用ハウジングで使用される物品等、高温用途で使用される物品の製造における、前記第２又は第３局面のプリフォームの使用を提供する。
【００２２】
本発明は、第５局面において、ブレーキ又はロケットモーター用ハウジングで使用される物品等の、高温用途で使用される物品の生成方法を提供し、前記方法は以下の工程を含む。
ｉ）前記第２又は第３局面のプリフォームを提供し、
ｉｉ）前記プリフォームに対してＣＶＤ又はＣＶＩプロセスを実行する。
【００２３】
また、本発明は、第６局面において、前記第２又は第３局面のプリフォームを含む、ブレーキ又はロケットモーター用ハウジングで使用される物品等、高温用途で使用される物品を提供する。
［発明の詳細な説明］
好ましくは、出発物質は、液体担体、繊維及びバインダーを含み、繊維は炭素繊維を含むことを特徴とする。
【００２４】
本発明において、実験室での繊維体積率は、低くても１５〜１８％、高い場合は３０％超を容易に達成した。このような高い繊維体積率は、微粉砕炭素微粒子を含まなければならない可能性があるが、４０％までの繊維体積率又はさらにそれよりも高い繊維体積率も達成可能である。従って、繊維体積率は、１５〜４０％（１８〜４０％等、例えば２０〜３５％）であってもよく、又はこれより高くてもよい。
【００２５】
１つの実施形態において、繊維体積率は、１５％以上（例えば１５〜７５％又は１５〜７０％）、又は１８％以上（例えば１８〜７５％又は１８〜７０％）、又は２０％以上（例えば２０〜７５％、又は２０〜７０％、又は２０〜６５％、又は２０〜６０％、又は２０〜５５％、又は２０〜５０％）である。
【００２６】
繊維体積率の好ましい範囲は、２０％〜３０％以上（例えば２０％〜５０％、２０〜４５％等）、特に２０％〜４０％である。かかる繊維体積率は、不織布炭素繊維構造ではこれまで達成されなかった。
【００２７】
この範囲の繊維体積率はアルミナ繊維等の無機材料で得られてきたが、これらは加工が容易な繊維である。これに対し、従来の賢明な方法では、炭素繊維等の他の繊維に対して必要な加工を行う場合、基本的に粉末化するであろう。従って、本発明の方法は、炭素繊維を含む全ての種類の繊維において繊維体積率を２０％〜３０％、又はそれ以上にでき、非常に有利である。
【００２８】
第１局面の方法の特に有利な点は、出発物質が細断されたポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）炭素繊維の場合、繊維体積率が少なくとも３０％以下の生成物を得ることができることである。その上、出発物質がピッチをベースとした炭素繊維である場合、少なくとも４０％までの繊維体積率を達成することができる。
【００２９】
出発物質がバージン又は再生炭素繊維の場合、例えば５０％以上又は６０％以以上の高い繊維体積率を得ることができる。
当技術分野で知られているように、繊維体積率は、マトリックスの厚さを測定し、且つそのマトリックスのサンプルを秤量することによって測定してもよい。サンプルのバインダー含有量は、そのサンプルを秤量し、サンプルをバインダーが燃え尽きる温度以上の温度にさらし、その後再秤量して重量差を算出することにより設定してもよい。サンプルを何度まで加熱するかは、バインダーの種類により異なる。従って、単位面積当たりの繊維量及び空隙量を計算することができる。
【００３０】
１つの実施形態において、三次元マトリックスは、基板上に出発物質の無秩序流を創出し、任意にさらに基板上の繊維に真空力を加えることにより形成される。
無秩序流を生じさせる手段を１つ以上使うことにより、基板上に出発物質の無秩序流を生じさせてもよい。無秩序流とは、システム挙動がシステムの正確な初期条件に非常に依存するため、事実上、予測不可能でランダム過程と区別ができない流れであると理解してもよい。典型的に、流れシステムにおいて、無秩序システム流は、層流よりむしろ乱流を示唆するレイノルズ数を有する。
【００３１】
あるシステムのレイノルズ数（Ｒ）は、Ｒ＝（システムの密度）×（システムの速度）×（システムの落下距離又はシステムが貫流するパイプの直径）／（システムの粘度）によって定義される。システムの密度の測定はｋｇ／ｍ3、及び速度の測定はｍ／ｓで行う。距離又は直径の測定はｍ、及び粘度の測定はｋｇ／ｍ・ｓで行う。
【００３２】
密度の測定は室温及び室圧で行う。粘度の測定は、室温及び室圧下で粘度メーター、特にＮｏｒｃｒｏｓｓ製Ｍ８ＢＯ粘度メーター（Ｎｏｒｃｒｏｓｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｎｅｗｔｏｎ，ＭＡ，ＵＳＡ）を使って行う。システムの速度（流量）の測定は、室温及び室圧下で流量計を使用して、特にＴｉｔａｎ ＦＴ２ Ｔｕｒｂｉｎｅ流量計（Ｔｉｔａｎ Ｆｌｏｗｍｅｔｅｒｓ，ＵＫ）により行う。
【００３３】
層流システムの値は２０００を十分下回るが、無秩序流又は乱流システムのレイノルズ数は２０００以上であり、３０００以上又はさらに４０００以上と高い可能性がある。
出発物質を基板上に落下させることにより、基板上に出発物質の無秩序流を生じさせてもよい。
【００３４】
代替的に又は追加的に、基板上の出発物質の無秩序流は、複数の出口ポイントから出発物質を基板に通過させることにより生じさせてもよい。複数の出口ポイントは、２つ以上の出口を有するマニホールドによって提供されてもよい。
【００３５】
代替的に又は追加的に、高圧力による流れを用いて出発物質をモールドに供給することにより、基板上に出発物質の無秩序流を生じさせてもよい。
代替的に又は追加的に、リストリクタプレートを供給パイプ内に挿入し、供給パイプ内に背圧を創出し、より高い力で材料を基板上に押し出すことにより、基板上に出発物質の無秩序流が得られよう。
【００３６】
代替的に又は追加的に、出発物質を基板に対して角度を持たせて供給することにより出発物質の無秩序流を基板上に生じさせてもよい。いくつかの実施形態では、この無秩序流をモールドの側面から基板に供給するようにしてもよい。好ましくは、出発物質は圧力下でポンプによってモールド内に送られる。出発物質の対向する入口ポイントを提供することにより、出発物質の直交流が基板上に無秩序流を形成するようにすることが望ましい場合もある。
【００３７】
代替的に又は追加的に、基板の下に複数の真空ポイントを提供することによって、基板上に出発物質の無秩序流を生じさせたり支援したりしてもよい。真空マニホールドを提供し、基板に多くの真空箇所を適用するようにしてもよい。
【００３８】
無秩序流を生じさせる１つ以上の手段を組み合わせてもよい。例えば、基板に加えられる真空力に加え、出発物質を単一の入口ポイントから基板上に落下させたり、又はマルチポイントマニホールドから基板を通過させたりしてもよい。
【００３９】
１つの実施形態において、真空力を基板に加えてもよい。基板に真空力を加えて、基板上に堆積した繊維を介して液体担体が排出され、繊維から排出されることが好ましい。
１つの実施形態において、出発物質は、保持容器からマニホールド内に送られ、マニホールド内に集められる。出発物質は、マニホールドから複数のマニホールド出口を介して基板上に送られる。マニホールド出口は基板表面に対して実質的に９０°であってもよく、又は鋭角又は鈍角であってもよい。出発物質は、マニホールド出口から圧力下で流れてもよく、又はマニホールドから重力で排出されてもよい。
【００４０】
いくつかの実施形態において出発物質は自重でマニホールドに運ばれるが、他の実施形態において出発物質の運搬はポンプによって行われてもよい。繊維の損傷を防止するには蠕動ポンプシステムが好ましいが、代替的なポンプシステムを用いてもよい。
【００４１】
周知の方法に勝る利点は、基板を介した担体材料の複数の流れが、三次元の確率的構造を基板上に形成することにある。つまり、形成される構造は、ｘ、ｙ及びｚ方向の繊維を有し、これらの繊維はランダムに配向される。
【００４２】
出発物質からの液体担体の基板を通る流れは比較的速いことが望ましい。１つの実施形態において、液体担体の速度は、１ｍ／ｓ以上（２ｍ／ｓ以上、３ｍ／ｓ以上、４ｍ／ｓ以上、又は５ｍ／ｓ以上等）である。代替的な実施形態において、液体担体の速度は１０ｍ／ｓ以上である。
【００４３】
好ましくは、液体担体流の速度は、重力で１メートル落下するときの速さ以上である。
好ましい方法では、出発物質は保持容器から基板までの距離を落下可能とされる。基板は、側壁を有するモールド内に置いてもよい。１つの実施形態において、出発物質は、単一の流れで保持容器から基板に落下する。好ましい距離は、繊維を運ぶために必要な液体担体量に依存する。運搬速度も、最も好ましい距離に影響し得る。落下距離は、０．５ｍ〜１０ｍ（０．５〜７．５ｍ等）、好ましくは０．７５〜６ｍ、及び最も好ましくは１〜５ｍ（１〜４ｍ又は１〜２ｍ等）であってもよい。１つの実施形態において、好ましい距離は約１．５ｍである。
【００４４】
２０００ｇｓｍのプリフォームを生成する１つの好ましい実施形態において、出発物質の全量が、排出の開始前にモールドに移される。１ｍ2の基板の場合、モールドの体積は４ｍ2、従って距離は４ｍである。この実施形態では２００ｍｍの供給パイプが使用される。モールドの充填と排出を同時に行う場合、距離を短くしてもよい。
【００４５】
出発物質は、基板を通過する前に加圧されてもよい。
液体担体が出発物質から基板を貫流する際に高い速度を達成するように、出発物質に最適な圧力がかかっていることが望ましい。好ましくは、この圧力は、５ｋＰａ以上（６ｋＰａ以上、７ｋＰａ以上、８ｋＰａ以上等）、好ましくは９ｋＰａ以上（例えば１０ｋＰａ以上）である。１つの実施形態において、出発物質の最小圧力は、１５ｋＰａ以上（例えば２０ｋＰａ以上（３０ｋＰａ以上等））であってもよい。
【００４６】
好ましくは、基板上の無秩序流を最大化するため、出発物質は、基板までの距離を落下することにより創出される圧力を超える圧力まで加圧される。落下によって生成される圧力の近似値は、９．７５ｍ（３２フィート）当たり１０３ｋＰａ（１５ｐｓｉ）である。落下により生成される圧力の１．５倍又は２倍の圧力が望ましいと考えられる。
【００４７】
２ｍ落下する場合、出発物質の圧力は、３１ｋＰａ（４．５ｐｓｉ）以上、好ましくは４１ｋＰａ（６ｐｓｉ）以上であってもよい。４ｍ落下する場合、出発物質の最小圧力は、６９ｋＰａ（１０ｐｓｉ）以上、好ましくは９０ｋＰａ（１３ｐｓｉ）であってもよい。より高い圧力が好ましい場合もある。
【００４８】
基板上の出発物質の流れは無秩序であり、レイノルズ数が、２０００以上（２５００以上等）、好ましくは３０００以上（３５００以上等）、より好ましくは４０００以上（例えば４５００以上、５０００以上、６０００以上、７０００以上、８０００以上、９０００以上、又は１０，０００以上）であることが望ましい。
【００４９】
いくつかのシステムでは非常に高いレイノルズ数を達成してもよく、１４０，０００〜１６０，０００以上の高い値であってもよい。
１つの好ましい範囲は、３０００〜１０，０００以上（例えば３０００〜２００，０００（４０００〜１６０，０００等））である。いくつかの実施形態において、好ましい範囲は、５０００〜２５，５００以上（例えば５０００〜１８０，０００）である。他の実施形態において、好ましい範囲は、２５，５００〜１００，０００以上（例えば２５，５００〜１７０，０００）であってもよい。
【００５０】
出発物質は、基板を通過する前にマニホールドに入るようにしてもよい。マニホールドは単一の出口を有してもよいし、又は２〜２０個（例えば２〜１０個等）の複数の出口を有してもよい。好ましくは、マニホールドの出口数は、出発物質によって覆われる基板の大きさにより、２、４、６、８又は１０である。基板が大きければ、より多くの出口を提供してもよい。出発物質は、複数の流れとなって基板上を流れる。基板上には２つ以上の出発物質の流れが存在する。いくつかの実施形態において、４つ又は６つ又は８つの流れが存在してもよい。好ましい流れの数は、基板及び形成されるマトリックスの面積に依存してもよい。流れの数は、好ましくは、形成されるマトリックスの面積とともに増加する。基板１平方フィート（０．０９２９０ｍ2）毎に１つの出口を提供してもよい。各出口は直径を有し、好ましくは、各マニホールド出口の直径は同じである。
【００５１】
従来の方法では、繊維は一般的に２次元に展開される。いくつかの繊維は部分的に第３次元で配置されるが、これは完全な三次元マトリックスではなく、その上確率的構造は得られない。本発明において、三次元マトリックスが形成される。さらに、確率的構造が生成され得る。
【００５２】
従来の方法では、出発物質は基板方向に流れるため、大部分は担体材料が流れる方向に配向される。流れが基板に衝突すると、流れは基板面に方向転換され、従って繊維は基板面に配向され基板に対して垂直ではなくなる。
【００５３】
本発明の方法では、出発物質の流れは無秩序であってもよく、多くの流れや向流は繊維をいくつもの配向に方向付け、そのため確率的構造が形成される。かかる確率的構造では、繊維の配向は３次元であり、繊維はｘ、ｙ及びｚ方向に配置される。実際、繊維は事実上、平面とその平面に対して９０度の間の角度の、ほとんど全てではないにしてもそのほとんどで配向されてもよい。例えば、繊維は、平面とその平面に対して９０度の間の角度の５０％以上（６０％以上、７０％以上、８０％以上、９０％以上、又は９５％以上等）で配向されてもよい。
【００５４】
個々の繊維は、水平面から垂直に０〜±９０°で配向されてもよい。また、個々の繊維は、水平面を起点にして３６０°以内でランダムに配向されてもよい。
好ましくは、本発明において形成される３次元マトリックスでは、繊維の５重量％以上（１０重量％以上等）が、実質的に「ｚ」方向に配向される。好ましくは、繊維の５〜３０重量％（１０〜２５重量％等）が、実質的に「ｚ」方向に配向される。より好ましくは、繊維の１０重量％〜２０重量％が、実質的に「ｚ」方向に配向される。
【００５５】
確率的構造を有するマトリックスの形成は、プリフォームとして使用可能であり且つ高い割合の空隙を含有する生成物を提供していることがわかった。このことは、ＣＶＤでの気体注入及びＣＶＩでの液体注入を容易にするという点で望ましい。織物繊維の堆積によって形成される従来技術のプリフォームの欠点は、比較的少ない空隙しか存在せず、そのため気体又は液体の注入が困難であり、プロセスに数日または数週間かかり非常に遅い点である。これと比較して、本発明のマトリックスの空隙率では気体の注入は比較的早く、必要な気体注入はものの数時間で行うことができる。
【００５６】
好ましくは、本マトリックスは、１０体積％以上の空隙（１５体積％以上の空隙等）を含有し、好ましくは、本マトリックスは２０体積％以上の空隙を含有し、及びより好ましくは、２０〜８０体積％の空隙（２０〜７０体積％の空隙等）を含有しうる。１つの好ましい実施形態において、本マトリックスは、３０〜７０体積％（３０〜６０体積％等）の空隙を含有する。１つの好ましい実施形態において、本マトリックスは４０〜７０体積％の空隙、より好ましくは４０〜６０体積％（４０〜５０体積％等）を含有する。
【００５７】
プリフォーム中の空隙の存在及び配置は、Ｃ−ＳＣＡＮ又はＳＥＭ顕微鏡又はその他の同様の技術を使って測定することができる。個々の空隙の大きさは、かかる技術により測定してもよいが、一般的に実際の空隙率は平均化される。マトリックス中の空隙率は、繊維及びバインダーの含有量と１００体積％との差である。
【００５８】
さらなる、本発明のプロセスは、空隙の分布が秩序的又は幾何学的というよりもランダムであるマトリックスを生成する。このことは気体注入が最適化されることを意味するため有利である。特に、従わなければならない特定の幾何学的形状又は経路は存在しないであろう。
【００５９】
Ｃ−ＳＣＡＮ又はＳＥＭ顕微鏡を使ってマトリックスを検証することによって、ランダム分布の存在を確認してもよい。かかる技術により、当業者であれば、空隙が幾何学的又は規則的分布ではなく、ランダム（非秩序的）分布であるか否かわかるであろう。
【００６０】
例えば、担体材料が保持容器から基板へ垂直に移動して担体材料の衝突又は担体材料流の第３方向への方向付けを創出することによって得られうる基板上の担体材料の無秩序流は、形成される繊維マトリックスの確率性を向上させることがわかった。
【００６１】
所望の繊維坪量は、出発物質の基板への送達及び液体担体の除去の好ましい形態に影響し得る。例えばマニホールドからの単一の出口ポイント又は複数の出口ポイントによって、又は上方からの単一の又は複数の出口ポイントと組み合わせて使用してもよい側面の入口ポイントから、出発物質を基板に送達するシステムを用いることにより、低坪量材料を十分に形成することがわかった。特に好ましい実施形態は、側面入口供給が基板の上方からの単一の又は複数の入口ポイントと組み合わせられたシステムを適用する。下り流にぶつかる側面入口ポイントからの直交流は、基板上の出発物質の無秩序流の度合いを高める。
【００６２】
繊維マトリックスの繊維坪量が２０００ｇｓｍ以上であることが望ましい場合、基板の下流にある多数の吸出しポイントによって基板の下に排流を提供することが好ましい場合もある。マニホールドは基板の下に提供されてもよい。多数の出口パイプの全面積が一般的なドレーンパイプの面積よりも僅かに小さいため、液体担体の排出速度はあまり速くないことが好ましい。単一の出口が出発物質を基板に送達することが好ましい。坪量が増えるにつれて液体及び繊維量が増加し、単一の出口は基板上への材料流に対応することが求められるため、単一の出口を出発物質の供給手段として使用することが好ましい場合もある。高流量に対応可能な代替的なシステムを使用してもよい。
【００６３】
液体担体、繊維及びバインダーを含む出発物質はスラリーを形成することが望ましい場合がある。
出発物質は、基板を通過する前は保持容器内に保持されてもよい。保持容器内の出発物質は加熱してもよい。出発混合物を加熱することにより、さらに高温のバインダーの使用を容易にする。さらなる高温を用いることにより、液体担体としてさらに高粘性の材料も使用できるようになる。
【００６４】
モールド又は成形型内に基板を提供してもよい。出発物質の流れを調整してモールド内に流入させることは本発明の重要な局面であると考えられる。また、モールド内の出発物質が基板を通過する流れを調整することも望ましい。
【００６５】
工程ａ）で使用する出発物質は、液体担体、繊維及びバインダーを任意の順序で混合することによりにより提供してもよい。例えば、繊維を液体担体に添加し、それからバインダーを添加してもよい。代替的に、バインダーを液体担体に添加し、それから繊維を添加してもよい。
【００６６】
好ましくは、出発物質は、液体担体中に繊維を含むスラリー又は分散液の形態をとる。
液体担体は、水又は水溶液等の水性生成物でもよいし、又は有機溶媒等の非水性生成物でもよい。好ましい実施形態において、担体は水性生成物である。基板を通過する前に出発物質を加熱する場合は、液体担体としてさらに高粘性の材料を使用してもよい。
【００６７】
液体担体は、繊維を分離して液体流により基板に移動させるための媒体としての役割を果たす。液体担体の比重は出発混合物中で使用される繊維の比重より低いことが望ましい。使用する繊維より比重が低い液体担体を使用することにより、液体担体は繊維を浮遊させることなく繊維を分散させ、液体担体流中で繊維を移動させることができる。炭素繊維を使用する実施形態では、炭素繊維の比重は１．７〜１．８であるため、比重が１．７未満の液体担体を好ましくは使用すべきである。
【００６８】
液体担体は、例えば、分散助剤、粘度調整剤、チキソトロープ剤、及び界面活性剤等の、湿った簀の目入り不織布生成物で使用される周知の添加剤から選択される１つ以上のさらなる成分を含んでもよい。
【００６９】
好ましくは、出発物質は、繊維が分離され自由に流れ得る高剪断混合物である。出発物質中の繊維の流れを維持し、保持容器の底部に繊維がとどまるのを防止することが望ましい。混合物を撹拌してもよい。撹拌は連続的であってもよく、又は断続的であってもよい。剪断ミキサーを使用してもよい。
【００７０】
好ましくは、出発物質の粘度は低い。好ましくは、出発物質の粘度は、１００ｍＰａ・Ｓ未満、より好ましくは５０ｍＰａ・Ｓ未満、及びさらにより好ましくは１０ｍＰａ・Ｓ未満である。最も好ましくは、出発物質の粘度は、５ｍＰａ・Ｓ未満、より好ましくは３ｍＰａ・Ｓ未満、及びさらにより好ましくは２ｍＰａ・Ｓ未満である。好ましくは、出発物質の粘度は、０．１ｍＰａ・Ｓ〜１ｍＰａ・Ｓ（０．５ｍＰａ・Ｓ〜１ｍＰａ・Ｓ等）である。
【００７１】
より好ましくは、液体担体の粘度は水と同様に低い。液体担体の量に対する、液体担体に添加される繊維の割合は、出発物質が非粘性溶液として機能し且つ水と同様の粘度を有するように調整してもよい。
【００７２】
従って、１つの実施形態において、液体担体に対する繊維の比率は、出発物質全体の粘度が水の粘度、即ち約０．８〜０．９ｍＰａ・Ｓになるように調整される。
好ましくは、基板は、５以上、１０以上、又は２０以上の穿孔等、多くの穿孔を有する。好ましい実施形態において、繊維の長さは、少なくとも１つの穿孔の直径を超える。最も好ましい実施形態において、繊維の最小長さは穿孔の最大直径を超える。
【００７３】
工程ｂ）において、繊維状マットが基板上に形成されるように上記溶液を基板に付着させてもよい。基板は適切には平面であるか、又は実質的に平面である。従って、マット中の繊維は、繊維が基板上に堆積するにつれ、基板の平面に平行な２次元で、及び基板に垂直な第３次元で連結し得る。
【００７４】
基板は、プラスチック又は金属又は合金等の任意の最適な材料から作成されてもよく、例えばスチール又はアルミニウム又は同様の材料から作成されてもよい。基板は、液体担体、バインダー及び繊維成分に対して不活性である材料からなることが好ましい。
【００７５】
基板は、繊維が堆積した領域を画定する側面部又は周縁部を備えてもよい。側面部又は周縁部は、液体担体が穿孔を介して注ぎ込まれる漏斗の役割を果たし得る。側面部は、繊維マトリックスの最終用途に合わせて所望の形状にしてもよい。
【００７６】
側面部は多くの流れポイントを有するように形成されてもよい。流れポイントは、繊維が堆積する領域内に出発物質が入るための入口ポイントを含んでもよい。代替的に又は追加的に、流れポイントは１つ以上の排流ポイントであってもよい。基板の一部分において排流ポイントの密度を高めることによって、その領域での排流量が増加してその部分により多くの繊維を集め、プリフォームの当該部分に堆積する繊維の密度を高めてもよい。
【００７７】
１つの実施形態において、基板はメッシュの形態をとる。代替的に、基板は有孔スクリーンであってもよい。メッシュあるいはスクリーンなどの基板は、設置型であってもよく、又はコンベヤーベルト等、移動するように配置されてもよい。
【００７８】
工程ｃ）で、真空力を基板上の繊維に加えてもよい。堆積した繊維中の水などの液体や分子に真空力が加えられ、真空力下で繊維内を移動させる。水などの液体や分子が真空力下で繊維内を移動する際、分子は繊維の少なくともいくらかを、基板の平面に対して角度を有する平面（「ｚ」平面）に配向させる。
【００７９】
基板に加えられた真空力下で担体分子が堆積した繊維を介して移動することにより、繊維の少なくともいくらかはｚ平面にさらに配向し、確率的構造の形成を支援する。
好ましい実施形態おいて、真空力は、低度から中程度の真空を達成するようにしてもよい。真空力は、１００ｋＰａ（約７５０トル）以下（例えば１００ｋＰａ〜３ｋＰａ（約７５０トル〜約２５トル）又は３ｋＰａ〜１００ｍＰａ（約２５トル〜約１ｘ１０-3トル）等）であってもよい。代替的に、１００ｍＰａ以下（１００ｍＰａ〜１００ｎＰａ（約１ｘ１０-3トル〜約１ｘ１０-9トル）等）の真空力を加えることによって、高程度の真空を達成してもよい。
【００８０】
加えられる真空力は、「ｚ」平面に配向される繊維の数に影響してもよい。また、加えられる真空力は、繊維が「ｚ」平面に移動する距離に影響してもよい。
真空力を加える角度は、基板平面に対して４５度以上（６０度以上等）、好ましくは７０度以上又は８０度以上（８５度以上等）であってもよい。より好ましい実施形態において、基板の平面に対して実質的に９０度で真空力を加える。
【００８１】
基板は排流パイプ等のドレーン装置への接続部を備えてもよい。真空力は、ドレーン装置に取り付けられた吸引ポンプ、特に低真空吸引ポンプによって加えるようにしてもよい。真空力は、マルチポイント真空マニホールドによって加えてもよい。
【００８２】
好ましい方法では、繊維を基板に付着させ、最初に液体担体のいくらかを重力で繊維から排出させる。一定の割合（例えば４０重量％以上、５０重量％以上、６０重量％以上、７０重量％以上、又は８０重量％以上）の液体担体を排出させたら、真空力を繊維に加える。これは液体担体のさらなる割合を除去するとともに、繊維を三次元マトリックスに形作る役割を果たす場合がある。
【００８３】
基板は、適切には穿孔処理され、第１面及び対向する第２面を有する。特に好ましい実施形態において、基板は、第１面及び対向する第２面を有する有孔スクリーンの形態をとる。
【００８４】
繊維は基板の第１面上に堆積する。真空力は好ましくは、基板の対向する第２面に加えられる。真空力は、穿孔処理された基板の第１面の方へ繊維を引き出し、繊維の三次元マトリックスを形成する役割を果たす。真空力は、基板の第２面に直接加えてもよく、又は遠隔的に加えてもよい。例えば、基板にドレーン装置が備えられている場合、第２面から最も遠く離れたドレーン装置の端部に真空力を加えてもよい。
【００８５】
好ましくは、真空力下で繊維中の全湿分が除去されるわけではなく、繊維状マトリックスは一定の割合の湿分を含有する。
出発物質中の繊維対液体比は、１：２５〜１：２００（１：５０〜１：１５０等）、好ましくは１：７５〜１：１２５であってもよい。１：２００等の低い比率は長さが２５ｍｍ以上の繊維に使用してもよく、一方１：２５等の高い比率は長さが３ｍｍ以下の繊維等の短い繊維に使用してもよい。好ましい繊維対液体比率は１：１００である。上述のように、繊維対液体比を調整して出発物質の最適な粘度を達成してもよい。
【００８６】
基板に付着した繊維から液体が排出され真空力が加えられたら、即ち工程ｃ）の後、繊維液体比は１：２〜１：１４（１：２〜１：１０等、例えば１：３〜１：９）まで低下させもよい。好ましい繊維対液体比は１：５〜１：９、特に好ましい繊維対液体比は１：７である。
【００８７】
工程ｄ）でバインダーを硬化する。これは、３次元繊維マトリックスを任意の繊維体積率で任意の形状に固定する役割を果たす。
硬化工程は適切には熱を加えることを含む。特に、繊維状マトリックスは、バインダーの硬化温度を上回る温度まで加熱してもよい。適切には、バインダーの硬化温度は７０℃以上であるため、工程ｄ）は繊維状マトリックスを７０℃以上に加熱することを含む。
【００８８】
工程ｄ）で熱を加えることにより繊維状マトリックスを乾燥してもよい。熱を加えるための任意の最適な技術を考察してもよい。例えば、基板を通過する熱空気供給の形態で熱を供給してもよいし、又は基板の近傍に備えられた電気的要素によって加熱を達成してもよい。繊維状マトリックスを乾操器内に置いてもよいし、又は最適な温度に加熱した乾操器を通過させてもよい。
【００８９】
好ましくは、硬化工程ｄ）は７０℃〜４５０℃の温度で実施される。より好ましい実施形態において、この温度は１００℃〜４５０℃であってもよい。特に好ましい範囲は１２０℃〜２２０℃である。使用する硬化温度は、使用するバインダー及び重合体バインダーの熱安定性によって決定してもよい。硬化温度はバインダーの分解温度より低くなければならない。本方法の１つの実施形態において、硬化温度は１６５℃〜２２０℃である。
【００９０】
硬化工程ｄ）の継続時間はほんの数秒〜数分であってもよい。好ましくは、工程ｄ）の継続時間は１０秒〜６０分であってもよい。より好ましくは、継続時間は１分〜３０分であってもよい。継続時間は、温度が上昇する時間とプリフォームの冷却時間を含んでもよい。
【００９１】
好ましい任意の工程では、工程ｃ）で形成された繊維状マトリックスはその後圧縮される。好ましくは、繊維状マトリックスは、湿分を含有した状態で圧縮される。繊維状マトリックスは、基板に真空を加えることにより得られたものであってもよい。代替的に又は追加的に、繊維状マトリックスは、基板上の液体担体の無秩序流を生じさせることによって得られる三次元マトリックスであってもよい。上記で参照したように、無秩序流を生じさせる要因は、
−多くの出口ポイントから基板上に流れる出発物質
−圧力下
−基板に対して角度を有する
−多くの直交流
−基板上への落下
の少なくとも１つであってもよい。
【００９２】
このさらなる任意の圧縮工程で加えられる圧縮圧力は５ｋＰａ以上、好ましくは５０ｋＰａ〜５００００ｋＰａ以上（１００ｋＰａ〜２５０００ｋＰａ以上等）であってもよい。これは、繊維状マトリックスの厚さ及び体積を低減する役割を果たす。静的圧力により圧縮力を加えてもよい。代替的に、連続的に送り込まれるニップローラー又はベルトにより圧縮力を加えることもできる。
【００９３】
好ましい圧力は、要求される繊維の最終体積率によって決定してもよい。体積率が約５〜１０％と低い場合、少なくとも４０Ｎ／ｃｍ2（４００ｋＰａ）の圧力を加えてもよい。体積率が３０％〜４０％と高い場合、５００Ｎ／ｃｍ2（５０００ｋＰａ）又は２５０００ｋＰａ以上のプレス圧力を加えてもよい。
【００９４】
好ましくは、硬化工程ｄ）は、任意の圧縮工程と同時に、又は任意の圧縮工程の後に行われる。硬化と圧縮が同時に生じることが好ましい。
驚くべきことに、繊維状マトリックスが湿分を含有する状態（例えば、繊維対液体比が１：２〜１：１４）で圧縮し実質的に同時にバインダーを硬化すると有利な硬化が得られることがわかった。特に、マトリックスが炭素繊維を含有する場合、この処理を行うと、高い圧力処理に通常伴う炭素繊維の望ましくない脆い特性が、驚くべきことに、顕著又は過剰ではなくなることがわかった。繊維破損は生じない。本体繊維長のかなりの部分で、圧縮力を加えることで破損、粉末化又は縮小は生じないことがわかった。
【００９５】
従って、好ましくは、工程ｄ）で圧力を加えながらバインダーを硬化させる。１つの実施形態において、最初に圧力を加え、その後圧力を加え続けながらバインダーを硬化させる。
【００９６】
バインダーが一旦硬化したら、（所望の繊維体積率（例えば２０％〜３０％以上）の）繊維マトリックスはもはや緩和したりもとの厚さに戻ったり（結果として繊維体積率が減少したり）することはない。従って、硬化工程ｄ）の完了後は圧力を加え続ける必要はない。
【００９７】
硬化が完了したら繊維マトリックスに熱を加え続け、マトリックスを完全に乾燥させる。硬化が生じる温度まで昇温し、マトリックスが硬化するまでその温度を維持し、その後マトリックスの乾燥が生じる温度に調節してもよい。マトリックスは、１００℃〜４５０℃の温度で乾燥してもよい。好ましい実施形態おいて、この温度は１００℃〜４００℃であってもよく、より好ましい実施形態において、この温度は２５０℃〜４００℃である。
【００９８】
マトリックスの加熱は重金属プレート等のプレートによって行ってもよい。プレートはマトリックスの一側面のみに提供されてもよく、好ましくはマトリックスの両側面に提供される。１つの実施形態において、マトリックスの温度は連続的に硬化温度まで上げられる。好ましい実施形態おいて、温度は１００℃〜１２０℃まで上げられ、この温度は一定の時間保持され、流れがマトリックスから流出できるようにする。この時間は、数分〜数時間であってもよい。さらに、この時間は特に５分〜２時間の間で変化してもよい。この時間はマトリックスの厚さによって決定してもよい。厚さが６ｍｍの好ましい実施形態では１００℃〜１２０℃での加熱時間は６分であり、厚さが３５ｍｍの実施形態では１００℃〜１２０℃での加熱時間は１時間である。
【００９９】
工程ｄ）中に繊維マトリックスに加えられる圧力は、５ｋＰａ以上、好ましくは５０ｋＰａ〜５００００ｋＰａ（１００ｋＰａ〜２５０００ｋＰａ等、例えば２５０〜７５０ｋＰａ）であってもよい。繊維マトリックスに加えられる圧力は、５０Ｎ／ｃｍ2（５００ｋＰａ）であってもよい。代替的に、加えられる圧力は２５Ｎ／ｃｍ2（２５０ｋＰａ）であってもよい。繊維が短い場合は、加えられる圧力はさらに高くてもよい。
【０１００】
２段階で圧力を加えることが望ましいことがわかった。第１段階では、マトリックスの厚さをもとの厚さに比べて約５０％（もとの厚さに比べて４０〜６０％の厚さ等）まで縮める。第１段階で使用される圧力は、１００ｐｓｉ（６７０ｋＰａ）〜３００ｐｓｉ（２０７０ｋＰａ）、より好ましくは２００ｐｓｉ（１３８０ｋＰａ）〜３００ｐｓｉ（２０７０ｋＰａ）（約２５０ｐｓｉ（１７２５ｋＰａ）等）であってもよい。好ましくは、第２段階では繊維体積率を増加させるためより高い圧力を使用する。この第２段階で使用される圧力は、１０００ｐｓｉ（６８９０ｋＰａ）〜４０００ｐｓｉ（２７６００ｋＰａ）ｐｓｉ（１５００ｐｓｉ（１０３００ｋＰａ）〜３０００ｐｓｉ（２０７００ｋＰａ）等）であってもよい。１５００ｐｓｉ（１０３００ｋＰａ）の二次圧では２０〜２５％の繊維体積率が得られ、３０００ｐｓｉ（２０７００ｋＰａ）の二次圧では繊維体積率は３０〜３３％に増加することがわかった。
【０１０１】
１つの実施形態において、硬化工程ｄ）に続いて、繊維状マトリックスを圧縮下でさらに冷却する。しかしこれは必須ではなく、大気圧下でマトリックスを冷却してもよい。
工程ｂ）での繊維の堆積、工程ｃ）での三次元構造の形成、及び硬化工程ｄ）、さらに任意の圧縮又は冷却工程は、連続プロセスであってもよく、又はバッチプロセスであってもよい。
【０１０２】
出発物質中の繊維は、適切には、ＰＡＮ繊維及び／又はピッチ炭素繊維及び／又は再生炭素繊維等の炭素繊維を含む。その他の種類の繊維も任意に炭素繊維とともに存在してもよい。出発物質に含まれるかかるさらなる繊維の種類は、例えば、金属繊維、ガラス繊維、ＰＰＳ、ＰＥＥＫ、ケブラー（Ｋｅｖｌａｒ）等のアラミド繊維、又は融蝕及びブレーキ用途で使用されるその他の最適な繊維から選択されてもよい。
【０１０３】
１つの実施形態において、ガラス繊維、金属繊維、ＰＰＳ、ＰＥＥＫ、及びケブラー（Ｋｅｖｌａｒ）等のアラミド繊維から選択される繊維は、０〜８０重量％（０〜５０重量％等）の繊維を含む。１つのかかる実施形態において、ガラス繊維又は金属繊維に含まれる繊維は、１重量％〜２０重量％、より好ましくは２重量％〜１０重量％、最も好ましくは３重量％〜７重量％である。１つの好ましい実施形態において、金属繊維又はガラス繊維に含まれる繊維は、４〜６重量％（５重量％等）である。１つのかかる好ましい実施形態において、バインダーはＭｏｗｌｉｔｈ ＶＣ６００等の酢酸ビニル、塩化ビニル共重合体である。
【０１０４】
好ましくは、繊維の１０重量％以上（２０重量％以上、２５重量％以上、３０重量％以上、３３重量％以上、４０重量％以上、又は５０重量％以上等）は、炭素繊維である。
例えば、炭素繊維と他の種類の繊維との配合物の重量比は１：４〜４：１（例えば１：３〜３：１、１：２〜２：１等）になると予想することができる。この場合、重量比は１：１を含む。
【０１０５】
１つの実施形態において、繊維の６０重量％以上（７０重量％以上、８０重量％以上、９０重量％以上、９５重量％以上、又は９９重量％以上等）は、炭素繊維である。
１つの実施形態において、繊維の９０重量％以上（９５重量％以上又は９９重量％以上等）は、炭素繊維、又はガラス繊維、金属繊維、ＰＰＳ、ＰＥＥＫ、及びケブラー（Ｋｅｖｌａｒ）等のアラミド繊維の１つ以上と組み合わせた炭素繊維から選択される。
【０１０６】
１つの実施形態において、出発物質中の繊維は、炭素繊維であってもよく、及びＰＡＮ（ポリアクリロニトリル）繊維、ピッチ炭素繊維又は再生炭素繊維から選択されてもよい。驚くべきことに、再生炭素繊維は、炭素繊維のかなりの部分に有害な破損を生じさせることなく使用でき、且つ本方法の処理を実行することができることを発見した。炭素繊維は、完全織物、不織布、一方向、２次元及び３次元の炭素布地、並びに完全に樹脂を注入し成形した複合材料構造等、多くの用途から再生してもよい。再生炭素繊維は、特定の長さに切断された繊維、又はランダムな長さに細断された繊維の混合物、又はこれらの配合物として供給及び使用してもよい。
【０１０７】
直径が２０ミクロン以下、特に５ミクロン〜２０ミクロンであり、且つ繊維長さが１ｍｍ〜６０ｍｍのＰＡＮ炭素繊維又はピッチ炭素繊維は、本発明における使用で特に最適であることがわかった。かかる繊維は、ＳＧＬ ｃａｒｂｏｎ Ｇｒｏｕｐ社、Ｔｏｈｏ Ｔｅｎａｘ社、及びＺｏｌｔｅｋ社から、細断されたトウの形態で入手してもよい。より好ましくは、炭素繊維の直径は５ミクロン〜１０ミクロンであり、最も好ましくは約７ミクロンである。
【０１０８】
代替的に、出発物質中の繊維は、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ケブラー（Ｋｅｖｌａｒ）等のアラミド繊維、又は融蝕用途及びブレーキ用途での使用に最適なその他の繊維から選択されてもよい。
【０１０９】
１つの実施形態において、細断繊維を供給してもよい。細断繊維は、例えば、基板と同じ長さ又は基板と同じ深さであってもよい。１つの実施形態において、基板の厚さは３５ｍｍ以下であり、使用する繊維は、長さが１００ｍｍ以下の繊維である。１つの実施形態において、基板の厚さは３５ｍｍ以下であり、使用する繊維は、長さが５０ｍｍ以下の繊維である。１つの実施形態において、基板の厚さは３５ｍｍ以下であり、使用する繊維は、長さが２５ｍｍの繊維又は長さが２５ｍｍ及び５０ｍｍの繊維の配合物である。
【０１１０】
本発明における最大繊維長さは１００ｍｍであってもよく、又はそれより長い可能性もある。本発明における最小繊維長さは、１ｍｍであってもよく、又はそれよりも短い可能性もある。
【０１１１】
１つの実施形態において、本発明における最大繊維長さは、６０ｍｍであってもよいが、最大長さは通常５０ｍｍとなろう。１つの実施形態において、細断繊維は長さ１ｍｍ以上及び５０ｍｍ以下で使用される。これらの細断繊維は、全てがこの範囲内の単一の長さを有する繊維、又はこの範囲内の２つ以上の異なる長さを有する繊維を含んでもよい。特に様々な長さの細断繊維の混合物を使用してもよい。この場合、最小長さは１ｍｍ、最大長さは５０ｍｍである。
【０１１２】
従って、いくつかの実施形態において、使用する繊維は、長さが異なる繊維の配合物、例えば２つ以上の異なる長さの繊維の配合物であってもよい。この場合、長さは１２ｍｍ、２５ｍｍ及び５０ｍｍから選択される。好ましい配合物は、長さが２５ｍｍと５０ｍｍの繊維の５０／５０（重量）の配合物である。代替的な配合物は、長さが３ｍｍ〜１２ｍｍの繊維の任意の混合物を含む。選択された繊維長の配合は、繊維マトリックスの所望の最終厚さによって決定してもよい。
【０１１３】
長い繊維を使用してもよいと考えられる。炭素繊維は保持容器内で撹拌中に剪断されないことが望ましいため、繊維の長さの制限要因は、撹拌用保持容器で使用するポンプ又は剪断ミキサーの大きさとなる。大型ポンプを使用すれば長い繊維を使用できると考えられる。
【０１１４】
また、任意の長さの繊維を１００重量％（長さ３ｍｍの繊維を１００重量％、又は長さ６ｍｍの繊維を１００重量％、又は長さ１２ｍｍの繊維を１００重量％、又は長さ１８ｍｍの繊維を１００重量％、又は長さ２５ｍｍの繊維を１００重量％等）使用することも可能である。
【０１１５】
別の好ましい実施形態において、炭素繊維の直径は６ミクロン〜１２ミクロンである。繊維の長さは、３ｍｍ〜５０ｍｍ（例えば３ｍｍ〜３５ｍｍ）から選択されてもよい。
少なくとも繊維マトリックス中の一定の割合の繊維（例えば繊維の５重量％以上、繊維の１０重量％以上等）が、最終繊維マトリックスの意図された厚さの少なくとも半分の長さを有する繊維であると有利となり得る。かかる繊維は、繊維マトリックスを十分に支持し得り、且つより耐性の高いマトリックスを提供し得る。例えば、３２ｍｍの厚さを有する繊維マトリックスは、繊維長さが１６ｍｍ以上（例えば長さ２０ｍｍ以上、長さ２０〜２５ｍｍ等）の繊維を少なくともいくらか含む繊維から生成され得る。３５ｍｍの厚さを有する繊維マトリックスは、長さが１７．５ｍｍ以上（例えば長さ２０ｍｍ以上、長さ２０〜２５ｍｍ等）の繊維を少なくともいくらか含む繊維から生成されてもよい。
【０１１６】
所望の厚さが３０〜３５ｍｍである場合、３ｍｍ〜２５ｍｍの長さを有する繊維の配合物を使用すると有利であることがわかった。
明らかに、繊維の加工性に留意する必要があり、長さが５０ｍｍｍ以上の繊維は加工が困難であり得ることが理解されよう。従って、厚さが１００ｍｍ以上のマトリックスを所望した場合、繊維マトリックスを十分に支持し得り且つより耐性の高いマトリックスを提供し得る長い繊維を有する利点を、長い繊維の加工の困難さが上回る可能性がある。
【０１１７】
特に有利な使用可能な繊維配合物は、相当割合（例えば２０重量％以上、３０重量％以上、又は４０重量％以上）の長さ２ｍｍ〜５ｍｍ（例えば約３ｍｍ）の短い繊維と、２０重量％以下（例えば１〜２０重量％、５〜１５重量％等）の長さ２０ｍｍ以上等の長い繊維を含む。また、この配合物は５ｍｍ超２０ｍｍ以下の長さを有する中程度の長さの繊維を含んでもよい。
【０１１８】
１つの実施形態において、以下の繊維が存在し得る：
２０〜６０重量％（例えば２０〜５５重量％）の長さ２ｍｍ〜５ｍｍの繊維、
２０〜７０重量％（例えば３０〜６５重量％）の長さ５ｍｍ超２０ｍｍ以下の繊維、
１〜２０重量％（例えば５〜１５重量％）の長さ２０ｍｍ〜５０ｍｍの繊維。
【０１１９】
マトリックスの所望の厚さが大きい場合、長い繊維を繊維配合物に含んでもよいことが実現されよう。
好ましい実施形態おいて、本発明の再生炭素繊維は、繊維の一部又は全てとして使用される。再生炭素繊維は、例えば、３ｍｍ〜１００ｍｍの長さに細断されてもよい。１つの実施形態において、再生炭素繊維は、例えば、３ｍｍ〜２５ｍｍの長さに細断してもよい。
【０１２０】
１つの実施形態において、使用される繊維は、全て再生炭素繊維である。代替的な実施形態において、ＰＡＮ炭素繊維は、再生炭素繊維と配合される。ＰＡＮ繊維は、好ましくは、１２ｍｍ繊維と２５ｍｍ繊維の配合物である。
【０１２１】
再生炭素繊維は、英国のＭｉｌｌｅｄ Ｃａｒｂｏｎ社及びドイツのＣＦＫ Ｖａｌｌｅｙ Ｒｅｃｙｃｌｉｎｇ社から入手することができる。再生炭素繊維は、バージン炭素繊維のもとの特性の９０〜９５％を有することが示されている。再生炭素繊維は、炭素繊維の実用化された用途で使用することができる。従って、バージン炭素繊維が高い市場価格を占有しているため、加工費を抑えることができる。さらに、より経済的な炭素−炭素複合材料が生成され、繊維を再生及び再利用できるためＰＡＮからの炭素繊維を製造することによる環境への負荷が低減される。
【０１２２】
使用する繊維は、単一の繊維形態であってもよいし、又は２つ以上の種類の繊維の配合物であってもよい。好ましい実施形態は、再生炭素繊維とケブラー（Ｋｅｖｌａｒ）等のアラミド繊維との混合物である。出発物質は、単一の長さを有する再生炭素繊維を含有してもよいし、又はこの再生炭素繊維は２つ以上の長さを有する配合物であってもよい。特に好ましい炭素繊維配合物は、３ｍｍと１２ｍｍの長さの混合物である。再生炭素繊維及びアラミド繊維の配合比は、好ましくは１：４〜４：１、より好ましくは１：２〜２：１である。特に好ましい比率は１：１である。この比率は、所望の終末生成物の性能特性によって決定してもよい。炭素繊維の割合を増やすと終末生成物の剛度及び強度が上昇する一方、アラミドは耐衝撃性及び耐摩擦性特性を向上させるのに最適である。
【０１２３】
代替的に、他の繊維配合物を使用してもよい。例えば、金属繊維及びガラス繊維を炭素繊維との配合物中に使用してもよいことがわかった。
出発繊維、繊維配合、溶液中に繊維を含む分散液の均一性、及び繊維長さ又は長さの配合の選択を調整することにより、形成される繊維状マトリックスの物理特性を選択することができる。マトリックスは、深さが均一のシートとして生成されてもよいし、又は炭素繊維が凝集した部位を含んでもよい。１８ｍｍ超の長さを有する繊維等の長い繊維を含むには、高レベルの凝集を回避するため、繊維を分散させる液体を増やす必要があり得ることがわかった。長い繊維は最終マトリックスの強化に貢献すると考えられる。
【０１２４】
出発物質にはバインダーが含まれる。バインダーは、任意の最適なバインダーから選択されてもよく、黒鉛化及び炭化プロセスと相溶性のあるバインダーが好ましい。バインダーは、好ましくは、一旦硬化したら繊維と接着して繊維をマトリックス形成物内に閉じ込める役割を果たすバインダーか、又は一旦硬化したら繊維のマトリックス内にフィルム状の基板を形成して繊維をマトリックス形成物内に閉じ込めるバインダーのいずれかでなければならない。
【０１２５】
特に分散液又は乳化剤としてバインダーを添加する場合は、バインダーは出発物質中にゲル又は凝集を形成することが望ましい。バインダーはさらなる成分を添加することなく出発物質中にゲル又は凝集を形成するようにしてもよい。代替的に、さらなる成分を添加して出発物質の特性を改善することが好ましい場合もある。例えば、凝集剤を含むことが望ましい場合がある。好ましい凝集剤は、選択されたバインダーによって決定してもよい。代替的に、出発物質中のバインダーを不安定化してゲル形成を促進する役割を果たす成分を添加することが望ましい場合もある。出発物質中にゲル又は凝集を形成するバインダーを使用する利点は、形成されるマトリックス内にバインダーが保持されバインダーが排出されないことにある。代替的に、バインダーは粉末の形態で添加されてもよく、かかるバインダーはゲル化しないが、繊維マトリックス内に捕捉されるためバインダーは排出されない。好ましいバインダーは、Ｐｈｅｎｏｄｕｒ ＶＰＷ １９４６及び１９４２等のエポキシノボラックバインダーから選択してもよい。
【０１２６】
マトリックス中に低炭化性有機種を取り入れたバインダーを使用することができるが、あまり好ましくない。かかるバインダーは、ウレタン、アクリル酸、メタクリル酸、スチレン、ポリウレタンの共重合体を含む。
【０１２７】
より好ましいバインダーは、フェノール、ポリビニルイミド及びポリビニルアルコール並びに酢酸ビニル／塩化ビニル共重合体を含む群から選択されてもよい。ポリアミド、ＰＶＣ、ＰＶＤＣ、及びポリビニルスルホンは、いくつかの用途で使用してもよい。さらに、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ポリエステル、ポリヒドロキシエーテル、及びエポキシ系材料等のバインダー材料が最適と考えられる。ブラジルのＳａｏ Ｐａｕｌｏ州Ｂｒｏｏｋｌｉｎに所在するＢｉｏｒｅｓｉｎ社から商品名Ｂｉｏ Ｐｏｌｙｏｌで販売されている、ひまし油ベースのヒドロキシ官能性ポリオールは、最適な炭素材料との粘結剤として知られており、また最適であり得る。また、エポキシノボラックを使用してもよい。
【０１２８】
好ましいバインダーは、有機バインダー又はシランバインダーである。このようなバインダーは、繊維又は粉末として乾いた形式で供給してもよいし、又は溶液、分散液又は乳化剤として供給してもよい。基板上に形成されるマトリックスの細孔の大きさを上回る繊維の長さ／粉末の大きさを選択して担体液体とともにマトリックスからバインダーが流出しないようにできるため、繊維又は粉末の形態で使用するバインダーは、凝集剤及び不安定化剤の添加を必要としない場合がある。
【０１２９】
１つの実施形態において、フェノールバインダーが好ましい。これは、フェノールバインダーはマトリックス中に種を組み込まず、高い炭化収率及び低い収縮性を有するためである。Ｄｕｒｏｐｈｅｎ ９３４０又はＤｕｒｏｐｈｅｎ ＦＮ等の最適な水と相溶性のあるフェノールバインダーをＣｙｔｅｃ社から入手することができる。
【０１３０】
また、最適なバインダーはアクリルラテックスであってもよい。
本発明の別の好ましい形態において、バインダーは、オーストリアのＨＯＳ Ｔｅｃｈｎｉｋ社が供給するＨｏｍｉｄｅ ２５０、又はＥｎｓｉｎｇｅｒ−Ｈｙｄｅ社が乾燥粉末として供給するＵｌｔｅｍ等の高炭化性イミドバインダーである。
【０１３１】
代替的な実施形態において、ポリビニルピリリドン（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｐｙｒｒｉｌｉｄｏｎｅ）バインダーを使用してもよい。Ｓｕｎｆｌｏｗｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏ．Ｌｔｄが供給するＳｕｎｖｉｄｏｎｅ（登録商標）Ｋ、又はＢＡＳＦ社が製造するＬｕｖｉｔｅｃ（登録商標）Ｋ１７等の材料が特に最適であることがわかった。
【０１３２】
高炭化性バインダーは、エポキシバインダー及びサイズ剤を燃え尽きるまで燃焼するためのコストを低減できるため、使用することが望ましい。
本発明の第一の使用目的は、ＣＶＤ又はＣＶＩ用に準備を整えた材料を生成することであるため、繊維（特に炭素繊維）にサイズ剤を塗工しないことが好ましい。これに対し、従来は、炭素繊維マトリックスを押圧する場合、マトリックスに圧力を加える間に炭素繊維を保護するための保護被覆を提供するため、炭素繊維にサイズ剤を塗工することが望ましいと理解されてきた。
【０１３３】
従って、いくつかの実施形態において、水と相溶性のあるサイズ剤を繊維に塗工してもよいが、好ましくは、炭素繊維及び／又はその他の繊維配合物にサイズ剤を塗工しない。
本発明では、バインダーは熱硬化性であることが好ましい。本発明での使用に最適である非熱硬化性バインダーは、酢酸ビニル、二塩化ビニル共重合体であるＭｏｗｌｉｔｈ ＶＣ６００であることがわかった。バインダーは、非融蝕性、樹脂との相溶性、並びに水及び／又は塩等の環境要因への耐性の少なくとも１つを有することが望ましい。
【０１３４】
バインダーは、液体又は固体の形態で液体担体に添加してもよい。バインダーは、液体担体中で安定することが好ましいが、それほど安定しないため、十分な量のバインダーは繊維マトリックス中に捕捉されず、束縛効果は得られない。有利には、バインダーは、液体担体中に重合体のゲル又は凝集を形成する。好ましくは、基板上に形成された繊維マトリックスを通過できないほど重合体鎖が大きくなるように、凝集にサイズ剤を塗工する。バインダーは、適切には、７０℃超の温度（７０〜４５０℃等、例えば１００〜４５０℃）で硬化するバインダーであってもよい。好ましくは、バインダーは硬化温度を超える温度までは安定する。
【０１３５】
好ましくは、最終生成物中のバインダーの割合が乾燥した繊維状マトリックスの最終重量の５％〜６０％となるように、バインダーを添加する。例えば、最終生成物中のバインダーの割合は、乾燥した繊維状マトリックスの最終重量の５％〜３０％（５％〜２５％等）であってもよい。好ましい実施形態おいて、バインダーは、マトリックスの最終重量の１０％〜２０％を構成してもよい。
【０１３６】
出発物質中に他の薬剤を含むか、又は工程ｂ）を実施する前に出発物質にかかる薬剤を添加することが望ましい場合もある。各薬剤は、分散剤、界面活性剤、チキソトロープ剤又は粘度調整剤、溶液中のバインダーを不安定化する添加剤、凝集剤、発泡防止剤を含む群から選択してもよい。不安定化剤として酸、塩基及びアミンを使用してもよい。
【０１３７】
１つの実施形態において、微粒子の形態での添加充填材料は、出発物質中に含まれてもよく、又は工程ｂ）が実施される前に出発物質に添加されてもよい。かかる添加充填材料は、複合材料の機能性又は最終特性を向上させる場合がある。
【０１３８】
添加充填材料の添加量は、乾燥した繊維状マトリックス中の重量％として、１％〜５０％（例えば５〜４５％、１０〜４０％等）であってもよい。添加充填材料は、乾燥した材料として、又は分散液もしくは溶液の形態での湿った状態で供給されてもよい。
【０１３９】
最適な添加充填材料は、金属、二酸化ケイ素、及び炭素を含む。従来技術の不織布プリフォームはこれらの材料を含むが、これらの材料はプリフォームを製造した後に添加するために別途プロセスを必要とすることが知られている。本方法の利点は、プリフォームに組み込まれた添加剤を用い、別の製造プロセスを必要とすることなくプリフォームを製造することにある。
【０１４０】
好ましい実施形態おいて、二酸化ケイ素は、乾燥した繊維状マトリックスの重量に対するシリカの乾燥時重量の割合で表すと、１０％〜２０％の割合で添加される。二酸化ケイ素は、ヒュームドシリカの形態で乾燥した粉末として、又はコロイド状シリカ等の溶液として、上記溶液に添加することができる。かかる材料は、ＷＲ Ｇｒａｃｅ社、Ｇｒａｃｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ社、及びＥＫＡ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ社から入手することができる。コロイド状シリカを使用する場合、液体担体への正確な添加量を決定するため、コロイド状でのシリカの乾燥時重量の要求量を提供するためにどれだけの量のコロイド状シリカが必要であるかを算出する必要がある。
【０１４１】
本発明の１つの実施形態において、炭素微粒子を添加充填材料として使用することができる。これは、その後の熱分解プロセスの効率を向上させ、繊維状マット内の自由体積空間を減少させることができる。ＣＶＩ等のその後の炭素析出プロセスにおいて、自由体積空間が少ないため、炭素析出が少ないことが求められよう。好ましい実施形態おいて、直径１０ミクロン以下の微粉砕炭素粒子が添加される。
【０１４２】
添加充填材料の粒径は２５０ミクロン以下であることが望ましい。好ましくは、添加充填材料の微粒子の大きさは１００ミクロン以下、より好ましくは５０ミクロン以下であり、添加微粒子の大きさが２０ミクロン以下であることが最も好ましい。
【０１４３】
好ましくは、添加充填材料として使用する炭素粒子の直径は小さく（例えば１００ミクロン以下）、好ましくは５０ミクロン以下である。直径が小さい粒子を使用すると、マットの繊維圧縮への粒子の影響が限られる。小さい炭素粒子は、圧縮が加えられるとマット内のより大きな細孔に移動する。この移動の結果、任意の気体、樹脂又は液体の注入材料は、あまり蛇行していない注入経路に従わなければならない。
【０１４４】
さらに、直径１０ミクロン以下の小さい粒子を使用すると、繊維状マット構造全体の微粒子分布を容易に均一にすることができる。さらに、小さい粒子を使用すると、基板の外表面が優先的に充填されるのを防止すると考えられる。プリフォームの外表面の細孔の充填を回避することは重要である。なぜなら、プリフォームの本体内に多孔質経路を提供し、効果的な炭化及び注入を可能にするため、外側の細孔が詰まると、費用が嵩む機械加工により細孔の詰まりを除去する必要が出てくる可能性があるからである。
【０１４５】
本発明の第２局面によると、三次元マトリックスを有する繊維不織布基板を含む繊維プリフォームが提供される。この繊維は、硬化バインダーによりマトリックス形成物内で固着することを特徴とする。
【０１４６】
この繊維プリフォームは、第１局面の方法で入手可能な繊維マトリックスであってもよい。
プリフォーム中の繊維は、第１局面で記載した通りであってもよい。好ましくは、繊維プリフォームは、炭素繊維を含む。任意にその他の種類の繊維（例えば金属繊維、ガラス繊維、ＰＰＳ繊維、ＰＥＥＫ繊維、又はケブラー（Ｋｅｖｌａｒ）繊維等のアラミド繊維）も存在してもよい。好ましくは、炭素繊維の直径は５ミクロン以上である。好ましい実施形態おいて、炭素繊維は、ＰＡＮ、ピッチ炭素繊維又は再生炭素繊維から選択される。代替的な繊維は、ＰＰＳ又はＰＥＥＫ、又はケブラー（Ｋｅｖｌａｒ）繊維等のアラミド繊維であってもよい。いくつかの実施形態において、上記繊維は、繊維の配合物であってもよい。配合される繊維は、例えば、炭素繊維とアラミド繊維（ケブラー（Ｋｅｖｌａｒ）繊維等）を含んでもよい。使用する重量比は１：４〜４：１であってもよい。特に好ましい比率は１：１である。繊維（同じ種類の繊維又は異なる種類の繊維の配合物）は、同じ長さでも、又は異なる長さでもよい。
【０１４７】
プリフォーム中のバインダーは、上述の種類であってもよい。好ましい実施形態おいて、プリフォーム中のバインダーは、フェノールバインダー、イミドバインダー、又はポリビニルピリリドンバインダー等の炭化性バインダー材料を含む。バインダーは、例えば、マトリックスの重量の１０重量％〜２０重量％の量で存在してもよい。
【０１４８】
好ましい実施形態おいて、プリフォームは、炭素又は二酸化ケイ素又は金属等の微粒子の形態での添加充填材料である添加剤をさらに含む。添加充填材料は、上記の通りであってもよい。１つの実施形態において、添加剤は、直径１０ミクロン以下の微粉砕炭素粒子の形態での炭素である。より好ましくは、充填剤の直径は１０ミクロン〜２５０ミクロンであり、直径２０ミクロン〜２５０ミクロンが特に好ましい。添加充填材料は、例えば、マトリックス重量の５重量％〜３０重量％であってもよい。任意の厚さで繊維体積率が増加すると、充填剤含有量も増加し得る。
【０１４９】
いくつかの実施形態において、プリフォームはモノリシック構造であり、これは単一の形成構造物から得られてもよい。モノリシック構造は多重層を有さない。好ましくは、プリフォームは確率的である。プリフォームは層状三次元構造であってもよい。
【０１５０】
プリフォームの厚さは１ｍｍ〜２５０ｍｍであってもよい。好ましくは、厚さは、１ｍｍ〜５０ｍｍ、より好ましくは１ｍｍ〜４０ｍｍであってもよい。
プリフォームの坪量（単位面積当たりの重量）は、６００ｇ／ｍ2〜１００，０００ｇ／ｍ2超の範囲で変化してもよい。
【０１５１】
好ましくは、プリフォームは２０体積％以上（３０体積％以上等）の空隙を含有する。好ましくは、プリフォームは２０〜８０体積％の空隙、より好ましくは３０〜７０体積％の空隙、例えば３０〜６０体積％の空隙を含有する。１つの実施形態において、プリフォームは４０〜５０体積％の空隙を含有する。
【０１５２】
好ましくは、プリフォームの繊維体積率は１０％〜４０％以上（例えば２０〜７０％）、より好ましくは２０％〜４０％である。１つの実施形態において、プリフォーム中の繊維はＰＡＮ炭素繊維であり、繊維体積率は３０％以下であってもよい。代替的な実施形態において、繊維はピッチベースの炭素繊維であり、繊維体積率は４０％以下であってもよい。代替的な実施形態において、繊維はバージン炭素繊維又は再生炭素繊維であり、繊維体積率は５０又は６０％以下、又はさらに高くてもよい。
【０１５３】
プリフォームは、気体を注入可能に構成され且つ耐性の高いマトリックスを提供する繊維マトリックスを有する３次元確率的構造を有することが望ましい。２０％未満の繊維体積率はブレーキ用途での使用では抵抗特性が不十分であり、４０％超の繊維体積率は構造内の細孔を詰まらせＣＶＩの効率性を損なう傾向があることがわかった。
【０１５４】
等方性を有するマトリックス材料として、及び取り扱いが簡単な薄板として、プリフォームを使用してもよい。ＣＶＤ又はＣＶＩプロセスでプリフォームを使用してもよい。
本発明の重坪量プリフォームは、硬質板として生成されてもよい。硬質板は、ＣＶＤ又はＣＶＩプロセスでの任意の調整前に、容易に切断して成形できる。従って、高額な形成プロセスを排除できる。
【０１５５】
プリフォームは、ブレーキ用途及び炉のライニング等の融蝕用途で使用してもよい。さらに、プリフォームは、その他の要求の少ない用途で使用してもよい。
繊維マトリックスは、積層プリフォームを調製する場合に使用してもよいことがわかった。１つ以上のマトリックスのシートをアラミド繊維の層と組み合わせてもよい。好ましくは、マトリックスの２つ以上の層をアラミド繊維の１つ以上の層と組み合わせてもよい。１つの実施形態において、マトリックスの１つ以上のシートの厚さは１ｍｍである。厚さは０．５ｍｍ〜１００ｍｍであってもよい。好ましくは、厚さは０．７５ｍｍ〜７５ｍｍであってもよい。厚さは１ｍｍ〜５０ｍｍであってもよい。マトリックス中のバインダーはアラミド繊維の接着剤として機能することがわかった。得られる材料は、軽量且つ高耐衝撃性であり、有利な特性を有することがわかった。
【０１５６】
特に好ましい積層体は、本発明の第１局面に従って形成された繊維マトリックスの積層を用いて作成され、アラミド繊維を含有する層と積層された再生炭素繊維を含有する。好ましい実施形態おいて、この積層体は、３層以上の層を含む。積層体は、アラミド繊維又は炭素繊維を核層として形成してもよい。積層体は、共重合体を使って積層し、これを押圧することによって形成してもよい。特に好ましい共重合体は、酢酸ビニル／塩化ビニル共重合体である。代替的な共重合体は、メタクリル酸、ウレタン、ポリエステル、ＰＶＯＨ、エポキシド、及びスチレンを含む。
【０１５７】
短い細断炭素繊維は、マトリックスの各層間の充填剤として使用してもよい。代替的に、織物プリプレグを、マトリックス層間で使用してもよい。ＳｉＯ2等のその他の微粒子を使用してもよい。ＳｉＯ2は、これまで、湿った簀の目入り基板及び／又は不織布基板に使用されたことはないと考えられる。
【０１５８】
本発明の第３局面によると、第１局面の方法により得られる繊維マトリックスである繊維プリフォームが提供される。
第２又は第３局面のプリフォームは、融蝕、高性能、摩擦、摩耗及び／又は耐食の各用途で使用されてもよい。
【０１５９】
本発明は、第４局面において、ブレーキ又はロケットモーター用ハウジングで使用される物品等の高温用途で使用される物品の製造での第２又は第３局面のプリフォームの使用を提供する。
【０１６０】
本発明は、第５局面において、ブレーキ又はロケットモーター用ハウジングで使用される物品等の、高温用途で使用される物品の生成方法を提供する。本方法は以下の工程を含む。
ｉ）第２又は第３局面のプリフォームを提供する工程
ｉｉ）プリフォームにＣＶＤ又はＣＶＩプロセスを実行する工程
１つの実施形態において、工程（ｉ）は、第１局面の方法を実行することによって達成してもよい。
【０１６１】
１つの実施形態において、工程（ｉｉ）は、熱分解によって達成されてもよい。工程（ｉｉ）は、炭化水素及び気体による化学蒸着、又は熱硬化性樹脂による化学蒸着、又はピッチ材料又は液体シリコーン材料による液体含浸を含んでもよい。
【０１６２】
また、本発明は、第６局面において、ブレーキ又はロケットモーター用ハウジングで使用される物品等の、高温用途で使用される物品も提供する。本物品は、第２又は第３局面のプリフォームを含む。
【０１６３】
前記物品は、第５局面の方法によって得られてもよい。
１つの実施形態において、前記物品はブレーキシューのライニングである。
本発明の第１局面の好ましい特徴は、適宜、本発明の第２〜第６局面にも適用されることが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【０１６４】
【図１】実験室試験システムのスケッチである。
【図２】製造システムを示す図である。
【図３】多重真空マニホールドを用いた代替的製造システムを示す図である。
【図４】基板に無秩序流が流れる代替的製造システムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０１６５】
以下の実施例及び図面を参照しながら、例を挙げながら本発明をさらに詳しく説明する。
図１では、液体担体、バインダー、及び炭素繊維からなるスラリー１を含む出発物質が、容器２から、モールド６の基部に配置されたメッシュ４を含む基板上に注がれ落下する。モールド壁８はメッシュ４を包囲し、モールド６内では出発物質の無秩序流が生じる。液体担体材料は、メッシュ４を介してドレーン１０内に排出される。ドレーン１０に真空力が加えられる。
【０１６６】
図２は、剪断ミキサー１４を有する保持容器１２内で出発物質を調製する製造システムを示す。出発物質は、保持容器から、出口１６を介してパイプ１８を通り、マニホールド２０内に流れる。出発物質は、マニホールド内で分散し、複数のマニホールド出口２２からモールド２４内に排出される。本実施形態では、マニホールドは８つのマニホールド出口を備え、出発物質は重力でモールド２４内に排出される。マニホールドは、モールド２４の基部に位置するメッシュ基板２６の少なくとも約１００ｃｍ上方に配置される。出発物質は、８つのマニホールド出口２２からモールド２４内に流入し、モールド内で出発物質の向流及び直交流が起こり、無秩序流が創出され、三次元確率的マトリックスが形成される。
【０１６７】
液体担体はモールドから排出され排水路２８を流れる。真空３０により真空力が加えられる。モールド２４からメッシュ基板２６が除去され、コンベヤー３０によってプレスに運ばれる。プレスでは、プリフォームに圧力をかけ、プリフォームを加熱して硬化させる。
【０１６８】
図３は、基板から液体担体を吸い出す多重真空マニホールド４０を用いた代替的製造システムを示す。本製造システムは、図２を参照して説明した製造システムとほとんど同じである。本製造システムは、分散した繊維を含有する保持容器４２を含む。出発物質は、保持容器内に保持される前に加熱してもよいし、又は保持容器内に保持されてから加熱してもよい。出発物質はパイプ４４によって保持容器から除去され、ポンプ４６が出発物質の除去を調整する。出発物質はモールド４８内に流入し、モールド４８の基部に位置する基板５０上に落下する。ポンプ４６は圧力下で出発物質をモールド４８内に送り出すようにしてもよいことが理解されよう。吸出しマニホールド４０は、基板５０の下に位置し、中央ドレーン５４に通ずる多数の吸出しポイント５２を有する。多数の吸出しポイント５２を真空マニホールド４０に提供することにより、基板上に堆積したマトリックスを通過する多くの液体担体流が創出され、三次元繊維マトリックス構造が形成される。
【０１６９】
図４は、自重又はポンプにより保持容器からマニホールド６０に供給される製造システムの代替的な実施形態を示す。マニホールド６０は、多くの出口６２を有する。これらのうち８つの出口６２は、モールド６６の基部に位置する基板６４に出発物質を垂直に送出するように配置される。その他のマニホールド６０からの出口は、モールド６６の側面６８に接続される。
［実施例］
全ての実施例は本発明のプロセスを用いて調製される。本プロセスでは、上記の液体担体、繊維及びバインダーを含む出発物質を基板に通過させて基板上に繊維を堆積させ、三次元繊維マトリックスを形成し、バインダーを硬化する。
［実施例１］
本発明のプロセスを用いて０．０９６８ｍ2のサンプルを調製した。
以下を用いて出発物質を調製した。
−繊維配合物（２５ｍｍ炭素繊維５０重量％及び５０ｍｍ炭素繊維５０重量％）４８０ｇ
−水 １２ｋｇ
−バインダー（アクリル系バインダーシステム） １２０ｇ
この出発物質を落下させてメッシュ基板を通過させ、基板上に繊維を堆積させ、その後約５５０トルの真空力を加えてから、７０Ｎ／ｃｍ2の圧縮力下で１７０℃まで加熱した。
【０１７０】
繊維量２３％及び坪量４０００ｇｍ2を有する厚さ１０．２ｍｍのシートを生成した。この実施例の生成物中の空隙率は約６９％であった。
［実施例２］
実施例１と同じ方法及び材料を用いてさらなるサンプルを調製した。しかし、３０重量％のコロイド状シリカを出発物質に添加した。
【０１７１】
この場合の最終繊維体積率は２６％、厚さは８．２ｍｍ、坪量は３６５０ｇｍ2であった。この実施例の生成物中の空隙率は約６０％であった。
［実施例３〜８］
これら全ての実施例において、終末生成物の１０ｋｇ、２０ｋｇ又は３０ｋｇのバッチを作成した。
［実施例３］
以下を用いて出発物質を調製した。
−ＰＡＮバージン繊維配合物（長さ３ｍｍ：４０重量％、長さ６ｍｍ：３０重量％、長さ１２ｍｍ：２５重量％、長さ２５ｍｍ：５重量％）
−ポリビニル（ＰＶＯＨ）バインダー
−水
充填剤は添加しなかった。
【０１７２】
ポンプ供給を用いて出発物質を加圧し、この供給のレイノルズ数が４０００を超えるようにした。この出発物質はメッシュ基板を通過して基板上に繊維を堆積させ、その後約６００トルの真空力を加えてから、約１２０Ｎ／ｃｍ2の圧縮力下で１８０℃まで加熱した。
【０１７３】
生成された繊維マトリックスは以下を含んだ。
−炭素繊維 ８０重量％
−ＰＶＯＨバインダー ２０重量％
大きさ６５０ｍｍｘ６５０ｍｍ及び厚さ１６ｍｍ〜３２ｍｍのプリフォームを調製した。坪量は１２２００ｇｍ2〜１３２００ｇｍ2であった。
【０１７４】
厚さ３２ｍｍの生成物の繊維体積率は２３％〜２４％であった。この生成物中の空隙率は約７０％であった。
厚さ１６ｍｍの生成物の繊維体積率は４９％であった。この生成物中の空隙率は約３７．５％であった。
［実施例４］
以下を用いて出発物質を調製した。
−ＰＡＮバージン繊維配合物（長さ３ｍｍ：４０重量％、６ｍｍ：３０重量％、長さ１２ｍｍ：２５重量％、長さ２５ｍｍ：５重量％）
−ポリビニル（ＰＶＯＨ）バインダー
−水
充填剤は添加しなかった。
【０１７５】
ポンプ供給を用いて出発物質を加圧し、この供給のレイノルズ数が４０００を超えるようにした。この出発物質はメッシュ基板を通過して基板上に繊維を堆積させ、その後約６００トルの真空力を加えてから、約１２０Ｎ／ｃｍ2の圧縮力下で１８０℃まで加熱した。
【０１７６】
生成された繊維マトリックスは以下を含んだ。
−炭素繊維 ８５重量％
−ＰＶＯＨバインダー １５重量％
大きさ５００ｍｍｘ５００ｍｍ及び厚さ１６ｍｍ〜３２ｍｍのプリフォームを調製した。坪量は１２２００ｇｍ2〜１３２００ｇｍ2であった。
【０１７７】
厚さ３２ｍｍの生成物の繊維体積率は２３％〜２４％であった。この生成物中の空隙率は７１．５％であった。
厚さ１６ｍｍの生成物の繊維体積率は４９％であった。この生成物中の空隙率は約３９％であった。
［実施例５］
以下を用いて出発物質を調製した。
−１００％再生炭素（繊維長３〜１２ｍｍをランダムに配合）
−ポリビニル（ＰＶＯＨ）バインダー
−水
−最大粒径５０μｍの微粉砕炭素の充填剤（ＰＶＰバインダーとともに液体担体中の分散液として提供）
ポンプ供給を用いて出発物質を加圧し、この供給のレイノルズ数が４０００を超えるようにした。この出発物質はメッシュ基板を通過して基板上に繊維を堆積させ、その後約７００トルの真空力を加えてから、１４０Ｎ／ｃｍ2の圧縮力下で１８０℃まで加熱した。
【０１７８】
生成された繊維マトリックスは以下を含んだ。
−炭素繊維 ７０重量％
−ＰＶＯＨバインダー １０重量％
−微粉砕炭素 １５重量％
−ＰＶＰバインダー ５重量％
大きさ５００ｍｍｘ５００ｍｍ及び厚さ３２ｍｍのプリフォームを調製した。繊維体積率は２３％〜２４％、坪量は１２２００ｇｍ2〜１３２００ｇｍ2であった。この生成物中の空隙率は約６９％であった。
［実施例６］
以下を用いて出発物質を調製した。
−ＰＡＮバージン繊維配合物（長さ３ｍｍ：２５重量％、長さ６ｍｍ：２５重量％、長さ１２ｍｍ：３５重量％、長さ２５ｍｍ：１５重量％）
−ポリビニル（ＰＶＯＨ）バインダー
−水
−最大粒径５０μｍの微粉砕炭素の充填剤（ＰＶＰバインダーとともに液体担体中の分散液として提供）
ポンプ供給を用いて出発物質を加圧し、この供給のレイノルズ数が４０００を超えるようにした。この出発物質はメッシュ基板を通過して基板上に繊維を堆積させ、その後約７００トルの真空力を加えてから、１４０Ｎ／ｃｍ2の圧縮力下で１８０℃まで加熱した。
【０１７９】
生成された繊維マトリックスは以下を含んだ。
−炭素繊維 ７０重量％
−ＰＶＯＨバインダー １０重量％
−微粉砕炭素 １５重量％
−ＰＶＰバインダー ５重量％
大きさ５００ｍｍｘ５００ｍｍ及び厚さ３２ｍｍのプリフォームを調製した。繊維体積率は２３％〜２４％、坪量は１２２００ｇｍ2〜１３２００ｇｍ2であった。この生成物中の空隙率は約６９％であった。
［実施例７］
大きさ５００ｍｍｘ５００ｍｍ及び厚さ６ｍｍのプリフォームを調製した。
［変形例Ａ］
以下を用いて出発物質を調製した。
−ＰＡＮバージン繊維配合物（長さ３ｍｍ：４０重量％、長さ６ｍｍ：３０重量％、長さ１２ｍｍ：２５重量％、長さ２５ｍｍ：５重量％）
−ポリビニル（ＰＶＯＨ）バインダー
−水
ポンプ供給を用いて出発物質を加圧し、この供給のレイノルズ数が４０００を超えるようにした。この出発物質はメッシュ基板を通過して基板上に繊維を堆積させ、その後約６００トルの真空力を加えてから、２６０Ｎ／ｃｍ2の圧縮力下で１７０℃まで加熱した。
【０１８０】
繊維体積率は約３０％、坪量は２５５０ｇｍ2〜３１００ｇｍ2であった。この生成物中の空隙率は約６５％であった。
［変形例Ｂ］
以下を用いて出発物質を調製した。
−ＰＡＮバージン繊維配合物（３ｍｍ繊維：４０重量％、６ｍｍ繊維：３０重量％、１２ｍｍ繊維：２５重量％、２５ｍｍ繊維：５重量％）及び微粉砕炭素微粒子
−ポリビニル（ＰＶＯＨ）バインダー
−水
−最大粒径５０μｍの微粉砕炭素の充填剤（ＰＶＰバインダーとともに液体担体中の分散液として提供）
ポンプ供給を用いて出発物質を加圧し、この供給のレイノルズ数が４０００を超えるようにした。この出発物質はメッシュ基板を通過して基板上に繊維を堆積させ、その後約７００トルの真空力を加えてから、２４０Ｎ／ｃｍ2の圧縮力下で１８０℃まで加熱した。
【０１８１】
繊維体積率は約３０％、坪量は２５５０ｇｍ2〜３１００ｇｍ2であった。この生成物中の空隙率は約６０％であった。
生成された繊維マトリックスは以下を含んだ。
−炭素繊維 ７０重量％
−ＰＶＯＨバインダー １０重量％
−微粉砕炭素 １５重量％
−ＰＶＰバインダー ５重量％
［実施例８］
大きさ５００ｍｍｘ５００ｍｍ及び厚さ３５ｍｍ又は１７．５ｍｍのプリフォームを調製した。
［変形例Ａ］
以下を用いて出発物質を調製した。
−１００％再生炭素繊維（繊維長３〜１２ｍｍの任意配合物）
−ポリビニル（ＰＶＯＨ）バインダー
−水
充填剤は使用しなかった。
【０１８２】
ポンプ供給を用いて出発物質を加圧し、この供給のレイノルズ数が４０００を超えるようにした。この出発物質はメッシュ基板を通過して基板上に繊維を堆積させ、その後約７００トルの真空力を加えてから、２６０Ｎ／ｃｍ2の圧縮力下で１８０℃まで加熱した。
【０１８３】
生成された繊維マトリックスは以下を含んだ。
−炭素繊維 ８５重量％
−ＰＶＯＨバインダー １５重量％
繊維体積率は約３０％、坪量は１４，９００ｇｍ2〜１７，９００ｇｍ2であった。厚さ３５ｍｍの生成物中の空隙率は約６５％であった。
［変形例Ｂ］
以下を用いて出発物質を調製した。
−再生炭素繊維配合物（繊維長３〜１２ｍｍの任意配合物）
−ポリビニル（ＰＶＯＨ）バインダー
−水
−最大粒径５０μｍの微粉砕炭素を含む充填剤（ＰＶＰバインダーとともに液体担体中の分散液として提供）
ポンプ供給を用いて出発物質を加圧し、この供給のレイノルズ数が４０００を超えるようにした。この出発物質はメッシュ基板を通過して基板上に繊維を堆積させ、その後約６００トルの真空力を加えてから、２４０Ｎ／ｃｍ2の圧縮力下で１７０℃まで加熱した。
【０１８４】
生成された繊維マトリックスは以下を含んだ。
−炭素繊維 ６０重量％
−ＰＶＯＨバインダー １０重量％
−微粉砕炭素充填剤 ２５重量％
−ＰＶＰバインダー ５重量％。
【０１８５】
繊維体積率は約３０％、坪量は１４，９００ｇｍ2〜１７，９００ｇｍ2であった。厚さ３５ｍｍの生成物の空隙率は約５７．５％であった。
［実施例９］
大きさ５００ｍｍｘ７００ｍｍ及び厚さ３ｍｍ又は１７ｍｍのプリフォームを調製した。
【０１８６】
以下を用いて出発物質を調製した。
−１００％再生炭素繊維（繊維長３〜１００ｍｍでランダムに配合）
−酢酸ビニル／塩化ビニル共重合体バインダー（Ｍｏｗｌｉｔｈ ＶＣ６００）
−水
充填剤は使用しなかった。
【０１８７】
この出発物質を高い位置から落下させてメッシュ基板に通過させることにより、繊維を基板上に堆積させ、その後約７００トルの真空力を加えてから、２６０Ｎ／ｃｍ2の圧縮力下で１８０℃まで加熱した。
【０１８８】
生成された繊維マトリックスは以下を含んだ。
−炭素繊維 ７０重量％
−バインダー ３０重量％
作成された第１生成物の坪量は１６０００ｇｓｍ、及び厚さは１７ｍｍであった。繊維体積率は５２％、空隙率は２３％であった。
【０１８９】
作成された第２生成物の坪量は２０００ｇｓｍ、及び厚さが３ｍｍであった。繊維体積率は３６％、空隙率は４０％であった。
［実施例１０］
本発明によって形成された繊維マトリックスを用いて積層材料を生成した。全体の繊維坪量が３０００ｇｓｍの基板は、３つの層で形成された。この３層の積層の上部及び下部は６ｍｍの細断アラミド繊維（ケブラー（Ｋｅｖｌａｒ））から形成された１０００ｇｓｍの基板で形成された。３層の積層の核は、繊維長が３ｍｍ〜１２ｍｍの再生炭素繊維から形成された１０００ｇｓｍの基板で形成された。この核は、上述の方法に従って形成された（実施例９）。１７０℃の温度で酢酸ビニル／塩化ビニル共重合体（Ｍｏｗｌｉｔｈ ＶＣ６００）を１０％添加して、各層を積み重ねて押圧した。ケブラー繊維を含む各層も本発明に従って形成された。この積層の最終繊維体積率は約３０％、及び空隙率は約６８％であった。
［実施例１１］
全体的な繊維坪量が１０００ｇｓｍの基板を用いて、代替的な種類の積層材料を上部層及び下部層として形成した。この基板は、長さが３ｍｍ〜２３ｍｍの再生炭素を用いて形成され、且つ上記の方法に従って作成された（実施例９）。６ｍｍの細断アラミド繊維（ケブラー）からなる核層を使用した。この核層の全体的な繊維坪量は１０００ｇｓｍであった。積層材料は、酢酸ビニル／塩化ビニル共重合体（Ｍｏｗｌｉｔｈ ＶＣ６００）を１０％添加して積み重ねて押圧することにより形成され、１７０℃で硬化した。この積層材料の全体的な繊維坪量は３０００ｇｓｍ、繊維体積率は約３０％、及び空隙率は約６８％であった。
［実施例１２］
繊維の配合物を用いて繊維マトリックスを形成した。本実施例では、６ｍｍの細断繊維（ケブラー）及び細断長さが３ｍｍ〜１２ｍｍの再生炭素繊維を、再生炭素繊維対ケブラー繊維比１：１（重量比）で配合した。実施例９の方法を用いた。１０％の酢酸ビニル／塩化ビニルバインダー（Ｍｏｗｌｉｔｈ ＶＣ６００）で繊維マトリックスを押圧及び硬化し、繊維体積率約３０％及び空隙率約６８％を得た。
【０１９０】
実施例１０〜１２に示されたアラミド繊維配合物の変形例は、摩擦及び弾道用途で特に有用である可能性があると考えられる。
［実施例１３］
バージン炭素繊維を用いて繊維マトリックスを形成した。出発物質を提供するために水と組み合わせた材料は以下の通りであった。
−３ｍｍ繊維：３０重量％
−６ｍｍ繊維：２０重量％
−１２ｍｍ繊維：１５重量％
−２５ｍｍ繊維：５重量％
−酢酸ビニル／塩化ビニル共重合体バインダー（Ｍｏｗｌｉｔｈ ＶＣ６００）：３０重量％
出発物質は、単一の入口と８つの出口を有するマニホールドを通って、モールド内に位置するメッシュ基板に送られた。出発物質は、単一の入口を介してマニホールド内に落下し、８つのマニホールド出口から排出され、モールド内に入る。マニホールドはメッシュ基板の上方に配置され、スラリーを高い位置からメッシュ基板上に落下させる。
【０１９１】
出発物質はメッシュ基板を通過し、基板上に繊維を堆積させ、約７００トルの真空力を加えてから、２６０Ｎ／ｃｍ2の圧縮力下で１８０℃まで加熱した。
１６０００ｇｓｍのシートを押圧して厚さを１３．５ｍｍとし、繊維体積率約６６％及び空隙率約３０％を得た。
［実施例１４］
再生炭素繊維を用いて繊維マトリックスを形成した。出発物質を提供するために水と組み合わせた材料は以下の通りであった。
−細断されたランダムな再生炭素（長さ３ｍｍ〜１２ｍｍ）：７０重量％
−酢酸ビニル／塩化ビニル共重合体バインダー（Ｍｏｗｌｉｔｈ ＶＣ６００）：３０重量％
出発物質は、単一の入口と８つの出口を有するマニホールドを通って、モールド内に位置するメッシュ基板に送られた。出発物質は、単一の入口を介してマニホールド内に落下し、８つのマニホールド出口から排出され、モールド内に入る。マニホールドはメッシュ基板の上方に配置され、スラリーをメッシュ基板上に落下させる。
【０１９２】
この出発物質をメッシュ基板に通過させ、約７００トルの真空力を加えてから、２６０Ｎ／ｃｍ2の圧縮力下で１８０℃まで加熱した。
１６０００ｇｓｍのシートを押圧して厚さを１３．５ｍｍとし、繊維体積率約６６％及び空隙率約３０％を得た。
［バインダー試験］
多くの異なるバインダーを用いて実験を行い、有用性を比較した。結果をまとめた表を以下に示す。表中、ＦＢＷは繊維坪量（ｇ／ｍ2）であり、ＶＦは繊維体積率である。
【０１９３】
【表１】
【０１９４】
【表２】
【０１９５】
【表３】
【０１９６】
【表４】
【０１９７】
【表５】
【０１９８】
【表６】
【０１９９】
上記の結果から、カルボキシル化アクリルとＰｅｒｃｏｌは、この実験では、高い繊維体積率の最適なマトリックスを形成しなかったことがわかる。しかし、代替的な不安定化剤は、出発物質中に最適なゲルを形成し、高い繊維体積率が求められる用途で達成される結果を改善すると考えられる。硫酸カルシウムを不安定化添加剤として使用することにより、ゲル化が生じて基板上のポリマー獲得が改善され、改善した結果を達成した。
【０２００】
Ｆｕｌａｔｅｘの形態でのアクリルバインダーは、高い繊維体積率を達成でき、優れた結果を示したことがわかる。
前述のように、硬化温度を超える温度で安定化するバインダーを選択する。Ｐｈｅｎｏｄｕｒ １９４６を用いて２００℃まで加熱する実施例では、バインダー物質がこの温度で分解を始めることが試験により示されている。しかし、１８０℃での硬化で十分であり、バインダー物質は分解されない。
【０２０１】
選択したバインダーが最終生成物の特性に寄与し、従ってバインダーの選択によって生成物の特性をハンドリング性及び剛度の点で調整することができる。
上記実施例から、とりわけ、以下のいずれかの実施形態を用いた場合の生成物で特に好ましい結果が得られることがわかる。
−出発物質を離れた距離から基板上に落下させ、さらに真空力を基板上の繊維に加える。
−出発物質を複数の出口ポイントから基板に通過させ、真空力を基板上の繊維に加える。
−一定の圧力で出発物質を基板に供給し、さらに真空力を基板上の繊維に加える。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）液体担体、繊維及びバインダーを含む出発物質を提供することと、
ｂ）前記出発物質を基板に通過させて、前記基板上に繊維を堆積させることと、
ｃ）三次元繊維マトリックスを形成することと、
ｄ）前記バインダーを硬化すること
を含む、繊維マトリックスの作成方法。
【請求項２】
前記繊維は炭素繊維を含むことを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記方法は、５ｋＰａ以上の圧力を加えながら加熱することにより前記バインダーを硬化することを含むことを特徴とする、請求項１又は請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記繊維状マトリックスが湿分を含有した状態で前記繊維状マトリックスに圧力を加えることを特徴とする、請求項３記載の方法。
【請求項５】
ｉ）前記基板上の前記繊維に真空力を加えること、又は
ｉｉ）前記基板上に出発物質の無秩序流を創出すること、又は
ｉｉｉ）前記基板上に出発物質の無秩序流を創出し、前記基板上の前記繊維に真空力を加えること
によって、前記三次元マトリックスが形成されることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
ｉ）前記出発物質を離れた距離から前記基板上に落下させることと、
ｉｉ）複数の出口ポイントから、前記出発物質を前記基板に通過させることと、
ｉｉｉ）圧力で、前記出発物質を前記基板に供給すること
の少なくとも１つによって、前記基板上に前記出発物質の無秩序流が創出されることを特徴とする、請求項５の選択肢ｉｉ）又はｉｉｉ）に記載の方法。
【請求項７】
前記出発物質の無秩序流のレイノルズ数が２０００以上である、請求項５の選択肢ｉｉ）又はｉｉｉ）、又は請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記基板上の前記繊維に真空力を加えることが、前記基板の下流に複数の真空吸出しポイントを提供することを含むことを特徴とする、請求項５の選択肢ｉ）又はｉｉｉ）、又はこれに従属するいずれか１の請求項記載の方法。
【請求項９】
前記繊維の直径が５〜２０ミクロンである、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
前記繊維にサイズ剤を塗工しないことを特徴とする、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
工程ａ）は、液体担体、繊維、及びバインダーを含む出発物質を提供し、且つモールド内に基板を提供することを含み、
工程ｂ）は、出発物質の流れを調整して前記モールド内に流入させ、且つ前記モールドにおいて前記基板に前記出発物質を通過させて、前記基板上に繊維を堆積させることを含む
ことを特徴とする、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
前記出発物質の粘度が１０ｍＰａ・Ｓ未満であることを特徴とする、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
前記液体担体、繊維及びバインダーを含む前記出発物質は、前記基板を通過する前に保持容器内に提供され、その後、前記出発物質は全て前記保持容器から排出され、前記基板を通過することを特徴とする、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
前記バインダーは水性生成物であり、前記出発物質に使用される前記繊維の比重より低い比重を有することを特徴とする、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
（ｉ）前記繊維は、炭素繊維と、金属繊維、ガラス繊維、ＰＰＳ繊維、ＰＥＥＫ繊維、及びアラミド繊維の１つ以上とを含むか、又は
（ｉｉ）前記繊維は、基本的に炭素繊維からなるか
のいずれかであることを特徴とする、請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
前記繊維は、異なる長さが配合された細断繊維として提供されることを特徴とする、請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１７】
三次元マトリックスを有する繊維不織布基板を含む確率的繊維プリフォームであって、前記繊維は硬化バインダーにより前記マトリックス形成物内で固着することを特徴とするプリフォーム。
【請求項１８】
前記繊維プリフォームは、請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の方法によって得られる繊維マトリックスであることを特徴とする、請求項１７記載の繊維プリフォーム。
【請求項１９】
前記プリフォームはモノリシック構造であることを特徴とする、請求項１７又は１８に記載の繊維プリフォーム。
【請求項２０】
前記繊維はｘ、ｙ及びｚ方向に配置され、前記繊維の５〜３０重量％は実質的にｚ方向に配置される、請求項１７乃至１９のいずれか１項に記載の繊維プリフォーム。
【請求項２１】
前記プリフォームは２０体積％以上の空隙を含有する、請求項１７乃至２０のいずれか１項に記載の繊維プリフォーム。
【請求項２２】
前記プリフォームは３０体積％〜７０体積％の空隙を含有する、請求項２１記載の繊維プリフォーム。
【請求項２３】
前記プリフォームの繊維体積率は２０％以上である、請求項１７乃至２２のいずれか１項に記載の繊維プリフォーム。
【請求項２４】
前記プリフォームの繊維体積率は２０％〜４０％であることを特徴とする、請求項２３記載の繊維プリフォーム。
【請求項２５】
前記繊維は炭素繊維を含むことを特徴とする、請求項１７乃至２４のいずれか１項に記載の繊維プリフォーム。
【請求項２６】
請求項１７乃至２５のいずれか１項に定義された繊維プリフォームの少なくとも１つの層と、アラミド繊維の１つ以上の層とを含む積層繊維プリフォーム。
【請求項２７】
請求項１７乃至２６のいずれか１項に定義されたプリフォームを含む、高温用途で使用される物品。
【請求項２８】
ブレーキ又はロケットモーター用ハウジングで使用される物品である、請求項２７記載の物品。
【請求項２９】
前記物品はブレーキシューのライニングであることを特徴とする、請求項２８記載の物品。
【請求項３０】
高温用途で使用される物品の製造における請求項１７乃至２６のいずれか１項に記載のプリフォームの使用。
【請求項３１】
（ｉ）請求項１７乃至２６のいずれか１項に定義されたプリフォームを提供する工程と、
（ｉｉ）前記プリフォームにＣＶＤ又はＣＶＩプロセスを実行する工程と
を含む、高温用途で使用される物品の生成方法。
【請求項１】
ａ）液体担体、繊維及びバインダーを含む出発物質を提供することと、
ｂ）前記出発物質を基板に通過させて、前記基板上に繊維を堆積させることと、
ｃ）三次元繊維マトリックスを形成することと、
ｄ）前記バインダーを硬化すること
を含む、繊維マトリックスの作成方法。
【請求項２】
前記繊維は炭素繊維を含むことを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記方法は、５ｋＰａ以上の圧力を加えながら加熱することにより前記バインダーを硬化することを含むことを特徴とする、請求項１又は請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記繊維状マトリックスが湿分を含有した状態で前記繊維状マトリックスに圧力を加えることを特徴とする、請求項３記載の方法。
【請求項５】
ｉ）前記基板上の前記繊維に真空力を加えること、又は
ｉｉ）前記基板上に出発物質の無秩序流を創出すること、又は
ｉｉｉ）前記基板上に出発物質の無秩序流を創出し、前記基板上の前記繊維に真空力を加えること
によって、前記三次元マトリックスが形成されることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
ｉ）前記出発物質を離れた距離から前記基板上に落下させることと、
ｉｉ）複数の出口ポイントから、前記出発物質を前記基板に通過させることと、
ｉｉｉ）圧力で、前記出発物質を前記基板に供給すること
の少なくとも１つによって、前記基板上に前記出発物質の無秩序流が創出されることを特徴とする、請求項５の選択肢ｉｉ）又はｉｉｉ）に記載の方法。
【請求項７】
前記出発物質の無秩序流のレイノルズ数が２０００以上である、請求項５の選択肢ｉｉ）又はｉｉｉ）、又は請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記基板上の前記繊維に真空力を加えることが、前記基板の下流に複数の真空吸出しポイントを提供することを含むことを特徴とする、請求項５の選択肢ｉ）又はｉｉｉ）、又はこれに従属するいずれか１の請求項記載の方法。
【請求項９】
前記繊維の直径が５〜２０ミクロンである、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
前記繊維にサイズ剤を塗工しないことを特徴とする、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
工程ａ）は、液体担体、繊維、及びバインダーを含む出発物質を提供し、且つモールド内に基板を提供することを含み、
工程ｂ）は、出発物質の流れを調整して前記モールド内に流入させ、且つ前記モールドにおいて前記基板に前記出発物質を通過させて、前記基板上に繊維を堆積させることを含む
ことを特徴とする、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
前記出発物質の粘度が１０ｍＰａ・Ｓ未満であることを特徴とする、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
前記液体担体、繊維及びバインダーを含む前記出発物質は、前記基板を通過する前に保持容器内に提供され、その後、前記出発物質は全て前記保持容器から排出され、前記基板を通過することを特徴とする、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
前記バインダーは水性生成物であり、前記出発物質に使用される前記繊維の比重より低い比重を有することを特徴とする、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
（ｉ）前記繊維は、炭素繊維と、金属繊維、ガラス繊維、ＰＰＳ繊維、ＰＥＥＫ繊維、及びアラミド繊維の１つ以上とを含むか、又は
（ｉｉ）前記繊維は、基本的に炭素繊維からなるか
のいずれかであることを特徴とする、請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
前記繊維は、異なる長さが配合された細断繊維として提供されることを特徴とする、請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１７】
三次元マトリックスを有する繊維不織布基板を含む確率的繊維プリフォームであって、前記繊維は硬化バインダーにより前記マトリックス形成物内で固着することを特徴とするプリフォーム。
【請求項１８】
前記繊維プリフォームは、請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の方法によって得られる繊維マトリックスであることを特徴とする、請求項１７記載の繊維プリフォーム。
【請求項１９】
前記プリフォームはモノリシック構造であることを特徴とする、請求項１７又は１８に記載の繊維プリフォーム。
【請求項２０】
前記繊維はｘ、ｙ及びｚ方向に配置され、前記繊維の５〜３０重量％は実質的にｚ方向に配置される、請求項１７乃至１９のいずれか１項に記載の繊維プリフォーム。
【請求項２１】
前記プリフォームは２０体積％以上の空隙を含有する、請求項１７乃至２０のいずれか１項に記載の繊維プリフォーム。
【請求項２２】
前記プリフォームは３０体積％〜７０体積％の空隙を含有する、請求項２１記載の繊維プリフォーム。
【請求項２３】
前記プリフォームの繊維体積率は２０％以上である、請求項１７乃至２２のいずれか１項に記載の繊維プリフォーム。
【請求項２４】
前記プリフォームの繊維体積率は２０％〜４０％であることを特徴とする、請求項２３記載の繊維プリフォーム。
【請求項２５】
前記繊維は炭素繊維を含むことを特徴とする、請求項１７乃至２４のいずれか１項に記載の繊維プリフォーム。
【請求項２６】
請求項１７乃至２５のいずれか１項に定義された繊維プリフォームの少なくとも１つの層と、アラミド繊維の１つ以上の層とを含む積層繊維プリフォーム。
【請求項２７】
請求項１７乃至２６のいずれか１項に定義されたプリフォームを含む、高温用途で使用される物品。
【請求項２８】
ブレーキ又はロケットモーター用ハウジングで使用される物品である、請求項２７記載の物品。
【請求項２９】
前記物品はブレーキシューのライニングであることを特徴とする、請求項２８記載の物品。
【請求項３０】
高温用途で使用される物品の製造における請求項１７乃至２６のいずれか１項に記載のプリフォームの使用。
【請求項３１】
（ｉ）請求項１７乃至２６のいずれか１項に定義されたプリフォームを提供する工程と、
（ｉｉ）前記プリフォームにＣＶＤ又はＣＶＩプロセスを実行する工程と
を含む、高温用途で使用される物品の生成方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公表番号】特表２０１２−５３３５０３（Ｐ２０１２−５３３５０３Ａ）
【公表日】平成２４年１２月２７日（２０１２．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５２０１０２（Ｐ２０１２−５２０１０２）
【出願日】平成２２年７月１９日（２０１０．７．１９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＧＢ２０１０／０５１１７１
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／００７１８４
【国際公開日】平成２３年１月２０日（２０１１．１．２０）
【出願人】（５１２０１３７２１）カーボン ファイバー プリフォームズ リミテッド (1)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年１２月２７日（２０１２．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月１９日（２０１０．７．１９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＧＢ２０１０／０５１１７１
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／００７１８４
【国際公開日】平成２３年１月２０日（２０１１．１．２０）
【出願人】（５１２０１３７２１）カーボン ファイバー プリフォームズ リミテッド (1)
【Ｆターム（参考）】
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