接合されたセラミックマトリクス複合構成要素、及びそれを形成する方法

本開示の分野は概して、セラミックマトリクス複合体に関し、より具体的には、セラミックマトリクス複合構成要素を組み立てる方法に関する。

セラミックマトリクス複合体(CMC)は、セラミックフェーズ(すなわちマトリクス材料)内に埋め込まれた連続補強フェーズ(すなわちセラミック及び/又は炭素繊維)で形成された材料である。CMC材料は概して、典型的には軍事的な及び/又は産業上の技術応用などに使用される他の既知の材料を超える、より望ましい物理特性を有する。例示的な物理特性は、高温安定性、高い熱衝撃耐性、高い剛性、高い耐食性、非磁特性、及び非導電特性を含み(ただしそれらだけに限定されるわけではない)、かつ、他の既知の材料よりも軽量である。CMC材料は、多くの場合、例えば産業電気設備、航空機、宇宙飛行体、自動車、電子デバイス及び電子機器において、かつ、高温応用での使用のために設計された構成要素において、使用される。

高温応用において使用される、少なくとも一部の既知のCMC構成要素は、その中に形成された複数の冷却通路を含む。より具体的には、稼働中に、加圧空気のような流体が冷却通路を通って流され、構成要素の冷却を容易にする。CMC構成要素内に冷却通路を形成する既知の方法の1つは、セラミック発泡コアを形成することと、そこから材料を除去して冷却通路を形成することとを含む。しかし、冷却通路を配置することには、冷却通路を形成するために使用される機械的手段によって、望ましくない限定が課されうる。別の既知の方法は、セラミック発泡コアパネルを形成し、次いでパネルのうちの少なくとも1つの中にチャネルを機械加工し、その後に、形成された通路が連結されたパネル間に延在するように、接着剤で複数のパネルを1つに連結することを含む。しかし、パネルのチャネル形成された側に接着剤を塗ることは、時間と人手のかかる仕事でありうる。更に、パネルに塗られる接着剤の量は、余分な接着剤による冷却通路の閉塞を防止するよう、制御される必要がある。

一態様では、セラミックマトリクス複合構成要素を形成する方法が提供される。方法は、剥離フィルムの表面にわたり、接着剤の第1の量を塗ることと、第1セラミック発泡パネルであって、その第1の側に形成された複数のチャネルを含む、第1セラミック発泡パネルを提供することと、接着剤が第1セラミック発泡パネルの第1の側に移行するように、第1セラミック発泡パネルと剥離フィルムとを接触させることと、第1セラミック発泡パネルを第2セラミック発泡パネルに連結することとを含む。

別の態様では、セラミックマトリクス複合構成要素が提供される。構成要素は、第1セラミック発泡パネルであって、その第1の側に形成された複数のチャネルを含み、かつ、その第1の側に接着剤の第1の量が塗られた、第1セラミック発泡パネルを含む。接着剤の第1の量は、剥離フィルムの表面から第1の側に移行する。構成要素は、接着剤の第1の量で第1セラミック発泡パネルに連結された、第2セラミック発泡パネルも含む。

更に、本開示は下記の条項による実施形態を含む。

条項1.セラミックマトリクス複合構成要素を形成する方法であって、剥離フィルムの表面にわたり、接着剤の第1の量を塗ることと、第1セラミック発泡パネルであって、その第1の側に形成された複数のチャネルを含む、第1セラミック発泡パネルを提供することと、接着剤が第1セラミック発泡パネルの第1の側に移行するように、第1セラミック発泡パネルと剥離フィルムとを接触させることと、第1セラミック発泡パネルを第2セラミック発泡パネルに連結することとを含む、方法。

条項2.接着剤の第1の量を塗ることは、剥離フィルムの表面にわたり、実質的に均一の厚みで接着剤の第1の量を塗ることを含む、条項1に記載の方法。

条項3.第1セラミック発泡パネルを連結することは、第2セラミック発泡パネルの第1の側に接着剤の第2の量を塗ることと、第1セラミック発泡パネルの第1の側を、第2セラミック発泡パネルの第1の側に連結することとを含む、条項1に記載の方法。

条項4.接着剤の第2の量を塗ることは、第2セラミック発泡パネルの第1の側に、約8ミルから約10ミルまでの範囲内の厚みを有する接着剤の第2の層を形成することを含む、条項3に記載の方法。

条項5.第1セラミック発泡パネルを連結することは、余分な接着剤が複数のチャネルに流れ込むように、第1と第2のセラミック発泡パネルを接触させることを含む、条項1に記載の方法。

条項6.第1と第2のセラミック発泡パネルを接触させることは、余分な接着剤で、複数のチャネルの側壁と第2セラミック発泡パネルの第1の側との間にフィレットを形成することを含む、条項5に記載の方法。

条項7.第1セラミック発泡パネルを連結することは、第1と第2のセラミック発泡パネルの自由端を実質的に位置合わせすることを含む、条項1に記載の方法。

条項8.更に、可撓性材料で剥離フィルムを形成することを含む、条項1に記載の方法。

例示的な航空機の製造及び保守方法のフロー図である。

例示的な航空機のブロック図である。

例示的なセラミック発泡パネルへの接着剤の移行を示す概略図である。

例示的なマトリクス複合構成要素の形成を示す概略図である。

本書に記載の実行形態は、セラミックマトリクス複合(CMC)構成要素を形成する方法に関する。より具体的には、CMC構成要素は、接着剤で複数のセラミック発泡パネルを1つに連結することによって形成される。例示的な実行形態では、CMC構成要素は、その中に画定された複数の冷却通路を含む。冷却通路は、少なくとも1つのセラミック発泡パネルの一方の側に複数のチャネルを形成すること、及び、セラミック発泡パネルのチャネル形成された側を別のセラミック発泡パネルに連結することによって、形成される。例示的な実行形態では、接着剤を剥離フィルムに塗ること、及び、パネルを剥離フィルムに押圧して接着剤をパネルに移行させることによって、パネルのチャネル形成された側に既定の量の接着剤が塗られる。そのような場合、接着剤の量は制御されて、構成要素の形成中の余分な接着剤による冷却通路の閉塞を抑えることを容易にする。

図面を参照するに、本開示の実行形態が、(図1に示す)航空機の製造及び保守方法100に照らして、かつ、(図2に示す)航空機102を通じて、説明されうる。仕様及び設計104を含む製造前段階において、航空機102のデータが製造プロセスで使用されてよく、かつ、機体に関連付けられた他の材料が調達106されうる。製造段階においては、航空機102の構成要素及びサブアセンブリの製造108とシステムインテグレーション110とが行われ、その後、航空機102はその認可及び納品112を経る。機体認定が成功裏に達成及び完遂されると、航空機102は運航114に供されうる。顧客により運航されている期間に、航空機102には、任意の改変、再構成、及び/又は改修などを含む、定期的かつ慣例的な定められた整備及び保守116が予定される。代替的な実行形態では、製造及び保守方法100は、航空機以外のビークルで実装されうる。

航空機の製造及び/又は保守方法100に関連付けられた部分及びプロセスの各々は、システムインテグレータ、第三者、及び/又はオペレータ(例えば顧客)によって実行又は完遂されうる。本明細書において、システムインテグレータは、任意の数の航空機製造業者及び主要システム下請業者を含みうるがそれらに限定されず、第三者は、任意の数のベンダー、下請業者、及び供給業者を含みうるがそれらに限定されず、かつ、オペレータは、航空会社、リース会社、軍事団体、サービス機関などでありうる。

図2に示すように、方法100を通じて製造された航空機102は、複数のシステム120及び内装122を有する機体118を含みうる。高レベルのシステム120の例には、推進システム124、電気システム126、油圧システム128、及び/又は環境システム130のうちの一又は複数が含まれる。任意の数の他のシステムが含まれることもある。

本書で具現化されている装置及び方法は、方法100の一又は複数の任意の段階において用いられうる。例えば、構成要素製造プロセス108に対応する構成要素又はサブアセンブリは、航空機102の運航期間中に製造される構成要素又はサブアセンブリと同様の様態で作製又は製造されうる。また、一又は複数の装置の実行形態、方法の実行形態、或いはそれらの組み合わせは、例えば、航空機102の組立てを実質的に効率化すること、及び/又は、航空機102のコストを削減することにより、製造段階108及び110において利用されうる。同様に、装置の実行形態、方法の実行形態、或いはそれらの組み合わせのうちの一又は複数は、航空機102が、例えば定められた整備及び保守116において保守又は整備を受けている時に、利用されうる。

本書で使用される「航空機(aircraft)」という用語は、飛行機、無人機(UAV)、グライダー、ヘリコプター、及び/又は宇宙空間を移動する他の任意の物体を含みうるが、それらのみを含むとは限定されない。更に、代替的な実行形態では、本書に記載の航空機の製造及び保守方法は、任意の製造及び/又は保守作業で使用されうる。

図3は、例示的なセラミック発泡パネルへの接着剤の移行を示す概略図である。例示的な実行形態では、剥離フィルム200及び第1セラミック発泡パネル202が提供される。剥離フィルム200の表面206にわたり、接着剤の第1の量204が塗られる。接着剤は、セラミック発泡パネルを接合するよう構成された任意の接着剤である。第1セラミック発泡パネル202は、剥離フィルム200及び接着剤の第1の量204に隣接して位置付けられた第1の側208を含み、かつ、第1の側208に形成された複数のチャネル210を含む。チャネル210は、第1セラミック発泡パネル202が本書の記載通りに機能することを可能にする任意の深さDで、第1の側208に形成される。更に、チャネル210は、第1セラミック発泡パネル202が本書の記載通りに機能することを可能にする任意の配置で、第1セラミック発泡パネル202を通って延在する。

例示的な実行形態では、パネル202を剥離フィルム200に押圧し、接着剤をパネル202の第1の側208に移行させるために、第1セラミック発泡パネル202に圧縮力212が印加される。第1の量204は、圧縮力212が印加される時に余分量の接着剤がチャネル210に流れ込まないことを確実にするよう、決定される。例えば、接着剤の第1の量204は、剥離フィルム200の表面206上の第1の量204の厚みT₁を測定することによって、十分な量となるよう決定される。第1の量204は、方法が本書の記載通りに機能することを可能にする任意の厚みT₁を有しうる。例示的な実行形態では、接着剤の第1の量204は、約8ミルから約10ミルまでの範囲内の実質的に均一な厚みT₁で、剥離フィルム200にわたって延在する。

第1セラミック発泡パネル202を接着剤の第1の量204に押圧した後、パネル202に除去力214を印加することによって、パネル202は剥離フィルム200から分離される。パネル202が剥離フィルム200から分離される際に、接着剤の第1の量204の少なくとも一部分は、パネル202の第1の側208に移行する。より具体的には、接着剤の第1の量204の第1部分216はパネル202の第1の側208に移行し、接着剤の第1の量204の第2部分218は、剥離フィルム200上の、チャネル210により空間となっている場所に残る。そのような場合、チャネル210は、実質的に接着剤がない状態に保たれる。更に、例示的な実行形態では、接着剤の第1の量204は、接着剤の第1部分216が1回の塗布でパネル202に移行するように、パネル202の自由端220を越えて延在する。代替的な実行形態では、任意の量の接着剤が剥離フィルム200に塗られうる。

剥離フィルム200は、方法が本書の記載通りに機能することを可能にする任意の材料で作製される。より具体的には、剥離フィルム200は、パネル202への接着剤の第1部分216の選択的な移行を容易にする材料で作製される。本書で使用される「選択的な移行(selective transfer)」とは、パネル202に移行する接着剤の量が、剥離フィルム200上の、パネル202と剥離フィルム200との間の接触点に残る量よりも多いことを表す。剥離フィルム200はまた、パネル202の形状への適合を容易にし、かつ、接着剤の成分に対する耐食性がある、可撓性材料で作製される剥離フィルム200を作製するために使用される例示的な材料は、ポリエチレンテレフタレート、ポリ塩化ビニル類、高密度ポリエチレン、ポリプロピレン類、及びポリカーボネート類を含むが、それらだけに限定されるわけではない。

図4は、例示的なマトリクス複合(CMC)構成要素222の形成を示す概略図である。例示的な実行形態では、CMC構成要素222は、第1セラミック発泡パネル202、及び第2セラミック発泡パネル224で形成される。第1と第2のセラミック発泡パネル202及び224は、CMC構成要素222が本書の記載通りに機能することを可能にする任意の材料で形成されうる。例示的な材料は、アルミナ、ムライト、窒化ホウ素、炭化ホウ素、サイアロン類(シリコン、アルミニウム、酸素及び窒素)、金属間化合物類、及びそれらの組み合わせを含む、酸化物ベースの材料を含むが、それらだけに限定されるわけではない。第2セラミック発泡パネル224も、第1セラミック発泡パネル202の第1の側208を実質的に補完する形状を有する、第1の側226を含む。例えば、第2セラミック発泡パネル224の第1の側226は、実質的に平らな表面を有してよく、かつ/又は、その中の、第1と第2のセラミック発泡パネル202及び224が1つに連結される時にチャネル210と実質的に位置が合う場所に形成されたチャネル(図示せず)を含みうる。

例示的な実行形態では、第2セラミック発泡パネル224の第1の側226に、接着剤の第2の量228が塗られる。第2の量228は、方法が本書の記載通りに機能することを可能にする任意の厚みT₂を有しうる。より具体的には、第1と第2の量204及び228の厚みT₁及びT₂を一体化したものが、約16ミルから20ミルまでの範囲内になるように、第2の量228は、任意の厚みT₂を有しうる。例示的な実行形態では、接着剤の第2の量228は、約8ミルから約10ミルまでの範囲内の実質的に均一な厚みT₂で、第2セラミック発泡パネル224の第1の側226にわたって延在する。

接着剤の第2の量228が第2セラミック発泡パネル224の第1の側226に塗られた後、第1と第2のセラミック発泡パネル202及び224を1つに連結するために、それらに圧縮力212が印加される。より具体的には、第1セラミック発泡パネル202の自由端220と第2セラミック発泡パネル224の自由端230とは実質的に位置合わせされ、第1の側208及び226は、互いに隣接するよう配置される。次いで圧縮力212が、接着剤が少なくとも部分的に第1と第2のセラミック発泡パネル202及び224の中へと拡散するように、印加される。更に、余分な接着剤232は、少なくとも部分的にチャネル210に流れ込み、チャネル210の側壁と第2セラミック発泡パネル224の第1の側226との間にフィレット234を形成する。余分な接着剤232のかかる「押し出し(squeeze out)」は、第1と第2のセラミック発泡パネル202及び224の間に確実な接合が形成されることを示す。更に、接着剤の第1と第2の量204及び228は、余分な接着剤が部分的にしかチャネル210を閉塞させないことを確実にするよう選択される。例示的な実行形態では、余分な接着剤232は、チャネル210の断面積Aを約10パーセント未満しか減少させないことを容易にする。代替的な実施形態では、任意の数の追加のセラミック発泡パネルが1つに連結されて、CMC構成要素222を形成しうる。

CMC構成部品222は次いで、第1と第2のセラミック発泡パネル202及び224を1つに連結するために、硬化され、か焼される。より具体的には、例示的な実行形態では、CMC構成要素222は、真空バッグに入れられ、約18水銀柱インチから約20水銀柱インチまでの範囲内の圧力下に保持される。CMC構成要素222は次いで、既定の温度で既定の時間、オーブン(図示せず)内で真空下で硬化され、規定の温度で既定の時間、標準雰囲気炉(図示せず)内でか焼される。

本書に記載の実行形態は、セラミックマトリクス複合(CMC)構成要素の作製中に、その内部通路の閉塞を抑えることを容易にする。例えば、CMC構成要素は概して、セラミック発泡体の複数のパネルを接着剤で1つに接合することによって作製される。本書に記載の方法は、各セラミック発泡パネルに塗られる接着剤の量の制御を容易にして、余分な接着剤による内部通路の閉塞を抑えることを容易にする。より具体的には、既定の量の接着剤が剥離フィルムに塗られ、第1セラミック発泡パネルのチャネル形成された側が、接着剤をそれに選択的に移行させるために、剥離フィルムに押圧される。そのような場合、既定の量の接着剤が、パネルのチャネル形成された側に容易に移行する。

この明細書は、ベストモードを含む様々な実行形態を開示するために、また、いかなる当業者にも、任意のデバイス又はシステムを作りかつ使用すること、及び、内包される任意の方法を実行することを含む、様々な実行形態の実践を可能にするために、実施例を使用している。特許を受けることができる本開示の範囲は、特許請求の範囲によって画定され、当業者には想起される他の実施例も含みうる。かかる他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と相違しない構造要素を有する場合、又は、それらが特許請求の範囲の文言とほとんど異ならない同等な構造要素を含む場合には、特許請求の範囲の範囲内にあることが意図されている。