JP2000034176A

JP2000034176A - 炭素繊維強化炭素複合材構造物

Info

Publication number: JP2000034176A
Application number: JP10200709A
Authority: JP
Inventors: Fumio Odaka; 文雄小高; Taro Miyamoto; 太郎宮本
Original assignee: Bridgestone Corp
Current assignee: Bridgestone Corp
Priority date: 1998-07-15
Filing date: 1998-07-15
Publication date: 2000-02-02

Abstract

(57)【要約】【課題】ホットプレス用ダイス等の剪断力の付加がか
かる部材に適用可能な、高温高圧の過酷な条件下でも高
い耐久性を有する炭素繊維強化炭素複合材構造物を提供
する。【解決手段】炭素質マトリックス中に、炭素繊維が互
いに交差する方向に、交互に繰り返し配置されているこ
とを特徴とする。前記炭素繊維が交差する方向に配置さ
れることによりできる交差角が、４０〜１２０°の範囲
にある態様が好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、セラミックス、金
属の焼結工程で使用する高耐久性のダイス等に用いうる
炭素繊維強化炭素複合材構造物に関する。

【０００２】

【従来の技術】フェノール樹脂等を焼成して形成される
炭素質材料は通常の黒鉛素材に比べ比重が小さく、機械
的強度に優れていることから構造部材やその他の分野で
広く利用されている。一例を挙げれば、その高強度な機
械的特性を活かして、セラミックス、金属を焼結するホ
ットプレス機の内圧防御治具のダイスとして使用されて
いる。図３は、ホットプレス機の構成を示す概略図であ
る。通常、ホットプレス機２０を使用してセラミックス
を焼結する場合、黒鉛モールド２２の外側にダイス２４
をセットし、モールド内の上下２枚のスペーサー２６、
２８の間に粉体を充填し、焼結を促進させるためパンチ
３０、３２で高加圧し、２０００℃以上に加熱する。そ
の為、薄いセラミックス焼結体を製作する場合に於いて
は、くさび効果により、黒鉛モールド２２が破壊され、
更にダイス２４まで破壊が進行することがある。炭素質
材料で形成されるダイス２４は一般に黒鉛モールド２２
に比べ高価であるため、その代替材料が要望され黒鉛に
比べ数倍の機械的強度を持つ炭素繊維強化炭素材を使用
したダイスが普及しつつある。炭素繊維強化炭素材を使
用したダイスは、フェノール樹脂、フラン樹脂、アクリ
ル樹脂等の加熱により炭素質材料となる熱硬化性樹脂を
有機溶媒に溶解したものをバインダーとして、炭素長繊
維を所望の直径を有する金属円筒に所望の幅、厚みに巻
き付け、熱硬化させた後、金属円筒を抜き取って円筒形
の硬化体を形成した後、この円筒形の硬化体を真空ある
いは不活性雰囲気下１０００℃以上で焼成し、更に前記
熱硬化樹脂に含浸し、焼成することを数回繰り返すこと
により得られる。

【０００３】現在用いられる炭素質材料製ダイスにおい
ては、炭素長繊維を円筒形に対して円周方向にパラレル
状に巻いたものを硬化させている。このため炭素長繊維
は円筒形の円周方向のみに配向し、周方向の内圧を受け
ると炭素繊維相互間に剥離が生じ、寿命が短いという欠
点があった。更に、内圧による加圧頻度が多いダイス中
央部は外周部方向に変形し、それに伴って、当該部分に
位置する黒鉛モールドをも破壊させるという問題も生じ
ていた。例えば、外径４５０ｍｍ、内径３５０ｍｍのダ
イスを、２３５０℃の条件で使用した場合、その引張り
破壊応力は１５６０ｋｇ／ｃｍ²であり、この時のダイ
スにかかる側圧は厚み２５ｍｍの製品を焼成しようとす
る場合、５４２ｋｇ／ｃｍ²となる。ここで、ダイスに
かかる側圧［最大引張応力σ_max（ｋｇ／ｃｍ²）］
は、厚肉円筒における側圧の計算式に係数を掛けた以下
の式を用いて算出することができる。

【０００４】

【数１】

【０００５】式中、Ｄはダイス外径、ｄはダイス内径、
Ｌは試料のダイス内における加圧焼結後の最終高さを、
Ｈはダイス内に充填した試料の初期高さを、ｆは側圧
比、ここでは１を、ｐは押圧（ｋｇ／ｃｍ²）を表す。
この最大引張応力σ_max５４２ｋｇ／ｃｍ²の値は、単
純に破壊応力と比較すると問題はないが、もし、内面が
数ｍｍ変形していると、発生応力は１００００ｋｇ／ｃ
ｍ²以上となり、まず、ダイスを形成している複合材料
中の繊維間の剥離が生じ、ダイスの破壊を招くことにな
る。これらの問題を防ぐため、ダイスやモールドの厚み
を厚くする方法があるが、この方法ではホットプレスに
用いる加熱炉が大きくなり、ヒーター容量の増大、真空
系、冷却系が増大となり設備コスト的に負担が大きくな
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、薄い
セラミックス焼結体をホットプレスにより製造する際に
も長期間使用可能な、耐久性に優れた構造体、即ち、ホ
ットプレス用ダイス、プッシャー式連続炉のプッシャー
棒等の剪断力の付加がかかる部材にも適用可能な、高温
高圧の過酷な条件下でも高い耐久性を有する炭素繊維強
化炭素複合材構造物を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】＜１＞炭素質マトリッ
クス中に、炭素繊維が互いに交差する方向に、交互に繰
り返し配置されていることを特徴とする一層円筒構造の
炭素繊維強化炭素複合材構造物である。＜２＞円筒の円周方向に対して上向きの傾斜をなす角
度で螺旋状に配置された炭素繊維と、該円筒の円周方向
に対して下向きの傾斜をなす角度で螺旋状に配置された
炭素繊維とが、交差する方向に配置されることによりで
きる交差角が４０〜１２０°の範囲にある前記＜１＞に
記載の一層円筒構造の炭素繊維強化炭素複合材構造物で
ある。＜３＞炭素繊維を、金属円筒型の側面の下端から上端
に向けて、該円筒の円周方向に対して上向きの傾斜をな
す角度で螺旋状に巻き、前記上端に達したところで折り
返し、前記下端に向けて、該円筒の円周方向に対して下
向きの傾斜をなす角度で螺旋状に巻き、前記下端に達し
たところで折り返し螺旋状に巻き続ける工程と、前記螺
旋状に巻いた炭素繊維に炭素質マトリックスを含浸させ
熱硬化させる工程と、前記金属円筒型を抜き取って焼成
する工程と、を含むことを特徴とする一層円筒構造の炭
素繊維強化炭素複合材構造物の製造方法である。＜４＞炭素質マトリックス中に、炭素繊維を格子状に
織製してなる帯状の炭素繊維織物を、円筒状に巻いた状
態で配置する前記＜１＞に記載の一層円筒構造の炭素繊
維強化炭素複合材構造物である。

【０００８】

【発明の実施の形態】まず、本発明の炭素繊維強化炭素
複合材構造物の安全率について、従来のものと比較して
説明する。炭素繊維の巻き方向がパラレル方向のみであ
る板状の炭素繊維強化炭素材に対して、垂直方向から圧
力を加えた際の曲げ強度は、５７０ｋｇ／ｃｍ²である
ことが実験の結果、得られた。一方、炭素繊維を格子状
に配置させた板状の炭素繊維強化炭素材に対して、垂直
方向から圧力を加えた際の曲げ強度は、２０００ｋｇ／
ｃｍ²であることが実験の結果、得られた。以下に、こ
れらを円筒状のダイスに適用した場合の安全率を、それ
ぞれ求める。まず、ダイスにかかる側圧は、以下の式を
用いて算出することができる。

【０００９】

【数２】

【００１０】ここで、Ｄはダイスの外径：４５０ｍｍｄはダイスの内径：３５０ｍｍｐは押圧：４００（ｋｇ／ｃｍ²）ｆは側圧比：１Ｌは試料のダイス内における加圧焼結後の最終高さ：２
５ｍｍＨはダイス内に充填した試料の初期高さ：７５ｍｍこれらの数値より、ダイスにかかる側圧σ_maxは、５４
２（ｋｇ／ｃｍ²）と求められる。従って、炭素繊維が
円周方向のみに配置されている従来のダイスの安全率
（Ｓ₁）は、Ｓ₁＝５７０／５４２＝１．０５となる。
一方、炭素繊維を格子状に配置させたダイスの安全率
（Ｓ₂）は、Ｓ₂＝２０００／５４２＝３．６９とな
り、従来のダイスの安全率より約３．５倍も大きくな
り、長期間使用できることがわかる。

【００１１】次に、本発明を詳細に説明する。本発明の
炭素繊維強化炭素複合材構造物に用いられる炭素繊維と
しては、２０００℃未満の熱処理により得られる炭素質
繊維、及び、２０００℃以上の高温処理により黒鉛化さ
れて得られる黒鉛質繊維のいずれも使用でき、好ましく
は、２０００℃以上の高温処理されたものが使用され
る。また、繊維原料としては、ＰＡＮ系、レーヨン系、
ピッチ系、熱硬化性樹脂系等のいずれのものも使用でき
る。炭素繊維は、ストランドやそれを束ねたロービン
グ、撚り糸状に集束したヤーン等のいずれの繊維の集束
状態のものも使用することができる。

【００１２】本発明の炭素繊維強化炭素複合材構造物
は、前記炭素繊維と炭素質マトリックス材料とを複合さ
れて得られるが、炭素質マトリックス材料としては、不
活性ガスの存在下や真空等の不活性雰囲気中で加熱する
ことにより炭素化しうる所謂炭素源と称される樹脂、ピ
ッチ等の有機化合物が挙げられる。この加熱により炭素
を生成する有機化合物として用いられる物質は、具体的
には、残炭率の高いコールタールピッチ、フェノール樹
脂、フラン樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、フェノ
キシ樹脂やグルコース等の単糖類、蔗糖等の少糖類、セ
ルロース、デンプン等の多糖類等の各種糖類が挙げら
れ、中でも、残炭率の観点から、フェノール樹脂が好ま
しい。これらの材料は加熱条件により炭素質となった
り、黒鉛質となったりするが、本発明においては、いず
れも用いることができる。炭素繊維にマトリックスを適
用する方法としては、樹脂等のマトリックス材料を含浸
させる方法と化学蒸着による方法があるが、処理の簡便
性、コストを考慮すれば、含浸法が一般的であるといえ
る。

【００１３】本発明の炭素繊維強化炭素複合材構造物に
用いられる炭素繊維は、金属円筒型に所定の厚み及び幅
になるように、互いに異方向に配置され、炭素繊維が交
差した状態で繰り返し配置される。即ち、集束された炭
素繊維を、図１に示すように該円筒の側面の下端から上
端に向けて、該円筒の円周方向に対して上向きの傾斜を
なす角度で螺旋状に巻き付け、前記上端に達したところ
で折り返し、前記下端に向けて、該円筒の円周方向に対
して下向きの傾斜をなす角度で螺旋状に巻き付け、前記
下端に達したところで折り返し、螺旋状に巻き続けるこ
とにより、互いに交差した状態で繰り返し配置される。

【００１４】炭素繊維を前記金属円筒型に巻き付けるに
あたり、該円筒の円周方向に対して上向きの傾斜をなす
角度（以下、「ヘリカル巻き角度」と称することがあ
る。）で螺旋状に配置された炭素繊維と、該円筒の円周
方向に対して下向きの傾斜をなす角度で螺旋状に配置さ
れた炭素繊維とが、交差する方向に配置されることによ
りできる交差角（図２で示される角度θ）が４０〜１２
０°の範囲にあることが好ましい。前記交差角が１２０
°より大きくなると、炭素繊維が交差することによる利
点が充分に得られず、本発明の目的とする高い耐久性が
得られ難くなることがある。また、前記交差角を４０°
より小さくするには、前記ヘリカル巻き角度を７０°よ
り大きくして炭素繊維を巻き付けなければならず、製造
が困難となる。尚、前記交差角を４０〜１２０°の範囲
とするためには、前記ヘリカル巻き角度を３０〜７０°
の範囲となるようにして炭素繊維を巻き付ければよい。

【００１５】また、本発明の炭素繊維強化炭素複合材構
造物に配置される炭素繊維の別の態様としては、金属円
筒型に所定の厚み及び幅になるように、炭素繊維を格子
状に織製してなる帯状の炭素繊維織物を、該円筒に対し
て円筒状に巻き付けたものが挙げられる。前記炭素繊維
織物は、平行に配列した多数の炭素繊維（たて糸）に対
して、直角の方向に炭素繊維（よこ糸）を組み合わせる
ことにより造られ、縦方向と横方向の炭素繊維が互いに
交差した格子状の織物である。その製法は特に制限はな
く、通常使用される織機を用いることもできる。例え
ば、エアージェット織機、ウォータージェット織機、レ
ピア織機、グリッパー織機等が挙げられる。

【００１６】続いて、前記金型に巻き付けた炭素繊維に
炭素源である有機化合物を含浸させ、熱硬化させた後、
金属円筒を抜き取って炭素繊維と有機化合物とからなる
円筒形状の構造物を形成し、その後、この円筒形状の構
造物を真空あるいは不活性雰囲気下で、温度１０００℃
以上で焼成、或いは所望により加圧焼成する。この焼成
により、有機化合物が炭素化或いは黒鉛化されて体積、
重量ともに減少し、複合材中に空孔が形成される。この
ため、更に前記有機化合物に含浸し、焼成することを繰
り返して、所望の比重になるまで処理を行う。炭素繊維
と炭素質マトリックス（炭化後）の比率（重量比）は所
望の強度、特性により適宜選択できるが、例えば、ホッ
トプレス用のダイス等に用いる場合には、強度等の特性
を引き出す目的で、７０：３０〜５５：４５程度が好ま
しく、更に６０：４０前後を目安に含浸を行なうことが
好ましい。また、焼成温度も目的に応じて選択しうる
が、本発明の目的には、２０００℃以上、更に、２５０
０〜３０００℃程度の焼成温度であることが黒鉛化を完
全に行うことができ、強度が向上する観点から好まし
い。

【００１７】この炭素繊維強化炭素複合材構造物は、ホ
ットプレス用ダイスとして有用である。この使用態様の
例として、前記従来技術の欄で説明した図３で示される
ダイス２４が挙げられる。本発明の炭素繊維強化炭素複
合材構造物は、繰り返し強い内圧が掛かった場合におい
ても、高い耐久性を示し、強化剤である炭素繊維間の剥
離によるクラックの発生やダイスの破損を効果的に防止
しうる。このため、本発明の炭素繊維強化炭素複合材構
造物は、ねじれ等の剪断力や内圧のかかる部材、即ち、
先に述べたホットプレス用ダイスの他、プッシャー式連
続炉のプッシャー棒、機械構造部材の連結等に用いられ
るボルト、高温用治具、モールド等に好適に適用するこ
とができ、適用範囲も広い。

【００１８】

【実施例】（実施例１）［炭素繊維強化炭素複合材構造物の作製］高さ２５０ｍ
ｍの金属円筒型に、６０００フィラメントの炭素繊維
を、該円筒の円周方向に対して上向きの傾斜をなす角度
が５０°となるように螺旋状に巻き付け、該円筒の上端
に達したところで折り返し、該円筒の下端に向けて、該
円筒の円周方向に対して下向きの傾斜をなす角度が５０
°となるように螺旋状に巻き付け、厚みが５０ｍｍとな
るように形成した。この金型円筒に巻き付けた炭素繊維
に、フェノール樹脂を含浸させ、３００℃で加熱して熱
硬化させた後、前記金属円筒を抜き取り、円筒形状の構
造物を不活性ガス（アルゴン）雰囲気下で、温度２００
０℃以上で焼成した。この含浸、焼成を７回繰り返し、
更に、フェノール樹脂を含浸し、焼成しても重量が増加
しなくなることを確認して、含浸、焼成を終了して炭素
繊維強化炭素複合材構造物を得た。最終的な炭素繊維と
炭化後のマトリックスの比率は６０：４０であった。

【００１９】［性能評価］前記で得た炭素繊維強化炭素
複合材構造物を黒鉛ダイスとして図３に示すようなホッ
トプレス機に組み込んだ。このホットプレス機で厚さ２
５μｍの薄い炭素質焼結体を作製した。焼結温度の条件
は２３５０℃、面圧４００〜５００ｋｇ／ｃｍ²の範囲
でホットプレス処理を行った。この焼結体の作製を５０
回繰り返した後、ダイスを取り出して観察したところ、
外観上問題になるクラックの発生や劣化は見られなかっ
た。

【００２０】（比較例１）実施例１で得た炭素繊維強化
炭素複合材構造物を黒鉛ダイスに用いる代わりに、炭素
繊維をヘリカル状に巻いた、ダイス厚み５０ｍｍ、高さ
２５０ｍｍの一層円筒構造の炭素複合材構造物を前記黒
鉛ダイスに用いた以外は、実施例１と同様にホットプレ
ス機を作製し、実施例１と同様の条件で、繰り返しホッ
トプレス処理を行った。この焼結体の作製を２０回繰り
返したところ、中心部から炭素繊維間が剥離し、黒鉛ダ
イスが破損した。

【００２１】

【発明の効果】本発明の炭素繊維強化炭素複合材構造物
は、薄いセラミックス焼結体をホットプレスにより製造
する際にも、長期間使用可能であり、高温高圧の過酷な
条件下で繰り返し使用しても高い耐久性を示し、ホット
プレス用ダイス、プッシャー式連続炉のプッシャー棒等
の剪断力の付加がかかる部材として好適に用い得るとい
う効果を奏する。

【００２２】

【図面の簡単な説明】

【図１】炭素繊維を互いに交差する方向に配置した状
態を示す概略図である。

【図２】炭素繊維が互いに交差してできる角度θを示
す概略図である。

【図３】ホットプレス機の構成を示す概略図である。

【００２３】

【符号の説明】

２０ホットプレス機２２黒鉛モールド２４ダイス２６、２８スペーサー３０、３２パンチ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭素質マトリックス中に、炭素繊維が互
いに交差する方向に、交互に繰り返し配置されているこ
とを特徴とする一層円筒構造の炭素繊維強化炭素複合材
構造物。
【請求項２】円筒の円周方向に対して上向きの傾斜を
なす角度で螺旋状に配置された炭素繊維と、該円筒の円
周方向に対して下向きの傾斜をなす角度で螺旋状に配置
された炭素繊維とが、交差する方向に配置されることに
よりできる交差角が４０〜１２０°の範囲にある請求項
１に記載の一層円筒構造の炭素繊維強化炭素複合材構造
物。
【請求項３】炭素繊維を、金属円筒型の側面の下端か
ら上端に向けて、該円筒の円周方向に対して上向きの傾
斜をなす角度で螺旋状に巻き、前記上端に達したところ
で折り返し、前記下端に向けて、該円筒の円周方向に対
して下向きの傾斜をなす角度で螺旋状に巻き、前記下端
に達したところで折り返し螺旋状に巻き続ける工程と、
前記螺旋状に巻いた炭素繊維に炭素質マトリックスを含
浸させ熱硬化させる工程と、前記金属円筒型を抜き取っ
て焼成する工程と、を含むことを特徴とする一層円筒構
造の炭素繊維強化炭素複合材構造物の製造方法。
【請求項４】炭素質マトリックス中に、炭素繊維を格
子状に織製してなる帯状の炭素繊維織物を、円筒状に巻
いた状態で配置する請求項１に記載の一層円筒構造の炭
素繊維強化炭素複合材構造物。