JP2001519319A - 高熱伝導率炭素／炭素ハニカム構造 - Google Patents

高熱伝導率炭素／炭素ハニカム構造

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Abstract

(57)【要約】 本発明は炭素／炭素複合材ハニカム構造を製造する方法を提供する。その構造は炭素／炭素物質の特性を有すると共に高熱伝導率（２００ｗ／ｍ−ｋ以上）を備えている。低弾性率ピッチ炭素繊維前駆体複合材を含むハニカム構造は蒸発されるように加熱又は炭化され、低圧力でＣＶＤ／ＣＶＩによって緻密化されて黒鉛化できる炭素マトリックスをえ、炭素繊維と炭素マトリックスの双方を黒鉛化するように熱処理する。得られたハニカム構造は高熱伝導率を有し、かつ繊維モジュラスが増加し、例えば、熱伝導装置を製造するのに用いられる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （発明の分野） 本発明は炭素／炭素複合ハニカム構造、詳細には熱伝導装置に有用な高熱伝導
率炭素／炭素複合ハニカム構造を製造する方法に関する。
【０００２】 ここで用いられる「ハニカム」は、規則的な形状の薄い壁構造材の小室（セル
ラー）を含む。ハニカム構造を製造するために多くの種類の物質が用いられ、そ
の中には多くの金属（例えば、アルミニウム、チタン、ステンレス・スチール）
や有機マトリックス複合材を含む。多くのハニカム応用品（例えば、エンジンカ
ウリング）は熱抵抗性を要求され、またある場合には熱抵抗性とある程度の比熱
伝導率の双方を要求される。それらの構造の持続的な問題は高温の機械的特性と
比熱伝導率の双方を最適化しなければならないと同時に、重量を最小にしなけれ
ばならないことである。現在可能な最良の解決策は所望のパラメータの一つ又は
いくつかにおいて妥協することである。例えば、アルミニウムはハニカムを製造
しやすく、優れた比熱伝導率を備えている。しかしながら、アルミニウムの機械
的特性は比較的低温で劣化する。ステンレス・スチールは高温における優れた機
械的特性を保持しているが、比熱伝導率は貧弱である。チタンは製造するのが困
難で高価であり、アルミニウムに比べると比熱伝導率が低い。比較的高熱伝導率
を有する有機マトリックス複合材が高弾性率、ピッチ炭素繊維前駆体やエポキシ
とシアナート・エステルを含む有機マトリックスを用いて開発された（Ｃｏｒｄ
ｅｎの米国特許第５，２８８，５３７号、Ｄａｒｆｌｅｒらの米国特許第５，５
２７，５８４号を参照））。これらの構造は使用温度範囲が限られており、マト
リックス物質の比較的貧弱な機械的特性によって制限される。用いられた高弾性
率炭素繊維は非常に高価で、その合成によって処理が困難である。炭素／炭素ハ
ニカム構造がＤｅｌａｇｅらの米国特許第５，４１５，７１５や５，５１４，４
４５で既に述べられている。炭素／炭素複合材に関連した高強度や高剛さの利点
を有している。さらに、それらは高温でその特性を維持している。低コスト、低
弾性率炭素繊維を用いて、あとで緻密化させて、繊維の弾性率が増加した高熱伝
導物質に変更できるハニカム物質を作ることができるのが望ましい。そのような
物質は熱交換器や他の熱伝導装置に用いることができる。それらは、アルミニウ
ムがその貧弱な高温強度のゆえに受け入れることができない、又は高温特性に優
れた金属（チタンのような）が重量のゆえに又は不十分な熱伝導性のゆえに受け
入れることができないところでの利用に特別の価値がある。
【０００３】 本発明は、低弾性率ピッチ炭素繊維前駆体複合材と黒鉛状炭素マトリックスか
ら作られた高熱伝導率のハニカム構造を提供する、以下のステップからなる処理
を開示することによって上記に対する解決策を提供するものである。そのステッ
プは、低弾性率ピッチ炭素繊維前駆体複合材構造を用意するステップと、その低
弾性率ピッチ炭素繊維前駆体複合材構造を約７００−９００℃の範囲の温度に加
熱するステップと、黒鉛化できる炭素を備えた複合材構造を低圧力と約９５０−
１２００℃の範囲の温度でＣＶＤ／ＣＶＩによって緻密化するステップと、その
構造を約２２００−３２００℃の温度で熱処理して低弾性率ピッチ炭素繊維前駆
体複合材と黒鉛状炭素マトリックスから高熱伝導率を有し、繊維の弾性率を増加
したハニカム構造を得るステップとからなる。
【０００４】 低弾性率ピッチ炭素繊維前駆体（例えば、アムコ・パフォーマンス・プロダク
ツのＰ−２５又はＰ−３０Ｘ、三菱のＭＫＣ ３２１）は、フェノールもしくは
エポキシ・ノバラック・レジン又は他の黒鉛化できる熱硬化性レジンを用いるこ
とで、従来のハニカム製造技術を利用してハニカム構造を製造することができる
。それらの繊維は比較的低弾性率であるので、小さなセルサイズのハニカムを製
造するのが、高弾性率繊維によるより容易である。そのようなハニカム構造は、
例えばカリフォルニア州ダブリンのＹＬＡセルラー・プロダクツ・カンパニから
得ることができる。その後、それらの構造は不活性ガス熱分解と炭化によって炭
素／炭素複合材に変換される。典型的な温度は約７００−９００℃である。その
マトリックス物質は炭化処理の間にレジンから炭素以外の物質の除去によってポ
ーラスになる。得られた構造が、正しい処理条件の下で高度に黒鉛化できる炭素
を堆積する炭素蒸着法／炭素蒸気湿潤処理によって緻密化される。これらの処理
は、典型的には低圧力（約１００ｔｏｒｒ）で天然ガス又は低分子量炭化水素ガ
スの混合物を用い、かつ約９５０℃から１２００℃の温度で処理される。ガス前
駆体が分解され、多くの副産物と共に固体炭素および水素を生成する。固体炭素
が炭素化されたハニカムの穴に堆積する。得られた緻密化された構造（典型的に
は密度１．８ｇ／ｃｃ）が約２２００℃と３２００℃の間で熱処理され、炭素繊
維と炭素マトリックスの双方を黒鉛化する。オプションで、もし、構造の歪みの
可能性が除かれるなら、緻密化の前に熱処理を行うことができる。得られた構造
は繊維の弾性率が増加し、ハニカム壁の面の方向でのいわゆる繊維方向において
約２００ｗ／ｍ−ｋより大きい高熱伝導率となる。セル壁を通しての伝導率は低
いと予測できる。
【０００５】例 炭素繊維フェノール複合材は、ハニカム物質は２５ミリオンｐｓｉ弾性率ピッ
チ炭素繊維前駆体及びボーダン・インダストリアル・レジンから商業的に入手で
きるＳＣ１００８のようなフェノール・レジンを利用して製造することができる
。標準的なハニカム製造方法が用いられた。約８８０℃の不活性ガス熱分解を用
いてその物質が熱分解される。ＣＶＤ緻密化でその物質を１．７−１．７５ｇ／
ｃｃの密度に緻密化する。その物質は、ピーク温度に２時間以上保つようにして
約２２００℃以上で熱処理される。同じ処理を用いて作られた同じ物質の平板状
の試料辺は繊維方向において２００ｗ／ｍ−ｋ以上と測定された。
【０００６】 本発明は、ハニカム構造の高熱伝導率繊維を既存の低弾性率繊維構造を使用し
て得ることができた。これは、高価な高弾性率繊維物質構造の使用を避け、又は
後にハニカム形の構造を作らなければならない低弾性率繊維から複合物質を作る
処理を避けることができる。

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 低弾性率炭素繊維前駆体複合材と黒鉛化炭素マトリックスと
    から高熱伝導率のハニカム構造を製造する方法において、低弾性率ピッチ炭素繊
    維前駆体複合材構造を用意するステップと、その低弾性率ピッチ炭素繊維前駆体
    複合材構造を約７００−９００℃の範囲の温度で加熱するステップと、黒鉛化で
    きる炭素を備えた複合材構造を低圧力と約９５０−１２００℃の範囲の温度でＣ
    ＶＤ／ＣＶＩによって緻密化するステップと、その構造を約２２００−３２００
    ℃の温度で熱処理して低弾性率ピッチ炭素繊維前駆体複合材と黒鉛状炭素マトリ
    ックスから高熱伝導率を有し、繊維の弾性率を増加したハニカム構造を得るステ
    ップとを有する方法。
  2. 【請求項２】 緻密化の前に約２２００−３２００℃の温度で熱処理するス
    テップをさらに含む請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 前記低圧力が１００ｔｏｒｒ以下である請求項２記載の方法
    。
  4. 【請求項４】 低弾性率炭素繊維前駆体複合材は最初７０ミリオンｐｓｉよ
    り低い弾性率である請求項１記載の方法。
  5. 【請求項５】 低弾性率炭素繊維前駆体複合材は最初低弾性率炭素繊維前駆
    体と炭化できる熱硬化性レジンとの複合体である請求項４記載の方法。
  6. 【請求項６】 熱硬化性レジンはフェノール・レジンとエポキシ・ノボラッ
    ク・レジンである請求項５記載の方法。
  7. 【請求項７】 高熱伝導率はハニカム壁面の方向で約２００ｗ／ｍ−ｋより
    高い請求項１記載の方法。
  8. 【請求項８】 請求項１記載の方法で製造された構造。
  9. 【請求項９】 低弾性率ピッチ炭素繊維前駆体複合材ハニカム構造と黒鉛状
    炭素マトリックスから作られた高熱伝導率のハニカム構造であって、低弾性率ピ
    ッチ炭素繊維前駆体複合材ハニカム構造は、約７００−９００℃の範囲の温度で
    熱処理され、低圧力および約９５０−１２００℃の範囲の温度でＣＶＤ／ＣＶＩ
    の手段によって黒鉛化できる炭素で緻密化され、約２２００−３２００℃の温度
    で熱処理され、低弾性率ピッチ炭素繊維前駆体複合材ハニカム構造と黒鉛状炭素
    マトリックスから作られた高熱伝導率のハニカム構造は厚さ方向において約２０
    ０ｗ／ｍ−ｋ以上の熱伝導率を有し、かつ繊維弾性率が増加していることを特徴
    とするハニカム構造。
  10. 【請求項１０】 前記低圧力が１００ｔｏｒｒ以下である請求項９記載のハ
    ニカム構造。
  11. 【請求項１１】 低弾性率炭素繊維前駆体複合材は最初７０ミリオンｐｓｉ
    より低い弾性率である請求項９１記載のハニカム構造。
  12. 【請求項１２】 低弾性率炭素繊維前駆体複合材は低弾性率炭素繊維前駆体
    と炭化できる熱硬化性レジンとの複合体である請求項９記載のハニカム構造。
  13. 【請求項１３】 熱硬化性レジンはフェノール・レジンとエポキシ・ノボラ
    ック・レジンである請求項１２記載のハニカム構造。
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