JP2003012374A - 炭素繊維強化炭素材の製造方法 - Google Patents
炭素繊維強化炭素材の製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 二次的緻密化処理を施すことなく、生産能率
が高く、低コストで組織が緻密な高密度、高強度の炭素
繊維強化炭素材の製造方法を提供する。 【解決手段】 炭素繊維に熱硬化性樹脂液を含浸、硬化
成形したプリプレグ成形体を非酸化性雰囲気中４００〜
７００℃の温度で熱処理し、得られた一次焼成体を４．
９〜２９．４ＭＰａの加圧下に１０００〜２３００℃の
温度で炭化することを特徴とする炭素繊維強化炭素材の
製造方法。
が高く、低コストで組織が緻密な高密度、高強度の炭素
繊維強化炭素材の製造方法を提供する。 【解決手段】 炭素繊維に熱硬化性樹脂液を含浸、硬化
成形したプリプレグ成形体を非酸化性雰囲気中４００〜
７００℃の温度で熱処理し、得られた一次焼成体を４．
９〜２９．４ＭＰａの加圧下に１０００〜２３００℃の
温度で炭化することを特徴とする炭素繊維強化炭素材の
製造方法。
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、材質組織が緻密
で、高密度、高強度の炭素繊維強化炭素材（以下、「Ｃ
／Ｃ材」ともいう）の製造方法に関する。 【０００２】 【従来の技術】Ｃ／Ｃ材は、炭素繊維の複合化による卓
越した比強度、比弾性率を有し、特に１０００℃を越え
る高温においても比強度、比弾性率に優れ、また、炭素
材特有の軽量性と優れた耐熱性および化学的安定性を備
えているため、航空・宇宙機用の構造材料をはじめ、高
温苛酷な条件下で使用される各種部材、例えばＣＺ法に
よる単結晶引上用のルツボ、ヒータ、炉材などの高温炉
用部材として有用されている。 【０００３】このＣ／Ｃ材を製造する代表的な技術とし
ては、 (1)マトリックスとなる熱硬化性樹脂液を含浸し
た炭素繊維の織布を積層し、プレス等で所定形状に圧縮
成形したのちプリプレグ成形体を非酸化性雰囲気下で焼
成炭化処理する方法、 (2)マトリックスとなる熱硬化性
樹脂液に浸した炭素繊維のトウをフィラメントワインデ
ィング法で所定形状に成形し、このプリプレグ成形体を
同様に焼成炭化処理する方法、 (3)炭素繊維で形成した
成形体（炭素繊維プリフォーム）の空隙組織中に化学的
気相蒸着法（ＣＶＤ）や化学的気相浸透法（ＣＶＩ）に
より気相析出させた熱分解炭素を沈着させる方法、など
が知られている。 【０００４】これらの製造方法のうち、(3) の熱分解炭
素を沈着させる方法は製造能率が低く、コスト増となる
欠点がある。一方、(1) 、(2) の製造方法は、プリプレ
グ成形体を焼成炭化する過程でマトリックスとなる熱硬
化性樹脂液に含まれる揮発性成分が揮散するために、得
られるＣ／Ｃ材の材質組織には微細な空孔を生じ、低密
度化、低強度化し易い難点があり、更に、圧縮成形時に
熱硬化性樹脂液の一部が外部に圧出するために高密度の
ものが得難い難点がある。 【０００５】そこで、(1) 、(2) の方法で得られたＣ／
Ｃ材の材質組織の空孔中に、炭化性のフェノール樹脂や
フラン樹脂などのバインダー樹脂あるいは石炭系や石油
系のピッチなどを強制含浸したのち焼成する二次的な緻
密化処理が一般に行われている。 【０００６】この二次的に緻密化処理するＣ／Ｃ材の製
造方法として、例えば、本出願人は特開平５−２２９８
６８号公報において、炭素繊維を残炭率４５％以上の熱
硬化性樹脂液からなるマトリックス結合材とともに複合
成形したのち非酸化性雰囲気下で１４００〜１７００℃
の温度範囲により炭化処理して気孔率１％以下の一次焼
成体を形成し、該一次焼成体に残炭率４５％以上の熱硬
化性樹脂液を含浸硬化し、ついで非酸化性雰囲気下で２
０００℃以上の温度域で加熱処理するＣ／Ｃ材の製造方
法を提案した。 【０００７】また、炭素繊維にマトリックス結合材を含
浸して複合成形したのち非酸化性雰囲気下で焼成炭化し
て得られたＣ／Ｃ複合体を基材とし、該Ｃ／Ｃ基材にピ
ッチを含浸し非酸化性雰囲気下８００〜１２００℃で焼
成炭化する処理を複数回反復して材質の嵩密度を１．１
〜１．５g/ccにする第１緻密化工程と、次いで熱硬化性
樹脂液を含浸硬化し非酸化性雰囲気下８００〜１２００
℃で焼成炭化する処理を複数回反復して材質の嵩密度を
１．６g/cc以上にする第２緻密化工程を、順次に施す高
密度で強度特性に優れたＣ／Ｃ材の製造方法（特開平８
−２４５２７３号公報）を開発、提案した。 【０００８】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の熱硬化性樹脂液やピッチなどを含浸して二次的に緻密
化する方法では、含浸−硬化−焼成という操作を繰り返
し行うために製造に手間がかかり、製造能率が低く、コ
スト高となる欠点がある。更に、液状の熱硬化性樹脂や
ピッチをＣ／Ｃ材の微細な空隙の深部にまで充分に含浸
させることが難しく、また、空隙に含浸した熱硬化性樹
脂やピッチが焼成炭化する際にも揮発性成分が放出され
て新たな空隙が形成されるので、繰り返し行っても緻密
化には限界がある。 【０００９】そこで、本発明者は二次的な緻密化処理を
施すことなく、簡便な手法により材質組織が緻密で、高
密度、高強度のＣ／Ｃ材の製造技術を開発すべく鋭意研
究した結果、焼成炭化時に特定の加圧力を負荷すること
により組織が緻密化できることを見出した。 【００１０】本発明は、この知見に基づいて開発された
ものであって、その目的は二次的緻密化処理をすること
なく、能率よく、低コストで、高密度、高強度のＣ／Ｃ
材の製造技術を提供することにある。 【００１１】 【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明による炭素繊維強化炭素材（Ｃ／Ｃ材）の製
造方法は、炭素繊維に熱硬化性樹脂液を含浸、硬化成形
したプリプレグ成形体を非酸化性雰囲気中４００〜７０
０℃の温度で熱処理し、得られた一次焼成体を４．９〜
２９．４ＭＰａの加圧下に１０００〜２３００℃の温度
で炭化することを構成上の特徴とする。 【００１２】 【発明の実施の形態】炭素繊維には、ポリアクリロニト
リル系、レーヨン系、ピッチ系など、いずれの原料系か
ら製造されたものを用いることができ、これらの炭素繊
維は平織、朱子織、綾織などの織布、あるいは、ヤー
ン、トウなどの形態で適用される。炭素繊維に含浸する
熱硬化性樹脂液には、例えば、フェノール系、フラン
系、エポキシ系、メラミン系、ポリイミド系、ユリア系
などの熱硬化性樹脂が用いられ、好ましくは炭化残留率
が５０重量％以上のものが使用される。なお、炭素繊維
に熱硬化性樹脂液を円滑に含浸するために、アルコー
ル、アセトンなどの適宜な有機溶媒に溶解し、低粘度化
して使用することもできる。 【００１３】炭素繊維に熱硬化性樹脂液を含浸する方法
は、例えば炭素繊維織布を用いた場合には、炭素繊維織
布に熱硬化性樹脂液を塗布する方法、炭素繊維織布を熱
硬化性樹脂液に浸漬する方法、など公知の方法で行うこ
とができ、樹脂含浸炭素繊維織布を積層してモールドに
入れ、加熱して樹脂成分を硬化、成形してプリプレグ成
形体を作製する。 【００１４】プリプレグ成形体は窒素、アルゴンなどの
非酸化性雰囲気の加熱炉中に入れ、４００〜７００℃の
温度範囲で熱処理して一次焼成体が作製される。熱処理
温度を４００〜７００℃の温度範囲に設定するのは、熱
処理温度が４００℃未満であると熱硬化性樹脂中の揮発
性成分の一部が残存し、最終的に得られたＣ／Ｃ材中に
気孔を形成することとなり、Ｃ／Ｃ材の密度低下および
強度低下を招くことになるためである。一方、熱処理温
度が７００℃を越えると、熱処理時の収縮が大きくな
り、次工程で行う加圧炭化により効果的に高密度化する
ことが困難となり高強度特性を付与することができなく
なる。 【００１５】本発明は、このようにして作製された一次
焼成体を４．９〜２９．４ＭＰａの加圧下に、１０００
〜２３００℃の温度で炭化することを特徴とする。な
お、本発明において炭化とは、黒鉛化を含む概念であ
る。熱硬化性樹脂は炭化過程において収縮を伴うが、こ
の炭化過程を加圧下に行うことによってＣ／Ｃ材の組織
の緻密化を図ることができる。 【００１６】すなわち、炭化時に付加する加圧力が４．
９ＭＰａを下回る場合には材質組織を緻密化し、効果的
に高密度化することが困難となる。しかしながら、加圧
力が２９．４ＭＰａを越えると、炭素繊維の一部に破断
が生じて強度が低下し、座屈破壊などの現象を招くこと
となる。したがって、炭化時の圧力は４．９〜２９．４
ＭＰａの範囲に設定される。 【００１７】また、加圧炭化時の温度を１０００〜２３
００℃の範囲に設定するのは、炭化温度が１０００℃を
下回る場合には炭化が充分に進行せず、一方、炭化温度
が２３００℃を越えるとＣ／Ｃ材の強度低下が起こるた
めである。 【００１８】このようにして、プリプレグ成形体を非酸
化性雰囲気中で４００〜７００℃の温度範囲で熱処理し
て一次焼成体を作製し、次いで、一次焼成体を４．９〜
２９．４ＭＰａの加圧下に１０００〜２３００℃の温度
で炭化することにより、熱硬化性樹脂の一次焼成時に残
存する揮発性成分を低減化し、更に、加圧炭化により炭
化過程における気孔形成を抑制することができる。その
結果、材質組織が緻密で層間の密着性も改善され、高密
度、高強度のＣ／Ｃ材を製造することが可能となる。 【００１９】 【実施例】以下、本発明の実施例を比較例と対比して説
明する。 【００２０】実施例１ (1)一次焼成体の作製 ポリアクリロニトリル系高強度タイプの平織炭素繊維織
布にレゾールタイプのフェノール樹脂初期縮合物を塗布
して含浸し、４８時間風乾してプリプレグシートを作製
した。このプリプレグシート１６枚を積層して２００×
１００mmのモールドに入れ、温度１１０℃、圧力２．０
ＭＰａの条件で複合し、次いで大気圧下、２５０℃の温
度で樹脂成分を硬化して、プリプレグ成形体を作製し
た。このプリプレグ成形体を窒素雰囲気に保持した加熱
炉に入れ、１５℃／hrの昇温速度で６００℃に加熱して
２時間保持し、一次焼成体を作製した。 【００２１】(2)Ｃ／Ｃ材の製造 一次焼成体をホットプレス装置内に設置された黒鉛ダイ
ス中に載置し、アルゴンガス雰囲気中で６００℃／hrの
昇温速度で加熱し、圧力９．８ＭＰａ、温度２０００℃
の熱圧条件で加圧炭化してＣ／Ｃ材を製造した。 【００２２】(3)Ｃ／Ｃ材の特性 下記の方法により嵩密度、曲げ強度および層間剪断強度
を測定して、得られた結果を表１に示した。 嵩密度；外寸法と重量から算出した 曲げ強度；試験片１１０×１０×５mm、支点間距離８
０mm、クロスヘッドスピード２．７mm／min 、その他の
条件はＡＳＴＭ Ｄ７９０に準じて測定した 層間剪断強度；試験片３５×１０×４mm、支点間距離
１６mm、クロスヘッドスピード１．３mm／min 、その他
の条件はＡＳＴＭ Ｄ２３４４−６７を応用したｓｈｏ
ｒｔ ｂｅａｍ法を用いて測定した 【００２３】実施例２ 加圧炭化時の熱圧条件を圧力１９．６ＭＰａに設定した
他は、全て実施例１と同じ方法により一次焼成体の作製
およびＣ／Ｃ材の製造を行った。次いで、実施例１と同
じ方法によりＣ／Ｃ材の特性を測定して、その結果を表
１に示した。 【００２４】実施例３ 加圧炭化時の熱圧条件を圧力２９．４ＭＰａに設定した
他は、全て実施例１と同じ方法により一次焼成体の作製
およびＣ／Ｃ材の製造を行った。次いで、実施例１と同
じ方法によりＣ／Ｃ材の特性を測定して、その結果を表
１に示した。 【００２５】実施例４ 一次焼成体の熱処理温度を４００℃とし、加圧炭化時の
熱圧条件を圧力２９．４ＭＰａに設定した他は、全て実
施例１と同じ方法により一次焼成体の作製およびＣ／Ｃ
材の製造を行った。次いで、実施例１と同じ方法により
Ｃ／Ｃ材の特性を測定して、その結果を表１に示した。 【００２６】実施例５ 加圧炭化時の熱圧条件を圧力１９．６ＭＰａ、温度１０
００℃に設定した他は、全て実施例１と同じ方法により
一次焼成体の作製およびＣ／Ｃ材の製造を行った。次い
で、実施例１と同じ方法によりＣ／Ｃ材の特性を測定し
て、その結果を表１に示した。 【００２７】比較例１ 実施例１と同じ方法で作製したプリプレグ成形体を窒素
雰囲気の加熱炉に入れて、１０００℃の温度に加熱し、
次いで常圧下で２０００℃の温度に加熱してＣ／Ｃ材を
製造した。次いで、実施例１と同じ方法によりＣ／Ｃ材
の特性を測定して、その結果を表１に示した。 【００２８】比較例２ 加圧炭化時の熱圧条件を圧力２．５ＭＰａに設定した他
は、全て実施例１と同じ方法により一次焼成体の作製お
よびＣ／Ｃ材の製造を行った。次いで、実施例１と同じ
方法によりＣ／Ｃ材の特性を測定して、その結果を表１
に示した。 【００２９】比較例３ 加圧炭化時の熱圧条件を圧力３９．２ＭＰａに設定した
他は、全て実施例１と同じ方法により一次焼成体の作製
およびＣ／Ｃ材の製造を行った。次いで、実施例１と同
じ方法によりＣ／Ｃ材の特性を測定して、その結果を表
１に示した。 【００３０】比較例４ 一次焼成体作製時の熱処理温度を１２００℃とし、加圧
炭化時の熱圧条件を圧力１９．６ＭＰａに設定した他
は、全て実施例１と同じ方法により一次焼成体の作製お
よびＣ／Ｃ材の製造を行った。次いで、実施例１と同じ
方法によりＣ／Ｃ材の特性を測定して、その結果を表１
に示した。 【００３１】比較例５ 加圧炭化時の熱圧条件を圧力１９．６ＭＰａ、温度９０
０℃に設定した他は、全て実施例１と同じ方法により一
次焼成体の作製およびＣ／Ｃ材の製造を行った。次い
で、実施例１と同じ方法によりＣ／Ｃ材の特性を測定し
て、その結果を表１に示した。 【００３２】比較例６ 加圧炭化時の熱圧条件を圧力１９．６ＭＰａ、温度２５
００℃に設定した他は、全て実施例１と同じ方法により
一次焼成体の作製およびＣ／Ｃ材の製造を行った。次い
で、実施例１と同じ方法によりＣ／Ｃ材の特性を測定し
て、その結果を表１に示した。 【００３３】比較例７ 一次焼成体の温度を２５０℃とし、加圧炭化時の熱圧条
件を圧力１９．６ＭＰａに設定した他は、全て実施例１
と同じ方法により一次焼成体の作製およびＣ／Ｃ材の製
造を行った。次いで、実施例１と同じ方法によりＣ／Ｃ
材の特性を測定して、その結果を表１に示した。 【００３４】比較例８ 一次焼成体の温度を８００℃とし、加圧炭化時の熱圧条
件を圧力１９．６ＭＰａに設定した他は、全て実施例１
と同じ方法により一次焼成体の作製およびＣ／Ｃ材の製
造を行った。次いで、実施例１と同じ方法によりＣ／Ｃ
材の特性を測定して、その結果を表１に示した。 【００３５】 【表１】【００３６】表１の結果から、本発明の製造方法により
製造された実施例１〜４のＣ／Ｃ材は、気孔が減少する
ため材質組織が緻密化され、嵩密度が１．５０ g/cm3以
上と高く、また、曲げ強度も１１８ＭＰa 以上であっ
て、高密度、高強度特性を備えていることが判る。ま
た、組織の緻密化とともに層間の密着性が強固となり、
層間剪断強度も高いことが認められる。 【００３７】これに対して、一次焼成体作製時の熱処理
温度が高く、炭化処理を常圧で行った比較例１、あるい
は加圧炭化時の圧力が低い比較例２では、ともに材質組
織が緻密化されず、嵩密度、曲げ強度、層間剪断強度が
低いことが判る。また、加圧炭化時の圧力が高い比較例
３では炭素繊維の破断が生じて強度の低下が著しく、Ｃ
／Ｃ材が座屈破壊を起こしている。一方、一次焼成体を
作製する際の熱処理温度が２５０℃と低い比較例７、８
００℃、１２００℃と高い比較例４、８、更に、Ｃ／Ｃ
材を製造する際の温度が９００℃と低い比較例５、２５
００℃と高い比較例６では実施例１〜４のＣ／Ｃ材と比
べて、強度特性が低位であることが認められる。 【００３８】 【発明の効果】以上のとおり、本発明の炭素繊維強化炭
素材の製造方法によれば、プリプレグ成形体を非酸化性
雰囲気中で４００〜７００℃の温度範囲で熱処理して一
次焼成体を作製し、次いで、一次焼成体を４．９〜２
９．４ＭＰａの加圧下に１０００〜２３００℃の温度で
炭化することにより、熱硬化性樹脂の一次焼成時に残存
する揮発性成分を低減化し、また加圧炭化により炭化過
程における気孔形成を抑制することができる。その結
果、Ｃ／Ｃ材の材質組織が緻密化され、層間の密着性も
強固になるので、二次的に緻密化処理することなしに高
密度、高強度のＣ／Ｃ材を製造することが可能となる。
したがって、製造能率が高く、低コストで、高密度、高
強度のＣ／Ｃ材の製造方法として極めて有用である。
で、高密度、高強度の炭素繊維強化炭素材（以下、「Ｃ
／Ｃ材」ともいう）の製造方法に関する。 【０００２】 【従来の技術】Ｃ／Ｃ材は、炭素繊維の複合化による卓
越した比強度、比弾性率を有し、特に１０００℃を越え
る高温においても比強度、比弾性率に優れ、また、炭素
材特有の軽量性と優れた耐熱性および化学的安定性を備
えているため、航空・宇宙機用の構造材料をはじめ、高
温苛酷な条件下で使用される各種部材、例えばＣＺ法に
よる単結晶引上用のルツボ、ヒータ、炉材などの高温炉
用部材として有用されている。 【０００３】このＣ／Ｃ材を製造する代表的な技術とし
ては、 (1)マトリックスとなる熱硬化性樹脂液を含浸し
た炭素繊維の織布を積層し、プレス等で所定形状に圧縮
成形したのちプリプレグ成形体を非酸化性雰囲気下で焼
成炭化処理する方法、 (2)マトリックスとなる熱硬化性
樹脂液に浸した炭素繊維のトウをフィラメントワインデ
ィング法で所定形状に成形し、このプリプレグ成形体を
同様に焼成炭化処理する方法、 (3)炭素繊維で形成した
成形体（炭素繊維プリフォーム）の空隙組織中に化学的
気相蒸着法（ＣＶＤ）や化学的気相浸透法（ＣＶＩ）に
より気相析出させた熱分解炭素を沈着させる方法、など
が知られている。 【０００４】これらの製造方法のうち、(3) の熱分解炭
素を沈着させる方法は製造能率が低く、コスト増となる
欠点がある。一方、(1) 、(2) の製造方法は、プリプレ
グ成形体を焼成炭化する過程でマトリックスとなる熱硬
化性樹脂液に含まれる揮発性成分が揮散するために、得
られるＣ／Ｃ材の材質組織には微細な空孔を生じ、低密
度化、低強度化し易い難点があり、更に、圧縮成形時に
熱硬化性樹脂液の一部が外部に圧出するために高密度の
ものが得難い難点がある。 【０００５】そこで、(1) 、(2) の方法で得られたＣ／
Ｃ材の材質組織の空孔中に、炭化性のフェノール樹脂や
フラン樹脂などのバインダー樹脂あるいは石炭系や石油
系のピッチなどを強制含浸したのち焼成する二次的な緻
密化処理が一般に行われている。 【０００６】この二次的に緻密化処理するＣ／Ｃ材の製
造方法として、例えば、本出願人は特開平５−２２９８
６８号公報において、炭素繊維を残炭率４５％以上の熱
硬化性樹脂液からなるマトリックス結合材とともに複合
成形したのち非酸化性雰囲気下で１４００〜１７００℃
の温度範囲により炭化処理して気孔率１％以下の一次焼
成体を形成し、該一次焼成体に残炭率４５％以上の熱硬
化性樹脂液を含浸硬化し、ついで非酸化性雰囲気下で２
０００℃以上の温度域で加熱処理するＣ／Ｃ材の製造方
法を提案した。 【０００７】また、炭素繊維にマトリックス結合材を含
浸して複合成形したのち非酸化性雰囲気下で焼成炭化し
て得られたＣ／Ｃ複合体を基材とし、該Ｃ／Ｃ基材にピ
ッチを含浸し非酸化性雰囲気下８００〜１２００℃で焼
成炭化する処理を複数回反復して材質の嵩密度を１．１
〜１．５g/ccにする第１緻密化工程と、次いで熱硬化性
樹脂液を含浸硬化し非酸化性雰囲気下８００〜１２００
℃で焼成炭化する処理を複数回反復して材質の嵩密度を
１．６g/cc以上にする第２緻密化工程を、順次に施す高
密度で強度特性に優れたＣ／Ｃ材の製造方法（特開平８
−２４５２７３号公報）を開発、提案した。 【０００８】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の熱硬化性樹脂液やピッチなどを含浸して二次的に緻密
化する方法では、含浸−硬化−焼成という操作を繰り返
し行うために製造に手間がかかり、製造能率が低く、コ
スト高となる欠点がある。更に、液状の熱硬化性樹脂や
ピッチをＣ／Ｃ材の微細な空隙の深部にまで充分に含浸
させることが難しく、また、空隙に含浸した熱硬化性樹
脂やピッチが焼成炭化する際にも揮発性成分が放出され
て新たな空隙が形成されるので、繰り返し行っても緻密
化には限界がある。 【０００９】そこで、本発明者は二次的な緻密化処理を
施すことなく、簡便な手法により材質組織が緻密で、高
密度、高強度のＣ／Ｃ材の製造技術を開発すべく鋭意研
究した結果、焼成炭化時に特定の加圧力を負荷すること
により組織が緻密化できることを見出した。 【００１０】本発明は、この知見に基づいて開発された
ものであって、その目的は二次的緻密化処理をすること
なく、能率よく、低コストで、高密度、高強度のＣ／Ｃ
材の製造技術を提供することにある。 【００１１】 【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明による炭素繊維強化炭素材（Ｃ／Ｃ材）の製
造方法は、炭素繊維に熱硬化性樹脂液を含浸、硬化成形
したプリプレグ成形体を非酸化性雰囲気中４００〜７０
０℃の温度で熱処理し、得られた一次焼成体を４．９〜
２９．４ＭＰａの加圧下に１０００〜２３００℃の温度
で炭化することを構成上の特徴とする。 【００１２】 【発明の実施の形態】炭素繊維には、ポリアクリロニト
リル系、レーヨン系、ピッチ系など、いずれの原料系か
ら製造されたものを用いることができ、これらの炭素繊
維は平織、朱子織、綾織などの織布、あるいは、ヤー
ン、トウなどの形態で適用される。炭素繊維に含浸する
熱硬化性樹脂液には、例えば、フェノール系、フラン
系、エポキシ系、メラミン系、ポリイミド系、ユリア系
などの熱硬化性樹脂が用いられ、好ましくは炭化残留率
が５０重量％以上のものが使用される。なお、炭素繊維
に熱硬化性樹脂液を円滑に含浸するために、アルコー
ル、アセトンなどの適宜な有機溶媒に溶解し、低粘度化
して使用することもできる。 【００１３】炭素繊維に熱硬化性樹脂液を含浸する方法
は、例えば炭素繊維織布を用いた場合には、炭素繊維織
布に熱硬化性樹脂液を塗布する方法、炭素繊維織布を熱
硬化性樹脂液に浸漬する方法、など公知の方法で行うこ
とができ、樹脂含浸炭素繊維織布を積層してモールドに
入れ、加熱して樹脂成分を硬化、成形してプリプレグ成
形体を作製する。 【００１４】プリプレグ成形体は窒素、アルゴンなどの
非酸化性雰囲気の加熱炉中に入れ、４００〜７００℃の
温度範囲で熱処理して一次焼成体が作製される。熱処理
温度を４００〜７００℃の温度範囲に設定するのは、熱
処理温度が４００℃未満であると熱硬化性樹脂中の揮発
性成分の一部が残存し、最終的に得られたＣ／Ｃ材中に
気孔を形成することとなり、Ｃ／Ｃ材の密度低下および
強度低下を招くことになるためである。一方、熱処理温
度が７００℃を越えると、熱処理時の収縮が大きくな
り、次工程で行う加圧炭化により効果的に高密度化する
ことが困難となり高強度特性を付与することができなく
なる。 【００１５】本発明は、このようにして作製された一次
焼成体を４．９〜２９．４ＭＰａの加圧下に、１０００
〜２３００℃の温度で炭化することを特徴とする。な
お、本発明において炭化とは、黒鉛化を含む概念であ
る。熱硬化性樹脂は炭化過程において収縮を伴うが、こ
の炭化過程を加圧下に行うことによってＣ／Ｃ材の組織
の緻密化を図ることができる。 【００１６】すなわち、炭化時に付加する加圧力が４．
９ＭＰａを下回る場合には材質組織を緻密化し、効果的
に高密度化することが困難となる。しかしながら、加圧
力が２９．４ＭＰａを越えると、炭素繊維の一部に破断
が生じて強度が低下し、座屈破壊などの現象を招くこと
となる。したがって、炭化時の圧力は４．９〜２９．４
ＭＰａの範囲に設定される。 【００１７】また、加圧炭化時の温度を１０００〜２３
００℃の範囲に設定するのは、炭化温度が１０００℃を
下回る場合には炭化が充分に進行せず、一方、炭化温度
が２３００℃を越えるとＣ／Ｃ材の強度低下が起こるた
めである。 【００１８】このようにして、プリプレグ成形体を非酸
化性雰囲気中で４００〜７００℃の温度範囲で熱処理し
て一次焼成体を作製し、次いで、一次焼成体を４．９〜
２９．４ＭＰａの加圧下に１０００〜２３００℃の温度
で炭化することにより、熱硬化性樹脂の一次焼成時に残
存する揮発性成分を低減化し、更に、加圧炭化により炭
化過程における気孔形成を抑制することができる。その
結果、材質組織が緻密で層間の密着性も改善され、高密
度、高強度のＣ／Ｃ材を製造することが可能となる。 【００１９】 【実施例】以下、本発明の実施例を比較例と対比して説
明する。 【００２０】実施例１ (1)一次焼成体の作製 ポリアクリロニトリル系高強度タイプの平織炭素繊維織
布にレゾールタイプのフェノール樹脂初期縮合物を塗布
して含浸し、４８時間風乾してプリプレグシートを作製
した。このプリプレグシート１６枚を積層して２００×
１００mmのモールドに入れ、温度１１０℃、圧力２．０
ＭＰａの条件で複合し、次いで大気圧下、２５０℃の温
度で樹脂成分を硬化して、プリプレグ成形体を作製し
た。このプリプレグ成形体を窒素雰囲気に保持した加熱
炉に入れ、１５℃／hrの昇温速度で６００℃に加熱して
２時間保持し、一次焼成体を作製した。 【００２１】(2)Ｃ／Ｃ材の製造 一次焼成体をホットプレス装置内に設置された黒鉛ダイ
ス中に載置し、アルゴンガス雰囲気中で６００℃／hrの
昇温速度で加熱し、圧力９．８ＭＰａ、温度２０００℃
の熱圧条件で加圧炭化してＣ／Ｃ材を製造した。 【００２２】(3)Ｃ／Ｃ材の特性 下記の方法により嵩密度、曲げ強度および層間剪断強度
を測定して、得られた結果を表１に示した。 嵩密度；外寸法と重量から算出した 曲げ強度；試験片１１０×１０×５mm、支点間距離８
０mm、クロスヘッドスピード２．７mm／min 、その他の
条件はＡＳＴＭ Ｄ７９０に準じて測定した 層間剪断強度；試験片３５×１０×４mm、支点間距離
１６mm、クロスヘッドスピード１．３mm／min 、その他
の条件はＡＳＴＭ Ｄ２３４４−６７を応用したｓｈｏ
ｒｔ ｂｅａｍ法を用いて測定した 【００２３】実施例２ 加圧炭化時の熱圧条件を圧力１９．６ＭＰａに設定した
他は、全て実施例１と同じ方法により一次焼成体の作製
およびＣ／Ｃ材の製造を行った。次いで、実施例１と同
じ方法によりＣ／Ｃ材の特性を測定して、その結果を表
１に示した。 【００２４】実施例３ 加圧炭化時の熱圧条件を圧力２９．４ＭＰａに設定した
他は、全て実施例１と同じ方法により一次焼成体の作製
およびＣ／Ｃ材の製造を行った。次いで、実施例１と同
じ方法によりＣ／Ｃ材の特性を測定して、その結果を表
１に示した。 【００２５】実施例４ 一次焼成体の熱処理温度を４００℃とし、加圧炭化時の
熱圧条件を圧力２９．４ＭＰａに設定した他は、全て実
施例１と同じ方法により一次焼成体の作製およびＣ／Ｃ
材の製造を行った。次いで、実施例１と同じ方法により
Ｃ／Ｃ材の特性を測定して、その結果を表１に示した。 【００２６】実施例５ 加圧炭化時の熱圧条件を圧力１９．６ＭＰａ、温度１０
００℃に設定した他は、全て実施例１と同じ方法により
一次焼成体の作製およびＣ／Ｃ材の製造を行った。次い
で、実施例１と同じ方法によりＣ／Ｃ材の特性を測定し
て、その結果を表１に示した。 【００２７】比較例１ 実施例１と同じ方法で作製したプリプレグ成形体を窒素
雰囲気の加熱炉に入れて、１０００℃の温度に加熱し、
次いで常圧下で２０００℃の温度に加熱してＣ／Ｃ材を
製造した。次いで、実施例１と同じ方法によりＣ／Ｃ材
の特性を測定して、その結果を表１に示した。 【００２８】比較例２ 加圧炭化時の熱圧条件を圧力２．５ＭＰａに設定した他
は、全て実施例１と同じ方法により一次焼成体の作製お
よびＣ／Ｃ材の製造を行った。次いで、実施例１と同じ
方法によりＣ／Ｃ材の特性を測定して、その結果を表１
に示した。 【００２９】比較例３ 加圧炭化時の熱圧条件を圧力３９．２ＭＰａに設定した
他は、全て実施例１と同じ方法により一次焼成体の作製
およびＣ／Ｃ材の製造を行った。次いで、実施例１と同
じ方法によりＣ／Ｃ材の特性を測定して、その結果を表
１に示した。 【００３０】比較例４ 一次焼成体作製時の熱処理温度を１２００℃とし、加圧
炭化時の熱圧条件を圧力１９．６ＭＰａに設定した他
は、全て実施例１と同じ方法により一次焼成体の作製お
よびＣ／Ｃ材の製造を行った。次いで、実施例１と同じ
方法によりＣ／Ｃ材の特性を測定して、その結果を表１
に示した。 【００３１】比較例５ 加圧炭化時の熱圧条件を圧力１９．６ＭＰａ、温度９０
０℃に設定した他は、全て実施例１と同じ方法により一
次焼成体の作製およびＣ／Ｃ材の製造を行った。次い
で、実施例１と同じ方法によりＣ／Ｃ材の特性を測定し
て、その結果を表１に示した。 【００３２】比較例６ 加圧炭化時の熱圧条件を圧力１９．６ＭＰａ、温度２５
００℃に設定した他は、全て実施例１と同じ方法により
一次焼成体の作製およびＣ／Ｃ材の製造を行った。次い
で、実施例１と同じ方法によりＣ／Ｃ材の特性を測定し
て、その結果を表１に示した。 【００３３】比較例７ 一次焼成体の温度を２５０℃とし、加圧炭化時の熱圧条
件を圧力１９．６ＭＰａに設定した他は、全て実施例１
と同じ方法により一次焼成体の作製およびＣ／Ｃ材の製
造を行った。次いで、実施例１と同じ方法によりＣ／Ｃ
材の特性を測定して、その結果を表１に示した。 【００３４】比較例８ 一次焼成体の温度を８００℃とし、加圧炭化時の熱圧条
件を圧力１９．６ＭＰａに設定した他は、全て実施例１
と同じ方法により一次焼成体の作製およびＣ／Ｃ材の製
造を行った。次いで、実施例１と同じ方法によりＣ／Ｃ
材の特性を測定して、その結果を表１に示した。 【００３５】 【表１】【００３６】表１の結果から、本発明の製造方法により
製造された実施例１〜４のＣ／Ｃ材は、気孔が減少する
ため材質組織が緻密化され、嵩密度が１．５０ g/cm3以
上と高く、また、曲げ強度も１１８ＭＰa 以上であっ
て、高密度、高強度特性を備えていることが判る。ま
た、組織の緻密化とともに層間の密着性が強固となり、
層間剪断強度も高いことが認められる。 【００３７】これに対して、一次焼成体作製時の熱処理
温度が高く、炭化処理を常圧で行った比較例１、あるい
は加圧炭化時の圧力が低い比較例２では、ともに材質組
織が緻密化されず、嵩密度、曲げ強度、層間剪断強度が
低いことが判る。また、加圧炭化時の圧力が高い比較例
３では炭素繊維の破断が生じて強度の低下が著しく、Ｃ
／Ｃ材が座屈破壊を起こしている。一方、一次焼成体を
作製する際の熱処理温度が２５０℃と低い比較例７、８
００℃、１２００℃と高い比較例４、８、更に、Ｃ／Ｃ
材を製造する際の温度が９００℃と低い比較例５、２５
００℃と高い比較例６では実施例１〜４のＣ／Ｃ材と比
べて、強度特性が低位であることが認められる。 【００３８】 【発明の効果】以上のとおり、本発明の炭素繊維強化炭
素材の製造方法によれば、プリプレグ成形体を非酸化性
雰囲気中で４００〜７００℃の温度範囲で熱処理して一
次焼成体を作製し、次いで、一次焼成体を４．９〜２
９．４ＭＰａの加圧下に１０００〜２３００℃の温度で
炭化することにより、熱硬化性樹脂の一次焼成時に残存
する揮発性成分を低減化し、また加圧炭化により炭化過
程における気孔形成を抑制することができる。その結
果、Ｃ／Ｃ材の材質組織が緻密化され、層間の密着性も
強固になるので、二次的に緻密化処理することなしに高
密度、高強度のＣ／Ｃ材を製造することが可能となる。
したがって、製造能率が高く、低コストで、高密度、高
強度のＣ／Ｃ材の製造方法として極めて有用である。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 【請求項１】 炭素繊維に熱硬化性樹脂液を含浸、硬化
成形したプリプレグ成形体を非酸化性雰囲気中４００〜
７００℃の温度で熱処理し、得られた一次焼成体を４．
９〜２９．４ＭＰａの加圧下に１０００〜２３００℃の
温度で炭化することを特徴とする炭素繊維強化炭素材の
製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001198114A JP2003012374A (ja) | 2001-06-29 | 2001-06-29 | 炭素繊維強化炭素材の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001198114A JP2003012374A (ja) | 2001-06-29 | 2001-06-29 | 炭素繊維強化炭素材の製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003012374A true JP2003012374A (ja) | 2003-01-15 |
Family
ID=19035611
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001198114A Pending JP2003012374A (ja) | 2001-06-29 | 2001-06-29 | 炭素繊維強化炭素材の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003012374A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4881315B2 (ja) * | 2005-10-27 | 2012-02-22 | 京セラ株式会社 | 圧電磁器組成物および圧電磁器 |
| CN110216930A (zh) * | 2019-04-22 | 2019-09-10 | 湖南远辉新材料研究院有限公司 | 一种高强度可陶瓷化树脂复合材料及其制备方法 |
-
2001
- 2001-06-29 JP JP2001198114A patent/JP2003012374A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4881315B2 (ja) * | 2005-10-27 | 2012-02-22 | 京セラ株式会社 | 圧電磁器組成物および圧電磁器 |
| CN110216930A (zh) * | 2019-04-22 | 2019-09-10 | 湖南远辉新材料研究院有限公司 | 一种高强度可陶瓷化树脂复合材料及其制备方法 |
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