JP2003160382A - 高熱伝導性炭素繊維強化複合材料およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱拡散能力の高い炭素繊維強化複合材料およ
びそれを高率よく製造する方法を提供する。 【解決手段】 高い熱伝導性を有する強化繊維２の層の
一部を面外方向に向けさせ、強化繊維２の層が複合材料
の表面に露出するような構造とし、それを効率よく製造
するために製造過程でシート状のプリプレグを突起物１
０の上に積層一体化するかまたはシート状のプリプレグ
積層する成形金型の表面に凸凹を設けるようにした。ま
た、成型用金型の表面に少なくとも１個の凹凸を設け、
この成型用金型上に高い熱伝導性を有する長繊維の炭素
繊維とマトリックス材とを積層して炭素繊維強化複合材
料を製造する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、例えば宇宙用望
遠鏡の構造用パイプのような、温度変化の激しい環境条
件にさらされる機器や構造物に用いる複合材料に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の炭素繊維強化複合材料について図
６を用いて説明する。図６は従来の炭素繊維強化複合材
料の断面図である。従来の炭素繊維強化複合材料はマト
リックス材１の中に炭素繊維からなる強化繊維２が層状
に積層されているものであり、このような材料で部材を
造った場合、炭素繊維の有する高い剛性により、応力は
殆ど強化繊維２に伝わることになるが、強化繊維２は高
い強度を有しているので、部材として非常に高い強度を
有することができる。また炭素繊維強化複合材料の強度
を密度で除した比強度は金属材料等と比較して格段に大
きく、従ってこのような材料で造られた部材は非常に軽
量でもあり、宇宙・航空機用の材料として使用されてい
る。

【０００３】次に、このような炭素繊維強化複合材料
（以下「複合材料」という）を用いて製造されたパイプ
の例について説明する。図７は従来のパイプの一例を示
す断面図である。図７において強化繊維２の層はパイプ
に対して同心円状に配置され、強化繊維２のそれぞれの
層間にマトリックス材１が配置され一体化されている。
また、図８は従来の複合材料パイプを使用した実施例で
ある。従来のパイプ５は図６のようにパイプ５の両端を
他の機器や構造物６と溶接や接着剤などを用いて結合す
るかあるいは図９のようにパイプ５の両端の取付け部品
７を介して他の機器や構造物６と結合してトラス構造等
を形成することにより構造材として利用されていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】図６を用いて説明す
る。図６に示すように、複合材料では、その層面に平行
に高い熱伝導性を有する炭素繊維よりなる強化繊維の長
手方向（図６の矢印３で示す層面平行方向）が配置され
ているため高い熱伝導性を有するが、層が積み重なって
いる水平方向（図６の矢印４で示す水平方向：面外方
向）には熱伝導性が低い。これは、炭素繊維の持つ特性
として長手方向には高い熱伝導性を有するが、それと直
角の方向に対しては熱伝導性が低いとともに、炭素繊維
の層間には熱伝導率が極めて低いマトリックス材１が存
在していることに起因する。従って、複合材料表面に対
して局所的に入熱があった場合、熱伝導に寄与する部分
は表面に近い層に限られ、その結果、高い熱伝導率を有
する炭素繊維よりなる強化繊維２を用いているにもかか
わらず、複合材料として熱抵抗が大きなものとなり熱拡
散能力が充分に得られないことがある。このため例えば
図９の複合材料パイプの例などでは、大きな熱入力に対
してパイプ５あるいはパイプ５および取付け部品７が均
一な温度分布とならず、パイプ５あるいはパイプ５およ
び取付け部品７が局所的に温度変化を生じ、局所的な寸
法変化あるいは熱変形を生じることとなる。この結果、
従来の複合材料からなるパイプ等は、温度環境条件の変
化あるいは大きな熱入力にさらされる機器あるいは厳し
い寸法制御が要求される機器には使用できないという問
題点があった。

【０００５】また、従来のパイプでは、温度環境の変化
あるいは熱入力を受けた場合、パイプ５あるいはパイプ
５および取付け部品７に温度変化を生じ、寸法変化が生
じるという問題点があった。そのため、例えば屋外で使
用される光学機器を保持する構造用パイプに用いた場
合、太陽光の照射の有無に伴う温度分布に応じて構造が
変形し、光学機器の指向方向が変化し、この結果、光学
性能が劣化するという問題が生じるおそれがあった。従
って、上述したように、従来の複合材料は寸法安定度の
要求される機器には使用できないという問題点があっ
た。

【０００６】このような問題点の起こる理由について、
複合材料の製造方法の点から説明する。従来の炭素繊維
強化複合材料は、予め未硬化のマトリックス材を強化繊
維に含浸させたプリプレグと呼ばれる薄いシート状の材
料として供給される。従来の複合材料の成形方法は図１
０に示すように、このプリプレグ８を成形型９の上に何
層も積層したものを、加圧した状態で、例えば加熱する
ことでマトリックス材１を硬化させ一体化するというも
のである。このため何層もの強化繊維２がマトリックス
材１を介して重なりあった構造なり、複合材料の表面に
はマトリックス材が存在する一方、複合材の内部に熱伝
導性の高い強化繊維２が積層されているため、熱伝導性
に対して前述したような問題が生じるのである。

【０００７】以上のような問題点を解決するために、例
えば特開２００１−１８１０６３に記載されているよう
な炭素繊維よりなる強化繊維層の間にマトリックス材を
含浸させ高温にさらしマトリックス材を炭化させるとい
うことを繰り返しおこなった炭素繊維強化炭素材料を用
いたり、あるいは特開平９−２０７２３６に記載されて
いるような強化繊維として３次元織物を使用することが
実用化されているが、製造コストが極めて高くなった
り、製作期間が極めて長くなるなどの問題点があり、な
かな実用にならなかった。

【０００８】この発明はかかる課題を解決するためにな
されたものであり、温度環境条件の変化に対して大きな
熱拡散能力を有する高熱伝導複合材料、あるいは複合材
料製パイプを容易に実現することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本願の発明の炭素繊維強
化複合材料は、高い熱伝導率を有する長繊維の炭素繊維
とマトリックス材との積層構造を含む炭素繊維強化複合
材料であって、前記炭素繊維が前記炭素繊維強化複合材
料の少なくとも１個所で面外方向に配向されているもの
である。

【００１０】従って、炭素繊維層の少なくとも１個所が
面外方向を向いているので、炭素繊維強化複合材料にお
いて炭素繊維の少なくとも一部が表面に露出している
か、または、薄いマトリックス材の層を介して極めて表
面に近いところに配置されることとなる。このため、炭
素繊維が露出または近傍に存在するその付近の表面から
熱が入ってきた場合、熱伝導率の悪い炭素繊維間のマト
リックス材を介さないで直接、または、薄いマトリック
ス材を介して複合材料の内部に伝え、拡散させることが
できる。また、一部炭素繊維を面外方向に配向すること
により、複合材料表面に露出または近傍に存在する、熱
伝導に寄与する炭素繊維の断面積も大きくすることがで
きるため、熱輸送能力が向上し、その結果局所的な温度
変化を生じにくくすることができる。また、これは複合
材料を成形する際に、繊維層の一部を面外を向かせるだ
けで実現できるため、コスト的でも従来の複合材料と変
わらずに実現することができる。

【００１１】また、本願発明のパイプは、上述の炭素繊
維強化材料からなる複合材料製パイプである。

【００１２】従って、パイプは高い熱伝導率を有する炭
素繊維が、面外方向すなわち径方向に向かって一部配向
しているため、炭素繊維の一部がパイプの表面に露出
し、または、その表面付近に存在し、その露出部分また
は表面近傍部分に熱が入ってきた場合、熱伝導率の悪い
炭素繊維間のマトリックス材を介さないで直接、または
マトリックス材を介してパイプの内部に熱を伝えること
ができる。このため、この熱はパイプ内部までまですぐ
に伝わり、その結果パイプの断面積で熱伝導に寄与する
面積を大きくすることができるため、熱輸送能力が向上
し、従って局所的な温度変化を生じにくくすることがで
きる。これは複合材料を成形する際に繊維層の一部を面
外に向かせるだけで実現できるので、コスト的にも従来
の複合材料パイプと変わらずに実現することができる。

【００１３】また、本願発明の炭素繊維強化複合材料の
製造方法は、高い熱伝導性を有する長繊維の炭素繊維と
マトリックス材との積層構造の層間に少なくとも１部に
突起部を挿入して、炭素繊維強化複合材料を製造するも
のである。

【００１４】これにより、平面状に織られた高い熱伝導
率を有する長繊維の炭素繊維織物を強化繊維として複合
材料を成形するときに、マトリックス材と強化繊維との
積層構造の層間の少なくとも一部に突起物を配置し、そ
の上にマトリックス材と強化繊維とを積層したものを加
熱硬化し、一体化させることにより強化繊維層の一部を
面外方向に向かせることができる。

【００１５】また、本願発明の他の炭素繊維強化複合材
料の製造方法は、成型用金型の表面に少なくとも１個の
凹凸を設け、前記成型用金型上に高い熱伝導性を有する
長繊維の炭素繊維とマトリックス材とを積層して炭素繊
維強化複合材料を製造するものである。

【００１６】上記製造方法により、平面状に織られた高
い熱伝導率を有する長繊維の炭素繊維織物を強化繊維と
して複合材料を成形するときに、マトリックス材と強化
繊維とを積層するための成形金型の表面に凸凹を設けて
おいて、その上にマトリックス材と強化繊維とからなる
プリプレグを積層したものを加熱硬化し、凸凹形状を複
合材料に転写することにより強化繊維層の一部を面外に
向かせることができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】実施の形態１．図１はこの発明に
よる炭素繊維強化複合材料複合材料を示す断面図であ
る。高い熱伝導性を有する炭素繊維からなる強化繊維２
が極めて熱伝導性の低いマトリックス材１を挟んで層状
に重なって一体化された構造となっている。層内に突起
物１０を存在させることにより強化繊維２の層は部分的
に層の面外方向に曲げられ外側に向き、表面に露出して
いる。このような構成にすることで、強化繊維が面外方
向にに曲げられ、例えば強化繊維が表面に露出している
場合には、この露出した部分からの入熱に対しては極め
て熱伝導性の悪いマトリックス材１を介さずに、直接に
高い熱伝導性を有する強化繊維２に熱を伝えることがで
きる。更に、伝わった熱は、周囲に分散され、入熱のな
い部分に伝えられ外部に放出される他、強化繊維２の層
をヒートシンク（図示せず）に接続しておけば、そこに
伝えられ放散される。このため、例えば強化繊維２が面
外に曲げれている部分に、放熱が必要な機器が配置され
た場合、それから生じる熱を効率的に放散させることが
可能になる。このため温度変化を小さく押さえることが
できる。

【００１８】突起物１０は、高い熱伝導性を有する炭素
繊維強化複合材料あるいは銅やアルミニウムのような金
属材料または窒化アルミやＳｉＣのような高い熱伝導性
を有するセラミックなどからなる。

【００１９】露出した強化繊維層の上に、更に高い熱伝
導率を有する炭素繊維からなる炭素繊維強化複合材料の
層を設けておけば、複合材料表面の面内における熱伝導
性が向上することに加え、引張りおよび圧縮応力に対す
る強度上昇が望めるため、必要に応じて複合部材内部へ
の熱拡散性能をある程度犠牲にしても、そのような構成
としてもよい。

【００２０】実施の形態２．図２において、マトリック
ス材１は極めて低い熱伝導性を有し、強化繊維２は高い
熱伝導性を有する炭素繊維からなる層であり、更に複合
材料パイプ１５の外周面および内周面には外側表皮１１
および内側表皮１２が設けられている。同心円状に積層
されている強化繊維２の層の少なくとも一部分は、同心
円状から複合材料の外周方向に向かってうねり、又は複
合材料外周表面に露出している。このため、外側表皮１
１に部分的に入熱があった場合、外側表皮１１の面内か
ら強化繊維２を介して熱が複合材料パイプ１５の内部に
伝えられ拡散するほか、強化繊維２が露出している部分
では、高い熱伝導性を有する外側表皮１１を介して直接
複合材料パイプ１５の内部に伝わり、パイプ長手方向
（図面記載の紙面に対して直角方向）および周方向に効
率よく熱が伝えられ、周囲にすばやく拡散される。この
ため複合材料パイプ１５の入熱部分の温度変化が極めて
小さく、従って熱変形も極めて小さくすることができる
ため寸法安定性に優れた複合材料パイプを得ることがで
きる。

【００２１】実施の形態３．図３（ａ）〜図３（ｃ）に
は、高い熱伝導性を有する長繊維の炭素繊維を用い、薄
いシート状に繊維層を積層し成形する工程において少な
くとも１個所において強化繊維２をシートの面外方向に
向かせることにより面外方向の熱伝導性を高めた繊維強
化複合材料の成形方法の例が示されている。炭素繊維か
らなる強化繊維２およびマトリックス材１は、予め未硬
化のマトリックス材１を強化繊維２に含浸させたプリプ
レグと呼ばれる薄いシート状の材料として供給される。
図３（ａ）に示すように、成形金型１９の上にプリプレ
グ８を所定量積層し、その上に突起物１０を設けてお
き、さらにその上にプリプレグ８を積層したもの全体を
真空パックし、オートクレーブ等により加熱することで
マトリックス材１を硬化させ、突起物１０とプリプレグ
８とを一体化させる。硬化後、図３（ｂ）に示すよう
に、成形金型９と接している面と反対の面を機械加工す
ることで、部分的に高い熱伝導性を有する炭素繊維から
なる強化繊維２の層を部分的に外上面に露出させること
ができる。成形金型１９は機械加工の前あるいは後で取
り除く。

【００２２】高い曲げ強度が要求されるような場合は、
図３（ｃ）に示すように、露出した強化繊維２の層の上
に、さらにプリプレグ１８を積層し、加熱一体化するこ
とによって、引張りおよび圧縮応力に対して有効とな
る。なお、熱拡散性能をある程度犠牲にしてもよい場合
には、そのような構成としてもよい。

【００２３】図４（ａ）、図４（ｂ）には、本発明にお
けるパイプの成形例が示されている。炭素繊維からなる
強化繊維は、予め未硬化のマトリックス材が含浸させら
れたプリプレグ８と呼ばれる薄いシート状の材料として
提供される。そして、複合材料は、このプリプレグ８を
成形型の上に何層も積層し、加圧した状態で加熱するこ
とによってマトリックス材を硬化させ一体化させること
によって得られる。このため、複合材料は、何層もの強
化繊維の層がマトリックス材を介して重なりあった構造
となっている。図４（ａ）に示すように、パイプ形成用
の成形金型２９の上にプリプレグ８を所定量積層し、そ
の上に突起物１０を設けておき、さらにその上にプリプ
レグ８を積層したもの全体を真空パックし、オートクレ
ーブ等により加熱することでマトリックス材を硬化さ
せ、一体化させる。硬化後、図４（ｂ）に示すように、
パイプ形成用の成形金型２９と接している面と反対の面
を機械加工することで、積層されたプリプレグ８のうね
りの部分を加工し高い熱伝導性を有する炭素繊維からな
る強化繊維の層を外周に露出させることができる。そし
て、成形金型２９を機械加工の前または後で引き抜くこ
とで、パイプを形成することができる。

【００２４】突起物１０は高い熱伝導性を有する炭素繊
維からなる複合材料、あるいは銅やアルミニウムのよう
な金属材料または窒化アルミやＳｉＣのような高い熱伝
導性を有するセラミックであってもよい。また突起物１
０は必ずしもパイプの長手方向にパイプの両端間の距離
と同じ長さで配置されている必要はなく、所定の間隔又
は不特定の間隔で配置されていてもよく、プリプレグ８
がうねるように積層可能であればよい。また突起物１０
は必ずしもパイプの周方向に対して周期的に入っている
必要もない。

【００２５】またプリプレグを積層し、加圧した状態で
加熱硬化する例を示したが、金型上で強化繊維に直接、
液状のマトリックス材を塗布含浸させ硬化一体化させ
る、いわゆるウェットプロセスによってもよい。

【００２６】高い曲げ強度が要求されるような場合は、
図４（ｂ）に示す露出した強化繊維の層の上に、さらに
プリプレグを積層し、加熱一体化すると、表面の面内の
熱伝導性が向上するほか、引張りおよび圧縮応力に対す
る強度も増すので、ある程度、部材内部への熱伝導性を
犠牲にしてそのような構成としてもよい。図２における
外側表皮１１がそれにあたる。

【００２７】実施の形態４．本発明の請求項４の実施例
を図５（ａ）、図５（ｂ）で説明する。図５（ａ）に示
すように、成形金型３９の表面に少なくとも１個以上の
凸凹１３が設けられており、プリプレグ８を、この成形
金型３９の表面上に積層し硬化させると、凸凹１３が転
写された状態でプリプレグ８が硬化する。この凸凹１３
によって強化繊維２を部分的に面外方向を向かせること
ができる。硬化した後、表面を機械加工することで、表
面に部分的に強化繊維２の断面が露出する。

【００２８】またプリプレグ８を積層し、加圧した状態
で加熱硬化する例を示したが、金型上で強化繊維に直
接、液状のマトリックス材を塗布含浸させ硬化一体化さ
せる、いわゆるウェットプロセスによってもよい。

【００２９】

【発明の効果】第１の発明によれば、宇宙環境のような
温度環境、環境条件の変化の激しい環境下においても温
度分布が均一で寸法制御性、寸法安定性の良いあるいは
寸法が変化しない機器や構造物を実現でき、さらに発熱
する機器を搭載した場合でも効率的に熱を放散できるた
め機器の温度上昇による破損を防ぐことができるという
効果がある。

【００３０】第２の発明によれば、宇宙環境のような温
度環境、環境条件の変化の激しい環境下においても温度
分布が均一で寸法制御性、寸法安定性の良いあるいは寸
法が変化しない機器や構造物を実現できるという効果が
ある。

【００３１】第３の発明によれば、熱伝導性がよい繊維
強化複合材料を製造することができ、この複合材料を用
いることにより、宇宙環境のような温度環境、環境条件
の変化の激しい環境下においても温度分布が均一で寸法
制御性、寸法安定性の良いあるいは寸法が変化しない機
器や構造物を実現できる。

【００３２】第４の発明によれば、熱伝導性がよい繊維
強化複合材料を製造することができ、この複合材料を用
いることにより、宇宙環境のような温度環境、環境条件
の変化の激しい環境下においても温度分布が均一で寸法
制御性、寸法安定性の良いあるいは寸法が変化しない機
器や構造物を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１を示す、炭素繊維強
化複合材料を示す断面図である。

【図２】 この発明の実施の形態２を示す、炭素繊維強
化複合材料製パイプを示す断面図である。

【図３】 この発明の実施の形態３を示す、炭素繊維強
化複合材料の成形方法を示した断面図である。

【図４】 この発明の実施の形態３を示す、炭素繊維強
化複合材料製パイプの成形方法を示した断面図である。

【図５】 この発明の実施の形態４を示す、炭素繊維強
化複合材料の成形方法を示した断面図である。

【図６】 従来の炭素繊維強化複合材料を示す断面図で
ある。

【図７】 従来の炭素繊維強化複合材料製パイプを示す
断面図である。

【図８】 従来の炭素繊維強化複合材料製パイプの使用
例を示す模式図である。

【図９】 従来の炭素繊維強化複合材料製パイプの使用
例を示す模式図である。

【図１０】 従来の炭素繊維強化複合材料の成形方法を
示す断面図である。

【符号の説明】

１ マトリックス材、２ 強化繊維、３ 熱伝導の高い
方向、４ 熱伝導の低い方向、５，１５ 複合材料パイ
プ、６ 他の機器および構造物、７ 取付け部分、８，
１８ プリプレグ、９，１９，２９，３９ 成形金型、
１０ 突起物、１１ 外側表皮、１２ 内側表皮、１３
凸凹。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｂ２９Ｌ 23:00 Ｃ０４Ｂ 35/80 Ｋ Ｂ２９Ｃ 67/14 Ｊ Ｆターム(参考） 4F204 AD02 AD03 AD04 AD16 AD24 AE10 AG03 AG05 AG08 FA01 FB01 FB11 FB22 FF01 FF05 4F205 AB18 AD16 AE10 AF01 AG03 AG08 HA09 HA14 HA22 HA37 HA45 HB01 HB29 HC17 HK31 HT13

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高い熱伝導性を有する長繊維の炭素繊維
   とマトリックス材との積層構造を含む炭素繊維強化複合
   材料であって、前記炭素繊維が前記炭素繊維強化複合材
   料の少なくとも１個所で面外方向に配向されていること
   を特徴とした炭素繊維強化複合材料。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の炭素繊維強化複合材料
   からなるパイプ。
3. 【請求項３】 高い熱伝導性を有する長繊維の炭素繊維
   とマトリックス材との積層構造の層間に少なくとも１部
   に突起物を挿入して炭素繊維強化複合材料を製造するこ
   とを特徴とする炭素繊維強化複合材料の製造方法。
4. 【請求項４】 成形用金型の表面に少なくとも１個の凸
   凹を設け、前記成型用金型上に高い熱伝導性を有する長
   繊維の炭素繊維とマトリックス材とを積層して炭素繊維
   強化複合材料を製造することを特徴とする炭素繊維強化
   複合材料の製造方法。