JP2008248457A - Carbon fiber composite and method for producing the carbon fiber composite - Google Patents

Carbon fiber composite and method for producing the carbon fiber composite Download PDF

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進 陳
Takayuki Tsukada
高行 塚田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a three-dimensional network-like carbon fiber composite having a graphene layer forming a protrusions on the surface and suitable for composite materials. <P>SOLUTION: The carbon fiber composite has a three-dimensional network-like carbon fiber structure composed of carbon fibers having an outside diameter 15-100 nm. The carbon fiber structure has granular parts having a larger particle size than the outside diameter of the carbon fiber, mutually binding the carbon fibers and formed in a growing process of the carbon fiber. The surface of the carbon fiber structure is covered with one layer or multilayers of graphene layers forming protruded portions protruding almost in radial directions of the carbon fiber constituting the carbon fiber structure. In the protruded portions, portions locating between the graphene layers and the surface of the carbon fiber have a structure in which fine metal particles or fine metal carbide particles are enclosed, or a hollow structure. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、微細な炭素繊維複合体に関し、特に、炭素繊維の表面に突起状部を形成するグラフェンレイヤーを有することによって、表面改質された炭素繊維に関するものである。   The present invention relates to a fine carbon fiber composite, and more particularly to a carbon fiber that has been surface modified by having a graphene layer that forms a protrusion on the surface of the carbon fiber.

カーボンナノチューブに代表される微細な炭素繊維は優れた力学特性や高い導電性や熱伝導性などの特性を有するため、例えば、合成樹脂、ゴム、セラミックス、金属等の各種材料に配合されるフィラー材として用いられ、複合材料形成による物性の向上が期待されている。しかし多数の研究結果からわかったように、表面に欠陥が少ないカーボンナノチューブはマトリックス材料(例えば合成樹脂、ゴム、セラミックス、金属等)との界面接着力が弱いため、プル−アウト(Pull-out)現象は発生し、十分な物性値が得られない。これがカーボンナノチューブを含有する複合材料分野の現実である。   Fine carbon fibers typified by carbon nanotubes have excellent mechanical properties, high electrical conductivity, thermal conductivity, and other properties. For example, filler materials blended into various materials such as synthetic resins, rubber, ceramics, and metals It is expected to improve physical properties by forming composite materials. However, as can be seen from many research results, carbon nanotubes with few defects on the surface have weak interfacial adhesion to matrix materials (eg, synthetic resin, rubber, ceramics, metal, etc.), so pull-out Phenomena occur and sufficient physical properties cannot be obtained. This is the reality of the field of composite materials containing carbon nanotubes.

また、カーボンナノチューブを含有する複合材料については、次のことが指摘されている(非特許文献1参照)。すなわち、機械的強度を発現させる際に重要なのがカーボンナノチューブとマトリックス材料との接着強度である。マトリックス材料としては金属、セラミックス、合成樹脂、炭素などが考えられるが、カーボンナノチューブの欠陥の少ない表面構造が、通常構造材料用複合材料に用いられるマトリックス金属などとのぬれ性を悪くする方向に働くと推定され、強度の高い複合材料を得るにはカーボンナノチューブ表面を改質するか複合材料の調整法を工夫する必要がある。   Moreover, the following is pointed out about the composite material containing a carbon nanotube (refer nonpatent literature 1). That is, what is important in developing the mechanical strength is the adhesive strength between the carbon nanotube and the matrix material. The matrix material may be metal, ceramics, synthetic resin, carbon, etc., but the surface structure with few defects of carbon nanotubes works to deteriorate the wettability with the matrix metal etc. usually used in composite materials for structural materials In order to obtain a composite material with high strength, it is necessary to modify the surface of the carbon nanotubes or to devise a method for adjusting the composite material.

また、炭素繊維複合材料における界面構造は複合材料の性能への影響が重大であり、界面構造の制御が重要であることが一般的に知られている(非特許文献2参照)。   Further, it is generally known that the interface structure in the carbon fiber composite material has a significant influence on the performance of the composite material, and that the control of the interface structure is important (see Non-Patent Document 2).

上記したような観点から、カーボンナノチューブの表面欠陥を増加することでマトリックス材との接着強度を改善する、例えば、カーボンナノチューブ表面への官能基導入といった化学表面改質、または酸素プラズマ(Oxygen plasma)等での酸化処理などの方法でカーボンナノチューブの表面欠陥を増やすことによって、マトリックス材との界面接着強度を改善する報告がある(例えば、特許文献1〜3参照)。、しかしながら、このような改質法によれば、カーボンナノチューブの表面欠陥の増加によりカーボンナノチューブ自身の物性も落ちるため、複合材の物性改善の面からは望ましくない。   From the above viewpoints, the surface strength of carbon nanotubes is increased to improve the adhesion strength with the matrix material, for example, chemical surface modification such as introduction of functional groups on the surface of carbon nanotubes, or oxygen plasma (Oxygen plasma) There is a report of improving the interfacial adhesion strength with the matrix material by increasing the surface defects of the carbon nanotubes by a method such as oxidation treatment (for example, see Patent Documents 1 to 3). However, such a modification method is undesirable from the viewpoint of improving the physical properties of the composite material because the physical properties of the carbon nanotubes themselves are reduced due to an increase in surface defects of the carbon nanotubes.

また、マトリックス材に応じたカーボンナノチューブ表面の被覆処理も、よく検討されている方法である。例えば金属複合材にはカーボンナノチューブ表面を金属被覆層で覆う方法(例えば、特許文献4〜6参照)、セラミックス基複合材にはゾルーゲル法、CVD法あるいはSiOガスを用いたコンバージョン法によって、SiCの被膜を形成する方法(例えば、特許文献7、8参照)、また、樹脂基複合材の場合、ポリマーラッピングなどの方法(例えば、非特許文献3参照)が提唱されている。   In addition, the coating treatment of the carbon nanotube surface according to the matrix material is a well-considered method. For example, a method of covering a carbon nanotube surface with a metal coating layer for a metal composite material (see, for example, Patent Documents 4 to 6), and a ceramic-based composite material by a sol-gel method, a CVD method, or a conversion method using SiO gas, A method for forming a film (see, for example, Patent Documents 7 and 8) and a method such as polymer wrapping (for example, see Non-Patent Document 3) have been proposed in the case of a resin-based composite material.

特許文献4には、カーボンナノチューブに化学反応させてチューブ表面に官能基を導入し、金属塩溶液と接触させてイオン交換等することにより、金属被覆カーボンナノチューブを得ていることが報告されている。この金属被覆カーボンナノチューブは、カーボンナノチューブと金属の複合材料の中間物質として利用できると記述され、特に高温での後処理も行われていないので、このままではカーボンナノチューブ表面への金属被覆は、強度面での不安が残る。   Patent Document 4 reports that metal-coated carbon nanotubes are obtained by chemically reacting with carbon nanotubes to introduce functional groups on the tube surface, and contact with a metal salt solution for ion exchange. . The metal-coated carbon nanotubes are described as being usable as an intermediate material between carbon nanotubes and metal composites, and are not subjected to any post-treatment particularly at high temperatures. Anxiety remains.

また、特許文献5には、マトリックス材料と炭素繊維の層間せん断強度を向上させる目的で、炭素繊維の表面にチタニウムアルコキシド類の溶液で皮膜を形成し、皮膜を130〜150℃、280〜300℃に加熱(実施例1)して、酸化チタニウム皮膜を形成している。この皮膜がマトリックス材料と炭素繊維の接着性を向上させ、層間せん断強度を向上させたとしている。しかしながらこの場合においても、カーボンナノチューブ表面への被覆層は、強度面での不安が残る。   Further, in Patent Document 5, for the purpose of improving the interlaminar shear strength between the matrix material and the carbon fiber, a film is formed on the surface of the carbon fiber with a solution of titanium alkoxides, and the film is formed at 130 to 150 ° C, 280 to 300 ° C. (Example 1) to form a titanium oxide film. This film improves the adhesion between the matrix material and the carbon fibers and improves the interlaminar shear strength. However, even in this case, the coating layer on the carbon nanotube surface remains uneasy in terms of strength.

また、特許文献6には、複数のカーボンナノチューブと炭化物形成用金属およびマトリックス金属をマトリックス金属の融点以上の温度で加圧焼結することで、複数のカーボンナノチューブ表面に金属炭化物を形成して、マトリックス金属とカーボンナノチューブとの間に良好な密着性を得ることを可能にした、高熱伝導性放熱材料を製造することが報告されている。この場合は金属炭化物がカーボンナノチューブ凝集体(複数のカーボンナノチューブ)を被覆し、さらに金属マトリックスとそれとは金属種の異なる金属炭化物源の双方の異種金属を同時に仕込まなければならず、マトリックス材料が金属だけにそれも一部の金属に限定されてしまう。   Patent Document 6 discloses that a plurality of carbon nanotubes, a carbide forming metal and a matrix metal are subjected to pressure sintering at a temperature equal to or higher than the melting point of the matrix metal to form a metal carbide on the surface of the plurality of carbon nanotubes. It has been reported to produce a highly thermally conductive heat dissipation material that makes it possible to obtain good adhesion between the matrix metal and the carbon nanotubes. In this case, the metal carbide coats the carbon nanotube aggregates (multiple carbon nanotubes), and further, different metals from both the metal matrix and the metal carbide source having different metal species must be charged at the same time. Only it is limited to some metals.

特許文献7および8に示されるように、カーボンナノチューブ表面にSiC被膜を形成する方法においては、SiCと炭素との親和性が比較的良好であるのでセラミックスマトリックスとの接合強度の改善はある程度期待できるが、苛酷な熱履歴を伴う使用条件では往々にしてカーボンナノチューブとSiCとの熱膨張差に基づく層間剥離現象が生じてしまう。さらにコンバージョン法によると、カーボンナノチューブ自体がSiC生成の為の炭素源として消費されてしまう。   As shown in Patent Documents 7 and 8, in the method of forming a SiC film on the surface of a carbon nanotube, since the affinity between SiC and carbon is relatively good, improvement in bonding strength with a ceramic matrix can be expected to some extent. However, the delamination phenomenon based on the difference in thermal expansion between the carbon nanotube and SiC often occurs under use conditions with a severe heat history. Further, according to the conversion method, the carbon nanotube itself is consumed as a carbon source for generating SiC.

また非特許文献3においては、ポリメタフィニレン−ビニレン系ポリマーでカーボンナノチューブ表面をラッピングする方法が示されているが、このものは、電気的特性および光学特性といった面で不十分でなものであり、親和性の高い樹脂も限られたものである。   Non-Patent Document 3 discloses a method of lapping a carbon nanotube surface with a polymetafinylene-vinylene polymer, but this is insufficient in terms of electrical characteristics and optical characteristics. There are also limited resins with high affinity.

さらに、これらのように、マトリックス材に応じたカーボンナノチューブ表面の被覆処理は、応用できるマトリック材が必然的に限られたものとなってしまうものであった。
一方、炭素繊維集合体を三次元的構造とすることによって、機械的強度や導電性や熱伝導性を向上させることが報告されている。例えば、炭素繊維を600℃以上で熱処理し、絡み合った繊維の接点がタール、ピッチなどの炭化物によって固着されて接着された炭素繊維集合体を、マトリックスに配合することによって導電性や熱伝導性を向上させた複合材料を得ている(例えば、特許文献9参照)。また、繊維状炭素系物質と熱硬化性樹脂と易黒鉛化物質を含む組成物を易黒鉛化物質が黒鉛化する温度よりも低い温度で加熱して成形体とし、さらに成形体を焼成して機械的強度を向上させた焼結体を得ている。この場合、焼成工程によって易黒鉛化物質が黒鉛化する際に、繊維状炭素系物質同士を接合している(例えば、特許文献10参照)。
Further, as described above, the coating treatment on the surface of the carbon nanotubes according to the matrix material inevitably limits the applicable matrix material.
On the other hand, it has been reported that the mechanical strength, electrical conductivity and thermal conductivity are improved by making the carbon fiber aggregate into a three-dimensional structure. For example, carbon fiber aggregates, in which carbon fibers are heat-treated at 600 ° C. or higher and the contact points of the intertwined fibers are bonded and fixed by carbides such as tar and pitch, are added to the matrix to improve conductivity and thermal conductivity. An improved composite material has been obtained (see, for example, Patent Document 9). In addition, a composition containing a fibrous carbonaceous material, a thermosetting resin, and an easily graphitizable material is heated to a temperature lower than the temperature at which the easily graphitizable material graphitizes to form a molded body, and the molded body is further fired. A sintered body with improved mechanical strength is obtained. In this case, when the graphitizable material is graphitized by the firing step, the fibrous carbonaceous materials are joined to each other (for example, see Patent Document 10).

さらに炭素繊維集合体の三次元的構造は、含浸材料として合成樹脂、ゴム、金属、カーボン系材料が選択可能で、応用範囲が広いナノカーボンコンポジット材が報告されている。カーボンナノチューブと熱硬化性樹脂を混練し、乾燥して、所定の圧力、所定の温度で成形し、この成形体を加熱して樹脂分を炭化させ、ナノカーボンが炭素で三次元的に繋がった多孔質体を得ている。炭化工程後に各種含浸材料を含浸させてナノカーボンコンポジット材を得ている(例えば、特許文献11参照)。   Furthermore, as for the three-dimensional structure of the carbon fiber aggregate, synthetic resin, rubber, metal, and carbon-based materials can be selected as impregnation materials, and nano-carbon composite materials with a wide application range have been reported. Carbon nanotubes and thermosetting resin are kneaded, dried, and molded at a predetermined pressure and a predetermined temperature. This molded body is heated to carbonize the resin, and the nanocarbon is three-dimensionally connected with carbon. A porous material is obtained. A nanocarbon composite material is obtained by impregnating various impregnated materials after the carbonization step (see, for example, Patent Document 11).

以上の例では炭素繊維に三次元的構造を付与することによって、最終的に得られる複合材料の熱伝導性、導電性、機械的強度を向上させている。しかしこれらの報告では、例えば含浸材料である合成樹脂、ゴム、セラミックス、金属とカーボンナノチューブとの接着の重要性については言及されていない。   In the above example, by giving a three-dimensional structure to the carbon fiber, the thermal conductivity, conductivity, and mechanical strength of the finally obtained composite material are improved. However, in these reports, for example, the importance of adhesion between synthetic resin, rubber, ceramics, metal, and carbon nanotube, which are impregnated materials, is not mentioned.

以上報告されているように、炭素繊維に三次元的構造を付与することによって、焼結体やナノカーボンコンポジット材では、熱伝導性、導電性、機械的強度を向上させている。この炭素繊維の三次元的構造は後から付与して得られるもので、反応生成した三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体では無い。また、以上報告された炭素繊維の表面を金属で被覆する複合材料用炭素繊維も、三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体を採用している例は無く、もちろん被覆した金属上にグラフェンレイヤーを設けた構造を示す例もない。   As described above, by imparting a three-dimensional structure to the carbon fiber, the sintered body and the nanocarbon composite material have improved thermal conductivity, conductivity, and mechanical strength. This three-dimensional structure of the carbon fiber is obtained by adding later, and is not a reaction-generated three-dimensional network-like carbon fiber structure. In addition, the carbon fiber for composite materials that coats the surface of the carbon fiber reported above with metal is not the example of adopting a three-dimensional network-like carbon fiber structure. Of course, a graphene layer is provided on the coated metal. There is no example showing the structure.

一方、三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体に関する報告もなされている(例えば、特許文献12参照)。外径15〜100nmの炭素繊維から構成される三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体であって、当該炭素繊維構造体は炭素繊維が複数延出する態様で、前記炭素繊維の外径よりもその粒径が大きく当該炭素繊維を互いに結合する粒状部を有しており、かつ当該粒状部は前記炭素繊維の成長過程において形成されてなるものである炭素繊維構造体、というものであるが、その表面の加工技術についての報告はなされていない。
特開2003−300716号公報 特表2004−535349号公報 特表2003−505332号公報 特許第2953996号公報 特公昭63−60152号公報 特開2004−10978号公報 特開2005−75720号公報 特開平05−229886号公報 特開2004−119386号公報 特開2005−178151号公報 特開2004−315297号公報 特許第3776111号公報 「カーボンナノチューブ」化学同人、2001年、p.115 「複合材料と界面−素材の高機能化と制御」材料技術研究協会、1988年、p.251 A. Star, J.F. Stoddart, D. Steuerman, M. Diehl, A. Boukai, E.W. Wong, X. Yang, S.-W. Chung, H. Choi, J.R. Heath, Angew. Chem. Int. Ed. 2001, 40, 1721-1725.
On the other hand, a report on a three-dimensional network-like carbon fiber structure has also been made (for example, see Patent Document 12). It is a three-dimensional network-like carbon fiber structure composed of carbon fibers having an outer diameter of 15 to 100 nm, and the carbon fiber structure is a mode in which a plurality of carbon fibers extend, and the carbon fiber structure is more than the outer diameter of the carbon fiber. The carbon fiber structure is a carbon fiber structure having a large particle size and a granular portion for bonding the carbon fibers to each other, and the granular portion is formed in the growth process of the carbon fiber. There has been no report on surface processing technology.
JP 2003-300716 A JP-T-2004-535349 Special table 2003-505332 gazette Japanese Patent No. 2953996 Japanese Patent Publication No. 63-60152 JP 2004-10978 A JP 2005-75720 A JP 05-229886 A JP 2004-119386 A JP 2005-178151 A JP 2004-315297 A Japanese Patent No. 3776111 “Carbon Nanotube” Chemistry, 2001, p. 115 “Composite Materials and Interfaces—High Functionalization and Control of Materials” Materials Technology Research Association, 1988, p. 251 A. Star, JF Stoddart, D. Steuerman, M. Diehl, A. Boukai, EW Wong, X. Yang, S.-W. Chung, H. Choi, JR Heath, Angew. Chem. Int. Ed. 2001, 40, 1721-1725.

以上のように、最終的に得られる複合材料の機械的強度、熱伝導性、導電性を向上させるためには、炭素繊維に三次元的構造を付与することが求められているが、複合材料を製造していく段階で、炭素繊維に後から三次元的構造を付与するための工程が求められる場合には、複合材料を製造する上で各種の制約を受け、しかもその三次元的構造付与工程を付加する必要が生じてしまう。一方、カーボンナノチューブ表面への金属やセラミックス(SiC)やポリマーなど被覆の場合、高温での後処理が行われない方法では、物理的な結合力だけに依存するので被覆物に強度面での不安が残る。特に高温での応用には熱に対する耐熱性が低いので、表面改質効果がなくなる恐れがある。また、カーボンナノチューブに化学反応させてチューブ表面に官能基を導入し、カーボンナノチューブの表面に金属被覆させる方法や、化学表面改質及び低温熱処理によりカーボンナノチューブ表面に欠陥を増やす方法は、カーボンナノチューブの構造に不良な影響を起こす恐れがあるため、最終的に複合材料の性能を向上させる効果が十分に得られない。複数のカーボンナノチューブと炭化物形成用金属およびマトリックス金属をマトリックス金属の融点以上の温度で加圧焼結することで、複数のカーボンナノチューブ表面に金属炭化物を形成させ、マトリックス金属とカーボンナノチューブとの間に良好な密着性を得る方法では、金属マトリックスと金属炭化物源の異種金属を同時に仕込まなければならず、マトリックス材料が一部の金属に限定されてしまう。さらにカーボンナノチューブの凝集体を被覆することにおいては、カーボンナノチューブの表面構造が改質されず、マトリックス金属とのぬれ性を改善することがなく、マトリックス材料との接着に工夫が求められている。また、カーボンナノチューブの凝集体を被覆することで、マトリックス材中の分散が問題点になるため、金属以外の応用範囲例えば合成樹脂、ゴム、セラミックス、カーボン系材料に広げることが困難である。   As described above, in order to improve the mechanical strength, thermal conductivity, and conductivity of the finally obtained composite material, it is required to impart a three-dimensional structure to the carbon fiber. When a process for imparting a three-dimensional structure to the carbon fiber later is required at the stage of manufacturing the carbon fiber, various restrictions are imposed on the production of the composite material, and the three-dimensional structure is imparted. It becomes necessary to add a process. On the other hand, in the case of a coating such as metal, ceramics (SiC), or polymer on the surface of carbon nanotubes, the method that does not perform post-treatment at high temperature depends only on the physical bond strength, so the strength of the coating is uncertain. Remains. Especially for applications at high temperatures, the heat resistance against heat is low, so the surface modification effect may be lost. In addition, a method of chemically reacting with a carbon nanotube to introduce a functional group on the surface of the tube and coating the surface of the carbon nanotube with metal, or a method of increasing defects on the surface of the carbon nanotube by chemical surface modification and low-temperature heat treatment, Since the structure may be adversely affected, the effect of finally improving the performance of the composite material cannot be obtained sufficiently. By pressing and sintering a plurality of carbon nanotubes, carbide forming metal and matrix metal at a temperature equal to or higher than the melting point of the matrix metal, metal carbide is formed on the surface of the plurality of carbon nanotubes, and between the matrix metal and the carbon nanotubes. In a method for obtaining good adhesion, a metal matrix and a different metal from a metal carbide source must be charged at the same time, and the matrix material is limited to some metals. Further, in covering the aggregate of carbon nanotubes, the surface structure of the carbon nanotubes is not modified, the wettability with the matrix metal is not improved, and a device is required for adhesion to the matrix material. Moreover, since the dispersion in the matrix material becomes a problem by covering the aggregates of carbon nanotubes, it is difficult to expand to application ranges other than metals such as synthetic resins, rubbers, ceramics, and carbon-based materials.

本発明は、複合材料を製造する際に炭素繊維に三次元的構造を付与するための工程を必要とせず、欠陥の少ない表面構造を有するカーボンナノチューブの表面に突起状部を形成するグラフェンレイヤーを有し、高温での後処理により当該グラフェンレイヤーとカーボンナノチューブの間に強固な結合力を持つ炭素繊維複合体、特に、三次元ネットワーク状の炭素繊維複合体を提供することを目的としている。   The present invention does not require a process for imparting a three-dimensional structure to a carbon fiber when manufacturing a composite material, and a graphene layer that forms a protrusion on the surface of a carbon nanotube having a surface structure with few defects. The object of the present invention is to provide a carbon fiber composite, particularly a three-dimensional network-like carbon fiber composite, which has a strong bonding force between the graphene layer and the carbon nanotube by post-treatment at a high temperature.

本発明者らは、上記課題について鋭意検討を続けた結果、特定の有機金属化合物および特定の樹脂を炭素繊維表面に付与し、高温下で処理することにより、カーボンナノチューブの表面に突起状部を形成するグラフェンレイヤーを形成することを見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies on the above problems, the present inventors applied a specific organometallic compound and a specific resin to the surface of the carbon fiber, and processed at a high temperature, thereby forming a protrusion on the surface of the carbon nanotube. The inventors have found that a graphene layer to be formed is formed, and have completed the present invention.

すなわち本発明は、炭素繊維が、その表面を、当該炭素繊維の略半径方向に突出する突起状部を形成する一層または多層のグラフェンレイヤーで被覆され、上記突起状部においてこの一層または多層のグラフェンレイヤーと基幹となる炭素繊維表面とに挟まれた部位は、金属微粒子もしくは金属炭化物微粒子を内包する、または中空である構造を有することを特徴とする炭素繊維複合体である。   That is, according to the present invention, the carbon fiber is coated with a single-layer or multi-layer graphene layer that forms a protrusion that protrudes in a substantially radial direction of the carbon fiber, and the single-layer or multi-layer graphene is formed on the protrusion. The part sandwiched between the layer and the carbon fiber surface as a base is a carbon fiber composite characterized in that it has a structure in which metal fine particles or metal carbide fine particles are contained or is hollow.

また本発明は、前記した炭素繊維が、外径15〜100nmの炭素繊維から構成される三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体であって、当該炭素繊維構造体は炭素繊維が複数延出する態様で、前記炭素繊維の外径よりもその粒径が大きく当該炭素繊維を互いに結合する粒状部を有しており、かつ当該粒状部は前記炭素繊維の成長過程において形成されてなるものである炭素繊維複合体を示すものである。   Moreover, the present invention is a three-dimensional network-like carbon fiber structure in which the above-described carbon fibers are composed of carbon fibers having an outer diameter of 15 to 100 nm, and the carbon fiber structure is a mode in which a plurality of carbon fibers extend. The carbon fiber has a granular part that is larger than the outer diameter of the carbon fiber and bonds the carbon fiber to each other, and the granular part is formed during the growth process of the carbon fiber. A fiber composite is shown.

さらに本発明は、炭素繊維がその製造工程途中で熱間プレスを経て予備成形され、かつ、その表面を、当該炭素繊維の略半径方向に突出する突起状部を形成する一層または多層のグラフェンレイヤーで被覆され、上記突起状部においてこの一層または多層のグラフェンレイヤーと基幹となる炭素繊維の表面とに挟まれた部位は、金属微粒子もしくは金属炭化物微粒子を内包する、または中空である構造を有することを特徴とする炭素繊維複合体の予備成形体である。   Furthermore, the present invention provides a single-layer or multi-layer graphene layer in which carbon fibers are preformed through a hot press in the course of the production process, and the surface of the carbon fibers forms a protruding portion projecting in a substantially radial direction of the carbon fibers. The portion sandwiched between the single-layer or multi-layer graphene layer and the surface of the basic carbon fiber in the protruding portion has a structure in which metal fine particles or metal carbide fine particles are included or is hollow. Is a carbon fiber composite preform.

また本発明は、触媒および炭化水素の混合ガスを800℃〜1300℃の一定温度で加熱して炭素物質を、繊維状に成長させて炭素繊維の中間体を得る第1工程、得られた炭素繊維の中間体を有機金属化合物の有機溶媒溶液または金属塩と界面活性剤の水溶液に浸漬させた後、使用した溶媒を乾燥させる第2工程、さらにバインダーの有機溶媒溶液に浸漬させた後、有機溶媒を乾燥させる第3工程、乾燥後の炭素繊維の中間体を800℃〜3000℃で加熱する第4工程からなる、
炭素繊維が、その表面を、当該炭素繊維の略半径方向に突出する突起状部を形成する一層または多層のグラフェンレイヤーで被覆され、上記突起状部においてこの一層または多層のグラフェンレイヤーと基幹となる炭素繊維の表面とに挟まれた部位は、金属微粒子もしくは金属炭化物微粒子を内包する、または中空である構造を有することを特徴とする炭素繊維複合体の製造方法である。
The present invention also provides a first step in which a mixed gas of a catalyst and a hydrocarbon is heated at a constant temperature of 800 ° C. to 1300 ° C. to grow a carbon substance into a fiber to obtain a carbon fiber intermediate, and the obtained carbon After the fiber intermediate is immersed in an organic solvent solution of an organometallic compound or an aqueous solution of a metal salt and a surfactant, the second step of drying the solvent used is further immersed in an organic solvent solution of a binder, and then organic A third step of drying the solvent, and a fourth step of heating the carbon fiber intermediate after drying at 800 ° C. to 3000 ° C.,
The surface of the carbon fiber is covered with a single-layer or multi-layer graphene layer that forms a protrusion that protrudes substantially in the radial direction of the carbon fiber, and the single-layer or multi-layer graphene layer serves as a backbone in the protrusion. The portion sandwiched between the surfaces of the carbon fibers is a method for producing a carbon fiber composite characterized in that it has a structure in which metal fine particles or metal carbide fine particles are included or is hollow.

さらに本発明は、触媒および炭化水素の混合ガスを800℃〜1300℃の一定温度で加熱する際に、炭素源として分解温度の異なる少なくとも2つ以上の炭素化合物を用いることにより、炭素物質を、繊維状に成長させる一方で、使用される触媒粒子の周面方向に成長させて、三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体の中間体を得る第1工程、得られた炭素繊維構造体の中間体を有機金属化合物の有機溶媒溶液または金属塩と界面活性剤の水溶液に浸漬させた後、使用した溶媒を乾燥させる第2工程、さらにバインダーの有機溶媒溶液に浸漬させた後、有機溶媒を乾燥させる第3工程、乾燥後の炭素繊維構造体の中間体を800℃〜3000℃で加熱する第4工程からなる、
外径15〜100nmの炭素繊維から構成される三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体であって、当該炭素繊維構造体は炭素繊維が複数延出する態様で、前記炭素繊維の外径よりもその粒径が大きく当該炭素繊維を互いに結合する粒状部を有しており、かつ当該粒状部は前記炭素繊維の成長過程において形成されてなるものである炭素繊維構造体が、その表面を、当該炭素繊維構造体を構成する炭素繊維の略半径方向に突出する突起状部を形成する一層または多層のグラフェンレイヤーで被覆され、上記突起状部においてこの一層または多層のグラフェンレイヤーと基幹となる炭素繊維の表面とに挟まれた部位は、金属微粒子もしくは金属炭化物微粒子を内包する、または中空である構造を有することを特徴とする炭素繊維複合体の製造方法を示すものである。
Furthermore, in the present invention, when the mixed gas of the catalyst and the hydrocarbon is heated at a constant temperature of 800 ° C. to 1300 ° C., by using at least two carbon compounds having different decomposition temperatures as a carbon source, First step of obtaining a three-dimensional network-like carbon fiber structure intermediate by growing in the circumferential direction of the catalyst particles to be used while growing in a fibrous form, the intermediate of the obtained carbon fiber structure Is immersed in an organic solvent solution of an organometallic compound or an aqueous solution of a metal salt and a surfactant, and then the second step of drying the solvent used is further immersed in an organic solvent solution of the binder, and then the organic solvent is dried. The third step consists of a fourth step of heating the carbon fiber structure intermediate after drying at 800 ° C. to 3000 ° C.,
It is a three-dimensional network-like carbon fiber structure composed of carbon fibers having an outer diameter of 15 to 100 nm, and the carbon fiber structure is a mode in which a plurality of carbon fibers extend, and the carbon fiber structure is more than the outer diameter of the carbon fiber. A carbon fiber structure having a granular part having a large particle size and bonding the carbon fibers to each other, and the granular part being formed in the growth process of the carbon fiber, The carbon fiber constituting the fiber structure is covered with a single-layer or multi-layer graphene layer that forms a protrusion that protrudes substantially in the radial direction of the carbon fiber. The part sandwiched between the surfaces has a structure in which metal fine particles or metal carbide fine particles are encapsulated or hollow. It shows a.

本発明の炭素繊維複合体は、上記突起状部において、一層または多層のグラフェンレイヤーと基幹となる炭素繊維の表面とに挟まれた部位は、金属微粒子もしくは金属炭化物微粒子を内包する、または中空であることを特徴としているが、中空のものは第3工程の段階では存在していた金属微粒子が、第4工程において昇華等により脱離したために形成されたものである。また突起状部を形成する一層または多層のグラフェンレイヤーは、基幹となる炭素繊維の表面全体を被覆している場合もあり、また炭素繊維の表面を部分的に被覆している場合もある。いずれの場合も、当該グラフェンレイヤーにより形成された突起状部は、炭素繊維とマトリックスとの接着を強固なものとするためのアンカー効果を発揮する。   In the carbon fiber composite of the present invention, in the protruding portion, the portion sandwiched between the single-layer or multi-layer graphene layer and the surface of the basic carbon fiber contains metal fine particles or metal carbide fine particles, or is hollow. Although it is characterized in that it is hollow, the hollow particles are formed because the metal fine particles that existed in the third step are desorbed by sublimation or the like in the fourth step. In addition, the single-layer or multi-layer graphene layer that forms the protruding portion may cover the entire surface of the carbon fiber serving as the backbone, or may partially cover the surface of the carbon fiber. In any case, the protruding portion formed by the graphene layer exhibits an anchor effect for strengthening the adhesion between the carbon fiber and the matrix.

また、本発明の炭素繊維複合体の製造方法では、第2工程および第3工程の終了した乾燥後の炭素繊維の中間体に対して、100℃〜200℃で熱間プレスし、炭素繊維複合体の予備成形体を製造することができる。こうして得られる炭素繊維の予備成形体は、第4工程で熱処理を行い、さらに先の段階で複合材の成形体を作製する際には、使用するマトリックスとの接触が良好になり、その結果最終的に作製された複合材の成形体を強固なものにすることができる。   Moreover, in the manufacturing method of the carbon fiber composite of this invention, it hot-presses at 100 to 200 degreeC with respect to the intermediate body of the carbon fiber after the 2nd process and the 3rd process after drying, and carbon fiber composite A body preform can be produced. The carbon fiber preform thus obtained is subjected to a heat treatment in the fourth step, and when the composite material is produced in the previous stage, the contact with the matrix to be used is good, and as a result Thus, the composite material molded body can be made strong.

本発明の炭素繊維複合体の製造方法では、第4工程で高温熱処理を行うが、必要に応じて第1工程と第2工程の間に、第1工程で得られた炭素繊維の中間体を800℃〜1200℃に加熱する、予備的アニール処理工程を付加することができる。   In the method for producing a carbon fiber composite of the present invention, high-temperature heat treatment is performed in the fourth step, and if necessary, the carbon fiber intermediate obtained in the first step is interposed between the first step and the second step. A pre-annealing step can be added, heating to 800-1200 ° C.

本発明はまた、前記炭素繊維構造体が、ラマン分光分析法で測定されるI/Iが0.2以上であることを特徴とする前記炭素繊維複合体を示すものである。 The present invention also relates to the carbon fibrous structure, showing the carbon fiber composite I D / I G which is determined by Raman spectroscopy, characterized in that at least 0.2.

本発明はさらに、前記した一層または多層のグラフェンレイヤーの一部分と基幹となる炭素繊維とが、その結晶構造を一体化していることを特徴とする前記炭素繊維複合体を示すものである。   The present invention further shows the carbon fiber composite, wherein a part of the single-layer or multi-layer graphene layer described above and the carbon fiber serving as the backbone are integrated in the crystal structure.

本発明はさらに、前記した一層または多層のグラフェンレイヤーにより形成される各突起状部による当該炭素繊維構造体の表面被覆率が、1〜70%、好ましくは10〜70%である前記炭素繊維複合体を示すものである。なお、この表面被覆率は、得られた炭素繊維複合体表面の電子顕微鏡写真を画像解析することにより求めた値である。   The present invention further provides the carbon fiber composite in which the surface coverage of the carbon fiber structure by each protrusion formed by the one or more layers of the graphene layer is 1 to 70%, preferably 10 to 70%. It shows the body. The surface coverage is a value obtained by image analysis of an electron micrograph of the obtained carbon fiber composite surface.

本発明はまた、前記した一層または多層のグラフェンレイヤーにより形成される各突起状部の大きさが、5〜70nm、好ましくは10〜50nmである前記炭素繊維複合体を示すものである。この場合の当該突起状部の大きさは、炭素繊維の軸方向における長さで表している。   The present invention also shows the carbon fiber composite in which the size of each protrusion formed by the above-described single-layer or multilayer graphene layer is 5 to 70 nm, preferably 10 to 50 nm. In this case, the size of the protruding portion is represented by the length of the carbon fiber in the axial direction.

さらに、本発明の炭素繊維複合体は、前記突起状部において、一層または多層のグラフェンレイヤーと基幹となる炭素繊維の表面とに挟まれた部位は、金属微粒子もしくは金属炭化物微粒子を内包する、または中空であることを特徴としているが、これら金属および/または金属炭化物の微粒子に使用される金属種として、好ましいのはTi、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Ta、W、Yから選択される1種または2種以上である。   Further, in the carbon fiber composite of the present invention, the portion sandwiched between the single-layer or multi-layer graphene layer and the surface of the basic carbon fiber in the protruding portion encloses metal fine particles or metal carbide fine particles, or The metal species used for the fine particles of these metals and / or metal carbides is preferably selected from Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Ta, W and Y. 1 type or 2 types or more.

また、本発明は、炭素繊維複合体に対してホウ素換算で0.001〜30質量%、好ましくは0.01〜3.0質量%のホウ素化合物を含有し、かつ前記した一層または多層のグラフェンレイヤーと基幹となる炭素繊維の表面とに挟まれた部位は、金属微粒子、金属炭化物もしくは金属ホウ化物微粒子を内包する、または中空である構造を有する前記炭素繊維複合体を示すものである。   In addition, the present invention contains 0.001 to 30% by mass, preferably 0.01 to 3.0% by mass of a boron compound in terms of boron with respect to the carbon fiber composite, and the above-described single-layer or multi-layer graphene The portion sandwiched between the layer and the surface of the carbon fiber serving as the backbone indicates the carbon fiber composite having a structure in which metal fine particles, metal carbide or metal boride fine particles are included or hollow.

本発明の炭素繊維複合体の製造方法では、得られた炭素繊維ないしは炭素繊維構造体の中間体を有機金属化合物の有機溶媒溶液または金属塩と界面活性剤の水溶液に浸漬させた後、使用した溶媒を乾燥させる第2工程、さらにバインダーの有機溶媒溶液に浸漬させた後、有機溶媒を乾燥させる第3工程を行うが、第2工程と第3工程とを同時に行うこともできる。また、第3工程を第2工程の前に行うことができる。   In the method for producing a carbon fiber composite of the present invention, the obtained carbon fiber or carbon fiber structure intermediate was immersed in an organic solvent solution of an organic metal compound or an aqueous solution of a metal salt and a surfactant and then used. The second step of drying the solvent and the third step of drying the organic solvent after immersing in the organic solvent solution of the binder are performed. However, the second step and the third step can be performed simultaneously. Moreover, a 3rd process can be performed before a 2nd process.

本発明は、上記炭素繊維複合体の製造方法の第2工程で有機金属化合物を使用する場合において、当該有機金属化合物が、金属アルコキシド、金属アセチルアセトナート、または金属脂肪酸塩である炭素繊維複合体の製造方法を示すものである。   The present invention provides a carbon fiber composite in which when the organometallic compound is used in the second step of the method for producing a carbon fiber composite, the organometallic compound is a metal alkoxide, a metal acetylacetonate, or a metal fatty acid salt. The manufacturing method is shown.

さらに、本発明は、上記炭素繊維複合体の製造方法の第2工程の際に、有機金属化合物の有機溶媒溶液または金属塩と界面活性剤の水溶液に対して、ホウ素化合物の有機溶媒溶液もしくは水溶液を混合することにより、前記した炭素繊維複合体に対してホウ素換算で0.001〜30質量%のホウ素化合物を含有させることを特徴とする炭素繊維複合体の製造方法を示すものである。   Furthermore, the present invention provides an organic solvent solution or aqueous solution of a boron compound with respect to an organic solvent solution of an organic metal compound or an aqueous solution of a metal salt and a surfactant during the second step of the method for producing the carbon fiber composite. The carbon fiber composite manufacturing method characterized by containing 0.001-30 mass% boron compound in conversion of boron with respect to an above described carbon fiber composite by mixing.

本発明の炭素繊維複合体がその表面に有している、突起状部を形成する1層または複数層からなるグラフェンレイヤーは、3000℃以上の温度でも安定しているため、高温に対する耐久性が高いという表面改質効果が得られる。また炭素繊維複合体がその表面に有している、突起状部を形成する1層または複数層からなるグラフェンレイヤーは、基幹となる炭素繊維(カーボンナノチューブ)の表面と、その一部分において結晶構造を一体化できるので、カーボンナノチューブとの結び付きが強固であり、しかも突起状部を形成しているので、この炭素繊維複合体を用いて最終的に製造された複合材料において、突起状部のアンカー効果により炭素繊維複合体とマトリックスとの接着が強固になる。さらに、炭素繊維複合体がその表面に有している、突起状部を形成する1層または複数層からなるグラフェンレイヤーは、カーボンナノチューブの構造に悪い影響が無いため、表面改質によってカーボンナノチューブの物性を劣化する恐れが無い。また、本発明の炭素繊維複合体において、基幹となる炭素繊維が、外径15〜100nmの炭素繊維から構成される三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体であって、当該炭素繊維構造体は炭素繊維が複数延出する態様で、前記炭素繊維の外径よりもその粒径が大きく当該炭素繊維を互いに結合する粒状部を有しており、かつ当該粒状部は前記炭素繊維の成長過程において形成されてなるものであると、本発明の炭素繊維複合体は、三次元ネットワーク状に形成されているので、最終的に複合材料を製造した場合、その熱伝導性、導電性、機械的強度が良好なものとなる。また、三次元的構造を後から付与するための工程が不要である。炭素繊維複合体がその表面に有している金属の微粒子は、熱処理時に炭素化合物に対する黒鉛化触媒として作用するものである。本発明の炭素繊維複合体はマトリックスの材料として、金属および金属以外のセラミックス、ゴム、合成樹脂、カーボン系材料等が使用可能である。   Since the carbon fiber composite of the present invention has a graphene layer composed of one layer or a plurality of layers forming a protruding portion on the surface, the graphene layer is stable even at a temperature of 3000 ° C. or more, and therefore has high temperature durability. A high surface modification effect is obtained. In addition, the carbon fiber composite has a graphene layer composed of one or a plurality of layers forming a protruding portion on the surface thereof, and the surface of the carbon fiber (carbon nanotube) as a main part and a part thereof has a crystal structure. Since it can be integrated, the connection with the carbon nanotubes is strong, and the protrusions are formed, so the anchor effect of the protrusions in the composite material finally produced using this carbon fiber composite This strengthens the adhesion between the carbon fiber composite and the matrix. Furthermore, the graphene layer consisting of one or more layers that form the protrusions on the surface of the carbon fiber composite has no adverse effect on the structure of the carbon nanotubes. There is no risk of deterioration of physical properties. Further, in the carbon fiber composite of the present invention, the basic carbon fiber is a three-dimensional network-like carbon fiber structure composed of carbon fibers having an outer diameter of 15 to 100 nm, and the carbon fiber structure is carbon. In a mode in which a plurality of fibers are extended, the carbon fiber has a granular portion that has a particle size larger than the outer diameter of the carbon fiber and couples the carbon fibers to each other, and the granular portion is formed during the growth process of the carbon fiber. Since the carbon fiber composite of the present invention is formed in a three-dimensional network form, when the composite material is finally manufactured, its thermal conductivity, electrical conductivity, and mechanical strength are It will be good. Moreover, the process for providing a three-dimensional structure later is unnecessary. The fine metal particles on the surface of the carbon fiber composite act as a graphitization catalyst for the carbon compound during the heat treatment. In the carbon fiber composite of the present invention, metals and ceramics other than metals, rubber, synthetic resins, carbon-based materials, and the like can be used as matrix materials.

以下本発明を実施形態に基づき詳細に説明する。
(炭素繊維複合体)
まず、本発明に係る炭素繊維複合体に関して説明する。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments.
(Carbon fiber composite)
First, the carbon fiber composite according to the present invention will be described.

本発明に係る炭素繊維複合体は、炭素繊維が、その表面を、当該炭素繊維の略半径方向に突出する突起状部を形成する一層または多層のグラフェンレイヤーで被覆され、上記突起状部においてこの一層または多層のグラフェンレイヤーと基幹となる炭素繊維表面とに挟まれた部位は、金属微粒子もしくは金属炭化物微粒子を内包する、または中空である構造を有することを特徴とするものである。   In the carbon fiber composite according to the present invention, the surface of the carbon fiber is coated with a single-layer or multi-layer graphene layer that forms a protruding portion protruding substantially in the radial direction of the carbon fiber. The portion sandwiched between the single-layer or multi-layer graphene layer and the basic carbon fiber surface has a structure in which metal fine particles or metal carbide fine particles are included or hollow.

本発明の炭素繊維複合体において、基幹となる炭素繊維としては、特に限定されるものではなく、各種の態様を取り得る。   In the carbon fiber composite of the present invention, the carbon fiber serving as the backbone is not particularly limited and can take various forms.

具体的には、炭素繊維としては、例えば、一枚のグラフェンシートが筒状に丸まってできる直径数nm程度の単層カーボンナノチューブや、筒状のグラフェンシートが軸直角方向に積層した多層カーボンナノチューブ(多壁カーボンナノチューブ)、単層カーボンナノチューブの端部が円錐状で閉じたカーボンナノホーン等各種のものが包含され、さらにこれらの炭素繊維は単繊維状のものに限られず、分岐状のもの、三次元構造のものであっても良い。なお、本発明においてこれらの炭素繊維は、上記したような種類の単独体とすることも、あるいは、2種以上の混合体とすることも可能である。   Specifically, as the carbon fiber, for example, a single-walled carbon nanotube having a diameter of about several nanometers formed by rounding a single graphene sheet, or a multi-walled carbon nanotube in which cylindrical graphene sheets are stacked in a direction perpendicular to the axis (Multi-walled carbon nanotubes), carbon nanohorns such as single-walled carbon nanotubes with conical closed ends are included, and these carbon fibers are not limited to single-fibered ones, but branched ones, It may have a three-dimensional structure. In the present invention, these carbon fibers can be used alone or as a mixture of two or more kinds as described above.

さらに、炭素繊維の繊維径、繊維長、アスペクト比といった繊維的特性としても特に限定されるものではないが、本発明に係る炭素繊維複合体が、複合材料を構成する上でマトリックス中に均一に分散され得ることのできるような特性を有するものであることが望ましい。特に限定されるものではないが、例えば、その繊維径が0.5〜120nm程度、微細炭素繊維のアスペクト比が、5〜5,000程度のものであるものを例示することができる。   Further, the fiber properties such as the fiber diameter, fiber length, and aspect ratio of the carbon fiber are not particularly limited. However, the carbon fiber composite according to the present invention is uniformly formed in the matrix in constituting the composite material. It is desirable to have properties that can be dispersed. Although not particularly limited, for example, a fiber having a fiber diameter of about 0.5 to 120 nm and a fine carbon fiber having an aspect ratio of about 5 to 5,000 can be exemplified.

さらに、炭素繊維としては、以下に詳述するような所定構造を有する三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体であることが好ましい。   Further, the carbon fiber is preferably a three-dimensional network-like carbon fiber structure having a predetermined structure as described in detail below.

すなわち、本発明の好ましい実施形態においては、炭素繊維が、外径15〜100nmの炭素繊維から構成される三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体であって、当該炭素繊維構造体は炭素繊維が複数延出する態様で、前記炭素繊維の外径よりもその粒径が大きく当該炭素繊維を互いに結合する粒状部を有しており、かつ当該粒状部は前記炭素繊維の成長過程において形成されてなるものであり、当該炭素繊維構造体を構成する炭素繊維が、その表面を、当該炭素繊維の略半径方向に突出する突起状部を形成する一層または多層のグラフェンレイヤーで被覆され、上記突起状部においてこの一層または多層のグラフェンレイヤーと基幹となる炭素繊維表面とに挟まれた部位は、金属微粒子もしくは金属炭化物微粒子を内包する、または中空である構造を有するものとなる。   That is, in a preferred embodiment of the present invention, the carbon fiber is a three-dimensional network-like carbon fiber structure composed of carbon fibers having an outer diameter of 15 to 100 nm, and the carbon fiber structure includes a plurality of carbon fibers. In an extended manner, the carbon fiber has a granular part larger than the outer diameter of the carbon fiber and bonded to the carbon fiber, and the granular part is formed in the process of growing the carbon fiber. The carbon fiber constituting the carbon fiber structure is covered with a single-layer or multi-layer graphene layer that forms a protruding portion protruding substantially in the radial direction of the carbon fiber, and the protruding portion The portion sandwiched between the single-layer or multi-layer graphene layer and the carbon fiber surface serving as the backbone contains metal fine particles or metal carbide fine particles, or is hollow. It comes to have a certain structure.

本発明に係る炭素繊維複合体の好ましい実施形態において、基幹となる三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体を構成する炭素繊維の外径を、15〜100nmの範囲のものとするのは、外径が15nm未満であると、後述する製造方法において示されるように金属を担持しバインダーを付着させた後熱処理して得られる本発明に係る炭素繊維複合体における炭素繊維の断面が多角形状とならず、一方、炭素繊維の物性上直径が小さいほど単位量あたりの本数が増えるとともに、炭素繊維の軸方向への長さも長くなり、高い導電性が得られるため、100nmを越える外径を有することは、樹脂等のマトリックスへ改質剤、添加剤として配される本発明に係る炭素繊維複合体として適当でないためである。なお、炭素繊維の外径としては特に、20〜70nmの範囲内にあることが、より望ましい。   In a preferred embodiment of the carbon fiber composite according to the present invention, the outer diameter of the carbon fiber constituting the carbon fiber structure of the three-dimensional network that is the backbone is in the range of 15 to 100 nm. Is less than 15 nm, the cross section of the carbon fiber in the carbon fiber composite according to the present invention obtained by carrying out heat treatment after supporting a metal and attaching a binder as shown in the production method described later is not polygonal. On the other hand, as the diameter of the carbon fiber is smaller, the number per unit amount is increased and the length of the carbon fiber in the axial direction is increased, and high conductivity can be obtained, so having an outer diameter exceeding 100 nm This is because it is not suitable as a carbon fiber composite according to the present invention which is arranged as a modifier or additive in a matrix such as a resin. The outer diameter of the carbon fiber is particularly preferably in the range of 20 to 70 nm.

加えて、該微細炭素繊維は、その外径が軸方向に沿って変化するものであることが望ましい。このように炭素繊維の外径が軸方向に沿って一定でなく、変化するものであると、樹脂等のマトリックス中において当該炭素繊維にアンカー効果が生じるものと思われ、マトリックス中における移動が生じにくく分散安定性が高まるものとなる。   In addition, it is desirable that the fine carbon fiber has an outer diameter that changes along the axial direction. When the outer diameter of the carbon fiber is not constant along the axial direction and changes, the carbon fiber is considered to have an anchor effect in the matrix such as resin, and movement in the matrix occurs. It is difficult to increase the dispersion stability.

さらにこの炭素繊維構造体においては、このような所定外径を有する微細炭素繊維が三次元ネットワーク状に存在するが、これら炭素繊維は、当該炭素繊維の成長過程において形成された粒状部において互いに結合され、該粒状部から前記炭素繊維が複数延出する形状を呈しているものである。このように、微細炭素繊維同士が単に絡合しているものではなく、粒状部において相互に強固に結合されているものであることから、樹脂等のマトリックス中に配した場合に当該構造体が炭素繊維単体として分散されることなく、嵩高な構造体のままマトリックス中に分散配合されることができる。また、本発明に係る炭素繊維構造体においては、当該炭素繊維の成長過程において形成された粒状部によって炭素繊維同士が互いに結合されていることから、その構造体自体の電気的特性等も非常に優れたものであり、例えば、一定圧縮密度において測定した電気抵抗値は、微細炭素繊維の単なる絡合体、あるいは微細炭素繊維同士の接合点を当該炭素繊維合成後に炭素質物質ないしその炭化物によって付着させてなる構造体等の値と比較して、非常に低い値を示し、マトリックス中に分散配合された場合に、良好な導電パスを形成できることができる。   Furthermore, in this carbon fiber structure, fine carbon fibers having such a predetermined outer diameter exist in a three-dimensional network, but these carbon fibers are bonded to each other in the granular portion formed during the growth process of the carbon fibers. And a shape in which a plurality of the carbon fibers extend from the granular portion. In this way, the fine carbon fibers are not simply entangled with each other, but are firmly bonded to each other in the granular portion, so that when the structure is disposed in a matrix such as a resin, the structure is Without being disperse | distributed as a carbon fiber single-piece | unit, it can be disperse-blended in a matrix with a bulky structure. Further, in the carbon fiber structure according to the present invention, since the carbon fibers are bonded to each other by the granular part formed in the growth process of the carbon fiber, the electrical characteristics of the structure itself are also very high. For example, the electrical resistance value measured at a constant compression density is such that a simple entangled body of fine carbon fibers or a joint point between fine carbon fibers is adhered by a carbonaceous material or a carbide thereof after the carbon fiber is synthesized. Compared with the value of the structure or the like, it shows a very low value, and when it is dispersed and blended in the matrix, a good conductive path can be formed.

当該粒状部は、上述するように炭素繊維の成長過程において形成されるものであるため、当該粒状部における炭素間結合は十分に発達したものとなり、sp結合およびsp結合の混合状態を含むと思われる。そして、生成後(後述する中間体および第一中間体)においては、粒状部と繊維部とが、炭素原子からなるパッチ状のシート片を貼り合せたような構造をもって連続しており、その後の高温熱処理後においては、粒状部を構成するグラフェンレイヤーの少なくとも一部は、当該粒状部より延出する微細炭素繊維を構成するグラフェンレイヤーに連続するものとなる。当該炭素繊維構造体において、粒状部と微細炭素繊維との間は、上記したような粒状部を構成するグラフェンレイヤーが微細炭素繊維を構成するグラフェンレイヤーと連続していることに象徴されるように、炭素結晶構造的な結合によって(少なくともその一部が)繋がっているものであって、これによって粒状部と微細炭素繊維との間の強固な結合が形成されているものである。 Since the granular part is formed in the growth process of the carbon fiber as described above, the carbon-carbon bond in the granular part is sufficiently developed and includes a mixed state of sp 2 bond and sp 3 bond. I think that the. And after the generation (intermediate and first intermediate described later), the granular part and the fiber part are continuous with a structure in which patch-like sheet pieces made of carbon atoms are bonded together, and thereafter After the high temperature heat treatment, at least a part of the graphene layer constituting the granular part is continuous with the graphene layer constituting the fine carbon fiber extending from the granular part. In the carbon fiber structure, between the granular portion and the fine carbon fiber, it is symbolized that the graphene layer constituting the granular portion as described above is continuous with the graphene layer constituting the fine carbon fiber. These are connected by carbon crystal structural bonds (at least a part thereof), whereby a strong bond between the granular portion and the fine carbon fiber is formed.

なお、本願明細書において、粒状部から炭素繊維が「延出する」するとは、粒状部と炭素繊維とが他の結着剤(炭素質のものを含む)によって、単に見かけ上で繋がっているような状態をさすものではなく、上記したように炭素結晶構造的な結合によって繋がっている状態を主として意味するものである。   In the present specification, the term “extending” the carbon fiber from the granular part simply means that the granular part and the carbon fiber are apparently connected by other binder (including carbonaceous material). It does not indicate such a state, but mainly means a state in which they are connected by carbon crystal structural bonds as described above.

この粒状部の粒径は、前記微細炭素繊維の外径よりも大きいことが望ましい。具体的には、例えば、前記微細炭素繊維の外径の1.3〜250倍、より好ましくは1.5〜100倍、さらに好ましくは2.0〜25倍である。なお、前記値は平均値である。このように炭素繊維相互の結合点である粒状部の粒径が微細炭素繊維外径の1.3倍以上と十分に大きなものであると、当該粒状部より延出する炭素繊維に対して高い結合力がもたらされ、樹脂等のマトリックス中に当該炭素繊維構造体を配した場合に、ある程度のせん弾力を加えた場合であっても、三次元ネットワーク構造を保持したままマトリックス中に分散させることができる。一方、粒状部の大きさが微細炭素繊維の外径の250倍を超える極端に大きなものとなると、炭素繊維構造体の繊維状の特性が損なわれる虞れがあり、例えば、各種マトリックス中への添加剤、配合剤として適当なものとならない虞れがあるために望ましくない。なお、本明細書でいう「粒状部の粒径」とは、炭素繊維相互の結合点である粒状部を1つの粒子とみなして測定した値である。   The particle size of the granular part is desirably larger than the outer diameter of the fine carbon fiber. Specifically, for example, the outer diameter of the fine carbon fiber is 1.3 to 250 times, more preferably 1.5 to 100 times, and still more preferably 2.0 to 25 times. In addition, the said value is an average value. Thus, when the particle diameter of the granular part which is a bonding point between carbon fibers is sufficiently large as 1.3 times or more of the outer diameter of the fine carbon fiber, it is higher than the carbon fiber extending from the granular part. When a carbon fiber structure is arranged in a matrix such as a resin due to a bonding force, even if a certain amount of elasticity is applied, the three-dimensional network structure is maintained and dispersed in the matrix. be able to. On the other hand, if the size of the granular part is extremely large exceeding 250 times the outer diameter of the fine carbon fiber, the fibrous properties of the carbon fiber structure may be impaired, for example, into various matrices. This is not desirable because it may not be suitable as an additive or compounding agent. The “particle size of the granular part” in the present specification is a value measured by regarding the granular part, which is a bonding point between carbon fibers, as one particle.

その粒状部の具体的な粒径は、炭素繊維構造体の大きさ、炭素繊維構造体中の微細炭素繊維の外径にも左右されるが、例えば、平均値で20〜5000nm、より好ましくは25〜2000nm、さらに好ましくは30〜500nm程度である。   The specific particle size of the granular part depends on the size of the carbon fiber structure and the outer diameter of the fine carbon fiber in the carbon fiber structure, but for example, an average value of 20 to 5000 nm, more preferably It is about 25 to 2000 nm, more preferably about 30 to 500 nm.

さらにこの粒状部は、前記したように炭素繊維の成長過程において形成されるものであるため、比較的球状に近い形状を有しており、その円形度は、平均値で0.2〜<1、好ましくは0.5〜0.99、より好ましくは0.7〜0.98程度である。   Furthermore, since this granular part is formed in the growth process of the carbon fiber as described above, it has a relatively spherical shape, and the circularity is 0.2 to <1 on average. , Preferably 0.5 to 0.99, more preferably about 0.7 to 0.98.

加えて、この粒状部は、前記したように炭素繊維の成長過程において形成されるものであって、例えば、微細炭素繊維同士の接合点を当該炭素繊維合成後に炭素質物質ないしその炭化物によって付着させてなる構造体等と比較して、当該粒状部における、炭素繊維同士の結合は非常に強固なものであり、炭素繊維構造体における炭素繊維の破断が生じるような条件下においても、この粒状部(結合部)は安定に保持される。   In addition, the granular portion is formed in the carbon fiber growth process as described above, and, for example, the joining point between the fine carbon fibers is adhered by the carbonaceous material or the carbide after the carbon fiber synthesis. Compared with the structure, etc., the bonds between the carbon fibers in the granular part are very strong, and even under conditions where the carbon fiber breaks in the carbon fiber structure, the granular part (Coupling part) is held stably.

また、当該炭素繊維構造体は、面積基準の円相当平均径が50〜1000μm、好ましくは50〜500μm、より好ましくは60〜250μm程度であることが望ましい。ここで面積基準の円相当平均径とは、炭素繊維構造体の外形を電子顕微鏡などを用いて撮影し、この撮影画像において、各炭素繊維構造体の輪郭を、適当な画像解析ソフトウェア、例えばWinRoof(商品名、三谷商事株式会社製)を用いてなぞり、輪郭内の面積を求め、各繊維構造体の円相当径を計算し、これを平均化したものである。   The carbon fiber structure desirably has an area-based circle-equivalent mean diameter of 50 to 1000 μm, preferably 50 to 500 μm, more preferably about 60 to 250 μm. Here, the area-based circle-equivalent mean diameter is obtained by photographing the outer shape of the carbon fiber structure using an electron microscope or the like, and in this photographed image, the contour of each carbon fiber structure is represented by an appropriate image analysis software such as WinRoof. (Trade name, manufactured by Mitani Shoji Co., Ltd.) is used to determine the area within the contour, calculate the equivalent circle diameter of each fiber structure, and average it.

複合化される樹脂等のマトリックス材の種類によっても左右されるため、全ての場合において適用されるわけではないが、予備成形体に適用する場合は、円相当平均径が大きい方が導電性、機械特性、熱特性にとって好ましいが、1000μmを超えると予備成形体中の炭素繊維構造体の分布が不均質になり、上記特性が得られなくなるためであり、また、この円相当平均径は、樹脂等のマトリックス中に配合する場合において当該炭素繊維構造体の最長の長さを決める要因となるものであり、概して、円相当平均径が50μm未満であると、導電性が十分に発揮されない虞れがある。   Since it depends on the type of matrix material such as resin to be compounded, it is not applied in all cases, but when applied to a preform, the one with a larger equivalent circle average diameter is more conductive, This is preferable for mechanical properties and thermal properties, but if it exceeds 1000 μm, the distribution of the carbon fiber structure in the preform becomes inhomogeneous, and the above properties cannot be obtained. When blended in a matrix such as the above, it becomes a factor for determining the longest length of the carbon fiber structure. In general, when the equivalent circle average diameter is less than 50 μm, the conductivity may not be sufficiently exhibited. There is.

また当該炭素繊維構造体は、三次元ネットワーク状に存在する炭素繊維が粒状部において互いに結合され、該粒状部から前記炭素繊維が複数延出する形状を呈しているが、1つの炭素繊維構造体において、炭素繊維を結合する粒状部が複数個存在して三次元ネットワークを形成している場合、隣接する粒状部間の平均距離は、例えば、0.5μm〜300μm、より好ましくは0.5〜100μm、さらに好ましくは1〜50μm程度となる。なお、この隣接する粒状部間の距離は、1つの粒状体の中心部からこれに隣接する粒状部の中心部までの距離を測定したものである。粒状体間の平均距離が、0.5μm未満であると、炭素繊維が三次元ネットワーク状に十分に発展した形態とならないため、例えば、マトリックス中に分散配合された場合に、良好な導電パスを形成し得ないものとなる虞れがあり、一方、平均距離が300μmを越えるものであると、マトリックス中に分散配合させる際に、粘性を高くさせる要因となり、炭素繊維構造体のマトリックスに対する分散性が低下する虞れがあるためである。   Further, the carbon fiber structure has a shape in which carbon fibers existing in a three-dimensional network are bonded to each other in a granular portion, and a plurality of the carbon fibers extend from the granular portion. In this case, when a plurality of granular portions that combine carbon fibers are present to form a three-dimensional network, the average distance between adjacent granular portions is, for example, 0.5 μm to 300 μm, more preferably 0.5 to It is about 100 μm, more preferably about 1 to 50 μm. In addition, the distance between this adjacent granule part measures the distance from the center part of one granular material to the center part of the granule part adjacent to this. When the average distance between the granular materials is less than 0.5 μm, the carbon fiber does not sufficiently develop into a three-dimensional network. For example, when dispersed in a matrix, a good conductive path can be obtained. On the other hand, if the average distance exceeds 300 μm, it becomes a factor of increasing the viscosity when dispersed in the matrix, and the dispersibility of the carbon fiber structure in the matrix This is because there is a risk of lowering.

さらに、当該炭素繊維構造体は、上記したように、三次元ネットワーク状に存在する炭素繊維が粒状部において互いに結合され、該粒状部から前記炭素繊維が複数延出する形状を呈しており、このため当該構造体は炭素繊維が疎に存在した嵩高な構造を有するが、具体的には、例えば、その嵩密度が0.0001〜0.05g/cm、より好ましくは0.001〜0.02g/cmであることが望ましい。嵩密度が0.05g/cmを超えるものであると、少量添加によって、樹脂等のマトリックスの物性を改善することが難しくなるためである。 Further, as described above, the carbon fiber structure has a shape in which carbon fibers existing in a three-dimensional network are bonded to each other in the granular portion, and a plurality of the carbon fibers extend from the granular portion. Therefore, the structure has a bulky structure in which carbon fibers are sparsely present. Specifically, for example, the bulk density is 0.0001 to 0.05 g / cm 3 , and more preferably 0.001 to 0.00. It is desirable to be 02 g / cm 3 . This is because if the bulk density exceeds 0.05 g / cm 3 , it becomes difficult to improve the physical properties of the matrix such as a resin by adding a small amount.

また、当該炭素繊維構造体は、ラマン分光分析法で測定されるI/I比が、0.2以上、より好ましくは0.2〜1.6程度であることが望ましい。ここで、ラマン分光分析では、大きな単結晶の黒鉛では1580cm−1付近のピーク(Gバンド)しか現れない。結晶が有限の微小サイズであることや格子欠陥により、1360cm−1付近にピーク(Dバンド)が出現する。このため、DバンドとGバンドの強度比(R=I1360/I1580=I/I)が小さい程、炭素繊維構造体を構成するグラフェンシート中における欠陥量が少ないことを意味する。本発明に係る炭素繊維複合体において、その原料となる炭素繊維構造体のI/I比が上記所定の高い値のものであり、構造が乱れたものである方が、金属等を担持しやすいためである。なお、最終的に得られる本発明の炭素繊維複合体のI/I比は、後述する製造方法におけるように金属を付着させた後、熱処理して得られるものであるから、原料となる炭素繊維構造体におけるI/I比と比較して、より低い値となり、より欠陥量の少ないものとなる。 Further, the carbon fiber structures, I D / I G ratio determined by Raman spectroscopy is, it is preferable 0.2 or more, more preferably about 0.2 to 1.6. Here, in the Raman spectroscopic analysis, only a peak (G band) near 1580 cm −1 appears in large single crystal graphite. A peak (D band) appears in the vicinity of 1360 cm −1 due to the crystal having a finite minute size or lattice defects. For this reason, the smaller the intensity ratio of D band to G band (R = I 1360 / I 1580 = I D / I G ), the smaller the amount of defects in the graphene sheet constituting the carbon fiber structure. In the carbon fiber composite according to the present invention, the I D / IG ratio of the carbon fiber structure that is the raw material has the above-mentioned high value, and the one having a disordered structure carries metal or the like. It is because it is easy to do. In addition, since the I D / IG ratio of the carbon fiber composite of the present invention finally obtained is obtained by heat treatment after attaching a metal as in the production method described later, it becomes a raw material. Compared to the I D / IG ratio in the carbon fiber structure, the value becomes lower and the amount of defects becomes smaller.

本発明の炭素繊維複合体においては、上記したように、炭素繊維、特に、上記したような三次元ネットワーク構造を有する炭素繊維構造体が、その表面を、当該炭素繊維の略半径方向に突出する突起状部を形成する一層または多層のグラフェンレイヤーで被覆され、上記突起状部においてこの一層または多層のグラフェンレイヤーと基幹となる炭素繊維表面とに挟まれた部位は、金属微粒子もしくは金属炭化物微粒子を内包する、または中空である構造を有するものであるが、この突起状部を形成する一層または多層のグラフェンレイヤーは、当該突起状部を形成し得るものであるならば、基幹となる炭素繊維の表面全体を被覆しているものであっても、あるいは、また炭素繊維の表面を部分的に被覆しているものであっても良い。   In the carbon fiber composite of the present invention, as described above, the surface of the carbon fiber, particularly the carbon fiber structure having the three-dimensional network structure as described above, protrudes in the substantially radial direction of the carbon fiber. A portion covered with a single-layer or multi-layer graphene layer that forms a protrusion-shaped portion, and sandwiched between the single-layer or multi-layer graphene layer and the main carbon fiber surface in the above-mentioned protrusion-shaped portion is made of metal fine particles or metal carbide fine particles. If the single-layer or multi-layer graphene layer forming the protrusion is capable of forming the protrusion, the carbon fiber serving as the backbone is included. The whole surface may be covered, or the carbon fiber surface may be partially covered.

このようなグラフェンレイヤーは、後述するように、炭素繊維の表面に得られた炭素繊維ないしは炭素繊維構造体の中間体を有機金属化合物の有機溶媒溶液または金属塩と界面活性剤の水溶液に浸漬させた後、使用した溶媒を乾燥させる第2工程、さらにバインダーの有機溶媒溶液に浸漬させた後、有機溶媒を乾燥させる第3工程を付した後、第4工程において熱処理を施すことで、当該熱処理時に、炭素繊維表面に金属の微粒子が存在し、この金属の微粒子が、炭素化合物に対する黒鉛化触媒として作用することによって、この金属の微粒子を取り囲むような形でグラフェンレイヤーが形成され、当該炭素繊維の略半径方向に突出する突起状部を形成することとなるものである。   As will be described later, such a graphene layer is obtained by immersing the carbon fiber or carbon fiber structure intermediate obtained on the surface of the carbon fiber in an organic solvent solution of an organometallic compound or an aqueous solution of a metal salt and a surfactant. Then, after the second step of drying the used solvent, and further after the third step of drying the organic solvent after being immersed in the organic solvent solution of the binder, the heat treatment is performed by performing the heat treatment in the fourth step. Sometimes, fine particles of metal are present on the surface of the carbon fiber, and the fine particles of the metal act as a graphitization catalyst for the carbon compound, so that a graphene layer is formed so as to surround the fine particles of the metal. A projection-like portion protruding substantially in the radial direction is formed.

なお、最終的に得られる本発明に係る炭素繊維複合体では、上記突起状部において、一層または多層のグラフェンレイヤーと基幹となる炭素繊維の表面とに挟まれた部位は、金属微粒子もしくは金属炭化物微粒子を内包する、または中空であることを特徴としているが、中空のものは第3工程の段階では存在していた金属微粒子が、第4工程において昇華等により脱離したために形成されたものであり、また金属炭化物微粒子は、金属微粒子も炭化されたために形成されたものである。   In the carbon fiber composite according to the present invention finally obtained, the portion sandwiched between the single-layer or multi-layer graphene layer and the surface of the basic carbon fiber in the protruding portion is a metal fine particle or a metal carbide. It is characterized by enclosing fine particles or being hollow, but the hollow is formed because the metal fine particles that existed in the third step are desorbed by sublimation or the like in the fourth step. In addition, the metal carbide fine particles are formed because the metal fine particles are also carbonized.

本発明に係る炭素繊維複合体において、当該突起状部の内部は、金属微粒子、金属炭化物微粒子、または中空のいずれであっても、当該突起状部の力学的特性や、複合材料体とした際のアンカー効果等の面からすれば、特段変わるところはないが、例えば、当該炭素繊維複合体に、磁気的特性や静電的特性を求める場合には、それぞれその特性に応じた、内部構造となっていることが望ましい。   In the carbon fiber composite according to the present invention, even if the inside of the protruding portion is any of metal fine particles, metal carbide fine particles, or hollow, the mechanical properties of the protruding portions and the composite material body In terms of the anchor effect, etc., there is no particular change.For example, when the magnetic properties and electrostatic properties of the carbon fiber composite are to be obtained, the internal structure and the It is desirable that

前記した一層または多層のグラフェンレイヤーにより形成される各突起状部の大きさは、特に限定されるものではないが、例えば、5〜70nm、好ましくは10〜50nmである。各突起状部の大きさが70nmを超えるものであると、外径15〜100nmの範囲の炭素繊維構造体の表面に突起状部を安定に形成することが困難となる虞れがある。   The size of each protrusion formed by the above-described single-layer or multilayer graphene layer is not particularly limited, but is, for example, 5 to 70 nm, and preferably 10 to 50 nm. If the size of each protruding portion exceeds 70 nm, it may be difficult to stably form the protruding portion on the surface of the carbon fiber structure having an outer diameter in the range of 15 to 100 nm.

さらに、前記した一層または多層のグラフェンレイヤーにより形成される各突起状部の高さは、特に限定されるものではないが、炭素繊維の略半径方向において、基幹となる炭素繊維の外径に対して、0.05〜1倍の平均高さを有するものであることが望ましい。炭素繊維の外径に対して、0.05倍未満の平均高さであると、アンカー効果を期待できるような表面改質が実質生じず、一方、1倍を超える平均高さであると、炭素繊維表面に当該突起状部を安定に形成することが困難となる恐れがある。   Further, the height of each protrusion formed by the above-described single-layer or multilayer graphene layer is not particularly limited, but with respect to the outer diameter of the carbon fiber serving as the backbone in the substantially radial direction of the carbon fiber. Thus, it is desirable to have an average height of 0.05 to 1 times. When the average height is less than 0.05 times the outer diameter of the carbon fiber, surface modification that can be expected to have an anchor effect does not substantially occur, whereas when the average height exceeds 1 time, There is a possibility that it is difficult to stably form the protrusions on the carbon fiber surface.

さらに、特に限定されるものではないが、前記した一層または多層のグラフェンレイヤーにより形成される突起状部は、炭素繊維の表面の例えば、1〜70%、より好ましくは2〜50%程度であることが、より高いアンカー効果等を付与し力学的特性の面から特に優れた複合材料を得る上から望ましい。   Furthermore, although not particularly limited, the protrusions formed by the above-described single-layer or multilayer graphene layer are, for example, about 1 to 70%, more preferably about 2 to 50% of the surface of the carbon fiber. This is desirable in order to provide a higher anchor effect and obtain a composite material that is particularly excellent in terms of mechanical properties.

さらに、当該突起状部を形成する一層または多層のグラフェンレイヤーの厚さとしては、特に限定されるものではないが、十分な機械的強度を発揮しかつ所期の大きさの突起状物を形成する上からは、例えば、2〜15nm、特に3〜10nmの厚さであることが望ましい。   Furthermore, the thickness of the single-layer or multi-layer graphene layer that forms the protrusion is not particularly limited, but it exhibits sufficient mechanical strength and forms a protrusion having the expected size. For example, the thickness is preferably 2 to 15 nm, particularly 3 to 10 nm.

本発明の炭素繊維の表面に形成される突起状部に内包される金属および/または金属炭化物の微粒子に使用される金属種としては、付加しようとする特性に応じて各種のものを用いることができるが、好ましい金属種としては、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Ta、W、Yから選択される1種または2種以上である。   As the metal species used for the metal and / or metal carbide fine particles included in the protrusions formed on the surface of the carbon fiber of the present invention, various types may be used depending on the properties to be added. However, preferable metal species are one or more selected from Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Ta, W, and Y.

本発明の炭素繊維複合体において、突起状部はその外殻がグラフェンシートにより形成され、さらに好ましくは、当該グラフェンシートの一部が基幹となる炭素繊維とと結晶構造を一体化しているので、その構造が安定であり炭素繊維との結び付きが強固である。例えば、後述する実施例において示すように、当該炭素繊維複合体を液状媒体中に分散させ、これに一定出力で所定周波数の超音波をかけて、当該突起状部の破壊率を調べたところ、処理後における突起状部の破壊率は、1%未満、より好ましくは0.1%未満であって、当該突起状部は、炭素繊維に安定に形成されていることが判る。   In the carbon fiber composite of the present invention, the protrusion is formed of a graphene sheet as the outer shell, and more preferably, a part of the graphene sheet is integrated with the carbon fiber and the crystal structure as a backbone, Its structure is stable and the bond with the carbon fiber is strong. For example, as shown in the examples to be described later, the carbon fiber composite is dispersed in a liquid medium, and ultrasonic waves of a predetermined frequency are applied to the carbon medium to examine the destruction rate of the protrusions. The fracture rate of the protrusions after the treatment is less than 1%, more preferably less than 0.1%, and it can be seen that the protrusions are stably formed on the carbon fiber.

また、当該微粒子は炭素繊維の表面に突起状部を形成しているので、本発明に係る炭素繊維複合体を用いて最終的に製造された複合材料において、炭素繊維複合体とマトリックスとの接着状況が改善され、それは、アンカー効果により強固なものになる。一般的な炭素繊維をフィラーとしてマトリックスに配合した場合、当該フィラー表面が比較的平滑であるため、マトリックスとの界面方向に歪み応力が加わった場合、マトリックスとフィラーとの間で比較的容易にずれが生じてしまう。一方、本発明に係る炭素繊維複合体を用いた場合、前記したように、フィラー表面が当突起状部を有するため、これがマトリックスとの界面においてマトリックス中に楔状に打ち込まれたような様相を呈し、マトリックスとの界面方向に歪み応力が加わった場合においても、マトリックスとフィラーとの間でずれが生じにくいというものである。   Further, since the fine particles form protrusions on the surface of the carbon fiber, in the composite material finally produced using the carbon fiber composite according to the present invention, the carbon fiber composite and the matrix are bonded. The situation is improved and it is strengthened by the anchor effect. When general carbon fiber is blended in the matrix as a filler, the surface of the filler is relatively smooth, so when strain stress is applied in the direction of the interface with the matrix, the matrix and the filler are displaced relatively easily. Will occur. On the other hand, when the carbon fiber composite according to the present invention is used, since the filler surface has the protrusions as described above, it appears as if it was driven in a wedge shape into the matrix at the interface with the matrix. Even when a strain stress is applied in the direction of the interface with the matrix, the matrix and the filler are less likely to be displaced.

なお、本発明の炭素繊維複合体がその表面に有している突起状部は、グラフェンシートにより形成されているため、炭素繊維の構造に悪い影響が無く、表面改質によって炭素繊維の物性を劣化する恐れが無い。
また不活性雰囲気下3000℃以上の高温下でも、グラフェンシートにより構成された突起状部は安定し、耐熱性は極めて高い。
In addition, since the protruding part which the carbon fiber composite of the present invention has on its surface is formed of a graphene sheet, there is no adverse effect on the structure of the carbon fiber, and the physical properties of the carbon fiber are improved by surface modification. There is no risk of deterioration.
Further, even at a high temperature of 3000 ° C. or higher under an inert atmosphere, the protrusions formed of the graphene sheet are stable and have extremely high heat resistance.

本発明の炭素繊維複合体は、上記したように基幹となる炭素繊維の表面にグラフェンシートにより構成された突起状部を有してなるものであり、特に、炭素繊維が前記したような三次元ネットワーク構造を有し、しかもそのネットワーク構造は微細炭素繊維同士が単に絡合しているものでは無く、微細炭素繊維同士を強固に結合する粒状部を有してなるものである態様においては、最終的に複合材料を製造した場合には、その複合材料の熱伝導性、導電性、機械的強度が良好なものとなる。また、三次元的構造を付与するための工程を付加する必要が無い。   As described above, the carbon fiber composite of the present invention has a protruding portion composed of a graphene sheet on the surface of the carbon fiber serving as the backbone, and in particular, the carbon fiber is three-dimensional as described above. In an embodiment having a network structure, and the network structure is not simply entangled between the fine carbon fibers, but has a granular portion that firmly bonds the fine carbon fibers, When a composite material is manufactured, the thermal conductivity, conductivity, and mechanical strength of the composite material are good. Further, there is no need to add a process for providing a three-dimensional structure.

本発明に係る炭素繊維複合体はまた、空気中での燃焼開始温度が700℃以上、好ましくは750℃以上、より好ましくは800〜900℃であることが望ましい。   The carbon fiber composite according to the present invention also desirably has a combustion start temperature in air of 700 ° C. or higher, preferably 750 ° C. or higher, more preferably 800 to 900 ° C.

さらに、本発明の炭素繊維複合体の好ましい一実施形態においては、炭素繊維複合体に対してホウ素換算で0.001〜30質量%、好ましくは0.01〜3.0質量%のホウ素化合物を含有することもできる。この場合、炭素繊維複合体中のホウ素化合物の存在する部位、ホウ素化合物の化合物種については特に限定されない。炭素繊維複合体中にホウ素化合物が存在することによって、構造に多少の欠陥を含んでいる場合であっても、高い導電性を得ることができる。   Furthermore, in one preferable embodiment of the carbon fiber composite of the present invention, 0.001 to 30% by mass, preferably 0.01 to 3.0% by mass of boron compound in terms of boron with respect to the carbon fiber composite. It can also be contained. In this case, the site where the boron compound is present in the carbon fiber composite and the compound type of the boron compound are not particularly limited. The presence of the boron compound in the carbon fiber composite makes it possible to obtain high conductivity even if the structure includes some defects.

(炭素繊維複合体の製造方法)
次に上記したような本発明に係る炭素繊維複合体の製造方法について説明する。
(Method for producing carbon fiber composite)
Next, a method for producing the carbon fiber composite according to the present invention as described above will be described.

図1は、本発明に係る炭素繊維複合体の製造方法および炭素繊維複合体の予備成形体の製造方法における各工程順を概略示すチャート図である。   FIG. 1 is a chart schematically showing the order of steps in a carbon fiber composite manufacturing method and a carbon fiber composite preform manufacturing method according to the present invention.

本発明に係る炭素繊維複合体は、特に限定されるものではないが、基本的には、触媒および炭化水素の混合ガスを800℃〜1300℃の一定温度で加熱して炭素物質を、繊維状に成長させて炭素繊維の中間体を得る第1工程、得られた炭素繊維の中間体を有機金属化合物の有機溶媒溶液または金属塩と界面活性剤の水溶液に浸漬させた後、使用した溶媒を乾燥させる第2工程、さらにバインダーの有機溶媒溶液に浸漬させた後、有機溶媒を乾燥させる第3工程、乾燥後の炭素繊維の中間体を800℃〜3000℃で加熱する第4工程からなる。   The carbon fiber composite according to the present invention is not particularly limited, but basically, a mixed gas of a catalyst and a hydrocarbon is heated at a constant temperature of 800 ° C. to 1300 ° C. A first step of obtaining a carbon fiber intermediate by growing the carbon fiber intermediate in an organic solvent solution of an organic metal compound or an aqueous solution of a metal salt and a surfactant; It consists of a second step of drying, a third step of immersing the binder in an organic solvent solution, and then drying the organic solvent, and a fourth step of heating the carbon fiber intermediate after drying at 800 to 3000 ° C.

なお、基幹となる炭素繊維が、前記したように外径15〜100nmの炭素繊維から構成される三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体であって、当該炭素繊維構造体は炭素繊維が複数延出する態様で、前記炭素繊維の外径よりもその粒径が大きく当該炭素繊維を互いに結合する粒状部を有しており、かつ当該粒状部は前記炭素繊維の成長過程において形成されてなるものである実施形態においては、触媒および炭化水素の混合ガスを800℃〜1300℃の一定温度で加熱する際に、炭素源として分解温度の異なる少なくとも2つ以上の炭素化合物を用いることにより、炭素物質を、繊維状に成長させる一方で、使用される触媒粒子の周面方向に成長させて、三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体の中間体を得る第1工程、得られた炭素繊維構造体の中間体を有機金属化合物の有機溶媒溶液または金属塩と界面活性剤の水溶液に浸漬させた後、使用した溶媒を乾燥させる第2工程、さらにバインダーの有機溶媒溶液に浸漬させた後、有機溶媒を乾燥させる第3工程、乾燥後の炭素繊維構造体の中間体を800℃〜3000℃で加熱する第4工程を経ることにより、製造可能である。   The basic carbon fiber is a three-dimensional network-like carbon fiber structure composed of carbon fibers having an outer diameter of 15 to 100 nm as described above, and the carbon fiber structure has a plurality of carbon fibers extending. The carbon fiber has a granular part larger than the outer diameter of the carbon fiber and bonds the carbon fiber to each other, and the granular part is formed in the growth process of the carbon fiber. In an embodiment, when the mixed gas of the catalyst and the hydrocarbon is heated at a constant temperature of 800 ° C. to 1300 ° C., the carbon material is obtained by using at least two or more carbon compounds having different decomposition temperatures as a carbon source. The first step of obtaining the intermediate of the three-dimensional network-like carbon fiber structure by growing in the direction of the circumference of the catalyst particles used while growing in the form of fibers After immersing the intermediate body of the fiber structure in an organic solvent solution of an organometallic compound or an aqueous solution of a metal salt and a surfactant, the second step of drying the solvent used, and further immersing in an organic solvent solution of a binder It can be produced by passing through a third step of drying the organic solvent and a fourth step of heating the carbon fiber structure after drying at 800 ° C. to 3000 ° C.

図1は、このような三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体に係る実施形態における各工程順を示すものである。すなわち、フローチャートの1段目が第1工程である「炭素繊維構造体生成」、2段目が第2工程である「金属溶媒液に浸漬後乾燥」、3段目が第3工程である「熱硬化樹脂等の有機溶媒に浸漬後乾燥」をそれぞれ示している。フローチャートの3段目以降は、2通りの工程に分岐しているが、左側が本例示に係る粉体(炭素繊維複合体)のままに係る流れで、右側が後述する予備成形体とする場合の流れである。本例示に係る「炭素繊維複合体の粉体」を得る場合には、第3工程の後、第4工程の熱処理としての「アニール処理」を行うのが基本的な手順である。   FIG. 1 shows the order of steps in an embodiment according to such a three-dimensional network-like carbon fiber structure. That is, the first step of the flowchart is “carbon fiber structure production” as the first step, the second step is “drying after immersion in a metal solvent solution” as the second step, and the third step is the third step “ “Dry after immersion in an organic solvent such as a thermosetting resin” is shown. The third and subsequent steps of the flowchart are branched into two processes, but the left side is a flow relating to the powder (carbon fiber composite) according to the present example, and the right side is a preformed body to be described later. It is the flow of. In order to obtain the “carbon fiber composite powder” according to this example, the basic procedure is to perform “annealing” as the heat treatment in the fourth step after the third step.

まず、炭素繊維の中間体を得る第1工程について説明する。この第1工程においては、基本的には、遷移金属超微粒子を触媒として炭化水素等の有機化合物をCVD法で化学熱分解して炭素繊維構造体(中間体)を形成する。   First, the 1st process of obtaining the intermediate body of carbon fiber is demonstrated. In this first step, basically, a carbon fiber structure (intermediate body) is formed by chemically pyrolyzing an organic compound such as a hydrocarbon by a CVD method using transition metal ultrafine particles as a catalyst.

原料有機化合物としては、ベンゼン、トルエン、キシレンなどの炭化水素、一酸化炭素、エタノール等のアルコール類などが使用できる。特に限定されるわけではないが、上記したような三次元ネットワーク構造の炭素繊維構造体の中間体を得る上においては、炭素源として、分解温度の異なる少なくとも2つ以上の炭素化合物を用いることが好ましい。なお、本明細書において述べる「少なくとも2つ以上の炭素化合物」とは、必ずしも原料有機化合物として2種以上のものを使用するというものではなく、原料有機化合物としては1種のものを使用した場合であっても、繊維構造体の合成反応過程において、例えば、トルエンやキシレンの水素脱アルキル化(hydrodealkylation)などのような反応を生じて、その後の熱分解反応系においては分解温度の異なる2つ以上の炭素化合物となっているような態様も含むものである。   As the raw material organic compound, hydrocarbons such as benzene, toluene and xylene, alcohols such as carbon monoxide and ethanol can be used. Although not particularly limited, in order to obtain an intermediate of a carbon fiber structure having a three-dimensional network structure as described above, at least two or more carbon compounds having different decomposition temperatures may be used as a carbon source. preferable. In this specification, “at least two or more carbon compounds” do not necessarily mean that two or more kinds of raw material organic compounds are used, but one kind of raw material organic compound is used. However, in the process of synthesizing the fiber structure, for example, a reaction such as hydrodealkylation of toluene or xylene occurs, and in the subsequent thermal decomposition reaction system, two decomposition temperatures are different. The aspect which becomes the above carbon compound is also included.

なお、熱分解反応系において炭素源としてこのように2種以上の炭素化合物を存在させた場合、それぞれの炭素化合物の分解温度は、炭素化合物の種類のみでなく、原料ガス中の各炭素化合物のガス分圧ないしモル比によっても変動するものであるため、原料ガス中における2種以上の炭素化合物の組成比を調整することにより、炭素化合物として比較的多くの組み合わせを用いることができる。   In addition, when two or more types of carbon compounds are present as carbon sources in the thermal decomposition reaction system, the decomposition temperature of each carbon compound is not limited to the type of the carbon compound, but the carbon compound in the raw material gas. Since it varies depending on the gas partial pressure or molar ratio, a relatively large number of combinations can be used as carbon compounds by adjusting the composition ratio of two or more carbon compounds in the raw material gas.

例えば、メタン、エタン、プロパン類、ブタン類、ペンタン類、へキサン類、ヘプタン類、シクロプロパン、シクロヘキサンなどといったアルカンないしシクロアルカン、特に炭素数1〜7程度のアルカン;エチレン、プロピレン、ブチレン類、ペンテン類、ヘプテン類、シクロペンテンなどといったアルケンないしシクロオレフィン、特に炭素数1〜7程度のアルケン;アセチレン、プロピン等のアルキン、特に炭素数1〜7程度のアルキン;ベンゼン、トルエン、スチレン、キシレン、ナフタレン、メチルナフタレン、インデン、フェナントレン等の芳香族ないし複素芳香族炭化水素、特に炭素数6~18程度の芳香族ないし複素芳香族炭化水素、メタノール、エタノール等のアルコール類、特に炭素数1〜7程度のアルコール類;その他、一酸化炭素、ケトン類、エーテル類等の中から選択した2種以上の炭素化合物を、所期の熱分解反応温度域において異なる分解温度を発揮できるようにガス分圧を調整し、組み合わせて用いること、および/または、所定の温度領域における滞留時間を調整することで可能であり、その混合比を最適化することで効率よく本発明に係る炭素繊維構造体を製造することができる。   For example, alkanes or cycloalkanes such as methane, ethane, propanes, butanes, pentanes, hexanes, heptanes, cyclopropane, cyclohexane, etc., particularly alkanes having about 1 to 7 carbon atoms; ethylene, propylene, butylenes, Alkenes or cycloolefins such as pentenes, heptenes, cyclopentenes, especially alkenes having about 1 to 7 carbon atoms; alkynes such as acetylene and propyne, especially alkynes having about 1 to 7 carbon atoms; benzene, toluene, styrene, xylene, naphthalene , Aromatic or heteroaromatic hydrocarbons such as methylnaphthalene, indene and phenanthrene, especially aromatic or heteroaromatic hydrocarbons having about 6 to 18 carbon atoms, alcohols such as methanol and ethanol, especially about 1 to 7 carbon atoms Alcohols; other Combine two or more carbon compounds selected from carbon monoxide, ketones, ethers, etc., by adjusting the gas partial pressure so that different decomposition temperatures can be exhibited in the desired thermal decomposition reaction temperature range. The carbon fiber structure according to the present invention can be efficiently produced by using the material and / or adjusting the residence time in a predetermined temperature range and optimizing the mixing ratio.

このような2種以上の炭素化合物の組み合わせのうち、例えば、メタンとベンゼンとの組み合わせにおいては、メタン/ベンゼンのモル比が、>1〜600、より好ましくは1.1〜200、さらに好ましくは3〜100とすることが望ましい。なお、この値は、反応炉の入り口におけるガス組成比であり、例えば、炭素源の1つとしてトルエンを使用する場合には、反応炉内でトルエンが100%分解して、メタンおよびベンゼンが1:1で生じることを考慮して、不足分のメタンを別途供給するようにすれば良い。例えば、メタン/ベンゼンのモル比を3とする場合には、トルエン1モルに対し、メタン2モルを添加すれば良い。なお、このようなトルエンに対して添加するメタンとしては、必ずしも新鮮なメタンを別途用意する方法のみならず、当該反応炉より排出される排ガス中に含まれる未反応のメタンを循環使用することにより用いることも可能である。   Among such combinations of two or more carbon compounds, for example, in the combination of methane and benzene, the molar ratio of methane / benzene is> 1 to 600, more preferably 1.1 to 200, still more preferably. It is desirable to set it as 3-100. This value is the gas composition ratio at the entrance of the reactor. For example, when toluene is used as one of the carbon sources, toluene is decomposed 100% in the reactor, and methane and benzene are 1 In consideration of the occurrence of: 1, a shortage of methane may be supplied separately. For example, when the methane / benzene molar ratio is 3, 2 moles of methane may be added to 1 mole of toluene. In addition, as methane added to such toluene, not only a method of preparing fresh methane separately, but also the unreacted methane contained in the exhaust gas discharged from the reactor is circulated and used. It is also possible to use it.

このような範囲内の組成比とすることで、炭素繊維部および粒状部のいずれもが十分に発達した構造を有する炭素繊維構造体を得ることが可能となる。   By setting the composition ratio within such a range, it is possible to obtain a carbon fiber structure having a structure in which both the carbon fiber part and the granular part are sufficiently developed.

なお、雰囲気ガスには、アルゴン、ヘリウム、キセノン等の不活性ガスや水素を用いることができる。   Note that an inert gas such as argon, helium, or xenon, or hydrogen can be used as the atmospheric gas.

また、触媒としては、鉄、コバルト、モリブデンなどの遷移金属あるいはフェロセン、酢酸金属塩などの遷移金属化合物と硫黄あるいはチオフェン、硫化鉄などの硫黄化合物の混合物を使用する。   As the catalyst, a transition metal such as iron, cobalt or molybdenum, or a mixture of a transition metal compound such as ferrocene or metal acetate and sulfur or a sulfur compound such as thiophene or iron sulfide is used.

中間体の合成は、通常行われている炭化水素等のCVD法を用い、原料となる炭化水素および触媒の混合液を蒸発させ、水素ガス等をキャリアガスとして反応炉内に導入し、800〜1300℃の温度で熱分解する。これにより、外径が15〜100nmの繊維相互が、前記触媒の粒子を核として成長した粒状体によって結合した疎な三次元構造を有する炭素繊維構造体(中間体)が複数集まった数cm〜数十cmの大きさの集合体を合成する。   The synthesis of the intermediate is carried out by using a CVD method such as hydrocarbon which is usually performed, evaporating a mixed liquid of hydrocarbon and catalyst as raw materials, introducing hydrogen gas or the like into the reaction furnace as a carrier gas, Pyrolysis at a temperature of 1300 ° C. As a result, a plurality of carbon fiber structures (intermediates) having a sparse three-dimensional structure in which fibers having an outer diameter of 15 to 100 nm are bonded together by a granular material grown using the catalyst particles as nuclei are several cm to An assembly of several tens of centimeters in size is synthesized.

原料となる炭化水素の熱分解反応は、主として触媒粒子ないしこれを核として成長した粒状体表面において生じ、分解によって生じた炭素の再結晶化が当該触媒粒子ないし粒状体より一定方向に進むことで、繊維状に成長する。しかしながら、本発明に係る炭素繊維構造体を得る上においては、このような熱分解速度と成長速度とのバランスを意図的に変化させる、例えば上記したように炭素源として分解温度の異なる少なくとも2つ以上の炭素化合物を用いることで、一次元的方向にのみ炭素物質を成長させることなく、粒状体を中心として三次元的に炭素物質を成長させる。このような三次元的な炭素繊維の成長は、熱分解速度と成長速度とのバランスにのみ依存するものではなく、触媒粒子の結晶面選択性、反応炉内における滞留時間、炉内温度分布等によっても影響を受け、また、前記熱分解反応と成長速度とのバランスは、上記したような炭素源の種類のみならず、反応温度およびガス温度等によっても影響受ける。概して、上記したような熱分解速度よりも成長速度の方が速いと、炭素物質は繊維状に成長し、一方、成長速度よりも熱分解速度の方が速いと、炭素物質は触媒粒子の周面方向に成長する。従って、熱分解速度と成長速度とのバランスを意図的に変化させ制御することにより、炭素物質の成長方向を一定方向ではなく多方向とし、本発明に係る三次元構造を形成することができる。この中間体において、繊維相互が粒状体により結合された三次元構造を容易に形成する上では、触媒等の組成、反応炉内における滞留時間、反応温度、およびガス温度等を最適化することが望ましい。   The thermal cracking reaction of the hydrocarbon as a raw material mainly occurs on the surface of the granular particles grown using the catalyst particles or the core, and the recrystallization of carbon generated by the decomposition proceeds in a certain direction from the catalytic particles or granular materials. Grows in a fibrous form. However, in obtaining the carbon fiber structure according to the present invention, the balance between the thermal decomposition rate and the growth rate is intentionally changed. For example, as described above, at least two carbon sources having different decomposition temperatures are used. By using the above carbon compound, the carbon material is grown three-dimensionally around the granular material without growing the carbon material only in a one-dimensional direction. Such three-dimensional carbon fiber growth does not depend only on the balance between the thermal decomposition rate and the growth rate, but the crystal surface selectivity of the catalyst particles, the residence time in the reactor, the temperature distribution in the furnace, etc. In addition, the balance between the thermal decomposition reaction and the growth rate is influenced not only by the type of carbon source as described above but also by the reaction temperature and gas temperature. In general, when the growth rate is faster than the pyrolysis rate as described above, the carbon material grows in a fibrous form, whereas when the pyrolysis rate is faster than the growth rate, the carbon material is surrounded by catalyst particles. Grows in the plane direction. Therefore, by intentionally changing and controlling the balance between the thermal decomposition rate and the growth rate, the growth direction of the carbon material can be set to multiple directions instead of a fixed direction, and the three-dimensional structure according to the present invention can be formed. In this intermediate, the composition of the catalyst, residence time in the reactor, reaction temperature, gas temperature, etc. can be optimized in order to easily form a three-dimensional structure in which the fibers are bonded together by granular materials. desirable.

以上のようにして得られた中間体は、炭素原子からなるパッチ状のシート片を貼り合わせたような不完全な構造を有し、欠陥が多い。この中間体は、未反応原料、非繊維状炭化物、タール分および触媒金属を含んでいる。   The intermediate obtained as described above has an incomplete structure in which patch-like sheet pieces made of carbon atoms are bonded together, and has many defects. This intermediate contains unreacted raw material, non-fibrous carbide, tar content and catalytic metal.

本発明の炭素繊維構造体の製造方法では、必要に応じて予備的アニール処理工程を付加することができる。具体的には第1工程と第2工程の間に、第1工程で得られた炭素繊維構造体の中間体を800℃〜1200℃で5〜20分間加熱する。この予備的アニール処理工程により、第1工程で得られた中間体が含んでいる未反応原料、非繊維状炭化物、タール分および触媒金属の一部または全部が除去される。   In the method for producing a carbon fiber structure of the present invention, a preliminary annealing process can be added as necessary. Specifically, the intermediate body of the carbon fiber structure obtained in the first step is heated at 800 ° C. to 1200 ° C. for 5 to 20 minutes between the first step and the second step. By this preliminary annealing treatment step, the unreacted raw material, non-fibrous carbide, tar content and part or all of the catalytic metal contained in the intermediate obtained in the first step are removed.

次いで、本発明の製造方法の第2工程においては、第1工程で得られた炭素繊維の中間体ないし炭素繊維構造体の中間体を有機金属化合物の有機溶媒溶液か、または金属塩と界面活性剤の水溶液に浸漬させた後、使用した溶媒を乾燥除去する。   Next, in the second step of the production method of the present invention, the carbon fiber intermediate or carbon fiber structure intermediate obtained in the first step is used as an organic solvent solution of an organic metal compound or a metal salt and a surface activity. After immersing in an aqueous solution of the agent, the solvent used is removed by drying.

本発明の第2工程の具体的な例を以下に記述する。   A specific example of the second step of the present invention will be described below.

第1工程で製造した炭素繊維に対して、有機金属化合物の有機溶媒溶液か、または金属塩と界面活性剤の水溶液を、スプレー等で塗布するか、またはバッチ式あるいは連続的に浸漬処理する。   An organic solvent solution of an organometallic compound or an aqueous solution of a metal salt and a surfactant is applied to the carbon fibers produced in the first step by spraying or the like, or batchwise or continuously immersed.

カーボンナノチューブは水との親和性が低いので有機金属化合物の有機溶媒溶液の方が使用し易い。有機金属化合物としては、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Ta、W、Y等の金属のアルコキシド、アセチルアセトナート、脂肪酸塩等を用いることができる。またこれらの金属と無機酸との塩と、界面活性剤を含有する水溶液等も用いることができる。これらの金属は炭素と強い結合力を持ち炭化物を形成するものである。   Since carbon nanotubes have a low affinity for water, organic solvent solutions of organometallic compounds are easier to use. As the organometallic compound, alkoxides of metal such as Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Ta, W, and Y, acetylacetonate, fatty acid salts, and the like can be used. Also, an aqueous solution containing a salt of these metals and an inorganic acid and a surfactant can be used. These metals have a strong bonding force with carbon and form carbides.

使用した溶媒を乾燥除去する方法としては、特に限定されるものではないが、例えば、自然乾燥あるいは100℃以下、より好ましくは70〜80℃程度の温度での加熱乾燥を行うことができ、例えば、8〜24時間程度、代表的には、約12時間程度加熱乾燥させる。   The method for drying and removing the solvent used is not particularly limited, and for example, natural drying or heat drying at a temperature of about 100 ° C. or lower, more preferably about 70 to 80 ° C. can be performed. For about 8 to 24 hours, typically about 12 hours.

本発明の第3工程は次のように行う。第2工程が終了した炭素繊維の中間体ないし炭素繊維構造体の中間体に、バインダーを添加し混合、混練を行う。バインダーとしては、熱硬化性樹脂、ピッチ等が使用される。熱硬化性樹脂としては、100〜200℃程度の加熱による硬化工程により架橋、重合して固化する性質を有し、加熱時には流動状態とならずに、分解して炭素化するという性質のもの、分子中の炭素の比率が高いものが好ましい。ピッチとしては、等方性ピッチ、メソフェーズピッチ等が使用できる。炭素繊維の中間体ないし炭素繊維構造体の中間体とバインダーとの混合、混練には、双腕型ニーダー、ミキサー型混練機等が使用できる。混合、混練の条件としては、炭素繊維の中間体ないし炭素繊維構造体の中間体が、実質的にその構造を破壊しない程度のせん断力および時間にて行う限り、特に限定されない。また、その条件は使用するバインダーの種類、使用する混合ないし混練装置等によっても左右されるため、一概には規定できないが、一例を挙げると、例えば、バインダーの粘度が0.3〜1000mPa・s程度において、10秒〜10分といった処理を例示できる。なお、単純に浸漬等の処理のみで、炭素繊維の中間体ないし炭素繊維構造体の中間体にバインダーを均一に混合できる場合には、特段の混練ないし撹拌等の処理は不要である。また、必要に応じて、バインダーは溶剤で希釈したり、加熱したりして、混合時の粘度を調整することが可能である。   The third step of the present invention is performed as follows. A binder is added to the carbon fiber intermediate or carbon fiber structure intermediate after the second step and mixed and kneaded. As the binder, thermosetting resin, pitch or the like is used. The thermosetting resin has a property of being crosslinked, polymerized and solidified by a curing process by heating at about 100 to 200 ° C., and having a property of being decomposed and carbonized without being in a fluid state at the time of heating, Those having a high carbon ratio in the molecule are preferred. As the pitch, an isotropic pitch, a mesophase pitch, or the like can be used. A double-arm kneader, a mixer-type kneader, or the like can be used for mixing and kneading the carbon fiber intermediate or carbon fiber structure intermediate and the binder. The mixing and kneading conditions are not particularly limited as long as the carbon fiber intermediate or carbon fiber structure intermediate is subjected to shearing force and time that do not substantially destroy the structure. In addition, the conditions depend on the type of binder used, the mixing or kneading apparatus used, and therefore cannot be defined unconditionally. For example, the viscosity of the binder is 0.3 to 1000 mPa · s. For example, a process of 10 seconds to 10 minutes can be exemplified. When the binder can be uniformly mixed with the carbon fiber intermediate or the carbon fiber structure intermediate simply by treatment such as immersion, special treatment such as kneading or stirring is unnecessary. If necessary, the binder can be diluted with a solvent or heated to adjust the viscosity during mixing.

本発明において用いることのできる熱硬化性樹脂としては、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、キシレン樹脂、アニリン樹脂、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ジアリルフタレート樹脂、ジアリルフタレート樹脂、フラン樹脂、ポリベンゾオキサゾール樹脂等が挙げられる。   Examples of thermosetting resins that can be used in the present invention include phenolic resins, urea resins, melamine resins, xylene resins, aniline resins, epoxy resins, polyamide resins, polyimide resins, diallyl phthalate resins, diallyl phthalate resins, furan resins, poly resins. Examples thereof include benzoxazole resins.

なお、本発明の第3工程は、次のように順序を入れ替えて実施することもできる。すなわち、第1工程で得られた炭素繊維の中間体ないし炭素繊維構造体の中間体に対して、前記した第2工程が終了した炭素繊維の中間体ないし炭素繊維構造体の中間体に対して行ったと同様の第3工程の操作を行うものである。このことによって、第2工程と第3工程の順序が入れ替わるが、本発明の実施の可能性に対して影響を与えることはない。また、もうひとつの方法として、第3工程を第2工程と同時に実施することもできる。すなわち、第1工程で得られた炭素繊維の中間体ないし炭素繊維構造体の中間体に対して、金属を付着させる第2工程とバインダーを付着させる第3工程を同時に実施するものである。   In addition, the 3rd process of this invention can also be implemented by changing order as follows. That is, with respect to the carbon fiber intermediate or carbon fiber structure intermediate obtained in the first step, the carbon fiber intermediate or carbon fiber structure intermediate after the second step is completed. The same operation as the third step is performed. This changes the order of the second step and the third step, but does not affect the possibility of implementing the present invention. Alternatively, the third step can be performed simultaneously with the second step. That is, the second step of attaching a metal and the third step of attaching a binder to the carbon fiber intermediate or carbon fiber structure intermediate obtained in the first step are simultaneously performed.

本発明において好ましいバインダーとして熱硬化性樹脂を使用する理由は、例えば、フェノール樹脂のような場合、第2工程で炭素繊維の中間体ないし炭素繊維構造体の中間体の表面に付着した有機金属化合物あるいは金属イオンがフェノール樹脂に包まれる結果、当該金属成分が炭素化合物(例えば、フェノール樹脂)に対する黒鉛化触媒として作用するからである。このため第4工程の熱処理によって、炭素繊維ないし炭素繊維構造体の表面に、突起状部を形成する1層または複数層からなるグラフェンレイヤーが形成されるのである。1層または複数層からなるグラフェンレイヤーの一部分と炭素繊維ないし炭素繊維構造体は、その結晶構造を一体化しており、強固な構造となっている。そしてこのグラフェンレイヤーが形成される段階において、第2工程で炭素繊維の中間体ないし炭素繊維構造体の中間体の表面に付着した有機金属化合物が金属および/または金属炭化物の微粒子となって、グラフェンレイヤーと炭素繊維ないし炭素繊維構造体の表面に挟まれた部位に内包され、グラフェンレイヤーに突起状部を形成させることになる。また当該突起状部におけるグラフェンレイヤーと炭素繊維に挟まれた部位においては、金属微粒子もしくは金属炭化物微粒子が、第4工程のアニール処理の最終、部分的または全体的に散逸する場合もある。散逸した場合には、グラフェンレイヤーと炭素繊維に挟まれた部位が部分的にまたは全体的に中空になる。   The reason why a thermosetting resin is used as a preferable binder in the present invention is, for example, in the case of a phenol resin, an organometallic compound attached to the surface of a carbon fiber intermediate or a carbon fiber structure intermediate in the second step. Alternatively, as a result of the metal ions being encapsulated in the phenol resin, the metal component acts as a graphitization catalyst for the carbon compound (for example, phenol resin). For this reason, the graphene layer which consists of one layer or several layers which forms a projection-shaped part is formed in the surface of carbon fiber or a carbon fiber structure by the heat treatment of the 4th process. A part of the graphene layer composed of one layer or a plurality of layers and the carbon fiber or the carbon fiber structure are integrated with each other and have a strong structure. In the step of forming the graphene layer, the organometallic compound attached to the surface of the carbon fiber intermediate or the carbon fiber structure intermediate in the second step becomes fine particles of metal and / or metal carbide to form graphene. It is included in a portion sandwiched between the layer and the surface of the carbon fiber or the carbon fiber structure, and a protrusion is formed on the graphene layer. In addition, in the portion sandwiched between the graphene layer and the carbon fiber in the protruding portion, the metal fine particles or the metal carbide fine particles may be dissipated in the final, partial or whole of the annealing process in the fourth step. When dissipated, the part sandwiched between the graphene layer and the carbon fiber becomes partially or entirely hollow.

その後、第4工程として、第2工程および第3工程の終了した炭素繊維の中間体ないし炭素繊維構造体の中間体に対し熱処理を行う。第4工程の中心は、アニール処理である。第4工程としては、炭素繊維の中間体ないし炭素繊維構造体の中間体のグラフェン構造を十分に発達させ、かつ前記したように炭素繊維表面に突起状部を形成するグラフェンシートを形成できるものであれば特に限定されず、例えば、800℃〜3000℃において熱処理を施すことによって行うことができる。   Thereafter, as a fourth step, heat treatment is performed on the carbon fiber intermediate or the carbon fiber structure intermediate after the second and third steps. The center of the fourth step is an annealing process. As the fourth step, a carbon fiber intermediate or a carbon fiber structure intermediate graphene structure can be sufficiently developed, and a graphene sheet can be formed that forms protrusions on the carbon fiber surface as described above. If it is, it will not specifically limit, For example, it can carry out by performing heat processing in 800 to 3000 degreeC.

好ましい熱処理の一例としては、まず、第2工程および第3工程の終了し、乾燥した炭素繊維の中間体ないし炭素繊維構造体の中間体を、800℃〜1500℃、より好ましくは900〜1000℃で加熱し、さらに1500℃〜3000℃で、より好ましくは1800〜2600℃でアニール処理することを挙げることができる。   As an example of a preferable heat treatment, first, after the completion of the second step and the third step, a dried carbon fiber intermediate or carbon fiber structure intermediate is heated to 800 ° C. to 1500 ° C., more preferably 900 to 1000 ° C. And annealing at 1500 ° C. to 3000 ° C., more preferably 1800 to 2600 ° C.

このように、アニール処理を1800℃〜3000℃の範囲の温度で行うと、得られる炭素繊維複合体の結晶性が高くなり、電気伝導性、熱伝導性、機械的強度等において十分な性能が発揮され、また、高温処理コストの面でも好ましい。   As described above, when the annealing treatment is performed at a temperature in the range of 1800 ° C. to 3000 ° C., the resulting carbon fiber composite has high crystallinity and has sufficient performance in electrical conductivity, thermal conductivity, mechanical strength, and the like. This is also preferable in terms of high-temperature processing costs.

それぞれの温度域における処理時間としては、特に限定されるものではないが、800℃〜1500℃で5〜20分間程度、次に1500℃〜3000℃で5〜20分間程度とすることができる。   Although it does not specifically limit as processing time in each temperature range, About 800 to 1500 degreeC can be 5 to 20 minutes, Next, 1500 to 3000 degreeC can be set to about 5 to 20 minutes.

なお、この際、物質構造を保護するために不活性ガス雰囲気中に還元ガスや微量の一酸化炭素ガスを添加してもよい。   At this time, a reducing gas or a small amount of carbon monoxide gas may be added to the inert gas atmosphere in order to protect the material structure.

なお、第4工程において1800℃〜3000℃でアニール処理すると得られる炭素繊維複合体は、高温に対する耐久性が高くなる。またアニール処理されたことにより、炭素繊維複合体の欠陥が少ないので、空気中においても燃焼開始温度が700℃以上と、熱的安定性が高いものとなる。   Note that the carbon fiber composite obtained by annealing at 1800 ° C. to 3000 ° C. in the fourth step has high durability against high temperatures. Moreover, since the carbon fiber composite has few defects due to the annealing treatment, the thermal start temperature is 700 ° C. or higher even in the air, and the thermal stability is high.

さらに、2400℃以上でアニール処理すると、積層したグラフェンシートの面間隔が狭まり真密度が1.89g/cmから2.1g/cmに増加するとともに、炭素繊維の軸直交断面が多角形状となり、この構造の炭素繊維は、積層方向および炭素繊維を構成する筒状のグラフェンシートの面方向の両方において緻密で欠陥の少ないものとなるため、曲げ剛性(EI)が向上する。 Furthermore, when annealed at 2400 ° C. or higher, with a true density narrowed spacing of graphene sheets stacked is increased from 1.89 g / cm 3 to 2.1 g / cm 3, perpendicular to the axis the cross-section of the carbon fiber becomes a polygonal shape The carbon fiber having this structure is dense and has few defects both in the laminating direction and in the plane direction of the cylindrical graphene sheet constituting the carbon fiber, so that the bending rigidity (EI) is improved.

本発明の炭素繊維複合体として、上記したようにホウ素化合物を含有した炭素繊維複合体を得ようとする実施形態においては、このホウ素化合物を含有させるための工程として、例えば、上記したような第1〜第4工程を有する製造プロセスに次のような工程を付加することにより行うことができる。   In the embodiment for obtaining the carbon fiber composite containing the boron compound as described above as the carbon fiber composite of the present invention, as a step for containing this boron compound, for example, as described above, It can be performed by adding the following steps to the manufacturing process having the first to fourth steps.

すなわち、前記した第2工程の際に、有機金属化合物の有機溶媒溶液または金属塩と界面活性剤の水溶液に対して、ホウ素化合物の有機溶媒溶液もしくは水溶液を混合する。   That is, in the second step described above, an organic solvent solution or an aqueous solution of a boron compound is mixed with an organic solvent solution or metal salt of an organic metal compound and an aqueous solution of a surfactant.

ここで使用するホウ素化合物としては、第4工程で採用する温度である1800℃に到達する前に、分解等で蒸発しない物性を有しているところの、単体ホウ素、B、HBO、BC、BN等が挙げられる。ホウ素化合物の含有量は、炭素繊維複合体に対してホウ素換算で0.001〜30質量%、好ましくは0.01〜3.0質量%である。炭素繊維複合体中にホウ素化合物の存在する部位は、炭素繊維複合体を構成する炭素原子の一部がホウ素に置換されている状態、炭素繊維複合体の表面にホウ素が付着した状態、炭素繊維複合体の表面近傍部に内包されている金属微粒子の中に取り込まれた状態(すなわち金属ホウ化物として内包される)がある。この時にホウ素化合物は種々の化合物種を採り得る。上述したように、炭素繊維複合体中にホウ素化合物が存在することによって、構造に多少の欠陥を含んでいる場合であっても、高い導電性を得ることができる。 As the boron compound used here, simple boron, B 2 O 3 , H 3 having physical properties that do not evaporate by decomposition or the like before reaching 1800 ° C. which is the temperature employed in the fourth step. BO 4 , B 4 C, BN and the like can be mentioned. Content of a boron compound is 0.001-30 mass% in conversion of boron with respect to a carbon fiber composite body, Preferably it is 0.01-3.0 mass%. The part where the boron compound is present in the carbon fiber composite is in a state where a part of carbon atoms constituting the carbon fiber composite is replaced with boron, in a state where boron is attached to the surface of the carbon fiber composite, carbon fiber There is a state of being taken into metal fine particles encapsulated in the vicinity of the surface of the composite (that is, encapsulated as a metal boride). At this time, the boron compound can adopt various compound species. As described above, the presence of the boron compound in the carbon fiber composite makes it possible to obtain high conductivity even when the structure includes some defects.

(炭素繊維複合体の予備成形体)
次に本発明に係る炭素繊維複合体の予備成形体につき説明する。
本発明の炭素繊維複合体の予備成形体は、上記したように、炭素繊維、好ましくは、上述したような特定の三次元ネットワーク構造を有する炭素繊維構造体が、その製造工程途中で熱間プレスを経て予備成形され、かつ、アニール処理によりその表面を、当該炭素繊維の略半径方向に突出する突起状部を形成する一層または多層のグラフェンレイヤーで被覆され、上記突起状部においてこの一層または多層のグラフェンレイヤーと基幹となる炭素繊維の表面とに挟まれた部位は、金属微粒子もしくは金属炭化物微粒子を内包する、または中空である構造を有することを特徴とするものである。
(Carbon fiber composite preform)
Next, the carbon fiber composite preform according to the present invention will be described.
As described above, the preform of the carbon fiber composite of the present invention is a carbon fiber, preferably a carbon fiber structure having a specific three-dimensional network structure as described above is hot-pressed during the manufacturing process. And the surface of the carbon fiber is coated with a single-layer or multi-layer graphene layer that forms a protrusion protruding substantially in the radial direction of the carbon fiber, and the single-layer or multi-layer is formed on the protrusion. The portion sandwiched between the graphene layer and the surface of the carbon fiber serving as the backbone has a structure in which metal fine particles or metal carbide fine particles are included or is hollow.

このような本発明に係る炭素繊維複合体の予備成形体の形状、大きさは、この予備成形体を使用して最終的に形成される複合材の形状、大きさに基づいて決められる。こうして得られる炭素繊維複合体の予備成形体は、前記したような本発明に係る炭素繊維複合体の有する特性を有しつつ、ハンドリング性が向上し、かつさらに先の段階で複合材の成形体を作製する際に使用するマトリックスとの接触性が良好になる。その結果最終的に作製された複合材の成形加工を容易とすると共に、得られる成形体を強固なものにすることができる。   The shape and size of the preform of the carbon fiber composite according to the present invention are determined based on the shape and size of the composite material finally formed using the preform. The preform of the carbon fiber composite thus obtained has the characteristics of the carbon fiber composite according to the present invention as described above, has improved handling properties, and is a composite molded body at a further stage. The contact property with the matrix used when producing the is improved. As a result, it is possible to facilitate the molding process of the finally produced composite material and to make the obtained molded body strong.

(炭素繊維複合体の予備成形体の製造方法)
上記したような炭素繊維複合体の予備成形体は、前記した「炭素繊維複合体の製造方法」に関して説明したような第1〜第3工程を経て、炭素繊維の中間体ないし炭素繊維構造体の中間体の表面に、金属およびバインダーを付着させた状態で、炭素繊維の中間体ないし炭素繊維構造体の中間体を、100℃〜200℃で熱間プレスし、次に前記したと同様の第4工程の熱処理に付すことにより、調製することができる。すなわち、図1に示すフローチャートの1段目の第1工程である「炭素繊維構造体生成」、2段目の第2工程である「金属溶媒液に浸漬後乾燥」、3段目の第3工程である「熱硬化樹脂等の有機溶媒に浸漬後乾燥」の後、フローチャートの3段目以降は、右側に示す流れで、「熱間プレスで成形」を行った後、第4工程の熱処理としての「アニール処理」を行うのが基本的な手順である。
(Method for producing preform of carbon fiber composite)
The preform of the carbon fiber composite as described above is a carbon fiber intermediate or carbon fiber structure that has undergone the first to third steps as described with respect to the above-described “method for producing a carbon fiber composite”. A carbon fiber intermediate or a carbon fiber structure intermediate is hot-pressed at 100 ° C. to 200 ° C. with a metal and binder attached to the surface of the intermediate, and then the same as described above. It can be prepared by subjecting it to a four-step heat treatment. That is, “carbon fiber structure generation” that is the first step in the first step of the flowchart shown in FIG. 1, “drying after immersion in a metal solvent solution” that is the second step in the second step, and third step in the third step. After the process “Drying in an organic solvent such as thermosetting resin and drying”, the third and subsequent steps in the flowchart are the flow shown on the right side, followed by “Hot pressing” and then the fourth heat treatment. The basic procedure is to perform “annealing”.

第1〜第3工程については、前述したものと同様であり、説明が重複するために省略するが、この場合も当然に、前記したような予備的アニール処理、ホウ素化合物を含有させるための工程といった付加工程を追加したり、あるいは前記したような様々な変更形態を採択することはもちろん可能である。   The first to third steps are the same as those described above, and are omitted for the sake of duplication. In this case, naturally, the preliminary annealing treatment as described above, the step for containing a boron compound is included. Of course, it is possible to add such additional steps or to adopt various modifications as described above.

熱間プレスによる成形には、金型を使用して上下からプレスする方法、ゴム型を使用して静水圧にて等方的にプレスする方法等が好ましい。プレス時における成形圧力は、1×10〜2×10Pである。 For forming by hot pressing, a method of pressing from above and below using a mold, a method of pressing isotropically with hydrostatic pressure using a rubber die, and the like are preferable. Molding pressure at the time of pressing are 1 × 10 5 ~2 × 10 8 P.

バインダーとして熱硬化性樹脂を使用した場合、プレス時には熱硬化性樹脂の硬化温度、例えば100〜200℃に加熱して、成形と同時に熱硬化性樹脂を硬化させることができる。   When a thermosetting resin is used as a binder, the thermosetting resin can be cured simultaneously with molding by heating to a curing temperature of the thermosetting resin, for example, 100 to 200 ° C. during pressing.

熱間プレスによる成形後、第4工程による熱処理を行う。第4工程についても前述したものと同様であり、説明が重複するために省略する。これら一連の工程により、炭素繊維複合体の予備成形体を製造することができる。   After forming by hot pressing, heat treatment by the fourth step is performed. The fourth step is also the same as described above, and will not be described because the description is duplicated. Through these series of steps, a preform of the carbon fiber composite can be manufactured.

なお、炭素繊維複合体の予備成形体の形状、大きさは、この予備成形体を使用して最終的に形成される複合材の形状、大きさに基づいて決められる。こうして得られる炭素繊維複合体の予備成形体は、内部に空隙部を有しているが、さらに先の段階でこの空隙部にマトリックス材料を含浸させて、複合材の成形体が作製される。含浸の際には、炭素繊維複合体の予備成形体とマトリックスとの接触が良好になり、炭素繊維複合体とマトリックスとの接着がアンカー効果により強固なものになる。その結果最終的に作製された複合材の成形体をより強固なものにすることができる。   The shape and size of the carbon fiber composite preform are determined based on the shape and size of the composite material that is finally formed using the preform. The carbon fiber composite preform thus obtained has voids inside, and in the further stage, the voids are impregnated with a matrix material to produce a composite molded body. At the time of impregnation, the contact between the preform of the carbon fiber composite and the matrix becomes good, and the adhesion between the carbon fiber composite and the matrix becomes stronger due to the anchor effect. As a result, the composite material finally produced can be made stronger.

(炭素繊維複合体および炭素繊維複合体の予備成形体の用途)
上述したような本発明に係る炭素繊維複合体および炭素繊維複合体の予備成形体、あるいは上述したような本発明に係る炭素繊維複合体の製造方法および炭素繊維複合体の予備成形体の製造方法により得られた炭素繊維複合体および炭素繊維複合体の予備成形体は、前記したように、力学特性、導電性、熱伝導性、マトリックスに対する分散性が良好かつ安定であるなどの特性があり、これらを活かして樹脂、セラミックス、金属等の固体材料に対する複合材料用フィラーとして広い範囲に好適に利用できる。
(Use of carbon fiber composites and carbon fiber composite preforms)
Carbon fiber composite and carbon fiber composite preform according to the present invention as described above, or carbon fiber composite manufacturing method and carbon fiber composite preform according to the present invention as described above As described above, the carbon fiber composite obtained by the above and the carbon fiber composite preform have properties such as mechanical properties, electrical conductivity, thermal conductivity, good dispersibility in the matrix, and the like, Utilizing these, it can be suitably used in a wide range as a filler for composite materials for solid materials such as resins, ceramics and metals.

次に、本発明の係る炭素繊維複合体および炭素繊維複合体の予備成形体を用いた複合材料において、前述のごとき炭素繊維複合体を分散させるマトリックスとしては、有機ポリマー、無機材料、金属等が好ましく使用することができる。   Next, in the composite material using the carbon fiber composite and the carbon fiber composite preform according to the present invention, the matrix for dispersing the carbon fiber composite as described above includes organic polymers, inorganic materials, metals, and the like. It can be preferably used.

有機ポリマーとして、例えばポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリアセタール、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリビニルアセテート、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリビニルアルコール、ポリフェニレンエーテル、ポリ(メタ)アクリレート及び液晶ポリマー等の各種熱可塑性樹脂、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フラン樹脂、イミド樹脂、ウレタン樹脂、メラミン樹脂、シリコーン樹脂およびユリア樹脂等の各種熱硬化性樹脂、天然ゴム、スチレン・ブタジエンゴム(SBR)、ブタジエンゴム(BR)、イソプレンゴム(IR)、エチレン・プロピレンゴム(EPDM)、ニトリルゴム(NBR)、クロロプレンゴム(CR)、ブチルゴム(IIR)、ウレタンゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム、アクリルゴム(ACM)、エピクロロヒドリンゴム、エチレンアクリルゴム、ノルボルネンゴム及び熱可塑性エラストマー等の各種エラストマーが挙げられる。   Examples of organic polymers include polypropylene, polyethylene, polystyrene, polyvinyl chloride, polyacetal, polyethylene terephthalate, polycarbonate, polyvinyl acetate, polyamide, polyamideimide, polyetherimide, polyetheretherketone, polyvinyl alcohol, polyphenylene ether, and poly (meth) acrylate. And various thermoplastic resins such as liquid crystal polymers, epoxy resins, vinyl ester resins, phenol resins, unsaturated polyester resins, furan resins, imide resins, urethane resins, melamine resins, silicone resins and urea resins, Natural rubber, styrene / butadiene rubber (SBR), butadiene rubber (BR), isoprene rubber (IR), ethylene / propylene rubber (EPDM), Various elastomers such as tolyl rubber (NBR), chloroprene rubber (CR), butyl rubber (IIR), urethane rubber, silicone rubber, fluorine rubber, acrylic rubber (ACM), epichlorohydrin rubber, ethylene acrylic rubber, norbornene rubber and thermoplastic elastomer Is mentioned.

また、有機ポリマーは、接着剤、繊維、塗料、インキ等の各種組成物の形態であってもよい。   The organic polymer may be in the form of various compositions such as adhesives, fibers, paints, and inks.

すなわち、マトリックスが、例えば、エポキシ系接着剤、アクリル系接着剤、ウレタン系接着剤、フェノール系接着剤、ポリエステル系接着剤、塩化ビニル系接着剤、ユリア系接着剤、メラミン系接着剤、オレフィン系接着剤、酢酸ビニル系接着剤、ホットメルト系接着剤、シアノアクリレート系接着剤、ゴム系接着剤及びセルロース系接着剤等の接着剤、アクリル繊維、アセテート繊維、アラミド繊維、ナイロン繊維、ノボロイド繊維、セルロース繊維、ビスコースレーヨン繊維、ビニリデン繊維、ビニロン繊維、フッ素繊維、ポリアセタール繊維、ポリウレタン繊維、ポリエステル繊維、ポリエチレン繊維、ポリ塩化ビニル繊維及びポリプロピレン繊維等の繊維、さらにフェノール樹脂系塗料、アルキド樹脂系塗料エポキシ樹脂系塗料、アクリル樹脂系塗料、不飽和ポリエステル系塗料、ポリウレタン系塗料、シリコーン系塗料、フッ素樹脂系塗料、合成樹脂エマルジョン系塗料等の塗料であってよい。   That is, the matrix is, for example, epoxy adhesive, acrylic adhesive, urethane adhesive, phenol adhesive, polyester adhesive, vinyl chloride adhesive, urea adhesive, melamine adhesive, olefin adhesive Adhesives, vinyl acetate adhesives, hot melt adhesives, cyanoacrylate adhesives, rubber adhesives and cellulose adhesives, acrylic fibers, acetate fibers, aramid fibers, nylon fibers, novoloid fibers, Cellulose fiber, viscose rayon fiber, vinylidene fiber, vinylon fiber, fluorine fiber, polyacetal fiber, polyurethane fiber, polyester fiber, polyethylene fiber, polyvinyl chloride fiber, polypropylene fiber and other fibers, phenol resin paint, alkyd resin paint Epoxy resin paint, Acrylic resin paint, unsaturated polyester paint, polyurethane paint, silicone paint, fluorine resin paint may be a paint such as a synthetic resin emulsion based paint.

無機材料としては、例えば、セラミックス材料、無機酸化物ポリマー、カーボン系材料などが挙げられる。具体的には、例えば、カーボンカーボンコンポジットなどの炭素材料、ガラス、ガラス繊維、板ガラス及び他の成形ガラス、ケイ酸塩セラミックス並びに他の耐火性セラミックス、例えば酸化アルミニウム、炭化ケイ素、酸化マグネシウム、窒化ケイ素及び窒化ホウ素が挙げられる。   Examples of the inorganic material include a ceramic material, an inorganic oxide polymer, and a carbon-based material. Specifically, for example, carbon materials such as carbon carbon composite, glass, glass fiber, sheet glass and other molded glass, silicate ceramics and other refractory ceramics such as aluminum oxide, silicon carbide, magnesium oxide, silicon nitride And boron nitride.

また、マトリックスが金属である場合、例えば、アルミニウム、マグネシウム、チタン、亜鉛、クロム、銅、銀、鉛、銅等の金属、またはこれらの金属の2種以上の合金及び混合物が挙げられる。   When the matrix is a metal, for example, a metal such as aluminum, magnesium, titanium, zinc, chromium, copper, silver, lead, copper, or an alloy or a mixture of two or more of these metals can be used.

さらに複合材料には、上述した炭素繊維複合体に加えて他の充填剤を含んでいてもよく、そのような充填剤としては例えば、金属微粒子、シリカ、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、カーボンブラック、ガラス繊維、炭素繊維などが挙げられ、これらを一種または二種以上組み合わせて用いることができる。   Further, the composite material may contain other fillers in addition to the carbon fiber composite described above. Examples of such fillers include metal fine particles, silica, calcium carbonate, magnesium carbonate, carbon black, glass, and the like. A fiber, carbon fiber, etc. are mentioned, These can be used 1 type or in combination of 2 or more types.

なお、複合材料は、前記のようなマトリックスに本発明に係る炭素繊維複合体ないし炭素繊維複合体の予備成形体を有効量含む。その量は、複合材料の用途やマトリックスによって異なるが、例えば、0.1%〜98%程度とすることができる。0.1%未満では、構造材としての強度の補強効果が小さかったり、電気導電性も十分でない。98%より多くなると、マトリックス材料の特性を十分発揮できなくなる。本発明の炭素繊維複合体ないし炭素繊維複合体の予備成形体を用いた複合材料においては、マトリックス中に、微細な炭素繊維を均一な広がりをもって配置することができ、またその表面に金属および/または金属炭化物の微粒子を有することから、電気伝導性、熱伝導性、電波遮蔽性等に優れた機能材料、強度の高い構造材料等として有用な複合材料となるものである。   The composite material includes an effective amount of the carbon fiber composite or the carbon fiber composite preform according to the present invention in the matrix as described above. The amount varies depending on the use of the composite material and the matrix, but can be, for example, about 0.1% to 98%. If it is less than 0.1%, the reinforcing effect of strength as a structural material is small, and the electrical conductivity is not sufficient. If it exceeds 98%, the characteristics of the matrix material cannot be exhibited sufficiently. In the composite material using the carbon fiber composite or the carbon fiber composite preform of the present invention, fine carbon fibers can be uniformly spread in the matrix, and metal and / or the surface thereof can be arranged. Alternatively, since it has fine particles of metal carbide, it is a composite material useful as a functional material excellent in electrical conductivity, thermal conductivity, radio wave shielding properties, etc., a structural material having high strength, and the like.

以下、本発明を実施例に基づき、更に具体的に説明する。なお、以下において、各物性値は次のようにして測定した。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically based on examples. In the following, each physical property value was measured as follows.

<面積基準の円相当平均径>
まず、炭素繊維構造体の写真をSEMで撮影する。得られたSEM写真において、炭素繊維構造体の輪郭が明瞭なもののみを対象とし、炭素繊維構造体が崩れているようなものは輪郭が不明瞭であるために対象としなかった。1視野で対象とできる炭素繊維構造体(60〜80個程度)はすべて用い、3視野で約200個の炭素繊維構造体を対象とした。対象とされた各炭素繊維構造体の輪郭を、画像解析ソフトウェア WinRoof(商品名、三谷商事株式会社製)を用いてなぞり、輪郭内の面積を求め、各繊維構造体の円相当径を計算し、これを平均化した。
<Area-based circle equivalent average diameter>
First, a photograph of the carbon fiber structure is taken with an SEM. In the obtained SEM photograph, only the carbon fiber structure with a clear outline was targeted, and the carbon fiber structure with a broken outline was not targeted because the outline was unclear. All carbon fiber structures (about 60 to 80) that can be targeted in one field of view were used, and about 200 carbon fiber structures were targeted in three fields of view. Trace the contour of each carbon fiber structure targeted using image analysis software WinRoof (trade name, manufactured by Mitani Corp.), obtain the area within the contour, and calculate the equivalent circle diameter of each fiber structure This was averaged.

<嵩密度の測定>
内径70mmで分散板付透明円筒に1g粉体を充填し、圧力0.1Mpa、容量1.3リットルの空気を分散板下部から送り粉体を吹出し、自然沈降させる。5回吹出した時点で沈降後の粉体層の高さを測定する。このとき測定箇所は6箇所とることとし、6箇所の平均を求めた後、嵩密度を算出した。
<Measurement of bulk density>
A transparent cylinder with an inner diameter of 70 mm is filled with 1 g of powder, and air with a pressure of 0.1 Mpa and a capacity of 1.3 liters is sent from the lower part of the dispersion plate to blow out the powder and let it settle naturally. At the time of blowing out 5 times, the height of the powder layer after settling is measured. At this time, the number of measurement points was six, and after calculating the average of the six points, the bulk density was calculated.

<ラマン分光分析>
堀場ジョバンイボン製Jobin Yvon LabRam HR−800−Horibaを用い、アルゴンレーザーの514nmの波長を用いて測定した。
<Raman spectroscopy>
Using a Yin Lab LabRam HR-800-Horiba manufactured by Horiba Jobin Yvon, measurement was performed using a wavelength of 514 nm of an argon laser.

<TG燃焼温度>
マックサイエンス製TG−DTAを用い、空気を0.1リットル/分の流速で流通させながら、10℃/分の速度で昇温し、燃焼挙動を測定した。燃焼時にTGは減量を示し、DTAは発熱ピークを示すので、発熱ピークのトップ位置を燃焼開始温度と定義した。
<TG combustion temperature>
Using TG-DTA manufactured by Mac Science, the temperature was increased at a rate of 10 ° C./min while circulating air at a flow rate of 0.1 liter / min, and the combustion behavior was measured. During combustion, TG indicates a decrease in weight, and DTA indicates an exothermic peak. Therefore, the top position of the exothermic peak was defined as the combustion start temperature.

<X線回折>
粉末X線回折装置(JEOL−JDX−3532、日本電子製)を用いて、アニール処理後の炭素繊維複合体ないし炭素繊維構造体を調べた。Cu管球で40kV、30mAで発生させたKα線を用いることとし、面間隔の測定は学振法(最新の炭素材料実験技術(分析・解析編)、炭素材料学会編)に従い、シリコン粉末を内部標準として用いた。
<X-ray diffraction>
Using a powder X-ray diffractometer (JEOL-JDX-3532, manufactured by JEOL Ltd.), the carbon fiber composite or carbon fiber structure after the annealing treatment was examined. The Kα ray generated at 40 kV and 30 mA in a Cu tube is used, and the surface spacing is measured according to the Gakushin method (the latest carbon material experiment technology (analysis and analysis), edited by the Carbon Materials Society of Japan). Used as internal standard.

<粒状部の平均粒径、円形度、微細炭素繊維との比>
面積基準の円相当平均径の測定と同様に、まず、炭素繊維構造体の写真をSEMで撮影する。得られたSEM写真において、炭素繊維構造体の輪郭が明瞭なもののみを対象とし、炭素繊維構造体が崩れているようなものは輪郭が不明瞭であるために対象としなかった。1視野で対象とできる炭素繊維構造体(60〜80個程度)はすべて用い、3視野で約200個の炭素繊維構造体を対象とした。
<Average particle size of granular part, circularity, ratio with fine carbon fiber>
Similar to the measurement of the area-based circle-equivalent mean diameter, first, a photograph of the carbon fiber structure is taken with an SEM. In the obtained SEM photograph, only the carbon fiber structure with a clear outline was targeted, and the carbon fiber structure with a broken outline was not targeted because the outline was unclear. All carbon fiber structures (about 60 to 80) that can be targeted in one field of view were used, and about 200 carbon fiber structures were targeted in three fields of view.

対象とされた各炭素繊維構造体において、炭素繊維相互の結合点である粒状部を1つの粒子とみなして、その輪郭を、画像解析ソフトウェア WinRoof(商品名、三谷商事株式会社製)を用いてなぞり、輪郭内の面積を求め、各粒状部の円相当径を計算し、これを平均化して粒状部の平均粒径とした。また、円形度(R)は、前記画像解析ソフトウェアを用いて測定した輪郭内の面積(A)と、各粒状部の実測の輪郭長さ(L)より、次式により各粒状部の円形度を求めこれを平均化した。   In each of the targeted carbon fiber structures, a granular portion that is a bonding point between carbon fibers is regarded as one particle, and its outline is defined by using image analysis software WinRoof (trade name, manufactured by Mitani Corporation). By tracing, the area in the contour was obtained, the equivalent circle diameter of each granular part was calculated, and this was averaged to obtain the average particle diameter of the granular part. Further, the circularity (R) is calculated based on the following equation from the area (A) in the contour measured using the image analysis software and the measured contour length (L) of each granular portion. Was averaged.

[化1]
R=A*4π/L2
さらに、対象とされた各炭素繊維構造体における微細炭素繊維の外径を求め、これと前記各炭素繊維構造体の粒状部の円相当径から、各炭素繊維構造体における粒状部の大きさを微細炭素繊維との比として求め、これを平均化した。
[Chemical 1]
R = A * 4π / L 2
Furthermore, the outer diameter of fine carbon fibers in each targeted carbon fiber structure is obtained, and the size of the granular portion in each carbon fiber structure is determined from this and the equivalent circle diameter of the granular portion in each carbon fiber structure. It calculated | required as a ratio with a fine carbon fiber, and averaged this.

<突起状部の大きさ>
TEMにて炭素繊維複合体を観察し、炭素繊維複合体表面の突起状部の大きさは炭素繊維の軸方向における長さで表わした。数視野で15個の突起状微粒子の大きさを平均して平均大きさとした。
<Projection size>
The carbon fiber composite was observed by TEM, and the size of the protrusion on the surface of the carbon fiber composite was represented by the length of the carbon fiber in the axial direction. The average size was obtained by averaging the sizes of the 15 protruding fine particles in several fields of view.

<突起状部の高さ>
TEMにて炭素繊維複合体を観察し、炭素繊維複合体表面の突起状部の炭素繊維の高さは略半径方向に突起状部の最外側グラフェンレイヤーから炭素繊維の最表面までの最大距離で表した。数視野で15個の突起状部の高さを平均して平均高さとした。
<Height of the protruding part>
Observe the carbon fiber composite with TEM, and the height of the carbon fiber at the protrusion on the carbon fiber composite surface is approximately the maximum distance from the outermost graphene layer of the protrusion to the outermost surface of the carbon fiber in the radial direction. expressed. The average height was obtained by averaging the heights of 15 protrusions in several fields of view.

<炭素繊維複合体における金属微粒子の含有量>
蛍光X線測定装置(RigakuZSXmini、理学電機工業株式会社製)を使用して金属元素の分析を行った。なお、確認のために、別途、X線回折測定装置JEOL−JDX−3532(日本電子株式会社製)を使用して、金属炭化物を検出した。
<Content of metal fine particles in carbon fiber composite>
Metal elements were analyzed using a fluorescent X-ray measurement apparatus (Rigaku ZSXmini, manufactured by Rigaku Corporation). For confirmation, a metal carbide was separately detected using an X-ray diffractometer JEOL-JDX-3532 (manufactured by JEOL Ltd.).

<突起状部による炭素繊維構造体の表面被覆率>
TEMにて炭素繊維複合体を観察し、炭素繊維複合体表面の代表的な部分の500nm長さで観察される当該炭素繊維の略半径方向に突出する突起状部の数を数え、個々の突起状部のサイズを画像解析ソフトで求め、円相当面積(SPA)に換算する。炭素繊維複合体の直径も測定し、円筒と仮定した側面の表面積(S)を計算する。得られたこれらの値から、以下の式により表面被覆率を求めた。
<Surface coverage of carbon fiber structure by protrusions>
The carbon fiber composite was observed with a TEM, and the number of protrusions protruding in the substantially radial direction of the carbon fiber observed at a length of 500 nm of a representative portion of the carbon fiber composite surface was counted. The size of the shape portion is obtained by image analysis software and converted into a circle equivalent area (S PA ). Also measured the diameter of the carbon fiber composite, to calculate the surface area of the assumed side a cylindrical (S C). From these values obtained, the surface coverage was determined by the following formula.

[化2]
表面被覆率=ΣSPA/S×100(%)
[Chemical 2]
Surface coverage = ΣS PA / S c × 100 (%)

<炭素繊維複合体の突起状部破壊試験>
蓋付バイアル瓶中に入れられたトルエン100mlに、10〜100μg/mlの割合で炭素繊維複合体を添加し、炭素繊維複合体の分散液試料を調製した。
<Protruding part fracture test of carbon fiber composite>
A carbon fiber composite was added to 100 ml of toluene in a vial with a lid at a rate of 10 to 100 μg / ml to prepare a dispersion sample of the carbon fiber composite.

このようにして得られた炭素繊維複合体の分散液試料に対し、発信周波数38kHz、出力150wの超音波洗浄器((株)エスエヌディ製、商品名:USK-3)を用いて、超音波をかけ、超音波を負荷してから60分経過後において、分散液試料中より、炭素繊維複合体をサンプリング、メッシュ上に滴下して試料調製後、TEMにて突起状部の破壊の有無を観察した。   Using the ultrasonic cleaning device (trade name: USK-3, manufactured by SND Co., Ltd.) having a transmission frequency of 38 kHz and an output of 150 w, the ultrasonic wave was applied to the carbon fiber composite dispersion sample thus obtained. After 60 minutes from the application of ultrasonic waves, the carbon fiber composite is sampled from the dispersion liquid sample, dropped onto the mesh, the sample is prepared, and the TEM is observed for destruction. did.

[実施例1] 炭素繊維構造体の中間体の製造(第1工程)
トルエンを原料としてCVD法で合成した。触媒としてフェロセンおよびチオフェンの混合物を使用し、水素ガスの還元雰囲気下で実施した。トルエン、触媒を水素ガスとともに380℃に加熱し、生成炉に供給し、1250℃で熱分解して、炭素繊維構造体の中間体を得た。
[Example 1] Production of intermediate of carbon fiber structure (first step)
It was synthesized by a CVD method using toluene as a raw material. A mixture of ferrocene and thiophene was used as a catalyst, and the reaction was carried out under a reducing atmosphere of hydrogen gas. Toluene and catalyst were heated to 380 ° C. together with hydrogen gas, supplied to the production furnace, and thermally decomposed at 1250 ° C. to obtain an intermediate of the carbon fiber structure.

[実施例2] 予備的アニール処理
実施例1で得られた三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体の中間体を、窒素中で900℃にて焼成して、タールなどの炭化水素を分離し、予備的アニール処理を行った。ここで得られた中間体のラマン分光測定のR値(I/I)は0.98であった。この中間体のTEM写真を図2および図3に示す。
[Example 2] Preliminary annealing treatment The intermediate of the three-dimensional network-like carbon fiber structure obtained in Example 1 was baked at 900 ° C in nitrogen to separate hydrocarbons such as tar. A preliminary annealing treatment was performed. The R value (I D / I G ) of the Raman spectroscopic measurement of the obtained intermediate was 0.98. A TEM photograph of this intermediate is shown in FIGS.

[実施例3] 有機金属化合物の付与(第2工程)
チタンテトライソプロポキシド(関東化学株式会社製)10gをエタノール200mlで希釈し浸漬液とした。実施例2で得られた三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体の中間体10gを室温で30分間浸漬した後、100℃で12時間乾燥した。
[Example 3] Application of organometallic compound (second step)
10 g of titanium tetraisopropoxide (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) was diluted with 200 ml of ethanol to prepare an immersion liquid. The intermediate body of the three-dimensional network-like carbon fiber structure obtained in Example 2 was immersed for 30 minutes at room temperature, and then dried at 100 ° C. for 12 hours.

[実施例4] バインダーの付与(第3工程)
実施例3で得られた浸漬、乾燥後の炭素繊維構造体の中間体10gを、別途60%フェノール樹脂溶液4.0gを、200mlのメタノールで希釈して調製した溶液中に、30分間浸漬処理した後、100℃で12時間乾燥した。
[Example 4] Binder application (third step)
Immersion treatment for 30 minutes in a solution prepared by diluting 4.0 g of a 60% phenol resin solution with 200 ml of methanol separately from 10 g of the carbon fiber structure intermediate obtained after dipping and drying obtained in Example 3 And then dried at 100 ° C. for 12 hours.

[実施例5] アニール処理(第4工程)
実施例4で得られた浸漬、乾燥後の三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体の中間体10gを、2500℃で20分間アニール処理した。最終的に得られたアニール処理後の三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体を、蛍光X線測定装置RigakuZSXmini(理学電機工業株式会社製)を使用して金属元素の分析を行った。最終的に得られたアニール処理後の三次元ネットワーク状の炭素繊維複合体は、Tiを8%含有していた。表面に、突起状部が形成された炭素繊維複合体のFE−SEM写真を図4に示す。また、この突起状部を形成する複数層グラフェンレイヤー(TiC微粒子内包)が形成された炭素繊維複合体のTEM写真を図5に示す。また、アニール処理の最中に炭素繊維構造体の表面に形成され、突起状部の複数層グラフェンレイヤーに挟まれたTiC微粒子が脱離して中空となった部位の、複数層グラフェンレイヤー(中空)のTEM写真を図6に示す。また別に、X線回折測定装置JEOL−JDX−3532(日本電子株式会社製)を使用して、TiCを検出した。このX線回折測定結果を図7に示す。
[Example 5] Annealing treatment (fourth step)
The intermediate body 10 g of the three-dimensional network-like carbon fiber structure after immersion and drying obtained in Example 4 was annealed at 2500 ° C. for 20 minutes. The finally obtained annealed three-dimensional network-like carbon fiber structure was analyzed for metal elements using a fluorescent X-ray measurement apparatus Rigaku ZSXmini (manufactured by Rigaku Denki Kogyo Co., Ltd.). The finally obtained three-dimensional network-like carbon fiber composite after the annealing treatment contained 8% Ti. FIG. 4 shows an FE-SEM photograph of the carbon fiber composite having protrusions formed on the surface. Further, FIG. 5 shows a TEM photograph of the carbon fiber composite in which the multi-layer graphene layer (TiC fine particle inclusion) forming the protruding portion is formed. In addition, the multilayer graphene layer (hollow) is formed on the surface of the carbon fiber structure during the annealing process, and the TiC fine particles sandwiched between the multilayer graphene layers of the protrusions are detached and become hollow. A TEM photograph of is shown in FIG. Separately, TiC was detected using an X-ray diffractometer JEOL-JDX-3532 (manufactured by JEOL Ltd.). The X-ray diffraction measurement results are shown in FIG.

また、ラマン分光分析法(使用機器Jobin Yvon LabRam HR−800−Horiba製)で測定されるR値(I/I)は0.15であった。 Further, the R value (I D / I G ) measured by Raman spectroscopy (manufactured by Jobin Yvon LabRam HR-800-Horiba) was 0.15.

さらに得られた炭素繊維複合体における炭素繊維構造体の円相当平均径は、180μm、嵩密度は0.0031g/cm、TG燃焼温度は800℃、面間隔は3.392オングストロームであった。 In addition, the carbon fiber structure in the obtained carbon fiber composite had a circle-equivalent average diameter of 180 μm, a bulk density of 0.0031 g / cm 3 , a TG combustion temperature of 800 ° C., and a face spacing of 3.392 Å.

さらに炭素繊維複合体における炭素繊維構造体粒状部の粒径は平均で、350nm(SD180nm)であり、炭素繊維構造体における微細炭素繊維の外径の5.8倍となる大きさであった。また粒状部の円形度は、平均値で0.69(SD0.15)であった。   Further, the average particle size of the carbon fiber structure granular part in the carbon fiber composite was 350 nm (SD 180 nm), which was 5.8 times the outer diameter of the fine carbon fiber in the carbon fiber structure. Further, the circularity of the granular part was 0.69 (SD 0.15) on average.

また、前記した手順によって炭素繊維複合体の突起状部破壊試験を行ったところ、突起状部のグラフェンシートの破壊は観察されず、突起状部は炭素繊維構造体表面に安定に形成されていることが明らかとなった。   Moreover, when the protrusion part destruction test of the carbon fiber composite was performed according to the above-described procedure, the destruction of the graphene sheet of the protrusion part was not observed, and the protrusion part was stably formed on the surface of the carbon fiber structure. It became clear.

[実施例6] 第2工程+ホウ素化合物、第3工程
5.0gのB(高純度化学研究所株式会社製)を400mlのエタノールに溶解させた後、チタンテトライソプロポキシド(関東化学株式会社製)20gを滴下して混合し、浸漬液とした。実施例1で得られた三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体の中間体10gを、浸漬液に室温で30分間浸漬した後、100℃で12時間乾燥した。この浸漬、乾燥後の三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体の中間体10gを、別途60%フェノール樹脂溶液4.0gを、200mlのメタノールで希釈して調製した溶液中に添加し、30分間浸漬処理した後、100℃で12時間有機溶媒を乾燥した。
Example 6 Second Step + Boron Compound, Third Step After dissolving 5.0 g of B 2 O 3 (manufactured by High Purity Chemical Laboratory Co., Ltd.) in 400 ml of ethanol, titanium tetraisopropoxide (Kanto) 20 g of Chemical Co., Ltd.) was added dropwise and mixed to obtain an immersion liquid. 10 g of the intermediate body of the three-dimensional network-like carbon fiber structure obtained in Example 1 was immersed in an immersion liquid at room temperature for 30 minutes and then dried at 100 ° C. for 12 hours. 10 g of the intermediate body of the three-dimensional network-like carbon fiber structure after soaking and drying is separately added to a solution prepared by diluting 4.0 g of a 60% phenol resin solution with 200 ml of methanol and soaking for 30 minutes. After the treatment, the organic solvent was dried at 100 ° C. for 12 hours.

[実施例7] アニール処理(第4工程)
実施例6で得られた浸漬、乾燥後の三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体10gを、900℃に20分間加熱し、次に2400℃で20分間アニール処理した。最終的に得られたアニール処理後の三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体を、蛍光X線測定装置RigakuZSXmini(理学電機工業株式会社製)を使用して金属元素の分析を行った。分析の結果、炭素繊維構造体はTiを13.0%含有していた。また別に、X線回折測定装置JEOLJDX−3532(日本電子株式会社製)を使用して、TiCおよびTiB(またはTiB)を検出した。
[Example 7] Annealing treatment (fourth step)
10 g of the three-dimensional network-like carbon fiber structure after immersion and drying obtained in Example 6 was heated to 900 ° C. for 20 minutes, and then annealed at 2400 ° C. for 20 minutes. The finally obtained annealed three-dimensional network-like carbon fiber structure was analyzed for metal elements using a fluorescent X-ray measurement apparatus Rigaku ZSXmini (manufactured by Rigaku Denki Kogyo Co., Ltd.). As a result of the analysis, the carbon fiber structure contained 13.0% Ti. Separately, TiC and TiB (or TiB 2 ) were detected using an X-ray diffraction measurement apparatus JEOLJDX-3532 (manufactured by JEOL Ltd.).

[実施例8] 成形体作製例
実施例4で得られた浸漬、乾燥後の三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体の中間体9gを、ホットプレス機を使用して、150℃で30分間熱間プレスし、成形体を得た。得られた成形体は質量8.8g、直径40mm、高さ23mm、密度0.3g/cmであった。
[Example 8] Molded body preparation example The intermediate body 9g of the three-dimensional network-like carbon fiber structure after immersion and drying obtained in Example 4 was heated at 150 ° C for 30 minutes using a hot press machine. Pressed for a while to obtain a molded body. The obtained molded body had a mass of 8.8 g, a diameter of 40 mm, a height of 23 mm, and a density of 0.3 g / cm 3 .

[実施例9] 予備成形体作製のアニール処理(第4工程)
実施例8で得られた三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体の中間体の成形体8.8gを、2500℃で20分間アニール処理した。最終的に得られたアニール処理後の三次元ネットワーク上の炭素繊維複合体の予備成形体は質量6.87g、高さ24mm、密度0.23g/cmであった。この三次元ネットワーク状の炭素繊維複合体の予備成形体を、蛍光X線測定装置RigakuZSXmini(理学電機工業株式会社製)を使用して金属元素の分析を行った。分析の結果、炭素繊維複合体の予備成形体はTiを8.0%含有していた。また別に、X線回折測定装置JEOLJDX−3532(日本電子株式会社製)を使用して、TiCを検出した(図7参照)。
[Example 9] Annealing treatment for preparing a preform (fourth step)
8.8 g of the three-dimensional network-like carbon fiber structure intermediate formed in Example 8 was annealed at 2500 ° C. for 20 minutes. The finally obtained carbon fiber composite preform on the three-dimensional network after the annealing treatment had a mass of 6.87 g, a height of 24 mm, and a density of 0.23 g / cm 3 . The preform of the three-dimensional network-like carbon fiber composite was analyzed for metal elements using a fluorescent X-ray measurement apparatus Rigaku ZSXmini (manufactured by Rigaku Denki Kogyo Co., Ltd.). As a result of the analysis, the preform of the carbon fiber composite contained 8.0% Ti. Separately, TiC was detected using an X-ray diffraction measurement apparatus JEOLJDX-3532 (manufactured by JEOL Ltd.) (see FIG. 7).

[実施例10] 成形体作製後のアニール処理(第4工程)
実施例6で得られた浸漬、乾燥後の三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体の中間体8.0gを、ホットプレス機を使用して150℃で30分間熱間プレスし、成形体を得た。得られた成形体は質量7.7g、直径40mm、高さ7.5mm、密度0.81g/cmであった。得られた三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体の中間体の成形体を、900℃で20分間加熱し、次に2400℃で20分間アニール処理した。最終的に得られたアニール処理後の三次元ネットワーク状の炭素繊維複合体の予備成形体は、質量5.33g、直径40mm、高さ14mm、密度0.30g/cmであった。得られた三次元ネットワーク状の炭素繊維複合体の予備成形体を、蛍光X線測定装置RigakuZSXmini(理学電機工業株式会社製)を使用して金属元素の分析を行った。分析の結果、炭素繊維複合体の予備成形体はTiを12.7%含有していた。また別に、X線回折測定装置JEOLJDX−3532(日本電子株式会社製)を使用して、TiCおよびホウ化チタン(TiBおよび/またはTiB)を検出した。
[Example 10] Annealing after forming a molded body (fourth step)
8.0 g of the three-dimensional network-like carbon fiber structure after immersion and drying obtained in Example 6 was hot-pressed at 150 ° C. for 30 minutes using a hot press machine to obtain a molded body. It was. The obtained molded body had a mass of 7.7 g, a diameter of 40 mm, a height of 7.5 mm, and a density of 0.81 g / cm 3 . The obtained three-dimensional network-like carbon fiber structure intermediate compact was heated at 900 ° C. for 20 minutes and then annealed at 2400 ° C. for 20 minutes. The finally obtained three-dimensional network-like carbon fiber composite preform after the annealing treatment had a mass of 5.33 g, a diameter of 40 mm, a height of 14 mm, and a density of 0.30 g / cm 3 . The preform of the obtained three-dimensional network-like carbon fiber composite was analyzed for metal elements using a fluorescent X-ray measurement apparatus Rigaku ZSXmini (manufactured by Rigaku Denki Kogyo Co., Ltd.). As a result of the analysis, the preform of the carbon fiber composite contained 12.7% Ti. Separately, TiC and titanium boride (TiB and / or TiB 2 ) were detected using an X-ray diffractometer JEOLJDX-3532 (manufactured by JEOL Ltd.).

本発明の炭素繊維複合体が、その表面に有している突起状部を形成するグラフェンレイヤーは、3000℃以上の温度でも安定であるため、高温に対する耐久性が高いという表面改質効果が得られる。また炭素繊維複合体がその表面に有している、突起状部を形成する1層または複数層からなるグラフェンレイヤーは、基幹となる炭素繊維(カーボンナノチューブ)の表面と、その一部分において結晶構造を一体化できるので、カーボンナノチューブとの結び付きが強固であり、しかも突起状部を形成しているので、この炭素繊維複合体を用いて最終的に製造された複合材料において、突起状部のアンカー効果により炭素繊維複合体とマトリックスとの接着が強固になる。さらに、炭素繊維複合体がその表面に有している、突起状部を形成する1層または複数層からなるグラフェンレイヤーは、カーボンナノチューブの構造に悪い影響が無いため、表面改質によってカーボンナノチューブの物性を劣化する恐れが無い。また、本発明の炭素繊維複合体において、基幹となる炭素繊維が、外径15〜100nmの炭素繊維から構成される三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体であって、当該炭素繊維構造体は炭素繊維が複数延出する態様で、前記炭素繊維の外径よりもその粒径が大きく当該炭素繊維を互いに結合する粒状部を有しており、かつ当該粒状部は前記炭素繊維の成長過程において形成されてなるものであると、本発明の炭素繊維複合体は、三次元ネットワーク状に形成されているので、最終的に複合材料を製造した場合、その熱伝導性、導電性、機械的強度が良好なものとなる。また、三次元的構造を後から付与するための工程が不要である。炭素繊維複合体がその表面に有している金属の微粒子は、炭素化合物に対する黒鉛化触媒として作用するものである。本発明の炭素繊維複合体はマトリックスの材料として、金属および金属以外のセラミックス、ゴム、合成樹脂、カーボン系材料等の各種マトリックス材料と好適に組み合わされて、優れた特性を有する複合体となるものである。   The graphene layer forming the protrusions on the surface of the carbon fiber composite of the present invention is stable even at a temperature of 3000 ° C. or higher, so that a surface modification effect of high durability against high temperatures is obtained. It is done. In addition, the carbon fiber composite has a graphene layer composed of one or a plurality of layers forming a protruding portion on the surface thereof, and the surface of the carbon fiber (carbon nanotube) as a main part and a part thereof has a crystal structure. Since it can be integrated, the bond with the carbon nanotubes is strong and the protrusions are formed, so in the composite material finally produced using this carbon fiber composite, the anchor effect of the protrusions This strengthens the adhesion between the carbon fiber composite and the matrix. Furthermore, the graphene layer composed of one or more layers forming the protrusions on the surface of the carbon fiber composite has no adverse effect on the structure of the carbon nanotubes. There is no risk of deterioration of physical properties. Further, in the carbon fiber composite of the present invention, the basic carbon fiber is a three-dimensional network-like carbon fiber structure composed of carbon fibers having an outer diameter of 15 to 100 nm, and the carbon fiber structure is carbon. In a mode in which a plurality of fibers are extended, the carbon fiber has a granular portion that has a particle size larger than the outer diameter of the carbon fiber and couples the carbon fibers to each other, and the granular portion is formed during the growth process of the carbon fiber Since the carbon fiber composite of the present invention is formed in a three-dimensional network form, when the composite material is finally manufactured, its thermal conductivity, electrical conductivity, and mechanical strength are It will be good. Moreover, the process for providing a three-dimensional structure later is unnecessary. The fine metal particles that the carbon fiber composite has on its surface act as a graphitization catalyst for the carbon compound. The carbon fiber composite of the present invention is a composite having excellent characteristics when suitably combined with various matrix materials such as metals and ceramics other than metals, rubber, synthetic resins, and carbon-based materials as matrix materials. It is.

本発明の炭素繊維複合体の利用用途の具体例としては、特に限定されるものではないが、例えば、次のようなものを挙げることができる。(1)機械的強度を利用する構造材として。(2)導電性、熱伝導性を利用するものとして、導電性樹脂、導電性成形体、熱伝導性樹脂、熱伝導性樹脂成形体、包装材、ガスケット、容器、抵抗体、電線等。(3)電磁波遮蔽材、(4)物理的特性を利用するものとして、家電、車両、航空機等のボディ、機械のハウジング、電池の極材等。   Although it does not specifically limit as a specific example of the utilization use of the carbon fiber composite_body | complex of this invention, For example, the following can be mentioned. (1) As a structural material utilizing mechanical strength. (2) Conductive resin, conductive molded body, thermally conductive resin, thermally conductive resin molded body, packaging material, gasket, container, resistor, electric wire, etc. as those utilizing conductivity and thermal conductivity. (3) Electromagnetic wave shielding materials, (4) Appliances, vehicles, aircraft bodies, machines housings, battery pole materials, etc. that use physical properties.

本発明の炭素繊維複合体の製造方法におけるプロセス概略図である。It is the process schematic in the manufacturing method of the carbon fiber composite_body | complex of this invention. 本発明の実施例において得られた、未被覆処理の炭素繊維構造体のTEM写真である。It is a TEM photograph of an uncoated carbon fiber structure obtained in an example of the present invention. 本発明の実施例において得られた、未被覆処理の炭素繊維構造体のTEM写真である。It is a TEM photograph of an uncoated carbon fiber structure obtained in an example of the present invention. 本発明の実施例において得られた表面に微粒子を被覆された炭素繊維複合体のFE−SEM写真である。It is a FE-SEM photograph of the carbon fiber composite by which fine particles were coat | covered on the surface obtained in the Example of this invention. 本発明の実施例において得られた突起状部を形成する複数層グラフェンレイヤー(TiC微粒子有)のTEM写真である。It is a TEM photograph of the multilayer graphene layer (with TiC fine particles) which forms the projection-like part obtained in the example of the present invention. 本発明の実施例において得られた突起状部を形成する複数層グラフェンレイヤー(中空)のTEM写真である。It is a TEM photograph of the multilayer graphene layer (hollow) which forms the projection-like part obtained in the example of the present invention. 本発明の別の実施例において得られた、TiC化合物を被覆された炭素繊維複合体のX線回折測定チャートである。6 is an X-ray diffraction measurement chart of a carbon fiber composite coated with a TiC compound, obtained in another example of the present invention.

Claims (32)

炭素繊維が、その表面を、当該炭素繊維の略半径方向に突出する突起状部を形成する一層または多層のグラフェンレイヤーで被覆され、上記突起状部においてこの一層または多層のグラフェンレイヤーと基幹となる炭素繊維の表面とに挟まれた部位は、金属微粒子もしくは金属炭化物微粒子を内包する、または中空である構造を有することを特徴とする炭素繊維複合体。   The carbon fiber is covered with a single-layer or multi-layer graphene layer that forms a protrusion protruding substantially in the radial direction of the carbon fiber, and the single-layer or multi-layer graphene layer serves as a backbone in the protrusion. A carbon fiber composite characterized in that a portion sandwiched between the surfaces of carbon fibers has a structure in which metal fine particles or metal carbide fine particles are included or hollow. 炭素繊維が、その表面を、前記一層または多層のグラフェンレイヤーで部分的に被覆されているものである請求項1に記載の炭素繊維複合体。   The carbon fiber composite according to claim 1, wherein the surface of the carbon fiber is partially covered with the single-layer or multi-layer graphene layer. 前記炭素繊維が、外径15〜100nmの炭素繊維から構成される三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体であって、当該炭素繊維構造体は炭素繊維が複数延出する態様で、前記炭素繊維の外径よりもその粒径が大きく当該炭素繊維を互いに結合する粒状部を有しており、かつ当該粒状部は前記炭素繊維の成長過程において形成されてなるものであることを特徴とする請求項1または2に記載の炭素繊維複合体。   The carbon fiber is a three-dimensional network-like carbon fiber structure composed of carbon fibers having an outer diameter of 15 to 100 nm, and the carbon fiber structure is a mode in which a plurality of carbon fibers extend, It has a granular part whose particle size is larger than an outer diameter and couples the carbon fibers to each other, and the granular part is formed in the growth process of the carbon fiber. The carbon fiber composite according to 1 or 2. 前記した炭素繊維構造体は、ラマン分光分析法で測定されるI/Iが0.2以上であることを特徴とする、請求項3に記載の炭素繊維複合体。 4. The carbon fiber composite according to claim 3, wherein the carbon fiber structure described above has an I D / I G measured by Raman spectroscopy of 0.2 or more. 前記した一層または多層のグラフェンレイヤーの一部分と基幹となる炭素繊維とが、その結晶構造を一体化していることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の炭素繊維複合体。   The carbon fiber composite according to any one of claims 1 to 4, wherein a part of the one or more layers of the graphene layer and the carbon fiber serving as the backbone are integrated in a crystal structure. 前記した一層または多層のグラフェンレイヤーにより形成される各突起状部の大きさが、5〜70nmである、請求項1〜5のいずれか1つに記載の炭素繊維複合体。   The carbon fiber composite according to any one of claims 1 to 5, wherein a size of each protrusion formed by the one or more layers of the graphene layers is 5 to 70 nm. 前記した一層または多層のグラフェンレイヤーにより形成される各突起状部が、炭素繊維の略半径方向において、基幹となる炭素繊維の外径に対して、0.05〜1倍の平均高さを有するものである請求項1〜6のいずれか1つに記載の炭素繊維複合体。   Each protrusion-like part formed by the above-described single-layer or multi-layer graphene layer has an average height of 0.05 to 1 times the outer diameter of the carbon fiber serving as the backbone in the substantially radial direction of the carbon fiber. It is a thing, The carbon fiber composite_body | complex of any one of Claims 1-6. 前記した一層または多層のグラフェンレイヤーにより形成される突起状部が、炭素繊維の表面の1〜70%を占める領域に形成されているものである請求項1〜7のいずれか1つに記載の炭素繊維複合体。   The protruding portion formed by the one or more layers of the graphene layer is formed in a region occupying 1 to 70% of the surface of the carbon fiber. Carbon fiber composite. 前記した金属微粒子または金属炭化物の金属種が、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Ta、W、Yから選択される1種または2種以上である、請求項1〜8のいずれか1つに記載の炭素繊維複合体。   The metal species of the metal fine particles or metal carbide described above is one or more selected from Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Ta, W, and Y. The carbon fiber composite according to one. 前記した炭素繊維複合体が、炭素繊維複合体に対してホウ素換算で0.001〜30質量%のホウ素化合物を含有し、かつ前記した一層または多層のグラフェンレイヤーと基幹となる炭素繊維の表面とに挟まれた部位は、金属微粒子、金属炭化物もしくは金属ホウ化物微粒子を内包する、または中空である構造を有することを特徴とする、請求項1〜9のいずれか1つの項に記載の炭素繊維複合体。   The carbon fiber composite described above contains 0.001 to 30% by mass of a boron compound in terms of boron with respect to the carbon fiber composite, and the surface of the carbon fiber that serves as the backbone of the single-layer or multilayer graphene layer described above. 10. The carbon fiber according to claim 1, wherein the portion sandwiched between the metal fibers contains metal fine particles, metal carbide or metal boride fine particles, or has a hollow structure. Complex. 炭素繊維がその製造工程途中で熱間プレスを経て予備成形され、かつ、その表面を、当該炭素繊維の略半径方向に突出する突起状部を形成する一層または多層のグラフェンレイヤーで被覆され、上記突起状部においてこの一層または多層のグラフェンレイヤーと基幹となる炭素繊維の表面とに挟まれた部位は、金属微粒子もしくは金属炭化物微粒子を内包する、または中空である構造を有することを特徴とする炭素繊維複合体の予備成形体。   The carbon fiber is preformed through a hot press in the course of its manufacturing process, and the surface thereof is coated with a single-layer or multi-layer graphene layer that forms a protrusion protruding substantially in the radial direction of the carbon fiber. The carbon sandwiched between the single-layer or multi-layer graphene layer and the surface of the basic carbon fiber in the protruding portion contains carbon fine particles or metal carbide fine particles, or has a hollow structure. A preform of a fiber composite. 炭素繊維が、その表面を、前記一層または多層のグラフェンレイヤーで部分的に被覆されているものである請求項11に記載の炭素繊維複合体の予備成形体。   The carbon fiber composite preform according to claim 11, wherein a surface of the carbon fiber is partially covered with the single-layer or multilayer graphene layer. 前記炭素繊維が、外径15〜100nmの炭素繊維から構成される三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体であって、当該炭素繊維構造体は炭素繊維が複数延出する態様で、前記炭素繊維の外径よりもその粒径が大きく当該炭素繊維を互いに結合する粒状部を有しており、かつ当該粒状部は前記炭素繊維の成長過程において形成されてなるものであることを特徴とする請求項11または12に記載の炭素繊維複合体の予備成形体。   The carbon fiber is a three-dimensional network-like carbon fiber structure composed of carbon fibers having an outer diameter of 15 to 100 nm, and the carbon fiber structure is a mode in which a plurality of carbon fibers extend, It has a granular part whose particle size is larger than an outer diameter and couples the carbon fibers to each other, and the granular part is formed in the growth process of the carbon fiber. A preform of the carbon fiber composite according to 11 or 12. 触媒および炭化水素の混合ガスを800℃〜1300℃の一定温度で加熱して炭素物質を、繊維状に成長させて炭素繊維の中間体を得る第1工程、得られた炭素繊維の中間体を有機金属化合物の有機溶媒溶液または金属塩と界面活性剤の水溶液に浸漬させた後、使用した溶媒を乾燥させる第2工程、さらにバインダーの有機溶媒溶液に浸漬させた後、有機溶媒を乾燥させる第3工程、乾燥後の炭素繊維の中間体を800℃〜3000℃で加熱する第4工程からなる、
炭素繊維が、その表面を、当該炭素繊維の略半径方向に突出する突起状部を形成する一層または多層のグラフェンレイヤーで被覆され、上記突起状部においてこの一層または多層のグラフェンレイヤーと基幹となる炭素繊維の表面とに挟まれた部位は、金属微粒子もしくは金属炭化物微粒子を内包する、または中空である構造を有することを特徴とする炭素繊維複合体の製造方法。
First step of obtaining a carbon fiber intermediate by heating a mixed gas of catalyst and hydrocarbon at a constant temperature of 800 ° C. to 1300 ° C. to grow a carbon material into a fibrous form, Second step of immersing in an organic solvent solution of an organometallic compound or an aqueous solution of a metal salt and a surfactant and then drying the used solvent, and further immersing in an organic solvent solution of a binder and then drying the organic solvent. 3 steps, consisting of a fourth step of heating the carbon fiber intermediate after drying at 800 ° C. to 3000 ° C.,
The surface of the carbon fiber is covered with a single-layer or multi-layer graphene layer that forms a protrusion that protrudes substantially in the radial direction of the carbon fiber, and the single-layer or multi-layer graphene layer serves as a backbone in the protrusion. A method for producing a carbon fiber composite characterized in that a portion sandwiched between carbon fiber surfaces has a structure in which metal fine particles or metal carbide fine particles are included or hollow.
前記第4工程が、乾燥後の炭素繊維の中間体を800℃〜1500℃に加熱し、次に1500℃〜3000℃でアニール処理するものである請求項14に記載の炭素繊維複合体の製造方法。   The said 4th process heats the intermediate body of the carbon fiber after drying to 800 to 1500 degreeC, and then anneals at 1500 to 3000 degreeC, The manufacture of the carbon fiber composite_body | complex of Claim 14 Method. 触媒および炭化水素の混合ガスを800℃〜1300℃の一定温度で加熱する際に、炭素源として分解温度の異なる少なくとも2つ以上の炭素化合物を用いることにより、炭素物質を、繊維状に成長させる一方で、使用される触媒粒子の周面方向に成長させて、三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体の中間体を得る第1工程、得られた炭素繊維構造体の中間体を有機金属化合物の有機溶媒溶液または金属塩と界面活性剤の水溶液に浸漬させた後、使用した溶媒を乾燥させる第2工程、さらにバインダーの有機溶媒溶液に浸漬させた後、有機溶媒を乾燥させる第3工程、乾燥後の炭素繊維構造体の中間体を800℃〜3000℃で加熱する第4工程からなる、
外径15〜100nmの炭素繊維から構成される三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体であって、当該炭素繊維構造体は炭素繊維が複数延出する態様で、前記炭素繊維の外径よりもその粒径が大きく当該炭素繊維を互いに結合する粒状部を有しており、かつ当該粒状部は前記炭素繊維の成長過程において形成されてなるものである炭素繊維構造体が、その表面を、当該炭素繊維構造体を構成する炭素繊維の略半径方向に突出する突起状部を形成する一層または多層のグラフェンレイヤーで被覆され、上記突起状部においてこの一層または多層のグラフェンレイヤーと基幹となる炭素繊維の表面とに挟まれた部位は、金属微粒子もしくは金属炭化物微粒子を内包する、または中空である構造を有することを特徴とする炭素繊維複合体の製造方法。
When the mixed gas of catalyst and hydrocarbon is heated at a constant temperature of 800 ° C. to 1300 ° C., the carbon material is grown in a fibrous form by using at least two carbon compounds having different decomposition temperatures as the carbon source. On the other hand, the first step of obtaining a three-dimensional network-like carbon fiber structure intermediate by growing it in the circumferential direction of the catalyst particles used, the obtained carbon fiber structure intermediate of the organometallic compound A second step of drying an organic solvent solution or an aqueous solution of a metal salt and a surfactant and then drying the solvent used, and a third step of drying the organic solvent after being immersed in an organic solvent solution of a binder and drying It consists of the 4th process of heating the intermediate body of a later carbon fiber structure at 800 ° C-3000 ° C,
It is a three-dimensional network-like carbon fiber structure composed of carbon fibers having an outer diameter of 15 to 100 nm, and the carbon fiber structure is a mode in which a plurality of carbon fibers extend, and the carbon fiber structure is more than the outer diameter of the carbon fiber. A carbon fiber structure having a granular part having a large particle size and bonding the carbon fibers to each other, and the granular part being formed in the growth process of the carbon fiber, The carbon fiber constituting the fiber structure is covered with a single-layer or multi-layer graphene layer that forms a protrusion that protrudes substantially in the radial direction of the carbon fiber. The part sandwiched between the surfaces has a structure in which metal fine particles or metal carbide fine particles are encapsulated or hollow. .
前記第4工程が、乾燥後の炭素繊維の中間体を800℃〜1500℃に加熱し、次に1500℃〜3000℃でアニール処理するものである請求項16に記載の炭素繊維複合体の製造方法。   The carbon fiber composite according to claim 16, wherein in the fourth step, the carbon fiber intermediate after drying is heated to 800 ° C to 1500 ° C and then annealed at 1500 ° C to 3000 ° C. Method. 前記した炭素繊維構造体は、ラマン分光分析法で測定されるI/Iが0.2以上であることを特徴とする、請求項16または17に記載の炭素繊維複合体の製造方法。 18. The method for producing a carbon fiber composite according to claim 16, wherein the carbon fiber structure has an I D / I G measured by Raman spectroscopy of 0.2 or more. 前記した一層または多層のグラフェンレイヤーの一部分と基幹となる炭素繊維とが、その結晶構造を一体化していることを特徴とする請求項14〜18のいずれか1つに記載の炭素繊維複合体の製造方法。   The carbon fiber composite according to any one of claims 14 to 18, wherein a part of the single-layer or multi-layer graphene layer and the carbon fiber serving as a backbone are integrated in a crystal structure thereof. Production method. 前記した一層または多層のグラフェンレイヤーにより形成される各突起状部の大きさが、5〜70nmである、請求項14〜19のいずれか1つに記載の炭素繊維複合体の製造方法。   The method for producing a carbon fiber composite according to any one of claims 14 to 19, wherein a size of each protrusion formed by the one or more layers of the graphene layers is 5 to 70 nm. 前記した一層または多層のグラフェンレイヤーにより形成される各突起状部が、炭素繊維の略半径方向において、基幹となる炭素繊維の外径に対して、0.05〜1倍の平均高さを有するものである請求項14〜20のいずれか1つに記載の炭素繊維複合体の製造方法。   Each protrusion-like part formed by the above-described single-layer or multi-layer graphene layer has an average height of 0.05 to 1 times the outer diameter of the carbon fiber serving as the backbone in the substantially radial direction of the carbon fiber. The method for producing a carbon fiber composite according to any one of claims 14 to 20. 前記した一層または多層のグラフェンレイヤーにより形成される突起状部が、炭素繊維の表面の1〜70%を占める領域に形成されているものである請求項14〜21のいずれか1つに記載の炭素繊維複合体の製造方法。   The projecting portion formed by the one or more layers of the graphene layer is formed in a region occupying 1 to 70% of the surface of the carbon fiber. A method for producing a carbon fiber composite. 前記した第1工程と前記した第2工程の間に、第1工程で得られた炭素繊維の中間体または炭素繊維構造体の中間体を800〜1200℃に加熱する予備的アニール処理工程を付加することを特徴とする請求項14〜22のいずれか1つに記載の炭素繊維複合体の製造方法。   A preliminary annealing treatment step for heating the carbon fiber intermediate or carbon fiber structure intermediate obtained in the first step to 800 to 1200 ° C. is added between the first step and the second step. The method for producing a carbon fiber composite according to any one of claims 14 to 22, wherein: 前記した第2工程と前記した第3工程を同時に行うことを特徴とする請求項14〜23のいずれか1つに記載の炭素繊維複合体の製造方法。   The method for producing a carbon fiber composite according to any one of claims 14 to 23, wherein the second step and the third step are performed simultaneously. 前記した第3工程を前記した第2工程の前に行うことを特徴とする請求項14〜23のいずれか1つに記載の炭素繊維複合体の製造方法。   The method for producing a carbon fiber composite according to any one of claims 14 to 23, wherein the third step is performed before the second step. 前記した金属微粒子または金属炭化物の金属種が、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Ta、W、Yから選択される1種または2種以上である、請求項14〜25のいずれか1つに記載の炭素繊維複合体の製造方法。   The metal species of the metal fine particles or metal carbide described above is one or two or more selected from Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Ta, W, and Y. The manufacturing method of the carbon fiber composite as described in one. 前記した有機金属化合物が、金属アルコキシド、金属アセチルアセトナート、または金属脂肪酸塩である請求項14〜26のいずれか1つの項に記載の炭素繊維複合体の製造方法。   27. The method for producing a carbon fiber composite according to any one of claims 14 to 26, wherein the organometallic compound is a metal alkoxide, a metal acetylacetonate, or a metal fatty acid salt. 前記した第2工程の際に、有機金属化合物の有機溶媒溶液または金属塩と界面活性剤の水溶液に対して、ホウ素化合物の有機溶媒溶液もしくは水溶液を混合することにより、前記した炭素繊維複合体に対してホウ素換算で0.001〜30質量%のホウ素化合物を含有させ、かつ前記した一層または多層のグラフェンレイヤーと基幹となる炭素繊維の表面とに挟まれた部位が、金属微粒子、金属炭化物もしくは金属ホウ化物微粒子を内包する、または中空である構造を有するものとすることを特徴とする、請求項14〜27いずれか1つの項に記載の炭素繊維複合体の製造方法。   In the second step, the organic solvent solution or metal salt of the organic metal compound or the aqueous solution of the surfactant and the aqueous solution of the boron compound is mixed with the organic solvent solution or the aqueous solution of the boron compound, so that the carbon fiber composite described above is mixed. On the other hand, a portion containing 0.001 to 30% by mass of a boron compound in terms of boron and sandwiched between the one or more layers of the graphene layer and the surface of the carbon fiber serving as a base is a metal fine particle, a metal carbide or 28. The method for producing a carbon fiber composite according to any one of claims 14 to 27, wherein the metal boride fine particles are included or have a hollow structure. 請求項14記載の炭素繊維複合体の製造方法において、第2工程および第3工程を経た炭素繊維を、100℃〜200℃で熱間プレスし、得られた炭素繊維の成形体を、800℃〜3000℃で加熱する第4工程からなる、
炭素繊維の表面が、炭素繊維の略半径方向に突出する突起状部を形成する一層または多層のグラフェンレイヤーで被覆され、上記突起状部においてこの一層または多層のグラフェンレイヤーと基幹となる炭素繊維表面とに挟まれた部位は、金属微粒子もしくは金属炭化物微粒子を内包する、または中空である構造を有することを特徴とする炭素繊維複合体の予備成形体の製造方法。
In the manufacturing method of the carbon fiber composite_body | complex of Claim 14, the carbon fiber which passed through the 2nd process and the 3rd process is hot-pressed at 100 to 200 degreeC, and the obtained carbon fiber molded object is 800 degreeC. Consisting of a fourth step of heating at ~ 3000 ° C,
The surface of the carbon fiber is covered with a single-layer or multi-layer graphene layer that forms a protrusion that protrudes substantially in the radial direction of the carbon fiber, and the carbon fiber surface that forms the basis of the single-layer or multi-layer graphene layer in the protrusion A method for producing a preform of a carbon fiber composite, wherein the portion sandwiched between the metal fibers contains metal fine particles or metal carbide fine particles or has a hollow structure.
前記第4工程が、乾燥後の炭素繊維の中間体を800℃〜1500℃に加熱し、次に1500℃〜3000℃でアニール処理するものである請求項29に記載の炭素繊維複合体の予備成形体の製造方法。   30. The carbon fiber composite preliminary assembly according to claim 29, wherein the fourth step is to heat the carbon fiber intermediate after drying to 800 ° C. to 1500 ° C., and then to anneal at 1500 ° C. to 3000 ° C. Manufacturing method of a molded object. 請求項16記載の炭素繊維複合体の製造方法において、第2工程および第3工程を経た外径15〜100nmの炭素繊維から構成される三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体であって、当該炭素繊維構造体は炭素繊維が複数延出する態様で、前記炭素繊維の外径よりもその粒径が大きく当該炭素繊維を互いに結合する粒状部を有しており、かつ当該粒状部は前記炭素繊維の成長過程において形成されてなるものである炭素繊維構造体を、100℃〜200℃で熱間プレスし、得られた炭素繊維構造体の成形体を、800℃〜3000℃で加熱する第4工程からなる、
炭素繊維構造体の表面が、当該炭素繊維構造体を構成する炭素繊維の略半径方向に突出する突起状部を形成する一層または多層のグラフェンレイヤーで被覆され、上記突起状部においてこの一層または多層のグラフェンレイヤーと基幹となる炭素繊維の表面とに挟まれた部位は、金属微粒子もしくは金属炭化物微粒子を内包する、または中空である構造を有することを特徴とする炭素繊維複合体の予備成形体の製造方法。
The method for producing a carbon fiber composite according to claim 16, wherein the carbon fiber structure is a three-dimensional network-like carbon fiber structure composed of carbon fibers having an outer diameter of 15 to 100 nm that has undergone the second step and the third step. The fiber structure is a mode in which a plurality of carbon fibers extend, and has a granular portion that has a particle size larger than the outer diameter of the carbon fiber and bonds the carbon fibers to each other, and the granular portion is the carbon fiber The carbon fiber structure formed in the growth process is hot pressed at 100 ° C. to 200 ° C., and the resulting carbon fiber structure molded body is heated at 800 ° C. to 3000 ° C. Consisting of processes,
The surface of the carbon fiber structure is covered with a single-layer or multi-layer graphene layer that forms a protrusion that protrudes substantially in the radial direction of the carbon fiber that constitutes the carbon fiber structure. The portion sandwiched between the graphene layer and the surface of the carbon fiber serving as the backbone contains a metal fine particle or metal carbide fine particle, or has a hollow structure. Production method.
前記第4工程が、乾燥後の炭素繊維の中間体を800℃〜1500℃に加熱し、次に1500℃〜3000℃でアニール処理するものである請求項31に記載の炭素繊維複合体の予備成形体の製造方法。   The preliminary carbon fiber composite according to claim 31, wherein in the fourth step, the carbon fiber intermediate after drying is heated to 800 ° C to 1500 ° C and then annealed at 1500 ° C to 3000 ° C. Manufacturing method of a molded object.
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