JP2021004150A - 炭素系複合材料 - Google Patents
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Abstract
Description
特許文献1には、珪素を含む成形体を焼成するため用いる焼成炉に取り付けられるマッフルであって、炭素からなるマッフル本体と、上記マッフル本体の内壁に形成された炭素からなる保護膜とからなり、上記保護膜は、熱分解炭素からなり、その気孔率は、前記マッフル本体の気孔率よりも低いマッフルが開示されている。
本発明の炭素系複合材料において、外表面の表面粗さRaが0.1μm以上であると、炭素系複合材料の外表面が適度の凹凸を有しており、摩擦が生じても基材の外表面に形成された熱分解炭素膜が剥離しにくい。また、表面の凹凸は光を吸収する作用があり、外表面の表面粗さRaが0.5μm以上であると基材の黒鉛と同様な吸収特性を確保することができる。一方、外表面の表面粗さRaが2.0μm以下であると、基材の外表面の凹凸が大きすぎないので、炭素系複合材料が温度変化しても熱分解炭素膜が剥離しにくい。また、光の波長に対して凹凸が大きすぎないので、強い反射を抑制し、基材の黒鉛と同様な吸収特性を確保することができる。なお、表面粗さRaは、JIS B 0601により測定することができる。
本発明の炭素系複合材料において、基材が、C/C複合材、等方性黒鉛材又は黒鉛電極材であると、高温で安定な材料であるため、高温でもクリープ等が生じることなく安定して使用することができる。
基材を構成する炭素系材料は、特に限定されるものではないが、上記説明したように、C/C複合材、等方性黒鉛材又は黒鉛電極材であることが望ましい。
上記基材は、基材そのものが機械的特性に優れているため、開気孔を有していても、高温においてクリープ等が生じにくく、機械的強度を維持することができ、例えば、様々な形態の高温炉の炉材として好適に使用できるからである。
上記基材の気孔率が10%以上であると、気孔の割合が高いため、軽量となり、炉材として使用する際、運搬や設置が容易になる。また、基材の開気孔の表面に熱分解炭素膜が形成されると、外表面に形成された熱分解炭素膜のアンカーとなるため、熱分解炭素膜が剥離しにくくなる。また、十分な大きさの気孔を形成できるため、この基材の気孔内部に熱分解炭素膜が形成されても、開気孔を残すことができる。また、光の波長に対して凹凸が大きすぎないので、強い反射を抑制し、この基材上に熱分解炭素膜が形成されても、基材の黒鉛と同様な吸収特性を確保することができる。
一方、上記基材の気孔率が25%以下であると、気孔の含有割合が高すぎないため、高温になってもクリープ等は発生しにくく、機械的な強度を維持することができる。
一方、また、開気孔の表面に熱分解炭素膜が形成されると、外表面に形成された熱分解炭素膜のアンカーとなるため、熱分解炭素膜が剥離しにくくなる。
上記基材の外表面の表面粗さRaを、0.1〜2.0μmとすることにより、摩擦等により上記基材に形成された形成された熱分解炭素膜が外表面から剥がれ難くなる。
上記炭素系複合材料の外表面の波長800nmにおける拡散反射率が5〜15%であると、上記基材と同等の反射、輻射特性等を維持することができる。このため、黒鉛からなる炉内部材などを、本発明の炭素系複合材料と置き換えても同等の反射特性を有しており、炉内の温度分布の変化を少なくすることができる。また、炭素系複合材料の表面が酸化などにより消耗しても、炉内の温度分布の変化を少なくすることができる。なお、拡散反射率は、正反射と、乱反射との和である。
本発明の炭素系複合材料において、外表面の表面粗さRaが0.1μm以上であると、炭素系複合材料の外表面が適度の凹凸を有しており、摩擦が生じても基材の外表面に形成された熱分解炭素膜が剥離しにくい。一方、外表面の表面粗さRaが2.0μm以下であると、基材の外表面の凹凸が大きすぎないので、炭素系複合材料が温度変化しても熱分解炭素膜が剥離しにくい。
本発明の炭素系複合材料において、その気孔率が10〜25%であると十分な気孔を有するため、軽量となり、炉材として使用する際、運搬や設置が容易になる。また、開気孔の表面に熱分解炭素膜が形成されていると、外表面に形成された熱分解炭素膜のアンカーとなるため、熱分解炭素膜が剥離しにくくなる。また、気孔の含有割合が高すぎないため、高温になってもクリープ等が発生しにくく、機械的な強度を維持することができる。
CVD炉の反応室に、50mm×50mm×5mmの矩形状の等方性黒鉛からなる基材(イビデン株式会社製ET−10、表面粗さRa=1.00μm、気孔率19.0%)を搬入し、続いて真空引きを行い、続いてCVD炉内を室温から800℃を超えるまで2時間かけて昇温させた。
冷却完了後CVD炉内の復圧を行い、得られた炭素系複合材料をCVD炉内から取り出した。
図1は、実施例1で得られた炭素系複合材料の断面のSEM写真である。図2は、実施例1で得られた炭素系複合材料の表面のレーザー顕微鏡写真である。なお、図5は、実施例1及び比較例1で用いた基材の表面のレーザー顕微鏡写真である。
図1に示すように、基材10の外表面に熱分解炭素膜11が形成されており、開気孔13の表面にも熱分解炭素膜12が形成されている。
得られた炭素系複合材料の外表面の表面粗さRaを、JIS B 0601に準拠して測定したところ、1.28μmであった。
実施例1と同様に基材を準備し、1400℃を超えるようにCVD炉を加熱し、同様に熱分解炭素膜を形成し、炭素系複合材料を製造した。
得られた炭素系複合材料について、その表面を、レーザー顕微鏡を用いて観察するとともに、その一部を切断し、その断面を、SEMを用いて観察した。
図3は、比較例1で得られた炭素系複合材料の断面のSEM写真である。図4は、比較例1で得られた炭素系複合材料の表面のレーザー顕微鏡写真である。
図3に示すように、基材の外表面に熱分解炭素膜が形成されており、開気孔は熱分解炭素膜で埋められている。
得られた炭素系複合材料の外表面の表面粗さRaを、JIS B 0601に準拠して測定したところ、0.34μmであった。
図6は、実施例1及び比較例1の炭素系複合材料及び基材の200〜850nmの範囲における拡散反射率の値を示す。基材の表面に熱分解炭素膜を凹凸がなくなるまで厚く形成した比較例1の炭素系複合材料では、いずれの波長においても拡散反射率が基材の2倍以上である。これに対し、実施例1の炭素系複合材料では、可視光から赤外線領域では拡散反射率が基材の概ね1.3倍以内であり、光の反射特性が基材とほとんど変わらないことがわかる。また、800nmにおける拡散反射率は、実施例1が11.57%、基材が9.47%でほぼ同等であったのに対し、比較例1では26.79%であり、基材と大きく異なっていた。
11 熱分解炭素膜11(炭素系複合材料の外表面に形成された熱分解炭素膜)
12 熱分解炭素膜12(炭素系複合材料の開気孔の表面に形成された熱分解炭素膜)
13 開気孔
Claims (6)
- 開気孔を有する多孔質の炭素系材料からなる基材と、前記基材内部の前記開気孔の表面及び前記基材の外表面に形成された熱分解炭素膜と、からなることを特徴とする炭素系複合材料。
- 前記基材の外表面に形成された前記熱分解炭素膜の厚さは、0.1〜5.0μmであることを特徴とする請求項1に記載の炭素系複合材料。
- 前記熱分解炭素膜は、前記基材の外表面から20μmの深さの位置において、外表面に形成された熱分解炭素膜の厚さの20〜40%であることを特徴とする請求項1又は2に記載の炭素系複合材料。
- 前記炭素系複合材料の外表面の波長800nmにおける拡散反射率は5〜15%であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の炭素系複合材料。
- 前記炭素系複合材料の外表面の表面粗さRaは、0.1〜2.0μmであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の炭素系複合材料。
- 前記炭素系複合材料は、基材が、C/C複合材、等方性黒鉛材又は黒鉛電極材であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の炭素系複合材料。
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