JP2021194849A - 炭素繊維複合材 - Google Patents

Abstract

【課題】炭素繊維束を織り又は編み等により製造した基布を製造し、より簡単な方法であって炭素繊維束の損傷をできる限り抑え、金属をその基布に付着させることが可能な方法により製造した導電体を使用した炭素繊維複合材の提供。【解決手段】炭素繊維束を織物又は編み物により製織した基布の表面に、導電性能を有する金属を付着し、その基布の炭素繊維束の移動を規制する金属の被覆層を形成した複数の導電体８と、導電体８と導電体８の間に抵抗体を備えた中間層６０と、を形成し、導電体８内を流れる電気の抵抗値と、中間層６０を跨いで導電体８間を流れる電気の抵抗値を異なるようにした炭素繊維複合材１００。【選択図】図１１

Description

本発明は、炭素繊維に電気的及び物理的な性能を更に付与した導電体によって形成した炭素繊維複合材に関するものである。

従来から、炭素繊維は、樹脂等により複合材料の機材として使用され、航空、宇宙、建築又は自動車等の産業に多く使用されてきている。特に、炭素繊維をシート状に成形し、ＣＦＲＰとして使用される用途が多くなってきている。
また、引っ張り強度等が他の素材に比べて良い炭素繊維に、電気的特性を向上させるために様々な発明が提案されてきている。

例えば、特許文献１には、金属被覆炭素繊維のマルチフィラメントの少なくとも外表面に、ゴムまたは樹脂を被着せしめてなることを特徴とする金属被覆炭素繊維束の発明が開示されている。

また、特許文献２には、炭素繊維の連続繊維束にアルミニュウムまたはアルミニュウム合金が含浸され、かつ連続繊維束を構成している各単繊維には、炭素、炭化ケイ素、チタン、炭化チタン、ホウ素及びホウ化チタンから選ばれた１種または２種の物質が被覆されたことを特徴とする炭素繊維強化アルミニュウム複合材料用ワイヤープリフォーム材の発明が開示されている。

また、特許文献３には、炭素繊維２を含有させた炭素繊維強化プラスチック成形品４の表面に低温プラズマを照射し、表面部分のマトリックス樹脂１を除去することによって炭素繊維を露出させた後、めっき３を施す発明が開示されている。

実開昭５８−８７８８３号公報 特開昭６３−３１２９２４号公報 特開平０６−２６４２５０号公報

上述したようにこれら発明では、無処理の炭素繊維は濡れ性を付与するために、アルミニュウム等の物質が付着しにくく剥がれやすいという欠点がある。
そのため、ＣＦＲＰ等では樹脂の表面を粗く削った後、アルミニュウムをメッキしてＣＦＲＰの表面に金属を付着させて電気的特性を向上させる製造方法であった。

しかしながら、これら方法では製造工程が余分に必要であるという欠点があった。また織物や編み物等にして面状にした炭素繊維を使用したい場合には織り又は編み難かった。
また、今までに面状において電気を通すために使用されるものではなかった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、炭素繊維束を織り又は編み等により製造した基布を製造し、より簡単な方法であって炭素繊維束の損傷をできる限り抑え、金属をその基布に付着させることが可能な方法により製造した導電体によって形成し、負荷や用途に合わせて種類の異なる電気を流すことが可能な炭素繊維複合材を提供することにある。

炭素繊維束を織物又は編み物により製織した基布の表面に、導電性能を有する金属を付着し、その基布の前記炭素繊維束の移動を規制する前記金属の被覆層を形成した複数の導電体と、
前記導電体と前記導電体の間に抵抗体を備えた中間層と、を形成し、
前記導電体内を流れる電気の抵抗値と、前記中間層を跨いで前記導電体間を流れる電気の抵抗値とを異ならせたことを特徴とする。

以上の特徴により、本発明は、１つの炭素繊維複合材によって異なる抵抗値を流すことが可能であるため、負荷の種類や用途によって接続状態を変えるだけで、所望する抵抗値に対応することが可能である。

実施形態の実施例１の基布に金属を付着させた導電体を正面から視た概要図である。 実施形態の実施例１の基布の片面に金属を付着させた導電体の断面を示す概要図である。 実施形態の実施例１の基布の両面に金属を付着させた導電体の断面を示す概要図である。 実施形態の実施例２の基布に金属を付着させた導電体を正面から視た概要図である。 実施形態の実施例２の基布の片面に金属を付着させた導電体を更に表面を被覆材により被覆した被覆導電体の断面を示す概要図である。 実施形態の実施例２の基布の両面に金属を付着させた導電体を更に表面を被覆材により被覆した被覆導電体の断面を示す概要図である。 実施形態の実施例２の基布の表面に金属を付着させた導電体の一部を現す４００倍のＳＥＭ像である。 実施形態の実施例２の基布の表面に金属を付着させた導電体のスルーホールを移した正面から視た写真である。 実施形態の実施例１及び実施例２における金属の付着の状態を表す説明図である。 実施形態の実施例３の基布の片面に金属を付着させた導電体を使用した炭素繊維複合材料の斜視図を示す概要図である。 実施形態の実施例３の基布の片面に金属を付着させた導電体を使用した炭素繊維複合材料の断面を示す概要図である。 実施形態の実施例３の基布の片面に金属を付着させた導電体を使用した炭素繊維複合材料の断面を示す概要図である。

本発明にかかる炭素繊維複合材に関するものである。図面を参照しつつ詳細に説明する。尚、以下に説明する実施形態及び図面は、本発明の実施形態の一部を例示するものであり、これらの構成に限定する目的に使用されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更することができる。

（実施例１）
実施例１について図１から図３を参照して、本発明の導電体８について説明する。
図１は、実施形態の実施例１の基布５に金属３を付着させた導電体８を正面から視た概要図である。図２は、実施形態の実施例１の基布５の片面に金属３を付着させた導電体８の断面を示す概要図である。図３は、実施形態の実施例１の基布５の両面に金属３を付着させた導電体８の断面を示す概要図である。

図１に示すように、導電体８は、隙間無く金属３を基布５の表面に付着させた状態である。金属３は、本実施例では、亜鉛アルミニュウム合金を使用したが、その他に、亜鉛、鉄、アルミニュウム、炭素鋼、ステンレス、純銅、黄銅、アルミニュウム青銅、ニッケル、ニッケルアルミニュウム、ニッケルクロム、ハステロイ、インコンネル、モネル及びステライト等がある。

基布５は、１インチあたり１２．５本程度の縦緯の密度で炭素繊維束１０を織機により１／２の綾織りにより製織したが、２／２の綾織りや平織り等であっても良い。
また、縦緯の密度は炭素繊維束１０の本数により変化させても良く、縦緯の密度は、１インチあたり、３本から２５本程度までで変化可能である。この状態は、織り方又編み方等の製織方法により適宜変化可能である。

本実施例では、７μｍの単繊維２０が３０００本程度の本数の縦緯の炭素繊維束１０を使用し、厚さが０．２５ｍｍ程度の基布５を使用した。また、炭素繊維束１０は、織機にて織り安くするためやＣＦＲＰに使用しやすいように毛羽立ち等を抑えるため、後述するようにサイジング剤が塗布されている。
経糸及び緯糸の炭素繊維束１０の本数は、７μｍの単繊維２０が１０００本から１２０００本と製織条件によって変化可能である。

図２及び図３に示すように、導電体８は、基布５の経糸１１と緯糸２１の表面の一面に金属３が付着されている。経糸１１や緯糸２１の隙間３１にも金属３が付着している。導電体８は、炭素繊維束１０の表面に接触する接触層３０の上方に、雪山のように金属３が積層する金属層４０を設けている。

金属層４０は、１００から２１０μｍの厚みに金属３を積層した層である。経糸１１や緯糸２１の上から金属３を付着することにより経糸１１及び緯糸２１の移動を規制し強固に基布５を固定することが可能である。また、この経糸１１や緯糸２１のずれ等の移動の規制により電気伝導度が向上する。

接触層３０は、単繊維２０が厚み方向の２本から３本程度の複数本を金属３に埋没し、２０μｍから４０μｍの厚みの層である。そのため、金属３内に埋設されているために、金属３が炭素繊維束１０の表面に強固に付着することが可能である。片面において金属３が付着している層の厚みは、接触層３０及び金属層４０を含み２５μｍから３００μｍの金属３の層が最適である。従って、基布５の厚みの約０．１倍から１．２倍の範囲での金属３の層の厚みがより良い。

従来は、炭素繊維の布だけでは安定した電流を流すことは困難であったが、経糸１１又は緯糸２１が交差する部分を金属３が基布の経糸及び緯糸の移動を規制するように固着することにより、基布５の経糸１１及び緯糸２１の緩みが無くなり、基布５が固定され電気伝導度は更に向上すると同時に安定した電流値を確保することができる。また、炭素繊維の酸化を防ぐことが難しかったが、アルミニュウム等の金属を被覆することにより防蝕効果を向上することが可能であり、建築材等への応用も可能である。

（実施例２）
実施例２について図４から図８を参照して、本発明の導電体８について説明する。
実施例１の導電体８と同じ構成を示す箇所には同じ符号を付し、同じ構成の箇所は説明を省略する。図４は、実施形態の実施例２の基布５に金属３を付着させた導電体８を正面から視た概要図である。図５は、実施形態の実施例２の基布５の片面に金属３を付着させた導電体８を更に表面を被覆材５０により被覆した被覆導電体１の断面を示す概要図である。

図６は、実施形態の実施例２の基布５の両面に金属３を付着させた導電体８を更に表面を被覆材５０により被覆した被覆導電体１の断面を示す概要図である。図７は、実施形態の実施例２の基布５の表面に金属３を付着させた導電体８の一部を現す４００倍のＳＥＭ像である。図８は、実施形態の実施例２の基布５の表面に金属３を付着させた導電体８のスルーホール６を示した正面から視た写真である。

図４に示す導電体８は、実施例１と異なりスルーホール６を設けている。スルーホール６は、０．５ｍｍから１．５ｍｍ程度の通し孔である。図８は、２／２の綾織りの基布５に金属３を付着させ、光を透過させてスルーホール６を確認した写真である。

図５及び図６に示す被覆導電体１は、スルーホール６に樹脂やゴム等の被覆材５０を充填し、金属３と炭素繊維束１０との剥離を抑えている。また、被覆導電体１は、樹導電体８の全面に樹脂やゴムを使用した被覆材５０により被覆している。また、樹脂やゴムだけでなく金属３を使用して被覆材５０として活用しても良い。

スルーホール６を設け所々を、裏面と表面とを橋渡しすることにより、被覆材５０の強度を補強することが可能である。また、導電体８は、スルーホール６を設けることによりアルミニュウムの板と比較し、密度が片面では４０％、両面では３０％となり、６０％から７０％の減量が可能である。

被覆材５０として使用される樹脂は、ＣＦＲＰを製造する過程では、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル、ビニルエステル、フェノール、シアネートエステル、ポリイミド、ポリアミド、ポリカーボネイト、ポリフェニレンスルフィド及びポリエーテルエーテルケトンが考えられる。

被覆材５０として使用される導電体８の絶縁材料としてのゴムは、天然ゴム、ニトリルゴム、エチレンプロピレンゴム、クロロブレンゴム、シリコーンゴム、エチレン酢酸ビニルゴム及びフッ素ゴム等がある。
尚、被覆材５０は、特に樹脂やゴムに限定する必要は無く、電気的な絶縁や耐熱が可能な被覆材料であれば良い。

図７に示すように導電体８は、炭素繊維束１０の表面に接触する接触層３０の上方に、雪山のように金属３が積層する金属層４０を設けている。金属層４０は、１００から２００μｍの厚みに金属３を積層した層である。接触層３０は、単繊維２０が厚み方向の２本から３本程度の複数本を金属３に埋没し、２０μから６０μｍの厚みの層である。

そのため、金属３内に埋設されているために、金属３が炭素繊維束１０の表面に強固に付着することが可能である。金属が浸透する複数本は、厚み方向に２０μから６０μｍ程度の奥に浸透すると良く。単繊維２０が３本から１０本程度厚み方向に埋設されるのが良い。

また、図７に示すように金属層４０の表面は、鋭角な凹凸がランダムに形成されているため、金属層４０と被覆材５０の固着を強固としている。
アクリル系のゴムである被覆材５０を使用し、導電体８を被覆し、片面の金属３の被覆を行った被覆導電体１は、幅５ｍｍ、長さ１ｍの表面の電気抵抗値は、３２Ωであり、両面の金属３の被覆を行った被覆導電体１は、幅５ｍｍ、長さ１ｍの表面の電気抵抗値は、３０Ωであった。

（導電体の製造方法）
図９（Ａ）は、アーク溶射法により、炭素繊維束１０に微小な溶融した金属３を溶射している様子を現す図である。図９（Ｂ）は、アーク溶射法により、基布５に微小な溶融した金属３を溶射した導電体８の様子を現す図である。

図９は、アーク溶射法により複数回に亘って、微小な溶融した金属３を溶射することにより製造している。その際、基布５は特に、下準備することなく炭素繊維束１０を形成するサイジング剤７が設けられている基布５に対して、サイジング剤７が溶融する温度により距離等を調整して、サイジング剤７の融点によって左右されるが溶射を行っている。エポキシ系のサイジング剤７であれば基布５の表面に金属３が衝突する温度が８０℃から１００℃以下あたりの１００℃附近が最も良い。

尚、アーク溶射を使用したが、距離等を調整し温度条件が一致すれば、溶線式フレーム溶射、粉末式フレーム溶射、溶棒式フレーム溶射、高速フレーム溶射、爆発溶射、プラズマ溶射、線爆溶射及びコールドスプレー等の溶射の方法が考えられる。

サイジング剤７の溶融と金属３の冷えて固まる具合により、図５、図６及び図７に示すように、接触層３０の単繊維２０のサイジング剤７の表面を溶融しながら、金属３が上塗りされて金属３が積層され、金属層４０を形成し、基布の５全体に金属３を付着させていく。

図９（Ｂ）に示すように経糸１１及び緯糸２１が交差する箇所（Ａ）においても、溶融した金属３を積層するので、基布５の全体が面状に繋がった金属３の導電する導電体８となる。従って、金属３を付着していない基布５よりも当然に電気伝導度や熱伝導度が向上する。

サイジング剤は、エポキシ・ビニルエステル樹脂、エポキシ・ポリエステル樹脂、ポリプロピレン樹脂等があり、エポキシ樹脂を変性した樹脂であっても良い。
尚、本実施形態の炭素繊維は、ピッチ系、ＰＡＮ系、レーヨン又は炭素を含有した炭素繊維であれば良い。

（実施例３）
実施例３について図１０及び図１２を参照して、本発明の炭素繊維複合材料１００について説明する。
実施例１又は実施例２の被覆導電体１又は導電体８と同じ構成を示す箇所には同じ符号を付し、同じ構成の箇所は説明を省略する。

図１０は、実施形態の実施例３の基布５の片面に金属３を付着させた導電体８を更に表面を被覆材５０により被覆した炭素繊維複合材料１００の斜視図を示す概要図である。図１１及び図１２は、実施形態の実施例３の基布５の片面に金属３を付着させた導電体８を更に表面を被覆材５０により被覆した炭素繊維複合材料１００の断面を示す概要図である。

図１０及び図１１を参照し、所謂炭素繊維複合材料（ＣＦＲＰ）１００について説明する。被覆材５０は、表面だけでなく導電体８と中間層６０を接着する２液型のエポキシ樹脂を使用した。導電体８は、上述した片面に金属３を付着した導電体８を使用した。

炭素繊維複合材料１００は、導電体８の両端に端子２３を備えて、電気を通すことが可能なように配線２４、２５、２６、２７が設けられている。
中間層６０は、本実施例では、厚さ０．２５ｍｍの織物状のガラス繊維の１枚の布を被覆材５０により接着している。

このような構成の炭素繊維複合材料１００は、配線２７から配線２４に至る電気の流れ（Ｘ）よって発生する抵抗が、３Ωから５Ω程度であった。また、配線２６から配線２４に至る電気の流れ（Ｙ）よって発生する抵抗が、７Ωから１５Ω程度であった。これは、導電体８の間にガラス繊維等の絶縁体もしくは抵抗体を挟むことによって、１枚の炭素繊維複合材料１００により、異なる抵抗値の炭素繊維複合材料１００を形成することが可能である。

配線２４、２５、２６、２７を接続する経路によって抵抗値が異なるため、１枚の素繊維複合材料１００の中で、異なる温度帯や消費電力のヒータを使用することが可能である。また、ヒータ、ＬＥＤ又はモータ等の異なる負荷に対して対応が可能である。その他に、地中に埋設し、鉄筋等の電気防蝕や融雪用のヒータ等の使い分けも可能である。

また、導電体８は、電気の流れと直交する幅（Ｄ）と厚み（Ｅ）で断面積が構成され、この断面積に抵抗値が反比例する。また、導電体８は、電気の流れと平行する長さ（Ｌ）方向に抵抗値が比例する。従って、導電体８は、幅（Ｄ）、厚み（Ｅ）及び長さ（Ｌ）方向を調整することによって抵抗値即ち電気伝導度を決定することが可能である。従って炭素繊維複合材料１００の抵抗値も導電体８や中間層６０の厚み等によっても抵抗値即ち電気伝導度を調整することが可能である。尚、本実施例では、Ｄ＝９０ｍｍ、Ｅ＝０．３８ｍｍ、Ｌ＝１５０ｍｍの導電体８を使用した。

尚、電気の流れる方向は特に問うことはなく、配線２７から配線２４間、配線２５から配線２６間、配線２４から配線２６間及び配線２７から配線２５間がある。そして、１つの炭素繊維複合材料１００の抵抗値は、配線２７から配線２４間、配線２５から配線２６間、配線２４から配線２６間及び配線２７から配線２５間の最大３通りが可能である。

また、炭素繊維複合材料１００は、導電体８を３層又は４層以上と複数の層とし、その間に中間層６０を設けることによって、更に複数の種類の抵抗値を持った電気経路を形成することが可能である。

また、中間層６０を、上述したガラス繊維を３枚接着した際には、裏と表も抵抗は１ＭΩ程度であった。そのため、ガラス繊維を３枚以上重ねて接着し０．７５ｍｍ以上の厚みにして導電体８間を絶縁することによって、炭素繊維複合材料１００は、配線２４と配線２７の間と配線２５と配線２６の間とにより極性や電圧等の種類の異なる電気の流れを造ることが可能である。これによって、炭素繊維複合材料１００は、発熱体や信号配線若しくは動力配線の代わりに使用が可能である。

また、炭素繊維複合材料１００は、導電体８を３層又は４層以上と複数の層とし、その間に中間層６０を設けることによって、更に複数の種類の抵抗値を持った電気経路を形成することが可能である。これによって、複数の負荷や異なる負荷を接続することも可能である。

例えば、配線２４と配線２７の間に直流の＋極を接続し、配線２５と配線２６の間とに−極を接続し、ＬＥＤ又はモータ等の負荷の駆動に使用することが可能である。
以上のように炭素繊維複合材料１００によって、軽量且つ強度を向上させた状態で電気の流れを構成する材料として活用が可能である。

また、導電体８は、上述のようにスルーホール６を設けており、内部の接着層と橋渡しすることにより、被覆材５０の強度を補強することが可能である。

図１２は、炭素繊維複合材料１００が飛行機、車、船舶又は外に設置される建物や交通標識灯等の筐体に使用される場合を示している。炭素繊維複合材料１００によって形成された筐体に落雷（Ｓ）が発生した場合には、表面の導電体８に落雷（Ｓ）し、その電気の流れ（Ｚ）は炭素繊維複合材料１００に接する他の金属等に流し抵抗を低く抑え、火災等の発生を抑えることが可能である。

また、これによって、炭素繊維複合材料１００自体の絶縁破壊も抑えることが可能である。裏面の導電体８は、配線２６から配線２５に至る電気の流れ（Ｙ）よって、発熱体や信号配線若しくは動力配線の代わりに使用が可能である。

自動車用の発熱体、航空機の機体、ＣＦＲＰの導電体、電気ケーブルや放熱材料としての応用が可能である。また建築用の電気防食やＣＦＲＰでの骨材やロープ等の応用の可能である。

１ 被覆導電体
３ 金属
５ 基布
６ スルーホール
７ サイジング剤
８ 導電体
１０ 炭素繊維束
１１ 経糸
２０ 単繊維
２１ 緯糸
２３ 端子
２４、２５、２６、２７ 配線
３０ 接触層
３１ 隙間
４０ 金属層
５０ 被覆材
６０ 中間層
１００ 炭素繊維複合材。

Claims (2)

1. 炭素繊維束を織物又は編み物により製織した基布の表面に、導電性能を有する金属を付着し、その基布の前記炭素繊維束の移動を規制する前記金属の被覆層を形成した複数の導電体と、
   前記導電体と他の前記導電体の間に抵抗体を備えた中間層と、を形成し、
   前記導電体内を流れる電気の抵抗値と、前記中間層を跨いで前記導電体間を流れる電気の抵抗値とを異ならせたことを特徴とする炭素繊維複合材。
2. 炭素繊維束を織物又は編み物により製織した基布の表面に、導電性能を有する金属を付着し、その基布の前記炭素繊維束の移動を規制する前記金属の被覆層を形成した複数の導電体と、
   前記導電体と他の前記導電体の間に絶縁体を備えた中間層と、を形成し、
   前記導電体内を流れる電気は、前記中間層によって分離された前記導電体毎に極性又は電圧値を異ならせた電流を流すことが可能なことを特徴とする炭素繊維複合材。

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