JP2625783B2 - 炭素繊維強化炭素複合材の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、強度、及び摩擦、摺動特性に優れた炭素繊
維強化炭素複合材の製造方法に関するものである。

（従来の技術） 一般に、炭素繊維強化炭素複合材（以下「C/C複合
材」という。）はPAN系、ピッチ系あるいはレーヨン系
などの長短炭素繊維にフエノール樹脂、フラン樹脂など
の熱硬化性樹脂、あるいはピッチなどの熱可塑性樹脂を
含浸、又は混合して加熱成型したものを不活性ガスなど
の非酸化性雰囲気において600〜1000℃に焼成すること
により得られる。

繊維を用いたC/C複合材を製造する方法としては、例
えば特開昭54−41295号公報あるいは特開昭57−129814
号公報に開示された様なミキサーで溶媒と炭素繊維とを
混合した後スクリーンにてマット化し、加圧する方法、
又は特開昭58−30537号公報に開示された様な溶媒と炭
素繊維とを成型型中で超音波振動により混合する方法等
が知られているが、これらはいずれも繊維を如何にして
均一に分散されるかが主題であって、マトリックス材料
と炭素繊維との接着性については特に言及されていな
い。

また、マトリックス材料と炭素繊維との接着性に関し
ては主としてエポキシ樹脂等のプラスチックをマトリッ
クス材料とする場合に種々検討されており、例えば次亜
塩素酸塩等の水溶性酸化剤中で表面処理する方法（特公
昭46−37,011号公報）、硝酸、クロム混酸、過硫酸等の
鉱酸で表面処理する方法（特公昭43−8995号公報）ある
いは陽極酸化による表面処理方法等が知られていた。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、これらの表面処理方法はいずれも上述
した様にプラスチックをマトリックス材料とする場合に
用いられることが多く、C/C複合材に関して適用される
ことがなく、またC/C複合材については主として補強材
の均一分散に関する検討がなされ、マトリックス材料と
炭素繊維との接着性や界面での相互作用についてはあま
り検討がなされていなかった。

（問題点を解決するための手段） そこで、本発明者等は、かかる問題点につき鋭意検討
を行なった結果、特定の表面処理が施こされた炭素繊維
を用いることにより得られたC/C複合材の強度が改良さ
れることを見い出し、本発明に到達した。

すなわち、本発明の目的はマトリックス材料と炭素繊
維との接着性が改善され、強度が向上し、かつ摺動特性
が十分なC/C複合材を提供するものである。

そして、その目的は、炭素繊維集合体と樹脂又はピッ
チとを混合して成型し、焼成して炭素繊維強化炭素複合
材を製造する方法において、該炭素繊維集合体が予め過
酸化水素により表面酸化処理された複数の炭素繊維の集
合体であることを特徴とする炭素繊維強化炭素複合材の
製造方法により容易に達成される。

以下、本発明を詳細に説明するが、本発明で用いる炭
素繊維としてはピッチ系、PAN系、あるいはレーヨン系
炭素繊維等の公知のいずれのものも使用できる。更に必
要に応じてSiC、Al₂O₃、カーボンブラックなどの無機繊
維、無機物などを混合添加してもよい。

通常用いられる炭素繊維の形態としては、複数の単繊
維から成るトウ、ストランド、ロービング、ヤーンなど
の形態であり、長繊維もしくはこれをカッティングする
ことにより得られる短繊維を用いるのがよい。そして、
これら短繊維は複数の単繊維の束から形成されており、
本発明においてはこれら短繊維を用いる場合、通常0.3
〜100mm、好ましくは、１〜50mm程度の短繊維を使用し
てC/C複合材とする際に、該短繊維をそれを構成する単
繊維１本々々に分散させ、マトリックス物質をその間に
充填させることが特性向上のために好適であり、この分
散手法としては公知の手法により行なえばよい。

本発明においては、上述した繊維を予め過酸化水素に
より表面酸化処理することが重要である。かかる表面処
理によりマトリックス材料と炭素繊維との接着性が向上
するのである。

この表面酸化処理を具体的に説明すると、たとえば32
wt％（試薬の最大濃度）までの濃度の過酸化水素水溶液
中で室温〜100℃、0.1〜数10時間程度炭素繊維を浸漬す
ることにより行なわれる。

尚、用いる炭素繊維は通常サイジング剤等で処理され
ているため予めサイジング剤等を加熱除去、例えば90
℃、10時間程度で煮沸するのが好ましい。

過酸化水素による表面酸化処理により、炭素繊維の改
質が十分となり得るが、更に、この表面酸化処理に先立
って、水素雰囲気下で処理することもできる。

かかる水素化処理の一例を挙げると、炭素繊維を水素
雰囲気中で約800℃まで加熱しながら表面酸化物を除去
し、それを250℃付近まで自然放冷し排気した後、再び
水素雰囲気中で1000℃程度まで昇温し１時間程度保持し
た後自然放冷することにより行なわれる。

このようにして得られた炭素繊維集合体とフエノール
樹脂、フラン樹脂或いは、石油系、石炭系ピッチ等のマ
トリックスを混合あるいは含浸させた後乾燥する。その
際、マトリックスはアルコール、アセトン、アントラセ
ン油等の溶媒に溶解して適正な粘度に調整したものを使
用する。

次いで、この乾燥したものを得られる成型体中、Vf＝
５〜60％、好ましくは10〜45％ぐらいになる様に金型に
充填し、100〜500℃の温度で、加圧成型する。その後、
N₂ガスなどの不活性ガス雰囲気中で１〜200℃/hrの昇温
速度で800〜1000℃まで昇温し、焼成してC/C複合材を得
る。

上記焼成したC/C複合材を適宜、例えば、次の二法に
より緻密化処理を行ない、さらに強度の向上を図るのが
よい。

１） 樹脂、又はピッチによる緻密化処理 所定温度に加熱された槽に上記C/C複合材を載置し、
槽内を真空とした後、樹脂、又は溶融ピッチを供給し、
焼成により生じた空隙にマトリックスを含浸する。その
後再度800〜1000℃の温度で焼成し、含浸したピッチを
炭素化する。

上記工程を繰り返すことによりC/C複合材の緻密化処
理を行なう。

２） CVDにより緻密化処理 誘導加熱コイル等により反応管内に載置した上記C/C
複合材を加熱し、炭化水素類の蒸気をH₂ガス、Arガスと
共に反応管内に供給し、生成する熱分解炭素で空隙を含
浸し、緻密化する。

（実施例） 以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本
発明の要旨をこえない限り、下記実施例に限定されるも
のではない。

実施例１ 10mm長の表面処理をしていない炭素繊維を90℃に加熱
した過酸化水素水溶液（32wt％）中に１時間浸漬するこ
とにより、炭素繊維の表面処理を行なった。

マトリックスとしてコールタールより得られたメソフ
エーズピッチとピッチコークスを重量比1:1としたもの
を用い、上記表面処理をした炭素繊維と共にボールミル
にて１時間混合した。次いでこの混合物を金型（深さ40
mm、縦30mm、横60mm）に充填し、20MPa常温で加圧成形
し、圧力を付加しないで５℃／分で昇温して500℃まで
加熱した。さらに、20MPaの圧力下に５℃／分で昇温し
て650℃に加熱し、ホットプレスし成型体を得た。

この成型体をN₂雰囲気中で10℃/minの昇温速度で1000
℃、30分処理した後、さらにAr雰囲気中で400℃/hrの昇
温速度で2500℃、30分処理して繊維含有率36.7℃のC/C
複合材とした。

得られたC/C複合材を10×５×30mmの寸法に加工し、
スパン間20mmの３点曲げ試験を行なったところ96MPaの
高強度を示した。

比較例１ 実施例１で使用した炭素繊維を、過酸化水素水溶液処
理を行なわないで、それ以外は同様に処理を行ない繊維
含有率40.1％のC/C複合材とした。

得られたC/C複合材を実施例１と同じ条件で曲げ試験
を行なったところ、繊維含有率が高いにもかかわらず67
MPaの強度しか得られなかった。

（発明の効果） 本発明の方法によれば、曲げ強度が向上し、かつ摺動
特性十分なC/C複合材を得ることができる。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】炭素繊維集合体と樹脂又はピッチとを混合
   して成型し、焼成して炭素繊維強化炭素複合材を製造す
   る方法において、該炭素繊維集合体が予め過酸化水素に
   より表面酸化処理された複数の炭素繊維の集合体である
   ことを特徴とする炭素繊維強化炭素複合材の製造方法。