JP2676211B2 - 炭素／炭素複合材料の製造法 - Google Patents
炭素／炭素複合材料の製造法Info
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/515—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
- C04B35/52—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbon, e.g. graphite
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Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、炭素／炭素複合材料の製造法に関する。
従来の技術および発明が解決しようとする問題点 炭素／炭素複合材料は、1000℃以上の高温においても
高強度、高弾性率を維持し、かつ熱膨張率が小さい等の
特異な性質を有する材料であり、航空宇宙機器の部品、
ブレーキ、炉材等への利用が期待されている。
高強度、高弾性率を維持し、かつ熱膨張率が小さい等の
特異な性質を有する材料であり、航空宇宙機器の部品、
ブレーキ、炉材等への利用が期待されている。
一方、炭素質ピッチは、その炭化収率が高いことか
ら、炭素／炭素複合材料のマトリックス用プリカーサー
として使用されているが、炭化過程において発生する揮
発性成分のためマトリックス内に微細な気泡を生成し、
高密度化の弊害となっている。
ら、炭素／炭素複合材料のマトリックス用プリカーサー
として使用されているが、炭化過程において発生する揮
発性成分のためマトリックス内に微細な気泡を生成し、
高密度化の弊害となっている。
したがって含浸と高温度での炭化のサイクルを繰り返
さなければならず、製造プロセスが複雑となり、かつ長
い日数を要するためコストがかかっている。
さなければならず、製造プロセスが複雑となり、かつ長
い日数を要するためコストがかかっている。
問題点を解決するための手段 本発明者らは、前記問題点を解決した簡便な製造プロ
セスを開発すべく研究した結果、本発明の完成に至っ
た。
セスを開発すべく研究した結果、本発明の完成に至っ
た。
本発明者らは、先にピッチ系炭素繊維のトウに炭素質
ピッチを含浸し、この含浸物を不融化処理した後に炭化
あるいは必要に応じて黒鉛化することを特徴とする炭素
／炭素複合材料の製造法について出願した。その後さら
に鋭意検討を重ねた結果本発明に至った。
ピッチを含浸し、この含浸物を不融化処理した後に炭化
あるいは必要に応じて黒鉛化することを特徴とする炭素
／炭素複合材料の製造法について出願した。その後さら
に鋭意検討を重ねた結果本発明に至った。
本発明は、ピッチ系炭素繊維のトウを２次元あるいは
３次元に成形した繊維成形体に炭素質ピッチを含浸し、
この含浸物を不融化処理した後に毎分50℃未満の冷却速
度で120℃以下まで冷却し、且つこの不融化／冷却のサ
イクルを少なくとも２回繰り返したのち、炭化あるいは
必要に応じて黒鉛化することを特徴とする炭素／炭素複
合材料の製造法に関する。
３次元に成形した繊維成形体に炭素質ピッチを含浸し、
この含浸物を不融化処理した後に毎分50℃未満の冷却速
度で120℃以下まで冷却し、且つこの不融化／冷却のサ
イクルを少なくとも２回繰り返したのち、炭化あるいは
必要に応じて黒鉛化することを特徴とする炭素／炭素複
合材料の製造法に関する。
以下、本発明による炭素／炭素複合材料の製造法につ
いて詳述する。
いて詳述する。
本発明でいうピッチ系炭素繊維とは、炭素質ピッチを
溶融紡糸し、これを不融化、炭化および必要に応じて黒
鉛化することにより得られる繊維である。ピッチ系炭素
繊維の原料となる炭素質ピッチとしては、通常軟化点10
0〜400℃、好ましくは150〜350℃を有する石炭系あるい
は石油系のピッチが用いられる。炭素質ピッチは、光学
的に等方性のピッチあるいは異方性のピッチのいずれも
使用できるが、光学的異方性相の含量が60〜100％、好
ましくは80〜100％の光学的異方性ピッチが特に好まし
く用いられる。
溶融紡糸し、これを不融化、炭化および必要に応じて黒
鉛化することにより得られる繊維である。ピッチ系炭素
繊維の原料となる炭素質ピッチとしては、通常軟化点10
0〜400℃、好ましくは150〜350℃を有する石炭系あるい
は石油系のピッチが用いられる。炭素質ピッチは、光学
的に等方性のピッチあるいは異方性のピッチのいずれも
使用できるが、光学的異方性相の含量が60〜100％、好
ましくは80〜100％の光学的異方性ピッチが特に好まし
く用いられる。
炭素質ピッチは、次いで公知の方法で溶融紡糸してピ
ッチ繊維としたのち、酸化性ガス雰囲気下、50〜400
℃、好ましくは100〜350℃で不融化処理を行う。酸化性
ガスとしては、空気、酸素、窒素酸化物、硫黄酸化物、
ハロゲン、あるいはこれらの混合物が使用できる。次い
で不活性ガス雰囲気下800〜2000℃で炭化処理、あるい
はさらに2000〜3000℃で黒鉛化処理を行い炭素繊維とす
る。
ッチ繊維としたのち、酸化性ガス雰囲気下、50〜400
℃、好ましくは100〜350℃で不融化処理を行う。酸化性
ガスとしては、空気、酸素、窒素酸化物、硫黄酸化物、
ハロゲン、あるいはこれらの混合物が使用できる。次い
で不活性ガス雰囲気下800〜2000℃で炭化処理、あるい
はさらに2000〜3000℃で黒鉛化処理を行い炭素繊維とす
る。
ピッチ系炭素繊維としては直径５〜100μｍのものが
使用でき、500〜250,000本の繊維束（トウ）として繊維
成形体をつくる。
使用でき、500〜250,000本の繊維束（トウ）として繊維
成形体をつくる。
本発明でいう繊維成形体とは、ピッチ系炭素繊維のト
ウを一方向積層物、２次元織物あるいはその積層物、３
次元織物、マット状系成形物、フェルト状成形物など２
次元あるいは３次元に成型したものをいう。
ウを一方向積層物、２次元織物あるいはその積層物、３
次元織物、マット状系成形物、フェルト状成形物など２
次元あるいは３次元に成型したものをいう。
本発明において、このようにして得られたピッチ系炭
素繊維のトウの繊維成形体に炭素質ピッチを含浸し、こ
の含浸物を不融化処理する。
素繊維のトウの繊維成形体に炭素質ピッチを含浸し、こ
の含浸物を不融化処理する。
含浸は、炭素質ピッチを真空下で加熱、溶融すること
により達成されるが、含浸時の粘度を下げるために、溶
剤でカット・バックすることもできる。その際の溶剤と
しては、芳香族炭化水素、ピリジン、キノリンなどが使
用できる。
により達成されるが、含浸時の粘度を下げるために、溶
剤でカット・バックすることもできる。その際の溶剤と
しては、芳香族炭化水素、ピリジン、キノリンなどが使
用できる。
含浸に用いる炭素質ピッチは軟化点100〜400℃、好ま
しくは150〜350℃を有する石炭系あるいは石油系のピッ
チである。炭素質ピッチは、光学的に等方性のピッチあ
るいは異方性のピッチのいずれも使用できるが、光学的
異方性相の含量が60〜100％、好ましくは80〜100％の光
学的異方性ピッチが特に好ましく用いられる。
しくは150〜350℃を有する石炭系あるいは石油系のピッ
チである。炭素質ピッチは、光学的に等方性のピッチあ
るいは異方性のピッチのいずれも使用できるが、光学的
異方性相の含量が60〜100％、好ましくは80〜100％の光
学的異方性ピッチが特に好ましく用いられる。
このようにして得られた含浸物を不融化処理した後に
毎分50℃未満の冷却速度で120℃以下まで冷却し、且つ
この不融化／冷却のサイクルを少なくとも２回繰り返
す。不融化物を毎分50℃未満で、好ましくは0.01〜30℃
／分、より好ましくは0.1〜25℃／分で冷却することに
より、マトリックス中あるいはマトリックスと炭素繊維
との界面に微少なクラックが発生し、これが２回目以降
の不融化の際に酸化性ガスがアクセスする道となる。毎
分50℃以上で冷却するとクラックが大きくなり過ぎ、複
合材料の機械的性質に影響を及ぼす。冷却は不融化処理
温度との兼ね合いによるが120℃以下、好ましくは100℃
以下、さらに好ましくは０〜50℃まで行う。含浸物の不
融化処理は、酸化性ガス雰囲気下、150〜400℃、好まし
くは180〜350℃で行うことができる。酸化性ガスとして
は、空気、酸素、窒素酸化物、硫黄酸化物、ハロゲン、
あるいはこれらの混合物が使用できる。不融化／冷却の
繰り返しサイクル数は、少なくとも２回、例えば２〜50
回、好ましくは５〜30回である。１回の不融化時間は30
分〜20時間、好ましくは２〜15時間である。
毎分50℃未満の冷却速度で120℃以下まで冷却し、且つ
この不融化／冷却のサイクルを少なくとも２回繰り返
す。不融化物を毎分50℃未満で、好ましくは0.01〜30℃
／分、より好ましくは0.1〜25℃／分で冷却することに
より、マトリックス中あるいはマトリックスと炭素繊維
との界面に微少なクラックが発生し、これが２回目以降
の不融化の際に酸化性ガスがアクセスする道となる。毎
分50℃以上で冷却するとクラックが大きくなり過ぎ、複
合材料の機械的性質に影響を及ぼす。冷却は不融化処理
温度との兼ね合いによるが120℃以下、好ましくは100℃
以下、さらに好ましくは０〜50℃まで行う。含浸物の不
融化処理は、酸化性ガス雰囲気下、150〜400℃、好まし
くは180〜350℃で行うことができる。酸化性ガスとして
は、空気、酸素、窒素酸化物、硫黄酸化物、ハロゲン、
あるいはこれらの混合物が使用できる。不融化／冷却の
繰り返しサイクル数は、少なくとも２回、例えば２〜50
回、好ましくは５〜30回である。１回の不融化時間は30
分〜20時間、好ましくは２〜15時間である。
不融化／冷却の繰り返しサイクルを行わない場合に
は、充分な不融化が行われず、炭化過程でマトリックス
からのガス発生にともなう発泡、マトリックスの脱落、
含浸物の型くずれ、繊維成形体の変形などをもたらす。
は、充分な不融化が行われず、炭化過程でマトリックス
からのガス発生にともなう発泡、マトリックスの脱落、
含浸物の型くずれ、繊維成形体の変形などをもたらす。
不融化処理された含浸物は、炭化あるいは必要に応じ
て黒鉛化することにより炭素／炭素複合材となる。ま
た、不融化処理された含浸物を加圧下あるいはプレス下
で炭化し、さらに必要に応じて炭化あるいは黒鉛化する
こともできる。
て黒鉛化することにより炭素／炭素複合材となる。ま
た、不融化処理された含浸物を加圧下あるいはプレス下
で炭化し、さらに必要に応じて炭化あるいは黒鉛化する
こともできる。
加圧下の炭化は、不活性ガスにより50〜10,000kg/cm2
に加圧し、400〜2000℃において実施することが出来
る。また、プレス下の炭化は、ホットプレスにより10〜
500kg/cm2の圧力下、400〜2000℃において実施すること
が出来る。常圧下の炭化あるいは黒鉛化は、不活性ガス
雰囲気下400〜3000℃において実施することが出来る。
に加圧し、400〜2000℃において実施することが出来
る。また、プレス下の炭化は、ホットプレスにより10〜
500kg/cm2の圧力下、400〜2000℃において実施すること
が出来る。常圧下の炭化あるいは黒鉛化は、不活性ガス
雰囲気下400〜3000℃において実施することが出来る。
さらに不融化／冷却のサイクルを繰り返したのち、あ
るいはこれを炭化した後に、生じたクラックに炭素質ピ
ッチを再含浸して再び不融化／冷却のサイクルを繰り返
すことができる。また不融化／冷却のサイクルを繰り返
したのち、あるいはこれを炭化した後に、生じたクラッ
クを化学気相蒸着法により炭素を含浸させることも出来
る。
るいはこれを炭化した後に、生じたクラックに炭素質ピ
ッチを再含浸して再び不融化／冷却のサイクルを繰り返
すことができる。また不融化／冷却のサイクルを繰り返
したのち、あるいはこれを炭化した後に、生じたクラッ
クを化学気相蒸着法により炭素を含浸させることも出来
る。
複合材料におけるピッチ系炭素繊維の体積含有率（V
f）は、目的によって任意に決定されるが、通常は５〜7
0％である。
f）は、目的によって任意に決定されるが、通常は５〜7
0％である。
実施例 以下に実施例をあげ、本発明を具体的に説明するが、
本発明はこれらに限定されるものではない。
本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１） 直径10μｍのピッチ系炭素繊維の3000本束の３次元織
物に軟化点280℃光学的異方性相の含有率が100％の光学
的異方性ピッチを真空含浸した。含浸物を空気中240℃
で10時間不融化したのち、毎分５℃で室温まで冷却し、
この不融化／冷却のサイクルを10回繰り返した。その
後、窒素雰囲気中、常圧下、1000℃で１時間炭化処理し
てvF（繊維体積含有率）40％の炭素／炭素複合材料を得
た。得られた炭素／炭素複合材料を走査型電子顕微鏡、
および偏光顕微鏡で観察したところ、マトリックス中に
は気泡の生成が殆ど見られなかった。
物に軟化点280℃光学的異方性相の含有率が100％の光学
的異方性ピッチを真空含浸した。含浸物を空気中240℃
で10時間不融化したのち、毎分５℃で室温まで冷却し、
この不融化／冷却のサイクルを10回繰り返した。その
後、窒素雰囲気中、常圧下、1000℃で１時間炭化処理し
てvF（繊維体積含有率）40％の炭素／炭素複合材料を得
た。得られた炭素／炭素複合材料を走査型電子顕微鏡、
および偏光顕微鏡で観察したところ、マトリックス中に
は気泡の生成が殆ど見られなかった。
（比較列１） 実施例１と同じ含浸物を不融化処理せずに窒素雰囲気
中に、常圧下、1000℃で１時間炭化処理した。得られた
ものは体積が著しく膨張し、繊維成形体にも変形がみら
れた。
中に、常圧下、1000℃で１時間炭化処理した。得られた
ものは体積が著しく膨張し、繊維成形体にも変形がみら
れた。
（比較例２） 実施例１と同じ含浸物を不融化／冷却のサイクルを繰
り返さずに空気中240℃で100時間連続不融化した。これ
を窒素雰囲気中、常圧下、1000℃で１時間炭化処理し
た。得られたものはマトリックス中に気泡が発生してい
た。
り返さずに空気中240℃で100時間連続不融化した。これ
を窒素雰囲気中、常圧下、1000℃で１時間炭化処理し
た。得られたものはマトリックス中に気泡が発生してい
た。
（実施例２） 直径10μｍのピッチ系炭素繊維の3000本束の２次元織
物を積層し、これに実施例１で用いた光学的異方性ピッ
チを真空含浸した。含浸物を空気中260℃で10時間不融
化したのち、毎分10℃で室温まで冷却し、この不融化／
冷却のサイクルを10回繰り返した。その後、窒素雰囲気
中、60kg/cm2加圧下で700℃で１時間炭化処理した。さ
らに、窒素雰囲気中、常温下、1000℃で１時間炭化処理
してVf（繊維体積含有率）50％の炭素／炭素複合材料を
得た。得られた炭素／炭素複合材料を走査型電子顕微
鏡、および偏光顕微鏡で観察したところ、マトリックス
中には気泡の生成が殆ど見られなかった。
物を積層し、これに実施例１で用いた光学的異方性ピッ
チを真空含浸した。含浸物を空気中260℃で10時間不融
化したのち、毎分10℃で室温まで冷却し、この不融化／
冷却のサイクルを10回繰り返した。その後、窒素雰囲気
中、60kg/cm2加圧下で700℃で１時間炭化処理した。さ
らに、窒素雰囲気中、常温下、1000℃で１時間炭化処理
してVf（繊維体積含有率）50％の炭素／炭素複合材料を
得た。得られた炭素／炭素複合材料を走査型電子顕微
鏡、および偏光顕微鏡で観察したところ、マトリックス
中には気泡の生成が殆ど見られなかった。
（実施例３） 直径10μｍのピッチ系炭素繊維の2000本束をフェルト
状に成形し、これに実施例１で用いた光学的異方性ピッ
チを真空含浸した。含浸物を空気中260℃で10時間不融
化したのち、毎分25℃で室温まで冷却し、この不融化／
冷却のサイクルを10回繰り返した。その後、窒素ガスで
200kg/cm2に加圧し、700℃で１時間炭化処理した。さら
に、窒素雰囲気中、常圧下、1000℃で１時間炭化処理し
てVf（繊維体積含有率）25％の炭素／炭素複合材料を得
た。得られた炭素／炭素複合材料を走査型電子顕微鏡、
および偏光顕微鏡で観察したところ、マトリックス中に
は気泡の生成が殆ど見られなかった。
状に成形し、これに実施例１で用いた光学的異方性ピッ
チを真空含浸した。含浸物を空気中260℃で10時間不融
化したのち、毎分25℃で室温まで冷却し、この不融化／
冷却のサイクルを10回繰り返した。その後、窒素ガスで
200kg/cm2に加圧し、700℃で１時間炭化処理した。さら
に、窒素雰囲気中、常圧下、1000℃で１時間炭化処理し
てVf（繊維体積含有率）25％の炭素／炭素複合材料を得
た。得られた炭素／炭素複合材料を走査型電子顕微鏡、
および偏光顕微鏡で観察したところ、マトリックス中に
は気泡の生成が殆ど見られなかった。
Claims (1)
- 【請求項１】ピッチ系炭素繊維のトウを２次元あるいは
３次元に成形した繊維成形体に炭素質ピッチを含浸し、
この含浸物を不融化処理した後に毎分50℃未満の冷却速
度で120℃以下まで冷却し、且つこの不融化／冷却のサ
イクルを少なくとも２回繰り返したのち、炭化あるいは
必要に応じて黒鉛化することを特徴とする炭素／炭素複
合材料の製造法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63032759A JP2676211B2 (ja) | 1988-02-17 | 1988-02-17 | 炭素／炭素複合材料の製造法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63032759A JP2676211B2 (ja) | 1988-02-17 | 1988-02-17 | 炭素／炭素複合材料の製造法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01212275A JPH01212275A (ja) | 1989-08-25 |
| JP2676211B2 true JP2676211B2 (ja) | 1997-11-12 |
Family
ID=12367770
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63032759A Expired - Lifetime JP2676211B2 (ja) | 1988-02-17 | 1988-02-17 | 炭素／炭素複合材料の製造法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2676211B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04321559A (ja) * | 1991-04-23 | 1992-11-11 | Mitsubishi Gas Chem Co Inc | 炭素材料用組成物および炭素複合材料とその製法 |
-
1988
- 1988-02-17 JP JP63032759A patent/JP2676211B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01212275A (ja) | 1989-08-25 |
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