JP2733788B2 - 炭化物セラミックス被覆炭素繊維の製造法 - Google Patents

炭化物セラミックス被覆炭素繊維の製造法

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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は炭化物セラミック被覆炭素繊維の製造法に関
する。
従来の技術および発明が解決しようとする課題 セラミックス被覆炭素繊維は、繊維強化金属系複合材
料(FRMあるいはMMC)あるいは繊維強化セラミックス系
複合材料(CFRCe)の強化繊維としてその用途が期待さ
れている。このセラミックス被覆炭素繊維の製造法とし
ては、炭素繊維上に化学気相蒸着(CVD)法によりSiCな
どをコーティングしたものが知られているが、単繊維上
に厚い被膜を施したものであるため、取扱性が悪く、か
つ非常に高価である。
特公昭50−29528号には、ケイ素成分を含有するガス
の存在下で炭素繊維を少なくとも800℃に加熱して該繊
維成分の表面およびその内層部の一部を炭化珪素化せし
めることを特徴とする炭化ケイ素繊維の製造法が開示さ
れている。
一方特開昭63−211368号には、反応性化学蒸着により
耐熱性炭化物を連続した炭素フィラメントの集束体に連
続的に被覆する方法が開示されている。
しかし、これらの方法で得られた繊維の耐熱性あるい
は耐反応性が現状では不十分であり、繊維強化金属系複
合材料あるいは繊維強化セラミックス系複合材料として
十分な性能を発揮することができない。
本発明者らは前記欠点を解決すべく鋭意研究を重ねた
結果、本発明を完成するに至った。
課題を解決するための手段 すなわち、本発明は炭素繊維を加熱し、その表面に耐
熱性炭化物を形成し得る元素の化合物を炭素繊維と反応
させ、炭素繊維の表面あるいは表面とその内層部の一部
を炭化物とし、次いで不活性雰囲気下で熱処理すること
を特徴とする炭化物セラミックス被覆炭素繊維の製造法
を提供する。
本発明の方法により、耐酸化性、耐熱性および耐反応
性に優れた炭化物セラミックス被覆炭素繊維を製造する
ことができる。
以下、本発明について詳述する。
本発明においては、炭素繊維としてピッチ系、ポリア
クリロニトリル系等の種々の炭素繊維を用いることがで
き、特に弾性率が高いものが好適である。例えば、弾性
率が30×103kg f/mm2以上、好ましくは、40×103kg f/m
m2以上、さらに好ましくは50×103〜100×103kg f/mm2
である炭素繊維が特に好ましく、なかでもピッチ系炭素
繊維が特に好ましい。
本発明においては、炭素繊維は通常500〜25000本の繊
維束として用いる。また、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、マット状形成物、フェ
ルト状形成物などの如く、炭素繊維を2次元あるいは3
次元の形成体として用いてもよい。
本発明においてはまず、炭素繊維を加熱し、その表面
に耐熱性炭化物を形成し得る元素の化合物と接触させ、
炭素繊維の炭素と化学反応により炭素繊維の表面あるい
は表面とその内層部の一部を耐熱性炭化物とする。
耐熱性炭化物としては、SiC、ZrC、TiC、HfC、B4C、N
bC、WC等があげられ、特にSiC、ZrC、TiC、HfCが好まし
い。そして、これらの耐熱性炭化物を形成させるための
化合物としては、Si、Zr、Ti、Hf、B、Nb、W等の元素
のハロゲン化物、水素化物、有機金属化合物等が用いら
れ、例えばSiCを形成させるためにはSiCl4、CH3SiCl3
(CH32SiCl2、SiH4などが、ZrCにはZrCl4、TiCにはTi
Cl4、HfCにはHfCl4などがあげられる。耐熱性炭化物を
形成する化合物は、通常ガス状で炭素繊維と反応せしめ
られる。
炭化物形成反応は水素の共存下で行うのが好適であ
る。共存させる水素の量は、反応時の温度、ガス供給
量、繊維量、炉の構造などに対応して任意に決定できる
が、例えば炭化物を形成させるための化合物の量の5倍
容量以下、好ましくは0.1〜5倍容量であることが望ま
しい。
炭化物形成反応は常圧または減圧で行うのが好まし
く、通常は0.1〜760mmHg、好ましくは10〜760mmHg、さ
らに好ましくは50〜760mmHgが適している。
また、反応雰囲気中には、希釈のために、N2、NH3、A
r、He、Ne、Kr、Xe、Rnあるいはその他の不活性ガスを
混合することもできる。
炭化物形成反応の温度は800〜1700℃、好ましくは100
0〜1500℃が望ましい。800℃未満のときは充分な厚さの
炭化物被覆が得られず、1700℃を超えると均一かつ緻密
な炭化物被覆が得られない。
炭素繊維を加熱する方法は特に限定されない。例えば
炭素繊維に直接通電して加熱する方法、誘導電流により
炭素繊維を加熱する方法、あるいは外部から加熱する方
法などがあげられる。
炭化物形成反応の時間は、特に限定されないが、通常
1分から10時間程度で行うことができる。
炭化物被膜の厚みは通常1.0μm以下、好ましくは0.6
μm以下、さらに好ましくは0.01〜0.3μmとするのが
望ましい。この場合の重量増加は15%以下、好ましくは
10%以下、さらに好ましくは5%以下に抑制することが
望ましい。
炭素繊維表面あるいはさらにその内層部の一部を耐熱
性炭化物とした繊維は、次いで不活性雰囲気下で熱処理
される。
熱処理温度は具体的には1000〜3000℃で行うことがで
き、好ましくは1200〜1800℃である。そして、望ましく
は炭化物形成温度よりも50℃以上高い温度で行う。処理
時間は通常1分〜10時間でよく、また加熱方法は特に限
定されない。
熱処理時の雰囲気は不活性ガス中あるいは減圧下で行
う。不活性ガスとして例えばN2、NH3、Ar、He、Ne、K
r、Xe、Rn等が使用でき、また減圧としては、10-3mmHg
以上760mmHg未満、好ましくは、0.1〜500mmHgが適して
いる。
発明の効果 本発明の方法により耐酸化性、耐熱性、耐反応性に優
れた炭化物セラミックス被覆炭素繊維を製造することが
できる。
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、
本発明はこれらに制限されるものではない。
実施例1 反応容器中で直径9.4μm、弾性率40×103kg f/mm2
ピッチ系炭素繊維を1400℃に加熱し、SiCl4を133ml/mi
n、H2を500ml/minの流量で導入しながら全圧50mmHgにお
いて60分間反応させた。
この際、炭素繊維表面にはSiC被膜の形成が認めら
れ、かつSiC生成に伴う繊維径の増大は殆どなかった。
得られたSiC被覆繊維を次いで窒素中1350℃、1700
℃、2000℃でそれぞれ熱処理し、本発明のSiC被覆炭素
繊維を得た。
こうして得られたSiC被覆炭素繊維の耐酸化性を調べ
るために、空気中で600℃に加熱し、2時間保持して重
量変化を測定した。また比較のため、素材に用いた炭素
繊維そのもの及びSiC被膜は形成されているが、熱処理
を施していない炭素繊維についても、同様の方法で耐酸
化性を調べた。
これらの結果を表1に示した。この表から、本発明の
方法で得られたSiC被覆炭素繊維は、耐酸化性が大幅に
向上していることが分る。また、熱処理を施しても繊維
には強度低下が起こらないことが分る。
実施例2 反応容器中で直径7.3μm、弾性率21×103kg f/mm2
ポリアクリロニトリル系炭素繊維を1400℃に加熱し、Si
Cl4を133ml/min、H2を500ml/minの流量で導入しながら
全圧50mmHgにおいて60分間反応させた。
この際、炭素繊維表面にはSiC被膜の形成が認めら
れ、かつSiC生成に伴う繊維径の増大は殆どなかった。
得られたSiC被覆繊維を窒素中1700℃で熱処理した
後、実施例1と同様の方法で耐酸化性を調べた。また比
較のため、SiC被覆を形成させていない素材の炭素繊維
およびSiC被膜を形成させているが、熱処理を施してい
ない繊維についても、同様な方法で耐酸化性を調べた。
その結果を表2に示した。

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】炭素繊維を加熱し、その表面に耐熱性炭化
    物を形成し得る元素の化合物を炭素繊維と反応させ、炭
    素繊維の表面あるいは表面およびその内層部の一部を炭
    化物とし、次いで不活性雰囲気下で熱処理することを特
    徴とする炭化物セラミックス被覆炭素繊維の製造法。
  2. 【請求項2】炭素繊維が弾性率30×103kg f/mm2以上を
    有する炭素繊維であることを特徴とする請求項第1項に
    記載の炭化物セラミックス被覆炭素繊維の製造法。
  3. 【請求項3】炭素繊維が弾性率30×103kg f/mm2以上を
    有するピッチ系炭素繊維であることを特徴とする請求項
    第1項に記載の炭化物セラミックス被覆炭素繊維の製造
    法。
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