JP2783807B2 - Carbon fiber reinforced carbon composite material and method for producing the same - Google Patents

Carbon fiber reinforced carbon composite material and method for producing the same

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JP2783807B2
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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、炭素をマトリックスとして炭素繊維で強化
した炭素繊維強化炭素複合材料及びその製造方法に関す
る。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a carbon fiber-reinforced carbon composite material reinforced with carbon fibers using carbon as a matrix, and a method for producing the same.

[従来の技術] 炭素繊維強化炭素複合材料は、C/Cコンポジットと呼
ばれ、宇宙・航空機分野で耐熱材料として使用されてい
る。このC/Cコンポジットの製造方法として、米国特許3
734797号及び4201611号、英国特許1360887号、並びに特
開昭49−62768号及び54−101985号並びに特公昭62−250
94号に記載のものがある。その一例においては、先ず、
不織布又は織布のプリフォーム体に、フェノール、フラ
ン及びエポキシ等の熱硬化性樹脂又はピッチを含浸し、
又は塗工してプリプレグ体を作成する。次いで、このプ
リプレグ体を積層して多層体をつくり、プレス成形など
により一体化した後、焼成してマトリックス樹脂を炭化
及び黒鉛化する。なお、必要に応じて、この含浸と焼成
とを繰り返して高密度化する。また他例においては、不
織布を面積層し、これにニードルパンチを施してプレフ
ォーム体を製造し、次いで樹脂含浸し、焼成して炭化す
ることにより炭素繊維強化炭素複合材料を製造してい
る。
[Prior Art] A carbon fiber reinforced carbon composite material is called a C / C composite, and is used as a heat-resistant material in the space and aircraft fields. U.S. Patent No. 3 discloses a method for producing this C / C composite.
Nos. 734797 and 4201611, British Patent No. 1360887, JP-A-49-62768 and 54-101985, and JP-B-62-250
There is one described in No. 94. In one example,
Preform body of nonwoven fabric or woven fabric, impregnated with thermosetting resin or pitch such as phenol, furan and epoxy,
Alternatively, a prepreg body is prepared by coating. Next, the prepreg bodies are laminated to form a multilayer body, integrated by press molding or the like, and then fired to carbonize and graphitize the matrix resin. In addition, if necessary, this impregnation and firing are repeated to increase the density. In another example, a carbon fiber reinforced carbon composite material is produced by layering a nonwoven fabric, performing needle punching on the nonwoven fabric, producing a preform, then impregnating the resin, firing and carbonizing.

[発明が解決しようとする課題] しかしながら、このようにして製造されたC/Cコンポ
ジットは、元原料である不織布又は織布を構成している
繊維単体が、1000〜4000本の微細素線が集合した所謂ト
ウ(長繊維、フィラメント)状となっているため、熱硬
化性樹脂等の含浸又は塗工がトウ状の繊維単体内部にま
で浸透しないという問題点がある。このため、炭化焼成
した後、マトリックス繊維との界面にクラックが生じ
て、層状の剥離及び亀裂が生じやすい。
[Problems to be Solved by the Invention] However, the C / C composite manufactured in this manner is composed of a nonwoven fabric or a woven fabric which is a raw material, and a single fiber of 1,000 to 4,000 fine strands. There is a problem that impregnation or coating with a thermosetting resin or the like does not penetrate into the interior of the tow-shaped fiber alone because it is in a so-called tow (long fiber, filament) shape. For this reason, after carbonization and firing, cracks are generated at the interface with the matrix fiber, and layer-like peeling and cracking are likely to occur.

また、強度の局所的なアンバランスが生じており、こ
のC/Cコンポジットを使用している際にも、層状の剥離
及び変形が生じてしまうという問題点がある。
In addition, there is a problem that local imbalance in strength occurs, and when this C / C composite is used, delamination and deformation occur in layers.

これらの問題点を解決するために、短繊維を熱硬化性
樹脂等のマトリックス原料に混練したプリプレグ体を使
用して成形及び焼成したC/Cコンポジットが開発されて
いる。しかしながら、短繊維補強炭素材料は、繊維が占
める領域が小さく、繊維間の間隔が大きいため、絶対強
度が小さく、耐衝撃性が劣る。更に、この短繊維補強材
料はその表面に垂直の方向の強度に比して、表面に沿う
方向の強度が弱いという欠点を有している。
In order to solve these problems, a C / C composite formed and fired using a prepreg obtained by kneading short fibers with a matrix material such as a thermosetting resin has been developed. However, the short fiber reinforced carbon material has a small absolute area and a poor impact resistance because the area occupied by the fibers is small and the spacing between the fibers is large. Furthermore, this short fiber reinforcing material has the disadvantage that the strength in the direction along the surface is lower than the strength in the direction perpendicular to the surface.

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであっ
て、積層された不織布の表面に沿う方向の強度が向上
し、大型化及び形状の複雑化という要求を満足する炭素
繊維強化炭素複合材料及びその製造方法を提供すること
を目的とする。
The present invention has been made in view of such problems, and has improved strength in the direction along the surface of the laminated nonwoven fabric, and has a carbon fiber reinforced carbon composite material that satisfies the requirements of increasing the size and complicating the shape. It is an object of the present invention to provide a manufacturing method thereof.

[課題を解決するための手段] 本発明に係る炭素繊維強化炭素複合材料は、不織布を
積層した3次元構造であって、前記不織布は、炭素繊維
からなる強化材と、該強化材の空間部に内在する炭素質
マトリックス材と、該炭素質マトリックス材中に分散さ
れ、炭素、金属及びセラミックスから選択された材料か
らなる粉状、ウィスカ状又は短繊維状のフィラーとを有
し、前記炭素繊維及びフィラーは、前記不織布の積層界
面にてその厚さ方向に配列していることを特徴とする。
[Means for Solving the Problems] A carbon fiber reinforced carbon composite material according to the present invention has a three-dimensional structure in which nonwoven fabrics are laminated, wherein the nonwoven fabric includes a reinforcing material made of carbon fibers and a space portion of the reinforcing material. A carbonaceous matrix material contained therein, and a powdery, whisker-like or short-fibrous filler made of a material selected from carbon, metal, and ceramics dispersed in the carbonaceous matrix material; The filler and the filler are arranged in the thickness direction at the lamination interface of the nonwoven fabric.

本発明に係る炭素繊維強化炭素複合材料の製造方法
は、合成樹脂液からなるベース液に、黒鉛粉、カーボン
ブラック粉、炭素短繊維、黒鉛短繊維、合成樹脂粉、ピ
ッチ粉、メソフェーズピッチ粉、コークス粉、セラミッ
クス粉、金属粉、金属短繊維、Si3N4ウイスカ、SiCウイ
スカ及びセラミックス短繊維から選択された1種又は2
種以上のフィラーを添加した混合液を、炭素繊維又は炭
素繊維と有機繊維との混織からなる不織布の表面に被覆
し、次いでこの不織布を積層した後、複数個のニードル
にて複数回ニードルパンチングして3次元構造のプリプ
レグ体を得ることを特徴とする。
The method for producing a carbon fiber reinforced carbon composite material according to the present invention comprises, in a base liquid composed of a synthetic resin liquid, graphite powder, carbon black powder, short carbon fiber, short graphite fiber, synthetic resin powder, pitch powder, mesophase pitch powder, One or two selected from coke powder, ceramic powder, metal powder, metal short fiber, Si 3 N 4 whisker, SiC whisker and ceramic short fiber
A mixture liquid containing at least one type of filler is coated on the surface of a nonwoven fabric made of carbon fiber or a mixture of carbon fibers and organic fibers, and then, after laminating the nonwoven fabric, needle punching is performed a plurality of times with a plurality of needles. Thus, a prepreg body having a three-dimensional structure is obtained.

[作用] 本発明においては、炭素繊維を含む不織布(不織布ハ
ーフマット原綿)上に塗布された混合液が不織布間にサ
ンドイッチ状に挾まれた状態でニードルを挿入(パンチ
ング)するので、例えば、混合液がペースト状であれ
ば、このペースト層を不織布の厚さ方向に侵入させるこ
とができる。これにより、縦糸上に塗布担持されたフィ
ラーを板厚方向に充分な密度で分布させることができ、
不織布の内部に縦状にフィラーを存在させることができ
る。そして、不織布の積層界面には炭素繊維及びフィラ
ーが厚さ方向に配列するので、層間剥離に対する強度が
著しく高い。なお、ニードルパンチングのパンチ数(ニ
ードルの配設密度)又はニードルの分布を制御すること
により、大型又は複雑な形状の炭素繊維強化複合材料に
ついても、その強度及び性能を均一化させることができ
る。
[Action] In the present invention, the needle is inserted (punched) in a state where the mixed solution applied on the nonwoven fabric containing the carbon fiber (non-woven half mat raw cotton) is sandwiched between the nonwoven fabrics. If the liquid is in the form of a paste, this paste layer can penetrate in the thickness direction of the nonwoven fabric. Thereby, the filler applied and supported on the warp can be distributed at a sufficient density in the thickness direction,
A filler can be present vertically inside the nonwoven fabric. And since carbon fibers and fillers are arranged in the thickness direction at the lamination interface of the nonwoven fabric, the strength against delamination is extremely high. By controlling the number of punches (arrangement density of the needles) or the distribution of the needles in the needle punching, the strength and performance of a carbon fiber reinforced composite material having a large or complicated shape can be made uniform.

[実施例] 本願発明者等は、前述の本願発明の目的を達成すべ
く、当初、不織布を層状に積層し、所謂ニードルパンチ
ングにより層面に直交する方向に穴をあけるとともに繊
維をも厚さ方向に配設した不織布を開発した。そして、
この不織布に対し、フィラー(炭素粉、Si2N4、SiCウイ
スカ等)を含んだ混合液を含浸させ、含浸と焼成とを繰
り返して、次のような性質があることを知見した。
[Examples] In order to achieve the above-mentioned object of the present invention, the present inventors initially laminated a nonwoven fabric in a layered form, made a hole in a direction perpendicular to the layer surface by so-called needle punching, and also made a fiber in the thickness direction. Has been developed. And
The nonwoven fabric was impregnated with a mixed solution containing a filler (carbon powder, Si 2 N 4 , SiC whisker, etc.), and the impregnation and firing were repeated.

粉体状のフィラーをC/Cコンポジットの内部に添加す
るため、このフィラーを液体でサスペンションにして外
からの含浸を試みたが、不織布のフィルター効果によ
り、フィラーは表面に付着するのみで内部へ含浸させる
ことができなかった。
In order to add a powdery filler to the interior of the C / C composite, we attempted to impregnate the filler from the outside with a liquid suspension, but due to the filter effect of the non-woven fabric, the filler only adhered to the surface and went into the interior. It could not be impregnated.

特に炭素繊維の含有量が多い不織布の場合には、ニー
ドルパンチングに対する抵抗の問題から目付量(単位面
積当りの重量で表わす)に限界があり、高密度品が得に
くい。このため、含浸、焼成するときの変形が大きく所
定寸法のものが得られなかった。
In particular, in the case of a nonwoven fabric having a high carbon fiber content, the weight per unit area is limited due to the problem of resistance to needle punching, and it is difficult to obtain a high-density product. For this reason, the deformation at the time of impregnation and sintering is large, and a product having a predetermined size cannot be obtained.

そこで、本願発明者等は、先ず、不織布の表面にフィ
ラーを含有する混合液を被覆した後、所謂ニードルパン
チングを実施した。これにより、フィラーが不織布の内
部に押し込まれ、厚さ方向に十分な密度で分布した。本
願発明は、このような知見に基いてなされたものであ
る。
Then, the present inventors first performed so-called needle punching after coating the surface of the nonwoven fabric with the mixed solution containing the filler. As a result, the filler was pushed into the inside of the nonwoven fabric and distributed at a sufficient density in the thickness direction. The present invention has been made based on such findings.

以下、添付の図面を参照して本発明の実施例について
具体的に説明する。第1図は、実施例方法を示す模式図
である。不織布1は、炭素繊維又は炭素繊維と有機繊維
との混繊でつくられている。この不織布1の表面に混合
液2を被覆した後、複数枚(図示例は4枚)積層する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a schematic view showing the method of the embodiment. The nonwoven fabric 1 is made of carbon fiber or a mixture of carbon fiber and organic fiber. After coating the surface of the nonwoven fabric 1 with the mixed solution 2, a plurality of sheets (four sheets in the illustrated example) are laminated.

混合液2は、合成樹脂液をベース液とし、このベース
液に、フィラーを添加してある。フィラーとしては、炭
素質マトリックスの補強材となり得る粉状、ウィスカ状
若しくは短繊維状の炭素、金属、セラミックス、合成樹
脂、又はこれらの混合物が用いられる。具体的には、例
えば、黒鉛粉、カーボンブラック粉、炭素短繊維、フェ
ノール樹脂粉、エポキシ樹脂粉、ピッチ粉、メソフェー
ズピッチ粉、コークス粉、ステンレス、ニッケル、鋼、
アルミニウム、黄銅若しくは鋳鉄等の金属粉又は金属短
繊維、Si3N4ウイスカ、SiCウイスカ及びセラミックス短
繊維等がある。これらのうちの1種又は2種以上のフィ
ラーをベース液に添加する。
The mixed liquid 2 uses a synthetic resin liquid as a base liquid, and a filler is added to the base liquid. As the filler, powdery, whisker-like or short-fiber carbon, metal, ceramics, synthetic resin, or a mixture thereof, which can serve as a reinforcing material for the carbonaceous matrix, is used. Specifically, for example, graphite powder, carbon black powder, short carbon fiber, phenol resin powder, epoxy resin powder, pitch powder, mesophase pitch powder, coke powder, stainless steel, nickel, steel,
Metal powder such as aluminum, brass or cast iron or metal short fiber, Si 3 N 4 whisker, SiC whisker, ceramic short fiber and the like. One or more of these fillers are added to the base liquid.

不織布1は目付量が5g/m2以上であることが好まし
い。目付量が5g/m2未満では、不織布になりにくく塗工
しにくい。
The nonwoven fabric 1 preferably has a basis weight of 5 g / m 2 or more. If the basis weight is less than 5 g / m 2, it is difficult to form a non-woven fabric and it is difficult to apply.

混合液2はペースト状又は液状をなし、不織布1に対
する重量比が0.5乃至300倍であることが好ましい。この
重量比が0.5未満であると、フィラーの添加効果が不十
分である。一方、重量比が300倍を超えると、不織布本
来の性能を発揮することができなくなる。
The mixed liquid 2 is in the form of a paste or liquid, and preferably has a weight ratio to the nonwoven fabric 1 of 0.5 to 300 times. When the weight ratio is less than 0.5, the effect of adding the filler is insufficient. On the other hand, if the weight ratio exceeds 300 times, the original performance of the nonwoven fabric cannot be exhibited.

複数本のニードル4は平板状の支持体3に植設されて
いる。ニードル4は、第2図に示すように、針状のブレ
ード5と、このブレード5から側方に突出するハーブ6
とを有する。このニードル4は5本/cm2以上の配設密度
で植設することが好ましい。ニードル4の配設密度が5
本/cm2未満であると、炭素繊維の剛性のために、板厚方
向に延びる繊維がすべり、フィラーを板厚方向に充分な
密度で分布させることが困難である。
The plurality of needles 4 are implanted on the flat support 3. As shown in FIG. 2, the needle 4 has a needle-shaped blade 5 and an herb 6 projecting laterally from the blade 5.
And The needles 4 are preferably implanted at an arrangement density of 5 needles / cm 2 or more. Needle 4 arrangement density is 5
If the number is less than this / cm 2 , the fiber extending in the thickness direction slips due to the rigidity of the carbon fiber, and it is difficult to distribute the filler at a sufficient density in the thickness direction.

このニードル4を、矢印7にて示すように、不織布1
の表面に垂直に往復移動させ、積層された不織布1内に
ニードル4群を多数回挿入(パンチング)する。不織布
1の表面には混合液2が被覆されており、不織布1間に
は混合液2が挟まれて介在している。このため、不織布
1内へのニードル4のパンチングを繰り返すと、炭素繊
維がニードル4によってひきづられて不織布の平面に対
して垂直方向に配設されると共に、不織布1の表面又は
層間の混合液2中のフィラーが不織布1内に押し込まれ
る。そして、このフィラーは、各不織布1内にその板厚
方向に延びて存在すると共に、層間においては、第1図
に模式的に示すように、その層界面に垂直に隣接する上
下両層にまたがって存在する。
The needle 4 is connected to the nonwoven fabric 1 as shown by an arrow 7.
The needle 4 group is inserted (punched) many times into the laminated nonwoven fabric 1 by reciprocating vertically to the surface of the nonwoven fabric. The mixture 2 is coated on the surface of the nonwoven fabric 1, and the mixture 2 is interposed between the nonwoven fabrics 1. For this reason, when the punching of the needle 4 into the nonwoven fabric 1 is repeated, the carbon fibers are drawn by the needles 4 and arranged in a direction perpendicular to the plane of the nonwoven fabric, and the mixed liquid between the surface of the nonwoven fabric 1 and the interlayer. 2 are pushed into the nonwoven fabric 1. The filler is present in each nonwoven fabric 1 so as to extend in the thickness direction, and between the layers, as schematically shown in FIG. 1, extends over both upper and lower layers perpendicular to the layer interface. Exists.

ニードルは不織布の表面に垂直に挿入するのが最も好
ましい。しかしながら、ニードルの傾斜角度は、不織布
の表面に垂直の方向に対し、45゜の角度で傾斜した円錐
角以内であれば、本発明の効果を十分に奏する。このニ
ードルの傾斜角度が45゜を超えると、挿入されたニード
ルが不織布の表面に沿ってすべりやすく、ニードルパン
チングの効果を得にくい。
Most preferably, the needle is inserted perpendicular to the surface of the nonwoven. However, the effects of the present invention can be sufficiently obtained if the inclination angle of the needle is within a cone angle inclined at an angle of 45 ° with respect to a direction perpendicular to the surface of the nonwoven fabric. If the angle of inclination of the needle exceeds 45 °, the inserted needle easily slides along the surface of the nonwoven fabric, and it is difficult to obtain the effect of needle punching.

次いで、必要に応じて、ニードルパンチング後の不織
布1上に他の不織布1を複数枚(例えば、4枚)積層
し、ニードル4によるパンチングを再度実施し、炭素繊
維及びフィラーを不織布1の板厚方向に分布させる。こ
のように、混合液が塗布された不織布1の積層とニード
ルパンチングとを繰り返すことにより、所定数の不織布
1が一体的に積層された所謂3次元構造プリプレグ体が
得られる。
Next, if necessary, a plurality of (for example, four) other nonwoven fabrics 1 are laminated on the nonwoven fabric 1 after the needle punching, and the punching with the needles 4 is performed again, and the carbon fiber and the filler are reduced in the thickness of the nonwoven fabric 1. Distribute in the direction. In this way, by repeating the lamination of the nonwoven fabric 1 to which the mixed solution is applied and the needle punching, a so-called three-dimensional structure prepreg body in which a predetermined number of the nonwoven fabrics 1 are integrally laminated is obtained.

その後、このプリプレグ体を、例えば500Kgf/cm2以上
の圧力で等方的に加圧し、高密度化する。この等方的な
加圧工程における圧力は500Kgf/cm2以上であることが好
ましい。圧力が500Kgf/cm2未満であると、フィラーが十
分に均一化されず、性能劣化が生ずる虞れがある。
Thereafter, the prepreg body is isotropically pressed at a pressure of, for example, 500 kgf / cm 2 or more to increase the density. The pressure in this isotropic pressing step is preferably 500 kgf / cm 2 or more. If the pressure is less than 500 kgf / cm 2 , the filler may not be sufficiently uniform, and the performance may be deteriorated.

次いで、プリプレグ体を乾燥した後、例えば、150℃
に加熱して硬化させる。その後、プリプレグ体を炭化焼
成炉に装入して、例えば、1000℃に加熱し、炭化焼成処
理する。
Next, after drying the prepreg body, for example, 150 ℃
And heat to cure. Thereafter, the prepreg body is charged into a carbonization firing furnace, and heated to, for example, 1000 ° C. to perform a carbonization firing treatment.

このようにして製造された炭素繊維強化炭素複合材料
のマトリックス材は、主としてベース液中に含まれる合
成樹脂の炭化焼成によって得られた炭素材からなるもの
である。前記合成樹脂としてフェノール、フラン及びエ
ポキシ等の熱硬化性樹脂を用いれば炭化焼成によってガ
ラス状カーボンとなり、ベース液中にソフトカーボンで
あるグラファイト又は焼成してソフトカーボンとなるピ
ッチ及び/又はコークスを含めておけば、これらが所謂
ソフトカーボンとなり、結果として、ガラス状カーボン
及びソフトカーボンの複合カーボンからなるマトリック
ス材を形成することができる。
The matrix material of the carbon fiber reinforced carbon composite material manufactured in this way is mainly composed of the carbon material obtained by carbonizing and firing the synthetic resin contained in the base liquid. If a thermosetting resin such as phenol, furan and epoxy is used as the synthetic resin, carbonized and baked to be a glassy carbon, and the base liquid contains graphite which is soft carbon or pitch and / or coke which becomes baked to become soft carbon. If so, these become so-called soft carbon, and as a result, a matrix material composed of a composite carbon of glassy carbon and soft carbon can be formed.

次に、本発明方法により、実際に、C/Cコンポジット
を製造した試験結果について説明する。
Next, test results of actually producing a C / C composite by the method of the present invention will be described.

実施例1 引張強度が300kg/mm2級のトウ状炭素繊維と、ポリエ
ステル繊維とを80:20の重量比でカード機に通し、不織
布を作成した。この不織布を所定の形状に切断して幅が
100mm、長さが200mmの不織布を得た。次いで、この不織
布を台上にならべ、下記第1表に示す配合比のペースト
(No,1〜No,3)を塗布した。
Example 1 A tow-like carbon fiber having a tensile strength of 300 kg / mm 2 class and a polyester fiber were passed through a carding machine at a weight ratio of 80:20 to prepare a nonwoven fabric. This non-woven fabric is cut into a predetermined shape to reduce the width.
A nonwoven fabric having a length of 100 mm and a length of 200 mm was obtained. Next, the nonwoven fabric was arranged on a table, and pastes (No. 1 to No. 3) having the compounding ratios shown in Table 1 below were applied.

そして、ペーストを塗布しつつ不織布を積層し、積層
の都度ニードルパンチングを10本/cm2になるように施し
た。なお、不織布は20層積層した。このプリプレグを15
0℃に40分間加熱して硬化処理した後、炭化焼成炉で100
0℃に5時間加熱して焼成し、比重が1.5g/cm2、気孔率
が10%のC/Cコンポジットを得た。なお、不織布の目付
量は200g/m2である。
Then, the nonwoven fabric was laminated while applying the paste, and needle punching was performed so as to be 10 pieces / cm 2 each time the lamination was performed. The nonwoven fabric was laminated in 20 layers. 15 prepregs
After heating to 0 ° C for 40 minutes for curing, 100
The mixture was heated at 0 ° C. for 5 hours and fired to obtain a C / C composite having a specific gravity of 1.5 g / cm 2 and a porosity of 10%. The basis weight of the nonwoven fabric was 200 g / m 2 .

得られたC/Cコンポジットの物性値を下記第2表に示
す。
The physical properties of the obtained C / C composite are shown in Table 2 below.

この第1表から明らかなように、本発明混合液
のいずれかのペーストを塗布した場合には、高密度であ
り、曲げ強度及び圧縮強度が高いと共に、積層界面に沿
う方向の圧縮強度が極めて高い。更に、SAE J661の方法
によるブレーキ試験結果からは表中混合液よりも混合
液の方が、また混合液よりも混合液の方が摺動特
性が優れていることが判明した。このC/Cコンポジット
は、層状剥離、膨れ及び亀裂のいずれも発生しなかっ
た。
As is clear from Table 1, when any paste of the mixed liquid of the present invention is applied, the paste has a high density, a high bending strength and a high compressive strength, and an extremely high compressive strength in the direction along the lamination interface. high. Furthermore, the results of the brake test by the method of SAE J661 showed that the mixed liquid had better sliding properties than the mixed liquid in the table, and the mixed liquid had better sliding properties than the mixed liquid. This C / C composite did not exhibit any of delamination, blistering and cracking.

実施例2 炭素繊維とポリ塩化ビニル有機繊維とを90:10の重量
比で配合し、不織布を作成した。その大きさは実施例1
と同一である。この不織布を10個/cm2のパンチング数
で、混合液(実施例1の混合液〜)の塗布とパンチ
ングとを繰り返し、20層の不織布を積層した。硬化処理
条件及び炭化焼成条件は実施例1と同様である。このよ
うにして得られたC/Cコンポジットの物性値を下記第3
表に示す。
Example 2 A nonwoven fabric was prepared by blending carbon fibers and polyvinyl chloride organic fibers at a weight ratio of 90:10. Example 1
Is the same as The application of the mixed solution (the mixed solution of Example 1) and the punching of this nonwoven fabric at a punching number of 10 pieces / cm 2 were repeated to laminate 20 nonwoven fabrics. The curing conditions and the carbonization and firing conditions are the same as in Example 1. The physical properties of the C / C composite obtained in this way are shown in the following
It is shown in the table.

この実施例においても、同様に、剥離強度が著しく高
く、高密度且つ高強度のC/Cコンポジットが得られた。
また、層状剥離、膨れ及び亀裂は発生しなかった。
Similarly, in this example, a C / C composite having a very high peel strength and a high density and a high strength was obtained.
No delamination, swelling or cracking occurred.

実施例3 炭素繊維とポリ塩化ビニル有機繊維とが90:10の不織
布(サイズ:100mm×100mm、重量:100g)を20枚に分割
し、フェノール樹脂粉100gをフルフリルアルコール100g
に溶解させ、この溶液にグラファイト粉50g、CFミルド1
0gを混合した。このペーストを積層された不織布間に介
装し、数枚単位でニードルパンチングを5回/cm2以上実
施し、全枚数が終了した後上下端にペーストを塗り仕上
げる。このサンプルを2000Kgf/cm2でCIP(冷間静水圧加
工)処理した後、100℃以下の低温度で3日間乾燥させ
る。乾燥後、180℃及び50Kgf/cm2の条件でプレス成形
し、500℃までを10℃/時以下、1000℃以上までを30℃
/時の昇温速度で非酸化性雰囲気下で焼成し、C/Cコン
ポジットを得た。同様にペーストの配合を第4表の如く
変えて第5表に示す結果を得た。
Example 3 A nonwoven fabric (size: 100 mm x 100 mm, weight: 100 g) in which carbon fibers and polyvinyl chloride organic fibers are 90:10 is divided into 20 pieces, and 100 g of phenol resin powder and 100 g of furfuryl alcohol are added.
In this solution, 50 g of graphite powder, CF mill 1
0 g was mixed. This paste is interposed between the laminated nonwoven fabrics, and needle punching is performed 5 times / cm 2 or more in units of several sheets, and after all the sheets are finished, the paste is applied to the upper and lower ends to finish. This sample is subjected to a cold isostatic pressing (CIP) treatment at 2000 kgf / cm 2 and then dried at a low temperature of 100 ° C. or less for 3 days. After drying, press molding at a 180 ° C. and 50 kgf / cm 2 conditions, up to 500 ° C. 10 ° C. / hour or less, 30 ° C. up to 1000 ° C. or higher
Firing was performed in a non-oxidizing atmosphere at a heating rate of / h to obtain a C / C composite. Similarly, the composition of the paste was changed as shown in Table 4 to obtain the results shown in Table 5.

比較例 実施例2と同様の不織布を20層積層し、パンチングせ
ずに実施例2と同一の条件で硬化処理及び炭化焼成処理
した。
Comparative Example Twenty layers of the same nonwoven fabric as in Example 2 were laminated, and were subjected to a curing treatment and a carbonizing and firing treatment under the same conditions as in Example 2 without punching.

その結果、得られたC/Cコンポジットの物性値は下記
第6表のとおりであり、いずれの特性も実施例1,2より
低い。
As a result, the physical properties of the obtained C / C composite are as shown in Table 6 below, and all the properties are lower than those of Examples 1 and 2.

また、混合液を塗布したものは、使用時に剥離及び
亀裂が発生し、更に、混合液,を塗布したものは、
製造過程で剥離及び亀裂が発生した。
In addition, when the mixture was applied, peeling and cracking occurred during use, and when the mixture was applied,
Peeling and cracking occurred during the manufacturing process.

[発明の効果] 本発明によれば、不織布の内部及び層間にその厚さ方
向に粉末状、繊維状又はウイスカ状のフィラーを添加す
ることができるから、表面に沿う方向の強度が著しく高
い炭素繊維強化炭素複合材料を製造することができる。
また、摺動特性面においては、これらの粉末、フィラー
の添加量によって性能を向上させることができる。更
に、本発明は、複数本のニードルを不織布内に挿入する
ことにより、各不織布を一体化するから、強化繊維と、
マトリックス材との間の均一性が良く、複雑な形状の複
合材料又は大型構造物を容易に製造することができる。
[Effects of the Invention] According to the present invention, a powdery, fibrous or whisker-like filler can be added to the inside and between layers of a nonwoven fabric in the thickness direction, so that carbon having a remarkably high strength in the direction along the surface is provided. Fiber reinforced carbon composites can be manufactured.
In addition, in terms of sliding characteristics, the performance can be improved by the addition amount of these powders and fillers. Furthermore, since the present invention integrates each nonwoven fabric by inserting a plurality of needles into the nonwoven fabric, reinforcing fibers,
The uniformity with the matrix material is good, and a composite material or a large structure having a complicated shape can be easily manufactured.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本発明の実施例方法を説明する模式図、第2図
はニードルの構造を示す模式図である。 1;不織布、2;混合液、4;ニードル、5;ブレード、6;ハー
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a method of an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a structure of a needle. 1; non-woven fabric, 2; mixture, 4; needle, 5; blade, 6; herb

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭57−209883(JP,A) 特開 昭60−16805(JP,A) 特開 昭62−171908(JP,A) 特開 昭63−99940(JP,A) 特開 昭62−230670(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C04B 35/83──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-57-209883 (JP, A) JP-A-60-16805 (JP, A) JP-A-62-171908 (JP, A) JP-A 63-209 99940 (JP, A) JP-A-62-230670 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 6 , DB name) C04B 35/83

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】不織布を積層した3次元構造であって、前
記不織布は、炭素繊維からなる強化材と、該強化材の空
間部に内在する炭素質マトリックス材と、該炭素質マト
リックス材中に分散され、炭素、金属及びセラミックス
から選択された材料からなる粉状、ウィスカ状又は短繊
維状のフィラーとを有し、前記炭素繊維及びフィラー
は、前記不織布の積層界面にてその厚さ方向に配列して
いることを特徴とする炭素繊維強化炭素複合材料。
1. A three-dimensional structure in which a nonwoven fabric is laminated, wherein the nonwoven fabric includes a reinforcing material made of carbon fiber, a carbonaceous matrix material existing in a space of the reinforcing material, and a carbonaceous matrix material. Dispersed, carbon, powder having a material selected from metal and ceramics, having a whisker-like or short fiber-like filler, the carbon fiber and the filler in the thickness direction at the lamination interface of the non-woven fabric A carbon fiber reinforced carbon composite material which is arranged.
【請求項2】前記炭素質マトリックス材が、ガラス状カ
ーボンとソフトカーボンとから構成されていることを特
徴とする請求項1に記載の炭素繊維強化炭素複合材料。
2. The carbon fiber reinforced carbon composite material according to claim 1, wherein said carbonaceous matrix material is composed of glassy carbon and soft carbon.
【請求項3】前記フィラーが、黒鉛粉、カーボンブラッ
ク粉、炭素短繊維、黒鉛短繊維、コークス粉、金属粉、
金属短繊維、セラミックス粉、セラミックスウィスカ及
びセラミックス短繊維から選択された1種又は2種以上
の材料から構成されていることを特徴とする請求項1に
記載の炭素繊維強化炭素複合材料。
3. The filler according to claim 1, wherein the filler is graphite powder, carbon black powder, short carbon fiber, short graphite fiber, coke powder, metal powder,
The carbon fiber reinforced carbon composite material according to claim 1, wherein the carbon fiber reinforced carbon composite material is composed of one or more materials selected from short metal fibers, ceramic powder, ceramic whiskers, and short ceramic fibers.
【請求項4】合成樹脂液からなるベース液に、黒鉛粉、
カーボンブラック粉、炭素短繊維、黒鉛短繊維、合成樹
脂粉、ピッチ粉、メソフェーズピッチ粉、コークス粉、
セラミックス粉、金属粉、金属短繊維、Si3Ni4ウイス
カ、SiCウイスカ及びセラミックス短繊維から選択され
た1種又は2種以上のフィラーを添加した混合液を、炭
素繊維又は炭素繊維と有機繊維との混織からなる不織布
の表面に塗工又はスプレーにて被覆し、次いでこの不織
布を積層した後、複数個のニードルにて複数回ニードル
パンチングしてプリプレグ体を得ることを特徴とする炭
素繊維強化炭素複合材料の製造方法。
4. A base liquid comprising a synthetic resin liquid, graphite powder,
Carbon black powder, carbon short fiber, graphite short fiber, synthetic resin powder, pitch powder, mesophase pitch powder, coke powder,
A mixture of one or more fillers selected from ceramic powder, metal powder, metal short fiber, Si 3 Ni 4 whisker, SiC whisker and ceramic short fiber is added to carbon fiber or carbon fiber and organic fiber. Coating or spraying the surface of a non-woven fabric made of a mixed weave, and then laminating the non-woven fabric, followed by needle punching with a plurality of needles a plurality of times to obtain a prepreg body, Manufacturing method of carbon composite material.
【請求項5】前記プリプレグ体を、加圧、乾燥、熱硬
化、重合、炭化及び不融化の少なくとも一つの工程によ
り炭化焼成することを特徴とする請求項4に記載の炭素
繊維強化炭素複合材料の製造方法。
5. The carbon fiber reinforced carbon composite material according to claim 4, wherein the prepreg body is carbonized and fired by at least one of pressure, drying, heat curing, polymerization, carbonization and infusibilization. Manufacturing method.
【請求項6】前記ニードルパンチングの密度は5本/cm2
以上であることを特徴とする請求項4に記載の炭素繊維
強化炭素複合材料の製造方法。
6. The needle punching density is 5 needles / cm 2.
The method for producing a carbon fiber reinforced carbon composite material according to claim 4, wherein:
【請求項7】前記不織布の目付量が5g/m2以上であり、
前記混合液はペースト状又は液状であり、不織布に対す
る重量比が0.5乃至300倍であることを特徴とする請求項
4に記載の炭素繊維強化炭素複合材料の製造方法。
7. A non-woven fabric having a basis weight of 5 g / m 2 or more,
The method according to claim 4, wherein the mixture is a paste or a liquid, and has a weight ratio of 0.5 to 300 times the nonwoven fabric.
【請求項8】前記加圧工程は積層された複数個のプリプ
レグ体を、500kgf/cm2以上の圧力にて等方的に加圧する
ことを特徴とする請求項4に記載の炭素繊維強化炭素複
合材料の製造方法。
8. The carbon fiber reinforced carbon according to claim 4, wherein the pressing step isotropically presses the plurality of laminated prepreg bodies at a pressure of 500 kgf / cm 2 or more. Manufacturing method of composite material.
【請求項9】焼成後において、炭素繊維の周囲にガラス
状の炭素が存在し、残余の領域をソフトカーボンが占め
ることを特徴とする請求項4に記載の炭素繊維強化炭素
複合材料の製造方法。
9. The method for producing a carbon fiber reinforced carbon composite material according to claim 4, wherein after firing, glassy carbon exists around the carbon fiber, and the remaining area is occupied by soft carbon. .
【請求項10】前記炭素繊維の量が有機繊維の量の1乃
至99倍の混織布を使用することを特徴とする請求項4に
記載の炭素繊維強化炭素複合材料の製造方法。
10. The method for producing a carbon fiber reinforced carbon composite material according to claim 4, wherein the amount of the carbon fibers is 1 to 99 times the amount of the organic fibers.
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