JP3249141B2 - 管状複合構造材 - Google Patents
管状複合構造材Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、高温で耐蝕性を必要と
する産業用途、即ち、炭素化炉或は黒鉛化炉等の高温
炉、熱交換器、金属精練機或は成形機等に使用される管
状複合構造材に関するものである。
する産業用途、即ち、炭素化炉或は黒鉛化炉等の高温
炉、熱交換器、金属精練機或は成形機等に使用される管
状複合構造材に関するものである。
【０００２】
【従来技術及び問題点】従来、耐熱性と化学的不活性が
必要とされる高温耐熱部材には、炭素材料或は黒鉛材料
（以後この両者をまとめて炭素材と称する）が使用され
てきた。しかし、炭素材は引張強度或は破断伸度が小さ
い所謂脆性材料であるため、その使用が限定されてき
た。また、曲管等の複雑形状物を単体で製作することが
困難であったために、機械加工をした複数の部品を嵌め
合わせ或はネジ止めした後に接着して製作した。近年、
この炭素材の性能改良を目的として、炭素繊維強化炭素
複合材料（以後Ｃ／Ｃと称する）が検討されており、種
々の用途に使われ始めている。このＣ／Ｃは、高強度或
は高弾性率の炭素繊維で母材の炭素材を強化しているた
めに、強度或は弾性率が向上した靭性の高い材料とな
り、しかも、炭素材の持つ化学的に不活性で耐熱である
材料が得られる。しかし、その製法は複雑で長期間を要
するために、高価な材料となり、使用分野が限定されて
いるのが現状である。このような問題に対して、本発明
者等は、先に炭素材とＣ／Ｃの両者の特徴を生かして、
両者を複合化した構造材（特平公１−４３６２１号公
報）を提案している。この構造材は、内層が炭素材で外
層がＣ／Ｃからなる２重構造の複合材料であり、内層に
気密性の優れた高密度の炭素材を用い、外層をＣ／Ｃで
強化した高性能な耐熱構造材料である。本発明者等は、
この材料を種々の用途に利用して、良好な結果を得てい
る。しかし、比較的形状の大きな管状構造材では、製造
工程時に内層の炭素材にクラックが発生し、良好な製品
が得られない場合があった。また、使用時にも、 内層
の炭素材にクラック或は破損が生じ、構造材としての使
用に問題が出る場合があった。この原因を種々検討した
ところ、内層の炭素材の熱膨脹係数が外層のＣ／Ｃ材の
それよりも数倍ないし１０倍程度大きなために、７００
℃もしくは更に高い温度の高温工程後の降温の際に、内
層の黒鉛材の収縮が外層のＣ／Ｃ材より大きいので、引
張応力によりクラックが発生し、破損に至ることが判明
した。
必要とされる高温耐熱部材には、炭素材料或は黒鉛材料
（以後この両者をまとめて炭素材と称する）が使用され
てきた。しかし、炭素材は引張強度或は破断伸度が小さ
い所謂脆性材料であるため、その使用が限定されてき
た。また、曲管等の複雑形状物を単体で製作することが
困難であったために、機械加工をした複数の部品を嵌め
合わせ或はネジ止めした後に接着して製作した。近年、
この炭素材の性能改良を目的として、炭素繊維強化炭素
複合材料（以後Ｃ／Ｃと称する）が検討されており、種
々の用途に使われ始めている。このＣ／Ｃは、高強度或
は高弾性率の炭素繊維で母材の炭素材を強化しているた
めに、強度或は弾性率が向上した靭性の高い材料とな
り、しかも、炭素材の持つ化学的に不活性で耐熱である
材料が得られる。しかし、その製法は複雑で長期間を要
するために、高価な材料となり、使用分野が限定されて
いるのが現状である。このような問題に対して、本発明
者等は、先に炭素材とＣ／Ｃの両者の特徴を生かして、
両者を複合化した構造材（特平公１−４３６２１号公
報）を提案している。この構造材は、内層が炭素材で外
層がＣ／Ｃからなる２重構造の複合材料であり、内層に
気密性の優れた高密度の炭素材を用い、外層をＣ／Ｃで
強化した高性能な耐熱構造材料である。本発明者等は、
この材料を種々の用途に利用して、良好な結果を得てい
る。しかし、比較的形状の大きな管状構造材では、製造
工程時に内層の炭素材にクラックが発生し、良好な製品
が得られない場合があった。また、使用時にも、 内層
の炭素材にクラック或は破損が生じ、構造材としての使
用に問題が出る場合があった。この原因を種々検討した
ところ、内層の炭素材の熱膨脹係数が外層のＣ／Ｃ材の
それよりも数倍ないし１０倍程度大きなために、７００
℃もしくは更に高い温度の高温工程後の降温の際に、内
層の黒鉛材の収縮が外層のＣ／Ｃ材より大きいので、引
張応力によりクラックが発生し、破損に至ることが判明
した。
【０００３】
【発明の目的】本発明の目的は、製造時或は使用時にク
ラック等の発生がなく、耐久性に優れた、炭素材とＣ／
Ｃとの管状複合構造材を提供することである。
ラック等の発生がなく、耐久性に優れた、炭素材とＣ／
Ｃとの管状複合構造材を提供することである。
【０００４】
【発明の構成】本発明は下記のとおりのものである。
【請求項１】 炭素材からなる管の外周に炭素繊維
強化炭素複合材層を配してなる管状複合構造材におい
て、炭素繊維強化炭素複合材層を少なくとも２層構造と
なし、且つ、炭素管に接する層を管の軸方向にほぼ直角
な一方向繊維強化層とし、他の層を管の軸と直角方向に
対して角度を持つ繊維を含む強化層としたことを特徴と
する管状複合構造材。本発明では、炭素管に接するＣ／
Ｃ層は、管の長さ方向を強化する方向に繊維が配向して
いてはならない。また、他のＣ／Ｃ層、外層は管の長さ
方向を強化する方向に繊維が配向している必要がある。
３層構造にすると、管の長さ方向を基準にして、中間層
は繊維強化層とはならず、その熱膨脹係数も非繊維強化
である内層の炭素材に近い値となる。外層は管の長さ方
向に繊維強化となっているので、長さ方向の熱膨脹係数
は炭素繊維に支配され、通常の炭素材即ち内層材の数分
の１ないし１０分の１である。従って、中間層は管の長
さ方向を基準にして、内層材とほぼ同等の熱膨脹係数を
持ち、周方向を基準にして、外層と同じＣ／Ｃ材の性質
を持つことになって、内層と外層の緩衝層となることに
より、熱膨脹差により内層材にクラック等が発生するこ
とを防ぐことができる。
強化炭素複合材層を配してなる管状複合構造材におい
て、炭素繊維強化炭素複合材層を少なくとも２層構造と
なし、且つ、炭素管に接する層を管の軸方向にほぼ直角
な一方向繊維強化層とし、他の層を管の軸と直角方向に
対して角度を持つ繊維を含む強化層としたことを特徴と
する管状複合構造材。本発明では、炭素管に接するＣ／
Ｃ層は、管の長さ方向を強化する方向に繊維が配向して
いてはならない。また、他のＣ／Ｃ層、外層は管の長さ
方向を強化する方向に繊維が配向している必要がある。
３層構造にすると、管の長さ方向を基準にして、中間層
は繊維強化層とはならず、その熱膨脹係数も非繊維強化
である内層の炭素材に近い値となる。外層は管の長さ方
向に繊維強化となっているので、長さ方向の熱膨脹係数
は炭素繊維に支配され、通常の炭素材即ち内層材の数分
の１ないし１０分の１である。従って、中間層は管の長
さ方向を基準にして、内層材とほぼ同等の熱膨脹係数を
持ち、周方向を基準にして、外層と同じＣ／Ｃ材の性質
を持つことになって、内層と外層の緩衝層となることに
より、熱膨脹差により内層材にクラック等が発生するこ
とを防ぐことができる。
【０００５】本発明の管状複合構造材を図面によって説
明する。第１図は、本発明の一例を示す３層構造の管状
複合構造材の一部切除斜視図を示したものである。第２
図は、実施例１の管状複合構造材の斜視図を示したもの
である第１図及び第２図において、１は炭素管、２は炭
素管に接する一方向繊維強化Ｃ／Ｃ層、３は管の軸と直
角方向に対して角度を持つ繊維を含むＣ／Ｃ層をそれぞ
れ示す。第１図においては３層構造の管状複合構造材を
示したが、第３層の３は多層構造とすることもできる。
明する。第１図は、本発明の一例を示す３層構造の管状
複合構造材の一部切除斜視図を示したものである。第２
図は、実施例１の管状複合構造材の斜視図を示したもの
である第１図及び第２図において、１は炭素管、２は炭
素管に接する一方向繊維強化Ｃ／Ｃ層、３は管の軸と直
角方向に対して角度を持つ繊維を含むＣ／Ｃ層をそれぞ
れ示す。第１図においては３層構造の管状複合構造材を
示したが、第３層の３は多層構造とすることもできる。
【０００６】本発明において、製造段階で用いられる内
層の炭素材は、中空或は中実な炭素材料である。中実な
場合Ｃ／Ｃからなる炭素管に接する層（中間層）或は管
の軸と直角方向に対して角度を持つ繊維を含むＣ／Ｃ層
（外層）を形成後、内部を機械加工により切削除去して
管状とする。炭素材は、使用条件により耐熱性、化学的
不活性、気体或は液体不浸透性等が必要であり、通常黒
鉛材といわれる緻密な黒鉛質の材料が適する。使用目的
によってはグラッシーカーボンといわれる不浸透性炭素
材が適する場合もある。炭素管と接する中間層及び外層
の形成は、先ず、管状の炭素材の外周に、管の軸方向と
直角方向に一方向プリプレグを巻付る、或は、フィラメ
ント・ワインディングにより、管の軸方向と直角方向に
のみ繊維が配向されている中間層を形成する。この中間
層は周方向にのみ繊維が配向しており周方向強化層とな
るが、軸方向即ち管の長さ方向に対しては繊維が配向し
ておらず強化層とはならない。次に、外層に管の軸方向
と直角方向に対して角度を持った繊維を含む炭素繊維強
化層を形成する。この外層は、管状複合構造材が必要と
する管の軸方向の剛性等の機械特性を与えるために、管
の軸方向に配向した繊維或は軸方向と直角方向に対して
角度を持った繊維を含む。即ち、平織、朱子織り等の炭
素繊維織物プリプレグを巻付る、或は一方向プリプレグ
を管の軸方向と角度を付けて又は軸方向に繊維が配向す
るように巻付ける。或は、フィラメント・ワインディン
グにより所謂角度巻き、即ち、管の長さ方向に対して、
９０゜以外の角度を持つように巻付て、外層を形成す
る。Ｃ／Ｃ層の形成は、上述のように、繊維を配向させ
る必要があり、そのためには繊維を炭素管に巻付た後に
ＣＶＤ（ケミカル・ペーパー・ディポジション）法によ
りマトリックス炭素を形成するか、好ましくは次に述べ
るように樹脂を含浸して炭素化する、レジン・チャー法
により形成する。炭素繊維又は織物等を繊維が必要方向
に配向するように巻付た後に樹脂を含浸するか、或は、
樹脂を含浸したプリプレグを巻付るか、或は、フィラメ
ントワインドにより、樹脂を含浸した炭素繊維を巻付る
かした後、加熱又は必要により加圧して樹脂を硬化させ
る。硬化後、窒素等の不活性雰囲気中で徐々に加熱して
８００℃ないし１３００℃まで昇温して、樹脂を炭素化
してＣ／Ｃとなす。必要により、ピッチ等をＣ／Ｃに含
浸、再炭素化を行って、その物理的特性を高める。ま
た、高温での耐熱性等を必要とする場合は、中間層又は
外層の炭素化後、或は、緻密化処理後、高温熱処理を行
い中間層或は外層の炭素質のマトリックスを黒鉛質に変
える。該中間層又は外層の硬化、炭素化、緻密化或は熱
処理は、各層毎に行ってもよいし、或は、両層を同時に
行ってもよい。
層の炭素材は、中空或は中実な炭素材料である。中実な
場合Ｃ／Ｃからなる炭素管に接する層（中間層）或は管
の軸と直角方向に対して角度を持つ繊維を含むＣ／Ｃ層
（外層）を形成後、内部を機械加工により切削除去して
管状とする。炭素材は、使用条件により耐熱性、化学的
不活性、気体或は液体不浸透性等が必要であり、通常黒
鉛材といわれる緻密な黒鉛質の材料が適する。使用目的
によってはグラッシーカーボンといわれる不浸透性炭素
材が適する場合もある。炭素管と接する中間層及び外層
の形成は、先ず、管状の炭素材の外周に、管の軸方向と
直角方向に一方向プリプレグを巻付る、或は、フィラメ
ント・ワインディングにより、管の軸方向と直角方向に
のみ繊維が配向されている中間層を形成する。この中間
層は周方向にのみ繊維が配向しており周方向強化層とな
るが、軸方向即ち管の長さ方向に対しては繊維が配向し
ておらず強化層とはならない。次に、外層に管の軸方向
と直角方向に対して角度を持った繊維を含む炭素繊維強
化層を形成する。この外層は、管状複合構造材が必要と
する管の軸方向の剛性等の機械特性を与えるために、管
の軸方向に配向した繊維或は軸方向と直角方向に対して
角度を持った繊維を含む。即ち、平織、朱子織り等の炭
素繊維織物プリプレグを巻付る、或は一方向プリプレグ
を管の軸方向と角度を付けて又は軸方向に繊維が配向す
るように巻付ける。或は、フィラメント・ワインディン
グにより所謂角度巻き、即ち、管の長さ方向に対して、
９０゜以外の角度を持つように巻付て、外層を形成す
る。Ｃ／Ｃ層の形成は、上述のように、繊維を配向させ
る必要があり、そのためには繊維を炭素管に巻付た後に
ＣＶＤ（ケミカル・ペーパー・ディポジション）法によ
りマトリックス炭素を形成するか、好ましくは次に述べ
るように樹脂を含浸して炭素化する、レジン・チャー法
により形成する。炭素繊維又は織物等を繊維が必要方向
に配向するように巻付た後に樹脂を含浸するか、或は、
樹脂を含浸したプリプレグを巻付るか、或は、フィラメ
ントワインドにより、樹脂を含浸した炭素繊維を巻付る
かした後、加熱又は必要により加圧して樹脂を硬化させ
る。硬化後、窒素等の不活性雰囲気中で徐々に加熱して
８００℃ないし１３００℃まで昇温して、樹脂を炭素化
してＣ／Ｃとなす。必要により、ピッチ等をＣ／Ｃに含
浸、再炭素化を行って、その物理的特性を高める。ま
た、高温での耐熱性等を必要とする場合は、中間層又は
外層の炭素化後、或は、緻密化処理後、高温熱処理を行
い中間層或は外層の炭素質のマトリックスを黒鉛質に変
える。該中間層又は外層の硬化、炭素化、緻密化或は熱
処理は、各層毎に行ってもよいし、或は、両層を同時に
行ってもよい。
【０００７】
【実施例１】第２図に示す外径９０ｍｍ、内径７０ｍ
ｍ、片方の長さ６００ｍｍ及び他方が８００ｍｍのＬ字
型の管状炭素材（密度１．８ｇ／ｃｍ３）の外周に、一
方向プリプレグ［東邦レーヨン（株）高弾性炭素繊維ベ
スファイトＨＭ−３５、繊維目付２５０ｇ／ｍ２、フェ
ノール樹脂含有量３２重量％］を繊維が管の長さ方向に
対し９０°になるように巻付て、肉厚１０ｍｍの中間層
を形成した。次に、織物プリプレグ［東邦レーヨン
（株）高弾性炭素繊維織物ベスファイトＨＭ−３５、８
枚朱子織、繊維目付３００ｇ／ｍ２、フェノール樹脂含
有量３２重量％］を巾２０ｍｍにカットして、管の長さ
方向に対し４５°になるように巻付て、肉厚１０ｍｍの
外層を形成した。次いで、１４０℃で６０分加熱して、
フェノール樹脂を硬化させた。該硬化物を窒素雰囲気中
で１０００℃まで加熱して、フェノール樹脂を炭素化し
た。得られた炭化物にピッチを含浸して再炭素化する緻
密化処理を３回行って、炭素とＣ／Ｃとの管状複合構造
材を製造した。該構造材を管の軸方向に沿って２等分す
るように切断して、切断面を観察したが、内層、中間
層、外層にはクラック等の異常は認められなかった。
ｍ、片方の長さ６００ｍｍ及び他方が８００ｍｍのＬ字
型の管状炭素材（密度１．８ｇ／ｃｍ３）の外周に、一
方向プリプレグ［東邦レーヨン（株）高弾性炭素繊維ベ
スファイトＨＭ−３５、繊維目付２５０ｇ／ｍ２、フェ
ノール樹脂含有量３２重量％］を繊維が管の長さ方向に
対し９０°になるように巻付て、肉厚１０ｍｍの中間層
を形成した。次に、織物プリプレグ［東邦レーヨン
（株）高弾性炭素繊維織物ベスファイトＨＭ−３５、８
枚朱子織、繊維目付３００ｇ／ｍ２、フェノール樹脂含
有量３２重量％］を巾２０ｍｍにカットして、管の長さ
方向に対し４５°になるように巻付て、肉厚１０ｍｍの
外層を形成した。次いで、１４０℃で６０分加熱して、
フェノール樹脂を硬化させた。該硬化物を窒素雰囲気中
で１０００℃まで加熱して、フェノール樹脂を炭素化し
た。得られた炭化物にピッチを含浸して再炭素化する緻
密化処理を３回行って、炭素とＣ／Ｃとの管状複合構造
材を製造した。該構造材を管の軸方向に沿って２等分す
るように切断して、切断面を観察したが、内層、中間
層、外層にはクラック等の異常は認められなかった。
【比較例１】実施例１と同じ炭素材に、実施例１に用い
たと同じ織物プリプレグを、巾２０ｍｍにカットして、
管の長さ方向に対し±４５°で肉厚２０ｍｍになるよう
に巻付た。次いで、実施例１と同じようにして、硬化、
炭素化、緻密化を行い該管状複合構造材を製造した。こ
のものの内部を観察したところ、内層の炭素材に２箇所
クラックが認められた。
たと同じ織物プリプレグを、巾２０ｍｍにカットして、
管の長さ方向に対し±４５°で肉厚２０ｍｍになるよう
に巻付た。次いで、実施例１と同じようにして、硬化、
炭素化、緻密化を行い該管状複合構造材を製造した。こ
のものの内部を観察したところ、内層の炭素材に２箇所
クラックが認められた。
【実施例２】外径２０ｍｍ、内径５０ｍｍ、長さ１００
０ｍｍの炭素材（密度１．８ｇ／ｃｍ３）の外周に、フ
ィラメントワインド法にて、フェノール樹脂を含浸した
東邦レーヨン（株）高弾性炭素繊維ベスファイトＨＭＳ
−４８６を繊維が管の長さ方向に対し９０°になるよう
に巻付て、肉厚１０ｍｍの中間層を形成した。次に、角
度±４５°になるように巻付て、肉厚１０ｍｍの外層を
形成した。次いで、実施例１と同じようにして、硬化、
炭素化、緻密化を行い管状複合構造材を製造した。この
ものの内部を観察したところ、内層、中間層、外層には
クラック等の異常は認められなかった。
０ｍｍの炭素材（密度１．８ｇ／ｃｍ３）の外周に、フ
ィラメントワインド法にて、フェノール樹脂を含浸した
東邦レーヨン（株）高弾性炭素繊維ベスファイトＨＭＳ
−４８６を繊維が管の長さ方向に対し９０°になるよう
に巻付て、肉厚１０ｍｍの中間層を形成した。次に、角
度±４５°になるように巻付て、肉厚１０ｍｍの外層を
形成した。次いで、実施例１と同じようにして、硬化、
炭素化、緻密化を行い管状複合構造材を製造した。この
ものの内部を観察したところ、内層、中間層、外層には
クラック等の異常は認められなかった。
【比較例２】実施例２と同じ黒鉛材に、フィラメントワ
インド法にて角度±４５°になるように巻付て、肉厚１
０ｍｍの外層を形成した。次いで、実施例１と同じよう
にして、硬化、炭素化、緻密化を行い管状複合構造材を
製造した。このものの内部を観察したところ、内層の炭
素材に１箇所クラックが認められた。
インド法にて角度±４５°になるように巻付て、肉厚１
０ｍｍの外層を形成した。次いで、実施例１と同じよう
にして、硬化、炭素化、緻密化を行い管状複合構造材を
製造した。このものの内部を観察したところ、内層の炭
素材に１箇所クラックが認められた。
【０００８】
【発明の効果】本発明の管状複合構造材は、炭素材とＣ
／Ｃ材との多層構造体であって、この構造体製造時にお
ける及び７００℃以上の高温における繰り返し熱的衝撃
に対しても炭素材にクラックを生ずることなく優れた耐
久性を有し、管状の高温耐熱構造材に適している。
／Ｃ材との多層構造体であって、この構造体製造時にお
ける及び７００℃以上の高温における繰り返し熱的衝撃
に対しても炭素材にクラックを生ずることなく優れた耐
久性を有し、管状の高温耐熱構造材に適している。
【第１図】 ３層構造に構成された本発明管状複合
構造材の高温耐熱の一部切除斜視図を示す。
構造材の高温耐熱の一部切除斜視図を示す。
【第２図】 実施例１で得られた管状複合構造材の
斜視図を示す。
斜視図を示す。
１：内層の炭素管、 ２：中間層の一方向強化Ｃ／Ｃ材 ３：外層のＣ／Ｃ材
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C04B 35/83 C04B 35/52
Claims (1)
- 【請求項１】 炭素材からなる管の外周に炭素繊維
強化炭素複合材層を配してなる管状複合構造材におい
て、炭素繊維強化炭素複合材層を少なくとも２層構造と
なし、且つ、炭素管に接する層を管の軸方向にほぼ直角
な一方向繊維強化層とし、他の層を管の軸と直角方向に
対して角度を持つ繊維を含む強化層としたことを特徴と
する管状複合構造材。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP41886690A JP3249141B2 (ja) | 1990-12-28 | 1990-12-28 | 管状複合構造材 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP41886690A JP3249141B2 (ja) | 1990-12-28 | 1990-12-28 | 管状複合構造材 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04238865A JPH04238865A (ja) | 1992-08-26 |
| JP3249141B2 true JP3249141B2 (ja) | 2002-01-21 |
Family
ID=18526622
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP41886690A Expired - Fee Related JP3249141B2 (ja) | 1990-12-28 | 1990-12-28 | 管状複合構造材 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3249141B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100273054B1 (ko) * | 1996-06-27 | 2000-12-01 | 곤도 데루히사 | 단결정 인상용 도가니 및 그 제조방법 |
| JP7377039B2 (ja) * | 2019-09-19 | 2023-11-09 | イビデン株式会社 | 炭素複合材 |
-
1990
- 1990-12-28 JP JP41886690A patent/JP3249141B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04238865A (ja) | 1992-08-26 |
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