JP3422806B2 - 一方向強化c/c複合材及びその製造法 - Google Patents
一方向強化c/c複合材及びその製造法Info
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/10—Nuclear fusion reactors
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- Ceramic Products (AREA)
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、核融合炉壁材、高温炉
その他の高温分野に使用される一方向強化のC/C複合
材及びその製造法に関する。
その他の高温分野に使用される一方向強化のC/C複合
材及びその製造法に関する。
【0002】
【従来の技術】炭素繊維強化炭素複合材料(C/C複合
材)には、一方向強化材、繊維をXY方向の二次元的に
配置した2D材、繊維をXYZ方向の三次元的に配置し
た3D材がある。このうち、一方向強化材の製造法は、
主に以下の二方法が知られている。市販の一方向プリ
プレグシートを、繊維の方向を揃えて積層し、樹脂を硬
化、炭化し、更に炭素マトリックスを含浸する方法(文
献例:日本機械学会誌、第10巻、第2号、P.56、
“C/Cコンポジット開発の現状”)。フィラメント
ワインディング法で炭素繊維束を一方向に揃えて板等に
巻きつけ、これに炭素マトリックスを含浸する方法(文
献例:炭素No.115、“炭素繊維強化炭素複合材
料”)。
材)には、一方向強化材、繊維をXY方向の二次元的に
配置した2D材、繊維をXYZ方向の三次元的に配置し
た3D材がある。このうち、一方向強化材の製造法は、
主に以下の二方法が知られている。市販の一方向プリ
プレグシートを、繊維の方向を揃えて積層し、樹脂を硬
化、炭化し、更に炭素マトリックスを含浸する方法(文
献例:日本機械学会誌、第10巻、第2号、P.56、
“C/Cコンポジット開発の現状”)。フィラメント
ワインディング法で炭素繊維束を一方向に揃えて板等に
巻きつけ、これに炭素マトリックスを含浸する方法(文
献例:炭素No.115、“炭素繊維強化炭素複合材
料”)。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】従来法で得られる一方
向強化C/C複合材は、2D材や3D材に比べて繊維が
一方向に配向しているため、繊維の方向の強度や熱伝導
率は著しく改善されるものの、他の方向即ち繊維と直角
方向の強度(層間剪断強度)、熱伝導率等の特性は著し
く低下するという問題があった。本発明は、繊維と直角
の方向の強度、熱伝導率等の特性に優れる一方向強化の
C/C複合材及びその製造法を提供するものである。
向強化C/C複合材は、2D材や3D材に比べて繊維が
一方向に配向しているため、繊維の方向の強度や熱伝導
率は著しく改善されるものの、他の方向即ち繊維と直角
方向の強度(層間剪断強度)、熱伝導率等の特性は著し
く低下するという問題があった。本発明は、繊維と直角
の方向の強度、熱伝導率等の特性に優れる一方向強化の
C/C複合材及びその製造法を提供するものである。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、従来の一
方向強化材について検討した結果、繊維と直角の方向の
強度、熱伝導率等の特性が劣るのは、炭素繊維の体積率
が高いこと(60%以上)が原因となっていることを明
らかにした。即ち、炭素繊維自体は径方向の熱伝導率が
低いため、繊維体積率が高いと繊維と直角方向の熱伝導
率は炭素繊維の径方向の熱伝導率に近くなり、低くな
る。また、炭素繊維の体積率が高いと炭素繊維間の炭素
マトリックスが充分でなくなり、層間強度が低くなる。
以上の考察から本発明者らは、炭素繊維の体積率を小さ
くすることで従来材の問題点を解決出来ることを見い出
した。
方向強化材について検討した結果、繊維と直角の方向の
強度、熱伝導率等の特性が劣るのは、炭素繊維の体積率
が高いこと(60%以上)が原因となっていることを明
らかにした。即ち、炭素繊維自体は径方向の熱伝導率が
低いため、繊維体積率が高いと繊維と直角方向の熱伝導
率は炭素繊維の径方向の熱伝導率に近くなり、低くな
る。また、炭素繊維の体積率が高いと炭素繊維間の炭素
マトリックスが充分でなくなり、層間強度が低くなる。
以上の考察から本発明者らは、炭素繊維の体積率を小さ
くすることで従来材の問題点を解決出来ることを見い出
した。
【0005】本発明は、嵩の小さい高強度及び/又は高
弾性のマルチフィラメント状の炭素繊維束並びに嵩の大
きいトウ、スライバ及び/又はヤーンの炭素繊維束から
なる一方向強化C/C複合材及び嵩の小さい高強度及び
/又は高弾性のマルチフィラメント状の炭素繊維束並び
に嵩の大きいトウ、スライバ及び/又はヤーンの炭素繊
維束を一方向に並べ、得られる成形体に炭素マトリック
スを含浸する一方向強化C/C複合材の製造法に関す
る。
弾性のマルチフィラメント状の炭素繊維束並びに嵩の大
きいトウ、スライバ及び/又はヤーンの炭素繊維束から
なる一方向強化C/C複合材及び嵩の小さい高強度及び
/又は高弾性のマルチフィラメント状の炭素繊維束並び
に嵩の大きいトウ、スライバ及び/又はヤーンの炭素繊
維束を一方向に並べ、得られる成形体に炭素マトリック
スを含浸する一方向強化C/C複合材の製造法に関す
る。
【0006】本発明の一方向強化C/C複合材は炭素繊
維の体積率を60%以下とすることが好ましい。炭素繊
維の体積率が大きいと層間剪断強度及び繊維と直角の方
向の熱伝導率を大きく出来ない。高強度炭素繊維や高弾
性炭素繊維はフィラメントが真っ直で嵩が小さく、炭素
繊維の体積率を60%以下にすることが困難である。炭
素繊維の体積率を小さくするには、嵩の小さい高強度及
び/又は高弾性のマルチフィラメント状の炭素繊維束
に、嵩の大きいトウ、スライバ及び/又はヤーンの炭素
繊維束を用いることで達成される。炭素繊維の種類は特
に制限はないが、繊維方向の強度や熱伝導率を大きくす
るためには、高性能(高強度又は高弾性)の炭素繊維が
好ましい。炭素マトリックスも制限はないが、ピッチや
炭化率の大きな合成樹脂が好ましい。嵩の小さい高強度
及び/又は高弾性のマルチフィラメント状の炭素繊維と
嵩の大きいトウ、スライバ及び/又はヤーンの炭素繊維
との混合方法や混合比については、目的、用途に応じて
適宜選択すれば良く特に制限はない。
維の体積率を60%以下とすることが好ましい。炭素繊
維の体積率が大きいと層間剪断強度及び繊維と直角の方
向の熱伝導率を大きく出来ない。高強度炭素繊維や高弾
性炭素繊維はフィラメントが真っ直で嵩が小さく、炭素
繊維の体積率を60%以下にすることが困難である。炭
素繊維の体積率を小さくするには、嵩の小さい高強度及
び/又は高弾性のマルチフィラメント状の炭素繊維束
に、嵩の大きいトウ、スライバ及び/又はヤーンの炭素
繊維束を用いることで達成される。炭素繊維の種類は特
に制限はないが、繊維方向の強度や熱伝導率を大きくす
るためには、高性能(高強度又は高弾性)の炭素繊維が
好ましい。炭素マトリックスも制限はないが、ピッチや
炭化率の大きな合成樹脂が好ましい。嵩の小さい高強度
及び/又は高弾性のマルチフィラメント状の炭素繊維と
嵩の大きいトウ、スライバ及び/又はヤーンの炭素繊維
との混合方法や混合比については、目的、用途に応じて
適宜選択すれば良く特に制限はない。
【0007】
【作用】上記したように、嵩の大きいトウ、スライバ及
び/又はヤーンの炭素繊維束を使用して炭素繊維の体積
率を小さくすることが、一方向強化C/C複合材におけ
る繊維と直角方向の強度(層間剪断強度)及び熱伝導率
を大きくする作用をしている。本発明では強度及び熱伝
導率を特性の代表例として取り上げたが、導電率、熱膨
張係数その他の特性にも当然作用している。特性全体を
総括すると、本発明は一方向強化C/C複合材の異方性
を小さくする方向に作用するものである。
び/又はヤーンの炭素繊維束を使用して炭素繊維の体積
率を小さくすることが、一方向強化C/C複合材におけ
る繊維と直角方向の強度(層間剪断強度)及び熱伝導率
を大きくする作用をしている。本発明では強度及び熱伝
導率を特性の代表例として取り上げたが、導電率、熱膨
張係数その他の特性にも当然作用している。特性全体を
総括すると、本発明は一方向強化C/C複合材の異方性
を小さくする方向に作用するものである。
【0008】
【実施例】次に本発明の実施例を説明する。
実施例1
嵩の小さい炭素繊維束としてピッチ系高弾性炭素繊維束
(弾性率500GPa、密度2.15g/cm3、繊維径10
μm、フィラメント数2000本)及び嵩の大きい炭素
繊維束としてピッチ系汎用炭素繊維ヤーン(弾性率32
GPa、密度1.65g/cm3、線径14.5μm、フィ
ラメント数600本)の二つの束を同時にフィラメント
ワインディングにより、200mm幅の板に1980回巻
き取り、これの一箇所を切断してそれぞれ1980束の
混合した束を作成した。これを内径40mmのパイプに通
し、炭素繊維体積率40%の炭素繊維成形体を得た。こ
の成形体に溶融したピッチを含浸し、不活性ガス雰囲気
で約5日間かけて900℃迄の温度でピッチを炭化し
た。このピッチ含浸・焼成工程を6回繰り返し、さらに
2800℃で黒鉛化後、嵩密度1.83g/cm3、炭素繊
維体積率50%の一方向強化C/C複合材を得た。特性
を表1に示す。
(弾性率500GPa、密度2.15g/cm3、繊維径10
μm、フィラメント数2000本)及び嵩の大きい炭素
繊維束としてピッチ系汎用炭素繊維ヤーン(弾性率32
GPa、密度1.65g/cm3、線径14.5μm、フィ
ラメント数600本)の二つの束を同時にフィラメント
ワインディングにより、200mm幅の板に1980回巻
き取り、これの一箇所を切断してそれぞれ1980束の
混合した束を作成した。これを内径40mmのパイプに通
し、炭素繊維体積率40%の炭素繊維成形体を得た。こ
の成形体に溶融したピッチを含浸し、不活性ガス雰囲気
で約5日間かけて900℃迄の温度でピッチを炭化し
た。このピッチ含浸・焼成工程を6回繰り返し、さらに
2800℃で黒鉛化後、嵩密度1.83g/cm3、炭素繊
維体積率50%の一方向強化C/C複合材を得た。特性
を表1に示す。
【0009】実施例2
ピッチ系高弾性炭素繊維束(実施例1と同じ、但しフィ
ラメント数は6000本)及び実施例1と同じピッチ系
汎用炭素繊維ヤーンの二つの束を、同時にフィラメント
ワインディングにより200mm幅の板に1115回巻き
取り、実施例1と同様にして炭素繊維体積率50%の炭
素繊維成形体を得た。次に、この成形体から実施例1と
同様にして嵩密度が1.84g/cm3、炭素繊維体積率
60%の一方向強化C/C複合材を得た。特性を表1に
示す。
ラメント数は6000本)及び実施例1と同じピッチ系
汎用炭素繊維ヤーンの二つの束を、同時にフィラメント
ワインディングにより200mm幅の板に1115回巻き
取り、実施例1と同様にして炭素繊維体積率50%の炭
素繊維成形体を得た。次に、この成形体から実施例1と
同様にして嵩密度が1.84g/cm3、炭素繊維体積率
60%の一方向強化C/C複合材を得た。特性を表1に
示す。
【0010】比較例1
実施例2と同じピッチ系高弾性炭素繊維束だけをフィラ
メントワインディングにより、200mm幅の板に162
3回巻き取り、実施例1と同様にして炭素繊維体積率6
0%の炭素繊維成形体を得た。次に、この成形体から実
施例1と同様にして嵩密度が1.91g/cm3、炭素繊
維体積率70%の一方向強化C/C複合材を得た。特性
を表1に示す。
メントワインディングにより、200mm幅の板に162
3回巻き取り、実施例1と同様にして炭素繊維体積率6
0%の炭素繊維成形体を得た。次に、この成形体から実
施例1と同様にして嵩密度が1.91g/cm3、炭素繊
維体積率70%の一方向強化C/C複合材を得た。特性
を表1に示す。
【0011】比較例2
実施例2と同じピッチ系高弾性炭素繊維束だけをフィラ
メントワインディングにより、200mm幅の板に135
3回巻き取り、実施例1と同様にして炭素繊維体積率5
0%の炭素繊維成形体を得た。次に、この成形体から実
施例1と同様にして一方向強化C/C複合材を得た。こ
のC/C複合材は繊維と並行な亀裂が多数あり、特性を
測定することが出来なかった。同様に炭素繊維体積率4
0%の炭素繊維成形体を作成し、同様にC/C複合材を
作成したが、同様に亀裂が多数あり、特性を測定するこ
とが出来なかった(比較例3)。
メントワインディングにより、200mm幅の板に135
3回巻き取り、実施例1と同様にして炭素繊維体積率5
0%の炭素繊維成形体を得た。次に、この成形体から実
施例1と同様にして一方向強化C/C複合材を得た。こ
のC/C複合材は繊維と並行な亀裂が多数あり、特性を
測定することが出来なかった。同様に炭素繊維体積率4
0%の炭素繊維成形体を作成し、同様にC/C複合材を
作成したが、同様に亀裂が多数あり、特性を測定するこ
とが出来なかった(比較例3)。
【0012】実施例3
実施例1と同じピッチ系高弾性炭素繊維束及びピッチ系
汎用炭素繊維ヤーンを交互に並べた一方向シート(エポ
キシ樹脂バインダー、目付200g/m 2 )を200mm
角に切断し、120枚を繊維が一方向になるように積層
し、治具で押えて厚さ24mm、炭素繊維体積率50%の
炭素繊維成形体を得た。この成形体から実施例1と同様
にして嵩密度が1.84g/cm3、炭素繊維体積率60
%の一方向強化C/C複合材を得た。特性を表1に示
す。
汎用炭素繊維ヤーンを交互に並べた一方向シート(エポ
キシ樹脂バインダー、目付200g/m 2 )を200mm
角に切断し、120枚を繊維が一方向になるように積層
し、治具で押えて厚さ24mm、炭素繊維体積率50%の
炭素繊維成形体を得た。この成形体から実施例1と同様
にして嵩密度が1.84g/cm3、炭素繊維体積率60
%の一方向強化C/C複合材を得た。特性を表1に示
す。
【0013】比較例4
実施例1と同じピッチ系高弾性炭素繊維束だけの一方向
シート(エポキシ樹脂バインダー、目付230g/
m 2 )を200mm角に切断し、120枚を繊維が一方向
になるように積層し、力を加えずに治具で挾んで厚さ2
0mm、炭素繊維体積率60%の炭素繊維成形体を得た。
この成形体から実施例1と同様にして嵩密度が1.91
g/cm3、炭素繊維体積率が70%の一方向強化C/C
複合材を得た。特性を表1に示す。
シート(エポキシ樹脂バインダー、目付230g/
m 2 )を200mm角に切断し、120枚を繊維が一方向
になるように積層し、力を加えずに治具で挾んで厚さ2
0mm、炭素繊維体積率60%の炭素繊維成形体を得た。
この成形体から実施例1と同様にして嵩密度が1.91
g/cm3、炭素繊維体積率が70%の一方向強化C/C
複合材を得た。特性を表1に示す。
【0014】
【表1】
【0015】表1から明らかなように、嵩の小さい炭素
繊維束だけを用いた比較例のC/C複合材は層間剪断強
度及び繊維と直角方向の熱伝導率が低く、又は亀裂の発
生があったが、嵩の大きい炭素繊維束も併せて用いた実
施例のC/C複合材は層間剪断強度及び繊維と直角方向
の熱伝導率が大きくなっていることが示される。
繊維束だけを用いた比較例のC/C複合材は層間剪断強
度及び繊維と直角方向の熱伝導率が低く、又は亀裂の発
生があったが、嵩の大きい炭素繊維束も併せて用いた実
施例のC/C複合材は層間剪断強度及び繊維と直角方向
の熱伝導率が大きくなっていることが示される。
【0016】
【発明の効果】従来の方法では、一方向強化C/C複合
材の炭素繊維体積率を60%以下とすることは困難であ
ったが、本発明によれば、嵩の小さい高強度及び/又は
高弾性のマルチフィラメント状の炭素繊維束並びに嵩の
大きいトウ、スライバ及び/又はヤーンの炭素繊維束を
混合して使用することにより、自由に炭素繊維体積率を
小さく出来、一方向強化C/C複合材の層間剪断強度及
び繊維と直角方向の熱伝導率を大きく出来る、即ち、特
性の異方性を小さく出来る。
材の炭素繊維体積率を60%以下とすることは困難であ
ったが、本発明によれば、嵩の小さい高強度及び/又は
高弾性のマルチフィラメント状の炭素繊維束並びに嵩の
大きいトウ、スライバ及び/又はヤーンの炭素繊維束を
混合して使用することにより、自由に炭素繊維体積率を
小さく出来、一方向強化C/C複合材の層間剪断強度及
び繊維と直角方向の熱伝導率を大きく出来る、即ち、特
性の異方性を小さく出来る。
Claims (2)
- 【請求項1】 嵩の小さい高強度及び/又は高弾性のマ
ルチフィラメント状の炭素繊維束並びに嵩の大きいト
ウ、スライバ及び/又はヤーンの炭素繊維束からなる一
方向強化C/C複合材。 - 【請求項2】 嵩の小さい高強度及び/又は高弾性のマ
ルチフィラメント状の炭素繊維束並びに嵩の大きいト
ウ、スライバ及び/又はヤーンの炭素繊維束を一方向に
並べ、得られる成形体に炭素マトリックスを含浸するこ
とを特徴とする一方向強化C/C複合材の製造法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP25606692A JP3422806B2 (ja) | 1992-09-25 | 1992-09-25 | 一方向強化c/c複合材及びその製造法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP25606692A JP3422806B2 (ja) | 1992-09-25 | 1992-09-25 | 一方向強化c/c複合材及びその製造法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH06107464A JPH06107464A (ja) | 1994-04-19 |
JP3422806B2 true JP3422806B2 (ja) | 2003-06-30 |
Family
ID=17287429
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP25606692A Expired - Fee Related JP3422806B2 (ja) | 1992-09-25 | 1992-09-25 | 一方向強化c/c複合材及びその製造法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3422806B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2001146471A (ja) * | 1999-11-19 | 2001-05-29 | Furukawa Electric Co Ltd:The | 炭素系複合体の熱移送装置 |
-
1992
- 1992-09-25 JP JP25606692A patent/JP3422806B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH06107464A (ja) | 1994-04-19 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |