JP4773728B2 - Ｃ／ｃコンポジット材用前躯体、及びｃ／ｃコンポジット材、並びにその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、Ｃ／Ｃコンポジット材用前躯体、及びＣ／Ｃコンポジット材、並びにその製造方法に関する。

炭素繊維と炭素母材とからなる複合材料の一種であるＣ／Ｃコンポジット材（カーボン／カーボン複合材、炭素繊維強化炭素複合材料とも称される）は、軽量で比強度、比剛性が高く、２０００℃の高温においても高い強度を持つ材料である。Ｃ／Ｃコンポジット材は、軽量化の要求が高い自動車分野、航空宇宙分野などで広く使用されている。

このようなＣ／Ｃコンポジット材は、例えば、図９に示すように、所定枚数（図９では５枚）のプリプレグ１１１Ａ、１１１Ｂ、１１１Ｃ、１１１Ｄ、１１１Ｅを重ねた積層体を、熱処理して成形し、Ｃ／Ｃコンポジット材用前躯体（ＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastic）成形体）とした後、これを焼成することで製造される（特許文献１参照）。

その他、例えば、３０ｍｍ以上の厚いＣ／Ｃコンポジット材は、プリプレグを積層して、一旦、厚さ１０ｍｍ程度のＣ／Ｃコンポジット材を複数作製し、この厚さ１０ｍｍのＣ／Ｃコンポジット材の両面に、フェノール樹脂に黒鉛粉を混入したものを接着接合した後、ホットプレス法により熱硬化させて中間成形体を作製した後、この中間成形体を所定数で重ねたものを焼成することで製造していた（特許文献２参照）。

特開平２−１２４７６５号公報（第３頁左欄上第１０行目〜第４頁左上欄第１行目） 特開２０００−２６４７４４号公報（段落番号０００７、図３）

しかしながら、特許文献１に記載された方法では、焼成する工程において、プリプレグのマトリックス（合成樹脂、基材）が揮発・分解して発生するガスが、内部に閉じ込められ、この閉じ込められたガスが膨張したり、その近傍の閉じ込められたガスと一体化して、図１０に示すように、Ｃ／Ｃコンポジット材１０１の層方向に割れ目１０３が発生し、層間割れしてしまう場合があった。なお、図１０に示す符号１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃ、１０１Ｄ、１０１Ｅは、前記５枚のプリプレグ１１１Ａからプリプレグ１１１Ｅにそれぞれ対応した、第１層目構造体１０１Ａから第５層目構造体１０１Ｅである。
そこで、焼成温度、焼成時間などの製造条件を適宜制御することで、前記ガスを徐々に発生させて、層間割れを防止する試みもされているが、プリプレグの厚さ、材質、重ねる枚数、発生するガス量などに応じて、前記製造条件をその都度変更しなければならず、非常に手間がかかっていた。

また、特許文献２に記載された方法においても、一旦、中間成形体を作製した後これを焼成するため、工程が煩雑となり時間がかかっていた。

そこで、本発明は、Ｃ／Ｃコンポジット材を容易に製造可能とする、Ｃ／Ｃコンポジット材用前躯体、及びＣ／Ｃコンポジット材、並びにその製造方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段として、本発明は、筒状の周壁を備え、高温の流体が流通する中空部を有するＣ／Ｃコンポジット材であって、前記周壁は、軸方向に延び、端面で開口する空隙を有しており、前記空隙は、軸方向において部分的に拡径していることを特徴とするＣ／Ｃコンポジット材である。

このようなＣ／Ｃコンポジット材によれば、空隙（細孔）であるために、Ｃ／Ｃコンポジット材の強度が大きく低下することもない。
また、Ｃ／Ｃコンポジット材が、プリプレグを積層した後、熱硬化、焼成してなり、前記空隙（細孔）が、プリプレグの積層端面側（最表面側）から内部に向かうと共に、積層面に沿って広がる場合、この空隙を容易に封止し、空隙部分から劣化を防止することもできる。さらに、このように封止しても、Ｃ／Ｃコンポジット材の表面（上面、下面）が凸凹になることもない。

また、このようなＣ／Ｃコンポジット材によれば、焼成において、マトリックスが揮発・分解して発生するガスは、前記空隙を経由して外部に排出されており、前記ガスがＣ／Ｃコンポジット材内部にほとんど残存せず、層間割れも生じていない。したがって、このようなＣ／Ｃコンポジット材は、高強度であり好適に使用することができる。

また、本発明は、前記Ｃ／Ｃコンポジット材の製造方法であって、前記中空部を形成するための中空部用中子（巻芯）に、炭素繊維とマトリックスとを含むプリプレグを、前記空隙を形成するための棒状の空隙用中子（中空部形成部材）を挟みながら巻回し、Ｃ／Ｃコンポジット材用前躯体を構成する第１工程と、前記Ｃ／Ｃコンポジット材用前躯体を焼成する第２工程と、を有し、前記空隙用中子は、軸方向において部分的に大径であり、前記第２工程における焼成温度よりも低い温度で焼失または体積減少することで前記空隙を形成することを特徴とするＣ／Ｃコンポジット材の製造方法である。

このようなＣ／Ｃコンポジット材の製造方法によれば、Ｃ／Ｃコンポジット材用前躯体を焼成することで、炭素繊維で強化され、かつ、空隙を備えるＣ／Ｃコンポジット材を得ることができる。

なお、前記中空部用中子は、前記焼成温度より低い温度で焼失する材料から形成されることが好ましい。
このような構成によれば、中空部用中子が焼成温度より低い温度で焼失することにより、Ｃ／Ｃコンポジット材から中空部用中子を取り除かずに、中空部用中子を備えたまま焼成しても、中空部を有するＣ／Ｃコンポジット材を得ることができる。

すなわち、このようなＣ／Ｃコンポジット材の製造方法で製造されたＣ／Ｃコンポジット材は、炭素繊維で強化されているため、高強度である。また、このようなＣ／Ｃコンポジット材は空隙（細孔）を有することにより、空隙（細孔）内の空気が熱の伝達を遮り、その結果として、Ｃ／Ｃコンポジット材は断熱性を備えることになる。
したがって、例えば、後記する第１実施形態で説明するように、Ｃ／Ｃコンポジット材が円筒状の場合、その中空部に高温の流体を流通させても、この流体の熱がＣ／Ｃコンポジット材の外側に伝達しにくくすることができる。

また、本発明は、焼成されることで前記Ｃ／Ｃコンポジット材となるＣ／Ｃコンポジット材用前躯体であって、前記中空部を形成するための中空部用中子（巻芯）と、炭素繊維とマトリックスとを含み、前記中空部用中子に巻回されたプリプレグと、径方向において隣り合う前記プリプレグに挟まれると共に、焼成温度よりも低い温度で焼失または体積減少し前記空隙を形成する棒状の空隙用中子と、を備え、前記空隙用中子は、軸方向において部分的に大径であることを特徴とするＣ／Ｃコンポジット材用前躯体である。

このようなＣ／Ｃコンポジット材用前躯体は、中空部用中子を巻芯として、空隙用中子（細孔形成部材）を挟みながら、プリプレグを巻回した後、熱硬化などして成形することによって、容易に構成することができる。

このようなＣ／Ｃコンポジット材用前躯体によれば、このＣ／Ｃコンポジット材用前駆体を焼成することによって、空隙用中子（空隙形成部材、細孔形成部材）が、焼成温度より低い温度で焼失または体積減少し、空隙（細孔）が形成される。したがって、マトリックスの揮発・分解により発生するガスは、前記空隙を通って、外部に排出される。よって、焼成中、従来のようにガスが膨張して、または、近傍のガス同士が一体化して層間割れが発生することを防止できる。
また、空隙用中子（細孔形成部材）を含ませるのみであるため、Ｃ／Ｃコンポジット材が厚くなったり、大きくなったりしても容易に対応可能であり、手間がかかることもない。
さらに、Ｃ／Ｃコンポジット材用前躯体が焼成されてなるＣ／Ｃコンポジット材は、空隙（細孔）を有することになり、その結果として、Ｃ／Ｃコンポジット材が断熱性を備えることができる。さらにまた、空隙を有する分だけ、Ｃ／Ｃコンポジット材は軽量化される。

このようなＣ／Ｃコンポジット材用前躯体は、複数のプリプレグを積層し、このプリプレグで細孔形成部材を挟むことで、容易に構成することができる。すなわち、例えば、厚いＣ／Ｃコンポジット材を製造する場合、プリプレグの積層枚数を増加させ、これに対応して、空隙用中子（細孔形成部材）を適宜挟むことで、Ｃ／Ｃコンポジット材用前躯体を容易に構成できる。

本発明によれば、Ｃ／Ｃコンポジット材を容易に製造可能とする、Ｃ／Ｃコンポジット材用前躯体、及びＣ／Ｃコンポジット材、並びにその製造方法を提供することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。
なお、各実施形態の説明において、同一の構成要素に関しては同一の符号を付し、重複した説明は省略する。

≪第１参考例≫
次に、本発明の第１参考例について、図１から図３を参照して説明する。
参照する図面において、図１は、第１参考例に係るＣ／Ｃコンポジット材の斜視図である。図２は、図１に示すＣ／Ｃコンポジット材の分解斜視図である。図３は、第１参考例に係るＣ／Ｃコンポジット材の製造方法において、プリプレグの積層状況を示す斜視図である。
ここでは分かりやすくするため、５枚のプリプレグを積層、熱硬化、焼成してなるＣ／Ｃコンポジット材について説明するが、本発明において積層枚数を限定するものではない。

≪Ｃ／Ｃコンポジット材の構成≫
図１に示すように、第１参考例に係るＣ／Ｃコンポジット材１は板状を呈しており、５枚のプリプレグ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ、１１Ｅ（図３参照）にそれぞれ対応した、第１層目構造体１Ａ、第２層目構造体１Ｂ、第３層目構造体１Ｃ、第４層目構造体１Ｄ、第５層目構造体１Ｅとが一体化して構成されている。そして、Ｃ／Ｃコンポジット材１は、その最表面側である側面１ａ側から内部に向かい、積層面に沿って広がる複数の空隙５…（細孔）を有している（図２参照）。つまり、Ｃ／Ｃコンポジット材１は、内部から外部に通じる連続し、側面１ａ（表面）に開口した空隙５を有している。なお、側面１ａは、積層されたプリプレグ１１Ａ〜１１Ｅの積層端面に相当する。
ただし、空隙５の配置はこれに限定されず、ランダムであってもよい。また、空隙５が、側面１ａ側だけでなく、上面側や下面側に開口していてもよい。

このように、Ｃ／Ｃコンポジット材１は、空隙５を有するために、従来のＣ／Ｃコンポジット材に対して僅かながらも軽量化されている。空隙５は細長いため、Ｃ／Ｃコンポジット材１の使用中に空隙５の部分から層間剥離することはなく、強度が大きく低下することもない。

また、空隙５は、側面１ａ側（最表面側）で開口しているため、この空隙５を容易に封止し、空隙５部分からの劣化を防止することもできる。さらに、このように封止したとしても、Ｃ／Ｃコンポジット材１の上面および下面（表面）が凸凹になることもない。

さらに、空隙５は、後記するＣ／Ｃコンポジット材１の製造方法で説明するように、空隙用中子１５（細孔形成部材）により形成されたものである。さらに説明すると、空隙５は、後記するＣ／Ｃコンポジット材前躯体（ＣＦＲＰ成形体）のマトリックスが揮発・分解して発生したガスの排出通路として使用されたものである。よって、Ｃ／Ｃコンポジット材１には、従来の層間割れは発生しておらず、その内部に前記ガスは残存していない。

このようなＣ／Ｃコンポジット材１は、主として、プリプレグ１１Ａ〜１１Ｅ（図３参照）に含まれる繊維長の長い炭素繊維と、焼成によりプリプレグ１１Ａ〜１１Ｅに含まれる熱硬化性樹脂が炭化してなる炭素分とからなる。すなわち、Ｃ／Ｃコンポジット材１は、軽量であると共に、前記炭素繊維により強化されており、高強度を備えている。
したがって、Ｃ／Ｃコンポジット材１は、例えば、高強度かつ軽量化の要求が高い自動車分野、航空宇宙分野などで幅広く使用可能である。

また、Ｃ／Ｃコンポジット材１を、金属基複合部材の強化材（プリフォーム）として使用することもできる。すなわち、Ｃ／Ｃコンポジット材１の空隙５に、溶融したＳｉ（珪素）などの金属を充填し、金属基複合部材を製造することもできる。このような金属基複合部材によれば、Ｃ／Ｃコンポジット材１を強化材としているため、非常に軽量であり、また、空隙用中子１５によって緻密かつ均一に分布した空隙５に金属が充填されることにより、その強度などは飛躍的に高くなる。

≪Ｃ／Ｃコンポジット材の製造方法≫
続いて、Ｃ／Ｃコンポジット材１の製造方法について説明する。
第１参考例に係るＣ／Ｃコンポジット材１の製造方法は、空隙用中子１５を挟みながら、プリプレグを重ね合わせ、積層する第１工程と、積層したプリプレグを熱硬化させてＣ／Ｃコンポジット材用前躯体とする第２工程と、このＣ／Ｃコンポジット材用前躯体を焼成する第３工程と、を含んでいる。
以下、各工程について説明する。

＜第１工程：プリプレグの積層＞
図３に示すように、５枚のプリプレグ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ、１１Ｅと、４つの空隙用中子１５…、を交互に積層して（重ね合わせて）、プリプレグ積層体を構成する。つまり、プリプレグの１枚おきに、空隙用中子１５を挿入し、挟み込む。

［プリプレグ］
プリプレグ１１Ａ〜１１Ｅは、炭素繊維束が０°／９０°などの配向で織られた織物に、合成樹脂を含浸させたものであり、市販される公知のもの等から適宜選択して使用可能である。前記織物に含浸する合成樹脂は、一般に、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂であり、具体的には、フェノール樹脂（熱分解温度：約３６０℃）、不飽和ポリエステル樹脂（同温度：約３６０℃）、エポキシ樹脂（同温度：約３６０℃）などである。なお、前記織物に含浸した合成樹脂は、三次元網目構造を呈しており、マトリックス（基材）と称される。

［空隙形成部材］
空隙用中子１５は、後記第３工程の焼成によって、それ自体が焼失または体積減少することにより、空隙用中子１５が配置された部分が跡（隙間）となり、後記するＣ／Ｃコンポジット材用前躯体のマトリックス（硬化後の熱硬化性樹脂）が揮発・分解して発生するガスを、外部に排出する排出通路となる空隙５（細孔）を形成する部材である。

空隙用中子１５の材質は、焼成において、それ自体が焼失または体積減少可能であればよい。ただし、体積が減少する場合、焼成後に空隙用中子１５が残存するため、焼失する材料から形成されることが好ましい。さらに説明すると、空隙用中子１５は、プリプレグ１１Ａ〜１１Ｅに含有される熱硬化性樹脂の硬化温度より高い温度で、焼失または体積減少する材料から形成され、熱硬化前に空隙用中子１５がなくなることを防止する。

また、湾曲したＣ／Ｃコンポジット材１を製造する場合は、プリプレグ１１Ａ〜１１Ｅを所定に湾曲させるため、空隙用中子１５も対応して容易に変形可能であるように、空隙用中子１５は柔軟性を有することが好ましい。

空隙用中子１５の形状は、空隙５が形成されれば、どのようであってもよいが、ガスの排出効率を考慮するとメッシュ状（網目状）であることが好ましい。なお、空隙用中子１５がメッシュ状である場合、その目開きの程度、厚みなどは、製造後に、空隙用中子１５に対応して形成される空隙５によって、Ｃ／Ｃコンポジット材１の機械的強度が低下しないように、適宜設定することが好ましい。

以上を考慮すると、メッシュ状の空隙用中子１５としては、例えば、木綿糸（熱分解温度：２００〜３００℃）が５ｍｍ間隔で配列した木綿メッシュや、ガーゼや、不織布や、綿や、熱可塑性樹脂（ポリアミド、ポリプロピレン、ポリエステルなど）からなる繊維（例えば、ナイロン繊維）などを使用することができる。

＜第２工程：熱硬化、Ｃ／Ｃコンポジット材用前躯体の作製＞
次いで、プリプレグ１１Ａ〜１１Ｅおよび空隙用中子１５…を交互に積層してなるプリプレグ積層体を、オートクレーブなどにより所定温度で熱処理し、前記熱硬化性樹脂を熱硬化させて、Ｃ／Ｃコンポジット材用前躯体（プリプレグ成形体、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）成形体）を作製する。すなわち、この工程により、プリプレグ１１Ａ〜１１Ｅに含まれる、未硬化の熱硬化性樹脂からなるマトリックスは、熱硬化して、Ｃ／Ｃコンポジット材用前躯体（ＣＦＲＰ成形体）に係るマトリックスとなる。

すなわち、Ｃ／Ｃコンポジット材用前躯体は、プリプレグ１１Ａ〜１１Ｅに含まれた炭素繊維と、熱硬化後のマトリックスと、プリプレグ１１Ａ〜１１Ｅに挟まれた４つの空隙用中子１５…とを含んで構成されている。

＜第３工程：焼成＞
次いで、このＣ／Ｃコンポジット材用前躯体のバリを落とした後、適宜な炉を使用して、所定温度（例えば、２０００℃）で所定時間にて焼成し、Ｃ／Ｃコンポジット材用前躯体に係るマトリックス（前記熱硬化した熱硬化性樹脂）を炭化させて、Ｃ／Ｃコンポジット材１を得る。なお、炉内はアルゴンガスなどによって不活性雰囲気にし、酸化防止することが好ましい。

この焼成において、空隙用中子１５は、焼失または体積減少する。これにより、空隙用中子１５に対応して、前記プリプレグ成形体の側面側（プリプレグの積層端面側）に開口する空隙５が、積層方向に沿って形成される。言い換えると、空隙用中子１５に対応して、内部から外部に通じる連続した空隙５が形成される。
なお、図２に示すように、空隙５は、空隙用中子１５の全体形状に対応して形成されず、空隙用中子１５の部分形状に対応して形成されてもよい。

したがって、焼成において、Ｃ／Ｃコンポジット材用前躯体に係るマトリックス（前記硬化した熱硬化性樹脂）が、揮発・分解することで発生するガスは、空隙５を排出通路として、プリプレグ成形体の外部に排出される。すなわち、前記発生したガスは、Ｃ／Ｃコンポジット材用前躯体の内部に残存しない。よって、従来のように、ガスが膨張したり、近傍のガス同士が一体化することはなく、割れ目１０３（図１０参照）が発生することを防止できる。

焼成後、層間割れのないＣ／Ｃコンポジット材１を得ることができる。

したがって、第１参考例に係るＣ／Ｃコンポジット材１の製造方法によれば、Ｃ／Ｃコンポジット材用前躯体を作製する際に、所定枚数のプリプレグを積層し、空隙用中子１５を挟むのみであるから、手間がかかることはない。また、厚いＣ／Ｃコンポジット材１を製造する場合、プリプレグの積層枚数が増加しても容易に対応できる。

≪第１実施形態≫
次に、本発明の第１実施形態について、図４から図６を参照して説明する。
参照する図面において、図４は、第１実施形態に係るＣ／Ｃコンポジット材の斜視図である。図５（ａ）は図４に示すコンポジット材のＸ−Ｘ断面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＸ−Ｘ断面を部分的に拡大した図である。図６は、第１実施形態に係るＣ／Ｃコンポジット材の製造方法の工程を段階的に示す斜視図であり、（ａ）は中空部用中子にプリプレグを巻き取り始めた段階、（ｂ）は空隙用中子を挟んだ段階、（ｃ）はプリプレグの巻き取りを進めた段階、（ｄ）は成形後のＣ／Ｃコンポジット材用前躯体を示す。

≪Ｃ／Ｃコンポジット材の構成≫
まず、第１実施形態に係るＣ／Ｃコンポジット材の構成について、図４および図５を主に参照して説明する。
図４、図５（ａ）に示すように、第１実施形態に係るＣ／Ｃコンポジット材２１は円筒状（パイプ状）であり、中空部２１ａを有している。したがって、Ｃ／Ｃコンポジット材２１の中空部２１ａには、例えば排気ガスなどの流体が流通可能となっている。

また、Ｃ／Ｃコンポジット材２１は、後記するＣ／Ｃコンポジット材２１の製造方法で説明するように、主として、プリプレグ２６（図６参照）に含まれる繊維長の長い炭素繊維と、焼成によりプリプレグ２６に含まれる熱硬化性樹脂が炭化してなる炭素分とからなる。すなわち、Ｃ／Ｃコンポジット材２１は、軽量であると共に、前記炭素繊維により強化されており、高強度を備えている。
したがって、Ｃ／Ｃコンポジット材２１は、第１参考例に係るＣ／Ｃコンポジット材と１と同様に、例えば、高強度かつ軽量化の要求が高い自動車分野、航空宇宙分野などで幅広く使用可能である。

さらに、Ｃ／Ｃコンポジット材２１の周壁２２は、図５（ｂ）に示すように、Ｃ／Ｃコンポジット材２１の軸方向に、多数の空隙２２ａ（細孔）を有している。複数の空隙２２ａは、周方向に適宜な間隔で配置されていると共に、径方向に複数段で配置されている（図５（ｂ）では２段）。そして、空隙２２ａは、Ｃ／Ｃコンポジット材２１の上側端面、下側端面（表面）などに開口している。
したがって、Ｃ／Ｃコンポジット材２１の周壁２２は、断熱性を有しており、例えば高温の流体が中空部２１ａを流通しても、その熱がＣ／Ｃコンポジット材２１の外側に伝達しにくくなっている。
ただし、空隙２２ａの配置はこれに限定されず、ランダムであってもよい。また、空隙２２ａは、Ｃ／Ｃコンポジット材２１の外周面側や内周面側に開口していてもよい。

≪Ｃ／Ｃコンポジット材の製造方法≫
続いて、Ｃ／Ｃコンポジット材２１の製造方法について、図６を主に参照して説明する。
第１実施形態に係るＣ／Ｃコンポジット材２１の製造方法は、プリプレグ２６を巻き取る第１工程と、巻き取ったプリプレグ２６を熱硬化させてＣ／Ｃコンポジット材用前躯体２９（ＣＦＲＰ成形体）とする第２工程と、このＣ／Ｃコンポジット材用前躯体２９を焼成する第３工程と、を含んでいる。
以下、各工程について説明する。

＜第１工程：プリプレグの巻き取り＞
図６（ａ）から図６（ｃ）に示すように、空隙用中子２７、２７…（細孔形成部材）を挟みながら、巻芯である中空部用中子２５にプリプレグ２６を巻き取る。空隙用中子２７…の周方向における間隔や、径方向において空隙用中子２７…を挟む間隔（例えば、プリプレグ２６の１巻き取り毎）や、プリプレグ２６の巻き取り数（例えば１０回）は、製造（焼成）後のＣ／Ｃコンポジット材２１に形成する空隙２２ａの配置や、周壁２２の厚さにそれぞれ対応させて、適宜に設定する（図５（ａ）、（ｂ）参照）。

［中子］
中空部用中子２５は、製造後のＣ／Ｃコンポジット材２１に中空部２１ａを形成するための型であり、中空部２１ａに対応した円柱体である（例えば、直径５０ｍｍ、高さ２００ｍｍ）。
また、第１実施形態における中空部用中子２５は、後記する第３工程の焼成の焼成温度より低い温度で焼失する材料から形成されている。これにより焼成において、中空部用中子２５自体が焼失し、中空部２１ａが形成されるようになっている。すなわち、中空部用中子２５を取り除かず、中空部用中子２５を備えたまま焼成可能となっている。このような中空部用中子２５は、例えば、熱可塑性樹脂（ポリアミド、ポリプロピレン、ポリエステルなど）から形成することができる。

［プリプレグ］
プリプレグ２６は、炭素繊維束に、合成樹脂を含浸させた幅広の帯状物であり、市販される公知のもの等から適宜選択して使用可能である。すなわち、第１実施形態に係るプリプレグ２６は、第１参考例に係るプリプレグ１１Ａ〜１１Ｅと同様であるため、ここでの説明は省略する。

［空隙用中子］
空隙用中子２７は、後記する第３工程の焼成によって、それ自体が焼失または体積減少することにより、空隙用中子２７が配置された部分が跡（隙間）となり、Ｃ／Ｃコンポジット材２１の周壁２２に空隙２２ａを形成するための部材である（図５（ｂ）参照）。したがって、空隙用中子２７の大きさは、空隙２２ａに対応して設定される（例えば、直径０．７ｍｍ、長さ２００ｍｍ）。
また、この空隙用中子２７によって形成される空隙２２ａは、後記する第３工程の焼成において、Ｃ／Ｃコンポジット材用前躯体２９のマトリックス（硬化後の熱硬化性樹脂）が揮発・分解して発生するガスを、外部に排出する排出通路としても使用される。

このような空隙用中子２７は、焼成において、それ自体が焼失または体積減少することで、周壁２２に空隙２２ａを形成可能であれば、どのような材料から形成されてもよいが、体積が減少する場合、僅かながらも空隙用中子２７が残存する場合もあるため、焼失する材料から形成されることが望ましい。
また、空隙用中子２７は、プリプレグ２６に含有される熱硬化性樹脂の硬化温度より高い温度で、焼失または体積減少する材料から形成され、前記熱硬化性樹脂が熱硬化する前に空隙用中子２７がなくなることを防止可能となっている。
さらに、空隙用中子２７は、Ｃ／Ｃコンポジット材２１に所望形状の空隙２２ａを形成可能とするため、柔軟性を有することが好ましい。

さらにまた、空隙用中子２７の形状は、空隙２２ａが形成されれば、どのようであってもよく、第１実施形態では、熱可塑性樹脂（ポリアミド、ポリプロピレン、ポリエステルなど）からなる繊維（例えば、ナイロン繊維）を空隙用中子２７とした場合を、図６に描いている。

＜第２工程：熱硬化、Ｃ／Ｃコンポジット材用前躯体の作製＞
次いで、第１工程において作製した、空隙用中子２７を挟みながらプリプレグ２６を巻き取ってなるプリプレグ巻回体を、オートクレーブなどにより所定温度（例えば１５０℃）、所定圧力（例えば７０９ｋＰａ（７気圧））で熱処理し、プリプレグ２６中の熱硬化性樹脂を熱硬化させて、図６（ｄ）に示すＣ／Ｃコンポジット材用前躯体２９を作製する。すなわち、この工程により、プリプレグ２６に含まれる、未硬化の熱硬化性樹脂からなるマトリックスが、熱硬化してＣ／Ｃコンポジット材用前躯体２９に係るマトリックスとなる。

すなわち、Ｃ／Ｃコンポジット材用前躯体２９は、プリプレグ２６に含まれた炭素繊維と、熱硬化後のマトリックスと、プリプレグ２６に挟まれた複数の空隙用中子２７…とを含んで構成されている。

＜第３工程：焼成＞
次いで、このＣ／Ｃコンポジット材用前躯体２９のバリを落とした後、適宜な炉を使用して、所定温度（例えば、２０００℃）で所定時間にて焼成し、Ｃ／Ｃコンポジット材用前躯体に係るマトリックス（前記熱硬化した熱硬化性樹脂）を炭化させて、Ｃ／Ｃコンポジット材２１を得る。なお、炉内はアルゴンガスなどによって不活性雰囲気とし、酸化を防止する。

この焼成において、空隙用中子２７は、焼失または体積減少する。これにより、空隙用中子２７の配置に対応して、Ｃ／Ｃコンポジット材用前躯体２９の上端面側および／または下端面側（プリプレグの積層端面側）、つまり表面に開口する空隙２２ａが形成される（図５（ｂ）参照）。言い換えると、空隙用中子２７に対応して、内部から外部に通じる連続した空隙２２ａが形成される。
なお、空隙用中子２７の形状の全部に対応せず、部分的に対応して空隙２２ａが形成されてもよい。

また、この焼成において、このように形成される空隙２２ａを通って、Ｃ／Ｃコンポジット材用前躯体２９に係るマトリックス（前記硬化した熱硬化性樹脂）が、揮発・分解することで発生するガスは、外部に排出される。すなわち、前記発生したガスが、Ｃ／Ｃコンポジット材用前躯体２９の内部に残存しにくくなっている。

また、この焼成において、中空部用中子２５は焼失し、中空部２１ａとなる。
このようにして、中空部２１ａを有するＣ／Ｃコンポジット材２１を得ることができる。

このように、第１実施形態に係るＣ／Ｃコンポジット材２１の製造方法によれば、空隙用中子２７を挟みながらプリプレグ２６を中空部用中子２５に巻き取った後、熱硬化させて、Ｃ／Ｃコンポジット材用前躯体２９を容易に作製し、このＣ／Ｃコンポジット材用前躯体２９を焼成することで、容易に炭素繊維で強化され、かつ、空隙２２ａを有することで断熱性を備えるＣ／Ｃコンポジット材２１を得ることができる。
また、例えば、周壁２２に形成する空隙２２ａの数を増加させ、断熱性を高める場合、プリプレグ２６で挟む空隙用中子２７の数などを適宜変化させることで容易に対応できる。
その他、肉厚のＣ／Ｃコンポジット材２１を製造する場合、プリプレグ２６の巻き取り数を増加させることで容易に対応できる。

以上、本発明の好適な各実施形態について説明したが、本発明は前記各実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば以下のような変更をすることができる。

前記した第１参考例では、プリプレグ１１Ａ〜１１Ｅを積層する工程において、空隙用中子１５をプリプレグの１枚毎に交互に挟むとしたが（図３参照）、空隙用中子１５を挟むピッチ（間隔）はこれに限定されない。例えば、多数枚のプリプレグを積層して、厚いＣ／Ｃコンポジット材を製造する場合、図７に示すように、プリプレグの５枚おきで、空隙用中子１５を挟んでもよい。なお、空隙用中子１５を挟む込むピッチは、プリプレグの厚さ、プリプレグのマトリックスの種類（つまり、プリプレグに含まれる合成樹脂の種類）、ガスの発生量などに基づいて、適宜設定することが好ましい。

前記した第１参考例では、メッシュ状の空隙用中子１５について説明したが、これに限定されず、その他に例えば、焼成により、焼失または体積減少する棒状の空隙形成部材を所定間隔で配列してもよい。

前記した第１参考例では、わかりやすく説明するため、板状のＣ／Ｃコンポジット材１を製造する場合について説明したが、Ｃ／Ｃコンポジット材１は板状に限らず、例えば、湾曲していてもよい。この場合は、前記湾曲に応じて、プリプレグ１１Ａ〜１１Ｅおよび空隙用中子１５…を湾曲させて、プリプレグ積層体を構成した後、熱硬化、焼成する。すなわち、Ｃ／Ｃコンポジット材用前躯体は、製造するＣ／Ｃコンポジット材１の形状に対応して、湾曲していてもよい。

前記した第１参考例では、空隙用中子１５…を挟みながら、複数のプリプレグ１１Ａ〜１１Ｅで積層した後、熱処理して成形することでＣ／Ｃコンポジット材用前躯体を作製したが、炭素繊維、マトリックスおよび空隙用中子１５を含めば、Ｃ／Ｃコンポジット材用前躯体の形態はこれに限定されず、自由に変更できる。
例えば、（１）炭素繊維からなるプリフォームに、未硬化の液状の熱硬化性樹脂を含浸させ、さらに空隙用中子１５を含ませた液状のものをＣ／Ｃコンポジット材用前躯体としてもよい。（２）また、炭素繊維と、未硬化の液状の熱硬化性樹脂（バインダ）と、空隙用中子１５とを混合し、所定に成形したものをＣ／Ｃコンポジット材用前躯体としてもよい。すなわち、Ｃ／Ｃコンポジット材用前躯体のマトリックスは、前記した第１参考例のように、硬化後の熱硬化性樹脂に限らず、その他、未硬化の液状の熱硬化性樹脂や、熱可塑性樹脂などから形成されてもよい。
また、空隙用中子１５は、前記した第１参考例のように網目状に限らず、例えば、前記（２）炭素繊維および未硬化の液状の熱硬化性樹脂と混合する場合には、長繊維状であってもよいし、その他に空隙用中子１５を予めプリプレグ１１Ａ〜１１Ｅを構成する炭素繊維に編み込んでもよい。

なお、第１実施形態についても同様であり、Ｃ／Ｃコンポジット材用前躯体２９の形態はこれに限定されず、自由に変更できる。すなわち、例えば、（１）炭素繊維からなるプリフォームに、未硬化の液状の熱硬化性樹脂を含浸し、さらに空隙用中子２７を含ませたものをＣ／Ｃコンポジット材用前躯体２９としてもよい。（２）また、炭素繊維と、未硬化の液状の熱硬化性樹脂と、空隙用中子２７とを混合し、所定に成形したものをＣ／Ｃコンポジット材用前躯体２９としてもよい。つまり、Ｃ／Ｃコンポジット材用前躯体２９のマトリックスは、前記した第１実施形態のように、熱硬化後の熱硬化性樹脂に限らずその他、未硬化の液状の熱硬化性樹脂や、熱可塑性樹脂などから形成されてもよい。

前記した第１実施形態に係るＣ／Ｃコンポジット材２１の製造方法では、熱硬化樹脂製の中空部用中子２５を使用し、中空部用中子２５自体を第３工程の焼成により焼失させることで、Ｃ／Ｃコンポジット材２１の中空部２１ａを形成する場合について説明したが、焼成する前に中空部用中子２５をＣ／Ｃコンポジット材用前躯体２９から取り除く構成としてもよい。この場合、中空部用中子２５は、焼成により焼失しにくい、つまり、ガス化しにくい材料（例えばステンレスなどの金属）から形成されてもよい。

前記した第１実施形態では、繊維状（棒状）の空隙用中子２７を挟みながら、プリプレグ２６を巻き取るとしたが、空隙用中子２７の形状は繊維状に限らず、例えば、メッシュ状（網目状）であってもよい。空隙用中子２７がメッシュ状である場合、その目開きの程度、厚みなどは、製造後に、空隙用中子２７に対応して形成される空隙２２ａによって、Ｃ／Ｃコンポジット材２１の周壁２２が径方向に分離しないように、適宜設定することが好ましい。

その他、前記した第１実施形態に係る空隙用中子２７に代えて、図８（ａ）に示すように、部分的に大径の空隙用中子２７Ａを使用してもよい。このような空隙用中子２７Ａを使用すれば、図８（ｂ）に示すように、周壁２２Ａに、部分的に拡径された空隙２２Ａａを形成することができる。これにより、周壁２２Ａ内に含有される空気量が増加し、その結果として、周壁２２Ａの断熱性を高めることができる。また、空隙２２Ａａは、複数の大径の球状空間（セル）と、この球状空間を連通させる細い連通路とを備えて構成される。すなわち、前記大径の球状空間は、略独立した空間（気泡）のようになり、これにより周壁２２Ａの断熱性は高くなる。

第１参考例に係るＣ／Ｃコンポジット材の斜視図である。 図１に示すＣ／Ｃコンポジット材の分解斜視図である。 第１参考例に係るＣ／Ｃコンポジット材の製造方法において、プリプレグの積層段階を示す斜視図である。 第１実施形態に係るＣ／Ｃコンポジット材の斜視図である。 （ａ）は図４に示すＣ／Ｃコンポジット材のＸ−Ｘ断面図であり、（ｂ）は（ａ）を部分的に拡大した断面図である。 第１実施形態に係るＣ／Ｃコンポジット材の製造工程を段階的に示す斜視図である。 第１参考例に係るＣ／Ｃコンポジット材の製造方法の変形例において、プリプレグの積層状況を示す斜視図である。 （ａ）は、第１実施形態に係るＣ／Ｃコンポジット材の製造方法に係る空隙用中子の側面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す空隙用中子を使用した場合のＣ／Ｃコンポジット材の拡大側断面図である。 従来のＣ／Ｃコンポジット材の製造方法における、プリプレグの積層状況を示す斜視図である。 従来のＣ／Ｃコンポジット材の断面図である。

符号の説明

１、２１ Ｃ／Ｃコンポジット材
１ａ 側面
５、２２ａ、２２Ａａ 空隙
１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ、１１Ｅ、２６ プリプレグ
１５、２７、２７Ａ 空隙用中子（細孔径性部材）
２１ａ 中空部
２２、２２Ａ 周壁
２５ 中空部用中子
２９ Ｃ／Ｃコンポジット材用前躯体

Claims (3)

1. 筒状の周壁を備え、高温の流体が流通する中空部を有するＣ／Ｃコンポジット材であって、
   前記周壁は、軸方向に延び、端面で開口する空隙を有しており、
   前記空隙は、軸方向において部分的に拡径している
   ことを特徴とするＣ／Ｃコンポジット材。
2. 請求項１に記載のＣ／Ｃコンポジット材の製造方法であって、
   前記中空部を形成するための中空部用中子に、炭素繊維とマトリックスとを含むプリプレグを、前記空隙を形成するための棒状の空隙用中子を挟みながら巻回し、Ｃ／Ｃコンポジット材用前躯体を構成する第１工程と、
   前記Ｃ／Ｃコンポジット材用前躯体を焼成する第２工程と、
   を有し、
   前記空隙用中子は、軸方向において部分的に大径であり、前記第２工程における焼成温度よりも低い温度で焼失または体積減少することで前記空隙を形成する
   ことを特徴とするＣ／Ｃコンポジット材の製造方法。
3. 焼成されることで請求項１に記載のＣ／Ｃコンポジット材となるＣ／Ｃコンポジット材用前躯体であって、
   前記中空部を形成するための中空部用中子と、
   炭素繊維とマトリックスとを含み、前記中空部用中子に巻回されたプリプレグと、
   径方向において隣り合う前記プリプレグに挟まれると共に、焼成温度よりも低い温度で焼失または体積減少し前記空隙を形成する棒状の空隙用中子と、
   を備え、
   前記空隙用中子は、軸方向において部分的に大径である
   ことを特徴とするＣ／Ｃコンポジット材用前躯体。

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