JP6864588B2 - Carbon fiber sheet laminate and its manufacturing method - Google Patents

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本発明は、炭素繊維シート積層体に関し、詳しくは応力による破壊を抑制し得た炭素繊維シート積層体に関する。 The present invention relates to a carbon fiber sheet laminate, and more particularly to a carbon fiber sheet laminate capable of suppressing fracture due to stress.

炭素繊維は、熱的安定性、化学的安定性に優れるため、炭素繊維を交絡してなる炭素繊維フェルトや、炭素繊維フェルトに樹脂材料を含浸させ炭素化させた炭素繊維シートは、断熱材や吸音材などに広く利用されている。炭素繊維フェルトは可とう性に優れるという長所を有し、炭素繊維シートは、形状安定性に優れ、微細な加工が可能であるという長所を有する。また、炭素繊維シートは、酸素ガスやSiOガスが発生する環境で使用する場合、樹脂材料の炭素化物が炭素繊維に先んじてこれらのガスと反応するので、炭素繊維が劣化し難いという利点もある。 Since carbon fibers have excellent thermal stability and chemical stability, carbon fiber felts made by entwining carbon fibers and carbon fiber sheets obtained by impregnating carbon fiber felts with a resin material and carbonizing them are used as heat insulating materials. Widely used as a sound absorbing material. The carbon fiber felt has an advantage of being excellent in flexibility, and the carbon fiber sheet has an advantage of being excellent in shape stability and capable of fine processing. Further, when the carbon fiber sheet is used in an environment where oxygen gas or SiO gas is generated, the carbonized product of the resin material reacts with these gases prior to the carbon fiber, so that there is an advantage that the carbon fiber is not easily deteriorated. ..

何れを使用するかは、使用目的や用途に応じて適宜選択される。ここで、炭素繊維シートを積層して用いた成形断熱材は、熱的安定性、断熱性能に優れ且つ形状安定性に優れることから、単結晶シリコン引き上げ装置、多結晶シリコンキャスト炉、金属やセラミックスの焼結炉、真空蒸着炉等の高温炉の断熱材として使用されている。 Which one to use is appropriately selected according to the purpose of use and the intended use. Here, since the molded heat insulating material used by laminating carbon fiber sheets is excellent in thermal stability, heat insulating performance and shape stability, a single crystal silicon pulling device, a polycrystalline silicon cast furnace, a metal or a ceramics It is used as a heat insulating material for high temperature furnaces such as sintering furnaces and vacuum vapor deposition furnaces.

ところで、使用状況によっては成形断熱材に応力が掛かることがあるが、応力が過剰にかかると成形断熱材を構成する炭素繊維シートに亀裂が生じる。亀裂が進行すると、炭素繊維シートが破壊に至ることもあり、このような場合には断熱機能を発揮できなくなってしまう。可とう性に優れた炭素繊維フェルトを用いる場合、このような問題は生じないが、形状安定性等の観点から成形断熱材を使用せざるを得ない場合もある。 By the way, depending on the usage conditions, stress may be applied to the molded heat insulating material, but if the stress is excessively applied, cracks occur in the carbon fiber sheet constituting the molded heat insulating material. If the cracks progress, the carbon fiber sheet may be destroyed, and in such a case, the heat insulating function cannot be exhibited. When carbon fiber felt having excellent flexibility does not occur, such a problem does not occur, but there are cases where a molded heat insulating material must be used from the viewpoint of shape stability and the like.

ここで、成形断熱材に外部応力がかかる場合としては、成形断熱材とその周辺の部材とが接触する場合、内部応力がかかる場合としては、成形断熱材が局部的に急激に加熱される場合などが想定される。 Here, when external stress is applied to the molded heat insulating material, when the molded heat insulating material comes into contact with surrounding members, when internal stress is applied, when the molded heat insulating material is locally and rapidly heated. Etc. are assumed.

ところで、炭素繊維を用いた断熱材に関する技術としては、下記特許文献1が挙げられる。 By the way, as a technique relating to a heat insulating material using carbon fiber, the following Patent Document 1 can be mentioned.

特開2008−196552号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2008-196552

特許文献1の技術は、樹脂バインダーを含浸または塗布した樹脂含浸炭素繊維フェルトと炭素繊維フェルトの積層体を圧縮成形して焼成した炭素繊維断熱材に関する技術である。 The technique of Patent Document 1 is a technique relating to a carbon fiber heat insulating material obtained by compression-molding and firing a laminate of a resin-impregnated carbon fiber felt impregnated or coated with a resin binder and a carbon fiber felt.

この技術によると、剛性を高くしながらも断熱性の低下を抑制したものであり、加熱炉などの壁体への施工性を容易にできる等とされる。 According to this technique, it is said that the deterioration of the heat insulating property is suppressed while increasing the rigidity, and the workability on a wall body such as a heating furnace can be easily performed.

しかしながら、この技術では、樹脂を含まない炭素繊維フェルトの部分を含むことを必須としているが、この部分は、加工性が悪く微細加工が困難である、接着に寄与する樹脂成分がないので機械的強度や接着強度が低い、炭素繊維に先んじて酸化する成分を含まないので、酸化消耗により炭素繊維の骨格が崩れて断熱性が低下してしまう、などの問題がある。 However, in this technology, it is essential to include a part of carbon fiber felt that does not contain resin, but this part is mechanical because there is no resin component that contributes to adhesion, which is difficult to process finely. There are problems such as low strength and adhesive strength, and because it does not contain a component that oxidizes prior to carbon fibers, the skeleton of the carbon fibers collapses due to oxidative consumption and the heat insulating property deteriorates.

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、応力による破壊を抑制し得た炭素繊維シート積層体を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a carbon fiber sheet laminate capable of suppressing fracture due to stress.

上記課題を解決するための炭素繊維シート積層体に係る本発明は、次のように構成されている。
炭素繊維を三次元的にランダムに交絡させた繊維フェルトと、前記繊維フェルトの炭素繊維表面を被覆する保護炭素層と、を有し、炭素質により構成された炭素繊維シートが複数積層された炭素繊維シート積層体であって、前記炭素繊維は、等方性ピッチ系炭素繊維と、ポリアクリロニトリル系炭素繊維と、を含み、前記炭素繊維の全質量に占める前記等方性ピッチ系炭素繊維の質量割合が20%以上であり、前記炭素繊維の全質量に占める前記ポリアクリロニトリル系炭素繊維の質量割合が20%以上であり、前記炭素繊維の全質量に占める前記等方性ピッチ系炭素繊維と前記ポリアクリロニトリル系炭素繊維の合計質量の割合が90%以上であることを特徴とする。
The present invention relating to a carbon fiber sheet laminate for solving the above problems is configured as follows.
Carbon having a fiber felt in which carbon fibers are entangled three-dimensionally at random and a protective carbon layer covering the carbon fiber surface of the fiber felt, and a plurality of carbon fiber sheets made of carbonaceous material are laminated. The fiber sheet laminate, wherein the carbon fibers include isotropic pitch-based carbon fibers and polyacrylonitrile-based carbon fibers, and the mass of the isotropic pitch-based carbon fibers in the total mass of the carbon fibers. The proportion of the polyacrylonitrile-based carbon fibers to the total mass of the carbon fibers is 20% or more, and the isotropic pitch-based carbon fibers and the said isotropic pitch-based carbon fibers to the total mass of the carbon fibers. It is characterized in that the ratio of the total mass of the polyacrylonitrile-based carbon fibers is 90% or more.

上記構成では、炭素繊維シートを構成する炭素繊維は、等方性ピッチ系炭素繊維と、ポリアクリロニトリル(PAN)系炭素繊維とを含んでおり、炭素繊維全質量に対して、等方性ピッチ系炭素繊維が20質量%以上、PAN系炭素繊維が20質量%以上、両者の合計が90質量%以上に規制されている。 In the above configuration, the carbon fibers constituting the carbon fiber sheet include isotropic pitch-based carbon fibers and polyacrylonitrile (PAN) -based carbon fibers, and are isotropic pitch-based with respect to the total mass of the carbon fibers. Carbon fibers are regulated to 20% by mass or more, PAN-based carbon fibers are regulated to 20% by mass or more, and the total of both is regulated to 90% by mass or more.

炭素繊維シートの強度は、炭素繊維相互の接点を結着する保護炭素層が多いほど高くなる傾向がある。ここで、PAN系炭素繊維は単体での強度が高く、且つ繊維相互が絡まり合いにくいという性質を有する。このため、PAN系炭素繊維のみを用いてなる炭素繊維シートは、繊維相互が絡まり合いにくいために炭素繊維相互の接点が少なく強度が低い。しかしながら、炭素繊維の接点を結着する保護炭素層が破壊された後においては、PAN系炭素繊維が炭素繊維シートの強度を一定程度維持するため、一つの炭素繊維シートで亀裂が生じた場合、この亀裂が他の(隣接する)炭素繊維シートにまで連続して進行しにくく、炭素繊維シート積層体が一気に破壊することはない。 The strength of the carbon fiber sheet tends to increase as the number of protective carbon layers connecting the contacts between the carbon fibers increases. Here, the PAN-based carbon fiber has a property that the strength of the PAN-based carbon fiber alone is high and the fibers are not easily entangled with each other. For this reason, the carbon fiber sheet made of only PAN-based carbon fibers has low strength because the fibers are less likely to be entangled with each other and there are few contacts between the carbon fibers. However, after the protective carbon layer that binds the contacts of the carbon fibers is destroyed, the PAN-based carbon fibers maintain the strength of the carbon fiber sheets to a certain extent, so that if a crack occurs in one carbon fiber sheet, This crack does not easily progress to other (adjacent) carbon fiber sheets continuously, and the carbon fiber sheet laminate does not break at once.

他方、等方性ピッチ系炭素繊維は柔軟性が高く繊維相互が絡まり合い易く且つ単体での強度がPAN系炭素繊維よりも低いという性質を有する。このため、等方性ピッチ系炭素繊維のみを用いてなる炭素繊維シートは、炭素繊維相互の接点が多く炭素繊維シートとしての強度は高い。しかしながら、炭素繊維の接点を結着する保護炭素層が破壊された後における炭素繊維シートの強度が不十分であり、一つの炭素繊維シートで生じた亀裂は他の炭素繊維シートにまで連続して進行しやすく、炭素繊維シート積層体が一気に破壊されてしまう。 On the other hand, isotropic pitch-based carbon fibers have the properties of high flexibility, easy entanglement of fibers, and lower strength of a single body than PAN-based carbon fibers. Therefore, the carbon fiber sheet using only isotropic pitch carbon fibers has many contacts between the carbon fibers and has high strength as a carbon fiber sheet. However, the strength of the carbon fiber sheet after the protective carbon layer that binds the carbon fiber contacts is broken is insufficient, and the cracks generated in one carbon fiber sheet continue to the other carbon fiber sheets. It is easy to proceed, and the carbon fiber sheet laminate is destroyed at once.

これらに対し、等方性ピッチ系炭素繊維とPAN系炭素繊維とを上記のように質量配合比を規制し、且つ三次元的にランダムに交絡させることにより、等方性ピッチ系炭素繊維とPAN系炭素繊維の両者の長所を兼ね備えた炭素繊維シート積層体を実現できる。すなわち、等方性ピッチ系炭素繊維により炭素繊維シートとしての強度を維持しつつも、PAN系炭素繊維により応力による亀裂が生じた後においても炭素繊維シートの強度を一定程度維持し、亀裂の伝播が起き難い炭素繊維シート積層体を実現できる。 On the other hand, the isotropic pitch carbon fiber and the PAN carbon fiber are entwined with the isotropic pitch carbon fiber and the PAN carbon fiber by regulating the mass mixing ratio as described above and entwining the isotropic pitch carbon fiber and the PAN carbon fiber three-dimensionally at random. It is possible to realize a carbon fiber sheet laminate having the advantages of both of the carbon fibers. That is, while maintaining the strength of the carbon fiber sheet by the isotropic pitch carbon fiber, the strength of the carbon fiber sheet is maintained to a certain extent even after the crack is generated by the PAN carbon fiber, and the crack is propagated. It is possible to realize a carbon fiber sheet laminate in which

ここで、炭素繊維全体に占める等方性ピッチ系炭素繊維の量が過小であると、等方性ピッチ系炭素繊維による効果が十分に得られない。また、炭素繊維全体に占めるPAN系炭素繊維の量が過小であると、PAN系炭素繊維による効果が十分に得られない。このため、炭素繊維全体に占める等方性ピッチ系炭素繊維の質量は20%以上に規制し、より好ましくは25%以上に規制し、最も好ましくは30%に規制する。また、炭素繊維全体に占めるPAN系炭素繊維の質量は20%以上に規制し、より好ましくは25%以上に規制し、最も好ましくは30%に規制する。 Here, if the amount of the isotropic pitch-based carbon fiber in the entire carbon fiber is too small, the effect of the isotropic pitch-based carbon fiber cannot be sufficiently obtained. Further, if the amount of the PAN-based carbon fiber in the entire carbon fiber is too small, the effect of the PAN-based carbon fiber cannot be sufficiently obtained. Therefore, the mass of the isotropic pitch carbon fiber in the entire carbon fiber is regulated to 20% or more, more preferably 25% or more, and most preferably 30%. Further, the mass of the PAN-based carbon fiber in the entire carbon fiber is regulated to 20% or more, more preferably 25% or more, and most preferably 30%.

また、炭素繊維は、異方性ピッチ系炭素繊維やレーヨン系炭素繊維などの他の炭素繊維を含んでもよいが、等方性ピッチ系炭素繊維およびPAN系炭素繊維による効果を十分に得るために、炭素繊維全体に占める等方性ピッチ系炭素繊維およびPAN系炭素繊維の合計質量は90%以上に規制し、より好ましくは95%以上に規制し、最も好ましくは100%とする(他の炭素繊維を含ませない)。 Further, the carbon fibers may contain other carbon fibers such as anisotropic pitch carbon fibers and rayon carbon fibers, but in order to sufficiently obtain the effects of the isotropic pitch carbon fibers and the PAN carbon fibers. The total mass of isotropic pitch carbon fibers and PAN carbon fibers in the total carbon fibers is regulated to 90% or more, more preferably 95% or more, and most preferably 100% (other carbons). Does not contain fiber).

ここで、炭素繊維シート積層体とは、板状の炭素繊維シートが複数積層されたものや、一枚または複数枚の炭素繊維シートが、らせん状に巻きとられて積層されたものなどが含まれる。 Here, the carbon fiber sheet laminate includes a plate-shaped carbon fiber sheet in which a plurality of plate-shaped carbon fiber sheets are laminated, a carbon fiber sheet in which one or a plurality of carbon fiber sheets are spirally wound and laminated, and the like. Is done.

また、炭素繊維シート積層体を構成する炭素繊維シートは、かさ密度や厚み、炭素繊維の質量配合比率等がすべて同一のものとすることが好ましい。 Further, it is preferable that the carbon fiber sheets constituting the carbon fiber sheet laminate have the same bulk density, thickness, mass mixing ratio of carbon fibers, and the like.

また、炭素繊維シート積層体の表面(一方または双方)に配置された炭素繊維シートに、熱分解炭素を浸透させたり、黒鉛粒子や非晶質炭素粒子等の炭素質粒子を含ませたりして用いてもよい。また、炭素繊維シート積層体の表面に、かさ密度や炭素繊維の体積分率などが高い表面層を張り付けて用いる構成としてもよい。このような構成とすることにより、炭素繊維シート積層体の損耗や発塵をさらに抑制することができる。また、これらを含ませない場合には製造工程を簡略化・低コスト化できる。なお、表面以外の炭素繊維シートには、炭素繊維、保護炭素層以外の成分は含ませないものとすることが好ましい。 Further, the carbon fiber sheet arranged on the surface (one or both) of the carbon fiber sheet laminate may be impregnated with pyrolytic carbon or may contain carbonaceous particles such as graphite particles and amorphous carbon particles. You may use it. Further, a surface layer having a high bulk density and a volume fraction of carbon fibers may be attached to the surface of the carbon fiber sheet laminate. With such a configuration, wear and dust generation of the carbon fiber sheet laminate can be further suppressed. Further, when these are not included, the manufacturing process can be simplified and the cost can be reduced. It is preferable that the carbon fiber sheet other than the surface does not contain components other than the carbon fiber and the protective carbon layer.

本発明にかかる炭素繊維シート積層体は、単結晶シリコン引き上げ装置、多結晶シリコンキャスト炉、金属やセラミックスの焼結炉、真空蒸着炉等の高温炉の成形断熱材として使用できるほか、鉄道車両用吸音断熱材、船舶用断熱ボードなどにも使用することが可能である。 The carbon fiber sheet laminate according to the present invention can be used as a molding heat insulating material for a high temperature furnace such as a single crystal silicon pulling device, a polycrystalline silicon cast furnace, a metal or ceramics sintering furnace, and a vacuum vapor deposition furnace, and is also used for railway vehicles. It can also be used for sound absorbing heat insulating materials, heat insulating boards for ships, and the like.

また、炭素繊維シート積層体を成形断熱材として使用する場合、炭素繊維シート積層体の周囲に不純物として混入或いは炉内で発生した活性ガス(酸素ガス、SiOガス等)が存在すると、保護炭素層が炭素繊維に先んじて活性ガスと反応する。これにより、炭素繊維と活性ガスとが反応して劣化することが抑制される。 Further, when the carbon fiber sheet laminate is used as a molded heat insulating material, if active gas (oxygen gas, SiO gas, etc.) mixed as an impurity or generated in the furnace is present around the carbon fiber sheet laminate, the protective carbon layer is used. Reacts with the active gas prior to carbon fiber. As a result, the reaction between the carbon fiber and the active gas is suppressed from deterioration.

ここで、炭素質が酸素ガスと反応する場合炭酸ガスとなって除去され、SiOガスと反応する場合にはSiCとなって除去されることなく残存するが、いずれの場合も炭素繊維により構成される骨格構造が維持されるので、当該骨格構造が多数の空間を形成することにより得られる断熱作用が維持される。 Here, when the carbon substance reacts with oxygen gas, it is removed as carbon dioxide gas, and when it reacts with SiO gas, it becomes SiC and remains without being removed. In either case, it is composed of carbon fibers. Since the skeletal structure is maintained, the heat insulating effect obtained by the skeletal structure forming a large number of spaces is maintained.

なお、炭素繊維シート積層体は、炭素質により構成される炭素繊維シートが複数積層されてなるものであり、それゆえ炭素繊維シート積層体は炭素質以外の成分を含んでいない。 The carbon fiber sheet laminate is formed by laminating a plurality of carbon fiber sheets composed of carbon, and therefore the carbon fiber sheet laminate does not contain any component other than carbon.

上記構成において等方性ピッチ系炭素繊維が、曲状の炭素繊維である構成とすることができる。曲状の炭素繊維であると、炭素繊維相互の絡まり合いをより高めることができる。 In the above configuration, the isotropic pitch carbon fiber may be a curved carbon fiber. When the carbon fibers are curved, the entanglement between the carbon fibers can be further enhanced.

ここで、曲状の炭素繊維とは、繊維を直線状に引っ張ったときの長さ(すなわち、繊維長)をL1、湾曲した繊維の自然状態での最大長さ(又は自然状態での最大点寸法、すなわち、湾曲した繊維上の任意の2点間の距離を測定したとき、この距離が最も大きくなる長さ)をL2とするとき、L1/L2(L1とL2との比)が1.3以上の湾曲形状を有する炭素繊維と規定する(又は定義する)。なお、繊維を引っ張る場合などにおいて、一時的に繊維の曲状が保持されない場合がある。そのため、長さL2は、より正確な測定条件にするため、長さL1の繊維を所定の高さ(例えば、30〜100cm程度)から自由落下させた後の湾曲した繊維の自然状態での最大長さ、として測定してもよい。また、最大長さL2は、それぞれの曲状の炭素繊維においてバラツキを有している場合が多く、通常、複数の測定値[例えば、5以上(例えば、5〜200)、好ましくは10以上(例えば、10〜100程度)、さらに好ましくは20以上(例えば、20〜50程度)の測定値]の平均値(平均最大長さ)として求めることができる。 Here, the curved carbon fiber means that the length when the fiber is pulled linearly (that is, the fiber length) is L1, the maximum length of the curved fiber in the natural state (or the maximum point in the natural state). When the dimension, that is, the length at which this distance becomes the largest when the distance between any two points on the curved fiber is measured is L2, L1 / L2 (the ratio of L1 and L2) is 1. Defined (or defined) as a carbon fiber having a curved shape of 3 or more. In addition, when the fiber is pulled, the curved shape of the fiber may not be temporarily maintained. Therefore, the length L2 is the maximum in the natural state of the curved fiber after the fiber of the length L1 is freely dropped from a predetermined height (for example, about 30 to 100 cm) in order to make the measurement conditions more accurate. It may be measured as length. Further, the maximum length L2 often has a variation in each curved carbon fiber, and usually has a plurality of measured values [for example, 5 or more (for example, 5 to 200), preferably 10 or more (for example, 5 or more). For example, it can be obtained as an average value (average maximum length) of measured values of 20 or more (for example, about 20 to 50), more preferably about 10 to 100).

なお、PAN系炭素繊維は、その製法上曲状とすることが困難であるため、曲状ではない(直線状の)ものを用いることが好ましい。 Since it is difficult to make the PAN-based carbon fiber curved due to its manufacturing method, it is preferable to use a PAN-based carbon fiber that is not curved (straight).

上記課題を解決するための本発明に係る炭素繊維シート積層体の製造方法は、次のように構成されている。
炭素繊維を三次元的にランダムに交絡させて繊維フェルトとなす繊維フェルト作製工程と、前記繊維フェルトに、熱硬化性樹脂を含浸させて炭素繊維シートのプリプレグを作製するプリプレグ作製ステップと、前記プリプレグを複数積層してプリプレグ積層体となす積層ステップと、前記プリプレグ積層体を加圧しつつ加熱して、前記熱硬化性樹脂を熱硬化させて、前記プリプレグを結着させる結着ステップと、結着されたプリプレグ積層体を不活性ガス雰囲気で熱処理して、熱硬化性樹脂を炭素化させる炭素化ステップと、を有し、前記炭素繊維は、等方性ピッチ系炭素繊維と、ポリアクリロニトリル系炭素繊維と、を含み、前記炭素繊維の全質量に占める前記等方性ピッチ系炭素繊維の質量割合が20%以上であり、前記炭素繊維の全質量に占める前記ポリアクリロニトリル系炭素繊維の質量割合が20%以上であり、前記炭素繊維の全質量に占める前記等方性ピッチ系炭素繊維と前記ポリアクリロニトリル系炭素繊維の合計質量の割合が90%以上である炭素繊維シート積層体の製造方法。
The method for producing a carbon fiber sheet laminate according to the present invention for solving the above problems is configured as follows.
A fiber felt production step of entwining carbon fibers three-dimensionally and randomly to form a fiber felt, a prepreg production step of impregnating the fiber felt with a thermosetting resin to produce a prepreg of a carbon fiber sheet, and the prepreg. A lamination step of laminating a plurality of the prepreg laminates to form a prepreg laminate, and a binding step of heating the prepreg laminate while applying pressure to thermally cure the thermosetting resin and binding the prepregs. The prepreg laminate is heat-treated in an inert gas atmosphere to carbonize the thermosetting resin, and the carbon fibers include isotropic pitch-based carbon fibers and polyacrylonitrile-based carbon. The mass ratio of the isotropic pitch-based carbon fibers to the total mass of the carbon fibers including the fibers is 20% or more, and the mass ratio of the polyacrylonitrile-based carbon fibers to the total mass of the carbon fibers is 20% or more. A method for producing a carbon fiber sheet laminate, which is 20% or more and the ratio of the total mass of the isotropic pitch carbon fiber and the polyacrylonitrile carbon fiber to the total mass of the carbon fiber is 90% or more.

上記製造方法により、本発明に係る炭素繊維シート積層体を製造することができる。 The carbon fiber sheet laminate according to the present invention can be produced by the above production method.

以上に説明したように、本発明によると、応力による破壊を抑制し得た炭素繊維シート積層体を実現することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to realize a carbon fiber sheet laminate capable of suppressing fracture due to stress.

図1は、本発明にかかる炭素繊維シート積層体の構造を模式的に示す斜視図である。FIG. 1 is a perspective view schematically showing the structure of the carbon fiber sheet laminate according to the present invention. 図2は、三点曲げ試験の概要を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing an outline of a three-point bending test. 図3は、三点曲げ試験結果示すグラフである。FIG. 3 is a graph showing the results of the three-point bending test. 図4は、剥離試験の概要を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an outline of the peeling test. 図5は、実施例1にかかる炭素繊維シート積層体の顕微鏡断面写真であって、図5(a)は平面方向から、図5(b)は側面方向からのものをそれぞれ示す。5A and 5B are microscopic cross-sectional photographs of the carbon fiber sheet laminate according to Example 1, in which FIG. 5A shows a plan view and FIG. 5B shows a side view.

(実施の形態)
図1は、本実施の形態にかかる炭素繊維シート積層体の構造を模式的に示す斜視図である。本実施の形態に係る炭素繊維シート積層体100は、炭素繊維を交絡させた繊維フェルトと、繊維フェルトの炭素繊維表面を被覆する炭素質からなる保護炭素層と、を有し、炭素質により構成される炭素繊維シート1が積層されてなる(図1では8枚の炭素繊維シート1が積層されている)。また、炭素繊維シート1内において、炭素繊維が三次元的にランダムに配向されている。
(Embodiment)
FIG. 1 is a perspective view schematically showing the structure of the carbon fiber sheet laminate according to the present embodiment. The carbon fiber sheet laminate 100 according to the present embodiment has a fiber felt in which carbon fibers are entangled and a protective carbon layer made of carbon material that covers the carbon fiber surface of the fiber felt, and is composed of carbon material. The carbon fiber sheets 1 to be formed are laminated (8 carbon fiber sheets 1 are laminated in FIG. 1). Further, in the carbon fiber sheet 1, the carbon fibers are three-dimensionally and randomly oriented.

炭素繊維シート1を構成する炭素繊維は、等方性ピッチ系炭素繊維とポリアクリロニトリル(PAN)系炭素繊維とを含んでおり、炭素繊維の全質量に占める等方性ピッチ系炭素繊維の割合が20%以上、炭素繊維の全質量に占めるPAN系炭素繊維の割合が20%以上、炭素繊維の全質量に占める等方性ピッチ系炭素繊維とPAN系炭素繊維の合計質量の割合が90%以上に規制されている。 The carbon fibers constituting the carbon fiber sheet 1 include isotropic pitch-based carbon fibers and polyacrylonitrile (PAN) -based carbon fibers, and the ratio of the isotropic pitch-based carbon fibers to the total mass of the carbon fibers is 20% or more, the ratio of PAN-based carbon fiber to the total mass of carbon fiber is 20% or more, and the ratio of the total mass of isotropic pitch-based carbon fiber and PAN-based carbon fiber to the total mass of carbon fiber is 90% or more. Is regulated by.

ここで、PAN系炭素繊維は単体での強度が高く、且つ繊維相互が絡まり合いにくい。他方、等方性ピッチ系炭素繊維は柔軟性が高く繊維相互が絡まり合い易く且つ単体での強度がPAN系炭素繊維よりも低い。等方性ピッチ系炭素繊維とPAN系炭素繊維とを上記のように質量配合比を規制して用いることにより、等方性ピッチ系炭素繊維の絡まりやすさとPAN系炭素繊維の強度とを兼ね備えた炭素繊維シート積層体を実現できる。 Here, the PAN-based carbon fiber has high strength as a single substance, and the fibers are less likely to be entangled with each other. On the other hand, the isotropic pitch-based carbon fiber has high flexibility, the fibers are easily entangled with each other, and the strength of a single carbon fiber is lower than that of the PAN-based carbon fiber. By using the isotropic pitch-based carbon fiber and the PAN-based carbon fiber with the mass mixing ratio regulated as described above, the isotropic pitch-based carbon fiber has both the ease of entanglement and the strength of the PAN-based carbon fiber. A carbon fiber sheet laminate can be realized.

ここで、炭素繊維の全質量に占める等方性ピッチ系炭素繊維の量が過小であったり、PAN系炭素繊維の量が過小あったり、両者の合計質量が過小であったりすると、これらの効果が十分に得られない。 Here, if the amount of isotropic pitch-based carbon fibers in the total mass of carbon fibers is too small, the amount of PAN-based carbon fibers is too small, or the total mass of both is too small, these effects Is not sufficiently obtained.

ここで、等方性ピッチ系炭素繊維は、不融化処理した等方性ピッチを原料とする炭素繊維であり、市販のものを用いることができる。ピッチは、化学的には無数の縮合多環芳香族化合物の混合物であり、木材、石炭などの乾留の際に得られる液状タール、オイルサンドから得られるビチューメン、オイルシェールの乾留によって得られる油分、原油の蒸留による残渣油、石油留分のクラッキングによって生成するタールなどを熱処理、重合して得られる常温で固体状のもの等がある。具体的には、石炭由来のピッチ、石油由来のピッチ、ナフタレン等の芳香族化合物を重合した合成ピッチ等が挙げられる。 Here, the isotropic pitch-based carbon fiber is a carbon fiber made from an isotropic pitch that has been infusibilized, and a commercially available one can be used. Pitch is a mixture of innumerable condensed polycyclic aromatic compounds chemically, such as liquid tar obtained by carbonization of wood and coal, bitumen obtained from oil sands, and oil obtained by carbonization of oil shale. Residual oil obtained by distillation of crude oil, tar produced by carbonization of petroleum distillates, etc. are heat-treated and polymerized to be solid at room temperature. Specific examples thereof include coal-derived pitches, petroleum-derived pitches, synthetic pitches obtained by polymerizing aromatic compounds such as naphthalene, and the like.

等方性ピッチ系炭素繊維は、公知の方法で作製したものを用いることができる。例えば、石油又は石炭由来のピッチを紡糸し、台上に堆積させると、ピッチ繊維のマットが得られる。得られるマットは、概ね5〜400mmの範囲で長さが異なるピッチ繊維の集合体である。なお、紡糸の方法は特に限定されないが、一般的には溶融紡糸して行われる。溶融紡糸の方法として、渦流法や遠心法がある。渦流法によると曲状の繊維が、遠心法によると曲状でない(直線状の)繊維が得られる。ピッチ繊維の不融化処理及び炭素化処理を行って、炭素繊維マットとなす。なお、不融化工程は、ピッチ繊維の表面に酸素を導入し酸化させる工程である。不融化工程の雰囲気は空気やNOxとすることができる。炭素化処理の温度は特に限定されないが、経済性などを考慮して700〜1200℃とすることができる。なお、曲状の繊維を用いると、繊維フェルトにおいて繊維同士がより絡みやすく、強度を高めやすい。 As the isotropic pitch-based carbon fiber, those produced by a known method can be used. For example, spinning a pitch derived from petroleum or coal and depositing it on a table gives a mat of pitch fibers. The resulting mat is an aggregate of pitch fibers having different lengths in the range of approximately 5 to 400 mm. The spinning method is not particularly limited, but is generally performed by melt spinning. As a method of melt spinning, there are a vortex method and a centrifugal method. The eddy current method gives curved fibers, and the centrifugal method gives non-curved (straight) fibers. Pitch fibers are infusible and carbonized to form a carbon fiber mat. The infusibilizing step is a step of introducing oxygen into the surface of the pitch fiber to oxidize it. The atmosphere of the infusibilization process can be air or NOx. The temperature of the carbonization treatment is not particularly limited, but may be 700 to 1200 ° C. in consideration of economic efficiency and the like. When curved fibers are used, the fibers are more likely to be entangled with each other in the fiber felt, and the strength is likely to be increased.

等方性ピッチ系炭素繊維は、平均繊維径(直径)が7〜20μmであることが好ましく、9〜18μmであることがより好ましく、11〜15μmであることがさらに好ましい。また、その長さは、5〜400mmであることが好ましく、8〜350mmであることがより好ましく、10〜300mmであることがさらに好ましい。 The isotropic pitch-based carbon fibers preferably have an average fiber diameter (diameter) of 7 to 20 μm, more preferably 9 to 18 μm, and even more preferably 11 to 15 μm. The length thereof is preferably 5 to 400 mm, more preferably 8 to 350 mm, and even more preferably 10 to 300 mm.

ポリアクリロニトリル(PAN)系炭素繊維は、ポリアクリロニトリル繊維を炭素化処理してなるものであり、市販のものを使用することができる。PAN系炭素繊維は、繊維長が20〜200mmであることが好ましく、30〜80mmであることがより好ましい。また、平均繊維径(直径)は、5〜13μmであることが好ましく、5〜9μmであることがより好ましく、5〜7μmであることがさらに好ましい。 The polyacrylonitrile (PAN) -based carbon fiber is obtained by carbonizing the polyacrylonitrile fiber, and a commercially available one can be used. The PAN-based carbon fiber preferably has a fiber length of 20 to 200 mm, more preferably 30 to 80 mm. The average fiber diameter (diameter) is preferably 5 to 13 μm, more preferably 5 to 9 μm, and even more preferably 5 to 7 μm.

また、いずれの炭素繊維も、炭素繊維の微視的な構造としては特に限定されず、形状(曲状、直線状、断面形状等)が同一のもののみを用いてもよく、また異なる構造のものが混合されていてもよいが、等方性ピッチ系炭素繊維は曲状、PAN系炭素繊維は直線状である(曲状でない)ことが好ましい。 Further, any of the carbon fibers is not particularly limited as the microscopic structure of the carbon fibers, and only those having the same shape (curved shape, linear shape, cross-sectional shape, etc.) may be used, or different structures may be used. Although those may be mixed, it is preferable that the isotropic pitch-based carbon fibers are curved and the PAN-based carbon fibers are linear (not curved).

また、炭素繊維シートを構成する繊維フェルトの形状としては特に限定されることはなく、長さや幅もまた特に限定されることはない。繊維フェルトとしては、例えば厚みが3〜15mm程度のものを用いることができる。また、炭素繊維フェルトの微視的構造としては、三次元的にランダムな方向に配向した炭素繊維が複雑に交わっているものを用いる。 Further, the shape of the fiber felt constituting the carbon fiber sheet is not particularly limited, and the length and width are also not particularly limited. As the fiber felt, for example, one having a thickness of about 3 to 15 mm can be used. Further, as the microscopic structure of the carbon fiber felt, a structure in which carbon fibers oriented in three-dimensionally random directions are intricately intersected is used.

また、保護炭素層は、繊維フェルトを構成する炭素繊維の表面全部、あるいは炭素繊維の表面の一部を被覆しているものである。また、保護炭素層は炭素質(非晶質炭素や黒鉛質炭素)であればよく、非晶質炭素は難黒鉛化性、易黒鉛化性のいずれでもよい。保護炭素層の由来となる化合物は特に限定されることはないが、繊維フェルトに含浸可能な樹脂材料を用いることが好ましい。なかでも、フェノール樹脂、フラン樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂が好ましい。熱硬化性樹脂を用いると、炭素繊維相互および積層した炭素繊維シート相互を、熱硬化及び炭素化により簡便かつ強固に結着させることができる。 The protective carbon layer covers the entire surface of the carbon fibers constituting the fiber felt or a part of the surface of the carbon fibers. Further, the protected carbon layer may be carbonaceous (amorphous carbon or graphitic carbon), and the amorphous carbon may be either non-graphitizable or easy-graphitizable. The compound from which the protective carbon layer is derived is not particularly limited, but it is preferable to use a resin material that can be impregnated into the fiber felt. Of these, thermosetting resins such as phenol resins, furan resins, polyimide resins, and epoxy resins are preferable. When the thermosetting resin is used, the carbon fibers and the laminated carbon fiber sheets can be easily and firmly bonded to each other by thermosetting and carbonization.

ここで、熱硬化性樹脂は1種のみを用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。また、熱硬化性樹脂は、そのまま繊維フェルトに含ませてもよく、溶剤で希釈して繊維フェルトに含ませてもよい。溶剤としては、メチルアルコール、エチルアルコール等のアルコールを用いることができる。 Here, only one type of thermosetting resin may be used, or two or more types may be mixed and used. Further, the thermosetting resin may be contained in the fiber felt as it is, or may be diluted with a solvent and contained in the fiber felt. As the solvent, alcohols such as methyl alcohol and ethyl alcohol can be used.

また、繊維フェルトは、長尺や長幅なものを用いて炭素繊維シート積層体を作製後に切断等してもよく、炭素繊維シート積層体のサイズにあらかじめ切断しておいてもよい。 Further, the fiber felt may be cut after producing the carbon fiber sheet laminate using a long or long fiber felt, or may be cut in advance to the size of the carbon fiber sheet laminate.

ここで、炭素繊維シート積層体のかさ密度は、0.05〜0.30g/cm3であることが好ましく、0.07〜0.20g/cm3であることがより好ましく、0.10〜0.18g/cm3であることがさらに好ましい。 Here, the bulk density of the carbon fiber sheet laminate is preferably 0.05~0.30g / cm 3, more preferably 0.07~0.20g / cm 3, 0.10~ It is more preferably 0.18 g / cm 3.

また、炭素繊維シートにおける炭素繊維と保護炭素層との質量比は、100:5〜100:100であることが好ましく、100:10〜100:80であることがより好ましく、100:15〜100:60であることがさらに好ましい。 The mass ratio of the carbon fiber to the protective carbon layer in the carbon fiber sheet is preferably 100: 5 to 100: 100, more preferably 100: 10 to 100: 80, and 100: 15 to 100. : 60 is more preferable.

また、個々の炭素繊維シートの厚さは、3〜15mmであることが好ましく、5〜12mmであることがより好ましく、6〜10mmであることがさらに好ましい。 The thickness of each carbon fiber sheet is preferably 3 to 15 mm, more preferably 5 to 12 mm, and even more preferably 6 to 10 mm.

次に、炭素繊維シート積層体の製造方法について説明する。 Next, a method for manufacturing the carbon fiber sheet laminate will be described.

(繊維フェルトの準備)
繊維フェルトは、公知の方法で作製したものを用いることができ、炭素繊維が三次元的にランダムに配向しやすい方法を採用する。繊維フェルトの形成方法としては、例えば、等方性ピッチ系炭素繊維とPAN系炭素繊維とが混合された繊維を開繊機により開繊、空気圧で上昇させ降り積もらせた後、ニードルパンチを用いる方法、溶液中で撹拌・混合し、抄紙網上に堆積させる方法、カード機などのカーディング手段により繊維フェルトを紡出した後、ニードルパンチを用いる方法等が例示できる。この繊維フェルトは、厚みが3〜20mmであることが好ましく、5〜15mmであることがより好ましい。繊維フェルトの目付は、例えば、100〜2000g/m2であることが好ましく、300〜1500g/m2であることがより好ましい。
(Preparation of fiber felt)
As the fiber felt, one produced by a known method can be used, and a method in which carbon fibers are easily oriented three-dimensionally randomly is adopted. As a method for forming the fiber felt, for example, a method in which a fiber in which an isotropic pitch carbon fiber and a PAN carbon fiber are mixed is opened by a fiber opener, raised by air pressure and deposited, and then a needle punch is used. Examples thereof include a method of stirring and mixing in a solution and depositing it on a papermaking net, a method of spinning fiber felt by a carding means such as a carding machine, and then using a needle punch. The fiber felt preferably has a thickness of 3 to 20 mm, more preferably 5 to 15 mm. Basis weight of the fiber felt, for example, is preferably from 100 to 2000 g / m 2, and more preferably 300 to 1500 g / m 2.

(プリプレグの作製)
この後、繊維フェルトに熱硬化性樹脂溶液を噴霧し、熱硬化性樹脂溶液に浸漬し、あるいは熱硬化性樹脂溶液を塗布してプリプレグを作製する。このとき、焼成後において炭素繊維と保護炭素層との質量比が、100:5〜100:100なるように合成樹脂の量を調整する。
(Making prepreg)
After that, the thermosetting resin solution is sprayed on the fiber felt and immersed in the thermosetting resin solution, or the thermosetting resin solution is applied to prepare a prepreg. At this time, the amount of the synthetic resin is adjusted so that the mass ratio of the carbon fiber and the protective carbon layer becomes 100: 5 to 100: 100 after firing.

(積層ステップ)
上記により作製したプリプレグ複数、所望の厚みとなるように順次積層する。また、プリプレグを一枚ないし複数枚、円柱ないし円筒状のマンドレルにらせん状に巻いて積層させる構成としてもよい。
(Laminating step)
A plurality of prepregs prepared as described above are sequentially laminated so as to have a desired thickness. Further, one or a plurality of prepregs may be spirally wound around a cylindrical or cylindrical mandrel and laminated.

(結着・炭素化)
上記のようにして作製した積層体を加圧しつつ加熱して熱硬化性樹脂を熱硬化させてプリプレグを結着する。この後、不活性ガス雰囲気で1500〜2500℃で所定の時間(例えば、1〜20時間)加熱し、熱硬化性樹脂を炭素化させて、炭素繊維シート積層体を得る。
(Bounding / carbonization)
The laminate produced as described above is heated while being pressurized to heat-cure the thermosetting resin to bind the prepreg. Then, the thermosetting resin is carbonized by heating at 1500 to 2500 ° C. for a predetermined time (for example, 1 to 20 hours) in an inert gas atmosphere to obtain a carbon fiber sheet laminate.

ここで、本明細書でいう炭素化とは、黒鉛化を含んだ広義のものを意味する。例えば、特に2000℃以上の温度で熱処理する場合、黒鉛構造が発展することが考えられるが、本発明では、炭素繊維シート積層体を構成する炭素質は、非晶質炭素、黒鉛質炭素のいずれでもよい。 Here, carbonization as used herein means a broad definition including graphitization. For example, it is conceivable that the graphite structure develops especially when the heat treatment is performed at a temperature of 2000 ° C. or higher. However, in the present invention, the carbon material constituting the carbon fiber sheet laminate is either amorphous carbon or graphite carbon. It may be.

実施例に基づいて、本発明をさらに詳細に説明する。 The present invention will be described in more detail based on examples.

(実施例1)
(炭素繊維の作製)
石炭由来の等方性ピッチを渦流法により溶融紡糸して、曲状のピッチ繊維からなるマットを得た。ピッチ繊維は概ね10〜300mmの長さであり、この繊維が集合してマット状となった。このマットを空気雰囲気下、常温から約250〜300℃まで、合計30分間熱処理してピッチ繊維を不融化し、繊維マットを得た。この繊維マットを不活性ガス雰囲気下、約1000℃で炭素化し、等方性ピッチ系炭素繊維(平均直径13μm)のマットを得た。この炭素繊維を直線状に引っ張ったときの長さ(すなわち、繊維長)をL1、湾曲した繊維の自然状態での最大長さ(又は自然状態での最大点寸法、すなわち、湾曲した繊維上の任意の2点間の距離を測定したとき、この距離が最も大きくなる長さ)をL2とするとき、L1/L2(L1とL2との比)が2.1であった。
(Example 1)
(Making carbon fiber)
An isotropic pitch derived from coal was melt-spun by a vortex method to obtain a mat made of curved pitch fibers. The pitch fibers have a length of about 10 to 300 mm, and these fibers are aggregated to form a mat. This mat was heat-treated in an air atmosphere from room temperature to about 250 to 300 ° C. for a total of 30 minutes to insolubilize the pitch fibers to obtain a fiber mat. This fiber mat was carbonized at about 1000 ° C. in an inert gas atmosphere to obtain a mat of isotropic pitch carbon fibers (average diameter 13 μm). The length when the carbon fiber is pulled linearly (that is, the fiber length) is L1, the maximum length of the curved fiber in the natural state (or the maximum point dimension in the natural state, that is, on the curved fiber. When the distance between any two points was measured, L1 / L2 (the ratio of L1 to L2) was 2.1, where L2 was the length at which this distance was the largest.

(繊維フェルトの作製)
上記の等方性ピッチ系炭素繊維と、とポリアクリロニトリル(PAN)系炭素繊維(東レ株式会社製、平均繊維径7μm、長さ40mm)とを質量比50:50の割合で混合・開繊し、ニードルパンチ法で交絡させて、繊維フェルト(300×300×10(厚み)mm、目付560g/m2)を作製した。
(Making fiber felt)
The above isotropic pitch carbon fiber and polyacrylonitrile (PAN) carbon fiber (manufactured by Toray Industries, Inc., average fiber diameter 7 μm, length 40 mm) are mixed and opened at a mass ratio of 50:50. , The fiber felt (300 × 300 × 10 (thickness) mm, grain 560 g / m 2 ) was produced by entanglement by the needle punch method.

(プリプレグの作製)
この繊維フェルトにレゾールタイプのフェノール樹脂系熱硬化性樹脂溶液に浸漬して、プリプレグを作製した。このとき、2000℃で熱処理した場合における熱硬化性樹脂が炭素化してなる炭素質量が、炭素繊維100質量部に対して40質量部となるように、フェノール樹脂系熱硬化性樹脂溶液を添加した。
(Making prepreg)
A prepreg was prepared by immersing the fiber felt in a resole-type phenol-resin-based thermosetting resin solution. At this time, a phenol resin-based thermosetting resin solution was added so that the carbon mass formed by carbonizing the thermosetting resin when heat-treated at 2000 ° C. was 40 parts by mass with respect to 100 parts by mass of carbon fibers. ..

(積層ステップ)
上記プリプレグを8層積層し、プリプレグ積層体を作製した。
(Laminating step)
Eight layers of the above prepregs were laminated to prepare a prepreg laminated body.

(結着・炭素化ステップ)
このプリプレグ積層体を、厚みが40mm程度となるようにスペーサーを置いて圧縮しつつ200℃で90分加圧してフェノール樹脂を熱硬化させて、プリプレグ積層体を結着した。得られたプリプレグ積層体を不活性雰囲気下2000℃で熱処理し平板形状の炭素繊維シート積層体を得た。得られた炭素繊維シート積層体のかさ密度は、0.15g/cm3であった。
(Bounding / carbonization step)
The prepreg laminate was bound by thermosetting the phenol resin by pressurizing the prepreg laminate at 200 ° C. for 90 minutes while compressing the prepreg laminate with a spacer placed so as to have a thickness of about 40 mm. The obtained prepreg laminate was heat-treated at 2000 ° C. under an inert atmosphere to obtain a flat plate-shaped carbon fiber sheet laminate. The bulk density of the obtained carbon fiber sheet laminate was 0.15 g / cm 3 .

(実施例2)
繊維フェルトの作製における、等方性ピッチ系炭素繊維と、PAN系炭素繊維の質量比を30:70として、繊維フェルト(300×300×8(厚み)mm、目付420g/m2)を作製したこと以外は、上記実施例1と同様にして、実施例2に係る炭素繊維シート積層体を得た。得られた炭素繊維シート積層体のかさ密度は、0.14g/cm3であった。
(Example 2)
A fiber felt (300 × 300 × 8 (thickness) mm, grain size 420 g / m 2 ) was prepared by setting the mass ratio of the isotropic pitch carbon fiber and the PAN carbon fiber to 30:70 in the preparation of the fiber felt. Except for the above, the carbon fiber sheet laminate according to Example 2 was obtained in the same manner as in Example 1 above. The bulk density of the obtained carbon fiber sheet laminate was 0.14 g / cm 3 .

(比較例1)
繊維フェルトの作製において、PAN系炭素繊維のみを用いて繊維フェルト(300×300×5(厚み)mm、を作製したこと以外は、上記実施例1と同様にして、比較例1に係る炭素繊維シート積層体を作製した。得られた炭素繊維シート積層体のかさ密度は、0.15g/cm3であった。
(Comparative Example 1)
In the production of the fiber felt, the carbon fiber according to Comparative Example 1 was produced in the same manner as in Example 1 above, except that the fiber felt (300 × 300 × 5 (thickness) mm) was produced using only PAN-based carbon fibers. A sheet laminate was produced. The bulk density of the obtained carbon fiber sheet laminate was 0.15 g / cm 3 .

(比較例2)
繊維フェルトの作製において、等方性ピッチ系炭素繊維のみを用いて繊維フェルト(300×300×10(厚み)mm、目付500g/m2)を作製したこと以外は、上記実施例1と同様にして、比較例2に係る炭素繊維シート積層体を作製した。得られた炭素繊維シート積層体のかさ密度は、0.15g/cm3であった。
(Comparative Example 2)
In the production of the fiber felt, the same as in Example 1 above, except that the fiber felt (300 × 300 × 10 (thickness) mm, grain size 500 g / m 2) was produced using only isotropic pitch carbon fibers. A carbon fiber sheet laminate according to Comparative Example 2 was produced. The bulk density of the obtained carbon fiber sheet laminate was 0.15 g / cm 3 .

(三点曲げ試験)
実施例1、2、比較例1、2に係る炭素繊維シート積層体をそれぞれ、長さ250mm、幅40mm、高さ40mmに裁断して試験片200となした。この試験片200を、支点間距離が200mmに設定された台10の上に置いた。この試験片200に、圧子20により圧力をかけ、圧力と変位量の関係を測定した。この結果を図3および表1に示す。
(Three-point bending test)
The carbon fiber sheet laminates according to Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 were cut into a length of 250 mm, a width of 40 mm, and a height of 40 mm, respectively, to obtain a test piece 200. The test piece 200 was placed on a table 10 in which the distance between the fulcrums was set to 200 mm. Pressure was applied to the test piece 200 by the indenter 20, and the relationship between the pressure and the amount of displacement was measured. The results are shown in FIG. 3 and Table 1.

(剥離試験)
実施例1、2、比較例1、2に係る炭素繊維シート積層体をそれぞれ、長さ40mm、幅40mm、高さ40mmに裁断して試験片300となした。図4に示すように、炭素繊維シートの積層方向が試験片の高さ方向になるようにし、試験片300の両端面となる炭素繊維シートと、治具30と、をエポキシ系の接着剤を用いて固定した。この試験片300を、高さ方向に治具30を用いて引っ張り、試験片の積層境界面が剥離するときの剥離強さ(応力)を測定した。この結果を表1に示す。
(Peeling test)
The carbon fiber sheet laminates according to Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 were cut into a length of 40 mm, a width of 40 mm, and a height of 40 mm, respectively, to obtain a test piece 300. As shown in FIG. 4, the carbon fiber sheet is laminated in the height direction of the test piece, and the carbon fiber sheet to be both end faces of the test piece 300 and the jig 30 are attached with an epoxy adhesive. Fixed using. The test piece 300 was pulled in the height direction using a jig 30, and the peeling strength (stress) when the laminated boundary surface of the test piece was peeled was measured. The results are shown in Table 1.

Figure 0006864588
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比較例1では、三点曲げ試験において最大応力は0.38MPaと小さかった。また、比較例2では、最大応力は0.81MPaと大きいものの、最大荷重に至ると直ちに炭素繊維シート積層体の破壊に至った。一方、実施例1、2では、最大応力は0.74MPa、0.84MPaと大きく、且つ、最大荷重到達後においても一気に破壊されることがないことが分かる。 In Comparative Example 1, the maximum stress was as small as 0.38 MPa in the three-point bending test. Further, in Comparative Example 2, although the maximum stress was as large as 0.81 MPa, the carbon fiber sheet laminate was immediately destroyed when the maximum load was reached. On the other hand, in Examples 1 and 2, it can be seen that the maximum stress is as large as 0.74 MPa and 0.84 MPa, and the stress is not destroyed at once even after the maximum load is reached.

また、比較例1では、剥離試験において剥離強さは10kPaと小さかった。また、比較例2では剥離強さは55kPaと大きかった。一方、実施例1、2では、剥離強さが26kPa,14kPaと、比較例1よりも高くなっていることが分かる。これらのことは、次のように考えられる。 Further, in Comparative Example 1, the peeling strength was as small as 10 kPa in the peeling test. Further, in Comparative Example 2, the peel strength was as large as 55 kPa. On the other hand, in Examples 1 and 2, it can be seen that the peel strength is 26 kPa and 14 kPa, which are higher than those in Comparative Example 1. These things can be considered as follows.

比較例1では、単体としての強度は高いものの繊維相互が絡まり合いにくいPAN系炭素繊維のみを使用している。このため、炭素繊維相互の接点が少なく、炭素繊維シートとしての強度が低くなる。しかしながら、一つの炭素繊維シートで生じた亀裂は、他の炭素繊維シートにまで連続して進行しにくく、一気に破壊することはない。これは、図3の試験結果において、変異量が13%以上の領域においては、大きな応力の変化なく変位が進行していることからも確認できる。 In Comparative Example 1, only PAN-based carbon fibers, which have high strength as a single substance but are less likely to be entangled with each other, are used. Therefore, there are few contacts between the carbon fibers, and the strength of the carbon fiber sheet is low. However, the cracks generated in one carbon fiber sheet do not easily progress to other carbon fiber sheets continuously and do not break at once. This can be confirmed from the fact that in the test result of FIG. 3, the displacement progresses without a large change in stress in the region where the mutation amount is 13% or more.

また、比較例2では、繊維相互が絡まり合いやすい等方性ピッチ系炭素繊維のみを使用している。このため、炭素繊維相互の接点が多く炭素繊維シートとしての強度は高くなる。しかしながら、一つの炭素繊維シートで生じた亀裂は、他の炭素繊維シートにまで連続して進行しやすく、炭素繊維シート積層体が一気に破壊されてしまう。これは、図3の試験結果において、変位量25%付近において応力が0.81MPaから0MPaとなるまで一気に変化していることからも確認できる。 Further, in Comparative Example 2, only isotropic pitch carbon fibers in which the fibers are easily entangled with each other are used. Therefore, there are many points of contact between the carbon fibers, and the strength of the carbon fiber sheet is high. However, the cracks generated in one carbon fiber sheet easily proceed to the other carbon fiber sheets continuously, and the carbon fiber sheet laminate is destroyed at once. This can be confirmed from the fact that in the test result of FIG. 3, the stress changes at once from 0.81 MPa to 0 MPa in the vicinity of the displacement amount of 25%.

他方、実施例1、2では、等方性ピッチ系炭素繊維とPAN系炭素繊維とを混合して用いている。このため、炭素繊維シートにおいて等方性ピッチ系炭素繊維とPAN系炭素繊維とが交絡され、等方性ピッチ系炭素繊維の作用により繊維同士が良く絡みあっている。そのため、三点曲げ強さや剥離強さは高く維持されつつも、PAN系炭素繊維の作用により、生じた亀裂が生じた際には他の炭素繊維シートに連続して進行しにくく、曲げ試験での変位量が大きくなる。これは、図3の試験結果において、変位量が20%以上の領域において、大きな応力の変化なく変位が進行していることからも確認できる。 On the other hand, in Examples 1 and 2, isotropic pitch-based carbon fibers and PAN-based carbon fibers are mixed and used. Therefore, the isotropic pitch-based carbon fibers and the PAN-based carbon fibers are entangled in the carbon fiber sheet, and the fibers are well entangled with each other by the action of the isotropic pitch-based carbon fibers. Therefore, while the three-point bending strength and peeling strength are maintained high, when cracks are generated due to the action of PAN-based carbon fibers, it is difficult for them to continuously proceed to other carbon fiber sheets, and in the bending test. The amount of displacement of is large. This can be confirmed from the fact that in the test result of FIG. 3, the displacement progresses without a large change in stress in the region where the displacement amount is 20% or more.

なお、等方性ピッチ系炭素繊維の比率がより高い実施例1では、実施例2よりも曲げ試験での強度が低く、且つ剥離強度が高くなっている。したがって、目的とする用途に求められる曲げ強度や剥離強度から、全炭素繊維に占める等方性ピッチ系炭素繊維やPAN系炭素繊維の比率を決定すればよい。ここで、全炭素繊維に占める等方性ピッチ系炭素繊維を20質量%以上、PAN系炭素繊維の比率を20質量%、等方性ピッチ系炭素繊維とPAN系炭素繊維の合計質量の比率を90質量%以上とする。 In Example 1 in which the ratio of the isotropic pitch-based carbon fibers is higher, the strength in the bending test is lower and the peel strength is higher than in Example 2. Therefore, the ratio of isotropic pitch-based carbon fibers and PAN-based carbon fibers to the total carbon fibers may be determined from the bending strength and peel strength required for the intended use. Here, the ratio of the isotropic pitch carbon fiber to the total carbon fiber is 20% by mass or more, the ratio of the PAN carbon fiber is 20% by mass, and the ratio of the total mass of the isotropic pitch carbon fiber and the PAN carbon fiber is. 90% by mass or more.

図5に、実施例1にかかる炭素繊維シート積層体の表面層近傍の断面顕微鏡写真を示す。図5は、実施例1にかかる炭素繊維シート積層体の顕微鏡断面写真であって、図5(a)は平面方向から、図5(b)は側面方向からのものをそれぞれ示す。図5(a)、(b)に示すように、炭素繊維シート積層体には、比較的径が太く(平均直径が13μmの)曲状の等方性ピッチ系炭素繊維3と、比較的径の細い(平均直径が7μmの)PAN系炭素繊維4とが、三次元的にランダムに交絡していることが分かる。 FIG. 5 shows a cross-sectional micrograph of the carbon fiber sheet laminate according to Example 1 in the vicinity of the surface layer. 5A and 5B are microscopic cross-sectional photographs of the carbon fiber sheet laminate according to Example 1, in which FIG. 5A shows a plan view and FIG. 5B shows a side view. As shown in FIGS. 5A and 5B, the carbon fiber sheet laminate has a relatively large diameter (average diameter of 13 μm) curved isotropic pitch carbon fiber 3 and a relatively large diameter. It can be seen that the thin PAN-based carbon fibers 4 (with an average diameter of 7 μm) are entangled three-dimensionally and randomly.

本発明に係る炭素繊維シート積層体は、強度、自立性及び加工性に優れ、且つ応力緩和効果が高い。このような性質の炭素繊維シート積層体は、応力破壊の起きやすい環境で使用するのに特に適しており、その産業上の意義は大きい。 The carbon fiber sheet laminate according to the present invention is excellent in strength, self-supporting property and workability, and has a high stress relaxation effect. The carbon fiber sheet laminate having such properties is particularly suitable for use in an environment where stress failure is likely to occur, and its industrial significance is great.

1 炭素繊維シート
3 等方性ピッチ系炭素繊維
4 ポリアクリロニトリル系炭素繊維
10 台
20 圧子
30 治具
100 炭素繊維シート積層体
200 試験片
300 試験片


1 Carbon fiber sheet 3 Isotropic pitch carbon fiber 4 Polyacrylonitrile carbon fiber 10 units 20 Indenter 30 Jigger 100 Carbon fiber sheet laminate 200 Test piece 300 Test piece


Claims (3)

炭素繊維を三次元的にランダムに交絡させた繊維フェルトと、前記繊維フェルトの炭素繊維表面を被覆する保護炭素層と、を有し、炭素質により構成された炭素繊維シートが複数積層された炭素繊維シート積層体であって、
前記炭素繊維は、等方性ピッチ系炭素繊維と、ポリアクリロニトリル系炭素繊維と、を含み、
前記炭素繊維の全質量に占める前記等方性ピッチ系炭素繊維の質量割合が20%以上であり、
前記炭素繊維の全質量に占める前記ポリアクリロニトリル系炭素繊維の質量割合が20%以上であり、
前記炭素繊維の全質量に占める前記等方性ピッチ系炭素繊維と前記ポリアクリロニトリル系炭素繊維の合計質量の割合が90%以上である、
ことを特徴とする炭素繊維シート積層体。
Carbon having a fiber felt in which carbon fibers are entangled three-dimensionally at random and a protective carbon layer covering the carbon fiber surface of the fiber felt, and a plurality of carbon fiber sheets made of carbonaceous material are laminated. It is a fiber sheet laminate,
The carbon fibers include isotropic pitch-based carbon fibers and polyacrylonitrile-based carbon fibers.
The mass ratio of the isotropic pitch carbon fiber to the total mass of the carbon fiber is 20% or more.
The mass ratio of the polyacrylonitrile-based carbon fiber to the total mass of the carbon fiber is 20% or more.
The ratio of the total mass of the isotropic pitch-based carbon fiber and the polyacrylonitrile-based carbon fiber to the total mass of the carbon fiber is 90% or more.
A carbon fiber sheet laminate characterized by this.
前記等方性ピッチ系炭素繊維が、曲状の炭素繊維である、
ことを特徴とする請求項1に記載の炭素繊維シート積層体。
The isotropic pitch-based carbon fiber is a curved carbon fiber.
The carbon fiber sheet laminate according to claim 1.
炭素繊維を三次元的にランダムに交絡させて繊維フェルトとなす繊維フェルト作製工程と、
前記繊維フェルトに、熱硬化性樹脂を含浸させて炭素繊維シートのプリプレグを作製するプリプレグ作製ステップと、
前記プリプレグを複数積層してプリプレグ積層体となす積層ステップと、
前記プリプレグ積層体を加圧しつつ加熱して、前記熱硬化性樹脂を熱硬化させて、前記プリプレグを結着させる結着ステップと、
結着されたプリプレグ積層体を不活性ガス雰囲気で熱処理して、熱硬化性樹脂を炭素化させる炭素化ステップと、を有し、
前記炭素繊維は、等方性ピッチ系炭素繊維と、ポリアクリロニトリル系炭素繊維と、を含み、
前記炭素繊維の全質量に占める前記等方性ピッチ系炭素繊維の質量割合が20%以上であり、
前記炭素繊維の全質量に占める前記ポリアクリロニトリル系炭素繊維の質量割合が20%以上であり、
前記炭素繊維の全質量に占める前記等方性ピッチ系炭素繊維と前記ポリアクリロニトリル系炭素繊維の合計質量の割合が90%以上である、炭素繊維シート積層体の製造方法。
A fiber felt manufacturing process in which carbon fibers are randomly entangled three-dimensionally to form a fiber felt.
A prepreg preparation step of impregnating the fiber felt with a thermosetting resin to prepare a prepreg of a carbon fiber sheet,
A laminating step of laminating a plurality of the prepregs to form a prepreg laminated body,
A binding step of heating the prepreg laminate while applying pressure to heat-curing the thermosetting resin and binding the prepreg.
It has a carbonization step of heat-treating the bound prepreg laminate in an inert gas atmosphere to carbonize the thermosetting resin.
The carbon fibers include isotropic pitch-based carbon fibers and polyacrylonitrile-based carbon fibers.
The mass ratio of the isotropic pitch carbon fiber to the total mass of the carbon fiber is 20% or more.
The mass ratio of the polyacrylonitrile-based carbon fiber to the total mass of the carbon fiber is 20% or more.
A method for producing a carbon fiber sheet laminate, wherein the ratio of the total mass of the isotropic pitch-based carbon fiber and the polyacrylonitrile-based carbon fiber to the total mass of the carbon fiber is 90% or more.
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