JPH01230471A - 炭素材及びそ製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、高密度記録用磁気ディスクに使用される磁気
ディスク用基板又は光学レンズ鋳型若しくは人工心臓弁
等に好適の炭素材及びその製造方法に関する。

［従来の技術］ 近年、磁気ディスク装置の飛躍的な進歩と、磁気記録媒
体としての磁気ディスクの高記録密度化により、下記■
乃至■に示すように、磁気ディスク用基板の特性向上が
要望されている。

■先ず、磁気ディスクを高記録密度化するために、基板
の表面性状として、表面精度が優れ、欠陥が少ないこと
、 ■磁気ヘットの追従性を良好にするために、磁気ディス
ク用基板は表面平滑性及び表面平坦度を劣化させるよう
な微小なピッチのうねりが小さく、且つ微小突起がない
表面形状を有すること、■磁気媒体が担持される基板と
して、表面処理性が良好な化学的性質を有すると共に、
非磁性であること、 ■耐食性及び耐候性か優れていると共に、高強度且つ高
硬度であること、そして、 ■良好な浮上特性を有すると共に、耐Ｃ５５（コンタク
ト、スタート、ストップ）性を高めるために軽量である
こと、 か要求される。

このような背景のもとで、従来のアルミニウム合金製磁
気ディスク用基板に替り、近時、高密度記録用磁気ディ
スク基板として、セラミックスにカラスコーティングし
たもの、又はガラス板によるものが開発されている。こ
れらの基板は、耐熱性及び耐食性か優れていると共に、
高剛性て表面研摩により優れた表面精度か得られるため
に、高密度記録が可能である。

しかしながら、これらの材料は脆性破壊しゃずいという
欠点を有する。このため、回転、衝撃、加傷及びヒート
ショック等により破損しやすいので信頼性が低い。

なお、結晶粒界に安定化層を形成し、破壊靭性を高める
手段も考えられるが、脆性破壊を十分に防止することは
できない。

また、セラミックス系の材料は、比重が高いため、アル
ミニウム合金基板に比して、ディスクトライフ駆動系に
大きな負荷がががり、駆動装置の小型化が困難である。

これに対し、炭素材料は、比重が１．５乃至２゜と小さ
いと共に、熱膨張係数が小さく熱安定性が優れている。

そこで、前述のアルミニウム合金又はセラミックス系材
料に替り、高密度記録用磁気ティスフ基板として炭素材
料の実用化か期待されている。

また、この炭素材料の中ても、ガラス質炭素は比較的緻
密であり、気体を透過しにくいという特長を有する。こ
のガラス質炭素材は、従来、熱硬化性樹脂を成形した後
、乾燥し、硬化させ、高温で炭素化することにより製造
されている。

［発明か解決しようとする課題］ しかしながら、ガラス質炭素は、表面研磨により局所的
には優れた表面精度か得られるものの、実際上、製造過
程において表面に微小の凹部が形成されることを防止す
ることは困難である。

この原因は以下のように考えられる。先ず、従来のカラ
ス質炭素材か球状結晶構造であり、気孔径が１００Å以
上と大きいため、表面を研磨した場合に直径が１００Å
以上の窪みか出現し、研磨後の表面粗度があらくなる。

才な、製造過程で閉気孔か多数発生してしまう。つまり
、熱硬化性樹脂を成形した後、乾燥し、硬化させ、高温
で炭素化する過程において、散逸する水分及び揮発成分
による閉気孔の発生を回避することはできず、表面研磨
の際に表面に微小の凹部が形成されてしまう。

このように表面精度が悪いと、磁気ディスクとしての記
録密度の向上を期待できない。

そこで、この閉気孔の発生を低減させるために以下の方
法が提案されている。

■原料である熱硬化性樹脂を成形した後、１°Ｃ／時以
下の昇温速度で加熱処理して硬化させ、焼成する。

■硬化時に副生ずる低沸点物を母体樹脂中に完全に分散
溶解させた状態で硬化反応させる（特開昭６０−１７１
２０８号）。

■熱硬化性樹脂化合物を３００乃至７５０”Ｃで熱処理
した後、圧力が１０００気圧以上、温度が８００℃以上
の条件で熱処理する（特開昭６２−３６０１１号）。

しかしながら、■の方法では、硬化及び焼成に要する時
間か著しく長く２乃至３ケ月を要する。

このため、生産効率か極めて低く、高コストであり、工
業化及び実用化が困難である。

また、■の方法においても、減圧脱泡等熱硬化性樹脂原
料の調整が複雑であるなめ、処理時間が長いことに加え
て、発生した気孔を消滅させることはてきないという欠
点を有する。

このため、必然的に歩留か低いのて、ガラス質炭素か基
本的には優れた性質を有しているものの、いづれの方法
の場合も、製造コストが高いために汎用部材として工業
化されるまでには至っていない。

更に、■の方法においては、３００乃至７５０℃で予備
熱処理した後に高圧下で加熱するが、予備熱処理温度か
高々７５０℃ては、材料中に多量のＨｌＮ、Ｏ等が残留
したままであり、後工程の高圧加熱処理中にＮ２、Ｎ２
及び０２等の気体が発生する。工業的に生産する場合は
、コストを下げるなめにバッチ処理においては装置を大
型化して処理枚数を多くする必要がある。しかしながら
、このような材料を大量に処理した場合、多量の　Ｎ２
゜０２、Ｎ２カス等が発生するため、発生カスによ６一 る爆発の危険性、加圧媒体カスの再使用不可及び発生カ
スによる装置の腐食等の問題点が生しる。

また、熱硬化性樹脂を熱処理すると、特に４００乃至８
００℃で多量のＨ２０，ＣＯ及びＣＨ４が発生ずるため
、数μｍの気孔が多量に発生する。これらの気孔は熱硬
化性樹脂を単に８００℃以上に加熱することにより、Ｈ
２の発生に伴なう収縮によって殆んど消滅する（参考文
献；　Ｃａｒｂｏｎ、７（１９６９＞６４３〜６４８頁
）。つまり、この気孔は圧力をかけなくても、容易に消
滅させることができる。しかしながら、問題なのは熱硬
化性樹脂の成形時に巻き込んだ空気等により生ずる気孔
であり、これは上記の温度域で加圧しても消滅しない。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたちのてあって、
硬化及び炭化等の製造過程において発生した閉気孔を消
滅させることができることに加え、結晶子内の空孔をも
微少にすることかでき、高密度であると共に、表面研磨
後の表面精度が優れた炭素材及びこの炭素材を迅速に製
造することができる製造方法を提供することを目的とす
る。

［課題を解決するための手段］ 本発明に係る炭素材は、球状結晶子内の気孔径が３０Å
以下であり、見かけ密度が１．８０以上であるカラス質
炭素からなることを特徴とする。

本発明に係る炭素材の製造方法は、炭化焼成後にカラス
質炭素となる熱硬化性樹脂を成形した後、１０００乃至
１９００°Ｃの温度で予備焼成し、次いで、この予備焼
成品に２０５０°Ｃ以上の温度で１０００気圧以上の等
方向圧力を印加することを特徴とする。

［作用］ 本発明に係る炭素材は球状結晶子内の気孔径を３０Å以
下に規制したから、研磨後の表面の窪みを３０Å以下に
することかできる。従って、その表面粗度Ｒａを高密度
記録用磁気ディスク基板として要求される表面粗度Ｒａ
　＝　１０乃至３５人に適合させることかできる。また
、球状結晶子内の気孔径を３０Å以下にすることにより
、気孔率か０．２％以下、結晶子サイズＬＣ（ｏｏ２．
か１００Å以下、見かけ密度が１．８０以上となり、極
めて高密度のガラス質炭素材が得られる。

また、本発明方法においては、熱硬化性樹脂を成形した
後、１０００乃牟１９００℃の温度で予備焼成し、成形
体中に残存するＨ、Ｎ、○等のガス成分を除去する。次
いで、この予備焼成品を２０５０乃至２６００℃の温度
域に加熱し、１０００気圧以上の等方向圧力を印加して
加圧する。これにより、予備焼成品中に存在する閉気孔
が消滅し、高密度であると共に、研磨後に優れた表面精
度を有するカラス状炭素を得ることができる。

［実施例］ 以下、本発明の実施例について具体的に説明する。

炭化焼成後にガラス質炭素となる熱硬化性樹脂としては
、フェノール系樹脂、フラン系樹脂、キシレン系樹脂、
メラミン系樹脂、及びアニリン系樹脂等の粉末状のもの
と、レゾール及びノボラック型のフェノールホルムアル
デヒド系樹脂、フラン系樹脂、キシレン系樹脂、メラミ
ン系樹脂、及びアニリン系樹脂等の水性又は油性の液状
のものとがある。

この熱硬化性樹脂を使用して本発明の炭素材は以下のよ
うにして製造される。

先ず、この熱硬化性樹脂を、公知の方法により所定の形
状に成形する。例えば、液状の熱硬化性樹脂を枠に流し
込んで型造めする方法がある。また、粒状の熱硬化性樹
脂を金型を使用して冷間プレス及び熱間プレスする方法
もある。更に、破壊靭性を高めるために、人造黒鉛、天
然黒鉛又はカーボンブラック等の炭素粒を添加し、有機
増粘剤と共に混練して押出した後、圧延する方法もある
。

なお、後述する超高温熱間静水圧加圧（ＨＩＰ）処理に
より閉気孔は消滅するか、開気孔は変化しない。このた
め、熱間プレスにより、成形体の表面層を溶融させて緻
密化しておくことは極めて有効である。

次いて、この熱硬化性樹脂成形体を乾燥した後、Ｎ２又
はＡｒカス等の不活性カスの雰囲気下で、１０００乃至
１９００°Ｃの温度に加熱して予備焼成する。

熱硬化性樹脂を１０００乃至１９００℃の温度で予備焼
成するのは、１０００℃以上に加熱することにより、成
形体中のＨ，Ｎ、○等の残留ガス成分が著しく減少する
ためである。第１図は、横軸にフェノールホルムアルデ
ヒド樹脂の熱処理温度をとり、縦軸に残留水素量をとっ
て、両者の関係を示すグラフ図である。第１図から明ら
かなように、約７００℃と低い熱処理温度では、残留水
素量は１０４乃至１０’　ｐｐｍと極めて多いが、熱処
理温度か１０００°Ｃ以上の場合は、残留水素量が１１
００ｐｐ以下に著しく減少する。他の窒素及び酸素等の
ガス成分も同様である。

一方、成形体を２０００℃を超える温度で熱処理すると
、結晶化が進行してしまい、後工程にて高温下で等方向
圧力を印加しても材料の緻密化が生じない。このような
理由で予備焼成温度を１０００乃至１９００℃にする。

次いで、予備焼成後の材料は、２０５０乃至２６００°
Ｃの温度域に加熱し、１０００気圧以上の等方向圧力下
で加圧して緻密化処理する。この等方向加圧処理は、超
高温熱間静水圧加圧（ＨＩＰ）装置により実施すること
ができる。

予備焼成した材料を２０５０°Ｃ以上の温度で等方向に
加圧することにより予備焼成品に内在する閉気孔は消滅
する。これにより、材料が緻密化するが、２０５０℃未
満の温度では、高い圧力を印加しても閉気孔は消滅しな
い。また、２５００乃至２６００℃の極めて高温になる
と、この緻密化効果が飽和するので、このような温度を
超えて高い温度に加熱しても無駄である。

更に、加圧圧力が１０００気圧未満では閉気孔が十分に
消滅せず、緻密化が進行しない。このため、圧力を１０
００気圧以上にする必要がある。

第２図は、横軸に温度をとり、縦軸に閉気孔率をとって
、フェノールホルムアルデヒド樹脂を１２００°Ｃに予
備焼成した後、ＨＩＴ）により２０００気圧の等方向圧
力の下で熱処理したときの閉気孔率の変化を示すグラフ
図である。２０５０°Ｃ以上の温度になると、閉気孔率
が低下して緻密化が生じ、２５００°Ｃの加熱温度にお
いて閉気孔率が実質的に０になる。このような緻密化が
生じるためには予備焼成品に等方向圧力を印加すること
が必要である。等方向圧力の下では、黒鉛結晶の結晶成
長が抑制され、非晶質性を保持したまま、上記温度域で
塑性変形して緻密化が進行する。大気圧下又は熱間プレ
スのように一軸加圧の異方的圧力下においては、２００
０℃以上の温度域に加熱されると、黒鉛結晶の結晶成長
が発生し、一方向への収縮が生じて逆に気孔は増加する
。

第３図は１２００℃に予備焼成したフェノールポルムア
ルデヒド樹脂を大気圧下及び等方向圧力下で２６００℃
に加熱処理した後のＸ線回折パターンを示す。なお、図
中、学術振興会法（日本学術振興会１１７委員会制定；
参考文献、炭素３６　［１９６３］　Ｐ２５）により求
めた結晶子パラメータＬｃ、。０２１も合わせて示す。

また、１２００°Ｃに予備焼成しただけでＨＩＰ処理し
ていない試料のＸ線回折パターンも第３図に示す。大気
圧下ては２６００℃に加熱することにより、黒鉛化が進
行し、００２及び００４回折線が強く現れ、Ｌｃｃ。。

２．も約２００人にまで成長する。しかし、等方向圧力
下では回折線は非常に弱く、しかもブロードであり、黒
鉛化が粗害されて非晶質状態を保持している。従って、
本発明においては、予備焼成品を２０５０℃以上の温度
に加熱して１０００気圧以上の等方向圧力を印加する。

本発明によれば熱硬化性樹脂を成形した後、１０００乃
至１９００°Ｃの温度に加熱して予備焼成し、次いで、
２０５０乃至２６００℃の温度で等方向に１０００気圧
以上の圧力を加えて緻密化する。この結果、得られた高
密度ガラス質炭素材は球状結晶子内の気孔径か３０Å以
下となり、見かけ比重が１．８以上、かさ比重が１．８
以上、閉気孔率が実質的に０％であり、曲は強度も９０
０Ｋｇｆ／　ｃｎ（以上と高く、高密度記録用磁気ディ
スク基板として必要な特性を備えている。

本発明方法においては、前述の高温且つ高圧で炭化焼成
処理することにより、内在していた閉気孔が消滅し、高
密度且つ高強度の炭素材が得られる。従って、表面研摩
により優れた表面精度の炭素材が得られ、この炭素材を
使用した磁気ディスクにおいては、磁気ヘッドが安定し
て浮上し、安定した記録特性が得られる。また、基板表
面には、磁性薄膜の欠陥の要因となる突起及び凹所が存
在しないので磁気特性が安定していると共に、軽量であ
るから駆動系への負荷も少ない。

更に、本発明に係る炭素材は機械加工及び研磨等の製造
工程において、及び磁気ディスクとして使用された高速
回転時において、十分な機械的強度を有する。このよう
に、本発明に係る炭素材を磁気ディスク用基板に適用し
た場合に、この基板。

は高密度記録用磁気ディスクに使用される基板として、
必要十分な特性を具備する。

本発明方法においては、予備焼成時に気孔が発生しても
、上述のＨＩＰ等による高温高圧の炭化焼成処理により
緻密化されるので、予備焼成時の昇温速度を速くするこ
とが可能であり、また、ＨＩＰ処理時にはＮ２、ｏ２又
はＮ２等のガスは殆ど発生しないため、大量処理により
炭素材を製造することができ、製造コストを大幅に低下
させることが可能である。

次に、本発明方法により実際に炭素材を製造しその製品
特性を測定した結果について説明する。

実施例１ 水溶性のフェノールホルムアルテヒド樹脂を直径が１２
０ｍｍ　、厚さが４ｍｍの円板状の型に流し込み、５０
℃に１０時間保持した後、８０℃に５時間保持し、次い
て　１００°Ｃに５時間保持して硬化処理した。次いで
、Ｎ２ガス雰囲気下で１２００℃まで５℃／時の昇温速
度て昇温させて予備焼成した。予備焼成後の試料は熱間
静水圧加圧装置（ＨＩＰ）を使用して、２５００°Ｃに
加熱しつつ２０００気圧の等方向圧力を印加して緻密化
処理した。この緻密化処理前（予備焼成後）と、緻密化
処理後（ＨＩＰ処理後）とにおける各種物性値の変化を
下記第１表に示す。

及１匠λ 平均粒径が３０μｍのフェノールホルムアルデヒド樹脂
粉末を金型を使用して、直径が１２０ｍｍ　、厚さが３
ｍｍの大きさの円板状に熱間でプレス成形した。この熱
間プレスは温度が１２０℃、面圧が２０Ｋｇｆ／ｃｎ？
の条件で２０分間加圧することにより実施した。

プレス後の試料は実施例１と同様にして予備焼成第１表 し、緻密化処理した。

この緻密化処理前後の物性値の変化を前記第１表に併せ
て示す。

この第１表から明らかな如く、実施例１及び実施例２の
いずれの場合も、ＨＩＰ処理後に、閉気孔率が０％にな
っており、またかさ比重は１．７以上、曲げ強度が９０
０Ｋｇｆ／　ｃｎ（以上と高い値を保持している。

また、実施例１，２において得られた成形体の表面を、
精密ラップ研磨盤により研磨し、厚さが１．３ｍｍ　、
直径が９０ｍｍの磁気ティスフ周基板を製造した。

下記第２表はその磁気ディスク用基板の諸特性の測定値
を、従来例（市販のアルミニウム基板）についての特性
と比較して示す。

第２表 但し、第２表において、平行度は基板の直径方向の平滑
性を、同芯度は基板の外周円中心点と内周円中心点との
ずれを、Ｔ１．Ｒは基板の全体うねりを、ＡＣＣは基板
表面の微小欠陥状態を示す。

また、表面粗度（平均粗さＲａ）は基板表面の平滑性を
示す。

この第２表から明らかな如く、実施例１及び実施例２０
基板は、従来例のＡρ基板に比して、磁気ティスフ周基
板としての諸特性がいずれも優れている。

［発明の効果］ 本発明によれは、表面精度が優れ、軽量で熱膨張係数が
小さく、耐熱性及び耐食性が優れた高強度の炭素材か得
られる。また、本発明によれは、このように優れた特性
を有する炭素材を迅速に製造することかてきる。

また、本発明により得られた高密度炭素材は、高密度記
録磁気ディスク用基板として好適であるか、光学レンズ
鋳型又は人工心臓弁等のように優れた表面精度及び緻密
性を要求する部材にも極めて有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は樹脂の熱処理温度と残留水素量との関係を示す
グラフ図、第２図はＨ，Ｉ　Ｐ処理温度と閉気孔率との
関係を示すグラフ図、第３図はＸ線回折パターンを示す
グラフ図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）球状結晶子内の気孔径が３０Å以下であり、見か
   け密度が１．８０以上であるガラス質炭素からなること
   を特徴とする炭素材。
2. （２）炭化焼成後にガラス質炭素となる熱硬化性樹脂を
   成形した後、１０００乃至１９００℃の温度で予備焼成
   し、次いで、この予備焼成品に２０５０℃以上の温度で
   １０００気圧以上の等方的圧力を印加することを特徴と
   する炭素材の製造方法。