JPH01239059A - 炭素複合材料の製造方法 - 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〕 この発明は炭素複合材料の製造方法に係わり、特に、航
空は、白勅車、各種産業ｄ＋Ａ笠のブレーキ材、原子炉
、核融合炉、高温炉等の耐熱性構造祠、宇宙航空用構造
月、もしくは各種産業分野におりる低熱膨脹軽但椙迄材
、耐食性祠料、活動Ｉとして用いられる炭素複合材料の
製造方法に関Ｊる。

（従来の技術〕 一般に用いられる炭素複合材料としては、骨祠として炭
素ａ維を、またマトリックス原料として樹脂またはピッ
チを用いる炭素繊維強化炭素複合材料が重要である。第
３図に従来行なわれている炭素ａ維強化炭素複含材料の
代表的な製造方法の工程図を示した。この製造方法によ
ると、まず、前月となる炭水繊維にフェノール樹脂等の
樹脂を含浸さゼてプリプレグ化し、これを成形した後硬
化させ、−次焼成を行ない炭化づる。このままでは製品
の密度が不充分であるので、さらにピッチを含浸させて
炭化焼成Ｊる工程を必要なだＣノ繰り返し、その後、焼
成体を黒鉛化し、さらに耐酸処Ｊ！ｌ［！を施して製品
とする。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記製造方法では、ントリックス原料の
炭化収率が低いために、１回焼成して炭化した後にざら
にピッチを含浸させて炭化（る工程、ｂしくは熱分解炭
素を気相沈着させる工程（ＣＶＩ）によって高密度化を
図る必要があり、コストを高める要因となっている。こ
れに対して、マトリックス原料を変えることによって問
題を解決しようとりる試みがなされている。例えば、特
開昭６２−５６３６６号公報においては、高炭化収率の
７トリツクス原料を使用することによってピッチ含浸お
よび炭化工程を減少させることができるとしているが、
完全に無くづまでには至っていない。

また、特開昭６０−５４９７４号公報にｄｊいては、７
トリツクス原料として自己焼結性コークスを使用するこ
とによってピッチ含浸および炭化工程を省略しているが
、炭素繊維にマトリックス原料を電着する工程を含み、
かつ成形を非常に高い温度で行なう必要があるため、コ
ストの点でまだ不充分である。

また、上記製造方法によって製）責されたＰＡ素複合４
４科は、低温では摩擦係数が低下する傾向にあり、さら
に鉄に対して（よ不安定な摩擦特性を示！Ｊ。

これは、例えば、ディスクが鉄であるブレーキのブレー
キパッドにこの炭素複合材料を使用しＪ、うとづる場合
には重大な問題どなる。これに対しては、適当な無機化
合物または金属粉、特に鉄粉Ｊ）よび銅粉を添加づるこ
とにより摩擦係数を調整づることが可能であることが知
られているが、粉状物質をマトリックス中に均一に分散
させることが困月であり、安定に制御ｉｔ　ｉ　’るこ
とがＨしい。

さらに、上記製造方法による炭素複合材料は酸化に対覆
る耐性に劣り、高温の酸化条件下では使用することが難
しい。特開昭６１−１４６７７５号公報には、酸化に耐
性を有ダる物質の層を気孔内壁に形成づる方法が記載さ
れでいるが、これは炭素複合材料を製造した後に行なう
ことになるので工程の数を増加させる結果どなる。また
、酸化に耐性を有づる′ｌ／ｌ質をマトリックス原料に
添加することによって炭素複合材料の耐性を向上させる
方法も知られているが、これは前述の通り、均一に分散
きせることが難しい。

この発明は、上記事情に鑑み、−次焼成後のビッヂ含＞
ｉ　ｉおよび炭化焼成工程を行なうことなく高密度の炭
素複合材料を製造することが可能であり、さらに炭素複
合材料の密度を低下さゼることなく添加物を使用づ゛る
ことができ、添加物のΦの調節が容易で、かつ添加物を
均一に混合することができる炭素複合材料の製造方法を
提供することを目的とする。

［課題を解決Ｊるための手段］ この発明の炭素複合Ｉ料の製造方法によると、まず、繊
維状強化材を石炭系もしくは石油系のタール、ピッチ、
沸点２００℃以上の油またはそれらの混合液と混合して
熱処理し、表面にマトリックス原料の被Ｗｊ層が形成さ
れた繊維状強化材を混合液から分離し、ｉＩｉ維状弾状
強化材面を被覆するマトリックス原料を酸ｔして不融化
づる。添加物を用いる場合には添加物に対しても同様の
処理を行なう。次に、上記の処理を施した１種もしくは
２種以上の繊維状強化材を混合した後、添加物を用いる
場合に（よさらに上記処理を施した添加物を混合した後
成形し焼成゛することにより炭素複合材料を劃Ｉる。上
記工程を第１図に示した。

以下、この発明による炭素複合材料の製造方法を訂細に
説明する。

この発明の製造方法においては、まず、繊維状強化材を
石炭系もしくは石油系のタール、ピッチ、沸点２００℃
以上の油またはそれらの混合液と混合させる。ここで繊
維状強イし拐としては、例えば、炭素ｇ＆維、金属Ａ１
１ｌｉ維、無Ｉ化合物繊維またはそれらの混合物などが
挙げられる。また、その形状としては、フィラメン！・
状、糸状、束状、織物状等のものを用いることができる
。

混合液に添加しノζ繊維状強化Ｉは、熱処理を施して繊
維状強化材の表面にマトリックス原料の被覆層を形成さ
せる。この熱処理は、通常、２００〜５００　”Ｃ１好
ましくは３８０〜４８０℃の温度で、０．５〜５時間、
好ましくは１〜２時間行なわれる。ここで、被覆層を形
成づるントリックス原料は、光学的異方性ピップ−また
は光学的等方性ピッチのいずれでしよい。

熱処理を終えた後、表面にマトリックス原料を被覆した
繊維状強化材を混合液から分離覆る。繊維状強化材の分
離は、加熱下において、加圧ろ過する笠の方法によって
行なうことができる。

分離して得られた、マトリックス原料を被覆した繊維状
強化材は、酸化覆ることによって不融化づる。不融化は
、通常軽質分の蒸発（る温度で真空乾燥した後、空気中
で２００〜３００°ＣＴ：酸化させることにより行なう
。

この発明の製造方法にＪ３いては、ｅ繊維状強化Ｉは１
種単独で使用づることも、２種以上を混合して使用でる
こともできるが、２種以上用いる場合には、それぞれの
繊維状強化材に対して上記の処理を施した後適当なＳ’
Ｊ合で混合する。

また、炭素複合ｔｔＡ料の特性を高める目的で添加物を
用いることができるが、その場合にＪ３いてし、それぞ
れの添加物に刻して上記の処理を施した後適当な割合で
混合する。添加物としては、銅粉笠の金属粉、コークス
粉筈の無機化合物粉笠が用いられる。

被覆しているマトリックス原料を不融化し、使用覆るｙ
＆維状強化月を必要に応じて添加物と共に混合した後、
成形して炭化焼成づる。成形は、この分野で一般に実施
されている方法で行なうことができ、例えば、熱間成形
、型込めして型ごと焼成づる方法などがある。成形体の
炭化は、通常、５００〜１０００℃で０，５〜２時間焼
成することによって行なう。必要であれば、この炭化焼
成の後にさらに高温で焼成し、より高密度の炭素複合材
料を製造することも可能である。

上記の方法にＪ３いては、マトリックス原料を液状で繊
維状強化材と混合づることにより、７トリツクス原料が
ｉ紐状強化材の表面に密着するのみならず気孔中にまで
入り込み、その結果７トリツクス原料とｗ４維状強化拐
との密着性が高まる。また、マトリックス原料を不融化
することにより、成形時に７トリツクス原料が流失する
ことがなくなる。さらに、この発明の製造方法において
使用されるマトリックス原料は、高炭化収率である。

したがって、この発明の製造方法においては、ピッチ含
浸および炭化焼成工程を繰り返すことなく密度の窩い炭
素複合材料を４Ｉることが可能である。

また、表面に被覆層るマトリックス原料を不融化した繊
維状強化材は取り扱いが容易であり、２種以上の繊維状
強化材を混合して用いる場合においてｂ１各Ｗ４維状強
化拐の混合比を容易に調整することができ、かつ均質な
混合物を得ることが可能である。これは添加物に関して
も同様である。

〔実施例〕

実施例１ Ｆ、Ｆ、油１０重量部と硬ピツチ（融点１２０℃）１１
争部の混合液に炭素＃４維（クレカヂョップＣ−１２５
Ｔ、　＋２＝２５ｍｍ）を添加し、オートクレーブ中で
４２０℃で１時間熱処理した。次に、加熱しながら加圧
ろ過し、１８０℃で真空乾燥し、さらに空気中で昇温速
度１℃／ｎｉｎで２５０°Ｃまで昇温してそのまま２時
間保持した後冷却した。

銅粉（６０メツシュ通過）およびコークス粉（３２メツ
シュ通過）についても、これらを炭素繊維の代わりに用
いて上記と同様の処理を行なった。

上記処理を行ない自己融着性を付与した繊維、銅粉およ
びコークス粉を、重０比で炭素綴維：銅粉：コークス１
−４２：４４：１４のに］合で混合した。

この混合物を４００°Ｃ１５０に９　／　ａｎ　２で成
形し、そのまま５００℃に昇温して１時間保持して冷却
した復、さらにｔｏｏｏ℃で熱処理した。

冑られた炭素複合材料の嵩密度および気孔率を測定し、
第１表に示した。

実施例２ 実施例１で製造した自己融着性炭素Ｓ維４２重吊部１１
３よび自己融着性コークス粉２８重量部を混合し、実施
例１と同様の条件で炭素複合材料を製造した。

得られた炭素複合ｌ料の嵩密度および気孔率を第１表に
併記した。

比較例１ 炭水繊維（クレカチョップＣ−１２５Ｔ）１０重量部、
バインダーピッチＡ（融点３００℃）２０重量部および
バインダーピッチＢ（融点１２０℃）　　７ｆｌｌ！吊
部を混合した。この混合物を型に入れ、平均昇温速度２
．５℃／１１ｎで５５０℃まで昇温して　１００Ｋｙ／
ＩＪ２で加圧し、そのまま　８００℃まで昇温して２時
間保持した後冷却した。得られた炭素複合材料の嵩密度
および気孔率を測定し、第１表に併記した。

第　　１　　表 表より明らかなように、比較例１の炭素複合材料が嵩密
度が低く気孔の容積が大きいのに対して、この発明の製
造方法による炭素複合材料は嵩密度が高く気孔容積も小
さい。

実施例３ 実施例１で得られた炭素複合材料と鋳鉄（Ｆｅ１２）を
内径２０闇、外形２５．６．、のリングに加工し、鋳鉄
製リングを固定して炭素複合材料製リングをこれに接触
させた後、鋳鉄製リングを回転さぜた。

この際に鋳鉄製リングに生じる回転方向のカを測定し、
炭素複合材料の鋳鉄に対する摩擦係数を測定した。また
、鋳鉄製リングのＦＪ擦面がら３　ｒｎｔｒの位置に熱
雷対を埋め込み、摩擦係数測定時の温度し合わせて測定
した。結果を第２図に示す。

さらに、実施例２で得た炭素複合材料についても同様の
操作を行ない、鋳鉄に対する＃擦係数を測定し、第２図
に結果を示した。

第２図から明らかなように、添加物として銅粉を使用し
た炭素複合材料は鋳鉄に対する摩擦係数が高まる。

（効果） 以上のように、この発明の製造方法によると、−次焼成
後のピッチ含浸および炭化焼成を行なうことなく高密度
の炭素複合材料を製造することがでさ゛、ざらに炭素複
合材料の密度を低下させることなく添加物を使用するこ
とができ、添加物の的の調節が容易で、かつ添加物を均
質に混合することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の炭素複合月７４の製造方法に係る一
具体例を示Ｊ工程図であり、第２図は実施例１および２
で得た炭素複合材料のＭ鉄に対する摩擦係数の温度変化
を示す特性図であり、第３図は従来の炭素繊維強化炭素
複合材料の製造方法に係る一具体例を示す工程図である
。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）１種または２種以上の繊維状強化材を、石炭系も
   しくは石油系のタール、ピッチ、沸点２００℃以上の油
   またはそれらの混合液で熱処理し、繊維状強化材表面に
   ピッチ状物質を付着させ、このピッチ状物質を酸化して
   不融化することによつて自己融着性マトリックス原料層
   を形成し、この繊維状強化材を成型および炭化焼成処理
   に供することを特徴とする炭素複合材料の製造方法。
2. （２）繊維状強化材が炭素繊維、金属繊維、無機化合物
   繊維もしくはそれらの混合物からなる群から選ばれる請
   求項１に記載の製造方法。
3. （３）繊維状強化材の形状がフィラメント状、糸状、束
   状もしくは織物状である請求項１もしくは２のいずれか
   に記載の製造方法。
4. （４）成形を冷間で型込め成形することによつて行ない
   、焼成を型ごと行なう請求項１に記載の製造方法。
5. （５）１種または２種以上の繊維状強化材に加えて、さ
   らに金属粉または無機化合物粉またはその両方を用いる
   ことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
6. （６）石炭系もしくは石油系の沸点２００℃以上の留分
   、タール、ピッチもしくはそれらの混合液に、さらにフ
   ェノール樹脂を添加することを特徴とする請求項１に記
   載の製造方法。