JPH01252577A - 炭素／炭素複合材料の製造法 - 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、炭素／炭素複合材料の製造法に関する。

従来の技術および　明が解決しようとする課題炭素／炭
素複合材料は、１０００℃以上の高温においても高強度
、高弾性率を維持し、かつ熱膨張率が小さい等の特異な
性質を有する材料であり、航空宇宙機器の部品、ブレー
キ、炉材等への利用が期待されている。

この炭素／炭素複合材料は炭素繊維をフェノールあるい
はピッチなどの炭素化可能物質（マトリックス）と共に
焼成処理することにより製造されている。炭素質ピッチ
はその炭化収率が高いことから炭素／炭素複合材料のマ
ｌ−ＩＪフックス料としては非常に好ましいものである
が、炭化時に体積膨張を起こすためマトリックス中に空
隙を生じ、実際には含浸と炭化のサイクルを繰り返して
製造されている。一方、高い炭化収率を得るために熱間
静水圧加圧下（ＨＩ　Ｐ）に炭化する方法が用いられて
いるがこのＨＩＰを用いても含浸と炭化このサイクル数
は通常５〜８回必要とされている。したがって含浸と加
圧炭化のサイクルを繰り返さなければならず、製造プロ
セスが複雑となり、かつ長い日数を要するためコストが
かかっている。

！ｌ！ｉ！題を解決するための手段 本発明者らは、前記問題点を解決した簡便な製造プロセ
スを開発すべく研究した結果、本発明の完成に至った。

本発明は、炭素質ピッチを出発原料とするマトリックス
および炭素繊維を一軸プレス下で炭化して一次成型物と
し、この−次成型物に炭素質ピッチを含浸して熱間静水
圧加圧下で炭化することを特徴とする炭素／炭素複合材
料の製造法に関する。

以下、本発明による炭素／炭素複合材料の製造法につい
て詳述する。

本発明でいう炭素質ピッチを出発原料とするマトリック
スとは、炭素質ピッチ自体あるいはその不融化物もしく
は不融化繊維などの炭素質ピッチ由来の炭素化可能物質
を示す。

本発明でいう炭素質ピッチとは、欲化点１００〜４００
℃、好ましくは１５０〜３５０℃を有する石炭系あるい
は石油系のピッチである。炭素質ピッチは、光学的に等
方性のピッチあるいは異方性のピッチのいずれも使用で
きるが、光学的異方性相のｈ量が６０〜１００ｖｏ１％
、好ましくは８０〜１０Ｑｖｏ１％の光学的異方性ピッ
チが特に好ましく用いられる。

本発明でいう不融化繊維とは、前記の炭素質ピッチを公
知の方法で溶融紡糸することにより得られろ平均直径５
〜１００μｍ、好ましくは７〜３０μＩのピッチ繊維を
不融化処理して得られる繊維である。不融化処理は、酸
化性ガス雰ＵＢ￥％下、５０〜４００℃、好ましくは１
００〜３５０℃で行うことができろ。酸化性ガスとして
は、空気、酸素、窒素酸化物、硫１２化物、ハロゲン、
あるいはこれらの混合物が使用でさる。

処理時間は通常１０分〜２０時間である。

本発明でいう炭素繊維とは、通常直径５〜１００μｍの
ピッチ系、ポリアクリロニトリル系、あるいはレーヨン
系の炭素繊維であり、好ましくはピッチ系炭素１ａｍで
ある。ここでいうピッチ系炭素繊維とは、炭素質ピッチ
を溶融紡糸し、得られろピッチ繊維を不融化、炭化およ
び必要に応じて黒船化することにより得られる繊維であ
る。

炭素ｔａ維は通常、５００〜１００．０００本の繊維束
（トウ）として用いられ、通常、一方向積層物、２次元
織物あるいはその積層物、３次元織物、マット状成形物
、フェルト状成形物など２次元あるいは３次元に成型し
て用いる。

本発明においては、前記炭素質ピッチを出発原料とする
マトリックスおよび炭素繊維を〜軸ブレス下で炭化して
一次成型物とし、この−次成型物に炭素質ピッチを含浸
して熱間静水圧加圧下で炭化する。一軸プレス下の炭化
は、ホットプレスにより５〜５００ｋｇ／ＣｌＩｒ１好
ましくは１０〜１００　ｋｇ／ｃｊの圧力下、４００〜
２００℃、好ましくは５００〜１０００℃において実施
することができろ。−次成型物における炭素繊維の体積
含有率（Ｖ　ｆ　）および空隙率（Ｖｖ）は、目的によ
って任意に決定されるが、それぞれ１０〜８０ｖｏ１％
および５〜４０νｏ１％、好ましくはそれぞれ３０〜７
０シｏ１％および８〜３　’５　ｖｏ１％である。

本発明における一次成型物の製法としては、例えば（１
）炭素ｍ維のトウに炭素質ピッチを含浸し、この含浸物
を一軸ブレス下で炭化して一次成型物とする方法、（２
）炭素繊維のトウに炭素質ピッチを含浸し、この含浸物
を不融化処理した後に一軸プレス下で炭化して一次成型
物とする方法、および（３）炭素繊維のトウに不敵化繊
維または不融化繊維と炭素質ピッチの両者を充填し、こ
れを一軸ブレス下で炭化して一次成型物とする方法など
があげられる。

（１）の方法による場合、まず、炭素質ピッチを炭素繊
維のトウ、たとえば２次元織物あるいはその積層物、３
次元織物、フェルト、マットに含浸する。

含浸け、炭素質ピッチを加熱、溶融することにより達成
されるが、含浸時の粘度を下げるために、溶剤でカット
・バックすることもできる。溶剤としては、芳香族炭化
水素、ピリジン、キノリンなどが使用できる。乙の含浸
物を一軸プレス下で炭化して一次成型物とする。

（２）の場合、前記含浸物をさらに不融化処理する。含
浸物の不融化処理は、酸化性ガス雰囲気下、５０〜４０
０℃、好ましくば１０’Ｏ〜３５０℃で行うことができ
る。酸化性ガスとしては、空気、酸素、窒素酸化物、硫
黄酸化物、ハロゲン、あるいはこれらの混合物が使用で
きる。不融化は、含浸物中心まで行っても良いし、後段
の炭化処理で含浸物の形状を維持出来ろ程度でも良い。

この不融化物を一軸プレス下で炭化して一次成型物とす
る。

（３）の場合、炭素繊維のトウに不融化繊維または不融
化繊維と炭素質ピッチの両者を充填し、これを一軸プレ
ス下で炭化する。具体例としては、炭素繊維の２次元織
物の間に不融化ｗＡ維または不融化繊維と炭素質ピッチ
の両者を混合したものをはさんで積層し、これを必要枚
数重ねたものをホットプレスずろ。不融化繊維あるいは
炭素質ピッチは必要により粉砕しておくことができろ。

不融化繊維と炭素質ピッチの配合割合は前者１００重景
重量対し、後者１０〜５００重量部、好ましくは３０〜
３００重１部である。また炭素繊維とこれらのマトリッ
クス出発原料（不融化ｔａ維または不融化繊維と炭素質
ピッチの両者）この配合割合は前者１００重危部に対し
、後者１０〜５００重量部、好ましくは３０〜３００重
量部である。

このようにして製造したこの一次成型物に炭素質ピッチ
を含浸して熱間静水圧加圧下で炭化する。

一次成型物に炭素質ピッチを含浸する方法は前記（１）
で述べた方法が採用されろ。

熱間静水圧加圧処理は通常ＨＩ　Ｐ装置を用いて行われ
ろ。

ＨＩ　Ｐ装置における加圧熱処理の条件は、不活性ガス
により５０〜１０００ｋｇ　／　ｃｔ　、好ましくは２
００〜２０００ｋｇ／　ｃｔｊに加圧し、１００〜３０
００℃、好ましくは４００〜２０００℃において実施す
ることができろ。圧媒ガスとしては、アルゴン、窒素、
ヘリウムなどの不活性ガスが使用できろ。また緻密化の
ｔコめ、含浸とＨＩＰ処理このサイクルを必要回数行う
ことができる。

さらに、常圧下の炭化あるいは黒鉛化を、必要に応じ、
不活性ガス雰囲気下４００〜３０００℃において実施す
ることができる。

複合材料における炭素ｍ維の体積含有率は、目的によっ
て任意に決定されるが、通常は１０〜８０ｖｏ１％、好
ましくば３０〜７０ｖｏ１％である。

実施例 以下に実施例をあげ、本発明を具体的に説明するが、本
発明はこれらに限定されるものではない。

（実施例１） 直径１０μ川のピンチ系炭素ｔａ維の２０００本束の２
次元織物（平織）を積層し、これに欧化点２８０℃の光
学的異方性相１００％の石油系ピッチを含浸した。含浸
物を窒素雰囲気中、ホットプレスにより、７００℃で１
時間炭化処理して一次成型物を得た。繊維体積含有率お
よび空隙率はそれぞれ５０ｖｏ　１％および２０ｖｏ１
％であった。この一次成型物に前記石油系ピッチを含浸
し、熱間静水圧装置においてアルゴンガスにより４００
ｋｇ／　ｃｔに加圧した後、４００℃まで１℃／分、５
５０℃まで０５℃／分、８００℃まで５℃／分、１００
０℃まで２℃／分で昇温して加圧炭化処理した。１００
０℃におけろ圧力は１０００ｋｇ　／　ｃｔｊであった
。

得られｔコ炭素／炭素複合材料は、かき密度１６８ｇ　
／ｃｆｆｒ、　１ａ維体積含有率５０ｖｏ　１％であっ
ｔコ。

（比較例１） 実施例１と同じ２次元織物を積層し、これに実施例１で
用いたピッチを含浸した。続いてこれを実施例１と同じ
条件で熱間静水圧装置において加圧炭化処理した後、ピ
ッチを含浸して再び熱間静水圧装置において加圧炭化処
理した。得られた炭素／炭素複合材料は、かき密度１．
３５ｇ／ｃ＋ｊを有し、繊維体積含有率および空隙率は
それぞれ３０ｖｏ１％および２５ｖｏ１％であり、実施
例１と比べ、緻密化は不十分であった。

（実施例２） 直径１０μｍのピッチ系炭素繊維の２０００本束の２次
元織物（８朱子纜）を積層し、これに実施例１で用いた
ピッチを含浸した。含浸物を空気中３００℃で５０時間
不融化しｔコのち、窒素雰囲気中、ホットプレスにより
、７００℃で１時間炭化処理して一次成型物を得た。繊
維体積含有率および空隙率はそれぞれ６０ｖｏ１％およ
び１５ｖｏ　１％であった。この一次成型物に前記ピッ
チを含浸し、排気機構付＃１間静水圧装置においてアル
ゴンガスにより１０００ｋｇ／ｃｄに加圧し、５５０℃
まで０５℃／分、１０００℃まで５℃／分で昇温して加
圧炭化処理した。得られた炭素／炭素複合材料は、かき
密度１．９８　ｇ／　ｃｎｒを有し、繊維体積含有率６
０ｖｏ　１％であった。

（実施例３） 直径ｌＯμ鋤のピッチ系炭素ｍ維の２０００本束の３次
元織物（直交組ｍ）に実施例１で用いたピッチを含浸し
た。含浸物を空気中２５０℃で１００時間不融化したの
ち、窒素雰囲気中、ホントプレスにより、７００℃で１
時間炭化処理して一次成型物を得た。繊維体積含有率お
よび空隙率はそれぞれ３５ｖｏ　１％および２５ｖｏ　
１％であった。この一次成型物に前記ピッチを含浸し、
排気機構付熱間静水圧装置においてアルゴンガスにより
１（１００ｋｇ　／　ｃｔｊに加圧し、１１００ＯＮ’
　／　ｈｒで排気しながら、４００℃まで０５℃／分、
１０００℃まで２℃／分で昇温して加圧炭化処理した。

得られた炭素／炭素複合材料は、かき密度１．５４　ｇ
　／ｃｒＺを有し、繊維体積含有率４０ｖｏ１％であっ
た。

（実施例４） 実施例２で用いたピッチ系炭素繊維の２次元織物を６枚
積層し、この間に不融化ｔａ維５０重量部と実施例１で
用いたピッチ５０重量部この混合物を充填した。織物と
前記混合物この混合比は重量１００対７０であった。こ
れを窒素雰囲気中、ホントプレスにより、７００℃で１
時間炭化処理して厚み１．６ｍｍの一次成型物を得た。

ｔａ維体積含有率および空隙率はそれぞれ０５ｖｏ１％
および１５ｖｏ１％であった。この一次成型物に前記ピ
ンチを含浸し、排気機構付熱間静水圧装置においてアル
ゴンガスにより１０００ｋｇ／ｃ＋／に加圧し、１００
ＯＮｒｎ’／ｈｒで排気しながら、４００℃まで０５℃
／分、１０００℃まで２℃／分で昇温して加圧炭化処理
した。得られた炭素／炭素複合材料は、かさ密度１．９
６ｇ／ｃｉ、繊維体積含有率６０ｖｏ　１％であった。

（実施例５） 実施例２で用いたピッチ系炭素繊維の２次元織物を積層
し、これに実施例１で用いたピッチを含浸した。含浸物
を空気中３００℃で５０時間不融化したのち、窒素雰囲
気中、ホットプレスにより、７００℃で１時間炭化処理
して一次成型物を得ｔコ。

繊維体積含有率および空隙率はそれぞれ６０ｖｏ１％お
よび１５νｏ１％であった。この一次成型物に前記ピッ
チを含浸し、排気機構付熱間静水圧装置においてアルゴ
ンガスにより１０００ｋｇ／ｃイに加圧し、５５０℃ま
で０５℃／分、１０００℃まで５℃／分で昇温して加圧
炭化処理した。この炭化物に再び前記ピッチを含浸し、
前記条件で熱間静水圧装置において加圧炭化処理した。

得られた炭素／炭素複合材料は、かき密度２．０２ｇ／
ｃ＋♂を有し、繊維体積含有率８０ｖｏ１％であった。

（発明の効果） 本発明の方法により、含浸と炭化のサイクル数を減少さ
せることが可能となり、炭素／炭素複合材料の製造に係
わる日数とコストが節減できろ。また炭素／炭素複合材
ネ１の平面性、寸法精度が向上でき、ｍ維体積含有率の
高いものを比較的簡単に製造できるという利点もある。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）炭素質ピッチを出発原料とするマトリックスおよ
   び炭素繊維を一軸プレス下で炭化して一次成型物とし、
   この一次成型物に炭素質ピッチを含浸して熱間静水圧加
   圧下で炭化することを特徴とする炭素／炭素複合材料の
   製造法。
2. （２）一次成型物が、炭素繊維のトウに炭素質ピッチを
   含浸し、この含浸物を一軸プレス下で炭化することによ
   り製造したものであることを特徴とする請求項１に記載
   の炭素／炭素複合材料の製造法。
3. （３）一次成型物が、炭素繊維のトウに炭素質ピッチを
   含浸し、この含浸物を不融化処理した後に一軸プレス下
   で炭化することにより製造したものであることを特徴と
   する請求項１に記載の炭素／炭素複合材料の製造法。
4. （４）一次成型物が、炭素繊維のトウに不融化繊維また
   は不融化繊維と炭素質ピッチの両者を充填し、これを一
   軸プレス下で炭化することにより製造したものであるこ
   とを特徴とする請求項１に記載の炭素／炭素複合材料の
   製造法。