JPH0143621B2 - - Google Patents

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JPH0143621B2
JPH0143621B2 JP56033663A JP3366381A JPH0143621B2 JP H0143621 B2 JPH0143621 B2 JP H0143621B2 JP 56033663 A JP56033663 A JP 56033663A JP 3366381 A JP3366381 A JP 3366381A JP H0143621 B2 JPH0143621 B2 JP H0143621B2
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JP
Japan
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carbon
cfrc
carbon fiber
core
layer
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Application number
JP56033663A
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English (en)
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JPS57149877A (en
Inventor
Hiroyuki Kosuda
Kenji Niijima
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Teijin Ltd
Original Assignee
Toho Rayon Co Ltd
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Publication date
Application filed by Toho Rayon Co Ltd filed Critical Toho Rayon Co Ltd
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Granted legal-status Critical Current

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Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C33/00Moulds or cores; Details thereof or accessories therefor
    • B29C33/76Cores
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C33/00Moulds or cores; Details thereof or accessories therefor
    • B29C33/38Moulds or cores; Details thereof or accessories therefor characterised by the material or the manufacturing process

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Laminated Bodies (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
本発明は、中空体又は中実体において内層又は
芯部が炭素材であり、外層が炭素繊維強化炭素材
からなる2重構造炭素複合材料及びその製造法に
関するものである。 炭素繊維を強化材とし、炭素(黒鉛を含む。以
下同じ)をマトリツクスとする、いわゆる炭素繊
維強化炭素複合材料(CFRC)は、昇華温度が高
く、使用時温度が高温になるほど機械的特性が向
上し、熱衝撃に強く、アブレーシヨン性能に優
れ、しかも化学的に不活性である。又炭素繊維で
強化されているため、機械的特性が一般の炭素材
料に比較して良好である。このため、高温断熱材
や航空機用ブレーキ材、宇宙工学用構造材等に広
く使用されつゝある。 しかし、CFRCは、その製造工程上の制約か
ら、ボイドのない製品を作ることは非常に困難で
あり、通常得られるCFRCの密度は1.65g/cm3
下で、そのボイド率は5〜20%にも達する。この
ようなCFRCは、これを種々の用途に用いるため
機械加工した場合、ボイドが加工面に現われ、平
滑な面が得られ難く、例えば成形金型やロケツト
ノズルの如き平滑な表面や均一な消耗が要求され
る用途には不適当であつた。更にCFRCは、前述
のボイドのために本質的には通気性、通液性であ
り、気密性を要求される用途にも不適当であつ
た。 このような問題を改良するために、ピツチ、フ
ラン樹脂等を炭素材に含浸し炭素化する処理を繰
返し、緻密化することも採用され得るが、この方
法は上述の如き問題点を本質的に改良することに
はならず、又製品のコストアツプの原因となる。 一方、ボイドのない炭素材として、炭素繊維の
如き強化材を含まない炭素材もあるが、このもの
は耐久性がなく、又強度を高めるために肉厚とす
ると重量が増加するなどの問題があつた。 本発明は以上の如き問題を解決するものであ
る。 すなわち、本発明は下記の2重構造炭素複合材
料及びその製造法である。 (1) 中空体又は中実体において内層又は芯部が炭
素材からなり、外層が炭素繊維強化炭素材から
なることを特徴とする2重構造炭素複合材料。 (2) 炭素材を芯材とし外周にマトリツクスを含む
炭素繊維層を形成し、次いでマトリツクスを炭
素化することを特徴とする2重構造炭素複合材
料の製造法。 このようにして得られたCFRC(炭素繊維強化
炭素)材料は、内層や芯部の高い均質性、精密加
工性、気密性と、外層の高い強度、耐久性とを具
えた優れた軽量材である。このため、この複合材
料は、ホツトプレス成形用金型材として、又均一
な消耗の要求されるロケツトの燃焼ノズル材とし
て好適に使用することができる。 本発明において炭素材とは、炭素或は黒鉛から
なる各種の市販炭素材であるが、成形金型の用途
におけるように表面精度を高く切削加工する場合
は、高密度炭素材(嵩密度/真の密度、の高いも
の)が用いられ又不浸透性炭素材や特殊炭素材も
使用される。 外層を構成する炭素繊維強化炭素材は、炭素繊
維を強化材とし、ピツチ、或はフラン等の樹脂を
マトリツクスとして含浸させ、次いで炭化した、
いわゆるCFRCであり、炭素繊維は、レーヨン、
ポリアクリロニトリル、ピツチ等の繊維を夫々既
知の方法で炭素化した繊維或はこれらを更に黒鉛
化した繊維である。マトリツクスとしては前述の
ピツチ、フラン樹脂の外、フエノール樹脂、ポリ
イミド樹脂、エポキシ樹脂等が用いられる。 外層のCFRCにおける炭素繊維の容積比率は20
〜60%である。 本発明の2重構造炭素複合材料を図面によつて
説明する。 第1図は、本発明複合材料の構造を示す円筒の
1部断面斜視図である。第1図において1は炭素
材、2はCFRCを示す。この炭素材1とCFRC2
の厚さは、それぞれの用途により設計される。 このような複合材料は、用途に応じ、内層又は
芯部の炭素材1を切削加工して使用され、外層は
補強層とされる。このような2重構造複合材料の
製造は、炭素材料を芯材とし、これに樹脂等を含
浸した炭素繊維束を巻回積層するか或は炭素繊維
を巻回積層後、炭素繊維層に樹脂等を含浸させ、
次いで樹脂を硬化及び炭化することによつて得ら
れ、必要により緻密化する。 内層又は芯部となる炭素材としては、中空体又
は中実体を使用し、後で必要な設計に合わせ加工
される。2重構造体の形成に際し、夫々の層を予
め準備し、後でこれらを張り合わせる方法もある
が、このような方法によると、次の如き問題があ
る。すなわち (イ) 外層のCFRCの成形時、強化材繊維の蛇行、
変形、積層面での剥離、割れ等の構造的損傷を
生ずることが多い。 (ロ) 炭素材料層とCFRC層との間での剥離が生ず
る。 本発明方法の如く、炭素材料を芯材とし、その
外層にCFRC層を直接形成させると、このような
問題もなく、一体化することができる。 炭素材料からなる芯材に炭素繊維を巻回積層す
るには、炭素繊維のフイラメント或はテープをワ
インドするか又は炭素繊維の一方向シート、織
物、マツト等をローリングする。マトリツクス樹
脂は、適当な溶媒にて溶液とするか、加熱溶融し
て用いる。マトリツクス樹脂は成形硬化後必要に
より、硬化温度より高い温度でポストキユアする
こともある。 次に成形物を不活性雰囲気中で500〜1000℃の
炭化温度まで緩やかに昇温し、マトリツクスを炭
化しCFRCを得る。 CFRCの強度、密度等を更に向上させる場合
は、このCFRCにピツチ、樹脂等を含浸させ、更
に不活性雰囲気中で炭化する。又、更に高い温度
で熱処理することにより炭素質は黒鉛質に変える
ことができる。 他の方法として、化学蒸着法(CVD法)を採
ることもできる。この場合、芯材の周囲に炭素繊
維を巻回積層した後非酸化性雰囲気中で、誘導加
熱或は直接通電等により800〜1300℃に加熱し、
メタン、エタン、プロパン、或はベンゼン等の炭
化水素のガスを窒素、水素、アルゴン等で希釈、
或は減圧下で流入させ、炭素繊維の表面に熱分解
炭素と析出させて外層の空隙を埋め、CFRCとす
る。 以上の如くして得られた本発明2重構造炭素材
料は気密性、緻密性に優れ外周がCFRCで強化さ
れているため、高強度であり、高温成形金型とし
て有用であり又均一性、高強度特性の内面の均一
性を生かし、ロケツトノズル、燃焼噴射ノズルと
して使用できる。 又、外層を形成するCFRCは芯材の上に直接巻
回積層し次いで炭素化しているため、金属マンド
レルに巻回積層し、脱芯後炭素化したものと異り
構造的損傷を有さず、均一性の高いCFRC層が形
成される。 実施例 1 密度1.75g/cm3の黒鉛材角柱(110mm×60mm×
75mm)を芯材とする。 外層は、炭素繊維束(3000フイラメント)使用
の4枚朱子織物(目付200g/cm2)を巾75mmに切
断し、フエノール樹脂(スミライトPR−50273)
の70重量%メタノール溶液を250g/cm2に塗布し、
60℃で2時間加熱して溶剤を除去後、芯材に上下
面を残して巻回積層し、170℃1時間処理して樹
脂を硬化させた。このものは130mm×80mm×75mm
の角柱成形物である。 この成形物を窒素雰囲気中40℃/時の昇温速度
で1000℃まで昇温し、マトリツクスを炭化した。
得られた2重構造複合材の芯部を切削し、第2図
に示す角筒形金型とした。 比較のため、同一形状の金型を、CFRC材、ス
チール材(sus304)及び密度1.75g/cm3の黒鉛材
夫々単独で製造した。 この夫々の金型をメス型とし、上下にスチール
材(sus304)のオス型を配して、メス型内にアル
ミニウムをイオンプレーテイングにより被覆した
炭素繊維シートを重ねて水平に仕込み、570℃ま
で1時間かけて昇温し、350Kg/cm2に加圧下30分
保持し、真空ホツトプレスし炭素繊維強化アルミ
ニウム板とした。 その結果、本発明材料を使用した金型にあつて
はこの操作を20回繰返しても何らの損傷は認めら
れなかつた。 金型材としてCFRC単独の場合は、金型のボイ
ド内にアルミニウムが浸入し、成形物の脱離がで
きなかつた。又黒鉛材では加圧時に破壊し、スチ
ール材では4回の繰返しで破壊した。 実施例 2 外径100mm、内径50mm、長さ160mm、密度1.95
g/cm3の黒鉛パイプに、実施例1で用いた炭素繊
維朱子織物を約30mmの厚さにローリング積層し
た。次いで窒素雰囲気中で黒鉛パイプに直接通電
して1000℃に加熱し、且つ雰囲気温度を調節する
ことにより、積層した炭素繊維表面温度を900℃
に保ち、炭素繊維層に温度勾配を付けた。この状
態で窒素で希釈したベンゼンガスと接触させ、炭
素繊維表面に熱分解炭素を沈着させて外層の密度
を1.45g/cm3とした。 この複合材料を第3図の如く切削加工し、ロケ
ツトノズルとした。 このロケツトノズルを用いて噴射燃焼テストを
行つた。テスト時の噴射ガスはスロート部におい
て温度約2800℃、圧力約30気圧、噴出速度約1000
m/秒であつた。25秒噴射後ノズルの摩耗量を測
定した結果は下記の通りであり均一な消耗であつ
た。 比較のために、密度1.45g/cm2のCFRC単独材
及び密度1.95g/cm3の黒鉛材にて夫々同様のノズ
ルを作りテストをした。 夫々の結果を下記に示す。
【表】 実施例 3 外径40mmの円柱状黒鉛(密度1.75g/cm3)に
6000フイラメントの炭素織維束をフエノール樹脂
(スミライトレジンPR50273)をマトリツクス樹
脂とし、フイラメントワインドにより巻き角度45
度で巻き、外径70mmの成形物とした。外層におけ
る織維体積含有率は55%であつた。 この成形物を170℃1時間硬化し、更に250℃、
8時間ポストキユア後窒素雰囲気中50℃/時で
1000℃まで昇温し、マトリツクス樹脂を炭素化し
た。 次いで芯材である黒鉛材の中心に貫通孔を穿ち
内径30mm、外径50mm、の内層黒鉛、外層CFRCの
2重構造複合材を得た。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の二重構造炭素複合材料の円筒
の一部断面斜視図、第2図は同複合材の芯部を切
削した角筒形金型の一部断面斜視図、第3図は同
複合材の芯部を切削したロケツトノズルの断面図
を示す。 記号の説明、1:炭素材、2:CFRC。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 中空体又は中実体において内層又は芯部が炭
    素材からなり、外層が炭素繊維強化炭素材からな
    ることを特徴とする2重構造炭素複合材料。 2 炭素材を芯材とし外周にマトリツクスを含む
    炭素繊維層を形成し、次いでマトリツクスを炭素
    化することを特徴とする2重構造炭素複合材料の
    製造法。
JP56033663A 1981-03-09 1981-03-09 Carbon composite material and manufacture Granted JPS57149877A (en)

Priority Applications (1)

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JP56033663A JPS57149877A (en) 1981-03-09 1981-03-09 Carbon composite material and manufacture

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JPS57149877A JPS57149877A (en) 1982-09-16
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JPS6252422A (ja) * 1985-09-02 1987-03-07 Toho Rayon Co Ltd 高温処理炉測温用スリ−ブ及びその使用方法
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS525064A (en) * 1975-06-30 1977-01-14 Metallgesellschaft Ag Electric dust collector

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