JPH02145477A - 炭素繊維強化炭素複合材料及びその製造法 - 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） 本発明は高強度の炭素繊維強化炭素複合材料（以下、Ｃ
／Ｃコンポジットと称する）及びその製造方法に関する
ものである。

（従来の技術） 一般にＣ／Ｃコンポジットの製造方法は２つの方法が知
られている。その第１は、ポリアクリロニトリル（ＰＡ
Ｎ）系、ピッチ系、あるいはレーヨン系炭素繊維の短繊
維または長繊維と、炭素マトリックス原料であるフェノ
ール樹脂、フラン樹脂等の熱硬化性樹脂、あるいはピッ
チ類を混合し加熱成形したものを不活性ガス雰囲気下に
おいて炭化処理し、更に必要ならば樹脂、ピッチ等の含
浸、炭化処理のサイクルを繰り返す方法である（例えば
特公昭８２−２１２２６２号公報）。

第２は、予め炭素繊維を用いて大略の形状に成形した後
、炭素繊維の間隙部に化学蒸着法を用いて炭素を堆積さ
せ、Ｃ／Ｃコンポジットを得る方法である（例えばＣａ
ｒｂｏｎ　Ｖｏｌ、Ｊ　ｐｐ３９７−４０３．１９ｆｉ
Ｂ）。また、ハロゲンを含有する炭化水素を用いる化学
蒸着法も開発されている（例えば特公昭６３−１１５６
９号公報）。

（発明が解決しようとする課題） これらの方法によって得られるＣ／Ｃコンポジットは、
炭素マトリックスを形成するための原料からの炭素の炭
化収率がたかだか５０％程度であるため、気孔率が高く
緻密化工程が煩雑で長時間を要する反面、強度が低い等
の問題が多い。従フて本発明の目的は、気孔率が低く強
度の高いＣ／Ｃコンポジットを得ることと、その製造方
法を提供することにある。また本発明の他の目的は、よ
り効率のよいＣ／Ｃコンポジットの製造方法の開発を図
ったものである。

（課題を解決するための手段） かかる課題を解決するため本発明で′Ｉよ、所定条件下
で化学蒸着法を用いてＣ／Ｃコンポジットの緻密化を行
い検討を重ねた結果、化学蒸着法を利用することがＣ／
Ｃコンポジットの緻密化ひいては高強度化に有効である
ことを見いだし本発明に至った。

すなわち本発明は、炭素繊維と炭素マトリックスの形成
原料からなる成形体を炭化し、得られた炭化物にピッチ
類または樹脂類の含浸、炭化処理を施し、気孔率を８〜
１５％の炭素繊維強化炭素複合材料とした後、さらに前
記炭素繊維強化炭素複合材料の空孔に炭化水素を９５０
〜１２００℃の温度、１０〜２００　ｔｏｒｒの圧力で
熱分解して得られる熱分解炭素を堆積する緻密化処理を
行い、気孔率を６％以下とすることを特徴とする炭素繊
維強化炭素複合材料の製造方法である。また前記の製造
方法によって、炭素繊維４０〜６０体積％、炭素質マト
リックス３０〜５０体積％、化学蒸着法による炭素３〜
１５体積％からなり、化学蒸着法による炭素が炭素繊維
、炭素質マトリックスの空孔部に充填された構造を有し
、気孔率が６％以下である炭素繊維強化炭素複合材料を
得るものである。

なお、本発明の説明に用いた気孔率の値は、水銀ポロジ
メタ−を用いて得た、Ｃ／Ｃコンポジットのかさ密度（
ＢＤ）と見かけ密度（Ａ［ｌ）から、以下の式を用いて
算出した。

気孔率＝　（ＡＤ−ＢＤ）　／ＡＤ＊１００また、本発
明の説明に用いた炭素質マトリックスとは、炭素質マト
リックスの形成原料を炭化して得られた炭化物及びピッ
チ類または樹脂類を含浸、炭化処理して得られる炭化物
を示す。

以下、本発明の詳細な説明する。

本発明で用いられる炭素繊維は、ピッチ系、ポリアクリ
ロニトリル系、レーヨン糸環公知のいずれの炭素繊維を
も用いることができる。炭素繊維の形状は長さ０．０５
〜５０＋ｎ＋ｎ程度の短繊維であっても、連続繊維であ
っても使用できる。

またクロスやフェルト、マットなどシート状の形状であ
ってもよい。

炭素質マトリックスを形成するための原料として、フェ
ノール樹脂、フラン樹脂等の熱硬化性樹脂、あるいは石
油系、石炭系ピッチ類が用いられ、これらは単独でも併
用でもよい。更に強度の向上を図るため必要に応じ、炭
化ケイ素、カーボンブラック、黒鉛等の無機繊維あるい
は無機物等を添加してもよい。

かかる炭素繊維または炭素繊維のシート等と炭素質マト
リックスを形成するための原料とを組み合わせて、成形
材料とした後、プレス成形等を行い成形体とする。次い
で窒素ガス等の不活性ガス雰囲気中で、１〜ｂ 速度で１０００〜２０００℃まで昇温し、気孔率の高い
Ｃ／Ｃコンポジットを得る。

このＣ／Ｃンボジットの空孔に石油系、石炭系ピッチ類
または炭化歩留まりの高い熱硬化性樹脂を含浸、再び不
活性ガス雰囲気下で焼成する含浸、炭化処理を施し、緻
密化を行う。一連の含浸、炭化工程１回を含浸、炭化工
程１サイクルと称し、通常、含浸、炭化ＩＡ理１サイク
ルに　１６８時間程度を要する。含浸、炭化処理を１〜
数サイクル繰り返し、炭素繊維４０〜６０体積％、炭素
質マトリックス３０〜５０体積％、気孔率８〜１５％の
Ｃ／Ｃコンポジットを得る。炭素繊維が４０％未満では
、炭素繊維による補強効果が満足に得られない。また、
６０体積％超では炭素マトリックスが不足し強度の高い
Ｃ／Ｃコンポジットは得られにくい。炭素質マトリック
スは、３０体積％未満では炭素繊維間の十分な接着が得
られず、Ｃ／Ｃコンポジットの強度は低くなる。また、
５０体積％超では、Ｃ／Ｃコンポジット内での炭素質マ
トリックスの領域が大きくなりすぎるため、脆いＣ／Ｃ
コンポジットとなる。くわえて、気孔率８％未満では化
学蒸着法による緻密化処理を施しやすい空孔が減少し過
ぎているため、化学蒸着法による緻密化処理が効果的に
行えない。また、気孔率１５％超では気孔径が大きく、
化学法による緻密化処理に膨大な時間を要することにな
る。

次に前述の含浸、炭化工程を経て気孔率を８〜１５％と
したＣ／Ｃコンポジットに化学蒸着法による緻密化処理
を施す。すなわち、９５０〜１２００℃の温度、１０〜
２００　ｔｏｒｒの圧力で、炭化水素を熱分解して得ら
れる熱分解炭素をＣ／Ｃコンポジットの空孔に充填し、
気孔率６％以下のＣ／Ｃコンポジットとする。これは、
６％超の気孔率では十分な強度が得られないためである
。

気孔率６％以下のＣ／Ｃコンポジットを得るためには、
熱分解の温度を９５０〜１２００℃に制御することが必
要である。９５０℃未満の温度では、炭化水素ガスの熱
分解速度が著しく小さく、一方１２００℃超では気相中
でのすすの発生が多くなり、熱分解炭素の生成は著しく
阻害される。

また、炭化水素ガスの熱分解時の圧力は、１０〜２００
　ｔｏｒｒであることも重要である。１０ｔｏｒｒ未満
では、炭化水素ガス分子の衝突が起こりにくいため、熱
分解炭素の生成速度は著しく低く、一方２００ｔｏｒｒ
超では気相中でのすすの発生が、優勢となるためである
。

本発明で用いる炭化水素は、具体的にはメタン、エタン
、プロパン等の飽和炭化水素、あるいはエチレン、プロ
ピレン、ベンゼン等の不飽和炭化水素が適用できる。そ
の中でも、反応制御の容易さ、生産効率の点からメタン
が特に好ましい。なお、ハロゲン化炭化水素は、熱分解
時に塩化水素ガス等を発生し化学蒸着装置の防食が難し
いため本発明では用いない。

また、上記、炭化水素ガスは窒素、アルゴン等の不活性
ガス、または水素で希釈することにより、熱分解反応の
制御を行うことも可能である。

前述のような反応条件でＣ／Ｃコンポジットを緻密化す
ることにより、Ｃ／Ｃコンポジットに存在する１０〜１
００１程度の空孔が減少し、Ｃ／Ｃコンポジットの強度
等緒特性は著しく向上する。

上記の工程により、炭素繊維４０〜６０体積％、炭素質
マトリックス３０〜５０体積％、化学蒸着法により得ら
れる炭素３〜１５体積％からなり、化学蒸着法によって
得られる炭素が炭素繊維、炭素質マトリックスの空孔に
充填された構造を有し、気孔率が６％以下であるＣ／Ｃ
コンポジットを得る。炭素繊維が４０％未満では、炭素
繊維による補強効果が満足に得られない。また、６０体
積％超では炭素マトリックスが不足し強度の高いＣ／Ｃ
コンポジットは得られにくい。炭素質マトリックスは、
３０体積％未満では炭素繊維間の十分な接着が得られず
、Ｃ／Ｃコンポジットの強度は低くなる。また、５０体
積％超では、Ｃ／Ｃコンポジット内での炭素質マトリッ
クスの領域が大きくなりすぎるため、脆いＣ／Ｃコンポ
ジットとなる。くわえて、化学蒸着法により得られる炭
素が３体積％未満では空孔を十分埋めることができず、
強度の低いＣ／Ｃコンポジットとなる。また、１５体積
％超では緻密化に要する時間が長すぎるため好ましくな
い。最後に、６％超の気孔率では十分な強度が得られな
い。

本発明により得られるＣ／Ｃコンポジットは気孔率が低
く強度が高い。従って、高温ヒーター、炉壁材料、ロケ
ット・ノズル等の耐熱材料、ブレーキ、メカニカル・シ
ール等の摺動材料等に利用することが可能である。

以下、本発明を実施例を用いて、具体的に説明する。

（実施例） 実施例１ ポリアクリロニトリル系連続炭素繊維束（１２０００フ
イラメント）に、水で５０ｗｔ％に希釈したフェノール
樹脂（ＡＶライトＲＭ−３０００）を含浸し、　１２０
℃にて乾燥後、これを３０ｍｍに切断し、プリプレグと
した。

このプリプレグを金型にランダムに積層し、温度１７０
℃、圧力１００ｋｇ／ｃｍ２でプレス成形し、成形体を
得た。

次に、この成形体を窒素ガス雰囲気中にて、３℃／時間
の昇温速度で１５００℃まで昇温した後、徐冷して、気
孔率１７％のＣ／Ｃコンポジットを得た。

更に、このＣ／Ｃコンポジットに石炭系含浸ピッチを用
い、含浸、炭化工程を１サイクル施し、（１６８時間を
要した）、気孔率１０％のＣ／Ｃコンポジットを得た。

得られたＣ／Ｃコンポジットを化学蒸着装置内に設置し
、抵抗加熱により１０００℃に加熱すると共に、窒素ガ
スを希釈ガスとして５０ｖｏ１％のメタンガスを３００
時間供給して、Ｃ／Ｃコンポジットの空孔内に熱分解炭
素を充填させ、化学蒸着法による緻密化処理を施し、炭
素繊維５０体積％、炭素質マトリックス４０体積％、化
学蒸着により得られた炭素５．２体積％、気孔率４．８
％のＣ／Ｃコンポジットを得た。

密度増加（含浸、炭化工程及び化学蒸着法による緻密化
）に要した時間は４６８時間であった。

得られたＣ／Ｃコンポジットの物性などを比較例の結果
とともに表にまとめて示した。

なお、実施例１のＣ／Ｃコンポジットのかさ密度は、比
較例１のものに比べて低い。これは化学蒸着法による緻
密化によって、Ｃ／Ｃコンポジットに閉じた空孔（閉気
孔）が生じたためである。Ｃ／Ｃコンポジットの表面付
近の空孔が埋められることにより、実施例１では比較例
１に比して曲げ強度及び圧縮強度が向上した。

比較例１ 実施例１と同一条件で得た、気孔率１７％のＣ／Ｃコン
ポジットに、含浸、炭化処理を６サイクル繰り返して緻
密化処理し、炭素繊１１１Ｉ５０体積％、炭素質マトリ
ックス４０．５体積％、気孔率９．５％のＣ／Ｃコンポ
ジットを得た。

密度増加（含浸、炭化工程６サイクル）に要した時間は
１００８時間であった。

（発明の効果） 以上のように本発明によると、従来法で得られるＣ／Ｃ
コンポジットと比して気孔率を著しく低くすることがで
きる。そのため、Ｃ／Ｃコンポジットの強度が著しく向
上する。さらに、Ｃ／Ｃコンポジットの密度増加に要す
る時間の短縮が可能であり、Ｃ／Ｃコンポジットの製造
工程の短縮化を図ることができる顕著な効果がある。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　炭素繊維４０〜６０体積％、炭素質マトリックス３
   ０〜５０体積％、化学蒸着法に よって得られる炭素３〜１５体積％からな り、炭化水素を原料とした化学蒸着法によって得られる
   炭素が空孔に充填された構造を有し、気孔率が６％以下
   である炭素繊維強化炭素複合材料。 ２　炭素繊維と炭素質マトリックスの形成原料からなる
   成形体を炭化し、得られた炭化物にピッチ類または樹脂
   類の含浸、炭化処理を施し、気孔率が８〜１５％である
   炭素繊維強化炭素複合材料とした後、さらに前記炭素繊
   維強化炭素複合材料の空孔に炭化水素を９５０〜１２０
   ０℃の温度、１０〜２００ｔｏｒｒの圧力で熱分解して
   得られる熱分解炭素を堆積する緻密化処理を行い、気孔
   率を６％以下とすることを特徴とする炭素繊維強化炭素
   複合材料の製造方法。