JPH02184575A - 炭素繊維強化炭素複合材料 - 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〉 本発明は航空機のブレーキパッド等に使用される炭素繊
維強化炭素複合材料（以下、ｃ　／　ｃコンポジットと
いう）に関し、より詳しくは高い強度を有するＣ　／　
Ｃコンポジットに関する。

〈従来の技術と発明が解決しようとする問題点〉近年、
Ｃ／　Ｃコンポジットは金属では到達できない耐熱性、
強度および軽量性を有することから、構造材、摺動材等
として脚光を浴びている。

Ｃ／　Ｃコンポジットは、炭素母材（マトリックス）中
に、母材強化用の強化繊維として炭素繊維を含有させて
、物理的または化学的に炭素母材と炭素繊維を接着する
ことにより作成される。

前記強化繊維用炭素繊維としては、チョツプドファイバ
（短繊維）、ペーパー、不織布、フェルト、織られてい
ない長繊維、二次元織布、三次元織布以上の織物等、種
々の形状のものが用いられている。

しかしながら、チョブドファイバのような短繊維の炭素
繊維だけで強化されたＣ　／　Ｃコンポジットは、一般
的に強度不足であるため、構造材料としては実用化し得
ない。

また、三次元織布を強化繊維として用いたＣ／Ｃコンポ
ジットは、強度にすぐれ、かつ等方性を示すために構造
材料としては好都合であるが、三次元織布は高価であり
、またいわゆる含浸法による場合、炭素繊維がフィルタ
ーのような役割をし、液状樹脂等の液状物が中心部に浸
透していくのを阻害するため、Ｃ／　Ｃコンポジットの
中心部を高密度化することが困難であった。

本発明は、強化繊維として高価な三次元織布を使用する
ことなく均一で高い強度を付与したＣ／Ｃコンポジット
を提供することを目的とする。

〈問題点を解決するための手段および作用〉本発明のｃ
　／　ｃコンポジットは、強化繊維として一次元および
／または二次元強化炭素繊維を用いかつ母材として炭素
粉末を用いた複数枚のプリプレグを積層成形し、焼成し
たものであって、前記複数枚のプリプレグ間に強化繊維
単独層を介在させたことを特徴とする。

このように本発明によれば、強化繊維単独層をプリプレ
グ間に介在させたため、成形時または焼成時にプリプレ
グに含有された炭素粉末を含むマトリックス材料が加圧
により強化繊維単独層に浸透する。その結果、形成され
るマトリックスが強化繊維単独層によってより一層強化
され、しかもプリプレグから滲出するマトリックス材料
は強化繊維単独層内に浸透し捕捉されるため、マトリ・
ンクス材料が表層部へ移動するのが防止され、強度が均
一になる。

また、本発明は、前記強化繊維単独層がフェルト状、マ
ット状、ペーパー状または不織布であって、短繊維およ
びウィスカーのうち少なくとも一方を含有したｃ　／　
ｃコンポジットをも包含するものである。

かかる短繊維および／またはウィスカーは隣接するプリ
プレグ内の炭素繊維と絡み合うため層間強度が向上され
る。

本発明における前記プリプレグは、合成樹脂液に母材と
なる炭素粉末を分散させ、これを−次元および／または
二次元強化炭素繊維に含浸させ、乾燥させたものである
。

ここで、合成樹脂としては、例えばポリアクリロニトリ
ル、ポリ塩化ビニル、ポリビニルアルコールなどがあげ
られるが、炭化可能な樹脂、例えばフェノール樹脂、尿
素樹脂、エポキシ樹脂、フラン樹脂、ポリアクリロニト
リルなどを使用するのが好ましい。

また、炭素粉末としては、圧粉体を焼成することによっ
て高密度な炭素焼成体となる自己焼結性炭素粉末および
この自己焼結性炭素粉末とそれ以外の炭素粉末（黒鉛粉
末、グラッシーカーボン粉末、カーボンブラック粉末等
）との混合粉末などがあげられる。

前記−次元強化炭素繊維としては例えば長繊維があげら
れ、また二次元強化炭素繊維としては例えば二次元強炭
素繊維織布、ベーパー　フェルト、不織布等があげられ
る。これらの−次元強化炭素繊維および／または二次元
強化炭素繊維は１種類を単独で用いてもよく、２種類以
上を併用してもよい。

合成樹脂と炭素粉末と強化繊維としての炭素繊維との重
量比は、約５〜６５：１０〜８０：５〜７０程度である
のが適当である。

前記強化繊維単独層としては、例えば■長繊維の炭素繊
維からなるフェルト状、マット状、ベーパー状、不織布
等のシート状物単独または■これに炭素、炭化ケイ素Ｓ
ＩＣ、ボロンおよび窒化ケイ素　５Ｌ３Ｎ４　　のうち
少なくとも１種からなる短繊維および／またはウィスカ
ーを含有させたもの、さらに■上記炭素、炭化ケイ素、
ボロンおよび窒化ケイ素のうち少なくとも１種の短繊維
のみを用いて作った前記のごときシート状物（例えばフ
ェルト状、ペーパー状）もしくは■このシート状物に前
記ウィスカーを混入させたものなどがあげられる。特に
、短繊維および／またはウィスカーとして炭素以外の炭
化ケイ素、ボロンまたは窒化ケイ素を使用すると、ｃ／
ｃコンポジットの耐酸化性を向上させることができる。

プリプレグと強化繊維単独層との割合は、特に限定され
るものではないが、重量比で９９．５：０．５〜５０　
：　５０程度であるのが適当である。

使用する短繊維の繊維長は５０１以下であるのが好まし
く、繊維長が５０ＩＩｌｌを超えると短繊維が充分に母
材中に分散しないため、層間強度を均一に強化すること
が困難になる。

また、短繊維および／またはウィスカーのＣ／Ｃコンポ
ジット全体に対する含有量は約１〜３５体積％であるの
が好ましく、短繊維および／またはウィスカーの含有量
が上記範囲よりも大なるときはコンポジット自体が低強
度となり、また小なるときはプリプレグ内の炭素繊維と
の絡み合いが少ないために層間強度が向上せず、いずれ
も好ましくない。

以下、本発明のｃ　／　ｃコンポジットの製造方法を説
明する。まず、あらかじめ作製した複数枚のプリプレグ
の積層時または成形時にこれらのプリプレグ間に強化繊
維単独層を介在させて、所定の金型内に入れ、加圧成形
する。

得られた成形物は加圧焼成または常圧焼成、あるいは両
者の組み合わせにより焼成し、Ｃ／　Ｃコンポジットと
する。焼成温度はＣ／　Ｃコンポジットの用途によって
異なるが、通常１０００〜３０００”Ｃ程度の範囲であ
る。

成形または焼成において加えられる圧力はプリプレグ内
のマトリックス材料を強化繊維単独層に浸入させるのに
充分な圧力である。浸入は成形時または焼成時のいずれ
の段階であってもよい。斯くして、強度にすぐれたＣ　
／　Ｃコンポジットが得られる。

このように、本発明のＣ／　Ｃコンポジットは強化繊維
単独層を使用するものであって、プリプレグ形態で使用
するものではないため、きわめて量産性にすぐれている
。

〈実施例〉 以下、実施例に基づき本発明をより詳細に説明する。

実施例Ｉ ＰＡＮ　（ポリアクリロニトリル、以下同じ）系炭素繊
維の１０００本フィラメントを平織にした織布と、自己
焼結性炭素粉末と、ＰＡＮ系樹脂とをｆｆ１ｍ比で３ニ
ア；７の割合で混和して、プリプレグを作製した。つい
で、このプリプレグとフェルト状炭素繊維（繊維長１〜
５０＋＊ｍの短繊維からなる）とを、重量比が１７＝４
となるように交互に積層した。

しかるのち、これらを加圧成形し、不活性雰囲気中で焼
成してｃ　／　ｃコシポジットを得た。成形条件は、温
度２００’Ｃ１面圧力１０ｋｇｄ、加圧時間１０分とし
た。また、焼成条件は、温度２００　”Ｃから１０００
℃までの昇温速度３０”Ｃ／時間、その後の温度１００
０℃から２０００”Ｃまテノ昇温速度１００”Ｃ／時間
、面圧力５００に９４とした。

このようにして得られたＣ　／　Ｃコンポジット中の短
繊維含有比率は２０体積％であった。

実施例２ ＰＡＮ系炭素炭素繊維０００本フィラメントを平織にし
た織布と、自己焼結性の炭素粉末と、ＰＡＮ系樹脂とを
重量比で３ニアニアで混和してプリプレグを作製した。

ついで、このプリプレグとフェルト状炭素繊維（１〜５
０ｍｍの短繊維からなる）とを！ｆ重量比１７：７とな
るように交互に積層した後、加圧成形し、焼成してｃ　
／　（コンポジットを得た。

成形条件および焼成条件は実施例１と同様にした。得ら
れたＣ　／　Ｃコンポジット中の短繊維含有比率は３０
体積％であった。

実施例３ ＰＡＮ系炭素炭素繊維０００本フィラメントを朱子織に
した織布と、自己焼結性の炭素粉末と、ＰＡＮ系樹脂と
を重量比で３ニアニアで混和してプリプレグを作製した
。ついで、このプリプレグとペーパー状の強化繊維（炭
化ケイ素ウィスカーボロンウィスカーおよび繊維長１〜
１０ｍｍの炭素繊維からなる）とを重量比が１７：１と
なるように交互に積層した後、加圧成形し、焼成してＣ
／Ｃコンポジットを得た。

成形条件および焼成条件は実施例１と同様にした。得ら
れたＣ　／　Ｃコンポジット中の短繊維（ウィスカーも
含む）含有比率は５体積％であった。

実施例４ 繊維長１〜５０ｍｍのフェルト状炭素繊維に代えて、Ｓ
ｉＣウィスカー　Ｂウィスカーを含有した不織布（１〜
１０００Ｉのカーボンファイバーを含む）を使用したほ
かは実施例１と同様にしてＣ／Ｃコンポジットを得た。

この場合の短繊維含有比率は２０体積％であった。

比較例１〜３ プリプレグ（ＰＡＮ系炭素炭素繊維己焼結性炭素粉末：
　ＰＡＮ系樹脂−１；１：１　（重量比））を単独で積
層し成形および焼成したほかは実施例１〜３と同様にし
てＣ／　Ｃコンポジットを得た。

比較例４ 繊維長１〜５０ｍｍのフェルト状炭素繊維に代えて、平
織のカーボンファイバークロスを使用したほかは実施例
１と同様にしてＣ／　Ｃコンポジットを得た。この場合
の短繊維含有比率は０体積％である。

評価試験 実施例１〜４および比較例１〜４でそれぞれ得られたＣ
　／　Ｃコンポジットについて、層方向に垂直な方向の
圧縮強度および層間剪断強度をΔＰ１定した。圧縮強度
は、試験片として各辺が１０ｍｍの立方体を使用し、ク
ロスヘツド速度０．　５ｍｌ１１／分で行った。層間剪
断強度はＡＳＴＭ　Ｄ−２３４４に従って、試験片寸法
４ｍ＋＊ｘ４ｍＩＩＸ２８ｅ＋ａ＋、スパン２０　ｍｏ
＋。

クロスヘツド速度０．５ｍｍ／分の３点曲げ試験法にて
行った。

試験結果を次表に示す。

表から、実施例１〜４では強化繊維単独層をプリプレグ
間に介在させることにより、比較例１〜４に比べて圧縮
強度が向上していることがわかる。

また、実施例１〜４では強化繊維単独層が短繊維および
／またはウィスカーで構成されるか、あるいはこれを含
んでいるため層間剪断強度にもすぐれていた。

〈発明の効果〉 本発明によれば、プリプレグ内のマトリックス材料が成
形、焼成時に強化繊維単独層中に浸透するため、形成さ
れるマトリックスが強化繊維単独層によってより一層強
化され、しがちプリプレグから滲出するマトリックス材
料は強化繊維単独層内に浸透し捕捉されるため、表層部
に移動するのが防止され、強度が均一になる。また、プ
リプレグ間に強化繊維単独層を介在させるだけであるが
ら、量産にも適している。

また、前記強化繊維単独層に短繊維およびウィスカーの
うち少なくとも一方を含有させることにより、この短繊
維および／またはウィスカーがプリプレグ内の炭素繊維
と絡み合うため、層間強度も向上される。

特許出願人　　住友電気工業株式会社

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. １．強化繊維として一次元および／または 二次元強化炭素繊維を用いかつ母材とし て炭素粉末を用いた複数枚のプリプレグ を積層成形し、焼成してなる炭素繊維強 化炭素複合材料において、 前記複数枚のプリプレグ間に、強化繊 維単独層を介在させたことを特徴とする 炭素繊維強化炭素複合材料。
2. ２．前記強化繊維単独層が、フェルト状、 マット状、ペーパー状または不織布であ って、短繊維およびウィスカーのうち少 なくとも一方を含有した請求項第１項記 載の炭素繊維強化炭素複合材料。
3. ３．前記短繊維およびウィスカーが炭素、 炭化ケイ素、ボロンおよび窒化ケイ素よ りなる群から選ばれた少なくとも１種を 素材とする請求項第２項記載の炭素繊維 強化炭素複合材料。
4. ４．前記短繊維および／またはウィスカー が複合材料全体に対して１〜３５体積％ の割合で含有された請求項第２項記載の 炭素繊維強化炭素複合材料。
5. ５．前記短繊維の繊維長が５０ｍｍ以下である請求項第
   ２項記載の炭素繊維強化炭素 複合材料。