JPH02192461A - 炭素‐炭素複合材の製造方法 - 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 本発明は、炭素−炭素複合材の製造方法に関する。

従来技術とその問題点 炭素−炭素複合材（Ｃ−Ｃコンポジットとも称される）
は、従来の炭素材に比して、強度が大きく、耐熱性、耐
摩耗性、耐酸化性などに優れているため、航空機のブレ
ーキ材、ロケットノズルなどの航空機ならびに宇宙航空
機器用材料；ホットプレスのダイス材、高温用軸受けな
どの機械部品用材料；生体材料などに使用され、或いは
使用されようとしている。

従来の炭素−炭素複合材は、例えば、炭素繊維の躯体に
ピッチ或いは熱硬化性樹脂を加圧下に含浸し、焼成し、
さらに必要な回数の含浸および焼成を繰返し行なうこと
により、得られている。この方法では、焼成工程でピッ
チ或いは熱硬化性樹脂の分解により発生する揮発成分が
気泡を形成するので、この気泡部分にピッチ若しくは熱
硬化性樹脂を含浸し、焼成するという繁雑な操作を繰返
し行なう必要がある。しかしながら、この様な繁雑な工
程を必要とするにもかかわらず、得られる製品は、ポー
ラスなもので、密度的にも不満足なものであり、また大
型品では、均一性に欠けるという欠点もある。

また、炭化水素ガスを高温炉内で分解させ、炭素繊維の
表面に分解生成物を沈積させる方法（ＣＶＤ法）も行な
われている。しかしながら、この方法では、ススの発生
しない条件下に均一な熱分解を長時間行なう必要があり
、条件の設定に高度の技術を必要とするので、実用性に
欠ける難点がある。

問題点を解決するための手段 本発明者は、上記の如き従来技術の現状に鑑みて鋭意研
究を重ねた結果、原料ピ・ソチを紡糸した不融化処理前
のピッチ繊維またはピ・ソチ繊維を不融化して得た不融
化繊維をそのまま或いはこれらの繊維を粘結成分により
処理した繊維と自己焼結性を有する炭素粉とを混合し、
成形し、炭化・黒鉛化する場合には、従来技術の問題点
が大巾に軽減されることを見出した。

すなわち、本発明は、下記の炭素−炭素複合材の製造方
法を提供するものである： ■原料ピッチを紡糸して得たピッチ繊維またはこれを不
融化して得た不融化繊維と自己焼結性を有する炭素粉と
を混合し、成形し、炭化・黒鉛化することを特徴とする
炭素−炭素複合材の製造方法（以下本願第一発明という
）。

■原料ピッチを紡糸して得たピッチ繊維またはこれを不
融化して得た不融化繊維を粘結成分含有材料により表面
処理し、有機溶媒により洗浄し、乾燥した後、自己焼結
性を有する炭素粉を混合し、成形し、炭化・黒鉛化する
ことを特徴とする炭素−炭素複合材の製造方法（以下本
願第二発明という）。

下記に本願第一発明および第二発明についてそれぞれ詳
述する。下記において、単に“本発明”という場合には
、両発明に共通な事項を示すものとする。

■９本願第一発明 本発明で紡糸材料として使用する原料ピッチは、石炭系
、石油系などの原料による由来の如何を問わない。また
、ピッチ自身としても、光学的等方性のものでも、光学
的異方性のものでも良い。

原料ピッチの紡糸および不融化は、常法に従って行なえ
ば良く、条件などは特に制限されない。

本発明で繊維成分として使用するものは、通常原料ピッ
チを紡糸器に供給し、３００〜４００℃程度に加熱した
状態で不活性ガスによる加圧下にノズルから押出して得
たピッチ繊維、またはこの様なピッチ繊維をさらに酸化
性雰囲気中１５０〜５００℃程度で０．　５〜５時間程
度保持して不融化した、通常の炭化処理を施す前の不融
化繊維である（以下ピッチ繊維および不融化繊維を未炭
化繊維と総称する）。未炭化繊維としては、糸長０．０
１〜３０ａａ＋程度、糸径５〜２５μｍ程度のものが好
ましい。

本願第一発明では、上記の様にして得られた未炭化繊維
と自己焼結性を有する炭素粉とをそのまま混合し、成形
し、炭化・黒鉛化する。

本発明で使用する自己焼結性を有する炭素粉としては、
石油系および石炭系のいずれであっても良く、具体的に
は、メソカーボンマイクロビーズ、パル“クメソフエー
ズ粉砕品、低温か焼コークス粉砕品、生コークス粉砕品
などが例示される。これらの中では、粒径および組成の
均一性、安定性などの観点から、石油系および石炭系の
メソカーボンマイクロビーズが好ましく、炭化歩留まり
の点からは、石炭系のものがより好ましい。自己焼結性
を有する炭素粉としては、粒径３０μｍ以下、β−レジ
ンｆｆ１３〜５０％程度のものが好ましい。

自己焼結性を有する炭素粉と未炭化繊維との配合割合は
、通常前者１００部（重量部を表わす二以下同じ）に対
し、後者１〜２００部程度であり、より好ましくは前者
１００部に対し、後者１〜１００部程度である。

混合手段は、自己焼結性を有する炭素粉と未炭化繊維と
が均一に混合される限り、特に限定されない。

かくして得られた混合物は、次いで成形される。

成形方法および条件は、公知の自己焼結性を有する炭素
粉の成形に際して採用されているものと変わるところは
なく、通常１〜１０）ン／　ｃｄ程度の加圧下に所定の
寸法に成形すれば良い。或いは、ＣＩＰ法等によって成
形を行なっても良い。成形は、常温で若しくは不活性雰
囲気下５００部程度までの加熱下に行なうことが出来る
。

焼成も、公知の自己焼結性を有する炭素粉の成形体の焼
結と同様の条件下に行なえば良く、特に限定されないが
、通常非酸化性雰囲気中０．１〜ｂ 程度の温度まで昇温し、０．５〜１０時間程時間待すれ
ば良い。

得られた焼結体は、次いで黒鉛化される。黒鉛化の条件
も、特に限定されず、非酸化性雰囲気中で焼結時の温度
から０．１〜ｂ の速度で１５００〜３０００℃程度の温度まで昇温し、
０．５〜１０時間程時間待すれば良い。

■０本願第二発明 本願第二発明で紡糸材料として使用する原料ピッチは、
本願第一発明で使用するものと同様であり、その紡糸に
よるピッチ繊維の製造およびピッチ繊維の不融化も、本
願第一発明と同様にして行なわれる。

本願第二発明においては、得られた未炭化繊維をタール
、ピッチ、有機高分子などの粘結成分を含有する材料に
より表面処理し、有機溶媒により洗浄し７、乾燥する。

粘結成分含有材料による表面処理は、未炭化繊維１００
部に１００〜１０００部程度の粘結成分含有材料を加え
、攪拌して行なう。この表面処理に使用するタールおよ
びピッチも、石油系および石炭系のいずれであっても良
い。ピッチを使用する場合には、攪拌時に加熱が必要と
なるので、処理材としては、タールの方がより好ましく
、また後続の焼成および炭化工程での炭化歩留まりの点
からは、石炭系のものがより好ましい。有機高分子とし
ては、フェノール樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリビニルア
ルコールなどが挙げられる。

次いで、上記の攪拌工程で得られた混合物１００部に有
機溶媒１００〜１０００部程度を加え、攪拌し、洗浄を
行なう。この洗浄により、揮発成分が多く含まれる軽質
油分が除去される。洗浄に使用する有機溶媒としては、
トルエン、キシレンなどの芳香族系溶媒などが例示され
る。

洗浄を終えた表面処理米炭化繊維は、例えば、Ｎ２、ア
ルゴンなどの非酸化性雰囲気中で、加熱および／または
減圧などの条件下に乾燥処理される。乾燥処理は、洗浄
に使用した有機溶媒が除去される限り、これらの方法に
限定されるものではない。

乾燥を終えた表面処理米炭化繊維は、必要に応じて、分
散処理される。すなわち、乾燥させた表面処理米炭化繊
維が、塊状化乃至凝集していることがあるので、この様
な場合には、通常の粉体ミル、アトマイザ−、バルベラ
イザーなどの任意の手段により、分散を行なう。

必要に応じて分散処理された表面処理米炭化繊維は、以
後本願第一発明の場合と同様にして、自己焼結性を有す
る炭素粉と混合され、成形され、炭化・黒鉛化処理され
て、所望の炭素−炭素複合材となる。

発明の効果 本発明方法によれば、樹脂、ピッチなどの含浸を行なう
ことなく、成形、炭化、黒鉛化という簡単な工程により
、緻密且つ均一な組織を有する、高密度の炭素−炭素複
合材を安価に製造することが出来る。すなわち、従来法
が主として行っている固体（繊維）に液状物（液体）を
加圧含浸させるという頻雑な方法ではなく、混合粉体を
単に加圧成形するという簡単な工程により、高密度の炭
素−炭素複合材が製造できる点に大きな利点がある。

また、原料として、未炭化の繊維と炭素粉とを使用する
ので、焼成時の収縮が繊維部分とマトリックスとでほぼ
均等に起こる。そのため、通常の炭素−炭素複合材にお
いてみられる様な繊維とマトリックス間の界面での隙間
などは、発生しないので、このことも、高密度の炭素−
炭素複合材が得られる一つの理由となっている。

実施例 以下に実施例および比較例を示し、本発明の特徴とする
ところをより一層明確にする。

実施例１ 石炭系の光学的等方性ピッチから常法により得られた不
融化繊維（糸径１５μｍ、糸長０．　５ｍｍ）１００部
に中心粒径７μｍのコールタール系メソカーボンマイク
ロビーズ９００部を加え、均一に混合した。

得られた混合物を成形圧力２トン／Ｃ−の成形圧力で直
径５０ｓｎｘ長さ１０ａ＋層の大きさに成形し、１５０
℃／時間の速度で１０００℃まで昇温し、同温度で１時
間保持して焼成した後、５００℃／時間の速度で２８０
０℃まで加熱し、２０分間保持した。

かくして、密度１．８９ｇ／ｃｍ３、曲げ強度８９０ｋ
ｇ／ｃｌの炭素−炭素複合材が得られた。

実施例２ 石炭系の光学的異方性ピッチから常法により得られた不
融化繊維（糸径１０μｍ１糸長０．　５＋＋ｕ＋＋）１
００部に中心粒径７μｍのコールタール系メソカーボン
マイクロビーズ９００部を加え、均一に混合した。

以後実施例１と同様にして得られた炭素−炭素複合材の
物性は、密度１．８７ｇ／ｃｍ’　、曲げ強度６６５ｋ
ｇ／ｃＪであった。

実施例３ 石炭系の光学的等方性ピッチから常法により得られた不
融化繊維（糸径１５μｍ１糸艮６ｍｍ）１００部に中心
粒径７μｍのコールタール系メソカーボンマイクロビー
ズ９００部を加え、均一に混合した。

以後実施例１と同様にして得られた炭素−炭素複合材の
物性は、密度１．８２ｇ／ｃｍ”　、曲げ強Ｗ７９１ｋ
ｇ／ｃｄであった。

実施例４ 石炭系の光学的等方性ピッチから常法により得られた不
融化繊維（糸径１５μｍ１糸長６關）１００部にタール
５００部を加え、常温で１５分間攪拌した後、濾過し、
さらに５００部のトルエンを加えて、３０分間攪拌し、
濾過し、Ｎ２気流中１５０℃で３時間乾燥した。

次いで、得られたタール処理不融化繊維３０部に中心粒
径７μｍのコールタール系メソカーボンマイクロビーズ
７０部を加えた後、均一に混合した。

得られた混合物を実施例１と同様にして成形し、焼成し
、黒鉛化して、所望の炭素−炭素複合材を得た。

得られた炭素−炭素複合材の物性は、密度１．８５ｇ／
ｃｍ３、曲げ強度８５０ｋｇ／ｃＪであった。

実施例５ 中心粒径５μｍのコールタール系メソカーボンマイクロ
ビーズを使用する以外は実施例４と同様にして、密度１
．８７ｇ／ｃｍ３、曲げ強度８６０ｋｇ／ｃｄの炭素−
炭素複合材を得た。

比較例１ 石炭系の光学的等方性ピッチから常法により得られた炭
化繊維（糸径１５μｍ１糸長０．　５ｍｍ）１００部に
中心粒径７μｍのコールタール系メソカーボンマイクロ
ビーズ９００部を加え、均一に混合した。

以後実施例１と同様にして炭素−炭素複合材を得たが、
その物性は均一なものであったが、密度１．７１ｇ／ａ
ｍ３、曲げ強度４４４ｋｇ／（＋＃であり、本発明品に
比して劣るものであった。

比較例２ 石炭系の光学的等方性ピッチから常法により得られた黒
鉛化繊維（糸径１５μｍ１糸艮０．　５ｍｍ）１００部
に中心粒径７μｍのコールタール系メソカーボンマイク
ロビーズ９００部を加え、均一に混合した。

以後実施例１と同様にして炭素−炭素複合材を得たが、
その物性は、極めて低く、密度および曲げ強度を測定す
ることは、不可能であった。

比較例３ 石炭系の光学的異方性ピッチから常法により得られた炭
化繊維（糸径１０μｍ１糸長３＋ｍ）１００部に中心粒
径７μｍのコールタール系メソカーボンマイクロビーズ
９００部を加え、均一に混合した。

以後実施例１と同様にして炭素−炭素複合材を得たが、
その物性は均一であったが、密度１．５１ｇ／ａｍ３、
曲げ強度９５ｋｇ／ｃ−であり、本発明品に比して著る
しく劣るものであった。

（以　上）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）原料ピッチを紡糸して得たピッチ繊維またはこれ
   を不融化して得た不融化繊維と自己焼結性を有する炭素
   粉とを混合し、成形し、炭化・黒鉛化することを特徴と
   する炭素−炭素複合材の製造方法。
2. （２）原料ピッチを紡糸して得たピッチ繊維またはこれ
   を不融化して得た不融化繊維を粘結成分含有材料により
   表面処理し、有機溶媒により洗浄し、乾燥した後、自己
   焼結性を有する炭素粉を混合し、成形し、炭化・黒鉛化
   することを特徴とする炭素−炭素複合材の製造方法。