JPH02258676A - 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） この発明は炭素／炭素複合材料の製造法に係り、特に炭
素繊維強化プラスチック（以下、ＣＦＲＰと言う）製の
一次成形品に所定の処理を加える炭素／炭素複合材料の
製造法に関するものである。

（従来の技術） 炭素／炭素複合材料は、１０００°Ｃ以上の高温におい
ても高強度、高弾゛性率を維持し、且つ熱膨張率が小さ
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。

炭素質ピッチは、その炭化収率が高いことから高密度炭
素材料及び炭素／炭素複合材料のマ）　ＩＪフックス原
料として利用されている。しかしながら、炭化時にガス
発生による気泡や亀裂等を生成するという欠点があり、
これを解決する方法としてｔｌｏｔ　ｌ５ｏｓｔａｔｉ
ｃ　Ｐｒｅｓｓｉｎｇ　（熱間静水圧加圧：旧Ｐ）が用
いられている。この場合、炭化時に発生するガスがヒー
ターや断熱材等の炉内部材を汚染し、場合によっては装
置破損をきたす恐れがある。

このため、炭素材料及び炭素／炭素複合材料の製造を目
的とした）ＩＩＰでは、原料をガラスあるいはステンレ
ス等の密閉型の容器（コンテナ）に入れる、所謂キャニ
ングが行われる。

しかしながら、密閉型の容器（コンテナ）を用いる場合
には、シール機能を付与するために、真空封入等のキャ
ニング工程が必要となり、さらに緻密化のための再含浸
時にはコンテナ削除と再キャニングが必要となる。この
ため製造プロセスが煩雑になるという問題があり、さら
にコンテナ内の発生ガスの内圧により、処理物にクラン
クが入ったり、コンテナの変形により炭素繊維の織物が
変形または損傷することがある。

そこで、本出願人は開放型の容器を使用した炭素／炭素
複合材料の製造法を開発し、既に特願昭６２−３３００
１８号で出願済みである。この製造法によると上記の欠
点が解消された炭素／炭素複合材料が得られる。

なお、本発明に関連する先行技術としては、特願昭６３
−６３１７２号、特願昭６３−２８２３８７号、特開昭
６２−５９５０９号がある。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記特許に示されているＣＦＲＰから出
発しない旧Ｐによる製法だけでは強度特性を向上するに
は限界があり、さらに複雑な形状の部品に成形するため
の成形性の面でも改善の余地がある。

そこで、この発明は上記従来の欠点を解消するためにな
されたものであって、その目的は、−層強度特性が優れ
、且つ複雑な形状の部品を成形することができる炭素／
炭素複合材料の製造法を提供することにある。

（課題を解決するための手段） そこでこの発明の第１請求項による炭素／炭素複合材料
の製造法では、ＣＦＲＰ製の一次成形品を炭化処理及び
黒鉛化処理のいずれか一方又は双方を施した後に、上記
一次成形品に炭素質ピッチを含浸し、この含浸物を開放
型処理容器に入れ、熱間静水圧下で熱処理し、必要に応
じてさらに炭化処理及び黒鉛化処理のいずれか一方又は
双方を施している。

上記第１請求項の製造法においては、（：ＦＲＰ一次成
形品を使用することにより、強度特性が従来より向上し
、複雑形状への対応が容易になる。

次に第２請求項では更に上記一次成形品として、炭素繊
維のトウに熱硬化性樹脂、例えばフェノール樹脂または
フラン樹脂などを含浸し、この含浸物を加圧下で熱処理
して製造している。

上記第２請求項においては、良質な一次成形品を製造す
ることが可能になる。

第３請求項では、更に上記加圧熱処理を排気機構付旧Ｐ
にて行っている。

この第３請求項においては、多量の処理物から発生する
ガスを排気しながら熱処理を行うために、開放型処理容
器を用いてもＨＩＰ装置の汚染、破損が起こることなく
多量のＩＩＩＰ処理を施すことが可能となる。

以下、この発明による炭素／炭素複合材料の製造法につ
いて詳述する。

この発明の方法により炭素／炭素複合材料を製造する場
合には、旧Ｐ装置による熱処理工程の前に、ＣＦＲＰ製
の一次成形品を製造する。一次成形品は炭素繊維のトウ
に熱硬化性樹脂を含浸し、必要に応じて室温〜胃散＋°
Ｃで乾燥する。この含浸物をキュアー工程で加圧下にお
いて熱処理してＣＦＲＰを製造する。キュアー工程では
、加圧用の一軸プレス又はオートクレーブを用いて数ｋ
ｇ　／　ｃｎｌ〜数百ｋｇ／ｃｆｆｌの圧力下で胃散十
°Ｃに加熱する。さらに必要ならば５０℃〜数百°Ｃで
ポストキュアーを施す。

上記熱硬化性樹脂とは、フェノール樹脂あるいはフラン
樹脂単独あるいはそれらの混合樹脂あるいはエポキシ樹
脂など他の樹脂と混合した熱硬化性樹脂を言う。含浸の
際には粘度を下げるために、溶剤でカットバックしたり
、加熱することもできる。溶剤としては、メチルエチル
ケトン、メタノール、キシレン等が使用できる。

上記−吹成形品用の炭素繊維としてはピッチ系、ポリア
クリロニトリル系あるいはレーヨン系のいずれも使用で
きるが、ピッチ系炭素繊維が好ましい。また炭素繊維は
、通常直径５〜１００μｍの炭素繊維の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、フェルト状成形物等のように２次元
あるいは３次元に成形して用いる。

次にこの発明の製造法によると、上記一次成形品に炭化
処理及び黒鉛化処理の何れか一方又は双方を順次に施す
。この熱処理工程の炭化処理は６００〜２０００°Ｃで
行い、黒鉛化処理は２０００〜３０００°Ｃで行う。以
上の熱処理工程の後に炭素質ピッチ含浸工程へ進み、上
記一次成形品に炭素質ピッチを含浸する。次の工程で当
該含浸物は開放型容器に入れられて、ＨＩＰ装置で旧Ｐ
処理される。

この発明でいう炭素質ピッチとは、軟化点１００〜４０
０°Ｃ１好ましくは１５０〜３５０°Ｃの範囲の石炭系
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、光学的異方性相の含量が６０〜１００％
の光学的異方性ピッチが特に好ましく用いられる。

炭素質ピッチの含浸は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、キノリン等が使用できる
。

開放型処理物容器とは、シール機能のない容器である。

材質としては、軟鋼、ステンレス等の金属、ガラス、黒
鉛あるいはセラミックス等が使用温度あるいは使用目的
等によって適宜選択できる。

本発明者らの検討結果によれば、上記炭素質ピッチを熱
間静水圧加圧により熱処理する場合には、密閉型容器を
使用せずとも、被処理物の形状が維持でき、しかも開放
型容器を使用する場合には、発生ガスの内圧により、処
理物にクラックが入るのを防止できることが判明した。

なお、この開放型容器内に処理品からの発生ガスを物理
的あるいは化学的に捕獲するもの、例えばカーボンフェ
ルト、耐火物フェルト、鉄粉等を充填することもできる
。

この発明において、開放型容器を用いることにより、十
分な効果を達成できるが、必要に応じ、例えば多量の処
理物を熱処理する場合には、排気機構付器Ｐ装置を用い
ることが好ましい。排気機構付旧Ｐとは、■Ｐ中に被処
理物から発生するガス成分を連続制御して排出できる機
構を有する装置であり、具体的には発生するガスの除去
量をその生成量や拡散速度に応じて調節できる排出機構
を備えた装置である。このガス排出機構は、炉内圧媒ガ
スとの熱交換器及び炉外での冷却器、減圧装置、流量調
節弁等より成る。この排気機構付器Ｐ装置の詳細は本発
明者による特願昭６２−２５３１７号に詳しく記載され
ている。

このＨＩＰ装置における加圧熱処理の条件は、不活性ガ
スにより５０〜１００００　ｋｇ／ｃ＋ｉｌ、好ましく
は２００〜２０００ｋｇ／ｃｆｆｌに加圧し、１００〜
３０００’Ｃ，好ましくは４００〜２０００°Ｃにおい
て実施することができる。

圧媒ガスとしてはアルゴン、窒素ヘリウム等の不活性ガ
スが使用できる。さらに、排気機構付ＨＩＰ装置を用い
る場合には、熱処理時に生成するガスを分析しながら操
作を行うことができるのも大きな特徴であり、本発明者
らの検討によれば、Ｃ２以上のガスが実質上生成しなく
なるまで熱処理を行うのが望ましい。ここでいう実質上
生成しなくなるとは、排気ガス中の濃度が１０ｐｐｍ以
下、好ましくは５ｐｐｍ以下になることをいう。

ＨＩＰ装置において加圧熱処理した処理物は、必要に応
じてさらに炭化処理及び黒鉛化処理のいずれか一方又は
双方を行う。炭化処理は不活性ガス中で６００〜２００
０°Ｃ３黒鉛化処理は不活性ガス中で２０００〜３００
０°Ｃにおいて行う。

以上の炭素質ピッチ含浸工程から黒鉛化処理工程までの
工程は必要に応じて数回繰り返して行って、強度特性に
優れ、且つ複雑形状の炭素／炭素複合材料を製造する。

複合材料における炭素繊維の体積含有率は、目的によっ
て任意に決定されるが、通常は５〜７０％である。

（発明の効果） この発明の第１請求項による炭素／炭素複合材料の製造
法においては、ＣＦＲＰ製の一次成形品を使用するので
、強度特性を従来より向上でき、複雑形状の部品をも容
易に製造できる。

第２請求項においては、第１請求項の効果に加えて、更
に良質な一次成形品を製造することができる。

第３請求項においては、第１又は第２請求項の効果に加
えて処理物から発生するガスを排気機構で排出して多量
の処理物を能率よく旧Ｐ処理できる。また、発生するガ
スの量、質を監視することによって処理の進行状態を判
断することができ、ＨＩＰ処理を一層完全に施すことが
できる。

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

実１１１Ｌ 直径７μｍのＰＡＮ系炭素繊維の３０００本束の３次元
織物（直交織）にメチルエチルケトン１重量％を含むフ
ェノール樹脂溶液を含浸し、室温で１時間、８０°Ｃで
２時間乾燥させ、１５０″Ｃで１時間キュアー　２００
°Ｃで２時間ポストキュアーを行い、ＣＦＲＰ一次成形
品を得た。

このＣＦＲＰを窒素雰囲気中１５００°Ｃ１１時間炭化
処理を施した。繊維体積含有率は４０νｏｆ％であった
。

この成形品に軟化点２８０°Ｃの光学的異方性相１００
％の石油系ピッチを含浸し、ＨＩＰ装置で開放型容器に
入れて、アルゴンガスにより４００ｋｇ／ｃ＋ｆｌに加
圧した後に、４００°Ｃまで１°Ｃ／分、５５０°Ｃま
で０．５°Ｃ／分、８００°Ｃまで５°Ｃ／分、１００
０°Ｃまで２°Ｃ／分で昇温しで、加圧炭化処理した。

　１ｏｏｏ“Ｃにおける圧力は１０００ｋｇ／ｃｎｔで
あった。さらに窒素雰囲気中１５００℃、１時間の炭化
処理を施した。この含浸、ＨＩＰ、１５００°Ｃ炭化処
理を３回繰り返した。

得られた炭素／炭素複合材料はかさ密度１．７５ｇ／　
Ｃｔａであった。

実星炎ｌ 直径１０μｍのピッチ系炭素繊維の３０００本束の２次
元織物（平織）に、実施例１と同じフェノール樹脂溶液
を含浸し、室温で１時間、８０°Ｃで２時間乾燥させ、
この含浸物を６枚積層し、−軸加圧下で１時間キュアー
し、さらに２００°Ｃで２時間のポストキュアーを行い
、ＣＦＲＰ一次成形品を得た。

このＣＦＲＰを窒素雰囲気中２０００°Ｃ１１時間炭化
処理した。この結果、繊維体積含有率はそれぞれ６０シ
０１％であった。

この成形品に実施例１と同じ含浸、ＨＩＰ、１５００°
Ｃ炭化処理を３回施した。

得られた炭素／炭素複合材料はかさ密度１．８３ｇ／　
Ｃｔａ　、曲げ強度３５ｋｇ／ｍｍ”であった。

止較±１ 実施例２と同じＣＦＲＰ−吹成形体を、実施例２と同じ
２０００°Ｃ炭化処理及び含浸をし、常圧窒素雰囲気で
実施例１のＨＩＰ処理と同じ昇温条件で炭化処理を行い
、さらに２０００°Ｃ１時間の炭化処理を行った。この
含浸、１０００”Ｃ炭化処理及び２０００’Ｃ炭化処理
を３回繰り返した。

得られた炭素／炭素複合材料ばかさ密度１．５３ｇ／　
ｃＪ、曲げ強度１０ｋｇ／ａｍ”であり、ち密化がほと
んどなされていなかった。

裏廉拠主 実施例２と同じＣＦＲＰ一次成形品を窒素雰囲気中で１
０００°Ｃ１時間炭化処理し、実施例１と同じピッチを
含浸した。

これを開放型容器に入れて、排気機構付ＨＩＰ装置でア
ルゴンガスにより１０００ｋｇ／ｃａｔに加圧Ｌ、２Ｎ
ポ／時間で排気しながら、５５０°Ｃまで１°Ｃ／分、
１０００°Ｃまで３°Ｃ／分で昇温しで加圧炭化処理し
た。この含浸、ＨＩＰ処理を２回繰り返した。

得られた炭素／炭素複合材料ばかさ密度１．８８ｇ／　
ｃｒ＆　、曲げ強度４０ｋｇ／ｍｍ”であった。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. １．炭素繊維強化プラスチック製の一次成形品を炭化処
   理及び黒鉛化処理のいずれか一方又は双方を施した後に
   、上記一次成形品に炭素質ピッチを含浸し、この含浸物
   を開放型処理容器に入れ、熱間静水圧加圧下で熱処理し
   、必要に応じてさらに炭化処理及び黒鉛化処理のいずれ
   か一方又は双方を施すことを特徴とする炭素／炭素複合
   材料の製造法。
2. ２．一次成形品は、炭素繊維のトウに熱硬化性樹脂を含
   浸し、この含浸物を加圧下で熱処理して製造することを
   特徴とする上記第１請求項に記載の炭素／炭素複合材料
   の製造法。
3. ３．加圧熱処理を排気機構付熱間静水圧加圧装置にて行
   うことを特徴とする上記第１又は第２請求項に記載の炭
   素／炭素複合材料の製造法。