JPH0230664A - 金属と接合した炭素繊維強化炭素複合材料及びその製造方法 - 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、金属と接合した炭素繊維強化複合材料及びそ
の製造方法に関する。

（従来の技術） 炭素繊維強化複合材料（以下、Ｃ／Ｃ複合材という）は
、軽量、高強度であり、耐熱、耐食性に優れているとい
う特徴を有する。このため、ロケットノズル、ノーズコ
ーン、航空機のディスクブレーキなどの航空宇宙材料、
発熱体、ホットプレス鋳型、その他の機械部品、原子炉
用部材等に用いられている。

このＣ／Ｃ複合材は、一般にポリアクリロニトリル系、
ピッチ系等の長繊維もしくは短繊維の炭素繊維にフェノ
ール樹脂、フラン樹脂等の熱硬化性樹脂又はピッチ等の
熱可塑性樹脂等のマトリックス物質を含浸又は混合して
、加熱成形したものを不活性ガス等の非酸化性答囲気に
おいて、１００〜１０００℃程度で焼成、さらにピッチ
、樹脂を含浸した後炭化焼成するが、化学蒸着法を用い
る方法、あるいはこれらを組合わせる方法を用いて緻密
化した後、必要に応じて黒鉛化することにより製造され
ている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、得られるＣ／Ｃ複合材を、特に一方向、
すなわち厚み方向に熱を有効に伝導又は除去する用途に
使う必要がある場合には、必ずしも満足すべきものとは
いえず、実用に供するには問題があった。

そこで、本発明者らは、上述の不十分さな克服したＣ／
Ｃ複合材を得るべく、種々検討を行ない、一方向の熱伝
導率を大きくし、かつそれと直角方向の強度をも併せて
向上したＣ／Ｃ複（１）（＋）（＋）金属を接合した炭
素繊維強化複合材料であって、（ｉｉ）該炭素複合材料
は、炭素繊維が実質的に厚み方向に配向しており、厚み
方向に直角の方向の熱伝導率に対する厚み方向の熱伝導
率の比率が２以上であり、かつ厚み方向の熱伝導率が３
　Ｗ　／　ｃｍ・℃以上であり、かつ（ｉｉｉ）金属は
、該炭素複合材料の厚み方向と実質的に直角をなす片面
に接合されてなる、ことを特徴とする金属と接合した炭
素繊維強化炭素複合材料、及び （２）炭素繊維の長繊維を熱硬化性樹脂に含浸し、これ
を加熱して繊維／樹脂の複合体を得、この複合体を目的
とする複合材料の厚み方向より長く切断し、互いに実質
的に平行となるように一方向に揃えて、その繊維の長さ
方向に直角の方向に圧力を加え、成形して樹脂を硬化し
、ついで炭化し、さらにこれをピッチ又は熱硬化性樹脂
に含浸した後、炭化、必要に応じて黒鉛化し、炭素繊維
強化複合材料を得、ついで該炭素複合材料の厚み方向と
実質的に直角をなす片面に、金属を接合することを特徴
とする金属と接合した炭素繊維強化炭素複合材料の製法
にある。

（問題点を解決するための手段） 以下、本発明の詳細な説明する。

本発明で使用する炭素繊維は、ポリアクリロニトリル（
ＰＡＮ）系、ピッチ系炭素繊維あるいは気相成長法炭素
繊維等、いずれの種類でもよいが、特に繊維軸方向の熱
伝導率が高い高特性のピッチ系炭素繊維が好適である。

本発明に係る金属と接合したＣ／Ｃ複合材はこのような
炭素繊維を用いて得られ、炭素繊維が実質的に厚み方向
に配向しており、厚み方向に直角の方向の熱伝導率に対
する厚み方向の熱伝導率の比率がコ以上であり、かつ厚
み方向の熱伝導率が、？　Ｗ　／　ｔｙｎ・℃以上であ
るＣ／Ｃ複合材の厚み方向と実質的に直角をなす片面に
金属を接合してなることを特徴とする。

そして、このよりなＣ／Ｃ複合材は、次のような方法に
よって得られる。

まず、炭素繊維の長繊維を熱硬化性樹脂に含浸し、これ
を加熱して半硬化させる。

熱硬化性樹脂としては、例えばフェノール樹脂、フラン
樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等が挙げ
られるが、フェノール樹脂特にレゾール型のフェノール
樹脂が好適に使用できる。これらの熱硬化性樹脂は通常
エタノールのようなアルコール類、ヘキサンのよ５な炭
化水素あるいはアセトンといった溶剤で溶解希釈して用
いる。

熱硬化性樹脂溶液の濃度としては通常！θ〜７θｗｔ％
、好ましくは２．０〜７０ｗｔ％の範囲のものを使用す
る。

また、フラン樹脂、エポキシ樹脂等硬化材を要するもの
は硬化剤も溶液中に添加される〜がその量はそれぞれの
樹脂に適した量が添加される。

かかる熱硬化性樹脂溶液に炭素繊維の長繊維を含浸する
方法としては、溶液中に炭素繊維を浸漬するといった簡
単な方法で良いが、長繊維ロービングであれば溶液の満
たされた槽内を連続的に走行させる方法が処理の効率の
点から好ましい。また、この際に溶液の満された槽に１
０−！０ＫＨｚ程度の超音波を作用させておくと各単繊
維間、織目間の気泡等による処理むらの影響を防ぐこと
ができるので好ましい。

熱硬化性樹脂溶液に含浸した炭素繊維は例えばローラー
を通すなどして余分な溶液を除去し、次いで加熱処理を
施される。

該加熱処理により、熱硬化性樹脂は熱硬化される。加熱
処理の条件は使用する熱硬化性樹脂の種類によってそれ
ぞれ適正条件は異なるが通常ＳＯ〜３００℃、好ましく
はｇｏ〜２００　’Ｃ。

の温度で０．２〜５時間、好ましくは０．２〜２時間加
熱処理される。この際、炭素繊維に塗布された熱硬化性
樹脂溶液からの急激な溶剤の脱離を避るため所定の温度
への昇温を徐々に行なわれることが望ましい。また、加
熱処理は炭素繊維を連続的に加熱炉内を走行させる方法
で行なうのが処理の効率の点から好ましい。

ついで、得られた繊維／樹脂の複合体を目的とするＣ／
Ｃ複合材の厚み方向より長く切断すい 少し長り範囲から選定され、たとえば／左〜１００ｔａ
ｎから選ばれる。切断された複合体は、互いに実質的に
平行となるように一方向に揃えられ、その繊維の長さ方
向に直角の方向に圧力を加え、加熱、成型する。

たとえば、金型にロート状の道具を使用して複合体を共
給することにより金型内に実質的に平行になるように揃
え、樹脂の硬化のために必要な温度の加熱下に、繊維の
長さ方向に直角の方向に圧力を加えて樹脂を硬化させる
ことにより成型体を得る。

その後、成型体を容器に入れ、成型体をコークスプリー
ズで取囲むような形とした後、容器を電気炉に入れ、必
要に応じてＮ２ガス流通下で／　０００℃程度まで昇温
して炭化する。

必要に応じては、さらに黒鉛化炉に入れ、不活性雰囲気
下で５ｏｏｏ℃以上の温度まで熱処理する。

ついで、得られた炭化物もしくは黒鉛化物を石油系、石
炭系ピッチあるいはフェノール樹脂、７ラン樹脂等の熱
硬化性樹脂に含浸した後、また、熱硬化性樹脂を用いた
場合には樹脂を硬化させて後炭化させる。

その際、熱硬化性樹脂は、アルコール、アセトン、アン
トラセン油等の溶媒に溶解して適当な粘度に調整したも
のを使用するのが一般的である。

また、この場合、圧力下に含浸する方法が好適に採用さ
れる。

たとえば、成型体の炭化物もしくは黒鉛化物とピッチを
低圧反応容器（オートクレーブ）内に入れ真空中で加熱
してピッチを溶解し、炭化物もしくは黒鉛化物がピッチ
の溶融液の中に浸漬した状態となった後、Ｎ２ガスを導
入して低圧でｓｈｏ〜６０θ℃程度に昇温する。

その後、冷却して炭化物もしくは黒鉛化物の緻密化物を
取出し、前述と同様の方法でこれを／　０００℃程度ま
で炭化し、必要に応じて黒鉛化する。

以上のいわゆる緻密化の方法を繰返して行なうことによ
り比重へ乙以上の高緻密のＣ／Ｃ複合材を得る。

この際、繊維／樹脂複合体の樹脂含量や緻密化が不十分
であったり、炭化、黒鉛化の際の昇温速度が大きすぎる
と繊維の長さ方向に直角の方向の強度が小さくなり、場
合によっては破壊に至るので適切な条件を選ぶ必要があ
る。また、黒鉛化温度を高くしたほうが高い熱伝導率が
得られやすい。

得られたＣ／Ｃ複合材は厚み方向に高い熱伝導率、電気
伝導率を有する。

本発明においては、ついで、このＣ／Ｃ複合材の厚み方
向と実質的に直角をなす片面に金属を接合する。

金属は、得られるＣ／Ｃ複合材の使用目的に応じ種々の
ものを用いることができるが、たとえばＴｉ％Ｃｕ％Ｆ
ｅ％Ｎｉ、Ｃｒ等あるいはこれらを主体とする合金等か
ら選ぶのか一般的である。

耐熱性等を要求さｎる場合にはＴｉもしくはＴｉ合金系
が好適である。合金系としては、たとえばＴｉの場合、
Ａｔ、Ｖ等を含むものが好適に使用される。これらの金
属は、通常５１程度以下、好ましくは０．／＝　　ｆ　
　ａｍの薄板として用いらｔ５接合は、真空ろう付、拡
散接合、ＨＩＰ（ホット・アイソスタティック・プレス
）等の常法によることができる。

本発明におけるＣ／Ｃ複合材は、厚み方向に熱伝導、電
気伝導が一方向に高いものであシ、熱を有効に除去した
シ伝達したりしうる。また、厚み方向と直角の方向の耐
熱衝軍性も高く、高温炉での使用に耐えるものである。

すなわち、本発明のＣ／Ｃ複合材は、その厚み方向（１
）とその直角方向（〃）の熱伝導率の比率が２以上、好
ましくは７以上、最適には１０以上であシ、かつ、厚み
方向（１）の熱伝導率が３　Ｗ　／　ｃｍ・℃以上であ
シ、たとえば、その一方の面に高温度に加熱された物質
を置いても厚み方向の熱伝導率が高いため、他方９面に
熱が伝わシやすく１．この他方の面に冷却水を流した部
分を接触させることによシ、この加熱した物質を有効に
冷却することができる。すなわち〜熱交換によシ、物質
を冷却する場合に有効に使用しうる。

なお、本発明において、繊維軸方向の熱伝導率が大きい
ピッチ系、特に石炭ピッチ系の高特性の炭素繊維を用い
ると、その効果がよシ大きくなるので好適である。

（実施例） 以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、
本発明はこれらの実症例に限定されるものではない。

実施例１ ピッチ系炭素繊維（三菱化成株式会社製”ダイアリード
ＩＩ、０００フィラメント、繊維径ｌθμ）の長繊維を
、フェノール樹脂のエタノール溶液に浸漬し、ついでこ
れを乾燥器に入れ７０℃でエタノールを除去した後、１
００℃以上に昇温してフェノール樹脂を半硬化させた。

得られた繊維／樹脂の複合体（トウプリプレグ）（炭素
繊維：樹脂ｓ６：９ｔｙ、重量比）を長さグｏｒｒｍに
切断した。このものは、繊維が樹脂で固めらｎ、棒状で
剛直であった。この切断した複合体を互いに平行になる
ように金型内に一方向に揃えて並べ、目的とするＣ／Ｃ
複合材の寸法よシ大きくなるような形状に充填した。

ついで、１５０℃で低圧を付加し、１時間で２５０　’
Ｃまで昇温し、２！；０℃で１時間保持し、成型、硬化
した。

成型後の寸法は、１０八りＸ　／　２０．！；　Ｘ　ｔ
ｌＯ１１順であった。

ついで、この成型品をコークスプリーズを詰めた容器の
中に入れコークスプリーズでおおった状態で、約５０時
間かけて／　０００　℃まで昇温し樹脂の炭化を行なっ
た。

ついで、この炭化した複合材と固形のピッチをオートク
レーブに入れ、減圧状態のまま２ｓ。

℃まで昇温し、ついでＮ２　ｋ入ｎることによシ雰囲気
を陽圧とした後、昇温しｇ時間でｇｏ。

℃まで到達させた後、ＳＯＯ℃で７時間保持したＯ 昇温の際に圧力は、オートクレーブに付属したパルプを
使って一定に保持した。

オートクレーブを冷却し、複合材を取出し一成型品の炭
化と同様の方法で／　ｏ　ｏ　ｏ　’Ｃまで炭化した。

上記のオートクレーブ処理とその後の炭化処理を合計３
回行なった後、これを黒鉛化炉に入れアルゴン雰囲気中
１．ｔｇｏｏ′ｃまで昇温した後、冷却し、Ｃ／Ｃ複合
材を得た。

得られたＣ／Ｃ複合材の嵩密度は八ｇ　１７７　ｍ”で
、厚み方向（繊維軸と同一方向）とそれに直角の方向の
熱伝導率をレーザーフラッシュ法熱定数測定装置（真空
理工製）で測定した。

厚み方向の熱伝導率は、、？、７０　Ｗ／　ｃｍ・℃、
厚み方向に直角の方向の熱伝導率は０．３　／　ｗ／ｃ
ｍ・℃であり、その比率は／コ、Ｑであった。

なお、このものは２！；００℃に加熱された黒鉛化炉内
に急速に入れても破壊せず、耐熱衝撃性にも優れていた
。

ついで、このＣ／Ｃ複合材を用いて、この厚み方向と実
質的に直角ｔなす片面に純Ｔｉ板を接合した。

すなわち、厚み約０．３順の純Ｔｉ板（融点約ｔｔ、ｑ
ｓ℃）上にＣｕろうを置き、さらにその上に上記Ｃ／Ｃ
複合材を置いて約／　ｋｇの重しをかけ、真空炉中でｌ
約時間かけて昇温しで約ｉｏ、５′ｏ℃で５分間保持し
、目的とするＴｉ接合したＣ／Ｃ複合材を得た。

得られたＣ／Ｃ複合材は、厚み方向に直角の方向につい
ても、補強効果を十分に有していた。

実施例コ 実施例／において、成型後の寸法を／２２×／３り×弘
り■とじたこと及びオートクレーブ処理“とその後の炭
化処理を合計９回行なったことのほかは、実施例／と同
様にしてＣ／Ｃ複合材を得た。

得られたＣ／Ｃ複合材の嵩密度は八ｔｒｔｙ／ｄであっ
た。厚み方向の熱伝導率は３．４／、厚み方向に直角の
方向の熱伝導率は０．５７であシ、その比率はり、０ｇ
であった。

このＣ／Ｃ複合材は；ｔ！ＴＯＯ℃に加熱された黒鉛化
炉内に急速に入れても破壊せず、耐熱衝撃性にもすぐれ
ていた。

ついで、このＣ／Ｃ複合材を用いて実施例／と同様な方
法によシ、片面に純Ｔｉ板？接合した。得られたＣ／Ｃ
複合材は、厚み方向に直角の方向についても、補強効果
を十分に有していたＯ （発明の効果） 本発明に係るＣ／Ｃ複合材は、その厚み方向に大きい熱
伝導率、電気伝導率を有し、かつそれと直角方向にも補
強効果を有するため、特に一方向の熱もしくは電気の伝
導を必要とする場合に使用すると有効であシ、たとえば
熱除去、熱伝達をするような熟交換の材料あるいはスイ
ッチ材料などに使用しうる。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）（ｉ）金属を接合した炭素繊維強化炭素複合材料
   であって、 （ｉｉ）該炭素複合材料は、炭素繊維が実質的に厚み方
   向に配向しており、厚み方向に直角 の方向の熱伝導率に対する厚み方向の熱伝 導率の比率が２以上であり、かつ厚み方向 の熱伝導率が３Ｗ／ｃｍ・℃以上であり、かつ （ｉｉｉ）金属は、該炭素複合材料の厚み方向と実質的
   に直角をなす片面に接合されてなる、 ことを特徴とする金属と接合した炭素繊維強化炭素複合
   材料。
2. （２）炭素繊維の長繊維を熱硬化性樹脂に含浸し、これ
   を加熱して繊維／樹脂の複合体を得、この複合体を目的
   とする複合材料の厚み方向より長く切断し、互いに実質
   的に平行となるように一方向に揃えて、その繊維の長さ
   方向に直角の方向に圧力を加え、成形して樹脂を硬化し
   、ついで炭化し、さらにこれをピッチ又は熱硬化性樹脂
   に含浸した後、炭化、必要に応じて黒鉛化し、炭素繊維
   強化炭素複合材料を得、ついで該炭素複合材料の厚み方
   向と実質的に直角をなす片面に金属を接合することを特
   徴とする金属と接合した炭素繊維強化炭素複合材料の製
   造方法。