JPH03177358A - Carbon fiber-reinforced carbon composite material and its production - Google Patents

Carbon fiber-reinforced carbon composite material and its production

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JPH03177358A
JPH03177358A JP1316098A JP31609889A JPH03177358A JP H03177358 A JPH03177358 A JP H03177358A JP 1316098 A JP1316098 A JP 1316098A JP 31609889 A JP31609889 A JP 31609889A JP H03177358 A JPH03177358 A JP H03177358A
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JP
Japan
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silicon carbide
composite material
composite
carbon fiber
layer
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JP1316098A
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Japanese (ja)
Inventor
Kazuhiro Hasegawa
和広 長谷川
Jiro Hiramoto
治郎 平本
Tsuneo Kaneshiro
庸夫 金城
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JFE Steel Corp
Original Assignee
Kawasaki Steel Corp
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To provide the subject composite material having high strength and high oxidation resistance by forming a porous silicon carbide film on the surface of the subject composite material treated with silicon carbide for sealing and having a bulk density of >=a specified value and forming a chemical vapor deposition film of silicon carbide thereon. CONSTITUTION:Pore parts 2' of a carbon fiber-reinforced carbon composite material (C/C composite) 1 are impregnated with silicon carbide 2 preferably by the chemical vapor deposition method to make its bulk density >=1.85g/cm<3>. The above impregnated composite material is used as a substrate and the surface part of the substrate is subjected to the diffusion reaction method for conversion into silicon carbide so as to form a porous silicon carbide layer 3 followed by further formation of a silicon carbide layer 4 thereon using the chemical vapor deposition method. If the bulk density of the above-mentioned substrate is <1.85g/cm<3>, diffusion of the Si source for formation of silicon carbide into the central part of the C/C composite 1 during the diffusion reaction process can not be prevented effectively. In addition, the above-mentioned layer (modified layer) 3 can relieve thermal stress produced by the difference between the thermal expansion coefficient of the layer 4 and that of the C/C composite material 1.

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、航空・宇宙産業分野あるいは、原子炉用部材
等の高温雰囲気において、繰り返し使用に耐える炭素繊
維強化炭素複合材料に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION <Industrial Application Field> The present invention relates to a carbon fiber-reinforced carbon composite material that can withstand repeated use in the aerospace industry or in high-temperature atmospheres such as parts for nuclear reactors.

〈従来の技術〉 炭素材料は、電気、熱の良導体であると同時に、耐熱性
、耐食性、潤滑性など数多くのユニークな物理的、化学
的性質を有しており゛、人造黒鉛電極、冶金用炭素黒鉛
製品、放電加工用電極、電機用ブラシ、機械用炭素製品
など広範囲の分野に用いられている。
<Conventional technology> Carbon materials are good conductors of electricity and heat, and at the same time have many unique physical and chemical properties such as heat resistance, corrosion resistance, and lubricity. It is used in a wide range of fields, including carbon graphite products, electrodes for electrical discharge machining, brushes for electrical equipment, and carbon products for machinery.

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)は、そのなかでも特に比強度が大きく、軽量性
および炭素材料の持つ優れた特性も兼ね備えているため
、従来の材料では適用できない部位、例えばロケットの
ノーズコーンやノズルなどへの適用が可能になる。
Carbon fiber-reinforced carbon composite materials (hereinafter referred to as C/C composites) have a particularly high specific strength, are lightweight, and have the excellent properties of carbon materials, so they can be used in areas where conventional materials cannot be used. For example, it can be applied to rocket nose cones and nozzles.

しかしながら、C/Cコンポジットそれ自体は500℃
程度から酸化を受けそれ自身の持つ優れた物理的、化学
的性質が低下するため、種々の耐酸化処理が検討され、
実際に適用されている。
However, the C/C composite itself is heated to 500°C.
Various oxidation-resistant treatments have been considered, as the excellent physical and chemical properties it possesses deteriorate due to oxidation.
actually applied.

そのなかで、化学気相蒸着法(以下、CVD法という)
によるセラミック被覆は最も一般的に行われている方法
の一つであり、例えば炭化けい素、炭化チタン、炭化ハ
フニウム、炭化タンタル等の炭化物、窒化けい素、窒化
チタン、窒化ジルコニウム、窒化はう素等の窒化物、ア
ルミナ、ジルコニア、シリカ等の酸化物、はう化ハフニ
ウム等のほう化物等種々の被覆を行うことができる。
Among them, chemical vapor deposition method (hereinafter referred to as CVD method)
Ceramic coating is one of the most commonly used methods, including carbides such as silicon carbide, titanium carbide, hafnium carbide, tantalum carbide, silicon nitride, titanium nitride, zirconium nitride, and boron nitride. Various coatings such as nitrides such as, alumina, zirconia, oxides such as silica, borides such as hafnium hydride, etc. can be applied.

しかしながら、この方法では基体となる炭素材料の塩度
を1000℃もしくはそれ以上にまで加熱しなければな
らない場合が多く、基体の冷却時に表面のセラミック皮
膜が割れたり、エリ離する場合が多かった。 これは、
基体と析出させるセラミック間の熱膨張率差が大きく、
最大歪が追随できないことが原因である。
However, in this method, it is often necessary to heat the carbon material serving as the base to a salinity of 1000°C or higher, and the ceramic coating on the surface often cracks or peels off when the base is cooled. this is,
There is a large difference in thermal expansion coefficient between the substrate and the ceramic to be deposited.
This is due to the fact that the maximum strain cannot be followed.

この現象を解決するためには、基体の熱膨張率を析出さ
せるセラよツクとほぼ同程度にすることにより解決でき
るが、C/Cコンポジットを基体として用いた場合、そ
の熱膨張率は炭素繊維自体の熱膨張率に拘束されて自由
に調節することができず、またその熱膨張率に合致した
耐熱耐酸化性を有するセラミック材料もないため、効果
的な方法ではなかった。
This phenomenon can be solved by making the thermal expansion coefficient of the base material almost the same as that of the ceramic that is deposited, but when a C/C composite is used as the base material, the thermal expansion coefficient of the carbon fiber This method has not been effective because it is restricted by its own coefficient of thermal expansion and cannot be freely adjusted, and there is no ceramic material with heat and oxidation resistance that matches the coefficient of thermal expansion.

特開昭61−26563号公報には、有機けい素高分子
化合物を溶融状態でC/Cコンポジットに強制含浸した
後、不活性ガス雰囲気下1200〜2000℃の温度で
焼成して含浸物を炭化けい素に転化する方法が開示され
ている。 しかし、この方法ではC/Cコンポジットの
密度が高い場合には溶融状態の有機けい素高分子化合物
を均一に含浸することができず、その結果アンカー効果
による高い密着性を有する皮膜が得られず、耐酸化性の
向上は期待できない。
JP-A No. 61-26563 discloses that after a C/C composite is forcibly impregnated with an organosilicon polymer compound in a molten state, the impregnated material is carbonized by firing at a temperature of 1200 to 2000°C in an inert gas atmosphere. A method of converting to silicon is disclosed. However, with this method, when the density of the C/C composite is high, it is not possible to uniformly impregnate the organosilicon polymer compound in the molten state, and as a result, a film with high adhesion due to the anchor effect cannot be obtained. , no improvement in oxidation resistance can be expected.

特開昭61−27248号公報には、C/Cコンポジッ
トに拡散法による炭化けい未被覆を行い、その外表面に
CVD法により窒化けい素皮膜を形成する方法が開示さ
れている。 この方法によれば、ある程度有効な耐酸化
皮膜の形成が可能となるが、窒化けい素を用いているた
め使用可能温度が約1400℃と低く、しかも高温での
強度低下が大きいため、熱負荷の大きな部位への適用は
困難である。 また、この方法では拡散反応によりC/
Cコンポジット表層部を炭化けい素化する場合、空孔部
からシリコン蒸気等の炭化けい素源が拡散していくため
表層部にとどまらず、C/Cコンポジットの中心部まで
炭化けい素化し、その結果体積膨張に伴う欠陥発生等の
理由によりC/Cコンポジット自体の強度が低下する。
JP-A-61-27248 discloses a method in which a C/C composite is not coated with silicon carbide by a diffusion method, and a silicon nitride film is formed on the outer surface by a CVD method. According to this method, it is possible to form a somewhat effective oxidation-resistant film, but since silicon nitride is used, the usable temperature is as low as approximately 1400°C, and furthermore, the strength decreases significantly at high temperatures, so heat load It is difficult to apply to large areas. In addition, in this method, C/
When converting the surface layer of a C/C composite into silicon carbide, silicon carbide sources such as silicon vapor diffuse from the pores, so the silicon carbide is converted not only to the surface layer but also to the center of the C/C composite. As a result, the strength of the C/C composite itself decreases due to the occurrence of defects due to volumetric expansion.

 この傾向は、−次元及び二次元のC/Cコンポジット
に特に著しい。
This tendency is particularly noticeable for -dimensional and two-dimensional C/C composites.

この強度低下の原因について鋭意研究を重ねた結果、主
に以下の原因によることが判明した。 すなわち、C/
Cコンポジットが1次元または2次元の場合、積層間の
空隙が特に大きく、そのためその空隙からSi蒸気やS
iOが拡散して主に層間をSiC化させ、積層間の密着
性を低下させる。 そのため、曲げ試験時には、試料は
最も応力の集中する点ではなく、層間から破断する。 
その結果、強度低下が引き起こされるものと考えられる
As a result of intensive research into the causes of this strength reduction, it was found that the following causes were mainly involved. That is, C/
When the C composite is one-dimensional or two-dimensional, the voids between the laminations are particularly large, so that Si vapor and S
iO diffuses and mainly converts the interlayers into SiC, reducing the adhesion between the laminated layers. Therefore, during the bending test, the sample breaks not at the point where stress is most concentrated, but from between the layers.
It is thought that this results in a decrease in strength.

〈発明が解決しようとする課題〉 C/Cコンポジットの耐酸化被覆技術では、効果的な皮
膜を得るために拡散反応法を用いて表層部を改質し、い
わゆる熱応力緩和層とする技術があるが、この方法では
拡散反応時(C/Cコンポジット自体の強度を著しく低
下させるという欠点があった。 また、緻密な皮膜を得
るためにCVD法を利用すれば、C/Cコンポジットと
の熱膨張率差のために剥離が生じ、効果的な耐酸化皮膜
とはならない。
<Problem to be solved by the invention> In the oxidation-resistant coating technology for C/C composites, in order to obtain an effective coating, a diffusion reaction method is used to modify the surface layer to create a so-called thermal stress relaxation layer. However, this method had the disadvantage of significantly reducing the strength of the C/C composite itself during the diffusion reaction.Also, if the CVD method is used to obtain a dense film, heat exchange between the C/C composite and the Due to the difference in expansion coefficient, peeling occurs and the film does not become an effective oxidation-resistant film.

本発明は、これらの問題を解決するために、C/Cコン
ポジット自体の強度低下をほとんど起こさず、しかも優
れた耐酸化性を有する炭素繊維強化炭素複合材料および
その製造方法を提供することを目的とする。
In order to solve these problems, the present invention aims to provide a carbon fiber-reinforced carbon composite material that hardly causes a decrease in the strength of the C/C composite itself and has excellent oxidation resistance, and a method for manufacturing the same. shall be.

く課題を解決するための手段〉 本発明の第1の態様によれば、炭化けい素により封孔処
理され嵩密度が1 、85 g/cm’以上である炭素
繊維強化炭素複合材料を基材として、その表層部に多孔
質の炭化けい素皮膜、さらにその上に炭化けい素の化学
蒸着皮膜を有することを特徴とする炭素繊維強化炭素複
合材料が提供される。
Means for Solving the Problems> According to the first aspect of the present invention, a carbon fiber-reinforced carbon composite material that has been sealed with silicon carbide and has a bulk density of 1.85 g/cm' or more is used as a base material. A carbon fiber-reinforced carbon composite material is provided, which has a porous silicon carbide film on its surface layer and a chemical vapor deposition film of silicon carbide thereon.

本発明の第2の態様によれば、炭化けい素により封孔処
理され嵩密度が1 、85 g/cr113以上である
炭素繊維強化炭素複合材料を基材として、その表層部に
炭化けい素化層、さらにその上に炭化けい素の化学蒸着
皮膜を有することを特徴とする炭素繊維強化炭素複合材
料が提供される。
According to the second aspect of the present invention, a carbon fiber-reinforced carbon composite material that has been sealed with silicon carbide and has a bulk density of 1.85 g/cr or more is used as a base material, and the surface layer thereof is silicon carbide-treated. A carbon fiber-reinforced carbon composite material is provided, comprising a layer and a chemical vapor deposited silicon carbide coating thereon.

本発明の第3の態様によれば、炭素繊維強化炭素複合材
料の空孔部分に化学気相蒸着法により炭化けい素を含浸
して嵩密度を実質的に1 、8537cm3以上とし、
しかる後拡散反応法により該炭素繊維強化炭素複合材料
の表層部を炭化けい素化し、さらじ化学気相蒸着法によ
り該炭化けい素層上部に炭化けい素皮膜を形成すること
を特徴とする炭素繊維強化炭素複合材料の製造方法が提
供される。
According to a third aspect of the present invention, the pores of the carbon fiber reinforced carbon composite material are impregnated with silicon carbide by chemical vapor deposition to substantially increase the bulk density to 1.8537 cm or more;
Thereafter, the surface layer of the carbon fiber-reinforced carbon composite material is converted to silicon carbide by a diffusion reaction method, and a silicon carbide film is formed on the silicon carbide layer by a chemical vapor deposition method. A method of manufacturing a fiber-reinforced carbon composite material is provided.

上記において、前記多孔質の炭化けい素皮膜または炭化
けい素化層の厚さは10〜700μmであるのが好まし
く、また、前記炭化けい素の化学蒸着皮膜の厚さは50
〜500μmであるのが好ましい。
In the above, the thickness of the porous silicon carbide film or silicon carbide layer is preferably 10 to 700 μm, and the thickness of the chemical vapor deposition film of silicon carbide is 50 μm.
It is preferable that it is 500 micrometers.

以下C本発明を更に詳細に説明する。The present invention will be explained in more detail below.

第1図は、本発明の炭素繊維強化炭素複合材料(C/C
コンポジット)の概略説明断面図の一例である。
Figure 1 shows the carbon fiber reinforced carbon composite material (C/C
FIG. 2 is an example of a schematic cross-sectional view of a composite.

同図に示すようじ、本発明のC/Cコンポジットは、炭
素繊維をバインダーを用いて積層加圧成形して得られた
成形体に硬化、焼成などを施し、ざらにm@化して得ら
れたC/Cコンポジットlと、C/Cコンポジット1の
空孔2′に含浸された炭化けい素2等の封孔材料とから
なる基材の表層部に、熱応力を緩和するための多孔質の
炭化けい素皮膜または表面改質により得られた炭化けい
素化層(改質層)3を形成し、この炭化けい素化層3上
に化学気相蒸着法(CVD法)により得られた炭化けい
素層4すなわち化学蒸着皮膜を有するものである。
The toothpick shown in the same figure, the C/C composite of the present invention, is obtained by laminating and press-molding carbon fibers using a binder, hardening and firing the molded body, and making it rough. A porous layer is provided on the surface layer of the base material consisting of C/C composite 1 and a sealing material such as silicon carbide 2 which is impregnated into the pores 2' of C/C composite 1. A silicon carbide film or a silicon carbide layer (modified layer) 3 obtained by surface modification is formed, and a silicon carbide layer 3 obtained by chemical vapor deposition (CVD) is formed on this silicon carbide layer 3. It has a silicon layer 4, that is, a chemical vapor deposition film.

ここで、C/Cコンポジット1と封孔炭化けい素2から
なる基材は、その密度が実質的に1.85g/m3以上
となるように封孔処理されていれば、空孔2′のすべて
に炭化けい素2が含浸している必要はなく、空孔2′が
残存していてもよい。
Here, if the base material consisting of the C/C composite 1 and the pore-sealing silicon carbide 2 has been pore-sealed so that its density is substantially 1.85 g/m3 or more, the pores 2' It is not necessary that all of the silicon carbide 2 be impregnated, and the pores 2' may remain.

本発明に用いられるC/Cコンポジットを構成する炭素
繊維として、平織、朱子織、綾織等の二次元織布や一次
元配向材、三次元配向材、フェルト、トウなどが用いら
れ、バインダーとしてはフェノール樹脂、フラン樹脂な
どの熱硬化性物質、タールピッチのような熱可塑性物質
を用いることができる。 前記炭素繊維は、バインダー
の含浸、塗布などの方法によりプリプレグ化し、積層加
圧成形して成形体とする。
As the carbon fibers constituting the C/C composite used in the present invention, two-dimensional woven fabrics such as plain weave, satin weave, and twill weave, one-dimensional oriented materials, three-dimensional oriented materials, felt, tow, etc. are used, and as the binder, Thermosetting substances such as phenolic resins and furan resins, and thermoplastic substances such as tar pitch can be used. The carbon fiber is made into a prepreg by impregnation with a binder, coating, etc., and then laminated and pressure-molded to form a molded body.

この成形体は、熱処理によってバインダーを硬化させ、
その後常法に従って焼成し、さらに必要に応じて黒鉛化
することによりC/Cコンポジットとする。 その後、
用途に応じて、含浸法、CVD法などにより緻密化を繰
り返すことにより、さらに高密度高強度なC/Cコンポ
ジットとすることもできる。 以上の工程によりC/C
コンポジットの嵩密度は実質的に1 、 6 g7cm
3前後に増加する。
This molded body is made by hardening the binder through heat treatment.
Thereafter, it is fired in accordance with a conventional method, and further graphitized as required to obtain a C/C composite. after that,
Depending on the application, a C/C composite with even higher density and higher strength can be made by repeating densification using an impregnation method, a CVD method, or the like. Through the above steps, C/C
The bulk density of the composite is practically 1,6 g7cm
Increases to around 3.

しかしながら、最も異方性が大きく結晶化度の高い黒鉛
の密度は2 、 25 g/cm3であることから、上
述のC/Cコンポジットはかなり多孔質であるというこ
とができ、このまま後工程である拡散反応処理を施した
場合、空孔からのシリコン蒸気等の拡散がC/Cコンポ
ジット中心部に至り、炭素繊維やマトリックスの変質、
炭素から炭化けい素に転化する場合の体積膨張に伴う欠
陥の導入等の理由でC/Cコンポジットの強度は著しく
低下する。
However, since the density of graphite, which has the greatest anisotropy and the highest degree of crystallinity, is 2.25 g/cm3, it can be said that the above-mentioned C/C composite is quite porous, and it can be used as is in the subsequent process. When diffusion reaction treatment is applied, diffusion of silicon vapor etc. from the pores reaches the center of the C/C composite, causing deterioration of the carbon fibers and matrix,
The strength of the C/C composite is significantly reduced due to the introduction of defects due to volume expansion when carbon is converted to silicon carbide.

本発明者等はC/Cコンポジットに存在する積層間の空
隙を予め封止することにより拡散反応法に伴う強度低下
を最小限に抑制することが可能であることを見い出した
The present inventors have discovered that by sealing the gaps between the laminated layers existing in the C/C composite in advance, it is possible to minimize the decrease in strength caused by the diffusion reaction method.

積層間の空隙を封止するための方法は化学気相蒸着法が
好ましい。 空孔(積層間の空隙も含む)処理方法とし
て一般に用いられている液体含浸法では、含浸剤の粘度
や表面張力を低下させるために溶剤を加えることが多く
、低沸点成分の揮発によりC/Cコンポジットに割れが
生じる、含浸焼成による妻止りが低くかつ長時間を要す
るために好ましくない。 それに対し化学気相蒸着法で
あれば、反応種はガスであるため、拡散可能な空孔の大
きさにはほとんど制限がなく、液体含浸法に比べ非常じ
短時間で同等以上の効果をあげ得るために好ましい。
A chemical vapor deposition method is preferred as a method for sealing the voids between the laminated layers. In the liquid impregnation method, which is generally used as a method for treating voids (including voids between laminated layers), a solvent is often added to reduce the viscosity and surface tension of the impregnant, and the volatilization of low-boiling components causes C/ This is not preferable because cracks occur in the C composite, and the end stop due to impregnation and firing is low and takes a long time. On the other hand, with chemical vapor deposition, since the reactive species is a gas, there is almost no limit to the size of the pores that can diffuse, and it can achieve the same or better effect in a much shorter time than the liquid impregnation method. preferred for obtaining.

化学気相蒸着法(CVD法)により炭素繊維強化炭素複
合材料の空孔部分(積層体間の空隙も含む)に含浸され
る材料は炭化けい素が好ましい。 それは、炭化けい素
が、拡散等により侵入してきた酸素を自らが取り込んで
酸化けい素を形成し、それ以上の拡散を防止でき、また
後述の拡散反応工程や化学気相蒸着工程において用いる
炭化けい素との親和性を有するためである。 炭化けい
素を含浸して得られるC/Cコンポジットの嵩密度は実
質的に1.85g/cm”以上とする必要がある。 す
なわち、嵩密度が1 、85 g7cm’未満であれば
、後述する拡散反応工程においてC/Cコンポジット中
心部まで炭化けい素を形成するためのシリコン源が拡散
するのを効果的に防止できない。
The material to be impregnated into the pores (including the voids between the laminates) of the carbon fiber-reinforced carbon composite material by chemical vapor deposition (CVD) is preferably silicon carbide. Silicon carbide takes in oxygen that has entered through diffusion etc., forms silicon oxide, and prevents further diffusion. This is because it has an affinity with the elements. The bulk density of the C/C composite obtained by impregnating silicon carbide must be substantially 1.85 g/cm" or more. In other words, if the bulk density is less than 1.85 g/cm", as described below In the diffusion reaction process, it is not possible to effectively prevent the silicon source for forming silicon carbide from diffusing to the center of the C/C composite.

炭化けい素を含浸して得られるC/Cコンポジットの嵩
密度範囲をさらに限定すれば上限は嵩密度2 、 15
 g/cm”以下であることが好ましい。 すなわち炭
化けい素による緻密化がそれ以上進行すると、厳しい熱
負荷条件下において、炭化けい素の熱膨張によりC/C
コンポジットが層間で剥離を起こすからである。
If the bulk density range of the C/C composite obtained by impregnating silicon carbide is further limited, the upper limit is a bulk density of 2 to 15.
g/cm" or less. In other words, if the densification by silicon carbide progresses further, the C/C will decrease due to thermal expansion of silicon carbide under severe heat load conditions.
This is because the composite causes peeling between layers.

上述の方法によって得られた空孔部分に炭化けい素を含
浸したC/Cコンポジットは拡散反応法によりその表層
部を炭化けい素に改質する必要がある。 すなわち、こ
の層(改質層)は後述のCVD法により析出させる緻密
な炭化けい素皮膜とC/Cコンポジット間の熱膨張率差
により生じる熱応力を緩和する、いわゆる熱応力緩和層
として必要なのである。 この熱応力緩和層すなわち改
質層を得るための拡散反応方法としては、金属シリコン
を含むセラミックス粉末中にC/Cコンポジットを埋段
させ、1500〜1900℃の温度で30〜3oo分間
反応を起させる方法、SiOを発生する原料粉末たとえ
ばコークスと二酸化けい素の等モルフ毘合物上部にC/
Cコンポジットを置き、1600〜2000℃の温度で
5〜3oo分間反応を行わせる方法などがあげられるが
、必ずしもこれらの方法に限定されない。 これらの方
法によれば、C/Cコンポジット自体を炭化けい素化す
るため、膜自体の密着性が強固になり、熱衝撃によって
も容易に剥離を起こさないという長所がある。
The C/C composite obtained by the above-described method, in which the pores are impregnated with silicon carbide, needs to have its surface layer modified to silicon carbide by a diffusion reaction method. In other words, this layer (modified layer) is necessary as a so-called thermal stress relaxation layer that relieves the thermal stress caused by the difference in thermal expansion coefficient between the C/C composite and the dense silicon carbide film deposited by the CVD method described below. be. The diffusion reaction method for obtaining this thermal stress relaxation layer, that is, the modified layer, involves embedding a C/C composite in ceramic powder containing metallic silicon, and causing a reaction at a temperature of 1500 to 1900°C for 30 to 30 minutes. A method for producing SiO, for example, adding C/C/
Examples include a method in which a C composite is placed and a reaction is carried out at a temperature of 1600 to 2000° C. for 5 to 30 minutes, but the method is not necessarily limited to these methods. According to these methods, since the C/C composite itself is converted into silicon carbide, the adhesion of the film itself becomes strong and has the advantage that it does not easily peel off even when subjected to thermal shock.

拡散反応法によって改質されるC/Cコンポジット表層
部の厚さは10〜700μmの範囲が好ましい。 すな
わち、改質層が10μm以下である場合、C/Cコンポ
ジットと外層であるCVD1.″より得られる炭化けい
素皮膜との密着性が強固なものとならず、逆に700μ
mを超えた場合該改質層の劣化に伴う割れ発生が生じ易
くなり急激な熱サイクル負荷による炭化けい素皮膜の破
壊が起こり易くなるために好ましくない。
The thickness of the C/C composite surface layer modified by the diffusion reaction method is preferably in the range of 10 to 700 μm. That is, when the modified layer is 10 μm or less, the C/C composite and the outer layer CVD1. ”, the adhesion with the silicon carbide film obtained from 700 μm was not strong.
If it exceeds m, cracks are likely to occur due to deterioration of the modified layer, and the silicon carbide film is likely to be destroyed due to rapid thermal cycle loads, which is not preferable.

拡散法により得られる炭化けい素皮膜の多孔質の程度、
すなわち空隙率の測定は断面の走査型電子顕?ri鏡写
真による画像解析、水銀ポロシメータによる細孔分布測
定等により行うことができる。 断面の走査型電子顕微
鏡写真の画像解析による皮膜の空隙率は10〜80vo
jZ%の範囲にあるのが良い。  10voIL%より
少ないと皮膜の熱応力緩和能は低下する。 さ ら に
80 voIL%を超える空隙率であれば、皮膜自体の
強度が著しく低下するために好ましくない。
The degree of porosity of the silicon carbide film obtained by the diffusion method,
In other words, is the porosity measured using a cross-sectional scanning electron microscope? This can be carried out by image analysis using an RI mirror photograph, pore distribution measurement using a mercury porosimeter, or the like. Image analysis of cross-sectional scanning electron micrographs shows that the porosity of the film is 10 to 80 vo.
It is preferable that it be within the range of JZ%. If it is less than 10 voIL%, the thermal stress relaxation ability of the film will decrease. Furthermore, if the porosity exceeds 80 voIL%, the strength of the film itself will drop significantly, which is not preferable.

拡散反応法により得られた炭化けい素化改質層上部には
、さらにCVD法により炭化けい素皮膜を形成する。 
すなわち拡散反応法により得られる炭化けい素化改質層
はCVD法により得られるものと比べて多孔質であり、
十分な耐酸化皮膜とはなり得ないからである。 CVD
法による炭化けい素の被覆は最も一般的に行われており
、しかも緻密な皮膜が得られることが特徴である。 そ
の具体的方法として、例えば四塩化けい素、メタン、水
素、アルゴンの混合気体(体積比1:1:5:1)を5
0〜40−OmmHg、  900〜1500℃の温度
で20〜900分程度反応させることにより得ることが
できる。 但しCVDの反応条件は、析出させる炭化け
い素の結晶構造、用いる原料ガスの種類等によって非常
に異なるため、必ずしも上述の反応条件に限定されるも
のではない。
A silicon carbide film is further formed on the silicon carbide modified layer obtained by the diffusion reaction method by the CVD method.
That is, the silicon carbide modified layer obtained by the diffusion reaction method is more porous than that obtained by the CVD method,
This is because it cannot form a sufficient oxidation-resistant film. CVD
Coating with silicon carbide by this method is the most commonly performed method, and is characterized by the fact that a dense film can be obtained. As a specific method, for example, a mixed gas of silicon tetrachloride, methane, hydrogen, and argon (volume ratio 1:1:5:1) is
It can be obtained by reacting at a temperature of 0 to 40 mmHg and a temperature of 900 to 1500°C for about 20 to 900 minutes. However, the reaction conditions of CVD are not necessarily limited to the above-mentioned reaction conditions because they vary greatly depending on the crystal structure of silicon carbide to be deposited, the type of raw material gas used, etc.

CVD法によって被覆される炭化けい素皮膜の膜厚は、
50〜500μmの範囲にあることが必要である。 す
なわち、膜厚が50μmより薄い場合、C/Cコンポジ
ットへの酸素拡散バリヤーとして十分な機能を果たさず
、逆に500μmを超える場合、析出に要する時間が極
めて長くなり実用的でないこと及び熱サイクル負荷によ
り、皮膜の割れ、欠けが発生しやすくなるからである。
The thickness of the silicon carbide film coated by the CVD method is
It is necessary that the thickness be in the range of 50 to 500 μm. That is, if the film thickness is thinner than 50 μm, it will not function sufficiently as an oxygen diffusion barrier to the C/C composite, and if it exceeds 500 μm, the time required for precipitation will be extremely long, making it impractical and causing thermal cycle load. This is because cracking and chipping of the film are likely to occur.

以上の方法により、C/Cコンポジットの耐酸化性は飛
躍的に改善され、かつ耐酸化被覆に伴う強度低下も最小
限に押さえることができる。
By the above method, the oxidation resistance of the C/C composite can be dramatically improved, and the decrease in strength caused by the oxidation-resistant coating can be minimized.

〈実施例〉 以下に本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。<Example> The present invention will be specifically described below based on Examples.

(実施例1〉 基材として用いるC/Cコンポジットは、以下に述べる
方法によって作製した。 熱硬化性を示すフェノールホ
ルムアルデヒド樹脂(鑵紡■、商品名ベルバール)が2
5重量%になるようにメタノールで溶解希釈した後、東
し■炭素繊維クロス(高弾性炭素繊維使用)に樹脂目付
は量として85 g/m’を含浸させた。 その後、オ
ーブン中で80℃、30分間乾燥してメタノールを揮散
させ、樹脂含浸炭素繊維シート(プリプレグ)を得た。
(Example 1) A C/C composite used as a base material was produced by the method described below. A thermosetting phenol formaldehyde resin (Kanbo ■, trade name Belbar) was
After dissolving and diluting the resin with methanol to a concentration of 5% by weight, a Toshi carbon fiber cloth (using high-modulus carbon fibers) was impregnated with the resin to a basis weight of 85 g/m'. Thereafter, it was dried in an oven at 80° C. for 30 minutes to volatilize methanol and obtain a resin-impregnated carbon fiber sheet (prepreg).

  このシートを310X310mmの大きさに切り出
して18枚積層し、加熱プレスにより5 kg/cm2
の圧力下、150℃で60分間加熱加圧戊底形、炭素繊
維強化プラスチックとした。 つぎに該炭素縁1.1を
強化プラスチックをアルゴンガス流通下10’C/hr
の昇温速度で1000”℃まで焼成し、310X310
x1.5mmのC/Cコンポジットを得た。 このよう
にして得られたC/Cツコンポジットはさらにピッチの
含浸−焼成という緻密化処理を4回繰り返して行い、曲
げ強度36.4 kg/mm’  嵩密度1.61g/
Cm3の高強度C/Cコンポジットとした。
This sheet was cut out to a size of 310 x 310 mm, 18 sheets were stacked, and heated to a weight of 5 kg/cm2.
The material was heated and pressed at 150° C. for 60 minutes to form a hollow-bottom, carbon fiber-reinforced plastic. Next, the carbon edge 1.1 was made of reinforced plastic under argon gas flow for 10'C/hr.
Baked to 1000"℃ at a heating rate of 310X310
A C/C composite of x1.5 mm was obtained. The C/C composite thus obtained was further subjected to a densification process of pitch impregnation and firing four times, resulting in a bending strength of 36.4 kg/mm' and a bulk density of 1.61 g/mm'.
A high-strength C/C composite of Cm3 was used.

以上の方法により得られたC/Cコンポジットを50X
50mmの大きさに切り出し、CVD法により炭化けい
素を含浸させた。 反応ガスとしてメチルトリクロロシ
ラン (CH35iCj2 s )を約5重量%含有する水素
ガスを12Il/minおよびArガスを2℃/m1n
CV D反応室に送り込み、反応温度980℃、反応圧
力15Torrの反応条件下、保持時間を3.5.7時
間の3水準とし、それぞれ嵩密度1.86g/cm’ 
、1.94g/cm32.08g/cm3のC/Cコン
ポジットを得た。 このようにして得られたC/Cコン
ポジットを、高純度コークス(商品名MCコークス)と
二酸化けい素(和光純薬■製、特級)の等モル混合物(
重量比27 : 73)の入った黒鉛容器に入れ、Ar
ガス15℃/min流通下1850℃で60分反応させ
ることにより、該C/Cコンポジット表層部を炭化けい
素に転化させた。 炭化けい素に転化した改質層の厚さ
は電子顕微鏡写真及びEPMA分析によって求めた。 
さらに該試料に、前述のCVD装置を用い、メチルトリ
クロロシランを30重量%含有する水素ガスを12℃/
ll1in、およびArガスを2 It /m1nCV
D反応室に送り込み、反応温度1240℃、反応圧力5
0Torr、保持時間3時間の条件下、緻密な炭化けい
素皮膜を被覆した。
The C/C composite obtained by the above method was
It was cut out to a size of 50 mm and impregnated with silicon carbide using the CVD method. Hydrogen gas containing about 5% by weight of methyltrichlorosilane (CH35iCj2s) was used as a reaction gas at 12 Il/min and Ar gas was heated at 2°C/m1n.
It was sent to a CV D reaction chamber, and under the reaction conditions of a reaction temperature of 980°C and a reaction pressure of 15 Torr, the holding time was set to three levels of 3.5.7 hours, and the bulk density was 1.86 g/cm' for each.
, 1.94 g/cm 32.08 g/cm 3 C/C composite was obtained. The C/C composite thus obtained was mixed with an equimolar mixture of high purity coke (trade name: MC coke) and silicon dioxide (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., special grade) (
Place it in a graphite container containing a weight ratio of 27:73) and
The C/C composite surface layer was converted into silicon carbide by reacting at 1850° C. for 60 minutes while gas was flowing at 15° C./min. The thickness of the modified layer converted to silicon carbide was determined by electron micrographs and EPMA analysis.
Furthermore, hydrogen gas containing 30% by weight of methyltrichlorosilane was added to the sample at 12°C/20°C using the aforementioned CVD apparatus.
ll1in, and Ar gas at 2 It/m1nCV
D is fed into reaction chamber, reaction temperature is 1240°C, reaction pressure is 5.
A dense silicon carbide film was coated under conditions of 0 Torr and a holding time of 3 hours.

以上に述べた方法によって得られた耐酸化被覆されたC
/Cコンポジットは50X10mmの大きさに切り出し
、IL/d=27 (j2 :支点間距離、d:厚さ)
クロスヘツド下降速度2 mm/minの条件で三点曲
げ試験を行った。 また、50X50mmの試料サイズ
のまま空気中マツハ2のアルゴンプラズマを30分間照
射し、そのときの重量減少についても調べた。
Oxidation-resistant coated C obtained by the method described above
/C composite was cut into a size of 50 x 10 mm, IL/d = 27 (j2: distance between fulcrums, d: thickness)
A three-point bending test was conducted under the condition that the crosshead descending speed was 2 mm/min. In addition, the sample size of 50 x 50 mm was irradiated with Matsuha 2 argon plasma in the air for 30 minutes, and the weight loss at that time was also investigated.

この結果を表1に示した。The results are shown in Table 1.

また、第2図に本発明のC/CコンポジットにおいてE
PMA分析が行われるC/CコンポジットのEPMA分
析用切断面5およびEPMA走査線6を示す。 ここで
、このEPMA分析用切断面5は、表面から15mmの
ところであった。 第3図には表1に示す発明例1のE
PMA分析によるSi強度を示すチャートを示す。 こ
れによればSiは表層部分にしか存在せず、層間への拡
散は生じていないことがわかる。
In addition, Fig. 2 shows that E in the C/C composite of the present invention.
A cut plane 5 for EPMA analysis and an EPMA scan line 6 of the C/C composite on which PMA analysis is performed are shown. Here, the cut surface 5 for EPMA analysis was 15 mm from the surface. FIG. 3 shows E of invention example 1 shown in Table 1.
A chart showing Si intensity by PMA analysis is shown. This shows that Si exists only in the surface layer and does not diffuse into the interlayers.

(比較例1) 実施例1と同様の方法で得られたC/Cコンポジットを
、CVD法による炭化けい素含浸のための保持時間を3
0分間にした以外は実施例1と同様の反応条件により炭
化けい素を含浸せしめた。 このようにして得られたC
/Cコンポジットの嵩密度は1 、66 g/cm3で
あった。
(Comparative Example 1) A C/C composite obtained in the same manner as in Example 1 was held for 3 hours for impregnation with silicon carbide by the CVD method.
Silicon carbide was impregnated under the same reaction conditions as in Example 1 except that the reaction time was 0 minutes. C obtained in this way
The bulk density of the /C composite was 1.66 g/cm3.

さらに実施例1と同様の条件で拡散反応法による改質層
およびCVD法による炭化けい素皮膜を有する耐酸化被
覆されたC/Cコンポジットを得た。 三点曲げ試験お
よび酸化試験は実施例1と同様の方法で行った。 得ら
れた結果を表1に示す。
Further, under the same conditions as in Example 1, an oxidation-resistant coated C/C composite having a modified layer formed by a diffusion reaction method and a silicon carbide film formed by a CVD method was obtained. The three-point bending test and the oxidation test were conducted in the same manner as in Example 1. The results obtained are shown in Table 1.

(比較例2) 実施例1と同様の方法で得られたC/Cコンポジットに
予めCVD法によりSiCを含浸せずに、実施例1と同
様の処理を施して得たもののEPMA分析によるSi強
度のチャートを第4図に示す。 これによれば空孔部分
く積層体の空隙を含む)にSt酸成分浸入しすぎている
ことがわかる。
(Comparative Example 2) Si strength according to EPMA analysis of a C/C composite obtained in the same manner as in Example 1 and subjected to the same treatment as in Example 1 without pre-impregnating SiC by CVD method The chart is shown in Figure 4. This shows that the St acid component has penetrated too much into the pores (including the voids in the laminate).

〈発明の効果〉 C/Cコンポジットは、軽量性、耐熱性、高温比強度の
大きさ等他材料にはない優れた素材として、航空・宇宙
分野や原子力産業等で幅広く利用される。 また、近年
、用いる炭素Fa維やマトリックスの種類、製造方法の
進歩により、C/Cコンポジットの高強度化は著しい。
<Effects of the Invention> C/C composites are widely used in the aerospace field, nuclear power industry, etc. as an excellent material not found in other materials, such as light weight, heat resistance, and high specific strength at high temperatures. Furthermore, in recent years, advances in the types of carbon-Fa fibers and matrices used, and in manufacturing methods have significantly increased the strength of C/C composites.

 しかしながら、従来の耐酸化被覆方法では、C/Cコ
ンポジットの耐酸化特性は向上するものの、それ以上に
機械的強度の低下は激しく、その改善が期待されていた
However, in the conventional oxidation-resistant coating method, although the oxidation-resistant properties of the C/C composite are improved, the mechanical strength decreases even more sharply, and an improvement has been expected.

本発明によれば、従来の耐酸化被覆方法では得ることの
できなかった、高強度・耐酸化性C/Cコンポジットを
得ることができ、熱的、1ill械的負荷の厳しい部位
への適用が可能となる。 すなわち、材料設計の自由度
が大きくなり、極めて柔軟性に富んだ応用分野が開ける
ものと期待できる。
According to the present invention, it is possible to obtain a high-strength and oxidation-resistant C/C composite that could not be obtained using conventional oxidation-resistant coating methods, and it can be applied to areas subject to severe thermal and mechanical loads. It becomes possible. In other words, it is expected that the degree of freedom in material design will increase and that extremely flexible application fields will open up.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は、本発明により得られた耐酸化性を有するC/
Cコンポジットの概略図である。 第2図は、本発明の表面改質C/CコンポジットのEP
MA分析用切断面の状態を示す概略斜視図である。 第3図は、C/Cコンポジットに予めCVD法によりS
iCを含浸した後拡散反応を施した場合のEPMA分析
によるSt強度を示す図である。 第4図は、C/Cコンポジットに予めCVD法によりS
iCを含浸せずに拡散反応を施した場合のEPMA分析
によるSt強度を示す図である。 符号の説明 1・・・C/Cコンポジット、 2・・・空孔に含浸された炭化けい素、2′・・・空孔
、 3・・・表面改質により得られた炭化けい素層(改質層
)、 4・・・CVD法により得られた炭化けい素層、5・・
・本発明の表面改質C/CコンポジットのEPMA分析
用切断面、 6・・・EPMA走査線
Figure 1 shows the oxidation-resistant C/
FIG. 2 is a schematic diagram of a C composite. Figure 2 shows the EP of the surface-modified C/C composite of the present invention.
It is a schematic perspective view which shows the state of the cut surface for MA analysis. Figure 3 shows that the C/C composite is pre-sold by the CVD method.
It is a figure showing St intensity by EPMA analysis when a diffusion reaction is performed after impregnating with iC. Figure 4 shows that the C/C composite is pre-sold by the CVD method.
It is a figure showing St intensity by EPMA analysis when a diffusion reaction is performed without impregnating with iC. Explanation of symbols 1...C/C composite, 2...Silicon carbide impregnated into pores, 2'...Vacancies, 3...Silicon carbide layer obtained by surface modification ( modified layer), 4... silicon carbide layer obtained by CVD method, 5...
・Cut section for EPMA analysis of the surface-modified C/C composite of the present invention, 6... EPMA scanning line

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)炭化けい素により封孔処理され嵩密度が1.85
g/cm^3以上である炭素繊維強化炭素複合材料を基
材として、その表層部に多孔質の炭化けい素皮膜、さら
にその上に炭化けい素の化学蒸着皮膜を有することを特
徴とする炭素繊維強化炭素複合材料。
(1) Sealed with silicon carbide and has a bulk density of 1.85
A carbon fiber-reinforced carbon composite material having a carbon fiber reinforced carbon composite material of g/cm^3 or more as a base material, and having a porous silicon carbide film on the surface layer and a chemical vapor deposition film of silicon carbide thereon. Fiber reinforced carbon composite material.
(2)炭化けい素により封孔処理され嵩密度が1.85
g/cm^3以上である炭素繊維強化炭素複合材料を基
材として、その表層部に炭化けい素化層、さらにその上
に炭化けい素の化学蒸着皮膜を有することを特徴とする
炭素繊維強化炭素複合材料。
(2) Bulk density is 1.85 due to pore sealing treatment with silicon carbide
A carbon fiber-reinforced carbon fiber-reinforced material characterized by having a silicon carbide layer on the surface layer and a chemical vapor deposition film of silicon carbide on the surface layer, using a carbon fiber-reinforced carbon composite material having a carbon fiber-reinforced carbon composite material with a carbon fiber strength of 3 g/cm^3 or more as a base material. Carbon composite material.
(3)前記多孔質の炭化けい素皮膜または炭化けい素化
層の厚さは10〜700μmである請求項1または2に
記載の炭素繊維強化炭素複合材料。
(3) The carbon fiber reinforced carbon composite material according to claim 1 or 2, wherein the porous silicon carbide film or silicon carbide layer has a thickness of 10 to 700 μm.
(4)前記炭化けい素の化学蒸着皮膜の厚さは50〜5
00μmである請求項1〜3のいずれかに記載の炭素繊
維強化炭素複合材料。
(4) The thickness of the chemical vapor deposition film of silicon carbide is 50 to 5
The carbon fiber-reinforced carbon composite material according to any one of claims 1 to 3, wherein the carbon fiber reinforced carbon composite material has a diameter of 00 μm.
(5)炭素繊維強化炭素複合材料の空孔部分に化学気相
蒸着法により炭化けい素を含浸して嵩密度を実質的に1
.85g/cm^3以上とし、しかる後拡散反応法によ
り該炭素繊維強化炭素複合材料の表層部を炭化けい素化
し、さらに化学気相蒸着法により該炭化けい素層上部に
炭化けい素皮膜を形成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。
(5) The pores of the carbon fiber-reinforced carbon composite material are impregnated with silicon carbide by chemical vapor deposition to substantially reduce the bulk density to 1.
.. 85 g/cm^3 or more, and then converting the surface layer of the carbon fiber reinforced carbon composite material to silicon carbide using a diffusion reaction method, and further forming a silicon carbide film on the top of the silicon carbide layer using a chemical vapor deposition method. A method for producing a carbon fiber-reinforced carbon composite material.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108658614A (en) * 2018-06-15 2018-10-16 南京航空航天大学 A kind of carbon/silicon carbide ceramic matrix composite complex component near-net-shape method

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