JPH03197359A - 高硬度炭素繊維強化炭素材およびその製造法 - 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〕 本発明は、非常に高い硬度をもつ炭素繊維強化炭素材お
よびその製造方法に関するものである。

［従来の技術〕 現在、鉄、ガラス、セラミクスを製造する工程において
、多くの炭素材料特に高密度カーボン材等（例えば特開
昭５２−８１３８１号公報）が使用されている。これは
、カーボンの耐熱性、寸法安定性、耐薬品安定性等の優
れた特性を利用したものである。また、高硬度のため耐
摩耗性に優れているにもかかわらず、相手材を傷つけな
いとゆうすばらしい特性がある。

しかしながら、これまでの高密度カーボン材は、曲げ強
度、衝撃強度が弱く使用に当たっては注意深い取扱いを
必要とされていた。また、強度が高い炭素繊維強化炭素
材は、密度が高くなりにくいため高硬度になりにくく、
この種の用途には用いられていなかった。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明は、高密度カーボン材にかわり用いることのでき
る高強度な炭素繊維強化炭素材であって、非常に高い硬
度をもつ炭素繊維強化炭素材およびその製造方法を提供
しようとするものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、補強用の炭素繊維と熱硬化性樹脂を炭化した
炭素質粉末を含有し、バインダーおよび含浸剤を炭化し
てなるマトリックスからなり、バインダーの炭化時に揮
発する量を除いた残炭量１００重量部に対して、熱硬化
性樹脂を炭化したｄ００２が０．３８ｎｍ以上の炭素質
粉末８０〜２２０皿量部の割合で用いて炭化した高硬度
炭素繊維強化炭素材、また、補強用の炭素繊維と、バイ
ンダーの炭化時に揮発する量を除いた残炭量１００重量
部に対して、熱硬化性樹脂を炭化してなるｄ　００２が
０．３６ｎ−以上の炭素質粉末８０〜１２０重量部の混
合物を用いて加熱成形した後、不活性ガス雰囲気中で８
００　Ｎ１１００℃で炭化した後、含浸炭化処理を施す
ことを特徴とする高硬度炭素繊維強化炭素材の製造方法
である。

以下、本発明の内容を詳細に説明する。

本発明に用いられる補強用の炭素繊維は、ポリアクリロ
ニトリル（ＰＡＮ）系、レーヨン系、ピッチ系のいずれ
であってもよく、また炭素質、黒鉛質のいずれであって
もよい、炭素繊維の形態は、長さ０．０５〜５０ｍｍ程
度の短繊維であっても連続繊維であっても使用できる。

またクロスやフェルト、マットなどシート状等の炭素繊
維構造物となった形態であってもよい、上記炭素繊維は
、マトリックス中にそのままの状態で、または解繊され
た状態で全くランダムな方向を向いていても良いし、任
意の特定の方向に向けて配向せしめられていてもよい。

本発明で用いる炭素質粉末は、フェノール樹脂、フラン
樹脂等の熱硬化性樹脂を窒素、アルゴン等の非酸化性ガ
ス雰囲気中で炭化してなり、黒鉛化度を示すｄ００２が
０．３６ｎ−以上のものが用いられる。ｄ００２が０．
３６未満の炭素質は、黒鉛化性が高く炭素質粉末の硬さ
が柔らかくなるため通しておらず、炭素繊維強化炭素材
とした場合にも高硬度のものが得られない。

ｄ００２は、黒鉛化性の指標となる炭素層間距離であり
、Ｘ線回折により測定できる。

ｄ　００２が０．３６ｎ■以上の炭素質粉末は、フェノ
ール樹脂、フラン樹脂等の熱硬化性樹脂を窒素、アルゴ
ン等の非酸化性ガス雰囲気中で８００〜１１００℃で約
１時間炭化することにより得られる。

熱硬化性樹脂を炭化した後、軟質粉砕機を使用し平均粒
径数十μ−の炭素質粉末にして用いる。炭素質粉末の粒
子が大きく例えば数百μＩもあると均一性が悪くなり、
製品となる炭素繊維強化炭素材の強度低下の原因となる
。そのため、できるだけ粒径は細かくし、均一にするこ
とが望ましい。

また、本発明の高硬度炭素繊維強化炭素材では、マトリ
ックスは、バインダーおよび後述する含浸材を炭化した
炭素から構成されている。

炭素質マトリックスの原料となるバインダーとしては、
熱硬化性のフェノール樹脂、フラン樹脂でも、熱可塑性
のピッチ等でも良い、バインダーの炭化時に揮発する量
を除いた残炭量１００重量部に対して、前述の炭素質粉
末は、８０〜１２０重量部添加する。炭素質粉末が１２
０重量部超では、プレス成形時にマトリックスの粘度が
あがり成形が困難となる。また８０重量部未満では、硬
度の高い炭素材ができない。

バインダーの量は、たとえば、フェノール樹脂は、揮発
分が約５０％あるので混合時のバインダー量としては、
　２００重量部ピッチは、揮発分が約２０％あるので混
合時のバインダー量としては、　１２５重量部となる。

炭素繊維、炭素質粉末およびバインダーをプレス成形等
を用いて用途、使用目的等に必要な形状に加熱成形する
。

この時、炭素繊維、炭素質粉末とバインダーとを混合、
付着させる方法としては、粉末混合法、プリプレグ法等
いかなる方法でもよい。

前記成形体において、炭素繊維または炭素繊維構造物は
、２０〜９０重量％、好ましくは４０〜８０重量％含有
されることが望ましい、炭素繊維が２０重量％未満では
、得られる炭素繊維強化炭素材の補強繊維が少なすぎる
為、強度が低くなる。一方９０重量％を越えた場合には
、マトリックスを形成するバインダーの含有量が少なす
ぎる為、眉間におけるせん断強度が低下し、炭素繊維の
補強効果が充分に発揮されない。

この成形体を、窒素、アルゴン等の非酸化性ガス雰囲気
中で炭化する。炭化処理の際の温度としては８００℃以
上、１１００℃以下が用いられ、保持時間は約１時間で
ある。この場合、炭化時の昇温速度が早すぎるとマトリ
ックスを形成するバインダーの熱分解による収縮と、ガ
ス発生が激しくなり、大きな亀裂が発生しやすくなる。

そのため昇温速度は、通常１００℃／ｈｒ以下、好まし
くは２０℃／ｈｒ以下とすることが望ましい。

このようにして炭化処理されて得られた最初の中間体は
、いまだ気孔率が大きく、高密度、高強度の炭素繊維強
化炭素材を得るためにさらに、この中間体にピッチまた
は炭化可能な樹脂等の含浸剤を含浸する含浸処理を施し
、ふたたびアルゴン等の非酸化性ガス雰囲気中で炭化処
理を施す、含浸剤は炭化処理により、バインダーを炭化
した炭素とともにマトリックスの一部を形成することに
なる。炭化処理の際の温度は、８００℃以上、１１００
℃以下が好ましい、含浸処理、炭化処理は、炭素繊維強
化炭素材の細孔がうまり、密度がほぼ一定になるまで繰
り返すことが望ましい。

以下、実施例に従って、本発明を説明する。

［実　施　例］ 実施例１ フェノール樹脂を窒素中、１０００℃で１時間炭化した
後、軟質粉砕機を使用し平均粒径１ｏμ■の炭素質粉末
とした。この炭素質粉末は、Ｘ線回折により測定したと
ころ、ｄ　００２・０．３７ｎ■であった。

バインダーとして平均粒度１０μ臨、軟化点４０℃のピ
ッチ１２５重量部（揮発分量を除いた残炭量では１００
重量部）と、上記の炭素質粉末１００重量部を混合した
ものと、ピッチ系炭素繊維を３０−一に切断したものを
金型に入れ温度６００℃、圧力１００ｋｇ／ｃｍ”でプ
レス成形し１２０×１２０Ｘ８閣■の板をつくった。

このと合成形体の炭素繊維含有率が５０％になるように
前記混合物量を調整した。

この成形体を窒素雰囲気中にてｌＯ℃ハ「の昇温速度で
１０００℃まで昇温し、１時間保持する炭化処理を行っ
た。さらに、この炭化した最初の中間体に含浸用ピッチ
を真空下、２００℃で含浸した後、含浸処理を施した中
間体を窒素雰囲気下にてｌＯ℃ハｒの昇温速度で１００
０℃まで昇温し含浸したピッチを完全に炭化させた。続
いて、前記と同様の含浸、炭化工程をさらに３回繰り返
して炭素繊維強化炭素材を得た。

比較例１ 実施例１のフェノール樹脂を炭化した炭素質粉末の代わ
りに、平均粒径１Ｇμ−の生コークス粉末（ｄ　００２
−０．３５）を用いて、実施例１と同じ方法で炭素繊維
強化炭素材を得た。

実施例２ バインダーのフェノール樹脂溶液２００重量部（揮発分
量を除いた残炭量では　１００重量部）と、実施例１で
用いたフェノール樹脂を炭化した炭素質粉末１００重量
部を混合し、これとＰＡＮ系炭素炭素繊維−ビングプリ
プレグを作った。

このプリプレグを３０１層に切断したものを金型に入れ
温度１６０℃、圧力５０ｋｇ／ｃｍ２でプレス成形し１
２０　ｘ１２０　ｘ８−一の板をつくつた。

このとき成形体の炭素繊維含有率が５０％になるように
前記混合溶液を水溶媒で希釈してプリプレグを調整した
。

この成形体を窒素雰囲気中ｌＯ℃／ｈｒの昇温速度で１
０００℃まで昇温し、１時間保持する炭化処埋を行った
。さらに、この炭化した最初の中間体に含浸用ピッチを
真空下、２００℃で含浸した後、含浸処理を施した中間
体を窒素雰囲気下にて１０℃／ｈｒの昇温速度で１００
０℃まで昇温し含浸したピッチを完全に炭化させた。続
いて、前記と同様の含浸、炭化工程をさらに３回繰り返
して炭素繊維強化炭素材を得た。

比較例２ 実施例２のフェノール樹脂を炭化した炭素質粉末の代わ
りに、平均粒度ｌＯμｍの天然黒鉛粉末（ｄ　００２−
０．３４５）を用いて、実施例２と同じ方法で炭素繊維
強化炭素材を得た。

比較例３ 現在、ガラス製造用に使用されている高密度カーボン材
についても、比較のため後述の性能評価をおこなった。

結果を第１表に示す。

得られた炭素繊維強化炭素材について、摩耗試験機を用
いて下記条件による性能評価を行った。この時、炭素繊
維強化炭素材の摩耗量は、ガラス丸棒によって削られた
溝の深さによって評価した。

また、曲げ強度は、ＪＩＳ　Ｒ１６０１に準じて行った
。

［試験条件］ 荷重：　１．５ｋｇ　　　　　相手材ニガラス丸締摺動
幅：２０■　　　　摺動回数：　ｔｏｏｏ回摺動速度：
　２１ｍ／ｓｅｃ　　試験片：　４０Ｘ　２０Ｘ　ＩＤ
ｍ試験結果を第１表に示す。

第１表　試験結果 硬度二ロックウェル硬度Ｒスケール 本発明の炭素繊維強化炭素材は、現在の高密度カーボン
材よりも強度が高くかつ炭素繊維強化炭素材では硬度が
高い、またガラス丸棒によって削られた溝の深さが浅い
ことより耐摩耗特性にすぐれていることがわかる。

［発明の効果］ 本発明は、高密度カーボン材より高強度な炭素繊維強化
炭素材を使用し、かつ非常に高い硬度をもつ炭素繊維強
化炭素材を提供することにより高温部材としてのカーボ
ンの特性を持ったままで、ガラス製造用治具等に必要な
耐摩耗特性をもった材料を製造することが出来る。

手続補正書 平成χ年λ月１Ｂ １、事件の表示 平成１年特許顆第３３６０３７号 ３、補正をする者 事嘗との関係　出　願　人 ４、代 理　　人 ζＮ−１かり 他４名 ８、補正の内容 別紙のとおり 補 正 書 本願明細書中下記事項を補正致します。

記 １、第９頁３行目に 「４０℃のピッチＪとあるを 「２４０℃ノピッチ」と訂正する。

３、第１２頁７行目に 「試験片４０ｘ　２０Ｘ　ｌ０ＩＩＩＩＩＪ　トＩｏ　
ルヲ「試験片４０Ｘ　２０ｘ　８ｍｍ　Ｊと訂正する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　補強用の炭素繊維と熱硬化性樹脂を炭化した炭素質
   粉末を含有し、バインダーおよび含浸剤を炭化してなる
   マトリックスからなり、バインダーの炭化時に揮発する
   量を除いた残炭量１００重量部に対して、熱硬化性樹脂
   を炭化したｄ００２が０．３６ｎｍ以上の炭素質粉末８
   ０〜１２０重量部の割合で用いて炭化した高硬度炭素繊
   維強化炭素材。 ２　補強用の炭素繊維と、バインダーの炭化時に揮発す
   る量を除いた残炭量１００重量部に対して熱硬化性樹脂
   を炭化してなるｄ００２が０．３６ｎｍ以上の炭素質粉
   末８０〜１２０重量部の混合物を用いて加熱成形した後
   、不活性ガス雰囲気中で８００〜１１００℃で炭化した
   後、含浸炭化処理を施すことを特徴とする高硬度炭素繊
   維強化炭素材の製造方法。