JPH03223164A - Ｃ／ｃ複合ロッドを用いたｃ／ｃ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】 ［産業上の利用分野コ この発明は強度、靭性に優れたＣ／Ｃ複合ロッドを用い
たＣ／Ｃ複合材の製造方法に関するものである。

［従来の技術］ 炭素繊維は高い引っ張り強度を有しており、この性質を
利用して、炭素繊維と他の炭素質材料とを複合化した炭
素繊維強化炭素（以下Ｃ／Ｃと略称する）複合材がある
。かかるＣ／Ｃ複合材は在来の炭素材料と比較して数倍
の強度を有し、炭素材料の持つ脆くて弱い材料というイ
メージを一変させるものであり、その高強度、耐熱、耐
摩耗性等の物性を生かしてエレクトロニクス産業、原子
力産業、航空宇宙産業等の分野で巾広い利用が期待され
ている素材である。

この種の複合材の製造方法としては、例えば第６図に示
すような工程が知られている（例えば、炭素Ｎｏ、１１
５．Ｐ、１９６〜２０８．（１９８３））。

即ち、プリフォーム工程（４）に於て、セルロースやポ
リアクリロニトリル系繊維を炭化して得る炭素繊維のト
ウ、編織布、不織布などを熱硬化性樹脂により、所要の
形状に成形（プリフォームの作製）する。次いで、炭化
処理工程（５）にて、前記プリフォームを不活性ガス雰
囲気中で熱処理を行って樹脂を炭化させ、必要に応じて
ピッチなどの含浸（７）と黒鉛化処理（９）、さらに冷
却後、再度同じ工程を繰り返して製造する方法である。

この方法で得られたＣ／Ｃ？ｉ合材は耐衝撃性に優れて
おり、比較的安価であることもあって実用に供されてい
る。しかし、樹脂の熱処理による炭化工程で体積成縮が
非常に大きいことから、条件によっては繊維の抜は出し
や亀裂の発生、また、残留気孔を完全に除去することは
不可能であり、このことにより強度、靭性が不十分であ
る。

第７図は従来の製造方法で作製したＣ／Ｃ複合材の断面
を示す図で、成形体の炭素質（１８）中に閉塞気孔（１
９）が残留する。また、他の方法として、セルロースや
ポリアクリロニトリル系繊維を炭化して得る炭素繊維の
トウ、編織布、不織布などを簡単に成形した後、炉に入
れて１０００〜１５００℃に加熱し、そこへ炭化水素ガ
スを導入して炭素繊維表面で分解炭化させ、炭素を該繊
維表面に沈着せしめて固める方法が知られている。　（
以下この方法をＣＶＤ法と称する）。該ＣＶＤ法で得る
Ｃ／Ｃ複合材は、機械的特性に優れているものの複合化
に長時間を要し、複雑な形状の成形体を効率よく製造す
ることは困難であった。また、大きな成形物のＣＶＤで
は完全に残留気孔を除去することもかなり困難であった
。また、改良法として炭素繊維のマットにピッチ類を含
浸後、加熱炭化させ、さらに多孔質部分を熱分解炭素で
充填し、高強度、軽量かつ耐熱、耐食性に優れた複合材
を得るというプロセスが知られている。しかし、この場
合も全体の製造時間の短縮や性能向上はあるものの、依
然としてミクロな気孔の完全消滅は期待できなかった。

［発明が解決しようとする課題］ 従来のＣ／Ｃ複合材の製造方法では炭素系繊維を出発原
料にして、それらの織物など所要の形状に成形された成
形体に対して、樹脂の含浸、焼成、またはＣＶＤによる
炭素質の充填などを行うため、残留気孔による機械的性
質の不十分さ、製造時の低効率、また、成形体の形状、
大きさなどの制約を免れないという課題があった。。

この発明は上記のような課題を解決するためになされた
もので、完全に緻密化された強化材を用いて、成形体の
残留気孔をほぼ完全になく１１強度の改善を可能にする
とともに、高速の成形を可能にすることを目的としてい
る。

［課題を解決するための手段］ この発明に係るＣ／Ｃ複合ロッドを用いたＣ／Ｃ複合材
の製造方法は、レーヨン、ポリアクリロニトリル、石油
および石炭ピッチを出発原料とした炭素系繊維のトウ（
繊維の数１００−２００００本よりなる束）をＣＶＤ法
あるいは樹脂成分の含浸及びその焼成、またはこれらの
組合せと繰り返しなどの方法を用いて、Ｃ／Ｃ複合ロッ
ドを製造し、このＣ／Ｃ複合ロッドを用いた編物、織物
等所要の形状に成形した予備成形物（以下プリフォーム
と称す）をＣＶＤ法あるいは樹脂成分の含浸及びその焼
成、またはこれらの組合せと繰り返しなどの方法を用い
て、最終成形物に成形する方式を行うものである。

［作用コ この発明におけるＣ／Ｃ複合ロッドを用いたＣ／Ｃ複合
材の製造方法は、炭素系繊維のトウを第１の工程として
Ｃ／Ｃ複合ロッドとするもので、この際に用いる複合化
の方法はＣＶＤ法であっても、樹脂成分を含浸、焼成す
る方法でもよいが、大きな成形物の広範囲に分布する空
隙を炭素質で充填するのではなく、繊維数１００−１０
０００本程度の束の内部空隙のみを炭素質で充填するの
で比較的容易に緻密化ができ、短時間に完全に残留気孔
を消滅させることができる。こうして得られたＣ／Ｃ複
合ロッドは容易に編物、ＩＩ＆物などの成形物に成形す
ることができ、所要のプリフォームを得ることができる
。このプリフォームは比較的大きな連続気孔を持ったも
のであり、次の炭素質の充填は容易である。即ち、炭素
系繊維同士の狭い空間は既にＣ／Ｃ複合ロッドの成形時
に完全緻密化されており、最終製品製造時の炭素質充填
工程では、均一の比較的大きな連続空隙にＣＶＤ法ある
いは樹脂成分の含浸、焼成、またはこれらの組合せ、繰
り返しで緻密化が実現できる。

［実施例コ 以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図はこの発明の製造方法を示す工程図で、図において、
第１の工程はＣ／Ｃ複合複合ロン層造工程（１）でレー
ヨン、ポリアクリロニトリル、石油あるいは石炭ピッチ
を原料とした炭素系繊維のトウ（繊維数１００−１００
００本からなる繊維の束）の空間を炭素質で充填する。

第２の工程は第１の工程で製造されたＣ／Ｃ複合複合ロ
ン層要の形状に成形するプリフォームの製造工程（２）
である。第３の工程は第２の工程で成形されたプリフォ
ームの空間を、炭素質で充填する最終のＣ／Ｃ複合材の
製造工程（３）である。

第２図はこの発明の第１の工程の一例を示す図であり、
炭素系繊維のトウ（１０）を一端から連続的に反応容器
１１に供給し、炭化水素ガスを熱分解して繊維−本一本
の空間に蒸着、堆積させる。この結果Ｃ／Ｃ複合ロッド
（１２）が得られる。

第３図はＣ／Ｃ複合複合ロン層式図である。Ｃ／Ｃ複合
複合ロン層素系繊維（１４）が炭素質（１５）によって
完全に充填緻密化されており、繊維の強度発現率の向上
が得られ、約８０％にまで達した。

炭化水素原料ガスとしてメタン、プロパン、ベンゼンな
ど種々のガスが使用可能であるが、メタンガスが比較的
良好であった。熱分解は繊維に直接通電し、７００〜２
０００℃の範囲で行った。特に、１３００〜１４００℃
の時、メタンの分圧４０〜８０Ｔｏｒｒで約３時間程度
で繊維のトウがほぼ完全に緻密化された。ここでメタン
の分圧は２０〜２００　Ｔ　ｏ　ｒ　ｒの範囲で十分に
良好な結果を得ているが、特に好ましい範囲は４０〜８
０Ｔｏｒｒであった。この熱分解は他の方法によっても
可能であり、例えば反応容器の外部から加熱し、反応容
器内を所要の反応温度にする方法、あるいは繊維の部分
だけを外部から加熱する方法、また、繊維の部分に光、
あるいは電磁波で励起し反応を促進する方法などがある
。いずれの方法によっても繊維のトウへの炭素質の充填
は可能であった。

特に、繊維への直接通電による方法が簡便で効率が良か
った。また、繊維への直接通電に加えて、マイクロ波の
照射によって、炭素質の充填効率は一層向上した。

第４図は前工程で製造されたＣ／Ｃ複合複合ロン層交三
軸の織物に成形した例を示したものである。プリフォー
ム（１３）の製造工程では最終製品の用途に応じてＣ／
Ｃ複合複合ロン層向や複合ロッドの体積率などを適宜制
御することができる。また、従来の繊維のトウを用いて
プリフォームを成形する場合に比べて、繊維の毛羽立ち
ゃ切れなどを考慮する必要がなく、一定形状のプリフォ
ームを短時間で製造することができる。また、同様にこ
の工程を機械化することも容易であり、工業的に非常に
有利である。この実施例では、プリフォームの形状を保
持するために後工程で容易に炭化が可能な樹脂を用いた
。

第５図はＣ／Ｃ複合複合ロン層形して得たプリフォーム
の空間を炭素質で充填するＣ／Ｃ複合材の最終製造工程
を示す。この実施例では圧力勾配を設けたＣＶＤ法を用
いて炭素質の充填を行った。

メタンガスはプリフォーム（１３）の一端から導入され
、プリフォーム内部で熱分解されて空間に堆積して行く
。このとき、加熱は高周波コイル（１６）によってプリ
フォームのみ分解に必要な温度となっており、効率よく
炭素質の充填が行われる。この結果得られたＣ／Ｃ複合
材から試験片を切り出し、機械的な性能を評価したとこ
ろ、著しい性能の向上が見られた。

この実施例ではＣＶＤ法のみを用いたが、樹脂の含浸、
焼成工程をとってもよく、また、これらの組合せを用い
てもよく、用途によって選択できる。特に気密性などが
問題になる用途や、超高温での使用などでＣ／Ｃ複合材
中の残留気孔が問題になる場合には、最終のＣ／Ｃ複合
材製造工程はＣＶＤ法であるほうが望ましい。しかし、
樹脂の含浸、焼成の工程をとっても、比較的残留気孔は
少なく、また、多少の気孔があっても完全緻密なＣ／Ｃ
複合複合ロン層度を発揮し、従来製法のＣ／Ｃ複合材に
くらべ、著しく高い強度と靭性が得られる。この発明の
製造方法として、ピッチ系繊維１０００本からなるトウ
を用いて、１０００℃、メタンの分圧５０Ｔｏ　ｒ　ｒ
の条件で作製したＣ／Ｃ複合複合ロン値化材とし、繊維
体積率的５０％の一方向強化のＣ／Ｃ複合材を作製して
、強度を測定した。最終的なＣ／Ｃ複合材の製造はメタ
ンガスと水素ガスの混合ガスを用い、全圧１ａｔｍとし
た。直径７０　ｍ　ｍ、厚さ２０　ｍ　ｍの成形体から
試験用の試料を切り出し、曲げ試験を行った。

比較試料として、従来の製造法、即ちピッチ系炭素繊維
１０００本からなるトウを用いて、一方向の予備成形体
を作製し、樹脂成分の含浸、焼成を繰り返し、７０　ｍ
　ｍ　Ｘ　３０　ｍ　ｍ　Ｘ　２０　ｍ　ｍの成形体を
作製し、試験片を切り出した。試験の結果、この発明の
製造法によって作製した試料では曲げ強度５００　Ｍ　
Ｐ　ａ以上であり、従来の製造方法で作製した試料の曲
げ強度は３００　Ｍ　Ｐ　ａ以下であった。

［発明の効果コ 以上のように、この発明によれば炭素系繊維のトウに炭
素質を完全緻密に充填してＣ／Ｃ複合複合ロン値形し、
このＣ／Ｃ複合複合ロン値定の形状に成形してプリフォ
ームを製造する工程を経て、最終的にプリフォームの空
間に炭素質をほぼ完全緻密に充填するＣ／Ｃ複合材の製
造方法をとることによって、強度と靭性に優れたＣ／Ｃ
複合材を得ることができ、さらに大型の複雑形状のＣ／
Ｃ複合材を得ることができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の製造工程を示すブロック図。 第２図はＣ／Ｃ複合複合ロン値形工程図、第３図はＣ／
Ｃ複合複合ロン値す模式図。第４図はＣ／Ｃ複合複合ロ
ン値いたプリフォームの成形工程図、第５図はプリフォ
ームの空間を炭素質で充填して最終的な製品を製造する
工程を示す説明図、第６図は従来のＣ／Ｃ複合材の製造
工程を示すブロック図。第７図は従来の製造方法で製造
したＣ／Ｃ複合材の断面図である。。 図において、（１）はＣ／Ｃ複合ロッド成形工程、（２
）はプリフォーム成形工程、（３）は気相含浸処理工程
、（１０）は炭素系繊維のトウ、（１１）は反応容器、
（１２）はＣ／Ｃ複合複合ロン値１３）はプリフォーム
、（１４）は炭素系繊維、（１５）は炭素質、（１６）
は高周波コイル、（１７）は炭素繊維、（１８）は炭素
質、（１９）は残留気孔である。 なお、各図中同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　炭素繊維束の空間を炭素の前駆体の含浸およびその焼
   成、あるいは気相法などにより、炭素質で充填し、残留
   気孔をほぼ零にする第１の工程、得られたロッド状のＣ
   ／Ｃ複合材を２次元、３次元に配向させた織物など所定
   の形状に成形して、骨格を形成する第２の工程、２次元
   、３次元に分布する空間を前駆体含浸および焼成、ある
   いは気相法、またはこれらの組合せにより、複合化する
   第３の工程からなるＣ／Ｃ複合ロッドを用いたＣ／Ｃ複
   合材の製造方法。