JPH03223165A

JPH03223165A - 複合型気相含浸法によるｃ／ｃ複合材の製造方法

Info

Publication number: JPH03223165A
Application number: JP2016966A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Okumura; 奥村　光弘; Makoto Utsunomiya; 真宇都宮; Yasuo Kogo; 保雄向後; Takeshi Ozaki; 毅志尾崎
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1990-01-26
Filing date: 1990-01-26
Publication date: 1991-10-02
Anticipated expiration: 2013-02-16
Also published as: JP2712698B2

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、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、
所要の形状に成形した後、不活性ガス雰囲気中で熱処理
を行って樹脂を炭化させ、必要なら冷却後、再度同じ工
程を繰り返して製造する方法が知られている（例えば炭
素Ｎｏ。

１１５、Ｐ、１９６〜２０８．（１９８３））。

この方法で得られたＣ／Ｃｍ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収縮が非
常に大きいことから、条件によっては繊維の抜けだしゃ
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。

また、他の方法として、第４図に示すように、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てプリフ
ォーム（１３）とした後、　ヒータ（１４）を備エタ、
炉（１５）に入れて８００〜２ｏｏｏ℃に加熱し、そこ
へ炭化水素ガスを導入口（１６）から導入して炭素繊維
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、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、複合材を
得るというプロセスが知られている。しかし、これらの
方法では依然として、マトリックス炭素質の不均一によ
る、強度面の不具合が生じ、より優れた製造方法が要求
されている。

［発明が解決しようとする課題］従来のＣ／Ｃ８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、または単一の加熱方
式、または原料ガスの供給方式によるＣＶＤによって炭
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、複合型の気相含浸によって、成形体の残留気孔
をほぼ完全になくシ５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］この発明に係る複合型気相含浸法による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を強化材と
し、メタン、エタン、プロパン、ベンゼンなどの炭化水
素ガスもしくは塩素などのハロゲン元素を含む炭化水素
ガスをを分解し、炭素質を堆積、充填するＣ／Ｃ複合材
の製造方法において、原料ガスの熱分解と反応励起の組
合せ、また原料ガスの熱分解と反応励起と原料ガスの特
殊な供給方式の組合せによる複合型とするものである。

［作用コこの発明における複合型気相含浸法にょるＣ／Ｃ複合材
の製造方法は、炭素系繊維のトウ、または炭素系繊維を
主成分とする予備成形体を反応容器内に導入し、加熱す
るとともに炭化水素原料ガスを導入して分解反応を生じ
せしめ、さらに例えばマイクロ波を重畳して分解、及び
炭素質の堆積、充填を効率よく実現する。

［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図である。

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（１）（繊維数１０
０〜２００００本からなる繊維の束）を反応容器（３）
に導入し、原料ガスとして、メタン、エタン、プロパン
、ベンゼンなどの炭化水素ガスを導入口（６）から供給
し、熱源の一つとしてまず繊維のトウ（１）に電極（４
）を通じて電流を流して、繊維のトウ自体を加熱する。

（５）はシール部であり、（７）はガス排出口である。

この段階で原料ガスの熱分解は進行して繊維のトウの空
間に炭素質が分解、堆積して行くが、充填効率は十分で
ない。従って、さらに導波管（９）を通してマグネトロ
ン（８）で発生した２０００〜３０００Ｍ　Ｈｚのマイ
クロ波の重畳を行う。このとき水素プラズマを発生させ
るのが効果的であった。この段階で原料ガスの分解、堆
積は著しく促進され、複合材の完全な致密化と高速の製
造が可能となる。この実施例ではメタンの分圧を２Ｏ−
２００Ｔｏ　ｒ　ｒ、１！維温度７００〜１４００℃と
したが、マイクロ波重畳の効果で比較的低温、即ち、７
００〜１０００℃で良好な炭素質の充填ができた。メタ
ン分圧は４０〜８０Ｔｏｒｒの範囲で特に良好な結果が
得られた。原料ガスとしては他の炭化水素でも同様な結
果が得られているが、ジクロルエチレンなどではさらに
低温（７００℃以下）でも同様の結果を得ている。　　
従来の方法で熱分解のみで製造した場合には、繊維のト
ウのように小さい体積の複合材であっても高温と長時間
を要していた。第２図は熱分解とマイクロ波の複合方式
でＣ／Ｃ複合材を製造した場合の炭素質充填量の反応時
間に対する変化を従来の熱分解単独によるＣ／Ｃ複合材
製造時の炭素質充填の反応時間に対する変化とを比較し
た結果である。縦軸は炭素質充填量（任意スケール）、
横軸は反応時間（任意スケール）である。図の曲線（ａ
）はこの発明に係る複合型気相含浸法によるＣ／Ｃ複合
材の製造方法のグラフ、曲線（ｂ）は従来の製造方法の
結果を示す。従来の方式ではある程度分解、堆積が進行
すると閉塞した気孔ができ、充填が進まなくなる。一方
、複合方式では残留気孔がほぼゼロに到達するまで炭素
質の充填が行われる。この結果、得られたＣ／Ｃｍ合材
の曲げ強度は炭素系繊維の体積率的５０％の時、４５０
　Ｍ　Ｐ　ａ以上であった。この複合方式は他の組合せ
によっても可能であり、例えば反応容器の外部から高周
波などによって加熱し、さらに繊維の部分に光、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とマイクロ波の複合
方式が簡便で効率が良かった。第３図はこの発明の他の
実施例としてなされたもので、原料ガスの供給方式をパ
ルス状に行ったものである。

即ち、繊維のトウ（１）を反応容器（３）に導入し、原
料ガスを反応容器に導入する際にリザーバタンク（１１
）などを用いて圧力を制御しておき、反応容器は排気系
によって減圧状態にした後、ガス導入ライン（６）のバ
ルブ（１０）を開いて、反応容器内のガス圧力を一気に
高める。このことによって、反応容器内の原料ガスの圧
力勾配、濃度勾配を除去して均質な炭素質の分解堆積を
行う。ざらにマグネトロン（８）で発生したマイクロ波
によるガスの活性化を行い、分解、析出を促進する。第
３図で（１２）は原料ガスボンベであり、（９）は導波
管、（７）はガス排出口、（２）は得られたＣ／Ｃ複合
材を示す。

この結果得られたＣ／Ｃ複合材は炭素質組織の均一性が
よく、強度劣化の原因となる欠陥の発生を防ぐ効果があ
る。また、Ｃ／Ｃ複合材の製品の品質を一定にし、歩留
まりを向上させる。

この実施例では炭素系の繊維のトウを出発原料として、
ロンド状のＣ／Ｃ複合材の製造に関して述べたが、例え
ばここで得られたロンド状のＣ／Ｃ複合材を出発原料と
して、所要の形状に成形したプリフォーム、即ち、織物
や編物に成形した成形物に対して、炭素質を充填する製
造プロセスに於いても同様に実施でき、単一の加熱方式
あるいは励起方式、ガス供給方式によって製造した場合
に比べ、性能の向上が見られた。

［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な強化材と
し、メタン、エタン、プロパン、ベンゼン等の炭化水素
ガス、もしくは塩素などのハロゲン元素を含む炭化水素
ガスを分解し、炭素質を堆積、充填するＣ／Ｃ複合材の
製造方法において、原料ガスの加熱による熱分解と反応
励起の組合せ、また、加熱と反応励起と原料ガスの特殊
な供給方式の組合せとすることによって炭素質を完全致
密に充填して高性能のＣ／Ｃ複合材を製造することがで
きる。また、こ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複合材を安定に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方法を示す説明図、第２図は炭
素質の充填速度の測定結果を示すグラフ、第３図はこの
発明の他の実施例を示す説明図、第４図は従来の製造方
法を示す説明図である。図において、（１）は炭素系繊維トウ、（２）はＣ／Ｃ
複合材、（３）は反応容器、（４）は電極、（５）はシ
ール、（６）は原料ガス導入口、（７）はガス排出口、
（８）はマグネトロン、（９）は導波管、（１０）はバ
ルブ、（８）はマグネトロン、（９）は導波管、（１０
）はバルブ、（１１）はリザーバタンク、（１２）は原
料ガスボンベ（１３）はプリフォーム、（１４）はヒー
タ、（１５）は炉、（１６）はガスを導入口、（１７）
ガス排出口である。なお、各図中同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims

【特許請求の範囲】

　レーヨン、ポリアクリロニトリル、石油、または石炭
ピッチ等を原料とした炭素系繊維を強化材とし、メタン
、エタン、プロパン、ベンゼンなどの炭化水素ガス、ま
たは塩素などのハロゲン元素を含む炭化水素ガスを分解
し、炭素質を堆積、充填するＣ／Ｃ複合材の製造方法に
おいて、原料ガスの加熱による熱分解と反応励起の組合
せ、また、原料ガスの加熱による熱分解と反応励起と原
料ガスの特殊な供給方式の組合せによつて複合型とする
ことを特徴とする複合型気相含浸法によるＣ／Ｃ複合材
の製造方法。