JPH03252359A - 耐酸化性を有する炭素繊維強化炭素複合材の製造方法 - 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〕 本発明は、タービン翼等の高温下酸化性雰囲気中で使用
する耐熱構造材料やロケットノズル等の過酷な熱条件下
で使用される材料に適した、炭素繊維強化炭素複合材の
製造方法に関する。

〔従来の技術〕

炭素繊維を強化繊維とし炭素をマトリックスとする炭素
繊維強化炭素複合材は、高強度でしかも熱衝撃に強く、
また、約２０００℃以上まで強度が低下しない唯一の材
料であるため高温構造材料としての応用が期待されてい
る。しかし、炭素繊維強化炭素複合材は全て炭素から成
るため、酸化性雰囲気中での使用は５００から６００℃
以下に限られる。また、約２０００℃以上で焼成した炭
素材料は一般に柔らかく、その他のセラミックス材料と
比べて摺動や粒子の衝突などによる摩耗に弱い。これら
の欠点を補うべく炭化珪素で炭素繊維強化炭素複合材を
被覆する方法が捉案されている。

例えば、四塩化珪素と炭化水素の熱分解により炭化珪素
膜を気相より堆積させる気相化学蒸着法（以下ＣＶＤ法
と略す。）により炭素繊維強化炭素複合材を炭化珪素で
被覆する方法が知られている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながらかかる従来の技術には下記のような課題が
ある。炭化珪素の線熱膨張係数が３．５×１０−６／に
程度であるのに対して炭素繊維強化炭素複合材の線熱膨
張係数は一１〜Ｉ　Ｘ　１０−６／に程度である。その
ため、ＣＶＤ法による炭化珪素の成膜終了後、炭素繊維
強化炭素複合材を室温まで冷却する間に発生する過大な
熱応力によって膜が剥離するか、もしくは膜と基材の接
着力が極度に低下し、信頬性に欠けた被覆しか得られな
い。

ＣＶＤ法に於て、反応温度を低くすると細孔内に炭化珪
素を沈積させる事が出来る。また、炭素繊維強化炭素複
合材は必ず幾分かの気孔を有する。

そのため、被膜形成温度を低くすると、炭素繊維強化炭
素複合材表面近傍の気孔内にも炭化珪素を沈積させる事
が出来る。このことにより、機械的引っかかりを増加さ
せ、炭化珪素被膜と基材の接着力を向上させることが試
みられている。しかし、低温で生成させた炭化珪素は、
結晶が配向しやすく、またフリーカーボンを含む等の問
題点を有する。また、炭素繊維強化炭素複合材の強度等
の機械的性質やその他多くの特性は、気孔率が低いほど
向上する。しかし、細孔内への炭化珪素を沈積による接
着力の向上には、気孔率が高いほど有利である。

〔課題を解決するための手段〕

そこで本発明者等はこれらの課題を解決すべく鋭意検討
した結果、表面に特定の処理を施した炭素繊維強化炭素
複合材にＣＶＤ法により炭化珪素を被覆することで、上
記課題が解決出来ることを見出し本発明に至った。すな
わち、本発明の目的は、タービン翼等の高温下酸化性雰
囲気中で使用する耐熱構造材料やロケットノズル等の過
酷な熱条件下で使用される材料に適した、炭素繊維強化
炭素複合材を提供する事にある。そしてかかる目的は、
炭素繊維強化炭素複合材を炭化珪素で被覆するに際して
、炭素繊維強化炭素複合材の表面を、ＪＩＳ　Ｂ−０６
０１で定義される表面粗度Ｒｍａｗが使用する炭素繊維
の直径の４倍以上になるように粗面化処理した後、気相
化学蒸着法により炭化珪素を被覆する事を特徴とする耐
酸化性を有する炭素繊維強化炭素複合材の製造方法によ
り容易に達成される。

以下に本発明について説明する。本発明における炭素繊
維強化炭素複合材は、炭素繊維を補強材としマトリック
スに炭素を用いた複合材であれば、特に限定されるもの
ではない。例えば、炭素繊維（黒鉛化繊維を含む）をフ
ェノール樹脂などの熱硬化性樹脂やピッチを用いて成形
し、炭化あるいは黒鉛化して作られる。また、熱硬化性
樹脂あるいはピッチ等で含浸と炭化または黒鉛化を繰返
すか、熱分解炭素を沈積させることによって緻密化処理
した炭素繊維強化炭素複合材でも良い。また、使用され
る炭素繊維としては、ポリアクリロニトリル系炭素繊維
、ピッチ系炭素繊維やレイヨン系炭素繊維などの一般に
炭素繊維と言われる繊維もしくは、その前駆体が用いら
れる。好ましくは高弾性率の炭素繊維がよい。炭素繊維
の補強形態としては特に限定されるものではなく、クロ
スや積層や三次元織物や短繊維状などいずれの形態でも
良い。

本発明においては、かかる炭素繊維強化炭素複合材の表
面を、ＪＩＳ　Ｂ−０６０１で定義される表面粗度Ｒ□
９が炭素繊維の直径の４倍以上、好ましくは４．５倍か
ら３０倍、さらに好ましくは５倍から１２倍になるよう
に粗面化処理することが重要である。

尚、本発明での表面粗度を数値で表わすと、４０μｍ以
上、好ましくは４５μｍ以上３００μｍ、更に好ましく
は５０μｍ以上１２０μｍ以下である。

粗面化処理の方法としては、既存の方法を用いることが
出来る。例えば、サンドペーパーや砥石等で研磨する方
法がある。しかしこの方法では、研磨方向に線条族が残
りやすく、また複雑形状品に不向きである。また、炭素
繊維強化炭素複合材の炭素繊維と７トソツクス炭素の酸
化速度が異なることを利用した表面酸化方法がある。し
かし、この方法ではどうしても炭素繊維強化炭素複合材
内部まで酸化が進行し、炭素繊維強化炭素複合材の劣化
につながるので好ましくない。以上の観点から、粗面化
処理方法としては、炭化珪素粉末等の硬質粒子を高速の
気体と共に炭素繊維強化炭素複合材に吹き付ける、いわ
ゆるプラスター処理が好適である。

プラスター処理に用いられる硬質粒子は、被処理炭素繊
維強化炭素複合材より硬い物質、あるいはそれらの混合
物であれば特に限定されるものではない。また、硬質粒
子の粒度、硬質粒子の衝突速度と吹き付は角度は、所定
の粗度が得られる限り特に限定されるものではない。該
プラスター処理では炭素繊維強化炭素複合材表面の炭素
を削り落とし、炭素繊維強化炭素複合材を劣化させるた
め、所定の粗度が得られれば特に多くの炭素を削り落と
す必要はない。強度劣化を最少にし、炭化珪素膜との十
分な接着力を確保するために必要な最少の研削量は、希
望の粗度によって多少異なるが、単位面積当り５■／ｃ
ｄ程度である。ただし、粗面化処理による炭素繊維強化
炭素複合材の劣化が問題にならない場合には、前記研削
量に拘束されない。

炭化珪素被膜を形成するためのＣＶＤ法は、特に限定さ
れるものではなく、−船釣に行われている、例えば、四
塩化珪−素と炭化水素を熱分解させる方法や、トリメチ
ルクロロシランを水素で還元する方法などを用いること
が出来る。さらには、これらの反応をプラズマで助ける
、いわゆるプラズマＣＶＤ法を用いることも出来る。た
だし、成膜時の原料分子の飛来が直線的であるスパッタ
法などでは、生成した膜の膜厚分布が基材表面の凹凸状
態に強く支配されるので適さない。

粗面化処理した炭素繊維強化炭素複合材上に、上記の方
法で炭化珪素被膜を形成すると、基材である炭素繊維強
化炭素複合材と炭化珪素との有効接触面積が増加すると
共に、表面の凹凸に食い込むように炭化珪素が形成され
、炭素繊維強化炭素複合材と炭化珪素が機械的に結合す
るため、炭素繊維強化炭素複合材と炭化珪素被膜との接
着力が大きく向上する。

〔実施例〕

実施例１〜３及び比較例１〜２ 繊維径１１０ｌ１の炭素繊維を用いた８枚朱子織りクロ
スからフェノールプリプレグを製造し、このプリプレグ
を縦糸の方向が０　’／９０　’と交互になるように８
枚積層し加圧加熱成形した後、非酸化性雰囲気中で焼成
し、その後炭素前駆体の含浸焼成を繰り返し繊維体積含
有率５０ｖｏｌχ、気孔率１２０ｖｏｌχの炭素繊維強
化炭素複合材を得た。

得られた炭素繊維強化炭素複合材を所定の寸法に加工し
た後に、該炭素繊維強化炭素複合材に、２ｋｇ　／　ｃ
ｉｉｌの圧縮空気を用いて吹き付は距離２印、吹き付は
角度４５°で炭化珪素粉末を吹き付けて、Ｒｍｍｘ　＝
５３ｐｍ　（直径の５．３倍）（実施例１）とＲｍｍｘ
　＝１１３μｍ　（直径の１１倍）（実施例２）の炭素
繊維強化炭素複合材を調整した。この粗面化処理による
炭素繊維強化炭素複合材表面の炭素研削量はそれぞれ、
４．３と４．８■／　ｃｔＡであった。比較例１として
粗面化処理を施さない（表面粗度３６μｍ、直径の３．
６倍）炭素繊維強化炭素複合材を同様に調整した。これ
らの炭素繊維強化炭素複合材上に、常法により炭化珪素
を約１００μｍ被覆した。

実施例記載の方法で製作した３０Ｘ３０Ｘ２ｎの試験片
を大気と通気がよい電気炉中で加熱する事で酸化試験を
行った。予め所定の温度（６００，７００，８００，９
００℃）に加熱した電気炉に瞬時にサンプルを投入し、
３０分間放置した後電気炉より瞬時に取り出し室温まで
自然冷却させ重量を測定した。試験は同じサンプルにつ
いて順次低い温度から行った。試験後重量の　６００℃
の試験前重量に対する割合を、重量変化として表１に示
した。比較例１では６００℃試験後に炭化珪素膜の剥離
欠落が観察されたのに対して、実施例１．２では９００
℃まで炭化珪素膜の剥離欠落は見られなかった。

表２に有効長３０鶴、タブ部長さ３５鶴で行った、Ｒ−
ａｘ　＝　１１３　ｐ　ｍ　（直径の１１倍）の粗面化
処理のみを施した実施例３および未処理（表面粗度３６
μｍ、直径の３．６倍）の炭素繊維強化炭素複合材（比
較例２）、それぞれの室温に置ける引張強度を示した。

実施例３の粗面化処理による炭素研削量は４．９■／ｄ
であった。同表より粗面化処理によって強度は劣化しな
いことが判った。

表１ 酸化試験結果 〔発明の効果〕 本発明によれば、タービン翼等の高温下酸化性雰囲気中
で使用する耐熱構造材料やロケットノズル等の過酷な熱
条件下で使用される材料に適した、炭素繊維強化炭素複
合材を容易に得ることができる。

出願　人　三菱重工業株式会社 はか１名

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）炭素繊維強化炭素複合材を炭化珪素で被覆するに
   際して、炭素繊維強化炭素複合材の表面を、ＪＩＳＢ−
   ０６０１で定義される表面粗度Ｒ＿ｍ＿ａ＿ｘが炭素繊
   維の直径の４倍以上になるように粗面化処理した後、気
   相化学蒸着法により炭化珪素を被覆する事を特徴とする
   耐酸化性を有する炭素繊維強化炭素複合材の製造方法。