JPH03290365A - 炭素／炭素複合材料の製造法 - 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、炭素／炭素複合材料の製造法に関する。

（従来の技術および発明が解決しようとする課！ｌり炭
素／炭素複合材料は、不活性雰囲気下では１０００℃以
上の高温においても高強度、高弾性率を維持し、かつ熱
膨張率が小さい等の性質を有する材料であり、航空宇宙
機器の部品、ブレーキ、炉材等への利用が期待されてい
る。

しかしながら、炭素／炭素複合材料の補強ｍａとして一
方向積層物、二次元織物積層体、マット状成形物積層体
、フェルト状成形物積層体等を用いる場合、炭素質マト
リックスとして従来用いられているものを用いると、強
い曲げ応力を受けた際に眉間剥離を生し、複合材料の破
壊強度が低下するという欠点がある。

このため炭素／炭素複合材料の補強繊維に三次元織物を
用いる等の試みがなされているが、Ｎ１．雑かつ製作時
間の長いプロセスを要しているのが現状である。

本発明者らは、これらの問題点を解決し、眉間剥離を起
こさず高い強度を有する炭素／炭素複合材料を簡便なプ
ロセスで製造する方法について鋭意研究を重ねた結果、
本発明の完成に至った。

（課題を解決する手段） すなわち本発明は炭素質ピッチ１ｏｏ重量部に対しニト
ロ基および／または水酸基を含有する芳香族化合物の少
なくとも一種を１〜４５重量部混合し、この混合物を炭
素ｍ雑書に含浸した後、加圧下あるいはプレス下で炭化
し、必要に応じて常圧下でさらに炭化することを特徴と
する炭素／炭素複合材料の製造法に関する。

現下に本発明を詳述する。

本発明でいう炭素／炭素複合材料とは、炭素繊維と炭素
質マトリックス等から構成されろ材料をいう。

上記炭素繊維としては、ピッチ系、ポリアクリロニトリ
ル系あるいはレーヨン系等の種々の炭素繊維を用いるこ
とができるが、特にピッチ系炭素ｗＡ維が好ましく、さ
らに光学異方性ピッチから製造したピッチ系炭素１ｓｎ
が最も好ましい。

該ピッチ系炭素繊維を製造する方法としては、例えば軟
化点１００〜４００℃、好ましくは１５０〜３５０℃を
有する石炭系あるいは石油系のピッチのうち、光学的に
等方性なピッチあるいは異方性のピッチ、特に好ましく
は光学異方性相の含有量が６０〜１００ｖｏ１％、最も
好ましくは８０〜１００ｖａ１％である光学異方性ピッ
チを用い、まず上記ピッチを公知の方法で溶融紡糸して
ピッチ繊維としたのち、酸化性ガス雰囲気下、通常５０
〜４００℃、特に好ましくは１００〜３５０℃で不融化
処理を行い、次いで不活性ガス雰囲気下、通常８００〜
３０００℃で炭化処理を行い炭素繊維とすることができ
る。該酸化性ガスとしては例えば空気、酸素、酸化窒素
、酸化硫黄、ハロゲンあるいはこれらの混合物が挙げら
れる。

本発明において炭素繊維は通常５００〜２５．０００本
の繊維束として用いられる。該繊維束は１方向積層物、
二次元織物、三次元織物、マット状成形物、フェルト状
成形物、あろいは該成形物や織物を積層した形態て用い
られる。

本発明において用いられる炭素質マトリックスとしては
、ニトロ基および／または水酸基を含有する芳香族化合
物を炭素質ピッチに混合した前駆体を炭化処理したもの
を用いろ。

該ニトロ基および／または水酸基を含有する芳香族化合
物としては通常下記一般式（１）または（２）で示され
る化合物が用いられろ。

（１１ｆ２１ 式中、Ｚは炭素数１〜４の置換又は非置換アルキル基等
の有機残基、Ｃ０ＯＨ，ＣＨＯを示す。ｊ、ｍ、ｐ、ｑ
はそれぞれ０〜３の整数であって、式（１）では１≦ｊ
＋ｍ≦３２式（２）では１≦ｌ　＋　ｍ　＋ｐ　＋　ｑ
≦３である。またｎ、ｒはそれぞれ０〜２の整数である
。

本発明で用いろニトロ基および／または水酸基を含有す
る芳香族化合物としては、例えばニトロベンゼン、ジニ
トロベンゼン、ジニトロナフタレン、トリニトロナフタ
レン、ジニトロ安息香１ｍ、ジニトロナフトアルデヒド
類、カテコール、ターシャリブチルカテコール、ノ）イ
ドロオキシキノン、ナフトール、ジオキシナフタレン、
メチルナフトール類等が挙げられろ。

上記ニトロ基および／または水酸基を含有する芳香族化
合物は、単独でも、２種以上混合して使用してもよい。

炭素数ピッチとしては、石炭系あるいは石油系のピッチ
が使用でき、特に軟化点が１００〜４００℃、好ましく
は１５０〜３５０℃であるピッチが望ましい。

さらに、上記の炭素数ピッチとしては、光学的に等方性
のピッチあるいは異方性のピッチを、単独または混合し
て使用でき、特に好ましくは光学異方性相の含有量が６
０〜１００ｖｏ１％、最も好ましくは８０〜１００ｖｏ
１％である光学異方性ピッチの使用が望ましい。

炭素質ピッチ１００重量部に対し、ニトロ基および／ま
たは水酸基を含有する芳香族化合物を１〜４５重量部、
好ましくは５〜３５重量部混合したものを炭素質マトリ
ックスの前駆体として用いる。

ニトロ基および／または水酸基を含有する芳香族化合物
の混合割合が上記範囲から外れる場合には、眉間剥離を
防止し、曲げ強度を向上する効果が得られない。

本発明において、炭素繊維束と炭素質マトリックスの前
駆体から炭素／炭素複合材料を製造する方法を以下に述
べる。

まず、炭素繊維束に前述の炭素質マトリックスの前駆体
を含浸する。該含浸は、上記炭素質マトリックスの前駆
体を減圧下で加熱、溶融することにより行われる。含浸
の条件は、使用する炭素質マトリックスの性質に応じて
適宜選択できるが、好ましくは減圧下で含浸した後にＮ
２等の不活性ガス雰囲気下で加圧することが望ましい。

また、含浸時の粘度を下げて含浸を容易にする目的で、
例えば芳香族炭化水素、ピリジン、キノリン等の溶剤で
希釈することもできる。

次いで加圧下またはプレス下で次化し、必要に応じてさ
らに常圧下で炭化することにより、炭素／炭素複合材料
が得られる。

加圧下の炭化は、不活性ガスにより５０〜１０．０００
ｋｇ／ｄにて等方加圧し、４００〜２０００℃に加熱す
ることにより実施することが好ましい。

また、プレス下の炭化は、ホットプレスなどによる１０
〜５００ｋｇ／ｅ＋／の一軸加圧下において４００〜２
．０００℃に加熱することにより実施することが好まし
い。

また、ＨＩＰ　（熱間静水圧加圧）装置を用いて炭化を
行うこともできる。

ＨＩＰ装置における加圧熱処理の条件は、不活性ガスに
より５０〜１０．０００ｋｇ／ｃｄ、好ましくは２００
〜２．０００ｋｇ／ｄに加圧し、１００〜３．０００℃
、好ましくは４００〜２．０００℃において実施するこ
とが出来る。知謀ガスとしては、アルゴン、窒素、ヘリ
ウムなどの不活性ガスが使用出来る。加圧下またはプレ
ス下による炭化の後、必要に応じて行われる常圧下の炭
化は、不活性ガス雰囲気下４００〜３０００℃において
実施することが出来る。

以上の方法で製造される炭素／炭素複合材料中の炭素繊
維の体積含有率は、目的によって任意に決定できるが、
通常は５〜７０％程度であることが望ましい。

（発明の効果） 本発明の方法により、眉間剥離による破壊を起こさず高
い強度を有する炭素／炭素複合材料を製造することがで
きる。

（実施例） 以下に実施例を挙げ、本発明を具体的に説明するが、本
発明はこれらに制限されるものではない。

実施例１ まず軟化点２６０℃、光学異方性相の含有量が実質的に
１００％である光学異方性ピッチ９５重量部に、ターシ
ャリブチルカテコールを５重量部混合した。

この混合物を、弾性率４０　Ｘ　１０　’ｋｇｆ／　ｗ
ｍ２、直径１０μ−のピッチ系炭素繊維束の２次元織物
（平織）の積層物に３５０℃で含浸した。含浸方法は、
上記混合物を５１ＩＩｌｌｌＨｇの減圧下で３５０℃に
加熱して２時間保持し、さらにＮ２ガスで５．５ｋｇ／
ｄに加圧して１時間保持した後、徐冷して常圧に戻す方
法を用い、含浸物を得た。

上記含浸物を１３０ｋｇ／ｃｊの圧力下６００℃におい
てホットプレスし、さらにアルゴンガスにより１０００
ｋｇ／ｃＩｌに加圧しながら、８００℃で１２時間炭化
処理して炭素／炭素複合材料を得た。

得られた炭素／炭素複合材料にＡＳＴＭ　　Ｄ７９０に
準拠する３点曲げ試験を行ったところ、４０　ｋｇｆ／
ｍ２の曲げ強度を有し、破壊は引っ張り側から起こり、
眉間剥離は見られなかった。

比較例１ 実施例１で用いた光学異方性ピッチのみを、実施例１と
同じ積層物に、含浸し、実施例１と同様にしてホットプ
レス、加圧炭化を行って炭素／炭素複合材料を得た。得
られた炭素／炭素複合材料の曲げ試験を実施例１と同様
に行ったところ、２７ｋｇｆ／ｌｌｌｌ１１２の曲げ強
度を示し、層間剥離による破壊を起こした。

比較例２ 実施例１で用いた光学異方性ピッチ９５重量部に対し、
メチルナフタレンを５重量部混合した。この混合物を実
施例１と同じ積層物に含浸し、ホットプレス、加圧炭化
を行って炭素／炭素複合材料を得た。得られた炭素／炭
素複合材料の曲げ試験を実施例１と同様に行ったところ
、２３ｋｇｆ／ａｍ２の曲げ強度を示し、層間剥離によ
る破壊を起こした。

実施例２ 実施例１で用いた光学異方性ピッチ８５重量部に対し、
ジニトロナフタレンを１５５重量部混した。この混合物
をベンゼンで希釈して実施例１と同じ積層物に含浸した
。得られた含浸物を２００ｋｇ／ｃ＋／の圧力下、６０
０℃においてホットプレスし、さらに実施例１と同様に
して加圧炭化を行って炭素／炭素複合材料を得た。

得られた炭素／炭素複合材料の曲げ試験を実施例１と同
様に行ったところ、３８ｋｇｆ／ｍ２の曲げ強度を有し
、破壊は引っ張り側から起こり、層間剥離は見られなか
った。

実施例３ 実施例１で用いた光学異方性ピッチｓｏｇ１部に対し、
ジニトロ安息香酸を２００重量部混した。この混合物を
ベンゼンで希釈して実施例１と同じ積層物に含浸した。

得られた含浸物を２００ｋｇ／ｃｄの圧力下、６００℃
においてホットプレスし、実施例１と同様にして加圧炭
化を行って炭素／炭素複合材料を得た。

得られた炭素／炭素複合材料の曲げ試験を実施例１と同
様に行ったところ、３６ｋｇｆ／ｍｍ２の曲げ強度を有
し、破壊は引っ張り側から起こり、層間剥離は見られな
かった。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　炭素質ピッチ１００重量部に対しニトロ基および／ま
   たは水酸基を含有する芳香族化合物の少なくとも一種を
   １〜４５重量部混合し、この混合物を炭素繊維束に含浸
   した後、加圧下あるいはプレス下で炭化し、必要に応じ
   て常圧下でさらに炭化することを特徴とする炭素／炭素
   複合材料の製造法。