JPH04214073A - 耐酸化性炭素繊維強化炭素材およびその製造方法 - Google Patents

耐酸化性炭素繊維強化炭素材およびその製造方法

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JPH04214073A
JPH04214073A JP2410347A JP41034790A JPH04214073A JP H04214073 A JPH04214073 A JP H04214073A JP 2410347 A JP2410347 A JP 2410347A JP 41034790 A JP41034790 A JP 41034790A JP H04214073 A JPH04214073 A JP H04214073A
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JP
Japan
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carbon
carbon fiber
oxidation
powder
carbon material
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Withdrawn
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JP2410347A
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English (en)
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Akimitsu Okura
大蔵 明光
Toru Niwa
徹 丹羽
Susumu Nishikawa
進 西川
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KOBE CHUTETSUSHO KK
Kobe Cast Iron Works Ltd
Original Assignee
KOBE CHUTETSUSHO KK
Kobe Cast Iron Works Ltd
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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】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は高温下で使用される機械
構造部材として用いられる、高強度高弾性で耐酸化性を
有した耐酸化性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。さらに詳しく言えば本発明は特に
高温の大気、排ガス雰囲気中などの酸化性雰囲気下にお
いて、耐酸化性・高強度・高弾性を要求されるような条
件下で使用される、構造用部材としての耐酸化性炭素繊
維強化炭素材およびその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】炭素繊維強化炭素材は炭素の持つ耐熱性
、耐食性及び軽量性に加えて、炭素繊維強化により高強
度、高弾性を付与しているため、比強度が高く、高温で
の強度劣化がなく、熱衝撃に強く、非酸化性雰囲気での
使用に優れている。このような特徴を生かして、宇宙航
空用構造材料、耐熱構造材料、あるいは生体材料などに
用いられている。
【0003】炭素繊維強化素材は現在工業的には、樹脂
やピッチの含浸法、CVD法、あるいは加圧含浸炭化法
によって製造されているが、いずれも工程の繰り返しが
必要となり、製造に長時間を要するため、コスト高とな
っているのが現状である。
【0004】本発明者らはこの製造コストの問題を改善
するため、加熱加圧成形法による炭素繊維強化炭素材の
製法をすでに発明した。これは炭素繊維強化炭素材のマ
トリックス原料として、コークス粉末と炭素質バインダ
ーの混合物を用い、これら混合物を一方向あるいはクロ
ス状の炭素繊維と積層し、これを加熱加圧成形すること
により短期間に炭素繊維強化炭素材を製造することがで
きる。
【0005】しかし、炭素繊維強化炭素材はマトリック
スと強化材とも炭素であるため、高温で酸化されやすい
欠点がある。例えば、炭素材を大気中で加熱すると30
0 ℃から酸化され始め、600 ℃以上では急激に酸
化が進行する。このため、高温下では非酸化性雰囲気で
の使用に限定されているのが現状である。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明は高強度、高弾
性な炭素繊維強化炭素材の特性を損なわないように高温
下での耐酸化性を付与した、耐酸化性炭素繊維強化炭素
材を開発することを課題とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明の耐酸化性炭素繊
維強化炭素材は、粒径10μm以下の微細なセラミック
スが炭素中に10〜50容量%分散したものをマトリッ
クスとし、20〜40容量%の長炭素繊維を強化材とし
て複合した構成に特徴がある。
【0008】本発明の耐酸化性炭素繊維強化炭素材の製
造方法は、20〜50容量%のピッチ粉末と、10〜5
0容量%のセラミックス粉末と、残りが生コークス粉末
からなる混合物に少量の樹脂とアルコールを加えてスラ
リー状としたものを、引き揃えた長炭素繊維群中にその
長炭素繊維の占める割合が20〜40容量%となるよう
に含浸せしめて予備成形体を形成し、その予備成形体を
加熱加圧成形し、焼結することを特徴とする。
【0009】本発明の耐酸化性炭素繊維強化炭素材にお
いて、上記セラミックスは、炭化ホウ素、炭化ケイ素、
元素周期律表の4a族の炭化物、元素周期律表の4a族
のホウ化物の群の中から選択した1又は複数からなるも
のとするのがよい。
【0010】本発明の耐酸化性炭素繊維強化炭素材の製
造方法において、上記ピッチ粉末および生コークス粉末
は、石油系、石炭系のいずれでもよいが、残留揮発分を
ピッチ粉末が20〜30重量%、生コークス粉末が5〜
15重量%含むものがよい。これらの粒径は30μm以
下、好ましくは10μm以下のものがよい。ピッチ粉末
と生コークス粉末とは混合して用いてもよいがピッチ粉
末のみを用いることができる。ピッチ粉末の混合量を全
混合粉末に対して20〜50容量%としたのは、ピッチ
配合量が20容量%未満の場合には炭素繊維とマトリッ
クスとの接着性が悪く強度劣化が生じ、50容量%を越
える場合には熱処理により多孔化し密度と強度の低下が
生じるからである。
【0011】本発明の製造方法において、上記セラミッ
クス粉末は、炭化ホウ素、炭化ケイ素、元素周期律表の
4a族の炭化物、元素周期律表の4a族のホウ化物の群
の中から選択した1又は複数からなる粉末が用いられ、
その粒径は10μm以下、好ましくは1μm以下のもの
が用いられる。セラミックス粉末の配合量を全混合粉末
に対して10〜50容量%にしたのは、10容量%以下
の場合には耐酸化性が悪くなり、50容量%を超えると
マトリックス中の炭素が減少し炭素繊維とマトリックス
との接着性が悪くなると共に機械加工性も悪くなるから
である。
【0012】本発明の耐酸化性炭素繊維強化炭素材が、
特に耐酸化性を必要とする場合には、炭化ホウ素粉末を
10〜20容量%配合するのが好ましく、とくに140
0℃以上の高温耐酸化性を必要とする場合には、元素周
期率表の4a族の炭化物あるいはホウ化物例えばホウ化
ジルコニウム粉末を10〜30容量%配合するのが好ま
しい。
【0013】本発明で用いる炭素繊維は有機系、ピッチ
系のいずれでも良いが、引張強さ200Kgf/mm2
 以上、引張弾性率2×104Kgf/mm2 以上の
高強度、高弾性品を用いるのが好ましい。これより低強
度のものでは複合材料の強度が低下する。炭素繊維は1
500℃以上の温度で処理されたものが好ましい。とい
うのは本発明の耐酸化性炭素繊維強化炭素材の熱処理温
度が1500〜2300℃の範囲であり、1500℃以
下で処理された炭素繊維では劣化してしまうためである
。炭素繊維は直径5〜10μmの連続長繊維であり、フ
ィラメント数は3000〜12000 のものを用いる
のが良く、これ以上フィラメント数が多くなるとマトリ
ックスと炭素繊維との分散性が悪くなる。
【0014】炭素繊維の体積率が成形体に対して20〜
40容量%の範囲であるのは、繊維体積率が20容量%
未満の場合は炭素繊維による高強度化の効果が少なく、
60容量%を超えるとマトリックスと炭素繊維との接着
性が悪くなり強度が劣化するからであり、また40容量
%を超えるとセラミックスの体積率が少なくなり耐酸化
性が劣化するなどの問題が生じるからである。好ましく
は20〜40容量%の範囲である。
【0015】上記予備成形体の形成は、長炭素繊維を開
繊し一方向に並べ、これにマトリックスのスラリーを塗
布し、乾燥し、積層体としてまとめるのがよい。このよ
うに並べられた炭素繊維にスラリー化したマトリックス
粉末を塗布すると、成形後の炭素繊維とマトリックスと
の分散が均一となり、しかもマトリックス中に炭素質の
バインダーとしてのピッチを含むためマトリックスと炭
素繊維との接着性が良好な成形体が得られる。また、マ
トリックスと炭素繊維との積層物を加熱加圧成形するた
め緻密な成形体が得られ、樹脂やピッチの含浸を繰り返
す必要がなく短期間に製造することができる。
【0016】予備成形体の加熱加圧成形及び焼結は不活
性雰囲気下で行い、加熱加圧成形温度は300 〜50
0 ℃、焼結温度は1500〜2300℃の範囲であり
、成形圧力は100 〜500Kgf/cm2 の範囲
である。
【0017】
【作用及び効果】本発明の耐酸化性炭素繊維強化炭素材
において、マトリックスの炭素は、炭素繊維間及び炭素
繊維とマトリックスとの接着性、及びマトリックスの緻
密化を付与し、炭素繊維は、高強度と高弾性を付与する
。さらに、セラミックスは高温での耐酸化性とその焼結
によりマトリックスを高強度にする。すなわち、セラミ
ックスを複合することにより高温酸化性雰囲気化での使
用時に製品表面に酸化皮膜を形成し高温耐酸化性が大き
く改善される。
【0018】例えば、市販の炭素材の曲げ強さ及び曲げ
弾性率が各々100 〜500Kgf/cm2 、5×
105 〜10×105Kgf/mm2 であるのに対
し、本発明の炭素繊維強化炭素材の曲げ強さ及び曲げ弾
性率は各々1000〜3000 Kgf/cm2 、1
0×105 〜30×105Kgf/mm2 であり、
市販の炭素材に比べてはるかに高強度、高弾性である。
【0019】高温の耐酸化性は例えば市販の炭素材や炭
素繊維強化炭素材は酸化性雰囲気中では600 ℃から
急激に酸化が進行するのに対し、本発明の耐酸化性炭素
繊維強化炭素材では1200℃の大気中で6時間放置し
ても重量減少率は僅かに10%以下であり、はるかに耐
酸化性が改善される。
【0020】本発明の耐酸化性炭素繊維強化炭素材の製
造方法は、予備成形体の形成が長炭素繊維群にスラリー
状のものを含浸させるので、その作業が容易であり、製
造コスト面で有利である。
【0021】
【実施例】マトリックス中の炭素として、揮発分約10
容量%の生コークス粉末(平均粒径10μm以下)、揮
発分約25容量%のピッチ粉末(平均粒径11μm以下
)、およびセラミックスとして、炭化ケイ素粉末(平均
粒径0.6 μm以下)と炭化ホウ素粉末(平均粒径1
.5 μm以下)およびホウ化ジルコニウム粉末(平均
粒径2μm以下)を下記の表1に実施例1〜10として
示す割合で配合し、ボールミルで6時間混合し、マトリ
ックス粉末とした。
【0022】
【表1】
【0023】このマトリックス粉末と少量のフェノール
樹脂およびエタノールとを湿式ボールミルで3時間混合
しマトリックススラリーとした。
【0024】炭素繊維は開繊し、一方向に並べながら筒
に巻き取る。この炭素繊維の巻き取り中に、マトリック
ススラリーを塗布し、この巻き取りと塗布を繰り返し、
繊維にマトリックスが含浸した予備成形体を作製する。 得られた予備成形体中の繊維とマトリックスおよび樹脂
の体積率を表1に示す。
【0025】これら各実施例の予備成形体を350 ℃
〜400 ℃の温度で20MPa の圧力を加えて成形
し、さらに2000〜2200℃の温度で熱処理を施し
た。このようにして得られた焼成体(耐酸化性炭素繊維
強化炭素材)の密度と曲げ強さの測定値を下記の表2に
示す。  熱処理後のセラミックスと繊維の体積率も求
めた。
【0026】
【表2】
【0027】また、比較例として市販の炭素繊維強化炭
素材料の値も表2に併記した。曲げ強さは繊維方向を長
さ方向とし、試料を3×5×30mmに切断し実温3点
曲げにより測定した。
【0028】実施例3、4、5、6について800 ℃
と1000℃の大気中における重量増減を測定した。そ
れぞれの結果を図1および図2に示す。これは、210
0℃で熱処理した試料を6×8×30mmの大きさに切
断し、800 ℃と1000℃に保持された箱型電気炉
の中に静置し、所定時間保持した後、重量増減を測定し
た。また、比較例として市販の炭素繊維強化炭素材も同
一条件で高温大気中での重量増減を測定した。図1およ
び図2から理解されるように、800 ℃では各実施例
(3〜6)が比較例よりも格段と耐酸化性に優れており
、1000℃でも各実施例(3〜6)が比較例よりも優
れていて、中でも実施例5、6、が優秀である。なお、
実施例1、2、7、8、9、10の耐酸化性は、実施例
3、4のそれに略匹敵する。
【0029】実施例5、6について、1400℃と16
00℃の大気中における重量増減を測定した。それぞれ
の結果を図3および4に示す。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例3〜4の各耐酸化性炭素繊維強
化炭素材の800 ℃大気中での酸化による重量変化率
を示すグラフである。
【図2】本発明の3〜4の各耐酸化性炭素繊維強化炭素
材の1000℃大気中での酸化による重量変化率を示す
グラフである。
【図3】本発明の実施例5、6の各耐酸化性炭素繊維強
化炭素材の1400℃大気中での酸化による重量変化率
を示すグラフである。
【図4】本発明の実施例5、6の各耐酸化性炭素繊維強
化炭素材の1600℃大気中での酸化による重量変化率
を示すグラフである。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  粒径10μm 以下の微細なセラミッ
    クスが炭素中に10〜50容量%分散したものをマトリ
    ックスとし、20〜40容量%の長炭素繊維を強化材と
    して複合した構成の耐酸化性炭素繊維強化炭素材。
  2. 【請求項2】  上記セラミックスが、炭化ホウ素、炭
    化ケイ素、元素周期律表の4a族の炭化物、元素周期律
    表の4a族のホウ化物の群の中から選択した1又は複数
    からなるものであることを特徴とする請求項1に記載の
    耐酸化性炭素繊維強化炭素材。
  3. 【請求項3】  20〜50容量%のピッチ粉末と、1
    0〜50容量%のセラミックス粉末と、残部が生コーク
    ス粉末からなる混合物に少量の樹脂とアルコールを加え
    てスラリー状としたものを、引き揃えた長炭素繊維群中
    にその長炭素繊維の占める割合が20〜40容量%とな
    るように含浸せしめて予備成形体を形成し、その予備成
    形体を加熱加圧成形し、焼結することを特徴とする耐酸
    化性炭素繊維強化炭素材の製造方法。
  4. 【請求項4】  上記ピッチ粉末が残留揮発分を20〜
    30重量%含み、上記生コークス粉末が残留揮発分を5
    〜15%含むものであることを特徴とする請求項3に記
    載の耐酸化性炭素繊維強化炭素材の製造方法。
  5. 【請求項5】  上記セラミックス粉末が、炭化ホウ素
    、炭化ケイ素、元素周期律表の4a族の炭化物、元素周
    期律表の4a族のホウ化物の群の中から選択した1又は
    複数からなる粉末であることを特徴とする請求項3又は
    4に記載の耐酸化性炭素繊維強化炭素材の製造方法。
  6. 【請求項6】上記長炭素繊維が、引張強さ200Kgf
    /mm2 以上、引張弾性率2×104Kgf/mm2
     以上のものであることを特徴とする請求項3、4、5
    の中のいずれか1に記載の耐酸化性炭素繊維強化炭素材
    の製造方法。
JP2410347A 1990-12-12 1990-12-12 耐酸化性炭素繊維強化炭素材およびその製造方法 Withdrawn JPH04214073A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003068707A1 (fr) 2002-02-14 2003-08-21 Toyo Tanso Co., Ltd. Materiau composite carbone renforce a fibre de carbone resistante a l'oxydation, et procede de production dudit materiau

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