JPH0431362A - 黒鉛／カーボン繊維複合材料の製造方法 - 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〕 本発明は黒鉛／カーボンｍ維複合材料及びその製造方法
並びに黒鉛／カーボン繊維複合成形体及びその製造方法
に関する。

［従来の技術］ 天然（人造）黒鉛／カーボン繊維複合材料（以下、Ｃ／
Ｃコンポジットと記載する）を開発し、このＣ／Ｃコン
ポジットを黒鉛れんが、ＭｇＯ−Ｃれんが、Ａ１２０３
−Ｃれんが等の黒鉛系れんがの黒鉛材料として使用でき
れば、れんがの特性を向上させることができる。特に、
カーボン繊維を分散混入する技術が確立すれば、カーボ
ン繊維の特性を必要とする他の耐火物の特性向上にも応
用することができる。

通常、Ｃ／Ｃコンポジットに使用されるマトリックスは
樹脂やピッチあるいはＣＶＤによる熱分解炭素であり、
一部、自己焼結性コークスを使用する研究もなされてい
る。また、製法もフィラメント・ワインディング法、イ
ンジェクション・モールディング法等、各種の方法が取
り入れられている。マトリックスに樹脂やピッチを使用
する方法は、マトリックスの炭素化収率を高めるために
、樹脂やピッチを繰り返し含浸しなければならず、また
、ＣＶＤ法による炭素含浸方法では、その沈積速度が現
在のところ８μ一／時間程度であり、それらは製造時間
やコストの増大につながる。自己焼結性コークスを利用
する方法は、炭素化あるいは黒鉛化処理が必要であり、
前者はどではないが、やはり製造時間か多少掛かる。も
し天然（人造）黒鉛をマトリックスとして利用できれば
、黒鉛化処理が不要となるので、製造時間とコストの低
減が可能になり、しかも、大型の複合材料が製造できる
ようになる。

マトリックスにカーボン繊維を混入する仕方は、配向方
向で分けると１軸配向、２次元配向、３次元配向がある
。これらは長繊維を利用した場合のものであるが、それ
ぞれ一長一短があり、複合材料の使用条件や製造コスト
等によって選ばれる。

本発明のＣ／Ｃコンポジットに使用する方法は、上述の
３次元配向に代わるものとして有望視されている短繊維
（チョツプド・ファイバー〉を分散混入する方法である
。

現在、チョツプドストランド状のカーボン７アイバーを
セメントペーストあるいは軽量モルタル中に分散させて
造られた外装材が使用されいる。この外装材の特徴はカ
ーボンの化学的安定性を利用した点とファイバーによる
強度向上によって全体として軽量化が図られているとこ
ろにある。このように、チョツプド・ファイバーを使用
した複合材料が現実に利用されつつある。

［発明が解決しようとする課題］ チョツプド・ファイバーを黒鉛マトリックスや耐火物マ
トリックスに利用する場合の最大の問題点は、ファイバ
ーがストランド状ではマトリ、ンクスとのなじみが非常
に悪い上に、分散しにくいこと、及び従来の方法では繊
維の混入量をせいぜい２〜４体積％程度にしかできない
ことである。更に、セメントと異なり、熱間で使用され
る黒鉛や耐火物では、熱間でのファイバーとマトリック
スとの関係が重要となってくる。うまく複合化されてい
ないと、ファイバーが亀裂の発生源となり、かえって強
度等の特性の低下につながる。すなわち、セメント業界
での方法がそのまま耐火物業界に転用できるものではな
い。

従って、本発明の目的はマトリックス中に炭素繊維を均
一に分散させたＣ／Ｃコンポジット及びその製造方法を
提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 即ち、本発明は黒鉛マトリックス１００重量部に対して
平均径３〜３０μ輪、長さ０．１〜１００ｍｍのカーボ
ン繊維１〜８０重量部を含有してなり、前記カーボン繊
維が前記黒鉛マトリックス中にランダムに分散してなる
ことを特徴とする黒鉛／カーボン繊維複合材料に係る。

更に、本発明は後述の黒鉛１００重１部当たり１〜８０
重量部の平均径３〜３０μ輪、長さ０．１〜１００Ｉの
カーボン繊維と、粘度０．１パスカル・秒以下の液体と
を前記繊維／液体体積比１／（１００以上）で剪断力付
与下で混合して液体中にカーボン繊維を均一に分散させ
、次に、任意の粒径の黒鉛１００重量部を添加して更に
混合して混合物を得、該混合物から液体分を除去し、乾
燥することを特徴とする黒鉛／カーボン繊維複合材料の
製造方法に係る。

また、本発明の他の実施態様によれば、本発明は黒鉛マ
トリックス１００重量部に対して平均径３〜３０μｍ、
長さ０．１〜１００ｍｍのカーボン繊維】〜８０重量部
を含有してなり、前記カーボン繊維が前記黒鉛マトリッ
クス中にランダムに分散してなることを特徴とする焼成
黒鉛／カーボン繊維複合成形体に係る。

本発明の更に他の実施態様によれば、本発明は後述の黒
鉛］−〇〇重量部当たり１〜８０重量部の平均径３〜３
０　ｕ、　ｃ、長さ０．１〜１００Ｉのカーボン繊維と
、粘度０．１パスカル・秒以下の液体とを前記繊維／液
体体積比１　／（１００以上）で剪断力付与下で混合し
て液体中にカーボン繊維を均一に分散させ、次に、任意
の粒径の黒鉛１００重量部を添加して更に混合して混合
物を得、該混合物から液体分を除去し、乾燥し、更にバ
インダーを添加して所望の形状に成形し、乾燥し、更に
焼成することを特徴とする焼成黒鉛／カーボン繊維複合
成形体の製造方法に係る。

［作　　用］ 本発明のＣ／Ｃコンポジットはマトリックスに初めから
黒鉛を使用する点と、比較的長いカーボン繊維を任意の
量添加することができる点で、これまでにはないＣ／Ｃ
コンポジットである。

本発明のＣ／Ｃコンポジットに使用てきるカーボン繊維
は平均径３〜３０μ論、長さ０．１〜１００Ｉの寸法を
有するものである。

また、本発明のＣ／Ｃコンポジットに使用てきる黒鉛は
天然黒鉛または人造黒鉛のいずれてもよく、例えば鱗状
黒鉛、土状黒鉛、カーボンブラック、熱分解炭素等を挙
げることができる。使用する黒鉛は任意の粒径のもので
あることができる。

本発明のＣ／Ｃコンポジットは上記黒鉛をマトリックス
とし、この黒鉛１００重量部当たり１〜８０重量部のカ
ーボン繊維がマトリックス中にランダムに分散された状
態のものである。カーボン繊維の添加配合量が１２重量
部未満であると繊維添加の効果が現れないために好まし
くなく、また、８０重量部を超えると繊維どうしの重な
りが増え、剥離を起こし易くなるために好ましくない。

なお、本発明のＣ／Ｃコンポジットは界面結合を強化す
る目的で金属シリコンを含有することもできる。金属シ
リコンの添加配合量は黒鉛１００重量部当たり１〜１０
重量部の範囲内である。金属シ１Ｊコンの添加配合量が
１重量部未満では添加効果がないために好ましくなく、
１０重量部を超えると金属シリコンと繊維とからできる
化合物が大きくなり、繊維を切断するために好ましくな
い。

次に、本発明のＣ／Ｃコンポジットの製造方法を説明す
る。

まず、黒鉛１００重量部当たり１〜８０重量部の上述の
ようなカーボン繊維と、粘度０．１パスカル・秒以下の
液体とを前記繊維／液体体積比１／（１００以上）で剪
断力付与下で混合して液体中にカーボン繊維を均一に分
散させる。

なお、使用するカーボン繊維が短繊維としてそのまま使
用できる場合には必要ないが、チョツプドストランド状
やファイバーボール状になっている場合にはカーボン繊
維は解繊処理を施した後に使用する必要がある。解繊処
理は慣用の解繊ｔ！＆、ハイスピードミキサー等を使用
して行うことができる。

この分散操作に使用する０　１パスカル・秒以下の粘度
をもつ液体としては例えば水、アルコール、エーテル、
アセトンあるいはそれらで希釈して粘度を下げたフェノ
ール樹脂、エポキシ樹脂等を挙げることができる。これ
らの液体の使用量はカーボン繊維／液体体積比１／（１
，００以上）である。該液体の量がカーボン繊維／液体
体積比が１／（１，００未満）であると液体の剪断力が
効果的に働かないために好ましくない。

分散操作はカーボン繊維と液体よりなる混合物に剪断力
を付与することにより行うことがてきる。

この剪断力を付与する操作には例えばオムニミキサー等
を使用することができる。オムニミキサーの中に上記混
合物を装填して剪断力付与下で処理することにより、カ
ーボン繊維を液体中に均一に分散させることができる。

次に、上述のようにして得られた分散体にト記黒鉛１０
０重量部を添加して更に混合して混合物を得る。この操
作は分散操作に引き続きオムニミキサー中で行うことが
できる。なお、黒鉛を添加する前に分散体に少量の界面
活性剤を添加することが好ましい。界面活性剤としては
例えば発泡性の少ない石鹸類や分散剤等を使用すること
が好ま１−い。この操作により黒鉛中にカーボン繊維を
ランダムに分散させることができる。

次に、得られた混合物から液体分をｒ過等の操作により
除去し、次に、１５０〜２００℃程度の温度で乾燥する
ことにより本発明のＣ／Ｃコンポジットを得ることがで
きる。

このようにして得られたＣ／Ｃコンポジットは後述のよ
うにしてＣ／Ｃコンポジット自体を成形し、焼成するこ
とにより焼成の黒鉛／カーボン繊維複合成形体とするこ
ともでき、また、Ｃ／Ｃコンポジットを炭素含有耐火物
等の炭素原料として使用することもできる。

次に、本発明の黒鉛／カーボン繊維複合成形体について
説明する。

本発明の黒鉛／カーボン繊維複合成形体は上述のように
して得られたＣ／Ｃコンポジットに適宜バインダーを添
加し、所定の形状に成形し、乾燥し、焼成することによ
り作製できる。

使用されるバインダーは特に限定されるものではないが
、例えばフェノール樹脂、エポキシ樹脂、ピッチ、ター
ル等を使用することができる。バインダーのＣ／Ｃコン
ポジットへの添加配合量は１〜２０重量％程度である。

該添加配合量が１重量％未満であるとバインダーの効果
が現れないために好ましくなく、また、２０重量％を超
えると除去されるべきバインダー内揮発分が多くなるた
めに好ましくない。なお、バインダーは慣用の操作によ
りＣ／Ｃコンポジットへ添加配合することができるが、
バインダーをアルコール等の希釈剤に溶解してＣ／Ｃコ
ンポジットに添加し、次に、自然乾燥により希釈剤を除
去する操作を行うことがバインダー添加時のミキシング
をソフトに行うことができ、ミキシングに起因した繊維
の切断を防止する上で好ましい。

また、Ｃ／Ｃコンポジットに金属シリコン等を添加する
場合には希釈したバインダーと同時に添加することがて
きる。

次に、バインダーを添加したＣ／Ｃコンポジットは慣用
の方法により所望の形状に成形することができる。成形
方法は特に限定されるものではない。

成形したＣ／Ｃコンポジットを例えば１６０〜２００℃
程度の温度で乾燥し、更に焼成すれば本発明の焼成黒鉛
／カーボン繊維複合成形体を得ることができる。

上述のようにして得られた黒鉛／カーボン繊維複合成形
体を還元雰囲気で焼成する。しかし、単に還元雰囲気中
で焼成しても、焼成時のバインダーの炭素化収縮のため
に、カーボン繊維の周囲に空隙がてき、黒鉛マトリック
スとカーボン繊維は剥がれてしまい、両者の界面に強固
な結合は得られない。

そこで、本発明では上述のようにして得られた成形体を
還元雰囲気中、８００〜１０００℃程度の温度で３〜１
０時間程時間酸した後、更に、ピッチ、フェノール樹脂
、エポキシ樹脂等を含浸し、更に、上記と同様の条件下
で焼成する操作を行うことにより上記の問題を解決した
。なお、含浸操作は真空引きを行いながら、例えばピッ
チの場合には２００〜２４０℃の温度で０，１〜１時間
、フェノール樹脂の場合には５０〜８０℃の温度で、０
．１〜１時間処理することにより行うことができる。こ
の焼成及び含浸操作は２回以上反復して行うことができ
る。

含浸操作を行った後に焼成操作を行うことにより、黒鉛
マトリックスとカーボン繊維の間に炭素が入り込み、バ
インダーに起因する空隙を埋め、黒鉛マトリックスとカ
ーボン繊維の間に強固な結合を形成することができる。

［実　施　例］ 以下に実施例を挙げて本発明を更に説明する。

実施例１ 以下の第１表に記載する配合割合にて、本発明のＣ／Ｃ
コンポジットを作製し、た。

まず、解職処理を施した所定量のカーボン繊維と水６１
（カーボン繊維の体積の約１０００倍〉のをオムニミキ
サーに装填し、回転数６Ｈｚ以上の条件下で処理して水
中にカーボン繊維を均一に分散させた。

次に、得られた分散体に界面活性剤としてＭ　１ｒａｎ
ｏｌ　ＨＭを１鰺！とシリコン油数滴を添加した後、所
定量の黒鉛原料及び適宜金属シリコンを添加し、更に、
６Ｈｚ以上の条件下で処理することにより黒鉛中にカー
ボン繊維をランダムに分散させた分散体を得た。

次に、沢過により分散体から水を除去し、１５０℃の温
度で５時間乾燥することにより本発明のＣ／Ｃコンポジ
ットを得た。

なお、第１表に示す黒鉛１は鱗片状の天然黒鉛で粒径が
１８０μ鴎であり、黒鉛２は粒径が４μ鴫の人造黒鉛で
ある。また、カーボン繊維１は平均径７μｍ、長さ約１
２ｍｍのものであり、カーボン繊維２は平均径１８μ■
、長さ約１０ｍｎのものである。

実施例２ 実施例１で得られたＣ／Ｃコンポジットにアルコール：
フェノール樹脂重量比−２：１．のバインダーを黒鉛原
料１００重量部に対してフェノール樹脂換算量で６重量
部添加し、無加圧のニーダ−ミキサーにて混練し、次に
、２０℃で２４時間自然乾燥させることによりアルコー
ルを除去した。

得られた混線物を第２表に記載する条件下て成形して１
２３０ｍｍＸｗｌ　１４ｍｎＸｈ６５１ｍの寸法の成形
体を得た。

次に、成形体を還元雰囲気下１５００℃で５時間焼成し
、次に、ピッチ含浸処理またはフェノール樹脂含浸処理
を施し、再度還元雰囲気下１５００℃で５時間焼成する
ことにより焼成黒鉛／カーボン繊維複合成形体を得た。

ピッチ含浸処理：真空引き、２００〜２４０’Ｃで３０
分間保持。

フェノール樹脂含浸処理＝８５℃で３０分間保持。

ｔ　タ、得られた焼成黒鉛／カーボン繊維複合成形体の
特性値を第２表に併記する。なお、破壊エネルギーは１
０００℃の熱間で測定した値であり、試料にシェブロン
ノツチを入れ、ＷＯＦ法て行った。この時の変位測定に
はレーザー光線を使用した。

［発明の効果］ 本発明のＣ／Ｃコンポジットはマトリックスに天然（人
造〉黒鉛を使用しているので従来のＣ／Ｃコンポジット
とは全く異なるものであり、そのまま所望の形状に成形
して焼成した成形体と１−で、また、炭素含有耐火物の
炭素原料等として使用することができる。

）二一二〕

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. １．黒鉛マトリックス１００重量部に対して平均径３〜
   ３０μｍ、長さ０．１〜１００ｍｍのカーボン繊維１〜
   ８０重量部を含有してなり、前記カーボン繊維が前記黒
   鉛マトリックス中にランダムに分散してなることを特徴
   とする黒鉛／カーボン繊維複合材料。
2. ２．後述の黒鉛１００重量部当たり１〜８０重量部の平
   均径３〜３０μｍ、長さ０．１〜１００ｍｍのカーボン
   繊維と、粘度０．１パスカル・秒以下の液体とを前記繊
   維／液体体積比１／（１００以上）で剪断力付与下で混
   合して液体中にカーボン繊維を均一に分散させ、次に、
   任意の粒径の黒鉛１００重量部を添加して更に混合して
   混合物を得、該混合物から液体分を除去し、乾燥するこ
   とを特徴とする黒鉛／カーボン繊維複合材料の製造方法
   。
3. ３．黒鉛マトリックス１００重量部に対して平均径３〜
   ３０μｍ、長さ０．１〜１００ｍｍのカーボン繊維１〜
   ８０重量部を含有してなり、前記カーボン繊維が前記黒
   鉛マトリックス中にランダムに分散してなることを特徴
   とする黒鉛／カーボン繊維複合成形体。
4. ４．後述の黒鉛１００重量部当たり１〜８０重量部の平
   均径３〜３０μｍ、長さ０．１〜１００ｍｍのカーボン
   繊維と、粘度０．１パスカル・秒以下の液体とを前記繊
   維／液体体積比１／（１００以上）で剪断力付与下で混
   合して液体中にカーボン繊維を均一に分散させ、次に、
   任意の粒径の黒鉛１００重量部を添加して更に混合して
   混合物を得、該混合物から液体分を除去し、乾燥し、更
   にバインダーを添加して所望の形状に成形し、乾燥し、
   更に焼成することを特徴とする焼成黒鉛／カーボン繊維
   複合成形体の製造方法。