JPH0477359A

JPH0477359A - 炭素繊維強化炭素焼結体

Info

Publication number: JPH0477359A
Application number: JP2189164A
Authority: JP
Inventors: Hirohisa Miura; 三浦　宏久; Yoshiteru Nakagawa; 喜照中川; Satoru Nakatani; 悟中谷
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 1990-07-17
Filing date: 1990-07-17
Publication date: 1992-03-11
Anticipated expiration: 2009-02-02
Also published as: JPH068217B2

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］本発明は強度が高く、耐熱性、耐摩耗性に優れ、航空機
、レース車両等のブレーキ材料、高温用軸受等の摺動材
料、高温下とか宇宙空間等の苛酷な条件下で使用される
構造材料として利用できる炭素繊維強化炭素焼結体に関
する。

［従来の技術］耐熱性が高くかつ摺動特性の優れた材料として炭素材料
が知られている。この炭素材料の構造特性を向上する目
的で、炭素マトリックス中に炭素繊維を一体的に埋設し
た炭素繊維強化炭素焼結体が研究され、一部実用化され
ている。

代表的な従来の炭素４！ｌｉ維強化炭素焼結体は、炭化
または黒鉛化されかつ酸化処理等の表面処理の施された
強化材としての炭素繊維に、タール、ピッチまたは熱硬
化性樹脂等の結合剤としての液状炭素質材料を含浸させ
て不活性雰囲気下で焼成し、得られた焼成体の気泡を埋
めるために繰り返し液状炭素質材料の含浸、焼成を実施
して製造していた。

また、他の炭素繊維強化炭素焼結体の製造方法としては
、メソカーボンと炭素質繊維または黒鉛質繊維とを混合
し、成形し、加熱処理する方法か、特開昭６０−２００
８６７号公報に、報告されている。また、特公昭５７−
２７０５７号公報には、所定温度で熱処理したフェノー
ル系ｔｉ＆維を強化繊維として使用したフェノール樹脂
硬化体を所定温度で熱処理して炭素−炭素複合体を得る
方法が報告されている。

［発明が解決しようとする課題］従来の炭素繊維に液状の炭素質材料を含浸して製造され
た炭素繊維強化炭素焼結体は、内部に多くの気泡が残る
とともにマトリックスを構成する炭素が流れ模様を呈す
るように焼成され、マトリックスの一体性が乏しい。ま
た、炭素繊維とマトリックスとの間の界面には多くの剥
離が見られる。

メソカーボンと炭素ｔｓＡＮとを混合し、成形し、加熱
して得られる炭素繊維強化炭素焼結体は、製造が比較的
簡単ではあるか炭素繊維とマトリックスとの間の界面に
は多くの剥離か見られ、前記した液状炭素質を含浸して
得られたものと同じく繊維とマトリックスとの一体性が
乏しい。

フェノール系繊維強化フェノール樹脂硬化体を出発原料
とする方法で得られる炭素１ｉＩｉ維強化炭素焼結体は
、マトリックスが光学異方性を示し、繊維とマトリック
スとの界面剥離もないとのことであるが密度が１．５７
程度と低い。またこの方法は、フェノール樹脂を出発原
料とし、成形体の形態でフェノール樹脂の分解、炭化を
進めなければならないため、大きなバルク状の炭素繊維
強化炭素焼結体を製造するのが困難であるという問題が
ある。

本発明は、炭素繊維と炭素マトリックスとの一体性が高
くかつ緻密な炭素繊維強化炭素焼結体を提供することを
目的とする。

［課題を解決するための手段Ｊ本発明者は、未炭化の炭素質繊維と自己焼結性を有する
炭素質粉末との複合体を焼結することにより、炭素ｔＩ
Ｈ維とマトリックスとの一体性か高く緻密な炭素繊維強
化炭素焼結体か得られることを発見し、本発明を完成し
たものである。

本発明の炭素繊維強化炭素焼結体は、炭素マトリックス
中に炭素繊維が一体的に埋設された組織を有し、該炭素
マトリックスは偏光顕微鏡で見て光学的異方性の微粒子
か均一に密集したモザイク構造をもち、偏光顕微鏡によ
って観察した面積内で観察された気孔の面積の割合は１
０％以下であり、該炭素繊維と該炭素マトリックスとの
間の界面で剥離している界面の割合か全界面に対して１
０％以下であり、かつ密度か１．６５Ｑ／ｃｒｒｕ以上
であることを特徴とする。この炭素マトリックス中には
炭素繊維以外に、微細な粉末状、繊維状、箔状のの金属
、セラミックスの無機微小体か埋設されていてもよい。

本発明の炭素ｌｌｉ維強化炭素焼結体は、炭素マトリッ
クス中に炭素繊維あるいは炭素繊維と金属およびセラミ
ックスからなる無機微小体が一体的に埋設された組織を
持つ。

この炭素繊維強化炭素焼結体を構成する炭素繊維は、焼
結体の強度を確保するもので、偏光顕微鏡で見て、異方
性を示すものでも等方性を示すものでもよい。炭素繊維
は、切断された短繊維でも、長繊維でもよい。また、炭
素繊維はマトリックス中に一定方向に配向しているもの
でも逆にランダムに配向しているものでもよい。炭素繊
維強化炭素焼結体中に炭素繊維を配合すると、一般に、
配合量が増大すると密度が低下し、かつ曲げ強度も低下
する。しかし摺動時の特性、例えば耐摩耗性、焼付荷重
が向上する。炭素繊維の配合量が５０重量％程度に増大
すると、耐摩耗性も低くなり、摩耗量も増大する。この
ため、炭素繊維の配合量は１０〜４０重量％程度が好ま
しい。

炭素繊維強化炭素焼結体の構成成分となりうる無機微小
体としては、微小な金属、セラミックスで構成できる。

これら無機微小体の形状は、粉末状、ウィスカ等の繊維
状、箔片等でもよい。炭素繊維強化炭素焼結体中の無機
微小体の割合は１〜５０重量％程度が好ましい。

炭素繊維強化炭素焼結体の構成成分である炭素マトリッ
クスは偏光顕微鏡で見て光学的異方性の微粒子が均一に
密集したモザイク構造をもつ。偏光顕微鏡で見て光学的
異方性をもつとは、炭素が一定方向に規則的に配列した
組織をもつものと考えられる。即ち、この炭素マトリッ
クスは、光学的異方性をもつ炭素粒子が密集した状態で
押し固められた状態にある。均一に密集したとは、炭素
粒子が流動していない、流れ線等の模様か無いことを意
味する。偏光顕微鏡下でモザイク状に観察される炭素粒
子の大きさは３０μｍ以下、より好ましくば０．５〜２
０μｍか良い。

本発明の炭素繊維強化炭素焼結体を構成する炭素繊維と
炭素マトリックスとの間の界面で剥離している界面の割
合が全界面に対して１０％以下である必要がある。炭素
マトリックスと炭素［１とが剥離していると炭素Ｉ！雑
の補強効果か充分でない。このため界面の剥離面積は全
界面の１０％以下より好ましくは５％以下がよい。この
炭素繊維と炭素マトリックスとの剥離は走査型電子顕微
鏡（以下、ＳＥＸと称する。）で観察測定できる。

また、この炭素繊維強化炭素焼結体の気孔率は１０％以
下である。この焼結体の気孔は偏光顕微鏡で観察すると
黒い点として観察される。従って観察している面積に占
める黒い点の面積より気孔率が計韓できる。

本発明の炭素繊維強化炭素焼結体の密度が１゜６５以上
とは、炭素マトリックスの緻密性、気孔が少なくかつ炭
素繊維と炭素マトリックスとの界面が剥離していない等
が総合された特性である。

従って、これらマトリックスの緻密性が欠けたり、気孔
率が高すぎたり、繊維とマトリックスとの間の剥離が多
いと、比重は１．６５Ｃ１／ｃｍ）以下となる。

なお、炭素繊維強化炭素焼結体の密度は高温で長時間熱
処理することにより高くなる傾向にある。

２０００℃、２０分程度の熱処理を施したものであれば
、密度は１．７５ｇ／ｃｍ３以上のものが好ましい。　
本発明の炭素繊維強化炭素焼結体の強度は、曲げ強度で
６００ｋｇ／ｃｍ２ＪＪ、上、より好ましくは７５０ｋ
ｇ／ｃｍ２以上である。炭素繊維強化炭素焼結体を構成
する炭素繊維の割合、無機微小体の材質および割合、炭
素繊維と炭素マトリックスとの間の剥離面積の割合、気
孔率そして焼結体の密度は直接にこの炭素繊維強化炭素
焼結体の機械的強度、開動特性に影響する。

本発明の炭素繊維強化炭素焼結体としては、未炭化炭素
質繊維あるいは未炭化炭素質繊維と金属およびセラミッ
クスからなる無機微小体とを埋設した自己焼結性を有す
る炭素質粉末とからなる複合体を焼結して得られる焼結
体を採用できる。

ここで、未炭化炭素質繊維とは、通常の炭化処理の１Ｍ
されていない状態の炭素質繊維をいう。換言すれば、さ
らに熱処理をすることにより、さらに炭化する余地を有
する炭素質ｌｉＭをいう、具体的には、原料ピッチを使
用した場合には、紡糸したままの繊維または紡糸した繊
維を５５０℃を越えない温度で不融化した繊維をいう。

ＰＡＮ　（ポリアクリロニトリル）系レーヨン系などの
高分子系の繊維では分解工程を終え、黒鉛化処理前の繊
維をいう。この種の炭素質繊維としては、例えば、石炭
系または石油系の原料ピッチを紡糸して得たピッチ繊維
またはこれを不融化して得た不融化繊維などがある。こ
の未炭化繊維は、例えば、引張り強度が７〜１３ｋｇ／
ｃｍ２程度と低く、簡単に手で引張って切れる程度のも
のである。

この原料ピッチの紡糸および不融化は常法に従って行え
ばよく、条件などは特に限定されない。

通常、ピッチ繊維は、原料ピッチを紡糸器に供給し、３
００〜４００℃程度に加熱した状態で不活性ガスによる
加圧下にノズルから押出して得ることができる。また、
このようなピッチ繊維をさらに酸化性雰囲気中１５０〜
５００℃程度で０．５〜５時間程度保持して不融化！１
ｉ、Ｉとすることができる。なお、この原料ピッチは、
光学的等方性のものでも、光学的異方性のものでもよい
。

なお、未決化ｍ維の炭化の程度を熱処理温度で規定でき
るものとすると、低い温度で熱処理された未炭化繊維を
使用して焼結して得られた炭素繊維強化炭素焼結体程、
炭素ＮＮと炭素マトリックスとの間の界面の剥離は少な
くなる傾向にある。。

なお、熱処理温度が余りに低いと、未炭化繊維自体に含
まれる蒸発および分解成分が多くなり、炭素繊維として
の機能が弱くなる。

未炭化炭素質繊維の繊維長さは、短繊維、長繊維に限ら
ない。しかし、短繊維の場合には０．０１〜５Ｑｍｍの
ものを使用することができる。特に、０．０３〜１０ｍ
ｍのものが混合のしやすさ、アスペクト比の関係から好
ましい。長すぎては繊維どうしが絡みあい分散性が低下
し、ひいては焼結体特性の等方性に劣り、また０、０１
ｍｍより短くては焼結体の強度が急激に低下して好まし
くない。また、繊維径としては、５〜２５μｍ程度のも
のが好ましい。さらに、これらの繊維からなる不織布ま
たはコーティング布として使用することもできる。

未炭化炭素質ｆｉ＆Ｍは、さらにタール、ピッチ、有機
高分子などの粘結成分を含有する材料で表面処理し、結
合材とのなじみ性を向上させることが好ましい。この表
面処理は、炭素質Ｉｉ維１００重量部に１００〜１００
０重量部程度の粘結置部含有材料を加えて撹拌し、有機
溶媒により洗浄後、乾燥して行うことができる。

この表面処理に使用するタール、ピッチは、石炭系およ
び石油系のいずれであってもよい。ピッチを使用する場
合には、撹拌時に１４０〜１７０℃程度の加熱が必要と
なるの゛で、処理材としては、タールの方がより好まし
く、また後続の炭化および黒鉛化工程での炭化歩溜りの
点からは、石炭系のものがより好ましい。

この表面処理に使用する有機高分子として、フェノール
樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリビニルアルコールなどを挙
げることができる。

この表面処理の洗浄において使用する有機溶媒は、トル
エン、キシレンなどの芳香族系溶媒を使用することがで
きる。未炭化炭素質繊維と粘結成分含有材料との混合物
１００重量部に対して１゜Ｏ〜１０００重量部程度を置
部、撹拌洗浄する。

この洗浄により、揮発成分か多く含まれる軽質油分が除
去される。洗浄を終えた未炭化炭素質繊維は、たとえば
、窒素、アルゴンなどの非酸化性雰囲気中で、加熱およ
び／または減圧などの条件下に乾燥処理される。乾燥処
理は、洗浄に使用した有機溶媒が除去される限り、これ
らの方法に限定されるものではない。

さらに、乾燥を終え表面処理された未炭化炭素質ＩＭは
、必要に応じて分散処理される。すなわち、乾燥させた
繊維が、塊状化または凝集していることがあるので、こ
のような場合には、通常の粉体ミル、アトマイザ−、パ
ルバライザーなどの任意の手段により分散を行う。

無機微小体は未炭化炭素質繊維とともに、本発明の炭素
繊維強化炭素焼結体の原料となる。この無機微小体は、
炭素繊維強化炭素焼結体の物性、例えば摩擦係数、摩耗
量、耐酸化性を変えるために配合される。この無機微小
体は、融点１０００℃以上で炭素と反応しないもの、よ
り好ましくはさらにｌ−１ｖ１０００ＬＸ上のものがよ
い。

かかるＷＡ機物として、無機酸化物、無機炭化物、無機
窒化物、無機硼化物などを挙げることかできる。無機酸
化物として、たとえばＡｌ２Ｏ３、ＴＣ２、ＺｒＯ２、
ＭＱＯなどを挙げることかできる。無機炭化物として、
たとえばＢ４Ｃ，ＴＣ，ＴａＣ１７ｒＣなどを挙げるこ
とができる。

無機窒化物として、たとえばＢＮ、Ｔ　ｉ　Ｎ、Ｃｒ２
　Ｎ、ＴａＮ、Ａ３２Ｎ、ＺｒＮなどを挙げることがで
きる。無機硼化物として、たとえばＴｌ８２、ＺｒＢ２
　、Ｂ４Ｃ，Ｎ　ｉ　Ｂ、ＣＯＢ、ＢＮ、ＴａＢ２など
を挙げることができる。さらに、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎ
ｉ、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｖ、Ｔｉ、Ｗなどの無機物も使用する
ことができる。なお、これらの無機物は、金属の状態で
添加することも可能である。また、無機微小体としは、
微粒子状のもののほかウィスカ、セラミックス繊維等の
繊維、箔が含まれる。

前記したような無機微小体のうちから、適切なものを選
択することによって、炭素繊維強化炭素焼結体の用途に
応じて、その摩擦係数μ、耐摩耗特性などの物性を最適
な特性に管理することができる。特に、摩擦係数を高い
ものとするためには、Ｔｉ０ｚ、Ａｌ２Ｏ３、ＭＱＯ等
の酸化物を採用するのが好ましい。また、０．２〜０．
３程度の摩擦係数が好ましい場合には、ＴｉＣ，ＴａＣ
１ＺｒＣおよびＴＡＮ、ＡｌＮ５ＴａＮ等の炭化物、窒
化物を採用するのが好ましい。また、逆に摩擦係数を少
し低くしたいような場合には、Ｂ４Ｃ１Ｔ　ｉ　Ｂ２　
、ＢＮ、ＺｒＢ２等の硼化物を少し採用するのが好まし
い。

無機微小体として無機粉末を使用した場合は、マトリッ
クス材とのなじみ性、分散性およびできあがった焼結体
の強度と耐摩耗性を考慮して、粒径０．１〜５μｍのも
のが好ましく、より好ましくは０．２〜４μｍである。

また、無機微小体として無機１ｉＩＡ雑を使用した場合
は、マトリックス材とのなじみ性、分散性、でき上った
焼結体の強度と耐摩耗性および繊維の離脱を考慮して、
直径０．７〜４０μｍ、長さ０゜０１〜Ｂｍｍのものが
好ましく、より好ましくは直径１〜１５μｍ、長さ０．
０５〜３ｍｍである。

炭素質粉末は、本発明の炭素繊維強化炭素焼結体の結合
剤を構成するものである。この炭素質粉末は自己焼結性
を有し、未炭化、または完全に炭化されていないもので
ある。この自己焼結性炭素質粉末としては、石油系およ
び石炭系のいずれであってもよく、具体的には、メソカ
ーボンマイクロビーズ、バルクメソフェーズ粉砕品、低
温か焼コークス粉砕品などを挙げることかできる。これ
らの中では、粒径および組成の均一性、安定性などの観
点から、石油系および石炭系のメソカーボンマイクロビ
ーズが好ましく、炭化歩溜りの観点から石炭系のものが
より好ましい。自己焼結性炭素質粉末としては、粒径３
０μｍ以下、β−レジン量３〜５０％程度のものが好ま
しい。なお、このβ−レジン量は、より好ましくは６〜
３０％、ざらに好ましくは８〜２５％である。

本発明の焼結体は、たとえば第１図に示すような乾式混
合、乾式成形および焼成という簡単な工程で製造できる
。

未炭化炭素質繊維と、無機粉末または無機繊維と、自己
焼結性炭素質粉末とは、混合、成形されて複合体を構成
する。このときの混合手段は特に限定されないが、強度
および耐摩耗性を等５的にするためには、前記した原料
を均一に混合することが好ましい。

本発明にかかる焼結体の成形は、常法によって行うこと
ができ、通常１〜１０　ｔ　Ｏｎ／ｃｍ２程度の加圧下
に所定の形状に成形すればよい。または、ＣＩＰ法、Ｈ
ＩＰ法、ホットプレス法などによって成形を行ってもよ
い。成形は、常温でまたは不活性雰囲気下５００′Ｃ程
度までの加熱下に行うことができる。

複合体は、焼結されて本発明にかかる焼結体となる。な
お、ここで焼結とは、常圧で７００〜１５００℃程度に
焼成して未炭化炭素質繊維および自己焼結性炭素質粉末
を炭化固結させることをいう。なお、必要に応じてこの
炭化された複合体を黒鉛化炉で焼結温度以上に加熱して
黒鉛化させてもよい。炭化の条件は、特に限定されない
が、通常非酸化性雰囲気中０．１〜３００℃／時間程度
の速度で常温から１５００℃程度の温度まで昇温し、０
．５〜１０時間程時間待して行えばよい。

なお、焼結時においてもより高温で焼結することにより
複合体の一部は炭化の後、黒鉛化する。

また、黒鉛化の条件も、特に限定されず、非酸化性雰囲
気中で焼結時の温度から０．１〜５００°Ｃ／時間程度
の速度で１５００〜３０００℃程度の温度まで昇温し、
０．５〜１０時間程時間待すればよい。黒鉛化を行った
場合には、黒鉛結晶が十分に成長するとともに秩序正し
く配向し、これにより製品の密度、耐摩耗性などかさら
に向上する。

なお、焼結体の強度の向上を主として求めるのであれば
１５００〜２０００℃程度で熱処理するのが好ましい。

また、グラファイト化による摺動特性の向上を主として
求めるのであれば２８００℃あるいはそれ以上で熱処理
するのが好ましい。

本発明の炭素繊維強化炭素焼結体は、焼結前の複合体を
未炭化炭素質繊維および無機粉末または無機繊維と、未
炭化炭素質繊維および無機粉末または無機繊維を埋設し
た自己焼結性を有する未炭化炭素質粉末とで構成したも
のである。したかつて、複合体を焼結する場合、強化材
としての炭素質繊維が未炭化、または完全に炭化されて
いないものであるため、この未炭化炭素質繊維と自己焼
結性を有する未炭化炭素質粉末とは、炭化される際に同
程度の物理的性質（強度、収縮率など）をもつ。このた
め、これら炭素質繊維と炭素質粉末との界面密着性が向
上し、したかつて、高強度および優れた耐摩耗性を得る
ことができる。要するに、複合体を焼結する場合、未炭
化同士の炭素質繊維と炭素質粉末とが同程度に収縮して
結合するので、これらの界面密着性が高まり、１言動部
材の強度および耐摩耗性か向上する。

また、無機粉末または無機繊維を添加した炭素繊維強化
炭素焼結体で作られた部品は、相手材との間に機械的な
抵抗力が働き、これにより摩擦係数μが高く、安定した
ものとなる。すなわち、添加された無機粉末または無機
繊維か、相手材に対して機械的な抵抗力を及ぼすので、
１昼勤部材の摩擦係数μか高く、安定したものとなる。

たとえば、無機粉末を添加した場合には、粉末状である
ため荷重の増加に伴い炭素マトリックス部から離脱しや
すくなり、この無機粉末の離脱と炭素マトリックス部の
凝着とがつり合うことにより、荷重の変動に対して摩擦
係数μが安定したものとなる。また、無機繊維を添加し
た場合には、荷重が増加しても繊維状であるため炭素マ
トリックス部から離脱しにくく、このため摩擦係数μか
高い値となる。

また、前記したように結合材としての自己焼結性炭素質
粉末は、液状炭素質材料からなる従来の結合材の使用を
不要とする。したがって、液状結合材の使用により発生
する気孔を充填するために、含浸、焼成を繰返す必要が
なく、本発明の炭素繊維強化炭素焼結体は、前記したよ
うに第１図に示す乾式混合、乾式成形、焼成という簡単
な工程などで、安価に製造することができる。

なお、添加する無機粉末または無機繊維によって摺動部
品の摩擦係数μか大きく変化するのは、摺動に伴う発熱
により、無機粉末または無機繊維の状態が変化するため
と考えられている。たとえば、酸化物は耐熱性が高いた
め、摺動時にもその粒子とか繊維の形状を残し、このた
め、高い摩擦係数μを示すものと考えられている。また
、硼化物は、酸化物とは逆に開動時の熱により、分解し
液相を形成し、摩擦係数μを低下させていると考えられ
ている。

さらに、未決化炭素質Ｓ維をタール、ピッチ、有機高分
子などの粘結成分を含有する材料により表面処理した場
合には、炭素質１１ｔの界面の濡れ性か高まり、これに
より結合材としての炭素質粉末とのなじみ性か高まるの
で、これら炭素質繊維と炭素質粉末との界面密着性がさ
らに向上する。

本発明の炭素繊維強化炭素焼結体は、炭素で構成され、
緻密でかつ強度が高い。従って、従来より短素材で作ら
れていた摺動材料、炭素電極、ロケットのノズルコーン
等に使用できる。

［実施例］以下、本発明の詳細な説明する。

（実施例１）石炭系の光学的等方性ピッチから常法により紡糸して得
られた、糸径１５μｍ、糸長さか３ｍｍの不融化ｉ維か
らなる未炭化炭素質繊維を準備した。この未炭化炭素質
繊維を強化材として、第１表に示す配合割合になるよう
に、この未炭化炭素質繊維と中心粒径７μｍのコールタ
ール系メソカーボンマイクロビーズからなる自己焼結性
炭素質粉末とを配合した後句−に混合し、得られた混合
物を２ｔｏｎ／ｃｍ２の成形圧力で成形して直径５ｃｍ
高さ１ｃｍの円盤状の複合体とした。なお、比較の意味
で自己焼結性炭素質粉末１００％の成形体も下記の同じ
条件で同時に作った。

次に、これらの成形体を非酸化性雰囲気中、１５０’Ｃ
／時間の速度で１０００℃まで昇温し、同温度で１時間
保持して焼成して、未炭化炭素質繊維及び自己焼結性炭
素質粉末を炭化固結させた。

そして、ざらに非酸化性雰囲気中、５００℃／時間の速
度で２０００’Ｃまで加熱し、２０分保持してさらに焼
結を進めた。

このように本実施例１のＮｏ、１からＮｏ、５までの５
種類の炭素繊維強化炭素焼結体と比較例としてのＮＯ，
，１０１の炭素焼結体を（ｑた。

これらの炭素Ｉ！維強化炭素焼結体および炭素焼結体ざ
らに市販のグラツシーカーボン（Ｎｏ、１０２として示
す）を用いて、偏光顕微鏡による表面観察、走査型電子
顕微鏡によるマトリックスと強化繊維の界面状態の観察
、密度、曲げ強度、焼き付き荷重、摩耗量を測定した。

偏光顕微鏡による観察では、第２図に代表として示すＮ
００３の炭素繊維強化炭素焼結体の偏光顕微鏡写真に示
すように、マトリックスか焼結した炭素粒子が互いに密
着し個々の粒子が異なる色模様に輝くモザイク状に観察
され、繊維はこのマトリックス中に点在した一様の色を
もつ島状に観察された。また、気孔を示す黒い点が所々
に観察された。これら黒い点の面積％を、観察した全体
の面積を１００面積％としたときに黒い点の占める面積
％を求めた。測定された面積％を第１表にまとめて示し
た。

走査型電子顕微鏡による観察では、第３図に代表として
示すＮｏ、２の炭素繊維強化炭素焼結体破面の走査型電
子顕微鏡写真に示すように、観察したマトリックスと強
化繊維の界面状態は両者が一体的に結合された状態が観
察され、Ｎｏ、１〜Ｎ００５までいずれの炭素繊維強化
炭素焼結体においてもマトリックスと強化繊維とが剥離
している状態は観察されなかった。

炭素ｌ！維強化炭素焼結体の密度を高密度で測定した。

得られた結果を第１表にまとめて示す。密度は炭素繊維
の配合量か増加するにつれ低下するのがみられる。しか
し炭素繊維配合量５０重量％ても、その密度は１．６７
ｇ／ｃｍ３であり、比較的高い値である。特に炭素繊維
配合量４０重量％以下では密度が１．７５ＣＩ／ｃｍａ
以上と極めて高い。

曲げ強度は３点式曲げ試験で測定した。曲げ強度も第１
表にまとめて示す。曲げ強度も密度とほぼ同じ傾向を示
している。すなわち曲げ強度も炭素繊維の配合量が増加
するにつれ低下する。しかし炭素繊維配合量５０重量％
でも、その曲げ強度は６００ｋｇ／Ｃｍ２以上であり比
較的高い値である。また炭素繊維配合１４０重量％以下
では曲げ強度が７００ｋｇ／ｃｍ２以上と極めて高い。

焼き付き荷重、摩耗量は、機械試験新式摩擦摩耗試験機
による無潤滑下の焼付荷重、そしてＬＦＷ摩擦摩耗試験
機による油潤滑下の摩耗量を測定した。機械試験新式摩
擦摩耗試験機による試験は、試験片として一辺が３Ｑｍ
ｍ、厚さ５ｍｍの正方形板状とし、この試験片の上面に
外径２６ｍｍ、内径２Ｑｍｍ、高さ１５ｍｍの５ＵＪ２
製の円筒上加圧体の下面を押圧し、１０ｋＣｌｆの押圧
をかけて試験片を無潤滑下で１６０回転／分で２分回転
し、焼付の有無を測定するものである。そして焼付が生
じない場合は次ぎ次ぎに１０ｋＣ１ｆを加え、同じ条件
で試験し、焼付の生じた荷重を測定したるものである。

また、ＬＦＷ摩擦摩耗試験機による試験は、相手材とし
て外径３５ｍｍ、内径３Ｑｍｍ、軸方向の長さ１Ｑｍｍ
の５ＵＪ２製のリングを使用し潤滑油としてＳＡＥ規格
の５Ｗ３０基油を使用し、回転速度１６０回転／分で、
相手材の外周面に縦１６ｍｍ、横５ｍｍ、高さ１０ｍｍ
の試験片を荷重１５ｋｇｆで加圧し１５分摺動させ、そ
の時の摩耗量を測定した。得られた測定結果をまとめて
第１表に示す。

焼付荷重は炭素４Ｉｉ雑の配合量が増加するにつれて低
下し、炭素繊維配合量３０〜４０重量％で最低となる。

以後炭素繊維配合量が増加するにつれ焼付荷重が高くな
っている。焼き付き荷重は、最低値でも６５ｋｇと極め
て高いため特に問題にすることはないと考えている。摩
耗量は、炭素繊維の配合量が増加するにつれ顕著に減少
する。そして炭素繊維配合量３０重量％で３０ｔ１ｍと
いう低い値になっている。摩耗量は炭素繊維配合量か４
０重量％を越えると再び増加する傾向にある。この試験
で摩耗量１００μｍ以下の値は炭素材料の値として極め
て優れたものである。

参考までに、本実施例１て使用した未炭化炭素質繊維を
６００’Ｃおよび８００　’Ｃて熱処理した繊維を使用
し、Ｎｏ、３と同じ組成および方法で炭素繊維強化炭素
焼結体を調製した。６００　’Ｃで熱処理した繊維を使
用した炭素繊維強化炭素焼結体の密度は１．３４Ｑ／ｃ
ｍｌ　、曲げ強度は９０ｋｇ／Ｃｍ２であり、炭素繊維
と炭素マトリックスとの界面はほとんど１００％剥離し
ていた。また、ａ　ｏ　ｏ　’ｃで熱処理した繊維を使
用した炭素繊維強化炭素焼結体の密度は１．５２Ｑ／ｃ
ｒｌ　、曲げ強度は１９０ｋｇ／ｃｍ２であり、炭素繊
維と炭素マトリックスとの界面はほとんど１００％剥離
していた。

（実施例２）本実施例２の炭素繊維強化炭素焼結体を製造するに当り
、まず、石炭系の光学的等方性ピッチを紡糸器に供給し
、３４０°Ｃに加熱した状態で不活性ガスによる加圧下
にノズルから押出して得られたピッチ繊維を、ざらに酸
化性雰囲気中３５０℃で２時間保持して不融化し、繊維
径１５μｍ、繊維長さが０．５ｍｍの不融化未決化炭素
質繊維を準備した。この強化材としての不融化未膨化炭
素質繊維３０重量部と、自己焼結性炭素質粉末としての
中心粒径７μｍのコールタール系メソカーボンマイクロ
ビーズ７０重量部とを混合したちの９０重量％に対し、
粒径２．６μｍの窒化アルミニウム（ＡＩＮ＞、粒径４
．０μｍの硼化ジルコニウム（ＺｒＢ２）、粒径４．０
μｍの硼化チタニウム（ＴｉＢ２）および粒径０．６μ
ｍの酸化マグネシウム（Ｍｌ＞を各々１０重量％配合し
てそれぞれ均一に混合し、得られた各混合物を２ｔｏｎ
／ｃｍ２の成形圧力で成形して４種類の複合体を得た。

次に、これらの複合体を常圧で非酸化性雰囲気中、１５
０’Ｃ／時間の速度で１０００℃まで昇温し、同温度で
１時間保持して焼成して、未炭化炭素質繊維および自己
焼結性炭素質粉末を焼結固結させた。そして、ざらに非
酸化性雰囲気中、５００　’Ｃ／時間の速度で２０００
　’Ｃまで加熱し、２０分保持してざらに焼結した。こ
れにより本実施例２の４種類の炭素ｌｌ１１Ｍ強化炭素
焼結体Ｎｏ、２１〜Ｎｏ、２４を得た。

これら４種類の炭素繊維強化炭素焼結体を用いて、実施
例１と同様に、偏光顕微鏡による表面観察、走査型電子
顕微鏡によるマトリックスと強化繊維の界面状態の観察
、密度、曲げ強度、焼き付き荷重、摩耗量を測定した。

偏光顕微鏡による観察では、実施例１の炭素繊維強化炭
素焼結体とほぼ同様のマトリックスが焼結した炭素粒子
が互いに密着し個々の粒子が異なる色模様に輝くモザイ
ク状に観察され、繊維はこのマトリックス中に点在した
一様の色をもつ島状に観察された。セラミックス粒子は
粒子の小さいものは炭素マトリックス内に埋設されて観
察できなかった。しかし比較的大きな粒子は白い島状に
観察された。また、気孔を示す黒い点が所々に観察され
た。これら黒い点の面積％を、観察した全体の面積を１
００面積％としたときに黒い点の占める面積％を求めた
。測定された面積％を第２表にまとめて示した。

走査型電子顕微鏡で観察したマトリックスと強化繊維の
界面状態は両者が一体的に結合された状態か観察され、
Ｎｏ、２１〜Ｎｏ、２４までいずれの炭素繊維強化炭素
焼結体においてもマトリックスと強化繊維とが剥離して
いる状態は観察されなかった。Ｎｏ、２４のＭＣｌ０を
配合した炭素繊維強化炭素焼結体は、マトリックスとの
間の親和性に乏しいのか所々に小ざな空隙が見られた。

炭素繊維強化炭素焼結体の密度として嵩密度を測定した
。得られた結果を第２表にまとめて示す。

密度はいずれも１．７１０／ｃｍ３以上と高密度であっ
た。

曲げ強度は３点式曲げ試験で測定した。曲げ強度も第２
表にまとめて示す。曲げ強度はいずれも５００ｋｑ／ｃ
ｍ２以上と高いものであった。しかし、配合したセラミ
ックスの種類により曲げ強度は大きく異なった。

焼き付き荷重、摩耗量についても実施例１と同様に測定
した。これらの結果も第２表にまとめてボす。

本実施例２の炭素繊維強化炭素焼結体の摩耗量は、第１
実施例の炭素繊維強化炭素焼結体に比較してざらに摩耗
量の少ない極めて優秀なものであった。参考のためにＮ
ｏ、２３のＴｉＢ２を配合した炭素繊維強化炭素焼結体
の摩耗試験後の摺動面を走査型電子顕微鏡で観察した顕
微鏡写真を第４図に示す。第４図より炭素繊維が炭素マ
トリックス中に一体的に保持されているのが見られる。

また、一部のマトリックス炭素が摺動により炭素繊維の
摺動摩耗面を覆っている様子が観察される。

この写真より、本実施例２の炭素繊維強化炭素焼結体の
耐摩耗性が極めて優れている理由が理解できる。

［発明の効果］本発明の炭素繊維強化炭素焼結体は、炭素マトリックス
とこのマトリックス内に埋設されている炭素繊維との一
体性が高く、焼結体として極めて緻密である。このため
密度が高く、曲げ強度とも高い。特に摩耗量が極めて少
ないという特徴をもつ。特にセラミックス等の無機微小
体を配合した場合には、摩耗量はさらに低くなる。また
、配合する無機微小体の種類により炭素繊維強化炭素焼
粘体の物性か大きく変化する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の炭素繊維強化炭素焼結体の製造工程を
示すブロック図、第２図は実施例１のＮ０９３の炭素繊
維強化炭素焼結体の組織を示す偏光顕微鏡写真、第３図
は実施例１のＮｏ、２の炭素繊維強化炭素焼結体の破面
の組織を示す走査型電子顕微鏡写真、第４図は実施例２
のＮｏ、２３の炭素繊維強化炭素焼結体の摺動面の組織
を示す走査型電子顕微鏡写真である。特許出願人　株式会社トヨタ自動車

Claims

【特許請求の範囲】

（１）炭素マトリックス中に炭素繊維が一体的に埋設さ
れた組織を有し、該炭素マトリックスは偏光顕微鏡で見て光学的異方性の
微粒子が均一に密集したモザイク構造をもち、偏光顕微鏡によって観察した面積内で観察された気孔の
面積の割合は１０％以下であり、該炭素繊維と該炭素マ
トリックスとの間の界面で剥離している界面の割合が全
界面に対して１０％以下であり、かつ密度が１．６５ｇ
／ｃｍ＾３以上であることを特徴とする炭素繊維強化炭
素焼結体。
（２）曲げ強度が６００ｋｇ／ｃｍ＾２以上である特許
請求の範囲第１項記載の炭素繊維強化炭素焼結体。
（３）全体を１００重量％とした場合炭素繊維の割合は
１０〜４０％であり、密度が１．７５ｇ／ｃｍ＾３以上
、曲げ強度が７００ｋｇ／ｃｍ＾２以上である特許請求
の範囲第１項記載の炭素繊維強化炭素焼結体。
（４）炭素マトリックス中に炭素繊維と無機微小体とが
一体的に埋設された組織を有し、該炭素マトリツクスは
偏光顕微鏡で見て光学的異方性の微粒子が均一に密集し
たモザイク構造をもち、偏光顕微鏡によって観察した面積内で観察された気孔の
面積の割合は１０％以下であり、該炭素繊維と該炭素マ
トリックスとの間の界面で剥離している界面の割合が全
界面に対して１０％以下であり、かつ密度が１．６５ｇ
／ｃｍ＾３以上であることを特徴とする炭素繊維強化炭
素焼結体。
（５）無機微小体は繊維状、粒子状、箔状の金属または
セラミックスである特許請求の範囲第１項記載の炭素繊
維強化炭素焼結体。
（６）無機微小体は繊維状、粒子状、箔状の金属または
セラミツクスである特許請求の範囲第１項記載の炭素繊
維強化炭素焼結体。
（７）セラミツクスは酸化物、炭化物、硼化物あるいは
窒化物である特許請求の範囲第６項記載の炭素繊維強化
炭素焼結体。