JPH05170537A - 炭素繊維強化複合炭素材料及びその製法 - Google Patents
炭素繊維強化複合炭素材料及びその製法Info
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- JPH05170537A JPH05170537A JP3342791A JP34279191A JPH05170537A JP H05170537 A JPH05170537 A JP H05170537A JP 3342791 A JP3342791 A JP 3342791A JP 34279191 A JP34279191 A JP 34279191A JP H05170537 A JPH05170537 A JP H05170537A
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- Japan
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- carbon
- composite material
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 耐酸化性の優れた炭素繊維強化複合炭素材料
及びその製法に関する。 【構成】 マトリックス炭素層中に長繊維の炭素繊維層
が強化材として設けられた基体部と、該基体部の表面に
被着されたマトリックス炭素層又はマトリックス炭素層
中に短繊維の炭素がランダムに配向した層とからなる被
覆部と、該被覆部の表面に被着された炭化けい素層を備
えてなる炭素繊維強化複合炭素材料及びその製法。
及びその製法に関する。 【構成】 マトリックス炭素層中に長繊維の炭素繊維層
が強化材として設けられた基体部と、該基体部の表面に
被着されたマトリックス炭素層又はマトリックス炭素層
中に短繊維の炭素がランダムに配向した層とからなる被
覆部と、該被覆部の表面に被着された炭化けい素層を備
えてなる炭素繊維強化複合炭素材料及びその製法。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は炭素繊維強化複合炭素材
料とその製法に関し、宇宙往還機、次世代超音速航空機
等の機体部品で高温にさらされる部分で、耐酸化処理が
必要となるもの及び鉄道車輛、自動車、航空機用ブレー
キディスクなどに有利に適用できる技術に関する。
料とその製法に関し、宇宙往還機、次世代超音速航空機
等の機体部品で高温にさらされる部分で、耐酸化処理が
必要となるもの及び鉄道車輛、自動車、航空機用ブレー
キディスクなどに有利に適用できる技術に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の炭素繊維強化炭素複合材(以下、
C/C複合材という)の製造方法を図4によって説明す
る。 一方向に揃えるかあるいは織物とした炭素繊維にフ
ェノール等の熱硬化性高分子物質を含浸し、シート状に
成形した繊維プリプレグ01を積層し、加熱して成形体
02とした後、炭化炉Aで炭化処理を施してC/C複合
材03を得ている。なお、図4中、04は炭素繊維、0
5はマトリックス炭素を示す。
C/C複合材という)の製造方法を図4によって説明す
る。 一方向に揃えるかあるいは織物とした炭素繊維にフ
ェノール等の熱硬化性高分子物質を含浸し、シート状に
成形した繊維プリプレグ01を積層し、加熱して成形体
02とした後、炭化炉Aで炭化処理を施してC/C複合
材03を得ている。なお、図4中、04は炭素繊維、0
5はマトリックス炭素を示す。
【0003】 上記方法において、C/C複合材03
を更に必要に応じて熱硬化性または熱可塑性高分子物質
を複数回含浸硬化させて炭化処理する緻密化過程を経て
C/C複合材とすることもある。
を更に必要に応じて熱硬化性または熱可塑性高分子物質
を複数回含浸硬化させて炭化処理する緻密化過程を経て
C/C複合材とすることもある。
【0004】 前記の工程に代えて炭素繊維の織物
に熱硬化性または熱可塑性高分子物質を含浸後炭化し、
化学蒸着法によって炭素を充填しC/C複合材03を得
るようにする方法もある。
に熱硬化性または熱可塑性高分子物質を含浸後炭化し、
化学蒸着法によって炭素を充填しC/C複合材03を得
るようにする方法もある。
【0005】このようにして得られる従来のC/C複合
材は表面から中央まで一様に炭素繊維04とマトリック
ス炭素05で構成されており、表面に炭素繊維04が露
出している。
材は表面から中央まで一様に炭素繊維04とマトリック
ス炭素05で構成されており、表面に炭素繊維04が露
出している。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】従来のC/C複合材は
炭素のみか、あるいは炭素を主成分とする素材であるの
で500℃以上の酸化性雰囲気下で容易に酸化消耗する
ため、高温大気中等で使用する場合、耐酸化被覆処理が
必須となる。
炭素のみか、あるいは炭素を主成分とする素材であるの
で500℃以上の酸化性雰囲気下で容易に酸化消耗する
ため、高温大気中等で使用する場合、耐酸化被覆処理が
必須となる。
【0007】耐酸化被覆材としては炭化けい素が多用さ
れるが、被覆層の形成方法として化学反応を利用してC
/C複合材表面付近の炭素を炭化けい素に変化させる方
法(以下、改質という)と、化学蒸着によって炭化けい
素の被膜をC/C複合材表面上に形成する方法が用いら
れている。
れるが、被覆層の形成方法として化学反応を利用してC
/C複合材表面付近の炭素を炭化けい素に変化させる方
法(以下、改質という)と、化学蒸着によって炭化けい
素の被膜をC/C複合材表面上に形成する方法が用いら
れている。
【0008】化学蒸着によって炭化けい素被膜を形成す
る場合でも、炭化けい素とC/C複合材の熱膨張率の違
いが原因となって生じる被膜の剥離を防ぐために、蒸着
の前に改質処理が施されることが多い。この改質処理に
おいて、炭素が炭化けい素となる反応はもとの炭素の性
質、すなわち結晶性、多孔性等に影響されるため、耐酸
化性のよい緻密で均質な炭化けい素の層を形成するため
には、C/C複合材表面の炭素が緻密で均質である必要
がある。
る場合でも、炭化けい素とC/C複合材の熱膨張率の違
いが原因となって生じる被膜の剥離を防ぐために、蒸着
の前に改質処理が施されることが多い。この改質処理に
おいて、炭素が炭化けい素となる反応はもとの炭素の性
質、すなわち結晶性、多孔性等に影響されるため、耐酸
化性のよい緻密で均質な炭化けい素の層を形成するため
には、C/C複合材表面の炭素が緻密で均質である必要
がある。
【0009】しかし、従来のC/C複合材表面は織物や
一方向に配向した炭素繊維が露出し、繊維とマトリック
スの界面に沿って深い亀裂や内部まで貫通する空孔が存
在する等、不均質な表面状態となっており、これを改質
して得られる炭化けい素層も緻密性、厚さ等の均質性の
乏しいものとなるため、充分な耐酸化性が期待できな
い。
一方向に配向した炭素繊維が露出し、繊維とマトリック
スの界面に沿って深い亀裂や内部まで貫通する空孔が存
在する等、不均質な表面状態となっており、これを改質
して得られる炭化けい素層も緻密性、厚さ等の均質性の
乏しいものとなるため、充分な耐酸化性が期待できな
い。
【0010】本発明は上記技術水準に鑑み、従来のC/
C複合材のような不具合のない炭素繊維強化複合炭素材
料及びその製法を提供しようとするものである。
C複合材のような不具合のない炭素繊維強化複合炭素材
料及びその製法を提供しようとするものである。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明は (1)マトリックス炭素層中に長繊維の炭素繊維層が強
化材として設けられた基体部と、該基体部の表面に被着
されたマトリックス炭素層又はマトリックス炭素層中に
短繊維の炭素がランダムに配向した層とからなる被覆部
と、該被覆部の表面に被着された炭化けい素層を備えて
なる炭素繊維強化複合炭素材料。
化材として設けられた基体部と、該基体部の表面に被着
されたマトリックス炭素層又はマトリックス炭素層中に
短繊維の炭素がランダムに配向した層とからなる被覆部
と、該被覆部の表面に被着された炭化けい素層を備えて
なる炭素繊維強化複合炭素材料。
【0012】(2)下記のA及びBを原料として、かつ
下記(ア),(イ),(ウ)の工程を含んでなる炭素繊
維強化複合炭素材料の製法。 A:長繊維炭素強化複合炭素材料又はその前駆体 B:熱硬化性又は熱可塑性高分子物質中に炭素系の短繊
維又は粉末を分散させたプリプレグシート (ア):Aの表面にBを被設する被設工程。 (イ):被設工程の済んだ原料を熱処理して黒鉛化する
黒鉛化工程。 (ウ):黒鉛化工程の済んだものをけい素、炭化けい素
及び酸化アルミニウムの混合粉末中に装入し、加熱する
改質工程。 である。
下記(ア),(イ),(ウ)の工程を含んでなる炭素繊
維強化複合炭素材料の製法。 A:長繊維炭素強化複合炭素材料又はその前駆体 B:熱硬化性又は熱可塑性高分子物質中に炭素系の短繊
維又は粉末を分散させたプリプレグシート (ア):Aの表面にBを被設する被設工程。 (イ):被設工程の済んだ原料を熱処理して黒鉛化する
黒鉛化工程。 (ウ):黒鉛化工程の済んだものをけい素、炭化けい素
及び酸化アルミニウムの混合粉末中に装入し、加熱する
改質工程。 である。
【0013】
【作用】本発明のC/C複合材の基体部は、炭素長繊維
又はその繊維に熱硬化性又は熱可塑性高分子物質を含浸
させてシート状にした繊維プリプレグを複数枚積層して
炭化処理及び黒鉛化処理してなるものか、炭素長繊維の
織物に化学蒸着によって炭素を充填し、黒鉛化処理して
なるもので、従来のC/C複合材と同じものであり、そ
の表面は炭素の緻密性に欠けているが、この基体部の表
面(両面)をマトリックス炭素層(例えば炭素粉)又は
マトリックス炭素中に短繊維の炭素がランダムに配向し
た被覆部を被着させているので、その被覆部の表面に形
成被着させられる炭化珪素層も緻密なものとなり、耐酸
化性の優れたC/C複合材料となる。
又はその繊維に熱硬化性又は熱可塑性高分子物質を含浸
させてシート状にした繊維プリプレグを複数枚積層して
炭化処理及び黒鉛化処理してなるものか、炭素長繊維の
織物に化学蒸着によって炭素を充填し、黒鉛化処理して
なるもので、従来のC/C複合材と同じものであり、そ
の表面は炭素の緻密性に欠けているが、この基体部の表
面(両面)をマトリックス炭素層(例えば炭素粉)又は
マトリックス炭素中に短繊維の炭素がランダムに配向し
た被覆部を被着させているので、その被覆部の表面に形
成被着させられる炭化珪素層も緻密なものとなり、耐酸
化性の優れたC/C複合材料となる。
【0014】
【実施例】以下、本発明のC/C複合材料の製法を図1
によって説明する。
によって説明する。
【0015】(実施例1)先ず、図1の黒ぬり矢印の工
程による本発明のC/C複合材料の一実施例について述
べる。
程による本発明のC/C複合材料の一実施例について述
べる。
【0016】工程1(積層工程):PAN系炭素繊維
(長繊維)を織物としたもの又は一方向に揃えたもの
に、フェノール系樹脂を含浸し、半硬化状態にしてシー
ト状に加工したプリプレグ4を8枚積層する。
(長繊維)を織物としたもの又は一方向に揃えたもの
に、フェノール系樹脂を含浸し、半硬化状態にしてシー
ト状に加工したプリプレグ4を8枚積層する。
【0017】工程2(成形工程):工程1で得た積層材
を加熱硬化してFRP(繊維強化樹脂)成形体7とす
る。
を加熱硬化してFRP(繊維強化樹脂)成形体7とす
る。
【0018】工程3(炭素化黒鉛化工程):工程2で得
た成形体7を炭化炉Aで窒素雰囲気中で最高2000℃
まで加熱してC/C複合材料8を得る。この工程中、炭
素化に伴う揮発成分の消耗によりマトリックス部が多孔
化するため、更に石油ピッチ又はフェノール系樹脂を含
浸し、炭素化、黒鉛化工程を繰り返すことが好ましい。
た成形体7を炭化炉Aで窒素雰囲気中で最高2000℃
まで加熱してC/C複合材料8を得る。この工程中、炭
素化に伴う揮発成分の消耗によりマトリックス部が多孔
化するため、更に石油ピッチ又はフェノール系樹脂を含
浸し、炭素化、黒鉛化工程を繰り返すことが好ましい。
【0019】工程4(表面積層工程):黒鉛粉末をフマ
ノール系樹脂と混合して半硬化状態とし、シート状に加
工した粉末プリプレグ3を上記工程で得られたC/C複
合材料8の表面(両面)に積層し、表面積層体9を得
る。なお、図中1はマトリックス、2は炭素(黒鉛)粉
である。
ノール系樹脂と混合して半硬化状態とし、シート状に加
工した粉末プリプレグ3を上記工程で得られたC/C複
合材料8の表面(両面)に積層し、表面積層体9を得
る。なお、図中1はマトリックス、2は炭素(黒鉛)粉
である。
【0020】工程5(表面層成形工程):上記工程で得
られた表面積層体9を炭化炉Aで最高2000℃まで加
熱して表面炭素層12を有するC/C複合材料6を得
る。図中、10は炭素長繊維、11はマトリックスを示
す。この材料を水銀ポロシメータにより空孔量の分布を
計測した結果を図2に示す。後述する比較例(従来例)
のC/C複合材料の空孔量の分布を計測した結果の図3
と対比すると、以下のことが判る。すなわち、比較例の
ものでは平均径約103 Åと104 〜105 Åの2ケ所
に分布のピークがあるのに対し、この工程5で得られた
ものは103 Åの1ケ所のみにピークがあるに過ぎな
い。比較例の104 〜105 Åのピークは配向した炭素
長繊維とマトリックスの間隙で形成された空孔であると
考えられる。
られた表面積層体9を炭化炉Aで最高2000℃まで加
熱して表面炭素層12を有するC/C複合材料6を得
る。図中、10は炭素長繊維、11はマトリックスを示
す。この材料を水銀ポロシメータにより空孔量の分布を
計測した結果を図2に示す。後述する比較例(従来例)
のC/C複合材料の空孔量の分布を計測した結果の図3
と対比すると、以下のことが判る。すなわち、比較例の
ものでは平均径約103 Åと104 〜105 Åの2ケ所
に分布のピークがあるのに対し、この工程5で得られた
ものは103 Åの1ケ所のみにピークがあるに過ぎな
い。比較例の104 〜105 Åのピークは配向した炭素
長繊維とマトリックスの間隙で形成された空孔であると
考えられる。
【0021】工程6(炭化けい素層形成工程)(図示省
略):上記工程で得られた表面炭素層12を有するC/
C複合材料をけい素:炭化けい素:酸化アルミニウム=
2:2:1(重量比)の混合粉末中に埋設して、アルゴ
ン雰囲気:1気圧で1900℃まで加熱し、1時間保持
して表面炭素層12に炭化けい素層を形成させた。
略):上記工程で得られた表面炭素層12を有するC/
C複合材料をけい素:炭化けい素:酸化アルミニウム=
2:2:1(重量比)の混合粉末中に埋設して、アルゴ
ン雰囲気:1気圧で1900℃まで加熱し、1時間保持
して表面炭素層12に炭化けい素層を形成させた。
【0022】この実施例1のC/C複合材料の炭化けい
素の厚さの最大、最小値の計測結果を表1に示す。従来
材料では厚さが10μmから250μmまで大きく変化
しているのに対し、実施例1のC/C複合材料では約1
00μmでほゞ一定であった。
素の厚さの最大、最小値の計測結果を表1に示す。従来
材料では厚さが10μmから250μmまで大きく変化
しているのに対し、実施例1のC/C複合材料では約1
00μmでほゞ一定であった。
【表1】
【0023】また、この実施例1のC/C複合材料を1
500℃、大気中に10時間保持した後の重量変化を表
2に示す。
500℃、大気中に10時間保持した後の重量変化を表
2に示す。
【表2】
【0024】(実施例2)次に、図1の白ぬき矢印の工
程による本発明のC/C複合材料の一実施例について述
べる。
程による本発明のC/C複合材料の一実施例について述
べる。
【0025】工程1(積層工程):PAN系炭素繊維
(長繊維)を織物としたもの又は一方向に揃えたもの
に、フェノール系樹脂を含浸し、半硬化状態にしてシー
ト状に加工したプリプレグ4を8枚積層し、更に黒鉛粉
末をフェノール系樹脂と混合して未硬化状態にしてシー
ト状に加工した粉末プリプレグ3をその表面(両面)に
積層する。
(長繊維)を織物としたもの又は一方向に揃えたもの
に、フェノール系樹脂を含浸し、半硬化状態にしてシー
ト状に加工したプリプレグ4を8枚積層し、更に黒鉛粉
末をフェノール系樹脂と混合して未硬化状態にしてシー
ト状に加工した粉末プリプレグ3をその表面(両面)に
積層する。
【0026】工程2(成形工程):上記工程で得た積層
材を加熱硬化してFRP成形体5とする。
材を加熱硬化してFRP成形体5とする。
【0027】工程3(炭素化黒鉛化工程):上記工程で
得たFRP成形体5を炭化炉Aで窒素雰囲気中で最高2
000℃まで加熱して、表面炭素層12を有するC/C
複合材料6を得る。この工程中で炭素化に伴う揮発成分
の消耗によりマトリックス部が多孔化するため、石油ピ
ッチ又はフェノール系樹脂を含浸し、炭素化、黒鉛化工
程を繰り返す。
得たFRP成形体5を炭化炉Aで窒素雰囲気中で最高2
000℃まで加熱して、表面炭素層12を有するC/C
複合材料6を得る。この工程中で炭素化に伴う揮発成分
の消耗によりマトリックス部が多孔化するため、石油ピ
ッチ又はフェノール系樹脂を含浸し、炭素化、黒鉛化工
程を繰り返す。
【0028】工程4(炭化けい素形成工程):実施例1
と同条件で行う。
と同条件で行う。
【0029】この実施例2のC/C複合材料を1500
℃、大気中に10時間保持した後の重量変化を前記表2
に併せて示した。
℃、大気中に10時間保持した後の重量変化を前記表2
に併せて示した。
【0030】(比較例)比較のために、従来法(図4)
に従ってC/C複合材料の製造例を述べる。
に従ってC/C複合材料の製造例を述べる。
【0031】工程1(積層工程):PAN系炭素繊維
(長繊維)を織物としたもの又は一方向に揃えたもの
に、フェノール系樹脂を含浸し、半硬化状態にしてシー
ト状に加工したプリプレグ01を8枚積層する。
(長繊維)を織物としたもの又は一方向に揃えたもの
に、フェノール系樹脂を含浸し、半硬化状態にしてシー
ト状に加工したプリプレグ01を8枚積層する。
【0032】工程2(成形工程):上記工程で得た積層
材を加熱硬化してFRP成形体02とする。
材を加熱硬化してFRP成形体02とする。
【0033】工程3(炭素化黒鉛化工程):上記工程で
得たFRP成形体02を炭化炉Aで窒素雰囲気中で最高
2000℃まで加熱してC/C複合材料03を得る。こ
の工程中で炭素化に伴う揮発成分の消耗によりマトリッ
クス部が多孔化するため、石油ピッチ又はフェノール系
樹脂を含浸し、炭素化、黒鉛化工程を繰り返す。
得たFRP成形体02を炭化炉Aで窒素雰囲気中で最高
2000℃まで加熱してC/C複合材料03を得る。こ
の工程中で炭素化に伴う揮発成分の消耗によりマトリッ
クス部が多孔化するため、石油ピッチ又はフェノール系
樹脂を含浸し、炭素化、黒鉛化工程を繰り返す。
【0034】工程4(炭化けい素形成工程):実施例1
と同条件で行う。
と同条件で行う。
【0035】この比較例のC/C複合材料を1500
℃、大気中に10時間保持した後の重量変化を前記表2
に併せて示した。
℃、大気中に10時間保持した後の重量変化を前記表2
に併せて示した。
【0036】
【発明の効果】本発明によれば、均質な炭化けい素表面
層をもつC/C複合材料、すなわち、従来のものより耐
酸化性に優れたC/C複合材料が提供され、C/C複合
材料の信頼性、性能の向上が図れる。
層をもつC/C複合材料、すなわち、従来のものより耐
酸化性に優れたC/C複合材料が提供され、C/C複合
材料の信頼性、性能の向上が図れる。
【図1】本発明のC/C複合材料の製法の工程図。
【図2】本発明の一実施例における炭化けい素層形成前
の空孔の分布図。
の空孔の分布図。
【図3】従来のC/C複合材料の炭化けい素層形成前の
空孔の分布図。
空孔の分布図。
【図4】従来のC/C複合材料の製法の一態様の工程
図。
図。
Claims (2)
- 【請求項1】 マトリックス炭素層中に長繊維の炭素繊
維層が強化材として設けられた基体部と、該基体部の表
面に被着されたマトリックス炭素層又はマトリックス炭
素層中に短繊維の炭素がランダムに配向した層とからな
る被覆部と、該被覆部の表面に被着された炭化けい素層
を備えてなる炭素繊維強化複合炭素材料。 - 【請求項2】 下記のA及びBを原料として、かつ下記
(ア),(イ),(ウ)の工程を含んでなる炭素繊維強
化複合炭素材料の製法。 A:長繊維炭素強化複合炭素材料又はその前駆体 B:熱硬化性又は熱可塑性高分子物質中に炭素系の短繊
維又は粉末を分散させたプリプレグシート (ア):Aの表面にBを被設する被設工程。 (イ):被設工程の済んだ原料を熱処理して黒鉛化する
黒鉛化工程。 (ウ):黒鉛化工程の済んだものをけい素、炭化けい素
及び酸化アルミニウムの混合粉末中に装入し、加熱する
改質工程。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3342791A JPH05170537A (ja) | 1991-12-25 | 1991-12-25 | 炭素繊維強化複合炭素材料及びその製法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3342791A JPH05170537A (ja) | 1991-12-25 | 1991-12-25 | 炭素繊維強化複合炭素材料及びその製法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH05170537A true JPH05170537A (ja) | 1993-07-09 |
Family
ID=18356529
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP3342791A Withdrawn JPH05170537A (ja) | 1991-12-25 | 1991-12-25 | 炭素繊維強化複合炭素材料及びその製法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH05170537A (ja) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0818636A1 (de) * | 1996-06-14 | 1998-01-14 | Miklavz Zornik | Fahrzeugbrems- bzw. Fahrzeug-Kupplungsscheibe aus mit SIC beschichtetem C-C Werkstoff |
KR100657469B1 (ko) * | 2004-07-21 | 2006-12-13 | 엘지전자 주식회사 | 탄소 히터의 트위스트형 탄소 필라멘트 구조 |
KR100918918B1 (ko) * | 2009-01-16 | 2009-09-23 | (주)리트젠 | 적외선램프의 필라멘트 및 그 제조방법 |
US9778628B2 (en) | 2014-08-07 | 2017-10-03 | Goodrich Corporation | Optimization of human supervisors and cyber-physical systems |
-
1991
- 1991-12-25 JP JP3342791A patent/JPH05170537A/ja not_active Withdrawn
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US6077607A (en) * | 1996-06-14 | 2000-06-20 | Zornik; Miklavz | Brake/clutch disc, such as for a vehicle |
KR100657469B1 (ko) * | 2004-07-21 | 2006-12-13 | 엘지전자 주식회사 | 탄소 히터의 트위스트형 탄소 필라멘트 구조 |
KR100918918B1 (ko) * | 2009-01-16 | 2009-09-23 | (주)리트젠 | 적외선램프의 필라멘트 및 그 제조방법 |
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