JPH06100367A - 異方性炭素−炭素複合材料およびその製造方法 - Google Patents

異方性炭素−炭素複合材料およびその製造方法

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JPH06100367A
JPH06100367A JP4246707A JP24670792A JPH06100367A JP H06100367 A JPH06100367 A JP H06100367A JP 4246707 A JP4246707 A JP 4246707A JP 24670792 A JP24670792 A JP 24670792A JP H06100367 A JPH06100367 A JP H06100367A
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JP
Japan
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carbon
tape
composite material
anisotropic
pitch
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JP4246707A
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English (en)
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Hiroharu Shinohara
弘治 篠原
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Osaka Gas Co Ltd
Original Assignee
Osaka Gas Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】熱伝導性および電気伝導性において異方性を示
す黒鉛系材料の強度特性を改善することを主な目的とす
る。 【構成】 1. 電気的および熱的に異方性を有するテープ状黒鉛
化フィルムを複数枚積層してなる異方性炭素−炭素複合
材料。 2. 電気的および熱的に異方性を有するテープ状黒鉛
化フィルムに有機バインダーを塗布したプリプレグを複
数枚重合わせ、圧縮した後、不活性雰囲気中で加熱して
バインダーの炭化および/または黒鉛化を行なうことを
特徴とする異方性炭素−炭素複合材料の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、電気的および熱的に異
方性の炭素−炭素複合材料に関する。
【0002】本発明において、“%”とあるのは、“重
量%”を意味するものとする。
【0003】
【従来技術とその問題点】特公昭44−23966号公
報は、「原粒子の“C”方向寸法の少なくとも80倍を
有する膨脹した黒鉛粒子を接着剤の不存在下に予定厚さ
および少なくとも80kg/m3 の密度に圧縮すること
を特徴とする可撓黒鉛シート材料の製造方法」を開示し
ている。この方法においては、黒鉛を濃硫酸−濃硝酸で
処理し、乾燥して膨脹黒鉛を得た後、シート状に加工し
ている。この方法により得られる可撓黒鉛シート材料
は、この方法に言及している特開昭64−14139号
公報の記載から明らかな様に、確かに面方向/厚さ方向
の熱伝導比が30/1であり、面方向/厚さ方向の電気
抵抗比が1/43であって、熱的および電気的な異方性
を示している。しかしながら、この異方性黒鉛シート材
料は、抗張力は、最大で2.25kg/mm2 、引張弾
性係数は、最大で0.39ton/mm2 であり、強度
的には極めて弱い材料である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、熱伝導性お
よび電気伝導性において異方性を示す黒鉛系材料の強度
特性を改善することを主な目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明者は、上記の様な
従来技術の現状に鑑みて研究を進める過程で、本発明者
らが先に完成したテープ状ピッチ系炭素フィルムの黒鉛
化物(特開平3−93613号公報参照;以下テープ状
黒鉛化フィルムという)を用いて異方性黒鉛材料を製造
することを着想した。そして、さらに研究を重ねた結
果、遂に本発明を完成するに至ったものである。
【0006】即ち、本発明は、下記の異方性炭素−炭素
複合材料およびその製造方法を提供する: 1. 電気的および熱的に異方性を有するテープ状黒鉛
化フィルムを複数枚積層してなる異方性炭素−炭素複合
材料。
【0007】2. 電気的および熱的に異方性を有する
テープ状黒鉛化フィルムに有機バインダーを塗布したプ
リプレグを複数枚重合わせ、圧縮した後、不活性雰囲気
中で加熱してバインダーの炭化および/または黒鉛化を
行なうことを特徴とする異方性炭素−炭素複合材料の製
造方法。
【0008】本発明で使用するテープ状黒鉛化フィルム
は、前述の様に、例えば、特開平3−93613号公報
に記載された方法により製造される。このテープ状黒鉛
化フィルムは、黒鉛結晶のa軸およびb軸が主として面
方向に配向した特異な結晶構造を有しているので、フィ
ルムの面方向と厚さ方向とが結晶学的に極めて大きな異
方性を呈するが見出された。。その結果、このフィルム
の面方向は、厚さ方向に比して、熱伝導性および電気伝
導性が極めて大きいことが判明した。従って、複数枚の
テープ状黒鉛化フィルムからなる積層体は、熱および電
気の伝導性に関して、極めて大きな異方性を示す。
【0009】本発明で使用するテープ状黒鉛化フィルム
は、通常以下の様にして製造される。先ず、紡糸用ピッ
チをスリット状ノズルから押出し、押出された面状のピ
ッチを牽引して、巻取装置に巻き取る。この巻取の過程
では、牽引により幅が減少しつつある面状ピッチの幅方
向両端面近傍に、且つスリット中央点を通るスリット長
さ方向の面に垂直な仮想面に対称な方向に、面状ピッチ
が十分に固化する前に、外向き成分および下向き成分を
有する気流を吹き付けてテープ状ピッチフィルムを製造
する。次いで、得られたテープ状ピッチフィルムを不融
化し、炭化し、さらに2000℃以上で黒鉛化する。
【0010】この様にして得られたテープ状黒鉛化フィ
ルムは、面方向と厚さ方向とで結晶構造が異なり、異方
性の熱的および電気的伝導特性を示す。この様なテープ
状黒鉛化フィルムにおける面方向(a軸およびb軸方
向)と厚さ方向(c軸方向)の熱伝導率および電気抵抗
の例を表1に示す。
【0011】
【表1】
【0012】表1に示す結果から、黒鉛化温度に依存し
て、熱伝達率の面方向/厚さ方向の比は3:1〜30
0:1程度の範囲内で変化し、電気抵抗の面方向/厚さ
方向の比は1:45〜1:70程度の範囲内で変化して
いることが明らかである。この結果は、黒鉛化温度を選
択することにより、前述の特公昭44−23966号公
報に記載の公知技術に比して、テープ状黒鉛化フィルム
の熱的および電気的異方性を広い範囲で調整し得ること
を示している。
【0013】また、表2に上記に熱的特性および電気的
特性を示したテープ状黒鉛化フィルムの力学的特性を示
す。
【0014】
【表2】
【0015】表2に示す結果から明らかな様に、本発明
で使用するテープ状黒鉛化フィルムは、抗張力が最大で
2.25kg/mm2 、引張弾性係数が最大で0.39
ton/mm2 である前述の特公昭44−23966号
公報に記載の黒鉛シート材料に比して、強度的にも、極
めて優れている。
【0016】本発明による異方性炭素−炭素複合材料
は、上記のテープ状黒鉛化フィルムにピッチ、フェノー
ル樹脂、ポリイミド樹脂、ビニルエステル樹脂などの有
機バインダーを塗布して、プリプレグを調製した後、こ
れを複数枚積層し、圧縮した後、不活性雰囲気中で加熱
してバインダーの炭化および/または黒鉛化を行なうこ
とにより製造される。
【0017】有機バインダーとしては、石炭系ピッチが
より好ましい。有機バインダーの使用量は、特に限定さ
れるものではないが、通常テープ状黒鉛化フィルム重量
の30〜50%程度であり、40〜45%程度とするこ
とがより好ましい。テープ状黒鉛化フィルムに対する有
機バインダーの付与量が少なすぎる場合には、最終的に
得られる複合材料の強度が不十分となるのに対し、付与
量が多すぎる場合には、熱的および電気的な異方性の度
合いが低下する。
【0018】テープ状黒鉛化フィルムに対する有機バイ
ンダーの塗布方法は、特に限定されないが、例えば、バ
インダーとしてピッチを使用する場合には、均一な塗布
層を形成するために、ピッチの溶浴中にテープ状黒鉛化
フィルムを長さ方向に順次連続的に浸漬し、ピッチを含
浸したフィルムを回転するマンドレルに巻き付ける、い
わゆる“フィラメントワインディング法”を採用するこ
とが好ましい。
【0019】プリプレグの積層枚数は、使用目的、用途
などに応じて定めれば良いが、通常5〜50枚程度であ
る。プリプレグの積層体は、次いで圧縮される。圧縮
は、有機バインダーが溶融して積層体が一体する様に、
加熱条件下に行なうことが好ましい。圧縮時の圧力は、
特に限定されるものではないが、通常250〜500k
g/cm2 程度である。
【0020】圧縮後の積層体は、常法に従って不活性雰
囲気中で800〜2000℃の温度でまたは2000℃
以上の温度で加熱して、バインダーの炭化乃至黒鉛化を
行なう。かくして、所望の異方性炭素−炭素複合材料が
得られる。
【0021】なお、本発明においては、テープ状黒鉛化
フィルムに対する有機バインダーの塗布量を調整するこ
とによっても、得られる炭素−炭素複合材料中の黒鉛化
フィルム部分とマトリックスである有機バインダー部分
との容積比率を変化させて、複合材料の熱的および電気
的異方性の度合いを変化させることができる。
【0022】
【発明の効果】本発明によれば、熱的および電気的異方
性に優れ、且つ力学的特性にも優れた異方性炭素−炭素
複合材料が得られる。
【0023】また、複合材料の製造に使用するテープ状
黒鉛化フィルム製造時の黒鉛化温度を変えることによ
り、熱的および電気的異方性の度合いを広い範囲で変化
させることができる。
【0024】さらに、テープ状黒鉛化フィルムに対する
有機バインダーの塗布量を調整することによっても、複
合材料の熱的および電気的異方性の度合いを変化させる
ことができる。
【0025】
【実施例】以下に参考例および実施例を示し、本発明の
特徴とするところをより一層明確にする。
【0026】参考例1 軟化点100℃、キノリン不溶分0.2%、ベンゼン不
溶分30%のコールタールピッチに2倍量の水素化アン
トラセン油を加え、430℃で60分間加熱し、さらに
減圧下に300℃で水素化アントラセン油を除去して、
還元ピッチを得た。
【0027】次いで、この還元ピッチ中に窒素ガスを導
入して、低分子量成分を除去し、400℃で5時間熱重
合して、軟化点310℃、キノリン不溶分50%、ベン
ゼン不溶分98%、メソフェーズ含有量90%以上の紡
糸用メソフェーズピッチを得た。
【0028】上記で得られた紡糸用メソフェーズピッチ
を原料とし、スリット型ノズルを使用して、空気を吹き
付けながら、シート状ピッチを製造し、これを牽引下に
巻き取って、テープ状ピッチフィルムを得た。次いで、
テープ状ピッチフィルムを空気中で不融化処理した後、
窒素ガス中1000℃で加熱炭化し、その後アルゴンガ
ス中2700℃で加熱して、テープ状黒鉛フィルムを得
た。
【0029】シート状ピッチの不融化までの各条件は、
以下の通りであった。
【0030】
【表3】
【0031】実施例1 参考例1で得られた黒鉛化フィルムを石炭系等方性ピッ
チ(軟化点280℃)の溶浴中に連続的に浸漬し、フィ
ラメントワインディング法により、ピッチを含浸したプ
リプレグを得た。得られたプリプレグは、黒鉛化フィル
ム70%とピッチ30%とにより構成されており、その
厚さは0.20mmであった。
【0032】次いで上記のプリプレグを長手方向に揃え
た状態で70枚積層し、ピストン式加圧機構を備えた金
型に収容し、金型を10℃/分の昇温速度で加熱して4
70℃で1時間保持し、さらに加熱を継続して570℃
まで昇温させた後、放冷した。なお、470℃に到達し
た時点から、冷却完了まで金型内の積層体に400kg
/cm2 の圧力をかけた。
【0033】次いで、積層成形体を金型から取り出し、
アルゴン雰囲気中2000℃で加熱して黒鉛化を行な
い、黒鉛化フィルムの体積含有率65%で、8mm×5
0mm×100mmの炭素−炭素複合材料を得た。
【0034】得られた炭素−炭素複合材料の電気抵抗
率、熱伝導率、抗張力および引張弾性係数は、下記の通
りであった。
【0035】
【表4】
【0036】なお、電気抵抗率はブリッジ法により測定
し、熱伝導率はレーザーフラッシュ法により測定した。
【0037】実施例2 実施例1と同様にして得たプリプレグを長手方向に揃え
た状態で50枚積層し、実施例1の手法に準じて炭素−
炭素複合材料を得た。但し、470℃に到達した時点か
ら、冷却完了まで金型内の積層体に250kg/cm2
の圧力をかけた。かくして、黒鉛化フィルムの体積含有
率56%で、8mm×50mm×100mmの炭素−炭
素複合材料を得た。
【0038】得られた炭素−炭素複合材料の電気抵抗
率、熱伝導率、抗張力および引張弾性係数は、下記の通
りであった。
【0039】
【表5】

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電気的および熱的に異方性を有するテー
    プ状黒鉛化フィルムを複数枚積層してなる異方性炭素−
    炭素複合材料。
  2. 【請求項2】 電気的および熱的に異方性を有するテー
    プ状黒鉛化フィルムに有機バインダーを塗布したプリプ
    レグを複数枚重合わせ、圧縮した後、不活性雰囲気中で
    加熱してバインダーの炭化および/または黒鉛化を行な
    うことを特徴とする異方性炭素−炭素複合材料の製造方
    法。
JP4246707A 1992-09-16 1992-09-16 異方性炭素−炭素複合材料およびその製造方法 Pending JPH06100367A (ja)

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