JPH06172033A - 表面被覆炭素繊維強化複合材料及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 耐酸化性の優れた表面被覆炭素繊維強化複合
材料及びその製造方法を提供すること。 【構成】 マトリックスと炭素繊維との間に、前記マト
リックスよりも熱膨張係数の大きい中間層が存在する表
面被覆炭素繊維強化複合材料、及びマトリックスよりも
熱膨張係数の大きい材料によって炭素繊維を先ずコーテ
ィングし、該コーティングされた炭素繊維を用いてマト
リックスとの炭素繊維強化複合材料を作製し、該作製さ
れた炭素繊維強化複合材料に表面被覆膜をコーティング
する表面被覆炭素繊維強化複合材料の製造方法とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、表面被覆炭素繊維強化
複合材料及びその製造方法に関し、特に、耐酸化性を向
上させた表面被覆炭素繊維強化複合材料及びその製造方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、高温構造材料として期待され
るＣ／Ｃコンポジット及び炭素繊維強化セラミックス等
の炭素繊維強化複合材料が存在する。かかる炭素繊維強
化複合材料は、その材料中に用いられている炭素（繊
維）が高温酸化雰囲気に弱いために、化学蒸着法による
炭化珪素膜等の表面被覆コーティングが必要であった。

【０００３】しかし、単に炭素繊維強化複合材料の表面
に被覆コーティングを行なうと、その両者間の熱膨張係
数差（例えば、Ｃ／Ｃコンポジットの熱膨張係数は約
０．０〔×１０^-6／°Ｃ〕、炭化珪素膜の熱膨張係数は
４．５〔×１０^-6／°Ｃ〕）により、膜に亀裂が生じ、
高温酸化雰囲気における耐酸化性を向上させることはで
きなかった。

【０００４】そこで、近年、熱膨張係数の差に起因する
上記亀裂対策及び耐酸化性の改善を目的として、 １．化学蒸着法による表面被覆膜の改良 傾斜機能膜（特開平３−８０１７２、特開平３−１
５３５８６等） 表面被覆膜を、例えば複合材料側の炭素から、表面側の
炭化珪素に連続的に組成変化している被覆膜とし、熱膨
張係数を徐々に変化させることにより応力を緩和する方
法。 表面被覆膜に圧縮応力を生じさせる方法（特開平３
−８０１７２、特開平１−２８２１１２等） 表面被覆膜を、例えば炭化チタンの被覆膜と、その表面
に形成された炭化珪素の被覆膜との複層膜とし、上記炭
化チタンの被覆膜により生じる圧縮応力により、表面被
覆炭化珪素膜に生じる全応力を低下させる方法。 コンバージョン法 例えば、炭素繊維強化複合材料であるＣ／Ｃコンポジッ
トを、高温で酸化珪素ガスと反応させ、該複合材料表面
に密着性の高い炭化珪素を形成する方法。 ２．炭素繊維強化複合材料の熱膨張係数の改良（特開平
３−８０１７２、特公平３−６４４７０、特開平３−１
５３５８４等） マトリックスに熱膨張係数の大きい材料（例えば炭化チ
タン）を添加し、炭素繊維強化複合材料の熱膨張係数を
大きくし、表面被覆膜との熱膨張係数差を小さくする方
法、等が考案され、試みられてきた。

【０００５】その結果、これらの方法により単に炭化珪
素膜等の表面被覆コーティングを、炭素繊維強化複合材
料に施した材料より、その亀裂及び耐酸化性が共に改善
できている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た何れの方法によっても、酸化による該表面被覆炭素繊
維強化複合材料の重量増加は認められておらず（表面被
覆層が炭化珪素である場合、Ａｃｔｉｖｅ酸化でない限
り、酸化後の重量は増加する）、炭素繊維強化複合材料
を、高温酸化雰囲気から完全に保護することはできてい
ない欠点を有していた。

【０００７】そのため、更に耐酸化性に優れた表面被覆
炭素繊維強化複合材料の出現が、強く望まれていた。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記要望
に対処するため、種々の試験・研究を行なった結果、例
えば強化繊維に炭素繊維、マトリックスに炭化珪素を使
用した場合、その複合材料中の炭素繊維の体積含有率が
多いと、マトリックスには亀裂が生じる。ただし、炭素
繊維の体積含有率は、複合材料としての強度、破壊靱性
に影響を与えるため、マトリックスの亀裂をなくすため
の一対策である炭素繊維の体積含有率の低減は、該繊維
強化複合材料の特性を低下させることになる。そこで、
炭素繊維の体積含有率を低減することなく、マトリック
スの亀裂を防止することで、繊維強化複合材料の強度、
破壊靱性等の特性を低下させることなく、表面被覆膜に
よる耐酸化性付与が更にできるとの知見を得、本発明を
完成するに至った。

【０００９】即ち、本発明は、マトリックスと炭素繊維
との間に、前記マトリックスよりも熱膨張係数の大きい
中間層が存在する表面被覆炭素繊維強化複合材料（請求
項１の構成）、及びマトリックスよりも熱膨張係数の大
きい材料によって炭素繊維を先ずコーティングし、該コ
ーティングされた炭素繊維を用いてマトリックスとの炭
素繊維強化複合材料を作製し、該作製された炭素繊維強
化複合材料に表面被覆膜をコーティングする表面被覆炭
素繊維強化複合材料の製造方法（請求項３の構成）を要
旨とする。

【００１０】上記した本発明による表面被覆炭素繊維強
化複合材料及びその製造方法によれば、マトリックスと
炭素繊維との間に、前記マトリックスよりも熱膨張係数
の大きい中間層が存在或いは形成されるため、該中間層
がマトリックスに圧縮応力を生じさせ、マトリックスに
生じる全応力を低下させることができ、その亀裂を防止
することができる。

【００１１】ここで、上記マトリックスと炭素繊維との
間の中間層の材料としては、炭化チタンを用いることが
でき、また上記マトリックスの主成分としては、炭化珪
素又は窒化珪素を用いること（請求項２の構成）ができ
る。

【００１２】更に、上記炭素繊維へのコーティングを、
化学蒸着法を用いた炭化チタンで行い、上記炭素繊維強
化複合材料の作製を、フィラメントワインディング法で
マトリックスの主成分として炭化珪素又は窒化珪素を用
いて行なうこと（請求項４の構成）ができる。

【００１３】更にまた、上記炭素繊維強化複合材料への
表面被覆膜として、炭化珪素又は窒化珪素を用いること
（請求項５の構成）ができる。ここで、該表面被覆膜と
して、前記、従来技術として記載した化学蒸着法による
表面被覆膜の改良方法、即ち、表面被覆膜を炭化チタン
の被覆膜と、その表面に形成された炭化珪素又は窒化珪
素の被覆膜との複層膜とすること（請求項６の構成）、
或いは表面被覆膜を複合材料側の炭素から、表面側の炭
化珪素に連続的に組成変化している被覆膜とすること
（請求項７の構成）を実施すると、マトリックス及び表
面被覆膜の両者に存在する亀裂を大幅に低減でき、その
相乗効果により表面被覆炭素繊維強化複合材料の耐酸化
性を更に向上させることが可能となる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例を、比較例と共に挙げ
本発明を詳細に説明する。

【００１５】実施例１ 先ず、市販のｐｉｔｃｈ系炭素繊維に、図１に示す炭素
繊維表面連続処理装置を用い、炭化チタンをコーティン
グした。ここで図１は、繊維２を送出部１より送り出
し、原料ガスが３系統から導入される反応炉３でコーテ
ィングされ、巻取部４で巻き取られることを示す。な
お、反応炉３は、バタフライバルブ及びＲＰ等で圧力制
御されている。

【００１６】上記炭素繊維のコーティング条件は、炉内
温度：１３００°Ｃ、炉内圧：１０Ｔｏｒｒ、ＴｉＣｌ
₄ トータル流量：４５ｃｃ／ｍｉｎ（バブリングタンク
温度：７２°Ｃ）、Ｈ₂ キャリアトータル流量：５０ｃ
ｃ／ｍｉｎ、Ｃ₃ Ｈ₈ トータル流量：１５ｃｃ／ｍｉ
ｎ、繊維移動速度：５ｃｍ／ｍｉｎとした。

【００１７】次に、上記コーティング繊維を使用し、図
２に示すフィラメントワインディング法で成形体を作製
した。ここで図２は、成形体８はスラリー５に浸漬した
長繊維６を巻取枠７で巻き取ることにより作製すること
を示す。

【００１８】上記スラリー５は、主成分である平均粒径
０．３μｍのＳｉＣ粉末：５７５ｇ、ポリカルボシラ
ン：６７ｇ、焼結助剤としてのＢ₄ Ｃ：２．４ｇ、カー
ボン粉末：１８ｇ、ＡｌＮ粉末：４．８ｇをキシレン溶
液：６００ｇの中に入れ、ボールミルで１６時間混合す
ることで調製した。

【００１９】その後、フィラメントワインディング法に
よって１０ｍｍ厚に巻き取られた成形体８を４０×２５
ｍｍに切断し、８００°Ｃ、Ａｒ雰囲気中で脱脂し、ホ
ットプレス法により、２１００°Ｃ、Ａｒ雰囲気中で焼
成した。

【００２０】こうして作製した炭素繊維強化炭化珪素複
合基材に対し、化学蒸着法で炭化珪素をコーティングし
た。コーティング膜厚は２００μｍであり、コーティン
グ条件は、炉内温度：１２５０°Ｃ、炉内圧力：１０Ｔ
ｏｒｒ、ＳｉＣｌ₄ 流量：１１２．５ｃｃ／ｍｉｎ、Ｃ
₃ Ｈ₈ 流量：１２．５ｃｃ／ｍｉｎ、Ｈ₂ 流量：１２５
ｃｃ／ｍｉｎとした。

【００２１】実施例２ 実施例１と同様に作製した炭素繊維強化炭化珪素複合基
材に対し、化学蒸着法で炭化チタンを膜厚２０μｍコー
ティングし、更に炭化珪素を膜厚２００μｍコーティン
グした。

【００２２】上記炭化チタンのコーティング条件は、炉
内温度：１３００°Ｃ、炉内圧力：１０Ｔｏｒｒ、Ｔｉ
Ｃｌ₄ 流量：６７．５ｃｃ／ｍｉｎ、Ｃ₃ Ｈ₈ 流量：
７．５ｃｃ／ｍｉｎ、Ｈ₂ 流量：７５ｃｃ／ｍｉｎと
し、炭化珪素のコーティング条件は、炉内温度：１２５
０°Ｃ、炉内圧力：１０Ｔｏｒｒ、ＳｉＣｌ₄ 流量：１
１２．５ｃｃ／ｍｉｎ、Ｃ₃ Ｈ₈ 流量：１２．５ｃｃ／
ｍｉｎ、Ｈ₂ 流量：１２５ｃｃ／ｍｉｎとした。

【００２３】実施例３ 実施例１と同様に作製した炭素繊維強化炭化珪素複合基
材に対し、化学蒸着法でＣ−ＳｉＣの傾斜組成被覆膜を
膜厚２００μｍコーティングした。

【００２４】上記Ｃ−ＳｉＣの傾斜組成被覆膜のコーテ
ィング条件は、炉内温度：１２５０〜１４００°Ｃ、炉
内圧力：１０Ｔｏｒｒ、ＳｉＣｌ₄ 流量：０〜１１２．
５ｃｃ／ｍｉｎ、ＣＨ₄ 流量：３７．５〜５０ｃｃ／ｍ
ｉｎ、Ｈ₂ 流量：１５０〜２５０ｃｃ／ｍｉｎの範囲と
した。

【００２５】実施例１、２及び３で作製した表面被覆炭
素繊維強化複合材料を、表１に表記した評価項目によ
り、比較例１〜４と比較した。

【００２６】ここで比較例１、２及び３は炭素繊維への
炭化チタンコーティングを行わず、上記実施例１、２及
び３と同様の焼成、表面被覆を行った材料である。ま
た、比較例４は市販のＣ／ＣコンポジットにＳｉＣ膜を
膜厚２００μｍコーティングしたものである。

【００２７】

【表１】

【００２８】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明かかる表
面被覆炭素繊維強化複合材料及びその製造方法によれ
ば、マトリックスと炭素繊維との間に、前記マトリック
スよりも熱膨張係数の大きい中間層が存在或いは形成さ
れるため、該中間層がマトリックスの亀裂を防止するこ
とができ、表面被覆炭素繊維強化複合材料としての耐酸
化性を更に向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】炭素繊維表面連続処理装置を示した概念図であ
る。

【図２】炭素繊維強化複合材料製造装置を示した概念図
である。

【符号の説明】

１ 送出部 ２ 繊維 ３ 反応炉 ４ 巻取部 ５ スラリー ６ 長繊維 ７ 巻取枠 ８ 成形体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉田 秀人 神奈川県鎌倉市浄妙寺５−４−７ (72)発明者 山岸 千丈 東京都杉並区荻窪２−17−４

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マトリックスと炭素繊維との間に、前記
   マトリックスよりも熱膨張係数の大きい中間層が存在す
   ることを特徴とする、表面被覆炭素繊維強化複合材料。
2. 【請求項２】 上記マトリックスと炭素繊維との間の中
   間層が、炭化チタンであり、上記マトリックスの主成分
   が、炭化珪素又は窒化珪素であることを特徴とする、請
   求項１記載の表面被覆炭素繊維強化複合材料。
3. 【請求項３】 マトリックスよりも熱膨張係数の大きい
   材料によって炭素繊維をコーティングし、該コーティン
   グされた炭素繊維を用いてマトリックスとの炭素繊維強
   化複合材料を作製し、該作製された炭素繊維強化複合材
   料に表面被覆膜をコーティングすることを特徴とする、
   表面被覆炭素繊維強化複合材料の製造方法。
4. 【請求項４】 上記炭素繊維へのコーティングを、化学
   蒸着法を用いた炭化チタンで行い、上記炭素繊維強化複
   合材料の作製を、フィラメントワインディング法でマト
   リックスの主成分として炭化珪素又は窒化珪素を用いて
   行なうことを特徴とする、請求項３記載の表面被覆炭素
   繊維強化複合材料の製造方法。
5. 【請求項５】 上記炭素繊維強化複合材料への表面被覆
   膜が、炭化珪素又は窒化珪素であることを特徴とする、
   請求項１又は３記載の表面被覆炭素繊維強化複合材料又
   は表面被覆炭素繊維強化複合材料の製造方法。
6. 【請求項６】 上記炭素繊維強化複合材料への表面被覆
   膜が、炭化チタンの被覆膜と、その表面に形成された炭
   化珪素又は窒化珪素の被覆膜との複層膜であることを特
   徴とする、請求項１又は３記載の表面被覆炭素繊維強化
   複合材料又は表面被覆炭素繊維強化複合材料の製造方
   法。
7. 【請求項７】 上記炭素繊維強化複合材料への表面被覆
   膜が、複合材料側の炭素から、表面側の炭化珪素に連続
   的に組成変化している被覆膜であることを特徴とする、
   請求項１又は３記載の表面被覆炭素繊維強化複合材料又
   は表面被覆炭素繊維強化複合材料の製造方法。