JPH0648829A - 炭素繊維強化炭素複合材料前駆体 - Google Patents

炭素繊維強化炭素複合材料前駆体

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JPH0648829A
JPH0648829A JP4201117A JP20111792A JPH0648829A JP H0648829 A JPH0648829 A JP H0648829A JP 4201117 A JP4201117 A JP 4201117A JP 20111792 A JP20111792 A JP 20111792A JP H0648829 A JPH0648829 A JP H0648829A
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智 之 宇留野
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Abstract

(57)【要約】 【目的】高強度な炭素繊維強化炭素複合材料を得るため
に、マトリクス樹脂の分解ガスを前駆体に損傷を与えな
いように前駆体外へ放出することができる炭素繊維強化
炭素複合材料前駆体を提供する。 【構成】炭素繊維の連続長繊維と熱可塑性樹脂製の連続
長繊維とで構成された複数の繊維束に熱硬化性樹脂が含
浸された炭素繊維強化炭素複合材料前駆体であって、前
記熱可塑性樹脂製繊維の繊維径は、前記炭素繊維のそれ
の5倍以下であり、前記繊維束中の熱可塑性樹脂製の繊
維の割合は、0.5〜3体積%であることを特徴とする
炭素繊維強化炭素複合材料前駆体。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、高強度な炭素繊維強化
炭素複合材料を得るための前駆体に関する。
【0002】
【従来の技術】炭素繊維強化炭素複合材料の一般的な製
造方法は、炭素繊維束、炭素繊維織布または炭素繊維不
織布などの強化繊維と熱硬化性樹脂を用いて、まず通常
の繊維強化樹脂複合材料と同様の方法により成形型を用
いて任意形状の樹脂成形体すなわち炭素繊維強化炭素複
合材料前駆体を得る。ついで、真空、窒素ガス、アルゴ
ンガス等の非酸化性雰囲気で焼成し樹脂を炭化すること
で炭素繊維強化炭素複合材料とする。
【0003】ここで熱硬化性樹脂を用いる理由は、一度
硬化した樹脂は加熱しても再溶融しないため、焼成中に
型崩れを起こさず賦形が容易なためである。この熱硬化
性樹脂は、焼成炭化時に分解し、樹脂硬化後の重量にし
ておよそ1/2がガスとして放出される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ここで、発生したガス
によって膨れや層間剥離を起こすことが、炭素繊維含有
率の高い高強度な炭素繊維強化炭素複合材料を製造する
上で問題となっていた。このようなガス抜けの問題を、
炭素質粉末または短炭素繊維を液状の樹脂または溶媒希
釈した樹脂に添加することで解決しようとする方法が知
られている。しかしながら、この方法では樹脂液に炭素
質粉末または短炭素繊維を添加混合すると急激に粘度が
上昇し、強化繊維である炭素繊維束に十分に含浸できな
くなるという問題がある。また、樹脂液と炭素質粉末ま
たは短炭素繊維を混合しない方法により成形体を得たと
しても、膨れや層間剥離は発生しなくなるが、強化繊維
の体積含有率の低下を招き高強度な炭素繊維強化炭素複
合材料は得られない。
【0005】本発明の目的は、前述した炭素繊維強化炭
素複合材料前駆体焼成時の膨れおよび層間剥離といった
不良を出さずに、高強度な炭素繊維強化炭素複合材料を
得るために、マトリクス樹脂の分解ガスを前駆体に損傷
を与えないように前駆体外へ放出することができる炭素
繊維強化炭素複合材料前駆体を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明によれば、炭素繊維の連続長繊維と熱可塑性樹
脂製の連続長繊維とで構成された繊維束に熱硬化性樹脂
が含浸された炭素繊維強化炭素複合材料前駆体であっ
て、前記熱可塑性樹脂製繊維の繊維径は、前記炭素繊維
のそれの5倍以下であり、前記繊維束中の熱可塑性樹脂
製の繊維の割合は、全繊維の実質的体積に対し0.5〜
3体積%であることを特徴とする炭素繊維強化炭素複合
材料前駆体が提供される。
【0007】本発明では、前記熱可塑性樹脂の溶融温度
が前記熱硬化性樹脂の硬化温度より高く、前記熱可塑性
樹脂の分解温度は、前記熱硬化性樹脂の分解温度未満で
ある炭素繊維強化炭素複合材料前駆体であることが好ま
しい。
【0008】本発明では、さらに熱可塑性樹脂製繊維を
含んだ繊維束は、その長手方向の少なくとも一端が前記
炭素繊維強化炭素複合材料前駆体の自由端面に露出して
いる炭素繊維強化炭素複合材料前駆体であることが好ま
しい。
【0009】また、前記熱可塑性樹脂製繊維を含んだ繊
維束は、その長手方向の少なくとも一端が前記炭素繊維
強化炭素複合材料前駆体の自由端面に露出しているのが
好ましい。本発明での自由端面とは前駆体の側面を含む
前駆体の表面を意味する。
【0010】以下に本発明をさらに詳細に説明する。
【0011】本発明において、炭素繊維強化炭素複合材
料前駆体の強化繊維素材となる炭素繊維としては、PA
N系炭素繊維を代表例として挙げることができるが、こ
れに限定するものではなく、連続長繊維束として通常利
用できるものであればよい。
【0012】また、本発明において前記繊維束を用いた
織布同士を接着し、マトリクス前駆体となるバインダー
として使用する熱硬化性樹脂としては、フェノール樹
脂、フラン樹脂、エポキシ樹脂などを挙げることができ
る。
【0013】本発明では前記炭素繊維の連続長繊維束中
に熱可塑性樹脂製の連続長繊維を含んでいる。前記熱可
塑性樹脂としては、ポリプロピレン、ポリエチレンなど
の焼成時に残炭のないものを用いる。また、この熱可塑
性樹脂の溶融温度と分解温度については、熱硬化性樹脂
の硬化温度より融点が高く、熱硬化性樹脂の分解温度よ
り分解温度の低いものが好ましい。これは、前記炭素繊
維強化炭素複合材料前駆体を成形する際、熱可塑性樹脂
製繊維が繊維の形状を維持していることが必要であり、
つぎにこの炭素繊維強化炭素複合材料前駆体を焼成する
際、熱硬化性樹脂よりも先に熱可塑性樹脂が分解して開
気孔を形成することが必要なためである。
【0014】この様な炭素繊維強化炭素複合材料前駆体
を焼成炭素化するに当たり、該熱可塑性樹脂製繊維の溶
融温度の手前から分解温度の直上までを充分緩やかに昇
温する過程を、焼成の初期段階、または前処理工程とし
て組み込む。これによって、硬化した熱硬化性樹脂の分
解温度より低温度領域で、該熱可塑性繊維を溶融および
分解させることにより連続的な開気孔を形成し、次の工
程または段階で発生する熱硬化性樹脂の分解ガスの抜け
道を確保する。この昇温パターンは、熱硬化性樹脂と熱
硬化性樹脂の組合せ、製品の形状などによって異なるた
め適宜設定する。
【0015】また、前記熱可塑性樹脂製繊維の径は、炭
素繊維強化炭素複合材料の欠陥を防止するため、前記炭
素繊維の5倍以下とする。熱可塑性樹脂製繊維の径が5
倍を超えると、熱可塑性樹脂製繊維が分解してできた開
気孔自身が欠陥として作用し、焼成完了後の炭素繊維強
化炭素複合材料の強度低下の原因となるためである。
【0016】本発明において前記繊維束中の熱可塑性樹
脂製繊維の割合は、0.5〜3体積%とする。この割合
が0.5%未満であると、十分なガス抜け孔が確保でき
ず、3%超では強化繊維である炭素繊維の体積含有率を
低くすることになるため、高強度な炭素繊維強化炭素複
合材料を製造するには不利となる。前記複数の繊維束
は、そのまま、または織布、不織布とすることができ
る。
【0017】本発明の炭素繊維強化炭素複合材料前駆体
において、連続長炭素繊維の強化形態は、織布の積層、
またはフイラメントワインディングなどを用いるのが好
ましい。これは、全ての繊維束の長手方向の少なくとも
一端の断面が、必ず前記前駆体の自由端面に露出し、繊
維束の断面が外気と接していることが必要だからであ
る。もし、繊維束の両端とも前駆体内部に閉じ込めら
れ、繊維束の端面が外気と接触していないと、繊維束中
の熱可塑性樹脂が分解しても、分解ガスが前駆体外へ放
出することができなくなる。
【0018】炭素繊維強化炭素複合材料前駆体の強化繊
維素材として炭素繊維の連続長繊維束中に、前記炭素繊
維と同等な繊維径の熱可塑性樹脂製の連続長繊維を0.
5〜3体積%の割合で含んでいる繊維束を用い、この炭
素繊維強化炭素複合材料前駆体を焼成することによっ
て、熱硬化性樹脂の分解が始まる以前にガスの抜け道を
用意することで、膨れや層間剥離のない良好で高強度な
炭素繊維強化炭素複合材料を得ることが出来る。
【0019】
【実施例】以下に本発明を実施例に基づき具体的に説明
する。
【0020】(実施例1)フィラメント数1000本の
PAN系炭素繊維(東レ製トレカM40)のロービング
を3本用意し、この3本を同時に巻取ることでフィラメ
ント数3000本の連続長炭素繊維束を作製した。この
時、前記炭素繊維フィラメント各1000本に10本の
割合で合計30本、前記炭素繊維と同等な繊維径のポリ
プロピレン製フィラメントを同時に巻取った。これによ
り、全繊維の実質的体積に対し1体積%のポリプロピレ
ン製フィラメントを含んだ連続長炭素繊維束を準備し
た。
【0021】この繊維束を使用した平織り織布を10c
m角に切断したものを、フェノール樹脂(群栄化学レジ
トップPL−2211、不揮発分58%)中に浸漬し、
ロールで搾りながら乾燥後の樹脂の目付量を炭素繊維と
の重量比で30%としたプリプレグを用意した。
【0022】このプリプレグを10枚積層した後に、繊
維強化複合材料成形用オートクレーブを用いて常法によ
り雰囲気加圧5kg/cm2、温度はポリプロピレンの溶融温
度未満である150℃の条件で2時間保持し、炭素繊維
強化炭素複合材料前駆体を得た。この前駆体に、炭化焼
成工程の前処理として、窒素ガス雰囲気下のイナートオ
ーブンを用いて、5℃/hrの昇温速度で150℃から
前記フェノール樹脂の分解温度以下で、かつポリプロピ
レンの分解温度以上である230℃まで昇温し3時間保
持した。その後、窒素ガス雰囲気下、20℃/hrの昇
温速度で1000℃まで昇温し炭化することで、目的と
する炭素繊維強化炭素複合材料材を得た。この炭素繊維
強化炭素複合材料を切断し断面観察を行ない、膨れおよ
び層間割れがなく良好であることを確認した。また、3
点曲げ試験(スパン/厚み比、L/d=20)を実施し
た結果、平均で31Kg/mm2の曲げ強度を示した。
【0023】(比較例1)実施例1と同様の方法で連続
長炭繊維束を準備する際に、炭素繊維フィラメント各1
000本に50本の割合で合計150本、炭素繊維と同
等な繊維径のポリプロピレン製フィラメントを同時に巻
取った。これにより、全繊維の実質的体積に対し5体積
%のポリプロピレン製フィラメントを含んだ連続長炭素
繊維束を準備した。この繊維束を用いて、実施例1と同
様な方法で炭素繊維強化炭素複合材料前駆体を作製し、
実施例1と同様な方法で前処理および炭化を行ない、炭
素繊維強化炭素複合材料を得た。この炭素繊維強化炭素
複合材料を切断し断面観察を行い、膨れおよび層間割れ
がなく良好であることを確認した。しかし、3点曲げ試
験を実施した結果、平均で29Kg/mm2の曲げ強度を示し
た。
【0024】(比較例2)実施例1と同様の方法で連続
長炭素繊維束を準備する際に、炭素繊維フィラメント各
1000本に1本の割合で合計3本、炭素繊維と同等な
繊維径のポリプロピレン製フィラメントを同時に巻取っ
た。これにより、全繊維の実質的体積に対し0.1体積
%のポリプロピレン製フィラメントを含んだ連続長炭素
繊維束を準備した。この繊維束を用いて、実施例1と同
様な方法で炭素繊維強化炭素複合材料前駆体を作製し、
実施例1と同様な方法で前処理および炭化を行い、炭素
繊維強化炭素複合材料を得た。この炭素繊維強化炭素複
合材料を切断し断面観察を行った結果、層間割れが板の
中心付近に観察された。
【0025】
【発明の効果】本発明は以上説明したように構成されて
いるの、膨れや層間割れのない高強度な炭素繊維強化炭
素複合材料を製造するための前駆体を得ることができ
る。また、炭素繊維強化炭素複合材料は一般に一次焼成
後に、高密度化を計るために緻密化処理を行うが、本発
明による炭素繊維強化炭素複合材料を緻密化する場合、
ガスの抜け道として連続気孔が材料内部にまで均一に存
在しているので、緻密化で容易に補填することできる。
このため、緻密化効果が十分に発揮され、高強度化に寄
与できる。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】炭素繊維の連続長繊維と熱可塑性樹脂製の
    連続長繊維とで構成された繊維束に熱硬化性樹脂が含浸
    された炭素繊維強化炭素複合材料前駆体であって、 前記熱可塑性樹脂製繊維の繊維径は、前記炭素繊維のそ
    れの5倍以下であり、 前記繊維束中の熱可塑性樹脂製の繊維の割合は、全繊維
    の実質的体積に対し0.5〜3体積%であることを特徴
    とする炭素繊維強化炭素複合材料前駆体。
  2. 【請求項2】前記熱可塑性樹脂の溶融温度が前記熱硬化
    性樹脂の硬化温度より高く、前記熱可塑性の分解温度
    は、前記熱硬化性樹脂の分解温度未満である請求項1に
    記載の炭素繊維強化炭素複合材料前駆体。
  3. 【請求項3】前記熱可塑性樹脂製繊維を含んだ繊維束
    は、その長手方向の少なくとも一端が前記炭素繊維強化
    炭素複合材料前駆体の自由端面に露出している請求項1
    または2に記載の炭素繊維強化炭素複合材料前駆体。
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