JPH07291750A - 炭素／炭素複合材料用成形体の製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 簡便な方法で性能に優れた炭素／炭素複合材
料用成形体を製造する。 【構成】 ピッチ繊維の不融化処理により得られる不融
化繊維および／または該不融化繊維を非酸化性雰囲気下
３５０〜８００℃で炭化処理して得られる炭化繊維６０
〜９５重量部、および炭化収率が１〜６０重量％である
有機繊維５〜４０重量部をウエブ化し、次いでニードル
パンチを行いフェルト化した後、非酸化性雰囲気下、前
記不融化繊維または炭化繊維の最終焼成温度より高い温
度で焼成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、炭素／炭素複合材料用
成形体の製造法に関する。

【０００２】

【従来の技術】炭素／炭素複合材料は１０００℃以上の
高温においても高強度、高弾性率を維持し、かつ熱膨張
率が小さい等の有用な性質を有する材料であり、航空宇
宙機器の部品、ブレーキ、高温炉材等への利用が期待さ
れている。これらの炭素／炭素複合材料中の補強繊維と
して用いられる炭素繊維は、従来は２次元織物が中心で
あり、一部には３次元織物も使用されているが、高強度
を与えるものの構造が複雑でありまた高価でもある。一
方いわゆるチョップドなどの短繊維を使用した場合に
は、補強効果が充分でない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、高価
な炭素繊維織物を用いることなく簡便な製造プロセス
で、より性能のよい炭素／炭素複合材料を製造する方法
にある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、ピッチ繊維の
不融化処理により得られる不融化繊維および／または該
不融化繊維を非酸化性雰囲気下３５０〜８００℃で炭化
処理して得られる炭化繊維６０〜９５重量部、および炭
化収率が１〜６０重量％である有機繊維５〜４０重量部
をウエブ化し、次いでニードルパンチを行いフェルト化
した後、非酸化性雰囲気下、前記不融化繊維または炭化
繊維の最終焼成温度より高い温度で焼成することを特徴
とする炭素／炭素複合材料用成形体の製造法に関する。
以下、本発明について詳述する。

【０００５】本発明でいう不融化繊維とは、ピッチ繊維
を不融化処理して得られる繊維である。ここでいうピッ
チ繊維とは、炭素質ピッチを公知の方法で溶融紡糸する
ことにより得られる平均直径５〜１００μｍ、好ましく
は７〜３０μｍのピッチ繊維である。ピッチ繊維の原料
となる炭素質ピッチとしては、軟化点が通常１００〜４
００℃、好ましくは１５０〜３５０℃の範囲内にある石
炭系あるいは石油系のピッチが用いられる。炭素質ピッ
チは、光学的に等方性のピッチあるいは異方性のピッチ
のいずれも使用できるが、光学的異方性相の含量が６０
〜１００％の光学的異方性ピッチが特に好ましく用いら
れる。不融化処理は、酸化性ガス雰囲気下、通常５０〜
４００℃、好ましくは１００〜３５０℃で行うことが出
来る。該酸化性ガスとしては、空気、酸素、窒素化合
物、硫黄化合物、ハロゲン、あるいはこれらの混合物が
使用できる。不融化処理時間は通常１０分〜２０時間で
ある。

【０００６】本発明でいう炭化繊維とは、前記不融化繊
維を非酸化性雰囲気下、３５０〜８００℃、好ましくは
４００〜７５０℃で、通常１０分〜５時間実施すること
により得られる繊維である。炭化温度が前記範囲を越え
る場合には、繊維の強度は向上するが、破断伸度が十分
でなく、後に続くウエブ化工程あるいはフェルト化工程
の際に糸切れが多くなり良好な製品を得ることが出来な
い。本発明における成形体の製造法においては、不融化
繊維および炭化繊維のどちらか一方もしくは両者の混合
物を用いることができるが、特に炭化繊維を用いること
が好ましい。

【０００７】本発明においては、上記不融化繊維および
／または炭化繊維に加え、炭化収率が１〜６０％である
有機繊維をウエブとする。該有機繊維としては１０００
℃における炭化収率が１〜６０％、好ましくは５〜５０
％、さらに好ましくは８〜２０％であるものを用いる。
このような有機繊維としては例えば耐炎化処理したポリ
アクリロニトリル繊維、レーヨン繊維が挙げられる。

【０００８】本発明においては、原料繊維の混合比は、
不融化繊維および／または炭化繊維６０〜９５重量部、
有機繊維５〜４０重量部である。有機繊維の比率が前記
範囲に満たない場合には、ウエブ化あるいはフェルト化
が行いにくくなり、一方、有機繊維の比率が前記範囲を
越える場合には、焼成時の炭化収率が低下し、またピッ
チ系炭素繊維の特徴である、耐酸化性、熱伝導率等が低
下する。また、不融化繊維と炭化繊維を混合して用いる
場合、その割合は炭化繊維１００重量部に対して、不融
化繊維が通常０〜２００重量部、好ましくは５０〜１０
０重量部であることが望ましい。ただし脆性的な破壊挙
動を示さない成形体を得る目的においては、炭化繊維の
みを単独で用いることが好ましい。

【０００９】ウエブ化に先立ち、これらの原料繊維を短
繊維化することができる。短繊維化する場合、その長さ
は通常０．５ｃｍ〜１００ｃｍ、好ましくは１〜２０ｃ
ｍ、さらに好ましくは２〜１５ｃｍである。ウエブ化と
は、原料繊維を開繊し、絡み合わせる方法であって、一
般的なフェルト製造工程におけるウエブ化装置を用いて
行うことができる。

【００１０】さらに上記ウエブをニードルパンチするこ
とによりフェルトが得られる。ニードル打ち込み本数は
通常１０〜１０，０００本／ｃｍ^２、好ましくは５０〜
１，０００本／ｃｍ^２である。ニードルパンチを行って
得られるフェルトの目付は通常１００〜２０，０００ｇ
／ｍ^２、好ましくは１０００〜１０，０００ｇ／ｍ^２で
ある。

【００１１】ニードルパンチにより得られるフェルト
を、非酸化性雰囲気下、前記不融化繊維または炭化繊維
の最終焼成温度より高い温度で焼成し、かつ、該焼成は
通常４００〜２０００℃、好ましくは５００〜１５００
℃の範囲内で行われる。ここで最終焼成温度とは、例え
ば原料繊維に炭化繊維が含まれている場合には炭化繊維
の最終焼成温度をいい、炭化繊維が含まれておらず不融
化繊維が含まれている場合には不融化繊維の最終焼成温
度をいう。焼成工程は、一軸加圧を行いながらの焼成あ
るいは容器に充填して行う焼成が好ましい。これらの処
理により次成形体の繊維含有率を向上させることができ
る。

【００１２】一軸加圧は、ホットプレス等の一軸加圧装
置を用いても良く、あるいは重量物を載せる等の簡便な
方法でも可能である。一軸加圧は通常０．１〜１００ｋ
ｇ／ｃｍ^２、好ましくは２〜５０ｋｇ／ｃｍ^２の圧力
下、より好ましくは２ｋｇ／ｃｍ^２以上、２０ｋｇ／ｃ
ｍ^２以下である。焼成工程において、成形体の繊維含有
率を向上させるために、フェルトを予め定められた寸法
の治具内に圧縮充填し、治具ごと焼成することもでき
る。

【００１３】成形体の厚さを増すために、複数枚のフェ
ルトを重ね、これを一軸加圧焼成あるいは治具内に充填
して焼成することが出来る。この場合、成形時の焼成温
度を該フェルトを構成する原料繊維に含まれる不融化繊
維または炭化繊維の最終焼成温度より高い温度に設定す
ることにより、複数枚のフェルトが合体もしくは一体化
した成形体を製造することができる。また焼成に先立
ち、上記フェルトに炭化可能な有機前駆体を含浸させて
おくこともできる。該有機前駆体としては、ピッチおよ
び熱硬化性樹脂が使用できる。

【００１４】かくして得られる成形体の繊維含有率は通
常５〜７０ｖｏｌ％、好ましくは１０〜６０％、さらに
好ましくは１５〜５０％である。空隙率が前記範囲を超
えると成形体の形状保持性が低下し、後段の緻密化工程
において成形体の欠落あるいは変形等を生じる。また空
隙率が前記範囲に満たない場合には成形体が脆性的な破
壊を起こすようになり、モノリシック材料のような挙動
を示す。

【００１５】また、成形体のかさ密度は、通常０．０５
〜１．８ｇ／ｃｃ、好ましくは０．２〜１．５ｇ／ｃ
ｃ、さらに好ましくは０．５〜１．６ｇ／ｃｃである。
かさ密度が前記範囲に満たない場合には、成形体の形状
保持性が低下するため、該成形体に対してさらに緻密化
を行って炭素／炭素複合材料を製造する工程において成
形体の欠落あるいは変形等を生じるために好ましくな
い。また、成形体のかさ密度が前記範囲を超える場合に
は、該成形体から製造された炭素／炭素複合材料が脆性
的な破壊を起こすようになり、モノリシック材料のよう
な挙動を示すために好ましくない。

【００１６】一軸加圧下に続いて、必要に応じ成形体を
熱処理することができる。常圧下の炭化あるいは黒鉛化
を行う場合は、非酸化性雰囲気下で通常４００〜３００
０℃、好ましくは７００〜２５００℃において実施す
る。本発明による成形体は、化学気相蒸着によるマトリ
ックスおよび／または熱硬化性樹脂あるいはピッチを前
駆体とするマトリックスを複合化する等の緻密化工程を
行うことにより炭素／炭素複合材料とすることができ
る。

【００１７】

【発明の効果】本発明により、簡便な方法で炭素／炭素
複合材料用成形体を製造することが可能となる。

【００１８】

【実施例】以下に実施例をあげ、本発明を具体的に説明
するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 （実施例１）軟化点２８０℃を有する光学的異方性の石
油系ピッチを溶融紡糸し、平均直径１３μｍのピッチ繊
維を得た。このピッチ繊維を空気中、３００℃において
不融化処理した後、窒素中、６５０℃で１時間処理して
炭化繊維を得た。この炭化繊維８０重量部、および１０
００℃における炭化収率が１４重量％のレーヨン繊維２
０重量部を用いてウエブとし、これにニードル打ち込み
本数１２０本／ｃｍ^２でニードルパンチを行って目付４
３００ｇ／ｍ^２のフェルトとした。このフェルトを窒素
雰囲気下２０００℃で焼成し、かさ密度０．０９８ｇ／
ｃｍ^３、繊維体積含有率４．９％の炭素／炭素複合材料
用成形体を得た。

【００１９】（比較例１）軟化点２８０℃を有する光学
的異方性の石油系ピッチを溶融紡糸し、平均直径１３μ
ｍのピッチ繊維を得た。このピッチ繊維を空気中、３０
０℃において不融化処理した後、窒素中、６５０℃で１
時間処理して炭化繊維を得た。この炭化繊維のみを用い
てウエブ化およびニードルパンチを試みたが、繊維の破
断が多く、目付の高い良好なフェルトを得ることはでき
なかった。

【００２０】（実施例２）軟化点２８０℃を有する光学
的異方性の石油系ピッチを溶融紡糸し、平均直径１３μ
ｍのピッチ繊維を得た。このピッチ繊維を空気中、３０
０℃において不融化処理し、不融化繊維を得た。この不
融化繊維７０重量部、および１０００℃における炭化収
率が１４重量％のレーヨン繊維３０重量部を用いてウエ
ブとし、これにニードルパンチを行って目付４３００ｇ
／ｍ^２のフェルトとした。このフェルトを窒素雰囲気下
２０００℃で焼成し、かさ密度０．０９０ｇ／ｃｍ^３、
繊維体積含有率４．５％の炭素／炭素複合材料用成形体
を得た。

【００２１】（実施例３）実施例１の炭化繊維８０重量
部、および１０００℃における炭化収率が１４重量％の
レーヨン繊維２０重量部をウエブとし、これにニードル
パンチを行い、厚さ４０ｍｍ、密度０．１１ｇ／ｃ
ｍ^３、目付４３００ｇ／ｍ^２のフェルトとした。これ
を、窒素雰囲気下で３．４ｋｇ／ｃｍ^２の一軸加圧を負
荷しながら７００℃で１時間焼成し、厚さ１１ｍｍ、か
さ密度０．３０ｇ／ｃｍ^３、繊維体積含有率２０％の炭
素／炭素複合材料用成形体を得た。

【００２２】（実施例４）実施例１の炭化繊維８０重量
部、および１０００℃における炭化収率が４０重量％の
ポリアクリロニトリル系耐炎化繊維２０重量部を用いて
ウエブとし、これにニードルパンチを行って目付４３０
０ｇ／ｍ^２のフェルトとした。これを窒素雰囲気下で１
０ｋｇ／ｃｍ^２の一軸加圧を負荷しながら１０００℃で
焼成し、かさ密度０．２２ｇ／ｃｍ^３、繊維体積含有率
１２％の炭素／炭素複合材料用成形体を得た。

【００２３】（比較例２）実施例１の炭化繊維をさらに
２５００℃で焼成し、炭素繊維とした。この炭素繊維８
０重量部、および１０００℃における炭化収率が１４重
量％のレーヨン繊維２０重量部を用いてウエブとし、こ
れにニードルパンチを行い目付４３００ｇ／ｍ^２のフェ
ルトとした。これを窒素雰囲気下で３．４ｋｇ／ｃｍ^２
の一軸加圧を負荷しながら１０００℃で焼成したが、焼
成後に良好な形状の成形体は得られなかった。

【００２４】（実施例５）実施例１の炭化繊維８０重量
部、および１０００℃における炭化収率が１４重量％の
レーヨン繊維２０重量部をウエブとし、これをマンドレ
ルに巻き付けながらニードルパンチを行い円筒状フェル
トとした。これを窒素雰囲気下で円筒の軸方向に２０ｋ
ｇ／ｃｍ^２の一軸加圧を負荷しながら１０００℃で焼成
し、かさ密度０．４ｇ／ｃｍ^３、繊維体積含有率２０％
の円盤状炭素／炭素複合材料用成形体を得た。

【００２５】（実施例６）実施例１の炭化繊維８０重量
部、および１０００℃における炭化収率が１４重量％の
レーヨン繊維２０重量部をウエブとし、これにニードル
パンチを行い、厚さ４０ｍｍ、目付４３００ｇ／ｍ^２の
フェルトとした。これを４枚重ね、１７ｋｇ／ｃｍ^２の
プレス圧で圧縮して、固定可能な蓋を有する深さ３０ｍ
ｍの容器に充填し、窒素雰囲気下で１０００℃で焼成
し、繊維体積含有率２５％の炭素／炭素複合材料用成形
体を得た。

【００２６】（実施例７）実施例１の炭化繊維８０重量
部、および１０００℃における炭化収率が１４重量％の
レーヨン繊維２０重量部をウエブとし、これにニードル
パンチを行い、厚さ４０ｍｍ、密度０．１１ｇ／ｃ
ｍ^３、目付４３００ｇ／ｍ^２のフェルトとした。これを
３枚重ね、窒素雰囲気下で３．４ｋｇ／ｃｍ^２の一軸加
圧を負荷しながら７００℃で１時間焼成し、厚さ３３ｍ
ｍ、かさ密度０．３０ｇ／ｃｍ^３、繊維体積含有率２０
％の炭素／炭素複合材料用成形体を得た。

【００２７】（実施例８）実施例１の炭化繊維８０重量
部、および１０００℃における炭化収率が１４重量％の
レーヨン繊維２０重量部をウエブとし、これにニードル
パンチを行い目付４３００ｇ／ｍ^２のフェルトとした。
これに軟化点１００℃を有する石油系ピッチを溶融含浸
し、窒素雰囲気下で３．４ｋｇ／ｃｍ^２の一軸加圧を負
荷しながら１０００℃で焼成し、かさ密度１．０ｇ／ｃ
ｍ^３、繊維体積含有率２０％の炭素／炭素複合材料用成
形体を得た。

【００２８】（実施例９）実施例１の炭化繊維８０重量
部、および１０００℃における炭化収率が１４重量％の
レーヨン繊維２０重量部をウエブとし、これにニードル
パンチを行い目付４３００ｇ／ｍ^２のフェルトとした。
これにフェノール樹脂を含浸し、窒素雰囲気下で３．４
ｋｇ／ｃｍ^２の一軸加圧を負荷しながら１０００℃で焼
成し、かさ密度１．２ｇ／ｃｍ^３、繊維体積含有率２０
％の炭素／炭素複合材料用成形体を得た。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ピッチ繊維の不融化処理により得られる
   不融化繊維および／または該不融化繊維を非酸化性雰囲
   気下３５０〜８００℃で炭化処理して得られる炭化繊維
   ６０〜９５重量部、および炭化収率が１〜６０重量％で
   ある有機繊維５〜４０重量部をウエブ化し、次いでニー
   ドルパンチを行いフェルト化した後、非酸化性雰囲気
   下、前記不融化繊維または炭化繊維の最終焼成温度より
   高い温度で焼成することを特徴とする炭素／炭素複合材
   料用成形体の製造法。