JPH0757715B2 - Fiber-reinforced carbonaceous composite material - Google Patents

Fiber-reinforced carbonaceous composite material

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JPH0757715B2
JPH0757715B2 JP1247953A JP24795389A JPH0757715B2 JP H0757715 B2 JPH0757715 B2 JP H0757715B2 JP 1247953 A JP1247953 A JP 1247953A JP 24795389 A JP24795389 A JP 24795389A JP H0757715 B2 JPH0757715 B2 JP H0757715B2
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泰広 塩路
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は機械的特性に優れた、耐熱性、耐摩耗性炭素質
無機複合材料に関するものである。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a heat resistant and wear resistant carbonaceous inorganic composite material having excellent mechanical properties.

(従来の技術及びその問題点) 無機繊維で強化した炭素質無機複合材料のうち、強化繊
維として炭素繊維、無機質マトリックスとして炭素を用
いた、所謂C/Cコンポジットは比強度、比弾性、非酸化
性雰囲気中における耐熱性、靭性、摩擦特性に優れ、耐
熱構造材、ブレーキ材として有望なものである。特にブ
レーキ用途においては、航空機、レーシングカー用とし
て実用化が進められている。
(Prior art and its problems) Among the carbonaceous inorganic composite materials reinforced with inorganic fibers, the so-called C / C composite, which uses carbon fiber as the reinforcing fiber and carbon as the inorganic matrix, has a specific strength, a specific elasticity, and a non-oxidizing property. It has excellent heat resistance, toughness, and friction characteristics in a strong atmosphere and is promising as a heat-resistant structural material and brake material. Particularly for brake applications, practical application is proceeding for aircraft and racing cars.

しかし、C/Cコンポジットでは、強化材とマトリックス
炭素との界面に致命的亀裂や剥離を生じやすく、充分な
機械的強度が得られず、また、C/Cコンポジットはマト
リックスが炭素のみからなるため、酸化性雰囲気中での
長時間の使用は困難であり、また、摩擦特性においても
潤滑性には優れているものの、耐摩耗性は必ずしも充分
ではなかった。
However, in the C / C composite, fatal cracks and peeling are likely to occur at the interface between the reinforcing material and the matrix carbon, and sufficient mechanical strength cannot be obtained. Also, in the C / C composite, the matrix is composed only of carbon. However, although it is difficult to use it for a long time in an oxidizing atmosphere, and the friction property is excellent in lubricity, the wear resistance is not always sufficient.

この欠点を改善し、炭素繊維とマトリックス炭素との界
面接着力の向上を図ることを目的として、炭素繊維表面
を種々の処理剤でサイジングする方法やCVD等の方法に
よりコーティングする方法が行われている。
For the purpose of improving this defect and improving the interfacial adhesion between the carbon fiber and the matrix carbon, a method of sizing the surface of the carbon fiber with various treatment agents or a method of coating by a method such as CVD is performed. There is.

しかし、上記のサイジングによる方法では、炭素繊維と
マトリックス炭素との界面接着性の問題を根本的に解決
することは難しく、処理剤と繊維又はマトリックス間で
新たな欠陥、剥離を生じ、また、接着剤によっては複合
材中に不純物として残存するため、C/Cコンポジットの
優れた特性のうち、耐食性、耐熱性等が失われることに
なる。
However, with the above sizing method, it is difficult to fundamentally solve the problem of interfacial adhesion between carbon fiber and matrix carbon, and new defects and peeling occur between the treatment agent and the fiber or matrix, and the adhesion Since some agents remain as impurities in the composite material, corrosion resistance, heat resistance, etc. are lost among the excellent properties of C / C composites.

一方、繊維一本一本にコーティング処理を施す方法は、
CVD工程等の生産性の低い工程を追加する必要があり、
複合材を高コストなものとし、かつ、得られた繊維の繊
維径が太くなるため、しなやかさを失わせ、複合材設計
の自由度を大きく減ずるものであった。
On the other hand, the method of applying coating treatment to each fiber is
It is necessary to add processes with low productivity such as CVD process,
Since the cost of the composite material is high and the fiber diameter of the obtained fiber is large, the suppleness is lost and the flexibility of the composite material design is greatly reduced.

一方、強化繊維として、例えば市販の炭化珪素繊維等の
アモルファス無機繊維を用いた場合、強化繊維の炭素マ
トリックスとの接着性は改善されるが、上記無機繊維は
炭素マトリックスが充分結晶化する温度では、機械的強
度を充分保持出来ないため、複合材料としての機械的特
性を向上させることはできなかった。
On the other hand, when a commercially available amorphous inorganic fiber such as a silicon carbide fiber is used as the reinforcing fiber, the adhesiveness of the reinforcing fiber with the carbon matrix is improved, but the inorganic fiber is at a temperature at which the carbon matrix is sufficiently crystallized. However, since the mechanical strength cannot be sufficiently maintained, the mechanical properties of the composite material could not be improved.

一方、マトリックス炭素の耐酸化性、耐磨耗性を向上さ
せる方法として、Am.Ceram.Soc.Bull.62(1983)916に
おいて、ウォーカー(B.E.Walker.Jr)らは、C/Cコンポ
ジットに有機珪素高分子を含浸後、熱分解し、マトリッ
クスへの炭化珪素成分の導入を図るという方法について
記載しているが、得られた複合材の曲げ強度は158MPと
低強度である。
On the other hand, as a method for improving the oxidation resistance and wear resistance of matrix carbon, in Walker (BEWalker.Jr) et al. In Am.Ceram.Soc.Bull.62 (1983) 916, C / C composite was treated with organosilicon. A method of impregnating a polymer and then thermally decomposing it to introduce a silicon carbide component into the matrix is described, but the bending strength of the obtained composite material is as low as 158 MP.

また、Proc.of Int.Symp.on Ceramic,Compon.for Engin
e,1983,Japan,p505において、フィッツアー(E.Fitze
r)らは、C/Cコンポジットに珪素融液を含浸し、マトリ
ックスの炭化珪素化を図るという方法について記載して
いるが、得られた複合材は、そのマトリックス粒子間に
未反応のまま残存する金属珪素のため、1300℃以上の高
温ではクリープ変成を生じ、C/Cコンポジットの有する
高温特性を有していない。
Also, Proc.of Int.Symp.on Ceramic, Compon.for Engin
e, 1983, Japan, p505, Fittour (E.Fitze
r) et al. describe a method of impregnating a C / C composite with a silicon melt to convert the matrix into silicon carbide, but the obtained composite material remains unreacted between the matrix particles. Because of the metallic silicon, which undergoes creep metamorphism at high temperatures above 1300 ° C, it does not have the high-temperature characteristics of C / C composites.

上記のいずれのプロセスも、従来の複雑なC/Cコンポジ
ット製造過程に加え、さらに煩雑なプロセスが付加さ
れ、工業的利用の困難なものであった。
In any of the above processes, in addition to the conventional complicated C / C composite manufacturing process, a more complicated process was added, which made industrial use difficult.

(問題を解決するための手段) 本発明の目的は、上記問題点を解決した新規な無機繊維
強化炭素質材料の提供にある。
(Means for Solving the Problem) An object of the present invention is to provide a novel inorganic fiber reinforced carbonaceous material that solves the above problems.

本発明の他の目的は、機械的特性に優れた無機繊維強化
炭素質材料の提供にある。
Another object of the present invention is to provide an inorganic fiber reinforced carbonaceous material having excellent mechanical properties.

本発明の他の目的は、耐食性、耐熱性、耐酸化性に優れ
た炭素質材料の提供にある。
Another object of the present invention is to provide a carbonaceous material excellent in corrosion resistance, heat resistance and oxidation resistance.

本発明の無機繊維強化炭素質複合材料は、無機繊維を強
化材とし、無機物質をマトリックスとする複合材料であ
って、上記無機繊維が、金属含有多環状芳香族重合体か
ら得られる無機繊維であって、その構成成分が a)該重合体を構成するメソフェーズ状態にある多環状
芳香族化合物から導かれるラジアル構造、オニオン構
造、ランダム構造、コアラジアル構造、スキンオニオン
構造及びモザイク構造からなる群から選ばれる少なくと
も一種の結晶配列状態を示す炭素質、 b)該重合体を構成する有機溶媒不溶分を含む光学的等
方性の多環状芳香族化合物から導かれる、無配向状態の
結晶質炭素及び/又は非晶質炭素、及び c)Si、M、C及びOから実質的になる非晶質物質、
及び/又は 実質的にβ−SiC、MC、β−SiCとMCの固溶体及びMC
1-xからなる粒径が500Å以下の結晶超微粒子と、非晶質
のSiOy及びMOzとの集合体であり 構成元素の割合がSi;5〜70重量%、M;0.5〜45重量%、
C;20〜40重量%及びO;0.01〜30重量%である、Si−M−
C−O物質(上記式中、MはTi、Zr及びHfから選択され
る少なくとも一種の元素であり、0<x<1、0<y≦
2、0<z≦2である。) よりなる高強度・高弾性率無機繊維であり、 前記無機物質が珪素含有多環状芳香族重合体から得られ
る無機物質であって、その構成成分が、 i)該重合体を構成するメソフェーズ状態にある多環状
芳香族化合物から導かれる結晶質炭素、又は結晶質炭素
と非晶質炭素、 ii)該重合体を構成する光学的等方性の多環状芳香族化
合物から導かれる、無配向状態の結晶質炭素及び/又は
非晶質炭素、及び iii)Si、C及びOから実質的になる非晶質相及び/又
は粒径が500Å以下の実質的にβ−SiCからなる結晶質超
微粒子と非晶質のSiOx(0<x≦2)からなる集合体で
あり、構成元素の割合がSi;30〜70重量%、C;20〜60重
量%及びO;0.5〜10重量%であるSi−C−O物質 よりなる炭素質無機物質である。
The inorganic fiber-reinforced carbonaceous composite material of the present invention is a composite material having an inorganic fiber as a reinforcing material and an inorganic substance as a matrix, wherein the inorganic fiber is an inorganic fiber obtained from a metal-containing polycyclic aromatic polymer. And its constituent components are: a) a group consisting of a radial structure, an onion structure, a random structure, a core radial structure, a skin onion structure, and a mosaic structure derived from a polycyclic aromatic compound in a mesophase state which constitutes the polymer. At least one selected carbonaceous material having a crystalline alignment state, b) a non-oriented crystalline carbon derived from an optically isotropic polycyclic aromatic compound containing an organic solvent insoluble component constituting the polymer, and And / or amorphous carbon, and c) an amorphous material consisting essentially of Si, M, C and O,
And / or substantially β-SiC, MC, a solid solution of β-SiC and MC and MC
It is an aggregate of crystalline ultrafine particles of 1-x with a particle size of 500Å or less and amorphous SiO y and MO z. The proportion of constituent elements is Si; 5 to 70% by weight, M; 0.5 to 45% by weight. %,
C: 20-40% by weight and O: 0.01-30% by weight, Si-M-
C—O substance (wherein M is at least one element selected from Ti, Zr and Hf, and 0 <x <1, 0 <y ≦
2, 0 <z ≦ 2. ) A high-strength, high-modulus inorganic fiber, wherein the inorganic substance is an inorganic substance obtained from a silicon-containing polycyclic aromatic polymer, the constituent components of which are: i) a mesophase state that constitutes the polymer. Carbon derived from the polycyclic aromatic compound, or crystalline carbon and amorphous carbon, ii) a non-oriented state derived from the optically isotropic polycyclic aromatic compound constituting the polymer Crystalline carbon and / or amorphous carbon, and iii) an amorphous phase consisting essentially of Si, C and O and / or crystalline ultrafine particles consisting essentially of β-SiC having a particle size of 500Å or less. And amorphous SiO x (0 <x ≦ 2), the proportion of constituent elements is Si; 30 to 70% by weight, C; 20 to 60% by weight, and O; 0.5 to 10% by weight. It is a carbonaceous inorganic substance consisting of a certain Si-C-O substance.

まず、本発明における無機繊維について詳細に説明す
る。
First, the inorganic fiber in the present invention will be described in detail.

以下の説明において「部」は「重量部」であり、「%」
は「重量%」である。
In the following description, "part" means "part by weight" and "%"
Is "% by weight".

本発明の無機繊維は前述した構成成分a)、b)及び
c)からなっており、Si;0.01〜30%、M;0.01〜10%、
C;65〜99.9%及びO;0.001〜10%、好ましくはSi;0.1〜2
5%、M;0.01〜8%、C;74〜99.8%及びO;0.01〜8%か
ら実質的に構成されている。
The inorganic fiber of the present invention comprises the above-mentioned constituents a), b) and c), and Si: 0.01-30%, M: 0.01-10%,
C; 65-99.9% and O; 0.001-10%, preferably Si; 0.1-2
Substantially composed of 5%, M; 0.01-8%, C; 74-99.8% and O; 0.01-8%.

この無機繊維の構成成分である結晶質炭素は500Å以下
の結晶子サイズを有し、1.5Åの分解能を有する高分解
能電子顕微鏡において、繊維軸方向に配向した3.2Åの
(002)面に相当する微細なラティスイメージ像が観察
されうる超微粒子のグラファイト結晶である。無機繊維
中の結晶質炭素は、ラジアル構造、オニオン構造、ラン
ダム構造、コアラジアル構造、スキンオニオン構造、モ
ザイク構造及び一部ラジアル構造を含むランダム構造等
をとることができる。これは、原料中にメソフェーズ多
環状芳香族化合物が存在することに起因する。
The crystalline carbon, which is a constituent component of this inorganic fiber, has a crystallite size of 500 Å or less, and corresponds to a 3.2 Å (002) plane oriented in the fiber axis direction in a high resolution electron microscope having a resolution of 1.5 Å. It is an ultrafine graphite crystal that allows the observation of a fine lattice image. The crystalline carbon in the inorganic fiber may have a radial structure, an onion structure, a random structure, a core radial structure, a skin onion structure, a mosaic structure, a random structure including a partial radial structure, or the like. This is due to the presence of the mesophase polycyclic aromatic compound in the raw material.

この無機繊維における構成成分a)及びb)の総和100
部に対する構成成分c)の割合は0.015〜200部であり、
且つ構成成分a)とb)との比率は1:0.02〜4である。
The sum of constituents a) and b) of this inorganic fiber is 100
The ratio of component c) to parts is 0.015 to 200 parts,
Moreover, the ratio of the constituents a) and b) is 1: 0.02-4.

構成成分a)及びb)の総和100部に対する構成成分
c)の割合が0.015未満の場合は、ほとんどピッチ繊維
と変わらず、耐酸化性やマトリックスに対する濡れ性の
向上は望めず、上記割合が200部を超えた場合はグラフ
ァイトの微細結晶が効果的には生成せず、高弾性率の繊
維が得られない。
When the ratio of the constituent component c) to the total 100 parts of the constituent components a) and b) is less than 0.015, it is almost the same as that of the pitch fiber, and the oxidation resistance and the wettability with respect to the matrix are not expected to be improved. If the amount exceeds the above range, fine graphite crystals are not effectively formed, and a fiber having a high elastic modulus cannot be obtained.

本発明における無機繊維は、 1)(Si−CH2)結合単位、又は(Si−CH2)結合単位と
(Si−Si)結合単位とから主としてなり、珪素の側鎖に
水素原子、低級アルキル基、フェニル基あるいはシリル
基を有し、上記結合単位からなる主骨格の珪素原子に、
M(Mはチタン、ジルコニウム及びハフニウムからなる
群から選ばれる少なくとも一種類の元素である。)が、
直接又は酸素原子を介して、珪素原子の少なくとも一部
と結合している遷移金属含有有機珪素重合体の珪素原子
の少なくとも一部が、石油系又は石炭系のピッチあるい
はその熱処理物の多環状芳香族化合物の芳香族環の炭素
と珪素−炭素連結基を介して結合したランダム共重合体
及び、 2)石油系又は石炭系のピッチから得られる、メソフェ
ーズ又はメソフェーズと光学的等方相との両相からなる
多環状芳香族化合物(以下、両者を総称して「メソフェ
ーズ多環状芳香族化合物」ということがある。)とを、 200〜500℃の範囲の温度で加熱反応及び/又は加熱溶融
して、上記M及び珪素を含有する多環状芳香族重合体を
得る第1工程、 上記金属含有多環状芳香族重合体の紡糸原液を調製して
紡糸する第2工程、 該紡糸原糸を張力下あるいは無張力下で不融化する第3
工程、及び 不融化した前記紡糸繊維を真空中あるいは不活性ガス雰
囲気中で800〜3000℃の範囲の温度で焼成する第4工程 よりなる製造方法により提供される。
The inorganic fiber in the present invention is mainly composed of 1) (Si—CH 2 ) bond unit, or (Si—CH 2 ) bond unit and (Si—Si) bond unit, and has a hydrogen atom or a lower alkyl in the side chain of silicon. Group, a phenyl group or a silyl group, in the silicon atom of the main skeleton consisting of the above-mentioned bond unit,
M (M is at least one element selected from the group consisting of titanium, zirconium and hafnium),
At least a part of the silicon atoms of the transition metal-containing organosilicon polymer bonded to at least a part of the silicon atoms directly or through an oxygen atom is a polycyclic aroma of a petroleum-based or coal-based pitch or a heat-treated product thereof. Random copolymer in which carbon of aromatic ring of aromatic group compound is bonded through silicon-carbon linking group, and 2) both mesophase or mesophase and optically isotropic phase obtained from petroleum-based or coal-based pitch A polycyclic aromatic compound consisting of a phase (hereinafter, both may be collectively referred to as “mesophase polycyclic aromatic compound”) at a temperature in the range of 200 to 500 ° C. and / or by heating and melting. A first step of obtaining a polycyclic aromatic polymer containing M and silicon, a second step of preparing a spinning stock solution of the metal-containing polycyclic aromatic polymer, and spinning the same; Or nothing Third infusible under tension
And a fourth step of firing the infusibilized spun fiber at a temperature in the range of 800 to 3000 ° C. in a vacuum or an inert gas atmosphere.

上記各工程についてさらに具体的に説明する。Each of the above steps will be described more specifically.

第1工程: 有機珪素重合体とピッチを、不活性ガス中で、好ましく
は250〜500℃の範囲の温度で加熱反応させることにより
前駆重合体(1)が調製される。
First step: The precursor polymer (1) is prepared by heating and reacting the organosilicon polymer and pitch in an inert gas, preferably at a temperature in the range of 250 to 500 ° C.

前駆重合体(1)の出発原料の一つである有機珪素重合
体は、例えば、ジメチルジクロロシランと金属ナトリウ
ムの反応により得られるポリメチルシランを不活性ガス
中で400℃以上に加熱することにより得られる。上記有
機珪素重合体は、(Si−CH2)結合単位、又は(Si−C
H2)結合単位と(Si−Si)結合単位とから主としてな
り、(Si−CH2)結合単位の全数対(Si−Si)結合単位
の全数の比率は1:0〜20の範囲内にある。
The organosilicon polymer, which is one of the starting materials for the precursor polymer (1), is obtained by heating polymethylsilane obtained by the reaction of dimethyldichlorosilane and metallic sodium to 400 ° C. or more in an inert gas. can get. The organosilicon polymer has a (Si—CH 2 ) bond unit or (Si—C).
H 2 ) bond units and (Si-Si) bond units, and the ratio of the total number of (Si-CH 2 ) bond units to the total number of (Si-Si) bond units is in the range of 1: 0 to 20. is there.

この有機珪素重合体の重量平均分子量(Mw)は、一般的
には300〜1000で、Mwが400〜800のものが、優れた炭素
系無機繊維を得るための中間原料であるランダム共重合
体(2)を調製するために特に好ましい。
The weight average molecular weight (M w ) of the organosilicon polymer is generally 300 to 1000, and the M w of 400 to 800 is a random copolymer which is an intermediate raw material for obtaining an excellent carbon-based inorganic fiber. Particularly preferred for preparing polymer (2).

前駆重合体(1)のもう一つの出発原料であるピッチ
は、石油類又は石炭類から得られるピッチで、特に好ま
しいピッチは、石油類の流動接触分解により得られる重
質油、その重質油を蒸留して得た留出成分又は残渣油、
さらにはこれらの熱処理物である。
Pitch, which is another starting material of the precursor polymer (1), is a pitch obtained from petroleum or coal, and a particularly preferable pitch is a heavy oil obtained by fluid catalytic cracking of petroleum, or a heavy oil thereof. Distillate or residual oil obtained by distilling
Furthermore, these are heat-treated products.

上記ピッチ中には、ベンゼン、トルエン、キシレン、テ
トラヒドロフランなどの有機溶媒に不溶の成分が5〜98
重量%、特に40〜90%含まれていることが好ましく、不
溶成分が5重量%未満のピッチを原料として用いた場
合、強度、弾性率共に優れた無機質繊維は得られず、ま
た、不溶成分が98重量%より多いピッチを原料として用
いた場合、共重合体が高融点となり、紡糸困難な状態に
なる。
The pitch contains 5 to 98% of insoluble components in organic solvents such as benzene, toluene, xylene, and tetrahydrofuran.
The content of the insoluble component is preferably 40 to 90% by weight, and when the pitch of the insoluble component is less than 5% by weight is used as a raw material, an inorganic fiber having excellent strength and elastic modulus cannot be obtained, and the insoluble component is not obtained. When more than 98% by weight of pitch is used as a raw material, the copolymer has a high melting point, which makes spinning difficult.

このピッチの重量平均分子量(Mw)は、100〜3000であ
る。重量平均分子量は以下のようにして求めた値であ
る。即ち、ピッチがベンゼン、トルエン、キシレン、テ
トラヒドロフラン、クロロホルム及びジクロロベンゼン
等のゲルパーミュエーションクロマトグラフ(GPC)測
定用有機溶媒不溶分を含有しない場合はそのままGPC測
定し、ピッチが上記有機溶媒不溶分を含有する場合は、
温和な条件で水添処理し、上記有機溶媒不溶分を上記有
機溶媒可溶な成分に変えて後GPC測定する。上記有機溶
媒不溶分を含有する重合体の重量平均分子量は、上記と
同様の処理を施して求めた値である。
The weight average molecular weight (M w ) of this pitch is 100 to 3000. The weight average molecular weight is a value determined as follows. That is, when the pitch does not contain the organic solvent insoluble matter for gel permeation chromatograph (GPC) measurement such as benzene, toluene, xylene, tetrahydrofuran, chloroform and dichlorobenzene, the GPC measurement is performed as it is, and the pitch is the above organic solvent insoluble matter. If it contains
Hydrogenation treatment is carried out under mild conditions, the organic solvent-insoluble matter is changed to the organic solvent-soluble component, and post-GPC measurement is carried out. The weight average molecular weight of the polymer containing the organic solvent insoluble matter is a value obtained by performing the same treatment as above.

ピッチの使用割合は、有機珪素重合体100部当たり83〜4
900部であることが好ましい。ピッチの使用割合が過度
に小さい場合は、得られる無機繊維中の炭化珪素成分が
多くなり、高弾性率を有する無機繊維が得られなくな
り、また、その割合が過度に多い場合は、炭化珪素成分
が少なくなり、マトリックスに対する濡れ性や耐酸化性
に優れた無機繊維が得られなくなる。
The ratio of the pitch used is 83 to 4 per 100 parts of the organosilicon polymer.
It is preferably 900 parts. If the proportion of the pitch used is too small, the amount of silicon carbide component in the resulting inorganic fiber will be large, and it will not be possible to obtain an inorganic fiber having a high elastic modulus. If the proportion is too large, the silicon carbide component will be large. Is less, and it becomes impossible to obtain an inorganic fiber having excellent wettability to the matrix and oxidation resistance.

上記反応の反応温度が過度に低いと、珪素原子と芳香族
炭素の結合が生成しにくくなり、反応温度が過度に高い
と、生成した前駆重合体(1)の分解及び高分子量化が
激しく起こり好ましくない。ここで言う前記重合体
(1)には、有機珪素重合体とピッチが珪素−炭素連結
基を介して結合した共重合体に加え、有機珪素重合体及
びピッチの各々の重縮合物が含まれる。
When the reaction temperature of the above reaction is excessively low, the bond between the silicon atom and the aromatic carbon is hard to be generated, and when the reaction temperature is excessively high, decomposition and high molecular weight of the generated precursor polymer (1) occur violently. Not preferable. The polymer (1) referred to herein includes, in addition to the copolymer in which the organosilicon polymer and the pitch are bonded via the silicon-carbon linking group, the polycondensate of the organosilicon polymer and the pitch. .

不活性ガスとしては、窒素、アルゴン等が好適に使用さ
れる。
Nitrogen, argon and the like are preferably used as the inert gas.

次に、前駆重合体(1)と式MX4で示される遷移金属化
合物とを100〜500℃の範囲の温度で反応させランダム共
重合体(2)を製造する。
Next, the precursor polymer (1) and the transition metal compound represented by the formula MX 4 are reacted at a temperature in the range of 100 to 500 ° C. to produce a random copolymer (2).

前記MX4において、MはTi、Zr及びHfから選択される少
なくとも一種の元素であり、Xは縮合により、Mが前駆
重合体(1)の珪素と直接あるいは酸素原子を介して結
合し得るものであればよく、特に規定はないが、ハロゲ
ン原子、アルコキシ基又はβ−ジケトンのような錯体形
成基が好ましい。
In the above-mentioned MX 4 , M is at least one element selected from Ti, Zr and Hf, and X is capable of binding M to silicon of the precursor polymer (1) directly or through an oxygen atom by condensation. However, a halogen atom, an alkoxy group, or a complex-forming group such as β-diketone is preferable.

反応温度が過度に低いと、前駆重合体(1)と式MX4
の縮合反応が進行せず、反応温度が過度に高いと、Mを
介した前駆重合体(1)の架橋反応が過度に進行しゲル
化が起こったり、前駆重合体(1)自体が縮合し高分子
量化したり、あるいは、場合によってはMX4が揮散して
優れた無機繊維を得るための中間原料であるランダム共
重合体(2)が得られない。
If the reaction temperature is excessively low, the condensation reaction between the precursor polymer (1) and the formula MX 4 will not proceed, and if the reaction temperature is excessively high, the crosslinking reaction of the precursor polymer (1) via M will be excessive. And gelation occurs, the precursor polymer (1) itself condenses to a high molecular weight, or in some cases MX 4 is volatilized to produce an excellent inorganic fiber. You can't get united (2).

一例として、MがTiで、XがOC4H9の場合、反応温度は2
00〜400℃が適している。
As an example, when M is Ti and X is OC 4 H 9 , the reaction temperature is 2
00 to 400 ° C is suitable.

この反応によって、前駆重合体(1)の珪素原子の少な
くとも一部を金属Mと直接あるいは酸素原子を介して結
合させたランダム共重合体(2)が調製される。
By this reaction, a random copolymer (2) in which at least a part of silicon atoms of the precursor polymer (1) is bonded to the metal M directly or via an oxygen atom is prepared.

金属Mは前駆重合体(1)の珪素原子に−MX3あるいは
−O−MX3のような結合様式で側鎖状に結合することも
できるし、前記重合体(1)の珪素原子に直接又は酸素
を介して架橋した結合様式もとり得る。
The metal M can be bonded to the silicon atom of the precursor polymer (1) in a side chain form by a bonding mode such as -MX 3 or -O-MX 3 , or directly to the silicon atom of the polymer (1). Alternatively, a bonding mode of crosslinking via oxygen may be adopted.

ランダム共重合体(2)を調製する方法としては、前述
の方法以外に、有機珪素重合体とMX4を反応させ、得ら
れた生成物にピッチをさらに反応させて調製する方法も
可能である。
As the method for preparing the random copolymer (2), in addition to the method described above, a method of reacting an organosilicon polymer with MX 4 and further reacting the obtained product with pitch can be used. .

第1工程においては最後にランダム共重合体(2)とメ
ソフェーズ多環状芳香族化合物を加熱反応及び/又は加
熱溶融して、金属含有多環状芳香族重合体を調製する。
In the first step, finally, the random copolymer (2) and the mesophase polycyclic aromatic compound are heated and / or heated and melted to prepare a metal-containing polycyclic aromatic polymer.

メソフェーズ多環状芳香族化合物は、例えば、石油系又
は石炭系ピッチを不活性ガス中で300〜500℃に加熱し、
生成する軟質留分を除去しながら縮重合することによっ
て調製することができる。
Mesophase polycyclic aromatic compound, for example, heating petroleum-based or coal-based pitch in an inert gas to 300 ~ 500 ℃,
It can be prepared by polycondensation while removing the produced soft fraction.

上記縮重合反応温度が過度に低いと縮合環の成長が充分
でなく、またその温度が過度に高いとコーキングにより
不溶・不融の生成物が生じる。
If the condensation polymerization reaction temperature is excessively low, the condensed ring does not grow sufficiently, and if the temperature is excessively high, an insoluble or infusible product is produced by coking.

上記のメソフェーズ多環状芳香族化合物は、融点が200
〜400℃の範囲にあり、また、重量平均分子量が200〜10
000である。
The above mesophase polycyclic aromatic compound has a melting point of 200
~ 400 ℃, the weight average molecular weight of 200 ~ 10
It is 000.

メソフェーズ多環状芳香族化合物の中でも、20〜100
%、特に40〜100%の光学的異方性度を有し、30〜100%
のベンゼン、トルエン、キシレン又はテトラヒドロフラ
ンに対する不溶分を含むものが、機械的性能の優れた無
機繊維を得るために好ましい。
Among the mesophase polycyclic aromatic compounds, 20-100
%, Especially 40-100% optical anisotropy, 30-100%
Of those containing an insoluble matter in benzene, toluene, xylene, or tetrahydrofuran is preferable in order to obtain an inorganic fiber having excellent mechanical performance.

メソフェーズ多環状芳香族化合物の使用割合はランダム
共重合体(2)100部当たり5〜50000部、より好ましく
は5〜10000部であり、5部未満では、生成物における
メソフェーズ含有量が不足するため、高弾性の焼成糸が
得られず、また、50000部より多い場合は、珪素成分の
不足のため、マトリックスに対する濡れ性、耐酸化性に
優れた無機繊維が得られなくなる。
The proportion of the mesophase polycyclic aromatic compound used is 5 to 50,000 parts per 100 parts of the random copolymer (2), more preferably 5 to 10,000 parts. If it is less than 5 parts, the mesophase content in the product is insufficient. If a highly elastic fired yarn cannot be obtained, and if it is more than 50,000 parts, an inorganic fiber excellent in wettability to a matrix and oxidation resistance cannot be obtained due to lack of a silicon component.

ランダム共重合体(2)とメソフェーズ多環状芳香族化
合物とを200〜500℃の温度範囲で加熱溶融及び/又は加
熱反応させることにより、ランダム共重合体(2)の少
なくとも一部がメソフェーズ多環状芳香族化合物と結合
した金属含有多環状芳香族重合体が得られる。ただし、
ここで言う結合とは、ランダム共重合体(2)の珪素と
多環状芳香族化合物の炭素との化学結合とランダム共重
合体(2)中の珪素と化学結合した多環状芳香族環部分
とメソフェーズ多環状芳香族化合物との間のファンデル
ワールス結合等の物理的結合を意味する。
At least a portion of the random copolymer (2) is mesophase polycyclic by heating and melting and / or reacting the random copolymer (2) and the mesophase polycyclic aromatic compound in a temperature range of 200 to 500 ° C. A metal-containing polycyclic aromatic polymer bonded with an aromatic compound is obtained. However,
The term "bond" as used herein means a chemical bond between silicon of the random copolymer (2) and carbon of the polycyclic aromatic compound and a polycyclic aromatic ring portion chemically bonded to silicon of the random copolymer (2). It means a physical bond such as van der Waals bond with the mesophase polycyclic aromatic compound.

上記溶融混合温度が200℃より低いと不融部分が生じ、
糸が不均一となり、無機繊維の強度、弾性率に悪影響を
及ぼし、また、溶融混合温度が500℃より高いと縮合反
応が激しく進行し、生成重合体が高融点となり、重合体
の紡糸が著しく困難となる。
When the melt-mixing temperature is lower than 200 ° C, an infusible portion is generated,
The yarn becomes non-uniform, which adversely affects the strength and elastic modulus of the inorganic fiber, and when the melt-mixing temperature is higher than 500 ° C, the condensation reaction proceeds violently, the resulting polymer has a high melting point, and the spinning of the polymer is remarkable. It will be difficult.

金属含有多環状芳香族重合体を調製する方法としては、
前述の方法以外に、有機珪素重合体とピッチを反応さ
せ、得られた生成物にメソフェーズ多環状芳香族化合物
とMX4を同時に又は順次添加し、さらに反応させて調製
する方法も可能である。
The method for preparing the metal-containing polycyclic aromatic polymer,
In addition to the method described above, a method of reacting an organosilicon polymer with pitch, adding a mesophase polycyclic aromatic compound and MX 4 simultaneously or sequentially to the obtained product, and further reacting, is also possible.

上記金属含有多環状芳香族重合体の重量平均分子量は20
0〜11000で、融点が200〜400℃である。
The weight average molecular weight of the metal-containing polycyclic aromatic polymer is 20
It has a melting point of 200 to 400 ° C. at 0 to 11000.

第2工程: 第1工程で得られる金属含有多環状芳香族重合体である
紡糸ポリマーを加熱溶融させて、場合によってはこれを
濾過してミクロゲル、不純物等の紡糸に際して有害とな
る物質を除去し、これを通常用いられる合成繊維紡糸装
置により紡糸する。
Second step: The spinning polymer, which is the metal-containing polycyclic aromatic polymer obtained in the first step, is heated and melted, and in some cases, this is filtered to remove substances such as microgels and impurities that are harmful during spinning. This is spun by a commonly used synthetic fiber spinning device.

紡糸する際の紡糸原液の温度は原料ポリマーの軟化温度
によって異なるが、220〜420℃の範囲の温度が有利であ
る。
The temperature of the spinning dope during spinning varies depending on the softening temperature of the raw polymer, but a temperature in the range of 220 to 420 ° C is advantageous.

前記紡糸装置において、必要に応じて紡糸筒を取付け、
該紡糸筒内の雰囲気を空気、不活性ガス、熱空気、熱不
活性ガス、スチーム、及びアンモニアガスからなる群か
ら選ばれる一種以上の雰囲気とした後、巻取り速度を大
きくすることにより細い直径の繊維を得ることができ
る。前記溶融紡糸における紡糸速度は原料の平均分子
量、分子量分布、分子構造によって異なるが、50〜5000
m/分の範囲であることが好ましい。
In the spinning device, a spinning tube is attached if necessary,
After making the atmosphere in the spinning cylinder one or more atmospheres selected from the group consisting of air, inert gas, hot air, heat inert gas, steam, and ammonia gas, a small diameter is obtained by increasing the winding speed. Fibers can be obtained. The spinning speed in the melt spinning varies depending on the average molecular weight of the raw material, the molecular weight distribution, and the molecular structure, but is 50 to 5000.
It is preferably in the range of m / min.

第3工程: 第2工程で得られる紡糸繊維を張力又は無張力の作用も
とで不融化する。
Third step: The spun fiber obtained in the second step is infusibilized under the action of tension or no tension.

代表的な不融化方法は、紡糸繊維を酸化性雰囲気中で加
熱する方法である。不融化の温度は好ましくは50〜400
℃の範囲の温度である。不融化温度が過度に低いと紡糸
原糸を構成するポリマーのはしかけが起こらず、また、
この温度が過度に高いとポリマーが燃焼する。
A typical infusibilizing method is a method of heating spun fibers in an oxidizing atmosphere. The temperature of infusibilization is preferably 50 to 400
The temperature is in the range of ° C. When the infusibilization temperature is excessively low, the polymer constituting the spinning yarn does not hang up, and
If this temperature is too high, the polymer will burn.

不融化の目的は、紡糸繊維を構成するポリマーを三次元
構造の不融・不溶のはしかけ状態にし、次工程の焼成の
際に溶融せず、且つ隣接した繊維と融着しないようにす
ることである。不融化の際の酸化性雰囲気を構成するガ
スとしては、空気、オゾン、酸素、塩素ガス、臭素ガ
ス、アンモニアガス、及びこれらの混合ガスが挙げられ
る。
The purpose of infusibilization is to make the polymer that constitutes the spun fiber into an infusible or insoluble state of a three-dimensional structure so that it will not melt during the firing of the next step and will not fuse with adjacent fibers. Is. Examples of the gas forming the oxidizing atmosphere at the time of infusibilization include air, ozone, oxygen, chlorine gas, bromine gas, ammonia gas, and mixed gas thereof.

上記とは別の不融化方法として、紡糸繊維に酸化性雰囲
気あるいは非酸化性雰囲気で、張力あるいは無張力で必
要に応じて低温加熱しながら、γ線照射、あるいは電子
線照射して不融化する方法も採用することができる。
As another infusibilizing method different from the above, the spun fiber is infusibilized by γ-ray irradiation or electron beam irradiation while heating at low temperature in an oxidizing atmosphere or a non-oxidizing atmosphere under tension or no tension as necessary. Methods can also be employed.

このγ線あるいは電子線を照射する目的は、紡糸繊維を
形成するポリマーを、さらに重合させることによって、
紡糸原糸が融解し、繊維形状を失うことを防ぐことにあ
る。
The purpose of irradiating this γ ray or electron beam, by further polymerizing the polymer forming the spun fiber,
This is to prevent the spinning raw yarn from melting and losing the fiber shape.

γ線あるいは電子線の照射線量は106〜1010ラッドが適
当である。
The appropriate irradiation dose of gamma rays or electron beams is 10 6 to 10 10 rads.

照射は真空、不活性ガス雰囲気下、あるいは空気、オゾ
ン、酸素、塩素ガス、臭素ガス、アンモニアガス及びこ
れらの混合ガスのような酸化性ガス雰囲気で行うことが
できる。
Irradiation can be performed in a vacuum, an inert gas atmosphere, or an oxidizing gas atmosphere such as air, ozone, oxygen, chlorine gas, bromine gas, ammonia gas, or a mixed gas thereof.

照射による不融化は室温で行うこともでき、必要であれ
ば50〜200℃の温度範囲で加熱しながら行うことによっ
て不融化をより短時間で達成させることもできる。
The infusibilization by irradiation can be performed at room temperature, and if necessary, the infusibilization can be achieved by heating while heating in the temperature range of 50 to 200 ° C.

不融化は、無張力下で行うと、前記紡糸繊維は収縮のた
め波状の形を呈するようになるが、次工程の焼成工程で
矯正できる場合もあり、張力は必ずしも必要ないが、張
力を作用させる場合には、その張力の大きさは不融化時
に紡糸繊維が収縮して波状となることを少なくとも防止
できる以上の張力を作用させると良い結果が得られる。
If the infusibilization is carried out under no tension, the spun fiber will have a wavy shape due to shrinkage, but in some cases it can be corrected in the firing step of the next step, tension is not always necessary, but tension acts In such a case, a good result can be obtained by applying a tension higher than the tension that can at least prevent the spun fiber from contracting and becoming wavy during infusibilization.

不融化の際に、作用させる張力としては、1〜500g/mm2
の範囲が好ましく、1g/mm2以下の張力を作用させても繊
維をたるませないような緊張を与えることができず、50
0g/mm2以上の張力を作用させると繊維が切断することが
ある。
When infusibilizing, the tension applied is 1 to 500 g / mm 2
The range is preferable, and even if a tension of 1 g / mm 2 or less is applied, it is not possible to give tension that does not cause the fiber to sag, and
The fiber may break when a tension of 0 g / mm 2 or more is applied.

第4工程: 第3工程で得られる不融化糸を、真空あるいは不活性ガ
ス雰囲気中で800〜3000℃の範囲の温度で焼成すること
によって、主として炭素、M、珪素、酸素からなる無機
繊維が得られる。
Fourth step: By firing the infusible yarn obtained in the third step at a temperature in the range of 800 to 3000 ° C. in a vacuum or an inert gas atmosphere, inorganic fibers mainly composed of carbon, M, silicon and oxygen are produced. can get.

焼成工程において、張力を作用させることは必ずしも必
要ないが0.001〜100Kg/mm2の範囲で張力を作用させなが
ら高温焼成すると屈曲を少なくした強度の高い無機繊維
を得ることができる。
In the firing step, it is not always necessary to apply tension, but high-temperature inorganic fiber with less bending can be obtained by firing at high temperature while applying tension in the range of 0.001 to 100 Kg / mm 2 .

加熱過程において、約700℃から無機化が激しくなり、
約800℃でほぼ無機化が完了するものと推定される。従
って、焼成は、800℃以上の温度で行うことが好まし
い。また、3000℃より高い温度を得るには高価な装置を
必要とするため、3000℃より高温での焼成は、コスト面
から見て実際的でない。
In the heating process, mineralization becomes severe from about 700 ℃,
It is estimated that mineralization is almost completed at about 800 ° C. Therefore, the firing is preferably performed at a temperature of 800 ° C. or higher. Moreover, since an expensive device is required to obtain a temperature higher than 3000 ° C., firing at a temperature higher than 3000 ° C. is not practical in terms of cost.

なお、本発明の無機繊維の構成成分c)であるSi−M−
C−O物質の形態は、第1工程乃至第4工程で採用され
る製造条件によって決定される。一般的に言えば、第4
工程での焼成温度が例えば1000℃より低い場合、Si、
M、C、Oからなる非晶質より実質的に構成される。
In addition, Si-M- which is the constituent component c) of the inorganic fiber of the present invention.
The form of the C—O material is determined by the manufacturing conditions used in the first to fourth steps. Generally speaking, number four
If the firing temperature in the process is lower than 1000 ℃, for example, Si,
It is substantially composed of an amorphous material composed of M, C, and O.

一方、第4工程での焼成温度が例えば1700℃以上の場
合、実質的にβ−SiC、MC、β−SiCとMCの固溶体及びMC
1-x(ただし、0<x<1)からなる粒径500Å以下の超
微粒子及びSiOy(ただし、0<y≦2)、MOz(ただ
し、0<z≦2)からなる非晶質からなる集合体より実
質的に構成される。
On the other hand, when the firing temperature in the fourth step is, for example, 1700 ° C. or higher, substantially β-SiC, MC, a solid solution of β-SiC and MC and MC
1-x (provided that 0 <x <1) ultrafine particles with a particle size of 500Å or less and amorphous composed of SiO y (provided that 0 <y ≦ 2) and MO z (provided that 0 <z ≦ 2) Substantially composed of an aggregate consisting of.

上記温度の中間では、各集合体の混合系より構成されて
いる。また、無機繊維中の酸素量は、例えば第1工程に
おけるMX4の添加比率又は第3工程における不融化条件
により制御することができる。
In the middle of the above temperature, it is composed of a mixed system of each aggregate. Further, the amount of oxygen in the inorganic fiber can be controlled by, for example, the addition ratio of MX 4 in the first step or the infusibilizing condition in the third step.

また、構成成分c)の分布状態は、焼成時の雰囲気や原
料中のメソフェーズの大きさ、濃度によっても制御する
ことができる。例えば、メソフェーズを大きく成長させ
た場合、構成成分c)は繊維表面相に押し出されやすく
なる。
Further, the distribution state of the constituent component c) can be controlled by the atmosphere during firing and the size and concentration of the mesophase in the raw material. For example, when the mesophase is grown large, the constituent component c) tends to be extruded into the fiber surface phase.

次に、本発明の繊維強化炭素質複合材料のマトリックス
の原料となる珪素含有多環状芳香族重合体の製造方法に
ついて説明する。
Next, a method for producing a silicon-containing polycyclic aromatic polymer which is a raw material for the matrix of the fiber-reinforced carbonaceous composite material of the present invention will be described.

上記珪素含有多環状芳香族重合体は 1)結合単位(Si−CH2)、又は結合単位(Si−CH2)と
結合単位(Si−Si)から主としてなり、珪素原子の側鎖
に水素原子、低級アルキル基、フェニル基及びシリル基
からなる群から選ばれる側鎖基を有し、結合単位(Si−
CH2)の全数対結合単位(Si−Si)の全数の比が1:0〜20
の範囲にある有機珪素重合体の珪素原子の少なくとも一
部が、石油系又は石炭系のピッチあるいはその熱処理物
の芳香族環の炭素と結合した前駆重合体(1)100部及
び 2)石油系又は石炭系ピッチを熱処理して得られるメソ
フェーズ多環状芳香族化合物5〜50000部を、 200〜500℃の範囲の温度で加熱反応及び/又は加熱溶融
することにより製造される。
The silicon-containing polycyclic aromatic polymer is 1) binding unit (Si-CH 2), or mainly consists of coupling units (Si-CH 2) and the coupling unit (Si-Si), hydrogen atoms in the side chain of silicon atoms , A lower alkyl group, a phenyl group and a silyl group, having a side chain group selected from the group consisting of bond units (Si-
The ratio of the total number of CH 2 ) to the total number of bonding units (Si-Si) is 1: 0 to 20
At least a part of the silicon atoms of the organosilicon polymer in the range of 1 to 100 is bonded to the carbon of the aromatic ring of the petroleum-based or coal-based pitch or the heat-treated product thereof (1) 100 parts and 2) petroleum-based Alternatively, it is produced by heat-reacting and / or heat-melting 5 to 50,000 parts of a mesophase polycyclic aromatic compound obtained by heat-treating coal-based pitch at a temperature in the range of 200 to 500 ° C.

上記前駆重合体(1)は、前記無機繊維製造の第一工程
をそのまま適用することができる。
For the precursor polymer (1), the first step of producing the inorganic fiber can be applied as it is.

なお、珪素含有多環状芳香族重合体は、繊維化すること
が要求されないため、前記無機繊維製造の第一工程の場
合と比べいくぶん広範囲に設定しても差し支えない。す
なわち、前駆重合体(1)製造におけるピッチの使用割
合は、有機珪素重合体100部当たり10〜4900部が好まし
い。
Since the silicon-containing polycyclic aromatic polymer is not required to be made into fibers, it may be set in a somewhat wider range than in the case of the first step of producing the inorganic fibers. That is, the proportion of the pitch used in the production of the precursor polymer (1) is preferably 10 to 4900 parts per 100 parts of the organosilicon polymer.

前駆重合体(1)と前記無機繊維製造第一工程において
製造されたメソフェーズ多環状芳香族化合物を加熱反応
及び/又は加熱溶融して、珪素含有多環状芳香族重合体
を調整する。
The silicon-containing polycyclic aromatic polymer is prepared by heating and / or melting the precursor polymer (1) and the mesophase polycyclic aromatic compound produced in the first step of producing the inorganic fiber by heating.

メソフェーズ多環状芳香族化合物の使用割合はランダム
共重合体(2)100部当たり5〜50000部であることが好
ましく、5部未満では、生成物におけるメソフェーズ含
有量が不足するため、得られた重合体を無機化しても高
弾性の複合材料は得られず、また、50000部より多い場
合は、珪素成分の不足のため重合体の無機化により得ら
れるマトリックスは、強化繊維に対する濡れ性に劣り、
耐酸化性等も充分ではない。
The use ratio of the mesophase polycyclic aromatic compound is preferably 5 to 50,000 parts per 100 parts of the random copolymer (2), and if it is less than 5 parts, the mesophase content in the product will be insufficient, so that the obtained heavy A highly elastic composite material cannot be obtained even if the coalesce is mineralized, and if it is more than 50,000 parts, the matrix obtained by the mineralization of the polymer due to the lack of a silicon component is inferior in wettability to the reinforcing fiber,
Oxidation resistance is not sufficient.

次に、本発明の繊維強化炭素質複合材料の製造方法につ
いて説明する。
Next, a method for producing the fiber-reinforced carbonaceous composite material of the present invention will be described.

まず、前記無機繊維の平織、朱子織、模紗織、綾織、ら
せん織物、三次元織物などの各種織物に前記珪素含有多
環状芳香族重合体の粉末を加え加熱プレスし成形する方
法、前記織物に珪素含有多環状芳香族重合体の溶液又は
スラリーを含浸後、溶媒を除去、乾燥したプリプレグシ
ートを加熱成形する方法、前記無機繊維の短繊維、又は
チョップドファイバーと珪素含有多環状芳香族重合体を
溶融混練し、プレス成形、又は射出成形等により繊維含
有成形体を製造する。その際、成形体中の無機繊維の含
有率は10〜70体積%が好ましい。
First, a method of adding the silicon-containing polycyclic aromatic polymer powder to various woven fabrics such as the plain weave, satin weave, imitation weave, twill weave, spiral woven fabric, and three-dimensional woven fabric of the above-mentioned inorganic fibers, and forming the woven fabric. After impregnation with a solution or slurry of a silicon-containing polycyclic aromatic polymer, the solvent is removed, a method of heat-molding a dried prepreg sheet, the inorganic fiber short fiber, or chopped fiber and a silicon-containing polycyclic aromatic polymer. A fiber-containing molded body is manufactured by melt-kneading, press molding, injection molding, or the like. At that time, the content of the inorganic fibers in the molded body is preferably 10 to 70% by volume.

また、繊維含有成形体の製造に当たっては、上記珪素含
有多環状芳香族重合体に、この重合体を例えば不活性ガ
ス雰囲気中、800〜1000℃で焼成、無機化した仮焼体粉
末を混合し、使用しても差し支えない。
Further, in the production of the fiber-containing molded body, the silicon-containing polycyclic aromatic polymer, for example, in an inert gas atmosphere, the polymer is fired at 800 ~ 1000 ℃, mixed with a calcined body powder that is mineralized. , Can be used.

この仮焼体粉末は、Si:0.01〜69.9%、C:29.9〜99.9%
及びO:0.001〜10%から実質的に構成されていることが
好ましい。
This calcined powder is Si: 0.01-69.9%, C: 29.9-99.9%
And O: 0.001-10%.

次に、上記成形体に、必要に応じて不融化処理を施す。Next, the molded body is subjected to an infusibilizing treatment, if necessary.

不融化処理の方法は、前記無機繊維製造第3工程の方法
をそのまま採用することができる。
As the method of infusibilizing treatment, the method of the third step of producing the inorganic fiber can be adopted as it is.

不融化された成形体は、真空あるいは不活性ガス中で、
800〜3000℃の範囲の温度で焼成し、無機化され、繊維
強化された、炭素、珪素及び酸素からなるマトリックス
を有する複合材料が得られる。
The infusibilized molded body can be vacuumed or in an inert gas.
Firing at a temperature in the range of 800 to 3000 ° C. gives a mineralized, fiber-reinforced composite material with a matrix of carbon, silicon and oxygen.

加熱過程において、約700℃から無機化が激しくなり、
約800℃でほぼ無機化が完了するものと推定される。従
って、焼成は、800℃以上の温度で行うことが好まし
い。また、3000℃より高い温度を得るには高価な装置を
必要とするため3000℃より高温での焼成は、コスト面か
らみて実際的でない。
In the heating process, mineralization becomes severe from about 700 ℃,
It is estimated that mineralization is almost completed at about 800 ° C. Therefore, the firing is preferably performed at a temperature of 800 ° C. or higher. Moreover, since an expensive apparatus is required to obtain a temperature higher than 3000 ° C., firing at a temperature higher than 3000 ° C. is impractical in terms of cost.

なお、本工程における無機化の昇温速度を極めて遅くす
ることや、成形体保形用治具、パウダーヘッド等の保形
手段を用いること等により、不融化工程を省略すること
もできるし、成形方法として高温ホットプレスを用いる
ことにより一工程で高密度複合材を得ることも可能であ
る。
The infusibilizing step can be omitted by extremely slowing the temperature rise rate of the mineralization in this step, using a shape-retaining jig such as a molded body shape-retaining jig, or a powder head. It is also possible to obtain a high density composite material in one step by using a high temperature hot press as a molding method.

焼成、無機化によって得られた繊維強化炭素質複合材料
は、多少とも開気孔を含んでいるため、必要により、前
記珪素含有多環状芳香族重合体の融液、溶液又はスラリ
ーを含浸後必要により不融化、焼成し、無機化すること
により複合体を高密度化、高強度化することができる。
含浸は、珪素含有多環状芳香族重合体の融液、溶液又は
スラリーのいずれを用いてもさしつかえないが、微細な
開気孔への浸透を図るため、この複合材に前記重合体の
溶液又はスラリーを含浸後減圧下で微細気孔への浸透を
促進後溶媒を留去しつつ昇温し、10〜500kg/cm2に加圧
することにより、前記重合体の融液を気孔に充填させ
る。
Since the fiber-reinforced carbonaceous composite material obtained by firing and mineralization contains open pores to some extent, if necessary, after impregnation with the melt, solution or slurry of the silicon-containing polycyclic aromatic polymer, By making the composite infusible, firing and making it inorganic, it is possible to increase the density and strength of the composite.
The impregnation may be performed by using a melt, a solution or a slurry of a silicon-containing polycyclic aromatic polymer, but in order to permeate fine open pores, a solution or slurry of the polymer is added to this composite material. After impregnation with the above, the temperature is increased while accelerating the permeation into the fine pores under reduced pressure, the solvent is distilled off, the temperature is raised, and the pressure is applied to 10 to 500 kg / cm 2 to fill the pores with the melt of the polymer.

得られた含浸体は、第3工程と同様にして、不融化し、
焼成し、無機化することができる。この操作を2〜10回
繰り返すことにより高密度、高強度な繊維強化複合材を
得ることができる。
The obtained impregnated body is infusibilized in the same manner as in the third step,
It can be calcined and made inorganic. By repeating this operation 2 to 10 times, a high density and high strength fiber reinforced composite material can be obtained.

(発明の効果) 本発明の繊維強化炭素質複合材料は、強化繊維が高強
度、高弾性であり、しかも、炭素マトリックスとの接着
性が改善されるため、高強度、高弾性で靭性に優れた炭
素質複合材料を得ることができる。また、繊維、マトリ
ックス中に含まれる炭化珪素成分及び炭化チタン成分の
効果により耐酸化性、耐摩耗性に優れた材料を得ること
ができる。
(Effects of the Invention) The fiber-reinforced carbonaceous composite material of the present invention has high strength, high elasticity, and improved adhesiveness with the carbon matrix, and therefore high strength, high elasticity, and excellent toughness. A carbonaceous composite material can be obtained. Further, due to the effects of the silicon carbide component and the titanium carbide component contained in the fiber and the matrix, a material having excellent oxidation resistance and abrasion resistance can be obtained.

従って、得られた複合材料は機械的物性、耐酸化性、耐
磨耗性に優れ、各種のブレーキ類、耐熱構造材料として
優れたものである。
Therefore, the obtained composite material is excellent in mechanical properties, oxidation resistance and abrasion resistance, and is excellent as various brakes and heat resistant structural materials.

(実施例) 以下実施例によって本発明を説明する。(Example) The present invention will be described below with reference to Examples.

参考例1(無機繊維Iの製造) 5の三口フラスコに無水キシレン2.5及びナトリウ
ム400gを入れ、窒素ガス気流下でキシレンの沸点まで加
熱し、ジメチルジクロロシラン1を1時間で滴下し
た。滴下終了後、10時間加熱還流し沈澱物を生成させ
た。沈澱を濾過し、メタノールついで水を洗浄して、白
色粉末のポリジメチルシラン420gを得た。
Reference Example 1 (Production of Inorganic Fiber I) Into a three-necked flask of No. 5, 2.5 g of anhydrous xylene and 400 g of sodium were placed, heated to the boiling point of xylene under a nitrogen gas stream, and dimethyldichlorosilane 1 was added dropwise for 1 hour. After completion of the dropping, the mixture was heated under reflux for 10 hours to form a precipitate. The precipitate was filtered, washed with methanol and then with water to obtain 420 g of white powdery polydimethylsilane.

このポリジメチルシラン400gを、ガス導入管、撹拌機、
冷却器及び留出管を備えた3の三口フラスコに仕込
み、撹拌しながら50ml/分の窒素気流下に420℃で加熱処
理して、留出受器に350gの無色透明な少し粘性のある液
体を得た。
400 g of this polydimethylsilane, a gas introduction tube, a stirrer,
A three-necked flask equipped with a condenser and a distilling tube was charged into a three-necked flask, and heat-treated at 420 ° C under a nitrogen stream of 50 ml / min with stirring, and 350 g of a colorless transparent slightly viscous liquid was put in a distilling receiver. Got

この液体の数平均分子量は蒸気圧浸透法で測定したとこ
ろ470であった。
The number average molecular weight of this liquid was 470 as measured by the vapor pressure osmosis method.

この物質の赤外線吸収スペクトルを測定したところ、65
0〜900cm-1と1250cm-1にSi−CH3の吸収、2100cm-1にSi
−Hの吸収、1020cm-1付近と1355cm-1にSi−CH2−Siの
吸収、2900cm-1と2950cm-1にC−Hの吸収が認められ、
またこの物質の遠赤外線吸収スペクトルを測定したとこ
ろ、380cm-1にSi−Siの吸収が認められることから、得
られた液状物質は、主として(Si−CH2)結合単位及び
(Si−Si)結合単位からなり、珪素の側鎖に水素原子及
びメチル基を有する有機珪素重合体であることが判明し
た。
The infrared absorption spectrum of this substance was measured and found to be 65
Absorption of Si-CH 3 at 0-900 cm -1 and 1250 cm -1 , Si at 2100 cm -1
Absorption of -H, Si-CH 2 -Si absorption of the of 1020 cm -1 and near 1355 cm -1, absorption of CH was observed at 2900 cm -1 and 2950 cm -1,
Further, when the far-infrared absorption spectrum of this substance was measured, absorption of Si-Si was observed at 380 cm -1 , and thus the obtained liquid substance was mainly composed of (Si-CH 2 ) bond units and (Si-Si). It was found to be an organosilicon polymer having a bonding unit and having a hydrogen atom and a methyl group in the side chain of silicon.

核磁気共鳴分析及び赤外線吸収分析の測定結果から、こ
の有機珪素重合体は(Si−CH2)結合単位の全数対(Si
−Si)結合単位の全数の比率がほぼ1:3である重合体で
あることが確認された。
From the results of nuclear magnetic resonance analysis and infrared absorption analysis, this organosilicon polymer shows that the total number of (Si—CH 2 ) bond units is
It was confirmed that the polymer had a ratio of the total number of -Si) bond units of approximately 1: 3.

上記有機珪素重合体300gをエタノールで処理して低分子
量物を除去して、数平均分子量が1200の重合体40gを得
た。
300 g of the above organosilicon polymer was treated with ethanol to remove low molecular weight substances, and 40 g of a polymer having a number average molecular weight of 1200 was obtained.

この物質の赤外線吸収スペクトルを測定したところ、上
記と同様の吸収ピークが認められ、この物質は主として
(Si−CH2)結合単位及び(Si−Si)結合単位からな
り、珪素の側鎖に水素原子及びメチル基を有する有機珪
素重合体であることが判明した。
Measurement of the infrared absorption spectrum of this material, the absorption peak similar to that described above was observed, the material consists predominantly (Si-CH 2) coupling units and (Si-Si) bond unit, hydrogen on the side chain of the silicon It was found to be an organosilicon polymer having atoms and methyl groups.

核磁気共鳴分析及び赤外線吸収分析の測定結果から、こ
の有機珪素重合体は(Si−CH2)結合単位の全数対(Si
−Si)結合単位の全数の比率がほぼ7:1である重合体で
あることが確認された。
From the results of nuclear magnetic resonance analysis and infrared absorption analysis, this organosilicon polymer shows that the total number of (Si—CH 2 ) bond units is
It was confirmed that the polymer had a ratio of the total number of -Si) bond units of about 7: 1.

一方、石油留分のうち、軽油以上の高沸点物をシリカ・
アルミナ系分解触媒の存在下、500℃の温度で流動接触
分解・精留を行い、その塔底より残渣を得た。以下、こ
の残渣をFCCスラリーオイルと呼ぶ。
On the other hand, among petroleum fractions, high boiling point substances above light oil are
Fluid catalytic cracking / rectification was carried out at a temperature of 500 ° C. in the presence of an alumina cracking catalyst to obtain a residue from the bottom of the column. Hereinafter, this residue is referred to as FCC slurry oil.

このFCCスラリーオイルは、元素分析の結果、炭素原子
対水素原子の原子比(C/H)が0.75で、核磁気共鳴分析
による芳香炭素率が0.55であった。
As a result of elemental analysis, the FCC slurry oil had an atomic ratio of carbon atoms to hydrogen atoms (C / H) of 0.75 and an aromatic carbon ratio of 0.55 by nuclear magnetic resonance analysis.

上記FCCスラリーオイル700gを窒素ガス気流下450℃に加
熱し、同温度における留出分を留出後、残渣を200℃に
て熱時濾過を行い、同温度における不融部を除去し、軽
質分除去ピッチ200gを得た。
700 g of the above FCC slurry oil was heated to 450 ° C. under a nitrogen gas stream, and after distilling the distillate at the same temperature, the residue was filtered while hot at 200 ° C. to remove the infusible part at the same temperature and A minute removal pitch of 200 g was obtained.

この軽質分除去ピッチは25%のキシレン不溶分を含む光
学的に等方性のピッチであった。
The light content removal pitch was an optically isotropic pitch containing 25% of xylene-insoluble matter.

この軽質分除去ピッチ180gを窒素気流下、反応により生
成する軽質分を除去しながら400℃で8時間縮重合を行
い、熱処理ピッチ97.2を得た。
180 g of this light content removal pitch was subjected to polycondensation at 400 ° C. for 8 hours under a nitrogen stream while removing the light content produced by the reaction to obtain a heat treatment pitch 97.2.

この熱処理ピッチは融点263℃、軟化点308℃、キシレン
不溶分77%、キノリン不溶分31%を含有しており、研磨
面の偏光顕微鏡観察による光学的異方性が75%のメソフ
ェーズ多環状芳香族化合物であった。
This heat-treated pitch contains a melting point of 263 ° C, a softening point of 308 ° C, xylene insoluble content of 77%, and quinoline insoluble content of 31%. It was a family compound.

軽質分除去ピッチ57gを参考例1で得た有機珪素重合体2
5g及びキシレン20mlを加え、撹拌しながら昇温し、キシ
レンを留去後、400℃で4時間反応させ57.4gの前駆重合
体(1)を得た。
Organosilicon polymer 2 obtained in Reference Example 1 with 57 g of light component removal pitch
5 g and 20 ml of xylene were added, the temperature was raised with stirring, the xylene was distilled off, and the mixture was reacted at 400 ° C. for 4 hours to obtain 57.4 g of a precursor polymer (1).

この前駆重合体(1)は赤外線吸収スペクトル測定の結
果、有機珪素重合体中に存在するSi−H結合(IR:2100c
m-1)の減少、及び新たなSi−C(ベンゼン環の炭素)
結合(IR:1135cm-1)の生成が認められることにより有
機珪素重合体の珪素原子の一部が多環状芳香族環の炭素
と直接結合した部分を有する重合体であることがわかっ
た。
As a result of infrared absorption spectrum measurement, this precursor polymer (1) was found to have Si-H bonds (IR: 2100c) present in the organosilicon polymer.
m -1 ) decrease and new Si-C (carbon of benzene ring)
The formation of a bond (IR: 1135 cm -1 ) was found to indicate that the organosilicon polymer is a polymer having a part of silicon atoms directly bonded to carbon of a polycyclic aromatic ring.

前駆重合体(1)57.4gにテトラオクトキシチタン〔Ti
(OC8H17〕3.87gのキシレン溶液(25%キシレン溶
液15.5g)を加え、キシレン留去後、340℃で1時間反応
させ、ランダム共重合体(2)56gを得た。
To 57.4 g of the precursor polymer (1), tetraoctoxytitanium [Ti
(OC 8 H 17 ) 4 ] 3.87 g of xylene solution (25% xylene solution 15.5 g) was added, and xylene was distilled off, followed by reaction at 340 ° C. for 1 hour to obtain 56 g of a random copolymer (2).

この重合体は、キシレン不溶部を含まず重量平均分子量
は1580、融点は258℃、軟化点292℃であり、キシレン可
溶であった。
This polymer did not contain a xylene-insoluble portion, had a weight average molecular weight of 1580, a melting point of 258 ° C. and a softening point of 292 ° C., and was xylene-soluble.

上記ランダム共重合体(2)6.4gとメソフェーズ多環状
芳香族化合物90gを混合、窒素雰囲気下380℃で1時間溶
融加熱し、均一な状態にある金属含有多環状芳香族重合
体を得た。
6.4 g of the random copolymer (2) and 90 g of the mesophase polycyclic aromatic compound were mixed and melt-heated at 380 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere to obtain a metal-containing polycyclic aromatic polymer in a uniform state.

この重合体の融点は264℃で、軟化点307℃、68%のキシ
レン不溶分を含んでいた。
The melting point of this polymer was 264 ° C., the softening point was 307 ° C., and it contained 68% xylene-insoluble matter.

上記高分子量物を紡糸用原料とし、ノズル径0.15mmの金
属製ノズルを用い、360℃で溶融紡糸を行い、得られた
紡糸原糸を、空気中、300℃で酸化、不融化し、更にア
ルゴン雰囲気中、1300℃で焼成を行い、直径7.5μmの
無機繊維を得た。
Using the above-mentioned high molecular weight material as a raw material for spinning, using a metal nozzle having a nozzle diameter of 0.15 mm, melt spinning is performed at 360 ° C., the obtained spun raw yarn is oxidized in air at 300 ° C., infusible, Firing was performed at 1300 ° C. in an argon atmosphere to obtain an inorganic fiber having a diameter of 7.5 μm.

この繊維は引張強度が358kg/mm2、引張弾性率32t/mm2
あり、破断面の走査型電子顕微鏡を用いた観察より、結
晶層が幾重にも重なった珊瑚様のランダムラジアル混在
構造であった。
This fiber has a tensile strength of 358 kg / mm 2 and a tensile elastic modulus of 32 t / mm 2 , and the fracture surface was observed using a scanning electron microscope, which revealed a coral-like random radial mixed structure with multiple layers of crystals. there were.

この無機繊維を粉砕後、アルカリ溶融、塩酸処理を施
し、水溶液とした後高周波数プラズマ発光分光分析(IC
P)を行った結果、珪素含有率は0.95%、チタン含有率
は0.06%であった。
After crushing this inorganic fiber, alkali melting and hydrochloric acid treatment are applied to obtain an aqueous solution, and then high frequency plasma emission spectroscopy (IC
As a result of performing P), the silicon content was 0.95% and the titanium content was 0.06%.

参考例2(無機繊維IIの製造) 実施例1と同様にして得たランダム共重合体(2)1.8g
とメソフェーズ多環状芳香族化合物90gを窒素気流下、4
00℃で1.5時間溶融混合し、融点265℃で、キシレン不溶
分55%の紡糸用ポリマーを得た。
Reference Example 2 (Production of Inorganic Fiber II) 1.8 g of a random copolymer (2) obtained in the same manner as in Example 1
And 90 g of mesophase polycyclic aromatic compound under nitrogen flow, 4
The mixture was melt-mixed at 00 ° C. for 1.5 hours to obtain a spinning polymer having a melting point of 265 ° C. and a xylene-insoluble content of 55%.

このポリマーをノズル径0.15mmの金属製ノズルを用い、
350℃で溶融紡糸を行い、得られた紡糸原糸を、空気
中、300℃で酸化、不融化し、更にアルゴン雰囲気中、2
500℃で焼成を行い、直径7μmの無機繊維IIを得た。
This polymer using a metal nozzle with a nozzle diameter of 0.15 mm,
Melt-spin at 350 ℃, the resulting spun yarn is oxidized in the air at 300 ℃, infusibilized, and further in an argon atmosphere, 2
Firing was performed at 500 ° C. to obtain an inorganic fiber II having a diameter of 7 μm.

この無機繊維IIを実施例1と同様にICP分析した結果、
珪素含有率0.3%、チタン含有率0.015であった。また、
この繊維の引張強度は345kg/mm2、引張弾性率60t/mm2
あった。
As a result of ICP analysis of this inorganic fiber II in the same manner as in Example 1,
The silicon content was 0.3% and the titanium content was 0.015. Also,
The tensile strength of this fiber was 345 kg / mm 2 , and the tensile elastic modulus was 60 t / mm 2 .

参考例3(無機繊維IIIの製造) 参考例1で得られた前駆重合体(1)39gにテトラキス
アセチルアセトナトジルコニウム5.4gのエタノール−キ
シレン溶液(1.5%)を加え、キシレン留去後250℃で1
時間重合し39.5gのランダム共重合体(2)を得た。
Reference Example 3 (Production of Inorganic Fiber III) 39 g of the precursor polymer (1) obtained in Reference Example 1 was added with an ethanol-xylene solution (1.5%) of 5.4 g of tetrakisacetylacetonatozirconium, and after distilling off xylene, 250 ° C. In 1
Polymerization was carried out for a period of time to obtain 39.5 g of a random copolymer (2).

この重合体20gと参考例1におけると同様にして調製し
たメソフェーズ多環状芳香族化合物50gを微粉砕混合
し、360℃で1時間溶融混合し、ノズル径0.2mmのノズル
を用い、350℃で紡糸し、得られた紡糸原糸を空気中250
℃で不融化し、更にアルゴン雰囲気中1400℃で焼成、直
径11μの無機繊維を得た。
20 g of this polymer and 50 g of mesophase polycyclic aromatic compound prepared in the same manner as in Reference Example 1 were finely pulverized and mixed, melt-mixed at 360 ° C. for 1 hour, and spun at 350 ° C. using a nozzle having a nozzle diameter of 0.2 mm. The obtained spun raw yarn in air 250
The mixture was infusibilized at ℃, and further baked at 1400 ℃ in an argon atmosphere to obtain an inorganic fiber having a diameter of 11μ.

この繊維の引張強度は345kg/mm2、引張弾性率35t/mm2
あった。
The tensile strength of this fiber was 345 kg / mm 2 , and the tensile elastic modulus was 35 t / mm 2 .

参考例4(無機繊維IVの製造) 軽質分除去ピッチ及び有機珪素重合体の使用量をそれぞ
れ60g及び40gに変えた以外は参考例1と同様にして、57
gの前駆重合体(1)を得た。
Reference Example 4 (Production of Inorganic Fiber IV) The same procedure as in Reference Example 1 was repeated except that the light content removal pitch and the usage amount of the organosilicon polymer were changed to 60 g and 40 g, respectively.
g of precursor polymer (1) was obtained.

この前駆重合体(1)40gにハフニウムクロライド72gの
エタノール−キシレン溶液(1.5%)を加え、キシレン
留去後250℃で1時間重合し43.5gのランダム共重合体
(2)を得た。
An ethanol-xylene solution (1.5%) of 72 g of hafnium chloride was added to 40 g of the precursor polymer (1), and xylene was distilled off, followed by polymerization at 250 ° C. for 1 hour to obtain 43.5 g of a random copolymer (2).

この重合体20gとメソフェーズ多環状芳香族化合物80gを
微粉砕混合した後に、360℃で1時間溶融混合を行い、3
50℃で溶融紡糸し、270℃で不融化し、アルゴン中で120
0℃で焼成することによって12.5μの無機繊維を得た。
この繊維の引張強度は335kg/mm2、引張弾性率35t/mm2
あった。
20 g of this polymer and 80 g of mesophase polycyclic aromatic compound were finely pulverized and mixed, and then melt-mixed at 360 ° C. for 1 hour.
Melt-spin at 50 ° C, infusibilize at 270 ° C, and 120 in argon.
By firing at 0 ° C., 12.5μ of inorganic fiber was obtained.
The tensile strength of this fiber was 335 kg / mm 2 , and the tensile elastic modulus was 35 t / mm 2 .

参考例5(炭化珪素繊維の製造) 比較例2で使用するポリカルボシランのみから得られる
炭化珪素繊維は下記のようにして製造した。
Reference Example 5 (Production of Silicon Carbide Fiber) The silicon carbide fiber obtained from only polycarbosilane used in Comparative Example 2 was produced as follows.

ジメチルクロロシランを金属ナトリウムで脱塩素縮合し
て合成されるポリジメチルシラン100重量部に対しポリ
ボロシロキサン3重量部を添加し、窒素中、350℃で熱
縮合して、式(Si−CH2)のカルボシラン単位から主と
してなる主鎖骨格を有し、該カルボシラン単位の珪素原
子に水素原子およびメチル基を有しているポリカルボシ
ランを得た。このポリマーを溶融紡糸し、空気中190℃
で不融化処理し、さらに引きつづいて窒素中1300℃で焼
成して、繊維径13μ、引張強度が300Kg/mm2、引張弾性
率16t/mm2の主として珪素、炭素及び酸素からなる炭化
珪素繊維を得た。
3 parts by weight of polyborosiloxane was added to 100 parts by weight of polydimethylsilane synthesized by dechlorinating and condensing dimethylchlorosilane with sodium metal, and heat-condensed at 350 ° C. in nitrogen to obtain a compound represented by the formula (Si—CH 2 ). A polycarbosilane having a main chain skeleton mainly composed of the carbosilane unit and having a hydrogen atom and a methyl group in the silicon atom of the carbosilane unit was obtained. This polymer is melt-spun and heated in air at 190 ° C.
Infusibilized, then fired in nitrogen at 1300 ° C to obtain a silicon carbide fiber consisting mainly of silicon, carbon and oxygen with a fiber diameter of 13μ, a tensile strength of 300 Kg / mm 2 and a tensile elastic modulus of 16 t / mm 2. Got

参考例6(ポリマーIの製造) 参考例1における前駆重合体(1)6.4gとメソフェーズ
多環状芳香族化合物90gを混合、窒素雰囲気下380℃で1
時間溶融混合しポリマーIを製造した。
Reference Example 6 (Production of Polymer I) 6.4 g of the precursor polymer (1) in Reference Example 1 and 90 g of mesophase polycyclic aromatic compound were mixed, and the mixture was mixed at 1 at 380 ° C. under a nitrogen atmosphere.
Polymer I was produced by melt mixing for a period of time.

参考例7(ポリマーIIの製造) 参考例1における有機珪素重合体50gと軽質分除去ピッ
チ50gより参考例1と同様にして前駆重合体(1)を得
た。
Reference Example 7 (Production of Polymer II) A precursor polymer (1) was obtained in the same manner as in Reference Example 1 from 50 g of the organosilicon polymer and 50 g of the light component removal pitch in Reference Example 1.

この前駆重合体(1)と参考例1におけるメソフェーズ
多環状芳香族化合物を1:1の割合で混合、窒素雰囲気下3
80℃で1時間溶融混合しポリマーIIを製造した。
The precursor polymer (1) and the mesophase polycyclic aromatic compound in Reference Example 1 were mixed at a ratio of 1: 1 and the mixture was mixed under a nitrogen atmosphere.
Polymer II was produced by melt mixing at 80 ° C. for 1 hour.

実施例1 参考例1で得た無機繊維Iの2次元平織織布を直径7cm
の円板状に切り、ポリマーIの30%キシレンスラリーに
含浸後乾燥し、プリプレグシートを作成した。金型内
で、プリプレグシート間にポリマーIIの微粉末を充填
し、各プリプレグシートを、強化繊維の繊維方向を45゜
ずつ順次ずらしながら30枚積層し、50kg/cm2の加圧化、
350℃にてホットプレスし円板状成形体を得た。この成
形体を炭素粉末のパウダーベッド中に埋め保形し、窒素
気流中で5℃/hの速度で800℃まで昇温後、さらに1300
℃へ昇温しマトリックスを無機化した。得られた複合材
料の嵩密度は1.21g/cm3であった。
Example 1 A two-dimensional plain weave woven fabric of inorganic fibers I obtained in Reference Example 1 was prepared to have a diameter of 7 cm.
Was cut into a disk shape, impregnated with a 30% xylene slurry of Polymer I and dried to prepare a prepreg sheet. In the mold, fine powder of polymer II was filled between the prepreg sheets, and each prepreg sheet was laminated 30 sheets while sequentially shifting the fiber direction of the reinforcing fibers by 45 °, and applying a pressure of 50 kg / cm 2 .
Hot pressing was performed at 350 ° C to obtain a disk-shaped molded body. This molded body was embedded in a powder bed of carbon powder and held in shape, heated up to 800 ° C at a rate of 5 ° C / h in a nitrogen stream, and then 1300
The temperature was raised to ℃ and the matrix was made inorganic. The bulk density of the obtained composite material was 1.21 g / cm 3 .

この複合材料をポリマーIIの50%キシレンスラリーに浸
し、減圧下キシレンを留去しながら350℃に昇温、その
後100kg/cm2に加圧含浸した後、空気中で5℃/hの速度
で300℃まで昇温し、不融化した後1300℃で無機化し
た。この含浸・無機化処理を、さらに3回繰り返し嵩密
度が1.93g/cm3、の材料を得た。得られた複合材料の曲
げ強度は57kg/mm2であった。
This composite material was immersed in a 50% xylene slurry of polymer II, heated to 350 ° C while distilling off xylene under reduced pressure, and then pressure-impregnated to 100 kg / cm 2 , and then in air at a rate of 5 ° C / h. The temperature was raised to 300 ° C., infusibilized, and then mineralized at 1300 ° C. This impregnation / mineralization treatment was further repeated 3 times to obtain a material having a bulk density of 1.93 g / cm 3 . The bending strength of the obtained composite material was 57 kg / mm 2 .

実施例2 ポリマーIを窒素中、1300℃で仮焼した無機物質50部と
ポリマーIの粉末50部を混合したものと参考例2で得た
無機繊維IIの2次元平織織布とを交互に敷き詰め、400
℃、100kg/cm2でホットプレスし成形体を得た。この成
形体を実施例1と同様に無機化し、さらにポリマーIIを
用い、実施例1と同様に含浸、無機化を、さらに4回繰
り返した。得られた複合材は嵩密度が2.00g/cm3、曲げ
強度が59kg/mm2で、この複合材をさらに、アルゴン中、
2200℃で焼成したところ、嵩密度が2.03g/cm3、曲げ強
度が63kg/mm2に向上した。
Example 2 A mixture of 50 parts of an inorganic substance obtained by calcination of Polymer I in nitrogen at 1300 ° C. and 50 parts of a powder of Polymer I and a two-dimensional plain weave fabric of inorganic fiber II obtained in Reference Example 2 were alternately used. Paving, 400
Hot pressing was performed at 100 ° C. and 100 kg / cm 2 to obtain a molded body. This molded body was mineralized in the same manner as in Example 1 and, using Polymer II, impregnation and mineralization were repeated in the same manner as in Example 1 four times. The obtained composite material has a bulk density of 2.00 g / cm 3 and a bending strength of 59 kg / mm 2 .
Upon firing at 2200 ° C., the bulk density was improved to 2.03 g / cm 3 and the bending strength was improved to 63 kg / mm 2 .

比較例1 強化繊維として、参考例1の無機繊維Iの代わりに繊維
系7μm、引張強度300kg/mm2及び引張弾性率21t/mm2
市販PAN系炭素繊維を用い、ポリマーI、IIの代わり
に、軟化点が150℃で、残炭率が60%の石油系熱処理ピ
ッチを用い、実施例1と同様にして炭素繊維強化炭素材
料を得た。この材料は嵩密度が1.67g/cm3と低く、曲げ
強度も15kg/mm2であった。
Comparative Example 1 As the reinforcing fiber, a commercially available PAN-based carbon fiber having a fiber type of 7 μm, a tensile strength of 300 kg / mm 2 and a tensile elastic modulus of 21 t / mm 2 was used instead of the inorganic fiber I of Reference Example 1, and the polymers I and II were used instead. A carbon fiber reinforced carbon material was obtained in the same manner as in Example 1, except that a petroleum-based heat-treated pitch having a softening point of 150 ° C. and a residual coal rate of 60% was used. This material had a low bulk density of 1.67 g / cm 3 and a bending strength of 15 kg / mm 2 .

比較例2 参考例5で得た炭化珪素繊維を用い、無荷重時の嵩密度
が0.15g/cm3の人造黒鉛と比較例1に使用したと同様の
ピッチの粉末の等重量混合物をマトリックス原料とし
て、実施例2と同様、ホットプレス法により成形体とし
た後、無機化し、さらに、上記ピッチによる含浸、無機
化処理を4回繰り返し施したところ、嵩密度が1.90g/cm
3で、曲げ強度が21kg/mm2の複合材料が得られた。この
複合材料を2200℃で黒鉛化を試みたが、強化繊維が劣化
し、強度は5kg/mm2まで低下した。
Comparative Example 2 Using the silicon carbide fiber obtained in Reference Example 5, an equal weight mixture of artificial graphite having a bulk density of 0.15 g / cm 3 under no load and powder of the same pitch as used in Comparative Example 1 was used as a matrix raw material. In the same manner as in Example 2, after forming a molded body by the hot pressing method, mineralizing, and further impregnating with the above pitch and mineralizing treatment were repeated 4 times, the bulk density was 1.90 g / cm 3.
At 3 , a composite material having a bending strength of 21 kg / mm 2 was obtained. When an attempt was made to graphitize this composite material at 2200 ° C, the reinforcing fiber deteriorated and the strength decreased to 5 kg / mm 2 .

実施例3 強化繊維を無機繊維IIIとした以外は実施例1と同様に
して嵩密度が1.20g/cm3の複合材を得た。
Example 3 A composite material having a bulk density of 1.20 g / cm 3 was obtained in the same manner as in Example 1 except that the reinforcing fibers were inorganic fibers III.

さらにポリマーIIを用いた実施例1と同様にして含浸を
行い嵩密度が1.96g/cm3、曲げ強度59kg/mm2の複合材を
得た。
Further, impregnation was conducted in the same manner as in Example 1 using Polymer II to obtain a composite material having a bulk density of 1.96 g / cm 3 and a bending strength of 59 kg / mm 2 .

実施例4 強化繊維を無機繊維IVとした以外は実施例1と同様にし
て嵩密度が1.24g/cm3の複合材を得た。
Example 4 A composite material having a bulk density of 1.24 g / cm 3 was obtained in the same manner as in Example 1 except that the reinforcing fiber was the inorganic fiber IV.

さらにポリマーIIを用い実施例1と同様にして含浸を行
い嵩密度が2.03g/cm3、曲げ強度54kg/mm2の複合材を得
た。
Further, the polymer II was impregnated in the same manner as in Example 1 to obtain a composite material having a bulk density of 2.03 g / cm 3 and a bending strength of 54 kg / mm 2 .

実施例5 実施例1、2、3、4、比較例1、2の複合材を、600
℃の大気雰囲気のオーブン中で1時間加熱処理後曲げ強
度を測定した。
Example 5 The composite materials of Examples 1, 2, 3, 4 and Comparative Examples 1 and 2 were mixed with 600
The bending strength was measured after a heat treatment for 1 hour in an oven in an air atmosphere at 0 ° C.

比較例1、2の複合材は強度測定ができないほど酸化劣
化が進行していたが、実施例1、2、3、4の複合材
は、いずれも強度低下が認められなかった。
In the composite materials of Comparative Examples 1 and 2, oxidative deterioration had progressed to such an extent that strength could not be measured, but in the composite materials of Examples 1, 2, 3, and 4, no decrease in strength was observed.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渋谷 昌樹 山口県宇部市大字小串1978番地の5 宇部 興産株式会社宇部研究所内 審査官 小島 隆 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Masaki Shibuya 5 1978, Kozugushi, Ube City, Yamaguchi Prefecture 5 Ube Kosan Co., Ltd.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】無機繊維を強化材とし、無機物質をマトリ
ックスとする繊維強化複合材料において、上記無機繊維
が、金属含有多環状芳香族重合体から得られる無機繊維
であって、その構成成分が a)該重合体を構成するメソフェーズ状態にある多環状
芳香族化合物から導かれるラジアル構造、オニオン構
造、ランダム構造、コアラジアル構造、スキンオニオン
構造及びモザイク構造からなる群から選ばれる少なくと
も一種の結晶配列状態を示す炭素質、 b)該重合体を構成する有機溶媒不溶分を含む光学的等
方性の多環状芳香族化合物から導かれる、無配向状態の
結晶質炭素及び/又は非晶質炭素、及び c)Si、M、C及びOから実質的になる非晶質物質、
及び/又は 実質的にβ−SiC、MC、β−SiCとMCの固溶体及びMC
1-xからなる粒径が500Å以下の結晶超微粒子と、非晶質
のSiOy及びMOzとの集合体であり 構成元素の割合がSi;5〜70重量%、M;0.5〜45重量%、
C;20〜40重量%及びO;0.01〜30重量%である、Si−M−
C−O物質(上記式中、MはTi、Zr及びHfから選択され
る少なくとも一種の元素であり、0<x<1、0<y≦
2、0<z≦2である。) よりなる高強度・高弾性率無機繊維であり、 前記無機物質が珪素含有多環状芳香族重合体から得られ
る無機物質であって、その構成成分が、 i)該重合体を構成するメソフェーズ状態にある多環状
芳香族化合物から導かれる結晶質炭素、又は結晶質炭素
と非晶質炭素、 ii)該重合体を構成する光学的等方性の多環状芳香族化
合物から導かれる、無配向状態の結晶質炭素及び/又は
非晶質炭素、及び iii)Si、C及びOから実質的になる非晶質相及び/又
は粒径が500Å以下の実質的にβ−SiCからなる結晶質超
微粒子と非晶質のSiOx(0<x≦2)からなる集合体で
あり、構成元素の割合がSi;30〜70重量%、C;20〜60重
量%及びO;0.5〜10重量%であるSi−C−O物質 よりなる炭素質無機物質であることを特徴とする繊維強
化炭素質複合材料。
1. A fiber-reinforced composite material comprising an inorganic fiber as a reinforcing material and an inorganic substance as a matrix, wherein the inorganic fiber is an inorganic fiber obtained from a metal-containing polycyclic aromatic polymer, and its constituent components are a) At least one crystal arrangement selected from the group consisting of a radial structure, an onion structure, a random structure, a core radial structure, a skin onion structure and a mosaic structure derived from a polycyclic aromatic compound in a mesophase state which constitutes the polymer. A carbonaceous state, b) a non-oriented crystalline carbon and / or an amorphous carbon derived from an optically isotropic polycyclic aromatic compound containing an organic solvent insoluble component constituting the polymer, And c) an amorphous material consisting essentially of Si, M, C and O,
And / or substantially β-SiC, MC, a solid solution of β-SiC and MC and MC
It is an aggregate of crystalline ultrafine particles of 1-x with a particle size of 500Å or less and amorphous SiO y and MO z. The proportion of constituent elements is Si; 5 to 70% by weight, M; 0.5 to 45% by weight. %,
C: 20-40% by weight and O: 0.01-30% by weight, Si-M-
C—O substance (wherein M is at least one element selected from Ti, Zr and Hf, and 0 <x <1, 0 <y ≦
2, 0 <z ≦ 2. ) A high-strength, high-modulus inorganic fiber, wherein the inorganic substance is an inorganic substance obtained from a silicon-containing polycyclic aromatic polymer, the constituent components of which are: i) a mesophase state that constitutes the polymer. Crystalline carbon derived from the polycyclic aromatic compound in, or crystalline carbon and amorphous carbon, ii) a non-oriented state derived from the optically isotropic polycyclic aromatic compound constituting the polymer Crystalline carbon and / or amorphous carbon, and iii) an amorphous phase consisting essentially of Si, C and O and / or crystalline ultrafine particles consisting essentially of β-SiC having a particle size of 500Å or less. And amorphous SiO x (0 <x ≦ 2), the proportion of the constituent elements is Si; 30 to 70% by weight, C; 20 to 60% by weight, and O; 0.5 to 10% by weight. A fiber-reinforced carbonaceous composite material, which is a carbonaceous inorganic substance made of a certain Si-C-O substance.
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