JPH0816032B2 - 高強度炭素炭素複合材の製造方法 - Google Patents

高強度炭素炭素複合材の製造方法

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JPH0816032B2
JPH0816032B2 JP62238218A JP23821887A JPH0816032B2 JP H0816032 B2 JPH0816032 B2 JP H0816032B2 JP 62238218 A JP62238218 A JP 62238218A JP 23821887 A JP23821887 A JP 23821887A JP H0816032 B2 JPH0816032 B2 JP H0816032B2
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【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は炭素繊維を強化材とし、該炭素繊維集合体に
液状炭化性物質を含浸後、不活性雰囲気中で炭化し、さ
らに必要に応じて黒鉛化することにより得られる、炭素
炭素複合材の製造方法に関する。さらに詳しくは、高強
度、耐熱性、耐薬品性、耐摩耗性等の優れた、亀裂、剥
離等の少ない、高密度高強度炭素炭素複合材の製造方法
に関する。
本発明の製造方法によって製造される炭素炭素複合材
は機械部品、電気電子機器部品等に有用である。
(従来の技術) 高密度高強度炭素炭素複合材は、強化材としての高強
度高弾性炭素繊維を所望の形状に巻き取りつつ、あるい
は高強度高弾性炭素繊維を主要材料とする構造物、例え
ば織物、三次元織物、不織布、一方向配列シート等に、
液状炭化性物質を含浸させ、該液状炭化性物質をマトリ
ックスの炭素前駆体として、不活性雰囲気中で炭化し、
必要に応じ黒鉛化することにより得られることは知られ
ている。
この方法の問題点は強化材とマトリックス炭素との界
面の接着力が不十分で、亀裂や剥離を多数生じて、複合
材の強度を損なうことにある。接着力を大きくするため
に、種々の試みがなされているが、炭化過程での温度変
化は他の複合材では考えられない程大きい上に、炭素分
子結晶の極端な異方性が、強化材とマトリックスの寸法
変化に本質的な差を与えていると考えられ、界面の接着
力はかなり高いものが要求される。
この問題点を解決するために、従来は炭化後の複合材
に液状炭化性物質を再度含浸させ、引き続いてこれを炭
化するという含浸・炭化工程を5〜6回以上も繰り返し
て、亀裂や剥離を埋めて補強し、高密度高強度炭素炭素
複合材を得ている。
この方法は優れた性能の高密度高強度炭素炭素複合材
を製造するには良い方法であるが、製造工程が長い欠点
があり、エネルギーを多く必要とする炭化工程に滞留す
る時間が長く、製品コストが高い欠点がある。
特に経済的観点からピッチをマトリックス炭素前駆体
に用いる場合、炭化収率の向上および大きな気孔の発生
を抑制する目的で、高圧下の炭化が行われており、含浸
炭化工程の繰り返し回数の削減、工程時間の短縮が可能
である事が知られている。しかしピッチから得られる初
期段階の炭化物は、偏光顕微鏡での観察から知られるよ
うに、流れ模様の粗い組織を有する物であり、これは炭
化時に亀裂を生じやすく、強度も小さい。
このような成型物を更に高温で炭化黒鉛化処理を施し
ても、得られる製品の品質向上は期待し難く、産業用資
材としては十分な品質を有していないので、含浸炭化を
繰り返す二次的補強処理が必要となり、原料コストの割
に製品コストが高い問題点を有する。
炭素炭素複合材に於いて、強化材とマトリックスとの
界面接着力を強化する方法は種々知られているが、これ
らの多くは炭素繊維表面を処理剤で変性する方法であ
り、該変性成分の焼成物が得られる炭素炭素複合材中の
不純物となり、炭素材料の純度を低下させる結果、別の
品質、例えば耐薬品性や耐熱性が低下することが多い問
題点を有している。
また強化材とマトリックスとの界面接着力を強化する
ために、マトリックス炭素前駆体としての液状炭化性物
質を、強化材の炭素繊維の原料と同様の物とすれば有効
である事が特開昭52−52912号に開示されているが、炭
素分子の配向や結晶性が、炭化過程の条件でかなり大き
く変化するためや、炭素繊維の結晶化の進行による体積
変化に比べて、液状炭化性物質の炭化時の体積変化が顕
著に大きいため、実際には有効でない場合が少なくない
問題点がある。
このような問題点を解決するために、特開昭57−2098
83号ではマトリックス炭素前駆体として液状炭化性物質
の中に炭素質微粒子、あるいは固体状炭化性物質の微粒
子を混合する事が開示されている。この方法の問題点
は、微粒子の混合により液状炭化性物質の粘性が顕著に
増大し、強化材の炭素繊維集合体の中に入りにくくなる
傾向が生じるため、微粒子の混合率を大きくしにくい事
である。
また特開昭60−161144号には黒鉛微粉末と炭素繊維を
混合した物に、熱硬化性樹脂を含浸し、これを積層、圧
着、硬化した後炭化する方法が開示されている。この方
法の問題点は、黒鉛微粉末と炭素繊維との混合が難し
く、炭素繊維を一方向に配列させたもの以外は成形しに
くい事である。この問題点は黒鉛微粉末を熱硬化性樹脂
に混合、分散させておくことにより解決できるが、電気
的性質の低下が顕著である。
(本発明が解決しようとする問題点) 本発明は炭素炭素複合材の成形炭化時において、強化
材とマトリックスとの界面の接着力が不十分であるため
に亀裂や剥離を多数生じて、複合材の強度を損なう問題
点、ならびに該亀裂や該剥離を多数回マトリックス炭素
前駆体を含浸する事により、除去する必要があるために
必然的に生じる製造コストの上昇という問題点を解決す
る事を目的とする。
(問題を解決する手段) 本発明は平均粒子径が12〜0.07ミクロンである黒鉛、
炭素、またはカーボンブラックの二次粒子等の炭素質微
粉末の分散液を炭素繊維束に浸漬し、実質上炭素繊維束
の表面および内部に炭素質微粉末が分散した炭素繊維を
強化材とし、フェノール樹脂、フラン樹脂等の熱硬化性
樹脂、およびピッチの群から選ばれた一種若しくは二種
以上の液状炭化性物質を含浸後、炭化し、必要に応じ黒
鉛化することを特徴とする炭素炭素複合材の製造方法で
ある。
本発明に用いる炭素質微粉末は、好ましくは5〜0.1
ミクロンである。この範囲の粒子を用いる場合、マトリ
ックス炭素の光学的組織は微細化し、いわゆるファイン
モザイク組織を形成する。そのため得られる製品は集中
発生的な脆性破壊を起こさなくなり、高強度の物とな
る。微粉末の平均粒子径が大き過ぎる場合には、分散液
の含浸の過程で粒子の分級が生じてマトリックスを含浸
する前に全系の不均一性が増大し、製品の強度が大きく
ならない問題点がある。微粉末の平均粒子径が小さすぎ
る場合には、粒子の間に働く粘着力が強くなり、粒子の
集団がネットワーク状の構造を作ってマトリックスの含
浸を妨害する傾向を生じ、一回だけの含浸では十分な強
度が出なくなる問題点がある。また、この時のマトリッ
クス炭素の光学的組織は等方性化する傾向を示し、得ら
れる製品はたとえ高密度化できても脆弱な物となる。
炭素質微粉末の分散液は粘度30〜0.1ポイズである。
粘度が30ポイズを越えるか、又は0.1ポイズより小さい
と出来る炭素炭素複合材の曲げ強度、曲げ弾性率等の物
性が悪くなる。分散媒としては、フェノール樹脂あるい
はフラン樹脂のプレポリマー、エチルセルロース等のセ
ルロース誘導体の溶液が好ましい。炭素質分散液はま
た、水溶性界面活性剤を溶解した水溶液を分散媒とした
ものであることも好ましい。
炭素質微粉末の分散液の中の炭素質微粉末の濃度は、
18〜0.6wt%であることが好ましい。
炭素繊維集合体の中に含浸された炭素質微粉末の分散
液は、加熱処理、乾燥により分散媒を除去され、炭素質
微粉末は炭素繊維集合体の表面および内部に固定され
る。
このような炭素質微粉末が表面および内部に固定され
た炭素繊維集合体は、さらにフェノール樹脂、フラン樹
脂等の熱硬化性樹脂およびピッチの群から選ばれた一種
もしくは二種以上の液状炭化性物質を含浸した後、炭化
し、必要に応じ黒鉛化する。
液状炭化性物質の含浸に当たっては、あらかじめ所望
の形状に配列あるいは巻き取った後、減圧、加圧の工程
を一回もしくは二回以上用いて、実質的に気孔を無くし
た後、必要に応じプレス成形する。次に不活性雰囲気
中、常圧下あるいは加圧下で炭化する。
耐熱性、耐薬品性等を十分向上させるためには、1000
℃以上で炭化黒鉛化することが好ましい。
本発明の炭素炭素複合材の材料である炭素繊維は、ど
のようなタイプのものであっても良いが、炭化黒鉛化に
際してマトリックス炭素前駆体との寸法変化の差が少な
いものが望ましく、PAN系合成繊維等を原料とする炭素
繊維よりも、ピッチ系炭素繊維、特に光学異方性ピッチ
を原料とする炭素繊維が好ましい。
実施例 1 800℃で炭化された、石油ピッチ系炭素繊維を一方向
に引き揃え、これに平均粒子径2ミクロンの黒鉛粉末の
分散液を浸漬した。分散液は固形分率12%のノボラック
を分散媒とし、これに黒鉛粉末を10重量%を加えた、粘
度9.5ポイズのものであった。
含浸後の炭素繊維束は175℃30分間加熱処理して、水
分を除去し、ノボラックを、フェノール樹脂に転化させ
た。この時に炭素繊維束に付着した固形分は、炭素繊維
重量に対し22%であった。
この炭素繊維束に石油ピッチ(軟化点150℃、残留炭
素分53wt%、密度1.28g/cm3)を溶融させ、2.5Torrの減
圧下で含浸させ、引き続きアルゴンガス置換した後、更
に1M Paに昇圧して加圧含浸を行った。
この試料を、アルゴンガス雰囲気加圧下(15M Pa)
に、毎分2.5℃の昇温速度で600℃まで昇温し、600℃に
2時間保って炭化を行った。更にアルゴンガス雰囲気常
圧下で、毎分10℃の昇温速度で2000℃まで昇温し、2000
℃に20分保って炭化を行った。
得られた炭素炭素複合材の特性は次の通りである。
(炭素繊維の体積含有率 55%) 嵩密度 2.03g/cm3 曲げ強度 545 M Pa 曲げ弾性 210 G Pa 比較例 1 実施例 1の黒鉛粉末を分散した含浸液の代わりに、
黒鉛粉末を含まないノボラックを含浸した後、実施例
1と同様にして石油ピッチの含浸を行った。減圧下の含
浸と加圧含浸の一回の処理では、炭化成型品の内部の亀
裂や剥離が多発し、実施例 1に比べて嵩密度が顕著に
小さく、曲げ強度、曲げ弾性も劣っていた。
実施例 2 黒鉛微粉末の平均粒子径を変えて、フェノール樹脂プ
レポリマーを分散媒として黒鉛粉末分散液を作り、実施
例 1と同様の炭素繊維束に含浸させ、硬化処理を行っ
た後、同様にして石油ピッチを含浸させ、炭化処理を行
なって炭素炭素複合材を製造した。また黒鉛粉末分散液
の粘度を変えて同様に炭素炭素複合材を造った。黒鉛の
粒子径、分散液の粘度、得られた炭素炭素複合材の性能
を比較例とともに表1に示す。
実験番号2から7が本発明の実施例を示す。また実験
番号1と8は黒鉛粒子径がそれぞれ大きすぎる場合と小
さすぎる場合に炭素炭素複合材の性能が悪くなることを
示す比較例を、実験番号9と10は黒鉛粉末分散液の粘度
がそれぞれ大きすぎる場合と小さすぎる場合に炭素炭素
複合材の性能が悪くなることを示す比較例を表わす。
実施例 3 実施例 1の黒鉛微粉末分散液を炭素繊維束に含浸、
硬化させたものに、石油ピッチの代わりにフェノール樹
脂、フラン樹脂をそれぞれ含浸し、炭化処理を行った。
得られた炭素炭素複合材は実施例 1と同様に亀裂や剥
離の少ないものであった。
(発明の効果) 本発明の方法によれば、高密度高強度の炭素炭素複合
材を、再含浸等の高コストの二次的強化処理を行う事な
く、製造することが出来る。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】平均粒子径が12〜0.07ミクロンである黒
    鉛、炭素、またはカーボンブラックの二次粒子等の炭素
    質微粉末の、0.1ポイズから30ポイズの粘度の分散液を
    炭素繊維に浸漬し、実質上炭素繊維束の表面及び内部に
    炭素質微粉末が分散した炭素繊維を強化材とし、フェノ
    ール樹脂、フラン樹脂等の熱硬化性樹脂、及びピッチか
    らなる群から選ばれる一種若しくは二種以上の液状炭化
    性物質を含浸後、炭化し、必要に応じて黒鉛化すること
    を特徴とする炭素炭素複合材の製造方法
JP62238218A 1987-09-22 1987-09-22 高強度炭素炭素複合材の製造方法 Expired - Lifetime JPH0816032B2 (ja)

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