JPH08225375A - 一方向性炭素繊維強化炭素複合材集合体並びに同炭素複合材多角柱体とその集合体の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 炭素繊維の配向方向が長手方向に平行である
一方向性炭素繊維強化炭素複合材からなる多角柱体の集
合体であって、該多角柱体の少なくとも一つの側面が接
合層を介して他の該多角柱体の側面と接合又は包接して
なる一方向性炭素繊維強化炭素複合材集合体並びに同炭
素複合材多角柱体とその集合体の製造方法。 【効果】 本複合材集合体は、熱流束の方向である炭素
繊維の配列方向の熱伝導率が数１００Ｗ／ｍ．ｋと大き
く、熱流量を決める熱伝導断面である炭素繊維の配列方
向と直角の断面が、自由な大きさ、形状に成形加工で
き、各種のヒートシンク、冷却装置、均熱材料、あるい
は核融合炉の耐熱伝熱材料等に好適である。また、本製
造方法により、本発明の複合材集合体を容易に得ること
ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は一方向性炭素繊維強化炭
素複合材集合体及びその製造方法に関し、詳しくは各種
のヒートシンク、冷却装置、均熱材料、あるいは核融合
炉の耐熱伝熱材料等として有用な、炭素繊維の配列方向
の熱伝導率が大きく、且つ炭素繊維の配列方向と直角の
断面が自由な大きさ、形状に成形加工可能な一方向性炭
素繊維強化炭素複合材集合体及びその製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】一方向性炭素繊維強化炭素複合材（以
下、単にＵＤ Ｃ／Ｃ複合材と記すことがある）は、そ
の繊維配列方向の熱伝導率が非常に大きく、使用する炭
素繊維の熱伝導率と複合材中の含有率にもよるが、１０
０〜７００Ｗ／ｍ・ｋとすることができ、また、耐熱
性、耐熱衝撃性、他の材料との接着性にも優れているの
で、次世代の超ＬＳＩ、光変換素子、大型電力変換素子
等のヒートシンク、冷却装置、あるいはガラス、プラス
チック等の成形用各種金型の温度分布制御用の高温用ヒ
ートパイプ、あるいは核融合炉等の高温エネルギー変換
装置の伝熱、冷却部材などに利用する技術が近年研究開
発されている。

【０００３】ＵＤ Ｃ／Ｃ複合材成形体の従来技術とし
ては、大別して次の四つの技術がある。 炭素繊維束にフェノール樹脂等の熱硬化性樹脂ある
いは液体ピッチを含浸し、回分式で金型の中に一方向に
配列して積層し、加圧加熱して成形しつつ炭化し、取出
して再びフェノール樹脂又は液体ピッチに成形物を浸
し、減圧又は加圧下で再含浸処理をした後、再焼成す
る。この再含浸、再焼成は必要な回数反復して、マトリ
ックス中の空孔やヒビ割れ部分を炭素で充填して、その
後切削加工をする。 上記の再含浸再焼成の処理工程の代りに、約１，
０００℃の温度でメタンガスないしはベンゼン等を水素
ガスで希釈したガスを一次成形物の表面及び内部に流
し、熱分解炭素を析出させて、マトリックス中の空孔、
ヒビ割れ部分を炭素で充填して、その後切削加工をす
る。 炭素繊維束と炭素の粉体を熱可塑性樹脂の皮膜で覆
ったプリフォームドヤーンを予め作っておき、これを所
定の長さに切って金型に一方向に配列して加圧加熱下で
成形及び炭化して、その後切削加工をする。 炭素繊維束にピッチ粉体とフェノール樹脂等の熱硬
化性樹脂の混合物を溶剤を用いて含浸し、回分式で金型
の中に、一方向に配列積層し、加圧加熱して、樹脂を硬
化させて成形し、成形物を常圧で炭化焼成し、その後切
削加工をする。

【０００４】ところが、これらの技術はいずれも下記の
ような問題点を抱えている。 の技術は、一般的な従来技術であり、よく用いられて
いるが、再含浸、再焼成を数回繰返すので数日から数週
間の製造期間を要し、製造コストも高い。また、大きな
寸法のものは含浸が充分できないので、製作が困難であ
る。 の技術も、かなり一般的な従来技術であるが、再含
浸、再焼成の代りに用いる熱分解炭素蒸着含浸（熱ＣＶ
Ｄ又は熱ＣＶＩ）工程が高価且つ長時間を要する工程で
あり、また大型のものは作りにくい。 の技術は、再含浸、再焼成やＣＶＤを用いない簡易で
経済的プロセス技術であるが、炭素繊維の分布が不均一
で配列も褶曲、ねじれがあり、マトリックス中に直径１
０μｍ以上の大きな空孔やヒビ割れが多いという欠点が
あり、繊維と直角方向の強度、加工性が悪い。 の技術は、の欠点を除いたものであるが、工程とし
て、金型への積層、加圧成形硬化、焼成が回分式で行な
われるので、工程として未だ充分に簡略ではない。ま
た、この方法でも大型のものは作りにくいという問題が
ある。しかし、この方法は一回の焼成で母材が緻密なＵ
Ｄ Ｃ／Ｃ複合材が製造出来るという特徴があり、本発
明はこの方法を発展させて完全にしたものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前述したような産業上
の利用分野でＵＤ Ｃ／Ｃ複合材が大量に広く活用され
るためには、従来技術では、未だこの材料は高価すぎる
か、あるいは低価格のものが作られるとしても、品質又
は加工性の点で満足されないという問題がある。特に熱
伝導性材料としては、熱伝導のための断面、即ち、繊維
の配列方向と直角方向の断面を充分な大きさとし、また
所望の形状に加工したい要望があるが、この要望に充分
応じられないという問題がある。

【０００６】従って、本発明の目的は、繊維配列方向の
熱伝導率が大きいＵＤ Ｃ／Ｃ複合材集合体（成形体）
において、 ｉ）繊維の配列方向と直角の断面が充分大きなもの、 ii）繊維の配列が一方向に揃っていて、且つ均一に母材
中に分散しており、母材も充分緻密且つ均一で、繊維の
配列方向と直角の断面形状が自由に、且つ精密に切削加
工出来るもの、を提供すること、並びに、上記ＵＤ Ｃ
／Ｃ複合材集合体の製造において、 iii）主要な製造工程が、簡易で、且つ短時間で処理さ
れ、省力化、あるいは連続化されやすい工程からなる製
造方法 を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、炭素繊
維の配向方向が長手方向に並行である一方向性炭素繊維
強化炭素複合材からなる多角柱体の集合体であって、該
多角柱体の少なくとも一つの側面が接合層を介して他の
該多角柱体の側面と接合又は包接してなることを特徴と
する一方向性炭素繊維強化炭素複合材集合体が提供され
る。

【０００８】また、本発明によれば、炭素繊維の束に、
熱硬化性の炭素前駆体液を含浸し、この含浸物を、その
繊維配列方向と直角の断面と相似形の多角形断面の口金
を備えた金型を加熱しつつ通過せしめて硬化成形し、得
られた多角柱体棒状物を、不活性ガス雰囲気で、６００
℃以上の温度で熱処理し、その後所定の長さに切断する
ことを特徴とする一方向性炭素繊維強化炭素複合材多角
柱体の製造方法が提供される。

【０００９】更に、本発明によれば、炭素繊維束に熱硬
化性の炭素前駆体液を含浸し、この含浸物を引抜き成形
し、焼成して一方向性炭素繊維強化炭素複合材からなる
多角柱体を得、得られた多角柱体の側面に熱硬化性樹脂
からなる接着剤を塗布し、複数の多角柱体の側面を接合
して熱処理し、少なくとも上記熱硬化性樹脂からなる接
着剤が熱硬化した後、全体を所定の寸法、形状に切削加
工することを特徴とする一方向性炭素繊維強化炭素複合
材集合体の製造方法が提供される。

【００１０】以下、本発明のＵＤ Ｃ／Ｃ複合材集合体
について、詳しく説明する。ＵＤ Ｃ／Ｃ複合材、即ち
一方向に炭素繊維が多数配列され、その周囲及び間隙を
炭素を主成分とする母材が埋めているような複合材料の
一つのユニットとして、繊維の配列方向に平行な側面
（外周面）を持つ多角柱体（図１）を形成するようにし
て、これを複数、相互の側面で接着して集合すると、一
つのユニットは細いものであっても、集合体は強固で任
意の太さになる（図２、図３）。このような集合体は、
繊維の配列方向と直角の方向に回転ソーなどで任意の厚
さに切断し、また、断面も任意の形状に切削研磨するこ
とができる（図４）。

【００１１】なお、図１において、その（ａ）は三角柱
体ユニット、（ｂ）は四角柱体ユニット、（ｃ）は六角
柱体ユニットの各斜視図であり、１は多角柱体ユニッ
ト、２は炭素繊維の配列方向に直角な断面、３は炭素繊
維の配列方向に平行な側面（外周面）を、それぞれ示
す。また、図２において、その（ａ）〜（ｄ）は六角柱
体ユニットの集合体の炭素繊維の配列方向に直角な断面
を示し、また図３において、その（ｅ）〜（ｈ）は四角
柱体ユニットの集合体の炭素繊維の配列方向に直角な断
面を示す。また、図４は六角柱体ユニットの集合体とそ
の切削成形物の模式斜視図であり、４は六角柱体ユニッ
トの集合体、５は切断輪切片、５′は切削成形物（円板
状）、６′は接合層（炭素層）をそれぞれ示す。

【００１２】前述の一つのユニットは、隙間なく強固な
集合体を形成するためには、多角形の断面を有する多角
柱状体が好ましい。断面が円形の円柱体でもよいが、最
も密に集合しても１０％程度の間隙が生じる。多角柱体
としては、三角柱体、四角柱体、六角柱体が好ましい
が、製造における容易さ、集合体の作り易さから、正三
角柱体、正四角柱体、正六角柱体の正多角形状が好まし
い。これらの太さは、製造法にもより任意であるが、例
えば正六角柱体の場合で断面の一辺の長さが１ｍｍ〜１
０ｍｍが好ましい。あまり細いと製造効率が悪くなり、
あまり太いと内部にボイド等の不均一な欠陥が生じやす
い。

【００１３】次に、本発明のＵＤ Ｃ／Ｃ複合材集合体
の製造方法について詳しく説明する。本発明のＵＤ Ｃ
／Ｃ複合材集合体を製造するためのＵＤ Ｃ／Ｃ複合材
からなる多角柱体ユニットを製造する方法（工程）とし
ては、特に限定しないが、炭素繊維束に熱硬化性の炭素
前駆体液を含浸し、この含浸物を引抜き成形し、焼成す
る方法が好ましい。この方法の好ましい一例について説
明すると、まず炭素繊維の束に、熱硬化性の炭素前駆体
液を含浸し、この含浸物を多角柱体ユニットの繊維配列
方向と直角の断面と相似形の多角形断面の口金を有する
金型を加熱しつつ通過せしめて硬化成形し、次に、得ら
れた多角柱体棒状物を不活性ガス雰囲気で、６００℃以
上の温度で焼成炭化し、その後所定の長さに切断すると
いう方法である。本方法は簡易であり、短時間で高品質
の製品が得られ、製造コストもやすい。

【００１４】このＵＤ Ｃ／Ｃ複合材からなる多角柱体
ユニットの製造工程に関する一つの例は図５に示される
が、更に詳しく説明する。まず、第一の原料である炭素
繊維の束は、所定の熱伝導率を有するものが選択され
る。この場合、炭素繊維の種類としては、ＰＡＮ系、ピ
ッチ系、その他の炭素繊維の何れであってもよいが、熱
伝導率が特に大きい複合材を所望する場合はピッチ系の
高弾性率炭素繊維を用いることが好ましい。これらの中
には、繊維軸方向の熱伝導率が４００〜１，０００Ｗ／
ｍ．ｋのものがある。また、成形焼成された複合材の熱
伝導率は、炭素繊維の含有率と最終焼成条件によっても
変化するので、これらも考慮して炭素繊維の種類を選ぶ
必要がある。炭素繊維の束は、通常は非常に長い数１，
０００フィラメントがボビンに巻かれており、多数のボ
ビンから引き出された束を集合すると任意の太さの束が
作れるので、前述の多角柱体ユニットの断面積と炭化繊
維含有率を考慮して、炭素繊維の集合束の太さを決める
ことができる。

【００１５】第二の原料である熱硬化性の炭素前駆体液
は、熱硬化性樹脂の液体又は溶液でもよいが、熱硬化性
樹脂と炭素質粉体を溶媒に溶解、分散した分散液が好ま
しい。また、液の中にセラミックス粉体等の第三成分を
混合分散したものも使用することができる。熱硬化性樹
脂としては、種々のものを用いることができるが、フェ
ノール樹脂、フラン樹脂、又はこれらの混合物で、常温
で固体又は粘稠な液体のもので、１２０〜１５０℃の温
度で熱硬化性であり、６００〜１,０００℃の温度で収
率よく炭化するものが好ましい。

【００１６】炭素質粉体は、いわゆるピッチ又はコーク
スなどの炭素含有率の高い物質の粉体で、１,０００℃
以上の温度で高い炭化収率を示すもので、且つ３００〜
６００℃の温度で流動性及び粘結性を有するものが好ま
しい。炭素質粉体の平均粒径は５μｍ以下が好ましい
が、より緻密な母材炭素を形成するためには、１μｍ以
下、更に好ましくは、０．５μｍ以下の粒径が良い。上
述の炭素質粉体は、炭素前駆体液の不可欠の成分ではな
いが、熱硬化性樹脂の炭化収率が約５０％で、分解ガス
発生が多いのに比べ、炭素質粉体の炭化収率は８０〜９
０％で、分解ガス発生が少なく、焼成時の母材の緻密
性、焼結性を増加させるので、非常に好ましい成分であ
る。

【００１７】前記熱硬化性樹脂を溶解させる溶媒として
は、使用する熱硬化性樹脂を室温で良く溶解し、且つ炭
素質粉体を良く分散、懸濁するものが用いられる。従っ
て、使用する熱硬化性樹脂の種類、特性によって、溶媒
は種々のものが用いられるが、メタノール、エタノー
ル、イソプロピルアルコール、フルフリルアルコール等
のアルコール類のほか、フルフラール、アセトン、エチ
ルセルソルブ、トルエン、キシレン等の溶媒も用いるこ
とができる。水溶性のフェノール樹脂を用いると、水を
溶媒とすることも可能である。フェノール樹脂又はフラ
ン樹脂を用いた場合の、これらに対する溶解性、炭素質
粉体の分散性、及びその後の含浸、乾燥、金型引抜きに
おける取扱い性の良さ、製品の品質から考慮すると、フ
ルフリルアルコール又はフルフラールが好ましい。

【００１８】上記溶媒に熱硬化性樹脂を溶解し、次に炭
素質粉体を添加して粉砕、分散し、炭素前駆体液とする
が、この際の溶解、粉砕、混合、分散の手順と方法は特
に問うものではない。溶媒に対する熱硬化性樹脂と炭素
質粉体の濃度は、炭素繊維束に充分均一に含浸させ得る
ような粘度、付着性の範囲で使用される。これらは、熱
硬化性樹脂の粘度、粉体の粒径によっても変動するが、
一般的には、溶媒１００重量部に対して、熱硬化性樹脂
５〜２０重量部、炭素質粉体１０〜３０重量部が好まし
い濃度である。

【００１９】炭素前駆体液を炭素繊維の束に含浸するに
は、炭素繊維の束を滑車あるいはガイド孔を通して開繊
し、片側を一定速度で引張りながら、炭素前駆体液の中
にくぐらせて引上げればよい。含浸量を制御するために
は、含浸液を付けた炭素繊維の束を所定の太さのスリッ
ト又は圧搾ロールを通過させる。

【００２０】次に、この含浸済みの炭素繊維の束を金型
に通し硬化成形するが、含浸した炭素前駆体液に溶媒を
用いた場合は、金型に入る以前に溶媒を予備乾燥するこ
とが好ましい。含浸物の中に溶媒が多いと、金型中で急
速に蒸発して、硬化成形物の母材中に大きな気孔、ボイ
ドを作るからである。溶媒の乾燥は、炭素前駆体液中の
熱硬化性樹脂の硬化開始温度よりも充分低く、且つ溶媒
の沸点よりも充分低い温度で、例えば５０℃〜１００℃
の空気流の中を、前記含浸済み炭素繊維の束を通過させ
る。この場合、必らずしも溶媒を完全に乾燥する必要は
ない。含浸した溶媒の７０〜９０％を乾燥すれば充分で
ある。

【００２１】次に、この炭素前駆体液を含浸した炭素繊
維の束を、所定の口径、断面形状、即ち本発明の多角柱
体ユニットの断面と相似形の断面を有する金型を加熱し
つつ通過させ、熱硬化性樹脂を硬化させて側面（外周
面）を多角形に成形する。上述の金型は、いわゆる引抜
成形用金型でよく、従来から繊維強化プラスチック複合
材の連続成形法で引抜き成形する場合に用いるものと同
様のものが使用できる。これは、上下二つ割になってい
る鋼鉄製のブロックの中央に、成形目的に合わせた断面
形状、口径の溝がほられてあって、多角柱体を成形する
には、この多角柱体の口金部を有する金型の中を成形原
料が通過するようにして成形する。加熱冷却は、鋼鉄製
ブロックの上下からヒーターで加熱し、冷却はブロック
を冷却水で冷却する。このような金型の口金入口から、
炭素前駆体を含浸した炭素繊維の束を入れ、金型の口金
出口側から張力を加えて一定速度で引抜くと、外周面が
金型の断面に応じた形状に成形され硬化されて連続的に
出てくる。金型の長さは、金型の温度と引抜き速度及び
熱硬化性樹脂の硬化反応速度から決められるが、例を示
すと、一般的なフェノール樹脂を用いて、金型の最高温
度を１８０℃とした場合で、引抜速度が０．２ｍ／分
で、金型の長さは約０．６ｍである。

【００２２】本発明の製造方法の場合、特に熱硬化性樹
脂にフェノール樹脂あるいはフラン樹脂を用いる場合
は、１個の長い金型を用いるよりも、２個あるいは３個
あるいはそれ以上に分割された短い長さの金型を用いる
ことが好ましい。何故ならば、フェノール樹脂あるいは
フラン樹脂が金型中で熱硬化する反応の際に分解ガスと
して主として水蒸気を多量に発生するので、長い１個の
金型では水蒸気の逃げ路が長くなり、成形物の内部に直
径が１０μｍ以上の大きな気孔が残るという問題を生じ
やすいためである。また、いくつかに分割した金型の口
金口径は、下流側ほど相似形で小さくなるように絞られ
ていくように設定することが好ましい。何故なれば、フ
ェノール樹脂、あるいはフラン樹脂が熱硬化する反応の
際、水蒸気を放出すると同時に体積を次第に縮少するこ
と、また上流側の金型内では、残存している溶媒などの
低沸点物が蒸発するからである。上述のような金型を用
いると、下流側の金型の温度をより高く制御することに
よって、引抜き速度をより早くして、且つ成形面で平滑
で、完全に硬化しており、また内部に大きなボイド等の
欠陥の少ない成形物を得ることができる。

【００２３】金型の出口から引出される多角柱体の棒状
物は連続的に出てくるので、金型の下流に不活性ガス
（Ｎ₂、アルゴン、ヘリウム等）を流した連続炭化焼成
炉を設け、この中を上記多角柱体棒状物を通して、連続
的に炭化焼成まで行なうことが可能である。この場合、
炭化焼成炉の下流側に、上記多角柱体棒状物の引取装置
（キャタピラー引取装置等）を設置することが必要で、
その下流側で任意の一定の長さに棒物を切断し、本発明
の多角柱体ユニットの製造が終了する。もちろん、金型
の出口の直後にも成形硬化した棒状物の引取装置を設け
ることが好ましく、その後成形、硬化した棒状物の切断
をしてから、別のラインで炭化焼成する方法も可能であ
る。上述の多角柱体棒状物の炭化焼成の温度は、本発明
の材料の用途、コスト、特性によって、６００℃以上の
温度で任意であるが、通常は１,０００℃〜１,５００℃
の範囲で行なわれ、焼成時間は約５分〜３０分である。
上述の工程は、金型を複数の口金を有するものを用い、
焼成炉も間口の広いものを用い、複数の繊束を流して、
同時に複数列の多角柱体ユニットを平行して成形焼成す
ることが可能である。

【００２４】以上のことから明らかなように、本発明の
ＵＤ Ｃ／Ｃ複合材ユニットの製造工程によれば、母材
となる炭素前駆体液が炭素収率の高い炭素質粉体と熱硬
化性樹脂と溶媒からなっているので、製造したＵＤ Ｃ
／Ｃ複合材ユニット中の繊維の分散が均一であり、母材
を構成する炭素組織も緻密で均一であり、母材の中に包
含される気孔の径が平均して１〜３μｍと小さく且つ気
孔が均一に分散しているので、母材中のヒビ割れが少
い。

【００２５】以上のＵＤ Ｃ／Ｃ複合材からなる多角柱
体ユニットの製造工程について、図５に沿って簡単に説
明すると、まず複数個の炭素繊維ボビン７に巻かれた炭
素繊維束が集束され、次に開繊された後、炭素前駆体液
含浸槽８に導かれる。そこで、炭素繊維束は炭素前駆体
液中を通過した後、含浸液付着炭素繊維束は圧搾ロール
を通過することによってその含浸量が制御される。次
に、この含浸済みの炭素繊維束は予備乾燥装置９で予備
乾燥された後、所定の口径、断面形状を有する金型１０
に導入される。炭素繊維束は加熱された金型１０を通過
中にその熱硬化性樹脂が硬化して、外周面が多角形に成
形される。金型の出口から引取装置１１により多角柱体
の棒状物が連続的に引出され、続いて該棒状物は焼成炭
化炉１２に導入されて炭化焼成され、更に引取装置１
１′により引出された後、回転ソーによって任意の一定
の長さに切断され、多角柱体ユニットが得られる。

【００２６】上述のＵＤ Ｃ／Ｃ複合材からなる多角柱
体ユニットは、それ単独でも用い得るが、一般には、そ
の繊維配列方向と直角の断面をより大きく、自由な形状
として使う場合が多い。そのため、本発明においては、
上記多角柱体ユニットの繊維の配列方向に平行に側面
（外周面）に、熱硬化性樹脂からなる接着剤を塗布し、
複数の多角柱体を相互に側面を接合して熱処理し、少な
くとも上記熱硬化性樹脂からなる接着剤が熱硬化した
後、全体を所定の寸法、形状に切削加工する方法（工
程）が採用される。

【００２７】このＵＤ Ｃ／Ｃ複合材集合体の製造工程
について更に詳しく説明する。熱硬化性樹脂からなる接
着剤としては、フェノール樹脂あるいはフラン樹脂の粘
稠な液体そのもの、又はこれらに硬化剤などの添加物、
メタノール等の溶媒を加えて粘度を調整したものが好適
である。上記の熱硬化性樹脂からなる接着剤の液を、長
さを揃えた多角柱体ユニットの接合すべき繊維の配列方
向と平行な側面（外周面）に塗付して、その所定の複数
本を相互に外周面が密着するように組合せて束を作り、
その束の外からワイヤー等で結束するか、金型などでや
ゝ圧力を加えて、熱硬化性樹脂からなる接着剤が硬化す
る温度、即ち約１５０℃〜２００℃で、１５分〜１時間
程度熱処理して、熱硬化性樹脂からなる接着剤を熱硬化
させる。

【００２８】上述の処理の結果、複数のユニットの外周
面は相互に強固に接着するので、全体の束は一体とな
り、繊維の配列方向及びそれと直角方向に対して切削加
工を行なっても、接合界面が剥れにくいので、繊維の配
列方向の長さ、繊維の配列方向と直角の断面の面積、形
状を所望のものとなるよう切削加工することが容易であ
る。その後、熱硬化した接着剤が炭素化するように熱処
理し、即ち１,０００℃以上、必要に応じて３，２００
℃迄焼成して接合層の炭素化を行ない、あるいは、ユニ
ット内部の炭素繊維と母材炭素の黒鉛化も進行させ、よ
り強固な熱伝導率のより大きな成形物を得ることができ
る。上述のユニットを接着、熱硬化処理した後、その切
削加工を行なわず、引き続いて１,０００℃以上の温度
迄熱処理して、その後、所望の面積、形状、長さに切削
加工する方法ももちろん可能であり、本発明の方法の中
に含まれる。

【００２９】

【作用】本発明によれば、炭素繊維配列方向に直角な断
面が多角形である多角柱体からなるＵＤ Ｃ／Ｃ複合材
ユニットを、その繊維配列方向に平行な側面（外周面）
で相互に接着してある成形物なので、一つのユニットは
太さがｍｍ単位の細いものであっても、繊維の配列方向
と直角の断面の面積は任意の大きさとすることができ、
ユニットの断面が正六角柱などの多角形なので、全体と
して緊密で、断面方向の応力に対して強固であり、形状
も自由に切削研磨等の加工ができる。そのために熱伝導
率の大きな材料で、且つ大きな熱伝導断面積、自由な形
状を設計、利用できることになる。

【００３０】また、本発明の製造方法によれば、ＵＤ
Ｃ／Ｃ複合材からなる多角柱体ユニットの製造工程にお
いて、炭素繊維束を張力をかけながら成形、焼成するた
めに、ユニット中の繊維の配列は、直線状に完全に平行
に揃っている。このために、ユニットは（及び集合体
も）繊維の配列方向及び配列方向と直角方向いずれの方
向にも、±１０μｍ程度の精密な切削加工、研磨が可能
となる。また、本工程によれば、一つのユニットは、ｍ
ｍ単位の太さであるので、熱硬化性樹脂の硬化が均一に
進行しやすく、その後、連続して炭化焼成しても、均一
に脱ガス炭素化しやすいために、処理温度を比較的急速
に昇温することができ、短時間の一貫した流れ作業で製
造できる。

【００３１】また、本発明の上記の炭化した多角柱体ユ
ニットを、熱硬化性樹脂接着剤で接着して集合体を形成
し、熱処理して切削加工する工程によれば、接着硬化過
程でのユニット部分の収縮、反り、ねじれ等の変形が少
ないために、充分薄い接合層で強固な接着が得られる。
また、このように接着集合されたユニット間の炭素接合
層は、０．０５〜０．３ｍｍと非常に薄く、ユニット相
互が緊密に、且つ平行に接合されており、成形材料全体
の熱伝導性をほとんど損わず、またユニットの母材部分
と同等以上の強度を有し、全体としてあたかも一体成形
されたＵＤ Ｃ／Ｃ複合材のような特性を発揮する。

【００３２】

【実施例】以下、実施例により本発明を更に詳細に説明
するが、本発明の技術的範囲がこれらにより限定される
ものではない。なお、以下に示す部はすべて重量基準で
ある。

【００３３】実施例１ 図５のようなユニット製造工程装置を用意し、フルフリ
ルアルコール２００部に対して、レゾールタイプフェノ
ール樹脂３０部と平均粒径約１μｍのピッチ粉体４０部
を混合したものを炭素前駆体液として含浸槽８に入れ、
ピッチ系高弾性率炭素繊維の６，０００フィラメントボ
ビン６０錘からなる炭素繊維ボビン７から炭素繊維の束
を供給し、この束を上記含浸槽８、予備乾燥装置９、金
型１０、引取装置１１、焼成炭化炉１２を通し、引取装
置１１、１１′で引張り速度０．２ｍ／分で通繊した。

【００３４】含浸槽８は撹拌され、室温に保ち、１．２
ｍの予備乾燥装置９に７０℃の空気を流した。金型１０
は、１辺が約４ｍｍの正六角柱体の口金を有するもの
で、三つに分割され、それぞれの間には２ｃｍの間隙が
設けられ、各口金の口径は、上流からそれぞれ１辺の長
さが４．２ｍｍ、４．１ｍｍ、４．０ｍｍとなるように
組立てられており、各金型の長さは２０ｃｍで、金型の
上下面からプレートヒーターで加熱され、それぞれの温
度は、上流から１３０℃、１６０℃、１８０℃で制御さ
れた。焼成炭化炉１２は、長さ約２ｍの雰囲気制御連続
炉で内部へ窒素ガスを吹き込み、１,０００℃に制御さ
れている。焼成炭化炉１２を出た連続棒状のユニットは
窒素ガス流で冷却され、回転ソーで約２５ｃｍの長さに
切断してサンプルを採取した。

【００３５】工程が定常状態になってから採取した棒状
のユニットサンプルの外周面は充分平滑な正六角柱体を
形成しており、また端部と側面を研磨して顕微鏡観察す
ると、炭素繊維はよく均一に分散され直線状に一方向に
配列されており、また母材部分にも大きな気孔や割れが
なく、均一な組織が観察された。

【００３６】次に、この棒状ユニットのサンプル７本の
両端を切削して約２０ｃｍに切り揃えたものを、ノボラ
ック系フェノール樹脂のメタノール溶液中に浸漬して、
外周面にフェノール樹脂を塗付させ、外周面が密着接合
するように束を作り（図４における４）、その外側を炭
素繊維の帯で結束して、電気炉中で２００℃で３０分間
熱処理した後、このユニット集合体の長手方向に直角に
切断し、厚さ４．４ｍｍとなるよう輪切り片５を多数作
った。この切断過程で、接着層は充分強合で、割れや剥
れが生じず、加工性の良いことが認められた。

【００３７】次に、この輪切り片５の周辺の角を切削し
た後研磨して、直径が１５．２ｍｍ、厚さ４．２ｍｍの
円板成形物５′を作り、アルゴン雰囲気焼成炉で１,２
００℃、２,０００℃、３,２００℃に焼成したところ、
いずれも割れや剥れがなく、接合層の厚さが０．０５〜
０．１ｍｍであり、全体として充分強固なＵＤ Ｃ／Ｃ
複合材の円板が得られた。この材料の炭素繊維含有率は
約５５ｖｏｌ％であり、３,２００℃迄焼成した円板の
厚さ方向の熱伝導率は、３００ｋの温度で測定して約５
００Ｗ／ｍ．ｋであった。

【００３８】

【発明の効果】請求項１の一方向性炭素繊維強化炭素複
合材集合体は、炭素繊維の配向方向が長手方向に平行で
ある一方向性炭素繊維強化炭素複合材からなる多角柱体
の集合体であって、該多角柱体の少なくとも一つの側面
が接合層を介して他の該多角柱体の側面と接合又は包接
してなるものとしたことから、熱流束の方向である炭素
繊維の配列方向の熱伝導率は数１００Ｗ／ｍ．ｋと大き
く、熱流量を決める熱伝導断面である炭素繊維の配列方
向と直角の断面は、自由な大きさ、形状に成形加工でき
るものであり、本集合体によれば、各種のヒートシン
ク、冷却装置、均熱材料、あるいは核融合炉の耐熱伝熱
材料等に好適な材料が低コストで提供される。

【００３９】請求項２の一方向性炭素繊維強化炭素複合
材多角柱体の製造方法は、炭素繊維の束に、熱硬化性の
炭素前駆体液を含浸し、この含浸物を、その繊維配列方
向と直角の断面と相似形の多角形断面の口金を備えた金
型を加熱しつつ通過せしめて硬化成形し、得られた多角
柱体棒状物を、不活性ガス雰囲気で、６００℃以上の温
度で熱処理し、その後所定の長さに切断するものとした
ことから、一貫した連続工程とすることができ、再含
浸、再焼成の反復や熱ＣＶＤを必要とせず、また、加圧
成形や加圧焼成を含まない短時間の処理で簡略な工程で
あり、しかも本製造方法によると、繊維の分散が均一で
あり、母材を構成する炭素組織も緻密で均一であり、母
材の中に包含される気孔の径が平均して１〜３μｍと小
さく且つ気孔が均一に分散している、母材中のヒビ割れ
が少ない多角柱体が容易に得られる。

【００４０】請求項３の一方向性炭素繊維強化炭素複合
材集合体の製造方法は、炭素繊維束に熱硬化性の炭素前
駆体液を含浸し、この含浸物を引抜き成形し、焼成して
一方向性炭素繊維強化複合材からなる多角柱体を得、得
られた多角柱体の側面に熱硬化性樹脂からなる接着剤を
塗布し、複数の多角柱体の側面を接合して熱処理し、少
なくとも上記熱硬化性樹脂からなる接着剤が熱硬化した
後、全体を所定の寸法、形状に切削加工するものとした
ことから、本製造方法によれば、繊維の配列の直線性、
分散の均一性が優れ、母材中の割れや直径が１０μｍ以
上の大きな気孔が非常に少ない加工性の優れた一方向性
炭素／炭素複合材集合体が容易に得られる。また、本発
明の多角柱体ユニットからその集合体を製造する工程に
おいて、多角柱体ユニットの側面（外周面）に熱硬化性
樹脂接着剤を塗付し、密着させて熱処理する方法は、大
きな加圧は必要でなく、また、規則的な作業からなり、
自動化が容易な工程であるので、工業的に極めて有利な
製造方法ということができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は三角柱体ユニット、（ｂ）は四角柱体
ユニット及び（ｃ）は六角柱体ユニットの斜視図であ
る。

【図２】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）は六角柱体
ユニットの集合体の炭素繊維の配列方向に直角な断面を
示す図である。

【図３】（ｅ）、（ｆ）、（ｇ）及び（ｈ）は四角柱体
ユニットの集合体の炭素繊維の配列方向に直角な断面を
示す図である。

【図４】六角柱体ユニットの集合体とその切削成形物の
模式斜視図である。

【図５】本発明の多角柱体ユニットの製造工程に関する
説明図である。

【符号の説明】

１ 多角柱体ユニット ２ 炭素繊維の配列方向に直角な断面 ３ 炭素繊維の配列方向に平行な側面 ４ 多角柱体集合体 ５ 切削輪切片 ５′ 切削成形物（円板） ６ 接合層（炭素層） ７ 炭素繊維ボビン ８ 炭素前駆体液含浸槽 ９ 予備乾燥装置 １０ 金型 １１、１１′ 引取装置 １２ 焼成炭化炉 １３ 回転ソー １４ 切断されたユニット

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炭素繊維の配向方向が長手方向に並行で
   ある一方向性炭素繊維強化炭素複合材からなる多角柱体
   の集合体であって、該多角柱体の少なくとも一つの側面
   が接合層を介して他の該多角柱体の側面と接合又は包接
   してなることを特徴とする一方向性炭素繊維強化炭素複
   合材集合体。
2. 【請求項２】 炭素繊維の束に、熱硬化性の炭素前駆体
   液を含浸し、この含浸物を、その繊維配列方向と直角の
   断面と相似形の多角形断面の口金を備えた金型を加熱し
   つつ通過せしめて硬化成形し、得られた多角柱体棒状物
   を、不活性ガス雰囲気で、６００℃以上の温度で熱処理
   し、その後所定の長さに切断することを特徴とする一方
   向性炭素繊維強化炭素複合材多角柱体の製造方法。
3. 【請求項３】 炭素繊維束に熱硬化性の炭素前駆体液を
   含浸し、この含浸物を引抜き成形し、焼成して一方向性
   炭素繊維強化炭素複合材からなる多角柱体を得、得られ
   た多角柱体の側面に熱硬化性樹脂からなる接着剤を塗布
   し、複数の多角柱体の側面を接合して熱処理し、少なく
   とも上記熱硬化性樹脂からなる接着剤が熱硬化した後、
   全体を所定の寸法、形状に切削加工することを特徴とす
   る一方向性炭素繊維強化炭素複合材集合体の製造方法。