JPH09124368A

JPH09124368A - 一方向性炭素繊維強化複合材料及びその製造方法

Info

Publication number: JPH09124368A
Application number: JP7306737A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Izumi; 孝幸泉; Eiki Tsushima; 栄樹津島
Original assignee: Tonen Corp
Current assignee: Tonen General Sekiyu KK
Priority date: 1995-10-31
Filing date: 1995-10-31
Publication date: 1997-05-13

Abstract

(57)【要約】【課題】各種成型加工において、金属表面の温度分布
を制御するために、金型裏面より埋め込まれる材料とし
て用い得るような、繊維配列方向では熱伝導率が十分大
きいが、その方向に直角方向では熱伝導率が十分小さ
く、且つ加工精度が良く、割れにくく、金属との接着性
が良く、しかも耐熱性、耐熱衝撃性に優れた複合材料並
びにその製造方法を提供する。【解決手段】母材が炭素とセラミックスからなり、水
銀圧入法により求められる開気孔容積が全気孔容積の９
０％以上であり、且つその開気孔容積が母材部分の全容
積の３０％〜６０％を占め、しかも気孔の平均直径が２
μｍ以下であるものとする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱伝導率の異方性
が大きい一方向性炭素繊維強化複合材料及びその製造方
法に関する。更に詳しくは、本発明はガラス、プラスチ
ックなどの加熱成形加工における金型表面等の温度分布
を制御するような目的で、一種のヒートパイプとして用
いられる異方性熱伝導性部材として有用な、且つ十分な
強度、研削加工性、耐熱（衝撃）性、金属との接着性を
合せ持つ一方向性炭素繊維強化複合材料及びその製造方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、熱伝導率の高い材料としては、
銀、銅、アルミニウムやタングステンなどの金属、ある
いはこれらの合金の焼結体などが用いられているが、こ
れらの熱伝導率は等方性であるため、前述のヒートパイ
プ的な用途に用いようとすると周辺部からの熱流束をも
集めてしまい、温度分布を改善する効果が小さい。

【０００３】熱伝導性の異方性を有する材料としては、
熱伝導性の優れた炭素繊維を一方向に配列した複合材料
が知られており、プラスチックを母材にしたＣＦＲＰ、
金属を母材としたＣＦＲＭ、ガラスやセラミックスを母
材としたもの、炭素を母材としたものが公知である。こ
のうち、ＣＦＲＰは耐熱性が低く、１５０℃以上で著し
く劣化するので、このような用途には不向きである。Ｃ
ＦＲＭは繊維配列方向と直角方向の熱伝導率も大きく、
熱伝導の異方性は小さいし、高価である。ガラスやセラ
ミックスを母材としたものは、熱伝導率の異方性が大き
いが、製造方法が複雑で価格が高く、また金属との接着
性に問題がある。炭素を母材としたいわゆる炭素繊維強
化炭素複合材料（Ｃ／Ｃ複合材料）は、耐熱性、耐熱衝
撃性が高く、金属との接着も可能である。

【０００４】しかしながら、従来のＣ／Ｃ複合材料は、
耐熱性高強度構造材料として主として開発されてきたた
めに、母材部分の炭素は、極力気孔のないよう含浸と焼
成を反復するか、あるいはＣＶＩ法、加圧焼成などによ
って製せられ、また高温で焼成してグラファイト微結晶
化されているものが普通であり、繊維の配列方向と直角
の方向にも熱伝導率の大きな母材としての炭素が充満し
ているために、この方向での熱伝導率は十分低いものが
得られなかった。また、Ｃ／Ｃ複合材料で、繊維の配列
方向と直角方向の熱伝導率が十分低いものは、再含浸焼
成をあまり行わないものなどで、母材中の気孔の多いも
のを作れば従来もできたが、これらは平均気孔径が大き
く母材中のヒビ割れを多く含み、強度、加工性に問題が
あった。

【０００５】また、本発明者らが、既に開発し、特開平
３−２４７５６３号公報等で開示提案している方法によ
って製せられた一方向性Ｃ／Ｃ複合材料は、本発明の基
盤となるものであり、繊維配列に直角な方向の熱伝導率
が十分に低いものも存在したが、炭素繊維の含有率を上
げると繊維配列と直角方向の応力に弱く、繊維にそって
割れやすいから、加工時に割れが生じたり、金属との接
合時に割れたりする問題があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、各種成型加工において、金属表面の温度分布を制御
するために、金型裏面より埋め込まれる材料として用い
得るような、繊維配列方向では熱伝導率が十分大きい
が、その方向に直角方向では熱伝導率が十分小さく、且
つ加工精度が良く、割れにくく、金属との接着性が良
く、しかも耐熱性、耐熱衝撃性に優れた複合材料を提供
することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、前述の課
題を解決するために、複合材料の組成構造と諸物性の関
係、特に母材中の細孔の大きさと容積率に注目し、これ
らと材料の強度、加工性及び熱伝導率との関係につい
て、鋭意研究した結果、最適な領域を見出し、本発明に
到達した。

【０００８】即ち、本発明によれば、母材が炭素とセラ
ミックスからなる一方向性炭素繊維強化複合材料におい
て、水銀圧入法により求められる開気孔容積が全気孔容
積の９０％以上であり、且つその開気孔容積が母材部分
の全容積の３０％〜６０％を占め、しかも気孔の平均直
径が２μｍ以下であることを特徴とする一方向性炭素繊
維強化複合材料が提供される。

【０００９】また、本発明によれば、一方向に配列され
た炭素繊維の束に、熱硬化性樹脂、平均粒子直径が０．
５μｍ以下の炭素質粉体、平均粒子直径が０．５μｍ以
下のセラミック粉体及び溶媒からなる母材前駆体液を含
浸し、溶媒を乾燥した後、炭素繊維が一方向に配列する
ように加圧加熱下に成形し、次いで焼成することを特徴
とする前記の一方向性炭素繊維強化複合材料の製造方法
が提供される。

【００１０】なお、本発明で言う開気孔の直径及び容積
は、約１ｃｍ³に切り出した炭素繊維強化複合材料を、
一般的に用いられている水銀圧入法において、水銀圧を
０〜６０，０００Ｐｓｉａの間で変化させ求められる。
また、本発明で言う全気孔容積〔Ｖｔｏｔａｌ（ｃｍ³/
ｇ）〕は、炭素繊維強化複合材料の嵩密度〔ρ（ｇ/ｃ
ｍ³）〕、炭素繊維体積含有率〔Ｖｔ（ｖｏｌ．
％）〕、及び炭素繊維強化複合材料を製造したと同じ温
度で個別に焼成した炭素繊維、マトリクスそれぞれ単味
の真密度〔ρｆ、ρｍ（ｇ/ｃｍ³）〕を求めることによ
り、以下の式から算出される。

【数１】

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一方向性炭素繊維
強化複合材料について、詳しく説明する。本発明の一方
向性炭素繊維強化複合材料は、母材が炭素とセラミック
スからなる複合材料において、水銀圧入法によって求め
られる開気孔容積が全気孔容積の９０％以上であり、母
材部分の全容積の３０％〜６０％を占め且つ気孔の平均
直径が２μｍ以下であることを特徴とするのが、このこ
とから、繊維の配列方向（Ｘ方向と記す）では熱伝導率
が十分に大きく、繊維の配列方向に対して直角方向（Ｙ
方向と記す）の熱伝導率が十分に小さく、且つ、切削加
工時にも割れにくく、Ｙ方向の加工精度が良く、また使
用時にも割れにくく、金属との接着性が良く、耐熱性、
耐熱衝撃性に優れた材料を提供することができる。この
ような複合材料は、各種成形加工において、金型表面の
温度分布を制御するために金型の裏面側から埋め込みれ
て、一種のヒートパイプとして用いる材料として好適で
ある。

【００１２】このような複合材料のＸ方向の熱伝導率を
制御する方法としては、（イ）原料の炭素繊維の熱伝導
率を制御する（ロ）炭素繊維の単位容積当たりの含有率
を制御する、（ハ）最終焼成温度、時間で制御するの３
つの方法があるが、これらを組合せることによって、Ｘ
方向の熱伝導率を５００Ｋの温度において、５０Ｗ／ｍ
・Ｋから５００Ｗ／ｍ・Ｋに制御することは、比較的容
易である。すなわち、低い熱伝導率で十分な場合は、繊
維長さ方向の熱伝導率があまり大きくないＰＡＮ系炭素
繊維を低い含有率で母材中に埋め込めばよいし、高い熱
伝導率が必要であれば、繊維長さ方向の熱伝導率が非常
に大きな液晶ピッチ系炭素繊維が高い含有率となるよう
に複合材料を成形すればよい。

【００１３】しかしながら、一般にこのような複合材料
の繊維の配列方向と直角をなす方向、すなわちＹ方向の
熱伝導率を十分小さくし、且つ、Ｙ方向の強度、切削加
工時及び加工精度を保つことは難しかった。何故なら
ば、Ｙ方向の熱伝導率は大部分が母材成分の熱伝導率で
決定され、母材中の気孔を減じて緻密性を上げると、強
度や切削加工性及び加工精度は出るものの熱伝導率が上
昇するし、母材中の気孔を増加し熱伝導率を下げると、
ひび割れや加工性、加工精度が悪くなるという問題が生
じたからである。

【００１４】各種の成形加工用の金型として用いられる
材料は、ステンレス鋼をはじめ各種の鋼材が一般的であ
るが、５００Ｋの温度における熱伝導率は、ステンレス
鋼やケイ素鋼で約２０Ｗ／ｍ・Ｋ、炭素鋼やクロムモリ
ブデン鋼で約４０Ｗ／ｍ・Ｋである。従って、これらの
金型に埋め込まれ、金型の一部を冷却又は加熱して、金
型裏面の温度分布を制御するために用いられるヒートパ
イプ材料としては、Ｙ方向の熱伝導率は、これらの金型
材料の熱伝導率と比べて同等若しくはより小さい、２０
Ｗ／ｍ・Ｋ以下が好ましい。

【００１５】本発明の材料は、５００Ｋの温度における
熱伝導率は、炭素繊維の配列方向すなわち、Ｘ方向にお
いて１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、要すれば５００Ｗ／
ｍ・Ｋ以上とすることもでき、且つ炭素繊維の配列方向
に対して直角方向すなわちＹ方向において、１０Ｗ／ｍ
・Ｋ以下とすることができることが特徴である。しか
も、そのような特性を有しながら、なおその母材組織は
十分に緻密であり、Ｙ方向のひび割れがなく、精密切削
研摩加工が容易で、金属とのロウ付けなどの接着性が良
好である。

【００１６】本発明の材料において母材を構成する主成
分は細孔を有する炭素であるが、この中に熱伝導率の低
いセラミックス微粉体を包含させることが、製法上の特
徴である。このようなセラミックス微粒子は、金属炭化
物、金属窒化物でもよいが、シリカ、チタニア、ムライ
ト、ジルコニア、イットリア等の金属酸化物系のセラミ
ックスが好ましく、これらは５００Ｋの温度における熱
伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以下と低いので、それ自体母材
の熱伝導率を低下させることに寄与する部分もあるが、
好ましい気孔の形成に寄与する。

【００１７】母材全容積に対するこれらのセラミックス
含有率は、約３０ｖｏｌ％以下が好ましい。このセラミ
ックス含有率を４０ｖｏｌ％より大きくすると、母材の
熱伝導率を小さくすることができるとしても、母材部分
の強度が低下し、加工時又は使用時の割れが生じやすく
なる。また、このセラミックス微粒子は平均粒径が１μ
ｍ以下であれば、母材中の含有量が少くても、単位体積
当たり含有される粒子数が多くなるので、十分な気孔形
成の効果があり、Ｙ方向の熱伝導率を低くすることがで
きる。

【００１８】材料中に含まれる気孔の平均直径、全気孔
容積、気孔の分布曲線は、気孔のうち開気孔の部分が、
一般的な水銀圧入法（ポロシメーター）によって測定さ
れる。開気孔も含めて断面の光学顕微鏡、走査型電子顕
微鏡などによって測定することができ、また、嵩比重と
成分の真比重の差から全気孔容積を求めることができ
る。

【００１９】本発明の材料は、全気孔容積が十分大き
く、且つその大部分が開気孔であり、その上平均気孔径
が十分小さく、気孔が均一に分散していることが特徴で
ある。材料中に含まれる気孔は、一般に複合材料の成形
及び焼成工程で形成されるものであり、繊維の気孔は極
めて少なく、母材前駆体が分解炭化する過程で放出され
るガスの通路が母材中の気孔として残るものが大部分で
ある。この気孔は、空気等のガス体が充たされているの
で、熱伝導率は１０^-2Ｗ／ｍ・Ｋと非常に小さく、Ｙ方
向の熱伝導率を下げるためには、気孔容積が大きいこと
が重要な因子である。

【００２０】しかしながら、気孔容積が母材部分の６０
ｖｏｌ％より大きなものは容易に作ることができるが、
そのようなものは母材部分の強度が弱く、Ｙ方向にひび
割れ、剥離が生じやすく、加工性が著しく劣る。また、
全細孔容積を３０ｖｏｌ％より小さくすることは、一般
に再含浸焼成法、ＣＶＤ法などで気孔を埋めても作られ
るが、このようにすると、母材部分が緻密になり、強度
が増加し、加工性が向上する。しかし、このようなもの
は気孔が少ないために、Ｙ方向の熱伝導率が２０〜８０
Ｗ／ｍ・Ｋと大きくなってしまう。従って、全気孔容積
は母材部分の容積に対して３０〜６０％の比率が適度で
あることが見出された。

【００２１】更に、母材中の細孔の全容積率が適度であ
ることに加えて、気孔の大きさ、平均直径が重要なもう
一つの因子である。平均気孔径が３μｍ以上のものは、
従来技術でも比較的容易に作ることができるが、このよ
うなものは直径１０μｍ以上の気孔、すなわち炭素繊維
の太さ以上の気孔をかなり多量に含んでおり、繊維間の
母材部分が粗雑であり、一般にＹ方向の強度が弱く、切
削加工時に割れが生じやすい。本発明の材料は平均気孔
径が２μｍ以下であり、直径１０μｍ以上の気孔が全気
孔容積の５％以下である。また、平均直径が２μｍ以下
の気孔が母材中に均一に分散し、且つ大部分が開気孔と
なっていることも重要である。このような材料は、ステ
ンレスや銅などの金属と金属ロウなどで接着して用いら
れるが、小さな、沢山の開気孔部分が、溶融ロウとの濡
れ性を良くし、また接着効果を上げ、金属との熱応力を
緩和する。

【００２２】次に、本発明の一方向性炭素繊維強化複合
材料の製造方法について説明する。前述したような本発
明の複合材料を製造する方法は、特に限定されるもので
はないが、次に記す方法が好適である。すなわち、一方
向に引き揃えられた炭素繊維の束に、熱硬化性樹脂と平
均粒子直径がいずれも０．５μｍ以下の炭素質粉体とセ
ラミックス粉体と溶媒からなる母材前駆体液を含浸し、
溶媒を乾燥した後に、炭素繊維が一方向に配列するよう
に加圧、加熱下に成形し、次いで所望の範囲の気孔平均
直径、全気孔容積となるよう焼成する方法が、容易且つ
経済的である。

【００２３】用いる炭素繊維の束は、市販のＰＡＮ系あ
るいはピッチ系の長繊維炭素繊維トウを用いることがで
きる。Ｘ方向の熱伝導率の必要な大きさに応じて、炭素
繊維の繊維軸方向の熱伝導特性が適切なものを選択す
る。Ｘ方向の熱伝導率は、複合材料として焼成後の炭素
繊維の熱伝導率と複合材料中の繊維含有率から設計する
ことができる。複合材料中の繊維含有率は、Ｘ方向の熱
伝導率を大きくする目的のために５０ｖｏｌ％以上が好
ましく、あまり大きくするとひび割れが生じやすいの
で、７５ｖｏｌ％以下が好ましい。炭素繊維の束に含浸
する母材前駆体液の組成と含浸量から予測設計すること
ができる。

【００２４】母材前駆体液のうち、一つの成分である熱
硬化性樹脂は、フェノール樹脂、フラン樹脂又はこれら
の混合物が用い得る。常温で固体又は粘稠な液体のもの
で、１２０〜１５０℃で自己硬化性であり、６００℃〜
１０００℃の温度で収率よく炭化するものが好ましい。

【００２５】炭素質粉体は、いわゆるピッチ又はコーク
スなどの粉体で、炭素含有率が高く、１０００℃以上の
温度で高い炭化収率を示すもので、且つ３００℃〜８０
０℃の温度で流動性且つ粘着性を有するようなものが用
いられる。本発明の材料の製造方法において、最も重要
な因子の一つは、上記炭素質粉体の粒径であり、これは
平均粒子直径として０．５μｍ以下のものを用いること
が好ましい。これより大きな粒径のものを用いると、一
般に焼成後の気孔の平均直径が２μｍ以上となり、製品
のひび割れによる歩留りの低下や加工性が劣る傾向が生
じる。

【００２６】セラミックス粉体は、金属炭化物、窒化物
などの粉体も用い得るが、シリカ、ムライト等のシリカ
・アルミナ、チタニア、ジルコニア、イットリア等の金
属酸化物が好ましい。これらは、それ自体の熱伝導率が
１０Ｗ／ｍ・Ｋ以下と低く、複合材料の焼成温度でも母
材中で炭素とあまり激しく反応しない。本発明の材料の
製造方法において、重要なもう一つの因子は、上記セラ
ミックス粉体の粒径であり、これも平均粒子直径として
０．５μｍ以下のものを用いることが好ましい。これよ
り大きな粒径のものを用いると、一般に焼成後の気孔の
平均直径が２μｍ以上となり、製品のひび割れによる歩
留りの低下や加工性が劣る傾向が生じる。

【００２７】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
素質粉体とセラミックス粉体を良く分散、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
等の溶媒を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、炭素質粉末とセラミックス粉末の分散性、
及びその後の含浸、乾燥、加圧成形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。

【００２８】上記溶媒に熱硬化性樹脂を溶解し、次に炭
素質粉体、セラミックス粉体を添加して分散懸濁させ、
母材前駆体液とするが、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、炭素質粉体、セラミックス粉体の濃度
は、炭素繊維束に十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、セラミックス粉体１
〜１５重量部が好ましい濃度である。

【００２９】母材前駆体液を炭素繊維に含浸するには、
その液に炭素繊維の束を浸漬し、引上げる方法で十分で
ある。含浸量を制御するためには、この液を含んだ炭素
繊維の束を、所定のスリット又は圧搾ローラーを通過さ
せることで行われる。

【００３０】溶媒の乾燥は、熱硬化性樹脂の硬化温度よ
り十分低い温度で、また溶媒の沸点よりも十分低い温度
で、例えば６０℃〜１００℃で、気流下、又は減圧下で
行うことが好ましい。その結果得られた乾燥した母材前
駆体含有炭素繊維（中間材）では、炭素繊維１００重量
部に対する母材前駆体の割合は、５０〜３００重量部と
することができ、この範囲内で母材前駆体含浸量を変え
ることによって、焼成後の製品の炭素繊維含有率を約３
０〜７５ｖｏｌ％の範囲で変えることができ、通常は５
０〜７０ｖｏｌ％の範囲とするが、これによって繊維配
列方向の熱伝導率をある範囲で制御することができる。

【００３１】得られた母材前駆体含有炭素繊維の束ある
いはシート状物は、金型の中に一方向に配列されて積層
され、熱硬化性樹脂の硬化が始まる温度から約３００℃
迄の温度で加圧されつつ成形硬化し、次いで不活性ガス
雰囲気で炭化焼成処理される。加圧成形温度は、熱硬化
性樹脂に一般的なフェノール樹脂を用いた場合は１００
℃から２００℃であり、この範囲を連続的に徐々に昇温
することが好ましく、加熱時間は数分から数時間であ
る。圧力は１０〜５００Ｋｇ/ｃｍ²が好ましく、１００
〜３００Ｋｇ/ｃｍ²がより好ましい。

【００３２】成形体の焼成は、通常、大気圧不活性雰囲
気中、１，０００℃から３，２００℃の温度で行う。使
用するセラミックス粉体の種類にもよるが、高い温度で
長時間焼成するほど、セラミックス粒子と炭素の化学反
応が進行し、母材中の気孔が大きくなり、全気孔容積も
増加する。成形体の焼結を助長するために、焼成過程で
面圧、等方静圧によって、加圧することもできるが、常
圧で、しかも一回の焼成で製造できることが、本発明の
製造方法の特徴である。

【００３３】このようにして製せられた一方向性炭素繊
維強化複合材料は、非酸化性雰囲気では２，０００℃以
上迄も高温でそのまま用いることができ、空気中でも約
４００℃以下の温度ならばそのまま用いることができ
る。空気に触れる条件で、４００℃以上の温度で長時間
使用する場合は、母材中の炭素と炭素繊維が次第に酸化
され損耗するので、この材料の表面を酸化防止被覆する
ことが必要である。

【００３４】酸化防止被覆の方法はいくつかの方法が提
供される。一つは、成形研削加工された本発明の材料を
熱分解蒸着（熱ＣＶＤ）装置の中に導入し、表面及び表
面近くの気孔中にシリコンカーバイト等の非酸化性被膜
を蒸着形成する方法である。他の方法は、ある段階まで
成形研削した本発明の材料を、使用温度以上の融点を持
つ金属、例えば金属ロウ剤の融液中に浸漬して、表面及
び表面近くの気孔を金属で被覆し、その後研磨する方法
で、有効な酸化防止被覆をすることができる。より完全
な方法は、成形研削加工された本発明の材料を、ステン
レススチール等の肉薄の円筒物（キャニスター）の中に
封入し、金属ロウ剤などで接着封止する方法がある。

【００３５】本発明の材料は、表面に２μｍ以下の小さ
な気孔が沢山あるために、上述のような酸化防止被覆、
金属ロウ剤などの封止接着が容易に行われることも特徴
である。

【００３６】

【作用】本発明の意図は、金属、ガラス、プラスチック
スなどの加熱成形加工における金型表面等の温度分布を
制御するような目的で用いられる熱伝導率の異方性が大
きい材料、すなわち、材料のある方向（Ｘ方向）では熱
伝導率が非常に大きく、Ｘ方向と直角方向（Ｙ方向）で
は熱伝導率が非常に小さい特性を持ち、且つ十分な強度
と研削加工精度、耐熱性、耐熱衝撃性及び金属との接着
性を合せ持つ材料を提供することである。Ｘ方向の熱伝
導率が大きい材料として、一方向性炭素繊維強化炭素母
材複合材料が従来から知られているが、これは炭素繊維
のＸ方向の熱伝導率が非常に大きく、３００〜１，００
０Ｗ／ｍ・Ｋにも及ぶからである。しかし、炭素繊維の
Ｙ方向及び母材成分の炭素の熱伝導率も、小さいとはい
え１００Ｗ／ｍ・Ｋに近いので、一方向性複合材料のＹ
方向の熱電導率を低くするためには、更に熱伝導率の低
い第三物質を混入するか、気孔を包含せしめることが考
えられる。しかしながら、一般に、通常の方法で複合材
料の母材中の気孔を多くしたり、セラミックスなどの粉
体を混入すると、母材部分の強度を著るしく低下させ、
ひび割れを発生させ、研削加工時や接着時、使用時に問
題を生じる。

【００３７】本発明では、この関係に注目し、この問題
を改善するために、母材中に平均径０．５μｍ以下のセ
ラミックス微粒子を導入すると共に、平均径０．５μｍ
以下の炭素質粉体と熱硬化性樹脂を母材前駆体として用
いる方法によって、母材中の気孔を小さい直径で均一に
分散し、且つ気孔が大量に含有されるような母材組織と
することが可能になり、その結果、一方向性複合材料の
Ｘ方向の熱伝導率が十分大きく、Ｙ方向の熱伝導率を１
０Ｗ／ｍ・Ｋ以下とすることを実現し、且つ十分なＹ方
向の強度と精密加工精度を得ることができるようになっ
た。更に説明を加えると、母材中に熱伝導率が小さい、
好ましくは１０Ｗ／ｍ・Ｋ以下のセラミック微粒子を含
有せしめることによって母材全体の熱伝導率を低下させ
る作用を及ぼすと同時に、このセラミックス微粒子は母
材中に焼成過程で形成される細孔の平均径を２μｍ以下
に保ち、且つ細孔径の分布を比較的均一に保つ作用を有
する。従って、これによって母材のＹ方向での強度と精
密加工性が改善される。

【００３８】この機構は明らかではないが、熱硬化性樹
脂と炭素質粉体が炭化過程で分解ガスを放出して気孔が
生成する時に、セラミックス微粒子が気孔部分の支持体
となり、母材中のガスの通路の収縮を制御すると同時
に、セラミックスが一部炭素と反応し気孔径を適度に大
きくするものと思われる。全気孔容積が十分大きいこと
が、Ｙ方向の熱伝導率を小さくすることに大きな作用を
及ぼす。本発明の材料は上記の平均気孔直径を有する場
合において、母材容積中の３０ｖｏｌ％〜６０ｖｏｌ％
の範囲の大きな気孔容積を有するが、このような範囲の
気孔容積を制御するためにも、セラミックス微粒子の含
有が作用しており、焼成過程でセラミックスと炭素が一
部反応し、気孔を増加させる。これらの気孔部分は、通
常はガス体で満たされているが、ガス体の熱伝導度は１
０^-2Ｗ／ｍ・Ｋ程度であるので、このような範囲の気孔
を含む母材部分の熱伝導率は非常に低くなる。

【００３９】本発明の材料は、常圧で、一回焼成で製造
され、母材前駆体液の再含浸、再焼成を行わず、また、
ＣＶＩによる緻密化や加圧炭化なども行わないので、簡
単な工程で、低コストで製造されることが特徴であり、
また、そのために、気孔の大部分、９０％以上、通常は
ほぼ１００％が全て表面に連続している開気孔であるこ
とが特徴である。このために、表面にも平均直径が２μ
ｍ以下の細孔が均一にたくさん存在しており、このため
に他の金属表面と、金属ロウ剤等で接着する場合、溶融
した金属ロウ剤と濡れやすく、且つあまり深く浸み込ま
ず、適度なアンカー効果で強固な接着性を発現する。ま
た、このように母材中に小さい孔径の開気孔が大量に存
在することは、Ｙ方向の熱膨張係数を約１０^-5／℃と金
属材料のそれと近いものとすると同時に、母材に弾力性
を与え、Ｙ方向の剛性を下げる作用をするので、金属材
料と接着して、温度を上下しても、ひび割れや剥がれが
生じず、熱衝撃耐久性が高い。

【００４０】本発明の一方向性炭素繊維強化複合材料
は、前述のような物性を有することから、主としてガラ
ス、プラスチック等の加圧成形、鋳型成型、射出成形、
ブロー成形等の成形用加熱冷却金型の表面温度の分布を
制御して、所望の成形面を効率良く得るための、異方性
熱伝導性部材として金型に埋め込まれて用いられ、約４
００Ｋ〜１，２００Ｋの高温で用いられる一種のヒート
パイプとして機能する。これらの成形金型は溶融したガ
ラス、プラスチックス等を流し込み、金型との接触面で
冷却固化して、金型面に対応したきれいな成形面を形造
るために用いられるので、成形開始から終了まで、成形
面の温度分布をできるだけ均一に保つ必要がある。とこ
ろが、複雑な形状の金型の場合、部分的に熱流束密度が
高い部分の温度が高く保たれ、あるいは他の部分が部分
的に低温となる場合がある。このような場合、成形製品
の反りやその表面に平滑性のムラやシミ、ヘコミ等が生
じ、成形製品の欠陥となる。このような現象を防ぎ、生
産性良く成形するために、金型の各部分の熱流束に応じ
て、金型の裏側すなわち冷却側から、本発明の材料のピ
ン、ロッド、あるいは板をロウ付け等で取り付けること
が有効である。これらの本発明の材料は、自由な形状に
切削加工されるが、熱伝導率の大きな方向すなわち炭素
繊維の配列方向が、熱流束の方向にほぼ一致して取付け
られる。

【００４１】以上のような利用方法のほか、射出成形、
ブロー成形等において、特定の部分を他の部分より高温
に保ちたい場合にも利用される。すなわち、その部分の
裏側に本発明の材料を埋め込み、片側の端面を所定温度
に制御されたヒートブロックと接触させることによっ
て、スポット的に他の部分よりも高温に制御することが
できる。また、本発明の材料は、金型の設計製作の自由
度を拡げ、軽量化、低価格化に役立つ。すなわち、従
来、温度分布を均一にするために、必要以上の肉厚部分
を設けたり複雑形状の水冷ラインや冷却フィンを付けた
りしたものがあったが、これらを除いて、本発明の材料
を要所に取付けることによって、より優れた効果が得ら
れる。本発明の材料は、非常に軽量であり比重は約２で
ある。

【００４２】

【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。

【００４３】実施例１レゾールタイプフェノール樹脂粉体２０部と平均粒径
０．４７μｍの生コークス粉体３５部と平均粒径約０．
５μｍの酸化チタン粉体８部とフルフリルアルコール２
００部からなる母材前駆体液を調製し、この中を、石油
ピッチ系高弾性炭素繊維の６０００フィラメントからな
る束を通して、次に約８０℃の空気流の中を通して予備
乾燥した後、フレームに巻き取り、プリプレグを作製し
た。このプリプレグを切り出し、８０℃で減圧下で３０
分間乾燥した後、金型内に繊維配列方向を一方向に揃え
て積層し、２００ｋｇｆ/ｃｍ²の面圧下で１７０℃で１
時間処理してフェノール樹脂を硬化し、約２５×４２×
１２０ｍｍの母材前駆体含浸炭素繊維の成形物を得た。
これを常圧窒素気流中で１，２００℃まで昇温、１，２
００℃で２０分間保持して降温し、一方向炭素繊維強化
複合材料を得た。

【００４４】この複合材料を、金属研削用のダイヤモン
ドソー、ボール盤及び旋盤を用いて、削孔及び長手方向
が繊維配列方向とした１０．０×１０．０×２０．０ｍ
ｍの角柱、１０．０φ×２０．０ｍｍの円柱等を切削加
工テストし、±１０μｍ以下の精度で割れや欠けがな
く、加工することができる。この複合材料は炭素繊維含
有率として６２ｖｏｌ％であり、５００Ｋの温度におけ
るＸ方向の熱伝導率は３９２Ｗ／ｍ・Ｋ、Ｙ方向の熱伝
導率は６．４Ｗ／ｍ・Ｋであった。また、この複合材料
の細孔分布を水銀圧入法で測定すると、平均細孔直径が
１．４１μｍ、全開気孔容積は母材容積中の４７％を占
め、嵩密度と成分の推定真比重との差から計算した全気
孔容積に対し開気孔容積が９９％であった。

【００４５】実施例２母材前駆体液の構成成分のうち、酸化チタン粉体を平均
粒径約０．５μｍのムライト６部に変えたほかは、実施
例１と同じ処理をして、一方向性炭素繊維強化複合材料
を得た。この複合材料も、実施例１の製品と同様の良い
加工性、加工精度を示した。また、この円筒状加工サン
プルと銅板との銀ロウ付けテストを行い、強固な接着性
を得た。この複合材料は、炭素繊維含有率としては６１
ｖｏｌ％であり、５００Ｋの温度でのＸ方向の熱伝導率
は３６９Ｗ／ｍ・Ｋであり、Ｙ方向では７．５Ｗ／ｍ・
Ｋであり、平均細孔直径は１．２６μｍ、全開気孔容積
は母材容積中の３６％を占め、開気孔率は９８％であっ
た。

【００４６】実施例３焼成温度をアルゴン中で３，０００℃まで昇温し、３，
０００℃で２０分間保持して降温したほかは、実施例２
と同じ処理をして、一方向性炭素繊維強化複合材料を得
た。この複合材料も加工性、加工精度は実施例１、２と
同様良好であった。この複合材料は、炭素繊維含有率と
して６４ｖｏｌ％であり、５００Ｋの温度でのＸ方向の
熱伝導率は４２６Ｗ／ｍ・Ｋ、Ｙ方向では５．６Ｗ／ｍ
・Ｋであり、平均細孔直径は１．９４μｍ、全開気孔容
積は母材容積中の５６％を占め、開気孔率は９５％であ
った。

【００４７】比較例１実施例１の母材前駆体液の構成成分のうち、酸化チタン
粉体を平均粒径０．５μｍの黒鉛粉体５部に変えたほか
は、実施例１と同じ処理をして一方向性炭素繊維強化複
合材料を得た。この複合材料は、実施例１の製品と同様
の加工テストで良い加工精度を示したが、５００Ｋの温
度でのＹ方向の熱伝導が２８．５Ｗ／ｍ・Ｋと大きく、
試料の平均細孔直径は１．１２μｍ、全開気孔容積の母
材中の割合は２３％であった。

【００４８】比較例２実施例２の母材前駆体液の構成成分のうち、生コークス
粉体の平均粒径を１．２５μｍとしたほかは、実施例２
と同じ処理をして、一方向性炭素繊維強化複合材料を得
た。この複合材料は炭素繊維含有率５８ｖｏｌ％で、５
００Ｋにおける熱伝導率はＸ方向で２７２Ｗ／ｍ・Ｋ、
Ｙ方向で７．１Ｗ／ｍ・Ｋを示したが、実施例１と同じ
加工テストで割れる試料が多く、加工精度は±１００μ
ｍ程度であった。この複合材料の平均細孔直径は３．２
８μｍ、母材中の全開気孔容積の占める割合は６３％で
あった。

【００４９】比較例３実施例２の母材前駆体液の構成成分のうち、ムライト粉
体の平均粒径を１．２μｍとしたほかは、実施例２と同
じ処理をして、一方向性炭素繊維強化複合材料を製作し
たところ、焼成後の試料に多数の小さなひび割れが顕微
鏡で観察され、この試料の平均細孔直径は３．５１μｍ
であり、全開気孔容積の占める割合は母材中の６８％で
あった。

【００５０】

【発明の効果】請求項１の一方向性炭素繊維強化複合材
料は、炭素繊維の配列方向の熱伝導率が高く、配列方向
に対して直角方向の熱伝導率が非常に低く、且つ研削加
工時に割れにくく、金属とのロウ付け接着性も良く、１
００℃〜９００℃の高温における一種のヒートパイプと
して、ガラス、プラスチックス等の成形金型の局所温度
制御、あるいは均一温度制御等に使用できる材料が提供
される。

【００５１】請求項２の一方向性炭素繊維強化複合材料
の製造方法は、常圧の一回焼成を特徴としており、加圧
焼成、再含浸再焼成、あるいは熱ＣＶＤなどの高価なプ
ロセスを含まず、低コスト且つ短時間で、前記物性、性
能を有する一方向性炭素繊維強化複合材料を提供するこ
とができる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】母材が炭素とセラミックスからなる一方
向性炭素繊維強化複合材料において、水銀圧入法により
求められる開気孔容積が全気孔容積の９０％以上であ
り、且つその開気孔容積が母材部分の全容積の３０％〜
６０％を占め、しかも気孔の平均直径が２μｍ以下であ
ることを特徴とする一方向性炭素繊維強化複合材料。
【請求項２】一方向に配列された炭素繊維の束に、熱
硬化性樹脂、平均粒子直径が０．５μｍ以下の炭素質粉
体、平均粒子直径が０．５μｍ以下のセラミックス粉体
及び溶媒からなる母材前駆体液を含浸し、溶媒を乾燥し
た後、炭素繊維が一方向に配列するように加圧加熱下に
成形し、次いで焼成することを特徴とする請求項１記載
の一方向性炭素繊維強化複合材料の製造方法。