JPS5831729A - 複合材料の製造法およびこの方法で得られる複合材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はガラス質（ｖｉｔｒｅｏｕｓ）　　炭素および
（または）黒鉛および（または）炭化物を混在させるこ
とにより構成され、炭素含有材料の分布した混在物を有
する。無機マトリックスからなる複合材料に関する。

このような複合材料は種々の分野で使用でき。

特に電気接点（ｃｏｎｔａｃｔ）および（または）摩擦
材料のように、機械および電気技術工業分野で使用でき
る。

さらに詳しくは、本発明は制御された寸法を有して、好
ましくは金属のち密なまたは多孔性の無機マトリックス
内に実質上均一な規則的方式で分布したガラス質炭素の
混在物を合体している複合材料の製造法に関する。

ガラス質炭素は、フェノール類とアルデヒドの重縮合に
より得られる橋かけ重合体を厳密に制御した条件下熱分
解して得られる人工炭素種（ｖａｒｉｅｔｙ）である。

この熱分解により得られる炭素は、その外観、硬さ、も
ろさく磁器に匹敵する）。

ガラスに匹敵するガスに対する不透過性によってガラス
質炭素と呼ばれる。

このガラス質炭素を得るためには、当該橋かけした重合
体の三次元格子が操作ぢゆう保持されてまた最終生成物
にこの特別の構造を与えるように橋かけした重合体の熱
分解を実施する。

ガラス質炭素は種々の用途に対し興味ある性質を有する
。そこで、互に連絡しておらずまた当該材料の表面上に
表われない微視孔を規定するその特別の構造を念頭に置
くと、当該材料は約１．ダＳの低密度を有し、これに対
し黒鉛の密度はコ、コで□ある。さらに、その機械的性
質は熱分解黒鉛またはノクイロカーデンのそれに近い。

当該材料は約ｏ、ｏｌＩ〜ｏ、ｏｇジュール・ｃＩＩＬ
−’　−’Ｃ−１−８−’の熱伝導率と、１ＯＯｏｃで
約Ｊ　〜ｌｘ　／　０−６・　ｏＣ−’　および／！；
００℃でコｏ×１ｏ−６・　０Ｃ−１の膨張係数を有し
、そこで熱衝撃に対し著しい抵抗を有する。さらに、ガ
ラス質炭素は他種の炭素および黒鉛よりも高い耐酸化性
を有し、さらに廊しくは酸素、水蒸気、または二酸化炭
素ガスによる酸化に対し良好な耐性を有する。

ガラス質炭素を添加することによって、ある種の無機材
料の機械的、熱的および（または）化学的性質を改良す
ることも可能である。多年にわたり、ガラス質炭素混在
物またはガラス質炭素被覆を有する複合材料の製造が試
みられてきた。しかし、現在まで使われた方法では制御
された寸法を有するガラス質炭素混在物が所望の割合で
分散している無機マトリックスを有する複合材料を得る
ことはできなかった。

特に本発明は、多孔性のまたはコンノ４クトな無機マト
リックス内で炭素含有材料特にガラス質炭素の混在物の
均一な規則的分散を得ることを可能にし、一方これらの
混在物の最大寸法と得られる生成物の炭素含有材料含量
を制御する上記炭素含有材料の混在物を合体している、
複合材料の製造方法に関する。

すなわち、本発明は炭素含有材料の分布した混在物を有
する無機マ）　ＩＪソックス合体している複合材料の製
造法に関し、この方法は次の工程ａ）熱処理によってガ
ラス質炭素に変換できる液体または粘ちょうな樹脂と無
機粉末とを混合し、 ｂ）この樹脂と無機粉末の混合物を、当該樹脂が橋かけ
または重縮合によって硬化するような条件下で実施され
る第１熱処理Ｋかけ。

Ｃ）こうして得られた硬化生成物を、当該樹脂をガラス
質炭素に変換するための第２熱処理にかけ、こうして当
該ガラス質炭素混在物を形成することからなる。

液体状の樹脂とマトリックスを構成する材料の粉末を合
体している混合物から出発し、この混合物の熱処理によ
り生成物塊中に系中でガラス質炭素混在物を生成する事
実は、これらの混合物の均一な分布を得ることを可能に
するだけでなく、一方では原料粉末の粒度分布に影響さ
れてその寸法を制御し、他方では混合物中の樹脂含量に
影響されて得られる生成物のガラス質炭素含量を制御す
る。

こうして、当該混在物の寸法は無機粉末の粒度と共に増
すことがわかった。さらに、生成物のガラス質炭素含量
は原料混合物の樹脂含量と共に増すことがわかった。

逆に、混在物の寸法は原料混合物の樹脂含量にはごくわ
ずかに依存するだけであることがわかった。そこで、本
発明の方法は当該混在物の寸法の制御とは独立に、生成
物の組成を有効に経済的に加減することを可能にする。

さらに、液体状の樹脂と制御した粒度の無機粉末とを混
合することにより、開いた多孔を有する均一イーストを
得ることが可能であり、そこでコ回の熱処理中遊離ガス
の放出を確実に可能にし、それによって大きな不規則な
多孔の形成と、ひび割れの出現を防ぐ。有利には、第１
熱処理の実施前に、樹脂と無機粉末の混合物を冷間圧縮
による成形操作にかけてゾレフオームまたはペレットを
得る。

当該ペーストをシート、円筒形などにするように、ブレ
ス、紡績、圧延、または押出によってこの圧縮操作を実
施できる。しかし１次の熱処理中ガスの放出を許すよう
に、ペーストがコンノｆクト化しないような条件で行な
うことが好ましい。

しかし、コン・セクト化ペーストで熱処理を行なうこと
ができる。しかし、この場合は、多孔性を除去するため
妃、所望により粉砕後得られた材料を補足のち密化操作
にかける必要がある。

本発明に従えば、使用する無機粉末はフリット性粉末、
すなわち粉末冶金法により成形および圧密できる無機材
料である。さらに、この無機材料は、第１および第コ熱
処理で使う温度で融解しないように選ばれる。使用でき
る無機材料は銅、ニッケル、合金のような金属、酸化物
、炭化物、窒化物たとえば窒化ホウ素のようなセラミッ
ク、金属セラミックまたはサーメットである。異なる材
料、たとえば処理条件下互に反応して液相を形成できる
材料の被覆粉末または粉末混合物を使うこともできる。

使用する無機粉末の粒度分布は、得ようとする混在物の
寸法の関数として選ばれる。一般に、０〜６００μｍの
平均粒度を有する粉末を使う。

本発明に従えば、使用する樹脂は有利にはフエ／−”基
（たとｉばフェノール、　し：／　ルシ／　−ル、　ナ
フタレンジオールなど）とアルデヒド（たとえばホルマ
ール、　グリオキサール、　フルフラールなど）を含む
液体樹脂である。好ましくは、液体樹脂はフェノール−
ホルムアルデヒド樹脂である。

有利には、当該樹脂と無機粉末の混合物はせいぜい２０
重量％の樹脂を含む。

本発明に従えば、第１熱処理は有利にはせいぜい３５０
℃に等しい温度で７〜３時間行なわれる。

この第１熱処理中、樹脂は重縮合して固体橋かけ重合体
を形成し、硬化生成物となる。初期イーストの多孔性に
よって、この反応中発するガスを排気でき、これは硬化
生成物中に大きな多孔および（−または）ひび割れの形
成を防ぐことを可能にする。硬化生成物をついで第一熱
処理にかけて、固体重合体をガラス質炭素に変換する。

固体橋かけ重合体の三次元格子を維持するように１この
第一処理は厳密に制限された条件で行なう必要がある。

そこで、熱処理の実施中、温度上昇速度および処理温度
と時間を監視する必要が特にある。有利には、第一熱処
理は減圧または常圧で６００〜／１００亡で３０〜ｇｏ
時間行なわれる。熱分解で生成するガスの遊離が１次々
と進むように温度を上昇するのが好ましい。

この処理中、無機粉末は一部分フリット化し、こうして
処理の終りにガラス質炭素混在物の均一分散物を含む多
孔性マトリックスが得られる。

当該マトリックスがち密である複合材料を得る場合には
、この第一熱処理の終りに得られる生成物をち密化する
。これは所望により粉砕または変形の後、通常の粉末冶
金操作および（または）融解したまたはガス状化合物を
使う浸入によって実施できる。たとえば、荷重下のフリ
ット化、熱均衡圧縮、ぴったりしたエンベロープのなか
に含まれた粉末の熱紡績または熱押出によってち密化操
作を実施できる。

少なくとも一部分黒鉛により構成された炭素含有材料の
門在物を合体している複合材料の製造に適した本発明の
方法の一変形によれば、細かい墨鉛または窒化ホウ素粉
末を添加しである無機粉末と液体樹脂の混合物でスター
トする。ついで、所望により圧縮による混合物の成形後
、上記方式で第１および第一熱処理を行なう。ついでガ
ラス質炭素混在物を合体している複合材料を、せいぜい
２１００ｑｃに等しい温度に上げることによって補足の
黒鉛化処理を行なう。この条件下では、ガラス質炭素混
在物は少なくとも一部分黒鉛に変換する。

これは液体樹脂に黒鉛または窒化ホウ素の粉末を添加す
ることによって得られる。ガラス質炭素は外部機械的試
剤または添加剤によってのみ黒鉛化できるからである。

この変形においては、使う無機粉末は黒鉛化熱処理の温
度条件で融解しない耐火粉末である。

混在物が一部分炭化物により構成されている複合材料の
製造に特に適した本発明の方法の第一の変形に従えば、
第一熱処理の終りに得られるガラス質炭素混在物を合体
している複合材料を補足処理Ｋかけて１．当該゛混在物
の炭素をマトリックスと少なくとも一部分反応させ、こ
うして当該マトリックス中に分散した炭化物の混在物を
形成する。

たとえば、この反応を熱均衡圧縮によるち密化操作中実
施でき、上記圧縮は反応中形成できる多孔性を減少させ
ることもできる。

本発明はまた、本発明の方法によって得られ電気接点の
製造に使用できる複合材料に関する。

この用途のためには、当該複合材料はがラス質炭素混在
物を分散している好ましくは銅の金属無機マトリックス
からなる。この場合、ガラス質炭素混在物は複合材料の
せいぜいざ重量チを構成し、好ましくは！；　００　ｌ
ｌｍ−より小さい寸法を有する。

特に、このような材料は低および中電圧回路しゃ断器に
おいて、銀−ニッケルおよび銀−銅接点のように現在使
われている接点対の代りに対称電気接点対の製造に使用
できる。そこで、ガラス質炭素的３Ｍ＊９Ａを含む本発
明に従う複合材料は、この適用例に対し満足な性質を有
する。その接触抵抗およびその浸食抵抗は、１００アン
ペアの公称電流の５ｏｏｏの断続サイクル中または／！
００〜／３．θθ０アン（アの短絡電流の断続後受は入
れられるように留まる。リバウンドまたはチャタ−によ
る閉鎖の場合には、短絡電流が存在する場合でも、溶接
に対する抵抗も満足である。しかし、７．２００の無電
流開閉操作サイクル中、炭素混在物の寸法が５００ミク
ロンを越えるときは、接触抵抗が過度に高い値に達し得
る（接触抵抗はおよそ最初の７Ｏθ回の操作中増加し、
ついでプラトー（ｐｌａｔｅａｕ　）に達する）。

細かく分散した複合材料、すなわちガラス質炭素混在物
の寸法がｇ　ｏ’　ｏ　ミクロンを越えない材料を使う
ことも好ましい。

しかし、同一条件で複合鋼−黒鉛接点を使うときは、１
００アンイアの公称電流のＳＯθＯの断続サイクル中、
接触抵抗の受は入れられない上昇がある。挙動における
この差異はおそらくガラス質炭素の酸素との一層低い反
応性によるものだろう。

実施例 これらの実施例は銅マトリックスとガラス質炭素混在物
を合体している複合材料の製造に関し、このような材料
は低および中電圧回路しゃ断器において電気接点として
特に使用できる。行なったすべては原料混合物中の樹脂
含量を変えたことと、使った銅粉の粒度分布を変えたこ
とであった。各実施例で、複合材料を次の方式で製造し
た。

銅粉とフェノール−ホルムアルデヒド樹脂を機械混合す
ることにより々−ストをつくった。ついでイーストを約
７０９のケーキまたはディスクに成形し、／コｏｃ′ｃ
で空気中で２時間第１熱処理を行ない、第コ熱処理は減
圧下に＃＄７図のサイクルにより表わされる時間と温度
条件下で行なった。

第１図はこの熱処理中、時間（ｈｒ）　　の関数として
の温度（ｔ’）　　の上昇を示す図である。

こうして得られたガラス質炭素−鋼条孔性ケーキを、銅
紡績エンペローグを使って減圧で調整し、エンペローゾ
内で次の条件で紡績を行なった。

予熱温度＋　ｇｔｏ℃、 紡績比＋２２０１ 紡績圧：ｂｏ４Ｉパール、 出口速度：！；Ｏｍ７分、 紡績プラトまたはタンクの直径：ダ３．Ｓｍ、ただし実
施例Ｓの場合は９／、Ｉ　■であった、紡糸口金直径：
１０ｗｍ、ただし実施例Ｓの場合はココ−であった。

こうして、次表に示した性質を有する種々の複合材料を
得た。この表は各実施例に対し銅粉末の粒度分布および
使った樹脂量対銅粉末凌の重置比も示している。

賊例　　　　初期混合物 ／　　　　１０／にコＯｐｍ　　　　７．！；２　　　
　　　　　　　　／２．！； ３　　　　　　　　　　　　ｓ、。

１７　　　　　　　　　　　７、！； ３　　、　２０／／３０ｐｍ　　　　７．！；（、１０
，０ り　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　１２．５ｔ　　　　　　Ｏ／ｌＩθｐｍ　　
　　　　り、３９　　　　　　　　　　／コ、Ｓ 紡績した材料の性質 ３．３　　　　　　　７．２＜コＱＱ　ｐｒｒ＋ｓ、ｓ
　　　　　　　Ａ・Ｓ コ、コ　　　　　　　　　　　　　７．り３．３７・３ ａ、ｌＩ７．／　　　　＜、　ｓｏ　ｐｍダ、ｇ　　　
　　　　ｌ、、７ ４、／　　　　　　　Ａ、ｌＩ ３．１　　　　７．２　　　　＜　／３　ｐｍ６．１　
　　　　　６．Ｊ これらの結果から次のことがわかる。

化学分析により決定し、複合材料の全重量と比較した・
９−セントとして表わした当該複合材料のガラス質炭素
含ｌは、初期混合物中に存在する樹脂凌に比例する。

当該混在物の寸法は銅粉末の粒度と共に増加し、−万全
炭素含量には実質上独立である。

痛合材料の密度は、そのガラス質炭素含量の関数として
急速に減少する。

これらの実験結果を理論曲線と比較することにより、複
合材料に含まれているガラス質炭素の密１４ｊは／、／
５士０．６　と評価できる。

そこで、これらの結果から、夫々樹脂含量および粒度分
布を変えることによって、互に独立に当該材料の組成と
混在物の寸法を調節できることが確かめられた。

第一図および第３図は実施例３で得られた複合材料の横
断面および縦断面の顕微鏡写真である。

得られた材料はすぐれた均一性をもっことがわかる。

さらに、縦金属組織学断面の顕ｅｔａ写真は、紡績方向
における炭素混在物の整列の傾向および純粋な銅繊維を
示している。これらの繊維の幅は初期粉末の粒度と共に
増し、ガラス質炭素含量が増すとわずかに減少する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に従う複合材料の製造に使った第コ熱
処理中、時間の関数としての温度の上昇を示す図である
。 第２図および第３図は実施例３により得た紡績した材料
の夫々横断面および縦断面の顕微鏡写真である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）次の工程、 ａ）熱処理によってガラス質炭素に変換できる液体また
   は粘ちょうな樹脂と無機粉末とを混合し、 ｂ）樹脂と無機粉末の混合物を、当該樹脂が橋かけまた
   は重縮合によって硬化するような条件下で行なわれる第
   １熱処理ｋかけ、 Ｃ）こうして得られた硬化生成物を、当該樹脂をガラス
   質炭素に変換するための第コ熱処理にかけ、こうして当
   該ガラス質炭素混在物を形成することを特徴とする、炭
   素含有材料の混在物を分布している無機マトリックスを
   合体している複合材料の製造法。 （２）第１熱処理を行なう前に、樹脂と粉末の混合物を
   冷間圧縮により成形してプレフォームを得る特許請求の
   範囲（１）記載の複合材料の製造法。 （３）　　当該無機粉末が合金または金属の粉末である
   特許請求の範囲（１１または（２）記載の複合材料の製
   造法。 （４）当該無機粉末が銅粉である特許請求の範囲（３）
   記載の複合材料の製造法。 （５）　　当該樹脂がフェノールおよびアルデヒド基を
   合体している特許請求の範囲（１）記載の複合材料の製
   造法。 （６）　当該樹脂がフェノール−ホルムアルデヒド樹脂
   である特許請求の範囲（５）記載の複合材料の製造法。 （７）当該樹脂と無機粉末の混合物がせいぜい２０重量
   −の樹脂を含んでいる特許請求の範囲ＣＩ）記載の複合
   材料の製造法。 （８）第１熱処理をせいぜい３！；０ｏｃｌＩＣ等しい
   温度で７〜３時間行なう特許請求の範囲ＣＩ＞記載の複
   合材料の製造法。 （９）第２熱処理を減圧または常圧下、　６００〜ｔｔ
   ｏｏ’ｔ：：の温度で３０〜ＳＯ時間行なう、特許請求
   の範囲（１）記載の複合材料の製造法。 ０〔第コ熱処理の終りに得られるガラス質炭素混在物を
   合体している複合材料を特徴とする特許請求の範囲Ｃ１
   １記載の複合材料の製造法。 （１１）　　このち密化を熱紡績および（′または）熱
   均衡圧縮により行なう特許請求の範囲α１記載の複合材
   料の製造法。 （１２１黒鉛粉末および（または）窒化ホウ素粉末を当
   該液体樹脂に添加し、第コ熱処理の終りに得られるガラ
   ス質炭素混在物を合体している複合材料を、ガラス質炭
   素混在物を黒鉛に少なくとも一部分変換するために高々
   ココ０００Ｃで行なわれる補足の黒鉛化熱処理ｋかける
   特許請求の範囲（１）記載の複合材料の製造法。 （１３）第コ熱処理の終りに得られる複合材料を、当該
   混在物の炭素を無機マトリックスと少なくとも一部分反
   応させるために補足処理にかけ、こうして当該マトリッ
   クス中に分散した炭化物の混在物を形成する特許請求の
   範囲（１）記載の複合材料の製造法。 Ｑ４１　　均一に分散したガラス質炭素混在物を有する
   銅マトリックスからなり、当該複合材料のガラス質炭素
   含量がせいぜいｇ重量幅である特許請求の範囲（１１〜
   ＯＤのいずれか一項記載の方法により得られる複合材料
   。 （１１９当該混在物が５００　ｐｍ以下の寸法を有する
   特許請求の範囲０４記載の複合材料。 ＋ＩＱ　　電気接点製造のため特許請求の範囲θ４）ま
   たはａ９の複合材料の使用。