JPS59223210A - 炭素製品とその製造方法 - 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】 この発明は、高温状態における緒特性を向上して高温下
での安定使用を可能にした炭素製品とその製造方法に関
する。

周知の如く新素材の１種として注目されている炭素製品
は、熱硬化性樹脂と炭素繊維を複合（コンポジット）シ
たものであって、この炭素製品の強化材として用いる炭
素繊維は、主にポリアクリロニトリル（ＰＡＮ　）など
のアクリル繊維を窒素雰囲気の中、或は電気炉の中で張
力を掛けながら１０００〜２０００°Ｃの高温で焼成し
、ＰＡＮ中の炭素だけが残って結晶化したもので、焼成
前の重量の約％が炭素繊維（通称カーボンファイバー、
又はＯＦと称す）となり、比重はアルミ、ガラス繊維（
通称グラスファイバー。

又はＣＦと称す）などよシ軽く、しかも引張シ強度は鉛
（Ｐｂ）に近く、耐熱性もきわめて高くなることが知ら
れている。又１記炭素繊維と熱硬化性樹脂を、樹脂の溶
融温度以上で捏合し、捏合物そのまま押出成形するか、
冷却後粉砕して加圧成形し、これを非酸化雰囲気中で約
８００〜１２００°Ｃで焼成した後、焼成品にタールや
ピッチを含浸し、焼成とタール等の含浸を数度繰返して
炭素製品を形成することも知られているＯそしてその炭
素製品は金属製品より潤滑性が良く、摩擦係数が小さく
、焼きつきに＜＜、耐薬品性がムい等の特徴を有し、常
温より３００℃までの範囲で安定使用し得た。しかしそ
れ以上の高温では焼き付けや破壊、或は寸法変形等を生
じる不都合があるので、更にその向上が望まれていた。

そこでこの発明は、炭素製品の高温状態における緒特性
を向上して、更に高い温度でも安定した状態で使用し得
ないものかと研究した所。

炭素繊維と母材用合成樹脂の改良のみでは多くの性能向
上が望めないので、添加物による性能の向上を新たに種
々試みた結果、黒鉛と周期率表中の第４族、第５族の金
属酸化物を適宜添加複合すれに、従来炭素製品では得ら
れない高温状態における緒特性が得られることがわかり
、その製品化に成功したものである。

以下、本発明による炭素製品とその製造方法を説明する
と、母材となる熱硬化性樹脂に、熱に強いフェノール系
樹脂やフラン樹脂を用い。

これに炭素繊維を１０〜６０体積％の割合、望ましくは
３０〜５０体積％の割合で略均等に複合すると共に、炭
素の同素体で高温に耐える黒鉛と、適宜金属酸化物を複
合し、その複合組成物を金型等を用いて温度３０〜１４
０℃で、圧力２００〜ａＯＯ〜の範囲で成形体とし、そ
の成形体を燃えないよう非酸化性雰囲気中、又は不活性
雰囲気中で５００℃以上の高温まで、昇降温速度２°０
７．〜１００°％で焼成し、成形体を形成している分子
の水素０や酸素（Ｑを追い出し、焼成により金属酸化物
以外が炭素の同素体で形成されるようにする一方、炭素
化によって低下する緒特性を金属酸化物の添加により補
うと共に、金属酸化物の添加により新たな特性を発揮す
るようにしたものである◇具体的には母材のフェノール
系樹脂トシテ、フェノールｌｌ、Ｍｔハｙ　Ｘ、　／−
ル・クレゾー′ル、キシレノール、或はこれらの誘導体
か、アルデヒド類、例えばホルムアルデヒド、アセトア
ルデヒドを用い、炭素繊維としてアクリル系、例えばポ
リアクリロニトリル（ＰＡＮ）や、ピッチ系の繊維を高
温で焼成し、糸状又は紙状、織物状、編物状、不織布状
、ステープル状、ロービング状等に炭素化したものを用
いる。

新たに添加する金属酸化物には、周期率表の第４族に属
する炭素（ｑ、ケイ素（ＳＬ）、チタン（Ｔ１）か、第
５族に属するビスマス（Ｂ１）、タンタヘＴａ）等の酸
化物から少なくとも１種類以上を選択的に複合するもの
である０又新たに添加する黒鉛は柔らかく滑らかで化学
的に安定し、炭素繊維よりも摩擦に関して有利であるＯ
新たに添加する黒鉛と金属酸化物は母材の合成樹脂と捏
合し、又は炭素繊維に含浸して複合するものである。

以下、本発明の炭素製品を実験例によって説明する。説
明中の１」は「体積％」を意味する。

（１）フェノール樹脂母材とアクリル系炭素繊維を夫々
５０％づつ複合した基本組成物０（２）　　４０％以上
の７工ノール樹脂母材４Ｃ１５％以上のアクリル系炭素
繊維を複合する一方、新たに粒子径１〜５μの黒鉛を１
５％以上複合した黒鉛含有組成物。

（３）　　５０％のフェノール樹脂母材に２０％のアク
リ第２表 上記の実験結果から （１）　　従来炭素製品内に複合する炭素繊維の一部を
黒鉛に置換えた炭素製品（Ｂ）の類にあっては。

因より曲げ強度は向上するが、衝撃強度は低下する。

（２）炭素製品０の類において、母材の合成樹脂量を一
定にし、炭素繊維より黒鉛の複合量を多くすると、熱伝
導率と高温時の摩擦係数が高くなる。

（３）炭素製品（ト）に複合する炭素繊維の一部を、黒
鉛と金属酸化物に置換えた本発明炭素製品０の類は、（
５）及び炭素製品（均より曲げ強度が向上すると共に、
衝撃強度も向上する。又囚及び（ハ）より熱伝導率が低
下し、高温時の摩擦係数も低くなシ、比摩耗量も少なく
なる。

（４）母材の合成樹脂は製品の４５％以上である仁とが
望ましく、炭素繊維の含有量が少ないと、摩擦係数が高
くなり摩耗量も多くなると共に、圧壊強度が低下する。

（５）　　曲げ強度において、従来炭素製品（５）よシ
炭素製品（ハ）の類が１０％以上向上し、０よシ更に本
発明炭素製品（ｑの類が１０％以上向上する０（６）衝
撃強度において、従来炭素製品向より炭素製品０の類は
僅かに劣るが、本発明炭素製品（Ｃ）の類特に□□□）
が著しく向上する。

（７）熱伝導率において、従来炭素製品（八より炭素製
品盤）以外の但）類は大きくなるが、□□□）と本発明
炭素製品（Ｑの類は小さくなる。

（８）　　高温時における摩擦係数において、本発明炭
素製品（Ｑの類は従来炭素製品（Ａ）　、及び炭ヂ製品
但の類より小さくなり、特に０２）と（０３）が・さく
なる。

（９）　　高温時における比摩耗量は摩擦係数に略比例
し、摩擦係数が小さくなる程に摩耗量も減ａＱ　本発明
の炭素製品は合成樹脂母材の炭素化と、黒鉛及び金属酸
化物の複合によシ、高温時における機械的特性や摺動特
性が向上するものと思われる。

従って本発明の炭素製品とその製造方法は、熱硬化性合
成樹脂の母材に複合する炭素繊維の一部を黒鉛、又は黒
鉛と金属酸化物に置換えると共に、これらを複合した成
形体を不活性算器気中で焼成し、母材の合成樹脂をも炭
素化して、金属酸化物と炭素体によって炭素製品を形成
するようにしたものであるから、従来炭素製品よシ機械
的物性や耐熱性、及び耐摩耗性等が著しく向上する。特
に本発明の炭素製品は複合する金属酸化物の種類によっ
て、曲げ強度や衝撃強度、或は高温特性等が大きく異な
るので、同じ手段で性能の異なる炭素製品を製造し、そ
の中から用途に応じた性能の炭素製品を選択して使用す
ることができる。例えば４５０°Ｃの高温下で長時間使
用する回転羽根や、高温下で曲げ強度と衝撃強度を要す
るガラス製造部品として最適であるばかシか、高温でも
潤滑性と熱伝導性が良いので、スラスト軸受や回転軸受
の様な摺動部品として用いれば、摺動による発熱や蓄熱
が少なく、摺動音も小さくなる。又本発明炭素製品の特
性は、素材の配合割合、特に金属酸化物の選択と成形温
度、成形圧力、ガス抜き、及び焼成硬化時間の設定等に
よって影響を受けるが。

比較的容易にしかも安定した状態で製造することが可能
であるし、安価に製作することができる等１本発明は軽
くて強度の強い材料を必要とする宇宙船、航空機、海洋
開発機器、高速回転するウラン濃縮用遠心分離機、民生
用品等の炭素製品として有益な効果を奏するものである
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）熱硬化性樹脂の母材に炭素繊維と黒鉛、及び１種以
   上の周期率表第４族、第５族の金属酸化物を複合し、焼
   成により母材の合成樹脂も炭素化している炭素製品。 ２）熱硬化性樹脂を母材として、母材より少量の炭素縁
   ′維と、炭素の同素体である黒鉛を複合すると共に、周
   期率表第４族と第５族の金属酸化物の少なくとも１種類
   以上を適宜複合し、これを用途に応じた形状の成形体と
   成した後、成形体を不活性雰囲気中で５００℃以上の高
   温まで昇降温して焼成し、金属酸化物の複合と焼成によ
   る炭素化によって高温時における緒特性を向上したこと
   を特徴とする炭素製品の製造方法。