JPS5930785A - 炭素複合材料 - Google Patents

炭素複合材料

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JPS5930785A
JPS5930785A JP57139524A JP13952482A JPS5930785A JP S5930785 A JPS5930785 A JP S5930785A JP 57139524 A JP57139524 A JP 57139524A JP 13952482 A JP13952482 A JP 13952482A JP S5930785 A JPS5930785 A JP S5930785A
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JP
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carbon
composite
composite material
substance
material layer
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JP57139524A
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升田 恵三
海東 滋
尾崎 格
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Toray Industries Inc
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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、炭素複合材料に関する。
炭素材料を炭素繊維によって強化してなる炭素繊維強化
炭素材料(以下、C/Cコンポジットという)は、一般
炭素材料(炭素成形体)にくらべて機械的強度が著しく
高い。たとえば、一般炭素材料の曲げ強7度はせいぜい
10 kg/ram2程度であるカ、  C/ Cコン
ポジットのそれは、炭素繊維の種類、含有量、配向方向
などにもよる力f、20〜60kg/mIn2もあると
いわれている。そのため、  C/Cコンポジットは、
特に高い機械的強度を要求される。たとえば軸受材料な
どの構造材料の分野で。
一般炭素材料に代わるものとして注目されるようになっ
てきた。
しかしながら、一般炭素材料が実質的に均質材料である
のに対し、  C/ Cコンポジットハ全く異なる物性
を有する2種類の材料、つまシ炭素材料と炭素繊維との
複合材料であるので、加工性が極めて悪く、加工精度が
劣るという欠点があった。
本発明は、C/Cコンポジットの上記欠点に鑑みてなさ
れたもので、その目的とするところは。
易加工性で高い加工精度が得られ、かつ機械的強度が高
い炭素複合材料を提供するにある。
上記目的を達成するだめの本発明は、炭素繊維強化炭素
材料と炭素材料との層状体からなる炭素複合材料を特徴
とするものである。
次に2本発明の炭素複合材料イ以下、複合材という)を
詳細に説明する。
本発明の複合材は、C/Cコンポジットと炭素材料との
層状体からなっている。上記C/Cコンポジットは、板
状、筒状、棒状または球状をしていて、炭素材料は、 
 C/ Cコンポジットが板状マたは筒状である場合に
はその少なくとも一表面に。
また棒状または球状である場合にはその外表面に。
層状に、かつ通常は一様な厚みで、しかもC/Cコンポ
ジットと一体であるように存在している。
したがって、複合材もまた。全体としてみるとやはシ板
状、筒状、棒状または球状をしているが。
炭素材料層がC/Cコンポジットの上記表面全体にわた
って存在していることは必ずしも必要でなく、用途など
に応じて、必要な一部分のみに存在していることであっ
てもよい。
上記において、C/Cコンポジットは、複合材に、主と
して機械的強度を与えている。これに対して、炭素材料
層は、複合材の、主として加工性を向上させている。上
述したように、炭素材料そのものの機械的強度はそう高
くないので、その層の厚みは、複合材の加工性を著しく
損わない範囲で可能な限シ薄くするのが好ましい。
C/ Cコンポジットは、上述したように、炭素材料を
、いわゆるマトリクスとし、そのマトリクス炭素を炭素
繊維で強化してなるものである。マトリクス炭素とは別
の、炭素繊維の単糸径よシも小さい粒径をもつ炭素粉末
が、炭素繊維間または炭素繊維とマトリクス炭素との間
の空隙を埋めるように存在していてもよい。その場合は
、  C/Cコンポジットの空隙がより少なくなシ、そ
の機械的強度、ひいては複合材の機械的強度が一層高く
なる。
上記マトリクス炭素は、いわゆる軟質炭素(ソフトカー
ボン)や、硬質炭素(ハードカーボン)。
熱分解炭素などからなっている。軟質炭素は、液層を経
て炭化する石油重質油、ピッチ、アントラセンなどの多
環芳香族化合物や塩化ビニル樹脂を炭化することによっ
て得られるものである。一方。
硬質炭素は、固相のまま炭化するフェノール樹脂。
フラン樹脂、アクリル樹脂などの熱硬化性樹脂を炭化す
ることによって得られるものである。まだ。
熱分解炭素は、メタン、プロパン、ベンゼン、アセチレ
ンなどの炭化水素ガスを、水素ガス気流中にて700〜
2000℃に加熱された基材と接触させ。
基材表面に炭素を析出させることによって得られるもの
である。これらの炭素は、炭素質であっても黒鉛質であ
ってもよい。
C/ cコンポジットのマトリクスをどのような種類の
炭素で構成するかは、複合材の用途などを考慮して決め
る。すなわち、軟質炭素は1個々の結晶子が比較的規則
的に並んでいるために黒鉛化状態をとシやす欠、その場
合良好な摺動特性を示すが、ショア硬さは70〜90程
度と比較的低い。
これに対して、硬質炭素は、ショア硬さが100〜15
0程度と比較的高い。 もつとも2両者がいつも明確に
区別できるわけでは必ずしもなく、出発物質の種類や炭
化条件などによって、軟質炭素と硬質炭素が混゛シ合っ
たものや、それらの中間的な物性をもつものができる。
一方、熱分解炭素は。
結晶子が高度に配向した層状構造をしておシ、析出条件
などによって大きく異なるものの2通気性が極めて小さ
い(ガラスと同程度であるといわれている)という、上
記軟質炭素や硬質炭素にはみられない物性をもっている
。これらのことから。
軟質炭素は、たとえば軸受、メカニカルシール。
連続鋳造用ダイスなど、比較的高い摺動特性を要求され
る用途において好適であシ、一方硬質炭素は、たとえば
ころ軸受など、比較的高い硬度を要求される用途におい
て好適である。また、熱分解炭素は、その良好な気密性
から、たとえば冶金用のるつぼ? ボートなどに使用す
る複合材におけるC/Cコンポジットのマトリクス材料
として好適である。
C/Cコンポジットにおいてマトリクス炭素を強化して
いる炭素繊維は、ポリアクリルニトリル系、レーヨン系
、ピッチ系のいずれであってもよく、また炭素質、黒鉛
質のいずれであってもよい。
炭素繊維の単糸径は6〜15μ程度であり、またその形
態は、長さ0,05〜5−2好ましくは0.2〜6[[
1m程度の1短繊維であってもよいし、連続繊維であっ
てもよい。また、織物やフェルト、マットなど、シート
状の形態であってもよい。上記炭素繊維は、マ) IJ
クス炭素中にそのままの状態で。
または解繊状態で全くランダムな方向を向いて存在して
いてもよいしく短繊維やフェルト、マットの場合)、任
意の特定の方向に向けて配列せしめられていてもよい(
連続繊維や織物の場合)。
炭素材料層を形成している炭素もまた。上述lしだ軟質
炭素、硬質炭素、熱分解炭素などである。
C/ Cコンポジットのマトリクス炭素と異なっていて
もよいが2通常はそれと同種類の炭素で構成する。
本発明の複合材は、いろいろな方法によって製造するこ
とができるが1次の4つの方法によるのが好ましい。す
なわち。
A、あらかじめ用意しておいたC/Cコンポジットと炭
素材料層とを炭化可能な物質で接着した後、加熱して上
記物質を炭化し1両者を一体化する方法(以下、A法と
いう)。
B、あらかじめ用意しておいたC/Cコンポジットの上
に炭素材料層を形成する方法(以下。
B法という)。
C0あらかじめ用意しておいた炭素材料層の上にC/C
コンポジットを形成する方法(以下。
C法という)。
D、C/Cコンポジットと炭素材料層とを同時に形成す
る方法(以下、D法という)。
上記A法は、たとえば、あらかじめ用意しておいたC/
Cコンポジットと炭素材料層とを、フェノール樹脂、フ
ラン樹脂、ピッチなどの炭化可能な物質で接着し、その
まま、または上記物質を固化した後、窒素ガスなどの不
活性ガス気流中にて1〜b 昇温速度で600〜2800℃、好ましくは1000〜
2500°Cに加熱して上記物質を炭化し1両者を一体
化するものである。この場合、上記物質中に粒径0.5
〜100μの炭素質または黒鉛質炭素粉末を10〜10
0重量%混入しておくと、一体化をよシ完全に行うこと
ができる。また、上記物質の固化時および炭化時に、接
着面を1000kg/■2程度以下の圧力で加圧するの
も、一体化をより完全に行ううえで好ましい。
B法は、たとえば、あらかじめ用意しておいたC/Cコ
ンポジットに、上記A法における炭素粉床入シの炭化可
能物質をそのまま、あるいはメタノール、アセトンなど
の溶媒で希釈して塗布し。
以下A法と同様に加熱して上記物質を炭化し、C/Cコ
ンポジットの上に炭素材料層を形成するものである。こ
の場合は、上記炭素粉末はもう少し大きいものであって
もよ(,0,5〜200μの粒径のものを使用すること
ができる。
B法はまた2次のようにしても実施することができる。
すなわち、700〜2000℃、好ましくは1000〜
1500°Cの高温に加熱した炉の中にC/Cコンポジ
ットを入れ、炉内にプロパン、メタン。
エタンなどの炭化水素ガス、あるいはそれらと水素ガス
との混合ガスを流し、C/Cコンポジットの上に熱分解
炭素を析出させる。炭素材料層の厚みは、ガスの組成や
流通時間、炉の温度などを変更することによって制御す
ることができる。
C法1−1:、上記B法とは逆に、まず炭素材料層をあ
らかじめ用意しておき、その炭素材料層の上に。
A法と同様の炭化可能物質を含浸した炭素繊維の連続繊
維をフィラメントワインディング法によって巻き付ける
か、上記物質を含浸した炭素繊維の織物、フェルト、マ
ットを積層または巻き付けるか、上記物質と炭素繊維の
短繊維との混合物を塗布した後、無加圧下またはI D
 D Okg/cm2以下の加圧下でA法と同様に加熱
して上記物質を炭化し。
c / Cコンポジットを形成する。この場合、上記物
質の量は炭素繊維に対して20〜200重量%でよい。
また、上記物質に、炭素繊維の直径よシも小さい、平均
粒径0.5〜10μ、好ましくは1〜3μの炭素質まだ
は黒鉛質の炭素粉末を10〜100重量%、好ましくは
20〜50重量多混合しておくと1炭素繊維間まだは炭
素繊維とマトリクス炭素との間に上記炭素粉末が侵入し
て空隙の少ないC/Cコンポジットが得られ、複合材の
機械的強度が一層向上するので好ましい。
D法は、上記C法と同様に形成した。加熱するとC/ 
Cコンポジットになる層の上に、上記B法と同様の、炭
化可能物質と炭素粉末との混合物層を形成し、以下A法
と同様に加熱して上記両層の炭化可能物質を炭化し、C
/Cコンポジット層と炭素材料層とを同時に形成してし
まう方法である。
これとは逆に、炭素材料層になる層の上にC/ Cコン
ポジットになる層を形成してもよい。
上記A、  B法において、C/Cコンポジットは従来
公知のいかなる方法によって製造してもよい。
代表的な方法を以下に示す。
イ、気相反応法(以下、A法という)。
口、高圧含浸焼成法(以下2口法という)。
ハ、室温含浸常圧焼成法(以下、D法という)。
二、ホットプレス法(以下、工法という)。
上記A法は、所望の形態の炭素繊維を反応装置に入れ、
700〜2oOo′O,好ましくは1000−1500
℃の温度下でグロバンなどの炭化水素ガスまたはそのガ
スと水素ガスとの混合ガスと接触させ、その上に熱分解
炭素を析出させるものである。
上記D法は、所望の形態O炭素繊維を圧力容器内に入れ
、その容器内に収容したフェノール樹脂。
フラン樹脂、ピッチなどの炭化可能な物質に浸漬した後
、アルゴンガス、窒素ガスなどの不活性ガスを使用して
上記容器内を10〜1000 kg、/an2ν好まし
くはSOO〜1000沌/an2の高圧に保ち。
1〜b 昇温速度で600〜2000°C2好ましくは1000
〜2000℃に加熱して上記物質を炭化するものである
。上記工程を数回繰シ返してもよい。
D法は、上記D法において、炭化可能な物質を含浸した
炭素繊維を圧力容器内から取り出し、そのまま、まだは
上記物質を固化した後、窒素ガスなどの不活性ガス気流
中かつ常圧下にて上記D法と同様の温度条件で加熱し、
上記物質を炭化するものである。この方法もまだ、上記
工程を繰シ返し行ってもよい。
工法は、炭素繊維に上記D法と同様の炭化可能物質を含
浸したもの、または炭素繊維と上記物質との混合物を、
ホットプレス成形型内で10〜1000沌/婦2.好ま
しくは100〜1000鞄/■2の圧力を加えながら6
00〜2000℃、好ましくは1ooo〜2000℃で
加熱して上記物質を炭化するものである。上記圧力下で
150〜600℃、好ましくは200〜600°Cに加
熱した後その加圧を解き、さらに600〜2 D D 
O’O、好ましくはioo。
〜2000℃で加熱してもよい。
上記ロ法〜工法において、炭化可能物質として。
上記D法やD法で使用した炭素粉末入シのもの。
またはそれを希釈したものを使用してもよいことはもち
ろんである。
一方、A法およびD法における炭素材料層もまた。従来
公知のいかなる方法によっても製造することができるが
、B法やD法において使用した炭素粉末入シの炭化可能
物質またはそれを希釈したものを所望の形状の成形型に
入れ、以下A法と同様に加熱して上記物質を炭化するこ
とによって製造するのが好ましい。
上述したような方法によって製造した複合材には、それ
を高密度化し、その機械的強度を一層向上させるだめに
2次のa−aからなる処理を少なくとも1回施すのが好
ましい。
a、複合材を密閉容器に入れ、容器内を数十lmlHg
以下の減圧にして複合材内部に残存している気体を追い
出す。
60次に、上記容器内に、フェノール樹脂、フラン樹脂
、ピッチなどの炭化可能な物質をよく脱気したうえで流
し込み、これに複合材を浸漬する。この場合、粘度を調
節する目的で。
上記物質を加熱しておいたり、適当な溶媒で希釈してお
いてもよい。
C9次にν上記容器内を10〜1[][]Okg/。2
゜好ましくは100〜1000襠/(ff112の圧力
にし。
複合材内部の空隙に上記物質を含浸する。
d0次に、容器から複合材を取シ出し、上記物質を固化
した後、窒素ガスなどの不活性ガス気流中かつ常圧下に
て600〜2800℃、好ましくは1000〜2500
℃に加熱し、上記物質を炭化する。
本発明の複合材は、いろいろな用途に使用することがで
きる。たとえば、板状のものは、炭素材料層を摺動面と
してブレーキシューを構成することができる。また2円
筒状で内面に炭素材料層を有するものは、たとえば軸受
、ホットプレス用成形型、連続鋳造用ダイスを構成する
のに適している。棒状で、かつその外表面が炭素材料層
であるものは、たとえば電機ブラシ、生体用の人工骨や
関節を構成するのに適している。また2球状で。
かつその外表面に炭素材料層を形成してなるものは、た
とえばベアリング用ボール、プランジャ用フロートボー
ル、流量計用ボールとして使用することができる。そし
て、炭素材料層は、たとえば軸受、ホットプレス用成形
型などにあってはその摺動面のみに施しておけばよいし
、ベアリング用ボールや流量計用ボールなどにあっては
その外表面全体に施しておく。
次に、実施例を用いて本発明をさらに詳MK説明する。
実施例1 大和田カーボン工業株式会社製0T−5200炭素材料
からなる外径85 mm 、内径75 mm 、長さ1
20mの円筒忙、フェノール樹脂の60重量%メタノー
ル溶液を含浸した東し株式会社製炭素繊維“トレカ″M
40(単糸径約7μ、単糸数300゜本)を2円筒の円
周方向に対して約5度の角度をもつように、かつ外径が
105mになるようにフィラメントワインディングした
次に、これを約70℃で5時間加熱して乾燥した後、約
200℃で約100時間加熱してフェノール樹脂を硬化
させ、さらに窒素ガス気流中にて約10°C/時の昇温
速度で1000°C’Eで昇温し、その温度に約1時間
保持してフェノール樹脂を炭化し。
C/ Cコンポジット(外側)と炭素材料(内側)とが
層状をなしている本発明の複合材を得た。
次に、  上記複合材を圧力容器に入れ、容器内を約1
0 mmHgに減圧した後上記溶液を注入し、約100
1cg/an2の圧力をかけてその溶液を上記複合材に
含浸し、取シ出して上記と同様の条件で乾燥、′フェノ
ール樹脂の硬化を行った後、窒素ガス気流中にて約10
’Oの昇温速度で約1500’ctで昇温し、その温度
に約1時間保持してフェノール樹脂を炭化した。かかる
操作をさらに6回繰り返し。
高密度化した。
次に、上記複合材の内面を、その内径が80mmになる
ように旋盤加工した。この加工は、炭素材料層のみの加
工であるだめ極めて容易かつ精度よく行うことができだ
次に、上記複合材に平均粒径約100μの滑石粉末を約
300t♂充てんし、約15oo’aに加熱した状態で
、外径約80tomの炭素製押し棒で滑石をプレスした
ところ、プレス圧が約12101cg/an2に達した
ところで破壊した。このことは1本発明の複合材がホッ
トプレス用成形型として十分使用に耐えるものであるこ
とを示している。
実施例2 東し株式会社製炭素繊維織物6343(目付200g/
m2)に、フェノール樹脂の30重量%メタノール溶液
を塗布し、室温で乾燥した後直径1100taの円板状
に切断し、これを15枚重ね合わせたものと、大和田カ
ーボン工業株式会社製OT −5200炭素材料からな
る直径100mn+、厚み5−の円板とを積層した後ホ
ットプレス用成形型に入れ。
200 kg/an2の圧力を加えながら200°q時
の昇温速度で1500°Cまで昇温し、その温度に1時
間保持してフェノール樹脂を炭化し、外径1100n+
、全厚み7.2 mm 、炭素材料層の厚み5−の本発
明の複合材を得た。
次に、上記複合材に、実施例1と同様の方法による高密
度化処理を6回旋した後、炭素材料層をその厚みが1−
になるように切削加工し、さらにそれから長さ90−7
幅10mmの試験片を切り出した。
次に、上記試験片について2株式会社島津製作所製オー
トグラフm5−2000を用い、スパン間距離70−2
荷重印加速度2.5 rrrm1分の条件で6点曲げ試
験を行ったところ2曲げ強度は約18kg/mm2であ
り、C/Cフンポジットのみからなるものにくらべてや
や低いものの、炭素材料のみからなるものの約6倍の値
を示した。
一方、上記試験片を切り出した残りの複合材の切断面に
ついて、◆1500研磨紙による研磨仕上面を光学顕微
鏡(倍率80倍)で観察した。上記断面の写真を第1図
に示す。第1図において、上半部はC/ Cコンポジッ
トであり、下半部は炭素材料層でおる。上半部において
白く見えるのは炭素繊維織物の経糸および緯糸でチシ、
炭素繊維間に黒く見えるのは空隙である。マトリクス炭
素は。
上記経糸および緯糸の各単糸間に存在している。
また、下半部において、黒い部分けやI−1ニジ空隙で
あシ、他の白色ないし灰色に見える部分は炭素である。
実施例3 溶液として、平均粒径1μの炭素粉末を20重量%にな
るようにさらに混合したものを使用したほかは実施例2
と全く同様にして、直径100mm。
全厚み5.2 wn 、炭素材料層の厚み1mmの本発
明の複合材を得た。
次に、上記複合材から実施例2と同様の試験片を作り、
同・様の条件で3点曲げ試験を行ったところ約22 k
g/mm2であシ、実施例2におけるものより 4 x
/w2も高かった。これは、溶液に炭素粉末を混入した
ために密度が高くなったからであると考えられる。
事実、実施例2と同様にして得た断面を光学顕微鏡(倍
率80倍)で観察してみると、第2−図に示すように、
炭素繊維同志の間を上記炭素粉末が埋めており(炭素繊
維間に灰色に見える部分)。
実施例2のものにくらべて空隙が少なくなっていること
が認められた。またt理由はよくわからないが、C/C
コンポジット(上半部)と炭素材料層(下半部)との界
面がよシ滑らかになっているのが認められた。
【図面の簡単な説明】
第1図および第2図は2本発明にかかる炭素複合材料の
断面における炭素繊維の形状等を示す光学顕微鏡写真(
倍率80倍)である。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 炭素繊維強化炭素材料と炭素材料との層状体からなる炭
    素複合材料。
JP57139524A 1982-08-11 1982-08-11 炭素複合材料 Pending JPS5930785A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6311570A (ja) * 1985-12-16 1988-01-19 住友金属工業株式会社 炭素繊維強化炭素材の製造方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6311570A (ja) * 1985-12-16 1988-01-19 住友金属工業株式会社 炭素繊維強化炭素材の製造方法
JPH051227B2 (ja) * 1985-12-16 1993-01-07 Sumitomo Metal Ind

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