JPS6016805A - 炭素・炭素複合材の製造方法 - 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】 本元りＪは、炭素繊維で強化さ庇た炭素質材料、すなわ
ち炭素・炭素複合相の製造方法ＶＣＩ；ｊする。

炭素・炭素複合相は、軽計（比Ｍ１，５〜１．６程度）
で、耐熱性が著しく曖れ（２５００〜３０００　ｃ程度
）、更に高温下における強度が大きいという性質を有し
、高熱にさらされる部分に用いる材料、例えば飛翔体に
おけるノズル部等に用いる材料として極めて有用なもの
である。そしで、従来、この炭素・炭素複合材は第１図
に示すような工程を経て製造されている。

まず、ブリフオーム工程１にて、炭素繊組、の織布１０
にフェノール樹脂等の熱硬化性樹脂１１全含浸させたプ
リプレグを、その製品形状に応じて、例えば第２図に示
すような板形状や第３図に示すような円筒形状となるよ
うＶＣ積層し、この積層体を加圧しながら１００〜２４
０Ｃて加熱して硬化成形体にする。次いで、炭化処理工
程２にで、上記硬化成形体を４５０〜９００Ｃの範囲で
徐々に加熱して炭化処理を施し、黒鉛化処理工程３にて
、２０００〜２９００　Ｕの範囲で徐々に加熱して黒鉛
化処理を施す。この炭化処理、黒鉛化処理における熱硬
化性樹脂１１の熱分九′ｒによりガスが発生して疎の状
態となった成形体に、ヒツチ含浸工程４にて、ピッチ祠
な・含浸させ、更に炭化処理工程５、黒鉛化処理工程６
にて再度の炭化、黒りｒ（）化’Ｌ　力ｆｊす。そして
、更に１成形体の比’ｉｌｊが所定値（１，５〜１．６
程Ｌり）に達する］Ｌでピッチ含浸、炭化処理、黒鉛化
処理全繰返Ｉ７、所定比重になったところで炭素・尿素
複合材と／ｉ：ろ成形体か児成する。

ところで、このようｆ！、従来の製造方法にあっては、
炭素１ｊＭ　Ａｔ、の流布１０の熱イ吠化性樹脂１１を
含浸させたグリプレグの積層体を１００〜２４０　Ｕ程
度の比較的低い）晶度から２０００〜２９００　ｔｌｌ
’の高温に到る寸で徐々Ｖこ温度全」−げて焼成しでい
く過程において、熱硬化性４ｒ＃Ｉ脂１１の熱分解ＶＣ
起因するガス元生、及び熱硬化性樹脂１１の収縮、そし
て、この収縮により成形体内に発生ずる熱応力等の原因
によって、特に成形体内の組成が腫、激に変化する戻化
処理土杓″２て、炭素ｔ’□、□）＜維で；ｌｉ！弓Ｑ
ｒされてい７２．１．／１各ノ？ｉ間にひひ割れＯｒ）
間剥１．’；Ｉ　）が生じやずくなり、成形体の肉厚が
厚かったり形状が抜ね化すると、ひび割れのシｌ〕生が
著しく増大し、４’Ｊ”（ノド１整、又イｊＪ（１）層
間ンこおける剪（彷強１災が低重して不良品か多くなる
ことから炭素・炭素複合イオでなる成形体の製造歩留が
非常に急くなるという問題点があった。

本発明は上記に鑑みてなされたもσ）で、炭素繊維で強
化された炭素質７１２料、−ｉなわち炭素・炭素複合材
の製造過程においで、炭素繊維織布の積層間で生ずるひ
び割Ｊ１を防止すると共に、完成品における層間強度葡
増）−こと領［］的とし層し、この１７１層した織布４
ｆ工維表１１１１に京蛍Ａ、［脣■もの金属微粉末を付
着させ、次いでこの４１１層体全炭化水素ガス雰囲気中
で加熱して１ｓｔｌ記１截維バｕｉｉ　ｉｃ熱分解炭素
を沈積させ、七の仮止１尼か哉４１］の（１（層体に液
状ピッチ又は炭素材涼イＣ［の熱硬化仕ｌ戊状樹脂の含
浸処理を施し、この言置処理Ｖこよってできた成形体に
炭化処理、黒鉛化処理ｋ　施すようにしたものである。

以下、本発明の実施例を図Ｉ＋１］に茫づいて説１ル１
する。

まず、所定形状に裁断した炭素繊維織布１０（例えば東
し社製トレカ６３４Ｆ　）を例えは第２図に示ずように
積層・１＼１し、この積層１′ツ体２０の形状をグラフ
ァイト材又ｔ」、スチール材等の型材によυ保持する。

次いで、このように形状奮保掲した積層体２０を、粒子
径１００〜５００オ／ゲスＩ−ローム（Ａ）となる疲＜
　ＩＩ”ｅ−、ニッケル丁ｑｉ１　コバルｌ・ｃｏ　％
の金ＡｔＥ　’ｉ敗粉末の混オＵＶごより慝７蜀状態に
ある挿う６性の浴剤中に７ｕけた仮に、当該ＩＥ４ハ１
１ケ４５Ｊｉ発芒ぜることによシ４Ｊ″Ｌ層体λ０の炭
素繊維底面に上記金属倣わ）末全イ１ノ（２さぜる。

そして、−１−記のようしこ金ＪＬ３ｊ微粉末を１・１
府きぜん程ｔＪｙ：ｉ体２０を・灰化水系ガス亦囲気中
で加熱して４）’ｔ　ｈ・）体ンυの各絃布１０表面Ｃ
Ｃ熱分フも１′炭素ケ沈和させゐのであるが、ここでの
処理装用ｔは例えば第４図Ｖ（−７ＪＭ　−）、１−　
Ｊ二うになっている。

ｕ’ｈ　４１ゾ１においで、３０（り１１霞み加熱装置
＋ｊ：３１全備えた加熱炉である。３２＆よメタンカス
、プロパンガス、ベンゼンガス◇ｊ−の灰化水素ガス蛍
光引したボンベ、３３は開１．（１バルブ、３４Ｉ−Ｊ
−炭化水素ガスの流量４シ・一定にするレギュレータ、
３５は炭化水素ガスの流量を監視する流１１支泪、３６
は水素〕ｆス笠のキャリアガス全充填したボンベ、３７
Ｃよ開１“１ノくルプ、３８ｔ、−３：キャリアガスの
流量を一定に１−ン、レギュレータ、３９はギヤリアガ
スの流ｔｔ　’ｆ　：＋ｉ＋ｉ−イ魁する流墓計、４０
は炭化水素ガスとキャリアガスｉＩ−？）ａ台する混合
器であり、混合ｉ：１ｉ４Ｌ）から仄化水倖、カス葡ギ
ヤリアガスで１１〜クシン′こ（昆台カス力・Ａ：：　
ＩＡボート４１を介して刀＋ｌ１４１戸３０に・１其ｈ
Ｏぜｉｌ−るようＫなっている。尚、４２ｖより１１熱
炉３０内のガス栄排気するｊ）１′気ボートである。

ここで、上口己のような処理装置において、・ダ属微粉
宋を伺５７３させた積層体２Ｄ電加熱炉３０内Ｖこ収ハ
１ｊシ、詔公導加熱装置３１で加１□、きする一方、ボ
ンベ３２から開閉パルプ３３栄介して込出さ力、る炭化
水素ガス、例えばメタンガスｒレギュレータ３４で所定
流量に調整し、このメタンガスと、７１；’ンヘ３６か
ら開閉パルプ３７に介しレギコーレーク３８で所尼流症
に、ｌＡ整したギヤ１屈アカス、例えは水素ガスとを混
合器４０で混合し２．この混合ガスτ給気ポート４１か
ら加熱炉３０内に送入りω。そして、加熱状ｙｇ　（ｔ
ｏｏＯ−１１００ｃ　）にあル積屠体２０ノ谷織布１０
表１イエＪで上記混合ガス中のメタンガスが熱分５ｍし
、炭素の単１本となって晶゛乏布１ｏの炭素繊維表面に
沈積り２．。

この時１．ｉ、１７層休２０の；丘、「代ｘ１ｉｉ０表
向に１昆し′（−利７・す讐してい７）　ｇ、Ｊ≧駐４
）式Ａ力木の万虫媒１丁ノ目しこより、ｉｉ必布１゜の
炭素Ａ＋ｂＪ、　＆Ｌへのパリヲ分解戻光の沈積が促進
′されることとなる。

次に、このようυ′ご熱分ノ９Ｔ炭講ｒ沈１責さぜたｂ
ｋ布１０のＭｔ　））−１体２０紫例えｅ」′ステンレ
スー製の谷］）Ｊ中に収容した液入ピッチ中υ（−反け
、徹状ヒツチ中に浸けた氾１へ’？ｉ′ｌ＊２Ｕ疋啓石
Ｊごと７Ｊ１１圧ドでカ１１Δ疫し、イｊ’を屠体２ｕ
内１ｔｃヒツチ企ぼ浸ざぜて侵化さぜる。

そして、このヒツチ１「浸処ｊ、Ｂｉｊ　；Ｃよってで
きた成形体は、以１麦第１（名ｌ　Ｋ　７Ｊ＜ず従来の
炭化処理、黒ぐイ１化処理、及びｌ’）　１隻りヒツチ
含浸処理が緑返し施さノ’ｔｌｊｒ′ｌピ比２１ｉとな
ったとごろて炭素・炭素複合月でなる成形体として完成
づ−る。

上記のよう４二袋造方法によると、炭化水素の熱分解戻
光が織Ｋｌｉ　Ｉ　Ｕ　Ｇ’Ｊ炭素繊維表面に沈４Ｊ１
（する際に、鉄１＋’ｅ等の金属微粉末の力虫媒作用９
Ｃよってその炭素結晶の成長が促進され、績Ｊ（！ｊ体
２０内における外仰１１内側でその沈積７１ｉ度が腐乱
１ｉ４ｆで、かつばらつきの少ないものとｌゐ。そして
、この熱分解炭素が織布１０の炭素繊維とｊ％力に力２
，５廿すると共に、谷誠４’（ｉ　ｊＱの４Ａ層１ｉＪ
　（Ｄ　’ＩＪ’　ｌ’ｃ　１４＋ｉ！　ｌｉｄ　ノ小
さな部分で織′／１１ｊ１０の炭素繊維表１’ｊ　Ｉｔ
こ沈イエ（した熱分解尿素が互いに結合すること−（’
　４ｔ　ＩＩＪ　Ｃｌ、２０がより強固な構造体となめ
。

また、各紡蒲１０の炭素繊ηｌ’ｉ：　７）・熱分）・
イ縦糸にＪ二って４Ａわれることで績Ｊｔ゛ｉ体２０内
Ｖこヒツチ〃・含促され易くなり、成形体の■）反雀商
いものと３−ωこと７）為できる。これらの理由により
、）ｋ’＜素・炭素複合材の製造過程、竹にＬそ化処理
工捏て゛成形体内の組成か急な７＆こ変化しでも、成形
１，１・内しこＯ・び割れ（層間剥離）か生しす、Ａ　
くなると共に、−（の元成品における枳層平面方向のｖ
：」ｈカミ＋皮も人＠なものとなる。

次に本発明の製造方法Ｖヒよって紋遣訟れたＬｊｔ素・
炭素複合材の試験体＆しおけ２）ひＵ・割れ０；’１間
Ｅ　Ｐｒｔｒ：　）のつｔソ１ゼ状況、及び剪断強思笠
２．ｆ、金利微粉末のイ」７；“７を行なわずに単に熱
分カＴ炭素の沈、ＩＩＩｔイＵイｊ・υ７・も・ど１ぶ
しｌ′ζ、７Ａ：　躾４１ｊ　（几伐例１）、及υ（ｉ
ｊ′］米のｇｉａ　）、Ｔｊ方力法より装造した試ｆ？
Ａ　ｉ・ド（比較例２）とｉｔ；　＋；＋：；：　ｔ、
て第Ｌ　ｊ：＜Ｋ示−Ｊ−ｏ　尚、ひび割ノア。

の飴１ｉ１−ｆ’、１□、肉１ｊじＣチェック４′るの
みシ：（らず、試験ｆ’ｌ”６”−ｌｆｌ、’ｌ　９１
’ｌ　’アル、ｌニア　Ｂ、　ｑ眼イｌｉ　Ｌ−Ｃぞの
ｚｂ：　９６　ｃ　１ｉｊ７　ＭしＡ盃元二゛ハＪｌこ
））、／Ｌ一部分が４’ｌｌ　；ｉＬ　Ｉｌｊ、７７”
ルコールが−３の−Ｓ／Ｊ−）・（す＋’、’ｌ几旧、
７：　′ｌｌ大人ｌ仁とい′）ことで、ひひ１、すλＬ
　ｚ’ｒ冒Ｑ　：’ｉ：　ｌ、　７’ｒ−と＋１１　ｔ
ｉｊｉ　Ｌ　ｉｃ。

、−／’ ７／ ／／ ／／ ／′／ ２、・′ 第　１　社 尚、比較例１は、炭素繊維織布を平板に積層した後１．
１０００ｉｃの雰囲気中でベンゼンガス−６ｉｏ。

時間熱分解沈積処理し１、その後、ピッチ含浸、炭化処
理、黒鉛化処理全３サイクル繰り返した。

実施例士は、炭素繊維織布を平板に積層した後、２００
〜５００オングストローム（Ａ）の鉄Ｆｅ９粉末全付着
させ、比クク例１と同様の処理を施した。比較例２は、
プリプレグ全平板に積層した後、炭化処理、黒鉛化処理
を施し、更にピンチ含ジ、炭化処理、黒鉛化処理を３サ
イクル顔シ返した。

この第ｌＪセに示す結果から、炭素繊維織布の積層体の
各織イ１ｉ表面に熱分フウ′−炭素を沈積させ、そのイ
そ、ピッチ含浸処理、炭化処理、黒鉛化処理を施してＪ
ｊ”−ｊ＋’４・炭素伐会拐の成形体を製造すると、そ
の製造過程で成形体内にひび割れが発生せず、完成品に
おける積層平面方向の剪断強度も従来の製造方法によっ
てできたものよシも著しく大きくなることが判る。また
、上記熱分解炭素の沈積処理のｎｉ■に鉄Ｆｅ微粉末を
積層体に付着させておくと、その完成品における各強度
が更に増すことが判る。（実施例、比較例１）尚、本実
施例では、炭素繊維の織布葡績ＩＱ７　したが、これに
限られず炭素繊維の原Ｕ料繊維、例えば、ポリントロア
クリル（ＰＡＮ）繊維、レーヨン繊維でなる織布を積層
して、その積層棒金熱処理するようにしても良い。但し
、炭素繊維の織布を積層した方が強度的に５　ｆｌ−た
ものとなる。ピッチの含浸の替わ９に炭素材原料の、橘
硬化性液状樹脂（加熱した際、樹脂分が燃焼して炭化す
るもの）、例えばフェノール（η（ｌ１ｊｊ　％　’Ｌ
含浸させても良い。

以上説明してきたように本つし明によれは、炭素繊維織
布の積層体に重金属系の金ｈ４微粉末ｌｆ付着し、更に
その積層体に熱分ｔｔ：「炭素を沈イＪ１させるように
したため、金属微粉末の触媒作用によシ、熱分解炭素の
沈積が促進されんことになり、積層体における炭素繊維
織布間での炭素結晶による結合強度が増加する。そり結
果、その後、ピッチ含浸、炭化処理、黒鉛化処理工程す
製造過程でのひび割れ発生音防止することができ、成形
する炭素・炭素複合材の形状が大型化、複雑化してもそ
の成形体を歩留良く製造ができるという効果が得られる
。址だ積層平面方向の剪断強度も更に大きなものが得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の炭素・炭素複合材の製造工程ケ示すブロ
ック図、第２図、第３図は従来の製造方法におけるプリ
プレグの禎Ｍ体の例を示す説明図、第４図は炭素繊維織
布の４１１層体の各爬ζ布表面に熱分解炭素葡沈積させ
る装置の一しリ忙示す説明図である。 １・・・プリフォーム工程 ２．５・・・炭化処理工程 ３．６・・・黒鉛化処理工程 ４・・・ピッチ含浸工程　１０・・・織布２０・・・積
層体 特許出願人　日産自動車株式会社 代理人弁理士土橋　皓

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 炭素、４．、Ｈ，７賄又ｔｉ＋炭素線維の原材料繊維で
   なる織布（１０）を私ｈ／ｉＬ／　、この積層した織布
   の繊維表面に重金１１系の金属微粉末を付着させ、次い
   でこの積層体ＣＡＮＩを炭化水素ガス雰囲気中で加熱し
   て前記繊δｆｔ衣面に熱分解炭素全沈積させ、その後土
   Ｎｒ２１ｉ＆布の積ｈニア体しＬｌｉ　ＶＣ７１’ｉ状
   ピンチ又は戻水材原料の熱硬化性液状４ＩＩＪ脂の含浸
   処理を力布し、この含浸処理によってできた成形体に炭
   化処理、黒鉛化処理を力寵すようＶＣシたことを・特徴
   とする炭素・炭素複合材の製造方法。