JPS60209017A - セラミツク被覆されたグラフアイトフアイバおよびその製造方法 - 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】 本発明は耐酸化性のあるグラファイト性ファイバおよび
その製造方法に関する。

高強度は、プラスチックス、金属類、およびセラミック
スとの混合物の形成に価値あらしめたカーボンまたはグ
ラファイトに起因している。その最後のグループは、セ
ラミックスの高温強度および低反応性の理由で興味があ
る。カーボンまたはグラファイトファイバのセラミック
スへの添加は、セラ”、ミックスのクラック感受性を下
げることが出来るのでそれによシ利用を拡大している。

従来グラファイトファイバをセラミック材料と混合する
には、多くの方法が知られている。例えばり。

Ｗ、ポウズ（Ｂｏｗｅａ　）等は米国特許第３，６４６
゜９．０８号でスラリー状セラミック粒子を容器から引
出す方法を示している。ファイバにくっついた粒子およ
び結合物を、その後成形品として貯える。成形品をそれ
から加熱、圧縮し、セラミックをとかす。他の方法は、
ファイバを裁断し、その後の成形および溶融のためセラ
ミックと混和する。

これら従来法の一般的問題は、セラミックが一般には冒
温で溶け、通常極めて不活性な材料であるゲラフィトが
、セラミックスとしばしば共存する成分であるａＩＲ累
との結合の結果生ずる高温で劣化することである。その
はかの問題は、高いヤングモジュラスのグラファイトフ
ァイバが製造方法によっては正しく配列した表面を有し
ているが、露出された結晶基礎面が反応性が低く且つ結
合が弱いことである。これらの性質はファイバとセラミ
ックマトリックス間の引き裂き分離を生ずる傾向を有す
る。逆に、その脅蛍自体のグラファイトによる被覆は、
グラファイトの強度を辣するか、破壊する。同様に、厚
い被覆は、結合される材料に起因する強度を支配するこ
とができる。最後に、従来の、乾燥したスラリーめるい
は固体被覆の何れかとしての、グラファイト土のセラミ
ック被覆は、ファイバの加工を困難にするもろくする傾
向がある。

これらの問題の一般的解決は、これまでファイバをシリ
コンで被覆して行われていた。

、シリコンは直ちにカーボンと結合しシリコンカーバイ
ト（ＳｉＣ）を作る。シリコンはまた、酸化して被膜（
５ｉ０２　）　を作り、その被膜は強く、且つ縞温下で
も酸化されない。ファイバのシリコンによる被覆には、
蒸着および溶融シリコン中への浸漬のような、多くの方
法が知られている。蒸着は、不揃いの結果を与　゛える
が、浸漬はファイバ表面の、シリコンカーバイドへの過
度の変換をまねき、ファイバおよび／または過剰のシリ
コン堆積を弱化し、結付を弱める。何れの場合ｖＣ於て
も、成分の熱的不釣台が、更にファイバ切裂き分解をも
たらすことができる。

車装であシながら最後になった考慮すべきことは、シリ
コン被覆の厚さである。混成物の強度は、成分の強要に
成分割付を掛けた値の合計にはｙ等しいという、混合物
の規則は、被覆がカーボンの強度を支配せしめるため、
出来るたけ薄くすべきことを示している。

本発明は一般に、優れた耐酸化性および高機械的累性を
有するシリコン／カーボン合金ならびらそのようなファ
イバの製法に関する。

このようなファイバは本発明において、グラファイトプ
レカーサ（ＰＡＮまたは安定化したＰＡＮ）を、ポリ有
機シリコンを含む被覆で被覆することによシ作られる。

この被覆とグラファイトプレカーサーは、熱処理、即ち
熱分解され同時にプレカーサーをグラファイトに、被覆
をシリコンベースのセラミックに変え、それによシ合金
ファイバを作る。後者は、グラファイトファイバの機械
的性質とセラミックファイバの耐酸化性を証明している
。

別に、ポリ有位シリコンの被覆には、加熱分解０］′症
なボロン化合物を會み得る。被覆中の任意の成分である
ボロンは、製品中に異なる数工程の何れに於ても加え得
る。例えば、アルキルボレート溶液は混合するか、ある
いはポリ有機シリコン用溶媒として使用するか、あるい
は可溶性ボロン化合物は、熱分解前の追加の浸漬工程で
加えることができる。ボロンを含むガスも、最終の高温
度加熱処理の間に使用される雰囲気中に含ませることが
出来、プレカーサーファイバのグラファイト化および被
覆のセラミック形成を生ずる集熱分解を達成する。その
場合、この［６されたプレカーサーファイバの熱分解は
、ボロン／シリコン／カーボン合金ファイバを生成子る
。

本発明のプレカーサーファイバおよび被覆の集熱分解は
、いくつかの理由によシ重要である：即ち被覆とファイ
バは熱処理の間に緊密に接触し、界面に良好な接層が掲
化される；たた１回の熱処理がファイバの熱露出を最低
にする；たソ１回の熱処理が、多数回の熱処理よシ時間
、装置およびエネルギーの面でより経済的である；そし
て残留応力はカーボンの芯と合金の被覆との結合創造に
よシ最低となる。

いくつかの、最近の別の技術開発は本発明に有用である
。小さな直径（例えば５ミクロン）のグラファイトファ
イバが、グラファイトプレカーサーとして用いたＰＡＮ
（ポリアクリロニトリル）か現在開発されている。これ
らの細いファイバは、より太いファイバよシ良好な引張
シモジラスおよび強度のような機械強度を示している。

比較的厚い被覆は、生成される被覆ファイバの良好なフ
ァイバ取扱い特性を顕著には劣化することなくこれらの
ファイバにほどこすことが出来る。特に小さな極限的は
半径が維持し得る。４ミクロン直径のファイバ上の１ミ
クロン厚さの被覆は、６ミクロン直径のファイバとなシ
、そ些でも代表的な７ミクロンの市販のグラファイトフ
ァイバよシ細い。

同様に、これらのより細いグラファイトファイバはよシ
低温で処理して、高モジュラスを達成することができる
。尚モジュラスグラファイトファイバの代表的処理温度
（例えば２３００℃〜３０００℃）では、はとんどのセ
ラミックスは顕著な蒸気圧を示す。よ’）　Ｍｆｌいフ
ァイバの使用は、ファイバのセラミック処理をより低温
で行うことを可能にする一方、それでも高モジュラスで
耐酸化性のある適切に＃＆されたファイバを生ずる。

ヤジマ（ｓ、ヤジマ、Ｊ、ハヤシ、Ｍ、オモリ、ケミス
トリーレタース、９３１−９３４頁、１９７５）および
ウェスト（Ｗｅｓｔ　）　（米国特許第４，３２４，９
０１号）により開発された有機シリコンポリマー技術も
、本発明の実施に有用である。そのような有機シリコン
技術は、ポリマーをセラミックに変えるまえのポリマ−
の成形時の可撓性を利用して、ポリマープレカーサーか
らセラミックスを構成せしめる。

プレカーサーポリマーがポリカルボシランの時、その分
解温よシ高い温度の熱処理がポリマーを多結晶シリコン
カーバイトに変える。

ポリカルボシロキサンは、シリコンオキサイドとシリコ
ンカーバイドとあ多結晶混合物に熱的に変わる傾向があ
る。本発明のこの技術の使用は、比較的低温で、従って
低揮発方法でシリコンをグラファイトファイバ系へ導入
することを可能とする。低揮発であることは、グラファ
イト化焼成間の高被覆率の保証に重要である。

以下の実施例に詳細に示すように、シリコンとボロンと
の組合せ処理が、何れかの処理の単独よシ優れた実質上
の且つ予期せざる改良をもたら−す。この組合せ処理は
より細い径のファイバにほどこす際に特に効果的でるる
か、そのようなものに限定されるものでもなく、より太
いカーボンまたはグラファイトファイバにも適用可能で
ある。

従って、本発明の目的は、セラミック／カーボン合金フ
ァイバ（またはそれにはシつけたセラミックで被覆され
たグラファイトファイバ）を提供することにある。本発
明の目的は、更にポリマー性セラミックープレカーサー
材料で被覆されたグラファイト−プレカーサーファイバ
を集熱分解することによシ、そのようなファイバを製造
する方法を提供することにある。

まだ、本発明の目的は、酸化に対して改良された抵抗を
有するグラファイトを提供し、ファイバの酸化に耐性の
あるグラファイトファイバ上のセラミック表面被覆を提
供し、且つ、カーボンまだはグラファイトファイ、バ上
のそのようなセラミック表面被覆を、ファイバの引張シ
特性および取扱い特性の実買上の低下なしに形成するこ
とにある。

また更に、本発明の目的は、部分的には明瞭であシ、ま
た部分的にはこれ以降に示す。

このように、本発明には、いくつかの工程および、その
ような工程の１つあるいはそれ以上の相互の関係を含む
方法および、成分の形態、性質および関連性を有する成
品および組成物とが含まれる。そ五ら全ての成分は以下
の記載および特許請求の範囲に示した出願の範囲に例示
される。

本発明の本質および目的の十分な理解のために、以下の
詳細な説明を６≦付の図面と共に参照すべきであり、そ
の図面には本発明の方法を行なう上で有効な概略装置が
示されている。

本発明の方法において、ピッチ、レーヨン等のグラファ
イトプレカーサー材料、好ましくはポリアクリロニトリ
ル（ＰＡＮ）のファイバ索２０全供給リール２２から炉
２２へ供給する。ここに用いるＰＡＮの語は、アクリロ
ニトリルポモポリマーおよび１５モルパーセントまでの
スチレン、ビニルピリジン、ビニルクロライド、ビニリ
デンクロライド、アクリル酸メチルエステル、メタクリ
レートエステル類、ビニルアセテート等とアクリロニト
リルとの各種のコポリマー類の両方の意味であり、これ
らを含むと了解すべきである。

索２０は代表的には数百以上の平行な、連続するフィラ
メントで作られ、各フィラメントは、例えば１０ミクロ
ンの呼称平均直径を有している。炉２４内で累をけん張
、代表的にはファイバ断面積平方ミリメートル当シ５か
ら１００グラムのけん張子に保持しカーボン構造を配列
し、ファイバを延伸してよ＃）細い直径とする。炉２４
内の緊張下でファイバを、空気のような酸化雰囲気内で
、約２００から３００℃、例えば１２０分以上、酸素含
有量が５から１５重量％、好ましくは約１０％となるま
で連続的に酸化する。このＰＡＮファイバのその後の処
理前に延伸する標準方法は、安定化または熱硬化として
知られている。

安定化されたファイバは、それから温度勾配炉２６内に
入れられ、そこで非酸化雰囲気、代表的には窒素等下で
、ファイバ断面積平方ミリメートル当シ約５００から５
０００グラムの緊張をかけながら連続的に熱処理される
。

炉２６の入口温度は約３００℃に保持されているが、炉
の出口温度は約６５０℃である。

ファイバの炉２６内の滞留時間は通常５分である。これ
らの条件下で、ＰＡＮファイバ索は、炭化され、所望の
最低直径までに線引きされる。

上に示しだように、本発明の方法の重要な部分は、シリ
コン−ベースのセラミックプレカーサーとしてのポリ有
機シリコンの被覆を有するカーボン−プレカーサーファ
イバの準備にある。この目的のだめの本発明で有効なポ
リ有機シリコン化合物には、ポリジメチルシランおよび
ポリシラスチレンのようなポリシラン類；ポリフェニル
メチルシロキサンおよびポリジメチルシロキサンのよう
なポリシポリフェニルメチルシラザンのようなポリシラ
ザン類のようなポリカルボシラン類；およびポリジメチ
ルシリチアンおよびポリフェニルシリチアンのようなポ
リシリチアン類；等がある。このような化合物は、それ
自信ファイバ上に被覆ｃｉＪ能であるか、ファイバ上に
溶媒から被覆可能のいづれかでなければならず、形成さ
れた被覆は、グラファイトプレカーサーファイバがグラ
ファイトに熱分解する温度範囲（即ち１０００°乃至２
５５０℃）内でシリコン−ベースのセラミックに熱分解
可能でなければならない。本発明のよシ好ましい態様に
於ては、ＰＡＮファイバは、米国特許第４，３２４，９
０１号に教示するようにフェニルメ”チルジクロロシラ
ンとジメチルジクロロシランとの反応によシ作られるポ
リスチレンのような、且つ分子量が代表的にｊ−ｏｏか
ら５０゜０００の範囲、望ましくは約１５００を、有す
るポリ有機シランで連続的に被覆する。被覆は索にＰＡ
Ｎの炭化の完成前あるいは後の何れかに、索を単に、ト
ルエン、キシレン、テトラヒドロフラン等のψくの比軟
的揮発性の溶媒の何れかにとかしたポリ有愼シランの噴
水３０を通過させるだけでほどこすことが出来る。ポリ
有機シラン被覆は、ファイバ索に付層し、穴および後者
の表面不整部分に浸透し２−！たは３ミクロンの厚さの
被覆を与える。

被覆されたファイバ索は、好ましくは窒素のような非酸
比雰囲気で、約２５０℃に保たれた乾燥器３２を通過せ
しめる。このような乾燥は、揮発性溶媒の（・−よとん
どを蒸発し、素上のポリマー被覆を、厚さ約１または２
ミクロンに１での収縮に作用する。この転線工程は、あ
る物が溶媒を使用せず、またその他の場合、ある溶媒が
、被覆された紫が必要とするその鎌の尚温熱処理によっ
て直接蒸発するか分解する限り（最終製品に不利益な影
響なしに）、全ての被覆材料に与える必要はない。

最後に、ポリマー被覆したファイバ索は、望累のような
非酸化雰囲気のグラファイト化炉３６を連続的に通し、
ゆつくシと２１００゜と２５００℃の間の温度まで加熱
し、ＰＡＮファイバがグラファイトに、ポリ有機シリコ
ン被覆がシリコンセラミックに実質的に集熱分解するに
十分な時間炉内に滞留するようにする。代表的には、Ｐ
ＡＮ上のより好ましいポリシラスチレン被覆に対しては
、炭化は２３００℃で５秒から１分間の滞留で直ちに達
成される。この間ＰＡＮ１ポリシランまたは溶媒中の全
ての残存揮発分は放逐されシリコンへ−スのセラミック
被覆が形成される。

セラミック被覆はｔ［’して合体し、穴および下ノーの
グラファイトの不整部を充填し、ファイバ表面の実質的
シーリングを確実にする。・ある化学反応がセラミック
ーグラファイト界面で起り、いくらかのシリコンカーバ
イトを形成すると信じられる。

熱分解の間の炉３６内で使用する温度の選択は、数種の
変数に従がい、上に記載した温度から変え得ることを仰
るべきである。勿論、グラファイト化が起る最低温度、
即ち１０００℃、あるいはそれ以上であることが必要で
ある。同様に、セラミックが破壊し始める最低温度、即
ち約２５５０℃を越えないことが虚要である。１０００
℃から２５５０℃のこの温度範囲内でポリ有機シリコン
被覆の熱分解が起らなければならないが、後者はまだフ
ァイバと接触している。このように、選択される温度は
、被覆が蒸発できるかあるいは蒸発する前で、且つグラ
ファイト化工程が、セラミック被覆の実質量が確かに蒸
発しないか、あるいは昇華しないように選択された温度
でおよび／あるいは時間内で完了されるべき以前に、被
覆のセラミックへの熱分解を確立するに十分なものでな
ければならない。

ある場合には、ボロン−セラミックプレカーサー材料を
、熱分解の前あるいは熱分解前の早い時期のいづれかに
、被覆に加えるのが望ましい。例えば、ボロンクロライ
ドまたはボロンブロマイドのようなボロンハライドとメ
タン等のハイドロカーボンガスとのガス混合物を加える
ことができる。これらのガス混合物は、その後熱分解熱
中で反応しボロンを堆積する。ジボランガスも、ボロン
の原料として用い得る。ファイバ索も、ボロン酸あるい
はアンモニウムボレートの水浴液のようなボレート塩水
溶液中に、ポリ有機シリコンによる被覆の前あるいは後
のいづれかで、ゲラフィト化の前に浸透することにより
被覆し得る。別法として、アルキルボレート溶液を、ポ
リ有機シリコンと、例えばメチルボレートをポリ有機シ
ラン用溶媒として用いて、後者による索の被覆の前に、
混和し得る。被覆に加えるボロン含有材料は、グラファ
イトプレカーサーおよびシリコンベースのセラミックプ
レカーサー被覆の熱分解に使用する温度で、ボロンまた
はボロンとカーボンおよび／またはシリコンとの反応生
成物を生ずる熱分解可能であるべきである。

被覆されたファイバの耐酸化性は、セラミック／ファイ
バまたは金属／ファイバ混成材料全形成する高温ではそ
のようなファイバとセラミック類または金属類との混和
可能な時間の限度として用いる。耐酸化性はまた高温使
用条件下のファイバ耐久性の限度として用いる。本発明
によシ処理し、他の被覆をゼし、且つ異なる温度で処理
されたファイバ類が、異なるストレス荷重下で耐酸化性
に対し、破損までの時間について試験された。結果は以
下の表に示す通シであシ、これらのファイバの比軟利用
がセラミック／ファイバ、または金属／ファイバ混成物
に於ける使用に対し示されている。ｍＩ表は、各種の処
理をしたグラファイトファイバについて空気中、９００
℃で３．５グラム荷重下に保持したときの破損までの測
定時間を分と秒で示しだものである。

第１表 第■表は各種の被覆処理した後、２３００℃で基本的処
理したグラファイトファイバについて、空気中、９００
℃で４０グラムおよび１００グラムの荷重下で試験した
破損までの測定時間を分と秒で示したものである。

第　■　表 ポリ有機シラン被覆は、未処理のファイバに対しファイ
バの酸化耐性が顕著に増大することが明らかでめる。し
かし第１表もメチルボレートのポリシラン被覆との共用
がグラファイトファイバの酸化耐性を劇的に改良するこ
とを示している。また最適の処理温度２３００℃でなさ
れた熱分解に基づく第■表は、ポリシランとメチルボレ
ートとの組合せを用いた処理によ、！ｌｌｌ得られた耐
酸化性が、メチルボレートのみで処理するかあるいは４
榎処理にかけないファイバ類を凌駕する改良であること
を確認している。

追加の試験は、更に、シリコンセラミック′　またはボ
ロン／シリコンセラミックの何れかで被覆した本発明の
グラファイトファイバが、他の同じ処理によって作った
非被覆のグラファイトファイバに対し、実質上同様な熱
伝導性、外観、可碗性、引張シ強度、および化学的耐性
を有する一方１．Ｓ暁被覆のファイバに比軟して所望の
Ｈ除土改良された耐酸化性も示している。

上記の方法および製品についての成る種の変更がここに
含まれる本発明の範囲をいつ脱することなく行い得るの
で、上記の記載に含まれ、あるいは添付の図面に示され
ている全ての事項は例示であシ、限定ではないことを企
図している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法を実施する上で有効な工程の１態
様を示す圀である。 図において２０はグラファイトファイバ索を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　改良された耐酸化性を有するセラミック被覆したグ
   ラファイトファイバの製造方法において、熱分解の際シ
   リコンベースのセラミックを形成可能な層でグラファイ
   ト−プレカーサーを被覆する工程；該グラファイト−プ
   レカーサーファイバとその上の層を、該ファイバのグラ
   ファイト化と該層の該セラミックへの熱分解との両方に
   十分な温度と時間で集熱分解する工程を含むことを特徴
   とするグラファイトファイバの製造方法。 ２、該集熱分解工程を非酸化雰囲気で、約１０００°か
   ら２５５０℃の温度で行なう特許請求の範囲第１項の方
   法。 ３、　該ファイバがポリアクリロニトリル、コールター
   ルピッチと石油、およびレーヨンからなる群から選ばれ
   る材料である特許請求の範囲第１項の方法。 ４、該層がポリ有機シランを含む特許請求の範囲第１項
   の方法。 ５、該ポリ有機シランが５００から５０．０００の範囲
   の分子量を有する特許請求の範囲第４項の方法。 ６、該層が、該温度と該時間の間にボロンに熱分解され
   得る材料も含む特許請求の範囲第１項の方法。 ７、　該材料がアルキルボレートを含む特許請求の範囲
   第６項の方法。 ８、改良された耐酸化性を有するセラミック被覆したグ
   ラファイトファイバの製造方法において、熱分解の際シ
   リコンベースのセラミックを形成可能な層でグラファイ
   ト−プレカーサーを被覆する工程；該グラファイト−プ
   レカーサーファイバとその上の層を、該ファイバのグラ
   ファイト化と該層の該セラミックへの熱分解との両方を
   行なう非酸化雰囲気で約１ｏｏｏ℃から２５５０℃の温
   度で集熱分解する工程を含み、ポロンハライドとハイド
   ロカーボン流体とを該雰囲気に、少くとも該熱分解工程
   の間に与えることを特徴とするグラファイトファイバの
   製造方法。 ９、　改良された耐酸化性を有するセラミック被覆した
   グラファイトファイバの製造方法において、グラファイ
   ト−プレカーサーを酸化雰囲気において酸化して５がら
   １５重量パーセントの範囲の酸素を含ませるに十分な温
   度と時間加熱する予備酸化工程；熱分解の際シリコンベ
   ースのセラミックを形成可能なノーで、グラファイト−
   プレカーサーを被覆する工程； 該グラファイト−プレカーサーファイバとその上のノー
   を、該ファイバのグラファイト化と該層の該セラミック
   への熱分解との両方を行なう非酸化雰囲気で約１０００
   ℃から２５００℃の温度で集熱分解する工程、を含むこ
   とを特徴とするグラファイトファイバの製造方法。 １０、ポリ有機シリコンを有するグラファイト−プレカ
   ーサーファイバの集熱分解によって作られるセラミック
   層で被覆されたグラファイトファイバ。