JPS6082344A - 無機質複合材料 - 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】 本発明は炭素繊維で強化した新規な無機質複合材料に関
する。本発明は、高温下での高い強度と無機質非金属材
料の耐火性、耐酸化性、耐化学薬品性、耐摩耗性、電気
絶縁性などの性質を兼ね備えｆｔ新規な複合材料でお９
５幅広い分野にわたって新規な材料として受け入れられ
る可能性がある。

従来から無機繊維と無機材料との複合材料には多くのも
のが知られている。たとえば１ポルトランドセメント成
形物１石こう成形物および珪酸カルシウム成形物には石
綿、ガラス繊維、炭素繊維による強化物が知られている
。また、炭素繊維で補強し大炭素成形物は電極材料や電
導ブラシとしてすぐれた性能を示すと言われる。また、
ホウ素繊維、アルミナ繊維、炭化ケイ素繊維、炭素繊維
と金属の複合材料は将来の機能性材料として期待が大き
い。しかし、これらの材料は主として無機繊維の強さを
利用した分野に使用されていると思われ、無機材料の性
質とくに耐火性を十分に利用した分野への応用は少ない
ようである。この原因は、無ｉａ繊維、無機非金属材料
のいずれもが伸びの少ない硬い材料であるために熱膨張
率の相違によって生じるひずみが高温下では太きくなシ
、複合材料がこわれ易く疲労を生じ易い状態になる結果
、高温下での長時間使用が可能な材料の製造研究が非常
に難かしいことにあると思われる。また、高温下での長
時間使用が可能な材料は室温ではひずみが大きくこわれ
易いという問題点がある。

これらの問題点について検討した結果、比較的薄肉の材
料で二相間の界面が入シ組んだ構造のものは熱ひずみに
よる強度の低下がやや少ないことを知シ、本発明に到達
した。

本発明は、主として炭素繊維からなるシート状物を繊維
質の強化材とし、無機質非金属の溶射成形物をマトリッ
クス材とした無機質複合材料である。炭素繊維は融点の
きわめて高い材料であるが、高温では酸素および窒素と
反応するため真空中またＦｉｏ族気族生体中いと使用で
きない。種々の酸化物、炭化物、窒化物、ホウ化物、ケ
イ化物などの無機質非金属材料は、多くの場合、高温で
の酸化に対して安定である。しかし、室温では硬くもろ
いため薄板状への成形は非常に難かしい。また繊維への
成形も非常に難かしく、原料価格に比して繊維価格が著
しく高くしかも二次加工性が非常に劣っている。これら
の無機質非金属材料の繊維は紡績や撚糸工程すら通過し
に＜＜、製織製編も難かしい。一方、不織布の製造は可
能であるが。

有機繊維の場合のような丈夫なもの、薄肉のものの製造
は容易ではない。ここで、有機繊維を多量に混合すれば
二次加工は容易になるが、耐火物として使用するために
は有機繊維を焼却除去する必要があシきわめて高コスト
である。

本発明において、複合材料の強化材としては無機繊維の
中では二次加工性の良好な炭素繊維を使用する。炭素繊
維は決して安価な材料と言うことはできないが、二次加
工品のコストで比較すると耐火性無機繊維の中で高価な
ほうであるとは言えない。マトリックス材として無機質
非金属材料の溶射成形物を用いる理由は、′ｍ溶射成形
物、被溶射材が存在する空間のみに形成されることであ
る。

溶射成形物は強化材の炭素繊維の周囲を被ａｌｓて形成
され１強化材にあらかじめ存在する空間は溶射皮膜が薄
い間は保存される。このため複合材料に生じる熱ひずみ
はかなシの割合でシートの局部的な変形によって緩和さ
れる。一方、従来から広く行なわれている焼結法による
セラミックスの成形の場合には、焼結用の粉体を高圧に
よってすきまなく成形し、加熱して粉体全結合させるた
めに強化材のすきまはすべて充填されてしまう。このよ
うなすきまのない充填は、セラミックス成形物の強さに
対しては好ましい条件であるが、複合材料の局部的な可
撓性は期待できず、繊維が入った利点を高温下で発揮で
きない問題を有している。

本発明の複合材料は、好ましくは原料の主として炭素繊
維からなるシート状物が有していた空隙を一部残して溶
射成形物を形成させたものでるる。

残留する空ｌ！１ｉｉは複合材料に可撓性と衝撃吸収能
を与えるとともに保温力、吸音力、粉体の濾過能力を与
える。これらの性質は繊維質のシート状物が共通的に有
するものでメジ、これらの性質によって本発明の複合材
料は繊維質のシート状物としての用途に使用することが
できる。一般に、セラミックス繊維は二次加工性が劣る
ことから不織布構造物を除きあまシ用いられていないが
１本発明の複合材料はセラミックスの繊維質シート状物
に似た拐料として広く用いられる可能性がある。

本発明において、溶射成形物の形成は溶射方法として従
来から知らｉｔているいずれの方法も適用できるが、火
焔またはプラズマジェットの中に粉体状の溶射材料を導
入して溶射する方法と、火焔またはアーク放電の中へ棒
状の溶射材料を導入して破砕溶融して溶射する方法が好
適である。溶射材料は、火焔ま−ｆｃＦｉ放電等によっ
て生じたプラズマの中で溶融まｆｃは焼結可能な温度の
微粒子を形成させた後、プラズマ流または高速気流に乗
せて主として炭素繊維からなるシート状物に衝突させに
近い速度あるいは超音速に加速されたのち被溶射物に衝
突し、それ自身の運動量によって繊維表面に圧着されて
皮膜状になる。後続の粒子はさらにこれらに衝突して融
着し、積層されて膜状、スポンジ状あるいは鱗片状に成
形される。また一部は繊維の間隙からシート状物の内部
に貫通し、後続の粒子と融着して立体的な網状構造を形
成する。

ソート状物の空隙の大きさによっては溶射材料の皮膜は
シート状物の裏面にまで形成させることが可能である。

シート状物の突膝が小さい場合には溶射材料の皮膜はシ
ート状物の主に片側に形成される。本発明の目的に対し
ては溶射材料の皮膜が炭素繊維の全表面を被覆している
ことが好ましいので１その場合に＃′ｉ溶射を両面から
実施する。溶射成形物の形状Ｖｉ累層状の粗面を有する
場合が多く、内部に空孔を有することが多い。このよう
な状態では溶射成形物による保護作用が乏しいうえに溶
射成形物の耐摩耗性、耐疲労性が低いので表面にコー　
ティングを行なって改良することが好ましい。具体的な
例としては、アルミナの溶射成形物の上にコロイダルシ
リカ、コロイダルアルミナを適宜な分散液を用いて塗布
したのち、コート層が一体化する程度の温度で熱処理を
行なうことによシ複合材の耐久性が格段に向上する。溶
射成形物がアルミナ以外の場合には、それぞれ罠好適な
コート材を使用する。

本発明において、溶射、材料としてはいわゆるセラミッ
クスと呼ばれるものであって溶射加工が可能なものを用
いる。具体的には高融点の酸化物、炭化物、窒化物、ホ
ウ化物、ケイ化物およびこれらの群からえらばれた二種
以上の物質の混合物である。これらの物質には少量の金
属、炭素、ケイ素、ホウ素を含有していてもよい。

溶射成形物と被溶射材である炭素繊維のシート状物との
接合強度は溶射時の被溶射材の温度に依存するようであ
る。実際には溶射成形物が成長しつつある場所の温度に
依存するのであろうが、その温度の測定は困難でるるた
めシート状物の背面温度を測定する。本発明では、この
温度が２００℃から１，５００℃のとき、シート状物と
溶射成形物の接合状態は良好である。２００℃未満の場
合には溶射成形物にむらが多く、また溶射成形物の収率
が低い。一方、１，５００℃を越えるとシート状物中の
炭素繊維が酸化されて糸やせを生じ接合状態か悪くなる
ので好ましくない。被溶射材の温度の制御は、溶射流体
の温度、溶射ガンと被溶射材の距離、溶射材料の送シ速
度、溶射流体の中心軸と被溶射材の相対速度、溶射流体
に接触する直前の被溶射材の温度、溶射流体から脱出し
た直後の複合材料の冷却栄件、被溶射材の背面からの冷
却未件によって実施される。溶射成形物の厚さを均一に
するためＫは、何層にも重なるようにくシ返して溶射す
るこ七が好ましく、溶射流体の中心軸と被溶射材の相対
速度は０．０２〜２０ｍ／ｓｅａであることが好ましく
、と（Ｋ　Ｏ，５〜５　ｍ／　ａｅｃが好ましい。

溶射流体から脱出した直後の複合材料は、できる限シ急
速に気流によって冷却することが好ましい。

冷却気流は空気まｆｃは不活性気体であることが好まし
く１種々の液体、固体を含有していてもよい。

被溶射材の背面からの冷却には、内部に冷却装置を設け
ｆｃローラーあるいは板状物に対する接触が好ましい。

これらの固体の冷却装置は溶射流体および冷却気流によ
って生じる被溶射材の振動を止める作用かめるので好ま
しい。

本発明における主として炭素繊維からなるシート状物は
、炭素繊維の織物、編物、不織布１紙。

組与もの、トウ、スライバーなどの平面的な形状のもの
で６Ｄ、起毛、植毛、フロラフカｌ工、樹脂コーティン
グ等を行なっているものを含んでいる０この中には若干
の有機繊維、無機繊維、接着性樹脂、フィラー、糊剤や
種々の仕上加工剤を含有していることが可能である。

本発明の複合材料は、すぐ九た耐熱性、強度。

可撓性を有しているので種々の炉の間仕切りカーテンと
して用いることができ、炉の温度分布を改良して生産性
向上ならびに熱効率の改善に役立つ。

また、炉の内張シに用いて炉壁の断熱性向上、炉温の上
昇によシ熱効率の改善に役立つ。また炉や煙道の内張）
に用いて耐食性および耐摩耗性を改良する。

本発明の複合材料は二次加工が容易でｂるので、断熱材
の形態を保持するための種々の構造物ｔ　ｆｃためのカ
バー、さやなどに用いられる。また種々の形たとえば円
筒状などに加工して小型の炉の煙道、化学装置材料に用
いられる。この際には種々の無機コート材、接着剤など
によυ窒孔部の充填を行なうことが好ましい。

本発明の複合材料のうちとくに空隙の多いものはフィル
ター材料としてすぐ九ｆｃ性能を示す。とくに煙道ガス
のように高温の気体の除塵に対して効果が大きく、耐久
性にすぐれている。また強酸。

強アルカリの両方に耐えることが要求される炉材として
使用が可能である。また、適当な電極を取付けることに
よって通電可能になるので自己発熱式の自浄フィルター
とすることができる。これはエンジン排気等のｒ過に用
い未燃焼物の燃焼による浄化を行なう。この場合１複合
材料の表面にさらに酸化触媒ｆ、被被覆ることにより燃
焼率を改善することができる。

本発明の複合材料は車輛用などのブレーキ２イニング、
クラッチライニングの補強材、高温用または蒸気用のガ
スケット、パツキンなどに用いることができる。これら
の用途に対しては本発明の複合材料を多数枚積層し無機
繊維、有機繊維およびバインダーとともに結合成形して
用いることが好ましい。

次に本発明を実施例によシ説明する。

実施例１ フェノール樹脂繊維の織物を約ｉ、ｏｏｏ’ｃで焼成し
て作った炭素繊維織物（目付２２０ｆ／ｍ’、ツィル）
に米国メテコ社製のプラズマ溶射システム７Ｍ装置を用
いてアルミナ系セラミックス溶射粉体（メテコ１０５ｓ
Ｆ、融点約２．０００℃）を溶射して２３０　ｆ／ｄの
溶射成形物を形成させた。溶射条件ハ電圧５０ボルト、
電流１６０アンペア、アルゴン流量２ノルマル立方メー
トル／時、布送シ速度２、２　ｍ／　ｓｅｅ　（溶射流
体炎に対する１回の接触時間０、００９秒）、溶射ガン
の移動速度０．０５ｍ／ｓｅｅ、溶射ガンと布との間隔
８５〜９５ｍ、Ｗｇ射回数は表裏各１６回ずつであった
。溶射流体灸から布が脱出する点へ向かって２．５ｍ／
ｓｅｅの流速で冷却空気を送シ急冷した。炭素繊維織物
の裏面に熱電対をさしこんで溶射中の温度を測定した。

温度は周期的に変化したが、その最高温度Ｖｉ４５０℃
でめった。

得られた複合シート状物はアルミナ済射成形物罠よって
糸の表面がほとんど被覆されておシ、原料の織物にくら
べて非常に硬くなっているが、外観的Ｋ１１ｔ織物の形
状をかなシ残しておシ、かなシの可撓性を示した。

このシート状物にシリカゲル（ｐＨ１２の水分散液）を
固形分として３％塗布し、１００℃で３０分乾燥したの
ち２５０℃で６０分硬化処理を行ない溶射成形物の空孔
の尤填を行なった。このシート状物は１．２００℃の空
気中で１００時間加熱した後に実質的な重量変化および
強度変化はなかった。

一方１Ｍ料の炭素繊維織物は同条件の加熱によシ酸化さ
れ完全に気化した。

実施例２ ポリアクリロニトリル系の炭素繊維（直径７ミクロンの
単糸、ａ、ｏｏｏ本を持つフィラメント糸）に糊付けし
て製織し、密度ｌＯ本／インチＸＩＯ本／インチの平織
とした。この織物を糊抜きしたのち、さら［４５０℃で
５分間加熱して有機物の除去を行なったのち、実施例１
と同様にしてアルミナの溶射を行なった。得られたシー
ト状物にシリカゾルをコートしたものは実施例１と同様
にすぐれた耐酸化性を示した。

実施例３ ピッチ系の炭素繊維の不絨布（呉羽化学製、ニードルパ
ンチ式と思われる）’１４５０℃、５分加熱して有機物
を焼却したのち、実施例１と同様にしてアルミナの溶射
とシリカゾルのコートを行なった。このものは実施例１
と同様にすぐ１Ｌｆｒ、耐酸化性を示した。

実施例４ 実施例１のアルミナ系セラミックス溶射粉体の代シにジ
ルコニア系セラミックス溶射粉体（メチ：＋２０１）の
溶射を行なった。このシート状物に微粒のジルコニアと
コロイダルシリカをほぼ等被分散しｆｃｐｌ（１２の水
溶液を塗布し、１００℃で乾燥し２５０℃で６０分熱処
理したところ、実施例１と同様にすぐれた耐酸化性を示
した。

特許出願人　株式会社り　ラレ 代理人弁理士本多　堅

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ｌ）主として炭素繊維からなるシート状物と、無機質非
   金属の溶射成形物からなることを特徴とする無機質複合
   材料。