JPS62212263A - 炭素−炭素繊維複合材の製造方法 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、炭素繊維で強化した炭！質材料である炭素−
炭素繊維複合材の製造方法に係るもので、特には、炭素
繊維をコークス粉等と溶融可能な炭素質物との混合物で
ホットプレス処理して炭素−炭素繊維複合材を製造する
方法に関する。

炭素−炭素繊維複合材は、軽量で、耐熱性に優れており
、さらに高温における強度が大きいため、高温に曝され
る部分に用いる材料、例えば、航空機やロケットのノズ
ル部、航空機のブレーキライニング或いは型材等の材料
として極めて有用なものである。

［従来の技術］ 炭素−炭素繊維複合材の製造方法として、次の方法が知
られている。

まず、炭素繊維の織布やフェルト状のものを用いて繊維
成形体をつくり、これにフェノール樹脂やエポキシ樹脂
等の熱硬化性樹脂を含浸させ、加圧しながら１００〜２
４０℃の温度に加熱して硬化させて、成形する。これを
４５０〜９００℃の温度に加熱して炭化処理を行い、次
いで２０００〜２９００℃の温度で黒鉛化処理する。と
ころで、前記炭化処理及び黒鉛化処理の段階で熱硬化性
樹脂が熱分解してガスを発生させるため、このままでは
、炭素化処理及び黒鉛化処理後の成形体には、多くの孔
が生じ、機械的強度が著しく低い。従って、この炭化処
理或いは黒鉛化処理後の成形体に樹脂またはピッチを含
浸させ、再度、炭化処理、黒鉛化処理を行う、この含浸
処理、炭化処理、黒鉛化処理を多孔がなくなるまで繰り
返す。

この方法は、含浸処理、炭化処理、黒鉛化処理をかなり
の回数繰り返す必要があり、経済的でなくまた操作が煩
雑である。

そこで、本発明者は、上記熱硬化性樹脂の代わりにバル
クメソフェーズとピッチコークス、石油コークス或いは
黒鉛等との混合粉を用いてホットプレス処理をし１次い
で、炭化処理、黒鉛化処理すると、ガスの発生が少なく
なるので気孔の生成が減少し、炭化処理、黒鉛化処理を
繰り返すことなく、複合材ができることを見い出して、
提案した（生産研究、３７巻、７号、２６１頁〜２６８
頁）。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、上記バルクメソフェーズとコークス等と
の混合粉を用いる方法でも、炭素繊維間の空隙が緻密な
時は、当該空隙に炭素母材となる炭素質を完全に含浸さ
せることができず、積層した各層が剥離して複合材を形
成することができず、また、炭素繊維間の空隙が大きい
場合でも、ホットプレス処理の際に炭素繊維の織布界面
及び繊維間に空気等の気泡が残り、さらに高い機械的強
度を得ることができず、しかも強度にバラツキが生ずる
等の問題があった。

本発明は、かかる問題点を解決しようとするもので１機
械的強度が高く、しかも該強度にバラツキの少ない、高
品質の炭素−炭素繊維複合材の製造方法を提案すること
を目的とするものである。

［問題点を解決するための手段］ 上記問題点を解決するための手段としての本発明は、炭
素繊維をコークスまたは黒鉛と溶融可能な炭素質物との
混合物でホットプレス処理し、次いで、炭化処理及び黒
鉛化処理する方法において、前記炭素繊維をあらかじめ
、溶融した炭素質物に浸漬させることから成る炭素−炭
素繊維複合材の製造方法である。

本発明で用いる炭素繊維としては、ＰＡＮ系、ピッチ系
のいずれを用いても、特に支障はない。

また、この炭素繊維は、複合材の用途に応じて各種の形
態で使い別けられることは云うまでもなく、例えば、−
次元、二次元または三次元の織布、さらには繊維を単に
束ねても、マットにしても、或いは短繊維をばらばらの
ままで用いても良い。

コークスまたは黒鉛は、骨材的な役割をもたせるために
加えるものであり、２０μ以下の大きさに粉砕したもの
が好ましい、２０μ以上とすると得られる複合材の機械
的強度が低下するので好ましくない、これらの粉は、小
さければ小さい程良いが、過度に小さくすることは、粉
砕に労力を要し、経済的でない、コークスは、石炭系、
石油系のコークスのいずれをも用いることができる。こ
れらのコークスは、炭化が進んでおり１本発明の温度範
囲では加熱により溶融または流動性を示すことはない、
尚、コークスまたは黒鉛は、それぞれ単独に用いても両
者を混合して用いても良いことは、云うまでもない。

また、溶融可能な炭素質物とは、石炭系或いは石油系の
いわゆるバインダーピッチ、アスファルト、熱分解重油
或いはタールピッチ等を３５０〜５００℃の温度で加熱
して得られる一種の液晶である光学的異方性を示すメソ
フェーズ小球体、及びそれが合体成長したバルクメソフ
ェーズ、粘結炭さらには人造粘結炭（特公昭５８−２９
３５２号、特公昭５３−４１６８１号、特公昭５５−４
３８号、特公昭５７−４３１１６号公報等参照）等加熱
することにより溶融する炭素質物を云う。

更に１本発明に云う液状の炭素質物は、上記溶融可能な
炭素質物を加熱、溶融して用いてもよいが、重油や減圧
蒸留留分等、室温で液状を示す重質油を用いても良い。

当然、溶融可能な炭素質物や重質油等を混合して用いて
も良いことは云うまでもない。尚、当該液状の炭素物質
は、炭素／水素のモル比が出来るだけ大きい炭素質物の
方がホットプレスの際にガスの発生が少なく、製品にお
ける気泡の生成が少なく機械的強度を高めることができ
、好ましい。

本発明では、先ず、上記液状の炭素質物の浴に炭素繊維
を浸漬させる。この浸漬は、炭素繊維間の狭隙の空気等
を追いだし、さらには該炭素繊維とコークスその他の炭
素材との馴染みをよくするためである。このため、浸漬
温度及び時間は、溶融させた炭素質物の粘度等を勘案し
て適宜法められるが、少なくとも１５０℃以上の温度で
３０分以上浸漬することが馴染みを良くする点から好ま
しい。

次に、上記の浸漬後の炭素繊維をコークスまたは黒鉛及
び溶融可能な炭素質物の混合物とでホットプレス処理す
るが、この場合の溶融可能な炭素質物としては、上記浸
漬に用いた炭素質物と同質のものが操作が簡便で好まし
いが、例えば、浸漬処理には、石炭系のピッチを用い、
ホットプレス処理には石油系のバルクメゾフェースを用
いるなど浸漬処理とホットプレス処理とでは異るものを
用いてもなんら支障はない。

尚、溶融可能な炭素質物は、１ｍｍ以下に粉砕してコー
クス等と混合することが、コークス等との均一な混合を
容易に行うことができ好ましい。また、前記コークス等
及び溶融可能な炭素質物は混合した後に２０μ以下に粉
砕しても良い。

ホットプレス処理は、浸漬処理した炭素繊維と上記コー
クス等及び溶融可能な炭素質物の混合物とを交互に積層
し、３００〜３０００’Ｃの温度、３００〜２０００ｋ
ｇ／ｃｄ（７）圧力でブＬＩＸすることが好ましい、こ
れにより炭素−炭素繊維複合体を製造することができる
。尚、ホットプレスを行う前に室温中、２００　ｋｇ／
ａｔ以下の圧力で一旦成形体を形成すると前記プレスの
際のハンドリングが容易となり好ましい。

このホットプレス処理後の成形体を必要に応じて更に、
既知の方法により炭化及び黒鉛化処理しても良い。

［作　用］ 本発明は、ホットプレス処理する前に炭素繊維を溶融し
た炭素質物に浸漬させて、炭素繊維間の狭隙の空気等の
ガスを追いだし、炭素繊維と他の炭素材との界面に気泡
を残存させず、さらには、炭素繊維と炭素材との馴染み
を良くシ。

複合材の機械的強度の改善を行う作用を有する。

［実施例］ 失直銖上 ＰＡＮ系炭素炭素繊維織りクロス（日本カーボン製カー
ボロンＺ−３１２０）を、溶融して約１８０℃に保持し
た石炭系タールピッチ〔比重（８０℃）〜１．２、粘度
（８０℃）＝５６６ｃＰ。

軟化点＝３０℃、固定炭素＝３１ｗｔ％、キノリンネ溶
分＝０．０２ｗｔ％〕に１時間浸漬しプレプレグシート
を作成した０次に、このプレプレグシートを５ａｍ×５
ａ１１に切断し、これを一層として、ダイス中にて、５
μに粉砕した石炭系ピッチコークスと、粉砕して２５０
〜８４０μに篩別した前記石油系のバルクメソフェーズ
とを重量比１：１で混合した混合物（混合はボールミル
中で１時間行なった）とを繊維の容積率がそれぞれ、２
０．３０．４０．５０％になるように交互に積層し、室
温で、１００ｋｇ／ｆｆｌの圧力で空押した。

次いで、これを５００℃の温度まで昇温しで、２０分間
保持し、５００ｋｇ／ａｄに昇圧する。次いで、６００
℃まで昇温し、この温度及び圧力でさらに２０分間保ち
、３００”Ｃの温度まで降温して解圧した。

得られた複合材料は、長さ２５＋ｕｉＸ巾８ｍ■×厚さ
５ａ鳳の試験片としスパン距離２０ｍ−の三点曲げ試験
法（島津製作所製ｌＳ−２０００オートグラフ試験機を
用いた）により曲げ強度を測定した。また、併せてアル
キメデス法により見掛は密度を測定した。この結果を表
に示した。

崖豊五圭 実施例１において、石炭系のタールピッチに代えてフェ
ノール樹脂を含浸させたプレプレグシートを用い、石炭
系のピッチコークスと石油系のバルクメソフェーズとの
混合比１：９とした混合物を用いた以外は、上記実施例
１と同様の方法で複合材を製造し、試験をした。この結
果を実施例１と併せて表に示した。尚、この場合、石炭
系のピッチコークスと石油系のバルクメソフェーズとの
混合比１：１とした混合物を用いると、成形体ができず
、各層が剥離してしまい複合材を製造することはできな
かった。また、上記混合比を種々変えて検討した結果、
混合比１：９のものが最も曲げ強度が高く、これを結果
として表に示した。

皮絞旌ｌ 実施例１において１石炭系のタールピッチに代えてエポ
キシ樹脂を含浸させたプレプレグシートを用い、石炭系
ピッチコークスと石油系のバルクメソフェーズとの混合
比１：９とした混合物を用いた以外は、上記実施例１と
同様の方法で複合材を製造し、試験をした。この結果を
実施例１と併せて表に示した。尚、この場合も比較例１
と同様に、石炭系ピッチコークスと石油系のバルクメソ
フェーズとの混合比１：１とした混合物を用いると、成
形体ができず、各層が剥離してしまい複合材を製造する
ことはできなかった。また、上記混合比を種々変えて検
討した結果も、比較例１と同様に混合比１：９のものが
最も曲げ強度が高かった。

表 井ＪＬｆＬ止 実施例１において、石炭系のタールピッチに浸漬してプ
レプレグシートの作成を行うことなく、実施例１で用い
た炭素繊維の平織りクロスと石炭系ピッチコークスと石
油系のバルクメソフェーズとの混合物とを繊維の容積率
が４０％になるように交互に積層し、室温で、、１００
ｋｇ／ａＪの圧力で空押した６次いで、これを上記実施
例１と同様にホットプレス処理して複合材を製造したが
、成形体ができず、各層が剥離した。このため、繊維の
容積率を下げて１０％以下にして同様にホットプレス処
理したところ、複合材の成形体ができたが、これは１曲
げ強度が８０ｋｇ／ａＪ以下と非常に弱いものであった
。

以上のような実施例及び比較例の結果から明らかなよう
に、溶融した炭素質物にあらかじめ炭素繊維を浸漬させ
たものは、浸漬しないもの或いは樹脂で浸漬したものに
比べ機械的強度が極めて高くなることが分かる。

［発明の効果］ 本発明は、溶融した炭素質物にあらかじめ炭素繊維を浸
漬させた後、ホットプレス処理を行うようにしたため、
機械的強度が高く、シかも該強度にバラツキの少ない、
高品質の炭素−炭素繊維複合材を製造することができる
という格別の効果を奏するものである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　炭素繊維をコークスまたは黒鉛と溶融可能な炭素質物
   との混合物でホットプレス処理して炭素−炭素繊維複合
   材を製造する方法において、前記炭素繊維をあらかじめ
   、液状の炭素質物に浸漬させることを特徴とする炭素−
   炭素繊維複合材の製造方法。