JPS62241871A - 炭素繊維強化炭素材料の製造法 - 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 本発明は炭素繊維強化炭素材料の製造法に関するもので
ある。

従来の技術 炭素繊維強化炭素材料（以下、Ｃ／Ｃコンポジットとい
う）は炭素１ａｒａを補強材とし、炭素をマトリックス
とした複合材料である。Ｃ／Ｃコンポジットは炭素繊維
で強化されているために従来の炭素材料にくらべ常温、
高温での機械的特性にまさり、また摩擦・制動特性、熱
・電気伝導性、耐蝕性などもすぐれていることから、ロ
ケットノズル、航空機のブレーキディスクなどの宇宙航
空機部材として欠かせない材料となっている。このよう
に応用範囲の広いＣ／Ｃコンポジットの製造法としては
現在大別して２つの系統がある。

その１つはポリアクリロニトリルやレーヨンやピッチ系
繊維を炭化して得られる炭素繊維のトウ、クロス、フェ
ルトなどを簡単に成形した後。

炉に入れて１０００〜１５００℃に加熱し、そこへ炭化
水素ガスを導入して分解炭化させ、炭素を炭素繊維表面
に沈着せしめてＣ／Ｃコンポジットとする方法である（
以下この方法をＣＶＤ法と称する）。

ＣＶＤ法は生産性が低く所定の密度を得るには多大な時
間を要し、また均一な気孔の少ない炭素材料を得るには
かなり高度な技術を要する。

他の１つはポリアクリロニトリルやレーヨンやピッチ系
繊維を炭化して得られる炭素繊維のトウ、クロス、フェ
ルトなどに、フェノール樹脂等の炭素材原料となる熱硬
化性樹脂を含浸させたプリブレグを積層し、加圧加熱し
硬化成形体とした後、非酸化性雰囲気で炭化処理をし、
必要ならば含浸処理、炭化処理を繰り返しＣ／Ｃコンポ
ジットとする方法である。

以上大別した２つの系統以外に、マトリックスとして、
ピッチ類も考えられる。しかし、ピッチ類は、一旦液状
となってから炭化する為に、炭素繊維のトウ、クロス、
フェルト等とピッチ類を積層した成形体を炭化すると、
脹れを生ずる。つまり、繊維間が広がり大きな空孔を生
じて密度が低くなり、その為Ｃ／Ｃコンポジット自体の
強度も弱くなる。

したがって、現在では、ピッチ類は含浸用として、使用
されている場合が多い。

発明が解決しようとする問題点 本発明の目的は、ピッチ類と炭素質粉末をマトリックス
の構成原料として使用し、良好な特性を示すＣ／Ｃコン
ポジットを製造することにある。

問題点を解決するための手段 本発明の方法は、炭素繊維を含みピッチ類と炭素質粉末
をマトリックスの構成原料とした成形体を金属、セラミ
ックス、黒鉛、Ｃ／Ｃコンポジット等の板状体あるいは
型枠状等の固定材で固定することによって脹れを抑えて
炭化処理を施し、その後前記固定材を取り外した後、常
法により含浸処理、炭化処理、黒鉛化処理を適宜施すこ
とを特徴とするものである。

作用 次に本発明の内容をさらに詳細に説明する。

本発明に用いられる補強用の炭素繊維はポリアクリロニ
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
繊維の形態は、長さ０．０５〜５０腸膿程度の短繊維で
あっても、連続繊維であっても使用できる。またクロス
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、マトリックス中にそのままの状態
で、または解繊された状態で全くランダムな方向を向い
ていてもよいし、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。

また、マトリックスとなる炭素材の原料は、含浸ピッチ
、バインダーピッチ等のピッチ類と、生コークス、黒鉛
粉末、カーボンブラック等の炭素質粉末を混合して使用
する。好ましくは、ピッチと馴染がよく、炭化時の収縮
率の近いピッチを炭化し揮発分を調整した生コークスを
使用する。また、生コークスの揮発分は、炭化時にマト
リックスが最もよく収縮するように、好ましくは３〜１
０％とする。

かかる炭素ｍ維または炭素繊維の構造物と、前記マトリ
ックスを積層もしくは混合したものを、プレス成形等を
行って成形体とする。

前記成形材料において、炭素繊維または炭素繊維構造物
は２０〜８０重量％、好ましくは４０〜８０重量％含有
されていることが望ましい。

炭素繊維が２０重量％未満では、得られるＣ／Ｃコンポ
ジットの補強ｍｍが少なすぎる為、強度が低くなる。一
方８０重量％を越えた場合にはマトリックスの含有量が
少なすぎる為、居間における剪断強度が低下し、炭素繊
維の補強効果が充分に発揮されない。

また、マトリックスを構成するピッチ類と炭素質粉末の
割合は、ピッチ類を２０〜９５ｇＬ量％、炭素質粉末を
５〜８０！ＩＺ量％とし揮発分率、粘度等を調整する。

ピッチ類が少なく、２０重量％未満では、粘度が上がり
成形が難しい、また、９５重量％を越えると、炭化時に
粘度が下がってマトリックス材料の流出が起こり層間強
度が非常に弱くなる。より好ましくは、ピッチ類を３０
〜７０重量％含有させる。

前記成形体をそのまま炭化すると、ピッチ類が液状にな
った時点で熱分解による生成ガスが成形体の脹れを引き
起こすので、この成形体を金属、セラミックス、黒鉛、
Ｃ／Ｃコンポジット等の炭化時の高温においても変形し
ない材料からなるたとえば板状体あるいは型枠状の固定
材をボルト等を用いて固定した状態でそのまま炭化処理
を行う、成形体の全体を固定材で囲むと炭化時に生成す
るガスの逃げ場がなくなるので、完全に成形体の周囲を
囲む必要はなく、少なくともガスを逃がすための開口部
あるいは開放部分を設けておくことが肝要である。また
炭素繊維とピッチ類と炭素質粉末からなる炭素材の層と
を植層するような場合には、脹れが最も顕著に起こるの
は、Ｉ＆形時の加圧方向であるので、少なくとも成形加
圧方向の脹れを抑制するように固定することでもよい、
成形体が、板状体あるいは直方体のときには、板状体の
固定材を使用し、また成形体が、異形体のときには、予
め形状をあわせた型枠状の固定材を使用して固定する０
例えば成形体が円柱状の物であれば、第１図の様な型枠
状の固定材を、使用して固定すればよい。

その後、固定材をボルト等を用いて固定した成形体を窒
素、アルゴン等の非酸化性雰囲気中６００℃以上、好ま
しくは、１０００℃以上１５００℃以下の温度で炭化焼
成して目的とするＣ／Ｃコンンポジットを得る。この場
合、炭化時の昇温速度が速すぎるとマトリックス材料の
熱分解による収縮と、ガス発生が激しくなり、大きな亀
裂が発生しやすくなる。その為昇温速度は、通常１００
°Ｃ／ｈｒ以下、好ましくは２０℃／ｈｒ以下とするこ
とが望ましい。

このようにして得られたＣ／Ｃコンポジットは、いまだ
気孔率がかなり大きく、高密度、高強度のＣ／Ｃコンポ
ジットを得る為に、さらにこのＣ／Ｃコンポジットにピ
ッチまたは炭化可能な樹脂を含浸する含浸処理を施し、
ふたたびアルゴン等の非酸化性雰囲気中で炭化処理した
り、アルゴン等の非酸化性雰囲気中で通常１６００〜３
０００℃、望ましくは２０００〜３０００℃で黒鉛化処
理する。

この含浸処理、炭化処理、黒鉛化処理はＣ／Ｃコンポジ
ットの使用目的特性に応じて適宜行うことができる。

以下、実施例に従って、本発明を説明する。

実施例 実施例１ 平均粒度ＩＱＩＬｍ　、軟化点２４０℃のピッチ５０重
間％と、平均粒度１０終履の生コークス（揮発分１０％
）５０重量％を、ニーダ−を使用し２７０℃で混合し、
その後この混合物′を１００牌層以下に粒度調整したも
のと、炭素繊維束クロス（朱子織り）１２０Ｘ１２０ａ
＋ｍを、交互に金型に２５層積層し、温度３００℃、圧
力１００ｋｇ／ｃｍ２でプレス成形し１２０　Ｘ１２０
　Ｘ９ｔ　ｍ＋ｗの板状成形体を得た。

次にこの成形体１をステンレス板（１８０Ｘ１８０　Ｘ
１０ｔ　ａｍ）の固定材２に挟み、ボルト３を使用して
第２図の様に固定した。

これを、窒素雰囲気中ｌＯ℃／ｈｒの昇温速度で８００
℃まで昇温しマトリックスを炭化した０次に、固定材を
取り外した後、窒素雰囲気中で３℃／ｈｒの昇温速度で
１１００℃まで昇温しＣ／Ｃコンポジットを得た。さら
に、このＣ／Ｃコンポジットに、含浸用ピッチを真空下
、２００℃で含浸した後、この成形体を窒素雰囲気中に
てｌＯ℃／ｈｒの昇温速度で８５０℃まで昇温し、含浸
したピッチを完全に炭化させた。続いて、このＣ／Ｃコ
ンポジットをアルゴン雰囲気中２０００℃まで昇温し黒
鉛化した。

この黒鉛化したＣ／Ｃコンポジットに含浸用ピッチを用
い上記炭化工程をさらに２回と黒鉛化工程を１回繰り返
してＣ／Ｃコンポジット製品を得た。

得られたＣ／Ｃコンポジット製品の密度、強度の試験結
果を表１に示す、密度は、縦、横、厚みの実測長さと重
量を測定し計算した。

表　　　１ 比較例１ 実施例１と同一条件で成形体を製造し１次にこの成形体
を固定材で固定せずそのまま実施例１と同一条件で炭化
した。

実施例１と比較例１の炭化前後の密度を求め、表２に示
した。

表　　　２ 挟みこみをしなかった比較例１は、脹れの為炭化後密度
が非常に低くなっている。これを実施例１の場合と同様
に、１．８７１／ｃ＋ｓ３まで密度を上げるには、数十
回の含浸、炭化処理が必要となると推定される。

発明の効果 以上のように本発明の方法によると現在はとんど一般に
製造されていないピッチをマトリックスとするＣ／Ｃコ
ンポジットを炭化時の脹れなしに製造することができる
ようになった。また、ピッチは炭化収率が高いため含浸
工程が少なくても高密度品を得る二とができるので、製
造工程が少なくて済むと言う利点もある。

加えて、高強度で、耐熱性に優れた特徴を持つＣ／Ｃコ
ンポジット製品が得られる為、工程用途に適用すること
が出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、円柱状の成形体を固定する為の型枠状の固定
材の説明図で、（１）は平面図、（２）は側面図である
。 第２図は、予め成形した炭素材（１２０Ｘ１２０　Ｘ９
を層重）を、２枚のステンレス体（１１３０Ｘ１８０　
Ｘ１０ｔ　ａｍ）の固定材にて挟み、８組のボルトとナ
ツトにより固定する状況の説明図で、（１）は平面図、
（２）は側面図である。 ｌ・・・成形体、２争・・固定材、３・・・ボルト。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　炭素繊維を含み、ピッチ類と炭素質粉末からなる炭素
   材を予め成形し、得られた成形体を固定材で固定したま
   ま炭化処理を施し、その後前記固定材を取り外した後、
   常法により含浸処理、炭化処理、黒鉛化処理を適宜施す
   ことを特徴とする炭素繊維強化炭素材料の製造法。