JPS62252371A - 炭素繊維強化炭素複合材料の製造方法 - 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） 本発明は炭素繊維強化炭素複合材料に関するものである
。詳しくはピッチ類をマトリックス原料として優れた特
性を有する炭素繊維強化炭素複合材料を製造する方法に
関するものである。

（従来の技術）　　　　　・ 炭素繊維強化炭素複合材料（以下ｃ７ｃ複合材と略す）
は軽量、高強度であシ耐熱、耐食性に優れているという
特徴を活してロケットノズル、ノーズコーン、航空機の
ディスクブレーキなどの航空宇宙材料や発熱体、ホット
プレス搗型、その他の機械部品、原子炉用部材等に用い
られている。

従来ｃ７ｃ複合材は予め炭素繊維に樹脂、ピッチ等の有
機物マトリックスを含浸しておき、成型・硬化させた後
炭化・黒鉛化する方法、あるいはイヒ学気相蒸着法によ
り炭素繊維間に熱分解炭素を充填する方法で製造されて
いる。

これらの方法のうち、ピッチ類をマトリックス原料とす
る方法は原料が安価であること、炭化収率が高いこと、
炭化の結果得られる炭素質が易黒鉛化性物質であり０／
Ｃ複合材の性能発現上好ましいものであること、さらに
は用いる炭素繊維がピッチを原料とするものである場合
には繊維とのなじみが良く繊維とマトリックスの接着性
が良く人る等の利点を有している。しかしながら、一方
ではピッチ類は炭化時の膨張が著しくそのためａ７ｃ複
合材のマトリックスとして使用した場合にはＣ／Ｃ複合
材に焼きあげた時の保形性寸法安定性が不良である、あ
るいはＣ／Ｃ複合材の内部に多量の気孔、亀裂が発生し
、その後ピッチ含浸あるいは樹脂含浸−炭化の緻密化工
程を多数回繰返さなければ充分な特性を発現するに至ら
ないといった欠点があった。

（発明が解決しようとする問題点） そこで従来は、ピッチ類をマトリックス原料とした場合
のかかる欠点を回避する方法として成型後の炭化を、少
なくともピッチ類が炭素質化して強度を発現し始める１
００〜７００℃の温度まではオートクレーブ中で加圧下
に行なう、いわゆる加圧炭化と称される方法が採用され
ていた。しかしながら、かかる方法にお込てもピッチ類
の膨張が完全に抑制されるわけではなく、また炭化のだ
めの装置が大規模、複雑なものになるといった問題を有
していた。

（問題点を解決するための手段） そこで、本発明者はかかる問題点を解決すべく鋭意検討
した結果、炭素繊維にピッチ類な含浸して成型した後、
特定の処理を施すことにより上記の問題点を解決できる
ことを見い出し本発明に到達した。

すなわち、本発明の目的は、簡便かつ安定して優れた特
性を有するピッチ類をマトリックスとしたＣ１０複合材
を製造する方法を提供するものである。そしてその目的
は、ピッチ類をマトリックス原料として炭素繊維強化炭
素複合材料を製造する方法において、炭素繊維にピッチ
類を含浸して成型し、引続いて、加圧状態のまま、成型
温度より高い温度で成型体を保持した後、炭化処理を行
なうことを特徴とする炭素繊維強化炭素複合材料の製造
方法により容易に達成される。

以下本発明の詳細な説明する。

本発明で使用されるマトリックス原料としてのピッチ類
とは石炭タールピッチ、石油系残渣ピッチあるいは各種
合成ピッチ等から蒸留、熱処理、ニアブローイングある
いは溶剤処理、沈降分離による特定成分の抽出等で得ら
れる成型に適した軟化温度を有する炭素質歴青物質であ
る。更に具体的にはメトジー法によって得られる軟化点
が？０°Ｃ以上、好ましくは２００〜３３０℃の範囲に
あシ、かつ３θＱ℃における留出分が１０チ未満である
様なピッチ類が好ましい。

また用いられる炭素繊維としては特に限定されるもので
はなくポリアクリロニトリル系、ピッチ系、炭素繊維、
あるいは気相熱分解法により得られる炭素繊維等である
。さらに繊維の形態としては、連続繊維、短繊維、フェ
ルト状のものが用いられる。

炭素繊維は熔融状態のピッチ類を含浸した後に成型金型
中に配列させるか、あるいは金型中に繊維とピッチ類の
粉末を交互に積層してゆく方法等で配列される、 繊維の使用量は適宜決定されるが、成型体の体積に対し
て通常２０〜？！チ、好ましくは３０〜６０％となる様
にするのがよい。

炭素繊維およびマトリックスとしてのピッチ類が充填さ
れた金型はその後加熱ヒータを備えた加圧機に載置され
、まず無加圧状態でピッチ類を加熱熔融する。加熱の程
度は使用するピッチ類の軟化温度によって異なってくる
ものであるが、ピッチ類が炭素繊維間に充分に浸透しう
る様な低粘度を示すまで、通常ピッチ類の軟化点よりも
１０〜７１０℃高い温度まで加熱されるべきである。ピ
ッチ類が熔融した後加圧によって所定の圧力通常！〜ｉ
ｏｏｔｃｇ７（７）の圧力が印加され所定の形状に成型
される。従来では、成型後、金型は冷却され充分冷却さ
れた常圧に戻して成型体を得ていたが、本発明では上記
の成型処理に引続いて成型温度より高い温度での保持を
行なうことが重要である。

すなわち、所定形状への成型が行なわれた後、加圧状態
のまま成型温度よりは高い温度すなわち、使用するピッ
チの軟化点により多少異なるが、通常ｊθ°Ｃ以上高い
温度へと移行される。

この温度は実質的に炭化が起らない温度であればよく、
通常、３００℃以上！００℃以下の温度であり好ましく
は３ｔθ℃〜６００℃の範囲である。１００℃をこえる
加熱温度では使用する材質にもよるが金型の劣化を引き
おこし、まだ得られる成型体が金型から脱離しがたくな
るという問題を生じ好ましくない。加熱処理は成型温度
から段階的あるいは連続的に徐々に昇温することが望ま
しいが成型温度から直ちに所定の保持温度まで昇温して
も本発明の効果が失なわれることはない。

保持時間としては使用されるピッチ類の軟化温度および
保持温度によっても異なって来るが通常０．！〜７００
時間、好ましくは３〜２０時間の範囲である。

また成型体を保持する間の加圧状態は完全に無加圧でな
ければ加えられる圧力は特に限定されるものではないが
、成型時の圧力状態を維持するのが加圧操作等の点から
好ましい。

なお、成型体を保持する間にマトリックスとしてのピッ
チ類の膨張による昇圧があるので保圧機構等を作動させ
危険な程に圧力が上昇しな騒様に注意することが必要で
ある。

このようにして所定の温度、時間の保持が終了した後金
型を冷却し、常圧に戻して成型体を得、炭化処理を行な
う。炭化処理は常法に従って行なわれ、例えば成型体を
バッキングコース中に埋め込んで行なう様な方法でなさ
れる。さらに必要ならばピッチ含浸あるｂは樹脂含浸−
再炭化の緻密化処理を繰返して行ない、あるいは更に黒
鉛化処理を行なってＣ／Ｃ複合材を得ることが出来る。

（効　果） 本発明によれば得られるｃ７ｃ複合材は炭化処理による
形の崩れや、寸法の変化も小さく、また気孔・亀裂の発
生が少な−ため充分に高密度であり、従って優れた特性
を示すものである、以下、本発明を実施例でもってより
具体的に説明するが、本発明はその要旨をこえない限り
下記の実施例に限定されるものではない。

実施例／ 厚さλ朋、幅１０１１１１１．長さ２ＪＯＩＭ１１の金
型中に３０θ０フイラメントの炭素繊維束（引張強度２
００　ｋｇ　７Ｑｍ２、同弾性率／　ｊ　ｔｏｎ　７ｍ
ｍ”　）とコールタールピッチから熱処理によって得た
軟化点２４ｔ０℃のピッチの１０メツシユ篩下の微粉と
を交互に積層した。次いで加熱ヒータを備えた加圧機に
この金型を載置し３３０℃まで加熱した。金型が３３０
℃に達してから７１分後に加圧を開始しｊＯｋｇ／ｄの
圧力下に３Ｑ分間保持し成型を行なった。引続いてその
加圧状態を維持したまま２０℃／Ｈｒの割合で４ｔｒｏ
℃まで昇温し、さらにゲタθ℃に到達後７０時間そのま
まの状態で保持した。なお、この際加圧−の保圧機構を
作動させ圧力が２０“θに９　／　ｉを越えない様にし
た。その後金型を冷却し、常圧に戻して成型体を得た。

得られた成型体の繊維体積含有率は約３θ％であシ、嵩
密度は八ｊ、２１１／ｃＩＩｔであった。

次いでこの成型体をバッキングコークス中に埋め込み６
００℃までは１０℃／Ｈｒ、その後７０００℃までは３
０℃／Ｈｒの割合で昇温して炭化処理した。炭化処理に
よる成型体の体積変化は−３，３％であシ、また得られ
たＣ／Ｃ複合材の嵩密度は八ｊ４ｔｌ／Ｃｔｄであった
。

さらに、このＣ／Ｃ複合材をピッチ含浸し、再炭化する
プロセスをＺ回繰返し緻密化処理されたｃ７ｃ複合材を
得た。このｃ７’ｃ複合材の嵩密度は／、７２１／ｃｒ
／ｌであった。また、緻密化処理によるＣ１０複合材の
体積変化はほとんどなかった。

このＣ／Ｃ複合材を長さ￥ｊ　３１１の試験片に切断し
、スパン間距離＜ｔｏｙ、歪速度／　朋７　ｍｉｎで３
点曲げ試験を行い曲げ強度、同弾性率の測定を行なった
。その結果Ｚ点の試験片の平均値として曲げ強度ｊ　ｊ
　ｋｇ／１ｔＭ２、同弾性率／　３．６　ｔｏｎ　７ｍ
ｍ”　テあった。

実施例コ 実施例／と同様にして厚さ２朋、幅１０朋、長さ２３０
ｍｍの金型中に３０００フイラメントの炭素繊維束と軟
化点２グ０℃のピッチ粉とを交互に積層し、次すで加圧
機に載置した後３３０℃まで加熱した。金型が３３０℃
に達してから７５分後に加圧を開始し！　０１θｇ　／
　７でもって３０分間保持し成型を行なった。引続いて
その加圧状態のまま、３ＦＯ°Ｃまで昇温し、ｊ時間保
持した。さらにグ３０°Ｃに昇温して３時間、グ♂θ°
Ｃに昇温してコ時間保持した。なおこの際圧力は２０θ
に９／ｃｒｄを越えない様にした。得られた成型体の繊
維体積含有率は約！Ｏ％であり、嵩密度は／、ｊ￥ｇ／
ｍであった。

次いで実施例／と同様にこの成型体を炭化処理した結果
、嵩缶度へｊ６ｆｉ／ＣｎＩのａ７ａ複合材が得られた
。また炭化処理による成型体の体積変化は−２，７％で
あった。

さらにこのＯ／（”ａ合材をピッチ含浸し、再炭化する
プロセスをグ回繰返し緻密化処理されたＣ１０　複合材
を得た。このＣ／Ｃ複合材の嵩密度は１．７３１／ｃｒ
Ａであった。また、緻密化処理によるＣ／Ｃ複合材の体
積変化はほとんどなかった。

このＣ／Ｃ複合材の曲げ強度、同弾性率を実施例／と同
様にして測定した結果７点の試験片の平均値、！：　Ｌ
、テソｈ−’ｆ：ｈ　ｓ　９　ｋｇ／＋＋＋ｍ２、／Ｌ
、θｔｏｎ／　ｍｍ２であった。

比較例 実施例／と同様にして厚さ２關、幅１０朋、長さ２３０
關の金型中に３０００フイラメントの炭素繊維束上軟化
点２グθ°Ｃのピンチ粉とを交互に積層し、次いで加圧
機に載置した後３３０°Ｃまで加熱した。金型が３３０
°Ｃに達してから／５分後に加圧を開始しＪ−ｏ　ｋｇ
　／−でもって３θ分間保持し成型を行なった。その後
金型を冷却し、常圧に戻して成型体を得た。得られ斥成
型体の繊維体積含有率は約５０％であり、高密度はれ４
ｔ７ｙ／ｃｎｌであった。

次いで実施例／と同様にこの成型体を炭化処理した結果
、嵩密度へ／ｉｌｌ／Ｃ１ｄのＣ１０複合材が得られた
。また炭化処理による成型体の体積変化は＋２２．１％
であった。さらにこのＣ７０複合材をピッチ含浸し、再
炭化するプロセスをダ回繰返し緻密化処理されたＣ／Ｃ
複合材を得た。

このＣ／Ｃ複合材の嵩密度は八３♂ｇ７ｃｎｔであった
。また、緻密化処理によるＣ／Ｃ複合材の体積変化はほ
とんどなかった。

とのＯｌｏ　％Ｍ合材の曲げ強度、同弾性率を実施例／
と同様にして測定した結果グ点の試験片の平均値として
それぞれ２７ｋｇ／ＴｎＩＩ！２．３．７　ｔｏｎ　７
ｍｍ２であった。

出　願　人　　三菱化成工業株式会社 代　理　人　　弁理士　長谷用　　− （ほか７名）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）ピッチ類をマトリックス原料として炭素繊維強化
   炭素複合材料を製造する方法において、炭素繊維にピッ
   チ類を含浸して成型し、引続いて、加圧状態のまま、成
   型温度より高い温度で成型体を保持した後、炭化処理を
   行なうことを特徴とする炭素繊維強化炭素複合材料の製
   造方法。