JPS6256365A - 炭素繊維強化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 本発明は安価かつ高性能の炭素繊維強化複合材料の製造
方決に関する。

（イ）従来技術とその問題点 炭素材料は耐熱性にすぐれるが強崩が低い為使用は限ら
れており、強度を改善が必要である。改存の方法の一つ
として強度に優れる炭素繊維を炭素材料中に均一に分散
させる方法がある。炭素繊維と炭素材料を組合わせた炭
素繊維強化複合材料（以下ＣＦＲＣと略記する）は、耐
熱性と高強度を兼ね備え、従来の炭素材料では使用でき
ない分野に使用されつ−ある。

このＣＦＲＣに用いられる炭素繊維の形態として織布、
不織布、フェルト、短繊維等多くのものがある。しかし
、炭素繊維は分散性が悪く繊維同志のからみ合いが発生
しやすい為、連続炭素繊維を多数収束し織布の形態とし
たものが、この問題を容易に解決できるので一般に用い
られている。

炭素織布を用いた時の問題として価格がある。すなわち
、炭素織布が非常に高価であるため、織布を用いたＣＦ
ＲＣが非常に高価になってしまう。

ＣＦＲＣの価格を下げる為には、炭素繊維の価格を下げ
る必要があり、そのためには炭素繊維の使用量を少なく
するか、安価のものを用いるかのどちらかである。しか
し、高性能ＣＦＲＣを作るためには繊維の使用量を減ら
せないため安価な短繊維を用いる必要がある。

炭素短繊維を用いたＣＦＲＣは、すでに多くの実用例を
みるが、炭素繊維の量が１０％以下と少ないため、とて
も高性能とは言えない、これらの炭素繊維の増やせない
理由として、繊維同志のカラミ合いによる毛玉の発生等
により繊維の均一分散が非常に難しいことがある。

上記問題を解決するため押出成形法等が検討されている
が十分な解決手段となっていない。

本発明は従来技術で困難であった炭素短繊維を用いた高
性能かつ安価なＣＦＲＣの製造方法を提供しようとする
ものである。

問題点を解決するための手段 本発明はＣＦＲＣの炭素短繊維と母材となる炭素材料を
均一に分散させるため、母材となる炭素材料の原料であ
る樹脂をあらかじめ炭素短繊維上に被覆しておき、該繊
維を液体の流動性を利用して該繊維が均質につまってい
る成形物を得ることを可能にしたものである。

以下に本発明を説明する。

不活性雰囲気又は真空中で焼成することにより炭素とな
る樹脂（以下炭素化可能な樹脂と記す）を、炭素繊維上
に均質に所要の量付着させ、乾燥させ、該繊維を１〜１
１００ＩＩＩＩの長さに裁断する。

炭素化可能な樹脂としては炭化焼成工程で炭素に変わる
割合、即ち炭素化収率の高いフェノール樹脂、フラン樹
脂、エポキシ樹脂又は酸化不融化処理により炭素化収率
が向上するポリアクリル樹脂が望ましい、また裁断繊維
長としては繊維の補強効果を十分発揮する為に、１１ｍ
以上の長さを必要とし、又１００■１以上の繊維は繊維
同志のカラミ合いが発生しやすいため取り扱いが難しい
。

該被覆炭素短繊維を被覆している樹脂を溶解しない液体
すなわち水、フロン系溶剤等に添加して分散液を作り、
炭素材料等の微小連通気孔をもつ多孔質かつ耐熱性を有
する材料で作った型中へ流し込み、型と同−又は類似の
材料で作った上パンチを該分散液上に置き、分散液に加
圧を行って型および上パンチの微小連通気孔より分散液
中の液分を徐々に外部へ排出させ、そのときの分散液中
の流動を利用して液中の分散物すなわち被覆炭素短繊維
を流動させ該繊維の均質な成形体を型中に形成し、余分
な液体は加熱等の手段により除去する。この被覆炭素短
繊維はＣＦＲＣの母材となる炭素になる樹脂を均質に被
覆させているため、繊維と母材の均一分散がうまく行な
える。

多孔質の型を用いるのは分散液の流動を均質に行わせる
のに効果的であり、均質な被覆炭素短繊維成形物を作る
のに有効である。型中の連通気孔の径は１０〜１．００
００μ程度がよく、分散液に用いる液の粘性により前述
の気孔の径の範囲で変えることが望ましい。

また上パンチを通して型中の分散液への加圧は、均質な
被覆炭素短繊維成形物を作ることに対し、大きな影響を
もつので型中の分散液の流動を乱さないように加圧力を
制御することが重要である。

次に本発明のＣＦＲＣの製造工程を説明する。

炭素繊維上に炭素化可能な樹脂を均一に所要の量を付着
させ、該繊維を乾燥後、適当な長さに裁断し液体中に分
散させ分散液を作り、多孔質材料で出来た型および上パ
ンチの型中へ流し込み、該分散液中の液体成分を除去し
、型内部に均質な被覆繊維成形体を得る。この後上パン
チを通しての該成形体への加圧を続け、乾燥等の手段で
分散液中の液体成分を完全に除去する。該成形体への加
圧を続けて行うのは、該成形体中の繊維の剛性により均
質な成形体が変形するのを防ぎ、該成形体の均質性を保
持するためである。

更に該成形体を型中に入れ、上パンチで加圧を加えた状
態のまま、空気中で１５０〜３００℃、１〜２０時間の
熱処理又は不融化処理を行い、該成形体の樹脂の硬化を
行う。このとき成形体への加圧力により樹脂が大きく流
動しないように加圧力を制御してやる必要がある。次い
でこの状態で不活性雰囲気中で７００〜３０００℃の温
度範囲で炭化焼成する。焼成温度はＣＦＲＣの使用目的
により選択する。また焼成したＣＦＲＣは炭素原料とし
て樹脂を用いる為、焼成中に樹脂の揮発成分が抜けるこ
とにより微細な空孔を生じる。この空孔に再度炭素化可
能な樹脂の含浸を行い、焼成をくり返し行うことで、材
料の強度を向上させることも可能である。

以下に実施例を示す。

実施例１ ＰＡＮ系炭素繊維にフェノール樹脂を重量比で繊維／樹
脂−２５／７５の割合になるように均一にｆす着させ、
乾燥後接被覆繊維が約１０ｍになるように裁断し、フロ
ン系溶剤へ分散させた。該分散液を炭素材料で出来た型
中へ被覆炭素繊維の所要の量を流し込み、同一材料の上
パンチを用いて加圧を行い型内部に被覆炭素繊維成形物
を作り、型内部に入れたまま、大気中で１７０℃１２時
間の加熱を行い成形物中の樹脂の硬化を進め、更に不活
性雰囲気中で２００Ｋｇ／−の圧力を加えながら、１０
００℃まで焼成した。

以上の様にして得た１０００℃焼成のＣＦＲＣに再度フ
ェノール樹脂を含浸させ、樹脂の硬化、不活性雰囲気中
での焼成を３回くり返し行った。最終的に重量比で繊維
／樹脂＝３２／６８であった。

雰囲気で２０００℃まで加熱して、２０００℃焼成のＣ
ＦＲＣを作った。このＣＦＲＣの物性は比重１．６曲げ
強度１５００Ｋｇ／−であった。

発明の効果 上記の如く、本発明によると炭素短繊維を用いて曲げ強
度の非常に大きいＣＦＲＣが容易に製造出来る。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）フェノール樹脂、ポリアクリルニトリル樹脂、フ
   ラン樹脂、エポキシ樹脂等の炭素原料となる樹脂を均一
   に被覆させた長さ１〜１００ｍｍの炭素繊維と該樹脂と
   溶解性のない液体で分散液を作り、１０〜１００００μ
   の範囲の連通微小気孔を持ち、かつ耐熱性のある型の中
   へ該分散液を流し込み、型と同一もしくは類似の材料で
   作った上パンチで該分散液に加圧を行い該分散液の流動
   性を利用して型の内部に均質な被覆炭素繊維成形体を得
   、該被覆炭素繊維成形体を型の内部に入れ、上パンチで
   加圧を続けて該成形体の均質性を保った状態で、不活性
   雰囲気又は真空雰囲気中で焼成することを特徴とする炭
   素繊維強化複合材料の製造方法。
2. （２）炭素原料となる樹脂中に粒径５０μ以下のコーク
   ス粉末、黒鉛粉末、セラミックス粉末を含ませ、該樹脂
   で均一に被覆された炭素短繊維を使用することを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の炭素繊維強化複合材料
   の製造方法。
3. （３）炭素材料として耐熱性かつ連通微小気孔をもつ多
   孔質材料を使用することを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の炭素繊維強化複合材料の製造方法。
4. （４）被覆炭素繊維を分散させた分散液中に分散剤又は
   粘度調整剤或いは両者を添加する特許請求の範囲第１項
   記載の炭素繊維強化複合材料の製造方法。
5. （５）炭素繊維強化複合材料中の含有炭素繊維が２０％
   以上であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の炭素繊維強化複合材料の製造方法。