JPS6360155A - 不織布を原料とした炭素／炭素複合材の製造方法 - 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／炭素複合材の製造方法に係り、特に炭素
繊維からなる不織布を原料とし、大型または厚肉の高密
度且つ高強度の炭素／炭素複合材を製造する方法に関す
る。

［従来の技術］ 炭素材料（ダイヤモンドを除く）は無定形炭素と黒鉛に
大別され、これらは各々成形体、繊維等種々の形態のも
のがあるが、その優れた耐熱性、化学薬品に対する安定
性、特異な電気的性質のため、近年その利用分野はロケ
ットノズル等の航空宇宙材料から高速用ブレーキ材、生
体材料に到るまで多岐にわたっており、今後もますます
利用分野が拡がる傾向にある。

そして、これらの炭素材料の中でも特に炭素／炭素複合
材は耐熱性に優れた高強度炭素材料として注目されてい
る。

一般に、炭素／炭素複合材は補強材として炭素ｍ維を使
用し、これに熱硬化性樹脂またはピッチを含浸して隙間
を埋めると共に炭素ｍ維同志を接着し、成形体としての
強度を得ている。

即ち、含浸液に選定する樹脂を極力粘度を小さく調整し
たものと薄い炭素Ｕ＆維布とを交互に重ね合せ、これに
含浸する方法、または薄い樹脂含浸ブリブレリグを加圧
成形する方法により炭素／炭素複合材を製造している。

ここに、「ブリブレリグ」とは補強材としての炭素繊維
に熱硬化性樹脂またはピッチを均等に含浸、乾燥させ、
半硬化させた前駆体としての成形材料をいう。

［発明が解決しようとする問題点］ ところで、上記の炭素／炭素複合材の製造方法において
、炭素繊維の周りに充填するマトリックス材は焼成時に
収縮し、炭素繊維との間に隙間を生じ、この隙間の発生
によって成形品の密度が低下し、強度の低下、摺動性能
の低下、耐酸化性の低下等の物性面の低下の原因となる
ボアーを形成する。

従って、この欠陥を補うため、従来から含浸を綴り返し
行なう方法が採用されている。

この含浸法としては、真空チャンバーに炭素ｍ雌成形体
を入れ、真空に吸引した後、含浸液（フェノール、フラ
ン、エポキシ等の熱硬化性樹脂またはピッチ）を常圧ま
たは加圧下で含浸させるものである。但し、この時の圧
力は１０　ｋ　ｇ　ｆ　／　ｃ　ｒｎ’程度であり、含
浸時の温度は室温〜６５０℃である。

そして、この場合においては含浸時の圧力が低いために
低粘度の含浸液が使用される。

この結果、固形分量の限界があり、炭化収率が低いもの
しかできないという欠点がある０例えば、炭化収率４０
％と６０％の原料を比較すると、５回含浸で４０％のも
のが理論密度の６７％に対し、６０％のものは８３％に
なる。

尚、従来技術における炭素／炭素複合材の密度と含浸液
の含浸回数や粘度、炭素ｍ雌成形体の炭素繊維金含有率
含浸液の含浸圧力との定性的関係をグラフ化して示すと
第２図のようになる。

また、マトリックス材に使用される樹脂は不活性雰囲気
下で緩速な昇温により焼成すると、分子構造の骨格とな
っている炭素と炭素の結合が余りくずれることなく、官
能基や水素のみが炭素の骨格からはずれてゆき、その結
果、グラッシーカーボン材が生成される。

しかし、グラフジ−カーボンは上記のような過程を経て
生成されるため、大きな製品や厚肉の板材を製造する場
合には、焼成中に発生する官能基や水素ガスにより成形
体内部に高圧力の領域が生じ、このため薄い炭素ｉａ！
ｌＩ布を重ねて成形されたものは発生ガスがｌａ雄に沿
って逸散するため層間剥離を生じることになる。

また、前記のプリプレグ製造方法では含浸液中のマトリ
ックス成形物の含有比率が小さいことから、炭素成形体
の密度も低い結果となり、密度を上げるために含浸回数
を増やす等多くの工程を必要とするという欠点を有して
いる。

そこで、本発明は従来の技術では困難とされていた大型
または厚肉の炭素／炭素複合材を製造するために、原料
の補強材としてランダムに炭素ｍ維が配置されている不
織布を用い、高粘度、高固形分量のマトリックス形成物
を選定し、且つ高圧下での含浸手段により高密度、高強
度の炭素／炭素複合材を製造する方法を提供することを
目的として創作された。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、主として炭素ａｍからなるファイバーが方向
性を有さずにフェルト状に積層された不織布にマトリッ
クス形成体を含浸することによりプリプレグ化し、非酸
化性雰囲気下で炭化焼成することを特徴とした不織布を
原料とした炭素／炭素複合材の製造方法に係る。

［作用］ 炭素／炭素複合材の原材料として不織布を使用する場合
には、−度で２０〜５０　ｍ　ｍ　（ｔ　）の厚さの補
強材成形体を得ることができるとともに、ニードルパン
チにより多くの縦糸を通すことができ、これが炭化時の
ガス抜は穴としても有効に作用するという利点がある。

また、弾性率が高く、織機にかからないｍ維でも成形が
回部になり、ａｍのからまりが多いため補強材として有
利な構造を本質的に有している。更に、炭素／炭素複合
体の製造工程が単純化されるという利点もある。

しかしながら、形状が複雑であり、ｍ雄のからまりが多
いことから、逆に複雑な形状の空孔が形成されており、
マトリックス形成体の含浸が困難であるという問題が生
じる。

そこで、本発明においては、マトリックス形成体を含浸
させるための圧力の効果を種々検討することにより、不
織布を用いても充分にマトリックス形成体を含浸させる
ことができることを確認するに至った。

即ち、■熱硬化性樹脂を冷間静水圧で含浸させる方法、
■熱可塑性樹脂を熱間静水圧で含浸させる方法、及び■
前記の■＋■を緑返し実施する方法を用いて、含浸の可
能性について検討を加えた。

この結果については、従来では熱硬化性樹脂での常圧で
はｌ０ｃｐｓ以下の低粘度のものしか含浸できなかった
のに対して、本発明においては粘度が１０００〜１００
００ｃｐｓ（７）？トリックス形成体まで含浸が可１七
となった。また、密度を大きくするにも、少数の含浸回
数で足りた。

この結果、大型または厚肉の炭素／炭素複合材を製造す
ることが回部となる。

ただ、粘度が１００００ｃｐｓ以上になると、第１図に
示すように加圧力が急上昇し、所要の含浸効果を得るた
めには非常に大きな圧力が必要になり、加圧装置に大き
なものが必要になるため経済的でなくなることになるこ
とが判明した。従って、粘度が１００００ｃｐｓ以下の
粘度のマトリックス成形体を用いることが望ましい。

非酸化性雰囲気下で炭化焼成する工程は、前記したよう
にグラシックカーボンを生成する工程であるが、本発明
においては不織布を使用しているため、ニードルパンチ
により多くの縦糸を通すことができ、これが炭化時のガ
ス抜は穴としても有効に作用するという効果により、焼
成時に発生するガスによって居間剥離が生じることを防
止できる。

尚１本発明は、含浸と炭化焼成を一工程づつ施すことに
限定するものではなく、必要に応じて含浸と炭化焼成を
繰返して行なうことも含む。

［実施例］ 実施例１ 炭素ｍ！！のチョップファイバー３０　ｍ　ｍ　ｌとポ
リアクリロニトリルｍ維のｆｆ１ｆｆｉ比を９：１とし
て、乾式抄紙法にて２０ｍｍ（ｔ）の不織布を製造した
。

一方、マトリックス材として、レゾール系フェノール樹
脂の固形分７０％、粘度１００００ｃｐｓのものを製造
し、これらを組み合わせて冷間静水圧加圧含浸を行ない
、ｉｏｏ’ｃ以下の温度条件で２昼夜乾燥させた。

このサンプルを１５０℃、１１００ａｔの条件で硬化さ
せ、１００℃マチを１００”０／Ｈｒ、５００℃までを
２０℃／Ｈｒ、６００℃までを１０℃／　Ｈｒ　、　炭
化までを５０℃／Ｈｒの昇温速度で窒素ガス雰囲気下で
焼成した。

この結果、密度が１．１ｇ／ｃｍ″、曲げ強さが１００
１００Ｏ／ｃｒｎ’（７）炭素／炭素複合材が得られた
。

比較例１ 実施例１と同一材料の組み合せで、真空（１０ｉＴｏ　
ｒ　ｒ）含浸による方法で含浸したものを実施例１と同
様に製造したが、密度０　、８　ｇ　／　ｃば、曲げ強
さが５００ｋｇｆ／ｃｍ’の炭素／炭素複合材しか得ら
れなかった。

比較例２ 実施例１に示す不織布の代わりにＰＡＮ１００％の不織
布を用いて実施例１と同様の方法で炭素／炭素複合材を
製造してみた。

その結果は、密度は１．４ｇ／ｃｒｎ’と上がったが、
曲げ強さが３００〜４００ｋｇｆ／ｃｒｎ’となり、曲
げ強さについては実施例１と比較して１／３程度しかな
かった。

比較例３ 実施例１の不織布に対し、１１５の薄さにしたものを５
枚重ねて実施例１と同様の方法で炭素／炭素複合材を製
造してみた。

この結果は、重ね部に剥離の欠陥が生じ、密度は１．０
ｇ／ｃｔｒｘ″に低下し、曲げ強さも７００ｋｇｆ／ｃ
ｒｎ’にしかならなかった。

これは、実施例１のものに比較して重ね部の厚さ方向に
炭素ａｍが入っていないことにより、ガス抜けが重ね部
に集中したために剥離が生じたものと考えられる。

実施例２ 実施例１のプリプレグ化した材料を４００〜５００℃の
窒素ガス雰囲気下で熱処理したサンプル（密度は０．９
〜１　、０　ｇ　／　ｃゴであった）を使用し、マトリ
ックス材をフェノール樹脂から軟化点９７℃の生ピッチ
に変えて熱間静水圧プレス機にて２００℃、１５００ｋ
ｇｆ／ｃｒｎ’の条件にて含浸した。

含浸後、２００℃までを５０℃／　Ｈｒ、６００℃まで
をｌθ℃／　Ｈｒ　、炭化までを３０℃／　Ｈｒの昇温
速度で窒素ガス雰囲気下で焼成した。

この結果、密度が１　、３〜１　、４ｇ／ｃｍ″、曲げ
強さが１３００　ｋ　ｇ　ｆ　／　ｃ　ｒｎ’の炭素／
炭素複合材が得られた。

比較例４ 実施例２と同一の組わ合せで、含浸方法として２００℃
、１０１Ｔ　ｏ　ｒ　ｒｃｒ）条件で真空含浸を試み、
以後同一条件で炭化焼成した。

この結果、密度１．１〜１．１５ｇ／ｃゴと実施例１に
比較してやや良い結果を得たが、曲げ強さが１０００　
ｋ　ｇ　ｆ　／　ｃ　ｍ’と変らなカッた。

［発明の効果］ 以上のように本発明は、ファイバーが方向性を有さずに
フェルト状に積層された不織布を炭素／炭素複合材の原
料として用い、高粘度、高固形分量のマトリックス形成
物を選定し、且つ高圧下での含浸手段により高密度、高
強度の炭素／炭素複合材を製造することを可能とする。

【図面の簡単な説明】

第１図は横軸にマトリックス形成体の粘度を、縦軸に圧
力をとり、含浸の際の両者の関係を示したグラフ、第２
図は従来技術における炭素／炭素複合材の密度と含浸液
の含浸回数や粘度、炭素ａｍ成形体の炭素繊維含有率、
含浸液の含浸圧力との定性的関係示したグラフである。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）主として炭素繊維からなるファイバーが方向性を
   有さずにフェルト状に積層された不織布にマトリックス
   形成体を含浸することによりプリプレグ化し、非酸化性
   雰囲気下で炭化焼成することを特徴とした不織布を原料
   とした炭素／炭素複合材の製造方法。
2. （２）プリプレグ化において、マトリックス形成体が熱
   硬化性樹脂である特許請求の範囲第（１）項記載の不織
   布を原料とした炭素／炭素複合材の製造方法。
3. （３）プリプレグ化に際し、冷間静水圧によりマトリッ
   クス形成体を含浸させることとした特許請求の範囲第（
   １）項または第（２）項記載の不織布を原料とした炭素
   ／炭素複合材の製造方法。
4. （４）プリプレグ化に際し、含浸時の圧力を５０〜５０
   ００ａｔｍ、含浸時の温度を室温〜３００℃とした特許
   請求の範囲第（１）項、第（２）項または第（３）項記
   載の不織布を原料とした炭素／炭素複合材の製造方法。
5. （５）プリプレグ化に際し、含浸時の樹脂液の粘度を１
   ００００センチポイズ以下とした特許請求の範囲第（１
   ）項、第（２）項、第（３）項または第（４）項記載の
   不織布を原料とした炭素／炭素複合材の製造方法。
6. （６）炭化焼成温度を３０００℃以下とした特許請求の
   範囲第（１）項、第（２）項、第（３）項、第（４）項
   または第（５）項記載の不織布を原料とした炭素／炭素
   複合材の製造方法。