KR102008540B1 - 탄소 섬유 강화 탄소 복합체 및 그의 제조 방법 - Google Patents

탄소 섬유 강화 탄소 복합체 및 그의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

길이 방향의 길이와 폭 방향의 길이의 비가 1을 초과하는 판상의 탄소 섬유 강화 탄소 복합체로서, 탄소질 매트릭스 내에 탄소 섬유가 상기 길이 방향으로 배향되어 있는 제 1 탄소 섬유 강화 탄소 복합층과, 제 1 탄소 섬유 강화 탄소 복합층과는 탄소 섬유의 배치가 다른 제 2 탄소 섬유 강화 탄소 복합층의 적어도 2층이 적층되고, 제 1 탄소 섬유 강화 탄소 복합층이 적어도 한쪽의 판면의 최표층을 형성하고, 그의 두께가, 탄소 섬유 강화 탄소 복합체의 두께의 70% 이상이며, 길이 방향의 굽힘 탄성률이 150GPa 이상인 탄소 섬유 강화 탄소 복합체를 제공한다. 한쪽 또는 양쪽의 판면의 최표층에만 탄소 섬유를 길이 방향으로 끌어 정렬한 제 1 탄소 섬유 강화 탄소 복합층을 설치하고, 다른 부위는, 이 제 1 탄소 섬유 강화 탄소 복합층과는 탄소 섬유의 배치가 다른 탄소 섬유 강화 탄소 복합층으로 함으로써, 길이 방향의 굽힘 탄성률이 크게 향상됨과 함께, 사용 시의 휨이나 벗겨짐, 균열, 제조 시의 가스 발생에 기인하는 층간 박리도 억제된다.

Description

탄소 섬유 강화 탄소 복합체 및 그의 제조 방법{CARBON-FIBER-REINFORCED CARBON COMPOSITE AND METHOD OF MANUFACTURING SAME}
본 발명은 탄소 섬유 강화 탄소 복합체 및 그의 제조 방법에 관한 것이며, 상세하게는 장척상(長尺狀)의 탄소 섬유 강화 탄소 복합체로서, 그의 길이 방향의 굽힘 탄성률이 크고, 액정 기판, 프린트 기판이나 유리 기판 등의 박판상 워크의 반송용 부재로서 적합한 탄소 섬유 강화 탄소 복합체와, 이 탄소 섬유 강화 탄소 복합체를 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 또한 이 탄소 섬유 강화 탄소 복합체로 이루어지는 반송용 부재에 관한 것이다.
액정 기판, 프린트 기판이나 유리 기판 등의 박판상 워크의 반송용 부재로서는, 종래, 금속(주로 Al 또는 스테인레스), 세라믹, 탄소 섬유 강화 수지 복합 재료(CFRP)로 이루어지는 것이 이용되고 있지만(특허문헌 1 내지 3), 금속 또는 세라믹제 반송용 부재에서는, 부재 중량이 무겁고, 취급성, 조작성이 나쁘다고 하는 결점이 있고, 세라믹제 반송용 부재에서는, 취성이고, 내충격성이 뒤떨어지는 점도 문제가 된다.
이에 비하여, CFRP제 반송용 부재이면, 경량이며 높은 굽힘 강성을 갖고, 우수한 진동 감쇠 특성을 갖지만, 수지 재료이기 때문에 내열성에 한계가 있어, 300℃ 이상과 같은 고온의 사용 환경에서는 적용할 수 없다.
한편, 탄소 섬유와 탄소질 매트릭스로 이루어지는 탄소 섬유 강화 탄소 복합 재료(C/C 복합재)는, 내열성이 높고, 경량이며 내마모성 등도 우수하기 때문에, 종래부터, 로켓 노즐이나 항공기의 브레이크재 등, 주로 우주, 항공기용 재료 등으로서 이용되고 있다(특허문헌 4, 5, 6).
일본 특허공개 제2003-62786호 공보 일본 특허공개 제2010-127340호 공보 일본 특허공개 제2009-160685호 공보 일본 특허공개 소60-191057호 공보 일본 특허공개 평3-205359호 공보 일본 특허공개 제2011-46543호 공보
C/C 복합재는 경량이며 고내열성이고, 내마모성 등의 기계 특성도 우수하기 때문에, 고온 환경 하에서 사용되는 반송용 부재의 구성 재료로서 유망하지만, C/C 복합재는, 반송용 부재와 같은 장척 부재로 한 경우, 그의 길이 방향의 굽힘 탄성률이 충분하지 않고, CFRP제 반송용 부재와 동등한 굽힘 강성에서 양호한 진동 감쇠 특성을 발휘할 수는 없었다.
C/C 복합재제 장척 부재에 있어서, 길이 방향의 굽힘 탄성률을 크게 하려고 한 경우, 탄소 섬유를 그의 길이 방향으로 끌어 정렬하여 배향시키는 것이 생각되지만, 이와 같이 단지 탄소 섬유를 길이 방향으로 끌어 정렬하여 제조된 C/C 복합재제 장척 부재에서는, 휨이나 벗겨짐(균열)의 문제가 있어, 실용에 견딜 수 없다.
또한, 특허문헌 3에서는, CFRP제 반송용 부재의 강도를 개선하기 위해서, 탄소 섬유 직포(직물(cloth))의 층을 층간에 설치한 적층 구성으로 하고 있지만, 이러한 적층 구성을 C/C 복합재에 적용한 경우, 소성, 탄화 공정에서 발생된 가스의 탈가스성이 나쁜 것에 기인하여, 균열, 층간 박리가 일어난다고 하는 문제가 있었다.
또한, C/C 복합재에 이용하는 탄소 섬유로서, 그 자체 고탄성인 것을 이용하고, 이것을 길이 방향으로 끌어 정렬하여 배향시킴으로써, 길이 방향의 굽힘 탄성률이 큰 장척 부재를 제조하고자 하면, 탄소 섬유가 고탄성이기 때문에 취급성이 나빠, 특히 프리프레그화, 재단, 적층 등의 각 공정에서의 작업이 곤란하여, 공업 레벨에서의 생산에는 부적당했다.
본 발명은 상기 종래의 문제점을 해결하여, 길이 방향의 굽힘 탄성률이 현저하게 높아, 제조, 가공이 용이하며, 휨, 벗겨짐, 균열의 문제도 없는 탄소 섬유 강화 탄소 복합체를 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명자들은 상기 과제를 해결하기 위해 예의 검토를 거듭한 결과, 단지 길이 방향으로 탄소 섬유를 끌어 정렬한 탄소 섬유 강화 탄소 복합체가 아니라, 한쪽 또는 양쪽의 판면의 최표층에 탄소 섬유를 길이 방향으로 끌어 정렬한 탄소 섬유 강화 탄소 복합층(제 1 탄소 섬유 강화 탄소 복합층)을 설치하고, 다른 부위는, 이 제 1 탄소 섬유 강화 탄소 복합층과는 탄소 섬유의 배치가 다른 탄소 섬유 강화 탄소 복합층으로 함으로써, 길이 방향의 굽힘 탄성률이 크게 향상됨과 함께, 사용 시의 휨이나 벗겨짐, 균열의 문제도 없고, 또한 제조 시의 가스 발생에 기인하는 층간 박리도 억제된다는 것을 발견했다.
본 발명은 이러한 지견에 기초하여 달성된 것이며, 이하를 요지로 한다.
제 1 태양의 탄소 섬유 강화 탄소 복합체는, 탄소 섬유와 탄소질 매트릭스로 구성되고, 길이 방향의 길이와 폭 방향의 길이의 비가 1을 초과하는 판상의 탄소 섬유 강화 탄소 복합체로서, 탄소질 매트릭스 내에 탄소 섬유가 상기 길이 방향으로 배향되어 있는 제 1 탄소 섬유 강화 탄소 복합층과, 당해 제 1 탄소 섬유 강화 탄소 복합층과는 탄소 섬유의 배치가 다른 제 2 탄소 섬유 강화 탄소 복합층의 적어도 2층의 탄소 섬유 강화 탄소 복합층이 적층된 탄소 섬유 강화 탄소 복합체이며, 당해 제 1 탄소 섬유 강화 탄소 복합층이 당해 탄소 섬유 강화 탄소 복합체의 적어도 한쪽의 판면의 최표층을 형성하고, 상기 제 1 탄소 섬유 강화 탄소 복합층의 두께가, 당해 탄소 섬유 강화 탄소 복합체의 두께의 70% 이상이며, 당해 길이 방향의 굽힘 탄성률이 150GPa 이상인 것을 특징으로 한다.
제 2 태양의 탄소 섬유 강화 탄소 복합체는, 제 1 태양에 있어서, 상기 제 2 탄소 섬유 강화 탄소 복합층 내의 탄소 섬유가 상기 길이 방향과 교차하는 방향으로 배향되어 있는 것을 특징으로 한다.
제 3 태양의 탄소 섬유 강화 탄소 복합체는, 제 1 또는 제 2 태양에 있어서, 상기 제 1 탄소 섬유 강화 탄소 복합층의 FAW가 1,000 내지 20,000g/m2이며, 상기 제 2 탄소 섬유 강화 탄소 복합층의 FAW가 200 내지 5,000g/m2이며, 탄소 섬유 강화 탄소 복합체의 FAW가 1,200 내지 25,000g/m2인 것을 특징으로 한다.
제 4 태양의 탄소 섬유 강화 탄소 복합체는, 제 1 내지 제 3 중 어느 1 태양에 있어서, 탄소 섬유가 피치계 탄소 섬유인 것을 특징으로 한다.
제 5 태양의 탄소 섬유 강화 탄소 복합체는, 제 1 내지 제 4 중 어느 1 태양에 있어서, 탄소 섬유의 부피 함유율이 40 내지 70%인 것을 특징으로 한다.
제 6 태양의 탄소 섬유 강화 탄소 복합체는, 제 1 내지 제 5 중 어느 1 태양에 있어서, 부피 밀도가 1.65g/cm3 이상인 것을 특징으로 한다.
제 7 태양의 탄소 섬유 강화 탄소 복합체는, 제 1 내지 제 6 중 어느 1 태양에 있어서, 탄소 섬유가 섬유축 방향으로 끌어 정렬된 1방향 프리프레그의 복수 매를, 당해 탄소 섬유의 끌어 정렬된 방향이 교차되도록 적층하고, 수득된 적층체를 가열 가압 성형하여 수득되는 탄소 섬유 강화 수지 성형체를 소성, 탄화시켜 이루어지는 것을 특징으로 한다.
제 8 태양의 탄소 섬유 강화 탄소 복합체는, 제 7 태양에 있어서, 상기 프리프레그의 열경화성 수지 함유율이 15 내지 45중량%인 것을 특징으로 한다.
제 9 태양의 탄소 섬유 강화 탄소 복합체는, 제 7 또는 제 8 태양에 있어서, 상기 탄소 섬유 강화 수지 성형체를 소성, 탄화하여 수득된 프리폼에 대하여, 이하의 (1) 및 (2)의 공정으로 이루어지는 치밀화 처리를 적어도 1회 행함에 의해 수득된 것인 것을 특징으로 한다.
(1) 콜 타르·피치, 석유 타르·피치 및 수지로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 함침재를 프리폼에 함침시키는 함침 공정
(2) 함침 공정 후, 소성하여 상기 함침재를 탄화시키는 탄화 공정
제 10 태양의 반송용 부재는, 제 1 내지 제 9 중 어느 1 태양의 탄소 섬유 강화 탄소 복합체를 구비하는 것을 특징으로 한다.
제 11 태양의 탄소 섬유 강화 탄소 복합체의 제조 방법은, 제 1 내지 제 9 중 어느 1 태양의 탄소 섬유 강화 탄소 복합체를 제조하는 방법으로서, 탄소 섬유가 섬유축 방향으로 끌어 정렬된 1방향 프리프레그의 복수 매를, 당해 탄소 섬유의 끌어 정렬된 방향이 교차되도록 적층하고, 수득된 적층체를 가열 가압하여 탄소 섬유 강화 수지 성형체를 수득하고, 당해 탄소 섬유 강화 수지 성형체를 소성하여 탄화시킨 후, 콜 타르·피치, 석유 타르·피치 및 수지로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 함침재를 함침시키고, 재차 소성하여 당해 함침재를 탄화시키는 것을 특징으로 한다.
제 12 태양의 탄소 섬유 강화 탄소 복합체의 제조 방법은, 제 11 태양에 있어서, 상기 함침과 그 후의 소성 탄화를 복수 회 반복 행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 탄소 섬유 강화 탄소 복합체는 길이 방향의 굽힘 탄성률이 현저하게 높아, 제조, 가공이 용이하고, 휨, 벗겨짐, 균열이 문제가 되는 일도 없다.
즉, 본 발명의 탄소 섬유 강화 탄소 복합체는, 탄소 섬유 강화 탄소 복합체의 한쪽 또는 양쪽의 판면의 최표층에 설치된, 탄소 섬유가 탄소 섬유 강화 탄소 복합체의 길이 방향으로 배향되어 있는 제 1 탄소 섬유 강화 탄소 복합층과, 이 제 1 탄소 섬유 강화 탄소 복합층과는 탄소 섬유의 배치가 다른 제 2 탄소 섬유 강화 탄소 복합층의 적어도 2층의 탄소 섬유 강화 탄소 복합층이 적층된 구조를 갖고, 최표층의 제 1 탄소 섬유 강화 탄소 복합층에 의해, 길이 방향의 굽힘 탄성률을 충분히 확보할 수 있다. 또한, 이 제 1 탄소 섬유 강화 탄소 복합층에 제 2 탄소 섬유 강화 탄소 복합층을 적층함으로써, 제 1 탄소 섬유 강화 탄소 복합층만인 경우에 문제가 되는 휨이나 박리(균열)의 문제를 억제할 수 있다. 또한, 적어도 한쪽의 판면의 최표층의 제 1 탄소 섬유 강화 탄소 복합층이, 탄소 섬유가 끌어 정렬된 층인 것에 의해, 소성, 탄화 공정에서 발생하는 가스를, 이 제 1 탄소 섬유 강화 탄소 복합층을 통해서 원활히 배출할 수 있어, 발생 가스의 탈가스 불량에 기인하는 층간 박리 등의 결함의 발생을 방지할 수 있다.
또한, 이와 같이, 탄소 섬유 강화 탄소 복합층의 탄소 섬유의 끌어 정렬된 방향 내지는 배치에 의해 굽힘 탄성률을 높이기 때문에, 탄소 섬유로서 과도하게 고탄성인 것을 이용할 필요가 없다. 이 때문에, 재단, 가공, 그 밖의 취급성이 우수한 탄소 섬유를 이용하여, 양호한 작업성 하에 탄소 섬유 강화 탄소 복합체를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 탄소 섬유 강화 탄소 복합체의 탄소 섬유 강화 탄소 복합층의 적층 구성의 실시 형태를 나타내는 모식적인 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 탄소 섬유 강화 탄소 복합체를 이용한 본 발명의 반송용 부재의 실시 형태를 나타내는 사시도이다.
이하에 본 발명의 실시 형태를 상세하게 설명한다.
[탄소 섬유 강화 탄소 복합체]
본 발명의 탄소 섬유 강화 탄소 복합체(이하, 「C/C 복합체」로 칭하는 경우가 있다)는, 탄소 섬유와 탄소질 매트릭스로 구성되고, 길이 방향의 길이와 폭 방향의 길이의 비가 1을 초과하는 판상의 C/C 복합체로서, 탄소질 매트릭스 내에 탄소 섬유가 상기 길이 방향으로 배향되어 있는 제 1 탄소 섬유 강화 탄소 복합층(이하, 「탄소 섬유 강화 탄소 복합층」을 「C/C 복합층」으로 칭하며, 탄소 섬유가 길이 방향으로 배향되어 있는 층을 「길이 방향 C/C 복합층」으로 칭하는 경우가 있다)과, 당해 제 1 C/C 복합층과는 탄소 섬유의 배치가 다른 제 2 C/C 복합층의 적어도 2층의 C/C 복합층이 적층되어, 제 1 C/C 복합층이 C/C 복합체의 적어도 한쪽의 판면의 최표층을 형성하는, 즉 C/C 복합체의 한쪽 또는 양쪽의 판면의 최표층에 제 1 C/C 복합층이 설치되어 있고, 제 1 C/C 복합층의 두께가 C/C 복합체의 두께의 70% 이상이며, 길이 방향의 굽힘 탄성률이 150GPa 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 탄소 섬유가 C/C 복합체의 길이 방향으로 배향된다는 것이란, 탄소 섬유가 C/C 복합체의 길이 방향에 대하여 ±10° 이내의 각도로 배향되어 있다는 것(즉, 탄소 섬유의 축 방향이 C/C 복합체의 길이 방향에 대하여 ±10° 이내의 각도가 되도록 존재하는 것)을 의미한다.
또한, 후술하는 탄소 섬유가 C/C 복합체의 짧은 방향으로 배향되어 있다는 것에 대해서도 마찬가지로, 탄소 섬유가 C/C 복합체의 길이 방향과 직교하는 짧은 방향에 대하여 ±10° 이내의 각도로 배향되어 있다는 것을 의미한다.
상기 제 2 C/C 복합층의 탄소 섬유의 배치에는 특별히 제한은 없고, 제 2 C/C 복합층으로서는,
(1) 상기 길이 방향과 교차하는 방향, 바람직하게는 직교하는 짧은 방향으로 탄소 섬유가 배향되어 있는 층(이하, 「짧은 방향 C/C 복합층」으로 칭하는 경우가 있다)
(2) 탄소 섬유가 2차원 직물(직포)로 되어 있는 층(이하, 「직물 C/C 복합층」으로 칭하는 경우가 있다)
(3) 탄소 섬유가 랜덤 배향(부직포)으로 되어 있는 층(이하, 「랜덤 C/C 복합층」으로 칭하는 경우가 있다)
등을 들 수 있지만, 바람직하게는 생산 효율, 보강 효과, 및 휨, 박리 방지 효과, 그리고 큰 치수 제품에서도 우수한 효과를 나타낸다는 등의 면에서 짧은 방향 C/C 복합층이다.
따라서, 예컨대 본 발명의 C/C 복합체는, 도 1(a)에 나타낸 바와 같이, 길이 방향 C/C 복합층(1, 1) 사이에 짧은 방향 C/C 복합층(2)을 갖는 C/C 복합체(10A), 도 1(b)에 나타낸 바와 같이, 길이 방향 C/C 복합층(1, 1) 사이에 직물 C/C 복합층(3)을 갖는 C/C 복합체(10B), 도 1(c)에 나타낸 바와 같이, 길이 방향 C/C 복합층(1, 1) 사이에 랜덤 C/C 복합층(4)을 갖는 C/C 복합체(10C) 등을 들 수 있다.
단, 본 발명의 C/C 복합체는, C/C 복합체의 판면의 적어도 한쪽의 최표층에 제 1 C/C 복합층인 길이 방향 C/C 복합층이 존재하고, 그 이외의 부위에는, 길이 방향 C/C 복합층과는 다른 C/C 복합층이 적층되어 있으면 좋고, 길이 방향 C/C 복합층과 짧은 방향 C/C 복합층의 적층체, 길이 방향 C/C 복합층과 직물 C/C 복합층의 적층체, 길이 방향 C/C 복합층과 랜덤 C/C 복합층의 적층체 등의 2층 적층체이어도 좋고, 또한 4층 이상의 적층체이어도 좋다.
4층 이상의 C/C 복합층을 갖는 경우에서, 최표층 이외에도 길이 방향 C/C 복합층이 존재하여도 좋다.
한편, 본 발명에서, 「최표층」이란, 탄소 섬유와 탄소질 매트릭스로 구성되는 C/C 복합체의 표면측의 층이며, 이 위에 도금, 증착, 도장 등의 표면층을 형성한 경우의 표면층을 의미하는 것은 아니다. 즉, 후술하는 바와 같이, 본 발명의 C/C 복합체에는, 최표층인 길이 방향 C/C 복합층 상에 추가로 도금 등의 표면 처리를 행할 수 있지만, 이러한 표면 처리층은, 본 발명에 따른 최표층에는 해당되지 않는다.
본 발명의 C/C 복합체에서, 최표층을 구성하는 제 1 C/C 복합층인 길이 방향 C/C 복합층의 두께는, C/C 복합체의 길이 방향의 굽힘 탄성률을 충분히 높이는 데 중요하고, 이 길이 방향 C/C 복합층의 두께가 지나치게 얇으면 충분한 굽힘 탄성률을 달성할 수 없다. 최표층의 길이 방향 C/C 복합층의 두께(C/C 복합체에 길이 방향 C/C 복합층이 2층 이상 있는 경우는 그 합계의 두께)는, 당해 길이 방향 C/C 복합층의 구성(탄소 섬유 함유 비율이나 부피 밀도 등)이나, 제 2 C/C 복합층으로서 이용하는 C/C 복합층의 종류나 C/C 복합체의 총 두께에 따라서도 다르지만, C/C 복합체의 전체 두께의 70% 이상이다. 단, 이 길이 방향 C/C 복합층의 두께 비율이 지나치게 크면, 제 2 C/C 복합층을 설치하는 것에 의한 본 발명의 효과를 충분히 수득할 수 없기 때문에, 길이 방향 C/C 복합층의 두께(C/C 복합체에 길이 방향 C/C 복합층이 2층 이상 있는 경우는 그 합계의 두께)는, C/C 복합체의 총 두께의 70 내지 90%, 특히 75 내지 85%인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 C/C 복합체의 제 1 C/C 복합층인 길이 방향 C/C 복합층의 FAW(단위 면적당 탄소 섬유 중량)가 과도하게 낮으면, 길이 방향의 굽힘 탄성률을 충분히 크게 할 수 없다. 단, 이 FAW가 지나치게 크면 탄소질 매트릭스가 적고 섬유가 노출이 되어 외관 불량, 먼지의 원인이 되거나, 또한 층간 박리가 생기는 경우가 있어 불리하다. 따라서, 제 1 C/C 복합층의 길이 방향 C/C 복합층의 FAW(C/C 복합체에 길이 방향 C/C 복합층이 2층 이상 있는 경우는 그 합계의 FAW)는 1,000 내지 20,000g/m2, 특히 5,000 내지 15,000g/m2인 것이 바람직하다. 또한, 제 2 C/C 복합층에 대해서도, FAW가 과도하게 작으면, 제 2 C/C 복합층을 설치하는 것에 의한 휨이나 박리의 방지 효과를 충분히 수득할 수 없다. 단, 이 FAW가 지나치게 크면 탄소질 매트릭스가 적어 층간 접착력이 저하되거나, 길이 방향의 굽힘 탄성률이 저하되는 경우가 있어 불리하다. 따라서, 제 2 C/C 복합층의 FAW는 200 내지 5,000g/m2, 특히 400 내지 4,000g/m2인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 C/C 복합체 자체의 FAW는, 상기 제 1 C/C 복합층 및 제 2 C/C 복합층의 FAW를 만족시키기 위해서, 1,200 내지 25,000g/m2, 특히 5,400 내지 19,000g/m2인 것이 바람직하다.
본 발명의 C/C 복합체의 탄소 섬유로서는, 고탄성률이며, 탄소 함유율이 높고, 복합 재료의 화학적 안정성이 유지되기 때문에, 콜 타르·피치, 석유 타르·피치 등의 피치계 탄소 섬유를 이용하는 것이 바람직하지만, 이들 피치계 탄소 섬유와 같은 정도의 탄성률을 갖는 PAN계 탄소 섬유이어도 좋다. 탄소 섬유의 인장 탄성률은 500GPa 이상, 그 중에서도 600GPa 이상인 것이 바람직하다. 한편, 제 2 C/C 복합층을 형성하기 위한 후술하는 직물 C/C 복합층용 프리프레그의 탄소 섬유 직포의 탄소 섬유에 대해서도 피치계 탄소 섬유가 바람직하지만, PAN계 탄소 섬유가 바람직한 경우도 있다.
[C/C 복합체의 제조 방법]
본 발명의 C/C 복합체를 제조하는 방법으로서는 특별히 제한은 없지만, 제 1 C/C 복합층을 형성하기 위한 탄소 섬유 강화 수지 복합 시트(이하, 「제 1 프리프레그」로 칭하는 경우가 있다)와, 제 2 C/C 복합층을 형성하기 위한 탄소 섬유 강화 수지 복합 시트(이하, 「제 2 프리프레그」로 칭하는 경우가 있다)를 준비하여, 각 프리프레그의 필요 매수를 적층하고, 수득된 프리프레그 적층체를 가열 가압 성형하여 탄소 섬유 강화 수지 성형체(이하, 「C/P 성형체」로 칭하는 경우가 있다)로 하고, 이 C/P 성형체를 소성함으로써 탄화시키고, 추가로 치밀화 처리를 행하는 방법을 들 수 있다.
{프리프레그의 제조}
제 1 프리프레그, 제 2 프리프레그의 어느 것에서도, 수지 함유율은 15 내지 45중량%, 특히 25 내지 35중량%인 것이 바람직하다.
프리프레그의 수지 함유율이 지나치게 많으면 상대적으로 탄소 섬유의 함유 비율이 적어짐으로써, 탄소 섬유에 의한 보강 효과를 충분히 수득할 수 없고, 프리프레그의 수지 함유율이 지나치게 적으면 수득되는 C/C 복합체의 탄소질 매트릭스가 적어짐으로써, 수득되는 C/C 복합체가 취성이 되는 경우가 있다.
탄소 섬유에 함침시키는 수지로서는, 페놀 수지, 퓨란 수지 등의 열경화성 수지의 1종 또는 2종 이상을 이용할 수 있다.
이들 수지는, 알코올, 아세톤, 안트라센유 등의 용매에 용해 내지 분산시켜 적절한 점도로 조제된 함침액으로서 이용된다.
한편, 열경화성 수지 대신에 석유계, 석탄계 등의 피치를 이용할 수도 있다.
또한, 제 1 프리프레그, 제 2 프리프레그의 어느 것에서도, 전술한 바와 같이, 탄소 섬유로서는, 콜 타르·피치, 석유 타르·피치 등의 피치계 탄소 섬유를 이용하는 것이 바람직하지만, 전술한 바와 같이, 탄소 섬유 직포의 탄소 섬유로서는, PAN계 탄소 섬유가 바람직한 경우도 있다.
각 프리프레그의 FAW는, 전술한 제 1 C/C 복합층 및 제 2 C/C 복합층의 적합한 FAW를 수득함과 함께, 후술하는 본 발명의 C/C 복합체의 적합한 탄소 섬유 부피 함유율이 수득되는 범위에서 임의이지만, 제 1 프리프레그에 대해서는 FAW는 200 내지 500g/m2, 특히 250 내지 450g/m2인 것이 바람직하고, 제 2 프리프레그에 대해서는 FAW는 100 내지 500g/m2, 특히 150 내지 450g/m2인 것이 바람직하다.
제 1 프리프레그의 FAW가 지나치게 적으면, 본 발명의 C/C 복합체의 길이 방향의 굽힘 탄성률을 충분히 크게 할 수 없고, 지나치게 많으면 C/C 복합체 표면의 평활성을 유지하는 것이 곤란하다.
제 2 프리프레그에 대해서는, 본 발명의 C/C 복합체의 길이 방향의 굽힘 탄성률의 향상보다도 오히려 휨이나 박리 방지를 위해서 이용되어, FAW가 지나치게 높으면, 본 발명의 C/C 복합체가 갖는 길이 방향의 높은 굽힘 탄성률 성능의 발현이 불충분해지기 때문에, 제 1 프리프레그의 FAW보다도 약간 낮은 것이 바람직하다. 단, 이 제 2 프리프레그에 대해서도 과도하게 FAW가 지나치게 낮으면 제 2 프리프레그를 설치하는 것에 의한 상기 효과를 충분히 수득할 수 없다.
<제 1 프리프레그>
제 1 C/C 복합층은, 탄소 섬유가 그의 축 방향이 C/C 복합체의 길이 방향으로 배향된 길이 방향 C/C 복합층이며, 따라서, 제 1 프리프레그는, 복수 개의 탄소 섬유 필라멘트를 1방향으로 끌어 정렬하고, 이 끌어 정렬된 탄소 섬유에 열경화성 수지를 함침시켜 이루어지는 UD 프리프레그(1방향 프리프레그)이다.
이 1방향 프리프레그에 이용하는 탄소 섬유의 섬유 직경, 필라멘트 수에 대해서는, 전술한 제 1 프리프레그의 FAW, 및 제 1 C/C 복합층의 FAW를 만족할 수 있는 것이면 좋고, 특별히 제한은 없지만, 섬유 직경은 5 내지 15㎛, 필라멘트 수는 6,000 내지 15,000개인 것이 바람직하다.
한편, 이 제 1 C/C 복합층에 이용하는 UD 프리프레그의 탄소 섬유에 대해서는, 수득되는 C/C 복합체의 길이 방향의 굽힘 탄성률을 충분히 높은 것으로 하기 위해서, 탄소 섬유 자체도 탄성률이 큰 것이 바람직하고, JIS R 7606에 준거하여 만능 시험기로 측정된 인장 탄성률이 400GPa 이상, 특히 600GPa 이상인 것이 바람직하다. 이 탄소 섬유의 인장 탄성률은, 과도하게 크면 취급성, 가공성이 나빠지기 때문에 800GPa 이하인 것이 바람직하다.
<제 2 프리프레그>
(짧은 방향 C/C 복합층용 프리프레그)
제 2 C/C 복합층으로서의 짧은 방향 C/C 복합층은, 제 1 C/C 복합층의 길이 방향 C/C 복합층의 탄소 섬유의 배향 방향과는 직교하는 방향으로 탄소 섬유가 배향된 C/C 복합층이다. 따라서, 이 짧은 방향 C/C 복합층용 프리프레그로서는, 전술한 제 1 프리프레그와 마찬가지로 하여 제조된 것을 이용하고, 프리프레그를 적층하여 프리프레그 적층체를 제조할 때에, 제 1 프리프레그와는 탄소 섬유의 배향 방향이 직교하도록 이용하면 좋다.
이 때문에, 제 2 C/C 복합층으로서 짧은 방향 C/C 복합층을 설치하는 경우, 이 짧은 방향 C/C 복합층용 프리프레그를 별도 제조함이 없이, 길이 방향 C/C 복합층용 프리프레그를 적층 시의 탄소 섬유의 방향을 변경하여 이용하면 좋고, 제 2 C/C 복합층용 프리프레그 제조의 수고를 생략할 수 있다는 점에서 바람직하다.
(직물 C/C 복합층용 프리프레그)
제 2 C/C 복합층으로서의 직물 C/C 복합층을 형성하기 위한 직물 C/C 복합층용 프리프레그는, 탄소 섬유의 직포에 열경화성 수지를 함침시킴으로써 제조할 수 있다.
이 탄소 섬유의 직포로서는, 전술한 제 2 프리프레그의 FAW 및 제 2 C/C 복합층의 FAW를 만족할 수 있는 것이면 좋고, 그의 제직 방법이나 탄소 섬유 직경에 대해서는 특별히 제한은 없다. 바람직하게는 예컨대, 탄소 섬유로서 전술한 제 1 프리프레그에서 이용한, 섬유 직경이 5 내지 15㎛인 것을 이용하는 것이 바람직하다. 탄소 섬유의 직포로서는, 예컨대 평직(平織), 주자직(朱子織) 등의 직포를 이용할 수 있다.
(랜덤 C/C 복합층용 프리프레그)
제 2 C/C 복합층으로서의 랜덤 C/C 복합층은, 예컨대 섬유 직경 5 내지 15㎛ 정도의 탄소 섬유의 속을 10 내지 50mm 정도로 절단한 것을 개섬(開纖)하여, 전술한 제 2 프리프레그의 FAW 및 제 2 C/C 복합층의 FAW를 만족할 수 있는 2차원 랜덤 시트(부직포)로 한 것에, 열경화성 수지를 함침시킴으로써 제조할 수 있다.
{프리프레그의 적층}
제 1 프리프레그와 제 2 프리프레그를 이용하여, 각각 그의 필요 매수를 적층하여 프리프레그 적층체를 수득한다.
각 프리프레그의 적층 매수는, 제조하는 C/C 복합체의 각 층의 두께와 FAW를 만족시킬 수 있도록 적절히 조정된다.
{프리프레그 적층체의 성형}
프리프레그 적층체는 이어서 가열 가압함으로써 성형하여 C/P 성형체로 한다. 이 가열 가압 조건은, 이용한 열경화성 수지에 따라서도 다르지만, 통상의 경우, 온도는 100 내지 500℃, 바람직하게는 100 내지 200℃이며, 압력은 1 내지 20kg/cm2, 바람직하게는 5 내지 10kg/cm2 정도이다. 또한, 이 가열 가압의 유지 시간은 60 내지 180분 정도이다.
{C/P 성형체의 소성·탄화}
C/P 성형체는, 질소 가스 등의 불활성 가스 분위기 중, 700 내지 2,500℃, 바람직하게는 700 내지 1,600℃ 정도의 온도에서 소성함으로써, 수지를 탄화(본 발명에서, 이 소성, 탄화에 의해 수득되는 것을 「프리폼」으로 칭한다)시킨다.
{프리폼의 치밀화}
본 발명에서는, 수득되는 C/C 복합체의 부피 밀도를 높이고, 길이 방향의 굽힘 탄성률, 그 밖의 기계적 특성을 충분히 높은 것으로 하기 위해서, 바람직하게는 소성, 탄화에 의해 수득된 프리폼을 치밀화한다.
치밀화의 방법으로서는, 프리폼에 페놀 수지 등의 열경화성 수지 및/또는 타르, 피치 등의 열가소성 물질 등의 함침재를 함침시킨 후, 소성하여 함침재를 탄화시키는 함침·탄화 프로세스를 적어도 1회 행하는 방법; 또는 메테인, 프로페인 등의 탄화수소 가스를 열분해하여 탄소를 수득하는 CVD법 등을 들 수 있다. 특히 고열용량이며 고열전도성인 C/C 복합재가 수득되기 때문에, 함침재로서 피치를 함침시켜 탄화시키는 함침·탄화 프로세스를 적어도 1회 행하는 방법이 바람직하다.
탄화 프로세스에서의 소성 온도는 700 내지 2,500℃, 특히 700 내지 1,600℃ 정도인 것이 바람직하다. 탄화 프로세스에서의 분위기는 질소 가스 등의 불활성 가스 분위기가 바람직하다.
본 발명에서는, 이 함침·탄화 프로세스의 횟수를 조정함으로써, 후술하는 본 발명에 적합한 부피 밀도 및 기공률을 갖는 C/C 복합체를 수득할 수 있다. 구체적으로는, 함침·탄화 프로세스의 횟수가 많을수록 부피 밀도는 높고, 기공률은 작아지는 경향이 있다.
이렇게 하여, 치밀화 처리한 후에는, 추가로 필요에 따라 흑연화 처리를 행하는 것에 의해 본 발명의 C/C 복합체가 수득된다. 이 C/C 복합체는, 탄소질 매트릭스로서, 열경화성 수지, 피치 등에서 유래하는 탄소를 함유한다.
흑연화 처리는, 예컨대 치밀화 처리 후의 C/C 복합체를 불활성 가스 분위기 중에서 1,600 내지 2,800℃에서 소성함으로써 행할 수 있다.
[C/C 복합체의 크기, 형상]
본 발명의 C/C 복합체는, 길이 방향의 길이와 폭 방향(짧은 방향)의 길이의 비(길이 방향/폭 방향)가 1을 초과하는 것이며, 바람직하게는 이 비가 5 이상, 보다 바람직하게는 20 이상인 장척상의 판상 부재이다. 길이 방향/폭 방향의 길이 비가 클수록 길이 방향의 굽힘 탄성률을 크게 한다고 하는 본 발명의 효과를 현저히 수득할 수 있지만, 공업적인 생산성이나 C/C 복합체의 용도 때문에, 통상 이 비는 100 이하, 바람직하게는 90 이하, 보다 바람직하게는 80 이하이다.
본 발명의 C/C 복합체의 길이 방향 및 폭 방향(짧은 방향)의 길이 및 두께에 대해서는 특별히 제한은 없고, 용도와 생산 설비의 규모에 따라 적절히 결정된다.
일반적으로는, 본 발명의 C/C 복합체의 길이 방향의 길이는 통상 200 내지 5,000mm, 바람직하게는 500 내지 2,000mm, 보다 바람직하게는 800 내지 1,800mm, 특히 바람직하게는 1,000 내지 1,500mm이며, 폭 방향(짧은 방향)의 길이는 통상 10 내지 100mm, 바람직하게는 20 내지 80mm, 보다 바람직하게는 25 내지 70mm, 특히 바람직하게는 30 내지 60mm이며, 두께는 통상 1 내지 40mm, 바람직하게는 1 내지 30mm, 그 중에서도 바람직하게는 1 내지 25mm, 보다 바람직하게는 5 내지 25mm, 특히 바람직하게는 8 내지 20mm이다. C/C 복합체의 두께가 지나치게 얇으면 강성이 부족하고, 지나치게 두꺼우면 중량 과다가 되어, 용도가 제한되게 된다.
한편, 본 발명의 C/C 복합체의 길이 방향이란, 그의 가장 길이가 긴 부분이며, 전술한 제 1 C/C 복합층 내의 탄소 섬유의 축 방향이 배향되어 있는 방향이고, 두께 방향이란, 전술한 제 1 C/C 복합층과 제 2 C/C 복합층의 적층 방향이며, 폭 방향(짧은 방향)이란, 이 길이 방향 및 두께 방향과 직교하는 방향을 가리킨다.
[C/C 복합체의 물성]
<굽힘 탄성률>
본 발명의 C/C 복합체는, 길이 방향의 굽힘 탄성률이 150GPa 이상인 것을 특징으로 한다. 길이 방향의 굽힘 탄성률이 150GPa 미만이면, 굽힘 강성, 진동 감쇠 특성이 부족하고, 예컨대 반송용 부재로서의 용도에서 반송물을 적재했을 때의 하중 휨이나 진동이 커져, 안정한 사용이 곤란해진다.
본 발명의 C/C 복합체의 길이 방향의 굽힘 탄성률은 높을수록 사용 시의 안정성 등의 면에서는 바람직하지만, 과도하게 높으면, 절삭 가공 등의 가공이 곤란하다는 등의 문제가 생기기 때문에 통상 350GPa 이하이다. 본 발명의 C/C 복합체의 길이 방향의 굽힘 탄성률은, 바람직하게는 160 내지 300GPa, 보다 바람직하게는 180 내지 280GPa, 특히 바람직하게는 180 내지 250GPa이다.
한편, C/C 복합체의 길이 방향의 굽힘 탄성률은, 후술하는 실시예의 항에 기재되는 방법으로 측정된다.
<굽힘 강도>
상기의 굽힘 탄성률과 마찬가지로, 본 발명의 C/C 복합체는 길이 방향의 굽힘 강도가 높은 것이 내충격성의 점에서 바람직하다. 단, 길이 방향의 굽힘 강도가 과도하게 높으면, 강성이 저하되는 경우가 있기 때문에 불리하다.
본 발명의 C/C 복합체의 길이 방향의 굽힘 강도는 바람직하게는 100 내지 700MPa, 보다 바람직하게는 200 내지 600MPa, 특히 바람직하게는 300 내지 500MPa이다.
한편, C/C 복합체의 길이 방향의 굽힘 강도는, 후술하는 실시예의 항에 기재되는 방법으로 측정된다.
<부피 밀도>
본 발명의 C/C 복합체의 부피 밀도는 1.65g/cm3 이상인 것이 바람직하다. C/C 복합체의 부피 밀도가 상기 하한 미만이면, 길이 방향의 굽힘 탄성률이나 그 밖의 기계적 강도가 충분히 높은 C/C 복합체를 수득할 수 없다. C/C 복합체의 부피 밀도는 높을수록 기계적 강도 향상의 면에서 바람직하지만, 이와 같이 부피 밀도가 높은 C/C 복합체를 제조하기 위해서는, 전술한 소성, 탄화 및 치밀화의 공정을 다수 회 행할 필요가 있어, 제조 비용이 커지는 원인이 된다. 제조 비용을 과도하게 높임이 없이 충분한 기계적 강도를 수득할 수 있는 부피 밀도는 바람직하게는 1.65 내지 1.80g/cm3, 보다 바람직하게는 1.68 내지 1.75g/cm3이다.
한편, C/C 복합체의 부피 밀도는, 후술하는 실시예의 항에 기재되는 방법으로 산출된다.
<기공률>
상기 부피 밀도와 마찬가지 이유로부터, 본 발명의 C/C 복합체의 기공률(보이드의 부피 비율)에도 적합 범위가 존재하고, C/C 복합체의 기공률이 지나치게 높으면 길이 방향의 굽힘 탄성률이나 그 밖의 기계적 강도가 충분히 높은 C/C 복합체를 수득할 수 없다. C/C 복합체의 기공률은 낮을수록 기계적 강도 향상의 면에서 바람직하지만, 이와 같이 기공률이 낮은 C/C 복합체를 제조하기 위해서는, 전술한 치밀화 처리를 복수 회 행할 필요가 있어, 제조 비용이 커지는 원인이 된다. 제조 비용을 과도하게 높임이 없이 충분한 기계적 강도를 수득할 수 있는 기공률은 통상 10 내지 25%, 바람직하게는 15 내지 20%이다.
한편, C/C 복합체의 기공률은, 후술하는 실시예의 항에 기재되는 방법으로 측정된다.
<탄소 섬유의 부피 함유율>
본 발명의 C/C 복합체 중의 탄소 섬유의 부피 함유율(C/C 복합체의 부피에서 차지하는 탄소 섬유의 부피 비율)은, 높을수록 굽힘 탄성률을 높일 수 있어 바람직하지만, 과도하게 높으면 상대적으로 탄소질 매트릭스량이 감소함으로써 층간 박리 등의 발생이 우려되어 불리하다. 따라서, 본 발명의 C/C 복합체의 탄소 섬유의 부피 함유율은 40% 이상 70% 미만인 것이 바람직하고, 특히 45 내지 65%, 특히 48 내지 60%인 것이 바람직하다.
한편, C/C 복합체의 탄소 섬유의 부피 함유율은, 후술하는 실시예의 항에 기재되는 방법으로 산출된다.
[반송용 부재]
본 발명의 반송용 부재는, 전술한 바와 같은 본 발명의 C/C 복합체를 구비하는 것이다.
용도에 따라서도 다르지만, 본 발명의 반송용 부재의 길이 방향의 길이는 통상 300 내지 5,000mm, 바람직하게는 500 내지 4,500mm, 보다 바람직하게는 1,000 내지 4,000mm, 특히 바람직하게는 1,500 내지 3,700mm이며, 폭 방향(짧은 방향)의 길이는 통상 10 내지 100mm, 바람직하게는 20 내지 80mm, 보다 바람직하게는 25 내지 70mm, 특히 바람직하게는 30 내지 60mm이며, 두께는 통상 5 내지 100mm, 바람직하게는 10 내지 80mm, 보다 바람직하게는 15 내지 60mm, 특히 바람직하게는 20 내지 50mm이다.
따라서, 전술한 바와 같은 치수의 본 발명의 C/C 복합체를 하나만 이용하여 본 발명의 반송용 부재로 하여도 좋고, 치수를 조정하기 위해서 본 발명의 C/C 복합체의 복수 개를 적당한 배치로 접착제 등에 의해 접합하여, 맞붙여 이용하여도 좋다. 이 경우, 동일 치수이고 동일한 층 구성인 C/C 복합체를 복수 개 이용하여도 좋고, 치수나 층 구성이 다른 것을 조합시켜 이용하여도 좋다.
도 2는 본 발명의 탄소 섬유 강화 탄소 복합체를 이용한 본 발명의 반송용 부재의 실시 형태를 나타내는 것으로, 도 2(a)는 1개의 본 발명의 C/C 복합체(10)로 이루어지는 것을 나타내고, 이 반송용 부재(11)의 치수는, 예컨대 길이=1,500mm, 폭=50mm, 두께(d)=15mm이다.
도 2(b)는, 본 발명의 C/C 복합체(10)를 6개 이용하고, 판면을 접착제로 접합한 것을 나타내고, 이 반송용 부재(12)의 치수는, 예컨대 길이=4,000mm, 폭=30mm, 두께(d)=50mm이다.
도 2(c)는, 본 발명의 C/C 복합체(10)를 4개 이용하고, 판면을 접착제로 접합한 것을 나타내고, 이 반송용 부재(13)의 치수는, 예컨대 길이=2,500mm, 폭=45mm, 두께(d)=20mm이다.
이러한 본 발명의 반송용 부재는, 필요에 따라 전해 도금, 무전해 도금 등의 도금 처리, 그 밖의 표면 처리가 실시되어 있어도 좋고, 도금 처리를 실시하는 경우, 도금층의 두께는 통상 1 내지 100㎛, 바람직하게는 3 내지 50㎛, 보다 바람직하게는 5 내지 20㎛, 특히 바람직하게는 5 내지 10㎛이다.
[용도]
본 발명의 C/C 복합체는, 특히 액정 기판, 프린트 기판이나 유리 기판 등의 박판상 워크의 반송용 부재로서 적합하게 이용되지만, 전혀 반송용 부재에 한정되는 것은 아니며, 길이 방향/폭 방향의 길이 비가 크고, 기계적 강도, 특히 길이 방향의 굽힘 탄성률이 클 것이 요구되며, 또한 경량이며 내열성, 내식성이 우수할 것이 요구되는 각종 부재에 적합하게 사용된다.
실시예
이하에 실시예 및 비교예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 그의 요지를 벗어나지 않는 한, 이하의 실시예에 의해 전혀 한정되는 것은 아니다.
[프리프레그의 제조]
실시예 및 비교예에서의 C/C 복합체의 제조에 이용한 프리프레그는 이하와 같이 하여 제조했다.
<UD 프리프레그의 제조>
필라멘트 수 12,000개의 피치계 탄소 섬유(미쓰비시수지(주)제 「다이얼리드」, 섬유 직경: 10㎛, 인장 탄성률: 640GPa)를 1방향으로 배열하고, 메탄올로 희석한 페놀 수지를 함침시킨 후, 건조하여 FAW 400g/m2, 페놀 수지 함유율 30중량%, 두께 0.2mm의 UD 프리프레그를 수득했다.
<직물 프리프레그의 제조>
PAN계 탄소 섬유 직포(섬유 직경: 7㎛, 인장 탄성률: 230GPa, 제품명: 미쓰비시레이온(주)제 「파이로필 직물(직물) TR3110M, 평직, FAW 200g/m2)에, 메탄올로 희석한 페놀 수지를 함침시킨 후, 건조하여 FAW 200g/m2, 페놀 수지 함유율 30중량%, 두께 0.1mm의 직물 프리프레그를 수득했다.
<랜덤 프리프레그의 제조>
필라멘트 수 12,000개의 피치계 탄소 섬유(섬유 직경: 10㎛, 인장 탄성률: 196GPa)를 30mm의 길이로 절단한 것을 랜덤 웨버로 개섬하여, 피치계 탄소 단섬유가 2차원 랜덤으로 배향된 시트를 수득했다. 이 시트에, 에탄올로 희석된 페놀 수지를 함침시킨 후, 건조하여 FAW 200g/m2, 페놀 수지 함유율 30중량%, 두께 0.1mm의 랜덤 프리프레그를 제조했다.
[탄소 섬유 강화 탄소 복합체의 평가]
실시예 및 비교예에서 제조한 탄소 섬유 강화 탄소 복합체의 평가는 이하의 방법으로 행했다. 또한, 각 평가에 이용한 시험편은, 이하의 실시예, 비교예에서 제조한 C/C 복합체(원판(元板))의 길이 방향에서의 중앙부로부터, 습식 정밀 절단기(마루토정기주식회사제 워터 커터. 형식 AC500CFS)를 이용하여 절삭하여 수득된 것이며, 그의 길이 방향 및 짧은 방향의 치수는 각각 표 1에 나타내는 대로이다. 시험편의 두께에 대해서는, 표 1에 나타내는 C/C 복합체(원판)의 두께와 동일하다.
또한, 이 시험편 치수는, 시험편 길이 방향의 길이(L)와 두께(D)의 비(L/D)를 일정하게 했다. 구체적으로는, L/D≒30이다. 다양한 길이(L)의 시험편을 이용하여 측정을 행하여, 본 발명의 효과를 확인했다. 한편, 이하의 평가는 모두 전술한 각 시험편을 3개 절삭하여 각각의 시험편에서의 측정 결과의 평균값으로 했다.
<부피 밀도>
굽힘 시험편 치수(길이·폭·두께)를 버니어 캘리퍼에 의해서 측정하여, 그들을 곱하여 부피를 산출했다. 또한, 천칭에 의해 중량을 측정했다. 중량의 측정값을 부피의 계산값으로 나눔으로써, 부피 밀도를 산출했다.
<굽힘 탄성률>
시험편 치수를 상기한 대로 한 것 이외는, JIS K 7074에 준거하여 측정했다.
<굽힘 강도>
시험편 치수를 상기한 대로 한 것 이외는, JIS K 7074에 준거하여 측정했다.
<탄소 섬유 부피 함유율(Vf)>
C/P 성형체를 소성 탄화함으로써 발생하는 중량 감소분을 소성 탄화전 중량으로부터 뺀 탄소 섬유 중량을, 전체 부피, 탄소 섬유의 비중의 수치로 나누어, 그의 백분율을 구함으로써 산출했다.
<기공률>
수은 포로시미터로 측정했다.
<층 두께>
랜덤으로 선택된 3점에 대하여, 현미경 관찰로 두께를 실측하여, 그의 평균값을 구했다.
[C/C 복합체의 제조 및 평가]
<실시예 1>
UD 프리프레그 2매를 탄소 섬유의 끌어 정렬된 방향이 길이 방향이 되도록 적층한 적층 프리프레그를 2개 준비하고, 이들 적층 프리프레그 사이에, 탄소 섬유의 끌어 정렬된 방향이 길이 방향과 직교 방향(대략 90°)이 되도록 UD 프리프레그 1매를 개재하여 적층함으로써 프리프레그 적층체로 했다. 이 프리프레그 적층체를 오토클레이브 장치에서, 177℃의 온도, 6kg/cm2의 압력을 걸어 120분간 유지하여 페놀 수지를 경화시켜, 표 1에 나타내는 Vf의 C/P 성형체를 수득했다.
이 C/P 성형체를, 질소 가스 분위기 중, 750℃에서 5시간 소성하여 탄화시킨 후, 피치를 함침시켜 재차 동일한 조건에서 소성했다. 이 피치 함침, 소성의 공정을 복수 회 행하여, 표 1에 나타내는 층 구성, 치수 및 FAW의 C/C 복합체를 수득했다.
수득된 C/C 복합체의 평가 결과를 표 1에 나타낸다.
<실시예 2>
UD 프리프레그 2매를 탄소 섬유의 끌어 정렬된 방향이 길이 방향이 되도록 적층한 적층 프리프레그를 2개 준비하고, 이들 적층 프리프레그 사이에 직물 프리프레그 1매를 개재하여 적층함으로써 프리프레그 적층체로 했다.
이 프리프레그 적층체를 프레스 장치에서, 200℃의 온도, 15kg/cm2의 압력을 걸어 30분간 유지하여 페놀 수지를 경화시켜, 표 1에 나타내는 Vf의 C/P 성형체를 수득했다.
이 C/P 성형체를 이용하여, 실시예 1과 마찬가지로 하여, 소성, 피치 함침, 소성을 행하여, 표 1에 나타내는 층 구성, 치수 및 FAW의 C/C 복합체를 수득했다.
수득된 C/C 복합체의 평가 결과를 표 2에 나타낸다.
<실시예 3, 4>
UD 프리프레그의 적층 매수를 변경한 것 이외는 실시예 1과 마찬가지로 하여, 표 1에 나타내는 Vf의 C/P 성형체, 표 1에 나타내는 층 구성, 치수 및 FAW의 C/C 복합체를 수득했다.
수득된 C/C 복합체의 평가 결과를 표 2에 나타낸다.
<실시예 5>
UD 프리프레그 1매를 탄소 섬유의 끌어 정렬된 방향이 길이 방향이 되도록 이용하고, 이 UD 프리프레그와 랜덤 프리프레그 1매를 적층하여 프리프레그 적층체로 한 것 이외는, 실시예 2와 마찬가지로 하여 페놀 수지의 경화, 성형, 소성, 피치 함침, 소성을 행하여, 표 1에 나타내는 Vf의 C/P 성형체, 표 1에 나타내는 층 구성, 치수 및 FAW의 C/C 복합체를 수득했다.
수득된 C/C 복합체의 평가 결과를 표 2에 나타낸다.
<실시예 6>
UD 프리프레그 2매를 탄소 섬유의 끌어 정렬된 방향이 길이 방향이 되도록 적층한 적층 프리프레그를 2개 준비하고, 이들 적층 프리프레그 사이에 랜덤 프리프레그 1매를 개재하여 적층한 프리프레그 적층체를 이용하여, 실시예 2와 마찬가지로 하여 페놀 수지의 경화, 성형, 소성, 피치 함침, 소성을 행하여, 표 1에 나타내는 Vf의 C/P 성형체, 표 1에 나타내는 층 구성, 치수 및 FAW의 C/C 복합체를 수득했다.
수득된 C/C 복합체의 평가 결과를 표 2에 나타낸다.
<실시예 7>
UD 프리프레그의 적층 매수를 변경한 것 이외는 실시예 2와 마찬가지로 하여, 표 1에 나타내는 Vf의 C/P 성형체를 수득하고, 마찬가지로 소성, 피치 함침, 소성을 행하여, 표 1에 나타내는 층 구성, 치수 및 FAW의 C/C 복합체를 수득했다. 한편, 이 C/C 복합체 내부에는, 미소한 크랙이 보였다.
수득된 C/C 복합체의 평가 결과를 표 2에 나타낸다.
<비교예 1,2>
실시예 6에서, UD 프리프레그와 랜덤 프리프레그의 적층 매수를 변경한 것 이외는 마찬가지로 하여, 표 1에 나타내는 Vf의 C/P 성형체, 표 1에 나타내는 층 구성, 치수 및 FAW의 C/C 복합체를 수득했다.
수득된 C/C 복합체의 평가 결과를 표 2에 나타낸다.
<비교예 3>
2매의 랜덤 프리프레그 사이에, UD 프리프레그 2매를 탄소 섬유의 끌어 정렬된 방향이 길이 방향이 되도록 적층한 적층 프리프레그를 개재하여 적층한 프리프레그 적층체를 이용하여, 실시예 2와 마찬가지로 하여 페놀 수지의 경화, 성형, 소성, 피치 함침, 소성을 행하여, 표 1에 나타내는 Vf의 C/P 성형체, 표 1에 나타내는 층 구성, 치수 및 FAW의 C/C 복합체를 수득했다.
수득된 C/C 복합체의 평가 결과를 표 2에 나타낸다.
한편, 표 1 중, UD 프리프레그를 이용하여 형성된, 탄소 섬유가 길이 방향으로 배향되어 있는 C/C 복합층을 「UD(긴 길이)」, 탄소 섬유가 길이 방향과 직교하는 짧은 방향으로 배향되어 있는 C/C 복합층을 「UD(짧은 길이)」로 기재하고, 직물 프리프레그를 이용하여 형성된 C/C 복합층을 「직물」로 기재하고, 랜덤 프리프레그를 이용하여 형성된 C/C 복합층을 「랜덤」으로 기재한다.
Figure 112014008264122-pct00001
Figure 112014008264122-pct00002
표 1, 2로부터, 이하의 것을 알 수 있다.
UD(긴 길이)/랜덤/UD(긴 길이)의 적층 구성이어도, UD(긴 길이) C/C 복합층의 두께가 얇은 비교예 1, 2에서는, 높은 길이 방향 굽힘 탄성률을 달성할 수 없다. 랜덤/UD(긴 길이)/랜덤으로 하여, UD(긴 길이)를 중간층으로 한 비교예 3도 길이 방향 굽힘 탄성률이 낮다.
이에 비하여, 한쪽 또는 양쪽의 판면의 최표층에 UD(긴 길이) C/C 복합층을 배치한 실시예 1 내지 6의 C/C 복합체에서는, 길이 방향 굽힘 탄성률 150GPa 이상의 높은 굽힘 탄성률을 달성할 수 있다.
특히, C/C 복합체의 쌍방의 판면에 UD(긴 길이) C/C 복합층을 설치하여, 그의 두께를 두껍게(깊이) 한 경우에는, 높은 굽힘 탄성률을 달성할 수 있다.
또한, 실시예 1과 실시예 7로부터, 대형의 C/C 복합체에서도, 본 발명의 효과를 나타낸다는 것이 명백하다. 그리고, 또한 이들 양자를 비교하면, UD(짧은 길이)를 중간층으로 한 실시예 1 쪽이, 굽힘 탄성률 등의 물성이 우수하다는 것이 명백하다.
본 발명을 특정한 태양을 이용하여 상세하게 설명했지만, 본 발명의 의도와 범위를 벗어남이 없이 다양한 변경이 가능하다는 것은 당업자에 분명하다.
한편, 본 출원은, 2011년 7월 28일자로 출원된 일본 특허출원(특원 2011-165542)에 기초하고 있으며, 그의 전체가 인용에 의해 원용된다.
1: 길이 방향 C/C 복합층
2: 짧은 방향 C/C 복합층
3: 직물 C/C 복합층
4: 랜덤 C/C 복합층
10, 10A, 10B, 10C: C/C 복합체
11, 12, 13: 반송용 부재

Claims (12)

  1. 삭제
  2. 탄소 섬유와 탄소질 매트릭스로 구성되고, 길이 방향의 길이와 폭 방향의 길이의 비가 1을 초과하는 판상의 탄소 섬유 강화 탄소 복합체로서,
    탄소질 매트릭스 내에 탄소 섬유가 상기 길이 방향으로 배향되어 있는 1층 이상의 제 1 탄소 섬유 강화 탄소 복합층과, 당해 제 1 탄소 섬유 강화 탄소 복합층과는 탄소 섬유의 배치가 다른 1층 이상의 제 2 탄소 섬유 강화 탄소 복합층이 적층된 탄소 섬유 강화 탄소 복합체이며,
    당해 제 1 탄소 섬유 강화 탄소 복합층이 당해 탄소 섬유 강화 탄소 복합체의 적어도 한쪽의 판면의 최표층을 형성하고,
    상기 제 1 탄소 섬유 강화 탄소 복합층의 두께가, 당해 탄소 섬유 강화 탄소 복합체의 두께의 70% 이상이며,
    당해 길이 방향의 굽힘 탄성률이 150GPa 이상이고,
    상기 제 2 탄소 섬유 강화 탄소 복합층 내의 탄소 섬유가 상기 길이 방향과 교차하는 방향으로 배향되어 있는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 강화 탄소 복합체.
  3. 탄소 섬유와 탄소질 매트릭스로 구성되고, 길이 방향의 길이와 폭 방향의 길이의 비가 1을 초과하는 판상의 탄소 섬유 강화 탄소 복합체로서,
    탄소질 매트릭스 내에 탄소 섬유가 상기 길이 방향으로 배향되어 있는 1층 이상의 제 1 탄소 섬유 강화 탄소 복합층과, 당해 제 1 탄소 섬유 강화 탄소 복합층과는 탄소 섬유의 배치가 다른 1층 이상의 제 2 탄소 섬유 강화 탄소 복합층이 적층된 탄소 섬유 강화 탄소 복합체이며,
    당해 제 1 탄소 섬유 강화 탄소 복합층이 당해 탄소 섬유 강화 탄소 복합체의 적어도 한쪽의 판면의 최표층을 형성하고,
    상기 제 1 탄소 섬유 강화 탄소 복합층의 두께가, 당해 탄소 섬유 강화 탄소 복합체의 두께의 70% 이상이며,
    당해 길이 방향의 굽힘 탄성률이 150GPa 이상이고,
    상기 제 1 탄소 섬유 강화 탄소 복합층의 FAW가 1,000 내지 20,000g/m2이며, 상기 제 2 탄소 섬유 강화 탄소 복합층의 FAW가 200 내지 5,000g/m2이며, 탄소 섬유 강화 탄소 복합체의 FAW가 1,200 내지 25,000g/m2인 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 강화 탄소 복합체.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    탄소 섬유가 피치계 탄소 섬유인 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 강화 탄소 복합체.
  5. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    탄소 섬유의 부피 함유율이 40 내지 70%인 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 강화 탄소 복합체.
  6. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    부피 밀도가 1.65g/cm3 이상인 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 강화 탄소 복합체.
  7. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    탄소 섬유가 섬유축 방향으로 끌어 정렬된 1방향 프리프레그의 복수 매를, 당해 탄소 섬유의 끌어 정렬된 방향이 교차되도록 적층하고, 수득된 적층체를 가열 가압 성형하여 수득되는 탄소 섬유 강화 수지 성형체를 소성, 탄화시켜 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 강화 탄소 복합체.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 프리프레그의 열경화성 수지 함유율이 15 내지 45중량%인 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 강화 탄소 복합체.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 탄소 섬유 강화 수지 성형체를 소성, 탄화하여 수득된 프리폼에 대하여, 이하의 (1) 및 (2)의 공정으로 이루어지는 치밀화 처리를 적어도 1회 행함에 의해 수득된 것인 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 강화 탄소 복합체.
    (1) 콜 타르·피치, 석유 타르·피치 및 수지로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 함침재를 프리폼에 함침시키는 함침 공정
    (2) 함침 공정 후, 소성하여 상기 함침재를 탄화시키는 탄화 공정
  10. 제 2 항 또는 제 3 항에 기재된 탄소 섬유 강화 탄소 복합체를 구비하는 것을 특징으로 하는 반송용 부재.
  11. 탄소 섬유가 섬유축 방향으로 끌어 정렬된 1방향 프리프레그의 복수 매를, 당해 탄소 섬유의 끌어 정렬된 방향이 교차되도록 적층하고, 수득된 적층체를 가열 가압하여 탄소 섬유 강화 수지 성형체를 수득하고, 당해 탄소 섬유 강화 수지 성형체를 소성하여 탄화시킨 후, 콜 타르·피치, 석유 타르·피치 및 수지로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 함침재를 함침시키고, 재차 소성하여 당해 함침재를 탄화시키는 것을 특징으로 하는 제 2 항 또는 제 3 항에 기재된 탄소 섬유 강화 탄소 복합체의 제조 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 함침과 그 후의 소성 탄화를 복수 회 반복 행하는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 강화 탄소 복합체의 제조 방법.
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