201213105 六、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種c/c複合材料成型體及其製 法。尤其,本發明係關於一種包括碳纖維以及碳質基質的 C/C複合材料成型體。 【先前技術】 由於碳纖維具有高财熱性及強度,其係與碳基質複合 以C/C複合材料(碳纖維強化碳複合材料)㈣式使用在 要求高耐熱性、化學安定性以及強度的各種領域。該c/c 複合材料視碳纖維的複合方法而包括各種種類,而且可使 用該方法形成各種碳纖維成型體。 ,該C/C複合材料包含由碳化物例如瀝青及熱固性樹脂 製成的基質,.以及碳纖維。視碳纖維的固定方法而有各種 C/C複合材料,固定方法例如使用碳纖維布之布料層合法、 使用碳纖維纖絲之纖絲捲繞法、使用碳纖維毛魅之方法, 或使用碳纖維片成型體的片材形成法。 該布料層合法係獲得C/C複合材料的方法,其藉由將 由碳纖維製成的編織物層合,將制織物含浸於基質前驅 物例如瀝青與熱固性樹脂,然後硬化及煆燒(見 JP—A_H11_60373 )。板形的C/C複合材料,可藉由將平面 狀的編織物層合’並以單轴壓縮該層合物而獲得。又,為 紙型(papier-mache)的複雜形狀的C/C複合材料,可藉 由將小型裁切的編織物边 螂物碎片黏貼在三維形狀的模具而獲 201213105 得。再者,圓柱狀的c/c複合材料,也可藉由捲繞平面的 編織物為輥形,同時對其施以壓力並將其層合以獲得(布 料捲繞法)。 該纖絲捲繞法係藉由圍著心軸捲繞碳纖維股’同時對 其施以張力,然後將該已捲繞的股以基質前驅物例如瀝青 及熱固性樹脂含浸,再硬化與煅燒,而獲得c/c複合材料 的方法(見 JP-A-H10-152391 )。 使用碳纖維毛氈之方法,係藉由層合碳纖維的長纖維 成類似毛氈形並將該層合物含浸於基質前驅物例如瀝青 與熱固性樹脂’再硬化及煅燒,而獲得c/c複合材料的方 法(見JP-A-2000-l43360 )。依照該方法,與該布料層合 方法類似地,可獲得平面狀C/C複合材料、圓柱狀c/c複 合材料,及具有複雜形狀的c/c複合材料。尤其,圓柱狀 c/c複合材料也可藉由捲繞平面狀毛氈成輥形,同時對其 施加壓力,再層合而獲得(布料捲繞法;見例如圖15A與 15B)。 ’、 又’有人提出以片材形成方法製造C/c複合材料之方 法(見 JP-A-2002-68851 與 JP-a-2002-97082)。該 c/c 複合材料係藉由懸浮碳纖維於液體以形成漿體,在該漿體 中浸洗有開口的抽吸模具,使該漿體中的液體通過進入該 抽吸模具的後方表面,並在此抽吸模具的該表面側上沉積 碳纖維,以形成成型材料,再乾燥並锻燒。此片材形成法 的該C/C複合材料優點為,視抽吸模具的形狀,可獲得相 當自由形狀的成型材料。 201213105 【發明内容】 製造C/C複合材料時,若製造板形的簡單C/C複合材 料,該平面材料的端部會開啟。因此.,即便在壓製與煅燒 過程造成收縮,只有整體的尺寸變小,可獲得翹曲或變性 低的C/C複合材料。 於製造具有環形形狀例如圓柱的板型的C/C複合材料 時’係採用纖絲捲繞法或布料捲繞法。於此等方法,為了 展現高強度,會藉由將布料或纖絲圍繞一核心捲繞並同時 對其施以張力以形成初步的成型體。由於該成型體係依此 方法製造,容易製造薄壁的c/c複合材料。然而,於製造 厚壁的C/C複合材料時,會對於布料或纖絲施以拉伸,且 於該初步的成型體的周圍方向沒有應力釋放的端部。因 此會由於該初步的成型體的外層側與内層側的張力不 同,内層側容易曲敵。爯去,+ 4·^ + ,,, 販丹者由於產生收縮以及烺燒所致 的黏結劑成分碳化,會減低結人六· 4 、,·= D刀,因而該初步的成型體 的内層側更為容易曲皺。結果,者 _. ^ 田极〜移走時’該初步的 成型體的内層侧會曲皺變形,且雄 ^ 見強度因而降低。故,難以 藉由纖絲捲繞法或布料捲繞法獲得厚壁的c/c複合材料。 又,當使用碳纖維毛&法時,會將數層薄的毛魅層合 並成型。然而,由於毛氈間的社人 ° πD力弱,谷易發生分離。 尤其’當製造厚壁的C/C複合絲祖性 ^ 材枓時,於硬化及煅燒過程 對施以壓縮應力,因此當轉击分 田移走核心時,該初步的成型體的 内層側會容易曲皺。即,鱼缱絲摇从1 ^ …纖絲捲、繞法以及布料捲繞法同 201213105 樣,涉及以下問題:發生變形或初步的成型體的内層側由 於曲皺而強度減低。故,難以藉由層合碳纖維毛氈而獲得 厚壁的c/c複合材料。 又,於C/C複合材料之製造方法的相關技術,當於初 步的成型體的硬化及煅燒階段產生翹曲或變形時,當該產 如形狀於維度的寬容度小,或該產品形狀並非為簡單形狀 例如板狀時,需要進行加工例如裁切及接合。 但疋,於纖絲捲繞法、布料捲繞法、片材捲繞法等, 會層合數層纖絲、布料、碳纖維毛氈等以形成初步的成型 體。因此,當進行前述處理,會將能維持強度的長纖維裁 切,使強度有部分減弱,容易在強度弱的層間發生分離。 又,為了使用布料或毛氈獲得三維構造體,為了形成 無法從平面形成的三維曲面的形狀,必需裁切一平面狀片 材’或將其分成小片並黏貼(手工層疊)。故不僅會涉及 所黏貼的片材端部無法獲得彼此間足夠的聯結,還會有由 於片材的層合間強度小,無法獲得足夠強度的問題;而且 於裁切片的接合部分,比起在其他處,表面方向與厚度方 向的強度均小。 又,如纖絲捲繞法的方法僅可用在有限的形狀,例如 圓柱狀及碗狀,難以使用在複雜形狀。 同時,依照片材形成法,藉由適當選擇模具,可獲得 各種三維構造體'然而,於片材形成法的相關技術,由於 在片材成型時的液壓阻力會逐漸升高,故難以獲得高密度 的厚壁的片材成型體。故必需層合數層高密度的片狀的片 201213105 材成型體並將其層合。 另方面,依照片材形成法之相關技術,不大可能形 成低密度的厚壁的片材成型體。《而,為了達成高密度, 必需進行一處理步驟,例如利用化學氣相入滲(CVI)處理, 將熱刀解的碳入滲到片材形成體内。於已施以熱分解的碳 的化學氣相入滲處理的片材成型體,會涉及以下問題:纖 維之間的孔洞變少,且硬度增加,以致於幾乎無法進行加 工。又,即便導入此種處理步驟,仍難以達成足夠高的密 度。 如上所述,依照相關技術,難以獲得具有所望強度及 向耐熱性的c/c複合材料成型體。尤其,極難以形成矽單 晶拉晶裝置(例如,坩堝之熱絕緣圓柱)、三維曲面,或 曲面與平面的複合構造體。再者,即便可獲得成型體,仍 會存在機械性弱的位置’.以致於從此位置造成破裂的可能 性尚。故需要高強度、高密度及高耐熱性的c/c複合材料 成型體。 本發明有鑑於以上狀況而提出’目的在於提供一種高 強度、高密度及高耐熱性的C/C複合材料成型體。 本發明之一具體例提供以下: [1 ] 一種C/C複合材料成型體,包含.: 碳纖維;及 碳質基質, 其中該C/C複合材料成型體具有殼狀構造,其外表面 由三維曲面或組合多數表面而構成’且係由具有整體為均 8 201213105 勻組成的連續構造體構成,且 其中該碳纖維之縱方向沿該外表面定向。 [2] 如[1]所述之C/C複合材料成型體,其中 該外表面為以下任一者:(A)三維曲面與平面或曲面 之組合、(B)曲面與平面之組合、(c)曲面與曲面之組 合’或(D)多數平面之組合。 [3] 如[1]或[2]所述之c/c複合材料成型體,其中 該碳纖維包括線形纖維。 體 [4] 如[1]至[3]中任一項所述之c/c複合材料成型 其中 系开> 成薄碎片體,其中該碳纖維的縱方向沿該殼狀構 造的外表面定向,且該殼狀構造係藉由該等薄碎片體之層 合物構成。 [5] 如[1]至[4]中任一項所述之c/c複合材料 體,其中 該碳纖維之平均纖維長度小於1㈣。 體:中如[1]至[5]中任-項所述之C/C複合材料成型 該碳纖維之定向成分於垂直該殼狀構造的 向係連續存在 外表 面的方 體,ϋ如⑴至[6]中任_項所述之c/c複合持料成型 該(:/(:複13材料成型體的容積密度為1.2 g/Cm3 g/cm3之範圍。 至1 · 8 201213105 合材i8i::c/c複合材料成型體之製造方法,該μ複 〆 包括碳纖維及圍繞該碳纖維之碳質Af,& 中該C/C複合权钮π貞巷質,其 唯曲面P叙具有一殼狀構造’其外表面由= ^ ^ 千的組合構成,且係由整體為為均勻组成 構成,且該碳纖維之縱方向沿該外表面定向。 該方法包含以下步驟: ⑴將該碳纖維與—黏結劑其係該碳f 物於一液體中,#、* 1 ^ 劍/ 添加""聚集劑以聚集該碳纖維與該黏沾 劑,藉此形成纖維屑; * 夕(Β)藉由具有由三維曲面之連續表面或組合連續 夕數表面而構成的客了丨傲4苗工_^_ 、.的 稱咸的夕孔質模面的模具過遽在其中 纖維屑的液體,以層合竽鑰維尽认—夕 有該 乂層σ a纖維屑於該多孔質模面的表 上’藉此形成纖維屑之層合物; (〇壓製該纖維屬之層合物,並將該碳纖維之 向=該多孔質模面的表面方向進行定向,以轉變該纖維屑 成薄碎片,藉此形成薄碎片體前驅物的層合物;及 ⑻般燒該薄碎片體前驅物的層合物,並碳化該 結劑以形成碳質基質’藉此形成薄碎片體的層合物 [9] 如[8]所述之C/C複合材料成型體之製造方法, 其中該步驟(B)之過壚係抽吸過濾。 [10] M8]或[9]所述之c/c複合材料成型體之 方法, 其中該步驟(A)係將包括線形纖維的該碳纖維、第^ 點結劑即該碳質基質之前驅物成分’以及第2黏結劑即用 10 201213105 於聯結該碳纖維盘贫笛& 飒堆”该第1黏結劑之成分懸浮於— 添加該聚集劑以聚隹兮 體’並 屑。I聚集該*纖維、該黏結劑,藉此形成纖維 [n] b申請專利範圍[8]至[10]項中任 碳纖維構造體之製造方法, 、所述之 其中步驟(C)係使用高壓爸,於纖維屑之 膜覆蓋的狀態下進行熱壓縮,並且將以 該多孔質模面之表面方向進行定向,而轉變該纖:::: 薄碎片,藉此形成薄碎片體前驅物之層合物。唯屬成為 依照以上構成,可獲得幾乎不會發生層間分離的c/c 複合材料成型體,且可展現高強度以及高耐熱性。而且 可輕易形成- C/C複合材料成型體,其為 三維構造體。 针之 二’由料將三維曲面或表面的接合部分形成為連續 體而不需裁切或結合,故能以結構上整體為均勻構成 型成型^ 構成 故能獲得整體高強度的三維c/c複合材料成型體,由 於其為殼狀構造,其外表面係由三維曲面或多數表面的组 合構成,且由整體為均勾組成的連續構造體構成;該碳纖 維的縱方向係沿該外表面定向。因此,即便在三維曲面或 是其上的曲率陡崎變化的複雜的多變的表面,也不會發生 比起其他部分的強度弱的瑕疵。 以上及本發明之其他態樣,可從以下對於本發明理解 性具體例的敘述參照附圖而更為顯明且容易理解。 201213105 【實施方式】 以下將參照I式敘述本發明之理解性具體例。 、依照本發明之具體例之c/c複合材料成型冑(以下也 稱為成5L體」),為具有殼狀構造的成型體,其由三維 曲面或多數表面的組合中任—者的連續表面構成,、其Z由 包含碳纖維與碳質基質的碳纖維強化碳複合材料構成,且 其具有整體為均勻組成的連續構造體。 較佳者,碳纖維之定向成分於垂直於此殼狀構造的表 面方向的方向係連續存在。χ,該碳纖維較佳為包括線形 纖維。又更佳為’此殼狀構造由薄碎片體之層合物構成。 又,較佳在該碳質基質中,該碳纖維構成薄碎片體, 其中該碳纖維的縱方向定向於該成型體的表面方向。該Ο。 複合材料成型體係由該薄碎片體的層合物而以成型體之形 式構成。 在此所扣二維曲面,意指無法藉由使平面變形而實現 的表面*亦即,在此所指三維曲面,意指無法展開成平面, 且包括幾何表面例如球面、拋物面及雙曲面,纟包括例如 凸面、凹面及彎成鞍狀的表面。用語「多數平面」,在此 可為多數個表面的組合,不僅包括前述三維曲面也包括展 1成平面的表面,例如:波紋表面、圓柱狀曲面及錐曲面, 及表面。 (具體例1 ) 本發明之具體例1的C/C複合材料成型體,將基於圖 12 201213105 1A至1E敘述。 圖1A與圖IB為具體例】之c/c複合材料成型體ι〇〇 的透視圖。圖1C至1E為圖1A之剖視圖.,各為其一部分放 大視圖,及更放大的視圖。此c/c複合材料成型體包括一 圓柱狀部100a及一凸緣部1〇〇τ,該凸緣部1〇〇τ沿其周圍 表面連續地形成在該圓柱狀部100a的下端。如圖⑺與U 所示’此c/c複合材料成型體100中,碳纖維i大部分的 纖維的縱向在碳質基質2中係朝向成型體1〇〇的表面方 向,藉以形成薄碎片體(片狀的小碎片)3。換言之,該成 型體100,係由該薄碎片體3的層合物構成。亦即,此 複合材料成型體為殼狀構造,其係由多數表面組成的連續 表面構成’且由整體具有均勻組成的連續體構成。該碳纖 維由線形纖維構成。該碳纖維的縱方向沿該表面定向。在 此具有均勻組成的該連續體(構造體),意指碳纖維與基 質的組成在C/C複合材料的任意位置為均勻一致的,而c/c 複合材料成型體包括一基質層及一間隙層,若該基質層由 形成在碳纖維布料片或纖絲間的結合界面上的基f組成, 且該間隙層未由結合劑填充’則g C/C複合材料成型體並 非具有均質組成的連續體。同時,依照本發明具體例之c/c =合材料成型體與其他C/C€合材料結合而獲得之c/c複 材料成型體’也包括在本發明之c/c複合材料成型體。 如上所述’藉由在圓柱狀部1GGa的下職置凸緣部 一 τ由圓柱狀表面及環狀平面構成的曲面會彼此鄰接地 一體連續形成。在此,如圖1C所示,該薄碎片體3係沿第 】3 201213105 2表面1〇0〇及第!表面1〇〇i定向, 面,第1表面】〇〇i為内表 0〇〇為外表 及該環形平面構成的曲目柱狀表面 四您間的邊界區域1〇〇R, 有均勻組成的連續體,以M> 猎此構成 貝镀以展現極馬強度。於邊界
該薄碎片體3的邊界分| M 00R 界刀散,藉此形成均勻的成型體。在此 薄碎片體分散而形成均勻之 的社入層也沒右Α τι 係私,又有由黏貼形成 的…層心有為了平料接此等平面在4 紋的斷裂的狀態。此c/f齑人# ^ 此L/C複合材料成型體具有殼狀構造, 其係由具有整體為均勻組成的連續體構成。 如圖3B所示’依照本發明具體例之成型體,係藉由使 用側面與底面具有多孔質模面21的模具£。過滤纖維屬而 獲得。此等纖维屬於該多孔質模面21的表面方向層合成連 續層。依此方式,薄碎片體3會沿模具20的外壁的第i表 面100i以及相對於該第i表面1QQi的第2表面⑽〇構 成’而形成由具有凸緣部1GGT的圓柱狀部⑽3構成的薄 碎片體的層合體,藉此獲得所望形狀。 於依照本發明具體例之成型體,該碳質基質2係填充 及構成為介於構成薄碎片體3之碳纖維1之間,藉此將碳 纖維彼此固定。再者’由於薄碎片體3以落葉隨機堆疊的 方式層合’故即便本發明具體例之由三維曲面或組合多數 表面的C/C複合材料成型體中,薄碎片體的端部會在該c/c 複合材料成型體内分散於許多地位置。依此,結構弱從而 造成分離或裂痕的瑕疵(該薄碎片體的邊界)會微細分散。 此時’若於一處存在大的瑕疵,則此大的瑕疵會變成 201213105 切口,從而谷易造成強度降低。另一方面,當瑕疵部分係 如本發明具體例為微細分散時,可分散對於該瑕疵部分施 以的應力。針對此理由,可獲得顯然為均勻且無瑕疵的c/C 複合材料成型體。由於依照本發明具體例之C/C複合材料 成型體具有此結肖’可i得高耐熱性且即使於高溫亦有高 強度的C/C複合材料成型體。 在此,於彼此垂直的平面之間的此邊界區域100R,薄 碎片體3也沿該第1表面10〇i與該第2表面100〇定向, 藉此構成均勻的連續表面。又,於此邊界區域丨隱,薄碎 片體3的邊界分散,故能展現均勻及高密度。故可形成具 有極冋強度的成型體。於此方式,各構成薄碎片體3的第 1表面ΙΟΟι即内表面且該第2表自1〇〇〇即外表面實質 上係彼此平行,藉此構成—殼狀構造,其係、由具有整體為 均勻組成的連續體構成。 該薄碎片體的平均主軸直徑,較佳為1至1()㈣,更 佳為2至5㈣。若該薄碎片體的平均主轴直徑短於1〇顧, 由於對應的纖維屑碎片的大小變得小,於片材形成時的液 麼阻力會傾向於變大’而幾乎無法獲得厚壁的C/C複合材 料成型體。另一方面,當續蓮边 田这溥碎片體的平均主軸直徑超過 1 0 mm,層合時,如後述在贺袢牛 k任步驟中,纖維屑當做薄碎片 體的基礎’由於中間部與周邊A 兴周遭。P在聚合的容易度彼此不 因此’在薄碎片體内的 當薄碎片體的平均主轴 下來的成型與硬化過程 同’容易發生纖維與黏結劑分離, 黏結劑成分也容易造成分離。又, 直徑超過1 0 mm,即便黏結劑於接 15 201213105 中被熔解,該薄碎片體也盔 八士 無法μ a …、充刀〉瓜動,因而該分離幾乎 無法解除。其結果,舍报士 成結劑較薄的部分,而有成型 體的強度降低之虞。 八土 該薄碎片體的平均厚度,較 佔盔n , 衩佳為0. 〇5至1· 〇 mm,更 佳為0. 1至〇. 5 mm。當該薄 & 潯碎片體的平均厚度低於0. 05 mm ’對應的纖維屑大小轡 >、t 變大,液壓阻力傾向於變大,幾乎 …、法獲得厚壁的C/C複合材料成型艚 莖體當該薄碎片體的平 均厚度超過1.0 mm,會在薄 牡潯碎片體的端部形成空隙,容易 在該空隙周圍產生應力集中,右 呆甲有成型體的強度降低之虞。 以此方式,碳纖維1之樅方6 <縱方向係定向於C/C複合材料 成型體100本身的表面方向,且薄碎片體3的邊界分散。 結果’獲得之成型體為均勾,幾乎不會造成應力集中,且 應變小’1即便於高溫’也同樣可獲得均句且幾乎不會造 成應力集中的成型體。因此,可膳溫古 q π j獲侍南耐熱性及高強度的 三維C/C複合材料成型體。 同時,用語「定向」在此係指纖維的方向傾斜到一特 定方向的狀態,而非所有纖維朝向同一方向的狀態。 如後述,依照本發明具體例之c/c複合材料成型體, 係藉由聚集碳纖維以及黏結劑於液體中以形成纖維屑,並 層合(片材形成)該纖維屑而形成。在此所指纖維屑係 指無規定向的碳纖維及黏結劑分散於其中的聚集物。於本 發明之一具體例,該碳纖維1由線形纖維組成。由於該碳 纖維1由線形纖維組成’於纖維屑層合(片材形成)步驟 時使用模具過滤纖維屑時’如後述’線形碳纖維會穿突下 201213105 層的已形成在模具表面上的纖維屬,並於厚度方向接合。 因:匕’該構造體容易獲得垂直於表面方向之方厚度方 t 合強度。在本發明—具體例所指「線形纖維」係 和纖維實質上不具有f曲部分,較佳為針狀纖維。於使用 幾乎不會變成線形纖維的碳纖維時,例如纖維長度長之纖 維及軟質碳纖維’此碳纖維幾乎不會穿突已形成的薄碎片 體’幾乎所有纖維的縱方向都定向於表面方向。因此,參 與接合厚度方向的碳纖維量少,幾乎無法獲得厚度方向的 結合強度。 理想為依照本發明具體例之成型體含有一碳纖維成分 係將鄰接薄碎片體之層合方肖(構造體的厚度方向)的薄 碎片體彼此連接。X ’理想為該碳纖維i在厚度方向的定 向成分,在該構造體的厚度方向連續存在。如上述,含線 形纖維的纖維屑係層合為使線形碳纖維穿突已形成的纖維 屑,且因此在纖維屑間的邊界也會連續形成厚度方向的定 向成分。依此,可獲得幾乎不會分離的c/c複合材料構造 體’其在垂直於厚度方向之方向不存在界面。 該碳纖維之平均纖維長度理想為短於i. 0 mm。當該碳 纖維之平均纖維長度為1. 〇 mm或更大,纖維會交纏在一 起,並在纖維屑層合時互斥,使難以獲得高容積密度的纖 維屑層合物(纖維屑之片材成型體)。當纖維屑之層合物 的容積密度低’進行壓縮成型時,壓縮前後的容積密度差 異愈大’則壓縮率愈大,在壓縮處理會產生皺紋,尤其角 落部容易排列皺紋’瑕庇增加。當此種瑕疯增加,會在角 17 201213105 洛。P產生低強度的部分。去 1 〇 ^ 田該碳纖維之平均纖維長度短於 _,纖維屑層合時可 〜 物,叉诗间各積密度的纖維屑之層合 因此使用高壓釜進行壓 仃塾縮成型時的壓縮率可為低。 依此可抑制在角落部等產生細^& ^ Γ/Γ ϋ JJ. 敵紋專’藉此獲得少瑕疵的 L/C複合材料成型體。 再者當該碳纖維之平均纖 碳纖維容易彎折,且該碳纖㈣度為^龍或更大,該 钿 ,維的縱方向會在纖維屑層合時 朝向C/C複合材料構造體 Μ ^ ^ 的表面方向。為此原因,纖維在 厚度方向的交纏少,容易 ^ Α %u 發生刀離。又,當使用長纖維且 將其進仃片材成型時,可獾 吟了獲得低碳纖維密度如0. 1至0.2 g/cm的厚片材形成體。然 田為了增加密度,而使用高 壓蚤等進行壓縮成型時, 1皇需要非常厚的片材成型體, 且塵縮率高。因此,難以在高曲率之處控制形狀。 /-方面,當該碳纖維的平均纖維長度小於i•“m, 該奴纖維容易變成線形纖維, 且合易穿突下層已形成的纖 維屑’構造體的厚度方向的接合強度容易獲得。 該碳纖維的平均纖維長度理想為0.05 mm或更大,更 佳為在G.G5mm或更大且小於0 5咖的範圍。當該碳纖維 的平均纖維長度小於〇.5㈣’不僅是可更為增加該碳纖維 強化碳複合材料成型體於厚度方向的強度,而且由於短纖 維容易以高密度填充,尤其在層合纖維屑時的密度可增 加,且成型時的塵縮率可增加。當該碳纖維之平均纖維長 度小於0.05 mm’在纖維與黏結劑之間無法獲得足夠的結 合力’纖維容易被拉出,因此有無法獲得高強度之成型體 18 201213105 之虞。 頃帶知· S僅使用短纖維例如1至1 〇 mm的纖維並 使用具有微細質地的模具將其片材成型時,由於纖維的交 纏夕可獲彳于咼密度的片材成型體。但是,由於當形成薄 的片材成型體的階段,用於分散碳纖維的液體(水)通過 阻力變大,難以獲得高密度的厚的片材成型體。另一方面, 於本發明-具體例,藉由形成纖維屑,利用有效層合薄碎 片體而不造成阻塞然後壓縮,可以形成高密度的厚的片材 成5體’藉此,可對於任何表面甚至包括三維曲面及多數 表面組合的表面獲得厚且均勻的連續體構成的C/C複合材 料成型體。 該碳纖維的平均纖維直徑較佳為i至2〇 μπ^又,該 碳纖維之高寬比較佳為1〇至1〇〇〇 ^當該碳纖維的平均纖 維直彳二與向寬比落各在前述範圍,該纖維直徑可相對於纖 維長度足夠薄,該纖維幾乎不會從基質拖出,因此可獲得 高強度。 Λ 該碳纖維可適當使用任意的瀝青系碳纖維或ρΑΝ系碳 纖維。由於該PAN系碳纖維比起瀝青系碳纖維的彈性模數 低,其可適於使用在需要可撓性的應用,例如單晶拉晶裝 置的坩堝、熱絕緣圓筒、坩堝容座、加熱器等。由於該瀝 青系碳纖維比起PAN系碳纖維的彈性模數高,其可適於使 用在需要機械零件的構造元件,例如:液晶支持及傳送臂。 依照本發明之具體例之該成型體,容積密度較佳為i 2 g/cm3至1.8 g/cm3。當成型體的容積密度為12 或 19 201213105 更大,由於c/c複合材料的空隙少,由基質接合的該碳纖 維緊密,該碳纖維幾乎不會分開。是以可獲得高強度的緊 密的C/C複合材料成型體。當該成型體的容積密度超過丨.8 g/cm3,容易在脫脂產生氣泡或煅燒時產生氣體,因而幾乎 無法獲得均勻的層體。 於本發明具體例之成型體,即便彎曲的C/C複合材料 的厚度為20 mm或更大’仍能獲得高強度的C/C複合材料。 由於含有碳纖維與黏結劑的纖維屑一旦形成便利用片材形 成法沉積於模具’藉此形成初步成型體即纖維屑之層合 物,故可輕易獲得厚壁的初步成型體,且可輕易獲得壁厚 為20 mm或更大的c/c複合材料成型體。 以下敛述本發明具體例之成型體製造方法。圖2為本 發明具體例之成型體的製造步驟流程圖;圖3A1至3D為該 成型體之製造方法的概要圖。 ^
步驟(Α ):纖維屑形成步驟SA 如圖2與圖3A1至3A2所示,將該碳纖維1與 黏^劑即碳質基質之前驅物成分懸浮於液體,之後,將聚 集齊J加入以聚集該碳纖維i與黏結劑,從而形成纖維屑5。 、圖A1所示該碳纖維1先分散於一液體以形成漿體, 並如圖3A2所示,然後該衆體於一段時間聚集從而形成纖 維屑5。 •步驟(β ):形成纖維屑之層合物的步驟SB (第1 成型體) ’、、、後如圖2與圖3B所示,以具有多孔質模面21的 20 201213105 模具.20過濾在其中有纖維屑5的液體。= 在其側表面具有多數開口 21 a。依此,、夕孔質模面21 該多孔質模面21的表面上,從而形成纖纖維維/ 5係層合於 與直接過渡其中懸浮有碳纖維的裝體 材成型)不同,本發明具體例之製造方法 纖維-旦與黏結劑聚集在一起而形成纖維屑特:為:該碳 :::此,即便纖維屑5進行層合在該多孔質模面二(:, 維屑5之間,因此可輕易獲得幾乎不會 阻斷液體滲人的厚的纖㈣的層合體5G。再者,如圖% 之放大圖所示,即便該碳纖維1之平均纖維長度製成小於 該多孔質模面21之開σ21Α,以使通過水的阻力小成二形 成大於該開口 2U的該纖維屑5。結果,可在不必需過濾 時使碳纖維1通過開口 W的狀態下形成纖維屑之層合物 50 〇 3.步驟(C):形成薄碎片體前驅物之層合物的步驟 SC (第2成型體) 接著’如圖2與圖3C所示,壓製該纖維屑之層合物 50。依此’該碳纖維1之縱方向定向於該多孔質模面21的 表面方向。然後,轉變纖維屑5為薄碎片,藉此形成如圖 3D所示薄碎片體前驅物以此方式,形成薄碎片體前驅 物之層合物60。
步驟(D):煅燒步驟SD 然後’如圖2與圖3D所示,將薄碎片體前驅物之層合 物6 0煅燒《依此,將黏結劑4碳化以形成圖1 £所示該碳 21 201213105 質基質2,藉此使薄碎片體前驅物之層合物6〇成為薄碎片 體3。於此方式’獲得薄碎片體3之層合物,即本發明具 體例之成型體100。 ' 其次’以下更詳述各步驟。 [碳纖維的調整] 較佳為該碳纖雉調整成與本發明具體例之構造體一 致。在纖維強化塑膠(以下也稱為「CFRP」)的碳纖維表 面上,形成上漿劑的塗覆膜等,上述纖維強化塑膠係一般 廣泛用在循環釣桿或飛機零件等上漿劑,此等碳纖維幾乎 不會在片材形成時分散於水。是以選擇不含上漿劑的塗覆 膜的碳纖維,或是上漿劑已經對於此種碳纖維於還原氣體 氛圍使用由有機材料、氫氣或一氧化碳氣體熱處理過以移 除者。除了還原氣體氛圍,也可使用氮氣、貴重氣體等鈍 性氣體氛圍。順帶一提,也可使用製造CFRP的過程產生的 碎片。此種塗覆膜也可藉由於5〇〇〇c或更高的溫度熱處理 以移除。其後,較佳為調整該碳纖維以使其平均纖維長度 短於1.0 mm。當該碳纖維的平均纖維長度短於i 〇 mm,如 上述,其容積密度在纖維屑的層合物(片材成型體)階段 會增加;可抑制於成型時產生皺紋;可抑制產生強度弱的 4刀’可在成型體的厚度方向獲得接合強度;且可獲得高 強度的幾乎不會分離的成型體。平均纖維長度短於1()咖 的碳纖維可藉由粉碎市售碳纖維或布料的碎片、cfrp製造 過程產生的股等而獲得。藉由粉碎布料碎片、碳纖維之股 等’可獲得平均纖維長度短於1. 0 mm的碳纖維原料,其不 22 201213105 :留下布料、股等的痕跡’且能在本發明中輕易利用。順 帶-提,粉碎可藉由分散於水並使用混合機均句粉碎而達 成。 [纖維屑形成步驟(A )] 為了形成纖維屑’理想為使用水當做該液體。原因在 於會使用大#液體’水比起有機溶劑不僅安全而且廢液也 就包括該碳質基質之前驅物成分的黏結劑(以下也稱 為「第1黏結劑」)而言,只要不溶於其中有該碳纖維懸 序且碳化的前述液體的任意材料均可使用。第】黏結劑較 佳為粉末且較佳為微粒直徑為3至⑽μιη。只要第1黏結 劑為粉末狀,其會均勻分散於碳纖維的空隙中,使其不易 分離。故’即便第i黏結劑之後熔解並附在碳纖維表面, 仍能獲得無大空隙的高強度的c/c複合材料。就該第1黏 結劑而言,例如可適當利用選自熱固性樹脂例如酚樹脂、 吱嚼樹脂錢亞胺樹脂其中之一者。就齡樹脂而t,例如 可適當使用Bell pearl (註冊商標)S89〇,Air 公 司製。Bell Pearl為粉末酚樹脂,且其表面上形成有疏水 的塗覆膜。因此,即便於水中,BeU pearl仍會維持粉末 狀而不會溶解,故能與該碳纖維聚集在一起。 第1黏結劑的添加量,較佳為每碳纖維丨〇〇重量份, 加入50至200重量份。當第】黏結劑的添加量少於5〇重 量份,碳纖維無法充分聚集,當其超過2〇〇重量份,容易 由於脫脂產生氣泡,或在煅燒時產生氣體。兩種情形都會 23 201213105 造成強度降低。 就本發明具體例使用的聚集劑而言,只要能利用電荷 變化使該碳纖維與該黏結劑聚集的任意材料均可使用了 佳為能調整ς-電位使落於約±10 mV的材料。藉由使"位 降低,黏結劑微粒與該碳纖維間的互斥力可降低,容易聚 集。例如,可使用無機聚集劑材料、有機聚合物聚㈣等。 尤其,可適當使用Percol 292 ( r ^ U以註冊商標,AUiedColloid
Company製)等,其為有機聚 .〇取果劑。當形成纖維屑, 為該碳纖維著色為黑色的漿體 能 雙成混合液體的狀 〜、,其中該黑色纖維屑浮在透明液體中。 集劑之使用乃優先考量分子VA " 芩篁刀子量大、有交聯作用,且能獲得 大的纖維屑者。 ι獲侍 聚集劑的添加量,較佳為每該碳纖維100重量份,加 入0·05至5.0重量份。當令鱼,真 篁伤4集劑的添加量落在前述範圍, 可形成幾乎不會坍塌的有利的纖維屑。 又’該多孔質模面之開口尺寸無特別限制,較佳為〇 5 随’更佳為i至“me當多孔質模面的開口尺寸小 於〇.5關,該碳纖維容易堵塞,通過水的阻力有辦大之虞 =多孔質模面的開口尺寸超過1G襲,由於會在開口產生 面積乘以負塵的抽吸力,有時即便纖維屑的尺寸原本 不會通過也會被吸引而通過。纖維屬的尺寸必需等於或大 二用於過漶的多孔質模面的開口。由於該纖維屑的尺;有 纖故當大直徑的纖維屑由模面捕集時,會開始沉積 …屑於多孔質模面上。當纖維屑的平均直徑大於多孔質 24 201213105 模面的開口尺斗 屬無法沉積二部分纖維屑會通過模面’以致於纖維 驛模面。混合液體中的纖維屑平 至10 _,更传盔j s ς 1直瓜較佳為 為随。纖維屑的尺寸可由嘹隹 劑量、聚集劑類型、聚集時間或撺摔強度調整/聚集 添加第2黏結劑於用於形成纖維屑的液體 …唯Γ;:Γ1黏結劑成分於片材形成階段為粉末, ^無去維持纖維屑之層合物(片材成型體)的形狀。 層=:彳:::?維持在之後的炮燒步驟獲得的纖維屑之 '型體)的形狀的成分。就第2黏結劑而兮, 只要能維持纖維屑的層合物的形狀的任意材料均可使用。。 形成纖維屑層合物的階段具有物理性聯結該碳纖 、第_結劑的作用及聯結該碳纖維彼此之作用的材料 :可,用,例如包括黏性液體及有機纖維。就黏性液體而 二可適田使用搬粉、乳膠等。當使用乳膠時,係與水混 合而變成霧狀形成懸浮液。微細分散的乳膠滴具有以黏著 :用聯、。該蚊纖維與第i黏結劑的作用。就有機纖維而 。可適田使用紙漿等。該紙浆與水的親和性良好,能邀 該碳纖維交纏以發揮使該碳纖維與第"占結劑聯結的;乍 ;此It形,古使用黏性液體當做第2黏結劑,例如如 圖3C所不’由於第2黏結劑7a介入碳纖維1與第1黏結 劑4之間且第2黏結劑7b介入該碳纖維1之間,可維持 纖維屑之層合物50的形狀。 、 X順帶-提’形成纖維屑時,前述碳纖維、第i黏結劑、 聚集劑與帛2黏結劑的添加順序不特別限定,可同時或相 25 201213105 繼加入到液體中。然而, 颧點m 句勻且穩定形成該纖維屑的 覜點較佳為以下列順序製備。 肖的 ⑷於攪拌下將該碳纖維加 強,會產哇齑& . 並刀散。當攪拌過 强 f產生氣泡,為不佳。搢挫驻里_ 螢彳笠兮* 復择裝置可使用螺旋槳式、槳 葉式等。該㈣維的攪拌時間較佳為約pH 槳 ⑴其後’加人第〗點結劑持續授 劑分散。攪拌時間較佳為〇, 5至 黏結 〇刀鐘0 (c )其後加入第2黏結劑,持 分散。攪拌時間較佳為〇 5至5分鐘。到第2黏結劑 授拌i=後’加人聚集劑,拌少,聚集劑不會混合, 授拌太過度’已形成的纖維屑會破 ^ ^ ® ^ ^ ^ . 授拌時間係於確認 纖維肩形成的程度進行調整。 「处 視件時間較佳為20至30耖。 [纖維屑之層合物之形成步 ㈣霞on 邵CB)(第1成型體)] 將模…20次入含有已形成纖 的液體中。如圖 3B杈八20具有多孔質模面21及— 具空室22,該多:p丨暂 模面21為圓柱狀。該多孔質模 質 上有開口 21人〇該直作 室22利用導管23連接於抽吸泵浦 工 甫(未顯示)。結果 j山 吸泵浦致動時,會排出真空室Μ内 内的空氣,從而呈真空狀 釔。然後,纖維屑5被吸引到模| % _ j模具20之側。由於該纖維屑 5的尺寸大於開口 21A,纖維眉5 τ a / U暂措 纖维屑5不會通過開口 21A,而會 在夕孔質模面的表面方向的多孔 麻^ lL ^ , 模具表面21層合成連續 層。於此情形,纖維屑5係層合成 成灭纖維會穿突已形成的 層合物。該已層合的纖維屑5會 於抽吸力的影響而從圓 體變成平坦一點,且纖維屑中的 反纖維1的縱方向會朝 26 201213105 向於夕孔質模面21的表面方向。另一方面,該液體會通過 開 21A,並從該導管排出。於此方式,< 形成纖維屑之 層合物50 (第1成型體)。 就多孔質模面21而言,可使用液體可通過的具有多數 開口的任何材料,例如包括網、打孔金屬、編織物及不織 物。 順帶一提’雖然模具形狀將於後述,玎適當選擇平面 及/或組合多重平面、三維曲面、組合曲面、有凸緣的圓杈、 錐體、有底體、環狀圓柱等。 於抽吸過濾時,可減壓的任何材料均可使用。除了空 氣乂外可以將其他液體一併抽吸,故可適當使用自抽吸 式離心泵浦、抽氣機等。 順帶—提,就過濾方法而言,除了前述抽吸過濾,加 壓過;慮_〜過濾、其他方法也可採用。加壓過濾例如以 加壓氣體加壓夕孔質模面的外表面,以將纖維屑層合於多 孔質模面外表面’從而形成纖維屑之層合物。離心過濾為, 例如將含纖維屑的液體供應到内表面放置多孔質模面的轉 動體的模具内’轉動該轉動體以層合纖維屑於多孔質模面 的内表面,從而形成纖維屑之層合物。 [乾燥步驟] 其後為了移除前述步驟獲 水,較佳為與模具一起乾燥該 4 0 C或更尚溫度’以移除水。 解及硬化,較佳為乾燥係於不 得的纖維屑之層合物殘留的 層合體。乾燥較佳為進行於 又’為了防止第1黏結劑炫 高於第1黏結劑的熔解溫度 27 201213105 的皿度進行例如,於使用Bel 1 Pearl (註冊商標)當做 第1黏、°劍的情形’考慮該疏水薄膜會於約7G°C溶解,於 通亂狀態於不高炉^ 4 # π 门於60C進仃乾燥,藉以輕易移除水。 壓步驟](薄碎片體前驅物之層合物之成型)(第 2成型體) 、圖3C所示,將纖維屑之層合物5〇以密封薄膜24覆 、、、’藉由向壓爸26施以熱及壓力而成型,以獲得第2 成型體。首先,將密封薄膜24的空氣抽吸至真空,施以壓 力。成型壓力不限,較佳為1 MPa或更大。當成型壓力為 MPa或更大,可獲得高密度的成型體。成型壓力無特定 上限但由於第1點結劑會由於加熱而軟化,當施以1 0MPa 的麼力,可獲得足夠密度的成型體。此時,較佳為於利用 支持材料25支持纖維屑之層合物5〇的模具的兩側(内 側或外側)的狀態進行成型。由於考慮到纖維屑之層合物 因為加熱而變軟及變形,故以支持材料25支持層合體可防 止變形發生。與纖維屑之層合物(第!成型體)之形成步 驟⑻使用的模具20不$,在此使用的支持材料25不具 多孔質模面’而具有平滑表面。於構造體具有平面的情形, 可利用藉由單軸成型的方式的加壓方法當作成型方法。然 而此方法僅能利用在有限的結構’其中上部模具與下部模 具構成孔腔的兩層者。 [硬化步驟] 由於該第1黏結劑為熱固性樹脂,較佳為在前述壓力 成型步驟中將屢力加至足夠大之後,加熱成型體,從而使 28 201213105 纖維屑中所含的熱固性樹脂溶解及硬化。依此,可固定形 狀使薄碎片體前驅物之層合物6〇(第2成型體)不致變形。 有’、、要增加硬化溫度至熱固性樹脂的硬化溫度或更高。例 如,一般而言,硬化可於150°C或更高溫進行。當硬化溫 X更问硬化會更充分進行。於前述成型步驟係於高壓釜 或其他情形進行時,尸、要加熱可在成型步料充分進行, 可以與成型步驟同時進行硬化步驟。雖然硬化溫度無特定 上限,當使用.20(TC的溫度,可充分硬化。 [脫脂步驟] 為了揮發薄碎片體前驅物之層合物6〇(第2成型體) 内的有機成分,較佳為在锻燒步驟前進行脫脂。藉此脫脂 步驟’將帛1黏結劑碳化’大部分第2黏結劑會分離並揮 發故帛1黏結劑成分付生的碳化物,係在脫脂步驟後 具有聯結作用的材料。可使用任何溫度於脫脂。於當遞青 含浸與樹脂含浸係在駭步料進行時,需要形成孔洞, 因此較佳為脫脂在soot或更高溫進行。若溫度為5〇吖或 更高’樹脂之碳化會充分進行,可形成足夠大的孔洞,使 接下來的含浸步驟中’樹脂或瀝青能含浸於其中。為了防 止發生該碳纖維或黏結劑氧化,脫脂較佳於使用由有機材 料產生的碳氫化合物氣體、氫氣或一氧化碳氣體的還原氣 體氛圍中進行。除了還原氣體氛圍,也可使用乳氣、貴重 氣體等的鈍氣氛圍。 [含浸步驟] 瀝青等於薄碎片體前 較佳為,於脫脂後,含浸樹脂 29 201213105 驅物之層合物60 (第2成型體)的孔洞内,從而達成高密 度。:脫脂後的薄碎片體前驅.物的層合物60(第2成型體) 放:高壓爸26内’抽真空後,將液體樹脂或瀝青導入或浸 入南壓釜26,再施壓。該液體樹脂可為樹脂於水或有機溶 劑中的溶液,或由加熱而獲得的熔解材料。於溶液的情形, 即便其重複使用,也幾乎不會聚合,可穩定使用該溶液。 於遞青的情形,係於高壓爸中加熱到炼解溫度或更高溫度 轉變為液體後使用。 一完成含浸後,如同前述脫脂步驟,進行脫脂以獲得更 高密度的成型體。 [煅燒步驟(D)] 藉由進—步對薄碎片體前驅物之層合物(第2成型體) 加熱’以進行煅燒’將第1黏結劑完全碳化,從而形成碳 質,質。依此,該薄碎片體前驅物變成薄碎片體,藉此可
獲传由薄碎片體的層合物組成的本發明具體例的C/C複合 材料成型體1〇〇。 D ;該锻燒步驟’支持材料隨溫度增加而熱膨脹,薄碎 片體前驅物之層合物60會熱收縮。為防止由於炮燒步驟產 生的熱略脹差異所致的應力,較佳為將支持材料從薄碎 片體前驅物之層合物6G移除,並於非氧化氣體氛圍加教, 例如還,氣體氛圍或鈍性氣體氛圍。可使用由有機材料產 生的碳氫化合物氣體、氫氣或一氧化碳氣體的還原氣體氛 圍’或使用氮氣、貴重氣體等的鈍性氣體氛圍。煅燒步驟 的理想溫度為uoo至2’8Gm燒溫度為15〇代或 30 201213105 更南,可將c/c複合材料的官能基,例如氫,充分去除。 當殘存官能基例如氫時’會在C/c複合材料構造體使用時 產生碳氨化合物氣體等。當未經於UOOt或更高溫度進 行煅燒的成型體使用在半導體製造裝置等時,此種碳氫化 口物氣體有包入半導體之虞’從而降低半導體純度。當煅 燒溫度為不高力2,80(TC,可抑制c/c複合材料結晶化進 行,可保持強度。煅燒溫度更理想為^00至2,5〇〇<t。 較佳為煅燒於加熱速率5〇〇 ec/小時進行。 順帶-提,為了增加密度,可在锻燒步驟前重複多次 含浸步驟與脫脂步驟》 依照本發明之具體例,藉由將多孔質模面21的形狀形 成為沿該所望構造體的形狀,除了前述形狀以外,各種三 維形狀的構造體可藉由一體成型而製作。 然後,依本發明之具體例之c/c複合材料成型體,藉 乾燥步驟、加壓步驟、脫脂步驟、含浸步驟與鍛燒步驟, 2得如圖u與^之由具凸緣部的圓柱體構成的c/c複 =枓成型體1〇〇。於此C/C複合材料成型_〇,該薄碎 與亦於邊界部即凸緣部與圓柱狀部間的邊界部,沿第1 可=表面觸與1()0。定向,且薄碎片體的邊界錢, 體J即使於表面的接合部成型體亦為均句組成的成型 成型:果,可獲得高密度及高強度的厚…c複合材料 (具體例2) 以下基於圖4A至4D說明本發明具體例2之成型體。 31 201213105 圖4A為具體例2之成型體之透視圖,圖4B為其剖面圖; 圖4C為其部分的放大圖;圖4D為其更放大圖。 具體例2之C/C複合材料成型體2〇〇具有一底面,除 此以外與具體例1之成型體1 〇 〇相同。具體例2之匚/ [複 合材料成型體200係由底面與圓柱狀體構成。 為了製造具體例2的C/C複合材料成型體2〇〇,如圖 5B所示,在形成纖維屑之層合物5〇時,使用於側面與底 面具有多孔質模面31的模具30過濾該纖維屑5。該纖維 屑5係沿多孔質模面31之表面方向連續層合成層。又如 圖5C所示’加壓步驟中的支持材料35係製成有底。其他 T與具體例丨之製造方法相同,將該表面以密封薄膜覆 盍,並藉由於150。放入高壓釜36施以熱及壓力而成型。依 此,獲得如圖4A及圖4B的C/C複合材科成型體2〇卜於 該C/C複合材料成型體2〇〇’該薄碎片體在底面與側面間 的邊界區域’也會沿成型體⑽的表面2_無規地定向。 因此可形成沿該表面為均勻的連續體。例如於圖4β之放大 圖’該碳纖維與基質以薄碎片體於連接底面與側面彼此的 邊界區域無規地層合且同時改變角度以成連續形式。 以此方S ’不僅碳纖維的一部分包括將於該薄碎片體 的層合方向鄰接的薄碎片體彼此連接的成分,而且該薄碎 片體配置成使於該薄碎片體的層合方向鄰接的薄碎片體彼 此的端部脫離層合方向,因此薄碎片體的邊界分散,藉此 可形成均勻的成型體。 32 201213105 以此方式,於底面與側面間的邊界區域2 〇 〇 R,薄碎片 體3亦沿表面200S定向而構成均勻的連續表面,藉此展現 極高強度。而且,於此邊界區域2〇〇R,薄碎片體3的邊界 分散,藉此形成均勻的成型體。當該薄碎片體的邊界分散 而形成的均勻狀態 '’意指不存在由於黏貼形成的結合層或 者為了使表面彼此平順連接以不形成皺紋的斷裂。如同具 體例1,依此具體例,可獲得高強度及高密度的c/c複合 材料成型體。 (具體例3) 其次,基於圖6A至7B敘述本發明之具體例3之成型 體。圖6A為具體例3之G/G複合材料成型體之透視圖,圖 6B為其剖面圖;圖7A與7B各為具體例3之C/C複合材料 成型體之製造步驟示意圖。順帶一提,於圖6Α^ ”,為 了同時圖示上表面及下表面將視圖的上及下表面各 轉。 泣具體例3之C/C複合材料成型體4〇〇,除了於圓柱狀 °P 400a的下端具有截短的錐形的圓柱狀部4〇〇b以外,與 具體例1之C/C複合材料成型It 100相同。於此方式,由 於具有截短的錐形的圓柱狀部4_,由圓柱狀表面組成的 /、截短的圓柱狀部組成的曲面係鄰接地一體連續形 成。在此,薄碎片冑3在由圓柱狀表面組成的截短的圓柱 狀部組成的曲面間的邊界區域麵.,也是沿表面魏定 向’從而會構成具有均句組成的連續體…由於構成古 強度的均句的連續表面,可展現極高強度。又,於此邊= 33 201213105 區域400R,薄碎片體3的邊界會分散,從而形 型體。 构勻的成 於製造此C/C複合成型體400,係依循與前述具體例工 相同的程序。然而,會使用具有柱狀及錐狀的外表面 具40 。 、模 如圖7A,使用側表面上具有多孔質模面41的模具w 過濾纖維屑。該纖維屑係於多孔質模面41之表面方向連續 層合為層體。於此方式,可獲得所望形狀之一薄碎片體層 合物400S,其由圓柱狀部4〇〇a與截短的錐狀圓柱狀部4〇吒 構成,該薄碎片體層合物40 〇S由沿模具40外壁的第丄表 面40(h以及與此第!表面4〇〇i相對的第2表面4〇〇〇構成。 然後,如同前述具體例丨、2,藉由乾燥步驟、加壓步 驟、脫脂步驟、含浸步驟與煅燒步驟,可獲得如圖6八與 6B之由具截短的錐狀凸緣部的圓柱體構成的c/c複合材料 成型體400。於此C/C複合材料成型體4〇〇,該薄碎片體亦 於邊界部即凸緣部與圓柱狀部間的邊界部,沿第1與第2 表面400ι與400〇定向’,且薄碎片體的邊界分散,從而 V形成具有均勻連續組成的成型體。當該薄碎片體的邊界 分散而形成的均勻狀態’意指不存在由於黏貼形成的結合 層或者為了使表面彼此平順連接以不形成皺紋的斷裂。如 同具體例1’依此具體例,可獲得高強度及高密度的C/C 複合材料成型體。 (具體例4) 以下基於圖8說明本發明具體例4之成型體。圖8A為 34 201213105 具體例4之成型體之透視圖,圖8B為其剖面圖。 具體例4之C/C複合材料成型體5〇〇,係由具有底部 500b的矩形的柱狀部500a構成。此具體例的c/C複合材 料成型體500,除了 C/C複合材料成型體的形狀以外均與 具體例1之C/C複合材料成型體相同。於此方式,於 本具體例4,組成該矩形柱狀表面與底面的4個平面係彼 此垂直配置,且以連續方式一體成型地形成。在此,於平 面彼此垂直的邊界區域500R ’薄碎片體3亦沿表面5〇〇s 定向,從而會構成均勻連續表面,且可展現極高強度。而 且,於此邊界區域500R,薄碎片體3的邊界亦為分散從 而會形成均勻的成型體。當該薄碎片體的邊界分散而形成 的均勻狀態’意指不存在由於黏貼形成的結合層或者為了 使表面彼此平順連接以不形成皺紋的斷裂。如同具體例】, 依此具體例,可獲得高強度及高密度的c/c複合材料成型 體。 〈實施例〉 如圖1A至1E所示之由圓柱狀部以及在該圓柱狀部下 端沿周圍表面連續形成的凸緣部構成的c/c複合材料成型 體’由以下步驟製造。 (1)碳纖維製備步驟 製備CFRP用PAN系碳纖維,其平均纖維長度15〇叩 與平均纖維直徑7 μ。在此,將為了改善於水之分散性的 塗覆於纖維表面的塗有膠的塗料於還原氣體氛圍於55〇t 煅燒並去除,之後將該碳纖維分散於水並使用混合機粉碎 35 201213105 至平均纖維長度150 μιη,再脫水並乾燥。然後,將獲得的 石厌纖維與月巨產生大量碳氫化合物氣體的有機材料粉末於密 閉合盗中一起加熱,對於該密閉容器内吹洗由該有機材料 產生的碳氳化合物氣體’從而形成還原氣體氛圍。 (2 )纖維屑形成步驟 (a)將上述碳纖維製備步驟獲得的該碳纖維投入水, 並於攪拌狀態分散。攪拌進行約3分鐘。 …(b)其後,加入盼樹月旨(「_ ―」(註冊商 標)S890,Air Watpr Tnr·舍]、 炎)(200質量份)當做第1黏 劑’至1 〇 〇質量份續 買重伤該奴纖維’同樣將該混合物攪拌1分 鐘。 π檨η後,加入乳谬(5質量份)當做第2黏結劑, 冋樣將該混合物攪拌1分鐘。 (d)再者’加入陽離子聚集劑 標)292,Allied mil μ r c〇l」(註冊商 當做聚集劍,腺-.i〇ld C〇mPany製)(0.3質量份), 、胃混合物攪拌20秒從而形成纖維屑。 二)中纖維屑層合物形成步驟(片材形成步驟) 將其令形成有纖維屬的水 且在冰志二 攸圓枉狀模具内吸出,該模 該線網的表面上從而I & π ' 乂層合纖維屑於 形成圓柱狀層合物。雖锼絪口為 但該碳纖維形成纖維屬 線,,罔開為 都不會通過該網。靜置_段_#,=所有的該破纖維 之物以乾燥機於6〇 力移去水’獲得 ⑷成型步驟(Ml: 成, '成薄碎片體前驅物之層合物(第2 36 201213105 成型體)) 將沒有線網的圓柱狀模具插入前述步驟獲得的層合物 内,將表面以密封薄膜覆蓋。獲得之物放在高壓釜,而不 層合該層合物,並於15(rc加熱的同時加壓。加壓壓力定 為 2 MPa 。 (5 )硬化步驟 在上述步驟後,將該層合物靜置2小時,此時係處於 該同壓爸的最大壓力。依此步驟,第丄黏結劑(酚樹脂) 硬化。 (6 )第1脫脂步驟 移走前述硬化步驟獲得的第2成型體的模具,將獲得 物於還原氣體氛圍高爐中加熱。加熱以升溫速《耽/小 ㈣行’且當溫度到達最高溫度5啊時,維持所獲得之 成型體1小時,然後使靜置至冷卻至室溫。順帶一提,於 此脫脂步驟,除了使用由古,, 用由有機材料產生之碳氫化合物氣 體、氫氣等還原氣體氛圍,氺π — 也可使用氮氣、氬氣等的鈍性 氣體氛圍。 (7 )(含浸步驟) 得所望容積密度時,進_ 於直到第1脫脂步驟仍未獲^ 步進行含浸。 於此實施例,將脫脂後 的高壓蚤中,抽真空後, MPa加壓該層合物從而含
的第2成型體置於已加熱到2〇〇 流入軟化點約80°C的瀝青。於 咬瀝青於其中。 (8 )(第2脫脂步騍) 37 201213105 將已歷經含浸步驟的層人札 百σ物再施以脫脂。該脫脂係與 (6 )之第1脫脂步驟以同樣條件進行。 (9 )煅燒步驟 最後將已施以含浸與第9盼& Z脫知步驟的層合物煅燒。將 層合物於升溫速度:15(TC/小睥於、费κ尸舰— J崎於還原氣體氛圍加熱,於溫 度到達最高溫度2, OOOt的時點.,他a人r J时點’維持層合物15秒,然後 使靜置冷卻至室溫。依此煅燒步驟,由第】黏結劑形成一 基質。依照該基質之存在,可強化碳纖維的結合力,展現 強度於此方式,獲得一圓柱狀成型體,其内直徑為I mm、高度為1,〇〇〇 mm、厚度為25随、圓柱體底端至凸緣 部底部的距離為3G頭、凸緣部的寬度為2()關、從圓柱狀 表面至凸緣部的高度為5随”頃帶一&,該還原氣體氛圍 係藉由吹洗由有機材料獲得之碳氫化合物氣體而獲得。 又,亦可使用還原性氣體例如氫氣,或使用鈍性氣體例如 氬氣及氮氣。 〈比較例〉 以如下方式製備將與實施例具有同樣形狀的毛氈層合 的c/c複合材料成型體。首先’將平均纖維長度15〇μιη及 平均纖維直徑7 μιπ的PAN系碳纖維裁切成30 mm大小,從 而形成片狀毛氈。其後,將該毛氈浸入酚樹脂之甲醇溶液, 使用輥壓製由此形成碳纖維片預浸輥材,其厚度3 mm。將 此形成的碳纖維片預浸材繞心軸轉,從而形成有毛氈狀片 層合於其上的成型體。 其後,將前述步驟成型的成型體維持在1 501以硬化 38 201213105 該酚樹脂,從而定型。 其後,將此成型體維持在150°C使酚樹脂硬化,藉此 固定形狀。 其後與實施例同樣進行脫脂、含浸、脫脂及煅燒,從 而獲得圓柱狀成塑體’其内直徑為600 mm'高度600 mm, 厚度2 5 mm。分別製備環狀的凸緣’使其從圓柱底端至凸 緣部底端的距離為30 mra、凸緣部之寬度為20 mm、從圓柱 表面起算的凸緣部高度為20 mm,將其套在成型體外部, 再結合。使用COPNA樹脂當做結合劑,藉此在凸緣與圓柱 狀成型體之間形成結合層。 〈物性評價〉 剝離試驗1 對於實施例獲得之成型體及比較例獲得之成型體,各 從CV C複合材料成型體的端部以刀片切出預定深度的間 隔’使分層,藉以比較剝離狀態。 於實施例獲得之成型體,薄碎片體定向於成型體之表 面方向;且當使用刀片從平行於該成型體表面之方向之一 端切下並剥除時,該薄碎片體不會輕易分離。 於比較例獲得之成型體,使用刀片從平行於該成型體 表面之方向觀察到年輪的層狀構造體之一端切入並剝除。 結果該年輪層會輕易分離。 容積密度與彎折強度 圖9A顯示裁切出供測量物性的樣本的方法的示意 圖圖9B顯不三點彎折試驗的試驗方向的示意圖。如圖 39 201213105 9A所示,用於測定矩形的平行六面體的物性的兩個樣本為 10 X 10 X 60 mm,各於圓柱體的高度方向較長,係各由實 施例與比較例的結構體獲得。用於測定物性的樣本,係測 定容積密度及f折強度。彎折強度係使用自動立體測圖儀 (AG IS 型.〇 至 5 kN,Shimadzu Corporation 製),進 行三點彎折試驗而測定,跨距設定為5〇mm。就容積密度而 吕,各測定體積及質量。如圖9B ,該三點彎折試驗係從垂 直的兩個方向(薄碎片體之層合方向)V,以及相對於該成 型體的表面方向為平行的方向p造行。表i顯示容積密度 及彎折強度的結果。 表1 容積密度 於垂直方向之 於平行方向之 (g/cm3) 彎折強度*1 彎折強度*2 (MPa) (MPa) 1.28 69. 0 75. 7 1. 35 — 19, 6 47. 2 :從成型體之表面方向及垂直方向的三點彎折試驗 2.從成型體之表面方向及平行方向的三點彎折試驗 制離試驗2 對於實施例與比較例獲得的成型體的凸緣部,使用木 槌從成型體的一軸方向施以衝擊力,藉此觀察凸緣部如 破裂。圖16A與6B顯示於剝離試驗2中施以衝擊力的方 ’其中圖16A顯示實施例,目16B顯示比較例。於圖i6B, 201213105 代表該木製 有一環狀凸緣套在該ai柱狀成型體。符號「A 槌施以衝擊力之處及方向。 進行此剝離試驗2 衝擊力的邊緣部僅有歷 成型體與該環狀凸緣間 部分掉落。 之結果,於實施例之成型體,受施 碎;而於比較例之成型體.,圓柱狀 的結合部剝離,且該環狀凸 觀察表面與剖面 以各種照片觀察實施例與比較例 與剖面。 獲得的構造體的表 面 (偏光顯微鏡及掃描式電子顯微鏡(SEM)照片用的樣 本的製備方法) 將碳纖維成型體的樣本包埋於環氧樹脂,利用機械研 磨法’再進行平磨處理(45〇3分鐘)以製作剖面。以fe_sem 以及偏光顯微鏡觀察經Pt_Pd濺鍍的剖面。在此,環氧樹 脂係用於固定樣本以從軟質樣本、易變形樣本、微細樣本 等切出平面。例如’雖然粉末、纖維剖面等一般幾乎不能 剖面加工,但藉由以固定劑例如環氧樹脂以此方式固定, 便能觀察。 (分析裝置以及測定條件) [平磨] 裝置:Hitachi, E-3200 輸出:5 kV, 0. 5 mA [FE-SEM]
裝置:JEOL,JSM-7001F 201213105 加速電壓:5 kV 觀察影像:次級電子影像 [偏光顯微鏡] 裝置:Nikon製 圖1 0A為實施例之成型體剖面的偏光顯微鏡照片,圖 1 0B為比較例之成型體之剖面的偏光顯微鏡照片。於實施 例之該成型體,可注意到其係均勻成型體,其中,薄碎片 體定向於成型體的表面方向,且薄碎片體的邊界分散。於 比較例之該成型體’可注意到形成有年輪的層狀結構。 圖11A為實施例之圓柱狀成型體的内表面的照片。圖 11B為在圖11A之照片觀察到的薄碎片體。圖UB中的實 線區顯示各薄碎片體3。圖uc顯示從圖11A之成型體表 面分離的薄碎片體的照片。由於該成型體的内表面係使用 支持材料25成型,可獲得無大型不規則的平面。然而,可 以確認的是,當從纖維屑形成薄碎片體時,以平行於該表 面方向進行定向的薄碎片體,係暴露於該表面上^由於此 一薄碎片體的組成碳纖維係以平行於表面方向進行定向, 其可從暴露的端部逐漸剝離;然而,該薄碎片體僅會逐一 分離,不會發生從整個碳纖維成型體分離的現象。此種分 離也同樣可藉由將碳纖維成型體從其層方向破開而形成的 破裂面確認。 圖12A顯示放大比較例之成型體的剖面的掃描式電子 顯微鏡(SEM)的照片,圖12B顯示其示意圖。可確認片材 交界部的纖維強力平行地沿著邊界定向。 42 201213105 圖13A至13C為實施例之成型體剖面的掃描式電子顯 微鏡(SEM)的照片。照片中的垂直方向為成型體的厚度方 向,照片中的水平方向為表面方向。圖13A為放大1〇〇倍 的實施例之成型體剖面的SEM照片;圖13B為放大2〇〇倍 的實施例之成型體剖面的SEM照片;圖丨3C為放大5〇〇倍 的實施例之成型體刮面的SEM照片。圖13A顯示於該剖面 的SEM照片中觀察到的薄碎片體。圖13A中的實線顯示各 薄碎片體3。13B為圖13A之部分薄碎片體的更放大_ 照片。圖13C為圖13B之部分薄碎片體的更放大SM照片。 如圖13A’可確認薄碎片體層合以碳纖維成型體之表面方 向進行定向。 J N囬啊网佩規照月 , 其中照片中的垂直方向為成型體的厚度方向(該薄碎片體 之層。方向),照片中的水平方向為表面方向。圖為 放大⑽倍的照片;圖14Β為放大_倍的比較例之成型 :的SEM照片。如s 14Β可破認存在該碳纖維強力定向於 = 炭纖維成型體之表面方向的…且可認為於此區 實質上於厚度方向未形成纖維連接。因此,可注意到· 比較例中,於圖14Β之照片中, . 纖維相對於垂直方向的拉 、強力配向的區域,成為瑕疵。照 型體的厚度方向(該薄碎片 ' Ί 平方“主 片體之層合方向),照片中的水 舍觀由 』微鏡中,視晶體的定位方向 表®觀由 易區分纖維及基質。視觀窣 表面,觀察到該纖維為線形、㈣或圓形。又,圖心 43 201213105 14B中,深灰且無光的陰暗部位係用為密封樹脂的環氧樹 月曰E,圖14A中的其他區域為碳纖維成型體(包括基質與 該碳纖維的薄碎片體),圖14β中的其他區域為碳纖維成 型體C。 於圖14A中的實線圍繞的區域,可確認偏光顯微鏡照 片的垂直方向(該薄碎片體之層合方向)㈣接薄碎片體 由碳纖維成分i連接。另一方面,圖“B巾,未確認連接 薄碎片體彼此的碳纖維成分。 於如圖14A之該偏光顯微鏡照片,為了觀察到連接薄 碎片體彼此的碳纖維,不僅該碳纖維必需存在於觀察表 面,而且該碳纖維的縱方向必需包括在觀察表面。圖14八 中’可確認該照片垂直方向(該薄碎片體之層合方向)有 連接相鄰的薄碎片體彼此的碳纖維成分,因此可認為許多 於垂直方肖(該薄碎片體之層合方向)連接彼此鄰接的薄 碎片體的其他連接碳纖維成分雖未觀察到,仍是存在。 如表1所示之測量結果,實施例獲得之三點f折強 度,在垂直於該成型體之表面方向之方向(薄碎片體的層 合方向)為75.7 MPa,於平行於該成型體之表面方向的方 向為69.0 MPa’故在垂直及平行於該成型體表面方向之方 向獲得實質上相等的三點彎折強度。其原因在於:層合時 形成實施例之成型體的薄碎片體,再者,由於存在將:度 方向(該薄碎片體之層合方向)㈣接薄碎片體彼此連二 的碳纖維成分,可形成均勻的成型體。 於比較例1獲得之該成型體,垂直於該成型體表面方 201213105 向的方向的(該薄碎片體之層合方向)三點彎折強度為i9 6 MPa,此值低於平行於該成型體表面方向之方向(p方向之 三點彎折強度)的值47.2 MPa。考量於比較例]獲得之該 成型體,垂直於該成型體之表面方向的方向的強度,顯著 低於平行於該成型體之表面方向之方向的強度的原因,可 認為:於垂直於該成型體表面方向之方向之該三點弯折試 驗,成型體以層合片分離的方式破裂。 於前述比較例,該成型體係利用片材層合構成,且不 存在連接定向於厚度方向之片材彼此的碳纖維成分。因 此該等片材之間的接合力肖,於垂直於該成型體之表面 方向的二點彎折試驗,發現強度顯著降低。又,即便於平 行於該成型體之表面方向之三點彎折試驗,也會發現片材 分離’且比起實施例僅獲得低強度。 實施例獲得之成型體為殼狀構造,其係藉由具有整體 為均勻組成的連續體構成,且碳纖維之縱方向沿表面定 向。亦即,可確認包括與表面接合之部分的構成的成型體 整體’為具有均勾組成的連續體,其中碳纖維沿該表面定 向。故,可認為於表面對表面的接合部等未形成力量之觀 點的瑕疵,於垂直及平行於該成型體之表面方向的方向的 強度增加。 順帶-提’成型體之表面方向,在此係指構成該成型 體的主表面,且外表面係指該成型體之外表面但不包括邊 緣表面。不包括煅燒後,藉由拋光、鑽孔或機械處理該表 面而新產生的表面。如上述,藉由使該碳纖維之縱方向係 45 201213105 形成法成型時的外表面定向’可獲得具有極高 機械強度與優異时熱性的c/c複合材料成型體。 本發明除了平面還可應用於任何形狀,例如圓柱體、 :體、凹面物及凸面物。本發明尤適用於需要黏貼的形狀, 备採用本發明於由組合複雜表面構成的三維構造體例如圓 柱體及錐體時,可獲得特別優異的效果。 [產業利用性] 2於依照本發明具體例之e/e複合材料成型體為高強 又' 南密度及高耐熱性的成型體’其可對用於單晶石夕拉晶 裝置、化合物半導體晶體拉晶裝置、太陽能電池的石夕的:: 造裝置(例如石夕薄膜形成裝置、石夕晶棒製造裝置等)、用 於高溫的元件例如原子能、核熔合或冶金領域的裝置零 件、需要對於溫度改變維持高強度的領域例如太空零件及 般太零件等提供助益。 【圖式簡單說明】 圖1A至1E顯示本發明具體例i之成型體之視圖,具 2言’圖^為透視圖·,圖1B為剖視圖;eic為圖W 、部份放大圖;圖ID為圖1C之一部分之更放大圖;圖 為圖1D之一部分之更放大圖;。 圖2為具體例丨之成型體之製造方法的步驟流程圖。 圖3A1至3D為具體例1之成型體之製 圖。 u媸之製梃方法之概要 圖4A至4D顯示具體例2之成型體之視圖,具體而+ 46 201213105 圖4A為透視圖;圖4B為剖面圖;圖4C為圖4B之部分放 大圖;圖4D為圖4C之更部分放大圖。 圖5A至5D為具體例2之成型體之製造方法之概要圖。 圖6A與6B為具體例3之成型體之視圖,具體而古, 圖6A為透視圖’圖6B為剖面圖。 圖7A與7B為具體例3之成型體之製造方法之概要圖。 圖8A與8B為具體例4之成型體之視圖,具體而言’ 圖8A為透視圖,圖8B為剖面圖。 圖9A與9B顯示供測定實施例與比較例的各c/c複合 材料成型體的物理特性的樣本其切出方向以及彎折試驗方 向。 圖10 A為實施例之成型體的剖面的照片,圖1 〇 b為比 較例之成型體的剖面的照片。 圖11A為實施例之成型體之表面的放大照片,圖11 b 為實施例之成型體表面上的薄碎片體的照片;圖j 1C為從 實施例之成型體表面分離的薄碎片體的照片。 圖12A為比較例之片材捲繞法的剖面的掃描電子顯微 鏡照片’其中毛説係圍繞心軸捲繞及層合,圖12 b為圖12 a 之示意圖。 圖13A至13C為成型體的剖面的掃描電子顯微鏡照 片,具體而言,圖13A為放大1〇〇倍的照片;圖13B為放 大200倍的照片;圖13C為放大5〇〇倍的照片。 圖14A為成型體的剖面的偏光顯微鏡照片,圖ΐ4β為 比較例之成型體之剖面之偏光顯微鏡照片。 47 201213105 圖15A與15B為比較例之成型體之視圖.,具體而言, 圖15A為透視圖,圖15B為剖面示意圖。 圖m與m示意顯示實施例與比較例中於剝離試驗 施以衝擊力的方法的視圖。 【主要元件符號說明】 c C/C複合材料成型體 E環氧樹脂 SA, SB, SC,SD 步驟 1 碳纖維 2碳質基質 3薄碎片體 4 黏結劑 5 纖維屑 6薄碎片體前驅物 7 (7a’7b)黏結劑 30, 40 模具 21,31,41多孔質模面 21A 開口 22真空室 2 3 導管 24密封薄犋 25’35支持材料 26高壓釜 48 201213105 50, 60 層合物 1 00, 200, 400, 500 C/C複合材料成型體 100a 圓柱狀部 200S,400S, 500S 表面 100T 凸緣部 100i, 400i, 500 i 第 1 表面 100ο, 400〇, 500〇 第 2 表面 200R, 400R, 500R 邊界區域 400a 圓柱狀部 400b 圓柱狀部 500a 柱狀部 500b 底部 49