TW201217169A - Carbon fiber structure and method for manufacturing the same - Google Patents

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201217169 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種碳纖維構造體及其製造方法。尤 其’本發明係關於一種構造體’其包括碳纖維強化碳複合 材料’該碳纖維強化碳複合材料包括碳纖維與含碳基質。 【先前技術】 由於碳纖維具有高耐熱性及強度，其係以包含碳纖維 以及碳基質的碳纖維強化碳複合材料（C/C複合材料）的 形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構造體。 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， 或使用碳纖維片片材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，將該編織物含浸於基質前驅 物例如瀝青與熱固性樹脂，然後硬化及炮燒（見 JP-A-Hll-60373 )。板形的C/C複合材料，可藉由將平面 狀的編織物層合，並以單軸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碎片黏貼在三維形狀的模具而择 201217169 得。再者，圓柱狀的c/c複合材料’也可藉由 編織物為輥形，同時對其施以壓力並將其層合 料捲繞法）。 w d 該纖絲捲繞法係藉由圍著心軸捲繞碳纖維股，同時對 其施以拉力，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-H1 0-1 52391 )。 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-2000-143360 )。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（見例如圖13A與13B )。 又’於片材形成方法’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’再乾燥並煅燒（見JP-A-2002-68851與 JP-A-2002-97082)。 【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 201217169 料，該板形材料的端部會開啟。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= 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—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侧的張力不 同，内層側容易曲皺。再者，由於產生收縮以及煅燒所致 的黏結劑成分碳化，會減低結合力，因而該初步的成型體 的内層側更為容易曲皺。結果’當核心移走時，該初步的 成型體的内層側會曲皺變形，且強度因而降低。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，當使用碳纖維毛氈法時，會將數層薄的毛氈層合 並成型。然而，由於毛氈間的結合力弱，容易發生分離。 尤其，當製造厚壁的c/c複合材料時，於硬化及烺燒過程 對施以壓縮應力，因此當移走核心時，該初步的成型體的 内層側會容易曲皺。即，與纖絲捲繞法以及布料捲繞法同 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。 6 201217169 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锻燒階段產生㈣或變形時，當 品形狀於維度的寬容声/f、，斗、—士 x 見今度小或該產品形狀並非為簡單形肤 例如板狀時，需兽谁；^ ‘ τ ^ , 而要進订加工例如裁切及接合。 但是，於纖絲捲繞法、布料捲繞法、片材捲繞法等， 會層合數㈣絲、布料、碳纖維储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。 再者，於片材成型法，如同形成紙片一般，會形成 材成型體，即C/Τ滿人k 複0材枓的初步成型體。於此方法，當 形成薄片成型體的階段’包括碳纖維分散於其中的液體 (水）的液壓阻力會增大，目此層體變得愈厚，愈難進行 片材形成。所以為了獲得厚帛C/C複合材料，必需減低碳 纖維达、度以防止^46 + 止增加液體的液壓阻力，難以獲得高強度的 c/c複合材料。 本發明有鑑於.以上狀況，目的在於提供一種由c/c複 合材料構成的碳纖維構造體，其具有高強度以及高耐熱性。 本發明之一具體例提供以下： ⑴-種碳纖維構造體，包含碳纖維強化碳複合材 料該碳纖維強化碳複合材料包括碳纖維以及含碳基質， 其中該碳纖維由線形纖維構成， 其中該碳纖維形成薄碎片體，其中在該含碳基質中， 該碳纖維之縱方向定向為平行於該钱維構造體之表面方 向，且 201217169 其中該碳纖維構造體係由層合物構成，該層合物有薄 碎片體層合於其中。 [2 ]如[1 ]所述之碳纖維構造體， 其中一部分該碳纖維具有連接鄰接該薄碎片體之層合 方向的薄碎片體彼此的成分。 [3 ]如[1 ]或[2 ]所述之碳纖維構造體， 其中該薄碎片體配置成使於該薄碎片體之層合方向彼 此鄰接的薄碎片體的端部，係脫離層合方向。 [4 ]如[1 ]至[3 ]中任一項所述之碳纖維構造體， 其中該碳纖維的平均纖維長度短於丨.〇 。 [5 ]如[1 ]至[4 ]中任一項所述之碳纖維構造體， 其中該碳纖維於垂直該碳纖維構造體之表面方向的方 向的定向成分，係連續存在於該垂直方向。 [6] 如[1 ]至[5 ]中任一項所述之碳纖維構造體， 其中該碳纖維構造體的容積密度為12_3或更大。 [7] 一種碳纖維構造體之製造方法，包含： 二）將娀纖維與為含碳基質之前驅物成分的黏結劑 懸洋於一液體，添取在如丨 、 集劑以聚集該碳纖維與該黏結劑， 藉此形成纖維屬； 的竹(以具有多孔質模面的模具過濾其中具有纖維屑 的該液體，以屉人# ΛΛ 戸再 α 纖維屑於該多孔質模面的表面，藉此 形成該纖維屑之層合物. 藉此 (C)壓製該纖維屬之層合物 向以平行於該多孔暂夂； 1使該妷纖維之縱方 1質拉面的表面方向進行定向，以 8 201217169 纖維屑成為薄碎片，藉此形成薄碎片體前驅物之層合物; 及 (D)煅燒該薄碎片體前驅物之層合物，並使該黏結 劑碳化以形成含碳基質’藉此形成薄碎片體之層合物。 [8] 如[7]所述之製造方法， 其中步驟（B )之過濾係抽吸過濾。 [9] 如[7]或[8]所述之製造方法， 其中步驟（A)係將該碳纖維、第1黏結劑即該含碳基 質之前驅物成分，以及第2黏結劑即用於聯結該碳纖維與 該第1 ϋ結劑之成分懸浮於—液體，並添加—聚集劑以聚 集該碳纖維、該第i黏結劑及該第2勒結劑，藉此形成纖 維屑。 [】〇]如[7]至[9]中任一項所述之製造方法， :中步驟（C)係使用高壓釜，於纖維屑之層合物以 、、覆蓋的狀態下進行熱壓縮，並且將該碳纖維之縱方向 :仃於該多孔質模面之表面方向進行定向，而轉變該纖 成為薄碎片，藉此形成薄碎片體前驅物之層合物。 [11]如[7]至[1〇]中任一項所述之製造方法， 其令該碳纖維之平均纖維長度，小於該多孔質模面 開口尺寸。 依…、以上構成，可獲得高強度及高耐

〜、π π ’丨工 WV 田 I 。材料構成的碳纖維構造體，且不容易發生層間分離。 以上及本發明之其他態樣，可從以下對於本發明, 性具體例的敘述參照附®而更為顯明且容易理解。 201217169 I實施方式】 以下將參照圖式敘述本發明之理解性具體例。 依照本發明具體例之該碳纖維構造體（以下也稱為「構 1^體」），為由包括碳纖維與含碳基質之碳纖維強化碳複 合材料構成的成型體。該碳纖維由線形纖維構成。該碳纖 維形成薄碎片體’其中於該含碳基質中，該碳纖維之縱方 向定向為平行於該碳纖維構造體之表面方向。該碳纖維構 造體係藉由其中有薄碎片體層合於其中之層合物構成。 (具體例1) 本發明之具體例1的碳纖維構造體，將基於圖1A至 1D敎述。 圖1A為具體例1之構造體100的透視圖。圖iB至1D 為圖1A之剖視圖，各為其一部分放大視圖，及更放大的視 圖。如圖1C與1D所示，此構造體100中，碳纖維1大部 分的纖維的縱向在含碳基質2中係朝向構造體1 〇〇的表面 方向’藉以形成薄碎片體（片狀的小碎片）3。該構造體 100，係由該薄碎片體3的層合物構成。 依此構成，該含碳基質2係填充並且組成為介於組成 該薄碎片體3的該碳纖維1之間’從而將該碳纖維彼此固 定在一起。再者由於薄碎片體3以落葉隨機堆疊的方式層 合’故薄碎片體的端部會在該碳纖維構造體内分散於許多 地位置。換言之，該薄碎片體配置成使該薄碎片體之層合 方向彼此鄰接的薄碎片體的端部’係偏向在層合方向。依 此，薄碎片體的端部不會重疊，以致於有結構弱的瑕疵（該 10 201217169 薄碎片體的邊界）’從而造成分離或裂痕形成微細分散。 此時，右於一處存在大的瑕庇’則傾向於拉生應力集中， 且此大的瑕疵會變成切口，從而容易造成強度降低。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 為均質且無瑕疵的碳纖維構造體。由於依照本發明具體例 之該碳纖維構造體具有此結構，可獲得高耐熱性且即使於 尚溫亦有高強度的c/c複合材料構造體。 該薄碎片體的平均主軸直徑，較佳為】至1〇 mm，更 佳為2至5πιπι。若該薄碎片體的平均主軸直徑短於l()mm， 由於對應的纖維屑碎片的大小變得接近碳纖維的長度，而 幾乎無法獲得由該薄碎片體構成的該碳纖維構造體。另一 方面，當該薄碎片體的平均主轴直徑超過1〇mm，層合時， 如後述在製造步驟中，纖維屑當做薄碎片體的基礎，由於 中間部與周邊部在聚合的容易度彼此不同 與黏結劑分離，_，在薄碎片體㈣黏結劑成分也= 化成刀離X虽薄碎片體的平均主軸直徑超過1〇 mm， 即便黏結劑於接下來的成型與硬化過程中㈣解，該薄碎 片體也無法充分流動，因而該分離幾乎無法解除。其結果， 會形成黏結劑較薄的部分，而有構造體的強度降低之虞。 該薄碎片體的平均厚度，較佳為〇 〇5至ι 〇關更 佳為0·1 i 0·5 mm。當該薄碎片體的平均厚度低於〇 〇5 龍，對應的纖維屑大小變得較接近該碳纖維的厚度，幾乎 無法獲得由該薄碎片體構成的構造體。當該薄碎片體的平 11 201217169 均厚度超過1 · 0 mm，會在薄碎片體的端部形成空隙，有構 造體的強度降低之虞。 如後述，本發明之具體例的該碳纖維構造體，係藉由 聚集碳纖維以及黏結劑於液體中以形成纖維屑，並層八（片 材形成）該纖維屑而形成。在此所指纖維屑，係指無規— 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〗由線形纖維組成。由於該碳纖維丨由 線形纖維組成，於纖維屑層合（片材形成）步驟時使用模 具過濾纖維屑時，如後述，線形碳纖維會穿突下層的已形 成在模具表面上的纖維屑，並於厚度方向接合。因此，該 構造體容易獲得垂直於表面方向之方向（厚度方向）的接 合強度。在本發明一具體例所指「線形纖維」係指纖維實 質上不具有彎曲部分，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肖。因&，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4體例4構造體含有一冑纖維成分 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…理想為該碳纖維U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 12 201217169 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1. 0 mm。當該碳 纖維之平均纖維長度為1 · 0 mm或更大，纖維會交纏在— 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）。為了增加容積密度， 需要對於該纖維屑之層合物使用高壓釜等進行壓縮成型。 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 產生敏紋，尤其角落部容易排列皺紋，瑕疵增加。當此種 瑕疵增加，會在角落部產生低強度的部分。當該碳纖維之 平均纖維長度短於1. 〇 mm，纖維屑層合時可獲得高容積密 度的纖維屑之層合物，且因此使用高壓釜進行壓縮成型時 的壓縮率可為低。依此，可抑制在角落部等產生皺紋等， 藉此獲得少瑕疵的C/C複合材料構造體。 再者當該碳纖維之平均纖維長度為h 0 mm或更大，該 碳纖維容易彎折，且該碳纖維的縱方向會在纖維屑層合時 朝向平行於C/C複合材料構造體的表面方向。為此原因， 纖維在厚度方向的交纏少，纟易發生分離。另一方面，當 =碳纖維的平均纖維長度小於i, G ，該碳纖維容易變成 2纖維，且容易穿突下層已形成的纖維屑，構造體的厚 :2的接合強度容易獲得。再者，當該碳纖維的平均纖 易在壓：10mm或更大對模具之垂直方向定向的纖維容 時破裂，此外於片材成型時垂直模具表面之 °疋向成分少。因此，難以獲得層合層間的強度，容 13 201217169 易發生層間的分離。 該碳纖維的平均纖維長度理想為〇. 05 mm或更大且小 於〇. 5 mm的範圍。當該碳纖維的平均纖維長度小於〇. 5 mm’不僅是可更為增加該碳纖維強化碳複合材料構造體於 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，且隨著纖維的互斥力更 小，成型時的壓縮率可增加。當該碳纖維之平均纖維長度 小於〇· 05 πηπ ’該碳纖維強化基質的作用喪失，纖維喪失 其纖維性質，因此有無法獲得高強度之構造體之虞。 該碳纖維的平均纖維直徑較佳為1至2〇 μπι。又，該 碳纖維之高寬比較佳為1〇至】，〇〇〇。當該碳纖維的平均纖 維直徑與南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。 該碳纖維可適當使用任意的瀝青系碳纖維或PAN系碳 纖維。由於該PAN系碳纖維比起遞青系碳纖維的彈性模數 低，其可適於使用在需要可換性的應用，例如單晶拉Μ 置的坩堝熱絕緣圓筒、坩堝容座、加熱器#。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Μ，例如1晶支持及傳送臂。 依照本發明之具體例之該構造體，容積密度較佳為h2 g/cm3或更大。當構造體的容積密度為12运/⑽3或更大， 由於C/C複合材料的空隙少’由基質接合的該碳 密，該破纖維幾乎不會分開。是以可獲得高強度的緊密的 14 201217169 c/c複合材料。 於本發明具體例之構造體，即便彎曲的C/c複人 的厚度為20 mm < p 士 /姐 D材料 4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开, 成法沉積於模具，藉此形成初步成型體即纖維屑之層^ 物’故可輕易獲得厚^的初步成型體，且可輕易獲得壁厚 為20 nun或更大的c/c複合材料構造體。 以下敘述本發明具體例之構造體製造方法。圖2為本 發明具體例之構造體的製造步驟流程圖；圖3A1至3D為該 構造體之製造方法的概要圖。 5

步驟（A):纖維屑形成步驟SA 首先’如圖2與圖3A1至3A2所示，將該碳纖維】與 黏結劑即含碳基質之前驅物成分懸浮於液體，之後，將聚 集劑加入以聚集該碳纖維1與黏結劑，從而形成纖維屑5。 如圖3A1所示，該碳纖維1先分散於一液體以形成聚體， 並如圖3A2所示’然後該漿體於一段時間聚集從而形成纖 維屑5。 2·步驟（B):形成纖維屑之層合物的步驟sb 然後，如圖2與圖3 B所示，以具有多孔質模面21的 模具20過濾在其中有纖維屑5的液體。該多孔質模面21 在其側表面具有多數開口 21A。依此，纖維屑5係層合於 該多孔質模面21的表面上成為連續層體，從而形成纖維屑 的層合物50。 與直接過濾其中懸浮有碳纖維的漿體的習知技術（片 15 201217169 材成型）不同，本發明具體例之製造方法 纖維一旦與黏結劑聚 、寺徵為.該石反 】^集在—起而形成纖維屑 成。依此，即便纖維屑5進行層合在該多孔質 該液體仍能滲入纖維屬5之間，因此可輕易獲得幾乎不舍 阻斷液體滲入的厚的缒 易獲仵4手不會 ^旱的纖維屑的層合體5〇。再

之放大圖所示，即圖3B ”孔質模面” 之平均纖維長度製成小於 :夕孔質模面21之開”u，以使通過水 成大於該開口2U的該纖維屑卜結果， 了^ 時使碳纖維1通過開口 2 不必需過濾 A的狀態下形成纖維屑之層合物 50 0

SC 步驟（C).形成薄碎片體前驅物之層合物的步驟 接者’如圖2與圖3C所示，壓製該纖維屑之層合物 5〇。依此’該碳纖'維1之縱方向定向於平行於該多孔質模 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6。以此方式，形成薄碎片 體前驅物之層合物60。 步驟（D ):緞燒步驟sd 然後，如圖2與圖3D所示，將薄碎片體前驅物之層合 物60煅燒。依此，將黏結劑4碳化以形成圖⑺所示該含 碳基質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 體例之構造體100。 其次’以下更詳述各步驟。 16 201217169 [碳纖維的調整] 較佳為該碳纖維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(TC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1() ，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 部分；可在構造體的厚度方向獲得接合強度；且可獲得高 強度的4乎不會分離的構造體。平均纖維長度短於1 〇咖 的碳纖維可藉由粉碎市售碳纖維或布料的碎片、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i. 〇 mm #碳纖維原料 :::布料、股等的痕跡，域在本發明中輕易利用。順 粉料藉由分散於水並制混合機均自粉碎

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[纖維屑形成步驟（A )] 17 201217169 為了形成纖維屑’理想為使用水當做該液體。原因在 於會使用大量液體，水比起有機溶劑不僅安全而且也容易 獲得。 就包括該含厌基質之刖驅物成分的黏結劑（以下也稱 為第1點結劑」）而S ’只要不溶於其中有該碳纖維懸 浮且碳化的前述液體的任意材料均可使用。為了防止在c/c 複合材料内部形成空隙，第1黏結劑較佳為粉末且較佳為 微粒直徑為3至1〇〇 μιη。就該第！黏結劑而言，例如可適 當利用選自熱固性樹脂例如酚樹脂、呋喃樹脂及醯亞胺樹 脂其中之一者。就酚樹脂而言，例如可適當使用BeU pea" (註冊商標），Air Water公司製。BeU 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，Bell Pearl仍會維持粉末狀而不會溶解，故能與該碳 纖維聚集在-起。帛！黏結劑的添加量，較佳為每碳纖維 100重量份，加入50至200重量份。 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。較 佳為能調整ζ-電位使落於約±1〇 Μ的材料。藉由使ζ_電位 降低，黏結劑微粒與該碳纖維間的互斥力可降低，容易聚 集例如彳使用無機聚集劑材料、有機聚合物聚集劑等。 尤其，可適當使用perc0l 292 (註冊商標，AUiedc〇ii〇id

Company製）等其為有機聚合物聚集劑。當形成纖維屑， 為該碳纖維著色為黑色的被辨沾此自自 巴的漿體的狀態，變成混合液體的狀 態’其中該黑色纖維屑洋右读明通挪士 声咱年在透明液體中。該有機聚合物聚 18 201217169 集劑之使用乃優先考量分子量大、有交聯作用，且能獲得 大的纖維屑者。 聚集劑的添加量’較佳為每該碳纖維1〇〇重量份，加 入°·01至\重量份，更佳為每該碳纖維⑽重量份，加入 。:5至1重量份。當聚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。.5 至1〇麗，更佳為1至當多孔質模面的開口尺寸小 於0.5咖，該碳纖維容易堵塞，通過水的阻力有增大之虞。 當多孔質模面的開口尺寸超過1〇 _，由於會在開口產生 開口面積乘以負1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。纖維屑的尺寸必需等於或大 二於過濾的多孔質模面的開口。由於該纖維屑的尺寸有 刀布&田大直控的纖維屑由模面捕集時，會開始沉積 纖維屑於多孔質模面上。當纖維屬的平均直徑大於多孔質 模面的開口尺寸，大部分纖維屑會通過模面，以致於纖維 屑無法沉積在模面。混合液體中的纖維屑平均直徑較佳為 〇· 5至1 〇 ，更佳為J至5 mn^纖維屑的尺寸可由聚集 劑量、聚集劑類型、聚集時間或攪拌強度調整。 較佳為更添加第2黏結劑於用於形成纖維肩的液體 中。由於該前述第i黏結劑成分於片材形成階段為粉末， 其無法維持纖維屬之層合物（片材成型體）的形狀。該第 2 2結劑係添加以維持在之後的煅燒步驟獲得的纖維屑之 層合物（片材成型體）的形狀的成分。就第2黏結劑而言， 19 201217169 只要能維持纖維屑的人 ^ m °的形狀的任意材料均可使用。 便用在化成纖維眉-層人輪& # 維與第1黏結劑的作用:聯社具有物理性聯結該碳纖 均可使用，例如包括二:Γ維彼此之作用的材料 言，可適當使用㈣、。就黏性液體而 合而變成霧狀形成懸m使用乳膠時，係與水混 作用聯結該碳纖維與第i:::散的乳膠滴具有以黏著 言’可適當使用紙喂等、° ’丨的作用。就有機纖維而 該碳纖維交纏::揮:^ 用Μ味 輝使該碳纖維與第1黏結劑聯結的作 用。於此情形，當使用黏 圖3C所示，由於第2心士制备做第2黏結劑’例如如 劑4之Π，且楚 …。劑7a介入碳纖維1與第1黏結 曰1且第2黏結劑7b介入嗲磁输雜〗夕„ 纖維肩之層合物50的形狀。該钱維1之間，可維持 聚隼提’形成纖維料’前述碳纖m黏結劑、 繼：黏結劑的添加順序不特別限定，可同時或相 繼加入到液體中 '然而 次才 觀點，較佳為以下列順序製備穩疋形成該纖維屑的 強，下㈣錢維加入水中並分散。當搜掉過 ^ 為不佳。攪拌裝置可使㈣«式、樂 葉式專。該碳纖維的授拌時間較佳為約3分鐘。 ' 社 ,、後加入第1黏結劑，持續擾拌直到第i黏 、、、。劑分散。攪拌時間較佳$。5至5分鐘。 劑八：)以=加入第2黏結劑，持續攪拌直到第2㈣ Μ刀散。攪拌時間較佳為〇 5至5分鐘。 20 201217169 ⑷最後’加入聚集劑。當攪拌 合，攪拌太過度，已來忠& μ 聚集劊不會混 確認纖维屬形成的程度進行調卷。诚/。攪拌時間係於 30秒。 50攪拌時間較佳為20至 [纖維屑之層合物之形成步驟（b)] 將模具20浸入含有已形成纖維 3B，模具20具右夕文丨庙上 的液體中。如圖 :具2。具有夕孔質模面21及一真空室22，該多孔質 模面21為圓柱狀。該多孔 官2?刹田道μ 愰曲21有開口 21Α。該真空 至22利用導管23連接於抽吸 噁芍、者56也· * 浦（未顯不）。結果當抽 及栗庸致動時，會排出真空 離。妙％ ^ 22内的空氣，從而呈真空狀 L然後，纖維屬5被吸引到模且 5的尺寸大於開口 21a，_^hm㈣維屑 、纖維屑5不會通過開π 21A,而會 在夕孔質模面的表面方向 藤 夕孔拉具表面21層合成連續 情形’纖維屑5係層合成碳纖維會穿突已形成的 該已層合的纖維屑5會由於抽吸力的影響而從圓 Z成平坦—點’且纖維屑中的該碳纖維丄的縱方向會朝 向平行於多孔質模面？1 &主 杈面21的表面方向。另一方面，該液體會 通過開口 21A ’並從嗲露答祕山 Κ °Λ導管排出。於此方式，可形成纖維 屬之層合物5。（第】成型體）。 夕孔質棋面21而言，可使用液體可通過的具有多數 開口的任何材粗，μ1 a , 物去 计例如包括網、打孔金屬、編織物及不織 田使用水為液體時，該多孔質模面的開口直徑較佳為 水能輕易通過的約1至3随。 順帶提’雖然模具形狀將於後述，可適當選擇平面 201217169 及/或組合夕重平面、二維曲面、組合曲面、有凸緣的圓柱、 錐體、有底體、環狀圓柱等。 於抽吸過濾時，可減壓的任何材料均可使用。除了空 氣以外，可以將其他液體一併抽吸，故可適當使用自抽吸 式離心泵浦、抽氣機等。 順帶一提，就過濾方法而言，除了前述抽吸過濾，加 壓過濾、離心過濾、其他方法也可採用。加壓過濾例如以 加壓氣體加壓多孔質模面的外表面，以將纖維屬層合於多 孔質模面外表面，從而形成纖維屑之層合物。離心過濾為， 例如將含纖維屑的液體供應到内表面放置多孔質模面的轉 動體的模具内，轉動該轉動體以層合纖維屑於多孔質模面 的内表面，從而形成纖維屑之層合物。 [乾燥步驟] 其後為了移除前述步驟獲得的纖維屑之層合物殘留 水’較佳為與模具- &乾燥該層纟冑。乾燥較佳為進行 4(TC或更高溫度，以移除水。又，為了防止第i點結劑 解及硬化，較佳為乾燥係於不高於第1黏結劑的炼解溫 的溫度進行。例如’於使用Bel1Pearl (註冊商標)皿 做第1黏結劑的情形’考慮該疏水薄膜會於約7G。^解 於通氣狀態下不高於6()t進行乾燥，藉以㈣移除水。 [加壓步驟](成型步驟（c)) 於構造體具有平面的情形，可利用藉由單軸成型的 式的加壓方法當作成型方法1而此方法僅能利用在有 的結構，其中上部模具與下部模具構成孔腔的兩層者。 22 201217169 以’當該構造體有：r维丑彡壯 維形狀時，如圖3C所示，較佳為將纏 維屑之層合物50以密封薄 較佳為將纖 施a m m ·η 、覆盍，並藉由以高壓釜26 細以熱及壓力而成型。昔生 ^ 、. 首先，將密封薄膜24的空氣抽吸至 真工，施以藍力。成型藤六尤仰 珉！壓力不限，較佳為1 MPa或更大。 當成型壓力為1 MPa #审4* γ _或更大，可防止由熱固性樹脂之硬化 產生㈣體加壓的片材成型體的膨脹。於此時，較佳 為於利用支持材料25支持纖維屬之層合物5Q㈣$ _ 兩側（内側及外側）的狀熊下谁 狀恶下進仃成型。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Μ支持 層合體可防止變形發生。與纖維屑之層合物之形成步驟⑻ 使用的模具20不同，在此使用的支持材料25不具多孔質 =面’而具有平滑表面。而，如圖3D所示，獲得薄碎片體 前驅物的層合物6〇。 [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 成型步驟中將壓力加至足夠大之後，加熱成型冑，從而使 纖維屑中所含的熱固性樹脂熔解及硬化。依此，可固定形 狀使薄碎片體前驅物之層合物60不致變形。有必要增加硬 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1501或更高溫進行《當硬化溫度更高，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’只要加熱可在成型步驟中充分進行，可以與成型步驟 同時進行硬化步驟。 [脫脂步驟] 23 201217169 八為了揮發薄碎片體前驅物之層合物60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，將第 劑奴化’大部分第2勒結劑會分離並揮發。故，第1 劑成刀何生的碳化物’係在脫脂步驟後具有聯結作用 的材料。可你 ^ 用任何溫度於脫脂。於當瀝青含浸與樹脂含 :係在脫&步驟後進行時’需要形成孔洞，因此較佳為脫 月山曰在5〇〇C或更高溫進行。若溫度為或更高，樹脂之 山會充刀進行，可形成足夠大的孔洞，使接下來的含浸 步驟中榷于月曰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—氧化碳氣體的還原氣體氛圍中進 ，。除了還原氣體氛圍，也可使用氮氣、貴重氣體等的鈍 氣氛圍。 [含浸步驟] 較佳為’於脫脂後’含浸樹脂、瀝青等於薄碎片體前 驅物之層合物60的孔洞内’從而達成高密度。將脫脂後的 薄碎片體前驅物的層合物6G放於高屢爸内，抽真空後，將 液體樹脂或遞青導入或浸入高壓签，再施壓。該液體樹脂 可為樹脂於水或有機溶劑中的溶液，《由加熱而獲得的溶 解材料。於溶液的情形’即便其重複使用，也幾乎不會聚 合’可穩枝用該溶液。於涯青的㈣，係於高壓爸中加 熱到熔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。 24 201217169 [煅燒步驟（D)] 藉進步對薄碎片體前骚物之層合物加熱，以進行 锻燒將第1黏結劑完全碳化，從而形成含碳基質。依此， 該薄碎片體前驅物變成薄碎片體，藉此可獲得由薄碎片體 的層合物組成的本發明具體例的c/c複合材料構造體⑽。 於該煅燒步驟，支持材料隨溫度增加而熱膨脹，薄碎 片體剛驅物之層合物6G會熱收縮。為防止由於锻燒步驟產 生的=膨脹差異所致的應力，較佳為將支持材料25從薄碎 片體刖驅物之層合物60移除，並於非氧化氣體氛圍加熱， 例如還原氣體氛圍或純性氣錢圍。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、貴重氣體等的純性氣體氛圍。鍛燒步驟 的理想溫度為1’5。〇至2,800t。當煅燒溫度為U。。。。或 :高’可# C/C複合材料的官能基.，例如氫，充分去除。 =存官能基例如氫時’會在c/c複合材料構造體使用時 ，虱化合物氣體等。當未經⑪15〇吖或更高溫度進 2燒的構造體使用在半導體製造裝置料，此種碳氣化 〇物*1體有包入半導體之虞，從 燒、、田择炎— ⑦低半導體純度。當煅 =為不㈣2貫，可抑制c/c複合材料結晶化進 丁 了保持強度。炮燒溫度更理相发】。Λ Λ 為 l 800 至 2,50(TC。 权佳為煅燒於加熱速率500°c/小時進行。 依照本發明之具體例，藉由將多孔 成為沿該所望構造體的形狀，除了 、形狀形 雉π 于Τ則述形狀以外，各種三 柄狀的構造體可藉由-體成型而製作。此外，可均句= 25 201217169 散碳纖维，使即便在妾 表面接合部也不會形成結構弱的部位。 順帶一提，為f 1 知ID Μ複合材料的密度，可在锻燒 步驟别重複夕次含浸步驟與脫脂步驟。 (碳纖維之平均纖維長度） 在此’碳纖維之平的鏞給ώ ^ ^ ^ 十均纖維長度<L>可用任意方法測量。 該奴纖維為原料階段時， 徜铲笪时+均纖，维長度可藉由掃描電子顯 =直接測量分散的碳纖維粉末而獲得。就計算方法而 :有：Γ纖維之平均纖維長度可測定任意區域的碳纖維的 有長度L1，將其除以該纖維數n以決宕，、丨v 丁 士 , 11 M决疋，如以下方程式 表不（該碳纖維之厚廑刀漆疮 与厪及在度不涉及平均纖維長度）。 <L> = ELi/n 又，該碳纖維處於包含在c/c複合材料中的狀態時， :千均纖維長度可利用任意方法測量。雖然不易僅單獨取 出該碳纖維，可使用例如聚焦離 士、▲.丨 丁子束系（FB-SEM)等 方法測定碳纖維的平均纖維長度。 又尤其’個別的纖維長度 可藉由使用聚焦離子/電子束等從 衣面逐步處理C/C複合 材料，同時以SEM確認纖維的三維配置而決^ (具體例2) 本發明具體例2之成型體將依據圖〇至仙敘述。 具體例2之構造體200其特徵戽且士 " ..a ^ 做马具有—底面，除此以 外與具體例1之構造體1 0 0相同。 9nn 為了製坆具體例2的構 造體200，如圖5B所示，在形成纖 氧难眉之層合物時，使用 於側面與底面具有多孔質模面31 的杈具30過濾該纖維 屑。又’如圖5C，於加壓步驟中的*杜u 的支持材料35係製成有 26 201217169 底。其餘點與具體例i之製造方法相同。該纖 多孔質模面31之表面方*屉人盔β Α 係/〇 表面方向層合為連續層。然後’如圖4Β 所不，該碳纖維}之縱方向較向於平行於構造體咖之 表面蘭的方向。依此’獲得的構造體200中，薄碎片體 在底面與側面間的邊界區域，也會沿構造冑200的表面 200S定向’因此可分散薄碎片體的邊界，從 構造體。 q q的 順帶-提’在此所指構造體之表面方向，係指構成該 構造體的主表面，且不包括端 弁禮m 不咖面。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㈣碳纖維之縱方向係連續沿片材形成法成型時的外表 面疋向’可獲得具有極高機械強度與優異耐熱性的^ 合材料構造體。 [實施例] ’但本發明不限 以下參照實施例及比較例詳述本發明 於此專實施例。 〈實施例〉 饭纖維裝備步 t備平均纖維直徑7㈣之咖用之p則碳纖維。 在此’將為了改善於水之分散性的塗覆於纖雄表面的塗有 谬的塗料於還原氣體氛圍於55{rc锻燒並去除，之後將該 碳纖維分散於水並使用混合機粉碎至平均纖維長度15〇 叫，再脫水並乾燥。然後，將獲得的碳纖維與能產生大量 碳氫化合物氣體的有機材料粉末於密閉容器中—起加軌， 2Ί 201217169 對於該密閉容器内吹洗由該有機材料產生的碳氣化 體，從而形成還原氣體氛圍。 σ物風 (2 ) 纖維屑形成步驟 ⑴將上述碳纖維製備步驟獲得的該碳纖維 並於攪拌狀態下分散。攪拌進行約3分鐘。 (b)其後，加入酴樹脂（「㈤】^ 標）S89w^製）⑽質量份）當做第= 結劑，至m質量份該碳纖維，同樣將該混合物授拌卜 鐘0 门㈣C)其後，加入乳膠（5質量份）當做第2勒結劑， 同樣將該混合物攪拌1分鐘。 (d)再者，加入陽離子聚集劑（「Perc〇1」 商標）292，A1HedC〇11 ⑽ Co寧ny|u (〇·3 質量份）， 當做聚集劑，將該混合物攪拌2。秒從而形成纖維屑。 ⑺纖維屑層合物形成步驟（片材形成步驟） 將其中形成有纖維屑的水從圓柱狀模具内吸出，該模 〆、在’、外表面配置著開口 i. 〇襲的線網’以層合纖維屬於 該線網的表面上從而形成圓柱狀層合物。雖線網開口為 1. Omni ’但該碳纖維形忐總祕ρ 科成纖維屑，所以幾乎所有的該碳纖維 都不會通過該網。靜置-段時間後，以重力移去水，獲得 之物以乾燥機於6〇。(：乾燥。 (4)成型步驟（形成薄碎片體前驅物之層合物） 將，又有線 '.周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。獲得之物放在高壓爸，而不 28 201217169 層合該層合物，並於150°c加熱的同時加壓。加壓壓力定 為 2 MPa 〇 (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 該高壓蒼的最大壓力。依此步驟，第丨黏結劑（酚樹脂） 硬化。 (6 )第1脫脂步驟 移走前述硬化步驟獲得的層合物的模具，將獲得物於 還原氣體氛圍高爐中加熱。加熱以升溫速度7〇t>c /小時進 行且备皿度到達最面溫度5 5 0 °C時，維持所獲得之層合 物1小時，然後使靜置至冷卻至室溫。在此，還原氣體氛 圍係藉由將層合物與可以產生大量碳氫化合物氣體的有機 ^料奋末-起於㈣容器巾加熱，並以來自該有機材料的 碳氫化合物氣體吹洗該密閉容器而形成。 (7 )(含浸步驟） 於直到第1脫脂步驟仍未獲得所望容積密度時，進一 步進行含浸。 _ 曰後的層合物置於已加熱到200°c 的高壓釜中，抽真空後冷 ^ 更L入敕化點約80°C的瀝青。於4 MPa 壓該層合物從而含浸瀝青於其中。 (8)(第2脫脂步驟） 將已歷經含浸步驟的層人 r e、 w σ物再施以脫脂。該脫脂係與 (6)之第1践樣條件進行。 (9 ) 煅燒步驟 29 201217169 最後將已施以含浸與第2脫脂步驟的層合物煅燒。將 層合物於升溫速度150°C /小時於還原氣體氛圍加熱，於溫 度到達最高溫度2, 000。(：的時點，維持層合物15秒，然後 使靜置冷卻至室溫。該還原氣體氛圍係藉由將氫氣、—氣 化碳氣體及加熱而生的碳氫化合物氣體的混合氣體而生， 層合物係於防止外部氧化物進入的狀態下放在碳粉中。依 此煅燒步驟’由第丨黏結劑形成一基質。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 一圓柱狀結構體，其内直徑為l，000 mm、高度為1，〇〇〇_、 厚度為25 mm。 〈比較例〉 製造C / C複合材料構成的比較例的構造體。首先，將 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 成碳纖維片預浸棍材’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 50°C以硬化 該酚樹脂，從而定型。 其後與實施例同樣進行脫脂、含浸、脫脂及煅燒，從 而獲得圓柱狀成型體’其内直徑為600 mm、高度600 mm， 厚度25 mm。 〈物性評價〉 剝離試驗 30 201217169 於實施例獲得之構造體，係形成定向於該構造體的表 面方向的薄碎片體；且當使用刀片從平行於該構造體的表 面方向的端部裁開並剝離時，該薄碎片體不會輕易分離。 於比較例獲得之構造體，使用一刀片裁切平行於該構 造體之表面方向的端部可見的年輪結構層並剝離。結果該 年輪層輕易分離。 容積密度與彎折強度 用於測定矩形的平行六面體的物性的兩個樣本，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，係測定容積密度及彎折強度。 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。 圖11係顯示裁切供物性測定之樣本及三點彎折試驗的測 試方向的示意圖。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，以及相對於該結構體的表面方向為 平行的方向P進行。就容積密度而言，各測定體積及質量。 表1顯示容積密度及彎折強度的結果。 表1 谷積雄、度 (g/cm3) 於垂直方向之弯 折強度*1 (MPa) 於平行方向之彎 折強度*2 (MPa) 實施例 1.28 69.0 75 7 "~~~ 比較例 1.35 19.6 47 2 *1 :從構造體之表面方向及垂直方向的三 *2 :從構造體之表面方向及平行方向的三 如表1所示，實施例獲得之構造體係 點彎折試 點彎折試驗 藉由薄碎片體的 31 201217169 層合而構成；再者，由於存在連接厚度方向（薄碎片體的 層合方向）鄰接的薄碎片體彼此的碳纖維成分，可獲得均 質構造體，且對於該構造體表面方向為垂直之方向或平行 方向均可獲得實質上相等的三點彎折強度。 於比較例獲得之構造冑，相較於平行於該構造體的表 面方向，垂直於該構造體的表面方向的方向的強度顯著降 低。於垂直於該構造體之表面方向的三點彎折試驗該構 造體係以層合片分離的方式破裂。 於該比較例，該構造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弱，於垂直於該構造體之表面方向 的三點彎折試驗’發現強度顯著降低。又，即便於平行於 該構造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。 觀察表面輿剖面 以各種照片觀察實施例與比較例獲得的構造體的表面 與剖面。 (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） a 將c/c複合材料的樣本包埋於環氧樹脂，利用機械 磨法，再進行平磨處理（45。3分幻以製作剖面。以F 以及偏光顯微鏡觀察經p卜pd賤鑛的剖面。在此，環 脂係用於較樣本以從軟質樣本、易㈣樣本、微細 專切出平面。例如，維姊、 J如雖然粉末、纖維剖面等一般幾乎不能 32 201217169 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 輪出：5 kV，0. 5 Ma [FE-SEM] 裝置：JEOL，JSM-7001F 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6A為實施例之構造體剖面照片，圖6B為比較例之 構&體之剖面照片。照片中的垂直方向為構造體之厚度方 向（層合方向），照片中的水平方向為表面方向。於^施 例之該構造體，可注意到其係均勻成型體，其中，薄碎片 體定向於構造體的表面方向，且薄碎片體的邊界分散。於 比較例之該構造體，可注意到形成有年輪的層狀結構。 圖7A為實施例之圓柱狀構造體的内表面的照片。圖 7B為在圖7A之照片觀察到的薄碎片體。圖7B中的實線區 顯示各薄碎片體3。圖7C顯示從圖11A之構造體表面分： 的薄碎片體的照片。由於該構造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，可以確切 的是’當從纖維屑形㈣碎片體時，以平行於該表面方: 33 201217169 進行定向的薄碎片體’係暴露於該表面上 田上。由於此一薄碎 片體的組成碳纖維係以平行於表面方向逸 疋仃疋向，其可從 暴露的端部逐漸剝離1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 j死豕。此種分離也同 樣可藉由將碳纖維構造體從其層方向破開 「用而形成的破裂面 確認。 圖8A顯示放大比較例之構造體的剖面的掃描式電子 顯微鏡（SEM)的照片，圖8B顯示其示意圖。可確認片材 交界部的纖維強力平行地延著邊界定向。 圖9A至9C為實施例之構造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構造體的厚度方向 (該薄碎片體之層合方向），照片中的水 ° >卞万向為表面方 向。圖9A為放大100倍的實施例之構造體剖㈣咖照 片；圖9B為放大200倍的實施例之構造體剖面的卿: 片；圖9C為放大500倍的實施例之構造體剖面的⑽： 片。圖9A顯示於該剖面的SEM照片中觀察到的薄碎片體二 圖9A中的實線顯示各薄碎片體3。圖9B為圖^之部八薄 碎片體的更放*SEM照片。圖9C為圖叩之部分薄=體 的更放大SEM照片。如圖9A,可確認薄碎片體層合係以平 行於碳纖維構造體之表面方向進行定向。 μ 圖1 〇 Α至1 0C為比較例之構造體的剖面的掃描式電子 顯微鏡（SEM)照片’其中照片中的垂直方向為構：體的厚 度方向（該薄碎片體之層合方向），昭片 ；…、月中的水平方向為 表面方向。圖10A為放大50倍的比較例之構造體的_照 34 201217169 片 圖 圖1 0B為放大200倍的比較例之構造體的㈣照片； 10C為放大5GG倍的比較例之構造體的⑽照片。圖⑽ 圖10A之放大SEM照片

圖10C為圖l〇A之更放大SEM 照片。如圖10B或l〇c可被1 + + 人1_r確認存在該碳纖維強力定向於平 行碳纖維構造體之表面方向 即乃问的&域，且可認為於此區域， 實質上於厚度方向未形赤继4Λ m J不办珉纖維連接。因此，可注意到：比 較例中，於圖10B戎inr^tnsuo^ - 及1〇C各照片中，纖維相對於垂直方向 的拉伸的強力配向的區域，成為瑕疵。 圖12A為實施例之構造體的剖面的偏光顯微鏡照片。 照片中的垂直方向為成型體的厚度方肖（該薄碎片體之層 «方向）知、片中的水平方向為表面方向。又，圖〗2Β為 比較例之構造體的剖面的偏光顯微鏡照片。照片中的垂直 方向為構造體的厚度方肖（該片材之層合方向），照片中 的水平方向為表面方向。於偏光顯微鏡中，視晶體的定位 方向會觀察到不同顏色，因此可輕易區分纖維及基質。視

觀察表面，觀察到該纖維為線形、卵形或圓形。又，圖^ 2 A 與12B中，深灰且無光的陰暗部位係用為密封樹脂的環氧 樹脂E，圖12A中的其他區域為碳纖維構造體1〇〇(包括基 質與該碳纖維的薄碎片體），圖12β中的其他區域為碳纖 維構造體C。 於圖12Α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）的鄰接薄碎片體 由碳纖維成分1連接。另―方面，圖12Β巾，未確認連接 薄碎片體彼此的碳纖維成分。 35 201217169 於如圖1 2A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12a 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。 [產業利用性] 由於依照本發明具體例之碳纖維構造體有高強度、高 耐熱性及高化學安定性，其可對詩單晶隸晶裝置、化 合物半導體晶體拉晶裝置、太陽能電池的石夕的製造裝置(例 :石夕薄膜形成裝置、石夕晶棒製造裝置等）、用於高溫的元 例如原子此、核熔合或冶金領域的裝置零件 溫度改變維持冥％许μ π a , 飞於 供助益。。』邊域例如太空零件及航太零件等提 【圖式簡單說明】 體而顯示本發明具體例1之構造體之視圖，且 體“ ’圖1A為透視圖；圖 ^

的部份放大圖._ 為J視圖，圖1C為圖1B 现大圖，圖ID為圖lc之加八> * t 圖2為且-部分之更放大圖。 圖3A1: 構造體之製造方法的步驟流程圖。 A1至3 D為具體例] 圖。 U例1之構造體之製造方法之概要 圖4A至4D顯示且體例p ”體幻2之構造體之視圖，具體而言， 36 201217169 圖4A為透視圖；圖4B為剖面圖；圖4C為 之部八私 大圖；圖4D為圖4C之更部分放大圖。 刀 圖5Β至5D為具體例2之構造體之製造方 圖6Α為實施例！之構造體剖面的照片^概要圖。 例之構造體剖面的照片。 & ί：匕較 圖7Α為實施例】之構造體表面的放大照片； 圖7A之構造體表面上觀察到的薄 几為 …、乃，圖7Γ盔 從圖7A之構造體表面分離的薄碎片體的照片。 … 圖8A為比較例之構造體的片材捲繞法的 電子顯微鏡照片’其中聽係圍繞心軸捲繞及層合^田 為圖8A之示意圖。 圖9A至9C為實施例1之構造體的剖面的掃描電子顯 微鏡照片’具體而言，圖9A盎诂 1 圖9A為放大100倍的照片.；圖9b 為放大200倍的照片；圖9C為放大5〇〇倍的照片。 圖10A至l〇c為比較你丨之播、止μ & A t 牧例之構造體的剖面的掃描電子顯 微鏡照片’具體而言，圖1〇丸兔说

圆iUA為放大1〇〇倍的照片丨圖10B 為放大2 0 0倍的昭η ·願 …、，圖1 〇 c為放大5 0 0倍的照片。 圖11為不意11 ’顯示供測定實施例與比較例的各碳纖 維構造體的物理特性的楼太甘+ , 的樣本其切出方向以及彎折試驗方 向。 圖12A為實施例1之構造體的剖面的偏光顯微鏡照 片圖23B為比較例之構造體的剖面的偏光顯微鏡照片。 圖13A與目13B為比較例之構造體的視圖，_ ^⑽為 透視圖，圖13B為剖面示意圖。 37 201217169 【主要元件符號說明】 c構造體 E 環氧樹脂 SA，SB，SC, SD 步驟 1 碳纖維 2 含碳基質 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 20,30 模具 21，31多孔質模面 21A 開口 22 真空室 23 導管 24 密封薄膜 25,35 支持材料 26 高壓釜 50, 60 層合物 1 00, 200 碳纖維構造體 100S, 200S 表面 200 i 第1表面 38 201217169 2 0 0〇 第2表面

Claims (1)

1. 201217169 七、申請專利範圍： 1 ·種*纖維構造體’包含碳纖維強化碳複合材料， 該碳纖維強化賴合材料包括錢維以及含碳基質， 其中該碳纖維由線形纖維構成， 其中該碳纖維形成一薄碎片體，其中在該含碳基質 中該碳纖維之縱方向係定向於平行於該碳纖維構造體之 表面方向，且 其中該碳纖維構造體係由有該薄碎片體層合於其中的 層合物構成。 2. 如申明專利紅圍第1項所述之碳纖維構造體， 其中一部分該碳纖維具有將鄰接於該薄碎片體之層合 方向的薄碎片體彼此連接的成分。 3. 如申請專利範圍第1或2項所述之碳纖維構造體， 其中該薄碎片體配置成使在該薄碎片體之層合方向鄰接的 薄碎片體彼此的端部，係脫離層合方向。 4. 如申請專利範圍第1或2項所述之碳纖維構造體， 其中該碳纖維的平均纖維長度短於1. 〇 mm。 5 ·如申請專利範圍第1或2項所述之碳纖維構造體， 其中該碳纖維於垂直該碳纖維構造體之表面方向的方向的 定向成分，係連續存在於該垂直方向。 6. 如申請專利範圍第1或2項所述之碳纖維構造體， 其中該碳纖維構造體的容積密度為1.2 g/cm3或更大。 7. 一種碳纖維構造體之製造方法，包含： (A ) 將碳纖維與為含碳基質之前驅物成分的黏結劑 40 201217169 SA 、 添加聚集劑以聚集該碳纖維與該黏結劑， 藉此形成纖維屑； (B) 、 以具有多孔質模面的模具過濾其中具有纖維屑 的該液體，S人 嗜》該纖維屑於該多孔質模面的表面，藉此 形成該纖維屑之層合物； 璺製該纖維屑之層合物，並使該碳纖維之縱方 向以平行於該多孔 札質模面的表面方向進行定向，以轉變該 纖維屑成為薄踩H ^ , _ 片’藉此形成薄碎片體前驅物之層合物； (D)煅燒該薄碎片體前驅物之層合物，並使該黏結 劑碳—化以形成、4 β _ 兔基質’藉此形成薄碎片體之層合物。 、生8.如申請專利範圍帛戶斤述之碳纖維構造體之製 造方法’其中該步驟（B)之過㈣抽吸過濾。 a 、如申明專利範圍第7或8項所述之碳纖維構造體之 =方法’其中步驟⑴係將該碳纖維、第lli結劑即該 二質之前驅物成分，以及第2黏結劑即用於聯結該碳 ^ =該第！黏結劑之成分懸浮於—液體，並添加一聚集 厂集該碳纖維、該第1黏結劑及該第2黏結劑，藉此 形成纖維屑。 >申請專利範圍第7或8項所述之碳纖維構造體 …’其中步驟（c)係使用高壓爸，於纖維層之層 _ ^膜覆蓋的狀態下進行熱壓縮’並且將該碳纖維之 變^以平行於該多孔質模面之表面方向進行定向，而轉 變該纖維屬成為薄碎片，藉此形成薄碎片體前驅物… 41 201217169 物。 11.如申請專利範圍第7或8項所述之碳纖維構造體 之製造方法，其中該碳纖維之平均纖維長度，小於該多孔 質模面的開口尺寸。 42