TW201311609A - 碳纖維強化碳複合體及其製造方法 - Google Patents

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carbon fiber
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fiber
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Toshiyuki Horii
Hitoshi Seki
Shinnya Kubo
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Mitsubishi Plastics Inc
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Abstract

一種碳纖維強化碳複合體，其係長度方向之長度與寬度方向之長度之比超過1之板狀之碳纖維強化碳複合體，且於碳質基質內積層有碳纖維於上述長度方向配向之第1碳纖維強化碳複合層、及碳纖維之配置與第1碳纖維強化碳複合層不同之第2碳纖維強化碳複合層之至少兩層，第1碳纖維強化碳複合層形成至少一板面之最表層，其厚度為碳纖維強化碳複合體之厚度之70%以上，長度方向之彎曲彈性模數為150 GPa以上。僅於一板面或兩板面之最表層設置將碳纖維於長度方向對齊之第1碳纖維強化碳複合層，其他部位設為碳纖維之配置與該第1碳纖維強化碳複合層不同之碳纖維強化碳複合層，藉此，長度方向之彎曲彈性模數大幅提高，並且亦抑制使用時之翹曲或剝落、斷裂、因製造時產生氣體所引起之層間剝離。

Description

碳纖維強化碳複合體及其製造方法
本發明係關於一種碳纖維強化碳複合體及其製造方法，詳細而言係關於一種作為長條狀之碳纖維強化碳複合體、其長度方向之彎曲彈性模數較大、且適於作為液晶基板、印刷基板或玻璃基板等薄板狀工件之搬送用構件之碳纖維強化碳複合體、及製造該碳纖維強化碳複合體之方法。
又，本發明係關於一種包含該碳纖維強化碳複合體之搬送用構件。
作為液晶基板、印刷基板或玻璃基板等薄板狀工件之搬送用構件，先前使用有包含金屬(主要為Al或不鏽鋼)、陶瓷、碳纖維強化樹脂複合材料(CFRP，Carbon Fibre Reinforced Plastics)者(專利文獻1~3)，但於金屬或陶瓷製之搬送用構件中，存在構件重量重而處理性、操作性差之缺點，陶瓷製搬送用構件較脆且耐衝擊性差之方面亦成為問題。
針對上述問題，若為CFRP製之搬送用構件，則輕量且具有較高之彎曲剛性，從而具有優異之振動衰減特性，但由於為樹脂材料故而於耐熱性上存在極限，從而無法於如300℃以上之高溫之使用環境中應用。
另一方面，包含碳纖維與碳質基質之碳纖維強化碳複合材料(C/C複合材)因耐熱性較高、輕量且耐磨損性等亦優異，而自先前以來主要被用作火箭噴嘴或飛機之制動材料 等宇宙、飛機用材料等(專利文獻4、5、6)。
先前技術文獻 專利文獻
專利文獻1：日本專利特開2003-62786號公報
專利文獻2：日本專利特開2010-127340號公報
專利文獻3：日本專利特開2009-160685號公報
專利文獻4：日本專利特開昭60-191057號公報
專利文獻5：日本專利特開平3-205359號公報
專利文獻6：日本專利特開2011-46543號公報
C/C複合材因輕量且高耐熱性、耐磨損性等機械特性亦優異，而有望作為於高溫環境下使用之搬送用構件之構成材料，但C/C複合材於製成如搬送用構件般之長條構件之情形時，其長度方向之彎曲彈性模數不充分，從而無法以與CFRP製搬送用構件同等之彎曲剛性發揮良好之振動衰減特性。
於C/C複合材製長條構件中，於欲增大長度方向之彎曲彈性模數之情形時，可考慮使碳纖維於其長度方向對齊配向，但對於如此僅將碳纖維於長度方向對齊而製造之C/C複合材製長條構件，存在翹曲或剝落(斷裂)之問題而經不起實用。
又，於專利文獻3中，為了改善CFRP製搬送用構件之強度，而設為於層間設置有碳纖維織布(交叉)之層之積層構 成，但於將此種積層構成應用於C/C複合材之情形時，存在因煅燒、碳化步驟中產生之氣體之排氣性較差而發生斷裂、層間剝離之問題。
又，若欲藉由使用其本身高彈性者作為用於C/C複合材之碳纖維，並使其於長度方向對齊配向而製造長度方向之彎曲彈性模數較大之長條構件，則由於碳纖維為高彈性而導致處理性較差，尤其是預浸體化、裁斷、積層等各步驟中之作業困難，而不適於工業級別之生產。
本發明之課題在於解決上述先前之問題點，而提供一種長度方向之彎曲彈性模數明顯較高，製造、加工容易且亦無翹曲、剝落、斷裂之問題的碳纖維強化碳複合體。
本發明者等人為解決上述課題而反覆進行了潛心研究之結果發現，並非僅於長度方向對齊碳纖維之碳纖維強化碳複合體，而是藉由於一板面或兩板面之最表層設置將碳纖維於長度方向對齊之碳纖維強化碳複合層(第1碳纖維強化碳複合層)，其他部位設為碳纖維之配置與該第1碳纖維強化碳複合層不同之碳纖維強化碳複合層，而使長度方向之彎曲彈性模數較大地提高，並且亦無使用時之翹曲或剝落、斷裂之問題，又，亦抑制因製造時產生氣體所引起之層間剝離。
本發明係基於上述知識見解而達成者，並以如下作為要旨。
第1態樣之碳纖維強化碳複合體之特徵在於：其係包含 碳纖維與碳質基質且長度方向之長度與寬度方向之長度之比超過1之板狀者，且於碳質基質內積層有碳纖維於上述長度方向配向之第1碳纖維強化碳複合層、及碳纖維之配置與該第1碳纖維強化碳複合層不同之第2碳纖維強化碳複合層的至少兩層碳纖維強化碳複合層，該第1碳纖維強化碳複合層形成該碳纖維強化碳複合體之至少一板面之最表層，上述第1碳纖維強化碳複合層之厚度為該碳纖維強化碳複合體之厚度之70%以上，該長度方向之彎曲彈性模數為150 GPa以上。
第2態樣之碳纖維強化碳複合體係於第1態樣中，上述第2碳纖維強化碳複合層內之碳纖維於與上述長度方向交叉之方向配向。
第3態樣之碳纖維強化碳複合體係於第1或第2態樣中，上述第1碳纖維強化碳複合層之FAW(Fiber Area Weight，單位面積纖維重)為1,000~20,000 g/m2，上述第2碳纖維強化碳複合層之FAW為200~5,000 g/m2，碳纖維強化碳複合體之FAW為1,200~25,000 g/m2。
第4態樣之碳纖維強化碳複合體係於第1至第3中之任一態樣中，碳纖維為瀝青(pitch)系碳纖維。
第5態樣之碳纖維強化碳複合體係於第1至第4中之任一態樣中，碳纖維之體積含有率為40~70%。
第6態樣之碳纖維強化碳複合體係於第1至第5中之任一態樣中，體密度為1.65 g/cm3以上。
第7態樣之碳纖維強化碳複合體係於第1至第6中之任一 態樣中，將複數片使碳纖維於纖維軸方向對齊之一方向預浸體以該碳纖維之對齊方向交叉之方式積層，並對將所獲得之積層體加熱加壓成形而獲得之碳纖維強化樹脂成形體進行煅燒、碳化而成。
第8態樣之碳纖維強化碳複合體係於第7態樣中，上述預浸體之熱固性樹脂含有率為15~45重量%。
第9態樣之碳纖維強化碳複合體係於第7或第8態樣中，藉由對將上述碳纖維強化樹脂成形體煅燒、碳化所獲得之預成形體進行至少1次包含以下之(1)及(2)之步驟之緻密化處理而獲得：(1)含浸步驟，係使選自由煤焦油瀝青、石油溚瀝青、及樹脂所組成之群中之至少一種含浸材料含浸於預成形體中；(2)碳化步驟，係於含浸步驟之後，進行煅燒使上述含浸材料碳化。
第10態樣之搬送用構件之特徵在於：其包括第1至第9中任一態樣之碳纖維強化碳複合體。
第11態樣之碳纖維強化碳複合體之製造方法之特徵在於：其係製造第1至第9中任一態樣之碳纖維強化碳複合體之方法，且將複數片使碳纖維於纖維軸方向對齊之一方向預浸體以該碳纖維之對齊方向交叉之方式積層，並將所獲得之積層體加熱加壓而獲得碳纖維強化樹脂成形體，於對該碳纖維強化樹脂成形體進行煅燒而使之碳化後，使選自由煤焦油瀝青、石油溚瀝青、及樹脂所組成之群中之至少一種含浸材料含浸，再次進行煅燒而使該含浸材料碳化。
第12態樣之碳纖維強化碳複合體之製造方法係於第11態樣中，反覆進行複數次上述含浸與其後之煅燒碳化。
本發明之碳纖維強化碳複合體係長度方向之彎曲彈性模數明顯較高，製造、加工容易且亦無翹曲、剝落、斷裂之問題。
即，本發明之碳纖維強化碳複合體具有積層著設置於碳纖維強化碳複合體之一板面或兩板面之最表層且碳纖維於碳纖維強化碳複合體之長度方向配向之第1碳纖維強化碳複合層、及碳纖維之配置與該第1碳纖維強化碳複合層不同之第2碳纖維強化碳複合層的至少兩層碳纖維強化碳複合層之構造，藉由最表層之第1碳纖維強化碳複合層而可充分確保長度方向之彎曲彈性模數。又，藉由於該第1碳纖維強化碳複合層上積層第2碳纖維強化碳複合層，而可抑制僅有第1碳纖維強化碳複合層之情形時成為問題之翹曲或剝離(斷裂)之問題。又，藉由使至少一板面之最表層之第1碳纖維強化碳複合層為碳纖維之對齊層，而可經由該第1碳纖維強化碳複合層順利排出煅燒、碳化步驟中產生之氣體，從而可防止因產生氣體之排氣不良所引起之層間剝離等缺陷之產生。
又，如此，由於藉由碳纖維強化碳複合層之碳纖維之對齊方向乃至配置而提高彎曲彈性模數，故而無需使用彈性過高者作為碳纖維。因此，可使用裁斷、加工及其他處理性優異之碳纖維於良好之作業性之基礎上製造碳纖維強化 碳複合體。
以下詳細說明本發明之實施形態。
[碳纖維強化碳複合體]
本發明之碳纖維強化碳複合體(以下有時稱為「C/C複合體」)之特徵在於：其係包含碳纖維與碳質基質且長度方向之長度與寬度方向之長度之比超過1之板狀者，且於碳質基質內積層有碳纖維於上述長度方向配向之第1碳纖維強化碳複合層(以下有時將「碳纖維強化碳複合層」稱為「C/C複合層」，將碳纖維於長度方向配向之層稱為「長度方向C/C複合層」)、及碳纖維之配置與該第1C/C複合層不同之第2C/C複合層之至少兩層C/C複合層，第1C/C複合層形成C/C複合體之至少一板面之最表層，即，於C/C複合體之一板面或兩板面之最表層設置有第1C/C複合層，第1C/C複合層之厚度為C/C複合體之厚度之70%以上，長度方向之彎曲彈性模數為150 GPa以上。
於本發明中，所謂碳纖維於C/C複合體之長度方向配向，係指碳纖維相對於C/C複合體之長度方向以±10°以內之角度配向(即，以碳纖維之軸方向相對於C/C複合體之長度方向成±10°以內之角度之方式存在)。
又，關於下述之碳纖維於C/C複合體之短邊方向配向，亦同樣地指碳纖維相對於與C/C複合體之長度方向正交之短邊方向以±10°以內之角度配向。
對上述第2C/C複合層之碳纖維之配置並無特別限制，作 為第2C/C複合層，可列舉如下層等：(1)碳纖維於與上述長度方向交叉之方向、較佳為正交之短邊方向配向之層(以下有時稱為「短邊方向C/C複合層」)；(2)碳纖維被設為二維織物(織布)之層(以下有時稱為「交叉C/C複合層」)；(3)碳纖維被設為無規則配向(不織布)之層(以下有時稱為「無規則C/C複合層」)；但就生產效率、加強效果及防止翹曲、剝離效果、並且即便於大尺寸製品中亦發揮優異之效果等方面而言，較佳為短邊方向C/C複合層。
因此，例如，本發明之C/C複合體可列舉：如圖1(a)所示，於長度方向C/C複合層1、1間具有短邊方向C/C複合層2之C/C複合體10A；如圖1(b)所示，於長度方向C/C複合層1、1間具有交叉C/C複合層3之C/C複合體10B；如圖1(c)所示，於長度方向C/C複合層1、1間具有無規則C/C複合層4之C/C複合體10C等。
然而，本發明之C/C複合體只要於C/C複合體之板面之至少一最表層存在作為第1C/C複合層之長度方向C/C複合層，且於其以外之部位積層有與長度方向C/C複合層不同之C/C複合層即可，可為長度方向C/C複合層與短邊方向C/C複合層之積層體、長度方向C/C複合層與交叉C/C複合層之積層體、長度方向C/C複合層與無規則C/C複合層之積層體等兩層積層體，進而亦可為4層以上之積層體。
於具有4層以上之C/C複合層之情形時，於最表層以外亦可存在長度方向C/C複合層。
再者，於本發明中，所謂「最表層」係包含碳纖維與碳質基質之C/C複合體之表面側之層，並非指於其上形成有鍍敷、蒸鍍、塗裝等表面層之情形時之表面層。即，如下所述，於本發明之C/C複合體中，可於作為最表層之長度方向C/C複合層上進而進行鍍敷等表面處理，但此種表面處理層並不相當於本發明之最表層。
於本發明之C/C複合體中，構成最表層之第1C/C複合層即長度方向C/C複合層之厚度，於充分提高C/C複合體之長度方向之彎曲彈性模數之方面而言較為重要，若該長度方向C/C複合層之厚度過薄則無法達成充分之彎曲彈性模數。最表層之長度方向C/C複合層之厚度(於C/C複合體中長度方向C/C複合層有兩層以上之情形時為其合計之厚度)，根據該長度方向C/C複合層之構成(碳纖維含有比例或體密度等)、用作第2C/C複合層之C/C複合層之種類或C/C複合體之總厚度而不同，但為C/C複合體之整體之厚度之70%以上。然而，若該長度方向C/C複合層之厚度比例過大，則無法充分獲得藉由設置第2C/C複合層所帶來之本發明之效果，故而長度方向C/C複合層之厚度(於C/C複合體中有兩層以上長度方向C/C複合層之情形時為其合計之厚度)為C/C複合體之總厚度之70~90%，尤佳為75~85%。
又，若本發明之C/C複合體之第1C/C複合層即長度方向C/C複合層之FAW(每單位面積之碳纖維重量)過低，則無 法充分增大長度方向之彎曲彈性模數。然而，若該FAW過大則碳質基質較少而纖維露出，導致外觀不良，吸附灰塵，且存在產生層間剝離之情形，從而不利。因此，第1C/C複合層之長度方向C/C複合層之FAW(於C/C複合體中有兩層以上長度方向C/C複合層之情形時為其合計之FAW)為1,000~20,000 g/m2，尤佳為5,000~15,000 g/m2。又，關於第2C/C複合層，若FAW過小，則亦無法充分獲得藉由設置第2C/C複合層所帶來之防翹曲或防剝離之效果。然而，若該FAW過大則亦存在碳質基質較少而層間接著力降低、或者長度方向之彎曲彈性模數降低之情形，從而不利。因此，第2C/C複合層之FAW為200~5,000 g/m2，尤佳為400~4,000 g/m2。
又，本發明之C/C複合體本身之FAW為滿足上述第1C/C複合層及第2C/C複合層之FAW而為1,200~25,000 g/m2，尤佳為5,400~19,000 g/m2。
作為本發明之C/C複合體之碳纖維，就高彈性模數且碳含有率較高、保持複合材料之化學穩定性而言，較佳為使用煤焦油瀝青、石油溚瀝青等瀝青系碳纖維，但亦可為具有與該等瀝青系碳纖維相同程度之彈性模數之PAN(polyacrylonitrile，聚丙烯腈)系碳纖維。碳纖維之拉伸彈性模數為500 GPa以上，尤佳為600 GPa以上。再者，關於用以形成第2C/C複合層之下述之交叉C/C複合層用預浸體之碳纖維織布之碳纖維，亦較佳為瀝青系碳纖維，但亦存在PAN系碳纖維為佳之情形。
[C/C複合體之製造方法]
作為製造本發明之C/C複合體之方法並無特別限制，可列舉如下方法：準備用以形成第1C/C複合層之碳纖維強化樹脂複合片材(以下有時稱為「第1預浸體」)、及用以形成第2C/C複合層之碳纖維強化樹脂複合片材(以下有時稱為「第2預浸體」)，積層各預浸體之所需片數，對所獲得之預浸體積層體加熱加壓成形而製成碳纖維強化樹脂成形體(以下有時稱為「C/P成形體」)，並藉由煅燒而使該C/P成形體碳化，進而進行緻密化處理。
{預浸體之製造}
於第1預浸體、第2預浸體之任一者中樹脂含有率均為15~45重量%，尤佳為25~35重量%。
若預浸體之樹脂含有率過多則碳纖維之含有比例相對變少，藉此，無法充分獲得利用碳纖維之加強效果，若預浸體之樹脂含有率過少則所獲得之C/C複合體之碳質基質變少，藉此，存在所獲得之C/C複合體變脆之情形。
作為含浸於碳纖維中之樹脂，可使用酚樹脂、呋喃樹脂等熱固性樹脂之一種或兩種以上。
該等樹脂係作為溶解乃至分散於乙醇、丙酮、蒽油等溶劑中製備成適度黏度之含浸液而使用。
再者，亦可使用石油系、煤系等之瀝青代替熱固性樹脂。
又，於第1預浸體、第2預浸體之任一者中，如上所述，均較佳為使用煤焦油瀝青、石油溚瀝青等瀝青系碳纖維作 為碳纖維，但如上所述，作為碳纖維織布之碳纖維，亦存在較佳為PAN系碳纖維之情形。
各預浸體之FAW於能獲得上述第1C/C複合層及第2C/C複合層之較佳之FAW，並且能獲得下述本發明之C/C複合體之較佳之碳纖維體積含有率的範圍內可為任意，但關於第1預浸體，FAW為200~500 g/m2，尤佳為250~450 g/m2，關於第2預浸體，FAW為100~500 g/m2，尤佳為150~450 g/m2。
若第1預浸體之FAW過少，則無法充分增大本發明之C/C複合體之長度方向之彎曲彈性模數，若過多則難以維持C/C複合體表面之平滑性。
關於第2預浸體，與其說用以提高本發明之C/C複合體之長度方向之彎曲彈性模數，不如說用以防止翹曲或剝離，若FAW過高，則本發明之C/C複合體具有之長度方向之較高之彎曲彈性模數性能之表現不充分，故而較佳為稍低於第1預浸體之FAW。然而，關於該第2預浸體，若FAW過少，則亦無法充分獲得藉由設置第2預浸體所帶來之上述效果。
<第1預浸體>
第1C/C複合層係碳纖維之軸方向於C/C複合體之長度方向配向之長度方向C/C複合層，因此，第1預浸體係使複數根碳纖維長絲於一方向對齊並使熱固性樹脂含浸於該對齊之碳纖維中而成之UD(unidirectional，一方向)預浸體(一方向預浸體)。
關於該一方向預浸體中使用之碳纖維之纖維直徑、長絲數，只要可滿足上述第1預浸體之FAW、及第1C/C複合層之FAW即可，並無特別限制，但纖維直徑較佳為5~15 μm，長絲數較佳為6,000~15,000根。
再者，關於該第1C/C複合層中使用之UD預浸體之碳纖維，為了使所獲得之C/C複合體之長度方向之彎曲彈性模數充分高，而較佳為碳纖維本身亦為彈性模數較大者，依據JIS(Japanese industrial standards，日本工業標準)R 7606並以萬能試驗機測定之拉伸彈性模數為400 GPa以上，尤佳為600 GPa以上。若該碳纖維之拉伸彈性模數過大則處理性、加工性變差，故而較佳為800 GPa以下。
<第2預浸體> (短邊方向C/C複合層用預浸體)
作為第2C/C複合層之短邊方向C/C複合層係碳纖維於與第1C/C複合層之長度方向C/C複合層之碳纖維之配向方向正交之方向配向之C/C複合層。因此，使用與上述第1預浸體同樣地製造者作為該短邊方向C/C複合層用預浸體，當積層預浸體製造預浸體積層體時，只要以碳纖維之配向方向與第1預浸體之碳纖維之配向方向正交之方式使用即可。
因此，於設置短邊方向C/C複合層作為第2C/C複合層之情形時，不另行製造該短邊方向C/C複合層用預浸體而對長度方向C/C複合層用預浸體改變積層時之碳纖維之朝向加以使用即可，這樣於可節省第2C/C複合層用預浸體之製 造之工時之方面而言較佳。
(交叉C/C複合層用預浸體)
用以形成作為第2C/C複合層之交叉C/C複合層之交叉C/C複合層用預浸體，可藉由使熱固性樹脂含浸於碳纖維之織布中而製造。
作為該碳纖維之織布，只要為可滿足上述第2預浸體之FAW、及第2C/C複合層之FAW者即可，關於其編織方法或碳纖維直徑並無特別限制。較佳為例如，較佳為使用上述第1預浸體中使用之纖維直徑為5~15 μm者作為碳纖維。作為碳纖維之織布，例如可使用平紋組織、緞紋組織等之織布。
(無規則C/C複合層用預浸體)
作為第2C/C複合層之無規則C/C複合層例如可藉由如下方法製造：對將纖維直徑5~15 μm左右之碳纖維束切斷為10~50 mm左右者進行開纖，而製成可滿足上述第2預浸體之FAW、及第2C/C複合層之FAW之二維無規則片材(不織布)，並使熱固性樹脂含浸於其中。
{預浸體之積層}
使用第1預浸體與第2預浸體，積層各自之所需片數獲得預浸體積層體。
各預浸體之積層片數係以可滿足所要製造之C/C複合體之各層之厚度與FAW之方式適當調整。
{預浸體積層體之成形}
繼而，預浸體積層體藉由加熱加壓而成形，製成C/P成 形體。該加熱加壓條件係根據使用之熱固性樹脂而不同，但於通常之情況下，溫度為100~500℃、較佳為100~200℃，壓力為1~20 kg/cm2、較佳為5~10 kg/cm2左右。又，該加熱加壓之保持時間為60~180分鐘左右。
{C/P成形體之煅燒、碳化}
C/P成形體係藉由於氮氣等惰性氣體環境中以700~2,500℃、較佳為700~1,600℃左右之溫度進行煅燒，而使樹脂碳化(於本發明中，將藉由該煅燒、碳化而獲得者稱為「預成形體」)。
{預成形體之緻密化}
於本發明中，為了提高所獲得之C/C複合體之體密度，使長度方向之彎曲彈性模數、其他機械特性充分高，較佳為使藉由煅燒、碳化而獲得之預成形體緻密化。
作為緻密化之方法，可列舉如下方法：進行至少一次於使酚樹脂等熱固性樹脂及/或焦油、瀝青等熱塑性物質等含浸材料含浸於預成形體中之後進行煅燒使含浸材料碳化之含浸、碳化製程；或者將甲烷、丙烷等烴氣體熱解而獲得碳之CVD(Chemical Vapor Deposition，化學氣相沈積)法等。尤其是就可獲得高熱容量且高導熱性之C/C複合材而言，較佳為進行至少一次使作為含浸材料之瀝青含浸並碳化之含浸、碳化製程。
碳化製程中之煅燒溫度為700~2,500℃，尤佳為700~1,600℃左右。碳化製程中之環境較佳為氮氣等惰性氣體環境。
於本發明中，藉由調整該含浸、碳化製程之次數，而可獲得具有適於下述之本發明之較佳之體密度、及氣孔率之C/C複合體。具體而言，存在含浸、碳化製程之次數越多則體密度越高、氣孔率越小之傾向。
於以上述方式進行緻密化處理後，進而視需要進行石墨化處理，藉此可獲得本發明之C/C複合體。該C/C複合體含有源自熱固性樹脂、瀝青等之碳作為碳質基質。
石墨化處理例如可藉由將緻密化處理後之C/C複合體於惰性氣體環境中以1,600~2,800℃進行煅燒而進行。
[C/C複合體之大小、形狀]
本發明之C/C複合體係長度方向之長度與寬度方向(短邊方向)之長度之比(長度方向/寬度方向)超過1，較佳為該比為5以上，更佳為20以上之長條狀之板狀構件。長度方向/寬度方向之長度比越大，則越可顯著獲得增大長度方向之彎曲彈性模數之本發明之效果，但就工業性之生產率或C/C複合體之用途而言，通常該比為100以下，較佳為90以下，更佳為80以下。
關於本發明之C/C複合體之長度方向及寬度方向(短邊方向)之長度及厚度並無特別限制，視用途與生產設備之規模而適當決定。
一般而言，本發明之C/C複合體之長度方向之長度通常為200~5,000 mm、較佳為500~2,000 mm、更佳為800~1,800 mm、尤佳為1,000~1,500 mm，寬度方向(短邊方向)之長度通常為10~100 mm、較佳為20~80 mm、更佳為 25~70 mm、尤佳為30~60 mm，厚度通常為1~40 mm、較佳為1~30 mm、尤佳為1~25 mm、更佳為5~25 mm、尤佳為8~20 mm。若C/C複合體之厚度過薄則剛度不足，若過厚則重量過大，用途受限制。
再者，所謂本發明之C/C複合體之長度方向，係指其長度最長之部分且上述第1C/C複合層內之碳纖維之軸方向配向之方向，所謂厚度方向係指上述第1C/C複合層與第2C/C複合層之積層方向，所謂寬度方向(短邊方向)係指與該長度方向及厚度方向正交之方向。
[C/C複合體之物性] <彎曲彈性模數>
本發明之C/C複合體之特徵在於：長度方向之彎曲彈性模數為150 GPa以上。若長度方向之彎曲彈性模數未達150 Gpa，則彎曲剛性、振動衰減特性不足，例如，於作為搬送用構件之用途中裝載搬送物時之荷重撓曲或振動變大，而難以實現穩定之使用。
本發明之C/C複合體之長度方向之彎曲彈性模數越高則於使用時之穩定性等方面越佳，但若過高，則產生切削加工等加工困難等的不良狀況，故而通常為350 GPa以下。本發明之C/C複合體之長度方向之彎曲彈性模數較佳為160~300 GPa，更佳為180~280 GPa，尤佳為180~250 GPa。
再者，C/C複合體之長度方向之彎曲彈性模數係以下述實施例之項所記載之方法測定。
<彎曲強度>
與上述彎曲彈性模數相同，本發明之C/C複合體之長度方向之彎曲強度較高之情況於耐衝擊性之方面而言較佳。然而，若長度方向之彎曲強度過高，則存在剛度降低之情形，故而不利。
本發明之C/C複合體之長度方向之彎曲強度較佳為100~700 MPa，更佳為200~600 MPa，尤佳為300~500 MPa。
再者，C/C複合體之長度方向之彎曲強度係以下述實施例之項所記載之方法測定。
<體密度>
本發明之C/C複合體之體密度較佳為1.65 g/cm3以上。若C/C複合體之體密度未達上述下限，則無法獲得長度方向之彎曲彈性模數或其他機械強度充分高之C/C複合體。C/C複合體之體密度越高則於機械強度之提高之方面越佳，但如此般為了製造體密度較高之C/C複合體，必需進行多次上述煅燒、碳化及緻密化之步驟，從而導致製造成本增多。作為未過度提高製造成本便可獲得充分之機械強度之體密度，較佳為1.65~1.80 g/cm3，更佳為1.68~1.75 g/cm3。
再者，C/C複合體之體密度係以下述實施例之項所記載之方法算出。
<氣孔率>
就與上述體密度同樣之原因而言，本發明之C/C複合體之氣孔率(氣孔之體積比例)亦存在較佳範圍，若C/C複合體之氣孔率過高則無法獲得長度方向之彎曲彈性模數或其 他機械強度充分高之C/C複合體。C/C複合體之氣孔率越低則於機械強度之提高之方面越佳，但為了如此般製造氣孔率較低之C/C複合體，必需進行複數次上述緻密化處理，從而導致製造成本增多。作為不過度提高製造成本即可獲得充分之機械強度之氣孔率，通常為10~25%，較佳為15~20%。
再者，C/C複合體之氣孔率係以下述實施例之項所記載之方法測定。
<碳纖維之體積含有率>
本發明之C/C複合體中之碳纖維之體積含有率(碳纖維之體積占C/C複合體之體積之比例)越高則越可增高彎曲彈性模數，故而越佳，但若過高則藉由碳質基質量相對性地減少而擔心層間剝離等之產生，從而不利。因此，本發明之C/C複合體之碳纖維之體積含有率較佳為40%以上且未達70%，尤佳為45~65%，尤佳為48~60%。
再者，C/C複合體之碳纖維之體積含有率係以下述實施例之項所記載之方法算出。
[搬送用構件]
本發明之搬送用構件係包括如上所述之本發明之C/C複合體者。
雖根據用途而不同，但本發明之搬送用構件之長度方向之長度通常為300~5,000 mm、較佳為500~4,500 mm、更佳為1,000~4,000 mm、尤佳為1,500~3,700 mm，寬度方向(短邊方向)之長度通常為10~100 mm、較佳為20~80 mm、更 佳為25~70 mm、尤佳為30~60 mm，厚度通常為5~100 mm、較佳為10~80 mm、更佳為15~60 mm、尤佳為20~50 mm。
因此，亦可僅使用一條如上所述之尺寸之本發明之C/C複合體製成本發明之搬送用構件，為了調整尺寸而亦可以適當之配置並藉由接著劑等接合、連接複數條本發明之C/C複合體而使用。於此種情形時，可使用複數條相同尺寸且相同之層構成之C/C複合體，亦可組合尺寸或層構成相異者使用。
圖2係表示使用有本發明之碳纖維強化碳複合體的本發明之搬送用構件之實施形態者，圖2(a)表示包含1條本發明之C/C複合體10者，該搬送用構件11之尺寸例如為長度=1,500 mm、寬度=50 mm、厚度d=15 mm。
圖2(b)表示使用6條本發明之C/C複合體10並以接著劑接合板面者，該搬送用構件12之尺寸例如為長度=4,000 mm、寬度=30 mm、厚度d=50 mm。
圖2(c)表示使用4條本發明之C/C複合體10並以接著劑接合板面者，該搬送用構件13之尺寸例如為長度=2,500 mm、寬度=45 mm、厚度d=20 mm。
上述本發明之搬送用構件視需要亦可實施電鍍、非電解鍍敷等鍍敷處理、其他表面處理，於實施鍍敷處理之情形時，鍍敷層之厚度通常為1~100 μm，較佳為3~50 μm，更佳為5~20 μm，尤佳為5~10 μm。
[用途]
本發明之C/C複合體尤其可較佳地用作液晶基板、印刷基板或玻璃基板等薄板狀工件之搬送用構件，但絲毫不限定於搬送用構件，可較佳地用於要求長度方向/寬度方向之長度比較大、且機械強度、尤其是長度方向之彎曲彈性模數較大、進而要求輕量且耐熱性、耐腐蝕性優異之各種構件。
[實施例]
以下列舉實施例及比較例進一步具體說明本發明，但本發明只要不超過其要旨便絲毫不被以下之實施例所限定。
[預浸體之製造]
實施例及比較例中之C/C複合體之製造中使用之預浸體係以如下方式製造。
<UD預浸體之製造>
將長絲數12,000根之瀝青系碳纖維(三菱樹脂(股份)製造之「Dialead」，纖維直徑：10 μm，拉伸彈性模數：640 GPa)於一方向上排列，使以甲醇稀釋之酚樹脂含浸之後，進行乾燥而獲得FAW為400 g/m2、酚樹脂含有率為30重量%、厚度為0.2 mm之UD預浸體。
<交叉預浸體之製造>
使以甲醇稀釋之酚樹脂含浸於PAN系碳纖維織布(纖維直徑：7 μm，拉伸彈性模數：230 Gpa，製品名：Mitsubishi Rayon(股份)製造之「Pyrofil織物(交叉)TR3110M，平紋織物，FAW為200 g/m2」中後，進行乾燥而獲得FAW為200 g/m2、酚樹脂含有率為30重量%、厚度為0.1 mm之交叉預 浸體。
<無規則預浸體之製造>
以無規則成網機(weber)對將長絲數12,000根之瀝青系碳纖維(纖維直徑：10 μm，拉伸彈性模數：196 GPa)切斷為30 mm之長度者進行開纖，獲得瀝青系碳短纖維呈二維無規則地配向之片材。於使以乙醇稀釋之酚樹脂含浸於該片材中之後，進行乾燥而製造FAW為200 g/m2、酚樹脂含有率為30重量%、厚度為0.1 mm之無規則預浸體。
[碳纖維強化碳複合體之評價]
實施例及比較例中製造之碳纖維強化碳複合體之評價係以如下方法進行。又，各評價中使用之試驗片係自以下實施例、比較例中製造之C/C複合體(原板)之長度方向中之中央部起，使用濕式精密切斷機(丸東精機股份公司製造之水切割機，型號AC500CFS)切削而獲得者，其長度方向及短邊方向之尺寸分別如表1所示。關於試驗片之厚度，與表1所示之C/C複合體(原板)之厚度相同。
又，該試驗片尺寸係將試驗片長度方向之長度(L)與厚度(D)之比(L/D)設為固定。具體而言，L/D≒30。使用各種長度(L)之試驗片進行測定，確認本發明之效果。再者，以下之評價係全部設為切削3條上述各試驗片而各試驗片中之測定結果之平均值。
<體密度>
藉由游標卡尺測定彎曲試驗片尺寸(長度、寬度、厚度)，將該等相乘算出體積。又，藉由天平測定重量。藉 由重量之測定值除以體積之計算值而算出體密度。
<彎曲彈性模數>
除將試驗片尺寸設為如上所述以外，依據JIS K 7074進行測定。
<彎曲強度>
除將試驗片尺寸設為如上所述以外，依據JIS K 7074進行測定。
<碳纖維體積含有率(Vf)>
自煅燒碳化前重量減去因將C/P成形體煅燒碳化而產生之重量減少部分所求出之碳纖維重量除以整體體積、碳纖維之比重之數值，求出其百分率，藉此算出。
<氣孔率>
利用汞細孔計進行測定。
<層厚度>
對於無規則地選擇之3點，以顯微鏡觀察實際測定厚度，求出其平均值。
[C/C複合體之製造及評價] <實施例1>
準備兩片以碳纖維之對齊方向成為長度方向之方式積層有兩片UD預浸體的積層預浸體，藉由於該等積層預浸體之間，以碳纖維之對齊方向成為與長度方向正交方向(大致90°)之方式隔著1片UD預浸體積層而製成預浸體積層體。將該預浸體積層體於高壓釜裝置中以177℃之溫度並施加6 kg/cm2之壓力保持120分鐘，使酚樹脂硬化，獲得表 1所示之Vf之C/P成形體。
於氮氣環境中以750℃煅燒5小時使該C/P成形體碳化後，使瀝青含浸並再次以相同之條件進行煅燒。進行複數次該瀝青含浸、煅燒之步驟，獲得表1所示之層構成、尺寸及FAW之C/C複合體。
將所獲得之C/C複合體之評價結果示於表1。
<實施例2>
準備兩片以碳纖維之對齊方向成為長度方向之方式積層有兩片UD預浸體的積層預浸體，藉由於該等積層預浸體之間經由1片交叉預浸體積層而製成預浸體積層體。
將該預浸體積層體於壓製裝置中以200℃之溫度並施加15 kg/cm2之壓力保持30分鐘，使酚樹脂硬化，獲得表1所示之Vf之C/P成形體。
使用該C/P成形體，與實施例1同樣地進行煅燒、瀝青含浸、煅燒，獲得表1所示之層構成、尺寸及FAW之C/C複合體。
將所獲得之C/C複合體之評價結果示於表2。
<實施例3、4>
改變UD預浸體之積層片數，除此以外與實施例1同樣地獲得表1所示之Vf之C/P成形體、表1所示之層構成、尺寸及FAW之C/C複合體。
將所獲得之C/C複合體之評價結果示於表2。
<實施例5>
以碳纖維之對齊方向成為長度方向之方式使用1片UD預 浸體，積層該UD預浸體、與1片無規則預浸體而製成預浸體積層體，除此以外，與實施例2同樣地進行酚樹脂之硬化、成形、煅燒、瀝青含浸、煅燒，獲得表1所示之Vf之C/P成形體、表1所示之層構成、尺寸及FAW之C/C複合體。
將所獲得之C/C複合體之評價結果示於表2。
<實施例6>
準備兩片以碳纖維之對齊方向成為長度方向之方式積層有兩片UD預浸體的積層預浸體，使用於該等積層預浸體之間隔著1片無規則預浸體積層的預浸體積層體，與實施例2同樣地進行酚樹脂之硬化、成形、煅燒、瀝青含浸、煅燒，獲得表1所示之Vf之C/P成形體、表1所示之層構成、尺寸及FAW之C/C複合體。
將所獲得之C/C複合體之評價結果示於表2。
<實施例7>
改變UD預浸體之積層片數，除此以外與實施例2同樣地獲得表1所示之Vf之C/P成形體，同樣地進行煅燒、瀝青含浸、煅燒而獲得表1所示之層構成、尺寸及FAW之C/C複合體。再者，於該C/C複合體內部可看到微少之龜裂。
將所獲得之C/C複合體之評價結果示於表2。
<比較例1、2>
於實施例6中改變UD預浸體與無規則預浸體之積層片數，除此以外同樣地獲得表1所示之Vf之C/P成形體、表1所示之層構成、尺寸及FAW之C/C複合體。
將所獲得之C/C複合體之評價結果示於表2。
<比較例3>
使用於兩片無規則預浸體之間隔著以碳纖維之對齊方向成為長度方向之方式積層有兩片UD預浸體的積層預浸體而積層之預浸體積層體，與實施例2同樣地進行酚樹脂之硬化、成形、煅燒、瀝青含浸、煅燒，獲得表1所示之Vf之C/P成形體、表1所示之層構成、尺寸及FAW之C/C複合體。
將所獲得之C/C複合體之評價結果示於表2。
再者，表1中，將使用UD預浸體形成且碳纖維於長度方向配向之C/C複合層記載為「UD(長度)」，將碳纖維於與長度方向正交之短邊方向配向之C/C複合層記載為「UD(短邊)」，將使用交叉預浸體形成之C/C複合層記載為「交叉」，將使用無規則預浸體形成之C/C複合層記載為「無規則」。
由表1、2可知如下情況。
於即便為UD(長度)/無規則/UD(長度)之積層構成但UD(長度)C/C複合層之厚度較薄之比較例1、2中，亦無法達成較高之長度方向彎曲彈性模數。設為無規則/UD(長度)/無規則且將UD(長度)設為中間層之比較例3亦為長度方向彎曲彈性模數較低。
相對於上述情況，於在一板面或兩板面之最表層配置UD(長度)C/C複合層之實施例1~6之C/C複合體中，可達成長度方向彎曲彈性模數為150 GPa以上之較高之彎曲彈性模數。
尤其於在C/C複合體之兩板面設置UD(長度)C/C複合層且增厚其厚度之情形時，可達成較高之彎曲彈性模數。
又，自實施例1與實施例7可明白，即便於大型之C/C複合體中亦可發揮本發明之效果。並且若進而比較該兩者則 可明白，將UD(短邊)設為中間層之實施例1中彎曲彈性模數等物性更為優異。
雖使用特定之態樣詳細說明了本發明，但本領域技術人員明白可不脫離本發明之意圖與範圍而進行各種變更。
再者，本申請案係基於在2011年7月28日申請之日本專利申請案(日本專利特願2011-165542)，並以引用之形式援用其整體。
1‧‧‧長度方向C/C複合層
2‧‧‧短邊方向C/C複合層
3‧‧‧交叉C/C複合層
4‧‧‧無規則C/C複合層
10、10A、10B、10C‧‧‧C/C複合體
11‧‧‧搬送用構件
12‧‧‧搬送用構件
13‧‧‧搬送用構件
圖1(a)、(b)、(c)係表示本發明之碳纖維強化碳複合體之碳纖維強化碳複合層之積層構成之實施形態的示意性之分解立體圖。
圖2(a)、(b)、(c)係表示使用有本發明之碳纖維強化碳複合體之本發明之搬送用構件之實施形態之立體圖。
1‧‧‧長度方向C/C複合層
2‧‧‧短邊方向C/C複合層
3‧‧‧交叉C/C複合層
4‧‧‧無規則C/C複合層
10A、10B、10C‧‧‧C/C複合體

Claims (12)

  1. 一種碳纖維強化碳複合體，其特徵在於：其係包含碳纖維與碳質基質且長度方向之長度與寬度方向之長度之比超過1之板狀者，且於碳質基質內積層有碳纖維於上述長度方向配向之第1碳纖維強化碳複合層、及碳纖維之配置與該第1碳纖維強化碳複合層不同之第2碳纖維強化碳複合層的至少兩層碳纖維強化碳複合層，該第1碳纖維強化碳複合層形成該碳纖維強化碳複合體之至少一板面之最表層，上述第1碳纖維強化碳複合層之厚度為該碳纖維強化碳複合體之厚度之70%以上，該長度方向之彎曲彈性模數為150 GPa以上。
  2. 如請求項1之碳纖維強化碳複合體，其中上述第2碳纖維強化碳複合層內之碳纖維於與上述長度方向交叉之方向配向。
  3. 如請求項1或2之碳纖維強化碳複合體，其中上述第1碳纖維強化碳複合層之FAW為1,000~20,000 g/m2，上述第2碳纖維強化碳複合層之FAW為200~5,000 g/m2，碳纖維強化碳複合體之FAW為1,200~25,000 g/m2。
  4. 如請求項1至3中任一項之碳纖維強化碳複合體，其中碳纖維為瀝青系碳纖維。
  5. 如請求項1至4中任一項之碳纖維強化碳複合體，其中碳纖維之體積含有率為40~70%。
  6. 如請求項1至5中任一項之碳纖維強化碳複合體，其中體密度為1.65 g/cm3以上。
  7. 如請求項1至6中任一項之碳纖維強化碳複合體，其係將複數片使碳纖維於纖維軸方向對齊之一方向預浸體以該碳纖維之對齊方向交叉之方式積層，並對將所獲得之積層體加熱加壓成形而獲得之碳纖維強化樹脂成形體進行煅燒、碳化而成。
  8. 如請求項7之碳纖維強化碳複合體，其中上述預浸體之熱固性樹脂含有率為15~45重量%。
  9. 如請求項7或8之碳纖維強化碳複合體，其係藉由對將上述碳纖維強化樹脂成形體煅燒、碳化所獲得之預成形體進行至少1次包含以下之(1)及(2)之步驟之緻密化處理而獲得者：(1)含浸步驟，係使選自由煤焦油瀝青、石油溚瀝青、及樹脂所組成之群中之至少一種含浸材料含浸於預成形體中；(2)碳化步驟，係於含浸步驟之後，進行煅燒使上述含浸材料碳化。
  10. 一種搬送用構件，其特徵在於：其包括如請求項1至9中任一項之碳纖維強化碳複合體。
  11. 如請求項1至9中任一項之碳纖維強化碳複合體之製造方法，其中將複數片使碳纖維於纖維軸方向對齊之一方向預浸體以該碳纖維之對齊方向交叉之方式積層，並將所獲得之積層體加熱加壓而獲得碳纖維強化樹脂成形體， 於對該碳纖維強化樹脂成形體進行煅燒而使之碳化後，使選自由煤焦油瀝青、石油溚瀝青、及樹脂所組成之群中之至少一種含浸材料含浸，再次進行煅燒使該含浸材料碳化。
  12. 如請求項11之碳纖維強化碳複合體之製造方法，其中反覆進行複數次上述含浸與其後之煅燒碳化。
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