TWI460077B

TWI460077B - 炭纖維構造體及其製造方法

Info

Publication number: TWI460077B
Application number: TW100127510A
Authority: TW
Inventors: Hideki Kato; Haruhide Shikano; Tomoyuki Ando
Original assignee: Ibiden Co Ltd
Priority date: 2010-08-04
Filing date: 2011-08-03
Publication date: 2014-11-11
Also published as: US20120034415A1; JP2012036016A; KR20120024405A; JP5662077B2; EP2415733A1; CN102399089A; CN102399089B; KR101240112B1; TW201217169A; US8815365B2

Description

炭纖維構造體及其製造方法

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。

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、使用碳纖維毛氈之方法，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，然後硬化及煅燒(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獲得。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-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-2000-143360)。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)。

製造C/C複合材料時，若製造板形的簡單C/C複合材料，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內層側的張力不同，內層側容易曲皺。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內層側更為容易曲皺。結果，當核心移走時，該初步的成型體的內層側會曲皺變形，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，於硬化及煅燒過程對施以壓縮應力，因此當移走核心時，該初步的成型體的內層側會容易曲皺。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內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，當該產品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。

但是，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。

再者，於片材成型法，如同形成紙片一般，會形成片材成型體，即C/C複合材料的初步成型體。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，因此層體變得愈厚，愈難進行片材形成。所以為了獲得厚壁C/C複合材料，必需減低碳纖維密度以防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：

[1]　一種碳纖維構造體，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碳纖維構造體之表面方向，且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1.0 mm。

[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懸浮於一液體，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，以層合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；

(C)　壓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質模面的表面方向進行定向，以轉變該纖維屑成為薄碎片，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黏結劑之成分懸浮於一液體，並添加一聚集劑以聚集該碳纖維、該第1黏結劑及該第2黏結劑，藉此形成纖維屑。

[10]　如[7]至[9]中任一項所述之製造方法，其中步驟(C)係使用高壓釜，於纖維屑之層合物以薄膜覆蓋的狀態下進行熱壓縮，並且將該碳纖維之縱方向以平行於該多孔質模面之表面方向進行定向，而轉變該纖維屑成為薄碎片，藉此形成薄碎片體前驅物之層合物。

[11]　如[7]至[10]中任一項所述之製造方法，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。

依照以上構成，可獲得高強度及高耐熱性的由C/C複合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理解性具體例的敘述參照附圖而更為顯明且容易理解。

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「構造體」)，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敘述。

圖1A為具體例1之構造體100的透視圖。圖1B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100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內分散於許多地位置。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(該薄碎片體的邊界)，從而造成分離或裂痕形成微細分散。此時，若於一處存在大的瑕疵，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高溫亦有高強度的C/C複合材料構造體。

該薄碎片體的平均主軸直徑，較佳為1至10 mm，更佳為2至5 mm。若該薄碎片體的平均主軸直徑短於1.0 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軸直徑超過10 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，容易發生纖維與黏結劑分離，因此，在薄碎片體內的黏結劑成分也容易造成分離。又，當薄碎片體的平均主軸直徑超過10 mm，即便黏結劑於接下來的成型與硬化過程中被熔解，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0.05至1.0 mm，更佳為0.1至0.5 mm。當該薄碎片體的平均厚度低於0.05 mm，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構造體含有一碳纖維成分係將鄰接薄碎片體之層合方向(構造體的厚度方向)的薄碎片體彼此連接。又，理想為該碳纖維1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)。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，在壓縮處理會產生皺紋，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1.0 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1.0 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，容易發生分離。另一方面，當該碳纖維的平均纖維長度小於1.0 mm，該碳纖維容易變成線形纖維，且容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。再者，當該碳纖維的平均纖維長度為1.0 mm或更大，對模具之垂直方向定向的纖維容易在壓力成型時破裂，此外於片材成型時垂直模具表面之方向的定向成分少。因此，難以獲得層合層間的強度，容易發生層間的分離。

該碳纖維的平均纖維長度理想為0.05 mm或更大且小於0.5 mm的範圍。當該碳纖維的平均纖維長度小於0.5 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0.05 mm，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20 μm。又，該碳纖維之高寬比較佳為10至1,000。當該碳纖維的平均纖維直徑與高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構造體，容積密度較佳為1.2 g/cm³ 或更大。當構造體的容積密度為1.2 g/cm³ 或更大，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。

於本發明具體例之構造體，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。

1.　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1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漿體，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3B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(片材成型)不同，本發明具體例之製造方法其特徵為：該碳纖維一旦與黏結劑聚集在一起而形成纖維屑，便過濾(形成)。依此，即便纖維屑5進行層合在該多孔質模面21上，該液體仍能滲入纖維屑5之間，因此可輕易獲得幾乎不會阻斷液體滲入的厚的纖維屑的層合體50。再者，如圖3B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之開口21A，以使通過水的阻力小，可形成大於該開口21A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21A的狀態下形成纖維屑之層合物50。

3.　步驟(C)：形成薄碎片體前驅物之層合物的步驟SC

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)：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60煅燒。依此，將黏結劑4碳化以形成圖1D所示該含碳基質2，藉此使薄碎片體前驅物之層合物60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。

[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500℃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1.0 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；且可獲得高強度的幾乎不會分離的構造體。平均纖維長度短於1.0 mm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，其不會留下布料、股等的痕跡，且能在本發明中輕易利用。順帶一提，粉碎可藉由分散於水並使用混合機均勻粉碎而達成。

[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。

就包括該含碳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複合材料內部形成空隙，第1黏結劑較佳為粉末且較佳為微粒直徑為3至100 μm。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、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Bell Pearl(註冊商標)，Air Water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，Bell 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±10 mV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，可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Percol 292(註冊商標，Allied Colloid 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漿體的狀態，變成混合液體的狀態，其中該黑色纖維屑浮在透明液體中。該有機聚合物聚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100重量份，加入0.01至5重量份，更佳為每該碳纖維100重量份，加入0.5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0.5至10 mm，更佳為1至3 mm。當多孔質模面的開口尺寸小於0.5 mm，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10 mm，由於會在開口產生開口面積乘以負壓的抽吸力，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於用於過濾的多孔質模面的開口。由於該纖維屑的尺寸有一分布，故當大直徑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。當纖維屑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0.5至10 mm，更佳為1至5 mm。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屑的液體中。由於該前述第1黏結劑成分於片材形成階段為粉末，其無法維持纖維屑之層合物(片材成型體)的形狀。該第2黏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，只要能維持纖維屑的層合物的形狀的任意材料均可使用。可使用在形成纖維屑層合物的階段具有物理性聯結該碳纖維與第1黏結劑的作用及聯結該碳纖維彼此之作用的材料均可使用，例如包括黏性液體及有機纖維。就黏性液體而言，可適當使用澱粉、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作用聯結該碳纖維與第1黏結劑的作用。就有機纖維而言，可適當使用紙漿等。該紙漿與水的親和性良好，能與該碳纖維交纏以發揮使該碳纖維與第1黏結劑聯結的作用。於此情形，當使用黏性液體當做第2黏結劑，例如如圖3C所示，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。

順帶一提，形成纖維屑時，前述碳纖維、第1黏結劑、聚集劑與第2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，考量均勻且穩定形成該纖維屑的觀點，較佳為以下列順序製備。

(a)於攪拌下將該碳纖維加入水中並分散。當攪拌過強，會產生氣泡，為不佳。攪拌裝置可使用螺旋槳式、槳葉式等。該碳纖維的攪拌時間較佳為約3分鐘。

(b)　其後，加入第1黏結劑，持續攪拌直到第1黏結劑分散。攪拌時間較佳為0.5至5分鐘。

(c)　其後加入第2黏結劑，持續攪拌直到第2黏結劑分散。攪拌時間較佳為0.5至5分鐘。

(d)　最後，加入聚集劑。當攪拌少，聚集劑不會混合，攪拌太過度，已形成的纖維屑會破裂。攪拌時間係於確認纖維屑形成的程度進行調整。攪拌時間較佳為20至30秒。

[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屑5的液體中。如圖3B，模具20具有多孔質模面21及一真空室22，該多孔質模面21為圓柱狀。該多孔質模面21有開口21A。該真空室22利用導管23連接於抽吸泵浦(未顯示)。結果當抽吸泵浦致動時，會排出真空室22內的空氣，從而呈真空狀態。然後，纖維屑5被吸引到模具20之側。由於該纖維屑5的尺寸大於開口21A，纖維屑5不會通過開口21A，而會在多孔質模面的表面方向的多孔模具表面21層合成連續層。於此情形，纖維屑5係層合成碳纖維會穿突已形成的層合物。該已層合的纖維屑5會由於抽吸力的影響而從圓體變成平坦一點，且纖維屑中的該碳纖維1的縱方向會朝向平行於多孔質模面21的表面方向。另一方面，該液體會通過開口21A，並從該導管排出。於此方式，可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。當使用水為液體時，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 mm。

順帶一提，雖然模具形狀將於後述，可適當選擇平面及/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內表面放置多孔質模面的轉動體的模具內，轉動該轉動體以層合纖維屑於多孔質模面的內表面，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的水，較佳為與模具一起乾燥該層合體。乾燥較佳為進行於40℃或更高溫度，以移除水。又，為了防止第1黏結劑熔解及硬化，較佳為乾燥係於不高於第1黏結劑的熔解溫度的溫度進行。例如，於使用Bell Pearl(註冊商標)當做第1黏結劑的情形，考慮該疏水薄膜會於約70℃熔解，於通氣狀態下不高於60℃進行乾燥，藉以輕易移除水。

[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。所以，當該構造體有三維形狀時，如圖3C所示，較佳為將纖維屑之層合物50以密封薄膜24覆蓋，並藉由以高壓釜26施以熱及壓力而成型。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1 MPa或更大，可防止由熱固性樹脂之硬化反應產生的氣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支持纖維屑之層合物50的模具20的兩側(內側及外側)的狀態下進行成型。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。與纖維屑之層合物之形成步驟(B)使用的模具20不同，在此使用的支持材料25不具多孔質模面，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60。

[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，加熱成型體，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150℃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]

為了揮發薄碎片體前驅物之層合物60內的有機成分，較佳為在煅燒步驟前進行脫脂。藉此脫脂步驟，將第1黏結劑碳化，大部分第2黏結劑會分離並揮發。故，第1黏結劑成分衍生的碳化物，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。於當瀝青含浸與樹脂含浸係在脫脂步驟後進行時，需要形成孔洞，因此較佳為脫脂在500℃或更高溫進行。若溫度為500℃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的孔洞內，從而達成高密度。將脫脂後的薄碎片體前驅物的層合物60放於高壓釜內，抽真空後，將液體樹脂或瀝青導入或浸入高壓釜，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。於瀝青的情形，係於高壓釜中加熱到熔解溫度或更高溫度轉變為液體後使用。

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)]

藉由進一步對薄碎片體前驅物之層合物加熱，以進行煅燒，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100。

於該煅燒步驟，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。為防止由於煅燒步驟產生的熱膨脹差異所致的應力，較佳為將支持材料25從薄碎片體前驅物之層合物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1,500至2,800℃。當煅燒溫度為1,500℃或更高，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氫化合物氣體等。當未經於1,500℃或更高溫度進行煅燒的構造體使用在半導體製造裝置等時，此種碳氫化合物氣體有包入半導體之虞，從而降低半導體純度。當煅燒溫度為不高於2,800℃，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1,800至2,500℃。較佳為煅燒於加熱速率500℃/小時進行。

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。此外，可均勻分散碳纖維，使即便在表面接合部也不會形成結構弱的部位。

順帶一提，為了增加C/C複合材料的密度，可在煅燒步驟前重複多次含浸步驟與脫脂步驟。

(碳纖維之平均纖維長度)

在此，碳纖維之平均纖維長度<L>可用任意方法測量。該碳纖維為原料階段時，平均纖維長度可藉由掃描電子顯微鏡等直接測量分散的碳纖維粉末而獲得。就計算方法而言，該碳纖維之平均纖維長度可測定任意區域的碳纖維的所有長度Li，將其除以該纖維數n以決定，如以下方程式表示(該碳纖維之厚度及密度不涉及平均纖維長度)。

<L>=ΣLi/n

又，該碳纖維處於包含在C/C複合材料中的狀態時，其平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，可使用例如聚焦離子/電子束系(FB-SEM)等方法測定碳纖維的平均纖維長度。尤其，個別的纖維長度可藉由使用聚焦離子/電子束等從表面逐步處理C/C複合材料，同時以SEM確認纖維的三維配置而決定。

(具體例2)

本發明具體例2之成型體將依據圖4A至4D敘述。

具體例2之構造體200其特徵為具有一底面，除此以外與具體例1之構造體100相同。為了製造具體例2的構造體200，如圖5B所示，在形成纖維屑之層合物時，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。又，如圖5C，將纖維屑之層合物以密封薄膜34覆蓋，並藉由以高壓釜36施以熱及壓力而成型，於加壓步驟中的支持材料35係製成有底。其餘點與具體例1之製造方法相同。該纖維屑5係沿多孔質模面31之表面方向層合為連續層。然後，如圖4B所示，該碳纖維1之縱方向係定向於平行於構造體200之表面200S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，也會沿構造體200的表面200S定向，因此可分散薄碎片體的邊界，從而形成均勻的構造體。

順帶一提，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連續沿片材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耐熱性的C/C複合材料構造體。

[實施例]

以下參照實施例及比較例詳述本發明，但本發明不限於此等實施例。

<實施例> (1)碳纖維製備步驟

製備平均纖維直徑7μm之CFRP用之PAN系碳纖維。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550℃煅燒並去除，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150μm，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一起加熱，對於該密閉容器內吹洗由該有機材料產生的碳氫化合物氣體，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，並於攪拌狀態下分散。攪拌進行約3分鐘。

(b)其後，加入酚樹脂(「Bell Pearl」(註冊商標)S890，Air Water Inc製)(200質量份)當做第1黏結劑，至100質量份該碳纖維，同樣將該混合物攪拌1分鐘。

(c)其後，加入乳膠(5質量份)當做第2黏結劑，同樣將該混合物攪拌1分鐘。

(d)再者，加入陽離子聚集劑(「Percol」(註冊商標)292，Allied Colloid Company製)(0.3質量份)，當做聚集劑，將該混合物攪拌20秒從而形成纖維屑。

(3)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內吸出，該模具在其外表面配置著開口1.0mm的線網，以層合纖維屑於該線網的表面上從而形成圓柱狀層合物。雖線網開口為1.0mm，但該碳纖維形成纖維屑，所以幾乎所有的該碳纖維都不會通過該網。靜置一段時間後，以重力移去水，獲得之物以乾燥機於60℃乾燥。

(4)成型步驟(形成薄碎片體前驅物之層合物)

將沒有線網的圓柱狀模具插入前述步驟獲得的層合物內，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150℃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，此時係處於該高壓釜的最大壓力。依此步驟，第1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70℃/小時進行，且當溫度到達最高溫度550℃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材料粉末一起於密閉容器中加熱，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。

於此實施例，將脫脂後的層合物置於已加熱到200℃的高壓釜中，抽真空後，流入軟化點約80℃的瀝青。於4 MPa加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合物再施以脫脂。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2脫脂步驟的層合物煅燒。將層合物於升溫速度150℃/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、一氧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1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，其內直徑為1,000 mm、高度為1,000 mm、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150℃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，其內直徑為600 mm、高度600 mm，厚度25 mm。

<物性評價>

剝離試驗

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：0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。

如表1所示，實施例獲得之構造體係藉由薄碎片體的層合而構成；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體，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。

觀察表面與剖面

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)

將C/C複合材料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° 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

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為比較例之構造體之剖面照片。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。於實施例之該構造體，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內表面的照片。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之構造體表面分離的薄碎片體的照片。由於該構造體的內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構造體從其層方向破開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)，照片中的水平方向為表面方向。圖9A為放大100倍的實施例之構造體剖面的SEM照片；圖9B為放大200倍的實施例之構造體剖面的SEM照片；圖9C為放大500倍的實施例之構造體剖面的SEM照片。圖9A顯示於該剖面的SEM照片中觀察到的薄碎片體。圖9A中的實線顯示各薄碎片體3。圖9B為圖9A之部分薄碎片體的更放大SEM照片。圖9C為圖9B之部分薄碎片體的更放大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。

圖10A至10C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造體的厚度方向(該薄碎片體之層合方向)，照片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SEM照片；圖10B為放大200倍的比較例之構造體的SEM照片；圖10C為放大500倍的比較例之構造體的SEM照片。圖10B為圖10A之放大SEM照片。圖10C為圖10A之更放大SEM照片。如圖10B或10C可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的區域，且可認為於此區域，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10B或10C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向(該薄碎片體之層合方向)，照片中的水平方向為表面方向。又，圖12B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向(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12A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100(包括基質與該碳纖維的薄碎片體)，圖12B中的其他區域為碳纖維構造體C。

於圖12A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。另一方面，圖12B中，未確認連接薄碎片體彼此的碳纖維成分。

於如圖12A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向(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，其可對用於單晶矽拉晶裝置、化合物半導體晶體拉晶裝置、太陽能電池的矽的製造裝置(例如矽薄膜形成裝置、矽晶棒製造裝置等)、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航太零件等提供助益。

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

24,34‧‧‧密封薄膜

25,35‧‧‧支持材料

26,36‧‧‧高壓釜

50,60‧‧‧層合物

100,200‧‧‧碳纖維構造體

100S,200S‧‧‧表面

200i‧‧‧第1表面

200o‧‧‧第2表面

圖1A至1D顯示本發明具體例1之構造體之視圖，具體而言，圖1A為透視圖；圖1B為剖視圖；圖1C為圖1B的部份放大圖；圖1D為圖1C之一部分之更放大圖。

圖2為具體例1之構造體之製造方法的步驟流程圖。

圖3A1至3D為具體例1之構造體之製造方法之概要圖。

圖4A至4D顯示具體例2之構造體之視圖，具體而言，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5B至5D為具體例2之構造體之製造方法之概要圖。

圖6A為實施例1之構造體剖面的照片，圖6B為比較例之構造體剖面的照片。

圖7A為實施例1之構造體表面的放大照片；圖7B為圖7A之構造體表面上觀察到的薄碎片體的照片；圖7C為從圖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剖面的掃描電子顯微鏡照片，其中毛氈係圍繞心軸捲繞及層合，圖8B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為放大100倍的照片；圖9B為放大200倍的照片；圖9C為放大500倍的照片。

圖10A至10C為比較例之構造體的剖面的掃描電子顯微鏡照片，具體而言，圖10A為放大50倍的照片；圖10B為放大200倍的照片；圖10C為放大500倍的照片。

圖11為示意圖，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與圖13B為比較例之構造體的視圖，圖13B為透視圖，圖13B為剖面示意圖。

100．．．碳纖維構造體

Claims

一種碳纖維構造體，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，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。
如申請專利範圍第1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。
如申請專利範圍第1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1.0mm。
如申請專利範圍第1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。
如申請專利範圍第1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1.2g/cm³ 或更大。
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懸浮於一液體，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，以層合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；(C)壓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質模面的表面方向進行定向，以轉變該纖維屑成為薄碎片，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。
如申請專利範圍第6項所述之碳纖維構造體之製造方法，其中該步驟(B)之過濾係抽吸過濾。
如申請專利範圍第6或7項所述之碳纖維構造體之製造方法，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黏結劑之成分懸浮於一液體，並添加一聚集劑以聚集該碳纖維、該第1黏結劑及該第2黏結劑，藉此形成纖維屑。
如申請專利範圍第6或7項所述之碳纖維構造體之製造方法，其中步驟(C)係使用高壓釜，於纖維屑之層合物以薄膜覆蓋的狀態下進行熱壓縮，並且將該碳纖維之縱方向以平行於該多孔質模面之表面方向進行定向，而轉變該纖維屑成為薄碎片，藉此形成薄碎片體前驅物之層合物。
如申請專利範圍第6或7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。