WO2015064733A1 - コイルバネ - Google Patents

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coil spring
carbon
fiber group
force
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裕二 富田
洋 町野
平岡　利治
修平 冨田
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東洋炭素株式会社
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    • C04B2237/32—Ceramic
    • C04B2237/38—Fiber or whisker reinforced
    • C04B2237/385—Carbon or carbon composite

Definitions

  • the present invention relates to a coil spring, and more particularly to a coil spring made of a carbon fiber reinforced carbon composite material (hereinafter sometimes referred to as a C / C composite).
  • Coil springs are widely used from everyday household goods to industrial goods, and are important parts in various fields.
  • coil springs that are used in a high temperature environment of 500 ° C. or higher such as industrial furnace members, metal heat treatment such as brazing, and aerospace applications
  • metallic coil springs have a low elastic modulus, heat It cannot be used for reasons such as deformation.
  • the materials that can be used for the coil spring used in a high temperature environment are very limited, such as C / C composite and SiC fiber / SiC composite.
  • the C / C composite is most suitable as a coil spring material used in a high temperature environment because it does not deteriorate in physical properties at high temperature and is easy to machine.
  • the raw material preformed yarn is made into a yarn shape, etc., wound around a core rod together with a gap holding coil material (core), and the raw material preformed yarn and the coil material are alternately arranged
  • a manufacturing method has been proposed in which a coil spring is formed by molding with a hot press at about 300 to 2000 ° C. at normal pressure or under pressure, removing the coil material from the molded product, and then graphitizing as necessary ( Patent Document 1).
  • each stage moves in the sinking direction Y when a stress is applied in the vertical direction (for example, when a force X is applied from above) as shown in FIG.
  • a force Z is applied to spread the spring material outward due to torsional stress (force to escape).
  • the coil spring in which the carbon fiber layers are laminated in the circumferential direction as described in Patent Document 1 causes delamination between the carbon fibers, resulting in a repulsive force. May fall.
  • the present invention provides a coil spring that can suppress the separation between carbon fibers even when the force to spread the spring material outward is strong or when the force is repeatedly applied.
  • the purpose is to do.
  • the present invention provides a coil spring made of a cylindrical C / C composite provided with a shaft hole and a spiral groove, and the C / C composite is perpendicular to the direction of the shaft hole.
  • a first carbon fiber group extending side by side in one horizontal direction, and a horizontal direction at an angle of 30 ° to 90 ° with the extending direction of the first carbon fiber group in the horizontal direction
  • a plurality of the first carbon fiber groups and the second carbon fiber groups are laminated, and carbon is interposed between the laminated carbon fiber groups.
  • a quality matrix is provided.
  • Explanatory drawing which shows the addition condition of the force in case a carbon fiber group is extended in one direction.
  • the disassembled perspective view which shows the lamination
  • Explanatory drawing of the coil spring provided with the 1st carbon fiber group and the 2nd carbon fiber group.
  • Explanatory drawing which shows the condition of the force of the 1st carbon fiber group in the coil spring of FIG.
  • Explanatory drawing which shows the condition of the force of the 2nd carbon fiber group in the coil spring of FIG.
  • Explanatory drawing which shows the condition of the force of the 2nd carbon fiber group in the coil spring of FIG.
  • Explanatory drawing in case two carbon fiber groups are integrated as a woven fabric.
  • the present invention is a coil spring made of a cylindrical C / C composite provided with a shaft hole and a spiral groove, and the C / C composite is arranged in one horizontal direction perpendicular to the direction of the shaft hole.
  • the first carbon fiber group extended, and the second carbon fiber extending in one horizontal direction at an angle of 30 ° or more and 90 ° or less in the horizontal direction with the extending direction of the first carbon fiber group.
  • a plurality of the first carbon fiber groups and the second carbon fiber groups are laminated, and a carbonaceous matrix is provided between the laminated carbon fiber groups. It is characterized by that.
  • the carbon fiber group laminated by the carbonaceous matrix is integrated (solidly fixed), and the angle formed by the extending direction of the first carbon fiber group and the extending direction of the second carbon fiber group is 30 °. If it is 90 ° or less, not all of the force to spread outward in at least one carbon fiber group is applied in the direction in which peeling occurs (at least part of the force is in the extending direction of the carbon fiber group [peeling Therefore, it is possible to suppress the occurrence of peeling.
  • the direction of the stress F is a direction perpendicular to the extending direction of the carbon fibers, so that the separation between the carbon fibers easily occurs (near the point B [for example, the point B ′
  • a slight component force is generated in the direction perpendicular to the extending direction of the carbon fiber, that is, the force acting in the direction perpendicular to the extending direction of the carbon fiber is greater than the point B. Is also slightly smaller).
  • 1 is a shaft hole and 3 is a coil spring.
  • FIG. 3 shows a structure in which a plurality of second carbon fiber groups 5 with carbon fibers extending so as to form 90 ° are laminated and a carbonaceous matrix is provided between the laminated carbon fiber groups.
  • the coil spring 3 is formed by providing the shaft hole 1 and the spiral groove (not shown).
  • the force (stress F) for spreading the coil spring outwardly is applied in the direction in which peeling occurs. There is not (at least a part of force is applied in the extending direction of the carbon fiber group [direction in which peeling is suppressed]).
  • the stress F acts in the direction in which the separation between the carbon fibers occurs, but in the second carbon fiber group 5 at the point A, FIG. As shown in FIG. 2, the stress F does not work in the direction in which the separation between the carbon fibers occurs. Further, in the second carbon fiber group 5 at the point B, as shown in FIG. 5, the stress F acts in the direction in which the separation between the carbon fibers occurs, but in the first carbon fiber group 4 at the point B, FIG. As shown in FIG. 2, the stress F does not work in the direction in which the separation between the carbon fibers occurs.
  • a carbonaceous matrix is provided between the layers of the laminated carbon fiber groups, and the carbon fiber groups laminated by the carbonaceous matrix are integrated (adjacent carbon fiber groups are firmly fixed). Therefore, in at least one carbon fiber group among adjacent carbon fiber groups, if all of the force (stress F) for spreading the spring material to the outside is not applied in the direction in which peeling occurs, in both carbon fiber groups, Peeling between carbon fibers is less likely to occur.
  • the reason why the angle formed by the extending direction of the first carbon fiber group and the extending direction of the second carbon fiber group is restricted to 30 ° or more is as follows. As shown in FIG. 8, when the angle ⁇ formed by the extending direction of the first carbon fiber group 4 and the extending direction of the second carbon fiber group 5 is 30 °, any force is applied at the point A. Describe. In the first carbon fiber group 4, as shown in FIG. 4, all of the force (stress F) for spreading the spring material outward is applied in the direction in which peeling occurs. On the other hand, in the second carbon fiber group 5, as shown in FIGS. 9 and 10, the force (stress F) for spreading the spring material outward is the force in the direction in which separation occurs (component force F 2 ).
  • the 1D cloth is described as an example of the carbon fiber group.
  • a 2D cloth (woven fabric) may be used as the carbon fiber group.
  • carbon fibers such as PAN, pitch, or rayon can be used.
  • the 1D cloth can maintain a cloth-like state by joining carbon fibers with nylon or the like.
  • the carbonaceous matrix is formed in the 1D cloth, there are a method of impregnating a thermosetting resin such as a phenol resin to form a prepreg, and a method of laminating the 1D cloth and then impregnating the phenol resin.
  • the former method prepreg
  • the former method is more preferable as a production method because impregnation unevenness is less likely to occur.
  • the carbon fiber group may be stacked by an appropriate number of layers.
  • the stacking method includes the first carbon fiber group and the second carbon fiber group. Are preferably laminated alternately.
  • the angle formed by the extending direction of the first carbon fiber group and the extending direction of the second carbon fiber group is preferably 60 ° or more, particularly preferably 80 ° or more. Of these, 90 ° is most preferable.
  • the first carbon fiber group and the second carbon fiber group are integrated as a woven fabric. Since the two carbon fiber groups are integrated as a woven fabric, when the carbonaceous matrix is impregnated, the adhesive force between the layers of the carbon fiber groups can be further increased, and peeling can be further suppressed.
  • the first carbon fiber group 4 is composed of an aggregate of one carbon fiber 10
  • the second carbon fiber is composed of an aggregate of the other carbon fibers 11.
  • Group 5 is configured.
  • an appropriate woven fabric such as a plain weave, twill weave, satin weave, etc., of carbon fiber roving in which 6000 carbon fibers are bundled can be used. Even when a woven fabric is used, it is preferable that the angle formed by the extending direction of the first carbon fiber group and the extending direction of the second carbon fiber group is a right angle or an angle close thereto.
  • a carbon fiber felt layer is provided between at least some layers between the two carbon fiber groups, and a part of the carbon fibers of the carbon fiber felt penetrates the carbon fiber group.
  • the carbon fiber felt layer has a random fiber direction and can resist stress from all directions, and therefore can further suppress peeling.
  • the carbon fiber felt layer penetrates the carbon fiber group, the fixing strength between the carbon fiber felt layer and the carbon fiber group is increased and further peeling is suppressed by being integrated with the carbon fiber group. Can do. Therefore, the durability of the coil spring is improved.
  • a carbon fiber felt layer is arranged between the above-mentioned carbon fiber groups, and the felt is penetrated between the carbon fiber groups by a technique such as needle punching.
  • 2.5 DC / C composite the C / C composite having a structure in which the fibers penetrate between the fiber layers is not limited to 2.5D, and may be a 3DC / C composite that is a three-dimensional knitted fabric.
  • the 2.5DC / C composite is more preferable to use the 2.5DC / C composite because the 2.5DC / C composite can easily increase the volume fraction of the fiber and is excellent in mechanical properties such as elastic modulus. .
  • At least a part of the carbonaceous matrix is composed of gas phase pyrolytic carbon.
  • gas phase pyrolytic carbon When at least a part of the carbonaceous matrix is made of vapor-phase pyrolytic carbon, densification as a material can be achieved, and physical rigidity that is regarded as important as a characteristic of the coil spring can be increased.
  • the amount of gas phase pyrolytic carbon can be easily adjusted, and this makes it possible to easily adjust the spring constant.
  • a raw material of the carbonaceous matrix (not limited to gas phase pyrolytic carbon), a thermosetting resin, pitch, hydrocarbon gas, or the like can be appropriately used, and these raw materials are carbonized by a known method.
  • a quality matrix may be used.
  • the carbon matrix is constructed by the CVD method (chemical vapor deposition method) in which hydrocarbon gas is thermally decomposed in the gas phase, the carbon generated in the gas phase is directly converted into a C / C composite. Since it can be deposited on top, it is preferable because a C / C composite having a dense and excellent mechanical property can be obtained.
  • a large amount of carbon by the CVD method tends to be deposited near the surface, and the inside tends to be low density.
  • a CVD method under a specific condition is called a CVI method (chemical vapor phase impregnation method), and carbon can be deposited and densified not only near the surface but also inside the material. Therefore, a coil spring having particularly excellent mechanical characteristics can be obtained if it is processed into a coil spring shape and then densified by the CVI method.
  • the density improvement by these densification has big influence on durability and a spring constant of a coil spring.
  • the degree of densification can be controlled not only by the difference in the above processing methods but also by changing the pitch, the number of impregnations of the thermosetting resin, or the processing time in the CVD method or CVI method.
  • the bulk density is desirably 1.4 Mg / m 3 or more.
  • the spring constant becomes very low and the durability is remarkably deteriorated, so that the function as a coil spring may be impaired, but if it is 1.4 Mg / m 3 or more The occurrence of such inconvenience can be suppressed.
  • the bulk density is desirably 1.5 Mg / m 3 or more, particularly 1.6 Mg / m 3 or more.
  • Example 1 PAN-based carbon fiber plain weave cloth (Torayca T-300 6K manufactured by Toray Industries, Inc.) as a raw material for the carbon fiber group, the first carbon fiber group and the second carbon fiber group are integrated as a woven fabric Carbon fiber woven fabric [2D cloth] was used.
  • a phenol resin liquid
  • the amount of the resin was adjusted with a squeeze roller and dried in an oven heated to 70 ° C. to obtain a prepreg sheet.
  • the prepreg sheet was cut and laminated, and then molded by a hot press at 200 ° C. and a force of 50 kg / cm 2 to obtain a molded body having a fiber content of about 50%.
  • this molded object was baked to 1000 degreeC with the temperature increase rate of 10 degrees C / hr, and the sintered body was obtained.
  • the fired body was further impregnated with pitch and fired by raising the temperature to 1000 ° C. at a temperature of 10 ° C./hr while injecting nitrogen with an electric furnace.
  • pitch impregnation and firing steps were repeated twice for densification, followed by high-temperature treatment at 2000 ° C. in an inert gas atmosphere to obtain a C / C composite.
  • the coil spring thus manufactured is hereinafter referred to as a coil spring A1.
  • the coil spring A1 had an outer diameter of 50 mm, an inner diameter of 20 mm, a free length of 40 mm, a bulk density of 1.58 Mg / m 3 , and a spring constant of 34 N / mm.
  • Example 2 The coil spring A1 obtained in Example 1 above was mixed with hydrogen and propane under a temperature of about 1000 ° C. and a pressure of about 1.3 kPa (the volume ratio of hydrogen to propane was about 90:10). For about 100 hours. Thereby, the gas phase pyrolytic carbon which is a matrix component was deposited, and the coil spring was produced.
  • the coil spring thus manufactured is hereinafter referred to as a coil spring A2.
  • the bulk density of the coil spring A2 was 1.65 Mg / m 3 , and the spring constant was 54 N / mm.
  • the outer diameter, inner diameter, and free length of the coil spring A2 are the same as those of the coil spring A1. Also in coil springs A3, Z1, and Z2 described later, the outer diameter, inner diameter, and free length of each coil spring are the same as those of the coil spring A1.
  • Example 3 The plain weave cloth used in Example 1 was used as a carbon fiber group, and a 1 mm thick felt material in which PAN-based carbon fibers were cut to about 25 mm and carbon fibers were randomly oriented as a carbon fiber felt (bulk density: about 0.1 Mg / m 3 ) was used. First, the plain weave cloth and the carbon fiber felt are alternately laminated to produce a laminate, and needles having reverse barbs are passed through the laminate at an average interval of about 2 mm to bond the layers. Thus, a 2.5D preform was obtained. Next, it processed for 100 hours on the same conditions as the said Example 2, and vapor-phase pyrolytic carbon was deposited, and the C / C composite was obtained.
  • Example 3 the C / C composite was cut into the same shape as in Example 1 and treated again for 100 hours under the same conditions as in Example 2 to deposit gas phase pyrolytic carbon to produce a coil spring.
  • the coil spring thus manufactured is hereinafter referred to as a coil spring A3.
  • the bulk density of the coil spring A3 was 1.69 Mg / m 3 , and the spring constant was 27 N / mm.
  • Example 1 After collecting 10 pieces of 6000 carbon fibers and making them 60,000, they were impregnated with phenol resin (liquid) and wound on a cylindrical shaft having a diameter of 10 mm by a filament winding method. To obtain a cylindrical molded body having a fiber content of about 50%. The molded body was fired, densified and densified under the same conditions as in Example 1 and then subjected to high temperature treatment, and then processed into the same shape as in Example 1 by cutting to produce a coil spring. The coil spring thus manufactured is hereinafter referred to as a coil spring Z1.
  • the bulk density of the coil spring Z1 was 1.58 Mg / m 3 and the spring constant was 12 N / mm.
  • Example 2 A gas phase pyrolytic carbon was deposited on the coil spring Z1 under the same conditions as in Example 2 to produce a coil spring.
  • the coil spring thus manufactured is hereinafter referred to as a coil spring Z2.
  • the bulk density of the coil spring Z2 was 1.65 Mg / m 3 , and the spring constant was 48 N / mm.
  • the present invention can be used for coil springs used in a high temperature environment, for example, industrial furnace members, various industrial machines such as brazing and metal heat treatment, aerospace field, and the like.
  • coil spring it may be applied to a use that uses spring elasticity by processing into a shape such as a spring washer or a disc spring.

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Abstract

バネ材を外側に広げようとする力が強力な場合や、その力が繰り返し加わった場合であっても、炭素繊維間の剥離が生じるのを抑制することができるコイルバネを提供することを目的としている。軸孔（１）及び螺旋溝が設けられた円筒状の炭素繊維強化炭素複合材料製のコイルバネであって、前記炭素繊維強化炭素複合材料は、前記軸孔（１）の方向と垂直をなす水平方向の一方向に並べて延設された第一の炭素繊維群（４）と、前記第一の炭素繊維群の延設方向と水平方向に３０°以上９０°以下の角度をなして水平方向の一方向に延設された第二の炭素繊維群（５）とを含み、且つ、前記第一の炭素繊維群（４）と前記第二の炭素繊維群（５）とが複数積層されると共に、積層された炭素繊維群の層間に炭素質マトリックスが設けられていることを特徴とする。

Description

コイルバネ
　本発明はコイルバネに関し、特に、炭素繊維強化炭素複合材（以下、Ｃ／Ｃコンポジットと称することがある）製のコイルバネに関する。
　コイルバネは、日常家庭用品から工業用品まで広く用いられており、各種分野において重要な部品となっている。コイルバネのうち５００℃以上の高温環境下で使用されるもの、例えば、工業炉内部材、ロウ付けなどの金属熱処理、航空宇宙用途などについては、金属性コイルバネは高温での弾性率の低下、熱変形などの理由により用いることができない。高温環境下で使用されるコイルバネに用いることができる材質は、Ｃ／ＣコンポジットやＳｉＣ繊維／ＳｉＣコンポジットなど非常に限られる。中でもＣ／Ｃコンポジットは高温での物性低下が無く、かつ機械加工が容易なことから高温環境下で用いられるコイルバネ材質としては最も適したものである。
　Ｃ／Ｃコンポジット製のコイルバネとしては、原料プリフォームドヤーンをヤーン状等として、芯棒に間隙保持用コイル材（中子）とともに巻き付け、原料プリフォームドヤーンとコイル材を交互に配置した後、ホットプレスで約３００～２０００℃，常圧もしくは加圧下で成形し、成形品からコイル材を取外し、次いで必要に応じて、黒鉛化することによりコイルバネを作製する製造方法が提案されている（特許文献１参照）。
特許３０４５８８９号
　ここで、コイルバネは螺旋溝を有するため、図１３に示すように、上下方向に応力が加えられた場合（例えば、上方から力Ｘが加えられた場合）各段が沈み込み方向Ｙに移動すると共に、ねじれ応力（逃げようとする力）によりバネ材を外側に広げようとする力Ｚが加わる。その力Ｚが強力な場合や、その力Ｚが繰り返し加わった場合、上記特許文献１に記載の如く周方向に炭素繊維層を積層したコイルバネでは、炭素繊維間に層間剥離が生じて反発力が低下する恐れがある。
　そこで本発明は、バネ材を外側に広げようとする力が強力な場合や、その力が繰り返し加わった場合であっても、炭素繊維間で剥離が生じるのを抑制することができるコイルバネを提供することを目的としている。
　上記目的を達成するために本発明は、軸孔及び螺旋溝が設けられた円筒状のＣ／Ｃコンポジット製のコイルバネであって、前記Ｃ／Ｃコンポジットは、前記軸孔の方向と垂直をなす水平方向の一方向に並べて延設された第一の炭素繊維群と、前記第一の炭素繊維群の延設方向と水平方向に３０°以上９０°以下の角度をなして水平方向の一方向に延設された第二の炭素繊維群とを含み、且つ、前記第一の炭素繊維群と前記第二の炭素繊維群とが複数積層されると共に、積層された炭素繊維群の層間に炭素質マトリックスが設けられていることを特徴とする。
　本発明によれば、バネ材を外側に広げようとする力が強力な場合や、その力が繰り返し加わった場合であっても、炭素繊維間で剥離が生じるのを抑制することができるといった優れた効果を奏する。
炭素繊維群が一方方向に延設されている場合の力の加わり具合を示す説明図。 円筒状に加工する前の第一の炭素繊維群と第二の炭素繊維群との積層状態を示す分解斜視図。 第一の炭素繊維群と第二の炭素繊維群とを備えたコイルバネの説明図。 図３のコイルバネにおける第一の炭素繊維群の力の加わり具合を示す説明図。 図３のコイルバネにおける第二の炭素繊維群の力の加わり具合を示す説明図。 第一の炭素繊維群の延設方向と第二の炭素繊維群の延設方向とがなす角度が９０°の場合の説明図。 第一の炭素繊維群の延設方向と第二の炭素繊維群の延設方向とがなす角度が鋭角の場合の説明図。 第一の炭素繊維群の延設方向と第二の炭素繊維群の延設方向とがなす角度が鋭角（θ＝３０°）の場合の説明図。 図８のコイルバネにおける第二の炭素繊維群の力の加わり具合を示す説明図。 図８のコイルバネにおける第二の炭素繊維群の力を分解したときの説明図。 ２つの炭素繊維群が織布として一体化されている場合の説明図。 本発明のコイルバネの斜視図。 コイルバネにおける力の加わり方を示す説明図。
　本発明は、軸孔及び螺旋溝が設けられた円筒状のＣ／Ｃコンポジット製のコイルバネであって、前記Ｃ／Ｃコンポジットは、前記軸孔の方向と垂直をなす水平方向の一方向に並べて延設された第一の炭素繊維群と、前記第一の炭素繊維群の延設方向と水平方向に３０°以上９０°以下の角度をなして水平方向の一方向に延設された第二の炭素繊維群とを含み、且つ、前記第一の炭素繊維群と前記第二の炭素繊維群とが複数積層されると共に、積層された炭素繊維群の層間に炭素質マトリックスが設けられていることを特徴とする。
　炭素質マトリックスにより積層された炭素繊維群が一体化（強固に固定）されると共に、第一の炭素繊維群の延設方向と第二の炭素繊維群の延設方向とがなす角度が３０°以上９０°以下であれば、少なくとも一方の炭素繊維群では当該外側に広げようとする力の全部が、剥離が生じる方向に加わらない（少なくとも一部の力は炭素繊維群の延設方向〔剥離を抑制する方向〕に加わる）ので、剥離が生じるのを抑制することができる。
　具体的には、以下の通りである。
　図１に示すように、炭素繊維群が一方方向に延設されている場合に、例えば点Ａで応力Ｆが加わると、応力Ｆの方向は炭素繊維の延設方向と平行な方向であるため、炭素繊維間の剥離は生じない（点Ａの近傍〔例えば、点Ａ´〕でも略同様である。但し、点Ａ´では、炭素繊維の延設方向と直角方向に若干の分力が生じる）。しかしながら、例えば点Ｂで応力Ｆが加わると、応力Ｆの方向は炭素繊維の延設方向と直角方向であるため、炭素繊維間の剥離が生じ易くなる（点Ｂの近傍〔例えば、点Ｂ´〕でも略同様である。但し、点Ｂ´では、炭素繊維の延設方向と直角方向に若干の分力が生じる、即ち、炭素繊維の延設方向と直角方向に働く力が、点Ｂよりも若干小さくなる）。尚、図１において、１は軸孔、３はコイルバネである。
　そこで、図２に示すように、炭素繊維が一方方向に延設されている第一の炭素繊維群４と、この第一の炭素繊維群４の炭素繊維と所定の角度（図２の場合は９０°）を成すように炭素繊維が延設されている第二の炭素繊維群５とを複数積層し、積層された炭素繊維群の層間に炭素質マトリックスを設けたものに、図３に示すように、軸孔１及び螺旋溝（図示せず）を設けてコイルバネ３を形成する。このような構造のコイルバネ３であれば、炭素繊維群４、５のうち少なくとも一方の炭素繊維群では、コイルバネを外側に広げようとする力（応力Ｆ）の全部が、剥離が生じる方向に加わらない（少なくとも一部の力は炭素繊維群の延設方向〔剥離を抑制する方向〕に加わる）。
　例えば、Ａ点における第一の炭素繊維群４では、図４に示すように、炭素繊維間の剥離が生じる方向に応力Ｆが働くが、Ａ点における第二の炭素繊維群５では、図５に示すように、炭素繊維間の剥離が生じる方向に応力Ｆが働かない。また、Ｂ点における第二の炭素繊維群５では、図５に示すように、炭素繊維間の剥離が生じる方向に応力Ｆが働くが、Ｂ点における第一の炭素繊維群４では、図４に示すように、炭素繊維間の剥離が生じる方向に応力Ｆが働かない。
　そして、積層された炭素繊維群の層間には炭素質マトリックスが設けられて、炭素質マトリックスにより積層された炭素繊維群が一体化（隣接する炭素繊維群間は強固に固定）されている。したがって、隣接する炭素繊維群のうち少なくとも一方の炭素繊維群において、バネ材を外側に広げようとする力（応力Ｆ）の全部が、剥離が生じる方向に加わらなければ、両炭素繊維群において、炭素繊維間の剥離が生じ難くなる。
　ここで、第一の炭素繊維群４の延設方向と第二の炭素繊維群５の延設方向とがなす角度とは、図６に示すように、角度θが９０°の場合、及び、図７に示すように、角度θが鋭角の場合をいい、図７に示す角度θ´ように、鈍角の場合は含まない（例えば、第一の炭素繊維群４の延設方向と第二の炭素繊維群５の延設方向とがなす角度が１１０°の場合、１８０°―１１０°＝７０°の場合と同一視できるからである）。
　また、第一の炭素繊維群の延設方向と第二の炭素繊維群の延設方向とがなす角度を３０°以上に規制するのは、以下に示す理由による。
　図８に示すように、第一の炭素繊維群４の延設方向と第二の炭素繊維群５の延設方向とがなす角度θが３０°の場合、Ａ点でどのような力が加わるかについて述べる。第一の炭素繊維群４では、図４で示したように、バネ材を外側に広げようとする力（応力Ｆ）の全部が、剥離が生じる方向に加わる。一方、第二の炭素繊維群５では、図９及び図１０に示すように、バネ材を外側に広げようとする力（応力Ｆ）は、剥離が生じる方向の力（分力Ｆ２）と、第二の炭素繊維群５の延設方向〔剥離を抑制する方向〕の力（分力Ｆ１）とに分けられる。具体的には、分力Ｆ１＝Ｆ×ｓｉｎ３０°＝（１／２）Ｆとなり、分力Ｆ２＝Ｆ×ｃｏｓ３０°＝（√３／２）Ｆとなる。
　そして、角度θが３０°より小さくなると、分力Ｆ１は（１／２）Ｆより小さくなる一方、分力Ｆ２は（√３／２）Ｆより大きくなる。このように、角度θが小さくなり過ぎると、剥離が生じる方向の力（分力Ｆ２）が大きくなる一方、炭素繊維群の延設方向の力（分力Ｆ１）が小さくなるため、第一の炭素繊維群４の延設方向と第二の炭素繊維群５の延設方向とを異ならしめる意義が小さくなるからである。
　上記説明では、炭素繊維群として１Ｄクロスを例に説明したが、後述するように、炭素繊維群として２Ｄクロス（織布）を用いても良い。一方向に延設される炭素繊維群（１Ｄクロス）には、ＰＡＮ系、ピッチ系またはレーヨン系等の炭素繊維を用いることができる。１Ｄクロスは、ナイロン等により炭素繊維間が接合されていることにより、布状の状態を保持できる。１Ｄクロス中に炭素質マトリックスを形成する際には、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸させてプリプレグとしてから積層する方法と、１Ｄクロスを積層させてからフェノール樹脂を含浸させる方法とがあるが、前者の方法（プリプレグ）の方が含浸ムラを生じ難いので、製法として好ましい。
　また、所望する厚みのＣ／Ｃコンポジットを得るには、炭素繊維群を適宜の層数重ねれば良いが、この場合の重ね方としては、第一の炭素繊維群と第二の炭素繊維群とを交互に積層するのが好ましい。また１Ｄクロスを用いる場合は、第一の炭素繊維群の延設方向と第二の炭素繊維群の延設方向とがなす角度は、６０°以上、特に８０°以上としておくのが好ましく、その中でも９０°としておくのが最も好ましい。
　前記第一の炭素繊維群と前記第二の炭素繊維群とが織布として一体化されていることが望ましい。
　２つの炭素繊維群が織布として一体化されていることで、炭素質マトリックスが含浸された際に、炭素繊維群の層間の接着力が一層高められ、更に剥離を抑制することができる。
　尚、織布の場合には、図１１に示すように、一方の炭素繊維１０の集合体により第一の炭素繊維群４を構成し、他方の炭素繊維１１の集合体により第二の炭素繊維群５を構成する。また、炭素繊維群を織布として用いる場合、例えば６０００本の炭素繊維を束とした炭素繊維ロービングを平織り、綾織り、朱子織り等した適宜の織物が使用できる。織布を用いる場合でも、第一の炭素繊維群の延設方向と第二の炭素繊維群の延設方向とがなす角度は、直角又はそれに近い角度としておくのが好ましい。
　前記２つの炭素繊維群の層間における少なくとも一部の層間に、炭素繊維フェルト層が設けられ、前記炭素繊維フェルトの炭素繊維の一部が前記炭素繊維群を貫通していることが望ましい。
　炭素繊維フェルト層は繊維方向がランダムであり、あらゆる方向からの応力に対抗することが可能となるので、剥離を一層抑制することができる。また、炭素繊維フェルト層は炭素繊維群を貫通しているため、炭素繊維群と一体化されることで、炭素繊維フェルト層と炭素繊維群との固定強度が高められ、更に剥離を抑制することができる。よって、コイルバネの耐久性が向上する。
　尚、繊維層間を繊維が貫通している構造のＣ／Ｃコンポジットとしては、上述の炭素繊維群の間に炭素繊維フェルト層を配しニードルパンチなどの手法により炭素繊維群間にフェルトを貫通させた２．５ＤＣ／Ｃコンポジットが挙げられる。しかし、繊維層間を繊維が貫通している構造のＣ／Ｃコンポジットは２．５Ｄに限定されるものではなく、３次元編み物である３ＤＣ／Ｃコンポジットであっても良い。但し、上記２．５ＤＣ／Ｃコンポジットの方が繊維の体積分率を上げやすく、しかも弾性率などの機械的特性に優れたものが得やすいため、２．５ＤＣ／Ｃコンポジットを用いる方が特に好ましい。
　前記炭素質マトリックスの少なくとも一部が気相熱分解炭素により構成されていることが望ましい。
　炭素質マトリックスの少なくとも一部が気相熱分解炭素からなることで、材料としての緻密化が図られ、コイルバネの特性として重視される物理的な剛性を高めることができる。また、気相熱分解炭素は形成量の調整が容易であり、これによって容易にバネ定数を調整することが可能となるため、生産面での利点が大きい。
　尚、上記炭素質マトリックス（気相熱分解炭素に限らない）の原料としては、熱硬化性樹脂、ピッチ、炭化水素ガス等を適宜用いることができ、公知の方法によりこれら原料を炭化して炭素質マトリックスとすればよい。
　特に、炭化水素ガスを気相中で熱分解させるＣＶＤ法（化学的気相沈積法）により、少なくとも一部の炭素マトリックスを構築した場合には、気相で発生した炭素を直接Ｃ／Ｃコンポジット上に沈積することができるため、緻密かつ機械的特性に優れたＣ／Ｃコンポジットが得られるため好ましい。
　但し、ＣＶＤ法による炭素は表面近傍に多く沈積する傾向があり、内部は低密度になりがちである。しかし、特定の条件下でのＣＶＤ法はＣＶＩ法（化学的気相含浸法）とよばれ、表面近傍だけでなく材料の内部も炭素を沈積、緻密化することができる。したがって、コイルバネ形状に加工後、ＣＶＩ法により緻密化すれば、特に優れた機械的特性のコイルバネを得ることができる。
　尚、これら緻密化による密度向上は、コイルバネの耐久性やバネ定数に大きな影響を与える。緻密化の程度は、上記処理方法の違いのみならず、前記ピッチや熱硬化性樹脂の含浸回数、或いは、ＣＶＤ法もしくはＣＶＩ法における処理時間を変化させることによってもコントロールすることが可能である。
　かさ密度が１．４Ｍｇ／ｍ３以上であることが望ましい。
　かさ密度が１．４Ｍｇ／ｍ３未満となるとバネ定数が非常に低くなって、耐久性が著しく低下するため、コイルバネとしての機能を損なうことがあるが、１．４Ｍｇ／ｍ３以上であれば、このような不都合が発生するのを抑制できる。このようなことを考慮すれば、かさ密度は１．５Ｍｇ／ｍ３以上、特に１．６Ｍｇ／ｍ３以上であることが望ましい。このように規制すれば、バネ定数が高く、耐久性に優れたコイルバネを提供することができる。
（実施例１）
　炭素繊維群の原料として、ＰＡＮ系炭素繊維の平織クロス（東レ（株）製のトレカＴ－３００　６Ｋであって、第一の炭素繊維群と第二の炭素繊維群とが織布として一体化された炭素繊維織布〔２Ｄクロス〕）を用いた。先ず、この炭素繊維織布にフェノール樹脂（液状）を浸漬、含浸させた後、絞りローラにて樹脂量を調整し、７０℃に加熱したオーブン中で乾燥させて、プリプレグシートを得た。次いで、このプリプレグシートを裁断、積層した後、熱圧プレスにて２００℃、５０ｋｇ／ｃｍ２の力で成形し、繊維含有率約５０％の成形体を得た。この後、この成形体を、昇温速度１０℃／ｈｒにて１０００℃まで焼成して、焼成体を得た。
　しかる後、上記焼成体に、更にピッチ含浸を行い、電気炉で窒素注入しながら１０℃／ｈｒの昇温で１０００℃まで昇温し焼成を行った。このようなピッチ含浸、焼成工程を２回繰り返して緻密化した後、不活性ガス雰囲気下、２０００℃で高温処理することによりＣ／Ｃコンポジットを得た。
　最後に、上記Ｃ／Ｃコンポジットを切削加工することにより、図１２に示すような軸孔１と螺旋溝２とを有するコイルバネ３を作製した。
　このようにして作製したコイルバネを、以下、コイルバネＡ１と称する。
　尚、上記コイルバネＡ１は外径５０ｍｍ、内径２０ｍｍ、自由長４０ｍｍで、かさ密度は１．５８Ｍｇ／ｍ３、バネ定数は３４Ｎ／ｍｍであった。
（実施例２）
　上記実施例１で得たコイルバネＡ１に、温度が約１０００℃で、圧力が約１．３ｋＰａの条件下、水素とプロパンとの混合気流中(水素とプロパンとの体積比は、約９０：１０となっている)に約１００時間保持した。これにより、マトリックス成分である気相熱分解炭素を沈積させてコイルバネを作製した。
　このようにして作製したコイルバネを、以下、コイルバネＡ２と称する。
　上記コイルバネＡ２のかさ密度は１．６５Ｍｇ／ｍ３、バネ定数は５４Ｎ／ｍｍであった。
　尚、上記コイルバネＡ２の外径、内径、自由長は上記コイルバネＡ１と同様である。また、後述のコイルバネＡ３、Ｚ１、Ｚ２においても、各コイルバネの外径、内径、自由長は上記コイルバネＡ１と同様である。
（実施例３）
　実施例１で用いた平織クロスを炭素繊維群として用い、炭素繊維フェルトとしてＰＡＮ系炭素繊維が約２５ｍｍにカットされ炭素繊維がランダムに配向した１ｍｍ厚のフェルト材（かさ密度：約０．１Ｍｇ／ｍ３）を用いた。先ず、上記平織クロスと上記炭素繊維フェルトとを交互に積層して積層体を作製した後、この積層体に、逆とげを有する針を全層に平均約２ｍｍ間隔で貫通させて、各層を結合し、２．５Ｄプリフォームを得た。次に、上記実施例２と同条件で１００時間処理し、気相熱分解炭素を沈積させてＣ／Ｃコンポジットを得た。最後に、上記Ｃ／Ｃコンポジットを上記実施例１と同じ形状に切削加工し、再度実施例２と同条件で１００時間処理を行って、気相熱分解炭素を沈積させてコイルバネを作製した。
　このようにして作製したコイルバネを、以下、コイルバネＡ３と称する。
　上記コイルバネＡ３のかさ密度は１．６９Ｍｇ／ｍ３、バネ定数は２７Ｎ／ｍｍであった。
（比較例１）
　６０００本の炭素繊維からなるトウを１０本集め、６０，０００本とした後、フェノール樹脂（液状）に含浸し、フィラメントワインディング法により直径１０ｍｍの円筒状シャフト上に巻き付けて、約２００℃の条件で硬化し、繊維含有率約５０％の筒状の成形体を得た。この成形体を実施例１と同条件で焼成、含浸緻密化、高温処理した後、切削加工により実施例１と同一形状に加工して、コイルバネを作製した。
　このようにして作製したコイルバネを、以下、コイルバネＺ１と称する。
　上記コイルバネＺ１のかさ密度は１．５８Ｍｇ／ｍ３、バネ定数は１２Ｎ／ｍｍであった。
（比較例２）
　上記コイルバネＺ１に、実施例２と同条件で気相熱分解炭素を沈積させてコイルバネを作製した。
　このようにして作製したコイルバネを、以下、コイルバネＺ２と称する。
　上記コイルバネＺ２のかさ密度は１．６５Ｍｇ／ｍ３、バネ定数は４８Ｎ／ｍｍであった。
（実験）
　上記コイルバネＡ１～Ａ３、Ｚ１、Ｚ２について、軸孔方向に１５ｋｇｆの荷重をかけた状態で１２００℃、５時間静置する加圧・加熱試験を行い、試験前のバネ定数と試験後のバネ定数、及び、試験後のコイルバネの外観を調べたので、それらの結果を下記表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　コイルバネＺ１では、試験後に剥離による破壊が生じ、また、コイルバネＺ２では、外観上の変化はないものの、バネ定数が大きく低下した。尚、コイルバネＺ２でバネ定数が大きく低下したのは、外観状の変化はないものの、コイルバネの内部で微細な剥離が生じたことに起因するものと考えられる。
　これに対して、コイルバネＡ１、Ａ２で、試験後にバネ定数が若干低下しているだけであり、また、コイルバネＡ３では、試験後でもバネ定数は低下していなかった。また、コイルバネＡ１～Ａ３では、外観上の変化もなかった。
　本発明は、高温環境下で使用されるコイルバネ用途、例えば、工業炉内部材、ロウ付けをはじめとする金属熱処理などの各種産業機械や航空宇宙分野などに用いることができる。また、コイルバネ以外にも、スプリングワッシャーや皿バネ等の形状に加工して、バネ弾性を利用した用途にも適用の可能性がある。

Claims (5)

  1. 　軸孔及び螺旋溝が設けられた円筒状の炭素繊維強化炭素複合材料製のコイルバネであって、
    　前記炭素繊維強化炭素複合材料は、前記軸孔の方向と垂直をなす水平方向の一方向に並べて延設された第一の炭素繊維群と、前記第一の炭素繊維群の延設方向と水平方向に３０°以上９０°以下の角度をなして水平方向の一方向に延設された第二の炭素繊維群とを含み、
    　且つ、前記第一の炭素繊維群と前記第二の炭素繊維群とが複数積層されると共に、積層された炭素繊維群の層間に炭素質マトリックスが設けられていることを特徴とするコイルバネ。
  2. 　前記第一の炭素繊維群と前記第二の炭素繊維群とが織布として一体化されている、請求項１に記載のコイルバネ。
  3. 　前記２つの炭素繊維群の層間における少なくとも一部の層間に、炭素繊維フェルト層が設けられ、前記炭素繊維フェルトの炭素繊維の一部が前記炭素繊維群を貫通している、請求項１又は２に記載のコイルバネ。
  4. 　前記炭素質マトリックスの少なくとも一部が気相熱分解炭素により構成されている、請求項１～３のいずれか１項に記載のコイルバネ。
  5. 　かさ密度が１．４Ｍｇ／ｍ３以上である、請求項１～４のいずれか１項に記載のコイルバネ。
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