JP2000169250A - 炭素繊維強化炭素複合材の製造方法 - Google Patents
炭素繊維強化炭素複合材の製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ＣＣ材の空隙に熱分解炭素を効率よく析出充
填して緻密化処理することにより高密度、高強度の材質
性状を備えたＣＣ材の製造方法を提供する。 【解決手段】 炭素繊維にマトリックス結合材を含浸し
て複合成形し、非酸化性雰囲気下で焼成炭化して得られ
たＣＣ複合体を基材とし、該ＣＣ基材の空隙中に減圧Ｃ
ＶＤまたはパルスＣＶＩにより熱分解炭素を基材の気孔
径0.5 〜30μm の気孔容量の75〜90％に析出充填する第
１緻密化処理、次いでマトリックス樹脂液を含浸して硬
化し、非酸化性雰囲気下で焼成炭化し基材の気孔径10〜
300 の気孔量の60〜70％を充填する第２緻密化処理、更
に減圧ＣＶＤまたはパルスＣＶＩにより熱分解炭素を基
材の気孔径の0.5 〜30μm の気孔量の80〜95％に析出充
填する第３緻密化処理、を順次に施し、かつ、第１緻密
化処理および第３緻密化処理における減圧ＣＶＤまたは
パルスＣＶＩを施す際に、ＣＣ基材を減圧ＣＶＤまたは
パルスＣＶＩ反応装置の基材受台との間に１〜５mmの間
隔を設けてセットすることを特徴とするＣＣ材の製造方
法。
填して緻密化処理することにより高密度、高強度の材質
性状を備えたＣＣ材の製造方法を提供する。 【解決手段】 炭素繊維にマトリックス結合材を含浸し
て複合成形し、非酸化性雰囲気下で焼成炭化して得られ
たＣＣ複合体を基材とし、該ＣＣ基材の空隙中に減圧Ｃ
ＶＤまたはパルスＣＶＩにより熱分解炭素を基材の気孔
径0.5 〜30μm の気孔容量の75〜90％に析出充填する第
１緻密化処理、次いでマトリックス樹脂液を含浸して硬
化し、非酸化性雰囲気下で焼成炭化し基材の気孔径10〜
300 の気孔量の60〜70％を充填する第２緻密化処理、更
に減圧ＣＶＤまたはパルスＣＶＩにより熱分解炭素を基
材の気孔径の0.5 〜30μm の気孔量の80〜95％に析出充
填する第３緻密化処理、を順次に施し、かつ、第１緻密
化処理および第３緻密化処理における減圧ＣＶＤまたは
パルスＣＶＩを施す際に、ＣＣ基材を減圧ＣＶＤまたは
パルスＣＶＩ反応装置の基材受台との間に１〜５mmの間
隔を設けてセットすることを特徴とするＣＣ材の製造方
法。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、緻密な材質組織を
有し、高密度、高強度の材質性状を備える炭素繊維強化
炭素複合材（以下「ＣＣ材」ともいう）の製造方法に関
する。
有し、高密度、高強度の材質性状を備える炭素繊維強化
炭素複合材（以下「ＣＣ材」ともいう）の製造方法に関
する。
【０００２】
【従来の技術】ＣＣ材は、炭素繊維の複合化による卓越
した比強度、比弾性率を有するうえに炭素材特有の軽量
性と優れた耐熱性および化学的安定性を備えているた
め、航空・宇宙機用の構造材料をはじめホットプレス用
ダイス、高温炉用部材など高温苛酷な条件下で使用され
る用途分野で有用されている。このＣＣ材を製造する代
表的な技術としては、 (1)マトリックス結合材を含浸し
た炭素繊維の織布を積層し、プレス等で所定形状に圧縮
成形したのちプリプレグ成形体を非酸化性雰囲気下で焼
成炭化処理する方法、 (2)マトリックス結合材に浸した
炭素繊維のトウをフィラメントワインディング法で所定
形状に成形し、このプリプレグ成形体を同様に焼成炭化
処理する方法、 (3)炭素繊維のプリフォーム組織中にＣ
ＶＤ（化学的気相蒸着法）を用いて炭素を沈着させる方
法等が知られている。
した比強度、比弾性率を有するうえに炭素材特有の軽量
性と優れた耐熱性および化学的安定性を備えているた
め、航空・宇宙機用の構造材料をはじめホットプレス用
ダイス、高温炉用部材など高温苛酷な条件下で使用され
る用途分野で有用されている。このＣＣ材を製造する代
表的な技術としては、 (1)マトリックス結合材を含浸し
た炭素繊維の織布を積層し、プレス等で所定形状に圧縮
成形したのちプリプレグ成形体を非酸化性雰囲気下で焼
成炭化処理する方法、 (2)マトリックス結合材に浸した
炭素繊維のトウをフィラメントワインディング法で所定
形状に成形し、このプリプレグ成形体を同様に焼成炭化
処理する方法、 (3)炭素繊維のプリフォーム組織中にＣ
ＶＤ（化学的気相蒸着法）を用いて炭素を沈着させる方
法等が知られている。
【０００３】このうち、大型のＣＣ材を得るためには
(1)の方法が工業的手段として最も実用性に優れてい
る。しかしながら、 (1)の方法を採る場合には圧縮成形
時に相当量のマトリックス結合材が外部に圧出したり、
プリプレグ成形体を焼成炭化する過程でマトリックス結
合材に含まれる揮発性成分が揮散する等の現象が起こる
ために、得られるＣＣ材の材質組織は低密度、低強度な
ものとなりやすい。そこでＣＣ材の材質組織の空隙中に
炭化性のフェノール樹脂やフラン樹脂などのバインダー
樹脂あるいは石炭系や石油系のピッチを強制含浸したの
ち焼成する二次的な緻密化処理が一般に行われている。
(1)の方法が工業的手段として最も実用性に優れてい
る。しかしながら、 (1)の方法を採る場合には圧縮成形
時に相当量のマトリックス結合材が外部に圧出したり、
プリプレグ成形体を焼成炭化する過程でマトリックス結
合材に含まれる揮発性成分が揮散する等の現象が起こる
ために、得られるＣＣ材の材質組織は低密度、低強度な
ものとなりやすい。そこでＣＣ材の材質組織の空隙中に
炭化性のフェノール樹脂やフラン樹脂などのバインダー
樹脂あるいは石炭系や石油系のピッチを強制含浸したの
ち焼成する二次的な緻密化処理が一般に行われている。
【０００４】例えば、特開平２−２８３６６６号公報に
は二次元乃至三次元に配向させたピッチ系の炭素繊維に
コールタールピッチ及び／又は石油系ピッチを含浸さ
せ、次いで含浸させた状態で炭化処理を施し、次いでこ
の処理材に２０００〜３０００℃で黒鉛化処理を施し、
次いで緻密化処理として、黒鉛化されたものに軟化点が
１５０〜２５０℃で実質的にキノリン不溶分を含まない
コールタールピッチ及び／又は石油系ピッチを含浸さ
せ、続いて炭化−黒鉛化処理を施す工程を所望の密度に
なるまで繰り返すＣＣ材の製造方法が、また特開平５−
１３９８３２号公報には軟化点が２００〜３００℃の光
学的等方性コールタールピッチを１０〜６０重量％含む
熱硬化性樹脂との混合物を炭素繊維に含浸させプリプレ
グをつくり、これを成形し次いで炭化処理を行って得ら
れた一次焼成体に、実質的にキノリン不溶分を含まず軟
化点が１５０〜２５０℃の高軟化点ピッチを含浸させ、
引き続き空気中で２００〜３５０℃で不融化した後、不
活性雰囲気下で炭化−黒鉛化処理を行う工程を、嵩密度
が１．６g/cc以上になるまで繰り返す炭素材料の製造方
法が提案されている。
は二次元乃至三次元に配向させたピッチ系の炭素繊維に
コールタールピッチ及び／又は石油系ピッチを含浸さ
せ、次いで含浸させた状態で炭化処理を施し、次いでこ
の処理材に２０００〜３０００℃で黒鉛化処理を施し、
次いで緻密化処理として、黒鉛化されたものに軟化点が
１５０〜２５０℃で実質的にキノリン不溶分を含まない
コールタールピッチ及び／又は石油系ピッチを含浸さ
せ、続いて炭化−黒鉛化処理を施す工程を所望の密度に
なるまで繰り返すＣＣ材の製造方法が、また特開平５−
１３９８３２号公報には軟化点が２００〜３００℃の光
学的等方性コールタールピッチを１０〜６０重量％含む
熱硬化性樹脂との混合物を炭素繊維に含浸させプリプレ
グをつくり、これを成形し次いで炭化処理を行って得ら
れた一次焼成体に、実質的にキノリン不溶分を含まず軟
化点が１５０〜２５０℃の高軟化点ピッチを含浸させ、
引き続き空気中で２００〜３５０℃で不融化した後、不
活性雰囲気下で炭化−黒鉛化処理を行う工程を、嵩密度
が１．６g/cc以上になるまで繰り返す炭素材料の製造方
法が提案されている。
【０００５】また、本出願人は炭素繊維を残炭率４５％
以上の熱硬化性樹脂液からなるマトリックス結合材とと
もに複合成形したのち非酸化性雰囲気下で１４００〜１
７００℃の温度範囲により炭化処理して気孔率１％以下
の一次焼成体を形成し、該一次焼成体に残炭率４５％以
上の熱硬化性樹脂液を含浸硬化し、ついで非酸化性雰囲
気下で２０００℃以上の温度域で加熱処理するＣＣ材の
製造方法（特開平５−229868号公報）を開発、提案し
た。
以上の熱硬化性樹脂液からなるマトリックス結合材とと
もに複合成形したのち非酸化性雰囲気下で１４００〜１
７００℃の温度範囲により炭化処理して気孔率１％以下
の一次焼成体を形成し、該一次焼成体に残炭率４５％以
上の熱硬化性樹脂液を含浸硬化し、ついで非酸化性雰囲
気下で２０００℃以上の温度域で加熱処理するＣＣ材の
製造方法（特開平５−229868号公報）を開発、提案し
た。
【０００６】更に、本出願人は高密度で強度特性に優れ
たＣＣ材の製造方法として、炭素繊維にマトリックス結
合材を含浸して複合成形したのち非酸化性雰囲気下で焼
成炭化して得られたＣＣ複合体を基材とし、該ＣＣ基材
にピッチを含浸し非酸化性雰囲気下８００〜１２００℃
で焼成炭化する処理を複数回反復して材質の嵩密度を
１．１〜１．５g/ccにする第１緻密化工程と、次いで熱
硬化性樹脂液を含浸硬化し非酸化性雰囲気下８００〜１
２００℃で焼成炭化する処理を複数回反復して材質の嵩
密度を１．６g/cc以上にする第２緻密化工程を、順次に
施すＣＣ材の製造方法（特開平８−245273号公報）を提
案した。
たＣＣ材の製造方法として、炭素繊維にマトリックス結
合材を含浸して複合成形したのち非酸化性雰囲気下で焼
成炭化して得られたＣＣ複合体を基材とし、該ＣＣ基材
にピッチを含浸し非酸化性雰囲気下８００〜１２００℃
で焼成炭化する処理を複数回反復して材質の嵩密度を
１．１〜１．５g/ccにする第１緻密化工程と、次いで熱
硬化性樹脂液を含浸硬化し非酸化性雰囲気下８００〜１
２００℃で焼成炭化する処理を複数回反復して材質の嵩
密度を１．６g/cc以上にする第２緻密化工程を、順次に
施すＣＣ材の製造方法（特開平８−245273号公報）を提
案した。
【０００７】また、ＣＶＤ（Chemical Vapor Depositio
n : 化学的気相蒸着法）やＣＶＩ（Chemical Vapor Inf
iltration : 化学的気相浸透法）等により炭素を沈着さ
せて緻密化を図る方法も開発されており、例えば特開平
１−２１２２７７号公報には炭素繊維成形体１０〜７０
Vol％および炭素質マトリックス５〜８０ Vol％から構
成され、かつ空隙率が１０〜５５％であるＣＣ材料の空
隙部に気相熱分解により炭素を沈積充填し、続いてこの
充填物の表面に気相熱分解により炭素を沈積被覆するＣ
Ｃ材の製造法が、特開平８−２９７６号公報には炭素繊
維で作られた成形体に、メタンと水素の混合ガスを、温
度を１２００〜１３００℃、メタンと水素の混合ガスの
全圧を２０〜８０Torr、メタンの分圧を１０〜３２．５
Torrとして気相浸透法による熱分解炭素を沈積させるよ
うにしたＣＣ材の製造方法が開示されている。
n : 化学的気相蒸着法）やＣＶＩ（Chemical Vapor Inf
iltration : 化学的気相浸透法）等により炭素を沈着さ
せて緻密化を図る方法も開発されており、例えば特開平
１−２１２２７７号公報には炭素繊維成形体１０〜７０
Vol％および炭素質マトリックス５〜８０ Vol％から構
成され、かつ空隙率が１０〜５５％であるＣＣ材料の空
隙部に気相熱分解により炭素を沈積充填し、続いてこの
充填物の表面に気相熱分解により炭素を沈積被覆するＣ
Ｃ材の製造法が、特開平８−２９７６号公報には炭素繊
維で作られた成形体に、メタンと水素の混合ガスを、温
度を１２００〜１３００℃、メタンと水素の混合ガスの
全圧を２０〜８０Torr、メタンの分圧を１０〜３２．５
Torrとして気相浸透法による熱分解炭素を沈積させるよ
うにしたＣＣ材の製造方法が開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、ＣＶＤやＣ
ＶＩにより気相析出した熱分解炭素をＣＣ材の空隙中に
充填して緻密化する方法について更に検討を進めた結果
開発に至ったもので、その目的はＣＣ材の空隙に熱分解
炭素を効率よく析出充填して緻密化処理することによ
り、高密度、高強度のＣＣ材の製造方法を提供すること
にある。
ＶＩにより気相析出した熱分解炭素をＣＣ材の空隙中に
充填して緻密化する方法について更に検討を進めた結果
開発に至ったもので、その目的はＣＣ材の空隙に熱分解
炭素を効率よく析出充填して緻密化処理することによ
り、高密度、高強度のＣＣ材の製造方法を提供すること
にある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明による炭素繊維強化炭素複合材の製造方法
は、炭素繊維にマトリックス結合材を含浸して複合成形
し、非酸化性雰囲気下で焼成炭化して得られたＣＣ複合
体を基材とし、該ＣＣ基材の空隙中に減圧ＣＶＤまたは
パルスＣＶＩにより熱分解炭素を基材の気孔径０．５〜
３０μm の気孔容量の７５〜９０％に析出充填する第１
緻密化処理、次いでマトリックス樹脂液を含浸して硬化
し、非酸化性雰囲気下で焼成炭化し基材の気孔径１０〜
３００μmの気孔容量の６０〜７０％を充填する第２緻
密化処理、更に減圧ＣＶＤまたはパルスＣＶＩにより熱
分解炭素を基材の気孔径０．５〜３０μm の気孔容量の
８０〜９５％に析出充填する第３緻密化処理、を順次に
施し、かつ、第１緻密化処理および第３緻密化処理にお
ける減圧ＣＶＤまたはパルスＣＶＩを施す際に、ＣＣ基
材を減圧ＣＶＤまたはパルスＣＶＩ反応装置の基材受台
との間に１〜５mmの間隔を設けてセットすることを構成
上の特徴とする。
めの本発明による炭素繊維強化炭素複合材の製造方法
は、炭素繊維にマトリックス結合材を含浸して複合成形
し、非酸化性雰囲気下で焼成炭化して得られたＣＣ複合
体を基材とし、該ＣＣ基材の空隙中に減圧ＣＶＤまたは
パルスＣＶＩにより熱分解炭素を基材の気孔径０．５〜
３０μm の気孔容量の７５〜９０％に析出充填する第１
緻密化処理、次いでマトリックス樹脂液を含浸して硬化
し、非酸化性雰囲気下で焼成炭化し基材の気孔径１０〜
３００μmの気孔容量の６０〜７０％を充填する第２緻
密化処理、更に減圧ＣＶＤまたはパルスＣＶＩにより熱
分解炭素を基材の気孔径０．５〜３０μm の気孔容量の
８０〜９５％に析出充填する第３緻密化処理、を順次に
施し、かつ、第１緻密化処理および第３緻密化処理にお
ける減圧ＣＶＤまたはパルスＣＶＩを施す際に、ＣＣ基
材を減圧ＣＶＤまたはパルスＣＶＩ反応装置の基材受台
との間に１〜５mmの間隔を設けてセットすることを構成
上の特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】本発明において強化材となる炭素
繊維としては、ポリアクリロニトリル系、レーヨン系、
ピッチ系等の各種原料から製造された平織、朱子織、綾
織などの織布を一次元または多次元方向に配向した繊維
体、フエルト、トウ等が使用される。また、マトリック
ス結合材には、例えば、フェノール系、フラン系等の残
炭率が５０重量％以上の熱硬化性樹脂液あるいは石炭系
や石油系のピッチ等が好適に用いられる。
繊維としては、ポリアクリロニトリル系、レーヨン系、
ピッチ系等の各種原料から製造された平織、朱子織、綾
織などの織布を一次元または多次元方向に配向した繊維
体、フエルト、トウ等が使用される。また、マトリック
ス結合材には、例えば、フェノール系、フラン系等の残
炭率が５０重量％以上の熱硬化性樹脂液あるいは石炭系
や石油系のピッチ等が好適に用いられる。
【００１１】炭素繊維をマトリックス結合材に浸漬また
は塗布することにより、炭素繊維にマトリックス結合材
を含浸し、その表面を結合材で充分に濡らしたのち半硬
化してプリプレグを形成し、ついで積層加圧成形して複
合成形体を作製する。なお、この複合時に、炭素繊維量
がＣＣ複合体とした場合の繊維体積含有率(Vf)として５
０〜７０％になるように予め設定することが強度確保の
面から望ましい。
は塗布することにより、炭素繊維にマトリックス結合材
を含浸し、その表面を結合材で充分に濡らしたのち半硬
化してプリプレグを形成し、ついで積層加圧成形して複
合成形体を作製する。なお、この複合時に、炭素繊維量
がＣＣ複合体とした場合の繊維体積含有率(Vf)として５
０〜７０％になるように予め設定することが強度確保の
面から望ましい。
【００１２】複合成形体は樹脂成分等を加熱硬化したの
ち、常法により非酸化性雰囲気に保持された炭化炉中で
焼成炭化することによりＣＣ複合体が得られる。炭化炉
としては、コークス粉のような炭素質パッキング材で被
包しながら焼成炭化する形式のリードハンマー炉や系内
を窒素、アルゴン等の非酸化性ガスで保持された電気炉
等が用いられ、焼成炭化は通常８００℃以上の温度で行
われる。
ち、常法により非酸化性雰囲気に保持された炭化炉中で
焼成炭化することによりＣＣ複合体が得られる。炭化炉
としては、コークス粉のような炭素質パッキング材で被
包しながら焼成炭化する形式のリードハンマー炉や系内
を窒素、アルゴン等の非酸化性ガスで保持された電気炉
等が用いられ、焼成炭化は通常８００℃以上の温度で行
われる。
【００１３】本発明は、このようにして得られたＣＣ複
合体を基材として、このＣＣ基材は０．１〜３００μm
の気孔があり、気孔率は１３〜１８％である。該ＣＣ複
合体基材の空隙に第１緻密化処理、第２緻密化処理およ
び第３緻密化処理の緻密化処理を順次に施すことを特徴
とするものである。
合体を基材として、このＣＣ基材は０．１〜３００μm
の気孔があり、気孔率は１３〜１８％である。該ＣＣ複
合体基材の空隙に第１緻密化処理、第２緻密化処理およ
び第３緻密化処理の緻密化処理を順次に施すことを特徴
とするものである。
【００１４】第１緻密化処理はＣＣ基材の空隙の気孔径
０．５〜３０μm の気孔中を主に減圧ＣＶＤ（Chemical
Vapor Deposi-tion :化学的気相蒸着法）またはパルス
ＣＶＩ（Chemical Vapor Infiltration : 化学的気相浸
透法）により熱分解炭素を析出充填させる工程である。
減圧ＣＶＤは反応系内を数十〜数mmHgに減圧してＣＣ基
材の空隙内に存在する気体を排出したうえで原料ガスを
導入してＣＶＤ反応を行う方法であり、パルスＣＶＩは
反応系内の真空排気、原料ガスの瞬間導入、原料ガスの
保持分解、を短周期の減圧、昇圧下で間欠的に繰り返し
行う方法である。気相熱分解反応により炭素を析出させ
る原料ガスとしてはメタン、プロパン、プロピレン、ベ
ンゼン等の易熱分解性の炭化水素ガスを用いることが好
ましい。
０．５〜３０μm の気孔中を主に減圧ＣＶＤ（Chemical
Vapor Deposi-tion :化学的気相蒸着法）またはパルス
ＣＶＩ（Chemical Vapor Infiltration : 化学的気相浸
透法）により熱分解炭素を析出充填させる工程である。
減圧ＣＶＤは反応系内を数十〜数mmHgに減圧してＣＣ基
材の空隙内に存在する気体を排出したうえで原料ガスを
導入してＣＶＤ反応を行う方法であり、パルスＣＶＩは
反応系内の真空排気、原料ガスの瞬間導入、原料ガスの
保持分解、を短周期の減圧、昇圧下で間欠的に繰り返し
行う方法である。気相熱分解反応により炭素を析出させ
る原料ガスとしてはメタン、プロパン、プロピレン、ベ
ンゼン等の易熱分解性の炭化水素ガスを用いることが好
ましい。
【００１５】ＣＶＤ反応およびＣＶＩ反応は、反応装置
の基材受台にＣＣ基材を載置して加熱し、供給した原料
ガスを熱分解して炭素を析出させるものである。熱分解
温度は原料ガスの種類によって異なるが、概ね９００〜
１３００℃に加熱して熱分解反応させる。この熱分解時
に、ＣＣ基材には温度分布が生じ易く、特にＣＣ基材の
表面温度が基材内部の温度より高くなる傾向がある。こ
のような場合にはＣＣ基材の表面部に炭素が析出し易く
なり、空隙部の入口付近に熱分解炭素が析出することと
なる。その結果、空隙部の内部に炭素が充填される前に
空隙の入口部に熱分解炭素が堆積することとなり、空隙
部の中に熱分解炭素を効率よく析出充填することが困難
となる。
の基材受台にＣＣ基材を載置して加熱し、供給した原料
ガスを熱分解して炭素を析出させるものである。熱分解
温度は原料ガスの種類によって異なるが、概ね９００〜
１３００℃に加熱して熱分解反応させる。この熱分解時
に、ＣＣ基材には温度分布が生じ易く、特にＣＣ基材の
表面温度が基材内部の温度より高くなる傾向がある。こ
のような場合にはＣＣ基材の表面部に炭素が析出し易く
なり、空隙部の入口付近に熱分解炭素が析出することと
なる。その結果、空隙部の内部に炭素が充填される前に
空隙の入口部に熱分解炭素が堆積することとなり、空隙
部の中に熱分解炭素を効率よく析出充填することが困難
となる。
【００１６】そこで、本発明では減圧ＣＶＤあるいはパ
ルスＣＶＩにより原料ガスを分解するとともに、ＣＣ基
材を減圧ＣＶＤあるいはパルスＣＶＩ反応装置の基材受
台に載置する際に、ＣＣ基材と基材受台との間に１〜５
mmの間隔を設けてセットすることによりＣＣ基材内部の
温度分布の緩和および充填速度向上を図るものである。
その結果ＣＣ基材の表面部と内部との温度差が小さくな
って温度分布が均等化し、ＣＣ基材の表面部における熱
分解炭素の析出を抑制することができ、空隙部の深部に
まで熱分解炭素を短時間に析出充填することが可能とな
る。なお、間隔が１mm未満では温度分布の均等化が充分
でなく、一方５mmを越えると熱効率が低下するうえに温
度分布の向上効果が認められないためである。
ルスＣＶＩにより原料ガスを分解するとともに、ＣＣ基
材を減圧ＣＶＤあるいはパルスＣＶＩ反応装置の基材受
台に載置する際に、ＣＣ基材と基材受台との間に１〜５
mmの間隔を設けてセットすることによりＣＣ基材内部の
温度分布の緩和および充填速度向上を図るものである。
その結果ＣＣ基材の表面部と内部との温度差が小さくな
って温度分布が均等化し、ＣＣ基材の表面部における熱
分解炭素の析出を抑制することができ、空隙部の深部に
まで熱分解炭素を短時間に析出充填することが可能とな
る。なお、間隔が１mm未満では温度分布の均等化が充分
でなく、一方５mmを越えると熱効率が低下するうえに温
度分布の向上効果が認められないためである。
【００１７】第２緻密化処理は、第１緻密化処理を施し
たＣＣ基材にマトリックス樹脂液を含浸して硬化し、非
酸化性雰囲気下で焼成炭化する処理である。この処理に
よりＣＣ基材の空隙１０〜３００μm の気孔内部に樹脂
液が入り炭化され、ＣＣ基材の持つ空隙の１０〜３００
μm の気孔が主に充填されることとなる。マトリックス
樹脂液にはフェノール樹脂、フラン樹脂、エポキシ樹脂
等の熱硬化性樹脂の初期縮合物が用いられ、これらのマ
トリックス樹脂液に浸漬または塗布することにより含浸
することができるが、加圧含浸により含浸することが好
ましい。例えば第１緻密化処理を施したＣＣ基材にマト
リックス樹脂液を５〜１５kg/cm2の圧力で加圧含浸し、
次いで加熱硬化したのち非酸化性雰囲気下で８００℃以
上、好ましくは８００〜２０００℃の温度に加熱して樹
脂成分を焼成炭化する。
たＣＣ基材にマトリックス樹脂液を含浸して硬化し、非
酸化性雰囲気下で焼成炭化する処理である。この処理に
よりＣＣ基材の空隙１０〜３００μm の気孔内部に樹脂
液が入り炭化され、ＣＣ基材の持つ空隙の１０〜３００
μm の気孔が主に充填されることとなる。マトリックス
樹脂液にはフェノール樹脂、フラン樹脂、エポキシ樹脂
等の熱硬化性樹脂の初期縮合物が用いられ、これらのマ
トリックス樹脂液に浸漬または塗布することにより含浸
することができるが、加圧含浸により含浸することが好
ましい。例えば第１緻密化処理を施したＣＣ基材にマト
リックス樹脂液を５〜１５kg/cm2の圧力で加圧含浸し、
次いで加熱硬化したのち非酸化性雰囲気下で８００℃以
上、好ましくは８００〜２０００℃の温度に加熱して樹
脂成分を焼成炭化する。
【００１８】この第２緻密化処理により、第１緻密化処
理時に充填されなかった空隙部の細孔部などに浸透した
マトリックス樹脂液が炭化し、細孔部に充填され緻密化
が図られる。しかしながら、樹脂成分の加熱硬化および
焼成炭化時に縮合水やガスの放出が起こるために新たな
微細空隙が発生することとなる。
理時に充填されなかった空隙部の細孔部などに浸透した
マトリックス樹脂液が炭化し、細孔部に充填され緻密化
が図られる。しかしながら、樹脂成分の加熱硬化および
焼成炭化時に縮合水やガスの放出が起こるために新たな
微細空隙が発生することとなる。
【００１９】第３緻密化処理は、これらの微細空隙部
（気孔径０．５〜３００μm の気孔のうち気孔径０．５
〜３０μm の気孔）を効率的に熱分解炭素を析出充填さ
せることにより緻密化を図るものである。第３緻密化処
理は第１緻密化処理と同一の方法で行うことができ、減
圧ＣＶＤまたはパルスＣＶＩにより微細空隙部に熱分解
炭素を析出充填して緻密化が図られる。
（気孔径０．５〜３００μm の気孔のうち気孔径０．５
〜３０μm の気孔）を効率的に熱分解炭素を析出充填さ
せることにより緻密化を図るものである。第３緻密化処
理は第１緻密化処理と同一の方法で行うことができ、減
圧ＣＶＤまたはパルスＣＶＩにより微細空隙部に熱分解
炭素を析出充填して緻密化が図られる。
【００２０】このようにしてＣＣ基材の空隙部が熱分解
炭素によって充填され、材質組織が緻密化し、高密度、
高強度の材質性状を備えたＣＣ材を製造することができ
る。なお、このようにして製造されたＣＣ材は、ハロゲ
ンガスによる高純度化処理も行うことができ、また必要
に応じて表面に耐酸化コーティングを施すこともでき
る。
炭素によって充填され、材質組織が緻密化し、高密度、
高強度の材質性状を備えたＣＣ材を製造することができ
る。なお、このようにして製造されたＣＣ材は、ハロゲ
ンガスによる高純度化処理も行うことができ、また必要
に応じて表面に耐酸化コーティングを施すこともでき
る。
【００２１】
【実施例】以下、本発明の実施例を比較例と対比して説
明する。
明する。
【００２２】実施例１ (1)ＣＣ基材の作製：ポリアクリロニトリル系高強度高
弾性タイプの平織炭素繊維織布にマトリックス結合材と
してフェノール樹脂初期縮合物を塗布して十分に含浸さ
せ、４８時間風乾してプリプレグシートを作成した。こ
のプリプレグシートを積層してモールドに入れ、温度１
１０℃、圧力２０kg/cm2の熱圧条件で複合成形したの
ち、２５０℃の温度に加熱して樹脂成分を硬化した。次
いで、窒素ガス雰囲気に保持された焼成炉内に移し、５
℃／hrの昇温速度で１０００℃に加熱し、５時間保持し
て焼成炭化した。このようにして、１００×１００×５
mmのＣＣ基材を作製した。得られたＣＣ基材の炭素繊維
体積含有率(Vf)は６５％、嵩密度は１．３３g/cc、気孔
率１５．７％、０．５〜３０μm の気孔容量１９mm3/g
、３０〜３００μmの気孔容量９９mm3/g であった。
弾性タイプの平織炭素繊維織布にマトリックス結合材と
してフェノール樹脂初期縮合物を塗布して十分に含浸さ
せ、４８時間風乾してプリプレグシートを作成した。こ
のプリプレグシートを積層してモールドに入れ、温度１
１０℃、圧力２０kg/cm2の熱圧条件で複合成形したの
ち、２５０℃の温度に加熱して樹脂成分を硬化した。次
いで、窒素ガス雰囲気に保持された焼成炉内に移し、５
℃／hrの昇温速度で１０００℃に加熱し、５時間保持し
て焼成炭化した。このようにして、１００×１００×５
mmのＣＣ基材を作製した。得られたＣＣ基材の炭素繊維
体積含有率(Vf)は６５％、嵩密度は１．３３g/cc、気孔
率１５．７％、０．５〜３０μm の気孔容量１９mm3/g
、３０〜３００μmの気孔容量９９mm3/g であった。
【００２３】(2)第１緻密化処理：高周波誘導加熱方式
の減圧ＣＶＤ装置の反応炉内の基材受台に、上記のＣＣ
基材を２mmの間隔を設けてセットした。原料ガスとして
プロパンを用い、系内を真空引きして、炉内圧力５０To
rrの減圧下に、温度１０５０℃の条件で２０時間反応さ
せ、熱分解炭素を析出させてＣ／Ｃ基材の空隙中に充填
した。熱分解炭素が０．５〜３０μm の気孔を主に充填
し、嵩密度１．４１g/cc、気孔率１０．６％、０．５〜
３０μm の気孔容量３mm3/g 、３０〜３００μm の気孔
容量８７mm3/g であった。
の減圧ＣＶＤ装置の反応炉内の基材受台に、上記のＣＣ
基材を２mmの間隔を設けてセットした。原料ガスとして
プロパンを用い、系内を真空引きして、炉内圧力５０To
rrの減圧下に、温度１０５０℃の条件で２０時間反応さ
せ、熱分解炭素を析出させてＣ／Ｃ基材の空隙中に充填
した。熱分解炭素が０．５〜３０μm の気孔を主に充填
し、嵩密度１．４１g/cc、気孔率１０．６％、０．５〜
３０μm の気孔容量３mm3/g 、３０〜３００μm の気孔
容量８７mm3/g であった。
【００２４】(3)第２緻密化処理：第１緻密化処理を施
した上記のＣＣ基材をフェノール樹脂初期縮合物中に浸
漬し、常温で系内を８kg/cm2に加圧してフェノール樹脂
初期縮合物を含浸したのち、２５０℃に加熱して樹脂を
硬化した。次いで窒素ガス雰囲気に保持された焼成炉に
入れ、５℃／hrの昇温速度で２０００℃の温度に加熱
し、５時間保持して焼成炭化した。得られたＣＣ複合材
は０．５〜３０μm の気孔容量１９mm3/g 、３０〜３０
０μm の気孔容量２８mm3/g であった。
した上記のＣＣ基材をフェノール樹脂初期縮合物中に浸
漬し、常温で系内を８kg/cm2に加圧してフェノール樹脂
初期縮合物を含浸したのち、２５０℃に加熱して樹脂を
硬化した。次いで窒素ガス雰囲気に保持された焼成炉に
入れ、５℃／hrの昇温速度で２０００℃の温度に加熱
し、５時間保持して焼成炭化した。得られたＣＣ複合材
は０．５〜３０μm の気孔容量１９mm3/g 、３０〜３０
０μm の気孔容量２８mm3/g であった。
【００２５】(4)第３緻密化処理：第１緻密化処理と同
一の処理を施した。すなわち、高周波誘導加熱方式の減
圧ＣＶＤ装置の反応炉内の基材受台に２mmの間隔を設け
て第２緻密化処理を施したＣＣ基材をセットした。原料
ガスとしてプロパンを用い、炉内圧力５０Torr、温度１
０５０℃で４０時間反応させた。得られたＣＣ複合材は
嵩密度１．７５g/cc、気孔率２．５％、０．５〜３０μ
m の気孔容量３mm3/g 、３０〜３００μm の気孔容量１
１mm3/g であった。
一の処理を施した。すなわち、高周波誘導加熱方式の減
圧ＣＶＤ装置の反応炉内の基材受台に２mmの間隔を設け
て第２緻密化処理を施したＣＣ基材をセットした。原料
ガスとしてプロパンを用い、炉内圧力５０Torr、温度１
０５０℃で４０時間反応させた。得られたＣＣ複合材は
嵩密度１．７５g/cc、気孔率２．５％、０．５〜３０μ
m の気孔容量３mm3/g 、３０〜３００μm の気孔容量１
１mm3/g であった。
【００２６】実施例２〜５、比較例１〜２ 実施例１と同じ方法により作成したＣＣ基材を用いて、
第１緻密化処理および第３緻密化処理を施す際に基材受
台との間隔を変えて減圧ＣＶＤ反応装置の基材受台にセ
ットし、また熱分解温度を変えて緻密化処理を施した。
なお、第２緻密化処理は全て実施例１と同じ方法で行っ
た。
第１緻密化処理および第３緻密化処理を施す際に基材受
台との間隔を変えて減圧ＣＶＤ反応装置の基材受台にセ
ットし、また熱分解温度を変えて緻密化処理を施した。
なお、第２緻密化処理は全て実施例１と同じ方法で行っ
た。
【００２７】比較例３ 実施例１と同じ方法により作成したＣＣ基材を用いて、
第３緻密化処理を施さないほかは、実施例１と同じ方法
で緻密化処理を施した。
第３緻密化処理を施さないほかは、実施例１と同じ方法
で緻密化処理を施した。
【００２８】比較例４ 実施例１と同じ方法により作成したＣＣ基材を用いて、
第１緻密化処理を施さないほかは、実施例１と同じ方法
で緻密化処理を施した。
第１緻密化処理を施さないほかは、実施例１と同じ方法
で緻密化処理を施した。
【００２９】得られたＣＣ材について、嵩密度、３点曲
げ強度および気孔率を測定し、第１緻密化処理、第３緻
密化処理条件と対比して表１に、また各緻密化処理によ
り気孔が充填されて気孔容量が変化する推移を表２に示
した。なお、３点曲げ強度は長さ１５０mm、幅１２．５
mm、厚さ４mmの試験片を支点間距離６４mm、クロスヘッ
ドスピード６mm/min、その他の条件はＡＳＴＭ Ｄ７９
０に準じて試験した。
げ強度および気孔率を測定し、第１緻密化処理、第３緻
密化処理条件と対比して表１に、また各緻密化処理によ
り気孔が充填されて気孔容量が変化する推移を表２に示
した。なお、３点曲げ強度は長さ１５０mm、幅１２．５
mm、厚さ４mmの試験片を支点間距離６４mm、クロスヘッ
ドスピード６mm/min、その他の条件はＡＳＴＭ Ｄ７９
０に準じて試験した。
【００３０】
【表１】
【００３１】
【表２】
【００３２】表１の結果から、本発明の製造方法により
製造された実施例１〜５のＣＣ材は本発明の製造要件を
外れる製造方法により製造された比較例１〜４のＣＣ材
に比べて、いずれも３点曲げ強度が高く、嵩密度も大き
く、気孔率も低いことが判る。また、実施例１の第３緻
密化処理を省いた比較例３、同じく実施例１の緻密化処
理を行わなかった比較例４のＣＣ材は、ＣＣ基材との間
隔を２mmにセットしたにも関わらず３点曲げ強度、嵩密
度とも低位にあることが判明する。また、表２の結果か
ら、本発明の製造方法により製造された実施例１〜５の
ＣＣ材は、第１緻密化処理工程および第３緻密化処理工
程により気孔径０．５〜３０μm の気孔に効率よく充填
され、第２緻密化処理工程により気孔径３０〜３００μ
m の気孔が効率よく充填されていることが判明する。
製造された実施例１〜５のＣＣ材は本発明の製造要件を
外れる製造方法により製造された比較例１〜４のＣＣ材
に比べて、いずれも３点曲げ強度が高く、嵩密度も大き
く、気孔率も低いことが判る。また、実施例１の第３緻
密化処理を省いた比較例３、同じく実施例１の緻密化処
理を行わなかった比較例４のＣＣ材は、ＣＣ基材との間
隔を２mmにセットしたにも関わらず３点曲げ強度、嵩密
度とも低位にあることが判明する。また、表２の結果か
ら、本発明の製造方法により製造された実施例１〜５の
ＣＣ材は、第１緻密化処理工程および第３緻密化処理工
程により気孔径０．５〜３０μm の気孔に効率よく充填
され、第２緻密化処理工程により気孔径３０〜３００μ
m の気孔が効率よく充填されていることが判明する。
【００３３】
【発明の効果】以上のとおり、本発明によれば特定の条
件下に第１緻密化処理、第２緻密化処理および第３緻密
化処理の３段階の緻密化処理を施すことにより、ＣＣ材
の空隙中に熱分解炭素を効果的に析出充填させることが
できる。したがって、材質組織が緻密で、高強度、高密
度のＣＣ材の製造方法として極めて有用である。
件下に第１緻密化処理、第２緻密化処理および第３緻密
化処理の３段階の緻密化処理を施すことにより、ＣＣ材
の空隙中に熱分解炭素を効果的に析出充填させることが
できる。したがって、材質組織が緻密で、高強度、高密
度のＣＣ材の製造方法として極めて有用である。
Claims (1)
- 【請求項１】 炭素繊維にマトリックス結合材を含浸し
て複合成形し、非酸化性雰囲気下で焼成炭化して得られ
たＣＣ複合体を基材とし、該ＣＣ基材の空隙中に減圧Ｃ
ＶＤまたはパルスＣＶＩにより熱分解炭素を基材の気孔
径０．５〜３０μm の気孔容量の７５〜９０％に析出充
填する第１緻密化処理、次いでマトリックス樹脂液を含
浸して硬化し、非酸化性雰囲気下で焼成炭化し基材の気
孔径１０〜３００μm の気孔容量の６０〜７０％を充填
する第２緻密化処理、更に減圧ＣＶＤまたはパルスＣＶ
Ｉにより熱分解炭素を基材の気孔径０．５〜３０μm の
気孔容量の８０〜９５％に析出充填する第３緻密化処
理、を順次に施し、かつ、第１緻密化処理および第３緻
密化処理における減圧ＣＶＤまたはパルスＣＶＩを施す
際に、ＣＣ基材を減圧ＣＶＤまたはパルスＣＶＩ反応装
置の基材受台との間に１〜５mmの間隔を設けてセットす
ることを特徴とする炭素繊維強化炭素複合材の製造方
法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10343936A JP2000169250A (ja) | 1998-12-03 | 1998-12-03 | 炭素繊維強化炭素複合材の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10343936A JP2000169250A (ja) | 1998-12-03 | 1998-12-03 | 炭素繊維強化炭素複合材の製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000169250A true JP2000169250A (ja) | 2000-06-20 |
Family
ID=18365396
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10343936A Pending JP2000169250A (ja) | 1998-12-03 | 1998-12-03 | 炭素繊維強化炭素複合材の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000169250A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010076429A (ja) * | 2008-07-21 | 2010-04-08 | Snecma Propulsion Solide | 熱構造複合材部品の製造方法およびそれによって得られる部品 |
| US8084079B2 (en) * | 2005-01-24 | 2011-12-27 | Snecma Propulsion Solide | Method for chemical infiltration in the gas phase for the densification of porous substrates with pyrolytic carbon |
-
1998
- 1998-12-03 JP JP10343936A patent/JP2000169250A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8084079B2 (en) * | 2005-01-24 | 2011-12-27 | Snecma Propulsion Solide | Method for chemical infiltration in the gas phase for the densification of porous substrates with pyrolytic carbon |
| JP2010076429A (ja) * | 2008-07-21 | 2010-04-08 | Snecma Propulsion Solide | 熱構造複合材部品の製造方法およびそれによって得られる部品 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
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|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20070104 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20070322 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20070703 |