JP2002145675A - 炭素繊維強化炭素材の製造方法 - Google Patents
炭素繊維強化炭素材の製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 炭素繊維プリフォームの空隙部に気相熱分解
法により析出した熱分解炭素を充填し、特に繊維束内の
各フィラメント間の微細空隙部に熱分解炭素を効率よく
充填させる、緻密組織のＣ／Ｃ材の製造方法を提供す
る。 【解決手段】 断面形状が非円形の炭素繊維フィラメン
トの繊維束を用いて所望形状の炭素繊維プリフォームに
成形し、次いで気相熱分解法により熱分解炭素を炭素繊
維プリフォームを形成する繊維束内のフィラメント間に
形成された微細空隙部および繊維束間の空隙部に析出
し、充填することを特徴とするＣ／Ｃ材の製造方法。炭
素繊維フィラメントの表面に膜厚１〜５μm の気相熱分
解炭素を析出し、被覆することが好ましい。
法により析出した熱分解炭素を充填し、特に繊維束内の
各フィラメント間の微細空隙部に熱分解炭素を効率よく
充填させる、緻密組織のＣ／Ｃ材の製造方法を提供す
る。 【解決手段】 断面形状が非円形の炭素繊維フィラメン
トの繊維束を用いて所望形状の炭素繊維プリフォームに
成形し、次いで気相熱分解法により熱分解炭素を炭素繊
維プリフォームを形成する繊維束内のフィラメント間に
形成された微細空隙部および繊維束間の空隙部に析出
し、充填することを特徴とするＣ／Ｃ材の製造方法。炭
素繊維フィラメントの表面に膜厚１〜５μm の気相熱分
解炭素を析出し、被覆することが好ましい。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、材質組織が緻密な
炭素繊維強化炭素材（以下、「Ｃ／Ｃ材」ともいう）の
製造方法に関する。
炭素繊維強化炭素材（以下、「Ｃ／Ｃ材」ともいう）の
製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】Ｃ／Ｃ材は、炭素繊維の複合化による卓
越した比強度、比弾性率を有し、特に１０００℃を超え
る高温においても比強度、比弾性率に優れ、また、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、高
温苛酷な条件下で使用される各種部材、例えばＣＺ法に
よる単結晶引上用のルツボ、ヒータ、炉材などの各種高
温用の部材として有用されている。
越した比強度、比弾性率を有し、特に１０００℃を超え
る高温においても比強度、比弾性率に優れ、また、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、高
温苛酷な条件下で使用される各種部材、例えばＣＺ法に
よる単結晶引上用のルツボ、ヒータ、炉材などの各種高
温用の部材として有用されている。
【０００３】このＣ／Ｃ材を製造する代表的な技術とし
ては、 (1)マトリックスとなる熱硬化性樹脂を含浸した
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)マトリックスとなる熱硬化性樹
脂に浸した炭素繊維の繊維束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)炭素繊維で形成した成
形体（炭素繊維プリフォーム）の空隙組織中に化学的気
相蒸着法（ＣＶＤ）や化学的気相浸透法（ＣＶＩ）など
の気相熱分解法により気相析出させた炭素を沈着、充填
させる方法、などが知られている。
ては、 (1)マトリックスとなる熱硬化性樹脂を含浸した
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)マトリックスとなる熱硬化性樹
脂に浸した炭素繊維の繊維束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)炭素繊維で形成した成
形体（炭素繊維プリフォーム）の空隙組織中に化学的気
相蒸着法（ＣＶＤ）や化学的気相浸透法（ＣＶＩ）など
の気相熱分解法により気相析出させた炭素を沈着、充填
させる方法、などが知られている。
【０００４】このうち、(1) 、(2) の方法は、プリプレ
グ成形体を硬化、焼成炭化する過程でマトリックスとな
る熱硬化性樹脂に含まれる揮発性成分が揮散するため
に、得られるＣ／Ｃ材の材質組織には微細な空孔が生
じ、低密度化、低強度化し易い難点がある。更に、圧縮
成形時に熱硬化性樹脂の一部が外部に圧出するために高
密度のものが得難い欠点がある。そこで、Ｃ／Ｃ材の材
質組織の空孔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。
グ成形体を硬化、焼成炭化する過程でマトリックスとな
る熱硬化性樹脂に含まれる揮発性成分が揮散するため
に、得られるＣ／Ｃ材の材質組織には微細な空孔が生
じ、低密度化、低強度化し易い難点がある。更に、圧縮
成形時に熱硬化性樹脂の一部が外部に圧出するために高
密度のものが得難い欠点がある。そこで、Ｃ／Ｃ材の材
質組織の空孔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。
【０００５】例えば、本出願人は、炭素繊維を残炭率４
５％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
〜１７００℃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Ｃ／
Ｃ材の製造方法（特開平５−229868号公報）や、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Ｃ／Ｃ複合体を
基材とし、該Ｃ／Ｃ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８００〜１２００℃で焼成炭化する処理を複
数回反復して材質の嵩密度を１．６g/cc以上にする第２
緻密化工程を、順次に施すＣ／Ｃ材の製造方法（特開平
８−245273号公報）などを開発、提案している。
５％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
〜１７００℃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Ｃ／
Ｃ材の製造方法（特開平５−229868号公報）や、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Ｃ／Ｃ複合体を
基材とし、該Ｃ／Ｃ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８００〜１２００℃で焼成炭化する処理を複
数回反復して材質の嵩密度を１．６g/cc以上にする第２
緻密化工程を、順次に施すＣ／Ｃ材の製造方法（特開平
８−245273号公報）などを開発、提案している。
【０００６】しかしながら、これらの熱硬化性樹脂やピ
ッチなどを含浸して二次的に緻密化する方法では、含浸
−加圧−焼成という操作を繰り返し行うために作業能率
が悪く、コスト高となる欠点がある。更に、液状の熱硬
化性樹脂やピッチをＣ／Ｃ材の微細な空隙の深部にまで
充分に含浸させることが難しく、また、空隙に含浸した
熱硬化性樹脂やピッチが焼成炭化する際にも揮発性成分
が放出されて新たな空隙が形成されるので、繰り返し行
っても緻密化には限界がある。
ッチなどを含浸して二次的に緻密化する方法では、含浸
−加圧−焼成という操作を繰り返し行うために作業能率
が悪く、コスト高となる欠点がある。更に、液状の熱硬
化性樹脂やピッチをＣ／Ｃ材の微細な空隙の深部にまで
充分に含浸させることが難しく、また、空隙に含浸した
熱硬化性樹脂やピッチが焼成炭化する際にも揮発性成分
が放出されて新たな空隙が形成されるので、繰り返し行
っても緻密化には限界がある。
【０００７】そこで、熱硬化性樹脂液やピッチなどを含
浸して二次的に緻密化する方法に代えて、気相熱分解炭
素により緻密化す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Ｃ／Ｃ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材の製造法が提案されている。
浸して二次的に緻密化する方法に代えて、気相熱分解炭
素により緻密化す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Ｃ／Ｃ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材の製造法が提案されている。
【０００８】この方法は、炭素繊維の繊維束からなる成
形体にピッチや熱硬化性樹脂などを含浸し、炭化して得
られたＣ／Ｃ材の空隙部に気相熱分解炭素を沈着充填
し、続いてこの充填物の表面に気相熱分解炭素を沈積被
覆するものである。気相熱分解法により析出した炭素は
Ｃ／Ｃ材の炭素質マトリックス中の空隙や炭素質マトリ
ックスと炭素繊維の繊維束との界面に生じた空隙を充填
し、緻密化することができる。しかしながら、Ｃ／Ｃ材
を構成する繊維束間には炭素マトリックスが強固に固着
しているので繊維束の内部に存在する微細な空隙部に熱
分解炭素を析出させることが難しく、炭素繊維の繊維束
内の空隙部は閉気孔として残存することになり、緻密化
を図ることが困難となる。
形体にピッチや熱硬化性樹脂などを含浸し、炭化して得
られたＣ／Ｃ材の空隙部に気相熱分解炭素を沈着充填
し、続いてこの充填物の表面に気相熱分解炭素を沈積被
覆するものである。気相熱分解法により析出した炭素は
Ｃ／Ｃ材の炭素質マトリックス中の空隙や炭素質マトリ
ックスと炭素繊維の繊維束との界面に生じた空隙を充填
し、緻密化することができる。しかしながら、Ｃ／Ｃ材
を構成する繊維束間には炭素マトリックスが強固に固着
しているので繊維束の内部に存在する微細な空隙部に熱
分解炭素を析出させることが難しく、炭素繊維の繊維束
内の空隙部は閉気孔として残存することになり、緻密化
を図ることが困難となる。
【０００９】一方、(3) の炭素繊維で形成した成形体
（炭素繊維プリフォーム）の空隙組織中に、化学的気相
蒸着法（ＣＶＤ；Chemical Vapor Deposition ）や化学
的気相浸透法（ＣＶＩ；Chemical Vapor Infiltration
）により気相熱分解反応させて析出した炭素を沈着さ
せる方法は、微細な空隙内部にまで熱分解炭素を沈着さ
せることができ、更に、原子単位で炭素が析出するので
炭素繊維プリフォームとの密着性が高いという利点があ
る。
（炭素繊維プリフォーム）の空隙組織中に、化学的気相
蒸着法（ＣＶＤ；Chemical Vapor Deposition ）や化学
的気相浸透法（ＣＶＩ；Chemical Vapor Infiltration
）により気相熱分解反応させて析出した炭素を沈着さ
せる方法は、微細な空隙内部にまで熱分解炭素を沈着さ
せることができ、更に、原子単位で炭素が析出するので
炭素繊維プリフォームとの密着性が高いという利点があ
る。
【００１０】気相熱分解反応により析出した炭素を炭素
繊維プリフォームの空隙に沈着充填させる方法として、
例えば特開平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１２
００〜１３００℃、メタンと水素の混合ガスの全圧を２
０〜８０Torr、メタンの分圧を１０〜３２．５Torrとし
て気相浸透法による熱分解炭素を沈積させるＣ／Ｃ材の
製造方法が開示されている。
繊維プリフォームの空隙に沈着充填させる方法として、
例えば特開平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１２
００〜１３００℃、メタンと水素の混合ガスの全圧を２
０〜８０Torr、メタンの分圧を１０〜３２．５Torrとし
て気相浸透法による熱分解炭素を沈積させるＣ／Ｃ材の
製造方法が開示されている。
【００１１】この方法は、気相浸透法（ＣＶＩ）の条件
を適切に設定すること、具体的には反応温度や反応圧力
の反応条件を適切に設定して、炭素繊維成形体の内部に
炭素の濃度差を生じさせずに熱分解炭素を高い充填率で
沈積させるものである。
を適切に設定すること、具体的には反応温度や反応圧力
の反応条件を適切に設定して、炭素繊維成形体の内部に
炭素の濃度差を生じさせずに熱分解炭素を高い充填率で
沈積させるものである。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】炭素繊維の繊維束で作
製した所望形状の炭素繊維成形体（プリフォーム）に、
原料ガスを送入して、気相熱分解法により熱分解炭素を
成形体の空隙中に析出充填させる場合、炭素繊維プリフ
ォームの繊維束間に形成される比較的大きな空隙と、繊
維束内の炭素繊維フィラメント間に形成される微細な空
隙の両者に熱分解炭素を析出させ、充填させることが重
要である。
製した所望形状の炭素繊維成形体（プリフォーム）に、
原料ガスを送入して、気相熱分解法により熱分解炭素を
成形体の空隙中に析出充填させる場合、炭素繊維プリフ
ォームの繊維束間に形成される比較的大きな空隙と、繊
維束内の炭素繊維フィラメント間に形成される微細な空
隙の両者に熱分解炭素を析出させ、充填させることが重
要である。
【００１３】このうち、繊維束間に形成された空隙部に
は比較的容易に熱分解炭素を析出充填することができる
が、繊維束内の炭素繊維フィラメント間に形成された微
細な空隙部には熱分解炭素を均等かつ充分に析出充填さ
せることが難しく、特に、炭素繊維のフィラメントの断
面形状が円形に近い場合には、繊維束内のフィラメント
はその長さ方向に最密充填され易くなり、繊維束内のフ
ィラメント間の空隙は極めて微細となる。この微細な空
隙内に原料ガスを充分に浸透させて熱分解し、熱分解炭
素を充分に析出、沈着させることは難しく、残存した空
隙は閉気孔となって、高緻密化が阻害されることにな
る。
は比較的容易に熱分解炭素を析出充填することができる
が、繊維束内の炭素繊維フィラメント間に形成された微
細な空隙部には熱分解炭素を均等かつ充分に析出充填さ
せることが難しく、特に、炭素繊維のフィラメントの断
面形状が円形に近い場合には、繊維束内のフィラメント
はその長さ方向に最密充填され易くなり、繊維束内のフ
ィラメント間の空隙は極めて微細となる。この微細な空
隙内に原料ガスを充分に浸透させて熱分解し、熱分解炭
素を充分に析出、沈着させることは難しく、残存した空
隙は閉気孔となって、高緻密化が阻害されることにな
る。
【００１４】本発明は、このような問題点を解消するた
めのものであって、その目的は炭素繊維プリフォームの
空隙中に気相熱分解法により析出した熱分解炭素を充填
し、特に、繊維束内のフィラメント間の微細な空隙中に
均等、かつ充分に熱分解炭素を沈着させることにより、
材質組織が緻密なＣ／Ｃ材の製造方法を提供することに
ある。
めのものであって、その目的は炭素繊維プリフォームの
空隙中に気相熱分解法により析出した熱分解炭素を充填
し、特に、繊維束内のフィラメント間の微細な空隙中に
均等、かつ充分に熱分解炭素を沈着させることにより、
材質組織が緻密なＣ／Ｃ材の製造方法を提供することに
ある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】こ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材（Ｃ／Ｃ材）の製造
方法は、断面形状が非円形の炭素繊維フィラメントの繊
維束を用いて所望形状の炭素繊維プリフォームに成形
し、次いで気相熱分解法により熱分解炭素を炭素繊維プ
リフォームを形成する繊維束内のフィラメント間に形成
された微細空隙部および繊維束間の空隙部に析出し、充
填することを構成上の特徴とする。また、繊維束内のフ
ィラメント間に形成された微細空隙部は、炭素繊維フィ
ラメントの表面に膜厚１〜５μm の気相熱分解炭素を析
出、被覆することにより充填することが好ましい。
の本発明による炭素繊維強化炭素材（Ｃ／Ｃ材）の製造
方法は、断面形状が非円形の炭素繊維フィラメントの繊
維束を用いて所望形状の炭素繊維プリフォームに成形
し、次いで気相熱分解法により熱分解炭素を炭素繊維プ
リフォームを形成する繊維束内のフィラメント間に形成
された微細空隙部および繊維束間の空隙部に析出し、充
填することを構成上の特徴とする。また、繊維束内のフ
ィラメント間に形成された微細空隙部は、炭素繊維フィ
ラメントの表面に膜厚１〜５μm の気相熱分解炭素を析
出、被覆することにより充填することが好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】Ｃ／Ｃ材を構成する炭素繊維には
アクリル系、レーヨン系、ピッチ系などの原料系から製
造された炭素繊維が用いられ、炭素繊維のフィラメント
を数千〜数万本集束して繊維束を作製し、この繊維束を
１軸配向、２次元配向、３次元配向などにより所望する
製品形状に対応する成形体、すなわち炭素繊維プリフォ
ームに成形する。
アクリル系、レーヨン系、ピッチ系などの原料系から製
造された炭素繊維が用いられ、炭素繊維のフィラメント
を数千〜数万本集束して繊維束を作製し、この繊維束を
１軸配向、２次元配向、３次元配向などにより所望する
製品形状に対応する成形体、すなわち炭素繊維プリフォ
ームに成形する。
【００１７】この炭素繊維プリフォームは繊維束から形
成されているので全体が疎構造であり、プリフォーム中
には各繊維束間に形成される比較的大きな空隙部と、各
繊維束内の炭素繊維フィラメント間に形成される微細な
空隙部とを有している。そして、これらの空隙部に気相
熱分解法により熱分解炭素を析出、沈着させて充填する
ことによりＣ／Ｃ材が製造される。
成されているので全体が疎構造であり、プリフォーム中
には各繊維束間に形成される比較的大きな空隙部と、各
繊維束内の炭素繊維フィラメント間に形成される微細な
空隙部とを有している。そして、これらの空隙部に気相
熱分解法により熱分解炭素を析出、沈着させて充填する
ことによりＣ／Ｃ材が製造される。
【００１８】気相熱分解法は、化学的気相蒸着法（ＣＶ
Ｄ）や化学的気相浸透法（ＣＶＩ）により、原料を気相
で熱分解して空隙組織中に熱分解炭素を析出させ、析出
した炭素を空隙組織中に沈着、充填してＣ／Ｃ材を製造
するもので、気相熱分解反応により炭素を析出させる原
料としてはメタン、プロパン、プロピレン、ベンゼンな
どの易熱分解性の炭化水素ガスが好ましく用いられる。
これらの炭化水素ガスを水素ガスと混合して、混合ガス
をＣＶＤ装置やＣＶＩ装置に導入して気相で還元して熱
分解させることにより炭素が析出する。
Ｄ）や化学的気相浸透法（ＣＶＩ）により、原料を気相
で熱分解して空隙組織中に熱分解炭素を析出させ、析出
した炭素を空隙組織中に沈着、充填してＣ／Ｃ材を製造
するもので、気相熱分解反応により炭素を析出させる原
料としてはメタン、プロパン、プロピレン、ベンゼンな
どの易熱分解性の炭化水素ガスが好ましく用いられる。
これらの炭化水素ガスを水素ガスと混合して、混合ガス
をＣＶＤ装置やＣＶＩ装置に導入して気相で還元して熱
分解させることにより炭素が析出する。
【００１９】例えば、ＣＶＩ装置に炭素繊維プリフォー
ムをセットして、反応系内を数十〜数Torrに減圧し、所
定温度に加熱したのち、炭化水素ガスと水素ガスを混合
した原料ガスを送入して炭素繊維プリフォーム中の空隙
部に原料ガスを浸透させ、ＣＶＩ反応により原料ガスを
気相熱分解させて析出した炭素を炭素繊維プリフォーム
の空隙組織内に沈着、充填するものである。
ムをセットして、反応系内を数十〜数Torrに減圧し、所
定温度に加熱したのち、炭化水素ガスと水素ガスを混合
した原料ガスを送入して炭素繊維プリフォーム中の空隙
部に原料ガスを浸透させ、ＣＶＩ反応により原料ガスを
気相熱分解させて析出した炭素を炭素繊維プリフォーム
の空隙組織内に沈着、充填するものである。
【００２０】この場合、炭素繊維プリフォームの空隙部
に熱分解炭素を充分に析出させ、充填することが必要で
あるが、プリフォーム中の各繊維束間に形成される比較
的大きな空隙部には原料ガスが深部にまで比較的容易に
浸透することができるので、効率よく空隙部全体に熱分
解炭素を析出充填することができる。しかしながら、プ
リフォーム中の各繊維束内の炭素繊維フィラメント間に
形成される微細空隙部には、原料ガスを細部に亘って深
部にまで充分に浸透させることが難しいため、微細空隙
部には未充填の空隙部が残存し易い。
に熱分解炭素を充分に析出させ、充填することが必要で
あるが、プリフォーム中の各繊維束間に形成される比較
的大きな空隙部には原料ガスが深部にまで比較的容易に
浸透することができるので、効率よく空隙部全体に熱分
解炭素を析出充填することができる。しかしながら、プ
リフォーム中の各繊維束内の炭素繊維フィラメント間に
形成される微細空隙部には、原料ガスを細部に亘って深
部にまで充分に浸透させることが難しいため、微細空隙
部には未充填の空隙部が残存し易い。
【００２１】この微細空隙部は、繊維束として集束する
炭素繊維フィラメントの形状、特に断面形状が円形の場
合には繊維束内にフィラメントの長さ方向に最密状態で
集束され易いために、繊維束内の各フィラメント間に形
成される空隙部は一層微細化する。したがって、この微
細空隙部内に原料ガスを充分に浸透させることは難し
く、微細空隙部を気相析出した熱分解炭素で充填するこ
とが困難となる。
炭素繊維フィラメントの形状、特に断面形状が円形の場
合には繊維束内にフィラメントの長さ方向に最密状態で
集束され易いために、繊維束内の各フィラメント間に形
成される空隙部は一層微細化する。したがって、この微
細空隙部内に原料ガスを充分に浸透させることは難し
く、微細空隙部を気相析出した熱分解炭素で充填するこ
とが困難となる。
【００２２】そこで、本発明は、微細空隙部に熱分解炭
素を効果的に析出、充填させるために、繊維束として集
束する炭素繊維フィラメントの断面形状を非円形とする
ことにより、繊維束内に形成される各フィラメント間の
微細空隙部の拡張を図るものである。すなわち、断面形
状が円形の炭素繊維フィラメントを集束した繊維束に比
べて、断面形状が非円形の場合には繊維束内の各フィラ
メント間に形成される微細空隙部の断面を相対的に拡張
することができる。
素を効果的に析出、充填させるために、繊維束として集
束する炭素繊維フィラメントの断面形状を非円形とする
ことにより、繊維束内に形成される各フィラメント間の
微細空隙部の拡張を図るものである。すなわち、断面形
状が円形の炭素繊維フィラメントを集束した繊維束に比
べて、断面形状が非円形の場合には繊維束内の各フィラ
メント間に形成される微細空隙部の断面を相対的に拡張
することができる。
【００２３】その結果、原料ガスの微細空隙部への浸透
が容易になり、微細空隙部の深部まで、全体的に原料ガ
スを浸透させることができるので、各フィラメント表面
は析出した熱分解炭素により強固に被覆され、微細空隙
部を充填することが可能となる。この場合、炭素繊維フ
ィラメントの表面には、膜厚１〜５μm の気相熱分解炭
素を析出し、被覆することにより微細空隙部を充填する
ことが好ましい。
が容易になり、微細空隙部の深部まで、全体的に原料ガ
スを浸透させることができるので、各フィラメント表面
は析出した熱分解炭素により強固に被覆され、微細空隙
部を充填することが可能となる。この場合、炭素繊維フ
ィラメントの表面には、膜厚１〜５μm の気相熱分解炭
素を析出し、被覆することにより微細空隙部を充填する
ことが好ましい。
【００２４】気相熱分解法による熱分解炭素の析出は、
例えば、ＣＶＩ反応装置の基材受台に炭素繊維プリフォ
ームを載置して加熱し、供給した原料ガスを気相熱分解
して炭素繊維プリフォームの空隙内に熱分解炭素を析出
させるものであり、ＣＶＩ反応温度、反応圧力などの反
応条件を制御することにより析出、充填する。
例えば、ＣＶＩ反応装置の基材受台に炭素繊維プリフォ
ームを載置して加熱し、供給した原料ガスを気相熱分解
して炭素繊維プリフォームの空隙内に熱分解炭素を析出
させるものであり、ＣＶＩ反応温度、反応圧力などの反
応条件を制御することにより析出、充填する。
【００２５】このようにして、炭素繊維プリフォームを
形成する繊維束内の各フィラメントの表面には気相析出
した熱分解炭素が被覆されて微細空隙部が充填され、ま
た繊維束間の空隙部には析出した熱分解炭素が充填され
て、材質組織が緻密で、高密度、高強度の材質性状を備
えたＣ／Ｃ材を製造することが可能となる。なお、この
ようにして製造されたＣ／Ｃ材は、更にハロゲンガスな
どによる高純度化処理や表面に耐酸化コーティングなど
を施すことにより、汚染を嫌う半導体分野における部材
などとしても好適に用いることができる。
形成する繊維束内の各フィラメントの表面には気相析出
した熱分解炭素が被覆されて微細空隙部が充填され、ま
た繊維束間の空隙部には析出した熱分解炭素が充填され
て、材質組織が緻密で、高密度、高強度の材質性状を備
えたＣ／Ｃ材を製造することが可能となる。なお、この
ようにして製造されたＣ／Ｃ材は、更にハロゲンガスな
どによる高純度化処理や表面に耐酸化コーティングなど
を施すことにより、汚染を嫌う半導体分野における部材
などとしても好適に用いることができる。
【００２６】
【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。
【００２７】実施例１ 断面形状が非円形の炭素繊維フィラメント６０００本を
集束した繊維束を用いて平織布を成形し、プリフォーム
とした。このプリフォームを高周波誘導加熱方式のＣＶ
Ｉ反応装置の基材受台にセットした。原料ガスとしてプ
ロパンと水素の混合ガス（プロパン濃度１５モル％）を
用い、混合ガスを１．０リットル／分の流量で供給し、
炉内圧力５０Torr、温度１０００℃の条件で１５時間Ｃ
ＶＩ反応を行い、プリフォーム中に熱分解炭素を析出、
充填してＣ／Ｃ材を製造した。
集束した繊維束を用いて平織布を成形し、プリフォーム
とした。このプリフォームを高周波誘導加熱方式のＣＶ
Ｉ反応装置の基材受台にセットした。原料ガスとしてプ
ロパンと水素の混合ガス（プロパン濃度１５モル％）を
用い、混合ガスを１．０リットル／分の流量で供給し、
炉内圧力５０Torr、温度１０００℃の条件で１５時間Ｃ
ＶＩ反応を行い、プリフォーム中に熱分解炭素を析出、
充填してＣ／Ｃ材を製造した。
【００２８】実施例２ 実施例１と同じ繊維束を用いて成形した３次元織りの製
織体をプリフォームとした他は、実施例１と同じ方法に
よりＣＶＩ反応を行って、プリフォーム中に熱分解炭素
を析出、充填してＣ／Ｃ材を製造した。
織体をプリフォームとした他は、実施例１と同じ方法に
よりＣＶＩ反応を行って、プリフォーム中に熱分解炭素
を析出、充填してＣ／Ｃ材を製造した。
【００２９】実施例３ １２０００本の炭素繊維フィラメントを集束した繊維束
を用いて成形した平織布をプリフォームとした他は、実
施例１と同じ方法によりＣＶＩ反応を行って、プリフォ
ーム中に熱分解炭素を析出、充填してＣ／Ｃ材を製造し
た。
を用いて成形した平織布をプリフォームとした他は、実
施例１と同じ方法によりＣＶＩ反応を行って、プリフォ
ーム中に熱分解炭素を析出、充填してＣ／Ｃ材を製造し
た。
【００３０】比較例１ 断面形状が実質的に円形の炭素繊維フィラメント６００
０本を集束した繊維束を用いて平織布を成形してプリフ
ォームとした他は、実施例１と同じ方法によりＣＶＩ反
応を行って、プリフォーム中に熱分解炭素を析出、充填
してＣ／Ｃ材を製造した。
０本を集束した繊維束を用いて平織布を成形してプリフ
ォームとした他は、実施例１と同じ方法によりＣＶＩ反
応を行って、プリフォーム中に熱分解炭素を析出、充填
してＣ／Ｃ材を製造した。
【００３１】比較例２ 比較例１と同じ繊維束を用いて成形した３次元織りの製
織体をプリフォームとした他は、実施例１と同じ方法に
よりＣＶＩ反応を行って、プリフォーム中に熱分解炭素
を析出、充填してＣ／Ｃ材を製造した。
織体をプリフォームとした他は、実施例１と同じ方法に
よりＣＶＩ反応を行って、プリフォーム中に熱分解炭素
を析出、充填してＣ／Ｃ材を製造した。
【００３２】比較例３ 断面形状が実質的に円形の炭素繊維フィラメント１２０
００本を集束した繊維束を用いて平織布を成形してプリ
フォームとした他は、実施例１と同じ方法によりＣＶＩ
反応を行って、プリフォーム中に熱分解炭素を析出、充
填してＣ／Ｃ材を製造した。
００本を集束した繊維束を用いて平織布を成形してプリ
フォームとした他は、実施例１と同じ方法によりＣＶＩ
反応を行って、プリフォーム中に熱分解炭素を析出、充
填してＣ／Ｃ材を製造した。
【００３３】このようにして製造したＣ／Ｃ材につい
て、熱分解炭素の析出、充填による重量増加率、およ
び、炭素繊維フィラメント単位体積当たりの熱分解炭素
の沈着量を測定した。また、走査電子顕微鏡の二次電子
像から炭素繊維フィラメントの表面に被覆された熱分解
炭素の膜厚を測定するとともに繊維束内の充填状態を観
察した。得られた結果を、プリフォームの嵩密度および
開気孔率などとともに表１に示した。
て、熱分解炭素の析出、充填による重量増加率、およ
び、炭素繊維フィラメント単位体積当たりの熱分解炭素
の沈着量を測定した。また、走査電子顕微鏡の二次電子
像から炭素繊維フィラメントの表面に被覆された熱分解
炭素の膜厚を測定するとともに繊維束内の充填状態を観
察した。得られた結果を、プリフォームの嵩密度および
開気孔率などとともに表１に示した。
【００３４】(1)重量増加率 (wt％) の測定 （Ｗ−Ｗ0 ）／Ｗ0 ×１００ から算出。 但し、Ｗ0 はプリフォームの重量、ＷはＣＶＩ反応を行
った後の重量。 (2)沈着量 (g/cm3)の測定 （Ｗ−Ｗ0 ）／（Ｗ0 ／ρf ）から算出。 但し、Ｗ0 はプリフォームの重量、ＷはＣＶＩ反応を行
った後の重量、ρf はフィラメント密度。
った後の重量。 (2)沈着量 (g/cm3)の測定 （Ｗ−Ｗ0 ）／（Ｗ0 ／ρf ）から算出。 但し、Ｗ0 はプリフォームの重量、ＷはＣＶＩ反応を行
った後の重量、ρf はフィラメント密度。
【００３５】
【表１】
【００３６】実施例１〜３から、プリフォームの織り方
に拘わらず、炭素繊維として断面形状が非円形の炭素繊
維フィラメントの繊維束で作製した炭素繊維プリフォー
ムを用いることで、嵩密度１．４〜１．５g/cm3 、開気
孔率１０％以下の緻密なＣ／Ｃ材を製造することができ
た。炭素繊維フィラメントの断面形状が異形状であるこ
とによって、炭素繊維フィラメントが互いに疎に充填す
る為、繊維束内部にまで原料ガスの供給が可能となり、
結果として炭素繊維フィラメント全てに均一に熱分解炭
素が取り巻いて沈着し緻密な組織となったものと考えら
れる。
に拘わらず、炭素繊維として断面形状が非円形の炭素繊
維フィラメントの繊維束で作製した炭素繊維プリフォー
ムを用いることで、嵩密度１．４〜１．５g/cm3 、開気
孔率１０％以下の緻密なＣ／Ｃ材を製造することができ
た。炭素繊維フィラメントの断面形状が異形状であるこ
とによって、炭素繊維フィラメントが互いに疎に充填す
る為、繊維束内部にまで原料ガスの供給が可能となり、
結果として炭素繊維フィラメント全てに均一に熱分解炭
素が取り巻いて沈着し緻密な組織となったものと考えら
れる。
【００３７】比較例１〜３の場合、プリフォームの嵩密
度及び開気孔率は実施例１〜３と同程度であったが、何
れの織り方をしたプリフォームに於いても、製造された
Ｃ／Ｃ材の嵩密度は１．０〜１．３g/cm3 、開気孔率２
０％以上であり、Ｃ／Ｃ材は実施例１〜３と比較して疎
な構造を有していた。炭素繊維フィラメントの断面形状
が実質的に凹凸のない円形の為、フィラメントが互いに
密に充填し、炭素繊維束内の空隙への熱分解炭素の沈着
が困難となり、繊維束内の空隙は閉気孔として残存した
まま熱分解炭素が繊維束表面に選択的に沈着した為、緻
密化が不十分なものとなったと考えられる。
度及び開気孔率は実施例１〜３と同程度であったが、何
れの織り方をしたプリフォームに於いても、製造された
Ｃ／Ｃ材の嵩密度は１．０〜１．３g/cm3 、開気孔率２
０％以上であり、Ｃ／Ｃ材は実施例１〜３と比較して疎
な構造を有していた。炭素繊維フィラメントの断面形状
が実質的に凹凸のない円形の為、フィラメントが互いに
密に充填し、炭素繊維束内の空隙への熱分解炭素の沈着
が困難となり、繊維束内の空隙は閉気孔として残存した
まま熱分解炭素が繊維束表面に選択的に沈着した為、緻
密化が不十分なものとなったと考えられる。
【００３８】
【発明の効果】以上のとおり、本発明のＣ／Ｃ材の製造
方法によれば、断面形状が非円形の炭素繊維フィラメン
トの繊維束で作製した炭素繊維プリフォーム（成形体）
を用いて、気相熱分解法により熱分解炭素を析出、充填
することにより、繊維束内の各フィラメント間の微細空
隙部にまで熱分解炭素が充填され、緻密なＣ／Ｃ材を製
造することができる。
方法によれば、断面形状が非円形の炭素繊維フィラメン
トの繊維束で作製した炭素繊維プリフォーム（成形体）
を用いて、気相熱分解法により熱分解炭素を析出、充填
することにより、繊維束内の各フィラメント間の微細空
隙部にまで熱分解炭素が充填され、緻密なＣ／Ｃ材を製
造することができる。
Claims (2)
- 【請求項１】 断面形状が非円形の炭素繊維フィラメン
トの繊維束を用いて所望形状の炭素繊維プリフォームに
成形し、次いで気相熱分解法により熱分解炭素を炭素繊
維プリフォームを形成する繊維束内のフィラメント間に
形成された微細空隙部および繊維束間の空隙部に析出
し、充填することを特徴とする炭素繊維強化炭素材の製
造方法。 - 【請求項２】 炭素繊維フィラメントの表面に膜厚１〜
５μm の気相熱分解炭素を析出、被覆する、請求項１記
載の炭素繊維強化炭素材の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000341841A JP2002145675A (ja) | 2000-11-09 | 2000-11-09 | 炭素繊維強化炭素材の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000341841A JP2002145675A (ja) | 2000-11-09 | 2000-11-09 | 炭素繊維強化炭素材の製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002145675A true JP2002145675A (ja) | 2002-05-22 |
Family
ID=18816503
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000341841A Pending JP2002145675A (ja) | 2000-11-09 | 2000-11-09 | 炭素繊維強化炭素材の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002145675A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105695954A (zh) * | 2016-01-22 | 2016-06-22 | 山东国晶新材料有限公司 | 一种增强单晶炉热场材料力学性能的方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS59168126A (ja) * | 1983-03-14 | 1984-09-21 | Toray Ind Inc | ピツチ系炭素繊維の製造方法 |
| JPS605070A (ja) * | 1983-04-19 | 1985-01-11 | ソシエテ・ユ−ロペ−ヌ・ドウ・プロプルジオン | 複合材料およびその製造法 |
| JPH082976A (ja) * | 1994-06-17 | 1996-01-09 | Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd | 炭素繊維／炭素系母材複合材料の製造方法 |
| JPH08296124A (ja) * | 1995-04-24 | 1996-11-12 | Toray Ind Inc | 非円形断面炭素繊維および炭素繊維強化複合材料 |
-
2000
- 2000-11-09 JP JP2000341841A patent/JP2002145675A/ja active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS59168126A (ja) * | 1983-03-14 | 1984-09-21 | Toray Ind Inc | ピツチ系炭素繊維の製造方法 |
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| JPH082976A (ja) * | 1994-06-17 | 1996-01-09 | Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd | 炭素繊維／炭素系母材複合材料の製造方法 |
| JPH08296124A (ja) * | 1995-04-24 | 1996-11-12 | Toray Ind Inc | 非円形断面炭素繊維および炭素繊維強化複合材料 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105695954A (zh) * | 2016-01-22 | 2016-06-22 | 山东国晶新材料有限公司 | 一种增强单晶炉热场材料力学性能的方法 |
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