JP2995583B2 - 炭素結合炭素繊維複合材料に用いられる複合炭素繊維 - Google Patents

炭素結合炭素繊維複合材料に用いられる複合炭素繊維

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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、複合炭素繊維に関し、
詳しくは宇宙、航空、防衛用の炭素結合炭素繊維複合材
や自動車部品等の炭素結合炭素繊維複合材料に使用さ
れる複合炭素繊維に関するものである。
【0002】
【従来の技術】炭素結合炭素繊維複合材料(C/C複合
体)、特に高温下での高強度軽量構造体として常用さ
れていることは周知である。しかし、炭素結合炭素繊維
複合材料(C/C複合体)は、マトリックス炭素の基材
たる炭素繊維に起因して耐摩耗性、耐酸化性及び弾性な
どの点で限界があった。
【0003】このため従来は、炭素繊維表面にCVD処
理やPVD処理、メッキ、溶射をして、SiC、WC、
TiC、W、Mo、Cuなどを沈積被覆して酸化性ガス
との反応を低くおさえたり、摺動特性を改善することが
試みられてきた
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来か
ら行われてきた炭素繊維表面への金属などのCVD処
理、PVD処理、メッキ処理、溶射などによる沈積被覆
処理は図4に示すように炭素繊維19表面と被膜物質
21とがファン・デル・ワールス力等の物理的接着によ
って結合しているため、炭素繊維19表面と被膜物質2
1との界面接着力が十分でなく、マトリックス炭素との
複合体にして高温下で負荷をかけて繰り返し使用した場
合、強度劣化が速いという問題があるだけでなく、耐摩
耗性、耐酸化性及び弾性にも限界があった。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記のような
問題点に対しなされたものであり、高温下でも製造され
た複合材料が強度劣化を起こすことがないだけでなく、
耐摩耗性、耐酸化性及び弾性に優れる炭素結合炭素繊維
複合材料の原料となる炭素繊維を見い出すことを目的と
する。すなわち、本発明は炭素結合炭素繊維複合材料
(C/C複合体)に用いられる炭素繊維において、前記
炭素繊維の表面層を炭化珪素に転化した複合炭素繊維で
あって、上記炭化珪素の結晶構造が2Hあるいは3Cの
ポリタイプ、又は2Hと3Cのポリタイプの混合物を主
成分として成ることを特徴とする複合炭素繊維を要旨と
するものである。
【0006】さて、炭素繊維表面層を炭化珪素に転化す
る方法としては、珪素蒸気又は各種珪素化合物と反応さ
せるか、パックセメンテーションを応用した方法がある
が、最も好ましい方法として一酸化珪素ガスと炭素繊維
を次式のように反応させる方法があげられる。 SiO(g)+2C=SiC+CO(g) この方法を用いることによって、図3に示すように炭素
繊維19の形状、寸法を保持したままラムズデール記法
による2H、3C、4H、15R、6Hなどの結晶構造
(ポリタイプ)を持った珪化層20を形成することがで
きる。
【0007】この反応は1200℃〜2000℃の温度
範囲で加熱することにより進行する。ここで、一酸化珪
素ガスを発生させるには、珪素粉と二酸化珪素粉の混合
体、又は炭化珪素粉と二酸化珪素粉の混合体、あるいは
炭素粉と二酸化珪素粉の混合体、その他、各種珪素化合
物を1200℃〜2000℃に加熱することにより行な
うことができる。
【0008】炭素繊維と一酸化珪素とを反応させて炭素
繊維表面を炭化珪素に転化させるとき、処理温度を12
00℃〜1650℃の範囲で選択することによって、炭
素繊維表面の珪化層の中に未反応炭素を残留させ、結晶
構造が2Hのポリタイプを主成分とする炭化珪素を生成
させることができ、炭化珪素分の重量割合である珪化率
をいろいろ変えたものをつくることができる。又、処理
温度のほかに処理時間を調節することによっても炭素繊
維表面の珪化層の厚さをコントロールすることができ
る。その他にも、一酸化珪素の濃度を調節することによ
って珪化率、珪化層の厚さをコントロールすることがで
きる。
【0009】同様に、炭素繊維と一酸化珪素との反応温
度を1650℃〜2000℃の範囲で選択することによ
って、炭素繊維表面の珪化層の中に未反応炭素を残留さ
せ、結晶構造が2Hと3Cのポリタイプの混合物、ある
いは3Cのポリタイプを主成分とする炭化珪素を生成す
ることができる。
【0010】炭素繊維表面層を炭化珪素に転化した複合
炭素繊維全体の中の未反応炭素を少なくとも10重量%
以上は残留させておくことが望ましい。このことによっ
て炭素と炭化珪素の海島構造による炭素繊維のフレキシ
ビリティーを確保することができる。
【0011】次に炭素繊維を連続的に焼成して製造する
方法について図面を用いて説明する。図1は本発明の複
合炭素繊維を製造する装置の概略図である。図1におい
て、1は炭化前繊維又は炭素繊維であり、予熱ヒーター
2を用いて150℃〜300℃で処理する。炉内の雰囲
気ガスはガス供給口3より導入し、排気ガスは炉内の排
気ガス口7及び13より取り出す。
【0012】又、炉内のシール用水浴17を配した水封
部からはシール用ガスを供給口15より流し、炉内の排
気ガス口7及び13より取り出す。
【0013】予熱処理を受けた繊維は焼成炭化用ヒータ
ー5によって1000℃〜3000℃で加熱され炭化さ
れる。以上の処理を受けた炭素繊維はスリット12とス
リット14によって区切られた珪化帯域へ移り、表面層
を炭化珪素に転化される。ここで、珪化用ヒーター6を
用いて珪化帯域を1200℃〜2000℃になるように
する。又、一酸化珪素ガスは黒鉛ルツボ9内の一酸化珪
素ガス発生源10を1200℃〜2000℃に加熱する
ことによって発生させることができ、それを一酸化珪素
ガス供給口11より導入して炭素繊維と反応させる。1
200℃〜2000℃に加熱するには誘導加熱コイル8
を用いて黒鉛ルツボ9を加熱すればよい。残留一酸化珪
素ガスは炉内の排気ガス口13より排出する。
【0014】表面層を炭化珪素に転化された炭素繊維は
スリット14とスリット18によって区切られた冷却帯
域を通って冷却され、スリット16を設けた水封部から
出てくる。
【0015】ここで用いられる炭素繊維については特に
制限はないが、炭化珪素への転化反応のしやすさの点か
らはピッチ系炭素繊維が適している。
【0016】
【発明の作用】本発明では炭素繊維表面層を一酸化珪素
ガスが浸透拡散していき、炭素繊維自体と反応させて炭
化珪素に転化させることが特徴になっており、CVD法
やPVD法、あるいはメッキ、溶射、塗布のように炭素
繊維表面の上に同一物質、又は別物質を沈積被膜化した
ものとは根本的に違っている。
【0017】つまり、CVD法やPVD法、あるいはメ
ッキ、溶射、塗布などによって得られた炭素繊維表面は
沈積被膜物質と炭素繊維表面がファン・デル・ワールス
力等による物理的接着のみで結合しており、複合材料の
繊維フィラーとして用いられた場合、高温下での繰り返
し使用では沈積被膜物質が熱膨張差等が原因となって剥
離を起こし、強度劣化をはやめる。
【0018】しかし、本発明の炭素繊維表面の炭化珪素
層は繊維自体が一酸化珪素と反応して変化したものであ
るから境界は完全な連続の組織となっており、高温下で
の繰り返し使用によって珪化層が剥離することはない。
【0019】又、本発明の炭素繊維表面の炭化珪素層は
炭素繊維のポロシティーと同一であるので、CVD法や
PVD法による沈積被膜のようにほとんどポアーを持た
ないものにくらべ耐熱衝撃性が高く、マトリックスが炭
化珪素層の微少ポアー中に入り込むことによって、いわ
ゆる投錨効果がはたらくので、マトリックスと、より強
固に結合される。
【0020】一方、結晶構造がはたす作用としては、本
発明の炭素繊維表面の炭化珪素の結晶構造を2Hのポリ
タイプを主成分とすることによって、この複合炭素繊維
の柔軟性が増すことが判明した。理由は明らかではない
が、2Hの炭化珪素結晶成分のイオン的凝集エネルギー
の寄与が大きいためと推定できる。
【0021】又、炭素繊維表面の炭化珪素の結晶構造を
3Cのポリタイプを主成分とすることによって3Cの炭
化珪素結晶成分固有の1200℃以上での強度増加の特
徴を発揮させ、複合材料の高温強度を高めることが可能
となる。
【0022】同様にして、炭素繊維表面の炭化珪素の結
晶構造を2Hと3Cのポリタイプの混合物を主成分とす
ることによって、それぞれ柔軟性と高温高強度特性をあ
わせ持つ複合炭素繊維を得ることができる。
【0023】そのほかにも、複合材料の耐摩耗性の点で
通常の炭素繊維フィラーの場合にくらべ本発明の複合炭
素繊維フィラーでは3Cのポリタイプの結晶構造を持つ
炭化珪素成分の作用で大巾に向上することが判明した。
【0024】本発明は炭素繊維単体のほか、組み立てが
一次元やそれ以上の次元構造をとった各種のマットや
布、あるいは各種の不織布やヤーンなどの形態をとった
ものも含み、炭素繊維単体と同様極めて有効である。次
に、本発明を実施例によって具体的に説明する。
【0025】
【実施例】ピッチ系繊維(2デニール、フィラメント数
10000)を図1に示す装置を用いて焼成炭化、及び
珪化処理を行なった。ガス供給口3からは所定量の酸素
を含んだ窒素ガスを送り、ガス供給口15からは窒素ガ
スを送り込んだ。
【0026】一酸化珪素ガス発生源10は珪素粉と二酸
化珪素粉の混合体300g(モル比1:1)を黒鉛ルツ
ボ9に入れ、誘導加熱によって1600℃に加熱して、
一酸化珪素を発生させた。炉内の温度は予熱ヒーター
2、焼成炭化用ヒーター5、珪化用ヒーター6を用いて
図2のように調整した。このようにして得られた表層が
2Hのポリタイプを主成分とした炭化珪素より成る複合
炭素繊維は柔軟性に富んだものであった
【0027】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の炭素結合
炭素繊維複合材料(C/C複合体)に用いられる複合炭
素繊維は炭素繊維の表面層を炭化珪素に転化し、珪化層
結晶構造が2Hあるいは3Cのポリタイプ、又は、2
Hと3Cのポリタイプの混合物を主成分として成る炭化
珪素に転化させているため、耐摩耗性と耐酸化性及び弾
性に優れた炭素結合炭素繊維複合体を作製することがで
きる。
【0028】又、2Hのポリタイプの特徴である柔軟性
と3Cのポリタイプの特徴である1200℃以上におけ
る機械的強度の増加作用等を利用して高温域まで強度劣
化の起こらない炭素結合炭素繊維複合材料を得ることが
できる。
【0029】なお、本発明の複合炭素複繊維の製造上、
珪化処理温度、処理時間、一酸化珪素ガス濃度等を自由
に調整することによって、いろいろな珪化率を持った炭
素繊維を得ることができ、炭素結合炭素繊維複合体より
成るメカニカルシール等の摺動特性も簡単に制御するこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の複合炭素繊維を製造する装置の断面図
である。
【図2】図1に示す複合炭素繊維の製造装置内の温度分
布の一例を示すグラフである。
【図3】炭素繊維及び本発明の複合炭素繊維の断面図で
ある。
【図4】炭素繊維及びCVD、PVD、塗布等による表
面コーティングされた複合炭素繊維の断面図である。
【符号の説明】
1 繊維 2 予熱ヒーター 3、15 ガス供給口 4、12、14、16、18 スリット 5 焼成炭化用ヒーター 6 珪化用ヒーター 7、13 排気ガス口 8 誘導加熱コイル 9 黒鉛ルツボ 10 一酸化珪素ガス発生源 11 一酸化珪素ガス供給口 17 シール用水浴 19 炭素繊維 20 珪化層 21 被膜物質
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI D06M 11/00 C04B 35/52 G

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】炭素結合炭素繊維複合材料(C/C複合
    体)に用いられる炭素繊維において、前記炭素繊維の表
    面層を炭化珪素に転化した複合炭素繊維であって、上記
    炭化珪素の結晶構造が2Hあるいは3Cのポリタイプ、
    又は、2Hと3Cのポリタイプの混合物を主成分として
    成ることを特徴とする複合炭素繊維。
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