JPH01118655A - 炭素繊維強化複合材料用不織布の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、炭素繊維により補強した炭素繊維強化複合材
料の製造方法に関し、特にプリフォーム体の特性を向上
させた炭素繊維強化複合材料を製造する方法に関する。

［従来の技術］ 金属材料又はセラミックスに炭素繊維を添加して強化し
た炭素繊維強化複合材料が種々の分野で使用されている
。特に、炭素材料は耐熱性及び化学薬品に対する化学的
安定性が優れ、軽量であるという特長を有するため、こ
の炭素材料をマトリックスとして炭素繊維で補強した炭
素繊維強化複合材料（所謂Ｃ／Ｃコンポジット）は、耐
熱性が優れ、高強度であるため、宇宙及び航空機分前に
おいて耐熱材料として使用されている。

一般に、Ｃ／Ｃコンポジットは補強材として炭素繊維を
使用し、これに熱硬化性樹脂又はピッチを含浸して隙間
を埋めると共に炭素繊維同志を接着し、成形体としての
強度を得ている。

炭素繊維の形態として織布、不織布、フェルト、短繊維
等多くのものがある。しかし、炭素繊維は分散性が悪く
繊維同士のからみ合いが発生しやすいため、連続炭素繊
維をトウ状に束ねて織布の形態としたものが一般的に使
用されている。

ところで、このＣ／Ｃコンポジットはその製造過程にお
いて、炭素繊維の周囲を充填するマトリックス材は焼成
時に収縮し、炭素繊維に対する熱収縮差によってマトリ
ックス材との間に隙間が生じる。そして、この隙間の発
生によって、成形品の密度が低下し、強度、摺動性能及
び耐酸化性の低下等の物性面の低下の原因となるボアー
が形成される。

そこで、この欠陥を補うため、従来がら含浸を繰り返す
方法が採用されており、通常１０回位の含浸が繰り返さ
れている。

この含浸工程においては、真空チャンバーに２次元又は
３次元の炭素繊維物の成形体を装入し、真空に吸引した
後、含浸液（フェノール、フラン、エポキシ等の熱硬化
性樹脂又はピッチ）を室温乃至６５０℃の温度で常圧又
は加圧下（約１０Ｋｇｆ／ｃｒｔ１）で含浸させている
。

この場合に、含浸圧力が低いために、低粘度の液体を使
用する必要があり、またこれに使用する補強材としての
炭素繊維成形体は、２次元織物“、これを重ねたもの、
又はワインディングプリフォーム体が使用されている。

しかしながら、上記のようなＣ／Ｃコンポジットの原材
料として炭素繊維成形体を用いる場合には、次のような
問題が指摘されていた。

織布をプリフォーム体として用いる場合においては、多
次元化するための方向に織布を重ねる必要があるため、
多くの工数を要してコストアップの原因になると共に、
織布に織る工程においても、弾性率が４００００　Ｋｇ
ｆ／−以上のものは布に織ることができず、使用できる
炭素繊維の弾性率に限界がある。また、焼成時に炭素繊
維成形体の変形が少ないために密度が上がりに＜＜、高
密度を得ることができない。

また、マトリックス材に使用されるもののうち、樹脂は
不活性雰囲気下で緩速な昇温により焼成すると、分子構
造の骨格となっている炭素と炭素の結合があまりくずれ
ることなく、官能基や水素のみが炭素の骨格から外れて
ゆき、その結果、グラッシーカーボン材が生成される。

しかし、グラッシーカーボンは上記のような過程を経て
生成されるため、大きな製品や厚肉の板材を製造する場
合、焼成中に発生する官能基や水素ガスにより成形体内
部に高圧力の領域が生じる。

このため、薄い炭素繊維織布を積層させて成形された炭
素繊維成形体に樹脂を含浸させ、これを焼成して炭素／
炭素複合材を得る場合には、発生するガスが接着力が弱
い布間に沿って逸散するため、その後、高密度化処理工
程、即ち含浸炭化又はＣＶＤの過程で眉間剥離及び眉間
亀裂が生じ、性能の低下を引き起こすという欠点を有す
る。

また、この処理工程で眉間のズレを生じやすく、複雑な
形状を得ることが困難になり、大型化や厚内化が困難に
なるという欠点もある。

そこで、眉間剥離を防止するために、不織布を積層した
後、その厚さ方向に数万本のニードルを所定回数パンチ
ングして、炭素繊維を不織布の厚さ方向に分布させる技
術がある。このニードルパンチングによりプリフォーム
体を得、プリフォーム体を炭化焼成することにより、Ｃ
／Ｃコンポジット製品が得られる。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、この技術においては、二−ドルパンチン
グ工程においてニードルの先端が折損してプリフォーム
体中に残存し、製品中に多数のニードル先端部が残留し
てクラック及び剥離の発生起点となるという問題点があ
る。

また、二−ドルパンチング工程において、不織布の炭素
繊維が大量に離脱して抜は落ち、製品中の炭素繊維量が
不足し、所要の強度が得られないという問題点もある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、
層間強度を高めるための二−ドルパンチング工程におい
て、ニードルの折損を防止し、製品中にニードル先端部
が残留することを回避すると共に、炭素繊維の離脱損失
を防止することができる炭素繊維強化複合材料の製造方
法を提供することを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ 本発明に係る炭素繊維強化複合材料の製造方法は炭素繊
維を含有する不織布を、ブレードの側面から突出するバ
ーブを備えた複数本のニードルによりパンチングする炭
素繊維強化複合材料の製造方法において、前記ニードル
は前記炭素繊維と実質的に同一の硬度及び弾性率を有し
、前記ブレードの最大径が炭素繊維の直径の１５乃至２
０００倍であることを特徴とする。

［作用］ 本発明においては、硬度及び弾性率が炭素繊維と実質的
に同一であり、最大直径が′炭素繊維の直径の１５乃至
２０００倍のニードルを使用するから、パンチング工程
において、ニードル先端部が折損することがなく、また
、炭素繊維を切断して離脱させることもない。

［実施例］ 以下、添付の図面を参照して本発明の実施例について説
明する。第１図（’ａ）、（ｂ）は本発明の実施例にて
使用するニードルの代表例を示す側面図、第２図は第１
図の○にて示す領域４の拡大断面図である。ニードルは
最大長りを有し、その基部３の先端にブレード１力亙配
設されている。ブレード１は基部３との接続部にて最大
直径Ａを有し、先端が尖鋭な円形又は三角形等の断面を
もつ針状をなす。このブレード１の周面には、周面から
外側に突出する複数個のバーブ２が形成されている。こ
のバーブ２は、第２図に示すように、ブレード１から若
干先端側に向けて傾斜しており。

バーブ２とブレード１の周面との間に繊維５が嵌まる凹
部が形成されている。

二−ドルパンチング工程においては、このようなニード
ルを多数植設したパンチング装置を使用し、積層された
不織布に対し、その厚さ方向に多数回ニードルパンチン
グする。

これにより、炭素繊維が不織布の厚さ方向に分布し、層
間にまたがって炭素繊維が存在して眉間の強度が高まり
、剥離が防止される。

本発明においては、硬度及び弾性率が炭素繊維と実質的
に同一のニードルを使用する。

本願発明者等は、二−ドルパンチング工程において、ニ
ードルの折損及び炭素繊維の離脱が発生するのはニード
ルの物性値が影響を及ぼしていることを知見した。つま
り、過度のパンチングにより、ニードル先端が摩耗して
折損し、これが不織布不織布内に残留して層間剥離及び
クラックの発生起点となる。これは、ニードルの硬度が
炭素繊維の硬度より小さいためである。

一方、ニードルの硬度が炭素繊維の硬度より著しく大き
い場合は、炭素繊維の素線がニードルのバーブにより傷
つけられ、素線の切断が生ずる。

これにより、炭素繊維が抜は落ちてその歩留りが低下す
る。

このような理由で、本発明においては、硬度が炭素繊維
の硬度と実質的に同一のニードルを使用する。

また、ニードルの弾性率が炭素繊維より小さいと、前述
と同様にニードルが曲がり易くなり、十分なパンチング
をすることができなくなったり、ニードルが折損する虞
れがある。また、バーブの部分が逆の形に変形して使用
不能になりやすい。

一方、弾性率が炭素繊維より大きいと、鋭利な刃物と同
様の作用により繊維が切れてしまう虞れがある。

このため、ニードルの弾性率も炭素繊維と実質的に同一
にする。

不織布に含まれる炭素繊維以外の繊維は、−船釣に、ニ
ードルのパンチングに対する抵抗が低く、塑性変形を起
こす、従って、この炭素繊維以外の繊維はニードルパン
チングによる影響を受けないので、ニードルの特性選択
に際しては、炭素繊維の特性のみを考慮すれば足りる。

ブレード１はその最大直径Ａが炭素繊維の直径の１５乃
至２０００倍である。ブレード１の最大直径Ａが炭素繊
維の直径の１５倍未満であると、炭素繊維からの抗力を
受けてニードルが折損したり、湾曲したりする。逆に、
ブレード１の最大直径Ａが炭素繊維の直径の２０００倍
を超えると、炭素繊維が折損しやすく、不織布の歩留り
が低下する。　また、バーブ２のキックアップ高さＢは
０．０５ｍ＋ｎ以下であることが好ましい。このキック
アップ高さＢが０．０５ｍｍを超えると、炭素繊維が切
断されやすいからである。

ニードルパンチングのストローク速度は、１０乃至２４
０回／分であることが好ましい。ニードルパンチングの
ストローク速度が１０回／分未満であると、作業時間が
長くなると共に、不織布の締まりが悪くなる。一方、ニ
ードルパンチングのストローク速度が２４０回／分を超
えると、炭素繊維の切断が多発し、不織布の製造歩留り
が低下する。

パンチングの針密度は、５本／ｃｏＩｉ以上であること
が好ましい。針密度が５本／　ｃＭ未満であると、不織
布の締まりが悪くなると共に、その厚さ方向に通した繊
維による効果が不十分であり、眉間剥離を回避しにくい
。

なお、二−ドルパンチング工程の前に、不織布の表面に
フィラーを含有する塗工液を塗布しておくことにより、
フィラーを不織布内に分布させることができる。これに
より、Ｃ／Ｃコンポジットの強度等の特性を改善するの
みならず、その特性値の幅を任意に制御することが可能
になる。

この塗工液は、フィラーと熱硬化性樹脂との混合物から
なるペースト状のものである。熱硬化性樹脂は焼成温度
に加熱されて炭化し、Ｃ／Ｃコンポジットのマトリック
ス炭素材料となる。また、フィラーとしては、炭素粉、
炭素繊維の短繊維、合成樹脂粉、ピッチ粉、コークス粉
、金属切削粉、金属粉、５ｔ３Ｎ４ウイスカ及びＳｉＣ
ウィスカがある。これらのフィラーの中から、１種又は
２種以上を選択して熱硬化性樹脂に添加する。

なお、この塗工液を不織布間に介在させることにより、
前述の如くＣ／Ｃコンポジットの強度が高まる外、ニー
ドルが不織布内を摺動する際の摩擦特性を向上させるこ
ともできる。これにより、Ｃ／Ｃコンポジットの製造プ
ロセスを簡略化させると共に、省力化させることができ
る。

なお、フィラーの平均直径（フィラーが繊維の場合）又
は平均粒径（フィラーが粉末の場合）は、ニードルのブ
レード１の最大直径Ａの０．１乃至２０％であることが
好ましい。フィラーの平均直径又は粒径がブレード部最
大直径Ａの２０％を超えると、フィラーの分散が悪くな
り、ニードルパンチングしてもフィラーが不織布の厚さ
方向に侵入しにくく、フィラーとマトリックスとの間に
隙間が多く残存してしまう。また、フィラーの平均直径
又は粒径が最大直径Ａの０．１１％未満であると、ニー
ドルパンチングする際に、塗工物質が飛散しやすい。こ
のため、フィラーの平均直径又は粒径はブレード１の最
大直径Ａの０．１乃至２０％にすることが好ましい。

また、不織布と塗工液の厚さは、０．０１乃至２ｍ＋＊
であることが好ましい。この厚さが０．０１１未満であ
ると、不織布の炭素繊維とフィラーとの接着性が悪くな
り、強度が低下する。一方、厚さが２１１Ｉ１１を超え
ると、繊維層とマトリックス層とが独立で存在するため
、繊維添加の効果が著しく低下し、マトリックスの特性
がＣ／Ｃコンポジットの特性を決めるようになる。この
ため、不織布と塗工液の厚さは０．０１乃至２ｍｍにす
ることが好ましい。

次に、本発明方法によりＣ／Ｃコンポジットを製造した
結果について説明する。

先ず、実施例１について説明する。硬度がショア硬度で
８０、弾性率が２００００　Ｋｇｆ／ｃｔｄ、ブレード
の最大直径Ａが１．４ｍｍ、キックアップ高さＢが０１
０５ｍｍのニードルを使用した。繊維径が７μｍの炭素
繊維（ショア硬度８０９弾性率２００００　Ｋｇｆ／ｃ
ｏ（）と、１５μｍのＰＡＮ　（ポリアクリロニトリル
）繊維とを、９；１の割合で均一に混合した不織布を重
ね、針密度１０本／ｃｎｉでかつ２００回／分のストロ
ーク速度でニードルパンチングした。

この不織布に熱硬化性のフェノール樹脂を添加し、２０
００　Ｋｇｆ／ｃｎ（の圧力下で加圧含浸して得たサン
プルを１００℃以下の温度で２４時間乾燥した。次いで
、このサンプルを１２トンのプレス力で加熱プレス成形
した。このプレス成形後のサンプルの密度は１．２ｇ／
ｃｎｔであった。

このサンプルを非酸化性雰囲気下で焼成して、Ｃ／Ｃコ
ンポジットを得た。焼成後のサンプルの密度は１．１ｇ
／ｃｍであった。

次に、同様にして、実施例２〜５及び比較例のＣ／Ｃコ
ンポジットを製造した。これらの結果をまとめて下記第
１表に示す。

第１表 但し、 実施例２は実施例１のサンプルに黒鉛粉末をフェノール
樹脂に対し１：１に混合したもの、実施例３は実施例１
のサンプルに対しストローク速度を１００回／分とした
もの、 実施例４は実施例３のサンプルに対し針密度２０本／　
ｃｎ（としたもの、 実施例５は実施例４のサンプルに黒鉛粉末及びメタル繊
維をフェノール樹脂に対し２：１：１の比で混合したも
のである。

なお、比較例においては、長さが５０龍の炭素短繊維を
フェノール樹脂中に均一に分散させたプリプレグを製造
し、これを１０枚重ねた後、そのままの状態で１２０℃
、１００　ｋｇｆ／ｃａｔの条件下で加熱、加圧成形し
た。このサンプルを上記焼成条件にて炭化させたところ
、密度は１．４ｇ／ｃｍ（から１．２５ｇ／ｃｏ（とな
り、比較的良い値であったが眉間剥離が激しく、曲げ強
度も１５０　ｋｇｆ／ｃｒｌｌ　Ｌか得ることができな
かった。

なお、実施例１〜５においては製造時に剥離が生ずるこ
とはなかった。

また、二−ドルパンチング工程における針の折損、繊維
の切れによる歩留りの低下は認められなかった。

［発明の効果コ 本発明によれば、パンチング工程において、ニードル先
端部の切損及びその不織右向残留が回避され、眉間剥離
が抑制される。これにより、高密度且つ高強度の複合材
料が得られる。

また、炭素繊維の抜は落ちが抑制され、歩留りが向上す
るので生産性が上昇する。

更に、不織布の表面及び眉間に塗工液を塗布することに
より、−層高密度且つ高強度の炭素繊維強化複合材料が
得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）は本発明の実施例にて使用するニ
ードルの代表例を示す模式図、第２図はその領域４の拡
大断面図である。 １；ブレード、２；バーブ 第２図 （ａ）　　　　　（ｂ） 第１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）炭素繊維を含有する不織布を、ブレードの側面か
   ら突出するバーブを備えた複数本のニードルによりパン
   チングする炭素繊維強化複合材料の製造方法において、
   前記ニードルは前記炭素繊維と実質的に同一の硬度及び
   弾性率を有し、前記ブレードの最大直径が炭素繊維の直
   径の１５乃至２０００倍であることを特徴とする炭素繊
   維強化複合材料の製造方法。 （２）前記バーブのキックアップ高さは ０．０５ｍｍ以下であることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項に記載の炭素繊維強化複合材料の製造方法。 （３）前記パンチングのストローク速度は、１０乃至２
   ４０回／分であることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項に記載の炭素繊維強化複合材料の製造方法。 （４）前記パンチングの針密度は、５本／ｃｍ＾２以上
   であることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の
   炭素繊維強化複合材料の製造方法。 （５）前記不織布をパンチングする前に、炭素粉、炭素
   繊維の短繊維、合成樹脂粉、ピッチ粉、コークス粉、金
   属切削粉、金属粉、Ｓｉ＿３Ｎ＿４ウイスカ及びＳｉＣ
   ウイスカから選択された１種又は２種以上のフィラーと
   熱硬化性樹脂との混合物からなるペースト状塗工液を、
   不織布の表面に塗布し、次いでこの不織布を複数枚積層
   することを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の炭
   素繊維強化複合材料の製造方法。 （６）前記フィラーの平均直径又は粒径は、前記ブレー
   ドの最大径の０．１乃至２０％であることを特徴とする
   特許請求の範囲第５項に記載の炭素繊維強化複合材料の
   製造方法。 （７）前記塗工液が塗布された不織布の厚さは、０．０
   １乃至２ｍｍであることを特徴とする特許請求の範囲第
   ５項に記載の炭素繊維強化複合材料の製造方法。