JPH02133373A - 炭素繊維／炭素複合材 - 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１ 本発明は、炭素繊維／炭素複合材に関する。特に、気相
成長法炭素繊維と固相炭素化により得られる炭素繊維の
織布又は不織布を併用することにより、比強度が高く、
耐熱性、低熱膨張性等に優れた炭素繊維／炭素複合材に
関する。

［従来の技術］ 炭素繊維／炭素複合材（以下Ｃ−Ｃ複合材という、）は
、比強度（強度／重量）、耐熱性、耐熱衝撃性に優れ、
熱膨張率も小さく、高い弾性率を有し、熱伝導率、電気
伝導率が共に高く、独特の優れた物性を有するところか
ら、航空機、ロケットなどの部品あるいは飛翔体の外装
材、耐食性、耐摩耗性を必要とする機械装置等の分野に
欠かせない材料として確固たる地位を築いている。

これら従来のＣ−Ｃ複合材は、多くの場合に同相炭素化
により得られた長繊維の炭素繊維を、織布として積層し
たり、あるいは−旦短繊維にカットした後、不織布とし
て積層したり、更にほこの織布と不織布を交互積層し、
これを樹脂等（ピッチ等を含む、以下同様とする。）と
共に賦形したのら、不活性気体中で加熱炭化し、その後
型に複数回これに樹脂を含浸せしめ、炭化を繰り返す等
の方法によって得られたものである。

これ以外に、化学気相析出法により熱分解炭素を炭素繊
維の周囲に沈着させる方法、あるいは熱可塑性樹脂（ピ
ッチ等を含む、）を結合材とじて炭素繊維を成形したも
のを熱間静水圧プレスで加圧下、焼成する方法等の提案
があるが、これらの方法は極めて高価になるため、特殊
なケースに使用されているにすぎない。

［発明が解決しようとする課題］ ところで、従来一般に行なわれているｃ−Ｃ複合材の製
造法（炭素繊維を樹脂等で成形した後、焼成炭化する方
法）は、−段焼成程度では、得られるｃ−Ｃ複合材の密
度が低く１強度も低い欠点があった。

したがって、通常は焼成品を樹脂含浸（ピッチ含浸でも
可）後、焼成をする操作を数回繰り返すことを必要とし
ていた。この操作の繰り返し、回数の増加に伴って工程
が長くなり、コストもこれに比例して高（なっていくこ
とになる、しかし、このように複数回の含浸、焼成を行
なっても、上記の方法では充分に密度が高くならず、又
強度も充分高くならない点に問題があり、これらの原因
の一つとして樹脂結合材の炭化歩留りが低いことに起因
しているとされていた。

この欠点を改善する手段として、い（つかの提案がある
が、その一つとして気相成長法炭素繊維を樹脂等と共に
焼成する方法（特願昭６３−１６８２７６号）があるが
、この方法によるときは、密度を高くし、耐熱性（熱伝
導率、熱膨張率、耐熱衝撃性など）の改善は成功してい
るが１強度の面の改善は充分とは言えなかった。

［課題を解決するための手段］ 本願発明は、製作工程が短（（コストが安り）、かつ８
％械的強度の高い炭素材料を目的として研究を行ない、
微細な気相成長法炭素繊維の不織布と、同相炭素化によ
り得られる炭素繊維の織布又は不織布を交互に積層し、
これらを有機結合材の炭化物で結合してなる炭素繊維／
炭素複合材がこの目的を達成することができることを見
出した。

すなわち、機械的強度の優れている固相炭素化により得
られる炭素繊維（例えばＰＡＮ系炭素炭素繊維ｃ−Ｃ複
合材の密度を高く出来る気相成長法炭素繊維を組み合わ
せると、短い製作工程で密度を高くでき、かつ機械的強
度の優れたＣ−Ｃ複合材が原理的には製造できることに
なるが、ＰＡＮ系繊維は長繊維であり、本質的に短繊維
である気相成長法炭素繊維とは簡単にはブレンドできな
い、ＰＡＮ系炭素炭素繊維断して短繊維としても、機械
的切断では気相成長法炭素繊維はどの短繊維とすること
ができず、繊維の太さの差のみならず繊維長にも大きな
差があるので、均一に混合することは困難である。

この両者の組み合わせの仕方を種々検ン１した結果、そ
れぞれの繊維を一旦シート状とし、それを積層し、更に
この積層物を有機結合材の炭化物で結合させることによ
って、優れたＣ−Ｃ複合材が得られることが分かった。

この場合に使用する気相成長法炭素繊維は、通常得られ
る微細なもの、例えば太さ０．０５〜１μｍ、長さ１ｍ
ｍ以下のものであり、充填量は最終のＣ−Ｃ複合材の要
求される性質により異なり、密度の高いものであれば多
い配合を、強度の高いもののときは同相炭素化により（
１られる炭素繊維の割合を多くする変更が必要であるが
、通常はｃ−Ｃ複合材の１〜２０重量％程度の充填が好
ましい。

この微細な気相成長法炭素繊維そのまま、あるいはこれ
にフェノール樹脂、フラン樹脂、エポキシ樹脂、ポリエ
ステル樹脂等の樹脂を炭素繊維の２〜２０重量％添加混
合し、加圧しながら上記添加樹脂の硬化温度まで加熱し
、シート状とする。

この際のシートの目付は、通常は１０〜１００ｇ／ｍ”
になるが、この範囲以外の目付になってちり作土問題と
なるものではない。

また、固相炭素化により得られる炭素繊維としてはＰＡ
Ｎ系、ビッグ−系、繊維素系なと各種の炭素繊維が使用
できる。この炭素繊維は織布でも不織布でもよいが、好
ましくは気相成長法炭素繊維が細くて短いので、この組
み合わせた特徴を生かそうとするときは不織布のほうが
良い、この場合の織布あるいは不織布は市販品そのまま
でも使用できる。使用量は最終複合体の１〜２０重量％
程度である。

上記の繊維シートを交互に積層し、密度０．０３〜０．
５位に圧縮し、樹脂等に含浸し。

ついで窒素等の不活性雰囲気中で８００〜１２００℃に
焼成・炭化する。この場合、樹脂等の炭化率は樹脂の種
類によっても異なるが５０％程度であり、−回だけの浸
漬ではそのボアを埋め切れないので、樹脂等に含浸、不
活性雰囲気中での焼成・炭化を繰り返す、得られた炭素
塊を２０００℃以上、特に２５００℃前後に熱処理する
と、熱収縮により見掛は密度の高いＣ−Ｃ複合体が得ら
れる。

［作　用］ 本発明のＣ−Ｃ複合材は従来の技術では多数回の焼成に
よっても達成できなかった高密度製品を少数回の焼成で
達成できるだけでな（、同密度の製品を得るためには、
従来方法に比してより少ない回数の焼成でこれを達成で
きることはもちろんである。また、従来のＣ−Ｃ複合材
が高強度製品を必要とする場合には、多数回の焼成によ
り高密度製品とする必要があったが、本発明のＣ−Ｃ複
合材は従来方法より低密度の製品で同じ強度の製品を得
ることができるため、製品の用途によっては同じ品質の
製品が極めて少数回の焼成、すなわち極めて低コストで
同品質の製品が得られることになる。

なお、シート化したものを交互積層する利点は、単に両
者の特徴を生かして、強度が強く、高密度のｃ−ｃ、１
合材が得られるというだけでなく１次のような利点があ
る。

第１に、ＰＡＮ系等の炭素繊維と気相法炭素繊維の混合
比率を任意にかつ正確にコントロールできる。

第２に、ＰＡＮ系等の炭素繊維は繊維径が太く、繊維間
の空間が多いが、気相法炭素繊維は細いので、その空間
を埋めて、繊維密度を上げることができる。

［実施例］ （実施例１） 旭化成（株）製フィブリルポリアクリロニトリル繊維３
０ｇ（カシミロンＡ１０４）、長さ１０ｍｍをヘンシェ
ルミキサーにて５分間解砕後、気相成長法炭素繊維（径
０，２〜０．５μｍ、長さ約ｔｏｏμｍ）を１７０ｇ混
合後。

２００℃、圧力Ｉ　Ｋ　ｇ　／　ｃ　ｍ　”で圧接し、
シート化した。このものの目付は３０　ｇ　／　ｍ　”
であった。

ＰＡＮ系炭素繊維の短繊維をマット状にしたもの（東し
く株）製ＢＯ−０５０、目付５０ｇ／ｍ２）と−上記気
相法炭素繊維シートを交互積層し、圧縮して見掛は密度
０．３の縦、横、高さそれぞれｌｏｃｍ立方体としたも
のにコールタールピッチ（ｗｒ日本製鉄化学（株）製Ｉ
Ｐ−９０）を含浸し板状に成型した。成型品を１０００
℃で焼成し、さらにコールタールピッチの含浸・焼成を
４回繰り返した後、２５００℃で熱処理してＣ−Ｃ複合
材を得た。

（実施例２） 実施例１と同様に試作した気相法炭素繊維シート（ただ
し目付は５０　ｇ　／　ｍ　”　）とｌ）　Ａ　Ｎ系炭
素繊維の織布（東しく株）製＃６３４１）を交互積層し
たものにフェノール樹脂（昭和高分子（株）製ＢＲＬ−
１２０２）を含浸し、加圧加熱成型した。成型品を焼成
し、更にコールタールピッチの含浸・焼成を４回繰り返
した後２５００℃で熱処理してＣ−Ｃ複合材を得た。

（比較例１） 太さ０．２〜０．５ｕｍ、長さ１ｍｍ以下（１０μｍ　
＝　ｌ　ｍ　ｍ　）の気相成長法炭化水素にフェノール
樹脂２重量％を添加し、見掛は密度０．３のプロワクを
作り、これにコールタールピッチ（新日本製鉄化学（株
）製、Ｉ　Ｐ−９０）を含浸し、１０００℃で焼成、更
にビッヂ含浸、焼成を含み４回操り返した後、２５００
℃で熱処理してＣ−Ｃ複合材を得た。

（比較例２） ＰＡＮ系炭素炭素繊維マットしく株）製ＢＯ−０５０）
を見掛は密度０．３に積層したものにコールタールピッ
チを含浸し、ブロック状に成型した。成型品を焼成した
後、コールタールピッチの含浸・焼成を合計６回繰り返
した後、２５００℃で熱処理してＣ−Ｃ複合材を１１だ
９上記、実施例・比較例で試作したｃ−ｃｉ合材の物性
測定結果を表−１に示す。

（以下余白） 表−１ ［発明の効果１ 高強度の炭素繊維と気相法炭素繊維を組み合わせること
により、短い工程で高密度であり高強度のＣ−Ｃ複合材
を得ることができる。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）微細な気相成長法炭素繊維の不織布と、固相炭素
   化により得られる炭素繊維の織布又は不織布を交互積層
   し、これらを有機結合材の炭化物で結合してなる炭素繊
   維／炭素複合材。
2. （２）微細な気相成長法炭素繊維が直径０．０５〜１μ
   ｍ、長さ１ｍｍ以下であることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項の炭素繊維／炭素複合材。