JPH068214B2 - 炭素繊維強化炭素複合材料 - Google Patents

炭素繊維強化炭素複合材料

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JPH068214B2
JPH068214B2 JP1333958A JP33395889A JPH068214B2 JP H068214 B2 JPH068214 B2 JP H068214B2 JP 1333958 A JP1333958 A JP 1333958A JP 33395889 A JP33395889 A JP 33395889A JP H068214 B2 JPH068214 B2 JP H068214B2
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太郎 河野
一晃 黒崎
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Nippon Steel Corp
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Shin Etsu Chemical Co Ltd
Nippon Steel Corp
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、高強度の炭素繊維強化炭素複合材料に関する
ものである。
本発明の炭素繊維強化炭素複合材料は、高強度であるた
め、特に航空、宇宙材料として適している。
(従来の技術) 比強度が高く耐熱性にも優れた炭素繊維強化炭素複合材
料(以下C/Cコンポジットと称する)は航空、宇宙用
素材等として重要な地位を占めている。
従来C/Cコンポジットの製造方法としては3つの方法
が知られている。
その第1は、ポリアクリロニトリル(PAN)系、ピッチ
系、あるいはレーヨン系炭素繊維の短繊維または長繊維
と、炭素マトリックス原料であるフェノール樹脂、フラ
ン樹脂などの熱硬化性樹脂、あるいはピッチ類を混合し
加熱成形した物を、不活性ガス雰囲気中において炭化処
理し、さらに必要ならば樹脂、ピッチ等の含浸、炭化処
理のサイクルを繰り返す方法である(例えば特開昭62-2
12262 号公報)。特にピッチ類を炭素マトリックス原料
とした場合には、成形体を金属、セラミックス等の固定
材で固定することによって膨れを抑えて炭化処理を施
し、その後、常法により含浸処理、炭化処理、黒鉛化処
理を施してC/Cコンポジットを得る方法も開発されて
いる(例えば特開昭62-241871 号公報)。
第2は、予め炭素繊維を用いて大略の形状に成形した
後、炭素繊維の間隙部に化学蒸着法を用いて炭素を堆積
させ、C/Cコンポジットを得る方法である(例えばCa
rbon Vol. 6, p397-403,1968年)。
第3は、前記第1法と第2法を組み合わせた方法であ
る。すなわち、第1法における樹脂、ピッチ等の含浸、
炭化処理のサイクルに代えて、第2法の化学蒸着法を使
用するものである。
(発明が解決しようとする課題) しかしながら、従来のC/Cコンポジットは、炭素繊維
束間の炭素マトリックスに大きな細孔を有していたた
め、十分な物性を発揮するには至らなかった。特に高強
度なC/Cコンポジットは得られにくかった。
その理由を第2図により説明する。なお、通常、炭素繊
維束1は中央部が最も厚く、端部に向かうに従い薄くな
っている。
従来のC/Cコンポジットは、炭素繊維束1が最も厚い
部分で 500μm程度と厚いために、炭素繊維束間には炭
素マトリックス原料を炭化することにより得られる大き
な炭素マトリックス層2が形成されていた。炭素マトリ
ックス原料の炭化処理時の収縮率が大きいため、大きな
炭素マトリックス層には大きな細孔が生じ、高強度なC
/Cコンポジットを得ることが難しかった。
そこで本発明の目的は、これまでの欠点を改善し、高強
度のC/Cコンポジットを提供することにある。
(課題を解決するための手段) かかる課題を解決するため、本発明では炭素マトリック
ス原料を、十分に開繊した炭素繊維束に含浸して得られ
たプリプレグを用いて作られたC/Cコンポジットが、
高強度を発現することを見いだし、本発明に至った。
すなわち、本発明は、開繊された炭素繊維束、及び炭素
マトリックスからなる層が積層され、該層の1層あたり
の厚みが、最も厚い部分で 200μm以下、好ましくは 1
00μm以下であることを特徴とするC/Cコンポジット
である。本発明のC/Cコンポジットは、フェノール樹
脂等の熱硬化性樹脂、塩化ビニル等の熱可塑性樹脂また
はピッチ類等の炭素マトリックス原料と、開繊された、
炭素繊維束からなる一方向性プリプレグを積層、加熱成
形し、次いで炭化処理、必要によりさらに黒鉛化処理を
施すことによって製造することが出来る。
以下、本発明の内容を詳細に説明する。
本発明で用いられる炭素繊維は、PAN系、ピッチ系、
レーヨン系など、公知の炭素繊維を用いることができ
る。炭素繊維の形状としては連続繊維が好ましい。
炭素マトリックス原料としては、フェノール樹脂等の熱
硬化性樹脂、塩化ビニル等の熱可塑性樹脂または石油
系、石炭系のピッチ類が用いられる。さらに炭素マトリ
ックスの炭化歩留まりを向上させるため、必要に応じて
フィラーとして、炭化ケイ素、カーボンブラック、黒鉛
等を添加してもよい。
開繊された炭素繊維束、及び炭素マトリックス原料から
なるプリプレグを得るには、以下の方法が例示でき、こ
れらのいずれの方法を用いても差し支えはない。すなわ
ち、炭素繊維束を圧延、超音波または空気流等により
開繊する。炭素繊維束に、炭素マトリックス原料を含
浸した後に開繊する。炭素繊維束に、炭素マトリック
ス原料を含浸すると同時に開繊する等の方法が挙げられ
る。の方法の場合は開繊された炭素繊維束に浸漬、塗
布、スプレー等の方法により炭素質マトリックス原料を
含浸させることによりプリプレグを得る。の方法、
の方法では、開繊と同時にプリプレグが得られる。
このようにして得られたプリプレグを積層、加熱成形し
て成形体とした後、炭化処理を施し、その後常法により
含浸処理、炭化処理、黒鉛化処理を施して高強度なC/
Cコンポジットを得ることが出来る。
1層あたりの厚みは、最も厚い部分で 200μm超では、
炭素繊維束間の炭素マトリックス層が大きくなり、C/
Cコンポジットに大きな細孔が生じるため、好ましくな
い。プリプレグの厚さとしては、薄くするほど効果的で
あるため、炭素繊維単層とすることでも、十分その効果
を発揮することができる。すなわち、1層あたりの厚み
の下限は、用いる炭素繊維の径に依存することとなる
が、通常炭素繊維は細い場合でも、約5〜7μmである
から、大略これが下限となる。
得られた本発明のC/Cコンポジットは、炭素繊維の長
軸に垂直な断面を光学顕微鏡または電子顕微鏡等を用い
て観察することにより、開繊された炭素繊維束、及び炭
素マトリックスよりなる1層あたりの厚みを、測定する
ことができることから、識別が可能である。前記の1層
あたりの厚みを測定する際には、ばらつきもあることか
ら、C/Cコンポジットの複数個所の断面を観察するこ
とが望ましい。
(作 用) 開繊された酸素繊維束、及び炭素マトリックスからなる
層が積層され、1層あたりの厚みが、最も厚い部分で 2
00μm以下である本発明のC/Cコンポジットは、炭素
繊維束間に形成される炭素質マトリックス層の厚さが小
さくなるため、細孔が小さく高強度なC/Cコンポジッ
トとなる。
(実 施 例) 実施例1 PAN系炭素繊維(12000フィラメント、繊維径約7μ
m)にフェノール樹脂(旭有機材工業製、RM3000A)
を含浸した後、ロールにより圧下して開繊し、プリプレ
グを作成した。
前記プリプレグを3cm長さに切断した後に、12cm角の
金型内に積層し、150℃、1000kgf/cm2の条件下でプレス
成形し成形物(120mm×120mm×10mm)を得た。この成形
物を10℃/時の昇温速度にて1000℃まで加熱し炭化物と
した。ついでこの炭化物に含浸用のピッチを含浸し、炭
化する工程を4回繰り返し、C/Cコンポジット(嵩密
度1.58g/cm3)を得た。得られたC/Cコンポジットの
断面を観察したところ、開繊され炭素繊維束、及び炭素
マトリックスからなる層、1層あたりの厚みは、最も厚
い部分で72μmであった。また、得られたC/Cコン
ポジットの細孔の分布を第1図に示す。第1図の横軸は
細孔の直径を、縦軸は細孔量を示す。実施例1で得られ
たC/Cコンポジットには、10〜100μm程度の大きな細
孔は、比較的少量存在する。
さらに、得られたC/Cコンポジットの曲げ強度、引張
り強度の値を第1表に示す。
比較例 1 PAN系炭素繊維(12000フィラメント、繊維径約7μ
m)にフェノール樹脂(旭有機材工業製、RM3000A)
を含浸しただけのプリプレグを作成した。
前記プリプレグを3cmに切断した後に、実施例1と同じ
方法でC/Cコンポジット(嵩密度1.53g/cm3)を得
た。得られたC/Cコンポジットの断面を観察したとこ
ろ、開繊された炭素繊維束、及び炭素マトリックスから
なる層、1層あたりの厚みは、最も厚い部分で 470μm
であった。得られたC/Cコンポジットの細孔の分布を
第1図に示す。10〜100μm程度の大きな細孔が、実施
例1と比較して大量に存在する。
また、得られたC/Cコンポジットの曲げ強度、引張り
強度の値を第1表に示す。
実施例2 PAN系炭素繊維(12000フィラメント、繊維径約7μ
m)にフェノール樹脂(旭有機材工業製、RM3000A)
90重量部、フィラーとして天然黒鉛粉(平均粒径1μ
m)10重量部からなるマトリックス原料となる炭素材
原料を含浸した後、ロールにより圧下して開繊し、プリ
プレグを作成した。
前記プリプレグを3cmに切断した後に、実施例1と同じ
方法でC/Cコポジット(嵩密度1.52g/cm3)を得た。
得られたC/Cコンポジットの開繊された炭素繊維束、
及び炭素マトリックスからなる層、1層あたりの厚み
は、最も厚い部分で60μmであった。得られたC/C
コンポジットの曲げ強度、引張り強度の値を第1表に示
す。
比較例2 PAN系炭素繊維(12000フィラメント、繊維径約7μ
m)にフェノール樹脂(旭有機材工業製、RM3000A)
90重量部、天然黒鉛粉(平均粒径1μm)10重量部
からなるマトリックス原料となる炭素材原料を含浸し、
プリプレグを作成した。
前記プリプレグを3cmに切断した後に、実施例1と同じ
方法でC/Cコンポジット(嵩密度1.53g/cm3)を得
た。得られたC/Cコンポジットの、開繊された炭素繊
維束、及び炭素マトリックスからなる層、1層あたりの
厚みは、最も厚い部分で 360μmであった。得られたC
/Cコンポジットの曲げ強度、引張り強度の値を第1表
に示す。
実施例3 ピッチ系炭素繊維(3000フィラメント、繊維径約10μ
m)に、フェノール樹脂(旭有機材工業製、RM3000
A)からなるマトリックス原料となる炭素材原料を含浸
した後、ロールにより圧下して開繊し、プリプレグを作
成した。
前記プリプレグを、0゜方向、及び90゜方向に交互に
積層した後、実施例1と同じ方法でC/Cコンポジット
(嵩密度1.68g/cm3)を得た。得られたC/Cコンポジ
ットの、開繊された炭素繊維束、及び炭素マトリックス
からなる層、1層あたりの厚みは、最も厚い部分で60
μmであった。得られたC/Cコンポジットの曲げ強
度、引張り強度の値を第1表に示す。
比較例3 ピッチ系炭素繊維(3000フィラメント、繊維径約10μ
m)に、フェノール樹脂(旭有機材工業製、RM3000
A)からなるマトリックス原料となる炭素材原料を含浸
し、プリプレグを作成した。
前記プリプレグを、0゜方向、及び90゜方向に交互に
積層した後、実施例1と同じ方法でC/Cコンポジット
(嵩密度1.70g/cm3)を得た。得られたC/Cコンポジ
ットの、開繊された炭素繊維束、及び炭素マトリックス
からなる層、1層あたりの厚みは、最も厚い部分で500
μmであった。得られたC/Cコンポジットの曲げ強
度、引張り強度の値を第1表に示す。
第1表に見られるように、本発明により得られたC/C
コンポジットは、開繊された炭素繊維束、及び炭素マト
リックスからなる層、1層あたりの厚みが、従来のC/
Cコンポジットに比べ小さいため、曲げ強度、引張り強
度共に、向上していることが判る。
(発明の効果) 以上のように本発明によれば、開繊された炭素繊維束、
及び炭素マトリックスからなる層、1層あたりの厚み
が、従来のC/Cコンポジットに比べ小さいC/Cコポ
ジットが得られ、航空、宇宙用の、高強度のC/Cコン
ポジツトを得ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例1及び比較例1において得られ
たC/Cコンポジットの細孔分布を示す図、第2図は従
来のコンポジットの切断面の模式図である。 1…炭素繊維束 2…炭素マトリックス

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】開繊された炭素繊維束、及び炭素マトリッ
    クスからなる層が積層され、該層の1層あたりの厚み
    が、最も厚い部分で 200μm以下であることを特徴とす
    る炭素繊維強化炭素複合材料。
JP1333958A 1989-12-22 1989-12-22 炭素繊維強化炭素複合材料 Expired - Lifetime JPH068214B2 (ja)

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JPH03193664A JPH03193664A (ja) 1991-08-23
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