JPH08209513A - 繊維強化された炭素及び黒鉛物品 - Google Patents

繊維強化された炭素及び黒鉛物品

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 繊維強化三次元構造体を提供すること。 【解決手段】 本発明は不連続熱硬化性ピッチ繊維を含
む、厚い三次元構造体の製造と、例えば熱硬化性樹脂、
セラミック、金属又は炭素のようなマトリックス物質中
に埋封されたこのような構造体を含む複合体とに関す
る。このような構造体を炭化し、ＣＶＤ方法によって熱
分解炭素を浸透させることによって得られる多孔質炭素
複合体から製造される炭素−炭素繊維複合体製品は意外
に大きい、厚さ方向の熱伝導度と、等方性特性とを有す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】本発明は炭素繊維強化複合体
に関し、さらに詳しくは、熱硬化性樹脂、炭素、金属及
びセラミックマトリックス中に埋封された炭素繊維強化
材を含む複合体に関する。炭化ピッチ繊維を含む多孔質
プレフォームにマトリックス成分又はその先駆体を浸透
させ、マトリックス成分を構造体全体に付着させること
によって複合体を形成する。異常に高い熱伝導率を有す
る炭素−炭素繊維複合体は、公知の炭素蒸着方法によっ
て多孔質プレフォームの間隙内に炭素を付着させること
によって、又はプレフォームにピッチ若しくは炭化可能
な樹脂を含浸させ、次にこれを硬化させることによっ
て、形成することができる。炭素−炭素繊維複合体の他
の熱処理を用いて、炭素成分を黒鉛化することができ
る。本明細書で用いるかぎり、“炭素”なる用語は非黒
鉛化及び黒鉛化炭素の両方を含むように意図される。し
たがって、炭素繊維プレフォームと強化材とは黒鉛化、
一部黒鉛化又は非黒鉛化炭素強化繊維若しくはその混合
物を含み、炭素−炭素繊維複合体は黒鉛化、一部黒鉛化
又は非黒鉛化炭素のマトリックス中に埋封されたこのよ
うな強化材を含む。
【０００２】本発明は特に、例えば円周方向応力にさら
されることによって、重度な剪断応力に遭遇するような
用途に用いるように意図される炭素−炭素複合体に関す
る。このような使用の主な例は、ディスクブレーキに用
いられる摩擦ディスクである。このようなディスクは本
質的に環状の形状であり、各ディスクの少なくとも１面
は摩擦支持面を有する。ディスクの摩擦支持面の間の接
触によって制動(braking)が得られ、ブレーキの回転部
分の機械的エネルギーが熱に転換する。ディスクは、剪
断応力に耐えることの他に、ヒートシンクとして作用し
て、高い熱負荷を放散させることも要求される。炭素
は、その強度、密度、熱容量、熱伝導度、摩擦係数、そ
の昇華温度（約３６００℃）に対する安定性のために、
特に例えば航空機におけるような重量が主要な考察点で
ある場合に、このようなディスクブレーキの構成に用い
るために特に魅力的であった。
【０００３】
【従来の技術】先行技術では、繊維強度を利用し、複合
体の機械的性質を強化するために、一般に必要と考えら
れた、炭素繊維の配向又は直接整列によって複合体が一
般に製造されてきた。所望の繊維配向を有する複合体の
製造は連続炭素繊維の使用によって達成され、このよう
な繊維はこれらの用途のために不連続繊維よりも好まれ
てきた。複合体製造に用いられる連続繊維の主な形状
は、レイアップ構造に用いるための織物布帛又は単方向
テープ、及びフィラメント巻き取り又はブレード構造に
用いるための連続繊維ヤーン又はトウを含む。例えば、
炭素複合体ブレーキ要素の製造のために一般的に用いら
れる方法では、ＰＡＮベースド黒鉛クロス(PAN-based g
raphite cloth)のシート又は単方向テープから環状形を
切り取り、適当な結合剤を塗布し、堆積して、次に適当
に加熱して、該結合剤を炭化させる。しかし、結合剤厚
さの変化が硬化中に不均一な膨張及び収縮を生じて、得
られる複合体はその内部に応力を残留させており、この
応力が使用中に亀裂及び応力破壊を惹起することがあ
る。このような問題を克服するように設計された代替え
方法も広く用いられている。例えば、乾燥した布帛環状
形から形成された層状スタック(layered stack)に蒸着
炭素を浸透させ、炭素繊維を結合させて、炭化可能な結
合剤を含浸させるために適した硬質構造体を形成するこ
とができる。
【０００４】堆積布帛等から形成される先行技術構造体
は必然的に、布帛層によって形成される各面内に分散
し、各面に沿って整列した(aligned)強化用繊維を含
む。繊維強化材を有さない中間層スペースは一般に布帛
層よりも低い強度を有する。したがって、中間層の強度
を改良し、それによって離層による破壊を避ける又は減
ずるためには、何らかの形式の強化が必要である。
【０００５】堆積布帛構造体を強化し、構造的結合性を
改良するために繊維(textile)技術分野では、ニードル
パンチが広く用いられている。一般的に述べると、ニー
ドルパンチ操作は通常、堆積層(stack layers)に厚さ方
向においてバーブド(barbed)ニードルを押し通すことに
よって実施される。布帛層内の繊維の一部はバーブ(bar
b)によって集められ、厚さ方向において再配置され、個
々の布帛層並びに堆積(stack)を強化する。層を構成す
る繊維は連続的であるため、ニードルパンチ操作は必然
的に、フィラメントの再配向時に、個々のフィラメント
を破壊する。このような破壊を避けるか又は少なくとも
最小にするために、構造体内に布帛層の一部として又は
ステープルファイバーシートの代替え層としてステープ
ルファイバーを含める改良方法が、ニードルパンチ操作
においてニードルにステープルファイバーを供給するた
めに用いられている。ニードルパンチ操作は炭素繊維シ
ート及びテープによって、炭素−炭素繊維強化複合体の
製造に用いるための良好な結合性を有するプレフォーム
構造体を形成するために、当該技術分野において用いら
れている。
【０００６】上述したように、製品の結合性と強度との
ために炭素−炭素繊維複合体構造の均一性が重要と見な
されており、当該技術分野はプレフォーム要素に均一性
を与えるための改良方法を開発しようと絶えず試みてき
た。均一な間隔を置いたニードルと、ニードルパンチの
制御された深さとの両方に関して均一なニードルパンチ
が製品の均一性のために重要であると考えられている。
層状布帛又はテープからのプレフォームの製造において
高度の制御を実現するために広く容認されているアプロ
ーチの１つは、各層を下方の層に加えるときにニードル
で刺すことであった。米国特許第４，６２１，６６２号
及び米国特許第４，９５５，１２３号に開示されている
ような、先行技術方法はまさにこのようなニードルパン
チ操作を用いることの重要さを、布帛をマンドレルに巻
き取るときに下方の層との接触点において布帛にニード
ルパンチを与える程度に関してさせも強調することに非
常に配慮している。さらに最近では、米国特許第５，２
１７，７７０号において、連続繊維トウ又はヤーンから
ブレード(braided)連続チューブを形成し、次にこれを
平坦化してテープにし、積層して、各層を加えるときに
ニードルパンチしながら、環状構造体を形成する方法が
開示されている。
【０００７】ニードルパンチ方法は炭素繊維から形成さ
れ、導電性粒状又は繊維状フィラーを含む炭化可能な結
合剤を塗布された布帛シートの積層にも適用されてい
る。堆積をニードルパンチすることは、布帛層の間隙へ
の液体結合剤の浸透を助成すると言われる。ニードルパ
ンチによる厚さ方向への結合剤と炭素繊維との分布は、
炭化工程後に、炭素マトリックスを強化し、耐離層性を
改良することができる。
【０００８】ニードル穿刺プレフォーム構造体は炭素マ
トリックスを付着させるための基体として用いられ、炭
素−炭素繊維強化複合体中のマトリックス炭素を強化す
る。繊維状炭素骨格上に熱分解(pyrolytic)炭素を浸透
させ、付着させるために周知の蒸着方法を用いることが
できる。炭素の化学的蒸着と炭化可能な結合剤による含
浸とは組合せて用いることができる。したがって、繊維
状炭素布帛又は同様な材料の層から形成される基体に最
初に蒸着炭素を浸透させて、繊維状材料を結合させ、次
に炭化可能なフィラー材料を含浸させ、硬化させ、炭化
させて、緻密な繊維強化炭素製品を形成することができ
る。上記その他の方法は周知であり、当該技術分野で広
く開示されている。
【０００９】上述したように、これらの先行技術複合体
の構造内の高度な繊維整列度(alignment)は、炭素繊維
の強度と寸法安定性とを利用するために意図される。し
かし、全繊維含量が単方向に整列した複合体は必然的に
性質が高度に異方性であり、繊維方向においては高度な
強度と寸法安定性とを有するが、横断方向においては強
度性質と寸法安定性とが大きく低下すると言う欠点を有
する。複合体の強度並びにその熱伝導特性及びその他の
重要な機械的性質が妥当に均一であることを保証し、そ
りと歪みの原因になる単方向収縮を最小にするために、
構造体の全体を通して繊維方向を変化させて、複合体に
幾らかの等方性(isotropic character)を与えることが
考えられる。布帛等を用いる場合には、製造業者は例え
ば１つの層では放射状配向、次の層では弦状(chordal)
配向等を用いることによって、構造体の連続する層の間
で繊維の配向を変えて、それによって準等方性と呼ばれ
る特徴を有する複合体を形成することに頼らなければな
らなかった。上述したように、厚さを通しての(through
-thickness)繊維配向を加えて、中間層強度性質を与え
るために、三次元ウィービング(weaving)、ニードルパ
ンチ等の操作が必然的に用いられている。しかし、繊維
強化材の完全な等方性を有するプレフォームを得ること
は依然として困難である。
【００１０】炭素−炭素繊維強化複合体の現在の製造方
法は他の欠点も有する。大抵の用途のために、完成炭素
部品(part)は一般に正確な寸法に合わせて製造され、そ
れらの製造は炭化した又は完全に黒鉛化した炭素−炭素
繊維複合体ブランクに対する広範囲な成形と機械加工操
作との実施を必要とする。正確な機械加工操作は実施に
費用がかかり、困難であり、亀裂形成又は他の損傷を避
けるために炭素−炭素繊維複合体に対する非常な注意が
必要である。正味形状(net shape)ブランクと呼ばれ
る、実質的に完成形状と寸法とを有する炭素ブランクは
機械加工の必要度を減じ、コストを有意に低下させると
考えられる。しかし、炭化プレフォームは一般に脆く、
容易に形成又は成形することができない。したがって、
層状布帛又は繊維シートからの成形プレフォームの製造
は一般に、堆積とニードルパンチとの前に、布帛シート
からの所望の最終形状を有する構成部品の切り取りを必
要とする。このような切り取り操作は不経済であり、か
なりの量のスクラップ布帛を生ずる。このスクラップの
適当な再使用方法が発見された場合にも、スクラップの
製造と再加工とは、製造プロセスに既に課せられた、エ
ネルギーと廃棄物処理の負担をさらに増大させ、炭素製
品の総合製造コストを有意に高める。
【００１１】ステープル又はチョップト炭素繊維からの
炭素−炭素繊維強化プレフォームの製造方法も当該技術
分野において開示されている。例えば、米国特許第４，
２９７，３０７号では、例えば水のような液体媒質中の
切断炭素繊維の濃厚な又はゲル化スラリー又は分散液を
押出成形して、細長いリボンを形成する方法が開示され
る。この液体媒質は乾燥時に繊維成分を結合させるため
に炭化可能なポリマー結合剤を含むことができる。この
細長いリボンを次に環状パターンに配置して、フラット
ディスクを形成し、乾燥させて、水分を除去する。押出
成形中の濃厚な媒質の流体流動の配向効果が流動ライン
に沿った繊維の整列又は配向を可能にし、円周方向の繊
維配向を有する非常に低密度の不織不連続繊維ディスク
を生成する。次に、乾燥ディスクを加熱し、必要な場合
には、炭化させることができる。複数の、得られた薄い
低密度ディスクを必要な厚さになるまで堆積して、次に
上述したような浸透又は含浸操作を受けさせ、炭化又は
黒鉛化して、ブレーキ等に用いるための炭素ディスクを
得ることができる。中間層繊維強化材を有さない、他の
層状構造体に関しては、得られる層状炭素ディスクは離
層破壊を受けやすい。
【００１２】炭素繊維の不織ウェブの形成方法も当該技
術分野（例えば米国特許第４，０３２，６０７号）にお
いて開示されている。特許権者によると、中間相(mesop
hase)ピッチから、このピッチを溶融紡糸又はブロー紡
糸(blow-spinning)し、得られた繊維を紡糸したままで
又は細断した後にエアー積層又は水流積層(water-layer
ing)し、この不織ウェブを熱硬化又は空気酸化して、構
造体を安定化しから、炭化する。一般に、得られるウェ
ブはフィラメント束又はトウからではなくランダムなフ
ィラメントから構成され、非常に低い嵩密度（一般には
約０．３ｇ／ｃｃよりかなり低い）を有する、低密度の
薄いフェルト及び紙の形状をとる。不織ウェブは、例え
ば上述したような、先行技術の積層及びニードルパンチ
操作を用いることによって、連続繊維テープ及び布帛と
同様に層状炭素−炭素繊維構造体の形成に用いるために
適すると考えられる。ニードルパンチ後さえも、このよ
うな高度ランダム化(randomized)フィラメントは一般に
低い繊維量を有し、したがって非常に低い密度を有す
る。このような構造体は、織物形状の又は単方向繊維テ
ープとしての、整列し、配向した連続繊維を含む緻密な
高繊維量構造体を用いる場合に一般に得られる強度利点
を有さない。
【００１３】当該技術分野において今までに入手可能な
カット又はチョップト繊維から製造されるプレフォーム
構造体は一般に低密度でもあり、炭素−炭素繊維複合体
に用いるために必要な機械的強度を有さない。不連続繊
維からの高繊維量を有する適当な炭素−炭素繊維複合体
の製造方法は当該技術分野において知られていず、その
ため、高レベルの機械的応力を受ける用途に望ましい強
度特性を有する炭素−炭素繊維強化複合体を製造するた
めに、炭素複合体産業は配向し、整列した連続繊維から
製造されるプレフォームに主として頼らざるを得ない。
このような先行技術複合体は一般に、特に面外(out-of-
plane)又は厚さ方向において、熱伝達性にも欠けてお
り、このことがさらにこれらの有用性を限定する。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】カット又はチョップト
繊維から充分な強度特性と良好な熱的特性とを有する、
厚いプレフォームと炭素−炭素繊維複合体ブランクを好
ましくは正味形状で製造し、製造プロセスにエネルギー
及び廃棄物処理負担をさらに加える結合剤及び液体キャ
リヤーの使用を避ける方法が、炭素複合体分野において
特に重要であると思われる。
【００１５】
【課題を解決するための手段】複合体の製造に強化材と
して用いるために適し、高強度で、高い熱伝導性の炭素
−炭素繊維強化複合体の製造に用いるために特に望まし
い三次元繊維構造を有する緻密な多孔質炭素プレフォー
ムは、不連続な熱硬化性ピッチ繊維から形成された、厚
い低密度マットを好ましくは面に対して垂直に、厚さを
通してニードルパンチすることによって製造することが
できる。ニードルパンチは構造体の密度を高め、繊維の
一部を厚さ方向において再配向させて、結合性と強度と
の特性を改良するために役立つ。プレフォームは最終製
品の一般的な全体形状を、その後の熱処理中に生ずるよ
うな収縮に対処するために必要な寸法と共に有する正味
形状のプレフォームとして繊維から直接製造することが
便利である。正味形状プロセスは織物布帛、シート及び
テープを製造するための先行技術方法で経験されるスク
ラップ発生と同時の廃棄物を最小にすることができ、大
規模な機械加工と成形操作の必要性を減ずることができ
る。
【００１６】本発明のプレフォームは一般には完全に炭
化繊維から成り、結合剤等に頼らずに製造されるとして
も、プレフォームの機械的強度は熱分解炭素の浸透又は
炭化可能なフィラーの含浸とその後の炭化を含めた、そ
の後の炭素複合体製造操作に耐えるために充分である。
プレフォームは炭素繊維強化した熱硬化性樹脂マトリッ
クス、金属マトリックス及びセラミックマトリックス複
合構造体の製造にも用途を有する。
【００１７】複合体技術分野において一般に知られ、広
く用いられる、周知の化学蒸着プロセス及び浸透操作を
用いて本発明のプレフォーム内に熱分解炭素を付着させ
ることによって、緻密な炭素−炭素繊維複合体を容易に
製造することができる。或いは、プレフォームに炭化可
能なフィラーを含浸させ、加圧及び加熱条件下で硬化さ
せ、次に、存在する任意のピッチ繊維成分と共にフィラ
ーを炭化させるためにさらに加熱して、緻密な炭素−炭
素繊維複合体を形成することができる。必要に応じて、
多数回の浸透操作又は含浸操作を用いて、所望の密度を
有する製品を製造することができ、操作を組合せて用い
ることもできる。
【００１８】高強度の炭素−炭素繊維複合体の製造に用
いるために適した、多孔質の厚い三次元炭化繊維プレフ
ォームは、本発明によると、結合剤又は含浸剤(impregn
ant)を用いずに、熱硬化性ピッチ繊維から製造すること
ができる。炭素繊維はかなり以前から知られており、多
様な先駆体からのそれらの製造方法は当該技術分野にお
いて周知である。１９６０年代前半からセルロース(cel
lulosic)先駆体が炭素繊維の製造に用いられており、レ
ーヨンがほぼ２０年間の主要な炭素繊維先駆体である。
さらに最近では、例えばポリアクリロニトリル（ＰＡ
Ｎ）及びピッチのような材料から誘導される炭素繊維の
製造方法を当該技術分野が開発したので、レーヨン−ベ
ースド炭素繊維の重要性が低下している。ポリアクリロ
ニトリル繊維は、適当な条件下で酸化及び炭化すると、
丈夫で、高強度の、高弾性率炭素繊維を形成し、ＰＡＮ
からの繊維製造の総転化収率は良好である。したがっ
て、ＰＡＮ繊維はプレフォーム構造体の製造のために長
い間好まれている。
【００１９】炭素繊維は中間相ピッチから、溶融ピッチ
を繊維に紡糸し、このピッチ繊維を空気中で加熱するこ
とによって酸化して、熱硬化性繊維を形成し、空気の不
存在下でさらに熱処理して炭化することによって容易に
製造することもできる。当該技術分野において周知であ
り、理解されるように、溶融紡糸ピッチフィラメントは
フィラメント軸に沿って配向した細長い液晶中間相ドメ
インを含む高度に規則的な構造体である。炭化時に、こ
れらのドメインは高度な結晶規則性を有する炭素又は黒
鉛繊維を形成する。このような高度に規則的なピッチ−
ベースド繊維は他の供給源からの炭素繊維よりも大きい
剛性と高い熱伝導性とを有する炭素繊維を形成可能であ
ると一般に認められており、同様な性質の組合せと、低
い又は負でさえある熱膨張係数とを有する炭素複合体は
広範囲な用途を見い出すと考えられる。さらに、熱硬化
性中間層ピッチ繊維は例えばレーヨン繊維、ＰＡＮ繊維
及び酸化されたＰＡＮ繊維のような、他の炭化可能な先
駆体繊維よりも高い収率で炭化され、黒鉛化される、す
なわち熱硬化性ピッチ繊維は熱加工時に低い重量損失を
示す。このことは次に、炭化及び黒鉛化操作中に低い収
縮を生じ、他の繊維先駆体によって通常経験されるよう
な空隙(void)及び内部応力の同時発生を最小にする。こ
の理由から、熱硬化性ピッチ繊維は本発明の実施に用い
るために特に有用であり、望ましいことが判明するであ
ろう。
【００２０】熱硬化性ピッチ繊維はチョップトトウ又は
ヤーンの形状で用いることが好ましい。チョップトトウ
の繊維長さは、完成部品の予定厚さに依存して、０．５
インチより長く、好ましくは１インチより長い。繊維長
さは約１インチから約６インチ程度な大きさまでであ
り、公称長さ又は平均長さ約２インチで、指定範囲内の
種々な長さの混合物を含むことが好ましい。連続繊維ト
ウは通常、１０００から２０，０００以上まで、３０
０，０００を越えることさえある、複数個のフィラメン
トを含み、軸方向に整列したフィラメントがトウの繊維
方向の強度を与える。トウを構成する個々のフィラメン
トのもつれは、トウの細断時にさえも、フィラメント整
列度を好ましく維持する。非常に短い、特に約０．５イ
ンチ未満から１インチまでの長さのフィラメントは、例
えば成形加工操作、ニードルパンチ等のような、後の取
り扱い中に、もつれを解いて、特にトウを広げて、個々
のフィラメントに容易に分離する傾向がある。逆に言え
ば、長い繊維長さ、特にプレフォームの予定厚さよりも
かなり大きい長さを有するチョップトトウは、繊維損傷
を招くことなく、ニードルフェルト化(needlefelting)
方法を用いて再配向させることが困難である。
【００２１】次にさらに詳細に述べるように、ルーズな
(loose)不連続熱硬化性ピッチ繊維を含む成形マットは
型(mold)等を用いて形成される。長いトウ長さを用いる
場合にチョップトトウに幾らかの流動(flow)配向度を与
えるために充填操作の使用が効果的である。最高に有利
であるためには、トウ長さは好ましくはプレフォームの
予定厚さよりも大きいように選択され、特にプレフォー
ム厚さの約２倍であるように選択される。ニードルパン
チ操作による再配向時に、長いフィラメントはマットを
通って厚さ方向に伸びることによって大きな強化を与え
ることに役立ち、タウ長さの一部はマットの面内に横た
わるフィラメントとの有用なもつれを維持する。
【００２２】繊維は実質的に乾燥状態であることができ
るが、熱硬化性ピッチトウを細断前に通常の水性サイジ
ング製剤を用いて、サイジングする(sized)ことが好ま
しく、さらにサイズジングしたトウをサイジング浴から
直接、乾燥させずに、したがって２０〜３５重量％のサ
イジングキャリヤーを水分として保有する状態で用いる
ことが好ましい。湿ったトウの使用は同じような水分含
量を有するニードルパンチ用マットを形成する。水分含
量の低いマットはバルキー(bulky)であり、ニードルパ
ンチ方向において緻密化することが一層困難であり、高
い水分含量は繊維の細断を困難にして、ニードルパンチ
操作中にニードルシャフトに繊維を粘着させ、それによ
ってマットから繊維を除去し、ニードルバーブと装置と
を閉塞させる。
【００２３】熱硬化性ピッチ繊維は多孔質三次元強化プ
レフォームに成形加工することができる。繊維を部品の
全体形状を有する、厚い低密度マットに成形して、マッ
トの面内に不連続繊維を配向させる。次に、その後のニ
ードルパンチ操作で厚さを通しての強化を与える。この
ようにして、最終製品の全体形状でプレフォームが形成
され、切断及びニードルパンチ操作の必要性を除き、こ
のような工程に通常付随する実質的な廃棄物を最小にす
る。
【００２４】ニードル穿刺操作に用いるための低密度マ
ット構造体の形成では、流し込み型(cavity mold)又は
同様なアセンブリのような手段を用いて、不連続な繊維
を所望の形状を有するマットに成形し、ニードルパンチ
中にマットを圧迫する。例えば、炭素製品の予定用途が
ブレーキディスク等の物体としてである場合には、繊維
を支える手段は実質的に平坦な又は二次元の(planar)面
を含む環状形を有する流し込み型の形状をとることがで
きる。繊維マットを支え、圧迫するために充分な機械的
強度を有する任意の便利な材料から形成される型は、繊
維を収容し、ニードルパンチを実施することができる少
なくとも１つの壁若しくは面を有する。或いは、この型
に除去可能なクロージャーを備えることができ、このク
ロージャー並びに他の壁は、ニードルパンチ操作中に機
械的結合性を失わずに穿孔を可能にする材料、例えばス
クリム、穿孔シート、発泡シート又はスクリーンのよう
な不堅牢(fugitive)材料から形成することができる。布
帛シート等から切断されたセグメントから形成される層
状構造体及び堆積をニードルパンチ操作において支持又
は固定することに用いるために当該技術分野において開
示され、知られた、適当な構造の流し込み型が、本発明
によるプレフォームの製造用に適当に使用可能である。
【００２５】湿った熱硬化性ピッチ繊維トウを細断し、
型キャビティに供給し、このキャビティ中に型キャビテ
ィの形状をとるために所望の深さに均一に分配し、それ
によってルーズな不連続繊維のマットを形成する。便利
には、トウを細断して；繊維を付着させ、分配し、不安
定な堆積を生じないような速度で型を進めながら、連続
流で型に直接供給することができる。例えばシュート(c
hute)等のような手段並びに案内羽根(guide vane)を用
いて、繊維流を型に導くことができ、これらの手段は繊
維を例えば型壁に最も近い領域のような、特定の領域に
おいて選択的に配向させるためにも有効である。
【００２６】繊維の形状と実質的な長さとのために、チ
ョップト繊維を供給し、分配する形式(mode)は、製紙プ
ロセスで得られた不織ウェブの繊維成分に関してしばし
ば見られるように、一般に型の水平面内に横たわるよう
に配向させるのに役立ち、面外方向に配向した繊維はあ
ったとしても殆ど見られない。さらに検討するために、
得られる構造体の説明では、型の平面はｘ−ｙ又は面内
配向若しくは方向と呼び、ｚ直交方向はｘ−ｙ方向に垂
直な方向であると理解され、厚さを通しての方向とも呼
ばれる。
【００２７】チョップトトウを、均一な局部重量(areal
weight)を生じ、０．３〜約０．６ｇ／ｃｃ、好ましく
は約０．４〜約０．５ｇ／ｃｃの範囲内の密度を有する
繊維マットを形成するように付着させることが好まし
い。これらの範囲外の密度を有するマットも用途によっ
ては有用であるが、一般には、約０．３ｇ／ｃｃ未満の
密度を有する低密度マットが非常に軽い、殆ど羽毛のよ
うな(fluffy)構造体である。このようなマットは大抵の
プレフォーム用途に必要な嵩密度を得るために、一般に
かなりの圧縮を必要として、通常は重度な繊維損傷を生
ずる。約０．６ｇ／ｃｃより大きい密度を有するマット
は、ブレード繊維、テープ、布帛等の形状の連続繊維を
含まずに、得ることが困難であるので、成形加工コスト
を高めることになる。以下でさらに考察するように、連
続繊維を含む緻密なマット及び構造体を均一にニードル
パンチすることは困難であり、繊維及びニードルのかな
りの破壊を生じるので、避けることが好ましい。
【００２８】構造体中の幾らかの密度変化が望ましいこ
とがある。構造の強度と結合性とを改良するためには予
定の摩耗面(wear surface)における高い密度が好まし
く、高い密度は中間プレフォーム構造の脆さの軽減を助
けるためにも効果的である。配向された繊維が充填の改
良によって大きい密度を得ることを可能にするかぎり、
型壁に最も近い繊維の実質的な部分に型壁に関して約０
°の配向を与えることが望ましい。型壁に特に接近し
て、完全にランダムな繊維配向は繊維が良好に充填され
る可能性を減じて、必然的に最低密度を生じる。このよ
うなプレフォームと得られる炭素−炭素繊維複合構造体
とは、特に、複合体の一体部品として部品の縁に脚又は
その他の荷重支持特徴が備えられるような、多くの用途
のために充分な強度を有さない。
【００２９】密接な繊維充填はマット密度を高め、多孔
度を効果的に減じ、浸透をより困難にする；このため、
型壁から離れた、構造体の大部分(bulk)における繊維が
ｘ−ｙ面内にランダムで低配向性の形状で存在し、マッ
トに面内等方性特徴を与えることが好ましい。好ましく
は、繊維は型平面内に横たわり、望ましくは±４５°の
オーダーの平均配向を有するが、マットの大部分におけ
る±７５°程度の大きさの配向も要求の少ない用途に用
いるために容認されることが分かる。約４５°より大き
い繊維配向は円周方向強度を減ずる傾向があり、約１５
°未満の配向は得られる複合体の半径方向の(radial)剪
断強度を低下させる傾向があり、このため、このような
極端な配向は大抵の用途のために好ましくない。この場
合にも、繊維がｘ−ｙ面に関して実質的に平面的配向を
有することが好ましく、配向表示(orientation descrip
tion)は例えば環状又はディスクプレフォームの円周を
画定する壁のような、ｘ−ｙ面と交差する最も近い型壁
に関して表示され、説明される。
【００３０】チョップトトウの配向が、単一配向を有す
る繊維を含む帯が生ずるように、急激に又は不連続的に
生ずるのではなく、推移が連続的に徐々に生ずることが
重要である。非常に狭い配向又は単一配向を有する繊維
を含み、内部で架橋した又は隣接領域に伸びる繊維を殆
ど含まない帯は、構造体の狭い領域内の応力集中と、負
荷応力の構造体全体への再分配の妨害とによって、重度
な離層、その他の構造破壊を生ずる可能性がある。
【００３１】他の実施態様では、繊維を型キャビティに
連続形で、連続繊維フィラメントをキャビティ内に均一
に分配するように供給して、所望の範囲内の密度を有す
るマットを形成することができる。例えば、連続繊維ス
トランドの供給時に型中心軸の周囲に一種のピドリング
運動(piddling motion)を用いることによって、繊維を
層状形式に分配してマットを形成することが知られてい
る。上述したように、ニードルパンチ操作は連続繊維を
破壊して、厚さを通しての方向における強化のためにラ
ンダム長さのトウを提供する傾向がある。このため、こ
のような構造における連続繊維の使用は好ましくない。
【００３２】初期操作で形成される低密度マットは一般
に約１／２インチ〜約４インチの範囲内、好ましくは、
大抵の用途のために約３／４インチ〜約３インチの範囲
内の厚さを有する。マット厚さは一部は実用上の考察に
よって制限される。特に、このマットはニードルパンチ
操作においてさらに修正されて、三次元強化を得るよう
に意図される。このようなニードル穿刺操作は一般に、
マットの厚さに９０〜１００％侵入するために充分な長
さのニードルの使用を必要とする。過度の厚さを有する
マットに関しては、所望の深さまで侵入するために必要
な力は頻繁なニードル破壊を生ずる可能性がある。さら
に、４インチ以上の深さまで侵入できるニードルは一般
には商業的供給源から得られず、そのため、特注されな
ければならず、プレフォーム製造コストを高めることに
なる。
【００３３】ニードル穿刺操作は不織繊維分野で通常用
いられており、一般には、外方に突出したバーブを有す
るシャンク(shank)から成る複数個のニードルを用いて
実施される。ニードル穿刺操作においてニードルの縦一
列での使用を可能にするようにニードルを取り付け、マ
ット表面に対してニードルを垂直にかつ往復運動式に動
かすことによってニードルパンチを実施して、ニードル
を反復してマットに押し通す。バーブはマットを通過す
る際に繊維を捕らえて、マット内の繊維の一部を垂直に
整列させる。実際に、高レベルの水分と共に繊維サイズ
(fiber size)の存在が、ニードル侵入を容易にすること
によって、及び恐らくは、繊維基体の滑沢剤として作用
して、ニードル方向における繊維トウの再配向を助成す
ることによって、ニードルパンチ操作のためになる。
【００３４】本発明の目的のために、ニードルは好まし
くは、低密度マットを実質的に貫通する、好ましくは８
０〜９５％、より好ましくは約９０％マットにニードル
穿刺方向において侵入するために充分な長さであるよう
に選択される。ニードル密度は厚さ方向においてプレフ
ォームを強化するために充分な密度で垂直繊維配向を生
ずるように選択される。実際には、ニードルは中心から
０．９〜１．２ｃｍの間隔を置いてセットされる。
【００３５】典型的には、操作中に、チョップトトウを
構成するフィラメントの一部がバーブによって捕らえら
れ、ｚ方向又は厚さ方向においてフィラメント束として
再配向される。バーブによって捕らえられないフィラメ
ント部分はニードルによってｘ−ｙ面内で側方に排除さ
れ、ニードル穿刺の深さまで構造体を貫通する開口を形
成する。このようにして、ニードルパンチは繊維トウを
小さいフィラメント束に分離し、ｘ−ｙ面内の繊維配向
をフィラメント束の側方排除によってランダム化するこ
とによって、繊維を再分配するために役立つ。ニードル
パンチによって形成されるフィラメント束は、繊維トウ
の最初の構成とニードルパンチの使用レベルとに依存し
て、フィラメント数において広く変化する。２５〜１０
００フィラメントのフィラメント束を含む構造体は容易
に製造されるが、１０〜７５程度の少ないフィラメント
数の束又は２５０から２０，０００程度のフィラメント
を含む束を有する構造体も観察されることがある。
【００３６】本発明のために、有意な大きさの垂直開
口、一般には排除されたフィラメント束をニードルパン
チ操作における再配向によって開口中に収容するために
充分な直径を有する垂直開口を形成し、その後のマトリ
ックス材料浸透のために実質的な自由空間を、排除され
たトウの周囲に与えるような大きさであるように、ニー
ドルは選択される。次に、炭化すると、構造体はこの構
造体を通って実質的に伸びる開口を含み、高い多孔度を
有することになる。マトリックス材料を浸透又は含浸さ
せると、埋封されたフィラメントを含むマトリックス材
料のカラムが複合体の厚さを実質的に通って伸びて形成
される。ｚ方向から見ると、マトリックス材料によって
占められるカラム内の横断面積が繊維によって占められ
る横断面積の好ましくは少なくとも２倍、特に好ましく
は４倍を越えることが分かる。
【００３７】これとは対照的に、先行技術方法は層状Ｐ
ＡＮ繊維布帛又は単方向テープから各層を下方の層まで
ニードルパンチすることによってニードル穿刺炭素繊維
プレフォームを形成する。ニードルは細いように選択さ
れ、しばしば３０／平方インチ以上の密度で密接にセッ
トされ、繊維整列にできるだけ妨害を与えず、ニードル
穿刺で再配向される繊維部分以外の繊維トウの移動を避
けるように意図される。各層は下方の層に重ねられたと
きに、ニードル穿刺され、繊維は垂直方向において移動
して、隣接層のみを強化する。これらの先行技術方法で
は通常、２つの隣接層のみにニードルパンチが加えられ
るか、又は大抵は、数層のみが含まれるにすぎないの
で、厚さ方向又はｚ方向における繊維整列が不連続であ
る。さらに、繊維の側方排除によって生ずる、ニードル
穿刺層の開口は最小であり、排除された繊維によって殆
ど完全に充填される。したがって、炭化時に、得られる
プレフォームは構造体を通る通路を有さず、通路は自由
空間を殆ど有さず、そのため、低い多孔度を有する。こ
のような先行技術構造体に、連続的であり、２又は３層
を越えるニードル穿刺層を通って伸びる開口を設けるた
めに、重複層の各層に関してニードルパンチを正確に整
列させることが必要であり、これは上首尾に実施するこ
とが非常に困難なプロセスである。
【００３８】ニードルパンチ操作はマット構造体の表面
に対して垂直な方向に穿孔することによって行うことが
好ましい。しかし、低密度マットが曲面の外面を有する
場合又は特定の繊維配向が望ましい場合には、表面に対
して垂直以外の角度で穿孔を実施することができ、表面
に対して約４５°程度の穿孔角度を有効に用いることが
できる。
【００３９】特にマット及び同様な平面的構造体に関し
て、ニードル穿刺構造に大きな均一性を与えるために、
構造体を逆して、裏面をさらにニードルパンチすること
によって、両面から構造体をニードルパンチすることが
望ましい。以下の例示によってさらに良く理解されるよ
うに、ニードルパンチ深さの変化の制御と組合せると、
両面からのニードルパンチ方法は構造体内の強化深さを
制御する手段をも与え、厚さ方向で異なる強化レベルを
有する構造体を形成する。
【００４０】ニードルパンチ操作における反復穿孔は構
造体をある程度圧縮し、緻密化し、同時に繊維を分散さ
せ、ランダム化し、ディスクの面内で再配向させるため
に役立つ。繊維トウのこの処理(working)はさらに繊維
をランダム化し、隣接領域の間の繊維配向の推移を滑ら
かにして、不連続性を最小にする。上述したように、用
いるニードルはマットを通る有意な大きさの開口又はチ
ャンネルを形成し、再配向されたトウフィラメントが該
チャンネルを通って伸びるように選択される。大きなチ
ャンネルは構造体の有効多孔度を増大させ、マット内部
へのアクセスを改良し、その後の炭素浸透操作又は適当
な炭素先駆体物質の含浸において達成される炭素付着レ
ベルを増大させる。低い多孔度のプレフォーム構造体へ
の例えばＣＶＤ炭素のようなマトリックス成分の浸透時
には、付着が表面層において生じて、構造体の内部でさ
らに緻密化が生ずることを阻止するので、多孔度の改良
は厚い部品（一般に１インチを越える）の製造において
特に有利である。
【００４１】ニードルパンチ操作は一般に、加えるニー
ドルパンチの程度に依存して、繊維マットの初期厚さを
１０〜４０％減ずる。大抵の用途のために、用いるニー
ドルパンチレベルは繊維の実質的な量を再配向させ、そ
れによって構造体に三次元強化を与えるために充分であ
り、等方性特徴を生ずることができる。強度特性とプレ
フォーム結合性はニードルフェルト化によって有意に改
良され、貯蔵、包装及び輸送を含めたその後の取り扱い
を可能にすると同時に、さらに安定手段(fixturing)を
必要とすることなく含浸及び浸透操作への使用を可能に
する。
【００４２】ニードルパンチした熱硬化性ピッチ繊維プ
レフォームは一般に炭化されると、高強度の繊維強化炭
素又は黒鉛製品を完成するために用いられる、浸透又は
含浸操作と炭化操作に用いるための多孔質炭素構造体又
はプレフォームを形成する。このような構造体に対して
当該技術分野で通常用いられるような炭化プロセスをこ
れらの目的のために利用することができる。一般に、安
定手段を必要とせずに、不活性な非酸化性雰囲気内でプ
レフォームの大きさと構成物質とに基づいて選択される
加熱速度で加熱することによって、プレフォームを炭化
させることができる。最終温度までの約２５℃〜５０℃
／時の範囲内の加熱速度が当該技術分野で通常用いら
れ、炭化を完成するためにプレフォームは特定の最終温
度に数分間から数時間までの種々な期間保持され、この
時間は所望の炭化度に依存する。このようなプロセスは
炭素−炭素繊維技術分野に熟練した人に周知であろう。
熱硬化性ピッチ繊維先駆体からの大抵のプレフォームで
は、炭化操作が３〜８％の範囲内の収縮を生じる。炭化
したプレフォームは０．４〜０．７ｇ／ｃｃの範囲内の
公称嵩密度を有する。
【００４３】他の実施態様では、不堅牢繊維と呼ばれ
る、炭化操作中に消耗されるような繊維を含めることに
よって、又は間隙内に非融合性繊維若しくは粒子を供給
することによって、プレフォーム構造体を特定のニーズ
を満たすように変えることができる。このような変更構
造体を得るための１方法は、ニードルパンチの実施前に
不連続な、恐らく高度にけん縮した、不堅牢繊維の上部
層をマットに与えることであり、これによって、ニード
ルフェルト化操作によって厚さを通しての方向で再配向
される繊維の実質的な部分がこのような繊維から成るこ
とになる。その後の炭化時に、この不堅牢繊維は失わ
れ、そのために多孔度が増大する。
【００４４】本発明の多孔質炭素構造体は、熱硬化性樹
脂、金属、炭素及びセラミックを含む多様なマトリック
ス材料のいずれか中に埋封されると、特に魅力的な複合
体を形成する。炭素繊維強化複合体の製造にマトリック
ス樹脂として用いるために適した、多様な熱硬化性樹脂
系と組成物が知られ、商業的供給源から容易に入手可能
であり、これらはエポキシ樹脂、シアネート(cyanate)
樹脂、フェノール樹脂、ビスマレイミド樹脂等並びにこ
れらに基づく、混合物及び反応性中間体を含む。大抵
の、このような熱硬化性樹脂は、施用温度において液体
であり、多孔質マトリックスに含浸させるために充分に
低い粘度を有するように調合される場合に、複合体の製
造において本発明の多孔質炭素構造体に対して有用であ
ると判明する。同様に、多孔質炭素体に銅、アルミニウ
ム、スズ、銀、ニッケル等と、例えば黄銅のような合金
とを含めた、溶融金属を浸透させることは開発されてお
り、複合体技術分野において周知であり、これらの方法
を本発明の多孔質炭素プレフォームに対して適用して、
金属マトリックス複合体を製造することができる。多様
な多孔質構造体に、シリカ、炭化ケイ素及び窒化ケイ素
を含めたセラミック物質と先駆体並びに多様な、他の窒
化物、酸化物等を浸透させる方法は当該技術分野におい
て充分に開示されており、これらの方法も本発明の炭素
プレフォームに対して適切に適用して、セラミック−炭
素繊維複合体を形成することができる。
【００４５】炭素−炭素繊維複合体に用いる場合に、多
孔質炭素構造体は、炭素複合体分野で一般に用いられて
いる、例えば熱分解付着(pyrolytic deposition)及び浸
透プロセスのような、浸透プロセスを受けることにな
る。一般に、これらの操作は慣習的であり、約７００℃
〜約１９００℃の温度範囲を有する、任意の適当な蒸着
炉内で実施することができる。例えば、熱の影響下で分
解する、メタン、エタン、ブタン又はプロパンのような
炭素含有(carbonaceous)ガスから、熱分解炭素を付着さ
せることができる。製品への浸透を容易にするために、
炭素含有ガスを例えば窒素又はアルゴンのような不活性
ガスによって希釈することが好ましい。一般に、不活性
ガス約１０容量部に対して炭素含有ガス約１容量部から
の比を用いることが適切である。約１：１から約１：６
までの比が顕著に有用であると判明している。炭素含有
ガスを排気炉(evacuated furnace)中に供給することも
でき、このような場合には、希釈剤ガスを省略すること
ができる又は不活性ガス量をかなり減ずることができ
る。
【００４６】成形した多孔質炭素構造体を効果的に浸透
するために必要な時間は、例えば構造体の体積、密度、
構造体の形状、繊維サイズ(fiber size)及び繊維配向の
ような種々な要素並びにガス流量、付着温度及び炉圧力
に依存する。これらの変数は炭素複合体を製造するため
の当該技術分野における通常の実施に従って経験的に定
めることができる。蒸気浸透後に、アセンブリを冷却さ
せ、必要な場合には、炭素含量と炭素複合体製品の密度
とをさらに高めるためにプロセスを反復する。
【００４７】或いは、多孔質炭素プレフォームに例えば
ピッチ又は炭素含有樹脂のような、適当な炭化可能フィ
ラー物質を加圧含浸させることができる。次に、製品を
加圧硬化させ、硬化後に、大気圧において窒素の保護雰
囲気を用いて焼成することができる。焼成操作中に、複
合体の温度を硬化温度から約８００℃まで徐々に上昇さ
せる。温度上昇速度は主として、焼成すべき製品のサイ
ズの関数である。温度が製品を通して均一であり、製品
の不均一な加熱によって惹起される有害な内部応力が避
けられるように、大きい製品は小さい製品よりも緩慢な
温度上昇速度を必要とする。含浸、硬化及び焼成工程の
完了後に、成形体(shape)を再び真空下に置いて、再含
浸、硬化及び焼成することができる。含浸、硬化及び焼
成のサイクル数は完成製品に要求される密度によって決
定される。
【００４８】所望の回数の含浸、硬化及び焼成工程の完
了後に、製品を炭化又は黒鉛化することができる。熱処
理を単一工程において又は数段階において１２００〜３
５００℃の範囲内の温度までに実施して、本発明の炭化
又は黒鉛化炭素製品を得ることができる。製品が消耗さ
れないことを保証するために、この熱処理は実質的に不
反応性雰囲気内で実施される。不反応性雰囲気は窒素、
アルゴン又はヘリウムでよいが、約２０００℃を越える
温度では、アルゴン又はヘリウムが好ましい。特に温度
があまり急速に上昇しない場合には、不反応性雰囲気は
重度な害を生ずることなく少量の酸素を含むことができ
るが、酸素の存在は避けるべきである。さらに、湿った
ヤーン構造体は加熱時に水蒸気の雰囲気を生じ、水蒸気
は炭化温度においては非常に反応性であるので、このよ
うな炭化温度に達する前に炉からパージすべきである。
炉の雰囲気中にホウ素又は同様な黒鉛化用の成分を含む
ことは望ましく、これらは不反応性（本明細書でこの用
語を用いるかぎりで）と見なされる。
【００４９】プレフォームの加熱は単一工程プロセスで
実施するか、或いは、後にさらに加工するための例えば
充填プレフォーム及び炭化構造体のような中間体の冷却
及び貯蔵を含めて、一連の工程又は段階で実施すること
ができる。熱処理の最終温度は主として最終使用の用途
によって定められる。例えば、製品が極端な温度を経験
することが予想される場合には、熱処理は２６００℃以
上の非常な高温にまで、高度な黒鉛化が望ましい用途で
は、３５００℃に近い温度にまで実施される。熱処理は
圧縮を助け、高密度複合体を形成するために外部圧力を
加えて、又は加えずに実施することができる。
【００５０】用いるべき特定の熱処理が製造される部品
のサイズ及び形状に関して決定されることは、当業者に
よって容易に理解されるであろう。大きい部品に関して
は、部品の中心部への熱伝導が必然的に緩慢であり、長
い加熱サイクルと緩慢な温度上昇が望ましい。
【００５１】例えば１．４ｇ／ｃｃ未満のような、低い
密度を有する強化炭素−炭素繊維又は黒鉛化製品を製造
することが本発明の範囲内であるが、好ましい密度範囲
は約１．６〜約２．１ｇ／ｃｃの範囲内である。本発明
による炭素−炭素繊維複合体は、実質的に繊維プレフォ
ームの製造にピッチベースド繊維を用いるために、優れ
た熱伝導性を有する。観察される特定の熱伝導性は一部
は最終炭化温度に依存し、この温度が黒鉛化度を決定す
る。２０００℃を越える温度で炭化すると、１．６ｇ／
ｃｃを越える密度を有し、本発明による、炭素マトリッ
クス中に埋封された炭化プレフォームを含む複合体は厚
さを通しての方向において８０ワット／ｍ°Ｋより大き
い熱伝導性を有することができる。
【００５２】本発明の方法を実施する正確な形式をさら
に明確に説明する下記特定実施例を検討することによっ
て、本発明がさらに良好に理解されると思われる。実施
例は例示のためにのみ提供するものであり、説明する特
定のプロセス詳細又は製品に本発明の範囲を制限するも
のと見なすべきではない。
【００５３】
【実施例】
（実施例１）２”厚さのポリエチレンフォームシートを
通して６”直径円形開口を形成し、該フォームシートの
片面においてグラフホイル(Graphfoil)シートを貼付す
ることによって該開口の１端部を閉鎖し、該キャビティ
内のグラフホイルにフォームの３．５”直径円筒形を加
え、中心においてそれを軸方向に整列させることによっ
て型キャビティを形成した。このキャビティを最初にポ
リプロピレンスクリムによって内張りし、次に、公称
２”長さのチョップト４０００フィラメント熱硬化性ピ
ッチ繊維トウ２８２ｇを均一に充填して、公称深さ２”
において型の平面に実質的に沿ってランダムに配向した
チョップト繊維トウから成るルーズな繊維マットを形成
した。１ｃｍ2につき１ニードルで取り付けられた２１
６フォスター(Foster)Ｆ２０ ８−３２−５Ｂ２Ｂ／Ｅ
１５ １８ ２５ ３．５ＳＢＡニードルのランダム化
パターンを有するニードルボードを用いて、このマット
を表面に垂直に１００往復ストロークで表面上に２回パ
スでニードル穿刺した。マットの厚さは最初のパスで
１．７５”に減少し、第２パスで１．５６”に減少し
た。全体で６回パスまで、さらにニードル穿刺パスを実
施して、１．３７５”の最終厚さを得た。第３ニードル
穿刺パス後に、裏面からのニードル穿刺を可能にするた
めにプレフォームを逆にした。多孔質プレフォームは容
易に型キャビティから取り出され、良好な強度と結合性
とを有した。０．４５８の熱硬化性ピッチ繊維の体積分
率に対応して、このプレフォームの嵩密度は０．６２８
ｇ／ｃｃであった。
【００５４】（実施例２）ディスク形状のマット（直径
１８．５ｃｍ、厚さ４．５ｃｍ）を公称長さ１．５”の
チョップト４０００フィラメント熱硬化性ピッチ繊維ト
ウ７００ｇから手で形成した。このマット表面をポリプ
ロピレンスクリムによって覆い、スクラッピングテープ
(scrapping tape)で支えたポリプロピレンスクリムによ
って円周の周囲を固定した。１ｃｍ2につき１ニードル
で取り付けられた２１６フォスターＦ２０ ８−３２−
５Ｂ２Ｂ／Ｅ１５ １８ ２５ ３．５ＳＢＡニードル
のランダム化パターンを有するニードルボードを用い
て、マット厚さの９０％の深さにおいて１３００穿刺／
平方インチ（ＮＰＳＩ）を行った。このニードルフェル
ト化操作を両面から施用して、厚さの中心８０％に全体
で２６００ＮＰＳＩを加えた。このディスク物質はやや
広がり、ディスクを直径１９．７５ｃｍ、厚さ３．８５
ｃｍにした。ディスクは７０１ｇ重量であり、優れた結
合性と取り扱い性とを有した。
【００５５】ディスクを窒素雰囲気下で加熱し、温度を
５０℃／時の速度で１３００℃の最終温度に上昇させ、
この温度に１時間保持することによって炭化した。１
６．５ｃｍ直径及び３．３ｃｍ厚さにトリミングした後
に、ディスク重量は０．５８ｇ／ｃｃの嵩密度に対応し
て、４０８ｇであった。このディスクにＣＶＤ処理によ
って浸透させ、炭素を蒸着させ、炭素−炭素繊維強化ブ
ランクを得た。このブランクは３ＣＶＤサイクルで１．
６５ｇ／ｃｃの密度を有した。全体で６回のこのような
ＣＶＤサイクル後に、密度は１．８５ｇ／ｃｃであっ
た。
【００５６】（実施例３）外径１３”、内径４”、厚さ
２”を有し、平坦な又は平面的底部を有する環状型キャ
ビティを有する型をアルミニウムから製造した。この型
キャビティに、公称２”長さの４０００フィラメント熱
硬化性ピッチ繊維トウ１４４０ｇを、このトウを型キャ
ビティ中に細断し、スパイラル供給運動を用いて、繊維
を均一に分配することによって均一に充填して、公称深
さ２”において型の平面に実質的に沿ってランダムに配
向した不連続な熱硬化性繊維によるルーズな繊維マット
を形成した。マット面をポリプロピレン不織スクリムに
よって覆った。１ｃｍ2につき１ニードルで環状アーク
セグメント状に配列して、取り付けられた４９フォスタ
ーＦ２０ ８−３２−５Ｂ２Ｂ／Ｅ１５ １８ ２５
３．５ＳＢＡニードルのランダム化パターンを有するニ
ードルボードを用いて、マット厚さの９０％の深さにお
いて１３００穿刺／平方インチ（ＮＰＳＩ）を行い、次
に、マット厚さの６０％深さにおいて１３００穿刺／平
方インチ（ＮＰＳＩ）を行った。裏面を暴露するように
マットを逆にした後に、このニードルフェルト化操作を
繰り返し、ニードルフェルト化を両面から等しく施用し
た。各ニードル穿刺操作において、型は半径方向におい
て０．１”まで拡大し、ニードル穿刺をランダム化し
た。ストロークあたりの記録(registration per strok
e)は約１°の半径方向移動であった。マット面に接触
し、型キャビティに嵌合する大きさである環状シューを
備えたストリッパープレート(stripper plate)も用い
た。ニードルフェルト化操作中にマットが圧縮されるの
で、このストリッパーシューは型中に降下した。
【００５７】示差(differential)ニードル穿刺は、厚さ
の中心２０％が全体で５２００ＮＰＳＩに暴露され、こ
の中心から各方向における次の３０％が３９００ＮＰＩ
Ｓに暴露され、各面に最も近い外側１０％が全体で２６
００ＮＰＩＳを受けたディスクを形成した。得られたニ
ードル穿刺マット又は環状プレフォームは１．２５”の
厚さと０．５２ｇ／ｃｃの嵩密度とを有した。このピッ
チ繊維プレフォームを炭化し、次にＣＶＤ処理によって
浸透させ、炭素を蒸着させ、炭素−炭素繊維強化ブラン
クを得た。このブランクは、全体で３ＣＶＤサイクル後
に、１．７９ｇ／ｃｃの密度を有した。
【００５８】（実施例４）アルミニウム、ＰＶＣ及び繊
維板から深さ１．７５”、外径２０．１”、内径８．２
５”を有する環状キャビティを有するように形成した以
外は実施例３で用いた型と同じ形状の流し込み型に、公
称２”長さのチョップト４０００フィラメント熱硬化性
ピッチトウを充填した。充填操作は、チョッパーからの
トウを受容し、シュート底部と壁の表面に接触して流動
することによってトウ流を配向させるようにキャビティ
の内径と外径とに配置されたアーティキュレートシュー
ト(articulating chute)を用いて実施した。型が回転し
ながら、型に流れが供給され、数回のパスで所望の深さ
まで型を充填した。各パス後に、アークセクション(arc
section)の形状のプレートを用いて、繊維を型キャビ
ティ中に押し入れた。目視検査によると、繊維は一般に
ｘ−ｙ面内に存在し、型キャビティの壁に最も近い繊維
は壁に沿って整列し、型壁から離れるに従って、徐々に
ランダム化して、壁から１．５”を越えた領域では実質
的にランダムな配向を有した。
【００５９】マットを実質的に実施例３に述べたように
ニードルパンチして、手で扱うことができる(handleabl
e)三次元強化熱硬化性ピッチ繊維プレフォームを得た。
炭化時に、得られた多孔質炭素繊維プレフォームは公称
０．５３ｇ／ｃｃの密度を有した。目視検査では、ディ
スクの内周及び外周の表面は良好な結合性を有し、壁に
最も近いトウのみがニードルパンチ操作によって構造体
中に組み込まれなかった。
【００６０】（実施例５）実施例２の操作を用いて、直
径２”、厚さ１．１”のディスク形状マット５個を形成
した。これらのマットを実施例２のニードル形状と操作
を用いて、但しニードルパンチレベルを変えて、マット
厚さの９０％までニードル穿刺して、各面から６５０、
１３００、２６００、３９００、５２００及び６５００
ＮＰＳＩのニードル穿刺レベルを有する６個の熱硬化性
ピッチ繊維プレフォームと試験ディスクを形成した。標
本(specimen)を２６００℃の最終温度まで黒鉛化して、
炭素−炭素繊維プレフォームを形成した。これらのプレ
フォームにエポキシ樹脂を樹脂トランスファー成形によ
って含浸させ、硬化させて、試験のための炭素繊維強化
エポキシマトリックス複合体ブランクを形成した。当該
技術分野で良好に理解されるように、樹脂マトリックス
複合体のエポキシマトリックス成分の機能は、繊維成分
の結合剤として作用することである。このような複合体
の機械的性質、特に熱的性質及び圧縮特性は主として、
繊維強化材の性質の関数である。
【００６１】面内（ｘ／ｙ軸）方向及び厚さ（ｚ軸）方
向の圧縮弾性率を歪みゲージを用いて測定するために、
ディスクから機械的試験標本を機械加工した(machine
d)。弾性率データを下記表１に要約する。
【００６２】
【表１】 表１ ニードルパンチレベル ｘ−ｙ圧縮弾性率 ｚ圧縮弾性率(ＮＰＳＩ／面) 平均(Mpsi) 範囲(Mpsi) 平均(Mpsi) ６５０ ２．８ １．６〜３．７ ０．５ １３００ １．８５ ２．７〜１．３ ０．８ ２６００ １．８ ２．０〜１．６ １．０ ３９００ １．５ １．６〜１．３ １．４ ５２００ ０．９ ０．８〜１．０ ２．２ ６５００ ０．９ ０．６〜１．４ ２．７ これらの炭素繊維強化エポキシ複合体試験標本のｚ方向
すなわち厚さを通しての方向における圧縮弾性率がニー
ドルパンチレベルの上昇と共に直線的に上昇することが
見られ、このことは軸方向又は厚さを通して配向を有す
る繊維レベルの増加によって与えられる剛性への寄与を
実証する。面内又はｘ−ｙ方向では、ニードルパンチレ
ベルが上昇するにつれて、圧縮弾性率は対応する低下を
示す。
【００６３】厚い繊維強化複合体構造において繊維のラ
ンダムから実質的等方性分布までに及ぶ広範囲な繊維配
向を取り得ることは、本発明のプロセスに特有である。
ここに述べるように定めた、適当な長さを有する不連続
繊維を、繊維の再配向、再分布及びそれによる構造体内
の配向不連続繊維の均一分布のためのニードルパンチと
共に用いることは、繊維強化材を所望の任意の配向度を
有するように選択的に配置する手段を提供する。この度
合いの柔軟さは特定用途の特定必要条件を満たすように
調整された炭素繊維強化複合体を製造するために特に有
利である。連続繊維から厚い複合体を形成する先行技術
方法は、一般に準等方性の層状繊維構造体を製造する。
均一性を改良するために厚い層状繊維構造体をニードル
パンチするために、複雑な、先行技術方法と装置を用い
る場合にも、得られる複合体は実際の等方性特性を有さ
ず、三次元ウィービング等に頼ることなく面内方向で測
定される圧縮特性に等しいか又はこれより実質的に大き
い、厚さを通しての圧縮特性を有する繊維強化複合体を
形成することができない。
【００６４】（実施例６）本発明による炭素−炭素繊維
複合体標本を実施例２に述べた方法に実質的に従って製
造した。複合体からカットした試験標本をｘ−ｙ面内で
切断して、ｚ方向に配向した繊維の端部を暴露させた。
標本の表面を１．０ミクロンスラリーを用いて研磨し
て、５００Ｘ倍率で交差ニコルプリズム下で反射光線を
用いて、目視顕微鏡によって検査した。次に表面の顕微
鏡写真（図１）を考察すると、ｚ方向フィラメントは、
その端部が実質的に丸い点として見え、ＣＶＤマトリッ
クス物質中に埋封されていることが見られる。さらに、
フィラメントが、各々大きい結晶質炭素ドメインによっ
て囲まれて、実質的にランダムに分配されていることが
見られる。ＣＶＤ炭素と炭素フィラメントとの面積比
は、一般に約４より大きく、非常に高いことが分かる。
【００６５】（比較例Ａ）炭化させ、次にＣＶＤ付着炭
素を浸透させた、ニードルパンチした繊維ラミネート堆
積を含む、先行技術による炭素−炭素繊維複合体からカ
ットした標本を同様に切断して、研磨した。次に先行技
術標本の表面の顕微鏡写真（図２）を考察すると、この
標本は非常に多数のｚ方向フィラメントを有することが
見られ、その端部は実質的に黒い点として見え、写真面
(field)全体にほぼ均一に分布され、フィラメントの間
隙にはフィラメントを囲むＣＶＤ炭素の小さい、不規則
なドメインが充填される。ＣＶＤ炭素と炭素フィラメン
トとの面積比は、一般に２未満の低いことが分かる。
【００６６】例えば図１に示すような、本発明の複合体
とプレフォームからカットした標本を厚さを通しての又
はｚ方向において切断し、面を顕微鏡で検査すると、ｚ
方向に配向した炭化フィラメントをその中に埋封して有
するＣＶＤ炭素の大きい、細長いドメインを含むものと
して複合体が示される。さらに、このカラムは一般に標
本の厚さを通して実質的に伸び、それによって複合体の
厚さを通しての方向に繊維と炭素とを含む長いカラムを
形成することが分かる。
【００６７】（実施例７）実質的に実施例２に述べたよ
うに製造した、炭素−炭素繊維強化ブランクを窒素下で
１８００℃の最終温度までに加熱することによって、さ
らに炭化させた。この炭素−炭素繊維複合体ブランク
は、面内（ｘ−ｙ）方向で７５°Ｆ（２３．９℃）にお
いて測定して１０９ワット／ｍ °Ｋの熱伝導度と、厚
さを通しての又はｚ方向で７５°Ｆ（２３．９℃）にお
いて測定して１００ワット／ｍ°Ｋの熱伝導度とを有し
た。温度拡散率は１．０５ｃｍ2／秒として独立的に測
定された。
【００６８】（比較例Ｂ）ＣＶＤ付着炭素を浸透させた
炭化布帛を含む先行技術炭素−炭素繊維複合体から形成
された市販のブレーキディスクから、試験標本をカット
した。この試験標本は厚さを通しての方向で７５°Ｆ
（２３．９℃）において測定して４．６ワット／ｍ°Ｋ
の熱伝導度とを有することが判明した。面内（ｘ−ｙ）
方向での熱伝導度は、７５°Ｆ（２３．９℃）において
測定して１２．８ワット／ｍ°Ｋであった。したがっ
て、先行技術の炭素−炭素繊維複合体は熱的特性におい
て高度な異方性を有することが分かる。
【００６９】（実施例８）直径５０．８ｃｍ、厚さ３．
２ｃｍを有し、２６００ＮＰＳＩでニードル穿刺された
ディスク形状マットを、実質的に実施例４の方法によっ
て製造した。プラグカッター(plug cutter)を用いて、
試験標本として用いるために厚さを通して５／８インチ
直径の円筒形プラグをカットした。この試験プラグの多
孔度レベルを比較のために、流量計を用いて６．４ｃｍ
のサンプルを通る空気流を測定することによって概算し
た。流動管内に、両端部を突き合わせて直線的に配置し
た、このような２個のプラグを入れて、流動試験を実施
した。５ｐｓｉｇと指定された供給圧力で空気を流量計
に供給した。装置を通る空気の容量流量はサンプルの
１．９７９ｃｍ2面における０．３６１９リットル／分
の流量に対応して０．４４２リットル／分と測定され
た。単位流れ抵抗は０．４９６ｐｓｉ／リットル／分−
ｃｍと算出された。
【００７０】実施例２に述べたように１３００℃の最終
温度までに炭化されたディスクからカットした、３．９
ｃｍ厚さの試験標本は０．４２８６リットル／分のサン
プルの流量と、０．１４４ｐｓｉ／リットル／分−ｃｍ
の算出された単位流れ抵抗とに対応して、５ｐｓｉｇに
おいて０．４７５リットル／分の流量を有した。
【００７１】（比較例Ｃ）２６００ＮＰＳＩのレベルに
ニードルパンチした熱硬化性ピッチ繊維布帛堆積を含
む、先行技術による３．２ｃｍ厚さの炭素−炭素複合体
からカットしたプラグ標本を、実質的に実施例８におけ
るように、多孔度レベルに関して試験した。０．３５２
４リットル／分のサンプルの流量と、０．５４４ｐｓｉ
／リットル／分−ｃｍと算出された単位流れ抵抗とに対
応して、５ｐｓｉｇにおいて０．４３８リットル／分の
流量が測定された。
【００７２】実施例２に述べたように１３００℃の最終
温度までに炭化されたディスクからカットした、２．６
ｃｍ厚さの試験標本は、０．４２８６リットル／分のサ
ンプルの流量と、０．２６６ｐｓｉ／リットル／分−ｃ
ｍの算出された単位流れ抵抗とに対応して、５ｐｓｉｇ
において０．４７０リットル／分の流量を有した。
【００７３】したがって、先行技術の繊維状プレフォー
ム構造体と本発明の多孔質炭素繊維構造体との相違は非
常に明白である。本発明の方法による大きい直径のニー
ドルの使用と、厚い構造体を通るニードルパンチとは、
本発明の多孔質炭素プレフォームの厚さを通って連続的
にかつ実質的に伸びる実質的な開口を生じ、マトリック
ス成分の浸透のために高レベルの多孔度と優れたアクセ
ス(access)とを形成する。層状布帛と、先行技術によっ
て開示されるように施用される重複層を通るニードルパ
ンチとから構成される厚い炭素プレフォームは、炭化時
に、プレフォームを通る連続通路を殆ど有さない。この
ような先行技術プレフォームは非常に低い多孔度を有
し、したがって、浸透が非常に困難である。
【００７４】本発明の多孔質炭素構造を含む複合体、特
に炭素−炭素繊維複合体は先行技術の炭素−炭素繊維複
合体とは実質的に異なることが分かる。本発明による炭
素−炭素繊維複合体は厚さ方向すなわちニードルパンチ
方向において構造体を通って伸びる結晶質炭素のカラム
中に埋封された炭素フィラメントを含む。当該技術分野
において周知であるように、結晶成長中に炭素体内に生
ずる配向は、炭素が付着する基体の存在によって、完全
には算出されないとしても、非常に影響を受ける。図１
の顕微鏡写真に示される炭素ドメインは炭化中間相ピッ
チ繊維上に付着し、結晶質ドメインは上述したように繊
維軸に沿って配向する。顕微鏡写真に見られる高度に配
向した炭素のカラムはマット厚さを通って伸び、同様に
配向される。配向した結晶質炭素のこれらのカラムは、
実質的に黒鉛の性質特徴を有する炭素−炭素繊維複合体
を形成し、実質的に構造体を通って伸びることによっ
て、実施例７の複合体に関して報告される熱的性質によ
って明白に実証されるように、厚さを通しての又はｚ方
向における優れた熱伝導特性を複合体に与える。
【００７５】注目すべき他の比較は、１３００ＮＰＳＩ
のレベルにニードル穿刺したプレフォームから構成され
る実施例５のエポキシマトリックス複合体と、１３００
ＮＰＳＩのレベルにニードル穿刺した実施例７の炭素マ
トリックス複合体との機械的性質の比較によって与えら
れる。エポキシマトリックス複合体では、圧縮性質が異
方性であることが見られ、ｘ−ｙ／ｚ圧縮弾性率は２．
３１の比を有する。同じ炭素プレフォーム構造体が、Ｃ
ＶＤ炭素を浸透させて実施例７におけるような炭素−炭
素繊維複合体を形成する場合には、実質的に等方性の熱
的性質を示し、ｘ−ｙ／ｚ圧縮弾性率は１．０９の比を
有する。
【００７６】比較のために、比較例Ｂの先行技術複合体
に関して提供された熱的データを検討すると、この場合
には、厚さ方向又はｚ方向の熱的性質が面内又はｘ−ｙ
方向性質よりも一般に非常に低いことが見られる。さら
に、先行技術の炭素−炭素繊維複合体は一般に厚さ方向
において約７０ワット／ｍ°Ｋよりもかなり低い熱伝導
度と、約０．７ｃｍ2／秒よりも一般に低い温度拡散率
とを有する。
【００７７】ＣＶＤ付着炭素によって浸透され、炭化
し、ニードルパンチしたＰＡＮベースド繊維布帛堆積を
含む先行技術炭素−炭素繊維複合体は、一般には０．２
〜０．３ｃｍ2／秒の範囲内のさらに低い温度拡散率を
有すると開示される。ＣＶＤ付着炭素によって浸透され
た、炭化し、ニードルパンチしたピッチベースド炭素繊
維布帛堆積を含む炭素−炭素マトリックス複合体も先行
技術に開示され、これらも０．１〜０．７ｃｍ2／秒の
範囲内の低い温度拡散率を有する。これらの先行技術炭
素複合体部品における熱履歴と黒鉛化レベル及び伝導度
(conductivity)測定の直交方向は開示されていない。
【００７８】例えば図２に示すような、先行技術方法に
よる層状連続繊維の炭素繊維布帛又はテープから形成さ
れる複合体では、布帛又はテープの連続炭素繊維成分が
ｘ−ｙ面において複合体を通って実質的に伸び、面内方
向において良好な熱伝導経路を形成する。しかし、この
ような複合体は厚さ又はｚ方向を通って伸びて熱伝導経
路を形成する連続結晶質炭素経路を有さず、このような
複合体の連続布帛層間の熱伝導は不良であることが知ら
れる。比較例Ｂによって示されるような、このような複
合体のｚ又は厚さ方向の熱的特性は一般に面内方向にお
けるよりも非常に低く、複合体に異方性の熱的特徴を与
える。
【００７９】実質的に等方性の熱的性質、特に高レベル
の熱伝導度を有する炭素−炭素繊維複合体構造は当該技
術分野においてまだ開示されていず、厚さ方向において
７０ワット／ｍ°Ｋ以上の高い熱伝導度、又は約０．７
ｃｍ2／秒より大きく、１．０ｃｍ2／秒以上程度の大き
さの温度拡散率を有する炭素−炭素繊維複合体は当該技
術分野において知られていない。これらの驚くべき熱的
性質は本発明によって得られる炭素−炭素繊維複合体に
関してのみ発見されている。
【００８０】（実施例９）実質的に実施例５において述
べたように、炭化プレフォームを製造し、切断して試験
標本を作製した。不活性雰囲気下で約１３００℃の最終
温度に加熱してさらに炭化した後に、試験標本に溶融銅
を浸透させて、冷却時に、銅−炭素繊維複合体を形成し
た。
【００８１】種々なマトリックス物質を浸透させる他の
公知方法を本発明の炭素プレフォームに便利に適用し
て、ニッケル−炭素繊維複合体、銀−炭素繊維複合体等
を形成することができる。炭化ケイ素、金属窒化物等を
浸透させるための蒸着方法も当該技術分野において知ら
れ、これらの方法も本発明の多孔質炭素プレフォームに
対して複合体マトリックス成分をさらに変化させて適用
することができる。複数のこのような方法を連続的に用
いることによって、有用な複合体物質を形成することが
でき、それによって金属、炭素及びセラミック物質の混
合物を含むマトリックス成分を含む複合体を製造するこ
とができる。
【００８２】したがって、本発明の製品は三次元強化を
有する多孔質炭素プレフォームであり、このプレフォー
ムは不連続の熱硬化性ピッチ繊維から、最初にカット繊
維又はトウのマットを形成し、次にニードルパンチし
て、繊維の一部を厚さを通しての方向すなわちｚ方向に
おいて再配向させることによって製造される。ニードル
穿刺構造体を次に炭化して、高度な多孔度を有する高度
に多孔質の炭素プレフォームを形成する；流れ抵抗に基
づいて比較する場合に、本発明による０．５ｇ／ｃｃよ
り大きい嵩密度を有する炭化プレフォームは約０．２ｐ
ｓｉ／リットル／分−ｃｍよりも一般に低い流れ抵抗を
有する。
【００８３】本発明の多孔質炭化プレフォーム構造体
は、熱硬化性樹脂、金属、炭素又はセラミックを含め
た、種々なマトリックス物質のいずれかを含む複合体の
製造に強化材として使用可能である。このプレフォーム
へのＣＶＤ付着炭素の浸透又は炭化可能なフィラーの含
浸と炭化は、厚さを通しての方向において一般に７０ワ
ット／ｍ°Ｋより大きい、好ましくは１００ワット／ｍ
°Ｋより大きい優れた熱伝導度と、０．７ｃｍ2／秒よ
り大きく、好ましくは０．９ｃｍ2／秒より大きい温度
拡散率を有する炭素−炭素繊維複合体を形成する。ｘ−
ｙ面での断面図として、厚さ方向で検討した場合に、本
発明の構造体は一般にマトリックス成分中に埋封される
炭素フィラメントを含み、複合体の面内断面図で２成分
の断面積の比として算出した場合に、マトリックス対炭
素繊維の比は約２より大きく、好ましくは約４より大き
い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による炭素−炭素繊維複合体をｚ方向に
おいて切断した断面の顕微鏡写真である。
【図２】先行技術による炭素−炭素繊維複合体をｚ方向
において切断した断面の顕微鏡写真である。
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｃ０４Ｂ 35/52 35/80 Ｄ０４Ｈ 1/46 Ｚ // Ｃ２３Ｃ 16/26 Ｃ０４Ｂ 35/54 Ｄ 35/80 Ａ Ｋ

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 厚さ方向においてニードルパンチされた
    シート形状の繊維状材料から形成される厚い三次元構造
    体であって、前記繊維状材料が不連続な熱硬化性ピッチ
    繊維であり；前記構造体の少なくとも１面が厚さ方向に
    おいてニードルパンチされて、それによって、約０．４
    〜約０．７ｇ／ｃｃの嵩密度と、前記構造体を少なくと
    も８０％通って伸びる、前記表面１平方インチにつき約
    １００〜約１０，０００個の前記ニードルパンチ開口と
    を有する構造体が形成されていることを特徴とする構造
    体。
  2. 【請求項２】 前記プレフォーム構造体が、その両面か
    ら伸びる前記ニードルパンチ開口を有する環状形である
    請求項１記載の構造体。
  3. 【請求項３】 ０．３〜約０．６ｇ／ｃｃの範囲内の密
    度と、約１〜約４インチの範囲内の公称長さとを有する
    不連続熱硬化性ピッチ繊維の厚いマットを形成する工程
    と；前記マットを表面に対して実質的に垂直にニードル
    パンチして、フィラメント束を形成し、前記フィラメン
    ト束の一部をニードル穿刺方向に再配向させる工程とを
    含む最終的形状に近い繊維状プレフォームの製造方法。
  4. 【請求項４】 繊維を保持するための成形手段を用意す
    る工程と；不連続な熱硬化性ピッチ繊維を前記成形手段
    に入れて、約０．３〜約０．６ｇ／ｃｃの密度を有する
    厚いマットを形成する工程と；前記マットを表面に対し
    て実質的に垂直にかつ約１００〜約１０，０００個／平
    方インチのニードル密度においてニードルパンチして、
    フィラメント束を形成し、前記フィラメント束の一部を
    ニードル穿刺方向に再配向させて、三次元フィラメント
    構造体を形成する工程と；前記フィラメント構造体を不
    活性雰囲気中で約１０００℃を越える温度に加熱して、
    多孔質炭素プレフォームを形成する工程とを含む請求項
    ３記載の方法。
  5. 【請求項５】 前記加熱を約１２００℃〜約２２００℃
    の範囲内の温度まで実施する請求項３記載の方法。
  6. 【請求項６】 前記加熱を約２６００℃〜約３４００℃
    の範囲内の最終温度まで実施し、それによって前記フィ
    ラメント構造体を実質的に黒鉛化する請求項３記載の方
    法。
  7. 【請求項７】 前記不連続熱硬化性ピッチ繊維を細断す
    る工程を含み、熱硬化性ピッチ繊維トウが約１〜約４イ
    ンチの公称長さを有し、前記トウがサイジングされ、約
    ２０〜約３０重量％の水分含量を有する請求項６記載の
    方法。
  8. 【請求項８】 前記プレフォームが０．４ｇ／ｃｃより
    大きい嵩密度と、約０．２ｐｓｉ／ｌ／分−ｃｍ未満
    の、ニードル穿刺方向の単位流れ抵抗とを有する請求項
    ６記載の方法。
  9. 【請求項９】 不連続炭化繊維から成る三次元多孔質炭
    素構造体を含み、前記プレフォームが熱硬化性樹脂、炭
    素、金属及びセラミックから成る群から選択されるマト
    リックス中に埋封されることから成る炭素繊維強化複合
    体。
  10. 【請求項１０】 前記多孔質炭素構造体が少なくともそ
    の１面を通って伸びる、表面の１平方インチにつき約１
    ００〜約１０，０００個のニードルパンチ開口を有し、
    前記開口が前記炭素構造体を少なくとも８０％通って伸
    び、かつその内部に軸方向に配置された炭化フィラメン
    トを含み、前記マトリックスの面積対、複合体の平面内
    断面積から算出される、前記軸方向配置炭化フィラメン
    トの面積の比が３より大きい請求項９記載の複合体。
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