JPH01153571A - 炭素繊維強化炭素複合材の製法 - Google Patents

炭素繊維強化炭素複合材の製法

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JPH01153571A
JPH01153571A JP63279978A JP27997888A JPH01153571A JP H01153571 A JPH01153571 A JP H01153571A JP 63279978 A JP63279978 A JP 63279978A JP 27997888 A JP27997888 A JP 27997888A JP H01153571 A JPH01153571 A JP H01153571A
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Japan
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resin
mandrel
carbon
impregnated
fiber
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Hiroyuki Kosuda
小須田 弘幸
Kenji Niijima
新島 健二
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Teijin Ltd
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Toho Rayon Co Ltd
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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m維強化炭素複合材の製法に関するもの
である。
炭素繊維強化炭素複合材は、マトリックスが炭素又は黒
鉛であるため、昇華温度が高く、高温になる程機械的特
性が向上し、熱衝撃に強く、アブレーション性能に優れ
、化学的に不活性である。それに加え、炭素繊維で強化
されているために機械的特性が一般の炭素材料に比較し
て著しく良好である。したがって、炭素繊維強化炭素複
合材は、高温断熱材や航空機ブレーキ材や宇宙工業用構
造材等に広く使用されている。
〔従来技術及び問題点〕
従来、中空円筒状炭素繊維強化炭素複合材の製法は、通
常、スチール製マンドレルに炭素繊維のフィラメント又
はテープをワインドし硬化後、マンドレルから脱型した
のち、炭素化するか、又は、円筒状金型を用いて、その
内側に炭素繊維プリプレグを積層後、加圧硬化させ脱型
したのち、炭化させていた。しかし、この炭化時におい
て、変形剥離、割れ等の構造的損傷を生ずることが多く
、特に肉厚の炭素繊維強化炭素複合材を構造的損傷なし
に製造することは著しく困難であった。
これらの損傷が生ずる要因として次の如く考えられる。
炭化工程において、マトリックスは初期の加熱工程で熱
膨張を起こし、次いで、熱分解により体積収縮を起こす
。強化!l維は熱膨張係数が非常に小さいので、マトリ
ックスの変形との差により、大きな内部応力が発生する
。更に、マトリックスが炭化されるまでの中間段階にお
いて、マトリックスが強度的に非常に弱くなる過程があ
るため、内部応力がマトリックスの強度により大となり
、前記の如く構造的損傷が生ずる。
〔発明の目的、構成及び効果〕
本発明者等は、この問題を解決すべく鋭意検討の結果、
本発明に至った。本発明の目的は、変形剥離、割れ等の
構造的損傷のない肉厚の中空の円柱、角柱、円錐、截頭
円錐、三角フラスコ形、ワインボトル形等の炭素m維強
化炭素複合材を製造する方法を提供することである。
本発明は下記の通りである。
500〜i、s o o℃の炭素化温度又は2 、00
0℃以上の熱処理温度において不活性雰囲気中で炭素と
反応せず、lX10’/℃以下の線膨張係数を有し、か
つ、その炭素化温度以上又は熱処理温度以上の融点をも
つセラミック材料からなるマンドレルに、樹脂を含浸し
た炭素繊維を捲回積層するか、又は、炭素繊維を捲回積
層したのち樹脂を含浸し、次いで、硬化したのち500
〜1.500℃で炭素化するか、又は、更に2,000
℃以上で熱処理することを特徴とする炭素繊維強化炭素
複合材の製法。
本発明によれば、構造的損傷のない肉厚の中空の炭素I
N強化炭素複合材を容易に製造することが可能である。
以下、本発明を更に詳細に説明する。
本発明に用いられるマンドレルの材質は、500〜1,
500℃の炭素化温度において、又は、2.000℃以
上の熱処理温度において窒素又はアルゴン等の不活性雰
囲気中で炭素と反応せず、線膨張係数が1x10’/’
C以下、好ましくは5XIO’/’C以下であり、かつ
、その炭素化温度以上又は熱処理温度以上の融点を持つ
セラミック材料である。
ここでいうセラミック材料とは、酸化ベリリウム、酸化
ジルコニウム、ポロンカーバイド、炭化ケイ素、炭化タ
ンタル、炭化チタン、炭化タングステン、炭化ジルコニ
ウム、窒化ケイ素を主成分とする材料である。
本発明において、マンドレルの材質を限定する理由は、
下記の通りである。
マンドレルに捲回積層した炭素繊維及び樹脂からなる成
形物を500〜i、soo℃の温度で炭素化し炭素繊維
強化炭素複合材を得るか又は該複合材を更に緻密化する
ために、樹脂又はコールタール、ピッチ等に含浸したの
ち炭素化するか、又は、必要により更に2,000℃以
上の温度で熱処理する場合において、窒素又はアルゴン
等の不活性雰囲気中でマンドレルの材料が該複合材の主
成分である炭素又は黒鉛と反応したのでは、機械的特性
等に満足し得る炭素繊維強化炭素複合材が得られないか
らである。また、500〜1.500℃以上の融点を持
ち、又は、必要により2.000℃以上で熱処理する場
合はその熱処理温度以上の融点を持ち、しかも、その温
度で該成形物の内表面の変形を防ぎ得る強度を持つ材質
からなるマンドレルでなければならないのである。
更に:マンドレルは、上記炭素化湿度又は熱処理温度で
熱膨張する際、複合材を損傷してはならないので、線膨
張係数が1x10  ’ /’C以下でなければならな
い。それを超えると、マンドレルの熱膨張と複合材の熱
膨張の差により複合材が破壊される。
マンドレルの形状は、円筒(柱)、角柱、錐形の外、截
頭錐形、三角フラスコ形、ワインボトル形、その他の形
状のものが目的物の形状に合せて選定される。
本発明に使用される炭素繊維は、レーヨン、ポリアクリ
ロニトリル、ピッチ等を主成分とするプレカーサーを不
活性雰囲気中でi、ooo〜2.000℃で炭化した炭
素質繊維、又は、2 、000℃以上の温度で黒鉛化し
た黒鉛質繊維である。
炭素I!維をマンドレルの周囲に捲回積層するには、炭
素繊維のフィラメント又はテープをワインドするか、又
は、炭素繊維の一方面シート、織物、マット等をマンド
レルの周囲にローリングする方法が採用される。
本発明では、マンドレルに、樹脂を含浸した炭素繊維を
捲回積層するか、又は、炭素繊維を捲回積層したのち樹
脂を含浸し、次いで硬化を行う。この際、必要により予
備硬化を行い成形を容易にすることも可能である。
成形硬化に使用する樹脂は、フラン、フェノール、ポリ
イミド、エポキシ等の各樹脂である。
樹脂が高粘度のもの又は固体である場合は、適当な溶媒
に溶かすか、又は加熱して溶融して用いる。また、必要
により緻密化するために複合材をフラン樹脂、フェノー
ル樹脂、コールタール、ピッチ等に含浸し、不活性雰囲
気中で炭化することも可能である。更に、高温で熱処理
することにより、炭素質を黒鉛質に変えることも可能で
ある。
マンドレルは上記の最終工程まで挿入したままでもよい
し、複合材が緻密化し充分な強度を保持したら、除去し
たのち更に処理を行なってもよい。
マンドレルを中空状とし、その側面に幾つかの小さな穴
をあけて、複合材の緻密化工程での含浸を容易にするこ
とも可能である。
使用目的によっては、内層にマンドレルを残したまま外
層を炭素mta強化炭素複合材の2J11構造として使
用することも可能である。
〔実施例及び比較例〕
実施例1 線膨張係数4,7X10  ’ /’Cを有する炭化ケ
イ素材からなるマンドレル(外IJjlOim)を使用
して、フェノール樹脂(住友化学社製スミライトレジン
PR−50273)を含浸した炭素繊維(東邦レーヨン
社製ベスファイトQHTA−s。
00)を、フィラメントワインド法によりマンドレルに
巻き角度60°で捲回積層し、外径35mmの成形物を
得た。この成形物を170℃で1時間硬化し、250℃
で6時間ポストキュアしたのち、窒素雰囲気中で50℃
/時間で1,000℃まで昇温し炭素化した。
この複合材を緻密化するため、コールタールへの浸漬と
前記条件での炭素化とを6回繰返した。
次いで、芯部の炭化ケイ素材マンドレルを切削除去した
のち、アルゴン雰囲気中で50℃1時間で昇温し2,8
00℃で黒鉛化した。
その結果、見掛密度1.55g/cm’のクラックのな
い均質な円筒状炭素繊維強化炭素複合材が得られた。
比較例1 通常のスチール材(線膨張係数2X10’/℃)からな
るマンドレル(外径30Illl)を使用して、実施例
1と同様にして、巻き角度45°で捲回積層して、外径
75+u+の成形物を得た。この成形物を170℃で1
時間硬化したのち、内芯のスチール製マンドレルを用法
いて、更に250℃で8時間ポストキュアした。
これを窒素雰囲気中で50℃/時間で1,000℃まで
昇温し炭素化した。その結果、クラックが著しく多発し
た品質不良の炭素IIH強化炭素複合材が得られた。
特許出願人  j$!邦レーヨン林六会社代理人弁理士
  土 居 三 部

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)500〜1,500℃の炭素化温度又は2,00
    0℃以上の熱処理温度において不活性雰囲気中で炭素と
    反応せず、1×10^−^5/℃以下の線膨張係数を有
    し、かつ、その炭素化温度以上又は熱処理温度以上の融
    点をもつセラミック材料からなるマンドレルに、樹脂を
    含浸した炭素繊維を捲回積層するか、又は、炭素繊維を
    捲回積層したのち樹脂を含浸し、次いで、硬化したのち
    500〜1,500℃で炭素化するか、又は、更に2,
    000℃以上で熱処理することを特徴とする炭素繊維強
    化炭素複合材の製法。
JP63279978A 1988-11-05 1988-11-05 炭素繊維強化炭素複合材の製法 Granted JPH01153571A (ja)

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JPH0343227B2 JPH0343227B2 (ja) 1991-07-01

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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