JPH0129499B2 - - Google Patents

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JPH0129499B2
JPH0129499B2 JP1768786A JP1768786A JPH0129499B2 JP H0129499 B2 JPH0129499 B2 JP H0129499B2 JP 1768786 A JP1768786 A JP 1768786A JP 1768786 A JP1768786 A JP 1768786A JP H0129499 B2 JPH0129499 B2 JP H0129499B2
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JP
Japan
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resin
boron
carbon
metal
temperature
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JP1768786A
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Japanese (ja)
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JPS61166839A (en
Inventor
Shii Shatsufuaa Robaato
Eru Tarasen Uiriamu
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BP Chemicals Hitco Inc
Original Assignee
BP Chemicals Hitco Inc
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Publication date
Application filed by BP Chemicals Hitco Inc filed Critical BP Chemicals Hitco Inc
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Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

本発明は炭素―炭素複合材料の製造に有用な熱
硬化性樹脂バインダーの含浸した炭素繊維材料に
係る。 黒鉛末のような充填材とピツチまたは樹脂のよ
うな黒鉛化し得る材料とから黒鉛のような炭素材
料を製造する際にホウ素を使用することは知られ
ている。ホウ素の使用により、材料の結合および
材料から黒鉛への変換が高められる。 炭素布または黒鉛布のような炭素繊維材料と熱
硬化性樹脂とからなる炭素―炭素複合材料を製造
する際にホウ素を使用することも、当業において
知られている。このタイプの複合材料の例は、
Lec C.Ehrenreichの米国特許第3672936号(1972
年6月27日)明細書中に開示されている。この特
許では、樹脂の炭化に先立つて、樹脂含浸済みの
炭素繊維材料にホウ素含有化合物を添加する場
合、層間引張り強さのみならず耐酸化性が幾分改
良されることが確認されている。 Robert C.Shafferの米国特許第4101354号明細
書には、ホウ素含有炭素―炭素複合材料が炭化お
よび黒鉛化の間少なくとも約2150℃に加熱される
ならば、該複合材料の層間引張り強さが大いに改
良されること、ならびにかかる温度では、炭素繊
維材料の繊維方向の引張り強さが典型的に、実質
的に減少すること(これは、明らかに、高温にお
けるホウ素との反応によつてもたらされる複合材
料の炭素繊維材料の劣化による)が開示されてい
る。この特許によれば、炭素繊維材料の繊維方向
の引張り強さが有意に減少することは繊維上への
保護コーチング物の使用によつて防止される。該
保護コーチング物は熱硬化性材料を含んでおり、
この材料は硬化温度にさらした後でも可撓性を残
しているようなものである。樹脂およびホウ素含
有化合物の添加前に繊維にコーチングを適用し、
硬化する。次いで、樹脂およびホウ素含有化合物
を添加して、樹脂を少なくとも部分的に硬化する
ことができる。積層物を生成せしめ、そして樹脂
を炭化しまた少なくとも部分的に黒鉛化するのに
充分な温度に積層物を加熱すると、積層物の炭素
繊維材料の繊維方向の引張り強さが有意に減少す
ることなく、層間引張り強さが大いに改良される
ことがわかつた。繊維上の保護樹脂コーチング物
はバリヤーを生じて、マトリツクス内に存在する
ホウ素量が高くても、異方性複合材料を生じる。
しかしながら、このバリヤーはホウ素の移行を制
限するには不充分でありまた高温の団結温度が
2482℃を越える場合に、複合材料の異方性を保持
するには不充分である。この団結温度より上で
は、高濃度のホウ素により、等方性複合材料が得
られるかまたは複合材料が大きな破壊によつて役
に立たなくなるような不安定性が示される。 本発明によれば、耐熱金属および熱硬化性樹脂
を含む混合物が得られる。この樹脂は、硬化温度
にさらされた後でも可撓性を残しているようなも
のである。金属は、粒状金属または微細な分散金
属またはその両方の金属の形であることができ
る。金属は炭素の三元系において高温でホウ素と
反応することが可能である。炭素繊維材料は、こ
の混合物で被覆され、熱硬化性樹脂は硬化され
る。次いで、被覆済み炭素繊維材料を、ホウ素化
合物を含む第二の熱硬化性樹脂および随意にホウ
素と反応して金属ホウ化物を生成することのでき
る耐熱金属で再含浸する。第一コーチング物内の
耐熱金属については、存在するならば、当該金属
は粒状金属または微細な分散金属または両方の金
属の形であることができる。第二の熱硬化性樹脂
は少なくとも部分的に硬化され、次いで複数の繊
維状材料層を組立てて積層物を造る。熱硬化性樹
脂を炭化しまた黒鉛化するのに充分な温度に該積
層物を加熱する。得られた炭素―炭素複合材料
は、熱硬化性樹脂内に耐熱金属を存在させずに造
つた複合材料と比べて、耐酸化性が良好であり、
高温安定性が改良され、より高い密度を有し、層
間引張り強さが改良された。 本発明によれば、硬化にあたつても可撓性が残
つている可撓性熱硬化性樹脂で、まず炭素繊維材
料を被覆する。熱硬化性樹脂は、ホウ素と反応し
て金属ホウ化物を生成することのできる耐熱金属
を含んでいる。耐熱金属は樹脂内に微細に分散す
ることができる(すなわち、耐熱金属は樹脂の分
子構造の不可欠部分である)。または耐熱金属は
粒状金属であることができ、または両方の形の金
属を使用することもできる。 タングステン カルボニルおよび/またはモリ
ブデン カルボニルとピロリジンとの反応生成物
の形で、耐熱金属を樹脂内に入れることにより、
微細に分散した金属を含有する熱硬化性樹脂を製
造することができる。かかる熱硬化性樹脂の例
は、フルフリル アルコールとポリエステル プ
レポリマーとのコポリマーを含んでおり、このポ
リエステル プレポリマーは、タングステン カ
ルボニルおよび/またはモリブデン カルボニル
とピロリジンとの反応生成物である錯体と反応せ
しめられていた。かかるコポリマーは、Robert
C.Shafferの米国特許第4087482号明細書中に更に
充分に開示されており、本発明でこれらコポリマ
ーを使用することができる。化学的に結合した金
属を含んでいる他の熱硬化性ポリマーであつて、
タングステン カルボニルおよび/またはモリブ
デン カルボニルとピロリジンとの反応生成物で
ある錯体とモノマーおよびプレポリマーとの反応
によつて造られたポリマーは、Robert C.
Shafferの米国特許出願第893622号(1978年4月
5日出願)および同第36/084310号(1979年10月
12日出願)の各明細書に開示されており、本発明
でこれらポリマーを使用することができる。樹脂
製造後、適当な溶媒、例えばジメチルホルムアミ
ドで樹脂を希釈して、固形分を例えば70%にする
ことができる。 本発明を実施する際に使用することのできる炭
素繊維材料は繊維の形状またはフイラメントの形
状または他の形状である炭素材料を含むことがで
きる。例えば、炭素布または黒鉛布のような織物
が含まれる。本明細書で用いる「炭素」という用
語は、グラフアイトを含めたその全ての形態にお
ける炭素を意図するものとして使用される。 本発明の好ましい実施の態様においては、可撓
性熱硬化性樹脂の第一のコーチング物は、微細に
分散した耐熱金属の他に、5〜50μの粒径を有す
る粒状耐熱金属を含んでいる。かかる金属の例に
は、ニオブ、タンタル、チタン(例えば、二酸化
チタンとして)、モリブデンおよびタングステン
等がある。耐熱金属はホウ素との三元系において
安定なホウ化物に変換するものを使用することが
できる。好ましくは、樹脂中の耐熱金属全含量の
約50〜90%が粒状金属であり、残部が微細に分散
した金属である。 適当な技術を使用して、第一の可撓性コーチン
グ物を炭素繊維材料に適用し、そして硬化する。
使用し得る方法のうちの1つは、コーチング材料
の入つた開放容器内に炭素繊維材料を浸漬し、次
いで圧力ロールを通して炭素繊維材料を引取るこ
とにより過剰量のコーチング材料を除き、その後
繊維状材料を周囲温度で空気中に吊下げてコーチ
ング材料中の溶剤の一部を蒸発せしめることによ
りコーチング物を乾燥せしめるものである。次い
で、炭素繊維材料を空気循環炉内に置くことによ
り、コーチング材料を硬化せしめて、樹脂の重合
を進めかつさらに溶剤を除去する。熱硬化性コー
チング材料の固形分を調整して、約5〜200重量
%の炭素繊維材料を含む硬化済みコーチング物を
造る。 可撓性コーチング物の適用後、炭素繊維材料を
第二の熱硬化性樹脂で再含浸する。この樹脂は部
分的に硬化されているものまたはB段階のもので
ある。この樹脂は、可撓性熱硬化性樹脂と同じで
あることができ、また前記したように、微細に分
散した耐熱金属または粒状耐熱金属または両方の
金属の適当な量を含んでいてもよくあるいは含ん
でいなくてもよい。この樹脂はまた、ホウ素化合
物を含んでおり、ホウ素の量は、系全体に存在し
ている金属の量と分子基準で釣り合わせるのが好
ましい。ホウ素含有化合物は好ましくは無定形ホ
ウ素である。被覆済み炭素繊維材料を、ホウ素お
よび所望により耐熱金属を含んでいる熱硬化性樹
脂の入つた開放容器内に浸すような適当な方法に
よつて、含浸および硬化をなし得る。炭素繊維材
料を圧力ロールの間で引抜くことによつて過剰量
の材料を除き、その後周囲温度で空気中に吊下げ
て樹脂に含まれた溶剤の一部を蒸発せしめること
により該材料を乾燥する。次いで、乾燥済みの炭
素繊維材料を空気循環炉内に置いて樹脂の重合を
進めるような方法などによつて、該材料を処理し
て、熱硬化性樹脂を少なくとも部分的に硬化す
る。樹脂に配合する無定形ホウ素の量は、無定形
ホウ素が積層物の約2〜9容量%からなるように
選ぶ。 ホウ素を含んでいる可撓性熱硬化性樹脂および
ホウ素を含んでいる熱硬化性樹脂中に含まれてい
る金属の量は、存在するホウ素と結合するのに必
要な化学量論的量より過剰に存在するのが好まし
い。好ましくは、積層物の全金属含量の約75〜
100重量%が第一の可撓性熱硬化性樹脂コーチン
グ物中に存在し、残部が第二の熱硬化性樹脂コー
チング物中に存在する。 次いで、得られた積層物を一体化し、樹脂マト
リツクスで強化し、さらに硬化する。これをなす
ための方法の1つによれば、積層物は、高圧かつ
高温で、積層物に繊維―樹脂マトリツクスの比較
的高い接着度合を与えるのに充分な時間であつて
かつ積層物を次の加工の間中その形状および寸法
を維持するのに適切な自己支持性にするのに充分
な時間の間、電気加熱された段プレスの整合性金
型内に置かれる。 次いで、積層物を炭化し、好ましくは少なくと
も部分的に黒鉛化する。これは、例えば、2320〜
2870℃の温度および約35〜約211Kg/cm2(500〜
3000psi)の圧力下で加熱することによつて行な
われる。使用することのできる炭化法および黒鉛
化法は、例えばRichard J.Larsen等の米国特許
出願第556889号(1975年3月10日出願)明細書に
記載されている。Larsen等の米国特許出願明細
書に記載された方法では、炭素―有機樹脂の複合
材料は初めに成形によつて付形され、少なくとも
部分的に予備硬化される。その後、複合材料を誘
導電気炉内に置き、ここで、迅速であるが離層す
ることのないもしくは複合材料に他の損害を与え
ることのない、樹脂を実質的に分解するような
538℃(1000〓)のオーダーの温度に第一速度で
加熱する。次いで、複合材料が実質的に柔軟にな
りそして可塑性になるまで、典型的には約1927℃
(3500〓)を越える温度で、第二速度で加熱を継
続する。その後、複合材料を高温に、典型的には
約2760℃(5000〓)を越える温度に維持し、同時
に高圧の印加を継続して複合材料の実質的な強化
を与える。連続法によれば、比較的短時間内で、
また異なつた場所でもしくは異なつた装置品を用
いて行なわれる逐次加工処理工程を行なう必要も
なく、実質的に全ての炭素組成物を有しかつ密度
の非常に高い積層物品が製造される。 複合材料中の耐熱金属とホウ素との組合せによ
り、加熱加工処理の間に金属ホウ化物が生成す
る。金属ホウ化物は炭化ホウ素の場合と比べて高
温でかなり安定である。かくしてホウ素の移行が
制限され、それによつてホウ素による繊維に対す
る攻撃が防止され、繊維の劣化が防止される。積
層物中に存在するホウ素と金属との両方により、
最終の炭素―炭素複合材料の層間引張り強さに対
する相乗効果が達成される。 以下の実施例は本発明を例示するものである。 実施例 1 50重量%の樹脂(Shafferの米国特許第4087482
号明細書記載の実施例1の方法に従つて製造した
樹脂)および50重量%の粒状ニオブ(−325メツ
シユの粒径を有する)を含んでいる粉砕物を造つ
た。黒鉛織物を、粉砕物で充たした開放容器内に
浸した。織物の約175重量%からなるコーチング
物を生成せしめるように粉砕物の固形分を調節し
た。圧力ロールを通して織物を引取つて過剰量の
コーチング物を除き、そして周囲温度で空気中に
吊り下げて乾燥せしめた。次いで、約163℃(325
〓)の温度に維持された空気循環炉内に、約60分
の間、織物を置いた。この温度処理により、樹脂
は、第二のコーチング物の樹脂との混合を防止す
るのに充分硬化された。次いで、Shafferの米国
特許第4087482号明細書記載の実施例1に従つて
製造した樹脂87重量%、黒鉛繊維粉砕物5重量%
および無定形ホウ素8重量%からなる粉砕物を保
持している開放容器に被覆済みの織物を浸して、
さらに含浸せしめた。織物の初めの重量の約120
重量%を塗布するのに充分な量の粉砕物を加え
た。圧力ロールの間で織物を引取り、過剰の樹脂
を除き、そして周囲温度で空気中に吊り下げて乾
燥せしめた。その後、約163℃(325〓)の温度
で、約30分の間、空気循環炉内に織物を置き、次
いで約10分の間、温度約204℃(400〓)に上昇せ
しめた。この温度処理により樹脂はB段階へと進
んだ。次いで、全浸済み織物を、選定された寸法
と形状を有する断片に切断し、所望形状レイアツ
プ(layup)した。積層物を一体化し、強化し、
そして約70Kg/cm2(1000psi)および218℃(428
〓)で約16時間の間、電気加熱された段プレスの
整合性金型内で、マトリツクス材料をさらに硬化
せしめた。硬化に要した時間の長さは製品の壁厚
および形状を含めた種々のフアクターに依存する
ことが判つた。プレスから除いたとき、製品は高
い繊維―マトリツクス接着度を有していた。さら
なる加工処理工程の間中、製品の形状および寸法
を維持するため製品を適切に自己支持性にした。 参考例 1 実施例1で得られた積層物を、誘導加熱により
約2870℃(約5200〓)の温度に加熱した装置内
で、約70〜約140Kg/cm2(1000〜2000psi)の圧力
下で、充分炭化し、さらに圧縮しそしてグラフア
イト状態にした。この工程により、樹脂マトリツ
クスの変換、進行したグラフアイト結晶化度およ
びマトリツクス内の金属ホウ化物の生成が完成さ
れた。本実施例に従つて造られた二種の異なつた
試料の層間引張り強さおよび繊維の方向における
引張り強さを測定したところ次のようであつた。
The present invention relates to carbon fiber materials impregnated with thermosetting resin binders useful in the production of carbon-carbon composite materials. The use of boron in the production of carbon materials such as graphite from fillers such as graphite powder and graphitizable materials such as pitch or resins is known. The use of boron enhances the bonding of the material and the conversion of the material to graphite. It is also known in the art to use boron in making carbon-carbon composite materials consisting of carbon fiber materials, such as carbon cloth or graphite cloth, and thermoset resins. Examples of this type of composite material are:
Lec C. Ehrenreich, U.S. Patent No. 3,672,936 (1972
(June 27, 2016) as disclosed in the specification. This patent confirms that when a boron-containing compound is added to a resin-impregnated carbon fiber material prior to carbonization of the resin, there is some improvement in oxidation resistance as well as interlaminar tensile strength. Robert C. Shaffer, U.S. Pat. No. 4,101,354, discloses that if a boron-containing carbon-carbon composite material is heated to at least about 2150° C. during carbonization and graphitization, the interlaminar tensile strength of the composite material is significantly increased. and that at such temperatures, the tensile strength in the fiber direction of carbon fiber materials typically decreases substantially (this is clearly due to the complex due to the deterioration of the carbon fiber material) is disclosed. According to this patent, a significant reduction in the fiber direction tensile strength of carbon fiber materials is prevented by the use of a protective coating on the fibers. the protective coating includes a thermoset material;
The material is such that it remains flexible even after exposure to curing temperatures. Applying a coating to the fibers before adding the resin and boron-containing compounds;
harden. A resin and a boron-containing compound can then be added to at least partially cure the resin. Forming the laminate and heating the laminate to a temperature sufficient to carbonize and at least partially graphitize the resin significantly reduces the fiber-wise tensile strength of the carbon fiber material of the laminate. It was found that the interlaminar tensile strength was greatly improved. A protective resin coating on the fibers creates a barrier, resulting in an anisotropic composite even with high amounts of boron present in the matrix.
However, this barrier is insufficient to limit boron migration and the high coalescence temperature
When the temperature exceeds 2482°C, it is insufficient to maintain the anisotropy of the composite material. Above this coalescence temperature, high boron concentrations exhibit instability such that an isotropic composite is obtained or the composite becomes useless due to large fractures. According to the present invention, a mixture containing a refractory metal and a thermosetting resin is obtained. The resin is such that it remains flexible even after being exposed to curing temperatures. The metal can be in the form of particulate metal or finely dispersed metal or both metals. The metal can react with boron in the carbon ternary system at high temperatures. The carbon fiber material is coated with this mixture and the thermosetting resin is cured. The coated carbon fiber material is then re-impregnated with a second thermoset resin containing a boron compound and optionally a refractory metal capable of reacting with the boron to form a metal boride. For refractory metals within the first coating, if present, the metals can be in the form of particulate metals or finely dispersed metals or both metals. The second thermoset resin is at least partially cured and the plurality of fibrous material layers are then assembled to create a laminate. The laminate is heated to a temperature sufficient to carbonize and graphitize the thermoset resin. The obtained carbon-carbon composite material has better oxidation resistance than a composite material made without the presence of a heat-resistant metal in the thermosetting resin,
It has improved high temperature stability, higher density and improved interlaminar tensile strength. According to the present invention, a carbon fiber material is first coated with a flexible thermosetting resin that remains flexible even when cured. Thermosets contain refractory metals that can react with boron to form metal borides. The refractory metal can be finely dispersed within the resin (ie, the refractory metal is an integral part of the resin's molecular structure). Alternatively, the refractory metal can be a particulate metal, or both forms of metal can be used. By incorporating refractory metals into the resin in the form of reaction products of tungsten carbonyl and/or molybdenum carbonyl with pyrrolidine,
Thermosetting resins containing finely dispersed metals can be produced. Examples of such thermosetting resins include copolymers of furfuryl alcohol and polyester prepolymers that are reacted with complexes that are the reaction products of tungsten carbonyl and/or molybdenum carbonyl with pyrrolidine. was. Such copolymers are described by Robert
These copolymers can be used in the present invention as more fully disclosed in US Pat. No. 4,087,482 to C. Shaffer. Other thermoset polymers containing chemically bonded metals,
Polymers made by reacting complexes, which are the reaction products of tungsten carbonyl and/or molybdenum carbonyl with pyrrolidine, with monomers and prepolymers were described by Robert C.
Shaffer U.S. Patent Application No. 893,622 (filed April 5, 1978) and No. 36/084310 (October 1979)
These polymers can be used in the present invention. After resin production, the resin can be diluted with a suitable solvent, such as dimethylformamide, to a solids content of, for example, 70%. Carbon fiber materials that can be used in practicing the present invention can include carbon materials that are in the form of fibers or filaments or other shapes. Examples include fabrics such as carbon cloth or graphite cloth. As used herein, the term "carbon" is intended to include carbon in all its forms, including graphite. In a preferred embodiment of the invention, the first coating of flexible thermosetting resin includes, in addition to the finely dispersed refractory metal, a particulate refractory metal having a particle size of 5 to 50 microns. . Examples of such metals include niobium, tantalum, titanium (eg, as titanium dioxide), molybdenum, and tungsten. As the heat-resistant metal, one that converts into a stable boride in a ternary system with boron can be used. Preferably, about 50-90% of the total refractory metal content in the resin is particulate metal, with the remainder being finely dispersed metal. A first flexible coating is applied to the carbon fiber material using a suitable technique and cured.
One method that may be used is to remove excess coating material by dipping the carbon fiber material into an open container containing the coating material and then drawing the carbon fiber material through a pressure roll, after which the fibrous The coating is dried by suspending the material in air at ambient temperature to evaporate some of the solvent in the coating material. The coating material is then cured by placing the carbon fiber material in a circulating air oven to promote polymerization of the resin and to further remove the solvent. The solids content of the thermoset coating material is adjusted to produce a cured coating containing about 5 to 200 weight percent carbon fiber material. After application of the flexible coating, the carbon fiber material is re-impregnated with a second thermoset resin. This resin is partially cured or B stage. The resin can be the same as a flexible thermoset resin and, as described above, may contain suitable amounts of finely dispersed refractory metals or particulate refractory metals or both metals. It does not have to be included. The resin also contains a boron compound, the amount of boron being preferably balanced on a molecular basis with the amount of metal present in the overall system. The boron-containing compound is preferably amorphous boron. Impregnation and curing may be accomplished by any suitable method, such as by dipping the coated carbon fiber material into an open container containing a thermosetting resin containing boron and optionally a refractory metal. Excess material is removed by drawing the carbon fiber material between pressure rolls and the material is then dried by hanging it in air at ambient temperature to evaporate some of the solvent contained in the resin. do. The dried carbon fiber material is then processed to at least partially cure the thermoset resin, such as by placing the dried carbon fiber material in a circulating air oven to promote polymerization of the resin. The amount of amorphous boron incorporated into the resin is selected such that the amorphous boron comprises about 2-9% by volume of the laminate. The amount of metal contained in the boron-containing flexible thermoset and the boron-containing thermoset is in excess of the stoichiometric amount necessary to combine with the boron present. Preferably, it exists in Preferably, the total metal content of the laminate is about 75 to
100% by weight is present in the first flexible thermoset resin coating and the balance is present in the second thermoset resin coating. The resulting laminate is then consolidated, reinforced with a resin matrix, and further cured. According to one method of doing this, the laminate is prepared at high pressure and temperature for a time sufficient to impart a relatively high degree of adhesion of the fiber-resin matrix to the laminate and to the next step. The mold is placed in the conforming mold of an electrically heated corrugated press for a time sufficient to render it adequately self-supporting to maintain its shape and dimensions throughout processing. The laminate is then carbonized and preferably at least partially graphitized. This is, for example, 2320 ~
2870℃ temperature and about 35~211Kg/ cm2 (500~
This is done by heating under pressure (3000 psi). Carbonization and graphitization methods that can be used are described, for example, in Richard J. Larsen et al., US Pat. In the method described in the Larsen et al. patent application, the carbon-organic resin composite is first shaped by molding and at least partially precured. The composite material is then placed in an induction electric furnace where it is heated in a manner that substantially decomposes the resin rapidly but without delamination or other damage to the composite material.
Heat at a first rate to a temperature on the order of 538°C (1000°C). It is then heated until the composite material becomes substantially pliable and plastic, typically around 1927°C.
Continue heating at second rate at a temperature above (3500〓). Thereafter, the composite material is maintained at an elevated temperature, typically in excess of about 2760°C (5000°C), while continuing to apply high pressure to provide substantial reinforcement of the composite material. According to the continuous method, within a relatively short time,
Also, very dense laminate articles having substantially all carbon composition are produced without the need for sequential processing steps performed at different locations or using different pieces of equipment. The combination of refractory metals and boron in the composite material produces metal borides during thermal processing. Metal borides are considerably more stable at high temperatures than boron carbide. Thus, boron migration is limited, thereby preventing boron attack on the fibers and preventing fiber deterioration. Due to both boron and metal present in the laminate,
A synergistic effect on the interlaminar tensile strength of the final carbon-carbon composite is achieved. The following examples illustrate the invention. Example 1 50% by weight resin (Shaffer U.S. Pat. No. 4,087,482)
A grind was prepared containing 50% by weight of granular niobium (having a particle size of -325 mesh). The graphite fabric was immersed in an open container filled with grinding material. The solids content of the mill was adjusted to produce a coating consisting of approximately 175% by weight of the fabric. The fabric was pulled through pressure rolls to remove excess coating and hung to dry in air at ambient temperature. Then approximately 163℃ (325
The fabric was placed in an air circulation oven maintained at a temperature of 〓) for approximately 60 minutes. This temperature treatment cured the resin sufficiently to prevent intermixing with the resin of the second coating. Then 87% by weight of a resin prepared according to Example 1 of Shaffer U.S. Pat. No. 4,087,482 and 5% by weight of graphite fiber grinding.
and immersing the coated fabric in an open container holding a pulverized product consisting of 8% by weight of amorphous boron.
It was further impregnated. The initial weight of the fabric is about 120
Sufficient amount of grind was added to coat % by weight. The fabric was drawn between pressure rolls to remove excess resin and hung to dry in air at ambient temperature. The fabric was then placed in a circulating air oven for about 30 minutes at a temperature of about 163°C (325°) and then allowed to rise to a temperature of about 204°C (400°) for about 10 minutes. This temperature treatment progressed the resin to the B stage. The fully soaked fabric was then cut into pieces having selected dimensions and shapes and laid up into the desired shape. Integrate and strengthen laminates,
and approximately 70Kg/cm 2 (1000psi) and 218℃ (428
The matrix material was further cured in the consistency mold of an electrically heated corrugated press for approximately 16 hours. It has been found that the length of time required for curing depends on various factors including the wall thickness and shape of the product. When removed from the press, the product had high fiber-matrix adhesion. The product was made properly self-supporting to maintain its shape and dimensions throughout further processing steps. Reference Example 1 The laminate obtained in Example 1 was heated under a pressure of about 70 to about 140 Kg/cm 2 (1000 to 2000 psi) in a device heated to a temperature of about 2870°C (about 5200 〓) by induction heating. It was fully carbonized, further compressed, and turned into a graphite state. This step completed the conversion of the resin matrix, advanced graphite crystallinity and the formation of metal borides within the matrix. The interlaminar tensile strength and the tensile strength in the fiber direction of two different samples made according to this example were measured and were as follows.

【表】 試料1のX線回折により、高度に黒鉛性である
3.35Åの黒鉛ピークが示され、これはホウ素が黒
鉛化を促進したのだということを示している。ま
たX線解析によりNbC,NbB2およびδ―WBが
示されたが、B4Cは見出されなかつた。これらの
結果は、高温かつ高圧をかけた場合に、ホウ素と
存在する金属との反応が完全であることおよびホ
ウ素が移動する分子距離が大きいことを示してい
る。 実施例 2 実施例1に記載したようにして積層物を製造し
た。ただし、粒状ニオブを使用しなかつた。 参考例 2 実施例2で製造した積層物を用いて、参考例1
と同様にして炭素―炭素複合材料を製造した。た
だし、2316℃(4200〓)の高温の団結温度を使用
しなかつた。この複合材料は微細に分散したタン
グステンおよび分子基準で過剰量のホウ素のみを
含んでおり、どんな粒状金属も含んでいなかつ
た。この複合材料は673Kg/cm2(9572psi)の繊維
方向の引張り強さおよび171Kg/cm2(2432psi)の
層間引張り強さを有していることが判つた。この
層間引張り強さは、Shafferの米国特許第4164601
号明細書に記載された炭素―炭素複合材料、すな
わち耐熱金属を含んでいなかつた複合材料の場合
と比べてかなり改良されていた。しかしながら、
2871℃(5200〓)の高温の団結温度で同じ方法で
造られた別の炭素―炭素複合材料であつて、微細
に分散したタングステンのみを含んでいる複合材
料は、たつた181Kg/cm2(2583psi)の繊維方向の
引張り強さおよび162Kg/cm2(2301psi)の層間引
張り強さを示した。これらの結果は、繊維方向の
引張り強さの低下を示しており、等方性複合材料
を生じる。 実施例 3 繊維の同一性および複合材料の異方性を一定に
保つために、微細に分散したタングステンばかり
でなく粒状耐熱金属を含んでいた積層物を実施例
1に記載されたようにして製造した。移行してい
るホウ素をさえぎるために、繊維上に置かれたバ
リヤーに上記粒状金属を加えた。この追加の金属
が繊維を保護したのであり、安定な複合材料をつ
くることができる。使用した4種の金属はタンタ
ル、二酸化チタンとしてのチタン、モリブデンお
よびタングステンであり、実施例1のニオブの代
りに使用した。 参考例 3 実施例3で得られた積層物を用いて炭素―炭素
複合材料を参考例1に記載されたようにして製造
した。各複合材料を製造するのに使用した高温の
団結温度は約2871℃(5200〓)であつた。層間引
張り強さおよび繊維方向の引張り強さを測定した
ところ次の通りであつた。
[Table] X-ray diffraction of sample 1 shows that it is highly graphitic.
A graphite peak at 3.35 Å was shown, indicating that boron promoted graphitization. Further, X-ray analysis showed NbC, NbB 2 and δ-WB, but B 4 C was not found. These results indicate that the reaction between boron and the metal present is complete and that the molecular distance traveled by boron is large when high temperatures and pressures are applied. Example 2 A laminate was produced as described in Example 1. However, granular niobium was not used. Reference Example 2 Using the laminate produced in Example 2, Reference Example 1
A carbon-carbon composite material was produced in the same manner. However, a high coalescence temperature of 2316°C (4200°C) was not used. This composite material contained only finely dispersed tungsten and excess boron on a molecular basis, and did not contain any particulate metals. This composite material was found to have a fiber-wise tensile strength of 673 kg/cm 2 (9572 psi) and an interlaminar tensile strength of 171 kg/cm 2 (2432 psi). This interlaminar tensile strength is determined by Shaffer's U.S. Patent No. 4,164,601.
This was a considerable improvement over the carbon-carbon composites described in that patent, ie, composites that did not contain refractory metals. however,
Another carbon-carbon composite made in the same manner at a higher coalescence temperature of 2871°C (5200°C), but containing only finely dispersed tungsten, had a temperature of 181Kg/cm 2 ( It exhibited a fiber direction tensile strength of 2583 psi) and an interlaminar tensile strength of 162 Kg/cm 2 (2301 psi). These results indicate a decrease in tensile strength in the fiber direction, resulting in an isotropic composite. Example 3 A laminate containing particulate refractory metal as well as finely dispersed tungsten was prepared as described in Example 1 in order to maintain constant fiber identity and composite anisotropy. did. The particulate metal was added to a barrier placed on the fibers to block migrating boron. This additional metal protected the fibers, allowing them to create a stable composite material. The four metals used were tantalum, titanium as titanium dioxide, molybdenum, and tungsten, which were used in place of niobium in Example 1. Reference Example 3 Using the laminate obtained in Example 3, a carbon-carbon composite material was produced as described in Reference Example 1. The high coalescence temperature used to make each composite was approximately 2871°C (5200°C). The interlaminar tensile strength and fiber direction tensile strength were measured and found to be as follows.

【表】 粒状金属の添加により繊維が保護され、安定な
複合材料が得られたことが判る。上記試料の夫々
についての繊維方向の引張り強さは、約2316℃
(4200〓)の高温の団結温度で製造された複合材
料であつて微細に分散したタングステンのみを含
んでいる複合材料よりは低いが、約2871℃(5200
〓)の高い団結温度で製造された複合材料であつ
て微細に分散したタングステンのみを含んでいる
複合材料よりはかなり高かつた。 参考例1,2および3の複合材料から得られた
データの解析により、これらの複合材料は繊維容
積が変化したことがわかる。得られた数値を、標
準の複合材料が60%の標準の繊維容積において持
つことが期待され得た数値に標準化するため、次
のチヤートを与える。
[Table] It can be seen that the addition of particulate metal protected the fibers and produced a stable composite material. The tensile strength in the fiber direction for each of the above samples is approximately 2316℃
Composites manufactured at a high coalescence temperature of about 2871°C (5200°C), although lower than composites containing only finely dispersed tungsten.
〓) was significantly higher than that of a composite material manufactured at a high cohesion temperature and containing only finely dispersed tungsten. Analysis of the data obtained from the composites of Reference Examples 1, 2 and 3 shows that these composites had a change in fiber volume. In order to normalize the values obtained to those that a standard composite material could be expected to have at a standard fiber volume of 60%, the following chart is given.

【表】 張り強さ
* 粒状金属を添加せず。
上記チヤートは、繊維が、約2871℃(5200〓)
における三種の場合例えば二酸化チタン、モリブ
デンおよびタングステン系の場合に、約2316℃
(4200〓)における微細分散系の場合と比べて実
際に良好に保護されたことを示している。 かくして、温度が2482℃を越えない限り、微細
分散金属単独によりホウ素からの複合材料中の繊
維が保護されること、またこの保護が金属を含ん
でいない可撓性フルフリル樹脂、すなわち
Shafferの米国特許第4164601号明細書に開示され
た樹脂の場合よりも優れていることがわかる。金
属粒状物を用いることなく造つた複合材料は金属
粒状物を用いて造つた複合材料よりも低い密度を
示すので、微細分散金属を使用して保護された繊
維により、大切な重量の節約が与えられる。しか
るに、金属粒状物の使用目的は、より高温の団結
温度、例えば2482℃より高い温度を使用する場合
に、繊維を保護することにある。
[Table] Tensile strength * Without adding particulate metal.
The fibers in the chart above are approximately 2871℃ (5200〓)
For example, in the case of titanium dioxide, molybdenum and tungsten, the temperature is about 2316℃.
(4200〓) compared to the finely dispersed system. It is thus clear that the finely dispersed metal alone protects the fibers in the composite from boron, as long as the temperature does not exceed 2482°C, and that this protection does not extend to the metal-free flexible furfuryl resin, i.e.
This is seen to be superior to the resin disclosed in Shaffer US Pat. No. 4,164,601. Because composites made without metal particulates exhibit lower densities than composites made with metal particulates, fibers protected using finely dispersed metals provide important weight savings. It will be done. However, the purpose of the use of the metal particulates is to protect the fibers when higher coalescence temperatures are used, for example above 2482°C.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 ホウ素と反応して金属ホウ化物を生成するこ
とが可能な耐熱金属を含有している可撓性熱硬化
性樹脂コーチング物を包含した、炭素繊維を取り
囲む第一部分と、ホウ素化合物を含有している熱
硬化性樹脂を包含した、該第一部分の上に被覆さ
れた第二部分とを含んでいる熱硬化性樹脂バイン
ダーで含浸された炭素繊維材料。
1 a first portion surrounding the carbon fibers including a flexible thermosetting resin coating containing a refractory metal capable of reacting with boron to form a metal boride; and a second portion coated over the first portion, the carbon fiber material impregnated with a thermoset resin binder.
JP1768786A 1986-01-29 1986-01-29 Carbon fiber material Granted JPS61166839A (en)

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