JPH0253386B2 - - Google Patents

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JPH0253386B2
JPH0253386B2 JP60180600A JP18060085A JPH0253386B2 JP H0253386 B2 JPH0253386 B2 JP H0253386B2 JP 60180600 A JP60180600 A JP 60180600A JP 18060085 A JP18060085 A JP 18060085A JP H0253386 B2 JPH0253386 B2 JP H0253386B2
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carbon
fiber
mold
composite
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FUAIBAA MATEIRIARUZU Inc
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は増維強化複合物造形品に関し、特に粉
体からのホツトプレス成形品に供する繊維強化複
合炭質型に関する。
セラミツクスやこれに類似の材料を成形するた
めによく用いられるホツトプレスとして知られて
いる方法は、セラミツク粉体を鋳型に入れて、ピ
ストンまたはプレス頭部により一様な高圧を加え
ながら上記粉体（及び型）を加熱することを特徴
としている。このような処理に用いることのでき
る型材料は、処理に用いられる温度が1500℃以上
のため、極めて制限される。かかる温度では、金
属は融解するか柔軟になり、またセラミツクスと
相互作用してしまう。グラフアイトは機械加工が
可能であり、高温でも高い強度を維持し、セラミ
ツクに対して化学的に比較的不活性であるので高
温におけるホツトプレス型として用いるのに好ま
しい材料である。ホツトプレス法により成形体が
成形されるグラフアイト型は通常、高強度グラフ
アイトか、カーボン−カーボンフアイバ複合材料
からなる。
高強度グラフアイトは複合材料より安価である
が、ホツトプレス中のそのライフサイクルは短か
くなる傾向がある。最大付与圧力にもよるが、固
体グラフアイト型は通常約10回まで再利用され
る。型の欠陥は、成形材料や、処理時間、型の代
替コストや時間の損失につながる。
オームスビー（Ormsby）等による米国特許第
3550213号に記載されているように、カーボン−
カーボンフアイバ型はグラフアイト糸またはカー
ボンフアイバ強化シート材料をグラフアイト芯部
材周りに巻いて作られる。巻装された芯部材の外
面は樹脂で含浸され、加熱によりグラフアイト化
される。その後、芯部材は機械加工が可能とな
る。一方、ホツジソン（Hodgson）の米国特許
第4318948号に記載されたものでは、カーボンフ
アイバがカーボンフアイバ強化したコア周りに巻
かれ、次に、カーボンをこのフアイバ上に蒸着す
ることによりこのフアイバがコアに接着される。
フアイバの巻きは通常はホツトプレス型製造のた
めにこのプロセスを使用できる程密度が十分高い
ものではない。
オームスビ等の方法により生産される代表的な
カーボン−カーボンフアイバ複合材料は、ホツト
プレス法においてスリーブとして使用できる。こ
のスリーブ内にはグラフアイトライナをそう入し
て、セラミツクやピストンとの実際の接触面を与
えなければならない。このような二部品構成（ラ
イナーとスリーブ）のカーボン−カーボンフアイ
バ型は数100回のホツトプレスサイクルに使用出
来るが、幾つかの理由から高価である。グラフア
イト芯部材用材料はそれ自身高価であり、通常は
機械加工に多くの時間を要する。この芯部材は、
処理操作中に機械加工されてその後グラフアイト
ライナで置き換えなければならないため、損傷の
可能性がある。型の成形に用いられる高価なグラ
フアイト或いはカーボンフアイバの量は、型自身
として実際に最終的に用いられる量より大きくな
る傾向がある。通常は、型を最終寸法に仕上げる
には型の内外径両側上に0.3″〜0.5″の余分な材料
が必要である。また、カーボン−フアイバ或いは
糸は通常は、型の軸線に対して角度86゜で芯部材
に巻回され、十字状パターンを与え、これにより
型に軸方向強度を与えている。しかし、この86゜
で形成されるパターンは型の各端部に3″から6″の
望ましくない材料のもり上り部を作つてしまうの
で最終処理時に切削しなければならない。
カーボン−カーボンフアイバ型の機械加工は複
雑であり、時間がかかる。フアイバを巻回して型
を作つた場合；加工旋回は難しい。工作機械面に
対してフアイバ軸線が適切な方向にない状態で型
が回転されるとフアイバはもり上り、巻きが解け
てしまう。設定が正しくても、切削加工が大き過
ぎると同様の問題が発生する。
最後に、圧縮ピストンが型面内でフアイバに対
して乗ると、このピストンは表面フアイバを引き
出そうとする。この問題点を解決するために、巻
回されたフアイバスリーブ内のインサートとして
グラフアイトライナが通常用いられ、フアイバ面
を保護している。しかし、グラフアイトライナは
複合カーボン−カーボンフアイバスリーブとは通
常熱膨張係数が異なつている。この熱膨張係数差
を補償するためには、スリーブとライナ間にギヤ
ツプを残さなければならない。このギヤツプは、
プレス温度直下の温度まで加熱するに際し、グラ
フアイトライナが膨張して、カーボン−カーボン
フアイバスリーブ内にぴつたり合うように設計さ
れる。このギヤツプが小さ過ぎると、プレス圧に
加え、グラフアイトライナの熱膨張により、型は
永久に変形してしまう。ギヤツプが大き過ぎる
と、グラフアイトライナは支持されることがな
く、ピストン圧で破損してしまう。
以上より本発明は、ホツトプレスに供する型と
して特に有用な繊維強化造形体を与えることを主
目的とする。本発明は更に、粉体のホツトプレス
に用いられる新規な炭質型を与えることを目的と
し；上記の従来法の問題点を解決する型を与え；
マトリツクス材料内でランダムに配向されて、埋
封されたフアイバセグメントの第１体積と、該第
１体積に１体的に取り付けられ、前記マトリツク
ス材料中に埋封された１層以上のほぼ連続するフ
アイバからなる第２体積とからなるフアイバ複合
体を与え；更にマトリツクス材料にグラフアイト
を用いたこのようなフアイバ複合体を与えること
を目的とする。
本発明は更に、型として特に有用なフアイバ強
化造形体を成形する方法を与え、且つ造形体が、
内部にグラフアイトフアイバ強化材料を埋封させ
た稠密化グラフアイトマトリツクス材料から成形
された方法を与えることを目的としている。
これ等の目的を達成するために、本発明は一般
に、ホツトプレス型として特に有用な単一の稠密
化カーボン−カーボンフアイバ体を有し、前記カ
ーボン−カーボンフアイバ体はカーボンマトリツ
クス内に分布されほぼランダムに配向したカーボ
ンフアイバセグメントからなる第１の、即ち内部
体積を有するものであり、更に類似の或いは同様
のカーボンマトリツクス内に配置されたフイラメ
ント巻回カーボンフアイバからなる第２の、即ち
外部体積とからなる。ここに用いられた用語「カ
ーボン」は前後関係から許される限りグラフアイ
トを含むものと理解されるべきである。このよう
な稠密体においては、実質的に共通のグラフアイ
トマトリツクスが第１及び第２両体積を１体的に
支持し、従つてこれ等の両体積は本質的に同じ熱
膨張係数を示す。第１体積は機械加工が容易であ
るが、第２体積は大きな強度を有している。２つ
の体積を１体ユニツトとして製造する方法は、樹
脂／細かく刻んだカーボンフアイバ混合物を所望
の形状に型成形して芯部材又はモールドライナを
形成し、そのライナをカーボン糸或いはフイラメ
ントでラツプし、このラツプしたフイラメントを
炭化可能なバインダで含浸し、更に構造全体を加
熱してライナーとフイラメント巻回層を１体とし
てグラフアイト化して稠密化することで与えられ
る。
本発明の他の目的の１部は明らかであり、１部
は以下に与えられる。本発明は従つて、幾つかの
ステツプを含み、かつ１つ以上のかかるステツプ
の他のステツプに対する関係や順序を有するプロ
セスより成り、生成物や組成は幾つかの特徴、性
質、それ等の間の関係を有している。これ等のプ
ロセス、及び／または生成物や組成は以下の詳細
な説明並びに特許請求の範囲に明示される。
本発明の１体成形体はマトリツクス材料中に分
布させたランダムに配向した細断強化フアイバの
中空状複合キヤスト体形成により始められる。こ
こで用いられる用語「フアイバ」は、フイラメン
ト、糸、繊維などを含むものとする。ホツトプレ
ス型として用いられる１体成形体の好ましい実施
例においては、キヤスト体は初めはカーボンフア
イバがその上に巻回されるべき芯部材として、ま
た最終的には型自体の第１体積としての使用が意
図される。ホツトプレス型用に第１図の２０で示
したようなキヤスト体を成形するには、カーボン
或いはグラフアイト強化用フアイバが、通常は7/
１６インチの長さに切断され、これに水を加えたス
ラリーを生成する。この型に用いられるマトリツ
クス材料は炭化可能な樹脂が好ましいが、この材
料をこの時点でスラリに導入しても良いが必ずし
もこの時点である必要はない。切断されたフアイ
バのスラリは通常は、所望の形状にプリフオーム
されたフイルタスクリーンを通して液体を引き、
ランダムに配向した細断フアイバを上記スクリー
ン上にフエルトに類似した形で層形成することに
より真空成形される。キヤスト体を乾燥した後、
スクリーンを除去すると、キヤスト体が残ること
になる。第１図に示したように、フアイバ型２０
は中空シリンダとして成形されるが、その他の形
状、例えば円錐台、円錐或いは類似の回転体形状
のものが用途に応じて容易にキヤスト可能であ
る。
この時点におけるフアイバキヤスト体の密度は
通常は0.2ｇ／cm3である。このキヤスト体はその
まま用いられるか、強度を増すため部分的に補強
される。この部分的補強は、ピツチ或いはその他
の液状グラフアイト先駆物質を含浸し、続いて温
度約800℃周囲圧力、不活性ガス中で炭化するこ
とにより達成される。型が非常に大きくても１回
の補強サイクルで十分な強度が与えられ、従つ
て、グラフアイトフアイバをラツプしても変形す
ることはない。部分的に補強されたフアイバキヤ
スト体は次の加圧含浸処理中にそこを通して流体
含浸物を分配できるに十分な開放孔を持つてい
る。
芯部材２４は第１図で円筒形として示されるキ
ヤスト体２０を平円のグラフアイト端板２６，２
８に嵌合させて形成されている。このグラフアイ
ト端板２６，２８はキヤスト体の円形断面より大
きな直径を持つている。これ等の板はねじ付ロツ
ド３０によりキヤスト体２０の端部に保持されて
いる。上記ロツド３０はキヤスト体２０の軸方向
に延び第１のグラフアイト端板２６の中心付近と
第２グラフアイト端板２８の中心付近を貫通して
延在している。ロツド３０の端部にはナツト３２
などのロツク手段が備えられており、これ等のナ
ツトはロツド３０の端部にねじ込まれてグラフア
イト端板２６，２８をフアイバキヤスト体の各々
の対向端部に対して固定するものである。ロツド
３０は、グラフアイトフアイバを芯部材２４周り
に巻回する間は、補助的な軸支持体としても働く
ものである。芯部材２４の内部と連通する１つ以
上の孔３４（例えば0.5″）がグラフアイト端板の
少なくとも１方に設けられる。
フアイバは好適には連続形でキヤスト体２０を
形成するのに使用された細断状のフアイバと同様
の材料であり、芯部材２４の円筒面周りに１層以
上の層４０をなして巻回される。セラミツクス用
ホツトプレス型を作るにはフアイバはカーボン或
いはグラフアイト製が好ましい。芯部材は、予備
補強により補強されて十分な軸方向強度を持つの
で、連続フアイバは芯部材の軸線に対し、ほぼ
90゜で巻回される。これにより、軸方向強度を得
るために標準86゜の巻き角を用いた時に生じる型
両端部での材料の無駄を最小にすることができ
る。十分な数の層４０を芯部材上に累積した後、
巻回芯部材は高密度化即ち稠密化される。
この巻回芯部材の稠密化には、層４０を形成す
る糸の隙間、フアイバキヤスト体２０の残留開放
体積内、及び巻回フアイバ層４０とフアイバキヤ
スト体２０との間の開放体積内にカーボン或いは
グラフアイトマトリツクスを形成するプロセスが
含まれている。第２図に示したように、十分に稠
密化した製品は共通のグラフアイトマトリツクス
を有しており、このマトリツクス内にはランダム
に配向したフアイバセグメントで強化した内部コ
ア体積即ち、キヤスト体２０周りに巻回されたフ
アイバ層４０の外部体積部分が埋封されている。
造形体、即ち型を稠密化する第１ステツプは各
種のカーボン或いはグラフアイトの先駆物質のい
くつかを含浸することからなる。含浸充てん材料
即ちグラフアイト先駆物質としては炭化収率の高
いフエノール樹脂或いはコールタールピツチが好
ましい。その他の有効な先駆物質としてはポリフ
エニレン及びその異性体、パラポリフエニレン、
及びポリイミド類がある。非常に微細な（例えば
直径が20ミクロン以下の）グラフアイト粉体をも
先駆物質に混入又は混合しても良い。
稠密化に有用な或るプロセスでは、カーボン或
いはグラフアイト先駆物質が１つ以上の板孔３４
を通してフアイバキヤスト体２０の中空コア内に
導入され、その後これはキヤスト体の多孔性の本
体を通してその外面へと分布されフアイバ巻回層
４０の糸或いはフアイバ間の隙間に分布される。
芯部材の外部を真空にすることにより、糸或いは
フアイバの隙間から空気が引かれ、また先駆物質
がキヤスト体の多孔部分を通して糸の隙間へと引
かれる。炭化度の大きなフエノール樹脂は、通常
は液体であり、室温で含浸剤として容易に流動す
るが、ピツチはこのプロセスの含浸剤として用い
るためにはその融点以上の温度で前処理する必要
がある。
稠密化の次のステツプ、即ち炭化ステツプは、
含浸フアイバ巻回部及び芯部材を不活性雰囲気
中、適当な高温（800℃）で約60分間単に加熱す
ることにより達成出来る。ガス及び含浸剤のその
他の非炭素成分の殆んどがこれにより追い出され
る。複雑でははあるが、若干良好な結果を与える
他の方法では、窒素或いはアルゴンなどの不活性
ガスによりほぼ500psiから最高約15000psiまでの
圧力が含浸フアイバ巻回部及び芯部材に印加され
る。これは芯部材やフアイバ巻回部内の隙間に含
浸剤をより均一に分布させる役目をする。次に、
この含浸フアイバ巻回部と芯部材は約650℃まで
加熱され、約３時間にわたつてその温度に維持さ
れ、含浸剤を炭化する。この加圧プロセスは含浸
をより良好にすることに加えグラフアイト先駆物
質含浸剤の炭化収率も増加させるようだ。
稠密化プロセスの最終ステツプはグラフアイト
化ステツプであり、そこでは、炭化した芯部材と
フアイバ巻回部とが約2000℃と2550℃との間の温
度まで加熱され、窒素などの不活性ガス中で、好
ましくは誘導電気炉中で、約30分間、選択した温
度に保たれ、これによつて成形体内のカーボンを
グラフアイトに変換している。
１回のグラフアイト化サイクルだけでは、フア
イバ巻回部内には依然として充てんされない開放
体積部分が残つており、又、グラフアイト化プロ
セスによつて新たに巻回層４０やキヤスト体２０
内に開放される部分がある。従つて、稠密化サイ
クルを反復し、所望の密度、通常は1.7ｇ／cm3を
与えるようにすることが望ましい。
初期稠密化サイクル中に、通常４回目に炭化中
大気圧を使つて、稠密化効率損失を殆んどなしに
処理リスクを減ずることが通常行なわれている。
通常は２回行われる最終稠密化サイクル中に開放
体積部分ははるかに小さくなるが、成形体の含浸
を更に良好にするため炭化は加圧下で実施すると
よい。
含浸剤はサイクル毎に変えても良い。ピツチは
炭化収率が高いので一般に一次含浸剤として用い
られているが、最終の１または２稠密化サイクル
では液状樹脂を用いてもよい。このような樹脂は
ピツチに比べて粘度が低く、狭い空隙に十分浸透
し、従つて全体の密度を上げる効果がある。
第２図に示したように、稠密化サイクル終了後
に生成した稠密化成形品は型として有効なもので
あるが、この成形品は細断したグラフアイト強化
フアイバをランダムに配向させたグラフアイトの
内部コア２０を有し、このコアは、これと同じグ
ラフアイトマトリツクス中に埋封されたグラフア
イトフイラメント層からなるシエル４０により１
次的に包囲されている。内部コア及びグラフアイ
トフイラメント巻回部のフアイバは、共通マトリ
ツクス材料中に埋封され、好ましくは同一のフア
イバ材料から形成されており、同一の或いは類似
の熱膨張係数を有している。従つてそれ等の間に
は膨張ギヤツプは何等必要とされず、単一部材の
型が得られる。型の内部コアは、これの機械加工
が容易であるため、型の成形工具として有用であ
る。
本発明のプロセスはホツトプレス型の製造に限
定されず、他の多くの成形品を与えるのに用いら
れ得ることが理解されるべきである。例えば、本
発明のプロセスは特に、パイプや支持構造体、リ
エントリビークル（再突入ビークル）外体などを
含む高温高圧環境下で用いられる成形品製造に用
いることが出来る。一般に、本発明のプロセス
は、（例えば有機、セラミツク、金属などの）任
意のフアイバ流動性で、引き続いて凝固可能な任
意の支持マトリツクスにも適用出来、特にグラフ
アイトの場合のように熱膨張率が異方性をもつフ
アイバの場合に有用である。
本発明によるフアイバ複合物の外殻のフアイバ
連続体は、フイラメント巻回されているので、互
いに平行となり、外殻のすべてのフアイバ連続体
がフープ強度に寄与することができる。
以上に記載した本発明の範囲から逸脱すること
なく上記の成形品や製造法に変更を加えることが
出来、従つて上記記載、並びに添付図面に含まれ
る全ての事項は例示としてのみ与えられるもので
あり、何等限定的な意味は持たないものである。
【図面の簡単な説明】
第１図はカーボンマトリツクス内にカーボンフ
アイバをランダムに配向させた本発明による芯部
の１実施例を示す斜視図、第２図は、最終の内部
型形状を加工する前の、本発明による型の好まし
い実施例の断面を含む斜視図である。 ２０……キヤスト体、２４……芯部材、２６，
２８……グラフアイト端、３０……ねじ付ロツ
ド、３２……ナツト、３４……連絡用板孔、４０
……フアイバ巻回層。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ マトリツクス材料と、 該マトリツクス材料内にランダムに配向されて
    埋設された炭素フアイバセグメントの複合物とし
    て形成された内側体と、 該内側体と一体であり、該内側体の周囲にフイ
    ラメント巻回されて該マトリツクス材料内に埋設
    された炭素フアイバ連続体の層から形成された外
    殻と、 から成ることを特徴とするフアイバ複合物。 ２ 前記マトリツクス材料は、グラフアイトであ
    ることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載
    のフアイバ複合物。 ３ 前記フアイバは、グラフアイト状炭素である
    ことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の
    フアイバ複合物。 ４ 前記内側体は、ほぼ中空の円筒体であること
    を特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のフア
    イバ複合物。 ５ グラフアイトマトリツクスと、 該マトリツクス中でランダムに配向されたグラ
    フアイトフアイバセグメントの複合物として形成
    された中空の内部回転体と、 該内部回転体と一体であり、該内部回転体の周
    囲にフイラメント巻回された該マトリツクスに埋
    設されたグラフアイトフアイバ連続体から成る複
    数の層から形成された外殻と、 から成ることを特徴とするホツトプレス型。 ６ 凝固した材料のマトリツクス内に細断した炭
    素フアイバの複合体を形成することと、 該複合体の表面に該炭素フアイバをフイラメン
    ト巻回することで少なくとも一つの炭素フアイバ
    連続体の層を形成することと、 該層の隙間に凝固可能な流体を含浸すること
    と、 該複合体と該層とを一体物とするために該層に
    含浸された流体を凝固することと、 から成ることを特徴とする複合物を形成する方
    法。 ７ 前記複合体を形成する工程は、 前記細断された炭素フアイバの型を形成するこ
    とと、 該型の隙間に凝固可能な流体を含浸すること
    と、 該複合体を形成するために、該隙間に含浸され
    た該流体を凝固することとから成ることを特徴と
    する特許請求の範囲第６項に記載の方法。 ８ 前記型を形成する工程は、 液体ビヒクル内に前記細断炭素フアイバが懸濁
    したスラリーを形成することと、 該スラリーをスクリーン上に流し、該ビヒクル
    を該スクリーンから流出させ該スクリーン上に該
    細断された炭素フアイバの型を形成することと、 該型から該スクリーンを取り除くことと、 からなることを特徴とする特許請求の範囲第７項
    に記載の方法。 ９ 前記凝固可能な流体は、加熱によりグラフア
    イトに変化するグラフアイト先駆物質であること
    を特徴とする特許請求の範囲第６項に記載の方
    法。 １０ 前記グラフアイト先駆物質は、コールター
    ルピツチであることを特徴とする特許請求の範囲
    第９項に記載の方法。 １１ 前記グラフアイト先駆物質は、樹脂である
    ことを特徴とする特許請求の範囲第９項に記載の
    方法。 １２ 前記樹脂は、フエノール樹脂、ポリフエニ
    レンおよびポリイミドからなるグループから選択
    されることを特徴とする特許請求の範囲第１１項
    に記載の方法。 １３ 前記グラフアイト先駆物質を凝固する工程
    は、 少なくとも該先駆物質を炭素に変えるに充分な
    第１温度まで非酸化雰囲気中で加熱して該先駆物
    質を炭化することと、 該グラフアイト先駆物質がほぼ炭素に変化する
    まで、該第１の温度を維持することと、 該炭素がグラフアイトに変わる温度より高く、
    グラフアイトが劣化する温度よりは低い第２温度
    まで非酸化雰囲気中で該炭素を加熱してグラフア
    イト化することと、 該炭素がほぼグラフアイトに変化するまで、該
    第２の温度を維持することと、 から成ることを特徴とする特許請求の範囲第１１
    項に記載の方法。 １４ 前記第１温度は、200℃から800℃までの範
    囲であることを特徴とする特許請求の範囲第１３
    項に記載の方法。 １５ 前記第２温度は、1400℃から2550℃までの
    範囲であることを特徴とする特許請求の範囲第１
    ３項に記載の方法。 １６ 前記複合物を稠密化することを含むことを
    特徴とする特許請求の範囲第７項に記載の方法。 １７ 前記凝固可能流体は、加熱によりグラフア
    イトに変えることのできるグラフアイト先駆物質
    であり、 前記稠密化工程は、前記型および前記層を以下
    のサイクル： 該型および該層の隙間にグラフアイト先駆物質
    を流し込むことと、 少なくとも該先駆物質を炭素に変えるに充分な
    第１温度まで非酸化雰囲気中で所定の第１期間加
    熱して該隙間の該先駆物質を炭化することと、 前記複合物の密度が所望の値に達するまで、該
    炭素がグラフアイトに変わる温度範囲内の第２温
    度まで非酸化雰囲気中で第２期間該炭素を加熱し
    てグラフアイト化することと、 を複数回行なうことから成ることを特徴とする特
    許請求の範囲第１６項に記載の方法。 １８ 前記炭化サイクルは、前記非酸化雰囲気か
    ら圧力化で行なわれることを特徴とする特許請求
    の範囲第１７項に記載の方法。
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