JPH03261661A - 炭素繊維強化炭素複合材料の製造方法 - Google Patents
炭素繊維強化炭素複合材料の製造方法Info
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- JPH03261661A JPH03261661A JP2056644A JP5664490A JPH03261661A JP H03261661 A JPH03261661 A JP H03261661A JP 2056644 A JP2056644 A JP 2056644A JP 5664490 A JP5664490 A JP 5664490A JP H03261661 A JPH03261661 A JP H03261661A
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- carbon
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- resin
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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。
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〕
本発明は炭素繊維強化炭素複合材料の製造方法に関する
ものである。
ものである。
炭素繊維強化炭素複合材料はＣ／Ｃコンポジットとも称
され、炭素繊維を補強材とし、炭素をマトリックスとし
た複合材料である。これは、炭素繊維で強化されている
ため、従来の炭素材料に比べて常温、高温での機械的特
性に優れるだけでなく、摩擦、制動特性、熱伝導性、耐
触性なども優れていることから、ロケットノズル、航空
機のブレーキディスクなどの宇宙、航空機部材として欠
かせない材料となっている。
され、炭素繊維を補強材とし、炭素をマトリックスとし
た複合材料である。これは、炭素繊維で強化されている
ため、従来の炭素材料に比べて常温、高温での機械的特
性に優れるだけでなく、摩擦、制動特性、熱伝導性、耐
触性なども優れていることから、ロケットノズル、航空
機のブレーキディスクなどの宇宙、航空機部材として欠
かせない材料となっている。
炭素繊維強化炭素複合材料の製造方法としては、大別し
て２つの系統がある。１つは炭素繊維のトウ、クロス、
フェルトなどを簡単に成形したのち、炉で１，０００〜
１，５００℃に加熱し、そこへ炭化水素ガスを導入して
分解炭化させて炭素を炭素繊維表面に沈着させて炭素繊
維強化炭素複合材料とする方法である。他の１つは炭素
繊維のトウ、クロス、フェルトなどにフェノール樹脂等
を含浸させたプリプレグを積層し、加熱加圧して成形体
としたのち、非酸化性雰囲気で炭化処理し、必要であれ
ば含浸処理、炭化処理を繰り返して炭素繊維強化炭素複
合材料とする方法である。
て２つの系統がある。１つは炭素繊維のトウ、クロス、
フェルトなどを簡単に成形したのち、炉で１，０００〜
１，５００℃に加熱し、そこへ炭化水素ガスを導入して
分解炭化させて炭素を炭素繊維表面に沈着させて炭素繊
維強化炭素複合材料とする方法である。他の１つは炭素
繊維のトウ、クロス、フェルトなどにフェノール樹脂等
を含浸させたプリプレグを積層し、加熱加圧して成形体
としたのち、非酸化性雰囲気で炭化処理し、必要であれ
ば含浸処理、炭化処理を繰り返して炭素繊維強化炭素複
合材料とする方法である。
ところが、このようにして得られた炭素繊維強化炭素複
合材料は、脆性的な炭素質をマトリックスとしているた
め、繰り返し荷重がかかる箇所において使用された場合
、マトリックス炭素が粉化して炭素繊維から欠落し、十
分にその強度を発揮しえないという欠点がある。このよ
うな欠点を補うため、炭素繊維強化炭素複合材料にエポ
キシ樹脂を含浸し、硬化する方法が報告されている（Ｃ
ａｒｂｏｎ、 Ｖｏｌ、２５． Ｎｏ、２． ｐ１６３
．１９８７）。その他、不浸透性黒鉛の製法として、炭
素および黒鉛材の気孔中にフェノール系やフラン系の熱
硬化性樹脂を含浸し、硬化させる方法も知られている。
合材料は、脆性的な炭素質をマトリックスとしているた
め、繰り返し荷重がかかる箇所において使用された場合
、マトリックス炭素が粉化して炭素繊維から欠落し、十
分にその強度を発揮しえないという欠点がある。このよ
うな欠点を補うため、炭素繊維強化炭素複合材料にエポ
キシ樹脂を含浸し、硬化する方法が報告されている（Ｃ
ａｒｂｏｎ、 Ｖｏｌ、２５． Ｎｏ、２． ｐ１６３
．１９８７）。その他、不浸透性黒鉛の製法として、炭
素および黒鉛材の気孔中にフェノール系やフラン系の熱
硬化性樹脂を含浸し、硬化させる方法も知られている。
しかし、このような樹脂を含浸させた複合材料では耐熱
性が乏しく、炭素繊維強化炭素複合材料の持つ強度を３
００℃以上の高温雰囲気まで補佐することが難しく、結
果的には高温雰囲気で荷重がかかる箇所では使用できな
いという欠点があった。
性が乏しく、炭素繊維強化炭素複合材料の持つ強度を３
００℃以上の高温雰囲気まで補佐することが難しく、結
果的には高温雰囲気で荷重がかかる箇所では使用できな
いという欠点があった。
〔発明が解決しようとする課題〕
本発明は高強度を有し、耐熱性に優れた炭素繊維強化炭
素複合材料を製造することを目的とする。
素複合材料を製造することを目的とする。
本発明は炭素繊維で強化した炭素材原料の成形体を焼成
したのち、液状ポリイミド樹脂を含浸し硬化することを
特徴とする炭素繊維強化炭素複合材料の製造方法である
。
したのち、液状ポリイミド樹脂を含浸し硬化することを
特徴とする炭素繊維強化炭素複合材料の製造方法である
。
本発明で使用する炭素繊維はポリアクリロニトリル系、
レーヨン系、ピッチ系等のいずれでもよく、また炭素質
、黒鉛質のいずれであってもよい。
レーヨン系、ピッチ系等のいずれでもよく、また炭素質
、黒鉛質のいずれであってもよい。
炭素繊維の形態は長さ＃く０．０５ｍｍ程度の短繊維で
あっても、連続繊維であってもよい。そして、この炭素
繊維はマトリックス中に束ねられた状態であるいは解繊
された状態で不規則に存在してもよいし、特定の方向に
配列されて存在してもよい。
あっても、連続繊維であってもよい。そして、この炭素
繊維はマトリックス中に束ねられた状態であるいは解繊
された状態で不規則に存在してもよいし、特定の方向に
配列されて存在してもよい。
マトリックスとなる炭素材原料としてはフェノール樹脂
、フラン樹脂等の熱硬化性樹脂、塩化ビニル樹脂等の熱
可塑性樹脂、含浸ピッチ、バインダーピッチ等のピッチ
類等を使用することができる。
、フラン樹脂等の熱硬化性樹脂、塩化ビニル樹脂等の熱
可塑性樹脂、含浸ピッチ、バインダーピッチ等のピッチ
類等を使用することができる。
かかる炭素繊維又は炭素繊維構造物と炭素材原料とを組
み合わせて成形材料としたのち、プレス成形等により成
形体となす。この成形体中には炭素繊維又は炭素繊維構
造物が１０〜８０体積％、好ましくは４０〜６０体積％
含まれることがよい。
み合わせて成形材料としたのち、プレス成形等により成
形体となす。この成形体中には炭素繊維又は炭素繊維構
造物が１０〜８０体積％、好ましくは４０〜６０体積％
含まれることがよい。
１０体積％未満では炭素繊維強化炭素複合材料の強度が
上がらず、８０体積％を越えると層間における剪断強度
が低下して炭素繊維の補強効果が十分に発揮されない。
上がらず、８０体積％を越えると層間における剪断強度
が低下して炭素繊維の補強効果が十分に発揮されない。
成形体の成形方法は公知の繊維強化プラスチックの成形
法が広く適用でき、例えばプレス成形法、フィラメント
ワインディング法等がある。
法が広く適用でき、例えばプレス成形法、フィラメント
ワインディング法等がある。
得られた成形体は窒素、アルゴン等の非酸化性雰囲気中
で８００℃以上、好ましくは１，０００〜１，５００℃
で焼成して、炭化された中間体を得る。この場合、炭化
時の昇温速度が速すぎると樹脂等の炭素材原料の熱分解
による収縮とガス発生が激しくなり、大きな亀裂が生じ
やすくなるので、昇温速度は１００℃／ｈｒ以下、好ま
しくは２０６Ｃ／ｈｒ以下とすることがよい。
で８００℃以上、好ましくは１，０００〜１，５００℃
で焼成して、炭化された中間体を得る。この場合、炭化
時の昇温速度が速すぎると樹脂等の炭素材原料の熱分解
による収縮とガス発生が激しくなり、大きな亀裂が生じ
やすくなるので、昇温速度は１００℃／ｈｒ以下、好ま
しくは２０６Ｃ／ｈｒ以下とすることがよい。
得られた炭化された中間体は気孔を有しているため、必
要により最終製品の耐酸化性、熱伝導率、電気伝導率等
を改良する目的で、中間体にピッチや熱硬化性樹脂の液
を含浸させ、これを再度焼成して炭化ないし黒鉛化する
操作を１回ないし２回以上行ってもよい。ここで行う含
浸は上記中間体を密閉容器に入れ、容器内を数＋ｍｍＨ
ｇ以下の減圧にして気孔内に残存しているガスを追い出
し、それからピッチや熱硬化性樹脂等の炭素材原料とな
る液を流し込み、更に容器内を５〜１００ｋｇ／Ｃ♂・
Ｇに加圧して中間体に含浸させる方法等をとることがで
きる。ここで、用いる含浸材料としては、ピッチ、フェ
ノール樹脂、フラン樹脂等が挙げられ、粘度を調節する
目的でこれらを加熱しておいてもよい。また、焼成を黒
鉛化まで行う場合、アルゴン等の不活性雰囲気中で１，
６００〜３゜０００℃、好ましくは２，０００〜３，０
００℃で焼成することがよい。この場合、得られる中間
体は上記の中間体より密度が高められているが、なお気
孔を有している。
要により最終製品の耐酸化性、熱伝導率、電気伝導率等
を改良する目的で、中間体にピッチや熱硬化性樹脂の液
を含浸させ、これを再度焼成して炭化ないし黒鉛化する
操作を１回ないし２回以上行ってもよい。ここで行う含
浸は上記中間体を密閉容器に入れ、容器内を数＋ｍｍＨ
ｇ以下の減圧にして気孔内に残存しているガスを追い出
し、それからピッチや熱硬化性樹脂等の炭素材原料とな
る液を流し込み、更に容器内を５〜１００ｋｇ／Ｃ♂・
Ｇに加圧して中間体に含浸させる方法等をとることがで
きる。ここで、用いる含浸材料としては、ピッチ、フェ
ノール樹脂、フラン樹脂等が挙げられ、粘度を調節する
目的でこれらを加熱しておいてもよい。また、焼成を黒
鉛化まで行う場合、アルゴン等の不活性雰囲気中で１，
６００〜３゜０００℃、好ましくは２，０００〜３，０
００℃で焼成することがよい。この場合、得られる中間
体は上記の中間体より密度が高められているが、なお気
孔を有している。
このようにして得られた中間体（成形体を焼成したもの
およびこれを更に含浸、焼成したもの両者を意味する）
に、液状ポリイミド樹脂を含浸させる。ポリイミド樹脂
としては、室温付近で低粘度の液状であり、かつ加熱硬
化時に揮発分が生じないものを選択することが好ましい
。揮発分が多量に発生すると炭素繊維強化炭素複合材料
中に気孔が残り、強度等の物性が低下する。このような
ポリイミド樹脂としては付加反応により架橋し、硬化す
る付加反応型ポリイミド樹脂がある。好ましいものとし
て末端マレイミド基などの炭素二重結合又は末端アセチ
レン基、末端シアノ基などの炭素三重結合を末端に有す
る付加反応ポリイミド樹脂が挙げられる。含浸させる液
状ポリイミド樹脂の粘度は３ポイズ以下が好ましく、高
い場合は加熱などして粘度を低下させておくことが好ま
しい。この含浸は、この中間体を密閉容器に入れ、容器
内を数十ｍｍＨｇ以下の減圧にして気孔内に残存してい
るガスを追い出し、それから液状ポリイミド樹脂を流し
込んで含浸させる方法等をとることができる。更に、こ
のとき容器内を５〜１００ｋｇ／ｃｒｌ−Ｇに加圧して
中間体への含浸を促進させることもできる。
およびこれを更に含浸、焼成したもの両者を意味する）
に、液状ポリイミド樹脂を含浸させる。ポリイミド樹脂
としては、室温付近で低粘度の液状であり、かつ加熱硬
化時に揮発分が生じないものを選択することが好ましい
。揮発分が多量に発生すると炭素繊維強化炭素複合材料
中に気孔が残り、強度等の物性が低下する。このような
ポリイミド樹脂としては付加反応により架橋し、硬化す
る付加反応型ポリイミド樹脂がある。好ましいものとし
て末端マレイミド基などの炭素二重結合又は末端アセチ
レン基、末端シアノ基などの炭素三重結合を末端に有す
る付加反応ポリイミド樹脂が挙げられる。含浸させる液
状ポリイミド樹脂の粘度は３ポイズ以下が好ましく、高
い場合は加熱などして粘度を低下させておくことが好ま
しい。この含浸は、この中間体を密閉容器に入れ、容器
内を数十ｍｍＨｇ以下の減圧にして気孔内に残存してい
るガスを追い出し、それから液状ポリイミド樹脂を流し
込んで含浸させる方法等をとることができる。更に、こ
のとき容器内を５〜１００ｋｇ／ｃｒｌ−Ｇに加圧して
中間体への含浸を促進させることもできる。
ポリイミド樹脂を含浸したのち、硬化させて炭素繊維強
化炭素複合材料とする。硬化は硬化炉等を用いて１００
〜１５０℃程度で数時間加熱することにより行うことが
できる。更に、この硬化終了後、２００℃前後で数十時
間加熱して後硬化を行うと、耐熱性がより向上する。
化炭素複合材料とする。硬化は硬化炉等を用いて１００
〜１５０℃程度で数時間加熱することにより行うことが
できる。更に、この硬化終了後、２００℃前後で数十時
間加熱して後硬化を行うと、耐熱性がより向上する。
以下、実施例及び比較例に基づいて、本発明を具体的に
説明する。
説明する。
実施例１
ポリアクリロニトリル系炭素繊維束（１２，０００フイ
ラメントＨニア ｘ ／ ／Ｌ／樹脂（ＡＶ５イトＲ
Ｍ−３０００Ａ） （７） ３０重量％水溶液を含浸、
乾燥し、これを３０＋ａｍに切断してプリプレグとした
。
ラメントＨニア ｘ ／ ／Ｌ／樹脂（ＡＶ５イトＲ
Ｍ−３０００Ａ） （７） ３０重量％水溶液を含浸、
乾燥し、これを３０＋ａｍに切断してプリプレグとした
。
このプリプレグを金型中にランダムに積層し、温度１５
０℃、圧力５０ｋｇ／ｃｒｌ−Ｇの条件でプレス成形し
て成形体を得た。得られた成形体の炭素繊維含有率は４
５体積％であった。
０℃、圧力５０ｋｇ／ｃｒｌ−Ｇの条件でプレス成形し
て成形体を得た。得られた成形体の炭素繊維含有率は４
５体積％であった。
次に、この成形体を窒素雰囲気中にて１０°Ｃ／ｈｒの
昇温速度で１，０００°Ｃまで昇温させた後、徐冷して
中間体を得た。
昇温速度で１，０００°Ｃまで昇温させた後、徐冷して
中間体を得た。
続いて、この中間体をアルゴン雰囲気中にて２゜０００
℃まで昇温させ、この温度で１時間保持して黒鉛化させ
た。この黒鉛化した中間体に、予め７０℃で予熱し、粘
度が１ポイズとなった末端マレイミド基を含む液状ポリ
イミド樹脂（東芝ケミカル（即製商品名：イミダロイ）
を減圧下に含浸させたのち、１５０℃で硬化させ、更に
２００℃で２０時間加熱し硬化させて最終製品の炭素繊
維強化炭素複合材料を得た。
℃まで昇温させ、この温度で１時間保持して黒鉛化させ
た。この黒鉛化した中間体に、予め７０℃で予熱し、粘
度が１ポイズとなった末端マレイミド基を含む液状ポリ
イミド樹脂（東芝ケミカル（即製商品名：イミダロイ）
を減圧下に含浸させたのち、１５０℃で硬化させ、更に
２００℃で２０時間加熱し硬化させて最終製品の炭素繊
維強化炭素複合材料を得た。
この最終製品について、嵩密度を測定すると共に、常温
にて三点曲げ試験を行った。また、この最終製品につい
て、３００℃で５時間加熱し冷却した後、常温で三点曲
げ試験を行った。結果を第１表に示す。
にて三点曲げ試験を行った。また、この最終製品につい
て、３００℃で５時間加熱し冷却した後、常温で三点曲
げ試験を行った。結果を第１表に示す。
比較例１
実施例１と同じ条件で成形体を製造し、これを炭化させ
て得られた中間体を、実施例１と同じ条件で黒鉛化し、
黒鉛化した中間体とした。
て得られた中間体を、実施例１と同じ条件で黒鉛化し、
黒鉛化した中間体とした。
次に、この黒鉛化した中間体に、液状フラン樹脂（ＡＶ
ライ） ＲＭ−１０００Ｆ）を減圧下に含浸させた後、
１２０で硬化させ、更に１３０℃で２０時間加熱し硬化
させて最終製品の炭素繊維強化炭素複合材料を得た。
ライ） ＲＭ−１０００Ｆ）を減圧下に含浸させた後、
１２０で硬化させ、更に１３０℃で２０時間加熱し硬化
させて最終製品の炭素繊維強化炭素複合材料を得た。
この最終製品について、実施例１と同様に嵩密度の測定
、常温三点曲げ試験及び３００’Ｃ５時間加熱後の常温
三点曲げ試験を行った。結果を第１表に示す。
、常温三点曲げ試験及び３００’Ｃ５時間加熱後の常温
三点曲げ試験を行った。結果を第１表に示す。
比較例２
実施例１と同じ条件で成形体を製造し、これを炭化させ
て中間体を得た。
て中間体を得た。
次に、この中間体に、温度２００ ’Ｃ１圧力１０ｋｇ
／ｃｒｌ−Ｇの条件で含浸ピッチを含浸させた。続いて
、この中間体を窒素気流中にて１，０００’Ｃまで昇温
させた後、徐冷して第２の中間体とした。
／ｃｒｌ−Ｇの条件で含浸ピッチを含浸させた。続いて
、この中間体を窒素気流中にて１，０００’Ｃまで昇温
させた後、徐冷して第２の中間体とした。
更に、上記と同様のピッチ含浸、炭化処理をそれぞれ３
回繰り返し、続いて実施例１と同じ条件で黒鉛化し、こ
れを最終製品の炭素繊維強化炭素複合材料とした。
回繰り返し、続いて実施例１と同じ条件で黒鉛化し、こ
れを最終製品の炭素繊維強化炭素複合材料とした。
この最終製品について、実施例１と同様に嵩密度の測定
、常温三点曲げ試験及び３００°Ｃ５時間加熱後の常温
三点曲げ試験を行った。結果を第１表に示す。
、常温三点曲げ試験及び３００°Ｃ５時間加熱後の常温
三点曲げ試験を行った。結果を第１表に示す。
第 １ 表
せることにより、高強度でかつ耐熱性に優れた炭素繊維
強化炭素複合材料を得ることができる。
強化炭素複合材料を得ることができる。
Claims (2)
- （１）炭素繊維で強化した炭素材原料の成形体を焼成し
たのち、液状ポリイミド樹脂を含浸し硬化することを特
徴とする炭素繊維強化炭素複合材料の製造方法。 - （２）炭素繊維で強化した炭素材原料の成形体を焼成し
たのち、ピッチ又は液状の熱硬化性樹脂を含浸して再焼
成する操作を１ないし２回以上行い、次いで液状ポリイ
ミド樹脂を含浸し硬化することを特徴とする炭素繊維強
化炭素複合材料の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2056644A JPH03261661A (ja) | 1990-03-09 | 1990-03-09 | 炭素繊維強化炭素複合材料の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2056644A JPH03261661A (ja) | 1990-03-09 | 1990-03-09 | 炭素繊維強化炭素複合材料の製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03261661A true JPH03261661A (ja) | 1991-11-21 |
Family
ID=13033053
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2056644A Pending JPH03261661A (ja) | 1990-03-09 | 1990-03-09 | 炭素繊維強化炭素複合材料の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH03261661A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007277086A (ja) * | 2006-04-11 | 2007-10-25 | Sgl Carbon Ag | 炭素繊維束の含浸方法 |
-
1990
- 1990-03-09 JP JP2056644A patent/JPH03261661A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007277086A (ja) * | 2006-04-11 | 2007-10-25 | Sgl Carbon Ag | 炭素繊維束の含浸方法 |
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