JPH03279262A - 円筒状炭素繊維強化炭素材料の製造方法 - Google Patents

円筒状炭素繊維強化炭素材料の製造方法

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JPH03279262A
JPH03279262A JP2081955A JP8195590A JPH03279262A JP H03279262 A JPH03279262 A JP H03279262A JP 2081955 A JP2081955 A JP 2081955A JP 8195590 A JP8195590 A JP 8195590A JP H03279262 A JPH03279262 A JP H03279262A
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JP
Japan
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carbon fiber
epoxy resin
resin
carbon
molecular weight
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JP2081955A
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English (en)
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Masaharu Takehara
正治 竹原
Tokio Kikuchi
菊地 時雄
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Nippon Steel Corp
Nippon Steel Chemical and Materials Co Ltd
Original Assignee
Nippon Steel Corp
Nippon Steel Chemical 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] 本発明は円筒状炭素繊維強化炭素材料の製造方法に関す
るものである。
[従来の技術] 炭素繊維強化炭素材料(以下、C/Cコンポジットとい
う)は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。C/Cコンポジットは炭素繊維で強
化されているために従来の炭素材料に比べ常温、高温で
の機械的特性に優れ、また摩擦・制動特性、熱伝導性、
耐蝕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。
またセラミックス等を成形焼結するためのホットプレス
の型材として、従来は黒鉛材料が使用されていたが、円
筒状のC/Cコンポジットがこれに置き代わって使用さ
れてきている。
円筒状のC/Cコンポジットの製造方法としては、繊維
強化プラスチックの成形法としてひろく知られているフ
ィラメントワインディング法が用いられている。(例え
ば、特公平1−43621号公報) この場合マトリックスとなる樹脂としては、安価で炭化
収率の高いフェノール樹脂が多く用いられている。
フィラメントワインディング法で成形を行う場合には、
炭素繊維束の内部までマトリックス樹脂が浸透すること
が肝要であり、そのためフェノール樹脂を用いる場合に
は通常35〜70重量%の溶剤で希釈し、樹脂粘度を下
げて使用している。
このため、フェノール樹脂を用いてフィラメントワイン
ディング法で成形すると、加熱硬化時に溶剤が揮発し、
緻密な硬化物を製造することはできなかった。
また、フェノール樹脂は硬化反応が脱水縮合反応である
ため、硬化の際に生成縮合水や副生成物のアンモニアお
よび遊離のアルデヒド類が揮発し、硬化物には細孔が生
じることが多い。
一般にこれらを防止するため、フェノール樹脂の成形に
は真空バグを用いたり、数回のガス抜きをしながら20
0気圧程度の高圧下での成形が行われている。
しかしながらフィラメントワインディング成形において
は、これらの加熱硬化法をとることば困難であり、その
ため成形体には40〜15体積%の気孔が存在している
。
この成形体を炭化すると、フェノール樹脂の炭化収率は
約50重量%であるため、さらに多量の気孔をC/Cコ
ンポジットの中間体内に残すことになる。
従って、このC/Cコンポジットの中間体を緻密化する
ためには、非常に長い処理工程を必要とする。
一方エポキシ樹脂は、繊維強化プラスチックをフィラメ
ントワインディング法で成形する場合のマトリックスと
してひろく知られている。
このようなフィラメントワインディング用のエポキシ樹
脂は、溶媒を含まないため、加熱硬化時に空隙を残さず
に成形体を得ることができる。
しかし従来のエポキシ樹脂は炭化収率が低く、かつ炭化
後に緻密な炭化物にならずに、粉状になってしまうため
、C/Cコンポジットのマトリックスとしては使用する
ことができなかった。
[発明が解決しようとする課題] 本発明の目的は、炭化収率の高いエポキシ樹脂をマトリ
ックスとして用いて、フィラメントワインディング法に
より空隙の少ない成形体を成形し、それを焼成すること
により円筒状の炭素繊維強化炭素材料を製造することに
ある。
[課題を解決するための手段] 本発明の方法は、炭素繊維を強化繊維としエポキシ樹脂
をマトリックスとして用いて、フィラメントワインディ
ング法により成形体を製造し、該成形体を焼成すること
を特徴とするものであり、特に上記エポキシ樹脂が、硬
化促進剤として分子量が600〜20000でかつ、メ
チロール基もしくはフェノール性水酸基を分子量の5〜
20重量%含有するフェノール樹脂を含むことを特徴と
するものである。
次に本発明の内容をさらに詳細に説明する。
まず、本発明に用いられる補強用の炭素繊維はポリアク
リロニトリル系、レーヨン系、ピッチ系のいずれであっ
てもよく、また炭素質、黒鉛質のいずれであってもよい
、またマトリックスとなるエポキシ樹脂は、ビスフェノ
ール型、グリシジルエステル型、グリシジルアミン型、
ノボラック型、芳香族型、脂肪族型、複素環型のいずれ
であってもよい。
またエポキシ樹脂の硬化剤としては、脂肪族アミン、脂
肪族ポリアミン、芳香族アミン等のアミン類や、脂肪族
、ハロゲン系芳香族などの酸無水物のいずれであっても
よい。
次に本発明の製造方法で、マトリックスのエポキシ樹脂
に対して硬化促進剤として加えられるフェノール樹脂は
、フェノール類とホルマリンを縮合させて得られるもの
であればよく、レゾール型、ノボラック型、いずれであ
ってもよい。
この場合、フェノール樹脂は分子量が600〜2000
0でかつ、活性水素としてメチロール基もしくはフェノ
ール性水酸基を分子量の5〜20重量%、好ましくは6
〜10重量%含有するものを用いる。
その分子量が600未満では、硬化物の炭化収率が低く
、また炭化体もすす状で緻密な炭化体が得られない、一
方20000を超えた場合には、エポキシ樹脂との相溶
性が悪く、硬化後に得られる硬化物がもろくなる。
また活性水素の量が、フェノール樹脂の分子量の5重量
%未満では、エポキシ樹脂との縮合が少なすぎて硬化物
がもろくなる。一方20重量%を超えた場合には、硬化
時に発生する縮合水が多くなリボ−ラスな硬化物となる
。
フェノール樹脂の添加量は、2.4〜50重量%、好ま
しくは10〜30重量%添加することが望ましい。
2.4重量%未満では、フェノール樹脂の添加量が少な
く、炭化収率が低くなる。一方50重量%を超えた場合
には、樹脂の粘度が上昇するため、フィラメントワイン
ディング時に気泡を含みやすくなる。
炭素繊維とフェノール樹脂を含んだエポキシ樹脂を用い
て、フィラメントワインディング法により円筒状成形体
を製造する。
良好な成形体を得るためには、炭素繊維束の内部まで樹
脂が充分浸透することが望ましい。そのため、通常はロ
ールを設けた含浸槽内で、炭素繊維束に樹脂を含浸する
。また、この場合粘度を調節する意味で、含浸槽を加熱
しておいてもよい。
炭素繊維の巻き角度は、0〜90度まで変えることが可
能であるが、最終製品に要求される強度に応じて決定す
ることが望ましい。
該エポキシ樹脂を含んだ炭素繊維を、芯材に巻き付けた
のち、該エポキシ樹脂を加熱硬化し円筒状成形体を得る
。
硬化工程では、円筒状成形体を硬化炉等を用いて150
°C〜180°Cで数時間加熱することにより該エポキ
シ樹脂を硬化させる。
前記円筒状成形体において、炭素繊維は10〜80体積
%、好ましくは40〜60体積%含有されていることが
望ましい。
炭素繊維が10体積%未満では、得られる最終製品の補
強繊維が少なすぎるため、強度が低くなる。一方80体
積%を越えた場合には、マトリックスの含有量が少なす
ぎるため、層間におけるせん断強度が低下し、炭素繊維
の補強効果が充分に発揮されない。
得られた円筒状成形体は、窒素、アルゴン等の非酸化性
雰囲気中で800°C以上、好ましくは1000℃以上
1500°C以下の温度で炭化焼成してC/Cコンポジ
ットの中間体を得る。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、大きな亀裂が発生しやすくなる。そのため昇温速度
は、通常100°C/hr以下、好ましくは20°C/
 h r以下が望ましい。
このようにして得られたC/Cコンポジットの中間体に
ついて、最終製品の耐酸化性、機械的強度を向上させる
ために、必要に応じてピッチまたは熱硬化性液状樹脂を
含浸して再焼成する操作、およびまたは化学蒸着処理(
以下、CVD処理という)をしてもよい。
含浸工程では、該C/Cコンポジット中間体を密閉容器
にいれ容器内を数十mmHg以下の減圧にして、内部に
残存している気体を追い出し、次に上記容器内にピッチ
または炭素材原料となる熱硬化性液状樹脂を流し込み、
さらに上記容器内を5〜100Kgf/cm”の圧力に
し、該C/Cコンポジット中間体に上記物質を含浸する
。
通常ここで用いられる含浸材料としては、ピッチ、また
はフェノール樹脂、フラン樹脂などの液状の熱硬化性樹
脂が使用される。また、この場合粘度を調節する意味で
上記物質を加熱しておいてもよい。
CVD処理では、ic/Cコンポジット中間体を炉に入
れて1000〜1500°Cに加熱し、そこへメタン、
プロパンなどの炭化水素ガスを、窒素、アルゴンなどで
希釈し減圧下で導入して分解炭化させ、熱分解炭素を炭
素繊維表面に沈着せしめる。さらに、このC/Cコンポ
ジットの中間体について、最終製品の耐酸化性、熱伝導
率、電気伝導率を向上させるために、必要に応じて黒鉛
化処理をしてもよい。
黒鉛化処理は、アルゴン等の非酸化性雰囲気中で、通常
1600〜3000°C1望ましくは2000〜300
0℃で行う。
本発明方法は、空隙の少ない成形体の焼成により、円筒
状炭素繊維強化炭素材料を製造するものであるため、少
ない処理工程で高密度の製品を得ることができる。
[実施例] 以下、実施例に従って本発明を説明する。
実施例1 ポリアクリロニトリル系炭素繊維(12に糸繊度0.8
 g / m )と下記の配合比のエポキシ樹脂を用い
て、フィラメントワインディング法により、巻き角度8
9.6度で円筒状の成形物を作成した。
エポキシ樹脂(ビスフェノールF型)1重量部無水ヒド
ロキシフタル酸      1重量部フェノール樹脂 
         1重量部上記フェノール樹脂は、分
子量が10000で、フェノール性水酸基を分子量の8
重量%含有するものであった。
この成形物を、温度180°Cで4時間硬化させ成形体
を得た。このとき得られた成形体の炭素繊維含有率は5
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1000 ’Cまで昇温したのち徐冷してC
/Cコンポジットの中間体(−次炭化品)を得た。
次に、このC/Cコンポジットの中間体に温度200’
C,圧力10kg/cm”で含浸ピッチを含浸した。次
に、この中間体を窒素雰囲気中にて10℃/ h rの
昇温速度で1000°Cまで昇温したのち、徐冷してC
/Cコンポジットの中間体を得た。
さらにこの中間体に前記と同様のピッチ含浸、炭化処理
をさらに3回繰り返し最終製品を得た。
比較例1 ポリアクリロニトリル系炭素繊維(12に糸繊度0.8
g/m)とフェノール樹脂の60重量%水溶液を用いて
、フィラメントワインディング法により、巻き角度89
.6度で円筒状の成形物を作成した。
この成形物を、温度150°Cで4時間硬化させ成形体
を得た。このとき得られた成形体の炭素繊維含有率は5
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1000”Cまで昇温したのち徐冷してC/
Cコンポジットの中間体(−次炭化品)を得た。
次に、このC/Cコンポジットの中間体に温度200°
C1圧力10 k g / c m ”で含浸ピッチを
含浸した6次に、この中間体を窒素雰囲気中にて10°
C/hrの昇温速度で1000°Cまで昇温したのち、
徐冷してC/Cコンポジットの中間体を得た。
さらにこの中間体に前記と同様のピッチ含浸、炭化処理
をさらに3回繰り返し最終製品を得た。
それぞれの成形体、中間体(−次炭化品)、最終製品に
ついて、かさ密度を測定した。各々の測定結果を以下に
示す。
かさ密度(g/cd)  測定結果 成形体   中間体  最終製品 (−次炭化品) 実施例1 1.548   1.333   1.62
5比較例1 1.254   1.218   1.4
91以上のように、本方法のエポキシ樹脂を用いて作成
した円筒状炭素繊維強化炭素材料は、従来のフェノール
樹脂を用いた場合よりも、少ない処理工程で高密度の製
品を得られることがわかる。
[発明の効果コ 本発明の方法によると少ない処理工程で、高密度の円筒
状炭素繊維強化炭素材料を製造することができる。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)炭素繊維を強化繊維としエポキシ樹脂をマトリッ
    クスとして用いて、フィラメントワインディング法によ
    り成形体を製造し、該成形体を焼成することを特徴とす
    る円筒状炭素繊維強化炭素材料の製造方法
  2. (2)エポキシ樹脂が、硬化促進剤として分子量が60
    0〜20000でかつ、メチロール基もしくはフェノー
    ル性水酸基を分子量の5〜20重量%含有するフェノー
    ル樹脂を含むことを特徴とする、請求項1記載の円筒状
    炭素繊維強化炭素材料の製造方法
JP2081955A 1990-03-29 1990-03-29 円筒状炭素繊維強化炭素材料の製造方法 Pending JPH03279262A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013039696A (ja) * 2011-08-12 2013-02-28 Ihi Aerospace Co Ltd ダイスの製造方法とダイスを備えるホットプレス装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2013039696A (ja) * 2011-08-12 2013-02-28 Ihi Aerospace Co Ltd ダイスの製造方法とダイスを備えるホットプレス装置

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