JPH03290363A - リブ付き高強度炭素繊維強化炭素複合材料構造体およびその製造方法 - Google Patents

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、航空宇宙用材料等に使われるリブ付き高強度
炭素繊維強化炭素複合材料構造体およびその製造方法に
関する。

〈従来の技術〉 従来、炭素繊維強化炭素複合材料（以下Ｃ／Ｃと記す）
は、耐熱性や耐薬品性に優れ、かつ高強度で軽量であり
、例えはフェノール樹脂、フラン樹脂などの熱硬化性樹
脂を炭素繊維に含浸したシートをつくり、その必要に応
じた枚数を積層し、これを加熱して前記樹脂を硬化させ
た炭素繊維強化炭素前駆成形体を、８００℃以上の高温
で不活性雰囲気中において焼成炭化したものが知られて
いる。

しかしながら、炭素繊維強化前駆成形体を８００℃以上
の高温で不活性雰囲気中において焼成炭化する過程で、
問題があった。　特に前駆成形体がＩ型および逆Ｔ型な
どのリブ付きの構造を有する場合について詳細に説明す
る。

第３図（ａ）または第４図（ａ）に示すように、１対の
Ｌ字型積層体１またはＵ字型積層体２と平板積層体４と
充填材（フィラー）３とを組み合わせて、逆Ｔ型または
！型のリブ付き前駆成形体としこれを焼成炭化すると、
逆Ｔ型の場合はリブの部分の厚さ方向の収縮により第３
図（ｂ）に示すように平板積層体４が変形したり、第３
図（Ｃ）に示すようにＬ字型積層体１と平板積層体４と
の間に割れを生ずる。

また、同様に、■型の場合は第４図（ｂ）または（ｃ）
に示すように平板積層体４が変形したり、Ｕ字形積層体
２と平板積層体４との間に割れを生ずる。

〈発明が解決しようとする課題〉 本発明は、従来技術における上記の問題点を解決し、前
駆成形体を焼成炭化する際の変形や層状割れのない良好
な形状を有するリブ付き高強度Ｃ／Ｃ構造体およびその
製造方法を提供することを目的としてし）る。

く課題を解決するための手段〉 本発明者らは上記の問題を解決するために鋭意研究した
結果、炭素繊維強化炭素前駆成形体（ＦＲＰ）のマトリ
クス中に特にリブとなるべきマトリクス中にメソカーボ
ン小球体を添加すれば焼成時の厚さ方向の収縮が低減し
、焼成炭化する際の変形や層状割れがなく良好な形状を
有するリブ付き高強度Ｃ／Ｃ構造体を提供できるとの知
見を得、本発明にいたった。

すなわち、上記目的を達成するために本発明によれば、
リブを立てた炭素繊維強化炭素複合材料構造体において
、前記リブの部分に、メソカーボン小球体の炭化物と炭
素質繊維とを樹脂に由来する炭素質マトリクスで固定し
た炭素繊維強化炭素複合材料を用いることを特徴とする
リブ付き高強度炭素繊維強化炭素複合材料構造体が提供
される。

前記メソカーボン小球体の炭化物が３〜４０重量％、炭
素質繊維が４０〜８５重量％、樹脂に由来する炭素質が
５〜５０重量％の範囲であるのが好ましい。

また、本発明によれば、（ａ）メソカーボン小球体およ
び残炭率４５％以上の樹脂を含有する樹脂溶液を含浸し
た炭素繊維シートを積層したリブを構成すべき積層体と
、（ｂ）他の積層体および（Ｃ）充填材とを組み合わせ
た後、加熱成形して前駆成形体とし、これを焼成炭化す
ることを特徴とするリブ付き高強度炭素繊維強化炭素複
合材料構造体の製造方法が提供される。

以下に本発明をさらに詳細に説明する。

まず、本発明のリブ付き高強度Ｃ／Ｃ構造体の製造方法
の概要を第１図または第２図を参照しなから説明するが
、これらに限定するものではない。

メソカーボン小球体と炭化可能な樹脂とをまず溶剤によ
り希釈して樹脂ワニスとし、これを炭素質繊維に含浸さ
せてシートを得る。　　このシートを第１図または第２
図に示すようにＬ字型あるいはＵ字型に積層し１対のＬ
字型（Ｕ字型）積層体１（２〉とする。　これと、別に
用意した平板積層体４と、充填材３（以下フィラーと記
す）とを組み合わせる。　次にこれを加熱して樹脂を硬
化させ前駆成形体を得る。

この前駆成形体を不活性雰囲気中で焼成炭化してリブ付
き高強度Ｃ／Ｃ構造体とする。

ここで、平板積層体４と、フィラー３には炭素質繊維に
樹脂を含浸させたシートが用いられるが、これらのシー
トには、メンカーボン小球体の含有を特に必要としない
。　　また、含浸用の樹脂の種類は限定せず炭化可能な
ものであれはよい。

本発明は、リブの部分に、メソカーボン小球体の炭化物
と炭素質繊維とを樹脂に由来する炭素質マトリクスで固
定したＣ７０を用いたことを特徴とするリブ付き高強度
Ｃ／Ｃ構造体である。

前記メソカーボン小球体の配合量は、焼成炭化して得ら
れるＣ／Ｃ中に占めるメンカーボン小球体の炭化物が３
〜４０重量％、好ましくは５〜２５重量％となるように
調整するのがよい。　３重量％より少ない配合量では焼
成炭化時に発生した樹脂の熱分解ガスのガス抜は性が悪
く、また樹脂の収縮が大きいので、リブの部分で、ガス
ふくれ、眉間割れ、変形を引き起こす。　一方４０重量
％より多いと、得られるＣ７０の層間接着力が著しく低
下してしまいリブの部分で割れを発生してしまう。

また、炭化可能な樹脂の配合量は、同様に焼成炭化して
得られるＣ／Ｃ中に占める炭素質が５〜５０重量％、好
ましくは１０〜４０重量％になるように調整するのがよ
い。　　５重量％より少ない配合量では、得られるＣ７
０の層間接着力が著しく弱くなりリブの部分で割れを発
生してしまう。　一方５０重量％より配合量を多くする
と焼成炭化時の熱分解ガスの発生が多く、また樹脂の収
縮によりガスふくれ、層間割れ、変形を引き起こす。

さらに炭素質繊維の量は、同様に焼成炭化して得られる
Ｃ／Ｃ中に４０〜８５重量％、好ましくは５０〜８０重
量％となるように調整するのがよい。　４０重量％より
炭素質ｗａＮｉの量が少ないと、繊維による補強効果が
十分でなく、得られるＣ７０の強度が低下する。　また
８５重量％より多いと層間接着力が著しく弱くなりリブ
の部分で割れを発生してしまう。

次に本発明に係わる出発原料について説明する。

メンカーボン小球体としては、通常の方法、例えば石油
重質油やタールピッチなどを熱処理して生成したメソカ
ーボン小球体を遠心分離あるいはろ過等により分別して
用いることができる。　このメソカーボン小球体の粒径
は１００μｍ以下のもので細かいものほど良い。　粒径
が１００μｍ超のものでは得られるＣ７０の緻密化性が
損なわれ、強度的に満足なものか得られない。　メソカ
ーボン小球体が特に有効である理由としては、形状がほ
ぼ完全な球体であり、かつ粒径が非常に均一であるため
に炭化処理過程で生しるガスがこの粒子の間を通ってな
めらかに外部へ抜けて行くためであると考えられる。　
このような点から、メソカーボン小球体のみならず、こ
れに炭化可能な樹脂を表面コーティングしたもの、高温
にて熱処理したものなどを用いることができる。

炭化可能な樹脂としては、フェノール樹脂が好ましく、
例えば旭有機材工業■製ＲＭ３０００Ｋ”など一般に市
販されているものを使用できる。　しかし、その他フラ
ン樹脂やエポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリ
イミド樹脂等も使用可能で、残炭率が４５％以上のもの
であれば本発明に十分使用し得る。　フェノール樹脂が
好ましい理由は、樹脂の取扱いやすさ、成形体の特性が
良好で安価なことによる。　また残炭率が４５％未満の
樹脂では焼成時にガスの発生が多く、激しく収縮するた
めリブの部分にガスふくれ、眉間割れ、変形が発生する
。

なお、本発明での残炭率とは、樹脂を不活性雰囲気下１
０００℃まで加熱した際に残る炭素重量の加熱前の樹脂
の重量に対する割合（重量％）を示す。

炭素質繊維としては、ＰＡＮ系、レーヨン系およびター
ルピッチ系炭素繊維を用いることができ、強度的にＰＡ
Ｎ系のものを用いると最も優れたものが得られる。　例
えば、東邦レーヨン製”高強度ベスファイト（ＨＴＡ）
”高弾性ベスファイト（８Ｍ４０）”等の一般に市販さ
れているものが使用できる。　炭素繊維の形態としては
、長繊維フィラメントを１００〜１２０００本束ねたロ
ービングを一方向に引き揃えたものおよび／または織物
が使用できる。

次に、前記メソカーボン小球体、炭化可能な樹脂および
炭素質繊維の配合方法としては、例えばメンカーボン小
球体と炭化可能な樹脂をアセトン、メタノール、トルエ
ンその他の低沸点の有機溶剤およびその混合溶媒などに
溶解させ、これを炭素質繊維のシートに含浸させた後、
オーブン、真空乾燥機などを用いて有ｍ溶媒を取り除く
方法、あるいは炭素質繊維を挟んで少なくとも一方に、
メソカーボン小球体と炭化可能な樹脂との混合物を塗布
した離型紙を重ね合わせ、加熱ロールにて、加熱、加圧
処理し樹脂を炭素Ｘｌａ雑に転移・含浸する方法など炭
素′Ｊ７ｔｗａ維表面にメソカーボン小球体、炭化可能
な樹脂を均一にむらなく塗布、含浸することができるも
のであれば如何なる方法によっても良く、本発明はメソ
カーボン小球体と炭化可能な樹脂と炭素質繊維との配合
方法を特に限定するものではない。

上述のようにしてメソカーボン小球体および樹脂を含浸
した炭素質繊維シートは、必要に応じてＬ字型、Ｕ字型
に積層した後に、別に作成した平板積層板、フィラーと
組み合わせ、オートクレーブによって加熱・加圧して底
形し、前駆成形体を得る。　この前駆成形体を不活性雰
囲気中で焼成炭化することにより本発明のリブ付き高強
度Ｃ／Ｃ構造体が得られる。

本発明のリブ付き高強度Ｃ／Ｃ構造体は、リブの部分に
、メソカーボン小球体の炭化物を固定したＣ／Ｃを用い
ることにより、第３図（ａ）または第４図（ａ）に示す
ように変形や割れのない良好な形状を有する高強度のも
のである。

〈実施例〉 以下に、本発明を実施例に基づき具体的に説明する。

（実施例１） メンカーボン小球体（平均粒径１５μｍ）と液状フェノ
ール樹脂（旭有機材工業■製、ＲＭ３０００Ｋ）とメタ
ノールとを混合して調整した樹脂ワニスを炭素繊維織物
（東邦レーヨン株製；Ｗ−１１０３）に含浸し、室温に
て４時間乾燥した後、オーブン中で１００℃４５分子備
硬化し、第１表に示す配合のシートを得た。

このシートを、Ｌ字型に１０枚を積層した。

平板およびフィラーは、液状フェノール樹脂（旭有機材
工業■製、ＲＭ３０００Ｋ）とメタノールとを混合して
調整した樹脂ワニスをそれぞれ炭素繊維織物（東邦レー
ヨン株製１Ｗ−１１０３）、炭素繊維ロービング（東邦
レーヨン株数、ＨＴＡ−７−６０００）に含浸し、室温
にて４時間乾燥した後、オーブン中で１００℃４５分子
、備硬化し、ＲＭ３０００に炭化物と炭素繊維かＣ／Ｃ
中に占める重量割合が１８：８２となるシートおよびロ
ービングを作成し、このシートを２０枚積層して平板を
、またこのロービングを束ねてフィラーを得た。

Ｌ字型と平板を組み合わせて、第１図に示す逆Ｔ型構造
体を作製し、これをオートクレーブ中て２　Ｋｇ／ｃｏ
２の圧力下で１５０℃１８０分間加熱・成形した後、不
活性雰囲気中て１０℃／時間の昇温速度にて１０００℃
まで加熱・炭化してリブ付き高強度Ｃ／Ｃ構造体を得た
。　この時の形状状態を第１表に示す。

（比較例１） メソカーボン小球体と液状フェノール樹脂と炭素繊維織
物から、第１表に示す配合のシートを得た。　このシー
トを、Ｌ字型に積層したほかは実施例１と全く同様に配
合処理してリブ付き高強度Ｃ／Ｃ構造体を得た。　この
時の形状状態を第１表に示す。

（比較例２） メソカーボン小球体を使用せず、液状フェノール樹脂と
炭素繊維織物から実施例１と同様の方法にて第１表に示
す配合のシートを得、Ｌ字型に積層したほかは、実施例
１と全く同様にしてリプ付き高強度Ｃ／Ｃ構造体を得た
。　この時の形状状態を第１表に示す。

（比較例３） 実施例１の液状フェノール樹脂に代えて残炭率３５％の
樹脂（昭和高分子■製；　ＢＬＳ−３１２２）を使用し
て、実施例１と同様の方法にて第１表に示す配合のシー
トを得、Ｌ字型に積層したほかは実施例１と全く同様に
配合処理してリブ付き高強度Ｃ／Ｃ構造体を得た。　こ
の時の形状状態を第１表に示す。

〈発明の効果〉 本発明は以上説明したように構成されているので、リブ
の部分にメゾカーボン小球体の炭化物と炭素質長繊維と
を樹脂に由来する炭素質マトリクスで固定したＣ／Ｃを
用いた本発明のリブ付きＣ／Ｃ構造体は、焼成炭化する
際の変形がなく、層状割れのない良好な形状を有するリ
ブ付き高強度Ｃ／Ｃ構造体であって、航空宇宙用材料等
に有利に使用できるものである。

２・・・Ｕ字型績層体、 ３・・・充填材（フィラー）、 ４・・・平板積層体

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の逆Ｔ型リブ付き高強度Ｃ／Ｃ構造体
の１例を示す分解斜視図である。 第２図は、本発明の■型すブ付き高強度Ｃ／Ｃ構造体の
１例を示す分解斜視図である。 第３図および第４図は、それぞれ逆Ｔ型およびＩ型構造
体の形状状態を示す線図である。 符号の説明 １・・・Ｌ字型績層体、

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）リブを立てた炭素繊維強化炭素複合材料構造体に
   おいて、前記リブの部分に、メソカーボン小球体の炭化
   物と炭素質繊維とを樹脂に由来する炭素質マトリクスで
   固定した炭素繊維強化炭素複合材料を用いることを特徴
   とするリブ付き高強度炭素繊維強化炭素複合材料構造 体。
2. （２）前記メソカーボン小球体の炭化物が３〜４０重量
   ％、炭素質繊維が４０〜８５重量％、樹脂に由来する炭
   素質が５〜５０重量％の範囲である請求項１記載のリブ
   付き高強度炭素繊維強化炭素複合材料構造体。
3. （３）（ａ）メソカーボン小球体および残炭率４５％以
   上の樹脂を含有する樹脂溶液を含浸した炭素繊維シート
   を積層したリブを構成すべき積層体と、（ｂ）他の積層
   体および（ｃ）充填材とを組み合わせた後、加熱成形し
   て前駆成形体とし、これを焼成炭化することを特徴とす
   るリブ付き高強度炭素繊維強化炭素複合材料構造体の製
   造方法。