JPH0451510B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、一般に、炭素複合製品を製造する方
法に関する。さらに詳しく述べると、本発明は、
多孔質の硬質付形基材（ある形を付与されたも
の）又はプレフオームが、熱処理された結果とし
て繊維上に極めて少量の炭素質バインダー材料を
熱的に融着された編成された繊維織物材料の層か
ら構成されるような新規プロセスに関するもので
ある。本発明の複合製品を完成するために、基材
を制御された温度及び圧力条件に付し、次いでそ
の基材の〓間における熱分解材料の化学的蒸着
（C.V.D.）法によつて制御可能に高密度化する。

〔従来の技術〕

構造的、仮作的、融蝕性及び断熱性の適用目的
における炭素複合材料の優れた高温性能特性のた
め、そのような材料に対して常に需要の拡大が引
き起こされている。よつて、近年、核、宇宙、航
空機などの産業分野における使用のためのそのよ
うな炭素複合材料の大規模生産のために新規技術
を開発するのにかなりの努力がはらわれてきた。

炭素複合製品を製造するのに、炭素繊維材料か
らできた基材（サブストレート）又はプレフオー
ムが最初に構成される。代表的には２つの基本的
な方法がかかる基材を製造するのに使用される。
しばしば樹脂接着方法と呼ばれる一つの方法に従
うと、繊維基材材料をフエノール樹脂等のような
炭化可能なバインダーの実質量を用いて共に接合
する。ここで、Bickerdikeらの米国特許第
3233014号に記載された方法は樹脂接着方法の典
型的なものである。しばしば化学的蒸着（C.V.
D.）法と呼ばれる第二の方法に従つて、繊維基
材材料を既知の化学的蒸着（C.V.D.）技術を用
いて熱分解炭素の〓間蒸着によつて共に接合す
る。Bauerの米国特許第3895084号はこのC.V.D.
法を明瞭に記載している。また、この方法に関連
したものは、例えばWilliamsの英国特許第
1455891号である。

樹脂法、すなわち炭素質バインダー法はある認
められた利点を有する。例えば、この方法を用い
ると、耐久性のある高密度の構造的に安定なプレ
フオームを、通常の成形及びプレス接合技術を用
いて容易に製造することができる。この方法によ
つて成形されたプレフオームは、都合のよいこと
に、形の付与（以下、付形）が可能でかつ容易な
取扱いが可能である。しかしながら、この樹脂バ
インダー法の欠点は、その方法が基材材料の予備
含浸、「Ｂ」段階化及びバインダーの炭化を含む
いくつかの予備的加工工程を必要とし比較的費用
がかかるという事実を含む。さらに、この方法の
場合、繊維とバインダーとの間の加工収縮におけ
る許容し得る相容性を達成するのに、また、層剥
離又はミクロクラツキングなしに種々の基材加工
工程の間に許容し得る部品一体性を保つプレフオ
ームを通常的に製造するのに、困難が不可避であ
つた。同様に、許容し得る炭化可能な基材を製造
するのに必要な比較的多量の炭化可能なバインダ
ーは、しばしば、バインダーの炭化の間、バルク
破壊、ガス発生及び寸法安定性の問題を生じた。
樹脂接合法が度々目的としていることは、基材中
の望ましくないボイドを除去する試みのなかで基
材の個々の繊維を全体的に包封（樹脂封入）する
ことである。

C.V.D.法、すなわち、基材の繊維上に解離性
のメタン又は他の炭素含有ソースガスから得られ
た炭素を付着させることによつて基材の接合を行
う方法はまたいくつかの認められた利点を有す
る。例えば、この技術を用いると、一部又は全体
の基材の高密度化を正確に制御できるようにする
ために最大の開放多孔度を有する基材を製造する
ことができる。さらに、この方法において固有な
ことは、基材の各繊維がそれをして実質的に不透
過性で高温でも通常耐蝕性たらしめられる付着材
料で均一にコートされるという事実である。さら
に、繊維自体や繊維の交錯点におけるコーチング
（被覆）の厚さは、所望の基材の剛性を達成する
ため、正確に調整することができる。

C.V.D.法の主な欠点は、繊維構造体に剛性を
付与するのに十分な熱分解炭素が付着されるま
で、基材材料を所望の形状で保持するためにある
形の高価で屡々嵩高の付形ジグが必要とされてい
るということである。このようなハードウエア
は、それがきびしく制限された炉の加工容積の大
きな部分を点有し、かつ顕著な組み立て及び分解
の問題を生じるので、高価であり、そして実質的
に炉の生産性を減少させる。

以下の記載から明らかなように、本発明の方法
は、各方法の欠点を実質的に避けながら樹脂法と
C.V.D.法の両方の利点の実現を可能にするもの
である。

基材の〓間を樹脂でふさぐ問題を解決する試み
のために発明された方法は、本発明者が共同発明
者としてある係属中の米国出願番号第047158号に
記載されている。この米国出願において記載され
る方法の欠点は、一時接着剤として使用される樹
脂の量を正確に調整する場合や樹脂が適用される
織物を取り扱う場合に出くわす困難にある。上記
発明の方法において、樹脂含浸の織物は脆くて取
扱い及び切断が困難である。さらに、取扱い中、
その材料に適用された樹脂は、付形基材中に含ま
れる樹脂の量の正確な調整を不可能にする粉末及
び切片になる傾向がある。これに対して、本発明
方法は、出発の基材材料の大量生産を可能にする
方法で上述の問題を独特にかつ効果的に解決する
ものである。

上記した先行技術に加えて、本件出願人は、炭
素繊維テープを用いて複合製品を製造する方法に
ついて記載しているUnited Technology
Laboratories発行の「Development of High
Modulus Carbon Fiber Tape Composites」と
題する印刷刊行物をも承知している。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明の目的は、先駆物質（プレカーサ）たる
基材をポリイミド樹脂のようなバインダーの極め
て少量でコートされた、編成され酸化された安定
化PAN繊維から構成する、炭素複合製品を製造
するための新規な方法を提供することにある。次
いで、この先駆物質の基材を調整された温度及び
圧力条件下で圧縮して付形基材を形成し、その
際、基材の個々の繊維を一時的に一緒に接合す
る。使用される樹脂が少量であることにより、付
形基材の〓間は開いたまゝであり熱分解材料の自
由な〓間付着によつて繊維を一緒に永久的に接合
し、よつて、密度が既知の硬質品を形成すること
ができる。

本発明のもう一つの目的は、付形基材の繊維
を、把持具又は基材の形状を束縛する他の手段の
必要なしに、製造方法の熱分解及び高密度化工程
の間に基材をして自由に取扱うことを可能にする
のに十分なように一緒に接合するような上述の方
法を提供することにある。

本発明のもう一つの目的は、バインダー材料内
における繊維の実質的な包封を、個々の繊維のい
ろいろな部分が材料の収縮及び他のプロセスに関
連した原因により基材内に発生せしめられる応力
を調和させ分配させるために自由に動くことがで
きるように、注意深く避ける、上記のような方法
を提供することにある。

本発明のもう一つの目的は、多糖類及びフエノ
ール、ポリイミド、ポリアミド、フルフラール又
はピツチ樹脂を含む種々の炭素質のバインダー材
料を使用することができる前記種類の付形基材の
構成のための新規な方法を提供することにある。

本発明のまたもう一つの目的は、炭素質バイン
ダー材料が高密度化工程の間に安全に炭化され、
これによつて特定のバインダー炭化工程の必要性
を省くことができる前記した方法を提供すること
にある。

さらにもう一つの本発明の目的は、一部炭化さ
れた、完全に炭化された、又はグラフアイト化さ
れた繊維基材材料を繊維と炭素質バインダーの体
積収縮を調和する必要なしに使用して許容し得る
先駆物質基材を達成することができる前記した方
法を提供することにある。

本発明のもう一つの目的は、出発材料の繊維を
コートするために使用されるバインダー材料の量
を注意深く調整することによつて、そのバインダ
ーが高密度化プロセスに悪影響を与えず、又それ
が最終製品における構造的欠陥を生じない炭素複
合製品を製造する方法を提供することにある。

さらに、本発明の目的は、バインダー材料を、
液体又は粒子の形状で布帛材料の繊維上に既知の
量で正確に付着することができる炭素複合製品を
製造する方法を提供することにある。

本発明のまたもう一つの目的は、樹脂をコスト
的に有効な、連続的又は半連続的なプロセスで出
発材料の繊維に熱的に融着することができ、これ
により正確な形状、密度及び繊維体積を有する炭
素複合製品の大量生産を可能にする炭素複合製品
を製造する方法を提供することにある。

本発明のもう一つの目的は、出発布帛に適用さ
れた樹脂を、その布帛に剛性を付与し、精密な重
量及び寸法を有する切断片への取扱い及び成形を
容易にするために、その布帛の繊維に熱的に融着
させる炭素複合製品を製造する方法を提供するこ
とにある。

そして、本発明の最後の目的は、十分なCVD
高密度化後の高い層間剪断強さ、高い縁屈曲強さ
及び高い平板屈曲強さを含むより優れた機械的性
質を有する前記特徴を有する最終複合製品を提供
することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記した目的は、以下に詳述するような本発明
方法によつて達成することができる。

本発明は、その１つの面において、炭素複合製
品を製造する方法であつて、下記の工程： (a) 正確に計量された少量の炭素質バインダー材
料を圧縮性の繊維材料上に選択的に付着させる
こと； (b) 前記繊維材料及び前記バインダー材料を２〜
５秒間にわたつて100〜150℃の高温度に加熱し
て前記バインダー材料を前記繊維材料の繊維に
対して、その繊維の長さについて不連続的に、
熱融着せしめ、よつてコートされた材料を形成
すること； (c) 前記の工程で得られたコートされた材料を予
め定められた大きさ及び形状を有する小片に切
断すること； (d) 前記コート材料の小片から、最終的に得られ
る炭素複合製品の体積よりも大きい体積を有す
る基本の基材を構成すること； (e) 前記の工程で得られた基本の基材を予め定め
られた高温度でもつてコントロール可能な外部
圧力にさらして圧縮し、よつて、前記基材を既
知の体積と最終製品において所望される形状に
ほぼ対応する形状とを有する形を付与された基
材となし、かつ、これによつて、前記繊維を、
前記付形基材に対して応力が加えられる時にそ
の応力に応じて自由に動くことができる多数の
互いに離れた結合部位において一緒に接合する
こと、そして、その際、このようにして形成さ
れた付形基材は、硬質であり、取り扱い及び運
搬が容易であり、そして把持具又はその他の外
部支持手段の必要なしにさらに加工することが
可能であること； (f) 任意の固定された形状にある前記付形基材を
高温度に加熱し、その間に前記基材の〓間に熱
分解材料を制御可能に付着させ、よつて、前記
炭素質バインダー材料を炭化せしめ、かつ前記
繊維を前記熱分解材料によつて永久的に一緒に
結合させること；及び (g) 前記熱分解材料の前記基材の〓間に対する付
着を、所望とする最終製品の密度が達成される
まで継続すること； を含んでなることを特徴とする炭素複合製品の製
造方法にある。

本発明は、そのもう一つの面において、炭素複
合製品を製造する方法であつて、下記の工程： (a) ピツチ、レーヨン及びポリアクリロニトリル
からなる群から選ばれた繊維でできた圧縮性繊
維材料を選択すること； (b) 前記選択された繊維材料を予め定められた大
きさ及び形状を有する小片に切断すること； (c) 正確に計量された少量の炭素質バインダー材
料を前記繊維材料の各小片の繊維上に選択的に
付着させること； (d) 前記繊維材料の小片及び前記バインダー材料
を２〜５秒間にわたつて100〜150℃の高温度に
加熱して前記バインダー材料を前記繊維材料の
小片の繊維に対して、その繊維の長さについて
不連続的に、熱融着せしめ、よつてコートされ
た繊維材料小片を形成すること； (e) 前記の工程で得られたコートされた繊維材料
小片を予め定められた大きさ及び形状を有する
切断片に切断すること； (f) 前記切断片から、最終的に得られる炭素複合
製品の体積よりも大きい体積を有する基本の基
材を構成すること； (g) 前記の工程で得られた基本の基材を予め定め
られた高温度でもつてコントロール可能な外部
圧力にさらして圧縮し、よつて、前記基材を既
知の体積と最終製品において所望される形状に
ほぼ対応する形状とを有する形を付与された基
材となし、かつ、これによつて、前記繊維を、
前記付形基材に対して応力が加えられる時にそ
の応力に応じて自由に動くことができる多数の
互いに離れた結合部位において一緒に接合する
こと、そして、その際、このようにして形成さ
れた付形基材は、硬質であり、取り扱い及び運
搬が容易であり、そして把持具又はその他の外
部支持手段の必要なしにさらに加工することが
可能であること； (h) 任意の固定された形状にある前記付形基材を
高温度に加熱し、その間に前記基材の〓間に熱
分解材料を制御可能に付着させ、よつて、前記
炭素質バインダー材料を炭化せしめ、かつ前記
繊維を前記熱分解材料によつて永久的に一緒に
結合させること；及び (i) 前記熱分解材料の前記基材の〓間に対する付
着を、所望とする最終製品の密度が達成される
まで継続すること； を含んでなることを特徴とする炭素複合製品の製
造方法にある。

要するに、本発明の上記した目的やその他の目
的は、本発明によれば、２つの寸法アグロメレー
シヨンの安定化されたPAN繊維を熱処理するこ
と；前記繊維を予め定められた量の炭素質バイン
ダーでコートすること；得られた材料をさらに熱
処理して個々の繊維にバインダーを熱的に融着さ
せること；繊維の熱処理されたアグロメレーシヨ
ン（織布又は不織マツト）を予定された大きさ及
び形状を有する切断片（セグメント）に切断する
こと；前記切断片を配列して最終製品の体積より
も大きい体積を有する基本の基材を構成するこ
と；この基本基材をほぼ300〓とほぼ410〓の間の
温度で圧縮して既知の体積及び最終製品に所望の
形状に実質的に相当する形状を有する付形基材を
形成すること；この付形基材を熱分解して炭素繊
維基材を形成すること；そしてこの炭素繊維基材
をほぼ1900〓とほぼ2300〓の間の温度で炭素質ガ
スの存在下で保持して、前記炭素繊維基材の〓間
に熱分解炭素を付着させること；の各工程を含ん
でなる新規な方法によつて達成される。

〔好ましい実施態様及び実施例〕

本発明の好ましい実施態様についての詳細な説
明を始める前に、本願明細書に使用された技術用
語の定義を、本発明の性質及び範囲についての理
解をさらに容易にするために、以下に記載す； １ 炭素複合製品−その繊維が織物（布帛）及び
不織布（マツト）において撚り合せられ、かつ
酸化、安定化、部分炭化、完全炭化又はグラフ
アイト化されているような繊維材料、炭素質バ
インダー材料、及び繊維材料の〓間に付着せし
められた熱分解材料からなる製品。

２ 基本又は先駆物質の基材−本願明細書に使用
される場合には、出発の基材かもしくはその基
材を付形基材に圧縮する前の仮の製品の形のも
の。

３ 付形基材又はプレフオーム熱分解材料で熱分
解又は高密度化するのに適当な圧縮又は成形後
の基本基材。

４ 炭素繊維基材−理想的には熱分解炭素又は同
様の材料の〓間付着に適当な熱分解後の付形基
材。

５ 炭素繊維−繊維の形をもつた炭素材料。

６ 炭素質バインダー−繊維の実質的部分を包封
せずに、選ばれた接合部位のところで出発織布
材料の繊維に熱的に融着させるのに採用される
材料。熱可塑性樹脂を含む種々の樹脂材料がバ
インダー材料として適当であることが判明し
た。

７ 熱分解材料−熱分解−、すなわち熱による化
学的な分解によつて形成される材料。例えば熱分
解炭素、窒化硼素のような特定の窒化物、タンタ
ル、タングステン、モリブデン及びニオブのよう
な特定の耐熱金属、ならびにタンタルカーバイ
ド、ニオブカーバイト、ジルコニウムカーバイ
ド、ハフニウムカーバイド及びシリコンカーバイ
ドを含む特定のカーバイドのような種々の熱分解
材料を高密度化工程において使用してよい。

８ 炭素質ガス−炭素を含むガス。

９ ポリアクリロニトリル（PAN）繊維−合成
の重合体繊維。

10 酸化もしくは別法により安定化されたポリア
クリロニトリル繊維−ポリアクリロニトリル繊
維の張力下での適当な酸化又は他の化学的変性
によつて形成された黒色繊維。

11 繊維体積−与えられた基材内に存在する繊維
の体積。

12 織物−たて糸とよこ糸を織機等において交錯
することによつて形成された布帛。

13 小片（スワツチ）−製品の製造時に１単位と
して使用される織布又は不織布の一片。

以下に記載する実施例によつて明瞭に説明され
ているように、本発明の方法はかいつまんで述べ
ると次の工程を包含する：最初、撚り合せた
PAN、レーヨン又は羊毛繊維の形の出発材料を
約1600℃まで熱処理する。次に、例えばフエノー
ル樹脂、ポリイミド樹脂又は同様な材料のような
適当な炭素質バインダーの少量を選ばれた炭素繊
維材料に適用する。このバインダーを、ローラー
ブラシの使用を通じて、表面スプレー又は他の類
似の手段によつて、手作業でのふりかけにより炭
素繊維材料に適用することができる。次に、コー
トされた後の出発材料を、個々の繊維のいろいろ
な部分に樹脂を熱的に融着させるために、調整さ
れた時間について高温に加熱する。これは繊維の
全体的の包封を避けるようにしてなされる。かく
て形成された、剛性を付与されかつ取扱い容易な
材料を、次いで、最終製品の体積よりも大きい体
積を有する基本又は出発の基材の形となす。次い
で、この基本の基材を、高度の開放多孔度、既知
の体積及び所望の最終製品の形状にほぼ等しい形
状を有する付形基材を形成するため、調整された
温度及び圧力にさらす。この「プレス接合」工程
の間、炭素繊維材料の個々の繊維が多数の部位で
バインダー材料によつて選択的に一緒に接合せし
められる。これらの接合又は「粘着」は、引き続
く処理工程の間に基材を自立の形で容易に取扱う
ことができるように、基材に剛性を付与するもの
である。最後に、この付形基材又はプリフオーム
を、基材の〓間における選択的な熱分解材料の付
着（C.V.D））によつて自立の状態のまゝ部分的
又は全体的に高密度化する。使用してもよい種々
の熱分解材料は下記の実施例のところで記載す
る。

使用される特定の出発材料及びバインダーに依
存して、中間の炭化工程を必要としてもよい。こ
の炭化工程は、高密度化工程に先んじて、バイン
ダー及び、ある場合には、基本基材を構成する繊
維を調整可能に炭化する作用を有する。さらに、
ある種の用途の場合、中間的又は最終的な熱処理
工程を設けてもよい。

図面、特に第１図を参照すると、本発明の方法
は、撚り合せられた多数の繊維を有する炭素繊維
布帛材料を予め定められた大きさと形状を有する
小片に最初に切断する工程を含んでなる。この布
帛材料は、羊毛、レーヨン、ポリアクリロニトリ
ル（PAN）又は同様な材料の繊維から構成され
てよく、第１図に示された特徴を有する環状付形
物１２、又はパイ形状の切断片（セグメント）、
長方形もしくは他の適当な形状へ切断されてよ
い。この布帛の「レイアツプ」の形状はもちろ
ん、最終製品の所望の形状や最終用途によつて定
められる。

本発明の方法における次の工程は、繊維材料上
に極めて少量の炭素質バインダーを選択的に付着
させることである。再び最終製品の最終用途及び
バインダーの所望の適用方法に依存して、使用さ
れる炭素質のバインダー材料は、フエノール樹
脂、New Brunswick、N.J.在のRhodia、Inc.製
の「Kerimid601」のような粒状ポリイミド樹脂、
Winona、Minnesota在のFiberite、Inc.製の
「Karbon700R」のようなフラフラール樹脂、又
は当業者によく知られた種々の他のバインダー材
料であつてよい。

バインダー材料を例えばイソプロピルアルコー
ルのような溶剤で稀釈し、次いで繊維材料上にス
プレーしてもよく、さもなければ手作業によるか
もしくは種々の型の機械的な計量分配装置の使用
を通じて、繊維材料上にふりかけてもよい。

第２図をみると、例えばStackpoly Fibers、
Inc.によつて製造されたPAN8ハーネスサテン
（Harness Satin）のような織物材料１４が、そ
の材料に限定された量の粒状のバインダー材料１
６が付着せしめられたものとして、拡大して略示
的に説明されている。織物材料が、たて糸１８及
びよこ糸２０からできていてこれらの糸を一緒に
編成して織物ができているということが理解され
るであろう。極めて限定された量のバインダーを
たて糸とよこ糸に沿つて、一定間隔で離れた接合
部位において、織物表面上に付着させる。引き続
く加熱工程の間、個々の繊維の実質的な包封が起
らないであろうことを確かめるため、バインダー
材料の付着時に多大の注意をはらう。これは、接
合部位の中間にある繊維の一部がその後の処理工
程の間に発生するかも知れない応力を調和し効果
的に分配させるために自由に動くことができるよ
うにするために必要である。

レイアツプ１２上に炭素質バインダーを付着せ
しめた後、それらをメタルメツシユコンベアーベ
ルト２２（第１図）上に載置し、温度調節された
オーブン２４内を一定速度で通過させる。オーブ
ン２４は標準構造のもので、電気的に又は天然ガ
スによつて加熱することができる。オーブンの温
度及びコンベアーベルトの移動速度は、もちろ
ん、使用されているバインダーの種類及び出発材
料の特性に依存して変更し得る。理想的には、上
述の材料を、バインダーをレイアツプの繊維に熱
的に融着させるのに必要な最低時間について可能
な最低温度に暴露する。典型的な時間−温度範囲
を以下に記載する実施例で述べる。

ある種の大量処理の適用のためには、出発材料
を長いシート又はリボンに切断し、その材料にバ
インダーを先に議論したような方法でコートし、
次いでその材料を調整された速度でもつてオーブ
ン内を連続的に通過させることが望ましい。この
ようにして形成された材料を、次いで、その材料
をさらに処理のため、所望の大きさ及び形状を有
する切断片（セグメント）に自動的に切断するこ
とができる。

オーブン内処理後の材料の外観を第３図に図示
する。この図に示されているように、炭素質バイ
ンダー１６は、繊維の上部表面にその繊維の長さ
に関して断続的な位置で熱的に融着せしめられて
いる。融着後、そのバインダーは、第３図に番号
１６ａによつて示されるように、平滑でガラス状
の外観を示す。重要なことに、繊維の部分部分が
その後の処理の間に材料内に発生する応力を調和
するために自由に動くことができるように、融着
されたバインダーで全体的に包封された繊維は不
存在である。このアプローチは、もちろん、織物
の糸の完全な包封が複合製品の加工においては大
いに望ましいと思われてきた先行技術の教示内容
とは正反対である。

オーブン内処理工程によつて形成されたコート
された織物は、その織物をさらに加工するのに理
想的に適当なものである。このコート織物はまさ
しく硬質であり、容易に切断されたり、付形され
たり、そして容易に運搬できる。また、著しく重
要なことには、このコートされた織物は取扱い中
にバインダー材料のスポーリング又はフレーキン
グを示さないということである。よつて、最終製
品に存在するバインダーの量を正確に決定し、か
つ正確に調節することができる。なお、この本発
明方法の重要な特徴は、本件出願人によつて先に
出願された前記特許出願において開示された発明
方法においては達し難いものである。

次いで第４図を参照すると、本発明の方法にお
ける次の工程は、バインダー材料が上方に融着さ
れたレイアツプ１２から基本基材を構成すること
である。第１図に示される本発明の態様におい
て、かかる基本基材の構成は最初にレイアツプ１
２を大きな金属プレート２６の上に載置すること
によつて達成される。レイアツプ又はデイスク１
２はバインダー材料不含であり、よつて、プレー
ト２６からの基材の分離を容易にする。次いで、
バインダーが熱的に融着した第４図に１２ａで示
されるその次のデイスクを、前記層とは回転オフ
セツトで、予め定められた配向でデイスク１２上
に載置する。予め定められた数のコート織物材料
層を堆積した後、第２のバインダー不含デイスク
１２を最上材料片の上に置き、そして第２の金属
プレート２８をその堆積物の頂部上に置く。

このようにして形成された基本基材を、金属プ
レート２６及び２８と共に、加熱されたプレス定
盤を備えているプレス内に載置する。付形基材の
成形において使用されるプレス及びプレス定盤は
標準のデザインのものであり、よつて、その構造
及び操作はここでは詳細に説明をしない。

基本基材を、それが最終製品の所望の体積より
も大きい体積を有し、既知の繊維体積を有し、か
つ予め定められた限定された量のバインダー材料
を含むように、注意深く構成する。本発明の実施
において使用される実際の繊維体積及びバインダ
ーの重量％の範囲も以下に記載する実施例で説明
する。

成形により付形基材を得る場合に、基本基材
を、数100〓までの予め定められた温度範囲で、
5000psiまでの制御可能な外部圧力に暴露する。
本発明の方法に従つて形成された付形基材は、既
知の体積、既知の繊維体積を有し、かつ最終製品
の所望の形状に実質的に相当する形状を有する。
この付形工程において実際に使用される種々の温
度及び圧力範囲は以下に記載する実施例で説明す
るが、これらは、基本基材を予め定められた量に
制御可能に圧縮し、かつその個々の繊維をして多
数の一定間隔に離れた接合部位において共に接合
せしめるような方向で選択する。

付形工程に続いて、付形基材を金属プレートか
ら取り出し、例えば熱分解炭素のような選ばれた
熱分解材料での高密度化のために真空蒸着炉内へ
自立形状で配置する。この高密度化はよく知られ
た化学的蒸着（C.V.D.）技術によつて達成され
る。C.V.D.高密度化工程に適当な種々の温度及
び圧力範囲は前記した英国特許第1455891号に記
載されている。

付形基材の繊維は、多数の一定間隔に離れた接
合部位で、バインダー材料によつて選択的に一緒
に接合されるので、その付形基材はそれを所望の
形状となすための巨大な把持具を用いる必要なし
に、高密度化工程の間その形状を保持するのに適
当に硬いものである。このことは、高価な炉の空
間の最大の使用を可能にし、代表的な先行技術の
炉内処理方法に較べて著しいコストの節約を惹起
する。さらに、かつ最も重要なことに、個々の繊
維がバインダー材料中に包封されないので、接合
部位を仲立ちにして置かれる部分は外部応力を調
和しかつ分配させるために曲つたり動いたりする
ことが自由に可能である。よつて、繊維の体積収
縮に対してバインダーマトリツクスを特に整合す
ることは不必要であり、欠陥のない完全又は部分
的に高密度化された最終製品を製造することがで
きる。このような独特かつ重要な結果は、本願明
細書で参照した先行技術のいずれにも示唆されて
いない。

C.V.D.高密度化工程の間、付形基材内のバイ
ンダー材料は完全に炭化される。同時に、過渡的
なバインダー材料と繊維の結合は、基材の〓間に
付着せしめられた熱分解材料によつて形成された
永久的な繊維結合によつてさらに増大せしめられ
る。

例 １ 長さ22インチで幅44インチの織布の試料を当業
者によく知られた方法で約1600℃で熱処理した。
熱処理後、28重量％の粉末ポリイミド樹脂を含む
一様な厚さの乾燥コーチング（被覆）をパネルの
片面に適用した。ここで使用した樹脂は、Rhone
−Poulenc、Inc.、Chemical Division、
Monmouth Junction、N.J.08852から入手可能な
Kerimid樹脂型601であつた。この樹脂を、一つ
のローラーが第二のローラーに導かれる（直列
に）ような結合された２つの標準的なペイントロ
ーラーを用いることによつて適用した。適用され
るべき樹脂の量を正確に調整するためにこの種の
アプリケーターを使用した。適用された樹脂の含
有量は25重量％〜30重量％であつた。

次いで、コートされたパネルをオーブンユニツ
トのコンベア−ベルト上に置き、１秒当りほぼ
１／２〜５フイートの速度でオーブン内を通過さ
せた。パネルのオーブン処理の間、オーブンの温
度を100℃と150℃の間で保つた。

クロスの上部表面上に半連続的なガラス状樹脂
コーチングを形成するオーブン処理工程に引き続
いて、そのコートされたパネルを４・１／４イン
チ×４・１／４インチの小片（スワツチ）に切断
した。織物上へ樹脂の融着の結果、材料の取扱い
特性が大いに改良され、樹脂のスポーリング又は
フレーキングは全く認められなかつた。この結
果、吸入の危険が最小限になり、樹脂含有量の正
確な調整が可能になつた。次いで、切断後の小片
を、コートされた表面及び未コートの表面を交互
に重ねて、0゜〜90゜のレイアツプで載置した。と
いうのは、この材料はただ一方の側にのみ樹脂を
有したためである。

レイアツプに続いて、厚さ及び繊維体積を調整
したストツプまでプレフオームを225〓で30分間
熱プレスした。この後、温度を350〓まで上昇さ
せ、60分間保持した。350〓のサイクルの後、電
源を切り、定盤に対する水冷を始め、そしてその
部分を一晩放置冷却した。１／４×４・１／４×
0.550の複合材料をプレスから取り出した。この
ようにして成形された付形基材は十分に接合され
たものであり、すなわち、静かにつまみ磨耗した
のではその縁を分離することができなかつた。

付形基材の加工に続いて、得られた基材を化学
的蒸着装置内へ置き、熱分解炭素を制御可能に浸
透させた、最終製品の繊維体積をプレフオームの
それの20％以内に保つた。すなわち、有機バイン
ダーを、無機の炭素接合を達成するために熱加工
の間保持した。最終のデイスクにおける樹脂炭化
物含有量の計算値は２〜３重量％であつた。出発
含有量25〜30％からの含有量におけるこの大きな
減少は、不十分な炭化物収率（デザインによる）、
及び主たる結合が引き続いて付加される熱分解炭
素であるという事実に原因するものである。

例 ２ レーヨン先駆物質8H／Ｓ織物を例１で述べた
織物と同じ方法で処理した。このコートされたレ
ーヨン織物は優れた取扱い特性を示し、全く容易
に切断することができた。樹脂のスポーリング又
はフレーキングは切断の間に全く認められなかつ
た。

例 ２ 完全に炭化された８ハーネスサテン（Harness
Satin）（8H／Ｓ）のPAN織物のパネルをいくつ
かの11.30インチの円形デイスクに切断した。
Fiberite Inc.社供給のフラン樹脂の形態のバイン
ダー材料を適当のためにイソプロピルアルコール
で３：１の比で稀釈した。次いで、この樹脂溶剤
混合物を標準型のスプレーガンを用いて各デイス
クの片側にスプレーした。次いで、このデイスク
を周囲温度で24時間風乾した。次に、このデイス
クを再度重量測定し、樹脂含浸率を測定した。重
量による呼称樹脂含浸率は約3.0％であることが
わかつた。これは、その後のスプレーコーチング
によつて10％まで増加した。

次いで、各コートされたデイスクを10.30イン
チの外径（OD）及び3.84インチの内径（ID）を
有する45゜の切断片（セグメント）に切断した。
切断片をグラフアイト中心の「スパツド
（Spud）」又は支柱を有する大きなプレートの上
に置いた。次の層（８セグメントの群）のそれぞ
れをその前の層から回転的にオフセツトした。

繊維堆積物、すなわち基本基材を加熱定盤を備
えた350トンプレスを用いて圧縮した。プレス定
盤を250〓まで加熱し、材料を挿入し、プレスを
閉鎖した。定盤の温度を、材料内に置かれた熱電
対が250〓の温度がその基材内で達成されたとい
うことを指摘するまで、250〓に保持した。次い
で、定盤の温度及び材料の温度を350〓まで上昇
させた。材料を350〓で10分間保持し、次いで１
時間にわたつて冷却した。この成形品における圧
力をプレスサイクルを通じてほぼ350ポンド／平
方インチ（PSI）に保持した。

硬質化されたプレフオーム、すなわち付形基材
が得られた。PAN 8H／Ｓプレフオームと組合
さつた繊維体積は約27.9％であつた。プレフオー
ムの密度レベルは約0.531ｇ／c.c.であつた。付形
基材に含まれるバインダー材料の量は約10重量％
〜約15重量％であつた。視覚的及びＸ線解析の両
方で測定した時のプレフオームの品質は優れたも
のであつた。層剥離又はミクロクラツキングは全
く認められなかつた。

次いで、この付形支持体を樹脂の炭化、追加的
な繊維結合、及びプレフオームの高密度化が同時
に達成されるC.V.D.加工サイクルに付した。OD
及びIDの寸法変化は最小限（0.04〜2.2％）であ
つた。しかしながら、主に厚さの増加が起つた。
相当する繊維体積（減少）は約20.4％であつた。
計算され重量による樹脂炭化物含有量は最終的な
C.V.D.の後約１〜２％であつた。高密度化され
たプレフオーム（複合材料）の品質は優れたもの
であつた。層剥離又はミクロクラツキングは認め
られなかつた。このようにして、観察された厚さ
及び繊維体積における主な変化は構造的な劣化な
しにうまく調和された。基材の高度の開放多孔度
が維持され、均一に増加した。

さらに、C.V.D.加工の結果として、約1.75ｇ／
c.c.の密度を有する炭素複合材料であるところの最
終製品が得られた。この最終複合製品の品質は優
れたもの（構造的に堅固な）で、機械的性質のレ
ベルは大いに満足し得るものであつた。

例 ４ 完全にグラフアイト化された（レーヨン先駆物
質）グラフアイト8H／Ｓ織物を例１で述べた
PAN繊維と同じ方法で処理した。しかしながら、
本例の場合、樹脂含有量は約35重量％であり、そ
のデイスクを約４〜５秒の合計時間の間、オーブ
ン温度に暴露した。

コーチングの後、レーヨンデイスクは実質的に
より硬質のもので、優れた取扱い特性を示した。
ジグを有するプレート上へのデイスクの堆積は樹
脂のスポーリング又はフレーキングが全く観察さ
れることなく達成された。

最終製品の繊維体積を測定し、付形基材のそれ
の20％以内であることがわかつた。

計算された樹脂炭化物含有量はC.V.D.による
浸透後の最後デイスクにおいて約3.5重量％であ
つた。

例 ５ 圧縮性の不織布炭化ピツチフエルト（マツト）
繊維材料を例３で述べたPAN織物のように精密
な方法で加工した。

Fiberite、Inc.社より供給のフラン樹脂を使用
し、樹脂含有量を約15重量％まで制限し、かつそ
のデイスクを約２時間オーブン温度に暴露した。
計算された樹脂炭化物含有量はC.V.D.による浸
透後の最後デイスクにおいて約２重量％であつ
た。

例 ６ Fiberite、Inc.社より供給のフラン樹脂を使用
し、樹脂含有量が約20重量％まで制限されたのを
除いて、PAN織布を例４で述べたレーヨン織物
のように精密な方法で処理した。最終デイスクに
おける計算された樹脂炭化物含有量はまた約２％
であつた。

例 ７ 炭化されたPANチヨツプド繊維Purex Carp、
Carson、California社製の液体スターチ（多糖
類）バインダーを含む溶液からスクリーン上に吸
引付着させた。初期溶液からの十分な残留物は、
それらが直径12インチのデイスクにおいて２〜５
トンの圧力下のプレスで乾燥される時に繊維上に
残り、よつて、そのスターチバインダーがC.V.
D.接合を通して体積減少された状態で、デイス
クを固化し保持した。最終製品の計算されたスタ
ーチ炭化物の炭素含有量はほんの１〜２重量％で
あつた。

例 ８ 圧縮性の不織布炭化ピツチフエルト（マツト）
繊維材料を、例３で述べたPAN繊維の場合のよ
うに精密な方法で処理した。

商業的に容易に入手可能な一般タイプのフエノ
ール樹脂を使用し、樹脂含有量を約15重量％まで
制限し、そのデイスクを約２時間オーブン温度に
暴露した。計算された樹脂炭化物含有量はC.V.
D.による浸透後の最終デイスクにおいて約２重
量％であつた。

例 ９ 圧縮性の不織布炭化ピツチフエルト（マツト）
繊維材料を例３で述べたPAN織物の場合のよう
に精密な方法で処理した。

商業的に容易に入手可能な一般タイプのエポキ
シノボラツクを使用し、樹脂含有量を約15重量％
に制限し、そのデイスクは約２時間オーブン温度
に暴露した。計算された樹脂炭化物含有量はC.
V.D.による浸透後の最終デイスクにおいて約２
重量％であつた。

例 10 圧縮性の不織布炭化ピツチフエルト（マツト）
繊維材料を例３で述べたPAN織物の場合のよう
に精密な方法で処理した。

エポキシノボラツク／ポリイミド混合物を使用
し、樹脂含有量を約15重量％に限定し、そのデイ
スクを約２時間オーブン温度に暴露した。計算さ
れた樹脂炭化物含有量はC.V.D.による浸透後の
最終デイスクにおいて約２重量％であつた。

以上、本発明を詳細に述べてきたが、当業者
は、特定の要求又は条件を満たすために本発明の
個々の部分又はそれらの相対的な集合における変
化及び変形を行なうのに何の困難性も持たないで
あろう。そのような変化及び変形は特許請求の範
囲において規定するような本発明の範囲及び精神
から離れることなく実施することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、基本の基材を構成するために使用さ
れる付形切断片（セグメント）の繊維上に炭素質
バインダー材料を熱的に融着する方法を説明する
斜視図である。第２図は、炭素質バインダー材料
の粒子が選択的に付着されているたて糸及びよこ
糸でできた織布状繊維材料の一部の拡大された部
分図である。第３図は、バインダー材料が付形切
断片の個々の繊維に熱的に融着せしめられる第１
図に図示したオーブン加工工程を経た加工された
後の材料の外観を説明する、第２図において示さ
れた材料の一部の拡大された部分図である。第４
図は、基本基材の構成に使用される圧縮プレート
上へコートされた繊維材料小片を堆積する方法を
説明する分解斜視図である。 １２…環状付形品、１４…織物材料、１６…バ
インダー材料、１８…たて糸、２０…よこ糸、２
２…メタルメツシユコンベアーベルト、２４…オ
ーブン、２６…金属プレート、２８…金属プレー
ト。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 炭素複合製品を製造する方法であつて、下記
   の工程： (a) 正確に計量された少量の炭素質バインダー材
   料を圧縮性の繊維材料上に選択的に付着させる
   こと； (b) 前記繊維材料及び前記バインダー材料を２〜
   ５秒間にわたつて100〜150℃の高温度に加熱し
   て前記バインダー材料を前記繊維材料の繊維に
   対して、その繊維の長さについて不連続的に、
   熱融着せしめ、よつてコートされた材料を形成
   すること； (c) 前記の工程で得られたコートされた材料を予
   め定められた大きさ及び形状を有する小片に切
   断すること； (d) 前記コート材料の小片から、最終的に得られ
   る炭素複合製品の体積よりも大きい体積を有す
   る基本の基材を構成すること； (e) 前記の工程で得られた基本の基材を予め定め
   られた高温度でもつてコントロール可能な外部
   圧力にさらして圧縮し、よつて、前記基材を既
   知の体積と最終製品において所望される形状に
   ほぼ対応する形状とを有する形を付与された基
   材となし、かつ、これによつて、前記繊維を、
   前記付形基材に対して応力が加えられる時にそ
   の応力に応じて自由に動くことができる多数の
   互いに離れた結合部位において一緒に接合する
   こと、そして、その際、このようにして形成さ
   れた付形基材は、硬質であり、取り扱い及び運
   搬が容易であり、そして把持具又はその他の外
   部支持手段の必要なしにさらに加工することが
   可能であること； (f) 任意の固定された形状にある前記付形基材を
   高温度に加熱し、その間に前記基材の〓間に熱
   分解材料を制御可能に付着させ、よつて、前記
   炭素質バインダー材料を炭化せしめ、かつ前記
   繊維を前記熱分解材料によつて永久的に一緒に
   結合させること；及び (g) 前記熱分解材料の前記基材の〓間に対する付
   着を、所望とする最終製品の密度が達成される
   まで継続すること； を含んでなることを特徴とする炭素複合製品の製
   造方法。 ２ 前記圧縮性繊維材料がピツチ、レーヨン及び
   ポリアクリロニトリル繊維からなる群から選ば
   れ、かつ前記最終製品中に含まれる樹脂炭化物接
   合材料の量が１〜５重量％である、特許請求の範
   囲第１項に記載の製造方法。 ３ 前記付形基材を、その〓間に前記熱分解材料
   を付着させる前に、ほぼ1600℃の温度に熱処理し
   て完全に炭化し、該熱処理の結果として生成せる
   ガス状の分解生成物を除去し、かつ前記付形基材
   に対して更なる寸法安定性を付与する中間の工程
   を包含する、特許請求の範囲第１項に記載の製造
   方法。 ４ 前記繊維材料を予め定められた大きさ及び形
   状を有する小片に切断する、請求項１記載の製造
   方法。 ５ 前記繊維材料の各小片の繊維上に付着せしめ
   られるバインダー材料の量は34〜38重量％であ
   り、かつ前記バインダー材料は前記繊維上に不連
   続的に付着せしめられているので、前記繊維のあ
   る部分は未コートの状態で残されており、該繊維
   材料内において惹起される応力を調節するために
   自由に可能である、特許請求の範囲第４項に記載
   の製造方法。 ６ 前記バインダー材料がフエノール樹脂であ
   る、特許請求の範囲第１項に記載の製造方法。 ７ 前記バインダー材料がフラン樹脂である、特
   許請求の範囲第１項に記載の製造方法。 ８ 前記バインダー材料がポリイミド樹脂であ
   る、特許請求の範囲第１項に記載の製造方法。 ９ 前記バインダー材料が多糖類である、特許請
   求の範囲第１項に記載の製造方法。 １０ 前記バインダー材料がエポキシ樹脂であ
   る、特許請求の範囲第１項に記載の製造方法。