JPH0528250B2 - - Google Patents
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- JPH0528250B2 JPH0528250B2 JP60272084A JP27208485A JPH0528250B2 JP H0528250 B2 JPH0528250 B2 JP H0528250B2 JP 60272084 A JP60272084 A JP 60272084A JP 27208485 A JP27208485 A JP 27208485A JP H0528250 B2 JPH0528250 B2 JP H0528250B2
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- Inorganic Fibers (AREA)
Description
産業上の利用分野
本発明は、炭素繊維−樹脂複合材料に関する。
従来技術とその問題点
繊維状物質を配合することにより樹脂等を強化
する方法は、古くから知られているが、繊維強化
樹脂が広く使用される様になつたのは、強化剤と
して各種のガラス繊維が実用化された以降のこと
である。このガラス繊維強化樹脂は、比較的安価
であり、又シランカツプリング剤等によるガラス
繊維／樹脂界面の改質技術の向上などにより、そ
の性能も大巾に改善され、その結果、現在大量に
使用されている。 近年、更に高品質の強化用繊維を使用する高性
能の樹脂複合材の研究が広く行なわれる様になつ
て来た。これ等の高度先進複合材料（アドバンス
ト・コンポジツト）に使用される強化用繊維とし
ては、高品質化されたガラス繊維；ポリ−ｐ−フ
エニレンテレフタルアミド、ポリ−ｐ−ベンツア
ミド等の有機繊維；タングステン、モリブデン等
の金属繊維；アルミナ、炭化ケイ素等のセラミツ
ク系繊維及び炭素繊維等があり、更にセラミツク
や金属の各種ウイスカーの使用も検討されてい
る。 これ等の強化用繊維中で最も注目され且つ広く
使用されているものが一つが、炭素繊維である。
焼成温度等によつても異なるが、炭素繊維は、一
般に密度が小さい（1.5〜2g／cm3）、弾性率が高い
（10〜80ton／mm2）、熱安定性が高い等の各種の優
れた物性を備えており、樹脂をマトリツクスとす
る複合体強化用繊維としてだけではなく、最近で
は更に金属（アルミニウム等）、セメント等の強
化用繊維としても使用され始めている。しかしな
がら、公知の炭素繊維強化樹脂複合体には、改善
すべき問題点がなお存在している。最も重大な点
は、炭素繊維の有する高強度、高弾性率等の優れ
た物性が複合材において十分に発揮されないこと
であり、又複合材固有の物性である層間剪断強度
及び力学異方性にも改善の余地がある。 一般に、連続繊維状物質を一定量以上含む繊維
強化材料の強化方向の強度は、σc、σf及びσnをそ
れぞれ複合材、強化用繊維及びマトリツクスの強
化とする場合、第一近似的には σc＝α・σf・Vf＋σn′（１−Vf） ……(1) で表わされる。同様に、強化方向の弾性率は、
Ec、Ef及びEnをそれぞれ複合材、強化用繊維及
びマトリツクスの弾性率とする場合、第一近似的
には Ec＝β・Ef・Vf＋En（１−Vf） ……(2) で表わされる。尚、式(1)及び(2)において、Vfは
繊維含有量、σn′は繊維の破断歪に対応するマト
リツクスの応力であり、又α及びβは繊維の形態
により定まる定数で、１方向強化の場合は1.0、
２直交方向強化の場合は約0.5、繊維方向がラン
ダムの場合は約3/8である。従つて、マトリツク
スを特定した場合、複合材の強度（σc）を増大さ
せる為には、強化用繊維の強度（σf）を上げるか
含有率（Vf）を増加させれば良く、同様に複合
材の弾性率（Ec）を向上させる為には、強化用繊
維の弾性率（Ef）を上げるか含有率（Vf）を増
加させれば良い。強化用繊維を特定した場合（即
ち繊維の強度（σf）、弾性率（Ef）等の物性を一
定とした場合）には、複合材の強度及び弾性率
は、単に繊維含有量（Vf）を増加させれば良い
ことになる。 一方、複合材固有の物性のうち、力学異方性
は、マトリツクス中の繊維の配列によつて主に定
まるもので、繊維配向を変化させることにより、
制御可能である。しかしながら、一方向配列の繊
維強化複合体の場合には、繊維軸と直角方向の強
度（σct）及び弾性率（Ect）は、繊維及びマトリ
ツクスの物性及び繊維充填によつて、第一近似的
にはそれぞれ以下の様に表わされる。 １／σct＝Vf／σf＋（１−Vf）／σm ……(3) １／Ect＝Vf／Ef＋（１−Vf）／Em ……(4) 一般に、σn及びEnは、σf及びEfのそれぞれ1/10
０程度である為、繊維物性（σf、Ef）を一定とし
てσct及びEctを増大させるには、やはりVfを増加
させれば良いことになる。 又は、上記の式(1)〜(4)は、強化用繊維とマトリ
ツクスとの間に完全な応力伝達が存在すると仮定
した場合に成立するものであり、繊維−マトリツ
クス間界面での接着が不充分である場合には、複
合材の強度及び弾性率は、当然第一近似式の値よ
りは低下する。従つて、連続繊維強化複合体だけ
ではなく、全ての形態の繊維による強化複合材料
において、その物性を向上させる為には、繊維−
マトリツクス間の力の伝達を如何に効果的に行な
わせるか、換言するば、両者の界面での接着を如
何に完全に行なわせるかも、要点となる。 しかしながら、実際には、Vfには、最密充填
を上限とする限界値があり、且つVfを上限に近
付けると、界面の接着に有効に働くマトリツクス
量の減少により、繊維−マトリツクス間界面の接
着力が低下するという問題が生ずるので、実際に
用いられるVfは上限値よりも小さい。そして、
繊維−マトリツクス間の界面での接着力を向上さ
せる他の手段として、繊維の表面を気相法、液相
法、、電解法等の１又は２以上の方法により予め
処理しておき、繊維の実表面積を増大させる試み
もなされている。 一方、複合材固有の物性のうち、層間剪断強度
も、繊維含有率（Vf）をあまり大きくすると低
下することが、経験的に知られている。例えば、
Vfが70％又はそれ以上になると、Vfが60〜65％
の時の1/2又はそれ以下となる例もある。この繊
維含有率（Vf）の増加による層間剪断強度の低
下は、マトリツクスを介する繊維と繊維との接着
が不良となることによつて生ずる。更に、この層
間剪断強度の低下現象は、使用する炭素繊維の弾
性率が大きい程、著しいことが知られている。こ
れは、高弾性率の炭素繊維は、製造時の焼成温度
が高いので、炭素繊維の単位重量当りの表面積が
低下し、繊維−マトリツクス間の結合が弱まる為
であると解される。従つて、層間剪断強度を向上
させるには、Vfを過度に大きくしないこと及
び／又は繊維−マトリツクス間界面の結合を強く
することが必要である。 以上のことから、炭素繊維を強化用繊維とする
複合材料の諸物性（強度、弾性率、層間剪断強度
等）の全てを向上させる為には、繊維含有率
（Vf）を増加させ、しかも繊維−マトリツクス間
の結合を強くするという本来相反する要求を同時
に満足させなければならない。 問題点を解決するための手段 本発明者は、上記の如き従来技術の問題点に鑑
みて鋭意研究を重ねた結果、特定の断面形状を有
するリボン状炭素繊維及び異形断面炭素繊維の少
なくとも１種を樹脂複合体における強化用繊維と
して使用する場合には、従来技術の問題点が実質
的に解消若しくは大巾に軽減されることを見出
し、本発明を完成するにいたつた。即ち、本発明
は、(i)繊維断面の幅／厚さ比が２〜300であるリ
ボン状炭素繊維及び繊維断面が円形と異なる異形
であり、単位体積当りの表面積が円形断面炭素繊
維の場合よりも少なくとも20％以上大きい異形断
面炭素繊維の少なくとも１種を強化用繊維とする
ことを特徴とする炭素繊維−樹脂複合体に係るも
のである。 本発明において、リボン状炭素繊維を教科用繊
維として使用する場合には、円形断面炭素繊維に
比して、繊維含有率（Vf）を大きくすることが
可能となり且つ繊維と樹脂との接触面積の増大に
よる繊維−マトリツクス間の結合も強化される。
又、異形断面炭素繊維を使用するう場合には、主
として繊維と樹脂との接触面積の増大により、両
材料の結合が強められ、複合体の物性が向上す
る。 本発明で使用するリボン状炭素繊維及び異形断
面炭素繊維は、繊維断面の幅／厚さ比及び異形断
面形状に基く繊維表面積がそれぞれ前記の要件を
充足する限り、ピツチ、ポリアクリロニトリル等
の炭素繊維製造原料及び焼成温度、延伸の有無等
の製造時の要件等により制約されない。一般に、
ピツチ系炭素繊維の方がPAN系炭素繊維に比し
て層間剪断強度が小さい。40ton／mm2を上回る高
弾性率のものが使用されている等の理由により、
ピツチ系炭素繊維を使用する場合に、本発明の効
果がより顕著に発揮される。 リボン系炭素繊維において、繊維断面の幅／厚
さ比が２未満の場合には、繊維含有率（Vf）の
増加及び繊維表面積の増大という効果が少なく、
一方300を上回る場合には、繊維のねじれ等によ
り強化用繊維としての取り扱いが困難となる。炭
素繊維の厚さは、１〜10μｍ程度、断面積５×
10-6〜１×10-8mm2程度とすることが好ましい。前
記の如く、リボン系炭素繊維の製造法は特に限定
されないが、ピツチを原料とする場合の１例を挙
げれば、以下の通りである。先ず、開口部の幅／
厚さ比が２〜300程度のスリツトを有する紡糸ノ
ズルから紡糸用ピツチを押出し、ドラフト比（巻
取速度／吐出速度）が10〜3000となる様に連続的
に巻き取つてリボン状ピツチ繊維を得た後、状法
に従つて、酸素含有雰囲気中例えば280〜440℃で
不融化処理し、次いで不活性ガス雰囲気中例えば
800〜3000℃で加熱して、リボン系炭素繊維とす
る。この様なピツチ系リボン状炭素繊維の製造法
は、特願昭60−219761号（特開昭62−78220号）
に記載されている。 異形断面炭素繊維を強化用繊維として使用する
場合、単位体積当りの表面積が円形の場合よりも
20％以上大きい限り、その断面形状は、三角形、
四角形、五角形等の多角形、星型、Ｙ字型、楕円
等の任意の形状であつて良い。表面積が、同一単
位体積の円形断面炭素繊維の表面積の120％未満
の場合には、繊維−マトリツクス界面の接着力向
上の効果が十分でない。異形炭素繊維の断面積
は、３×10-5〜３×10-4mm2程度とすることが好ま
しい。異形断面炭素繊維の製造法も特に限定され
ないが、ピツチを原料とする場合の１例を挙げれ
ば、以下の通りである。先ず、開口部の幅／高さ
比が１以上、高さが0.2mm以下で且つ四隔以外に
少なくとも１つの屈折部及び／又は彎曲部を有す
る異型紡糸ノズルから紡糸用ピツチを押し出して
異型断面ピツチ繊維を得た後、常法に従つてこれ
を不融化及び焼成することにより、異形断面炭素
繊維を得る。この様な異形断面炭素繊維の製造方
法は、特願昭60−219762号（特開昭62−78220号）
に記載されている。 本発明で使用する強化用繊維は、常法に従つ
て、気相法、液相法、電解法等により、予め表面
処理を行なうことが好ましい。この表面処理によ
り、繊維−マトリツクス間の結合が強化される。
強化用繊維としては、リボン系炭素繊維と異形断
面炭素繊維とを併用しても良く、更にこれ等繊維
の70重量％を越えない範囲で他の高性能強化用繊
維を併用しても良い。他の高性能強化用繊維とし
ては、円形断面炭素繊維、アラミド繊維、炭化ケ
イ素繊維、ガラス繊維、アルミナ繊維等が例示さ
れる。 炭素繊維−樹脂複合体とマトリツクスとして
は、熱硬化性樹脂及び熱可塑性樹脂のいずれかで
あつても良く、具体的には、エポキシ樹脂、不飽
和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フエ
ノール樹脂、ポリイミイド樹脂、ポリフエニレン
スルフイド、ポリブチレンテレフタレート、ポリ
アミド等が例示される。又は、これ等樹脂は、必
要に応じ、２種以上を混合して使用しても良い。
マトリツクスとしての樹脂に対する炭素繊維の配
合量は、複合体に要求される性能、樹脂の種類、
炭素繊維の種類等によつても異なるが、通常、リ
ボン状炭素繊維の場合は、脂肪重量の600％程度
まで、又異形断面繊維の場合は、樹脂重量の400
％程度までとするのが良い。マトリツクスとし
て、樹脂に代えてセメント、金属等を使用する場
合にも、本発明の特定の炭素繊維は、複合材料の
性能を大巾に向上させる。 発明の効果 本発明によれば、繊維含有率を増加させるとと
もに、繊維−マトリツクス間界面の結合を強化さ
せることができるので、炭素繊維−樹脂複合体の
性能を大巾に改善することが可能となる。 実施例 以下に実施例を示し、本発明の特徴するところ
をより一層明らかにする。 尚、複合材の物性は、以下の方法により測定し
た。 引張強度及び引張弾性率 JIB Ｋ 7118−1981の５号試験片（幅10mm×
厚さ２mm）を作成し、インストロンタイプの万能
試験機（(株)島津製作所製、最大容量20ton）によ
り、クロスヘツド速度１mm／分で測定した。 層間剪断強度 中央支点部の曲率半径を6.0mmとし、支点間距
離(l)と試験片厚さ(h)との比（ｌ／ｈ）を５とし
て、３点曲け法により、剪断破壊時の荷重(p)を測
定し、層間剪断強度（τ）を、τ＝３／４・ｐ／bhか ら求めた。ここに、ｂは試験片幅である。 実施例 １〜５ コールタールピツチを出発原料として第１表に
示す断面形状及び力学的特性を有するリボン状炭
素繊維を得た後、これとエポキシ樹脂〔（商品名
“エピクロン850”、大日本インキ化学工業(株)製）
とメチルナジツク酸無水物との等量混合物を主成
分とする〕を用いて、繊維含有率60容量％の一方
向強化炭素繊維−樹脂複合成形体を調製した。複
合体の成形条件は、キユア温度＝140℃、圧力＝
８Kg／cm2、キユア時間＝0.5時間及びアフターキ
ユア温度＝150℃、アフターキユア時間＝15時間
であつた。 得られた各炭素繊維−樹脂複合体の物性を第２
表に示す。
する方法は、古くから知られているが、繊維強化
樹脂が広く使用される様になつたのは、強化剤と
して各種のガラス繊維が実用化された以降のこと
である。このガラス繊維強化樹脂は、比較的安価
であり、又シランカツプリング剤等によるガラス
繊維／樹脂界面の改質技術の向上などにより、そ
の性能も大巾に改善され、その結果、現在大量に
使用されている。 近年、更に高品質の強化用繊維を使用する高性
能の樹脂複合材の研究が広く行なわれる様になつ
て来た。これ等の高度先進複合材料（アドバンス
ト・コンポジツト）に使用される強化用繊維とし
ては、高品質化されたガラス繊維；ポリ−ｐ−フ
エニレンテレフタルアミド、ポリ−ｐ−ベンツア
ミド等の有機繊維；タングステン、モリブデン等
の金属繊維；アルミナ、炭化ケイ素等のセラミツ
ク系繊維及び炭素繊維等があり、更にセラミツク
や金属の各種ウイスカーの使用も検討されてい
る。 これ等の強化用繊維中で最も注目され且つ広く
使用されているものが一つが、炭素繊維である。
焼成温度等によつても異なるが、炭素繊維は、一
般に密度が小さい（1.5〜2g／cm3）、弾性率が高い
（10〜80ton／mm2）、熱安定性が高い等の各種の優
れた物性を備えており、樹脂をマトリツクスとす
る複合体強化用繊維としてだけではなく、最近で
は更に金属（アルミニウム等）、セメント等の強
化用繊維としても使用され始めている。しかしな
がら、公知の炭素繊維強化樹脂複合体には、改善
すべき問題点がなお存在している。最も重大な点
は、炭素繊維の有する高強度、高弾性率等の優れ
た物性が複合材において十分に発揮されないこと
であり、又複合材固有の物性である層間剪断強度
及び力学異方性にも改善の余地がある。 一般に、連続繊維状物質を一定量以上含む繊維
強化材料の強化方向の強度は、σc、σf及びσnをそ
れぞれ複合材、強化用繊維及びマトリツクスの強
化とする場合、第一近似的には σc＝α・σf・Vf＋σn′（１−Vf） ……(1) で表わされる。同様に、強化方向の弾性率は、
Ec、Ef及びEnをそれぞれ複合材、強化用繊維及
びマトリツクスの弾性率とする場合、第一近似的
には Ec＝β・Ef・Vf＋En（１−Vf） ……(2) で表わされる。尚、式(1)及び(2)において、Vfは
繊維含有量、σn′は繊維の破断歪に対応するマト
リツクスの応力であり、又α及びβは繊維の形態
により定まる定数で、１方向強化の場合は1.0、
２直交方向強化の場合は約0.5、繊維方向がラン
ダムの場合は約3/8である。従つて、マトリツク
スを特定した場合、複合材の強度（σc）を増大さ
せる為には、強化用繊維の強度（σf）を上げるか
含有率（Vf）を増加させれば良く、同様に複合
材の弾性率（Ec）を向上させる為には、強化用繊
維の弾性率（Ef）を上げるか含有率（Vf）を増
加させれば良い。強化用繊維を特定した場合（即
ち繊維の強度（σf）、弾性率（Ef）等の物性を一
定とした場合）には、複合材の強度及び弾性率
は、単に繊維含有量（Vf）を増加させれば良い
ことになる。 一方、複合材固有の物性のうち、力学異方性
は、マトリツクス中の繊維の配列によつて主に定
まるもので、繊維配向を変化させることにより、
制御可能である。しかしながら、一方向配列の繊
維強化複合体の場合には、繊維軸と直角方向の強
度（σct）及び弾性率（Ect）は、繊維及びマトリ
ツクスの物性及び繊維充填によつて、第一近似的
にはそれぞれ以下の様に表わされる。 １／σct＝Vf／σf＋（１−Vf）／σm ……(3) １／Ect＝Vf／Ef＋（１−Vf）／Em ……(4) 一般に、σn及びEnは、σf及びEfのそれぞれ1/10
０程度である為、繊維物性（σf、Ef）を一定とし
てσct及びEctを増大させるには、やはりVfを増加
させれば良いことになる。 又は、上記の式(1)〜(4)は、強化用繊維とマトリ
ツクスとの間に完全な応力伝達が存在すると仮定
した場合に成立するものであり、繊維−マトリツ
クス間界面での接着が不充分である場合には、複
合材の強度及び弾性率は、当然第一近似式の値よ
りは低下する。従つて、連続繊維強化複合体だけ
ではなく、全ての形態の繊維による強化複合材料
において、その物性を向上させる為には、繊維−
マトリツクス間の力の伝達を如何に効果的に行な
わせるか、換言するば、両者の界面での接着を如
何に完全に行なわせるかも、要点となる。 しかしながら、実際には、Vfには、最密充填
を上限とする限界値があり、且つVfを上限に近
付けると、界面の接着に有効に働くマトリツクス
量の減少により、繊維−マトリツクス間界面の接
着力が低下するという問題が生ずるので、実際に
用いられるVfは上限値よりも小さい。そして、
繊維−マトリツクス間の界面での接着力を向上さ
せる他の手段として、繊維の表面を気相法、液相
法、、電解法等の１又は２以上の方法により予め
処理しておき、繊維の実表面積を増大させる試み
もなされている。 一方、複合材固有の物性のうち、層間剪断強度
も、繊維含有率（Vf）をあまり大きくすると低
下することが、経験的に知られている。例えば、
Vfが70％又はそれ以上になると、Vfが60〜65％
の時の1/2又はそれ以下となる例もある。この繊
維含有率（Vf）の増加による層間剪断強度の低
下は、マトリツクスを介する繊維と繊維との接着
が不良となることによつて生ずる。更に、この層
間剪断強度の低下現象は、使用する炭素繊維の弾
性率が大きい程、著しいことが知られている。こ
れは、高弾性率の炭素繊維は、製造時の焼成温度
が高いので、炭素繊維の単位重量当りの表面積が
低下し、繊維−マトリツクス間の結合が弱まる為
であると解される。従つて、層間剪断強度を向上
させるには、Vfを過度に大きくしないこと及
び／又は繊維−マトリツクス間界面の結合を強く
することが必要である。 以上のことから、炭素繊維を強化用繊維とする
複合材料の諸物性（強度、弾性率、層間剪断強度
等）の全てを向上させる為には、繊維含有率
（Vf）を増加させ、しかも繊維−マトリツクス間
の結合を強くするという本来相反する要求を同時
に満足させなければならない。 問題点を解決するための手段 本発明者は、上記の如き従来技術の問題点に鑑
みて鋭意研究を重ねた結果、特定の断面形状を有
するリボン状炭素繊維及び異形断面炭素繊維の少
なくとも１種を樹脂複合体における強化用繊維と
して使用する場合には、従来技術の問題点が実質
的に解消若しくは大巾に軽減されることを見出
し、本発明を完成するにいたつた。即ち、本発明
は、(i)繊維断面の幅／厚さ比が２〜300であるリ
ボン状炭素繊維及び繊維断面が円形と異なる異形
であり、単位体積当りの表面積が円形断面炭素繊
維の場合よりも少なくとも20％以上大きい異形断
面炭素繊維の少なくとも１種を強化用繊維とする
ことを特徴とする炭素繊維−樹脂複合体に係るも
のである。 本発明において、リボン状炭素繊維を教科用繊
維として使用する場合には、円形断面炭素繊維に
比して、繊維含有率（Vf）を大きくすることが
可能となり且つ繊維と樹脂との接触面積の増大に
よる繊維−マトリツクス間の結合も強化される。
又、異形断面炭素繊維を使用するう場合には、主
として繊維と樹脂との接触面積の増大により、両
材料の結合が強められ、複合体の物性が向上す
る。 本発明で使用するリボン状炭素繊維及び異形断
面炭素繊維は、繊維断面の幅／厚さ比及び異形断
面形状に基く繊維表面積がそれぞれ前記の要件を
充足する限り、ピツチ、ポリアクリロニトリル等
の炭素繊維製造原料及び焼成温度、延伸の有無等
の製造時の要件等により制約されない。一般に、
ピツチ系炭素繊維の方がPAN系炭素繊維に比し
て層間剪断強度が小さい。40ton／mm2を上回る高
弾性率のものが使用されている等の理由により、
ピツチ系炭素繊維を使用する場合に、本発明の効
果がより顕著に発揮される。 リボン系炭素繊維において、繊維断面の幅／厚
さ比が２未満の場合には、繊維含有率（Vf）の
増加及び繊維表面積の増大という効果が少なく、
一方300を上回る場合には、繊維のねじれ等によ
り強化用繊維としての取り扱いが困難となる。炭
素繊維の厚さは、１〜10μｍ程度、断面積５×
10-6〜１×10-8mm2程度とすることが好ましい。前
記の如く、リボン系炭素繊維の製造法は特に限定
されないが、ピツチを原料とする場合の１例を挙
げれば、以下の通りである。先ず、開口部の幅／
厚さ比が２〜300程度のスリツトを有する紡糸ノ
ズルから紡糸用ピツチを押出し、ドラフト比（巻
取速度／吐出速度）が10〜3000となる様に連続的
に巻き取つてリボン状ピツチ繊維を得た後、状法
に従つて、酸素含有雰囲気中例えば280〜440℃で
不融化処理し、次いで不活性ガス雰囲気中例えば
800〜3000℃で加熱して、リボン系炭素繊維とす
る。この様なピツチ系リボン状炭素繊維の製造法
は、特願昭60−219761号（特開昭62−78220号）
に記載されている。 異形断面炭素繊維を強化用繊維として使用する
場合、単位体積当りの表面積が円形の場合よりも
20％以上大きい限り、その断面形状は、三角形、
四角形、五角形等の多角形、星型、Ｙ字型、楕円
等の任意の形状であつて良い。表面積が、同一単
位体積の円形断面炭素繊維の表面積の120％未満
の場合には、繊維−マトリツクス界面の接着力向
上の効果が十分でない。異形炭素繊維の断面積
は、３×10-5〜３×10-4mm2程度とすることが好ま
しい。異形断面炭素繊維の製造法も特に限定され
ないが、ピツチを原料とする場合の１例を挙げれ
ば、以下の通りである。先ず、開口部の幅／高さ
比が１以上、高さが0.2mm以下で且つ四隔以外に
少なくとも１つの屈折部及び／又は彎曲部を有す
る異型紡糸ノズルから紡糸用ピツチを押し出して
異型断面ピツチ繊維を得た後、常法に従つてこれ
を不融化及び焼成することにより、異形断面炭素
繊維を得る。この様な異形断面炭素繊維の製造方
法は、特願昭60−219762号（特開昭62−78220号）
に記載されている。 本発明で使用する強化用繊維は、常法に従つ
て、気相法、液相法、電解法等により、予め表面
処理を行なうことが好ましい。この表面処理によ
り、繊維−マトリツクス間の結合が強化される。
強化用繊維としては、リボン系炭素繊維と異形断
面炭素繊維とを併用しても良く、更にこれ等繊維
の70重量％を越えない範囲で他の高性能強化用繊
維を併用しても良い。他の高性能強化用繊維とし
ては、円形断面炭素繊維、アラミド繊維、炭化ケ
イ素繊維、ガラス繊維、アルミナ繊維等が例示さ
れる。 炭素繊維−樹脂複合体とマトリツクスとして
は、熱硬化性樹脂及び熱可塑性樹脂のいずれかで
あつても良く、具体的には、エポキシ樹脂、不飽
和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フエ
ノール樹脂、ポリイミイド樹脂、ポリフエニレン
スルフイド、ポリブチレンテレフタレート、ポリ
アミド等が例示される。又は、これ等樹脂は、必
要に応じ、２種以上を混合して使用しても良い。
マトリツクスとしての樹脂に対する炭素繊維の配
合量は、複合体に要求される性能、樹脂の種類、
炭素繊維の種類等によつても異なるが、通常、リ
ボン状炭素繊維の場合は、脂肪重量の600％程度
まで、又異形断面繊維の場合は、樹脂重量の400
％程度までとするのが良い。マトリツクスとし
て、樹脂に代えてセメント、金属等を使用する場
合にも、本発明の特定の炭素繊維は、複合材料の
性能を大巾に向上させる。 発明の効果 本発明によれば、繊維含有率を増加させるとと
もに、繊維−マトリツクス間界面の結合を強化さ
せることができるので、炭素繊維−樹脂複合体の
性能を大巾に改善することが可能となる。 実施例 以下に実施例を示し、本発明の特徴するところ
をより一層明らかにする。 尚、複合材の物性は、以下の方法により測定し
た。 引張強度及び引張弾性率 JIB Ｋ 7118−1981の５号試験片（幅10mm×
厚さ２mm）を作成し、インストロンタイプの万能
試験機（(株)島津製作所製、最大容量20ton）によ
り、クロスヘツド速度１mm／分で測定した。 層間剪断強度 中央支点部の曲率半径を6.0mmとし、支点間距
離(l)と試験片厚さ(h)との比（ｌ／ｈ）を５とし
て、３点曲け法により、剪断破壊時の荷重(p)を測
定し、層間剪断強度（τ）を、τ＝３／４・ｐ／bhか ら求めた。ここに、ｂは試験片幅である。 実施例 １〜５ コールタールピツチを出発原料として第１表に
示す断面形状及び力学的特性を有するリボン状炭
素繊維を得た後、これとエポキシ樹脂〔（商品名
“エピクロン850”、大日本インキ化学工業(株)製）
とメチルナジツク酸無水物との等量混合物を主成
分とする〕を用いて、繊維含有率60容量％の一方
向強化炭素繊維−樹脂複合成形体を調製した。複
合体の成形条件は、キユア温度＝140℃、圧力＝
８Kg／cm2、キユア時間＝0.5時間及びアフターキ
ユア温度＝150℃、アフターキユア時間＝15時間
であつた。 得られた各炭素繊維−樹脂複合体の物性を第２
表に示す。
【表】
を示す。
【表】
比較例 １〜５
コールタールピツチを出発原料として製造した
繊維径の異なる各円形断面炭素繊維の物性を第３
表に示す。 次に、これ等の円形断面炭素繊維を使用して、
実施例１に準じて繊維含有率60容量％、70容量％
及び80容量％の一方向強化炭素繊維−樹脂複合成
形体を得た。得られた複合体の物性を第４表に示
す。
繊維径の異なる各円形断面炭素繊維の物性を第３
表に示す。 次に、これ等の円形断面炭素繊維を使用して、
実施例１に準じて繊維含有率60容量％、70容量％
及び80容量％の一方向強化炭素繊維−樹脂複合成
形体を得た。得られた複合体の物性を第４表に示
す。
【表】
【表】
第２表に示す実施例１〜５の結果と第４表に示
す比較例１〜３の結果との対比から、同一の断面
積を有する炭素繊維を同量含む炭素繊維−樹脂複
合体においては、リボン状炭素繊維を強化用繊維
とする複合体の方が、層間剪断強度を含む全ての
物性において優れている。 実施例 ６〜７ 実施例１で使用した炭素繊維Ｂを強化用繊維と
して実施例１と同様にして、繊維含有率70容量％
及び80容量％の一方向強化炭素繊維複合体を調製
した。第５表に実施例２（繊維含有率60容量％）
の結果とともに夫々の物性を示す。
す比較例１〜３の結果との対比から、同一の断面
積を有する炭素繊維を同量含む炭素繊維−樹脂複
合体においては、リボン状炭素繊維を強化用繊維
とする複合体の方が、層間剪断強度を含む全ての
物性において優れている。 実施例 ６〜７ 実施例１で使用した炭素繊維Ｂを強化用繊維と
して実施例１と同様にして、繊維含有率70容量％
及び80容量％の一方向強化炭素繊維複合体を調製
した。第５表に実施例２（繊維含有率60容量％）
の結果とともに夫々の物性を示す。
【表】
実施例２、６、７の結果と第４表に示す比較例
１、４、５の結果との対比から明らかな如く、リ
ボン系炭素繊維を使用する場合には、複合体の層
間剪断強度を大きく低下させることなく繊維含有
率を増大させ、もつて引張強度及び弾性率を大巾
に向上させることができる。 実施例 ８〜11 コールタールを出発原料として第６表に示す断
面形状及び力学的特性を有する異形断面炭素繊維
を得た後、これを強化用繊維として実施例１と同
様にして繊維含有率60容量％の一方向強化炭素繊
維−樹脂複合成形体を調製した。 得らてた複合成形体の物性を第７表に示す。
１、４、５の結果との対比から明らかな如く、リ
ボン系炭素繊維を使用する場合には、複合体の層
間剪断強度を大きく低下させることなく繊維含有
率を増大させ、もつて引張強度及び弾性率を大巾
に向上させることができる。 実施例 ８〜11 コールタールを出発原料として第６表に示す断
面形状及び力学的特性を有する異形断面炭素繊維
を得た後、これを強化用繊維として実施例１と同
様にして繊維含有率60容量％の一方向強化炭素繊
維−樹脂複合成形体を調製した。 得らてた複合成形体の物性を第７表に示す。
【表】
繊維に対する比。
尚、酸素繊維Ｉ、Ｊ、Ｋ及びＬの走査型電子顕
微鏡写真をそれぞれ第１図（約1900倍）、第２図
（約800倍）、第３図（約800倍）及び第４図（約
4200倍）として示す。
尚、酸素繊維Ｉ、Ｊ、Ｋ及びＬの走査型電子顕
微鏡写真をそれぞれ第１図（約1900倍）、第２図
（約800倍）、第３図（約800倍）及び第４図（約
4200倍）として示す。
【表】
第７表に示す実施例８〜11の結果と第４表に示
す比較例１の結果との対比から明らかな如く、異
形断面炭素繊維を使用する場合には、同一断面積
の円形炭素繊維を使用し且つ同一の繊維含有率と
する場合に比して、複合材料の層間剪断強度が高
く、複合材料の物性を向上させることが出来る。 比較例 ６ 幅12μｍ、厚さ7.5μｍ、幅／厚さ比＝1.6、引張
強度285Kg／mm2、弾性率17.8ton／mm2のリボン状炭
素繊維を使用する以外は実施例１と同様にして、
繊維含有率60容量％の炭素繊維−樹脂複合体を得
た。該複合体の物性を第８表に示す。 幅／厚さ比が２未満のリボン状炭素繊維を強化
用繊維とする場合には、本発明の効果が十分に得
られないことが明らかである。 比較例 ７ 単位体積当りの表面積が、円形断面炭素繊維の
単位体積当り表面積の1.12倍であるクロス型異形
断面炭素繊維（引張強度261Kg／mm2、弾性率
16.5ton／mm2）を使用する以外は、実施例１と同
様にして、繊維含有率60容量％の炭素繊維−樹脂
複合体を得た。得られた複合体の物性を第８表に
示す。 単位体積当りの繊維表面積が円形断面炭素繊維
のそれを20％以上上回らない場合には、やはり所
望の効果が得られないことが明らかである。
す比較例１の結果との対比から明らかな如く、異
形断面炭素繊維を使用する場合には、同一断面積
の円形炭素繊維を使用し且つ同一の繊維含有率と
する場合に比して、複合材料の層間剪断強度が高
く、複合材料の物性を向上させることが出来る。 比較例 ６ 幅12μｍ、厚さ7.5μｍ、幅／厚さ比＝1.6、引張
強度285Kg／mm2、弾性率17.8ton／mm2のリボン状炭
素繊維を使用する以外は実施例１と同様にして、
繊維含有率60容量％の炭素繊維−樹脂複合体を得
た。該複合体の物性を第８表に示す。 幅／厚さ比が２未満のリボン状炭素繊維を強化
用繊維とする場合には、本発明の効果が十分に得
られないことが明らかである。 比較例 ７ 単位体積当りの表面積が、円形断面炭素繊維の
単位体積当り表面積の1.12倍であるクロス型異形
断面炭素繊維（引張強度261Kg／mm2、弾性率
16.5ton／mm2）を使用する以外は、実施例１と同
様にして、繊維含有率60容量％の炭素繊維−樹脂
複合体を得た。得られた複合体の物性を第８表に
示す。 単位体積当りの繊維表面積が円形断面炭素繊維
のそれを20％以上上回らない場合には、やはり所
望の効果が得られないことが明らかである。
第１図乃至第４図は、実施例８〜11において使
用した炭素繊維の走査型電子顕微鏡写真である。
用した炭素繊維の走査型電子顕微鏡写真である。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ (i) 繊維断面の幅／厚さ比が２〜300である
リボン状炭素繊維及び (ii) 繊維断面が円形と異なる異形であり、単位体
積当りの表面積が円形断面炭素繊維の場合より
も少なくとも20％以上大きい異形断面炭素繊維 の少なくとも１種を強化用繊維とすることを特徴
とする炭素繊維−樹脂複合体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27208485A JPS62131034A (ja) | 1985-12-03 | 1985-12-03 | 炭素繊維−樹脂複合体 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27208485A JPS62131034A (ja) | 1985-12-03 | 1985-12-03 | 炭素繊維−樹脂複合体 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62131034A JPS62131034A (ja) | 1987-06-13 |
| JPH0528250B2 true JPH0528250B2 (ja) | 1993-04-23 |
Family
ID=17508864
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP27208485A Granted JPS62131034A (ja) | 1985-12-03 | 1985-12-03 | 炭素繊維−樹脂複合体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS62131034A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1996021695A1 (en) * | 1995-01-09 | 1996-07-18 | Toray Industries, Inc. | Prepregs and carbon fiber-reinforced composite material |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5437927A (en) * | 1989-02-16 | 1995-08-01 | Conoco Inc. | Pitch carbon fiber spinning process |
| US5202072A (en) * | 1989-02-16 | 1993-04-13 | E. I. Du Pont De Nemours And Company | Pitch carbon fiber spinning process |
| NL1026809C2 (nl) * | 2004-08-09 | 2006-02-13 | Beiler Beheer Bv | Werkwijze en inrichting voor het vormen van een langsvezelbaan en voor het vormen van een dwarsvezelbaan en voor het vormen van een kruisvezelbaan en voor het vormen van een airbag. |
| JPWO2008120619A1 (ja) * | 2007-03-30 | 2010-07-15 | 京セラ株式会社 | 繊維強化樹脂およびその製造方法 |
| US8568854B2 (en) | 2010-12-15 | 2013-10-29 | The Boeing Company | Optimized fiber shapes for improved optical performance |
| JP2022003179A (ja) * | 2020-06-23 | 2022-01-11 | 株式会社豊田自動織機 | 繊維束、繊維基材、及び繊維強化複合材 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5742927A (en) * | 1980-08-28 | 1982-03-10 | Secr Defence Brit | Production of high strength and high elastic ratio reinforcing fiber and composite material containing same |
| JPS59168126A (ja) * | 1983-03-14 | 1984-09-21 | Toray Ind Inc | ピツチ系炭素繊維の製造方法 |
| JPS616314A (ja) * | 1984-06-20 | 1986-01-13 | Teijin Ltd | ピツチ系炭素繊維 |
-
1985
- 1985-12-03 JP JP27208485A patent/JPS62131034A/ja active Granted
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1996021695A1 (en) * | 1995-01-09 | 1996-07-18 | Toray Industries, Inc. | Prepregs and carbon fiber-reinforced composite material |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS62131034A (ja) | 1987-06-13 |
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