JPH0632685A - 耐熱・耐酸化性炭素材料の製造方法 - Google Patents
耐熱・耐酸化性炭素材料の製造方法Info
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- JPH0632685A JPH0632685A JP4188086A JP18808692A JPH0632685A JP H0632685 A JPH0632685 A JP H0632685A JP 4188086 A JP4188086 A JP 4188086A JP 18808692 A JP18808692 A JP 18808692A JP H0632685 A JPH0632685 A JP H0632685A
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- C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
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- C04B41/52—Multiple coating or impregnating multiple coating or impregnating with the same composition or with compositions only differing in the concentration of the constituents, is classified as single coating or impregnation
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- Materials Engineering (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【目的】耐久性に優れた耐酸化性能を有する炭素材料の
提供。 【構成】基材となる炭素繊維強化炭素複合材料の表面に
気相化学蒸着法により、ＳｉＣ層を形成し、さらにその
表面にアルキルケイ酸エステルとホウ酸および／または
酸化ホウ素をアルコール中で混合し加熱反応させて得ら
れる化合物を付着させ、高温でガラス化させる耐熱・耐
酸化性炭素材料の製造方法。
提供。 【構成】基材となる炭素繊維強化炭素複合材料の表面に
気相化学蒸着法により、ＳｉＣ層を形成し、さらにその
表面にアルキルケイ酸エステルとホウ酸および／または
酸化ホウ素をアルコール中で混合し加熱反応させて得ら
れる化合物を付着させ、高温でガラス化させる耐熱・耐
酸化性炭素材料の製造方法。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、炭素材料の被覆方法に
関し、さらに詳述すれば炭素材料に被覆を施してその耐
酸化性を向上させ、宇宙飛行等の構造材、タービンブレ
ードおよび原子炉用部材等、高温酸化雰囲気において繰
り返し使用に耐える材料を提供するための炭素材料の被
覆方法に関するものである。
関し、さらに詳述すれば炭素材料に被覆を施してその耐
酸化性を向上させ、宇宙飛行等の構造材、タービンブレ
ードおよび原子炉用部材等、高温酸化雰囲気において繰
り返し使用に耐える材料を提供するための炭素材料の被
覆方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】炭素繊維強化炭素複合材料に耐酸化性を
付与するため、前記材料の表面に気相化学蒸着法（ＣＶ
Ｄ）により緻密なＳｉＣ層（以下ＣＶＤにより形成され
るＳｉＣ層を、ＣＶＤ−ＳｉＣ層と記す）を形成させた
炭素材料は、一般に母材となる炭素繊維強化炭素複合材
料の炭素とＳｉＣとの熱膨張率の差に帰因する熱応力に
よりＣＶＤ後の冷却時にＣＶＤ−ＳｉＣ層に多数のクラ
ックが発生し耐酸化性能が低下する。これを防止するた
め、従来はＣＶＤ−ＳｉＣ層のクラックを、ゾルゲル法
によりＳｉＯ2 等のガラス成分で封止する方法が採用さ
れている。クラックをガラス成分で封止する方法として
は、特開昭６３−３０７１８１号のようにテトラエチル
オルソシリケート（以下ＴＥＯＳと記す）を基板に加熱
浸漬（１８０℃、４時間）したあと空気中で加熱硬化
（３１５℃、６時間）する方法や、特開平２−６９３８
２号、同３−２５２３６１号〜２５２３６３号、同３−
２５３４９７号〜２５３４９９号のように、ＴＥＯＳ／
水／エタノール溶液、トリエチルオルソボレイト（以下
ＴＥＯＢと記す）／水／エタノール溶液またはこれらの
混合物を基板に含浸したあと空気中１２０℃で熱処理す
る方法が知られている。
付与するため、前記材料の表面に気相化学蒸着法（ＣＶ
Ｄ）により緻密なＳｉＣ層（以下ＣＶＤにより形成され
るＳｉＣ層を、ＣＶＤ−ＳｉＣ層と記す）を形成させた
炭素材料は、一般に母材となる炭素繊維強化炭素複合材
料の炭素とＳｉＣとの熱膨張率の差に帰因する熱応力に
よりＣＶＤ後の冷却時にＣＶＤ−ＳｉＣ層に多数のクラ
ックが発生し耐酸化性能が低下する。これを防止するた
め、従来はＣＶＤ−ＳｉＣ層のクラックを、ゾルゲル法
によりＳｉＯ2 等のガラス成分で封止する方法が採用さ
れている。クラックをガラス成分で封止する方法として
は、特開昭６３−３０７１８１号のようにテトラエチル
オルソシリケート（以下ＴＥＯＳと記す）を基板に加熱
浸漬（１８０℃、４時間）したあと空気中で加熱硬化
（３１５℃、６時間）する方法や、特開平２−６９３８
２号、同３−２５２３６１号〜２５２３６３号、同３−
２５３４９７号〜２５３４９９号のように、ＴＥＯＳ／
水／エタノール溶液、トリエチルオルソボレイト（以下
ＴＥＯＢと記す）／水／エタノール溶液またはこれらの
混合物を基板に含浸したあと空気中１２０℃で熱処理す
る方法が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ＴＥＯＳ、ＴＥＯＢま
たはこれらの混合液を基板に含浸する方法では、揮発性
の高いＴＥＯＢの選択的な蒸発により、原料組成と、生
成するゲルの成分とが大きく異なり、生成ガラスの組成
コントロールが困難であった。また、生成ゲルはシリカ
とホウ酸の混合物であるため、炭素材料の製造時の加熱
処理および使用時の高温下で、酸化ホウ素が揮散し、ガ
ラスの重量減少やガラス組成の変化による融点変化に起
因する耐酸化性能の低下が問題であった。
たはこれらの混合液を基板に含浸する方法では、揮発性
の高いＴＥＯＢの選択的な蒸発により、原料組成と、生
成するゲルの成分とが大きく異なり、生成ガラスの組成
コントロールが困難であった。また、生成ゲルはシリカ
とホウ酸の混合物であるため、炭素材料の製造時の加熱
処理および使用時の高温下で、酸化ホウ素が揮散し、ガ
ラスの重量減少やガラス組成の変化による融点変化に起
因する耐酸化性能の低下が問題であった。
【０００４】本発明は、炭素材料表面にガラス前駆体と
して予め分子レベルでＳｉ−Ｏ−Ｂ結合をもった重合体
を合成付着させ、これをガラス化させることによって組
成制御が容易で均質性に優れたＳｉＯ2 −Ｂ2 Ｏ3 ガラ
スによる封孔処理を行ない。耐久性に優れた耐酸化性能
を有する炭素材料を製造する方法を提供することを目的
とする。
して予め分子レベルでＳｉ−Ｏ−Ｂ結合をもった重合体
を合成付着させ、これをガラス化させることによって組
成制御が容易で均質性に優れたＳｉＯ2 −Ｂ2 Ｏ3 ガラ
スによる封孔処理を行ない。耐久性に優れた耐酸化性能
を有する炭素材料を製造する方法を提供することを目的
とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】前述の封孔処理層の組成
制御が難しく、酸化ホウ素の揮散により耐久性が劣ると
いった問題は、ＴＥＯＳとＴＥＯＢの混合物を使用する
ためであり、Ｓｉ−Ｏ−Ｂ結合を有する化合物ではない
ことに起因する。本発明者らは、封孔処理剤として上述
の混合系ではなく、Ｓｉ−Ｏ−Ｂ結合を有する化合物を
用いることにより、封孔処理層の生成ガラスの組成制御
を容易にし、加熱処理の繰り返しによるガラス組成の変
化を減少させて耐久性を向上させることができることを
知見し本発明に至った。
制御が難しく、酸化ホウ素の揮散により耐久性が劣ると
いった問題は、ＴＥＯＳとＴＥＯＢの混合物を使用する
ためであり、Ｓｉ−Ｏ−Ｂ結合を有する化合物ではない
ことに起因する。本発明者らは、封孔処理剤として上述
の混合系ではなく、Ｓｉ−Ｏ−Ｂ結合を有する化合物を
用いることにより、封孔処理層の生成ガラスの組成制御
を容易にし、加熱処理の繰り返しによるガラス組成の変
化を減少させて耐久性を向上させることができることを
知見し本発明に至った。
【０００６】すなわち、本発明は、基材となる炭素繊維
強化炭素複合材料の表面に気相化学蒸着法により、Ｓｉ
Ｃ層を形成し、さらにその表面にアルキルケイ酸エステ
ルとホウ酸および／または酸化ホウ素をアルコール中で
混合し加熱反応させて得られる化合物を付着させ、高温
でガラス化させることを特徴とする耐熱・耐酸化性炭素
材料の製造方法を提供するものである。
強化炭素複合材料の表面に気相化学蒸着法により、Ｓｉ
Ｃ層を形成し、さらにその表面にアルキルケイ酸エステ
ルとホウ酸および／または酸化ホウ素をアルコール中で
混合し加熱反応させて得られる化合物を付着させ、高温
でガラス化させることを特徴とする耐熱・耐酸化性炭素
材料の製造方法を提供するものである。
【０００７】以下に本発明をさらに詳細に説明する。基
材となる炭素繊維強化炭素複合材料を構成する炭素繊維
としては、平織り、朱子織り、綾織りなどの二方向織
布、一方向配向材、三方向配向材、ｎ方向配向材、フェ
ルト、トウなどが用いられ、バインダーとしてはフェノ
ール樹脂、フラン樹脂などの熱硬化性物質、タール、ピ
ッチのような熱可塑性物質を用いることできる。炭素繊
維強化炭素複合材料の製造方法としては例えば、前記炭
素繊維をバインダーの含浸、塗布などの方法によりプリ
プレグ化し、加圧加熱して成型体とする。この成型体は
熱処理によってバインダーを完全に硬化させ、その後常
法によって焼成し、さらに必要に応じて黒鉛化すること
により炭素繊維強化炭素複合材料とする。その後、用途
に応じて熱硬化性物質、ピッチ類などを含浸、再炭化を
行う含浸法、例えばメタン、プロパンなどの炭化水素ガ
スを熱分解して炭素を得るＣＶＤ法などにより緻密化を
繰り返し行い、さらに高強度の炭素繊維強化炭素複合材
料とすることもできる。
材となる炭素繊維強化炭素複合材料を構成する炭素繊維
としては、平織り、朱子織り、綾織りなどの二方向織
布、一方向配向材、三方向配向材、ｎ方向配向材、フェ
ルト、トウなどが用いられ、バインダーとしてはフェノ
ール樹脂、フラン樹脂などの熱硬化性物質、タール、ピ
ッチのような熱可塑性物質を用いることできる。炭素繊
維強化炭素複合材料の製造方法としては例えば、前記炭
素繊維をバインダーの含浸、塗布などの方法によりプリ
プレグ化し、加圧加熱して成型体とする。この成型体は
熱処理によってバインダーを完全に硬化させ、その後常
法によって焼成し、さらに必要に応じて黒鉛化すること
により炭素繊維強化炭素複合材料とする。その後、用途
に応じて熱硬化性物質、ピッチ類などを含浸、再炭化を
行う含浸法、例えばメタン、プロパンなどの炭化水素ガ
スを熱分解して炭素を得るＣＶＤ法などにより緻密化を
繰り返し行い、さらに高強度の炭素繊維強化炭素複合材
料とすることもできる。
【０００８】本発明においては、上記のようにして得ら
れたＣＶＤ−ＳｉＣを施した炭素繊維強化炭素複合材料
に対して、ＳｉＣ層のクラックを封孔するためのガラス
層を形成する。このガラス層の形成には、アルキルケイ
酸エステルと、ホウ酸および／または酸化ホウ素とをア
ルコール中で溶解混合し、加熱反応させて得られるＳｉ
−Ｏ−Ｂ結合を有する重合化合物を上記のＳｉＣ層上に
付着させる。この後に、この重合化合物層を高温で加熱
してガラス化させると、ＳｉＯ2 −Ｂ2 Ｏ3 の均一なガ
ラス層が形成される。
れたＣＶＤ−ＳｉＣを施した炭素繊維強化炭素複合材料
に対して、ＳｉＣ層のクラックを封孔するためのガラス
層を形成する。このガラス層の形成には、アルキルケイ
酸エステルと、ホウ酸および／または酸化ホウ素とをア
ルコール中で溶解混合し、加熱反応させて得られるＳｉ
−Ｏ−Ｂ結合を有する重合化合物を上記のＳｉＣ層上に
付着させる。この後に、この重合化合物層を高温で加熱
してガラス化させると、ＳｉＯ2 −Ｂ2 Ｏ3 の均一なガ
ラス層が形成される。
【０００９】本発明で用いられるアルキルケイ酸エステ
ルとしては、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシ
ラン（テトラエチルオルソシリケート）（ＴＥＯＳ）、
テトラプロポキシシラン、テトラブトキシシラン等が挙
げられる。
ルとしては、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシ
ラン（テトラエチルオルソシリケート）（ＴＥＯＳ）、
テトラプロポキシシラン、テトラブトキシシラン等が挙
げられる。
【００１０】また、本発明で用いられるアルコールとし
ては、メタノール、エタノール、プロピルアルコール、
ブチルアルコールが挙げられ、酸化ホウ素、ホウ酸を溶
解するものであればこれらに限定されるものではない。
ては、メタノール、エタノール、プロピルアルコール、
ブチルアルコールが挙げられ、酸化ホウ素、ホウ酸を溶
解するものであればこれらに限定されるものではない。
【００１１】アルキルケイ酸エステルとホウ酸および／
または酸化ホウ素とのＳｉ−Ｏ−Ｂ結合を有する重合反
応物のガラス化処理は常法によればよく、空気中もしく
は酸化雰囲気中で３００℃以上の温度で加熱処理後、空
気中もしくは不活性の雰囲気中で８００℃以上の温度で
加熱処理すればよい。
または酸化ホウ素とのＳｉ−Ｏ−Ｂ結合を有する重合反
応物のガラス化処理は常法によればよく、空気中もしく
は酸化雰囲気中で３００℃以上の温度で加熱処理後、空
気中もしくは不活性の雰囲気中で８００℃以上の温度で
加熱処理すればよい。
【００１２】本発明によれば、アルキルケイ酸エステル
とホウ酸または酸化ホウ素をアルコール中で反応させる
ことにより、生成ガラスの組成制御が容易になる。ま
た、予め分子レベルでＳｉ−Ｏ−Ｂ結合を有する化合物
を用いてガラスを製造しているため、炭素材料製造時の
加熱処理および使用時の高温下で、酸化ホウ素の選択的
な揮散が起こりにくい。その結果、ガラス成分の重量減
少が少なくかつ組成変化が小さいことから、融点変化が
小さく耐久性に優れたガラスによる封孔処理が可能とな
る。
とホウ酸または酸化ホウ素をアルコール中で反応させる
ことにより、生成ガラスの組成制御が容易になる。ま
た、予め分子レベルでＳｉ−Ｏ−Ｂ結合を有する化合物
を用いてガラスを製造しているため、炭素材料製造時の
加熱処理および使用時の高温下で、酸化ホウ素の選択的
な揮散が起こりにくい。その結果、ガラス成分の重量減
少が少なくかつ組成変化が小さいことから、融点変化が
小さく耐久性に優れたガラスによる封孔処理が可能とな
る。
【００１３】
【実施例】以下に本発明を実施例に基づいて具体的に説
明する。 （実施例１）ガラス前駆体溶液は、丸底フラスコにホウ
酸２ｍｏｌまたは酸化ホウ素１ｍｏｌを入れエタノール
１０ｍｏｌを加えて７０〜８０℃で加熱溶解したあと、
ＴＥＯＳ １ｍｏｌを添加し、攪拌しながら８０℃で還
流操作により１時間または５時間反応させ室温まで放冷
して調整したこの溶液にＣＶＤ−ＳｉＣを施した炭素繊
維強化炭素複合材料を１０ｍｉｎ含浸させ、ゆっくり引
き上げたあと１時間風乾し、再び１０ｍｉｎ含浸させて
ゆっくり引き上げたあと半日風乾し、最後に１００℃で
１時間乾燥させた。この含浸操作を３回繰り返し、クラ
ックの封止を確かなものにした。次に炭素繊維強化炭素
複合材料基板に付着したゲルをガラス化させるため、空
気中５００℃で１時間加熱して残存する有機基を酸化に
より除去したあと、アルゴン雰囲気下で１０００℃３０
分加熱した。表１は、これらのサンプルを大気中１００
０℃で２０分酸化試験を行った結果である。
明する。 （実施例１）ガラス前駆体溶液は、丸底フラスコにホウ
酸２ｍｏｌまたは酸化ホウ素１ｍｏｌを入れエタノール
１０ｍｏｌを加えて７０〜８０℃で加熱溶解したあと、
ＴＥＯＳ １ｍｏｌを添加し、攪拌しながら８０℃で還
流操作により１時間または５時間反応させ室温まで放冷
して調整したこの溶液にＣＶＤ−ＳｉＣを施した炭素繊
維強化炭素複合材料を１０ｍｉｎ含浸させ、ゆっくり引
き上げたあと１時間風乾し、再び１０ｍｉｎ含浸させて
ゆっくり引き上げたあと半日風乾し、最後に１００℃で
１時間乾燥させた。この含浸操作を３回繰り返し、クラ
ックの封止を確かなものにした。次に炭素繊維強化炭素
複合材料基板に付着したゲルをガラス化させるため、空
気中５００℃で１時間加熱して残存する有機基を酸化に
より除去したあと、アルゴン雰囲気下で１０００℃３０
分加熱した。表１は、これらのサンプルを大気中１００
０℃で２０分酸化試験を行った結果である。
【００１４】従来例５、６は重量比でＴＥＯＢ／ＴＥＯ
Ｓ＝５、従来法７はＴＥＯＢ／ＴＥＯＳ＝３となる溶液
を用いて、上記と同様ＣＶＤ−ＳｉＣを施した炭素繊維
強化炭素複合材料に浸漬、ゲル化、加熱処理（９０℃
１時間、１５０℃ １時間、３００℃ １時間）を施し
た。
Ｓ＝５、従来法７はＴＥＯＢ／ＴＥＯＳ＝３となる溶液
を用いて、上記と同様ＣＶＤ−ＳｉＣを施した炭素繊維
強化炭素複合材料に浸漬、ゲル化、加熱処理（９０℃
１時間、１５０℃ １時間、３００℃ １時間）を施し
た。
【００１５】（酸化試験）得られたサンプルを大気中で
５℃／min で昇温し、１０００℃で２０ｍｉｎ保持し、
冷却した。このとき重量減少率ΔＷを求めた。 ΔＷ＝〔（Ｗｏ−Ｗｎ）／Ｗｏ〕×１００ 〔ｗｔ％〕 Ｗｏ：サンプルの初期重量 Ｗｎ：酸化試験ｎ回後のサンプル重量
５℃／min で昇温し、１０００℃で２０ｍｉｎ保持し、
冷却した。このとき重量減少率ΔＷを求めた。 ΔＷ＝〔（Ｗｏ−Ｗｎ）／Ｗｏ〕×１００ 〔ｗｔ％〕 Ｗｏ：サンプルの初期重量 Ｗｎ：酸化試験ｎ回後のサンプル重量
【００１６】（ガラス組成） ガラス組成Ｘ＝〔Ｂ2 Ｏ3 ／（ＳｉＯ2 ＋Ｂ2 Ｏ3 ）〕×１００ 〔mol%〕
【００１７】
【表１】
【００１８】
【発明の効果】従来法では、原料が単純な混合物系であ
るため酸化ホウ素が偏在し、加熱処理時に酸化ホウ素が
選択的に揮散する。そのため生成ガラスの組成制御が難
しく、加熱処理の繰り返しによりガラスの劣化が著し
い。本発明では、アルキルケイ酸エステルとホウ酸また
は酸化ホウ素を予め加熱反応させＳｉ−Ｏ−Ｂ結合を有
する重合体を合成して基材表面に付着することで、ガラ
ス構成成分の蒸発がなくなり、かつ加熱処理時の酸化ホ
ウ素の揮散が著しく小さくなるため、生成ガラスの組成
制御が容易になった。また、繰り返し使用時のガラスの
組成変化が小さく、均質なコーティング膜を生成するこ
とから耐久性が向上し、耐酸化性能も大きく向上した。
るため酸化ホウ素が偏在し、加熱処理時に酸化ホウ素が
選択的に揮散する。そのため生成ガラスの組成制御が難
しく、加熱処理の繰り返しによりガラスの劣化が著し
い。本発明では、アルキルケイ酸エステルとホウ酸また
は酸化ホウ素を予め加熱反応させＳｉ−Ｏ−Ｂ結合を有
する重合体を合成して基材表面に付着することで、ガラ
ス構成成分の蒸発がなくなり、かつ加熱処理時の酸化ホ
ウ素の揮散が著しく小さくなるため、生成ガラスの組成
制御が容易になった。また、繰り返し使用時のガラスの
組成変化が小さく、均質なコーティング膜を生成するこ
とから耐久性が向上し、耐酸化性能も大きく向上した。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 平 本 治 郎 千葉県千葉市中央区川崎町１番地 川崎製 鉄株式会社技術研究本部内 (72)発明者 中 井 進 千葉県千葉市中央区川崎町１番地 川崎製 鉄株式会社技術研究本部内
Claims (1)
- 【請求項１】基材となる炭素繊維強化炭素複合材料の表
面に気相化学蒸着法により、ＳｉＣ層を形成し、さらに
その表面にアルキルケイ酸エステルとホウ酸および／ま
たは酸化ホウ素をアルコール中で混合し加熱反応させて
得られる化合物を付着させ、高温でガラス化させること
を特徴とする耐熱・耐酸化性炭素材料の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4188086A JP2588340B2 (ja) | 1992-07-15 | 1992-07-15 | 耐熱・耐酸化性炭素材料の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4188086A JP2588340B2 (ja) | 1992-07-15 | 1992-07-15 | 耐熱・耐酸化性炭素材料の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0632685A true JPH0632685A (ja) | 1994-02-08 |
| JP2588340B2 JP2588340B2 (ja) | 1997-03-05 |
Family
ID=16217461
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4188086A Expired - Fee Related JP2588340B2 (ja) | 1992-07-15 | 1992-07-15 | 耐熱・耐酸化性炭素材料の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2588340B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7950861B2 (en) | 2006-06-30 | 2011-05-31 | Brother Kogyo Kabushiki Kaisha | Opening-angle restricting device |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS60262864A (ja) * | 1984-06-08 | 1985-12-26 | Kansai Paint Co Ltd | 被膜形成性塗料組成物 |
| JPS63307181A (ja) * | 1987-06-09 | 1988-12-14 | Nissan Motor Co Ltd | 炭素／炭素複合材の表面処理方法 |
-
1992
- 1992-07-15 JP JP4188086A patent/JP2588340B2/ja not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS60262864A (ja) * | 1984-06-08 | 1985-12-26 | Kansai Paint Co Ltd | 被膜形成性塗料組成物 |
| JPS63307181A (ja) * | 1987-06-09 | 1988-12-14 | Nissan Motor Co Ltd | 炭素／炭素複合材の表面処理方法 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7950861B2 (en) | 2006-06-30 | 2011-05-31 | Brother Kogyo Kabushiki Kaisha | Opening-angle restricting device |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2588340B2 (ja) | 1997-03-05 |
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