JPH07164585A - 超−高性能炭素繊維複合材料 - Google Patents

超−高性能炭素繊維複合材料

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JPH07164585A JP6108474A JP10847494A JPH07164585A JP H07164585 A JPH07164585 A JP H07164585A JP 6108474 A JP6108474 A JP 6108474A JP 10847494 A JP10847494 A JP 10847494A JP H07164585 A JPH07164585 A JP H07164585A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 低弾性率の炭素繊維と超‐高弾性率の炭素繊
維を組み合わせたハイブリッド複合材料の製造。 【構成】 一方向に整列した超‐高弾性率の炭素繊維の
層（２）と低弾性率の炭素繊維（６）の層（３）を互い
に重ね合わせるように積層し、その際に低弾性率の炭素
繊維の少なくとも相当な数が超‐高弾性率の炭素繊維の
層の繊維を交差するように配置し、次いでニードルの鈎
（１５）が層を通り抜ける間に低弾性率の繊維のみを引
っ掛けるような方向に配置されたフェルティングニード
ル（１４）を用いてニードルパンチングすることによっ
て低弾性率の繊維の層を超‐高弾性率の繊維の層と絡み
合わせ交錯させることによって二つの層（２、３）を結
合することから成る多層の炭素繊維の織物（ファブリッ
ク）、予備成形体（プレフォーム）又は複合材料を製造
する方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】本発明は、一般に超‐高性能の多層の炭素
繊維の織物（ｆａｂｒｉｃ；ファブリック）、予備成形
体（ｐｒｅｆｏｒｍ；プレフォーム）及び複合材料に関
し、必ずしもそれに限定されないが特に高い熱伝導率を
有する炭素繊維の層から成る多層の織物、予備成形体又
は複合材料に関する。そのような繊維は、また高い弾性
率を有する。同じく、本発明は、そのような織物、予備
成形体及び複合材料の製造方法にも関する。
【０００２】炭素繊維の複合材料は、その高い比強度
（高い材料強度と低い密度の組み合わせ）の故に航空宇
宙産業で構造部材として益々使用されている。そのよう
な複合材料のマトリックス材料（母材）は樹脂であった
り、又は炭化法によって製造される炭素材料であったり
する。しかしながら、航空機のブレーキの分野と核融合
産業などの用途では、高い熱伝導性と低い熱膨張性を持
つ炭素繊維強化複合材料が望まれている。
【０００３】近年になって、１０年前の炭素繊維（例え
ば、Ａｍｃｏ Ｐ５５）よりも少なくとも１００％高い
剛性（粘り強さ）を持つ炭素繊維（例えば、Ａｍｃｏ
Ｐ１２０及びＰ１３０繊維）のような超‐高弾性率の炭
素繊維が市場で利用されるように成ってきた。これらの
超‐高弾性率の繊維は、同じくまた高い熱伝導率を持
ち、それが核融合産業などへの利用を理想的にしてい
る。残念ながら、これらの超‐高弾性率の繊維は以前に
利用された繊維よりも価格が遥かに高い。典型的には、
これらの超‐高弾性率の繊維のコストは低弾性率の繊維
の８８ドル／ｋｇに比較してざっと５４００ドル／ｋｇ
である。更には、一方向の超‐高弾性率のみから成る複
合材料の構造は、曲げ強さと引っ張り強さが低く、一方
向に整列した繊維の垂直方向の熱伝導率は無視できる程
小さい。
【０００４】その結果、コストの割に性能の良い新材料
をより良く利用する為にハイブリッド（混成体、雑種）
複合材料が開発されてきた。これらの複合材料は低弾性
率で価格の安い繊維の層と組み合わせて、多層の織物、
予備成形体又は複合材料の内部に互いに平行に整列した
超‐高弾性率の繊維から出来ている。そのような積層体
（ラミネート）、即ち、多層の複合材料を提案するに際
して、効果的なラミネート構造では各隣接する層の整列
した繊維は互いに交差した方向に積層されることが必要
であることが分かってきた。超‐高弾性率の炭素繊維と
低弾性率の炭素繊維の別々の多層シートは、両方とも我
々の英国特許第２，１９９，８５６号の明細書に開示さ
れた方法によって便利に製造することができる。
【０００５】そのようなハイブリッドラミネート複合材
料の欠点は圧縮を受けた時で、繊維の真の強度が実現す
る前に層間剥離が起こることである。更に別の欠点は、
超‐高弾性率の繊維の整列方向の熱伝導率は低弾性率の
繊維の整列方向のそれよりも優れてはいるが、層間の熱
伝導率、即ち、個々の層の平面に対して垂直方向の熱伝
導率が良くないことである。
【０００６】向かい合った層の繊維は良く知られたニー
ドルパンチングの技法によって互いに交錯させ、絡み合
わせることが出来ることが示唆された。そのような技法
は我々の英国特許第２，０１２，６７１号と同２，１９
９，８５６号各明細書に開示されている。英国特許第
２，０１２，６７１号の明細書には、航空機のブレーキ
ディスクの製造に適した炭素繊維の複合材料の製造方法
が開示されている。この方法は、最初に酸化されたポリ
アクリロニトリル繊維の織物を製造し、当該織物を炭化
し、このカーボンマトリックスの中に炭化した織物を埋
め込むことから成っている。
【０００７】残念なことに、実際に製造してみると、超
‐高弾性率の繊維から成るハイブリッド炭素繊維複合材
料に前述のニードルパンチングを適用すると超‐高弾性
率の繊維の破断が生じる。
【０００８】本発明の目的は、前述の欠点の全部又は一
部を緩和するか又は克服する、超‐高弾性率の繊維から
成る多層の炭素繊維の織物、予備成形体又は複合材料を
製造する方法を提供することである。
【０００９】本発明の第一の側面によれば、一方向に整
列した超‐高弾性率の炭素繊維の層と低弾性率の炭素繊
維の層とから多層の炭素繊維のファブリック、プレフォ
ーム又は複合材料を製造する方法であり、次のステップ
から成る：低弾性率の炭素繊維の層と一方向に整列した
超‐高弾性率の炭素繊維の層とを、低弾性率の層の繊維
の少なくとも実質的に相当な数が超‐高弾性率の繊維層
の繊維を交差して配置されるように、互いに重ね合わせ
た関係に配置し、そして低弾性率の繊維層の繊維と超‐
高弾性率の繊維層の繊維とを、フェルティングニードル
の鈎が層の中を通過する間に低弾性率の繊維のみを引っ
掛けるような方向に配置・構成されたフェルティングニ
ードルを用いてニードルパンチングすることによって繊
維を交錯させ、絡み合わせて二つの層を結合する。
【００１０】前述の方法によって製造される多層の炭素
繊維の織物は予備成形体として使用されるが、その場
合、典型的には予備成形体は複数の層の超‐高弾性率の
繊維と複数の層の低弾性率の繊維とからなり、これらの
層はニードルパンチするために積み重ねられ、各層の超
‐高弾性率の繊維は事実上整列されている。
【００１１】別の方法としては、予備成形体は本発明の
方法に従って製造された多層の炭素繊維の織物の複数の
ピースを与え、当該ピースを積み重ね、ここで個々のピ
ースの超‐高弾性率の繊維が事実上整列されており、次
いでニードルの鈎がピースを通り抜ける間に低弾性率の
繊維のみを引っ掛けるような方向に並んで配置されたフ
ェルティングニードルを用いてニードルパンチングする
ことによって各ピースを結合することによって製造され
る。
【００１２】予備成形体では、超‐高弾性率の繊維の複
数の層と低弾性率の繊維の複数の層からなる織物の繊維
の中で、一つの層の超‐高弾性率の繊維は事実上他の層
の超−高弾性率の繊維と整列することが必要である。し
かしながら、一つの層の低弾性率の繊維は他の層の低弾
性率の繊維と整列する必要はなく、予め選ばれた配向角
度に設けられても良い。
【００１３】複合材料を製造する場合は、織物又は予備
成形体の製造に応用される本発明の方法は更に、化学蒸
着法若しくは樹脂かピッチをベースとしたマトリックス
材料によって含浸し、次いでマトリックスを固着（ｃｏ
ｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ）し得られた集成体を炭化する
方法から成る。
【００１４】低弾性率の繊維の層は、マットにより与え
られてもよく、このマット中で、繊維の大部分が整列
し、一方向に並んだ超‐高弾性率の炭素繊維の層の中の
繊維に対して概ね垂直に配置される。適切には高弾性率
の繊維陣は、クリール、ビーム、鍍金箱又はコイル缶か
ら巻き出され、適当な案内手段、張力制御装置及びトウ
拡散手段を通って供給される複数の連続フィラメントト
ウによって設けられる。
【００１５】更に、低弾性率の繊維は３５〜１７５ＧＰ
ａ（ギガパスカル）の範囲の弾性率を持ち、超‐高弾性
率の繊維は７００〜９００ＧＰａ程度の弾性率を持つ。
１７５ＧＰａ以上の弾性率を有する繊維に加えられるニ
ードリングの作用はニードル鈎によって繊維に付加され
る作用の為に繊維の過剰の破断をもたらす。
【００１６】本発明の第二の側面によれば、一方向に超
‐高熱伝導率を有する多層の炭素繊維の織物、予備成形
体又は複合材料が本発明の第一の側面による方法によっ
て製造される。その後続いて熱処理を受けた後では、炭
素‐炭素の複合材料は摂氏５００℃以上の温度で特定の
方向に２５０Ｗ／ｍ．Ｋの熱伝導率値を持つだろう。
【００１７】本発明を好ましい具体化に関して実施例に
よって、そして付随する図面を参照しつつ説明しよう。
【００１８】図１は、多層の予備成形体を製造する為に
低弾性率の炭素繊維と超‐高弾性率の炭素繊維とを絡み
合い略図的に示し、図２は、本発明の一面に従ってニー
ドルパンチングに使用されるニードルの横断面を示し、
図３は、ニードリング前の超‐高弾性率の炭素繊維と低
弾性率の繊維との内部配置の断面の平面図であり、そし
て図４は、図１と３に示される繊維の整列方向の相対的
方向を示す。
【００１９】改良された炭素‐炭素の多層の複合材料１
は、一方向に整列した超‐高弾性率の炭素繊維５の層２
と低弾性率の炭素繊維４の層３から製造される。
【００２０】低弾性率の層３は積み重ねられ、間に層２
が挾まれ、それによって繊維４の総ての大多数が、図３
に示される軸Ｙ‐Ｙに沿って又は平行に超‐高弾性率の
繊維５を横断する方向に並ぶ。低弾性率の繊維４の層３
の内部の幾つかの繊維６は、図２に示されるような横断
面を持つニードルを用いてニードルパンチングすること
によって層２の繊維５（図１に示されるような）と互い
に繊維同士が交錯し絡み合わされる。図２に示されるニ
ードル１４と類似のこれらのニードルの各は主軸Ａ‐Ａ
と副軸Ｂ‐Ｂを持つ横断面を有し、ニードルの鈎１５は
主軸の反対側の端でボデー部分の縁にそった部分にだけ
形成される。
【００２１】ニードルパンチング操作の間に、ニードル
は図１と３に示される主軸Ａ‐Ａが軸Ｘ‐Ｘに平行に並
ぶか又は同じ方向に整列するように配置される。従っ
て、ニードル１４が超‐高弾性率の層２の中を通る時
は、副軸のコーナー（隅）１６はシート２の超‐高弾性
率の繊維５に隣接して横方向に移動する傾向があり、そ
の間はニードルは自由に通過する。一方、その鈎１５は
Ｚ‐方向に低弾性率の層３の配向した繊維４を交差して
引っ掛け、移動する。それによって、図１の繊維６に示
されるように移動した繊維を層２の繊維５と既知のやり
方で絡み合わせて織り交ぜる。
【００２２】超‐高弾性率の繊維と低弾性率の繊維を組
み合わせた構造は、その後、ニードルパンチング操作に
掛けられ、炭化法に掛けられて炭素‐炭素複合材料に形
成される。適当な方法には、Ｃ．Ｖ．Ｄ．（ｃｈｅｍｉ
ｃａｌ ｖａｐｏｕｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、化学蒸
着法）、ビッチ又は樹脂による含浸が含まれる。複合材
料は、超‐高弾性率の繊維と低弾性率の繊維の間に結合
が出来ているから、層２の超‐高弾性率の繊維５の配向
に対して平行の方向に非常に高い熱伝導率を持つように
成形される。典型的には、材料を適切に選ぶことによっ
て、Ｘ‐方向に少なくとも２５０Ｗ／ｍ．Ｋの、Ｙ‐方
向に１００〜１２５Ｗ／ｍ．Ｋの、そしてＺ‐方向には
２５〜５０Ｗ／ｍ．Ｋの熱伝導率を得ることが出来るも
のと信ぜられる。
【００２３】低弾性率の繊維３の多くは層２の整列した
超‐高弾性率の繊維５を交差する方向に並べなければな
らないとは言っても、必ずしも互いに垂直である必要は
無いことが分かるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、多層の予備成形体を製造する為に低弾
性率の炭素繊維と超‐高弾性率の炭素繊維とを絡み合い
略図的に示す。
【図２】図２は、本発明の一面に従ってニードルパンチ
ングに使用されるニードルの横断面を示す。
【図３】図３は、ニードリング前の超‐高弾性率の炭素
繊維と低弾性率の繊維との内部配置の断面の平面図であ
る。
【図４】図４は、図１と３に示される繊維の整列方向の
相対的方向を示す。
【符号の説明】
１ 複合材料 ２ 超−高弾性率の炭素繊維の層 ３ 低弾性率の炭素繊維の層 ４ 低弾性率り炭素繊維 ５ 超−高弾性率の炭素繊維 ６ 層３の内部の幾つかの低弾性率の炭素繊維 １４ ニードル １５ 鈎 １６ ニードルのコーナー
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｂ３２Ｂ 5/12 7421−4Ｆ Ｃ０４Ｂ 35/52 Ｄ０４Ｈ 3/00 Ｂ 3/04 Ｚ 3/07 Ｚ 3/10 Ａ // Ｄ０１Ｆ 9/12 Ｂ２９Ｋ 105:08 307:04 (72)発明者 ロナルド・フィッシャー イギリス国ウォーリックシャー シーブイ 22・５エルエフ，ラグビー，ボーウエン・ ロード 19 (72)発明者 キース・アラン・ウィリアムズ イギリス国コベントリー シーブイ５・８ エイチワイ，チャペルフィールズ，ウエス トバリー・ロード 68

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 超‐高弾性率の一方向に整列した炭素繊
    維（５）の層（２）及び低弾性率の炭素繊維（４）の層
    （３）から多層の炭素繊維の織物、予備成形体又は複合
    材料を製造する方法であって、該方法が超‐高弾性率の
    一方向に整列した炭素繊維の層（２）及び低弾性率の炭
    素繊維の層（３）を互いに重ね合わせた関係に配置し、
    その際、低弾性率の繊維（４）の少なくとも相当の数が
    超‐高弾性率の繊維層の繊維（６）を交差するように配
    置され；そして低弾性率の繊維層の繊維と高弾性率の繊
    維層の繊維を、ニードルの鈎（１５）が低弾性率の繊維
    層を通過する間に低弾性率の繊維（４）のみを引っ掛け
    るような方向に配置・構成されたフェルティングニード
    ル（１４）を用いてニードルパンチングすることによっ
    て両者の繊維を絡み合わせ交錯させて二つの層を結合さ
    せる；各工程を含む前記方法。
  2. 【請求項２】 更に織物又は予備成形体に化学蒸着法又
    は樹脂またはピッチをベースとしたマトリックス材料を
    含浸し、次いでマトリックス固着方法によって固着さ
    せ、得られた集成体を炭化する段階を含むことを特徴と
    する編織布又は予備成形体の製造に応用する請求項１記
    載の方法。
  3. 【請求項３】 請求項１又は請求項２に記載の方法によ
    って製造される予備成形体であって、ニードルパンチす
    るために互いに積み重ねられた超‐高弾性率の繊維の複
    数の層（３）と低弾性率の繊維の複数の層とからなり、
    個々の層の超‐高弾性率の繊維が事実上整列されている
    前記予備成形体。
  4. 【請求項４】 請求項１又は請求項２に記載の方法によ
    って製造される多層の炭素繊維の織物（１）の複数のピ
    ースを準備し、該ピースを個々のピースの超‐高弾性率
    の繊維（５）が事実上整列するように互いに積み重ね、
    次いでニードルの鈎がピースを通過する間にニードルの
    鈎が低弾性率の繊維のみを引っ掛けるような方向に配置
    ・構成されたフェルティングニードル（１４）を用いて
    ニードルパンチングすることによって各ピースを結合さ
    せることによって製造されることを特徴とする予備成形
    体。
  5. 【請求項５】 超‐高弾性率の繊維（５）の複数の層
    （２）と低弾性率の繊維の複数の層（３）とを有する織
    物から成り、その際、一つの層の超‐高弾性率の繊維が
    事実上他の層の超‐高弾性率の繊維と整列するように積
    み重ねられることを特徴とする請求項４記載の予備成形
    体。
  6. 【請求項６】 超‐高弾性率の繊維（５）の複数の層
    （２）と低弾性率の材料の複数の層（３）を有する織物
    から成り、その際、一つの層の低弾性率の繊維（４）が
    他の層の低弾性率の繊維と同一方向に整列していないこ
    とを特徴とする請求項４記載の予備成形体。
  7. 【請求項７】 該低弾性率の繊維（４）の層が、異なる
    層の繊維が予め選ばれた異なる配向角度に配置されるよ
    うに設けられていることを特徴とする請求項６記載の予
    備成形体。
  8. 【請求項８】 低弾性率の繊維（４）の層（３）は、大
    部分の繊維が整列し、且つ超‐高弾性率の一方向に整列
    した炭素繊維の層（２）の繊維（５）に対して概ね垂直
    方向に配置されていることを特徴とする請求項３乃至７
    の何れか一つに記載の予備成形体。
  9. 【請求項９】 高弾性率の配列陣の繊維（５）がクリー
    ル、ビーム、鍍金箱又はコイル缶から巻き出され、適当
    な案内手段、張力制御装置、トウ拡散手段を通して供給
    され複数の連続フィラメントトウによって設けられるこ
    とを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の方法。
  10. 【請求項１０】 低弾性率の繊維（４）が３５〜１７５
    ＧＰａの範囲の弾性率を持ち、超‐高弾性率の繊維が７
    ００〜９００ＧＰａ程度の弾性率を有することを特徴と
    する請求項１乃至８の何れか一つに記載の予備成形体。
  11. 【請求項１１】 請求項１，２又は３の何れか一つに記
    載の方法によって作り出されることを特徴とする一つの
    方向に超‐高熱伝導率を有する多層の炭素繊維の織物、
    予備成形体又は複合材料。
  12. 【請求項１２】 請求項１１記載の織物であって、得ら
    れる炭素‐炭素複合材料が特定の方向に摂氏５００℃以
    上の温度で２５０Ｗ／ｍＫ程度の熱伝導率値を有するよ
    うに当該織物が次いで熱処理されることを特徴とする請
    求項１１記載の織物。
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