JPS6316357B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、発熱体や電極等の用途に用いられる
炭素材料の製造法に関するものである。更に詳し
くは、炭素繊維フイラメントを強化材として含有
する円柱状炭素材料の製造法に関するものであ
る。 従来、円柱状炭素材料の製造は次のようにして
行なわれている。炭素原料（フイラー）を粉砕篩
別して、所定の粒度範囲の粒と微粉とに分け、こ
れを目的に応じて配合し、バインダーを加えて該
バインダーの融解温度以上で混合攪拌し、得られ
た混合物を押し出しプレスのシリンダー中に入
れ、シリンダー前部に設けたノズルを通して絞り
出すことによつて所要の円形断面を有する炭素材
料を作る。 更に、この炭素材料の機械的特性を向上させる
ため、押出成形により炭素繊維を含有させる方法
も試みられている。しかし、この押出成形による
方法は炭素繊維の短繊維にしか利用できず、また
強化材である炭素繊維を高含有率で含ませること
が困難であつた。 このため高強度の炭素材料は得られ難かつた。
一方、熱硬化性樹脂を含浸させた炭素繊維ストラ
ンドを一方向に引揃えてプリプレグを製造し、こ
れを積層してホツトプレス等により圧縮成形し、
所定の形状に切削加工後、不活性雰囲気中で焼成
し、円柱状炭素繊維強化炭素材料を製造する方法
も採用されている。 しかし、この方法では繊維方向が一方向の場
合、繊維の配向方向と直角方向の強度が著しく弱
いために、切削加工、とくに直径数mm以下の細い
円柱体への切削加工は困難である。 更に熱硬化性樹脂を含浸した炭素繊維束を所定
のダイを通して円柱状に賦形後樹脂を硬化し、次
いで炭素化する方法においては内部の歪のため炭
素化後の物品に曲がりが生ずる場合があり、成形
物が細いととくにこの傾向が強かつた。 また、所定の金型内で硬化させ引抜いた後で炭
素化する方法においては、硬化後の成形物を金型
から引抜くことが困難であり、特に径が細く長い
円柱状炭素材料を得ようとする場合は一層困難で
あつた。 本発明者等は、このような問題について検討の
結果、長さ方向に炭素繊維フイラメントで補強さ
れた曲がりのない円柱状炭素繊維強化炭素材料を
製造することに成功し本発明にいたつた。すなわ
ち、本発明は、セラミツクパイプに熱硬化性樹脂
を含浸した炭素繊維フイラメント束を一方向に配
向させて圧入し、そのままの状態で該樹脂を硬化
後、不活性の非酸化性雰囲気中で焼成し、マトリ
ツクス樹脂を炭素化した後、パイプから抜取るこ
とにより炭素繊維フイラメント強化炭素材料を製
造する方法である。 本発明方法によると、炭素化時に成形物の径が
小さくなるため、得られた炭素材料をセラミツク
パイプから容易に引抜くことができ、直径数mm以
下の細い円柱状炭素材料を直線性のよい曲がりの
ない状態で得ることができる。使用後のセラミツ
クパイプは付着カーボンを空気中で酸化除去し、
再使用に供することができる。 セラミツク以外の材料、例えば通常の金属で作
つたパイプを使用すると炭素化時に炭素材料に曲
がりが発生し好ましくない。 本発明に用いられるセラミツクパイプは、室温
から1000℃の条件下で熱膨脹係数10⁵／℃以下で、
耐熱温度1200℃のセラミツク材からなるパイプで
ある。これに相当するものとしては、例えば通常
のムライト磁器すなわち3Al₂O₃・2SiO₃90％以上
含む磁製パイプがある。強化材として使用される
炭素繊維は、通常用いられている炭素繊維フイラ
メントでよく、レーヨン、ポリアクリロニトリル
系繊維、ピツチ等を原料とし、通常の方法により
得られた炭素繊維フイラメントであり、このもの
を繊維束で用いる。 熱硬化性樹脂はフラン樹脂、フエノール樹脂、
エポキシ樹脂等であり、特にフラン樹脂が炭素化
処理後、セラミツクパイプからの炭素材料成形物
の離型が容易であるため好ましい。 本発明の実施に際しては、先づ炭素繊維ストラ
ンド束に未硬化の熱硬化性樹脂を含浸させ、これ
をセラミツクパイプ中に導入する。この際炭素繊
維フイラメントと樹脂との比は炭素繊維体積比率
で30〜60％以上がよい。 炭素繊維の含有率が低すぎると、円形断面中の
炭素繊維の分布が不均一になり炭素化時に曲がり
が生じやすく、また炭素繊維による補強硬化もで
にくい。炭素繊維の含有率が高過ぎるとパイプ中
に圧入することが著しく困難になり炭素繊維の切
断等が生じやすくなる。 セラミツクパイプに炭素繊維束を導入する際、
炭素繊維に含浸している樹脂を絞り出しつつ、樹
脂の含有率を調整するのがよい。これは樹脂の絞
り出しと同時に脱気泡が行なわれるからである。 使用される炭素繊維ストランドは無撚の状態で
使用するのがよい。撚りがあるとセラミツクパイ
プへの圧入時のしごきによつて撚りが不均一とな
り、パイプ内で均一な撚り状態を保持することが
困難になる。炭素繊維ストランドの不均一な撚り
は製品の内部の歪となり、曲がりを生じる原因と
なりやすい。セラミツクパイプへの圧入時パイプ
内径とほぼ等しい濾斗状ダイを用いると操作しや
すい。 セラミツクパイプに導入された樹脂含浸炭素繊
維ストランドは、セラミツクパイプから抜出さず
そのままの状態にて加熱処理し樹脂を硬化させ
る。炭素化前に抜出すことは非常に困難であるば
かりか、抜出した成形物を炭素化しようとすると
曲がりが生じやすい。硬化の際昇温速度が早いと
残留気泡の膨脹によりセラミツクパイプ内から樹
脂が流出し空隙部に泡ができ炭素化時製品の曲が
りが生じやすくなる。 樹脂の硬化は各樹脂に応じた通常の硬化条件で
行なわれる。炭素化は、窒素、アルゴン等の不活
性雰囲気中で室温から800℃以上まで好ましくは
室温から1000℃前後まで数時間かけて行なわれ
る。 また、必要により炭素化後セラミツクパイプよ
り抜出した後コールタールピツチ等に含浸炭素化
を繰返し強度向上及び高密度化させる。ここで用
いられる含浸液には、コールタールピツチ、フラ
ン樹脂、フエノール樹脂等が用いられる。セラミ
ツクパイプより引抜いた後、必要により1700〜
3000℃にて熱処理することによつて黒鉛化するこ
とも可能である。 本発明方法によるとセラミツクパイプの耐熱性
が高いので加熱炭素化時の熱変形は小さく、しか
もパイプ中の炭素材料は断面の半径方向に炭素繊
維が配向されていないので樹脂の炭素化時、半径
方向に収縮するため容易に抜取ることが可能であ
る。また本発明は、樹脂の硬化及び炭素化をセラ
ミツクチユーブ内で行なうため、曲がり、そり等
が生じ難く、強化材の炭素繊維が長さ方向に配向
した炭素材料、特に直径５mm以下の円柱状炭素材
料の製造に適している。この炭素材料は発熱体、
電極あるいは高温、非酸化性雰囲気中で使用され
る構造材料等の用途に供することができる。 前述のように、本発明の実施に際して使用され
るセラミツクパイプは使用後、空気中600〜800℃
にて加熱することによつて付着炭化物を酸化除去
し繰返し使用することができる。 以下本発明を実施例によつて説明するとともに
比較例を掲げる。 実施例 １ セラミツクパイプとして内径1.5mm、外形2.5
mm、長さ100mmのムライト磁器（主成分SiO₂41
％、Al₂O₃55％、熱膨脹係数4.9×10^-5／℃）のセ
ラミツクパイプ（日本化学陶業社製熱電対用絶縁
管）を使用した。このセラミツクパイプ内にフラ
ン樹脂、ヒタフランVF―302（日立化成社製、専
用触媒0.3％含有）中に浸漬した炭素繊維24000フ
イラメント（東邦ベスロン社製HAT―７―3000
を８本合わせたもの）を挿入した。次いで、この
パイプをこのままの状態で50℃にて３時間保持
し、更に３時間かけて170℃に昇温して樹脂を硬
化させた。その後窒素雰囲気中で室温から1000℃
まで、５時間かけて昇温し30分保持して樹脂を炭
素化した。放冷後炭化物をパイプから引抜いた。
引抜きは容易であつた。外径1.35mmの曲がりのな
い表面平滑な炭素材料の棒が得られた。 実施例 ２ 実施例１と同様にして炭素材料を得た。このも
のを緻密化のためコールタール液に浸漬した後、
窒素雰囲気中で室温から1000℃まで５時間かけて
昇温して加熱し、30分間保持後放冷した。 この炭素材料を更に窒素雰囲気中で室温から
2000℃まで６時間かけて昇温して加熱し、１時間
保持後放冷した。得られた炭素材料の物性を実施
例１の炭素材料のそれとともに示すと下記のとお
りである。

【表】 比較例 １ 実施例１で硬化した成形物を炭素化前にセラミ
ツクパイプから引抜こうとしたが引抜けなかつ
た。セラミツクパイプを破壊して取出し成形物を
実施例１と同様に炭素化したところ100本中45本
に曲がりが生じた。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ セラミツクパイプに熱硬化性樹脂を含浸した
   炭素繊維束を圧入し、そのままの状態にて該熱硬
   化性樹脂の硬化を行ない、次いで非酸化性雰囲気
   中で炭素化したのち、炭素材料を該セラミツクパ
   イプより抜取ることを特徴とする炭素材料の製造
   法。