JPH01104879A

JPH01104879A - 複合炭素繊維及びその製造方法

Info

Publication number: JPH01104879A
Application number: JP26048887A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Obara; 小原　庸博
Original assignee: Ibiden Co Ltd
Current assignee: Ibiden Co Ltd
Priority date: 1987-10-15
Filing date: 1987-10-15
Publication date: 1989-04-21
Anticipated expiration: 2009-12-07
Also published as: JPH0699865B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（＃東上の利用分野）木発引は、複合炭素ｉ＃ｌｒａ及びその製造方法に関し
、詳しくは宇宙、航空、防衛用の繊維強化複合材料や自
動車部品等の繊維強化複合材料に使用される複合炭素ｔ
ａ維とその製造方法に関するものである。

（従来の技術）金属やセラミックスの短所である強度、剛性、耐摩耗性
、熱膨張などの特性を炭素繊維により向上させた材料が
炭素繊維強化金属、炭素繊維強化セラミックスであり、
この材料は特に高温下での高強度軽量構造体として常用
されていることは周知である。

しかし、炭素繊維強化金属を製造する場合には、炭素繊
維と金属マトリックス、特にアルミニウムとの場合は反
応性が高く、高温で容易に反応してＡｌａＣ−Ｊを生成
して強度低下することが大きな問題となっている。これ
は特に黒鉛化率の低い炭素繊維で顕著である。

また、炭素繊維強化セラミックスを製造する場合には、
炭素繊維とセラミックスとの濡れ性が悪く１両者の界面
での接着力を十分に高めることができない。

このため従来は、炭素繊維表面にＣＶＤ処理やＰＶＤ処
理、メツキ、溶射をして、ＳｉＣ％ＷＣ、Ｔ　ｉＣ，Ｗ
、Ｍｏ、Ｃｕなどを沈積被覆してマトリウクス物質との
反応を低くおさえることか試みられてきた。

又、最近では特開昭６２−１０７０３８号公報に開示さ
れているように炭素ｍｉｘ上にＭｇＯやＢｅＯなとの金
属酸化物を被覆して金属との反応を防止し、セラミック
スとの濡れ性を改善する方法が考えられてきた。

（発明が解決しようとする問題点）しかしながら、従来から行われてきた炭素ｒａｍ表面へ
の高融点酸化物、非酸化物、金属などのＣＶＤ処理、Ｐ
ＶＤ処理、メツキ処理、溶射などによる沈積被覆処理、
あるし）はＭｇＯやＢｅＯなとの金属酸化物の塗布によ
る方法は、第４図に示′すように炭素ｊａＪｉ（１９）
表面と被ｇ物ｆｆｌ　（２１）とがファン・デル・ワー
ルスカ等の物理的接着によって結合しているため、炭素
繊！１（１９）表面と被！Ｉ物質（２１）との界面接着
力が十分でなく、マトリックス金属との複合体にして高
温化で負荷をかけて繰り返し使用し・た場合、強度劣化
が速いという問題があった。

一方、炭素ｍ、ｉｔ表面へのＣＶＤ処理、ｐＶＤ処理、
メツキ処理、溶射などの沈積被覆作業は生産性が悪くコ
ストダウンを進める上で大きな障害となっていた。

（問題点を解決するための手段）本発明は、上記のような問題点に対しなされたものであ
り、炭素ｍｉｘと金属、セラミックスとの濡れ性を改善
し、かつ高温下でも製造された複合材料が強度劣化を起
こさないような炭素繊維強化材料の原料となる炭素ｍｉ
ｓ及びその製造方法を見い出すことを目的とする。

すなわち、本発明は炭素繊維表面層の一部又は全部を炭
化珪素に転化して成る複合炭素ｍ維を要旨とするもので
ある。

さて、炭素ｍ雄表面層を炭化珪素に転化する方法として
は、珪素蒸気又は各種珪素化合物と反応させるか、パッ
クセメンチージョンを応用した方法があるが、最も好ま
しい方法として一酸化珪素ガスと炭素繊維を次式のよう
に反応させる方法があげられる。

Ｓ　ｉｏ（ｇ）＋２Ｃ＝Ｓ　ｉｃ＋ｃｏ（ｇ）この方法
を用いることによって、第３図に示すように炭素繊ｍ　
（１９）の形状１寸法を保持したまま珪化層（２０）を
形成することができる。

この反応は１３００℃〜２３００℃の温度範囲で加熱す
ることにより進行する。ここで、−酸化珪素ガスを発生
させるには、珪素粉と二酸化珪素粉の混合体、又は炭化
珪素粉と二酸化珪素粉の混合体、あるいは炭素粉と二酸
化珪素粉の混合体。

その他、各種珪素化合物を１２００℃〜２３００℃に加
熱することにより行なうことができる。

炭素繊維と一酸化珪素とを反応させて炭素繊維表面を炭
化珪素に転化させるとき、処理温度を１４００℃〜２３
００℃の範囲で選択することによって、炭素＃ｌｌ衣表
面珪化層の中に未反応炭素を残留させ、炭化珪素分の割
合である珪化率をいろいろ変えたものをつくることがで
きる。又１Ｍ！理温度のほかに処理時間を調節すること
によっても炭素繊維表面の珪化層の厚さをコントロール
することができる。その他にも、−酸化珪素の濃度を３
１１ｍすることによって珪化率、珪化層の厚さをコント
ロールすることができる。

炭素繊維表面層を炭化珪素に転化した珪化層の巾には未
反応炭素を少なくとも１０％以上は残留させておくこと
が望ましい。このことによって炭素繊維のフレキシビリ
ティ−を確保することができる。

次に炭素繊維を連続的に焼成して製造する方法について
図面を用いて説明する。

第１図は本発明の複合炭素繊維を製造する装置の概略図
である。

第１図において、（１）は炭化前繊維又は炭素繊雄であ
り、予熱ヒーター（２）を用いて１５０℃〜２５０℃で
処理する。炉内の雰囲気ガスはガス供給口（３）より導
入し、排気ガスは炉内の排気ガス口（７）及び（１３）
より取り出す。

又、炉内のシール用水浴（１７）を配した本封部からは
シール用ガスを供給口（１５）より流し、炉内の排気ガ
ス口（７）及び（１３）より取り出す。

予熱処理を受けたｌａ、Ｉｌは焼成炭化用ヒーター（５
）によってｔｏｏｏ℃〜３０００℃で加熱され炭化され
る０以上の処理を受けた炭素ｍ維はスリット（＋２）と
スリット（１４）によって区切られた珪化帯域へ移り、
表面層を炭化珪素に転化される。ここで、珪化用ヒータ
ー（６）を用いて珪化帯域を１４００℃〜２３００℃に
なるようにする。又、−酸化珪素ガスは黒鉛ルツボ（９
）内の一酸化珪素ガス発生源（ｌＯ）を１３００℃〜２
３００℃に加熱することによって発生させることができ
、それを−酸化珪素ガス供給口（１１）より導入して炭
素繊維と反応させる。１３００℃〜２３００℃に加熱す
るには誘導加勢コイル（８）を用いて黒鉛ルツボ（９）
を加熱すればよい、残留−酸化珪素ガスは炉内の排気ガ
ス口（１３）より排出する。

表面層を炭化珪素に転化された炭素繊維はスリット（１
４）とスリット（１Ｂ）によって区切られた冷却帯域を
通って冷却され、スリット（１６）を設けた本封部から
出てくる。

（発明の作用）本発明では炭素繊維表面層を一酸化珪素ガスが浸透拡散
していき、炭素繊維自体と反応させて炭化珪素に転化さ
せることが特徴になっており、ＣＶＤ法やＰＶＤ法、あ
るいはメツキ、溶射、塗布のように炭素繊維表面の上に
同一物質、又は別物質を沈積被膜化したものとは根本的
に違っている。

つまり、ＣＶＤ法やＰＶＤ法、あるいはメツキ、溶射、
塗布などによって得られた炭素繊維表面は沈積被膜物質
と炭素繊維表面がファン・デル・ワールスカ等による物
理的接着のみで結合しており、複合材料の繊維フィラー
として用いられた場合、高級下での繰り返し使用では沈
積被膜物質が熱膨張差等が原因となって剥離を起こし１
強度劣化をはやめる。

しかし、本発明の炭素ｍｔａ表面の炭化珪素層は繊維自
体が一酸化珪素と反応して変化したものであるから境界
は完全な連続の組織となっており、高温下での繰り返し
使用によって珪化層が剥離することはない。

又、本発明の炭素繊維表面の炭化珪素層は炭素１ａｒａ
のポロシティ−と同一であるので、ＣＶＤ法やＰＶＤ法
による沈積被膜のようにほとんどボアーを持たないもの
にくらべ体熱衝撃性が高く、マトリックスが炭化珪素層
の微少ボアー中に入り込むことによって、いわゆる投錨
効果がはたらくので、マトリックスと、より強固に結合
される。

そのほかにも、複合材料の耐摩耗性の点で通常の炭素繊
維フィラーの場合にくらべ本発明の複合炭素ａｍフィラ
ーでは大巾に向上することが判明した。

本発明は炭素繊維単体のほか、マット、布、不織布、ヤ
ーンなとでも極めて有効である。

次に、本発明を実施例によって具体的に説明する。

（実施例）１凰■ユＰＡＮ系繊Ｊｌ（２デニール、フィラメント数１０００
０）を第１図に示す装置を用いて焼Ｉ＆炭化、及び珪化
処理を行なった。ガス供給口（３）からは所定量の酸素
を含んだ窒素ガスを送り、ガス供給口（１５）からは窒
素ガスを送り込んだ。

−酸化珪素ガス発生源（ｌＯ）は珪素粉と二酸化珪素粉
の混合体３００ｇ　（モル比Ｌ：ｌ）を黒鉛ルツボ（９
）に入れ、誘導加熱によって１８５０℃に加熱して、−
酸化珪素を発生させた。炉内の温度は予熱ヒーター（２
）、焼成炭化用ヒーター（５）、珪化用ヒーター（６）
を用いて第２図のように調整した。このようにして得ら
れた複合炭素繊維をアルミ箔と積層して所定の形状に成
形した後、ホ・シトプレス法を用いて炭素ｍｉｘ強化ア
ルミニウム複合体を作製した。作製した試料の炭素繊維
含有体積分率は１５Ｖ０１％、２０ＶＯ１％、３０ｖｏ
１％とした。

得られた複合体の室温に８ける引張強度は複合則から計
算される値の８５％〜９５％となった。

又、高温引張強度の測定の結果、５８０℃まではほぼ一
定値を示した。

塞ｊｌｉｌ１２実施例１と同じ方法で得られた複合炭素繊維をバインダ
ーで１１１１されたＳｉＣ粉末といっしょに所定の形状
に成形した。これを２０００℃で焼結して炭素繊維含有
体積分率１５ｖｏ１％、２０ｖｏ１％、３０ｖｏ１％の
炭素繊維強化ＳｉＣ複合体を作製した。

得られた複合体の高温引張強度の測定の結果。

１８００℃まで強度を保つことができた。

よ勉亘１実施例１において炭素繊維表面層の珪化処理を行なわな
いこと以外は全て同じ処理を行ない試料を作製した。

得られた複合体試料の室温における引張強度は複合則か
ら計算された値の５５％〜６５％となった。

又、高温引張強度の測定の結果、２８０°Ｃまでほぼ一
定値を示した。

比較例２実施例２において炭素繊維表面層の珪化処理を行なわな
いこと以外は全て同じ処理を行ない試料を作製した。

得られた複合体試料の高温引張強度の測定の結果、１３
２０℃まで強度を保つことができた。

（発明の効果）以上説明したように１本発明の複合炭素繊維は表面層の
一部又は全部を炭化珪素に転化させているため、炭素繊
維強化複合体を作製した場合、マトリックスの金属又は
セラミックスと、炭素繊維とが反応を起こしたり、炭化
珪素の層が剥離して強度劣化することがなく高温でも安
心して使うことができる。

又、炭素繊維の珪化処理も簡単な装置で連続して行なう
ことができ、生産性を大巾に高めコストダウンを図るこ
とができる。

なお１本発明の複合炭素繊維の製造上、珪化処理温度、
処理時間、−酸化珪素ガス濃度等を自由に調整すること
によって、いろいろな珪化率を持った炭素繊維を得るこ
とができ、炭素繊維複合体の摺動特性を簡単に制御てき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の複合炭素繊維を製造する装置の断面図
、第２図は第１図に示す複合炭素繊維の製造装置内の温
度分布を示すグラフ、第３図は炭素繊維及び本発明の複
合炭素繊維の断面図、第４図は炭素繊維及びＣＶＤ、Ｐ
ＶＤ、塗布等による表面コーティングされた複合炭素繊
維の断面図である。符号の説明ｌ・・・繊維、　　　２−・・予熱ヒーター、３．１５
−・・ガス供給口、４、１２．１４．１６．　１８−−・スリット、５・・
・焼成炭化用ヒーター、６・・・珪化用ヒーター、　　７，１３・・・排気ガス
口。８・・・誘導加熱コイル、　　９−・・黒鉛ルツボ。１０−・・−酸化珪素ガス発生源、１１−・・−酸化珪素ガス供給口。１７−・・シール用水浴、　　１！ｌ−・・炭素繊維、
２　Ｇ−・・珪化層、２１−・・被膜物質。

Claims

【特許請求の範囲】１）、炭素繊維表面層の一部又は全部を炭化珪素に転化
して成ることを特徴とする複合炭素繊維。２）、炭素繊維を一酸化珪素ガスを主成分とする雰囲気
中で１３００℃〜２３００℃の範囲に加熱することを特
徴とする複合炭素繊維の製造方法。