JPH02252659A - 三次元炭素繊維―炭素複合材料の製造方法 - Google Patents

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】 ［産業上の利用分野］ この発明は、三次元炭素繊維で補強された炭素複合材料
を電気泳動浸漬法によって製造する方法に関するもので
あり、特に、均一な組織を持つ三次元炭素繊維−炭素複
合材料を得る方法に関するものである。

［従来の技術］ 炭素繊維強化炭素複合材料（以下、ＣＦＲＣと記載する
）は、主として気相化学蒸着法（以下、ＣＶＤ法という
）および液相含浸法により製造されている。ＣＶＤ法は
高温に熱した炭素繊維端村上に、減圧下で炭化水素ガス
を接触させ、炭素原子を基材上に沈積させる方法である
。液相含浸法では、炭素繊維基材に液状レジンまたは溶
融ピッチ等のマトリクス材料を含浸させ、炭化焼成する
。

このとき、マトリクス材料の揮発成分が抜けることによ
り、微細な空孔を生じるため、材料強度を上げるために
は含浸焼成を繰返す必要がある。

ＣＶＤ法、含浸法いずれについても、複雑かつ長期の工
程を有し、このことがＣＦＲＣの高価格の原因の１つと
なっている。このため、ＣＦＲＣは高温強度、化学的安
定性等優れた材料特性があるにもかかわらず、現在実用
化されているのは、経済的制約の少ない宇宙航空産業の
分野に限られている。

一方、最近、繊維強化を行なわない通常の炭素材料にお
いては、液状マトリクス材料を用いずに、炭素微粉末を
直接、炭化焼成することにより、簡便に炭素材料を製造
することが行なわれるようになった。この方法は、既に
熱処理を行なったマトリクス材料を用いるために、マト
リクスの揮発分が少ないため、短時間の焼成にて高密度
な炭素材料を得ることができるという利点がある。

そこで、この炭素微粉末を炭素繊維基材に混入し焼成を
すれば直ちに簡便なるＣＦＲＣが製造できることは誰し
も期待するところである。しかしながら、実際には炭素
繊維基材に炭素粉末を均一に混合することが非常に困難
であり、良好なＣＲＦＣを作ることができない。

たとえば、粉末を直接繊維基社中に入れる代わりに、液
体中に分散させスラリー状となし、炭素繊維基材中に侵
入させ、乾燥させる方法は、混入量が安定せず、乾燥時
に脱落等を起こしやすいという欠点がある。また、上記
スラリー法は、濃度が高いと侵入しにくいという問題点
があり、濃度が低いと侵入Ｉ７やすいが十分な侵入量が
得られないという問題点があった。

上述のような問題点を解決するために、本出願人会社は
、基材全体に炭素粉末を均一に付着させることを目的と
して、炭素繊維自体に導電性があることに着目し、電気
的に炭素粉末を基材上に析出させる方法を提案した（特
開昭６０−５４９７４号公報）。すなわち、いわゆる電
気泳動沈積法を用いることにより、効果的に炭素微粉末
を基材上に析出させる方法である。この方法の製造工程
を第１図に示す。第１図は、炭素材料学会第１３回年会
要旨集ｐ、１７８〜１７９　（１９８６）に記載されて
いる。この方法について詳しく記述すると、炭素粉末を
電気泳動させるためには、液体中で荷電させることが必
要である。炭素粉末粒子はそのままでは荷電しないから
、電荷を運ぶ担体を炭素粒子に付着させ、この担体によ
り電気泳動を起こさせる。このときに使用する担体は、
炭素粒子に付着し、かつ液体中で電離するものならばい
ずれも使用可能である、が、担体自身に炭素焼結体に変
化しうる樹脂を用いることにより、より一層高密度化に
効果的である（特開昭６１−２１９７３号公報）。また
、炭素粉末は十分に微細化する必要があり、実用的には
４０μｍ以下の粒径である。

このようにして、基材上にマトリクス炭素粉末を沈積さ
せた後、乾燥により水等の液体を除去する。その後、３
００〜５００℃に加熱し、担体を分解炭化させる。この
段階において、担体の残差を少量含み、炭素繊維品村上
に所望量の炭素マトリクス粉末が付着した、炭素繊維−
炭素粉末混合体が得られる。このようにして作られた混
合体は使用するマトリクス炭素粉末の性質により、常圧
焼成、加圧焼成あるいは両者の組合わせにより焼成し、
ＣＦＲＣとする。焼成温度はＣＦＲＣの用途により異な
るが、通常は１０００〜３０００℃の範囲である。

［発明が解決しようとする課Ｂ］ ところで、三次元炭素繊維織布を基材として用いる炭素
繊維強化炭素複合材料は、強度が等方的であり、構造材
として最適である。しかしながら、その製造方法に、上
述の電気泳動沈積法を用いた場合、電流密度の高い表層
部においては、密度を高くすることができるが、中心部
分において、高密度化が難しいという問題点があった。

それゆえに、この発明の目的は、三次元炭素繊維織布を
基材として用いる炭素繊維強化炭素複合材料の製造方法
において、その中心部分においても高密度化を図ること
のできる方法を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ この発明は、三次元炭素繊維で補強された炭素複合材料
を電気泳動浸漬法によって製造する方法に係るものであ
る。この方法においては、まず、炭素繊維よりも大きな
導電性を有する導電性繊維を混紡させてなる三次元炭素
繊維の織布が準備される。そして、炭素質の微粉末をイ
オン化した担体に吸着させて、これらを適当な液体中に
分散させる。次に、上記三次元炭素繊維の織布を対向電
極とともに前記分散液に浸漬させる。その後、炭素質微
粉末と担体とを上記三次元炭素繊維の織布に析出させる
ために、三次元炭素繊維の織布と対向電極との間に直流
電圧を印加する。その後、炭素質微粉末および担体で被
覆された上記三次元炭素繊維の織布を炭化焼成させる。

［作用コ この発明によれば、三次元炭素繊維織布の内部に、炭素
繊維よりも大きな導電性を有する導電性繊維を混紡させ
ているので、電気泳動時において、織布内部での電流密
度を高めることができる。その結果、織布の中心部分に
も、十分な量の炭素粉末を被覆することができる。

［実施例］ 以下、この発明の実施例につき説明する。

（実施例１） （１）　自己焼結性のある平均粒径１０μｍ炭素粉末を
、ＰＡＮ系樹脂および溶剤とよく混練した後、水に分散
させ、いわゆるアニオン系塗料の状態とした。この状態
で、炭素粉末と樹脂の比率は、重量で、１：１で市った
。

（２）　次に、ＰＡＮ系炭素炭素繊維ィラメント３００
０本を用いて、縦糸１０層、横糸１１層を積層した直交
タイプの三次元織布を作製した。

この三次元織布の作製のときに、該三次元織布の収束糸
のうち、Ｘ軸糸中心部の２層、Ｙ軸糸中心部の１層に、
直径的１５μｍのタングステン繊維を本数にして１％混
紡したものを用いた。こうして作製された三次元織布を
陽極として、ステンレス基板を対向する陰極として、上
記分散液中に浸漬した。そして、陰極−陽極間に約２０
Ｖの電圧を印加し、攪拌しながら約１５分間通電した。

（３）　得られたｍ着体を乾燥し、乾燥物を５枚積層し
、圧縮プレスにより温度的２５０”Ｃ５面圧４０ｋｇ／
ｃｍ２の条件で、４０分間加圧成形した。

（４）　この後、２０ｋｇ／ｃｍ２の圧力下で、クラン
プしながら、約２８０℃の温度で、９時間不融化した。

（５）　この不融化体を２００ｋｇ／ｃｍ２の面圧下で
、１０００℃まで３０℃／ＨＲ，その後２０００℃まで
１００℃／ＨＲの昇温速度にて、加圧焼成し、成形体を
得た。

（比較例） 実施例と同じ分散液を用い、基材としてタングステン繊
維を混紡していない三次元織布に、同様の操作を行なっ
た。

（結果） （１）　実施例および比較例で得たものを焼成後、顕微
鏡にて断面を観察すると、プレス面に対して垂直な糸の
成分は、上下方向に圧縮を受けたために傾斜しているこ
とが認められた、が、強度的には問題ないものであった
。

（２）　実施例では、内部までマトリクスが密に存在し
ており、表面付近と内部での差異は認められなかった。

また、繊維部分には混紡したタングステン繊維と炭素と
の反応により生成した、灰色の炭化タングステンが生成
していた。

（３）　比較例では、外部には密にマトリクスが存在し
ているものの、内部になるに従い、マトリクスの密度が
減少しており、炭素繊維収束糸間に空隙の存在が目立っ
た。

（４）　比較例、実施例で得た炭素繊維強化炭素複合材
料の気孔率ならびに曲げ強度を測定した。

結果を表■にまとめる。

表１ なお、上記実施例では、導電性繊維として、焼成するこ
とにより、耐熱、耐酸化性を持つ炭化物になるタングス
テン繊維を例示した。焼成により、耐熱、耐酸化性を持
つ炭化物を生成するものを導電性繊維として選ぶことで
、高性能な炭素繊維強化炭素複合材料を得５ことができ
るという効果を奏する。しかしながら、この発明はこれ
に限られるものでない、Ｔｉなどの金属または導電性高
分子から形成される導電性繊維も好ましく使用すること
ができる。

また上記実施例では、炭素繊維収束系中に導電性繊維を
混合したものを用いて、織布を製造する場合について説
明したが、導電性繊維の収束糸と炭素繊維の収束糸とを
用いて、織布を製造してもよい。

さらに、上記実施例では、導電性繊維と炭素繊維の比率
の変化を、１収束糸中において行なった場合を例示した
が、炭素繊維の縦糸または横糸もしくはその両方におい
て、導電性繊維の収束糸数と炭素繊維の収束糸数との比
率を変化させて行なっ°Ｃもよい。

以上、本発明を要約すると次のとおりである。

（１）　特許請求の範囲第１項に記載のものにおいて、
前記導電性繊維として、焼成することにより、耐熱、耐
酸化性を持つ炭化物になるものを使用することを特徴と
する方法。

（２、特許請求の範囲第ｊ−項に記載のものにおいて、
前記混紡操作は、炭素繊維収束系中に前記導電性繊維を
混合したものを用いて、織布を製造する工程を含むこと
を特徴とする方法。

（３）　特許請求の範囲第１項に記載のものにおいて、
前記混紡操作は１、前記導電性繊維の収束糸と前記炭素
繊維の収束糸とを用いて、織布を製造する工程を含むこ
とを特徴とする方法。

（４）　特許請求の範囲第１項に記載のむのにおいて、
前記三次元炭素繊維の織布は、その内部とその表層部に
おいて、前記導電性繊維と前記炭素繊維との比率を変化
させて製造されることを特徴とする方法。

（５）　上記第４項に記載のものにおいて、前記導電性
繊維と前記炭素繊維の比率の変化は１収束糸中において
行なわれることを特徴とする方法。

（６）　上記第４項に記載のものにおいて、前記導電性
繊維と前記炭素繊維の比率の変化は、前記炭素繊維の縦
糸または横糸もしくはその両方において、該導電性繊維
収束糸数と該炭素繊維収束糸数の比率を変化させること
によって、行なわれることを特徴とする方法。

（７）　特許請求の範囲第１項に記載のものにおいて、
前記導電性繊維は、Ｔｆ、Ｗなどの金属または導電性高
分子を含むことを特徴とする方法。

［発明の効果］ 以上説明し、たとおり、この発明によれば、三次元炭素
繊維織布の内部に導電性のある繊維を混紡することによ
り、電気泳動時における織布内部での電流密度を高める
ことができる。その結果、織布の中心部分にも十分な量
の炭素粉末を被覆することができる。その結果、均一な
密度を有する三次元炭素繊維−炭素複合材料を得ること
ができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の炭素／炭素複合材の製造工程を示した
図である。 用　　１旨　　／ｊｆｒ ↓ （シ／シノ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　三次元炭素繊維で補強された炭素複合材料を電気泳動
   浸漬法によって製造する方法であって、炭素繊維よりも
   大きな導電性を有する導電性繊維を混紡させてなる三次
   元炭素繊維の織布を準備する工程と、 炭素質の微粉末をイオン化した担体に吸着させて、これ
   らを適当な液体中に分散させる工程と、前記三次元炭素
   繊維の織布を対向電極とともに前記分散液に浸漬させる
   工程と、 前記炭素質微粉末と前記担体とを前記三次元炭素繊維の
   織布に析出させるために、前記三次元炭素繊維の織布と
   前記対向電極との間に直流電圧を印加する工程と、 前記炭素質微粉末および前記担体で被覆された前記三次
   元炭素繊維の織布を炭化焼成する工程と、を備えた、三
   次元炭素繊維−炭素複合材料の製造方法。