JPH04170366A

JPH04170366A - 炭素繊維強化炭素複合材料の製造方法

Info

Publication number: JPH04170366A
Application number: JP2298627A
Authority: JP
Inventors: Masatake Sakagami; 正剛阪上; Yosuke Takemura; 洋輔竹村; Tomoyuki Wakamatsu; 智之若松
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1990-11-02
Filing date: 1990-11-02
Publication date: 1992-06-18

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】［産業上の利用分野コこの発明は、炭素繊維強化炭素複合材料の製造方法に関
するものであり、特に、電気泳動沈積を利用して炭素繊
維強化炭素複合材料を製造す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は、炭素繊維基材上に炭素を
付着さす、それを炭化焼成することにより、製造する。

炭素繊維基材上に炭素を付着する方法として、従来は主
に、ＣＶＤ法、液相含浸法を用いていた。

ＣＶＤ法は、減圧条件下、高温に熱した炭素繊維基材上
に炭化水素ガスを接触させ、炭素原子を炭素繊維基材上
に堆積させる方法である。

液相含浸法は、炭素繊維基材に液状レジン、溶融ピッチ
等のマトリックス材料を含浸させる方法である。液相含
浸法を用いて炭素繊維基材上に炭素を付着させた場合、
炭化焼成する際に、マトリックス材料中の揮発成分が抜
けることにより、炭素繊維強化炭素複合材料中に微細な
空孔を生じる。

したがって、材料強度を上げるために、液相含浸法を用
いた場合は、含浸焼成を繰り返す必要がある。

ＣＶＤ法、液相含浸法は、いずれも、複雑な方法である
。また、炭素繊維基材に炭素を付着させるのに長時間か
かる。これらのことは、炭素繊維強化炭素複合材料が高
価格となっている原因の１つとなっている。したがって
、炭素繊維強化炭素複合材料は、材料特性（高温強度、
化学的安定性等）が優れているにもかかわらず、現在実
用化されている分野は限られている。

一方、最近繊維強化を行なわない通常の炭素材料の製造
方法として、炭素質粉末を炭化焼成することにより製造
する方法が行なわれている。この方法は、既に熱処理を
行なったマトリックス材料を用いている。熱処理を行な
ったマトリックス材料は、揮発分が少ないため、高密度
の炭素材料を短時間に得ることができる。

この方法で用いる炭素質粉末を炭素繊維基材上に付着さ
せて焼成すれば、短時間で炭素繊維強化炭素複合材料を
製造することができる。しかし、炭素繊維基材上に炭素
粉末を付着させる方法としては次の２つの方法が考えら
れるが、これらの方法には問題があった。

１つは、炭素繊維基材と炭素粉末とを混ぜ合わせる方法
である。しかしこの方法においては、炭素粉末が炭素繊
維基材を傷付けるおそれがある。

他の１つは、炭素粉末を水に混ぜ、スラリー状（どろっ
とした液状）にし、その液に炭素繊維基材をつける方法
である。しかし、この方法においては、所望量の炭素粉
末を、炭素繊維基材上にしかも均一に付着させることが
困難である。

炭素繊維基材上に、炭素粉末を定量的に均一に付着させ
る方法として、いわゆる電気泳動沈積法がある。この方
法は、本願出願人と同一出願人がした特開昭６０−５４
９７４号公報に開示されている。この方法を簡単に説明
する。まず、担体が付着した炭素質粉末が分散している
液体を準備する。この液体に、炭素繊維基材と電極部材
とを浸漬する。担体は電気泳動性を有する。したがって
、炭素繊維基材と電極部材との間に直流電圧を印加する
と、担体は、炭素繊維基材に付着する。担体には、炭素
質粉末が付着しているので、炭素繊維基材上に炭素質粉
末を付着させることができる。

さらに、担体として熱硬化性樹脂を用いる方法がある。

この方法は、本願出願人と同一出願人がした特開昭６１
−２１９７３号公報に開示されている。熱硬化性樹脂は
、焼成すると炭素となるので、この方法によれば、さら
に、高密度な炭素繊維強化炭素複合材料を得られる。

電気泳動沈積法を用いた場合、担体の数を少なくすると
、炭素繊維基材上に炭素粉末を短時間で析出させること
ができる。しかし、担体の数が少ないと、炭素繊維基材
の場所によって、炭素粉末の付着量に差が生じ、むらの
ある炭素繊維強化炭素複合材料となってしまう。

一方、担体の数を多くすると、炭素繊維基材上に炭素粉
末を付着させるのに長時間を要する。しかし、担体の数
が多いと、炭素繊維基材上に均一に炭素粉末を付着させ
ることができ、均一な炭素繊維強化炭素複合材料を得ら
れる。このことを、具体的に説明していく。

たとえば、１０個の炭素質粉末を２個の担体で析出させ
る場合と、１０個の炭素質粉末を５個の担体で析出する
場合とを比較してみる。単位時間に炭素繊維基材上に付
着する担体の量は決まっている。担体が２個の場合は、
１個の担体で５個の炭素質粉末を運ぶ。担体が５個の場
合は、１個の担体で２個の炭素質粉末を運ぶ。したがっ
て、担体の数が少ない方が、短時間で、炭素繊維基材上
に炭素質粉末を析出させることができる。

担体が炭素繊維基材上に析出すると、担体は絶縁物に変
わる。このため、担体が析出した箇所には、さらに担体
または炭素質粉末が析出するということはない。一方、
炭素は導電性を有するので、炭素質粉末が析出したた箇
所には、さらに担体または炭素質粉末が析出する。した
がって、担体の数が少ないと、炭素繊維基材上に炭素質
粉末を均一に析出させることができない。

［発明が解決しようとする課題］炭素繊維強化炭素複合材料としては、当然、均一なもの
が好ましい。したがって、従来は担体の量を多くして、
炭素繊維基材上に炭素質粉末を析出させていた。しかし
、先はど説明したように、担体の量が多くなると、炭素
繊維基材上に炭素質粉末を析出させるのに長時間を要す
る。これにより、炭素繊維強化炭素複合材料の製造時間
が長くなる。

この発明はかかる従来の問題点を解決するためになされ
たものである。この発明の目的は、炭素繊維基材上に炭
素質粉末を均一に析出させることができ、かつ炭素繊維
基材上に炭素質粉末を短時間で析出させることができる
、炭素繊維強化炭素複合材料の製造方法を提供すること
である。

［課題を解決するための手段］この発明に従った炭素繊維強化炭素複合材料の製造方法
は以下の工程を備える。　　、液体中でイオン化するこ
とにより担体となる物質とエマルジョンタイプの樹脂と
が吸着している炭素質の粉末が分散している液体を作製
する。

次に、液体に、炭素繊維基材と電極部材とを浸漬する。

次に、炭素繊維基材と電極部材との間に直流電圧を印加
し、担体の電気泳動性を利用して、炭素繊維基材上に、
担体とエマルジョンタイプの樹脂とが吸着している炭素
質の粉末を、析出させる。

次に、炭素質の粉末が析出している炭素繊維基材を炭化
焼成する。

エマルジョンタイプ樹脂としては、親水基をもつ界面活
性剤を吸着させた熱可塑性樹脂、または、親水基をもつ
界面活性剤を吸着させた熱硬化性樹脂のうち、少なくと
もいずれか一方がある。

熱可塑性樹脂としては、ポリアミド樹脂又はポリエチレ
ン樹脂があり、熱硬化性樹脂としては、メラミン樹脂、
エポキシ樹脂、フラン樹脂、フェノール樹脂、ポリイミ
ド樹脂、ポリアミドイミド樹脂およびビスマレイミド樹
脂を含む群から選ばれた少なくとも１種以上がある。

担体となる物質としては、熱可塑性樹脂誘導体を改質し
電気泳動性を持たせたものまたは、熱硬化性樹脂誘導体
を改質し電気泳動性を持たせたもの、のうち少なくとも
いずれか一方がある。

炭素繊維基材としては、短繊維、長繊維、長繊維を束ね
た紐状のもの、織布、ペーパーおよび不織布を含む群か
ら選ばれた少なくとも１種以上がある。

［作用］エマルジョンタイプの樹脂は、絶縁性を有する。

このため、炭素質粉末にエマルジョンタイプの樹脂を吸
着させて、炭素繊維基材上に析出させると、その箇所に
は、新たに炭素質粉末は析出しない。

したがって、担体の量を少なくしても、炭素繊維基材上
に炭素質粉末を均一に析出させることができる。先はど
説明したように、担体の量が少ないと、炭素繊維基材上
に炭素質粉末を析出せさる時間を短くすることができる
。

樹脂のうちエマルジョンタイプの樹脂としたのは、エマ
ルジョンタイプの樹脂に水溶性があるからである。エマ
ルジョンタイプの樹脂を炭素粉末に付着させると、炭素
質粉末は液体中に均一に分散する。したがって、炭素質
粉末にエマルジョンタイプの樹脂を吸着させた場合は、
液体中の炭素質粉末を沈澱しにく（させる効果がある。

［実施例］（実施例１） ■　自己焼結性炭素粉末とエマルジョンタイプのメラミ
ン樹脂を重量比で３＝１の割合で混合した。これにより
、自己焼結性炭素粉末にエマルジョンタイプのメラミン
樹脂が吸着する。

■　上記粉末を、ポリアクリロニトリル系ｔｌＦ用樹脂
（電着用樹脂とは、電気泳動性を持たせた樹脂のことで
ある）および溶剤とよ（混練りした後、水に分散させ、
いわゆるアニオン系塗料分散状態とした。この状態で炭
素質粉末（エマルジョンタイプのメラミン樹脂を含む）
と電着用樹脂との比率を重量比で４＝１とした。

■　このアニオン系塗料に、ＰＡＮ系炭素炭素繊維織布
テンレス鋼板とを浸漬させた。ＰＡＮ系炭素炭素繊維織
布極とし、ステンレス鋼板を陰極とし、ＰＡＮ系炭素炭
素繊維織布テンレス鋼板との間に直流電圧を印加し、ア
ニオン系塗料を撹拌しながらＰＡＮ系炭素炭素繊維織布
上己焼結性炭素粉末、エマルジョンタイプのメラミン樹
脂、ポリアクリロニトリル系電着用樹脂を析出させた。

ＰＡＮ系炭素炭素繊維織布覆物（自己焼結性炭素粉末、
エマルジョンタイプのメラミン樹脂、ポリアクリロニト
リル系電着用樹脂）との重量比が１０＝１２となるよう
にした。電圧は、約５０Ｖにした。電着時間は、２分間
であった。

■　上記電着体を２００枚積層した。そして、温度２５
０℃、面圧カフ５ｋｇ／ｃｍ２、時間５０分で加圧成形
した。

■　この成形体の厚みを保持しながら３５０℃で９時間
加熱した。

■　この後、この成形体を不活性雰囲気中で昇温させな
がら加圧し炭素繊維強化炭素複合材料を得た。面圧力は
、６００ｋｇ／ｃｍ２であった。

昇温速度は、１０００℃までが３０℃／　ｈ　ｒで、２
０００℃までが１００℃／　ｈ　ｒであった。

■　電着に要した時間は、合計で６時間４０分であった
。なぜなら、１枚につき電着時間が２分かかるのを、２
００枚電着したからである。

（実施例２） ■　自己焼結性炭素粉末とエマルジョンタイプのエポキ
シ樹脂を重量比で５：２の割合で混合した。これにより
自己焼結性炭素粉末にエマルジョンタイプのエポキシ樹
脂が吸着する。

■　上記粉末をポリアクリロニトリル系電着用樹脂およ
び溶剤とよく混練りした後、水に分散させ、いわゆるア
ニオン系塗料分散状態とした。この状態で炭素質粉末（
エマルジョンタイプのエポキシ樹脂を含む）と電着用樹
脂との比率を重量比で４：１とした。

■　このアニオン系塗料に、ＰＡＮ系炭素炭素繊維織布
テンレス鋼板とを浸漬した。ＰＡＮ系炭素炭素繊維織布
極とし、ステンレス鋼板を陰極とし、ＰＡＮ系炭素炭素
繊維織布テンレス鋼板との間に直流電圧を印加し、アニ
オン系塗料を撹拌しながらＰＡＮ系炭素炭素繊維織布上
己焼結性炭素粉末、エマルジョンタイプのエポキシ樹脂
、ポリアクリロニトリル系電着用樹脂を析出させた。Ｐ
ＡＮ系炭素炭素繊維織布覆物（自己焼結性炭素粉末、エ
マルジョンタイプのエポキシ樹脂、ポリアクリロニトリ
ル系電着用樹脂）との重量比が１０＝１２となるように
した。電圧は約５０Ｖにした。

電着時間は、２分１０秒間であった。

■　この後、この成形体を不活性雰囲気中で昇温させな
がら加圧し、炭素繊維強化炭素複合材料を得た。面圧力
は、６００ｋｇ／ｃｍ２であった。

昇温速度は、１０００℃までが３０℃／　ｈ　ｒで、２
０００℃までが１００℃／ｈｒであった。

■　電着に要した時間は、合計７時間１３分２０秒であ
った。なぜなら、１枚につき電着時間が２分１０秒かか
るるのを、２００枚電着したからである。

（比較例） ■　自己焼結性炭素粉末をポリアクリロニトリル系電着
用樹脂および溶剤とよく混練りした後、水に分散させ、
いわゆるアニオン系塗料分散状態とした。この状態で炭
素質粉末と電着用樹脂との比率を重量比で１＝１とした
。

■　このアニオン系塗料中に、ＰＡＮ系炭素炭素繊維織
布テンレス鋼板とを浸漬した。ＰＡＮ系炭素炭素繊維織
布極とし、ステンレス鋼板を陰極とし、ＰＡＮ系炭素炭
素繊維織布テンレス鋼板との間に直流電圧を印加し、ア
ニオン系塗料を撹拌しながら、ＰＡＮ系炭素炭素繊維織
布上己焼結性炭素粉末、ポリアクリロニトリル系電着用
樹脂を析出させた。ＰＡＮ系炭素炭素繊維織布覆物（自
己焼結性炭素粉末、ポリアクリロニトリル系電着用樹脂
）との重量比が１０　：１２となるようにした。電圧は
約５０Ｖにした。電着時間は、１５分間であった。

■　上記電着体を２００枚積層した。そして、温度２５
０℃、面圧カフ　５　ｋ　ｇ　／　ｃ　ｍ　２、時間５
０分で加圧成形した。

■　この後、この成形体を不活性雰囲気中で不活性雰囲
気を昇温させながら加圧し、炭素繊維強化炭素複合材料
を得た。面圧力は、６００ｋｇ／Ｃｍ２であった。昇温
速度は、１０００℃までが３０℃／ｈｒで、２０００℃
までが１００℃／ｈｒであった。

■　電着に要した時間は、合計５０時間であった。なぜ
なら、１枚につき電着時間が１５分かかるのを２００枚
電着したからである。

実施例１、実施例２、比較例における電着時間を比較す
ればわかるように、実施例１および実施例２は、比較例
と比べ、電着時間を大幅に短縮することができる。した
がって、実施例１、実施例２を用いて炭素繊維強化炭素
複合材料を製造すれば、製造時間を短縮することができ
る。

実施例１、実施例２によれば、自己焼結性炭素粉末、エ
マルジョンタイプの樹脂、電着用樹脂、溶剤を混練りし
たものを、水に分散させている。

しかしながら、この発明においてはこれに限定されるわ
けではなく、水辺外の溶媒に分散させてもよい。この場
合、エマルジョンタイプの樹脂は、この溶媒中に分散す
るものでなければならない。

実施例１、実施例２によれば、自己焼結性炭素粉末とエ
マルジョンタイプの樹脂とを混合した後、水に分散させ
ている。しかしながら、この発明においてはこれに限定
されるわけではなく、水に自己焼結性炭素粉末とエマル
ジョンタイプの樹脂と電着用樹脂とを入れ、撹拌するこ
とにより、電着液を作製してもよい。

実施例１、実施例２によれば、炭素質の粉末として自己
焼結性炭素粉末を用いている。しかしながら、この発明
においてはこれに限定されるわけではなく、黒鉛粉末、
カーボン粉末を用いてもよい。

［効果コこの発明に従った炭素繊維強化炭素複合材料の製造方法
においては、炭素質粉末にエマルジョンタイプの樹脂を
吸着させている。したがって担体の数を少なくしても炭
素繊維基材上に炭素質粉末を均一に析出させることがで
きる。担体の数を少なくすると炭素質粉末を析出させる
時間が短くなるので、炭素繊維強化炭素複合材料の製造
時間を短くすることができる。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）液体中でイオン化することにより担体となる物質
とエマルジョンタイプの樹脂とが吸着している炭素質の
粉末が分散している液体を作製する工程と、前記液体に、炭素繊維基材と電極部材とを浸漬する工程
と、前記炭素繊維基材と前記電極部材との間に直流電圧を印
加し、前記担体の電気泳動性を利用して、前記炭素繊維
基材上に、前記担体と前記エマルジョンタイプの樹脂と
が吸着している前記炭素質の粉末を、析出させる工程と
、前記炭素質の粉末が析出している前記炭素繊維基材を炭
化焼成する工程と、を備えた、炭素繊維強化炭素複合材料の製造方法。
（２）前記エマルジョンタイプの樹脂は、親水基をもつ
界面活性剤を吸着させた熱可塑性樹脂または、親水基を
もつ界面活性剤を吸着させた熱硬化性樹脂のうち、少な
くともいずれか一方である、請求項１に記載の炭素繊維
強化炭素複合材料の製造方法。
（３）前記熱可塑性樹脂は、ポリアミド樹脂又はポリエ
チレン樹脂であり、前記熱硬化性樹脂は、メラミン樹脂、エポキシ樹脂、フ
ラン樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミ
ドイミド樹脂およびビスマレイミド樹脂を含む群から選
ばれた少なくとも１種以上である、請求項２に記載の炭
素繊維強化炭素複合材料の製造方法。
（４）前記物質は、熱可塑性樹脂誘導体を改質し電気泳
動性を持たせたもの、または熱硬化性樹脂誘導体を改質
し、電気泳動性を持たせたもの、のうち少なくともいず
れか一方である、請求項１に記載の炭素繊維強化炭素複
合材料の製造方法。
（５）前記炭素繊維基材は、短繊維、長繊維、長繊維を
束ねた紐状のもの、織布、ペーパーおよび不織布を含む
群から選ばれた少なくとも１種以上である、請求項１に
記載の炭素繊維強化炭素複合材料の製造方法。