Ｃ／Ｃコンポジット材及びその製造方法
【課題】曲げ強度や層間せん断強度の向上を図りつつ、常温での積層方向の熱伝導度を向上させることができるＣ／Ｃコンポジット材及びその製造方法を提供する。
【解決手段】炭素繊維一方向クロス１１、１２とフェルト１０とを有する層状体１が２以上積層された積層体を有し、且つ、当該積層体の内部に気相熱分解炭素から成るマトリックス成分が含まれたＣ／Ｃコンポジット材であって、上記炭素繊維一方向クロス１１における炭素繊維の延設方向は、炭素繊維一方向クロス１２における炭素繊維の延設方向とは直角を成すように配置されており、且つ、ニードルパンチにより、積層体の積層方向にはフェルト１０の炭素繊維が配されている。
【解決手段】炭素繊維一方向クロス１１、１２とフェルト１０とを有する層状体１が２以上積層された積層体を有し、且つ、当該積層体の内部に気相熱分解炭素から成るマトリックス成分が含まれたＣ／Ｃコンポジット材であって、上記炭素繊維一方向クロス１１における炭素繊維の延設方向は、炭素繊維一方向クロス１２における炭素繊維の延設方向とは直角を成すように配置されており、且つ、ニードルパンチにより、積層体の積層方向にはフェルト１０の炭素繊維が配されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＣ／Ｃコンポジット材及びその製造方法に関し、特に、曲げ強度や層間せん断強度を低下させることなく、常温での積層方向の熱伝導度を向上させることができるＣ／Ｃコンポジット材及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
Ｃ／Ｃコンポジット材は炭素の持つ耐食性、耐熱性に加え、炭素繊維との複合化により、高強度、高靱性を持つに至っている。またＣ／Ｃコンポジット材は、炭素の比重が小さいことから、金属に比べ軽量であることも特徴である。このような特徴から、航空宇宙用、半導体及び太陽電池パネル製造用、原子力用諸材料、金属熱処理治具用途等に使用することが検討されており、これらの用途に用いる場合には、高強度であることの他に、高い熱伝導性が要求される。特に大面積のものを支持することが必要な場合には、Ｃ／Ｃコンポジット材の積層方向における熱伝導率を向上させることが必要となる場合が多くある。
【０００３】
ここで、Ｃ／Ｃコンポジット材の高強度化と高熱伝導性とを図るため、例えば、炭素質フェルト内部に熱分解炭素が含浸させることによって熱伝導率の向上を図り、かさ密度を規制することによって強度の向上を図っている（下記特許文献１参照）。
また、目的は異なるが、Ｃ／Ｃコンポジット材の強度特性と熱伝導率との最適化を図るため、曲げ強度と、積層方向の熱伝導率とを規制するような提案がなされている（下記特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−３０６１６８号公報
【特許文献２】特開２００２−２５５６６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、積層方向と垂直方向の熱伝導度を向上させることはできるが、積層方向の熱伝導度を向上させることは困難である。また、単に、かさ密度を規制するだけでは、Ｃ／Ｃコンポジット材の強度を十分に高めることはできない。
また、特許文献２に記載の技術では、低温（常温）での熱伝導率を所望の値にまで向上させることはできない。
【０００６】
そこで本発明は、曲げ強度や層間せん断強度の向上を図りつつ、常温での積層方向の熱伝導度を向上させることができるＣ／Ｃコンポジット材及びその製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は上記目的を達成するために、連続繊維を用いた層状体、チョップド繊維を用いた層状体、２Ｄ織布、及び、フェルトを用いた層状体から成る原料群から選択される炭素繊維を含む少なくとも２以上の原料が積層された積層体を有し、且つ、当該積層体の内部にマトリックス成分を含むＣ／Ｃコンポジット材であって、常温において、曲げ強度が１００ＭＰａ以上で、且つ、積層方向の熱伝導度が３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とする。
上記構成であれば、曲げ強度の向上を図りつつ、常温での積層方向の熱伝導度を向上させることができる。
ここで、連続繊維を用いた層状体とは、例えば面方向両端に至るまで一方向に配置された一体の長炭素繊維を平行に並べて形成させた層状体をいい、チョップド繊維を用いた層状体とは、例えば短炭素繊維を二次元でランダムに隙間無く薄く面状に敷き詰めて、プレスして層状体としたものをいい、２Ｄ織布とは、例えば長炭素繊維を平行に配置して短冊状に形成したトウを縦横に配置し、該トウを互いに交差させて織布状に形成したものをいい、フェルトを用いた層状体とは、例えば短炭素繊維を三次元にランダムに集合させ、ある程度の圧力でプレスして層状体としたものをいう。
【０００８】
また、本発明は上記目的を達成するために、連続繊維を用いた層状体、チョップド繊維を用いた層状体、２Ｄ織布、及び、フェルトを用いた層状体から成る原料群から選択される炭素繊維を含む少なくとも２以上の原料が積層された積層体を有し、且つ、当該積層体の内部にマトリックス成分を含むＣ／Ｃコンポジット材であって、層間せん断強度が１０ＭＰａ以上で、且つ積層方向の熱伝導度が３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とする。
上記構成であれば、層間せん断強度の向上を図りつつ、常温での積層方向の熱伝導度を向上させることができる。
【０００９】
上記マトリックス成分の一部もしくは全部が、気相熱分解炭素又はピッチ由来の炭素により構成されることが望ましい。
このような構成であればマトリックスを容易に作製でき、曲げ強度や層間せん断強度の更なる向上、及び、常温における積層方向の熱伝導度の更なる向上を図ることができる。
【００１０】
上記積層体の積層方向に炭素繊維が配されていることが望ましい。
このような構成であれば、炭素繊維により熱伝導がなされるため、常温における積層方向の熱伝導度を一層向上させることができる。
【００１１】
本発明は上記目的を達成するために、連続繊維から成るクロスを２枚以上とフェルトとを有する炭素繊維を含む層状体が２以上積層された構造の積層体を有し、且つ、当該積層体の内部にマトリックス成分を含むＣ／Ｃコンポジット材であって、上記クロスの繊維は、積層方向とは垂直の平面内における１方向に延設され、且つ、上記層状体における少なくとも１のクロスは他のクロスと異なる方向に繊維が延設され、しかも、上記フェルトの繊維の一部は、上記クロスを積層方向に貫通していることを特徴とする。
上記構成であれば、曲げ強度と層間せん断強度（以下、両強度と称するときがある）の高い連続繊維から成るクロスが存在しているので、Ｃ／Ｃコンポジット材の両強度を高めることができる。また、熱伝導度の高いフェルトの繊維の一部がクロスを積層方向に貫通していることにより、Ｃ／Ｃコンポジット材において、常温での積層方向の熱伝導度を向上させることができる。更に、フェルトの繊維がクロスを積層方向に貫通することにより、各層が強固に結合されるので、Ｃ／Ｃコンポジット材の両強度を一層高めることができる。また、層状体における少なくとも１のクロスは他のクロスと異なる方向に繊維が延設されているので、一方向ではなく、多方向において、Ｃ／Ｃコンポジット材の両強度を高めることができる。加えて、積層体の内部にマトリックス成分を含んでいるので、Ｃ／Ｃコンポジット材の両強度を更に高めることができる。
【００１２】
上記１のクロスにおける繊維の延設方向と上記他のクロスにおける繊維の延設方向とが、直角となるように構成されることが望ましい。
１の繊維の延設方向は他の繊維の延設方向とは直角となるように構成されていれば、何れの方向においても、Ｃ／Ｃコンポジット材の両強度を高めることができる。
【００１３】
上記マトリックス成分の一部もしくは全部が、気相熱分解炭素又はピッチ由来の炭素により構成されることが望ましい。
このような構成が望ましいのは、上述した理由と同様の理由である。
【００１４】
本発明は上記目的を達成するために、連続繊維を用いた層状体、チョップド繊維を用いた層状体、２Ｄ織布、及び、フェルトを用いた層状体から成る原料群から選択される少なくとも２以上の原料が積層された積層体を作製するステップと、ニードルパンチを用いて、積層体の積層方向に炭素繊維を配するステップを有する、上記積層体の内部にマトリックス成分を配置するステップと、を有することを特徴とする。
このような方法であれば、上記Ｃ／Ｃコンポジット材を容易に作製することができる。また、ニードルパンチを用いれば、積層体の積層方向に炭素繊維を容易に配することができるので、常温における積層方向の熱伝導度の向上を低コストで実施することができ、しかも、各層が強固に結合されるので、Ｃ／Ｃコンポジット材の強度が高くなる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、曲げ強度や層間せん断強度の向上を図りつつ、常温での積層方向の熱伝導度を向上させることができるといった優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に用いる層状体の分解斜視図である。
【図２】本発明に用いる炭素繊維質プリフォームの分解斜視図である。
【図３】本発明材料Ａ１〜Ａ５及び比較材料Ｚ１〜Ｚ３における熱伝導率と曲げ強度との関係を示すグラフである。
【図４】本発明材料Ａ１〜Ａ５及び比較材料Ｚ１〜Ｚ３における層間せん断強度と熱伝導率との関係を示すグラフである。
【図５】本発明に用いる層状体の変形例を示す分解斜視図である。
【図６】本発明に用いる層状体の他の変形例を示す分解斜視図である。
【図７】本発明に用いる層状体の更に他の変形例を示す分解斜視図である。
【図８】本発明に用いる積層体の変形例を示す分解斜視図である。
【図９】本発明に用いる積層体の他の変形例を示す分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態を以下に説明する。
先ず、ＰＡＮ系炭素繊維トウ(単繊維直径約７μｍ、引っ張り強度約５ＧＰａ、フィラメント数約１２０００本)を作製した後、ナイロン繊維を用いて、複数のＰＡＮ系炭素繊維トウを筏状に束ねることにより炭素繊維一方向クロスを作製した。この炭素繊維一方向クロスは曲げ強度は高く、ＰＡＮ系炭素繊維トウの延設方向における熱伝導率は高いが、これを積層した場合には隣接する炭素繊維一方向クロス同士の積層方向の熱伝導度は低くなる。
これと並行して、上記同じＰＡＮ系炭素繊維を約２５ｍｍにカットし、炭素繊維がランダムに配向したフェルト（かさ密度：約０．１ｇ／ｃｍ３）を作製した。このフェルトにマトリックス成分を含浸させたＣ／Ｃコンポジットは曲げ強度等には劣っているが、あらゆる方向において熱伝導度は高い。
【００１８】
次に、図１に示すように、２枚の上記フェルト１０と、２枚の上記炭素繊維一方向クロス１１、１２とを、上から順に、フェルト１０、炭素繊維一方向クロス１２、フェルト１０、炭素繊維一方向クロス１１を積層して層状体１を作製した。この際、一の炭素繊維一方向クロス１１における炭素繊維の延設方向は、他の炭素繊維一方向クロス１２における炭素繊維の延設方向とは直角を成すように配置されている。このように炭素繊維一方向クロス１１、１２を配置することにより、Ｃ／Ｃコンポジット材を作製した際に、両方向（図１のＡ方向とＢ方向）における曲げ強度の向上を図ることができる。
【００１９】
次いで、図２に示すように、上記層状体１を８枚積層した後、逆とげを有する針を全層に貫通させることにより、ニードルパンチを施してフェルトの炭素繊維により絡合することにより各層を結合し、これによって、厚さ約１０ｍｍ、かさ密度約０．６ｇ／ｃｍ３の炭素繊維質プリフォーム（積層体であって、以下、２．５Ｄプリフォームと称するときがある）を作製した。尚、上記ニードルパンチにより、直径０．３〜０．６ｍｍの開口孔が平均約２ｍｍ間隔で設けられた。このように、ニードルパンチを施せば、フェルトの炭素繊維が炭素繊維一方向クロスを積層方向に貫通するように配されるので、常温での積層方向の熱伝導度を向上させることができる。加えて、各層が強固に結合されるので、Ｃ／Ｃコンポジット材の曲げ強度と層間せん断強度とを高めることができる。
【００２０】
しかる後、上記２．５ＤプリフォームをＣＶＩ処理した。具体的には、温度が約１０００℃で、圧力が１０Ｔｏｒｒの条件下、水素とプロパンとの混合気流中(水素とプロパンとの体積比は、約９０：１０となっている)に、上記２．５Ｄプリフォームを約１０００時間保持することにより、マトリックス成分である気相熱分解炭素を２．５Ｄプリフォーム内に沈積させた。これにより、かさ密度が約１．７ｇ／ｃｍ３まで高められたＣ／Ｃコンポジット材が得られた。最後に、Ｃ／Ｃコンポジット材を約２０００℃で熱処理した。尚、当該Ｃ／Ｃコンポジット材の厚さは約１０ｍｍであった。
【００２１】
尚、上記実施形態においては、炭素繊維質プリフォームは約１０ｍｍと比較的厚みの小さいものであるため、ニードルパンチにより針を全層に貫通させているが、全層に針を貫通させるのが困難な程に厚みの大きい炭素繊維質プリフォームを形成する際には、ある程度の数の層状体を重ねてニードルパンチを施し、更に層状体を重ねてニードルパンチを施す工程を繰り返すことで、フェルトの繊維を積層方向に貫通させるようにしてもよい。
【実施例】
【００２２】
（実施例１）
実施例１としては、上記形態で示したＣ／Ｃコンポジット材を用いた。
このようにして作製したＣ／Ｃコンポジット材を、以下、本発明材料Ａ１と称する。
【００２３】
（実施例２）
２．５Ｄプリフォーム中のナイロン繊維を除去するため、２．５Ｄプリフォーム作製後ＣＶＩ処理前に、窒素雰囲気下約１０００℃で約１時間の熱処理を行なった以外は、上記実施例１と同様にしてＣ／Ｃコンポジット材を作製した。
このようにして作製したＣ／Ｃコンポジット材を、以下、本発明材料Ａ２と称する。
【００２４】
（実施例３)
アチェソン黒鉛化炉を用いて、Ｃ／Ｃコンポジット材に更に熱処理（約３０００℃で約２４時間）を施した以外は、上記実施例１と同様にしてＣ／Ｃコンポジット材を作製した。
このようにして作製したＣ／Ｃコンポジット材を、以下、本発明材料Ａ３と称する。
【００２５】
（実施例４)
アチェソン黒鉛化炉を用いて、Ｃ／Ｃコンポジット材に更に熱処理（約３０００℃で約２４時間）を施した以外は、上記実施例２と同様にしてＣ／Ｃコンポジット材を作製した。
このようにして作製したＣ／Ｃコンポジット材を、以下、本発明材料Ａ４と称する。
【００２６】
（実施例５)
２．５Ｄプリフォームにマトリックスを形成する際、気相熱分解炭素を用いずピッチ由来の炭素を用いた以外は、上記実施例１と同様にしてＣ／Ｃコンポジット材を作製した。
具体的には、上記実施例１と同様の２．５Ｄプリフォームにフェノール樹脂を含浸し、窒素雰囲気中約１０００℃で約１時間焼成して低密度のＣ／Ｃコンポジット材を得た。次に、この低密度のＣ／Ｃコンポジット材に石炭ピッチを含浸して約１０００℃で約１時間焼成するという工程を５回繰り返すことにより、かさ密度が約１．６ｇ／ｃｍ３まで高められたＣ／Ｃコンポジット材を得た。最後に、これを約２０００℃で約１時間熱処理した。尚、上述の如く、２．５Ｄプリフォームに石炭ピッチを含浸して焼成するという工程を繰り返しているので、マトリックス成分は主にピッチ由来の炭素により構成されることになる。
このようにして作製したＣ／Ｃコンポジット材を、以下、本発明材料Ａ５と称する。
【００２７】
（比較例１)
先ず、約１２０００本の炭素繊維フィラメントからなるトウを用いて平織りクロス作製し、これにフェノール樹脂を含浸し、積層後に熱盤プレスで成形して積層体（低密度のＣ／Ｃコンポジット材であって、以下、２Ｄクロスの積層体と称することがある）を得た。次に、この積層体を窒素雰囲気中約１０００℃で約１時間焼成した後、石油ピッチを含浸して約１０００℃で約1時間焼成するという工程を５回繰り返すことにより、かさ密度が約１．６ｇ／ｃｍ３まで高められたＣ／Ｃコンポジット材を得た。最後に、これを約２０００℃で約1時間熱処理した。
このようにして作製したＣ／Ｃコンポジット材を、以下、比較材料Ｚ１と称する。
【００２８】
（比較例２)
アチェソン黒鉛化炉を用いて、Ｃ／Ｃコンポジット材に更に熱処理（約３０００℃で約１時間）を施した以外は、上記比較例１と同様にしてＣ／Ｃコンポジット材を作製した。
このようにして作製したＣ／Ｃコンポジット材を、以下、比較材料Ｚ２と称する。
【００２９】
（比較例３)
実施例１で用いた層状体を４０枚積層した積層体をニードルパンチせずに、間隔を約１０ｍｍとした２枚の金属板間に挟んだ後、フェノール樹脂を含浸し、更に硬化させて、厚さ約１０ｍｍの積層体を得た。この積層体を、窒素雰囲気中約１０００℃で約１時間焼成し、低密度のＣ／Ｃコンポジットを作製した。これに、石炭ピッチを含浸して約１０００℃で約１時間焼成するという工程を５回繰り返すことにより、かさ密度が約１．６ｇ／ｃｍ３まで高められたＣ／Ｃコンポジット材を得た。最後に、これを約２０００℃で約1時間熱処理した。
このようにして作製したＣ／Ｃコンポジット材を、以下、比較材料Ｚ３と称する。
【００３０】
（実験）
上記本発明材料Ａ１〜Ａ５及び比較材料Ｚ１〜Ｚ３のかさ密度と、曲げ強度と、層間せん断強度（ＩＬＳＳ）と、積層方向の熱伝導率（以下、熱伝導率⊥と表示することがある）と、平面方向の熱伝導率（積層方向と垂直方向の熱伝導率であって、以下、熱伝導率//と表示することがある）とを、以下に示す方法により調べたので、その結果を表１に示す。尚、実験は常温（２３℃）で行った。また、これら材料の曲げ強度と熱伝導率⊥との関係、及び、熱伝導率⊥と層間せん断強度との関係について、それぞれ図３及び図４に示す。
【００３１】
〔曲げ強度〕
長さ６０ｍｍ、幅１０ｍｍ、高さ３ｍｍ(積層方向を高さとする)である直方体形状のテストピースを準備し、スパン間距離４０ｍｍ、クロスヘッドスピードを０．５ｍｍ／分として３点曲げ試験を行い、最大荷重より下記（１）式を用いて曲げ強度を算出した。
曲げ強度＝３ＰＬ／（２ｗｈ２）・・・（１）
尚、（１）式において、Ｐは荷重、Ｌはスパン間距離、ｗは幅、ｈは高さである。
【００３２】
〔ＩＬＳＳ（層間せん断強度）〕
長さ５０ｍｍ、幅１０ｍｍ、高さ６ｍｍ(積層方向を高さとする)である直方体形状のテストピースを準備し、スパン間距離３０ｍｍ、クロスヘッドスピードを０．５ｍｍ／分として３点曲げ試験を行い、最大荷重より下記（２）式を用いて層間せん断強度を算出した。
ＩＬＳＳ=３Ｐ／（４ｗｈ）・・・（２）
尚、（２）式において、Ｐは荷重、ｗは幅、ｈは高さである。
【００３３】
〔熱伝導率⊥、熱伝導率//〕
直径約１０φ、厚さ３ｍｍ(測定方向は厚さ方向)のテストピースを準備し、レーザーフラッシュ法を用いて熱拡散率を測定した。これと、かさ密度、比熱（黒鉛の値を使用した。尚、出典は、ＪＡＮＡＦ Ｔｈｅｒｍｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔａｂｌｅｓ,３ｒｄｅｄ．等である）を乗ずることにより熱伝導率を算出した。
【００３４】
【表１】
【００３５】
＜表１に示す結果の考察＞
２．５ＤプリフォームにＣＶＩ処理を施して緻密化した本発明材料Ａ１、Ａ２は、曲げ強度が１００Ｍｐａ以上、層間せん断強度が１０ＭＰａ以上、熱伝導率⊥が３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上となっていることが認められる。
また、それぞれ約３０００℃の熱処理（黒鉛化処理）を加えた点において本発明材料Ａ１、Ａ２と異なる本発明材料Ａ３、Ａ４は、本発明材料Ａ１、Ａ２に比べて、曲げ強度と層間せん断強度とが若干が低下している（但し、曲げ強度が１００Ｍｐａ以上で、層間せん断強度が１０ＭＰａ以上である）が、両熱伝導率（熱伝導率⊥と熱伝導率//）については、本発明材料Ａ１、Ａ２に比べて大幅に向上していることが認められる。
【００３６】
更に、マトリックス成分をピッチ由来の炭素で構成した点において本発明材料Ａ１とは異なる本発明材料Ａ５は、本発明材料Ａ１に比べて、両熱伝導率が若干低下している（但し、熱伝導率⊥が３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上ではある）が、曲げ強度と層間せん断強度とについては本発明材料Ａ１と略同等となっていることが認められる。
以上のことから、本発明材料Ａ１〜Ａ５では、全て、曲げ強度が１００Ｍｐａ以上、層間せん断強度が１０ＭＰａ以上、熱伝導率⊥が３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上となっていることがわかる。
【００３７】
これに対して、２．５Ｄプリフォームの代わりに２Ｄクロスの積層体を用いた点において本発明材料Ａ１と異なる比較材料Ｚ１、Ｚ２では、曲げ強度は１００Ｍｐａ以上であるが、両者共に熱伝導率⊥が３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満であり、更に、比較材料Ｚ２では層間せん断強度も１０ＭＰａ未満となっていることが認められる。
また、プリフォームの形成においてニードルパンチを施していない点において本発明材料Ａ５と異なる比較材料Ｚ３では、曲げ強度は１００Ｍｐａ以上であるが、熱伝導率⊥が３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満であり、層間せん断強度も１０ＭＰａ未満となっていることが認められる。
【００３８】
以上のことから、曲げ強度が１００ＭＰａ以上で、且つ、積層方向の熱伝導度が３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である、或いは、層間せん断強度が１０ＭＰａ以上で、且つ積層方向の熱伝導度が３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であるためには、本発明のような構成とするのが望ましいことがわかる。尚、このことは、図３及び図４から明らかである。
【００３９】
（その他の事項）
（１）上記層状体１としては上記の構造に限定するものではなく、例えば図５に示すように、一の炭素繊維一方向クロス１１における炭素繊維の延設方向は、他の炭素繊維一方向クロス１２における炭素繊維の延設方向とは直角でなくても良い。
また、図６に示すように、炭素繊維一方向クロス１１，１２，１３を３枚配置し、これらの炭素繊維の延設方向をそれぞれ異ならしめても良い（図６では、隣接する炭素繊維一方向クロスにおける炭素繊維の延設方向の成す角度は６０°となっている）。
更に、図７に示すように、一の方向（例えば、図７ではＡ方向）における強度が特に必要とされる場合には、炭素繊維一方向クロス１１，１２における炭素繊維の延設方向を共にＡ方向とし、炭素繊維一方向クロス１３のみをＡ方向以外の方向としても良い。
加えて、層状体１におけるフェルト１０は、上記の如く１枚に限定するものではなく、２枚以上であっても良く、また図１に示したような炭素繊維一方向クロスとフェルトとを交互に積層する形態としても良い。
【００４０】
（２）積層体２としては、上述した構造のものに限定するものではなく、例えば図８に示すように、２．５Ｄプリフォームから成る積層体２１、２１間に２Ｄ織布２２を配置する構造や、図９に示すように、２．５Ｄプリフォームから成る積層体２１の一方の面に２Ｄ織布２２を配置する構造であっても良い。更には、積層体２としては、連続繊維を用いた層状体、チョップド繊維を用いた層状体、２Ｄ織布、及び、フェルトを用いた層状体から成る原料群から選択される少なくとも２以上の原料が積層されたもので、曲げ強度が１００ＭＰａ以上で且つ積層方向の熱伝導度が３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、或いは、層間せん断強度が１０ＭＰａ以上で且つ積層方向の熱伝導度が３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であれば、如何なる構造であっても良い。
【００４１】
（３）炭素繊維トウ及び炭素繊維フェルトを構成する単繊維の直径は、上述のように限定されるものではないが、５〜２０μｍ程度であることが好ましい。単繊維の直径が５μｍ未満であると、単繊維一本当たりの強度が低くなり過ぎ、強度が低下するという不都合が生じることがある一方、単繊維の直径が２０μｍを超えると、取り扱い時やニードルパンチ時などで繊維が折損し易くなるという不都合が生じることがある。
また、炭素繊維フェルトの炭素繊維長は、１０〜１００ｍｍ程度であることが好ましい。炭素繊維長が１０ｍｍ未満であると、繊維同士が絡みにくく繊維集合体としてのフェルトの形状が形成されにくいという不都合が生じることがある一方、炭素繊維長が１００ｍｍを超えると、繊維同士が絡まり過ぎて逆にフェルトの製造が困難になるという不都合が生じることがある。
【００４２】
（４）ニードルパンチにより形成される孔の大きさは、上述のように限定されるものではないが、直径が０．１〜１．０ｍｍ程度であることが好ましい。孔の直径が０．１ｍｍ未満であると、フェルトの繊維がクロスを積層方向に貫通する量が少なくなって、常温での積層方向の熱伝導度を十分に向上させることができないおそれがある一方、孔の直径が１．０ｍｍを超えると、孔の面積が大きくなり過ぎて、Ｃ／Ｃコンポジット材の強度低下を招くおそれがある。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明のＣ／Ｃコンポジット材は、航空宇宙用、半導体及び太陽電池パネル製造用、原子力用諸材料、金属熱処理治具用途等に用いることができる。
【符号の説明】
【００４４】
１ 層状体
１０ フェルト
１１ 炭素繊維一方向クロス
１２ 炭素繊維一方向クロス
【技術分野】
【０００１】
本発明はＣ／Ｃコンポジット材及びその製造方法に関し、特に、曲げ強度や層間せん断強度を低下させることなく、常温での積層方向の熱伝導度を向上させることができるＣ／Ｃコンポジット材及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
Ｃ／Ｃコンポジット材は炭素の持つ耐食性、耐熱性に加え、炭素繊維との複合化により、高強度、高靱性を持つに至っている。またＣ／Ｃコンポジット材は、炭素の比重が小さいことから、金属に比べ軽量であることも特徴である。このような特徴から、航空宇宙用、半導体及び太陽電池パネル製造用、原子力用諸材料、金属熱処理治具用途等に使用することが検討されており、これらの用途に用いる場合には、高強度であることの他に、高い熱伝導性が要求される。特に大面積のものを支持することが必要な場合には、Ｃ／Ｃコンポジット材の積層方向における熱伝導率を向上させることが必要となる場合が多くある。
【０００３】
ここで、Ｃ／Ｃコンポジット材の高強度化と高熱伝導性とを図るため、例えば、炭素質フェルト内部に熱分解炭素が含浸させることによって熱伝導率の向上を図り、かさ密度を規制することによって強度の向上を図っている（下記特許文献１参照）。
また、目的は異なるが、Ｃ／Ｃコンポジット材の強度特性と熱伝導率との最適化を図るため、曲げ強度と、積層方向の熱伝導率とを規制するような提案がなされている（下記特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−３０６１６８号公報
【特許文献２】特開２００２−２５５６６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、積層方向と垂直方向の熱伝導度を向上させることはできるが、積層方向の熱伝導度を向上させることは困難である。また、単に、かさ密度を規制するだけでは、Ｃ／Ｃコンポジット材の強度を十分に高めることはできない。
また、特許文献２に記載の技術では、低温（常温）での熱伝導率を所望の値にまで向上させることはできない。
【０００６】
そこで本発明は、曲げ強度や層間せん断強度の向上を図りつつ、常温での積層方向の熱伝導度を向上させることができるＣ／Ｃコンポジット材及びその製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は上記目的を達成するために、連続繊維を用いた層状体、チョップド繊維を用いた層状体、２Ｄ織布、及び、フェルトを用いた層状体から成る原料群から選択される炭素繊維を含む少なくとも２以上の原料が積層された積層体を有し、且つ、当該積層体の内部にマトリックス成分を含むＣ／Ｃコンポジット材であって、常温において、曲げ強度が１００ＭＰａ以上で、且つ、積層方向の熱伝導度が３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とする。
上記構成であれば、曲げ強度の向上を図りつつ、常温での積層方向の熱伝導度を向上させることができる。
ここで、連続繊維を用いた層状体とは、例えば面方向両端に至るまで一方向に配置された一体の長炭素繊維を平行に並べて形成させた層状体をいい、チョップド繊維を用いた層状体とは、例えば短炭素繊維を二次元でランダムに隙間無く薄く面状に敷き詰めて、プレスして層状体としたものをいい、２Ｄ織布とは、例えば長炭素繊維を平行に配置して短冊状に形成したトウを縦横に配置し、該トウを互いに交差させて織布状に形成したものをいい、フェルトを用いた層状体とは、例えば短炭素繊維を三次元にランダムに集合させ、ある程度の圧力でプレスして層状体としたものをいう。
【０００８】
また、本発明は上記目的を達成するために、連続繊維を用いた層状体、チョップド繊維を用いた層状体、２Ｄ織布、及び、フェルトを用いた層状体から成る原料群から選択される炭素繊維を含む少なくとも２以上の原料が積層された積層体を有し、且つ、当該積層体の内部にマトリックス成分を含むＣ／Ｃコンポジット材であって、層間せん断強度が１０ＭＰａ以上で、且つ積層方向の熱伝導度が３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とする。
上記構成であれば、層間せん断強度の向上を図りつつ、常温での積層方向の熱伝導度を向上させることができる。
【０００９】
上記マトリックス成分の一部もしくは全部が、気相熱分解炭素又はピッチ由来の炭素により構成されることが望ましい。
このような構成であればマトリックスを容易に作製でき、曲げ強度や層間せん断強度の更なる向上、及び、常温における積層方向の熱伝導度の更なる向上を図ることができる。
【００１０】
上記積層体の積層方向に炭素繊維が配されていることが望ましい。
このような構成であれば、炭素繊維により熱伝導がなされるため、常温における積層方向の熱伝導度を一層向上させることができる。
【００１１】
本発明は上記目的を達成するために、連続繊維から成るクロスを２枚以上とフェルトとを有する炭素繊維を含む層状体が２以上積層された構造の積層体を有し、且つ、当該積層体の内部にマトリックス成分を含むＣ／Ｃコンポジット材であって、上記クロスの繊維は、積層方向とは垂直の平面内における１方向に延設され、且つ、上記層状体における少なくとも１のクロスは他のクロスと異なる方向に繊維が延設され、しかも、上記フェルトの繊維の一部は、上記クロスを積層方向に貫通していることを特徴とする。
上記構成であれば、曲げ強度と層間せん断強度（以下、両強度と称するときがある）の高い連続繊維から成るクロスが存在しているので、Ｃ／Ｃコンポジット材の両強度を高めることができる。また、熱伝導度の高いフェルトの繊維の一部がクロスを積層方向に貫通していることにより、Ｃ／Ｃコンポジット材において、常温での積層方向の熱伝導度を向上させることができる。更に、フェルトの繊維がクロスを積層方向に貫通することにより、各層が強固に結合されるので、Ｃ／Ｃコンポジット材の両強度を一層高めることができる。また、層状体における少なくとも１のクロスは他のクロスと異なる方向に繊維が延設されているので、一方向ではなく、多方向において、Ｃ／Ｃコンポジット材の両強度を高めることができる。加えて、積層体の内部にマトリックス成分を含んでいるので、Ｃ／Ｃコンポジット材の両強度を更に高めることができる。
【００１２】
上記１のクロスにおける繊維の延設方向と上記他のクロスにおける繊維の延設方向とが、直角となるように構成されることが望ましい。
１の繊維の延設方向は他の繊維の延設方向とは直角となるように構成されていれば、何れの方向においても、Ｃ／Ｃコンポジット材の両強度を高めることができる。
【００１３】
上記マトリックス成分の一部もしくは全部が、気相熱分解炭素又はピッチ由来の炭素により構成されることが望ましい。
このような構成が望ましいのは、上述した理由と同様の理由である。
【００１４】
本発明は上記目的を達成するために、連続繊維を用いた層状体、チョップド繊維を用いた層状体、２Ｄ織布、及び、フェルトを用いた層状体から成る原料群から選択される少なくとも２以上の原料が積層された積層体を作製するステップと、ニードルパンチを用いて、積層体の積層方向に炭素繊維を配するステップを有する、上記積層体の内部にマトリックス成分を配置するステップと、を有することを特徴とする。
このような方法であれば、上記Ｃ／Ｃコンポジット材を容易に作製することができる。また、ニードルパンチを用いれば、積層体の積層方向に炭素繊維を容易に配することができるので、常温における積層方向の熱伝導度の向上を低コストで実施することができ、しかも、各層が強固に結合されるので、Ｃ／Ｃコンポジット材の強度が高くなる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、曲げ強度や層間せん断強度の向上を図りつつ、常温での積層方向の熱伝導度を向上させることができるといった優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に用いる層状体の分解斜視図である。
【図２】本発明に用いる炭素繊維質プリフォームの分解斜視図である。
【図３】本発明材料Ａ１〜Ａ５及び比較材料Ｚ１〜Ｚ３における熱伝導率と曲げ強度との関係を示すグラフである。
【図４】本発明材料Ａ１〜Ａ５及び比較材料Ｚ１〜Ｚ３における層間せん断強度と熱伝導率との関係を示すグラフである。
【図５】本発明に用いる層状体の変形例を示す分解斜視図である。
【図６】本発明に用いる層状体の他の変形例を示す分解斜視図である。
【図７】本発明に用いる層状体の更に他の変形例を示す分解斜視図である。
【図８】本発明に用いる積層体の変形例を示す分解斜視図である。
【図９】本発明に用いる積層体の他の変形例を示す分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態を以下に説明する。
先ず、ＰＡＮ系炭素繊維トウ(単繊維直径約７μｍ、引っ張り強度約５ＧＰａ、フィラメント数約１２０００本)を作製した後、ナイロン繊維を用いて、複数のＰＡＮ系炭素繊維トウを筏状に束ねることにより炭素繊維一方向クロスを作製した。この炭素繊維一方向クロスは曲げ強度は高く、ＰＡＮ系炭素繊維トウの延設方向における熱伝導率は高いが、これを積層した場合には隣接する炭素繊維一方向クロス同士の積層方向の熱伝導度は低くなる。
これと並行して、上記同じＰＡＮ系炭素繊維を約２５ｍｍにカットし、炭素繊維がランダムに配向したフェルト（かさ密度：約０．１ｇ／ｃｍ３）を作製した。このフェルトにマトリックス成分を含浸させたＣ／Ｃコンポジットは曲げ強度等には劣っているが、あらゆる方向において熱伝導度は高い。
【００１８】
次に、図１に示すように、２枚の上記フェルト１０と、２枚の上記炭素繊維一方向クロス１１、１２とを、上から順に、フェルト１０、炭素繊維一方向クロス１２、フェルト１０、炭素繊維一方向クロス１１を積層して層状体１を作製した。この際、一の炭素繊維一方向クロス１１における炭素繊維の延設方向は、他の炭素繊維一方向クロス１２における炭素繊維の延設方向とは直角を成すように配置されている。このように炭素繊維一方向クロス１１、１２を配置することにより、Ｃ／Ｃコンポジット材を作製した際に、両方向（図１のＡ方向とＢ方向）における曲げ強度の向上を図ることができる。
【００１９】
次いで、図２に示すように、上記層状体１を８枚積層した後、逆とげを有する針を全層に貫通させることにより、ニードルパンチを施してフェルトの炭素繊維により絡合することにより各層を結合し、これによって、厚さ約１０ｍｍ、かさ密度約０．６ｇ／ｃｍ３の炭素繊維質プリフォーム（積層体であって、以下、２．５Ｄプリフォームと称するときがある）を作製した。尚、上記ニードルパンチにより、直径０．３〜０．６ｍｍの開口孔が平均約２ｍｍ間隔で設けられた。このように、ニードルパンチを施せば、フェルトの炭素繊維が炭素繊維一方向クロスを積層方向に貫通するように配されるので、常温での積層方向の熱伝導度を向上させることができる。加えて、各層が強固に結合されるので、Ｃ／Ｃコンポジット材の曲げ強度と層間せん断強度とを高めることができる。
【００２０】
しかる後、上記２．５ＤプリフォームをＣＶＩ処理した。具体的には、温度が約１０００℃で、圧力が１０Ｔｏｒｒの条件下、水素とプロパンとの混合気流中(水素とプロパンとの体積比は、約９０：１０となっている)に、上記２．５Ｄプリフォームを約１０００時間保持することにより、マトリックス成分である気相熱分解炭素を２．５Ｄプリフォーム内に沈積させた。これにより、かさ密度が約１．７ｇ／ｃｍ３まで高められたＣ／Ｃコンポジット材が得られた。最後に、Ｃ／Ｃコンポジット材を約２０００℃で熱処理した。尚、当該Ｃ／Ｃコンポジット材の厚さは約１０ｍｍであった。
【００２１】
尚、上記実施形態においては、炭素繊維質プリフォームは約１０ｍｍと比較的厚みの小さいものであるため、ニードルパンチにより針を全層に貫通させているが、全層に針を貫通させるのが困難な程に厚みの大きい炭素繊維質プリフォームを形成する際には、ある程度の数の層状体を重ねてニードルパンチを施し、更に層状体を重ねてニードルパンチを施す工程を繰り返すことで、フェルトの繊維を積層方向に貫通させるようにしてもよい。
【実施例】
【００２２】
（実施例１）
実施例１としては、上記形態で示したＣ／Ｃコンポジット材を用いた。
このようにして作製したＣ／Ｃコンポジット材を、以下、本発明材料Ａ１と称する。
【００２３】
（実施例２）
２．５Ｄプリフォーム中のナイロン繊維を除去するため、２．５Ｄプリフォーム作製後ＣＶＩ処理前に、窒素雰囲気下約１０００℃で約１時間の熱処理を行なった以外は、上記実施例１と同様にしてＣ／Ｃコンポジット材を作製した。
このようにして作製したＣ／Ｃコンポジット材を、以下、本発明材料Ａ２と称する。
【００２４】
（実施例３)
アチェソン黒鉛化炉を用いて、Ｃ／Ｃコンポジット材に更に熱処理（約３０００℃で約２４時間）を施した以外は、上記実施例１と同様にしてＣ／Ｃコンポジット材を作製した。
このようにして作製したＣ／Ｃコンポジット材を、以下、本発明材料Ａ３と称する。
【００２５】
（実施例４)
アチェソン黒鉛化炉を用いて、Ｃ／Ｃコンポジット材に更に熱処理（約３０００℃で約２４時間）を施した以外は、上記実施例２と同様にしてＣ／Ｃコンポジット材を作製した。
このようにして作製したＣ／Ｃコンポジット材を、以下、本発明材料Ａ４と称する。
【００２６】
（実施例５)
２．５Ｄプリフォームにマトリックスを形成する際、気相熱分解炭素を用いずピッチ由来の炭素を用いた以外は、上記実施例１と同様にしてＣ／Ｃコンポジット材を作製した。
具体的には、上記実施例１と同様の２．５Ｄプリフォームにフェノール樹脂を含浸し、窒素雰囲気中約１０００℃で約１時間焼成して低密度のＣ／Ｃコンポジット材を得た。次に、この低密度のＣ／Ｃコンポジット材に石炭ピッチを含浸して約１０００℃で約１時間焼成するという工程を５回繰り返すことにより、かさ密度が約１．６ｇ／ｃｍ３まで高められたＣ／Ｃコンポジット材を得た。最後に、これを約２０００℃で約１時間熱処理した。尚、上述の如く、２．５Ｄプリフォームに石炭ピッチを含浸して焼成するという工程を繰り返しているので、マトリックス成分は主にピッチ由来の炭素により構成されることになる。
このようにして作製したＣ／Ｃコンポジット材を、以下、本発明材料Ａ５と称する。
【００２７】
（比較例１)
先ず、約１２０００本の炭素繊維フィラメントからなるトウを用いて平織りクロス作製し、これにフェノール樹脂を含浸し、積層後に熱盤プレスで成形して積層体（低密度のＣ／Ｃコンポジット材であって、以下、２Ｄクロスの積層体と称することがある）を得た。次に、この積層体を窒素雰囲気中約１０００℃で約１時間焼成した後、石油ピッチを含浸して約１０００℃で約1時間焼成するという工程を５回繰り返すことにより、かさ密度が約１．６ｇ／ｃｍ３まで高められたＣ／Ｃコンポジット材を得た。最後に、これを約２０００℃で約1時間熱処理した。
このようにして作製したＣ／Ｃコンポジット材を、以下、比較材料Ｚ１と称する。
【００２８】
（比較例２)
アチェソン黒鉛化炉を用いて、Ｃ／Ｃコンポジット材に更に熱処理（約３０００℃で約１時間）を施した以外は、上記比較例１と同様にしてＣ／Ｃコンポジット材を作製した。
このようにして作製したＣ／Ｃコンポジット材を、以下、比較材料Ｚ２と称する。
【００２９】
（比較例３)
実施例１で用いた層状体を４０枚積層した積層体をニードルパンチせずに、間隔を約１０ｍｍとした２枚の金属板間に挟んだ後、フェノール樹脂を含浸し、更に硬化させて、厚さ約１０ｍｍの積層体を得た。この積層体を、窒素雰囲気中約１０００℃で約１時間焼成し、低密度のＣ／Ｃコンポジットを作製した。これに、石炭ピッチを含浸して約１０００℃で約１時間焼成するという工程を５回繰り返すことにより、かさ密度が約１．６ｇ／ｃｍ３まで高められたＣ／Ｃコンポジット材を得た。最後に、これを約２０００℃で約1時間熱処理した。
このようにして作製したＣ／Ｃコンポジット材を、以下、比較材料Ｚ３と称する。
【００３０】
（実験）
上記本発明材料Ａ１〜Ａ５及び比較材料Ｚ１〜Ｚ３のかさ密度と、曲げ強度と、層間せん断強度（ＩＬＳＳ）と、積層方向の熱伝導率（以下、熱伝導率⊥と表示することがある）と、平面方向の熱伝導率（積層方向と垂直方向の熱伝導率であって、以下、熱伝導率//と表示することがある）とを、以下に示す方法により調べたので、その結果を表１に示す。尚、実験は常温（２３℃）で行った。また、これら材料の曲げ強度と熱伝導率⊥との関係、及び、熱伝導率⊥と層間せん断強度との関係について、それぞれ図３及び図４に示す。
【００３１】
〔曲げ強度〕
長さ６０ｍｍ、幅１０ｍｍ、高さ３ｍｍ(積層方向を高さとする)である直方体形状のテストピースを準備し、スパン間距離４０ｍｍ、クロスヘッドスピードを０．５ｍｍ／分として３点曲げ試験を行い、最大荷重より下記（１）式を用いて曲げ強度を算出した。
曲げ強度＝３ＰＬ／（２ｗｈ２）・・・（１）
尚、（１）式において、Ｐは荷重、Ｌはスパン間距離、ｗは幅、ｈは高さである。
【００３２】
〔ＩＬＳＳ（層間せん断強度）〕
長さ５０ｍｍ、幅１０ｍｍ、高さ６ｍｍ(積層方向を高さとする)である直方体形状のテストピースを準備し、スパン間距離３０ｍｍ、クロスヘッドスピードを０．５ｍｍ／分として３点曲げ試験を行い、最大荷重より下記（２）式を用いて層間せん断強度を算出した。
ＩＬＳＳ=３Ｐ／（４ｗｈ）・・・（２）
尚、（２）式において、Ｐは荷重、ｗは幅、ｈは高さである。
【００３３】
〔熱伝導率⊥、熱伝導率//〕
直径約１０φ、厚さ３ｍｍ(測定方向は厚さ方向)のテストピースを準備し、レーザーフラッシュ法を用いて熱拡散率を測定した。これと、かさ密度、比熱（黒鉛の値を使用した。尚、出典は、ＪＡＮＡＦ Ｔｈｅｒｍｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔａｂｌｅｓ,３ｒｄｅｄ．等である）を乗ずることにより熱伝導率を算出した。
【００３４】
【表１】
【００３５】
＜表１に示す結果の考察＞
２．５ＤプリフォームにＣＶＩ処理を施して緻密化した本発明材料Ａ１、Ａ２は、曲げ強度が１００Ｍｐａ以上、層間せん断強度が１０ＭＰａ以上、熱伝導率⊥が３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上となっていることが認められる。
また、それぞれ約３０００℃の熱処理（黒鉛化処理）を加えた点において本発明材料Ａ１、Ａ２と異なる本発明材料Ａ３、Ａ４は、本発明材料Ａ１、Ａ２に比べて、曲げ強度と層間せん断強度とが若干が低下している（但し、曲げ強度が１００Ｍｐａ以上で、層間せん断強度が１０ＭＰａ以上である）が、両熱伝導率（熱伝導率⊥と熱伝導率//）については、本発明材料Ａ１、Ａ２に比べて大幅に向上していることが認められる。
【００３６】
更に、マトリックス成分をピッチ由来の炭素で構成した点において本発明材料Ａ１とは異なる本発明材料Ａ５は、本発明材料Ａ１に比べて、両熱伝導率が若干低下している（但し、熱伝導率⊥が３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上ではある）が、曲げ強度と層間せん断強度とについては本発明材料Ａ１と略同等となっていることが認められる。
以上のことから、本発明材料Ａ１〜Ａ５では、全て、曲げ強度が１００Ｍｐａ以上、層間せん断強度が１０ＭＰａ以上、熱伝導率⊥が３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上となっていることがわかる。
【００３７】
これに対して、２．５Ｄプリフォームの代わりに２Ｄクロスの積層体を用いた点において本発明材料Ａ１と異なる比較材料Ｚ１、Ｚ２では、曲げ強度は１００Ｍｐａ以上であるが、両者共に熱伝導率⊥が３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満であり、更に、比較材料Ｚ２では層間せん断強度も１０ＭＰａ未満となっていることが認められる。
また、プリフォームの形成においてニードルパンチを施していない点において本発明材料Ａ５と異なる比較材料Ｚ３では、曲げ強度は１００Ｍｐａ以上であるが、熱伝導率⊥が３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満であり、層間せん断強度も１０ＭＰａ未満となっていることが認められる。
【００３８】
以上のことから、曲げ強度が１００ＭＰａ以上で、且つ、積層方向の熱伝導度が３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である、或いは、層間せん断強度が１０ＭＰａ以上で、且つ積層方向の熱伝導度が３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であるためには、本発明のような構成とするのが望ましいことがわかる。尚、このことは、図３及び図４から明らかである。
【００３９】
（その他の事項）
（１）上記層状体１としては上記の構造に限定するものではなく、例えば図５に示すように、一の炭素繊維一方向クロス１１における炭素繊維の延設方向は、他の炭素繊維一方向クロス１２における炭素繊維の延設方向とは直角でなくても良い。
また、図６に示すように、炭素繊維一方向クロス１１，１２，１３を３枚配置し、これらの炭素繊維の延設方向をそれぞれ異ならしめても良い（図６では、隣接する炭素繊維一方向クロスにおける炭素繊維の延設方向の成す角度は６０°となっている）。
更に、図７に示すように、一の方向（例えば、図７ではＡ方向）における強度が特に必要とされる場合には、炭素繊維一方向クロス１１，１２における炭素繊維の延設方向を共にＡ方向とし、炭素繊維一方向クロス１３のみをＡ方向以外の方向としても良い。
加えて、層状体１におけるフェルト１０は、上記の如く１枚に限定するものではなく、２枚以上であっても良く、また図１に示したような炭素繊維一方向クロスとフェルトとを交互に積層する形態としても良い。
【００４０】
（２）積層体２としては、上述した構造のものに限定するものではなく、例えば図８に示すように、２．５Ｄプリフォームから成る積層体２１、２１間に２Ｄ織布２２を配置する構造や、図９に示すように、２．５Ｄプリフォームから成る積層体２１の一方の面に２Ｄ織布２２を配置する構造であっても良い。更には、積層体２としては、連続繊維を用いた層状体、チョップド繊維を用いた層状体、２Ｄ織布、及び、フェルトを用いた層状体から成る原料群から選択される少なくとも２以上の原料が積層されたもので、曲げ強度が１００ＭＰａ以上で且つ積層方向の熱伝導度が３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、或いは、層間せん断強度が１０ＭＰａ以上で且つ積層方向の熱伝導度が３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であれば、如何なる構造であっても良い。
【００４１】
（３）炭素繊維トウ及び炭素繊維フェルトを構成する単繊維の直径は、上述のように限定されるものではないが、５〜２０μｍ程度であることが好ましい。単繊維の直径が５μｍ未満であると、単繊維一本当たりの強度が低くなり過ぎ、強度が低下するという不都合が生じることがある一方、単繊維の直径が２０μｍを超えると、取り扱い時やニードルパンチ時などで繊維が折損し易くなるという不都合が生じることがある。
また、炭素繊維フェルトの炭素繊維長は、１０〜１００ｍｍ程度であることが好ましい。炭素繊維長が１０ｍｍ未満であると、繊維同士が絡みにくく繊維集合体としてのフェルトの形状が形成されにくいという不都合が生じることがある一方、炭素繊維長が１００ｍｍを超えると、繊維同士が絡まり過ぎて逆にフェルトの製造が困難になるという不都合が生じることがある。
【００４２】
（４）ニードルパンチにより形成される孔の大きさは、上述のように限定されるものではないが、直径が０．１〜１．０ｍｍ程度であることが好ましい。孔の直径が０．１ｍｍ未満であると、フェルトの繊維がクロスを積層方向に貫通する量が少なくなって、常温での積層方向の熱伝導度を十分に向上させることができないおそれがある一方、孔の直径が１．０ｍｍを超えると、孔の面積が大きくなり過ぎて、Ｃ／Ｃコンポジット材の強度低下を招くおそれがある。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明のＣ／Ｃコンポジット材は、航空宇宙用、半導体及び太陽電池パネル製造用、原子力用諸材料、金属熱処理治具用途等に用いることができる。
【符号の説明】
【００４４】
１ 層状体
１０ フェルト
１１ 炭素繊維一方向クロス
１２ 炭素繊維一方向クロス
【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続繊維を用いた層状体、チョップド繊維を用いた層状体、２Ｄ織布、及び、フェルトを用いた炭素繊維を含む層状体から成る原料群から選択される少なくとも２以上の原料が積層された積層体を有し、且つ、当該積層体の内部にマトリックス成分を含むＣ／Ｃコンポジット材であって、
常温において、曲げ強度が１００ＭＰａ以上で、且つ、積層方向の熱伝導度が３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とするＣ／Ｃコンポジット材。
【請求項２】
連続繊維を用いた層状体、チョップド繊維を用いた層状体、２Ｄ織布、及び、フェルトを用いた炭素繊維を含む層状体から成る原料群から選択される少なくとも２以上の原料が積層された積層体を有し、且つ、当該積層体の内部にマトリックス成分を含むＣ／Ｃコンポジット材であって、
層間せん断強度が１０ＭＰａ以上で、且つ積層方向の熱伝導度が３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とするＣ／Ｃコンポジット材。
【請求項３】
上記マトリックス成分の一部もしくは全部が気相熱分解炭素により構成される、請求項１又は２に記載のＣ／Ｃコンポジット材。
【請求項４】
上記マトリックス成分の一部もしくは全部がピッチ由来の炭素により構成される、請求項１又は２に記載のＣ／Ｃコンポジット材。
【請求項５】
上記積層体の積層方向に炭素繊維が配されている、請求項１〜４の何れか１項に記載のＣ／Ｃコンポジット材。
【請求項６】
連続繊維から成るクロスを２枚以上とフェルトとを有する炭素繊維を含む層状体が２以上積層された構造の積層体を有し、且つ、当該積層体の内部にマトリックス成分を含むＣ／Ｃコンポジット材であって、
上記クロスの繊維は、積層方向とは垂直の平面内における１方向に延設され、且つ、上記層状体における少なくとも１のクロスは他のクロスと異なる方向に繊維が延設され、しかも、上記フェルトの繊維の一部は、上記クロスを積層方向に貫通していることを特徴とするＣ／Ｃコンポジット材。
【請求項７】
上記１のクロスにおける繊維の延設方向と上記他のクロスにおける繊維の延設方向とが、直角となるように構成される、請求項６に記載のＣ／Ｃコンポジット材。
【請求項８】
上記マトリックス成分の一部もしくは全部が気相熱分解炭素により構成される、請求項６又は７に記載のＣ／Ｃコンポジット材。
【請求項９】
上記マトリックス成分の一部もしくは全部がピッチ由来の炭素により構成される、請求項６又は７に記載のＣ／Ｃコンポジット材。
【請求項１０】
連続繊維を用いた層状体、チョップド繊維を用いた層状体、２Ｄ織布、及び、フェルトを用いた層状体から成る原料群から選択される少なくとも２以上の原料が積層された積層体を作製するステップと、
ニードルパンチを用いて、積層体の積層方向に炭素繊維を配するステップを有する、
上記積層体の内部にマトリックス成分を配置するステップと、
を有することを特徴とするＣ／Ｃコンポジット材の製造方法。
【請求項１】
連続繊維を用いた層状体、チョップド繊維を用いた層状体、２Ｄ織布、及び、フェルトを用いた炭素繊維を含む層状体から成る原料群から選択される少なくとも２以上の原料が積層された積層体を有し、且つ、当該積層体の内部にマトリックス成分を含むＣ／Ｃコンポジット材であって、
常温において、曲げ強度が１００ＭＰａ以上で、且つ、積層方向の熱伝導度が３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とするＣ／Ｃコンポジット材。
【請求項２】
連続繊維を用いた層状体、チョップド繊維を用いた層状体、２Ｄ織布、及び、フェルトを用いた炭素繊維を含む層状体から成る原料群から選択される少なくとも２以上の原料が積層された積層体を有し、且つ、当該積層体の内部にマトリックス成分を含むＣ／Ｃコンポジット材であって、
層間せん断強度が１０ＭＰａ以上で、且つ積層方向の熱伝導度が３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とするＣ／Ｃコンポジット材。
【請求項３】
上記マトリックス成分の一部もしくは全部が気相熱分解炭素により構成される、請求項１又は２に記載のＣ／Ｃコンポジット材。
【請求項４】
上記マトリックス成分の一部もしくは全部がピッチ由来の炭素により構成される、請求項１又は２に記載のＣ／Ｃコンポジット材。
【請求項５】
上記積層体の積層方向に炭素繊維が配されている、請求項１〜４の何れか１項に記載のＣ／Ｃコンポジット材。
【請求項６】
連続繊維から成るクロスを２枚以上とフェルトとを有する炭素繊維を含む層状体が２以上積層された構造の積層体を有し、且つ、当該積層体の内部にマトリックス成分を含むＣ／Ｃコンポジット材であって、
上記クロスの繊維は、積層方向とは垂直の平面内における１方向に延設され、且つ、上記層状体における少なくとも１のクロスは他のクロスと異なる方向に繊維が延設され、しかも、上記フェルトの繊維の一部は、上記クロスを積層方向に貫通していることを特徴とするＣ／Ｃコンポジット材。
【請求項７】
上記１のクロスにおける繊維の延設方向と上記他のクロスにおける繊維の延設方向とが、直角となるように構成される、請求項６に記載のＣ／Ｃコンポジット材。
【請求項８】
上記マトリックス成分の一部もしくは全部が気相熱分解炭素により構成される、請求項６又は７に記載のＣ／Ｃコンポジット材。
【請求項９】
上記マトリックス成分の一部もしくは全部がピッチ由来の炭素により構成される、請求項６又は７に記載のＣ／Ｃコンポジット材。
【請求項１０】
連続繊維を用いた層状体、チョップド繊維を用いた層状体、２Ｄ織布、及び、フェルトを用いた層状体から成る原料群から選択される少なくとも２以上の原料が積層された積層体を作製するステップと、
ニードルパンチを用いて、積層体の積層方向に炭素繊維を配するステップを有する、
上記積層体の内部にマトリックス成分を配置するステップと、
を有することを特徴とするＣ／Ｃコンポジット材の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−２０１７５０（Ｐ２０１１−２０１７５０Ａ）
【公開日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−７２８４９（Ｐ２０１０−７２８４９）
【出願日】平成２２年３月２６日（２０１０．３．２６）
【出願人】（０００２２２８４２）東洋炭素株式会社 (198)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月２６日（２０１０．３．２６）
【出願人】（０００２２２８４２）東洋炭素株式会社 (198)
【Ｆターム（参考）】
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