(57)【要約】【課題】二次元のＣ／Ｃ複合材料において、耐酸化性や中性子吸収性能を有するとともに、高い靭性を有するセラミックス混合Ｃ／Ｃ複合材料を提供する。【解決手段】炭素繊維クロスと、セラミックス粉末を混合したマトリックスとで構成されるセラミックス混合炭素繊維強化炭素複合材料であって、前記炭素繊維クロスが、細密織りスパンヤーンクロス又は長炭素繊維連続糸クロスの二次元織りクロスのいずれか一方が積層され、その積層された層の少なくとも１０層のうち１層に他方のクロスが積層されていることを特徴とする。【選択図】　　　　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素繊維クロスと、セラミックス粉末を混合したマトリックスとで構成されるセラミックス混合炭素繊維強化炭素複合材料であって、前記炭素繊維クロスが、細密織りスパンヤーンクロス又は長炭素繊維連続糸クロスの二次元織りクロスのいずれか一方が積層され、その積層された層の少なくとも１０層のうち１層に他方のクロスが積層されていることを特徴とするセラミックス混合炭素繊維強化炭素複合材料。
【請求項２】
前記炭素繊維クロスが、細密織りスパンヤーンクロスと、長炭素繊維連続糸クロスの二次元織りクロスとが交互に積層されていることを特徴とする請求項１に記載のセラミックス混合炭素繊維強化炭素複合材料。
【請求項３】
前記炭素繊維クロスの積層方向に荷重を負荷し、試験片の厚み方向に対するスパンが１５から２０倍である３点曲げ試験において、引っ張り側で前記炭素繊維クロスを引き裂く亀裂が生じ、応力−歪曲線の傾きが大きく変化した後にも引っ張り側の試験片の歪量が０．３％以上に渡ってその亀裂が発生した時以上の応力負荷を維持できる請求項１又は２に記載のセラミックス混合炭素繊維強化炭素複合材料。
【請求項４】
前記セラミックス粉末が炭化ホウ素粉末のみからなるものである請求項１乃至３のいずれかに記載のセラミックス混合炭素繊維強化炭素複合材料。
【請求項５】
前記セラミックス粉末が炭化ホウ素粉末と、元素周期律表４ａ族の炭化物又は／及び元素周期律表４ａ族のホウ化物の群の中から選択された１または２以上の粉末とからなるものである請求項１乃至３のいずれかに記載のセラミックス混合炭素繊維強化炭素複合材料。
【請求項６】
前記セラミックス粉末が炭化ホウ素粉末及び炭化ケイ素粉末からなるものである請求項１乃至３のいずれかに記載のセラミックス混合炭素繊維強化炭素複合材料。
【請求項７】
前記セラミックス粉末がチタン酸アルミニウムを主成分とするセラミックス粉末と、炭化ホウ素粉末又は元素周期律表４ａ族のホウ化物の群の中から選択した１又は２以上の粉末とからなるものである請求項１乃至３のいずれかに記載のセラミックス混合炭素繊維強化炭素複合材料。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として耐酸化性を付与した高靭性を有するセラミックス混合炭素繊維強化炭素複合材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
二次元の炭素繊維強化炭素複合材料（以下、Ｃ／Ｃ複合材料という。）は、人造黒鉛材料すなわち電極材や等方性黒鉛の欠点である低靭性、脆性破壊する機械的特性の欠点を大幅に改善した材料であることが知られている。
【０００３】
一方で、Ｃ／Ｃ複合材料も炭素材料であり４００℃〜５００℃以上の高温下では空気中において酸化消耗する欠点を持ち合わせており、Ｃ／Ｃ複合材料の使用範囲が限定される。その解決策の一つとしてＣ／Ｃ複合材料にセラミックスを混合し、耐酸化性を改善したものが挙げられる。また、セラミックスとして炭化ホウ素を混合し、中性子吸収性能を持たせたものも挙げられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、これらセラミックスを混合させたＣ／Ｃ複合材料は、セラミックスを混合させないＣ／Ｃ複合材料と比べて、セラミックスの脆性的な性質により、靭性が低いものとなっており、用途の拡大が制限されている。
【０００５】
本発明は、二次元のＣ／Ｃ複合材料において、耐酸化性や中性子吸収性能を有するとともに、高い靭性を有するセラミックス混合Ｃ／Ｃ複合材料を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明者らは鋭意研究の結果、セラミックスを混合した二次元Ｃ／Ｃ複合材料（以下、２Ｄ−Ｃ／Ｃ複合材料という。）において異種の炭素繊維クロスを組み合わせることによって、靭性が抜本的に大きく向上することを見出した。すなわち、本発明に係るセラミックス混合Ｃ／Ｃ複合材料は、炭素繊維クロスと、セラミックス粉末を混合したマトリックスとで構成されるセラミックス混合炭素繊維強化炭素複合材料であって、前記炭素繊維クロスが、細密織りスパンヤーンクロス又は長炭素繊維連続糸クロスの二次元織りクロスのいずれか一方が積層され、その積層された層の少なくとも１０層のうち１層に他方のクロスが積層されていることを特徴とする。また、前記炭素繊維クロスが、細密織りスパンヤーンクロスと、長炭素繊維連続糸クロスの二次元織りクロスとが交互に積層されていることを特徴とする。また、前記炭素繊維クロスの積層方向に荷重を負荷し、試験片の厚み方向に対するスパンが１５から２０倍である３点曲げ試験において、引っ張り側で前記炭素繊維クロスを引き裂く亀裂が生じ、応力−歪曲線の傾きが大きく変化した後にも引っ張り側の試験片の歪量が０．３％以上に渡ってその亀裂が発生した時以上の応力負荷を維持できるものである。また、前記セラミックス粉末が炭化ホウ素粉末のみからなるもの、前記セラミックス粉末が炭化ホウ素粉末と、元素周期律表４ａ族の炭化物又は／及び元素周期律表４ａ族のホウ化物の群の中から選択された１または２以上の粉末とからなるもの、あるいは、前記セラミックス粉末が炭化ホウ素粉末及び炭化ケイ素粉末からなるものである。また、前記セラミックス粉末がチタン酸アルミニウムを主成分とするセラミックス粉末と、炭化ホウ素粉末又は元素周期律表４ａ族のホウ化物の群の中から選択した１又は２以上の粉末とからなるものである。
【０００７】
セラミックスを混合したＣ／Ｃ複合材料のマトリックスはより高い剛性を示すと考えられる。引っ張りなどの応力が材料に加えられ、セラミックスを混合したマトリックスにクラックが進展した場合、高い剛性を示すマトリックスを通して応力を緩和することなく亀裂が直ちに進展しやすくなることが想定される。この際、Ｃ／Ｃ複合材料中の炭素繊維クロスはクラックの進展を止める役割を果たしている。
【０００８】
しかし、炭素繊維クロスが細密織りスパンヤーンクロスのみからなるセラミックス混合Ｃ／Ｃ複合材料は、細密織りスパンヤーンクロスは引っ張りに対する強度が長炭素繊維連続糸クロスに比べて相対的に低くクラックの進展がしやすい状況を招きやすい。一方で、炭素繊維クロスが細密織りスパンヤーンクロスのセラミックス混合Ｃ／Ｃ複合材料は、塑性変形しやすいという特徴を有する。
【０００９】
また、炭素繊維クロスが、長炭素繊維連続糸クロスのみからなるセラミックス混合Ｃ／Ｃ複合材料は、長炭素繊維連続糸クロスは細密織りスパンヤーンクロスに比べて剛性も高く引っ張り強度も強い。この長炭素繊維連続糸クロスとマトリックス層が非常に強固に結合していると見かけ上の曲げや引っ張り強度は高くなるが、亀裂が瞬時に進展してしまって低い靭性を示すことになる。また、長炭素繊維連続糸クロスとマトリックスが適度な強さで結合している場合は、高い靭性を示すが長炭素繊維連続糸クロスの面に沿って亀裂が進展する傾向を示す。
【００１０】
このように、それぞれの特徴をもった二種類のクロスのいずれか一方を積層し、その積層された層の少なくとも１０層のうち１層、好ましくは少なくとも５層のうち１層に他方のクロスが積層するか、これら二種類のクロスを交互に積層することにより、各々の有する特性が現れて結果的により優れた靭性を有する材料とすることができる。これは、長炭素繊維連続糸クロスの引っ張り強度が強いという長所を持ち、かつ欠点である低靭性を、細密織りスパンヤーンクロスの塑性変形しやすく、クラックの進展を吸収しやすいという長所で補うことができたことによるものと思われる。尚、セラミックスを含まない場合でもその効果は少し認められた。セラミックスを含み剛性がより高いマトリックス層の場合により効果的であった。
【００１１】
セラミックス粉末としては、耐酸化性を付与する場合は、炭化ホウ素（以下、Ｂ４Ｃという。）粉末、Ｂ４Ｃ粉末と炭化ケイ素（以下、ＳｉＣという。）粉末の混合粉末、Ｂ４Ｃ粉末と元素周期律表４ａ族の炭化物又は／及び元素周期律表４ａ族のホウ化物の群の中から選択した１または２以上からなる混合粉末を使用すると効果的である。また、チタン酸アルミニウムを主成分とするセラミックス粉末と、Ｂ４Ｃ粉末または元素周期律表４ａ族のホウ化物の群の中から選択した１または２以上の粉末とからなるものを使用することもできる。また、中性子吸収材としての中性子吸収性能を付与する場合に、Ｂ４Ｃ粉末を使用することができる。
【００１２】
本発明のセラミックス混合Ｃ／Ｃ複合材は、まず、炭素繊維クロスとマトリックス前駆体を組み合わせて成形体を作製する。成形体の作製にあたってはマトリックスと炭素繊維クロスが充分に均一に組み合わされることが必要である。炭素繊維クロスに、スラリー状のマトリックス前駆体を塗布する。塗布は、はけ塗りやドクターブレードを用いて表面に塗布する方法やスラリーをこれら炭素繊維に擦り込むように浸透させる方法によって行われる。
【００１３】
マトリックス前駆体としては、前述したセラミックス粉末と、バインダー成分としての合成樹脂とを混合する。また、場合によっては、その他の成分として、メソカーボン小球体や揮発分を含む炭素粉末や短炭素繊維を加えて混合してもよい。合成樹脂の種類は特に指定はないが、炭素化収率が高いことコストなどの入手の面からフェノール樹脂やフラン樹脂が適当である。更には、常温で液状の合成樹脂を用いる混合の際には、まず、セラミックス粉末が再凝集しないようにエタノールなどのアルコール中に分散させた後、この分散液を合成樹脂および他のマトリックス成分と充分に攪拌しながらスラリー状とし、マトリックス前駆体を作製する。
【００１４】
常温で固体粉末状の合成樹脂粉末を用い、合成樹脂粉末とメソカーボン小球体、揮発分を含む炭素粉末や短炭素繊維チョップなどを加える場合には、セラミックス粉末とこれら粉末が一体化するように、固体微粒子化させる。これによって、それぞれ均一分散が成されるとともにバインダーを有効に働かせることが出来、機械的特性が向上する。固体微粒子化の操作には、例えば市販の微粒子複合化装置を用いて行う。
【００１５】
また、前述のスラリーと一体化した固体微粒子を併用することもできる。すなわち、例えば、炭素繊維クロスにスラリーを塗布した後に固体微粒子をその上に載せて炭素繊維クロスを積層していくこともできる。
【００１６】
スラリーを塗布したクロスは所望の厚み、例えば３〜３０ｍｍに積層してプリプレグ積層体とする。そのプリプレグ積層体をホットプレスによって成形体とする。ホットプレスの条件はそれぞれ使用した合成樹脂の種類や炭素繊維の種類や量、成形体の大きさ等の条件で設定する必要があるが、概ね５〜１５ｋｇ／ｃｍ２の加圧下で最高温度１５０〜３００℃で行われる。この成形体を炭素化させて耐酸化性Ｃ／Ｃ複合材とする。その際は窒素ガス雰囲気中などの非酸化性雰囲気下で８００〜２０００℃の熱処理を施すことによってなされる。この範囲での熱処理温度の変化は、耐酸化性や機械的特性の顕著な変化はもたらさないため、用途に応じて必要な温度で熱処理を施せばよい。
【００１７】
また、耐酸化性が保持される温度は使用するセラミックス粉末の種類と組み合せを選択することで制御できる。例えば、使用温度領域が、大気中８００℃以下である場合、使用するセラミックス粉末として炭化ホウ素粉末を用いる。また、８００℃を超え１２００℃までは炭化ホウ素粉末と炭化ケイ素粉末の両方を用いることによって、実質的に酸化消耗が少ない耐酸化Ｃ／Ｃ複合材を得ることができる。
【００１８】
また、耐酸化性の付与には、ＳｉＯ２やＢ２Ｏ３−ＳｉＣまたはＢ４Ｃをコーティングする方法、ＳｉＣ等にコンバージョンする方法、これらのコーティングやコンバージョンの組合せで傾斜機能材料にする方法を使用することもできる。また、金属アルコキシドを含浸する手法でＣ／Ｃ全体にＳｉＣやＢ４Ｃまたはその酸化物を内在せしめる方法、更には、酸化ホウ素を含浸する方法なども使用できる。
【００１９】
また、炭素繊維クロスの積層方向に荷重を負荷し、試験片の厚み方向に対するスパンが１５から２０倍である３点曲げ試験において、引っ張り側で炭素繊維クロスを引き裂く亀裂が生じ、応力−歪曲線の傾きが大きく変化した後にも引っ張り側の試験片の歪量が０．３％以上に渡ってその亀裂が発生した時以上の応力負荷を維持できるものとすることができた。これは、むしろ通常の二次元のＣ／Ｃ複合材料より更に優れた靭性を有する事を意味している。
【００２０】
【実施例】
以下、実施例により、本発明のセラミックス混合Ｃ／Ｃ複合材料について具体的に説明する。
【００２１】
（実施例１）
炭素繊維１００重量部に対して、１１０重量部に相当する平均粒径３μｍのＢ４Ｃ粉末をエチルアルコール中に添加し、充分に攪拌しながら分散させた。エチルアルコールの量は次に加える樹脂量とほぼ等量用いた。これに、液状の合成樹脂として、レゾール型フェノール樹脂を炭素繊維との重量比が１：１となるように加えて充分に攪拌しながら分散させスラリーとし、マトリックス前駆体を調整した。
【００２２】
このスラリーを２次元織りクロス（以下、２Ｄクロスという。）の細密織りスパンヤーンクロス（繊維径約１０μｍのＰＡＮ系）、２Ｄクロスである長炭素繊維連続糸平織りクロス（ＰＡＮ系、引っ張り強度３．５ＧＰａ、引っ張り弾性率２３０ＧＰａ、繊維径約７μｍ、フィラメント数６０００）のそれぞれにドクターブレードを用いて均一に塗布した。この時、クロス内部までスラリーが浸透するように予めスラリーを各クロスに擦り込むように塗布し、残りのスラリーを表面に塗布する工夫を行った。これら、スラリーを塗布した各クロスを積層して風乾させた。尚、クロスの大きさは８０ｍｍ×８０ｍｍで１５枚重ねて約７ｍｍの厚みのプリプレグ積層体とした。この２種類のクロスを交互に重ね合わせた。
【００２３】
次に、常法に従って熱圧成形を行った。成形は、約１０ｋｇ／ｃｍ２の圧力を掛けながら１１０℃から加圧を開始して、１６０℃で１時間保持することによって行った。その後、２６０℃で乾燥機中で１６時間の熱処理を行って成形体とした。この際に、スラリー中のアルコール分は蒸発し、セラミックスがクロス内に均等に分散される。
【００２４】
焼成（Ｃ／Ｃ複合化）は、１０００℃の熱処理を施した。熱処理用の電気炉に成形体を入れて窒素ガスを流しながら約１０℃／時間の昇温速度で行った。焼成後のかさ密度は、１．５ｇ／ｃｍ３であった。
【００２５】
次に酸化消耗試験として、市販の電気炉を使用して４×８×８０ｍｍの直方体の試験片を用いて、大気中８００℃で、１時間熱処理を行い、そのときの重量変化を確信した。重量変化は認められなかった。
【００２６】
曲げ試験は、４×８×８０ｍｍの直方体を用いた。クロスの面方向を長手方向にした。また、４ｍｍの方向がクロスの積層方向である。曲げ試験はインストロン試験機を用いてスパン６０ｍｍ、クロスヘッドスピード０．５ｍｍ／ｍｉｎとして室温下、３点曲げで行った。
【００２７】
クロスヘッドの変位を伸び計で測定して応力−歪曲線を作成した。クロスヘッドの変位と材料の歪量への関連は、同時に曲げ試験片の引っ張り側にも歪ゲージを貼り歪量も測定することによって応力−歪として推定した。
【００２８】
曲げ強さは、最大荷重で計算し、５０ＭＰａであった。荷重付加初期の直線の傾きから求めた弾性係数は２９ＧＰａであった。
【００２９】
図１に応力−歪曲線を示す。図１からわかるように、メインの亀裂が発生して応力−歪曲線の傾きが変化した後にも応力が下がらず、むしろ上がる傾向を示している。歪量約１乃至１．１％までは応力が上がりつづけ、歪量が約１．３％まで、応力−歪曲線の傾きが変化した時の応力を保っている。このことから、本実施例にかかるセラミックス混合Ｃ／Ｃ複合材料は、従来の２Ｄ−Ｃ／Ｃ複合材料に比較しても優れた靭性を有していることがわかる。
【００３０】
（比較例１）
クロスに細密織りスパンヤーンクロスのみを使用した以外、実施例１と同様にして、セラミックス混合Ｃ／Ｃ複合材料を作製した。このセラミックス混合Ｃ／Ｃ複合材料を実施例１と同様にして、酸化消耗試験及び曲げ試験を行い、図２に示す応力−歪曲線を得た。
【００３１】
（比較例２）
クロスに長炭素繊維連続糸平織りクロスのみを使用した以外、実施例１と同様にして、セラミックス混合Ｃ／Ｃ複合材料を作製した。このセラミックス混合Ｃ／Ｃ複合材料を実施例１と同様にして、酸化消耗試験及び曲げ試験を行い、図３に示す応力−歪曲線を得た。
【００３２】
図２、図３よりわかるように、比較例１，２に係るセラミックス混合Ｃ／Ｃ複合材料は、黒鉛材料と異なり亀裂が徐々に進展し高靭性を確保しているが、図１に示す実施例の場合と異なりメインの亀裂発生後と思われる応力−歪曲線の傾きが変化した後には徐々に応力が低下している。
【００３３】
【発明の効果】
以上より、細密織りスパンヤーンクロスと長炭素繊維連続糸平織りクロスのいずれか一方が積層され、その積層された層の少なくとも１０層のうち１層、好ましくは少なくとも５層のうち１層、あるいはこれらクロスを交互に積層することで、各々のクロスの有する特性が効果的に現れたクロスとすることが可能となり、また、セラミックスを混合することで、優れた耐酸化性を有した高靭性のセラミックス混合Ｃ／Ｃ複合材料とすることが可能となる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例に係るセラミックス混合Ｃ／Ｃ複合材料の応力−歪曲線を示す図である。
【図２】比較例１に係るセラミックス混合Ｃ／Ｃ複合材料の応力−歪曲線を示す図である。
【図３】比較例２に係るセラミックス混合Ｃ／Ｃ複合材料の応力−歪曲線を示す図である。
【図１】
2004067487.tif 000002
【図２】
2004067487.tif 000003
【図３】
2004067487.tif 000004