(57)【要約】【課題】  航空宇宙等の極限環境、あるいは半導体や液晶パネル等の超精密産業機械用途に適用可能な、高弾性、低熱膨張、耐熱性に優れた産業用部材である金属基炭素繊維強化複合材料とその製造方法を提供すること。【解決手段】  金属基炭素繊維強化複合材料を、CIP材、押出材、型込材、短繊維成型体などの炭素粉粒体を成型して製作した炭素材を有した等方性炭素材をコア材２とし、外側に炭素繊維からなるスキン材１を配するサンドイッチ構造にする。また、前記炭素材に対して金属を溶融状態で高圧で圧入する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素部分が、等方性炭素材を中央部のコア材とし、外側に炭素繊維を配する3層構造により構成されるサンドイッチ構造をとることを特徴とする、金属基炭素繊維強化複合材料。
【請求項２】
前記等方性炭素材が、CIP材、押出材、型込材、短繊維成型体などの炭素粉粒体を成型して製作した炭素材であることを特徴とする、請求項１記載の金属基炭素繊維強化複合材料。
【請求項３】
前記炭素繊維が、織物材、0／90度積層材、一方向積層材、チョップ材およびそれを組み合わせたものであることを特徴とする、請求項１または２記載の金属基炭素繊維強化複合材料。
【請求項４】
金属基が、アルミニウム、銅、マグネシウム、およびそれらの合金であることを特徴とする、請求項１〜３の何れか１項に記載の金属基炭素繊維強化複合材料。
【請求項５】
炭素部分が、CIP材、押出材、型込材、短繊維成型体などの炭素粉粒体を成型して製作した炭素材を有した等方性炭素材を中央部のコア材とし、外側に炭素繊維を配する3層構造により構成されるサンドイッチ構造とし、前記炭素材に対して金属を溶融状態で高圧で圧入することを特徴とする金属基炭素繊維強化複合材料の製造方法。
【請求項６】
前記炭素繊維が、織物材、0／90度積層材、一方向積層材、チョップ材およびそれを組み合わせたものであることを特徴とする、請求項５記載の金属基炭素繊維強化複合材料の製造方法。
【請求項７】
金属基が、アルミニウム、銅、マグネシウム、およびそれらの合金を用いたことを特徴とする、請求項５または６記載の金属基炭素繊維強化複合材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、航空宇宙等の極限環境、あるいは半導体や液晶パネル等の超精密産業機械用途に適用可能な、高弾性、低熱膨張、耐熱性に優れた産業用部材である金属基炭素繊維強化複合材料およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
惑星探査衛星がおかれる宇宙空間では、その惑星探査衛星を構成する使用部材が、高真空、高温、低温、に同時にさらされる。そのような極限環境で、強度、剛性、低熱膨張性を満足し得る材料として、近年、金属基炭素繊維強化複合材料が認知されている。
【０００３】
この金属基炭素繊維強化複合材料とは、弾性率が高く且つ熱膨張のほとんどない炭素繊維が強化材として使用され、母材にアルミニウム、銅、マグネシウムおよびそれらの合金などが用いられている。（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
また、この金属基炭素繊維強化複合材料は、温度変化に対する寸法安定性、高弾性が必要であることから、半導体製造装置や液晶パネル製造装置、各種ロボットアームなどの用途としても、現在、注目されている。
【特許文献１】特開２００２−２９４３５９（第２頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前述したような衛星用途としては、金属材料、炭素繊維強化樹脂複合材料などが用いられているが、熱膨張、真空下での脱ガス特性、弾性率などの欠点があるため、従来、設計が困難であった。
【０００６】
また後述したような産業用途である、半導体製造装置や液晶パネル製造装置などは、従来はアルミナなどのセラミックを主体とした部品で構成されてきたが、半導体の集積化、液晶パネルの大型化に対応した製造装置の大型化、高加工化の面では、加工性、重量、強度面から限界に来ていると言われており、かかる構成材料を、金属基炭素繊維強化複合材料に置き換えようとしている。
【０００７】
このように、最近性能面から注目されている金属基炭素繊維強化複合材料ではあるが、今まではその製造方法が難しく広く普及するまでには至らなかった。
すなわち、従来は、通常強化材となる炭素繊維強化炭素複合材料（以下C/C材と略する）を溶融状態の金属中に浸漬することにより金属成分を含浸させていたが、これによると、金属が溶融する高温状態が必要となるが、アルミニウムのような金属によっては、炭素とカーバイド生成反応が起こるため、均質な複合化が難しい。
【０００８】
そこで、本発明は、従来材料に比較して高弾性、低熱膨張、耐熱性に優れ、且つ目的に応じた材料設計の自由度が高い金属基炭素繊維強化複合材料およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を達成するために、本件発明者は、鋭意研究した結果、炭素繊維と等方性炭素材がサンドイッチ構造をなす炭素部材に金属マトリックスを含浸することを知見した。
すなわち、請求項１にかかる金属基炭素繊維強化複合材料は、炭素部分が、等方性炭素材を中央部のコア材とし、外側に炭素繊維を配する3層構造により構成されるサンドイッチ構造をとることを特徴とする。
請求項２にかかる金属基炭素繊維強化複合材料は、請求項１において、前記等方性炭素材が、CIP材、押出材、型込材、短繊維成型体などの炭素粉粒体を成型して製作した炭素材であることを特徴とする。
請求項３にかかる金属基炭素繊維強化複合材料は、請求項１または２において、前記炭素繊維が、織物材、0／90度積層材、一方向積層材、チョップ材およびそれを組み合わせたものであることを特徴とする。
請求項４にかかる金属基炭素繊維強化複合材料は、請求項１〜３の何れか１項において、金属基が、アルミニウム、銅、マグネシウム、およびそれらの合金であることを特徴とする。
請求項５にかかる金属基炭素繊維強化複合材料の製造方法は、炭素部分が、CIP材、押出材、型込材、短繊維成型体などの炭素粉粒体を成型して製作した炭素材を有した等方性炭素材を中央部のコア材とし、外側に炭素繊維を配する3層構造により構成されるサンドイッチ構造とし、前記炭素材に対して金属を溶融状態で高圧で圧入することを特徴とする。
請求項６にかかる金属基炭素繊維強化複合材料の製造方法は、請求項５において、前記炭素繊維が、織物材、0／90度積層材、一方向積層材、チョップ材およびそれを組み合わせたものであることを特徴とする。
請求項７にかかる金属基炭素繊維強化複合材料の製造方法は、請求項５または６において、金属基が、アルミニウム、銅、マグネシウム、およびそれらの合金を用いたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、炭素繊維と等方性炭素材がサンドイッチ構造をなす炭素部材に金属マトリックスを有効に含浸するため、従来の金属基炭素複合材料の欠点を改善して、高弾性、低熱膨張、耐熱性に優れ、且つ目的に応じた材料設計の自由度が高い高性能な金属基炭素繊維強化複合材料が提供できる。
また、本製造法によれば、金属と炭素がカーバイド生成反応を起こすことなく、金属基炭素繊維強化複合材料が容易に製造でき、したがって、産業界に広く普及することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に本実施の形態にかかる金属基炭素繊維強化複合材料と、その製造方法を説明する。
本実施の形態にかかる金属基炭素繊維強化複合材料は、その炭素部分が中心を形成する中央部のコア材２及びその外周あるいは上下面に配するスキン材１からなり、全体に金属が含浸されている。
【００１２】
中央部のコア材２は、各種の等方性炭素材を用いるが、その役割は材料全体の芯材として、また適度な気孔を有するため金属を材料中心まで均一に含浸せしめる役割を持っている。適用し得る等方性炭素材料としては、その製造方法により、型込材、押出材、CIP材、短繊維成型材等がいずれも好適に用いられるが、気孔率、密度、熱膨張係数、強度、価格などの面から型込材、押出材がより好ましい。
【００１３】
外側に配するスキン材１は、炭素繊維からなり、その用途に応じて織物材、0／90度積層材、一方向材、チョップ材およびそれらを組み合わせたものを使い分けることができる。特に、熱膨張、弾性率の性能設計の観点では、外側の炭素繊維材を選ぶことで材料性能設計の自由度が従来のC/C材に比較して格段に広がっている。
【００１４】
例えば、機械的特性や熱膨張に方向性を持たせる用途に対しては、0／90度積層材や一方向積層材、等方的に特性を出したい場合には織物材やチョップ材を用いることが望ましい。
【００１５】
炭素繊維を等方性炭素に接合する方法として、エポキシ樹脂やフェノール樹脂などの樹脂系接着剤を用いて接着する方法、タールピッチや自己焼結性炭素などの炭素質バインダーを用いた炭素結合による方法、あるいは型枠に填め込み、金属含浸時に接着させるなどの方法がとられる。
【００１６】
全体に含浸させた金属、すなわち、マトリックス金属は、前述のように、アルミニウム、銅、マグネシウムおよびそれらの合金などが適用可能だが、溶融温度が低いなどの理由から、アルミニウムがもっとも好ましい。
【００１７】
その含浸方法として、金型容器内に置いた等方性炭素／炭素繊維複合材をあらかじめ含浸温度まで加熱し、そこへ別に加熱溶融させた金属を流し込む。同時に1cm2あたり500kg以上の圧力をかけ、瞬時に炭素繊維間、等方性炭素細孔内部まで金属を圧入する。
【００１８】
この製造方法により、金属と炭素がカーバイド生成反応を起こすことなく、金属基炭素繊維強化複合材料が製造できるが、上記金属含浸方法を可能にしたのは、含浸される炭素材料部分が、等方性炭素材と炭素繊維のサンドイッチ構造を成しているからである。
【００１９】
以上、本実施の形態及び本実施例にかかる金属基炭素繊維強化複合材料と、その製造方法を説明したが、上述した実施の形態及び実施例は、本発明の好適な実施の形態の一例を示すものであり、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において、種々変形実施が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本実施の形態及にかかる金属基炭素繊維強化複合材料の模式図である。
【符号の説明】
【００２１】
１  スキン材
２  コア材
【図１】
2005133141.tif 000003