【手続補正書】
【提出日】平成19年1月11日(2007.1.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】  明細書
【発明の名称】  複合炭素繊維材料及びその製造方法
【特許請求の範囲】
【請求項１】  同一方向に配列された複数の炭素繊維が互いに導電性樹脂マトリックスで固着されてなる中央層と、
上記中央層の第１の表面に配された第１の炭素繊維不織マットと、
上記中央層の第２の表面に配された第２の炭素繊維不織マットと、
上記中央層の第１の表面まで浸透し、上記第１の炭素繊維不織マットの外表面に配された第１の熱可塑性樹脂層と、
上記中央層の第２の表面まで浸透し、上記第２の炭素繊維不織マットの外表面に配された第２の熱可塑性樹脂層とを備える複合炭素繊維材料。
【請求項２】  上記第１の及び第２の炭素繊維不織マットの厚さは、それぞれ０．０８ｍｍ〜０．７９ｍｍであることを特徴とする請求項１記載の複合炭素繊維材料。
【請求項３】  同一方向に配列された複数の炭素繊維が互いに導電性樹脂マトリックスで固着されてなる複数の中央層と、
上記複数の中央層の第１の外表面に配された第１の炭素繊維不織マットと、
上記複数の中央層の第２の外表面に配された第２の炭素繊維不織マットと、
上記複数の中央層の第１の外表面まで浸透し、上記第１の炭素繊維不織マットの外表面に配された第１の熱可塑性樹脂層と、
上記複数の中央層の第２の外表面まで浸透し、上記第２の炭素繊維不織マットの外表面に配された第２の熱可塑性樹脂層とを備え、
上記複数の中央層は、互いに重ね合わされ、熱可塑性樹脂によって互いに接着されていることを特徴とする複合炭素繊維材料。
【請求項４】  上記第１の及び第２の炭素繊維不織マットの厚さは、それぞれ０．０８ｍｍ〜０．７９ｍｍであることを特徴とする請求項３記載の複合炭素繊維材料。
【請求項５】  上記複数の中央層は、第１の方向に配列された複数の炭素繊維からなる第１の層と、上記第１の方向と略直交な第２の方向に配列された複数の炭素繊維からなる第２の層とを備えることを特徴とする請求項３記載の複合炭素繊維材料。
【請求項６】  上記複数の中央層は、第１の中央層と第２の中央層とを備え、さらに上記第１の中央層の内側の表面と上記第２の中央層の内側の表面との間に配され、接着された第３の炭素繊維不織マットを備えることを特徴とする請求項３記載の複合炭素繊維材料。
【請求項７】  複数の炭素繊維を同一方向に配列し、互いに導電性樹脂マトリックスで固着して中央層を形成する工程と、
上記中央層の第１の表面に第１の炭素繊維不織マットを配する工程と、
上記中央層の第２の表面に第２の炭素繊維不織マットを配する工程と、
上記第１の炭素繊維不織マットの外表面を第１の熱可塑性樹脂層で覆う工程と、
上記第１の炭素繊維不織マットを通って、上記中央層の第１の表面まで熱可塑性樹脂を浸透させる工程と、
上記第２の炭素繊維不織マットの外表面を第２の熱可塑性樹脂層で覆う工程と、
上記第２の炭素繊維不織マットを通って、上記中央層の第２の表面まで熱可塑性樹脂を浸透させる工程とを有する複合炭素繊維材料の製造方法。
【請求項８】  上記第１の及び上記第２の炭素繊維不織マットの厚さは、それぞれ０．０８ｍｍ〜０．７９ｍｍであることを特徴とする請求項７記載の複合炭素繊維材料の製造方法。
【請求項９】  上記中央層を形成する工程は、複数の炭素繊維を第１の方向に配列し、導電性樹脂マトリックスによって互いに固着させて第１の層を形成する工程と、
複数の炭素繊維を上記第１の方向と略直交な第２の方向に配列し、導電性樹脂マトリックスによって互いに固着させて第２の層を形成する工程と、
熱可塑性樹脂で上記第１の層と上記第２の層とを接着する工程とを有することを特徴とする請求項７記載の複合炭素繊維材料の製造方法。
【請求項１０】  上記第１の層と上記第２の層とを接着する前に、上記第１の層と上記第２の層との間に第３の炭素繊維不織マットを配する工程を有することを特徴とする請求項９記載の複合炭素繊維材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特殊化された炭素繊維および重合体樹脂の層から作られた、薄いゲージの複合材料およびその製造方法に関し、特に、電気機械装置で使用される電気接点アセンブリに有用な複合炭素繊維材料およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
構造アプリケーションに炭素繊維材料を用いることはよく知られている。この材料は、互いに積層された連続的な複数の炭素繊維からなる織物の複数の層又は炭素繊維が一方向に配向された複数の層から構成される。層の配向性および数は、特別のアプリケーションに求められる硬さ、強さ、寸法安定性に応じて決定される。例えば、典型的な航空宇宙アプリケーションにおいて、薄いゲージ材料は、厚さ０．０３０〜０．０６０インチの層を４〜８層有している。
【０００３】
熱可塑性樹脂や熱硬化性化合物により強化された炭素繊維層を、オートクレーブ、プレス、プルトルージョン（plutrusion）を含む様々な方法により加熱および加圧して固める。これらの炭素繊維材料は、打ち出し、切断、機械加工によって形作られ、また成形される。熱可塑性樹脂材料を用いるとプロセスを連続して行うことができる。例えば、硬化させた後に、成形、溶接を続けて行うことができる。
【０００４】
薄いゲージの複合材料は、これまでにも存在するが、それらは超小型電子技術には不十分であり、現在も研究が進められている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
米国特許出願第０９／４９８，８７２号は、本出願の譲受人に譲渡され、また、開示された内容は、本出願に参照として組み込まれる。当該出願では、導電性樹脂マトリックス中に埋め込まれ、並べて配列された炭素繊維から構成された電気接点を提案する。
【０００６】
しかしながら、炭素繊維からなる電気接点の電気的特性および機械的特性は未だに十分ではない。そこで、炭素繊維材料を改良する必要がある。
【０００７】
そこで、本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、本発明の目的は、炭素繊維材料及びエラストマー樹脂層から構成された複合材料からなり、より薄く、従来の複合材料と同等の機械的特性、より優れた電気的特性を有するように改良された複合炭素繊維材料及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
また、本発明は、炭素繊維が配列された１つの炭素繊維層と、この炭素繊維層の両方の平坦面に設けられた不織炭素繊維から形成されるマット、又は織布炭素繊維若しくは非主軸一方向の炭素繊維の層が重合体樹脂で覆われている炭素繊維複合材料及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
さらに本発明の目的は、重合体マトリックスに配列され、互いに積層された後、不織炭素繊維から形成されるマット、又は織布炭素繊維若しくは非主軸一方向の炭素繊維の複数の層が貼り合わされ、そのマットや層の外表面が重合体樹脂層によって覆われた炭素繊維の複数の層を有する、安定した構造の複合炭素繊維材料及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成する本発明に係る複合炭素繊維材料は、同一方向に配列された複数の炭素繊維が互いに導電性樹脂マトリックスで固着されてなる中央層と、中央層の第１の表面に配された第１の炭素繊維不織マットと、中央層の第２の表面に配された第２の炭素繊維不織マットと、中央層の第１の表面まで浸透し、第１の炭素繊維不織マットの外表面に配された第１の熱可塑性樹脂層と、中央層の第２の表面まで浸透し、第２の炭素繊維不織マットの外表面に配された第２の熱可塑性樹脂層とを備える。
【００１１】
第１の及び第２の炭素繊維不織マットの厚さをそれぞれ０．０８ｍｍ〜０．７９ｍｍとしてもよい。
【００１２】
また、上述した目的を達成する本発明に係る複合炭素繊維材料は、同一方向に配列された複数の炭素繊維が互いに導電性樹脂マトリックスで固着されてなる複数の中央層と、複数の中央層の第１の外表面に配された第１の炭素繊維不織マットと、複数の中央層の第２の外表面に配された第２の炭素繊維不織マットと、複数の中央層の第１の外表面まで浸透し、第１の炭素繊維不織マットの外表面に配された第１の熱可塑性樹脂層と、複数の中央層の第２の外表面に浸透し、第２の炭素繊維不織マットの外表面に配された第２の熱可塑性樹脂層とを備え、複数の中央層は、互いに重ね合わされ、熱可塑性樹脂によって互いに接着されていることを特徴とする。
【００１３】
第１の及び第２の炭素繊維不織マットの厚さをそれぞれ０．０８ｍｍ〜０．７９ｍｍとしてもよい。
【００１４】
複数の中央層は、第１の方向に配列された複数の炭素繊維からなる第１の層と、第１の方向と略直交な第２の方向に配列された複数の炭素繊維からなる第２の層とを備えていてもよい。
【００１５】
複数の中央層は、第１の中央層と第２の中央層とを備え、さらに第１の中央層の内側の表面と第２の中央層の内側の表面との間に配され、接着された第３の炭素繊維不織マットを備えていてもよい。
【００１６】
また、上述した目的を達成する本発明に係る複合炭素繊維材料の製造方法は、複数の炭素繊維を同一方向に配列し、互いに導電性樹脂マトリックスで固着して中央層を形成する工程と、中央層の第１の表面に第１の炭素繊維不織マットを配する工程と、中央層の第２の表面に第２の炭素繊維不織マットを配する工程と、第１の炭素繊維不織マットの外表面を第１の熱可塑性樹脂層で覆う工程と、第１の炭素繊維不織マットを通って、中央層の第１の表面まで熱可塑性樹脂を浸透させる工程と、第２の炭素繊維不織マットの外表面を第２の熱可塑性樹脂層で覆う工程と、第２の炭素繊維不織マットを通って、中央層の第２の表面まで熱可塑性樹脂を浸透させる工程とを有する。
【００１７】
本発明に係る複合炭素繊維材料の製造方法において、第１の及び第２の炭素繊維不織マットの厚さをそれぞれ０．０８ｍｍ〜０．７９ｍｍとしてもよい。
【００１８】
本発明に係る複合炭素繊維材料の製造方法において、複数の炭素繊維を第１の方向に配列し、導電性樹脂マトリックスによって互いに固着させて第１の層を形成する工程と、複数の炭素繊維を第１の方向と略直交な第２の方向に配列し、導電性樹脂マトリックスによって互いに固着させて第２の層を形成する工程と、熱可塑性樹脂で第１の層と第２の層とを接着する工程とを有していてもよい。
【００１９】
本発明に係る複合炭素繊維材料の製造方法において、第１の層と第２の層とを接着する前に、第１の層と第２の層との間に第３の炭素繊維不織マットを配する工程を有していてもよい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明を適用した複合炭素繊維材料の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２１】
本発明の一形態によれば、同一方向に配列され、さらに重合体マトリックスで固着された炭素繊維で形成された炭素繊維層が、２つの炭素繊維不織マット、又は織布炭素繊維若しくは非主軸一方向層の炭素繊維の層の間に組み込まれている。この炭素繊維不織マット、又は織布炭素繊維若しくは非主軸一方向層の炭素繊維の層は、配列された炭素繊維層に優れた機械的強度及び安定性を付与し、また、主に、電流を流す機能を付与し、複合材料の全体的な導電率を向上させる。
【００２２】
一方向の導電率は、２つの方法によって達成される。まず、導電性ポリマーによって固着された炭素繊維間の接触によって達成される。及び／又は、１つの樹脂層又は複数の樹脂層に導電性材料を加えることによって達成される。
【００２３】
複合材料を作る際に用いた製造技術は、異なる方向に配列された炭素繊維間の連結によって網目構造を形成し、所望の導電率を得る技術である。導電率は、樹脂の体積分率によって調節され、導電性粒子を樹脂層又は複合材料層に導入することによって増大させることもできる。
【００２４】
炭素繊維層において、炭素繊維を同一方向に配列することによって、主軸に沿って機械的安定性を得るだけではなく、主軸に沿って電気を通すことができる。しかしながら、炭素繊維層を一層にすると、非主軸では導電性がなく、また、非主軸においては機械的安定性がほとんどなくなってしまう。
【００２５】
本発明は、炭素繊維層に非主軸の機械的安定性を付与するだけではなく、非主軸に導電能力を付与する不織炭素繊維マット、又は織布炭素繊維若しくは非主軸一方向の炭素繊維の層の使用について述べる。
【００２６】
更に炭素繊維層を１つ又は複数の樹脂層で接着することにより、複合材料の全体の性質を制御することができる。炭素繊維に対する絶縁樹脂の割合を変えることによって、複合材料の機械的および電気的特性を、様々なアプリケーションに応じて調節できる。さらに、１つの樹脂層又は複数の樹脂層に対して導電性粒子の割合を変えて含有させることによって、全体の導電性を、炭素繊維層単独で得られるものよりも大きくすることができる。
【００２７】
本発明は、所望の電気的および機械的特性に応じて、上述した構成のそれぞれの層を１層又はそれ以上有する。また、材料層パターンは、アプリケーションの要求に応じて適宜変更することができる。上述した炭素繊維層及び樹脂層を用いることにより、複合材料は０．０１０インチ未満の厚さに織ることができる。
【００２８】
本発明の上述した目的及び他の目的、特徴および利点について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２９】
図１は、本発明の複合炭素繊維材料に用いる炭素繊維材料の一構成例を示す分解斜視図である。中央層２０は、プラスチックマトリックスによって保持され、配列された炭素繊維からなる。中央層２０の両面に、炭素繊維不織布からなるマット２２，２４が配されている。これらのマット２２，２４は、極薄の炭素繊維で形成され、非常に軽く、同型であり、炭素繊維不織布の平面において炭素繊維にはほとんど配向性がないため、ほぼ等方性である。
【００３０】
上述したように、炭素繊維不織マットは、極薄の材料で形成され、厚さが０．０８ｍｍから０．７９ｍｍのものが一般に入手可能である。ここで、この炭素繊維不織マットまたは材料の商業的入手先の１つとして、Hollingsworth ＆ Vose Company（112 Washington Street, East Walpole, MA 02032）が挙げられる。
【００３１】
複合炭素繊維材料は、図２に示すように形成される。炭素繊維不織マット２２，２４は、配列された炭素繊維からなる中央層２０上に亘って配され、それぞれの炭素繊維不織マット２２，２４の表面は熱可塑性樹脂またはポリマーで覆われている。これは、炭素繊維不織マット２４上の熱可塑性樹脂層３０、炭素繊維不織マット２２上の熱可塑性樹脂層２８である。熱可塑性樹脂層２８及び熱可塑性樹脂層３０は、炭素繊維不織マット２２，２４を、配列された炭素繊維からなる中央層２０のそれぞれの外表面に固着又は接着させる。
【００３２】
本発明の他の実施形態では、炭素繊維の中央層の数が２倍になる。しかし、連続する中央層において炭素繊維が互いに略直交するように炭素繊維の方向を変える。さらに詳しくは、図３に示すように、配列された炭素繊維からなる第１の中央層４０が配され、配列された炭素繊維からなる第２の中央層４２は、第１の中央層４０と同一の広がりをもって配される。しかし、第２の中央層４２において炭素繊維の長手方向は、第１の中央層４０における炭素繊維の長手方向と略直交している。
【００３３】
２つの中央層４０，４２は、少量の熱可塑性樹脂によって互いに接着される。その後、炭素繊維不織マット４４が第１の中央層４０上に配され、炭素繊維不織マット４６が第２の中央層４２上に配される。
【００３４】
図３は、完成した複合炭素繊維材料ではなく、製造工程中のアセンブリを示している。完成した複合炭素繊維材料の断面図を図４に示す。図４に示すように、熱可塑性樹脂層４８は、炭素繊維不織マット４４上に配され、同様に熱可塑性樹脂層５０は、炭素繊維不織マット４６上に配される。これら熱可塑性樹脂層４８，５０の効果は、各炭素繊維不織マット４４，４６と、炭素繊維からなる中央層４０，４２との間を接着し、安定な材料を形成する。
【００３５】
図４には示していないが、これら２つの炭素繊維からなる中央層４０，４２を互いに接着するために、同様な材料のうちのいくらかを、それぞれの炭素繊維からなる中央層４０，４２の間に配してもよい。
【００３６】
図５に示す他の実施形態では、先に示した実施の形態と同様に、配列した炭素繊維からなる複数の層が配される。この具体例では、配列された炭素繊維層は、共に炭素繊維が同じ方向に配列されている。特に、第１の炭素繊維層６０が配され、さらに第２の炭素繊維層６２が配される。ここで、炭素繊維不織マット６４は、２つの炭素繊維層６０，６２の間に挟まれる。先の具体例のように、図５には示されていない少量の熱可塑性樹脂が、中心に配された複合材料を形成するために炭素繊維不織マット６４の両面に配されてもよい。
【００３７】
そして、更に炭素繊維不織マット６６，６８が、炭素繊維層６０および炭素繊維層６２の外表面に配される。特に、第１の炭素繊維不織マット６６が、配列された第１の炭素繊維層６０の外表面に配され、第２の炭素繊維不織マット６８が、配列された第２の炭素繊維層６２の外表面に配される。第２の炭素繊維層６２では、炭素繊維が第１の炭素繊維層６０の炭素繊維と同じ方向に配列されている。
【００３８】
図５に示したような層の順番で組み立てられた最終的な複合炭素繊維材料の構成を図６に示す。熱可塑性樹脂層７０は、第１の炭素繊維不織マット６６の外表面に配され、熱可塑性樹脂層７２は、第２の炭素繊維不織マット６８の外表面に配される。
【００３９】
上述した複合炭素繊維材料の有効な用途の一つとしては、導電性を有し、抵抗パスと動的に接触する電気接点を製造することである。
【００４０】
以上説明したように、本発明の複合炭素繊維材料は、導電能力を向上させることができることがわかる。炭素繊維不織マットは、主要な導電能力を付与し、さらに複合炭素繊維材料の機械的強度を向上させる。その結果、この炭素繊維複合材料を用いることで、電気接触点に要求される弾力性を改善することができる。
【００４１】
なお、図２，４および６の断面図では示していないが、複合炭素繊維材料の外表面を覆う少量の熱可塑性樹脂は、すべての層を互いに強固に接着するために、さらに内側層の間にも配されてもよい。
【００４２】
上述した説明は具体例のみについてなされているが、もちろん、これは請求項によって定義される本発明の範囲を制限するものではない。
【００４３】
【発明の効果】
このように、本発明では、導電能力と機械的強度とが両立された、優れた炭素繊維複合材料を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明に用いられる炭素繊維材料の一構成例を示す展開斜視図である。
【図２】
図１の炭素繊維材料を用いた、本発明の複合炭素繊維材料の一構成例を示す断面図である。
【図３】
炭素繊維からなる２枚の中央層が２枚の炭素繊維不織マットと組み合わされた、炭素繊維材料の他の構成例を示す展開斜視図である。
【図４】
図３に示す炭素繊維材料を用いた、本発明の複合炭素繊維材料の他の一構成例を示す断面図である。
【図５】
炭素繊維からなる２枚の中央層が３枚の炭素繊維不織マットと組み合わされた、炭素繊維材料の他の構成例を示す展開斜視図である。
【図６】
図５に示す炭素繊維材料を用いた、複合材料の完成した一構成例を示す断面図である。
【符号の説明】
２２，２４，４４，４６，６４，６６，６８  炭素繊維不織マット、  ２０，４０，４２  中央層、２８，３０，４８，５０，７０，７２  熱可塑性樹脂層
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2003103679.tif 000001
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
2003103679.tif 000002
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
2003103679.tif 000003
【手続補正５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2003103679.tif 000004
【手続補正６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５】
2003103679.tif 000005
【手続補正７】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図６】
2003103679.tif 000006