(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素繊維クロスに熱硬化性樹脂を含浸し半硬化したプリプレグシートを中子の表面に敷設するのに適した形状のプリプレグシート片に裁断し、裁断したプリプレグシート片を組み合わせて所望形状の型に作製した中子の表面に敷設して貼着し、所定の厚さに積層したのち多数の細孔を有する離型紙を包着し、次いで弾性体の袋に入れて真空引きしながら等方加圧成形して予備硬化し、成形体を弾性体の袋から取り出して硬化したのち非酸化性雰囲気中で熱処理して焼成炭化することを特徴とするＣ／Ｃ材からなる成形体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｃ／Ｃ材（炭素繊維強化炭素複合材）からなる円筒形状やルツボ形状などの成形体、例えばＣＺ法（チョクラルスキー法）による半導体製造時に用いられる炭素ルツボ、金属の溶解や熱処理時に用いられる容器、などのＣ／Ｃ材からなる成形体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｃ／Ｃ材は、高い比強度、比弾性率を有する炭素繊維の複合化により優れた強度特性を備え、また耐熱性や化学的安定性なども優れているところから、ＣＺ法による単結晶引き上げ用のルツボ、ヒータなどの半導体製造用の各種部材をはじめ航空・宇宙機用の構造部材や高温用部材など高温苛酷な条件下で使用される広い用途分野で有用されている。
【０００３】
例えば、実開昭６３−７１７４号公報には少なくとも側壁部分が一体のＣ／Ｃ材により構成されてなる単結晶引き上げ用ルツボが、また特開平９−２６３４８２号公報にはＣ／Ｃ材のシリコン単結晶引き上げ用ルツボであって、ルツボ内側を炭素繊維クロス積層体または炭素繊維フェルト積層体を用いたＣ／Ｃ材とし、ルツボ外側をフィラメントワインディング法により成形したＣ／Ｃ材で構成した二層よりなるシリコン単結晶引き上げ用炭素繊維強化炭素ルツボが開示されている。
【０００４】
このＣ／Ｃ材を製造する代表的な技術としては、(1) マトリックスとなる熱硬化性樹脂液を含浸した炭素繊維の織布を積層し、プレスなどで所定形状に圧縮成形したのちプリプレグ成形体を非酸化性雰囲気下で焼成炭化する方法、(2) 熱硬化性樹脂液を含浸した炭素繊維のトウをフィラメントワインディング法で所定形状に成形し、このプリプレグ成形体を同様に焼成炭化する方法、などが知られている。
【０００５】
しかしながら、これらの方法によりＣ／Ｃ材を作製する場合にＣ／Ｃ材の形状が複雑異形な場合にはその作製が困難となり、更に比較的に簡単な中空円筒形状やルツボなどの容器形状でも成形体の作製は必ずしも容易ではない。
【０００６】
そこで、本出願人は炭素繊維に熱硬化性樹脂を含浸または塗布して形成したプリプレグを成形型内に引張りながら積層して貼りつけ、１〜３０kg/cm2に加圧した状態で５０〜１００℃の温度に加熱硬化して容器状に成形し、成形型から離型後さらに１５０〜３００℃の範囲で硬化処理したのち非酸化性雰囲気中で焼成することを特徴とする炭素容器の製造方法（特許第 2762300号）を開発した。
【０００７】
また、特開平１０−１３００６７号公報には炭素繊維強化炭素複合材料を全部または一部に含んで形成される単結晶引き上げ用ルツボの製造方法であって、短炭素繊維を樹脂を含んでなる溶液中に分散させ前記短炭素繊維を含む混合液を得る工程と、前記混合液をルツボの形状からなる型に被せて液体成分を除去することにより前記短炭素繊維からなるルツボの形状体を得る工程と、前記ルツボの形状体を熱圧処理することにより、炭素繊維強化複合材料のルツボの成形体を得る工程と、前記ルツボの成形体を炭化および緻密化する工程とを含んでなる単結晶引き上げ用ルツボの製造方法が開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの方法では加圧プレス成形により成形体を作製するので全ての方向から均等に加圧することができないために、加圧時に成形体組織に方向性が生じ易い難点がある。また、特開平１０−１３００６７号公報の方法では短炭素繊維を用いる関係で強度的に充分でないという問題点もある。
【０００９】
そこで、本発明者は上記問題点を解消するために鋭意検討した結果、簡易な方法によりＣ／Ｃ材からなる成形体の作製に成功したものであって、その目的とするところは簡便な手法により円筒形状やルツボ形状などの容器形状のＣ／Ｃ材からなる成形体の製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための本発明によるＣ／Ｃ材からなる成形体の製造方法は、炭素繊維クロスに熱硬化性樹脂を含浸し半硬化したプリプレグシートを中子の表面に敷設するのに適した形状のプリプレグシート片に裁断し、裁断したプリプレグシート片を組み合わせて所望形状の型に作製した中子の表面に敷設して貼着し、所定の厚さに積層したのち多数の細孔を有する離型紙を包着し、次いで弾性体の袋に入れて真空引きしながら等方加圧成形して予備硬化し、成形体を弾性体の袋から取り出して硬化したのち非酸化性雰囲気中で熱処理して焼成炭化することを構成上の特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
炭素繊維としてはポリアクリロニトリル系、レーヨン系、ピッチ系などの各種原料から製造されたものが用いられ、これらの炭素繊維を平織り、綾織り、朱子織りなどの織物としたクロスが使用される。熱硬化性樹脂にはフェノール系やフラン系など常用の樹脂が用いられ、Ｃ／Ｃ材の強度を高位に保持させるために残炭率５０％以上のものが好ましく用いられる。
【００１２】
炭素繊維クロスに熱硬化性樹脂を含浸する際、例えばアセトン、エタノールなどの揮発性溶媒に熱硬化性樹脂を適宜濃度に溶解して低粘度の熱硬化性樹脂溶液を調製して、炭素繊維クロスを浸漬する、あるいは炭素繊維クロスに塗布する、などの手段により含浸することが好ましい。このようにして熱硬化性樹脂を含浸した炭素繊維クロスは、風乾して揮発性溶媒を除去したのち６０〜９０℃の温度に加熱し、半硬化してプリプレグシートが作製される。
【００１３】
プリプレグシートは所望する形状、例えばルツボなどの容器形状に合わせて作製した中子の表面に敷設するのに適した形状に裁断し、裁断したプリプレグのシート片を組み合わせて中子の表面に敷設する。中子の材質にはプリプレグシートとのなじみが良好な木材、金属材、や黒鉛材が用いられ、耐熱性が必要な場合には黒鉛材が好適であり、また中子に離型紙を張付けておくと型抜きを容易に行うことができるので好ましい。このようにしてプリプレグを裁断したシート片を中子の表面に１層敷設して貼着したのち、前記の熱硬化性樹脂溶液を塗布して乾燥後、その上に再びプリプレグシート片を組み合わせて敷設するという操作を繰り返して所定の厚さに積層する。
【００１４】
このようにして、中子の表面にプリプレグシート片を敷設し、貼着して所定の厚さに積層したのち多数の細孔を有する離型紙を包着してゴムや繊維強化ゴム複合体や充填材を添加したゴム複合体などの材質からなる弾性体の袋に入れ、真空引きして揮発性成分を揮散除去する。更に、真空引きしながら弾性体の袋を冷間静水圧成形法（ＣＩＰ）などの等方加圧成形法により等方的に加圧して成形する。等方加圧成形は、例えば１〜５トン／cm2 の水圧で１時間程度加圧成形し、この際、樹脂の種類により異なるが概ね１０〜８０℃程度に温度調整して含浸する熱硬化性樹脂の流動性を保持させることが望ましく、フェノール樹脂の場合には３０〜５０℃に加温することが好ましい。
【００１５】
等方加圧成形したのち、弾性体の袋のまま５０〜１００℃の温度に適宜時間加熱して予備硬化し、次いで弾性体の袋から中子とともに予備硬化した半硬化成形体を取り出す。この予備硬化反応時に発生する縮合水や低沸点生成物などは、包着した離型紙の細孔を通って効率よく排出除去される。
【００１６】
半硬化した成形体は、常法に従い１５０〜３００℃の温度に加熱して硬化したのち、窒素ガス、アルゴンガスなどの非酸化性雰囲気中８００〜２０００℃の温度に加熱して樹脂成分を焼成炭化し、中子を取り外すことによりルツボ形状のＣ／Ｃ材からなる成形体が製造される。この場合、中子に離型紙を張付けておくと容易に離型できるので好ましい。このようにして製造された成形体は、プリプレグシートが中子とよくなじむので表面にしわやボイドの発生が少なく、表面平滑で緻密、かつ層間剥離もないＣ／Ｃ材から構成されているので、ＣＺ法の炭素ルツボなどとして好適に用いることができる。
【００１７】
実施例
ポリアクリロニトリル系の炭素繊維クロスに、フェノール樹脂をアセトンに溶解したフェノール樹脂溶液（濃度20wt％）を塗布し、７０℃で１時間処理して半硬化し、プリプレグシートを形成した。外径３００mm、高さ２００mmの黒鉛製の中子を作製し、中子表面に離型紙を張り付け、その上に中子に添った形状に裁断したプリプレグシートのシート片を組み合わせて、へらで賦型しながら敷設し、加熱乾燥して貼着した。次いで、前記のフェノール樹脂溶液を塗布し、再びプリプレグシート片をへらで賦型しながら敷設し、加熱乾燥して貼着した。この操作を繰り返し行ってシート片を１０層積層し、その上に多数の細孔を有する離型紙を包着してゴム袋に入れ、真空引きして揮発性成分を揮散除去した。
【００１８】
その後、真空引きしながらゴム袋をＣＩＰ装置に入れ、水温を４０℃に調節して１トン／cm2 の圧力で１時間等方加圧成形した。ＣＩＰ装置からゴム袋を取り出し、９０℃の温度で４時間加熱して予備硬化したのち、ゴム袋から予備硬化積層体を取り出して包着した離型紙を取り外し、２４０℃の温度で硬化した。次いで、不活性雰囲気中で１０℃／hrの昇温速度で１０００℃の温度により焼成炭化した後、中子を取り外して、内径３００mm、高さ２０４mm、厚さ４mmのルツボ状の炭素容器を製造した。このようにして得られた炭素容器の内面ならびに外面にはしわやボイドなどが認められず、平滑で層間剥離なども観察されなかった。
【００１９】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明のＣ／Ｃ材からなる成形体の製造方法によれば、簡便な方法により円筒形状やルツボ形状などの容器形状を有するＣ／Ｃ材からなる成形体を製造することが可能となる。したがって、ＣＺ法に用いられる炭素ルツボや金属溶解などの熱処理容器に用いられるＣ／Ｃ材からなる成形体の製造方法として有用である。