(57)【要約】      （修正有）【課題】所望の形状に容易に加工することができ、高い製造コストを必要とせず、かつ均一な機械的強度を有する部品の提供。【解決手段】アモルファス炭素、並びにアモルファス炭素中に分散している繊維状及び／又は扁平状の炭素フィラーを含み、かつＪＩＳＫ７０７４に準拠して測定したときに、曲げ強さが最小の方向での曲げ強さが、曲げ強さが最大の方向での曲げ強さの８０％以上である、板状炭素成形体。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アモルファス炭素、並びに前記アモルファス炭素中に分散している繊維状及び／又は扁平状の炭素フィラーを含有し、かつ
ＪＩＳ  Ｋ  ７０７４に準拠して測定したときに、曲げ強さが最小の方向での曲げ強さが、曲げ強さが最大の方向での曲げ強さの８０％以上である、
板状炭素成形体。
【請求項２】
板バネである、請求項１に記載の板状炭素成形体。
【請求項３】
ＳＵＪ−２ボールを用いてボールオンディスク摩擦摩耗試験機により、荷重３００ｇｆ、回転半径１２ｍｍ、回転速度５ｍ／分、摺動距離５０００ｍの条件で摺動試験をした場合の、摺動の間全体の平均摩擦係数が０．１５以下である、請求項１又は２に記載の板状炭素成形体。
【請求項４】
厚さが１．０ｍｍ以下である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の板状炭素成形体。
【請求項５】
前記アモルファス炭素が、バインダー樹脂を非酸化雰囲気下で炭素化することにより生成する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の板状炭素成形体。
【請求項６】
前記バインダー樹脂が熱硬化性樹脂である、請求項５に記載の板状炭素成形体。
【請求項７】
前記炭素フィラーが、黒鉛、ミルドファイバー、チョップドファイバー、及びカーボンナノチューブのうちの１種又はこれらの組合せである、請求項１〜６のいずれか一項に記載の板状炭素成形体。
【請求項８】
前記炭素フィラーの含有量が３０質量％以下である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の板状炭素成形体。
【請求項９】
液状の硬化性樹脂及び炭素フィラーを含有する炭素成形体用組成物を提供すること、
炭素成形体用組成物を型枠に流し込み、そして前記液状の硬化性樹脂を硬化させて板状の硬化樹脂成形体を得ること、並びに
前記板状の硬化樹脂成形体を炭化すること
を含む、板状炭素成形体の製造方法。
【請求項１０】
前記液状の硬化性樹脂を部分的に硬化させて板状の半硬化樹脂成形体を形成し、前記板状の半硬化樹脂成形体を変形させかつ／又は切断し、そして変形させかつ／又は切断した前記板状の半硬化樹脂成形体を硬化させて前記板状の硬化樹脂成形体を形成する、請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、板状炭素成形体に関する。
【背景技術】
【０００２】
機械要素の一部として、炭素材料を使用した種々の炭素成形体が使用されている。この炭素成形体は、その使用場所及び用途に応じて種々の形態をとることが求められる。また、これらの部品の成形は、種々の方法により行われている。
【０００３】
特許文献１では、セラミックス／炭素複合材料、具体的には炭素材料の全部又は一部を炭化ケイ素に転化させた材料で作られたコイルバネが開示されている。このコイルバネは、この複合材料を押出成形し、成形して得た線状の炭素成形体を巻き取ることにより成形されている。
【０００４】
また、特許文献２では、炭素繊維／炭素複合材料、具体的には炭素繊維と炭素繊維を取り囲んでいるアモルファス炭素とから成る材料で作られた座金が開示されている。この座金は、原料プリフォームドヤーンをヤーン状、テープ状又はシート状として、芯棒に間隙保持用コイル材とともに巻き付け、原料プリフォームドヤーンとコイル材とを交互に配置した後、ホットプレスで成形し、得られた成形体からコイル材を取外し、次いで炭素化した後、黒鉛化し、炭素成形体を１周分毎に切断することにより成形されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１−１８３４１３号公報
【特許文献２】特開平８−４２５５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のように、炭素成形体はその使用場所及び用途に応じて種々の形態をとることが求められる。例えば電池の部品及び導電接点等として使用する場合には板バネの形態をとることも必要となろう。しかし、上記特許文献で開示されている炭素成形体は、上記のように煩雑な工程を必要とし、炭素成形体の形態によっては一旦ブロックの形態で製造した後にこれを切削する工程等を必要とするものであった。
【０００７】
加えて、特許文献１のセラミックスを使用した炭素成形体は、耐熱衝撃性及び靱性が劣るため、壊れやすい。
【０００８】
また、特許文献２の炭素繊維／炭素複合材料は非常に高価なものであり、かつ炭素繊維が特定の方向に配向していることから、製造した炭素成形体の機械的強度は、測定方向により異なる評価結果を示すものであった。
【０００９】
したがって、本発明では、面方向に均一な機械的強度を示す板状炭素成形体を提供する。
【００１０】
なお、炭素複合材料を使用した部品は、金属製の部品が有する問題、例えば長期にわたって使用した場合に金属疲労により性能の劣化が生じる問題、電解液に接触し得る環境において使用した場合に腐食が生じる問題、及び高温環境下で使用した場合に変形及び劣化が生じる問題を有しないという利点を有している。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは、鋭意検討したところ、以下の手段により上記課題を解決できることを見出して、本発明を完成させた。すなわち、本発明は、下記の通りである：
〈１〉アモルファス炭素、並びに上記アモルファス炭素中に分散している繊維状及び／又は扁平状の炭素フィラーを含有し、かつ
ＪＩＳ  Ｋ  ７０７４に準拠して測定したときに、曲げ強さが最小の方向での曲げ強さが、曲げ強さが最大の方向での曲げ強さの８０％以上である、
板状炭素成形体。
〈２〉板バネである、上記〈１〉項に記載の板状炭素成形体。
〈３〉ＳＵＪ−２ボールを用いてボールオンディスク摩擦摩耗試験機により、荷重３００ｇｆ、回転半径１２ｍｍ、回転速度５ｍ／分、摺動距離５０００ｍの条件で摺動試験をした場合の、摺動の間全体の平均摩擦係数が０．１５以下である、上記〈１〉又は〈２〉項に記載の板状炭素成形体。
〈４〉厚さが１．０ｍｍ以下である、上記〈１〉〜〈３〉項のいずれか一項に記載の板状炭素成形体。
〈５〉上記アモルファス炭素が、バインダー樹脂を非酸化雰囲気下で炭素化することにより生成する、上記〈１〉〜〈４〉項のいずれか一項に記載の板状炭素成形体。
〈６〉上記バインダー樹脂が熱硬化性樹脂である、上記〈５〉項に記載の板状炭素成形体。
〈７〉上記炭素フィラーが、黒鉛、ミルドファイバー、チョップドファイバー、及びカーボンナノチューブのうちの１種又はこれらの組合せである、上記〈１〉〜〈６〉項のいずれか一項に記載の板状炭素成形体。
〈８〉上記炭素フィラーの含有量が３０質量％以下である、上記〈１〉〜〈７〉項のいずれか一項に記載の板状炭素成形体。
〈９〉液状の硬化性樹脂及び炭素フィラーを含有する炭素成形体用組成物を提供すること、
炭素成形体用組成物を型枠に流し込み、そして上記液状の硬化性樹脂を硬化させて板状の硬化樹脂成形体を得ること、並びに
上記板状の硬化樹脂成形体を炭化すること
を含む、板状炭素成形体の製造方法。
〈１０〉上記液状の硬化性樹脂を部分的に硬化させて板状の半硬化樹脂成形体を形成し、上記板状の半硬化樹脂成形体を変形させかつ／又は切断し、そして変形させかつ／又は切断した上記板状の半硬化樹脂成形体を硬化させて上記板状の硬化樹脂成形体を形成する、上記〈９〉項に記載の方法。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、所望の形状に容易に加工することができ、高い製造コストを必要とせず、かつ均一な機械的強度を有する板状炭素成形体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の板状炭素成形体における炭素フィラーの配向性の模式図である。
【図２】先行技術の炭素成形体における炭素フィラーの配向性の模式図である。
【図３】実施例１の板バネの繰り返し試験の前後における荷重とたわみ量との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
《板状炭素成形体》
本発明の板状炭素成形体は、アモルファス炭素、及びアモルファス炭素中に分散している炭素フィラーを含む。
【００１５】
〈アモルファス炭素〉
アモルファス炭素は、例えばバインダー樹脂を非酸化雰囲気下で炭素化することにより得られるものであってよい。
【００１６】
〈炭素フィラー〉
炭素フィラーは、アモルファス炭素中に分散している繊維状及び／又は扁平状の炭素フィラーを言うものである。
【００１７】
繊維状の炭素フィラーとしては、これに限られないが、ミルドファイバー、及びチョップドファイバー等が挙げられる。これらは単独で使用してもよく、また組み合わせて使用してもよい。
【００１８】
繊維状の炭素フィラーの平均長は、１μｍ以上、３μｍ以上、５μｍ以上、１０μｍ以上、又は１５μｍ以上であることができ、また１００μｍ以下、７０μｍ以下、５０μｍ以下、又は３０μｍ以下であることができる。
【００１９】
扁平状の炭素フィラーとしては、黒鉛、及びカーボンナノチューブが挙げられる。これらは単独で使用してもよく、また組み合わせて使用してもよい。
【００２０】
扁平状の炭素フィラーの粒径は、１μｍ以上、２μｍ以上、又は３μｍ以上であることができ、また２０μｍ以下、１５μｍ以下、１０μｍ以下、又は７μｍ以下であることができる。
【００２１】
混合物中の炭素フィラーの含有量は、３０％以下、２５％以下、２０％以下、又は１５％以下であることができ、また、５％以上、７％以上、又は１０％以上であることができる。炭素フィラーの含有量が３０％以下であることにより、炭素成形体の成形をより容易に行うことができる。また、炭素フィラーの含有量が５％以上であることにより、成形した部品の良好な機械的性質を確保することができる。
【００２２】
炭素フィラーは、炭素成形体中においては一方向に配向しておらず、それによって均一な機械的強度を有する板状炭素成形体を提供することができる。
【００２３】
〈曲げ強さ〉
板状炭素成形体の曲げ強さが最小の方向での曲げ強さが、曲げ強さが最大の方向での曲げ強さの８０％以上、８５％以上、９０％以上、９５％以上、又は１００％であることができる。
【００２４】
ここで、曲げ強さは、ＪＩＳ  Ｋ  ７０７４に準拠して測定するものである。具体的には、両端を単純支持された試験片の１点に荷重（３点曲げ）を加え、所定の試験速度で試験片をたわませて荷重−たわみ曲線を記録し、この曲線から試験片にかかる最大荷重Ｐｂ（Ｎ）を求め、それにより、以下の式で求められる曲げ強さσｂ（ＭＰａ）を言うものである。
σｂ＝（３ＰｂＬ／２ｂｈ２）×｛１＋４（δ／Ｌ）２｝
式中、Ｌは支点間距離（ｍｍ）、ｂは試験片の幅（ｍｍ）、ｈは試験片の厚さ（ｍｍ）、δは荷重Ｐｂ時のたわみ（ｍｍ）を意味する。ここで、試験片を任意の大きさに切り分けて測定を行うことができることに留意されたい。
【００２５】
板状炭素成形体の形態としては、任意の形態、例えば板バネの形態であることができる。
【００２６】
板状炭素成形体の平均摩擦係数は、０．２０以下、０．１７以下、又は０．１５以下であることができ、また０．０５以上、０．０７以上、又は０．１０以上であることができる。
【００２７】
ここで、平均摩擦係数は、ＳＵＪ−２ボールを用いてボールオンディスク摩擦摩耗試験機により、荷重３００ｇｆ、回転半径１２ｍｍ、回転速度５ｍ／分、摺動距離５０００ｍの条件で摺動試験をした場合の、摺動の間全体の平均摩擦係数を言うものである。
【００２８】
板状炭素成形体の体積固有抵抗は、０．０１００Ω・ｃｍ以下、０．００７０Ω・ｃｍ以下、又は０．００５０Ω・ｃｍ以下であることができ、また０．０００１Ω・ｃｍ以上、０．０００５Ω・ｃｍ以上、又は０．００１０Ω・ｃｍ以上であることができる。
【００２９】
ここで、体積固有抵抗は、４端子法で測定した体積固有抵抗を言うものである。
【００３０】
板バネの厚さは、１．０ｍｍ以下、０．８ｍｍ以下、又は０．７ｍｍ以下であることができ、また０．１ｍｍ以上、０．３ｍｍ以上、又は０．５ｍｍ以上であることができる。
【００３１】
《板状炭素成形体の製造方法》
本発明の板状炭素成形体の製造方法は、液状の硬化性樹脂及び炭素フィラーを含有する炭素成形体用組成物を提供すること、炭素成形体用組成物を型枠に流し込み、そして液状の硬化性樹脂を硬化させて板状の硬化樹脂成形体を得ること、並びに板状の硬化樹脂成形体を炭化することを含む。
【００３２】
以下、図１及び２を参照してこの本発明の方法を説明する。なお、これらの図においては、繊維状の炭素フィラーを使用しているものとして説明しているが、扁平状の炭素フィラーを使用した場合でも同様の理論を適用することができることに留意されたい。
【００３３】
従来の炭素成形体においては、図２に示すように、樹脂（２０）中に炭素フィラー（１０）が分散しており、これを押出成形すると、成形方向にかかる応力によって一方向に炭素フィラー（１０）が配向することとなる。
【００３４】
これに対して、本発明の板状炭素成形体においては、図１に示すような、液状の硬化性樹脂（２０）中に炭素フィラー（１０）が分散している炭素成形体用組成物を用い、これを型枠に流し込んでいる。したがって、従来技術の場合のような炭素フィラーの配向の問題が生じない。また、炭素フィラーが扁平状である場合、炭素フィラーの同一面が同じ側を向かないこととなる。
【００３５】
この本発明の方法では、炭素フィラーが一方向に配向していないことにより、炭素曲げ強さが最大の方向及び曲げ強さが最小の方向における機械的強度のばらつきを抑制することができ、その結果板状炭素成形体の機械的強度の均一性を確保することができる。
【００３６】
本発明の方法で用いる液状の硬化性樹脂は、特に熱硬化性樹脂又は紫外線硬化型樹脂であってよい。
【００３７】
熱硬化性樹脂としては、例えば、これに限られないが、フェノール樹脂、フラン樹脂、イミド樹脂、エポキシ樹脂、及び不飽和ポリエステル樹脂等の熱硬化性樹脂が挙げられる。これらは単独で使用してもよく、また２種以上を混合して使用してもよい。
【００３８】
炭素成形体用組成物は、本発明の目的を損なわない範囲で、随意の添加剤を含有することができる。添加剤としては、例えば硬化剤等が挙げられる。
【００３９】
炭素化は、窒素、アルゴン等の非酸化雰囲気中で昇温し、炭素化保持温度で保持し、自然冷却することにより行うことができる。
【００４０】
昇温速度としては、１０℃／ｈ以上、１５℃／ｈ以上、２０℃／ｈ以上であることができ、また１００℃／ｈ以下、９０℃／ｈ以下、又は８０℃／ｈ以下であることができる。
【００４１】
炭素化保持温度としては、７００℃以上、７５０℃以上、又は８００℃以上であることができ、また１５００℃以下、１４５０℃以下、又は１４００℃以下であることができる。
【実施例】
【００４２】
実施例及び比較例により本発明を具体的に説明するが、本発明は、これらに限定されるものではない。
【００４３】
〈実施例１〉
アモルファス炭素源としてのフラン樹脂（日立化成（株）製  ＶＦ−３０３）９０部、及び炭素フィラーとしての天然鱗状黒鉛（日本黒鉛製  平均粒子径５μｍ）１０部をポニーミキサー等で撹拌後、硬化剤としてｐ−トルエンスルホン酸１部を添加して、高速乳化・分散機（プライミクス（株）ホモミクサーＭＡＲＫ  ＩＩ  ２．５型）を用いて十分撹拌し、減圧脱泡操作を施して、炭素成形体用組成物を得た。
【００４４】
この炭素成形体用組成物を厚み０．７ｍｍの型枠に流し込み、熱を加え硬化させることで、半硬化樹脂成形体としての樹脂シートを作製した。このシートを幅１０ｍｍ長さ１００ｍｍに切り分け、バネ形状を付与させるための型に設置して変形させた。
【００４５】
その後、この切り分け及び変形を行った半硬化樹脂成形体を、１８０℃で３時間乾燥させ、窒素雰囲気中で１０００℃で３時間処理して、厚み０．５ｍｍの板バネを得た。
【００４６】
〈実施例２〉
アモルファス炭素源としてフラン樹脂（日立化成（株）製  ＶＦ−３０３）９８部、炭素フィラーとして気相法炭素繊維（昭和電工（株）製  ＶＧＣＦ−Ｈ平均繊維径０．２μｍ以下平均繊維長２０μｍ）２部を使用したことを除いて実施例１と同様にして、厚み０．５ｍｍの板バネを得た。
【００４７】
〈実施例３〉
アモルファス炭素源としてフラン樹脂（日立化成（株）製  ＶＦ−３０３）９０部、炭素フィラーとしてピッチ系黒鉛質炭素繊維（日本グラファイトファイバー製  ＨＣ６００−１００Ｍ、平均繊維径７μｍ、平均繊維長１００μｍ）１０部を使用したことを除いて実施例１と同様にして、厚み０．５ｍｍの板バネを得た。
【００４８】
〈比較例１〉
アモルファス炭素源としての塩化ビニル樹脂４０部、及びフラン樹脂（日立化成（株）製  ＶＦ−３０３）２０部、並びに炭素フィラーとしての天然鱗状黒鉛（日本黒鉛製  平均粒子径５μｍ）、及びピッチ系黒鉛質炭素繊維（日本グラファイトファイバー製  ＨＣ６００−１００Ｍ、平均繊維径７μｍ、平均繊維長１００μｍ）１０部に、可塑剤としてジアリルフタレートモノマーを添加して、ヘンシェルミキサーで分散させた後、３本ロールにて混練し、ペレタイザーにてペレット化したを得た。
【００４９】
得られたペレットをスリット幅１ｍｍで横幅３４ｍｍのスリットダイを有する押出成形機にてシート状に成形し、１８０℃のエアオーブン中で３時間処理し炭素前駆体とした。その後窒素雰囲気中で毎時１５℃で昇温し１０００℃で３時間保持し、厚み０．７ｍｍの板材を得た。
【００５０】
〈評価〉
下記のようにして、実施例１の平均摩擦係数、固有抵抗、及び耐久性、並びに実施例１〜３及び比較例１の曲げ強さを評価した。
【００５１】
（平均摩擦係数）
実施例１について得られたシート材を幅５０ｍｍ長さ５０ｍｍに切り分けて試験片として、摩擦係数と比摩耗量の測定を、ボールオンディスク摩擦摩耗試験機を用いて、ＳＵＪ２ボールに荷重３００ｇｆ、回転半径１２ｍｍ、回転速度５ｍ／分、摺動距離５０００ｍの条件で摺動試験をして求めた。平均摩擦係数は０．１５であった。
【００５２】
（固有抵抗）
実施例１について、５０ｍｍ×３ｍｍ×０．５ｍｍの試験片から４端子法により体積固有抵抗を求めたところ、０．００３８Ω・ｃｍであった。
【００５３】
（耐久性）
実施例１について、５０ｍｍ×３ｍｍ×０．５ｍｍの試験片を用いて、繰り返し試験による耐久性の評価を実施した。具体的には、板バネに負荷を１００万回与える処理を行い、この処理の前後における荷重とたわみ量との関係を評価するものである。繰り返し試験の前後における荷重とたわみ量との関係を図１に示す。図１から、実施例１の板バネは１００万回負荷を与えた後でも同一の荷重とたわみ量との関係を有すること、すなわち疲労による性能の劣化が生じていないことが理解されよう。
【００５４】
（曲げ強さ）
実施例１〜３及び比較例１について、ＪＩＳ  Ｋ  ７０７４に準拠し、試験片の曲げ強さが最大の方向（最大方向）、及び曲げ強さが最小の方向（最小方向）における曲げ強さを測定した。評価結果を表１に示す。
【００５５】
【表１】
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【００５６】
表１から、実施例１〜３の板バネは、曲げ強さが最小の方向での曲げ強さが、曲げ強さが最大の方向での曲げ強さの１００％であるため、配向性に起因する機械的強度に差異がないことが理解されよう。
【符号の説明】
【００５７】
１０    炭素繊維
２０    樹脂（アモルファス炭素源）
【図１】
2016124742.tif 000004
【図２】
2016124742.tif 000005
【図３】
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