(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子線を炭素繊維に照射する際に、前記電子線のエネルギー量を１５０〜４００ｋｅＶの範囲とし、炭素繊維に吸収される吸収線量で２〜５Ｍｒａｄの範囲とすることにより、ダングリングボンドを再結合させるのに必要なエネルギー量を有する電子線を炭素繊維に照射して、炭素繊維内の切れたπ結合を修復し、せん断強度を増大させることを特徴とする炭素繊維の強化方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、織成品や複合材料等に用いられる炭素繊維の強化方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
炭素繊維は、引張応力に対して高い比強度を有するため、例えば複数の炭素繊維を束ねたり、縦横に織ることにより、高い比強度を示す複合材料として広く応用されている。
【０００３】
ところで、炭素繊維は、機械的特性に大きな異方性を示し、引張方向の応力に対しては高い強度を有するが、せん断方向の応力には脆く、わずかなせん断力が作用しただけで容易に破断する。これは、炭素繊維の製造過程等で生じる数１０ｎｍ〜数１００ｎｍの微小なクラックが炭素繊維内に不可避的に多数存在しており、炭素繊維に曲げの力がかかると、マイクロクラックの先端部に局部応力集中を生じて、急激にクラックが成長することに起因している。
【０００４】
現状、炭素繊維のせん断方向の強度低下に対する対応策としては、例えば炭素繊維を縦横に織成することによりなされている。このように構成された織成品において、縦又は横のいずれか一方の方向に織成された炭素繊維にせん断応力が負荷されても、もう一方の方向、つまりせん断応力方向と平行に織成された炭素繊維にこのせん断応力を分散させることができるため、炭素繊維の破断を回避できる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記対策をとっても、せん断応力の一部は分散されるものの、残部のせん断応力は、このせん断応力の方向と直交する方向の炭素繊維に依然として負荷されたままとなるため、織成品全体としての強度は低下傾向にある。
【０００６】
こうした実情にあって、炭素繊維のせん断強度を向上させる方法の実用化が産業界から要望されている。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、炭素繊維のせん断応力に対する強度を向上させることができる炭素繊維の強化方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、次に述べる本発明を完成するに至った。
【０００９】
電子線を炭素繊維に照射する際に、前記電子線のエネルギー量を１５０〜４００ｋｅＶの範囲とし、炭素繊維に吸収される吸収線量で２〜５Ｍｒａｄの範囲とすることにより、ダングリングボンドを再結合させるのに必要なエネルギー量を有する電子線を炭素繊維に照射して、炭素繊維内の切れたπ結合を修復し、せん断強度を増大させることを特徴とする。
【００１０】
図１は、横軸に炭素繊維にかけた破壊せん断応力σ（ＭＰａ）をとり、縦軸に炭素繊維の破壊率Ｐをとって、未処理の炭素繊維（直径；６μｍ）とこの未処理炭素繊維に電子線（加速電圧１７０ｋｅＶ、電流密度０．３６ｍＡ／ｃｍ2）を０．２３秒間照射する電子線照射処理を施した炭素繊維とについて炭素繊維の破断時のせん断応力（破壊せん断応力）とそのときの破壊率との関係を調べた結果を示すグラフ図である。図中で、黒丸を結んだ曲線Ａは未処理の炭素繊維の結果を示す特性線であり、白丸を結んだ曲線Ｂは電子線照射処理を施した炭素繊維の結果を示す特性線である。
【００１１】
両特性線Ａ、Ｂから明らかなように、ある破壊せん断応力値を超えると破断する繊維が出現し、破壊せん断応力σが上昇するのに伴って破壊率Ｐは上昇し、ある破壊率値に収束する。ここで、破壊率がゼロとなる破壊せん断応力値を最小破壊せん断応力σminと呼び、収束した値を最大破壊率Ｐmaxと呼ぶこととする。
【００１２】
これら最小破壊せん断応力σminおよび最大破壊率Ｐmaxに注目して両特性線Ａ、Ｂを比較してみると、特性線Ｂ（実施例）は、特性線Ａ（比較例）に比べて最小破壊せん断応力値σminが大幅に増大するとともに最大破壊率値Ｐmaxが大幅に低減されることが判明した。ちなみに、実施例ではσminが約１８５ＭＰａ、Ｐmaxが約０．４０となり、比較例ではσminが約４４ＭＰａ、Ｐmaxが約０．６７となった。
【００１３】
上述のように、炭素繊維に電子線を照射してそのエネルギーを吸収させる本発明によれば、炭素繊維のせん断強度を向上させることが可能となる。この機構は以下のように説明される。
【００１４】
炭素繊維は、炭素からなる５員環または６員環が形成され、この５員環または６員環が長さ方向に積層された構造になっている。炭素繊維内に不可避的に存在するマイクロクラックの先端部では、上記５員環同士または６員環同士を結合する弱い共有結合であるπ結合が複数切断され、ダングリングボンド（不対電子対）が複数生じた状態にあり、せん断応力が負荷されるとこの先端部を起点にしてさらにクラックが進展しやすくなっている。本発明によれば、炭素繊維に電子線を照射してそのエネルギーを吸収させることにより、上記マイクロクラック先端部に存在するダングリングボンドが再結合され、元のπ結合として修復されるため、マイクロクラック先端部を起点としたさらなるクラックの進展を回避することが可能となる。したがって、炭素繊維のせん断応力に対する強度を向上させることが可能となる。
【００１５】
ここで、炭素繊維に照射する電子線の照射量は、炭素繊維に吸収される吸収線量で２〜５Ｍｒａｄの範囲とすることが好ましい。炭素繊維の吸収線量を２Ｍｒａｄ未満にすると、せん断強度の向上効果が小さくなるおそれがあり、５Ｍｒａｄを超える吸収線量にすると、せん断強度を低下させるおそれがある。
【００１６】
また、電子線の照射エネルギー量は、１５０〜４００ｋｅＶの範囲とすることが好ましい。上記エネルギー量を１５０ｋｅＶ未満にすると、ダングリングボンドを再結合させるのに必要なエネルギー量を炭素繊維に吸収させることが困難になるおそれがあり、４００ｋｅＶを超えるエネルギー量にすると炭素繊維の温度が上昇し、炭素繊維を構成する炭素が昇華してせん断強度を低下させるおそれがある。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態について説明する。
【００１８】
（実施例１）
炭素繊維として、ＡＳＡＨＩ  ＮＩＰＰＯＮ  ＣＡＲＢＯＮ  ＦＡＩＢＥＲ社製（直径６μｍ）のものを用い、長さ１０ｍｍに切断して複数本の炭素繊維とした。次いで、これら炭素繊維に加速電圧１７０ｋｅＶ、電流密度０．３６ｍＡ／ｃｍ2の電子線を、大気圧・室温下で０．１２秒間照射したものを供試材とした。電子線の照射は、岩崎電気株式会社製の「エレクトロンカーテンプロセッサ  ＣＢ  １７５／１５／１８０Ｌ」を用いて行なった。
【００１９】
上記した電子線照射処理を行なった炭素繊維の吸収線量は、２．１６Ｍｒａｄであった。
【００２０】
炭素繊維の破壊試験は次に述べる方法により行なった。
【００２１】
図２に示すように、上記供試材２をその中心部をＵ字状に曲げた状態でノギス３の刃の間に挟み込み、供試材２がノギスの刃先から外れるのを防止するために供試材２の両端部近傍をノギス３に接着するとともにガラスプレート等の透明板（図示せず）をノギスの刃の表面側および裏面側の両面に貼り付けた。このような状態からノギスの刃の間隔Ｌを徐々に狭めることにより供試材２に曲げ応力の負荷を徐々に増していき、供試材２を破断させた。また、この破壊試験を行なっている間、ＣＣＤカメラをプロファイルプロジェクタ（Ｎｉｃｏｎ社製Ｖ−１２型）に接続し、破断に至るまでの画像を記録した。この記録画像から供試材の破断時の曲率半径ｒ（ｍｍ）を求めた。得られた曲率半径ｒの値から下記の式（１）により歪量δを求めた。また、炭素繊維の弾性率Ｅと、曲率半径ｒの値とから下記の式（２）により破断時のせん断応力値σを求めた。ただし、符号ｄは炭素繊維の直径（μｍ）を示す。
δ＝ｄ／２ｒ      …式（１）
σ＝ｄ・Ｅ／２ｒ  …式（２）
また、得られた破壊せん断応力値σにおける破壊率Ｐを求めた。これら破壊せん断応力値σと破壊率値Ｐとを、前述の図１で説明したのと同様に、破壊せん断応力軸と破壊率軸とを持つ座標軸にプロットし、得られた曲線から最小破壊せん断応力値σminおよび最大破壊率値Ｐmaxを求めた。
【００２２】
（実施例２）
加速電圧１７０ＫｅＶ、電流密度０．３６ｍＡ／ｃｍ2の電子線を大気圧・室温下で、０．２３秒間照射した以外、上記実施例１と同様な手法によって最小破壊せん断応力値σminおよび最大破壊率値Ｐmaxを求めた。この実施例２では、炭素繊維の吸収線量は約４．３Ｍｒａｄであった。
【００２３】
（比較例１）
電子線照射処理を施さなかった以外、上記実施例１と同様な手法によって最小破壊せん断応力値σminおよび最大破壊率値Ｐmaxを求めた。
【００２４】
上記した実施例１、２および比較例１で得られた結果から以下に述べる図３および図４に示す特性線図を得た。
【００２５】
図３は、横軸に電子線の照射時間（ｓ）および炭素繊維の吸収線量（Ｍｒａｄ）をそれぞれとり、縦軸に最小破壊せん断応力の逆数１／σmin（×１０−１ＭＰａ‐1）をとって、電子線の照射時間および炭素繊維の吸収線量と、最小破壊せん断応力との関係を調べた結果を示す特性線図である。この図から明らかなように、電子線の照射時間および炭素繊維の吸収線量が上昇するのに伴い、最小破壊せん断応力の逆数が急激に減少する、つまり最小破壊せん断応力値σminが急激に増大する傾向を示し、照射時間が０．２３秒程度で破断しなくなることが判明した。
【００２６】
図４は、横軸に電子線の照射時間（ｓ）および炭素繊維の吸収線量（Ｍｒａｄ）をそれぞれとり、縦軸に破壊率の最大値Ｐmaxをとって、電子線の照射時間および炭素繊維の吸収線量と破壊率の最大値との関係を調べた結果を示す特性線図である。この図から明らかなように、破壊率の最大値Ｐmaxは、電子線の照射時間および炭素繊維の吸収線量の増加にほぼ比例して減少する傾向にあり、照射時間が０．２３秒程度では破壊率の最大値Ｐmaxがゼロ、つまり破断しなくなることが判明した。
【００２７】
なお、これら実施例では、室温・大気圧下で電子線を照射した場合について説明したが、本発明はこれのみに限られることなく冷却下や減圧下で電子線を照射するようにしてもよい。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、炭素繊維に電子線を照射してそのエネルギーを吸収させることにより、炭素繊維のせん断応力に対する強度を大幅に向上させることができるため、炭素繊維が本来的に有する機械的特性の異方性を改善することができる。また、本発明による電子線照射処理を施した炭素繊維を用いた織成材料や複合材料は、これら材料の全体的な強度が大幅に向上するので信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】破壊せん断応力と破壊率との関係につき調べた結果を示す特性線図。
【図２】炭素繊維の曲げ破壊試験の概略を示す模式図。
【図３】電子線の照射時間および炭素繊維の吸収線量と最小破壊せん断応力の逆数との関係につき調べた結果を示す特性線図。
【図４】電子線の照射時間および炭素繊維の吸収線量と最大破壊率との関係につき調べた結果を示す特性線図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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