(57)【要約】【課題】本発明の課題は、寸法精度および強度に優れたＣ／Ｃ複合材料を、従来のＣ／Ｃ複合材料の製造方法と異なって製造時間および製造コストが嵩むことなく簡単に得ることができる製造方法を提供することにある。【解決手段】本発明のＣ／Ｃ複合材料の製造方法は、炭素繊維と硬化性樹脂とを含むプリプレグ２ａを型３に貼り付けた後に、このプリプレグ２ａを硬化する貼付硬化工程を複数回繰り返すことによって得られる素材を、熱処理することによってＣ／Ｃ化することを特徴とする。【選択図】図２
2009167046.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素繊維と硬化性樹脂とを含むプリプレグを型に貼り付けた後に、このプリプレグを硬化する貼付硬化工程を複数回繰り返すことによって得られる素材を、熱処理することによってＣ／Ｃ化することを特徴とするＣ／Ｃ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、Ｃ／Ｃ複合材料の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｃ／Ｃ複合材料は、炭素繊維を炭素質マトリックス中に含む複合材料である。一般に、このＣ／Ｃ複合材料は、硬化性樹脂を含浸させた炭素繊維からなるシート状のプリプレグを型上に複数積層して所望形状の成形体とし、この成形体をＣ／Ｃ化して製造される。しかしながら、この製造方法でＣ／Ｃ複合材料を製造すると、型上に積層したプリプレグを硬化して成形体を得る際に、炭素繊維がうねりを発生する場合がある。そして、炭素繊維のうねりは、プリプレグが複数積層されることで成形体が厚肉になるほど大きくなって、この成形体をＣ／Ｃ化して得られるＣ／Ｃ複合材料の寸法精度を悪化する。
【０００３】
一方、このような炭素繊維のうねりによる寸法精度の悪化を防止するＣ／Ｃ複合材料の製造方法としては、プリプレグからなる複数のパーツを接合して成形体を形成すると共に、この成形体をＣ／Ｃ化する方法（例えば、特許文献１参照）や、最終形状のＣ／Ｃ複合材料を複数に分割した形状のパーツを作製しておき、これらのパーツを接合する方法（例えば、特許文献２参照）が知られている。
【特許文献１】特開２０００−２９００７１号公報
【特許文献２】特開平２−１２０３７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来のＣ／Ｃ複合材料の製造方法（例えば、特許文献１および特許文献２参照）では、複数のパーツを接合したものであることから、最終形状のＣ／Ｃ複合材料には、パーツ同士の間に接合部が形成される。したがって、得られたＣ／Ｃ複合材料は、その強度が不充分となる問題がある。また、これらの製造方法では、複数のパーツを接合して最終形状のＣ／Ｃ複合材料とすることから、製造時間および製造コストが掛かるという問題がある。
また、特許文献２に記載された方法では、各パーツに高い寸法精度が要求されることから、パーツ自体の製造に雄型と雌型とが必要となる。その結果、この製造方法では、更に製造時間および製造コストが嵩むこととなる。
【０００５】
そこで、本発明の課題は、寸法精度および強度に優れたＣ／Ｃ複合材料を、従来のＣ／Ｃ複合材料の製造方法と異なって製造時間および製造コストが嵩むことなく簡単に得ることができる製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決する本発明のＣ／Ｃ複合材料の製造方法は、炭素繊維と硬化性樹脂とを含むプリプレグを型に貼り付けた後に、このプリプレグを硬化する貼付硬化工程を複数回繰り返すことによって得られる素材を、熱処理することによってＣ／Ｃ化することを特徴とする。
本発明の製造方法では、型に貼り付けたプリプレグを硬化する貼付硬化工程を複数回繰り返すので、型にプリプレグを複数層貼り付けた後にこの複数層を纏めて硬化する従来の製造方法と異なって、硬化したプリプレグの炭素繊維にうねりを発生することが防止される。
また、本発明の製造方法は、型に複数層のプリプレグを貼り付けた素材をＣ／Ｃ化してＣ／Ｃ複合材料を得るので、従来の製造方法（例えば、特許文献１および特許文献２参照）と異なって、複数のパーツを接合することなくＣ／Ｃ複合材料を得ることができる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明のＣ／Ｃ複合材料の製造方法によれば、硬化したプリプレグの炭素繊維にうねりが発生することを防止するので、寸法精度および強度に優れたＣ／Ｃ複合材料を得ることができる。
また、本発明のＣ／Ｃ複合材料の製造方法によれば、従来の製造方法（例えば、特許文献１および特許文献２参照）と異なって、複数のパーツを接合することなくＣ／Ｃ複合材料を得ることができるので、強度に優れたＣ／Ｃ複合材料を得ることができる。
また、本発明のＣ／Ｃ複合材料の製造方法は、従来の製造方法（例えば、特許文献１および特許文献２参照）のように複数のパーツを接合するものではないので、Ｃ／Ｃ複合材料を製造時間および製造コストが嵩むことなく簡単に得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下に、本発明の実施形態について適宜図面を参照しながら詳細に説明する。ここで参照する図面において、図１は、実施形態に係るＣ／Ｃ複合材料の製造方法の工程説明図である。図２は、円筒形状のＣ／Ｃ複合材料の製造方法を説明する模式図である。
【０００９】
本発明のＣ／Ｃ複合材料の製造方法は、型に貼り付けた複数層のプリプレグを硬化し、硬化したプリプレグ（以下、単に「硬化プリプレグ」ということがある）に熱処理を施してＣ／Ｃ複合材料を得るものである。
そして、本発明の製造方法は、複数のプリプレグを積層するように型に貼り付ける際に、貼り付けたプリプレグを硬化した後に次のプリプレグを貼り付けてこれを硬化することに主な特徴を有する。
【００１０】
つまり、この製造方法は、図１に示すように、少なくとも、プリプレグを貼り付ける第１の貼付工程と、このプリプレグを硬化する第１の硬化工程と、この硬化プリプレグに次のプリプレグを貼り付ける第２の貼付工程と、このプリプレグを硬化する第２の硬化工程とを有することとなる。言い換えれば、本実施形態に係るＣ／Ｃ複合材料の製造方法では、複数回の特許請求の範囲にいう「貼付硬化工程」、ここでは２回の「貼付硬化工程」が繰り返されることによって、型上に複数層の硬化プリプレグからなる成形体が得られる。この成形体は、特許請求の範囲にいう「素材」に相当する。
【００１１】
前記したプリプレグとしては、炭素繊維に硬化性樹脂を含むものが挙げられる。
炭素繊維としては、例えば、ポリアクリロニトリル系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維等が挙げられる。
硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、ビスマレイミド樹脂、ポリイミド樹脂、ウレタン樹脂、シアネート樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂が挙げられる。ちなみに、本実施形態での硬化性樹脂は、光硬化性樹脂であってもよい。また、硬化性樹脂には、熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂等の硬化性樹脂に熱可塑性樹脂を含むものであってもよい。
また、前記したプリプレグの硬化は、使用する硬化性樹脂の種類に応じて行えばよく、例えば、熱硬化性樹脂を含むプリプレグは、オートクレーブ中で所定の圧力下に加熱すればよい。
【００１２】
そして、本実施形態に係るＣ／Ｃ複合材料の製造方法では、図１に示す次の熱処理工程で型と共に硬化プリプレグからなる成形体が不活性雰囲気下に加熱される。その結果、硬化プリプレグ（成形体）はＣ／Ｃ化される。ちなみに、不活性雰囲気下の加熱は、プリプレグに対して不活性のガス、具体的には、窒素ガス、アルゴン等の雰囲気下に、１０００℃から３０００℃の範囲の温度で行えばよい。なお、ここでのＣ／Ｃ化は、前記した硬化性樹脂が炭素質化するもののほか、更には黒鉛化するものであってもよい。ちなみに、脱型は、成形体が得られた後に行われればよく、図１に示す製造方法では、第２の硬化工程後に行われる。この場合、脱型は、熱処理工程で成形体がＣ／Ｃ化される前であってもよいし、成形体がＣ／Ｃ化された後であってもよい。また、型の材料として、熱処理工程の温度で消失する樹脂等を使用する場合には、脱型が、熱処理工程でＣ／Ｃ化と共に行われてもよい。
【００１３】
次に、円筒形状のＣ／Ｃ複合材料の製造方法を例にとって、本発明の製造方法について更に具体的に説明する。
ここでの製造方法は、図２のIに示すように、まず、第１の貼付工程で、円柱状の型３上（周面上）に２層のプリプレグ２ａ，２ａが積層される。次に、図２のIIに示すように、第１の硬化工程で、型３上には図２のIに示すプリプレグ２ａ，２ａを硬化させた硬化プリプレグ２ｂ，２ｂが配置されることとなる。
【００１４】
そして、図２のIIIに示すように、第２の貼付工程で、硬化プリプレグ２ｂ，２ｂ上に２層のプリプレグ２ａ，２ａが積層される。次に、図２のIVに示すように、第２の硬化工程で、図２のIIIに示すプリプレグ２ａ，２ａが硬化した硬化プリプレグ２ｂ，２ｂを含めて、型３上には、４層の硬化プリプレグ２ｂ，２ｂ，２ｂ，２ｂが配置されることとなる。ちなみに、図２のIおよびIIに示す工程、ならびにIIIおよびIVに示す工程は、前記した貼付硬化工程を構成している。
【００１５】
このように型３上に形成された硬化プリプレグ２ｂ，２ｂ，２ｂ，２ｂからなる成形体４は、次の熱処理工程で不活性雰囲気下に加熱される。つまり、図２のVに示すように、熱処理工程で、硬化プリプレグ２ｂ，２ｂ，２ｂ，２ｂ（図２のIV参照）はＣ／Ｃ化されて円筒形状のＣ／Ｃ複合材料１となる。
【００１６】
次に、本実施形態に係るＣ／Ｃ複合材料１の製造方法の作用効果について説明する。
図２に示すように、本実施形態に係るＣ／Ｃ複合材料１の製造方法では、型３に貼り付けたプリプレグ２ａ，２ａを硬化した後に（硬化プリプレグ２ｂ，２ｂに）、次のプリプレグ２ａ，２ａを貼り付ける。そして、このプリプレグ２ａ，２ａを硬化して次の熱処理工程でＣ／Ｃ化に供する成形体４が得られる。つまり、本実施形態に係るＣ／Ｃ複合材料１の製造方法では、成形体４を得る際に、貼付硬化工程が複数回繰り返される。したがって、本実施形態に係るＣ／Ｃ複合材料１の製造方法は、従来の製造方法と異なって、型３にプリプレグ２ａ，２ａ，２ａ，２ａを複数層貼り付けた後にこの複数層を纏めて硬化しない。その結果、本実施形態に係るＣ／Ｃ複合材料１の製造方法では、従来の製造方法と異なって、硬化プリプレグ２ｂ，２ｂ，２ｂ，２ｂ（図２のIV参照）の炭素繊維（図示省略）がうねりを発生することを防止する。
【００１７】
また、本実施形態に係るＣ／Ｃ複合材料１の製造方法では、型３上に配置した複数層の硬化プリプレグ２ｂ，２ｂ，２ｂ，２ｂからなる成形体４（図２のIV参照）をＣ／Ｃ化してＣ／Ｃ複合材料１（図２のV参照）を得るので、従来の製造方法（例えば、特許文献１および特許文献２参照）と異なって、複数のパーツを接合することなくＣ／Ｃ複合材料１を得ることができる。
【００１８】
したがって、本実施形態に係るＣ／Ｃ複合材料１の製造方法によれば、硬化プリプレグ２ｂ，２ｂ，２ｂ，２ｂ（図２のIV参照）の炭素繊維（図示省略）がうねりを発生することを防止するので、寸法精度および強度に優れたＣ／Ｃ複合材料を得ることができる。
【００１９】
また、本実施形態に係るＣ／Ｃ複合材料１の製造方法によれば、従来の製造方法（例えば、特許文献１および特許文献２参照）と異なって、複数のパーツを接合することなくＣ／Ｃ複合材料１を得ることができるので、強度に優れたＣ／Ｃ複合材料１を得ることができる。
また、本実施形態に係るＣ／Ｃ複合材料１の製造方法によれば、従来の製造方法（例えば、特許文献１および特許文献２参照）と異なって、複数のパーツを接合するものではないので、従来のＣ／Ｃ複合材料の製造方法と異なって、Ｃ／Ｃ複合材料１を製造時間および製造コストが嵩むことなく簡単に得ることができる。
【００２０】
なお、本発明は、前記実施形態に限定されることなく、様々な形態で実施される。
前記実施形態では、円筒形状のＣ／Ｃ複合材料１の製造方法について説明したが、本発明は、型３に複数のプリプレグ２ａを積層して形成されるものであればこれに限定されるものではなく、断面視で多角形状の輪郭を有する筒型形状のものの他、湾曲部や屈曲部を有する板状のものの製造方法であってもよい。
【００２１】
また、前記実施形態では、貼付硬化工程が２回となるように構成しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、貼付硬化工程が３回以上であってもよい。
【実施例】
【００２２】
次に、実施例を示しながら本発明をさらに具体的に説明する。
（実施例）
この実施例では、アルミ製の円柱形状の型（径６２ｍｍ、高さ１８ｍｍ）が使用された。この型の周面にプリプレグが４層貼り付けられた。このプリプレグとしては、ポリアクリロニトリル系炭素繊維にフェノール樹脂を含浸させたものが使用された。
【００２３】
型に貼り付けたプリプレグをオートクレーブで加熱して硬化させることで、型上に硬化プリプレグが得られた。オートクレーブでの加熱は、７００ｋＰaの圧力の下に１５０℃の温度で行われた。
【００２４】
この硬化プリプレグ上に次のプリプレグが重ねて貼り付けられた。そして、硬化プリプレグに貼り付けたプリプレグを硬化させた。このよう貼付工程と硬化工程とが２回繰り返されることで、型上には、８層の硬化プリプレグからなる成形体が形成された。
【００２５】
次に、型から取り外された成形体が、炉内に配置されて加熱された。この加熱は、アルゴン雰囲気の炉内で２０００℃の温度の下に行われた。その結果、８層の硬化プリプレグはＣ／Ｃ化されて円筒形状のＣ／Ｃ複合材料となった。得られたＣ／Ｃ複合材料を図３（ａ）に示す。図３（ａ）は、実施例で得られたＣ／Ｃ複合材料の平面形状を示す模式図である。ちなみに、この実施例で得られた円筒形状のＣ／Ｃ複合材料の内径および高さは、型の内径および高さとほぼ同じとなった。また、Ｃ／Ｃ複合材料の平面視での輪郭は、真円であって、その厚さは２ｍｍであった。
【００２６】
次に、この実施例で得られたＣ／Ｃ複合材料について拡管強度が測定された。この拡管強度の測定には、図４に示す測定装置が使用された。ここで参照する図４は、円筒形状のＣ／Ｃ複合材料の拡管強度を測定する装置の模式図である。
【００２７】
図４に示すように、この装置Ａは、拡径部１１と押圧部１０とで主に構成されている。拡径部１１は、略円筒状の部材で構成されており、その径がｄ方向に拡径可能なように図示しない複数のスリットが上下方向に形成されている。そして、この拡径部１１の内周面には、上方から下方に向かって徐々に縮径するようにテーパが形成されている。
押圧部１０は、略円柱状の部材で構成されており、拡径部１１の内側に配置されている。この押圧部１０は、拡径部１１の内周面と摺接するテーパを外周面に有している。
【００２８】
この装置Ａでは、拡径部１１の外周部に円筒形状のＣ／Ｃ複合材料１が嵌め入れられる。そして、押圧部１０が上方からプレスされることで、Ｃ／Ｃ複合材料１には拡管する方向に荷重が加わる。そして、Ｃ／Ｃ複合材料１の拡管強度の測定では、装置Ａを使用してＣ／Ｃ複合材料１が破断した際の荷重Ｆが求められた。この際、押圧部１０の下降速度は、１ｍｍ／分に設定された。
【００２９】
この実施例では、２つのＣ／Ｃ複合材料１が前記したように製造されて、それぞれのＣ／Ｃ複合材料１について拡管強度が測定された。その結果、実施例で得られた２つのＣ／Ｃ複合材料１の拡管強度は、それぞれ９．７１ｋＮ（９９０ｋｇｆ）、および９．３８ｋＮ（９５７ｋｇｆ）であった。
【００３０】
（比較例）
この比較例では、実施例と同様の型を使用し、図示しないが、この型の周面に８層のプリプレグを積層した。そして、この８層のプリプレグを纏めて硬化することによって成形体が得られた。なお、プリプレグの硬化条件は、実施例と同様に設定された。そして、この成形体を実施例での成形体に代えて使用した以外は、実施例と同様にしてＣ／Ｃ複合材料が製造された。得られたＣ／Ｃ複合材料を図３（ｂ）に示す。図３（ｂ）は、比較例で得られたＣ／Ｃ複合材料の平面形状を示す模式図である。ちなみに、この比較例で得られた円筒形状のＣ／Ｃ複合材料１´の内径および高さは、型の内径および高さとほぼ同じとなった。また、図３（ｂ）に示すように、Ｃ／Ｃ複合材料１´の平面視での輪郭は、略真円ではあるものの、プリプレグを硬化した際に炭素繊維（図示省略）にうねりが生じたことによる突起ＰがＣ／Ｃ複合材料１´の外周面の複数個所に形成された。
【００３１】
次に、この比較例では、２つのＣ／Ｃ複合材料１´について拡管強度が測定された。その結果、比較例で得られた２つのＣ／Ｃ複合材料１´の拡管強度は、それぞれ８．０１ｋＮ（８１７ｋｇｆ）、および７．８６ｋＮ（８０２ｋｇｆ）であった。
【００３２】
（Ｃ／Ｃ複合材料の製造方法の評価結果）
実施例で得られたＣ／Ｃ複合材料１は、比較例で得られたＣ／Ｃ複合材料１´のように突起Ｐの形成も認められず、実施形態に係る製造方法によれば、寸法精度に優れたＣ／Ｃ複合材料１が得られることが確認された。
また、実施例で得られたＣ／Ｃ複合材料１は、比較例で得られたＣ／Ｃ複合材料１´よりも拡管強度に優れていることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】実施形態に係るＣ／Ｃ複合材料の製造方法の工程説明図である。
【図２】実施形態に係る円筒形状のＣ／Ｃ複合材料の製造方法を説明する模式図である。
【図３】（ａ）は、実施例で得られたＣ／Ｃ複合材料の平面形状を示す模式図、（ｂ）は、比較例で得られたＣ／Ｃ複合材料の平面形状を示す模式図である。
【図４】円筒形状のＣ／Ｃ複合材料の拡管強度を測定する装置の模式図である。
【符号の説明】
【００３４】
１      Ｃ／Ｃ複合材料
２ａ    プリプレグ
２ｂ    硬化プリプレグ
３      型
４      成形体（素材）
【図１】
2009167046.tif 000003
【図２】
2009167046.tif 000004
【図３】
2009167046.tif 000005
【図４】
2009167046.tif 000006