反射鏡およびその製造方法
【課題】 反射鏡として必要とされる鏡面粗度に表面研磨加工することが可能で、高強度、高剛性、低熱膨張で、軽量で大型化可能な、宇宙用および地上用の赤外線望遠鏡用などに適した、炭素繊維強化炭化珪素（C/SiC）複合材料からなる、反射鏡を得る。上記特性を得るには、C/SiC複合材料の組織を均質化し、SiC比率を高める必要がある。
【解決手段】強化用炭素繊維と炭化珪素マトリックスとから構成されるC/SiC複合材料を用いた反射鏡において、C/SiCの原材料としての炭素繊維基材が、ピッチ系とPAN系の炭素短繊維で構成された。このような構成の繊維基材を用いることにより、C/C基材（中間製品）へのシリコン含浸の際にシリコンとPAN系炭素繊維の反応を促進させることが可能となる結果、反射鏡用C/SiC複合材料におけるSiC比率が高まり、繊維など構成要素の均質分布も達成され、強度と鏡面粗度が向上する。これにより、反射鏡の軽量化、大型化が実現できる。
【解決手段】強化用炭素繊維と炭化珪素マトリックスとから構成されるC/SiC複合材料を用いた反射鏡において、C/SiCの原材料としての炭素繊維基材が、ピッチ系とPAN系の炭素短繊維で構成された。このような構成の繊維基材を用いることにより、C/C基材（中間製品）へのシリコン含浸の際にシリコンとPAN系炭素繊維の反応を促進させることが可能となる結果、反射鏡用C/SiC複合材料におけるSiC比率が高まり、繊維など構成要素の均質分布も達成され、強度と鏡面粗度が向上する。これにより、反射鏡の軽量化、大型化が実現できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、宇宙用および地上用の大型望遠鏡用に適した、炭素繊維強化炭化珪素複合材料からなる反射鏡に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来反射鏡には、ガラスや金属が使用されていたが、大型の反射鏡には特に機械的、熱的、高安定性が要求されるので、従来のガラスや金属では大型化、軽量化には不適であった。これに対し、炭素繊維強化複合材料等の複合材料の適用が期待される。
例えば、特許文献１には炭素繊維強化複合材料及びその製造方法が開示されている。高強度グラファイト繊維と合成樹脂からなるプリプレグの少なくとも2層を圧縮、硬化し、炭化する。この多孔性の炭化物に炭化可能な含浸剤を含浸し、再炭化し、炭化物を最大2400℃の温度まででグラファイト化する。グラファイト化された炭化物を、含有グラファイト繊維が所定の長さになるよう細かく粉砕し、合成樹脂または及びピッチからなる高度に炭素を含む結合剤と混合し、混合物を圧縮成形、硬化し、炭化する。得られた多孔性炭化物に液状シリコンを浸透し、炭素マトリックスをシリコンカーバイドに変換して、シリコンカーバイドを主体とし少量の炭素とシリコンを含むマトリックスを炭素繊維で強化した、伸び率の高い複合材料を得る。この複合材料は曲げ強度が大きく、耐熱性、耐磨耗性、耐酸性にも優れるとされる。
【０００３】
【特許文献１】特開平１０―２５１０６５号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の炭素繊維強化炭化珪素複合材料は、プリプレグを作製するための出発物質は、いわゆる「粗糸」と呼ばれる「繊維の束」であるため、上記従来工程のように、グラファイト化された炭化物を、含有グラファイト繊維が所定の長さになるように細かく粉砕する処理が行われたとしても、炭素繊維強化炭化珪素複合材料に仕上げられた製品においては、炭素（グラファイト）繊維が束状に分散しており、上記公報に明記されているように、最大5容積％の細孔（ボイド）が存在する。また、マトリックスに20重量％までの元素シリコンを含んでいる。
上記のとおり、炭素繊維の束状分散及び多量のボイドが存在し、マトリックスに多量の元素シリコンを含むので、材料を反射鏡の形状に表面研磨する際に、マトリックスと束状繊維及びボイド部分間、およびマトリックス中での硬いＳｉＣ部分と軟らかい元素シリコン間において被研磨性が異なるために研磨による鏡面化の加工精度を所望の高いレベルまで上げられない、という問題があった。
また、繊維の不均一な分散状態および多量のボイドの存在、さらに未反応の多量シリコンが偏在するために、強度が弱い、剛性が低いという問題があった。
本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、反射鏡として必要な鏡面粗度に表面研磨加工することが可能で、十分な強度を有し、かつ大型化可能な、炭素繊維強化炭化珪素複合材料からなる反射鏡を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明に係る反射鏡は、炭素繊維強化炭素基材の一部を炭化珪素化処理してなる炭素繊維強化炭化珪素基材の反射鏡において、前記基材中に複数種の炭素繊維を含むことを特徴とするものである。また、複数種の炭素繊維は、ピッチ系炭素繊維とPAN系炭素繊維とを含むことを特徴とする反射鏡である。
【０００６】
また、この発明に係る反射鏡の製造方法は、複数種の炭素繊維、ピッチ系炭素繊維とPAN系炭素繊維、をバインダー中に分散させて加圧成形して炭素繊維強化炭素基材を形成する工程、炭化処理、珪素化処理を行い炭素繊維強化炭化珪素基材を形成する工程を備えたものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の反射鏡は、炭素繊維基材がシリコンとの反応性の異なる２種類の炭素短繊維で構成されるので、炭素繊維強化炭化珪素基材中に炭素繊維が均質分散し、かつPAN系炭素繊維のSiC化促進によりSiC比率の高い組織が得られる。その結果、炭素繊維強化炭化珪素基材において、実用に適した高度な鏡面粗度、低熱膨張性、高剛性、などの優れた特性が得られる効果があり、大型で軽量、高性能な反射鏡が製造可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
反射鏡用に適した素材としては、
(１)研削加工、研磨により優れた鏡面粗度を出せる素材であること。赤外線望遠鏡用の場合、表面粗さ50ｎｍ(ナノメーター)以下の粗度であれば良い。
(２)従来のガラス、金属と比べ、軽くて、強く（壊れ難く）、大型化・軽量化が可能であること。宇宙で使用する場合は、衛星打ち上げ時の衝撃に耐えられる強度があること。地上で使用する場合は、自重による歪が問題とならない機械的強度、剛性があること。
(３) 温度変化（製造温度、使用環境温度など）による影響（歪、変形）を小さくするため、熱膨張係数が小さいこと。宇宙空間で使用する赤外線望遠鏡の場合は、４K（使用温度）から室温（製造時の温度）において熱膨張係数が小さいこと。例えば、室温で約２ppm/K以下。
の条件を満たすことであり、この発明は上記の反射鏡に要求される諸特性を得るために、炭素繊維強化炭化珪素（以下、C/SiCと称する）複合材料における構成要素の分布を均質化するとともに、SiC比率を高めることに成功した。
以下に、実施の形態を説明する。
【０００９】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１について図１を用いて説明する。図１は、実質的に炭化珪素からなるマトリックスに強化用炭素繊維が分散されたC/SiC複合材料で構成された反射鏡の製造工程を示した図である。
図１において、シリコンとの反応性の異なる２種類の炭素繊維であるピッチ系炭素繊維１とPAN系炭素繊維２の各短繊維を特定重量比でバインダー混濁水３中で撹拌し、均質分散させる（図中(a)）。バインダー混濁水の水分を真空ポンプで減圧除去した後、堆積した繊維の塊を金型に移し、加圧して一定の形に成型する（図中(b)）。その後、型から取り出し、加熱乾燥させて、２種の異なる炭素繊維によるハイブリッド炭素繊維とバインダーとからなる、炭素繊維成形体を得る（図中(c)）。次に、この炭素繊維成形体にピッチまたはフェノール樹脂を含浸させ（図中(d)）、不活性雰囲気中で加熱し、含浸剤成分を炭化して炭素繊維強化炭素（以下、C/Cと称する）複合材料にし、さらに不活性雰囲気中で熱処理して黒鉛化する（図中(e)）。この黒鉛化したC/C成形体４を研削加工し反射鏡形状を形成した（図中(f)）後に、真空中で熔融金属シリコンを含浸させ、C/SiC化する（図中(g)）。最後に、この炭素繊維と、SiCを主体とし少量の炭素とシリコンを含むマトリックスからなる、反射鏡形状C/SiC成形体５の主面を鏡面研磨加工（図中(h)）することにより、C/SiC複合材料反射鏡６が完成する。
【００１０】
この発明の実施の形態１において、出発原材料としてピッチ系炭素繊維にPAN系炭素繊維を混ぜる理由は、ピッチ系炭素繊維はシリコンと反応し難いが、PAN系炭素繊維はピッチ系炭素繊維よりシリコンと反応し易いので、この反応性の差を利用して炭素繊維部分もSiC化反応させ、SiCの生成比率を高めることにより、組織の均一性改善、強度・剛性の向上を達成することが可能になるためである。
ピッチ系炭素繊維だけを使用した場合に、SiC 化を促進さるためには、シリコン含浸温度を高くし、さらに、反応時間を長くする必要がある。しかし、シリコン含浸処理は減圧下で行うので、温度を上げたり、処理時間を長くすると、シリコンが気化し易くなり、気化・消失により基材に多量のボイドが発生する。ボイドは、強度低下、研磨時の表面粗度悪化の原因となり、好ましくない。それ故、高温での含浸処理や長時間処理は実際上困難である。
また、PAN系炭素繊維だけを使用して作成した場合は、容易に脆化し、所望の材料強度を得ることができない。
【００１１】
この発明の実施の形態１は、上記のように、反射鏡に用いられるC/SiC複合材料の製造出発原材料としての炭素繊維基材が、短繊維のピッチ系とPAN系の炭素繊維の2種で構成されたことを特徴とするものであり、このような原材料の使用により、C/SiC複合材料において、高度な鏡面粗度、低熱膨張性、高剛性、などの優れた特性が得られる効果があり、これにより、大型で軽量、高性能な複合材料反射鏡が製造可能になる。
【００１２】
実施の形態２．
実施の形態２は、実施の形態１の複合材料反射鏡において、炭素繊維基材の構成要素として用いるピッチ系炭素繊維の平均繊維長が1ｍｍ以下で、PAN系炭素繊維の平均繊維長が0.5ｍｍ以下であると規定したことを特徴とするものである。
ピッチ系炭素繊維の平均繊維長が1ｍｍを超えるか、またはPAN系炭素繊維の平均繊維長が0.5ｍｍを超える場合は、C/SiC成形体において、炭素繊維の均一な分散が得られにくくなり、機械的強度不足や、鏡面粗度が得られないという問題が生じる。
しかし、炭素繊維基材の構成要素として用いるピッチ系炭素繊維の平均繊維長が1ｍｍ以下、PAN系炭素繊維の平均繊維長が0.5ｍｍ以下と規定したことにより、基材において炭素繊維が均質に分散するようになり、珪素化工程でシリコンとPAN系炭素繊維の反応が好ましい程度に促進され、C/SiC成形体におけるSiC比率が適度に増大するとともに、SiC組織を均一に分散させる効果がある。その結果、C/SiC成形体を用いた反射鏡の鏡面粗度および機械的強度・剛性が向上する。
【００１３】
実施の形態１のPAN系炭素繊維として、例えばPAN系ミルドファイバー（短繊維）を用いることにより、炭素繊維成形体における炭素繊維の分散が均質になり、珪素化工程（シリコン含浸）でシリコンとPAN系炭素繊維の反応が促進され、C/SiC成形体におけるSiC比率が増大するとともに、SiC組織を均一に分散させることが可能となる。その結果、C/SiC成形体を用いた反射鏡の鏡面粗度および機械的強度・剛性が向上する。
【００１４】
実施の形態３．
実施の形態３は、実施の形態１または２において、炭素繊維基材における炭素繊維の体積含有率が20％以上40％以下である、と規定したものである。
反射鏡として実用可能な諸特性を得るためには、炭素繊維の体積含有率が上記範囲であることが必要とするものである。炭素繊維基材における２種類の炭素繊維の総計体積含有率が20％未満の場合は、シリコン含浸前のC/C基材にボイドが多く、マトリックスと炭素繊維の分散性および含有量が不十分となるため、金属シリコン含浸によるSiC反応が不十分となり、多くの未反応シリコンが内在してしまう。このため、十分な機械的強度、剛性が得られない、熱膨張係数が大きい、という問題が生じる。また、炭素繊維の体積含有率が40％を超える場合は、繊維を均質分散させるのが困難、シリコン含浸がしにくい、という問題がある。
実施の形態３のように炭素繊維基材における炭素繊維の体積含有率を適切な範囲に規定することにより、最終製品としてのC/SiC複合材料反射鏡において、曲げ強度、破壊靭性値、低熱膨張率などのより優れた特性が得られ、実用に適した特に優れた機械的強度、剛性が得られる効果がある。
【００１５】
実施の形態４．
実施の形態４は、実施の形態１から３のいずれかの発明の複合材料反射鏡において、炭素繊維基材におけるピッチ系とPAN系の炭素繊維の配合比率が、1：5以上3：1以下であると規定したことを特徴とするものである。上記炭素繊維の配合比率が1：5未満の（PAN系炭素繊維が多すぎる）場合は、C/C基材のマトリックス炭素はシリコン含浸によりシリコンと殆ど反応してSiCに変化するため、C/SiC成形体は、SiC化が進み過ぎて脆化し、クラックが発生しやすくなる。また、炭素繊維の配合比率が3：1を超える（ピッチ系炭素繊維が多すぎる）場合は、マトリックス炭素の一部はシリコンと反応せずに残り、ピッチ系炭素繊維は殆ど反応せずに残る。このようなC/SiC成形体における構成要素の不均一分布に起因して表面の被研磨性が不均一となり、鏡面粗度は反射鏡として不十分レベルになるという問題がある。
【００１６】
実施の形態４のように炭素繊維基材におけるピッチ系とPAN系の炭素繊維の配合比率を適切な範囲に規定することにより、最終製品としてのC/SiC複合材料反射鏡において、実用に適した高い強度・剛性などの優れた機械特性、高度な鏡面粗度が得られる効果がある。
【００１７】
以下に、本発明の実施例を記載する。
【実施例１】
【００１８】
ピッチ系炭素繊維（三菱化学（株）製K7351M）のミルドファイバー（平均長さ200μm）とPAN系炭素繊維（東レ（株）製MLD-300）のミルドファイバー（平均長さ130μm）を重量比で3：1の比率でセルロース系バインダー混濁水中で撹拌し、均質になるように分散させ、セルロース系バインダー混濁水の水分を真空ポンプを使用して減圧ろ過し、その後、堆積した繊維の塊を金型に移し、プレスで加圧して一定の形状に成型した。次に、乾燥炉内で90℃で48時間以上乾燥させて、炭素繊維とセルロースバインダーとからなる、炭素繊維成形体を得た。この成形体に含まれる炭素繊維の体積含有率は約40％である。次に、この成形体にピッチを含浸させ、その後不活性雰囲気（真空中或いは不活性ガス：窒素、アルゴンなど）中、約1000℃まで昇温し、含浸されたピッチ、バインダーのセルロースを炭化してC/C化した。続いて、不活性雰囲気中にて2000℃で熱処理して黒鉛化した。このC/Cの成形体を真空中1750℃で、金属シリコンを熔融させて含浸しC/SiC化した。
【００１９】
こうして得られた、C/SiC複合材料成形体を解析したところ、マトリックス炭素とPAN系炭素繊維は、含浸したシリコンと殆ど反応して、SiCに変化していたが、ピッチ系炭素繊維は殆ど反応していないことが確認された。また、C/SiC複合材料成形体のボイドは、シリコン含浸によってほぼ完全に埋まっており、ボイドは1％以下であった。
図２には、C/SiC複合材料成形体の本発明品(a)及び従来品の繊維の形状及び分布状態(b)を組織観察により比較した結果（写真）を示す。従来品では、出発原料として粗糸と呼ばれる炭素繊維の束が用いられているので、成形品も炭素繊維が束状になっていて不均質な分散状態であるが、本発明品では繊維は束状にならず、均質に分散しているのが明瞭である。
【００２０】
この複合材料成形体の特性を評価したところ、表１に示すような値となり、低歪ガラスより約３倍の強度、３倍以上のヤング率、５倍以上の破壊靭性値になり、アルミニウムよりも、強度、ヤング率が高く、10分の1以下の小さな線膨張率が得られた。また、表面を研削加工した後に研磨したところ、表面粗度は反射鏡として問題ないレベル（20nm以下）になっていることが確認できた。
【００２１】
【表１】
【実施例２】
【００２２】
ピッチ系炭素繊維（三菱化学（株）製K7351M）のミルドファイバー（平均長さ200μm）とPAN系炭素繊維（東レ（株）製MLD-300）のミルドファイバー（平均長さ130μm）を重量比で２：１の比率でセルロース系バインダー混濁水中にて撹拌し、均質になるように分散させ、セルロース系バインダー混濁水の水分を真空ポンプを使用して減圧ろ過し、その後、堆積した繊維の塊を金型に移し、プレスで加圧して一定の形状に成型した。次に、型から取り出し、乾燥炉内にて90℃で48時間以上乾燥させて、炭素繊維とセルロースバインダーとからなる、炭素繊維成形体を得た。この炭素繊維成形体に含まれる炭素繊維の体積含有率は約35％である。その後、この炭素繊維成形体にピッチを含浸させた後、不活性雰囲気（真空中或いは不活性ガス：窒素、アルゴンなど）で約1000℃まで昇温し、含浸されたピッチ、バインダーのセルロースを炭化してC/Cにした。続いて、不活性雰囲気中2000℃で熱処理して黒鉛化した。このC/Cの成形体を真空中1750℃で、金属シリコンを熔融させて含浸しC/SiC化した。
【００２３】
こうして得られたC/SiC複合材料成形体を解析したところ、実施例１と同様にマトリックス炭素とPAN系炭素繊維は、含浸したシリコンと殆ど反応して、SiCに変化しているが、ピッチ系炭素繊維は殆ど反応していないことが確認された。また、成形体のボイドは、シリコン含浸によってほぼ完全に埋まっており、ボイドは1％以下であった。
C/SiC複合材料成形体について、繊維の形状及び分布状態を組織観察した結果は、図２の本発明品の組織と同様に炭素繊維の均質な分散が確認された。
この複合材料成形体の特性を評価した結果を上記表１中に示す。また、表面を研削加工した後に研磨したところ、表面粗度は反射鏡として問題ないレベル（15nm以下）になっていることが確認できた。
【実施例３】
【００２４】
ピッチ系炭素繊維（三菱化学（株）製K7351M）のミルドファイバー（平均長さ200μm）とPAN系炭素繊維（東レ（株）製MLD-300）のミルドファイバー（平均長さ130μm）を重量比で１：５の比率でセルロース系バインダー混濁水中にて撹拌し、均質になるように分散させ、セルロース系バインダー混濁水の水分を真空ポンプを使用して減圧ろ過し、その後、堆積した繊維の塊を金型に移し、プレスで加圧して一定の形状に成型した。次に、乾燥炉内にて90℃で48時間以上乾燥させて、炭素繊維とセルロースバインダーとからなる、炭素繊維成形体を得た。この炭素繊維成形体に含まれる炭素繊維の体積含有率は約30％である。その後、この炭素繊維成形体にピッチを含浸させ、不活性雰囲気（真空中或いは不活性ガス：窒素、アルゴンなど）で約1000℃まで昇温し、含浸されたピッチ、バインダーのセルロースを炭化してC/Cにした。さらに、続いて、不活性雰囲気中にて2000℃で熱処理して黒鉛化した。このC/Cの成形体を真空中1750℃で、金属シリコンを熔融させて含浸しC/SiC化した。
【００２５】
こうして得られた、C/SiC成形体を解析したところ、マトリックス炭素は、含浸したシリコンと殆ど反応してSiCに変化しているが、PAN系炭素繊維の一部は反応せずに残っていた。ピッチ系炭素繊維は殆ど反応していないことが確認された。また、成形体のボイドは、シリコン含浸によってほぼ完全に埋まっており、ボイドは1％以下であった。
C/SiC複合材料成形体について、繊維の形状及び分布状態を組織観察した結果、図２の本発明品の組織と同様に炭素繊維の均質な分散が確認された。
この複合材料の特性を評価、確認したところ、上記の同表に示すような値となった。また、表面を研削加工した後に研磨したところ、表面粗度は反射鏡として問題ないレベル（10nm以下）になっていることが確認できた。
【００２６】
比較例１.
ピッチ系炭素繊維（三菱化学（株）製K7351M）のミルドファイバー（平均長さ200μm）とPAN系炭素繊維（東レ（株）製MLD-300）のミルドファイバー（平均長さ130μm）を重量比で１：６の比率でセルロース系バインダー混濁水中にて撹拌し、均質になるように分散させ、セルロース系バインダー混濁水の水分を真空ポンプを使用して減圧ろ過し、その後、堆積した繊維の塊を金型に移し、プレスで加圧して一定の形状に成型した。次に、乾燥炉内にて90℃で48時間以上乾燥させて、炭素繊維とセルロースバインダーとからなる、炭素繊維成形体を得た。この成形体に含まれる炭素繊維の体積含有率は約35％である。その後、この成形体にピッチを含浸させ、不活性雰囲気（真空中或いは不活性ガス：窒素、アルゴンなど）で約1000℃まで昇温し、含浸されたピッチ、バインダーのセルロースを炭化してC/Cにした。さらに、続いて、不活性雰囲気中にて2000℃で熱処理して黒鉛化した。このC/Cの成形体を真空中1750℃で、金属シリコンを熔融させて含浸しC/SiC化した。
【００２７】
こうして得られたC/SiC複合材料成形体を解析したところ、C/SiC成形体に、シリコン含浸によるSiC化で発生したクラックが認められた。また、マトリックス炭素は、含浸したシリコンと殆ど反応してSiCに変化していたが、PAN系炭素繊維の一部とピッチ系炭素繊維は殆ど反応せずに残っているのが確認された。
【００２８】
比較例１のようにピッチ系炭素繊維とPAN系炭素繊維の配合比率を重量比で1：６以上にした場合は、上記結果のように、C/SiC成形体でSiC化が進み過ぎて脆化するため、PAN系炭素繊維の配合比率を高くし過ぎることは、好ましくないことが明らかになった。
【００２９】
比較例２.
ピッチ系炭素繊維を用いず、PAN系炭素繊維（東レ（株）製MLD-300）のミルドファイバー（平均長さ130μm）のみをセルロース系バインダー混濁水中で撹拌し、均質になるように分散させ、セルロース系バインダー混濁水の水分を真空ポンプで減圧ろ過し、その後、堆積した繊維の塊を金型に移し、プレスを用いて加圧して一定の形状に成型した。その後、乾燥炉内にて90℃で48時間以上乾燥させて、炭素繊維とセルロースバインダーとからなる、炭素繊維成形体を得た。この成形体に含まれる炭素繊維の体積含有率は約30％である。次に、この成形体にピッチを含浸させ、その後不活性雰囲気（真空中或いは不活性ガス：窒素、アルゴンなど）で約1000℃まで昇温し、含浸されたピッチ、バインダーのセルロースを炭化してC/Cにした。続いて、不活性雰囲気中にて2000℃で熱処理して黒鉛化した。このC/C成形体を真空中1750℃で、金属シリコンを熔融させて含浸しC/SiC化した。
【００３０】
こうして得られたC/SiC複合材料成形体を解析したところ、シリコン含浸によるSiC化で発生したクラックが認められた。また、マトリックス炭素は、含浸したシリコンと殆ど反応してSiCに変化していたが、PAN系炭素繊維の一部は反応せずに残っているのが確認された。
比較例２のようにPAN系炭素繊維のみを出発原料とした場合は、上記結果のように、C/SiC成形体でSiC化が進み過ぎて脆化するため、PAN系炭素繊維単独の使用は好ましくない。
【００３１】
比較例３.
ピッチ系炭素繊維（三菱化学（株）製K7351M）のミルドファイバー（平均長さ200μm）とPAN系炭素繊維（東レ（株）製MLD-300）のミルドファイバー（平均長さ130μm）を重量比で４：１の比率でセルロース系バインダー混濁水中にて撹拌し、均質になるように分散させ、セルロース系バインダー混濁水の水分を真空ポンプを使用して減圧ろ過し、その後、堆積した繊維の塊を金型に移し、プレスで加圧して一定の形状に成型した。次に、乾燥炉内にて90℃で48時間以上乾燥させて、炭素繊維とセルロースバインダーとからなる、炭素繊維成形体を得た。この成形体に含まれる炭素繊維の体積含有率は約35％である。その後、この成形体にピッチを含浸させ、不活性雰囲気（真空中或いは不活性ガス：窒素、アルゴンなど）で約1000℃まで昇温し、含浸されたピッチ、バインダーのセルロースを炭化してC/Cにした。さらに、続いて、不活性雰囲気中にて2000℃で熱処理して黒鉛化した。このC/Cの成形体を真空中1750℃で、金属シリコンを熔融させて含浸しC/SiC化した。
【００３２】
こうして得られた、C/SiC複合材料成形体を解析したところ、マトリックス炭素は、含浸したシリコンと殆ど反応してSiCに変化しているが、PAN系炭素繊維の一部は反応せずに残っていた。ピッチ系炭素繊維は殆ど反応していなかった。C/SiC成形体の表面を研削加工した後に研磨したところ、表面粗度は反射鏡として不十分なレベル（60nm以上）になっていることが確認できた。
上記C/SiC成形体試作品について、繊維の形状及び分布状態を組織観察した結果、部分的に炭素繊維の不均質な分散（図示せず）が確認された。
【００３３】
比較例４.
ピッチ系炭素繊維（三菱化学（株）製K7351M）のミルドファイバー（平均長さ200μm）のみを用いセルロース系バインダー混濁水中で撹拌し、均質になるように分散させ、セルロース系バインダー混濁水の水分を真空ポンプで減圧ろ過し、その後、堆積した繊維の塊を金型に移し、プレスで加圧して一定の形状に成型した。次に、乾燥炉内にて90℃で48時間以上乾燥させて、炭素繊維とセルロースバインダーとからなる、炭素繊維成形体を得た。この炭素繊維成形体に含まれる炭素繊維の体積含有率は約40％である。その後、この炭素繊維成形体にピッチを含浸させ、その後不活性雰囲気（真空中或いは不活性ガス：窒素、アルゴンなど）で約1000℃まで昇温し、含浸されたピッチ、バインダーのセルロースを炭化してC/Cにした。続いて、不活性雰囲気中にて2000℃で熱処理して黒鉛化した。このC/C成形体を真空中1750℃で、金属シリコンを熔融させて含浸しC/SiC化した。
【００３４】
こうして得られたC/SiC複合材料成形体を解析したところ、マトリックス炭素の大半は、含浸したシリコンと反応してSiCに変化していたが、一部は反応せず残っていた。また、ピッチ系炭素繊維は殆ど反応していなかった。C/SiC成形体の表面を研削加工した後に研磨したところ、表面粗度は反射鏡として不十分なレベル（60nm以上）になっていることが確認できた。
上記C/SiC複合材料成形体について、繊維の形状及び分布状態を組織観察した結果、部分的にクラックが発生しており、また炭素繊維の不均質な分散（図示せず）が確認された。
【００３５】
比較例５.
ピッチ系炭素繊維（三菱化学（株）製K223QG）のチョップドファイバー（平均長さ６mm）とPAN系炭素繊維（東レ（株）製MLD-300）のミルドファイバー（平均長さ130μm）を重量比で２：１の比率でセルロース系バインダー混濁水中にて撹拌し、均質になるように分散させ、セルロース系バインダー混濁水の水分を真空ポンプを使用して減圧ろ過し、その後、堆積した繊維の塊を金型に移し、プレスで加圧して一定の形状に成型した。次に、乾燥炉内にて90℃で48時間以上乾燥させて、炭素繊維とセルロースバインダーとからなる、炭素繊維成形体を得た。この成形体に含まれる炭素繊維の体積含有率は約35％である。その後、この成形体にピッチを含浸させ、不活性雰囲気（真空中或いは不活性ガス：窒素、アルゴンなど）で約1000℃まで昇温し、含浸されたピッチ、バインダーのセルロースを炭化してC/Cにした。さらに、続いて、不活性雰囲気中にて2000℃で熱処理して黒鉛化した。このC/Cの成形体を真空中1750℃で、金属シリコンを熔融させて含浸しC/SiC化した。
こうして得られた、C/SiC複合材料成形体を解析したところ、マトリックス炭素は、含浸したシリコンと殆ど反応してSiCに変化しているが、PAN系炭素繊維の一部は反応せずに残っていた。ピッチ系炭素繊維は殆ど反応していなかった。C/SiC成形体の表面を研削加工した後に研磨したところ、表面は鏡面に仕上げられず、反射鏡として不十分であることが確認された。
上記C/SiC成形体について、繊維の形状及び分布状態を組織観察した結果、部分的に炭素繊維の不均質な分散、集中（図示せず）が確認された。
【００３６】
比較例６.
ピッチ系炭素繊維（三菱化学（株）製K7351M）のミルドファイバー（平均長さ200μm）とPAN系炭素繊維（東レ（株）製MLD-300）のミルドファイバー（平均長さ130μm）を重量比で２：１の比率でセルロース系バインダー混濁水中にて撹拌し、均質になるように分散させ、セルロース系バインダー混濁水の水分を真空ポンプを使用して減圧ろ過し、その後、堆積した繊維の塊を金型に移し、プレスで加圧して一定の形状に成型した。次に、乾燥炉内にて90℃で48時間以上乾燥させて、炭素繊維とセルロースバインダーとからなる、炭素繊維成形体を得た。この成形体に含まれる炭素繊維の体積含有率は約20％である。その後、この成形体にピッチを含浸させ、不活性雰囲気（真空中或いは不活性ガス：窒素、アルゴンなど）で約1000℃まで昇温し、含浸されたピッチ、バインダーのセルロースを炭化してC/Cにした。さらに、続いて、不活性雰囲気中にて2000℃で熱処理して黒鉛化した。このC/Cの成形体を真空中1750℃で、金属シリコンを熔融させて含浸しC/SiC化した。
こうして得られた、C/SiC複合材料成形体を解析したところ、マトリックス炭素は、含浸したシリコンと殆ど反応してSiCに変化していたが、PAN系炭素繊維の一部とピッチ系炭素繊維は殆ど反応せずに残っていた。C/SiC成形体の表面を研削加工した後に研磨したところ、表面粗度は反射鏡として不十分なレベル（60nm以上）であることが確認された。
上記C/SiC成形体について、繊維の形状及び分布状態を組織観察した結果、部分的に未反応の熔浸されたシリコンが多く分散（図示せず）しているのが確認された。
【００３７】
比較例７.
ピッチ系炭素繊維（三菱化学（株）製K7351M）のミルドファイバー（平均長さ200μm）とPAN系炭素繊維（東レ（株）製MLD-300）のミルドファイバー（平均長さ130μm）を重量比で２：１の比率でセルロース系バインダー混濁水中にて撹拌し、均質になるように分散させ、セルロース系バインダー混濁水の水分を真空ポンプを使用して減圧ろ過し、その後、堆積した繊維の塊を金型に移し、プレスで加圧して一定の形状に成型した。次に、乾燥炉内にて90℃で48時間以上乾燥させて、炭素繊維とセルロースバインダーとからなる、炭素繊維成形体を得た。この成形体に含まれる炭素繊維の体積含有率は約50％である。その後、この成形体にピッチを含浸させ、不活性雰囲気（真空中或いは不活性ガス：窒素、アルゴンなど）で約1000℃まで昇温し、含浸されたピッチ、バインダーのセルロースを炭化してC/Cにした。さらに、続いて、不活性雰囲気中にて2000℃で熱処理して黒鉛化した。このC/Cの成形体を真空中1750℃で、金属シリコンを熔融させて含浸しC/SiC化した。
こうして得られた、C/SiC複合材料成形体を解析したところ、シリコン含浸によるSiC化反応で発生したクラックが認められた。また、マトリックス炭素は、含浸したシリコンと殆ど反応してSiCに変化していたが、PAN系炭素繊維の一部は反応せずに残っていた。ピッチ系炭素繊維は殆ど反応していなのが確認できた。
この例のように、炭素繊維成形体に含まれる炭素繊維の体積含有率を50％と高くすると、
C/C成形体の気孔率が低くなるため、金属シリコンを熔融して含浸し、SiC化の際にクラックが発生するので好ましくない。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の複合材料による反射鏡の製造工程を示す図である。
【図２】本発明による複合材料成形体(a)と従来の成形体(b)の表面を観察した写真である。
【符号の説明】
【００３９】
１ ピッチ系炭素繊維、 ２ PAN系炭素繊維、３ バインダー混濁水、４ C/C成形体、
５ C／SiC成形体、６ 反射鏡。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、宇宙用および地上用の大型望遠鏡用に適した、炭素繊維強化炭化珪素複合材料からなる反射鏡に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来反射鏡には、ガラスや金属が使用されていたが、大型の反射鏡には特に機械的、熱的、高安定性が要求されるので、従来のガラスや金属では大型化、軽量化には不適であった。これに対し、炭素繊維強化複合材料等の複合材料の適用が期待される。
例えば、特許文献１には炭素繊維強化複合材料及びその製造方法が開示されている。高強度グラファイト繊維と合成樹脂からなるプリプレグの少なくとも2層を圧縮、硬化し、炭化する。この多孔性の炭化物に炭化可能な含浸剤を含浸し、再炭化し、炭化物を最大2400℃の温度まででグラファイト化する。グラファイト化された炭化物を、含有グラファイト繊維が所定の長さになるよう細かく粉砕し、合成樹脂または及びピッチからなる高度に炭素を含む結合剤と混合し、混合物を圧縮成形、硬化し、炭化する。得られた多孔性炭化物に液状シリコンを浸透し、炭素マトリックスをシリコンカーバイドに変換して、シリコンカーバイドを主体とし少量の炭素とシリコンを含むマトリックスを炭素繊維で強化した、伸び率の高い複合材料を得る。この複合材料は曲げ強度が大きく、耐熱性、耐磨耗性、耐酸性にも優れるとされる。
【０００３】
【特許文献１】特開平１０―２５１０６５号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の炭素繊維強化炭化珪素複合材料は、プリプレグを作製するための出発物質は、いわゆる「粗糸」と呼ばれる「繊維の束」であるため、上記従来工程のように、グラファイト化された炭化物を、含有グラファイト繊維が所定の長さになるように細かく粉砕する処理が行われたとしても、炭素繊維強化炭化珪素複合材料に仕上げられた製品においては、炭素（グラファイト）繊維が束状に分散しており、上記公報に明記されているように、最大5容積％の細孔（ボイド）が存在する。また、マトリックスに20重量％までの元素シリコンを含んでいる。
上記のとおり、炭素繊維の束状分散及び多量のボイドが存在し、マトリックスに多量の元素シリコンを含むので、材料を反射鏡の形状に表面研磨する際に、マトリックスと束状繊維及びボイド部分間、およびマトリックス中での硬いＳｉＣ部分と軟らかい元素シリコン間において被研磨性が異なるために研磨による鏡面化の加工精度を所望の高いレベルまで上げられない、という問題があった。
また、繊維の不均一な分散状態および多量のボイドの存在、さらに未反応の多量シリコンが偏在するために、強度が弱い、剛性が低いという問題があった。
本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、反射鏡として必要な鏡面粗度に表面研磨加工することが可能で、十分な強度を有し、かつ大型化可能な、炭素繊維強化炭化珪素複合材料からなる反射鏡を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明に係る反射鏡は、炭素繊維強化炭素基材の一部を炭化珪素化処理してなる炭素繊維強化炭化珪素基材の反射鏡において、前記基材中に複数種の炭素繊維を含むことを特徴とするものである。また、複数種の炭素繊維は、ピッチ系炭素繊維とPAN系炭素繊維とを含むことを特徴とする反射鏡である。
【０００６】
また、この発明に係る反射鏡の製造方法は、複数種の炭素繊維、ピッチ系炭素繊維とPAN系炭素繊維、をバインダー中に分散させて加圧成形して炭素繊維強化炭素基材を形成する工程、炭化処理、珪素化処理を行い炭素繊維強化炭化珪素基材を形成する工程を備えたものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の反射鏡は、炭素繊維基材がシリコンとの反応性の異なる２種類の炭素短繊維で構成されるので、炭素繊維強化炭化珪素基材中に炭素繊維が均質分散し、かつPAN系炭素繊維のSiC化促進によりSiC比率の高い組織が得られる。その結果、炭素繊維強化炭化珪素基材において、実用に適した高度な鏡面粗度、低熱膨張性、高剛性、などの優れた特性が得られる効果があり、大型で軽量、高性能な反射鏡が製造可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
反射鏡用に適した素材としては、
(１)研削加工、研磨により優れた鏡面粗度を出せる素材であること。赤外線望遠鏡用の場合、表面粗さ50ｎｍ(ナノメーター)以下の粗度であれば良い。
(２)従来のガラス、金属と比べ、軽くて、強く（壊れ難く）、大型化・軽量化が可能であること。宇宙で使用する場合は、衛星打ち上げ時の衝撃に耐えられる強度があること。地上で使用する場合は、自重による歪が問題とならない機械的強度、剛性があること。
(３) 温度変化（製造温度、使用環境温度など）による影響（歪、変形）を小さくするため、熱膨張係数が小さいこと。宇宙空間で使用する赤外線望遠鏡の場合は、４K（使用温度）から室温（製造時の温度）において熱膨張係数が小さいこと。例えば、室温で約２ppm/K以下。
の条件を満たすことであり、この発明は上記の反射鏡に要求される諸特性を得るために、炭素繊維強化炭化珪素（以下、C/SiCと称する）複合材料における構成要素の分布を均質化するとともに、SiC比率を高めることに成功した。
以下に、実施の形態を説明する。
【０００９】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１について図１を用いて説明する。図１は、実質的に炭化珪素からなるマトリックスに強化用炭素繊維が分散されたC/SiC複合材料で構成された反射鏡の製造工程を示した図である。
図１において、シリコンとの反応性の異なる２種類の炭素繊維であるピッチ系炭素繊維１とPAN系炭素繊維２の各短繊維を特定重量比でバインダー混濁水３中で撹拌し、均質分散させる（図中(a)）。バインダー混濁水の水分を真空ポンプで減圧除去した後、堆積した繊維の塊を金型に移し、加圧して一定の形に成型する（図中(b)）。その後、型から取り出し、加熱乾燥させて、２種の異なる炭素繊維によるハイブリッド炭素繊維とバインダーとからなる、炭素繊維成形体を得る（図中(c)）。次に、この炭素繊維成形体にピッチまたはフェノール樹脂を含浸させ（図中(d)）、不活性雰囲気中で加熱し、含浸剤成分を炭化して炭素繊維強化炭素（以下、C/Cと称する）複合材料にし、さらに不活性雰囲気中で熱処理して黒鉛化する（図中(e)）。この黒鉛化したC/C成形体４を研削加工し反射鏡形状を形成した（図中(f)）後に、真空中で熔融金属シリコンを含浸させ、C/SiC化する（図中(g)）。最後に、この炭素繊維と、SiCを主体とし少量の炭素とシリコンを含むマトリックスからなる、反射鏡形状C/SiC成形体５の主面を鏡面研磨加工（図中(h)）することにより、C/SiC複合材料反射鏡６が完成する。
【００１０】
この発明の実施の形態１において、出発原材料としてピッチ系炭素繊維にPAN系炭素繊維を混ぜる理由は、ピッチ系炭素繊維はシリコンと反応し難いが、PAN系炭素繊維はピッチ系炭素繊維よりシリコンと反応し易いので、この反応性の差を利用して炭素繊維部分もSiC化反応させ、SiCの生成比率を高めることにより、組織の均一性改善、強度・剛性の向上を達成することが可能になるためである。
ピッチ系炭素繊維だけを使用した場合に、SiC 化を促進さるためには、シリコン含浸温度を高くし、さらに、反応時間を長くする必要がある。しかし、シリコン含浸処理は減圧下で行うので、温度を上げたり、処理時間を長くすると、シリコンが気化し易くなり、気化・消失により基材に多量のボイドが発生する。ボイドは、強度低下、研磨時の表面粗度悪化の原因となり、好ましくない。それ故、高温での含浸処理や長時間処理は実際上困難である。
また、PAN系炭素繊維だけを使用して作成した場合は、容易に脆化し、所望の材料強度を得ることができない。
【００１１】
この発明の実施の形態１は、上記のように、反射鏡に用いられるC/SiC複合材料の製造出発原材料としての炭素繊維基材が、短繊維のピッチ系とPAN系の炭素繊維の2種で構成されたことを特徴とするものであり、このような原材料の使用により、C/SiC複合材料において、高度な鏡面粗度、低熱膨張性、高剛性、などの優れた特性が得られる効果があり、これにより、大型で軽量、高性能な複合材料反射鏡が製造可能になる。
【００１２】
実施の形態２．
実施の形態２は、実施の形態１の複合材料反射鏡において、炭素繊維基材の構成要素として用いるピッチ系炭素繊維の平均繊維長が1ｍｍ以下で、PAN系炭素繊維の平均繊維長が0.5ｍｍ以下であると規定したことを特徴とするものである。
ピッチ系炭素繊維の平均繊維長が1ｍｍを超えるか、またはPAN系炭素繊維の平均繊維長が0.5ｍｍを超える場合は、C/SiC成形体において、炭素繊維の均一な分散が得られにくくなり、機械的強度不足や、鏡面粗度が得られないという問題が生じる。
しかし、炭素繊維基材の構成要素として用いるピッチ系炭素繊維の平均繊維長が1ｍｍ以下、PAN系炭素繊維の平均繊維長が0.5ｍｍ以下と規定したことにより、基材において炭素繊維が均質に分散するようになり、珪素化工程でシリコンとPAN系炭素繊維の反応が好ましい程度に促進され、C/SiC成形体におけるSiC比率が適度に増大するとともに、SiC組織を均一に分散させる効果がある。その結果、C/SiC成形体を用いた反射鏡の鏡面粗度および機械的強度・剛性が向上する。
【００１３】
実施の形態１のPAN系炭素繊維として、例えばPAN系ミルドファイバー（短繊維）を用いることにより、炭素繊維成形体における炭素繊維の分散が均質になり、珪素化工程（シリコン含浸）でシリコンとPAN系炭素繊維の反応が促進され、C/SiC成形体におけるSiC比率が増大するとともに、SiC組織を均一に分散させることが可能となる。その結果、C/SiC成形体を用いた反射鏡の鏡面粗度および機械的強度・剛性が向上する。
【００１４】
実施の形態３．
実施の形態３は、実施の形態１または２において、炭素繊維基材における炭素繊維の体積含有率が20％以上40％以下である、と規定したものである。
反射鏡として実用可能な諸特性を得るためには、炭素繊維の体積含有率が上記範囲であることが必要とするものである。炭素繊維基材における２種類の炭素繊維の総計体積含有率が20％未満の場合は、シリコン含浸前のC/C基材にボイドが多く、マトリックスと炭素繊維の分散性および含有量が不十分となるため、金属シリコン含浸によるSiC反応が不十分となり、多くの未反応シリコンが内在してしまう。このため、十分な機械的強度、剛性が得られない、熱膨張係数が大きい、という問題が生じる。また、炭素繊維の体積含有率が40％を超える場合は、繊維を均質分散させるのが困難、シリコン含浸がしにくい、という問題がある。
実施の形態３のように炭素繊維基材における炭素繊維の体積含有率を適切な範囲に規定することにより、最終製品としてのC/SiC複合材料反射鏡において、曲げ強度、破壊靭性値、低熱膨張率などのより優れた特性が得られ、実用に適した特に優れた機械的強度、剛性が得られる効果がある。
【００１５】
実施の形態４．
実施の形態４は、実施の形態１から３のいずれかの発明の複合材料反射鏡において、炭素繊維基材におけるピッチ系とPAN系の炭素繊維の配合比率が、1：5以上3：1以下であると規定したことを特徴とするものである。上記炭素繊維の配合比率が1：5未満の（PAN系炭素繊維が多すぎる）場合は、C/C基材のマトリックス炭素はシリコン含浸によりシリコンと殆ど反応してSiCに変化するため、C/SiC成形体は、SiC化が進み過ぎて脆化し、クラックが発生しやすくなる。また、炭素繊維の配合比率が3：1を超える（ピッチ系炭素繊維が多すぎる）場合は、マトリックス炭素の一部はシリコンと反応せずに残り、ピッチ系炭素繊維は殆ど反応せずに残る。このようなC/SiC成形体における構成要素の不均一分布に起因して表面の被研磨性が不均一となり、鏡面粗度は反射鏡として不十分レベルになるという問題がある。
【００１６】
実施の形態４のように炭素繊維基材におけるピッチ系とPAN系の炭素繊維の配合比率を適切な範囲に規定することにより、最終製品としてのC/SiC複合材料反射鏡において、実用に適した高い強度・剛性などの優れた機械特性、高度な鏡面粗度が得られる効果がある。
【００１７】
以下に、本発明の実施例を記載する。
【実施例１】
【００１８】
ピッチ系炭素繊維（三菱化学（株）製K7351M）のミルドファイバー（平均長さ200μm）とPAN系炭素繊維（東レ（株）製MLD-300）のミルドファイバー（平均長さ130μm）を重量比で3：1の比率でセルロース系バインダー混濁水中で撹拌し、均質になるように分散させ、セルロース系バインダー混濁水の水分を真空ポンプを使用して減圧ろ過し、その後、堆積した繊維の塊を金型に移し、プレスで加圧して一定の形状に成型した。次に、乾燥炉内で90℃で48時間以上乾燥させて、炭素繊維とセルロースバインダーとからなる、炭素繊維成形体を得た。この成形体に含まれる炭素繊維の体積含有率は約40％である。次に、この成形体にピッチを含浸させ、その後不活性雰囲気（真空中或いは不活性ガス：窒素、アルゴンなど）中、約1000℃まで昇温し、含浸されたピッチ、バインダーのセルロースを炭化してC/C化した。続いて、不活性雰囲気中にて2000℃で熱処理して黒鉛化した。このC/Cの成形体を真空中1750℃で、金属シリコンを熔融させて含浸しC/SiC化した。
【００１９】
こうして得られた、C/SiC複合材料成形体を解析したところ、マトリックス炭素とPAN系炭素繊維は、含浸したシリコンと殆ど反応して、SiCに変化していたが、ピッチ系炭素繊維は殆ど反応していないことが確認された。また、C/SiC複合材料成形体のボイドは、シリコン含浸によってほぼ完全に埋まっており、ボイドは1％以下であった。
図２には、C/SiC複合材料成形体の本発明品(a)及び従来品の繊維の形状及び分布状態(b)を組織観察により比較した結果（写真）を示す。従来品では、出発原料として粗糸と呼ばれる炭素繊維の束が用いられているので、成形品も炭素繊維が束状になっていて不均質な分散状態であるが、本発明品では繊維は束状にならず、均質に分散しているのが明瞭である。
【００２０】
この複合材料成形体の特性を評価したところ、表１に示すような値となり、低歪ガラスより約３倍の強度、３倍以上のヤング率、５倍以上の破壊靭性値になり、アルミニウムよりも、強度、ヤング率が高く、10分の1以下の小さな線膨張率が得られた。また、表面を研削加工した後に研磨したところ、表面粗度は反射鏡として問題ないレベル（20nm以下）になっていることが確認できた。
【００２１】
【表１】
【実施例２】
【００２２】
ピッチ系炭素繊維（三菱化学（株）製K7351M）のミルドファイバー（平均長さ200μm）とPAN系炭素繊維（東レ（株）製MLD-300）のミルドファイバー（平均長さ130μm）を重量比で２：１の比率でセルロース系バインダー混濁水中にて撹拌し、均質になるように分散させ、セルロース系バインダー混濁水の水分を真空ポンプを使用して減圧ろ過し、その後、堆積した繊維の塊を金型に移し、プレスで加圧して一定の形状に成型した。次に、型から取り出し、乾燥炉内にて90℃で48時間以上乾燥させて、炭素繊維とセルロースバインダーとからなる、炭素繊維成形体を得た。この炭素繊維成形体に含まれる炭素繊維の体積含有率は約35％である。その後、この炭素繊維成形体にピッチを含浸させた後、不活性雰囲気（真空中或いは不活性ガス：窒素、アルゴンなど）で約1000℃まで昇温し、含浸されたピッチ、バインダーのセルロースを炭化してC/Cにした。続いて、不活性雰囲気中2000℃で熱処理して黒鉛化した。このC/Cの成形体を真空中1750℃で、金属シリコンを熔融させて含浸しC/SiC化した。
【００２３】
こうして得られたC/SiC複合材料成形体を解析したところ、実施例１と同様にマトリックス炭素とPAN系炭素繊維は、含浸したシリコンと殆ど反応して、SiCに変化しているが、ピッチ系炭素繊維は殆ど反応していないことが確認された。また、成形体のボイドは、シリコン含浸によってほぼ完全に埋まっており、ボイドは1％以下であった。
C/SiC複合材料成形体について、繊維の形状及び分布状態を組織観察した結果は、図２の本発明品の組織と同様に炭素繊維の均質な分散が確認された。
この複合材料成形体の特性を評価した結果を上記表１中に示す。また、表面を研削加工した後に研磨したところ、表面粗度は反射鏡として問題ないレベル（15nm以下）になっていることが確認できた。
【実施例３】
【００２４】
ピッチ系炭素繊維（三菱化学（株）製K7351M）のミルドファイバー（平均長さ200μm）とPAN系炭素繊維（東レ（株）製MLD-300）のミルドファイバー（平均長さ130μm）を重量比で１：５の比率でセルロース系バインダー混濁水中にて撹拌し、均質になるように分散させ、セルロース系バインダー混濁水の水分を真空ポンプを使用して減圧ろ過し、その後、堆積した繊維の塊を金型に移し、プレスで加圧して一定の形状に成型した。次に、乾燥炉内にて90℃で48時間以上乾燥させて、炭素繊維とセルロースバインダーとからなる、炭素繊維成形体を得た。この炭素繊維成形体に含まれる炭素繊維の体積含有率は約30％である。その後、この炭素繊維成形体にピッチを含浸させ、不活性雰囲気（真空中或いは不活性ガス：窒素、アルゴンなど）で約1000℃まで昇温し、含浸されたピッチ、バインダーのセルロースを炭化してC/Cにした。さらに、続いて、不活性雰囲気中にて2000℃で熱処理して黒鉛化した。このC/Cの成形体を真空中1750℃で、金属シリコンを熔融させて含浸しC/SiC化した。
【００２５】
こうして得られた、C/SiC成形体を解析したところ、マトリックス炭素は、含浸したシリコンと殆ど反応してSiCに変化しているが、PAN系炭素繊維の一部は反応せずに残っていた。ピッチ系炭素繊維は殆ど反応していないことが確認された。また、成形体のボイドは、シリコン含浸によってほぼ完全に埋まっており、ボイドは1％以下であった。
C/SiC複合材料成形体について、繊維の形状及び分布状態を組織観察した結果、図２の本発明品の組織と同様に炭素繊維の均質な分散が確認された。
この複合材料の特性を評価、確認したところ、上記の同表に示すような値となった。また、表面を研削加工した後に研磨したところ、表面粗度は反射鏡として問題ないレベル（10nm以下）になっていることが確認できた。
【００２６】
比較例１.
ピッチ系炭素繊維（三菱化学（株）製K7351M）のミルドファイバー（平均長さ200μm）とPAN系炭素繊維（東レ（株）製MLD-300）のミルドファイバー（平均長さ130μm）を重量比で１：６の比率でセルロース系バインダー混濁水中にて撹拌し、均質になるように分散させ、セルロース系バインダー混濁水の水分を真空ポンプを使用して減圧ろ過し、その後、堆積した繊維の塊を金型に移し、プレスで加圧して一定の形状に成型した。次に、乾燥炉内にて90℃で48時間以上乾燥させて、炭素繊維とセルロースバインダーとからなる、炭素繊維成形体を得た。この成形体に含まれる炭素繊維の体積含有率は約35％である。その後、この成形体にピッチを含浸させ、不活性雰囲気（真空中或いは不活性ガス：窒素、アルゴンなど）で約1000℃まで昇温し、含浸されたピッチ、バインダーのセルロースを炭化してC/Cにした。さらに、続いて、不活性雰囲気中にて2000℃で熱処理して黒鉛化した。このC/Cの成形体を真空中1750℃で、金属シリコンを熔融させて含浸しC/SiC化した。
【００２７】
こうして得られたC/SiC複合材料成形体を解析したところ、C/SiC成形体に、シリコン含浸によるSiC化で発生したクラックが認められた。また、マトリックス炭素は、含浸したシリコンと殆ど反応してSiCに変化していたが、PAN系炭素繊維の一部とピッチ系炭素繊維は殆ど反応せずに残っているのが確認された。
【００２８】
比較例１のようにピッチ系炭素繊維とPAN系炭素繊維の配合比率を重量比で1：６以上にした場合は、上記結果のように、C/SiC成形体でSiC化が進み過ぎて脆化するため、PAN系炭素繊維の配合比率を高くし過ぎることは、好ましくないことが明らかになった。
【００２９】
比較例２.
ピッチ系炭素繊維を用いず、PAN系炭素繊維（東レ（株）製MLD-300）のミルドファイバー（平均長さ130μm）のみをセルロース系バインダー混濁水中で撹拌し、均質になるように分散させ、セルロース系バインダー混濁水の水分を真空ポンプで減圧ろ過し、その後、堆積した繊維の塊を金型に移し、プレスを用いて加圧して一定の形状に成型した。その後、乾燥炉内にて90℃で48時間以上乾燥させて、炭素繊維とセルロースバインダーとからなる、炭素繊維成形体を得た。この成形体に含まれる炭素繊維の体積含有率は約30％である。次に、この成形体にピッチを含浸させ、その後不活性雰囲気（真空中或いは不活性ガス：窒素、アルゴンなど）で約1000℃まで昇温し、含浸されたピッチ、バインダーのセルロースを炭化してC/Cにした。続いて、不活性雰囲気中にて2000℃で熱処理して黒鉛化した。このC/C成形体を真空中1750℃で、金属シリコンを熔融させて含浸しC/SiC化した。
【００３０】
こうして得られたC/SiC複合材料成形体を解析したところ、シリコン含浸によるSiC化で発生したクラックが認められた。また、マトリックス炭素は、含浸したシリコンと殆ど反応してSiCに変化していたが、PAN系炭素繊維の一部は反応せずに残っているのが確認された。
比較例２のようにPAN系炭素繊維のみを出発原料とした場合は、上記結果のように、C/SiC成形体でSiC化が進み過ぎて脆化するため、PAN系炭素繊維単独の使用は好ましくない。
【００３１】
比較例３.
ピッチ系炭素繊維（三菱化学（株）製K7351M）のミルドファイバー（平均長さ200μm）とPAN系炭素繊維（東レ（株）製MLD-300）のミルドファイバー（平均長さ130μm）を重量比で４：１の比率でセルロース系バインダー混濁水中にて撹拌し、均質になるように分散させ、セルロース系バインダー混濁水の水分を真空ポンプを使用して減圧ろ過し、その後、堆積した繊維の塊を金型に移し、プレスで加圧して一定の形状に成型した。次に、乾燥炉内にて90℃で48時間以上乾燥させて、炭素繊維とセルロースバインダーとからなる、炭素繊維成形体を得た。この成形体に含まれる炭素繊維の体積含有率は約35％である。その後、この成形体にピッチを含浸させ、不活性雰囲気（真空中或いは不活性ガス：窒素、アルゴンなど）で約1000℃まで昇温し、含浸されたピッチ、バインダーのセルロースを炭化してC/Cにした。さらに、続いて、不活性雰囲気中にて2000℃で熱処理して黒鉛化した。このC/Cの成形体を真空中1750℃で、金属シリコンを熔融させて含浸しC/SiC化した。
【００３２】
こうして得られた、C/SiC複合材料成形体を解析したところ、マトリックス炭素は、含浸したシリコンと殆ど反応してSiCに変化しているが、PAN系炭素繊維の一部は反応せずに残っていた。ピッチ系炭素繊維は殆ど反応していなかった。C/SiC成形体の表面を研削加工した後に研磨したところ、表面粗度は反射鏡として不十分なレベル（60nm以上）になっていることが確認できた。
上記C/SiC成形体試作品について、繊維の形状及び分布状態を組織観察した結果、部分的に炭素繊維の不均質な分散（図示せず）が確認された。
【００３３】
比較例４.
ピッチ系炭素繊維（三菱化学（株）製K7351M）のミルドファイバー（平均長さ200μm）のみを用いセルロース系バインダー混濁水中で撹拌し、均質になるように分散させ、セルロース系バインダー混濁水の水分を真空ポンプで減圧ろ過し、その後、堆積した繊維の塊を金型に移し、プレスで加圧して一定の形状に成型した。次に、乾燥炉内にて90℃で48時間以上乾燥させて、炭素繊維とセルロースバインダーとからなる、炭素繊維成形体を得た。この炭素繊維成形体に含まれる炭素繊維の体積含有率は約40％である。その後、この炭素繊維成形体にピッチを含浸させ、その後不活性雰囲気（真空中或いは不活性ガス：窒素、アルゴンなど）で約1000℃まで昇温し、含浸されたピッチ、バインダーのセルロースを炭化してC/Cにした。続いて、不活性雰囲気中にて2000℃で熱処理して黒鉛化した。このC/C成形体を真空中1750℃で、金属シリコンを熔融させて含浸しC/SiC化した。
【００３４】
こうして得られたC/SiC複合材料成形体を解析したところ、マトリックス炭素の大半は、含浸したシリコンと反応してSiCに変化していたが、一部は反応せず残っていた。また、ピッチ系炭素繊維は殆ど反応していなかった。C/SiC成形体の表面を研削加工した後に研磨したところ、表面粗度は反射鏡として不十分なレベル（60nm以上）になっていることが確認できた。
上記C/SiC複合材料成形体について、繊維の形状及び分布状態を組織観察した結果、部分的にクラックが発生しており、また炭素繊維の不均質な分散（図示せず）が確認された。
【００３５】
比較例５.
ピッチ系炭素繊維（三菱化学（株）製K223QG）のチョップドファイバー（平均長さ６mm）とPAN系炭素繊維（東レ（株）製MLD-300）のミルドファイバー（平均長さ130μm）を重量比で２：１の比率でセルロース系バインダー混濁水中にて撹拌し、均質になるように分散させ、セルロース系バインダー混濁水の水分を真空ポンプを使用して減圧ろ過し、その後、堆積した繊維の塊を金型に移し、プレスで加圧して一定の形状に成型した。次に、乾燥炉内にて90℃で48時間以上乾燥させて、炭素繊維とセルロースバインダーとからなる、炭素繊維成形体を得た。この成形体に含まれる炭素繊維の体積含有率は約35％である。その後、この成形体にピッチを含浸させ、不活性雰囲気（真空中或いは不活性ガス：窒素、アルゴンなど）で約1000℃まで昇温し、含浸されたピッチ、バインダーのセルロースを炭化してC/Cにした。さらに、続いて、不活性雰囲気中にて2000℃で熱処理して黒鉛化した。このC/Cの成形体を真空中1750℃で、金属シリコンを熔融させて含浸しC/SiC化した。
こうして得られた、C/SiC複合材料成形体を解析したところ、マトリックス炭素は、含浸したシリコンと殆ど反応してSiCに変化しているが、PAN系炭素繊維の一部は反応せずに残っていた。ピッチ系炭素繊維は殆ど反応していなかった。C/SiC成形体の表面を研削加工した後に研磨したところ、表面は鏡面に仕上げられず、反射鏡として不十分であることが確認された。
上記C/SiC成形体について、繊維の形状及び分布状態を組織観察した結果、部分的に炭素繊維の不均質な分散、集中（図示せず）が確認された。
【００３６】
比較例６.
ピッチ系炭素繊維（三菱化学（株）製K7351M）のミルドファイバー（平均長さ200μm）とPAN系炭素繊維（東レ（株）製MLD-300）のミルドファイバー（平均長さ130μm）を重量比で２：１の比率でセルロース系バインダー混濁水中にて撹拌し、均質になるように分散させ、セルロース系バインダー混濁水の水分を真空ポンプを使用して減圧ろ過し、その後、堆積した繊維の塊を金型に移し、プレスで加圧して一定の形状に成型した。次に、乾燥炉内にて90℃で48時間以上乾燥させて、炭素繊維とセルロースバインダーとからなる、炭素繊維成形体を得た。この成形体に含まれる炭素繊維の体積含有率は約20％である。その後、この成形体にピッチを含浸させ、不活性雰囲気（真空中或いは不活性ガス：窒素、アルゴンなど）で約1000℃まで昇温し、含浸されたピッチ、バインダーのセルロースを炭化してC/Cにした。さらに、続いて、不活性雰囲気中にて2000℃で熱処理して黒鉛化した。このC/Cの成形体を真空中1750℃で、金属シリコンを熔融させて含浸しC/SiC化した。
こうして得られた、C/SiC複合材料成形体を解析したところ、マトリックス炭素は、含浸したシリコンと殆ど反応してSiCに変化していたが、PAN系炭素繊維の一部とピッチ系炭素繊維は殆ど反応せずに残っていた。C/SiC成形体の表面を研削加工した後に研磨したところ、表面粗度は反射鏡として不十分なレベル（60nm以上）であることが確認された。
上記C/SiC成形体について、繊維の形状及び分布状態を組織観察した結果、部分的に未反応の熔浸されたシリコンが多く分散（図示せず）しているのが確認された。
【００３７】
比較例７.
ピッチ系炭素繊維（三菱化学（株）製K7351M）のミルドファイバー（平均長さ200μm）とPAN系炭素繊維（東レ（株）製MLD-300）のミルドファイバー（平均長さ130μm）を重量比で２：１の比率でセルロース系バインダー混濁水中にて撹拌し、均質になるように分散させ、セルロース系バインダー混濁水の水分を真空ポンプを使用して減圧ろ過し、その後、堆積した繊維の塊を金型に移し、プレスで加圧して一定の形状に成型した。次に、乾燥炉内にて90℃で48時間以上乾燥させて、炭素繊維とセルロースバインダーとからなる、炭素繊維成形体を得た。この成形体に含まれる炭素繊維の体積含有率は約50％である。その後、この成形体にピッチを含浸させ、不活性雰囲気（真空中或いは不活性ガス：窒素、アルゴンなど）で約1000℃まで昇温し、含浸されたピッチ、バインダーのセルロースを炭化してC/Cにした。さらに、続いて、不活性雰囲気中にて2000℃で熱処理して黒鉛化した。このC/Cの成形体を真空中1750℃で、金属シリコンを熔融させて含浸しC/SiC化した。
こうして得られた、C/SiC複合材料成形体を解析したところ、シリコン含浸によるSiC化反応で発生したクラックが認められた。また、マトリックス炭素は、含浸したシリコンと殆ど反応してSiCに変化していたが、PAN系炭素繊維の一部は反応せずに残っていた。ピッチ系炭素繊維は殆ど反応していなのが確認できた。
この例のように、炭素繊維成形体に含まれる炭素繊維の体積含有率を50％と高くすると、
C/C成形体の気孔率が低くなるため、金属シリコンを熔融して含浸し、SiC化の際にクラックが発生するので好ましくない。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の複合材料による反射鏡の製造工程を示す図である。
【図２】本発明による複合材料成形体(a)と従来の成形体(b)の表面を観察した写真である。
【符号の説明】
【００３９】
１ ピッチ系炭素繊維、 ２ PAN系炭素繊維、３ バインダー混濁水、４ C/C成形体、
５ C／SiC成形体、６ 反射鏡。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素繊維強化炭素基材の一部を炭化珪素化処理してなる炭素繊維強化炭化珪素基材の反射鏡において、前記基材中に複数種の炭素繊維を含むことを特徴とする反射鏡。
【請求項２】
ピッチ系炭素繊維とPAN系炭素繊維とを含むことを特徴とする請求項１に記載の反射鏡。
【請求項３】
ピッチ系炭素繊維は平均繊維長が１mm以下、PAN系炭素繊維は平均繊維長が0．5mm以下であることを特徴とする請求項２に記載の反射鏡。
【請求項４】
複数種の炭素繊維をバインダー中に分散させて加圧成形して炭素繊維強化炭素基材を形成する工程、炭化処理、珪素化処理を行い炭素繊維強化炭化珪素基材を形成する工程を備えたことを特徴とする反射鏡の製造方法。
【請求項５】
炭素繊維はピッチ系炭素繊維とPAN系炭素繊維とを含み、炭素繊維強化炭素基材中の炭素繊維体積含有率が20〜40％であることを特徴とする請求項４に記載の反射鏡の製造方法。
【請求項６】
ピッチ系炭素繊維とPAN系炭素繊維との配合比率が１：５以上３：１以下であることを特徴とする請求項４または５に記載の反射鏡の製造方法。
【請求項１】
炭素繊維強化炭素基材の一部を炭化珪素化処理してなる炭素繊維強化炭化珪素基材の反射鏡において、前記基材中に複数種の炭素繊維を含むことを特徴とする反射鏡。
【請求項２】
ピッチ系炭素繊維とPAN系炭素繊維とを含むことを特徴とする請求項１に記載の反射鏡。
【請求項３】
ピッチ系炭素繊維は平均繊維長が１mm以下、PAN系炭素繊維は平均繊維長が0．5mm以下であることを特徴とする請求項２に記載の反射鏡。
【請求項４】
複数種の炭素繊維をバインダー中に分散させて加圧成形して炭素繊維強化炭素基材を形成する工程、炭化処理、珪素化処理を行い炭素繊維強化炭化珪素基材を形成する工程を備えたことを特徴とする反射鏡の製造方法。
【請求項５】
炭素繊維はピッチ系炭素繊維とPAN系炭素繊維とを含み、炭素繊維強化炭素基材中の炭素繊維体積含有率が20〜40％であることを特徴とする請求項４に記載の反射鏡の製造方法。
【請求項６】
ピッチ系炭素繊維とPAN系炭素繊維との配合比率が１：５以上３：１以下であることを特徴とする請求項４または５に記載の反射鏡の製造方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２００６−２７９７３（Ｐ２００６−２７９７３Ａ）
【公開日】平成１８年２月２日（２００６．２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２１１１２０（Ｐ２００４−２１１１２０）
【出願日】平成１６年７月２０日（２００４．７．２０）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年２月２日（２００６．２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年７月２０日（２００４．７．２０）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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