金属基炭素繊維強化複合材料の製造方法
【課題】炭素繊維強化材の形状が自由で、炭素繊維強化材の種類を自由に選択することができる金属基炭素繊維強化複合材料の製造方法を提供することを課題とする。
【解決手段】図（ａ）にて、高圧容器３１から凝固した溶融金属とともに金属含浸体３５を取り出し、（ｂ）にて金属含浸体３５に対し、矢印（２）、（２）のように炭素繊維強化炭素複合材２８の一部２８ａ、２８ａを切除する。（ｃ）にて、残っていた炭素繊維強化炭素複合材２８の残部２８ｂ、２８ｂを、矢印（３）、（３）の部位ではぎ取り、（ｄ）に示す金属基炭素繊維強化複合材料３６を得る。
【効果】変形しやすい炭素繊維基材であっても剛性に富む炭素繊維硬化積層体で囲うことで全体として剛性を確保する。これにより炭素繊維基材の種類を任意に選択でき、形状も自由に設定できる。
【解決手段】図（ａ）にて、高圧容器３１から凝固した溶融金属とともに金属含浸体３５を取り出し、（ｂ）にて金属含浸体３５に対し、矢印（２）、（２）のように炭素繊維強化炭素複合材２８の一部２８ａ、２８ａを切除する。（ｃ）にて、残っていた炭素繊維強化炭素複合材２８の残部２８ｂ、２８ｂを、矢印（３）、（３）の部位ではぎ取り、（ｄ）に示す金属基炭素繊維強化複合材料３６を得る。
【効果】変形しやすい炭素繊維基材であっても剛性に富む炭素繊維硬化積層体で囲うことで全体として剛性を確保する。これにより炭素繊維基材の種類を任意に選択でき、形状も自由に設定できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属に炭素繊維強化材を複合化してなる金属基炭素繊維強化複合材料の製造方法の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属基炭素繊維強化複合材料は、母材金属を炭素繊維で強化することにより、金属の特性と炭素繊維の特性の両方を兼ね備えた複合材料である。このような金属基炭素繊維強化複合材料に適用することができる製造方法が各種提案されている。そのなかで、炭素繊維強化材を金属で含浸する製造方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００４−３２２１７２公報（第６頁、図３）
【０００３】
特許文献１を次図に基づいて説明する。
図９は従来の技術の基本原理を説明する図であり、（ａ）に示すように、支持板１０１に、円筒形状の炭素繊維強化材１０２を立てる。この炭素繊維強化材１０２は、耐火性粘結剤１０３を用いて支持板１０１に固定する。その上で、上面が開口している容器１０４に収める。
【０００４】
（ｂ）に示すように容器１０４に溶融金属１０６を注入する。この溶融金属１０６は炭素繊維強化材１０２が没するまで注入する。次に、容器１０４にピストン１０７を嵌め、このピストン１０７を下降させる。ピストン１０７の押圧作用で、溶融金属１０６の圧力が高まる。溶融金属１０６が高圧力であるほど、炭素繊維強化材１０２に迅速に浸透させることができる。
【０００５】
次に、全体を冷却させることで（ｃ）に示すように、凝固金属１０８で囲われた金属基炭素繊維強化複合材料１０９を得ることができる。すなわち、容器１０４から取り外し、凝固金属１０８を除去し、耐火性粘結剤１０３及び支持板１０１を取り外すことで、（ｄ）に示す金属基炭素繊維強化複合材料１０９単体を得ることができる。
【０００６】
ところで、（ａ）に示す炭素繊維強化材１０２は、炭素繊維に樹脂を含浸させ加熱処理により硬化させた後、更に熱処理を施し、硬化した樹脂を炭素化して多孔質化するとともに耐熱性を上げたものである。
この場合、金属基炭素繊維強化複合材料にしたときに、母材としての金属の他に樹脂が炭素化したものが残るため、任意の立体形状の金属基炭素繊維強化複合材料は高強度化することが困難である。
【０００７】
一方、仮に炭素繊維基材を炭素繊維のみにすれば、母材は金属のみとなり高強度化が可能となるが、自重又は外力により簡単に変形するので、任意の立体形状で金属基炭素繊維強化複合材料を得ることができない。
また、炭素繊維強化材１０２にはある程度の耐熱性も要求されるため、炭素繊維強化材１０２の種類にも制限がある。
すなわち、従来の技術によれば、炭素繊維強化材の形状や種類に制限があり、この制限を緩和することができる技術が求められる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、炭素繊維強化材の形状が自由で、炭素繊維強化材の種類を自由に選択することができる金属基炭素繊維強化複合材料の製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に係る発明は、母材としての金属に炭素繊維強化材を複合化してなる金属基炭素繊維強化複合材料の製造方法において、
前記金属基炭素繊維強化複合材料の基となる炭素繊維基材と、この基材とは別に炭素繊維に樹脂を含浸させてなる炭素繊維プリプレグとを準備し、前記炭素繊維基材が芯になるように前記炭素繊維プリプレグで挟み、変形させて所望の形状に整えた積層体を得る工程と、
前記炭素繊維プリプレグ中の樹脂を硬化させ強度を高めるために前記積層体を加熱処理することにより炭素繊維硬化積層体を得る工程と、
ハンドリングが容易になった炭素繊維硬化積層体を高温炉に入れて炭素繊維基材を黒鉛化処理すると共に前記炭素繊維硬化積層体中の樹脂を炭素化させることにより、黒鉛化炭素繊維基材を炭素繊維強化炭素複合材で覆った形態の中間体を得る工程と、
この中間体に溶融金属を接触させ、前記炭素繊維強化炭素複合材を通過した前記溶融金属を、前記黒鉛化炭素繊維基材に含浸させることで、中間体に金属が含浸してなる金属含浸体を得る工程と、
この金属含浸体から前記炭素繊維強化炭素複合材を除去することで、金属に炭素繊維強化材を複合化してなる金属基炭素繊維強化複合材料を得る工程とからなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１に係る発明では、炭素繊維基材を、炭素繊維プリプレグで囲うようにした。炭素繊維プリプレグは加熱処理を施すことで炭素繊維プリプレグ中の樹脂が硬化し、剛性を付与する。変形しやすい炭素繊維基材であっても剛性に富む炭素繊維硬化積層体で囲うことで全体として剛性を確保することができる。これにより炭素繊維基材の種類を任意に選ぶことができ、形状も自由に設定することができる。
なお、炭素繊維硬化積層体は高温炉で高温処理することで樹脂が炭素化して多孔質体となり、後工程で溶融金属が通過しうるようにするため、炭素繊維硬化積層体の存在が複合材料の製造に支障をきたすことはない。同時に、炭素繊維基材が黒鉛化処理され耐熱性が向上するため、この点においても炭素繊維基材の種類を自由に選択することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。
図１は積層体を得る工程から炭素繊維硬化積層体を得る工程までの説明図であり、（ａ）に示すように、下位炭素繊維プリプレグ１１と、下位黒鉛シート１２と、炭素繊維基材１３と、上位黒鉛シート１４と、上位炭素繊維プリプレグ１５とを準備する。
【００１２】
下位炭素繊維プリプレグ１１は、炭素繊維基材１３の保護ケース（保護型）の役割を果たすメンバーであり、例えば、高弾性炭素繊維を、フィラメントの数が６で平織り又は綾織りし、繊維方向が０°であるものと９０°であるものを交互に１０枚重ねたものに、フェノール樹脂を適量含浸させてなる。
なお、含浸する樹脂は、焼成して炭素繊維強化炭素複合材になったときに強度を保つ必要があることから、残炭率が高いフェノール樹脂が好ましい。
下位黒鉛シート１２は、離型材の役割を果たすメンバーであり、例えば０．２ｍｍ程度のシートである。
【００１３】
炭素繊維基材１３は、本発明の金属基炭素繊維強化複合材料における炭素繊維強化材の基となる主要メンバーであり、例えば、高弾性炭素繊維を、フィラメントの数が６で平織り又は綾織りし、繊維方向が０°であるものと９０°であるものを交互に１０枚重ねたものを使用する。
炭素繊維基材は、焼成したときの残炭率が低い方が金属基炭素繊維強化複合材になったときに強度が高い。炭素繊維基材は、炭素繊維のままが良いが成形性を考慮しアクリル樹脂を適用含浸させてなるものが好ましい。
【００１４】
上位黒鉛シート１４は、下位黒鉛シート１２と同一で差し支えない。
上位炭素繊維プリプレグ１５は、下位炭素繊維プリプレグ１１と同一で差し支えない。
【００１５】
（ｂ）に示すように、下位炭素繊維プリプレグ１１、下位黒鉛シート１２、炭素繊維基材１３、上位黒鉛シート１４及び上位炭素繊維プリプレグ１５を積層してなる積層体１６を、オートクレーブ１７に投入する。オートクレーブ１７は、ヒータ１８と排気装置１９を備えた真空加熱炉である。積層体１６は、例えば、０．６ＭＰａの圧力下で１００℃、２時間の条件で加熱し、続いて、０．６ＭＰａの圧力下で１５０℃、１．５時間の条件で加熱処理される。
【００１６】
この合計３．５時間、１００〜１５０℃の加熱により、上部炭素繊維プリプレグ１５は想像線で示すように垂れて、下部炭素繊維プリプレグ１１に接触し、一体化する。並行して、炭素繊維プリプレグ１１、１５に含まれている樹脂が適度に硬化する。この結果、炭素繊維硬化積層体２１を得ることができる。
【００１７】
図２は中間体を得る工程の説明図であり、（ａ）に示すように、ヒータ２２と排気装置２３とガス吹込み管２４を備えた高温炉２５に、炭素繊維硬化積層体２１を投入して、炭化処理及び黒鉛化処理を行う。
炭化処理では、排気装置２３で真空排気を実施し、次にガス吹込み管２４でアルゴンガスを吹込み、ヒータ２２で６時間をかけて１０００℃まで昇温し、１０００℃に達したら３０分保持する。
黒鉛化処理では、アルゴンガス雰囲気中で、８時間をかけて２０００℃まで昇温し、２０００℃に達したら３０分保持する。
【００１８】
（ｂ）は（ａ）のｂ部拡大図であり、高温処理により、炭素繊維硬化積層体中の樹脂が炭素化して、炭素繊維２６とともに炭素繊維強化炭素複合材２８となる。
すなわち、炭素繊維を黒鉛化処理すると共に炭素繊維硬化積層体中の樹脂を炭素化させることにより、黒鉛化炭素繊維基材２７を炭素繊維強化炭素複合材２８で覆った形態の中間体２９を得ることができる。
【００１９】
図３は金属含浸体を得る工程の説明図であり、（ａ）に示すように、上面を開放した高圧容器３１に中間体２９を移す。そして、高圧容器３１内を窒素ガス雰囲気とし、９０分かけて７５０℃に加熱し、そこへ鍋３２からアルミニウムの溶融金属３３を注ぐ。
次に、（ｂ）に示すように、高圧容器３１にピストン３４を嵌め、窒素ガス雰囲気で溶融金属３３の圧力が５０〜１００ＭＰａになるように、このピストン３４を下げる。すると、溶融金属３３は、矢印（１）、（１）のように、炭素繊維強化炭素複合材２８を通過し、中心の黒鉛化炭素繊維基材２７に含浸する。
【００２０】
図４は金属基炭素繊維強化複合材料を得る工程の説明図であり、（ａ）に示すように、高圧容器３１から凝固した溶融金属とともに金属含浸体３５を取り出す。
そして、（ｂ）に示すように金属含浸体３５に対し、矢印（２）、（２）のように炭素繊維強化炭素複合材２８の一部２８ａ、２８ａを切除する。
次に、（ｃ）に示すように、残っていた炭素繊維強化炭素複合材２８の残部２８ｂ、２８ｂを、矢印（３）、（３）の部位ではぎ取る。
【００２１】
以上の結果、（ｄ）に示す金属基炭素繊維強化複合材料３６を得ることができる。この金属基炭素繊維強化複合材料３６は、アルミニウムを母材とし炭素繊維で強化した複合材であることは言うまでもない。
【００２２】
以上の製造方法で得られた金属基炭素繊維強化複合材料３６は、平板形状材である。本発明方法では、円筒のような曲面形状の金属基炭素繊維強化複合材料を得ることもできる。その具体例を別実施例として以下に説明する。
【００２３】
図５は別実施例に係る積層体を得る工程から炭素繊維硬化積層体を得る工程までの説明図であり、（ａ）に示すように、下位炭素繊維プリプレグ１１と、下位黒鉛シート１２と、炭素繊維基材１３と、上位黒鉛シート１４と、上位炭素繊維プリプレグ１５と、巻付け用の型１５ａとを準備する。
【００２４】
そして、巻付け用の型１５ａが芯になるように、巻付け、（ｂ）に示す積層体１６を得る。
【００２５】
次に、（ｃ）に示すように、積層体１６を、オートクレーブ１７に投入する。オートクレーブ１７は、ヒータ１８と排気装置１９を備えた真空加熱炉である。積層体１６は、例えば、０．６ＭＰａの圧力下で１００℃、２時間の条件で加熱し、続いて、０．６ＭＰａの圧力下で１５０℃、１．５時間の条件で加熱処理される。
【００２６】
この合計３．５時間、１００〜１５０℃の加熱により、炭素繊維プリプレグ１１、１５に含まれている樹脂が適度に硬化する。この結果、炭素繊維硬化積層体２１を得ることができる。
オートクレーブ１７から、巻付け用の型１５ａごと硬化した炭素繊維硬化積層体２１を取り出し、巻付け用の型１５ａを抜き、円筒状の炭素繊維硬化積層体２１を得る。
【００２７】
図６は別実施例に係る中間体を得る工程の説明図であり、（ａ）に示すように、ヒータ２２と排気装置２３とガス吹込み管２４を備えた高温炉２５に、炭素繊維硬化積層体２１を投入して、炭化処理及び黒鉛化処理を行う。
炭化処理では、排気装置２３で真空排気を実施し、次にガス吹込み管２４でアルゴンガスを吹込み、ヒータ２２で６時間をかけて１０００℃まで昇温し、１０００℃に達したら３０分保持する。
黒鉛化処理では、アルゴンガス雰囲気中で、８時間をかけて２０００℃まで昇温し、２０００℃に達したら３０分保持する。
【００２８】
（ｂ）は（ａ）のｂ部拡大図であり、高温処理により、炭素繊維プリプレグ中の樹脂が炭素化して、炭素繊維２６とともに炭素繊維強化炭素複合材２８となる。
すなわち、炭素繊維を黒鉛化処理すると共に炭素繊維プリプレグ中の樹脂を炭素化させることにより、黒鉛化炭素繊維基材２７を炭素繊維強化炭素複合材２８、２８で挟んだ形態の中間体２９を得ることができる。
【００２９】
図７は別実施例に係る金属含浸体を得る工程の説明図であり、（ａ）に示すように、上面を開放した高圧容器３１に中間体２９を移す。そして、高圧容器３１内を窒素ガス雰囲気とし、９０分をかけて７５０℃に加熱し、そこへ鍋３２からアルミニウムの溶融金属３３を注ぐ。
次に、（ｂ）に示すように、高圧容器３１にピストン３４を嵌め、窒素ガス雰囲気で溶融金属３３の圧力が５０〜１００ＭＰａになるように、このピストン３４を下げる。すると、溶融金属３３は、矢印（４）、（４）のように、炭素繊維強化炭素複合材２８、２８を通過し、中心の黒鉛化炭素繊維基材２７に含浸する。これで、金属含浸体３５を得ることができる。
【００３０】
図８は別実施例に係る金属基炭素繊維強化複合材料を得る工程の説明図であり、（ａ）金属含浸体３５をプレスマシーンにかけて、矢印（５）、（５）、（５）、（５）のように、炭素繊維強化炭素複合材２８、２８をはぎ取る。
【００３１】
以上の結果、（ｂ）に示す円筒形状の金属基炭素繊維強化複合材料３６を得ることができる。この金属基炭素繊維強化複合材料３６は、例えば、内径が１１０ｍｍで、厚さが２ｍｍで、高さが１００ｍｍの円筒であり、アルミニウムを母材とし炭素繊維で強化した複合材であることは言うまでもない。
【００３２】
以上の説明から明らかなように、本発明は、炭素繊維基材を、炭素繊維プリプレグで囲うようにした。炭素繊維プリプレグは加熱処理を施すことで炭素繊維プリプレグ中の樹脂が硬化し、剛性を付与する。変形しやすい炭素繊維基材であっても剛性に富む炭素繊維硬化積層体で囲うことで全体として剛性を確保することができる。これにより炭素繊維基材の種類を任意に選ぶことができ、形状も自由に設定することができる。
【００３３】
（実験例）
本発明に係る実験例を以下に述べる。なお、本発明は実験例に限定されるものではない。
【００３４】
○試料１〜試料６における共通条件：
・下部炭素繊維プリプレグ（以下、下部プリプレグと記す。）は、高弾性炭素繊維、フィラメント数６、平織り、クロス目付２１５ｇ／ｍ２の条件の炭素繊維（平織り使用のものを「高弾性炭素繊維Ａ」と呼ぶ。）に、フェノール樹脂を含有率３５％にして含浸させ、得られたシートを、積層方法０°／９０°の条件で１０枚積層したものを使用する。
【００３５】
・炭素繊維基材は、高弾性炭素繊維Ａ（高弾性炭素繊維、フィラメント数６、平織り、クロス目付２１５ｇ／ｍ２の条件の炭素繊維）に、フェノール樹脂などの樹脂（樹脂の種類及び含有率は表１に示す。）を含浸させ、得られたシートを、積層方法０°／９０°の条件で１０枚積層したものを使用する。
・上部炭素繊維プリプレグ（以下、上部プリプレグ）は、下部プリプレグと同一とする。
・製造方法は、図１〜図４に示す方法による。
【００３６】
○試料７における条件：
・下部プリプレグは、高弾性炭素繊維Ａ（高弾性炭素繊維、フィラメント数６、平織り、クロス目付２１５ｇ／ｍ２の条件の炭素繊維）に、フェノール樹脂を含有率３５％にして含浸させ、得られたシートを、積層方法０°／９０°の条件で１０枚積層したものを使用する。
【００３７】
・炭素繊維基材は、高強度炭素繊維、フィラメント数６、綾織り、クロス目付２２０ｇ／ｍ２の条件の炭素繊維（綾織り使用のものを「高強度炭素繊維Ｂ」と呼ぶ。）に、フェノール樹脂などの樹脂（樹脂の種類及び含有率は表１に示す。）を含浸させ、得られたシートを、積層方法０°／９０°の条件で１０枚積層したものを使用する。
・上部プリプレグは、下部プリプレグと同一とする。
・製造方法は、図１〜図４に示す方法による。
【００３８】
以上に述べた試料１〜７における条件及び引張り強さなどの評価を次表に示す。
【００３９】
【表１】
【００４０】
・試料１は、炭素繊維基材に樹脂を含浸させなかったので、黒鉛化処理後、残炭率は０％である。１００ＭＰａでアルミニウム溶湯を含浸させた。炭素繊維強化炭素複合材を剥がして得た複合材の引張り強さは、５６０ＭＰａであった。
・試料２は、炭素繊維基材に３５質量％のフェノール樹脂を含浸させた。黒鉛化処理後、残炭率は約５０％であった。１００ＭＰａでアルミニウム溶湯を含浸させた。炭素繊維強化炭素複合材を剥がして得た複合材の引張り強さは、３４０ＭＰａであった。
・試料３は、炭素繊維基材に３５質量％のエポキシ樹脂を含浸させた。黒鉛化処理後、残炭率は約３０％であった。１００ＭＰａでアルミニウム溶湯を含浸させた。炭素繊維強化炭素複合材を剥がして得た複合材の引張り強さは、４３０ＭＰａであった。
試料１〜３から、残留炭素が多いほど強度が低下することが確認できた。
【００４１】
・試料４は、炭素繊維基材に１５質量％のアクリル樹脂を含浸させた。黒鉛化処理後、残炭率は、ほぼ０％であった。１００ＭＰａでアルミニウム溶湯を含浸させた。炭素繊維強化炭素複合材を剥がして得た複合材の引張り強さは、５６０ＭＰａであった。
アクリル樹脂の含有量を１５質量％にすることで、残留炭素をほぼ０％にすることができ、高い引張り強さを得ることができた。
【００４２】
・試料５は、炭素繊維基材に１５質量％のアクリル樹脂を含浸させた。黒鉛化処理後、残炭率は、ほぼ０％であった。５０ＭＰａでアルミニウム溶湯を含浸させた。炭素繊維強化炭素複合材を剥がして得た複合材の引張り強さは、５３０ＭＰａであった。
試料４に対して、鋳造圧力を１００ＭＰａから５０ＭＰａに下げたところ、若干下がったものの高い強度を得ることができた。
【００４３】
・試料６は、炭素繊維基材に１５質量％のアクリル樹脂を含浸させた。１０００℃で加熱処理した。黒鉛化処理後、残炭率は、ほぼ０％であった。５０ＭＰａでアルミニウム溶湯を含浸させた。炭素繊維強化炭素複合材を剥がして得た複合材の引張り強さは、１１０ＭＰａであった。
加熱処理温度が１０００℃であるため、炭素繊維基材の黒鉛化が未了若しくは不十分であり耐熱性が不足したため、十分な強度が得られなかった。
【００４４】
・試料７は、炭素繊維基材に１５質量％のアクリル樹脂を含浸させた。黒鉛化処理後、残炭率は、ほぼ０％であった。５０ＭＰａでアルミニウム溶湯を含浸させた。炭素繊維強化炭素複合材を剥がして得た複合材の引張り強さは、５３０ＭＰａであった。
試料７は試料５に対し、耐熱性の低い高強度炭素繊維を炭素繊維基材として使用したが、本発明における黒鉛化処理によって耐熱性が向上し、金属基炭素繊維強化複合材料において高い強度を得ることが可能となった。
【００４５】
○試料８〜試料１０における共通条件：
・下部プリプレグは、高弾性炭素繊維Ａ（高弾性炭素繊維、フィラメント数６、平織り、クロス目付２１５ｇ／ｍ２の条件の炭素繊維）に、フェノール樹脂を含有率３５％にして含浸させ、得られたシートを、積層方法０°／９０°の条件で１０枚積層したものを使用する。
【００４６】
・炭素繊維基材は、高弾性炭素繊維Ａ（高弾性炭素繊維、フィラメント数６、平織り、クロス目付２１５ｇ／ｍ２の条件の炭素繊維）に、アクリル樹脂を含有率１５％にして含浸させ、得られたシートを、積層方法０°／９０°の条件で１０枚積層したものを使用する。
・上部プリプレグは、下部プリプレグと同一とする。
・製造方法は、図５〜図８に示す方法による。
【００４７】
○試料１１における条件：
・下部プリプレグは、高弾性炭素繊維Ａ（高弾性炭素繊維、フィラメント数６、平織り、クロス目付２１５ｇ／ｍ２の条件の炭素繊維）に、フェノール樹脂を含有率３５％にして含浸させ、得られたシートを、積層方法０°／９０°の条件で１０枚積層したものを使用する。
【００４８】
・炭素繊維基材は、高強度炭素繊維Ｂ（高強度炭素繊維、フィラメント数６、綾織り、クロス目付２２０ｇ／ｍ２の条件の炭素繊維）に、アクリル樹脂を含有率１５％にして含浸させ、得られたシートを、積層方法０°／９０°の条件で１０枚積層したものを使用する。
・上部プリプレグは、下部プリプレグと同一とする。
・製造方法は、図５〜図８に示す方法による。
【００４９】
以上に述べた試料８〜１１における条件及び評価を次表に示す。
【００５０】
【表２】
【００５１】
・試料８は、１００ＭＰａでアルミニウム溶湯を含浸させた。炭素繊維強化炭素複合材を剥がして得た複合材を観察したところ、アルミニウムの含浸状況は良好であった。しかし、得られた製品に割れが認められた。
・試料９は、７５ＭＰａでアルミニウム溶湯を含浸させた。炭素繊維強化炭素複合材を剥がして得た複合材を観察したところ、アルミニウムの含浸状況は良好であった。しかし、得られた製品に割れが認められた。
・試料１０は、５０ＭＰａでアルミニウム溶湯を含浸させた。炭素繊維強化炭素複合材を剥がして得た複合材を観察したところ、アルミニウムの含浸状況、製品の外観共に良好であった。
試料８〜１０によれば、鋳造圧力は高すぎると良くないことが分かった。
【００５２】
・試料１１は、５０ＭＰａでアルミニウム溶湯を含浸させた。炭素繊維強化炭素複合材を剥がして得た複合材を観察したところ、アルミニウムの含浸状況、製品の外観共に良好であった。
試料１１は試料１０に対し、耐熱性の低い高強度炭素繊維を炭素繊維基材として使用したが本発明における黒鉛化処理によって耐熱性が向上したため、アルミニウムの含浸状況、製品の外観に差がでなかった。
【００５３】
尚、本発明の金属基炭素繊維強化複合材料の製造方法は、実施の形態では円筒形状に適用したが、炭素繊維基材を炭素繊維プリプレグで挟み、変形させて所望の形状にできる限り適用可能であり、その他の形状に適用することは差し支えない。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明の金属基炭素繊維強化複合材料の製造に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】積層体を得る工程から炭素繊維硬化積層体を得る工程までの説明図である。
【図２】中間体を得る工程の説明図である。
【図３】金属含浸体を得る工程の説明図である。
【図４】金属基炭素繊維強化複合材料を得る工程の説明図である。
【図５】別実施例に係る積層体を得る工程から炭素繊維硬化積層体を得る工程までの説明図である。
【図６】別実施例に係る中間体を得る工程の説明図である。
【図７】別実施例に係る金属含浸体を得る工程の説明図である。
【図８】別実施例に係る金属基炭素繊維強化複合材料を得る工程の説明図である。
【図９】従来の技術の基本原理を説明する図である。
【符号の説明】
【００５６】
１１、１５…プリプレグ（炭素繊維プリプレグ）、１３…炭素繊維基材、１６…積層体、２１…炭素繊維硬化積層体、２５…高温炉、２７…黒鉛化炭素繊維基材、２８…炭素繊維強化炭素複合材、２９…中間体、３３…溶融金属、３５…金属含浸体、３６…金属基炭素繊維強化複合材料。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属に炭素繊維強化材を複合化してなる金属基炭素繊維強化複合材料の製造方法の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属基炭素繊維強化複合材料は、母材金属を炭素繊維で強化することにより、金属の特性と炭素繊維の特性の両方を兼ね備えた複合材料である。このような金属基炭素繊維強化複合材料に適用することができる製造方法が各種提案されている。そのなかで、炭素繊維強化材を金属で含浸する製造方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００４−３２２１７２公報（第６頁、図３）
【０００３】
特許文献１を次図に基づいて説明する。
図９は従来の技術の基本原理を説明する図であり、（ａ）に示すように、支持板１０１に、円筒形状の炭素繊維強化材１０２を立てる。この炭素繊維強化材１０２は、耐火性粘結剤１０３を用いて支持板１０１に固定する。その上で、上面が開口している容器１０４に収める。
【０００４】
（ｂ）に示すように容器１０４に溶融金属１０６を注入する。この溶融金属１０６は炭素繊維強化材１０２が没するまで注入する。次に、容器１０４にピストン１０７を嵌め、このピストン１０７を下降させる。ピストン１０７の押圧作用で、溶融金属１０６の圧力が高まる。溶融金属１０６が高圧力であるほど、炭素繊維強化材１０２に迅速に浸透させることができる。
【０００５】
次に、全体を冷却させることで（ｃ）に示すように、凝固金属１０８で囲われた金属基炭素繊維強化複合材料１０９を得ることができる。すなわち、容器１０４から取り外し、凝固金属１０８を除去し、耐火性粘結剤１０３及び支持板１０１を取り外すことで、（ｄ）に示す金属基炭素繊維強化複合材料１０９単体を得ることができる。
【０００６】
ところで、（ａ）に示す炭素繊維強化材１０２は、炭素繊維に樹脂を含浸させ加熱処理により硬化させた後、更に熱処理を施し、硬化した樹脂を炭素化して多孔質化するとともに耐熱性を上げたものである。
この場合、金属基炭素繊維強化複合材料にしたときに、母材としての金属の他に樹脂が炭素化したものが残るため、任意の立体形状の金属基炭素繊維強化複合材料は高強度化することが困難である。
【０００７】
一方、仮に炭素繊維基材を炭素繊維のみにすれば、母材は金属のみとなり高強度化が可能となるが、自重又は外力により簡単に変形するので、任意の立体形状で金属基炭素繊維強化複合材料を得ることができない。
また、炭素繊維強化材１０２にはある程度の耐熱性も要求されるため、炭素繊維強化材１０２の種類にも制限がある。
すなわち、従来の技術によれば、炭素繊維強化材の形状や種類に制限があり、この制限を緩和することができる技術が求められる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、炭素繊維強化材の形状が自由で、炭素繊維強化材の種類を自由に選択することができる金属基炭素繊維強化複合材料の製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に係る発明は、母材としての金属に炭素繊維強化材を複合化してなる金属基炭素繊維強化複合材料の製造方法において、
前記金属基炭素繊維強化複合材料の基となる炭素繊維基材と、この基材とは別に炭素繊維に樹脂を含浸させてなる炭素繊維プリプレグとを準備し、前記炭素繊維基材が芯になるように前記炭素繊維プリプレグで挟み、変形させて所望の形状に整えた積層体を得る工程と、
前記炭素繊維プリプレグ中の樹脂を硬化させ強度を高めるために前記積層体を加熱処理することにより炭素繊維硬化積層体を得る工程と、
ハンドリングが容易になった炭素繊維硬化積層体を高温炉に入れて炭素繊維基材を黒鉛化処理すると共に前記炭素繊維硬化積層体中の樹脂を炭素化させることにより、黒鉛化炭素繊維基材を炭素繊維強化炭素複合材で覆った形態の中間体を得る工程と、
この中間体に溶融金属を接触させ、前記炭素繊維強化炭素複合材を通過した前記溶融金属を、前記黒鉛化炭素繊維基材に含浸させることで、中間体に金属が含浸してなる金属含浸体を得る工程と、
この金属含浸体から前記炭素繊維強化炭素複合材を除去することで、金属に炭素繊維強化材を複合化してなる金属基炭素繊維強化複合材料を得る工程とからなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１に係る発明では、炭素繊維基材を、炭素繊維プリプレグで囲うようにした。炭素繊維プリプレグは加熱処理を施すことで炭素繊維プリプレグ中の樹脂が硬化し、剛性を付与する。変形しやすい炭素繊維基材であっても剛性に富む炭素繊維硬化積層体で囲うことで全体として剛性を確保することができる。これにより炭素繊維基材の種類を任意に選ぶことができ、形状も自由に設定することができる。
なお、炭素繊維硬化積層体は高温炉で高温処理することで樹脂が炭素化して多孔質体となり、後工程で溶融金属が通過しうるようにするため、炭素繊維硬化積層体の存在が複合材料の製造に支障をきたすことはない。同時に、炭素繊維基材が黒鉛化処理され耐熱性が向上するため、この点においても炭素繊維基材の種類を自由に選択することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。
図１は積層体を得る工程から炭素繊維硬化積層体を得る工程までの説明図であり、（ａ）に示すように、下位炭素繊維プリプレグ１１と、下位黒鉛シート１２と、炭素繊維基材１３と、上位黒鉛シート１４と、上位炭素繊維プリプレグ１５とを準備する。
【００１２】
下位炭素繊維プリプレグ１１は、炭素繊維基材１３の保護ケース（保護型）の役割を果たすメンバーであり、例えば、高弾性炭素繊維を、フィラメントの数が６で平織り又は綾織りし、繊維方向が０°であるものと９０°であるものを交互に１０枚重ねたものに、フェノール樹脂を適量含浸させてなる。
なお、含浸する樹脂は、焼成して炭素繊維強化炭素複合材になったときに強度を保つ必要があることから、残炭率が高いフェノール樹脂が好ましい。
下位黒鉛シート１２は、離型材の役割を果たすメンバーであり、例えば０．２ｍｍ程度のシートである。
【００１３】
炭素繊維基材１３は、本発明の金属基炭素繊維強化複合材料における炭素繊維強化材の基となる主要メンバーであり、例えば、高弾性炭素繊維を、フィラメントの数が６で平織り又は綾織りし、繊維方向が０°であるものと９０°であるものを交互に１０枚重ねたものを使用する。
炭素繊維基材は、焼成したときの残炭率が低い方が金属基炭素繊維強化複合材になったときに強度が高い。炭素繊維基材は、炭素繊維のままが良いが成形性を考慮しアクリル樹脂を適用含浸させてなるものが好ましい。
【００１４】
上位黒鉛シート１４は、下位黒鉛シート１２と同一で差し支えない。
上位炭素繊維プリプレグ１５は、下位炭素繊維プリプレグ１１と同一で差し支えない。
【００１５】
（ｂ）に示すように、下位炭素繊維プリプレグ１１、下位黒鉛シート１２、炭素繊維基材１３、上位黒鉛シート１４及び上位炭素繊維プリプレグ１５を積層してなる積層体１６を、オートクレーブ１７に投入する。オートクレーブ１７は、ヒータ１８と排気装置１９を備えた真空加熱炉である。積層体１６は、例えば、０．６ＭＰａの圧力下で１００℃、２時間の条件で加熱し、続いて、０．６ＭＰａの圧力下で１５０℃、１．５時間の条件で加熱処理される。
【００１６】
この合計３．５時間、１００〜１５０℃の加熱により、上部炭素繊維プリプレグ１５は想像線で示すように垂れて、下部炭素繊維プリプレグ１１に接触し、一体化する。並行して、炭素繊維プリプレグ１１、１５に含まれている樹脂が適度に硬化する。この結果、炭素繊維硬化積層体２１を得ることができる。
【００１７】
図２は中間体を得る工程の説明図であり、（ａ）に示すように、ヒータ２２と排気装置２３とガス吹込み管２４を備えた高温炉２５に、炭素繊維硬化積層体２１を投入して、炭化処理及び黒鉛化処理を行う。
炭化処理では、排気装置２３で真空排気を実施し、次にガス吹込み管２４でアルゴンガスを吹込み、ヒータ２２で６時間をかけて１０００℃まで昇温し、１０００℃に達したら３０分保持する。
黒鉛化処理では、アルゴンガス雰囲気中で、８時間をかけて２０００℃まで昇温し、２０００℃に達したら３０分保持する。
【００１８】
（ｂ）は（ａ）のｂ部拡大図であり、高温処理により、炭素繊維硬化積層体中の樹脂が炭素化して、炭素繊維２６とともに炭素繊維強化炭素複合材２８となる。
すなわち、炭素繊維を黒鉛化処理すると共に炭素繊維硬化積層体中の樹脂を炭素化させることにより、黒鉛化炭素繊維基材２７を炭素繊維強化炭素複合材２８で覆った形態の中間体２９を得ることができる。
【００１９】
図３は金属含浸体を得る工程の説明図であり、（ａ）に示すように、上面を開放した高圧容器３１に中間体２９を移す。そして、高圧容器３１内を窒素ガス雰囲気とし、９０分かけて７５０℃に加熱し、そこへ鍋３２からアルミニウムの溶融金属３３を注ぐ。
次に、（ｂ）に示すように、高圧容器３１にピストン３４を嵌め、窒素ガス雰囲気で溶融金属３３の圧力が５０〜１００ＭＰａになるように、このピストン３４を下げる。すると、溶融金属３３は、矢印（１）、（１）のように、炭素繊維強化炭素複合材２８を通過し、中心の黒鉛化炭素繊維基材２７に含浸する。
【００２０】
図４は金属基炭素繊維強化複合材料を得る工程の説明図であり、（ａ）に示すように、高圧容器３１から凝固した溶融金属とともに金属含浸体３５を取り出す。
そして、（ｂ）に示すように金属含浸体３５に対し、矢印（２）、（２）のように炭素繊維強化炭素複合材２８の一部２８ａ、２８ａを切除する。
次に、（ｃ）に示すように、残っていた炭素繊維強化炭素複合材２８の残部２８ｂ、２８ｂを、矢印（３）、（３）の部位ではぎ取る。
【００２１】
以上の結果、（ｄ）に示す金属基炭素繊維強化複合材料３６を得ることができる。この金属基炭素繊維強化複合材料３６は、アルミニウムを母材とし炭素繊維で強化した複合材であることは言うまでもない。
【００２２】
以上の製造方法で得られた金属基炭素繊維強化複合材料３６は、平板形状材である。本発明方法では、円筒のような曲面形状の金属基炭素繊維強化複合材料を得ることもできる。その具体例を別実施例として以下に説明する。
【００２３】
図５は別実施例に係る積層体を得る工程から炭素繊維硬化積層体を得る工程までの説明図であり、（ａ）に示すように、下位炭素繊維プリプレグ１１と、下位黒鉛シート１２と、炭素繊維基材１３と、上位黒鉛シート１４と、上位炭素繊維プリプレグ１５と、巻付け用の型１５ａとを準備する。
【００２４】
そして、巻付け用の型１５ａが芯になるように、巻付け、（ｂ）に示す積層体１６を得る。
【００２５】
次に、（ｃ）に示すように、積層体１６を、オートクレーブ１７に投入する。オートクレーブ１７は、ヒータ１８と排気装置１９を備えた真空加熱炉である。積層体１６は、例えば、０．６ＭＰａの圧力下で１００℃、２時間の条件で加熱し、続いて、０．６ＭＰａの圧力下で１５０℃、１．５時間の条件で加熱処理される。
【００２６】
この合計３．５時間、１００〜１５０℃の加熱により、炭素繊維プリプレグ１１、１５に含まれている樹脂が適度に硬化する。この結果、炭素繊維硬化積層体２１を得ることができる。
オートクレーブ１７から、巻付け用の型１５ａごと硬化した炭素繊維硬化積層体２１を取り出し、巻付け用の型１５ａを抜き、円筒状の炭素繊維硬化積層体２１を得る。
【００２７】
図６は別実施例に係る中間体を得る工程の説明図であり、（ａ）に示すように、ヒータ２２と排気装置２３とガス吹込み管２４を備えた高温炉２５に、炭素繊維硬化積層体２１を投入して、炭化処理及び黒鉛化処理を行う。
炭化処理では、排気装置２３で真空排気を実施し、次にガス吹込み管２４でアルゴンガスを吹込み、ヒータ２２で６時間をかけて１０００℃まで昇温し、１０００℃に達したら３０分保持する。
黒鉛化処理では、アルゴンガス雰囲気中で、８時間をかけて２０００℃まで昇温し、２０００℃に達したら３０分保持する。
【００２８】
（ｂ）は（ａ）のｂ部拡大図であり、高温処理により、炭素繊維プリプレグ中の樹脂が炭素化して、炭素繊維２６とともに炭素繊維強化炭素複合材２８となる。
すなわち、炭素繊維を黒鉛化処理すると共に炭素繊維プリプレグ中の樹脂を炭素化させることにより、黒鉛化炭素繊維基材２７を炭素繊維強化炭素複合材２８、２８で挟んだ形態の中間体２９を得ることができる。
【００２９】
図７は別実施例に係る金属含浸体を得る工程の説明図であり、（ａ）に示すように、上面を開放した高圧容器３１に中間体２９を移す。そして、高圧容器３１内を窒素ガス雰囲気とし、９０分をかけて７５０℃に加熱し、そこへ鍋３２からアルミニウムの溶融金属３３を注ぐ。
次に、（ｂ）に示すように、高圧容器３１にピストン３４を嵌め、窒素ガス雰囲気で溶融金属３３の圧力が５０〜１００ＭＰａになるように、このピストン３４を下げる。すると、溶融金属３３は、矢印（４）、（４）のように、炭素繊維強化炭素複合材２８、２８を通過し、中心の黒鉛化炭素繊維基材２７に含浸する。これで、金属含浸体３５を得ることができる。
【００３０】
図８は別実施例に係る金属基炭素繊維強化複合材料を得る工程の説明図であり、（ａ）金属含浸体３５をプレスマシーンにかけて、矢印（５）、（５）、（５）、（５）のように、炭素繊維強化炭素複合材２８、２８をはぎ取る。
【００３１】
以上の結果、（ｂ）に示す円筒形状の金属基炭素繊維強化複合材料３６を得ることができる。この金属基炭素繊維強化複合材料３６は、例えば、内径が１１０ｍｍで、厚さが２ｍｍで、高さが１００ｍｍの円筒であり、アルミニウムを母材とし炭素繊維で強化した複合材であることは言うまでもない。
【００３２】
以上の説明から明らかなように、本発明は、炭素繊維基材を、炭素繊維プリプレグで囲うようにした。炭素繊維プリプレグは加熱処理を施すことで炭素繊維プリプレグ中の樹脂が硬化し、剛性を付与する。変形しやすい炭素繊維基材であっても剛性に富む炭素繊維硬化積層体で囲うことで全体として剛性を確保することができる。これにより炭素繊維基材の種類を任意に選ぶことができ、形状も自由に設定することができる。
【００３３】
（実験例）
本発明に係る実験例を以下に述べる。なお、本発明は実験例に限定されるものではない。
【００３４】
○試料１〜試料６における共通条件：
・下部炭素繊維プリプレグ（以下、下部プリプレグと記す。）は、高弾性炭素繊維、フィラメント数６、平織り、クロス目付２１５ｇ／ｍ２の条件の炭素繊維（平織り使用のものを「高弾性炭素繊維Ａ」と呼ぶ。）に、フェノール樹脂を含有率３５％にして含浸させ、得られたシートを、積層方法０°／９０°の条件で１０枚積層したものを使用する。
【００３５】
・炭素繊維基材は、高弾性炭素繊維Ａ（高弾性炭素繊維、フィラメント数６、平織り、クロス目付２１５ｇ／ｍ２の条件の炭素繊維）に、フェノール樹脂などの樹脂（樹脂の種類及び含有率は表１に示す。）を含浸させ、得られたシートを、積層方法０°／９０°の条件で１０枚積層したものを使用する。
・上部炭素繊維プリプレグ（以下、上部プリプレグ）は、下部プリプレグと同一とする。
・製造方法は、図１〜図４に示す方法による。
【００３６】
○試料７における条件：
・下部プリプレグは、高弾性炭素繊維Ａ（高弾性炭素繊維、フィラメント数６、平織り、クロス目付２１５ｇ／ｍ２の条件の炭素繊維）に、フェノール樹脂を含有率３５％にして含浸させ、得られたシートを、積層方法０°／９０°の条件で１０枚積層したものを使用する。
【００３７】
・炭素繊維基材は、高強度炭素繊維、フィラメント数６、綾織り、クロス目付２２０ｇ／ｍ２の条件の炭素繊維（綾織り使用のものを「高強度炭素繊維Ｂ」と呼ぶ。）に、フェノール樹脂などの樹脂（樹脂の種類及び含有率は表１に示す。）を含浸させ、得られたシートを、積層方法０°／９０°の条件で１０枚積層したものを使用する。
・上部プリプレグは、下部プリプレグと同一とする。
・製造方法は、図１〜図４に示す方法による。
【００３８】
以上に述べた試料１〜７における条件及び引張り強さなどの評価を次表に示す。
【００３９】
【表１】
【００４０】
・試料１は、炭素繊維基材に樹脂を含浸させなかったので、黒鉛化処理後、残炭率は０％である。１００ＭＰａでアルミニウム溶湯を含浸させた。炭素繊維強化炭素複合材を剥がして得た複合材の引張り強さは、５６０ＭＰａであった。
・試料２は、炭素繊維基材に３５質量％のフェノール樹脂を含浸させた。黒鉛化処理後、残炭率は約５０％であった。１００ＭＰａでアルミニウム溶湯を含浸させた。炭素繊維強化炭素複合材を剥がして得た複合材の引張り強さは、３４０ＭＰａであった。
・試料３は、炭素繊維基材に３５質量％のエポキシ樹脂を含浸させた。黒鉛化処理後、残炭率は約３０％であった。１００ＭＰａでアルミニウム溶湯を含浸させた。炭素繊維強化炭素複合材を剥がして得た複合材の引張り強さは、４３０ＭＰａであった。
試料１〜３から、残留炭素が多いほど強度が低下することが確認できた。
【００４１】
・試料４は、炭素繊維基材に１５質量％のアクリル樹脂を含浸させた。黒鉛化処理後、残炭率は、ほぼ０％であった。１００ＭＰａでアルミニウム溶湯を含浸させた。炭素繊維強化炭素複合材を剥がして得た複合材の引張り強さは、５６０ＭＰａであった。
アクリル樹脂の含有量を１５質量％にすることで、残留炭素をほぼ０％にすることができ、高い引張り強さを得ることができた。
【００４２】
・試料５は、炭素繊維基材に１５質量％のアクリル樹脂を含浸させた。黒鉛化処理後、残炭率は、ほぼ０％であった。５０ＭＰａでアルミニウム溶湯を含浸させた。炭素繊維強化炭素複合材を剥がして得た複合材の引張り強さは、５３０ＭＰａであった。
試料４に対して、鋳造圧力を１００ＭＰａから５０ＭＰａに下げたところ、若干下がったものの高い強度を得ることができた。
【００４３】
・試料６は、炭素繊維基材に１５質量％のアクリル樹脂を含浸させた。１０００℃で加熱処理した。黒鉛化処理後、残炭率は、ほぼ０％であった。５０ＭＰａでアルミニウム溶湯を含浸させた。炭素繊維強化炭素複合材を剥がして得た複合材の引張り強さは、１１０ＭＰａであった。
加熱処理温度が１０００℃であるため、炭素繊維基材の黒鉛化が未了若しくは不十分であり耐熱性が不足したため、十分な強度が得られなかった。
【００４４】
・試料７は、炭素繊維基材に１５質量％のアクリル樹脂を含浸させた。黒鉛化処理後、残炭率は、ほぼ０％であった。５０ＭＰａでアルミニウム溶湯を含浸させた。炭素繊維強化炭素複合材を剥がして得た複合材の引張り強さは、５３０ＭＰａであった。
試料７は試料５に対し、耐熱性の低い高強度炭素繊維を炭素繊維基材として使用したが、本発明における黒鉛化処理によって耐熱性が向上し、金属基炭素繊維強化複合材料において高い強度を得ることが可能となった。
【００４５】
○試料８〜試料１０における共通条件：
・下部プリプレグは、高弾性炭素繊維Ａ（高弾性炭素繊維、フィラメント数６、平織り、クロス目付２１５ｇ／ｍ２の条件の炭素繊維）に、フェノール樹脂を含有率３５％にして含浸させ、得られたシートを、積層方法０°／９０°の条件で１０枚積層したものを使用する。
【００４６】
・炭素繊維基材は、高弾性炭素繊維Ａ（高弾性炭素繊維、フィラメント数６、平織り、クロス目付２１５ｇ／ｍ２の条件の炭素繊維）に、アクリル樹脂を含有率１５％にして含浸させ、得られたシートを、積層方法０°／９０°の条件で１０枚積層したものを使用する。
・上部プリプレグは、下部プリプレグと同一とする。
・製造方法は、図５〜図８に示す方法による。
【００４７】
○試料１１における条件：
・下部プリプレグは、高弾性炭素繊維Ａ（高弾性炭素繊維、フィラメント数６、平織り、クロス目付２１５ｇ／ｍ２の条件の炭素繊維）に、フェノール樹脂を含有率３５％にして含浸させ、得られたシートを、積層方法０°／９０°の条件で１０枚積層したものを使用する。
【００４８】
・炭素繊維基材は、高強度炭素繊維Ｂ（高強度炭素繊維、フィラメント数６、綾織り、クロス目付２２０ｇ／ｍ２の条件の炭素繊維）に、アクリル樹脂を含有率１５％にして含浸させ、得られたシートを、積層方法０°／９０°の条件で１０枚積層したものを使用する。
・上部プリプレグは、下部プリプレグと同一とする。
・製造方法は、図５〜図８に示す方法による。
【００４９】
以上に述べた試料８〜１１における条件及び評価を次表に示す。
【００５０】
【表２】
【００５１】
・試料８は、１００ＭＰａでアルミニウム溶湯を含浸させた。炭素繊維強化炭素複合材を剥がして得た複合材を観察したところ、アルミニウムの含浸状況は良好であった。しかし、得られた製品に割れが認められた。
・試料９は、７５ＭＰａでアルミニウム溶湯を含浸させた。炭素繊維強化炭素複合材を剥がして得た複合材を観察したところ、アルミニウムの含浸状況は良好であった。しかし、得られた製品に割れが認められた。
・試料１０は、５０ＭＰａでアルミニウム溶湯を含浸させた。炭素繊維強化炭素複合材を剥がして得た複合材を観察したところ、アルミニウムの含浸状況、製品の外観共に良好であった。
試料８〜１０によれば、鋳造圧力は高すぎると良くないことが分かった。
【００５２】
・試料１１は、５０ＭＰａでアルミニウム溶湯を含浸させた。炭素繊維強化炭素複合材を剥がして得た複合材を観察したところ、アルミニウムの含浸状況、製品の外観共に良好であった。
試料１１は試料１０に対し、耐熱性の低い高強度炭素繊維を炭素繊維基材として使用したが本発明における黒鉛化処理によって耐熱性が向上したため、アルミニウムの含浸状況、製品の外観に差がでなかった。
【００５３】
尚、本発明の金属基炭素繊維強化複合材料の製造方法は、実施の形態では円筒形状に適用したが、炭素繊維基材を炭素繊維プリプレグで挟み、変形させて所望の形状にできる限り適用可能であり、その他の形状に適用することは差し支えない。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明の金属基炭素繊維強化複合材料の製造に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】積層体を得る工程から炭素繊維硬化積層体を得る工程までの説明図である。
【図２】中間体を得る工程の説明図である。
【図３】金属含浸体を得る工程の説明図である。
【図４】金属基炭素繊維強化複合材料を得る工程の説明図である。
【図５】別実施例に係る積層体を得る工程から炭素繊維硬化積層体を得る工程までの説明図である。
【図６】別実施例に係る中間体を得る工程の説明図である。
【図７】別実施例に係る金属含浸体を得る工程の説明図である。
【図８】別実施例に係る金属基炭素繊維強化複合材料を得る工程の説明図である。
【図９】従来の技術の基本原理を説明する図である。
【符号の説明】
【００５６】
１１、１５…プリプレグ（炭素繊維プリプレグ）、１３…炭素繊維基材、１６…積層体、２１…炭素繊維硬化積層体、２５…高温炉、２７…黒鉛化炭素繊維基材、２８…炭素繊維強化炭素複合材、２９…中間体、３３…溶融金属、３５…金属含浸体、３６…金属基炭素繊維強化複合材料。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材としての金属に炭素繊維強化材を複合化してなる金属基炭素繊維強化複合材料の製造方法において、
前記金属基炭素繊維強化複合材料の基となる炭素繊維基材と、この基材とは別に炭素繊維に樹脂を含浸させてなる炭素繊維プリプレグとを準備し、前記炭素繊維基材が芯になるように前記炭素繊維プリプレグで挟み、変形させて所望の形状に整えた積層体を得る工程と、
前記炭素繊維プリプレグ中の樹脂を硬化させ強度を高めるために前記積層体を加熱処理することにより炭素繊維硬化積層体を得る工程と、
ハンドリングが容易になった炭素繊維硬化積層体を高温炉に入れて炭素繊維基材を黒鉛化処理すると共に前記炭素繊維硬化積層体中の樹脂を炭素化させることにより、黒鉛化炭素繊維基材を炭素繊維強化炭素複合材で覆った形態の中間体を得る工程と、
この中間体に溶融金属を接触させ、前記炭素繊維強化炭素複合材を通過した前記溶融金属を、前記黒鉛化炭素繊維基材に含浸させることで、中間体に金属が含浸してなる金属含浸体を得る工程と、
この金属含浸体から前記炭素繊維強化炭素複合材を除去することで、金属に炭素繊維強化材を複合化してなる金属基炭素繊維強化複合材料を得る工程とからなることを特徴とする金属基炭素繊維強化複合材料の製造方法。
【請求項１】
母材としての金属に炭素繊維強化材を複合化してなる金属基炭素繊維強化複合材料の製造方法において、
前記金属基炭素繊維強化複合材料の基となる炭素繊維基材と、この基材とは別に炭素繊維に樹脂を含浸させてなる炭素繊維プリプレグとを準備し、前記炭素繊維基材が芯になるように前記炭素繊維プリプレグで挟み、変形させて所望の形状に整えた積層体を得る工程と、
前記炭素繊維プリプレグ中の樹脂を硬化させ強度を高めるために前記積層体を加熱処理することにより炭素繊維硬化積層体を得る工程と、
ハンドリングが容易になった炭素繊維硬化積層体を高温炉に入れて炭素繊維基材を黒鉛化処理すると共に前記炭素繊維硬化積層体中の樹脂を炭素化させることにより、黒鉛化炭素繊維基材を炭素繊維強化炭素複合材で覆った形態の中間体を得る工程と、
この中間体に溶融金属を接触させ、前記炭素繊維強化炭素複合材を通過した前記溶融金属を、前記黒鉛化炭素繊維基材に含浸させることで、中間体に金属が含浸してなる金属含浸体を得る工程と、
この金属含浸体から前記炭素繊維強化炭素複合材を除去することで、金属に炭素繊維強化材を複合化してなる金属基炭素繊維強化複合材料を得る工程とからなることを特徴とする金属基炭素繊維強化複合材料の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００９−１２７１１６（Ｐ２００９−１２７１１６Ａ）
【公開日】平成２１年６月１１日（２００９．６．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３０６３４５（Ｐ２００７−３０６３４５）
【出願日】平成１９年１１月２７日（２００７．１１．２７）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年６月１１日（２００９．６．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１１月２７日（２００７．１１．２７）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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