Ｃ／Ｃ複合材及びＣ／Ｃ複合材の製造方法
【課題】高密度かつ高強度で、剥離、割れの生じにくい曲面部を有するＣ／Ｃ複合材を提供する。
【解決手段】Ｃ／Ｃ複合材１０１の前記曲面部の内側面１０１Ｓ１と外側面１０１Ｓ２とが相対向し、前記Ｃ／Ｃ複合材の前記外側面１０１Ｓ２は、頂部が前記回転体の中心軸方向に延びた波板状の周期的な起伏を有し、前記Ｃ／Ｃ複合材の前記内側面１０１Ｓ１側では前記炭素繊維が前記内側面１０１Ｓ１に沿って配向し、かつ前記Ｃ／Ｃ複合材の外側面１０１Ｓ２側では前記炭素繊維は、前記外側面の前記起伏の傾斜に沿って配向したＣ／Ｃ複合材。この構成によれば、あらかじめプリフォームのしわが外周面全体に分散するように起伏を形成した後、プリフォームを圧縮して製造するため、Ｃ／Ｃ複合材の外周面にしわが広く浅く分散し、しわが集中した欠陥箇所が生じることなく剥離あるいは、割れの生じにくい高密度で高強度のＣ／Ｃ複合材。
【解決手段】Ｃ／Ｃ複合材１０１の前記曲面部の内側面１０１Ｓ１と外側面１０１Ｓ２とが相対向し、前記Ｃ／Ｃ複合材の前記外側面１０１Ｓ２は、頂部が前記回転体の中心軸方向に延びた波板状の周期的な起伏を有し、前記Ｃ／Ｃ複合材の前記内側面１０１Ｓ１側では前記炭素繊維が前記内側面１０１Ｓ１に沿って配向し、かつ前記Ｃ／Ｃ複合材の外側面１０１Ｓ２側では前記炭素繊維は、前記外側面の前記起伏の傾斜に沿って配向したＣ／Ｃ複合材。この構成によれば、あらかじめプリフォームのしわが外周面全体に分散するように起伏を形成した後、プリフォームを圧縮して製造するため、Ｃ／Ｃ複合材の外周面にしわが広く浅く分散し、しわが集中した欠陥箇所が生じることなく剥離あるいは、割れの生じにくい高密度で高強度のＣ／Ｃ複合材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｃ／Ｃ複合材及びその製造方法にかかり、特に炭素繊維と炭素質マトリックスとを含むＣ／Ｃ複合材に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維は、高い耐熱性と強度とを備えているため、炭素マトリックスと複合化し、Ｃ／Ｃ複合材（炭素繊維強化炭素複合材料ともいう）として、耐熱性、化学的安定性、強度を必要とする様々な分野で利用されている。Ｃ／Ｃ複合材は、炭素繊維の複合化の方法により様々な種類があり、これを用いてさまざまな炭素繊維成形体を形成することができる。
【０００３】
Ｃ／Ｃ複合材の製造方法の１つとして、抄造方式のＣ／Ｃ複合材の製造方法がある。（特許文献１及び２）。抄造方式のＣ／Ｃ複合材は、炭素繊維を液体中に懸濁させてスラリーを形成し、このスラリー中に孔を有する金型を浸漬し、金型の孔からスラリーを吸引することにより、この金型の表面側に炭素繊維を堆積させて成形物を成形する。その後得られた成型物を乾燥および焼成してＣ／Ｃ複合材を得ることができる。この抄造方式のＣ／Ｃ複合材は、金型の形状により、筒形状などの比較的自由な形状の成形物を作製できるという利点を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−６８８５１号公報
【特許文献２】特開２００２−９７０８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来のＣ／Ｃ複合材は、比較的自由な形状のＣ/Ｃ複合材が得られる半面、曲面部を有する回転体形状ではＣ／Ｃ複合材の高密度化が困難であり、熱分解炭素を含浸するなどの複雑な方法によってＣ／Ｃ複合材の高密度化及び、高強度化を行う必要がある。
本発明は前記実情に鑑みてなされたもので、高密度かつ高強度で、剥離、割れの生じにくい曲面部を有するＣ／Ｃ複合材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は下記Ｃ／Ｃ複合材及びその製造方法により上記課題を解決できることを見出した。
［１］
曲面部を備えた回転体状のＣ／Ｃ複合材であって、
前記Ｃ／Ｃ複合材は、炭素繊維と、炭素質マトリックスとを含み、
前記Ｃ／Ｃ複合材の前記曲面部の内側面と外側面とが相対向し、
前記Ｃ／Ｃ複合材の前記外側面は、頂部が前記回転体の中心軸方向に延びた波板状の周期的な起伏を有し、
前記Ｃ／Ｃ複合材の前記内側面側では前記炭素繊維が前記内側面に沿って配向し、かつ
前記Ｃ／Ｃ複合材の前記外側面側では前記炭素繊維が、前記外側面の前記起伏の傾斜に沿って配向したＣ／Ｃ複合材。
［２］
［１］に記載のＣ／Ｃ複合材であって、
前記内側面と、前記外側面は、筒状体を構成するＣ／Ｃ複合材。
［３］
［１］に記載のＣ／Ｃ複合材であって、
前記外側面は、円錐体を構成するＣ／Ｃ複合材。
［４］
曲面部を備えた回転体状のＣ／Ｃ複合材の製造方法であって、
炭素繊維と、炭素質マトリックスの前駆体成分とを含み、相対向する内側面と外側面とを有する曲面部を備えたプリフォームを形成する工程と、
前記プリフォームの外側面に周期的な起伏を形成する工程と、
前記プリフォームを、加圧する工程と、
前記加圧成形されたプリフォームを焼成する工程とを有し、
前記Ｃ／Ｃ複合材の前記曲面部の内側面と外側面とが相対向し、
前記Ｃ／Ｃ複合材の前記外側面が、頂部が前記回転体の中心軸方向に延びた波板状の周期的な起伏を有し、
前記Ｃ／Ｃ複合材の前記内側面側では前記炭素繊維が前記内側面に沿って配向し、かつ、
前記Ｃ／Ｃ複合材の前記外側では炭素繊維が、前記Ｃ／Ｃ複合材の前記外側面の前記起伏の傾斜に沿って配向したＣ／Ｃ複合材を製造することを特徴とするＣ／Ｃ複合材の製造方法。
［５］
［４］に記載のＣ／Ｃ複合材の製造方法であって、
前記起伏を形成する工程は、
前記プリフォームを被覆部材で被覆し、前記被覆部材を介して、前記外表面側に起伏を形成する工程を含むＣ／Ｃ複合材の製造方法。
［６］
［４］に記載のＣ／Ｃ複合材の製造方法であって、
前記加圧する工程は、前記プリフォームを凹凸を有する被覆部材で被覆し、前記被覆部材の凹凸を前記外側面側に転写し、前記外側面側に起伏を形成する工程と同時に加圧する工程であるＣ／Ｃ複合材の製造方法。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、あらかじめプリフォームのしわが外周面全体に分散するように起伏を形成した後、プリフォームを圧縮して製造するため、Ｃ／Ｃ複合材の外周面にしわが広く浅く分散し、しわが集中した欠陥箇所が生じることなく剥離あるいは、割れの生じにくい高密度で高強度のＣ／Ｃ複合材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施の形態１の筒状のＣ／Ｃ複合材を示す斜視図
【図２】本発明の実施の形態１の筒状のＣ／Ｃ複合材の断面図
【図３】本発明の実施の形態１の筒状のＣ／Ｃ複合材の要部拡大斜視図
【図４】本発明の実施の形態１の筒状のＣ／Ｃ複合材の要部拡大断面図
【図５】（ａ）乃至（ｃ）は本発明の実施の形態１のＣ／Ｃ複合材の筒状部の加圧成形工程を示す断面図であり、（ａ）は起伏が形成される前のプリフォーム、（ｂ）は起伏が形成されたプリフォーム（成形前）、（ｃ）は、起伏が形成されたプリフォームの成形後（成形体）を示す
【図６】（ａ）、（ｂ）は本発明の実施の形態１のＣ／Ｃ複合材の筒状部の加圧成形工程を示す断面図であり、（ａ）は、起伏が形成されたプリフォームを被覆部材で覆った成形前、（ｂ）は起伏が形成されたプリフォームを被覆部材で覆った成形後の状態を示す
【図７】（ａ）乃至（ｃ）は本発明の実施の形態１のＣ／Ｃ複合材の筒状部の加圧成形工程の変形例を示す断面図であり、（ａ）は起伏が形成される前のプリフォーム、（ｂ）は凹凸を有する被覆部材で覆った状態、（ｃ）は起伏が形成された成形体を示す
【図８】本発明の実施の形態１のＣ／Ｃ複合材の筒状部に起伏の形成方法を示す断面図
【図９】（ａ）は、本発明の実施の形態１の筒状部を構成するＣ／Ｃ複合材１００の斜視図、（ｂ）乃至（ｄ）は、それぞれ（ａ）の断面図、断面図の要部拡大図、更なる要部拡大図
【図１０】本発明の実施の形態１のＣ／Ｃ複合材の製造方法の工程フロー図
【図１１】（Ａ）から（Ｅ）は本発明の実施の形態１のＣ／Ｃ複合材の製造方法を示す概要図であり、（Ａ）は水に炭素繊維、バインダを分散した図、（Ｂ）は炭素繊維、バインダを凝集させフロックを形成した図、（Ｃ）は凝集したフロックを抄造しプリフォームを形成する図、（Ｄ）は得られたプリフォームを成形する図、（Ｅ）はバインダが熱硬化した成形体の図を示す
【図１２】実施の形態１の変形例のフェルトの積層法のプリフォームを示す図、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は断面模式図
【図１３】（ａ）乃至（ｃ）は本発明の実施の形態２のＣ／Ｃ複合材の製造工程における起伏（凹凸）形成工程を示す説明図であり、（ａ）は、プリフォームを被覆部材で覆い圧子を配置した図、（ｂ）は圧子でプリフォームの周囲に起伏を形成する図、（ｃ）は成形により起伏が形成された成形体の図を示す
【図１４】（ａ）乃至（ｃ）は本発明の実施の形態３のＣ／Ｃ複合材の製造工程における起伏（凹凸）形成工程を示す説明図であり、（ａ）は、抄造後の湿ったプリフォームに圧子を配置した図、（ｂ）は凹凸が形成されたプリフォームの図、（ｃ）は、凹凸の形成されたプリフォームが被覆部材で覆われ成形される図を示す
【図１５】比較例の成形体を示し、しわが一カ所にでき大きな欠陥が形成された図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
本発明のＣ／Ｃ複合材は、炭素繊維と炭素質マトリックスの前駆体成分とを含むプリフォームに周期的な起伏を形成するしわ加工を施すことで得られるものである。
ここで用いられるプリフォームは、炭素繊維を抄造することで得られるプリフォームをはじめ、炭素繊維がフェルト状のもの、あるいはこれらを巻回したものなど、どのようなものでもよい。
【００１０】
（実施の形態１)
本発明の実施の形態１では抄造法によって形成された炭素繊維のプリフォームにしわ加工を施し、周期的な起伏を形成し、成形・硬化工程、脱脂・焼成工程を経て本発明のＣ／Ｃ複合材を得ている。
図１に本発明の実施の形態１の筒状のＣ／Ｃ複合材の斜視図を示し、図２に本発明の実施の形態１の筒状のＣ／Ｃ複合材の断面図を示す。また図３に本発明の実施の形態１の筒状のＣ／Ｃ複合材の要部拡大図を示し、図４に本発明の実施の形態１の筒状のＣ／Ｃ複合材の要部拡大断面図を示す。
本実施の形態は、図１に示すように、Ｃ／Ｃ複合材で形成された筒状部１０１で構成され、例えばシリコン単結晶引き上げ装置の保温筒を構成するものである。図４に示すように、本実施の形態のＣ／Ｃ複合材の外側面１０１Ｓ２は、頂部が軸Ｏ方向に延びた波板状の周期的な起伏を有し、Ｃ／Ｃ複合材の内側面１０１Ｓ１側は炭素繊維１が内側面に沿って配向している。そしてＣ／Ｃ複合材の外側面１０１Ｓ２側ではこの炭素繊維１は、Ｃ／Ｃ複合材の外側面の起伏の傾斜に沿って配向されている。
【００１１】
また、本実施の形態のＣ／Ｃ複合材は、炭素繊維と、炭素質マトリックスとを含み曲面部からなる筒状部１０１を備えたＣ／Ｃ複合材である。本実施の形態のＣ／Ｃ複合材の曲面部は、凹面を構成する第１の曲面としての内側面１０１Ｓ１と、この内側面１０１Ｓ１に対して並行して配設され、凸面を構成する第２の曲面としての外側面１０１Ｓ２とを有している。そして、Ｃ／Ｃ複合材の外側面１０１Ｓ２側よりも内側面１０１Ｓ１側の方で、より面方向の炭素繊維の配向性が高くなるように構成されている。このように本実施の形態のＣ／Ｃ複合材は、外側面１０１Ｓ２と内側面１０１Ｓ１とを備えた筒状体からなる筒状部で構成されている。Ｃ／Ｃ複合材の曲面部の内側面１０１Ｓ１と外側面１０１Ｓ２とが相対向し、このＣ／Ｃ複合材の外側面１０１Ｓ２は、頂部が中心軸Ｏ方向に延びた波板状の周期的な起伏を有している。そして、Ｃ／Ｃ複合材の内側面１０１Ｓ１側では炭素繊維１が内側面に沿って配向し、かつ、Ｃ／Ｃ複合材の外側面１０１Ｓ２側では炭素繊維は、外側面の起伏の傾斜に沿って配向している。
【００１２】
本実施の形態では炭素繊維は直線状繊維からなる。そして、炭素繊維は、炭素質マトリックス内で炭素繊維の長手方向がＣ／Ｃ複合材の曲面方向に配向した薄片体を構成する。Ｃ／Ｃ複合材はこの薄片体の積層体によって構成されている。
炭素質マトリックスとは、炭素繊維間に存在し炭素繊維どうしをつなぎ止める炭素質の母材をいうものとする。薄片体については後述する。
【００１３】
Ｃ／Ｃ複合材の筒状部１０１においては内側面側の炭素繊維が、筒状部の内表面に沿って配向しているので、切削加工しても滑らかな面を形成することが出来る。さらに、連続気孔は炭素繊維の方向に沿ってできやすいため、炭素繊維に沿ったＣ／Ｃ複合材の表面から厚さの方向への連続気孔ができにくい。そのためこのＣ／Ｃ複合材を単結晶引き上げ装置などに用いる場合、反応性ガスを流しながら引き上げを行う場合も、反応性ガスの複合材内部への浸透を抑制することができる。
【００１４】
したがって、例えば、本実施の形態のＣ／Ｃ複合材をシリコン単結晶引き上げ装置の保温筒として使用した場合において、ＳｉＯ、Ｓｉ蒸気等の反応性ガス中で使用しても、Ｃ／Ｃ複合材内にガスが浸透しにくく、Ｃ／Ｃ複合材のライフを長くすることができる。また、Ｃ／Ｃ複合材において滑らかな表面が形成できるため、シリコンなどの濡れ性の高い物質の蒸着を抑制することができる。
【００１５】
また、本発明の実施の形態１のＣ／Ｃ複合材は、筒状部全面において筒状部１０１の外側面１０１Ｓ２側から内側面１０１Ｓ１側に炭素繊維のＣ／Ｃ複合材の筒状部の周方向の配向度が徐々に大きくなるようにしても良い。本実施の形態１のＣ／Ｃ複合時を黒鉛材などの熱膨張係数の大きく異なる材質の部材と共に使用しても、発生する熱応力を小さくすることができる。
【００１６】
例えば、本実施の形態１のＣ／Ｃ複合材と、黒鉛材の組み合わせでは、黒鉛材の熱膨張係数がＣ／Ｃ複合材の３倍以上であるため、熱膨張差によって互いに応力がかかることがある。本実施の形態１のＣ／Ｃ複合材では、筒状部全体に繊維配向が規則的に繰り返されているので、欠陥個所が少なくなっている。そのため、Ｃ／Ｃ複合材と黒鉛材との熱膨張係数の違いによる応力が加わったとしてもＣ／Ｃ複合材の欠陥箇所が少ないためクラックが発生しにくくなり、Ｃ／Ｃ複合材が破損しにくくなる。
【００１７】
本実施の形態のＣ／Ｃ複合材は、炭素繊維の短繊維を使用しているため、炭素繊維の高弾性が発現しにくくＣ／Ｃ複合材全体は軟らかく低い弾性率を有する。またその反面、内表面側では炭素繊維のＣ／Ｃ複合材の筒状部の周方向に配向しているため、外側面１０１Ｓ２側よりも硬くすることができる。従って、内表面は他の部材との接触による衝撃などによる傷みの発生を防止することができる。また、Ｃ／Ｃ複合材が全周にわたって凸状の繊維配向が規則的に繰り返され分散しているため、凸状の繊維配向が局在した欠陥が無く、外部から力が加わっても破損しにくくすることができる。
【００１８】
このため、本実施の形態のＣ／Ｃ複合材を用いたシリコン単結晶引き上げ装置の保温筒では、Ｃ／Ｃ複合材を割れにくくすることができるため、保温筒のライフを長くすることができる。
【００１９】
Ｃ／Ｃ複合材において、全周にわたって周期的な起伏が規則的に繰り返されているようにするためには、以下のような処理を行えばよい。図５（ａ）乃至（ｃ）は本発明の本実施の形態のＣ／Ｃ複合材の筒状部の加圧成形工程を示す断面図であり、（ａ）は起伏が形成される前のプリフォーム、（ｂ）は起伏が形成されたプリフォーム（成形前）、（ｃ）は、起伏が形成されたプリフォームの成形後（成形体）を示す。図１１（Ａ）〜（Ｅ）に示すような、筒型の抄造用金型を用いて抄造を行い成形体を得る方法が挙げられる。プリフォームの製造方法は、どのような方法でもかまわず特に限定されない。図１１（Ａ）から（Ｅ）に示す抄造法に基づいて説明する。（Ａ）は水に炭素繊維、バインダを分散した図、（Ｂ）は炭素繊維、バインダを凝集させフロックを形成した図、（Ｃ）は凝集したフロックを抄造しプリフォームを形成する図、（Ｄ）は得られたプリフォームを成形する図、（Ｅ）はバインダが熱硬化した成形体（Ｃ／Ｃ複合材６０）を示す。図１１（Ａ）〜（Ｅ）のような抄造法を用いることができるが詳細は後述する。
【００２０】
本実施の形態では成形体を得る過程で成形の前にプリフォームの外側面に中心軸ｏに対して平行な波板状の起伏部すなわち凹凸になるように起伏を形成する。図５（ａ）に示すようなプリフォームに、図５（ｂ）に示すように、プリフォームの外側面が中心軸ｏに対して平行な波板状の起伏部すなわち凹凸になるように起伏を形成する。さらにプリフォームを被覆部材で覆いオートクレーブなどを用いて成形する。この場合、プリフォームの内側面は、その内径とほぼ同一の内芯によって拘束されているため、凹凸は形成されない。一方、プリフォームの外側面ではプリフォームは大きく収縮するのに対し、被覆部材は気泡を含んでいないため、体積収縮はほとんどない。従って、収縮差によって被覆部材に弛みが生じるようになり、弛みはプリフォームに形成された起伏を大きくするように働き、プリフォームに形成された凹凸がそのまま成形される。
【００２１】
このようにしてプリフォームが収縮する際に所定の位置に起伏（凹凸）が形成され、起伏が周方向に規則的に繰り返された成形体が得られる。図５（ｃ）は、成形後の状態を示す模式図である。
【００２２】
すなわち、プリフォームは外径が小さくなるように圧縮成形されて、成形体となる。このときに外径が小さくなった分、外表面が余剰になり弛みができる。この弛みは成形体の外表面のしわとなる。
【００２３】
本実施の形態では、しわがあらかじめ決まられた箇所、数の多数の周期的な起伏を形成しているため、起伏が広く浅く分散し、深いノッチを形成することがなく欠陥の無い高強度のＣ／Ｃ複合材を得ることができる。
【００２４】
なお、被覆部材は、どのような材質を用いてもよい。ポリプロピレン、ポリエステルフィルムなどの非弾性体の樹脂、天然ゴム、シリコーンゴムなどの弾性体の樹脂などどのような材質でも良い。弾性体の樹脂を用いる場合には成形時にプリフォームの体積収縮に合わせてフィルム（被覆部材）が収縮しないよう張力をかけずにプリフォームを被覆することが好ましい。弾性体の樹脂からなるフィルム（被覆部材）に張力をかけずに弛ませることにより、成形の過程でプリフォームの表面を被覆する被覆部材が余剰になりプリフォームに形成された起伏を成長させることができる。弾性体の樹脂からなるフィルム（被覆部材）に張力をかけて被覆しプリフォームを成形した場合には、弾性体フィルムが凹凸の頂部を圧縮し、プリフォームに形成された凹凸を無くしてしまうため、凹凸の形成を制御できず一部分に大きなしわを形成し欠陥を形成させてしまう。
【００２５】
なお、図７（ａ）乃至（ｃ）に示すように、Pオートクレーブ(図示せず)で成形する際に、成形体を覆う被覆部材として、しわを有するバギングフィルム２４を用い、転写により予め凹ませる箇所のしわＳを寄せておいてもよい。図７（ａ）乃至（ｃ）は本発明の実施の形態１のＣ／Ｃ複合材の筒状部の成形加圧工程の変形例を示す。（ａ）起伏が形成される前のプリフォーム、（ｂ）は凹凸を有する被覆部材で覆った状態、（ｃ）は起伏が形成された成形体を示す。加圧初期段階は、プリフォームを加熱するとプリフォームが軟化し、プリフォームの収縮にほとんど圧力を必要としないため、容易に凹みを形成することができる。また成形時にプリフォームの体積は大きく収縮するのに対し、バギングフィルムはプリフォームの収縮に対してほとんど体積収縮しないため、バギングフィルムは収縮する過程でしわが深くなり、プリフォームはしわを元に僅かな凹みから図７（ｃ）に示すように、ジグザグ状の凹凸まで形成される。
【００２６】
加圧あるいは、内圧の減圧に先立ち、図８に示すようにプリフォーム１０１Ｐの外表面に冶具（圧子）Ｚを用いて凹凸を形成しておくようにしてもよい。図８に本発明の実施の形態１のＣ／Ｃ複合材の筒状部に起伏を形成する断面図を示す。プリフォームが抄造体である場合には、プリフォームが柔らかい状態、例えば、乾操に先立ち、凹部Ｒを形成すると容易に形成することができる。このように、炭素繊維の配向で得られた小さく多数の凸状部が筒状部の周方向に規則的に繰り返されたＣ／Ｃ複合材を得るためには、他の方法を用いてもよいことはいうまでもない。
【００２７】
上記で説明したとおり、本実施の形態では、抄造法でプリフォームを得ている。そのため炭素の繊維長が短く、Ｃ／Ｃ複合材成形後の弾性率を小さくすることができる。例えばＣ／Ｃ複合材をシリコン単結晶引き上げ装置の保温筒に使用した場合、黒鉛部材とＣ／Ｃ複合材がシリコン融液などで接着されても、黒鉛、Ｃ／Ｃ複合材にかかる応力を小さくすることができる。
【００２８】
本実施の形態１のＣ／Ｃ複合材で用いる炭素繊維は、特に限定されるものではない。たとえばＰＡＮ系、ピッチ系炭素繊維のいずれでも利用可能である。中でもＰＡＮ系炭素繊維は、低弾性であるため、熱応力や、部分的に表面がＳｉＣなどに反応し、反応生成物が析出した場合にも内部応力を蓄えにくい。このため、破壊に至るのを防ぐことができ、シリコン単結晶引き上げ装置の保温筒などに好適に利用することができる。
【００２９】
なお、本発明のＣ／Ｃ複合材は、しわ加工をすることで、プリフォームの外側面に起伏（凹凸）を有する成形体を形成した後、研磨などの方法により加工し、起伏を除去し平滑な表面を持つようにしてもよい。この場合も炭素繊維が表面に沿って配向した小さな凸状部が回転体の周方向に多数規則的に繰り返された成形体が得られ、欠陥の少ない成形体を得ることができる。
【００３０】
このＣ／Ｃ複合材の素材すなわちプリフォームについては、炭素繊維を抄造して得られる抄造方式の他に炭素繊維フェルトを幾重にも重ねたシートワインディング方式等、後に成形して、Ｃ／Ｃ複合材の密度を上げるものであれば、種々の方式を用いた形成方法が適用可能である。
本実施の形態では、フロックの形成を経る抄造法を用いて形成する。フロックとは、ランダムに配向した炭素繊維とバインダとが均一に分散した凝集体のことをいう。
プリフォームの形成を中心に以下に本実施の形態のＣ／Ｃ複合材の製造方法について詳述する。
【００３１】
本発明の実施の形態１の、Ｃ／Ｃ複合材は、筒状部１０１により構成されている。この筒状部１０１からなるＣ／Ｃ複合材について、図９に基づいて説明する。
図９（ａ）は、本実施の形態１の筒状部１０１を構成するＣ／Ｃ複合材１００の斜視図である。そして図９（ｂ）乃至（ｄ）は、図９（ａ）の断面図、断面図の要部拡大図、更なる要部拡大図である。図９（ｃ）および（ｄ）に示すように、このＣ／Ｃ複合材１００において、炭素繊維１はまとまって存在した薄片体３を形成している。薄片体は、フロックが成形されることにより形成される。本実施の形態の成形体はこの薄片体３の積層体により構成されており、抄造工程で基本となる形状を持つプリフォームを形成し、皺加工および焼成加工を経て得られるものである。
この構成によれば、薄片体３は、落ち葉がランダムに積み重なるように積層されているため、薄片体の端部が成形体としてのＣ／Ｃ複合材６０中の多くの箇所に分散される。これにより、構造的に弱い部分となり剥離やクラックの原因となる炭素繊維の集合体の境界が存在しにくくなる。そして炭素質マトリックス２が、この薄片体３を構成する炭素繊維１間に介在し、炭素繊維間を固定するように充填されている。このようにして、薄片体３の境界が分散される。したがって、組成が均一な連続体を構成している状態となるため均一で応力歪の小さい成形体を得ることができる。そのため高温下でも残留応力が極めて小さいため、耐熱性が高く、高強度の３次元形状のＣ／Ｃ複合材を提供することができる。
【００３２】
本実施の形態では、この炭素繊維１は直線状繊維からなる。本発明のＣ／Ｃ複合材は、後述するように、炭素繊維とバインダとを液体中で凝集させてフロックを形成し、このフロックを積層（抄造）してプリフォームが形成される。炭素繊維１が直線状繊維であることにより、後述するフロックの積層工程（抄造時）においてフロックを金型で濾過する際に、既に金型の表面に形成されている下層のフロックに炭素繊維が突き刺さりやすい。したがって、Ｃ／Ｃ複合材の曲面方向に対して垂直な方向（厚さ方向）の接合強度が得やすくなる。本実施の形態において「直線状繊維」とは、実質的に屈曲部を有しない繊維をいい、針状の繊維であることが好ましい。
【００３３】
本実施の形態では、炭素質マトリックス２が、この薄片体３を構成する炭素繊維１間に介在し、炭素繊維間を固定するように充填され構成されている。さらにこの薄片体３は、落ち葉がランダムに積み重なるように積層されているため、薄片体の端部がＣ／Ｃ複合材の内部の多くの箇所に分散されて存在する。これにより、構造的に弱く剥離あるいはクラックの原因となる薄片体の境界が細かく分散される。
そのため、見かけ上均質（組成が均一）な欠陥の無いＣ／Ｃ複合材を得ることができる。このような構造を有しているので、高温下でも、耐熱性が高く、高強度のＣ／Ｃ複合材を得ることができる。
【００３４】
本実施の形態では、薄片体の平均長径は、１〜１０ｍｍであることが好ましく、２〜５ｍｍであることがさらに望ましい。薄片体の平均長径が１．０ｍｍ未満であると、対応するフロック片の大きさが小さくなるため、抄造時の、通水抵抗が大きくなり易く、厚肉のＣ／Ｃ複合材を得にくくなる。一方薄片体の平均長径が１０ｍｍを超えると、後述する製造工程において、薄片体の素となるフロックを積層する際に、繊維とバインダの凝集し易さが異なることからフロックの中心部とフロックの周辺部とで偏析が起こり易くなる。このため、薄片体内部のバインダ成分も偏析し易くなる。また、薄片体の平均長径が１０ｍｍを超えると、後の成形・硬化でバインダが溶けても十分に流動できず偏析が解消されにくくなる。この結果、バインダの希薄な部分ができ、その箇所を基点としたクラックが発生しやすくなり、Ｃ／Ｃ複合材の強度が低下するおそれがある。
本実施の形態において、薄片体の平均厚さは、０．０５〜１．０ｍｍであることが好ましく、０．１〜０．５ｍｍであることがさらに好ましい。薄片体の平均厚さが０．０５ｍｍ未満であると、対応するフロックの大きさが大きくなり、通水抵抗が大きくなり易く厚肉のＣ／Ｃ複合材が得られにくくなる。薄片体の平均厚さが１．０ｍｍを越えると、薄片体端部に空洞が出来、空洞周辺に応力集中が生じ易くなり、Ｃ／Ｃ複合材の強度が低下するおそれがある。薄片体は、Ｃ／Ｃ複合材表面から一枚ずつであれば、薄い刃物を用いて剥がすことが出来るため、薄片体の厚さ、長径は直接測定することができる。
【００３５】
本発明において炭素繊維の配向とは、炭素繊維の方向が特定の方向に偏っている状態をいい、必ずしもすべての繊維が同一方向に揃っている状態を示すものではない。
【００３６】
本実施の形態のＣ／Ｃ複合材は、プリフォームにおける薄片体の積層方向（成形体の厚さ方向）に隣接する薄片体をつなぐ炭素繊維成分を含むことが望ましい。また、炭素繊維１のＣ／Ｃ複合材の厚さ方向の配向成分が成形体の厚さ方向に連続的に存在することが望ましい。上記のように、既に形成されているフロックに直線状の炭素繊維が突き刺さるように積層していく。そのためフロックの境界であっても炭素繊維が突き刺さっているため、Ｃ／Ｃ複合材の厚さ方向の配向成分が連続的に形成される。これによりＣ／Ｃ複合材の厚さ方向に垂直な方向にフロックの界面が存在しにくくなり剥離しにくいＣ／Ｃ複合材を得ることができる。
【００３７】
本実施の形態の炭素繊維は平均繊維長が１．０ｍｍ未満であることが望ましい。平均繊維長が１．０ｍｍ以上であると、抄造時に炭素繊維どうしが絡まり合い、炭素繊維が互いに反発するため嵩密度の高い抄造体を形成しにくい。プリフォームである抄造体の嵩密度が低い場合には、オートクレーブなどで成形を行うと圧縮 の過程で発生するしわが多くなり，しわの発生が制御しにくくなる。このため本発明の実施の形態の特徴である、頂部が回転体の中心軸方向に延びた波板状の周期的な起伏を形成しにくくなる。炭素繊維の平均繊維長が１．０ｍｍ未満であれば、プリフォームの内部に空隙ができにくく、抄造時に、より嵩密度の高いプリフォーム（抄造体）を得ることができるため、オートクレーブで成形する際に圧縮率を低くすることができる。圧縮率とは、（成形前の体積）／（成形後の体積）をさす。このように、プリフォームの圧縮率を低くすることができるので、しわの発生を制御し易くなり、本発明の実施の形態の特徴である頂部が回転体の中心軸方向に延びた波板状の周期的な起伏を有するＣ／Ｃ複合材を得ることができる。
【００３８】
また、炭素繊維の平均繊維長が１．０ｍｍ未満であれば直線状繊維となりやすく、抄造する際に既に形成されている下層のフロックに突き刺さりやすくなる。炭素繊維はフロックに突き刺さることにより成形体の厚さ方向の接合強度が得やすくなる。
【００３９】
炭素繊維の平均繊維長は、０．０５ｍｍ以上が望ましい。炭素繊維の平均繊維長は０．０５以上０．５ｍｍ未満が更に望ましい。炭素繊維の平均繊維長が０．５ｍｍ未満であれば、Ｃ／Ｃ複合材の厚み方向の強度をより強くすることができる上に、プリフォームの抄造時に短い繊維は高い密度で充填されやすいため、特にフロックの積層時の密度を高めることができる。そのためプリフォームの、成形時の圧縮率を小さくすることができる。炭素繊維の平均繊維長が０．０５ｍｍ以上であると、繊維とバインダとの充分な接着力が得られ、繊維が引き抜かれにくくなり、高強度の成形体を得ることができる。
【００４０】
なお、単に炭素繊維の短繊維（例えば１〜１０ｍｍ）を使用し、フロックの生成を経ることなく目の細かな型を用いて抄造した場合には、炭素繊維の絡まりが少なくなる。このため高密度の抄造体を得ることができるが、薄い抄造体が形成された段階で炭素繊維を分散させる液体（水）の通過抵抗が大きくなるため、それ以上抄造が困難になる。そのため、厚く高密度の抄造体を得ることが困難である。これに対し、本発明は、フロックを形成することで、目詰まりをなくし、効率よく薄片体を積層することで、高密度で厚い抄造体を形成する。そして、得られた高密度の厚い抄造体を圧縮することで、Ｃ／Ｃ複合材を得ることができる。
【００４１】
炭素繊維の平均繊維径は、１〜２０μｍが好ましい。また、炭素繊維のアスペクト比は１０〜１０００が好ましい。炭素繊維の平均繊維径及びアスペクト比がそれぞれ上記範囲であれば炭素繊維長に対して充分に炭素繊維径を細くすることができ、繊維がマトリックスから引き抜かれにくくなるため、高強度を得ることができる。
【００４２】
炭素繊維としては、ピッチ系炭素繊維、ＰＡＮ系炭素繊維のどちらも好適に使用することができる。ＰＡＮ系炭素繊維は、ピッチ系炭素繊維に比べて弾性率が低いため、例えば単結晶引き上げ装置用のるつぼ、保温筒、ルツボ受け皿、ヒーター等の柔軟性が必要な用途に好適に使用することができる。ピッチ系炭素繊維は弾性率がＰＡＮ系炭素繊維に比べ高いため、蒸着装置の基板支持プレート、搬送アームなど、撓みを抑えたい機械部品等の構造部材に好適に使用することができる。
【００４３】
本実施の形態のＣ／Ｃ複合材は、嵩密度が１．２ｇ／ｃｍ３〜１．８ｇ／ｃｍ３であることが好ましい。Ｃ／Ｃ複合材の嵩密度が１．２ｇ／ｃｍ３未満であれば、Ｃ／Ｃ複合材の空隙が多くなるためマトリックスによる炭素繊維の接合が密になりにくくなる。そのため、炭素繊維が脱離しやすくなる。このため、緻密でより高い強度のＣ／Ｃ複合材を得ることができる。嵩密度が１．８ｇ／ｃｍ３を超えると、脱脂あるいは焼成時に発生するガスにより、気泡ができやすくなり、剥離、膨れが出来、欠陥部分となる。
本実施の形態のＣ／Ｃ複合材は、厚さが２０ｍｍ以上の湾曲した形状であっても高強度のＣ／Ｃ複合材を容易に形成することができる。一旦、炭素繊維とバインダとを含むフロックを形成して、抄造法により金型に堆積させて、フロックが積層したプリフォームを成形するため、肉厚のプリフォームが得られやすく２０ｍｍ以上の肉厚のＣ／Ｃ複合材を容易に得ることができる。
【００４４】
以下、本発明の実施の形態１のＣ／Ｃ複合材の製造方法について説明する。図１０は本実施の形態のＣ／Ｃ複合材の製造工程フローを示す図である。
まず、工程（Ｓ１）として、プリフォームを形成する。ここでプリフォームの形成方法としては、フロックを形成して抄造し厚いプリフォームを得る抄造法、抄造し紙状の薄いシートを得た後積層する抄造シート積層法のほか、図１２に示すように乾式あるいは湿式でフェルトを形成して積層するフエルト積層法などを変形例として用いることも可能である。
【００４５】
次に、工程（Ｓ２）として、表面に周期的な起伏（凹凸）を形成する。起伏（凹凸）の形成方法としては、プリフォームにあらかじめ凹凸を形成し、オートクレーブで圧縮する方法、圧子とともに圧縮するなどの方法も利用可能である。
【００４６】
次に、工程（Ｓ３）および工程（Ｓ４）として、凹凸の形成されたプリフォームを成形（Ｓ３）して硬化（Ｓ４）させる。ここで成形と硬化はそれぞれ別におこなってもよいし同時に行ってもよい。
【００４７】
そして、工程（Ｓ５）および工程（Ｓ６）として、成形・硬化されたプリフォームを脱脂（Ｓ５）して焼成（Ｓ６）する。また、脱脂、ピッチ含浸、脱脂、焼成を順で行ってもよい。さらに含浸、脱脂は繰り返し行ってもよい。
【００４８】
以下、本発明の実施の形態１のＣ／Ｃ複合材の製造方法について詳細に説明する。図１１（Ａ）から（Ｃ）は本実施の形態のＣ／Ｃ複合材形成工程におけるプリフォームの製造工程を示す概要図を示し、図１１（Ｄ）から（Ｅ）は、プリフォームを加圧成形する工程を示す概要図である。また、（Ａ）は水に炭素繊維、バインダを分散した図、（Ｂ）は炭素繊維、バインダを凝集させフロックを形成した図、（Ｃ）は凝集したフロックを抄造したプリフォームを形成する図、（Ｄ）は得られたプリフォームを成形する図、（Ｅ）はバインダが熱硬化した成形体の図を示す。
図１１（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、炭素繊維１と、炭素質マトリックスの前駆体成分であるバインダとを液体中に懸濁させた後に凝集剤を加え、炭素繊維１とバインダとを凝集させてフロック５を形成する。炭素繊維１は、はじめ図１１（Ａ）に示すように液体中に分散してスラリーを形成するが、時間の経過と共に図１１（Ｂ）に示すように凝集してフロック５を形成する。
【００４９】
次に、図１１（Ｃ）に示すように、フロック５が形成された液体を、多孔状型面２１を有する金型２０で濾過する。多孔状型面２１は側面に多数の開口２１Ａを有する。これにより、多孔状型面２１の表面にフロック５を積層し、フロック５の積層体を形成する。
本実施の形態におけるＣ／Ｃ複合材の製造方法では、従来のように炭素繊維が懸濁したスラリーを直接濾過（抄造）するのではなく、一旦炭素繊維をバインダと共に凝集させてフロックを形成し、フロックを濾過（抄造）することを特徴とする。これにより、多孔状型面２１へのフロック５の積層が進行しても、フロック５の間を液体が透過することができる。そのためフロックは、液体の透過を遮りにくく、厚いフロック５の積層体を容易に得ることができる。また、図９（ｃ）に拡大して示すように、水の通過抵抗が大きくならないよう多孔状型面２１の開口２１Ａより炭素繊維１の平均繊維長が小さい場合であっても、フロック５を開口２１Ａより大きく形成することができる。したがって、スラリーの濾過の際に炭素繊維１が開口２１Ａを通過することなく、フロック５の積層体を形成することができる。得られたフロック５の積層体をプリフォーム５０として用いる。
【００５０】
このあとは図１０の工程Ｓ２およびＳ３として、図５乃至図８に示すように、Ｃ／Ｃ複合材の周方向に周期的な起伏を形成しながらフロック５の積層体を加圧する。これにより、炭素繊維１は、炭素繊維の凸状の配向が成形体の周方向に規則的に繰り返され、頂部が前記回転体の中心軸方向に延びた波板状の周期的な起伏をもつプリフォーム１０１Ｐが得られる。そしてフロック５は薄片化して、薄片体前駆体６となる。このようにして、プリフォーム１０１Ｐを形成する。
【００５１】
そして、図１０（Ｓ４）に示すように、薄片体前駆体の積層体からなるプリフォーム１０１Ｐを硬化する。成形体の硬化工程は、プリフォームの成形時に十分に加熱すれば成形工程と同時に行うことができる。
次にバインダを炭化するために脱脂（Ｓ５）を行う。これにより、バインダ４を炭化して、炭素質マトリックス２が生成される。
さらに焼成（Ｓ６）を行うことにより、炭素質マトリックスの結晶化を進行させ、本発明のＣ／Ｃ複合材１００を得ることができる。
【００５２】
次に、本発明の実施の形態１のＣ／Ｃ複合材の製造方法において、図１０のＣ／Ｃ複合材の製造方法の工程フロー図に基づいて各工程について下記に詳しく説明する。
【００５３】
［プリフォーム形成工程（Ｓ１）］
炭素繊維は、前処理として、使用目的に応じて調整を行う。例えば釣り竿または航空部品などに用いられる炭素繊維強化プラスチック（以下「ＣＦＲＰ」とも称する）用の炭素繊維の表面にはサイジング剤などの被膜が形成されているため、プリフォームの抄造時に水に分散しにくくなる。このため炭素繊維はサイジング剤などの被膜のないものを選択するか、不活性ガス雰囲気あるいは還元性雰囲気下で熱処理しサイジング剤などを除去する必要がある。なお、ＣＦＲＰの製造の過程で発生する端材を使用しても良い。このようなサイジング剤などの被膜は５００℃以上に熱処理することで除去することができる。次に炭素繊維の平均繊維長を１．０ｍｍ未満となるようにする。炭素繊維の平均繊維長が１．０ｍｍ未満であれば前述したように、フロックの積層体（抄造体）段階での成形体の嵩密度を高め、成型時のしわの発生を制御し易い。従って、成形体の強度の弱い部分の発生をおさえることが出来る。また成形体の厚さ方向の接合強度が得られるようになり、剥離しにくい高強度の成形体を得ることができる。平均繊維長が１．０ｍｍ未満の炭素繊維は、市販の炭素繊維、ＣＦＲＰの製造の過程で発生するクロス、又はストランド等の端材を粉砕することにより得ることができる。なお、炭素繊維の粉砕は、水中に分散しミキサを使用して均一に粉砕することができる。ここでサイジング剤を除去する熱処理は、有機物から発生する炭化水素ガス、水素などの還元性ガス、窒素ガス、Ａｒガスなどの不活性ガスの雰囲気で行うことができる。
【００５４】
［フロック形成工程］
フロックを調製するにあたり、液体としては水を使用することが望ましい。大量の液体を使用するために有機溶媒などに比べ水は安全に使用できる上に、排液の処理が容易であるからである。
炭素質マトリックスの前駆体成分からなるバインダ（以下、「第１バインダ」とも称する。）としては炭素繊維を懸濁する上記液体に不溶で、炭化する物であればどのような物でも利用することができる。第１バインダは、粉状であることが好ましく、第１バインダの粒子径は３〜１００μｍであることが好ましい。第１バインダが粉状であれば、炭素繊維間の空隙に均一に分散し、第１バインダの偏析を起こりにくくすることができる。このため、後に第１バインダが溶融し炭素繊維表面に付着した場合に、成形体中に大きな空洞ができることない。そのため、高強度のＣ／Ｃ複合材を得ることができる。第１バインダとしては、例えば、ピッチ、フェノール樹脂、フラン樹脂、又はイミド樹脂などの熱硬化性樹脂から選ばれる１種以上を好適に利用することができる。フェノール樹脂としては、例えば、エアウォーター社製ベルパール（登録商標）Ｓ８９０を好適に利用することが出来る。ベルパールは、粉末状のフェノール樹脂であり、表面に疎水性被膜が形成されているため、水中でも溶解することなく粒状を保っているので、炭素繊維と共に凝集することができる。
第１バインダの添加量は炭素繊維１００重量部に対し５０〜２００重量部が好ましい。第１バインダの添加量が５０重量部未満であると、炭素繊維を十分に縮合できず、第１バインダの添加量が２００重量部を超えると、脱脂、あるいは焼成時に発生するガスにより成形体中に気泡ができ易くなる。いずれの場合もＣ／Ｃ複合材の強度低下の原因となる。
【００５５】
本実施の形態で用いる凝集剤は、電荷の変化を利用して炭素繊維とバインダとを凝集できるものであればどのような物でもよい。凝集剤としては、炭素繊維のζ電位を±１０mV以下にできる物が望ましい。例えば無機凝集剤材、有機高分子凝集剤等が利用でき、具体的には有機高分子凝集剤のパーコール２９２（登録商標：アライドコロイド社製）等が好適に利用できる。有機高分子凝集剤は、分子量が大きいため、架橋作用もあり、大きなフロックを得ることができるため、好ましい。フロックが形成されると、炭素繊維で黒く着色したスラリーの状態から、透明な液体中に黒いフロックが浮遊する混合液の状態に変化する。
【００５６】
凝集剤の添加量としては、炭素繊維１００重量部に対しに対して０．０５〜５．０重量部が好ましい。凝集剤の添加量を上記範囲とすることにより崩れにくい良好なフロックを形成することができる。
また、多孔状型面の開口径の大きさは、特には限定されないが０．５〜１０ｍｍであることが好ましく、１〜３ｍｍがさらに好ましい。多孔状型面の開口径が０．５ｍｍ未満であると、炭素繊維が多孔状型面に目詰まりし易くなり水の通過抵抗が大きくなる。多孔状型面の開口径が１０ｍｍを超えると、多孔状型面の開口部に開口面積に負圧を乗じた吸引力が発生するため、本来通過しない大きさのフロックまでも吸引され通過してしまうことがある。フロックの大きさは、濾過に用いる多孔状型面の開口径と同等以上にすることが望ましい。フロックの大きさには分布があるので、直径の大きなフロックが型面に捕捉されると、多孔状型面へのフロックの堆積が開始する。多孔状型面の開口径よりもフロックの平均直径が大きく下回ると、フロックの大部分が型面を通過してしまいフロックが型面へ堆積することができない。混合液中におけるフロックの平均直径は０．５〜１０ｍｍが好ましく、１〜５ｍｍがより好ましい。フロックの大きさは凝集剤の量、凝集時間、撹拌の強さにより調節することができる。
【００５７】
フロックを形成する液体中にはさらに、第２バインダを添加することが好ましい。前記第１バインダ成分は、抄造段階では粉末状であるため、フロック積層した抄造体の形状を保持しにくい。第２バインダは、後に得られる抄造体の形状を、後の成形工程前まで保持するために添加する成分である。第２バインダとしてはフロックの積層体の形状を保持できればどのような物であっても構わない。フロックの積層体を形成する段階で炭素繊維と第１バインダとを、また炭素繊維同士を、物理的に結合させる作用を有する物であればどのような物でも良い。第２バインダとしては例えば粘性液体、有機繊維などが挙げられる。粘性液体としては、でんぷん、またはラテックスなどが好適に利用できる。ラテックスは、水に混合すると白濁し懸濁液となる。細かく分散したラテックスの液滴は、炭素繊維と第１バインダとを粘着作用により結合させる作用がある。有機繊維としてはパルプなども好適に利用できる。パルプは水との親和性がよく、炭素繊維と絡み合って、炭素繊維と第１バインダとを結合させる作用を有する。第２バインダとして粘性液体を用いた場合の一例として、図１１（Ｄ）に拡大図を示す。この場合、炭素繊維１と第１バインダ４の間に第２バインダ７ａが、炭素繊維１間に第２バインダ７ｂが介在することで、プリフォーム５０（図８では１０１Ｐ）の形状が保持されている。
【００５８】
なお、フロックの形成にあたり、上記炭素繊維、第１バインダ、凝集剤及び第２バインダの添加順序は特に制限はなく、これらを同時に液体中に添加しても順次添加してもよい。均一かつ安定にフロックを形成する観点から下記順序で調製することがより好ましい。
ａ）水に炭素繊維を投入し撹拌しながら分散させる。撹拌が強すぎると気泡ができるので撹拌の強さを調製する必要がある。撹拌手段はプロペラシャフト型あるいはパドル型等を用いることができる。炭素繊維の攪拌時間は３分前後が好ましい。
ｂ）次に第1バインダを加え、第１バインダが分散するまで攪拌する。攪拌時間は０．５〜５分間が好ましい。
ｃ）次に第２バインダを加え、第２バインダが分散するまで攪拌する。攪拌時間は０．５〜５分間が好ましい。
ｄ）最後に凝集剤を加える。撹拌が少ないと凝集剤が混ざらず、撹拌しすぎると形成されたフロックが壊れてしまう。そのためフロックの出来具合を確認しながら撹拌時間を調整する。攪拌時間は２０〜３０秒が好ましい。
【００５９】
［フロックの積層体（プリフォーム）形成工程］
こうして形成されたフロック５を含む液体中に金型２０を浸漬する。
金型２０は、図１１（Ｃ）に示すように、円筒形状の多孔状型面２１と、減圧室２２とを備えている。多孔状型面２１には、開口２１Ａが設けられており、多孔状型面２１にのみフロックが積層される。減圧室２２は配管２３により吸引ポンプ（図示せず）と連結されている。したがって、吸引ポンプを作動させると、減圧室２２内の空気が排出され減圧状態となる。すると、金型２０の多孔状型面側にフロック５が吸引される。フロック５の大きさは、開口２１Ａよりも大きいため、フロック５は開口２１Ａを通過せず多孔状型面２１の表面に多孔状型面の面方向に連続した層として積層する。その際、フロック５は、既に形成された積層体に突き刺さるように積層する。積層したフロック５は、吸引力の影響で球形からやや扁平形状となり、フロック内の炭素繊維１の長手方向は多孔状型面２１の面方向に配向するようになる。一方、液体は開口２１Ａを通過し、配管を介して外部に排出される。こうして、プリフォーム５０を形成することができる。
【００６０】
多孔状型面２１は、液体を透過できる複数の開口を有する物であればどのような物で構成してもよく、構成部材としては、網、パンチングメタル、織布、又は不織布等が挙げられる。
【００６１】
また、吸引濾過の際、減圧はどのような物で行っても良い。空気の他液体も一緒に吸引されるので自吸式の渦巻きポンプ、又はアスピレータなどが好適に利用できる。
【００６２】
なお、濾過の方法としては、上記に示した吸引濾過の他に、加圧濾過、又は遠心濾過等の方法を採用してもよい。加圧濾過は、例えば、多孔状型面の外表面側を加圧ガスで加圧し、多孔状型面の外表面にフロックを積層させ、プリフォームを形成する方法である。遠心濾過は、例えば、内面に多孔状型面を設置した回転体の型の内部にフロックを含む混合液を供給し、回転体を回転させ、多孔状型面の内表面にフロックを積層させ、プリフォームを形成する方法である。
【００６３】
［乾燥工程］
次に、前記工程で得られたプリフォームに残存する水分を除去するために金型ごと乾燥を行う。抄造法で得られたプリフォームは乾燥する必要があるが、フェルト積層法では水分を含有しないので乾燥工程は必ずしも必要ではない。乾燥は水分を除去するために４０℃以上で行うことが好ましい。また、第１バインダの溶融硬化を防止するため、第１バインダの溶融温度以下で行うことが好ましい。例えば、第１バインダとしてベルパール（登録商標）を用いた場合は、７０℃前後で疎水性被膜が溶解することに鑑み、６０℃以下で通風しながら乾燥させることにより、容易に水分を除去することができる。
【００６４】
［起伏（凹凸）形成工程（Ｓ２）］
まずフロックの積層体からなるプリフォーム５０の外側面に、圧子からなる冶具を用いて、凹部を形成する。ここでプリフォームの外表面に凹部を形成する際、変形させ易くするために、プリフォームをあらかじめ加熱しておくことが好ましい。この加熱はプリフォームが軟化しさえすればよく、例えば、５０〜１２０℃で好適に行うことができる。フロックの積層体を加熱すれば５０℃以上であれば樹脂を十分に軟化させることができ、１２０℃以下であれば成形前に樹脂が硬化しない。
［成形工程Ｓ３］
図１１（Ｄ）に示すように、プリフォーム５０をバギングフィルム２４で覆い、オートクレーブ（図示せず）を用いて熱と圧力を加え成形し、成形体を得る。まずバギングフィルム２４内の空気を吸引し真空引きした後、圧力をかける。成形圧は１ＭＰａ以上が好ましい。成形圧が１ＭＰａ以上であれば、高い密度の成形体を得ることができる。特に、成形圧に上限はないが、熱を加えて第1バインダを軟化させているため、１０ＭＰａの圧力をかければ十分な成形体の密度を得ることができる。このとき、プリフォーム５０の金型２０面側を、支持材２５で支持しながら成形することが好ましい。支持材２５で支持することにより、加熱によりプリフォームが軟化し、変形することを防ぐことができる。ここで用いる支持材２５はプリフォームの形成工程（Ｓ１）で使用した金型２０とは異なり、多孔状型面を有さない、表面が平滑なものである。
【００６５】
［硬化工程（Ｓ４）］
熱硬化性樹脂である第１バインダを用いているので、上記加圧成形工程において十分に圧力を上げた後、加熱し、フロック内に含まれる熱硬化性樹脂を溶融硬化させることが好ましい。これにより、成形体が変形しないように形状を固定化させることができる。熱硬化性樹脂の硬化温度は、例えば一般に１５０℃以上で行うことが出来る。温度が高ければ高いほど熱硬化性樹脂の硬化が進行する。前記の成形工程をオートクレーブで行う場合等、成形工程で充分に加熱できれば、硬化工程は成形工程と同時に行うこともできる。硬化温度の上限は特にないが、２００℃の温度をかければ熱硬化性樹脂を十分に硬化させることができるため、この程度である。
【００６６】
［脱脂工程（Ｓ５）］
焼成工程の前に、成形体内部の有機成分を揮発させるために脱脂を行うことが好ましい。この脱脂工程を経て、第１バインダは炭化し、第２バインダはその大部分が分解し揮散する。このため、脱脂工程以降で結合作用を有するのは、第１バインダ成分を由来とする炭化物である。脱脂工程の後にピッチ含浸及び、樹脂含浸を行う場合には、成形体に含浸を行うための気孔を形成しておく必要があるので、５００℃以上で脱脂することが好ましい。脱脂が５００℃以上で行われれば、樹脂の炭化が充分に進行し、後の含浸工程で樹脂あるいはピッチの含浸される充分な大きさの気孔を形成することができる。脱脂温度の上限は、特に制限はないが、１０００℃の高温下に置くことで大部分の脱脂を完了させることができる。脱脂は、炭素繊維及び（第１）バインダが酸化するのを防ぐため、還元性雰囲気で行うことが好ましい。有機物から発生する炭化水素ガス、水素などを用いた還元性雰囲気のほか、窒素ガス、Ａｒガスなどを用いた不活性ガス雰囲気で行うことができる。
【００６７】
［含浸工程］
脱脂後の成形体の気孔内部に、樹脂、ピッチなどを含浸することによりＣ／Ｃ複合材６０を高密度化することが好ましい。脱脂後のＣ／Ｃ複合材６０をオートクレーブに入れ、真空引きした後に、オートクレーブ（図示せず）中に液状の樹脂又はピッチを導入し、浸漬した後圧力を加える。液状の樹脂は、水や有機溶媒で溶液にしたもの又は、熱を加え溶融した物でも良い。溶液に樹脂を用いる場合には、使用を繰り返しても重合が進みにくいので、安定して使用することができる。ピッチを用いる場合には、オートクレーブを軟化点以上に加熱して、ピッチを液状にして使用する。
含浸が終了した後、上記脱脂工程と同様に脱脂を行うことにより、より高密度の成形体を得ることができる。含浸工程はＣ／Ｃ複合材の密度を上げ高密度化することができるが、本発明の実施の形態のＣ／Ｃ複合材の成形において、必ずしも必要ではない。
【００６８】
［焼成工程（Ｓ６）］
成形体にさらに熱を加え焼成することにより、第１バインダは十分に炭化し、炭素質マトリックスとなる。焼成により本発明実施の形態のＣ／Ｃ複合材１００を得ることができる。
焼成工程においては、温度の上昇と共に支持材は熱膨張し、成形体は熱収縮する。焼成工程で発生する支持材２５と成形体との熱膨張差による応力を回避するため成形体から支持材２５を外し、焼成炉内で、非酸化性雰囲気で加熱することが好ましい。焼成工程の焼成温度は、１５００〜２８００℃が好ましく１８００〜２５００℃がより好ましい。焼成温度が１５００℃以上であれば、Ｃ／Ｃ複合材中の水素などの不純物を充分に除去できる。水素などの不純物が残留すると、Ｃ／Ｃ複合材を使用する際に炭化水素ガス等が発生する。Ｃ／Ｃ複合材を半導体製造装置などで使用する際に、Ｃ／Ｃ複合材から発生する炭化水素ガスが半導体に混入し、半導体の純度を低下させる。焼成温度が２８００℃以下であれば、Ｃ／Ｃ複合材の結晶化の進行を押さえることができ、Ｃ／Ｃ複合材の強度を維持することができる。このようにしてＣ／Ｃ複合材６０が得られる。
【００６９】
なお、Ｃ／Ｃ複合材６０の密度を高めるため、焼成工程の前に成形体への含浸工程を複数回繰り返しても良い。
【００７０】
そして、本発明の実施の形態のＣ／Ｃ複合材は、プリフォーム形成工程、起伏（凹凸）形成工程、成形工程、脱脂工程、含浸工程、焼成工程を経て、炭素繊維の凸状の配向が回転体の周方向に規則的に繰り返され、頂部が前記回転体の中心軸方向に延びた波板状の周期的な起伏を有することができる。この円筒状のＣ／Ｃ複合材１００は、炭素繊維の凸状の配向が周方向に規則的に繰り返されているため、大きなしわに起因する大きな凸状の配向部が形成されず、高強度のＣ／Ｃ複合材を得ることができる。
【００７１】
＜実施例＞
図１に示すような円筒状のＣ／Ｃ複合材を以下の工程で作製する。
［プリフォーム形成工程］
（１）炭素繊維の調整工程
平均繊維長１５０μｍ、平均繊維直径７μｍのＣＦＲＰ用のＰＡＮ系炭素繊維を準備する。ここでは、水への分散性を向上させるために繊維の表面に塗布されているサイジング剤を還元性雰囲気下５５０℃で焼成し除去する。この後、炭素繊維を水に分散させ、平均繊維長１５０μｍになるまでミキサで粉砕した後、脱水し乾燥させる。
【００７２】
（２）フロック形成工程
（ａ）前記炭素繊維調整工程で得られた炭素繊維を水に投入し撹拌しながら分散させた。撹拌は約３分間行う。
（ｂ）次に炭素繊維１００質量部に対し第１バインダとしてフェノール樹脂（エアウォーター社製「ベルパール」（登録商標）Ｓ８９０（２００質量部）を加え、上記（ａ）同様に１分間撹拌する。
（ｃ）次に第２バインダとしてラテックス（５質量部）を加え、上記（ａ）同様に１分間撹拌する。
（ｄ）さらに、凝集剤としてカチオン系凝集剤（アライドコロイド社製「パーコール（登録商標）２９２」）（０．３質量部）を加え、２０秒間撹拌し、フロックを形成する。
【００７３】
（３）抄造工程
フロックの形成された水を、外表面に開口１．０ｍｍの金網を備えた円筒形の型を用いて内側から吸引し、金網の表面にフロックを積層し、円筒形の積層体を形成する。開口１．０ｍｍの金網を用いているが、炭素繊維はフロックを形成しているため、金網を通過する炭素繊維はほとんど無い。そのまましばらく円筒形の積層体を放置し、重力で水分が除去されてから、乾燥機を用いて６０℃で乾燥させ、プリフォームを作製する。
【００７４】
［凹凸形成工程］
前記工程で得られたプリフォームの内側に、表面が平滑な円筒形の金型を挿入し、プリフォームを８０℃にあたため、図５（ｂ）に示したように、冶具を用いてあらかじめ起伏（凹凸）を形成する。
［成形工程］
更にプリフォームの表面を密閉フィルムで覆い、オートクレーブに入れ１５０℃の熱を加えながら加圧する。このとき回転体の中心軸が水平となるように横向きに成形した。加圧圧力は２ＭＰａで行う。
【００７５】
［硬化工程］
前記工程に引き続き、プリフォームをオートクレーブで最大圧力（２ＭPa）のまま２時間放置する。この工程により、第１バインダ（フェノール樹脂）を硬化する。
【００７６】
［脱脂工程］
前記硬化工程で得られた成形体の金型から外し、還元性雰囲気炉で加熱する。加熱は７０℃／ｈの昇温速度で、炉内の最高温度５５０℃となった時点で１時間保持し脱脂を行う。その後、室温（２５℃）まで放冷する。なおこの脱脂工程は、有機物から発生する炭化水素ガス、水素などを用いた還元性雰囲気で行う、窒素ガス、Ａｒガスなどを用いた不活性ガス雰囲気で行うこともできる。
【００７７】
［含浸工程］
脱脂工程までに、所望の嵩密度が得られていない場合には、更に含浸工程を行う。
本実施例では、脱脂後の成形体を２００℃に加熱したオートクレーブの中に入れ、真空引きした後に軟化点８０℃のピッチを流入し、４ＭＰａで加圧し、脱脂された成形体中にピッチを含浸する。
【００７８】
含浸された成形体は前記脱脂工程と同様の脱脂処理を行う。
【００７９】
［焼成工程］
脱脂された成形体（含浸された成形体も含む）は、焼成を行う。還元性雰囲気下で、１５０℃／ｈの昇温速度で加熱し、炉内の最高温度２０００℃となった時点で１５分保持して焼成を行う。その後室温（２５℃）まで放冷する。この焼成工程により、第１バインダから炭素質マトリックスを形成する。炭素質マトリックスの存在により、炭素繊維どうしの接着力が強まり、強度を発現することが出来る。このようにして、内直径１０００ｍｍ、高さ１０００ｍｍ、厚さ２５ｍｍのＣ／Ｃ複合材を得る。なお上記の還元性雰囲気は、成形体を焼成容器に詰め、成形体に含まれる有機物から得られる炭化水素ガスでパージすることによって得られる。また水素などの環元性ガスを用いる。あるいは、Ａｒや窒素などの不活性ガスを用いることもできる。
【００８０】
＜比較例１＞
実施例１において、凹凸を形成する工程を省略し、他の工程は前記実施例と同様に行う。
【００８１】
図１５に本比較例１で得られたＣ／Ｃ複合材の断面図を示す。実施例１のＣ／Ｃ複合材では、起伏が広く浅く分散し、大きなしわを形成していない。これに対し本比較例１で得られたＣ／Ｃ複合材の外表面は平滑な領域が大部を占めるが大きなしわの形成された領域が部分的に存在する。比較例１のＣ／Ｃ複合材の平滑な領域では構造的な欠陥はほとんど存在しないのに対し、大きなしわの形成された領域には深いノッチ（Ｎ）が形成される。そのためノッチが形成される部分はＣ／Ｃ複合材の強度を著しく低下させる。比較例１の成形工程では、回転体の中心軸が水平となるように成形したため、プリフォームを加熱したときに発生する外表面の弛みが重力によって下側に集まり、大きなしわが下側に発生した。
【００８２】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２のＣ／Ｃ複合材について説明する。本実施の形態２ではＣ／Ｃ複合材の製造方法における加圧工程のしわ加工の変形例について説明する。
図１３（ａ）乃至（ｃ）は本発明の実施の形態２のＣ／Ｃ複合材の製造方法のおける凹凸形成工程を示す説明図であり（ａ）はプリフォームを被覆部材で覆い圧子を配置した図、（ｂ）は圧子でプリフォームの周囲に起伏を形成する図、（ｃ）は成形により起伏が形成された成形体の図を示す。
図１３（ａ）に示すように、まず、加圧工程に先立ち、圧子Ｚをプリフォーム１０１Ｐを覆うバギングフィルム２４（被覆部材）の外側面全体に均一に配置し、バギングフィルム２４を圧子Ｚで押さえる。このとき、変形させやすくするため、プリフォームを加熱することが好ましい。例えば、５０〜１２０℃で好適に行うことができる。プリフォームの加熱が５０℃以上であれば樹脂を十分に軟化させることができ、プリフォームの加熱が１２０℃以下であれば成形前に樹脂が硬化することがない。そして、図１３（ｂ）に示すように、プリフォーム１０１Ｐに凹部を形成する。ここで２５は支持材である。このようにして図１３（ｃ）に示すように、プリフォームの外側面に波板状の周期的な起伏を有するＣ／Ｃ複合材を得ることができる。本実施の形態２のＣ／Ｃ複合材においても、外側面は、頂部が軸Ｏ方向に延びた波板状の周期的な起伏を有している。そして、Ｃ／Ｃ複合材の内側面側では炭素繊維１が内側面の長手方向に対して垂直な方向に沿って配向し、かつ炭素繊維は、外側面の起伏の傾斜に沿って配向している。
【００８３】
（実施の形態３）
次に本発明の実施の形態３のＣ／Ｃ複合材について説明する。本実施の形態３は、抄造法のプリフォームにしわを加工する変形例である。図１４（ａ）乃至（ｃ）は本発明の実施の形態３のＣ／Ｃ複合材の製造工程における凹凸形成工程を示す説明図であり、（ａ）は抄造後の湿ったプリフォームに圧子を配置した図、（ｂ）は凹凸が形成されたプリフォームの図、（ｃ）は凹凸の形成されたプリフォームが被覆部材で覆われ成形される図を示す。本実施の形態３において、抄造後のプリフォームは水分を含有しているため、熱することなく容易に外側面に起伏（凹凸）を形成することができる。抄造後のプリフォームに圧子Ｚを用いて凹凸を形成し、そのまま本発明の実施の形態１と同様に乾燥し凹凸の形成されたプリフォームを形成することができる。このようにして得られたプリフォームを本発明の実施の形態１と同様に成形、硬化、脱脂、焼成工程を経ることにより、本実施の形態３のＣ／Ｃ複合材を得ることができる。なお、この圧子を一部に選択的に形成してもよい。
【符号の説明】
【００８４】
１００ Ｃ／Ｃ複合材
１０１ 筒状部
１ 炭素繊維
２ 炭素質マトリックス
３ 薄片体
４ バインダ、第１バインダ
５ フロック
５０、１０１Ｐ プリフォーム
６０ Ｃ／Ｃ複合材（成形体)
７ 第２バインダ
２０ 金型
２１ 多孔状型面
２１Ａ 開口
２２ 減圧室
２３ 配管
２４ 被覆部材（バギングフィルム）
２５ 支持材
１００ｓ１ 内側面
１００ｓ２ 外側面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｃ／Ｃ複合材及びその製造方法にかかり、特に炭素繊維と炭素質マトリックスとを含むＣ／Ｃ複合材に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維は、高い耐熱性と強度とを備えているため、炭素マトリックスと複合化し、Ｃ／Ｃ複合材（炭素繊維強化炭素複合材料ともいう）として、耐熱性、化学的安定性、強度を必要とする様々な分野で利用されている。Ｃ／Ｃ複合材は、炭素繊維の複合化の方法により様々な種類があり、これを用いてさまざまな炭素繊維成形体を形成することができる。
【０００３】
Ｃ／Ｃ複合材の製造方法の１つとして、抄造方式のＣ／Ｃ複合材の製造方法がある。（特許文献１及び２）。抄造方式のＣ／Ｃ複合材は、炭素繊維を液体中に懸濁させてスラリーを形成し、このスラリー中に孔を有する金型を浸漬し、金型の孔からスラリーを吸引することにより、この金型の表面側に炭素繊維を堆積させて成形物を成形する。その後得られた成型物を乾燥および焼成してＣ／Ｃ複合材を得ることができる。この抄造方式のＣ／Ｃ複合材は、金型の形状により、筒形状などの比較的自由な形状の成形物を作製できるという利点を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−６８８５１号公報
【特許文献２】特開２００２−９７０８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来のＣ／Ｃ複合材は、比較的自由な形状のＣ/Ｃ複合材が得られる半面、曲面部を有する回転体形状ではＣ／Ｃ複合材の高密度化が困難であり、熱分解炭素を含浸するなどの複雑な方法によってＣ／Ｃ複合材の高密度化及び、高強度化を行う必要がある。
本発明は前記実情に鑑みてなされたもので、高密度かつ高強度で、剥離、割れの生じにくい曲面部を有するＣ／Ｃ複合材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は下記Ｃ／Ｃ複合材及びその製造方法により上記課題を解決できることを見出した。
［１］
曲面部を備えた回転体状のＣ／Ｃ複合材であって、
前記Ｃ／Ｃ複合材は、炭素繊維と、炭素質マトリックスとを含み、
前記Ｃ／Ｃ複合材の前記曲面部の内側面と外側面とが相対向し、
前記Ｃ／Ｃ複合材の前記外側面は、頂部が前記回転体の中心軸方向に延びた波板状の周期的な起伏を有し、
前記Ｃ／Ｃ複合材の前記内側面側では前記炭素繊維が前記内側面に沿って配向し、かつ
前記Ｃ／Ｃ複合材の前記外側面側では前記炭素繊維が、前記外側面の前記起伏の傾斜に沿って配向したＣ／Ｃ複合材。
［２］
［１］に記載のＣ／Ｃ複合材であって、
前記内側面と、前記外側面は、筒状体を構成するＣ／Ｃ複合材。
［３］
［１］に記載のＣ／Ｃ複合材であって、
前記外側面は、円錐体を構成するＣ／Ｃ複合材。
［４］
曲面部を備えた回転体状のＣ／Ｃ複合材の製造方法であって、
炭素繊維と、炭素質マトリックスの前駆体成分とを含み、相対向する内側面と外側面とを有する曲面部を備えたプリフォームを形成する工程と、
前記プリフォームの外側面に周期的な起伏を形成する工程と、
前記プリフォームを、加圧する工程と、
前記加圧成形されたプリフォームを焼成する工程とを有し、
前記Ｃ／Ｃ複合材の前記曲面部の内側面と外側面とが相対向し、
前記Ｃ／Ｃ複合材の前記外側面が、頂部が前記回転体の中心軸方向に延びた波板状の周期的な起伏を有し、
前記Ｃ／Ｃ複合材の前記内側面側では前記炭素繊維が前記内側面に沿って配向し、かつ、
前記Ｃ／Ｃ複合材の前記外側では炭素繊維が、前記Ｃ／Ｃ複合材の前記外側面の前記起伏の傾斜に沿って配向したＣ／Ｃ複合材を製造することを特徴とするＣ／Ｃ複合材の製造方法。
［５］
［４］に記載のＣ／Ｃ複合材の製造方法であって、
前記起伏を形成する工程は、
前記プリフォームを被覆部材で被覆し、前記被覆部材を介して、前記外表面側に起伏を形成する工程を含むＣ／Ｃ複合材の製造方法。
［６］
［４］に記載のＣ／Ｃ複合材の製造方法であって、
前記加圧する工程は、前記プリフォームを凹凸を有する被覆部材で被覆し、前記被覆部材の凹凸を前記外側面側に転写し、前記外側面側に起伏を形成する工程と同時に加圧する工程であるＣ／Ｃ複合材の製造方法。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、あらかじめプリフォームのしわが外周面全体に分散するように起伏を形成した後、プリフォームを圧縮して製造するため、Ｃ／Ｃ複合材の外周面にしわが広く浅く分散し、しわが集中した欠陥箇所が生じることなく剥離あるいは、割れの生じにくい高密度で高強度のＣ／Ｃ複合材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施の形態１の筒状のＣ／Ｃ複合材を示す斜視図
【図２】本発明の実施の形態１の筒状のＣ／Ｃ複合材の断面図
【図３】本発明の実施の形態１の筒状のＣ／Ｃ複合材の要部拡大斜視図
【図４】本発明の実施の形態１の筒状のＣ／Ｃ複合材の要部拡大断面図
【図５】（ａ）乃至（ｃ）は本発明の実施の形態１のＣ／Ｃ複合材の筒状部の加圧成形工程を示す断面図であり、（ａ）は起伏が形成される前のプリフォーム、（ｂ）は起伏が形成されたプリフォーム（成形前）、（ｃ）は、起伏が形成されたプリフォームの成形後（成形体）を示す
【図６】（ａ）、（ｂ）は本発明の実施の形態１のＣ／Ｃ複合材の筒状部の加圧成形工程を示す断面図であり、（ａ）は、起伏が形成されたプリフォームを被覆部材で覆った成形前、（ｂ）は起伏が形成されたプリフォームを被覆部材で覆った成形後の状態を示す
【図７】（ａ）乃至（ｃ）は本発明の実施の形態１のＣ／Ｃ複合材の筒状部の加圧成形工程の変形例を示す断面図であり、（ａ）は起伏が形成される前のプリフォーム、（ｂ）は凹凸を有する被覆部材で覆った状態、（ｃ）は起伏が形成された成形体を示す
【図８】本発明の実施の形態１のＣ／Ｃ複合材の筒状部に起伏の形成方法を示す断面図
【図９】（ａ）は、本発明の実施の形態１の筒状部を構成するＣ／Ｃ複合材１００の斜視図、（ｂ）乃至（ｄ）は、それぞれ（ａ）の断面図、断面図の要部拡大図、更なる要部拡大図
【図１０】本発明の実施の形態１のＣ／Ｃ複合材の製造方法の工程フロー図
【図１１】（Ａ）から（Ｅ）は本発明の実施の形態１のＣ／Ｃ複合材の製造方法を示す概要図であり、（Ａ）は水に炭素繊維、バインダを分散した図、（Ｂ）は炭素繊維、バインダを凝集させフロックを形成した図、（Ｃ）は凝集したフロックを抄造しプリフォームを形成する図、（Ｄ）は得られたプリフォームを成形する図、（Ｅ）はバインダが熱硬化した成形体の図を示す
【図１２】実施の形態１の変形例のフェルトの積層法のプリフォームを示す図、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は断面模式図
【図１３】（ａ）乃至（ｃ）は本発明の実施の形態２のＣ／Ｃ複合材の製造工程における起伏（凹凸）形成工程を示す説明図であり、（ａ）は、プリフォームを被覆部材で覆い圧子を配置した図、（ｂ）は圧子でプリフォームの周囲に起伏を形成する図、（ｃ）は成形により起伏が形成された成形体の図を示す
【図１４】（ａ）乃至（ｃ）は本発明の実施の形態３のＣ／Ｃ複合材の製造工程における起伏（凹凸）形成工程を示す説明図であり、（ａ）は、抄造後の湿ったプリフォームに圧子を配置した図、（ｂ）は凹凸が形成されたプリフォームの図、（ｃ）は、凹凸の形成されたプリフォームが被覆部材で覆われ成形される図を示す
【図１５】比較例の成形体を示し、しわが一カ所にでき大きな欠陥が形成された図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
本発明のＣ／Ｃ複合材は、炭素繊維と炭素質マトリックスの前駆体成分とを含むプリフォームに周期的な起伏を形成するしわ加工を施すことで得られるものである。
ここで用いられるプリフォームは、炭素繊維を抄造することで得られるプリフォームをはじめ、炭素繊維がフェルト状のもの、あるいはこれらを巻回したものなど、どのようなものでもよい。
【００１０】
（実施の形態１)
本発明の実施の形態１では抄造法によって形成された炭素繊維のプリフォームにしわ加工を施し、周期的な起伏を形成し、成形・硬化工程、脱脂・焼成工程を経て本発明のＣ／Ｃ複合材を得ている。
図１に本発明の実施の形態１の筒状のＣ／Ｃ複合材の斜視図を示し、図２に本発明の実施の形態１の筒状のＣ／Ｃ複合材の断面図を示す。また図３に本発明の実施の形態１の筒状のＣ／Ｃ複合材の要部拡大図を示し、図４に本発明の実施の形態１の筒状のＣ／Ｃ複合材の要部拡大断面図を示す。
本実施の形態は、図１に示すように、Ｃ／Ｃ複合材で形成された筒状部１０１で構成され、例えばシリコン単結晶引き上げ装置の保温筒を構成するものである。図４に示すように、本実施の形態のＣ／Ｃ複合材の外側面１０１Ｓ２は、頂部が軸Ｏ方向に延びた波板状の周期的な起伏を有し、Ｃ／Ｃ複合材の内側面１０１Ｓ１側は炭素繊維１が内側面に沿って配向している。そしてＣ／Ｃ複合材の外側面１０１Ｓ２側ではこの炭素繊維１は、Ｃ／Ｃ複合材の外側面の起伏の傾斜に沿って配向されている。
【００１１】
また、本実施の形態のＣ／Ｃ複合材は、炭素繊維と、炭素質マトリックスとを含み曲面部からなる筒状部１０１を備えたＣ／Ｃ複合材である。本実施の形態のＣ／Ｃ複合材の曲面部は、凹面を構成する第１の曲面としての内側面１０１Ｓ１と、この内側面１０１Ｓ１に対して並行して配設され、凸面を構成する第２の曲面としての外側面１０１Ｓ２とを有している。そして、Ｃ／Ｃ複合材の外側面１０１Ｓ２側よりも内側面１０１Ｓ１側の方で、より面方向の炭素繊維の配向性が高くなるように構成されている。このように本実施の形態のＣ／Ｃ複合材は、外側面１０１Ｓ２と内側面１０１Ｓ１とを備えた筒状体からなる筒状部で構成されている。Ｃ／Ｃ複合材の曲面部の内側面１０１Ｓ１と外側面１０１Ｓ２とが相対向し、このＣ／Ｃ複合材の外側面１０１Ｓ２は、頂部が中心軸Ｏ方向に延びた波板状の周期的な起伏を有している。そして、Ｃ／Ｃ複合材の内側面１０１Ｓ１側では炭素繊維１が内側面に沿って配向し、かつ、Ｃ／Ｃ複合材の外側面１０１Ｓ２側では炭素繊維は、外側面の起伏の傾斜に沿って配向している。
【００１２】
本実施の形態では炭素繊維は直線状繊維からなる。そして、炭素繊維は、炭素質マトリックス内で炭素繊維の長手方向がＣ／Ｃ複合材の曲面方向に配向した薄片体を構成する。Ｃ／Ｃ複合材はこの薄片体の積層体によって構成されている。
炭素質マトリックスとは、炭素繊維間に存在し炭素繊維どうしをつなぎ止める炭素質の母材をいうものとする。薄片体については後述する。
【００１３】
Ｃ／Ｃ複合材の筒状部１０１においては内側面側の炭素繊維が、筒状部の内表面に沿って配向しているので、切削加工しても滑らかな面を形成することが出来る。さらに、連続気孔は炭素繊維の方向に沿ってできやすいため、炭素繊維に沿ったＣ／Ｃ複合材の表面から厚さの方向への連続気孔ができにくい。そのためこのＣ／Ｃ複合材を単結晶引き上げ装置などに用いる場合、反応性ガスを流しながら引き上げを行う場合も、反応性ガスの複合材内部への浸透を抑制することができる。
【００１４】
したがって、例えば、本実施の形態のＣ／Ｃ複合材をシリコン単結晶引き上げ装置の保温筒として使用した場合において、ＳｉＯ、Ｓｉ蒸気等の反応性ガス中で使用しても、Ｃ／Ｃ複合材内にガスが浸透しにくく、Ｃ／Ｃ複合材のライフを長くすることができる。また、Ｃ／Ｃ複合材において滑らかな表面が形成できるため、シリコンなどの濡れ性の高い物質の蒸着を抑制することができる。
【００１５】
また、本発明の実施の形態１のＣ／Ｃ複合材は、筒状部全面において筒状部１０１の外側面１０１Ｓ２側から内側面１０１Ｓ１側に炭素繊維のＣ／Ｃ複合材の筒状部の周方向の配向度が徐々に大きくなるようにしても良い。本実施の形態１のＣ／Ｃ複合時を黒鉛材などの熱膨張係数の大きく異なる材質の部材と共に使用しても、発生する熱応力を小さくすることができる。
【００１６】
例えば、本実施の形態１のＣ／Ｃ複合材と、黒鉛材の組み合わせでは、黒鉛材の熱膨張係数がＣ／Ｃ複合材の３倍以上であるため、熱膨張差によって互いに応力がかかることがある。本実施の形態１のＣ／Ｃ複合材では、筒状部全体に繊維配向が規則的に繰り返されているので、欠陥個所が少なくなっている。そのため、Ｃ／Ｃ複合材と黒鉛材との熱膨張係数の違いによる応力が加わったとしてもＣ／Ｃ複合材の欠陥箇所が少ないためクラックが発生しにくくなり、Ｃ／Ｃ複合材が破損しにくくなる。
【００１７】
本実施の形態のＣ／Ｃ複合材は、炭素繊維の短繊維を使用しているため、炭素繊維の高弾性が発現しにくくＣ／Ｃ複合材全体は軟らかく低い弾性率を有する。またその反面、内表面側では炭素繊維のＣ／Ｃ複合材の筒状部の周方向に配向しているため、外側面１０１Ｓ２側よりも硬くすることができる。従って、内表面は他の部材との接触による衝撃などによる傷みの発生を防止することができる。また、Ｃ／Ｃ複合材が全周にわたって凸状の繊維配向が規則的に繰り返され分散しているため、凸状の繊維配向が局在した欠陥が無く、外部から力が加わっても破損しにくくすることができる。
【００１８】
このため、本実施の形態のＣ／Ｃ複合材を用いたシリコン単結晶引き上げ装置の保温筒では、Ｃ／Ｃ複合材を割れにくくすることができるため、保温筒のライフを長くすることができる。
【００１９】
Ｃ／Ｃ複合材において、全周にわたって周期的な起伏が規則的に繰り返されているようにするためには、以下のような処理を行えばよい。図５（ａ）乃至（ｃ）は本発明の本実施の形態のＣ／Ｃ複合材の筒状部の加圧成形工程を示す断面図であり、（ａ）は起伏が形成される前のプリフォーム、（ｂ）は起伏が形成されたプリフォーム（成形前）、（ｃ）は、起伏が形成されたプリフォームの成形後（成形体）を示す。図１１（Ａ）〜（Ｅ）に示すような、筒型の抄造用金型を用いて抄造を行い成形体を得る方法が挙げられる。プリフォームの製造方法は、どのような方法でもかまわず特に限定されない。図１１（Ａ）から（Ｅ）に示す抄造法に基づいて説明する。（Ａ）は水に炭素繊維、バインダを分散した図、（Ｂ）は炭素繊維、バインダを凝集させフロックを形成した図、（Ｃ）は凝集したフロックを抄造しプリフォームを形成する図、（Ｄ）は得られたプリフォームを成形する図、（Ｅ）はバインダが熱硬化した成形体（Ｃ／Ｃ複合材６０）を示す。図１１（Ａ）〜（Ｅ）のような抄造法を用いることができるが詳細は後述する。
【００２０】
本実施の形態では成形体を得る過程で成形の前にプリフォームの外側面に中心軸ｏに対して平行な波板状の起伏部すなわち凹凸になるように起伏を形成する。図５（ａ）に示すようなプリフォームに、図５（ｂ）に示すように、プリフォームの外側面が中心軸ｏに対して平行な波板状の起伏部すなわち凹凸になるように起伏を形成する。さらにプリフォームを被覆部材で覆いオートクレーブなどを用いて成形する。この場合、プリフォームの内側面は、その内径とほぼ同一の内芯によって拘束されているため、凹凸は形成されない。一方、プリフォームの外側面ではプリフォームは大きく収縮するのに対し、被覆部材は気泡を含んでいないため、体積収縮はほとんどない。従って、収縮差によって被覆部材に弛みが生じるようになり、弛みはプリフォームに形成された起伏を大きくするように働き、プリフォームに形成された凹凸がそのまま成形される。
【００２１】
このようにしてプリフォームが収縮する際に所定の位置に起伏（凹凸）が形成され、起伏が周方向に規則的に繰り返された成形体が得られる。図５（ｃ）は、成形後の状態を示す模式図である。
【００２２】
すなわち、プリフォームは外径が小さくなるように圧縮成形されて、成形体となる。このときに外径が小さくなった分、外表面が余剰になり弛みができる。この弛みは成形体の外表面のしわとなる。
【００２３】
本実施の形態では、しわがあらかじめ決まられた箇所、数の多数の周期的な起伏を形成しているため、起伏が広く浅く分散し、深いノッチを形成することがなく欠陥の無い高強度のＣ／Ｃ複合材を得ることができる。
【００２４】
なお、被覆部材は、どのような材質を用いてもよい。ポリプロピレン、ポリエステルフィルムなどの非弾性体の樹脂、天然ゴム、シリコーンゴムなどの弾性体の樹脂などどのような材質でも良い。弾性体の樹脂を用いる場合には成形時にプリフォームの体積収縮に合わせてフィルム（被覆部材）が収縮しないよう張力をかけずにプリフォームを被覆することが好ましい。弾性体の樹脂からなるフィルム（被覆部材）に張力をかけずに弛ませることにより、成形の過程でプリフォームの表面を被覆する被覆部材が余剰になりプリフォームに形成された起伏を成長させることができる。弾性体の樹脂からなるフィルム（被覆部材）に張力をかけて被覆しプリフォームを成形した場合には、弾性体フィルムが凹凸の頂部を圧縮し、プリフォームに形成された凹凸を無くしてしまうため、凹凸の形成を制御できず一部分に大きなしわを形成し欠陥を形成させてしまう。
【００２５】
なお、図７（ａ）乃至（ｃ）に示すように、Pオートクレーブ(図示せず)で成形する際に、成形体を覆う被覆部材として、しわを有するバギングフィルム２４を用い、転写により予め凹ませる箇所のしわＳを寄せておいてもよい。図７（ａ）乃至（ｃ）は本発明の実施の形態１のＣ／Ｃ複合材の筒状部の成形加圧工程の変形例を示す。（ａ）起伏が形成される前のプリフォーム、（ｂ）は凹凸を有する被覆部材で覆った状態、（ｃ）は起伏が形成された成形体を示す。加圧初期段階は、プリフォームを加熱するとプリフォームが軟化し、プリフォームの収縮にほとんど圧力を必要としないため、容易に凹みを形成することができる。また成形時にプリフォームの体積は大きく収縮するのに対し、バギングフィルムはプリフォームの収縮に対してほとんど体積収縮しないため、バギングフィルムは収縮する過程でしわが深くなり、プリフォームはしわを元に僅かな凹みから図７（ｃ）に示すように、ジグザグ状の凹凸まで形成される。
【００２６】
加圧あるいは、内圧の減圧に先立ち、図８に示すようにプリフォーム１０１Ｐの外表面に冶具（圧子）Ｚを用いて凹凸を形成しておくようにしてもよい。図８に本発明の実施の形態１のＣ／Ｃ複合材の筒状部に起伏を形成する断面図を示す。プリフォームが抄造体である場合には、プリフォームが柔らかい状態、例えば、乾操に先立ち、凹部Ｒを形成すると容易に形成することができる。このように、炭素繊維の配向で得られた小さく多数の凸状部が筒状部の周方向に規則的に繰り返されたＣ／Ｃ複合材を得るためには、他の方法を用いてもよいことはいうまでもない。
【００２７】
上記で説明したとおり、本実施の形態では、抄造法でプリフォームを得ている。そのため炭素の繊維長が短く、Ｃ／Ｃ複合材成形後の弾性率を小さくすることができる。例えばＣ／Ｃ複合材をシリコン単結晶引き上げ装置の保温筒に使用した場合、黒鉛部材とＣ／Ｃ複合材がシリコン融液などで接着されても、黒鉛、Ｃ／Ｃ複合材にかかる応力を小さくすることができる。
【００２８】
本実施の形態１のＣ／Ｃ複合材で用いる炭素繊維は、特に限定されるものではない。たとえばＰＡＮ系、ピッチ系炭素繊維のいずれでも利用可能である。中でもＰＡＮ系炭素繊維は、低弾性であるため、熱応力や、部分的に表面がＳｉＣなどに反応し、反応生成物が析出した場合にも内部応力を蓄えにくい。このため、破壊に至るのを防ぐことができ、シリコン単結晶引き上げ装置の保温筒などに好適に利用することができる。
【００２９】
なお、本発明のＣ／Ｃ複合材は、しわ加工をすることで、プリフォームの外側面に起伏（凹凸）を有する成形体を形成した後、研磨などの方法により加工し、起伏を除去し平滑な表面を持つようにしてもよい。この場合も炭素繊維が表面に沿って配向した小さな凸状部が回転体の周方向に多数規則的に繰り返された成形体が得られ、欠陥の少ない成形体を得ることができる。
【００３０】
このＣ／Ｃ複合材の素材すなわちプリフォームについては、炭素繊維を抄造して得られる抄造方式の他に炭素繊維フェルトを幾重にも重ねたシートワインディング方式等、後に成形して、Ｃ／Ｃ複合材の密度を上げるものであれば、種々の方式を用いた形成方法が適用可能である。
本実施の形態では、フロックの形成を経る抄造法を用いて形成する。フロックとは、ランダムに配向した炭素繊維とバインダとが均一に分散した凝集体のことをいう。
プリフォームの形成を中心に以下に本実施の形態のＣ／Ｃ複合材の製造方法について詳述する。
【００３１】
本発明の実施の形態１の、Ｃ／Ｃ複合材は、筒状部１０１により構成されている。この筒状部１０１からなるＣ／Ｃ複合材について、図９に基づいて説明する。
図９（ａ）は、本実施の形態１の筒状部１０１を構成するＣ／Ｃ複合材１００の斜視図である。そして図９（ｂ）乃至（ｄ）は、図９（ａ）の断面図、断面図の要部拡大図、更なる要部拡大図である。図９（ｃ）および（ｄ）に示すように、このＣ／Ｃ複合材１００において、炭素繊維１はまとまって存在した薄片体３を形成している。薄片体は、フロックが成形されることにより形成される。本実施の形態の成形体はこの薄片体３の積層体により構成されており、抄造工程で基本となる形状を持つプリフォームを形成し、皺加工および焼成加工を経て得られるものである。
この構成によれば、薄片体３は、落ち葉がランダムに積み重なるように積層されているため、薄片体の端部が成形体としてのＣ／Ｃ複合材６０中の多くの箇所に分散される。これにより、構造的に弱い部分となり剥離やクラックの原因となる炭素繊維の集合体の境界が存在しにくくなる。そして炭素質マトリックス２が、この薄片体３を構成する炭素繊維１間に介在し、炭素繊維間を固定するように充填されている。このようにして、薄片体３の境界が分散される。したがって、組成が均一な連続体を構成している状態となるため均一で応力歪の小さい成形体を得ることができる。そのため高温下でも残留応力が極めて小さいため、耐熱性が高く、高強度の３次元形状のＣ／Ｃ複合材を提供することができる。
【００３２】
本実施の形態では、この炭素繊維１は直線状繊維からなる。本発明のＣ／Ｃ複合材は、後述するように、炭素繊維とバインダとを液体中で凝集させてフロックを形成し、このフロックを積層（抄造）してプリフォームが形成される。炭素繊維１が直線状繊維であることにより、後述するフロックの積層工程（抄造時）においてフロックを金型で濾過する際に、既に金型の表面に形成されている下層のフロックに炭素繊維が突き刺さりやすい。したがって、Ｃ／Ｃ複合材の曲面方向に対して垂直な方向（厚さ方向）の接合強度が得やすくなる。本実施の形態において「直線状繊維」とは、実質的に屈曲部を有しない繊維をいい、針状の繊維であることが好ましい。
【００３３】
本実施の形態では、炭素質マトリックス２が、この薄片体３を構成する炭素繊維１間に介在し、炭素繊維間を固定するように充填され構成されている。さらにこの薄片体３は、落ち葉がランダムに積み重なるように積層されているため、薄片体の端部がＣ／Ｃ複合材の内部の多くの箇所に分散されて存在する。これにより、構造的に弱く剥離あるいはクラックの原因となる薄片体の境界が細かく分散される。
そのため、見かけ上均質（組成が均一）な欠陥の無いＣ／Ｃ複合材を得ることができる。このような構造を有しているので、高温下でも、耐熱性が高く、高強度のＣ／Ｃ複合材を得ることができる。
【００３４】
本実施の形態では、薄片体の平均長径は、１〜１０ｍｍであることが好ましく、２〜５ｍｍであることがさらに望ましい。薄片体の平均長径が１．０ｍｍ未満であると、対応するフロック片の大きさが小さくなるため、抄造時の、通水抵抗が大きくなり易く、厚肉のＣ／Ｃ複合材を得にくくなる。一方薄片体の平均長径が１０ｍｍを超えると、後述する製造工程において、薄片体の素となるフロックを積層する際に、繊維とバインダの凝集し易さが異なることからフロックの中心部とフロックの周辺部とで偏析が起こり易くなる。このため、薄片体内部のバインダ成分も偏析し易くなる。また、薄片体の平均長径が１０ｍｍを超えると、後の成形・硬化でバインダが溶けても十分に流動できず偏析が解消されにくくなる。この結果、バインダの希薄な部分ができ、その箇所を基点としたクラックが発生しやすくなり、Ｃ／Ｃ複合材の強度が低下するおそれがある。
本実施の形態において、薄片体の平均厚さは、０．０５〜１．０ｍｍであることが好ましく、０．１〜０．５ｍｍであることがさらに好ましい。薄片体の平均厚さが０．０５ｍｍ未満であると、対応するフロックの大きさが大きくなり、通水抵抗が大きくなり易く厚肉のＣ／Ｃ複合材が得られにくくなる。薄片体の平均厚さが１．０ｍｍを越えると、薄片体端部に空洞が出来、空洞周辺に応力集中が生じ易くなり、Ｃ／Ｃ複合材の強度が低下するおそれがある。薄片体は、Ｃ／Ｃ複合材表面から一枚ずつであれば、薄い刃物を用いて剥がすことが出来るため、薄片体の厚さ、長径は直接測定することができる。
【００３５】
本発明において炭素繊維の配向とは、炭素繊維の方向が特定の方向に偏っている状態をいい、必ずしもすべての繊維が同一方向に揃っている状態を示すものではない。
【００３６】
本実施の形態のＣ／Ｃ複合材は、プリフォームにおける薄片体の積層方向（成形体の厚さ方向）に隣接する薄片体をつなぐ炭素繊維成分を含むことが望ましい。また、炭素繊維１のＣ／Ｃ複合材の厚さ方向の配向成分が成形体の厚さ方向に連続的に存在することが望ましい。上記のように、既に形成されているフロックに直線状の炭素繊維が突き刺さるように積層していく。そのためフロックの境界であっても炭素繊維が突き刺さっているため、Ｃ／Ｃ複合材の厚さ方向の配向成分が連続的に形成される。これによりＣ／Ｃ複合材の厚さ方向に垂直な方向にフロックの界面が存在しにくくなり剥離しにくいＣ／Ｃ複合材を得ることができる。
【００３７】
本実施の形態の炭素繊維は平均繊維長が１．０ｍｍ未満であることが望ましい。平均繊維長が１．０ｍｍ以上であると、抄造時に炭素繊維どうしが絡まり合い、炭素繊維が互いに反発するため嵩密度の高い抄造体を形成しにくい。プリフォームである抄造体の嵩密度が低い場合には、オートクレーブなどで成形を行うと圧縮 の過程で発生するしわが多くなり，しわの発生が制御しにくくなる。このため本発明の実施の形態の特徴である、頂部が回転体の中心軸方向に延びた波板状の周期的な起伏を形成しにくくなる。炭素繊維の平均繊維長が１．０ｍｍ未満であれば、プリフォームの内部に空隙ができにくく、抄造時に、より嵩密度の高いプリフォーム（抄造体）を得ることができるため、オートクレーブで成形する際に圧縮率を低くすることができる。圧縮率とは、（成形前の体積）／（成形後の体積）をさす。このように、プリフォームの圧縮率を低くすることができるので、しわの発生を制御し易くなり、本発明の実施の形態の特徴である頂部が回転体の中心軸方向に延びた波板状の周期的な起伏を有するＣ／Ｃ複合材を得ることができる。
【００３８】
また、炭素繊維の平均繊維長が１．０ｍｍ未満であれば直線状繊維となりやすく、抄造する際に既に形成されている下層のフロックに突き刺さりやすくなる。炭素繊維はフロックに突き刺さることにより成形体の厚さ方向の接合強度が得やすくなる。
【００３９】
炭素繊維の平均繊維長は、０．０５ｍｍ以上が望ましい。炭素繊維の平均繊維長は０．０５以上０．５ｍｍ未満が更に望ましい。炭素繊維の平均繊維長が０．５ｍｍ未満であれば、Ｃ／Ｃ複合材の厚み方向の強度をより強くすることができる上に、プリフォームの抄造時に短い繊維は高い密度で充填されやすいため、特にフロックの積層時の密度を高めることができる。そのためプリフォームの、成形時の圧縮率を小さくすることができる。炭素繊維の平均繊維長が０．０５ｍｍ以上であると、繊維とバインダとの充分な接着力が得られ、繊維が引き抜かれにくくなり、高強度の成形体を得ることができる。
【００４０】
なお、単に炭素繊維の短繊維（例えば１〜１０ｍｍ）を使用し、フロックの生成を経ることなく目の細かな型を用いて抄造した場合には、炭素繊維の絡まりが少なくなる。このため高密度の抄造体を得ることができるが、薄い抄造体が形成された段階で炭素繊維を分散させる液体（水）の通過抵抗が大きくなるため、それ以上抄造が困難になる。そのため、厚く高密度の抄造体を得ることが困難である。これに対し、本発明は、フロックを形成することで、目詰まりをなくし、効率よく薄片体を積層することで、高密度で厚い抄造体を形成する。そして、得られた高密度の厚い抄造体を圧縮することで、Ｃ／Ｃ複合材を得ることができる。
【００４１】
炭素繊維の平均繊維径は、１〜２０μｍが好ましい。また、炭素繊維のアスペクト比は１０〜１０００が好ましい。炭素繊維の平均繊維径及びアスペクト比がそれぞれ上記範囲であれば炭素繊維長に対して充分に炭素繊維径を細くすることができ、繊維がマトリックスから引き抜かれにくくなるため、高強度を得ることができる。
【００４２】
炭素繊維としては、ピッチ系炭素繊維、ＰＡＮ系炭素繊維のどちらも好適に使用することができる。ＰＡＮ系炭素繊維は、ピッチ系炭素繊維に比べて弾性率が低いため、例えば単結晶引き上げ装置用のるつぼ、保温筒、ルツボ受け皿、ヒーター等の柔軟性が必要な用途に好適に使用することができる。ピッチ系炭素繊維は弾性率がＰＡＮ系炭素繊維に比べ高いため、蒸着装置の基板支持プレート、搬送アームなど、撓みを抑えたい機械部品等の構造部材に好適に使用することができる。
【００４３】
本実施の形態のＣ／Ｃ複合材は、嵩密度が１．２ｇ／ｃｍ３〜１．８ｇ／ｃｍ３であることが好ましい。Ｃ／Ｃ複合材の嵩密度が１．２ｇ／ｃｍ３未満であれば、Ｃ／Ｃ複合材の空隙が多くなるためマトリックスによる炭素繊維の接合が密になりにくくなる。そのため、炭素繊維が脱離しやすくなる。このため、緻密でより高い強度のＣ／Ｃ複合材を得ることができる。嵩密度が１．８ｇ／ｃｍ３を超えると、脱脂あるいは焼成時に発生するガスにより、気泡ができやすくなり、剥離、膨れが出来、欠陥部分となる。
本実施の形態のＣ／Ｃ複合材は、厚さが２０ｍｍ以上の湾曲した形状であっても高強度のＣ／Ｃ複合材を容易に形成することができる。一旦、炭素繊維とバインダとを含むフロックを形成して、抄造法により金型に堆積させて、フロックが積層したプリフォームを成形するため、肉厚のプリフォームが得られやすく２０ｍｍ以上の肉厚のＣ／Ｃ複合材を容易に得ることができる。
【００４４】
以下、本発明の実施の形態１のＣ／Ｃ複合材の製造方法について説明する。図１０は本実施の形態のＣ／Ｃ複合材の製造工程フローを示す図である。
まず、工程（Ｓ１）として、プリフォームを形成する。ここでプリフォームの形成方法としては、フロックを形成して抄造し厚いプリフォームを得る抄造法、抄造し紙状の薄いシートを得た後積層する抄造シート積層法のほか、図１２に示すように乾式あるいは湿式でフェルトを形成して積層するフエルト積層法などを変形例として用いることも可能である。
【００４５】
次に、工程（Ｓ２）として、表面に周期的な起伏（凹凸）を形成する。起伏（凹凸）の形成方法としては、プリフォームにあらかじめ凹凸を形成し、オートクレーブで圧縮する方法、圧子とともに圧縮するなどの方法も利用可能である。
【００４６】
次に、工程（Ｓ３）および工程（Ｓ４）として、凹凸の形成されたプリフォームを成形（Ｓ３）して硬化（Ｓ４）させる。ここで成形と硬化はそれぞれ別におこなってもよいし同時に行ってもよい。
【００４７】
そして、工程（Ｓ５）および工程（Ｓ６）として、成形・硬化されたプリフォームを脱脂（Ｓ５）して焼成（Ｓ６）する。また、脱脂、ピッチ含浸、脱脂、焼成を順で行ってもよい。さらに含浸、脱脂は繰り返し行ってもよい。
【００４８】
以下、本発明の実施の形態１のＣ／Ｃ複合材の製造方法について詳細に説明する。図１１（Ａ）から（Ｃ）は本実施の形態のＣ／Ｃ複合材形成工程におけるプリフォームの製造工程を示す概要図を示し、図１１（Ｄ）から（Ｅ）は、プリフォームを加圧成形する工程を示す概要図である。また、（Ａ）は水に炭素繊維、バインダを分散した図、（Ｂ）は炭素繊維、バインダを凝集させフロックを形成した図、（Ｃ）は凝集したフロックを抄造したプリフォームを形成する図、（Ｄ）は得られたプリフォームを成形する図、（Ｅ）はバインダが熱硬化した成形体の図を示す。
図１１（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、炭素繊維１と、炭素質マトリックスの前駆体成分であるバインダとを液体中に懸濁させた後に凝集剤を加え、炭素繊維１とバインダとを凝集させてフロック５を形成する。炭素繊維１は、はじめ図１１（Ａ）に示すように液体中に分散してスラリーを形成するが、時間の経過と共に図１１（Ｂ）に示すように凝集してフロック５を形成する。
【００４９】
次に、図１１（Ｃ）に示すように、フロック５が形成された液体を、多孔状型面２１を有する金型２０で濾過する。多孔状型面２１は側面に多数の開口２１Ａを有する。これにより、多孔状型面２１の表面にフロック５を積層し、フロック５の積層体を形成する。
本実施の形態におけるＣ／Ｃ複合材の製造方法では、従来のように炭素繊維が懸濁したスラリーを直接濾過（抄造）するのではなく、一旦炭素繊維をバインダと共に凝集させてフロックを形成し、フロックを濾過（抄造）することを特徴とする。これにより、多孔状型面２１へのフロック５の積層が進行しても、フロック５の間を液体が透過することができる。そのためフロックは、液体の透過を遮りにくく、厚いフロック５の積層体を容易に得ることができる。また、図９（ｃ）に拡大して示すように、水の通過抵抗が大きくならないよう多孔状型面２１の開口２１Ａより炭素繊維１の平均繊維長が小さい場合であっても、フロック５を開口２１Ａより大きく形成することができる。したがって、スラリーの濾過の際に炭素繊維１が開口２１Ａを通過することなく、フロック５の積層体を形成することができる。得られたフロック５の積層体をプリフォーム５０として用いる。
【００５０】
このあとは図１０の工程Ｓ２およびＳ３として、図５乃至図８に示すように、Ｃ／Ｃ複合材の周方向に周期的な起伏を形成しながらフロック５の積層体を加圧する。これにより、炭素繊維１は、炭素繊維の凸状の配向が成形体の周方向に規則的に繰り返され、頂部が前記回転体の中心軸方向に延びた波板状の周期的な起伏をもつプリフォーム１０１Ｐが得られる。そしてフロック５は薄片化して、薄片体前駆体６となる。このようにして、プリフォーム１０１Ｐを形成する。
【００５１】
そして、図１０（Ｓ４）に示すように、薄片体前駆体の積層体からなるプリフォーム１０１Ｐを硬化する。成形体の硬化工程は、プリフォームの成形時に十分に加熱すれば成形工程と同時に行うことができる。
次にバインダを炭化するために脱脂（Ｓ５）を行う。これにより、バインダ４を炭化して、炭素質マトリックス２が生成される。
さらに焼成（Ｓ６）を行うことにより、炭素質マトリックスの結晶化を進行させ、本発明のＣ／Ｃ複合材１００を得ることができる。
【００５２】
次に、本発明の実施の形態１のＣ／Ｃ複合材の製造方法において、図１０のＣ／Ｃ複合材の製造方法の工程フロー図に基づいて各工程について下記に詳しく説明する。
【００５３】
［プリフォーム形成工程（Ｓ１）］
炭素繊維は、前処理として、使用目的に応じて調整を行う。例えば釣り竿または航空部品などに用いられる炭素繊維強化プラスチック（以下「ＣＦＲＰ」とも称する）用の炭素繊維の表面にはサイジング剤などの被膜が形成されているため、プリフォームの抄造時に水に分散しにくくなる。このため炭素繊維はサイジング剤などの被膜のないものを選択するか、不活性ガス雰囲気あるいは還元性雰囲気下で熱処理しサイジング剤などを除去する必要がある。なお、ＣＦＲＰの製造の過程で発生する端材を使用しても良い。このようなサイジング剤などの被膜は５００℃以上に熱処理することで除去することができる。次に炭素繊維の平均繊維長を１．０ｍｍ未満となるようにする。炭素繊維の平均繊維長が１．０ｍｍ未満であれば前述したように、フロックの積層体（抄造体）段階での成形体の嵩密度を高め、成型時のしわの発生を制御し易い。従って、成形体の強度の弱い部分の発生をおさえることが出来る。また成形体の厚さ方向の接合強度が得られるようになり、剥離しにくい高強度の成形体を得ることができる。平均繊維長が１．０ｍｍ未満の炭素繊維は、市販の炭素繊維、ＣＦＲＰの製造の過程で発生するクロス、又はストランド等の端材を粉砕することにより得ることができる。なお、炭素繊維の粉砕は、水中に分散しミキサを使用して均一に粉砕することができる。ここでサイジング剤を除去する熱処理は、有機物から発生する炭化水素ガス、水素などの還元性ガス、窒素ガス、Ａｒガスなどの不活性ガスの雰囲気で行うことができる。
【００５４】
［フロック形成工程］
フロックを調製するにあたり、液体としては水を使用することが望ましい。大量の液体を使用するために有機溶媒などに比べ水は安全に使用できる上に、排液の処理が容易であるからである。
炭素質マトリックスの前駆体成分からなるバインダ（以下、「第１バインダ」とも称する。）としては炭素繊維を懸濁する上記液体に不溶で、炭化する物であればどのような物でも利用することができる。第１バインダは、粉状であることが好ましく、第１バインダの粒子径は３〜１００μｍであることが好ましい。第１バインダが粉状であれば、炭素繊維間の空隙に均一に分散し、第１バインダの偏析を起こりにくくすることができる。このため、後に第１バインダが溶融し炭素繊維表面に付着した場合に、成形体中に大きな空洞ができることない。そのため、高強度のＣ／Ｃ複合材を得ることができる。第１バインダとしては、例えば、ピッチ、フェノール樹脂、フラン樹脂、又はイミド樹脂などの熱硬化性樹脂から選ばれる１種以上を好適に利用することができる。フェノール樹脂としては、例えば、エアウォーター社製ベルパール（登録商標）Ｓ８９０を好適に利用することが出来る。ベルパールは、粉末状のフェノール樹脂であり、表面に疎水性被膜が形成されているため、水中でも溶解することなく粒状を保っているので、炭素繊維と共に凝集することができる。
第１バインダの添加量は炭素繊維１００重量部に対し５０〜２００重量部が好ましい。第１バインダの添加量が５０重量部未満であると、炭素繊維を十分に縮合できず、第１バインダの添加量が２００重量部を超えると、脱脂、あるいは焼成時に発生するガスにより成形体中に気泡ができ易くなる。いずれの場合もＣ／Ｃ複合材の強度低下の原因となる。
【００５５】
本実施の形態で用いる凝集剤は、電荷の変化を利用して炭素繊維とバインダとを凝集できるものであればどのような物でもよい。凝集剤としては、炭素繊維のζ電位を±１０mV以下にできる物が望ましい。例えば無機凝集剤材、有機高分子凝集剤等が利用でき、具体的には有機高分子凝集剤のパーコール２９２（登録商標：アライドコロイド社製）等が好適に利用できる。有機高分子凝集剤は、分子量が大きいため、架橋作用もあり、大きなフロックを得ることができるため、好ましい。フロックが形成されると、炭素繊維で黒く着色したスラリーの状態から、透明な液体中に黒いフロックが浮遊する混合液の状態に変化する。
【００５６】
凝集剤の添加量としては、炭素繊維１００重量部に対しに対して０．０５〜５．０重量部が好ましい。凝集剤の添加量を上記範囲とすることにより崩れにくい良好なフロックを形成することができる。
また、多孔状型面の開口径の大きさは、特には限定されないが０．５〜１０ｍｍであることが好ましく、１〜３ｍｍがさらに好ましい。多孔状型面の開口径が０．５ｍｍ未満であると、炭素繊維が多孔状型面に目詰まりし易くなり水の通過抵抗が大きくなる。多孔状型面の開口径が１０ｍｍを超えると、多孔状型面の開口部に開口面積に負圧を乗じた吸引力が発生するため、本来通過しない大きさのフロックまでも吸引され通過してしまうことがある。フロックの大きさは、濾過に用いる多孔状型面の開口径と同等以上にすることが望ましい。フロックの大きさには分布があるので、直径の大きなフロックが型面に捕捉されると、多孔状型面へのフロックの堆積が開始する。多孔状型面の開口径よりもフロックの平均直径が大きく下回ると、フロックの大部分が型面を通過してしまいフロックが型面へ堆積することができない。混合液中におけるフロックの平均直径は０．５〜１０ｍｍが好ましく、１〜５ｍｍがより好ましい。フロックの大きさは凝集剤の量、凝集時間、撹拌の強さにより調節することができる。
【００５７】
フロックを形成する液体中にはさらに、第２バインダを添加することが好ましい。前記第１バインダ成分は、抄造段階では粉末状であるため、フロック積層した抄造体の形状を保持しにくい。第２バインダは、後に得られる抄造体の形状を、後の成形工程前まで保持するために添加する成分である。第２バインダとしてはフロックの積層体の形状を保持できればどのような物であっても構わない。フロックの積層体を形成する段階で炭素繊維と第１バインダとを、また炭素繊維同士を、物理的に結合させる作用を有する物であればどのような物でも良い。第２バインダとしては例えば粘性液体、有機繊維などが挙げられる。粘性液体としては、でんぷん、またはラテックスなどが好適に利用できる。ラテックスは、水に混合すると白濁し懸濁液となる。細かく分散したラテックスの液滴は、炭素繊維と第１バインダとを粘着作用により結合させる作用がある。有機繊維としてはパルプなども好適に利用できる。パルプは水との親和性がよく、炭素繊維と絡み合って、炭素繊維と第１バインダとを結合させる作用を有する。第２バインダとして粘性液体を用いた場合の一例として、図１１（Ｄ）に拡大図を示す。この場合、炭素繊維１と第１バインダ４の間に第２バインダ７ａが、炭素繊維１間に第２バインダ７ｂが介在することで、プリフォーム５０（図８では１０１Ｐ）の形状が保持されている。
【００５８】
なお、フロックの形成にあたり、上記炭素繊維、第１バインダ、凝集剤及び第２バインダの添加順序は特に制限はなく、これらを同時に液体中に添加しても順次添加してもよい。均一かつ安定にフロックを形成する観点から下記順序で調製することがより好ましい。
ａ）水に炭素繊維を投入し撹拌しながら分散させる。撹拌が強すぎると気泡ができるので撹拌の強さを調製する必要がある。撹拌手段はプロペラシャフト型あるいはパドル型等を用いることができる。炭素繊維の攪拌時間は３分前後が好ましい。
ｂ）次に第1バインダを加え、第１バインダが分散するまで攪拌する。攪拌時間は０．５〜５分間が好ましい。
ｃ）次に第２バインダを加え、第２バインダが分散するまで攪拌する。攪拌時間は０．５〜５分間が好ましい。
ｄ）最後に凝集剤を加える。撹拌が少ないと凝集剤が混ざらず、撹拌しすぎると形成されたフロックが壊れてしまう。そのためフロックの出来具合を確認しながら撹拌時間を調整する。攪拌時間は２０〜３０秒が好ましい。
【００５９】
［フロックの積層体（プリフォーム）形成工程］
こうして形成されたフロック５を含む液体中に金型２０を浸漬する。
金型２０は、図１１（Ｃ）に示すように、円筒形状の多孔状型面２１と、減圧室２２とを備えている。多孔状型面２１には、開口２１Ａが設けられており、多孔状型面２１にのみフロックが積層される。減圧室２２は配管２３により吸引ポンプ（図示せず）と連結されている。したがって、吸引ポンプを作動させると、減圧室２２内の空気が排出され減圧状態となる。すると、金型２０の多孔状型面側にフロック５が吸引される。フロック５の大きさは、開口２１Ａよりも大きいため、フロック５は開口２１Ａを通過せず多孔状型面２１の表面に多孔状型面の面方向に連続した層として積層する。その際、フロック５は、既に形成された積層体に突き刺さるように積層する。積層したフロック５は、吸引力の影響で球形からやや扁平形状となり、フロック内の炭素繊維１の長手方向は多孔状型面２１の面方向に配向するようになる。一方、液体は開口２１Ａを通過し、配管を介して外部に排出される。こうして、プリフォーム５０を形成することができる。
【００６０】
多孔状型面２１は、液体を透過できる複数の開口を有する物であればどのような物で構成してもよく、構成部材としては、網、パンチングメタル、織布、又は不織布等が挙げられる。
【００６１】
また、吸引濾過の際、減圧はどのような物で行っても良い。空気の他液体も一緒に吸引されるので自吸式の渦巻きポンプ、又はアスピレータなどが好適に利用できる。
【００６２】
なお、濾過の方法としては、上記に示した吸引濾過の他に、加圧濾過、又は遠心濾過等の方法を採用してもよい。加圧濾過は、例えば、多孔状型面の外表面側を加圧ガスで加圧し、多孔状型面の外表面にフロックを積層させ、プリフォームを形成する方法である。遠心濾過は、例えば、内面に多孔状型面を設置した回転体の型の内部にフロックを含む混合液を供給し、回転体を回転させ、多孔状型面の内表面にフロックを積層させ、プリフォームを形成する方法である。
【００６３】
［乾燥工程］
次に、前記工程で得られたプリフォームに残存する水分を除去するために金型ごと乾燥を行う。抄造法で得られたプリフォームは乾燥する必要があるが、フェルト積層法では水分を含有しないので乾燥工程は必ずしも必要ではない。乾燥は水分を除去するために４０℃以上で行うことが好ましい。また、第１バインダの溶融硬化を防止するため、第１バインダの溶融温度以下で行うことが好ましい。例えば、第１バインダとしてベルパール（登録商標）を用いた場合は、７０℃前後で疎水性被膜が溶解することに鑑み、６０℃以下で通風しながら乾燥させることにより、容易に水分を除去することができる。
【００６４】
［起伏（凹凸）形成工程（Ｓ２）］
まずフロックの積層体からなるプリフォーム５０の外側面に、圧子からなる冶具を用いて、凹部を形成する。ここでプリフォームの外表面に凹部を形成する際、変形させ易くするために、プリフォームをあらかじめ加熱しておくことが好ましい。この加熱はプリフォームが軟化しさえすればよく、例えば、５０〜１２０℃で好適に行うことができる。フロックの積層体を加熱すれば５０℃以上であれば樹脂を十分に軟化させることができ、１２０℃以下であれば成形前に樹脂が硬化しない。
［成形工程Ｓ３］
図１１（Ｄ）に示すように、プリフォーム５０をバギングフィルム２４で覆い、オートクレーブ（図示せず）を用いて熱と圧力を加え成形し、成形体を得る。まずバギングフィルム２４内の空気を吸引し真空引きした後、圧力をかける。成形圧は１ＭＰａ以上が好ましい。成形圧が１ＭＰａ以上であれば、高い密度の成形体を得ることができる。特に、成形圧に上限はないが、熱を加えて第1バインダを軟化させているため、１０ＭＰａの圧力をかければ十分な成形体の密度を得ることができる。このとき、プリフォーム５０の金型２０面側を、支持材２５で支持しながら成形することが好ましい。支持材２５で支持することにより、加熱によりプリフォームが軟化し、変形することを防ぐことができる。ここで用いる支持材２５はプリフォームの形成工程（Ｓ１）で使用した金型２０とは異なり、多孔状型面を有さない、表面が平滑なものである。
【００６５】
［硬化工程（Ｓ４）］
熱硬化性樹脂である第１バインダを用いているので、上記加圧成形工程において十分に圧力を上げた後、加熱し、フロック内に含まれる熱硬化性樹脂を溶融硬化させることが好ましい。これにより、成形体が変形しないように形状を固定化させることができる。熱硬化性樹脂の硬化温度は、例えば一般に１５０℃以上で行うことが出来る。温度が高ければ高いほど熱硬化性樹脂の硬化が進行する。前記の成形工程をオートクレーブで行う場合等、成形工程で充分に加熱できれば、硬化工程は成形工程と同時に行うこともできる。硬化温度の上限は特にないが、２００℃の温度をかければ熱硬化性樹脂を十分に硬化させることができるため、この程度である。
【００６６】
［脱脂工程（Ｓ５）］
焼成工程の前に、成形体内部の有機成分を揮発させるために脱脂を行うことが好ましい。この脱脂工程を経て、第１バインダは炭化し、第２バインダはその大部分が分解し揮散する。このため、脱脂工程以降で結合作用を有するのは、第１バインダ成分を由来とする炭化物である。脱脂工程の後にピッチ含浸及び、樹脂含浸を行う場合には、成形体に含浸を行うための気孔を形成しておく必要があるので、５００℃以上で脱脂することが好ましい。脱脂が５００℃以上で行われれば、樹脂の炭化が充分に進行し、後の含浸工程で樹脂あるいはピッチの含浸される充分な大きさの気孔を形成することができる。脱脂温度の上限は、特に制限はないが、１０００℃の高温下に置くことで大部分の脱脂を完了させることができる。脱脂は、炭素繊維及び（第１）バインダが酸化するのを防ぐため、還元性雰囲気で行うことが好ましい。有機物から発生する炭化水素ガス、水素などを用いた還元性雰囲気のほか、窒素ガス、Ａｒガスなどを用いた不活性ガス雰囲気で行うことができる。
【００６７】
［含浸工程］
脱脂後の成形体の気孔内部に、樹脂、ピッチなどを含浸することによりＣ／Ｃ複合材６０を高密度化することが好ましい。脱脂後のＣ／Ｃ複合材６０をオートクレーブに入れ、真空引きした後に、オートクレーブ（図示せず）中に液状の樹脂又はピッチを導入し、浸漬した後圧力を加える。液状の樹脂は、水や有機溶媒で溶液にしたもの又は、熱を加え溶融した物でも良い。溶液に樹脂を用いる場合には、使用を繰り返しても重合が進みにくいので、安定して使用することができる。ピッチを用いる場合には、オートクレーブを軟化点以上に加熱して、ピッチを液状にして使用する。
含浸が終了した後、上記脱脂工程と同様に脱脂を行うことにより、より高密度の成形体を得ることができる。含浸工程はＣ／Ｃ複合材の密度を上げ高密度化することができるが、本発明の実施の形態のＣ／Ｃ複合材の成形において、必ずしも必要ではない。
【００６８】
［焼成工程（Ｓ６）］
成形体にさらに熱を加え焼成することにより、第１バインダは十分に炭化し、炭素質マトリックスとなる。焼成により本発明実施の形態のＣ／Ｃ複合材１００を得ることができる。
焼成工程においては、温度の上昇と共に支持材は熱膨張し、成形体は熱収縮する。焼成工程で発生する支持材２５と成形体との熱膨張差による応力を回避するため成形体から支持材２５を外し、焼成炉内で、非酸化性雰囲気で加熱することが好ましい。焼成工程の焼成温度は、１５００〜２８００℃が好ましく１８００〜２５００℃がより好ましい。焼成温度が１５００℃以上であれば、Ｃ／Ｃ複合材中の水素などの不純物を充分に除去できる。水素などの不純物が残留すると、Ｃ／Ｃ複合材を使用する際に炭化水素ガス等が発生する。Ｃ／Ｃ複合材を半導体製造装置などで使用する際に、Ｃ／Ｃ複合材から発生する炭化水素ガスが半導体に混入し、半導体の純度を低下させる。焼成温度が２８００℃以下であれば、Ｃ／Ｃ複合材の結晶化の進行を押さえることができ、Ｃ／Ｃ複合材の強度を維持することができる。このようにしてＣ／Ｃ複合材６０が得られる。
【００６９】
なお、Ｃ／Ｃ複合材６０の密度を高めるため、焼成工程の前に成形体への含浸工程を複数回繰り返しても良い。
【００７０】
そして、本発明の実施の形態のＣ／Ｃ複合材は、プリフォーム形成工程、起伏（凹凸）形成工程、成形工程、脱脂工程、含浸工程、焼成工程を経て、炭素繊維の凸状の配向が回転体の周方向に規則的に繰り返され、頂部が前記回転体の中心軸方向に延びた波板状の周期的な起伏を有することができる。この円筒状のＣ／Ｃ複合材１００は、炭素繊維の凸状の配向が周方向に規則的に繰り返されているため、大きなしわに起因する大きな凸状の配向部が形成されず、高強度のＣ／Ｃ複合材を得ることができる。
【００７１】
＜実施例＞
図１に示すような円筒状のＣ／Ｃ複合材を以下の工程で作製する。
［プリフォーム形成工程］
（１）炭素繊維の調整工程
平均繊維長１５０μｍ、平均繊維直径７μｍのＣＦＲＰ用のＰＡＮ系炭素繊維を準備する。ここでは、水への分散性を向上させるために繊維の表面に塗布されているサイジング剤を還元性雰囲気下５５０℃で焼成し除去する。この後、炭素繊維を水に分散させ、平均繊維長１５０μｍになるまでミキサで粉砕した後、脱水し乾燥させる。
【００７２】
（２）フロック形成工程
（ａ）前記炭素繊維調整工程で得られた炭素繊維を水に投入し撹拌しながら分散させた。撹拌は約３分間行う。
（ｂ）次に炭素繊維１００質量部に対し第１バインダとしてフェノール樹脂（エアウォーター社製「ベルパール」（登録商標）Ｓ８９０（２００質量部）を加え、上記（ａ）同様に１分間撹拌する。
（ｃ）次に第２バインダとしてラテックス（５質量部）を加え、上記（ａ）同様に１分間撹拌する。
（ｄ）さらに、凝集剤としてカチオン系凝集剤（アライドコロイド社製「パーコール（登録商標）２９２」）（０．３質量部）を加え、２０秒間撹拌し、フロックを形成する。
【００７３】
（３）抄造工程
フロックの形成された水を、外表面に開口１．０ｍｍの金網を備えた円筒形の型を用いて内側から吸引し、金網の表面にフロックを積層し、円筒形の積層体を形成する。開口１．０ｍｍの金網を用いているが、炭素繊維はフロックを形成しているため、金網を通過する炭素繊維はほとんど無い。そのまましばらく円筒形の積層体を放置し、重力で水分が除去されてから、乾燥機を用いて６０℃で乾燥させ、プリフォームを作製する。
【００７４】
［凹凸形成工程］
前記工程で得られたプリフォームの内側に、表面が平滑な円筒形の金型を挿入し、プリフォームを８０℃にあたため、図５（ｂ）に示したように、冶具を用いてあらかじめ起伏（凹凸）を形成する。
［成形工程］
更にプリフォームの表面を密閉フィルムで覆い、オートクレーブに入れ１５０℃の熱を加えながら加圧する。このとき回転体の中心軸が水平となるように横向きに成形した。加圧圧力は２ＭＰａで行う。
【００７５】
［硬化工程］
前記工程に引き続き、プリフォームをオートクレーブで最大圧力（２ＭPa）のまま２時間放置する。この工程により、第１バインダ（フェノール樹脂）を硬化する。
【００７６】
［脱脂工程］
前記硬化工程で得られた成形体の金型から外し、還元性雰囲気炉で加熱する。加熱は７０℃／ｈの昇温速度で、炉内の最高温度５５０℃となった時点で１時間保持し脱脂を行う。その後、室温（２５℃）まで放冷する。なおこの脱脂工程は、有機物から発生する炭化水素ガス、水素などを用いた還元性雰囲気で行う、窒素ガス、Ａｒガスなどを用いた不活性ガス雰囲気で行うこともできる。
【００７７】
［含浸工程］
脱脂工程までに、所望の嵩密度が得られていない場合には、更に含浸工程を行う。
本実施例では、脱脂後の成形体を２００℃に加熱したオートクレーブの中に入れ、真空引きした後に軟化点８０℃のピッチを流入し、４ＭＰａで加圧し、脱脂された成形体中にピッチを含浸する。
【００７８】
含浸された成形体は前記脱脂工程と同様の脱脂処理を行う。
【００７９】
［焼成工程］
脱脂された成形体（含浸された成形体も含む）は、焼成を行う。還元性雰囲気下で、１５０℃／ｈの昇温速度で加熱し、炉内の最高温度２０００℃となった時点で１５分保持して焼成を行う。その後室温（２５℃）まで放冷する。この焼成工程により、第１バインダから炭素質マトリックスを形成する。炭素質マトリックスの存在により、炭素繊維どうしの接着力が強まり、強度を発現することが出来る。このようにして、内直径１０００ｍｍ、高さ１０００ｍｍ、厚さ２５ｍｍのＣ／Ｃ複合材を得る。なお上記の還元性雰囲気は、成形体を焼成容器に詰め、成形体に含まれる有機物から得られる炭化水素ガスでパージすることによって得られる。また水素などの環元性ガスを用いる。あるいは、Ａｒや窒素などの不活性ガスを用いることもできる。
【００８０】
＜比較例１＞
実施例１において、凹凸を形成する工程を省略し、他の工程は前記実施例と同様に行う。
【００８１】
図１５に本比較例１で得られたＣ／Ｃ複合材の断面図を示す。実施例１のＣ／Ｃ複合材では、起伏が広く浅く分散し、大きなしわを形成していない。これに対し本比較例１で得られたＣ／Ｃ複合材の外表面は平滑な領域が大部を占めるが大きなしわの形成された領域が部分的に存在する。比較例１のＣ／Ｃ複合材の平滑な領域では構造的な欠陥はほとんど存在しないのに対し、大きなしわの形成された領域には深いノッチ（Ｎ）が形成される。そのためノッチが形成される部分はＣ／Ｃ複合材の強度を著しく低下させる。比較例１の成形工程では、回転体の中心軸が水平となるように成形したため、プリフォームを加熱したときに発生する外表面の弛みが重力によって下側に集まり、大きなしわが下側に発生した。
【００８２】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２のＣ／Ｃ複合材について説明する。本実施の形態２ではＣ／Ｃ複合材の製造方法における加圧工程のしわ加工の変形例について説明する。
図１３（ａ）乃至（ｃ）は本発明の実施の形態２のＣ／Ｃ複合材の製造方法のおける凹凸形成工程を示す説明図であり（ａ）はプリフォームを被覆部材で覆い圧子を配置した図、（ｂ）は圧子でプリフォームの周囲に起伏を形成する図、（ｃ）は成形により起伏が形成された成形体の図を示す。
図１３（ａ）に示すように、まず、加圧工程に先立ち、圧子Ｚをプリフォーム１０１Ｐを覆うバギングフィルム２４（被覆部材）の外側面全体に均一に配置し、バギングフィルム２４を圧子Ｚで押さえる。このとき、変形させやすくするため、プリフォームを加熱することが好ましい。例えば、５０〜１２０℃で好適に行うことができる。プリフォームの加熱が５０℃以上であれば樹脂を十分に軟化させることができ、プリフォームの加熱が１２０℃以下であれば成形前に樹脂が硬化することがない。そして、図１３（ｂ）に示すように、プリフォーム１０１Ｐに凹部を形成する。ここで２５は支持材である。このようにして図１３（ｃ）に示すように、プリフォームの外側面に波板状の周期的な起伏を有するＣ／Ｃ複合材を得ることができる。本実施の形態２のＣ／Ｃ複合材においても、外側面は、頂部が軸Ｏ方向に延びた波板状の周期的な起伏を有している。そして、Ｃ／Ｃ複合材の内側面側では炭素繊維１が内側面の長手方向に対して垂直な方向に沿って配向し、かつ炭素繊維は、外側面の起伏の傾斜に沿って配向している。
【００８３】
（実施の形態３）
次に本発明の実施の形態３のＣ／Ｃ複合材について説明する。本実施の形態３は、抄造法のプリフォームにしわを加工する変形例である。図１４（ａ）乃至（ｃ）は本発明の実施の形態３のＣ／Ｃ複合材の製造工程における凹凸形成工程を示す説明図であり、（ａ）は抄造後の湿ったプリフォームに圧子を配置した図、（ｂ）は凹凸が形成されたプリフォームの図、（ｃ）は凹凸の形成されたプリフォームが被覆部材で覆われ成形される図を示す。本実施の形態３において、抄造後のプリフォームは水分を含有しているため、熱することなく容易に外側面に起伏（凹凸）を形成することができる。抄造後のプリフォームに圧子Ｚを用いて凹凸を形成し、そのまま本発明の実施の形態１と同様に乾燥し凹凸の形成されたプリフォームを形成することができる。このようにして得られたプリフォームを本発明の実施の形態１と同様に成形、硬化、脱脂、焼成工程を経ることにより、本実施の形態３のＣ／Ｃ複合材を得ることができる。なお、この圧子を一部に選択的に形成してもよい。
【符号の説明】
【００８４】
１００ Ｃ／Ｃ複合材
１０１ 筒状部
１ 炭素繊維
２ 炭素質マトリックス
３ 薄片体
４ バインダ、第１バインダ
５ フロック
５０、１０１Ｐ プリフォーム
６０ Ｃ／Ｃ複合材（成形体)
７ 第２バインダ
２０ 金型
２１ 多孔状型面
２１Ａ 開口
２２ 減圧室
２３ 配管
２４ 被覆部材（バギングフィルム）
２５ 支持材
１００ｓ１ 内側面
１００ｓ２ 外側面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
曲面部を備えた回転体状のＣ／Ｃ複合材であって、
前記Ｃ／Ｃ複合材は、炭素繊維と、炭素質マトリックスとを含み、
前記Ｃ／Ｃ複合材の前記曲面部の内側面と外側面とが相対向し、
前記Ｃ／Ｃ複合材の前記外側面は、頂部が前記回転体の中心軸方向に延びた波板状の周期的な起伏を有し、
前記Ｃ／Ｃ複合材の前記内側面側では前記炭素繊維が前記内側面に沿って配向し、かつ
前記Ｃ／Ｃ複合材の前記外側面側では前記炭素繊維が、前記外側面の前記起伏の傾斜に沿って配向したＣ／Ｃ複合材。
【請求項２】
請求項１に記載のＣ／Ｃ複合材であって、
前記内側面と、前記外側面は、筒状体を構成するＣ／Ｃ複合材。
【請求項３】
請求項１に記載のＣ／Ｃ複合材であって、
前記外側面は、円錐体を構成するＣ／Ｃ複合材。
【請求項４】
曲面部を備えた回転体状のＣ／Ｃ複合材の製造方法であって、
炭素繊維と、炭素質マトリックスの前駆体成分とを含み、相対向する内側面と外側面とを有する曲面部を備えたプリフォームを形成する工程と、
前記プリフォームの外側面に周期的な起伏を形成する工程と、
前記プリフォームを、加圧する工程と、
前記加圧成形されたプリフォームを焼成する工程とを有し、
前記Ｃ／Ｃ複合材の前記曲面部の内側面と外側面とが相対向し、
前記Ｃ／Ｃ複合材の前記外側面が、頂部が前記回転体の中心軸方向に延びた波板状の周期的な起伏を有し、
前記Ｃ／Ｃ複合材の前記内側面側では前記炭素繊維が前記内側面に沿って配向し、かつ、
前記Ｃ／Ｃ複合材の前記外側では炭素繊維は、前記Ｃ／Ｃ複合材の前記外側面の前記起伏の傾斜に沿って配向したＣ／Ｃ複合材を製造することを特徴とするＣ／Ｃ複合材の製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載Ｃ／Ｃ複合材の製造方法であって、
前記起伏を形成する工程は、
前記プリフォームを被覆部材で被覆し、前記被覆部材を介して、前記外表面側に起伏を形成する工程を含むＣ／Ｃ複合材の製造方法。
【請求項６】
請求項４に記載Ｃ／Ｃ複合材の製造方法であって、
前記加圧する工程は、前記プリフォームを凹凸を有する被覆部材で被覆し、前記被覆部材の凹凸を前記外側面側に転写し、前記外側面側に起伏を形成する工程と同時に加圧する工程であるＣ／Ｃ複合材の製造方法。
【請求項１】
曲面部を備えた回転体状のＣ／Ｃ複合材であって、
前記Ｃ／Ｃ複合材は、炭素繊維と、炭素質マトリックスとを含み、
前記Ｃ／Ｃ複合材の前記曲面部の内側面と外側面とが相対向し、
前記Ｃ／Ｃ複合材の前記外側面は、頂部が前記回転体の中心軸方向に延びた波板状の周期的な起伏を有し、
前記Ｃ／Ｃ複合材の前記内側面側では前記炭素繊維が前記内側面に沿って配向し、かつ
前記Ｃ／Ｃ複合材の前記外側面側では前記炭素繊維が、前記外側面の前記起伏の傾斜に沿って配向したＣ／Ｃ複合材。
【請求項２】
請求項１に記載のＣ／Ｃ複合材であって、
前記内側面と、前記外側面は、筒状体を構成するＣ／Ｃ複合材。
【請求項３】
請求項１に記載のＣ／Ｃ複合材であって、
前記外側面は、円錐体を構成するＣ／Ｃ複合材。
【請求項４】
曲面部を備えた回転体状のＣ／Ｃ複合材の製造方法であって、
炭素繊維と、炭素質マトリックスの前駆体成分とを含み、相対向する内側面と外側面とを有する曲面部を備えたプリフォームを形成する工程と、
前記プリフォームの外側面に周期的な起伏を形成する工程と、
前記プリフォームを、加圧する工程と、
前記加圧成形されたプリフォームを焼成する工程とを有し、
前記Ｃ／Ｃ複合材の前記曲面部の内側面と外側面とが相対向し、
前記Ｃ／Ｃ複合材の前記外側面が、頂部が前記回転体の中心軸方向に延びた波板状の周期的な起伏を有し、
前記Ｃ／Ｃ複合材の前記内側面側では前記炭素繊維が前記内側面に沿って配向し、かつ、
前記Ｃ／Ｃ複合材の前記外側では炭素繊維は、前記Ｃ／Ｃ複合材の前記外側面の前記起伏の傾斜に沿って配向したＣ／Ｃ複合材を製造することを特徴とするＣ／Ｃ複合材の製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載Ｃ／Ｃ複合材の製造方法であって、
前記起伏を形成する工程は、
前記プリフォームを被覆部材で被覆し、前記被覆部材を介して、前記外表面側に起伏を形成する工程を含むＣ／Ｃ複合材の製造方法。
【請求項６】
請求項４に記載Ｃ／Ｃ複合材の製造方法であって、
前記加圧する工程は、前記プリフォームを凹凸を有する被覆部材で被覆し、前記被覆部材の凹凸を前記外側面側に転写し、前記外側面側に起伏を形成する工程と同時に加圧する工程であるＣ／Ｃ複合材の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図１０】
【図１１】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図５】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図１０】
【図１１】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図５】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−９６９５４（Ｐ２０１２−９６９５４Ａ）
【公開日】平成２４年５月２４日（２０１２．５．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２４５５２０（Ｐ２０１０−２４５５２０）
【出願日】平成２２年１１月１日（２０１０．１１．１）
【出願人】（００００００１５８）イビデン株式会社 (856)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月２４日（２０１２．５．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月１日（２０１０．１１．１）
【出願人】（００００００１５８）イビデン株式会社 (856)
【Ｆターム（参考）】
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