炭素繊維複合材料の製造工程

炭素炭素複合材料の概要

カーボン/カーボン(C/C)複合材料は、高い強度と弾性率、軽い比重、小さな熱膨張係数、耐食性、耐熱衝撃性、良好な摩擦耐性、良好な化学的安定性などの一連の優れた特性を備えた炭素繊維強化複合材料です。新しいタイプの超高温複合材料です。

C/Cコンポジット材優れた熱構造・機能一体型エンジニアリング材料です。他の高性能複合材料と同様に、繊維強化相と基本相から構成される複合構造です。違いは、強化相と基本相の両方が特別な特性を持つ純炭素で構成されていることです。

カーボン/カーボン複合材料主にカーボンフェルト、カーボンクロス、補強材としてのカーボン繊維、マトリックスとして蒸着カーボンなどで構成されていますが、構成要素はカーボンの1つだけです。密度を高めるために、炭化により生じた炭素にカーボンを含浸させたり、樹脂（またはアスファルト）を含浸させたりする、すなわち３つの炭素材料からなるカーボン／カーボン複合材料が挙げられる。

炭素炭素複合材料の製造工程

1) カーボンファイバーの選択

炭素繊維束の選択と繊維織物の構造設計が製造の基礎となりますC/Cコンポジット。 C/C コンポジットの機械的特性と熱物理的特性は、繊維の種類と、糸束の配置方向、糸束の間隔、糸束の体積含有率などの織物製織パラメーターを合理的に選択することによって決定できます。

2) 炭素繊維プリフォームの作製

炭素繊維プリフォームとは、高密度化プロセスを実行するために、製品の形状と性能要件に従って繊維の必要な構造形状に成形されるブランクを指します。予備成形された構造部品には、軟織り、硬織り、軟織りと硬織りの 3 つの主な加工方法があります。主な製織プロセスは、乾式糸製織、事前含浸ロッドグループ配置、微細製織穿刺、繊維巻き付け、および三次元多方向全体製織です。現在、C複合材料に使用される主な製織プロセスは、三次元全体の多方向製織です。製織プロセス中、織られたすべての繊維は特定の方向に配置されます。各繊維は、その方向に沿って一定の角度でオフセットされ、互いに織り合わされて生地を形成します。その特徴は、三次元多方向全体の織物を形成することができ、C/C 複合材料の各方向の繊維の体積含有率を効果的に制御できるため、C/C 複合材料が合理的な機械的特性を発揮できることです。あらゆる方向に。

3) C/C緻密化プロセス

緻密化の程度と効率は、主に生地の構造と基材のプロセスパラメータによって影響されます。現在使用されているプロセス方法には、含浸炭化、化学気相成長 (CVD)、化学気相浸透 (CVI)、化学液相成長、熱分解およびその他の方法が含まれます。加工方法には主に含浸炭化法と化学蒸気浸透法の2種類があります。

液相含浸・炭化

液相含浸法は設備が比較的簡単で応用範囲が広いため、C/C複合材料を製造する重要な方法です。炭素繊維からなるプリフォームを液体含浸剤に浸漬し、加圧することでプリフォームの空隙に含浸剤を十分に浸透させ、硬化、炭化、黒鉛化といった一連の工程を経て、最終的に得られるものです。C/Cコンポジット材料。欠点は、密度要件を達成するために含浸と炭化サイクルを繰り返す必要があることです。液相含浸法における含浸剤の組成と構造は非常に重要です。それは緻密化効率に影響を与えるだけでなく、製品の機械的および物理的特性にも影響します。液相含浸法によるC/C複合材料の製造においては、含浸剤の炭化収率の向上と含浸剤の粘度の低減が常に解決すべき重要な課題の1つであった。含浸剤の粘度が高く炭化収率が低いことが、C/C 複合材料のコストが高くなる重要な理由の 1 つです。含浸剤の性能向上により、C/Cコンポジット材料の生産効率の向上やコスト削減が可能となるだけでなく、C/Cコンポジット材料の諸特性も向上します。 C/Cコンポジット材料の酸化防止処理カーボン繊維は空気中で360℃で酸化が始まります。グラファイトファイバーはカーボンファイバーよりもわずかに優れており、その酸化温度は420℃で酸化が始まります。 C/C複合材料の酸化温度は約450℃です。 C/Cコンポジット材料は高温の酸化雰囲気下では非常に酸化しやすく、温度が上昇すると酸化速度が急激に速くなります。酸化防止策がなければ、C/C 複合材料を高温酸化環境で長期間使用すると、必然的に壊滅的な結果が生じます。したがって、C/Cコンポジット材料の酸化防止処理は、その製造工程において不可欠な部分となっています。酸化防止技術の観点からは、内部酸化防止技術と酸化防止コーティング技術に分けられます。

化学気相

化学蒸着 (CVD または CVI) は、ブランクの細孔にカーボンを直接堆積させ、細孔を埋めて密度を高めるという目的を達成します。堆積した炭素は黒鉛化しやすく、繊維との物理的適合性が良好です。含浸法のような再炭化時の収縮がなく、物理的・機械的性質が優れています。ただし、CVD プロセス中にブランクの表面にカーボンが堆積すると、内部細孔へのガスの拡散が妨げられます。表面に堆積した炭素は機械的に除去してから、新たな堆積を実行する必要があります。厚い製品の場合、CVD 法にも一定の困難があり、この方法のサイクルも非常に長くなります。