炭素繊維複合材料の製造工程

炭素-炭素複合材料の概要

炭素／炭素（C/C）複合材料高強度・高弾性率、軽量、低熱膨張係数、耐腐食性、耐熱衝撃性、優れた耐摩擦性、良好な化学的安定性など、一連の優れた特性を備えた炭素繊維強化複合材料です。これは、新しいタイプの超高温複合材料です。

C/C複合材料は、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なる複合構造です。違いは、強化相と基本相の両方が、特殊な特性を持つ純炭素で構成されている点です。

炭素／炭素複合材料主にカーボンフェルト、カーボンクロス、カーボンファイバーを補強材として、蒸着カーボンをマトリックスとして構成されていますが、構成要素は炭素のみです。密度を高めるために、炭化によって生成された炭素にカーボンを含浸させるか、樹脂（またはアスファルト）を含浸させます。つまり、カーボン/カーボン複合材料は3種類の炭素材料から構成されています。

炭素-炭素複合材料の製造プロセス

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は製造の基礎となる。C/C複合材C/C複合材料の機械的特性および熱物性値は、繊維の種類や、糸束の配置方向、糸束の間隔、糸束の体積含有量などの織物パラメータ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、緻密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たブランクを指します。プリフォーム構造部品の主な加工方法は、ソフト織り、ハード織り、ソフトとハードの混合織りの3つです。主な織りプロセスは、ドライヤーン織り、プリプレグロッドグループ配置、微細織り穴あけ、繊維巻き取り、および3次元多方向全体織りです。現在、C複合材料で使用されている主な織りプロセスは、3次元全体多方向織りです。織りプロセス中、すべての織り込まれた繊維は特定の方向に配置されます。各繊維は、それぞれ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織物を形成します。その特徴は、3次元多方向全体織物を形成できることであり、C/C複合材料の各方向の繊維の体積含有量を効果的に制御できるため、C/C複合材料はすべての方向で適切な機械的特性を発揮できます。

3) C/C緻密化プロセス

緻密化の程度と効率は、主に基材の組織構造とプロセスパラメータによって左右される。現在用いられているプロセス方法には、含浸炭化、化学気相成長法（CVD）、化学気相浸透法（CVI）、化学液相堆積法、熱分解法などがある。プロセス方法には、含浸炭化法と化学気相浸透法の2つの主要なタイプがある。

液相含浸炭化

液相含浸法は装置が比較的単純で適用範囲が広いため、C/C複合材料の製造において重要な方法である。この方法は、炭素繊維製のプリフォームを液状含浸剤に浸漬し、加圧によって含浸剤をプリフォームの空隙に完全に浸透させ、その後、硬化、炭化、黒鉛化などの一連の工程を経て、最終的にC/C複合材料を得るものである。C/C複合材料欠点は、密度要件を満たすために含浸と炭化の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。緻密化効率に影響するだけでなく、製品の機械的特性と物理的特性にも影響します。含浸剤の炭化収率を向上させ、含浸剤の粘度を低下させることは、液相含浸法によるC/C複合材料の製造において解決すべき重要な課題の1つです。含浸剤の高粘度と低炭化収率は、C/C複合材料の高コストの重要な理由の1つです。含浸剤の性能を向上させると、C/C複合材料の生産効率を向上させ、コストを削減できるだけでなく、C/C複合材料のさまざまな特性も向上します。C/C複合材料の抗酸化処理炭素繊維は空気中で360℃で酸化し始めます。グラファイト繊維は炭素繊維より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複合材料は高温の酸化雰囲気では非常に酸化しやすく、酸化速度は温度の上昇とともに急速に増加します。酸化防止対策を講じなければ、C/C複合材料を高温の酸化環境で長期間使用すると、必然的に壊滅的な結果を招くことになります。したがって、C/C複合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

化学気相成長法（CVDまたはCVI）は、ブランクの細孔に直接炭素を堆積させることで、細孔を埋めて密度を高めることを目的としています。堆積された炭素は黒鉛化しやすく、繊維との物理的適合性も良好です。含浸法のように再炭化時に収縮することもなく、この方法の物理的および機械的特性は優れています。しかし、CVDプロセス中にブランクの表面に炭素が堆積すると、ガスが内部の細孔に拡散するのを妨げます。表面に堆積した炭素は機械的に除去し、その後、新たな堆積サイクルを実行する必要があります。厚みのある製品の場合、CVD法には一定の困難があり、この方法のサイクルも非常に長くなります。