JP2008163535A - Carbon fiber composite structure and method for producing the carbon fiber composite structure - Google Patents

Carbon fiber composite structure and method for producing the carbon fiber composite structure Download PDF

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進 陳
Takayuki Tsukada
高行 塚田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a carbon fiber composite structure requiring no process of giving the carbon fiber a three-dimensional structure when producing a composite material. <P>SOLUTION: The carbon fiber composite structure can be produced by a first process, in which a carbon material is grown to be fibrous while the carbon material is grown in the circumferential direction of a catalyst particle to be used so as to obtain an intermediate of carbon fiber structure of three-dimensional network by using at least two or more carbon compounds having different decomposition temperature as a carbon source when heating the catalyst and a hydrocarbon mixture gas at a constant temperature of 800°C-1300°C, a second process, in which the obtained intermediate of the carbon fiber structure is soaked in an organic solvent solution of an organometallic compound or an aqueous solution of a metal salt and a surfactant, and then the used solvent is dried, and a third process, in which the intermediate of the carbon fiber composite is heated at 800°C-1,200°C after drying, and then annealed at 1,800°C-3,000°C. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、微細な炭素繊維構造体に関し、炭素繊維構造体の表面に金属微粒子および/または金属炭化物微粒子を有することによって、表面改質された炭素繊維構造体に関するものである。   The present invention relates to a fine carbon fiber structure, and more particularly to a carbon fiber structure whose surface is modified by having metal fine particles and / or metal carbide fine particles on the surface of the carbon fiber structure.

炭素繊維は優れた力学特性や高い導電性などの特性を有するため、合成樹脂、ゴム、セラミック、金属等複合材料にフィラー材として用いられている。特に炭素繊維集合体を三次元的構造とすることによって、機械的強度や導電性や熱伝導性を向上させることが報告されている。例えば、炭素繊維を600℃以上で熱処理し、絡み合った繊維の接点がタール、ピッチなどの炭化物によって固着されて接着された炭素繊維集合体を、マトリックスに配合することによって導電性や熱伝導性を向上させた複合材料を得ている(例えば、特許文献1参照)。また、繊維状炭素系物質と熱硬化性樹脂と易黒鉛化物質を含む組成物を易黒鉛化物質が黒鉛化する温度よりも低い温度で加熱して成形体とし、さらに成形体を焼成して機械的強度を向上させた焼結体を得ている。この場合、焼成工程によって易黒鉛化物質が黒鉛化する際に、繊維状炭素系物質同士を接合している(例えば、特許文献2参照)。   Since carbon fibers have excellent mechanical properties and high electrical conductivity, they are used as filler materials in composite materials such as synthetic resins, rubber, ceramics, and metals. In particular, it has been reported that the mechanical strength, electrical conductivity, and thermal conductivity are improved by making the carbon fiber aggregate into a three-dimensional structure. For example, carbon fiber aggregates, in which carbon fibers are heat-treated at 600 ° C. or higher and the contact points of the intertwined fibers are bonded and fixed by carbides such as tar and pitch, are added to the matrix to improve conductivity and thermal conductivity. An improved composite material has been obtained (see, for example, Patent Document 1). In addition, a composition containing a fibrous carbonaceous material, a thermosetting resin, and an easily graphitizable material is heated to a temperature lower than the temperature at which the easily graphitizable material graphitizes to form a molded body, and the molded body is further fired. A sintered body with improved mechanical strength is obtained. In this case, when the graphitizable material is graphitized by the firing process, the fibrous carbonaceous materials are joined to each other (for example, see Patent Document 2).

さらに炭素繊維集合体の三次元的構造は、含浸材料として合成樹脂、ゴム、金属、カーボン系材料が選択可能で、応用範囲が広いナノカーボンコンポジット材が報告されている。カーボンナノチューブと熱硬化性樹脂を混練し、乾燥して、所定の圧力、所定の温度で成形し、この成形体を加熱して樹脂分を炭化させ、ナノカーボンが炭素で三次元的に繋がった多孔質体を得ている。炭化工程後に各種含浸材料を含浸させてナノカーボンコンポジット材を得ている(例えば、特許文献3参照)。   Furthermore, as for the three-dimensional structure of the carbon fiber aggregate, synthetic resin, rubber, metal, and carbon-based materials can be selected as impregnation materials, and nano-carbon composite materials with a wide application range have been reported. Carbon nanotubes and thermosetting resin are kneaded, dried, and molded at a predetermined pressure and a predetermined temperature. This molded body is heated to carbonize the resin, and the nanocarbon is three-dimensionally connected with carbon. A porous material is obtained. A nanocarbon composite material is obtained by impregnating various impregnating materials after the carbonization step (see, for example, Patent Document 3).

以上の例では炭素繊維に三次元的構造を付与することによって、最終的に得られる複合材料の熱伝導性、導電性、機械的強度を向上させている。しかしこれらの報告では、例えば含浸材料である合成樹脂、ゴム、セラミックス、金属とカーボンナノチューブとの接着の重要性については言及されていない。   In the above example, by giving a three-dimensional structure to the carbon fiber, the thermal conductivity, conductivity, and mechanical strength of the finally obtained composite material are improved. However, in these reports, for example, the importance of adhesion between synthetic resin, rubber, ceramics, metal, and carbon nanotube, which are impregnated materials, is not mentioned.

カーボンナノチューブを含有する複合材料については、次のことが指摘されている(非特許文献1参照)。すなわち、機械的強度を発現させる際に重要なのがCNTとマトリックス材料との接着強度である。マトリックス材としては金属、セラミク、ポリマー、炭素などが考えられるが、CNTの欠陥の少ない表面構造が通常構造材料用複合材料に用いられるマトリックス金属などとのぬれ性を悪くする方向に働くと推定され、強度の高い複合材料を得るにはCNT表面を改質するか複合材料の調整法を工夫する必要がある。   About the composite material containing a carbon nanotube, the following is pointed out (refer nonpatent literature 1). That is, what is important in developing the mechanical strength is the adhesive strength between the CNT and the matrix material. The matrix material may be metal, ceramic, polymer, carbon, etc., but it is estimated that the surface structure with few defects of CNT works in the direction of worsening the wettability with the matrix metal normally used in composite materials for structural materials. In order to obtain a composite material with high strength, it is necessary to modify the CNT surface or devise a method for adjusting the composite material.

また、炭素繊維複合材料における界面構造は複合材料の性能への影響が重大であり、界面構造の制御が重要であることが一般的に知られている(非特許文献2参照)。   Further, it is generally known that the interface structure in the carbon fiber composite material has a significant influence on the performance of the composite material, and that the control of the interface structure is important (see Non-Patent Document 2).

炭素繊維の表面を金属で被覆する複合材料用炭素繊維の改質法が報告されている(例えば、特許文献4参照)。この文献において、マトリックス材料と炭素繊維の層間せん断強度を向上させる目的で、炭素繊維の表面にチタニウムアルコキシド類の溶液で皮膜を形成し、皮膜を130〜150℃、280〜300℃に加熱(実施例1)して、酸化チタニウム皮膜を形成している。この皮膜がマトリックス材料と炭素繊維の接着性を向上させ、層間せん断強度を向上させたとしている。   A method for modifying a carbon fiber for a composite material in which the surface of the carbon fiber is coated with a metal has been reported (for example, see Patent Document 4). In this document, for the purpose of improving the interlaminar shear strength between the matrix material and the carbon fiber, a film is formed on the surface of the carbon fiber with a solution of titanium alkoxides, and the film is heated to 130 to 150 ° C. and 280 to 300 ° C. Example 1), a titanium oxide film is formed. This film improves the adhesion between the matrix material and the carbon fibers and improves the interlaminar shear strength.

また、カーボンナノチューブに化学反応させてチューブ表面に官能基を導入し、金属塩溶液と接触させてイオン交換等することにより、金属被覆カーボンナノチューブを得ていることも報告されている(例えば、特許文献5参照)。この金属被覆カーボンナノチューブは、カーボンナノチューブと金属の複合材料の中間物質として利用できると記述され、特に高温での後処理も行われていないので、このままではカーボンナノチューブ表面への金属被覆は、強度面での不安が残る。   In addition, it has been reported that metal-coated carbon nanotubes are obtained by chemically reacting with carbon nanotubes to introduce functional groups on the tube surface, and contact with a metal salt solution to perform ion exchange (for example, patents). Reference 5). The metal-coated carbon nanotubes are described as being usable as an intermediate material between carbon nanotubes and metal composites, and are not subjected to any post-treatment particularly at high temperatures. Anxiety remains.

また、複数のカーボンナノチューブと炭化物形成用金属およびマトリクス金属をマトリクス金属の融点以上の温度で加圧焼結することで、複数のカーボンナノチューブ表面に金属炭化物を形成して、マトリクス金属とカーボンナノチューブとの間に良好な密着性を得ることを可能にした、高熱伝導性放熱材料を製造することが報告されている(例えば、特許文献6参照)。この場合は金属炭化物がカーボンナノチューブ凝集体(複数のカーボンナノチューブ)を被覆し、さらに金属マトリクスとそれとは金属種の異なる金属炭化物源の双方の異種金属を同時に仕込まなければならず、マトリクス材料が金属だけにそれも一部の金属に限定されてしまう。   Further, by pressurizing and sintering a plurality of carbon nanotubes, carbide forming metal and matrix metal at a temperature equal to or higher than the melting point of the matrix metal, a metal carbide is formed on the surface of the plurality of carbon nanotubes. It has been reported that a highly heat-conductive heat dissipating material that can obtain good adhesion between the two is manufactured (for example, see Patent Document 6). In this case, the metal carbide coats the carbon nanotube aggregate (multiple carbon nanotubes), and furthermore, different metals from both the metal matrix and the metal carbide source of different metal species must be charged at the same time. Only it is limited to some metals.

以上報告されているように、炭素繊維に三次元的構造を付与することによって、焼結体やナノカーボンコンポジット材では、熱伝導性、導電性、機械的強度を向上させている。この炭素繊維の三次元的構造は後から付与して得られるもので、反応生成した三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体では無い。また、以上報告された炭素繊維の表面を金属で被覆する複合材料用炭素繊維も、三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体を採用している例は無い。   As described above, by imparting a three-dimensional structure to the carbon fiber, the sintered body and the nanocarbon composite material have improved thermal conductivity, conductivity, and mechanical strength. This three-dimensional structure of the carbon fiber is obtained by adding later, and is not a reaction-generated three-dimensional network-like carbon fiber structure. In addition, the carbon fiber for composite materials in which the surface of the carbon fiber reported above is covered with a metal has no example of adopting a three-dimensional network-like carbon fiber structure.

一方、三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体に関する報告もなされている(例えば、特許文献7参照)。外径15〜100nmの炭素繊維から構成される三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体であって、当該炭素繊維構造体は炭素繊維が複数延出する態様で、前記炭素繊維の外径よりもその粒径が大きく当該炭素繊維を互いに結合する粒状部を有しており、かつ当該粒状部は前記炭素繊維の成長過程において形成されてなるものである炭素繊維構造体、というものであるが、その表面の加工技術についての報告はなされていない。
特開2004−119386号公報 特開2005−178151号公報 特開2004−315297号公報 特公昭63−60152号公報 特許第2953996号公報 特開2004−10978号公報 特許第3776111号公報 「カーボンナノチューブ」化学同人、2001年、p.115 「複合材料と界面−素材の高機能化と制御」材料技術研究協会、1988年、p.251
On the other hand, a report on a three-dimensional network-like carbon fiber structure has also been made (see, for example, Patent Document 7). It is a three-dimensional network-like carbon fiber structure composed of carbon fibers having an outer diameter of 15 to 100 nm, and the carbon fiber structure is a mode in which a plurality of carbon fibers extend, and the carbon fiber structure is more than the outer diameter of the carbon fiber. The carbon fiber structure is a carbon fiber structure having a large particle size and a granular portion for bonding the carbon fibers to each other, and the granular portion is formed in the growth process of the carbon fiber. There has been no report on surface processing technology.
JP 2004-119386 A JP 2005-178151 A JP 2004-315297 A Japanese Patent Publication No. 63-60152 Japanese Patent No. 2953996 JP 2004-10978 A Japanese Patent No. 3776111 “Carbon Nanotube” Chemistry, 2001, p. 115 “Composite Materials and Interfaces—High Functionalization and Control of Materials” Materials Technology Research Association, 1988, p. 251

以上のように、最終的に得られる複合材料の熱伝導性、導電性、機械的強度を向上させるためには、炭素繊維に三次元的構造を付与することが求められているが、複合材料を製造していく段階で、炭素繊維に後から三次元的構造を付与するための工程が求められる場合には、複合材料を製造する上で各種の制約を受け、しかもその三次元的構造付与工程を付加する必要が生じてしまう。一方、カーボンナノチューブ表面への金属被覆の場合、高温での後処理が行われない方法では、物理的な結合力だけに依存するので金属被覆に強度面での不安が残る。また、カーボンナノチューブに化学反応させてチューブ表面に官能基を導入し、カーボンナノチューブの表面に金属被覆させる方法は、カーボンナノチューブの構造に不良な影響を起こす恐れがあるため、最終的に複合材料の性能を向上させる効果が十分に得られない。複数のカーボンナノチューブと炭化物形成用金属およびマトリクス金属をマトリクス金属の融点以上の温度で加圧焼結することで、複数のカーボンナノチューブ表面に金属炭化物を形成させ、マトリクス金属とカーボンナノチューブとの間に良好な密着性を得る方法では、金属マトリックスと金属炭化物源の異種金属を同時に仕込まなければならず、マトリックス材料が一部の金属に限定されてしまう。さらにカーボンナノチューブの凝集体を被覆することにおいては、カーボンナノチューブの表面構造が改質されず、マトリックス金属とのぬれ性を改善することがなく、マトリックス材料との接着に工夫が求められている。また、カーボンナノチューブの凝集体を被覆することで、マトリクス材中の分散が問題点になるため、金属以外の応用範囲例えば合成樹脂、ゴム、セラミック、カーボン系材料に広げることが困難である。   As described above, in order to improve the thermal conductivity, conductivity, and mechanical strength of the finally obtained composite material, it is required to impart a three-dimensional structure to the carbon fiber. When a process for imparting a three-dimensional structure to the carbon fiber later is required at the stage of manufacturing the carbon fiber, various restrictions are imposed on the production of the composite material, and the three-dimensional structure is imparted. It becomes necessary to add a process. On the other hand, in the case of metal coating on the surface of carbon nanotubes, in a method in which post-treatment is not performed at a high temperature, since it depends only on the physical bonding force, the metal coating remains uneasy in terms of strength. In addition, the method of chemically reacting with carbon nanotubes to introduce functional groups on the tube surface and metallizing the carbon nanotube surface may cause a bad influence on the structure of the carbon nanotubes. The effect of improving the performance is not sufficiently obtained. By pressing and sintering a plurality of carbon nanotubes, carbide forming metal and matrix metal at a temperature equal to or higher than the melting point of the matrix metal, metal carbide is formed on the surface of the plurality of carbon nanotubes, and between the matrix metal and the carbon nanotube. In a method for obtaining good adhesion, a metal matrix and a different metal from a metal carbide source must be charged at the same time, and the matrix material is limited to some metals. Further, in covering the aggregate of carbon nanotubes, the surface structure of the carbon nanotubes is not modified, the wettability with the matrix metal is not improved, and a device is required for adhesion to the matrix material. Moreover, since the dispersion in the matrix material becomes a problem by covering the aggregates of carbon nanotubes, it is difficult to expand to application ranges other than metals such as synthetic resins, rubber, ceramics, and carbon-based materials.

本発明は、複合材料を製造する際に炭素繊維に三次元的構造を付与するための工程を必要とせず、欠陥の少ない表面構造を有するカーボンナノチューブの表面に金属微粒子および/または金属炭化物微粒子を有し、高温での後処理により金属微粒子および/または金属炭化物微粒子とカーボンナノチューブの間に強固な結合力を持つ三次元ネットワーク状の炭素繊維複合構造体を提供することを目的としている。   The present invention does not require a step for imparting a three-dimensional structure to carbon fibers when producing a composite material, and the metal fine particles and / or metal carbide fine particles are formed on the surface of the carbon nanotubes having a surface structure with few defects. It is an object of the present invention to provide a three-dimensional network-like carbon fiber composite structure having a strong bonding force between metal fine particles and / or metal carbide fine particles and carbon nanotubes by post-treatment at a high temperature.

本発明者らは、上記課題について鋭意検討を続けた結果、特定の有機金属化合物が高温下で、カーボンナノチューブの表面に該当する金属の金属炭化物微粒子を形成することを見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of continuing intensive studies on the above problems, the present inventors have found that a specific organometallic compound forms metal carbide fine particles of a metal corresponding to the surface of a carbon nanotube at a high temperature, thereby completing the present invention. It came to.

すなわち本発明は、外径15〜100nmの炭素繊維から構成される三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体であって、当該炭素繊維構造体は炭素繊維が複数延出する態様で、前記炭素繊維の外径よりもその粒径が大きく当該炭素繊維を互いに結合する粒状部を有しており、かつ当該粒状部は前記炭素繊維の成長過程において形成されてなるものである炭素繊維構造体が、その表面に金属および/または金属炭化物の微粒子を含有していることを特徴とする炭素繊維複合構造体である。   That is, the present invention is a three-dimensional network-like carbon fiber structure composed of carbon fibers having an outer diameter of 15 to 100 nm, wherein the carbon fiber structure is a mode in which a plurality of carbon fibers extend, A carbon fiber structure having a granular part larger than the outer diameter and bonding the carbon fibers to each other, and the granular part formed in the growth process of the carbon fiber, A carbon fiber composite structure characterized in that the surface contains fine particles of metal and / or metal carbide.

また本発明は、前記した炭素繊維構造体が、その表面に金属および/または金属炭化物の微粒子を含有して炭素繊維複合構造体を形成し、当該炭素繊維複合構造体が熱間プレスと炭化処理工程を経て得られる炭素繊維複合構造体の予備成形体である。   In the present invention, the carbon fiber structure described above contains fine particles of metal and / or metal carbide on the surface thereof to form a carbon fiber composite structure, and the carbon fiber composite structure is hot-pressed and carbonized. It is the preform of the carbon fiber composite structure obtained through the process.

さらに本発明は、触媒および炭化水素の混合ガスを800℃〜1300℃の一定温度で加熱する際に、炭素源として分解温度の異なる少なくとも2つ以上の炭素化合物を用いることにより、炭素物質を、繊維状に成長させる一方で、使用される触媒粒子の周面方向に成長させて、三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体の中間体を得る第1工程、得られた炭素繊維構造体の中間体を有機金属化合物の有機溶媒溶液または金属塩と界面活性剤の水溶液に浸漬させた後、使用した溶媒を乾燥させる第2工程、乾燥後に炭素繊維構造体の中間体を800℃〜1200℃に加熱し、次に1800℃〜3000℃でアニール処理する第3工程からなる、外径15〜100nmの炭素繊維から構成される三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体であって、当該炭素繊維構造体は炭素繊維が複数延出する態様で、前記炭素繊維の外径よりもその粒径が大きく当該炭素繊維を互いに結合する粒状部を有しており、かつ当該粒状部は前記炭素繊維の成長過程において形成されてなるものである炭素繊維構造体が、その表面に金属および/または金属炭化物の微粒子を含有していることを特徴とする炭素繊維複合構造体の製造方法である(図1参照)。   Furthermore, in the present invention, when the mixed gas of the catalyst and the hydrocarbon is heated at a constant temperature of 800 ° C. to 1300 ° C., by using at least two carbon compounds having different decomposition temperatures as a carbon source, First step of obtaining a three-dimensional network-like carbon fiber structure intermediate by growing in the circumferential direction of the catalyst particles to be used while growing in a fibrous form, the intermediate of the obtained carbon fiber structure Is immersed in an organic solvent solution of an organometallic compound or an aqueous solution of a metal salt and a surfactant, and then the second solvent is dried. After drying, the intermediate of the carbon fiber structure is heated to 800 ° C. to 1200 ° C. Then, a three-dimensional network-like carbon fiber structure composed of carbon fibers having an outer diameter of 15 to 100 nm, comprising a third step of annealing at 1800 ° C. to 3000 ° C., The carbon fiber structure is a mode in which a plurality of carbon fibers extend, and has a granular portion that has a larger particle diameter than the outer diameter of the carbon fiber and bonds the carbon fibers to each other, and the granular portion is A method for producing a carbon fiber composite structure, characterized in that the carbon fiber structure formed in the carbon fiber growth process contains fine particles of metal and / or metal carbide on the surface thereof. (See FIG. 1).

また、本発明の炭素繊維複合構造体の予備成形体の製造方法は、その表面に金属および/または金属炭化物の微粒子を含有している炭素繊維複合構造体に対して、バインダーを添加し100℃〜200℃で熱間プレスして、次に800℃〜1200℃で炭化処理することにより、炭素繊維複合構造体の予備成形体を製造することを特徴とする(図1参照)。   Further, in the method for producing a preform of a carbon fiber composite structure according to the present invention, a binder is added to a carbon fiber composite structure containing fine particles of metal and / or metal carbide on the surface thereof, and 100 ° C. It is characterized by producing a preform of carbon fiber composite structure by hot pressing at ~ 200 ° C and then carbonizing at 800 ° C to 1200 ° C (see Fig. 1).

本発明の炭素繊維複合構造体の製造方法では、第3工程でアニール処理を行うが、必要に応じて第1工程と第2工程の間に、第1工程で得られた炭素繊維構造体の中間体を800℃〜1200℃に加熱する、予備的アニール処理工程を付加することができる。   In the method for producing a carbon fiber composite structure of the present invention, the annealing process is performed in the third step, and if necessary, the carbon fiber structure obtained in the first step is interposed between the first step and the second step. A preliminary annealing step can be added to heat the intermediate to 800 ° C to 1200 ° C.

本発明はまた、ラマン分光分析法で測定されるI/Iが0.2以下であることを特徴とする前記炭素繊維複合構造体を示すものである。 The present invention also shows the carbon fiber composite structure, wherein I D / I G measured by Raman spectroscopy is 0.2 or less.

本発明はさらに、金属および/または金属炭化物の微粒子の含有量が、当該炭素繊維構造体に対して金属換算で1〜200質量%である前記炭素繊維複合構造体を示すものである。   The present invention further shows the carbon fiber composite structure in which the content of fine particles of metal and / or metal carbide is 1 to 200% by mass in terms of metal with respect to the carbon fiber structure.

本発明はさらに、前記した金属および/または金属炭化物の微粒子による当該炭素繊維構造体の表面被覆率が、1〜100%、好ましくは10〜100%である前記炭素繊維複合構造体を示すものである。なお、この表面被覆率は、得られた炭素繊維複合構造体表面の電子顕微鏡写真を画像解析することにより求めた値である。   The present invention further shows the carbon fiber composite structure in which the surface coverage of the carbon fiber structure by the metal and / or metal carbide fine particles is 1 to 100%, preferably 10 to 100%. is there. In addition, this surface coverage is the value calculated | required by image-analyzing the electron micrograph of the obtained carbon fiber composite structure surface.

本発明はまた、金属および/または金属炭化物の微粒子の大きさが、1〜70nm、好ましくは1〜60nmである前記炭素繊維複合構造体を示すものである。この場合の金属および/または金属炭化物の微粒子の大きさは、微粒子が炭素繊維構造体に接している部位の水平方向長さで表している。   The present invention also shows the carbon fiber composite structure in which the size of the fine particles of metal and / or metal carbide is 1 to 70 nm, preferably 1 to 60 nm. The size of the metal and / or metal carbide fine particles in this case is represented by the horizontal length of the portion where the fine particles are in contact with the carbon fiber structure.

さらに、本発明の炭素繊維構造体の表面に形成される金属および/または金属炭化物の微粒子に使用される金属種として、好ましいのはTi、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Ta、W、Yから選択される1種または2種以上である。   Further, as the metal species used for the fine particles of metal and / or metal carbide formed on the surface of the carbon fiber structure of the present invention, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Ta, W, One or more selected from Y.

また、本発明は、炭素繊維複合構造体に対してホウ素換算で0.001〜30質量%、好ましくは0.01〜3.0質量%のホウ素化合物を含有する前記炭素繊維複合構造体を示すものである。   Moreover, this invention shows the said carbon fiber composite structure containing 0.001-30 mass% in conversion of boron with respect to a carbon fiber composite structure, Preferably 0.01-3.0 mass% boron compound is shown. Is.

本発明は、上記炭素繊維複合構造体の製造方法の第2工程で有機金属化合物を使用する場合において、当該有機金属化合物が、金属アルコキシド、金属アセチルアセトナート、または金属脂肪酸塩である炭素繊維複合構造体の製造方法を示すものである。   The present invention provides a carbon fiber composite wherein when the organometallic compound is used in the second step of the method for producing the carbon fiber composite structure, the organometallic compound is a metal alkoxide, a metal acetylacetonate, or a metal fatty acid salt. The manufacturing method of a structure is shown.

さらに、本発明は、上記炭素繊維複合構造体の製造方法の第2工程の際に、有機金属化合物の有機溶媒溶液または金属塩と界面活性剤の水溶液に対して、ホウ素化合物の有機溶媒溶液もしくは水溶液を混合することにより、前記した炭素繊維複合構造体に対してホウ素換算で0.001〜30質量%のホウ素化合物を含有させることを特徴とする炭素繊維複合構造体の製造方法を示すものである。   Furthermore, the present invention provides an organic solvent solution of a boron compound or an organic solvent solution of a boron compound or an aqueous solution of a metal salt and a surfactant in the second step of the method for producing the carbon fiber composite structure. A method for producing a carbon fiber composite structure characterized by containing 0.001 to 30% by mass of a boron compound in terms of boron to the carbon fiber composite structure described above by mixing an aqueous solution. is there.

本発明の炭素繊維複合構造体は、三次元ネットワーク状に形成されているので、最終的に複合材料を製造した場合、その熱伝導性、導電性、機械的強度が良好なものとなる。また、三次元的構造を後から付与するための工程が不要である。本発明の炭素繊維複合構造体がその表面に有している金属および/または金属炭化物の微粒子は、カーボンナノチューブの構造に悪い影響が無いため、表面改質によってカーボンナノチューブの物性を劣化する恐れが無い。最終的に製造された複合材料において、炭素繊維複合構造体とマトリックスとの接着状況が改善され、それはアンカー効果によって強固なものとなる(図2参照)。炭素繊維複合構造体がその表面に有している金属の微粒子は、炭素化合物に対する黒鉛化触媒として作用するものである。本発明の炭素繊維複合構造体はマトリックスの材料として、金属および金属以外のセラミックス、ゴム、合成樹脂、カーボン系材料等が使用可能である。   Since the carbon fiber composite structure of the present invention is formed in a three-dimensional network shape, when the composite material is finally manufactured, its thermal conductivity, conductivity, and mechanical strength are good. Moreover, the process for providing a three-dimensional structure later is unnecessary. Since the carbon and / or metal carbide fine particles on the surface of the carbon fiber composite structure of the present invention do not have a bad influence on the structure of the carbon nanotube, the physical properties of the carbon nanotube may be deteriorated by surface modification. No. In the finally produced composite material, the adhesion between the carbon fiber composite structure and the matrix is improved, and it becomes strong due to the anchor effect (see FIG. 2). The fine metal particles on the surface of the carbon fiber composite structure act as a graphitization catalyst for the carbon compound. In the carbon fiber composite structure of the present invention, metals, ceramics other than metals, rubber, synthetic resins, carbon-based materials, and the like can be used as matrix materials.

以下本発明を実施形態に基づき詳細に説明する。
(炭素繊維複合構造体)
まず、本発明に係る炭素繊維複合構造体に関して説明する。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments.
(Carbon fiber composite structure)
First, the carbon fiber composite structure according to the present invention will be described.

本発明に係る炭素繊維複合構造体は、炭素繊維複合構造体外径15〜100nmの炭素繊維から構成される三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体であって、当該炭素繊維構造体は炭素繊維が複数延出する態様で、前記炭素繊維の外径よりもその粒径が大きく当該炭素繊維を互いに結合する粒状部を有しており、かつ当該粒状部は前記炭素繊維の成長過程において形成されてなるものである炭素繊維構造体が、その表面に金属および/または金属炭化物の微粒子を含有していることを特徴とする炭素繊維複合構造体である。   The carbon fiber composite structure according to the present invention is a three-dimensional network-like carbon fiber structure composed of carbon fibers having a carbon fiber composite structure outer diameter of 15 to 100 nm, and the carbon fiber structure includes a plurality of carbon fibers. In an extended manner, the carbon fiber has a granular part larger than the outer diameter of the carbon fiber and bonded to the carbon fiber, and the granular part is formed in the process of growing the carbon fiber. The carbon fiber structure is a carbon fiber composite structure characterized in that the surface thereof contains fine particles of metal and / or metal carbide.

本発明に係る炭素繊維複合構造体において基本骨格を形成する三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体を構成する炭素繊維の外径を、15〜100nmの範囲のものとするのは、外径が15nm未満であると、後述するように炭素繊維の断面が多角形状とならず、一方、炭素繊維の物性上直径が小さいほど単位量あたりの本数が増えるとともに、炭素繊維の軸方向への長さも長くなり、高い導電性が得られるため、100nmを越える外径を有することは、樹脂等のマトリックスへ改質剤、添加剤として配される炭素繊維構造体として適当でないためである。なお、炭素繊維の外径としては特に、20〜70nmの範囲内にあることが、より望ましい。この外径範囲のもので、筒状のグラフェンシートが軸直角方向に積層したもの、すなわち多層であるものは、曲がりにくく、弾性、すなわち変形後も元の形状に戻ろうとする性質が付与されるため、炭素繊維構造体が一旦圧縮された後においても、樹脂等のマトリックスに配された後において、疎な構造を採りやすくなる。   In the carbon fiber composite structure according to the present invention, the outer diameter of the carbon fiber constituting the three-dimensional network-like carbon fiber structure forming the basic skeleton is in the range of 15 to 100 nm. If it is less than the number, the cross section of the carbon fiber does not have a polygonal shape as will be described later. On the other hand, as the diameter of the carbon fiber decreases, the number per unit amount increases and the length of the carbon fiber in the axial direction also increases. In order to obtain high conductivity, the outer diameter exceeding 100 nm is not suitable as a carbon fiber structure disposed as a modifier or additive in a matrix such as a resin. The outer diameter of the carbon fiber is particularly preferably in the range of 20 to 70 nm. In this outer diameter range, a cylindrical graphene sheet laminated in a direction perpendicular to the axis, that is, a multilayer, is not easily bent, and is elastic, that is, has the property of returning to its original shape even after deformation. Therefore, even after the carbon fiber structure is once compressed, it is easy to adopt a sparse structure after being arranged in a matrix such as a resin.

加えて、該微細炭素繊維は、その外径が軸方向に沿って変化するものであることが望ましい。このように炭素繊維の外径が軸方向に沿って一定でなく、変化するものであると、樹脂等のマトリックス中において当該炭素繊維に一種のアンカー効果が生じるものと思われ、マトリックス中における移動が生じにくく分散安定性が高まるものとなる。   In addition, it is desirable that the fine carbon fiber has an outer diameter that changes along the axial direction. If the outer diameter of the carbon fiber is not constant along the axial direction and varies, it is considered that a kind of anchoring effect occurs in the carbon fiber in the matrix such as resin, and the movement in the matrix Is less likely to occur and the dispersion stability is increased.

さらにこの炭素繊維構造体においては、このような所定外径を有する微細炭素繊維が三次元ネットワーク状に存在するが、これら炭素繊維は、当該炭素繊維の成長過程において形成された粒状部において互いに結合され、該粒状部から前記炭素繊維が複数延出する形状を呈しているものである。このように、微細炭素繊維同士が単に絡合しているものではなく、粒状部において相互に強固に結合されているものであることから、樹脂等のマトリックス中に配した場合に当該構造体が炭素繊維単体として分散されることなく、嵩高な構造体のままマトリックス中に分散配合されることができる。また、本発明に係る炭素繊維構造体においては、当該炭素繊維の成長過程において形成された粒状部によって炭素繊維同士が互いに結合されていることから、その構造体自体の電気的特性等も非常に優れたものであり、例えば、一定圧縮密度において測定した電気抵抗値は、微細炭素繊維の単なる絡合体、あるいは微細炭素繊維同士の接合点を当該炭素繊維合成後に炭素質物質ないしその炭化物によって付着させてなる構造体等の値と比較して、非常に低い値を示し、マトリックス中に分散配合された場合に、良好な導電パスを形成できることができる。   Furthermore, in this carbon fiber structure, fine carbon fibers having such a predetermined outer diameter exist in a three-dimensional network, but these carbon fibers are bonded to each other in the granular portion formed during the growth process of the carbon fibers. And a shape in which a plurality of the carbon fibers extend from the granular portion. In this way, the fine carbon fibers are not simply entangled with each other, but are firmly bonded to each other in the granular portion, so that when the structure is disposed in a matrix such as a resin, the structure is Without being disperse | distributed as a carbon fiber single-piece | unit, it can be disperse-blended in a matrix with a bulky structure. Further, in the carbon fiber structure according to the present invention, since the carbon fibers are bonded to each other by the granular part formed in the growth process of the carbon fiber, the electrical characteristics of the structure itself are also very high. For example, the electrical resistance value measured at a constant compression density is such that a simple entangled body of fine carbon fibers or a joint point between fine carbon fibers is adhered by a carbonaceous material or a carbide thereof after the carbon fiber is synthesized. Compared with the value of the structure or the like, it shows a very low value, and when it is dispersed and blended in the matrix, a good conductive path can be formed.

当該粒状部は、上述するように炭素繊維の成長過程において形成されるものであるため、当該粒状部における炭素間結合は十分に発達したものとなり、sp結合およびsp結合の混合状態を含むと思われる。そして、生成後(後述する中間体および第一中間体)においては、粒状部と繊維部とが、炭素原子からなるパッチ状のシート片を貼り合せたような構造をもって連続しており、その後の高温熱処理後においては、粒状部を構成するグラフェン層の少なくとも一部は、当該粒状部より延出する微細炭素繊維を構成するグラフェン層に連続するものとなる。当該炭素繊維構造体において、粒状部と微細炭素繊維との間は、上記したような粒状部を構成するグラフェン層が微細炭素繊維を構成するグラフェン層と連続していることに象徴されるように、炭素結晶構造的な結合によって(少なくともその一部が)繋がっているものであって、これによって粒状部と微細炭素繊維との間の強固な結合が形成されているものである。 Since the granular part is formed in the growth process of the carbon fiber as described above, the carbon-carbon bond in the granular part is sufficiently developed and includes a mixed state of sp 2 bond and sp 3 bond. I think that the. And after the generation (intermediate and first intermediate described later), the granular part and the fiber part are continuous with a structure in which patch-like sheet pieces made of carbon atoms are bonded together, and thereafter After the high temperature heat treatment, at least a part of the graphene layer constituting the granular part is continuous with the graphene layer constituting the fine carbon fiber extending from the granular part. In the carbon fiber structure, between the granular portion and the fine carbon fiber, it is symbolized that the graphene layer constituting the granular portion as described above is continuous with the graphene layer constituting the fine carbon fiber. These are connected by carbon crystal structural bonds (at least a part thereof), whereby a strong bond between the granular portion and the fine carbon fiber is formed.

なお、本願明細書において、粒状部から炭素繊維が「延出する」するとは、粒状部と炭素繊維とが他の結着剤(炭素質のものを含む)によって、単に見かけ上で繋がっているような状態をさすものではなく、上記したように炭素結晶構造的な結合によって繋がっている状態を主として意味するものである。   In the present specification, the term “extending” the carbon fiber from the granular part simply means that the granular part and the carbon fiber are apparently connected by other binder (including carbonaceous material). It does not indicate such a state, but mainly means a state in which they are connected by carbon crystal structural bonds as described above.

この粒状部の粒径は、前記微細炭素繊維の外径よりも大きいことが望ましい。具体的には、例えば、前記微細炭素繊維の外径の1.3〜250倍、より好ましくは1.5〜100倍、さらに好ましくは2.0〜25倍である。なお、前記値は平均値である。このように炭素繊維相互の結合点である粒状部の粒径が微細炭素繊維外径の1.3倍以上と十分に大きなものであると、当該粒状部より延出する炭素繊維に対して高い結合力がもたらされ、樹脂等のマトリックス中に当該炭素繊維構造体を配した場合に、ある程度のせん弾力を加えた場合であっても、三次元ネットワーク構造を保持したままマトリックス中に分散させることができる。一方、粒状部の大きさが微細炭素繊維の外径の250倍を超える極端に大きなものとなると、炭素繊維構造体の繊維状の特性が損なわれる虞れがあり、例えば、各種マトリックス中への添加剤、配合剤として適当なものとならない虞れがあるために望ましくない。なお、本明細書でいう「粒状部の粒径」とは、炭素繊維相互の結合点である粒状部を1つの粒子とみなして測定した値である。   The particle size of the granular part is desirably larger than the outer diameter of the fine carbon fiber. Specifically, for example, the outer diameter of the fine carbon fiber is 1.3 to 250 times, more preferably 1.5 to 100 times, and still more preferably 2.0 to 25 times. In addition, the said value is an average value. Thus, when the particle diameter of the granular part which is a bonding point between carbon fibers is sufficiently large as 1.3 times or more of the outer diameter of the fine carbon fiber, it is higher than the carbon fiber extending from the granular part. When a carbon fiber structure is arranged in a matrix such as a resin due to a bonding force, even if a certain amount of elasticity is applied, the three-dimensional network structure is maintained and dispersed in the matrix. be able to. On the other hand, if the size of the granular part is extremely large exceeding 250 times the outer diameter of the fine carbon fiber, the fibrous properties of the carbon fiber structure may be impaired, for example, into various matrices. This is not desirable because it may not be suitable as an additive or compounding agent. The “particle size of the granular part” in the present specification is a value measured by regarding the granular part, which is a bonding point between carbon fibers, as one particle.

その粒状部の具体的な粒径は、炭素繊維構造体の大きさ、炭素繊維構造体中の微細炭素繊維の外径にも左右されるが、例えば、平均値で20〜5000nm、より好ましくは25〜2000nm、さらに好ましくは30〜500nm程度である。   The specific particle size of the granular part depends on the size of the carbon fiber structure and the outer diameter of the fine carbon fiber in the carbon fiber structure, but for example, an average value of 20 to 5000 nm, more preferably It is about 25 to 2000 nm, more preferably about 30 to 500 nm.

さらにこの粒状部は、前記したように炭素繊維の成長過程において形成されるものであるため、比較的球状に近い形状を有しており、その円形度は、平均値で0.2〜<1、好ましくは0.5〜0.99、より好ましくは0.7〜0.98程度である。   Furthermore, since this granular part is formed in the growth process of the carbon fiber as described above, it has a relatively spherical shape, and the circularity is 0.2 to <1 on average. , Preferably 0.5 to 0.99, more preferably about 0.7 to 0.98.

加えて、この粒状部は、前記したように炭素繊維の成長過程において形成されるものであって、例えば、微細炭素繊維同士の接合点を当該炭素繊維合成後に炭素質物質ないしその炭化物によって付着させてなる構造体等と比較して、当該粒状部における、炭素繊維同士の結合は非常に強固なものであり、炭素繊維構造体における炭素繊維の破断が生じるような条件下においても、この粒状部(結合部)は安定に保持される。   In addition, the granular portion is formed in the carbon fiber growth process as described above, and, for example, the joining point between the fine carbon fibers is adhered by the carbonaceous material or the carbide after the carbon fiber synthesis. Compared with the structure, etc., the bonds between the carbon fibers in the granular part are very strong, and even under conditions where the carbon fiber breaks in the carbon fiber structure, the granular part (Coupling part) is held stably.

また、本発明に係る炭素繊維構造体は、面積基準の円相当平均径が50〜1000μm、好ましくは50〜500μm、より好ましくは60〜250μm程度であることが望ましい。ここで面積基準の円相当平均径とは、炭素繊維構造体の外形を電子顕微鏡などを用いて撮影し、この撮影画像において、各炭素繊維構造体の輪郭を、適当な画像解析ソフトウェア、例えばWinRoof(商品名、三谷商事株式会社製)を用いてなぞり、輪郭内の面積を求め、各繊維構造体の円相当径を計算し、これを平均化したものである。   The carbon fiber structure according to the present invention desirably has an area-based circle-equivalent mean diameter of 50 to 1000 μm, preferably 50 to 500 μm, more preferably about 60 to 250 μm. Here, the area-based circle-equivalent mean diameter is obtained by photographing the outer shape of the carbon fiber structure using an electron microscope or the like, and in this photographed image, the contour of each carbon fiber structure is represented by an appropriate image analysis software such as WinRoof. (Trade name, manufactured by Mitani Shoji Co., Ltd.) is used to determine the area within the contour, calculate the equivalent circle diameter of each fiber structure, and average it.

複合化される樹脂等のマトリックス材の種類によっても左右されるため、全ての場合において適用されるわけではないが、予備成形体に適用する場合は、円相当平均径が大きい方が導電性、機械特性、熱特性にとって好ましいが、1000μmを超えると予備成形体中の炭素繊維構造体の分布が不均質になり、上記特性が得られなくなるためであり、また、この円相当平均径は、樹脂等のマトリックス中に配合する場合において当該炭素繊維構造体の最長の長さを決める要因となるものであり、概して、円相当平均径が50μm未満であると、導電性が十分に発揮されない虞れがある。   Since it depends on the type of matrix material such as resin to be compounded, it is not applied in all cases, but when applied to a preform, the one with a larger equivalent circle average diameter is more conductive, This is preferable for mechanical properties and thermal properties, but if it exceeds 1000 μm, the distribution of the carbon fiber structure in the preform becomes inhomogeneous, and the above properties cannot be obtained. When blended in a matrix such as the above, it becomes a factor for determining the longest length of the carbon fiber structure. In general, when the equivalent circle average diameter is less than 50 μm, the conductivity may not be sufficiently exhibited. There is.

また本発明に係る炭素繊維構造体は、上記したように、本発明に係る炭素繊維構造体は、三次元ネットワーク状に存在する炭素繊維が粒状部において互いに結合され、該粒状部から前記炭素繊維が複数延出する形状を呈しているが、1つの炭素繊維構造体において、炭素繊維を結合する粒状部が複数個存在して三次元ネットワークを形成している場合、隣接する粒状部間の平均距離は、例えば、0.5μm〜300μm、より好ましくは0.5〜100μm、さらに好ましくは1〜50μm程度となる。なお、この隣接する粒状部間の距離は、1つの粒状体の中心部からこれに隣接する粒状部の中心部までの距離を測定したものである。粒状体間の平均距離が、0.5μm未満であると、炭素繊維が三次元ネットワーク状に十分に発展した形態とならないため、例えば、マトリックス中に分散配合された場合に、良好な導電パスを形成し得ないものとなる虞れがあり、一方、平均距離が300μmを越えるものであると、マトリックス中に分散配合させる際に、粘性を高くさせる要因となり、炭素繊維構造体のマトリックスに対する分散性が低下する虞れがあるためである。   In addition, as described above, the carbon fiber structure according to the present invention includes a carbon fiber structure according to the present invention in which carbon fibers existing in a three-dimensional network are bonded to each other in a granular part, and the carbon fiber Presents a plurality of extending shapes, but in one carbon fiber structure, when there are a plurality of granular parts that combine carbon fibers to form a three-dimensional network, the average between adjacent granular parts The distance is, for example, about 0.5 μm to 300 μm, more preferably 0.5 to 100 μm, and still more preferably about 1 to 50 μm. In addition, the distance between this adjacent granule part measures the distance from the center part of one granular material to the center part of the granule part adjacent to this. When the average distance between the granular materials is less than 0.5 μm, the carbon fiber does not sufficiently develop into a three-dimensional network. For example, when dispersed in a matrix, a good conductive path can be obtained. On the other hand, if the average distance exceeds 300 μm, it becomes a factor of increasing the viscosity when dispersed in the matrix, and the dispersibility of the carbon fiber structure in the matrix This is because there is a risk of lowering.

さらに、本発明に係る炭素繊維構造体は、上記したように、三次元ネットワーク状に存在する炭素繊維が粒状部において互いに結合され、該粒状部から前記炭素繊維が複数延出する形状を呈しており、このため当該構造体は炭素繊維が疎に存在した嵩高な構造を有するが、具体的には、例えば、その嵩密度が0.0001〜0.05g/cm、より好ましくは0.001〜0.02g/cmであることが望ましい。嵩密度が0.05g/cmを超えるものであると、少量添加によって、樹脂等のマトリックスの物性を改善することが難しくなるためである。 Furthermore, as described above, the carbon fiber structure according to the present invention has a shape in which carbon fibers existing in a three-dimensional network are bonded to each other in the granular portion, and a plurality of the carbon fibers extend from the granular portion. Therefore, the structure has a bulky structure in which carbon fibers are sparsely present. Specifically, for example, the bulk density is 0.0001 to 0.05 g / cm 3 , more preferably 0.001. It is desirable that it is ˜0.02 g / cm 3 . This is because if the bulk density exceeds 0.05 g / cm 3 , it becomes difficult to improve the physical properties of the matrix such as a resin by adding a small amount.

しかして、本発明の炭素繊維複合構造体は、上記したような基本骨格を構成する炭素繊維構造体の表面に金属および/または金属炭化物の微粒子を含有してなるものである。   Thus, the carbon fiber composite structure of the present invention comprises metal and / or metal carbide fine particles on the surface of the carbon fiber structure constituting the basic skeleton as described above.

本発明の炭素繊維複合構造体における、金属および/または金属炭化物の微粒子の含有量は、特に限定されるものではないが、前記炭素繊維構造体に対して金属換算で、例えば、1〜200質量%、より好ましくは2〜100質量%である。金属および/または金属炭化物の微粒子の含有量が1質量%未満であると、このような金属および/または金属炭化物の微粒子を含有させることによる、例えば、炭素繊維とマトリックスとの濡れ性、界面接着状況等といった特性の改質効果が十分なものとならない虞れがあり、一方、その含有量が200質量%を超えるものであると、金属および/または金属炭化物の微粒子を炭素繊維構造体の表面に微粒子の付着量が増えることにより、炭素繊維の物性を利用できなくなる虞れがあるためである。また、必要以上の金属を添加することは、コストの面からも望ましくない。   The content of fine particles of metal and / or metal carbide in the carbon fiber composite structure of the present invention is not particularly limited, but is, for example, 1 to 200 mass in terms of metal with respect to the carbon fiber structure. %, More preferably 2 to 100% by mass. When the content of fine particles of metal and / or metal carbide is less than 1% by mass, for example, wettability between carbon fiber and matrix, interfacial adhesion by including such fine particles of metal and / or metal carbide. There is a possibility that the effect of modifying the characteristics such as the situation may not be sufficient. On the other hand, if the content exceeds 200% by mass, fine particles of metal and / or metal carbide are removed from the surface of the carbon fiber structure. This is because there is a possibility that the physical properties of the carbon fiber cannot be used due to an increase in the adhesion amount of the fine particles. Moreover, it is not desirable from the viewpoint of cost to add more metal than necessary.

金属および/または金属炭化物の微粒子の大きさは、特に限定されるものではないが、例えば、1〜70nm、好ましくは1〜60nmである。なお、この場合の金属および/または金属炭化物の微粒子の大きさは、微粒子が炭素繊維構造体に接している部位の水平方向長さで表している。微粒子の大きさが70nmを超えるものであると、炭素繊維構造体の表面に微粒子を安定に固着させることが困難となり脱落しやすくなるという虞れがある。   The size of the metal and / or metal carbide fine particles is not particularly limited, but is, for example, 1 to 70 nm, preferably 1 to 60 nm. In this case, the size of the metal and / or metal carbide fine particles is represented by the horizontal length of the portion where the fine particles are in contact with the carbon fiber structure. If the size of the fine particles exceeds 70 nm, it is difficult to stably fix the fine particles to the surface of the carbon fiber structure, and there is a possibility that the fine particles are likely to fall off.

さらに、特に限定されるものではないが、前記した金属および/または金属炭化物の微粒子による当該炭素繊維構造体の表面被覆率が、例えば、1〜100%、好ましくは2〜100%であることが望ましい。なお、表面被覆率は、得られた炭素繊維複合構造体表面の電子顕微鏡写真を画像解析することにより求められる。本明細書において示す値は、具体的には、後述する実施例において示した測定方法により得られた値である。金属および/または金属炭化物の微粒子による当該炭素繊維構造体の表面被覆率が、1%未満であると、このような金属および/または金属炭化物の微粒子を含有させることによる、例えば、炭素繊維とマトリックスとの濡れ性、界面接着状況等といった特性の改質効果が十分なものとならない虞れがあり、一方、表面被覆率は100%を超えることはない。   Further, although not particularly limited, the surface coverage of the carbon fiber structure by the metal and / or metal carbide fine particles is, for example, 1 to 100%, preferably 2 to 100%. desirable. The surface coverage is determined by image analysis of an electron micrograph of the obtained carbon fiber composite structure surface. Specifically, the values shown in the present specification are values obtained by the measurement methods shown in Examples described later. When the surface coverage of the carbon fiber structure by the fine particles of metal and / or metal carbide is less than 1%, for example, carbon fibers and a matrix by containing such fine particles of metal and / or metal carbide. There is a risk that the effect of improving the properties such as wettability and interfacial adhesion status may not be sufficient, while the surface coverage does not exceed 100%.

さらに、当該炭素繊維複合構造体をマトリックス中に配した場合に、より高いアンカー効果等を付与し力学的特性の面から特に優れた複合材料を得る上からは、上記炭素繊維構造体の表面被覆率が1〜70%程度、特に2〜50%程度であることが望ましい。一方、当該炭素繊維複合構造体をマトリックス中に配した場合により高い熱伝導特性等の面から特に優れた複合材料を得る上からは、上記炭素繊維構造体の表面被覆率が50〜100%程度、特に70〜100%程度であることが望ましい。   Furthermore, when the carbon fiber composite structure is arranged in a matrix, the surface coating of the carbon fiber structure is performed in order to obtain a composite material that gives a higher anchoring effect and is particularly excellent in terms of mechanical properties. It is desirable that the rate is about 1 to 70%, particularly about 2 to 50%. On the other hand, when the carbon fiber composite structure is arranged in a matrix, the surface coverage of the carbon fiber structure is about 50 to 100% in order to obtain a particularly excellent composite material in terms of higher heat conduction characteristics and the like. In particular, it is desirable to be about 70 to 100%.

本発明の炭素繊維構造体の表面に形成される金属および/または金属炭化物の微粒子に使用される金属種としては、付加しようとする特性に応じて各種のものを用いることができるが、好ましい金属種としては、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Ta、W、Yから選択される1種または2種以上である。   As the metal species used for the fine particles of the metal and / or metal carbide formed on the surface of the carbon fiber structure of the present invention, various types can be used depending on the properties to be added. As a seed | species, it is 1 type, or 2 or more types selected from Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Ta, W, and Y.

本発明の炭素繊維複合構造体において、炭素繊維複合構造体がその表面に有している金属および/または金属炭化物の微粒子は、炭素繊維の表面に一部が入り込んで、結晶構造が一体化しているので、炭素繊維との結び付きが強固である。例えば、後述する実施例において示すように、当該炭素繊維複合構造体を液状媒体中に分散させ、これに一定出力で所定周波数の超音波をかけて、付着した金属および/または金属炭化物の微粒子の脱落を調べたところ、処理後における金属および/または金属炭化物の微粒子の脱落率は、10%未満、より好ましくは5%未満であって、金属および/または金属炭化物の微粒子は、炭素繊維構造体に安定して固着されていることが判る。   In the carbon fiber composite structure of the present invention, the metal and / or metal carbide fine particles that the carbon fiber composite structure has on the surface thereof partially enter the surface of the carbon fiber, and the crystal structure is integrated. Therefore, the connection with the carbon fiber is strong. For example, as shown in the examples described later, the carbon fiber composite structure is dispersed in a liquid medium, and ultrasonic waves having a predetermined output and a predetermined frequency are applied to the carbon fiber composite structure, thereby adhering metal and / or metal carbide fine particles. The removal of the metal and / or metal carbide fine particles after treatment was found to be less than 10%, more preferably less than 5%, and the metal and / or metal carbide fine particles were a carbon fiber structure. It can be seen that it is firmly fixed to the surface.

また、当該微粒子は炭素繊維の表面に凸部を形成しているので、本発明に係る炭素繊維複合構造体を用いて最終的に製造された複合材料において、炭素繊維複合構造体とマトリックスとの接着状況が改善され、それは、アンカー効果により強固なものになる。図2は、この作用を模式的に示す図面である。図2(a)に示すように、一般的な炭素繊維をフィラーとしてマトリックスに配合した場合、当該フィラー表面が比較的平滑であるため、マトリックスとの界面方向に歪み応力が加わった場合、マトリックスとフィラーとの間で比較的容易にずれが生じてしまう。一方、本発明に係る炭素繊維複合構造体を用いた場合、前記したように、フィラー表面が当該微粒子による凸部を有するため、図2(b)に示すように、これがマトリックスとの界面においてマトリックス中に楔状に打ち込まれたような様相を呈し、マトリックスとの界面方向に歪み応力が加わった場合においても、マトリックスとフィラーとの間でずれが生じにくいというものである。   In addition, since the fine particles form convex portions on the surface of the carbon fiber, in the composite material finally produced using the carbon fiber composite structure according to the present invention, the carbon fiber composite structure and the matrix The adhesion situation is improved and it becomes stronger due to the anchor effect. FIG. 2 is a drawing schematically showing this action. As shown in FIG. 2 (a), when a general carbon fiber is blended in the matrix as a filler, the surface of the filler is relatively smooth. Therefore, when strain stress is applied in the interface direction with the matrix, the matrix and Deviation occurs relatively easily with the filler. On the other hand, when the carbon fiber composite structure according to the present invention is used, as described above, since the filler surface has convex portions of the fine particles, as shown in FIG. 2 (b), this is a matrix at the interface with the matrix. Even when a strain stress is applied in the direction of the interface with the matrix, it appears that the matrix and the filler are not easily displaced.

なお、本発明の炭素繊維複合構造体がその表面に有している金属および/または金属炭化物の微粒子は、炭素繊維の構造に悪い影響が無いため、表面改質によって炭素繊維の物性を劣化する恐れが無い。また、炭素繊維複合構造体がその表面に有している金属の微粒子は、炭素化合物に対する黒鉛化触媒として作用するものである。   In addition, the metal and / or metal carbide fine particles on the surface of the carbon fiber composite structure of the present invention do not have a bad influence on the structure of the carbon fiber, so the physical properties of the carbon fiber are deteriorated by surface modification. There is no fear. Moreover, the fine metal particles that the carbon fiber composite structure has on its surface act as a graphitization catalyst for the carbon compound.

本発明の炭素繊維複合構造体は、上記したような基本骨格を構成する炭素繊維構造体の表面に金属および/または金属炭化物の微粒子を含有してなるものであり、基本骨格を構成する炭素繊維構造体が三次元ネットワーク構造を有し、しかもそのネットワーク構造は微細炭素繊維同士が単に絡合しているものでは無く、微細炭素繊維同士を強固に結合する粒状部を有しているので、最終的に複合材料を製造した場合には、その複合材料の熱伝導性、導電性、機械的強度が良好なものとなる。また、三次元的構造を付与するための工程を付加する必要が無い。   The carbon fiber composite structure of the present invention comprises carbon and fine particles of metal carbide on the surface of the carbon fiber structure constituting the basic skeleton as described above, and the carbon fiber constituting the basic skeleton. The structure has a three-dimensional network structure, and the network structure is not merely entangled between the fine carbon fibers, but has a granular portion that firmly bonds the fine carbon fibers. When a composite material is manufactured, the thermal conductivity, conductivity, and mechanical strength of the composite material are good. Further, there is no need to add a process for providing a three-dimensional structure.

また、本発明に係る炭素繊維複合構造体は、ラマン分光分析法で測定されるI/I比が、0.2以下、より好ましくは0.1以下であることが望ましい。ここで、ラマン分光分析では、大きな単結晶の黒鉛では1580cm−1付近のピーク(Gバンド)しか現れない。結晶が有限の微小サイズであることや格子欠陥により、1360cm−1付近にピーク(Dバンド)が出現する。このため、DバンドとGバンドの強度比(R=I1360/I1580=I/I)が小さい程、炭素繊維複合構造体を構成するグラフェンシート中における欠陥量が少ないことを意味し、I/I比が上記所定の値のものであると、本発明に係る炭素繊維複合構造体が、より高い強度および導電性を発揮し得るためである。 In addition, the carbon fiber composite structure according to the present invention desirably has an ID / IG ratio measured by Raman spectroscopy of 0.2 or less, more preferably 0.1 or less. Here, in the Raman spectroscopic analysis, only a peak (G band) near 1580 cm −1 appears in large single crystal graphite. A peak (D band) appears in the vicinity of 1360 cm −1 due to the crystal having a finite minute size or lattice defects. For this reason, the smaller the intensity ratio of D band and G band (R = I 1360 / I 1580 = I D / I G ), the smaller the amount of defects in the graphene sheet constituting the carbon fiber composite structure. This is because the carbon fiber composite structure according to the present invention can exhibit higher strength and conductivity when the I D / I G ratio is the above-mentioned predetermined value.

本発明に係る炭素繊維複合構造体はまた、空気中での燃焼開始温度が700℃以上、好ましくは750℃以上、より好ましくは800〜900℃であることが望ましい。前記したように炭素繊維構造体が欠陥が少ないものであることから、このような高い熱的安定性を有するものとなる。   The carbon fiber composite structure according to the present invention also desirably has a combustion start temperature in air of 700 ° C. or higher, preferably 750 ° C. or higher, more preferably 800 to 900 ° C. As described above, since the carbon fiber structure has few defects, it has such a high thermal stability.

さらに、本発明の炭素繊維複合構造体の好ましい一実施形態においては、炭素繊維複合構造体に対してホウ素換算で0.001〜30質量%、好ましくは0.01〜3.0質量%のホウ素化合物を含有することもできる。この場合、炭素繊維複合構造体中のホウ素化合物の存在する部位、ホウ素化合物の化合物種については特に限定されない。炭素繊維複合構造体中にホウ素化合物が存在することによって、構造に多少の欠陥を含んでいる場合であっても、高い導電性を得ることができる。   Furthermore, in one preferable embodiment of the carbon fiber composite structure of the present invention, 0.001 to 30% by mass, preferably 0.01 to 3.0% by mass of boron in terms of boron with respect to the carbon fiber composite structure. A compound can also be contained. In this case, the site where the boron compound is present in the carbon fiber composite structure and the type of compound of the boron compound are not particularly limited. By the presence of the boron compound in the carbon fiber composite structure, high conductivity can be obtained even when the structure includes some defects.

(炭素繊維複合構造体の製造方法)
次に上記したような本発明に係る炭素繊維複合構造体の製造方法について説明する。
図1は、本発明に係る炭素繊維複合構造体の製造方法および炭素繊維複合構造体の予備成形体の製造方法における各工程順を概略示すチャート図である。
(Method for producing carbon fiber composite structure)
Next, a method for producing the carbon fiber composite structure according to the present invention as described above will be described.
FIG. 1 is a chart schematically showing the order of steps in a method for producing a carbon fiber composite structure and a method for producing a preform of a carbon fiber composite structure according to the present invention.

本発明に係る炭素繊維複合構造体は、特に限定されるものではないが、基本的には、触媒および炭化水素の混合ガスを800℃〜1300℃の一定温度で加熱する際に、炭素源として分解温度の異なる少なくとも2つ以上の炭素化合物を用いることにより、炭素物質を、繊維状に成長させる一方で、使用される触媒粒子の周面方向に成長させて、三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体の中間体を得る第1工程、得られた炭素繊維構造体の中間体を有機金属化合物の有機溶媒溶液または金属塩と界面活性剤の水溶液に浸漬させた後、使用した溶媒を乾燥させる第2工程、乾燥後に炭素繊維構造体の中間体を800℃〜1200℃に加熱し、次に1800℃〜3000℃でアニール処理する第3工程を経ることにより、製造することができる。図1中において、図中左側の矢印順、すなわち、「炭素繊維構造体生成」、「金属溶媒液に浸漬後乾燥」、「アニール処理」、および「炭素繊維複合構造体の粉体」という流れが、本発明に係る炭素繊維複合構造体の製造方法の基本的な手順である。   The carbon fiber composite structure according to the present invention is not particularly limited, but basically, when the mixed gas of the catalyst and the hydrocarbon is heated at a constant temperature of 800 ° C. to 1300 ° C., as a carbon source. By using at least two or more carbon compounds having different decomposition temperatures, the carbon material is grown in the form of fibers, while growing in the circumferential direction of the catalyst particles to be used, so that a three-dimensional network-like carbon fiber structure is obtained. A first step of obtaining an intermediate of the body, the intermediate of the obtained carbon fiber structure is immersed in an organic solvent solution of an organometallic compound or an aqueous solution of a metal salt and a surfactant, and then the used solvent is dried. The carbon fiber structure intermediate can be heated to 800 ° C. to 1200 ° C. after the second step and dried, and then subjected to a third step of annealing at 1800 ° C. to 3000 ° C. to produce the intermediate. In FIG. 1, the flow in the order of the arrows on the left side of the drawing, that is, “carbon fiber structure formation”, “drying after immersion in a metal solvent solution”, “annealing”, and “carbon fiber composite structure powder” Is the basic procedure of the method for producing a carbon fiber composite structure according to the present invention.

まず、三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体の中間体を得る第1工程について説明する。この第1工程においては、基本的には、遷移金属超微粒子を触媒として炭化水素等の有機化合物をCVD法で化学熱分解して炭素繊維構造体(中間体)を形成する。   First, the 1st process of obtaining the intermediate body of a three-dimensional network-like carbon fiber structure is demonstrated. In this first step, basically, a carbon fiber structure (intermediate body) is formed by chemically pyrolyzing an organic compound such as a hydrocarbon by a CVD method using transition metal ultrafine particles as a catalyst.

原料有機化合物としては、ベンゼン、トルエン、キシレンなどの炭化水素、一酸化炭素、エタノール等のアルコール類などが使用できる。特に限定されるわけではないが、炭素繊維構造体の中間体を得る上においては、炭素源として、分解温度の異なる少なくとも2つ以上の炭素化合物を用いることが好ましい。なお、本明細書において述べる「少なくとも2つ以上の炭素化合物」とは、必ずしも原料有機化合物として2種以上のものを使用するというものではなく、原料有機化合物としては1種のものを使用した場合であっても、繊維構造体の合成反応過程において、例えば、トルエンやキシレンの水素脱アルキル化(hydrodealkylation)などのような反応を生じて、その後の熱分解反応系においては分解温度の異なる2つ以上の炭素化合物となっているような態様も含むものである。   As the raw material organic compound, hydrocarbons such as benzene, toluene and xylene, alcohols such as carbon monoxide and ethanol can be used. Although not particularly limited, in order to obtain an intermediate of the carbon fiber structure, it is preferable to use at least two or more carbon compounds having different decomposition temperatures as the carbon source. In this specification, “at least two or more carbon compounds” do not necessarily mean that two or more kinds of raw material organic compounds are used, but one kind of raw material organic compound is used. However, in the process of synthesizing the fiber structure, for example, a reaction such as hydrodealkylation of toluene or xylene occurs, and in the subsequent thermal decomposition reaction system, two decomposition temperatures are different. The aspect which becomes the above carbon compound is also included.

なお、熱分解反応系において炭素源としてこのように2種以上の炭素化合物を存在させた場合、それぞれの炭素化合物の分解温度は、炭素化合物の種類のみでなく、原料ガス中の各炭素化合物のガス分圧ないしモル比によっても変動するものであるため、原料ガス中における2種以上の炭素化合物の組成比を調整することにより、炭素化合物として比較的多くの組み合わせを用いることができる。   In addition, when two or more types of carbon compounds are present as carbon sources in the thermal decomposition reaction system, the decomposition temperature of each carbon compound is not limited to the type of the carbon compound, but the carbon compound in the raw material gas. Since it varies depending on the gas partial pressure or molar ratio, a relatively large number of combinations can be used as carbon compounds by adjusting the composition ratio of two or more carbon compounds in the raw material gas.

例えば、メタン、エタン、プロパン類、ブタン類、ペンタン類、へキサン類、ヘプタン類、シクロプロパン、シクロヘキサンなどといったアルカンないしシクロアルカン、特に炭素数1〜7程度のアルカン;エチレン、プロピレン、ブチレン類、ペンテン類、ヘプテン類、シクロペンテンなどといったアルケンないしシクロオレフィン、特に炭素数1〜7程度のアルケン;アセチレン、プロピン等のアルキン、特に炭素数1〜7程度のアルキン;ベンゼン、トルエン、スチレン、キシレン、ナフタレン、メチルナフタレン、インデン、フェナントレン等の芳香族ないし複素芳香族炭化水素、特に炭素数6~18程度の芳香族ないし複素芳香族炭化水素、メタノール、エタノール等のアルコール類、特に炭素数1〜7程度のアルコール類;その他、一酸化炭素、ケトン類、エーテル類等の中から選択した2種以上の炭素化合物を、所期の熱分解反応温度域において異なる分解温度を発揮できるようにガス分圧を調整し、組み合わせて用いること、および/または、所定の温度領域における滞留時間を調整することで可能であり、その混合比を最適化することで効率よく本発明に係る炭素繊維構造体を製造することができる。   For example, alkanes or cycloalkanes such as methane, ethane, propanes, butanes, pentanes, hexanes, heptanes, cyclopropane, cyclohexane, etc., particularly alkanes having about 1 to 7 carbon atoms; ethylene, propylene, butylenes, Alkenes or cycloolefins such as pentenes, heptenes, cyclopentenes, especially alkenes having about 1 to 7 carbon atoms; alkynes such as acetylene and propyne, especially alkynes having about 1 to 7 carbon atoms; benzene, toluene, styrene, xylene, naphthalene , Aromatic or heteroaromatic hydrocarbons such as methylnaphthalene, indene and phenanthrene, especially aromatic or heteroaromatic hydrocarbons having about 6 to 18 carbon atoms, alcohols such as methanol and ethanol, especially about 1 to 7 carbon atoms Alcohols; other Combine two or more carbon compounds selected from carbon monoxide, ketones, ethers, etc., by adjusting the gas partial pressure so that different decomposition temperatures can be exhibited in the desired thermal decomposition reaction temperature range. The carbon fiber structure according to the present invention can be efficiently produced by using the material and / or adjusting the residence time in a predetermined temperature range and optimizing the mixing ratio.

このような2種以上の炭素化合物の組み合わせのうち、例えば、メタンとベンゼンとの組み合わせにおいては、メタン/ベンゼンのモル比が、>1〜600、より好ましくは1.1〜200、さらに好ましくは3〜100とすることが望ましい。なお、この値は、反応炉の入り口におけるガス組成比であり、例えば、炭素源の1つとしてトルエンを使用する場合には、反応炉内でトルエンが100%分解して、メタンおよびベンゼンが1:1で生じることを考慮して、不足分のメタンを別途供給するようにすれば良い。例えば、メタン/ベンゼンのモル比を3とする場合には、トルエン1モルに対し、メタン2モルを添加すれば良い。なお、このようなトルエンに対して添加するメタンとしては、必ずしも新鮮なメタンを別途用意する方法のみならず、当該反応炉より排出される排ガス中に含まれる未反応のメタンを循環使用することにより用いることも可能である。   Among such combinations of two or more carbon compounds, for example, in the combination of methane and benzene, the molar ratio of methane / benzene is> 1 to 600, more preferably 1.1 to 200, still more preferably. It is desirable to set it as 3-100. This value is the gas composition ratio at the entrance of the reactor. For example, when toluene is used as one of the carbon sources, toluene is decomposed 100% in the reactor, and methane and benzene are 1 In consideration of the occurrence of: 1, a shortage of methane may be supplied separately. For example, when the methane / benzene molar ratio is 3, 2 moles of methane may be added to 1 mole of toluene. In addition, as methane added to such toluene, not only a method of preparing fresh methane separately, but also the unreacted methane contained in the exhaust gas discharged from the reactor is circulated and used. It is also possible to use it.

このような範囲内の組成比とすることで、炭素繊維部および粒状部のいずれもが十分に発達した構造を有する炭素繊維構造体を得ることが可能となる。   By setting the composition ratio within such a range, it is possible to obtain a carbon fiber structure having a structure in which both the carbon fiber part and the granular part are sufficiently developed.

なお、雰囲気ガスには、アルゴン、ヘリウム、キセノン等の不活性ガスや水素を用いることができる。   Note that an inert gas such as argon, helium, or xenon, or hydrogen can be used as the atmospheric gas.

また、触媒としては、鉄、コバルト、モリブデンなどの遷移金属あるいはフェロセン、酢酸金属塩などの遷移金属化合物と硫黄あるいはチオフェン、硫化鉄などの硫黄化合物の混合物を使用する。   As the catalyst, a transition metal such as iron, cobalt or molybdenum, or a mixture of a transition metal compound such as ferrocene or metal acetate and sulfur or a sulfur compound such as thiophene or iron sulfide is used.

中間体の合成は、通常行われている炭化水素等のCVD法を用い、原料となる炭化水素および触媒の混合液を蒸発させ、水素ガス等をキャリアガスとして反応炉内に導入し、800〜1300℃の温度で熱分解する。これにより、外径が15〜100nmの繊維相互が、前記触媒の粒子を核として成長した粒状体によって結合した疎な三次元構造を有する炭素繊維構造体(中間体)が複数集まった数cm〜数十cmの大きさの集合体を合成する。   The synthesis of the intermediate is carried out by using a CVD method such as hydrocarbon which is usually performed, evaporating a mixed liquid of hydrocarbon and catalyst as raw materials, introducing hydrogen gas or the like into the reaction furnace as a carrier gas, Pyrolysis at a temperature of 1300 ° C. As a result, a plurality of carbon fiber structures (intermediates) having a sparse three-dimensional structure in which fibers having an outer diameter of 15 to 100 nm are bonded together by a granular material grown using the catalyst particles as nuclei are several cm to An assembly of several tens of centimeters in size is synthesized.

原料となる炭化水素の熱分解反応は、主として触媒粒子ないしこれを核として成長した粒状体表面において生じ、分解によって生じた炭素の再結晶化が当該触媒粒子ないし粒状体より一定方向に進むことで、繊維状に成長する。しかしながら、本発明に係る炭素繊維構造体を得る上においては、このような熱分解速度と成長速度とのバランスを意図的に変化させる、例えば上記したように炭素源として分解温度の異なる少なくとも2つ以上の炭素化合物を用いることで、一次元的方向にのみ炭素物質を成長させることなく、粒状体を中心として三次元的に炭素物質を成長させる。このような三次元的な炭素繊維の成長は、熱分解速度と成長速度とのバランスにのみ依存するものではなく、触媒粒子の結晶面選択性、反応炉内における滞留時間、炉内温度分布等によっても影響を受け、また、前記熱分解反応と成長速度とのバランスは、上記したような炭素源の種類のみならず、反応温度およびガス温度等によっても影響受ける。概して、上記したような熱分解速度よりも成長速度の方が速いと、炭素物質は繊維状に成長し、一方、成長速度よりも熱分解速度の方が速いと、炭素物質は触媒粒子の周面方向に成長する。従って、熱分解速度と成長速度とのバランスを意図的に変化させ制御することにより、炭素物質の成長方向を一定方向ではなく多方向とし、本発明に係る三次元構造を形成することができる。この中間体において、繊維相互が粒状体により結合された三次元構造を容易に形成する上では、触媒等の組成、反応炉内における滞留時間、反応温度、およびガス温度等を最適化することが望ましい。   The thermal cracking reaction of the hydrocarbon as a raw material mainly occurs on the surface of the granular particles grown using the catalyst particles or the core, and the recrystallization of carbon generated by the decomposition proceeds in a certain direction from the catalytic particles or granular materials. Grows in a fibrous form. However, in obtaining the carbon fiber structure according to the present invention, the balance between the thermal decomposition rate and the growth rate is intentionally changed. For example, as described above, at least two carbon sources having different decomposition temperatures are used. By using the above carbon compound, the carbon material is grown three-dimensionally around the granular material without growing the carbon material only in a one-dimensional direction. Such three-dimensional carbon fiber growth does not depend only on the balance between the thermal decomposition rate and the growth rate, but the crystal surface selectivity of the catalyst particles, the residence time in the reactor, the temperature distribution in the furnace, etc. In addition, the balance between the thermal decomposition reaction and the growth rate is influenced not only by the type of carbon source as described above but also by the reaction temperature and gas temperature. In general, when the growth rate is faster than the pyrolysis rate as described above, the carbon material grows in a fibrous form, whereas when the pyrolysis rate is faster than the growth rate, the carbon material is surrounded by catalyst particles. Grows in the plane direction. Therefore, by intentionally changing and controlling the balance between the thermal decomposition rate and the growth rate, the growth direction of the carbon material can be set to multiple directions instead of a fixed direction, and the three-dimensional structure according to the present invention can be formed. In this intermediate, the composition of the catalyst, residence time in the reactor, reaction temperature, gas temperature, etc. can be optimized in order to easily form a three-dimensional structure in which the fibers are bonded together by granular materials. desirable.

以上のようにして得られた中間体は、炭素原子からなるパッチ状のシート片を貼り合わせたような不完全な構造を有し、欠陥が多い。この中間体は、未反応原料、非繊維状炭化物、タール分および触媒金属を含んでいる。   The intermediate obtained as described above has an incomplete structure in which patch-like sheet pieces made of carbon atoms are bonded together, and has many defects. This intermediate contains unreacted raw material, non-fibrous carbide, tar content and catalytic metal.

本発明の炭素繊維構造体の製造方法では、必要に応じて予備的アニール処理工程を付加することができる。具体的には第1工程と第2工程の間に、第1工程で得られた炭素繊維構造体の中間体を800℃〜1200℃で5〜20分間加熱する。この予備的アニール処理工程により、第1工程で得られた中間体が含んでいる未反応原料、非繊維状炭化物、タール分および触媒金属の一部または全部が除去される。   In the method for producing a carbon fiber structure of the present invention, a preliminary annealing process can be added as necessary. Specifically, the intermediate body of the carbon fiber structure obtained in the first step is heated at 800 ° C. to 1200 ° C. for 5 to 20 minutes between the first step and the second step. By this preliminary annealing treatment step, the unreacted raw material, non-fibrous carbide, tar content and part or all of the catalytic metal contained in the intermediate obtained in the first step are removed.

次いで、本発明の製造方法の第2工程においては、第1工程で得られた炭素繊維構造体の中間体を有機金属化合物の有機溶媒溶液か、または金属塩と界面活性剤の水溶液に浸漬させた後、使用した溶媒を乾燥除去する。   Next, in the second step of the production method of the present invention, the carbon fiber structure intermediate obtained in the first step is immersed in an organic solvent solution of an organometallic compound or an aqueous solution of a metal salt and a surfactant. After that, the solvent used is removed by drying.

本発明の第2工程の具体的な例を以下に記述する。   A specific example of the second step of the present invention will be described below.

第1工程で製造した炭素繊維に対して、有機金属化合物の有機溶媒溶液か、または金属塩と界面活性剤の水溶液を、スプレー等で塗布するか、またはバッチ式あるいは連続的に浸漬処理する。   An organic solvent solution of an organometallic compound or an aqueous solution of a metal salt and a surfactant is applied to the carbon fibers produced in the first step by spraying or the like, or batchwise or continuously immersed.

カーボンナノチューブは水との親和性が低いので有機金属化合物の有機溶媒溶液の方が使用し易い。有機金属化合物としては、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Ta、W、Y等の金属のアルコキシド、アセチルアセトナート、脂肪酸塩等を用いることができる。またこれらの金属と無機酸との塩と、界面活性剤を含有する水溶液等も用いることができる。これらの金属は炭素と強い結合力を持ち炭化物を形成するものである。   Since carbon nanotubes have a low affinity for water, organic solvent solutions of organometallic compounds are easier to use. As the organometallic compound, alkoxides of metal such as Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Ta, W, and Y, acetylacetonate, fatty acid salts, and the like can be used. Also, an aqueous solution containing a salt of these metals and an inorganic acid and a surfactant can be used. These metals have a strong bonding force with carbon and form carbides.

使用した溶媒を乾燥除去する方法としては、特に限定されるものではないが、例えば、自然乾燥あるいは100℃以下、より好ましくは70〜80℃程度の温度での加熱乾燥を行うことができ、例えば、8〜24時間程度、代表的には、約12時間程度加熱乾燥させる。   The method for drying and removing the solvent used is not particularly limited, and for example, natural drying or heat drying at a temperature of about 100 ° C. or lower, more preferably about 70 to 80 ° C. can be performed. For about 8 to 24 hours, typically about 12 hours.

その後、第3工程として、第2工程で有機金属化合物の有機溶媒溶液か、または金属塩と界面活性剤の水溶液に浸漬し、乾燥した炭素繊維構造体の中間体を、800℃〜1200℃、より好ましくは900〜1000℃で加熱し、さらに1800℃〜3000℃で、より好ましくは2000〜2600℃アニール処理する。   Thereafter, as a third step, an intermediate of the carbon fiber structure, which is immersed in an organic solvent solution of an organometallic compound in the second step or an aqueous solution of a metal salt and a surfactant and dried, is 800 ° C. to 1200 ° C., More preferably, heating is performed at 900 to 1000 ° C., and annealing treatment is further performed at 1800 ° C. to 3000 ° C., more preferably 2000 to 2600 ° C.

アニール処理を1800℃よりも低い温度で行うと、炭素繊維複合構造体の結晶性が低くなり、電気伝導性、熱伝導性、機械的強度等において十分な性能を発揮できず好ましくない。また3000℃よりも高い温度で行っても、炭素繊維複合構造体の結晶性の発展にはこれ以上の効果が無く、高温処理コストの面で好ましくない。   If the annealing treatment is performed at a temperature lower than 1800 ° C., the crystallinity of the carbon fiber composite structure is lowered, and sufficient performance cannot be exhibited in terms of electrical conductivity, thermal conductivity, mechanical strength, etc., which is not preferable. Moreover, even if it is performed at a temperature higher than 3000 ° C., there is no further effect on the crystallinity development of the carbon fiber composite structure, which is not preferable in terms of high-temperature treatment costs.

それぞれの温度域における処理時間としては、特に限定されるものではないが、、800℃〜1200℃で5〜20分間程度、次に1800℃〜3000℃で5〜20分間程度とすることができる。   Although it does not specifically limit as processing time in each temperature range, It can be made into 5 to 20 minutes at 800 degreeC-1200 degreeC for about 5 to 20 minutes, and then 1800 degreeC-3000 degreeC. .

なお、この際、物質構造を保護するために不活性ガス雰囲気中に還元ガスや微量の一酸化炭素ガスを添加してもよい。   At this time, a reducing gas or a small amount of carbon monoxide gas may be added to the inert gas atmosphere in order to protect the material structure.

上記したような製造方法で製造された本発明の炭素繊維複合構造体は、第3工程において1800℃〜3000℃でアニール処理されるため高温に対する耐久性が高い。またアニール処理されたことにより、炭素繊維複合構造体の欠陥が少ないので、空気中においても燃焼開始温度が700℃以上と、熱的安定性が高いものとなる。   Since the carbon fiber composite structure of the present invention manufactured by the manufacturing method as described above is annealed at 1800 ° C. to 3000 ° C. in the third step, it has high durability against high temperatures. Moreover, since the carbon fiber composite structure has few defects due to the annealing treatment, the combustion start temperature is 700 ° C. or higher even in the air, and the thermal stability is high.

なお、2400℃以上でアニール処理すると、積層したグラフェンシートの面間隔が狭まり真密度が1.89g/cmから2.1g/cmに増加するとともに、炭素繊維の軸直交断面が多角形状となり、この構造の炭素繊維は、積層方向および炭素繊維を構成する筒状のグラフェンシートの面方向の両方において緻密で欠陥の少ないものとなるため、曲げ剛性(EI)が向上する。 Incidentally, when annealing at 2400 ° C. or higher, with a true density narrowed spacing of graphene sheets stacked is increased from 1.89 g / cm 3 to 2.1 g / cm 3, perpendicular to the axis the cross-section of the carbon fiber becomes a polygonal shape The carbon fiber having this structure is dense and has few defects both in the laminating direction and in the plane direction of the cylindrical graphene sheet constituting the carbon fiber, so that the bending rigidity (EI) is improved.

本発明の炭素繊維複合構造体の製造方法で製造された炭素繊維複合構造体は、第1工程の段階で三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体が形成されており、しかもそのネットワークは微細炭素繊維同士が単に絡合しているものでは無く、微細炭素繊維同士を強固に結合する粒状部を有しているので、前記したように、最終的に複合材料を製造した場合には、その複合材料の熱伝導性、導電性、機械的強度が良好なものとなる。また、三次元的構造を付与するための工程を付加する必要が無いものである。   The carbon fiber composite structure manufactured by the method for manufacturing a carbon fiber composite structure of the present invention has a three-dimensional network-like carbon fiber structure formed in the first step, and the network is a fine carbon fiber. Since they are not simply entangled with each other, but have a granular part that firmly bonds the fine carbon fibers together, as described above, when a composite material is finally produced, the composite material The thermal conductivity, electrical conductivity, and mechanical strength of the resin are good. Moreover, it is not necessary to add a process for imparting a three-dimensional structure.

本発明の炭素繊維複合構造体として、上記したようにホウ素化合物を含有した炭素繊維複合構造体を得ようとする実施形態においては、このホウ素化合物を含有させるための工程として、例えば、上記したような第1〜第3工程を有する製造プロセスに次のような工程を付加することにより行うことができる。   In the embodiment for obtaining a carbon fiber composite structure containing a boron compound as described above as the carbon fiber composite structure of the present invention, as a step for containing this boron compound, for example, as described above It can be performed by adding the following steps to the manufacturing process having the first to third steps.

すなわち、前記した第2工程の際に、有機金属化合物の有機溶媒溶液または金属塩と界面活性剤の水溶液に対して、ホウ素化合物の有機溶媒溶液もしくは水溶液を混合する。   That is, in the second step described above, an organic solvent solution or an aqueous solution of a boron compound is mixed with an organic solvent solution or metal salt of an organic metal compound and an aqueous solution of a surfactant.

ここで使用するホウ素化合物としては、第3工程で1800℃に到達する前に、分解等で蒸発しない物性を有しているところの、単体ホウ素、B、HBO、BC、BN等が挙げられる。ホウ素化合物の含有量は、炭素繊維複合構造体に対してホウ素換算で0.001〜30質量%、好ましくは0.01〜3.0質量%である。炭素繊維複合構造体中にホウ素化合物の存在する部位は、炭素繊維複合構造体を構成する炭素原子の一部がホウ素に置換されている状態、炭素繊維複合構造体の表面にホウ素が付着した状態、炭素繊維複合構造体の表面に含有されている金属微粒子の中に取り込まれた状態がある。この時にホウ素化合物は種々の化合物種を採り得る。上述したように、炭素繊維複合構造体中にホウ素化合物が存在することによって、構造に多少の欠陥を含んでいる場合であっても、高い導電性を得ることができる。 As the boron compound used here, simple boron, B 2 O 3 , H 3 BO 4 , B 4 having physical properties that do not evaporate by decomposition or the like before reaching 1800 ° C. in the third step. C, BN, etc. are mentioned. Content of a boron compound is 0.001-30 mass% in conversion of boron with respect to a carbon fiber composite structure, Preferably it is 0.01-3.0 mass%. The site where the boron compound is present in the carbon fiber composite structure is a state in which a part of carbon atoms constituting the carbon fiber composite structure is substituted with boron, and a state where boron is attached to the surface of the carbon fiber composite structure. There is a state of being taken into metal fine particles contained on the surface of the carbon fiber composite structure. At this time, the boron compound can adopt various compound species. As described above, by the presence of the boron compound in the carbon fiber composite structure, high conductivity can be obtained even when the structure includes some defects.

(炭素繊維複合構造体の予備成形体)
次に本発明に係る炭素繊維複合構造体の予備成形体につき説明する。
本発明の炭素繊維複合構造体の予備成形体は、上記したように、特定の三次元ネットワーク構造を有する炭素繊維構造体の表面に、金属および/または金属炭化物の微粒子を含有してなる炭素繊維複合構造体を形成し、当該炭素繊維複合構造体を熱間プレスと炭化処理工程を経て得られるものである。
(Preliminary body of carbon fiber composite structure)
Next, the preform of the carbon fiber composite structure according to the present invention will be described.
As described above, the preform of the carbon fiber composite structure of the present invention is a carbon fiber containing fine particles of metal and / or metal carbide on the surface of a carbon fiber structure having a specific three-dimensional network structure. A composite structure is formed, and the carbon fiber composite structure is obtained through a hot press and a carbonization process.

このような本発明に係る炭素繊維複合構造体の予備成形体の形状、大きさは、この予備成形体を使用して最終的に形成される複合材の形状、大きさに基づいて決められる。こうして得られる炭素繊維複合構造体の予備成形体は、前記したような本発明に係る炭素繊維複合構造体の有する特性を有しつつ、ハンドリング性が向上し、かつさらに先の段階で複合材の成形体を作製する際に使用するマトリックスとの接触性が良好になる。その結果最終的に作製された複合材の成形加工を容易とすると共に、得られる成形体を強固なものにすることができる。
(炭素繊維複合構造体の予備成形体の製造方法)
上記したような炭素繊維複合構造体の予備成形体は、前記した「炭素繊維複合構造体の製造方法」に関して説明したような第1〜第3工程を経て、その表面に金属および/または金属炭化物の微粒子を含有している炭素繊維複合構造体を形成し、その後、当該炭素繊維複合構造体に対して、バインダーを添加し100℃〜200℃で熱間プレスし、次に800℃〜1200℃で炭化処理することにより、調製することができる。図1中において、図中右側の矢印順、すなわち、「炭素繊維構造体生成」、「金属溶媒液に浸漬後乾燥」、「アニール処理」、「熱硬化樹脂等の有機溶剤に浸漬後乾燥」、「熱間プレスで成形体作製」、「アニール炭化処理」および「炭素繊維複合構造体の予備成形体」という流れが、本発明に係る炭素繊維複合構造体の予備成形体の製造方法の代表的かつ基本的な手順である。
The shape and size of the preform of the carbon fiber composite structure according to the present invention are determined based on the shape and size of the composite material finally formed using the preform. The preform of the carbon fiber composite structure thus obtained has the characteristics of the carbon fiber composite structure according to the present invention as described above, has improved handling properties, and has further improved the composite material at the previous stage. The contact property with the matrix used when producing the molded body is improved. As a result, it is possible to facilitate the molding process of the finally produced composite material and to make the obtained molded body strong.
(Method for producing preform of carbon fiber composite structure)
The preform of the carbon fiber composite structure as described above is subjected to the first to third steps as described with respect to the above-described “method for producing a carbon fiber composite structure”, and a metal and / or metal carbide is formed on the surface thereof. The carbon fiber composite structure containing the fine particles of the carbon fiber composite structure is formed, and then the binder is added to the carbon fiber composite structure and hot-pressed at 100 ° C. to 200 ° C., and then 800 ° C. to 1200 ° C. Can be prepared by carbonization treatment. In FIG. 1, the order of the arrows on the right side of the drawing, that is, “carbon fiber structure production”, “drying after immersion in a metal solvent solution”, “annealing”, “drying after immersion in an organic solvent such as a thermosetting resin” , “Preparation of molded body by hot pressing”, “anneal carbonization” and “preliminary body of carbon fiber composite structure” are representative of the method for producing a preform of carbon fiber composite structure according to the present invention. And basic procedure.

第1〜第3工程については、前述したものと同様であり、説明が重複するために省略するが、この場合も当然に、前記したような予備的アニール処理、ホウ素化合物を含有させるための工程といった付加工程を追加したり、あるいは前記したような様々な変更形態を採択することはもちろん可能である。   The first to third steps are the same as those described above, and are omitted for the sake of duplication. In this case, naturally, the preliminary annealing treatment as described above, the step for containing a boron compound is included. Of course, it is possible to add such additional steps or to adopt various modifications as described above.

そして、第3工程を経た得られた炭素繊維複合構造体に対し、バインダーとの混合、混練を行う。バインダーとしては、熱硬化性樹脂、あるいはピッチ等が使用可能であるが、これらに限定されるわけではない。熱硬化性樹脂としては、100〜200℃程度の加熱による硬化工程により架橋、重合して固化する性質を有し、加熱時には流動状態とならずに、分解して炭素化するという性質のものが好ましい。具体的には、熱硬化性樹脂としては、例えば、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、キシレン樹脂、アニリン樹脂、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ジアリルフタレート樹脂、フラン樹脂、ポリベンゾオキサゾール樹脂等が挙げられる。また、ピッチとしては、等方性ピッチ、メソフェーズピッチ等が使用できる。   Then, the carbon fiber composite structure obtained through the third step is mixed and kneaded with a binder. As the binder, thermosetting resin, pitch or the like can be used, but is not limited thereto. The thermosetting resin has a property of being crosslinked, polymerized and solidified by a curing step by heating at about 100 to 200 ° C., and having a property of being decomposed and carbonized without being in a fluid state at the time of heating. preferable. Specifically, as the thermosetting resin, for example, phenol resin, urea resin, melamine resin, xylene resin, aniline resin, epoxy resin, polyamide resin, polyimide resin, diallyl phthalate resin, furan resin, polybenzoxazole resin, etc. Is mentioned. As the pitch, an isotropic pitch, a mesophase pitch, or the like can be used.

炭素繊維複合構造体とバインダーとの混合、混練には、双腕型ニーダー、ミキサー型混練機等が使用できる。混合、混練の条件としては、前記特定の三次元構造を有する炭素繊維構造体に金属および/または金属炭化物の微粒子を含有してなる炭素繊維複合構造体が、実質的にその構造を破壊しない程度のせん断力および時間にて行う限り、特に限定されない。また、その条件は使用するバインダーの種類、使用する混合ないし混練装置等によっても左右されるため、一概には規定できないが、一例を挙げると、例えば、バインダーの粘度が0.3〜1000mPa・s程度において、10秒〜10分といった処理を例示できる。なお、単純に浸漬等の処理のみで、炭素繊維複合構造体にバインダーを均一に混合できる場合には、特段の混練ないし撹拌等の処理は不要である。また、必要に応じて、バインダーは溶剤で希釈したり、加熱したりして、混合時の粘度を調整することが可能である。   A double-arm kneader, a mixer-type kneader, or the like can be used for mixing and kneading the carbon fiber composite structure and the binder. The mixing and kneading conditions are such that the carbon fiber composite structure formed by containing fine particles of metal and / or metal carbide in the carbon fiber structure having the specific three-dimensional structure does not substantially destroy the structure. There is no particular limitation as long as the shearing force and time are used. In addition, the conditions depend on the type of binder used, the mixing or kneading apparatus used, and therefore cannot be defined unconditionally. For example, the viscosity of the binder is 0.3 to 1000 mPa · s. For example, a process of 10 seconds to 10 minutes can be exemplified. If the binder can be uniformly mixed with the carbon fiber composite structure simply by treatment such as dipping, special treatment such as kneading or stirring is unnecessary. If necessary, the binder can be diluted with a solvent or heated to adjust the viscosity during mixing.

混合、混練に次いで、熱間プレスによる成形を行う。成形には金型を使用して上下からプレスする方法、ゴム型を使用して静水圧にて等方的にプレスする方法等が好ましい。プレス時における成形圧力は、1×10〜2×10Pである。 Following mixing and kneading, molding by hot pressing is performed. For molding, a method of pressing from above and below using a metal mold, a method of isotropic pressing using hydrostatic pressure using a rubber mold, and the like are preferable. Molding pressure at the time of pressing are 1 × 10 5 ~2 × 10 8 P.

バインダーとして熱硬化性樹脂を使用した場合、プレス時には熱硬化性樹脂の硬化温度、例えば100〜200℃に加熱して、成形と同時に熱硬化性樹脂を硬化させることができる。   When a thermosetting resin is used as a binder, the thermosetting resin can be cured simultaneously with molding by heating to a curing temperature of the thermosetting resin, for example, 100 to 200 ° C. during pressing.

熱間プレスによる成形後、脱酸素雰囲気または不活性ガス雰囲気中で、例えば、800〜1200℃に加熱して熱硬化性樹脂を分解して炭素化し、さらに黒鉛化させる。これら一連の工程により、炭素繊維複合構造体の予備成形体を製造することができる。   After forming by hot pressing, the thermosetting resin is decomposed and carbonized by heating to, for example, 800 to 1200 ° C. in a deoxygenated atmosphere or an inert gas atmosphere, and further graphitized. A preform of the carbon fiber composite structure can be manufactured through these series of steps.

なお、炭素繊維複合構造体の予備成形体の形状、大きさは、この予備成形体を使用して最終的に形成される複合材の形状、大きさに基づいて決められる。こうして得られる炭素繊維複合構造体の予備成形体は、内部に空隙部を有しているが、さらに先の段階でこの空隙部にマトリックス材料を含浸させて、複合材の成形体が作製される。含浸の際には、炭素繊維複合構造体の予備成形体とマトリックスとの接触が良好になり、炭素繊維複合構造体とマトリックスとの接着がアンカー効果により強固なものになる。その結果最終的に作製された複合材の成形体をより強固なものにすることができる。
(炭素繊維複合構造体および炭素繊維複合構造体の予備成形体の用途)
上述したような本発明に係る炭素繊維複合構造体および炭素繊維複合構造体の予備成形体、あるいは上述したような本発明に係る炭素繊維複合構造体の製造方法および炭素繊維複合構造体の予備成形体の製造方法により得られた炭素繊維複合構造体および炭素繊維複合構造体の予備成形体は、前記したように、導電性、熱伝導性、マトリックスに対する分散性が良好かつ安定であるなどの特性があり、これらを活かして樹脂、セラミックス、金属等の固体材料に対する複合材料用フィラーとして広い範囲に好適に利用できる。
The shape and size of the preform of the carbon fiber composite structure are determined based on the shape and size of the composite material that is finally formed using the preform. The carbon fiber composite structure preform thus obtained has voids inside, and in the further stage, the voids are impregnated with a matrix material to produce a composite molded body. . At the time of impregnation, the contact between the preform of the carbon fiber composite structure and the matrix becomes good, and the adhesion between the carbon fiber composite structure and the matrix becomes stronger due to the anchor effect. As a result, the composite material finally produced can be made stronger.
(Use of carbon fiber composite structure and carbon fiber composite structure preform)
Carbon fiber composite structure and carbon fiber composite structure preform according to the present invention as described above, or carbon fiber composite structure manufacturing method and carbon fiber composite structure preform according to the present invention as described above As described above, the carbon fiber composite structure and the carbon fiber composite structure preform obtained by the method for producing the body have good and stable properties such as conductivity, thermal conductivity, and dispersibility in the matrix. Taking advantage of these, it can be suitably used in a wide range as a filler for composite materials for solid materials such as resins, ceramics and metals.

次に、本発明の係る炭素繊維複合構造体および炭素繊維複合構造体の予備成形体を用いた複合材料において、前述のごとき炭素繊維複合構造体を分散させるマトリックスとしては、有機ポリマー、無機材料、金属等が好ましく使用することができる。   Next, in the composite material using the carbon fiber composite structure and the carbon fiber composite structure preform according to the present invention, as a matrix for dispersing the carbon fiber composite structure as described above, an organic polymer, an inorganic material, A metal etc. can be used preferably.

有機ポリマーとして、例えばポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリアセタール、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリビニルアセテート、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリビニルアルコール、ポリフェニレンエーテル、ポリ(メタ)アクリレート及び液晶ポリマー等の各種熱可塑性樹脂、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フラン樹脂、イミド樹脂、ウレタン樹脂、メラミン樹脂、シリコーン樹脂およびユリア樹脂等の各種熱硬化性樹脂、天然ゴム、スチレン・ブタジエンゴム(SBR)、ブタジエンゴム(BR)、イソプレンゴム(IR)、エチレン・プロピレンゴム(EPDM)、ニトリルゴム(NBR)、クロロプレンゴム(CR)、ブチルゴム(IIR)、ウレタンゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム、アクリルゴム(ACM)、エピクロロヒドリンゴム、エチレンアクリルゴム、ノルボルネンゴム及び熱可塑性エラストマー等の各種エラストマーが挙げられる。   Examples of organic polymers include polypropylene, polyethylene, polystyrene, polyvinyl chloride, polyacetal, polyethylene terephthalate, polycarbonate, polyvinyl acetate, polyamide, polyamideimide, polyetherimide, polyetheretherketone, polyvinyl alcohol, polyphenylene ether, and poly (meth) acrylate. And various thermoplastic resins such as liquid crystal polymers, epoxy resins, vinyl ester resins, phenol resins, unsaturated polyester resins, furan resins, imide resins, urethane resins, melamine resins, silicone resins and urea resins, Natural rubber, styrene / butadiene rubber (SBR), butadiene rubber (BR), isoprene rubber (IR), ethylene / propylene rubber (EPDM), Various elastomers such as tolyl rubber (NBR), chloroprene rubber (CR), butyl rubber (IIR), urethane rubber, silicone rubber, fluorine rubber, acrylic rubber (ACM), epichlorohydrin rubber, ethylene acrylic rubber, norbornene rubber and thermoplastic elastomer Is mentioned.

また、有機ポリマーは、接着剤、繊維、塗料、インキ等の各種組成物の形態であってもよい。   The organic polymer may be in the form of various compositions such as adhesives, fibers, paints, and inks.

すなわち、マトリックスが、例えば、エポキシ系接着剤、アクリル系接着剤、ウレタン系接着剤、フェノール系接着剤、ポリエステル系接着剤、塩化ビニル系接着剤、ユリア系接着剤、メラミン系接着剤、オレフィン系接着剤、酢酸ビニル系接着剤、ホットメルト系接着剤、シアノアクリレート系接着剤、ゴム系接着剤及びセルロース系接着剤等の接着剤、アクリル繊維、アセテート繊維、アラミド繊維、ナイロン繊維、ノボロイド繊維、セルロース繊維、ビスコースレーヨン繊維、ビニリデン繊維、ビニロン繊維、フッ素繊維、ポリアセタール繊維、ポリウレタン繊維、ポリエステル繊維、ポリエチレン繊維、ポリ塩化ビニル繊維及びポリプロピレン繊維等の繊維、さらにフェノール樹脂系塗料、アルキド樹脂系塗料エポキシ樹脂系塗料、アクリル樹脂系塗料、不飽和ポリエステル系塗料、ポリウレタン系塗料、シリコーン系塗料、フッ素樹脂系塗料、合成樹脂エマルジョン系塗料等の塗料であってよい。   That is, the matrix is, for example, epoxy adhesive, acrylic adhesive, urethane adhesive, phenol adhesive, polyester adhesive, vinyl chloride adhesive, urea adhesive, melamine adhesive, olefin adhesive Adhesives, vinyl acetate adhesives, hot melt adhesives, cyanoacrylate adhesives, rubber adhesives and cellulose adhesives, acrylic fibers, acetate fibers, aramid fibers, nylon fibers, novoloid fibers, Cellulose fiber, viscose rayon fiber, vinylidene fiber, vinylon fiber, fluorine fiber, polyacetal fiber, polyurethane fiber, polyester fiber, polyethylene fiber, polyvinyl chloride fiber, polypropylene fiber and other fibers, phenol resin paint, alkyd resin paint Epoxy resin paint, Acrylic resin paint, unsaturated polyester paint, polyurethane paint, silicone paint, fluorine resin paint may be a paint such as a synthetic resin emulsion based paint.

無機材料としては、例えば、セラミック材料、無機酸化物ポリマー、カーボン系材料などが挙げられる。具体低に、は例えば、カーボンカーボンコンポジットなどの炭素材料、ガラス、ガラス繊維、板ガラス及び他の成形ガラス、ケイ酸塩セラミクス並びに他の耐火性セラミクス、例えば酸化アルミニウム、炭化ケイ素、酸化マグネシウム、窒化ケイ素及び窒化ホウ素が挙げられる。   Examples of the inorganic material include a ceramic material, an inorganic oxide polymer, and a carbon-based material. Specifically, for example, carbon materials such as carbon carbon composites, glass, glass fibers, sheet glass and other molded glass, silicate ceramics and other refractory ceramics such as aluminum oxide, silicon carbide, magnesium oxide, silicon nitride And boron nitride.

また、マトリクスが金属である場合、例えば、アルミニウム、マグネシウム、チタン、亜鉛、クロム、銅、銀、鉛、銅等の金属、またはこれらの金属の2種以上の合金及び混合物が挙げられる。   When the matrix is a metal, for example, a metal such as aluminum, magnesium, titanium, zinc, chromium, copper, silver, lead, copper, or an alloy or a mixture of two or more of these metals can be used.

さらに複合材料には、上述した炭素繊維構造体に加えて他の充填剤を含んでいてもよく、そのような充填剤としては例えば、金属微粒子、シリカ、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、カーボンブラック、ガラス繊維、炭素繊維などが挙げられ、これらを一種または二種以上組み合わせて用いることができる。   Further, the composite material may contain other fillers in addition to the carbon fiber structure described above. Examples of such fillers include metal fine particles, silica, calcium carbonate, magnesium carbonate, carbon black, glass, and the like. A fiber, carbon fiber, etc. are mentioned, These can be used 1 type or in combination of 2 or more types.

なお、複合材料は、前記のようなマトリックスに本発明に係る炭素繊維複合構造体ないし炭素繊維複合構造体の予備成形体を有効量含む。その量は、複合材料の用途やマトリックスによって異なるが、例えば、0.1%〜98%程度とすることができる。0.1%未満では、構造材としての強度の補強効果が小さかったり、電気導電性も十分でない。98%より多くなると、マトリックス材料の特性を十分発揮できなくなる。本発明の炭素繊維複合構造体ないし炭素繊維複合構造体の予備成形体を用いた複合材料においては、マトリックス中に、微細な炭素繊維を均一な広がりをもって配置することができ、またその表面に金属および/または金属炭化物の微粒子を有することから、電気伝導性、熱伝導性、電波遮蔽性等に優れた機能材料、強度の高い構造材料等として有用な複合材料となるものである。   The composite material includes an effective amount of the carbon fiber composite structure or the preform of the carbon fiber composite structure according to the present invention in the matrix as described above. The amount varies depending on the use of the composite material and the matrix, but can be, for example, about 0.1% to 98%. If it is less than 0.1%, the reinforcing effect of strength as a structural material is small, and the electrical conductivity is not sufficient. If it exceeds 98%, the characteristics of the matrix material cannot be exhibited sufficiently. In the composite material using the carbon fiber composite structure or the preform of the carbon fiber composite structure according to the present invention, fine carbon fibers can be arranged in the matrix with a uniform spread, and a metal is formed on the surface thereof. In addition, since it has fine particles of metal carbide, it is a composite material useful as a functional material excellent in electrical conductivity, thermal conductivity, radio wave shielding properties, etc., a structural material having high strength, and the like.

以下、本発明を実施例に基づき、更に具体的に説明する。なお、以下において、各物性値は次のようにして測定した。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically based on examples. In the following, each physical property value was measured as follows.

<面積基準の円相当平均径>
まず、炭素繊維構造体の写真をSEMで撮影する。得られたSEM写真において、炭素繊維構造体の輪郭が明瞭なもののみを対象とし、炭素繊維構造体が崩れているようなものは輪郭が不明瞭であるために対象としなかった。1視野で対象とできる炭素繊維構造体(60〜80個程度)はすべて用い、3視野で約200個の炭素繊維構造体を対象とした。対象とされた各炭素繊維構造体の輪郭を、画像解析ソフトウェア WinRoof(商品名、三谷商事株式会社製)を用いてなぞり、輪郭内の面積を求め、各繊維構造体の円相当径を計算し、これを平均化した。
<Area-based circle equivalent average diameter>
First, a photograph of the carbon fiber structure is taken with an SEM. In the obtained SEM photograph, only the carbon fiber structure with a clear outline was targeted, and the carbon fiber structure with a broken outline was not targeted because the outline was unclear. All carbon fiber structures (about 60 to 80) that can be targeted in one field of view were used, and about 200 carbon fiber structures were targeted in three fields of view. Trace the contour of each carbon fiber structure targeted using image analysis software WinRoof (trade name, manufactured by Mitani Corp.), obtain the area within the contour, and calculate the equivalent circle diameter of each fiber structure This was averaged.

<嵩密度の測定>
内径70mmで分散板付透明円筒に1g粉体を充填し、圧力0.1Mpa、容量1.3リットルの空気を分散板下部から送り粉体を吹出し、自然沈降させる。5回吹出した時点で沈降後の粉体層の高さを測定する。このとき測定箇所は6箇所とることとし、6箇所の平均を求めた後、嵩密度を算出した。
<Measurement of bulk density>
A transparent cylinder with an inner diameter of 70 mm is filled with 1 g of powder, and air with a pressure of 0.1 Mpa and a capacity of 1.3 liters is sent from the lower part of the dispersion plate to blow out the powder and let it settle naturally. At the time of blowing out 5 times, the height of the powder layer after settling is measured. At this time, the number of measurement points was six, and after calculating the average of the six points, the bulk density was calculated.

<ラマン分光分析>
堀場ジョバンイボン製Jobin Yvon LabRam HR−800−Horibaを用い、アルゴンレーザーの514nmの波長を用いて測定した。
<Raman spectroscopy>
Using a Yin Lab LabRam HR-800-Horiba manufactured by Horiba Jobin Yvon, measurement was performed using a wavelength of 514 nm of an argon laser.

<TG燃焼温度>
マックサイエンス製TG−DTAを用い、空気を0.1リットル/分の流速で流通させながら、10℃/分の速度で昇温し、燃焼挙動を測定した。燃焼時にTGは減量を示し、DTAは発熱ピークを示すので、発熱ピークのトップ位置を燃焼開始温度と定義した。
<TG combustion temperature>
Using TG-DTA manufactured by Mac Science, the temperature was increased at a rate of 10 ° C./min while circulating air at a flow rate of 0.1 liter / min, and the combustion behavior was measured. During combustion, TG indicates a decrease in weight, and DTA indicates an exothermic peak. Therefore, the top position of the exothermic peak was defined as the combustion start temperature.

<X線回折>
粉末X線回折装置(JEOL−JDX−3532、日本電子製)を用いて、アニール処理後の炭素繊維複合構造体ないし炭素繊維構造体を調べた。Cu管球で40kV、30mAで発生させたKα線を用いることとし、面間隔の測定は学振法(最新の炭素材料実験技術(分析・解析編)、炭素材料学会編)に従い、シリコン粉末を内部標準として用いた。
<X-ray diffraction>
Using a powder X-ray diffractometer (JEOL-JDX-3532, manufactured by JEOL Ltd.), the carbon fiber composite structure or carbon fiber structure after the annealing treatment was examined. The Kα ray generated at 40 kV and 30 mA in a Cu tube is used, and the surface spacing is measured according to the Gakushin method (the latest carbon material experiment technology (analysis and analysis), edited by the Carbon Materials Society of Japan). Used as internal standard.

<粒状部の平均粒径、円形度、微細炭素繊維との比>
面積基準の円相当平均径の測定と同様に、まず、炭素繊維構造体の写真をSEMで撮影する。得られたSEM写真において、炭素繊維構造体の輪郭が明瞭なもののみを対象とし、炭素繊維構造体が崩れているようなものは輪郭が不明瞭であるために対象としなかった。1視野で対象とできる炭素繊維構造体(60〜80個程度)はすべて用い、3視野で約200個の炭素繊維構造体を対象とした。
<Average particle size of granular part, circularity, ratio with fine carbon fiber>
Similar to the measurement of the area-based circle-equivalent mean diameter, first, a photograph of the carbon fiber structure is taken with an SEM. In the obtained SEM photograph, only the carbon fiber structure with a clear outline was targeted, and the carbon fiber structure with a broken outline was not targeted because the outline was unclear. All carbon fiber structures (about 60 to 80) that can be targeted in one field of view were used, and about 200 carbon fiber structures were targeted in three fields of view.

対象とされた各炭素繊維構造体において、炭素繊維相互の結合点である粒状部を1つの粒子とみなして、その輪郭を、画像解析ソフトウェア WinRoof(商品名、三谷商事株式会社製)を用いてなぞり、輪郭内の面積を求め、各粒状部の円相当径を計算し、これを平均化して粒状部の平均粒径とした。また、円形度(R)は、前記画像解析ソフトウェアを用いて測定した輪郭内の面積(A)と、各粒状部の実測の輪郭長さ(L)より、次式により各粒状部の円形度を求めこれを平均化した。   In each of the targeted carbon fiber structures, a granular portion that is a bonding point between carbon fibers is regarded as one particle, and its outline is defined by using image analysis software WinRoof (trade name, manufactured by Mitani Corporation). By tracing, the area in the contour was obtained, the equivalent circle diameter of each granular part was calculated, and this was averaged to obtain the average particle diameter of the granular part. Further, the circularity (R) is calculated based on the following equation from the area (A) in the contour measured using the image analysis software and the measured contour length (L) of each granular portion. Was averaged.

[化1]
R=A*4π/L2
さらに、対象とされた各炭素繊維構造体における微細炭素繊維の外径を求め、これと前記各炭素繊維構造体の粒状部の円相当径から、各炭素繊維構造体における粒状部の大きさを微細炭素繊維との比として求め、これを平均化した。
[Chemical 1]
R = A * 4π / L 2
Furthermore, the outer diameter of fine carbon fibers in each targeted carbon fiber structure is obtained, and the size of the granular portion in each carbon fiber structure is determined from this and the equivalent circle diameter of the granular portion in each carbon fiber structure. It calculated | required as a ratio with a fine carbon fiber, and averaged this.

<炭素繊維複合構造体における微粒子の含有量>
蛍光X線測定装置(RigakuZSXmini、理学電機工業株式会社製)を使用して金属元素の分析を行った。なお、確認のために、別途、X線回折測定装置JEOL−JDX−3532(日本電子株式会社製)を使用して、金属炭化物を検出した。
<Content of fine particles in carbon fiber composite structure>
Metal elements were analyzed using a fluorescent X-ray measurement apparatus (Rigaku ZSXmini, manufactured by Rigaku Corporation). For confirmation, a metal carbide was separately detected using an X-ray diffractometer JEOL-JDX-3532 (manufactured by JEOL Ltd.).

<微粒子による炭素繊維構造体の表面被覆率>
TEMにて炭素繊維複合構造体を観察し、炭素繊維複合構造体表面の代表的な部分の500nm長さで観察される金属及び/又は金属炭化物微粒子の数を数え、個々の微粒子サイズを画像解析ソフトで求め、円相当面積(SPA)に換算する。炭素繊維複合構造体の直径も測定し、円筒と仮定した側面の表面積(S)を計算する。得られたこれらの値から、以下の式により表面被覆率を求めた。
<Surface coverage of carbon fiber structure by fine particles>
Observe the carbon fiber composite structure with TEM, count the number of metal and / or metal carbide fine particles observed at 500 nm length of the representative part of the surface of the carbon fiber composite structure, and analyze the image size of each fine particle Obtained by software and converted to the equivalent circle area (S PA ). In diameter of the carbon fiber composite structure was measured, to calculate the surface area of the side where it is assumed that the cylinder (S C). From these values obtained, the surface coverage was determined by the following formula.

[化2]
表面被覆率=ΣSPA/S×100(%)
[Chemical 2]
Surface coverage = ΣS PA / S c × 100 (%)

<炭素繊維複合構造体の表面微粒子脱離試験>
蓋付バイアル瓶中に入れられたトルエン100mlに、10〜100μg/mlの割合で炭素繊維複合構造体を添加し、炭素繊維複合構造体の分散液試料を調製した。
<Surface particle desorption test of carbon fiber composite structure>
A carbon fiber composite structure was added to 100 ml of toluene contained in a vial with a lid at a rate of 10 to 100 μg / ml to prepare a dispersion liquid sample of the carbon fiber composite structure.

このようにして得られた炭素繊維複合構造体の分散液試料に対し、発信周波数38kHz、出力150wの超音波洗浄器((株)エスエヌディ製、商品名:USK-3)を用いて、超音波をかけ、超音波を負荷してから60分経過後において、分散液試料中より、炭素繊維複合構造体をサンプリング、メッシュ上に滴下して試料調製後、TEMにて脱落の有無を観察した。   The dispersion sample of the carbon fiber composite structure thus obtained was subjected to ultrasonication using an ultrasonic cleaner having a transmission frequency of 38 kHz and an output of 150 w (trade name: USK-3, manufactured by SND Co., Ltd.). After 60 minutes from the application of ultrasonic waves, the carbon fiber composite structure was sampled from the dispersion liquid sample, dropped onto the mesh, and the sample was prepared.

[実施例1] 炭素繊維構造体の中間体の製造(第1工程)
トルエンを原料としてCVD法で合成した。触媒としてフェロセンおよびチオフェンの混合物を使用し、水素ガスの還元雰囲気下で実施した。トルエン、触媒を水素ガスとともに380℃に加熱し、生成炉に供給し、1250℃で熱分解して、炭素繊維構造体の中間体を得た。この中間体のTEM写真を図3に示す。
[Example 1] Production of intermediate of carbon fiber structure (first step)
It was synthesized by a CVD method using toluene as a raw material. A mixture of ferrocene and thiophene was used as a catalyst, and the reaction was carried out under a reducing atmosphere of hydrogen gas. Toluene and catalyst were heated to 380 ° C. together with hydrogen gas, supplied to the production furnace, and thermally decomposed at 1250 ° C. to obtain an intermediate of the carbon fiber structure. A TEM photograph of this intermediate is shown in FIG.

[実施例2] 予備的アニール処理
実施例1で得られた三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体の中間体を、窒素中で900℃にて焼成して、タールなどの炭化水素を分離し、予備的アニール処理を行った。ここで得られた中間体のラマン分光測定のR値(I/I)は0.98であった。この中間体のTEM写真を図4に示す。
[Example 2] Preliminary annealing treatment The intermediate of the three-dimensional network-like carbon fiber structure obtained in Example 1 was baked at 900 ° C in nitrogen to separate hydrocarbons such as tar. A preliminary annealing treatment was performed. The R value (I D / I G ) of the Raman spectroscopic measurement of the obtained intermediate was 0.98. A TEM photograph of this intermediate is shown in FIG.

[実施例3] 有機金属化合物の付与(第2工程)
チタンテトライソプロポキシド(関東化学株式会社製)2.3gをエタノール50mlで希釈し浸漬液とした。実施例2で得られた三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体の中間体10gを室温で30分間浸漬した後、100℃で12時間乾燥した。
[Example 3] Application of organometallic compound (second step)
2.3 g of titanium tetraisopropoxide (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) was diluted with 50 ml of ethanol to prepare an immersion liquid. The intermediate body of the three-dimensional network-like carbon fiber structure obtained in Example 2 was immersed for 30 minutes at room temperature, and then dried at 100 ° C. for 12 hours.

[実施例4] アニール処理(第3工程)
実施例3で得られた浸漬、乾燥後の三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体の中間体10gを、2500℃で20分間アニール処理した。最終的に得られたアニール処理後の三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体を、蛍光X線測定装置RigakuZSXmini(理学電機工業株式会社製)を使用して金属元素の分析を行った。最終的に得られたアニール処理後の三次元ネットワーク状の炭素繊維複合構造体は、Tiを3.5%含有していた。この金属炭化物の微粒子を被覆された炭素繊維複合構造体のTEM写真を図5(a)および(b)に示す。なお、炭素繊維構造体の表面に付着した金属炭化物の微粒子の大きさは、微粒子15個の平均値で約50nmであった。また別に、X線回折測定装置JEOL−JDX−3532(日本電子株式会社製)を使用して、TiCを検出した。このX線回折測定結果を図6に示す。
[Example 4] Annealing treatment (third step)
The intermediate body 10g of the three-dimensional network-like carbon fiber structure after immersion and drying obtained in Example 3 was annealed at 2500 ° C for 20 minutes. The finally obtained annealed three-dimensional network-like carbon fiber structure was analyzed for metal elements using a fluorescent X-ray measurement apparatus Rigaku ZSXmini (manufactured by Rigaku Denki Kogyo Co., Ltd.). The finally obtained three-dimensional network-like carbon fiber composite structure after the annealing treatment contained 3.5% of Ti. FIGS. 5A and 5B show TEM photographs of the carbon fiber composite structure coated with the metal carbide fine particles. The size of the metal carbide fine particles adhering to the surface of the carbon fiber structure was about 50 nm as an average value of 15 fine particles. Separately, TiC was detected using an X-ray diffractometer JEOL-JDX-3532 (manufactured by JEOL Ltd.). The X-ray diffraction measurement results are shown in FIG.

比較用に実施例2で得られた中間体を2500℃で20分間アニール処理したものについて、X線回折測定した結果も図6に示す。   For comparison, the intermediate obtained in Example 2 is annealed at 2500 ° C. for 20 minutes, and the result of X-ray diffraction measurement is also shown in FIG.

さらに、本実施例で得られた炭素繊維複合構造体における微粒子による当該炭素繊維構造体の表面被覆率を調べたところ、15%であると測定された。   Furthermore, when the surface coverage of the carbon fiber structure by the fine particles in the carbon fiber composite structure obtained in this example was examined, it was determined to be 15%.

また、ラマン分光分析法(使用機器Jobin Yvon LabRam HR−800−Horiba製)で測定されるR値(I/I)は0.11であった。 Further, the R value (I D / I G ) measured by Raman spectroscopy (manufactured by Jobin Yvon LabRam HR-800-Horiba) was 0.11.

さらに得られた炭素繊維複合構造体の円相当平均径は、180μm、嵩密度は0。0031g/cm、TG燃焼温度は800℃、面間隔は3.392オングストロームであった。 Further, the obtained carbon fiber composite structure had a circle-equivalent mean diameter of 180 μm, a bulk density of 0.0031 g / cm 3 , a TG combustion temperature of 800 ° C., and a face spacing of 3.392 Å.

さらに炭素繊維構造体における粒状部の粒径は平均で、350nm(SD180nm)であり、炭素繊維構造体における微細炭素繊維の外径の5.8倍となる大きさであった。また粒状部の円形度は、平均値で0.69(SD0.15)であった。   Further, the average particle size of the granular portion in the carbon fiber structure was 350 nm (SD 180 nm), which was 5.8 times the outer diameter of the fine carbon fiber in the carbon fiber structure. Further, the circularity of the granular part was 0.69 (SD 0.15) on average.

また、前記した手順によって炭素繊維複合構造体の表面微粒子脱離試験を行ったところ、微粒子の脱落は観察されず、金属炭化物の微粒子は炭素繊維構造体表面に安定に固着していることが明らかとなった。   Further, when the surface fine particle detachment test of the carbon fiber composite structure was performed according to the above-described procedure, it was clear that the fine particles were not dropped off and the metal carbide fine particles were stably fixed on the surface of the carbon fiber structure. It became.

[実施例5] 第2工程+ホウ素化合物、第3工程
2.0gのB(高純度化学研究所株式会社製)を200mlのエタノールに溶解させた後、チタンテトライソプロポキシド(関東化学株式会社製)10gを滴下して混合し、浸漬液とした。実施例2で得られた三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体の中間体10gを、浸漬液に室温で30分間浸漬した後、100℃で12時間乾燥した。この浸漬、乾燥後の三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体の中間体10gを、900℃に20分間加熱し、次に2400℃で20分間アニール処理した。最終的に得られたアニール処理後の三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体を、蛍光X線測定装置RigakuZSXmini(理学電機工業株式会社製)を使用して金属元素の分析を行った。分析の結果、炭素繊維構造体はTiを8.0%含有していた。また別に、X線回折測定装置JEOLJDX−3532(日本電子株式会社製)を使用して、TiCおよびTiB(TiB)を検出した。X線回折測定結果を図7に示す。
Example 5 Second Step + Boron Compound, Third Step After dissolving 2.0 g of B 2 O 3 (manufactured by High Purity Chemical Laboratory Co., Ltd.) in 200 ml of ethanol, titanium tetraisopropoxide (Kanto) 10 g of Chemical Co., Ltd.) was dropped and mixed to obtain an immersion liquid. The intermediate body of the three-dimensional network-like carbon fiber structure obtained in Example 2 was immersed in an immersion liquid at room temperature for 30 minutes, and then dried at 100 ° C. for 12 hours. 10 g of the intermediate body of the three-dimensional network-like carbon fiber structure after immersion and drying was heated to 900 ° C. for 20 minutes, and then annealed at 2400 ° C. for 20 minutes. The finally obtained annealed three-dimensional network-like carbon fiber structure was analyzed for metal elements using a fluorescent X-ray measurement apparatus Rigaku ZSXmini (manufactured by Rigaku Denki Kogyo Co., Ltd.). As a result of the analysis, the carbon fiber structure contained 8.0% Ti. Separately, TiC and TiB (TiB 2 ) were detected using an X-ray diffraction measurement apparatus JEOLJDX-3532 (manufactured by JEOL Ltd.). The result of X-ray diffraction measurement is shown in FIG.

[実施例6] 成形体作製例
実施例5で得られたアニール処理後の三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体8.0gを、60質量%のフェノール樹脂レジトップ(群栄化学工業株式会社製)をメタノール150mlに希釈して得た浸漬液に、30分間浸漬した。100℃のホットプレート上で12時間乾燥した。乾燥後の混練物を、ホットプレス機を使用して、150℃で30分間熱間プレスし、成形体を得た。得られた成形体は質量7.85g、直径40mm、高さ7.5mm、密度0.83g/cmであった。
[Example 6] Molded article production example 8.0 g of the three-dimensional network-like carbon fiber structure after the annealing treatment obtained in Example 5 was added to a 60% by mass phenol resin register top (manufactured by Gunei Chemical Industry Co., Ltd.). ) Was soaked in 150 ml of methanol for 30 minutes. It dried for 12 hours on a 100 degreeC hotplate. The dried kneaded product was hot-pressed at 150 ° C. for 30 minutes using a hot press machine to obtain a molded body. The obtained molded body had a mass of 7.85 g, a diameter of 40 mm, a height of 7.5 mm, and a density of 0.83 g / cm 3 .

[実施例7] 予備成形体作製例
実施例6で得られた三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体の成形体7.85gを、1200℃で20分間加熱して炭化処理し、炭素繊維複合構造体の予備成形体を得た。得られた予備成形体は質量5.97g、高さ8mm、密度0.59g/cmであった。最終的に得られた炭化処理後の三次元ネットワーク状の炭素繊維複合構造体の予備成形体を、蛍光X線測定装置RigakuZSXmini(理学電機工業株式会社製)を使用して金属元素の分析を行った。分析の結果、炭素繊維複合構造体の予備成形体はTiを8.0%含有していた。また別に、X線回折測定装置JEOLJDX−3532(日本電子株式会社製)を使用して、TiCを検出した。
[Example 7] Preliminary body preparation example 7.85 g of the three-dimensional network-like carbon fiber structure body obtained in Example 6 was carbonized by heating at 1200 ° C for 20 minutes to obtain a carbon fiber composite structure. A body preform was obtained. The obtained preform had a mass of 5.97 g, a height of 8 mm, and a density of 0.59 g / cm 3 . The final carbonized carbon fiber composite structure preform obtained after carbonization was analyzed for metal elements using a fluorescent X-ray measuring device Rigaku ZSXmini (manufactured by Rigaku Denki Kogyo Co., Ltd.). It was. As a result of the analysis, the preform of the carbon fiber composite structure contained 8.0% Ti. Separately, TiC was detected using an X-ray diffractometer JEOLJDX-3532 (manufactured by JEOL Ltd.).

本発明の炭素繊維複合構造体は、三次元ネットワーク状に形成されているので、最終的に複合材料を製造した場合、その熱伝導性、導電性、機械的強度が良好なものとなる。また、三次元的構造を後から付与するための工程が不要である。本発明の炭素繊維複合構造体は、高温に対する耐久性が高い。さらに、炭素繊維複合構造体がその表面に有している金属および/または金属炭化物の微粒子は、カーボンナノチューブとの結び付きが強固であり、最終的に製造された複合材料において、炭素繊維複合構造体とマトリックスとの接着が強固になる。加えて、本発明の炭素繊維複合構造体がその表面に有している金属の微粒子は、炭素化合物に対する黒鉛化触媒として作用するものである。従って、本発明の炭素繊維複合構造体は、例えば、金属および金属以外のセラミックス、ゴム、合成樹脂、カーボン系材料等の各種マトリックス材料と好適に組み合わされて、優れた特性を有する複合体となるものである。   Since the carbon fiber composite structure of the present invention is formed in a three-dimensional network shape, when the composite material is finally manufactured, its thermal conductivity, conductivity, and mechanical strength are good. Moreover, the process for providing a three-dimensional structure later is unnecessary. The carbon fiber composite structure of the present invention has high durability against high temperatures. Further, the fine particles of the metal and / or metal carbide that the carbon fiber composite structure has on the surface thereof have a strong bond with the carbon nanotubes, and the carbon fiber composite structure in the finally produced composite material Adhesion with the matrix becomes stronger. In addition, the fine metal particles that the carbon fiber composite structure of the present invention has on its surface act as a graphitization catalyst for the carbon compound. Therefore, the carbon fiber composite structure of the present invention can be suitably combined with various matrix materials such as metals and ceramics other than metals, rubber, synthetic resins, and carbon-based materials to form composites having excellent characteristics. Is.

本発明の炭素繊維複合構造体の利用用途の具体例としては、特に限定されるものではないが、例えば、次のようなものを挙げることができる。(1)導電性、熱伝導性を利用するものとして、導電性樹脂、導電性成形体、熱伝導性樹脂、熱伝導性樹脂成形体、包装材、ガスケット、容器、抵抗体、電線等。(2)電磁波遮蔽材、(3)物理的特性を利用するものとして、家電、車両、航空機等のボディ、機械のハウジング、電池の極材等。   Although it does not specifically limit as a specific example of the utilization use of the carbon fiber composite structure of this invention, For example, the following can be mentioned. (1) Conductive resin, conductive molded body, thermally conductive resin, thermally conductive resin molded body, packaging material, gasket, container, resistor, electric wire, etc. as those utilizing conductivity and thermal conductivity. (2) Electromagnetic wave shielding materials, (3) Body materials such as home appliances, vehicles, and aircraft, machine housings, battery pole materials, etc. that utilize physical characteristics.

本発明の炭素繊維複合構造体の製造方法におけるプロセス概略図である。It is the process schematic in the manufacturing method of the carbon fiber composite structure of this invention. 本発明の炭素繊維複合構造体を用いた場合の効果の概念図である。It is a conceptual diagram of the effect at the time of using the carbon fiber composite structure of this invention. 本発明の実施例において得られた、未被覆処理の炭素繊維構造体のTEM写真である。It is a TEM photograph of an uncoated carbon fiber structure obtained in an example of the present invention. 本発明の実施例において得られた、未被覆処理の炭素繊維構造体のTEM写真である。It is a TEM photograph of an uncoated carbon fiber structure obtained in an example of the present invention. (a)および(b)は本発明の実施例において得られた、表面にTiC粒子を被覆された炭素繊維複合構造体のTEM写真である。(A) And (b) is the TEM photograph of the carbon fiber composite structure obtained by the Example of this invention by which the surface coat | covered TiC particle | grains. 本発明の実施例において得られたTiC化合物を被覆処理した炭素繊維複合構造体、及び被覆処理しない比較例のXRD結果を示すチャートである。It is a chart which shows the XRD result of the carbon fiber composite structure which carried out the coating process of the TiC compound obtained in the Example of this invention, and the comparative example which does not carry out a coating process. 本発明の別の実施例においてホウ素化合物を含有する炭素繊維複合構造体のXRD結果を示すチャートである。It is a chart which shows the XRD result of the carbon fiber composite structure containing a boron compound in another Example of this invention.

Claims (18)

外径15〜100nmの炭素繊維から構成される三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体であって、当該炭素繊維構造体は炭素繊維が複数延出する態様で、前記炭素繊維の外径よりもその粒径が大きく当該炭素繊維を互いに結合する粒状部を有しており、かつ当該粒状部は前記炭素繊維の成長過程において形成されてなるものである炭素繊維構造体が、その表面部位に金属および/または金属炭化物の微粒子を含有していることを特徴とする炭素繊維複合構造体。   It is a three-dimensional network-like carbon fiber structure composed of carbon fibers having an outer diameter of 15 to 100 nm, and the carbon fiber structure is a mode in which a plurality of carbon fibers extend, and the carbon fiber structure is more than the outer diameter of the carbon fiber. The carbon fiber structure, which has a granular portion having a large particle size and bonds the carbon fibers to each other, and the granular portion is formed in the growth process of the carbon fibers, has a metal and a surface portion thereof. A carbon fiber composite structure characterized by containing fine particles of metal carbide. 前記した炭素繊維複合構造体は、ラマン分光分析法で測定されるI/Iが0.2以下であることを特徴とする、請求項1に記載の炭素繊維複合構造体。 2. The carbon fiber composite structure according to claim 1, wherein the carbon fiber composite structure has an I D / I G measured by Raman spectroscopy of 0.2 or less. 前記した金属および/または金属炭化物の微粒子の含有量が、当該炭素繊維構造体に対して金属換算で1〜200質量%である、請求項1または請求項2に記載の炭素繊維複合構造体。   The carbon fiber composite structure according to claim 1 or 2, wherein the content of the fine particles of the metal and / or metal carbide is 1 to 200% by mass in terms of metal with respect to the carbon fiber structure. 前記した金属および/または金属炭化物の微粒子の大きさが、1〜70nmである、請求項1〜3のいずれかの1つの項に記載の炭素繊維複合構造体。   The carbon fiber composite structure according to any one of claims 1 to 3, wherein the metal and / or metal carbide fine particles have a size of 1 to 70 nm. 前記した金属および/または金属炭化物の微粒子による当該炭素繊維構造体の表面被覆率が1〜100%である請求項1〜4のいずれかの1つの項に記載の炭素繊維複合構造体。   The carbon fiber composite structure according to any one of claims 1 to 4, wherein the surface coverage of the carbon fiber structure by the metal and / or metal carbide fine particles is 1 to 100%. 前記した金属および/または金属炭化物の金属種が、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Ta、W、Yから選択される1種または2種以上である、請求項1〜5のいずれか1つの項に記載の炭素繊維複合構造体。   The metal species of the metal and / or metal carbide described above is one or more selected from Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Ta, W, and Y. The carbon fiber composite structure according to any one item. 前記した炭素繊維複合構造体が、炭素繊維複合構造体に対してホウ素換算で0.001〜30質量%のホウ素化合物を含有することを特徴とする、請求項1〜6のいずれか1つの項に記載の炭素繊維複合構造体。   The above-described carbon fiber composite structure contains 0.001 to 30% by mass of a boron compound in terms of boron with respect to the carbon fiber composite structure, according to any one of claims 1 to 6. The carbon fiber composite structure according to 1. 外径15〜100nmの炭素繊維から構成される三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体であって、当該炭素繊維構造体は炭素繊維が複数延出する態様で、前記炭素繊維の外径よりもその粒径が大きく当該炭素繊維を互いに結合する粒状部を有しており、かつ当該粒状部は前記炭素繊維の成長過程において形成されてなるものである炭素繊維構造体が、その表面に金属および/または金属炭化物の微粒子を含有して炭素繊維複合構造体を形成し、当該炭素繊維複合構造体が熱間プレスと炭化処理工程を経て得られる炭素繊維複合構造体の予備成形体。   It is a three-dimensional network-like carbon fiber structure composed of carbon fibers having an outer diameter of 15 to 100 nm, and the carbon fiber structure is a mode in which a plurality of carbon fibers extend, and the carbon fiber structure is more than the outer diameter of the carbon fiber. A carbon fiber structure having a large particle size and a granular part for bonding the carbon fibers to each other, and the granular part formed in the growth process of the carbon fiber has a metal and / or a surface thereof. Alternatively, a carbon fiber composite structure preform formed by containing fine particles of metal carbide to form a carbon fiber composite structure, and the carbon fiber composite structure is obtained through a hot press and a carbonization process. 触媒および炭化水素の混合ガスを800℃〜1300℃の一定温度で加熱する際に、炭素源として分解温度の異なる少なくとも2つ以上の炭素化合物を用いることにより、炭素物質を、繊維状に成長させる一方で、使用される触媒粒子の周面方向に成長させて、三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体の中間体を得る第1工程、得られた炭素繊維構造体の中間体を有機金属化合物の有機溶媒溶液または金属塩と界面活性剤の水溶液に浸漬させた後、使用した溶媒を乾燥させる第2工程、乾燥後に炭素繊維構造体の中間体を800℃〜1200℃に加熱し、次に1800℃〜3000℃でアニール処理する第3工程からなる、外径15〜100nmの炭素繊維から構成される三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体であって、当該炭素繊維構造体は炭素繊維が複数延出する態様で、前記炭素繊維の外径よりもその粒径が大きく当該炭素繊維を互いに結合する粒状部を有しており、かつ当該粒状部は前記炭素繊維の成長過程において形成されてなるものである炭素繊維構造体が、その表面に金属および/または金属炭化物の微粒子を含有していることを特徴とする炭素繊維複合構造体の製造方法。   When the mixed gas of catalyst and hydrocarbon is heated at a constant temperature of 800 ° C. to 1300 ° C., the carbon material is grown in a fibrous form by using at least two carbon compounds having different decomposition temperatures as the carbon source. On the other hand, the first step of obtaining a three-dimensional network-like carbon fiber structure intermediate by growing it in the circumferential direction of the catalyst particles used, the obtained carbon fiber structure intermediate of the organometallic compound Second step of immersing in an organic solvent solution or an aqueous solution of a metal salt and a surfactant, and then drying the solvent used. After drying, the intermediate of the carbon fiber structure is heated to 800 ° C. to 1200 ° C., and then 1800 A three-dimensional network-like carbon fiber structure composed of carbon fibers having an outer diameter of 15 to 100 nm, comprising a third step of annealing at from ℃ to 3000 ℃, wherein the carbon fiber structure Is a mode in which a plurality of carbon fibers extend, and has a granular portion that has a particle size larger than the outer diameter of the carbon fiber and bonds the carbon fibers to each other, and the granular portion is a growth process of the carbon fiber A method for producing a carbon fiber composite structure, wherein the carbon fiber structure formed in step 1 contains fine particles of metal and / or metal carbide on the surface thereof. 前記した炭素繊維複合構造体は、ラマン分光分析法で測定されるI/Iが0.2以下であることを特徴とする、請求項9に記載の炭素繊維複合構造体の製造方法。 10. The method for producing a carbon fiber composite structure according to claim 9, wherein the carbon fiber composite structure has an I D / I G measured by Raman spectroscopy of 0.2 or less. 前記した金属および/または金属炭化物の微粒子の含有量が、当該炭素繊維構造体に対して金属換算で1〜200質量%である、請求項9または請求項10に記載の炭素繊維複合構造体の製造方法。   The carbon fiber composite structure according to claim 9 or 10, wherein the content of the metal and / or metal carbide fine particles is 1 to 200% by mass in terms of metal with respect to the carbon fiber structure. Production method. 前記した金属および/または金属炭化物の微粒子の大きさが、1〜70nmである、請求項9〜11のいずれか1つの項に記載の炭素繊維複合構造体の製造方法。   The method for producing a carbon fiber composite structure according to any one of claims 9 to 11, wherein the size of the metal and / or metal carbide fine particles is 1 to 70 nm. 前記した金属および/または金属炭化物の微粒子による当該炭素繊維構造体の表面被覆率が1〜100%である請求項9〜12のいずれかの1つの項に記載の炭素繊維複合構造体の製造方法。   The method for producing a carbon fiber composite structure according to any one of claims 9 to 12, wherein a surface coverage of the carbon fiber structure by the fine particles of the metal and / or metal carbide is 1 to 100%. . 前記した第1工程と前記した第2工程の間に、第1工程で得られた炭素繊維構造体の中間体を800℃〜1200℃に加熱する予備的アニール処理工程を付加することを特徴とする請求項9〜13のいずれかの1つの項記載の炭素繊維複合構造体の製造方法。   A preliminary annealing treatment step of heating the carbon fiber structure intermediate obtained in the first step to 800 ° C. to 1200 ° C. is added between the first step and the second step. The method for producing a carbon fiber composite structure according to any one of claims 9 to 13. 前記した有機金属化合物の金属種が、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Ta、W、Yから選択される1種または2種以上である、請求項9〜14のいずれか1つの項に記載の炭素繊維複合構造体の製造方法。   The metal species of the organometallic compound described above is one or two or more selected from Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Ta, W, and Y. A method for producing a carbon fiber composite structure according to Item. 前記した有機金属化合物が、金属アルコキシド、金属アセチルアセトナート、または金属脂肪酸塩である請求項9〜15のいずれか1つの項に記載の炭素繊維複合構造体の製造方法。   The method for producing a carbon fiber composite structure according to any one of claims 9 to 15, wherein the organometallic compound is a metal alkoxide, a metal acetylacetonate, or a metal fatty acid salt. 前記した第2工程の際に、有機金属化合物の有機溶媒溶液または金属塩と界面活性剤の水溶液に対して、ホウ素化合物の有機溶媒溶液もしくは水溶液を混合することにより、前記した炭素繊維複合構造体に対してホウ素換算で0.001〜30質量%のホウ素化合物を含有させることを特徴とする、請求項9〜16いずれか1つの項に記載の炭素繊維複合構造体の製造方法。   In the second step, the carbon fiber composite structure described above is prepared by mixing an organic solvent solution or an aqueous solution of a boron compound with an organic solvent solution or an aqueous solution of a metal salt and a surfactant. The method for producing a carbon fiber composite structure according to any one of claims 9 to 16, wherein 0.001 to 30% by mass of a boron compound in terms of boron is contained. 請求項9記載の炭素繊維複合構造体の製造方法において、第3工程を経た外径15〜100nmの炭素繊維から構成される三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体であって、当該炭素繊維構造体は炭素繊維が複数延出する態様で、前記炭素繊維の外径よりもその粒径が大きく当該炭素繊維を互いに結合する粒状部を有しており、かつ当該粒状部は前記炭素繊維の成長過程において形成されてなるものである炭素繊維構造体が、その表面に金属および/または金属炭化物の微粒子を含有して炭素繊維複合構造体を形成し、当該炭素繊維複合構造体に対して、バインダーを添加し100℃〜200℃で熱間プレスして、次に800℃〜1200℃で炭化処理することを特徴とする炭素繊維複合構造体の予備成形体の製造方法。   The method for producing a carbon fiber composite structure according to claim 9, wherein the carbon fiber structure is a three-dimensional network-like carbon fiber structure composed of carbon fibers having an outer diameter of 15 to 100 nm that has undergone the third step. Is a mode in which a plurality of carbon fibers extend, and has a granular portion that has a particle size larger than the outer diameter of the carbon fiber and bonds the carbon fibers to each other, and the granular portion is a growth process of the carbon fiber The carbon fiber structure formed in step 1 contains a metal and / or metal carbide fine particles on its surface to form a carbon fiber composite structure, and a binder is added to the carbon fiber composite structure. A method for producing a preform of a carbon fiber composite structure, characterized by adding and hot pressing at 100 ° C. to 200 ° C. and then carbonizing at 800 ° C. to 1200 ° C.
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