特開 2023-105756 炭素繊維の被膜形成方法とその装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023105756

(43)【公開日】2023-07-31

(54)【発明の名称】炭素繊維の被膜形成方法とその装置

(51)【国際特許分類】

   C23C 14/20 20060101AFI20230724BHJP

   D06B 13/00 20060101ALI20230724BHJP

   D02G 3/16 20060101ALI20230724BHJP

   D02J 1/18 20060101ALI20230724BHJP

   D06M 11/83 20060101ALI20230724BHJP

   D06M 101/40 20060101ALN20230724BHJP

【ＦＩ】

C23C14/20 Z

D06B13/00

D02G3/16

D02J1/18 Z

D06M11/83

D06M101:40

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022006768

(22)【出願日】2022-01-19

(71)【出願人】

【識別番号】399126134

【氏名又は名称】株式会社ハーモニ産業

(74)【代理人】

【識別番号】110002804

【氏名又は名称】弁理士法人フェニックス特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】野端 一已

(72)【発明者】

【氏名】新河戸 宏昭

【テーマコード（参考）】

3B154

4K029

4L031

4L036

【Ｆターム（参考）】

3B154AA14

3B154AB09

3B154BA15

3B154BB17

3B154BB25

3B154BB39

3B154BB70

3B154BC01

3B154DA24

4K029AA04

4K029AA23

4K029BA02

4K029BA41

4K029CA01

4K029CA03

4K029CA05

4K029CA13

4K029CA17

4K029DB18

4K029DB20

4K029DB21

4K029DD06

4K029JA02

4K029JA05

4L031AA27

4L031AB01

4L031AB21

4L031BA04

4L031CB14

4L036MA04

4L036MA33

4L036PA41

4L036RA24

4L036UA25

(57)【要約】

【課題】多数本の炭素繊維をシート状に引き揃えた状態で各炭素繊維Ｓの表面に均等に皮膜を形成することができ、しかも、各炭素繊維の表面に均等に皮膜を形成した炭素繊維シートＳを量産することができる炭素繊維の皮膜形成方法とその装置を提供すること。
【解決手段】真空容器１内で、正イオン化した被膜材料を負電圧を印加した炭素繊維の表面に付着させて被膜を形成する際に、多数本の炭素繊維をシート状に引き揃えた炭素繊維シートＳの両端をホルダー３で保持し、このホルダー３を介して各炭素繊維をバイブレーター７で微振動させながら各炭素繊維に被膜を形成するようにした。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

真空容器内で、正イオン化した被膜材料を負電圧を印加した炭素繊維の表面に付着させて被膜を形成する炭素繊維の被膜形成方法であって、
多数本の前記炭素繊維をシート状に引き揃えた炭素繊維シートの両端をホルダーで保持し、前記ホルダーを介して前記各炭素繊維をバイブレーターで微振動させながら前記各炭素繊維に被膜を形成することを特徴とした炭素繊維の被膜形成方法。

【請求項2】

前記炭素繊維シートが、予め多数本の炭素繊維を引き揃えた炭素繊維束に空気流を通過させてシート状に開繊した開繊シートであることを特徴とした請求項１に記載の炭素繊維の被膜形成方法。

【請求項3】

前記炭素繊維シートを保持する前記ホルダーを回転させながら前記炭素繊維に被膜を形成することを特徴とした請求項１または請求項２に記載の炭素繊維の被膜形成方法。

【請求項4】

真空容器内で、正イオン化した被膜材料を負電圧を印加した炭素繊維の表面に付着させて被膜を形成する炭素繊維の被膜形成装置であって、
多数本の前記炭素繊維をシート状に引き揃えた炭素繊維シートの両端を保持するホルダーと、
前記ホルダーを介して前記炭素繊維シートを微振動させるバイブレーターと、
を備え、
前記バイブレーターで前記各炭素繊維を微振動させながら前記各炭素繊維に被膜を形成することを特徴とした炭素繊維の被膜形成装置。

【請求項5】

前記ホルダーで保持した前記炭素繊維シートに所定の張力を付与する張力付与手段を備えたことを特徴とした請求項４に記載の炭素繊維の被膜形成装置。

【請求項6】

前記炭素繊維シートを保持する前記ホルダーを回転させる回転駆動手段を備えたことを特徴とした請求項４または請求項５に記載の炭素繊維の被膜形成装置。

【請求項7】

前記ホルダーが、前記回転駆動手段による回転軸心を中心に放射状に複数、設けられていることを特徴とした請求項６に記載の炭素繊維の被膜形成装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、炭素繊維の被膜形成方法とその装置、より詳しくは、真空容器内で正イオン化した被膜材料を負電圧を印加した炭素繊維の表面に付着させて被膜を形成する炭素繊維の被膜形成方法とその装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、炭素繊維を補強材とする金属複合材料の製造方法として、炭素繊維の表面にイオンプレーティング法により金属皮膜を形成し、この金属皮膜炭素繊維を母材金属に混入し、金属溶融または焼結させることにより母材金属中に炭素繊維を分散一体化させて金属複合材料を得る方法が知られている（下記特許文献１）。

【0003】

しかしながら、特許文献１に記載の金属複合材料の製造方法においては、炭素繊維の表面に金属皮膜を形成する際に、長繊維または短繊維の炭素繊維を回転金網容器内に収容し、炭素繊維を回転撹拌しながらイオンプレーティング処理を行っていたため、得られる金属皮膜炭素繊維は、その向きがランダムになり、例えば炭素繊維の向きを揃えた金属複合材料を得るためには、別途、これらの金属皮膜炭素繊維の向きを揃える工程を行う必要があった。また、均等な被膜形成を行うためには、回転金網容器内への炭素繊維の収容量に限界があり、金属皮膜炭素繊維を量産できない難点があった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開昭５１－６１４０４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明は、従来の炭素繊維の皮膜形成方法に上記のような難点があったことに鑑みて為されたもので、多数本の炭素繊維をシート状に引き揃えた状態で各炭素繊維の表面に均等に皮膜を形成することができ、しかも、各炭素繊維の表面に均等に皮膜を形成した炭素繊維シートを量産することができる炭素繊維の皮膜形成方法とその装置を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明に係る炭素繊維の被膜形成方法は、真空容器内で、正イオン化した被膜材料を負電圧を印加した炭素繊維の表面に付着させて被膜を形成する炭素繊維の被膜形成方法であって、多数本の前記炭素繊維をシート状に引き揃えた炭素繊維シートの両端をホルダーで保持し、前記ホルダーを介して前記各炭素繊維をバイブレーターで微振動させながら前記各炭素繊維に被膜を形成することを特徴としている。

【0007】

また、本発明に係る炭素繊維の被膜形成方法は、前記炭素繊維シートが、予め多数本の炭素繊維を引き揃えた炭素繊維束に空気流を通過させてシート状に開繊した開繊シートであることを特徴としている。

【0008】

また、本発明に係る炭素繊維の被膜形成方法は、前記炭素繊維シートを保持する前記ホルダーを回転させながら前記炭素繊維に被膜を形成することを特徴としている。

【0009】

また、本発明に係る炭素繊維の被膜形成装置は、真空容器内で、正イオン化した被膜材料を負電圧を印加した炭素繊維の表面に付着させて被膜を形成する炭素繊維の被膜形成装置であって、多数本の前記炭素繊維をシート状に引き揃えた炭素繊維シートの両端を保持するホルダーと、前記ホルダーを介して前記炭素繊維シートを微振動させるバイブレーターとを備え、前記バイブレーターで前記各炭素繊維を微振動させながら前記各炭素繊維に被膜を形成することを特徴としている。

【0010】

また、本発明に係る炭素繊維の被膜形成装置は、前記ホルダーで保持した前記炭素繊維シートに所定の張力を付与する張力付与手段を備えたことを特徴としている。

【0011】

また、本発明に係る炭素繊維の被膜形成装置は、前記炭素繊維シートを保持する前記ホルダーを回転させる回転駆動手段を備えたことを特徴としている。

【0012】

また、本発明に係る炭素繊維の被膜形成装置は、前記ホルダーが、前記回転駆動手段による回転軸心を中心に放射状に複数、設けられていることを特徴としている。

【発明の効果】

【0013】

本発明に係る炭素繊維の被膜形成方法とその装置によれば、多数本の炭素繊維をシート状に引き揃えた炭素繊維シートの両端をホルダーで保持し、このホルダーを介して各炭素繊維をバイブレーターで微振動させながら各炭素繊維に被膜を形成するようにしているので、被膜材料の付き回り性をより向上させて各炭素繊維の表面に均等に被膜を形成することができ、各炭素繊維の表面に均等に皮膜を形成した炭素繊維シートを量産することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本実施形態の炭素繊維の被膜形成装置の概略縦断面図である。

【図2】本実施形態の炭素繊維の被膜形成装置の概略横断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

本実施形態の炭素繊維の被膜形成方法及び装置は、真空容器内で、正イオン化した被膜材料を負電圧を印加した炭素繊維の表面に付着させて被膜を形成するものである。図１に示すように、本実施形態の炭素繊維の被膜形成装置１０は主として、真空容器１と、真空容器１の周壁に複数設けられ、被膜材料を供給する被膜材料供給源２・２…と、真空容器１の中央に取り付けられ、多数本の炭素繊維をシート状に引き揃えた炭素繊維シートＳの両端をそれぞれ保持する上下で対を成すホルダー３・３と、真空容器１内を真空排気するための排気管４と、真空容器１内へアルゴン等の不活性ガスを導入するための導入管５とから構成されている。

【0016】

本実施形態の被膜材料供給源２は、アンバランス型マグネトロンを備えており、この被膜材料供給源２にセットされた被膜材料をアーク放電により蒸発させると共に、蒸発させた被膜材料を正イオン化する。他方、炭素繊維シートＳには、ホルダー３を通じて不図示の外部電源により負のバイアス電圧が印加される。このことで、正イオン化した被膜材料を炭素繊維シートＳの各炭素繊維の表面に衝突させ、各炭素繊維の表面に被膜材料を付着させて被膜を形成する。

【0017】

なお、本実施形態の炭素繊維の被膜形成装置１０は、アーク放電によるイオンプレーティング法によって被膜を形成するものであるが、例えばグロー放電によるイオンプレーティング法や、スパッタリング法によって被膜を形成するものであってもよい。また、被膜材料を蒸発させるために、例えば抵抗加熱方式、電子ビーム加熱方式、高周波誘導加熱方式、レーザー加熱方式等の加熱蒸発源を採用することができ、また、被膜材料を正イオン化するプラズマを発生させるために、例えば直流放電方式、マイクロ波放電方式、バイアスプロープ放電方式等を採用することができる。

【0018】

炭素繊維シートＳは、予め多数本の炭素繊維を引き揃えた炭素繊維束に空気流を通過させてシート状に開繊した開繊シートを採用することができる。この開繊シートは、公知の開繊装置（特許第３９０７６６０号公報）により得ることができる。この開繊装置は、気流を導く風洞筒体の通気開口部に複数の支持部材を設け、通気開口部を走行する炭素繊維束をこれら複数の支持部材により支えながら、炭素繊維束の走行方向と直交する方向から気流を通過させて炭素繊維束を開繊するものである。この開繊装置によれば、複数の支持部材により炭素繊維束を一定の姿勢に保ちながら細かい間隔で段階を追って炭素繊維束を開繊処理することができ、各炭素繊維同士の間隔がほぼ均等な開繊シートを得ることができる。

【0019】

被膜材料としては、例えば、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ等の炭素と反応して炭化物を形成しない金属や、Ａｌ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｎｉ等の他の金属を採用することができる。また、炭素繊維の表面に、各金属と窒素、酸素等の反応ガスとの化合物から成る被膜を形成してもよく、炭素繊維の表面に複数層の被膜を形成してもよい。

【0020】

図１及び図２に示すように、本実施形態の真空容器１内には、かご状の枠体３１が外部の回転駆動手段６により回転可能に設けられている。この枠体３１の上部には、バイブレーター７を介して上側支持棒３２が設けられており、枠体３１の下部には、下側支持棒３３が上側支持棒３２と平行に設けられている。

【0021】

上下で対を成す各ホルダー３は、炭素繊維シートＳの表裏両面を挟んで保持する掴み部材から成り、上側支持棒３２及び下側支持棒３３にそれぞれ着脱自在に取り付けられる。即ち、上側のホルダー３にはフック３４が設けられており、このフック３４を上側支持棒３２に引っ掛ける一方、下側のホルダー３には張力付与手段８としてのコイルばねが着脱自在に設けられており、このコイルばねを下側支持棒３３に引っ掛けるようにしている。このことで、張力付与手段８によって所定の張力が付与された状態で炭素繊維シートＳが上下一対のホルダー３・３によって真空容器１内にセットされる。

【0022】

なお、本実施形態では、上側支持棒３２及び下側支持棒３３がそれぞれ、回転駆動手段６による枠体３１の回転軸心Ａを中心に放射状に計８本、設けられており、上下８対のホルダー３・３…により計８枚の炭素繊維シートＳ・Ｓ…を真空容器１内に同時にセットすることができる。

【0023】

本実施形態の炭素繊維の被膜形成装置１０を用いて炭素繊維シートＳに被膜を形成する際には、まず、真空容器１内にアルゴン等の不活性ガスを導入し、真空容器１内を所定の真空度に維持する。そして、回転駆動手段６を作動させてホルダー３を介して炭素繊維シートＳを中心軸心Ａ回りに連続回転させるとともに、バイブレーター７を作動させて、ホルダー３を介して炭素繊維シートＳを微振動させる。そして、この状態で、被膜材料供給源２を作動させてアーク放電により正イオン化した被膜材料を負電圧を印加した炭素繊維シートＳに付着させて各炭素繊維の表面に被膜を形成する。

【0024】

このように本実施形態の炭素繊維の被膜形成方法及び被膜形成装置１０によれば、多数本の炭素繊維をシート状に引き揃えた炭素繊維シートＳの両端をホルダー３で保持し、このホルダー３を介して各炭素繊維をバイブレーター７で微振動させながらイオンプレーティングを行って各炭素繊維に被膜を形成するようにしているので、正イオン化した被膜材料が各炭素繊維の裏側（最寄りの被膜材料供給源２の反対側）へより回り込み易くなり、被膜材料の付き回り性をより向上させることができ、各炭素繊維の表面により均等に被膜を形成することができる。

【0025】

また、本実施形態の炭素繊維の被膜形成方法及び被膜形成装置１０によれば、多数本の炭素繊維をシート状に引き揃えた状態で、各炭素繊維の表面に均等に皮膜を形成することができるので、各炭素繊維の表面に均等に皮膜を形成した炭素繊維シートを量産することができる。

【0026】

また、本実施形態では、炭素繊維シートＳとして、予め多数本の炭素繊維を引き揃えた炭素繊維束を空気流により開繊処理した開繊シートを用いているので、炭素繊維シートＳの炭素繊維同士の間に均等な隙間を確保することができ、微振動時の炭素繊維同士の接触を低減化することができ、このことによっても、各炭素繊維の表面により均等な被膜を形成することができる。

【0027】

さらに、本実施形態では、張力付与手段８により炭素繊維シートＳに所定の張力を付与しているので、各炭素繊維を微振動させながらも炭素繊維シートＳをより安定に保持することができ、このことによっても、各炭素繊維の表面により均等な被膜を形成することができる。

【0028】

さらに、本実施形態では、炭素繊維シートＳを保持するホルダー３を回転させる回転駆動手段６を備え、このホルダー３を回転軸心Ａを中心に放射状に複数、設けているので、複数の炭素繊維シートＳに対し同時に被膜形成することができ、各炭素繊維の表面に均等に皮膜を形成した炭素繊維シートＳをより量産することができる。

【0029】

以上、本実施形態の炭素繊維の被膜形成方法及び被膜形成装置について説明したが、本発明は他の実施形態でも実施することができる。本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲内で、当業者の知識に基づいて種々の改良、修正、変形を加えた態様で実施し得るものである。また、同一の作用又は効果が生じる範囲内でいずれかの発明特定事項を他の技術に置換した形態で実施してもよく、また、一体に構成されている発明特定事項を複数の部材から構成したり、複数の部材から構成されている発明特定事項を一体に構成した形態で実施してもよい。

【産業上の利用可能性】

【0030】

本発明に係る炭素繊維の被膜形成方法及び装置によれば、各炭素繊維の表面に均等に皮膜を形成した炭素繊維シートを量産することができるので、炭素繊維を補強材とする金属複合材料の製造に好適に利用することができる他、各炭素繊維の表面にＰｔ等の触媒金属皮膜を形成した炭素繊維シートを、例えば燃料電池の電極触媒層のより安価な構成材料として好適に利用することができる。

【符号の説明】

【0031】

１０ 炭素繊維の被膜形成装置
１ 真空容器
２ 被膜材料供給源
３ ホルダー
４ 排気管
５ 導入管
６ 回転駆動手段
７ バイブレーター
８ 張力付与手段
Ａ 回転軸心
Ｓ 炭素繊維シート

【図1】

【図2】