TW201223741A - Carbon fiber-reinforced carbon composite material and method for manufacturing the same - Google Patents

Description

0 0201223741 carbon fibers are a linear fiber existing in a bare-fiber state within the carbonaceous matrix and having an average fiber length of less than 1.0 mm. The carbon fiber-reinforced carbon composite material has a bulk density of 1.2 g/cm3 or more. 四、 指定代表圖： (一） 本案指定代表圖為：第（1)圖。 (二） 本代表圖之元件符號簡單說明： 1〜碳纖維； 2〜含碳基質； 3〜薄碎片體； 100-C/C複合材料成型體。 五、 本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式： 無。 六、 發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種碳纖維強化碳複合材料及其製造方 法。尤其，本發明係關於一種包括碳纖維以及含碳基質、 碳纖維強化碳複合材料的成型體，以及其製造方法。、 【先前技術】 2 201223741 由於碳纖維具有高耐熱性及強度，1俜 〃你Μ包含碳纖維 以及碳基質的碳纖維強化碳複合材料（c/c複合材料）的， 式使用在要求高耐熱性、化學安定性以 攻没的各種領 域。該c/c複合材料視碳纖維的複合方法而包括各種種 類，而且可使用該方法形成各種碳纖維成型體。 該C/c複合材料包含由碳化物例如瀝青及熱固性樹脂 製成的基質，以及碳纖維。視碳纖維的固定方法而有各種 C/C複合材料，固定方法例如使用碳纖維布之布料層合法、 使用碳纖維纖絲之纖絲捲繞法、使用碳纖維毛氈之方法， 或使用碳纖維片成型體的片材形成法。 該布料層合法係獲得C/C複合材料的方法，其藉由將 由碳纖維製成的編織物層合，將該編織物含浸於基質前驅 物例如瀝青與熱固性樹脂，然後硬化及煅燒（見 JP - A-H1 1-60373)。板形的C/C複合材料，可藉由將平面狀 的編織物層合，並以單軸壓縮該層合物而獲得。又，為紙 型（papier-mache)的複雜形狀的C/C複合材料，可藉由將 小型裁切的編織物碎片黏貼在三維形狀的模具而獲得。再 者，圓柱狀的C/C複合材料，也可藉由捲繞平面的編織物 為輥形，同時對其施以壓力並將其層合以獲得（布料捲繞 法）。 該纖絲捲繞法係藉由圍著心軸捲繞碳纖維股，同時對 其施以張力，然後將該已捲繞的股以基質前驅物例如瀝青 及熱固性樹脂含浸，再硬化與煅燒，而獲得c/c複合材料 的方法（見 JP-A-H1 0-1 52391 )。 201223741 使用碳纖維毛^之方法’係藉由層合碳纖維的長纖維 成類似毛觀形，並將該層合物含浸於基質前驅物例如遞青 與熱固性樹脂，再硬化及锻燒，而獲得c/c複合材料的方 法（見JP-A-2_-14讓）。依照該方法，與該布料層合方 法類似地，可獲得平面狀C/C複合材料、圓柱狀Μ複合 材料，及具有複雜形狀的C/C複合材料。尤其，圓柱狀Μ 複合材料也可藉由捲繞平面狀毛蜜毛成輥形，同時對其施加 壓力，再層合而獲得(布料捲繞法；見例如圖W與i9B)。 ^依照該片材形成方法，片材形成方法的該c/c複合材 料係藉由懸浮碳纖維於液體以形成浆體，在該㈣中浸洗 有開口的抽吸模具，使該聚體中的液體通過進人該^模 具的後方表面’並在此抽吸模具的該表面側上沉積碳纖 維’以形成成型材料，再乾燥並般燒（見m附_6觀 與 JP-A-2002-97082)。 【發明内容】 然而，前述C/C複合材料涉及以下問題。 於該碳纖維中，由於 由於石墨的，、方柱平面強力朝向於該 等纖維的縱向’故此等碳纖維的熱膨脹係數小如約⑽以 °C ’且比起-般的石墨材料其彈性模數較高。使用此等碳 纖維當做主要原料所製備的C/C複合材料，接管了碳纖維 的性質，且具有與此等碳纖維相同的特徵特性，使其熱膨 脹係數小，且彈性槿勃古。4人 模数间。當組合此種C/C複合材料與一 般石墨材料，例如用氧含，味以___一 為回爐的尚&元件時，有時會與熱膨 201223741 膜係數為約3至5ΡΡΜ/°「An ^ c/r .. . C的一般石墨材料之間有差異，且 該C/C複合材料可能 μ « / . ^ 座生熟應力，因而容易造成石墨材 科及/或該C/C複合材料破裂。 而且，C/C複合材料本身告 Μ Φ . G ^ 了寸本身田中有時暴露的部分會與高 爐中的反應性氣體例如石夕箄 ^^m#反應，並且轉變為具有不同的 熱膨脹係數的化合物 ;如SlC(熱膨脹係數：4PPM/X：)。 於此情形’有時會在殘餘 ^ „ 餘的C/c複合材料與已反應且已轉 變的奴化物之間產生埶雇 Γ/Γ .. ^ …、應力，因而容易在碳化物及/或該 C/C腹合材料之側形成裂痕，或導致分離。 本發明有鑑於以上狀況，本 赞月的目的係在於提供一 種^複合材料，其中即使與其他元件例如一般石墨材料 組。使用’也幾乎不會發生由於熱膨脹係數不同的交互作 用等造成破裂，而且即便與反應性氣體形成碳化物，也幾 乎不會發生由於產生熱應力而導致的分離及/或破裂。 本發明之一具體例提供如下： [1 ] 一種碳纖維強化碳複合材料，包含： 碳纖維；及 含碳基質， 其中該碳纖維強化碳複合材料係一體形成； 其中該碳纖維為線形纖維’於該含碳基質中係以裸露 纖維的狀態存在，且平均纖維長度短於1〇mm，且 其中該碳纖維強化碳複合材料的容積密度為i 或以上。 ’ [2 ]如[1 ]所述之碳纖維強化碳複合材料， 201223741 其中該碳纖維強化碳複合材料的彈性模數為㈣至 1 5GPa之範圍。 [3]如[1]或[2]所述之碳纖維強化碳複合材料， 其中該碳纖維強化碳複合材料的抗拉強度為·a或 以 料 ⑷如[1]至[3]中任-項所述之碳纖維強化碳複合材 其中該碳纖維強化碳複合材料 刊了寸的纖維體積分率為3〇% 至5 0 %的範圍。 料 [5]如[1]至[4]中任一項所述之碳纖 維強化碳複合材 其中該碳纖維強化碳複合材料伟 件 料 了寸你用為鬲爐的結構元 [6 ]如[1 ]至[5 ]中任一項戶斤述之^她& 4之厌纖維強化碳複合材 置 其中該碳纖維強化碳複合材料係用為半導 體製造裝 之碳纖維強化碳複 [7] —種如[1]至[6]中任—項所述 合材料之製造方法，包含以下步驟： 展開平均纖維長度短於丨.〇mm 維； 深$碳纖維成裸露纖 形成一預形體’該預形體包括 #rb 1線形碳纖維以及含碳 基質之别驅物成刀，其中該碳纖維以 _ ^ ^ ^ ^ ^ , 课露纖維的狀態存在； 及 體成型地壓製成型該預形體； 6 201223741 煅燒該壓製成型的預形體以從該前驅物成分形成該含 碳基質。 [8 ]如[7 ]所述之碳纖維強化碳複合材料之製造方法， 其中展開該線形碳纖維之步驟，係添加並分散該含破 基質之刖驅物成分以及平均纖維長度短於】〇_的線形碳 纖維於-液體中’從而形成供展開該碳纖維的漿體；且 -中开v成該預形體之步驟，包括形成含該碳纖維與該 含碳基質之前驅物成分的纖維屑的步驟，及過渡該纖維屬 的步驟。 y %〜％ π飒姐饭纖維的纖維 屑後進行，且該纖維屑係以黏結劑接合。因此由於該碳 纖維短，該基質成分受到的應力的_±升，且可以減弱 C/C複合㈣當中該碳纖維調節基諸形的魏，可獲得 軟質的C/C複合材料。再者，由於該碳纖維以裸露纖維的 狀態存在於含碳基質中，與基質的接合面積可以增大。亦 即，即便是短纖維，纖維與基質的接合面積仍然大，因此， 可獲得高強度的C/C複合纖維。佑as^ '· 依照如此的軟質c/c複合 材料，即便其與其他材料 脹之#里望… m且合’也可以預防由於熱膨 差異等所致c/c複合物本身破裂或其他材料的破裂。 以上及本發明之其他態樣， 性具體例的敘述參照附圖而更為顯：：：：於本發明理解 又钓顯明且容易理解。 【實施方式】 體例 以下將參照圖式敘述本發明之理解性具 201223741 (具體例l) 本發明之具體例！的碳纖維強化碳複合材料(以下稱 為C/C複合材料」）的成型體（以 Μ ^ ^ ^ « 卜稱為C/C複合材料成 型體」），將基於圖1Α至1D敘述。 圖1Α為具體例1之c/c滿人从丄， 複合材料成型體100的透視 圖。圖1B至1D為圖U之剖視圖， 谷為其一部分放大視圖， 及更放大的視圖。 本發明具體例之C/C複合材祖 . 材枓，為一體成型地形成的 材枓。亦即，依照本發明具體例 ，、遛則之C/C複合材料，並非藉 由將預形體層合而形成的材料。 於此C/C複合材料成型體，山 體妷纖維以裸露纖維的狀態 存在於含碳基質令。該碳纖維主 _ 纖維為線形纖維，平均纖維長度 短於 l.Omin，且該 C/C 複合；〇»· 材枓成型體的容積密度為 1 · 2g/cm或更高。 如圖1C與1D所示，此f/p沾人li L/C複合材料成型體100中， 碳纖維i大部分的纖維的縱向在含碳基質2中係朝向成型 體100的表面方向’藉以形成薄碎片體（片狀的小碎片）3。

依照本發明具體例之C/C複人;bh , A L硬。材枓成型體100，係由該薄 碎片體3的層合物構成。 依照此構成，由於該碳纖維之平均纖維長度短到小於 1.0關’故該基質成分受到的應力的比例上升，且可以減弱 C/C複合材料當中該碳纖維調節基質變形的功能，且彈性 模數對於該碳纖維的影響程度會大於對於該基質成分因 此可降低該c / C複合材料之彈性模數。 201223741 又，由於該碳纖維以裸露纖維的狀態存在，可增加對 於基質結合的表面面積。再者，當碳纖維成束時，^碳纖 維之間未由基質所填充的部分的強度弱；然而，於本發明 的組成中，其中該碳纖維以裸露纖維的狀態存在，並不存 在此種部分。結果幾乎不會發生裂痕的延伸，可展現高強子 度。在此所指裸露的纖維狀態，係指該碳纖維未形成股的 狀態。 再者，由於依照本發明之具體例之該c/c複合材料， 係由線形（針狀）碳纖維構成，該碳纖維容易藉由穿突而彼 =交互作用，且黏著力強。在此所指線形碳 ^以線狀延伸而未㈣。依此，由於該碳纖維在片材形:

2型的時點穿突，該碳纖維能彼此交互作用，藉此可獲 知兩強度的c/c複合材料。 X 依照本發明之具體例之該C/C複合材料的特徵特色， :平句纖維長度短於h 0π]ιπ的非常短的碳纖維 纖:的狀態存在。在此，-般而言，錢維具有高強:： 的性質。碳纖維的此分散狀態會影響該C/C複合材 科的動態特徵特色。此點將參照圖^至2C敘述。 圖2A至2C顯示c/c複合材料的動態特徵特色的示意 立 圖“為本發明具體例之C/C複合材料之干 :圖;圖2B為依照習知布料層合法的c/c複 圖；且圖2C為依照使用毛鮮 扪丁意 示意圖。圖…中，代:方法的C/C複合材料的 姓uY 代表碳纖維，FB代表基質的聯 、口 附τ 知^ ’ X方向為圖放沾u不士 弋的水平方向；γ方向為該圖式 201223741 的垂直方向；z方向為該圖式的縱方向。 於圖2B所不之依照布料層合法的複合材料 使用極長的纖維當做該碳纖維，故該 由於 特徵特色顯著受到嗜碳纖堆& Μ " σ材科的動態 〗該反纖維的特徵特色影響，但幾來 受基質的特徵特色影響。然而，該碳纖維的特徵J不會 兩個方向(X —及Υ方向、… 纖㈣特徵特色影響 ° /、係纖維縱向主要朝向的方向 於層。方向的觀點（厚度方向 一 丁 — + Ρ Ζ方向）’該石厌纖維夕門 子聯結，僅存在基質的聯 、’ 特徵特色幾乎未反映出來。 口-為…纖維的 而且，如圖2C所示依照纖絲捲繞法的c 如同布料層合法，在你& 口材枓’ '、使用妷纖維的長纖維，因此 材料的動態特徵特色顯著受 c獲合 反纖維其本身的性質的影響。 =情形’該碳纖維的特徵特色影響—方向（χ方向），其 辛 方向。然而，該碳纖維的特徵特 色也會視纖維的捲繞方式 料層-、去… 微影響γ方向。如同該布 村層。法，由於層合方法（ 唯之門又方向，即z方向），該碳纖 維之間不存在聯結，據認為 獲得足夠的強度。為僅有基質聯結’且據認為無法 C/C ’如目2A所示之依照本發明之具體例之該 :::材料’其中短碳纖維以裸露纖維的狀 ==與前述圖⑽所示由長碳纖維構成的 L複合材料有所不同。 r/r p，依照本發明之具體例之該 C/C複合材料，短碳纖 ' 乂裸路纖維的狀態存在’且連接 彼此的裸露纖維的基質乃 播 乍為黏結劑。又，與前述圖2B或 10 201223741

2C所不c/c複合材料不同，圖2A 的C/C複合^^所不之本發明之具體例 ^ / ，由於該碳纖維以裸露纖維的狀態存在， 連接該碳纖維彼此έήΜ人 m ^ ^ ηπ. > °積可增加。結果，不存在碳纖 ”隹形成知造成該碳纖唯之門去枯+ * # 反纖雖之間未填充基質的強度弱的部分。 所以’幾乎不會發生裂痛 由 生裂痕延伸，依照本發明之具體例之該 /c複合材料能展現高強度。 +據:為依照本發明之具體例之該c/c複合材料的彈性 模數係又基質部分所影響而非該碳纖維。當作基質的原 料的樹月曰、遞青等會在碳化過程產生氣體，因此在基質中 形成孔洞。據認為當形成孔洞時，該孔度會吸收變形，藉 乂降低彈性松數。結果，即便使用高彈性模數的碳纖維， 仍可獲得軟質的c/c複合材料。 順帶一提’依照 JP-A-2002-68851 與 JP-A-2002_97〇82 敘述的習知方法’其中在直接過濾碳纖維漿體(形成片材） 後’將碳沉積在片材成型體的孔洞内’並在纖維表面上形 成硬且微小的薄膜並層纟，因此會形成高彈性的c/c複合 材料，其在基質中不含孔洞。另一方面，依照本發明之具 體例之該C/C複合材料，由於填充了軟質的基質成分，故 可獲得低彈性的C/C複合材料。 於本發明之具體例，纖維體積分率較佳為30%至50%。 當該纖維體積分率小於30%，纖維間的距離太遠，以致有 無法展現足夠強度之虞。又，當該纖維體積分率不大於 50%，纖維彼此可以彼此交《m #該纖維體積分 率超過50%，無纖維的部分減少，而可能會發生纖維在同 11 201223741 方向，而產生低強度的方向。本發明所指的纖維體積分率， 意指該碳纖維所佔據體積除以整個c/c複合材料的J積。 纖維體積分率的計算方法將於後述。 又，依照本發明具體例的c/c複合材料的容積密度， 較佳為1.2g/cm3或更高，更佳為13g/cm3或更高。由於c/c 複合體的容積密度為l.2g/cm3或更高，故孔洞會被埋藏， 纖維之間的連接（鍵結）變強。順帶一提，c/c複合材料的 谷積密度理想為不高於8g/cm3。當c/c複合材料的容積 密度超過1.8g/cm3，成型體煅燒時發生的氣體不會散逸， 容易發生成型體膨脹或層間分離。其結果為喪失韌性，且 當破裂時幾乎無法維持形狀。 本發明具體例之該碳纖維，係線形纖維。因為該碳纖 維為線形碳纖維，該碳纖維會在片材形成或成型時穿突， 且容易彼此交又。因此可獲得高強度的c/c複合材料。然 後，該碳纖維形成薄的碎片體（如後述），其中該纖維的縱 方向係朝向該含碳基質中的成型體的彎曲表面。該c/c複 合材料成型體係由該薄碎片體的層合物構成。 依此構成’該含碳基質2係填充並且組成為介於組成 該薄碎片體3的該碳纖維丨之間，從而將該碳纖維彼此固 疋在一起。再者，由於薄碎片體3以落葉隨機堆疊的方式 層合’故薄碎片體的端部會在該碳纖維成型體内分散於許 多位置。換言之，該薄碎片體配置成使接合該薄碎片體彼 此在一起的層合方向的薄碎片體的端部，係脫離層合方 向。依此’薄碎片體的端部不會重疊，以致於有結構弱的 12 201223741 瑕疫（該薄碎片體的邊界），從而造成分離或裂痕形成微細 分散。此肖，若於一處存在大的瑕*，_向於發生應力 集中’且此大的瑕疵會變成切口，從而容易造成強度降低。 另-方面，當瑕疲部分係如本發明具體例為微細分散時， 可分散對於該瑕庇部分施以的應力。針對此理由，可獲得 顯然為均質且無瑕疵的碳纖維成型體。由於依照本發明^ 體例之該c/c複合材料成型體具有此結構，可獲得高耐熱 性且即使於高溫亦有高強度的c/c複合材料成型體。 該薄碎片體的平均主軸直徑’較佳為1至10_，更佳 為2至W若該薄碎片體的平均主軸直徑短於i如由 於對應的纖維屑碎片的大小變 J於片材形成時的液壓 阻力會傾向於變大，而幾伞&，上成_ 广 而4手無法獲得厚壁的c/c複合材料 成型體。另一方面，杏兮^ Λ "㈣碎片體的平均主軸直徑超過 1 Omm，層合時，如後述在製 步驟中’纖維屬當做薄碎片 二的=由於中間部與周邊部在聚合的容易度彼此不 二：：維與黏結劑分離’因此，在薄碎片體内的 ^劑成》也容易造成分離。又，當薄碎片體的平均主軸 直徑超過i〇mm，即便黏結劑於 被熔解，該薄碎片體也益Μ八^的與硬化過程中 U 也無法充分流動，因而該分離幾乎益 法解除。其結果，會形成 …、 的強度降低之虞。 W相4分，而有成型體 該薄碎片體的平均厚度，較 為…0、。”二二為〇.05至〗·-，更佳 對庫㈣Μ Ρ 平均厚度低於H， 對應的纖維4尺寸變小，㈣ 1貝向於變大，幾乎無法

S 13 201223741 獲件厚壁的c/c複合材料成型體。當該薄碎片體的平均厚 :超過1.0mm，會在薄碎片體的端部形成空隙容易在該 工隙周圍產生應力集中，有成型體的強度降低之虞。 用於C/C複合材料之該碳纖維之平均纖維長度， 為紐於I 〇_，更佳為50" m或更長且短於1. 〇mm，又 ^佳為50至500//m。當該碳纖維之平均纖維長度為随 〆更大由於該碳纖維強力約束c/c複合材料纖維的彈 性模數的影響會出現在C/C複合材料。當該碳纖維之平均 纖’隹長度短於50 // m ’該纖維無法彼此充分交纏，以致強 度無法增強。 又’較佳為依照本發明之具體例之肖c/c複合材料， 〃藉由>i材形成方法成型。然而一般而言，依照片材成型 f法片材成型體係藉由過濾分散於水等的纖維而獲得 等；而依照本發明之具體例，係藉由添加聚集劑到分散於 水之該碳纖維以及黏結劑粉末（第i黏結劑）以形成纖維 屑’然後將其進行片材形成以形成片材成型體。由於該片 材成型體係於形成碳纖維與黏結劑粉末製成的纖維屑後進 行’纖維屬巾的碳纖維與黏結劑粉末間幾乎不會有濃度部 分分散的情況發生’所以可獲得均質的厚壁片材成型體。 與本發明之具體例不同’當不經歷形成纖維屑而進行片材 成型時’該片材成型體會由於碳纖維與黏結劑粉末間的沉 降速度差異’以及由於纖雉長度或微粒直徑差異，而變得 不均質，而產生有弱結合力的瑕疵部分，以及僅有短纖維 分離的部位，強度容易降低。因此，幾乎無法獲得高強度 14 201223741 的厚壁的片材成型體。 依照本發明之具體例之該c/c複合材料，較佳為彈性 模數為5GPa至l5GPa。於此情形，當該c/c複合材料的彈 性模數料15GPa，與其他元件例如石墨組合使用為高爐 的結構元件時’於彼此接觸的時點由於與其他元件的 熱膨脹不同㈣C/C I合材料的彈性模數變大而產生應 力，從而導致該石墨元件或c/c複合材料破裂。於此情形: 當該C/C複合材料的彈性模數小於啊，不僅容易造成該 碳纖維強化碳複合材料的強度降低，還會由於比石墨元件 的彈性模數小’而造成c/c複合材料超過彈性極限而且變 形’而無法回到原始形狀。 依照本發明之具體例之該c/c複合材料，抗拉·強度較 佳為瞻a或更大。於此情形’當該c/c複合材料的抗拉 強度小於5°MPa’使用為高爐的結構元件時，C/C複合材料 容易破裂’而有無法安全㈣之虞。於依照本發明之具體 例之該C/C複合材料’由於纖維與黏結劑係均勻分散，故 即便使用平均纖維長唐輛# f n 负度短於的短纖維，c:/c複合材 料會形成纖維屬，黏結劑均勾分散在纖維屑中，且幾乎不 會造成該碳纖維的分離。所 C/C複合材料。 了獲…度的無瑕庇的 如後述實施例所示(見圖2。與21)，依照本發明之具 體例之該^複合材料，能夠使彈性模數值相對於強度為 低。彈性Μ數、應力及應變間的關係，可由以下方程式⑴ 表達。 15 201223741 關係： 力=(彈性模數）χ(應變）（1) 尤其’於到達破裂料點，會有以下方程式⑺表達 的 (士破裂強度)=(彈性模數)χ(破裂應變）⑺ 結果，從方程式（2)，破裂應 的關係： 《應變有以下方程式⑺表達 (破裂應變）=(破裂強度）x(彈性模數）（3) 亦即，低彈性及大破裂應力 Μ nt ^ U ;町柯科，會在施以大的位 移時方破裂。此可認為係由於此一 特徵特性能增加在到達 裂的時點的應變（破裂應變）， 办 ._ 於合易受到大的應變的 在向溫使用的元件，其幾乎不會破裂。 又，當依照本發明且贈你丨沾Γ /广 L、體例的c/c複合材料係使用且結 口於由石墨、氧化鋁、氧化 01匕寻製成的尚爐的結構

〇P ’或是用為接合部例如螺w ，>门M A j如螺拴，也同樣會獲得該高爐或結 δ部幾乎不會破裂的效果。 由於該C/C複合材料比起由石墨、氧化、氧化錯、 Sic等製成的結構部的熱膨脹係數為小，故當該結構部使 :結合部例如C/C複合材料製作的螺检於室溫（約25。〇固 定…、後升胍，會拉引C/C複合材料製作的結合部，從而 產生熱應變。由於依照本發明之具體例之該c/c複合材料 # m係數小’其能使對抗此應變的應力小，因此可解除 該熱應變。 為了防止溫度升溫造成的熱應力，可以對應於習知c/c 複。材料與例如石墨、氧化紹、氧化錯及Sic的其他結構 16 201223741 材料製成的元件之間的熱膨脹預先提供一間隙 (clearance)。然而室溫與高爐操作溫度的溫差愈大，於室 溫時的間隙愈大。因此，不僅是組裝精密度變差，且氣二 或熱谷易机到該結構材料外。而i ’於產生矽或金屬的蒸 氣的環境，有時習複合材料與其他材料製成的結構 兀件會彼此結合’而產生實質上無間隙的狀態。因此，即 便提供了間隙’也難以防止熱應力。於依據本發明具體利 之該C/C複合材料，由於該彈性模數小，可不必提供間隙。 因此，幾乎不會導致關於組裝精密度的前述問冑，且即便 與其他結構元件結合，也能使熱應力的產生極小化。 於本發明的具體例中，係組成圓柱狀部，且於垂直該 圓柱狀部軸的剖面， 使用C/C複合材料， 該碳纖維朝向其内表面的方向。然後 其係藉由結合石墨製凸緣部（未顯示 或使其接觸此圓柱狀部的端部。於此圓柱狀部，由於碳纖 維的短纖維係朝向内表面，故此等纖維幾乎不會鬆開，且 即便進行裁切處理，也能形成平滑表面。再者，由於該碳 纖維係朝向内表面 幾乎不會從表面形成沿該纖維的連續 的孔洞。由此理由’當使用單晶矽拉晶裝置等，即便拉引 係在SiO、Si等反應性氣體氛圍進行，反應性氣體也難以 渗入複合材料内。 結果，於單晶石夕拉晶裝置，即便使用反應性氣體例如 Si0、Si等，也能提供c/c複合材料成型體長使用壽命， 氣體幾乎不會滲人C/C複合材料内。χ，由於該薄碎片體 係無規層合且形成，可形成平滑表面，且幾乎不會沉積有 201223741 高可濕性的物質，例如矽。 依據本發明具體例之該c/c複合材料，可藉由使用鹵 、氣體例如C I 2與F2 ’或鹵素系氣體例如並於高溫處 :’而降低雜質含量。於此理由’可獲得高純度的c/c複 。材料。例如’本發明w G/G複合材料可適當地利用於單 晶石夕拉晶裝置、S i C單晶製造裝置、多晶_製造裝置、_、 化合物、Sic等之磊晶製造裝置等。 當該碳纖維使用為本發明具體例j之c/c複合材料， 其無特別限制。可使用任何p則或瀝青系碳纖維。首先， 由於該PAN系碳纖維為碳纖維之中屬彈性低者，即便當該 表面部分與SiC等反應而沉積反應產物，其幾乎不會藉由 反應轉變而在其中保存熱應力或内部應力。為此理由，其 可防止由力C/C複合材料反應轉變而造成破裂，且可適當 利用此C / C複合材料。 雖然此C/C複合材料較佳為採用片材成型法製作，只 要可使用短纖維獲得C/C複合材料，其也可使用任意其2 方法製造。 η 於本發明的具體例中，該c/c複合材料可採用片材成 型法形成。 以下將針對形成預形冑’對於c/^复合材肖之形成詳 述。 圖4M至4D顯示具體例i之成型體的製造方法的概要 圖。此等圖式中，該碳纖維1係線形纖維。 如傻述，依照 本發明具體例之C/C複合材料成型體，俏鞋 篮係猎由使碳纖維與 18 201223741 黏結劑在液艘& & 中ι集，以形成纖維屑，拍 (片材成型）。在此所指纖維屑，意㈣==纖維屑層合 集體，其中哕I 纖維與黏結劑之聚 為c/c “ 纖維與黏結劑係均句分散，且 •… D材料成型體之薄碎片體的基礎。 1為線形纖維，如下文所述纖維 時）使用Μ具過i纖維屑，該碳纖維會穿突已形成在模 面上的下層纖維屑，並交纏 … 主二一， 今易獲得垂直於成型體 」係」曰實質上不具折彎部的纖維，且較佳為針狀纖 長二=乎不會變成線形纖維的碳纖維時，例如纖維 軟質奴纖維，此碳纖維幾乎 成的薄碎片體，幾乎所有纖維的縱方向都定向於表大^ =且該碳纖維幾乎不會彼此交纏。因此，幾乎無法獲得 厚度方向的結合強度。 理心為依照本發明具體例之成型體含有一碳纖維成分 係將鄰接薄碎片贈夕®人+,〆 片體之層合方向（成型體的厚度方向）的薄碎 片體彼此連接。又，Λ 理心為該奴纖維1在厚度方向的定向 成分’在該成型體的厚度方向連續存在。如上述，含線形 纖維的纖維屬係層合為使線形碳纖維穿突已形成的纖維 屑’且因此在纖維屬間的邊界也會連續形成厚度方向的定 向成分。依此’可獲得幾乎不會分離的C/C複合材料成型 體，其在垂直於厚度方向之方_向不存在界面。 該碳纖維之平均纖維長度理想為短於i . 〇腿。當該碳 纖維之平均纖維長度為i. 0mm或更大，纖維會交纏在— 19 201223741 起，並在片材成型時互斥，使難以獲得高容積密度的片材 成型體。於纖維屑的層合物的容積密度低時，當使用高壓 爸等進行壓縮成型，壓縮前後的容積密度差異愈大，則壓 縮率愈大，在壓縮處理會產生皺紋，尤其角落部容易排列 皺紋，瑕疵增加。當此種瑕疵增加，會在角落部產生低強 度的部分。當該碳纖維之平均纖維長度短於u 〇mm，容易 將片材成型體的空隙填充，該碳纖維會變成線形。因此， 可獲得高容積密度的片材成型體，且因此使用高壓釜進行 壓縮成型時的壓縮率可為低。依此，可抑制在角落部等產 生皺紋等，藉此獲得少瑕疵的c/c複合材料成型體。 再者，當該碳纖維之平均纖維長度為1〇mm或更大， 該碳纖維容易彎折，且該碳纖維的縱方向會在片材成型時 :向C/C複合材料成型體的表面方向。為此原因，纖維在 厚度方向的交纏少，容易發生分離。另—方面當該碳纖 維的平均纖維長度小於h Qmra ’該碳纖維容易變成線形纖 維，且容易於片材成型時穿突下層已形成的纖維屑，成型 =的厚度方向的接合強度容易獲得。再者，當該碳纖維的 均纖維長度為1.0韻或更大，對模具之垂直方向定向的 2維谷易在壓力成型時破裂，此外於片材成型時垂直模具 面：方向的定向成分少。因此，難以獲得層合層間的強 又，谷易發生層合層間的分離。 料纖^平均纖維長度理想為G G5m大且小 不’广的乾圍。當該碳纖維的平均纖維長度小於龍， 疋可更為增加該碳纖維強化碳複合材料成型體於厚度 20 201223741 向的強度，而且由於短纖維容易以高密度填充，尤其在 冬:纖維屑0¾•的密度可增加，且成型時的壓縮率可增加。 s炭纖維之平均纖維長度小於〇. 〇 5咖，該碳纖維強化基 質的作用喪失’纖維喪失其纖維性質’因此有無法獲得高 強度之成型體之虞。 該碳纖維的平均纖維直徑較佳為1至20/zm。又，該 纖維之同寬比較佳為1 〇至丨，〇 〇 〇。當該碳纖維的平均纖 維直徑與高寬比落各在前述範圍，該纖維直徑可相對於纖 維長度足夠薄，該纖維幾乎不會從基質拖出，因此可獲得 高強度。 該碳纖維可適當使用任意的遞青系碳纖維或PAN系碳 纖維。尤其該PAN系碳纖維較佳為使用比起瀝青系碳纖維 的彈性模數較低者。由於該PAN系碳纖維比起瀝青系碳纖 維的彈性模數低’其可適於使用在f要可撓性的應用，例 如單晶拉晶裝置的坩堝熱絕緣圓筒、坩堝容座、加熱器等。 依照本發明之具體例之該c/c複合材料，容積密度較 佳為1.2g/Cm3或更大。當成型體的容積密度為l2g/cm3或 更大’由於C/C複合材料的空隙少，由基質接合的該碳纖 維緊密’該碳纖維幾乎不會分開。是以可獲得高強度的緊 密的C/C複合材料成型體。再者，依照本發明之具體例所 述之C/C複合材料，容積密度較佳為18g/cm3或更小。當 該成型體之容積密度超過h8g/cm3,成型時於煅燒產生S 氣體難以移除’因此可能發生層合層間分離。 以下將敘述依照本發明具體例之c/c複合材料成型體 201223741

之製造方法。圖3為本發明具體例之成型體的製造步驟的 流程圖；圖4A1至4D顯示該成型體之製造步驟的概要圖。 1·步驟（A):纖維屑形成步驟SA 首先，如圖3與圖4A1至4A2所示’將該碳纖維】與 黏結劑即含碳基質之前驅物成分懸浮於液體，以將該碳纖 維展開成裸露纖維，之後，將聚集劑加入以聚集該碳纖維 1與黏結劑，從而形成纖維屑5。如圖4A1所示，該碳纖維 先刀政於一液體以形成漿體，如圖4A2所示，麸後該漿 體於-段時間聚集從而形成纖維屑.5。在此，纖：展 指將碳纖維束鬆開成各別的纖維。一般而t，碳纖維係盘 塗覆的塗有膠水的塗料__起成為數百至數千的纖維的束，、 並形成股。於該展開纖維的步驟，各纖維係從纖維 2.步驟(B):形成纖維屑之層合物的步驟sb A幵 然後’如圖3與圖❹所示，以具有多孔質模 模具20過滤在其中形成有纖維屬5的液體。該 ： 21在其側表面具有多數聞 負模面 夕致開口 21A。依此，纖維屑5 於該多孔質模面21的表而μ , 糸層& 上，從而形成纖維屑的屏 50(預形體，第1成型體）。 物 與直接過濾其中縣.玄女山Λ μ/子有奴纖維的漿體的習知 材成型）不同，本發明且<§*/, 们^片 J 月具體例之製造方法其特徵為：姑* 維一旦與黏結劑聚集在_ # ο兔纖 成）。依此，即便纖維屑5進行層合在該多孔質 遽（形 該液體仍能滲入纖維屬5之間，因此可輕易獲得1上， 阻斷液體滲入的厚的纖維屬的層合體50。再者：不會

考如圖4C 22 201223741 之放大圖所示’即便該碳纖維 該多孔質模面21之開口 21A , 成大於該開口 21A的該纖維屑 時使碳纖維1通過開口 21A的 5〇(預形體）。 1之平均纖維長度製成小於 以使通過水的阻力小，可形 5。結果，可在不需在過濾 狀態下形成纖維屬之層合物

3·步驟(C):形成薄碎片體前驅物之層合物（第2成型體 的步驟SC ㈣’如@ 3與圖4C所示步驟⑹’將纖維屑之層合 物50(預形體)一體成型地加壓。在此「一體成型地」係： 進行成型而不疊合多數成型體。依此，該碳纖$ι之縱^ 向係定向成平行多孔質模面21的表面方向。然後，將纖維 屑 1轉變為薄碎片從而形成圖41)所示之薄碎片體前驅物 6。於此方式’形成薄碎片體前驅物之層合物％經加璧的 模製預形體）。

4.步驟（D):煅燒步驟SD 然後，如圖3與圖4D所示步驟（D)，將薄碎片體前驅 物之層合物6G锻燒。依此，將黏結劑4碳化以形成 所示該含碳基質2，藉此使薄碎片體前驅物之層八物6 、 為薄碎片體3。於此方式，獲得薄碎片體3 〜嘴合物，即 本發明具體例之C/C複合材料成型體1〇〇。 其次，以下更詳述各步驟。 [碳纖維的纖維調整] 較佳為該碳纖維調整成與本發明且體彳 八《a q夂成型體一 致。在纖維強化塑膠（以下也稱為「CFRP ) ，的敌纖維表面 23 201223741 ί用：：上㈣的塗覆膜等’上述纖維強化塑耀係一般廣 材形成1桿或飛機零件等，此等碳纖维幾乎不會在片 維，或是:::：广選擇不含上漿劑的塗覆膜的碳纖 碳氣體的碳氫化μ機材料、氨氣或一氧化 除上心 貞麵維進㈣處理，以移 ::浆劑的塗覆膜者。除了還原氣體氛圍，也可使用氮氣、 的過程產生的碎片。也可二也可使用製造㈣ 理以移除此種塗覆膜。…:佳：或更高的溫度熱處 平均纖維長度短於η 該碳纖維以使其 於 X 、於U錢。當該碳纖維的平均纖維長度短 刑牌A b 八谷積搶度在纖維屑的層合物（片材成 會增加’·可抑制於成型時產生敏紋；可抑制產生 可在成型體的厚度方向獲得接合強度;且 強度的幾乎不會分離的成型體。平均纖維長度短 _.1難的碳纖維可藉由粉碎市售碳纖維或布料的碎片、 CFRP製造過程產生 θ 股專而獲侍。藉由粉碎布料碎片、碳 股等，可獲得平均纖維長度短於1()_的碳纖 用其不會留下布料、股等的痕跡，且能在本發明中輕易 :'噴帶一提，粉碎可藉由分散於水並使用混合機均勺 粉碎而達成。 [纖維屑形成步驟（A )] 二了形成纖維屑，理想為使用水當做該液體。原因在 龙使用大里液體’水比起有機溶劑不僅安全而且 液也容易。 敬 201223741 ’说包括該含碳基質之前驅物成分的黏結劑（以下也稱 么厂楚 1 ’ ’、、 黏結劑」）而言，只要不溶於其中有該碳纖維懸浮

且石厌化的別述液體的任意材料均可使用。由於防止在C/C 複合材料内部形成空隙，第1黏結劑較佳為粉末且較佳為 微粒直經為q 5 inn π 01主ί〇〇 // m。就該第1黏結劑而言’例如可適 當利用選自孰15) 杜 …、u性樹脂，例如酚樹脂、呋喃樹脂及醯亞胺 樹脂其中之_本 、^ 一有。就酚樹脂而言，例如可適當使用Be i i Pear\(註冊商標），Air Water公司製。Bell pearl為粉末 酚樹月曰’ i其表面上形成有疏水的塗覆膜。因此，即便於 尺中Bel1 Peari仍會維持粉末狀而不會溶解，故能與該 碳纖維聚集在一起。 〃 ° 黏結劑的添加量，較佳為每碳纖維1 〇〇重量份， 入50至200重量份。冑第1黏結劑的添加量少於50重 量份’含碳基質的量較少，《型體的強度會降低 過200重量份，於r/r A "田八雙 舍…/Γ °複合材料製造期間所產生的氣體， 會以成C/C複合材料的層間分離擴張。 就本發明具體例使用的聚集劑而言，只要能 變化=&纖維與該黏結劑聚集的任意材料均可使用 佳為月周整電位使落於約±10mv的材料。藉义 位降低，㈣劑微粒與該碳纖㈣的互胃 聚集。例如，可使用無機聚集劑材料、有機易 等。尤其，可適當使用perco"92(註：:;物聚集劑 Colloid C〇mpany製）等，其為有機聚合物I Allled 纖維肩，為該碳纖維著色為黑色的聚體的狀形成 J狀蟪，變成混合 25 201223741 液體的狀態，Λ /、中該黑色纖維屑浮在透明液體中。該有機 聚合物聚集劑之使用乃 t 慢先考里刀子量大、有交聯作用， 且能獲得大的纖維屑者。 聚集劑的添加量’較佳為每該碳纖維100重量份，加 入〇.〇1至5重量份，更佳為 又佳為每該％纖維1 〇〇重量份，加入 成5幾：1:量伤。當聚集劑的添加量落在前述範圍，可形 成幾乎不會姆塌的有利的纖維屑。 又’該多孔質模面之 $ lft ^ 開口尺寸無特別限制，較佳為0.5 至10 πππ，更佳為〗吞〇 n , ^ 3mm。當多孔質模面的開口尺寸小於 0. 5mm ’該碳纖維容县 * 易堵塞，通過水的阻力有增大之虞。當 夕L質杈面的開口尺寸超過ι〇μ 面積乘以負堡的抽吸力…田於會在開口產生開口 通過士合、士 有時即便纖維屬的尺寸原本不會 通過也會破吸引而通過。 令小言 於n &夕 纖維屬的尺寸必需等於或大於用 於過濾的多孔質模面 口 Α大於用 分布情形，故杏大亩,_ 由於該纖維屑的尺寸呈現一 積纖維眉'於多;L =的纖維屬被模面捕集時，會開始沉 質模面的開：ΓΓ大當纖維屬的平均直徑大於多孔 維屬無法沉積在模面。 k楔面，以致於纖 為0.5至，更佳A °《的纖維屑平均直徑較佳 集劑量、聚集劑類型。纖维屬的尺寸可依據聚 較佳… 時間或攪拌強度調整。 為更添加帛2黏結劑於 尹。由於該前述第丨 、；形成纖維屑的液體 其無法維持纖維肩之層合二成：於片材形成階段為粉末， 黏結劑係添加以唯梓 型體）的形狀。該第2 A、♦持在之後的煅燔 麂步驟獲得的纖維屑之層 26 201223741 合物U材成型體）的形狀的成分。就第2|έ結劑而言只 要能維持纖維屑的層合物的形狀的任意材料约β 、 使:在形成纖維屑層合物的階段具有物理性聯纖： 與第1黏結劑的作用及聯結該碳纖維彼此 乍用的材料均 可使用，例如包括黏性液體及有機纖維。就黏性液體而〜 可適當使用緞粉、乳膠等。當使用乳膠時，係與夂 變成務狀形成懸浮液。微細分散的乳膠滴具有以—_而 聯結該碳纖維與第！黏結劑的作用。就有機纖：：：作用 適备使用紙漿等。該紙漿與水的親和性良好，二：可 維交纏以發揮使該碳纖維與第1黏結劑聯結:與该碳纖 情形’當使用黏性液體當做第2黏結 肖於此 Λ於笙〇 * 彳如如圖4C所； 、第W結们a介人碳纖維i與第… 第2黏結们b介入該碳纖維i之間，可之間，且 物5 0的形狀。 ’維層之層合 ' ^提，形成纖維屑時，前述碳纖維、笛 聚集劑食第9私α令丨第1勘結劑 〜 U的添加順序不特別限定、 繼加入到液體中。然而，考量均勻且，冋時或相 觀點，較佳A ~ ,VJ疋形成該纖維屑Μ 1主馬以下列順序製備。 屬的 “)於攪拌下將該碳纖維加入水 :會產生氣泡，為不佳。攪拌裝置可使用螺/攪掉過 、'等。該碳纖維的擾拌時間較佳為約3分鐘？樂式、紫 八 加入第1黏結劑，持續攪掉亩 刀散。授拌時間較佳為。.5至5分鐘攪拌直到第1點結劑 (c)其後加入第2黏結劑’持續攪 j弟2黏結劑分 1Ί 201223741 散。攪拌時間較佳為〇. 5至5分鐘。 (d)最後，加入聚集劑。當攪拌 撙垃+ π也 1 ^集劑不會混合’ 攪拌太過度，已形成的纖維Μ 孅跑s π上 衣稅拌時間係於確認 纖維屑形成的程度時進行調整。 秒。 U時間較佳為20至30 [纖維屑之層合物之形成步驟] 將模具2 0浸入含有已形成纖 风纖維屑5的液體中。如圖 ’杈具20具有多孔質模面21及—真 模面21為圓柱狀。該多孔質 '"夕 — 夕孔質模面21有開口 21Α。該真空 至22利用導管23連接於抽吸泵浦（夫 次承馮（禾顯不）。結果當抽吸 糸浦致動時，會排出直处玄9 站 出具工至22内的空氣，從而呈真空狀 :、。然後，纖維屑5被吸引到模具2〇之側。由於該纖維肩 的尺寸大於開口 21Α ’纖維屑5不會通過開口 2U，而會 ^多孔質模面的表面方向的多孔質模面Μ層合成連續 人於此If形’纖維肩5係層合成碳纖維會穿突已形成的 物、，該已層合的纖維屑5會由於抽吸力的影響而從圓 變成平坦一點，且纖維屑中的該碳纖維1的縱方向會朝 向平行於多孔質模面21的表面方向。另一方面，該液體會 $ _ σ 2U ’並從該導管排出。於此方式’可形成纖維 屑之層合物50(預形體，第1成型體）。 就夕孔質模面21而言，可使用液體可通過的具有多數 ^的任何材料，例如包括網、打孔金屬、編織物及不織 田使用水為液體時，該多孔質模面的開口直徑較佳為 水能輕易通過的約1至3mm。 28 201223741 順帶一摇 穴’雖然模具形狀將於後述，可適當選擇平面 及/或組·合多番 千面、三維曲面及/或組合曲面、有凸緣的 圓柱、錐體、 有底體、環狀圓柱等。 …於抽吸過遑時，可減壓的任何材料均可使用。除了空 氣以外，可U # 冬其他液體一併抽吸，故可適當使用自抽吸 式離心泵浦、抽氣機等。 順帶—提，上 ，就過濾方法而言，除了前述抽吸過濾，加 壓過濾、離心媧、、金廿 慮、其他方法也可採用。加壓過濾例如以 加壓氣體加懕玄^》 孔質模面的外表面，以將纖維屑層合於多 孔質模面外矣而 ’從而形成纖維屑之層合物。離心過濾為’ 例如將：纖維屑的液體供應到内表面放置多孔質模面的轉 、、/、内，轉動該轉動體以層合纖維屑於多孔質模面 的内表面’從而形成纖維屑之層合物。 [乾燥步驟] 其後為了移除前述步驟獲得的纖維屑之層合物殘留的 水’較佳為與模具-起乾燥該層合體。較佳於帆或更高 溫度進行乾燥，以移除水。 又為了防止第1黏結劑熔解 及硬化，較佳為乾關於不高於帛i黏結劑的料溫度的 溫度進行。例如，於使用BellPearl(註冊商標）當做第1 ㈣劑的㈣’考慮該疏水薄膜會於約⑽溶解，於通氣 狀態於不高於eot：進行乾燥，藉以輕易移除水。 [加壓步驟](成型步驟（c)) 於成型體具有平面或接近平而Μ 伐L十面的形狀的情形，可利用 藉由單軸成型的方式的加壓方法當 作成型方法。然而此方 0 29 201223741 法僅能利用在有限的結 孔腔的兩層者…… 拉具與下部模具構成 „ 所以，當成型體有三維形狀時，如圖4「路 示，較佳為將蝣维届夕爲人4 圖4 C戶斤 藉由"= 物50以密封薄膜“覆蓋，並 施以熱及壓力而成型。首先，將密封蓮胺 24的空氣抽吸至真办 將在封溥膜 主具二施以壓力。成型壓力不限 1ΜΡ8或更大。當成型壓力為IMPa或更大 '' 性樹脂之硬化反廄洚在的γ 止由熱固 於此時Μ ㈣片材成型體的膨脹。 利用支持材料25支持纖W合物 的模#20的兩側（内側及外側）的狀態進行成型。由於 考慮到纖維屑之層合物因為加熱而變軟及變形，故以支持 材料25支持層合體可防止變形發生。與纖維屬之層合物之 形成步驟（B)使用的模具2〇不同，在此# U在此使用的支持材料25 不/、夕孔質模面，而具有平潛矣而 八有十/月表面。該成型係-體成型地 灯，其不論單軸成型或使用高壓爸成型，均不層合層合 物(無接合層合物)。即便該層合物本身幾乎不會造：層： 物層分離’但若以層合進行成型，由於一旦成型體乾燥， 纖維幾乎不會與鄰接的層合物聯結，故傾向於發生層間分 離。 [硬化步驟] 由於該第1黏結劑為熱固性樹脂，較佳為在前述壓力 成型步驟中將屋力加至足约大之後，加熱成龍，從而使 纖維屑中所含的熱固性樹脂熔解及硬化。依此，可固定形 狀使薄碎片體前驅物之層合物60(第2成型體）不致變形。 有必要增加硬化溫度至熱固性樹脂的硬化溫度或更高。例 30 201223741 奴而5，硬化可於150。〇至2〇 為uot：戋更古# L進仃。當硬化溫度 次更阿，熱固性樹脂之硬化 溫度為20(TC赤争彻 茛兄刀進仃。當硬化 氣體所致的可防止由於熱固性樹脂硬化產生的 進行時，。於前述成型步驟係於高屋爸或其他情形 ’ Ί加熱可在成❹驟巾充分進行，可 步驟同時進行硬化步驟。 、成t [脫脂步驟] 為了揮發薄碎片體前驅物之層合物6〇(第2成型體）内 二有機成分’較佳為在煅燒步驟前進行脫脂。藉此脫脂步 ，將第1黏結劑碳化，大部分第2黏結劑會分離並揮發。 故，第1黏結劑成分衍生的碳化物，係在脫脂步驟後具有 聯結作用的材料。可使用任何溫度於脫脂。於當瀝青含浸 與樹脂含浸係在脫脂步驟後進行時，較佳為形成孔洞，因 較佳為脫月曰在5〇〇 C或更高溫進行。若溫度為或更 高，樹脂之碳化會充分進行，可形成足夠大的孔洞，使接 下來的含浸步驟中，樹脂或瀝青能含浸於其中。脫脂溫度 之上限不特別限定’只要不高於接下來的煅燒溫度的溫度 即可。然而脫脂溫度較佳為L00VC或更低。溫度L000 c，可完成大部分脫脂，故可充分形成欲含浸的孔洞。為 了防止發生該碳纖維或黏結劑氧化，脫脂較佳於還原氣體 氛圍中進行。除了使用由有機材料產生的碳氫化合物氣體 或氫氣的還原氣體氛圍，也可使用氮氣、貴重氣體等的鈍 氣氛圍。 [含浸步驟] 31 201223741 較佳為，於脫脂後，含浸樹脂、瀝青等於薄碎片體前 驅物之層合物的孔洞内，從而達成高密度。將脫脂後的薄 碎片體前驅物的層合物放於高壓釜内，抽真空後，將液體 樹月θ或遞青導入或浸入高壓爸’再施壓。該液體樹脂可為 樹月曰於水或有機溶劑中的溶液，或由加熱而獲得的炼解材 料。於溶液的情形，即便其重複使用，也幾乎不會聚合， 可穩疋使用該溶液。於瀝青的情形，係於高壓爸中加熱到 溶解溫度或更高溫度轉變為液體後使用。 完成含浸後，如同前述脫脂步驟，進行脫脂以獲得更 高密度的成型體。 [煅燒步驟（D)] 藉由進一步對薄碎片體前驅物之層合物加熱，以進行 煅粍’將第1黏結劑完全碳化’從而形成含碳基質。依此， 該缚碎片體前驅物變成薄碎片體，藉此可獲得由薄碎片體 的層合物組成的本發明具體例的c/c複合材料成型體100。 於該煅燒步驟，支持材料隨溫度增加而熱膨脹，薄碎 二體則驅物之層合物6。(壓製成型的預形體，第2成型體) 熱收縮。為防止由於烺燒步驟產生的熱膨脹差異所致的應 力’較佳為將支持材料25從薄碎片體前驅物之層合物60 移除’並於非氧介 * 、體巩圍加熱，例如還原氣體氛圍或鈍 ^二圍。可使用由有機材料產生的碳氫化合物氣體、 一氧化碳氣體的還原氣體氛圍，或使用氮氣、貴重 氣體荨的純性勻阁 9 ” 虱圍。煅燒步驟的理想溫度為1，500至 Λ 8 U 0 C。當锻煻，，田疮 廣-皿度為1，500°C或更高，可將c/C複合材 32 201223741 料的官能基，例如氫，充分去除。當殘存官能基例如氫時， 會在c/c複合材料成型體使用時產生碳氫化合物氣體等。 當未經於1，5 0 0 °C或更高溫度進行锻燒的成型體使用在半 導體製造裝置等時，此種碳氫化合物氣體有包入半導體之 虞，從而降低半導體純度。當煅燒溫度為不高於2, 8〇〇<>c， 可抑制C/C複合材料結晶化進行，可保持強度。煅燒溫度 更理想為1，800至2,50(TC。較佳於加熱速率5〇(rc/小時 進行煅燒。 依照本發明之具體例，藉由將多孔質模面21的形狀形 成為沿該所望成型體的形狀’除了前述形狀以夕卜，各種三 維形狀的成型體可藉由一體成型而製作。此外，可均句分 散碳纖維，使即便在表面接合部也不會形成結構弱的部位。 2帶-提，為了增加C/C複合材料的密度，可在锻燒 步驟則重複多次含浸步驟與脫脂步驟。 頃▼提’希望於片材成型後的乾燥步驟獲得的片材 =體’力150至200t加熱並加壓’然後維持5分鐘或 以硬化。又’較佳將已在硬化步驟中硬化的成型體於 j u u l或更咼溫度加埶 脫月旨體i本 點結劑成分，從而獲得 再者於煅燒步驟中將脫脂體 度煅燒。 、I Μϋ C或更尚溫 (平均纖維長度與纖維體積分率） 本發明中，碳纖維之平均纖維 量。哕石山输认& 贫度<L>可用任意方法測 子顯微鏡Hu t 勾纖·准長度可藉由掃描電 微鏡專直接測量分散的碳 τ刀不而獲得。就計算方 33 201223741 法而言，該碳纖維之平均纖难 十"纖維長度可測定任意區域的碳纖 維的所有長度Li，將其除以該 纖維數η以決定，如以下方 程式表不（該碳纖維之厚度及 在度不涉及平均纖維長度）。 <L>=Z Li/n 又’該碳纖維處於包含在Γ „ τ 玄在c/c複合材料中的狀態時， 其平均纖維長度可利用任音太 ^方法測量。雖然不易僅單獨取 出該奴纖維，但可使用例如聚 、 聚焦離子/電子束系（FB-SEM) 等方法測定碳纖維的平均纖維 —姑 j纖维長度。尤其，個別的纖維長 度可藉由使用聚焦離子/電子束等從表面逐步處理C/C複 合材料，料以SEM確認纖維的三維配置而決^。再者， 可藉由計算每次處理該碳纖維時其佔據的面積而計算纖維 體積分率。 又’除了直接分析C/C複合材料，纖維體積分率可藉 由將製造階段使㈣該碳纖維的ff與真密度所計算㈣ 的體積’❺以該C/C複合材料的質量與視密度（容積密度） 而決定。 (具體例2) 本發明具體例2之成型體將依據圖5A至5D敘述。 圖5A至5D顯示具體例2之成型體，具體而言，圖μ 為透視圖；圖5B為剖面圖；圖5C為圖5B之一部分放大圖； 圖5D為圖5C之又更放大圖。又，圖心6d顯示具體例 2之成型體的製造方法的概要圖。具體例2之複人材 料成型體20。其特徵為具有一底面，除此以外與具體 之成型體100相同。 34 201223741 為了製造具體例？沾Γ /r人 拚一.氺士、 的C/C複合材料成型體200，如圖 66所不，在形成纖维届 …且…： (預形體)時，使用於側面 與底面具有多孔質模面qi μ 镆面31的杈具3〇過濾該纖維屑。又， 如圖6C，於加遂步驟由认士4士 驟中的支持材料35係製成有底。其餘 點與具體例1之製造方、本虹π β w 方法相同。該纖維屑5係沿多孔質模 面31之曲面方向層合。然後，如圖5B所示，該碳纖㈢ 之縱方向係定向於成型體2〇〇之表面2〇〇s的方向。依此， 獲得的成型體200中，薄边κ與户& 溥碎片體在底面與側面間的邊界區 域，也會沿成型體2〇〇的表面2〇()ς中 〜衣囟ZUUS疋向，因此可分散薄碎 片體的邊界，從而形成均勻的成型體。 於此C/C複合材料成型體，兮π組、祕. ^ 取生髖該奴纖維以裸露纖維的狀 態存在於含碳基質中。且兮石穿继秘；, 且这反纖維為線形纖維，平均纖維 長度紐於1. Omm ’ 1¾ C/C複合材料成型體的纖維體積分率 為30至50%。再者’該c/c複合材料成型體的容積密度為 1. 2g/cm3或更大。 又，於此c/c複合材料成型體，較佳為c/c複合材料 成型體之抗拉強度為50MPa或更大，且該c/c複合材料成 型體之彈性模數為5GPa至l5GPa。 (具體例3) 本發明具體例3之成型體將基於圖丨2A至i 3C說明。 圖1 2A為具體例3之C/C複合材料成型體之透視圖，圖j 2β 為其剖面圖；圖1 3A至13C顯示具體例3之C/C複合材料 成型體之製造步驟圖。 具體例3之C/C複合材料成型體3〇〇除了於圓柱狀部 35 201223741 30〇a的下端具有凸緣部3〇〇τ以外， 合材料成型體1〇〇相同。於此方式，=古體例1之C/C複 觀點’由圓柱狀表面與甜甜圈狀平面:成：::_的 一體連續形成。在此，在由圓柱狀表㈣ 係鄰接地 成的曲面間的邊界區域3_中，薄碎片、體^狀平面組 3〇〇S定向，從而會構成高強 -沿表面 展現極高強度。又，薄碎…的邊此可 域300R’從而形成均勻的成型體。 、邊界£ 於製造此C/C複人出剂M . 夏°成型體300,係依循與前述且體例i 相同的程序。然而，會將媒且q …、"杈具30的端部30E的一部分表面 ”、’以不形成多孔質模面’從而不沉積纖維屑。 依此構成，如圖13B，使用在側面與底面具有多孔質 模面31的模具3〇過渡纖維屑。纖維屑沿多孔質模面31的 曲面方向層合成連續體。於此方式，可獲得所望形狀之一 薄碎片體層合物，其形成有圓柱狀部嶋與凸緣部3㈣， 該圓柱狀部3〇〇a由沿模具3〇外壁的第i曲面300i以及與 此第1曲面300 i相對的第2曲面300〇所構成。 然後，如同前述具體例1與2,藉由乾燥步驟、加壓 步驟、脫脂步驟、含浸步驟與般燒步驟，可獲得如圖m 與12B之由具凸緣部的圓柱體構成的c/c複合材料成型體 300 〇於此C/C複合材料成型體3〇〇 ’該薄碎片體亦於邊界 部即凸緣部與圓柱狀部間的邊界部，沿第i與第2表面3〇〇i 與300〇定向，且薄碎片體的邊界分散，從而可形成具有均 勻連續組成的成型體。 36 201223741 於 /、體例3所述之c/c複合材料成型體，該碳纖維以 裸露纖維的狀態存在於会德其暂由 3碳暴質中。又，該碳纖維為線形 纖維’平均纖維長度短& [。随’且該c/c複合材料成型 體的纖維體積分率A 30 i 5〇%。再者，該c/c複合材料成 型體的谷積在、度為1· 2g/cm3或更大。 又，於具體例3之C/C複合材料成型體，較佳為c/c 複合材料成型體之抗拉強度為5〇MPa或更大，且c/c複合 材料成型體之彈性模數為5GPa至i5GPa。 (具體例4) 以下基於圖14A至15B說明本發明具體例4之成型 體。圖14A為具體例4之C/C複合材料成型體之透視圖， 圖14B為其剖面圖；圖15A與15B顯示具體例4之c/c複 合材料成型體之製造步驟示意圖。 具體例4之C/C複合材料成型體4〇〇除了於圓柱狀部 40 〇a的下端具有截短的錐形的圓柱狀部400b以外，與具 體例1之C/C複合材料成型體1〇〇相同。於此方式，由於 八有截短的錐形的圓柱狀部4〇〇b，由圓柱狀表面所組成的 曲面與截短的圓柱狀部所組成的曲面係鄰接地一體連續形 成在此’薄碎片體3在由圓柱狀表面組成的截短的圓柱 狀部奴成的曲面間的邊界區域4〇〇r，也是沿表面400S定 向’從而會構成高強度的均勻連續表面，且因此可展現極 阿強度。又，薄碎片體3的邊界會分散於此邊界區域40 0R， 攸而形成均勻的成型體。 於製造此具體例4之C/C複合成型體400，係依循與 37 201223741 前述具體例3相同的程序。然而，會使用具有柱狀及錐狀 的外表面的模具40。 依此構成，如圖15B，使用側表面上具有多孔質模面 41的模具40過濾纖維屑。該纖維屑係於多孔質模面41之 曲面方向層合為連續體。於此方式，可獲得所望形狀之一 薄碎片體層合物，其由圓柱狀部4〇〇a與截短的錐狀圓柱狀 部400b所構成，該圓柱狀部4〇〇b由沿模具4〇外壁的第工 曲面400 i以及與此第！曲面4〇〇i相對的第2曲面4〇〇〇所 構成。 然後，如同前述具體例丨、2與3,藉由乾燥步驟、加 壓步驟、脫脂步驟、含浸步驟與煅燒步驟，可獲得如圖14八 與14B之由具凸緣部的圓柱體所構成的c/c複合材料成型 體400。於此C/C複合材料成型體4〇〇，該薄碎片體亦於邊 界第1與第2表面400i與400〇定向，即圓柱狀部4〇〇a 與截短的錐狀圓柱狀部4〇〇b間的邊界部，且薄碎片體的邊 界分散，從而在表面400S可形成具有均勻連續組成的成型 體。 於具體例4所述之C/C.複合材料成型體，該碳纖維以 裸露纖維的I態存在於含碳基質中。X，該I纖維為線形 纖維，平均纖維長度短於i. 〇mm，且該c/c複合材料成型 體的纖維體積分率為30至50%。再者，該c/c複合材料成 型體的容積密度為l_2g/Cm3或更大。 又於具體例4之C / C複合材料成型體，較佳為◦ / c 複合材料成型體之抗拉強度為50MPa或更大，且C/c複合 38 201223741 材料成型體之彈性模數為5讣3至UGPa (具體例5) 以下基於圖16A與丄 說明本發明具體例5之成型 體。圖16A與圖16A各為|體如^ ^ 例5之c/c複合材料成型體， 圖16A為透視圖，圖16B為剖面圖。 具體例5之C/C複合;bf 〇·、& Λ 後。材枓成型體500，係由具有底部 500b的矩形的柱狀部50〇所 ⑽心所構成。此具體例的c/c複合 材料成型體50。’除了 C/c複合材料成型體的形狀以外均 與具體例1之C/C複合材料成型W。。相同。於此方式， 於本具❹"，組成該矩形柱狀表面與底面的4個平面係 彼此垂直配置，且以連續方式-體成型地形成。在此，於 平面彼此垂直的邊界區域5_，薄碎片體3亦沿表面_s 定向’從而會構成高強度的均質連續表面，且可展現極高 強度。而於此邊界區域5〇〇R ’薄碎片體3的邊界亦為 分散，從而會形成均質的成型體。 於具體例5所述之C/C複合材料成型體，該碳纖維以 裸露纖維的狀態存在於含碳基f中β χ，該碳纖維為線形 纖維，平均纖維長度短於丄.0mm，且該c/c複合材料成型 體的纖維體積分率為30至50%。再者，該c/c複合材料成 型體的容積密度為1.2g/cm3或更大。 又，於具體例5之C/C複合材料成型體，較佳為c/c 複合材料成型體之抗拉強度為50MPa或更大，且C/c複人 材料成型體之彈性模數為5GPa至15GPa。 (具體例6) 39 201223741 以下基於圖17A至18D說明本發明具體例6之成型 體。圖17A為C/C複合材料所構成的本發明具體例6的成 型體600的透視圖。圖17B為圖17A之剖面圖；圖i7c為 圖17B —部分的放大圖；圖17D之圖17C的一部分的更放 大圖。具體例6之成型體600與具體例i之c/c複合材料 成型體100，除了形狀為板狀以外為相同。 17 ’ 體之製造方法的概

圖18A1至18D為具體例6之成型 圖。以下將詳述具體例6之成型體之製造方法 [纖維屑形成步驟（A)] 1之步驟（A)以相同 形成纖維屑之步驟（A)可如具體例 方式進行。 L纖維屑之層合物之形成步驟（B)] 其後，就形成維屑之層合物之步驟⑻而言，如圖18β， 將有纖維肩5形成於其中的液體以具有多孔 具40過滹。該多农皙γ5 應3夕孔質換面41在其上表面具有多 41Α。虽液體以加壓板42 σ 41λ 攸其上表面加壓時，液體會通過 二十並經由闊43從貯水室“排出。由於 大於該開，，纖維…會通過開口 ：:而會 "夕孔^面的表面方向的多孔模具表面41的表面上 層合成連續層。於此情形纖維已=上 體變成平坦-點，且抽吸力的影響而從圓 向多孔質模面41的:面:：的該碳纖維1的縱方向會朝 層合物預形體，第i成型：)此方式，可形成纖維屑之 201223741 就該多孔質模面41 + pa 〇 . ^ 。，可使用液體可通過的具有多 數開口的材料，其例例如 夕 敏糾 & 匕括網、打孔金屬、編織物及不 織物。當使用水為液體 夺該夕孔質模面的開口直徑較佳 為水此輕易通過的約1至3mme 产㉟；慮可以任意方法進行。於抽吸過滤時，除了空 =外，可以將其他液體—併抽吸，故可適當使用自抽吸 式離心泵浦、抽氣機等。 順帶一提’就過滹方法丄 ^、 愿万法而&，除了前述抽吸過濾，加 壓I濾或簡單的重力過淚也 ^乜木用。加壓過濾，例如以加

壓氣體加壓多孔質模面的冰I 断* 、面的外表面，以將纖維屑層合於多孔 質模面外表面，從而形成纖維屑之層合物。 [加壓步驟](成型步驟（C)) 然後，-體成型地壓縮該纖維屬之層合物5〇f而不層 合，該碳纖維之縱方向定向於垂直層合方向的表面方向， 從而形成成型體60F。於成型體為板狀時，可利用單抽成 型的加壓方法做為加壓成型方法。如圖18c，纖維屑之層 合物50藉由壓製板狀材料45然後加壓而插入。成型壓力 較佳為IMPa或更大。當成型壓力為1Mpa或更大，由於可 充分壓縮纖維屑之層合物，可獲得高密度及高強度的c/c 複合材料。成型塵力無特別上限，由於第！黏結劑已因加 熱而軟化，當施以1 〇MPa的壓力，可獲得充分高密度及高 強度的成型體。依此，該碳纖維1之縱方向會定位於平行 多孔質模面41之表面方向。然後，將纖維屑5轉變為薄碎 片’從而形成薄碎片體前驅物。於此方式，形成薄碎片體 41 201223741 前驅物之層合物(塵製成型的預形體，即第2成型體）。 關於獲侍之薄碎片體前驅物之成型體60F，如同具體 例1，藉由硬化步驟、脫脂步驟、含浸步驟與锻燒步驟⑼， 可獲得具體例6之成型體6〇〇。 順帶一提，在此所指成型體之表面方向，係指構成該 成型體的主表面，且不白杯#二 . 且不包括端面。不包括煅燒後，藉由拋 光、鑽孔或機械處理該表面而新產生的表面。如上述藉 由，該碳纖維之縱方向係連續沿片材形成法成型時的外^ 面疋向’可獲得具有極高機械強度與優異耐熱性的Μ複 合材料成型體。 [實施例] 以下參照實施例及比較例詳述本發明，但本發明不限 於此等實施例。 〈實施例1 > (1) 碳纖維製備步驟 製備平均纖維直徑7#m之⑽p用之p㈣碳纖維。 在此將為了改善於水之分散性的塗覆於纖維表面的上漿 f 55Qt^燒並去除’之後將該碳纖 維分散於水中’並使用混合機粉碎至平均纖維長度π" 二’再脫水並乾燥。然後，將獲得的碳纖維與能產生大量碳 虱化合物氣體的有機材料粉末於密閉容器中一起加埶，對 於該密閉容器内吹洗由該有機材料產生的碳氫化合、物氣 體’從而形成還原氣體氛圍。 (2) 纖維屑形成步驟 •42 201223741 ⑷將上述碳纖維製備步驟獲得的該碳纖維投入水，並 於授拌狀態分散。攪拌進行約3分鐘。 並 (b)其後 > 加入胁始 + u , 八酚树脂（「Bell Pearl」（註 標）S890, Air Water Inc 製 U2f)n ° 1)(20〇質量份）當做第1黏結劑， 至100質量份該碳纖维 , 纖維同樣將該混合物攪拌1分鐘。 (c),、後加入礼膠（5質量份）當做第2黏結劑，同樣 將該混合物攪拌1分鐘。 ’ ⑷再者’加入陽離子聚集劑（「卜⑽」 標）292 ’ Allied C〇U〇id c〇mpany 製）（〇3 f 量份），杏做 聚集劑’將該混合物攪拌2〇秒從而形成纖維屑。^ (3) 纖維屑層合物形成步驟（片材形成步驟） 將其中形成有纖維屬的水從圓柱狀模具内吸出，該模 具在其外表面配置著開σ lmm的線網，以層合纖維屬於該 線網的表面上從而形成圓柱狀層合物。雖線網開口為— 但該碳纖維形成纖維肩，所以幾乎所有的該碳纖維都不會 通過該網。靜置-段時間後，以重力移去水，獲得之物以 乾燥機於60°C乾燥。 (4) 成型步驟（形成薄碎片體前驅物之層合物） 將/又有線網的圓柱狀模具插入前述步驟獲得的層合物 内’將表面以密封薄膜覆蓋。獲得之產物放在高壓爸，而 不層合該層合物，並於15(TC加熱的同時加壓。加壓壓力 定為2MPa。 (5) 硬化步驟 在上述步驟後，將該層合物靜置2小時，，此時係處於 43 201223741 黏結劑（酚樹脂） 該同壓蚤的最大壓力。依此步驟，將第 硬化。 (6)第1脫脂步驟 移走刖述硬化步驟獲得的層合物的模具，將產物於還 原I體1圍而爐中加熱。加熱以升溫速度耽/小時進行， 且當溫度到達最高溫度55(rc0f，維持所獲得之層合物i j # m靜置至冷卻至室溫。在此’還原氣體氛圍係 藉由將層合物與可以產生大量碳氫化合物氣體的有機材料 粉末-起於密閉容器中加熱’並以來自該有機材料的碳氫 化合物氣體吹洗該密閉容器而形成。 (7)(含浸步驟） 於直到第1脫脂步驟仍未獲得所望容積密度時，進 步進行含浸。 於此實施例，將脫脂後的層合物置於已加熱到2〇〇。〇 的高壓釜中’抽真空後，流入軟化點約80t的瀝青。於4MPa 加壓該層合物從而含浸瀝青於其中。 (8)(第2脫脂步驟） 將已歷經含次步驟的層合物再進行脫脂。該脫脂係與 ⑷之第丨職㈣關樣條麵彳^含时料第2脫脂 步驟可重複進行。 (9 )煅燒步驟 最後將已施以含浸與第2脫脂步驟的層合物般燒。將 層合物於升溫速度15°°C/小時於還原氣體氛圍加熱，於溫 度到達最muorc的時點1持層合物15秒，然後 44 201223741 使靜置冷卻至室溫。該還原氣體氛圍係藉由將氫氣、一氧 化碳氣體及加熱而生的碳氫化合物氣體的混合氣體而生， 層合物係於防止外部氧化物進入的狀態下放在碳粉中。依 此锻燒步驟’由第1黏結劑形成一基質。依照該基質之存 在 了強化碳纖維的結合力，展現強度。於此方式，獲得 一圓柱狀結構，其内直徑為1，000mm、高度為1，〇〇〇mm、厚 度為25mm。 〈實施例2> 改變該碳纖維之平均纖維長度為8〇〇 # m ,除此以外與 實施例1同樣進行，獲得C/C複合材料成型體。 〈比較例1 > 製造有毛氈層合於其中的C/C複合材料的比較例1的 成型體。首先’將PAN系碳纖維裁切成30mm大小，從而形 成片狀毛I毛。其後，將該毛範浸入酚樹脂之甲醇溶液，使 用輥壓製由此形成碳纖維片預浸輥材，其厚度3mnj。將此 形成的碳纖維片預浸材繞心軸轉’從而形成有毛亶毛狀片層 合於其上的成型體。 其後’將前述步驟成型的成型體維持在l5(rc以硬化 該酚樹脂，從而定型。 其後與實施例1同樣進行脫脂、含浸、脫脂及锻燒， 從而獲得圓柱狀成型體’其内直徑為6〇〇mm、高度600mm， 厚度25mm。 〈比較例2至11 > 將成型步驟（4)的加壓壓力改為〇.8MPa，除此以外與 45 201223741 實施例1同樣進并 义订’激造比較例2的C/C複合材料成型體。 製備如表2你 π不的市售C/C複合材料的成型體，當做 比較例3至11。y b車乂例3係藉由纖絲捲繞製造；比較例4 至10係藉由布料風 Ή層合製造；比較例11係藉由毛氈層合製 造。 〈物性評價〉 容積密度與彎折強度 用於測定# # μ /的平行六面體的物性的兩個樣本如圖 22A，各於圓柱體的* 呵又方向較長，係各由實施例1與比較 '1的結構獲得。用於測定物性的樣本，係測定容積密度 =折強度。成型體之容積密度係藉由將複合材料之 質里除以其體積而計算。 琴折強度係使用自動立體測圖儀 G'IS^:〇 至 5kN，s—uCorporatlon 製），進行三 ^折試驗而測定。圖22A肖22β係顯示裁切供物性測定 之樣本及三點彎折試驗的 H式方向的不意圖。肖三點彎折 斌驗係從垂直的兩個方向（薄 吁乃體之層合方向）v，以及相 士於該結構的表面方向為平行 订的方向P進行’如圖22B。 表1顯示實施例1與比較例 ^ 1之C/C複合材料成型體 之谷積密度及彎折強度的測量結果。 表1 容積密度 (g/cm3) — ~1.28 方向折強度* (MPa) *7577 rfj 46 201223741 決定以下物性。 對於實施例1與2與比較例1至i】 纖維體積分率 測定使用的碳纖維的質量及真實密度，並藉由將該碳 纖維的質量除以該破纖維的真實密度以求算該碳纖維的體 積。測定該C/C複合材料的質量及視密度（容積密度），並 藉由將該C/C複合材料的質量除以該c/c複合材料的容積 抢度以求算該C/C複合材料的體積。順帶一提，從複 合材料成型體加工出4個10_xl〇nHnx60mm的樣本，將從測 疋的體積及質量求算的值平均。纖維體積分率係藉由將該 碳纖維的體積除以該C/C複合材料的體積而求算。 彈性模數、破裂強度及破裂應力 測定係使用自動立體測圖儀（AG-IS Model : 〇至5kN，

Shimadzu Corporation製）進行。順帶一提，破裂強度係 當做抗拉強度。 、實施例1與2以及比較例a u的各複合材料的製造 方法，以及其平均纖維長度、纖維體積分率、容積密度、 彈性模數、破裂強度(抗拉強度)與破裂應力一起顯示於表 表2 實施例1 實施例2 製造方法 纽形成 片材形成 平均纖維 長度 150/zm 800^m 纖維體積 分率 (%) ---- 35 ----- 容積 密度 (g/cm3) 彈性 模數 (GPa) 破裂強度 (抗拉強度) (MPa) 破裂應變 (ppm) 1.3 11 98 8909 37 1.3 14 124 8857 比較例1 i-U >fei| 9 1範層合 l-i \ \ ^,. 30mm —— 41 1.4 41 183 4463 比較例3 月材形成 150//m 連續纖維 26 1.1 6 31 5000 一 1.5 100 300 3000 47 201223741 比較例4 比較例5 布料層合遠，續鑣..維 布料層合 比較例6 布料層合 比較例7 布料層合 比較例8 布料層合 比較例9 布料層合 比較例10 布料層合 比較例11 毛鼓層合 連續纖維 連續纖維 連續纖維 連續纖維 連續纖維 連續纖維 約 50mm

圖20顯示測定c/c複合材料之物性分析的彈性模數與 破裂強度(抗拉強度)之間的關係的結果，且為實施例與比 較例的彈性模數與抗拉強度的關係圖。圖21顯示測定彈性模數與破裂應變的關係的結果，且為實施例與比較例的彈 :模數與破裂應變的關係圖。從表2與圖2〇與21可知， 實施例的C/C複合材料可維持高破裂強度也能維持低彈性 模數。 觀察表面與剖面 以各種照片觀察實施例1與比較例丄獲得的成型體的 表面與剖面。 (偏光顯微鏡及掃描式電子顯微鏡⑽）照片用的樣本的製 備方法） 將實施例1與比較例1的C/C複合材料的樣本各包埋 於環氧樹脂，利用機械研磨法，再進行平磨處理（45。3分 )以製作剖面。M FE~SEM以及偏光顯微鏡觀察經Pt—Pd 太錄的剖面。在此’環氧樹脂係用於固定樣本以從軟質樣 本、易變形樣本、微έ 田樣本等切出平面。例如，雖然粉末、 纖維剖面等一般幾半 不靶剖面加工，但藉由以固定劑例如 衣氣樹脂以此方式固定，便能觀察。 201223741 (分析裝置以及測定條件） [平磨] 裝置：Hitachi, E-3200 輪出：5kV, 0. 5mA [FE-SEM] 裝置：JEOL，JSM-700 1F 加速電壓：5kV 觀察影像：次級電子影像 [偏光顯微鏡] 裝置：Nikon製 7B為比較例 圖7A為實施例1之成型體剖面照片 1之成型體之剖面照片。照片中的垂直方向為成型體之厚 度方向(層合方向），照片中的水平方向為表面方向。於實 施例1所述之成型體，可注意到其係均勻成型體，其中， 薄碎片體定向於成型體的表面方向薄碎片體的邊界分 散。於比較例1所述之成㈣’可注意到形成年輪的層狀 結構。 圖8A為實施例！之成型體的表面(圓柱狀成型體的内 表面)的放大照片。圖8B為在圖心成型體的表面上觀察

到的薄碎片體的照片。圖A你m。A 队為從圖8A之成型體的表面分 離的薄碎片體的照片。K 8B中的實線區顯示各薄碎片體 3。圖顯示從圖8A之成型體表面分離的薄碎片體的照 片。由於該成型體的内表面係使用支持材料25成型，可獲 得無大型不規則的平面。然而，可以確認的是，維 49 201223741 肩形成薄碎片體時， 从十仃於該表面方向進 ^^, 仃久向 # 4 碎 维俘以平行;°由於此—薄碎片體的組成碳纖 维係以+仃於表面方向進行定向， 钿齙.妒品 # β ，、了攸暴路的端部逐漸 釗離，然而，該薄碎片體僅 ^ ^ v 刀離，不會發生從整個 反纖維成型體分離的現象。此種分離也同樣可藉由將碳纖 維成型體從其層方向破開㈣成的破裂面確認 圖9A顯示比較例1之成型體 珉么體的°彳面的掃描式電子顯微 鏡（SEM)的照片，圖卯顯 圆aA及不思圖。該照片中的水 平方向為成型體的厚度方向(片材的層合方向），照片的垂 直方向為表面方向。可確認片材交界部的纖維強力平行地 沿著邊界定向。 圖10A s 10C為實施例i之成型體剖面的掃描式電子 顯微鏡（SEM)的照片。照片中的垂直方向為成型體的厚度方 向（該薄碎片體之層合方向），照片中的水平方向為表:方 向。圖10A為放大100倍的實施例i之成型體剖面的sem 照片；圖10B為放大200倍的實施例1之成型體剖面的SEM 照片；圖10C為放大500倍的實施例1之成型體剖面的SEM 照片。圖1 0A顯示於該剖面的SEM照片中觀察到的薄碎片 體。圖10A中的實線顯示各薄碎片體3。圖10B為圖1〇A 之部分薄碎片體的更放大SEM照片。圖10C為圖10B之部 分薄碎片體的更放大SEM照片。如圖1 0A，可確認薄碎片 體層合為以平行於碳纖維成型體之表面方向進行定向。 圖11A至11D為比較例1之成型體的剖面的掃描式電 子顯微鏡（SEM)照片，其中照片中的垂直方向為成型體的厚 50 •201223741 ， 度方向（該薄碎片體之層合方向），照片中的水平方向為表 面方向。圖11A為放大1 〇 〇倍的比較例i之成型體剖面的 SEM照片；圖】1B為放大2〇〇倍的比較例上之成型體剖面 的SEM照片；圖11C為放Λ 5〇〇倍的比較例】之成型體剖 面的SEM照片。圖iiB為圖UA放大SEM照片。圖nc為 圖11A之更放大SEM照>|。如圖11B與uc可確認存在該 碳纖維強力定向於平行碳纖維成型體之表面方向的區域， 且可認為於此區域，f質上於厚度方向未形成纖維連接。 因此，可注意到：比較例i中，於圖i 1β與i lc各照片中， 相對於垂直方向的拉伸所強力配向的纖維的區域成為瑕 庇。

圖23A為實施例！之成型體的剖面的偏光顯微鏡照 片。照片中的垂直方向為成型體的厚度方向（該薄碎片體之 層合方向），照片中的水平方向為表面方向。又圖2祁為 比較例1之成型體的剖面的偏光顯微鏡照片。照片中的垂 直方向為成型體的厚度方向（該片材之層合方向），照片中 的水平方向為表面方向。於偏光顯微鏡中，視晶體的定位 方向會觀察到不同顏色，因此可輕易區分纖維及基質。視 觀察表面，觀察到該纖維為線形、印形或圓形。又，圖23A 中/木灰且無光的陰暗部位係用為密封樹脂的環氧 樹月曰Ε ϋ 23A中的其他區域為c/c複合材料成型體⑽（包 括基質與該碳纖維的薄碎片體），目23B中的其他區域為 C/C複合材料成型體c。 於圖23A中的實線圍繞的區域，可確認偏光顯微鏡照 51 201223741 片的垂直方向（該薄碎片體之層合方向）的鄰接薄碎片體由 碳纖維成分la連接。另一方面，圖23B中，未確認連接薄 碎片體彼此的碳纖維成分。 於如圖23A所述之偏光顯微鏡照片’為了觀察到連接 薄碎片體彼此的碳纖維，不僅該碳纖維必需存在於觀察表 面，而且該碳纖維的縱方向必需包括在觀察表面。圖23A 中，可確認該照片垂直方向（該薄碎片體之層合方向）有連 接相鄰的薄碎片體彼此的碳纖維成分，因此可認為許多於 垂直方向（該薄碎片體之層合方向）連接彼此鄰接的薄碎片 體的其他連接碳纖維成分雖未觀察到，仍是存在。 如表1的測定結果所示，實施例丨獲得之成型體於 垂直方向的三點彎折強度為75 7MPa，於平行於該成型體 的表面方向則為69.0MPa，故於垂直於及平行於該成型體 表面方向獲得的三點弯折強度實質上相同。此可認為在本 發明的成型體中，薄碎片體係在層合時構成，且由於存在 將厚度方向（該薄碎片體之層合方向）的鄰接薄碎片體連接 的碳纖維成分，故會獲得均質的成型體。 於比較例1獲得之該成型體，垂直於該成型體表面方 向的方向的（該薄碎片體之層合方向）三點彎折強度為 U.GMPa，此值低於平行於該成型體表面方向之方向（p方 向之三點彎折強度）的值47. 2MPa。 於比較例1獲得之該成型體，垂直於該成型體之表面 方向的方向的強度，顯著低於平行於該成型體之表面方向 之方向的強度。於垂直於該成型體表面方向之方向之該三 52 .201223741 點彎折試驗，成型體以層合片分離的方式破裂。 於該比較例1 ’該成型體係利用片材層合構成，且不 存在連接定向於厚度方向之片材彼此的碳纖維成分。因 此’該等片材之間的接合力弱，於垂直於該成型體之表面 方向的三點彎折試驗，發現強度顯著降低。又，即便於平 行於該成型體之表面方向之三點彎折試驗，也會發現片材 分離，且比起實施例1僅獲得低強度。 可預測實施例2以及比較例2至丨i也會獲得相同結 果。 又，於圖23A所示實施例1之偏光顯微鏡照片，可注 意到碳纖維成分係以裸露纖維的狀態存在。亦即，以「h 代表的將該薄碎片體之層合方向的鄰接薄碎片體連接的碳 纖維成分，以及以「1 b」代表的定向於照片之水平方向， 即成型體表面方向的碳纖維成分，未形成股。另一方面， 如圖23B之比較例χ之偏光顯微鏡照片的實線圍繞之區域 所示，可注意到該碳纖維形成股。可推測實施例2以及比 較例2至11也會獲得相同結果。 [產業利用性] 由於依照本發明具體例之該C/C複合材料成型體有高 強度、高化學安定性及高耐熱性，其可對用於單晶石夕拉晶 裝置、化合物半導體晶體拉晶t置、太陽能電池的妙的製 2置(例如⑪薄膜形成裝置1晶棒製造裝置等）、用於 …皿的7L件例如原子能、核溶合或冶金領域的裝置零件、 53 201223741 需要對於溫度改變維持高強度的領域例如太空零件及航太 零件等提供助益。 【圖式簡單說明】 圖1A至1D顯示本發明具體例】之成型體之視圖，具 體而言，圖1A為透視圖；圖1B為剖視圖；圖κ為圖|b 勺。P份放大圖’圖ID為圖1C之更放大圖。 圖2A至2(:顯示C/C複合材料之動態特徵特色的概念 圖，具體而言，圖2A為本發明具體例之c/c複合材料之概 心圖；圖2B為習知布料層合法之c/c複合材料之概念圖； 圖2C為使用毛氈之習知方法的c/c複合材料的概念圖。 圖3為具體例1之成型體之製造方法的步驟流程圖。 圖4A1至4D為具體例1之成型體之製造方法之概要 圖。 圖5A至5D顯示具體例2之成型體之視圖，具體而言， 圖5A為透視圖；圖5B為剖面圖；圖5c為圖之部分放 大圖；圖5D為圖5C之更部分放大圖。 圖6Β至6D為具體例2之成型體之製造方法之概要圖。 圖7Α為實施例1之成型體剖面的照片，圖7Β為比較 例1之成型體剖面的照片。 圖8Α為實施例1之成型體表面的放大照片；圖為 圖8Α之成型體表面上觀察到的薄碎片體的照片；圖8c為 從圖8Α之成型體表面分離的薄碎片體的照片。 圖9Α為比較例1之成型體的剖面的掃描電子顯微鏡照 54 201223741 片’圖9B為圖9A之示意圖。 圖1 0Α S 1 0C為實施们之成型體的剖面的婦描電子 顯微鏡照片，具體而言，目1〇Α為放幻〇〇倍的照片；圖 10Β為放大200倍的照片；圖1〇c為放大5〇〇倍的照片’。 圖11A i 11C為比較例！之成型體的剖面的掃描電子 顯微鏡照片，具體而言，圖i j A為放大5〇倍的照片；圖 UB為放大200倍的照片；圖nc為放大聊倍的照片’。 圖12A與12B顯示具體例3之成型體視圖，具體而|， 圖1 2A為透視圖，圖1 2B為剖面圖。 圖13A至13C顯示具體例3之成型體的製造方法的概 要圖。 圖14A與顯示具體例4之成型體視圖，具體而言， 圖14A為透視圖’圖14B為剖面圖。 圖15A與15B顯示具體例4之成型體的製造方法的概 要圖。 圖16A與16B顯示具體例5之成型體視圖，具體而言， 圖16A為透視圖，圖16B為剖面圖。 圖1 7A至17D顯不具體例6之成型體視圖，具體而言， 圖17A為透視圖’圖m為剖面圖；圖17c為圖ΐ7β之部 分放大圖，圖⑽為圖17c之部分更放大圖。 圖18A1至⑽顯示具題例6之成型體的製造方法的概 要圖。 圖l9A與19B顯示比教例丄之成型體視圖，具體而言， 圖19A為透視圖，圖19B為剖面圖。 55 201223741 圖20顯示實施例與比較例的各的c/c複合材料的彈性 模數與破裂強度關係的測定結果。 圖21顯示實施例與比較例的各的C/C複合材料的彈性 模數與破裂應力關係的測定結果。 圖22A與22B為示意圖，顯示供測定實施例與比較例 的各C/C複合材料的物理特性的樣本其切出方向以及= 彎折試驗方向。 —·· 圖23A $實施作丨之成型體的剖面的偏光顯微鏡昭 片，圖23B為比較例i之成型體的剖面的偏光顯微鏡照/ 【主要元件符號說明】 E〜環氧樹脂； 1〜碳纖維； 2〜含碳基質； 4〜黏結劑； 6〜薄碎片體前驅物； 20’30, 40〜模具； 21A，41A 〜開口； 23〜導管； 25, 35〜支持材料； 3 0 E〜端部； 43〜閥； 45〜板狀材料； 60F〜成型體； c〜C/C複合材料成型體； SA，SB, SC，SD〜步驟； la，lb〜碳纖維成分； 3〜薄碎片體； 5〜纖維屑； 7(7a，7b)〜黏結劑； 21，31，41〜多孔質模面； 22〜真空室； 24〜密封薄膜； 26〜高壓爸； 4 2〜加壓板； 44〜貯水室； 50，50F, 60〜層合物； 56 201223741 ' 100, 200, 300, 400, 500, 60 0〜C/C 複合材料成型胃 100S，200S，300S，400S，500S，600S~表面； 200i，300i，400i, 500卜第 1 曲面； 200〇, 300〇, 400〇, 500〇~第 2 曲面； 300a〜圓柱狀部； 3001 4001{，5001?〜邊界區域；3001'~凸緣部； 4〇〇a〜圓柱狀部； 400b〜圓柱狀部； 500a〜柱狀部； 500b〜底部。 57

Claims (1)

1. 201223741 七、申請專利範圍： 1· 一種碳纖維強化碳複合材料，包含： 碳纖維；以及 含碳基質， 其中該碳纖㈣化碳複合材料係—體Μ地形成， 其中該石反纖維為線形纖維，以裸露纖維的狀態存在於 該含碳基質中且平均纖維長度短於I 0mm， 其中該奴纖維強化碳複合材料的容積密度為i. 2g/cm3 或更大。 2. 如申明專利範圍第丨項所述之碳纖維強化碳複合材 料， 其中該碳纖維強化碳複合材料的彈性模數為5GPa至 15GPa之範圍。 3. 如申請專利範圍第1或2項所述之碳纖維強化碳複 合材料，其中該碳纖維強化碳複合材料的抗拉強度為5〇MPa 或更大。 4. 如申請專利範圍第1或2項所述之碳纖維強化碳複 合材料’其中該碳纖維強化碳複合材料的纖維體積分率為 30%至50%之範圍。 5. 如申請專利範圍第1或2項所述之碳纖維強化碳複 合材料’其中該碳纖維強化碳複合材料係用為高爐的結構 元件。 6 ·如申請專利範圍第1或2項所述之碳纖維強化碳複 合材料，其中該碳纖維強化碳複合材料係用於半導體製造 58 201223741 裝置。 7· 一種如中請專利範圍第1 i 6項中任-項所述之碳 纖維強化碳複合材料之製造方法，包含： 展開平均纖維長声#协i X短於1 · Omm之線形碳纖維成裸露纖 ，形成^括該線形碳纖維與含碳基質之前驅物成分的預 形體’其中該碳纖維以裸露纖維的狀態存在； 一體成型地壓製成型該預形體；及 以由該前驅物成分形成該 锻燒該壓製成型的預形體 含碳基質。 8.如申請專利範圍笛 項所述之碳纖維強化碳複合材 料之製造方法， 其中展開該線形磁她他 Λ ν 纖維之步驟，係將該含碳基質之前 驅物成为與平均纖維長产 八胁 又於丨.0題之線形碳纖維加入並 分散於一液體，從而形成 ;展開該碳纖維的漿體；且其 中形成該預形體之步驟， ^ ^包括以下步驟： 形成包括該碳纖維鱼 屑，及 /、3碳基質之前驅物成分的纖維 過濾該纖維屑。 59