碳纖維集束體的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明的碳纖維集束體的制造方法中，將碳纖維沿軸方向整齊并填充至筒狀部件中，對填充了碳纖維的所述筒狀部件進行拉伸從而使其直徑縮小。另外，本發(fā)明的碳纖維集束體中，作為長纖維且具有各向異性的碳纖維以束狀形成為一個整體，在碳纖維束內(nèi)部，碳附著在碳纖維上，碳纖維在碳纖維束內(nèi)的填充率為75%以上。
【專利說明】碳纖維集束體
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及將長纖維的碳材料形成為束狀的碳纖維集束體(carbon fiberbulk)、碳纖維填充集束體的制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]碳纖維輕且強度高，并且在導(dǎo)電性、熱傳導(dǎo)性、吸附性等方面具有優(yōu)異的功能性，因此被用在各種各樣的【技術(shù)領(lǐng)域】中。例如，可以將具有拉伸強度的連續(xù)碳纖維設(shè)置在導(dǎo)體中心線上，對其進行包覆而構(gòu)成送電線(參見專利文獻I)。
[0003]另外，可以將輕且強度高的碳纖維在長度方向一起拉伸，將這樣的薄壁粗徑的碳纖維增強樹脂(CFRP)插入在中空狀金屬管中，由此構(gòu)成傳動軸(參見專利文獻2)。
[0004]另一方面，著眼于碳纖維的高吸附性，也可以使用碳纖維作為氣體分離用吸附槽的吸附材料。例如，將用于氮、氧分離的連續(xù)碳纖維填充至吸附槽中，由此能夠以高純度分離氮氣(參見專利文獻3)。
[0005]其中，作為碳纖維的填充方法，記載有加壓壓入的方法。首先，將規(guī)定長度的碳纖維沿軸線方向排列并將其填充至半切型夾具中，在夾具內(nèi)形成纖維束。并且，沿著軸線方向?qū)⒗w維束從夾具向填充槽加壓壓入，由此使碳纖維填充在吸附槽中。
[0006]作為提高了熱傳導(dǎo)性的碳纖維復(fù)合材料(C/C復(fù)合物)，已知有一種碳纖維-碳化硼復(fù)合材料，其是將碳纖維形成為束狀并使碳填充至其間隙處而成(參見專利文獻4)。
`[0007]其中，為了制造高傳導(dǎo)性的碳纖維束，將束狀的碳纖維浸潰于溶解有酚醛樹脂的溶液中，使其干燥后在高溫進行燒制。在燒結(jié)體中，酚醛樹脂發(fā)生碳化而附著在碳纖維束上，防止由碳化硼的接觸而導(dǎo)致的熱導(dǎo)率的降低。
[0008]現(xiàn)有技術(shù)文獻
[0009]專利文獻
[0010]專利文獻1:日本專利第3475433號公報
[0011]專利文獻2:日本特開2002-235726號公報
[0012]專利文獻3:日本特開平6-190272號公報
[0013]專利文獻4:日本特開平8-81261號公報

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]發(fā)明所要解決的課題
[0015]本發(fā)明著眼于提供以一種以往所沒有的高密度對碳纖維進行填充的碳纖維集束體。需要說明的是，使碳纖維填充至筒狀部件中的碳纖維填充集束體也包括在碳纖維集束體中。
[0016]
【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]解決課題的手段
[0018]本發(fā)明的碳纖維集束體的制造方法的特征在于，將碳纖維沿軸方向整齊并填充至筒狀部件中，對填充了上述碳纖維的上述筒狀部件進行拉伸從而使其直徑縮小。例如，可以通過型鍛(swaging)加工來對上述筒狀部件進行拉伸而使其直徑縮小。又，能夠以75%以上的填充率將上述碳纖維束填充至上述筒狀部件中。
[0019]例如，在制造方法中，可以按照所填充的上述碳纖維的至少一部分的截面形狀發(fā)生變形的方式對上述筒狀部件進行拉伸而使其直徑縮小。
[0020]另外，在制造方法中，可以將直徑縮小后的上述筒狀部件的一個端部側(cè)浸潰于含有熱固化性樹脂的溶液中，使熱固化性樹脂沿著纖維長度方向滲入，將此滲入了熱固化性樹脂的碳纖維束通過熱處理進行固化。利用熱處理進行固化后，可以對碳纖維束實施碳化處理。
[0021]例如，在制造方法中，可以將上述筒狀部件的一個端部浸潰于溶液內(nèi)。又，可以按照使上述筒狀部件中所填充的碳纖維束的殘余空隙部分的70%-80%的部分中滲入有熱固化性樹脂的方式來浸潰上述筒狀部件?；蛘?，也可以在熱固化處理后，將碳纖維束從上述筒狀部件中取出。
[0022]也可以提供一種放電燈，其中，由上述碳纖維集束體的制造方法制造得到的碳纖維集束體構(gòu)成為至少一個電極的一部分。
[0023]另一方面，本發(fā)明的其他方式的碳纖維集束體的特征在于，作為長纖維且具有各向異性的碳纖維以束狀形成為一個整體，在碳纖維束內(nèi)部，碳附著在碳纖維上，碳纖維在上述碳纖維束內(nèi)的填充率為75%以上。例如，碳纖維束內(nèi)所含有的碳不具有各向異性。
[0024]作為一個示例，碳纖維束一個端面附近處的碳的含有比例低于另一個端面附近處的碳的含有比例。另外,碳在碳纖維束以外的區(qū)域中的占有率為40%-90%的范圍。進一步，碳纖維束長度方向的熱導(dǎo)率為垂直于長度方向的方向的熱導(dǎo)率的5倍以上。
[0025]可以提供一種放 電燈，其中，上述碳纖維集束體構(gòu)成為至少一個電極的一部分。
[0026]發(fā)明效果
[0027]根據(jù)本發(fā)明，可以提供一種成型體，該成型體以在熱方面具有優(yōu)異功能性的碳纖維作為原材料。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1是示出作為第I實施方式的碳纖維填充集束體的制造方法的流程圖。
[0029]圖2是組裝了碳纖維填充集束體的放電燈用電極的示意性截面圖。
[0030]圖3A是示出作為第2實施方式的碳纖維集束體的制造方法的前半部分的流程圖。
[0031]圖3B是示出作為第2實施方式的碳纖維集束體的制造方法的后半部分的流程圖。
[0032]圖4是組裝了碳纖維集束體的放電燈用電極的示意性截面圖。
[0033]圖5是示出從傾斜方向?qū)μ畛淞颂祭w維的金屬管進行拍攝而得到的照片的圖。
[0034]圖6是示出使用光學(xué)顯微鏡對金屬管被切斷時的碳纖維的壓密填充狀態(tài)進行拍攝而得到的照片的圖。
[0035]圖7是示出將樣品I的碳纖維填充集束體切斷、并利用SEM觀察對截面處的碳纖維的高密度填充狀態(tài)進行拍攝而得到的照片的圖。
[0036]圖8是示出將樣品2的碳纖維填充集束體切斷、并利用SEM觀察對截面處的碳纖維的高密度填充狀態(tài)進行拍攝而得到的照片的圖。[0037]圖9是示出對滲入酚醛樹脂的碳纖維束和未滲入酚醛樹脂的碳纖維束的截面進行拍攝而得到的照片的圖。
[0038]圖10是示出碳化處理后的碳纖維束內(nèi)部的顯微鏡照片的圖。
[0039]圖1lA是示出熱導(dǎo)率的各向異性的曲線圖。
[0040]圖1lB是示出熱膨脹率的各向異性的曲線圖。
[0041]圖12是示出碳纖維填充集束體中熱導(dǎo)率與溫度的關(guān)系的曲線圖。
【具體實施方式】
[0042]以下，參照附圖對本發(fā)明的實施方式進行說明。
[0043]圖1是示出作為第I實施方式的碳纖維填充集束體的制造方法的流程圖。
[0044]如圖1所示，作為集束體用原材料，準備統(tǒng)一為規(guī)定長度的碳纖維100、和中空的筒狀部件200。碳纖維100是以由幾百根~幾千根碳纖維長絲構(gòu)成的碳纖維線作為單質(zhì)的纖維結(jié)構(gòu)，由2根以上碳纖維線構(gòu)成。
[0045]筒狀部件200是由鉭或鑰等的金屬管構(gòu)成，此處，規(guī)定其軸方向長度短于碳纖維束100。筒狀部件200是由板狀金屬部件通過焊接而成型得到的。此處，焊接的接合處210沿軸方向形成，也可以以螺旋狀形成。
[0046]最先進行的填充工序中，將碳纖維100插入在筒狀部件200中而進行填充。碳纖維100僅準備可最大限度填滿筒狀部件200的內(nèi)部空間的量，碳纖維100以束的形式被收納在筒狀部件200內(nèi)。作為填充方法，可以適用通過手工作業(yè)將碳纖維100塞入筒狀部件200中的方法等，或者也可以使用壓力機等進行壓入。
[0047]在填充工序中，按照筒狀部件200不會發(fā)生塑性變形等的方式將碳纖維束100插入筒狀部件200中。此時，按照碳纖維束100的端面從筒狀部件200突出的方式來進行填充。通過填充工序，筒狀部件200的規(guī)定截面處的填充率在此達到約60%~70%。其中，填充率表示碳纖維100的截面積相對筒狀部件200的內(nèi)部空間截面積的比例。另外，使碳纖維100的填充率沿軸方向大致均勻。
[0048]將填充了碳纖維束100的筒狀部件200安裝在型鍛加工機械上。然后，通過型鍛加工機械的模具(>，dies) 50來實施型鍛加工。通過型鍛加工，筒狀部件200發(fā)生塑性變形，沿軸方向伸長，同時邊緣部收窄而使直徑縮小。此時，按照碳纖維100的填充率為90%以上的方式，并且按照填充率沿軸方向均勻的方式進行細徑化。此處，按照筒狀部件200的直徑大致為加工前的2/3的方式進行細徑化。通過型鍛加工，在碳纖維束100的至少一部分或者整體中，截面為圓形狀的碳纖維因壓接而發(fā)生彈性變形。之后，為了形成規(guī)定的長度，對碳纖維束100的端部進行切斷。此處，使用精銑刀等切斷工具來進行切斷。
[0049]制造利用型鍛加工而在軸方向延伸的筒狀部件200，并進行了切斷處理之后，在規(guī)定溫度(例如1500°C~2000°C )的溫度氣氛下，對筒狀部件200進行數(shù)小時的熱處理。經(jīng)過該熱處理，制造了碳纖維填充集束體400。碳纖維填充集束體400是極度提高了碳纖維的填充密度(堆積密度)的成型體，截面圓狀的碳纖維通過直至彈性變形的相互壓接而被壓密填充。另外，內(nèi)部的碳纖維束具有高集束性。通過這樣的高密度填充，碳纖維填充集束體400為熱傳導(dǎo)性、熱擴散性優(yōu)異的成型體，可以用作例如放電燈用電極的傳熱體、或者加熱泵等的熱傳導(dǎo)部件。[0050]圖2是組裝了碳纖維填充集束體的放電燈用電極的示意性截面圖。
[0051]陽極30是用于短弧型放電燈10的放電用電極，通過電極支撐棒40而保持于垂直方向。陽極30在電極本體32中心部具有筒狀空間33，在筒狀空間33中收納有碳纖維填充集束體36。
[0052]與筒狀空間33的尺寸對應(yīng)的柱狀電極蓋39與電極本體32結(jié)合從而將筒狀空間33密封。電極支撐棒40連結(jié)固定在電極蓋39上，隔著電極蓋39來支撐陽極30。
[0053]電極本體32、電極蓋39、電極支撐棒40由鎢(W)構(gòu)成。另一方面，在陽極30內(nèi)部沿著電極軸延長存在的碳纖維填充集束體36是以將碳纖維38高密度填充在由鉭金屬構(gòu)成的中空管37內(nèi)的傳熱體的方式而構(gòu)成的，其是根據(jù)上述制造方法而成型得到的。
[0054]具有高集束性的碳纖維38的端面從中空管37兩端突出，且兩端面均為平滑。SP，將碳纖維長絲各個端部沿著軸方向規(guī)整齊，由此碳纖維端面整體無歪曲且規(guī)定為平面，因此是平滑的，實質(zhì)上不會產(chǎn)生一部分碳纖維長絲突出或者長度不足的狀態(tài)。另外，碳纖維38的一個端面與電極蓋39和筒狀空間33的底面密合，與電極前端部32S連接。因此，放電中電極前端部32S受到來自陰極(未圖示)的電子的碰撞，由此而產(chǎn)生的熱通過熱傳導(dǎo)性、熱響應(yīng)性優(yōu)異且高密度填充的碳纖維38而向電極支撐棒側(cè)傳輸。
[0055]由此，電極前端部32S不會發(fā)生局部過熱，使得陽極30的溫度整體均勻化。其結(jié)果是能夠防止電極前端部32S的熔融、蒸發(fā)而導(dǎo)致的失透、發(fā)光效率降低，并可以抑制電極消耗。另外，由于具有適度的導(dǎo)電性，即使輸入電力增大而電流量增大，也不會影響放電。
[0056]如此，根據(jù)本實施方式，準備由2根以上的線構(gòu)成的碳纖維100、和由金屬構(gòu)成的中空筒狀部件200，將碳纖維100沿軸方向整齊并填充至中空筒狀部件200。填充后，利用了模具50對中空筒狀部件200實施型鍛加工。型鍛加工之后，進行切斷然后實施熱處理，從而成型得到碳纖維填充集束體400。
`[0057]在拉伸之前的階段中較多的碳纖維間存在有間隙，但在填充碳纖維之后進行拉伸、即進行縮小直徑，由此碳纖維發(fā)生彈性變形從而能夠?qū)嵸|(zhì)上無間隙且以壓密狀態(tài)進行碳纖維的填充。其結(jié)果是，對碳纖維本身的熱傳導(dǎo)性、熱擴散性沒有損害，并且使得沿集束體內(nèi)部的軸方向長度整體具有優(yōu)異的熱傳導(dǎo)性、熱擴散性。另外，在集束體截面的任意部分中，其熱傳導(dǎo)性、擴散性相等，保持了熱傳輸能力的均勻性。特別是，使填充率為90%以上，由此碳纖維彼此間發(fā)生彈性變形、同時相互密接從而使間隙消失，能夠具有更優(yōu)異的熱傳導(dǎo)性。
[0058]需要說明的是，對于填充方法、型鍛加工來說，并不限于上述碳纖維的填充方法、型鍛加工。為了進行拉伸而使其直徑縮小，也可以為能夠沿著軸方向大致均勻地縮小直徑的其他塑性加工。另外，在填充工序中，在不施加使筒狀部件發(fā)生塑性變形這樣的力的程度下，盡可能使碳纖維壓密填充在筒內(nèi)部空間中即可。進一步，碳纖維并不限于線單元的長絲狀碳纖維，可以為任意的截面形狀且使2個以上的碳纖維以束狀填充的結(jié)構(gòu)。對于碳纖維端面的平滑化，可以是按照至少在一個端面進行的方式來實施。另外，也可以不使碳纖維端面平滑化。
[0059]接著，使用圖3、4對作為第2實施方式的碳纖維填充集束體的制造方法進行說明。第2實施方式中，制造熱傳導(dǎo)性優(yōu)異的碳纖維填充集束體。
[0060]圖3A、圖3B是示出作為第2實施方式的碳纖維填充集束體的制造方法的流程圖。[0061]如圖3A所示，在制造前準備統(tǒng)一為規(guī)定長度的長纖維即碳纖維(CF) 100、和中空的筒狀部件200作為集束體用原材料。碳纖維100是以由幾百根-幾千根碳纖維長絲構(gòu)成的碳纖維線作為單質(zhì)的纖維結(jié)構(gòu)，其是由2根以上碳纖維線構(gòu)成的。
[0062]碳纖維100在熱傳導(dǎo)性方面具備非常高的各向異性，纖維長度方向的熱導(dǎo)率相比于其垂直方向非常大。例如，可以適用作為實現(xiàn)了高熱導(dǎo)率的高性能碳纖維的中間相浙青(mesophase pitch)CF。
[0063]筒狀部件200是由鉭、鑰或者不銹鋼(SUS)等的金屬管構(gòu)成的，此處，規(guī)定其軸方向長度短于碳纖維100。筒狀部件200是由板狀金屬部件通過焊接而成型得到的。此處，焊接的接合處210沿軸方向形成，也可以以螺旋狀形成。
[0064]最先進行的填充工序中，將碳纖維100以束狀插入筒狀部件200中從而進行填充。此時，將碳纖維100沿著筒狀部件200的軸方向整齊，并按照纖維不交叉的方式進行填充(下文中也將束狀的碳纖維100表述為碳纖維束100)。
[0065]碳纖維100僅準備可最大限度填滿筒狀部件200的內(nèi)部空間的量。作為填充方法，可以適用通過手工作業(yè)將碳纖維100塞入筒狀部件200中的方法等，或者也可以使用壓力機等進行壓入。
[0066]在填充工序中，按照筒狀部件200不發(fā)生塑性變形的方式將碳纖維束100插入在筒狀部件200中。另外，按照碳纖維束100的端面從筒狀部件200突出的方式來進行填充。
[0067]通過填充工序，筒狀部件200的規(guī)定截面處的填充率在此達到約60%-70%。其中，填充率表示碳纖維束100所占的截面積相對筒狀部件200的任意的內(nèi)部空間截面積的比例。另外，使碳纖維束100沿軸方向的填充率大致均勻。
[0068]將填充了碳纖維束100的筒狀部件200安裝在包括模具150的型鍛加工機械上。安裝后，通過模具150來實施型鍛加工。通過型鍛加工，筒狀部件200發(fā)生塑性變形，沿軸方向伸長，同時邊緣部收 窄而使直徑縮小。
[0069]此時，按照碳纖維100的填充率為75%以上(優(yōu)選為80%以上)的方式進行細徑化。另外，按照填充率沿軸方向大致均勻的方式進行細徑化。
[0070]其中，關(guān)于細徑化，達到最高密度的理想填充率理論上最大約為91%，優(yōu)選控制為碳纖維不會因纖維間的接觸而發(fā)生彈性變形的上述最大填充率。細徑化后，為了形成規(guī)定的長度，對碳纖維束100的一個端部進行切斷。此處，使用精銑刀等切斷工具來進行切斷。
[0071]接著，將利用型鍛加工而在軸方向進行了拉伸的筒狀部件300從其端部側(cè)浸潰于容器M中的溶液400’中(參見圖3B)。溶液400’是含有熱固化樹脂F(xiàn)的溶液，例如，作為溶液，可以使用溶解有甲階酚醛樹脂的溶液。也可以適用酚醛清漆型的酚醛樹脂，這種情況下，可以添加熱固化用添加物。
[0072]在碳纖維束100的浸潰工序中，并非使筒狀部件300整體浸潰于溶液400’中，而是按照將碳纖維束100的端部100T浸潰于溶液400’內(nèi)、而未圖不的另一個端部并未浸潰的方式來進行。若按照上述方式預(yù)先浸潰碳纖維束100的一部分，則因毛細現(xiàn)象，溶液400’的熱固化樹脂F(xiàn)向碳纖維束100被吸上，液態(tài)的熱固化樹脂F(xiàn)滲入碳纖維束100的內(nèi)部。
[0073]使熱固化樹脂F(xiàn)相對碳纖維束100沿著一個方向滲入，由此隨著熱固化樹脂F(xiàn)的滲透，碳纖維束100內(nèi)部的空氣從碳纖維束100的未浸潰的另一端排出。其結(jié)果為，在碳纖維束100內(nèi)部的空隙部分中滲入有大量熱固化樹脂F(xiàn)。[0074]對于毛細現(xiàn)象而言，吸入高度由液體的表面張力、材料的潤濕性和液體的密度來決定，因此期望熱固化樹脂為粘性低且密度低。另外，期望熱固化樹脂使用殘?zhí)悸矢叩臒峁袒瘶渲?br> [0075]若使熱固化樹脂F(xiàn)滲入碳纖維束100中，則接著通過規(guī)定的溫度(此處為140°C以上)使用加熱裝置600來實施熱固化處理。進一步，在真空氣氛下，在規(guī)定的溫度(例如700°C以上)實施除去雜質(zhì)的處理。其結(jié)果是，碳纖維束100中所含有的液態(tài)熱固化樹脂F(xiàn)固化。
[0076]反復(fù)進行2次以上上述的溶液400’中的浸潰處理、熱固化處理、以及雜質(zhì)除去處理。具體而言，反復(fù)進行直至熱固化樹脂F(xiàn)占碳纖維束100的空隙部分的70%-80%。
[0077]然后，將碳纖維集束體100’從筒狀部件500中取出。由于筒狀部件500與碳纖維材料的熱膨脹率的差異等，可以通過對碳纖維束100’進行擠出等將其從筒狀部件500抽出。
[0078]所取出的碳纖維集束體100’形成為具有光澤的一整塊成型體，熱固化樹脂F(xiàn)露出至集束體表面。對于這樣的碳纖維集束體100’，最后使用真空爐700 (或者是添加有惰性氣體的加熱裝置)進行基于規(guī)定溫度(例如1000°C-2300°C )的碳化處理。
[0079]其結(jié)果是,在碳纖維集束體100’內(nèi)部,在熱傳導(dǎo)性方面無各向異性的碳附著在碳纖維間、并將空隙部分部分填埋。碳纖維束以外的空間區(qū)域中的碳占有率達到40%-90%。
[0080]碳占有率在沿著碳纖維束100的纖維長度方向大致落入40%-90%范圍內(nèi)，但由于使酚醛樹脂從一個方向滲入碳纖維束內(nèi)，因此未浸潰于溶液中的另一個碳纖維束端部的碳的占有比例小于浸潰于溶液中的端部側(cè)的碳占有比例。為了盡可能使另一端部的碳占有比例接近于滲入側(cè)端部的碳占有比例，在這里`進行2次以上的浸潰。
[0081]碳纖維集束體100’是碳纖維的填充密度(堆積密度)非常高的成型體，內(nèi)部的碳纖維束具有高集束性。由于這樣的高密度填充，碳纖維集束體100’形成為熱傳導(dǎo)性、熱擴散性優(yōu)異的成型體。
[0082]特別是，碳纖維集束體100’沿著纖維排列方向具備優(yōu)異的熱傳導(dǎo)性，另外，在熱傳導(dǎo)性方面也具有較大的各向異性。具體而言，纖維長度方向的熱導(dǎo)率為其垂直方向的5倍以上，例如為20倍以上。因此，可以用作放電燈用電極的傳熱體、或者加熱泵和熱電轉(zhuǎn)換元件等的熱傳導(dǎo)部件。
[0083]圖4是組裝了碳纖維集束體的放電燈用電極的示意性截面圖。
[0084]陽極30是用于短弧型放電燈10的放電用電極，其通過電極支撐棒40而保持于垂直方向。對于陽極30來說，在電極本體32中心部具有筒狀空間37，在筒狀空間37中收納有碳纖維集束體50。需要說明的是，陰極也可以采用同樣的構(gòu)成。
[0085]與筒狀空間37的尺寸對應(yīng)的柱狀電極蓋39與電極本體32結(jié)合而將內(nèi)部空間37密封。電極支撐棒40連結(jié)固定于電極蓋39，隔著電極蓋39來保持陽極30。
[0086]電極本體32、電極蓋39、電極支撐棒40由鎢(W)構(gòu)成。另一方面，如上所述，在陽極30內(nèi)部沿著電極軸延長存在的碳纖維集束體50是碳纖維38以高密度形成為束狀的塊的傳熱體，其是按照上述制造方法而成型得到的。
[0087]碳纖維集束體50的兩端面平滑，均與電極蓋39和筒狀空間37的底面這兩者密合，且與電極前端部32S相連。因此，在放電中電極前端部32S受到來自陰極(未圖示)的電子的碰撞，由此而產(chǎn)生的熱通過碳纖維集束體50向電極支撐棒側(cè)傳輸。
[0088]由此，電極前端部32S不會局部過熱，并且使陽極30的溫度整體均勻化。其結(jié)果是，可以防止因電極前端部32S的熔融、蒸發(fā)而導(dǎo)致失透、發(fā)光效率降低，并可以抑制電極消耗。另外，由于具有適當?shù)膶?dǎo)電性，因此即使輸入電力增大而電流量增大，也不影響放電。進一步，在碳纖維集束體50與電極內(nèi)空間之間存在有間隙，因此形成為在徑向、傾斜方向放熱性也優(yōu)異的結(jié)構(gòu)。
[0089]如此，根據(jù)第2實施方式，將為長纖維的碳纖維形成為束狀并沿管狀部件內(nèi)的軸方向整齊并填充至管狀部件內(nèi)，之后使管狀部件直徑縮小。然后，將碳纖維束的一個端部100T浸潰于含有熱固化樹脂F(xiàn)的溶液400’內(nèi)，使熱固化樹脂F(xiàn)滲入碳纖維束100內(nèi)。之后，在熱固化處理后實施碳化處理，生成碳纖維集束體100’。
[0090]使填充有碳纖維束的筒狀部件的直徑縮小從而提高其填充率，使熱固化性樹脂從碳纖維束的一個端部側(cè)向整體滲入，由此碳纖維間的僅小間隙處將附著有碳，進一步以露出束表面的程度附著有大量碳。其結(jié)果是，高密度的碳纖維束成型為牢固的塊。并且，在纖維長度方向可以具有非常優(yōu)異的熱傳導(dǎo)性。
[0091]特別是，將碳纖維束填充在筒狀部件內(nèi)時，其填充率為75%以上，因此進行熱固化處理時能夠容易確保熱導(dǎo) 率的各向異性，除此以外，基于毛細現(xiàn)象的熱固化樹脂的滲透變
得容易。
[0092]進一步，在筒狀部件內(nèi)，對于碳纖維間的空隙部分，在70%-80%的區(qū)域滲入有熱固化樹脂，由此碳化處理后的碳在空隙部分所占的比例為40%-90%，碳纖維集束體形成為更加牢固的一體化結(jié)構(gòu)。碳為90%以上的情況下，在碳化處理時碳纖維集束體發(fā)生收縮，但此時容易發(fā)生變形，并且有可能產(chǎn)生裂紋。通過調(diào)整熱固化性樹脂的滲入程度，可以防止上述情況。
[0093]另外，在拉伸之前的階段中在較多的碳纖維間存在有間隙，但在填充碳纖維后進行拉伸、即進行直徑縮小，由此使得碳纖維以密接狀態(tài)被填充。其結(jié)果是，對碳纖維本身的熱傳導(dǎo)性、熱擴散性不會有損害，并且使得沿著集束體內(nèi)部的軸方向長度整體具有優(yōu)異的熱傳導(dǎo)性、熱擴散性。
[0094]需要說明的是，關(guān)于上述碳纖維集束體的制造方法，可以在不進行型鍛加工的條件下使熱固化性樹脂滲入筒狀部件內(nèi)的碳纖維束中。進一步，可以不將碳纖維束填充至筒狀部件中，以其它的構(gòu)成將碳纖維束保持為一個整體，使熱固化性樹脂從一個端部滲透。另外，也可以通過使筒狀部件的一個端部浸潰于溶液中以外的方法進行滲入。
[0095]以上對第I實施方式、第2實施方式進行了說明，但本發(fā)明并不限于這樣的實施方式。由第I實施方式、第2實施方式所說明的本發(fā)明著眼于如下課題，通過以往所沒有的制造方法來實現(xiàn)優(yōu)異的碳纖維填充集束體。
[0096]首先，針對涉及第I實施方式的本發(fā)明進行說明。
[0097]以往，使碳纖維填充在筒狀部件中的成型體是以考慮了機械強度、吸附性等的成型體的方式而構(gòu)成的。但是，這些碳纖維填充集束體是以直接有外力作用的電線、傳動軸、或者吸入外氣的吸附裝置這樣的制品為前提的結(jié)構(gòu)，對于這些制品來說，良好的柔軟性、或者外氣流入是必然的。因此，在填充碳纖維的方面，也是形成為在纖維間設(shè)有一定程度的間隙、空隙這樣的構(gòu)成。[0098]另一方面，碳纖維是在高溫(約3000°C )實施石墨化處理的，因此考慮將碳纖維填充集束體用于熱傳導(dǎo)性、熱擴散(溫度擴散)性優(yōu)異、且處于高溫狀態(tài)的制品。例如，對于短弧型放電燈來說，為了確保良好的燈啟動性需要在早期將電極加熱至穩(wěn)定點燈狀態(tài)，另一方面，在燈點燈中變?yōu)楦邷氐碾姌O(特別是電極前端部)需要放出熱，要求基于熱傳導(dǎo)性等優(yōu)異的原材料形成的電極。
[0099]但是，即使想要將碳纖維填充集束體適用于上述制品中，以往并未確立可充分發(fā)揮碳纖維的熱傳導(dǎo)性、熱擴散性這樣的集束體制造方法，因此無法成型得到在熱方面具有優(yōu)異功能性的碳纖維填充集束體。
[0100]本發(fā)明是一種碳纖維填充集束體的制造方法，其是提供以往所沒有的高密度填充了碳纖維的集束體的制造方法，其包括填充工序、和進一步使填充后的碳纖維高密度化的(提高填充率)工序。在填充工序中，將碳纖維沿軸方向整齊并填充至筒狀部件中。另外，在高密度化(高填充率化)工序中，對填充了碳纖維的筒狀部件進行拉伸從而使其直徑縮小。
[0101 ] 本發(fā)明中，對于通過填充工序已經(jīng)使內(nèi)部埋滿碳纖維的筒狀部件,實施拉伸這樣的在現(xiàn)有的集束體成型中從功能性損失的方面出發(fā)而無法采用的加工，由此使管狀部件在軸方向延伸從而進行細徑化，在筒狀部件內(nèi)部制作出更高密度的填充狀態(tài)。由此，集束體的內(nèi)部密度極限接近于碳纖維本身的密度，碳纖維間的間隙基本消失。
[0102]通常情況下，熱導(dǎo)率是通過熱擴散率、比熱容和相對密度進行相乘而確定的。根據(jù)如本申請發(fā)明這樣的以高密度壓接狀態(tài)(壓密狀態(tài))的碳纖維填充結(jié)構(gòu)，即使碳纖維以束狀填充，對碳纖維本來的熱傳導(dǎo)性也沒有損害而可直接在集束體中發(fā)揮良好的熱傳輸能力。不僅如此，如本申請發(fā)明那樣通過筒狀部件的拉伸-直徑縮小來實現(xiàn)高密度化，由此可以進一步提高作為集束體單質(zhì)的沿軸方向的熱導(dǎo)率，可以有效活用集束體沿軸方向的熱傳輸能力，可以成型出熱傳導(dǎo)性優(yōu)異的集束體。
[0103]另外，通過拉伸使筒狀部件直徑縮小，因此與現(xiàn)有的碳纖維填充集束體相比，筒狀部件內(nèi)部的碳纖維以更加一 體化且密接的狀態(tài)被收納，同時壓密填充程度在軸方向均勻化、在任意截面處填充率幾乎相等。
[0104]如此，通過對碳纖維以從前所沒有的高密度、高填充率進行填充化，由此可以成型出在熱傳導(dǎo)性、熱容量、熱擴散等熱方面的功能性優(yōu)異的集束體。另一方面，充分具備作為碳纖維的高強度、電傳導(dǎo)性這樣的現(xiàn)有功能，因此也可以將其安裝在復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體、組合有金屬材料的裝配件(assembly)等。特別是，與鎢等金屬相比，碳纖維的相對密度較小，因此能夠成型出體積效率優(yōu)異(直徑更細)且具有熱傳輸能力的集束體。
[0105]實現(xiàn)了這樣的高密度填充的碳纖維填充集束體可以適用于各種制品中，可以用于電傳導(dǎo)性和耐熱性、熱傳導(dǎo)性這樣的熱方面的功能性視為重要的制品中。例如，碳纖維填充集束體可以構(gòu)成為短弧型放電燈等放電燈的電極本體或其一部分。另外，碳纖維填充集束體也可以用于供給大電流的電線，可以抑制電力的發(fā)熱損耗的影響?；蛘?，也可以用作熱導(dǎo)管(heat pipe)等熱傳導(dǎo)部件。
[0106]在碳纖維填充工序中，可以適用各種填充方法，在盡可能不施加使筒狀部件在填充工序中發(fā)生塑性變形的力的程度下，按照盡可能無間隙地將碳纖維填滿筒狀部件內(nèi)部空間中的方式進行插入即可?？梢酝ㄟ^手工作業(yè)來填充碳纖維，或者也可以使用壓力機等機械來填充碳纖維。另外，考慮到提高熱導(dǎo)率、或者與其他部件的結(jié)合等，可以按照碳纖維的至少一個端面從筒狀部件突出的方式來進行填充處理。
[0107]在對筒狀部件進行拉伸而進行直徑縮小的工序中，考慮到使由金屬等構(gòu)成的塑性筒狀部件的直徑穩(wěn)定地縮小，期望實施型鍛加工(洲aging)。利用型鍛加工，筒狀部件以均勻的壁厚進行直徑縮小，能夠成型出碳填充率沿著軸方向均勻的集束體。另外，在型鍛加工后進行熱處理，由此可以提高碳纖維的功能性。
[0108]對于筒狀部件而言，可以適用例如管等中空狀、管狀部件，特別是可以適用進行型鍛工序時可穩(wěn)定地進行塑性變形的金屬管等。對于碳纖維的構(gòu)成而言，也可以填充各種樣式的碳纖維，利用手工作業(yè)進行填充的情況下，可以填充由一定程度的根數(shù)(幾千根-幾萬根)的長碳纖維長絲構(gòu)成的線。
[0109]利用手工作業(yè)、或者壓入加壓等機械加工來進行填充時，對于此時的填充率(體積率)而言是有限度的，型鍛工序前的填充率例如約為75%以下。為了實現(xiàn)高密度填充，按照碳纖維的填充率至少達到85%以上的方式進行拉伸即可?；蛘撸凑赵谒畛涞?個以上的碳纖維的至少一部分中截面形狀發(fā)生彈性變形、或塑性變形的方式來對筒狀部件進行拉伸而使其直徑縮小，由此也可以成型出同樣的熱傳輸能力高的集束體。特別是利用90%以上的填充率實現(xiàn)了極盡消除了碳纖維間的間隙的高密度碳纖維填充結(jié)構(gòu)。
[0110]為了實現(xiàn)高密度填充，在型鍛工序中進行適當?shù)闹睆娇s小即可。對于直徑縮小的程度，根據(jù)筒狀部件的材料特性、碳纖維的強度、尺寸等來確定。例如，以1/4-3/4的范圍使筒狀部件直徑縮小，由此可以進行高密度填充。特別是將筒狀部件直徑縮小3/4左右，由此可以成型出接近95%填充率的集束體。這是比使截面為圓狀的碳纖維以正方格排列時的理論密度78.6%還要大的密度。
[0111]使集束體連接在某個部件間，使其發(fā)揮熱傳導(dǎo)功能的情況下，期望碳纖維端面整體與其接觸。因此，優(yōu)選按照壓密填充后的碳纖維的至少一個端面為平滑的方式來填充碳纖維。其中，此處的平滑意味著通常的纖維端面所需要的平滑性；例如，通過SEM觀察等，碳纖維各自的端部在其軸方向整齊，碳纖維端面具有整體規(guī)定為平面這樣程度的平滑性。切斷處理可以在拉伸處理后且熱處理前、或者在熱處理后進行。
[0112]本發(fā)明的碳纖維填充集束體具備被拉伸而發(fā)生直徑縮小的筒狀部件、和以高密度填充在筒狀部件內(nèi)部的碳纖維，碳纖維是沿軸方向整齊并填充于筒狀部件的。并且，其特征在于，按照碳纖維的至少一部分中的截面形狀發(fā)生變形的方式將碳纖維填充在筒狀部件內(nèi)。由此，可以使其在熱方面具有優(yōu)異的功能性。另一方面，具有同等的熱方面的功能性的本發(fā)明的碳纖維填充集束體的特征在于，按照碳纖維的至少一部分的截面形狀發(fā)生變形的方式將碳纖維填充在筒狀部件內(nèi)。該填充率是能夠利用筒狀部件而實現(xiàn)的填充率，所述筒狀部件可在填充碳纖維后進行拉伸而發(fā)生直徑縮小。
[0113]接著對涉及第2實施方式的本發(fā)明進行說明。
[0114]在現(xiàn)有的碳纖維束的制造方法中，無法制造高密度的碳纖維束,無法形成具有充分的熱傳導(dǎo)性的碳纖維束。特別是，尋求得到不依存于C/C復(fù)合物的碳纖維材料的高密度碳纖維束。
[0115]本發(fā)明是一種提供高密度且沿著纖維排列方向的熱傳導(dǎo)性非常優(yōu)異的一體化/一整塊碳纖維集束體的制造方法，該方法中，將長纖維的碳纖維形成為束狀，將碳纖維束的一個端部側(cè)浸潰于含有熱固化性樹脂的溶液中，使熱固化性樹脂沿著纖維長度方向滲入，通過熱處理使這樣的碳纖維束固化。在熱固化處理之后，還可以進行雜質(zhì)除去處理。也可以反復(fù)多次進行滲入、熱固化處理(或者也包括雜質(zhì)除去處理)。
[0116]若考慮到提高碳纖維束的集束性、高密度，則可以在基于熱處理的固化之后對碳纖維束實施碳化處理。這種情況下，可以在熱固化處理之后將碳纖維束從筒狀部件中取出，進行碳化處理。另外，在浸潰工序中，可以將碳纖維束沿軸方向整齊并將其填充至筒狀部件中，在填充后將碳纖維集束體的端部浸潰于溶液內(nèi)。
[0117]若考慮到確保熱導(dǎo)率沿著纖維長度方向的各向異性，則期望以75%以上的填充率將碳纖維束填充在筒狀部件中。另外，期望使利用碳化處理生成的無各向異性的碳的殘余空隙部分的含有率為40%-90%，為此，可以按照在填充后的碳纖維束的殘余空隙部分的70%-80%的部分中滲入有熱固化性樹脂的方式來浸潰碳纖維束。
[0118]為了使熱固化樹脂滲入而使樹脂盡可能滲入碳纖維間，可以對填充了碳纖維束的筒狀部件進行拉伸而使其直徑縮小。
[0119]本發(fā)明的其他方式的碳纖維集束體中，作為長纖維且具有各向異性的碳纖維以束狀形成為一個整體，通過使含有碳的熱固化性樹脂滲入等，由此在碳纖維束內(nèi)部，碳附著在碳纖維上，碳纖維在碳纖維束內(nèi)的填充率為75%以上。
[0120]由此，生成了高密度且集束性強、在纖維方向熱傳導(dǎo)性具有非常大的各向異性的碳纖維集束體。其中，此處的填充率表示碳纖維所占的截面積與規(guī)定的截面中以碳纖維邊緣規(guī)定的截面積之比。
[0121]特別是，使熱固化性樹脂從碳纖維束的一個端部滲入，由此維持高密度的狀態(tài)的情況下大量碳附著在碳纖維間。這種情況下，碳纖維束的一個端面附近處的碳的含有比例低于另一個端面附近處的碳的含有比例。作為提高碳纖維集束體的集束性的構(gòu)成，例如碳纖維束以外的區(qū)域中的碳的占有率為40%-9`0%的范圍即可。
[0122]另外，碳纖維束長度方向的熱導(dǎo)率為垂直于長度方向的方向的熱導(dǎo)率的5倍以上。通過該各向異性的特性，實現(xiàn)了優(yōu)異的熱傳導(dǎo)。
[0123]實施例
[0124]以下，使用圖5-圖12對本發(fā)明的實施例進行說明。第I實施例是對應(yīng)于第I實施方式的實施例；第2實施例對應(yīng)于第2實施方式。
[0125]首先，使用圖5-圖8對第I實施例進行說明。
[0126]在第I實施例中，按照與第I實施方式相同的制造方法制造高密度填充碳纖維填充集束體，測定其填充率、熱導(dǎo)率、相對密度，與作為參考的金屬比較。另外，在熱處理前和熱處理后，分別測定了上述物理量。此處，根據(jù)碳纖維的種類制造了 2個高密度碳纖維填充集束體(以下，稱為樣品1、樣品2)。
[0127]對于筒狀部件，準備了鉭(Ta)板材作為金屬材料用于樣品1、2，將鉭板材卷曲并進行焊接由此成型得到金屬管。此時，按照接合處沿著軸方向的方式進行焊接。為樣品1、2而準備的金屬管成型為直徑30mm、長度200mm、壁厚1.0mm。
[0128]對于碳纖維(CF)來說，樣品I用的碳纖維使用GRAN0C(注冊商標)XN-90-60S (Nippon Graphite Fiber株式會社制造)，準備大量的由6000根碳纖維長絲構(gòu)成的線狀纖維。該線狀碳纖維的熱導(dǎo)率為500W/m*K、碳纖維密度為2.19g/cm3。對于樣品2使用DIALEAD (注冊商標)K13D2U (三菱樹脂株式會社制造)，準備大量的由2000根碳纖維長絲構(gòu)成的線狀纖維。熱導(dǎo)率為800W/m.K、碳纖維密度為2.21g/cm3。
[0129]首先，在填充工序中，通過手工作業(yè)使碳纖維線在軸方向整齊并插入于金屬管中。樣品I的情況下，以約530根碳纖維線填滿管內(nèi)部；樣品2的情況下，以約1320根碳纖維線埋滿管內(nèi)部。對于任一樣品，均按照碳纖維線的端面從管突出的方式進行填充處理。
[0130]圖5是示出從傾斜方向?qū)μ畛淞藰悠稩的碳纖維線的金屬管進行拍攝而得到的照片的圖。圖6是示出使用光學(xué)顯微鏡對將金屬管沿碳纖維軸方向切斷時的樣品I的碳纖維沿著軸方向整齊的狀態(tài)進行拍攝而得到的照片的圖。根據(jù)圖5、6可知:碳纖維填充在金屬管內(nèi)部，并沿著軸方向整齊排列的。對于樣品2也是同樣地填充有碳纖維。
[0131]接著，對于填充了碳纖維的樣品1、2用的金屬管實施了型鍛加工。此處，使用以圓周狀配置的2個以上的錘型模具對(m — λ 7對)來拉拽金屬管，使其直徑縮小至外徑為20mm。另外，型鍛加工處理后，將碳纖維線的兩端面切斷。對于樣品1，使用旋床來切斷碳纖維；對于樣品2，為了碳纖維端面平滑化，使用精銑刀來切斷碳纖維。
[0132]所成型的樣品I的碳纖維填充集束體中的碳纖維的體積為35.354cm3、碳纖維密度為2.001g/cm3、填充率為91.8%。另一方面，所成型的樣品2的碳纖維填充集束體中的碳纖維的體積為35.354cm3、碳纖維密度為2.064g/cm3、填充率為93.4%。示于以下的表I中。需要說明的是，此處對碳纖維切斷面處的碳纖維密度和填充率進行了測定，但由于管內(nèi)部的碳纖維的高集束性，由此任意的碳纖維截面處的填充狀態(tài)也可以視為與碳纖維切斷面實質(zhì)相同。
[0133][表I]
[0134]
【權(quán)利要求】
1.一種碳纖維集束體的制造方法，其特征在于，將碳纖維沿軸方向整齊并填充至筒狀部件中，對填充了所述碳纖維的所述筒狀部件進行拉伸從而使其直徑縮小。
2.如權(quán)利要求1所述的碳纖維集束體的制造方法，其特征在于，通過型鍛加工來對所述筒狀部件進行拉伸而使其直徑縮小。
3.如權(quán)利要求1-2任一項所述的碳纖維集束體的制造方法，其特征在于，按照所填充的所述碳纖維的至少一部分的截面形狀發(fā)生變形的方式對所述筒狀部件進行拉伸而使其直徑縮小。
4.如權(quán)利要求1-2任一項所述的碳纖維集束體的制造方法，其特征在于，將直徑縮小后的所述筒狀部件浸潰于含有熱固化性樹脂的溶液中，使熱固化性樹脂沿著纖維長度方向滲入，通過熱處理進行固化。
5.如權(quán)利要求4所述的碳纖維集束體的制造方法，其特征在于，利用熱處理進行固化后，對碳纖維束實施碳化處理。
6.如權(quán)利要求4所述的碳纖維集束體的制造方法，其特征在于，將所述筒狀部件的一個端部浸潰于溶液內(nèi)。
7.如權(quán)利要求1-2任一項所述的碳纖維集束體的制造方法，其特征在于，以75%以上的填充率將所述碳纖維束填充至所述筒狀部件中。
8.如權(quán)利要求4所述的碳纖維集束體的制造方法，其特征在于，按照使所述筒狀部件中所填充的碳纖維束的殘余空隙部分的70%-80%的部分中滲入有熱固化性樹脂的方式來浸潰所述筒狀部件。
9.如權(quán)利要求1-2任一 項所述的碳纖維集束體的制造方法，其特征在于，熱固化處理之后，將碳纖維束從所述筒狀部件中取出。
10.一種放電燈,其特征在于，該放電燈中，由權(quán)利要求1-2任一項所述的碳纖維集束體的制造方法制造得到的碳纖維集束體構(gòu)成為至少一個電極的一部分。
11.一種碳纖維集束體，其特征在于，作為長纖維且具有各向異性的碳纖維以束狀形成為一個整體，在碳纖維束內(nèi)部，碳附著在碳纖維上，碳纖維在所述碳纖維束內(nèi)的填充率為75%以上。
12.如權(quán)利要求11所述的碳纖維集束體，其特征在于，碳纖維束一個端面附近處的碳的含有比例低于另一個端面附近處的碳的含有比例。
13.如權(quán)利要求11-12任一項所述的碳纖維集束體，其特征在于，碳在碳纖維束以外的區(qū)域中的占有率為40%-90%的范圍。
14.如權(quán)利要求11-12任一項所述的碳纖維集束體，其特征在于，碳纖維束長度方向的熱導(dǎo)率為垂直于長度方向的方向的熱導(dǎo)率的5倍以上。
15.如權(quán)利要求11-12任一項所述的碳纖維集束體,其特征在于,碳纖維束內(nèi)所含有的碳不具有各向異性。
16.—種放電燈,其特征在于，該放電燈中，權(quán)利要求11-12任一項所述的碳纖維集束體構(gòu)成為至少一個電極的一部分。
【文檔編號】H01B13/00GK103459314SQ201280015045
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2012年3月29日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月31日
【發(fā)明者】清水保雄, 關(guān)野充, 早川壯則, 芹澤和泉 申請人:株式會社Orc制作所, 國立大學(xué)法人信州大學(xué)