碳纤维集束体的制作方法
【专利摘要】本发明的碳纤维集束体的制造方法中，将碳纤维沿轴方向整齐并填充至筒状部件中，对填充了碳纤维的所述筒状部件进行拉伸从而使其直径缩小。另外，本发明的碳纤维集束体中，作为长纤维且具有各向异性的碳纤维以束状形成为一个整体，在碳纤维束内部，碳附着在碳纤维上，碳纤维在碳纤维束内的填充率为75%以上。
【专利说明】碳纤维集束体
【技术领域】
[0001]本发明涉及将长纤维的碳材料形成为束状的碳纤维集束体(carbon fiberbulk)、碳纤维填充集束体的制造方法。
【背景技术】
[0002]碳纤维轻且强度高，并且在导电性、热传导性、吸附性等方面具有优异的功能性，因此被用在各种各样的【技术领域】中。例如，可以将具有拉伸强度的连续碳纤维设置在导体中心线上，对其进行包覆而构成送电线(参见专利文献I)。
[0003]另外，可以将轻且强度高的碳纤维在长度方向一起拉伸，将这样的薄壁粗径的碳纤维增强树脂(CFRP)插入在中空状金属管中，由此构成传动轴(参见专利文献2)。
[0004]另一方面，着眼于碳纤维的高吸附性，也可以使用碳纤维作为气体分离用吸附槽的吸附材料。例如，将用于氮、氧分离的连续碳纤维填充至吸附槽中，由此能够以高纯度分离氮气(参见专利文献3)。
[0005]其中，作为碳纤维的填充方法，记载有加压压入的方法。首先，将规定长度的碳纤维沿轴线方向排列并将其填充至半切型夹具中，在夹具内形成纤维束。并且，沿着轴线方向将纤维束从夹具向填充槽加压压入，由此使碳纤维填充在吸附槽中。
[0006]作为提高了热传导性的碳纤维复合材料(C/C复合物)，已知有一种碳纤维-碳化硼复合材料，其是将碳纤维形成为束状并使碳填充至其间隙处而成(参见专利文献4)。
`[0007]其中，为了制造高传导性的碳纤维束，将束状的碳纤维浸溃于溶解有酚醛树脂的溶液中，使其干燥后在高温进行烧制。在烧结体中，酚醛树脂发生碳化而附着在碳纤维束上，防止由碳化硼的接触而导致的热导率的降低。
[0008]现有技术文献
[0009]专利文献
[0010]专利文献1:日本专利第3475433号公报
[0011]专利文献2:日本特开2002-235726号公报
[0012]专利文献3:日本特开平6-190272号公报
[0013]专利文献4:日本特开平8-81261号公报
【发明内容】
[0014]发明所要解决的课题
[0015]本发明着眼于提供以一种以往所没有的高密度对碳纤维进行填充的碳纤维集束体。需要说明的是，使碳纤维填充至筒状部件中的碳纤维填充集束体也包括在碳纤维集束体中。
[0016]
【发明内容】
[0017]解决课题的手段
[0018]本发明的碳纤维集束体的制造方法的特征在于，将碳纤维沿轴方向整齐并填充至筒状部件中，对填充了上述碳纤维的上述筒状部件进行拉伸从而使其直径缩小。例如，可以通过型锻(swaging)加工来对上述筒状部件进行拉伸而使其直径缩小。又，能够以75%以上的填充率将上述碳纤维束填充至上述筒状部件中。
[0019]例如，在制造方法中，可以按照所填充的上述碳纤维的至少一部分的截面形状发生变形的方式对上述筒状部件进行拉伸而使其直径缩小。
[0020]另外，在制造方法中，可以将直径缩小后的上述筒状部件的一个端部侧浸溃于含有热固化性树脂的溶液中，使热固化性树脂沿着纤维长度方向渗入，将此渗入了热固化性树脂的碳纤维束通过热处理进行固化。利用热处理进行固化后，可以对碳纤维束实施碳化处理。
[0021]例如，在制造方法中，可以将上述筒状部件的一个端部浸溃于溶液内。又，可以按照使上述筒状部件中所填充的碳纤维束的残余空隙部分的70%-80%的部分中渗入有热固化性树脂的方式来浸溃上述筒状部件。或者，也可以在热固化处理后，将碳纤维束从上述筒状部件中取出。
[0022]也可以提供一种放电灯，其中，由上述碳纤维集束体的制造方法制造得到的碳纤维集束体构成为至少一个电极的一部分。
[0023]另一方面，本发明的其他方式的碳纤维集束体的特征在于，作为长纤维且具有各向异性的碳纤维以束状形成为一个整体，在碳纤维束内部，碳附着在碳纤维上，碳纤维在上述碳纤维束内的填充率为75%以上。例如，碳纤维束内所含有的碳不具有各向异性。
[0024]作为一个示例，碳纤维束一个端面附近处的碳的含有比例低于另一个端面附近处的碳的含有比例。另外,碳在碳纤维束以外的区域中的占有率为40%-90%的范围。进一步，碳纤维束长度方向的热导率为垂直于长度方向的方向的热导率的5倍以上。
[0025]可以提供一种放 电灯，其中，上述碳纤维集束体构成为至少一个电极的一部分。
[0026]发明效果
[0027]根据本发明，可以提供一种成型体，该成型体以在热方面具有优异功能性的碳纤维作为原材料。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1是示出作为第I实施方式的碳纤维填充集束体的制造方法的流程图。
[0029]图2是组装了碳纤维填充集束体的放电灯用电极的示意性截面图。
[0030]图3A是示出作为第2实施方式的碳纤维集束体的制造方法的前半部分的流程图。
[0031]图3B是示出作为第2实施方式的碳纤维集束体的制造方法的后半部分的流程图。
[0032]图4是组装了碳纤维集束体的放电灯用电极的示意性截面图。
[0033]图5是示出从倾斜方向对填充了碳纤维的金属管进行拍摄而得到的照片的图。
[0034]图6是示出使用光学显微镜对金属管被切断时的碳纤维的压密填充状态进行拍摄而得到的照片的图。
[0035]图7是示出将样品I的碳纤维填充集束体切断、并利用SEM观察对截面处的碳纤维的高密度填充状态进行拍摄而得到的照片的图。
[0036]图8是示出将样品2的碳纤维填充集束体切断、并利用SEM观察对截面处的碳纤维的高密度填充状态进行拍摄而得到的照片的图。[0037]图9是示出对渗入酚醛树脂的碳纤维束和未渗入酚醛树脂的碳纤维束的截面进行拍摄而得到的照片的图。
[0038]图10是示出碳化处理后的碳纤维束内部的显微镜照片的图。
[0039]图1lA是示出热导率的各向异性的曲线图。
[0040]图1lB是示出热膨胀率的各向异性的曲线图。
[0041]图12是示出碳纤维填充集束体中热导率与温度的关系的曲线图。
【具体实施方式】
[0042]以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
[0043]图1是示出作为第I实施方式的碳纤维填充集束体的制造方法的流程图。
[0044]如图1所示，作为集束体用原材料，准备统一为规定长度的碳纤维100、和中空的筒状部件200。碳纤维100是以由几百根~几千根碳纤维长丝构成的碳纤维线作为单质的纤维结构，由2根以上碳纤维线构成。
[0045]筒状部件200是由钽或钥等的金属管构成，此处，规定其轴方向长度短于碳纤维束100。筒状部件200是由板状金属部件通过焊接而成型得到的。此处，焊接的接合处210沿轴方向形成，也可以以螺旋状形成。
[0046]最先进行的填充工序中，将碳纤维100插入在筒状部件200中而进行填充。碳纤维100仅准备可最大限度填满筒状部件200的内部空间的量，碳纤维100以束的形式被收纳在筒状部件200内。作为填充方法，可以适用通过手工作业将碳纤维100塞入筒状部件200中的方法等，或者也可以使用压力机等进行压入。
[0047]在填充工序中，按照筒状部件200不会发生塑性变形等的方式将碳纤维束100插入筒状部件200中。此时，按照碳纤维束100的端面从筒状部件200突出的方式来进行填充。通过填充工序，筒状部件200的规定截面处的填充率在此达到约60%~70%。其中，填充率表示碳纤维100的截面积相对筒状部件200的内部空间截面积的比例。另外，使碳纤维100的填充率沿轴方向大致均匀。
[0048]将填充了碳纤维束100的筒状部件200安装在型锻加工机械上。然后，通过型锻加工机械的模具(>，dies) 50来实施型锻加工。通过型锻加工，筒状部件200发生塑性变形，沿轴方向伸长，同时边缘部收窄而使直径缩小。此时，按照碳纤维100的填充率为90%以上的方式，并且按照填充率沿轴方向均匀的方式进行细径化。此处，按照筒状部件200的直径大致为加工前的2/3的方式进行细径化。通过型锻加工，在碳纤维束100的至少一部分或者整体中，截面为圆形状的碳纤维因压接而发生弹性变形。之后，为了形成规定的长度，对碳纤维束100的端部进行切断。此处，使用精铣刀等切断工具来进行切断。
[0049]制造利用型锻加工而在轴方向延伸的筒状部件200，并进行了切断处理之后，在规定温度(例如1500°C~2000°C )的温度气氛下，对筒状部件200进行数小时的热处理。经过该热处理，制造了碳纤维填充集束体400。碳纤维填充集束体400是极度提高了碳纤维的填充密度(堆积密度)的成型体，截面圆状的碳纤维通过直至弹性变形的相互压接而被压密填充。另外，内部的碳纤维束具有高集束性。通过这样的高密度填充，碳纤维填充集束体400为热传导性、热扩散性优异的成型体，可以用作例如放电灯用电极的传热体、或者加热泵等的热传导部件。[0050]图2是组装了碳纤维填充集束体的放电灯用电极的示意性截面图。
[0051]阳极30是用于短弧型放电灯10的放电用电极，通过电极支撑棒40而保持于垂直方向。阳极30在电极本体32中心部具有筒状空间33，在筒状空间33中收纳有碳纤维填充集束体36。
[0052]与筒状空间33的尺寸对应的柱状电极盖39与电极本体32结合从而将筒状空间33密封。电极支撑棒40连结固定在电极盖39上，隔着电极盖39来支撑阳极30。
[0053]电极本体32、电极盖39、电极支撑棒40由钨(W)构成。另一方面，在阳极30内部沿着电极轴延长存在的碳纤维填充集束体36是以将碳纤维38高密度填充在由钽金属构成的中空管37内的传热体的方式而构成的，其是根据上述制造方法而成型得到的。
[0054]具有高集束性的碳纤维38的端面从中空管37两端突出，且两端面均为平滑。SP，将碳纤维长丝各个端部沿着轴方向规整齐，由此碳纤维端面整体无歪曲且规定为平面，因此是平滑的，实质上不会产生一部分碳纤维长丝突出或者长度不足的状态。另外，碳纤维38的一个端面与电极盖39和筒状空间33的底面密合，与电极前端部32S连接。因此，放电中电极前端部32S受到来自阴极(未图示)的电子的碰撞，由此而产生的热通过热传导性、热响应性优异且高密度填充的碳纤维38而向电极支撑棒侧传输。
[0055]由此，电极前端部32S不会发生局部过热，使得阳极30的温度整体均匀化。其结果是能够防止电极前端部32S的熔融、蒸发而导致的失透、发光效率降低，并可以抑制电极消耗。另外，由于具有适度的导电性，即使输入电力增大而电流量增大，也不会影响放电。
[0056]如此，根据本实施方式，准备由2根以上的线构成的碳纤维100、和由金属构成的中空筒状部件200，将碳纤维100沿轴方向整齐并填充至中空筒状部件200。填充后，利用了模具50对中空筒状部件200实施型锻加工。型锻加工之后，进行切断然后实施热处理，从而成型得到碳纤维填充集束体400。
`[0057]在拉伸之前的阶段中较多的碳纤维间存在有间隙，但在填充碳纤维之后进行拉伸、即进行缩小直径，由此碳纤维发生弹性变形从而能够实质上无间隙且以压密状态进行碳纤维的填充。其结果是，对碳纤维本身的热传导性、热扩散性没有损害，并且使得沿集束体内部的轴方向长度整体具有优异的热传导性、热扩散性。另外，在集束体截面的任意部分中，其热传导性、扩散性相等，保持了热传输能力的均匀性。特别是，使填充率为90%以上，由此碳纤维彼此间发生弹性变形、同时相互密接从而使间隙消失，能够具有更优异的热传导性。
[0058]需要说明的是，对于填充方法、型锻加工来说，并不限于上述碳纤维的填充方法、型锻加工。为了进行拉伸而使其直径缩小，也可以为能够沿着轴方向大致均匀地缩小直径的其他塑性加工。另外，在填充工序中，在不施加使筒状部件发生塑性变形这样的力的程度下，尽可能使碳纤维压密填充在筒内部空间中即可。进一步，碳纤维并不限于线单元的长丝状碳纤维，可以为任意的截面形状且使2个以上的碳纤维以束状填充的结构。对于碳纤维端面的平滑化，可以是按照至少在一个端面进行的方式来实施。另外，也可以不使碳纤维端面平滑化。
[0059]接着，使用图3、4对作为第2实施方式的碳纤维填充集束体的制造方法进行说明。第2实施方式中，制造热传导性优异的碳纤维填充集束体。
[0060]图3A、图3B是示出作为第2实施方式的碳纤维填充集束体的制造方法的流程图。[0061]如图3A所示，在制造前准备统一为规定长度的长纤维即碳纤维(CF) 100、和中空的筒状部件200作为集束体用原材料。碳纤维100是以由几百根-几千根碳纤维长丝构成的碳纤维线作为单质的纤维结构，其是由2根以上碳纤维线构成的。
[0062]碳纤维100在热传导性方面具备非常高的各向异性，纤维长度方向的热导率相比于其垂直方向非常大。例如，可以适用作为实现了高热导率的高性能碳纤维的中间相浙青(mesophase pitch)CF。
[0063]筒状部件200是由钽、钥或者不锈钢(SUS)等的金属管构成的，此处，规定其轴方向长度短于碳纤维100。筒状部件200是由板状金属部件通过焊接而成型得到的。此处，焊接的接合处210沿轴方向形成，也可以以螺旋状形成。
[0064]最先进行的填充工序中，将碳纤维100以束状插入筒状部件200中从而进行填充。此时，将碳纤维100沿着筒状部件200的轴方向整齐，并按照纤维不交叉的方式进行填充(下文中也将束状的碳纤维100表述为碳纤维束100)。
[0065]碳纤维100仅准备可最大限度填满筒状部件200的内部空间的量。作为填充方法，可以适用通过手工作业将碳纤维100塞入筒状部件200中的方法等，或者也可以使用压力机等进行压入。
[0066]在填充工序中，按照筒状部件200不发生塑性变形的方式将碳纤维束100插入在筒状部件200中。另外，按照碳纤维束100的端面从筒状部件200突出的方式来进行填充。
[0067]通过填充工序，筒状部件200的规定截面处的填充率在此达到约60%-70%。其中，填充率表示碳纤维束100所占的截面积相对筒状部件200的任意的内部空间截面积的比例。另外，使碳纤维束100沿轴方向的填充率大致均匀。
[0068]将填充了碳纤维束100的筒状部件200安装在包括模具150的型锻加工机械上。安装后，通过模具150来实施型锻加工。通过型锻加工，筒状部件200发生塑性变形，沿轴方向伸长，同时边缘部收 窄而使直径缩小。
[0069]此时，按照碳纤维100的填充率为75%以上(优选为80%以上)的方式进行细径化。另外，按照填充率沿轴方向大致均匀的方式进行细径化。
[0070]其中，关于细径化，达到最高密度的理想填充率理论上最大约为91%，优选控制为碳纤维不会因纤维间的接触而发生弹性变形的上述最大填充率。细径化后，为了形成规定的长度，对碳纤维束100的一个端部进行切断。此处，使用精铣刀等切断工具来进行切断。
[0071]接着，将利用型锻加工而在轴方向进行了拉伸的筒状部件300从其端部侧浸溃于容器M中的溶液400’中(参见图3B)。溶液400’是含有热固化树脂F的溶液，例如，作为溶液，可以使用溶解有甲阶酚醛树脂的溶液。也可以适用酚醛清漆型的酚醛树脂，这种情况下，可以添加热固化用添加物。
[0072]在碳纤维束100的浸溃工序中，并非使筒状部件300整体浸溃于溶液400’中，而是按照将碳纤维束100的端部100T浸溃于溶液400’内、而未图不的另一个端部并未浸溃的方式来进行。若按照上述方式预先浸溃碳纤维束100的一部分，则因毛细现象，溶液400’的热固化树脂F向碳纤维束100被吸上，液态的热固化树脂F渗入碳纤维束100的内部。
[0073]使热固化树脂F相对碳纤维束100沿着一个方向渗入，由此随着热固化树脂F的渗透，碳纤维束100内部的空气从碳纤维束100的未浸溃的另一端排出。其结果为，在碳纤维束100内部的空隙部分中渗入有大量热固化树脂F。[0074]对于毛细现象而言，吸入高度由液体的表面张力、材料的润湿性和液体的密度来决定，因此期望热固化树脂为粘性低且密度低。另外，期望热固化树脂使用残碳率高的热固化树脂。
[0075]若使热固化树脂F渗入碳纤维束100中，则接着通过规定的温度(此处为140°C以上)使用加热装置600来实施热固化处理。进一步，在真空气氛下，在规定的温度(例如700°C以上)实施除去杂质的处理。其结果是，碳纤维束100中所含有的液态热固化树脂F固化。
[0076]反复进行2次以上上述的溶液400’中的浸溃处理、热固化处理、以及杂质除去处理。具体而言，反复进行直至热固化树脂F占碳纤维束100的空隙部分的70%-80%。
[0077]然后，将碳纤维集束体100’从筒状部件500中取出。由于筒状部件500与碳纤维材料的热膨胀率的差异等，可以通过对碳纤维束100’进行挤出等将其从筒状部件500抽出。
[0078]所取出的碳纤维集束体100’形成为具有光泽的一整块成型体，热固化树脂F露出至集束体表面。对于这样的碳纤维集束体100’，最后使用真空炉700 (或者是添加有惰性气体的加热装置)进行基于规定温度(例如1000°C-2300°C )的碳化处理。
[0079]其结果是,在碳纤维集束体100’内部,在热传导性方面无各向异性的碳附着在碳纤维间、并将空隙部分部分填埋。碳纤维束以外的空间区域中的碳占有率达到40%-90%。
[0080]碳占有率在沿着碳纤维束100的纤维长度方向大致落入40%-90%范围内，但由于使酚醛树脂从一个方向渗入碳纤维束内，因此未浸溃于溶液中的另一个碳纤维束端部的碳的占有比例小于浸溃于溶液中的端部侧的碳占有比例。为了尽可能使另一端部的碳占有比例接近于渗入侧端部的碳占有比例，在这里`进行2次以上的浸溃。
[0081]碳纤维集束体100’是碳纤维的填充密度(堆积密度)非常高的成型体，内部的碳纤维束具有高集束性。由于这样的高密度填充，碳纤维集束体100’形成为热传导性、热扩散性优异的成型体。
[0082]特别是，碳纤维集束体100’沿着纤维排列方向具备优异的热传导性，另外，在热传导性方面也具有较大的各向异性。具体而言，纤维长度方向的热导率为其垂直方向的5倍以上，例如为20倍以上。因此，可以用作放电灯用电极的传热体、或者加热泵和热电转换元件等的热传导部件。
[0083]图4是组装了碳纤维集束体的放电灯用电极的示意性截面图。
[0084]阳极30是用于短弧型放电灯10的放电用电极，其通过电极支撑棒40而保持于垂直方向。对于阳极30来说，在电极本体32中心部具有筒状空间37，在筒状空间37中收纳有碳纤维集束体50。需要说明的是，阴极也可以采用同样的构成。
[0085]与筒状空间37的尺寸对应的柱状电极盖39与电极本体32结合而将内部空间37密封。电极支撑棒40连结固定于电极盖39，隔着电极盖39来保持阳极30。
[0086]电极本体32、电极盖39、电极支撑棒40由钨(W)构成。另一方面，如上所述，在阳极30内部沿着电极轴延长存在的碳纤维集束体50是碳纤维38以高密度形成为束状的块的传热体，其是按照上述制造方法而成型得到的。
[0087]碳纤维集束体50的两端面平滑，均与电极盖39和筒状空间37的底面这两者密合，且与电极前端部32S相连。因此，在放电中电极前端部32S受到来自阴极(未图示)的电子的碰撞，由此而产生的热通过碳纤维集束体50向电极支撑棒侧传输。
[0088]由此，电极前端部32S不会局部过热，并且使阳极30的温度整体均匀化。其结果是，可以防止因电极前端部32S的熔融、蒸发而导致失透、发光效率降低，并可以抑制电极消耗。另外，由于具有适当的导电性，因此即使输入电力增大而电流量增大，也不影响放电。进一步，在碳纤维集束体50与电极内空间之间存在有间隙，因此形成为在径向、倾斜方向放热性也优异的结构。
[0089]如此，根据第2实施方式，将为长纤维的碳纤维形成为束状并沿管状部件内的轴方向整齐并填充至管状部件内，之后使管状部件直径缩小。然后，将碳纤维束的一个端部100T浸溃于含有热固化树脂F的溶液400’内，使热固化树脂F渗入碳纤维束100内。之后，在热固化处理后实施碳化处理，生成碳纤维集束体100’。
[0090]使填充有碳纤维束的筒状部件的直径缩小从而提高其填充率，使热固化性树脂从碳纤维束的一个端部侧向整体渗入，由此碳纤维间的仅小间隙处将附着有碳，进一步以露出束表面的程度附着有大量碳。其结果是，高密度的碳纤维束成型为牢固的块。并且，在纤维长度方向可以具有非常优异的热传导性。
[0091]特别是，将碳纤维束填充在筒状部件内时，其填充率为75%以上，因此进行热固化处理时能够容易确保热导 率的各向异性，除此以外，基于毛细现象的热固化树脂的渗透变
得容易。
[0092]进一步，在筒状部件内，对于碳纤维间的空隙部分，在70%-80%的区域渗入有热固化树脂，由此碳化处理后的碳在空隙部分所占的比例为40%-90%，碳纤维集束体形成为更加牢固的一体化结构。碳为90%以上的情况下，在碳化处理时碳纤维集束体发生收缩，但此时容易发生变形，并且有可能产生裂纹。通过调整热固化性树脂的渗入程度，可以防止上述情况。
[0093]另外，在拉伸之前的阶段中在较多的碳纤维间存在有间隙，但在填充碳纤维后进行拉伸、即进行直径缩小，由此使得碳纤维以密接状态被填充。其结果是，对碳纤维本身的热传导性、热扩散性不会有损害，并且使得沿着集束体内部的轴方向长度整体具有优异的热传导性、热扩散性。
[0094]需要说明的是，关于上述碳纤维集束体的制造方法，可以在不进行型锻加工的条件下使热固化性树脂渗入筒状部件内的碳纤维束中。进一步，可以不将碳纤维束填充至筒状部件中，以其它的构成将碳纤维束保持为一个整体，使热固化性树脂从一个端部渗透。另外，也可以通过使筒状部件的一个端部浸溃于溶液中以外的方法进行渗入。
[0095]以上对第I实施方式、第2实施方式进行了说明，但本发明并不限于这样的实施方式。由第I实施方式、第2实施方式所说明的本发明着眼于如下课题，通过以往所没有的制造方法来实现优异的碳纤维填充集束体。
[0096]首先，针对涉及第I实施方式的本发明进行说明。
[0097]以往，使碳纤维填充在筒状部件中的成型体是以考虑了机械强度、吸附性等的成型体的方式而构成的。但是，这些碳纤维填充集束体是以直接有外力作用的电线、传动轴、或者吸入外气的吸附装置这样的制品为前提的结构，对于这些制品来说，良好的柔软性、或者外气流入是必然的。因此，在填充碳纤维的方面，也是形成为在纤维间设有一定程度的间隙、空隙这样的构成。[0098]另一方面，碳纤维是在高温(约3000°C )实施石墨化处理的，因此考虑将碳纤维填充集束体用于热传导性、热扩散(温度扩散)性优异、且处于高温状态的制品。例如，对于短弧型放电灯来说，为了确保良好的灯启动性需要在早期将电极加热至稳定点灯状态，另一方面，在灯点灯中变为高温的电极(特别是电极前端部)需要放出热，要求基于热传导性等优异的原材料形成的电极。
[0099]但是，即使想要将碳纤维填充集束体适用于上述制品中，以往并未确立可充分发挥碳纤维的热传导性、热扩散性这样的集束体制造方法，因此无法成型得到在热方面具有优异功能性的碳纤维填充集束体。
[0100]本发明是一种碳纤维填充集束体的制造方法，其是提供以往所没有的高密度填充了碳纤维的集束体的制造方法，其包括填充工序、和进一步使填充后的碳纤维高密度化的(提高填充率)工序。在填充工序中，将碳纤维沿轴方向整齐并填充至筒状部件中。另外，在高密度化(高填充率化)工序中，对填充了碳纤维的筒状部件进行拉伸从而使其直径缩小。
[0101 ] 本发明中，对于通过填充工序已经使内部埋满碳纤维的筒状部件,实施拉伸这样的在现有的集束体成型中从功能性损失的方面出发而无法采用的加工，由此使管状部件在轴方向延伸从而进行细径化，在筒状部件内部制作出更高密度的填充状态。由此，集束体的内部密度极限接近于碳纤维本身的密度，碳纤维间的间隙基本消失。
[0102]通常情况下，热导率是通过热扩散率、比热容和相对密度进行相乘而确定的。根据如本申请发明这样的以高密度压接状态(压密状态)的碳纤维填充结构，即使碳纤维以束状填充，对碳纤维本来的热传导性也没有损害而可直接在集束体中发挥良好的热传输能力。不仅如此，如本申请发明那样通过筒状部件的拉伸-直径缩小来实现高密度化，由此可以进一步提高作为集束体单质的沿轴方向的热导率，可以有效活用集束体沿轴方向的热传输能力，可以成型出热传导性优异的集束体。
[0103]另外，通过拉伸使筒状部件直径缩小，因此与现有的碳纤维填充集束体相比，筒状部件内部的碳纤维以更加一 体化且密接的状态被收纳，同时压密填充程度在轴方向均匀化、在任意截面处填充率几乎相等。
[0104]如此，通过对碳纤维以从前所没有的高密度、高填充率进行填充化，由此可以成型出在热传导性、热容量、热扩散等热方面的功能性优异的集束体。另一方面，充分具备作为碳纤维的高强度、电传导性这样的现有功能，因此也可以将其安装在复杂的结构体、组合有金属材料的装配件(assembly)等。特别是，与钨等金属相比，碳纤维的相对密度较小，因此能够成型出体积效率优异(直径更细)且具有热传输能力的集束体。
[0105]实现了这样的高密度填充的碳纤维填充集束体可以适用于各种制品中，可以用于电传导性和耐热性、热传导性这样的热方面的功能性视为重要的制品中。例如，碳纤维填充集束体可以构成为短弧型放电灯等放电灯的电极本体或其一部分。另外，碳纤维填充集束体也可以用于供给大电流的电线，可以抑制电力的发热损耗的影响。或者，也可以用作热导管(heat pipe)等热传导部件。
[0106]在碳纤维填充工序中，可以适用各种填充方法，在尽可能不施加使筒状部件在填充工序中发生塑性变形的力的程度下，按照尽可能无间隙地将碳纤维填满筒状部件内部空间中的方式进行插入即可。可以通过手工作业来填充碳纤维，或者也可以使用压力机等机械来填充碳纤维。另外，考虑到提高热导率、或者与其他部件的结合等，可以按照碳纤维的至少一个端面从筒状部件突出的方式来进行填充处理。
[0107]在对筒状部件进行拉伸而进行直径缩小的工序中，考虑到使由金属等构成的塑性筒状部件的直径稳定地缩小，期望实施型锻加工(洲aging)。利用型锻加工，筒状部件以均匀的壁厚进行直径缩小，能够成型出碳填充率沿着轴方向均匀的集束体。另外，在型锻加工后进行热处理，由此可以提高碳纤维的功能性。
[0108]对于筒状部件而言，可以适用例如管等中空状、管状部件，特别是可以适用进行型锻工序时可稳定地进行塑性变形的金属管等。对于碳纤维的构成而言，也可以填充各种样式的碳纤维，利用手工作业进行填充的情况下，可以填充由一定程度的根数(几千根-几万根)的长碳纤维长丝构成的线。
[0109]利用手工作业、或者压入加压等机械加工来进行填充时，对于此时的填充率(体积率)而言是有限度的，型锻工序前的填充率例如约为75%以下。为了实现高密度填充，按照碳纤维的填充率至少达到85%以上的方式进行拉伸即可。或者，按照在所填充的2个以上的碳纤维的至少一部分中截面形状发生弹性变形、或塑性变形的方式来对筒状部件进行拉伸而使其直径缩小，由此也可以成型出同样的热传输能力高的集束体。特别是利用90%以上的填充率实现了极尽消除了碳纤维间的间隙的高密度碳纤维填充结构。
[0110]为了实现高密度填充，在型锻工序中进行适当的直径缩小即可。对于直径缩小的程度，根据筒状部件的材料特性、碳纤维的强度、尺寸等来确定。例如，以1/4-3/4的范围使筒状部件直径缩小，由此可以进行高密度填充。特别是将筒状部件直径缩小3/4左右，由此可以成型出接近95%填充率的集束体。这是比使截面为圆状的碳纤维以正方格排列时的理论密度78.6%还要大的密度。
[0111]使集束体连接在某个部件间，使其发挥热传导功能的情况下，期望碳纤维端面整体与其接触。因此，优选按照压密填充后的碳纤维的至少一个端面为平滑的方式来填充碳纤维。其中，此处的平滑意味着通常的纤维端面所需要的平滑性；例如，通过SEM观察等，碳纤维各自的端部在其轴方向整齐，碳纤维端面具有整体规定为平面这样程度的平滑性。切断处理可以在拉伸处理后且热处理前、或者在热处理后进行。
[0112]本发明的碳纤维填充集束体具备被拉伸而发生直径缩小的筒状部件、和以高密度填充在筒状部件内部的碳纤维，碳纤维是沿轴方向整齐并填充于筒状部件的。并且，其特征在于，按照碳纤维的至少一部分中的截面形状发生变形的方式将碳纤维填充在筒状部件内。由此，可以使其在热方面具有优异的功能性。另一方面，具有同等的热方面的功能性的本发明的碳纤维填充集束体的特征在于，按照碳纤维的至少一部分的截面形状发生变形的方式将碳纤维填充在筒状部件内。该填充率是能够利用筒状部件而实现的填充率，所述筒状部件可在填充碳纤维后进行拉伸而发生直径缩小。
[0113]接着对涉及第2实施方式的本发明进行说明。
[0114]在现有的碳纤维束的制造方法中，无法制造高密度的碳纤维束,无法形成具有充分的热传导性的碳纤维束。特别是，寻求得到不依存于C/C复合物的碳纤维材料的高密度碳纤维束。
[0115]本发明是一种提供高密度且沿着纤维排列方向的热传导性非常优异的一体化/一整块碳纤维集束体的制造方法，该方法中，将长纤维的碳纤维形成为束状，将碳纤维束的一个端部侧浸溃于含有热固化性树脂的溶液中，使热固化性树脂沿着纤维长度方向渗入，通过热处理使这样的碳纤维束固化。在热固化处理之后，还可以进行杂质除去处理。也可以反复多次进行渗入、热固化处理(或者也包括杂质除去处理)。
[0116]若考虑到提高碳纤维束的集束性、高密度，则可以在基于热处理的固化之后对碳纤维束实施碳化处理。这种情况下，可以在热固化处理之后将碳纤维束从筒状部件中取出，进行碳化处理。另外，在浸溃工序中，可以将碳纤维束沿轴方向整齐并将其填充至筒状部件中，在填充后将碳纤维集束体的端部浸溃于溶液内。
[0117]若考虑到确保热导率沿着纤维长度方向的各向异性，则期望以75%以上的填充率将碳纤维束填充在筒状部件中。另外，期望使利用碳化处理生成的无各向异性的碳的残余空隙部分的含有率为40%-90%，为此，可以按照在填充后的碳纤维束的残余空隙部分的70%-80%的部分中渗入有热固化性树脂的方式来浸溃碳纤维束。
[0118]为了使热固化树脂渗入而使树脂尽可能渗入碳纤维间，可以对填充了碳纤维束的筒状部件进行拉伸而使其直径缩小。
[0119]本发明的其他方式的碳纤维集束体中，作为长纤维且具有各向异性的碳纤维以束状形成为一个整体，通过使含有碳的热固化性树脂渗入等，由此在碳纤维束内部，碳附着在碳纤维上，碳纤维在碳纤维束内的填充率为75%以上。
[0120]由此，生成了高密度且集束性强、在纤维方向热传导性具有非常大的各向异性的碳纤维集束体。其中，此处的填充率表示碳纤维所占的截面积与规定的截面中以碳纤维边缘规定的截面积之比。
[0121]特别是，使热固化性树脂从碳纤维束的一个端部渗入，由此维持高密度的状态的情况下大量碳附着在碳纤维间。这种情况下，碳纤维束的一个端面附近处的碳的含有比例低于另一个端面附近处的碳的含有比例。作为提高碳纤维集束体的集束性的构成，例如碳纤维束以外的区域中的碳的占有率为40%-9`0%的范围即可。
[0122]另外，碳纤维束长度方向的热导率为垂直于长度方向的方向的热导率的5倍以上。通过该各向异性的特性，实现了优异的热传导。
[0123]实施例
[0124]以下，使用图5-图12对本发明的实施例进行说明。第I实施例是对应于第I实施方式的实施例；第2实施例对应于第2实施方式。
[0125]首先，使用图5-图8对第I实施例进行说明。
[0126]在第I实施例中，按照与第I实施方式相同的制造方法制造高密度填充碳纤维填充集束体，测定其填充率、热导率、相对密度，与作为参考的金属比较。另外，在热处理前和热处理后，分别测定了上述物理量。此处，根据碳纤维的种类制造了 2个高密度碳纤维填充集束体(以下，称为样品1、样品2)。
[0127]对于筒状部件，准备了钽(Ta)板材作为金属材料用于样品1、2，将钽板材卷曲并进行焊接由此成型得到金属管。此时，按照接合处沿着轴方向的方式进行焊接。为样品1、2而准备的金属管成型为直径30mm、长度200mm、壁厚1.0mm。
[0128]对于碳纤维(CF)来说，样品I用的碳纤维使用GRAN0C(注册商标)XN-90-60S (Nippon Graphite Fiber株式会社制造)，准备大量的由6000根碳纤维长丝构成的线状纤维。该线状碳纤维的热导率为500W/m*K、碳纤维密度为2.19g/cm3。对于样品2使用DIALEAD (注册商标)K13D2U (三菱树脂株式会社制造)，准备大量的由2000根碳纤维长丝构成的线状纤维。热导率为800W/m.K、碳纤维密度为2.21g/cm3。
[0129]首先，在填充工序中，通过手工作业使碳纤维线在轴方向整齐并插入于金属管中。样品I的情况下，以约530根碳纤维线填满管内部；样品2的情况下，以约1320根碳纤维线埋满管内部。对于任一样品，均按照碳纤维线的端面从管突出的方式进行填充处理。
[0130]图5是示出从倾斜方向对填充了样品I的碳纤维线的金属管进行拍摄而得到的照片的图。图6是示出使用光学显微镜对将金属管沿碳纤维轴方向切断时的样品I的碳纤维沿着轴方向整齐的状态进行拍摄而得到的照片的图。根据图5、6可知:碳纤维填充在金属管内部，并沿着轴方向整齐排列的。对于样品2也是同样地填充有碳纤维。
[0131]接着，对于填充了碳纤维的样品1、2用的金属管实施了型锻加工。此处，使用以圆周状配置的2个以上的锤型模具对(m — λ 7对)来拉拽金属管，使其直径缩小至外径为20mm。另外，型锻加工处理后，将碳纤维线的两端面切断。对于样品1，使用旋床来切断碳纤维；对于样品2，为了碳纤维端面平滑化，使用精铣刀来切断碳纤维。
[0132]所成型的样品I的碳纤维填充集束体中的碳纤维的体积为35.354cm3、碳纤维密度为2.001g/cm3、填充率为91.8%。另一方面，所成型的样品2的碳纤维填充集束体中的碳纤维的体积为35.354cm3、碳纤维密度为2.064g/cm3、填充率为93.4%。示于以下的表I中。需要说明的是，此处对碳纤维切断面处的碳纤维密度和填充率进行了测定，但由于管内部的碳纤维的高集束性，由此任意的碳纤维截面处的填充状态也可以视为与碳纤维切断面实质相同。
[0133][表I]
[0134]
【权利要求】
1.一种碳纤维集束体的制造方法，其特征在于，将碳纤维沿轴方向整齐并填充至筒状部件中，对填充了所述碳纤维的所述筒状部件进行拉伸从而使其直径缩小。
2.如权利要求1所述的碳纤维集束体的制造方法，其特征在于，通过型锻加工来对所述筒状部件进行拉伸而使其直径缩小。
3.如权利要求1-2任一项所述的碳纤维集束体的制造方法，其特征在于，按照所填充的所述碳纤维的至少一部分的截面形状发生变形的方式对所述筒状部件进行拉伸而使其直径缩小。
4.如权利要求1-2任一项所述的碳纤维集束体的制造方法，其特征在于，将直径缩小后的所述筒状部件浸溃于含有热固化性树脂的溶液中，使热固化性树脂沿着纤维长度方向渗入，通过热处理进行固化。
5.如权利要求4所述的碳纤维集束体的制造方法，其特征在于，利用热处理进行固化后，对碳纤维束实施碳化处理。
6.如权利要求4所述的碳纤维集束体的制造方法，其特征在于，将所述筒状部件的一个端部浸溃于溶液内。
7.如权利要求1-2任一项所述的碳纤维集束体的制造方法，其特征在于，以75%以上的填充率将所述碳纤维束填充至所述筒状部件中。
8.如权利要求4所述的碳纤维集束体的制造方法，其特征在于，按照使所述筒状部件中所填充的碳纤维束的残余空隙部分的70%-80%的部分中渗入有热固化性树脂的方式来浸溃所述筒状部件。
9.如权利要求1-2任一 项所述的碳纤维集束体的制造方法，其特征在于，热固化处理之后，将碳纤维束从所述筒状部件中取出。
10.一种放电灯,其特征在于，该放电灯中，由权利要求1-2任一项所述的碳纤维集束体的制造方法制造得到的碳纤维集束体构成为至少一个电极的一部分。
11.一种碳纤维集束体，其特征在于，作为长纤维且具有各向异性的碳纤维以束状形成为一个整体，在碳纤维束内部，碳附着在碳纤维上，碳纤维在所述碳纤维束内的填充率为75%以上。
12.如权利要求11所述的碳纤维集束体，其特征在于，碳纤维束一个端面附近处的碳的含有比例低于另一个端面附近处的碳的含有比例。
13.如权利要求11-12任一项所述的碳纤维集束体，其特征在于，碳在碳纤维束以外的区域中的占有率为40%-90%的范围。
14.如权利要求11-12任一项所述的碳纤维集束体，其特征在于，碳纤维束长度方向的热导率为垂直于长度方向的方向的热导率的5倍以上。
15.如权利要求11-12任一项所述的碳纤维集束体,其特征在于,碳纤维束内所含有的碳不具有各向异性。
16.—种放电灯,其特征在于，该放电灯中，权利要求11-12任一项所述的碳纤维集束体构成为至少一个电极的一部分。
【文档编号】H01B13/00GK103459314SQ201280015045
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2012年3月29日 优先权日:2011年3月31日
【发明者】清水保雄, 关野充, 早川壮则, 芹泽和泉 申请人:株式会社Orc制作所, 国立大学法人信州大学