(57)【要約】【課題】  高温環境下においても高い機械的強度、耐磨耗性を発揮する安価なカーボン・金属複合材の提供。【解決手段】  このカーボン・金属複合材は、基材と充填材とを有する。充填材は、樹脂と、SiO2、CaO、Al2O3及びMgOのうちの少なくともいずれか１つとを含む。充填材は、樹脂に鉱さいが混合されることにより構成される。樹脂３と鉱さい２とが混合されたものが、カーボンシート体１Ａ（１０Ａ）に含浸される。このカーボンシート体１Ａ（１０Ａが加圧された後、２００°Ｃで焼成される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉱さいが混合された樹脂をカーボンシートに含浸させ、これを焼成するカーボン・金属複合材製造方法。
【請求項２】
上記鉱さいは、高炉スラグである請求項１に記載の複合材製造方法。
【請求項３】
上記鉱さいを混合した樹脂を含浸させる前に、複数のカーボンシートが積層され、ニードルパンチにより又はカーボン糸で縫合されることによりカーボンシート体が形成される請求項１又は２に記載のカーボン・金属複合材の製造方法。
【請求項４】
上記カーボンシートは、フェルト状カーボンからなる請求項１から３のいずれかに記載のカーボン・金属複合材の製造方法。
【請求項５】
上記鉱さいを混合した樹脂を含浸させた後に、複数のカーボンシートが積層され加圧されることによりカーボンシート体が形成される請求項１又は２に記載のカーボン・金属複合材の製造方法。
【請求項６】
上記カーボンシートは、布状カーボンからなる請求項１、２又は５に記載のカーボン・金属複合材の製造方法。
【請求項７】
上記カーボンシートは、カーボン／カーボン複合材からなる請求項１又は２に記載のカーボン・金属複合材の製造方法。
【請求項８】
鉱さいが混合された樹脂とカーボン小片とを混合し加圧することによってカーボンシートを形成し、これを焼成するカーボン・金属複合材の製造方法。
【請求項９】
上記カーボン小片は、カーボン短繊維、小木片及び小紙片のうちの少なくとも１つからなる請求項８に記載のカーボン・金属複合材の製造方法。
【請求項１０】
上記鉱さいの量は、焼成前のカーボン・金属複合材に対して５以上４５以下質量％である請求項１から９のいずれかに記載のカーボン・金属複合材の製造方法。
【請求項１１】
上記鉱さいの量は、焼成前のカーボン・金属複合材に対して５以上１０以下質量％である請求項１０に記載のカーボン・金属複合材の製造方法。
【請求項１２】
上記鉱さいの量は、焼成前のカーボン・金属複合材に対して１０以上４５以下質量％である請求項１０に記載のカーボン・金属複合材の製造方法。
【請求項１３】
１００°Ｃ以上３００°Ｃ以下の大気圧環境下で上記焼成が行われる請求項１から１２のいずれかに記載のカーボン・金属複合材の製造方法。
【請求項１４】
８００°Ｃ以上３０００°Ｃ以下の真空環境下で上記焼成が行われる請求項１から１２のいずれかに記載のカーボン・金属複合材の製造方法。
【請求項１５】
カーボン／カーボン複合材と、
これに含浸された鉱さいとを含むカーボン・金属複合材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、摩擦材として使用され得る複合材、特にカーボン・金属複合材及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
たとえば電車のパンタグラフに採用される摺り板は、トロリ線と摺接して電力を得る部品である。この摺り板に要求される特性は、高い機械的強度を有し、トロリ線と高速で接触した場合であっても壊れ難いこと、摩擦係数が小さくてトロリ線に対して滑りが良いこと、導電性に優れること、磨耗し難く且つトロリ線を磨耗させ難いこと等である。
【０００３】
また、車両の制動装置に適用されるブレーキパッド及びブレーキディスクは、互いに摺接して車両を制動する部品である。このブレーキパッド及びブレーキディスクに要求される特性は、急制動が実現されるために、車両の運動エネルギを熱エネルギに素早く変換することである。そのため、ブレーキパッド及びブレーキディスク等は、高温環境下でも高い機械的強度と大きな摩擦係数を維持し、且つ高い耐摩耗性を備えていることが重要である。
【０００４】
従来のパンタグラフの摺り板、ブレーキパッド又はブレーキディスクは、複合材からなる（たとえば、特許文献１参照）。この複合材は、カーボン材料からなる基材と、特に摩擦係数や耐摩耗性に影響する金属を含む充填材と、この充填材を基材に含浸させるための樹脂とから構成されている。カーボン材料と金属とからなるカーボン・金属複合材は、カーボン繊維が持つ優れた自己潤滑性と、金属が持つ高い機械的強度とを発揮する。
【０００５】
【特許文献１】特開平９−３１４４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、充填材は金属を含むことから、一般に安価なものではない。また、基材の肉厚が大きくなるにつれて、基材に金属を充填させることが困難になる。そのため、十分な強度を確保するために肉厚が大きく設定された摺り板やブレーキパッドは、一般に高価なものとなる。
【０００７】
本発明は、かかる背景のもとになされたものであって、高温環境においても高い機械的強度を維持し且つ耐磨耗性に優れた安価なカーボン・金属複合材及びその製造方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
(1) 上記目的が達成されるため、本発明に係る複合材の製造方法は、鉱さいが混合された樹脂をカーボンシートに含浸させ、これを焼成するものである。
【０００９】
充填材として樹脂に混合される金属は、ＳｉＯ２（シリカ）、ＣａＯ（カルシア）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）、ＭｇＯ（マグネシア）が好ましい。これらの金属は、精製品としては比較的高価なものである。本願発明者は、鉱さいにこれらの金属が含まれていること、及び鉱さいは安価に入手され得るものであることに着目した。この鉱さいが充填材として採用されることによって、上記金属が樹脂に安価に混合されることになる。したがって、上記金属を含む複合材が安価に製造され得る。
【００１０】
(2) 上記鉱さいは、高炉スラグが採用され得る。
【００１１】
高炉スラグは、鉄鉱石が溶鉱炉で溶かされ、銑鉄が造られる際に出てくる副産物である。日本の製鉄所では、年間２０００万トン以上の高炉スラグが産出されているといわれており、高炉スラグは、きわめて安価に入手され得るものである。しかも、高炉スラグは、ＳｉＯ２（シリカ）、ＣａＯ（カルシア）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）、ＭｇＯ（マグネシア）を含有している。したがって、上記充填材として高炉スラグが採用されることにより、上記金属が樹脂にきわめて安価に混合され得る。
【００１２】
(3) 上記鉱さいを混合した樹脂を含浸させる前に、複数のカーボンシートが積層され、ニードルパンチにより又はカーボン糸で縫合されることによりカーボンシート体が形成されてもよい。
【００１３】
これにより、任意の厚さのカーボン・金属複合材が簡単に製造され得る。カーボンシートが特にフェルト状カーボンからなる場合は、ニードルパンチあるいはカーボン糸による縫合が、カーボンシート体の形成に有利である。
【００１４】
(4) 上記鉱さいを混合した樹脂を含浸させた後に、複数のカーボンシートが積層され加圧されることによりカーボンシート体が形成されてもよい。
【００１５】
この場合も、任意の厚さのカーボン・金属複合材が簡単に製造され得る。カーボンシートが特に布状カーボンからなる場合は、加圧によりカーボンシート体が簡単に形成される。
【００１６】
(5) 上記カーボンシートは、カーボン／カーボン複合材から構成され得る。
【００１７】
この場合も任意の厚さのカーボン・金属複合材が簡単に製造され得る。
【００１８】
(6) 上記目的が達成されるため、本発明に係るカーボン・金属複合材の製造方法は、鉱さいが混合された樹脂とカーボン小片とを混合し加圧することによってカーボンシートを形成し、これを焼成するものである。
【００１９】
充填材として樹脂に混合される金属は、ＳｉＯ２（シリカ）、ＣａＯ（カルシア）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）、ＭｇＯ（マグネシア）が好ましい。これらの金属は、精製された材料としては比較的高価なものである。本願発明者は、鉱さいにこれらの金属が含まれていること、及び鉱さいは安価に入手され得るものであることに着目した。この鉱さいが充填材として採用されることによって、上記金属が樹脂に安価に混合されることになる。したがって、上記金属を含む複合材が安価に製造され得る。
【００２０】
(7) 上記カーボン小片は、カーボン短繊維、小木片及び小紙片のうちの少なくとも１つから構成され得る。
【００２１】
(8) 上記鉱さいの量は、焼成前のカーボン・金属複合材に対して５以上４５以下質量％であるのが好ましい。また、上記鉱さいの量は、焼成前のカーボン・金属複合材に対して５以上１０以下質量％であるのがより好ましい。この場合、カーボン・金属複合材は、高強度、低摩擦性、高耐摩耗性及び高電気伝導性を備える。したがって、カーボン・金属複合材は、例えばパンタグラフの摺り板に好適である。さらに、上記鉱さいの量は、焼成前のカーボン・金属複合材に対して１０以上４５以下質量％であるのがなお好ましい。この場合、カーボン・金属複合材は、高強度、高摩擦性及び高耐摩耗性を備える。したがってカーボン・金属複合材は、例えばブレーキパッドに好適である。
【００２２】
(9) 上記焼成は、樹脂成分を熱分解させるために、８００°Ｃ以上３０００°Ｃ以下の真空環境下で行うことが望ましい。このような高温下で焼成されることにより、樹脂成分はガス化して除去される。したがって、カーボン・金属複合材は、きわめて高い耐フェード性を備え、例えば、レース用車両のブレーキ材料として好適にに用いられる。ただし、上記カーボン・金属複合材が３００°Ｃ以下の環境温度で使用される場合（典型的には、市販車用ブレーキ材料として使用される場合）は、１００°Ｃ以上３００°Ｃ以下で焼成することが可能である。その場合、焼成コストが低減され、引いてはカーボン・金属複合材の製造コストが低減される。
【００２３】
(10)また、上記目的が達成されるため、本発明に係るカーボン・金属複合材は、カーボン／カーボン複合材と、これに含浸された鉱さいとを含んでいる。
【００２４】
充填材として樹脂に混合される金属は、ＳｉＯ２（シリカ）、ＣａＯ（カルシア）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）、ＭｇＯ（マグネシア）が好ましい。これらの金属は、精製品としては比較的高価なものである。本願発明者は、鉱さいにこれらの金属が含まれていること、及び鉱さいは安価に入手され得るものであることに着目した。この鉱さいが充填材として採用されることによって、上記金属が樹脂に安価に混合されることになる。したがって、上記金属を含む複合材が安価に製造され得る。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、高温環境にも強く、長期にわたって高強度を維持でき、耐磨耗性に優れたカーボン・金属複合材およびその製造方法を安価に提供することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、適宜図面が参照されつつ、好ましい実施形態に基づいて本発明が詳細に説明される。
【００２７】
本実施形態に係る複合材の製造方法の特徴とするところは、基材に対する充填材として鉱さいが使用される点にある。
【００２８】
鉱さいは、製鉄所の高炉等からゴミとして排出されるスラグである。したがって、鉱さいは、きわめて安価に入手され得る。鉱さいの主成分は、SiO2（シリカ）、CaO（カルシア）、Al2O3（アルミナ）、MgO（マグネシア）等である。
【００２９】
また、基材となるカーボンシートがフェルト状又は布状である場合、充填材として精製されたSiO2、CaO、Al2O3、MgO等を基材に含浸させることは一般に容易ではない。したがって、通常、かかる含浸処理のコストは高くなる。本実施形態に係る複合材の製造方法では、充填材として上記鉱さいが使用されることにより、非常に簡便に上記含浸処理が行われる。その結果、基材の肉厚が大きい場合であっても、安価に複合材が製造され得る。
【００３０】
＜第１の実施形態＞
【００３１】
図１は、本発明の第１の実施形態に係るカーボン・金属複合材の製造方法を示すフローチャートである。また、図２は、この製造方法の要領を模式的に示す図である。
【００３２】
本実施形態では、基材としてフェルト状カーボンシート１Ａが使用される。図２が示すように、まず、樹脂３（典型的にはフェノール）及び鉱さい２がバット６に収容される。鉱さい６は、高炉スラグが採用され得る。もっとも、鉱さい６は、高炉スラグに限定されるものではない。鉱さい６は、予め細かく粉砕される。鉱さい６は、例えば乳鉢などで細かく粉砕される。鉱さいは、直径が５０μｍ以下の粒子に粉砕される。ただし、鉱さいは、直径が１．０μｍ以下の粒子に粉砕されるのが好ましい。鉱さい６が微細粒子に粉砕されることにより、基材１Ａ内で均一に拡散することができる。
【００３３】
バット６内で樹脂３と粉砕された鉱さい６とが均等に混合される。その後、この樹脂・鉱さい混合物が、基材としてのフェルト状カーボンシート１Ａ上に塗布される。そして、このフェルト状カーボンシート１Ａが減圧又は加圧される。これにより、上記樹脂・鉱さい混合物がフェルト状カーボンシート１Ａの内部に十分に含浸される（ステップＳ１２）。
【００３４】
次に、このフェルト状カーボンシート１Ａが高温環境下でプレスされる。この場合の環境温度は、１００°Ｃ〜３００°Ｃの範囲に設定される。このプレス処理により、ＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）が成形される（ステップＳ１３）。このＣＦＲＰは、真空炉において８００°Ｃ以上の環境下で加熱される。この場合の環境温度は、８００°Ｃ〜３０００°Ｃの範囲に設定される。この加熱処理により、ＣＦＲＰに含まれる樹脂成分（上記樹脂３）は、完全に熱分解される（ステップＳ１４）。これによって、上記樹脂３を含まないカーボン・金属複合材１００Ａが製造される。したがって、カーボン・金属複合材１００Ａは、きわめて高い耐フェード性を備え、例えば、レース用車両のブレーキ材料として好適に用いられる。
【００３５】
本実施形態に係る製法により製造されたカーボン・金属複合材１００Ａは、樹脂を含まず且つ上記金属（SiO2、CaO、Al2O3、MgO等）を含んでいることから、高温環境下においても高い機械的強度を有し、耐磨耗性に優れる。しかも、上記鉱さいが基材に混合されることにより上記機械的強度及び耐摩耗性が発揮されるので、カーボン・金属複合材１００Ａが安価に製造され得る。
【００３６】
また、例えば上記カーボン・金属複合材１００Ａが市販車用ブレーキ材料として使用される場合、すなわち上記カーボン・金属複合材１００Ａが３００°Ｃ以下の環境温度で使用される場合には、上記ステップＳ１４において、ＣＦＲＰが３００°Ｃ以下（１００°Ｃ〜３００°Ｃ）で加熱されてもよい。上記カーボン・金属複合材１００Ａが市販車用ブレーキ材料として使用される場合には、きわめて高い耐フェード性は要求されないからである。この場合、焼成コストが低減され、引いてはカーボン・金属複合材１００Ａの製造コストが低減される。
【００３７】
本実施形態において、カーボン・金属複合体１００Ａの肉厚が大きく設定される場合には、カーボン・金属複合体１００Ａの肉厚が所要の寸法となるように、複数のフェルト状カーボンシート１Ａが積層される（ステップＳ１１）。そして、重ね合わされた各フェルト状カーボンシート１Ａからなるシート体１０Ａは、ニードルパンチにより結合される。このシート体１０Ａは、ニードルパンチのほかに、例えばカーボン製の糸で縫い合わせられてもよい。なお、このステップＳ１１は、図１において点線で示されており、単一のフェルト状カーボンシート１Ａが用いられる場合には、このステップＳ１１は省略される。
【００３８】
本実施形態では、上記鉱さい２の量は、焼成前のフェルト状カーボンシート１Ａ（１０Ａ）に対して５〜４５質量％に設定されるのが好ましい。ただし、カーボン・金属複合体１００Ａが宇宙空間を高速で移動する宇宙機の惑星大気突入の際の熱防御材として使用される場合は、上記鉱さい２の量は、焼成前のフェルト状カーボンシート１Ａ（１０Ａ）に対して０〜５質量％に設定され得る。したがって、鉱さい２が樹脂３に混合されていない場合であっても、上記熱防御材としての機能が発揮され得る。
【００３９】
さらに、鉱さい２の量が焼成前のフェルト状カーボンシート１Ａ（１０Ａ）に対して５〜１０質量％に設定された場合には、カーボン・金属複合体１００Ａは、高温環境下においても高い機械的強度、低摩擦性、高耐摩耗性及び高導電性を発揮する。したがって、カーボン・金属複合体１００Ａは、例えばパンタグラフの摺り板に好適である。また、鉱さい２の量が焼成前のフェルト状カーボンシート１Ａ（１０Ａ）に対して１０〜４５質量％に設定された場合には、カーボン・金属複合体１００Ａは、高温環境下でも高い機械的強度、高摩擦性及び高耐摩耗性を発揮する。したがって、カーボン・金属複合体１００Ａは、例えばブレーキパッドに好適である。
【００４０】
＜第２の実施形態＞
【００４１】
図３は、本発明の第２の実施形態に係るカーボン・金属複合材の製造方法を示すフローチャートである。また、図４は、この製造方法の要領を模式的に示す図である。
【００４２】
本実施形態では、基材として布状カーボンシート１Ｂが使用される。図４が示すように、まず、樹脂３（典型的にはフェノール）及び鉱さい２がバット６に収容される。鉱さい６は、高炉スラグが採用され得る。もっとも、鉱さい６は、高炉スラグに限定されるものではない。鉱さい６は、予め細かく粉砕される。鉱さい６は、例えば乳鉢などで細かく粉砕される。鉱さいは、直径が５０μｍ以下の粒子に粉砕される。ただし、鉱さいは、直径が１．０μｍ以下の粒子に粉砕されるのが好ましい。鉱さい６が微細粒子に粉砕されることにより、基材１Ｂ内で均一に拡散することができる。
【００４３】
バット６内で樹脂３と粉砕された鉱さい６とが均等に混合される。その後、この樹脂・鉱さい混合物が、基材としての布状カーボンシート１Ｂ上に塗布される。そして、この布状カーボンシート１Ｂが減圧又は加圧される。これにより、上記樹脂・鉱さい混合物が布状カーボンシート１Ｂの内部に十分に含浸される（ステップＳ２１）。
【００４４】
ここで、製造される複合材の肉厚が大きく設定される場合には、所要の肉厚寸法となるように、複数の布状カーボンシート１Ｂが積層され、シート体１０Ｂが構成される（ステップＳ２２）。そして、このシート体１０Ｂは、ニードルパンチにより結合される。シート体１０Ｂは、ニードルパンチのほかに、例えばカーボン製の糸で縫い合わせられてもよい。なお、このステップＳ２２は、図３において点線で示されており、単一の布状カーボンシート１Ｂが用いられる場合には、このステップＳ２２は省略される。
【００４５】
次に、このフェルト状カーボンシート１Ｂ（１０Ｂ）が高温環境下でプレスされる。この場合の環境温度は、１００°Ｃ〜３００°Ｃの範囲に設定される。このプレス処理により、ＣＦＲＰが成形される（ステップＳ２３）。このＣＦＲＰは、真空炉において８００°Ｃ以上の環境下で加熱される。この場合の環境温度は、８００°Ｃ〜３０００°Ｃの範囲に設定される。この加熱処理により、ＣＦＲＰに含まれる樹脂成分（上記樹脂３）は、完全に熱分解される（ステップＳ２４）。これによって、上記樹脂３を含まないカーボン・金属複合材１００Ｂが製造される。したがって、カーボン・金属複合材１００Ｂは、きわめて高い耐フェード性を備え、例えば、レース用車両のブレーキ材料として好適に用いられる。
【００４６】
本実施形態に係る製法により製造されたカーボン・金属複合材１００Ｂは、樹脂を含まず且つ上記金属（SiO2、CaO、Al2O3、MgO等）を含んでいることから、高温環境下においても高い機械的強度を有し、耐磨耗性に優れる。しかも、上記鉱さいが基材に混合されることにより上記機械的強度及び耐摩耗性が発揮されるので、カーボン・金属複合材１００Ｂが安価に製造され得る。
【００４７】
また、例えば上記カーボン・金属複合材１００Ｂが市販車用ブレーキ材料として使用される場合、すなわち上記カーボン・金属複合材１００Ｂが３００°Ｃ以下の環境温度で使用される場合には、上記ステップＳ２４において、ＣＦＲＰが３００°Ｃ以下（１００°Ｃ〜３００°Ｃ）で加熱されてもよい。上記カーボン・金属複合材１００Ｂが市販車用ブレーキ材料として使用される場合には、きわめて高い耐フェード性は要求されないからである。この場合、焼成コストが低減され、引いてはカーボン・金属複合材１００Ｂの製造コストが低減される。
【００４８】
本実施形態では、上記鉱さい２の量は、焼成前の布状カーボンシート１Ｂ（１０Ｂ）に対して５〜４５質量％に設定されるのが好ましい。ただし、カーボン・金属複合体１００Ｂが宇宙空間を高速で移動する宇宙機の惑星大気突入の際の熱防御材として使用される場合は、上記鉱さい２の量は、焼成前の布状カーボンシート１Ｂ（１０Ｂ）に対して０〜５質量％に設定され得る。したがって、鉱さい２が樹脂３に混合されていない場合であっても、上記熱防御材としての機能が発揮され得る。
【００４９】
さらに、鉱さい２の量が焼成前の布状カーボンシート１Ｂ（１０Ｂ）に対して５〜１０質量％に設定された場合には、カーボン・金属複合体１００Ｂは、高温環境下においても高い機械的強度、低摩擦性、高耐摩耗性及び高導電性を発揮する。したがって、カーボン・金属複合体１００Ｂは、例えばパンタグラフの摺り板に好適である。また、鉱さい２の量が焼成前の布状カーボンシート１Ｂ（１０Ｂ）に対して１０〜４５質量％に設定された場合には、カーボン・金属複合体１００Ｂは、高温環境下でも高い機械的強度、高摩擦性及び高耐摩耗性を発揮する。したがって、カーボン・金属複合体１００Ｂは、例えばブレーキパッドに好適である。
【００５０】
＜第３の実施形態＞
【００５１】
図５は、本発明の第３の実施形態に係るカーボン・金属複合材の製造方法を示すフローチャートである。また、図６は、この製造方法の要領を模式的に示す図である。
【００５２】
本実施形態では、基材としてカーボン小片５が使用される。このカーボン小片５としては、カーボン短繊維、小木片、小紙片のうち少なくとも一つを含む。ただし、カーボン小片５には、任意の他の炭素材料が含まれる。小木片、小紙片等は、製材工場や製紙工場から廃棄物として大量に産出されるものであり、これらは、きわめて安価に入手され得るものである。
【００５３】
図６が示すように、まず、樹脂３（典型的にはフェノール）及び鉱さい２がバット６に収容される。鉱さい６は、高炉スラグが採用され得る。もっとも、鉱さい６は、高炉スラグに限定されるものではない。鉱さい６は、予め細かく粉砕される。鉱さい６は、例えば乳鉢などで細かく粉砕される。鉱さいは、直径が５０μｍ以下の粒子に粉砕される。ただし、鉱さいは、直径が１．０μｍ以下の粒子に粉砕されるのが好ましい。その理由は、上記第１及び第２の実施形態で示された通りである。バット６内で樹脂３と粉砕された鉱さい６とが均等に混合される。その後、この樹脂・鉱さい混合物４が、基材としてのカーボン小片５と混合される（ステップＳ３１）。カーボン小片５は、樹脂・鉱さい混合物４と混合される前に細かく粉砕されるのが好ましい。
【００５４】
次に、この樹脂・鉱さい・カーボン小片混合体がシート状に形成される。その後、この樹脂・鉱さい・カーボン小片混合体が高温環境下でプレスされる。この場合の環境温度は、１００°Ｃ〜３００°Ｃの範囲に設定される。このプレス処理により、ＣＦＲＰが成形される（ステップＳ３２）。このＣＦＲＰは、真空炉において８００°Ｃ以上の環境下で加熱される。この場合の環境温度は、８００°Ｃ〜３０００°Ｃの範囲に設定される。この加熱処理により、ＣＦＲＰに含まれる樹脂成分（上記樹脂３）は、完全に熱分解される（ステップＳ３３）。これによって、上記樹脂３を含まないカーボン・金属複合材１００Ｃが製造される。したがって、カーボン・金属複合材１００Ｃは、きわめて高い耐フェード性を備え、例えば、レース用車両のブレーキ材料として好適に用いられる。
【００５５】
本実施形態に係る製法により製造されたカーボン・金属複合材１００Ｃは、樹脂を含まず且つ上記金属（SiO2、CaO、Al2O3、MgO等）を含んでいることから、高温環境下においても高い機械的強度を有し、耐磨耗性に優れる。しかも、上記鉱さいが基材に混合されることにより上記機械的強度及び耐摩耗性が発揮されるので、カーボン・金属複合材１００Ｃが安価に製造され得る。
【００５６】
また、例えば上記カーボン・金属複合材１００Ｃが市販車用ブレーキ材料として使用される場合、すなわち上記カーボン・金属複合材１００Ｃが３００°Ｃ以下の環境温度で使用される場合には、上記ステップＳ３３において、ＣＦＲＰが３００°Ｃ以下（１００°Ｃ〜３００°Ｃ）で加熱されてもよい。上記カーボン・金属複合材１００Ｃが市販車用ブレーキ材料として使用される場合には、きわめて高い耐フェード性は要求されないからである。この場合、焼成コストが低減され、引いてはカーボン・金属複合材１００Ｃの製造コストが低減される。
【００５７】
本実施形態では、上記鉱さい２の量は、焼成前の樹脂・鉱さい・カーボン小片混合体に対して５〜４５質量％に設定されるのが好ましい。ただし、カーボン・金属複合体１００Ｃが宇宙空間を高速で移動する宇宙機の惑星大気突入の際の熱防御材として使用される場合は、上記鉱さい２の量は、焼成前の樹脂・鉱さい・カーボン小片混合体に対して０〜５質量％に設定され得る。したがって、鉱さい２が樹脂３に混合されていない場合であっても、上記熱防御材としての機能が発揮され得る。
【００５８】
さらに、鉱さい２の量が焼成前の樹脂・鉱さい・カーボン小片混合体に対して５〜１０質量％に設定された場合には、カーボン・金属複合体１００Ｃは、高温環境下においても高い機械的強度、低摩擦性、高耐摩耗性及び高導電性を発揮する。したがって、カーボン・金属複合体１００Ｃは、例えばパンタグラフの摺り板に好適である。また、鉱さい２の量が焼成前の樹脂・鉱さい・カーボン小片混合体に対して１０〜４５質量％に設定された場合には、カーボン・金属複合体１００Ｃは、高温環境下でも高い機械的強度、高摩擦性及び高耐摩耗性を発揮する。したがって、カーボン・金属複合体１００Ｃは、例えばブレーキパッドに好適である。
【００５９】
＜第４の実施形態＞
【００６０】
図７は、本発明の第４の実施形態に係るカーボン・金属複合材の製造方法を示すフローチャートである。また、図８は、この製造方法の要領を模式的に示す図である。
【００６１】
本実施形態では、基材としてカーボン／カーボン複合材が使用される。このカーボン／カーボン複合材は、炭素繊維が炭素繊維で強化された材料である。カーボン／カーボン複合材は、耐熱性に優れ且つ高温環境下での機械的強度も高いので、産業界で多用されている。
【００６２】
図８が示すように、まず、樹脂３（典型的にはフェノール）及び鉱さい２がバット６に収容される。鉱さい６は、高炉スラグが採用され得る。もっとも、鉱さい６は、高炉スラグに限定されるものではない。鉱さい６は、予め細かく粉砕される。鉱さい６は、例えば乳鉢などで細かく粉砕される。鉱さいは、直径が５０μｍ以下の粒子に粉砕される。ただし、鉱さいは、直径が１．０μｍ以下の粒子に粉砕されるのが好ましい。鉱さい６が微細粒子に粉砕されることにより、基材内で均一に拡散することができる。
【００６３】
バット６内で樹脂３と粉砕された鉱さい６とが均等に混合される。その後、この樹脂・鉱さい混合物が、基材としてのカーボン／カーボン複合材上に塗布される。そして、このカーボン／カーボン複合材が減圧又は加圧される。これにより、上記樹脂・鉱さい混合物がカーボン／カーボン複合材の内部に十分に含浸される（ステップＳ４１）。
【００６４】
次に、樹脂・鉱さい混合物が含浸されたカーボン／カーボン複合材１Ｄが真空炉において８００°Ｃ以上の環境下で加熱される。この場合の環境温度は、８００°Ｃ〜３０００°Ｃの範囲に設定される。この加熱処理により、樹脂・鉱さい混合物が含浸されたカーボン／カーボン複合材１Ｄに含まれる樹脂成分（上記樹脂３）は、完全に熱分解される（ステップＳ４２）。これによって、上記樹脂３を含まないカーボン・金属複合材１００Ｄが製造される。したがって、カーボン・金属複合材１００Ｄは、きわめて高い耐フェード性を備え、例えば、レース用車両のブレーキ材料として好適に用いられる。
【００６５】
本実施形態に係る製法により製造されたカーボン・金属複合材１００Ｄは、樹脂を含まず且つ上記金属（SiO2、CaO、Al2O3、MgO等）を含んでいることから、高温環境下においても高い機械的強度を有し、耐磨耗性に優れる。しかも、上記鉱さいが基材に混合されることにより上記機械的強度及び耐摩耗性が発揮されるので、カーボン・金属複合材１００Ｄが安価に製造され得る。
【００６６】
また、例えば上記カーボン・金属複合材１００Ｄが市販車用ブレーキ材料として使用される場合、すなわち上記カーボン・金属複合材１００Ｄが３００°Ｃ以下の環境温度で使用される場合には、上記ステップＳ４２において、ＣＦＲＰが３００°Ｃ以下（１００°Ｃ〜３００°Ｃ）で加熱されてもよい。上記カーボン・金属複合材１００Ｄが市販車用ブレーキ材料として使用される場合には、きわめて高い耐フェード性は要求されないからである。この場合、焼成コストが低減され、引いてはカーボン・金属複合材１００Ｄの製造コストが低減される。
【００６７】
本実施形態では、上記鉱さい２の量は、焼成前の樹脂・鉱さい混合物が含浸されたカーボン／カーボン複合材１Ｄに対して５〜４５質量％に設定されるのが好ましい。ただし、カーボン・金属複合体１００Ｄが宇宙空間を高速で移動する宇宙機の惑星大気突入の際の熱防御材として使用される場合は、上記鉱さい２の量は、焼成前の樹脂・鉱さい混合物が含浸されたカーボン／カーボン複合材１Ｄに対して０〜５質量％に設定され得る。したがって、鉱さい２が樹脂３に混合されていない場合であっても、上記熱防御材としての機能が発揮され得る。
【００６８】
さらに、鉱さい２の量が焼成前の樹脂・鉱さい混合物が含浸されたカーボン／カーボン複合材１Ｄに対して５〜１０質量％に設定された場合には、カーボン・金属複合体１００Ｄは、高温環境下においても高い機械的強度、低摩擦性、高耐摩耗性及び高導電性を発揮する。したがって、カーボン・金属複合体１００Ｄは、例えばパンタグラフの摺り板に好適である。また、鉱さい２の量が焼成前の樹脂・鉱さい混合物が含浸されたカーボン／カーボン複合材１Ｄに対して１０〜４５質量％に設定された場合には、カーボン・金属複合体１００Ｄは、高温環境下でも高い機械的強度、高摩擦性及び高耐摩耗性を発揮する。したがって、カーボン・金属複合体１００Ｄは、例えばブレーキパッドに好適である。
【実施例】
【００６９】
以下、実施例によって本発明の効果が明らかにされるが、この実施例の記載に基づいて本発明が限定的に解釈されるべきではない。
【００７０】
本実施例に係るカーボン・金属複合材は、自動車用ブレーキ装置のブレーキパッドとして使用された。本実施例に係るブレーキパッドは、制動性能確認試験に供された。制動性能確認試験は、時速１００ｋｍで走行する自動車を制動する際の制動能力を従来のブレーキの能力と比較することによって行われる。試験車両の質量は１５４０ｋｇ、エンジンの最大出力及び最大トルクは、それぞれ、２８０ｐｓ、４０ｋｇ・ｍである。
【００７１】
［実施例１］
【００７２】
基材は、カーボン小片である。鉱さいは高炉スラグである。鉱さいの含有量は、１５質量％である。鉱さいが混合される樹脂の含有量は１５重量％であり、カーボン小片の含有量は７５質量％である。焼成温度は、２００°Ｃである。
【００７３】
［実施例２］
【００７４】
基材は、カーボン／カーボン複合材である。鉱さいは高炉スラグである。鉱さいが混合された樹脂（フェノール）の含有量は、５質量％である。この樹脂に含まれる鉱さいの量は、２０重量％である。したがって、鉱さいの含有量は、１質量％である。焼成温度は、２００°Ｃである。
【００７５】
［比較例］
【００７６】
一般に市販されているカーボン・金属複合材（ブレーキパッド）である。基材は、カーボンシートであり、これに金属粒子が含まれている。
【００７７】
試験の結果、比較例に係るブレーキパッド（カーボン・金属複合材）では、制動時減速加速度が最大１．７Ｇ（Ｇは重力加速度）である。
【００７８】
実施例１に係るカーボン・金属複合材では、制動時減速加速度が最大１．３Ｇである。
【００７９】
実施例２に係るカーボン・金属複合材では、制動時減速加速度が最大２．０Ｇである。
【００８０】
また、制動時のペダル踏力は、比較例に係るブレーキパッド（カーボン・金属複合材）では、最大５２ｋｇである。
【００８１】
実施例１に係るカーボン・金属複合材では、制動時ペダル踏力は、最大８４ｋｇである。
【００８２】
実施例２に係るカーボン・金属複合材では、制動時ペダル踏力は、最大２５ｋｇである。
【００８３】
これらの試験結果から、実施例１に係るカーボン・金属複合材は、制動力において一般に標準的に市販されているブレーキパッドよりも若干劣るが、その製造コストの安さから市販のブレーキパッドに対して優れた性能を備えると言える。また、実施例２に係るカーボン・金属複合材は、一般に標準的に市販されているブレーキパッドよりもきわめて優れた制動性能を発揮する。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
本発明は、パンタグラフの摺り板、ブレーキパッド、ブレーキディスク等の摺動部材にに適用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態に係るカーボン・金属複合材の製造方法を示すフローチャートである。
【図２】図２は、本発明の第１の実施形態に係るカーボン・金属複合材の製造要領を模式的に示す図である。
【図３】図３は、本発明の第２の実施形態に係るカーボン・金属複合材の製造方法を示すフローチャートである。
【図４】図４は、本発明の第２の実施形態に係るカーボン・金属複合材の製造要領を模式的に示す図である。
【図５】図５は、本発明の第３の実施形態に係るカーボン・金属複合材の製造方法を示すフローチャートである。
【図６】図６は、本発明の第３の実施形態に係るカーボン・金属複合材の製造要領を模式的に示す図である。
【図７】図７は、本発明の第４の実施形態に係るカーボン・金属複合材の製造方法を示すフローチャートである。
【図８】図８は、本発明の第４の実施形態に係るカーボン・金属複合材の製造要領を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００８６】
１Ａ      フェルト状カーボンシート
１０Ａ    フェルト状カーボンシート
１Ｂ      布状カーボンシート
１０Ｂ    布状カーボンシート
１Ｄ      カーボン／カーボン複合材
２        鉱さい
３        樹脂
４        樹脂・鉱さい混合物
５        カーボン小片
６        バット
１００Ａ  カーボン・金属複合材
１００Ｂ  カーボン・金属複合材
１００Ｃ  カーボン・金属複合材
１００Ｄ  カーボン・金属複合材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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