(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素、ケイ素、ホウ素、及び／または窒素を主成分とする耐熱繊維を用いて、その繊維が、ケイ素を主成分とするマトリックスと化学反応によって結合しているようにした繊維強化複合材料の製造方法であって、繊維と、結合剤と、場合によっては更に充填材及び／または添加剤とで、成形材料を調製し、金型内においてその成形材料に加圧成形を施してしら地を製作するようにした繊維強化複合材料の製造方法において、
熱分解性結合剤コート層をコーティングした繊維を用い、または熱分解生成炭素コート層と熱分解性結合剤コート層とをコーティングした繊維を用い、互いに異なったコーティングを施すことによりマトリックスに対する化学反応性の異なる繊維を含有する複数種類の成形材料、またはコーティングした繊維及びコーティングしていない繊維とすることによりマトリックスに対する化学反応性の異なる繊維を含有する複数種類の成形材料を調製し、
実質的にグラファイトから成るコア部分と実質的にセラミックから成る表面部分とを含んでいる繊維強化複合材料のためのしら地が形成されるように、複数回の充填工程によって前記金型に、前記複数種類の成形材料を次々と充填するようにしたことを特徴とする製造方法。
【請求項２】
予備圧縮を施していない成形材料を前記金型に充填することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
実質的にグラファイトから成る前記コア部分には、明確なコート層をコーティングした繊維を用い、実質的にセラミックから成る前記表面部分には、薄いコート層しかコーティングしていない繊維、及び／または、全くコート層をコーティングしていない繊維を用いることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項４】
実質的にグラファイトから成る前記コア部分には、マトリックスに対する化学反応性に乏しいコート層をコーティングした繊維を用い、実質的にセラミックから成る表面部分には、マトリックスに対する化学反応性に富んだコート層をコーティングした繊維を用いることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記成形材料を調製するために、主として、短繊維または短繊維ストランドを用いることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の方法。
【請求項６】
前記複数種類の成形材料に、互いに異なった長さの繊維を用いることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載の方法。
【請求項７】
前記複数種類の成形材料の夫々に、互いに異なった材料で形成した繊維を用いることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項記載の方法。
【請求項８】
前記成形材料を調製するために、個々の成分に加工を施してペレットを形成し、そのペレットを乾燥させて成形加工を施すことによって、しら地を形成できるようにすることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項記載の方法。
【請求項９】
前記ペレットに、乾式加圧成形法または加熱加圧成形法によって成形加工を施すことを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記成形材料を調製するために個々の成分を混練機において混合し、その混合物に加圧成形を施してしら地を形成することを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項記載の方法。
【請求項１１】
前記成形材料に熱硬化性結合剤を添加し、加圧成形によって形成したしら地を加熱してその樹脂成分を硬化させることを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項記載の方法。
【請求項１２】
炭素、ケイ素、ホウ素、及び／または窒素を主成分とする耐熱繊維を用いて、その繊維が、ケイ素を主成分とするマトリックスと化学反応によって結合しているようにした繊維強化複合材料であって、
請求項１乃至１１の何れか１項記載の方法に従って製造されたことを特徴とする繊維強化複合材料。
【請求項１３】
炭素コート層及び／または熱分解生成炭素コート層を有する繊維を含有していることを特徴とする請求項１２記載の繊維強化複合材料。
【請求項１４】
前記複数種類の材料層が、互いに異なったコーティングを施した繊維を含有していることを特徴とする請求項１２または１３記載の繊維強化複合材料。
【請求項１５】
実質的にグラファイトから成るコア部分と実質的にセラミックから成る表面部分とを含んでいることを特徴とする請求項１２乃至１４の何れか１項記載の繊維強化複合材料。
【請求項１６】
実質的にグラファイトから成る前記コア部分が、明確なコート層をコーティングした繊維を含有しており、実質的にセラミックから成る前記表面部分が、薄いコート層しかコーティングしていない繊維、及び／または、全くコート層をコーティングしていない繊維を含有していることを特徴とする請求項１５記載の繊維強化複合材料。
【請求項１７】
実質的にグラファイトから成る前記コア部分が、マトリックスと殆どないし全く化学反応結合していない繊維を含有しており、実質的にセラミックから成る前記表面部分が、マトリックスと十分に又は完全に化学反応結合している繊維を含有していることを特徴とする請求項１５記載の繊維強化複合材料。
【請求項１８】
含有している繊維が、主として、短繊維または短繊維ストランドから成ることを特徴とする請求項１２乃至１７の何れか１項記載の繊維強化複合材料。
【請求項１９】
前記複数種類の材料層が、互いに異なった長さの繊維を含有していることを特徴とする請求項１２乃至１８の何れか１項記載の繊維強化複合材料。
【請求項２０】
前記複数種類の材料層が、互いに異なった材料で形成した繊維を含有していることを特徴とする請求項１２乃至１９のいずれか１項記載の繊維強化複合材料。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、請求項１の前文部分に記載した種類の繊維強化複合材料の製造方法に関するものであり、また、請求項１２の前文部分に記載した種類の繊維強化複合材料に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の製造方法や、この種のセラミック複合材料としては、未公開のドイツ特許出願第１９７１１８２９．１号に記載されている方法及び複合材料がある。同ドイツ特許出願に開示されている強化繊維は、短尺の繊維ストランドの形態の耐熱繊維である。この繊維ストランドに、熱分解性を有する結合剤を含浸させている。また、結合剤を含浸させる際には、繊維ストランドを結合剤に浸漬するという方法を用いている。含浸させた結合剤が硬化することによって、繊維ストランドを構成している単繊維どうしが互いに結合し、その繊維ストランドの機械的強度が高まる。続いて、その繊維ストランドに二次結合剤及び充填材を混合し、その混紡物に対して加熱成形加工を施すことによって、ＣＲＰ体（焼成する前の状態の炭素繊維強化セラミック体）が形成され、この状態のセラミック体は「しら地」と呼ばれるものである。続いて、そのしら地に対して、真空中または保護（不活性）ガス雰囲気中で熱分解処理を施すことによって、炭素を主成分とするマトリックス（母材）を有する成形体（Ｃ／Ｃ−体）が得られる。この熱分解処理の際に、繊維の表面にコーティングされていたコート層が変化して、繊維ストランドは、その表面に炭素コート層がコーティングされた状態になる。続いてその成形体に、ケイ素溶融物を浸透させる、浸透処理が施される。これによって、Ｃ／ＳｉＣ−繊維強化複合材料が得られ、この複合材料は、ＳｉＣを主成分とするマトリックスの中に繊維ストランドが分散したものとなっている。短繊維ストランドはマトリックスの中に確率論的分布で分散するため、互いに離ればなれの状態にある繊維を広範な領域に分散させて維持することができる。繊維表面の炭素コート層は、マトリックスを形成している材料と、化学反応によって結合する。これによって、繊維ストランドが、ケイ素溶融物からの激しい攻撃から保護される。この繊維強化セラミック材料は、非常に優れた摩擦特性を有する上に、コスト的にも優れており、また、製造も容易である。この繊維強化セラミック材料は特に、ブレーキディスクやブレーキライニングを製造するための材料として適している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この繊維強化セラミック材料は、例えば車重が大きい場合や速度が非常に大きい場合などに要求される、厳しい機械的条件には、対応することができなかった。その原因は、この材料が、その脆性が顕著であり、耐破壊性に乏しいことにあった。
【０００４】
このような問題を解決するための解決方法がこれまでにも幾つか提案されている。ドイツ実用新案登録公報第２９６１０４９８号には、Ｃ−Ｃ／ＳｉＣ−複合材料製の車両用ブレーキディスク並びに車両用クラッチディスクが記載されており、それらディスクはＳｉＣを主成分とする多層構造体として形成されている。それらディスクの外層はセラミック材料層であり、極めて良好な摩擦係数を提供している。一方、それらディスクのコア層は、炭素を主成分とした材料の層であり、疑似延性を有することによって、高度の耐破壊性を提供している。しかしながら、この種の多層構造体は、その製造が複雑であるために、高価なものとなっている。その結果、例えばレースカー等に使用するなどの、特別の用途にしか使用されていない。
【０００５】
ヨーロッパ特許出願公開第ＥＰ０５６４２４５号にも、多層構造の材料が記載されているが、その材料は、ケイ素溶融物が比較的深部まで浸透するのを防止する保護層が必要としている。更に、この材料も、製造が複雑であり製造コストが非常に高くつくものとなっている。
【０００６】
従って本発明の目的は、上述の種類の繊維強化複合材料であって、より大きな構造強度を有し、より大きな疑似延性を有する繊維強化複合材料を提供することにある。本発明の目的は更に、この種の繊維強化複合材料の製造方法であって、この種の複合材料を容易に低コストで製造することができ、従ってこの種の複合材料を大量生産するのに適した、前記強化複合材料の製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、請求項１に記載した構成要件を備えた方法によって、ないしは、請求項１２に記載した構成要件を備えた繊維強化複合材料によって達成されるものである。
【０００８】
本発明にかかる方法によれば、しら地を製作するために、複数種類の成形材料を次々と金型の中に充填し、それによって形成される多層構造における内側の成形材料は、それに混入してある繊維によって耐破壊性に優れたコア部分を形成するようにし、外側の成形材料は、それに混入してある繊維によってセラミックから成る摩擦摺接層を形成するようにしたものである。
【０００９】
従って本発明にかかる材料は、グラデーション材料であり、このグラデーション材料は、本発明にかかる製造方法を用いることによって、極めて容易に製造し得るという利点を有するものである。
【００１０】
本発明によれば、しら地を製作する際に、成形機の中へ複数種類の成形材料を次々と充填して多層構造を形成するようにしており、それによって、完成した部品において、実質的にセラミックから成る耐摩耗性に優れた摩擦摺接層から、耐破壊性に優れたコア層へと、連続的に移行するような多層構造を得るようにしている。そして、これによって、優れた耐摩耗性と優れた機械的強度特性とを両立させている。
【００１１】
従って、以上の方法で製作した部品は、極めて大きな機械的荷重に耐えることができ、例えば３点曲げ試験等によって計測される曲げ強度値及び伸び値が、大いに改善される。また、例えば車両の重量や速度が非常に大きい場合などには、機械的特性の要求条件が非常に厳しくなるが、そのような場合でも、本発明の方法を、低コストで繊維強化複合セラミック材料を製造することのできる公知の複合材料製造方法に適用することによって、その複合材料ないし部品の外側を大きな硬度及び耐摩耗性を有するものにする一方で、その内側を非常に大きな疑似延性を有するものにすることができる。
【００１２】
本発明にかかる方法の利点として、互いに特性の異なった複数種類の材料から成る夫々の材料層を、特別の接合方法を用いて接合する必要がないことがある。本発明によれば、複数種類の成形材料を充填して行くことによって、グラデーション構造がおのずから形成される。また、この方法によれば、個々の材料層の間の境界が、明確な境界にならずに済む。
【００１３】
個々の材料層に必要とされる充填高さ（充填層の厚さ）は、具体的な用途に応じて、成形材料をある一定の圧力で加圧して成形容易性を試験することによって決定すればよい。
【００１４】
従属請求項は、効果的な実施の形態の幾つかを記載したものである。
【００１５】
例えばブレーキディスクなどの部品では、その部品表面の摩擦摺接層がセラミック的な性質を顕著に有するようにするが、そのためには、成形材料に混入する炭素繊維にコーティングしておくコート層を、ケイ素溶融物が炭素含有充填材並びに熱分解性結合剤と反応して炭化ケイ素を生成するばかりでなく、その炭素繊維とも部分的に反応して炭化ケイ素を生成するようなコート層とすればよい。従来公知のコート層であっても、その厚さを十分に薄くすれば、そのようなコート層とすることができ、また、化学反応性に富んだ、炭素を含有するコート層を形成することによっても、そのようなコート層を得ることができる。
【００１６】
繊維のコート層を十分に薄くした場合には、その繊維を混入して調製した成形材料が比較的柔らかなものとなる。このような繊維は、混練及び加圧成形の後には高度に絡み合った状態になる。そのため、繊維間の空間が非常に狭くなり、その空間が消滅する箇所も発生する。繊維間の空間は、流動性ケイ素の浸透処理の際にその流動性ケイ素が入り込む空間であり、流動性ケイ素の浸透処理の後に一部のケイ素が化学反応しきれずに残る空間になる。繊維間の空間が狭くなっていたり、消滅していたりすることによって、繊維は、化学反応によってマトリックスと結合する性質が強まり、そのため、繊維の大部分が、セラミック的な性質を強く呈するようになる。その結果、そのような繊維を含有している摩擦摺接層は、大きな剛性と十分な耐破壊性を備えたものとなり、従って、優れた耐摩耗性を備えるという特徴を有するものになる。例えば、本発明の方法で製造したブレーキディスクは、大きな摩擦係数を有するものとなり、また、その摩擦係数をもたらすための適当な表面状態を備えたものとなる。
【００１７】
使用する強化繊維の少なくとも一部には、熱分解によって生成した炭素（ＰｙＣ）から成るコート層を、形成するようにしている。そして、この熱分解生成炭素コート層を形成した上に、公知の簡明な浸漬コーティング法を用いて、更なるコート層を形成するようにしている。
【００１８】
従ってこの好適例の強化繊維では、２層のコート層を、個別の工程においてコーティングするようにしている。それらのうち下層を成す、繊維の表面に直接コーティングするコート層は、熱分解生成炭素コート層である。その上に、公知の浸漬コーティング法によって、本質的に熱分解性を有する結合剤の層を形成するようにしている。多孔質の成形体に流動性ケイ素が浸透する際に、この樹脂コート層（結合剤コート層）が変化して炭素コート層が生成され、その炭素コート層が「犠牲コート層」として機能する。流動性ケイ素は、この外側の炭素コート層と反応して炭化ケイ素となる。従って、この外側のコート層は、流動性ケイ素の拡散浸透を阻むバリヤとして機能し、流動性ケイ素は、このバリヤを超えて更に繊維の奥深くまで浸透することはできない。従って、下層に形成されている熱分解生成炭素コート層と、コア部分を形成している強化繊維とは、流動性ケイ素の攻撃から保護されている。
【００１９】
以上の処理を施した繊維は、大きな剛性を呈するようになる。強化繊維に付加した熱分解生成炭素コート層は、その強化繊維とマトリックスとを良好に結合させる機能を果たす。また、熱分解生成炭素コート層は、繊維の亀裂を迂回させる機能を果たすと共に、繊維の長手方向の滑動を可能にしており、これによって、強度試験及び３点曲げ試験の結果が良好なものとなる。更に、これによって繊維引抜効果も得られるようになる。
【００２０】
本発明にかかる繊維強化複合材料製造方法に、以上に説明した強化繊維を用いれば、強化繊維の総体積の比率が小さい場合でも、例えば３点曲げ試験等によって計測される強度及び伸びの値を格段に向上させることができる。また、この強化繊維を用いた場合に、それら強度及び伸びの値以外の、その他のパラメータに悪影響が及ぶこともない。
【００２１】
繊維にＰｙＣ層をコーティングした後に、更に樹脂溶液を用いてコーティングを施すことによって、その繊維を、ケイ素化合物を主材料とする材料に混入することも可能になっている。
【００２２】
この強化繊維を製造するための方法としては、先ず、炭素繊維に、熱分解生成炭素コート層をコーティングする。このコート層は、例えば、浸漬コーティング法を用いて炭素繊維に例えばピッチをコーティングすることで形成することができ、或いは、蒸着法を用いて炭素コート層をコーティングすることによっても形成することができる。この後、炭素コート層をコーティングした繊維に更に、熱分解性を有する樹脂材料をコーティングする。
【００２３】
繊維に熱分解生成炭素コート層をコーティングするには、例えば、繊維をピッチ浴中に浸漬する浸漬コーティング法等を用いればよい。この方法は特に、長繊維に適した方法である。別法として、例えば、反応炉内でメタン等を使用して化学蒸着を行うＣＶＤコーティング法を用いることによっても、繊維に熱分解生成炭素コート層をコーティングすることができる。この方法は、長繊維と短繊維のいずれにも非常に適した方法である。
【００２４】
ピッチを使用する方法の利点として、熱分解生成炭素コート層が、結晶質炭素のコート層として生成されるということがある。結晶質炭素のコート層は、流動性ケイ素と反応する際に、例えばフェノール樹脂等を用いた場合に生成される非晶質炭素のコート層と比べて、はるかにゆっくりと反応する。そのため、非晶質炭素の場合と比べて、拡散バリヤの効果が強化される。
【００２５】
長繊維は、コーティング処理を施した後、しら地を形成するための材料を調製する前に、切断して短繊維にすることが好ましい。
【００２６】
以上の処理が完了した時点で、その単繊維ないし繊維ストランドは、使用可能な状態にある。繊維ストランドは単繊維が多数集合したものであり、１本の繊維ストランドを構成する単繊維の好ましい本数は、約１０００〜１４０００本であり、単繊維の平均直径の好ましい値は、約５〜１０μｍであり、単繊維ないし繊維ストランドの長さの好適な値は、約１〜３０ｍｍである。以上の処理方法は、市販の繊維ストランドに対して適用することができるため、市販の繊維ストランドを使用することができる。そして、市販の繊維ストランドを使用することによって、よりコスト的に有利な製造が可能となる。
【００２７】
本発明にかかるグラデーション材料は、金型内に次々と充填することによって多層構造を形成する複数種類の成形材料の夫々に、成分として含有させる繊維のコート層の品質を、外側の成形材料から内側の成形材料へ行くに従って、次第に高めるようにしたものである。例えば後に説明するブレーキディスクでは、そのコア部分に、ＰｙＣコート層をコーティングした炭素繊維を使用することによって、そのブレーキディスクの部品全体としての耐破壊性を達成している。コア部分に隣接する充填層は、コート層の特性をやや低下させた繊維を含有した成形材料で形成しており、更にその外側に隣接する摩擦摺接層では、更にコート層の品質を低下させた繊維を用いるか、また場合によっては、全くコート層を形成しない繊維を用いるようにしている。摩擦摺接層として機能させる最外部の充填層は、その殆どまたは全てが炭化ケイ素から成り得る。なぜならば、薄いコート層しかコーティングしていない繊維、または全くコート層をコーティングしていない繊維は、流動性ケイ素と接しているうちに、そのケイ素と反応して、殆どまたは完全に炭化ケイ素に変化し得るからである。
【００２８】
更に、機械的特性及び摩擦特性にグラデーションを持たせるには、繊維のコート層の特性を徐々に変化させることの他に、繊維そのものの特性を徐々に変化させることによっても、また繊維の長さを徐々に変化させることによっても達成し得る。
【００２９】
短繊維を用いることによって得られる更なる利点として、充填及び加圧成形の工程において、繊維の延在方向が加圧面に垂直な方向に揃えられることがなく、それに対して垂直な方向にも延在し得るため、特性が連続的に徐々に変化するようにし易いということがある。
【００３０】
一般的に強化繊維として用いられている繊維はどれでも、本発明にかかる材料を製造するための繊維として使用することができる。特に好ましいのは、炭素繊維であるが、その他の耐熱繊維も使用可能である。例えば、炭化ケイ素繊維や、更にその他の、ケイ素、炭素、ホウ素、及び／または窒素を主成分とする繊維も基本的に使用に適している。更に、ガラス繊維、や、例えばチタンを主成分とした繊維のような金属繊維も使用に適している。また、アラミド繊維も、好適に使用し得るものである。
【００３１】
これら要因を、即ち、コート層の特性、繊維そのものの特性、それに繊維の長さを、様々に組合せて変化させることによって、ディスクの厚さ方向における材料特性の具体的な変化の仕方を決定することができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
これより添付図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について更に詳細に説明して行く。
【００３３】
図１に示した強化繊維１は、その内部にコア部分２を有しており、このコア部分２は、１本の炭素繊維で形成されている。このコア部分２には、コート層３がコーティングされており、このコート層３は、熱分解によって生成された炭素から成るコート層である。この熱分解生成炭素コート層３の好ましい厚さは、例えば約１００〜３００ｎｍである。コート層３の外側に更に別のコート層４がコーティングされており、このコート層４は、熱分解性を有する結合剤から成るコート層である。この結合剤コート層４の好ましい厚さは、約２００〜８００ｎｍである。コート層４を形成する結合剤としては、例えば、熱分解性を有する樹脂や樹脂混合物を使用することができ、フェノール樹脂と呼ばれている部類中に属する樹脂を用いることが好ましい。コート層４を形成している結合剤は、後の熱分解工程において炭素に変化し、その後更に、流動性ケイ素の浸透工程においてケイ素と反応して炭化ケイ素に変化する。一方、熱分解生成炭素コート層３と、このコート層３によって被覆されたコア部分２とから成る、この強化繊維１の内部領域は、流動性ケイ素からの攻撃にさらされることはない。
【００３４】
このようなコーティングを施した繊維は様々な方法で製造することができる。可能な製造方法のうちの１つに、長繊維にコーティングを施す場合に特に適した方法がある。その方法では、先ず、長繊維をピッチ浴中に浸漬し、その後、乾燥ステーションで乾燥させる。こうしてコーティングを施した繊維を、続いて、熱分解性を有するフェノール樹脂の浴中に浸漬する。続いて、第２の乾燥ステーションを通過させることで、この長繊維は使用可能な状態になる。ただし、更にそれを所望の長さに切断してから使用するようにしてもよい。
【００３５】
可能な製造方法のうちの、もう１つの方法として、短繊維にコーティングを施す場合と長繊維にコーティングを施す場合との、いずれにも適した方法がある。その方法は、先ず、メタン等を用いたＣＶＤコーティング法によって、繊維にコート層を形成し、続いて、熱分解性フェノール樹脂の浴中に浸漬する浸漬コーティング法によって、その上に更にコート層を形成するというものである。
【００３６】
本発明にかかる材料の製造方法のうち、以上に説明した部分は実質的に公知であり、これは、例えば、ドイツ特許出願第１９７１１８２９．１号にも記載されている。
【００３７】
しら地を製作するための材料として用いる混合物は、繊維または繊維ストランドと、例えばフェノール樹脂等の熱分解性を有する結合剤とを混合したものであり、また場合によっては、例えばグラファイトやカーボンブラック等の炭素を含有する充填材を混合することもあり、更なる充填材として、いずれも粉体の形態の、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ホウ化ケイ素、炭化チタン、ないしはホウ化チタン等を混合することもある。尚、以上に列挙したケイ素化合物のうちで、特に好ましいのは炭化ケイ素である。また、熱分解反応力学の観点から好ましく、より具体的には、熱分解が高速で進行するという観点から更に好ましい充填材としては、ポリビニルアルコールやメチルセルロースがある。更に、この混合物に、添加剤として、鉄、クロム、チタン、モリブデン、ニッケル、またはアルミニウム等を加えることもある。これら添加材には、流動性ケイ素の浸透工程におけるケイ素の挙動を改善する効果がある。
【００３８】
尚、前述したピッチ浴やフェノール樹脂浴等の浴中に、例えばグラファイト等の充填材を予め混合しておくようにしてもよい。
【００３９】
上に炭素を含有する充填材として列挙したものは、しら地の製作工程、並びにそれに続く、しら地に対して施す熱分解工程において必要とされる、結合力を向上させる効果をもたらすと共に、熱分解を促進する効果をもたらすものである。また、上に更なる充填材として列挙したものは、後に説明する複合セラミック材料の耐摩耗性を調節する効果をもたらすものである。
【００４０】
しら地を製作するには、ペレットに乾式加圧成形法ないし加熱加圧成形法によって成形加工を施すという方法を用いることができる。また、ペレットを製造するには、例えば、上に列挙した成分を材料として、粒子成長式造粒法によって粉体を粒子化してペレットを形成するようにすればよい。こうして形成したペレットを乾燥させて成形加工を施すことによって、しら地を形成することができる。尚、しら地を製作する際には、そのしら地の形状を製品の完成形状に即した形状とすることができる。これが可能であるのは、熱分解工程及び流動性ケイ素浸透工程ではそれほど大きな収縮が発生しないからであり、このようにすることで、仕上げ加工のコストを低減できる。
【００４１】
以上に説明した混合物に熱硬化性結合剤を混合するようにしてもよく、その場合には、その熱硬化性結合剤を混練機においてその他の成分と混練した後に、その混合物を金型に充填して成形加工を施すと共に加熱して、その樹脂成分を硬化させることによって、しら地を形成するようにする。また更に、しら地や、しら地に熱分解処理を施して得られる多孔質の成形体に対して、仕上げ加工を施して所望の形状に仕上げるようにしてもよい。
【００４２】
成形体の多孔度は、添加剤の種類や量を適宜選択することによって調節することができる。
【００４３】
第１実施例
ＳＧＬ社の製品である長さ６ｍｍの短繊維（製品名：ＳＣＦ６）並びに長さ３ｍｍの短繊維（製品名：ＳＣＦ３）と、フェノール樹脂と、炭化チタンと、グラファイト充填材とで、３種類の成形材料を調製した。
【００４４】
第１の成形材料は、３ｍｍの繊維を含有するものとし、この３ｍｍの繊維に市販のエポキシ樹脂接着剤だけを混合して調製した。第２の成形材料は、６ｍｍの繊維を含有するものとし、この６ｍｍの繊維をピッチ溶液（リュットガー社の製品であり、製品名は「Ｃａｒｂｏｒｅｓ」である）に浸漬して乾燥させることによって、その繊維にコーティングを施した。続いて、そのコーティングを施した繊維を、十分に希釈したフェノール樹脂溶液に浸漬した後に、強制空気循環式の乾燥室内で１３０℃で乾燥させることによって、フェノール樹脂を硬化させて繊維に付着させた。第３の成形材料は、３ｍｍの繊維と６ｍｍの繊維とを１：２の比率で混合したものを含有するものとし、この繊維混合物を、先ず、第２の成形材料と同様に上述のピッチ溶液に浸漬して乾燥させ、続いて、濃厚フェノール樹脂溶液に浸漬した。その後、上述の第２の成形材料と同様に、乾燥工程及び硬化工程の処理を施した。
【００４５】
以上のように夫々に異なったコーティングを施した繊維を使用して、公知の成形材料調整方法を用いて、３種類の成形材料を調製した。それには、以上の様々な処理を施した繊維や施していない繊維を、フェノール樹脂、炭化チタン、それに充填材としてのグラファイトと共に混練機に投入し、それらを混練することによって夫々に成形材料を調製した。また、それら成形材料における繊維の体積成分量は３８％とした。
【００４６】
更に、それら３種類の成形材料を用いて、ブレーキディスクを製作した。それには、ほぼ完成品の形状の金型を装備した加熱成形機を使用し、その金型に成形材料を充填した。成形材料の充填は５つの工程によって行い、充填する成形材料に対して予備加圧は施さないようにした。５つの工程のうち最初の工程では、第１の成形材料を充填して第１充填層を形成し、この第１充填層の厚さ（充填高さ）は約１３ｍｍとした。続いて、第２の成形材料を充填して第２充填層を形成し、その充填高さは約１０ｍｍとした。続いて、第３の成形材料を充填して第３充填層を形成し、その充填高さは約２０ｍｍとした。続いて、第２の成形材料を充填して第４充填層を形成し、その充填高さは約１０ｍｍとした。そして最後に、第１の成形材料を充填して第５充填層を形成し、その充填高さは約１３ｍｍとした。こうして形成した５層構造体に、約８０バールの圧力で加圧成形を施した。これによって、厚さが約２５ｍｍのディスクが得られた。
【００４７】
このディスクを約１５０℃に加熱して成形材料の樹脂成分を硬化させ、それによってよって、図３に示したような、形状が固定された繊維強化セラミック製のディスクが得られた。続いてそれを熱分解炉の中に入れ、保護（不活性）ガス雰囲気中で８００℃に保持することによって熱分解処理を施した。続いてそれを真空雰囲気中で約１６００℃に保持することによって、流動性を有するケイ素融解物による流動性ケイ素浸透処理を施した。こうして得られたＣ／ＳｉＣ−セラミック体を、室温まで冷却した。
【００４８】
以上のようにして得られたブレーキディスクを、ケイ素成分量を低減したこと以外は同一の材料で製作したブレーキライニングと組合せて、テストを行った。摩擦係数の値は非常に良好であり、０．５５〜０．６であった。
【００４９】
また、個々の充填層ごとに、その曲げ強度を個別に計測した。第１の成形材料から成る充填層では、その材料の３点曲げ強度試験の結果は約１７０ＭＰａであり、その伸びは約０．１２％であった。第２の成形材料から成る充填層では、その材料の３点曲げ強度試験の結果は約９１ＭＰａであり、その伸びは０．０９％であった。第３の成形材料から成る充填層では、その材料の３点曲げ強度試験の結果は約６７ＭＰａであり、その伸びは０．２１％であった。
【００５０】
第２実施例
ＳＧＬ社の製品である長さ３ｍｍの短繊維（製品名：ＳＣＦ３）と長さ６ｍｍの短繊維（製品名：ＳＣＦ６）とを等量ずつ混合した混合繊維を使用し、また、東レ社の製品である長さ２４ｍｍの短繊維（製品名：Ｔ８００／６Ｋ繊維）を使用した。３ｍｍの繊維及び６ｍｍの繊維には、先ず、上述の実施例と同様にして熱分解生成炭素コート層をコーティングし、その上に更に、フェノール樹脂コート層をコーティングした。２４ｍｍの繊維には、メタンを使用したＣＶＤ法によって熱分解生成炭素コート層（ＰｙＣ）をコーティングし、その上に更に、浸漬法によって樹脂コート層をコーティングした。
【００５１】
以上のように処理を施した繊維を使用して、上述の実施例と同様の加工によって、成形材料を調製した。また、本発明に従ってコーティングを施した繊維の成分量は、この実施例でも３８％とした。そして、繊維を、フェノール樹脂、炭化チタン、並びに充填材としてのグラファイトと共に混練機に投入し、それらを混練することによって成形材料を調製した。
【００５２】
ここでも上述の実施例と同様に３種類の成形材料を調製した。それらのうち、第１の成形材料及び第２の成形材料は、上述の成分量で調製し、第３の成形材料は、２４ｍｍの繊維と６ｍｍの繊維とを１：２の比率で混合したものを含有するものとした。
【００５３】
ほぼ完成品の形状の金型を装備した加熱成形機を使用し、その金型に成形材料を充填した。上述の実施例と同様に、成形材料の充填は５つの工程によって行い、充填する成形材料に対して予備加圧は施さないようにした。第１の成形材料で形成した２つの充填層の厚さ（充填高さ）はいずれも約１０ｍｍとし、第２の成形材料で形成した２つの充填層の厚さはいずれも約１２ｍｍとした。こうして形成した多層構造体に、約８０バールの圧力で加圧成形を施した。これによって、厚さが約２５ｍｍのディスクが得られた。
【００５４】
このディスクを約１５０℃に加熱して成形材料の樹脂成分を硬化させ、それによって、形状が固定した繊維強化セラミック製のディスクが得られた。続いてそれを熱分解炉の中に入れ、保護（不活性）ガス雰囲気中で８００℃に保持することによって熱分解処理を施した。続いてそれを真空雰囲気中で約１６００℃に保持することによって、流動性を有するケイ素融解物によるケイ素化処理を施した。こうして得られたＣ／ＳｉＣ−セラミック体を、室温まで冷却した。
【００５５】
摩擦係数の値を上述の実施例と同様に測定したところ、その値は、この実施例でも、０．５５〜０．６であった。また、第２の成形材料（繊維に厚い樹脂コート層を形成した成形材料）から成る充填層では、その材料の３点曲げ強度試験の結果は約６７ＭＰａであり、その伸びは約０．２１％であった。第３の成形材料（繊維にＰｙＣコート層と樹脂コート層とを形成した成形材料）から成る充填層では、その材料の３点曲げ強度試験の結果は約１０７ＭＰａであり、その伸びは０．４２％であった。
【００５６】
図２は、以上の方法で製作したブレーキディスク１０の断面図を模式的に示したものである。図中、参照番号１１はブレーキディスクの中央開口であり、参照番号１２で示した部分が、このブレーキディスクを形成している本来の材料部分である。ブレーキディスク１０は、本発明にかかるグラデーション材料１２で形成されている。ブレーキディスク１０の表面部分である最外部領域１３ａ、１３ｂは摩擦摺接面を画成している。これら領域は、耐摩耗性に優れ、大きな摩擦力を発生させることのできる、セラミック的な特性を有する材料で形成されている。これに対して、ブレーキディスク１０の内部の中央領域１５は、耐破壊性に優れたコア部分を画成している。この中央領域は、セラミック材料に典型的な特性である脆性を有さないという点においてセラミック的な特性が比較的薄弱な、炭素含有材料で形成されている。また、領域１４ａ及び１４ｂは、中間領域を画成しており、これら領域の材料は、それらより外側の領域１３ａ、１３ｂの材料と比べれば、セラミック的な特性が薄弱であり、一方、中央領域１５の材料と比べれば、炭素含有量が低下している。
【００５７】
個々の領域１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂ、１５の間に夫々存在する相境界１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄは、明確な境界ではなく、いつのまにか相が移行する不明確な境界となっている。その両側の相が互いに入り組んだような境界となっていることが好ましい。本発明の方法によれば、ある領域からそれに隣接する領域へは、連続的に徐々に移行するようになるため、それら領域の間の接合状態が良好なものとなる。また、接合工程を別に実行することも不要である。
【００５８】
図３は、第１実施例に従って製作したブレーキディスクの繊維強化セラミック材料の状態を示したものである。同図に示した状態は、成形機で加圧成形を施して形成した直後のしら地の状態であって、従って、そのしら地に熱分解処理を施す前の状態であり、また、流動性ケイ素の浸透処理を施す前の状態である。
【００５９】
図４及び図５は、図２及び図３に示した多孔質の成形体のグラデーション構造の研磨面を示したものである。これらの図からは、種類の異なった充填層が、互いの間に継ぎ目を持たず、互いに入り組んだ形で１つの充填層から隣接する充填層へ移行していることが、明瞭に見て取れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ＰｙＣコート層をコーティングした炭素繊維の模式的断面図である。
【図２】  本発明にかかるグラデーション材料の模式的断面図である。
【図３】  本発明の方法に従って製作したブレーキディスクの繊維強化セラミックの状態（しら地）を示した図である。
【図４】  図３のブレーキディスクのグラデーション構造の研磨面を示した図である。
【図５】  図３のブレーキディスクのグラデーション構造の研磨面を示した図である。
【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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