(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素繊維強化炭素複合材で形成された環状ディスクロータとステータから成るブレーキ摺動部であって、
（１）慣性式摩擦試験機を使用して、平均摺動面直径８３．５ｍｍのロータとステータ からなる試験片をホルダーに固定し、摺動面速度２２ｍ／ｓで回転させたロータ をブレーキ圧力としての摺動面圧力１５０ｐｓｉでステータに押しつけ摺動させ たときの、平均摩擦係数が、０．１８〜０．２６
ブレーキ圧力が設定値に達する時間までのブレーキング初期の瞬時動摩擦係数が        、０．３５以下
（２）同様にして摺動させたときの、摩耗量が、３×１０-4ｍｍ／回／面以下
（３）環状ディスクロータ及びステータの摺動面に平行な方向の圧縮強度が、１０ｋｇ        ／ｍｍ2 以上
の炭素繊維強化炭素複合材であることを特徴とするブレーキ摺動部。
【請求項２】
環状ディスクロータ及びステータとして、摺動面に平行な方向の熱伝導率が、３５Ｗ／ｍ・Ｋ以上である請求項１記載のブレーキ摺動部。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、強度及び摩擦、摺動特性に優れ、熱伝導性も良好な炭素繊維強化炭素複合材（以下Ｃ／Ｃ複合材）で形成されたブレーキ摺動部に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般のブレーキ材料は回転体と固定体を摩擦接合することにより運動エネルギーを熱エネルギーへ変換させ、運動している物体を減速、さらには停止させる機能を持っているものである。
近年、高速化や大型化による重量増により、特に航空機用ブレーキ材としては、Ｃ／Ｃ複合材が、その優れた熱伝導率と、大きな熱容量、高強度等から、多くの飛行機で実用化される様になってきている。
【０００３】
一般にＣ／Ｃ複合材はＰＡＮ系、ピッチ系、或いはレーヨン系などの長又は短炭素繊維にフェノール樹脂、フラン樹脂などの熱硬化性樹脂或いはピッチ類などの熱可塑性樹脂等を含浸又は混合して加熱成形したものを非酸化性ガス雰囲気において焼成し、更に緻密化、黒鉛化処理することにより製造されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そしてＣ／Ｃブレーキ材として望まれる特性としては、第１に定められた停止距離以内に停止できる制動能力を有する材料であること、すなわち、適度な摩擦係数を有する材料であることである。
第２に制動時に過大な制動トルク値を発生し、いわゆるガク効きを起こさしめたり、ブレーキ材回りに過大な荷重を負わせたりしない性状を有していないことが望まれる。すなわち、過大な摩擦係数を有しない材料でかつ瞬時摩擦係数が適度な値を示す材料であることである。
【０００５】
第３は、摩耗量が少ないことが必要である。Ｃ／Ｃ複合材はマトリックス炭素と炭素繊維からなるものであるが、ブレーキ材として使用した時には摺動面から炭素繊維又はマトリックス炭素がはがれ落ちることにより摩耗し、使用回数に限界があるが、これを大幅に改良し、ブレーキの寿命を延ばすことである。
第４に、ブレーキアッセンブリとして組立てられ、ブレーキングされた時に、取り付け部にかかる圧縮応力に耐えられる十分な圧縮強度（摺動面に平行な方向の圧縮強度）を有していることである。
最後に摺動により発生した熱で、ブレーキディスクの温度が上がり過ぎないように、熱容量、摺動面に平行な方向の熱伝導率が大きいことが必要である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そこで発明者等は、上記の課題を解決すべく鋭意検討を繰り返した結果、炭素繊維強化炭素複合材で形成された環状ディスク形状のＣ／Ｃ複合材からなるステータとロータからなるブレーキ摺動部であって、
（１）慣性式摩擦試験機を使用して、平均摺動面直径８３．５ｍｍのロータとステータ からなる試験片をホルダーに固定し、摺動面速度２２ｍ／ｓで回転させたロータ をブレーキ圧力としての摺動面圧力１５０ｐｓｉでステータに押しつけ摺動させ たときの、平均摩擦係数が、０．１８〜０．２６
ブレーキ圧力が設定値に達する時間までのブレーキング初期の瞬時動摩擦係数が        、０．３５以下
（２）同様にして摺動させたときの、摩耗量が、３×１０-4ｍｍ／回／面以下
（３）環状ディスクロータ及びステータの摺動面に平行な方向の圧縮強度が、１０ｋｇ        ／ｍｍ2 以上
であるものを知得した。
【０００７】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明に用いる炭素繊維は、ピッチ系の炭素繊維で公知のものが使用できるが、望ましくは、炭素繊維の引張弾性率が１０〜２５t/mm2 のものであり、不活性ガス雰囲気下で１６００〜２０００℃で焼成すると引張弾性率が５０t/mm2 以上に変換される性質を有するものであるとさらに望ましい。
【０００８】
用いられる炭素繊維の形態としては、複数の単繊維からなるトウ、ストランド、ロービング、ヤーン等の形態であり、これをカッティングすることにより得られる短繊維を用いることが好ましい。これら短繊維は、複数の単繊維の束から形成されており、本発明においては、通常０．３〜１００mm、好ましくは５〜５０ｍｍ程度の短繊維を使用する。Ｃ／Ｃ複合材とする際に該短繊維を開繊し、分散し、単繊維が２次元的にランダム配向した（２次元ランダム）シートを作製し、マトリックス物質を炭素繊維の間に充填させることが好ましい。
【０００９】
ここで、上記短繊維状炭素繊維を乾式開繊し、２次元ランダムシートを製造する具体的な製造方法としては、例えば、紡績において一般的な機械的に炭素繊維をモノフィラメント化し、シートを作製するランダムウェーバーを使用して製造したり、またはエアーにより開繊し、シートを製造する方法などがある。
【００１０】
また上記短繊維状炭素繊維を湿式開繊し、２次元ランダムシートを製造する方法としては、例えば、パルプ等の叩解処理に通常使用されているビーターや開繊処理に用いられるパルパーを使用し、溶媒中で短繊維状炭素繊維を開繊後、例えば底部にスクリーンを有する型枠等に少量ずつ供給したり、開繊後攪拌等の手段で均一に分散させ、金網等で抄紙後、乾燥させて作製させる方法が挙げられる。短繊維状の炭素繊維を均一に分散させる溶媒としては、好ましくは水、あるいはアセトン、炭素数１から５のアルコールアントラセン油等を用いることができるが、その他の有機溶媒を用いてもよい。又該溶媒中にフェノール樹脂、フラン樹脂あるいは、ピッチ等を分散もしくは溶解させておくと、炭素繊維同志が接着された状態となり、次工程での取扱をより容易とするので好ましい。更に、繊維素グリコール酸ナトリウム、ポリビニルアルコール、ヒドロキシセルロース等の増粘剤を溶媒中に加えておくと、その効果が更に増大するので好ましい。
【００１１】
２次元ランダムシートの目付（１ｍ2当たりの重量）としては、目的に応じて種々のものが取り得るが、取り扱い性、含浸性、均一性を考えると１０〜５００ｇ／ｍ2が最適である。
このようにして得られた２次元ランダムシートにフェノール樹脂、フラン樹脂、あるいは石油系、石炭系ピッチ等のマトリックスを含浸させた後に乾燥する。その際、マトリックスはアルコール、アセトン、アントラセン油等の溶媒に溶解して適正な粘度に調整したものを使用する。
【００１２】
次いで、この乾燥したシートを積層して目的に応じた金型に充填し、１００〜５００℃の温度範囲で加圧成形して、Ｖｆ（炭素繊維含有量）＝５〜６５％、好ましくは１０〜６５％、さらに好ましくは３５〜５０％程度の成形体を得る。その後、Ｎ2 ガスなどの不活性ガス雰囲気中で１〜２００℃／ｈｒの昇温速度で８００〜２２００℃まで、好ましくは１８００〜２２００℃まで昇温する１次焼成を経て、Ｃ／Ｃ複合材を得る。
【００１３】
上記の焼成したＣ／Ｃ複合材には多数の空隙があり、このままでは特性的に実用に供することができない。そこで、この空隙を低減するために本発明では、ＣＶＤによる緻密化処理を行い、次いでピッチ又は樹脂をマトリックスとして緻密化処理を行う。
【００１４】
ＣＶＤによる緻密化処理は、誘導加熱コイル又は抵抗加熱等により反応器内に載置した上記Ｃ／Ｃ複合材を加熱し、メタン又は、プロパンの様な炭化水素類あるいはハロゲン化炭化水素類の蒸気をＨ2 ガス、ＡｒガスあるいはＮ2 ガスと共に反応器内へ供給し生成する熱分解炭素で空隙に含浸し、緻密化する。
【００１５】
ピッチ又は樹脂による緻密化処理は、ＣＶＤによる緻密化処理後のＣ／Ｃ複合材を載置した槽を所定温度に加熱し、槽内を真空とした後に溶融したピッチ又は樹脂を供給し加圧することにより空隙に含浸する。この後、７００〜２１００℃好ましくは７００〜１０００℃の温度で焼成する。このピッチ又は樹脂の含浸及び焼成という緻密化処理を繰り返すことにより目的のＣ／Ｃ複合材の緻密化処理を行う。さらに必要に応じ、黒鉛化処理を行うことができる。
【００１６】
上記緻密化処理は、ＣＶＤによる緻密化処理によって体積が１０〜３５％好ましくは１０〜２５％増加するまで緻密化する。次いで、ピッチ又は樹脂の含浸及び焼成による緻密化処理により嵩密度が、通常１．６０〜１．８０、好ましくは１．６５〜１．７５になるまで緻密化される。
【００１７】
そして、緻密化処理後に最終熱処理を行う場合は、最終熱処理後の嵩密度が１．６０〜１．８０、好ましくは１．６５〜１．７５になるように緻密化される。該最終熱処理温度は、１４００〜２１００℃、好ましくは１５００〜１８００℃で行われる。
【００１８】
このようにして製造されたＣ／Ｃ複合材は、ロックウェル硬度計で測定した硬度が、７０〜１２５ＨＲＰ、好ましくは８５〜１２０ＨＲＰ、Ｖｆ（炭素繊維の体積含有率）としては１０〜５０％、好ましくは３０〜４５％である。
また、圧縮強度１０Kg／mm2 以上、好ましくは１２Kg／mm2 以上、熱伝導率３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、好ましくは３５Ｗ／ｍ・Ｋ以上、さらに好ましくは４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である。
このようにして製造されたＣ／Ｃ複合材を用いて、環状ディスクロータ及びステータを製造し、組み合わせて得られるブレーキ摺動部は、平均摩擦係数が０．１８〜０．２６、好ましくは０．１９〜０．２４、瞬時動摩擦係数が、０．３５以下摩耗量が３×１０-4mm／回／面、好ましくは２×１０-4mm／回／面以下であり、優れた性能を有するものである。
【００１９】
以下にＣ／Ｃ複合材の評価方法について説明する。
（ブレーキ性能試験）慣性式摩擦試験機を使用して、Ｃ／Ｃ複合材で形成された固定ディスク（ステータ）と回転ディスク（ロータ）からなる試験片（平均摺動面直径８３．５ｍｍ）をホルダーに固定し、互いに摺動させて摩擦試験を実施する（図１）。
試験条件は、ブレーキ圧力（摺動面圧力として）１５０ｐｓｉ、摺動面速度＝２２ｍ／ｓ（単位面積当たりの吸収エネルギーＥ＝2.0 ×１０3 Ｊ／cm2）で実施し、平均摩擦係数、ブレーキング初期（ブレーキ圧力が設定値に達する時間まで）の瞬時摩擦係数、摩耗量を測定する。
（強度）ＪＩＳ−Ｋ７２０８に準拠して測定した。
（熱伝導率）ＪＩＳ−Ｒ１６１１に準拠して、レーザーフラッシュ法を用いて測定した。
【００２０】
【実施例】
以下、本発明を、実施例を用いて、より詳細に説明するが、本発明はその要旨を越えない限り、実施例に限定されるものではない。
【００２１】
（実施例１）
３０mm長に切断したピッチ系炭素繊維（三菱化学製「ダイアリード」Ｋ３２１）を乾式開繊し、２次元ランダムに配向した３００ｇ／m2の炭素繊維シートを得た。このシートへエタノールで希釈したフェノール樹脂を含浸させた後、乾燥して、目付量５８０ｇ／m2のフェノール樹脂を含浸したシートを作製した。このシートを金型内へ積層し、２８０℃にて加圧成形し、Ｖｆ≒４２％の成形体を得た。この成形体を２０００℃で１次焼成した後、前述のＣＶＤによる緻密化処理（ＣＶＤ体積％≒１７％）を行い、続いて樹脂を含浸して、不活性雰囲気で１０００℃で焼成して炭化する緻密化工程を複数回繰り返し、１６００℃の最終熱処理を行って、嵩密度≒１．７０、Ｖｆ≒４０％、ロックウェル硬度９３〜１０４ＨＲＰのＣ／Ｃ複合材からなる環状ディスクロータ及びステータを得た。得られた環状ディスクロータ及びステータを組み合わせて、ブレーキ摺動部を製造した。
【００２２】
このブレーキ摺動部の性能試験を行ったところ、平均摩擦係数０．２０：瞬時摩擦係数０．３１、摩耗量１．０×１０-4mm／回／面、熱伝導率４４Ｗ／ｍ・Ｋ、圧縮強度１３．４kg／m2 の結果を得た。
【００２３】
（比較例１）
実施例１と同様の成形体を同条件で１次焼成した後、ピッチのみで緻密化処理を行い実施例１と同条件で最終熱処理し、嵩密度≒１．７２、Ｖｆ≒４０％、ロックウェル硬度１００〜１１０ＨＲＰのＣ／Ｃ複合材を得、ブレーキ摺動部を製造した。
【００２４】
このブレーキ摺動部の性能試験を行ったところ、平均摩擦係数０．２５、瞬時摩擦係数０．３９、摩耗量３．３×１０-4mm／回／面、熱伝導率６０Ｗ／ｍ・Ｋ、圧縮強度１７．７kg／mm2 と、実施例１に比べ、圧縮強度及び熱伝導率は向上しているものの、摩擦・摩耗特性が大きく劣る結果となった。
【００２５】
（比較例２）
ＰＡＮ系炭素繊維（東レ製「トレカ」Ｔ３００）にフェノール樹脂を含浸した後に乾  燥し３０mm長に切断したトウプリプレグを作製し、金型内へ充填し、２８０℃にて加圧成形し、Ｖｆ≒４０％の成形体を得た。この成形体を２０００℃で１次焼成した後、前述のＣＶＤによる緻密化処理（ＣＶＤ体積％≒２０％）を行い、続いてピッチを含浸して、不活性雰囲気で１０００℃で焼成して炭化する緻密化工程を複数回繰り返し、１６００℃の最終熱処理を行って、嵩密度≒１．６８、Ｖｆ≒４０％、ロックウェル硬度１００〜１１０ＨＲＰのＣ／Ｃ複合材を得、ブレーキ摺動部を製造した。
【００２６】
このブレーキ摺動部の性能試験を行ったところ、実施例１とＶｆも硬度も同等であったが、平均摩擦係数０．２２、瞬時摩擦係数０．３７、摩耗量６．８×１０-4mm／回／面、熱伝導率２０  Ｗ／ｍ・Ｋ、圧縮強度９．８kg／mm2 と、実施例１に比べ、大きく劣る結果となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に用いたブレーキ材の試験方法の説明図。
【符号の説明】
１  ロータディスク
２  ステータディスク
【図１】
0004014237.tif 000002