(57)【要約】【課題】亀裂や破損を回避して、長寿命であるディスクブレーキ用の摩擦材を提供すること。【解決手段】５０重量部以上３００重量部以下の炭素繊維と、８０重量部以上６００重量部以下のチタン酸アルミニウム系セラミックス焼結粉体と、１００重量部の樹脂とを含有する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
５０重量部以上３００重量部以下の炭素繊維と、８０重量部以上６００重量部以下のチタン酸アルミニウム系セラミックス焼結粉体と、１００重量部の樹脂とを含有する摩擦材。
【請求項２】
さらに、２重量部以上５０重量部以下の黒鉛粉末及び／又はコークスを含有する請求項１に記載の摩擦材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は摩擦材に関し、特に、ディスクブレーキ用として好適の摩擦材に関する。ディスクブレーキは、車輪と一緒に回転するブレーキローターを両側からブレーキキャリパーに組み込まれたブレーキパッドで押さえ付けることで摩擦力を発生し、運動エネルギーを熱エネルギーに変換して制動する仕組みである。ブレーキパッドで押さえ付ける力を伝達する構造は、自動車用では主にパスカルの原理を用いてマスターシリンダーからの入力でピストンを動作させる液圧式が大半で、鉄道車両では空気圧によってブレーキパッドを押し付ける空気式が多い。このディスクブレーキは、自転車、自動車、車両（特殊車両を含む）、鉄道車両、新幹線・高速鉄道車、リニアモーターカー、宇宙航空機、飛行物体、高層ビルエレベーター（エレベーター用は、ヒンジ形状を使用することが多い）、風力発電、工作機械などに利用されている。このディスクブレーキ用の摩擦材としては、有機物、無機物及びその複合材、金属系等を挙げることができる。
【背景技術】
【０００２】
カーボンセラミック製のディスクブレーキとして各種のものが存在しているが、そのほとんどは、セラミック系材料としてのＳｉＣと炭素との複合材料からなるものを使用している。これらは、炭素繊維とフェノール樹脂のような熱硬化性で残炭率が高い樹脂とを、不活性雰囲気中において１０００℃前後で焼成して、炭素繊維と炭素との複合材（Ｃ/Ｃ複合材：Ｃａｒｂｏｎ/Ｃａｒｂｏｎ複合材）とした後、珪素を１７００℃前後で溶融含浸し、珪素と炭素を反応させてＳｉＣとしたものであり、最終的に炭素繊維、樹脂由来の炭素、ＳｉＣおよびＳｉからなる。
【０００３】
ＳｉＣおよびＳｉの部分はブレーキをかける等の外部からの衝撃を受けるとマイクロクラックが生じることがある。外部からの衝撃の繰り返しによりこのマイクロクラックは長大化し、炭素繊維との界面に沿って伝搬して最終的にはディスクの破壊に至り、寿命が短くなるという問題を抱えている。Ｃ/Ｃ複合材の積層面に平行方向の線膨張率は０．２〜１．１×１０−６／Ｋ、Ｃ／Ｃ複合材の積層面に垂直方向の線膨張率は５〜１２×１０−６／Ｋ、ＳｉＣの線膨張率は４〜５×１０−６／Ｋ、Ｓｉの線膨張率は２．４〜３．５×１０−６／Ｋ程度と各構成材の線膨張率に差があり、ブレーキをかけたときのローターとパッドとの摩擦熱等で、マイクロクラックの成長、伝搬は加速される。（非特許文献１〜５参照）
さらにローターとパッドとのあいだでチャタリング現象を起こすと、局部的に過熱される部分と低温部ができ、サーマルショック状態が発生するため、マイクロクラックの成長、伝搬は加速され、ディスクの亀裂や破損が起きやすい。また、ＳｉＣ系の材料は水、雪および融雪剤との親和性がよく、水分の吸収による膨潤に起因する亀裂や破損が生じ易く、寿命が短くなる。
【０００４】
また、カーボンセラミックス複合材の耐熱性はよいが、水分が吸収されるとハイドロカーボンができてボイドができることがあり、ブレーキをかけたときのローターとパッドとの摩擦熱等で、膨潤して亀裂や破損が生じ易い。（非特許文献６参照）
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】平成２０年度〜平成２３年度成果報告書  ナノテク・先端部材実用化研究開発「新幹線用ハイブリッドセラミックスディスクブレーキ部材開発」（１）、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、委託先コバレントマテリアル株式会社
【非特許文献２】平成２０年度〜平成２３年度成果報告書  ナノテク・先端部材実用化研究開発「新幹線用ハイブリッドセラミックスディスクブレーキ部材開発」（２）独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、委託先独立行政法人宇宙航空研究開発機構
【非特許文献３】平成２０年度〜平成２３年度成果報告書  ナノテク・先端部材実用化研究開発「新幹線用ハイブリッドセラミックスディスクブレーキ部材開発」（３）独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、委託先  独立行政法人物質・材料研究機構
【非特許文献４】平成２０年度〜平成２３年度成果報告書  ナノテク・先端部材実用化研究開発「新幹線用ハイブリッドセラミックスディスクブレーキ部材開発」（４）独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、委託先  国立大学法人東京大学
【非特許文献５】平成２０年度〜平成２３年度成果報告書  ナノテク・先端部材実用化研究開発「新幹線用ハイブリッドセラミックスディスクブレーキ部材開発」（５）独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、委託先  国立大学法人東京大学
【非特許文献６】「高速新幹線用Ｃ／Ｃ複合材ディスクブレーキの開発」三菱重工技報  Vol.34 No.6(1997-11)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のディスクブレーキの作動時においては摩擦熱が発生し、ローターとパッドの接圧箇所は部分的に急激に高温になる。特に、Ｆ−１等の超高速走行時において停止すると、超高温になる。超高温である時間の長さ、累積停止回数および走行状態から停止に至るまでの合計時間、すなわち、ブレーキの使用頻度によってディスクブレーキの寿命が決定される。ところが、従来から使用されているＳｉＣ系のディスクブレーキでは、十分に長い寿命を確保することができなかった。
【０００７】
本発明者は、長年の研究の結果、ディスクブレーキの亀裂や破損の主たる原因は、セラミックス材の衝撃に対する脆弱性、ＳｉＣ、Ｓｉおよび炭素材の線膨張係数の差、ローターとパッドの接圧箇所と非接圧箇所との温度差によるスポーリング、融雪剤（ＣａＣｌ２）による熱化学反応および水、雪等の水分の吸収によりディスクブレーキがブレーキ摩擦熱で膨潤することによるものであると考えた。
【０００８】
本発明は、このような従来のディスクブレーキの有する課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、亀裂や破損を回避して、長寿命であるディスクブレーキ用の摩擦材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は上記課題を解決するために、以下の構成より成る。ディスクブレーキは、主たる構成要素として、ブレーキキャリパーと、ブレーキパッドと、ブレーキローターとを備え、本発明の摩擦材はこれらディスクブレーキの材料として好適であり、炭素繊維と、チタン酸アルミニウム系セラミックス焼結粉体と、樹脂とを含有する。
【００１０】
炭素繊維としては、ナノカーボンファイバー、チョップドカーボンファイバー（ＰＡＮ系、ピッチ系）を挙げることができ、特に、チョップドカーボンファイバーが好ましい。
【００１１】
炭素繊維は、樹脂１００重量部に対して、５０重量部以上３００重量部以下含有することが好ましい。炭素繊維の量が５０重量部より少ない場合は、本発明の摩擦材をディスクブレーキの材料として用いた場合、ディスクブレーキの強度が低くなる。一方、炭素繊維の量が３００重量部より多い場合は、本発明の摩擦材をディスクブレーキの材料として用いた場合、ディスクブレーキへの成形が困難になる。この点で、炭素繊維は、高分子樹脂１００重量部に対して、８０重量部以上２５０重量部以下含有することがより好ましい。
【００１２】
チタン酸アルミニウム系セラミックス焼結粉体は、樹脂１００重量部に対して、８０重量部以上６００重量部以下含有することが好ましい。チタン酸アルミニウム系セラミックス焼結粉体の量が８０重量部より少ない場合は、本発明の摩擦材をディスクブレーキの材料として用いた場合、ディスクブレーキの耐酸化性が低くなり短寿命となる。一方、チタン酸アルミニウム系セラミックス焼結粉体の量が６００重量部より多い場合は、本発明の摩擦材をディスクブレーキの材料として用いた場合、ディスクブレーキへの成形が困難になる。この点で、チタン酸アルミニウム系セラミックス焼結粉体は、樹脂１００重量部に対して、１００重量部以上４００重量部以下含有することがより好ましい。
【００１３】
黒鉛粉末及び／又はコークス粉末は、潤滑性能を向上する必要がある場合に添加することができるが、樹脂１００重量部に対して、２重量部以上５０重量部以下含有することが好ましい。黒鉛粉末及び／又はコークス粉末の量が２重量部より少ない場合は、本発明の摩擦材をディスクブレーキの材料として用いた場合、潤滑性能の向上効果が期待できない。一方、黒鉛粉末及び／又はコークス粉末の量が５０重量部より多い場合は、本発明の摩擦材をディスクブレーキの材料として用いた場合、ディスクブレーキへの成形が困難になる。この点で、黒鉛粉末及び／又はコークス粉末の量は、樹脂１００重量部に対して、５重量部以上３５重量部以下含有することがより好ましい。
【００１４】
本発明の摩擦材は、５０重量部以上３００重量部以下の炭素繊維と、８０重量部以上６００重量部以下のチタン酸アルミニウム系セラミックス焼結粉体と、１００重量部の樹脂を含有し、さらに必要に応じて２重量部以上５０重量部以下の黒鉛粉末及び／又はコークス粉末とを含有する。
【００１５】
本発明の摩擦材は、必要に応じて、研削材として金属酸化物や金属炭化物等を含有することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の摩擦材は、炭素繊維とチタン酸アルミニウム系セラミックス焼結粉体とを適量含有しているので、摩耗しにくく、亀裂や破損が発生しにくい。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は高速摩擦試験の方法を示す模式図である。
【図２】図２は高速摩擦試験で使用したディスクに対するブロック試験片の押し付け位置を示す図である。
【図３】図３は実施例２の摩擦速度４２．２ｍ／秒における摩擦試験での摩擦係数とディスクの温度とブロック試験片の温度の変化を示す図である。
【図４】図４は比較例２の摩擦速度４２．２ｍ／秒における摩擦試験での摩擦係数とディスクの温度とブロック試験片の温度の変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明を実施するための形態は以下のとおりである。
《本発明の摩擦材の成形態様１》
適量の炭素繊維と、適量のチタン酸アルミニウム系セラミックス焼結粉体と、適量の樹脂と、必要に応じて適量の黒鉛粉末及び／又はコークス粉末とを乾式で混合し、この混合物を金型に投入してホットプレス加工を行って成形体を得、次いで、この成形体を非酸化性雰囲気中にて焼成し、セラミックス含有Ｃ/Ｃ複合材を得る。
【００１９】
《本発明の摩擦材の成形態様２》
適量の炭素繊維に適量のバインダーを加えて不織布を得、さらに、適量のチタン酸アルミニウム系セラミックス焼結粉体と適量の樹脂と必要に応じて適量の黒鉛粉末及び／又はコークス粉末とを分散させたスラリーを得、このスラリーを上記不織布に塗布して加熱および乾燥するか又は上記スラリーに上記不織布を含浸させて加熱および乾燥させてプリプレグシートを得、複数枚のプリプレグシートを積層してホットプレス加工を行って成形体を得、次いで、この成形体を非酸化性雰囲気中にて焼成し、セラミックス含有Ｃ/Ｃ複合材を得る。
【００２０】
《本発明の摩擦材の成形態様３》
適量の炭素繊維と、適量のチタン酸アルミニウム系セラミックス焼結粉体と、適量の樹脂と、必要に応じて適量の黒鉛粉末及び／又はコークス粉末とを分散剤を用いて水中に希薄濃度で分散させた後に抄造してシート状物を得、このシート状物を乾燥し、乾燥後の複数枚のシート状物を積層してホットプレス加工を行って成形体を得、次いで、この成形体を非酸化性雰囲気中にて焼成し、セラミックス含有Ｃ/Ｃ複合材を得る。
【００２１】
《チタン酸アルミニウム系セラミックス焼結粉体》
チタン酸アルミニウム系セラミックスは、Ｔｉ含有材料、Ａｌ含有材料、Ｌｉ含有材料およびＭｇ含有材料を含む。
【００２２】
〈Ｔｉ含有材料〉
本発明に用いられるＴｉ含有材料は、チタンを含有し、好ましくは酸化チタンの粉末である。酸化チタンとしては、アナターゼ型および／又はルチル型の酸化チタンを使用することができる。具体的には、塩素法によって製造されるルチル型の酸化チタンおよび硫酸法によって製造されるアナターゼ型の酸化チタンを使用することができる。さらに、Ｔｉ含有材料として、空気中で焼成されることにより酸化チタンに変化する材料を用いることもできる。このような材料として、チタニウム塩、チタニウムアルコキシド、水酸化チタニウム、窒化チタン、硫化チタン、金属チタンを挙げることができる。
【００２３】
〈Ａｌ含有材料〉
本発明に用いられるＡｌ含有材料は、アルミニウムを含有し、好ましくはアルミナ（酸化アルミニウム）の粉末である。アルミナの結晶型としては、γ型、δ型、θ型、α型等が挙げられ、アモルファスであってもよい。α型のアルミナが好ましく用いられる。さらに、Ａｌ含有材料として、アルミニウム塩、アルミニウムアルコキシド、水酸化アルミニウム、金属アルミニウムを挙げることができる。Ｔｉ含有材料として、アナターゼ型および／又はルチル型の酸化チタンを用い、Ａｌ含有材料として易焼結アルミナα型を用いると、両成分の反応性が良好であり、短時間に高収率でチタン酸アルミニウムを生成することができる。
【００２４】
Ｔｉ含有材料とＡｌ含有材料との配合比率は、２５〜７５重量部のＴｉ含有材料に対して、７５〜２５重量部のＡｌ含有材料を配合することが好ましい。３０〜７０重量部のＴｉ含有材料に対して、７０〜３０重量部のＡｌ含有材料を配合することがより好ましい。４０〜６０重量部のＴｉ含有材料に対して、６０〜４０重量部のＡｌ含有材料を配合することがさらに好ましい。Ｔｉ含有材料の重量は酸化チタン（ＴｉＯ２）に換算した重量であり、Ａｌ含有材料の重量はアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）に換算した重量である。酸化チタン以外のＴｉ含有材料を使用する場合、そのＴｉ含有材料と同じ量のＴｉを含む酸化チタンの重量をＴｉ含有材料の重量とし、アルミナ以外のＡｌ含有材料を使用する場合、そのＡｌ含有材料と同じ量のＡｌを含むアルミナの重量をＡｌ含有材料の重量とする。
Ｔｉ含有材料が２５重量部未満であると（Ａｌ含有材料が７５重量部超であると）、機械的強度は高くなるが、線膨張係数も増加する。Ｔｉ含有材料が７５重量部超であると（Ａｌ含有材料が２５重量部未満であると）、機械的強度は低下し、熱安定性が劣化する。
【００２５】
〈Ｌｉ含有材料〉
本発明に用いられるＬｉ含有材料としては、ペタライト、スポジューメン、炭酸リチウム、および酸化リチウムなどを挙げることができ、ＬｉおよびＡｌを含有することが好ましく、Ｌｉ、ＡｌおよびＳｉを含有すること（ＬｉおよびＡｌを含有する珪酸塩）がより好ましい。珪酸塩の形態のＬｉ含有材料を用いる場合、焼成によってチタン酸アルミニウム系焼成体が形成される際に、Ｌｉ含有材料中のＳｉの一部が結晶格子に固溶してＡｌと置換する。ＳｉはＡｌよりイオン半径が小さいために、周囲の酸素原子との距離が短くなり、格子定数（軸長）は純粋なチタン酸アルミニウムと比べて小さくなる。その結果、得られる焼結体は結晶構造が安定化して機械的強度が向上するとともに熱安定性も向上する。
【００２６】
Ｌｉ含有材料は、Ｔｉ含有材料およびＡｌ含有材料の合計を１００重量部とすると、１〜１０重量部であるのが好ましく、３〜６重量部であるのがより好ましく、４〜５重量部であるのが最も好ましい。Ｌｉ含有材料を、Ｔｉ含有材料およびＡｌ含有材料の合計１００重量部に対して１〜１０重量部とすることにより、線膨張係数を十分に小さくし、熱による体積変化がより小さいチタン酸アルミニウム系焼結体を得ることができる。Ｔｉ含有材料およびＡｌ含有材料の合計１００重量部に対してＬｉ含有材料が１重量部未満であると、チタン酸アルミニウム系焼結体の線膨張係数を十分に低減できない。一方、Ｔｉ含有材料およびＡｌ含有材料の合計１００重量部に対してＬｉ含有材料が１０重量部超であると、チタン酸アルミニウム系焼結体の耐熱性や機械的強度が低下する。Ｌｉ含有材料の重量はペタライト（Ｌｉ（ＡｌＳｉ４Ｏ１０））に換算した重量である。Ｌｉ含有材料としてペタライト以外のＬｉ含有材料を使用する場合は、そのＬｉ含有材料と同じ量のＬｉを含むペタライトの重量をＬｉ含有材料の重量とする。なお、Ｌｉ含有材料として、ペタライトのように、その成分中にＬｉおよびＡｌを含むＬｉ含有材料を用いる場合、そのＬｉ含有材料はＬｉ含有材料であるともにＡｌ含有材料でもある。すなわち、ペタライトはＬｉ含有材料であるともにＡｌ含有材料でもあり、ペタライトにはペタライト中のＡｌの量と同じ量のＡｌを含むアルミナ（Ａｌ含有材料）が含まれているとする。
【００２７】
<Ｍｇ含有材料>
本発明に用いられるＭｇ含有材料としては、マグネシウムを含有し、例えば、酸化マグネシウムである。この他、マグネシウム塩、マグネシウムアルコキシド、水酸化マグネシウム、窒化マグネシウム、金属マグネシウムなど、空気中で焼成することにより酸化マグネシウムに変化する物質も本発明においてＭｇ含有材料として用いることができる。Ｍｇ含有材料の重量は酸化マグネシウム（ＭｇＯ）に換算した重量である。Ｍｇ含有材料として、スピネル型構造を有する酸化物（ＭｇＡｌ２Ｏ４）も用いることができる。Ｍｇ含有材料として、スピネル型構造を有する酸化物のように、その成分中にＭｇおよびＡｌを含むＭｇ含有材料を用いる場合、そのＭｇ含有材料はＭｇ含有材料であるともにＡｌ含有材料でもある。すなわち、酸化マグネシウムスピネルはＭｇ含有材料であるともにＡｌ含有材料でもあり、酸化マグネシウムスピネルには酸化マグネシウムスピネル中のＡｌの量と同じ量のＡｌを含むアルミナ（Ａｌ含有材料）が含まれているとする。また、Ｍｇ含有材料として、その成分中にＭｇおよびＴｉを含むＭｇ含有材料を用いる場合、そのＭｇ含有材料はＭｇ含有材料であるともにＴｉ含有材料でもある。すなわち、そのＭｇ含有材料にはＭｇ含有材料中のＭｇの量と同じ量の酸化マグネシウムが含まれているとともに、Ｍｇ含有材料中のＴｉの量と同じ量のＴｉを含む酸化チタンが含まれているとする。
【００２８】
好ましいＭｇ含有材料は、スピネル型構造を有する酸化物、ＭｇＣＯ３およびＭｇＯである。スピネル型構造を有する酸化物としては、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＭｇＴｉ２Ｏ４等を挙げることができる。このようなスピネル型構造を有する酸化物は天然鉱物でもよく、ＭｇＯとＡｌ２Ｏ３を含む原料またはＭｇＯと酸化チタンを含む原料を焼成することによって得ることもできる。
【００２９】
Ｍｇ含有材料は、Ｔｉ含有材料およびＡｌ含有材料の合計を１００重量部とすると、１〜１０重量部であるのが好ましく、３〜８重量部であるのがより好ましい。Ｍｇ含有材料を、Ｔｉ含有材料およびＡｌ含有材料の合計１００重量部に対して１〜１０重量部とすることにより、線膨張係数を十分に小さくし、熱による体積変化がより小さいチタン酸アルミニウム系焼結体を得ることができる。Ｔｉ含有材料およびＡｌ含有材料の合計１００重量部に対してＭｇ含有材料が１重量部未満であると、チタン酸アルミニウム系焼結体の耐熱性や機械的強度が低下する。一方、Ｔｉ含有材料およびＡｌ含有材料の合計１００重量部に対してＭｇ含有材料が１０重量部超であると、チタン酸アルミニウム系焼結体の機械的強度が低下したり、熱膨張性が低下し、高熱によって分解することがある。Ｍｇ含有材料の重量は酸化マグネシウム（ＭｇＯ）に換算した重量である。
【００３０】
Ｔｉ含有材料、Ａｌ含有材料、Ｌｉ含有材料およびＭｇ含有材料としては、アルミナセラミックス、チタニアセラミックス、酸化マグネシウムセラミックス、チタン酸アルミニウム系焼結体、チタン酸マグネシウムセラミックス、スピネルセラミックス、チタン酸アルミニウムマグネシウムセラミックス等の各種セラミックス原料として用いられているもののうちから適宜選択することができる。
【００３１】
Ｔｉ含有材料、Ａｌ含有材料、Ｌｉ含有材料およびＭｇ含有材料として好ましい原料としては、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＬｉＯ、ＭｇＯ等の酸化物、ＭｇＡｌ２Ｏ４、Ａｌ２ＴｉＯ５、ＭｇとＴｉを含むスピネル型構造等の２種類以上の金属成分を含む複合酸化物、Ａｌ、ＴｉおよびＭｇからなる群から選ばれる１種類または２種類以上の金属成分を含む化合物（炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩等）を挙げることができる。
【００３２】
必要に応じて、Ｔｉ含有材料、Ａｌ含有材料、Ｌｉ含有材料およびＭｇ含有材料以外の無機材料を添加剤として用いることができる。例えば、そのような無機材料として、ＳｉＯ２、酸化鉄、ジルコニア、ジルコン、イットリア、ストロンチウム、ＳｉＣ、長石、硫酸バリウム等を挙げることができる。これらの無機材料の１種類または２種類以上を、Ｔｉ含有材料、Ａｌ含有材料、Ｌｉ含有材料およびＭｇ含有材料の合計１００重量部に対して、１５重量部以下添加することができ、１〜１５重量部が好ましく、４〜１０重量部がより好ましく、３〜６重量部が最も好ましい。
【００３３】
Ｔｉ含有材料、Ａｌ含有材料、Ｌｉ含有材料およびＭｇ含有材料を混合することにより、原料混合物を得ることができる。Ｔｉ含有材料、Ａｌ含有材料、Ｌｉ含有材料およびＭｇ含有材料の各原料粉末を十分に混合し、必要に応じて焼成後、適当な粒径に粉砕することができる。粉砕手段は限定されるものでなく、例えば、ボールミル、媒体撹拌ミルなどを用いることができる。
【００３４】
Ｔｉ含有材料、Ａｌ含有材料、Ｌｉ含有材料およびＭｇ含有材料を混合することにより得られる原料混合物はそのまま焼成することもできるが、適当な成形体の形状に成形してから焼成することが好ましい。成形時には、原料混合物に対して成形助剤を配合することができる。成形助剤としては、結合剤、離型剤、消泡剤、および解膠剤等を用いることができる。結合剤としては、ポリビニルアルコール、マイクロワックスエマルジョン、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース等を挙げることができる。離型剤としては、ステアリン酸エマルジョンを挙げることができ、消泡剤としては、ｎ−オクチルアルコール、オクチルフェノキシエタノール等を挙げることができ、解膠剤としては、ジエチルアミン、トリエチルアミン等を挙げることができる。
【００３５】
原料混合物を成形するときの成形助剤の使用量は限定されないが、Ｔｉ含有材料、Ａｌ含有材料、Ｌｉ含有材料およびＭｇ含有材料を上記のように酸化物として換算したときの合計１００重量部に対して、いずれの成形助剤も固形物換算で、以下の範囲とするのが好ましい。
【００３６】
すなわち、原料混合物を成形するとき、段落００３５に記載した原料合計１００重量部に対して、結合剤を０．２〜０．６重量部、離型剤を０．２〜０．７重量部、消泡剤を０．５〜１．５重量部、解膠剤を０．５〜１．５重量部配合する。
【００３７】
原料混合物の成形方法としては、例えば、プレス成形、シート成形、鋳込み成形、押し出し成形、射出成形、ＣＩＰ成形（冷間等方圧加圧成形）、ＨＩＰ成形（熱間等方圧加圧成形）、３次元成形等の公知の成形方法を採用することができる。
【００３８】
原料混合物の焼成または原料混合物の成形体の焼成によりチタン酸アルミニウム系セラミックス焼結粉体を得るための焼成手段としては、管状電気炉、箱型電気炉、トンネル炉、遠赤外線炉、マイクロ波加熱炉、シャフト炉、反射炉、ロータリー炉、ローラーハース炉等の公知の焼成設備を使用することができる。焼成は回分式でもよく、連続式でもよい。また、静置式焼成でもよく、流動式焼成でもよい。
【００３９】
チタン酸アルミニウム系セラミックス焼結粉体を得るための原料混合物または原料混合物の成形体の焼成時の雰囲気は、大気中が好ましい。
【００４０】
チタン酸アルミニウム系セラミックス焼結粉体を得るための原料混合物または原料混合物の成形体の焼成温度は、１０００〜１７５０℃であり、１２００〜１６００℃が好ましい。焼成時間に限定はなく、成形体の形状に応じて、十分に焼結が進行するまで焼成すればよく、通常は、上記温度範囲において１〜１０時間焼成すればよい。焼成の際の昇温速度および降温速度についても限定はなく、焼結体に亀裂が入らないような条件であればよい。
【００４１】
チタン酸アルミニウム系セラミックス焼結粉体を得るための原料混合物または原料混合物の成形体に含まれる水分、結合剤などの成形助剤を十分に除去するためには、急激に昇温することなく、徐々に昇温することが好ましい。また、原料混合物の成形体を上記焼成温度に加熱する前に、必要に応じて、７００〜１０００℃の温度範囲において１０〜３０時間かけて緩やかに昇温して仮焼結を行うことによって、チタン酸アルミニウム系セラミックス焼結体が形成される際における亀裂発生の原因となる焼結体内における残留応力を抑制することができる。
【００４２】
上記のようにして得られるチタン酸アルミニウム系セラミックス焼結粉体は、化学式として、Ｔｉ−Ａｌ−Ｌｉ−Ｍｇ−Ｏ系またはＴｉ−Ａｌ−Ｌｉ−Ｍｇ−Ｓｉ−Ｏ系と表すことができる。本発明のチタン酸アルミニウム系セラミックス焼結粉体は、Ｔｉ含有材料、Ａｌ含有材料、Ｌｉ含有材料およびＭｇ含有材料として天然物を含有することがある。従って、不可避的に不純物を含むことになる。それゆえ、本発明のチタン酸アルミニウム系セラミックス焼結粉体を正確な化学式で表すことは困難である。なお、Ｔｉ含有材料として酸化チタンを用い、Ａｌ含有材料としてアルミナを用い、Ｌｉ含有材料としてペタライトを用い、Ｍｇ含有材料として酸化マグネシウムを用いた場合には、チタン酸アルミニウム系焼結体を、（Ａｌ２Ｏ３）ａ（ＴｉＯ２）ｂ（ＭｇＯ）ｃ（Ｌｉ（ＡｌＳｉ４Ｏ１０））ｄで表すことができる。ここで、ａ、ｂ、ｃ、ｄの値はそれぞれの材料の使用量によって定められる。
【００４３】
本発明で使用するチタン酸アルミニウム系セラミックスは超耐熱性であり、超低膨張であるのが好ましく、チタン酸アルミニウム系セラミックスの溶解最高温度は２０００℃であり、−４０℃〜１３５０℃における線膨張係数は、−０．３×１０−６／Ｋ〜−１×１０−６／Ｋであることが好ましい。
【００４４】
《炭素繊維》
炭素繊維の種類は限定されない。ピッチ系炭素繊維またはＰＡＮ系炭素繊維が好ましい。炭素繊維は表面処理されているものであってもよく、表面処理されていないものであってもよい。炭素繊維の長さは限定されないが、チョップドファイバーで，繊維長は３〜２５ｍｍであることが望ましい。
【００４５】
《黒鉛粉末》
黒鉛は、炭素からなる六方晶系の六角板状結晶であり、亀の甲状の層状物質で、層毎の面内は強い共有結合で炭素間がつながっているが、層と層のあいだ（面間）は弱いファンデルワールス力で結合している物質であり、天然黒鉛と人造黒鉛が知られている。本発明の摩擦材はこの黒鉛粉末を含有することができる。使用する黒鉛粉末は、天然黒鉛でも人造黒鉛でも構わないが、鱗片状のものよりアスペクト比が1に近い球形状または円形状のものが好ましく、潤滑性能を向上する必要がある場合に使用することができる。
【００４６】
《コークス粉末》
コークスとしては、石炭を１３００℃程度で乾留して成る製鉄用コークス、石油あるいは石炭系タールやピッチを４００〜５００℃で熱分解して得るディレートコークス、およびディレートコークスを１３００℃程度でか焼したカルサインコークス等がある。製鉄用コークスは石炭をそのまま乾留しているため不純物が多く好ましくない。ディレートコークスは５００℃以上の熱処理で熱分解を起こし、最終処理温度により硬度が変動するが、樹脂の焼成物の増量剤とすることができる。カルサインコークスは、機械的に所望の粒度に粉砕して使用すれば、潤滑性能を向上する必要がある場合に使用することができる。
【００４７】
《樹脂》
本発明に用いる樹脂としては熱硬化性樹脂が好適に用いられる。熱硬化性樹脂としは、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、フラン樹脂、ビスマレイミド樹脂、トリアジン樹脂、ミスマレイミドトリアジン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂等が挙げられるが、中でも焼成により熱分解を伴いながら炭化されていくので、残炭率の高いフェノール樹脂やポリイミド樹脂、フラン樹脂が好適であり、入手の容易さや樹脂価格を考慮するとフェノール樹脂が特に好ましい。
【００４８】
《セラミックス含有Ｃ／Ｃ複合材の焼成》
本発明の摩擦材の成形態様に従って得た成形体を焼成するが、必要であれば、焼成前に、成形体を大気中にて熱風循環炉を用い２００〜３５０℃程度で０．５〜３時間程度のアフタキュアを行う。この熱処理条件は、樹脂の特性に合わせて適宜選択すれば良い。焼成は、窒素、アルゴン、水素、炭酸ガス等の非酸化性雰囲気にて行うが、中でも窒素気流中で樹脂が加熱昇温により熱分解して発生する炭化水素、水、アンモニアその他のガスを系外に排出しながら公知の焼成設備で焼成するのが好ましい。焼成条件は、室温から徐々に昇温し、５００〜１７００℃で数時間保持するのが好ましく、７００〜１５００℃で数時間保持するのがより好ましい。
【実施例】
【００４９】
次に、実施例に基づき本発明を具体的に説明する。ただし、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。本発明の技術的範囲を逸脱しない範囲において、様々な変形や修正が可能である。
【００５０】
［実施例１］
酸化チタン（堺化学(株)製の商品名「Ａ−１１０」）４４重量部と、易焼結アルミナ（住友化学工業（株）製の商品名「ＡＥＳ−１１」）５６重量部と、福島長石４重量部と、解膠剤としてジエタノールアミン１．５重量部と、有機バインダーとしてポリビニルアルコール０．１重量部と、消泡剤としてポリプロピレングリコール０．５重量部と、適量の水とを混合して、スラリーを得た。このスラリーを乾燥してクリンカーを得た。このクリンカーをボールミルにて２４時間かけて粉砕し、篩目が８０〜１００μｍの篩を用いて分級し、平均粒径が９０μｍのチタン酸アルミニウム系セラミックス粉体を得た。得られたチタン酸アルミニウム系セラミックス粉体を大気中にて最高温度１３７０℃で３時間保持して焼成した後、室温まで放冷してチタン酸アルミニウム系焼結クリンカーを得た。このクリンカーをボールミルにて粉砕後、篩にかけることで平均粒径が１．５３μｍのチタン酸アルミニウム系セラミックス焼結粉体を得た。
【００５１】
上記のようにして得た平均粒径が１．５３μｍのチタン酸アルミニウム系セラミックス焼結粉体３０重量部と、レゾールタイプ液状フェノール樹脂（群栄化学工業株式会社製の商品名「フェノライト５０１０」、不揮発分５８％のエチルアルコール溶液）の不揮発分換算で１０重量部とを混合してスラリーを作成した。
【００５２】
長さ１０ｍｍのチョップドカーボンファイバー（ＰＡＮ系、東邦テナックス株式会社製）に適量のアクリル樹脂をバインダーとして用い、厚さ約０．８ｍｍ、目付量１００ｇ／ｍ２の不織布を作成した。
【００５３】
上記のスラリーにこの不織布を含浸させて、加熱および乾燥してプリプレグシートを得た。観察すると不織布の内部まで均一にチタン酸アルミニウム系セラミックス焼結粉体が拡散分布しているのが確認された。また、このプリプレグシートは、チョップドカーボンファイバーとチタン酸アルミニウム系セラミックス焼結粉体とフェノール樹脂の重量比は、１対３対１である。
【００５４】
上記プリプレグシートを平面視で１５０ｍｍ×１６５ｍｍの大きさに切り出して６０枚積層して、２．５ＭＰａの圧力および１６０℃の温度で１時間ホットプレス成形することにより成形体を得た。成形体の厚さは１８ｍｍ、密度は１．７０ｇ/ｃｍ３であった。
【００５５】
上記成形体に対して、大気中、熱風循環炉にて３００℃で２時間のアフタキュアを実施した後、窒素気流中、５０℃／ｈの昇温速度にて８００℃で５時間保持を行って焼成処理し、厚さ１８ｍｍ、密度１．６８ｇ／ｃｍ３の焼成品を得た。
【００５６】
［実施例２］
長さ１０ｍｍのチョップドカーボンファイバー（ＰＡＮ系、東レ株式会社製）２００重量部と、実施例１と同じようにして得た平均粒径１．５３μｍのチタン酸アルミニウム系セラミックス焼結粉体１５０重量部と、ノボラックタイプ粉末状フェノール樹脂（エア・ウォーター・ベルパール株式会社製の商品名「ベルパールＳ８９９」）１００重量部に対して適量の水を加えて０．１％の濃度になるように分散剤を添加した後、抄造し、シート状物を得た。
【００５７】
このシート状物を乾燥後、５枚のシート状物を積層して内径５２ｍｍの大きさの円形断面の金型を用いて、６ＭＰａの圧力および１８０℃の温度で1時間ホットプレス成形することにより成形体を得た。成形体の厚さは１５．５ｍｍ、密度は１．８５ｇ／ｃｍ３であった。この成形体に対して、大気中、熱風循環炉にて３００℃で２時間のアフタキュアを実施した後、窒素気流中、５０℃／ｈの昇温速度にて７００℃で５時間保持を行って焼成処理し、外径５２ｍｍ、厚さ１５．５ｍｍ、密度１．６２ｇ／ｃｍ３の円柱状の焼成品を得た。
【００５８】
［実施例３］
長さ１０ｍｍのチョップドカーボンファイバー（ＰＡＮ系、東レ株式会社製）１３３重量部と、実施例１と同じようにして得た平均粒径１．５３μｍのチタン酸アルミニウム系セラミックス焼結粉体１００重量部と、ノボラックタイプ粉末状フェノール樹脂（エア・ウォーター・ベルパール株式会社製の商品名「ベルパールＳ８９９」）１００重量部と、人造黒鉛粉末（イメリス・グラファイト・アンド・カーボン社製の商品名「ＴＩＭＲＥＸ  ＫＳ４４」）３３重量部に対して適量の水を加えて２％の濃度になるように分散剤を添加した後、抄造し、シート状物を得た。このシート状物を乾燥後、３枚のシート状物を積層して１５０ｍｍ×１５０ｍｍの大きさの正方形断面を有する金型を用いて、６ＭＰａの圧力および１８５℃の温度で1時間ホットプレス成形することにより、厚さ２０ｍｍ、密度１．８９ｇ／ｃｍ３の成形体を得た。この成形体を、窒素気流中、５０℃／ｈの昇温速度にて７００℃で５時間保持を行って焼成処理し、１５０ｍｍ×１５０ｍｍの大きさの正方形断面で、厚さ２０ｍｍ、密度１．７５ｇ／ｃｍ３の直方体状の焼成品を得た。
【００５９】
《高速摩擦試験》
本発明の摩擦材の耐摩耗性を調査するために、図１の模式図に示すような高速摩擦試験を行った。図１において、１はディスク、２はブロック試験片、３はロードセル、４は直流モータ、５は熱電対、６はスリップリングである。図２は、図１の高速摩擦試験で使用したディスクに対するブロック試験片の押し付け位置を示す図である。図２において、新幹線に用いられている鍛鋼（ＮＣＭ）ディスク１あるいは、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ系の低合金鋳鉄製（ＳＮＣＭ）ディスク１に対して、実施例で得られた成形体から切り出したブロック試験片２、２、又は現状の新幹線で実際に使用されている密度５．５８ｇ／ｃｍ３のブレーキライニングと同じ材質（ＮＰ-１５）である比較例のブロック試験片２、２とを押付力１８４ｋｇｆ（面圧１ＭＰａ）で押し付けて、摩擦速度を７ｍ／秒、１４ｍ／秒、２１ｍ／秒、２７．８ｍ／秒、４２．２ｍ／秒、５５．６ｍ／秒とし、５５．６ｍ／秒の摩擦速度のみ１回の試験を行い、他の摩擦速度においては５回の試験を行った。摩擦試験開始時のディスク１の温度は６０℃以下であり、摩擦速度を上げる前に摺り合わせを行って、ブロック試験片２、２がディスク１に対して確実に当接するようにした。図２において、７はねじを示す。
【００６０】
なお、ディスク１が新幹線に用いられている鍛鋼（ＮＣＭ）ディスクの場合は、２個のブロック試験片２、２の中央間の距離が１７０ｍｍになるように、また、ディスク１が新幹線に用いられているＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ系の低合金鋳鉄製（ＳＮＣＭ）の場合は、２個のブロック試験片２、２の中央間の距離が５００ｍｍになるように設置した。ブロック試験片２は縦が３０ｍｍ、横が３０ｍｍの正方形状であり、厚みは１０．５ｍｍである。なお、後記する比較例１、２のブロック試験片の材質は、ともに、ＮＰ−１５である。
【００６１】
その結果、以下の表１ないし表３に示す結果を得た。表１は、ＪＩＳ  Ｄ４４１１−１９９３に準拠した摩擦係数（５回または１回の試験の平均値）を示し、表２はディスク１に埋め込んだ熱電対で測定した試験中の最高温度（５回または１回の試験の最高温度：℃）を示し、表３はブロック試験片２に埋め込んだ熱電対で測定した試験中の最高温度（５回または１回の試験で２個の試験片のいずれかが最高温度を示したときの２個の平均値：℃）を示す。
【００６２】
【表１】
2017160402.tif 000002
【００６３】
【表２】
2017160402.tif 000003
【００６４】
【表３】
2017160402.tif 000004
【００６５】
図３は実施例２の摩擦速度４２．２ｍ／秒における摩擦試験での摩擦係数とディスクの温度とブロック試験片の温度の変化を示す図である。図４は比較例２の摩擦速度４２．２ｍ／秒における摩擦試験での摩擦係数とディスクの温度とブロック試験片の温度の変化を示す図である。図３および図４において、破線と破線の間隔が短い破線はディスクの温度を示し、破線と破線の間隔が長い破線はブロック試験片の温度を示し、実線は摩擦係数を示す。
【００６６】
表１より摩擦係数は比較例に比べやや高めではあるが、摩擦速度に対する変化は、比較例とほぼ同等に推移している。
実機に搭載する場合に摩擦係数をいくつに設定するかは、その運転状況により決めるものである。摩擦係数は、相手材質との組み合わせ、本発明品の熱処理温度、原料配合割合の違い、コークスや黒鉛の添加の有無あるいは添加量等の諸条件で調整が可能なので、これらを勘案して作り込むことができる。
【００６７】
表３に示すように、摩擦速度５５．６ｍ／秒における実施例２のブロック試験片の最高温度は比較例２のブロック試験片に比べて大幅に高く、本発明の摩擦材は耐熱性に優れていることが分かる。
【００６８】
金属同士で摩擦を行う場合、正常な摩擦があるとき突然に変調をきたして焼き付きという異常な状態が出現することがあるが、本発明品であれば、相手材が金属であったとしても焼き付きを回避することができる。
【００６９】
本発明のブロック試験片の密度は、実施例１では１．６８ｇ／ｃｍ３、実施例２では１．６２ｇ／ｃｍ３、実施例３では１．７５ｇ／ｃｍ３であり、現状の新幹線で実際に使用されているブレーキライニングと同じ材質（ＮＰ-１５）の比較例のブロック試験片の密度５．５８ｇ／ｃｍ３と比べて１/３以下と小さい。また、本発明のブロック試験片の密度は、自動車等で実際に使用されている鋳鉄製のブレーキライニングの密度７．１〜７．３ｇ／ｃｍ３と比べるとさらに小さいことから、本発明の摩擦材をディスクブレーキの材料として用いることにより、車体の軽量化を図れ、燃費の向上につながることが期待できる。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明の摩擦材は、各種回転走行装置のディスクブレーキ用材料として好適である。
【符号の説明】
【００７１】
１  ディスク
２  ブロック試験片
７  ねじ
【図１】
2017160402.tif 000005
【図２】
2017160402.tif 000006
【図３】
2017160402.tif 000007
【図４】
2017160402.tif 000008