自動車ブレーキ用ハイブリッドセラミックスの開発
後藤健
郭樹啓
森 田 一 樹青沼伸一朗
 中 川 成 人 香 川豊

ニアネットシェイプ成形を可能とするプロセス技術を確立

.

開 発

背景

し，開発材料の安全性を保証する評価試験行い，自動車用ブレーキディスクとして応用することに成功した．

自動車や鉄道車両などの輸送機器では，高速性能ばかりではなく省エネルギーや低 CO2 エミッションのために様々な.

コアとなるプロセス技術

軽量化のための技術開発が進められている．現状では輸送機器に欠かせないブレーキディスクの多くには密度が 7.3 g /

低コストで実用上十分な特性を持つハイブリッドセラミッ

cm3 程度の鋳鉄が使用されている．航空機のブレーキディスクスの製造方法として，図に示す高速・省エネ・ネットシクとして使用されている炭素繊維強化炭素複合材料(C/C)はェイププロセスを開発した．このプロセスは，(1)基本構造軽量(密度 1.8 g/cm3 程度)かつ耐熱性を持つことから過去にプリフォーム用 CFRP 成形体の製造，(2)ナノ構造を持つ含検討された．しかし，低温域で制動距離が大きく寿命が短い浸用予備成形体の製造，(3)溶融 Si(Si 合金)の含浸によるハことから，市販自動車や鉄道車両では採用には至らなかっイブリッド組織材料の製造の 3 段階の工程よりなる．

た(1)．その後，ドイツでは自動車用ブレーキディスク材料とCFRP 成形体は，フェノール樹脂，粒径約 100 nm の SiCして炭素短繊維を SiC と Si からなるマトリックス中に分散ナノ粒子，および 3～6 mm に切断したピッチ系炭素短繊維させた複合材料が実用化されている(2)．しかし，この材料でを混合しホットプレス成形により作製した．含浸用予備成形は製造後に構成素材の熱膨張係数の差に由来するクラックが体は不活性雰囲気で CFRP 成形体を炭化して作製した．予発生したり，耐摩耗性を得るために表面部分に耐摩耗性を有備成形体は樹脂の炭化による炭素の付着により炭素繊維表面する層を設ける対策が必要である．そのために製造工程がよを保護するとともに，ナノサイズの SiC 粒子と炭素が混合り複雑になることや，表面層を最適化する必要があるなどのされた相にナノサイズの空孔が均質に分散した組織を有して問題を抱えている．

いる．予備成形体は切削加工が容易であり，冷却用孔などのそこで本開発では，異なる機能を分散させた相を一体化す

ブレーキディスクに必要な複雑形状を低コストで導入するこるハイブリッドセラミックスを開発し，耐損傷性と耐摩耗性とができる．最終工程では Si または Si X 合金( X 添加元をあわせ持つ軽量ブレーキディスク材料を実現した．また，
(国)宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究所准教授
(国)物質・材料研究機構主席研究員
東京大学工学系研究科教授
株 秦野事業所 R&D エンジニアクアーズテック
株 超高温材料研究センター代表取締役社長

東京大学工学系研究科教授(現東京大学名誉教授，東京工科大学教授)
Development of Hybrid Ceramics for Automotive BrakeDisks; Ken Goto, Shuqi Guo, Kazuki Morita,Shinichiro Aonuma, Narihito Nakagawa andYutaka Kagawa(JAXA/ISAS, NIMS, The
University of Tokyo, CoorsTek, JUTEM,The University of Tokyo, present affiliation Tokyo
University of Technology)
2020年11月 2 日受理[doi:10.2320/materia.60.116]

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

図1

高速・省エネ・ネットシェイププロセスの概要図．本
プロセスは SiC ナノ粒子と炭素短繊維をフェノール樹脂で成形した CFRP 成形体から出発し， CFRP 成形体を炭化したナノ構造予備成形体に溶融 Si を含浸することでハイブリッドセラミックスを作製する．

新技術・新製品

図2

表1

ハイブリッドセラミックスの室温での熱・力学特性．

図3

ハイブリッドセラミックスに釘を打ち込んだ様子．全体が破壊することなく釘が貫通しており，セラミックス単体にはない損傷許容性を持っていることがわかる．

図4

開発したハイブリッドセラミックスの繰り返し圧縮負荷―除荷試験による応力―ひずみ関係と C / C 相で偏向・停止した安定クラックの模式図．

ハイブリッドセラミックスの典型的な組織．( a ) C / C相，(b)C/SiC 相，(c)SiC 相，(d)Si 相の 4 種類の相からなる．

素)を予備成形体に含浸することにより，SiC および SiX 金属間化合物を内部にもつハイブリッドセラミックスが完成す
る．予備成形体製造にナノ粒子を用いたことによる組織の均質化と反応面積の増加により， Si( l )＋ C(s )→ SiC (s )の反応が速やかに行えるようなった．また，ブレーキパッドとの相性によっては Cu などを含有することが求められる場合があるが，SiCu 合金への Fe などの添加による炭素繊維と Si 合
金の反応性の変化を定量的に予想するための熱力学的検討を実施することで，要求する組織を実現した(3)．開発したハイブリッドセラミックスの典型的な組織を図に示す．材料の組織は C / C 相， C / SiC 相， SiC 相， Si 相の 4 種類の組織からなる．これらの 4 つの組織の比率を製造条件により変化させることができ，目的とする摩擦・摩耗特性を制御することができる．

.

開発したハイブリッドセラミックスとその特性

ハイブリッドセラミックスの室温での力学特性および熱特性を鋳鉄とともに表に示す．密度は 2.6 g/cm3 と軽量であり，弾性率は110から 176 GPa，ディスク曲げ試験により取得した曲げ強度は 150 から 200 MPa ，熱伝導率は 35 から 73
Wm－1 K－1 ，熱膨張係数は 2.5 から 4.3 × 10－6 K－1 である．

鋳鉄より軽量で小さい熱膨張係数をもっている．
さらに特筆すべき事項として，ハイブリッドセラミックス
は構成する材料は全て室温で脆性的な破壊をする材料からなるが，図のように釘を打つことも可能な材料である．図

ミックス複合材料の国際会議でポスター賞を受賞している(5)．の繰り返し圧縮負荷―除荷試験時の応力―ひずみ関係に示す
ように，本材料は負荷応力の増加とともに損傷が発生し永久.

ブレーキディスクとしての展開変形が生じるが，全体では荷重負担能力は低下しない(4)．図
4 には圧縮応力が負荷されている際のハイブリッドセラミッ

損傷許容性を有する高強度・高剛性なハイブリッドセラミ

クス中のクラックの発生状態も示している． SiC 相や Si 相ックスの摩擦特性について示したのが図である．図 5 は中にランダムに発生したクラックは， C / C 相で偏向・停止繰り返しブレーキ試験の際の最高温度と計測された摩擦係数しており， C / C 相が損傷許容性の発現に重要な役割を担っの変化を示したものである．最高到達温度は350°C程度であている．

り，摩擦係数は表 1 にも示すように0.3から0.5程度で室温か

このように，ハイブリッドセラミックスはクラックを安定ら高温まで安定しており，高い制動力を安定して発揮するこして内部に累積することができるために，実使用条件での損とが期待できる．また，損傷許容性を持つことからボルトや傷許容性が発現し，損傷に強い材料になる．同様の機構によナットによる機械的な締結が可能である．図は有限要素法

り， 1000 °C から繰り返し熱衝撃を加えても曲げ強度が変化

解析による締結部の応力分布の解析例であるが，ハイブリッしない等，優れた疲労特性を有する．ハイブリッドセラミッ

ドセラミックスは引張応力の発生に留意して，構造を工夫す

クスの損傷許容性の発現機構の解明に関する研究では，セラることで，金属部品とのボルト・ナット締結が可能である．

ま て り あ 第60巻 第 2 号(2021)
Materia Japan


図8

図5

ハイブリッドセラミックスの摩擦特性．試験実施時の最高温度は 350 °C 程度，摩擦係数は 0.3 から 0.5 である．
摩擦係数はブレーキ試験 50 回以降では 10 以内の変動である．

( a )完成したブレーキディスク．( b )市販したブレーキディスク．ディスクには冷却用の複雑な形状の穴が存在する．

態のブレーキディスクを製作し，実際に車両に装着したブレーキ試験を販売予定先企業で繰り返し実施した．その結果，高い耐久性と信頼性があることが確認できた．最終的に図 8(b)に示すように，軽量ブレーキディスクとして2017年より株 エンドレスアドバンスより市販され(6)，ハイブリッドセラ


ミックスを用いたブレーキディスクの商品化を完了した．

.

図6

金属構造とのボルト・ナット締結部の応力分布の有限要素法による数値解析例．ボルト穴の周りに大きな引張応力が発生している．

まとめ

この開発は，産学官の研究グループがゼロから開発をスタートして 9 年間で実用化にまでこぎ着けた．開発したブレーキディスクは，特徴のある複雑な組織を持ち，性能・価格ともに国内外で競合できるものであり，日本発のハイブリッドセラミックスの今後の展開に期待している．
関連する特許としては，特許番号5769519をはじめとして16 件 出 願 し て い る ほ か ， 3 件 の 国 外 出 願 ( US A1 2018 0313419 など)を行なっている．また，関連する技術での国際会議や国内会議での招待講演や学術講演も多く行い，当該技術分野の発展に役立ててきた．
本研究開発は，(国)新エネルギー・産業技術総合開発機構の「ナノテク・先端部材実用化研究開発(研究代表香川)」
制度により開始し，その後各機関での協力により実用化が行
図7

走行試験後のブレーキディスクの表面の様子と実装した自家用車．矢印はパッドとの接触部を示している．
走行試験後に切り出して各種試験が実施できるように，冷却用孔のないブレーキディスクで走行試験を実施した．

開発したハイブリッドセラミックスが自動車のブレーキディスクとして安心して使用可能か調べるために，公道を走行可能な自動車に実装した走行試験を行った．走行試験は市販の自家用車を用いて行い， 5000 km 走行前後での材料の変化を調査した．図は実装した自家用車と走行後のブレーキディスクの表面の様子である．ブレーキパッドと接触した部分には光沢が見られる部分があるが，ディスクには損傷は見られなかった．その後，図( a )に示すような販売できる状

われたものである．

文献( 1 ) G. Savage: Carbon/Carbon composites, Chapman & Hall,(1993).
( 2 ) W. Krenkel, B. Heidenreich and R. Renz: Advanced Engineering Materials, 4(2002), 427436.
( 3 ) Y. Kato, T. Yoshikawa, Y. Kagawa and K. Morita: ISIJ International, 53(2013), 13201324.
( 4 ) Y. Tobata, S. Takeuchi and K. Goto: Journal of the European
Ceramic Society, published online (2020).
( 5 ) M. Ikegami and Y. Kagawa: 7th International Conference on
High Temperature Ceramic Matrix Composites (HTCMC7)(2010).
株 エンドレスアドバンス web ページ https: // www.endless (6) sport.co.jp.

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