JP3383992B2 - 炭素繊維強化炭素複合材及びそれを用いた摺動材 - Google Patents
炭素繊維強化炭素複合材及びそれを用いた摺動材Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、摩擦、摺動特性に優れ
た炭素繊維強化炭素複合材（以下、Ｃ／Ｃ複合材とい
う）及びそれを用いた摺動材に関するものである。
た炭素繊維強化炭素複合材（以下、Ｃ／Ｃ複合材とい
う）及びそれを用いた摺動材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】炭素繊維炭素複合材は機械特性、耐熱特
性、摩擦制動特性に優れており、航空機、レース用四輪
車、二輪車などのブレーキ摺動部のディスクやパッドへ
の実用化が進んでいる。一般的にＣ／Ｃ複合材は、ＰＡ
Ｎ系、ピッチ系、あるいはレーヨン系などの長短炭素繊
維に熱硬化性樹脂を含浸させ、プリプレグをつくり、こ
れらを積層、硬化させて成形体にし、不活性雰囲気にお
いて６００〜２５００℃で焼成することにより製造され
ている。
性、摩擦制動特性に優れており、航空機、レース用四輪
車、二輪車などのブレーキ摺動部のディスクやパッドへ
の実用化が進んでいる。一般的にＣ／Ｃ複合材は、ＰＡ
Ｎ系、ピッチ系、あるいはレーヨン系などの長短炭素繊
維に熱硬化性樹脂を含浸させ、プリプレグをつくり、こ
れらを積層、硬化させて成形体にし、不活性雰囲気にお
いて６００〜２５００℃で焼成することにより製造され
ている。
【０００３】この段階ではかさ密度が低く、強度的には
非常に不十分である。そのため、フェノール樹脂、フラ
ン樹脂などの熱硬化性樹脂もしくはピッチ類などの熱可
塑性樹脂等を含浸またはメタン、プロパン、ジクロロエ
チレン等の有機物ガスを原料としたＣＶＤ法により緻密
化処理を繰り返し行い高緻密化（低気孔率化）、高強度
化する。
非常に不十分である。そのため、フェノール樹脂、フラ
ン樹脂などの熱硬化性樹脂もしくはピッチ類などの熱可
塑性樹脂等を含浸またはメタン、プロパン、ジクロロエ
チレン等の有機物ガスを原料としたＣＶＤ法により緻密
化処理を繰り返し行い高緻密化（低気孔率化）、高強度
化する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、フェノール樹
脂、フラン樹脂などの熱硬化性樹脂を用いた場合、含
浸、硬化、焼成させる工程を繰り返す間に気孔を閉気孔
化しやすく、気孔が内部に残り低気孔率化しにくい。
又、メタン、プロパン、ジクロロエチレン等の有機物ガ
スを原料としたＣＶＤ法を用いた場合、炭素繊維との接
着性が悪く、ブレーキ摺動部への適用時に摩耗による消
耗が激しくなる。
脂、フラン樹脂などの熱硬化性樹脂を用いた場合、含
浸、硬化、焼成させる工程を繰り返す間に気孔を閉気孔
化しやすく、気孔が内部に残り低気孔率化しにくい。
又、メタン、プロパン、ジクロロエチレン等の有機物ガ
スを原料としたＣＶＤ法を用いた場合、炭素繊維との接
着性が悪く、ブレーキ摺動部への適用時に摩耗による消
耗が激しくなる。
【０００５】そして、ピッチ類などの熱可塑性樹脂等を
用いた場合、高炭化収率とするために軟化点の高いもの
を用いるのが一般的である。しかしながら、軟化点の高
いピッチは含浸性に劣り、また高温処理を要するため
に、Ｃ／Ｃ複合材を作るための設備が過大となり、取扱
いも煩雑になる。すなわち、どの方法にも一長一短があ
り満足なものではなかった。
用いた場合、高炭化収率とするために軟化点の高いもの
を用いるのが一般的である。しかしながら、軟化点の高
いピッチは含浸性に劣り、また高温処理を要するため
に、Ｃ／Ｃ複合材を作るための設備が過大となり、取扱
いも煩雑になる。すなわち、どの方法にも一長一短があ
り満足なものではなかった。
【０００６】
【問題を解決するための手段】そこで、本発明者等は、
かかる課題を解決するために、Ｃ／Ｃ複合材の緻密化方
法について鋭意検討したところ、ある特定の性質を持つ
ピッチを含浸ピッチとして用いて緻密化処理を施すこと
により、上記課題が解決できることを知得し、本発明を
完成するに至った。即ち、本発明の目的は、低い摩耗率
を示すＣ／Ｃ複合材を提案することであり、その目的は
軟化点７０〜１２０℃好ましくは８０〜９０℃、トルエ
ン不溶分１０〜３０好ましくは１３〜２０％、キノリン
不溶分１％以下、固定炭素が４０％以上好ましくは５０
％以上である含浸ピッチを用いて緻密化処理を施すこと
により達成される。
かかる課題を解決するために、Ｃ／Ｃ複合材の緻密化方
法について鋭意検討したところ、ある特定の性質を持つ
ピッチを含浸ピッチとして用いて緻密化処理を施すこと
により、上記課題が解決できることを知得し、本発明を
完成するに至った。即ち、本発明の目的は、低い摩耗率
を示すＣ／Ｃ複合材を提案することであり、その目的は
軟化点７０〜１２０℃好ましくは８０〜９０℃、トルエ
ン不溶分１０〜３０好ましくは１３〜２０％、キノリン
不溶分１％以下、固定炭素が４０％以上好ましくは５０
％以上である含浸ピッチを用いて緻密化処理を施すこと
により達成される。
【０００７】以下、本発明につき詳細に説明する。本発
明で用いる炭素繊維としては、ピッチ系、ＰＡＮ系ある
いはレーヨン系炭素繊維等の公知のいずれのものも使用
でき、さらに必要に応じてＳｉＣ、Ａｌ2Ｏ3、カーボン
ブラックなどの無機繊維、無機物などを添加してもよ
い。これらの炭素繊維の形態は通常２０００本〜８００
０本の単繊維の束からなるトウ、ストランド、ロービン
グ、ヤーン等で、これらをカッティングすることによっ
て得られる短繊維状のものを用いる。本発明について
は、通常０．３〜１００ｍｍ、好ましくは５〜５０ｍｍ
程度の短繊維を使用する。炭素繊維自体の径や弾性率
は、一般に複合材として用いられる範囲で特に限定はさ
れない。
明で用いる炭素繊維としては、ピッチ系、ＰＡＮ系ある
いはレーヨン系炭素繊維等の公知のいずれのものも使用
でき、さらに必要に応じてＳｉＣ、Ａｌ2Ｏ3、カーボン
ブラックなどの無機繊維、無機物などを添加してもよ
い。これらの炭素繊維の形態は通常２０００本〜８００
０本の単繊維の束からなるトウ、ストランド、ロービン
グ、ヤーン等で、これらをカッティングすることによっ
て得られる短繊維状のものを用いる。本発明について
は、通常０．３〜１００ｍｍ、好ましくは５〜５０ｍｍ
程度の短繊維を使用する。炭素繊維自体の径や弾性率
は、一般に複合材として用いられる範囲で特に限定はさ
れない。
【０００８】Ｃ／Ｃ複合材とする際に例えば特開昭６２
−９６３６４号、特開平１−１７６２７３号公報等に記
載の方法で解繊・分散してシートとする。具体的な解繊
及び二次元ランダムなシートの作製方法の一例として
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バ
ーを使用して製造したり、またはエアーにより解繊し、
シートを製造する方法などがある。
−９６３６４号、特開平１−１７６２７３号公報等に記
載の方法で解繊・分散してシートとする。具体的な解繊
及び二次元ランダムなシートの作製方法の一例として
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バ
ーを使用して製造したり、またはエアーにより解繊し、
シートを製造する方法などがある。
【０００９】また湿式解繊し、二次元ランダムに配向し
た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解繊処理に用い
られるパルパーを使用し、溶媒中で短繊維状炭素繊維を
解繊後、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、解繊後撹拌等の手段で均一に分散さ
せ、金網等で抄紙後、乾燥させて作製する方法がある。
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１〜５のアル
コール、アントラセン油等を用いるがその他の有機溶剤
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
取り扱い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。
た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解繊処理に用い
られるパルパーを使用し、溶媒中で短繊維状炭素繊維を
解繊後、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、解繊後撹拌等の手段で均一に分散さ
せ、金網等で抄紙後、乾燥させて作製する方法がある。
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１〜５のアル
コール、アントラセン油等を用いるがその他の有機溶剤
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
取り扱い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。
【００１０】シートの目付（１ｍ2当りの重量）として
は、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
の様にして得られた二次元ランダムに配向したシートに
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。
は、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
の様にして得られた二次元ランダムに配向したシートに
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。
【００１１】次いで、この乾燥したシートを積層して金
型に充填し、１００〜５００℃の温度で加圧成形してＶ
ｆ（繊維体積含有率）が５〜６５％、好ましくは１０〜
５５％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
〜２５００℃まで昇温し、焼成した後、軟化点７０〜１
２０℃好ましくは８０〜９０℃、トルエン不溶分１０〜
３０％好ましくは１３〜２０％、キノリン不溶分１％以
下、固定炭素が４０％以上好ましくは５０％以上である
含浸ピッチを用いて緻密化処理を施す、または、より一
層緻密化効果を発揮する特開平１−２９８０１３号公報
等に記載の方法で含浸炭化する緻密化処理を行うことに
よりＣ／Ｃ複合材を得る。以下具体的な緻密処理を説明
する。
型に充填し、１００〜５００℃の温度で加圧成形してＶ
ｆ（繊維体積含有率）が５〜６５％、好ましくは１０〜
５５％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
〜２５００℃まで昇温し、焼成した後、軟化点７０〜１
２０℃好ましくは８０〜９０℃、トルエン不溶分１０〜
３０％好ましくは１３〜２０％、キノリン不溶分１％以
下、固定炭素が４０％以上好ましくは５０％以上である
含浸ピッチを用いて緻密化処理を施す、または、より一
層緻密化効果を発揮する特開平１−２９８０１３号公報
等に記載の方法で含浸炭化する緻密化処理を行うことに
よりＣ／Ｃ複合材を得る。以下具体的な緻密処理を説明
する。
【００１２】所定温度に加熱された槽に上記Ｃ／Ｃ複合
材を載置し、槽内を真空とした後、樹脂又は溶融ピッチ
を供給し、焼成により生じた空隙にマトリックスを含浸
する。この後再度８００〜２５００℃の温度で焼成す
る。上記工程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。
材を載置し、槽内を真空とした後、樹脂又は溶融ピッチ
を供給し、焼成により生じた空隙にマトリックスを含浸
する。この後再度８００〜２５００℃の温度で焼成す
る。上記工程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。
【００１３】
【実施例】以下、本発明を実施例により具体的に説明す
るが、本発明はその要旨を越えない限り、下記実施例に
よって限定されるものではない。
るが、本発明はその要旨を越えない限り、下記実施例に
よって限定されるものではない。
【００１４】製造例１
３０ｍｍ長でフィラメント数４０００本のピッチ系炭素
繊維束をランダムウェッバーにて解繊し、二次元ランダ
ムに配向した目付２００ｇ／ｍ2のシートを得る。この
シートヘ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、２００ｇ／ｍ2の炭素繊維に対し、１３
０ｇ／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、２５０℃にて加圧成
形し、Ｖｆ〜５０％の成形体を得た。この成形体を加熱
炉で２０００℃まで焼成した後、軟化点８５℃、トルエ
ン不溶分１５％、実質的にキノリン不溶分を含まず、固
定炭素が５５％であるピッチを含浸した状態で５００℃
で、５時間、６ｋｇ／ｃｍ2の加圧下で加熱処理した
後、加熱炉で１０００℃で焼成した。さらに同様の含浸
−固化−焼成の操作を４回繰り返しその後に２０００℃
の処理を行って本発明の気孔率６％のＣ／Ｃ複合材を得
た。このＣ／Ｃを使って回転数７０００ｒｐｍ面圧１２
ｋｇ／ｃｍ2の条件下で摩耗率を調べたところ０．５×
１０-4ｍｍ／ｓｔｏｐ・ｓｕｒｆであった。
繊維束をランダムウェッバーにて解繊し、二次元ランダ
ムに配向した目付２００ｇ／ｍ2のシートを得る。この
シートヘ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、２００ｇ／ｍ2の炭素繊維に対し、１３
０ｇ／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、２５０℃にて加圧成
形し、Ｖｆ〜５０％の成形体を得た。この成形体を加熱
炉で２０００℃まで焼成した後、軟化点８５℃、トルエ
ン不溶分１５％、実質的にキノリン不溶分を含まず、固
定炭素が５５％であるピッチを含浸した状態で５００℃
で、５時間、６ｋｇ／ｃｍ2の加圧下で加熱処理した
後、加熱炉で１０００℃で焼成した。さらに同様の含浸
−固化−焼成の操作を４回繰り返しその後に２０００℃
の処理を行って本発明の気孔率６％のＣ／Ｃ複合材を得
た。このＣ／Ｃを使って回転数７０００ｒｐｍ面圧１２
ｋｇ／ｃｍ2の条件下で摩耗率を調べたところ０．５×
１０-4ｍｍ／ｓｔｏｐ・ｓｕｒｆであった。
【００１５】
【発明の効果】本発明は以上のように軟化点７０〜１２
０℃、トルエン不溶分１０〜３０％、キノリン不溶分１
％以下、固定炭素が４０％以上である含浸ピッチを用い
て緻密化処理をすることにより、摩耗量が少ないブレー
キ摺動部を得ることができる。
０℃、トルエン不溶分１０〜３０％、キノリン不溶分１
％以下、固定炭素が４０％以上である含浸ピッチを用い
て緻密化処理をすることにより、摩耗量が少ないブレー
キ摺動部を得ることができる。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 松井 丈雄
香川県坂出市番の州１番地 三菱化成株
式会社坂出工場内
(56)参考文献 特開 平３−140211（ＪＰ，Ａ)
特開 平１−305858（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
C04B 35/83
Claims (4)
- 【請求項１】 複数の単繊維からなる短繊維状の炭素繊
維束を解繊し、解繊した繊維を二次元ランダムに配向し
てシートを作製し、このシートに樹脂を含浸したのち積
層して成形し、得られた成形物を焼成したのち、これに
軟化点７０〜１２０℃、トルエン不溶分１０〜３０％、
キノリン不溶分１％以下、固定炭素が４０％以上である
含浸ピッチによる緻密化処理を施して得られたものであ
ることを特徴とする炭素繊維強化炭素複合材。 - 【請求項２】 軟化点８０〜９０℃、トルエン不溶分１
３〜２０％、キノリン不溶分１％以下、固定炭素が５０
％以上である含浸ピッチによる緻密化処理を施して得ら
れたものであることを特徴とする請求項１記載の炭素繊
維強化炭素複合材。 - 【請求項３】 成形して得られた成形物の繊維体積含有
率が１０〜５５％であることを特徴とする請求項１又は
２記載の炭素繊維強化炭素複合材。 - 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれかに記載の炭
素繊維強化炭素複合材から構成されていることを特徴と
する摺動材。
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Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP15828492A JP3383992B2 (ja) | 1992-06-17 | 1992-06-17 | 炭素繊維強化炭素複合材及びそれを用いた摺動材 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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Family Applications (1)
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-
1992
- 1992-06-17 JP JP15828492A patent/JP3383992B2/ja not_active Expired - Lifetime
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