JPH04310568A - Carbon fiber reinforced carbon composite material having high coefficient of friction - Google Patents
Carbon fiber reinforced carbon composite material having high coefficient of frictionInfo
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- JPH04310568A JPH04310568A JP3073300A JP7330091A JPH04310568A JP H04310568 A JPH04310568 A JP H04310568A JP 3073300 A JP3073300 A JP 3073300A JP 7330091 A JP7330091 A JP 7330091A JP H04310568 A JPH04310568 A JP H04310568A
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Abstract
Description
【0001】0001
【産業上の利用分野】本発明は、摩擦係数が高く、耐熱
性および耐酸化性に優れ、航空機およびレ−ス車両など
のブレ−キシュ−、ブレ−キライニングおよびブレ−キ
パッド、ブッシユ、ワッシヤ、フリクションドライブ用
ロ−タ、スリ−ブなどに利用して好適な炭素繊維強化炭
素複合材料に関する。[Industrial Application Field] The present invention has a high coefficient of friction, excellent heat resistance and oxidation resistance, and is suitable for use in brake shoes, brake linings, brake pads, bushes, and washers for aircraft and race vehicles. The present invention relates to a carbon fiber-reinforced carbon composite material suitable for use in friction drive rotors, sleeves, etc.
【0002】本発明の炭素複合材料は、乾式摩擦部材お
よび湿式摩擦部材等の双方に摺動部材として適用するこ
とができる。具体的には、摺動下で摩擦係数が高く、耐
焼付き性に優れる特性を必要とするブレ−キ材料とかフ
リクションドライブ用の機械構造体に利用できる。The carbon composite material of the present invention can be applied as a sliding member to both dry friction members and wet friction members. Specifically, it can be used for brake materials and mechanical structures for friction drives, which require a high friction coefficient under sliding conditions and excellent seizure resistance.
【0003】0003
【従来の技術】航空機およびレ−ス車両などのブレ−キ
材などに利用される炭素複合材料は、耐熱性および耐摩
耗性が特に要求される。一方、機械構造体の摺動部分は
その耐焼付き性が低いので、通常はオイル潤滑下で使用
される。乾式下で使用する摺動部材としてはオイルを含
浸した焼結材、銅系の焼結合金、炭素材料が知られてい
る。炭素材料は炭素質粉末とピッチ粉末とを焼き固めた
もの、高温で焼結することにより黒鉛化したものが使用
されている。2. Description of the Related Art Carbon composite materials used as brake materials for aircraft, race vehicles, etc. are particularly required to have heat resistance and wear resistance. On the other hand, since the sliding parts of mechanical structures have low seizure resistance, they are usually used under oil lubrication. As sliding members used under dry conditions, oil-impregnated sintered materials, copper-based sintered alloys, and carbon materials are known. The carbon material used is one obtained by baking carbonaceous powder and pitch powder, or one obtained by graphitizing by sintering at high temperature.
【0004】近年、かかる目的で使用される炭素材料の
強度を向上させた材料として、炭素繊維強化炭素材料か
らなるものが提供されている。この炭素繊維強化炭素材
料は、たとえば、炭化又は黒鉛化されかつ酸化処理など
の表面処理の施された強化材としての炭素繊維に、タ−
ル、ピッチまたは熱硬化性樹脂などの結合材としての液
状炭素質材料を含浸し、不活性雰囲気下で焼成、必要に
応じて黒鉛化することにより製造される(特開昭63−
206351号公報)。[0004] In recent years, carbon fiber-reinforced carbon materials have been provided as materials with improved strength of carbon materials used for such purposes. This carbon fiber-reinforced carbon material is made of, for example, carbon fibers as a reinforcing material that have been carbonized or graphitized and subjected to surface treatment such as oxidation treatment.
It is produced by impregnating a liquid carbonaceous material as a binder such as silica, pitch, or thermosetting resin, firing it in an inert atmosphere, and graphitizing it if necessary.
206351).
【0005】さらに、炭素繊維強化炭素材料の摩擦係数
を高める等を目的として、炭素繊維強化炭素材料に金属
とか炭化物セラミック粉を配合した炭素繊維強化炭素複
合材料が報告されている(特開昭63−13926号公
報、特開昭63−60173号公報)。Furthermore, for the purpose of increasing the friction coefficient of carbon fiber-reinforced carbon materials, carbon fiber-reinforced carbon composite materials have been reported in which carbon fiber-reinforced carbon materials are blended with metal or carbide ceramic powder (Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 63 -13926, Japanese Unexamined Patent Publication No. 63-60173).
【0006】[0006]
【発明が解決しようとする課題】従来の炭素繊維強化炭
素材料はとくに低荷重時において、摩擦係数μが低いと
いう欠点を有している。また、特開昭63−13926
号公報、特開昭63−60173号公報に記載されてい
る金属、炭化物セラミックを含有する炭素繊維強化炭素
複合材料は、炭素繊維強化炭素材料より高い摩擦係数を
もつ。しかし、用途によってはさらに高い摩擦係数を持
つ炭素繊維強化炭素複合材料が求められている。Conventional carbon fiber-reinforced carbon materials have the disadvantage of having a low coefficient of friction μ, especially under low loads. Also, JP-A-63-13926
The carbon fiber-reinforced carbon composite material containing metal and carbide ceramic described in Japanese Unexamined Patent Publication No. 63-60173 has a higher coefficient of friction than the carbon fiber-reinforced carbon material. However, depending on the application, carbon fiber-reinforced carbon composite materials with even higher coefficients of friction are required.
【0007】本発明は、これらの問題点に鑑みてなされ
たものであり、高い摩擦係数を持つ炭素繊維強化炭素複
合材料を提供することを目的とする。さらに、本発明は
、高い摩擦係数を持つとともに耐摩耗性に優れた炭素繊
維強化炭素複合材料を提供することを目的とする。The present invention has been made in view of these problems, and an object thereof is to provide a carbon fiber-reinforced carbon composite material having a high coefficient of friction. Furthermore, it is an object of the present invention to provide a carbon fiber-reinforced carbon composite material that has a high coefficient of friction and excellent wear resistance.
【0008】[0008]
【課題を解決するための手段】本発明の炭素繊維強化炭
素複合材料は、基材が炭素繊維強化炭素で構成され、該
基材中に1600℃以上の融点を有し該基材の炭素と反
応しにくい酸化物系セラミツク粉末および/または繊維
が3〜20重量%埋設されていることを特徴とする。[Means for Solving the Problems] The carbon fiber-reinforced carbon composite material of the present invention has a base material made of carbon fiber-reinforced carbon, and has a melting point of 1600° C. or more in the base material. It is characterized by embedding 3 to 20% by weight of oxide-based ceramic powder and/or fibers that are difficult to react.
【0009】本発明者は、炭素繊維強化炭素材料に各種
のセラミックスを配合して各種の炭素繊維強化炭素複合
材料を作り、得られた複合材料の密度、強度、乾式下お
よび湿式下の摩擦係数および摩耗量を詳細に調べてきた
。セラミックスとして酸化物を使用した場合には、多く
の場合、非常に脆い複合材料しか得られないが、特定の
物性をもつ酸化物系セラミックスは、高い摩擦係数と構
造材料として優れた機械的特性をもつことが判明した。[0009] The present inventor prepared various carbon fiber-reinforced carbon composite materials by blending various ceramics with carbon fiber-reinforced carbon materials, and determined the density, strength, and friction coefficient under dry and wet conditions of the resulting composite materials. and the amount of wear have been investigated in detail. When oxides are used as ceramics, only extremely brittle composite materials are obtained in most cases, but oxide-based ceramics with specific physical properties have a high coefficient of friction and excellent mechanical properties as structural materials. It turned out to be true.
【0010】そこで、本発明者等は、一部の知見を特願
平1−341883および特願平2−163388とし
て特許出願した。これら特許出願した発明は、主に炭素
繊維強化炭素材料からなる基材に特色を持つもので、自
己焼結性をもつ炭素質粉末と完全炭化前の未炭化炭素繊
維とを一体的に焼結したつした焼結体であり、耐摩耗性
が特に優れている。そして、この焼結体を基材としてこ
れに各種セラミックスを配合した炭素繊維強化炭素複合
材料は、優れた耐摩耗性とともに、セラミックスを選択
することにより、所望の摩擦係数が得られる。[0010] Therefore, the inventors of the present invention filed patent applications for some of their findings in Japanese Patent Application No. 1-341883 and Japanese Patent Application No. 2-163388. These patented inventions are mainly characterized by a base material made of carbon fiber-reinforced carbon material, in which carbonaceous powder with self-sintering properties and uncarbonized carbon fibers that have not yet been completely carbonized are integrally sintered. It is a solid sintered body and has particularly excellent wear resistance. A carbon fiber-reinforced carbon composite material made of this sintered body as a base material and mixed with various ceramics has excellent wear resistance and, by selecting the ceramic, can obtain a desired coefficient of friction.
【0011】本発明者は、さらに基材となる炭素繊維強
化炭素材料の範囲を広げ、かつ広い範囲の酸化物系セラ
ミックスを組合わせて研究した結果、高い摩擦係数をも
ちかつ構造材として使用できる機械的強度をもつ新たな
炭素繊維強化炭素複合材料を見出し、本発明を完成した
ものである。本発明の炭素繊維強化炭素複合材料は、炭
素繊維強化炭素で構成された基材と1600℃以上の融
点を有し該基材の炭素と反応しにくい酸化物系セラミツ
ク粉末および/または繊維3〜20重量%とからなる。[0011] The present inventor further expanded the range of carbon fiber-reinforced carbon materials that serve as base materials, and as a result of research on combining a wide range of oxide ceramics, the inventor found that the material has a high coefficient of friction and can be used as a structural material. The present invention was completed by discovering a new carbon fiber-reinforced carbon composite material with mechanical strength. The carbon fiber-reinforced carbon composite material of the present invention comprises a base material made of carbon fiber-reinforced carbon, and oxide ceramic powder and/or fibers that have a melting point of 1600° C. or more and are difficult to react with the carbon of the base material. 20% by weight.
【0012】基材は炭素繊維とマトリツクス炭素とから
構成されている。炭素繊維としては、PAN(ポリアク
リロニトリル)、石炭または石油系ピッチを原料として
紡糸し、炭化した炭素繊維が使用できる。好ましい炭素
繊維として、ピッチ系の光学的等方性の炭素繊維がある
。この光学的等方性炭素繊維は繊維方向による熱膨張係
数の異方性がなく20〜1000℃の範囲の平均熱膨張
係数は2〜4×10−6/℃である。また、PAN系お
よびピッチ系で、高強度、高剛性の光学的異方性をもつ
炭素繊維が知られている。この炭素繊維は、繊維方向の
熱膨張係数が室温から400℃程度まで負の係数をもち
、400〜1000℃の熱膨張係数は0〜2×10−6
/℃であり、かつ繊維の長手方向とそれに直行する方向
の熱膨張係数が異なる。この繊維も用途によっては充分
に活用できる。[0012] The base material is composed of carbon fibers and matrix carbon. As the carbon fiber, carbon fiber spun using PAN (polyacrylonitrile), coal, or petroleum pitch as a raw material and carbonized can be used. A preferred carbon fiber is a pitch-based optically isotropic carbon fiber. This optically isotropic carbon fiber has no anisotropy in thermal expansion coefficient depending on the fiber direction, and has an average thermal expansion coefficient of 2 to 4 x 10-6/°C in the range of 20 to 1000°C. Further, PAN-based and pitch-based carbon fibers having high strength, high rigidity, and optical anisotropy are known. This carbon fiber has a negative thermal expansion coefficient in the fiber direction from room temperature to about 400°C, and a thermal expansion coefficient of 0 to 2 x 10-6 from 400 to 1000°C.
/°C, and the coefficient of thermal expansion in the longitudinal direction of the fiber is different from that in the direction perpendicular thereto. This fiber can also be fully utilized depending on the purpose.
【0013】これら炭素繊維の繊維長さは、短繊維、長
繊維に限らない。しかし、短繊維の場合には0.01〜
50mmのものを使用することができる。特に、0.0
3〜10mmのものが混合のしやすさ、アスペクト比の
関係から好ましい。長すぎては繊維同士が絡みあい分散
性が低下し、ひいては製品特性の異方性に劣り、また0
.01mmより短くては製品の強度が急激に低下して好
ましくない。また、繊維径としては、5〜25μm程度
のものが好ましい。さらに、これらの繊維からなる不織
布またはコ−ティング布として使用することもできる。[0013] The fiber length of these carbon fibers is not limited to short fibers or long fibers. However, in the case of short fibers, 0.01~
A 50mm one can be used. In particular, 0.0
A diameter of 3 to 10 mm is preferred from the viewpoint of ease of mixing and aspect ratio. If the length is too long, the fibers will become entangled with each other and the dispersibility will decrease, resulting in poor anisotropy of the product properties.
.. If it is shorter than 0.1 mm, the strength of the product will drop rapidly, which is not preferable. Further, the fiber diameter is preferably about 5 to 25 μm. Furthermore, these fibers can also be used as nonwoven fabrics or coated fabrics.
【0014】炭素繊維は、さらにタ−ル、ピッチ、有機
高分子などの粘結成分を含有する材料で表面処理し、結
合材とのなじみ性を向上させることが好ましい。この表
面処理は、炭素繊維100重量部に100〜1000重
量部程度の粘結成分含有材料を加えて攪拌し、有機溶媒
により洗浄後、乾燥して行うことができる。炭素繊維は
、必要に応じて分散処理される。すなわち、乾燥させた
繊維が、塊状化または凝集していることがあるので、こ
のような場合には、通常の粉体ミル、アトマイザ−、パ
ルバライザ−などの任意の手段により分散を行う。[0014] It is preferable that the carbon fiber is further surface-treated with a material containing a caking component such as tar, pitch, or organic polymer to improve its compatibility with the binder. This surface treatment can be carried out by adding about 100 to 1000 parts by weight of a material containing a viscous component to 100 parts by weight of carbon fibers, stirring the mixture, washing with an organic solvent, and drying. The carbon fibers are subjected to a dispersion treatment if necessary. That is, since the dried fibers may be lumped or aggregated, in such a case, dispersion is carried out by any means such as a conventional powder mill, an atomizer, or a pulverizer.
【0015】マトリックス炭素としては、フェノール樹
脂等の樹脂を炭化したもの、石炭または石油ピッチを加
熱してさらに炭化したもの、コークス粉砕品、メソカー
ボンマイクロビーズのように自己焼結性をもつ粉、CV
Dによる気相法で得られる炭素等が利用できる。酸化物
系セラミックとしては、1600℃以上の高融点を有し
、複合材製造時に炭素と反応しにくいものであることが
必要である。かかる酸化物系セラミックとして、MgO
、TiO2 、BaO、CaO、Al2 O3 、Zr
O2 、BeO、SiO2 等がある。なお、後で説明
するが酸化物系セラミックとしては、前記高融点、炭素
と反応しにくいという条件以外に、低い熱膨張係数(α
)をもつことが好ましい。低熱膨張であるという観点か
ら、ムライト(3Al2 O3 ・2SiO2 、α2
;4.5〜5.7×10−6/℃)、アルミナ(Al
2 O3 、α2 ;7.2〜9.0×10−6/℃)
、ルチル(TiO2 、α2 ;6.8〜8.3×10
−6/℃)、ジルコニア(ZrO2 、α2 ;10.
4×10−6/℃)、ベリリア(BeO、α;7.5〜
9.0×10−6/℃)が推奨される。
なお、マグネシア(MgO、α;13.0〜13.5×
10−6/℃)は摩擦係数を高くする効果はあるが、熱
膨張係数が大きいため、複合材としたときに材料強度が
低下する。このため多量の配合は好ましくない。Matrix carbon includes carbonized resins such as phenol resins, coal or petroleum pitch heated and further carbonized, crushed coke, self-sintering powders such as mesocarbon microbeads, CV
Carbon etc. obtained by a vapor phase method using D can be used. The oxide ceramic needs to have a high melting point of 1600° C. or higher and be difficult to react with carbon during composite material production. As such oxide ceramic, MgO
, TiO2, BaO, CaO, Al2O3, Zr
There are O2, BeO, SiO2, etc. As will be explained later, in addition to the above-mentioned high melting point and difficulty in reacting with carbon, oxide ceramics also have a low coefficient of thermal expansion (α
) is preferable. Mullite (3Al2O3 ・2SiO2, α2
;4.5~5.7×10-6/℃), alumina (Al
2 O3, α2; 7.2-9.0×10-6/℃)
, rutile (TiO2, α2; 6.8-8.3×10
-6/℃), zirconia (ZrO2, α2; 10.
4×10-6/℃), beryllia (BeO, α; 7.5~
9.0×10-6/°C) is recommended. In addition, magnesia (MgO, α; 13.0 to 13.5×
10-6/°C) has the effect of increasing the coefficient of friction, but since the coefficient of thermal expansion is large, the strength of the material decreases when it is made into a composite material. For this reason, it is not preferable to mix a large amount.
【0016】多くの試験結果から、本発明者は、炭素繊
維強化炭素複合材料を構成する基材の熱膨張係数と酸化
物系セラミックスの熱膨張係数が近い程、炭素繊維強化
炭素複合材料の材料強度等の機械的性質が向上すること
を知見している。本発明の炭素繊維強化炭素複合材料の
使用が期待される20〜1000℃の温度範囲で、基材
を構成する炭素繊維強化炭素材料の平均熱膨張係数は比
較的低く、逆に、酸化物系セラミックスの平均熱膨張係
数は高い。From many test results, the present inventor found that the closer the thermal expansion coefficient of the base material constituting the carbon fiber-reinforced carbon composite material and the thermal expansion coefficient of the oxide ceramic, the better the material of the carbon fiber-reinforced carbon composite material. It is known that mechanical properties such as strength are improved. In the temperature range of 20 to 1000°C in which the carbon fiber-reinforced carbon composite material of the present invention is expected to be used, the average coefficient of thermal expansion of the carbon fiber-reinforced carbon material constituting the base material is relatively low; Ceramics have a high average coefficient of thermal expansion.
【0017】従って、基材は強度の低下が容認できる範
囲で、できるだけ熱膨張係数が高いものが好ましい。な
お、基材を構成する炭素繊維強化炭素材料の熱膨張係数
は、使用するマトリックス炭素原料、炭素繊維の種類を
選択したり、製造方法を変えることにより、ある程度任
意に調節できる。酸化物系セラミックは、熱膨張係数の
小さなものを選ぶのが好ましい。用途によって高い熱膨
張係数をもつセラミックスを選択しなければならない時
は、その配合量を少なくするとか、他の熱膨張係数の低
いセラミックスと混合して使用する等の方法を採用でき
る。[0017] Therefore, it is preferable that the base material has a coefficient of thermal expansion as high as possible within a range where a decrease in strength is acceptable. Note that the thermal expansion coefficient of the carbon fiber-reinforced carbon material constituting the base material can be arbitrarily adjusted to some extent by selecting the matrix carbon raw material and the type of carbon fiber to be used, or by changing the manufacturing method. It is preferable to select an oxide ceramic having a small coefficient of thermal expansion. When it is necessary to select a ceramic with a high coefficient of thermal expansion depending on the application, methods such as reducing the blending amount or mixing it with other ceramics with a low coefficient of thermal expansion can be adopted.
【0018】本発明の炭素繊維強化炭素複合材料の基材
の20〜1000℃の平均熱膨張係数α1 とセラミッ
クスの20〜1000℃の平均熱膨張係数α2 とは次
の関係にあるのが好ましい。
−2×10−6/℃≦α1 −α2 ≦3.5×10−
6/℃(α1 −α2 )が−2より小さい、すなわち
基材の平均熱膨張係数α1 が、セラミックスの平均熱
膨張係数α2 より2×10−6/℃小さいと、基材と
セラミックスとの境界部分に無視できない隙間が生じ、
耐摩耗性が低くなる。また、同じことは、(α1 −α
2 )が+3.5より大きい、すなわち基材の平均熱膨
張係数α1 が、セラミックスの平均熱膨張係数α2
より3.5×10−6/℃大きいと、基材とセラミック
スとの境界部分に無視できない歪みが生じ、耐摩耗性が
低くなる。なお、(α1 −α2 )がプラス側とマイ
ナス側で異なるのは、炭素繊維強化炭素複合材料の基材
とセラミックスの境界部分の関係が焼成温度で定まり、
焼成温度から室温まで温度が低下すると、その温度変化
による熱収縮で基材とセラミックスとの境界部分の関係
が変化することによると考えている。(α1 −α2
)がマイナス、すなわちセラミックスの熱膨張係数が大
きいと、室温まで温度が低下するとセラミックスが大き
く収縮し、基材とセラミックスとの境界部分に隙間が生
じる。逆に、(α1 −α2 )がプラス、すなわちセ
ラミックスの熱膨張係数が小さいと、室温まで温度が低
下すると基材が大きく収縮し、基材は焼き嵌めと同じ原
理でセラミックスを強く閉じ込め隙間が発生しない。な
お、(α1 −α2 )があまりにも大きいと、基材が
熱膨張の差に基ずく歪みを吸収できず、基材か破壊され
、耐摩耗性が大きく低下する。It is preferable that the average thermal expansion coefficient α1 of the base material of the carbon fiber-reinforced carbon composite material of the present invention at 20 to 1000°C and the average thermal expansion coefficient α2 of the ceramic at 20 to 1000°C have the following relationship. −2×10−6/℃≦α1 −α2 ≦3.5×10−
6/°C (α1 - α2) is smaller than -2, that is, when the average coefficient of thermal expansion α1 of the base material is 2 × 10-6/°C smaller than the average coefficient of thermal expansion α2 of the ceramics, the boundary between the base material and the ceramics A gap that cannot be ignored occurs in the part,
Wear resistance decreases. Also, the same thing is (α1 − α
2) is larger than +3.5, that is, the average coefficient of thermal expansion α1 of the base material is the average coefficient of thermal expansion α2 of the ceramics.
If the temperature is 3.5×10 −6 /° C., non-negligible distortion will occur at the boundary between the base material and the ceramic, resulting in lower wear resistance. The reason why (α1 - α2) differs between the plus side and the minus side is that the relationship between the boundary between the base material of the carbon fiber reinforced carbon composite material and the ceramics is determined by the firing temperature.
We believe that this is because when the temperature drops from the firing temperature to room temperature, the relationship between the boundary between the base material and the ceramic changes due to thermal contraction due to the temperature change. (α1 −α2
) is negative, that is, if the coefficient of thermal expansion of the ceramic is large, the ceramic will shrink significantly when the temperature drops to room temperature, creating a gap at the boundary between the base material and the ceramic. On the other hand, if (α1 - α2) is positive, that is, the coefficient of thermal expansion of the ceramic is small, the base material will shrink significantly when the temperature drops to room temperature, and the base material will strongly trap the ceramic and create a gap based on the same principle as shrink fitting. do not. Note that if (α1 − α2 ) is too large, the base material will not be able to absorb the strain caused by the difference in thermal expansion, and the base material will be destroyed, resulting in a significant decrease in wear resistance.
【0019】参考までに、基材を一定にし、配合するセ
ラミックスの種類を変えて熱膨張係数の差(α1 −α
2 )を変えた数種類の炭素繊維強化炭素複合材料を作
り、熱膨張係数の差(α1 −α2 )と比摩耗量との
関係を示す線図を図1に示す。なお、図1では熱膨張係
数の差(α1 −α2 )を絶対値で示した。図1より
、(α1−α2 )がゼロ(0)に近ずく程比摩耗量が
低下しているのが判る。For reference, the difference in thermal expansion coefficient (α1 - α
2) Several types of carbon fiber-reinforced carbon composite materials were made with different values, and a diagram showing the relationship between the difference in thermal expansion coefficient (α1 - α2) and specific wear amount is shown in FIG. In addition, in FIG. 1, the difference in thermal expansion coefficients (α1 − α2) is shown as an absolute value. From FIG. 1, it can be seen that the closer (α1-α2) is to zero (0), the lower the specific wear amount is.
【0020】本発明の炭素繊維強化炭素複合材料を10
0重量%(以下、%は特に明記しないかぎり重量%を示
す。)としたとき、酸化物系セラミツク粉末および/ま
たは繊維の割合は、3〜20%であるのが好ましい。3
%以下では摩擦係数の向上に充分ではなく、逆に20%
を越えると材料強度の低下が著しい。また、炭素繊維の
含有量は40%以下とするのが好ましい。40%を越え
ると材料強度が著しく低下する。[0020] The carbon fiber reinforced carbon composite material of the present invention
The proportion of the oxide ceramic powder and/or fiber is preferably 3 to 20%, when 0% by weight (hereinafter, % indicates weight% unless otherwise specified). 3
If it is less than 20%, it is not sufficient to improve the friction coefficient;
If it exceeds this value, the strength of the material will decrease significantly. Further, the content of carbon fiber is preferably 40% or less. If it exceeds 40%, the material strength will drop significantly.
【0021】本発明の炭素繊維強化炭素複合材料はその
見掛け密度が1.7g/cm3 以上であるのが好まし
い。見掛け密度が高くなる程、材料強度、耐摩耗性等の
機械的特性が向上する。本発明の炭素繊維強化炭素複合
材料の形状は特に限定されず、ブレ−キシュ−、ブレ−
キライニング、ブレ−キパッド、ブッシユ、ワッシヤ、
ロ−タ、スリ−ブなどの所定の形状とすることができる
。[0021] The carbon fiber reinforced carbon composite material of the present invention preferably has an apparent density of 1.7 g/cm3 or more. The higher the apparent density, the better the mechanical properties such as material strength and wear resistance. The shape of the carbon fiber reinforced carbon composite material of the present invention is not particularly limited.
Kill lining, brake pad, bush, washer,
It can be made into a predetermined shape such as a rotor or a sleeve.
【0022】本発明の炭素繊維強化炭素複合材料は公知
の方法によって製造できる。マトリックス炭素として自
己焼結性の炭素粉末を使用する場合は、例えば図2に示
すような乾式混合、乾式成形および焼成という簡単な工
程で製造できる。炭素粉末とセラミックス粉末および繊
維は、強度および耐摩耗性を等方的にするために、前記
した原料を均一に混合することが好ましい。The carbon fiber-reinforced carbon composite material of the present invention can be produced by a known method. When using self-sintering carbon powder as the matrix carbon, it can be manufactured by a simple process of dry mixing, dry molding, and firing, as shown in FIG. 2, for example. In order to make the carbon powder, ceramic powder, and fiber isotropic in strength and wear resistance, it is preferable to uniformly mix the above-mentioned raw materials.
【0023】成形は、常法によって行うことができ、通
常1〜10ton/cm2 程度の加圧下に所定の形状
に成形すればよい。または、CIP法、HIP法、ホッ
トプレス法などによって成形を行ってもよい。成形は、
常温でまたは不活性雰囲気下500℃程度までの加熱下
に行うことができる。焼成は、700〜1500℃程度
に加熱して炭素繊維および自己焼結性炭素質粉末を炭化
固結させる。なお、必要に応じてこの炭化された複合体
を黒鉛化炉で焼結温度以上に加熱して黒鉛化させてもよ
い。[0023] Molding can be carried out by a conventional method, and the molding may be carried out into a predetermined shape under pressure of about 1 to 10 ton/cm2. Alternatively, the molding may be performed by a CIP method, a HIP method, a hot press method, or the like. The molding is
This can be carried out at room temperature or under heating up to about 500° C. in an inert atmosphere. In the firing, carbon fibers and self-sintering carbonaceous powder are carbonized and solidified by heating to about 700 to 1500°C. Note that, if necessary, this carbonized composite may be heated to a temperature higher than the sintering temperature in a graphitization furnace to graphitize it.
【0024】マトリックス炭素として液状あるいは加熱
により液化する原料を使用する場合は、酸化物系セラミ
ックスはマトリックス炭素原料に混合する。炭素繊維は
従来の方法と同様にマトリックス炭素原料に混合しても
、あるいは炭素繊維でできた予備成形体にマトリックス
炭素原料を付着させる方法でも良い。複合体を得るには
得られた成形体を加熱しマトリックス炭素原料の炭化を
進め、全体を一体化する。炭化の条件は、特に限定され
ないが、通常非酸化性雰囲気中0.1〜300℃/時間
程度の速度で常温から1500℃程度の温度まで昇温し
、0.5〜10時間程度保持して行えばよい。なお、焼
結時においてもより高温で焼結すると複合体の一部は炭
化の後、黒鉛化する。[0024] When a liquid or a raw material that can be liquefied by heating is used as the matrix carbon, the oxide ceramic is mixed with the matrix carbon raw material. The carbon fibers may be mixed with the matrix carbon raw material as in the conventional method, or the matrix carbon raw material may be attached to a preformed body made of carbon fibers. To obtain a composite, the obtained molded body is heated to promote carbonization of the matrix carbon raw material, and the whole is integrated. The carbonization conditions are not particularly limited, but usually the temperature is raised from room temperature to about 1500°C at a rate of about 0.1 to 300°C/hour in a non-oxidizing atmosphere, and held for about 0.5 to 10 hours. Just go. Note that during sintering, if the composite is sintered at a higher temperature, a portion of the composite will be carbonized and then graphitized.
【0025】また、黒鉛化の条件も、特に限定されず、
非酸化性雰囲気中で焼結時の温度から0.1〜500℃
/時間程度の速度で1500〜3000℃程度の温度ま
で昇温し、0.5〜10時間程度保持すればよい。黒鉛
化を行った場合には、黒鉛結晶が十分に成長するととも
に秩序正しく配向し、これにより製品の密度、強度およ
び耐摩耗性などがさらに向上する。[0025] Furthermore, the conditions for graphitization are not particularly limited;
0.1 to 500℃ from the temperature during sintering in a non-oxidizing atmosphere
The temperature may be raised to a temperature of about 1500 to 3000° C. at a rate of about 100° C./hour and maintained for about 0.5 to 10 hours. When graphitization is performed, graphite crystals grow sufficiently and are oriented in an orderly manner, thereby further improving the density, strength, wear resistance, etc. of the product.
【0026】[0026]
【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。
(実施例1)炭素繊維として、長さ20mmのピッチ系
炭素繊維(光学的等方性繊維、ドナック製 ドナカー
ボS210)を用いた。マトリックス炭素原料としてフ
ェノール樹脂を用い、アルコールに分散して使用した。
このアルコール分散液1lに平均粒径1.2μmのムラ
イト(3Al2 O3 ・2SiO2 、α2 ;4.
8×10−6/℃)、平均粒径0.5μmのアルミナ(
Al2 O3 、α2 ;7.2×10−6/℃)およ
び平均粒径0.6μmのマグネシア(MgO、α2 ;
13.0×10−6/℃)の一つを50g加えた3種類
の配合物を得た。これらを個々に均一に攪拌し、その後
さらに個々の配合物に前記炭素繊維300gを加えてさ
らに30分間攪拌した。これらの混合物を個々に成形用
金型に入れ、底部よりアルコールを垂れ流し、金型ごと
80℃で10時間乾燥した。その後180℃でキュアー
した。[Examples] Examples of the present invention will be described below. (Example 1) As the carbon fiber, a pitch-based carbon fiber (optically isotropic fiber, Donna Carbo S210 manufactured by Donac) with a length of 20 mm was used. A phenol resin was used as a matrix carbon raw material and was dispersed in alcohol. Mullite (3Al2O3.2SiO2, α2;4.
8×10-6/℃), alumina with an average particle size of 0.5 μm (
Al2O3, α2; 7.2×10-6/℃) and magnesia (MgO, α2; with an average particle size of 0.6 μm).
Three types of formulations were obtained, each containing 50 g of one of the following: These were individually and uniformly stirred, and then 300 g of the carbon fibers were added to each mixture and further stirred for 30 minutes. These mixtures were individually put into molds, alcohol was dripped from the bottom, and the molds were dried at 80° C. for 10 hours. Thereafter, it was cured at 180°C.
【0027】固化した各成形体を金型より取り出し、ア
ルゴン雰囲気中で最高1700℃まで加熱し、フェノー
ルを炭化、黒鉛化した。その後さらにCVDによる緻密
化を行い、本発明の炭素繊維強化炭素複合材料を得た。
なお、CVDは、高周波誘導加熱炉内で得られ黒鉛化材
を600℃に加熱しジクロロエチレンを炉内に導入し、
熱分解して緻密化させたものである。[0027] Each solidified molded body was taken out from the mold and heated to a maximum of 1700°C in an argon atmosphere to carbonize and graphitize the phenol. Thereafter, densification was further performed by CVD to obtain a carbon fiber-reinforced carbon composite material of the present invention. Note that in CVD, the graphitized material obtained in a high-frequency induction heating furnace is heated to 600°C, dichloroethylene is introduced into the furnace,
It is densified by thermal decomposition.
【0028】これらの炭素繊維強化炭素複合材料のムラ
イト、アルミナおよびマグネシアの割合はそれぞれ5.
1%、5.6%および5.3%であり、見掛け密度はい
ずれも1.7g/cm3 であった。また、ムライト、
アルミナおよびマグネシアをそれぞれ配合した炭素繊維
強化炭素複合材料の20〜1000℃の平均熱膨張係数
はそれぞれ5.4×10−6/℃、5.7×10−6/
℃および6.2×10−6/℃であった。The proportions of mullite, alumina and magnesia in these carbon fiber-reinforced carbon composite materials are each 5.
1%, 5.6% and 5.3%, and their apparent densities were all 1.7 g/cm3. Also, mullite,
The average thermal expansion coefficients of carbon fiber-reinforced carbon composite materials containing alumina and magnesia at 20 to 1000°C are 5.4 x 10-6/°C and 5.7 x 10-6/°C, respectively.
℃ and 6.2 x 10-6/℃.
【0029】なお、本実施例の炭素繊維強化炭素複合材
料を構成する基材は、後で説明する比較例1の炭素繊維
強化炭素材料と同じ物とみなすことができる。従って、
この基材の20〜1000℃の平均熱膨張係数α1 は
比較例1から判るように5.5×10−6/℃となる。
この基材の平均熱膨張係数α1 とセラミックスの平均
熱膨張係数α2 から(α1 −α2 )を求めると、
ムライト、アルミナおよびマグネシアをそれぞれ含む本
実施例の炭素繊維強化炭素複合材料の(α1 −α2
)は、それぞれ+0.7×10−6/℃、−1.7×1
0−6/℃および−7.5×10−6/℃となる。
(実施例2)炭素繊維として、実施例1で使用したのと
同じ長さ20mmのピッチ系炭素繊維を用い、これを粉
砕してミルド粉(繊維長さ0.5mm)としたものを使
用した。マトリックス炭素原料として平均粒径7μmの
コールタール系メソカーボンマイクロビーズ(大阪ガス
製)を使用した。さらに酸化物系セラミックスとして実
施例1で使用したのと同じ3種類の酸化物粉を使用した
。そして、炭素繊維;メソカーボンマイクロビーズ;酸
化物粉を重量割合で25;75;5として配合し、3種
類の配合物を得た。これら3種類の配合物をそれぞれ個
々にライカイ機で混合し、さらに室温で万能プレスで1
ton/cm2 の成形圧力で成形した。その後、これ
ら成形体を常圧で非酸化性雰囲気中、150℃/時間の
加熱速度で1000℃まで昇温し、同温度で1時間保持
しさらに非酸化性雰囲気中、500℃/時間の速度で1
700℃まで加熱して焼結した。これにより3種類の本
発明の炭素繊維強化炭素複合材料を得た。The base material constituting the carbon fiber-reinforced carbon composite material of this example can be considered to be the same as the carbon fiber-reinforced carbon material of Comparative Example 1, which will be explained later. Therefore,
As can be seen from Comparative Example 1, the average coefficient of thermal expansion α1 of this base material from 20 to 1000°C is 5.5×10 −6 /°C. Calculating (α1 - α2) from the average coefficient of thermal expansion α1 of this base material and the average coefficient of thermal expansion α2 of the ceramics, we get:
(α1 −α2) of the carbon fiber reinforced carbon composite material of this example containing mullite, alumina, and magnesia
) are +0.7×10-6/℃ and −1.7×1, respectively.
0-6/℃ and -7.5×10-6/℃. (Example 2) As the carbon fiber, pitch-based carbon fiber with the same length of 20 mm as used in Example 1 was used, and this was ground into milled powder (fiber length: 0.5 mm). . Coal tar-based mesocarbon microbeads (manufactured by Osaka Gas) with an average particle size of 7 μm were used as the matrix carbon raw material. Furthermore, the same three types of oxide powders as used in Example 1 were used as oxide ceramics. Then, carbon fibers, mesocarbon microbeads, and oxide powder were blended in a weight ratio of 25:75:5 to obtain three types of blends. These three types of formulations were mixed individually in a Raikai machine, and then mixed in a universal press at room temperature.
Molding was carried out at a molding pressure of ton/cm2. Thereafter, these molded bodies were heated to 1000°C at a heating rate of 150°C/hour in a non-oxidizing atmosphere at normal pressure, held at the same temperature for 1 hour, and then heated at a heating rate of 500°C/hour in a non-oxidizing atmosphere. de1
It was heated to 700°C and sintered. As a result, three types of carbon fiber-reinforced carbon composite materials of the present invention were obtained.
【0030】これらの炭素繊維強化炭素複合材料のムラ
イト、アルミナおよびマグネシアの割合および見掛け密
度はそれぞれ6.1%と1.75g/cm3 、6.2
%と1.86g/cm3 および6.1%と1.71g
/cm3 であった。また、ムライト、アルミナおよび
マグネシアをそれぞれ配合した炭素繊維強化炭素複合材
料の20〜1000℃の平均熱膨張係数はそれぞれ7.
2×10−6/℃、7.0×10−6/℃および8.3
×10−6/℃であった。The proportions and apparent densities of mullite, alumina, and magnesia in these carbon fiber-reinforced carbon composite materials are 6.1%, 1.75 g/cm3, and 6.2, respectively.
% and 1.86g/cm3 and 6.1% and 1.71g
/cm3. Furthermore, the average coefficient of thermal expansion between 20 and 1000°C of carbon fiber-reinforced carbon composite materials containing mullite, alumina, and magnesia is 7.
2×10-6/℃, 7.0×10-6/℃ and 8.3
×10-6/°C.
【0031】なお、本実施例の酸化物粉を全く含まない
ことだけ異なり、他は本実施例と全く同じ方法で、酸化
物粉を全く含まない炭素繊維強化炭素材料を作り、本実
施例の炭素繊維強化炭素複合材料を構成する基材とした
。そしてこの基材の20〜1000℃の平均熱膨張係数
α1 を求めた。基材の20〜1000℃の平均熱膨張
係数α1 は7.3×10−6/℃であった。この基材
の平均熱膨張係数α1 とセラミックスの平均熱膨張係
数α2 から(α1 −α2 )を求めると、ムライト
、アルミナおよびマグネシアをそれぞれ含む本実施例の
炭素繊維強化炭素複合材料の(α1 −α2 )は、そ
れぞれ+2.5×10−6/℃、+0.1×10−6/
℃および−5.7×10−6/℃となる。
(実施例3)炭素繊維として、フィラメント3000本
よりなるピッチ系炭素繊維を使用した。マトリックス炭
素原料として軟化点280℃のピッチ粉砕品とコークス
の粉砕品の等重量混合物を使用した。そして、酸化物系
セラミックスとして実施例1で使用したのと同じムライ
ト、アルミナおよびマグネシアの3種類を使用した。A carbon fiber-reinforced carbon material containing no oxide powder was prepared using the same method as in this example except that it did not contain any oxide powder. It was used as a base material for forming a carbon fiber-reinforced carbon composite material. Then, the average coefficient of thermal expansion α1 of this base material at 20 to 1000°C was determined. The average coefficient of thermal expansion α1 of the base material from 20 to 1000°C was 7.3×10 −6 /°C. Calculating (α1 − α2 ) from the average coefficient of thermal expansion α1 of this base material and the average coefficient of thermal expansion α2 of ceramics, it is found that (α1 − α2 ) of the carbon fiber-reinforced carbon composite material of this example containing mullite, alumina, and magnesia, respectively. ) are +2.5×10-6/℃ and +0.1×10-6/℃, respectively.
℃ and -5.7 x 10-6/℃. (Example 3) Pitch-based carbon fiber consisting of 3000 filaments was used as the carbon fiber. As the matrix carbon raw material, an equal weight mixture of pulverized pitch and pulverized coke with a softening point of 280° C. was used. The same three types of oxide ceramics used in Example 1, mullite, alumina, and magnesia, were used.
【0032】まずピッチ粉砕品、コークス粉砕品および
1種類の酸化物セラミックスをそれぞれ重量換算で1;
1;0.5の割合で配合し、充分に混合して3種類の混
合粉を得た。次に、前記炭素繊維の各フィラメントの表
面にそれぞれ1種類の前記混合粉を粒子付着装置で付着
させた。これら混合粉が付着した各繊維の表面を膜厚1
0μmのポリエチレンで被覆し、ボビンに巻き取って3
種類の中間体を作った。これら3種類の中間体毎に、成
形型内で一方向に配列し板状の集積体とし、成形圧力5
00kg/cm2 、600℃で30分間ホットプレス
して焼結し、さらに1700℃まで加熱して黒鉛化して
3種類の本実施例の炭素繊維強化炭素複合材量を得た。First, a pitch-pulverized product, a coke-pulverized product, and one type of oxide ceramic were each weighed at 1;
They were blended at a ratio of 1:0.5 and thoroughly mixed to obtain three types of mixed powders. Next, one type of the mixed powder was attached to the surface of each filament of the carbon fiber using a particle attachment device. The surface of each fiber to which these mixed powders are attached is coated with a film thickness of 1
Cover with 0 μm polyethylene and wind up on a bobbin.
We made various intermediates. Each of these three types of intermediates is arranged in one direction in a mold to form a plate-shaped aggregate, and the molding pressure is 5
00 kg/cm2 and sintered by hot pressing at 600°C for 30 minutes, and further heated to 1700°C to graphitize to obtain three types of carbon fiber-reinforced carbon composite materials of this example.
【0033】これらの炭素繊維強化炭素複合材料のムラ
イト、アルミナおよびマグネシアの割合および見掛け密
度はそれぞれ1.0%と1.75g/cm3 、8%と
1.75g/cm3 および10%と1.76g/cm
3 であった。また、ムライト、アルミナおよびマグネ
シアをそれぞれ配合した炭素繊維強化炭素複合材料の2
0〜1000℃の平均熱膨張係数はそれぞれ5.6×1
0−6/℃、5.9×10−6/℃および6.1×10
−6/℃であった。The proportions and apparent densities of mullite, alumina, and magnesia in these carbon fiber-reinforced carbon composite materials are 1.0% and 1.75 g/cm3, 8% and 1.75 g/cm3, and 10% and 1.76 g, respectively. /cm
It was 3. In addition, two types of carbon fiber-reinforced carbon composite materials containing mullite, alumina, and magnesia are also available.
The average coefficient of thermal expansion from 0 to 1000℃ is 5.6 x 1, respectively.
0-6/℃, 5.9×10-6/℃ and 6.1×10
-6/℃.
【0034】なお、本実施例の酸化物粉を全く含まない
ことだけ異なり、他は本実施例と全く同じ方法で、酸化
物粉を全く含まない炭素繊維強化炭素材料を作り、本実
施例の炭素繊維強化炭素複合材料を構成する基材とした
。そしてこの基材の20〜1000℃の平均熱膨張係数
α1 を求めた。基材の20〜1000℃の平均熱膨張
係数α1 は5.6×10−6/℃であった。この基材
の平均熱膨張係数α1 とセラミックスの平均熱膨張係
数α2 から(α1 −α2 )を求めると、ムライト
、アルミナおよびマグネシアをそれぞれ含む本実施例の
炭素繊維強化炭素複合材料の(α1 −α2 )は、そ
れぞれ+0.8×10−6/℃、−1.6×10−6/
℃および−7.4×10−6/℃となる。
(実施例4)炭素繊維としてフィラメント1000本の
PAN系炭素繊維を平織りにしたクロスを使用した。マ
トリックス炭素原料として、実施例2で使用した自己焼
結性炭素粉を用いた。酸化物系セラミックスとして実施
例1で使用したのと同じムライト、アルミナおよびマグ
ネシアの3種類を使用した。[0034] A carbon fiber-reinforced carbon material containing no oxide powder was prepared using the same method as in this example except that it did not contain any oxide powder. It was used as a base material for forming a carbon fiber-reinforced carbon composite material. Then, the average coefficient of thermal expansion α1 of this base material at 20 to 1000°C was determined. The average coefficient of thermal expansion α1 of the base material from 20 to 1000°C was 5.6 x 10-6/°C. Calculating (α1 − α2 ) from the average coefficient of thermal expansion α1 of this base material and the average coefficient of thermal expansion α2 of ceramics, it is found that (α1 − α2 ) of the carbon fiber-reinforced carbon composite material of this example containing mullite, alumina, and magnesia, respectively. ) are +0.8×10-6/℃ and −1.6×10-6/, respectively.
℃ and -7.4 x 10-6/℃. (Example 4) A plain-woven cloth made of 1000 filaments of PAN-based carbon fibers was used as the carbon fiber. The self-sintering carbon powder used in Example 2 was used as the matrix carbon raw material. The same three types of oxide ceramics used in Example 1, mullite, alumina, and magnesia, were used.
【0035】まず炭素粉および1種類の酸化物セラミッ
クスをそれぞれ重量換算で4;1の割合で配合し、充分
に混合して3種類の混合粉を得た。次に、前記炭素繊維
のクロスの表面にそれぞれ1種類の前記混合粉を練り込
んで付着させプレプリグを得、3種類の中間体を作った
。これら3種類の中間体毎に、成形型内に入れ、成形圧
力200kg/cm2 、200℃で10分間ホットプ
レスして焼結し、さらに加圧を500kg/cm2 に
して1700℃まで加熱して黒鉛化して3種類の本実施
例の炭素繊維強化炭素複合材量を得た。First, carbon powder and one type of oxide ceramic were mixed at a ratio of 4:1 in terms of weight, and thoroughly mixed to obtain three types of mixed powder. Next, one type of the mixed powder was kneaded and adhered to the surface of each of the carbon fiber cloths to obtain prepregs, thereby producing three types of intermediates. Each of these three types of intermediates was put into a mold and sintered by hot pressing at 200°C for 10 minutes at a molding pressure of 200 kg/cm2, and then heated to 1700°C at a pressure of 500 kg/cm2 to form graphite. The amounts of three types of carbon fiber-reinforced carbon composite materials of this example were obtained.
【0036】これらの炭素繊維強化炭素複合材量のムラ
イト、アルミナおよびマグネシアの割合および見掛け密
度はそれぞれ8%と1.70g/cm3 、7%と1.
72g/cm3 および8%と1.72g/cm3 で
あった。また、ムライト、アルミナおよびマグネシアを
それぞれ配合した炭素繊維強化炭素複合材の20〜10
00℃の平均熱膨張係数はそれぞれ4.2×10−6/
℃、4.3×10−6/℃および4.5×10−6/℃
であった。The proportions and apparent densities of mullite, alumina and magnesia in these carbon fiber reinforced carbon composite materials are 8% and 1.70g/cm3, and 7% and 1.70g/cm3, respectively.
They were 72g/cm3 and 8% and 1.72g/cm3. In addition, carbon fiber-reinforced carbon composites containing mullite, alumina, and magnesia have a
The average coefficient of thermal expansion at 00℃ is 4.2×10-6/
℃, 4.3 x 10-6/℃ and 4.5 x 10-6/℃
Met.
【0037】なお、本実施例の酸化物粉を全く含まない
ことだけ異なり、他は本実施例と全く同じ方法で、酸化
物粉を全く含まない炭素繊維強化炭素材料を作り、本実
施例の炭素繊維強化炭素複合材料を構成する基材とした
。そしてこの基材の20〜1000℃の平均熱膨張係数
α1 を求めた。基材の20〜1000℃の平均熱膨張
係数α1 は4.0×10−6/℃であった。この基材
の平均熱膨張係数α1 とセラミックスの平均熱膨張係
数α2 から(α1 −α2 )を求めると、ムライト
、アルミナおよびマグネシアをそれぞれ含む本実施例の
炭素繊維強化炭素複合材料の(α1 −α2 )は、そ
れぞれ−0.8×10−6/℃、−3.2×10−6/
℃および−9.0×10−6/℃となる。
(比較例1)実施例1において酸化物セラミックスを使
用しないだけで、その他はまったく実施例1と同じ方法
でセラミックスを含まない炭素繊維強化炭素材料を作っ
た。この比較例1の見掛け密度は1.69g/cm3
であった。また、20〜1000℃の平均熱膨張係数は
5.5×10−6/℃であった。
(比較例2)実施例1において酸化物セラミックスの代
わりに平均粒径3μmの炭化珪素(SiC)を使用し、
その他はまったく実施例1と同じ方法で炭化珪素を含む
炭素繊維強化炭素複合材量を作った。この比較例2の炭
化珪素の割合および見掛け密度は5.3%および1.7
0g/cm3 であった。また、20〜1000℃の平
均熱膨張係数は5.3×10−6/℃であった。
(比較例3)実施例2において酸化物セラミックスの代
わりに平均粒径3μmの炭化珪素(SiC)を使用し、
その他はまったく実施例2と同じ方法で炭化珪素を含む
炭素繊維強化炭素複合材量を作った。この比較例3の炭
化珪素の割合および見掛け密度は6.3%および1.7
3g/cm3 であった。また、20〜1000℃の平
均熱膨張係数は7.2×10−6/℃であった。
(比較例4)実施例3において酸化物セラミックスの代
わりに平均粒径3μmの炭化珪素(SiC)を使用し、
その他はまったく実施例3と同じ方法で炭化珪素を含む
炭素繊維強化炭素複合材量を作った。この比較例4の炭
化珪素の割合および見掛け密度は11%および1.75
g/cm3 であった。また、20〜1000℃の平均
熱膨張係数は5.2×10−6/℃であった。
(評価1)それぞれ3種類からなる実施例1ないし4お
よび各1種類の比較例1ないし4の炭素繊維強化炭素複
合材量および炭素繊維強化炭素材料につてい、無潤滑下
における摩擦係数を測定した。この測定は、機械試験所
式摩擦摩耗試験機により、回転数160rpm(すべり
速度;2cm/秒)で、荷重50kgfから荷重を2分
毎に10kgfずつ上昇させ、50kgfまでの摩擦係
数μを測定した。なお、相手材としては高炭素クロム軸
受鋼材(JIS SUJ2、以下、SUJ2と称する
。)を使用した。その結果を図3に示す。A carbon fiber-reinforced carbon material containing no oxide powder was prepared using the same method as in this example except that it did not contain any oxide powder. It was used as a base material for forming a carbon fiber-reinforced carbon composite material. Then, the average coefficient of thermal expansion α1 of this base material at 20 to 1000°C was determined. The average coefficient of thermal expansion α1 of the base material from 20 to 1000°C was 4.0×10 −6 /°C. Calculating (α1 − α2 ) from the average coefficient of thermal expansion α1 of this base material and the average coefficient of thermal expansion α2 of ceramics, it is found that (α1 − α2 ) of the carbon fiber-reinforced carbon composite material of this example containing mullite, alumina, and magnesia, respectively. ) are -0.8 x 10-6/℃ and -3.2 x 10-6/℃, respectively.
℃ and -9.0×10-6/℃. (Comparative Example 1) A carbon fiber-reinforced carbon material containing no ceramics was produced in the same manner as in Example 1 except that the oxide ceramics were not used. The apparent density of this comparative example 1 is 1.69 g/cm3
Met. Further, the average coefficient of thermal expansion from 20 to 1000°C was 5.5 x 10-6/°C. (Comparative Example 2) In Example 1, silicon carbide (SiC) with an average particle size of 3 μm was used instead of the oxide ceramics,
A carbon fiber-reinforced carbon composite material containing silicon carbide was produced in the same manner as in Example 1 in other respects. The proportion and apparent density of silicon carbide in Comparative Example 2 are 5.3% and 1.7%.
It was 0g/cm3. Further, the average coefficient of thermal expansion from 20 to 1000°C was 5.3 x 10-6/°C. (Comparative Example 3) In Example 2, silicon carbide (SiC) with an average particle size of 3 μm was used instead of the oxide ceramics,
A carbon fiber-reinforced carbon composite material containing silicon carbide was produced in the same manner as in Example 2 in all other respects. The proportion and apparent density of silicon carbide in Comparative Example 3 are 6.3% and 1.7%.
It was 3g/cm3. Further, the average coefficient of thermal expansion from 20 to 1000°C was 7.2 x 10-6/°C. (Comparative Example 4) In Example 3, silicon carbide (SiC) with an average particle size of 3 μm was used instead of the oxide ceramics,
A carbon fiber-reinforced carbon composite material containing silicon carbide was produced in the same manner as in Example 3 in all other respects. The proportion and apparent density of silicon carbide in Comparative Example 4 are 11% and 1.75.
g/cm3. Further, the average coefficient of thermal expansion from 20 to 1000°C was 5.2 x 10-6/°C. (Evaluation 1) Measure the friction coefficient without lubrication for the amount of carbon fiber-reinforced carbon composite material and carbon fiber-reinforced carbon material of Examples 1 to 4, each consisting of three types, and Comparative Examples 1 to 4, each consisting of one type. did. This measurement was carried out using a mechanical testing laboratory type friction and wear tester at a rotational speed of 160 rpm (sliding speed: 2 cm/sec), increasing the load from a load of 50 kgf by 10 kgf every 2 minutes, and measuring the friction coefficient μ up to 50 kgf. . Note that high carbon chromium bearing steel (JIS SUJ2, hereinafter referred to as SUJ2) was used as the mating material. The results are shown in FIG.
【0038】図3より明らかなように、本発明の実施例
1ないし4の酸化物セラミックスを配合した炭素繊維強
化炭素複合材量は、いずれも0.28ないし0.47程
度の高い摩擦係数を持つ。これに対して比較例1ないし
3のセラミックスとして炭化珪素(SiC)を配合した
炭素繊維強化炭素複合材量の摩擦係数は、0.2ないし
0.29程度と比較的低いものであった。しかし比較例
4に見られるように、セラミックスの配合されていない
炭素繊維強化炭素材量の摩擦係数は、0.14ないし0
.19とさらに低いものであった。As is clear from FIG. 3, the carbon fiber-reinforced carbon composite materials blended with the oxide ceramics of Examples 1 to 4 of the present invention all have high friction coefficients of about 0.28 to 0.47. have On the other hand, the friction coefficients of the carbon fiber-reinforced carbon composite materials blended with silicon carbide (SiC) as ceramics in Comparative Examples 1 to 3 were relatively low at about 0.2 to 0.29. However, as seen in Comparative Example 4, the friction coefficient of the amount of carbon fiber-reinforced carbon material that does not contain ceramics is 0.14 to 0.
.. It was even lower at 19.
【0039】これらの結果より、酸化物セラミックスを
配合した本発明の炭素繊維強化炭素複合材量は、高い摩
擦係数を持つことが判る。なお、酸化物セラミックス中
では、マグネシアが他のムライト、アルミナに比較して
僅かに高い摩擦係数を持つ。
(評価2)それぞれ3種類からなる実施例1ないし4お
よび各1種類の比較例1ないし4の炭素繊維強化炭素複
合材および炭素繊維強化炭素材料につてい、湿式下(油
潤滑)における摩擦係数および摩耗量を測定した。この
測定は、LFW摩擦摩耗試験機により、荷重15kgf
、回転数160rpmで15分間の試験を実施した。
相手材としてはSUJ2製のリングを使用し、テストピ
ースとしては10.0mm×15.7mmの平板を使用
した。その結果の一部の摩擦係数を図4に、摩耗量を表
1に示す。なお、参考までに各実施例の基材と酸化物セ
ラミックスとの20〜1000℃の平均熱膨張係数の差
(α1 −α2 )を合わせて示す。From these results, it can be seen that the carbon fiber-reinforced carbon composite material of the present invention containing oxide ceramics has a high coefficient of friction. Note that among oxide ceramics, magnesia has a slightly higher coefficient of friction than other mullite and alumina. (Evaluation 2) Regarding the carbon fiber-reinforced carbon composite materials and carbon fiber-reinforced carbon materials of Examples 1 to 4 each consisting of three types and Comparative Examples 1 to 4 each of one type, the friction coefficient under wet conditions (oil lubrication) and the amount of wear was measured. This measurement was performed using an LFW friction and wear tester at a load of 15 kgf.
The test was conducted for 15 minutes at a rotation speed of 160 rpm. A SUJ2 ring was used as the mating material, and a 10.0 mm x 15.7 mm flat plate was used as the test piece. The friction coefficients of some of the results are shown in FIG. 4, and the amount of wear is shown in Table 1. For reference, the difference (α1 - α2) in average coefficient of thermal expansion between 20 and 1000°C between the base material and the oxide ceramic of each example is also shown.
【0040】図4より明らかなように、本発明の実施例
1ないし4の酸化物セラミックスを配合した炭素繊維強
化炭素複合材量の中で、ムライトとアルミナを配合した
ものは摩擦係数が0.16〜0.18と比較的高かった
。しかしマグネシアを配合したものは乾式下の場合とは
逆にムライトおよびアルミナ配合のものより低い0.1
3〜0.16の摩擦係数であった。As is clear from FIG. 4, among the carbon fiber-reinforced carbon composite materials blended with the oxide ceramics of Examples 1 to 4 of the present invention, those containing mullite and alumina have a friction coefficient of 0. It was relatively high at 16-0.18. However, in contrast to the dry process, those containing magnesia have a lower 0.1 than those containing mullite and alumina.
The coefficient of friction was between 3 and 0.16.
【0041】比較例の炭化珪素を配合したものはセラミ
ックスを配合していないものより僅かに高い0.12〜
0.14の摩擦係数であった。一方セラミックスを配合
していない炭素繊維強化炭素材料の摩擦係数は0.11
〜0.14であった。これらの結果より、酸化物セラミ
ックスを配合した本発明の炭素繊維強化炭素複合材量は
、油潤滑下でも比較的高い摩擦係数を持つことが判る。
なお、酸化物セラミックス中では、マグネシアが他のム
ライト、アルミナに比較して僅かに低い摩擦係数を持つ
。[0041] The comparative example containing silicon carbide has a slightly higher resistance value of 0.12 to 0.12 than that containing no ceramics.
The friction coefficient was 0.14. On the other hand, the friction coefficient of carbon fiber-reinforced carbon material without ceramics is 0.11.
It was ~0.14. These results show that the carbon fiber-reinforced carbon composite material of the present invention containing oxide ceramics has a relatively high coefficient of friction even under oil lubrication. Note that among oxide ceramics, magnesia has a slightly lower coefficient of friction than other mullite and alumina.
【0042】[0042]
【表1】
表1に示す摩耗量と平均熱膨張係数の差(α1 −
α2 )とを比べてみると明らかなように、平均熱膨張
係数の差(α1 −α2 )が−2より大きくかつ+3
.5より小さい範囲にある炭素繊維強化炭素複合材料の
摩耗量は、酸化物セラミックスを含まない比較例に示す
炭素繊維強化炭素材料と同等あるいはそれらより優れた
、低い摩耗量をもつのが判る。これらに対して平均熱膨
張係数の差(α1 −α2 )が−2より遙かに小さい
、実施例1および4のアルミナを配合した炭素繊維強化
炭素複合材料とかマグネシアを配合した炭素繊維強化炭
素複合材料は、摩耗量が極めて高い。[Table 1] Difference between wear amount and average coefficient of thermal expansion shown in Table 1 (α1 −
As is clear from the comparison with
.. It can be seen that the wear amount of the carbon fiber-reinforced carbon composite material in the range smaller than 5 is equivalent to or better than that of the carbon fiber-reinforced carbon material shown in the comparative example that does not contain oxide ceramics. In contrast, the carbon fiber-reinforced carbon composite materials blended with alumina of Examples 1 and 4 and the carbon fiber-reinforced carbon composite blended with magnesia have a difference in average coefficient of thermal expansion (α1 −α2) far smaller than −2. The material has a very high wear rate.
【0043】[0043]
【効果】本発明の酸化物系セラミックスを配合した炭素
繊維強化炭素複合材料は、セラミックスを配合しない炭
素繊維強化炭素材料および炭化珪素を配合した炭素繊維
強化炭素複合材料より高い摩擦係数をもつ。また、マト
リックスとなる基材の熱膨張係数と酸化物系セラミック
スの熱膨張係数の差の小さいものは摩耗量も少ない。こ
のため本発明の炭素繊維強化炭素複合材料は、航空機お
よびレ−ス車両などのブレ−キシュ−、ブレ−キライニ
ングおよびブレ−キパッド、ブッシユ、ワッシヤ、フリ
クションドライブ用ロ−タ、スリ−ブなどに利用できる
。[Effect] A carbon fiber-reinforced carbon composite material containing the oxide ceramics of the present invention has a higher coefficient of friction than a carbon fiber-reinforced carbon material containing no ceramics and a carbon fiber-reinforced carbon composite material containing silicon carbide. In addition, a material with a small difference between the coefficient of thermal expansion of the base material serving as a matrix and the coefficient of thermal expansion of the oxide ceramic has a small amount of wear. Therefore, the carbon fiber-reinforced carbon composite material of the present invention can be used in brake shoes, brake linings, brake pads, bushes, washers, friction drive rotors, sleeves, etc. for aircraft and race vehicles. Available for
【図1】炭素繊維強化炭素複合材料を構成する基材とセ
ラミックスとの平均熱膨張係数の差と比摩耗量との関係
を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing the relationship between the difference in average coefficient of thermal expansion between a base material and ceramics constituting a carbon fiber-reinforced carbon composite material and specific wear amount.
【図2】本発明の炭素繊維強化炭素複合材料の一製造方
法を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing one method for manufacturing the carbon fiber-reinforced carbon composite material of the present invention.
【図3】実施例および比較例で得られた炭素繊維強化炭
素複合材料の乾式摩擦下の摩擦係数を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the friction coefficient under dry friction of carbon fiber-reinforced carbon composite materials obtained in Examples and Comparative Examples.
【図4】実施例および比較例で得られた炭素繊維強化炭
素複合材料の湿式摩擦下の摩擦係数を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the friction coefficient under wet friction of carbon fiber-reinforced carbon composite materials obtained in Examples and Comparative Examples.
Claims (4)
該基材中に1600℃以上の融点を有し該基材の炭素と
反応しにくい酸化物系セラミツク粉末および/または繊
維が3〜20重量%埋設されていることを特徴とする高
摩擦係数を持つ炭素繊維強化炭素複合材料。[Claim 1] The base material is composed of carbon fiber reinforced carbon,
A high friction coefficient characterized by having 3 to 20% by weight of oxide-based ceramic powder and/or fibers having a melting point of 1600°C or higher and not easily reacting with the carbon of the base material embedded in the base material. Carbon fiber reinforced carbon composite material.
ある請求項1記載の炭素繊維強化炭素複合材料。2. The carbon fiber reinforced carbon composite material according to claim 1, wherein the carbon fiber content is 40% by weight or less.
である請求項1記載の炭素繊維強化炭素複合材料。3. The carbon fiber reinforced carbon composite material according to claim 1, which has an apparent density of 1.7 g/cm 3 or more.
係数α1 と酸化物系セラミックの20〜1000℃の
平均熱膨張係数α2 との間に −2×10−6/℃≦α1 −α2 ≦3.5×10−
6/℃の関係がある請求項1記載の炭素繊維強化炭素複
合材料。4. Between the average coefficient of thermal expansion α1 of the base material at 20 to 1000°C and the average coefficient of thermal expansion α2 of the oxide ceramic at 20 to 1000°C, -2×10-6/°C≦α1-α2. ≦3.5×10−
The carbon fiber reinforced carbon composite material according to claim 1, which has a relationship of 6/°C.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3073300A JPH07115958B2 (en) | 1991-04-05 | 1991-04-05 | Carbon fiber reinforced carbon composite material with high friction coefficient |
| EP92302860A EP0507564A2 (en) | 1991-04-05 | 1992-04-01 | Carbon composite material |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3073300A JPH07115958B2 (en) | 1991-04-05 | 1991-04-05 | Carbon fiber reinforced carbon composite material with high friction coefficient |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04310568A true JPH04310568A (en) | 1992-11-02 |
| JPH07115958B2 JPH07115958B2 (en) | 1995-12-13 |
Family
ID=13514178
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3073300A Expired - Lifetime JPH07115958B2 (en) | 1991-04-05 | 1991-04-05 | Carbon fiber reinforced carbon composite material with high friction coefficient |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07115958B2 (en) |
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- 1991-04-05 JP JP3073300A patent/JPH07115958B2/en not_active Expired - Lifetime
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Also Published As
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|---|---|
| JPH07115958B2 (en) | 1995-12-13 |
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