JPH04358031A - セラミック繊維織布強化複合材料及びその製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ディスクブレーキ機構
におけるディスクローター、ディスクパッド、高速度運
動体の着地制動時の橇状の摺動材等に使用されるセラミ
ック繊維織布強化複合材料及びその製造法に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車、航空機等のブレーキ装置や一般
産業用機械設備には、ブレーキ等の制動装置が必要であ
り、かつこれが重要保安部品であることが多い。この制
動装置を構成する部品は、ディスクブレーキ機構の場合
はディスクローター及びディスクパッドであり、ドラム
ブレーキ機構の場合はドラム及びブレーキライニングで
ある。自動車のブレーキ装置に要求される性能は、■燃
料の節約のために軽量であること、■摩擦面の温度が７
００℃以上になる高速高負荷の条件にさらされても耐摩
耗性（耐酸化消耗性）の良いこと、■特定化学物質を出
来るかぎり使用しないこと、■より経済的（安価）で実
用に普及可能なことなどが挙げられる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかるに現在、ブレー
キのディスクローターやブレーキドラムは、ＦＣ２５、
ＦＣＤ４５等の鋳鉄製のものであり、摩擦特性、機械強
度などは優れているが、密度が７．２〜７．３と重い。 これに代るものとして炭素繊維強化炭素材料（以下Ｃ／
Ｃコンポと呼ぶ）がある。Ｃ／Ｃコンポは密度が１．７
〜１．９と軽量であるが炭素繊維が高価であり、かつ構
造物を製造する場合は平織や朱子織のように繊維を二次
元に配した織布を積層するか、又は三次元の織布を使用
するために更に高価なものとなる。またＣ／Ｃコンポは
全体が炭素系材料で構成されているために、高速高負荷
の条件にさらされて摩擦面の温度が４００℃以上になる
と空気中では酸化消耗する欠点がある。

【０００４】本発明は、軽量で耐熱性に優れ、かつ比較
的廉価なブレーキ用の摺動材料及びその製造法を提供す
ることを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、セラミック繊
維多重織布の空隙に炭素マトリックス及び金属マトリッ
クスを充填してなるセラミック繊維織布強化複合材料並
びにセラミック繊維を紡糸し、これを多重織布とし、液
状の炭素源を含浸及び焼成炭化し、次いで金属を含浸固
化するセラミック繊維織布強化複合材料の製造法に関す
る。

【０００６】本発明において、セラミック繊維はシリカ
（ＳｉＯ２）及び／又はアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を主成
分とする綿状繊維が好ましい。このセラミック繊維は紡
糸してヤーンとされ、更に織機にかけて多重織布とされ
る。多重織布の層の数は使用目的に応じて選定され、特
に制限はない。該セラミック繊維はスフ、木綿、ポリア
クリルニトリル繊維、塩化ビニル繊維等の有機繊維と混
綿して単糸又は単糸を撚りあわせた複合糸として用いれ
ば、これらの有機繊維は液状の炭素源との濡れが良く、
多重織布への含浸性が良くなり、好ましい。混綿の比率
は重量でセラミック繊維／有機繊維が９９／１〜７５／
２５が好ましい。

【０００７】液状の炭素源としてはタールピッチやフェ
ノール樹脂、カシュー変性フェノール樹脂、フラン樹脂
のような炭化歩留の良い熱硬化性樹脂が好ましい。液状
の炭素源の多重織布への含浸は浸漬、減圧含浸、加圧含
浸の何れでも良く、これらの組合せでも良い。含浸後は
熱硬化性樹脂を用いた場合はこれを加熱硬化させ、ター
ルピッチを用いた場合は冷却して成形体とされる。この
成形体における織布と炭素源との比率は、重量で織布／
炭素源が９０／１０〜４５／５５が好ましく、７５／２
５〜４５／５５が最良である。次いで成形体を非酸化性
の雰囲気で４００〜１０００℃で焼成して炭素源を炭化
し炭素マトリックスとしてセラミック繊維多重織布の空
隙に充填し、セラミック繊維を結合させてセラミック繊
維と炭素の複合体を得る。この複合体における比率は重
量でセラミック繊維／炭素が９０／１０〜５５／４５で
かつ気孔率が５〜２５％が好ましく、比率が７５／２５
〜５５／４５で気孔率が１０〜２０％であれば更に好ま
しい。このためには前記含浸及び焼成は２回以上行うこ
とが好ましい。

【０００８】上記セラミック繊維と炭素の複合体に溶融
金属を含浸固化して本発明の複合材料とされる。含浸す
る金属としてはアルミニウム又はその合金、アンチモン
、潤滑性を有する銅系の合金等が用いられる。含浸量は
得られる複合材料に対して重量で３〜３５％が好ましい
。含浸は減圧加圧含浸が好ましい。

【０００９】かくして得られるセラミック繊維織布強化
複合材料は、組成が重量でセラミック繊維４０〜６５％
、炭素マトリックス１０〜５０％及び金属マトリックス
３〜３５％、密度が１．５５〜２．７５で気孔率０．５
〜２５％のものが好ましい。

【００１０】

【実施例】次に本発明の実施例を説明する。

【００１１】実施例１ アルミナ及びシリカを主成分とするセラミック繊維（ニ
チアス製、ファインフレックスバルクファイバー、ＴＯ
ＭＢＯ　　Ｔ／＃５３００）９０重量％及びスフ１０重
量％を混綿機で混綿し、これをカーディングマシン、コ
ンデンサーにかけてスライバーとし、次いでリング精紡
機により撚りをかけてセラミック繊維８５重量％及びス
フ１５重量％のセラミック紡糸とした。この糸は１０±
１．５ｇ／ｍの重量で５０回／ｍのＳ撚りがかかってい
る。この紡糸を２本Ｚ撚り（５０回／ｍ）を加え、２０
〜２５ｇ／ｍのヤーンとした。このヤーンを自動車ウー
ブンライニングの織布製造に使用されている多重織布織
機にかけ、厚さ方向にヤーンが５層に重ねられ、三次元
（縦、横、厚さ方向）にヤーンが織り込められた幅３０
ｃｍ、厚さ３ｃｍの織布を織り上げた。この織布の見掛
密度は０．４５ｇ／ｃｍ３であった。

【００１２】この織布を２５ｃｍ平方に切断し、１２０
℃で２時間乾燥して脱水後、オートクレーブに入れて５
ｍｍＨｇまで減圧してから水溶性フェノール樹脂（日立
化成工業製、ＰＲ５２４）のワニスを注入し２時間保持
した。この後常圧に戻し２４時間保持し、次いで６Ｋｇ
／ｃｍ２の空圧をかけ、１６０℃で６時間保持して織布
／炭素源が重量で６０／４０の成形体とした。この成形
体の特性を表１に示す。この成形体を鉄製の焼成缶に入
れ、周囲に１〜２ｍｍφの炭素粒を充填し、蓋をして焼
成し、樹脂を炭化させた。焼成は、室温から５００℃ま
でを毎時５℃で昇温して５００℃で６時間保持し、５０
０℃から９００℃までを毎時１０℃で昇温して９００℃
で５時間保持する方法によった。上記したフェノール樹
脂の含浸及び焼成炭化を更に４回繰返して、セラミック
繊維／炭素マトリックスが重量で５５／４５の複合体を
得た。この複合体の特性を表１に示す。

【００１３】含浸槽の底部に金属アンチモン及び上部の
網の上に前記複合体を載置し、槽を密閉して５ｍｍＨｇ
まで減圧し、同時に加熱してアンチモンを溶融し、槽を
反転して複合体を溶融金属中に浸漬して常圧に戻し、更
に６Ｋｇ／ｃｍ２の空圧をかけて３０分保持後、再度槽
を反転して金属含浸複合体を融液から分離して冷却固化
し、アンチモンを３１．５重量％含有する複合材料を得
た。この複合材料の特性を表１に示す。

【００１４】実施例２ 実施例１におけるアンチモンの代りにアルミニウムを含
浸した以外は実施例１と全く同様にして、アルミニウム
を１４．７重量％含有するセラミック繊維織布強化複合
材料を得た。この複合材料の特性を表１に示す。表中、
酸化消耗率は５００℃で１０時間加熱したときの重量減
少率を示す。

【００１５】

【表１】

【００１６】表１から、本発明の複合材料は金属を含浸
しているのでＣ／Ｃコンポよりは重いが鋳鉄よりは遥か
に軽量であり、酸化消耗率が小さく、強度も充分である
。

【００１７】実施例３ 実施例１におけるアンチモンの代りに亜鉛を１５重量％
含浸したセラミック繊維織布強化複合材料を得た。

【００１８】実施例４ 実施例１におけるアンチモンの代りに１４Ｓｎ青銅合金
を１２重量％含浸したセラミック繊維織布強化複合材料
を得た。

【００１９】上記実施例１における成形体及び複合体並
びに実施例１〜４の各種金属を含浸したセラミック繊維
織布強化複合材料についてＪＩＳ　　Ｄ４４１１により
摩擦特性を評価した。即ち、相手金属をＦＣ２５とし、
１００℃及び２５０℃における摩擦係数及び摩耗量（ｍ
ｍ）を測定した。この結果を表２に示す。

【００２０】

【表２】

【００２１】表２から、いずれも摩擦係数が高くかつ摩
耗量が小さくて、摩擦特性は実用上充分であることが示
される。

【００２２】実施例５ シリカガラスの平織布（日本無機製、ＢＣＡ−４３０Ａ
Ｄ、ＳｉＯ２分９６％以上）を３０ｃｍ平方に切断した
ものを１０枚積層し、２枚のステンレス板治具で挾んで
厚さ５ｍｍになるように固定し、これを水溶性フェノー
ル樹脂（日立化成工業製、ＰＲ５２４）のワニスに浸漬
してワニスを充分に織布に浸透させた。次いで、治具の
ままオートクレーブに入れ、６Ｋｇ／ｃｍ２の空圧をか
けて１６０℃で６時間保持して織布／炭素源が重量で６
０／４０の成形体とした。この成形体の特性を表３に示
す。

【００２３】この成形体を、治具が装着されている状態
で鉄製の焼成缶に入れ、周囲に１〜２ｍｍφの炭素粒を
充填し、蓋をして焼成し、樹脂を炭化させた。焼成は、
室温から２００℃までを毎時５℃で昇温して２００℃で
５時間保持し、２００℃から５００℃までを毎時１０℃
で昇温して５００℃で１０時間保持後、５００℃から９
００℃までを毎時５℃で昇温して９００℃で１０時間保
持する方法によった。この焼成品を加圧含浸層に入れて
５ｍｍＨｇまで減圧し、この中に３５０℃に加熱溶融し
たタールピッチ（川崎製鉄製、ＰＫ−Ｌ）を注入して常
圧に戻し、更に６Ｋｇ／ｃｍ２の空圧をかけて１時間保
持して冷却後取り出し、鉄製の焼成缶に入れて周囲に１
〜２ｍｍφの炭素粒を充填し、室温から５００℃までを
毎時１０℃で昇温して５００℃で１０時間保持し、５０
０℃から９００℃までを毎時５℃で昇温して９００℃で
１０時間保持してタールピッチを焼成炭化した。このタ
ールピッチの含浸及び焼成炭化を更に２回繰返して、セ
ラミック繊維／炭素マトリックスが重量で５０／５０の
複合体を得た。この複合体の特性を表３に示す。

【００２４】この複合体を金属含浸槽に入れ、実施例１
と全く同様にしてアンチモンを３２重量％含有する複合
材料を得た。この複合材料の特性を表３に示す。

【００２５】実施例６ 実施例５におけるアンチモンの代りにアルミニウムを含
浸した以外は実施例５と全く同様にして、アルミニウム
を１５重量％含有するセラミック繊維織布強化複合材料
を得た。この複合材料の特性を表３に示す。表中、酸化
消耗率は表１と同様５００℃で１０時間加熱したときの
重量減少率を示す。

【００２６】表３から、本発明の複合材料は金属を含浸
しているのでＣ／Ｃコンポよりは重いが鋳鉄よりは遥か
に軽量であり、酸化消耗率が小さく、強度も充分である
。また表３から、摩擦特性も実用的に充分な値を示して
いる。

【００２７】

【表３】

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、セラミック繊維織布を
骨格として構成しているので、Ｃ／Ｃコンポよりは重い
が鋳鉄よりは遥かに軽量であり、炭素繊維より耐酸化消
耗性の良いセラミック繊維を使用していることと金属を
含浸することにより炭素マトリックスが被覆されるので
、耐酸化消耗性を含めた耐熱性においてＣ／Ｃコンポよ
り優れ、更に安価な綿状のセラミック繊維を用いている
ので廉価な複合材料が得られる。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　セラミック繊維多重織布の空隙に炭素
   マトリックス及び金属マトリックスを充填してなるセラ
   ミック繊維織布強化複合材料。
2. 【請求項２】　　セラミック繊維を紡糸し、これを多重
   織布とし、液状の炭素源を含浸及び焼成炭化し、次いで
   金属を含浸固化することを特徴とするセラミック繊維織
   布強化複合材料の製造法。