JPH11292662A

JPH11292662A - 繊維複合材料およびその用途

Info

Publication number: JPH11292662A
Application number: JP34900098A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Hanzawa; 茂半澤; Tsuneo Komiyama; 常夫古宮山; Takao Nakagawa; 隆夫中川; Mihoko Yamashita; 美穂子山下
Original assignee: NGK Insulators Ltd; Across Co Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd; Across Co Ltd
Priority date: 1997-12-16
Filing date: 1998-12-08
Publication date: 1999-10-26
Anticipated expiration: 2018-12-08
Also published as: JP3652900B2; US6472058B2; US20010051258A1

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】動摩擦係数が小さく、耐磨耗性、軽量、耐衝
撃性優れ、耐食性、耐クリープ性、耐スポーリング性を
も併せ持とともに、高硬度であることから摺動材として
も使用可能であり、Ｃ／Ｃコンポジットのような摩耗性
のために高頻度の交換を必要としないブレーキ用部材と
して優れた新規な繊維複合材料の提供。【解決手段】５５重量％〜７５重量％の炭素と、１重
量％〜１０重量％の珪素と、１０重量％〜５０重量％の
炭化珪素とから構成され、少なくとも炭素繊維の束と炭
素繊維以外の炭素成分とを含有するヤーンが層方向に配
向しつつ三次元的に組み合わされ、互いに分離しないよ
うに一体化されているヤーン集合体と、このヤーン集合
体中で隣り合う前記ヤーンの間に充填されているＳｉ−
ＳｉＣ系材料からなるマトリックスとを備え、０．０５
〜０．６の動摩擦係数と、０．５％〜１０％に制御され
た気孔率とを有することを特徴とする繊維複合材料によ
り達成。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体製造装
置、精密測定器、自動車、航空機部品等に用いられる転
がり軸受、すべり軸受等の摺動材、および大型陸上輸送
機械、例えば、大型自動車等の停止または速度制御の際
に使用する速度制御装置に連動して装着されたブレーキ
デスク用の摩擦材として使用されるブレーキ用部材とし
て使用可能な新規な繊維複合材料およびその用途に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】転がり軸受、すべり軸受等の摺動材
は、半導体製造装置、精密測定器、自動車、航空機部品
等の構成部材として、半導体、窯業、電子部品、車輌製
造等のさまざまな分野において広範に使用されている。
特に、今日においては、技術革新が急速に進む中で、宇
宙往還機やスペースプレーン等の宇宙開発分野、核エネ
ルギー、太陽エネルギーさらに水素エネルギー等のエネ
ルギー分野では、滑軸受、スライダー、ベアリング保持
器等に用いられる摺動材は、燃焼あるいは炭化により油
を潤滑剤として使うことができない４００℃以上という
高温下または油が凍結してしまう低温度下で使用され
る。従って、摺動材自体が小さい動摩擦係数を有し、か
つ磨耗しにくいことが必要である。また、このような摺
動材には、中高温（２００−２０００℃）における高強
度と材料としての高い信頼性（靭性、耐衝撃性）、耐環
境性（耐食性、耐酸化性、耐放射線性）が要求されるこ
とはいうまでもない。また、最近の省エネルギーの要請
により、摺動材には、小さな力で動かすことができるよ
うな軽量なものであることも要求される。

【０００３】このような状況下、従来においては、摺
動材として、耐熱性に優れ、かつ高強度である窒化珪素
や炭化珪素材料が用いられてきたが、動摩擦係数が０．
５〜１．０と大きく、相手材の磨耗を生じやすいことか
ら、必ずしも摺動材として最適とはいえず、また、密度
も大きいことから、大きい動摩擦係数と相まって、駆動
させるのに大きなエネルギーを消費するという欠点があ
った。さらに、固有の性質として脆さという欠点を有し
ており、小さな傷に対しても極めて脆く、熱的、機械的
衝撃に対しても充分な強度を有していなかった。

【０００４】このセラミックスの欠点を克服する手段
として、連続したセラミックス系繊維を複合化させたセ
ラミックス系複合材料（ＣＭＣ）が開発され、摺動材と
して用いられている。この材料は高温でも高強度高靱性
で、優れた耐衝撃性、耐環境性を有しているため、超耐
熱摺動材の主流として欧米を中心に研究開発が盛んに行
われている。

【０００５】一方、大型自動車等の大型陸上輸送機械
において装着されている制動装置で使用される摩擦材と
しては、現在は高温下での摩擦係数が極めて高く、軽量
であることからカーボンファイバーインカーボン（以下
Ｃ／Ｃコンポジットと称することもある）が広く使用さ
れている。このような大型陸上輸送機械においては、そ
の運転状況の変化に応じてブレーキによる制動を長時間
続けざるを得なかったり、または高頻度でブレーキによ
る制動を繰り返す必要に迫られることがあり、結果とし
てＣ／Ｃコンポジットを摩擦材として使用した制動装置
の場合には摩擦材が空気中で高温下に長時間曝されるこ
ととなる。従って、摩擦材は基本的には高温で燃焼しや
すい炭素繊維をその主成分とするものであるために、こ
のような条件下では、酸素と反応して、著しく摩耗する
だけでなく、発煙したりして大事故寸前に至るケースも
あると報告されている。しかしながら、高温下に於ける
摩擦力の高さ、デスクブレーキに装着の際に要求される
柔軟性などの性能の点から、それに代わる原料を見いだ
せていないのが現状である。

【０００６】ところで、直径が１０μｍ前後のセラミ
ックス長繊維を、通常、数百本〜数千本束ねて繊維束
（ヤーン）を形成し、この繊維束を二次元または三次元
方向に配列して一方向シート（ＵＤシート）や各種クロ
スとしたり、また上記シートやクロスを積層したりする
ことにより、所定形状の予備成形体（繊維プリフォー
ム）を形成し、この予備成形体の内部に、ＣＶＩ法（化
学的気相含浸法）や無機ポリマー含浸焼成法等によりマ
トリックスを形成したり、または、上記予備成形体内部
にセラミック粉末を鋳込み成形法によって充填した後に
焼成することにより、マトリックスを形成して、セラミ
ックマトリックス中に繊維を複合化したセラミックス系
繊維複合材料（ＣＭＣ）が開発されている。

【０００７】ＣＭＣの具体例としては二次元または三
次元方向に配列した炭素繊維の間隔に炭素からなるマト
リックスを形成してなるＣ／Ｃコンポジット、ＳｉＣ繊
維とＳｉＣ粒子を含む成形体にＳｉを含浸させて形成さ
れるＳｉＣ繊維強化Ｓｉ−ＳｉＣ複合体等が知られてい
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、Ｃ／
Ｃコンポジットは、靱性に富むため耐衝撃性に優れ、か
つ軽量、高硬度であるが、炭素から構成されているた
め、酸素存在下では高温での使用ができず、超耐熱摺動
材としての使用には制限があった。また、硬度が比較的
低いこととともに圧縮強度が低いため、摺動材あるいは
ブレ−キ用部材として使用した場合には、磨耗量が大き
いという欠点があった。

【０００９】一方、ＳｉＣ繊維強化Ｓｉ−ＳｉＣ複合
体は、耐酸化性、耐クリープ性、耐スポーリング性等に
は優れるものの、繊維表面に傷がつきやすく、また、Ｓ
ｉＣ繊維はＳｉ−ＳｉＣ等との潤滑性に劣るため、母体
と繊維間の引き抜き効果が小さいことから、Ｃ／Ｃコン
ポジットに比べて靱性に劣り、そのため耐衝撃性が低
く、軸受、スライダー等の複雑な形状や薄肉部分を有す
る摺動材には向かないという問題があった。

【００１０】本発明は上記した従来の課題に鑑みてな
されたものであり、その目的とするところは、動摩擦係
数が小さく、耐磨耗性を有するとともに、軽量であり、
さらに、耐衝撃性に優れるとともに、強酸化腐食環境で
の耐食性、耐クリープ性、耐スポーリング性をも併せ持
ち、かつ、高硬度な摺動材、あるいは、Ｃ／Ｃコンポジ
ットが有する優れた耐衝撃性、軽量等の優れた点を保持
しつつ、大型陸上輸送機械のブレーキ用摩擦材として使
用した場合でも、Ｃ／Ｃコンポジットの様に、不可避的
に発生する高温のために酸素存在下ではその摩耗が激し
く、それ故、可成りの頻度での交換作業を必要とするこ
とのないブレーキ用部材として優れた性能を有する新規
な繊維複合材料を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本願発明者らは上記の
目的を達成するために種々検討した結果、少なくとも炭
素繊維の束と炭素繊維以外の炭素成分とを含有するヤー
ンが三次元的に組み合わされ、互いに分離しないように
一体化されているヤーン集合体と、このヤーン集合体中
で隣り合う前記ヤーンの間に充填されているＳｉ−Ｓｉ
Ｃ系材料から構成されるマトリックスとを備えた繊維複
合材料であって、０．０５〜０．６の動摩擦係数と、
０．５％〜１０％に制御された気孔率とを有すること、
および、Ｓｉ−ＳｉＣ系材料からなるマトリックスを備
えていることにより、第１に、耐酸化性、耐クリープ
性、耐スポーリング性に於いても優れ、酸素存在下で、
かつ、高温条件下のために潤滑剤を使用できないような
条件下でも摺動材として使用できること、第２に、ブレ
ーキ用の摩擦材として優れた耐衝撃性、軽量等の優れた
点を保持しつつ、高温の発生を余儀なくされるデスクブ
レーキ用の摩擦材として使用しても、酸素存在下でも充
分な耐摩耗性を示し、交換作業の頻度もＣ／Ｃコンポジ
ットの様に高頻度で行うことを必要とせずに継続使用が
可能となり、上記の目的を達成できることを見い出し
た。本発明は、これらの知見に基づき完成させれたもの
である。

【００１２】本発明に係る新規な繊維複合材料は、基
本的には、５５重量％〜７５重量％の炭素と、１重量％
〜１０重量％の珪素と、１０重量％〜５０重量％の炭化
珪素とから構成され、Ｓｉ−ＳｉＣ系材料からなるマト
リックスが、三次元的に組み合わされ互いに分離しない
ように一体化された炭素繊維からなるヤーン集合体の間
に一体的に形成されている。後述するようにＳｉ−Ｓｉ
Ｃ系材料から形成されるマトリックスの層を設ける場合
には、その厚さは、少なくとも０．０１ｍｍあることが
好ましい。さらに少なくとも０．０５ｍｍ以上であるこ
とが好ましく、少なくとも０．１ｍｍ以上であることが
一層好ましい。

【００１３】さらに、本発明に係る新規な繊維複合材
料において、前記マトリックスが前記ヤーンから離れる
のに従って、珪素の含有比率が上昇する傾斜組成を有し
ていることが好ましく、上記繊維複合材料は窒化ホウ
素、ホウ素、銅、ビスマス、チタン、クロム、タングス
テンおよびモリブデンからなる群より選択した１以上の
物質を含有してもよい。また、上記の繊維複合材料は、
常温に於ける動摩擦係数が０．０５〜０．６であり、湿
潤状態に於ける動摩擦係数も０．０５〜０．６であり、
かつ、気孔率が０．５％〜１０％に制御されていること
がことが好ましい。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明に係る複合繊維材料は、
Ｃ／Ｃコンポジットからなる母材にＳｉ−ＳｉＣ系材料
からなる層を配したセラミックス・金属・炭素からなる
複合材料を用いて構成される。

【００１５】以下、本発明に係る新規な繊維複合材料
について説明する。これは、新規Ｃ／Ｃコンポジットを
基本とし、その基本的な構成に改善を加えた新しい概念
の材料である。基本素材として使用するＣ／Ｃコンポジ
ットとしては、直径が１０μｍ前後の炭素繊維を、通
常、数百本〜数万本束ねて繊維束（ヤーン）を形成し、
この繊維束を二次元または三次元方向に配列して一方向
シート（ＵＤシート）や各種クロスとしたり、また上記
シートやクロスを積層したりすることにより、所定形状
の予備成形体（繊維プリフォーム）を形成し、該繊維束
の外周に形成されている有機物からなる柔軟性中間材料
の被膜を焼成し上記の柔軟性中間材料を除去したものを
使用すればよい。本発明に於いて使用するＣ／Ｃコンポ
ジットは、上記のヤーン中の炭素繊維以外の炭素成分
は、好ましくは炭素粉末であり、特に好ましくは黒鉛化
した炭素粉末である。

【００１６】本発明に係る繊維複合材料は、母材とし
てＣ／Ｃコンポジットを用いており、その炭素繊維の構
造が、破壊されることなく保持されているという大きな
特徴を有している。しかも、ヤーン集合体中で隣り合う
ヤーンの間に、Ｓｉ−ＳｉＣ系材料からなるマトリック
スを充填した微構造を有している。

【００１７】本発明において、Ｓｉ−ＳｉＣ系材料と
は、主成分としてシリコンと炭化珪素とを含有する材料
の総称であり、このＳｉ−ＳｉＣ系材料は以下のように
して製造されるものをいう。本発明では、Ｃ／Ｃコンポ
ジットまたはその成形体に対して、シリコンを含浸させ
るが、その際シリコンはコンポジット内の炭素繊維を構
成する炭素原子および／または炭素繊維の表面に残存し
ている遊離炭素原子と反応し、一部が炭化されるため
に、Ｃ／Ｃコンポジットの最表面や炭素繊維からなるヤ
ーンとヤーンとの間には、一部炭化されたシリコンが生
成し、かくして上記のヤーンとヤーンとの間には炭化さ
れたシリコンを含むマトリックスが形成される。このマ
トリックスにおいては、ほぼ純粋に珪素が残留している
珪素相から、ほぼ純粋な炭化珪素相に至るまで、いくつ
かの相異なる相を含み得る。つまり、このマトリックス
は、典型的には珪素相と炭化珪素相とからなるが、珪素
相と炭化珪素相との間に、珪素をベースとして炭素の含
有量が傾斜的に変化しているＳｉ−ＳｉＣ共存相を含み
得る。従って、Ｓｉ−ＳｉＣ系材料とは、このようなＳ
ｉ−ＳｉＣ系列において、炭素の濃度が０ｍｏｌ％から
５０ｍｏｌ％まで変化している材料の総称である。

【００１８】本発明に係る繊維複合材料は、マトリッ
クスが、ヤーンの表面に沿って生成している炭化珪素相
を備えていることが好ましい。この場合には、各ヤーン
それ自体の強度がより一層向上し、破壊しにくくなる。
また、上記繊維複合材料は、好ましくは、マトリックス
が珪素からなる珪素相を備えており、この珪素相とヤー
ンとの間に炭化珪素相が生成している。この場合には、
ヤーンの表面が炭化珪素相によって強化されるのと共
に、マトリックスの中央部分が比較的に硬度の低い珪素
相からなることから、微視的な応力分散が一層促進され
る。

【００１９】かくして、常温（２０℃）から７００℃
への２分間での急速加熱、同温度での５分間の保持、常
温下での放置による自然冷却のサイクルを１５回繰り返
した後に於ける、試験開始前の重量に対する試験終了後
の重量の減少率が８％以下、好ましくは５％以下で、か
つ、ＪＩＳＲ１６０１により試験したときの試験開始前
の強度に対する試験終了後の強度の保持率が８０％以
上、好ましくは８５％以上である繊維複合材料が提供さ
れる。このことにより、ブレーキ用部材や摺動材として
使用したときに、周囲環境による特性変動を少なくする
ことができ、信頼性の高いブレーキ用部材や摺動材を提
供することができることとなる。

【００２０】また、この繊維複合材料は、好ましく
は、ヤーンの表面から離れるのに従って珪素の含有比率
が上昇する傾斜組成を有するマトリックスを有してい
る。また、この繊維複合材料は、好ましくは、ヤーン集
合体が複数のヤーン配列体を備えており、各ヤーン配列
体がそれぞれ複数のヤーンをほぼ平行に二次元的に配列
することによって形成されており、各ヤーン配列体が積
層されることによってヤーン集合体が構成されている。
これによって、繊維複合材料が、複数層のヤーン配列体
を一方向へと向かって積層した積層構造を有することに
なる。

【００２１】この場合において特に好ましくは、隣接
するヤーン配列体における各ヤーンの長手方向が互いに
交差していることである。これによって、一層応力の分
散が促進される。隣り合うヤーン配列体におけるヤーン
の長手方向は、特に好ましくは、直交している。また、
好ましくは、マトリックスが、繊維複合材料の中で互い
に連続することで三次元網目構造を形成している。この
場合において特に好ましくは、マトリックスが各ヤーン
配列体においてほぼ平行に二次元的に配列されており、
隣り合う各ヤーン配列体中に生成しているマトリックス
が互いに連続しており、これによってマトリックスが三
次元格子を形成している。また、隣り合うヤーンの間隙
には、１００％マトリックスが充填されていてもよい
が、ヤーンの間隙のうち一部をマトリックスが充填して
いる場合も含む。

【００２２】本発明に係る繊維複合材料は、上記のよ
うに製造された特定量のＣ／Ｃコンポジットからなる母
材と、同母材を構成する上記ヤーン集合体とヤーンとヤ
ーンとの間にマトリックスとして三次元的格子状に形成
されたＳｉ−ＳｉＣ系材料と、からなる繊維複合材料か
ら製造される。本発明の繊維複合材料は、常温での動摩
擦係数が０．０５〜０．６と大きく、また、耐酸化性、
耐クリープ性、耐スポーリング性を有するＳｉ−ＳｉＣ
系材料からなるマトリックス層を表面に配することによ
り、Ｃ／Ｃコンポジットの有する低耐酸化性を克服する
ことができ、酸素存在下において高温下に余儀なく曝さ
れる摺動材やブレーキ用部材として使用が可能である。
特に、気孔率を０．５％〜１０％に制御した場合には、
動摩擦係数の周囲環境の変化による変動量が極めて少な
く、安定したブレーキ性能が発揮される。高温条件下で
の摩耗量は、５００℃で１．０％／時間以下、より好ま
しくは０．６％／時間以下である。また、優れた耐磨耗
性をも併せ持つ。

【００２３】また、Ｃ／Ｃコンポジットを母材として
いることから、軽量であり、省エネルギーの要請にもか
なう材料であるといる。さらに、母材がＣ／Ｃコンポジ
ットであるため、靱性に富み、優れた耐衝撃性、高硬度
性を有する。従って、従来使用されているＣ／Ｃコンポ
ジットが有している特性を保持したまま、同Ｃ／Ｃコン
ポジットが有する耐高温摩耗性が低いという欠点を克服
することができる。また、Ｃ／Ｃコンポジットは連続し
た開気孔を有するので、この気孔に対して含浸形成され
るＳｉ−ＳｉＣは、連続構造をとり三次元網目構造をと
る。従って、どの部分を切り出しても、母材となったＣ
／Ｃコンポジットに比して高い耐磨耗性を有し、かつ本
来Ｃ／Ｃコンポジットが持っている高い放熱性、柔軟性
なども維持される。

【００２４】なお、Ｃ／Ｃコンポジットとは、前述の
如く、二次元または三次元方向に配列した炭素繊維の間
隔に炭素からなるマトリックスを形成してなる素材であ
るが、炭素繊維を１０〜７０％含有していれば、例えば
窒化ホウ素、ホウ素、銅、ビスマス、チタン、クロム、
タングステン、モリブデン等の炭素以外の他の元素を含
んでいてもよい。

【００２５】Ｓｉ−ＳｉＣ系材料からなるマトリック
ス層を表面に有するものを用いた場合には、Ｓｉ−Ｓｉ
Ｃ系材料が溶融してガラスとなり母材を酸素から保護す
る速度の方が、酸素の母材内部への拡散速度よりも早い
ため、母材として使用されたＣ／Ｃコンポジットが拡散
してきた酸素により酸化されるような事態を回避でき、
母材を酸化から保護することができる。即ち、本発明に
係る摺動材の場合には、自己修復性を示し、より長期間
に亙る使用が可能となる。この効果は、Ｓｉが前述の窒
化ホウ素、銅、ビスマス等の第三成分を含有しても有効
である。

【００２６】さらに、ＳｉＣ材料は熱膨張係数がＣ／
Ｃコンポジットより大きいため、長期間高温条件下での
使用において、ＳｉＣ材料からなる層が剥離するおそれ
があるのに対し、Ｓｉ−ＳｉＣ系材料の熱膨張係数はＣ
／Ｃコンポジットと同程度であるため、熱膨張係数の差
に起因する剥離を防ぐことができ、摺動材やブレ−キ用
部材として優れた特質を有するものであるということが
できる。

【００２７】本発明に係る繊維複合材料について、図
面を使用してさらに説明することとする。図１は、ヤー
ン集合体の概念を説明するための概略斜視図であり、図
２（ａ）は図１のＩＩａ−ＩＩａ線断面図であり、図２
（ｂ）は図１のＩＩｂ−ＩＩｂ線断面図である。図３
は、図２（ａ）の一部拡大図である。繊維複合材料７の
骨格は、ヤーン集合体６によって構成されている。ヤー
ン集合体６は、ヤーン配列体１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、
１Ｅ、１Ｆを上下方向に積層してなる。各ヤーン配列体
においては、各ヤーン３が二次元的に配列されており、
各ヤーンの長手方向がほぼ平行である。上下方向に隣り
合う各ヤーン配列体における各ヤーンの長手方向は、直
交している。即ち、各ヤーン配列体１Ａ、１Ｃ、１Ｅの
各ヤーン２Ａの長手方向は、互いに平行であり、かつ各
ヤーン配列体１Ｂ、１Ｄ、１Ｆの各ヤーン２Ｂの長手方
向に対して直交している。各ヤーンは、炭素繊維と、炭
素繊維以外の炭素成分とからなる繊維束３からなる。ヤ
ーン配列体が積層されることによって、三次元格子形状
のヤーン集合体６が構成される。各ヤーンは、後述する
ような加圧成形工程の間に押しつぶされ、略楕円形にな
っている。

【００２８】各ヤーン配列体１Ａ、１Ｃ、１Ｅにおい
ては、隣り合う各ヤーンの間隙には、マトリックス８Ａ
が充填されており、各マトリックス８Ａはヤーン２Ａの
表面に沿ってそれと平行に延びている。各ヤーン配列体
１Ｂ、１Ｄ、１Ｆにおいては、隣り合う各ヤーンの間隙
には、マトリックス８Ｂが充填されており、各マトリッ
クス８Ｂは、ヤーン２Ｂの表面に沿ってそれと平行に延
びている。本例では、マトリックス８Ａ、８Ｂは、それ
ぞれ、各ヤーンの表面を被覆する炭化珪素相４Ａ、４Ｂ
と、炭化珪素相４Ａ、４Ｂよりも炭素の含有割合が少な
いＳｉ−ＳｉＣ系材料相５Ａ、５Ｂからなっている。炭
化珪素相中にも珪素を一部含有していてよい。また、本
例では、上下方向に隣接するヤーン２Ａと２Ｂとの間に
も、炭化珪素相４Ａ、４Ｂが生成している。各マトリッ
クス８Ａと８Ｂとは、それぞれヤーンの表面に沿って細
長く、好ましくは直線状に延びており、各マトリックス
８Ａと８Ｂとは互いに直交している。そして、ヤーン配
列体１Ａ、１Ｃ、１Ｅにおけるマトリックス８Ａと、こ
れに直交するヤーン配列体１Ｂ、１Ｄ、１Ｆにおけるマ
トリックス８Ｂとは、それぞれヤーン２Ａと２Ｂとの間
隙部分で連続している。この結果、マトリックス８Ａ、
８Ｂは、全体として、三次元格子を形成している。

【００２９】図４は、他の実施形態に係る摺動材を構
成する他の繊維複合材料の要部を概略的に示す部分断面
斜視図である。本例では、上下方向に隣り合う各ヤーン
２Ａと２Ｂとの間には炭化珪素相が実質的に存在してい
ない。各ヤーン配列体において、隣り合うヤーン２Ａと
２Ａとの間、あるいはヤーン２Ｂと２Ｂとの間には、そ
れぞれマトリックス８Ａ、８Ｂが形成されている。マト
リックス８Ａ、８Ｂの形態は、上下方向に隣り合うヤー
ン間に炭化珪素相がないことを除けば、図１〜図３の例
と同様である。各マトリックス８Ａ、８Ｂは、それぞ
れ、ヤーン２Ａ、２Ｂの表面に接して生成している炭化
珪素相５Ｃと、その内側にヤーンとは離れて生成してい
るＳｉ−ＳｉＣ系材料相４Ｃとを備えている。

【００３０】Ｓｉ−ＳｉＣ系材料相においては、それ
ぞれ、ヤーンの表面から離れるほど、炭素濃度が少なく
なる傾斜組成を有していることが好ましく、あるいは、
珪素相からなっていることが好ましい。摺動材やブレー
キ用部材用の材料としては、図５に示すように、Ｃ／Ｃ
コンポジット１５と、Ｃ／Ｃコンポジット１５の表面に
シリコンが含浸されることによって生成するマトリック
ス層１３とを備えていることが好ましく、特にマトリッ
クス層１３の表層部には珪素層１４が形成されているも
のもが好ましい。なお、１２は、珪素を含浸させる前の
Ｃ／Ｃコンポジット本体の範囲を示す。また、摺動材や
ブレーキ用部材全体を、上記の繊維複合材料から形成す
ることも好ましい。

【００３１】本発明に係る複合材料は、図５に示すよ
うに、表面近傍に珪素のみからなる層が形成されたマト
リックス層２からなるものであることが好ましい。Ｓｉ
−ＳｉＣ系材料を母材表面に単にコーティングするだけ
では、高温酸化条件下においては両者の熱膨張係数差に
より、容易にＳｉ−ＳｉＣ系材料からなる層が剥離する
が、Ｓｉ−ＳｉＣ系材料を繊維複合材料のマトリックス
層として形成することにより、繊維の積層方向での強度
が増し、剥離を防止でき、ひいては摺動材に耐久性を付
与することができる。

【００３２】ここで、Ｓｉ−ＳｉＣ系材料を母材に含
浸させることにより形成されるマトリックス層１３の厚
さは、少なくとも０．０１ｍｍあることが好ましい。さ
らに少なくとも０．０５ｍｍ以上あることが好ましく、
少なくとも０．１ｍｍ以上であることが一層好ましい。
このマトリックス層１３の厚さが０．０１ｍｍ未満の場
合は、高酸化条件下において、摺動材として要求される
耐久性を充分に付与することができないからである。

【００３３】また、本発明に係る繊維複合材料におい
て、マトリックス層１３におけるＳｉ濃度は、表面から
内部に向かって小さくなることが好ましい。マトリック
ス層１３におけるＳｉ濃度に傾斜を持たせることによ
り、強酸化腐食環境での耐食性および強度、表層部およ
び内層部の欠陥へのヒーリング機能を著しく向上させる
ことができ、さらに熱膨張係数差による材料の熱応力劣
化を防止できる。これは、表層部のＳｉ濃度が、内層部
のＳｉ濃度よりも相対的に高いため、発生したマイクロ
クラックが、加熱中にヒーリングされ、耐酸化性を保持
するからである。また、本発明の繊維複合材料に用いる
Ｃ／Ｃコンポジットは、窒化ホウ素、ホウ素、銅、ビス
マス、チタン、クロム、タングステンおよびモリブデン
からなる群より選択した１以上の物質を含有してもよ
い。

【００３４】これらの物質は潤滑性を有するため、Ｃ
／Ｃコンポジットからなる母材に含有させることによ
り、Ｓｉ−ＳｉＣ系材料が含浸した母材の部分において
も、繊維の潤滑性を維持することができ、靱性の低下を
防ぐことができる。なお、例えば、窒化ホウ素の含有量
は、Ｃ／Ｃコンポジットからなる母材１００重量％に対
し、０．１〜４０重量％であることが好ましい。０．１
重量％未満では窒化ホウ素による潤滑性付与の効果が充
分に得られず、４０重量％を超える場合は窒化ホウ素の
脆さが繊維複合材料にも現れてくるからである。

【００３５】このような、本発明の繊維複合材料は、
Ｃ／Ｃコンポジットの耐衝撃性、高硬度性および軽量性
と、Ｓｉ−ＳｉＣ系材料の、耐酸化性、耐スポーリング
性、自己潤滑性、耐磨耗性等を併せ持ち、さらに、自己
修復性をも有するため、高温酸化条件下での使用に長期
間耐えることができるので、摺動材やブレーキ用部材と
して、好適に用いることができる。

【００３６】本発明に係る繊維複合材料は、好ましく
は以下の方法によって製造できる。即ち、炭素繊維の束
に対して、最終的には、遊離炭素となり炭素繊維の束の
マトリックスとして作用する粉末状のバインダーピッ
チ、コークス類を包含させ、さらに必要に応じてフェノ
ール樹脂粉末等を含有させることによって、炭素繊維束
を作製する。炭素繊維束の周囲に、熱可塑性樹脂等のプ
ラスチックからなる柔軟な被膜を形成し、柔軟性中間材
料を得る。この柔軟性中間材料を、ヤーン状にし特開平
２−８０６３９号公報に記載のように、必要量を積層し
た後、ホットプレスで３００〜２０００℃、常庄〜５０
０ｋｇ／ｃｍ２の条件下で成形することによって、成形
体を得る。または、この成形体を、必要に応じて７００
〜１２００℃で炭化させ、１５００〜３０００℃で黒鉛
化して、焼成体を得る。

【００３７】炭素繊維は、石油ピッチ若しくはコール
タールピッチを原料とし、紡糸用ピッチの調整、溶融紡
糸、不融化及び炭素化して得られるピッチ系炭素繊維並
びにアクリロニトリル（共）重合体繊維を炭素化して得
られるＰＡＮ系炭素繊維のいずれのものでもよい。マト
リックスの形成に必要な炭素前駆体としては、フェノー
ル樹脂やエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂およびタール、
ピッチ等が用いられるが、これらはコークス類、金属、
金属化合物、無機および有機化合物等を含んでいてもよ
い。

【００３８】次いで、上記のように作製された成形体
または焼成体とＳｉとを、１１００〜１４００℃の温度
域、炉内圧０．１〜１０ｈＰａで１時間以上保持する。
好ましくは、この際、成形体または焼成体とシリコンの
合計重量１ｋｇ当たり０．１ＮＬ（ノルマルリットル：
１２００℃、圧力０．１ｈＰａの場合、５０６５リット
ルに相当）以上の不活性ガスを流しつつ、成形体または
焼成体表面にＳｉ−ＳｉＣ層を形成する。次いで、温度
１４５０〜２５００℃、好ましくは１７００〜１８００
℃に昇温して前記成形体または焼成体の開気孔内部へシ
リコンを溶融、含浸させ、Ｓｉ−ＳｉＣ系材料を形成さ
せる。また、この過程において、成形体を用いた場合
は、前記成形体の焼成も行われ、繊維複合材料が生成す
る。

【００３９】成形体または焼成体とＳｉを、１１００
〜１４００℃の温度、０．１〜１０ｈＰａの圧力に１時
間以上保持し、かつその際、成形体または焼成体とＳｉ
の合計重量１ｋｇ当たり不活性ガスを０．１ＮＬ以上、
好ましくは１ＮＬ以上、さらに好ましくは１０ＮＬ以上
流すように制御することが望ましい。このような、焼成
時（即ち、Ｓｉの溶融、含浸前の段階）不活性ガス雰囲
気にすることにより、無機ポリマーないし無機物のセラ
ミックス化への変化に伴うＣＯ等の発生ガスを焼成雰囲
気より除去し、また大気中のＯ２等による外部からの焼
成雰囲気の汚染を防止することによりその後にＳｉを溶
融、含浸して得られる複合材料の気孔率を低く維持する
ことができる。

【００４０】また、成形体または焼成体へＳｉを溶
融、含浸する際には、雰囲気温度を１４５０〜２５００
℃、好ましくは１７００〜１８００℃に昇温する。この
場合、焼成炉内圧は０．１〜１０ｈＰａの範囲が好まし
い。

【００４１】上記のように、有機物からなる柔軟性中
間材料を炭素繊維束の外周に使用し、珪素の含浸、溶融
と組み合わせると、成形体または焼成体において、該柔
軟性中間材料が熱分解してヤーンの間隙には細長い開気
孔が残り、この細長い開気孔に沿って珪素が焼成体また
は成形体の奥まで浸透しやすい。この浸透の過程で、珪
素がヤーンの炭素と反応してヤーン表面側から徐々に炭
化し、本発明で使用する繊維複合材料を生成させること
ができる。なお、用途に応じて、このような構成を有す
る繊維複合材料をＣ／Ｃコンポジットからなる母材の表
層部の一部にのみいわゆる繊維複合材料層として形成し
てもよい。

【００４２】マトリックス層の深さの調節は、成形体
または焼成体の開気孔率及びその細孔径により行う。例
えば、Ｓｉ−ＳｉＣ系材料層の厚さを０．０１〜１０ｍ
ｍとする場合には、少なくとも成形体または焼成体の表
面近傍における開気孔率を５〜５０％、平均細孔径を１
μｍ以上とする。成形体または焼成体の開気孔率は１０
〜５０％であることが好ましく、平均細孔径は１０μｍ
以上とすることが好ましい。開気孔率を５％未満とする
と、成形体または焼成体中のバインダーを除去しきれ
ず、５０％より大きくすると、母材の内部深くにまでＳ
ｉ−ＳｉＣ系材料が含浸形成し、複合材料の耐衝撃性が
低下するからである。

【００４３】また、繊維複合材料層をＣ／Ｃコンポジ
ットの表面にのみ形成するには、少なくとも表面近傍の
開気孔率が焼成中に０．１〜３０％になるように調整し
た成形体を用いることが好ましい。即ち、熱分解する有
機物からなる柔軟性中間材料の被膜の炭素繊維束に対す
る厚さを調整すればよい。

【００４４】成形体または焼成体の開気孔率を、表面
から内部に向かって小さくなるようにするには、バイン
ダーピッチの異なるプリフォームドヤーンからなる複数
のプリフォームドシートを、内側から表層側に向かって
バインダーピッチが大きくなるように配置して成形する
ことにより行う。

【００４５】また、上記の繊維複合材料層における珪
素濃度に傾斜を設ける場合には、表面近傍の開気孔率が
表面から内部に向かって小さくなるように調整した焼成
体、または少なくとも表面近傍の開気孔率が焼成中に表
面から内部に向かって小さくなるように調整した成形体
を用いて、複合材料の製造を行う。繊維複合材料の気孔
率を０．５％〜１０％に制御するには、Ｓｉを成形体あ
るいは焼成体に含浸させる際に、成形体あるいは焼成体
の開気孔率に応じてＳｉ量を調整することにより容易に
行うことができる。

【００４６】本発明に於いて、上記の新規な繊維複合
材料を使用して摺動材あるいはブレーキ用部材を製造す
るに際しては、上記のように製造した複合材料を平面研
削盤等により適宜な寸法に切断加工し、平面研削仕上げ
することにより製造すればよい。本発明の繊維複合材料
から製造した摺動材あるいはブレーキ用部材は、特に、
大型輸送機械等の摺動材やブレーキ用部材として好適に
使用できる。

【００４７】

【実施例】次に、本発明を実施例を用いてさらに詳し
く説明するが、本発明はこれらの実施例に限られるもの
ではない。なお、各例によって得られた繊維複合材料
は、以下に示す方法よりその特性を評価した。

【００４８】（動摩擦係数の評価方法）テストピースを
ジグにセットして１００ｒｐｍで１０分間回転させ、相
手材（ＳＵＪ、１０ｍｍ球）を２ｋｇの荷重Ｆｐ（Ｎ）
にてテストピースに押し付け、その際の摩擦力Ｆｓ
（Ｎ）を測定した。動摩擦係数の値は下式により算出し
た。摩擦係数μ＝Ｆｓ／Ｆｐ

【００４９】（比磨耗量の評価方法）テストピースをジ
グにセットして１００ｒｐｍで１０分間回転させ、相手
材（ＳＵＪ、１０ｍｍ球）を２ｋｇの荷重Ｐでテストピ
ースに押し付け、試験前の重量Ｗａ（ｍｇ）と試験後の
重量Ｗｂ（ｍｇ）を測定した。テストピースの密度ρ
（ｇ／ｃｍ³）より、磨耗量Ｖ（ｍｍ³）を下式により算
出した。Ｖ＝（Ｗａ−Ｗｂ）／ρ 比磨耗量Ｖｓ（ｍｍ³／（Ｎ・ｋｍ））は、磨耗量Ｖ
（ｍｍ³）、試験荷重Ｐ（Ｎ）および摺動距離Ｌ（ｋ
ｍ）より、下式にて算出した。Ｖｓ＝Ｖ／（Ｐ・Ｌ）

【００５０】（開気孔率の測定方法）開気孔率（％）＝〔（Ｗ3−Ｗ1）／（Ｗ3−Ｗ2）］×
１００（アルキメデス法による。）乾燥重量（Ｗ1）：１００℃のオーブンで１Ｈｒ乾燥さ
せ、その後秤量水中重量（Ｗ2）：試料を煮沸し、開気孔中に完全に水
を侵入させて水中にて秤量飲水重量（Ｗ3）：開気孔中に完全に水を侵入させた試
料を大気中にて秤量

【００５１】（耐酸化性の評価方法）テストピースを１
１５０℃の炉内（１％Ｏ２、９９％Ｎ２）へ放置し、２
００時間後の重量の減少率を測定することにより、耐酸
化性を評価した。

【００５２】（圧縮強さの評価方法）テストピースに圧
縮荷重を加え、下記の式により算出した。圧縮強さ＝Ｐ／Ａ（式中、Ｐは最大荷重時の荷重、Ａはテストピースの最
小断面積を表す。）

【００５３】（高温酸化条件下における耐久性の評価方
法）テストピースを９９％Ａｒと１％Ｏ２の混合ガスを
用い、１２００℃大気圧下に保持した後、重量を測定し
た。

【００５４】（層間セン断強さの評価方法）テストピー
スの厚さｈの４倍の距離を支点間距離として３点曲げを
行い、下式により算出した。層間セン断強さ＝３Ｐ／４ｂｈ（式中、Ｐは破壊時の最大曲げ荷重、ｂはテストピース
の幅を表す。）

【００５５】（曲げ弾性率の評価方法）テストピースの
厚さｈの４０倍の距離を支点間距離Ｌとして３点曲げを
行い、荷重−たわみ曲線の直線部の初期の勾配Ｐ／σを
用いて、下式により算出した。曲げ弾性率＝１／４・Ｌ³／ｂｈ³・Ｐ／σ （式中、ｂはテストピースの幅を表す。）

【００５６】（自己修復性の評価方法）Ｍａｘ：２０Ｍ
Ｐａ〜Ｍｉｎ：５ＭＰａの繰返し応力を１０万回印加
し、内部にマイクロクラックを発生させた後、９００℃
で２時間アニールし、圧縮強度の測定を行った。

【００５７】（高温酸化条件下における重量減少率）所
定量のテストピースを大気中で、４００℃、１００時間
保持した後、重量を測定し、試験開始前の重量から試験
終了後の重量を引き算し、減少重量を求め、これを試験
開始前の重量に対する減少率として算出した。

【００５８】（５％重量減の温度測定方法）大気中で充
分な気流の流れを与えつつ、１０℃／分の割合で昇温し
ながら、試料の重量の変化を測定し、試料の重量が５％
の減少を示す温度を求める。

【００５９】（ピン・オン・デスク回転摩擦係数測定
法）図７に示す共和技研製の試験板を用いた試験装置を
用いて水分や油分の浸漬が本発明に係る新規な繊維複合
材料に及ぼす影響について試験するために、テストピー
スを以下の条件下に曝した後、動摩擦係数、および試験
ピンの摩耗の程度を測定した。ピン形状：直径４ｍｍ×長さ３０ｍｍ回転数：１０００ｒｐｍ荷重：１５ｋｇｆ／ｃｍ² 摺動時間：１０分摺動回転半径：５ｍｍ摺動距離：３１４ｍｍ［サンプル保持条件］保持条件Ａ：１００℃×２Ｈｒ乾燥後、常温下に保持。保持条件Ｂ：常温下、水中に４８Ｈｒ浸積後、相対湿度
６０％で常温下に保持。保持条件Ｃ：常温下、水中に４８Ｈｒ浸積後、さらに試
験中も水中に保持。保持条件Ｄ：常温下、機械油（ユニウエイＤ３２；日本
石油（株）製）中に４８Ｈｒ浸積後、さらに試験中も同
油中に保持。

【００６０】（高温履歴による特性劣化耐性試験）所定
量のテストピースの表面を大気中で、常温（２０℃）か
ら７００℃迄急速加熱し、７００℃に達した後５分間同
温度を保持し、次いで常温下に放置して自然冷却して、
冷却したテストピースを再び急速加熱、高温下保持、冷
却の操作を合計１５サイクル繰り返した。この操作の終
了後、各テストピースの重量を測定し、試験開始前の重
量から試験終了後の重量を引き算し、減少重量を求め、
これを試験開始前の重量に対する減少率として算出し
た。さらに、上記虐待試験前および後のテストピースを
用いて、ＪＩＳＲ１６０１により強度試験を行った。

【００６１】（製造例）炭素繊維を一方向に引き揃えた
ものにフェノール樹脂を含浸させたプリプレグシートを
炭素繊維が互いに直交するように積層し、ホットプレス
で１８０℃、１０ｋｇ／ｃｍ²で樹脂を硬化させた。次
いで、窒素中で２０００℃で焼成し、１０ｍｍの厚さを
有するＣ／Ｃコンポジットを得た。得られたＣ／Ｃコン
ポジットの密度は１．０ｇ／ｃｍ³、開気孔率は５０％
であった。次に、得られたＣ／Ｃコンポジットを、気孔
率が５％となるのに充分な量からなる、純度９９．８
％、平均粒径１ｍｍのＳｉ粉末で充填されたカーボンる
つぼ内に立設した。次いで、焼成炉内にカーボンるつぼ
を移動した。焼成炉内の温度を１３００℃、不活性ガス
としてアルゴンガス流量を２０ＮＬ／分、焼成炉内圧を
１ｈＰａその保持時間を４時間として処理した後、焼成
炉内の圧力をそのまま保持しつつ、炉内温度を１６００
℃に昇温することにより、Ｃ／ＣコンポジットにＳｉを
含浸させて、気孔率５％の繊維複合材料を製造した。

【００６２】（実施例１）上記製造例により得られたＣ
／Ｃコンポジット母材に、Ｓｉ−ＳｉＣ系材料からなる
層を配した複合材料を用いて摺動材を製造した。母材に
含浸成形させたＳｉ−ＳｉＣ系材料層の表面からの厚さ
は５０μｍであった。なお、Ｓｉ含浸率は４０％であっ
た。

【００６３】上記の複合材料から、テストピースを、
Ｓｉ−ＳｉＣ系材料とＣ／Ｃコンポジットが充分複合化
しているＣ／Ｃコンポジット表層近傍から切り出し、平
面研削盤により縦６０ｍｍ、横６０ｍｍ、厚さ５ｍｍの
大きさに切断加工した後、８００＃砥石で平面研削仕上
げし、摺動材とした。得られた摺動材の研削面における
表面粗さはＲａ＝１μｍであり、平面度は真直度で２μ
ｍであった。得られた摺動材の動摩擦係数、比磨耗量、
耐酸化性、層間セン断強さ、圧縮強さ、曲げ弾性率等の
測定結果を表１に示す。ここで、材料の動摩擦係数は繊
維の積層方向に対し、平行な方向の値とした。

【００６４】（実施例２）Ｓｉ含浸率を４５％としたこ
と以外は、製造例と同様にして製造した繊維複合材料を
用いて実施例１と同様にして摺動材を製造した。得られ
た摺動材の動摩擦係数、比磨耗量、耐酸化性、層間セン
断強さ、圧縮強さ、曲げ弾性率等の測定結果を表１に示
す。ここで、材料の動摩擦係数は繊維の積層方向に対
し、平行な方向の値とした。

【００６５】（実施例３）Ｓｉ含浸率を５０％としたこ
と以外は、製造例と同様にして製造した繊維複合材料を
用いて、実施例１と同様に摺動材を製造した。得られた
摺動材の動摩擦係数、比磨耗量、耐酸化性、層間セン断
強さ、圧縮強さ、曲げ弾性率等の測定結果を表１に示
す。ここで、材料の動摩擦係数は繊維の積層方向に対
し、平行な方向の値とした。

【００６６】（実施例４）Ｓｉ含浸率を５５％としたこ
と以外は、製造例と同様にして製造した繊維複合材料を
用いて、実施例１と同様に摺動材を製造した。得られた
摺動材の動摩擦係数、比磨耗量、耐酸化性、層間セン断
強さ、圧縮強さ、曲げ弾性率等の測定結果を表１に示
す。ここで、材料の動摩擦係数は、繊維の積層方向に対
し平行な方向の値および一部の繊維の積層方向に対し、
垂直な方向が含まれる方向の値とした。

【００６７】（実施例５）Ｓｉ含浸率を６０％としたこ
と以外は、製造例と同様にして製造した繊維複合材料を
用いて、実施例１と同様に摺動材を製造した。得られた
摺動材の動摩擦係数、比磨耗量、耐酸化性、層間セン断
強さ、圧縮強さ、曲げ弾性率等の測定結果を表１に示
す。ここで、材料の動摩擦係数は繊維の積層方向に対
し、平行な方向の値とした。

【００６８】（比較例１）製造例と同様にＣ／Ｃコンポ
ジットを製造した。得られた、Ｃ／Ｃコンポジットを平
面研削盤により縦６０ｍｍ、横６０ｍｍ、厚さ５ｍｍの
大きさに切断加工した後、８００＃砥石で平面研削仕上
げし、摺動材とした。得られた摺動材の研削面における
表面粗さはＲａ＝２５μｍであり、平面度は真直度で６
μｍであった。得られた摺動材の動摩擦係数、比磨耗
量、耐酸化性、層間セン断強さ、圧縮強さ、曲げ弾性率
等の測定結果を表１に示す。

【００６９】（比較例２）Ｓｉ−ＳｉＣ繊維強化Ｓｉ−
ＳｉＣ複合材料を製造し、これを用いて摺動材を製造し
た。平均粒径１００μｍのＳｉＣ粗粒を６０重量％、平
均粒径５μｍのＳｉＣ微粒を３０重量％、平均粒径２μ
ｍのＣ粉末を１０重量％の割合で混合した。この混合物
１００重量％に対して有機バインダー５重量％を配合
し、適度の水に分散させたスラリー状混合物をスプレー
ドライヤーを用いて平均粒径１２０μｍの造粒粒子を作
製した。

【００７０】次に、前記の工程で作製された造粒粒子
を１００×１００ｍｍ寸法の金型に充填し、その上から
ＳｉＣ繊維クロスを敷き、さらに造粒粒子でＳｉＣ繊維
クロスを挟み込むように敷き詰めた後、５００Ｋｇｆ／
ｃｍ2 でプレス成形し、１８３×１８３×１０ｍｍの成
形体を作製した。なお、ここでＳｉＣ繊維クロスは、ニ
カロン（日本カーボン製）を用いた。なお、ニカロン
は、β−ＳｉＣ構造を持つＳｉ−Ｃ−Ｏ系炭化珪素繊維
であり、有機ケイ酸ポリマー（ポリカルボシラン）でこ
れを溶融紡糸して連続繊維にし、この繊維を空気中で加
熱すると、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉの橋かけが行われ不融化し、
不活性ガス雰囲気中で１２００〜１５００℃で焼成した
ものである。

【００７１】得られた成形体に実施例１と同様の条件
にてＳｉを溶融、含浸させてＳｉ−ＳｉＣ繊維強化Ｓｉ
−ＳｉＣ複合材料を製造した。ここで、材料の動摩擦係
数は繊維の積層方向に対し、平行な方向の値とした。

【００７２】得られた複合材料を平面研削盤により縦
６０ｍｍ、横６０ｍｍ、厚さ５ｍｍの大きさに切断加工
した後、８００＃砥石で平面研削仕上げし、摺動材とし
た。得られた摺動材の研削面における表面粗さはＲａ＝
１６μｍであり、平面度は真直度で７μｍであった。得
られた摺動材の動摩擦係数、比磨耗量、耐酸化性、層間
セン断強さ、圧縮強さ、曲げ弾性率等の測定結果を表１
に示す。

【００７３】

【表１】

【００７４】表１より、Ｓｉ−ＳｉＣ系材料からなる
層の一部をＣ／Ｃコンポジットからなる母材に含浸させ
た複合材料からなる摺動材（実施例１〜５）は、窒化珪
素、炭化珪素、Ｓｉ−ＳｉＣ等の他のセラミックからな
る摺動材よりも動摩擦係数が小さく、Ｃ／Ｃコンポジッ
ト（比較例１）からなる摺動材と同程度の動摩擦係数を
有することがわかる。

【００７５】比磨耗量については、実施例１〜５の摺
動材は、Ｃ／Ｃコンポジットからなる比較例１の摺動材
に比べ、１／５以下であることがわかる。

【００７６】また、実施例１〜５の摺動材は、Ｃ／Ｃ
コンポジットからなる比較例１の摺動材に比べ、圧縮強
さおよび層間セン断強さにおいて優れた値を示し、曲げ
弾性率においてＣ／Ｃコンポジットと同程度の値を示し
た。一方、Ｓｉ−ＳｉＣ繊維強化Ｓｉ−ＳｉＣ複合材料
（比較例２）に比べ、曲げ弾性率において優れた値を示
し、耐酸化性、自己修復性および層間セン断強さにおい
てＳｉ−ＳｉＣ繊維強化Ｓｉ−ＳｉＣ複合材料と同程度
の値を示した。Ｓｉ−ＳｉＣ系材料を含浸させることに
より、Ｃ／Ｃコンポジットに比べ、圧縮強さが大きくな
るのは、炭素繊維の間にＳｉＣ材料が入り込むことによ
るものと考えられる。

【００７７】（実施例６）製造例に基づき製造した繊維
複合材料から、テストピースを、Ｓｉ−ＳｉＣ系材料と
Ｃ／Ｃコンポジットが充分複合化しているＣ／Ｃコンポ
ジット表層近傍から切り出し、平面研削盤により縦６０
ｍｍ、横６０ｍｍ、厚さ５ｍｍの大きさに切断加工した
後、８００＃砥石で平面研削仕上げし、ブレーキ用部材
とした。得られたブレーキ用部材の研削面における表面
粗さはＲａ＝１μｍであり、平面度は真直度で２μｍで
あった。得られたブレーキ用部材の摩擦係数、比磨耗
量、耐酸化性、層間セン断強さ、圧縮強さ、曲げ弾性
率、高温酸化条件下での耐摩耗性、５％重量減温度等の
測定結果を表１に示す。また、前記５％重量減温度を測
定したときの温度と重量減との関係を示すチャートを図
６に示す。ここで、材料の摩擦係数は繊維の積層方向に
対し、平行な方向の値とした。

【００７８】（比較例３）比較例１と同様に製造したＣ
／Ｃコンポジットを、平面研削盤により縦６０ｍｍ、横
６０ｍｍ、厚さ５ｍｍの大きさに切断加工した後、８０
０＃砥石で平面研削仕上げし、ブレーキ用部材とした。
得られたブレーキ用部材の研削面における表面粗さはＲ
ａ＝２５μｍであり、平面度は真直度で６μｍであっ
た。得られたブレーキ用部材の性能について実施例６と
同様方法により評価してその結果を表２に併せて示す。

【００７９】

【表２】

【００８０】表２より、少なくとも炭素繊維の束と炭
素繊維以外の炭素成分とを含有するヤーンが三次元的に
組み合わされ、互いに分離しないように一体化されてい
るヤーン集合体と、このヤーン集合体中で隣り合う前記
ヤーンの間に充填されているＳｉ−ＳｉＣ系材料から構
成されるマトリックスとを備えている繊維複合材料から
なるブレーキ用部材は、従来からブレーキ用部材として
使用されているＣ／Ｃコンポジット材と同程度の摩擦係
数を有すると共に、酸素の存在下での高温条件での耐摩
耗性において著しく優れていることがわかる。比磨耗量
についても、本発明に係るブレーキ用部材は、比較例の
Ｃ／Ｃコンポジットに比べ、１／５以下であることがわ
かる。さらにＣ／Ｃコンポジットに比べ、圧縮強さおよ
び層間セン断強さにおいて優れた値を示し、曲げ弾性率
においてＣ／Ｃコンポジットと同程度の値を示した。Ｓ
ｉ−ＳｉＣ系材料を含浸させることにより、Ｃ／Ｃコン
ポジットに比べ、圧縮強さが大きくなるのは、炭素繊維
の間にＳｉＣ材料が入り込むことによるものと考えられ
る。

【００８１】（試験例１）（ピン・オン・デスク回転摩
擦係数測定）気孔率がそれぞれ０．５％、２．５％、５．５％、９．
５％、および１５％となるようにして製造例と同様にし
て製造した繊維複合材料並びに気孔率が２０％のＣ／Ｃ
コンポジットから、それぞれ直径４ｍｍ、長さ３０ｍｍ
の大きさの試験ピンを切り出し、これらの試験ピンをピ
ン・オン・デスク回転摩擦係数測定のために上記のサン
プル保持条件、即ち、以下の４条件下にそれぞれ保持
し、試験に供した。保持条件Ａ：１００℃×２Ｈｒ乾燥後、常温下に保持。保持条件Ｂ：常温下、水中に４８Ｈｒ浸積後、相対湿度
６０％で常温下に保持。保持条件Ｃ：常温下、水中に４８Ｈｒ浸積後、さらに試
験中も水中に保持。保持条件Ｄ：常温下、機械油（ユニウエイＤ３２；日本
石油（株）製）中に４８Ｈｒ浸積後、さらに試験中も同
油中に保持。その結果は、表３および表４に示す。

【００８２】

【表３】

【００８３】

【表４】

【００８４】表３および表４の結果から、気孔率が２
０％のＣ／Ｃコンポジットの場合には、試験ピンの摩耗
が著しいことがわかる。また、気孔率が１５％の繊維複
合材料から作成したテストピースの場合には、摩耗は環
境条件が穏やかなときには認められないが、環境条件が
悪いと可成りの摩耗が認められる。さらに、動摩擦係数
は気孔率が１５％のものでは、環境条件の悪化、即ち、
降雨時のようにブレーキ用部材が可成りの量の水分に濡
れた場合やまた機械油等で汚染された場合などには、動
摩擦係数が著しく低下していることから、気孔率が１０
％以下であることがブレーキ用部材としての性能発揮に
欠かせないことが明らかである。

【００８５】特に、通常の降雨時の条件に該当すると
考えられる環境条件Ｂでの低下は、気孔率が１０％以下
では殆どないといえる水準にあるのに対して、気孔率が
１５％のものでは、このような条件下でも低下が著し
く、通常の条件下である環境条件Ａに比較して降雨時の
環境条件下に相当する環境条件Ｂでは動摩擦係数が４０
％も低下していることは注目すべき点である。また、油
に浸積した場合の低下も気孔率が１０％以下の場合に
は、気孔率が１５％や２０％のものと比較して低くその
点でも信頼性が高いことが明らかである。このことは、
通常条件に相当する保持条件Ａと激しい降雨時に相当す
る保持条件Ｃや事故等の際に、ブレーキ用部材が油など
で汚染された場合に相当する保持条件Ｄでの動摩擦係数
の変動の大きさの指標である保持条件ＣまたはＤで動摩
擦係数で通常条件での動摩擦係数を割った商で見れば、
よりハッキリする。即ち、気孔率が１０％以下では、保
持条件Ｃとの商はいずれも３倍以下、保持条件Ｄとの商
では２倍以下であるのに対して、気孔率が１５％のもの
では、前者が３．７５倍、後者が２．５倍であることか
ら明らかである。なお、気孔率が２０％のＣ／Ｃコンポ
ジットの場合には、これらの条件下では動摩擦係数を測
定できず、かかる条件下でのブレーキ制動は極めて困難
なことを物語っている。

【００８６】（試験例２）（高温履歴による特性劣化耐
性試験）気孔率がそれぞれ０．５％、２．５％、５．５％、９．
５％、１５％となるようにして製造例と同様にして製造
した繊維複合材料並びに気孔率が２０％のＣ／Ｃコンポ
ジットから、それぞれ平面研削盤を用いて、縦６０ｍ
ｍ、横６０ｍｍ、厚さ５ｍｍの大きさに切断加工した
後、８００＃砥石で平面研削仕上げし、ブレーキ用部材
を製造し、これらの部材を高温履歴による特性劣化耐性
試験に供した。その結果は、表５に示す。

【００８７】

【表５】

【００８８】上記の高温履歴による特性劣化耐性試験
は、航空機などのブレーキに使用されているＣ／Ｃコン
ポジットの表面温度がブレーキ制動時に７００℃程度に
なることから、航空機などに於けるブレ−キ制動時を想
定して行ったものである。即ち、航空機などの高度の信
頼性が要求されるものに於いては、温度上昇時の酸化燃
焼現象を最大限防止することによりブレーキシステムの
高寿命を図ることは、必要不可欠ことであるからであ
る。表４に示した結果から明らかなように、虐待条件下
に曝しても、気孔率が１０％以下のものは、重量変化量
も少なく、また、強度の低下も低いことが明らかで、信
頼性の高いブレーキ用部材として有用なことがわかる。

【００８９】

【発明の効果】本発明の新規な繊維複合材料を摺動材
として使用したときには、動摩擦係数が０．０５〜０．
５と小さく、また、耐酸化性、耐クリープ性、耐スポー
リング性を有するＳｉ−ＳｉＣ系材料からなる層を表面
に配しているため、Ｃ／Ｃコンポジットの有する低耐酸
化性を克服することができ、酸素存在下においても、潤
滑剤として油を用いることができないような高温での使
用が可能である。また、優れた耐磨耗性をも併せ持つ。

【００９０】また、Ｃ／Ｃコンポジットを母材として
いることから、軽量であり、動摩擦係数が小さいことと
も相まって、エネルギーの損失が少なく、省エネルギー
の要請にも沿う。さらに、母材がＣ／Ｃコンポジットで
あるため、靱性に富み、優れた耐衝撃性、高硬度性を有
する。従って、ＳｉＣ繊維強化Ｓｉ−ＳｉＣ複合体の有
する低耐衝撃性という欠点を克服することができ、複雑
な形状や薄肉部分を有する摺動材にも用いることができ
る。

【００９１】本発明の新規な繊維複合材料をブレーキ
用部材として使用した場合には、酸素の存在下での高温
条件での耐摩耗性において著しく優れており、耐酸化
性、耐クリープ性、耐スポーリング性を有するＳｉ−Ｓ
ｉＣ系材料からなる層を表面に配しているため、Ｃ／Ｃ
コンポジットの有する低耐酸化性を克服することがで
き、高温でかつ酸素存在下においても、使用が可能であ
る。また、優れた耐磨耗性をも併せ持つ。特に、悪環境
条件下でも、その動摩擦係数の変動の幅が低いことか
ら、悪条件下でも高い信頼性を要求される、航空機用の
ブレーキ用部材として極めて優れた性質を有していると
いうことができる。また、Ｃ／Ｃコンポジットを母材と
していることから、軽量であり、エネルギーの損失が少
なく、省エネルギーの要請にも沿う。さらに、母材がＣ
／Ｃコンポジットであるため、靱性に富み、優れた耐衝
撃性、高硬度性を有する。従って、高温でかつ酸素の存
在下で使用されることとなる大型輸送機械の制動装置に
於けるブレーキ用部材として極めて有望な素材であるこ
とは明らかである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の摺動材に使用する一つの繊維複合材
料の基本構造をなすヤーン集合体の構造を模式的に示す
斜視図である。

【図２】（ａ）は図１のＩＩａ−ＩＩａ線断面図であ
り、（ｂ）は図１のＩＩｂ−ＩＩｂ線断面図である。

【図３】図２（ａ）の一部拡大図である。

【図４】本発明に係る摺動材に使用可能な別の態様の
繊維複合材料の要部を概略的に示す部分断面斜視図であ
る。

【図５】本発明の摺動材に使用する一つの繊維複合材
料の断面構造を示す模式図である。

【図６】温度と重量減少との関係を示すチャートであ
る。

【図７】ピン・オン・デスク回転摩擦係数測定に使用
する装置の模式図である。

【符号の説明】

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ…ヤーン配列体、
２Ａ…ヤーン、２Ｂ…ヤーン、３…繊維束（ヤーン）、
４Ａ…炭化珪素相、４Ｂ…炭化珪素相、４Ｃ…炭化珪素
相、５Ａ…Ｓｉ−ＳｉＣ系材料相、５Ｂ…Ｓｉ−ＳｉＣ
系材料相、５Ｃ…Ｓｉ−ＳｉＣ系材料相、６…ヤーン集
合体、７…繊維複合材料、８Ａ…マトリックス、８Ｂ…
マトリックス、１１…繊維複合材料、１２…珪素を含浸
させる前のＣ／Ｃコンポジット本体の範囲、１３…繊維
複合材料層、１４…珪素層、１５…Ｃ／Ｃコンポジッ
ト、２１…試験板、２２…試験ピン。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＦ１６Ｃ 33/18 Ｆ１６Ｄ 69/02 ＫＦ１６Ｄ 69/02 Ｃ０４Ｂ 35/80 Ｋ (72)発明者中川隆夫埼玉県蕨市錦町２丁目16番27号株式会社アクロス内 (72)発明者山下美穂子埼玉県蕨市錦町２丁目16番27号株式会社アクロス内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】５５重量％〜７５重量％の炭素と、１重
量％〜１０重量％の珪素と、１０重量％〜５０重量％の
炭化珪素とから構成され、少なくとも炭素繊維の束と炭
素繊維以外の炭素成分とを含有するヤーンが層方向に配
向しつつ三次元的に組み合わされ、互いに分離しないよ
うに一体化されているヤーン集合体と、このヤーン集合
体中で隣り合う前記ヤーンの間に充填されているＳｉ−
ＳｉＣ系材料からなるマトリックスとを備え、０．０５
〜０．６の動摩擦係数と、０．５％〜１０％に制御され
た気孔率とを有することを特徴とする繊維複合材料。
【請求項２】前記マトリックスが、前記ヤーンの表面
に沿って生成している炭化珪素相を備えていることを特
徴とする請求項１に記載の繊維複合材料。
【請求項３】前記マトリックスが珪素からなる珪素相
を備え居り、この珪素相と前記ヤーンとの間に前記炭化
珪素相が生成していることを特徴とする請求項１または
２に記載の繊維複合材料。
【請求項４】前記マトリックスが前記ヤーンから離れ
るのに従って、珪素の含有比率が上昇する傾斜組成を有
していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項
に記載の繊維複合材料。
【請求項５】前記ヤーン集合体が複数のヤーン配列体
を備えており、各ヤーン配列体がそれぞれ複数のヤーン
をほぼ並行に二次元的に配列することによって形成され
ており、前記ヤーン配列体が積層されることによって前
記ヤーン集合体が構成されていることを特徴とする請求
項１〜４のいずれか１項に記載の繊維複合材料。
【請求項６】前記マトリックスが、前記繊維複合材料
の中で互いに連続することで三次元網目構造を形成して
いることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記
載の繊維複合材料。
【請求項７】湿潤状態に於ける動摩擦係数が０．０５
〜０．６である請求項１〜６のいずれか１項に記載の繊
維複合材料。
【請求項８】比磨耗量が０．０〜０．３ｍｍ３／Ｎ・
ｋｍである請求項１〜７のいずれか１項に記載の繊維複
合材料。
【請求項９】大気中で１０℃／分の割合で昇温したと
きに5％重量減少が生じる温度が６００℃以上である請
求項１〜８のいずれか１項に記載の繊維複合材料。
【請求項１０】請求項１〜９のいずれか１項に記載の
繊維複合材料の摺動材としての使用。
【請求項１１】請求項１〜９のいずれか１項に記載の
繊維複合材料のブレーキ用部材としての使用。