JPS608536A - カ−ボンブレ−キ及びその製造法 - 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】 本発明は、ブレーキ特性の優れたカーボンブレーキに関
するものである。

更に詳しくは、摺動面に対し炭素ｍｔｒｕが角度をもっ
て配向しているカーボンブレーキディスクあるいはカー
ボンブレーキパッドに関するものである。

従来、カーボンブレーキディスクの厚さ方向即ち摺動向
側から圧縮成形していたため、強化炭素繊維の大部分は
摺動面にほぼ平行になっている。このため摩擦係数が低
く、またブレーキ作動中に繊維の脱落が生じ、ブレーキ
挙動が不安定になるなどの問題があった。

これを改善するため、比較的長い繊維と短い繊維とを用
い、短い繊維（５ｍｍ以下）をランダムに配向させる試
みがなされている。しかし支配的要素となる長い繊維が
１８動向に対し平行であるため、十分改善の実を挙げる
に至っていない。

本発明者等は、このような問題について鋭意検討の結果
、大部分の繊維を摺動面に対し角度をもって配向させる
ことによって、これらの問題を改善しうろことを見出し
た。

即ち本発明は、 キ （２）埋設されている炭素繊維が摺動面に対し角Ｉｆを
もって配向しており、内周又は／及び外周を一方向炭素
繊維又は炭素繊維織物にて旋回配置してなるカーボンブ
レーキ（３）炭素繊維を強化材とする円筒状複合材であ
って、該繊維が円筒の軸と直角な面を横切るように配向
している炭素繊維強化熱硬化性樹脂複合材を円筒の軸と
直角な方向へ切断し、かつ該切断の前又は後に不活性雰
囲気中での焼成と緻密化とを行うことを特徴とするカー
ボンブレーキの製造法である。

本発明において、摺動向に対する繊維の角度とは、繊維
の実質的直線方向を示すものであり、繊維の部分的且つ
ミクロ的単位長さでの角度を示すものではない。好まし
くは繊維又はその繊維方向の延長線が一方の摺動面から
相対Ｊ−る他方の面にまで延在するような角度で配向し
ていることである。

ａ＋１ｔＩｌｉの方向を図面にて説明り゛る。

第１図（イ）〜（ハ）は繊維とその方向を示し、１は繊
維、２は繊維の方向を示Ｊ−０ 第１図（イ）は強化材が織物である場合の繊維とその方
向を示す。織物に使用されている繊維はサイン曲線的で
あるが、全体として繊維の方向は直線で結ぶことができ
る。この直線で表わされる方向を繊維の方向とする。（
ロ）及び（ハ）は、繊維が規則的でない場合について示
したものである。

本発明における繊維の方向が）習動面に対し角度をもっ
て配向しているとは、成形特摺動面の方向から加圧され
、その結果、繊維が加圧方向に対し実質的に直角方向に
配向している如き場合を除外する意味である。

このような本発明によると、カーボンブレーキは、摺動
向に対し炭素繊維が角度をもって配向しているために、
ブレーキ作動時において、摩擦係数が高く、摩耗量が少
な（、繊維の脱落が生じることがほとんどなく安定した
ブレーキ作動特性を示す。

本発明のカーボンブレーキは、切断、焼成、緻密化、場
合により熱処理などを行って製造される。焼成は有機物
を炭化させるために行われ、緻密化は組織を緻密にする
ために行≠われ、これは含浸と焼成の工程からなり、熱
処理は主に材料の耐熱酸化性を向上させるために行われ
るものである。

本発明に使用される炭素繊維は、レーヨン、ポリアクリ
ロニトリル、ピッチ等を主成分とするプレカーサーを不
活性雰囲気中８００〜２０００℃で炭化した炭素質繊維
あるいは２０００℃以上の温度で黒鉛化した黒鉛質繊維
である。

成形硬化に使用する熱硬化性樹脂器ルフラン、フェノー
ル、ポリイミド、エポキシ等／各樹脂で、高粘度あるい
は固体である場合は適当な溶媒に溶かすか、あるいは加
熱して溶融して用（入る。

また、緻密化するために該複合材をフラン、フェノール
等の各樹脂あるいはコールタールピッチ等に含浸し、窒
素、アルゴン等の不活性雰囲気中で焼成する。

この緻密化は、該複合材を窒素、水素、アルゴン等の非
酸化性雰囲気中で７００〜２０００°Ｃに加熱し、メタ
ン、エタン、ベンゼン等の炭化水素ガスを導入して行う
ことも可能である（ケミカル嗜ペーパー・ディポジショ
ン〉。

更に、炭素の配列構造を変え、耐熱酸化性を向上させる
ために、通常熱処理が行われる。この熱処理は、不活性
ガス雰囲気中２０００〜３０００°Ｃのｍｌにて処理１
′ることによって行われる。この熱処理は、耐熱酸化性
を向上する外、緻密化時の樹脂等の含浸を容易にする効
果もある。必要によっては所定の特性が得られる迄、緻
密化及び熱処理を繰返す。

本発明のカーボンブレーキは航空機、鉄道車両、自動車
、オートバイ用に有用で、特に航空機用マルチタイプデ
ィスクブレーキに有用である。

次に本発明カーボンブレーキディスクの製造法を説明す
る。

１）流動成形法 繊維長５〜４０ｍｍの炭素繊維と熱硬化性樹脂（例、フ
ェノール、フラン、エポキシ、ポリイミドの各樹脂など
）との混合物を円筒状軸方向く長さ方向）に流動させて
、繊維を流動方向に配向させた後、樹脂を硬化させて円
筒状成形物とする。次に該成形物を円筒の軸方向と直角
方向（半径方向）に切断、即ち輪切にすることによって
ディスク状成形物を得る。

次いで該ディスク状成形物を不活性雰囲気中にて徐々に
昇温し８００〜１５００℃まで加熱焼成することによっ
てマトリックス樹脂を炭素質に変える。成形物の形状及
び工程上の操作性等によっては、円筒状成形物を不活性
雰囲気中で焼成した後に切断してディスク状カーボン材
にしてもよい。

次に該カーボン材にピッチ又はフラン樹脂等の液状有機
物を含浸後、不活性雰囲気で焼成することによって緻密
化を行なう。この緻密化は該カーボン材を高温不活性雰
囲気中に保持して導入した炭化水素ガスを熱分解して炭
素を蒸着させる前記ケミカル・ペーパー・′ディポジシ
ョン（通称ＣＶＤ）法によって行ってもにい。

２）フィラメントワインディング法 フェノール樹脂あるいはフラン樹脂等の熱硬化性樹脂を
含浸した炭素繊維フィラメン１〜を所定のマンドレルに
円周方向（マンドレルの軸方向と直角方向）に角度をも
って捲付（プる方法によって円筒状成形物を得た後、不
活性雰囲気中での焼成、ディスク状に切断加工、緻密化
及び熱処理をおこなって本発明のカーボンブレーキを得
る。

炭素繊維フィラメントの代わりに炭素ｍ１４１織物等の
テープを用いてもよい。

３）クロスローリング法 熱硬化性樹脂を含浸した炭素繊維フィラメントクロスあ
るいは炭素Ｉ！ｉ維スバスパンヤーンクロス定のマンド
レルに捲回積層し硬化した後、切断加工、１Ｌ緻密化、
熱処理等を行グう。

本発明カーボンブレーキの製造にお１プる焼成（炭化）
、緻密化、熱処理、切断等の工程は順序は特に固定され
ない。また、緻密化及び熱処理は繰返し行われることが
好ましい。

更に緻密化と熱処理は、いずれを先に行ってもよい。即
ち焼成後熱処理し、その後緻密化し、或は逆に行われる
。

切断は、初めの樹脂硬化後の何れかの段階にて行われる
。しかし、切断を、緻密化前に行うと、材料が晩いため
、加工し難い。従って切断は、何回かの緻密化、熱処理
の段階で行うのがよい。切断後、緻密化することは、緻
密化効果をより高めることができる。これは、切断によ
ってより表面積が大きくなるからである。

切断を容易に行うには、緻密化１稈の焼成前に行う。こ
れは炭化してない樹脂等が粘結剤として作用し脆弱な炭
素材１′３１の損傷を防ぐからである。

本発明方法によると、同時に多数のカーボンブレーキを
製造することができ、生産効率を高めることができる。

以上の如く、炭素繊維が摺動面に角度をもって配向した
本発明のカーボン材の場合、炭素繊維が贋動面とほぼ平
行している従来のカーボン材と比較して、周方向あるい
は半径方向の強度が低下する傾向があるが、通常の使用
条件では問題はない。苛酷な使用条件下で高い強度が要
求される場合には、下記の如く外周又は／及び内周に一
方向炭素繊維又は炭素繊維織物を旋回積層して補強する
ことがある。　この補強はディスクブレーキ等の外周あ
るいは内周の固定用の切欠き部に特に有効である。この
切欠き部の補強の場合には、該複合材を所定形状より若
干小さめに切削加工した後、炭素繊維を旋回積層し所定
の形状を得る。　埋設している炭素繊維が摺動面に角度
をもって配向している複合材の外周あるいは内周では外
周と内周に一方向炭素繊維帷あるいは炭素繊維織物を旋
回するのは、該複合材の硬化前、硬化後、焼成後、緻密
化後あるいは熱処理後のいずれでもよい。

流動成形法の場合には、使用する雌型のキャビテイ外周
部あるいは雄型外周部に熱硬化性樹脂を含浸した炭素繊
維を旋回積層した後に、前記流動成形法で成形可能であ
る。

またマンドレルを使用する製造法は使用するマンドレル
にあらかじめ熱硬化性樹脂を含浸した一方向炭素繊維あ
るいは炭素繊維織物をその周方向に旋回積層した後、前
記フィラメントワインディング法又はクロスローリング
法で成形する。

あるいは、前記いずれ々）の方法で、成形した後、切断
後、焼成後、緻密化後、熱処理後の何れかの段階で熱硬
化性樹脂を含浸した炭素繊維を旋回積層させ、硬化及び
焼成等を行う。

以下、本発明を実施例で説明するとともに比較例を示す
。

実施例ル ゾール型フェノール樹脂を含浸した炭素繊維フィラメン
ト束く樹脂含有！（Ｒｅ）３２重量％）を２０ｍＩｎに
切断してチョツプドストランドプリプレグを作成した。

このプリプレグを第２図に示す金型の雌型中央部に充填
し、ホットプレスにて１７０”Ｃ１２０ｋｇ／’ｃｍ２
．６０分硬化さけ、円筒状複合材を作製した。この複合
材の上端及び下端１５ｍｍを切削除去後、厚さ１０ｍｍ
に輪切にし、外径１１５ｍｍ１内径５５ｍｍ、厚さ１０
ｍｍのディスク状複合材を作製した。

該複合材を窒素雰囲気中２℃／ｍｉｎで１０００℃まで
昇温して３０分保持し、有機質マトリックスを炭素質に
変えた（焼成工程）。

このカーボン材を緻密化するために減圧下２００℃でピ
ッチを含浸した後、焼成を行ｌっだ。

この含浸、焼成工程を５回繰返した後、窒素雰囲気中２
００’Ｃ／ｈｒで２０００℃に昇温後、３０分保持して
熱処理を行ｌい、密度１．６５ｇ／　ｃｍ”、外径１１
５ｍｍ　、内径５５ｍｍ、厚さ１０＋１１１１１のカー
ボンブレーキを作製した。

該カーボンブレーキを摺動向（ディスク面ンと直角に切
断して、その断面のｍ維配向を観察したところ、大部分
の繊維が摺動向にほぼ直角に配向していた。

実施例２ レゾニル型フェノール樹脂を含浸した＃素繊維フィラメ
ント束（ＲＣ３５重量％）を外径５５＋ｎｍのマンドレ
ルにマンドレルの軸方向と６０″の角度をなすようにフ
ィラメントワインディングし！ｃ後、１７０℃で２時間
硬化を行ない、長さ約５００１１１ｍ　、外径１１５ｍ
ｍ　１内１５５ｍｍの円筒状複合材を作製した。

該複合材を実施例１と同し方法で焼成工程を行≠った。

次いで両端部５０ｍｍを切削除去し、厚さ１１０１ｎに
輪切にし、外径１１５ｍｍ　、内径５５ｍｍ、に加工し
た後、実施例１と同様の方法Ｃ緻密化及び熱処理を行ｌ
い、密度１．６５ｇ／ｃｍ”のカーボンディスクを作製
した。

実施例３ 東邦ベスロン（株）製炭素４１ｉ維スパンヤーンｕＮｈ
　（８枚朱子３２０ｇ／ｍ　’　）にフラン＄７４１Ｊ
ｔｔ（ヒタフランＶ　Ｆ−３０２、触ｆｌｙ’、　０，
５ｗｔ％　含有）を４ｏｏｇ／ｍ２塗布して７０’Ｃで
３０分ブレギュアした後、外径５５ｍｍのマンドレルに
Ｖｆ　（繊維体積含有率）が３５％になる様に外径１１
５ｍ１ｌ＋まで旋回積層して　１５０℃２時間加熱硬化
した。

この積層物を実施例２と同様に焼成、切削、緻密化及び
熱処理を行〆い、密度１．６０ｇ／ａｍ１のカーボンデ
ィスクを作製した。

実施例４ 実施例７において硬化後輪切した、外径１１５ｍｍ　、
内径５０１Ｉｌ１１厚さ１０ｖ＋＋のディスク状複合材
の外周及び内周に、レゾール型フェノール樹脂を含浸し
た炭素繊維一方向プリプレグを周方向に厚さ１ｍｍに旋
回積層した後、実施例１と同様に焼成、緻密化、熱処理
を打撃い、外径１１７ｍｍ　、内径４８ｎ＋ｍ、厚さ１
０ｍｍのカーボンディスクを得た。

比較例１ 実施例１と同様に作製したチョツプドストランドプリプ
レグを第３図に示すような金型を用いて通常の圧縮成形
にて外径１１５ｍｍ　、内径５５１１１ｍ、厚さ６（ｌ
ｌｌｌｌｎの円筒状複合材を作製した。

この複合材を実施例１と同様に切削加工、焼成、緻密化
、熱処理を行ｆい、密度１．６５ｇ、／Ｃｍ’　、外径
１１５ｍｍ　、内径５５ｍｍ、厚さ１０ｍｍの　４カー
ボンブレーキを作製した。

該カーボンブレーキを摺動面と直角に切断して、その断
面のｌｌ１ｍ配向を観察したところ、全ての繊維が摺動
向にほぼ平行に配向していた。

比較例２ 東邦ベスロン（株）製炭素繊維スパン飄７−ン織物を用
いて実施例１と同様にプリプレグを作製、して、外径１
１０ｍｍ　、内径５５ｍｍに切火いて第３図に示づ金型
にて、比較例１と同様に円筒状複合材を作製した。この
複合材を実施例１と同様に切削加工、焼成、緻密化、熱
処理を行い、密度１．６５（１／　ＣｍＸ、外径１１５
ｍｍ、内径５５ｍｍ、厚さ１１０ｎ１のカーボンブレー
キを作製した。

該カーボンブレーキを摺動向と直角に切断して、その断
面のｍ維配向を観察したところ、全ての繊維が摺動向に
ほぼ平行に配向していた。

【図面の簡単な説明】

第１図（イ）（ロ）（ハ）は繊維方向を示り図、第２図
は実施例１で使用された金型の断面概略図、第３図は比
較例１で使用された金型の断面概略図である。 １：繊維、２：繊維の方向、３：雄型、４：圃型

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）埋設されている炭素繊維が摺動面に対し角度をも
   って配向しているカーボンブレーキ。
2. （２）埋設されている炭素繊維が摺動面に対し角度をも
   って配向しており、内周又は／及び外周を一方向炭素繊
   維又は炭素繊維織物にて旋回配置してなるカーボンブレ
   ーキ。
3. （３）炭素繊維を強化材とする円筒状複合材であって、
   該繊維か円筒の軸と直角な面を横切るように配向してい
   る炭素繊維強化熱硬化性樹脂複合材を円筒の軸と直角な
   方向へ切断し、かつ該切断の前又は後に不活性雰囲気中
   での焼成と緻密化とを行うことを特徴とするカーボンブ
   レーキの製造法。
4. （４）焼成および緻密化したのち熱処理することを特徴
   とする特許請求の範囲（３）の製造法。