JP2000281446A - チタン銅炭素複合材料、及びチタン銅炭素複合材料の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 導電性が良く、トロリー線等との摩擦が小さ
く、摺動時の摩耗が少なく、十分な強度を有し、かつ製
造工程が簡易な銅炭素複合材料、及びその製造方法を提
供する。 【解決手段】 炭素からなる炭素基材と、炭素基材に対
し１〜７０重量％の比率で含まれるチタンと、炭素基材
に対し１〜７５重量％の比率で含まれる銅又は銅合金が
融合される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、炭素からなる炭素
基材中に銅とチタンを含ませたチタン銅炭素複合材料、
及びこのチタン銅炭素複合材料の製造方法に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】電車や電気機関車などの電気鉄道車両
は、架線（以下、「トロリー線」という。）からパンタ
グラフを介して集電を行っている。このパンタグラフ
は、電気鉄道車両の屋根上に取り付けられる装置であ
り、図３に示すような構成を有している。

【０００３】図３に示すように、このパンタグラフ５０
０においては、電気鉄道車両の屋根の上に、電気絶縁用
の碍子５０７に乗った台枠５０６が置かれ、台枠５０６
の上に主軸５０８が軸受で支持され、この主軸５０８か
ら下枠５０１が斜め上方に立設され、他の軸受を介して
上枠５０２が下枠５０１とは逆の斜め方向に向うように
支えられている。

【０００４】上枠５０２の頂点付近には、略舟状の集電
舟５０３が配設されている。また、この集電舟５０３上
には、トロリー線（図示せず）の下面を摺動する摺板が
ネジ等によって取り付けられている。トロリー線から摺
板５０４が離れる「離線現象」が生じないようにパンタ
グラフ５００をつねにトロリー線に追随させるため、主
ばね５０５により主軸５０８が軸まわり回転方向に付勢
され、下枠５０１，上枠５０２が集電舟５０３を上方へ
押し上げるようになっている。

【０００５】上記したパンタグラフ５００の構成要素の
うち、摺板５０４は、硬質銅材からなるトロリー線の下
面と接触しつつ互いに摺動しながら大電流を集電する。
このため、摺板５０４は、 導電性が良いこと 摩擦抵抗が小さく、トロリー線表面上を滑りやすい
こと 摺板自身の摩耗が少なく、かつ相手のトロリー線も
摩耗させにくいこと 使用により厚みが薄くなっても破損等を生じないよ
うな強度を有すること アーク（火花）による損耗や溶損等が少ないこと 等の条件を満足するような材料（以下、「摺動集電用材
料」という。）である必要がある。

【０００６】上記のような条件から、近年、摺板５０４
に適した材料として、炭素（Ｃ）からなる焼結体の中に
銅（Ｃｕ）を含浸させた材料（以下、「銅含浸炭素焼結
体」という。）が注目されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
銅含浸炭素焼結体の製造方法では、炭素焼結体中に銅を
含浸させるため、大掛かりな加圧含浸炉が必要となる。
また、炭素焼結体中への銅の含浸には非常に長い時間が
必要であり、生産性が低く、製造コストが非常に高い、
という欠点がある。

【０００８】例えば、特開平７−１２６７１３号公報に
記載された技術によれば、「圧力２ｔｏｒｒに減圧した
含浸炉内において、１１５０°Ｃ以上の温度に加熱した
無酸素銅の溶湯に炭素焼結体を浸漬し、１３０気圧の圧
力を付加することにより、炭素焼結体中に銅を含浸させ
る。」としている。

【０００９】さらに、従来の製造方法による銅含浸炭素
焼結体では、炭素焼結体に対する無酸素銅の「ぬれ性」
が非常に悪いため、炭素焼結体中への銅の含浸状態に
「むら」ができやすく、摺動集電用材料に要求される導
電性を一定に確保することが困難である、という問題を
抱えている。

【００１０】しかも、従来の製造方法による銅含浸炭素
焼結体では、本来「ぬれ性」が悪いため炭素焼結体中へ
含浸し難い無酸素銅を強制的に炭素焼結体中へ含浸させ
るため、大きな加圧力により物理的に銅を炭素焼結体内
へ押し込んでいるだけである。したがって、この場合に
は、炭素と銅は接触面で化学的に反応はしておらず、両
者は強固に融合しているとはいえない。このことから、
従来の銅含浸炭素焼結体は、所要の強度、特に、外力に
対しもろくなく粘り強い性質である「靭性」が不足して
いる。このため、従来の銅含浸炭素焼結体をパンタグラ
フの摺板等に使用すると、使用により厚みが薄くなった
場合に破損等が生じやすい、という問題がある。

【００１１】本発明は上記の問題を解決するためになさ
れたものであり、本発明の解決しようとする課題は、導
電性が良く、トロリー線等との摩擦が小さく、摺動時の
摩耗が少なく、十分な強度を有し、かつ製造工程が簡易
な銅炭素複合材料、及びその製造方法を提供することに
ある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明に係るチタン銅炭素複合材料は、炭素からな
る炭素基材に、複合材料の全重量に対し１〜７０重量％
の比率となるチタンと、複合材料の全重量に対し１〜７
５重量％の銅含有率となる銅又は銅合金が融合されるこ
とを特徴とする。

【００１３】上記したチタン銅炭素複合材料において、
好ましくは、炭素繊維からなり前記炭素基材中に配設さ
れて前記炭素基材を強化する炭素繊維補強部材を備える
ことが望ましい。

【００１４】また、上記したチタン銅炭素複合材料にお
いて、好ましくは、前記炭素繊維補強部材の長さは、５
ミリメートル以上が望ましい。

【００１５】また、上記したチタン銅炭素複合材料にお
いて、好ましくは、前記チタンの含有率が前記チタン銅
炭素複合材料の全重量に対し３〜５３重量％で、かつ、
前記銅の含有率が前記チタン銅炭素複合材料の全重量に
対し４〜６８重量％となることが望ましい。

【００１６】また、上記したチタン銅炭素複合材料にお
いて、好ましくは、前記銅合金は、第２族典型金属元
素、第４族遷移金属元素、第５族遷移金属元素、第６族
遷移金属元素、第７族遷移金属元素、第８族遷移金属元
素、第９族遷移金属元素、第１０族遷移金属元素、第１
１族遷移金属元素、第１２族遷移金属元素、第１３族元
素、第１４族元素、第１５族元素のうちのいずれか又は
これらの適宜の組み合わせを、銅に対して０．１〜３
０．０重量％の比率で含有させることにより構成される
ことが望ましい。

【００１７】また、本発明に係るチタン銅炭素複合材料
の製造方法は、炭素繊維を含む部材を所定の形状に形成
して予形成部材を得る予形成工程を行い、次いで前記予
形成部材を第１温度で加熱しつつ第１圧力で加圧する成
型処理工程を行い、次いで第２温度で加熱する炭化処理
工程を行い、次いで必要に応じて第３温度で加熱する黒
鉛化処理工程を行い、前記工程のうちのいずれかにおい
て処理される被処理部材にチタンを介在させつつ銅又は
銅合金を含有させることを特徴とする。

【００１８】上記したチタン銅炭素複合材料の製造方法
において、好ましくは、前記予形成工程では、前記炭素
繊維に前記チタンを含有させて糸状部材を作製し、前記
糸状部材を織製し又は絡み合わせてシート状部材を作製
し、前記シート状部材を積層して積層体を形成すること
が望ましい。

【００１９】また、上記したチタン銅炭素複合材料の製
造方法において、好ましくは、前記予形成工程では、前
記銅又は銅合金が、前記シート状部材の表面に配設され
ることが望ましい。

【００２０】また、上記したチタン銅炭素複合材料の製
造方法において、好ましくは、前記炭化処理工程又は前
記黒鉛化処理工程では、前記銅又は銅合金が、前記被処
理部材の上に乗せられ、溶融した銅又は銅合金が前記被
処理部材中に含浸されることが望ましい。

【００２１】また、上記したチタン銅炭素複合材料の製
造方法において、好ましくは、前記予形成工程では、前
記炭素繊維に前記チタンを含有させて糸状部材を作製
し、前記糸状部材を長さが５ミリメートル以上に切断し
て型に充填することにより前記予形成部材を形成するこ
とが望ましい。

【００２２】また、上記したチタン銅炭素複合材料の製
造方法において、好ましくは、前記予形成工程では、前
記銅又は銅合金からなる粉末が、前記糸状部材とともに
前記型内に充填されることが望ましい。

【００２３】また、上記したチタン銅炭素複合材料の製
造方法において、好ましくは、前記炭化処理工程又は前
記黒鉛化処理工程では、前記銅又は銅合金が、前記被処
理部材の上に乗せられ、溶融した銅又は銅合金が前記被
処理部材中に含浸されることが望ましい。

【００２４】また、上記したチタン銅炭素複合材料の製
造方法において、好ましくは、前記炭化処理工程又は前
記黒鉛化処理工程では、前記被処理部材と、前記チタン
の粉末と、前記銅又は銅合金からなる粉末とが、容器内
に封入され、第４温度で加熱されつつ第２圧力で加圧さ
れることが望ましい。

【００２５】また、本発明に係る他のチタン銅炭素複合
材料の製造方法は、複合材料の全重量に対し１〜７０重
量％の比率となるチタンと、複合材料の全重量に対し１
〜７５重量％の銅含有率となる銅又は銅合金とを溶融さ
せたチタン銅等溶融体を、炭素からなる炭素基材に常圧
で含浸させることを特徴とする。

【００２６】また、上記した他のチタン銅炭素複合材料
の製造方法において、好ましくは、前記チタン銅等溶融
体は、複合材料の全重量に対し１〜７０重量％の比率と
なるチタン粉末と、複合材料の全重量に対し１〜７５重
量％の銅含有率となる銅粉末又は銅合金粉末とによりチ
タン銅等粉末成形体を形成し、前記チタン銅等粉末成形
体を溶融させることにより得られることが望ましい。

【００２７】

【実施例】以下に、本発明の実施例について、図，表等
を適宜参照しつつ詳細に説明する。まず、上記した本発
明の一例であるチタン銅炭素複合材料を実際に製造した
例について、以下に詳細に説明を行う。以下のチタン銅
炭素複合材料の製造にあたっては、まず炭素−Ｔｉプリ
フォームドヤーンを製造し、次にこの炭素−Ｔｉプリフ
ォームドヤーンから炭素−Ｔｉプリフォームドシートを
製造する。このため、まず、炭素−Ｔｉプリフォームド
ヤーン、及び炭素−Ｔｉプリフォームドシートの製造例
について説明を行う。

【００２８】（１）炭素−Ｔｉプリフォームドヤーンの
製造例 炭素−Ｔｉプリフォームドヤーンは、アクリロニトリル
共重合体から製造された炭素繊維束に炭素系微粉末とチ
タン（Ｔｉ）微粉末を含有させ、これを熱可塑性樹脂で
被覆することにより得られる。

【００２９】上記した炭素繊維束は、１２，０００本の
炭素繊維フィラメントからなる。炭素繊維束の密度は
１．７６ｇ／ｃｍ³ であり、引張強度は３６０ｋｇｆ／
ｍｍ²であり、引張弾性率は２３．５×１０３ ｋｇｆ／
ｍｍ² であり、伸度は１．５％であった。ここに、ｋｇ
ｆは、キログラム重を示している。

【００３０】炭素繊維としては、 （ｉ）ＰＡＮ（ポリアクリルニトリル），石炭（コール
タール）ピッチ，石油ピッチ等を前駆体とし、空気酸化
による架橋構造化を施す「安定化工程」と、「炭素化工
程」と、「黒鉛化工程」を行うことにより生成されるも
の （ｉｉ）熱硬化性樹脂を紡糸、硬化、カーボン化させて
生成されるガラス状炭素繊維 （ｉｉｉ）気相の炭素から成長させる気相成長炭素繊維
（ＶＧＣＦ）等が使用可能である。

【００３１】また、炭素系微粉末（カーボンブラック）
としては、石炭系バルクメソフェーズピッチ及びピッチ
コークスを用いた。このバルクメソフェーズピッチは軟
化点２８０°Ｃ、含有揮発分（１８．０重量％）、平均
粒径１５μｍであった。ピッチコークスは軟化点を有さ
ず、含有揮発分（８．０重量％）、平均粒径１０μｍで
あった。

【００３２】また、チタン微粉末としては、純度９９．
１〜９９．６％のものを適宜に選択する。その形状とし
ては、粉末状のものを使用し、粒径は、５００μｍ以下
のものを適宜に選択する。チタン微粉末の添加量として
は、複合材料の全重量に対して１〜７０重量％の比率で
ある。

【００３３】また、炭素繊維束を被覆するための熱可塑
性樹脂としては、ポリプロピレン（以下、「ＰＰ」とい
う。）を用いた。このＰＰの密度は０．９ｇ／ｃｍ³ で
あり、曲げ強度は９．５ｋｇｆ／ｍｍ² であり、曲げ弾
性率は１００ｋｇｆ／ｍｍ²であった。

【００３４】上記のような材料を用い、炭素繊維束に流
動層を用いて炭素系微粉末とチタン微粉末を包含させた
後、炭素繊維束をＰＰ樹脂で被覆させ、炭素−Ｔｉプリ
フォームドヤーンを製造した。得られた炭素−Ｔｉプリ
フォームドヤーンの直径は約１．８ｍｍであった。この
炭素−Ｔｉプリフォームドヤーンは、糸状部材に相当し
ている。

【００３５】（２）炭素−Ｔｉプリフォームドシートの
製造例 図１は、本発明に係るチタン銅炭素複合材料の製造方法
の実施例において製造された炭素−Ｔｉプリフォームド
シートの構成を示す斜視図である。

【００３６】図１に示すように、この炭素−Ｔｉプリフ
ォームドシート１０１は、上記のようにして製造された
炭素−Ｔｉプリフォームドヤーン１０２と、熱可塑性樹
脂繊維糸１０３を備えて構成されている。また、これら
の炭素−Ｔｉプリフォームドヤーン１０２と熱可塑性樹
脂繊維糸１０３は、熱可塑性樹脂繊維糸１０３が縦糸
（経糸）となり、炭素−Ｔｉプリフォームドヤーン１０
２が横糸（緯糸）となるようにして平織りされている。

【００３７】また、熱可塑性樹脂繊維糸１０３として
は、ＰＰ繊維糸を用いた。このＰＰ繊維糸１０３は、フ
ィラメント数が１本で、デニール数は１８０ｄｅ（直
径：約１４０μｍ）であった。

【００３８】次に、上記したＰＰ繊維糸１０３を経糸と
して、レピア織機にセットし、上記した炭素−Ｔｉプリ
フォームドヤーン１０２を緯糸として製織することによ
り、炭素−Ｔｉプリフォームドヤーン１０２の延在方向
への強度が卓越した炭素−Ｔｉプリフォームドシート
（以下、「一方向炭素−Ｔｉプリフォームドシート」と
いう。）１０１を作製した。この一方向炭素−Ｔｉプリ
フォームドシートは、シート状部材に相当している。

【００３９】上記の製織において、ＰＰ繊維糸１０３に
作用していた張力は１２ｇｆであり、炭素−Ｔｉプリフ
ォームドヤーン１０２に作用していた張力は４５０ｇｆ
であった。ここに、ｇｆは、グラム重を示している。

【００４０】なお、得られた一方向炭素−Ｔｉプリフォ
ームドシート１０１のうちの炭素繊維，ＰＰ樹脂（炭素
−Ｔｉプリフォームドヤーンを被覆しているものと、熱
可塑性樹脂繊維糸として用いられているものとの合
計），及び炭素系粉末の体積比は、 ４５：５：５０ であった。

【００４１】（３）実施例１ 上記のようにして製作された一方向炭素−Ｔｉプリフォ
ームドシート１０１の表面に、銅合金粉末とフェノール
樹脂を混合した混合物（以下、「銅合金−フェノール樹
脂混合物」という。）を塗布し、一方向炭素−Ｔｉ−銅
合金プリフォームドシートを得る。

【００４２】上記の銅合金の組成は、銅（Ｃｕ）が９
６．０重量％、アルミニウム（Ａｌ）が３．０重量％、
燐（Ｐ）が１．０重量％である。

【００４３】フェノール樹脂としては、〜大日本インキ
化学工業株式会社製の「フェノライトＪ−３２５」を使
用した。

【００４４】次に、図２に示すように、上記のようにし
て製造した一方向炭素−Ｔｉ−銅合金プリフォームドシ
ートを、２０１Ａ，２０１Ｂ，２０１Ｃのように、重ね
合わせて積層することによって、炭素−Ｔｉ−銅合金プ
リフォームドシート積層体３０１を作製する。この工程
は、予形成工程に相当している。

【００４５】図２において、一方向炭素−Ｔｉ−銅合金
プリフォームドシート２０１Ａ〜２０１Ｃに図示した平
行線は、線の延在方向がシートのプリフォームドヤーン
の方向（炭素繊維強化方向）であることを示している。
すなわち、炭素−Ｔｉ−銅合金プリフォームドシート積
層体３０１においては、一方向炭素−Ｔｉ−銅合金プリ
フォームドシートの炭素繊維強化方向がシートごとに直
交している。以下、このような炭素−Ｔｉ−銅合金プリ
フォームドシート積層体を「二方向性積層体」という。

【００４６】次に、上記のようにして形成した積層構造
の炭素−Ｔｉ−銅合金プリフォームドシート積層体３０
１を、ホットプレス（加熱加圧装置）により加熱・加圧
しつつ成型した。この工程は、成型処理工程に相当して
いる。この場合の成型温度（第１温度に相当してい
る。）は６００°Ｃであり、成型圧力（第１圧力に相当
している。）は１００ｋｇｆ／ｃｍ² であり、成型保持
時間は２０分間であった。これにより、二方向性のチタ
ン銅炭素複合材料（図示せず）が得られた。以下、積層
構造の炭素−Ｔｉ−銅合金プリフォームドシート積層体
３０１をホットプレス法によって加熱しつつ加圧して成
型したものを、「炭素−Ｔｉ−銅合金シート成型体」と
いう。

【００４７】二方向性材料とは、基材中の強化繊維の延
在方向が２つの異なる方向となっているものである。上
記した炭素−Ｔｉ−銅合金プリフォームドシート積層体
３０１の場合には２つの炭素繊維方向の交差角度は直角
（９０度）である。しかし、２つの炭素繊維方向として
は任意の方向が可能である。二方向性材料では、それぞ
れの強化方向に配置される強化繊維の量（例えば、本
数、各繊維の断面積）や各強化繊維の１本当りの強度に
より、それぞれの方向の強度が決定され、一般には、い
ずれか一方の方向への強度が卓越するが、強化繊維量を
適当に調整すれば、両方向の強度を等しくさせることが
できる。また、これを応用すれば、多数の一方向炭素−
Ｔｉ−銅合金プリフォームドシートを重ねて積層し、各
シートの炭素繊維強化方向を一様に異なる方向とするこ
とにより、強化方向が一様な「等方性材料」を得ること
ができる。

【００４８】次に、上記の炭素−Ｔｉ−銅合金シート成
型体を、窒素ガス（Ｎ₂ ）雰囲気中で１３００°Ｃまで
昇温し、１３００°Ｃにおいて６０分間保持して焼成し
た。この工程は、炭化処理工程に相当している。また、
１３００°Ｃの温度は、第２温度に相当している。この
焼成の結果得られたもの（図示せず）は、炭素（Ｃ）か
らなる炭素基材中に炭素（Ｃ）からなる繊維部材が配設
された炭素繊維強化炭素複合材料（以下、「Ｃ／Ｃコン
ポジット」という。）の内部に銅合金及びチタン（Ｔ
ｉ）が含有され、Ｃ／Ｃコンポジット，銅合金，Ｔｉの
各々が強固に焼結された複合材料となっている。以下、
これを、「Ｃ／Ｃ−Ｔｉ−銅合金第１焼結体」という。

【００４９】上記のＣ／Ｃ−Ｔｉ−銅合金第１焼結体中
における炭素繊維含有率は、４５．０体積％であり、寸
法は、１００ｍｍ（幅）×３００ｍｍ（長さ）×３０ｍ
ｍ（厚さ）であった。

【００５０】（４）実施例２ 上記のようにして製作された一方向炭素−Ｔｉプリフォ
ームドシートを、実施例１とは異なり、表面に銅合金−
フェノール樹脂混合物を塗布せずに、そのまま積層し、
各一方向炭素−Ｔｉプリフォームドシートの炭素繊維強
化方向を互い違いに直交させることによって二方向性積
層体（図示せず）を作製する。この工程は、予形成工程
に相当している。以下、この積層体を、「炭素−Ｔｉプ
リフォームドシート積層体」という。

【００５１】次に、上記のようにして形成した積層構造
の炭素−Ｔｉプリフォームドシート積層体を、ホットプ
レス法により加熱・加圧しつつ成型した。この工程は、
成型処理工程に相当している。この場合の成型温度は６
００°Ｃ（第１温度に相当している。）であり、成型圧
力（第１圧力に相当している。）は１００ｋｇｆ／ｃｍ
² であり、成型保持時間は２０分間であった。これによ
り、二方向性の炭素系複合材料（図示せず）が得られ
た。以下、炭素−Ｔｉプリフォームドシート積層体をホ
ットプレス法によって加熱しつつ加圧して成型したもの
を、「炭素−Ｔｉシート成型体」という。

【００５２】次に、上記のようにして得られた炭素−Ｔ
ｉシート成型体を、窒素ガス（Ｎ₂）雰囲気中で１２０
０°Ｃまで昇温し、１２００°Ｃにおいて６０分間保持
して焼成した。この工程は、炭化処理工程に相当してい
る。また、１２００°Ｃの温度は、第２温度に相当して
いる。この焼成の結果得られたものは、炭素（Ｃ）から
なる炭素基材中に炭素（Ｃ）からなる繊維部材が配設さ
れた炭素繊維強化炭素複合材料（Ｃ／Ｃコンポジット）
の内部にチタン（Ｔｉ）が含有され、Ｃ／Ｃコンポジッ
トとＴｉの各々が焼結された複合材料（図示せず）とな
っている。以下、これを、「Ｃ／Ｃ−Ｔｉ第１焼結体」
という。

【００５３】次に、上記のようにして得られたＣ／Ｃ−
Ｔｉ第１焼結体の上に塊状又は板状若しくは粒状あるい
は粉末状等の銅合金を乗せる。この銅合金の組成は、銅
（Ｃｕ）が９４．５重量％、錫（Ｓｎ）が３．０重量
％、亜鉛（Ｚｎ）が１．０重量％、リン（Ｐ）が０．５
重量％、コバルト（Ｃｏ）が１．０重量％である。

【００５４】次に、この状態で還元ガス雰囲気中で１０
００°Ｃまで昇温し、１０００°Ｃにおいて６０分間保
持した。これにより、Ｃ／Ｃ−Ｔｉ第１焼結体の上に乗
せた銅合金が溶融し、Ｃ／Ｃ−Ｔｉ第１焼結体の表面及
び内部に形成されている多数の微少孔（図示せず）に、
溶融した銅合金がしみ込み、Ｃ／Ｃ−Ｔｉ第１焼結体の
内部に溶融銅合金が含浸され、Ｃ／Ｃ−Ｔｉ第１焼結体
中でＣ／Ｃコンポジット，銅合金，Ｔｉの各々が強固に
焼結された複合材料となる。以下、これを、「Ｃ／Ｃ−
Ｔｉ−銅合金第２焼結体」という。

【００５５】上記のＣ／Ｃ−Ｔｉ−銅合金第２焼結体中
における炭素繊維含有率は、４５．０体積％であり、寸
法は、１００ｍｍ（幅）×３００ｍｍ（長さ）×２８ｍ
ｍ（厚さ）であった。

【００５６】（５）実施例３ 実施例１と同様の方法により製造した炭素−Ｔｉプリフ
ォームドヤーンを長さ１５ｍｍに切断したものと、銅合
金粉末とを混合し、ホットプレスの型内に均一に充填し
た。この工程は、予形成工程に相当している。

【００５７】次に、これをホットプレス法により加熱・
加圧しつつ成型した。この工程は、成型処理工程に相当
している。この場合の成型温度は６００°Ｃ（第１温度
に相当している。）であり、成型圧力は１００ｋｇｆ／
ｃｍ² （第１圧力に相当している。）であり、成型保持
時間は２０分間であった。これにより、等方性のチタン
銅炭素複合材料（図示せず）が得られた。以下、上記の
成型体を、「炭素−Ｔｉ−銅合金等方成型体」という。

【００５８】上記の銅合金の組成は、銅（Ｃｕ）が９
３．０重量％、アンチモン（Ｓｂ）が７．０重量％、ベ
リリウム（Ｂｅ）が２．０重量％、バナジウム（Ｖ）が
１．０重量％、モリブデン（Ｍｏ）が４．０重量％であ
る。また、フェノール樹脂は、実施例１と同様のものを
使用した。

【００５９】次に、上記のようにして製造した炭素−Ｔ
ｉ−銅合金等方成型体を、窒素ガス（Ｎ₂ ）雰囲気中で
１３００°Ｃまで昇温し、１３００°Ｃにおいて６０分
間保持して焼成した。この工程は、炭化処理工程に相当
している。また、１３００°Ｃの温度は、第２温度に相
当している。この焼成の結果得られたもの（図示せず）
は、炭素（Ｃ）からなる炭素基材中に炭素（Ｃ）からな
る繊維部材が配設された炭素繊維強化炭素複合材料（Ｃ
／Ｃコンポジット）の内部に銅合金及びチタン（Ｔｉ）
が含有され、Ｃ／Ｃコンポジット，銅合金，Ｔｉの各々
が強固に焼結された複合材料となっている。以下、これ
を、「Ｃ／Ｃ−Ｔｉ−銅合金第３焼結体」という。

【００６０】上記のＣ／Ｃ−Ｔｉ−銅合金第３焼結体中
における炭素繊維含有率は、４０．０体積％であり、寸
法は、１００ｍｍ（幅）×３００ｍｍ（長さ）×２８ｍ
ｍ（厚さ）であった。

【００６１】（６）実施例４ 実施例１と同様の方法により製造した炭素−Ｔｉプリフ
ォームドヤーンを長さ１５ｍｍに切断したものを、ホッ
トプレスの型内に均一に充填した。この工程は、予形成
工程に相当している。

【００６２】次に、これをホットプレス法により加熱・
加圧しつつ成型した。この工程は、成型処理工程に相当
している。この場合の成型温度は６００°Ｃ（第１温度
に相当している。）であり、成型圧力は１００ｋｇｆ／
ｃｍ² （第１圧力に相当している。）であり、成型保持
時間は２０分間であった。これにより、等方性の炭素複
合材料（図示せず。以下、「炭素−Ｔｉ等方成型体」と
いう。）が得られた。

【００６３】次に、上記のようにして得られた炭素−Ｔ
ｉ等方成型体を、窒素ガス（Ｎ₂ ）雰囲気中で１２００
°Ｃまで昇温し、１２００°Ｃにおいて６０分間保持し
て焼成した。この工程は、炭化処理工程に相当してい
る。また、１２００°Ｃの温度は、第２温度に相当して
いる。この焼成の結果得られたものは、炭素（Ｃ）から
なる炭素基材中に炭素（Ｃ）からなる繊維部材が配設さ
れた炭素繊維強化炭素複合材料（Ｃ／Ｃコンポジット）
の内部にチタン（Ｔｉ）が含有され、Ｃ／Ｃコンポジッ
トとＴｉの各々が焼結された複合材料（図示せず）とな
っている。以下、これを、「Ｃ／Ｃ−Ｔｉ第２焼結体」
という。

【００６４】次に、上記のようにして得られたＣ／Ｃ−
Ｔｉ第２焼結体の上に塊状又は板状若しくは粒状あるい
は粉末状等の銅合金を乗せる。この銅合金の組成は、銅
（Ｃｕ）が９３．０重量％、亜鉛（Ｚｎ）が２．０重量
％、ビスマス（Ｂｉ）が５．０重量％である。

【００６５】次に、この状態で水素ガス（Ｈ₂ ）雰囲気
中で１０００°Ｃまで昇温し、１０００°Ｃにおいて６
０分間保持した。これにより、Ｃ／Ｃ−Ｔｉ第２焼結体
の上に乗せた銅合金が溶融し、Ｃ／Ｃ−Ｔｉ第２焼結体
の表面及び内部に形成されている多数の微少孔（図示せ
ず）に、溶融した銅合金がしみ込み、Ｃ／Ｃ−Ｔｉ第２
焼結体の内部に溶融銅合金が含浸され、Ｃ／Ｃ−Ｔｉ第
２焼結体中でＣ／Ｃコンポジット，銅合金，Ｔｉの各々
が強固に焼結された複合材料となる。以下、これを、
「Ｃ／Ｃ−Ｔｉ−銅合金第４焼結体」という。

【００６６】上記のＣ／Ｃ−Ｔｉ−銅合金第４焼結体中
における炭素繊維含有率は、４０．０体積％であり、寸
法は、１００ｍｍ（幅）×３００ｍｍ（長さ）×２８ｍ
ｍ（厚さ）であった。

【００６７】（７）実施例５ フェノール樹脂を含浸させた炭素繊維（図示せず）を織
製した織布を積層する。この工程は、予形成工程に相当
している。以下、この積層体を、「炭素織布積層体」と
いう（図示せず）。フェノール樹脂は、実施例１と同様
のものを使用した。

【００６８】次に、上記のようにして形成した炭素織布
積層体を、ホットプレス法により加熱・加圧しつつ成型
した。この工程は、成型処理工程に相当している。この
場合の成型温度は１８０°Ｃ（第１温度に相当してい
る。）であり、成型圧力は２０ｋｇｆ／ｃｍ² （第１圧
力に相当している。）であり、成型保持時間は９０分間
であった。これにより、二方向性の炭素系複合材料（図
示せず。以下、「炭素織布成型体」という。）が得られ
た。

【００６９】次に、上記のようにして得られた炭素織布
成型体を、窒素ガス（Ｎ₂ ）雰囲気中で１３００°Ｃま
で昇温し、１３００°Ｃにおいて６０分間保持して焼成
した。この工程は、炭化処理工程に相当している。ま
た、１３００°Ｃの温度は、第２温度に相当している。
この焼成の結果得られたものに、ピッチを含浸させ、１
３００°Ｃまで昇温し、１３００°Ｃにおいて焼成する
ことを数回繰り返した。これにより得られたものは、炭
素（Ｃ）からなる炭素基材中に炭素（Ｃ）からなる繊維
部材が配設された炭素繊維強化炭素複合材料（Ｃ／Ｃコ
ンポジット）である（図示せず）。

【００７０】次に、上記のようにして得られたＣ／Ｃコ
ンポジットを、チタン（Ｔｉ）粉末と銅合金粉末の入っ
た金属容器内に封入して、還元雰囲気中で１２００°Ｃ
に昇温し、常圧にてＣ／Ｃコンポジットに含浸させる。
この焼成の結果得られたもの（図示せず）は、炭素
（Ｃ）からなる炭素基材中に炭素（Ｃ）からなる繊維部
材が配設された炭素繊維強化炭素複合材料（Ｃ／Ｃコン
ポジット）の内部に銅合金及びチタン（Ｔｉ）が含有さ
れ、Ｃ／Ｃコンポジット，銅合金，Ｔｉの各々が強固に
焼結された複合材料となっている。以下、これを、「Ｃ
／Ｃ−Ｔｉ−銅合金第５焼結体」という。

【００７１】上記の銅合金の組成は、銅（Ｃｕ）が９
４．１重量％、アルミニウム（Ａｌ）が４．０重量％、
ニッケル（Ｎｉ）が２．０重量％である。また、チタン
（Ｔｉ）は、実施例１と同様のものを使用した。

【００７２】上記のＣ／Ｃ−Ｔｉ−銅合金第５焼結体中
における炭素繊維含有率は、４５．０体積％であり、寸
法は、１００ｍｍ（幅）×３００ｍｍ（長さ）×２８ｍ
ｍ（厚さ）であった。

【００７３】上記した実施例１〜５を製造した結果得ら
れた最終焼結体の組成等の緒元を表１に示す。

【００７４】

【表１】

【００７５】次に、上記した実施例１〜５と比較する対
象物として、５つの比較例の製造を行った。以下、これ
らについて説明する。

【００７６】（８）比較例１ 圧力２ｔｏｒｒに減圧した含浸炉内において、炭素粉末
焼結体を、１１５０°Ｃに加熱して溶融させた純銅の溶
湯に浸漬させ、１３０気圧の圧力を付加した。これによ
り、炭素粉末焼結体に銅を含浸させ、「銅含浸炭素粉末
焼結体」を得た。

【００７７】上記の銅含浸炭素粉末焼結体の寸法は、１
００ｍｍ（幅）×３００ｍｍ（長さ）×３０ｍｍ（厚
さ）であった。

【００７８】（９）比較例２ アクリロニトリル共重合体から製造された炭素繊維束に
炭素系微粉末を含有させ、これを熱可塑性樹脂で被覆す
ることにより「炭素プリフォームドヤーン」（図示せ
ず）を製造した。これは、Ｔｉが含浸されていない点を
除き、他の点は、上記した炭素−Ｔｉプリフォームドヤ
ーンとまったく同様の構成を有し、まったく同様の製造
方法である。

【００７９】次に、上記の炭素プリフォームドヤーン
を、ＰＰ繊維糸を経糸としてレピア織機を用いて製織
し、「一方向炭素プリフォームドシート」（図示せず）
を製作した。これは、Ｔｉが含浸されていない点を除
き、他の点は、上記した一方向炭素−Ｔｉプリフォーム
ドシートとまったく同様の構成を有し、まったく同様の
製造方法である。

【００８０】次に、上記のようにして製作された一方向
炭素プリフォームドシートの表面に、銅合金粉末とフェ
ノール樹脂を混合した「銅合金−フェノール樹脂混合
物」を塗布し、一方向炭素−銅合金プリフォームドシー
トを得る。この場合の銅合金、及びフェノール樹脂は、
実施例１で用いたものと同様である。

【００８１】次に、上記のようにして製造した一方向炭
素−銅合金プリフォームドシートの炭素繊維強化方向を
互い違いに直交させることによって二方向性積層体（図
示せず）を作製する。以下、この積層体を、「炭素−銅
合金プリフォームドシート積層体」という。

【００８２】次に、上記のようにして形成した炭素−銅
合金プリフォームドシート積層体を、ホットプレス（加
熱加圧装置）により加熱・加圧しつつ成型した。この場
合の成型温度は６００°Ｃであり、成型圧力は１００ｋ
ｇｆ／ｃｍ² であり、成型保持時間は２０分間であっ
た。これにより、二方向性の銅炭素複合材料（図示せ
ず）が得られた。以下、これを、「炭素−銅合金シート
成型体」という。

【００８３】次に、上記の炭素−銅合金シート成型体
を、窒素ガス（Ｎ₂ ）雰囲気中で１３００°Ｃまで昇温
し、１３００°Ｃにおいて６０分間保持して焼成した。
この焼成の結果得られたもの（図示せず）は、炭素
（Ｃ）からなる炭素基材中に炭素（Ｃ）からなる繊維部
材が配設された炭素繊維強化炭素複合材料（Ｃ／Ｃコン
ポジット）の内部に銅合金が含有された複合材料となっ
ている。以下、これを、「Ｃ／Ｃ−銅合金第１焼結体」
という。

【００８４】上記のＣ／Ｃ−銅合金第１焼結体の寸法
は、１００ｍｍ（幅）×３００ｍｍ（長さ）×３０ｍｍ
（厚さ）であった。

【００８５】（１０）比較例３ 比較例２で製作された一方向炭素プリフォームドシート
を、比較例２とは異なり、その表面に銅合金−フェノー
ル樹脂混合物を塗布せず、シートの炭素繊維強化方向を
互い違いに直交させることによって二方向性積層体（図
示せず）を作製する。以下、この積層体を、「炭素プリ
フォームドシート積層体」という。

【００８６】次に、上記のようにして形成した炭素プリ
フォームドシート積層体を、ホットプレス（加熱加圧装
置）により加熱・加圧しつつ成型した。この場合の成型
温度は６００°Ｃであり、成型圧力は１００ｋｇｆ／ｃ
ｍ² であり、成型保持時間は２０分間であった。これに
より、二方向性の炭素複合材料（図示せず）が得られ
た。以下、これを、「炭素シート成型体」という。

【００８７】次に、上記の炭素シート成型体を、窒素ガ
ス（Ｎ₂ ）雰囲気中で１２００°Ｃまで昇温し、１２０
０°Ｃにおいて６０分間保持して焼成した。この焼成の
結果得られたもの（図示せず）は、炭素（Ｃ）からなる
炭素基材中に炭素（Ｃ）からなる繊維部材が配設された
炭素繊維強化炭素複合材料（Ｃ／Ｃコンポジット）とな
っている。

【００８８】次に、上記のようにして得られたＣ／Ｃコ
ンポジットの上に銅合金を乗せる。この銅合金の組成
は、実施例２の場合と同様である。

【００８９】次に、この状態で還元ガス雰囲気中で１０
００°Ｃまで昇温し、１０００°Ｃにおいて６０分間保
持した。これにより、Ｃ／Ｃコンポジットの上に乗せた
銅合金を溶融させ、Ｃ／Ｃコンポジットの表面及び内部
に形成されている多数の微少孔（図示せず）から、溶融
した銅合金を含浸させようとしたが、溶融銅合金は、Ｃ
／Ｃコンポジットに形成されている微少孔内へしみ込ま
ず、Ｃ／Ｃ−銅合金焼結体を得ることはできなかった。

【００９０】（１１）比較例４ 比較例２と同様の方法により製造した炭素プリフォーム
ドヤーンを長さ１５ｍｍに切断したものと、銅合金粉末
とを混合し、ホットプレスの型内に均一に充填した。銅
合金の組成は、実施例３の場合と同様であった。次に、
これをホットプレス法により加熱・加圧しつつ成型し
た。この場合の成型温度は６００°Ｃであり、成型圧力
は１００ｋｇｆ／ｃｍ² であり、成型保持時間は２０分
間であった。これにより、等方性の銅炭素複合材料（図
示せず）が得られた。以下、上記の成型体を、「炭素−
銅合金等方成型体」という。

【００９１】次に、上記のようにして製造した炭素−銅
合金等方成型体を、窒素ガス（Ｎ₂）雰囲気中で１３０
０°Ｃまで昇温し、１３００°Ｃにおいて６０分間保持
して焼成した。この焼成の結果得られたもの（図示せ
ず）は、炭素（Ｃ）からなる炭素基材中に炭素（Ｃ）か
らなる繊維部材が配設された炭素繊維強化炭素複合材料
（Ｃ／Ｃコンポジット）の内部に銅合金が含有され、Ｃ
／Ｃコンポジットと銅合金が焼結された複合材料となっ
ている。以下、これを、「Ｃ／Ｃ−銅合金第２焼結体」
という。

【００９２】上記のＣ／Ｃ−銅合金第２焼結体中におけ
る炭素繊維含有率は、４０．０体積％であり、寸法は、
１００ｍｍ（幅）×３００ｍｍ（長さ）×２８ｍｍ（厚
さ）であった。

【００９３】（１２）比較例５ 比較例２と同様の方法により製造した炭素プリフォーム
ドヤーンを長さ１５ｍｍに切断したものを、ホットプレ
スの型内に均一に充填した。次に、これをホットプレス
法により加熱・加圧しつつ成型した。この場合の成型温
度は６００°Ｃであり、成型圧力は１００ｋｇｆ／ｃｍ
² であり、成型保持時間は２０分間であった。これによ
り、等方性の炭素複合材料（図示せず。以下、「炭素等
方成型体」という。）が得られた。

【００９４】次に、上記のようにして得られた炭素等方
成型体を、窒素ガス（Ｎ₂ ）雰囲気中で１２００°Ｃま
で昇温し、１２００°Ｃにおいて６０分間保持して焼成
した。この焼成の結果得られたものは、炭素（Ｃ）から
なる炭素基材中に炭素（Ｃ）からなる繊維部材が配設さ
れた炭素繊維強化炭素複合材料（Ｃ／Ｃコンポジット）
となっている。

【００９５】次に、上記のようにして得られたＣ／Ｃコ
ンポジットの上に銅合金を乗せる。この銅合金の組成
は、実施例４の場合と同様である。

【００９６】次に、この状態で還元ガス雰囲気中で１０
００°Ｃまで昇温し、１０００°Ｃにおいて６０分間保
持した。これにより、Ｃ／Ｃコンポジットの上に乗せた
銅合金を溶融させ、Ｃ／Ｃコンポジットの表面及び内部
に形成されている多数の微少孔（図示せず）から、溶融
した銅合金を含浸させようとしたが、溶融銅合金は、Ｃ
／Ｃコンポジットに形成されている微少孔内へしみ込ま
ず、Ｃ／Ｃ−銅合金焼結体を得ることはできなかった。

【００９７】上記のＣ／Ｃ−銅合金第３焼結体中におけ
る炭素繊維含有率は、４５．０体積％であり、寸法は、
１００ｍｍ（幅）×３００ｍｍ（長さ）×２８ｍｍ（厚
さ）であった。

【００９８】（１５）実施例及び比較例に関する試験結
果 上記のようにして製造した実施例１〜５、及び比較例１
〜５について、各種の試験を行った。以下、表を参照し
つつ、各種試験の結果について説明する。

【００９９】ａ．物理的強度試験 上記のようにして製造した実施例１〜５、及び比較例
１，２，４について、材料の物理的強度、特に靭性を評
価するため、各例の材料から、１０ｍｍ×１０ｍｍ×５
５ｍｍの寸法の試験片を各１０本ずつ切り出し、５本に
ついて曲げ強さ試験を、残りの５本についてシャルピー
衝撃試験を行った。この結果を表２に示す。

【０１００】

【表２】

【０１０１】この表２に示された数値は、測定結果の平
均値である。また、曲げ強さ試験の結果の数値の単位
は、ｋｇｆ／ｃｍ² であり、シャルピー衝撃試験の結果
の数値の単位は、ｋｇｆ・ｃｍ／ｃｍ² である。

【０１０２】表２の結果より、曲げ強さについては、実
施例１〜５はいずれも比較例よりも強度が高かった。特
に実施例２は、２６９０ｋｇｆ／ｃｍ² という高い値を
示し、比較例のうち最も強度の低い比較例４と比較する
と３．１倍であり、また、実施例のうち最も強度の低い
実施例３の場合でも、比較例４と比較すると１．８倍で
ある。また、パンタグラフ用摺板として要求される曲げ
強度値は、約１０００ｋｇｆ／ｃｍ² 程度であるから、
実施例１〜５のチタン銅炭素複合材料の曲げ強度値は、
その約１．６〜２．６倍程度と高い値であり、本実施例
のチタン銅炭素複合材料の強度（靭性）が良好であるこ
とがわかる。

【０１０３】一方、シャルピー衝撃値については、実施
例１〜５はいずれも比較例とほぼ同等、あるいはそれ以
上の値を示した。特に実施例１は、１０．８ｋｇｆ・ｃ
ｍ／ｃｍ² という大きな値を示し、比較例のうち値の小
さい比較例１と比較すると２．０倍であり、また、実施
例のうち最も値の小さい実施例４の場合でも、比較例１
と比較すると１．６倍である。また、パンタグラフ用摺
板として要求されるシャルピー衝撃値は、約３．５ｋｇ
ｆ・ｃｍ／ｃｍ² 程度であるから、実施例１〜５のチタ
ン銅炭素複合材料のシャルピー衝撃値は、その約２．４
〜３．１倍程度と高い値であり、この点においても本実
施例のチタン銅炭素複合材料の強度（靭性）が良好であ
ることがわかる。

【０１０４】また、曲げ強さ、シャルピー衝撃値のいず
れについても、実施例２と実施例１が高い、あるいは大
きな値を示しており、「炭素−Ｔｉプリフォームドシー
ト」を積層し焼成するタイプの物理的強度（靭性）が良
好であることがわかった。

【０１０５】ｂ．導電性試験 上記のようにして製造した実施例１〜５、及び比較例
１，２，４について、材料の導電性を評価するため、各
例の材料から、１０ｍｍ×１０ｍｍ×５５ｍｍの寸法の
試験片を各１０本ずつ切り出し、これらについて比抵抗
を測定した。この結果を表３に示す。

【０１０６】

【表３】

【０１０７】この表３に示された数値は、測定結果の平
均値である。また、比抵抗の測定結果の数値の単位は、
μΩ・ｃｍ（＝１０^-6×Ω・ｃｍ）である。

【０１０８】表３の結果より、比抵抗値については、実
施例１〜５は、最小が実施例１の８０μΩ・ｃｍであ
り、最大でも実施例５の１８０μΩ・ｃｍであった。パ
ンタグラフ用摺板として要求される比抵抗値は、約３０
０μΩ・ｃｍ程度であるから、実施例１〜５のチタン銅
炭素複合材料の比抵抗値は、その約２６〜６０％程度と
低い値であり、本実施例のチタン銅炭素複合材料の導電
性が良好であることがわかる。この比抵抗については、
比較例２，４は、実施例より大幅に高く、また、比較例
１は２７０μΩ・ｃｍと、パンタグラフ用摺板として要
求される比抵抗値（約３００μΩ・ｃｍ）の限界に近い
値であり、実際上は不適と考えられる。

【０１０９】また、比抵抗値については、実施例１と実
施例２が最も低い値を示しており、「炭素−Ｔｉプリフ
ォームドシート」を積層し焼成するタイプの導電性が良
好であることがわかった。

【０１１０】ｃ．通電摩耗試験 上記のようにして製造した実施例１〜５、及び比較例
１，２，４について、パンタグラフ用摺板として用いた
場合の摩耗あるいは損傷の程度を評価するため、各例の
材料から、１０ｍｍ（厚さ）×２５ｍｍ（幅）×２５ｍ
ｍ（長さ）の寸法の試験片を５本切り出し、これらにつ
いて通電摩耗試験を行った。この結果を表４に示す。

【０１１１】

【表４】

【０１１２】通電摩耗試験は、電動モータの水平回転軸
に固定され、電動モータにより駆動されて回転するよう
に構成された円盤の外周に模擬トロリー線が取り付けら
れた通電摩耗試験装置（図示せず）により行われた。模
擬トロリー線は、硬銅（ＪＩＳ・Ｃ１１００・ＢＢ−
Ｈ）からなり、外径が８３ｃｍ、幅が６ｍｍ、厚さ５ｍ
ｍの硬銅リングとして円盤に取り付けられている。

【０１１３】通電摩耗試験は、上記の硬銅リングを、円
盤の回転速度（接線速度）１００ｋｍ／時の速度で回転
させつつ、押し付け力５ｋｇｆで１分間だけ面接触する
ように押し付け、２００アンペアの電流を硬銅リングに
通電することを４回繰り返す。その後、各試験片の比摩
耗量を測定した。表２に示された比摩耗量の数値は、測
定結果の平均値である。また、比摩耗量の数値の単位
は、１０^-7ｍｍ³ ／ｋｇｆ・ｍｍである。また、各試験
片の「割れ」あるいは「欠け」の有無を観察した。

【０１１４】表４の結果より、比摩耗量については、実
施例１〜５はいずれも比較例よりも比摩耗量が小さかっ
た。特に実施例５は、３．９×１０^-7ｍｍ³ ／ｋｇｆ・
ｍｍという小さい値を示し、比較例のうち最も比摩耗量
の大きい比較例２，４と比較すると６０％であり、比較
例のうち最も比摩耗量の小さい比較例１と比較しても６
５％と小さい摩耗特性を示した。また、実施例のうち最
も比摩耗量の大きい実施例３の場合でも、比較例２，４
と比較すると７４％であり、比較例１と比較しても８０
％の摩耗特性を示した。

【０１１５】一方、割れ，欠けの有無については、実施
例１〜５はいずれも割れ，欠けとも無かったのに対し、
比較例１では割れ，欠けが認められた。

【０１１６】また、通電摩耗試験については、実施例５
と実施例４が小さな値を示しているが、他の実施例１〜
３との差は少なかった。

【０１１７】上記のことから、上記各実施例１〜５のチ
タン銅炭素複合材料は、以下に述べるような利点を有し
ていることが判明した。

【０１１８】Ｉ） 比抵抗（電気抵抗）が低く導電性が
非常に良い。

【０１１９】ＩＩ） 炭素材料は、摺動時の摩擦抵抗が
小さく、トロリー線等の表面上を滑りやすい。また、ト
ロリー線の摺動面を滑らかにする効果もあり、トロリー
線を摩耗させにくい。

【０１２０】ＩＩＩ） 銅は摩耗しやすいが炭素材料は
摩耗しにくいため、材料全体としては、銅や銅合金の摺
板よりも摩耗が少ない。

【０１２１】ＩＶ） 炭素基材が炭素繊維補強部材によ
って補強され、さらに含浸された銅合金等も補強材料と
して機能するため、十分な強度、特に十分な靭性を有
し、パンタグラフ摺板として長期間使用され厚みが薄く
なっても破損等を生じることがない。

【０１２２】Ｖ） 離線時のアークによる損耗が少な
く、耐アーク性が高い。

【０１２３】ＶＩ） 従来のパンタグラフ摺板に用いら
れていた焼結合金等に比べて軽量であり、高速車両のパ
ンタグラフ摺板材料として適している。

【０１２４】ＶＩＩ） 従来の銅含浸炭素焼結体等の製
造方法に比べて、常圧で製造することができ、製造方法
が非常に簡易であり、製造装置が簡素なものでよく、製
造コストが大幅に低減できるため製品価格も低廉なもの
とすることができる。

【０１２５】実施例１〜５が、上記のような利点を有す
る理由については、以下の理由が考えられる。

【０１２６】（Ａ）Ｔｉによる炭素と銅の「ぬれ性」の
改善 従来の銅含浸炭素焼結体は、炭素（Ｃ）と銅（Ｃｕ）、
あるいは炭素と銅合金からなる。しかし、炭素と銅は、
非常に「ぬれ性」が悪い、という欠点がある。「ぬれ
性」とは、固体と液体との境界面において、固体と液体
の間の接触角度が０〜９０度の場合に「液体が固体をぬ
らす」といい、固体と液体の間の接触角度が９０〜１８
０度の場合に「ぬらさない」という性質である。「ぬれ
性」が良い場合には、固体の表面に液体が付着して広が
ることになる。

【０１２７】銅炭素複合材料においては、炭素が固体で
あり、加熱されて溶融した銅（又は溶融した銅合金。以
下、銅を例として説明する。）が液体となる。上記した
ように、炭素と銅は、非常に「ぬれ性」が悪い。したが
って、炭素は溶融銅にはぬれず、溶融銅をはじくことに
なる。炭素材料中の空隙や空洞内に溶融銅が導かれた場
合には、溶融銅は炭素の壁面に接触することをせず、球
状や滴状となると考えられる。この状態で冷却硬化する
と、銅は、炭素材料の空隙内において単体の銅として炭
素材料とは遊離した状態で存在することになる。これで
は、複合材料とはいえず、強度も高くはならない。この
ことから、従来の方法は、１００気圧以上の高圧を利用
して銅を炭素材料へ含浸させている（以下、「高圧銅含
浸法」という。）である。

【０１２８】一方、上記実施例１〜５の場合は、特に高
圧付加を行っていないのに、優れた銅炭素複合材料を得
ることができた。この理由は、チタン（Ｔｉ）の添加に
ある、と考えられる。すなわち、炭素と銅は、Ｔｉが介
在する場合には「ぬれ性」が大幅に改善される、と考え
られるからである。したがって、Ｔｉが存在する場合に
は、高圧を付加しなくても銅は容易に炭素とぬれるよう
になるため、銅は炭素材料中に自律的に含浸し、炭素と
反応して融合し、強固な複合材料になる、と考えられ
る。また、本発明のチタン銅炭素複合材料中におけるチ
タン含有率は、炭素複合材料の各種データ等を勘案する
と、約１〜７０重量％程度の範囲、好ましくは約３〜５
３重量％程度の範囲とするのがよい、と考えられる。

【０１２９】（Ｂ）所定長さ以上の炭素繊維の使用 炭素粉末を焼結した炭素材料、あるいは炭素粉末と短い
炭素繊維（長さ２．０ｍｍ以下）を焼結した炭素材料の
場合は、比較例１のように割れや欠けが発生しやすい。
これは、炭素だけでは強度が足りず、炭素繊維を補強部
材とする場合でも、炭素繊維にはある程度以上の長さが
必要であることを示している。上記実施例３，４では、
炭素繊維部材（プリフォームドヤーン）を長さ１５ｍｍ
に切断したものを用いているが、上記したように靭性、
割れ等においても、他の実施例と遜色は無かった。この
ため、長さ１５ｍｍの炭素繊維の場合は十分な強度があ
る、と考えられる。したがって、炭素繊維の長さは、２
ｍｍと１５ｍｍの間のいずれかの値が実用上の強度の下
限である、と考えられる。炭素複合材料の各種データ等
を勘案すると、この下限値（炭素繊維の長さの最小値）
は、５ｍｍ程度であろう、と考えられる。

【０１３０】（Ｃ）所定範囲の銅含有量の設定 上記各実施例１〜５の試験結果からもわかるように、チ
タン銅炭素複合材料中の銅含有率が低下すれば、炭素に
比べ銅の方が柔らかいため、チタン銅炭素複合材料とし
ての比摩耗量は低下すると考えられる。しかし、銅含有
率が低下すれば、チタン銅炭素複合材料としての導電性
は低下する。したがって、銅含有率にはある下限値が存
在する、と考えられる。一方、チタン銅炭素複合材料中
の銅含有率を増加すれば、比摩耗量は増大する傾向が見
られるから、比摩耗量の要求値から、チタン銅炭素複合
材料中の銅の含有率には上限値も存在する、と考えられ
る。これらのことを考慮すると、本発明のチタン銅炭素
複合材料中における銅含有率は、約１〜７５重量％程度
の範囲、好ましくは約４〜６８重量％程度の範囲とする
のがよい、と考えられる。

【０１３１】（Ｄ）所定組成の銅合金の使用 本発明のチタン銅炭素複合材料では、炭素基材にＴｉを
介在させることにより炭素基材中に純銅を含有させても
もちろん良いが、銅合金を含有させることも有用であ
る。銅（Ｃｕ）に他の元素が融合され銅としての性質を
維持しているものを「銅合金」と定義する。融合される
元素によって、銅合金は各種の性質を獲得する。例え
ば、柔らかい純銅の硬度の向上、融点の低下（鋳造性の
向上）、耐腐食性の向上、耐摩耗性の向上等である。融
合される元素については、各実施例においても確認され
たが、以下のものが挙げられる。例えば、スズ（Ｓ
ｎ），亜鉛（Ｚｎ），ニッケル（Ｎｉ），アルミニウム
（Ａｌ），コバルト（Ｃｏ），リン（Ｐ），アンチモン
（Ｓｂ），ベリリウム（Ｂｅ），バナジウム（Ｖ），モ
リブデン（Ｍｏ），ビスマス（Ｂｉ）である。また、も
ちろん上記各実施例１〜５で用いたチタン（Ｔｉ）との
合金も可能である。

【０１３２】また、ベリリウム（Ｂｅ）との合金が可能
であることから、同じ第２族典型金属元素（アルカリ土
類金属元素）であるマグネシウム（Ｍｇ），カルシウム
（Ｃａ），ストロンチウム（Ｓｒ），バリウム（Ｂａ）
等との合金も可能であることがわかる。また、チタン
（Ｔｉ）との合金が可能であることから、同じ第４族遷
移金属元素であるジルコニウム（Ｚｒ），ハフニウム
（Ｈｆ）等との合金も可能であることがわかる。また、
バナジウム（Ｖ）との合金が可能であることから、同じ
第５族遷移金属元素であるニオブ（Ｎｂ），タンタル
（Ｔａ）等との合金も可能であることがわかる。また、
モリブデン（Ｍｏ）との合金が可能であることから、同
じ第６族遷移金属元素であるクロム（Ｃｒ），タングス
テン（Ｗ）等との合金も可能であることがわかる。

【０１３３】また、上記各実施例では実施してはいない
が、金属であることから、マンガン（Ｍｎ）等の第７族
遷移金属元素、及び鉄（Ｆｅ）等の第８族遷移金属元素
との合金も可能であると考えられる。また、コバルト
（Ｃｏ）との合金が可能であることから、同じ第９族遷
移金属元素であるロジウム（Ｒｈ），イリジウム（Ｉ
ｒ）等との合金も可能であることがわかる。また、ニッ
ケル（Ｎｉ）との合金が可能であることから、同じ第１
０族遷移金属元素であるパラジウム（Ｐｄ）等との合金
も可能であることがわかる。また、銅（Ｃｕ）と同じ第
１１族遷移金属元素である銀（Ａｇ）等との合金も可能
である。また、亜鉛（Ｚｎ）との合金が可能であること
から、同じ第１２族遷移金属元素であるカドミウム（Ｃ
ｄ）等との合金も可能であることがわかる。また、アル
ミニウム（Ａｌ）との合金が可能であることから、同じ
第１３族元素であるホウ素（Ｂ），ガリウム（Ｇａ），
インジウム（Ｉｎ）等との合金も可能であることがわか
る。また、スズ（Ｓｎ）との合金が可能であることか
ら、同じ第１４族元素であるケイ素（Ｓｉ），ゲルマニ
ウム（Ｇｅ），鉛（Ｐｂ）等との合金も可能であること
がわかる。また、リン（Ｐ），アンチモン（Ｓｂ），ビ
スマス（Ｂｉ）との合金が可能であることから、同じ第
１５族元素であるヒ素（Ａｓ）等との合金も可能である
ことがわかる。

【０１３４】また、銅に融合される元素は、上記定義か
ら、生成された合金が「銅としての性質を維持するも
の」である必要がある。このため、融合される元素の含
有量には、おのずから上限がある。また、合金としての
性質を発揮させるために、融合される元素の含有量に
は、下限値もある。下限値と上限値の範囲は、融合され
る元素に応じて種々の数値となることが考えられるが、
実施例の結果等から、おおむね０．１〜３０．０重量％
程度と考えられる。また、銅中に含有される他の元素
は、１種類でもよいし、適宜のものを適宜の組み合わせ
で２種類以上選び、各々の含有比率を適宜設定してもよ
い。複数の元素の銅合金の場合には、銅に融合される複
数の元素の含有量の総和を、上記した０．１〜３０．０
重量％程度の範囲とするとよいと考えられる。

【０１３５】なお、本発明は、上記各実施例に限定され
るものではない。上記した各実施例は、例示であり、本
発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的
に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、
いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含され
る。

【０１３６】例えば、本発明のチタン銅炭素複合材料
は、パンタグラフの摺板をトロリー線下面に摺動させて
集電を行う方式における摺動部材の材料には限定され
ず、他の摺動集電方式、例えば走行用の２本のレールの
近傍に碍子で支持された第３のレール（軌条）を配設
し、この第３軌条に通電を行い、この第３軌条の表面に
集電用の部材（「集電子」又は「集電靴」という。）を
摺動させることにより集電を行う方式（第３軌条方式）
にも応用可能である。

【０１３７】また、本発明のチタン銅炭素複合材料は、
摺動集電を行うための部材の材料には限定されず、集電
は行わなくとも摺動や摩耗等にさらされる機械部品の材
料として使用可能である。例えば、回転軸の軸受等であ
る。

【０１３８】また、上記実施例１，２，５においては、
炭素繊維によって作製されたシート、あるいは織布を積
層して積層体を作る例について説明したが、本発明はこ
れには限定されず、他の方法、例えば、炭素繊維を絡み
合わせて作製した不織布状又はフェルト状の部材を積層
して積層体を作製してもよい。あるいは、炭素プリフォ
ームドヤーン、又は炭素−Ｔｉプリフォームドヤーンを
絡み合わせて作製した不織布状又はフェルト状の部材を
積層して積層体を作製してもよい。この場合には、作製
された積層体からは等方性材料が得られる。

【０１３９】また、上記各実施例においては、成型処理
工程における第１温度が６００°Ｃ、又は１８０°Ｃの
例について説明したが、本発明はこれには限定されず、
第１温度としては、１５０〜９００°Ｃ程度の範囲の温
度が採用可能である。また、上記各実施例においては、
成型処理工程における第１圧力が１００ｋｇｆ／ｃｍ
² 、又は２０ｋｇｆ／ｃｍ² の例について説明したが、
本発明はこれには限定されず、第１圧力としては、常圧
（無圧縮）〜３００ｋｇｆ／ｃｍ² 程度の範囲の圧力が
採用可能である。

【０１４０】また、上記各実施例においては、炭化処理
工程における第２温度が１３００°Ｃ、又は１２００°
Ｃの例について説明したが、本発明はこれには限定され
ず、第２温度としては、７００〜１３００°Ｃ程度の範
囲の温度が採用可能である。

【０１４１】また、本発明のチタン銅炭素複合材料の製
造方法は、上記各実施例において説明した方法には限定
されない。例えば、炭化処理工程の後に、必要に応じて
第３温度で加熱する黒鉛化処理工程を行うようにしても
よい。第３温度としては、１３００〜３０００°Ｃ程度
の範囲の温度が採用可能である。このように、第２温度
よりもさらに高温で処理することにより、部材を黒鉛化
させて炭素を純化し、強度や導電性等を向上させること
ができる。

【０１４２】また、本発明のチタン銅炭素複合材料の製
造方法は、上記各実施例において説明した方法には限定
されない。例えば、実施例１の予形成工程では、シート
状部材（例えば炭素−Ｔｉプリフォームドヤーン）の表
面にフェノール樹脂とともに銅合金を塗布する例につい
て説明したが、本発明はこれには限定されず、他の方
法、例えば、他のシート状部材（以下、「銅合金含有シ
ート」という。）の中に銅合金を分散させておき、炭素
−Ｔｉプリフォームドヤーンどうしの中間に銅合金含有
シートを挟み込むようにして積層体を形成してもよい。
また、実施例１のように、シート状部材（例えば炭素−
Ｔｉプリフォームドヤーン）の表面に銅合金を塗布する
場合でも、銅合金のバインダー材として、フェノール樹
脂以外の他のバインダー材を用いてもよい。

【０１４３】また、上記した実施例５おいては、第４温
度が１２００°Ｃである例について説明したが、本発明
はこれには限定されず、第４温度としては、９００〜３
０００°Ｃ程度の範囲の温度が採用可能である。

【０１４４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
炭素からなる炭素基材と、炭素基材に対し１〜７０重量
％の比率で含まれるチタンと、炭素基材に対し１〜７５
重量％の比率で含まれる銅又は銅合金が融合されるよう
に構成したので、導電性が良く、トロリー線等との摩擦
が小さく、摺動時の摩耗が少なく、十分な強度（靭性）
を有する、という利点を有している。

【０１４５】また、本発明によれば、炭素繊維を含む部
材を所定の形状に形成して予形成部材を得る予形成工程
を行い、次いで予形成部材を第１温度で加熱しつつ第１
圧力で加圧する成型処理工程を行い、次いで第２温度で
加熱する炭化処理工程を行い、次いで必要に応じて第３
温度で加熱する黒鉛化処理工程を行い、前記工程のうち
のいずれかにおいて処理される被処理部材にチタンを介
在させつつ銅又は銅合金を含有させるようにして製造す
ることができ、従来のような高圧処理が不要で製造工程
が簡易であり、製造コストを低減することができる、と
いう利点も有している。

【０１４６】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るチタン銅炭素複合材料の製造方法
の実施例において製造された炭素−Ｔｉプリフォームド
シートの構成を示す斜視図である。

【図２】本発明に係るチタン銅炭素複合材料の製造方法
の実施例において製造された炭素−Ｔｉ−銅合金プリフ
ォームドシート積層体の構成を示す斜視図である。

【図３】鉄道車両におけるパンタグラフの構成を示す斜
視図である。

【符号の説明】

１０１，１０１Ａ〜１０１Ｃ 炭素−Ｔｉプリフォーム
ドシート １０２ 炭素−Ｔｉプリフォームドヤーン １０３ ＰＰ繊維糸 ３０１ 炭素−Ｔｉ−銅合金プリフォームドシート積層
体 ５００ パンタグラフ ５０１ 下枠 ５０２ 上枠 ５０３ 集電舟 ５０４ 摺板 ５０５ 主ばね ５０６ 台枠 ５０７ 碍子 ５０８ 主軸

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ２２Ｃ 49/14 Ｂ６０Ｌ 5/20 Ｚ // Ｂ６０Ｌ 5/08 Ｃ０４Ｂ 35/52 Ｅ 5/20 35/54 Ｃ Ｄ 35/60 Ａ (72)発明者 久保 俊一 東京都国分寺市光町二丁目８番地38 財団 法人鉄道総合技術研究所内 (72)発明者 池内 実治 東京都国分寺市光町二丁目８番地38 財団 法人鉄道総合技術研究所内 (72)発明者 土屋 広志 東京都国分寺市光町二丁目８番地38 財団 法人鉄道総合技術研究所内 (72)発明者 冨山 嘉孝 京都府京都市山科区栗栖野狐塚５−１ 日 本粉末合金株式会社内 (72)発明者 斎藤 浩次郎 京都府京都市山科区栗栖野狐塚５−１ 日 本粉末合金株式会社内 (72)発明者 森田 好信 京都府京都市山科区栗栖野狐塚５−１ 日 本粉末合金株式会社内 (72)発明者 中川 隆夫 埼玉県蕨市錦町２−16−27 株式会社アク ロス内 (72)発明者 吉原 芳男 埼玉県蕨市錦町２−16−27 株式会社アク ロス内 Ｆターム(参考） 4G032 AA04 AA06 AA08 AA09 AA44 AA52 AA53 BA04 GA01 GA09 GA14 GA17 4K020 AA04 AC03 AC04 BA04 BB08 BB22 BB29 5H105 AA08 AA18 BA02 BB01 CC02 CC12 DD04 DD27 EE02 EE07 EE13

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炭素からなる炭素基材に、複合材料の全
   重量に対し１〜７０重量％の比率となるチタンと、複合
   材料の全重量に対し１〜７５重量％の銅含有率となる銅
   又は銅合金が融合されることを特徴とするチタン銅炭素
   複合材料。
2. 【請求項２】 請求項１記載のチタン銅炭素複合材料に
   おいて、 炭素繊維からなり前記炭素基材中に配設されて前記炭素
   基材を強化する炭素繊維補強部材を備えることを特徴と
   するチタン銅炭素複合材料。
3. 【請求項３】 請求項２記載のチタン銅炭素複合材料に
   おいて、 前記炭素繊維補強部材の長さは、５ミリメートル以上で
   あることを特徴とするチタン銅炭素複合材料。
4. 【請求項４】 請求項１記載のチタン銅炭素複合材料に
   おいて、 前記チタンの含有率が前記チタン銅炭素複合材料の全重
   量に対し３〜５３重量％で、 かつ、前記銅の含有率が前記チタン銅炭素複合材料の全
   重量に対し４〜６８重量％となることを特徴とするチタ
   ン銅炭素複合材料。
5. 【請求項５】 請求項１記載のチタン銅炭素複合材料に
   おいて、 前記銅合金は、第２族典型金属元素、第４族遷移金属元
   素、第５族遷移金属元素、第６族遷移金属元素、第７族
   遷移金属元素、第８族遷移金属元素、第９族遷移金属元
   素、第１０族遷移金属元素、第１１族遷移金属元素、第
   １２族遷移金属元素、第１３族元素、第１４族元素、第
   １５族元素のうちのいずれか又はこれらの適宜の組み合
   わせを、銅に対して０．１〜３０．０重量％の比率で含
   有させることにより構成されることを特徴とするチタン
   銅炭素複合材料。
6. 【請求項６】 炭素繊維を含む部材を所定の形状に形成
   して予形成部材を得る予形成工程を行い、 次いで前記予形成部材を第１温度で加熱しつつ第１圧力
   で加圧する成型処理工程を行い、 次いで第２温度で加熱する炭化処理工程を行い、 次いで必要に応じて第３温度で加熱する黒鉛化処理工程
   を行い、 前記工程のうちのいずれかにおいて処理される被処理部
   材にチタンを介在させつつ銅又は銅合金を含有させるこ
   とを特徴とするチタン銅炭素複合材料の製造方法。
7. 【請求項７】 請求項６記載のチタン銅炭素複合材料の
   製造方法において、 前記予形成工程では、前記炭素繊維に前記チタンを含有
   させて糸状部材を作製し、前記糸状部材を織製し又は絡
   み合わせてシート状部材を作製し、前記シート状部材を
   積層して積層体を形成することを特徴とするチタン銅炭
   素複合材料の製造方法。
8. 【請求項８】 請求項７記載のチタン銅炭素複合材料の
   製造方法において、 前記予形成工程では、前記銅又は銅合金が、前記シート
   状部材の表面に配設されることを特徴とするチタン銅炭
   素複合材料の製造方法。
9. 【請求項９】 請求項７記載のチタン銅炭素複合材料の
   製造方法において、 前記炭化処理工程又は前記黒鉛化処理工程では、前記銅
   又は銅合金が、前記被処理部材の上に乗せられ、溶融し
   た銅又は銅合金が前記被処理部材中に含浸されることを
   特徴とするチタン銅炭素複合材料の製造方法。
10. 【請求項１０】 請求項６記載のチタン銅炭素複合材料
    の製造方法において、 前記予形成工程では、前記炭素繊維に前記チタンを含有
    させて糸状部材を作製し、前記糸状部材を長さが５ミリ
    メートル以上に切断して型に充填することにより前記予
    形成部材を形成することを特徴とするチタン銅炭素複合
    材料の製造方法。
11. 【請求項１１】 請求項１０記載のチタン銅炭素複合材
    料の製造方法において、 前記予形成工程では、前記銅又は銅合金からなる粉末
    が、前記糸状部材とともに前記型内に充填されることを
    特徴とするチタン銅炭素複合材料の製造方法。
12. 【請求項１２】 請求項１０記載のチタン銅炭素複合材
    料の製造方法において、 前記炭化処理工程又は前記黒鉛化処理工程では、前記銅
    又は銅合金が、前記被処理部材の上に乗せられ、溶融し
    た銅又は銅合金が前記被処理部材中に含浸されることを
    特徴とするチタン銅炭素複合材料の製造方法。
13. 【請求項１３】 請求項６記載のチタン銅炭素複合材料
    の製造方法において、 前記炭化処理工程又は前記黒鉛化処理工程では、前記被
    処理部材と、前記チタンの粉末と、前記銅又は銅合金か
    らなる粉末とが、容器内に封入され、第４温度で加熱さ
    れつつ第２圧力で加圧されることを特徴とするチタン銅
    炭素複合材料の製造方法。
14. 【請求項１４】 複合材料の全重量に対し１〜７０重量
    ％の比率となるチタンと、複合材料の全重量に対し１〜
    ７５重量％の銅含有率となる銅又は銅合金とを溶融させ
    たチタン銅等溶融体を、炭素からなる炭素基材に常圧で
    含浸させることを特徴とするチタン銅炭素複合材料の製
    造方法。
15. 【請求項１５】 請求項１４記載のチタン銅炭素複合材
    料の製造方法において、 前記チタン銅等溶融体は、 複合材料の全重量に対し１〜７０重量％の比率となるチ
    タン粉末と、複合材料の全重量に対し１〜７５重量％の
    銅含有率となる銅粉末又は銅合金粉末とによりチタン銅
    等粉末成形体を形成し、前記チタン銅等粉末成形体を溶
    融させることにより得られることを特徴とするチタン銅
    炭素複合材料の製造方法。