JP2003201184A - 繊維強化セラミック複合材料 - Google Patents
繊維強化セラミック複合材料Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 回転応力、特に高速回転でのそれのもとで増
強された強度を有する成形体、特に摩擦ボディーを製造
するための繊維強化セラミック複合材料の提供。 【解決手段】 この課題は、長繊維束、長繊維トウまた
は長繊維かせを含む繊維強化されたセラミック複合材料
において、長繊維束、長繊維トウまたは長繊維かせが短
繊維強化されたマトリックスで完全に被覆されており、
該長繊維が4〜12μmの平均直径および少なくとも5
0mmの平均長さを有しそして短繊維が4〜12μmの
平均直径および40mmよりも多くない平均長さを有す
ることを特徴とする、上記繊維強化セラミック複合材料
によって解決される。
強された強度を有する成形体、特に摩擦ボディーを製造
するための繊維強化セラミック複合材料の提供。 【解決手段】 この課題は、長繊維束、長繊維トウまた
は長繊維かせを含む繊維強化されたセラミック複合材料
において、長繊維束、長繊維トウまたは長繊維かせが短
繊維強化されたマトリックスで完全に被覆されており、
該長繊維が4〜12μmの平均直径および少なくとも5
0mmの平均長さを有しそして短繊維が4〜12μmの
平均直径および40mmよりも多くない平均長さを有す
ることを特徴とする、上記繊維強化セラミック複合材料
によって解決される。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、繊維強化セラミッ
ク複合材料に関する。特に、繊維強化セラミック複合材
料で造られる軸の方向に対称な成分、特に円筒状ディス
ク、例えば摩擦ディスクにも関する。
ク複合材料に関する。特に、繊維強化セラミック複合材
料で造られる軸の方向に対称な成分、特に円筒状ディス
ク、例えば摩擦ディスクにも関する。
【0002】
【従来の技術】炭素繊維強化複合材料またはセラミック
ス、特にSiC−含有マトリックスを有するものは例え
ばブレーキディスクおよびクラッチディスクの様な摩擦
ボディーのために使用される様な摩擦的に高負荷の掛か
る材料の製造に特に興味が持たれる。これらの材料は高
い熱安定性、低い磨耗性でかつ良好な摩擦特性を有す
る。
ス、特にSiC−含有マトリックスを有するものは例え
ばブレーキディスクおよびクラッチディスクの様な摩擦
ボディーのために使用される様な摩擦的に高負荷の掛か
る材料の製造に特に興味が持たれる。これらの材料は高
い熱安定性、低い磨耗性でかつ良好な摩擦特性を有す
る。
【0003】ドイツ特許出願公開(A)第199395
45号明細書では、炭素繊維強化された炭化珪素(Si
C)の摩擦ライニングを持つクラッチディスクを使用す
ることによって、従来技術に比較して応力安定性および
性能を向上させることが提案されている。材料の正確な
性質に関しての説明はない。
45号明細書では、炭素繊維強化された炭化珪素(Si
C)の摩擦ライニングを持つクラッチディスクを使用す
ることによって、従来技術に比較して応力安定性および
性能を向上させることが提案されている。材料の正確な
性質に関しての説明はない。
【0004】この材料の欠点は、炭素繊維補強材を有す
る目の詰んだSiC- マトリックスの製造が工業的には
困難であることである。主要な改善は炭素繊維強化され
た炭素含有中間ボディーに液状珪素を浸透させて、強化
繊維として炭素繊維を含有する複合材料を得そしてそれ
のマトリックスが金属珪素および炭化珪素の各相を含有
することである。
る目の詰んだSiC- マトリックスの製造が工業的には
困難であることである。主要な改善は炭素繊維強化され
た炭素含有中間ボディーに液状珪素を浸透させて、強化
繊維として炭素繊維を含有する複合材料を得そしてそれ
のマトリックスが金属珪素および炭化珪素の各相を含有
することである。
【0005】ドイツ特許(C)第4438455号明細
書には、空隙および凹みを有する多孔質の炭素繊維強化
ボディー(C/C−ボディー)に液体珪素を浸透させる
ことによって、C/C−SiC(マトリックスが珪素、
炭化珪素および残留炭素を含有する炭素繊維強化材料)
で構成される摩擦部材、特にブレーキおよびクラッチ−
ボディーを製造することを開示している。しかしながら
凹みおよび空隙はボディーの強度を低下させる。研究で
例えばクラッチディスクの場合に発生する様なディスク
の高い回転速度または回転数にとって平らな中実なディ
スクが適していないことが判っている。
書には、空隙および凹みを有する多孔質の炭素繊維強化
ボディー(C/C−ボディー)に液体珪素を浸透させる
ことによって、C/C−SiC(マトリックスが珪素、
炭化珪素および残留炭素を含有する炭素繊維強化材料)
で構成される摩擦部材、特にブレーキおよびクラッチ−
ボディーを製造することを開示している。しかしながら
凹みおよび空隙はボディーの強度を低下させる。研究で
例えばクラッチディスクの場合に発生する様なディスク
の高い回転速度または回転数にとって平らな中実なディ
スクが適していないことが判っている。
【0006】ヨーロッパ特許出願公開(A)第1124
074号明細書およびヨーロッパ特許出願公開(A)第
1124071号明細書には、C/SiC(マトリック
スが炭化珪素を含有する炭素繊維強化セラミック複合材
料)で構成されるブレーキディスク、およびベース材料
の一部を短繊維の束で補強し、長繊維も補強のために使
用する、該ブレーキディスクを製造する方法が開示され
ている。長繊維がブレーキディスクの形を取り囲む様に
広げられている。これによってひび割れの成長が抑制さ
れそしてディスクの強度が増す。これらのディスクのマ
トリックス材料は一様な組成を有しそしてこれによって
完成部材の均一な組成がもたらされる。
074号明細書およびヨーロッパ特許出願公開(A)第
1124071号明細書には、C/SiC(マトリック
スが炭化珪素を含有する炭素繊維強化セラミック複合材
料)で構成されるブレーキディスク、およびベース材料
の一部を短繊維の束で補強し、長繊維も補強のために使
用する、該ブレーキディスクを製造する方法が開示され
ている。長繊維がブレーキディスクの形を取り囲む様に
広げられている。これによってひび割れの成長が抑制さ
れそしてディスクの強度が増す。これらのディスクのマ
トリックス材料は一様な組成を有しそしてこれによって
完成部材の均一な組成がもたらされる。
【0007】ドイツ特許出願第10157583.1に
は、ディスクの面に並べられた長繊維で補強された摩擦
層を有するC/Siで構成されている摩擦ボディー(fri
ction body) が記載されている。長繊維を取り囲むC/
Siは被覆層の様に短繊維で強化されている。この製造
工程は短繊維含有の圧縮可能な組成物中に埋め込まれた
長繊維束の挿入から開始する。摩擦層はコア領域よりも
炭素短繊維の割合が少ない。
は、ディスクの面に並べられた長繊維で補強された摩擦
層を有するC/Siで構成されている摩擦ボディー(fri
ction body) が記載されている。長繊維を取り囲むC/
Siは被覆層の様に短繊維で強化されている。この製造
工程は短繊維含有の圧縮可能な組成物中に埋め込まれた
長繊維束の挿入から開始する。摩擦層はコア領域よりも
炭素短繊維の割合が少ない。
【0008】上記の両方の製造方法は、長繊維の高含有
量をおよび全ボディーにわたる長繊維の均一な分布を達
成していない。しかしながらこれら両者は回転応力のも
とで強度を更に向上させるための必要条件である。
量をおよび全ボディーにわたる長繊維の均一な分布を達
成していない。しかしながらこれら両者は回転応力のも
とで強度を更に向上させるための必要条件である。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】それ故に本発明の課題
は、回転応力、特に高速回転でのそれのもとで増強され
た強度を有する成形体、特に摩擦ボディーを製造するた
めの繊維強化セラミック複合材料を提供することであ
る。別の課題は、長繊維補強材を導入するための技術的
に簡単でかつ経済的な方法を見出すことである。更に別
の課題は摩擦および磨耗特性に関して最適化されたこれ
らの摩擦ボディーのための被覆層を提供することであ
る。
は、回転応力、特に高速回転でのそれのもとで増強され
た強度を有する成形体、特に摩擦ボディーを製造するた
めの繊維強化セラミック複合材料を提供することであ
る。別の課題は、長繊維補強材を導入するための技術的
に簡単でかつ経済的な方法を見出すことである。更に別
の課題は摩擦および磨耗特性に関して最適化されたこれ
らの摩擦ボディーのための被覆層を提供することであ
る。
【0010】
【課題を解決するための手段】この課題は、製造される
成形体中の内部に位置する領域が、実質的に平行に並ん
でいるかまたは外郭あるいは周囲に集中的に配置されそ
して短繊維強化マトリックス、特にC/SiCで完全に
取り囲まれておりそして繊維低含有量の同じ短繊維強化
マトリックスよりなる被覆層、特に内部領域よりもSi
C含有量が多い被覆層で被覆されている長繊維束、長繊
維トウまたは長繊維かせで強化されている繊維強化セラ
ミック複合材料、特にC/SiC材料によって解決され
る。補強用繊維、すなわち短繊維および長繊維は互いに
無関係に4〜12μm、好ましくは5〜10μm、特に
好ましくは6〜8μmの平均直径を有する繊維から選択
される。補強用繊維は好ましくは炭素繊維である。
成形体中の内部に位置する領域が、実質的に平行に並ん
でいるかまたは外郭あるいは周囲に集中的に配置されそ
して短繊維強化マトリックス、特にC/SiCで完全に
取り囲まれておりそして繊維低含有量の同じ短繊維強化
マトリックスよりなる被覆層、特に内部領域よりもSi
C含有量が多い被覆層で被覆されている長繊維束、長繊
維トウまたは長繊維かせで強化されている繊維強化セラ
ミック複合材料、特にC/SiC材料によって解決され
る。補強用繊維、すなわち短繊維および長繊維は互いに
無関係に4〜12μm、好ましくは5〜10μm、特に
好ましくは6〜8μmの平均直径を有する繊維から選択
される。補強用繊維は好ましくは炭素繊維である。
【0011】それ故に本発明は、短繊維強化マトリック
スで完全に取り囲まれた繊維束、繊維トウまたは繊維か
せを含む繊維強化されたセラミック複合材料において、
長繊維および短繊維が互いに無関係に4〜12μmの平
均直径を有する繊維から選択されている、上記繊維強化
セラミック複合材料を提供する。
スで完全に取り囲まれた繊維束、繊維トウまたは繊維か
せを含む繊維強化されたセラミック複合材料において、
長繊維および短繊維が互いに無関係に4〜12μmの平
均直径を有する繊維から選択されている、上記繊維強化
セラミック複合材料を提供する。
【0012】更に本発明は、かゝる物質、特に円筒状デ
ィスクまたは環状ディスクの形の摩擦ボディーを含む成
形体であって、好ましくは繊維含有量が少ない同じ短繊
維強化マトリックス材料の少なくとも1つの被覆層、特
に好ましくは内部領域よりもSiC含有量の多いC/S
iCの被覆層を有している。
ィスクまたは環状ディスクの形の摩擦ボディーを含む成
形体であって、好ましくは繊維含有量が少ない同じ短繊
維強化マトリックス材料の少なくとも1つの被覆層、特
に好ましくは内部領域よりもSiC含有量の多いC/S
iCの被覆層を有している。
【0013】本発明は同様にかゝる繊維強化セラミック
材料の製造方法およびこれらの材料を含有する成形体を
製造する方法にも関する。
材料の製造方法およびこれらの材料を含有する成形体を
製造する方法にも関する。
【0014】本発明のセラミック複合材料は好ましくは
補強用繊維としての炭素繊維およびマトリックスとして
の炭化珪素および珪素の主要相を含有するC/SiCセ
ラミックスが好ましい。
補強用繊維としての炭素繊維およびマトリックスとして
の炭化珪素および珪素の主要相を含有するC/SiCセ
ラミックスが好ましい。
【0015】有利な実施態様の詳細な説明:本発明の材
料で構成される成形体においては、コア領域と摩擦特定
に関して最適である少なくとも1つの被覆相との間に一
般に区別がってもよい。被覆層は一般に摩擦層の機能を
有しそしてコア領域よりもSiC含有量が多い。被覆ま
たは摩擦層のSiCの重量割合はコア領域のSiCの重
量割合の少なくとも1.1倍であるのが好ましい。
料で構成される成形体においては、コア領域と摩擦特定
に関して最適である少なくとも1つの被覆相との間に一
般に区別がってもよい。被覆層は一般に摩擦層の機能を
有しそしてコア領域よりもSiC含有量が多い。被覆ま
たは摩擦層のSiCの重量割合はコア領域のSiCの重
量割合の少なくとも1.1倍であるのが好ましい。
【0016】コア領域は長繊維束、長繊維トウまたは長
繊維かせ、および短繊維または短繊維束によって強化さ
れたC/SiCを含有している。異なる長さの繊維は一
般に炭素含有繊維、好ましくは炭素繊維またはグラファ
イト繊維である。コア領域の両方の繊維の重量割合の合
計は、20〜90%の範囲内にあるのが好ましく、Si
Cの重量割合は好ましくは30〜70%でありそして珪
素の重量割合は好ましくは0 〜30%である。ここで個
々の成分の重量割合は通例の通り混合物の重量に対する
これら成分の重量比として定義される。被覆層において
は繊維の重量割合は一般に0〜35%であり、炭化珪素
の重量割合は45〜100%でありそして珪素の重量割
合は0〜30%である。被覆層中のSiCの重量割合は
コア領域のそれよりも好ましくは少なくとも10%多く
(すなわち、少なくとも1.1倍)そして被覆層の密度
はコア領域のそれよりも少なくとも5%多い。本発明者
は、被覆層の所望の摩擦特性がこの様にして達成できる
ことを見出した。しかしながらコア領域でもおよび被覆
層でも実質的に同じ組成を有していてもよい。これは特
に、コア領域自身が比較的に高いSiC含有量を有して
いる場合に可能である。
繊維かせ、および短繊維または短繊維束によって強化さ
れたC/SiCを含有している。異なる長さの繊維は一
般に炭素含有繊維、好ましくは炭素繊維またはグラファ
イト繊維である。コア領域の両方の繊維の重量割合の合
計は、20〜90%の範囲内にあるのが好ましく、Si
Cの重量割合は好ましくは30〜70%でありそして珪
素の重量割合は好ましくは0 〜30%である。ここで個
々の成分の重量割合は通例の通り混合物の重量に対する
これら成分の重量比として定義される。被覆層において
は繊維の重量割合は一般に0〜35%であり、炭化珪素
の重量割合は45〜100%でありそして珪素の重量割
合は0〜30%である。被覆層中のSiCの重量割合は
コア領域のそれよりも好ましくは少なくとも10%多く
(すなわち、少なくとも1.1倍)そして被覆層の密度
はコア領域のそれよりも少なくとも5%多い。本発明者
は、被覆層の所望の摩擦特性がこの様にして達成できる
ことを見出した。しかしながらコア領域でもおよび被覆
層でも実質的に同じ組成を有していてもよい。これは特
に、コア領域自身が比較的に高いSiC含有量を有して
いる場合に可能である。
【0017】摩擦ボディーの様な摩擦用途のためにはS
iCリッチの被覆層または摩擦層の厚さは一般に少なく
とも0.1mm、好ましくは少なくとも0.3mm、特
に好ましくは少なくとも1mmである。
iCリッチの被覆層または摩擦層の厚さは一般に少なく
とも0.1mm、好ましくは少なくとも0.3mm、特
に好ましくは少なくとも1mmである。
【0018】適切な製法は、長繊維トウを短繊維束を含
有する組成物で被覆しそしてこの被覆されたバインダー
含有繊維トウを選択された方向に巻き付けるかまたは並
べ、次いでこれから製造される成形体を硬化させそして
セラミック材料に転化することを構成要件としている。
C/SiC材料の場合には、セラミック材料への転化は
多孔質のC/Cボディーに炭化することによっておよび
マトリックスの炭素を液状珪素の浸透によって少なくと
も部分的に珪化することで達成される。摩擦層またはそ
れの前躯体材料を、硬化の前またはセラミック化の前
(この場合には、炭化の前または珪化の前)にコアボデ
ィーに適用してもよい。
有する組成物で被覆しそしてこの被覆されたバインダー
含有繊維トウを選択された方向に巻き付けるかまたは並
べ、次いでこれから製造される成形体を硬化させそして
セラミック材料に転化することを構成要件としている。
C/SiC材料の場合には、セラミック材料への転化は
多孔質のC/Cボディーに炭化することによっておよび
マトリックスの炭素を液状珪素の浸透によって少なくと
も部分的に珪化することで達成される。摩擦層またはそ
れの前躯体材料を、硬化の前またはセラミック化の前
(この場合には、炭化の前または珪化の前)にコアボデ
ィーに適用してもよい。
【0019】この目的のためには長繊維は少なくとも5
0mm、好ましくは少なくとも75mm、特に好ましく
は少なくとも100mmの平均長さを有する繊維であ
る。
0mm、好ましくは少なくとも75mm、特に好ましく
は少なくとも100mmの平均長さを有する繊維であ
る。
【0020】短繊維は、本発明の目的のためには、40
mmよりも長くない、好ましくは20mmよりも長くな
い、特に好ましくは10mmよりも長くない平均長さを
有している繊維である。
mmよりも長くない、好ましくは20mmよりも長くな
い、特に好ましくは10mmよりも長くない平均長さを
有している繊維である。
【0021】上述の文献に記載の従来技術においては、
上側のC/SiC層と下側のC/SiC層との間に位置
する長鎖繊維の別個の層が造られ、それによって長繊維
補強されたC/Siおよび未補強のC/Siがディスク
の表面に対して垂直方向に生成される。これに対して本
発明の方法では各繊維トウがマトリックスの前躯体材
料、例えばC/SiCマトリックスで完全に被覆され、
そしてこの被覆された繊維トウが互いに重なったまたは
並んで横たえられているかまたは巻かれている。これに
よってディスクの表面に垂直または平行に長繊維が含ま
れる不所望の傾斜が回避される。
上側のC/SiC層と下側のC/SiC層との間に位置
する長鎖繊維の別個の層が造られ、それによって長繊維
補強されたC/Siおよび未補強のC/Siがディスク
の表面に対して垂直方向に生成される。これに対して本
発明の方法では各繊維トウがマトリックスの前躯体材
料、例えばC/SiCマトリックスで完全に被覆され、
そしてこの被覆された繊維トウが互いに重なったまたは
並んで横たえられているかまたは巻かれている。これに
よってディスクの表面に垂直または平行に長繊維が含ま
れる不所望の傾斜が回避される。
【0022】繊維強化セラミック複合材料を製造する有
利な方法は、C/SiCを製造するためにC/C−中間
ボディー(炭素繊維強化炭素またはCFCとも称する)
を液体珪化する。
利な方法は、C/SiCを製造するためにC/C−中間
ボディー(炭素繊維強化炭素またはCFCとも称する)
を液体珪化する。
【0023】C/SiC複合材料を製造するかゝる方法
は例えばドイツ特許出願公開(A)第19856721
号明細書、ドイツ特許(C)第19711829号明細
書、同第4438455号明細書およびドイツ特許出願
公開(A)第19710105号明細書から公知であ
る。
は例えばドイツ特許出願公開(A)第19856721
号明細書、ドイツ特許(C)第19711829号明細
書、同第4438455号明細書およびドイツ特許出願
公開(A)第19710105号明細書から公知であ
る。
【0024】これらの方法は一般に以下の各段階を含ん
でいる: 1.束の状態に集められていてもよいしまたは被覆物で
被覆されていてもよい炭素含有長繊維または短繊維、お
よびバインダー、例えば樹脂および/またはピッチ、お
よび場合によっては他のフィラーよりなる混合物を製造
する; 2.この繊維含有混合物を加圧および/または高温で成
形および硬化させてグリーンボディーを製造する; 3.グリーンボディーを炭化またはグラファイト化して
多孔質の成形体、特に炭素繊維強化された炭素を含む成
形体(CFCまたはC/C)を製造する; 4.多孔質成形体に珪素溶融物を浸透させそして炭素と
少なくとも部分的に反応させてSiC を生成し、成形され
たC/SiCボディーを形成する。
でいる: 1.束の状態に集められていてもよいしまたは被覆物で
被覆されていてもよい炭素含有長繊維または短繊維、お
よびバインダー、例えば樹脂および/またはピッチ、お
よび場合によっては他のフィラーよりなる混合物を製造
する; 2.この繊維含有混合物を加圧および/または高温で成
形および硬化させてグリーンボディーを製造する; 3.グリーンボディーを炭化またはグラファイト化して
多孔質の成形体、特に炭素繊維強化された炭素を含む成
形体(CFCまたはC/C)を製造する; 4.多孔質成形体に珪素溶融物を浸透させそして炭素と
少なくとも部分的に反応させてSiC を生成し、成形され
たC/SiCボディーを形成する。
【0025】本発明の方法にいおいては、長繊維を短繊
維束組成物で被覆しそして以下に詳述する様に選択され
た方向に巻くかまたは選択された方向に並べる。短繊維
束組成物は珪化した後に長繊維を被覆する短繊維強化C
/SiCを生成する様に構成される。
維束組成物で被覆しそして以下に詳述する様に選択され
た方向に巻くかまたは選択された方向に並べる。短繊維
束組成物は珪化した後に長繊維を被覆する短繊維強化C
/SiCを生成する様に構成される。
【0026】長繊維は一般に束、粗紡またはトウの状態
にある。個々のフィラメントまたは束が炭化可能な材料
または炭素で被覆されている場合が有利である。他の適
する長繊維材料は、個々のフィラメントの間に特に良好
な噛み合いが与えられるので、狭いストリップ状物に切
断された織物がある。かゝる長繊維を以下ではひとまと
めにして繊維かせと称する。
にある。個々のフィラメントまたは束が炭化可能な材料
または炭素で被覆されている場合が有利である。他の適
する長繊維材料は、個々のフィラメントの間に特に良好
な噛み合いが与えられるので、狭いストリップ状物に切
断された織物がある。かゝる長繊維を以下ではひとまと
めにして繊維かせと称する。
【0027】周辺方向における繊維かせの有利な主要方
向は種々の幾何学的バリエーションの色々なやり方で調
整できる。その内の幾つかの有利なバリエーションを以
下に説明する。この場合、小さな径の湾曲のあるちじれ
または折れが生じないことが重要である。湾曲の径は好
ましくは少なくとも5mm、特に好ましくは少なくとも
10mmである。
向は種々の幾何学的バリエーションの色々なやり方で調
整できる。その内の幾つかの有利なバリエーションを以
下に説明する。この場合、小さな径の湾曲のあるちじれ
または折れが生じないことが重要である。湾曲の径は好
ましくは少なくとも5mm、特に好ましくは少なくとも
10mmである。
【0028】本発明の材料で構成される成形体中の長繊
維の選択された方向のための有利な実施態様は以下の通
りである: a)長繊維がデイスクに対して同心の螺旋を形成してい
る; b)長繊維が一連の波を形成し、その波の最大および最
小が環状ディスクの中心点の周り同心円上に横たわって
いる; c)長繊維がb)の処に記載した様な一連の波で不規則
にまたは任意の順序で交互に形成されており、両者が環
状ディスクの中心点の周りに集中させる。 d)長繊維が様式化された三葉、四葉またはマルチ葉の
クローバー葉の外郭を形成する; e)長繊維が丸まった角を持つ五角形を形成する; f)長繊維が周転円の円跡を集中的に形成する。
維の選択された方向のための有利な実施態様は以下の通
りである: a)長繊維がデイスクに対して同心の螺旋を形成してい
る; b)長繊維が一連の波を形成し、その波の最大および最
小が環状ディスクの中心点の周り同心円上に横たわって
いる; c)長繊維がb)の処に記載した様な一連の波で不規則
にまたは任意の順序で交互に形成されており、両者が環
状ディスクの中心点の周りに集中させる。 d)長繊維が様式化された三葉、四葉またはマルチ葉の
クローバー葉の外郭を形成する; e)長繊維が丸まった角を持つ五角形を形成する; f)長繊維が周転円の円跡を集中的に形成する。
【0029】勿論、成形体中に、例えば異なる面にこれ
らの配列の複数が組み合わされていることも可能であ
る。いずれの場合にも長繊維は配列を設ける間にねじれ
ないことが重要である。湾曲の径は好ましくは個々の繊
維の繊維径の少なくとも5倍、特に好ましくは10倍、
更に好ましくは50倍である。もし鋭角を形成するべき
場合には、長鎖をこれらの位置で切断しそして互いに接
合して鋭角を形成することも有利である。同様に、集中
層を形成する長繊維はそれらが接する場所で接合するの
が有利である。繊維が接する場所が一つより多くないか
または5°、好ましくは10°以内の開放角を持つ円の
領域内で接合することが保証される様注意するのが好ま
しい。
らの配列の複数が組み合わされていることも可能であ
る。いずれの場合にも長繊維は配列を設ける間にねじれ
ないことが重要である。湾曲の径は好ましくは個々の繊
維の繊維径の少なくとも5倍、特に好ましくは10倍、
更に好ましくは50倍である。もし鋭角を形成するべき
場合には、長鎖をこれらの位置で切断しそして互いに接
合して鋭角を形成することも有利である。同様に、集中
層を形成する長繊維はそれらが接する場所で接合するの
が有利である。繊維が接する場所が一つより多くないか
または5°、好ましくは10°以内の開放角を持つ円の
領域内で接合することが保証される様注意するのが好ま
しい。
【0030】タイプa)の実施態様においては、短繊維
束組成物で被覆された長繊維タウが除去可能なコアの周
りを囲んでいる。この場合、長繊維はディスクの面に螺
旋状に配列される。この様にしてディスクまたはフラッ
トな円筒体が形成される。
束組成物で被覆された長繊維タウが除去可能なコアの周
りを囲んでいる。この場合、長繊維はディスクの面に螺
旋状に配列される。この様にしてディスクまたはフラッ
トな円筒体が形成される。
【0031】他の有利なバリエーションにおいては、被
覆された繊維かせが色々な幾何学的パターンで横たえら
れるかまたは寄り合わされ、その結果、得られる配列が
デスク成形体の中心点の周りに周辺方向にまたは集中円
形に配向する。繊維配列の代表的な他の例は実施態様
b)〜f)に相応する。繊維かせを横たえるために除去
可能なドームが一般に使用される。レイアップの高さは
製造されるディスクの厚さに実質的に相応している。最
も高い可能な強度、および高い回転速度での最も高い安
定性を達成するためには、被覆された繊維かせを有する
成形体の全容積に充填することが有利である。残る空隙
には短繊維を含む組成物を充填する。繊維の継ぎ目がデ
ィスクの狭い角領域内で生じず、できるだけ均一に周囲
全域に割り当てられる様に配列することが重要である。
覆された繊維かせが色々な幾何学的パターンで横たえら
れるかまたは寄り合わされ、その結果、得られる配列が
デスク成形体の中心点の周りに周辺方向にまたは集中円
形に配向する。繊維配列の代表的な他の例は実施態様
b)〜f)に相応する。繊維かせを横たえるために除去
可能なドームが一般に使用される。レイアップの高さは
製造されるディスクの厚さに実質的に相応している。最
も高い可能な強度、および高い回転速度での最も高い安
定性を達成するためには、被覆された繊維かせを有する
成形体の全容積に充填することが有利である。残る空隙
には短繊維を含む組成物を充填する。繊維の継ぎ目がデ
ィスクの狭い角領域内で生じず、できるだけ均一に周囲
全域に割り当てられる様に配列することが重要である。
【0032】全てのバリエーションにおいて、繊維束ま
たは繊維かせをその縦軸の周りにで捻じることも可能で
ある。それによって補強用繊維の良好な噛み合いが得ら
れる。
たは繊維かせをその縦軸の周りにで捻じることも可能で
ある。それによって補強用繊維の良好な噛み合いが得ら
れる。
【0033】本発明の方法はコア領域に長繊維の非常に
高い容量割合を簡単に達成することを可能とする。この
容積割合は50%以上でもよい。補強効果はコア領域の
長繊維の容量割合が少なくとも20%で明らかに認めら
れ、特にクラッチディスクの場合には90%までの高い
容積割合を目標とする。
高い容量割合を簡単に達成することを可能とする。この
容積割合は50%以上でもよい。補強効果はコア領域の
長繊維の容量割合が少なくとも20%で明らかに認めら
れ、特にクラッチディスクの場合には90%までの高い
容積割合を目標とする。
【0034】長繊維レイアップ、好ましくはディスク状
のそれを使用して上記の方法で製造される成形体は熱で
架橋されて、グリーンボディーを製造する。一般にこれ
は加熱されたプレスにおいて実施される。摩擦層がディ
スクの外側表面に適用するべき場合には、これを炭素材
料を含有する適当な短繊維束組成物の状態でのプレス成
形工程の間にプレス機中に導入するのが有利である。し
かしながら摩擦層のための組成物を別に製造しそしてそ
れをグリーンボディーまたは炭化されたグリーンボディ
ーに後から適用することも同様に可能である。
のそれを使用して上記の方法で製造される成形体は熱で
架橋されて、グリーンボディーを製造する。一般にこれ
は加熱されたプレスにおいて実施される。摩擦層がディ
スクの外側表面に適用するべき場合には、これを炭素材
料を含有する適当な短繊維束組成物の状態でのプレス成
形工程の間にプレス機中に導入するのが有利である。し
かしながら摩擦層のための組成物を別に製造しそしてそ
れをグリーンボディーまたは炭化されたグリーンボディ
ーに後から適用することも同様に可能である。
【0035】繊維かせを被覆するための繊維束を有する
組成物または短繊維束組成物を含有する組成物を使用す
ることも有利である。一般にこれらは短繊維束、バイン
ダーおよび/または炭素材料で製造される。短繊維束組
成物は殆ど全部が、炭素含有材料で被覆された短繊維、
特に炭素で被覆された短繊維で構成されている。
組成物または短繊維束組成物を含有する組成物を使用す
ることも有利である。一般にこれらは短繊維束、バイン
ダーおよび/または炭素材料で製造される。短繊維束組
成物は殆ど全部が、炭素含有材料で被覆された短繊維、
特に炭素で被覆された短繊維で構成されている。
【0036】短繊維束組成物は特に好ましくは、炭素で
被覆された繊維製マット、または一度のまたは繰り返し
の炭化処理およびピッチおよび/または樹脂での含浸処
理によって製造される炭素繊維マットまたは繊維プラッ
クを微粉砕することによって特に有利に製造される。
被覆された繊維製マット、または一度のまたは繰り返し
の炭化処理およびピッチおよび/または樹脂での含浸処
理によって製造される炭素繊維マットまたは繊維プラッ
クを微粉砕することによって特に有利に製造される。
【0037】長繊維への短繊維束組成物の接合は長繊維
上の粘着性のあるバインダーによるかまたは短繊維束組
成物中の粘着性バインダーによって保証される。
上の粘着性のあるバインダーによるかまたは短繊維束組
成物中の粘着性バインダーによって保証される。
【0038】摩擦ボディーとして、特にブレーキディス
クまたはなかでもクラッチディスクとして使用するため
には、成形体を平らな側面の少なくとも一方に摩擦的に
有効な外側面を持つデイスクとして改造する。しかしな
がら用途原理に依存して摩擦ボディーの別の面、すなわ
ち(外側または内側の)円筒状面を摩擦面として構成す
ることも可能である。
クまたはなかでもクラッチディスクとして使用するため
には、成形体を平らな側面の少なくとも一方に摩擦的に
有効な外側面を持つデイスクとして改造する。しかしな
がら用途原理に依存して摩擦ボディーの別の面、すなわ
ち(外側または内側の)円筒状面を摩擦面として構成す
ることも可能である。
【0039】本発明の繊維強化セラミック複合材料は高
い回転速度のクラッチディスクを製造するのに使用する
のに適し得る。何故ならばこのものは長繊維あるいは長
繊維構造での本発明に従う強化によってひび割れが生じ
る以前の回転速度が向上されるからである。
い回転速度のクラッチディスクを製造するのに使用する
のに適し得る。何故ならばこのものは長繊維あるいは長
繊維構造での本発明に従う強化によってひび割れが生じ
る以前の回転速度が向上されるからである。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 ゲオルク・ブルクハルト
ドイツ連邦共和国、ディードルフ、ヘルレ
スストラーセ、27
(72)発明者 マルティン・クリスト
ドイツ連邦共和国、ヴェーリンゲン、ツー
クシュピッツストラーセ、24
(72)発明者 ロナルト・ヒューナー
ドイツ連邦共和国、バール、ハイムパース
ドルフ、6ツェー
(72)発明者 ペーター・ヴィンケルマン
ドイツ連邦共和国、ティールハウプテン、
クロスターベルク、2
(72)発明者 ライナー・ツィムマーマン− ショパン
ドイツ連邦共和国、エルガウ、アム・フォ
ークトガルテン、13
Claims (12)
- 【請求項1】 長繊維束、長繊維トウまたは長繊維かせ
を含む繊維強化されたセラミック複合材料において、長
繊維束、長繊維トウまたは長繊維かせが短繊維強化され
たマトリックスで完全に囲まれており、該長繊維が4〜
12μmの平均直径および少なくとも50mmの平均長
さを有しそして短繊維が4〜12μmの平均直径および
40mmよりも多くない平均長さを有することを特徴と
する、上記繊維強化セラミック複合材料。 - 【請求項2】 長繊維がカーボン繊維および/またはグ
ラファイト繊維である、請求項1に記載の繊維強化セラ
ミック複合材料。 - 【請求項3】 短繊維がカーボン繊維および/またはグ
ラファイト繊維である、請求項1に記載の繊維強化セラ
ミック複合材料。 - 【請求項4】 マトリックスが炭化珪素を含む、請求項
1に記載の繊維強化セラミック複合材料。 - 【請求項5】 マトリックスが金属珪素を含む、請求項
1に記載の繊維強化セラミック複合材料。 - 【請求項6】 長繊維と短繊維との重量割合の合計が2
0〜90%の範囲内にある、請求項1に記載の繊維強化
セラミック複合材料。 - 【請求項7】 SiCの重量割合が30〜70%であ
る、請求項4に記載の繊維強化セラミック複合材料。 - 【請求項8】 珪素の重量割合が30%までである、請
求項5に記載の繊維強化セラミック複合材料。 - 【請求項9】 請求項1に記載の繊維強化セラミック複
合材料の製造方法において、第一段階で束の状態に集め
られていてもよくかつ短繊維束組成物を含む被覆剤で被
覆されている炭素含有長繊維、樹脂およびピッチの中か
ら選択されたバインダー、および場合によっては他のフ
ィラーからなる混合物を製造し、この混合物を第二段階
で型中に高温高圧で圧縮してグリーンボディーを製造
し、第三段階でこのグリーボディーの炭化および/また
はグラファイト化を実施して多孔質成形体、特に炭素繊
維で強化された炭素を含む成形体を製造しそして第四段
階で、多孔質成形ディスクに珪素溶融物を浸透させそし
て炭素と珪素とを少なくとも部分的に反応させてSiC
を生成することによって、成形されたC/SiC−ボデ
ィーを形成し、その際に長繊維を選択された方向に巻く
かまたは並べそして短繊維束組成物が、珪化した後に長
繊維を被覆する短繊維強化されたC/SiCが生成され
る様に構成されていることを特徴とする、上記方法。 - 【請求項10】 請求項1に記載の繊維強化セラミック
複合材料をそれで製造されたクラッチディスクまたはブ
レーキディスクを製造するのに用いる方法。 - 【請求項11】 複合材料をコア領域として円筒状ディ
スクまたは環状ディスクの形にし、そして該複合材料が
コア領域よりも少ない繊維含有量の短繊維強化マトリッ
クス材料よりなる少なくとも1つの被覆層を有すること
を特徴とする、請求項10に記載の方法。 - 【請求項12】 被覆層がコア領域よりも高いSiC含
有量を有する、請求項11に記載の方法。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE10164226A DE10164226C5 (de) | 2001-12-31 | 2001-12-31 | Formkörper aus faserverstärkten keramischen Verbundwerkstoffen, Verfahren zu deren Herstellung und seine Verwendung |
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