JP2004308776A - 車両用ディスクブレーキ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、破壊靱性、耐熱性、放熱性及び耐摩耗性を向上させた車両用ディスクブレーキのディスクロータ及び摩擦パッドを提供する。
【解決手段】車両用ディスクブレーキは、ディスクロータ及び摩擦パッドは、炭素繊維を強化材とする炭素繊維強化複合材から構成され、前記炭素繊維強化複合材は、前記炭素繊維に加えて、平均直径が０．７〜５００ｎｍであって平均長さが０．０１〜１０００μｍであるカーボンナノファイバー及び球殻状炭素であるフラーレンの少なくとも一方を強化材として含有する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車等の車輪と一体に回転するディスクロータと、該ディスクロータの側面に摺接する摩擦パッドとを備えた車両用ディスクブレーキに関するものである。
【０００２】
【背景技術】
自動車等に用いられる車両用ディスクブレーキは、キャリパボディに取り付けられた摩擦パッドをディスクロータに対して両側から押しつけることで摩擦力を得て、車両を制動させるものである。従来、車両用ディスクブレーキのディスクロータ及び摩擦パッドは、複数の単繊維の束からなる短繊維状の炭素繊維を解繊したものを強化材とし、熱硬化性樹脂をマトリックスとした炭素繊維強化炭素複合材（以下、Ｃ／Ｃ複合材という）が用いられている（特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特許第２９６９９５７号公報（第１−３頁）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の軽量化したＣ／Ｃ複合材からなるディスクロータ及び摩擦パッドにおいては、硬さ特に破壊靭性、耐熱性、放熱性及び耐摩耗性のさらなる向上が望まれている。
【０００５】
本発明は、破壊靱性、耐熱性、放熱性及び耐摩耗性を向上させた車両用ディスクブレーキのディスクロータ及び摩擦パッドを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の第一の態様に係る車両用ディスクブレーキのディスクロータ及び摩擦パッドは、炭素繊維を強化材とする炭素繊維強化複合材から構成され、
前記炭素繊維強化複合材は、前記炭素繊維に加えて、平均直径が０．７〜５００ｎｍであって平均長さが０．０１〜１０００μｍであるカーボンナノファイバー及び球殻状炭素であるフラーレンの少なくとも一方を強化材として含有する。
【０００７】
本発明の第一の態様によれば、Ｃ／Ｃ複合材としての優れた性能に加えて、カーボンナノファイバー及びフラーレンの少なくとも一方を含有する強化材によって形成することで、ディスクロータ及び摩擦パッドの破壊靭性を向上させることができる。また、この態様によれば、カーボンナノファイバーの機械的強度によってディスクロータ及び摩擦パッドとして重要な耐摩耗性が向上し、カーボンナノファイバーの高い熱伝導性によってディスクロータと摩擦パッドの摩擦によって発生した熱を迅速に放熱（放熱性・耐熱性）することができる。さらに、フラーレンは、分散性が高いため、ディスクロータ及び摩擦パッド全体で均質な特性を得ることができる。
【０００８】
ここで、本発明の第二の態様に係る車両用ディスクブレーキのディスクロータ及び摩擦パッドにおいては、
炭素材を強化材とする複合材から構成され、
前記炭素材は、平均直径が０．７〜５００ｎｍであって平均長さが０．０１〜１０００μｍであるカーボンナノファイバー及び球殻状炭素であるフラーレンの少なくとも一方からなる。
【０００９】
本発明の第二の態様によれば、カーボンナノファイバー及びフラーレンの少なくとも一方からなる強化材によって形成することで、ディスクロータ及び摩擦パッドの破壊靭性を向上させることができる。また、この態様によれば、カーボンナノファイバーの機械的強度によってディスクロータ及び摩擦パッドとして重要な耐摩耗性が向上し、カーボンナノファイバーの高い熱伝導性によってディスクロータと摩擦パッドの摩擦によって発生した熱を迅速に放熱（放熱性・耐熱性）することができる。さらに、フラーレンは、分散性が高いため、ディスクロータ及び摩擦パッド全体で均質な特性を得ることができる。
【００１０】
ここで、本発明の第一または第二の態様に係る車両用ディスクブレーキにおいては、
前記カーボンナノファイバーは、イオン注入処理されていることができる。
【００１１】
このような構成とすることで、イオン注入されたカーボンナノファイバーは、少なくともその表面の化学的な組成が変ることで、ディスクロータ及び摩擦パッドを構成するマトリックス材とカーボンナノファイバーの接着性やヌレ性が改善され、ディスクロータの機械的強度をさらに向上させることができるとともに、カーボンナノファイバーのマトリックス材中における分散性が向上することで、全体に均質な性能を有することができる。
【００１２】
ここで、本発明の第一または第二の態様に係る車両用ディスクブレーキにおいては、
前記カーボンナノファイバーは、スパッタエッチング処理されていることができる。
【００１３】
このような構成とすることで、スパッタエッチング処理されたカーボンナノファイバーは、その表面に微細な凹凸を形成されるため、ディスクロータ及び摩擦パッドを構成するマトリックス材とカーボンナノファイバーの接着性やヌレ性が改善され、ディスクロータの機械的強度をさらに向上させることができるとともに、カーボンナノファイバーのマトリックス材中における分散性が向上することで、全体に均質な性能を有することができる。
【００１４】
ここで、本発明の第一または第二の態様に係る車両用ディスクブレーキにおいては、
前記カーボンナノファイバーは、プラズマ処理されていることができる。
【００１５】
このような構成とすることで、プラズマ処理されたカーボンナノファイバーは、その表面に微細な凹凸を形成する等の表面改質されるため、ディスクロータ及び摩擦パッドを構成するマトリックス材とカーボンナノファイバーの接着性やヌレ性が改善され、ディスクロータの機械的強度をさらに向上させることができるとともに、カーボンナノファイバーのマトリックス材中における分散性が向上することで、全体に均質な性能を有することができる。
【００１６】
ここで、本発明の第一または第二の態様に係る車両用ディスクブレーキにおいては、
前記フラーレンは、カーボン６０とカーボン７０とを含み、
前記カーボン７０より前記カーボン６０が多く含有されていることができる。
【００１７】
このような構成とすることで、フラーレンの合成過程において、カーボン７０より多く合成されるカーボン６０を有効に利用することができる。フラーレンは、炭素繊維強化複合材もしくは複合材中における分散性が高いため、ディスクロータ全体で均質な特性を得ることができることができる。
【００１８】
ここで、本発明の第一または第二の態様に係る車両用ディスクブレーキは、前記カーボンナノファイバー及び前記フラーレンの少なくとも一方の合成過程において得られる炭素及び炭素化合物を含有することができる。
【００１９】
このような構成とすることで、カーボンナノファイバー及びもしくはフラーレンの合成過程において、合成される不純物である炭素及び炭素化合物を有効に利用することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本発明の一実施の形態に係る車両用ディスクブレーキ１０のディスクロータ１を説明する図である。図２は、ディスクブレーキ１０の断面図である。図３は、全方位型イオン注入装置の概略構成図であり、図４は、その回転テーブルの他の実施態様を示す一部断面図である。
【００２２】
自動車等の車両に用いられるディスクブレーキ１０の構造は、図２に示すように、油圧装置による油圧によってキャリパボディ１１の液圧室１４に伝えられてピストン１２を押圧し、その押圧する力によって、摩擦パッド２０を円板状のディスクロータ１に押圧して制動するものである。
【００２３】
図１に示すように、車両用ディスクブレーキ１０のディスクロータ１は、ディスクロータ１を図示せぬ車軸に固定するハブ６と、ハブ６と複数例えば６本の取付ボルト８で締結された円板状のロータ本体２と、を有している。円板状のロータ本体２の両面には、摩擦パッド２０が押し当てられる平滑な摺動面４、４が形成されている。図１においては、ディスクロータ１と摩擦パッド２０の配置関係を示すために、キャリパボディ１１を除いて摩擦パッド２０だけを示している。
【００２４】
本実施の形態において、ディスクロータ１のロータ本体２及び摩擦パッド２０は、炭素繊維強化複合材、例えば炭素繊維強化炭素複合材（Ｃ／Ｃ複合材）を用いている。本発明で用いる強化材の炭素繊維としては、ピッチ系、ＰＡＮ系あるいはレーヨン系炭素繊維等の公知のいずれのものも使用できる。
【００２５】
本発明のディスクロータ１のロータ本体２及び摩擦パッド２０の成形方法としては、特に限定されないが、まずカーボンナノファイバー及びフラーレンの少なくとも一方を添加して焼成されたＣ／Ｃ複合材を得て、そのＣ／Ｃ複合材を緻密化処理及び最終熱処理をしてディスクロータ１のロータ本体２及び摩擦パッド２０を得る。炭素繊維の形態としては、複数の単繊維の束からなるトウ、ストランド、ロービング、ヤーンなどの形態であり、例えば０．３〜１００ｍｍの短繊維にカッティングして使用する。マトリックス材としては、熱硬化性樹脂、好ましくはフェノール樹脂が用いられるが、硬化性樹脂であれば光硬化性樹脂でもよく、また他の硬化性樹脂例えば、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、アルキド樹脂、アクリル樹脂、メラミン樹脂、キシレン樹脂、グアナミン樹脂、ジアリルフタレート樹脂、アリルエステル樹脂、フラン樹脂、イミド樹脂、ウレタン樹脂、ユリア樹脂等の樹脂を用いてもよい。本発明におけるフェノール樹脂としては、具体的には、レゾール型フェノール樹脂、ノボラック型フェノール樹脂等が挙げられる。
【００２６】
ディスクロータ１のロータ本体２及び摩擦パッド２０おいて、カーボンナノファイバーおよびフラーレンを合わせて０．０１〜５０重量％含むことが好ましい。カーボンナノファイバーおよびフラーレンの割合が５０重量％を超えると成形性の点で好ましくなく、０．０１重量％未満であると、機械的強度を十分向上することができない場合がある。なお、上記重量割合は、炭素材を強化材とする複合材において、カーボンナノファイバーおよびフラーレンをそれぞれ単独で炭素材とする場合は、カーボンナノファイバーおよびフラーレン単独の重量％である。
【００２７】
また、ディスクロータ１のロータ本体２及び摩擦パッド２０に用いられるカーボンナノファイバーは、平均直径が０．７ｎｍ〜５００ｎｍであって、平均長さが０．０１〜１０００μｍのカーボンナノファイバーを用いることが好ましい。また、カーボンナノファイバーの配合量は、成形時の流動性、得られるディスクロータの強度などの観点から、ディスクロータ１のロータ本体２中に０．０１〜５０重量％の範囲で含まれていることが好ましい。このようなカーボンナノファイバーは、炭素六角網面のグラフェンシートが円筒状に閉じた単層構造あるいはこれらの円筒構造が入れ子状に配置された多層構造をしたいわゆるカーボンナノチューブなどである。カーボンナノチューブは、単層構造のみから構成されていても多層構造のみから構成されていても良く、単層構造と多層構造が混在していてもかまわない。また、部分的にカーボンナノチューブの構造を有している炭素材料も使用することができる。なお、カーボンナノチューブという名称の他にグラファイトフィブリルナノチューブといった名称で称されることもある。
【００２８】
単層カーボンナノチューブもしくは多層カーボンナノチューブは、アーク放電法、レーザーアブレーション法、気相成長法などによって望ましいサイズに製造される。
【００２９】
アーク放電法は、大気圧よりもやや低い圧力のアルゴンや水素雰囲気下で、炭素棒でできた電極材料の間にアーク放電を行うことで、陰極に堆積した多層カーボンナノチューブを得るものである。また、単層カーボンナノチューブは、前記炭素棒中にニッケル／コバルトなどの触媒を混ぜてアーク放電を行い、処理容器の内側面に付着するすすから得られる。
【００３０】
レーザーアブレーション法は、希ガス（例えばアルゴン）中で、ターゲットであるニッケル／コバルトなどの触媒を混ぜた炭素表面にＹＡＧレーザーの強いパルスレーザー光を照射することによって炭素表面が溶融・蒸発し、単層カーボンナノチューブを得るものである。
【００３１】
気相成長法は、ベンゼンやトルエン等の炭化水素を気相で熱分解し、カーボンナノチューブを合成するもので、流動触媒法やゼオライト担持触媒法などがある。
【００３２】
カーボンナノファイバーは、Ｃ／Ｃ複合材などのマトリックス材に混入する前に、あらかじめ表面処理例えば、イオン注入処理、スパッタエッチング処理、プラズマ処理などを行うことによって、マトリックス材との接着性やぬれ性を改善することができる。
【００３３】
（イオン注入処理）
イオン注入処理（ｉｏｎ ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ）は、イオン源によってイオン化された元素例えば酸素などに加速器によって必要なエネルギーを与え、真空ポンプによって高真空状態に保たれた真空チャンバにあるカーボンナノファイバーの表面内にイオンを打ちこむものである。
【００３４】
本発明の一実施の形態のイオン注入処理について、図３に示す全方位型イオン注入装置の概略構成図を用いて説明する。全方位型イオン注入装置５０は、真空ポンプ５７に接続された例えばステンレス製の真空チャンバー５１内にイオン注入処理を施す試料（例えばカーボンナノファイバー５２）を置く回転テーブル５３が回転自在に配置されている。回転テーブル５３は、パルスバイアス電源５４に接続され、真空チャンバー５１との間は絶縁体５５によって絶縁されている。真空チャンバー５１は、プロセスガス供給装置５８と、高周波電源５９に接続されたコイル６０と、アーク式蒸発源６１と、真空チャンバー５１内温度を測定する赤外線放射温度計６２と接続されている。
【００３５】
イオン注入処理は、真空ポンプ５７によって適当な真空状態とされた真空チャンバー５１内に、プロセスガス供給装置５８からガスが供給され、高周波電源５９によってコイル６０の周りにプラズマを発生させる。これによってイオン化されたガスが、パルスバイアス電源５４の負極に接続されている試料例えばカーボンナノファイバー５２に引き込まれ、注入される。また、真空チャンバー５１に接続されたアーク式蒸発源６１によって、金属イオンを試料例えばカーボンナノファイバー５２に注入させることができる。この場合、アーク式蒸発源６１内の金属蒸発源は、図示せぬ直流アーク電源に接続され、アーク放電によって蒸発させられる。このとき、回転テーブル５３及び試料例えばカーボンナノファイバー５２は、スイッチ６３によって切りかえられた負の直流バイアス電源５６により印加されているので、金属イオンが試料例えばカーボンナノファイバー５２に注入される。
【００３６】
また、全方位型イオン注入装置５０の回転テーブル５３を図４に示すような攪拌羽５３ａ及び容器５３ｂを有する構造としてもよい。容器５３ｂは、広口の開口部を上方に有し、容器５３ｂ中には試料例えばカーボンナノファイバー５２を配置できる。イオン注入処理の間、カーボンナノファイバー５２のような粉体の試料は、攪拌羽５３ａの回転によって攪拌されることで、全体にまんべんなくイオン注入処理を受けることができる。攪拌翼５３ａの回転速度は、カーボンナノファイバー５２の量や、イオン注入処理時間などによって適宜調整することができる。
【００３７】
イオン注入処理されたカーボンナノファイバーは、その表面が化学的に改質され、ディスクロータ１のロータ本体２及び摩擦パッド２０のマトリックス材例えばフェノール樹脂に対するぬれ性や接着性などが改善され、ディスクロータ１の破壊靭性や耐摩耗性の向上が得られる。
【００３８】
イオン注入処理に用いられる元素は、例えば、酸素（Ｏ）、窒素（Ｎ）、塩素（Ｃｌ）、クロム（Ｃｒ）、炭素（Ｃ）、ホウ素（Ｂ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、リン（Ｐ）、アルミニウム（Ａｌ）等、ディスクロータ１のロータ本体２のマトリックス材例えばフェノール樹脂との相性によって適宜選択することができる。
【００３９】
（スパッタエッチング処理）
ドライエッチング方式のスパッタエッチング処理は、真空ポンプによって高真空状態に保たれた真空チャンバ内にエッチングガス、極低圧不活性ガス雰囲気例えばアルゴン（Ａｒ）中で、交流を印加してグロー放電を行わせ、かつグロー放電によって生じたプラズマ中に露出される電極と接触したカーボンナノファイバーの表面にイオンを衝突させることで、エッチングするものである。
【００４０】
スパッタエッチング処理されたカーボンナノファイバーの表面は、物理的にエッチングされることで、微細（ナノサイズ）な凹凸が形成される。このカーボンナノファイバーの表面の凹凸が、複合材のマトリックス材例えばフェノール樹脂との接触面積を増大させることとなり、フェノール樹脂とカーボンナノファイバーとの接着強度を向上させることができる。フェノール樹脂にカーボンナノファイバーを混入させ製造したディスクロータ１のロータ本体２及び摩擦パッド２０における破壊靭性や耐摩耗性の向上が得られる。
【００４１】
（プラズマ処理）
プラズマ処理は、プラズマをカーボンナノファイバーに照射することによって表面を改質させるものである。プラズマ処理は、一般的なグロー放電処理やコロナ放電処理などを採用することができる。
【００４２】
例えばプラズマは、相対向する放電極と対向電極との間に、パルス生成回路によって生成された高電圧・高頻度のパルス電圧を印加し、両電極間にコロナ放電を惹起して空気中にプラズマを発生させるようにしている。そして、被処理物は、両電極間に静止状態又は移動状態で配置され、その表面にプラズマ処理が施される。
【００４３】
プラズマの作り方には、２枚の平行平板電極に数百から数千ボルトの電圧をかけて放電する二極放電タイプ、熱陰極から発した大量の電子が陽極に入るまでに気体分子と衝突しプラズマを作る熱電子放電タイプ、磁場を使って高真空で放電するマグネトロン放電タイプ、高周波電磁誘導によりプラズマを発生させる無電極放電タイプ、磁場のある共振室へマイクロ波を送りこみ電子を共振させるＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）放電タイプなどがあり、適宜選択することができる。
【００４４】
このようにプラズマ処理されたカーボンナノファイバーの表面は、複合材のマトリックス材例えばフェノール樹脂との接着性やぬれ性が改善し、フェノール樹脂にカーボンナノファイバーを混入させて製造したディスクロータ１のロータ本体２及び摩擦パッド２０における破壊靭性や耐摩耗性の向上が得られる。
【００４５】
本実施の形態に用いられるフラーレンは、球殻状炭素例えばカーボン６０（以下Ｃ６０とする）、Ｃ７０、Ｃ７４、Ｃ７６、Ｃ７８、Ｃ８２、Ｃ８４、Ｃ７２０、Ｃ８６０などのフラーレン類などが挙げられるが、Ｃ６０を主成分とすることが好ましい。また、Ｃ６０を主成分として、Ｃ７０がＣ６０よりも少量含まれるフラーレンを用いることが好ましい。さらに、Ｃ６０を主成分として、他のフラーレン類を含んでもよいし、フラーレン以外のフラーレン生成時に同時に生成された他の炭素及び炭素化合物を含んでもよい。フラーレン類の形態は、例えば、サッカーボール状、バッキーボール状などであってもよい。
【００４６】
また、フラーレン類は置換基の導入などにより修飾されていてもよい。修飾方法は、特に限定されず、例えば、フラーレン類の反応性に富む炭素５員環部を化学的に修飾できる。置換基の種類は、特に限定されず、例えば、アルキル基、アリール基、アラルキル基、ジオキソラン単位、ハロゲン又は酸素原子などが例示でき、液晶ポリマー、色素類、ポリエチレンオキシドなどの導入により修飾してもよい。フラーレン類の修飾により、選択されたマトリックス材例えばフェノール樹脂との親和性の改善、フラーレン類の分散を可能にする。
【００４７】
Ｃ６０フラーレンは、黒鉛電極を用い、ヘリウム雰囲気でアーク放電し、得られたススをベンゼンで抽出し、得られたＣ６０混合物を、塩基性活性アルミナを担体とし、ヘキサンを展開溶媒として、カラム分離精製することにより調製した。フラーレンを得る方法は、このアーク放電法に限らず、他の手法でもよい。
【００４８】
このように複合材のマトリックス材例えばフェノール樹脂にフラーレンを混入させて製造したディスクロータ１のロータ本体２及び摩擦パッド２０における耐熱性や耐摩耗性の向上が得られる。
【００４９】
なお、本発明は、本実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の形態に変形可能である。
【００５０】
本実施の形態においては、Ｃ／Ｃ複合材について説明したが、カーボンナノファイバー及びフラーレンの一方からなる炭素材を強化材とした複合材としてもよい。この際、マトリックス材として、Ｃ／Ｃ複合材と同様の硬化性樹脂を使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る車両用ディスクブレーキの正面図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係るディスクブレーキの断面図である。
【図３】本発明の一実施の形態に用いられる全方位型イオン注入装置の概略説明図である。
【図４】全方位型イオン注入装置の回転テーブルの他の実施態様を示す一部断面図である。
【符号の説明】
１ ディスクロータ
２ 本体
４ 摺動面
１０ ディスクブレーキ
１１ キャリパボディ
１２ ピストン
１４ 液圧室
５０ 全方位型イオン注入装置
５３ 回転テーブル
５３ａ 攪拌羽
５３ｂ 容器

Claims (7)

1. 車輪と一体に回転するディスクロータと、該ディスクロータの側面に摺接する摩擦パッドとを備えた車両用ディスクブレーキであって、
   前記ディスクロータ及び前記摩擦パッドは、炭素繊維を強化材とする炭素繊維強化複合材から構成され、
   前記炭素繊維強化複合材は、前記炭素繊維に加えて、平均直径が０．７〜５００ｎｍであって平均長さが０．０１〜１０００μｍであるカーボンナノファイバー及び球殻状炭素であるフラーレンの少なくとも一方を強化材として含有する、車両用ディスクブレーキ。
2. 車輪と一体に回転するディスクロータと、該ディスクロータの側面に摺接する摩擦パッドとを備えた車両用ディスクブレーキであって、
   前記ディスクロータ及び前記摩擦パッドは、炭素材を強化材とする複合材から構成され、
   前記炭素材は、平均直径が０．７〜５００ｎｍであって平均長さが０．０１〜１０００μｍであるカーボンナノファイバー及び球殻状炭素であるフラーレンの少なくとも一方からなる、車両用ディスクブレーキ。
3. 請求項１または２記載の車両用ディスクブレーキにおいて、
   前記カーボンナノファイバーは、イオン注入処理されている、車両用ディスクブレーキ。
4. 請求項１または２記載の車両用ディスクブレーキにおいて、
   前記カーボンナノファイバーは、スパッタエッチング処理されている、車両用ディスクブレーキ。
5. 請求項１または２記載の車両用ディスクブレーキにおいて、
   前記カーボンナノファイバーは、プラズマ処理されている、車両用ディスクブレーキ。
6. 請求項１〜５記載の車両用ディスクブレーキのいずれかにおいて、
   前記フラーレンは、カーボン６０とカーボン７０とを含み、
   前記カーボン７０より前記カーボン６０が多く含有されている、車両用ディスクブレーキ。
7. 請求項１〜６記載のいずれかの車両用ディスクブレーキは、前記カーボンナノファイバー及び前記フラーレンの少なくとも一方の合成過程において得られる炭素及び炭素化合物を含有する、車両用ディスクブレーキ。

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