JP2006143941A - 炭素繊維複合材料及びその製造方法並びに湿式摩擦部材 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 本発明は、炭素繊維11と、前記炭素繊維11同士を接合するマトリックス12と、気孔13とが含まれる炭素繊維複合材料10であって、前記気孔13を除いた前記炭素繊維11の体積分率が、45%以上、80%以下であることを特徴とする。また、炭素繊維複合材料10は、気孔率が20%以上、70%以下の多孔質である。この炭素繊維複合材料10は、静摩擦係数(μS)が大きく、しかもμ比が小さい。
【選択図】 図2
Description
しかしながら、炭素繊維が剛直で柔軟性に乏しく、さらには相互に絡みにくく屈折に対して脆弱であることから、従来のような乾式製造法や含浸製造法で湿式摩擦部材を製造すると、炭素繊維に対して過剰の樹脂が使用されなければならなかった。その結果、湿式摩擦部材における炭素繊維の体積分率(気孔を除く)が低いものとなっていた。
また、従来の乾式製造法や含浸製造法で得られた湿式摩擦部材は、炭素繊維、マトリックス及び気孔の分布が不均一になるという問題があった。その結果、従来の乾式製造法や含浸製造法では、炭素繊維を多く含むと共に気孔率が大きい湿式摩擦部材を得ることができなかった。つまり、従来の乾式製造法や含浸製造法では、静的摩擦性能及び動的摩擦性能の両方に優れた湿式摩擦部材を製造することが困難であった。
また、このような炭素繊維複合材料は、前記気孔を除いた前記炭素繊維の体積分率が、50%以上であることが好ましく、55%以上であることがより好ましい。
図1に示すように、湿式多板クラッチ1は、公知の構造を有するものであり、作動油の流路31が形成されたシャフト30と、略円筒形のクラッチドラム2と、このクラッチドラム2内に嵌め込まれた略円筒形のハブ3と、クラッチドラム2に嵌め込まれてクラッチドラム2との間に作動油の前記流路31と連通する油圧室9bを形成する円盤状のクラッチピストン9と、クラッチドラム2の中心軸に沿う方向に複数配置された環状のセパレートプレート4(SPCC(鋼板)製)と、セパレートプレート4と交互に配置されるようにハブ3に挿嵌された環状のカーボンディスク5とを備えている。このカーボンディスク5は、特許請求の範囲にいう「湿式摩擦部材」に相当する。
クラッチドラム2は、シャフト30と一体になるように取り付けられており、シャフト30と一体に回転するようになっている。ハブ3は、シャフト30に挿嵌されており、シャフト30と別個にシャフト30周りに回転するようになっている。クラッチピストン9は、クラッチドラム2の中心軸に沿う方向に摺動可能になっており、このクラッチピストン9は、スプリング9aによって油圧室9b側に向かって付勢されている。
周知のとおり、セパレートプレート4は、その外周面に歯(外歯)が形成されており、クラッチドラム2の中心軸に沿う方向に摺動可能なように、クラッチドラム2の内周面にスプライン嵌合している。また、カーボンディスク5は、その内周面に歯(内歯)が形成されており、クラッチドラム2の中心軸に沿う方向に摺動可能なように、ハブ3の外周面にスプライン嵌合している。
前記した湿式多板クラッチ1に組み込まれた本実施形態に係る湿式摩擦部材、つまりカーボンディスク5は、次に説明する炭素繊維複合材料が、図2(a)に示すように切削加工されたものであって、前記したように環状の形状を有していると共に、その内周面には、ハブ3(図1参照)とスプライン嵌合させるための内歯8が形成されている。
図1に示すように、カーボンディスク5を備えた湿式多板クラッチ1において、このカーボンディスク5の気孔13(図2(b)参照)には、周知のとおり、ATF(オートマチックトランスミッションフルード)が入り込んでいる。そして、カーボンディスク5が、回転するセパレートプレート4及びリテーニングプレート4aに押し当てられていくと、カーボンディスク5は、セパレートプレート4及びリテーニングプレート4aに対して滑りながら接触する。
その一方で、カーボンディスク5(炭素繊維複合材料10(図2(b)参照))は、炭素繊維11(図2(b)参照)の体積分率(気孔13を除く)が、45%以上、80%以下、好ましくは55%以上という高い値になっている。つまり、炭素繊維11同士は、従来の湿式摩擦部材(炭素繊維複合材料)と比較して少ない量のマトリックス12(図2(b)参照)で接合されている。その結果、このカーボンディスク5では、従来の湿式摩擦部材(炭素繊維複合材料)と比較して、多くの気孔13を均一に含んだものとなる。したがって、このカーボンディスク5は、従来の湿式摩擦部材(炭素繊維複合材料)と比較して動的摩擦性能がより優れる。つまり、セパレートプレート4及びリテーニングプレート4aの回転力が、カーボンディスク5に効率良く伝達されるので、ジャダー振動が効果的に防止される。
また、このカーボンディスク5は、その気孔率が20%以上、70%以下となっているので、より確実に動的摩擦性能が向上する。
本実施形態に係る炭素繊維複合材料10は、湿式抄造工程と、成形工程と、焼成工程とを経て製造される。
炭素繊維11としては、例えば、ピッチ系炭素繊維、ポリアクリロニトリル系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維等が挙げられる。なお、炭素繊維の繊維長さ及び繊維径は特に限定されるものではない。また、樹脂としては、例えば、フェノール樹脂、フラン樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂が挙げられる。樹脂の粒子径は、0.3μm乃至300μm程度のものが使用されればよい。
添加剤としては、例えば、製紙や水処理に使用される粒子捕集剤が挙げられ、具体的には、ポリアクリルアミド、ポリエチレンオキサイド等の高分子凝集剤や、硫酸アルミニウム、ポリ塩化アルミニウム等の無機凝集剤、これら高分子凝集剤や無機凝集剤の混合物が挙げられる。
炭素繊維11及び樹脂の粒子12aの配合量としては、製造する炭素繊維複合材料10中の炭素繊維11の前記した体積分率に応じて適宜に設定すればよい。
(実施例1)
<炭素繊維複合材料の製造>
水にポリアクリロニトリル系炭素繊維(単繊維)及びレゾール型フェノール樹脂(平均粒径:24μm)の粉末を分散させ、粒子捕集剤(高分子凝集剤)としてのノニオン性ポリエチレンオキサイドを添加した。このときの炭素繊維及び樹脂の合計量に対する炭素繊維及び樹脂のそれぞれの配合比は、炭素繊維50質量%及び樹脂50質量%であった。
製造した炭素繊維複合材料を切削加工することによって、図2に示す形状のカーボンディスク5を作製すると共に、このカーボンディスク5について摩擦性能評価試験が行われた。
この摩擦性能評価試験では、まず、カーボンディスク5を、図1に示すセパレートプレート4と同様の2つのセパレートプレートで挟み、これらをSAE No.2試験機に組み込んだ。そして、面圧:0.95MPa、回転速度:2940rpm、イナーシャ:0.12kg・m2、試験油温:100℃、試験サイクル数:500サイクルの条件で摩擦性能評価試験を行うことによって、摩擦係数μ200及びμ1200を測定した。これらのμ200及びμ1200は、図4のSAE No.2試験機におけるトルク波形図に示されており、μ1200は回転速度1200rpm時の摩擦係数、μ200はトルクが急激に減少する直前の回転速度200rpm時の摩擦係数である。ここで、μはトルクを、クラッチが係合するときの面圧で除した値である。これらの摩擦係数は回転マスを止めるブレーキングテストによる。そして、測定したμ200及びμ1200から求めたμ200/μ1200の比(以下、単に「μ比」という)は、1.04であった。
また、この摩擦性能評価試験では、SAE No.2試験機を使用してカーボンディスク5のμS(静摩擦係数)が測定された(面圧:0.95MPa、回転速度:0.7rpm、試験油温:100℃)。カーボンディスク5のμSは、0.101であった。これらの結果を表1に示す。
実施例2〜実施例4では、炭素繊維及び樹脂の合計量に対する炭素繊維及び樹脂のそれぞれの配合比を、表1に示すように設定した以外は実施例1と同様にして炭素繊維複合材料が製造された。製造された各炭素繊維複合材料における炭素繊維の体積分率(気孔を除く)、気孔率を表1に示す。そして、製造した炭素繊維複合材料を切削加工することによって、図2に示す形状のカーボンディスク5を作製した。そして、このカーボンディスク5について実施例1と同様にして摩擦性能評価試験が行われた。その摩擦性能(μ比及びμS)の結果を表1に示す。
実施例5〜実施例8では、炭素繊維及び樹脂の合計量に対する炭素繊維及び樹脂のそれぞれの配合比を、表2に示すように設定した以外は実施例1と同様にして炭素繊維複合材料が製造された。製造された各炭素繊維複合材料における炭素繊維の体積分率(気孔を除く)、気孔率を表2に示す。そして、製造した炭素繊維複合材料を切削加工することによって、図2に示す形状のカーボンディスク5を作製した。そして、このカーボンディスク5について実施例1と同様にして摩擦性能評価試験が行われた。その摩擦性能(μ比及びμS)の結果を表2に示す。
図5は、実施例1〜実施例4で作製したカーボンディスク5における炭素繊維の体積分率と、μ比との関係を示すグラフ、図6は、実施例1〜実施例4で作製したカーボンディスク5における炭素繊維の体積分率と、μSとの関係を示すグラフ、図7は、実施例2及び実施例5〜実施例8で作製したカーボンディスク5における気孔率と、μ比との関係を示すグラフである。
図5に示すように、実施例1〜実施例4で作製した各カーボンディスク5は、動的摩擦性能の指標となるμ比が1.04以下になっており、ジャダー振動を防止する上で優れたものとなっている。そして、炭素繊維の体積分率(気孔を除く)が55%以上では、μ比が一段と低く、0.985以下になっている。また、図6に示すように、実施例1〜実施例4で作製した各カーボンディスク5は、μSが0.101以上となっている。したがって、実施例1〜実施例4で作製した各カーボンディスク5は、動的摩擦性能と静的摩擦性能との両方に優れている。
そして、図7に示すように、気孔率が上がる(オイル潤滑性が上がる)と、動的摩擦性能の指標としてのμ比が小さくなっており、気孔率が20%以上でμ比が1.04以下になっている。つまり、図5及び図7から明らかなように、炭素繊維の体積分率が45%以上であって、気孔率が20%以上のカーボンディスク5が最も好ましい。
5 カーボンディスク(湿式摩擦部材)
10 炭素繊維複合材料
11 炭素繊維
12 マトリックス
12a 樹脂の粒子
13 気孔
14 水(液体)
Claims (4)
- 炭素繊維と、
前記炭素繊維同士を接合するマトリックスと、
気孔とが含まれる炭素繊維複合材料であって、
前記気孔を除いた前記炭素繊維の体積分率が、45%以上、80%以下であることを特徴とする炭素繊維複合材料。 - 気孔率が、20%以上、70%以下であることを特徴とする請求項1に記載の炭素繊維複合材料。
- 炭素繊維と樹脂の粒子とを液体に分散させて、分散した状態を維持しながら前記炭素繊維と前記樹脂の粒子を凝集させ、前記液体のみを除去して前記炭素繊維に前記樹脂の粒子が均一に付着した固形分を得る湿式抄造工程と、
前記湿式抄造工程を経て得られた前記炭素繊維及び前記樹脂の粒子を含む固形分を加圧しながら加熱して成形する成形工程と、
前記成形工程を経て得られた前記固形分を焼成する焼成工程とを備えることを特徴とする炭素繊維複合材料の製造方法。 - 請求項1又は請求項2に記載の炭素繊維複合材料を使用したことを特徴とする湿式摩擦部材。
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