JP2013209281A - 炭素繊維強化炭化珪素系複合材及び制動材 - Google Patents

Abstract

【課題】強度及び靱性により優れた炭素繊維強化炭化珪素系複合材と、これを用いたブレーキディスク等の制動材を提供する。
【解決手段】平行状に配列した炭素短繊維とそれ以外の炭素成分とからなる束状の繊維集合体と、炭素と、珪素と、炭化珪素とにより構成され、前記繊維集合体は、その長さ方向に対する垂直断面形状が長径１ｍｍ以上かつ長径／短径比で１．５以上５以下の扁平状であり、かつ、前記繊維集合体が複数で主として２次元方向にランダム配向している炭素繊維強化炭化珪素系複合材を用いて、前記２次元方向を制動面として制動材を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭化珪素セラミックスを炭素繊維により強化した炭化珪素系複合材と、これを用いたブレーキディスク等に好適な制動材に関する。

ディスクブレーキは、制動装置の一種であり、主に、鉄道車両や自動車、自転車等に使用されている。車輪とともに回転するブレーキディスクを両面からブレーキパッドで挟み込むことによって摩擦力を発生させ、運動エネルギーを熱エネルギーに変換して制動する仕組みになっている。鉄道車両や自動車等のブレーキディスクは、通常、ステンレス鋼やクロム鋼等の鋼材が用いられている。

しかしながら、近年、走行性能の向上や燃費改善のため、車体重量やバネ下重量の軽減が要求されており、ブレーキディスクについても、鋼材よりも軽量な材質への変更が検討されている。このような材質の一つとして、軽量かつ高強度であることから、炭化珪素系セラミックスが注目されている。ただし、従来の炭化珪素セラミックスは、脆性材料であり、靱性がなく、衝撃のかかるブレーキディスクに適用するのに十分な特性を有していなかった。

そこで、高い損傷許容性を有する炭化珪素セラミックス材料とするために、炭素繊維や炭化珪素繊維との複合材料を用いることが検討されている。また、より高耐酸化性の炭化珪素セラミックス複合材料を得る方法としては、炭化珪素に溶融珪素を含浸させる方法が知られている。

例えば、特許文献１には、引張強度の向上のため、炭化珪素系複合材を２次元ランダム配向させたピッチ系炭素短繊維により強化することが記載されている。

特開２００７−３９３１９号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された炭化珪素系複合材は、シート化された炭素短繊維の積層体に樹脂及び／又はピッチを含浸させた炭素繊維強化炭素複合材に、珪素を含浸させたものであるため、前記炭素短繊維のシート間に珪素が層状に存在しやすく、亀裂が伸展し、全体としての強度や靭性が十分とは言えないものである。また、前記炭素短繊維は、解繊及び／又は分散されたもの同士が絡み合っているものであるため、前記炭素繊維強化炭素複合材の気孔率も高く、含浸させた珪素との接触部が増大し、繊維の珪化が進行しやすく、破壊靭性の低下が懸念される。

本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、強度及び靱性により優れた炭素繊維強化炭化珪素系複合材と、これを用いたブレーキディスク等の制動材を提供することを目的とするものである。

本発明に係る炭素繊維強化炭化珪素系複合材は、平行状に配列した炭素短繊維とそれ以外の炭素成分とからなる束状の繊維集合体と、炭素と、珪素と、炭化珪素とにより構成され、前記繊維集合体は、その長さ方向に対する垂直断面形状が長径１ｍｍ以上かつ長径／短径比で１．５以上５以下の扁平状であり、かつ、複数で主として２次元方向にランダム配向していることを特徴とする。
このような構成によれば、強度及び靱性により優れた炭素繊維強化炭化珪素系複合材を得ることができる。

前記炭素短繊維は、直径が７μｍ以上１５μｍ以下、長さが４ｍｍ以上１４ｍｍ以下であり、前記繊維集合体の長さ方向に対する垂直断面において、隣り合う炭素短繊維間の距離が１μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましい。
このような構成によれば、万一、該複合材に亀裂が入った場合でも、亀裂の伸展を効果的に防止することができる。

また、前記炭素繊維強化炭化珪素系複合材は、前記２次元方向に対して垂直な任意の断面において、前記炭素短繊維の占める面積比が３０％以上４５％以下、炭化珪素の占める面積比が４０％以上５９％以下、残部が珪素及び前記炭素短繊維以外の炭素成分であることが好ましい。
炭素繊維及び炭化珪素が前記複合材中に占める比率が上記範囲内であることにより、強度及び靱性をより高めることができ、かつ該複合材内部への亀裂の伸展をより的確に阻止することができる。

さらに、前記繊維集合体は、長さ４ｍｍ以上８ｍｍ以下の第１の繊維集合体と長さ１０ｍｍ以上１４ｍｍ以下の第２の繊維集合体からなり、前記２次元方向の任意の断面における前記第１の繊維集合体と前記第２の繊維集合体との面積比が９：１〜７：３の範囲内にあることが好ましい。
このように、長さの異なる２種の繊維集合体を混在させることにより、繊維集合体が長すぎて繊維集合体同士の隙間が大きくなることによって生じる亀裂の発生起点となる空隙あるいは珪素や炭化珪素の偏在部の多発を抑制できるため、亀裂の発生を抑えられ、長い繊維集合体の持つプルアウト効果も効率的に付与することができ、複合材全体の破壊靭性をさらに向上させることができる。

さらにまた、少なくとも表面から深さ５００μｍ以上、最大４０００μｍまでの表層部は、前記炭化珪素と、炭素短繊維及びそれ以外の炭素成分が珪化された炭化珪素との合計で５０ｗｔ％以上８０ｗｔ％であることが好ましい。
表層部の主構成成分が珪化により生成した炭化珪素であることにより、強度及び破壊靱性に優れ、かつ、耐酸化性及び耐熱衝撃性にもより優れた材料を構成することができる。

また、本発明に係る制動材は、上記の炭素繊維強化炭化珪素系複合材が用いられ、前記２次元方向の少なくとも一面を制動面とすることを特徴とする。
このような制動材とすれば、制動面に亀裂が発生した場合においても、該複合材内部への亀裂の伸展が阻止され、耐久性、摩擦係数持続性に優れた制動材を提供することができ、特に、ブレーキ材として用いた場合、軽量化による省スペース化が図れる。

本発明によれば、強度及び靱性により優れた炭素繊維強化炭化珪素系複合材を得ることができる。
したがって、前記複合材は、構造材として好適に用いることができ、さらに、摺動特性、耐酸化性及び耐摩耗性にも優れているため、軽量かつ高強度のブレーキディスク材等の制動材としても好適に用いることができる。

本発明に係る炭素繊維強化炭化珪素系複合材の断面の概念図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 １個の繊維集合体の長さ方向に対する垂直断面の概念図である。 炭素短繊維間の距離を示す概念図である。

以下、本発明について、図面を参照してより詳細に説明する。
本発明に係る炭素繊維強化炭化珪素系複合材は、平行状に配列した炭素短繊維とそれ以外の炭素成分とからなる束状の繊維集合体と、炭素と、珪素と、炭化珪素とにより構成され、前記繊維集合体は、その長さ方向に対する垂直断面形状が長径１ｍｍ以上かつ長径／短径比で１．５以上５以下の扁平状であり、かつ、前記繊維集合体が複数で主として２次元方向にランダム配向していることを特徴としている。

図１に、本発明に係る炭素繊維強化炭化珪素系複合材の断面の概念図を示す。図１において、本発明に係る複合材を構成する繊維集合体１は、図面のｘ方向とｙ方向とがなす２次元方向に対して、複数で主として２次元方向にランダム配向している。

ここで、「平行状に配列した炭素短繊維」の「平行状」とは、炭素短繊維が複数でその長さ方向に対して平行に配列されて束状になってはいるが、必ずしも全ての炭素短繊維が一方向に正確に揃っていることを要求するものではなく、炭素短繊維の一部が平行から外れて配列されていてもよいことを意味する。

また、「複数で主として２次元方向に」の「主として」とは、すべての繊維集合体が２次元方向、すなわち、完全に一平面上に配列した状態とすることではなく、図１に示すように、前記繊維集合体の長さ方向が、前記２次元方向（ｘｙ方向）から図面の奥行き方向（ｚ方向）に傾いている、もしくは屈折している繊維集合体を一部に含んでいてもよいことを意味する。

図２に、図１に示した複合材のＡ−Ａ断面図を示す。図２に示すように、「２次元方向にランダム配向」とは、図１における任意のｘｙ平面において、すべての繊維集合体１の長さ方向が一方向のみに配列しているのではなく、前記長さ方向がランダムな方向を向いていることを意味する。

上記のような前記繊維集合体が主として複数で２次元方向にランダム配向した状態は、従来のような炭素繊維シートを積層した状態と、炭素繊維が無配向（３次元ランダム）である状態との中間的な構造である。このような２次元ランダム配向は、炭素繊維がシートや織物状に構成された場合又は無配向（３次元ランダム）の場合に比べて、該繊維集合体の充填密度を高くすることができ、該複合材の表面に生じた亀裂の伸展による破断の抑制効果が向上する。

シートや織物状に構成された繊維は、シート間等に隙間ができやすいため、製造の際、焼成時に割れやすく、また、珪素含浸時に該隙間に珪素が侵入しやすくなり、強度が低下する。特に、該複合材を制動材として使用した場合、層間剥離を起こしやすい。
また、炭素繊維が任意の平面で一方向のみに配向している場合も、該複合材は該繊維の長さ方向に割れやすい。
これらに対して、上記のような２次元ランダム配向であれば、層間剥離や繊維の長さ方向への割れがほとんど発生しないため、複合材全体の強度の均一化かつ向上を図ることができる。

なお、繊維強化複合材は、繊維の長さ方向に対して熱が伝わりやすいことから、繊維の配向性が高い方向に対して熱伝導率が高くなる。このため、熱伝導方向の調整のため、構造材等の設計仕様に応じて繊維の配向性を調整することがある。
本発明に係る炭素繊維強化炭化珪素系複合材は、複数の繊維集合体が主として２次元方向にランダム配向した繊維集合体であるため、該２次元方向と垂直方向のそれぞれの熱伝導率に差を持たせることができ、放熱特性や熱応力に対する最適設計が容易となる。

前記繊維集合体は、炭素短繊維とそれ以外の炭素成分とからなり、前記炭素短繊維が長さ方向に平行に配列した束状の繊維集合体をなしている。
強化繊維である炭素繊維を、このような炭素短繊維の集合体とすることにより、複合体中に均一に分散されやすく、繊維強化された複合材が衝撃を受けて表面に亀裂が生じた場合においても、前記繊維集合体において応力が分散され、亀裂の伸展が阻止され、該複合材全体が破断することを防止することができる。

図３に、前記繊維集合体の１個の長さ方向に対する垂直断面の概念図を示す。図３に示すように、１個の繊維集合体１の垂直断面形状は、長径が１ｍｍ以上で、長径Ｌ／短径Ｓ比が１．５以上５以下の扁平状である。

繊維集合体の長さ方向に対する垂直断面形状が、このように扁平状であることにより、繊維集合体の充填密度をより高めることができ、表面に生じた亀裂の伸展を阻止する効果の向上を図ることができる。
前記Ｌ／Ｓ比が１．５未満の場合、繊維の断面形状が真円に近くなり、充填密度が低くなる。一方、５を超える場合、扁平すぎて短径の長さが不足するため、繊維集合体によって亀裂の伸展を十分に阻止することが困難となる。

前記炭素短繊維は、直径が７μｍ以上１５μｍ以下、長さが４ｍｍ以上１４ｍｍ以下であることが好ましい。
直径を７μｍ以上とすることで、該炭素短繊維の長さ方向に対して垂直な方向（径方向）への亀裂の伸展が抑制され、直径を１５μｍ以下とすることで、体積あたりの繊維数量が十分に存在するため、該炭素短繊維の長さ方向に衝撃応力をより十分に分散させることができる。
また、長さを４ｍｍ以上とすることで、プルアウト長がより適切に確保されて靭性低下の防止効果が向上し、長さを１４ｍｍ以下とすることで、繊維集合体の充填密度がより適切に確保され、繊維集合体同士の隙間に亀裂が伸展しにくくなる。
したがって、炭素短繊維がこのような直径及び長さであれば、結果として、強化材としての効果をさらに高くすることができる。

また、前記炭素繊維集合体の長さ方向に対する垂直断面において、隣り合う炭素短繊維間の距離が１μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましい。
図４に炭素繊維間の長さ方向に対する垂直断面を拡大した概念図を示す。
図４に示すように、隣り合う炭素短繊維間の距離をＣとした場合、Ｃを１μｍ以上とすることで、該繊維集合体を構成する炭素短繊維が密になりすぎず、該複合材の亀裂の発生に伴う応力に対する繊維のプルアウトが生じやすいので、十分な耐久性が得られやすい。また、Ｃを２０μｍ以下とすることで、炭素短繊維間に亀裂が伸展する確率を低減させることができ、亀裂の伸展をより確実に阻止できる。

前記複合材は、前記繊維集合体が配向している２次元方向に対して垂直な任意の断面において、前記炭素短繊維の占める面積比が３０％以上４５％以下、炭化珪素の占める面積比が４０％以上５９％以下、残部が珪素及び前記炭素短繊維以外の炭素成分であることが好ましい。
前記炭素短繊維の占める面積比を３０％以上とすることで、炭素短繊維によって亀裂の伸展をより十分に阻止することが可能となり、該複合材の靱性がさらに向上する。また、面積比を４５％以下とすることで炭素繊維が過剰にならず、強度を確保しやすい。
また、炭化珪素の占める面積比を４０％以上とすることで、該複合材の強度低下を適切に抑えられる。また、炭化珪素の占める面積比を５９％以下とすることで、脆い炭化珪素による該複合材の靱性低下や亀裂の伸展の影響をより低くすることができる。
なお、残部は珪素及び前記炭素短繊維以外の炭素成分からなる。このうち、珪素は脆いため、靱性を低下させて亀裂の伸展を招く要因となることから、できる限り少ないことが好ましい。

さらに、前記繊維集合体は、長さ４ｍｍ以上８ｍｍ以下の第１の繊維集合体と長さ１０ｍｍ以上１４ｍｍ以下の第２の繊維集合体からなり、前記２次元方向の任意の断面における前記第１の繊維集合体と前記第２の繊維集合体との面積比が９：１〜７：３の範囲内にあることが好ましい。
前記繊維集合体は、長すぎると繊維集合体同士の隙間が大きくなり、この隙間に亀裂が伸展しやすくなるが、上記のように、比較的短めの繊維集合体と長めの繊維集合体とを混在させることにより、プルアウト効果が効率的に付与され、複合材全体の破壊靭性をより向上させることが可能となる。

さらにまた、少なくとも表面から深さ５００μｍ以上、最大４０００μｍまでの表層部は、前記炭化珪素と、炭素短繊維及びそれ以外の炭素成分が珪化された炭化珪素との合計で５０ｗｔ％以上８０ｗｔ％であることが好ましい。
このように、前記複合材の表層部は、主たる構成成分が珪化により生成した炭化珪素であることにより、強度及び破壊靱性に優れているのみならず、表層部の耐酸化性が向上し、熱衝撃性にも優れた材料を構成することができる。

前記表層部の範囲を深さ５００μｍ以上とすることで、表層部の耐酸化性がより十分となり、深さを４０００μｍ以下とすることで、表層部と表層部より深い領域との熱膨張係数差による応力が過大になることがなく、該複合材全体が破壊するおそれが低くなる。
また、前記表層部における炭化珪素を５０ｗｔ％以上とすることで、より十分な耐酸化性を確保でき、８０ｗｔ％以下とすることで、炭化珪素による靱性低下の影響もより低く抑えられる。

前記表層部の炭化珪素は、炭素短繊維とそれ以外の炭素成分が、珪素含浸によって珪化して生成したものであることが好ましい。
このようにして生成した炭化珪素は、該複合材の製造時において、各構成成分の熱膨張係数の違いに起因する変形や亀裂が生じにくく好ましい。

上記のような複合材は、炭素短繊維からなる繊維集合体と、加熱分解により炭素成分を生成するバインダと、炭化珪素粉末との混合物を熱加圧成形した後、焼成し、得られた焼成体に溶融した珪素を含浸させることにより得ることができる。
前記バインダや分散媒等は、従来の炭素繊維強化炭化珪素複合材の製造において公知の材料を用いることができる。例えば、前記バインダとしては、フェノール系樹脂、フラン系樹脂、芳香族アルコール等が挙げられ、また、前記分散媒としては、エタノールや水等が挙げられる。

また、表層部において珪化により生成した炭化珪素の割合が多い複合材を製造する場合には、炭素短繊維の繊維集合体に混合する前記樹脂の種類や濃度を変化させたものを表層部の構成材料として用い、上記と同様の成形、焼成及び含浸工程を経ることにより、表層部とその内部との前記炭化珪素の割合が異なるものとすることができる。

なお、前記複合材に含まれる繊維集合体は、上記製造時の原料混合工程、成形工程において、軟化状態で荷重が加えられることにより、２次元ランダム配向とすることができ、前記繊維集合体の長さ方向に対する垂直断面形状も、所定の扁平状とすることができる。具体的には、下記実施例に示すような工程により、本発明に係る複合材を製造することができる。

上記のような本発明に係る複合材は、前記繊維集合体が配向する２次元方向を制動面として、特に、鉄道車両や自動車等のブレーキディスク等の制動材に好適に適用することができる。
このような制動材によれば、制動材が摺動時に発生する応力を前記繊維集合体によって吸収し、かつ、その配向する２次元方向に分散させるため、制動面に亀裂が発生した場合においても、該複合材内部への亀裂の伸展を阻止することができ、優れた制動性能を発揮し得る。また、前記制動材は、耐酸化性及び耐熱衝撃性にも優れ、さらに、ブレーキディスクにおいて要求される耐摩耗性も十分に備えている。
なお、このような効果は、前記繊維集合体の長さ方向に対する垂直断面の扁平状の長径方向を、前記２次元方向に平行となるように構成することで、より顕著となる。

前記制動材は、密度が２．４ｇ／ｃｍ³以上２．８ｇ／ｃｍ³以下、弾性率が１１０ＧＰａ以上１７６ＧＰａ以下、曲げ強度が１５０ＭＰａ以上３８３ＭＰａ以下であることが好ましい。
このような特性を有していることにより、軽量でありながら、耐久性に優れた制動材を提供することができる。

以下、本発明の好ましい実施形態を実施例に基づいて説明するが、本発明は、下記実施例により限定されるものではない。
以下に示すような炭素繊維強化炭化珪素系複合材の各試料を作製し、評価を行った。

［試料１〜５］
繊維集合体原料としてピッチ系炭素短繊維（６０００本束、長さ６ｍｍ）を用いた。ピッチ系炭素短繊維が十分に浸る量の樹脂材料（レジンをエタノールで５０ｗｔ％に希釈したもの）に、このピッチ系炭素短繊維を浸漬し、そのまま１時間放置した。その後、該樹脂材料が含浸されたピッチ系炭素短繊維を取り出し、加圧しながら、乾燥オーブンにて５０℃で３００分乾燥させ、ピッチ系炭素短繊維からなる繊維集合体を得た。
次に、このピッチ系炭素短繊維の繊維集合体４０重量部に対して、炭化珪素粉末（スタルク社製ＢＦ−１５）２０重量部、フェノール樹脂４０重量部にエタノール適量を混合し、スラリーを調製した。このスラリーを、５０℃で５時間乾燥させ、続いて１５０℃、１００Ｎ／ｃｍ²で熱加圧成形した後、１０００℃で１次焼成し、さらに、２０００℃で２次焼成した。
そして、得られた焼成体に、減圧下、１６００℃で珪素を含浸させることにより、繊維集合体が下記表１の試料１〜５に示すような長径／短径比であり、２次元ランダム配向した複合材を作製した。

［試料６］
試料１と同様の繊維集合体原料を用いて、該樹脂材料が含浸されたピッチ系炭素繊維を加圧無しで乾燥し、それ以外は試料１〜５と同様にして、繊維集合体の長径／短径比が１．０であり、３次元ランダム配向した複合材を作製した。

［試料７］
繊維集合体原料として、ピッチ系炭素長繊維を用いて、織物シートを作製し、フェノール樹脂のエタノール溶液を含浸させた後、乾燥させた。これを積層した後、試料１〜５と同様の成形、焼成及び含浸工程を経て、繊維集合体の長径／短径比が２．０であり、２次元ランダム配向した複合材を作製した。

上記において作製した各試料について、以下のような各種評価を行った。
［曲げ強さ］
各試料から３ｍｍ×４ｍｍ×４０ｍｍの試験片を作製し、ＪＩＳ Ｒ １６０１による方法で、クロスヘッドスピードを０．５ｍｍ／ｍｉｎとして３点曲げ強さを測定した。
［破壊エネルギー］
各試料の３ｍｍ×４ｍｍ×４０ｍｍの試験片の中央部に、厚さ０．１ｍｍのダイヤモンドブレードを用いて深さ約２ｍｍのストレートノッチを形成し、ＪＣＲＳ ２０１による方法で、破壊エネルギーの測定を行った。支点間距離は３０ｍｍ、荷重点のクロスヘッドスピードは０．０１ｍｍ／ｍｉｎとし、最大荷重値の５％までの単位面積当たりの破壊仕事（Ｊ／ｍ²）を求めた。
表１にこれらの評価結果をまとめて示す。

表１に示した結果から分かるように、試料２〜５は、曲げ強さが２００ＭＰａ前後、かつ、破壊エネルギーが１５００Ｊ／ｍ^２前後であるのに対して、試料１，６は、曲げ強さが１３８〜１４２ＭＰａ、かつ、破壊エネルギーが６４７〜６８７Ｊ／ｍ^２であり、曲げ強さ、破壊エネルギーのいずれについても、試料２〜５のほうが高い値を示した。
また、試料７は、破壊エネルギーは試料２〜５に匹敵するものであったが、曲げ強さでは劣るものであった。
これらの結果から、主として２次元方向にランダム配向した断面が扁平状の繊維集合体による、本発明の効果が認められたと言える。
なお、上記表１の試料１〜５の繊維集合体に、炭化珪素粉末を添加せずに、それ以外は試料１〜５と同様にしてスラリーを調製して作製した複合材においても、試料１〜５と同等以上の曲げ強さ及び破壊エネルギーが得られた。

［試料８〜１０］
上記において作製した試料３（繊維集合体の長径０．５μｍ、長さ１０ｍｍ、隣り合う炭素短繊維間の距離１μｍ）を基準として、下記表２の試料８〜１０に示すような繊維集合体の長径、長さ及び隣り合う炭素短繊維間の距離であり、それ以外については試料３と同じ条件である複合材を作製した。
各試料について、上記と同様にして、曲げ強さ及び破壊エネルギーの評価を行った。
表２にこれらの評価結果をまとめて示す。

表２に示した結果から分かるように、試料９，１０は、試料３と同等の曲げ強さ及び破壊エネルギーを示したが、試料８は破壊エネルギーが、試料１１は曲げ強さ及び破壊エネルギーの両方が、試料３に劣るものであった。
このことから、炭素短繊維の直径、長さ及び間隔が小さくなる条件（試料８）では、炭素繊維密度が小さくなり、破壊エネルギーが低下し、また、炭素繊維の直径、長さ及び間隔が大きくなる条件（試料１１）では、炭素繊維密度が大きくなり、曲げ強さも低下したと考えられる。

［試料１２〜１５］
上記において作製した試料３（前記２次元方向に対して垂直な断面において占める各構成成分の面積比が、炭素短繊維４０％、炭化珪素５０％、珪素及び前記炭素短繊維以外の炭素成分１０％）を基準として、下記表３の試料１２〜１５に示すような各構成成分の面積比を持ち、それ以外については試料３と同じ条件である複合材を作製した。
なお、面積比の測定は、各試料の断面を光学顕微鏡に偏光フィルターをかけて各材料を識別し、顕微鏡視野１００μｍ×１００μｍ内を撮影し、画像解析して行った。
各試料について、上記と同様にして、曲げ強さ及び破壊エネルギーの評価を行った。
表３に、これらの評価結果をまとめて示す。

表３に示した結果から分かるように、試料１３，１４は、試料３と同等の曲げ強さ及び破壊エネルギーであった。また、試料１５は、曲げ強さが試料３に劣るものであった。
このことから、炭素短繊維の割合によって、その長所である靱性（破壊エネルギー）向上と短所である強度（曲げ強さ）の影響が明確となることが示された。

［試料１６］
繊維集合体原料として、長さ４ｍｍ以上８ｍｍ以下の第１の繊維集合体と長さ１０ｍｍ以上１４ｍｍ以下の第２の繊維集合体とを混合して用い、前記２次元方向の断面における前記第１の繊維集合体と前記第２の繊維集合体との面積比が８：２であり、それ以外については試料３と同じ条件である複合材を作製した。

［試料１７］
試料３と同様にして、繊維集合体を得た。この繊維集合体１５重量部に対して、炭化珪素粉末（スタルク社製ＢＦ−１５）２０重量部、フェノール樹脂４０重量部、エタノール適量を添加して混合し、スラリーを調製した。
このスラリーを成形体の表層部の形成に用い、また、試料３の作製において調製したスラリーを成形体の表層部よりも内部（基材）の形成に用い、１５０℃、１００Ｎ／ｃｍ²で熱加圧成形した後、１０００℃で１次焼成し、さらに、２０００℃で２次焼成した。
そして、得られた焼成体に、減圧下、１６００℃で珪素を含浸させることにより、基材（内部）が試料３（炭化珪素が占める割合が３５ｗｔ％）と同様の構成であり、表面から深さ１ｍｍまでの表層部は、炭素短繊維及びそれ以外の炭素成分が珪化された炭化珪素が占める割合が７０ｗｔ％である複合材を作製した。

試料１６，１７について、上記と同様にして、曲げ強さ及び破壊エネルギーの評価を行った。
また、試料３，１７については、ＪＩＳ Ｒ １６０９を参考に、９ｍｍ×１２ｍｍ×１２０ｍｍに加工した試料について、１０００℃における耐酸化性評価を行い、酸化後の重量減少率を求めた。
表４に、これらの評価結果をまとめて示す。

表４に示した結果から分かるように、試料１６は、試料３に比べて優れたものであり、特に破壊エネルギーが２０００Ｊ／ｍ²を超えている点で一段と優れたものであった。
このことから、繊維集合体の持つ特性を最適化することによって、特に破壊エネルギーを向上させることができることが示された。
また、表層部においてケイ化により生成した炭化珪素の割合が７０％である試料１７は、酸化による重量減少率が０．４％と低く、酸化により消失した炭素分が少ないことから、耐酸化性が高いことが認められた。

［試料１８〜２１］
試料１７と同様にして、表面から深さ１ｍｍまでの表層部に占める炭素短繊維及びそれ以外の炭素成分が珪化された炭化珪素が、下記表５の試料１８〜２１に示すような割合であり、それ以外については試料１７と同じ条件である複合材を作製した。
各試料について、上記と同様にして、曲げ強さ及び破壊エネルギーの評価を行った。
表５に、これらの評価結果をまとめて示す。

表５に示した結果から分かるように、試料１８は曲げ強さが、試料２１は破壊エネルギーが、それぞれ試料３と比べて劣るものであった。一方、試料１９〜２０は、曲げ強さ及び破壊エネルギーともに試料３と遜色ないものであった。
表３では、炭素繊維の割合による複合材の特性の変化が示されたが、表５では、表層部の炭化珪素の割合による複合材の特性の変化が示された。

１ 繊維集合体
２ 炭素短繊維

Claims (6)

1. 平行状に配列した炭素短繊維とそれ以外の炭素成分とからなる束状の繊維集合体と、炭素と、珪素と、炭化珪素とにより構成され、
   前記繊維集合体は、その長さ方向に対する垂直断面形状が長径１ｍｍ以上かつ長径／短径比で１．５以上５以下の扁平状であり、かつ、複数で主として２次元方向にランダム配向していることを特徴とする炭素繊維強化炭化珪素系複合材。
2. 前記炭素短繊維は、直径が７μｍ以上１５μｍ以下、長さが４ｍｍ以上１４ｍｍ以下であり、前記繊維集合体の長さ方向に対する垂直断面において、隣り合う炭素短繊維間の距離が１μｍ以上２０μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の炭素繊維強化炭化珪素系複合材。
3. 前記２次元方向に対して垂直な任意の断面において、前記炭素短繊維の占める面積比が３０％以上４５％以下、炭化珪素の占める面積比が４０％以上５９％以下、残部が珪素及び前記炭素短繊維以外の炭素成分であることを特徴とする請求項１又は２に記載の炭素繊維強化炭化珪素系複合材。
4. 前記繊維集合体は、長さ４ｍｍ以上８ｍｍ以下の第１の繊維集合体と長さ１０ｍｍ以上１４ｍｍ以下の第２の繊維集合体からなり、前記２次元方向の任意の断面における前記第１の繊維集合体と前記第２の繊維集合体との面積比が９：１〜７：３の範囲内にあることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の炭素繊維強化炭化珪素系複合材。
5. 少なくとも表面から深さ５００μｍ以上、最大４０００μｍまでの表層部は、前記炭化珪素と、炭素短繊維及びそれ以外の炭素成分が珪化された炭化珪素との合計で５０ｗｔ％以上８０ｗｔ％であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の炭素繊維強化炭化珪素系複合材。
6. 請求項５記載の炭素繊維強化炭化珪素系複合材が用いられ、前記表層部の２次元方向の少なくとも一面を制動面とすることを特徴とする制動材。

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