JP2019098626A - 炭素繊維プリフォーム及びｃ／ｃコンポジットブレーキディスク - Google Patents

Abstract

【課題】Ｃ／Ｃコンポジットブレーキディスクに用いた場合に、ブレーキング途中からの急激な動摩擦係数の低下を抑制し得る炭素繊維プリフォーム及びＣ／Ｃコンポジットブレーキディスクを提供する。【解決手段】Ｃ／Ｃコンポジットブレーキディスクを構成する炭素繊維プリフォーム１であって、複数のＰＡＮ系炭素繊維織物層２及び複数のＰＡＮ系炭素繊維フェルト層３とともに、ＰＡＮ系炭素繊維織物層２を構成するＰＡＮ系炭素繊維織物のＰＡＮ系炭素繊維よりも短い炭素繊維の束４ａをランダムに分散させて成るストランド分散層４が積層されている。ＰＡＮ系炭素繊維織物層２に、又は、ＰＡＮ系炭素繊維織物層２からＰＡＮ系炭素繊維フェルト層３及びストランド分散層４のいずれかの層にかけての一点鎖線Ｌの位置にブレーキ摺動面を形成する。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、航空機用のＣ／Ｃコンポジットブレーキに用いられる炭素繊維プリフォーム及びＣ／Ｃコンポジットブレーキディスクに関するものである。

従来、上記したＣ／Ｃコンポジットブレーキに用いられるＣ／Ｃコンポジットブレーキディスクとしては、例えば、複数の炭素繊維織物層及び複数の炭素繊維フェルト層を交互に積層して成る炭素繊維プリフォームを芯材として製造されたものがある。この炭素繊維プリフォームは、複数の炭素繊維織物層及び複数の炭素繊維フェルト層を積層方向のニードルパンチによって一体化させて成っている。

この従来におけるＣ／Ｃコンポジットブレーキディスクのブレーキ摺動面は、炭素繊維プリフォームの炭素繊維織物層及び炭素繊維フェルト層の互いの積層面に沿うようにして形成されており、このＣ／Ｃコンポジットブレーキディスクに類似する構成の摩擦ディスクが、特許文献１に記載されている。

特開平05-230748号

ところが、上記した従来におけるＣ／Ｃコンポジットブレーキディスクでは、炭素繊維プリフォームの炭素繊維織物層及び炭素繊維フェルト層の互いの積層面に沿うようにしてブレーキ摺動面が形成されているので、すなわち、炭素繊維織物層及び炭素繊維フェルト層の各層の炭素繊維がブレーキ摺動面とほぼ平行を成しているので、ブレーキングの際の摩耗量が少なく、ブレーキ摺動面が平滑化される。

したがって、従来におけるＣ／Ｃコンポジットブレーキディスクでは、図7のグラフに示すように、表面粗さRaが小さくなる（表面粗さが1.0μmよりも小さくなる）ことで、ブレーキ摺動面に黒鉛潤滑膜が形成され易くなって、ブレーキング途中から急激な動摩擦係数の低下が発生する虞があるという問題を有しており、この問題を解決することが従来の課題となっていた。

本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、Ｃ／Ｃコンポジット、例えば、Ｃ／Ｃコンポジットブレーキディスクに用いた場合に、ブレーキング途中からの急激な動摩擦係数の低下を抑制することができる炭素繊維プリフォーム及びＣ／Ｃコンポジットブレーキディスクを提供することを目的としている。

本発明の第１の態様は、Ｃ／Ｃコンポジットを構成する炭素繊維プリフォームであって、複数の炭素繊維織物層及び複数の炭素繊維フェルト層が積層された炭素繊維プリフォームにおいて、前記炭素繊維織物層を構成する炭素繊維織物の炭素繊維よりも短い炭素繊維の束をランダムに分散させて成るストランド分散層が前記複数の炭素繊維織物層及び複数の炭素繊維フェルト層とともに積層されている構成としている。

また、本発明の第２の態様は、請求項１に記載の炭素繊維プリフォームを芯材として製造されたＣ／Ｃコンポジットブレーキディスクであって、前記炭素繊維プリフォームの前記炭素繊維織物層に、又は、前記炭素繊維織物層から前記炭素繊維フェルト層及び前記ストランド分散層のいずれかの層にかけてブレーキ摺動面が形成されている構成としている。

本発明に係る炭素繊維プリフォームでは、短い炭素繊維の束をランダムに分散させてストランド分散層を複数の炭素繊維織物層及び複数の炭素繊維フェルト層とともに積層するようにしているので、炭素繊維織物層及び炭素繊維フェルト層に歪みを付与し得ることとなる。

また、本発明に係るＣ／Ｃコンポジットブレーキディスクでは、上記歪みが付与された炭素繊維プリフォームの炭素繊維織物層に、又は、炭素繊維織物層から炭素繊維フェルト層及びストランド分散層のいずれかの層にかけてブレーキ摺動面が形成されるので、ブレーキ摺動面に炭素繊維の切断面や端面が露出する。

つまり、ブレーキ摺動面に炭素繊維の切断面や端面が多数露出するので、ブレーキ摺動面の表面粗さが増してブレーキ摺動面に黒鉛潤滑膜が形成され難くなり、その結果、ブレーキング途中からの急激な動摩擦係数の低下を抑え得ることとなる。

本発明に係る炭素繊維プリフォームにおいて、炭素繊維織物層及び炭素繊維フェルト層に歪みを付与し得るので、Ｃ／Ｃコンポジット、例えば、Ｃ／Ｃコンポジットブレーキディスクに用いて、炭素繊維織物層に、又は、炭素繊維織物層から炭素繊維フェルト層及びストランド分散層のいずれかの層にかけてブレーキ摺動面を形成した場合には、ブレーキング途中からの急激な動摩擦係数の低下を抑制することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。

また、本発明に係るＣ／Ｃコンポジットブレーキディスクでは、ブレーキング途中からの急激な動摩擦係数の低下を抑えることが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。

本発明の一実施例による炭素繊維プリフォームの拡大断面説明図である。 図１の炭素繊維プリフォームを芯材とするＣ／Ｃコンポジットブレーキディスクの一製造工程説明図である。 図２のＣ／Ｃコンポジットブレーキディスクの製造工程を経て製造されたＣ／Ｃコンポジットブレーキディスクの外観説明図である。 図３のＣ／Ｃコンポジットブレーキディスクの部分拡大斜視図（ａ）及び拡大断面説明図（ｂ）である。 図３のＣ／Ｃコンポジットブレーキディスクのブレーキ試験に用いるブレーキ試験機の構成説明図である。 図５のブレーキ試験機を用いた図３のＣ／Ｃコンポジットブレーキディスクのブレーキ試験結果を示すグラフである。 表面粗さが小さくなるとブレーキ摺動面に黒鉛潤滑膜が形成され易くなる傾向を示すグラフである。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施例による炭素繊維プリフォームを示している。また、図２は、本発明の一実施例によるＣ／Ｃコンポジットブレーキディスクの製造工程の一例を示しており、図３，４は、本発明の一実施例によるＣ／Ｃコンポジットブレーキディスクを示している。

図１に示すように、この炭素繊維プリフォーム１は、複数のＰＡＮ系炭素繊維織物層２と、複数のＰＡＮ系炭素繊維フェルト層３と、複数の厚みが不均一のストランド分散層４を備えている。ＰＡＮ系炭素繊維織物層２はＰＡＮ系炭素繊維の織物であり、ＰＡＮ系炭素繊維フェルト層３はＰＡＮ系炭素繊維をフェルト化させたものである。一方、ストランド分散層４は、長さ100mm程度の多数のＰＡＮ系炭素繊維の束４ａを、例えば、空気の流れに乗せてＰＡＮ系炭素繊維フェルト上にランダムに分散させ、その上にＰＡＮ系炭素繊維フェルトを載せることで形成されるものとなっている。

この炭素繊維プリフォーム１は、複数のＰＡＮ系炭素繊維フェルト層３の各層間にＰＡＮ系炭素繊維織物層２及びストランド分散層４を交互に配置して成っており、最上層には、ＰＡＮ系炭素繊維フェルト層３が位置するように積層されている。

そして、この炭素繊維プリフォーム１の複数のＰＡＮ系炭素繊維織物層２，複数のＰＡＮ系炭素繊維フェルト層３及び複数のストランド分散層４は、複数本のニードル６による積層方向のニードルパンチによって一体化されており、ＰＡＮ系炭素繊維フェルト層３の層間に、厚みが均一でないストランド分散層４を介在させることで、ＰＡＮ系炭素繊維織物層２及びＰＡＮ系炭素繊維フェルト層３に歪みを付与するようにしている。

この場合、ＰＡＮ系炭素繊維織物層２，ＰＡＮ系炭素繊維フェルト層３及びストランド分散層４の各層数や相互の層数の比率や積層順は特に限定しない。
また、この実施例では、炭素繊維プリフォーム１の炭素繊維としてアクリル繊維を使ったＰＡＮ系炭素繊維を採用しているが、石油や石炭などの副生成物を使ったピッチ系炭素繊維を採用してもよい。

次に、この炭素繊維プリフォーム１を芯材とするＣ／Ｃコンポジットブレーキディスクの製造工程の一例を説明する。図２に示すように、まず、マトリックス形成工程ａにおいて、上記炭素繊維プリフォーム１を黒鉛上に置いた状態で処理液（シクロヘキサン等の炭化水素系溶媒）に浸漬させるのに続いて、誘導加熱等の加熱手段により加熱して処理液を熱分解して炭素繊維プリフォーム１内に炭素マトリックスを形成する。

なお、ここで開示した炭素マトリックス形成法は、膜沸騰（FB）法と呼ばれる手法であるが、炭素マトリックスの形成法はこの膜沸騰法に限定されるものではなく、他の形成法として、例えば、フェノール樹脂やピッチを含浸させて焼成炭化させる樹脂含浸焼成法を採用することができる。

次いで、熱処理工程ｂにおいて、形成後の炭素繊維プリフォーム１を加熱して、その熱処理温度により、炭素マトリックスの硬さ（摩耗量）や熱伝導率等をコントロールする。

そして、機械加工工程ｃにおいて、炭素マトリックスの硬さや熱伝導率等がコントロールされたブレーキディスク形状の炭素繊維プリフォーム１に機械加工を行ってＣ／Ｃコンポジットブレーキディスクを形成する。

この機械加工工程ｃにおいて、厚みが均一でないストランド分散層４を介在させることで歪みが付与された炭素繊維プリフォーム１に対して、ＰＡＮ系炭素繊維織物層２における図１の一点鎖線Ｌの位置で切削加工を行い、炭素マトリックスの硬さ等がコントロールされた炭素繊維プリフォーム１のＰＡＮ系炭素繊維織物層２に、又は、ＰＡＮ系炭素繊維織物層２からＰＡＮ系炭素繊維フェルト層３及びストランド分散層４のいずれかの層にかけてブレーキ摺動面を形成する。

図３及び図４から判るように、上記のようにして製造されたＣ／Ｃコンポジットブレーキディスク１０のブレーキ摺動面１１には、上記した炭素繊維プリフォーム１のＰＡＮ系炭素繊維織物層２及びＰＡＮ系炭素繊維フェルト層３に付与した歪みによって、ＰＡＮ系炭素繊維Ｃがランダムに配向している。

つまり、炭素繊維プリフォーム１のＰＡＮ系炭素繊維織物層２に、又は、ＰＡＮ系炭素繊維織物層２からＰＡＮ系炭素繊維フェルト層３及びストランド分散層４のいずれかの層にかけて形成されたブレーキ摺動面１１には、ＰＡＮ系炭素繊維Ｃの端面や切断面が表れていて、これらのＰＡＮ系炭素繊維Ｃの端面や切断面がブレーキ摺動面１１に対して適宜角度を持って配向されている。

したがって、ブレーキ摺動面１１に対して角度を持って配向されたＰＡＮ系炭素繊維Ｃの端面や切断面が露出することにより、ブレーキングの際にブレーキ摺動面１１が削られて摩耗量が増大して、動摩擦係数の安定化が図られることとなる。

そこで、上記した本実施例に係るＣ／Ｃコンポジットブレーキディスク１０に対して、ブレーキ試験を行った。比較のため、複数の炭素繊維織物層及び複数の炭素繊維フェルト層を交互に積層して成る炭素繊維プリフォームを芯材として製造された従来のＣ／Ｃコンポジットブレーキディスクに対しても、ブレーキ試験を行った。
本実施例に係るＣ／Ｃコンポジットブレーキディスク１０の芯材である炭素繊維プリフォーム１には、ＰＡＮ系炭素繊維織物層２及びＰＡＮ系炭素繊維フェルト層３に対するストランド分散層４の比率が質量比率で１．３：１のものを使用した。

このブレーキ試験は、本実施例に係るＣ／Ｃコンポジットブレーキディスク１０をロータディスクとして、このロータディスクにＣ／Ｃコンポジットブレーキディスク１０と同じ構成のステータディスクを押し付けて、減速度０．２Ｇ一定でロータディスクを回転摺動させて動摩擦係数の変化を観る試験である。

このブレーキ試験に用いるブレーキ試験機において、図５に示すように、ロータディスク１０Ｒ（Ｃ／Ｃコンポジットブレーキディスク１０）を支持する図示左側には、モータ２１と、プーリ２２及びベルト２３を介して伝達されるモータ出力により回転するロータ支持軸２４と、このロータ支持軸２４に取り付けられたフライホイール２５と、ロータ支持軸２４に対するモータ出力の伝達遮断を行うクラッチ２６が配置され、一方、ステータディスク１０Ｓを支持する図示右側には、油圧シリンダ３１と、搖動アーム３２を介して伝達される油圧シリンダ３１のロッド押し出し引き込み力により軸方向に移動するステータ支持軸３３が配置されている。

本実施例及び比較例の各ブレーキ試験の結果を図６に示す。
図６の実線で示すグラフから判るように、ブレーキ試験機の油圧シリンダ３１にロッド押し出し動作を行わせて、本実施例に係るロータディスク１０Ｒ（Ｃ／Ｃコンポジットブレーキディスク１０）に、ステータディスク１０Ｓを押し付けて（面圧１．７ＭＰａ）、減速度０．２Ｇ一定でロータディスク１０Ｒをモータ２１の出力により摺動回転させたところ、時間が経過しても減速度が０．２Ｇ付近で安定している、すなわち、動摩擦係数が低下せずに安定している。

これに対して、比較例に係るロータディスク（Ｃ／Ｃコンポジットブレーキディスク）では、図６の点線で示すグラフから判るように、ロータディスクにステータディスクを押し付けて（面圧１．７ＭＰａ）、減速度０．２Ｇ一定でロータディスクを摺動回転させたところ、１５秒を経過した辺りから減速度が著しく低下している、すなわち、動摩擦係数が著しく低下してブレーキが効かない状態になっている。

このことから、本実施例に係るロータディスク１０Ｒ（Ｃ／Ｃコンポジットブレーキディスク１０）では、従来のロータディスク（Ｃ／Ｃコンポジットブレーキディスク）と比較して、ブレーキング途中からの急激な動摩擦係数の低下を抑え得ることが実証できた。

上記したブレーキ試験において、ＰＡＮ系炭素繊維織物層２及びＰＡＮ系炭素繊維フェルト層３に対するストランド分散層４の質量比率が１．３：１の炭素繊維プリフォーム１を芯材とするロータディスク１０Ｒを対象としたが、本発明に係るＣ／Ｃコンポジットブレーキディスク１０の芯材である炭素繊維プリフォーム１において、ＰＡＮ系炭素繊維織物層２及びＰＡＮ系炭素繊維フェルト層３に対するストランド分散層４の質量比率は、１．３：１に限定されない。

本発明に係る炭素繊維プリフォーム及びＣ／Ｃコンポジットブレーキディスクの構成は、上記した実施例の構成に限定されるものではない。

１ 炭素繊維プリフォーム
２ ＰＡＮ系炭素繊維織物層（炭素繊維織物層）
３ ＰＡＮ系炭素繊維フェルト層（炭素繊維フェルト層）
４ ストランド分散層
４ａ ストランド分散層の炭素繊維の束
１０ Ｃ／Ｃコンポジットブレーキディスク
１０Ｒ ロータディスク（Ｃ／Ｃコンポジットブレーキディスク）
１０Ｓ ステータディスク（Ｃ／Ｃコンポジットブレーキディスク）
１１ ブレーキ摺動面
Ｃ ＰＡＮ系炭素繊維（炭素繊維）

Claims (2)

1. Ｃ／Ｃコンポジットを構成する炭素繊維プリフォームであって、
   複数の炭素繊維織物層及び複数の炭素繊維フェルト層が積層された炭素繊維プリフォームにおいて、
   前記炭素繊維織物層を構成する炭素繊維織物の炭素繊維よりも短い炭素繊維の束をランダムに分散させて成るストランド分散層が前記複数の炭素繊維織物層及び複数の炭素繊維フェルト層とともに積層されている炭素繊維プリフォーム。
2. 請求項１に記載の炭素繊維プリフォームを芯材として製造されたＣ／Ｃコンポジットブレーキディスクであって、
   前記炭素繊維プリフォームの前記炭素繊維織物層に、又は、前記炭素繊維織物層から前記炭素繊維フェルト層及び前記ストランド分散層のいずれかの層にかけてブレーキ摺動面が形成されているＣ／Ｃコンポジットブレーキディスク。

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