JP2699178B2 - ブレーキディスク - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （イ）産業上の利用分野 本発明は炭素繊維を用いたブレーキディスクに関す
る。

本発明は金属製のブレーキディスクに代替使用され得
る、炭素繊維成型品のブレーキディスクである。本発明
のブレーキディスクは製造が容易で、軽量かつ比較的安
価であるため、航空機用のブレーキに用いて優れた性能
を示す。

（ロ）従来の技術 ブレーキディスクは従来主として金属によって作られ
ていた。金属製のブレーキディスクは丈夫で、高速時の
制動性能が優れているため、鉄道用に広く用いられてい
る。航空機用にも高速制動性能が優れているため、多く
用いられているが、重いことが欠点とされる。

このような問題を解決するために、ブレーキディスク
を炭素繊維強化炭素成形物で作ることが試みられてい
る。このブレーキディスクは確かに軽量でかつ丈夫であ
るが、炭素繊維物を円形に裁断したものを多数重ね合わ
せたもの、あるいは炭素繊維の三次元織物等に、炭素の
前駆物質を含浸させて炭化したものであるため、加工工
程が多く、高価である。

従来の炭素繊維強化炭素成形物を用いたブレーキディ
スクは、炭素繊維の織物を種々の炭化性物質によって固
化させた後炭化させたものであって、炭素繊維は主に繊
維軸を摺動面にほぼ平行に近く配列させている。このよ
うな配列の場合、炭素繊維は強い自己潤滑性を持ち、そ
のため摺動面の摩擦係数が非常に低い問題がある。また
熱伝導率が低く、制動時にブレーキ温度が高くなり易い
問題がある。

ブレーキ温度が高くなり過ぎると、ある温度から制動
効果が急減する事があるなど、性能が不安定になる。

ブレーキあるいはブレーキライニングに金属が使用さ
れている場合、制動効果の急減は、金属が酸化されて摩
擦係数が急減するためと推定される。ブレーキあるいは
ブレーキライニングが非金属の材料である場合、材料に
吸着している気体が脱出する等の機構で表面粗さが急変
し、あるいは摺動面に気体が入り込んで部材を浮き上が
らせて、摩擦係数が急減すると推定される。又高温に長
時間さらされると炭素成形物は表面から酸化されて気化
し、徐々に減量する欠点がある。

炭素繊維の熱伝導率は繊維軸方向には大きいが、繊維
断面方向には小さく、極端な異方性を持っている。これ
は黒鉛結晶の異方性に起因するものと推定される。ブレ
ーキの摺動面に発生する摩擦熱は、ブレーキ及びブレー
キライニングを通して伝導により発散するが、この際炭
素繊維の配列により成型品の熱伝導率の異方性が生じ
る。

従来の炭素成形物では、炭素繊維が摺動面にほぼ平行
に配列しているため、熱は摺動面の周辺方向には早く伝
達するが、成形物の深い部分には早く伝達しない。その
ため熱が摺動面の中央に集積し、高温になるためブレー
キ性能の低下が起こり易い。

（ハ）発明が解決しようとする課題 本発明は従来ブレーキディスクに広く用いられている
金属材料の重量が大きい問題、ならびに炭素繊維織物を
補強成分とした炭素炭素複合材料の加工工程が長く高価
である問題を解決することを目的とする。

炭素炭素複合材料は耐熱性及び強度の優れた材料であ
り、金属に比べて軽量である利点があるが、ブレーキあ
るいはブレーキライニングとして使用し難い欠点であ
る。自己潤滑性が強過ぎるため制動力を大きくし難い問
題、及び熱伝導率が低いため制動時にブレーキ温度が高
くなり易い問題、及び耐酸化性がやや弱く、使用時にさ
らされる高温により酸化劣化しやすい問題を解決するこ
とが求められる。

又従来のブレーキあるいはブレーキライニングに使用
される炭素炭素複合材料は、成形加工の再現性、均一性
の確保のため、補強用の炭素繊維を主に織物として使用
している。織物構造を有する欠点としては、構造が複雑
なため織物を接着硬化させる成分から、炭化過程で生じ
る気泡が抜け難い事が指摘される。又補強繊維の前加工
として、加工性の良くない炭素繊維を製織する長い工程
を通すこと、接着硬化させる成分の炭化及び含浸の反復
による空孔除去の、長い工程を通すことなどから、コス
トが高い問題がある。

（ニ）課題を解決する手段 本発明は補強及び／又は摩擦増強材料と共に、又はこ
れらの材料なしに、炭素繊維シート中の少なくとも一部
の軸方向が柱状体のほぼ軸方向を向くように炭素繊維シ
ートを同心円状に柱状体を形成するように重ね合わせる
か又は柱状体を形成するように巻き硬化性の結合剤で又
は結合剤なしで炭素繊維どうし、及び炭素繊維と上記材
料を接着し必要ならば炭化して得られる柱状物の軸に垂
直な断面を摩擦面とするブレーキディスクに関する。

本発明のブレーキディスクは、接着剤としてピッチ等
のほか熱硬化性樹脂を硬化させ接着したものを炭化した
ものであっても良いが、好ましくはその接着硬化成分が
炭化しているものである。ブレーキディスクは制動の際
にはかなり高温にさらされるので、炭化性の熱硬化性樹
脂によって接着硬化したものである場合、使用によって
炭化が進行し、耐熱性は向上するが、炭化の進行した部
分が収縮を起こし、歪みやひび割れを生じるので、使用
前に炭化を完了させることが好ましい。

本発明のブレーキディスクにおいて、材料である炭素
繊維シートは炭素繊維を重ね合わせて出来る不織布であ
ることが好ましい。

本発明のブレーキディスクは好ましくは炭素繊維シー
トをロール状に巻き上げながら積層するか、あるいは芯
体の上に巻き付けて積層し、接着硬化させて製造する。
この時に他種の補強及び／又は摩擦増強成分をシート間
に挟み込んで接着硬化させてもよい。他種の補強及び／
又は摩擦増給成分としては炭素繊維の一方向配列シー
ト、炭素繊維の織物あるいは別の材料で出来た不織布、
金網、砂、セラミックス粒子等である。

本発明のブレーキディスクの製造の際に炭素繊維シー
トを巻きながら積層する方法の、一つの実施態様を第１
図に示す。炭素繊維シート１に結合剤（バインダー）を
含浸させた後、巻き芯２の上に巻き付け、硬化及び炭化
を行う。

この実施態様ではバインダーを炭素繊維シート１に含
浸させて積層するが、バインダーは別にシート状の形態
で炭素繊維シートと重ね合わせ、積層する事も可能であ
り、また炭素繊維シートを積層した後にバインダーを含
浸させることも可能である。

この際にあらかじめ所定ディスク寸法に合わせて一定
幅に切り出した炭素繊維シートを巻いて積層しても、成
形途中あるいは成形後に炭素繊維シートの巻き物を所定
のディスク寸法に切り出しても良い。

接着硬化に用いるバインダーとしては、フェノール樹
脂やフラン樹脂のような熱硬化性樹脂、特に炭化し易い
熱硬化性樹脂、ピッチのような易炭化性材料が用いられ
る。

本発明のブレーキディスクは炭素繊維の少なくとも一
部が摺動面にほぼ垂直に近い方向に向いているので、摩
擦する相手となる金属に対する摩擦係数が高く、摩耗も
少ない利点がある。又炭素繊維は繊維軸方向の熱伝導率
が高いため、ディスク内部に速く熱が伝わり、ブレーキ
温度が上がり難い利点がある。

本発明のブレーキディスクの材料である炭素繊維シー
トを、炭素繊維不織布で構成する場合、該炭素繊維不織
布はピッチ系の炭素繊維を用いるものであることが好ま
しい。又ピッチはメソフェーズピッチであることがさら
に好ましい。また炭素繊維は2000℃以上の高温の炭化処
理を施したものであることがさらに好ましい。メソフェ
ーズピッチ系の炭素繊維で高温の炭化処理を行ったもの
は、繊維軸方向の熱伝導率が大きく、銅や銀には劣るも
のの、アルミニウム、マグネシウム、亜鉛のようなかな
り熱伝導率が大きい金属に匹敵する値を示す。

本発明のブレーキディスクの材料である炭素繊維は、
ピッチの熔融紡糸に連続して紡糸される糸を重ね合わせ
てシート化した不織布の形態であることがさらに好まし
い。このようなシートは、製造工程が短いためコストが
低く、品質の均一性が優れている。熔融紡糸に連続して
シート化する不織布の製造方法は、通常の紡糸口金から
紡出し、気流もしくはローラーによって索引するスパン
ボンド式の紡糸方法、高速気流の中の出口を有する紡糸
孔もしくはスリットから紡出するメルトブロー式の紡糸
方法、高速回転するポットから遠心力により散布して液
流化する遠心紡糸法の、いずれかにより製造することが
好ましい。中でも特にメルトブロー法が好ましい。

メルトブロー法にはスリット状の高速気流の吐出孔の
中に、紡糸孔を一列に並べる方法あるいはスリットを設
ける方法、及び孔状の高速気流の吐出孔の中に紡糸孔を
１個ないし数個設ける方法が知られているが、本発明に
対してはいずれの方法も使用することが出来る。

本発明に使用する炭素繊維不織布の原料ピッチは、熔
融紡糸及び不融化処理が可能な高軟化点ピッチである。
ピッチは等方性のものであっても良いが、光学異方性の
ものであることが更に好ましい。本発明に使用するピッ
チは１種類であっても良く、又２種類以上を用いること
も可能である。

紡糸液としての２種類以上のピッチの混合は、紡糸調
子の上で好ましくないが、別々の紡糸孔から別の種類の
ピッチを紡糸することにより、あるいは別の種類のピッ
チ繊維を混合することにより、不融化反応速度の異なる
ピッチ繊維の混合物とし、不融化の遅い繊維を不完全に
不融化したピッチ繊維とし、不融化の遅い繊維をバイン
ダーの代わりに使用することも出来る。

炭素繊維シートの形状保持のためには、繊維間の絡合
を利用する方法も用い得るが、本発明の場合、繊維間の
接着によることが好ましい。繊維間の自己接着の利用で
あっても良い。繊維間の接着にはブレーキディスクとし
ての積層の際の接着剤又はそれと類似の接着剤を使用す
ることが出来る。

（ホ）作用 制動時にブレーキディスクの温度が高くなり過ぎない
ためには、ブレーキディスクの熱伝導はディスクの厚み
方向に大きいことが必要である。

ブレーキディスクを炭素繊維強化炭素成形物で製造す
る場合、厚み方向に熱伝導を大きくするためには、炭素
繊維を厚み方向に配列させてやる必要がある。炭素繊維
は繊維軸方向には熱伝導率が大きいが、繊維断面方向に
は小さいため、熱は繊維の並んだ方向に主に伝わるから
である。この効果は炭素繊維がピッチ系のものである場
合に顕著であり、特にメソフェーズピッチ系の場合特に
効果が大きい。

一方制動時にブレーキディスクに掛かる力は、ディス
クの厚み方向及び円周にそった方向に大きい。又非制動
時にブレーキディスクに掛かる力は、円の半径方向に大
きい。このため繊維補強は等方性であることが望まし
い。

本発明のブレーキディスクの原料である炭素繊維シー
トは、炭素繊維を平面内に、その方向が実質的に均等に
なるよう、もしくは２軸以上の多軸に配列するようにし
たものである。このようなシートを同心円状に重ね合わ
せるか巻いたものは、炭素繊維が軸方向及び円周にそっ
た方向へ多く配列し、熱伝導に関しては優れた性能を示
す。

本発明のブレーキディスクは炭素繊維が半径方向には
配列していないものであるが、炭素繊維シートが多重円
筒状に成形されているので、半径方向の強度は十分大き
い。

（ヘ）実施例 次に本発明を実施例により、具体的かつ詳細に説明す
る。

実施例１ 軟化点285℃、光学異方性分率100％の石油系ピッチを
原料とし、内径0.3mm外径0.6mmの原料吐出用管状ノズル
を内蔵する直径0.8mmの紡糸孔を有する口金を用い、管
状ノズルの周辺から加熱空気を噴出させて、熔融ピッチ
を牽引して紡糸を行った。ピッチの吐出量、12g/80H・
分、ピッチ温度320℃、口金温度400℃、加熱空気の流量
12Nm³/分、加熱空気の温度400℃、加熱空気の圧力1.5kg
/cm²Gであった。

紡出された繊維を、捕集部分が20メッシュのステンレ
ス製金網で出来たベルトの背面から吸引して、ベルト上
にシート上に、炭素繊維がランダムな方向をとるように
補集した。得られた目付75g/m²のシートを昇温速度２℃
／分で300℃まで昇温させかつ不融化処理した。このシ
ートをさらに昇温速度５℃／分で、630℃まで加熱し、
軽度の炭化処理を行った。

このシートに軟化点225℃の等方性ピッチを含浸させ
た後、直径10cmの芯に厚さ50cmまで巻き付け、加熱して
硬化させた。この積層品を厚さ20mmのディスク状に切り
出し、さらに2200℃に昇温して炭化を行った。炭化過程
で発生した空孔を埋めるため、真空を用いてピッチの含
浸を行った後、再度炭化処理を行った。このディスク状
物は繊維含有率が16％であった。この成形物に、さらに
金属製の軸を取り付けてブレーキディスクとした。

このブレーキディスクは従来の炭素炭素複合材料によ
るブレーキディスクに比べて熱伝導に関する特性が優れ
ており、強度的にも遜色ないものであった。

比較例１ 実施例１と同様なピッチを用い、同様にして熔融紡糸
を行い、シート化し、不融化炭化を行って得た不織布状
の炭素繊維の補強繊維とし、これに軟化点225℃の等方
性ピッチを含浸させた後、積層して加熱圧着して厚さ30
mmの板状物を得た。

この板状物を不活性気体中で2200℃まで昇温させて炭
化を行なった。炭化物にはかなりの空孔の発生が認めら
れたので、真空を用いてピッチの含浸を行った後、再度
炭化処理を行った。

炭化終了後の成形物の繊維含有率は容積比率で16％で
あった。この成形物から厚さ20mmの円板状のものを削り
出し、さらに金属製の軸を取り付けてブレーキディスク
とした。

このブレーキディスクは強度的には実施例１に対して
遜色ないものであったが、ブレーキディスクの厚さ方向
の熱伝導率は約1/5で、急激な制動試験の際に昇温が大
きいこと、ならびに制動力の低下が大きいことが認めら
れた。

実施例２ 軟化点287℃、光学異方性分率95％の石油系ピッチを
原料とし、直径0.15mmの紡糸孔を3000個有する口金から
紡糸し、冷却後直ちに牽引ノズルにより吸引して、ネッ
トコンベヤー上にランダムな方向に噴出させて堆積さ
せ、目付100g/m²のシート状に補集した。得られたシー
トをネットコンベヤーに載せて昇温速度1.5℃／分で310
℃まで昇温して空気酸化し不融化を行った。このシート
をさらに４℃／分の昇温速度で600℃まで昇温し、軽度
の炭化を行った。

得られたシートにフェノール樹脂プレポリマー粉末を
散布し、これを約30cmの厚さになるように直径15cmの巻
き芯に巻き付けて加圧した後、昇温速度２℃／分で180
℃まで昇温し硬化を行った。得られた積層物を更に1200
℃まで昇温して炭化処理した。炭化処理の際に生じた空
孔を実施例１と同様にしてピッチを含浸させ、炭化させ
てうめたものをディスク状に切り出したものは、ブレー
キディスクとして優れた性能を示した。

（ホ）発明の効果 本発明は比較的重量の大きいブレーキディスクに代替
使用され得る、炭素繊維積層品のブレーキディスクであ
る。

本発明のブレーキディスクは加工が容易で、軽量であ
り、比較的安価である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のブレーキディスクの一つの実施態様に
ついて、該ブレーキディスクの製造の際に、炭素繊維シ
ートを巻く方法を示す略図である。 １……炭素繊維シート ２……巻き芯

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】補強及び／又は摩擦増強材料と共に、又は
   これらの材料なしに、メソフェーズピッチ系の炭素繊維
   不織布中の炭素繊維の少なくとも一部の軸方向が柱状体
   の軸方向を向くようにメソフェーズピッチ系の炭素繊維
   不織布を同心円状に柱状体を形成するように重ね合せる
   か又は柱状体を形成するように巻き、硬化性の結合剤
   で、又は結合剤なしにメソフェーズピッチ系の炭素繊維
   どうし及びメソフェーズピッチ系の炭素繊維と上記材料
   を接着し、炭化して得られる柱状物の軸に垂直な断面を
   摩擦面とするブレーキディスク。