JP2709402B2 - 部品、とくに炭素‐炭素ブレーキディスクの製造方法および得られた部品 - Google Patents

部品、とくに炭素‐炭素ブレーキディスクの製造方法および得られた部品

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サレ，ジャン
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エアロスパチアール・ソシエテ・ナシヨナル・アンジュストリエル
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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、炭素−炭素型の複合材料部品の製造方法、
ならびにこの方法によって得られる部品に関する。とく
に、これらの部品は陸上車両、航空機、または宇宙船
（ロケットまたはシャトル）についての使用に向けられ
るブレーキディスクである。より詳細には、本発明は炭
素−炭素が構造的役割を演ずるすべての型の部品に適用
し得る。
背景技術 炭素−炭素型の複合材料は、グラファイトまたは炭素
マトリクスに埋め込まれた、炭素補強繊維からなる基板
から形成される材料である。
これらの複合材料は、液体炭化水素または樹脂により
高密化されるような構造を含浸しかつ次いでコークスマ
トリクスを得るように炭化水素または樹脂を熱分解する
か、または炭素含有ガスを次いで基板内に堆積されるこ
とができる熱分解グラファイトまたは炭素に熱的に分解
するために炭素含有ガス流中に適切な温度に上昇されて
高密化されるように基板を配置することからなる多孔性
基板の高密化によって得られる。
残念ながら、これらの高密化過程は比較的長くかつそ
れゆえ高価である。気相方法（CVPD）に関連して、熱解
されるガスを多孔性基板の内部を通過させることの困難
さに帰結され、部品の厚さが増加することにより、より
困難となる。加えて、基板の多孔性が低ければ低いほ
ど、炭素含有ガスの貫通を達成するのが益々困難にな
る。熱分解されるべきガスのこの貫通の問題点は比較的
不均一な密度を有する部品を導く。
液体含浸方法に関しては、工程の長さが含浸サイクル
を数回やり直すような必要に帰すべきものである。
高密化されるべき多孔性基板は一方向または多方向製
織によって製造され、製織またはニードルフェルティン
グによって多分形成される孔は単に複合材料の炭素補強
繊維の通過のために使用する。
さらに、均一材料、一般に金属から製造されるブレー
キディスクがしたたっている水かつ一般に冷却水により
制動を助けるためにディスクの回転軸にしたがって方向
付けされた複数の孔を有することは知られている。これ
らの孔はディスクの製造に続いて該ディスクを穿孔する
ことによって得られる。
とくにフランス特許出願第2,143,329号は樹脂の炭化
の間中形成されるガスを排出するために、液体樹脂中へ
の浸漬に続いて、ブレーキブランクに孔を穿つことを教
示する。これらの孔の単一の作用はその場合に従来の鋳
造方法において長い間知られている通気孔の作用であ
る。
イギリス特許出願第2,028,230号は、また、すでに高
密化した繊維層への他の繊維の導入のために、繊維層に
孔を穿つことを教示する。
発明の開示 本発明は、従来方法の高密化段階より実現し易い高密
化段階を有する複合材料部品の製造方法に関する。
本発明は高密化以前の複合部品の繊維基板の孔の製造
に関するものである。これらの孔は最終材料の製造後穿
孔によって得られずかつそれらはまたそれらを密封する
繊維の通路にも向けられない。
より詳しくは、本発明は、 ａ） 炭素含有繊維によって独占的に構成される多孔性
基板を形成（20）し、 ｂ） その軸線が最大表面を有する基板の壁（32a,32
b）に対して垂直である複数の流出孔を前記多孔性基板
に形成（22）し、 ｃ） 前記基板の細孔及び基板に形成された複数の流出
孔に熱分解グラファイトまたは炭素を堆積することによ
り炭素マトリクス（32）を形成するために、炭化水素ガ
ス流の熱分解により多孔性基板を高密化（23）して該基
板中のガス通路を減少させることを特徴とする、炭素マ
トリクスに埋め込まれた炭素補強繊維から形成された複
合材料部品の製造方法に関する。
用語、強化繊維は、一般に複合材料の分野において使
用される、長いかまたは短かい編組または不編組フィラ
メントを意味するものと理解される。用語、繊維基板
は、炭素または炭素先駆物質から作られる、樹脂で含浸
されずかつ高密化されない複数の裸繊維を意味するもの
と理解される。
本発明による流出孔の本質的な機能は、高密化の間中
基板の繊細な孔内で熱分解されるガスの通路の長さを減
じることである。即ち、流出孔は前記能動ガスの少なく
とも一部を基板の最も接近し得る区域に到達させる。こ
こで、流通孔を通ることで、多孔性基板におけるガスの
通路の長さは流通孔を備えない多孔性基板におけるガス
の通路の長さよりも短くなる。そして、能動ガスは、そ
れと接触する細孔の熱い壁面（高密化において基板は加
熱され、その際細孔内も加熱されている）上で分解され
ることなしに基板の最も接近し得る区域に達する。
亀裂は熱い壁面との分子の最初の接触から発生する傾
向がある。しかしながら、その目途が、フランス特許出
願第2,144,329号におけるように、樹脂の熱分解の間中
に形成される受動ガスを排出することのみであるなら
ば、そのような通路の長さに帰せられることは重要でな
い。その場合に重要であることのすべては、ガス漏洩が
部品の壁と反応しないため、ガス漏洩の存在である。
したがって、本発明による流出孔はすべての多孔性基
板層への同一の接近を保証し、その結果複合材料部品の
均一性およびガス相高密化におけるかなりの減小があ
る。かくして、完全な多孔性基板へのガスの浸透は基板
の外面を通ってだけでなく、とくに流出孔の壁によって
行なわれる。
最後に、これらの流出孔は得られた部品の亀裂の伝播
の停止点を構成し、かくしてその衝撃抵抗を増加する。
炭化水素ガスはガス状炭化水素またはガス状炭化水素
の混合物によって形成される。これらの炭化水素は、メ
タン、エタン、プロパンおよびブタンのごとく、とくに
１〜４個の炭素原子を有する飽和または不飽和、置換ま
たは不置換炭化水素である。
本発明の方法は、基板の型式が流出孔を備えない多孔
性基板における炭素繊維の最大理論密度に近づき過ぎる
値に達しないならば、考え得るすべての多孔性基板の型
式（布、フェルト等）に適用し得る。
かくして、本発明による方法はニードルフェルトかま
たはそうでなくても良い任意のマット、任意の広げられ
る多重フィラメントからなる芯、一方向層、積層布等に
適用し得る。
かかる多孔性基板の型式に関して、複数の流出孔は、
基板を切断することなしに、例えば個々にまたは集合方
法において繊維が基板のそれらの通過の間中合流する繊
維への非常に制限された損傷のみを生ずる完全に滑らか
なかつテーパの付いたニードルを挿入することにより基
板の繊維の移動またはそれからの間隔によって形成され
る。
非常に密集した多孔性基板（とくに三次元製織）の場
合において、本発明による方法はまた、空の孔が設けら
れる、すなわち繊維の導入に向けられないならば、多孔
性基板の製織の間中、適用できる。
本発明による方法の本質的な特徴の一つは種々の孔の
開いた、多孔性基板が、炭素マトリクスの製造に続い
て、または少なくとも前記マトリクスを製造する最初の
段階後、作られた孔の記憶を保持するということであ
る。
使用された穿孔または孔開け方法の結果として、作ら
れた流出孔は常に同一形状にない。かくして、短い繊維
を有する幾つかの基板は前記孔の壁にけばの出現を与え
て形成される孔を部分的に再び密封するような傾向を有
する。かくして、光は流出孔を経由して複合材料を通過
することができないが、流出孔はＸ線撮影においてそれ
らの最初の形状において非常に明瞭に現われる。このよ
うなけばのある流出孔は炭素含有ガスの通過にかつした
がって滑らかな壁を有する流出孔のような迅速高密化に
まさしく有効である。
芯および布のような、グループ分けされた、長い繊維
の基板に作られた孔は常にけばのある壁を有しないが、
また軽く密集することができ、一方Ｘ線撮影においてそ
れらの最初の形状を保持する。
より明瞭に画成された縁部を備えかつとくに滑らかな
かつ規則的な壁を有する流出孔を得るために、基板に作
られた孔流出の各々に問題の温度が浸炭させられること
ができない材料からなるかつとくに銅またはモリブデン
からなるロッドを配置することができる。これらのロッ
ドはまだ高密化されておらずかつ基板の特性を改良する
のに使用する基板の考え得る熱処理の間中、または基板
が最初に炭素先駆物質の形であるならば、または選択的
にCVDによる基板の高密化の開始において導入されるこ
とができる。
CVDによる基板の高密化はこのようなロッドの不存在
において明らかに継続する。
基板の多孔性の性質の結果として、基板に炭素含有液
体浴、例えば液体炭化水素中での予備含浸を受けさせか
つ流出孔内に存在する液体を除去するために排出するこ
とにより前記含浸に追随させることができる。構体の炭
化はその場合に多孔性コークスマトリクスの形成を可能
にする。得られる材料は従来技術の方法による場合でな
い多孔性材料内でのガス接近容易性を失なうことなく、
ガス状ルートによって高密化を受けることができる。
材料のガス状内部高密化の達成時、炭素含有ガスを分
解する物理的条件に対する任意の変更は複合材料部品の
外面上に、ならびに流出孔を部分的にまたは全体的に密
封するために該孔の壁に熱分解グラファイトまたは炭素
の皮の形成に至ることができる。この場合に、流出孔の
直径は高密化の終りにおける前記自動密封のために最初
に十分に小さく作られることができる。これらの任意の
変更はとくにガスの温度または圧力を増加することから
なる。
機械工において、流出孔は専門用語で材料の亀裂の伝
播を停止する方法である。本発明の範囲において、これ
らの孔はそれらの壁がとくに抵抗性がありかつ強い最大
マトリクス密度領域であるためとくに有効である。さら
に、繊維は切断されずかつ単に流出孔を取り囲む。幾つ
かの複合材料部品に関しては、多孔性基板に形成された
流出孔を完全に密封することが必要かも知れない。
この場合に、流出孔の最終密封、すなわち気相高密化
後、例えば熱分解可能な樹脂、または炭化水素ガス熱分
解による最終高密化の間中支持体として多分役立つコー
クスを得るために構体の炭化が続いて行なわれる、例え
ば熱分解可能な樹脂、または充填または非充填液体炭化
水素によって構成される炭素含有液体浴中に高密化した
材料を浸漬することからなることができる。
また、幾つかの金属またはセラミック−金属混合物の
ごとき、摩擦またはフリクションに適するかも知れない
炭素より広く使用されかつコストの低い材料で流出孔を
密封することができる。可能な材料は銅でありかつすべ
ての製品がブレーキブロックにおいて市場で使用され
る。
また、流出孔を密封するための材料として第３リン酸
カルシウムのごとき、炭素用酸化防止力を有する材料を
使用することができる。明らかなように、非炭素含有材
料によるこの孔の密封はガス状相における複合材料の高
密化後実施されねばならない。
本発明はまた、本発明による方法によって得られた炭
素含有マトリクスに埋め込まれた炭素含有強化繊維から
形成された複合材料部品に関する。これらの部品はその
軸線が最大表面を有する部品の壁に対して垂直である。
使用された方法の結果として、流出孔は滑らかなまた
は規則的な壁を有することができるか、またはけばのあ
る壁を有することができる。さらに、これらの流出孔は
前述された非炭素含有材料の１つによって密封されるこ
とができる。この場合に、流出孔の最初の存在はＸ線撮
影によってかつとくに光学顕微鏡撮影によって現わされ
ることができる。
とくに、これらの複合材料部品はブレーキディスクで
ある。この場合に、流出孔はブレーキディスクの回転軸
線に対して平行に向けられる。これらの流出孔が高密化
の間中完全に密封されないとき、これらの流出孔は、孔
への水の浸透により、ブレーキの応答時間を改善するこ
とにより湿った道路上での制動効率の増加を可能にす
る。
複合材料部品の製造中のこれらの流出孔の有効性は、
流出孔とそれらの直径との間の距離、または複合材料部
品の表面単位当りの流出孔の壁の全体のパラメータを含
んでいる、多数の要因に依存している。
航空機のブレーキディスクの場合において、本発明を
制限しない方法において流出孔の直径は0.5〜5mmでかつ
それらの間隔は３〜30mmである。
これらの流出孔は任意なまたは任意でない方法におい
て分布されることができる。摩擦に関して、流出孔はそ
れらがブレーキディスクの高密化の終りにおいて密封さ
れるとき、任意な分布を有することができる。逆に、流
出孔が密封されないとき、ブレーキディスクに対する最
小の摩耗が、流出孔がディスクの回転軸線上に心出しさ
れた同中心円上に配置されるとき得られ、その結果ブレ
ーキディスクは如何なる不連続性もなしに周部で摩擦す
ることができるような適切な表面比率を保持する。
図面の簡単な説明 本発明は非限定的な実施例および添付図面に関連して
以下に詳細に説明される。
第１図、第３図および第４図は本発明による複合材料
部品を製造するための方法の実施例を示す概略図、 第２図は本発明による方法によって得られたブレーキ
ディスクを示す概略斜視図である。
発明を実施するための最良の形態 実施例１ 第１図を参照して、本発明によるブレーキディスクの
好適な実施例を説明する。
ブロック20によって示されるような、本方法の第１の
段階は、同一面のｎ個の方向にかつ公知の方法において
むき出しの炭素繊維（非含浸または非高密化）を配置し
て、炭素多孔性繊維基板を形成することからなる。基板
の形状はとくにブレーキディスクの形状である。
ブロック22によって示される本方法の第２の段階は、
繊維を破壊することなく該繊維を移動するために、完全
に滑らかでかつテーパが付けられる金属針を挿入するこ
とにより、繊維基板に0.5〜5mmの直径を有する流出孔を
形成することからなる。孔の密度は1/cm2である。
ブロック23で示されるように、本方法の次の段階は、
メタンを使用する化学気相堆積（CVD）により、多孔性
基板に熱分解炭素を堆積することからなる。化学分解は
約150時間約1000℃に保持された炉内で行なわれ、ガス
は500〜3000Paの圧力により循環させられる。
この単一高密化段階は20mmの厚さのブレーキディスク
について1.8の密度を付与する。
従来のCVD高密化は同一寸法を有するブレーキディス
クについて600時間を必要とする。
高密化された基板を機械加工してそれにその最後の形
状を付与する。
この方法は第２図に示されるようなブレーキディスク
の獲得を可能にし、ブレーキディスクは非密封孔34を備
えた炭素−炭素機械的構造32によって構成され、流出孔
の軸線はディスクの回転軸線36に対して平行にかつ最大
表面の表面32a,32bに対して垂直に向けられる。これら
の流出孔34はディスクの両側32a,32bに出る。加えて、
流出孔は回転軸線36上に心出しされる同中心円38上に配
置される。
実施例２ 実施例２において、実施例１の段階にすべて関連して
同一の段階が同一符号を有するブロックによって第３図
に示される。実施例２は本発明による方法の有効性を示
す。したがって、孔の開けていない基板により従来得ら
れた効率より十分上の効率により、気相高密化以前の多
孔性基板の液体含浸による高密化を使用することができ
る。
このために、浸漬がその孔を備えかつ実施例１による
繊維基板について、第３図にブロック24によって示され
るような、コールタールのごとき液体中で行なわれる。
基板は次いで、次の炭化段階の間中第２図における流出
孔34を密封しないように、ブロック26によって示される
ように、野外へのしたたりを許容する。
この段階は流出孔内にかつ基板の多孔性中に存在する
液体炭化水素を熱分解グラファイトまたは炭素に変換す
るために、約700℃に上昇された炉内に含浸された基板
を置くことからなる。この段階はブロック28によって示
される。この実施例において、ブレーキディスク中の流
出孔は部分的にのみ密封される。
実施例３ 第４図は炭素−炭素部品の獲得を可能にする本発明の
方法の実施例を示し、その本発明による流出孔は高密化
の終りに密封される。
この実施例の各段階は、繊維基板の製造、流出孔の形
成、CVDによる第１高密化、液体炭化水素中の浸漬およ
び炭化のごとき、前述した段階にすべて関連して同一で
ありかつ同一符号を有するブロックによって示される。
この実施例は液体炭化水素の炭化28の直後に熱分解グ
ラファイトまたは炭素の化学気相堆積により、符号30で
示される第２高密化を実施することにより実施例２と異
なる。この最終高密化は10〜20時間1000℃に加熱された
炉中で分解するメタンによって行なわれる。
加えて、液体炭化水素中の浸漬24と流出孔の密封に寄
与する炭化との間にしたたりまたは排出段階がない。
上記記載は単に例示的方法において示されかつ変更は
本発明の範囲を越えずして可能である。例えば、実施例
２に記載されるように、排出および炭化がそれに続く、
液体炭化水素中の浸漬にまで実施例３におけるCVDによ
る第１高密化23を先行させることができる。

Claims (13)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】炭素マトリクスに埋め込まれた炭素補強繊
    維から形成された複合材料部品の製造方法において、 ａ） 炭素含有繊維によって独占的に構成される多孔性
    基板を形成（20）し、 ｂ） その軸線が最大表面を有する基板の壁（32a,32
    b）に対して垂直である複数の流出孔を前記多孔性基板
    に形成（22）し、 ｃ） 前記基板の細孔及び基板に形成された複数の流出
    孔に熱分解グラファイトまたは炭素を堆積することによ
    り炭素マトリクス（32）を形成するために、炭化水素ガ
    ス流の熱分解により多孔性基板を高密化（23）して該基
    板中のガス通路を減少させることを特徴とする複合材料
    部品の製造方法。
  2. 【請求項２】前記流出孔（34）は前記基板の繊維の間隔
    を開けることにより形成されることを特徴とする請求の
    範囲第１項に記載の複合材料部品の製造方法。
  3. 【請求項３】前記基板が製織によって得られるとき、前
    記流出孔（34）が製織の間に形成されることを特徴とす
    る請求の範囲第１項に記載の複合材料部品の製造方法。
  4. 【請求項４】前記段階ｂ）とｃ）との間で前記多孔性基
    板は炭素含有液体浴中に浸漬（24）され、それに排出
    （26）および流出孔（34）を密封しない構体の炭化（2
    8）が続くことを特徴とする請求の範囲第１項ないし第
    ３項のいずれか１項に記載の複合材料部品の製造方法。
  5. 【請求項５】実質上、以下の段階、すなわち、 ａ） 多孔性基板の形成（20）、 ｂ） 前記基板内の流出孔（34）の形成、 ｃ） 炭化水素の熱分解により流出孔（34）を備えた多
    孔性基板の高密化かつ次いで ｄ） 前記高密化された基板に多分残存される流出孔
    （34）の部分的または全体的密封（24,28,30）からなる
    ことを特徴とする請求の範囲第１項ないし第４項のいず
    れか１項に記載の複合材料部品の製造方法。
  6. 【請求項６】段階ｄ）は、流出孔を部分的にまたは全体
    的に密封するために、前記流出孔の壁に熱分解グラファ
    イトまたは炭素の皮を炭化水素の熱分解により形成する
    ことからなることを特徴とする請求の範囲第５項に記載
    の複合材料部品の製造方法。
  7. 【請求項７】段階ｄ）は炭素含有液体浴中に高密化され
    た基板を浸漬（24）することからなり、それに構体の炭
    化（28）および炭化水素ガス流の熱分解による最終高密
    化（30）の任意の実施が続くことを特徴とする請求の範
    囲第５項に記載の複合材料部品の製造方法。
  8. 【請求項８】多分残存する流出孔（34）は、金属および
    セラミック−金属混合物および炭素用酸化防止材料から
    選ばれる少なくとも１つの材料によって密封されること
    を特徴とする請求の範囲第５項ないし第７項のいずれか
    １項に記載の複合材料部品の製造方法。
  9. 【請求項９】流出孔（34）が滑らかな、規則的な壁を有
    することを特徴とする請求の範囲第１項ないし第８項の
    いずれか１項に記載の方法によって得られる複合材料部
    品。
  10. 【請求項１０】前記流出孔（34）が裸眼には比較的見え
    ないが、Ｘ線撮影または光学顕微鏡において見ることが
    できるけばのある壁を有することを特徴とする請求の範
    囲第１項ないし第８項のいずれか１項に記載の方法によ
    って得られる複合材料部品。
  11. 【請求項１１】第９項または第10項による複合材料部品
    によって形成されることを特徴とする回転軸線（36）を
    有するブレーキディスク。
  12. 【請求項１２】前記流出孔（34）の軸線が、前記回転軸
    線（36）に対して平行であることを特徴とする請求の範
    囲第11項に記載のブレーキディスク。
  13. 【請求項１３】前記流出孔（34）は、前記回転軸線（3
    6）上に心出しされる同中心円（38）上に配置されるこ
    とを特徴とする請求の範囲第11項または第12項に記載の
    ブレーキディスク。
JP63505450A 1987-06-18 1988-06-16 部品、とくに炭素‐炭素ブレーキディスクの製造方法および得られた部品 Expired - Lifetime JP2709402B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR8708518A FR2616779B1 (fr) 1987-06-18 1987-06-18 Procede de fabrication d'une piece notamment d'un disque de frein en carbone-carbone et piece obtenue
FR87/08518 1987-06-18

Publications (2)

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