JP3652900B2 - 繊維複合材料およびその用途 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造装置、精密測定器、自動車、航空機部品等に用いられる転がり軸受、すべり軸受等の摺動材、および大型陸上輸送機械、例えば、大型自動車等の停止または速度制御の際に使用する速度制御装置に連動して装着されたブレーキデスク用の摩擦材として使用されるブレーキ用部材として使用可能な新規な繊維複合材料およびその用途に関する。
【０００２】
【従来の技術】
転がり軸受、すべり軸受等の摺動材は、半導体製造装置、精密測定器、自動車、航空機部品等の構成部材として、半導体、窯業、電子部品、車輌製造等のさまざまな分野において広範に使用されている。特に、今日においては、技術革新が急速に進む中で、宇宙往還機やスペースプレーン等の宇宙開発分野、核エネルギー、太陽エネルギーさらに水素エネルギー等のエネルギー分野では、滑軸受、スライダー、ベアリング保持器等に用いられる摺動材は、燃焼あるいは炭化により油を潤滑剤として使うことができない４００℃以上という高温下または油が凍結してしまう低温度下で使用される。従って、摺動材自体が小さい動摩擦係数を有し、かつ磨耗しにくいことが必要である。また、このような摺動材には、中高温（２００−２０００℃）における高強度と材料としての高い信頼性（靭性、耐衝撃性）、耐環境性（耐食性、耐酸化性、耐放射線性）が要求されることはいうまでもない。また、最近の省エネルギーの要請により、摺動材には、小さな力で動かすことができるような軽量なものであることも要求される。
【０００３】
このような状況下、従来においては、摺動材として、耐熱性に優れ、かつ高強度である窒化珪素や炭化珪素材料が用いられてきたが、動摩擦係数が０．５〜１．０と大きく、相手材の磨耗を生じやすいことから、必ずしも摺動材として最適とはいえず、また、密度も大きいことから、大きい動摩擦係数と相まって、駆動させるのに大きなエネルギーを消費するという欠点があった。さらに、固有の性質として脆さという欠点を有しており、小さな傷に対しても極めて脆く、熱的、機械的衝撃に対しても充分な強度を有していなかった。
【０００４】
このセラミックスの欠点を克服する手段として、連続したセラミックス系繊維を複合化させたセラミックス系複合材料（ＣＭＣ）が開発され、摺動材として用いられている。この材料は高温でも高強度高靱性で、優れた耐衝撃性、耐環境性を有しているため、超耐熱摺動材の主流として欧米を中心に研究開発が盛んに行われている。
【０００５】
一方、大型自動車等の大型陸上輸送機械において装着されている制動装置で使用される摩擦材としては、現在は高温下での摩擦係数が極めて高く、軽量であることからカーボンファイバーインカーボン（以下Ｃ／Ｃコンポジットと称することもある）が広く使用されている。
このような大型陸上輸送機械においては、その運転状況の変化に応じてブレーキによる制動を長時間続けざるを得なかったり、または高頻度でブレーキによる制動を繰り返す必要に迫られることがあり、結果としてＣ／Ｃコンポジットを摩擦材として使用した制動装置の場合には摩擦材が空気中で高温下に長時間曝されることとなる。従って、摩擦材は基本的には高温で燃焼しやすい炭素繊維をその主成分とするものであるために、このような条件下では、酸素と反応して、著しく摩耗するだけでなく、発煙したりして大事故寸前に至るケースもあると報告されている。しかしながら、高温下に於ける摩擦力の高さ、デスクブレーキに装着の際に要求される柔軟性などの性能の点から、それに代わる原料を見いだせていないのが現状である。
【０００６】
ところで、直径が１０μｍ前後のセラミックス長繊維を、通常、数百本〜数千本束ねて繊維束（ヤーン）を形成し、この繊維束を二次元または三次元方向に配列して一方向シート（ＵＤシート）や各種クロスとしたり、また上記シートやクロスを積層したりすることにより、所定形状の予備成形体（繊維プリフォーム）を形成し、この予備成形体の内部に、ＣＶＩ法（化学的気相含浸法）や無機ポリマー含浸焼成法等によりマトリックスを形成したり、または、上記予備成形体内部にセラミック粉末を鋳込み成形法によって充填した後に焼成することにより、マトリックスを形成して、セラミックマトリックス中に繊維を複合化したセラミックス系繊維複合材料（ＣＭＣ）が開発されている。
【０００７】
ＣＭＣの具体例としては二次元または三次元方向に配列した炭素繊維の間隔に炭素からなるマトリックスを形成してなるＣ／Ｃコンポジット、ＳｉＣ繊維とＳｉＣ粒子を含む成形体にＳｉを含浸させて形成されるＳｉＣ繊維強化Ｓｉ−ＳｉＣ複合体等が知られている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、Ｃ／Ｃコンポジットは、靱性に富むため耐衝撃性に優れ、かつ軽量、高硬度であるが、炭素から構成されているため、酸素存在下では高温での使用ができず、超耐熱摺動材としての使用には制限があった。また、硬度が比較的低いこととともに圧縮強度が低いため、摺動材あるいはブレ−キ用部材として使用した場合には、磨耗量が大きいという欠点があった。
【０００９】
一方、ＳｉＣ繊維強化Ｓｉ−ＳｉＣ複合体は、耐酸化性、耐クリープ性、耐スポーリング性等には優れるものの、繊維表面に傷がつきやすく、また、ＳｉＣ繊維はＳｉ−ＳｉＣ等との潤滑性に劣るため、母体と繊維間の引き抜き効果が小さいことから、Ｃ／Ｃコンポジットに比べて靱性に劣り、そのため耐衝撃性が低く、軸受、スライダー等の複雑な形状や薄肉部分を有する摺動材には向かないという問題があった。
【００１０】
本発明は上記した従来の課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、動摩擦係数が小さく、耐磨耗性を有するとともに、軽量であり、さらに、耐衝撃性に優れるとともに、強酸化腐食環境での耐食性、耐クリープ性、耐スポーリング性をも併せ持ち、かつ、高硬度な摺動材、あるいは、Ｃ／Ｃコンポジットが有する優れた耐衝撃性、軽量等の優れた点を保持しつつ、大型陸上輸送機械のブレーキ用摩擦材として使用した場合でも、Ｃ／Ｃコンポジットの様に、不可避的に発生する高温のために酸素存在下ではその摩耗が激しく、それ故、可成りの頻度での交換作業を必要とすることのないブレーキ用部材として優れた性能を有する新規な繊維複合材料を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本願発明者らは上記の目的を達成するために種々検討した結果、少なくとも炭素繊維の束と炭素繊維以外の炭素成分とを含有するヤーンが三次元的に組み合わされ、互いに分離しないように一体化されているヤーン集合体と、このヤーン集合体中で隣り合う前記ヤーンの間に充填されているＳｉ−ＳｉＣ系材料から構成されるマトリックスとを備えた繊維複合材料であって、０．０５〜０．６の動摩擦係数と、０．５％〜１０％に制御された気孔率とを有すること、および、Ｓｉ−ＳｉＣ系材料からなるマトリックスを備えていることにより、第１に、耐酸化性、耐クリープ性、耐スポーリング性に於いても優れ、酸素存在下で、かつ、高温条件下のために潤滑剤を使用できないような条件下でも摺動材として使用できること、第２に、ブレーキ用の摩擦材として優れた耐衝撃性、軽量等の優れた点を保持しつつ、高温の発生を余儀なくされるデスクブレーキ用の摩擦材として使用しても、酸素存在下でも充分な耐摩耗性を示し、交換作業の頻度もＣ／Ｃコンポジットの様に高頻度で行うことを必要とせずに継続使用が可能となり、上記の目的を達成できることを見い出した。本発明は、これらの知見に基づき完成させれたものである。
【００１２】
本発明に係る新規な繊維複合材料は、基本的には、５５重量％〜７５重量％の炭素と、１重量％〜１０重量％の珪素と、少なくとも１０重量％の炭化珪素とから構成されており、かつ、炭素と、珪素と、炭化珪素の合計が１００重量％を超えず、Ｓｉ−ＳｉＣ系材料からなるマトリックスが、三次元的に組み合わされ互いに分離しないように一体化された炭素繊維からなるヤーン集合体の間に一体的に形成されている。後述するようにＳｉ−ＳｉＣ系材料から形成されるマトリックスの層を設ける場合には、その厚さは、少なくとも０．０１ｍｍあることが好ましい。さらに少なくとも０．０５ｍｍ以上あることが好ましく、少なくとも０．１ｍｍ以上であることが一層好ましい。
【００１３】
さらに、本発明に係る新規な繊維複合材料において、前記マトリックスが前記ヤーンから離れるのに従って、珪素の含有比率が上昇する傾斜組成を有していることが好ましく、上記繊維複合材料は窒化ホウ素、ホウ素、銅、ビスマス、チタン、クロム、タングステンおよびモリブデンからなる群より選択した１以上の物質を含有してもよい。また、上記の繊維複合材料は、常温に於ける動摩擦係数が０．０５〜０．６であり、湿潤状態に於ける動摩擦係数も０．０５〜０．６であり、かつ、気孔率が０．５％〜１０％に制御されていることがことが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明に係る複合繊維材料は、Ｃ／Ｃコンポジットからなる母材にＳｉ−ＳｉＣ系材料からなる層を配したセラミックス・金属・炭素からなる複合材料を用いて構成される。
【００１５】
以下、本発明に係る新規な繊維複合材料について説明する。
これは、新規Ｃ／Ｃコンポジットを基本とし、その基本的な構成に改善を加えた新しい概念の材料である。
基本素材として使用するＣ／Ｃコンポジットとしては、直径が１０μｍ前後の炭素繊維を、通常、数百本〜数万本束ねて繊維束（ヤーン）を形成し、この繊維束を二次元または三次元方向に配列して一方向シート（ＵＤシート）や各種クロスとしたり、また上記シートやクロスを積層したりすることにより、所定形状の予備成形体（繊維プリフォーム）を形成し、該繊維束の外周に形成されている有機物からなる柔軟性中間材料の被膜を焼成し上記の柔軟性中間材料を除去したものを使用すればよい。本発明に於いて使用するＣ／Ｃコンポジットは、上記のヤーン中の炭素繊維以外の炭素成分は、好ましくは炭素粉末であり、特に好ましくは黒鉛化した炭素粉末である。
【００１６】
本発明に係る繊維複合材料は、母材としてＣ／Ｃコンポジットを用いており、その炭素繊維の構造が、破壊されることなく保持されているという大きな特徴を有している。しかも、ヤーン集合体中で隣り合うヤーンの間に、Ｓｉ−ＳｉＣ系材料からなるマトリックスを充填した微構造を有している。
【００１７】
本発明において、Ｓｉ−ＳｉＣ系材料とは、主成分としてシリコンと炭化珪素とを含有する材料の総称であり、このＳｉ−ＳｉＣ系材料は以下のようにして製造されるものをいう。本発明では、Ｃ／Ｃコンポジットまたはその成形体に対して、シリコンを含浸させるが、その際シリコンはコンポジット内の炭素繊維を構成する炭素原子および／または炭素繊維の表面に残存している遊離炭素原子と反応し、一部が炭化されるために、Ｃ／Ｃコンポジットの最表面や炭素繊維からなるヤーンとヤーンとの間には、一部炭化されたシリコンが生成し、かくして上記のヤーンとヤーンとの間には炭化されたシリコンを含むマトリックスが形成される。このマトリックスにおいては、ほぼ純粋に珪素が残留している珪素相から、ほぼ純粋な炭化珪素相に至るまで、いくつかの相異なる相を含み得る。つまり、このマトリックスは、典型的には珪素相と炭化珪素相とからなるが、珪素相と炭化珪素相との間に、珪素をベースとして炭素の含有量が傾斜的に変化しているＳｉ−ＳｉＣ共存相を含み得る。従って、Ｓｉ−ＳｉＣ系材料とは、このようなＳｉ−ＳｉＣ系列において、炭素の濃度が０ｍｏｌ％から５０ｍｏｌ％まで変化している材料の総称である。
【００１８】
本発明に係る繊維複合材料は、マトリックスが、ヤーンの表面に沿って生成している炭化珪素相を備えていることが好ましい。この場合には、各ヤーンそれ自体の強度がより一層向上し、破壊しにくくなる。
また、上記繊維複合材料は、好ましくは、マトリックスが珪素からなる珪素相を備えており、この珪素相とヤーンとの間に炭化珪素相が生成している。この場合には、ヤーンの表面が炭化珪素相によって強化されるのと共に、マトリックスの中央部分が比較的に硬度の低い珪素相からなることから、微視的な応力分散が一層促進される。
【００１９】
かくして、常温（２０℃）から７００℃への２分間での急速加熱、同温度での５分間の保持、常温下での放置による自然冷却のサイクルを１５回繰り返した後に於ける、試験開始前の重量に対する試験終了後の重量の減少率が８％以下、好ましくは５％以下で、かつ、ＪＩＳＲ１６０１により試験したときの試験開始前の強度に対する試験終了後の強度の保持率が８０％以上、好ましくは８５％以上である繊維複合材料が提供される。このことにより、ブレーキ用部材や摺動材として使用したときに、周囲環境による特性変動を少なくすることができ、信頼性の高いブレーキ用部材や摺動材を提供することができることとなる。
【００２０】
また、この繊維複合材料は、好ましくは、ヤーンの表面から離れるのに従って珪素の含有比率が上昇する傾斜組成を有するマトリックスを有している。
また、この繊維複合材料は、好ましくは、ヤーン集合体が複数のヤーン配列体を備えており、各ヤーン配列体がそれぞれ複数のヤーンをほぼ平行に二次元的に配列することによって形成されており、各ヤーン配列体が積層されることによってヤーン集合体が構成されている。これによって、繊維複合材料が、複数層のヤーン配列体を一方向へと向かって積層した積層構造を有することになる。
【００２１】
この場合において特に好ましくは、隣接するヤーン配列体における各ヤーンの長手方向が互いに交差していることである。これによって、一層応力の分散が促進される。隣り合うヤーン配列体におけるヤーンの長手方向は、特に好ましくは、直交している。
また、好ましくは、マトリックスが、繊維複合材料の中で互いに連続することで三次元網目構造を形成している。この場合において特に好ましくは、マトリックスが各ヤーン配列体においてほぼ平行に二次元的に配列されており、隣り合う各ヤーン配列体中に生成しているマトリックスが互いに連続しており、これによってマトリックスが三次元格子を形成している。
また、隣り合うヤーンの間隙には、１００％マトリックスが充填されていてもよいが、ヤーンの間隙のうち一部をマトリックスが充填している場合も含む。
【００２２】
本発明に係る繊維複合材料は、上記のように製造された特定量のＣ／Ｃコンポジットからなる母材と、同母材を構成する上記ヤーン集合体とヤーンとヤーンとの間にマトリックスとして三次元的格子状に形成されたＳｉ−ＳｉＣ系材料と、からなる繊維複合材料から製造される。
本発明の繊維複合材料は、常温での動摩擦係数が０．０５〜０．６と大きく、また、耐酸化性、耐クリープ性、耐スポーリング性を有するＳｉ−ＳｉＣ系材料からなるマトリックス層を表面に配することにより、Ｃ／Ｃコンポジットの有する低耐酸化性を克服することができ、酸素存在下において高温下に余儀なく曝される摺動材やブレーキ用部材として使用が可能である。特に、気孔率を０．５％〜１０％に制御した場合には、動摩擦係数の周囲環境の変化による変動量が極めて少なく、安定したブレーキ性能が発揮される。高温条件下での摩耗量は、５００℃で１．０％／時間以下、より好ましくは０．６％／時間以下である。また、優れた耐磨耗性をも併せ持つ。
【００２３】
また、Ｃ／Ｃコンポジットを母材としていることから、軽量であり、省エネルギーの要請にもかなう材料であるといる。
さらに、母材がＣ／Ｃコンポジットであるため、靱性に富み、優れた耐衝撃性、高硬度性を有する。従って、従来使用されているＣ／Ｃコンポジットが有している特性を保持したまま、同Ｃ／Ｃコンポジットが有する耐高温摩耗性が低いという欠点を克服することができる。
また、Ｃ／Ｃコンポジットは連続した開気孔を有するので、この気孔に対して含浸形成されるＳｉ−ＳｉＣは、連続構造をとり三次元網目構造をとる。従って、どの部分を切り出しても、母材となったＣ／Ｃコンポジットに比して高い耐磨耗性を有し、かつ本来Ｃ／Ｃコンポジットが持っている高い放熱性、柔軟性なども維持される。
【００２４】
なお、Ｃ／Ｃコンポジットとは、前述の如く、二次元または三次元方向に配列した炭素繊維の間隔に炭素からなるマトリックスを形成してなる素材であるが、炭素繊維を１０〜７０％含有していれば、例えば窒化ホウ素、ホウ素、銅、ビスマス、チタン、クロム、タングステン、モリブデン等の炭素以外の他の元素を含んでいてもよい。
【００２５】
Ｓｉ−ＳｉＣ系材料からなるマトリックス層を表面に有するものを用いた場合には、Ｓｉ−ＳｉＣ系材料が溶融してガラスとなり母材を酸素から保護する速度の方が、酸素の母材内部への拡散速度よりも早いため、母材として使用されたＣ／Ｃコンポジットが拡散してきた酸素により酸化されるような事態を回避でき、母材を酸化から保護することができる。即ち、本発明に係る摺動材の場合には、自己修復性を示し、より長期間に亙る使用が可能となる。この効果は、Ｓｉが前述の窒化ホウ素、銅、ビスマス等の第三成分を含有しても有効である。
【００２６】
さらに、ＳｉＣ材料は熱膨張係数がＣ／Ｃコンポジットより大きいため、長期間高温条件下での使用において、ＳｉＣ材料からなる層が剥離するおそれがあるのに対し、Ｓｉ−ＳｉＣ系材料の熱膨張係数はＣ／Ｃコンポジットと同程度であるため、熱膨張係数の差に起因する剥離を防ぐことができ、摺動材やブレ−キ用部材として優れた特質を有するものであるということができる。
【００２７】
本発明に係る繊維複合材料について、図面を使用してさらに説明することとする。
図１は、ヤーン集合体の概念を説明するための概略斜視図であり、図２（ａ）は図１のＩＩａ−ＩＩａ線断面図であり、図２（ｂ）は図１のＩＩｂ−ＩＩｂ線断面図である。図３は、図２（ａ）の一部拡大図である。
繊維複合材料７の骨格は、ヤーン集合体６によって構成されている。ヤーン集合体６は、ヤーン配列体１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆを上下方向に積層してなる。各ヤーン配列体においては、各ヤーン３が二次元的に配列されており、各ヤーンの長手方向がほぼ平行である。上下方向に隣り合う各ヤーン配列体における各ヤーンの長手方向は、直交している。即ち、各ヤーン配列体１Ａ、１Ｃ、１Ｅの各ヤーン２Ａの長手方向は、互いに平行であり、かつ各ヤーン配列体１Ｂ、１Ｄ、１Ｆの各ヤーン２Ｂの長手方向に対して直交している。
各ヤーンは、炭素繊維と、炭素繊維以外の炭素成分とからなる繊維束３からなる。ヤーン配列体が積層されることによって、三次元格子形状のヤーン集合体６が構成される。各ヤーンは、後述するような加圧成形工程の間に押しつぶされ、略楕円形になっている。
【００２８】
各ヤーン配列体１Ａ、１Ｃ、１Ｅにおいては、隣り合う各ヤーンの間隙には、マトリックス８Ａが充填されており、各マトリックス８Ａはヤーン２Ａの表面に沿ってそれと平行に延びている。各ヤーン配列体１Ｂ、１Ｄ、１Ｆにおいては、隣り合う各ヤーンの間隙には、マトリックス８Ｂが充填されており、各マトリックス８Ｂは、ヤーン２Ｂの表面に沿ってそれと平行に延びている。本例では、マトリックス８Ａ、８Ｂは、それぞれ、各ヤーンの表面を被覆する炭化珪素相４Ａ、４Ｂと、炭化珪素相４Ａ、４Ｂよりも炭素の含有割合が少ないＳｉ−ＳｉＣ系材料相５Ａ、５Ｂからなっている。炭化珪素相中にも珪素を一部含有していてよい。また、本例では、上下方向に隣接するヤーン２Ａと２Ｂとの間にも、炭化珪素相４Ａ、４Ｂが生成している。
各マトリックス８Ａと８Ｂとは、それぞれヤーンの表面に沿って細長く、好ましくは直線状に延びており、各マトリックス８Ａと８Ｂとは互いに直交している。そして、ヤーン配列体１Ａ、１Ｃ、１Ｅにおけるマトリックス８Ａと、これに直交するヤーン配列体１Ｂ、１Ｄ、１Ｆにおけるマトリックス８Ｂとは、それぞれヤーン２Ａと２Ｂとの間隙部分で連続している。この結果、マトリックス８Ａ、８Ｂは、全体として、三次元格子を形成している。
【００２９】
図４は、他の実施形態に係る摺動材を構成する他の繊維複合材料の要部を概略的に示す部分断面斜視図である。本例では、上下方向に隣り合う各ヤーン２Ａと２Ｂとの間には炭化珪素相が実質的に存在していない。各ヤーン配列体において、隣り合うヤーン２Ａと２Ａとの間、あるいはヤーン２Ｂと２Ｂとの間には、それぞれマトリックス８Ａ、８Ｂが形成されている。マトリックス８Ａ、８Ｂの形態は、上下方向に隣り合うヤーン間に炭化珪素相がないことを除けば、図１〜図３の例と同様である。各マトリックス８Ａ、８Ｂは、それぞれ、ヤーン２Ａ、２Ｂの表面に接して生成している炭化珪素相５Ｃと、その内側にヤーンとは離れて生成しているＳｉ−ＳｉＣ系材料相４Ｃとを備えている。
【００３０】
Ｓｉ−ＳｉＣ系材料相においては、それぞれ、ヤーンの表面から離れるほど、炭素濃度が少なくなる傾斜組成を有していることが好ましく、あるいは、珪素相からなっていることが好ましい。
摺動材やブレーキ用部材用の材料としては、図５に示すように、Ｃ／Ｃコンポジット１５と、Ｃ／Ｃコンポジット１５の表面にシリコンが含浸されることによって生成するマトリックス層１３とを備えていることが好ましく、特にマトリックス層１３の表層部には珪素層１４が形成されているものもが好ましい。なお、１２は、珪素を含浸させる前のＣ／Ｃコンポジット本体の範囲を示す。また、摺動材やブレーキ用部材全体を、上記の繊維複合材料から形成することも好ましい。
【００３１】
本発明に係る複合材料は、図５に示すように、表面近傍に珪素のみからなる層が形成されたマトリックス層２からなるものであることが好ましい。
Ｓｉ−ＳｉＣ系材料を母材表面に単にコーティングするだけでは、高温酸化条件下においては両者の熱膨張係数差により、容易にＳｉ−ＳｉＣ系材料からなる層が剥離するが、Ｓｉ−ＳｉＣ系材料を繊維複合材料のマトリックス層として形成することにより、繊維の積層方向での強度が増し、剥離を防止でき、ひいては摺動材に耐久性を付与することができる。
【００３２】
ここで、Ｓｉ−ＳｉＣ系材料を母材に含浸させることにより形成されるマトリックス層１３の厚さは、少なくとも０．０１ｍｍあることが好ましい。さらに少なくとも０．０５ｍｍ以上あることが好ましく、少なくとも０．１ｍｍ以上であることが一層好ましい。このマトリックス層１３の厚さが０．０１ｍｍ未満の場合は、高酸化条件下において、摺動材として要求される耐久性を充分に付与することができないからである。
【００３３】
また、本発明に係る繊維複合材料において、マトリックス層１３におけるＳｉ濃度は、表面から内部に向かって小さくなることが好ましい。
マトリックス層１３におけるＳｉ濃度に傾斜を持たせることにより、強酸化腐食環境での耐食性および強度、表層部および内層部の欠陥へのヒーリング機能を著しく向上させることができ、さらに熱膨張係数差による材料の熱応力劣化を防止できる。これは、表層部のＳｉ濃度が、内層部のＳｉ濃度よりも相対的に高いため、発生したマイクロクラックが、加熱中にヒーリングされ、耐酸化性を保持するからである。
また、本発明の繊維複合材料に用いるＣ／Ｃコンポジットは、窒化ホウ素、ホウ素、銅、ビスマス、チタン、クロム、タングステンおよびモリブデンからなる群より選択した１以上の物質を含有してもよい。
【００３４】
これらの物質は潤滑性を有するため、Ｃ／Ｃコンポジットからなる母材に含有させることにより、Ｓｉ−ＳｉＣ系材料が含浸した母材の部分においても、繊維の潤滑性を維持することができ、靱性の低下を防ぐことができる。なお、例えば、窒化ホウ素の含有量は、Ｃ／Ｃコンポジットからなる母材１００重量％に対し、０．１〜４０重量％であることが好ましい。０．１重量％未満では窒化ホウ素による潤滑性付与の効果が充分に得られず、４０重量％を超える場合は窒化ホウ素の脆さが繊維複合材料にも現れてくるからである。
【００３５】
このような、本発明の繊維複合材料は、Ｃ／Ｃコンポジットの耐衝撃性、高硬度性および軽量性と、Ｓｉ−ＳｉＣ系材料の、耐酸化性、耐スポーリング性、自己潤滑性、耐磨耗性等を併せ持ち、さらに、自己修復性をも有するため、高温酸化条件下での使用に長期間耐えることができるので、摺動材やブレーキ用部材として、好適に用いることができる。
【００３６】
本発明に係る繊維複合材料は、好ましくは以下の方法によって製造できる。
即ち、炭素繊維の束に対して、最終的には、遊離炭素となり炭素繊維の束のマトリックスとして作用する粉末状のバインダーピッチ、コークス類を包含させ、さらに必要に応じてフェノール樹脂粉末等を含有させることによって、炭素繊維束を作製する。炭素繊維束の周囲に、熱可塑性樹脂等のプラスチックからなる柔軟な被膜を形成し、柔軟性中間材料を得る。この柔軟性中間材料を、ヤーン状にし特開平２−８０６３９号公報に記載のように、必要量を積層した後、ホットプレスで３００〜２０００℃、常庄〜５００ｋｇ／ｃｍ ² の条件下で成形することによって、成形体を得る。または、この成形体を、必要に応じて７００〜１２００℃で炭化させ、１５００〜３０００℃で黒鉛化して、焼成体を得る。
【００３７】
炭素繊維は、石油ピッチ若しくはコールタールピッチを原料とし、紡糸用ピッチの調整、溶融紡糸、不融化及び炭素化して得られるピッチ系炭素繊維並びにアクリロニトリル（共）重合体繊維を炭素化して得られるＰＡＮ系炭素繊維のいずれのものでもよい。
マトリックスの形成に必要な炭素前駆体としては、フェノール樹脂やエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂およびタール、ピッチ等が用いられるが、これらはコークス類、金属、金属化合物、無機および有機化合物等を含んでいてもよい。
【００３８】
次いで、上記のように作製された成形体または焼成体とＳｉとを、１１００〜１４００℃の温度域、炉内圧０．１〜１０ｈＰａで１時間以上保持する。好ましくは、この際、成形体または焼成体とシリコンの合計重量１ｋｇ当たり０．１ＮＬ（ノルマルリットル：１２００℃、圧力０．１ｈＰａの場合、５０６５リットルに相当）以上の不活性ガスを流しつつ、成形体または焼成体表面にＳｉ−ＳｉＣ層を形成する。次いで、温度１４５０〜２５００℃、好ましくは１７００〜１８００℃に昇温して前記成形体または焼成体の開気孔内部へシリコンを溶融、含浸させ、Ｓｉ−ＳｉＣ系材料を形成させる。また、この過程において、成形体を用いた場合は、前記成形体の焼成も行われ、繊維複合材料が生成する。
【００３９】
成形体または焼成体とＳｉを、１１００〜１４００℃の温度、０．１〜１０ｈＰａの圧力に１時間以上保持し、かつその際、成形体または焼成体とＳｉの合計重量１ｋｇ当たり不活性ガスを０．１ＮＬ以上、好ましくは１ＮＬ以上、さらに好ましくは１０ＮＬ以上流すように制御することが望ましい。
このような、焼成時（即ち、Ｓｉの溶融、含浸前の段階）不活性ガス雰囲気にすることにより、無機ポリマーないし無機物のセラミックス化への変化に伴うＣＯ等の発生ガスを焼成雰囲気より除去し、また大気中のＯ ₂ 等による外部からの焼成雰囲気の汚染を防止することによりその後にＳｉを溶融、含浸して得られる複合材料の気孔率を低く維持することができる。
【００４０】
また、成形体または焼成体へＳｉを溶融、含浸する際には、雰囲気温度を１４５０〜２５００℃、好ましくは１７００〜１８００℃に昇温する。この場合、焼成炉内圧は０．１〜１０ｈＰａの範囲が好ましい。
【００４１】
上記のように、有機物からなる柔軟性中間材料を炭素繊維束の外周に使用し、珪素の含浸、溶融と組み合わせると、成形体または焼成体において、該柔軟性中間材料が熱分解してヤーンの間隙には細長い開気孔が残り、この細長い開気孔に沿って珪素が焼成体または成形体の奥まで浸透しやすい。この浸透の過程で、珪素がヤーンの炭素と反応してヤーン表面側から徐々に炭化し、本発明で使用する繊維複合材料を生成させることができる。なお、用途に応じて、このような構成を有する繊維複合材料をＣ／Ｃコンポジットからなる母材の表層部の一部にのみいわゆる繊維複合材料層として形成してもよい。
【００４２】
マトリックス層の深さの調節は、成形体または焼成体の開気孔率及びその細孔径により行う。例えば、Ｓｉ−ＳｉＣ系材料層の厚さを０．０１〜１０ｍｍとする場合には、少なくとも成形体または焼成体の表面近傍における開気孔率を５〜５０％、平均細孔径を１μｍ以上とする。成形体または焼成体の開気孔率は１０〜５０％であることが好ましく、平均細孔径は１０μｍ以上とすることが好ましい。開気孔率を５％未満とすると、成形体または焼成体中のバインダーを除去しきれず、５０％より大きくすると、母材の内部深くにまでＳｉ−ＳｉＣ系材料が含浸形成し、複合材料の耐衝撃性が低下するからである。
【００４３】
また、繊維複合材料層をＣ／Ｃコンポジットの表面にのみ形成するには、少なくとも表面近傍の開気孔率が焼成中に０．１〜３０％になるように調整した成形体を用いることが好ましい。即ち、熱分解する有機物からなる柔軟性中間材料の被膜の炭素繊維束に対する厚さを調整すればよい。
【００４４】
成形体または焼成体の開気孔率を、表面から内部に向かって小さくなるようにするには、バインダーピッチの異なるプリフォームドヤーンからなる複数のプリフォームドシートを、内側から表層側に向かってバインダーピッチが大きくなるように配置して成形することにより行う。
【００４５】
また、上記の繊維複合材料層における珪素濃度に傾斜を設ける場合には、表面近傍の開気孔率が表面から内部に向かって小さくなるように調整した焼成体、または少なくとも表面近傍の開気孔率が焼成中に表面から内部に向かって小さくなるように調整した成形体を用いて、複合材料の製造を行う。繊維複合材料の気孔率を０．５％〜１０％に制御するには、Ｓｉを成形体あるいは焼成体に含浸させる際に、成形体あるいは焼成体の開気孔率に応じてＳｉ量を調整することにより容易に行うことができる。
【００４６】
本発明に於いて、上記の新規な繊維複合材料を使用して摺動材あるいはブレーキ用部材を製造するに際しては、上記のように製造した複合材料を平面研削盤等により適宜な寸法に切断加工し、平面研削仕上げすることにより製造すればよい。
本発明の繊維複合材料から製造した摺動材あるいはブレーキ用部材は、特に、大型輸送機械等の摺動材やブレーキ用部材として好適に使用できる。
【００４７】
【実施例】
次に、本発明を実施例を用いてさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に限られるものではない。
なお、各例によって得られた繊維複合材料は、以下に示す方法よりその特性を評価した。
【００４８】
（動摩擦係数の評価方法）
テストピースをジグにセットして１００ｒｐｍで１０分間回転させ、相手材（ＳＵＪ、１０ｍｍ球）を２ｋｇの荷重Ｆｐ（Ｎ）にてテストピースに押し付け、その際の摩擦力Ｆｓ（Ｎ）を測定した。動摩擦係数の値は下式により算出した。
摩擦係数μ＝Ｆｓ／Ｆｐ
【００４９】
（比磨耗量の評価方法）
テストピースをジグにセットして１００ｒｐｍで１０分間回転させ、相手材（ＳＵＪ、１０ｍｍ球）を２ｋｇの荷重Ｐでテストピースに押し付け、試験前の重量Ｗａ（ｍｇ）と試験後の重量Ｗｂ（ｍｇ）を測定した。テストピースの密度ρ（ｇ／ｃｍ³）より、磨耗量Ｖ（ｍｍ³）を下式により算出した。
Ｖ＝（Ｗａ−Ｗｂ）／ρ
比磨耗量Ｖｓ（ｍｍ³／（Ｎ・ｋｍ））は、磨耗量Ｖ（ｍｍ³）、試験荷重Ｐ（Ｎ）および摺動距離Ｌ（ｋｍ）より、下式にて算出した。
Ｖｓ＝Ｖ／（Ｐ・Ｌ）
【００５０】
（開気孔率の測定方法）
開気孔率（％）＝〔（Ｗ3−Ｗ1）／（ Ｗ3−Ｗ2）］×１００
（アルキメデス法による。）
乾燥重量（Ｗ1）：１００℃のオーブンで１Ｈｒ乾燥させ、その後秤量
水中重量（Ｗ2）：試料を煮沸し、開気孔中に完全に水を侵入させて水中にて秤量
飲水重量（Ｗ3）：開気孔中に完全に水を侵入させた試料を大気中にて秤量
【００５１】
（耐酸化性の評価方法）
テストピースを１１５０℃の炉内（１％Ｏ ₂ 、９９％Ｎ ₂ ）へ放置し、２００時間後の重量の減少率を測定することにより、耐酸化性を評価した。
【００５２】
（圧縮強さの評価方法）
テストピースに圧縮荷重を加え、下記の式により算出した。
圧縮強さ＝Ｐ／Ａ
（式中、Ｐは最大荷重時の荷重、Ａはテストピースの最小断面積を表す。）
【００５３】
（高温酸化条件下における耐久性の評価方法）
テストピースを９９％Ａｒと１％Ｏ ₂ の混合ガスを用い、１２００℃大気圧下に保持した後、重量を測定した。
【００５４】
（層間セン断強さの評価方法）
テストピースの厚さｈの４倍の距離を支点間距離として３点曲げを行い、下式により算出した。
層間セン断強さ＝３Ｐ／４ｂｈ
（式中、Ｐは破壊時の最大曲げ荷重、ｂはテストピースの幅を表す。）
【００５５】
（曲げ弾性率の評価方法）
テストピースの厚さｈの４０倍の距離を支点間距離Ｌとして３点曲げを行い、荷重−たわみ曲線の直線部の初期の勾配Ｐ／σを用いて、下式により算出した。
曲げ弾性率＝１／４・Ｌ³／ｂｈ³・Ｐ／σ
（式中、ｂはテストピースの幅を表す。）
【００５６】
（自己修復性の評価方法）
Ｍａｘ：２０ＭＰａ〜Ｍｉｎ：５ＭＰａの繰返し応力を１０万回印加し、内部にマイクロクラックを発生させた後、９００℃で２時間アニールし、圧縮強度の測定を行った。
【００５７】
（高温酸化条件下における重量減少率）
所定量のテストピースを大気中で、４００℃、１００時間保持した後、重量を測定し、試験開始前の重量から試験終了後の重量を引き算し、減少重量を求め、これを試験開始前の重量に対する減少率として算出した。
【００５８】
（５％重量減の温度測定方法）
大気中で充分な気流の流れを与えつつ、１０℃／分の割合で昇温しながら、試料の重量の変化を測定し、試料の重量が５％の減少を示す温度を求める。
【００５９】
（ピン・オン・デスク回転摩擦係数測定法）
図７に示す共和技研製の試験板を用いた試験装置を用いて水分や油分の浸漬が本発明に係る新規な繊維複合材料に及ぼす影響について試験するために、テストピースを以下の条件下に曝した後、動摩擦係数、および試験ピンの摩耗の程度を測定した。
ピン形状： 直径４ｍｍ×長さ３０ｍｍ
回転数 ： １０００ｒｐｍ
荷重 ： １５ｋｇｆ／ｃｍ²
摺動時間： １０分
摺動回転半径：５ｍｍ
摺動距離： ３１４ｍｍ
［サンプル保持条件］
保持条件Ａ：１００℃×２Ｈｒ乾燥後、常温下に保持。
保持条件Ｂ：常温下、水中に４８Ｈｒ浸積後、相対湿度６０％で常温下に保持。
保持条件Ｃ：常温下、水中に４８Ｈｒ浸積後、さらに試験中も水中に保持。
保持条件Ｄ：常温下、機械油（ユニウエイＤ３２；日本石油（株）製）中に４８Ｈｒ浸積後、さらに試験中も同油中に保持。
【００６０】
（高温履歴による特性劣化耐性試験）
所定量のテストピースの表面を大気中で、常温（２０℃）から７００℃迄急速加熱し、７００℃に達した後５分間同温度を保持し、次いで常温下に放置して自然冷却して、冷却したテストピースを再び急速加熱、高温下保持、冷却の操作を合計１５サイクル繰り返した。この操作の終了後、各テストピースの重量を測定し、試験開始前の重量から試験終了後の重量を引き算し、減少重量を求め、これを試験開始前の重量に対する減少率として算出した。さらに、上記虐待試験前および後のテストピースを用いて、ＪＩＳＲ１６０１により強度試験を行った。
【００６１】
（製造例）
炭素繊維を一方向に引き揃えたものにフェノール樹脂を含浸させたプリプレグシートを炭素繊維が互いに直交するように積層し、ホットプレスで１８０℃、１０ｋｇ／ｃｍ²で樹脂を硬化させた。次いで、窒素中で２０００℃で焼成し、１０ｍｍの厚さを有するＣ／Ｃコンポジットを得た。得られたＣ／Ｃコンポジットの密度は１．０ｇ／ｃｍ³、開気孔率は５０％であった。
次に、得られたＣ／Ｃコンポジットを、気孔率が５％となるのに充分な量からなる、純度９９．８％、平均粒径１ｍｍのＳｉ粉末で充填されたカーボンるつぼ内に立設した。次いで、焼成炉内にカーボンるつぼを移動した。焼成炉内の温度を１３００℃、不活性ガスとしてアルゴンガス流量を２０ＮＬ／分、焼成炉内圧を１ｈＰａその保持時間を４時間として処理した後、焼成炉内の圧力をそのまま保持しつつ、炉内温度を１６００℃に昇温することにより、Ｃ／ＣコンポジットにＳｉを含浸させて、気孔率５％の繊維複合材料を製造した。
【００６２】
（実施例１）
上記製造例により得られたＣ／Ｃコンポジット母材に、Ｓｉ−ＳｉＣ系材料からなる層を配した複合材料を用いて摺動材を製造した。母材に含浸成形させたＳｉ−ＳｉＣ系材料層の表面からの厚さは５０μｍであった。なお、Ｓｉ含浸率は４０％であった。
【００６３】
上記の複合材料から、テストピースを、Ｓｉ−ＳｉＣ系材料とＣ／Ｃコンポジットが充分複合化しているＣ／Ｃコンポジット表層近傍から切り出し、平面研削盤により縦６０ｍｍ、横６０ｍｍ、厚さ５ｍｍの大きさに切断加工した後、８００＃砥石で平面研削仕上げし、摺動材とした。得られた摺動材の研削面における表面粗さはＲａ＝１μｍであり、平面度は真直度で２μｍであった。
得られた摺動材の動摩擦係数、比磨耗量、耐酸化性、層間セン断強さ、圧縮強さ、曲げ弾性率等の測定結果を表１に示す。ここで、材料の動摩擦係数は繊維の積層方向に対し、平行な方向の値とした。
【００６４】
（実施例２）
Ｓｉ含浸率を４５％としたこと以外は、製造例と同様にして製造した繊維複合材料を用いて実施例１と同様にして摺動材を製造した。得られた摺動材の動摩擦係数、比磨耗量、耐酸化性、層間セン断強さ、圧縮強さ、曲げ弾性率等の測定結果を表１に示す。ここで、材料の動摩擦係数は繊維の積層方向に対し、平行な方向の値とした。
【００６５】
（実施例３）
Ｓｉ含浸率を５０％としたこと以外は、製造例と同様にして製造した繊維複合材料を用いて、実施例１と同様に摺動材を製造した。得られた摺動材の動摩擦係数、比磨耗量、耐酸化性、層間セン断強さ、圧縮強さ、曲げ弾性率等の測定結果を表１に示す。ここで、材料の動摩擦係数は繊維の積層方向に対し、平行な方向の値とした。
【００６６】
（実施例４）
Ｓｉ含浸率を５５％としたこと以外は、製造例と同様にして製造した繊維複合材料を用いて、実施例１と同様に摺動材を製造した。得られた摺動材の動摩擦係数、比磨耗量、耐酸化性、層間セン断強さ、圧縮強さ、曲げ弾性率等の測定結果を表１に示す。ここで、材料の動摩擦係数は、繊維の積層方向に対し平行な方向の値および一部の繊維の積層方向に対し、垂直な方向が含まれる方向の値とした。
【００６７】
（実施例５）
Ｓｉ含浸率を６０％としたこと以外は、製造例と同様にして製造した繊維複合材料を用いて、実施例１と同様に摺動材を製造した。得られた摺動材の動摩擦係数、比磨耗量、耐酸化性、層間セン断強さ、圧縮強さ、曲げ弾性率等の測定結果を表１に示す。ここで、材料の動摩擦係数は繊維の積層方向に対し、平行な方向の値とした。
【００６８】
（比較例１）
製造例と同様にＣ／Ｃコンポジットを製造した。得られた、Ｃ／Ｃコンポジットを平面研削盤により縦６０ｍｍ、横６０ｍｍ、厚さ５ｍｍの大きさに切断加工した後、８００＃砥石で平面研削仕上げし、摺動材とした。得られた摺動材の研削面における表面粗さはＲａ＝２５μｍであり、平面度は真直度で６μｍであった。得られた摺動材の動摩擦係数、比磨耗量、耐酸化性、層間セン断強さ、圧縮強さ、曲げ弾性率等の測定結果を表１に示す。
【００６９】
（比較例２）
Ｓｉ−ＳｉＣ繊維強化Ｓｉ−ＳｉＣ複合材料を製造し、これを用いて摺動材を製造した。
平均粒径１００μｍのＳｉＣ粗粒を６０重量％、平均粒径５μｍのＳｉＣ微粒を３０重量％、平均粒径２μｍのＣ粉末を１０重量％の割合で混合した。この混合物１００重量％に対して有機バインダー５重量％を配合し、適度の水に分散させたスラリー状混合物をスプレードライヤーを用いて平均粒径１２０μｍの造粒粒子を作製した。
【００７０】
次に、前記の工程で作製された造粒粒子を１００×１００ｍｍ寸法の金型に充填し、その上からＳｉＣ繊維クロスを敷き、さらに造粒粒子でＳｉＣ繊維クロスを挟み込むように敷き詰めた後、５００Ｋｇｆ／ｃｍ ² でプレス成形し、１８３×１８３×１０ｍｍの成形体を作製した。なお、ここでＳｉＣ繊維クロスは、ニカロン（日本カーボン製）を用いた。なお、ニカロンは、β−ＳｉＣ構造を持つＳｉ−Ｃ−Ｏ系炭化珪素繊維であり、有機ケイ酸ポリマー（ポリカルボシラン）でこれを溶融紡糸して連続繊維にし、この繊維を空気中で加熱すると、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉの橋かけが行われ不融化し、不活性ガス雰囲気中で１２００〜１５００℃で焼成したものである。
【００７１】
得られた成形体に実施例１と同様の条件にてＳｉを溶融、含浸させてＳｉ−ＳｉＣ繊維強化Ｓｉ−ＳｉＣ複合材料を製造した。ここで、材料の動摩擦係数は繊維の積層方向に対し、平行な方向の値とした。
【００７２】
得られた複合材料を平面研削盤により縦６０ｍｍ、横６０ｍｍ、厚さ５ｍｍの大きさに切断加工した後、８００＃砥石で平面研削仕上げし、摺動材とした。得られた摺動材の研削面における表面粗さはＲａ＝１６μｍであり、平面度は真直度で７μｍであった。得られた摺動材の動摩擦係数、比磨耗量、耐酸化性、層間セン断強さ、圧縮強さ、曲げ弾性率等の測定結果を表１に示す。
【００７３】
【表１】

【００７４】
表１より、Ｓｉ−ＳｉＣ系材料からなる層の一部をＣ／Ｃコンポジットからなる母材に含浸させた複合材料からなる摺動材（実施例１〜５）は、窒化珪素、炭化珪素、Ｓｉ−ＳｉＣ等の他のセラミックからなる摺動材よりも動摩擦係数が小さく、Ｃ／Ｃコンポジット（比較例１）からなる摺動材と同程度の動摩擦係数を有することがわかる。
【００７５】
比磨耗量については、実施例１〜５の摺動材は、Ｃ／Ｃコンポジットからなる比較例１の摺動材に比べ、１／５以下であることがわかる。
【００７６】
また、実施例１〜５の摺動材は、Ｃ／Ｃコンポジットからなる比較例１の摺動材に比べ、圧縮強さおよび層間セン断強さにおいて優れた値を示し、曲げ弾性率においてＣ／Ｃコンポジットと同程度の値を示した。一方、Ｓｉ−ＳｉＣ繊維強化Ｓｉ−ＳｉＣ複合材料（比較例２）に比べ、曲げ弾性率において優れた値を示し、耐酸化性、自己修復性および層間セン断強さにおいてＳｉ−ＳｉＣ繊維強化Ｓｉ−ＳｉＣ複合材料と同程度の値を示した。Ｓｉ−ＳｉＣ系材料を含浸させることにより、Ｃ／Ｃコンポジットに比べ、圧縮強さが大きくなるのは、炭素繊維の間にＳｉＣ材料が入り込むことによるものと考えられる。
【００７７】
（実施例６）
製造例に基づき製造した繊維複合材料から、テストピースを、Ｓｉ−ＳｉＣ系材料とＣ／Ｃコンポジットが充分複合化しているＣ／Ｃコンポジット表層近傍から切り出し、平面研削盤により縦６０ｍｍ、横６０ｍｍ、厚さ５ｍｍの大きさに切断加工した後、８００＃砥石で平面研削仕上げし、ブレーキ用部材とした。得られたブレーキ用部材の研削面における表面粗さはＲａ＝１μｍであり、平面度は真直度で２μｍであった。
得られたブレーキ用部材の摩擦係数、比磨耗量、耐酸化性、層間セン断強さ、圧縮強さ、曲げ弾性率、高温酸化条件下での耐摩耗性、５％重量減温度等の測定結果を表１に示す。また、前記５％重量減温度を測定したときの温度と重量減との関係を示すチャートを図６に示す。ここで、材料の摩擦係数は繊維の積層方向に対し、平行な方向の値とした。
【００７８】
（比較例３）
比較例１と同様に製造したＣ／Ｃコンポジットを、平面研削盤により縦６０ｍｍ、横６０ｍｍ、厚さ５ｍｍの大きさに切断加工した後、８００＃砥石で平面研削仕上げし、ブレーキ用部材とした。得られたブレーキ用部材の研削面における表面粗さはＲａ＝２５μｍであり、平面度は真直度で６μｍであった。得られたブレーキ用部材の性能について実施例６と同様方法により評価してその結果を表２に併せて示す。
【００７９】
【表２】

【００８０】
表２より、少なくとも炭素繊維の束と炭素繊維以外の炭素成分とを含有するヤーンが三次元的に組み合わされ、互いに分離しないように一体化されているヤーン集合体と、このヤーン集合体中で隣り合う前記ヤーンの間に充填されているＳｉ−ＳｉＣ系材料から構成されるマトリックスとを備えている繊維複合材料からなるブレーキ用部材は、従来からブレーキ用部材として使用されているＣ／Ｃコンポジット材と同程度の摩擦係数を有すると共に、酸素の存在下での高温条件での耐摩耗性において著しく優れていることがわかる。
比磨耗量についても、本発明に係るブレーキ用部材は、比較例のＣ／Ｃコンポジットに比べ、１／５以下であることがわかる。さらにＣ／Ｃコンポジットに比べ、圧縮強さおよび層間セン断強さにおいて優れた値を示し、曲げ弾性率においてＣ／Ｃコンポジットと同程度の値を示した。
Ｓｉ−ＳｉＣ系材料を含浸させることにより、Ｃ／Ｃコンポジットに比べ、圧縮強さが大きくなるのは、炭素繊維の間にＳｉＣ材料が入り込むことによるものと考えられる。
【００８１】
（試験例１）（ピン・オン・デスク回転摩擦係数測定）
気孔率がそれぞれ０．５％、２．５％、５．５％、９．５％、および１５％となるようにして製造例と同様にして製造した繊維複合材料並びに気孔率が２０％のＣ／Ｃコンポジットから、それぞれ直径４ｍｍ、長さ３０ｍｍの大きさの試験ピンを切り出し、これらの試験ピンをピン・オン・デスク回転摩擦係数測定のために上記のサンプル保持条件、即ち、以下の４条件下にそれぞれ保持し、試験に供した。
保持条件Ａ：１００℃×２Ｈｒ乾燥後、常温下に保持。
保持条件Ｂ：常温下、水中に４８Ｈｒ浸積後、相対湿度６０％で常温下に保持。
保持条件Ｃ：常温下、水中に４８Ｈｒ浸積後、さらに試験中も水中に保持。
保持条件Ｄ：常温下、機械油（ユニウエイＤ３２；日本石油（株）製）中に４８Ｈｒ浸積後、さらに試験中も同油中に保持。
その結果は、表３および表４に示す。
【００８２】
【表３】

【００８３】
【表４】

【００８４】
表３および表４の結果から、気孔率が２０％のＣ／Ｃコンポジットの場合には、試験ピンの摩耗が著しいことがわかる。また、気孔率が１５％の繊維複合材料から作成したテストピースの場合には、摩耗は環境条件が穏やかなときには認められないが、環境条件が悪いと可成りの摩耗が認められる。さらに、動摩擦係数は気孔率が１５％のものでは、環境条件の悪化、即ち、降雨時のようにブレーキ用部材が可成りの量の水分に濡れた場合やまた機械油等で汚染された場合などには、動摩擦係数が著しく低下していることから、気孔率が１０％以下であることがブレーキ用部材としての性能発揮に欠かせないことが明らかである。
【００８５】
特に、通常の降雨時の条件に該当すると考えられる環境条件Ｂでの低下は、気孔率が１０％以下では殆どないといえる水準にあるのに対して、気孔率が１５％のものでは、このような条件下でも低下が著しく、通常の条件下である環境条件Ａに比較して降雨時の環境条件下に相当する環境条件Ｂでは動摩擦係数が４０％も低下していることは注目すべき点である。また、油に浸積した場合の低下も気孔率が１０％以下の場合には、気孔率が１５％や２０％のものと比較して低くその点でも信頼性が高いことが明らかである。このことは、通常条件に相当する保持条件Ａと激しい降雨時に相当する保持条件Ｃや事故等の際に、ブレーキ用部材が油などで汚染された場合に相当する保持条件Ｄでの動摩擦係数の変動の大きさの指標である保持条件ＣまたはＤで動摩擦係数で通常条件での動摩擦係数を割った商で見れば、よりハッキリする。即ち、気孔率が１０％以下では、保持条件Ｃとの商はいずれも３倍以下、保持条件Ｄとの商では２倍以下であるのに対して、気孔率が１５％のものでは、前者が３．７５倍、後者が２．５倍であることから明らかである。なお、気孔率が２０％のＣ／Ｃコンポジットの場合には、これらの条件下では動摩擦係数を測定できず、かかる条件下でのブレーキ制動は極めて困難なことを物語っている。
【００８６】
（試験例２）（高温履歴による特性劣化耐性試験）
気孔率がそれぞれ０．５％、２．５％、５．５％、９．５％、１５％となるようにして製造例と同様にして製造した繊維複合材料並びに気孔率が２０％のＣ／Ｃコンポジットから、それぞれ平面研削盤を用いて、縦６０ｍｍ、横６０ｍｍ、厚さ５ｍｍの大きさに切断加工した後、８００＃砥石で平面研削仕上げし、ブレーキ用部材を製造し、これらの部材を高温履歴による特性劣化耐性試験に供した。その結果は、表５に示す。
【００８７】
【表５】

【００８８】
上記の高温履歴による特性劣化耐性試験は、航空機などのブレーキに使用されているＣ／Ｃコンポジットの表面温度がブレーキ制動時に７００℃程度になることから、航空機などに於けるブレ−キ制動時を想定して行ったものである。即ち、航空機などの高度の信頼性が要求されるものに於いては、温度上昇時の酸化燃焼現象を最大限防止することによりブレーキシステムの高寿命を図ることは、必要不可欠ことであるからである。表４に示した結果から明らかなように、虐待条件下に曝しても、気孔率が１０％以下のものは、重量変化量も少なく、また、強度の低下も低いことが明らかで、信頼性の高いブレーキ用部材として有用なことがわかる。
【００８９】
【発明の効果】
本発明の新規な繊維複合材料を摺動材として使用したときには、動摩擦係数が０．０５〜０．５と小さく、また、耐酸化性、耐クリープ性、耐スポーリング性を有するＳｉ−ＳｉＣ系材料からなる層を表面に配しているため、Ｃ／Ｃコンポジットの有する低耐酸化性を克服することができ、酸素存在下においても、潤滑剤として油を用いることができないような高温での使用が可能である。また、優れた耐磨耗性をも併せ持つ。
【００９０】
また、Ｃ／Ｃコンポジットを母材としていることから、軽量であり、動摩擦係数が小さいこととも相まって、エネルギーの損失が少なく、省エネルギーの要請にも沿う。
さらに、母材がＣ／Ｃコンポジットであるため、靱性に富み、優れた耐衝撃性、高硬度性を有する。従って、ＳｉＣ繊維強化Ｓｉ−ＳｉＣ複合体の有する低耐衝撃性という欠点を克服することができ、複雑な形状や薄肉部分を有する摺動材にも用いることができる。
【００９１】
本発明の新規な繊維複合材料をブレーキ用部材として使用した場合には、酸素の存在下での高温条件での耐摩耗性において著しく優れており、耐酸化性、耐クリープ性、耐スポーリング性を有するＳｉ−ＳｉＣ系材料からなる層を表面に配しているため、Ｃ／Ｃコンポジットの有する低耐酸化性を克服することができ、高温でかつ酸素存在下においても、使用が可能である。また、優れた耐磨耗性をも併せ持つ。特に、悪環境条件下でも、その動摩擦係数の変動の幅が低いことから、悪条件下でも高い信頼性を要求される、航空機用のブレーキ用部材として極めて優れた性質を有しているということができる。
また、Ｃ／Ｃコンポジットを母材としていることから、軽量であり、エネルギーの損失が少なく、省エネルギーの要請にも沿う。
さらに、母材がＣ／Ｃコンポジットであるため、靱性に富み、優れた耐衝撃性、高硬度性を有する。
従って、高温でかつ酸素の存在下で使用されることとなる大型輸送機械の制動装置に於けるブレーキ用部材として極めて有望な素材であることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の摺動材に使用する一つの繊維複合材料の基本構造をなすヤーン集合体の構造を模式的に示す斜視図である。
【図２】 （ａ）は図１のＩＩａ−ＩＩａ線断面図であり、（ｂ）は図１のＩＩｂ−ＩＩｂ線断面図である。
【図３】 図２（ａ）の一部拡大図である。
【図４】 本発明に係る摺動材に使用可能な別の態様の繊維複合材料の要部を概略的に示す部分断面斜視図である。
【図５】 本発明の摺動材に使用する一つの繊維複合材料の断面構造を示す模式図である。
【図６】 温度と重量減少との関係を示すチャートである。
【図７】 ピン・オン・デスク回転摩擦係数測定に使用する装置の模式図である。
【符号の説明】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ…ヤーン配列体、２Ａ…ヤーン、２Ｂ…ヤーン、３…繊維束（ヤーン）、４Ａ…炭化珪素相、４Ｂ…炭化珪素相、４Ｃ…炭化珪素相、５Ａ…Ｓｉ−ＳｉＣ系材料相、５Ｂ…Ｓｉ−ＳｉＣ系材料相、５Ｃ…Ｓｉ−ＳｉＣ系材料相、６…ヤーン集合体、７…繊維複合材料、８Ａ…マトリックス、８Ｂ…マトリックス、１１…繊維複合材料、１２…珪素を含浸させる前のＣ／Ｃコンポジット本体の範囲、１３…繊維複合材料層、１４…珪素層、１５…Ｃ／Ｃコンポジット、２１…試験板、２２…試験ピン。

Claims (11)

1. ５５重量％〜７５重量％の炭素と、１重量％〜１０重量％の珪素と、少なくとも１０重量％の炭化珪素とから構成されており、かつ、炭素と、珪素と、炭化珪素の合計が１００重量％を超えず、少なくとも炭素繊維の束と炭素繊維以外の炭素成分とを含有するヤーンが三次元的に組み合わされ、互いに分離しないように一体化されているヤーン集合体と、このヤーン集合体中で隣り合う前記ヤーンの間に充填されているＳｉ−ＳｉＣ系材料からなるマトリックスとを備え、０．０５〜０．６の動摩擦係数と、０．５％〜１０％に制御された気孔率とを有することを特徴とする繊維複合材料。
2. 前記マトリックスが、前記ヤーンの表面に沿って生成している炭化珪素相を備えていることを特徴とする請求項１に記載の繊維複合材料。
3. 前記マトリックスが珪素からなる珪素相を備え居り、この珪素相と前記ヤーンとの間に前記炭化珪素相が生成していることを特徴とする請求項１または２に記載の繊維複合材料。
4. 前記マトリックスが前記ヤーンから離れるのに従って、珪素の含有比率が上昇する傾斜組成を有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の繊維複合材料。
5. 前記ヤーン集合体が複数のヤーン配列体を備えており、各ヤーン配列体がそれぞれ複数のヤーンをほぼ並行に二次元的に配列することによって形成されており、前記ヤーン配列体が積層されることによって前記ヤーン集合体が構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の繊維複合材料。
6. 前記マトリックスが、前記繊維複合材料の中で互いに連続することで三次元網目構造を形成していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の繊維複合材料。
7. 湿潤状態に於ける動摩擦係数が０．０５〜０．６である請求項１〜６のいずれか１項に記載の繊維複合材料。
8. 比磨耗量が０．０〜０．３ｍｍ ³ ／Ｎ・ｋｍである請求項１〜７のいずれか１項に記載の繊維複合材料。
9. 大気中で１０℃／分の割合で昇温したときに5％重量減少が生じる温度が６００℃以上である請求項１〜８のいずれか１項に記載の繊維複合材料。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の繊維複合材料の摺動材としての使用。
11. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の繊維複合材料のブレーキ用部材としての使用。

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