JP4374339B2 - Brake member manufacturing method - Google Patents

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Description

本発明は、大型陸上輸送機械、例えば、大型自動車等の停止又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ているブレーキディスク用の摩擦材として使用されるブレーキ用部材の製造方法に関する。 The present invention relates to the manufacture of a brake member used as a friction material for a brake disk mounted in conjunction with a speed control device used for stopping or speed control of a large land transport machine, for example, a large automobile. Regarding the method .

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コンポジットカーボンファイバー(以下C/Cと称することもある)が広く使用されている。   As a friction material used in a braking device installed in a large land transportation machine such as a large automobile, a composite carbon fiber (hereinafter referred to as C / C) has a very high friction coefficient at a high temperature and is lightweight. Is also widely used.

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、又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、この様な条件下では、酸素と反応して、著しく摩耗するだけでなく、発煙を発生させ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、ディ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出せていないのが現状である。   In such a large-scale ground transportation machine, braking by the brake must be continued for a long time according to the change of the driving situation, or it may be necessary to repeat the braking by the brake frequently, as a result. In the case of a braking device using C / C as a friction material, the friction material is exposed to a high temperature in air for a long time. Therefore, the friction material is basically composed of carbon fibers that are easily combusted at high temperatures. Under such conditions, the friction material not only reacts with oxygen and wears significantly, but also emits smoke. It has been reported that there are cases in which it has occurred and is about to reach a major accident. However, from the viewpoint of performance such as high frictional force at high temperatures and flexibility required for mounting on a disc brake, no alternative raw material has been found.

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ながら、高温が発生することを余儀なくされる大型陸上輸送機械のブレーキ用摩擦材として、酸素存在下ではその摩耗が激しく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摩擦材の製造方法を提供することを目的とするものである。 Excellent impact resistance possessed by C / C composite, while retaining excellent point light such, as a large land transportation machinery brake friction material hot is forced to occur, the wear in the presence of oxygen An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a friction material for a brake that does not require replacement work with a significant frequency.

本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、粉末状のバインダーピッチ、コークス類及びフェノール樹脂を含有した炭素繊維束の周囲に、熱可塑性樹脂から成る被膜を形成して柔軟性中間材料を得、この柔軟性中間材料をヤーン状にして所定量を積層した後、ホットプレスで300〜2000℃、常庄〜500kg/cm 2 の条件下で成形して成形体を得、又はこの成形体を焼成して焼結体を得、この成形体又は焼結体とSiとを、その合計重量1kg当たり0.1NL以上の不活性ガスを流しつつ1100〜1400℃、炉内圧0.1〜10hPaで1時間以上保持した後、炉内圧0.1〜10hPaで1450〜2500℃に昇温することにより、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系材料からなるマトリックスとを備えている繊維複合材料を製造でき、この繊維複合材料が、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ィ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、これにより上記の目的を達成できることを見い出し、本発明を完成させたものである。 As a result of various investigations to achieve the above object, the inventors of the present invention formed a film made of a thermoplastic resin around a carbon fiber bundle containing a powdery binder pitch, cokes and a phenol resin, and made the softness. The intermediate material is obtained, and the flexible intermediate material is made into a yarn shape and laminated in a predetermined amount, and then molded by hot pressing at 300 to 2000 ° C. under the conditions of Jojo to 500 kg / cm 2 to obtain a molded body, Alternatively, the molded body is fired to obtain a sintered body, and the molded body or the sintered body and Si are flowed through an inert gas of 0.1 NL or more per 1 kg of the total weight, and 1100 to 1400 ° C., and the furnace pressure is 0. after holding for 1 hour or more at .1~10HPa, by heating to from 1450 to 2,500 ° C. in furnace pressure 0.1~10HPa, containing a bundle and a carbon component other than carbon fibers of at least carbon fiber yarn A yarn assembly that is three-dimensionally combined and integrated so as not to separate from each other, and a matrix made of Si-SiC-based material that is filled between adjacent yarns in the yarn assembly. provided able production of fiber composite materials are, the fiber composite material, the impact resistance is excellent as a friction material for brakes, while maintaining an excellent point of light such as disc brake to be forced to a high temperature of occurrence Even if it is used as a friction material, it exhibits sufficient wear resistance even in the presence of oxygen, and it can be used continuously without the need for frequent replacement work like C / C composite. Thus, the inventors have found that the above object can be achieved and completed the present invention.

本発明に係るブレーキ用摩擦材(以下単にブレーキ用部材ということもある)を構成する繊維複合材料は、Si−SiC系材料から成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。更に少なくとも0.05mm以上で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。
さらに、上記のブレーキ用摩擦材を構成する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、タングステン及びモリブデンから成る群より選択した1又は2以上の物質を含有してもよい。又、上記のブレーキ用摩擦材は、常温に於ける動摩擦係数が0.05〜0.6であることが好ましい。使用温度が上昇すると共に、常温時と比較して急速に動摩擦係数が上昇することが好ましい。
The fiber composite material constituting the brake friction material according to the present invention (hereinafter also referred to simply as a brake member) is a three-dimensional combination of Si-SiC-based matrices and integrated so as not to separate from each other. It is integrally formed between the yarn aggregates made of the carbon fibers formed. As will be described later, when a matrix layer formed of a Si—SiC-based material is provided, the thickness is preferably at least 0.01 mm. Furthermore, it is preferably at least 0.05 mm or more, and more preferably at least 0.1 mm or more.
Further, in the fiber composite material constituting the brake friction material, the fiber composite material preferably has a gradient composition in which the content ratio of silicon increases as the matrix moves away from the yarn. One or more substances selected from the group consisting of boron, boron, copper, bismuth, titanium, chromium, tungsten and molybdenum may be contained. The brake friction material preferably has a dynamic friction coefficient at room temperature of 0.05 to 0.6. It is preferable that the dynamic friction coefficient rises rapidly as the operating temperature rises as compared to normal temperature.

本発明のブレーキ用部材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材料から成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、高温で且つ酸素存在下においても、使用が可能である。又、優れた耐磨耗性をも併せ持つ。
又、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。
The brake member of the present invention is remarkably excellent in wear resistance under high temperature conditions in the presence of oxygen, and has a layer made of Si-SiC material having oxidation resistance, creep resistance and spalling resistance on the surface. Therefore, the low oxidation resistance of the C / C composite can be overcome, and it can be used even at high temperatures and in the presence of oxygen. It also has excellent wear resistance.
Further, since the C / C composite is used as a base material, it is lightweight, has little energy loss, and meets the demand for energy saving.
Furthermore, since the base material is a C / C composite, it is rich in toughness and has excellent impact resistance and high hardness.

本発明のブレーキ用摩擦材は、C/Cコンポジットから成る母材にSi−SiC材料から成る層を配したセラミックス・金属・炭素から成る複合材料を用いて構成される。   The brake friction material of the present invention is configured using a composite material made of ceramics, metal, and carbon in which a base material made of C / C composite is provided with a layer made of Si-SiC material.

以下、本発明のブレーキ用摩擦材に用いる新規な繊維複合材料について説明する。
これは、いわゆる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、この予備成形体の内部に、CVI法(Chemical Vapor Infiltration :化学的気相含浸法)や無機ポリマー含浸焼結法等により、炭素から成るマトリックスを形成して成るC/Cコンポジットとして知られている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。
Hereinafter, the novel fiber composite material used for the brake friction material of the present invention will be described.
This is a new concept material based on a so-called C / C composite, with the basic structure improved.
As a C / C composite used as a basic material, a carbon bundle having a diameter of about 10 μm is usually bundled from several hundred to several tens of thousands to form a fiber bundle (yarn), and the fiber bundle is two-dimensional or three-dimensional. A pre-formed body (fiber preform) having a predetermined shape is formed by arranging in a direction to form a unidirectional sheet (UD sheet) or various cloths, or by laminating the above-described sheets or cloths. What is known as a C / C composite formed by forming a matrix made of carbon by the CVI method (Chemical Vapor Infiltration) or inorganic polymer impregnation sintering method is used inside That's fine. In the C / C composite used in the present invention, the carbon component other than the carbon fiber in the yarn is preferably a carbon powder, and particularly preferably a graphitized carbon powder.

本発明に於いて使用する上記の繊維複合材料は、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。   The fiber composite material used in the present invention uses a C / C composite as a base material, and has a great feature that the structure of the carbon fiber is maintained without being broken. . And it has the microstructure which filled the matrix which consists of Si-SiC type material between the adjacent yarns in a yarn assembly.

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及び/又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。   In the present invention, the Si—SiC-based material is a generic name for materials containing silicon and silicon carbide as main components, and this Si—SiC-based material is manufactured as follows. In the present invention, silicon is impregnated into a C / C composite or a molded body thereof. At this time, silicon is a carbon atom constituting carbon fiber in the composite and / or free carbon remaining on the surface of the carbon fiber. Since it reacts with atoms and is partially carbonized, silicon that is partially carbonized is formed between the outermost surface of the C / C composite and the yarn made of carbon fiber. A matrix containing carbonized silicon is formed between the yarns. This matrix may contain several different phases, from a silicon phase in which substantially pure silicon remains to a substantially pure silicon carbide phase. That is, this matrix is typically composed of a silicon phase and a silicon carbide phase, but Si— in which the carbon content changes in a gradient manner based on silicon between the silicon phase and the silicon carbide phase. A SiC coexisting phase may be included. Therefore, the Si—SiC-based material is a generic name for materials in which the carbon concentration changes from 0 mol% to 50 mol% in such a Si—SiC series.

本発明に係るブレーキ用摩擦材の原料として使用される上記繊維複合材料は、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。
In the fiber composite material used as a raw material for the brake friction material according to the present invention, the matrix preferably includes a silicon carbide phase generated along the surface of the yarn. In this case, the strength of each yarn itself is further improved and it is difficult to break.
The fiber composite material preferably includes a silicon phase whose matrix is made of silicon, and a silicon carbide phase is generated between the silicon phase and the yarn. In this case, the surface of the yarn is strengthened by the silicon carbide phase, and the central portion of the matrix is made of the silicon phase having a relatively low hardness, so that the microscopic stress distribution is further promoted.

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。
The fiber composite material preferably has a matrix having a gradient composition in which the content ratio of silicon increases as the distance from the surface of the yarn increases.
In the fiber composite material, preferably, the yarn assembly includes a plurality of yarn arrays, and each yarn array is formed by two-dimensionally arranging a plurality of yarns substantially in parallel. Each yarn array is stacked to form a yarn assembly. As a result, the fiber composite material has a laminated structure in which a plurality of yarn arrays are laminated in one direction.

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。
In this case, it is particularly preferable that the longitudinal directions of the yarns in adjacent yarn arrays intersect each other. This further promotes stress dispersion. The longitudinal directions of the yarns in adjacent yarn arrays are particularly preferably orthogonal.
Preferably, the matrix is continuous with each other in the fiber composite material to form a three-dimensional network structure. Particularly preferably in this case, the matrix is arranged two-dimensionally in parallel in each yarn array, and the matrices generated in each adjacent yarn array are continuous with each other, whereby the matrix is A three-dimensional lattice is formed.
Further, the gap between adjacent yarns may be filled with 100% matrix, but includes the case where a part of the gap between yarns is filled with the matrix.

本発明に係るブレーキ用部材は、上記のように製造された特定量のC/Cコンポジットから成る母材と、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。
本発明のブレーキ用摩擦材は常温での動摩擦係数が0.05〜0.6と大きく、又、耐酸化性、耐クリープ性、耐スポーリング性を有するSi−SiC系材料から成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ブレーキ用摩擦材としても使用が可能である。かかる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。又、優れた耐磨耗性をも併せ持つ。
The brake member according to the present invention has a matrix as a matrix between a base material made of a specific amount of C / C composite manufactured as described above, and the yarn assembly constituting the base material, the yarn and the yarn. It is manufactured from a fiber composite material composed of an Si—SiC-based material formed in an original lattice shape.
The brake friction material of the present invention has a large coefficient of dynamic friction at room temperature of 0.05 to 0.6, and a matrix layer made of a Si-SiC material having oxidation resistance, creep resistance, and spalling resistance. By disposing on the surface, the low oxidation resistance of the C / C composite can be overcome, and it can also be used as a brake friction material that is inevitably exposed to high temperatures in the presence of oxygen. The amount of wear under such conditions is 1.0% / hour or less at 500 ° C., more preferably 0.6% / hour or less. It also has excellent wear resistance.

又、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、大型陸上輸送機械に実装しても燃料消費に実質的に影響せず、エネルギーの消費上問題を生ずることが無く、省エネルギーの要請にもかなう材料であるといえる。
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。
又、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。
In addition, since the C / C composite is used as a base material, it is lightweight, and even if it is mounted on a large land transportation machine, it does not substantially affect fuel consumption, does not cause any problems in energy consumption, and saves energy. It can be said that the material meets the requirements.
Furthermore, since the base material is a C / C composite, it is rich in toughness and has excellent impact resistance and high hardness. Therefore, it is possible to overcome the drawback that the high temperature wear resistance of the C / C composite is low while maintaining the characteristics of the conventionally used C / C composite.
Further, since the C / C composite has continuous open pores, Si-SiC impregnated with respect to the pores has a continuous structure and a three-dimensional network structure. Therefore, no matter which part is cut out, it has higher wear resistance than the C / C composite used as the base material, and maintains the high heat dissipation and flexibility inherent to the C / C composite. Is done.

尚、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成るマトリックスを形成して成る素材であるが、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。   The C / C composite is a material formed by forming a matrix made of carbon at intervals between carbon fibers arranged in a two-dimensional or three-dimensional direction as described above, and contains 10 to 70% of carbon fibers. As long as it contains, elements other than carbon, such as boron nitride, boron, copper, bismuth, titanium, chromium, tungsten, and molybdenum, may be included.

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よりも大きいため、この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、本発明に係るブレーキ用部材の場合には、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。   When a material having a matrix layer made of a Si-SiC-based material is used, the speed at which the Si-SiC material melts to become glass and protects the base material from oxygen is greater than the oxygen inside the base material. Since it is larger than diffusion, such a situation can be avoided and the base material can be protected from oxidation. That is, in the case of the brake member according to the present invention, it exhibits self-repairing property and can be used for a longer period of time. This effect is effective even if Si contains the third component such as boron nitride, copper, or bismuth described above.

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、長期間のブレーキ制動により発生する高温下での使用において、SiC材料から成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、ブレーキ用部材として優れた特質を有する物であるとすることができる。   Furthermore, since the SiC material has a thermal expansion coefficient larger than that of the C / C composite, the layer made of the SiC material may be peeled off when used under a high temperature generated by braking for a long time, whereas the Si-SiC Since the thermal expansion coefficient of the system material is about the same as that of the C / C composite, it is possible to prevent peeling due to the difference in the thermal expansion coefficient and to have excellent characteristics as a brake member. .

本発明に使用する繊維複合材料について、図面を使用して更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。
The fiber composite material used in the present invention will be further described with reference to the drawings.
1 is a schematic perspective view for explaining the concept of a yarn assembly, FIG. 2 (a) is a sectional view taken along the line IIa-IIa in FIG. 1, and FIG. 2 (b) is a sectional view taken along line IIb-IIb in FIG. It is line sectional drawing. FIG. 3 is a partially enlarged view of FIG.
The skeleton of the fiber composite material 7 is constituted by a yarn assembly 6. The yarn assembly 6 is formed by stacking yarn arrays 1A, 1B, 1C, 1D, 1E, and 1F in the vertical direction. In each yarn array, each yarn 3 is arranged two-dimensionally, and the longitudinal direction of each yarn is substantially parallel. The longitudinal direction of each yarn in each yarn array adjacent to each other in the vertical direction is orthogonal. That is, the longitudinal directions of the yarns 2A of the yarn arrays 1A, 1C, and 1E are parallel to each other and orthogonal to the longitudinal direction of the yarns 2B of the yarn arrays 1B, 1D, and 1F.
Each yarn is composed of a fiber bundle 3 composed of carbon fibers and carbon components other than carbon fibers. By stacking the yarn arrays, a three-dimensional lattice-shaped yarn assembly 6 is formed. Each yarn is crushed during a pressure forming process as described later, and has a substantially elliptical shape.

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。
In each yarn array 1A, 1C, 1E, a gap between adjacent yarns is filled with a matrix 8A, and each matrix 8A extends parallel to the surface of the yarn 2A. In each yarn array 1B, 1D, 1F, the gap between adjacent yarns is filled with a matrix 8B, and each matrix 8B extends along the surface of the yarn 2B in parallel therewith.
In this example, the matrixes 8A and 8B are respectively composed of silicon carbide phases 4A and 4B covering the surface of each yarn, and Si-SiC-based material phases 5A and 5B having a lower carbon content than the silicon carbide phases 4A and 4B. It is made up of. The silicon carbide phase may partially contain silicon. In this example, silicon carbide phases 4A and 4B are also generated between yarns 2A and 2B adjacent in the vertical direction.
Each matrix 8A and 8B is elongated along the surface of the yarn, and preferably extends linearly, and each matrix 8A and 8B is orthogonal to each other. The matrix 8A in the yarn arrays 1A, 1C, and 1E and the matrix 8B in the yarn arrays 1B, 1D, and 1F orthogonal thereto are continuous at the gap portions between the yarns 2A and 2B, respectively. As a result, the matrices 8A and 8B form a three-dimensional lattice as a whole.

図4は、他の実施形態に係るブレーキ用部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。   FIG. 4 is a partial cross-sectional perspective view schematically showing a main part of another fiber composite material constituting a brake member according to another embodiment. In this example, there is substantially no silicon carbide phase between the yarns 2A and 2B adjacent in the vertical direction. In each yarn array, matrices 8A and 8B are formed between adjacent yarns 2A and 2A or between yarns 2B and 2B, respectively. The forms of the matrices 8A and 8B are the same as the examples of FIGS. 1 to 3 except that there is no silicon carbide phase between yarns adjacent in the vertical direction. Each of the matrices 8A and 8B includes a silicon carbide phase 5C generated in contact with the surfaces of the yarns 2A and 2B, and a Si—SiC-based material phase 4C generated away from the yarn inside thereof. ing.

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。
本発明に係る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、本発明のブレーキ用部材の全体を、上記の繊維複合材料から形成することも好ましい。
Each of the Si—SiC-based material phases preferably has a gradient composition in which the carbon concentration decreases as the distance from the surface of the yarn increases, or it preferably includes a silicon phase.
As shown in FIG. 5, the material for a brake member according to the present invention includes a C / C composite 15 and a matrix layer 13 generated by impregnating silicon on the surface of the C / C composite 15. It is preferable that the silicon layer 14 is formed on the surface layer of the matrix layer 13. In addition, 12 shows the range of the C / C composite main body before impregnating silicon. It is also preferable that the entire brake member of the present invention is formed from the above fiber composite material.

本発明のブレーキ用部材に用いる複合材料は、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材料から成る層が剥離するが、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、ひいてはブレーキ用部材に耐久性を付与することができる。
As shown in FIG. 5, the composite material used for the brake member of the present invention is preferably composed of a matrix layer 2 in which a layer made only of silicon is formed in the vicinity of the surface.
If the Si-SiC material is simply coated on the surface of the base material, the layer made of the Si-SiC material easily peels off due to the difference in thermal expansion coefficient between the two under high-temperature oxidation conditions. By forming as a matrix layer of a composite material, the strength in the fiber lamination direction can be increased, peeling can be prevented, and durability can be imparted to the brake member.

ここで、Si−SiC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。更に少なくとも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、ブレーキ用部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。   Here, the thickness of the matrix layer 13 formed by impregnating the base material with the Si—SiC material is preferably at least 0.01 mm. Further, it is preferably at least 0.05 mm or more, and more preferably at least 0.1 mm or more. This is because when the thickness of the matrix layer 13 is less than 0.01 mm, the durability required as a brake member cannot be sufficiently provided under high oxidation conditions.

又、本発明のブレーキ用部材において、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及び強度、表層部及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、さらには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。
又、本発明のブレーキ用部材に用いる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、タングステン及びモリブデンから成る群より選択した1又は2以上の物質を含有してもよい。
これらの物質は潤滑性を有するため、C/Cコンポジットから成る母材に含有させることにより、Si−SiC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。
尚、例えば、窒化ホウ素の含有量は、C/Cコンポジットから成る母材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十分に得られず、40重量%を超える場合は窒化ホウ素の脆さがブレーキ用部材に現れてくるからである。
In the brake member of the present invention, it is preferable that the Si concentration in the matrix layer 13 decreases from the surface toward the inside.
By providing a gradient in the Si concentration in the matrix layer 13, it is possible to significantly improve the corrosion resistance and strength in a strong oxidative corrosion environment, the healing function against defects in the surface layer portion and the inner layer portion, and further due to the difference in thermal expansion coefficient. It is possible to prevent thermal stress deterioration of the material. This is because the Si concentration in the surface layer portion is relatively higher than the Si concentration in the inner layer portion, so that the generated microcracks are healed during heating and retain oxidation resistance.
The C / C composite used for the brake member of the present invention may contain one or more substances selected from the group consisting of boron nitride, boron, copper, bismuth, titanium, chromium, tungsten and molybdenum. .
Since these materials have lubricity, the lubricity of the fibers can be maintained even in the portion of the base material impregnated with the Si-SiC material by adding it to the base material made of C / C composite, and toughness Can be prevented.
For example, the boron nitride content is preferably 0.1 to 40% by weight with respect to 100% by weight of the base material made of the C / C composite. If the amount is less than 0.1% by weight, the effect of imparting lubricity by boron nitride cannot be obtained sufficiently, and if it exceeds 40% by weight, brittleness of boron nitride appears in the brake member.

このように、本発明のブレーキ用部材は、C/Cコンポジットの耐衝撃性、高硬度性及び軽量性と、Si−SiC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、具体的には、大型陸上輸送機械の分野において、ブレーキ用部材として、好適に用いることができる。   As described above, the brake member of the present invention has the impact resistance, high hardness and light weight of the C / C composite, and the oxidation resistance, spalling resistance, self-lubricating property, and abrasion resistance of the Si-SiC material. Combined with wear and other properties, and also has self-healing properties, it can withstand long-term use under high-temperature oxidation conditions. Specifically, it is suitable as a brake member in the field of large-scale land transport machinery. Can be used.

本発明に於いて使用される繊維複合材料は、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、更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成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、ヤーン状にし特願昭63−231791号明細書に記載のように、必要量を積層した後、ホットプレスで300〜2000℃、常庄〜500kg/cm2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、焼結体を得る。
The fiber composite material used in the present invention can be preferably produced by the following method.
That is, for the bundle of carbon fibers, powdery binder pitches and cokes that eventually become free carbon and act as a matrix for the bundle of carbon fibers are included, and if necessary, phenol resin powder and the like are contained. To produce a carbon fiber bundle. A flexible coating made of a plastic such as a thermoplastic resin is formed around the carbon fiber bundle to obtain a flexible intermediate material. This flexible intermediate material is made into a yarn and laminated in the required amount as described in Japanese Patent Application No. 63-231791, and then hot-pressed at 300 to 2000 ° C. under the conditions of Changjo to 500 kg / cm 2 . A molded body is obtained by molding with. Or this molded object is carbonized at 700-1200 degreeC as needed, and graphitized at 1500-3000 degreeC, and a sintered compact is obtained.

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及びタール、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、無機及び有機化合物等を含んでいてもよい。
Carbon fiber is a PAN obtained by carbonizing pitch-based carbon fiber and acrylonitrile (co) polymer fiber obtained by adjusting pitch for spinning, melt spinning, infusibilization and carbonization using petroleum pitch or coal tar pitch as raw materials. Any of carbon-based carbon fibers may be used.
As the carbon precursor necessary for forming the matrix, thermosetting resins such as phenol resin and epoxy resin and tar, pitch, etc. are used, and these include cokes, metals, metal compounds, inorganic and organic compounds, etc. You may go out.

次いで、上記のように作製された成形体又は焼結体と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、成形体又は焼結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、成形体又は焼結体表面に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又は焼結開気孔内部へシリコンを溶融、含浸させ、Si−SiC材料を形成させる。又、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。 Next, the molded body or sintered body produced as described above and Si are held in a temperature range of 1100 to 1400 ° C. and a furnace pressure of 0.1 to 10 hPa for 1 hour or longer. Preferably, at this time, while flowing an inert gas of 0.1 NL per kg of the total weight of the compact or sintered body and silicon (normal liter: 1200 ° C., equivalent to 5065 liter when pressure is 0.1 hPa), A Si—SiC layer is formed on the surface of the compact or sintered body. Then, the temperature from 1450 to 2,500 ° C., preferably molten silicon to the green body or sintered body open pores inside temperature was raised to 1700 to 1800 ° C., impregnated, to form Si-SiC material. In this process, when a molded body is used, the molded body is also fired to produce a fiber composite material.

成形体又は焼結体と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、成形体又は焼結体と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。
このように、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O2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。
The molded body or sintered body and Si are held at a temperature of 1100 to 1400 ° C. and a pressure of 0.1 to 10 hPa for 1 hour or more, and in that case, inert per 1 kg of the total weight of the molded body or sintered body and Si It is desirable to control the gas to flow at 0.1 NL or more, preferably 1 NL or more, more preferably 10 NL or more.
In this way, by forming an inert gas atmosphere at the time of firing (ie, before the melting and impregnation of Si), the generated gas such as CO accompanying the change of the inorganic polymer or inorganic material to ceramic is removed from the firing atmosphere. Moreover, the porosity of the composite material obtained by subsequently melting and impregnating Si can be kept low by preventing the external firing atmosphere from being contaminated by O 2 or the like in the atmosphere.

また、成形体又は焼結体へSiを溶触、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。   Further, when Si is contacted and impregnated into the molded body or sintered body, the ambient temperature is raised to 1450 to 2500 ° C., preferably 1700 to 1800 ° C. In this case, the firing furnace pressure is preferably in the range of 0.1 to 10 hPa.

上記のように、柔軟性中間材料を使用し、珪素の含浸、溶融と組み合わせると、成形体または焼結体において、ヤーンの間隙には細長い開気孔が残る傾向があり、この細長い開気孔に沿って珪素が焼結体または成形体の奥まで浸透し易い。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、この様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。   As described above, when a flexible intermediate material is used and combined with silicon impregnation and melting, elongated pores tend to remain in the gap of the yarn in the molded body or sintered body, and along the elongated apertures. Thus, silicon easily penetrates into the sintered body or the molded body. In the process of permeation, silicon reacts with the carbon of the yarn and is gradually carbonized from the surface side of the yarn, so that the fiber composite material used in the present invention can be generated. In addition, according to a use, you may form the fiber composite material which has such a structure as what is called a fiber composite material layer only in a part of surface layer part of the base material which consists of C / C composites.

マトリックス層の深さの調節は、成形体又は焼結体の開気孔率及びその細孔径により行う。例えば、Si−SiC材料層の厚さを0.01〜10mmとする場合には、少なくとも成形体又は焼結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。成形体又は焼結体の開気孔率は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、成形体または焼結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。   The depth of the matrix layer is adjusted by the open porosity and the pore diameter of the molded body or sintered body. For example, when the thickness of the Si—SiC material layer is 0.01 to 10 mm, the open porosity at least near the surface of the molded body or sintered body is 5 to 50%, and the average pore diameter is 1 μm or more. . The open porosity of the molded body or sintered body is preferably 10 to 50%, and the average pore diameter is preferably 10 μm or more. If the open porosity is less than 5%, the binder in the molded body or sintered body cannot be removed. If the open porosity is greater than 50%, the Si-SiC material is impregnated deeply into the base material, and the composite material has a resistance to resistance. This is because the impact property is lowered.

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結中に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。   Further, in order to form the fiber composite material layer only on the surface of the C / C composite, it is necessary to use a molded body adjusted so that the open porosity near the surface is 0.1 to 30% during sintering. preferable.

成形体又は焼結体の開気孔率を、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成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。   In order to reduce the open porosity of the molded body or sintered body from the surface to the inside, a plurality of preformed sheets made of preformed yarns having different binder pitches are arranged from the inside to the surface side. It arrange | positions and shape | molds so that a binder pitch may become large.

又、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結体、又は少なくとも表面近傍の開気孔率が焼結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、繊維複合材料の製造を行う。   When the silicon concentration in the fiber composite material layer is inclined, the sintered body adjusted so that the open porosity near the surface decreases from the surface toward the inside, or at least the open porosity near the surface The fiber composite material is manufactured using a molded body that is adjusted so as to become smaller from the surface toward the inside during sintering.

本発明に係るブレーキ用部材は、上記のように製造した繊維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される。
本発明のブレーキ用部材は、大型輸送機械等のブレーキ用部材として、使用できる。
The brake member according to the present invention is manufactured by cutting the fiber composite material manufactured as described above into an appropriate size with a surface grinding machine or the like, and performing surface grinding finishing.
The brake member of the present invention can be used as a brake member for a large transport machine or the like.

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。
尚、各例によって得られた複合材料は、以下に示す方法よりその特性を評価した。
EXAMPLES Next, although this invention is demonstrated in more detail using an Example, this invention is not limited to these Examples.
In addition, the composite material obtained by each example evaluated the characteristic by the method shown below.

(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)で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。摩擦係数の値は下式により算出した。
摩擦係数μ=Fs/Fp
(Evaluation method of dynamic friction coefficient)
The test piece was set on a jig and rotated at 100 rpm for 10 minutes. The mating material (SUJ, 10 mm sphere) was pressed against the test piece with a load Fp (N) of 2 kg, and the frictional force Fs (N) at that time was measured. The value of the friction coefficient was calculated by the following formula.
Friction coefficient μ = Fs / Fp

(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(SUJ10mm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)及び摺動距離L(km)より、下式にて算出した。
Vs=V/(P・L)
(Evaluation method of specific wear)
Set the test piece on the jig, rotate it at 100 rpm for 10 minutes, press the mating material (SUJ 10 mm ball) against the test piece with a load P of 2 kg, and calculate the weight Wa (mg) before the test and the weight Wb (mg) after the test. It was measured. From the density ρ (g / cm 3 ) of the test piece, the wear amount V (mm 3 ) was calculated by the following equation.
V = (Wa−Wb) / ρ
The specific wear amount Vs (mm 3 / (N · km)) was calculated from the wear amount V (mm 3 ), the test load P (N), and the sliding distance L (km) by the following equation.
Vs = V / (P · L)

(耐酸化性の評価方法)
テストピースを1150℃の炉内(1%O2、99%N2)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。
(Oxidation resistance evaluation method)
The test piece was left in a furnace (1% O 2 , 99% N 2 ) at 1150 ° C., and the weight reduction rate after 200 hours was measured to evaluate the oxidation resistance.

(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。)
(Method for evaluating compressive strength)
A compressive load was applied to the test piece, and the test piece was calculated according to the following formula.
Compressive strength = P / A
(In the formula, P represents the load at the maximum load, and A represents the minimum cross-sectional area of the test piece.)

(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。
(Weight reduction rate under high temperature oxidation conditions)
After holding a predetermined amount of the test piece in the atmosphere at 400 ° C. for 100 hours, the weight is measured, and the weight after the end of the test is subtracted from the weight before the start of the test to obtain the reduced weight. Calculated as the rate of decrease with respect to weight.

(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。)
(Method for evaluating interlaminar shear strength)
Three-point bending was performed with a distance four times the thickness h of the test piece as the distance between the fulcrums, and the calculation was performed according to the following equation.
Interlaminar shear strength = 3P / 4bH
(In the formula, P represents the maximum bending load at the time of fracture, and b represents the width of the test piece.)

(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。)
(Bending elastic modulus evaluation method)
A three-point bending was performed with a distance 40 times the thickness h of the test piece as the distance L between fulcrums, and the initial slope P / σ of the linear portion of the load-deflection curve was used to calculate the following equation.
Flexural modulus = 1/4 · L 3 / bh 3 · P / σ
(In the formula, b represents the width of the test piece.)

(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時間アルゴン雰囲気下でアニールし、圧縮強度の測定を行った。
(Self-healing evaluation method)
A repetitive stress of Max: 20 MPa to Min: 5 MPa was applied 100,000 times to generate microcracks inside, and then annealed at 900 ° C. for 2 hours in an argon atmosphere to measure the compressive strength.

(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。
(5% weight loss temperature measurement method)
While giving a sufficient air flow in the atmosphere, measuring the change in the weight of the sample while raising the temperature at a rate of 10 ° C./min, the temperature at which the weight of the sample shows a 5% decrease is determined.

(実施例1)
10mmの厚さを有するC/Cコンポジット母材に、Si−SiC系材料から成るマトリックス層を配した繊維複合材料を製造し、これを用いてブレーキ用部材を製造した。Si−SiC系材料を母材に含浸させて成形させた繊維複合材料層の表面からの厚さは50μmとした。
C/Cコンポジットは以下の方法で製造した。
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、密度1.0g/cm3、開気孔率50%のC/Cコンポジットを得た。
Example 1
A fiber composite material in which a matrix layer made of a Si—SiC-based material was arranged on a C / C composite base material having a thickness of 10 mm was manufactured, and a brake member was manufactured using this. The thickness from the surface of the fiber composite material layer formed by impregnating the base material with the Si—SiC-based material was 50 μm.
The C / C composite was produced by the following method.
A prepreg sheet impregnated with a phenolic resin in which carbon fibers were aligned in one direction was laminated so that the carbon fibers were orthogonal to each other, and the resin was cured by hot pressing at 180 ° C. and 10 kg / cm 2 . Subsequently, it was fired at 2000 ° C. in nitrogen to obtain a C / C composite having a density of 1.0 g / cm 3 and an open porosity of 50%.

次に、得られたC/Cコンポジットを、純度99.8%で平均粒径1mmのSi粉末で充填されたカーボンるつぼ内に施設した。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を含浸させて複合材料を製造した。   Next, the obtained C / C composite was installed in a carbon crucible filled with Si powder having a purity of 99.8% and an average particle diameter of 1 mm. Next, the carbon crucible was moved into the firing furnace. The temperature in the firing furnace is 1300 ° C., the argon gas flow rate is 20 NL / min as an inert gas, the firing furnace pressure is 1 hPa, and the holding time is 4 hours. By raising the temperature to 1600 ° C., a C / C composite was impregnated with Si to produce a composite material.

上記の複合材料から、テストピースを、Si−SiC材料とC/Cコンポジットが十分複合化している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。   A test piece is cut out from the above-mentioned composite material from the vicinity of the surface of the C / C composite where the Si-SiC material and the C / C composite are sufficiently composited, and is 60 mm long, 60 mm wide, and 5 mm thick by a surface grinder. Then, the surface was ground with an 800 # grindstone to obtain a brake member. The surface roughness of the obtained sliding material on the ground surface was Ra = 1 μm, and the flatness was 2 μm in straightness.

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。   Measurement of friction coefficient, specific wear amount, oxidation resistance, interlaminar shear strength, compressive strength, flexural modulus, wear resistance under high-temperature oxidation conditions, 5% weight loss temperature, etc. The results are shown in Table 1. FIG. 6 is a chart showing the relationship between temperature and weight loss when the 5% weight loss temperature is measured. Here, the friction coefficient of the material was a value in a direction parallel to the fiber lamination direction.

(比較例1)
実施例1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、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1と同様方法により評価してその結果を表1に併せて示す。
(Comparative Example 1)
A C / C composite was produced in the same manner as in Example 1. The obtained C / C composite was cut into a size of 60 mm in length, 60 mm in width, and 5 mm in thickness with a surface grinder, and then surface ground with an 800 # grindstone to obtain a brake member. The surface roughness on the ground surface of the obtained brake member was Ra = 25 μm, and the flatness was 6 μm in straightness. The performance of the obtained brake member was evaluated by the same method as in Example 1, and the results are also shown in Table 1.

Figure 0004374339
Figure 0004374339

表1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系材料からな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。   From Table 1, a yarn assembly containing at least a bundle of carbon fibers and a carbon component other than carbon fibers is three-dimensionally combined and integrated so as not to separate from each other, and in this yarn assembly, A brake member made of a fiber composite material including a matrix made of a Si—SiC-based material, which is filled between adjacent yarns, is a C / C composite material conventionally used as a brake member. It can be seen that the wear resistance under high temperature conditions in the presence of oxygen is remarkably excellent.

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1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。更にC/Cコンポジットに比べ、圧縮強さ及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。
It can be seen that the specific wear amount of the brake member according to the present invention is 1/5 or less as compared with the C / C composite of Comparative Example 1. Furthermore, compared with the C / C composite, the compression strength and the interlaminar shear strength were excellent, and the flexural modulus was similar to that of the C / C composite.
By impregnating the Si-SiC material, the compressive strength is increased as compared with the C / C composite because the SiC material enters between the carbon fibers.

本発明のブレーキ用部材は、高温で且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。   It is clear that the brake member of the present invention is a very promising material as a brake member in a braking device for a large transport machine that is used at a high temperature and in the presence of oxygen.

本発明のブレーキ用部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。It is a perspective view which shows typically the structure of the yarn assembly which makes the basic structure of one fiber composite material used for the member for brakes of this invention. (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。(A) is the IIa-IIa sectional view taken on the line of FIG. 1, (b) is the IIb-IIb sectional view taken on the line of FIG. 図2(a)の一部拡大図である。FIG. 3 is a partially enlarged view of FIG. 本発明に係るブレーキ用部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。It is a fragmentary sectional perspective view which shows roughly the principal part of the fiber composite material of another aspect which can be used for the member for brakes concerning this invention. 本発明のブレーキ用部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。It is a schematic diagram which shows the cross-sectional structure of one fiber composite material used for the member for brakes of this invention. 温度と重量減少との関係を示すチャートである。It is a chart which shows the relationship between temperature and weight reduction.

符号の説明Explanation of symbols

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。 1A, 1B, 1C, 1D, 1E, 1F ... yarn array, 2A ... yarn, 2B ... yarn, 3 ... fiber bundle (yarn), 4A ... silicon carbide phase, 4B ... silicon carbide phase, 4C ... silicon carbide phase, 5A ... Si-SiC-based material phase, 5B ... Si-SiC-based material phase, 5C ... Si-SiC-based material phase, 6 ... yarn aggregate, 7 ... fiber composite material, 8A ... matrix, 8B ... matrix, 11 ... fiber Composite material, 12 ... range of C / C composite body before impregnation with silicon, 13 ... fiber composite material layer, 14 ... silicon layer, 15 ... C / C composite.

Claims (1)

粉末状のバインダーピッチ、コークス類及びフェノール樹脂を含有した炭素繊維束の周囲に、熱可塑性樹脂から成る被膜を形成して柔軟性中間材料を得、この柔軟性中間材料をヤーン状にして所定量を積層した後、ホットプレスで300〜2000℃、常庄〜500kg/cm 2 の条件下で成形して成形体を得、又はこの成形体を焼成して焼結体を得、この成形体又は焼結体とSiとを、その合計重量1kg当たり0.1NL以上の不活性ガスを流しつつ1100〜1400℃、炉内圧0.1〜10hPaで1時間以上保持した後、炉内圧0.1〜10hPaで1450〜2500℃に昇温することにより、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層方向に配向しつつ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ている繊維複合材料からなるブレーキ用部材を製造する方法 A flexible intermediate material is obtained by forming a film made of a thermoplastic resin around a carbon fiber bundle containing powdered binder pitch, coke and phenolic resin, and this flexible intermediate material is made into a yarn to give a predetermined amount. After being laminated, the molded body is molded by hot pressing at 300 to 2000 ° C. under the conditions of Jojo to 500 kg / cm 2 , or the molded body is fired to obtain a sintered body. After maintaining the sintered body and Si at 1100 to 1400 ° C. and a furnace pressure of 0.1 to 10 hPa for 1 hour or more while flowing an inert gas of 0.1 NL or more per 1 kg of the total weight, a furnace pressure of 0.1 to by increasing the temperature to 1450-2,500 ° C. at 10 hPa, yarns containing a bundle and a carbon component other than carbon fibers of at least carbon fibers are combined three-dimensionally while being oriented in the layer direction, and separated from each other And strangely integrated with that yarn aggregates that Do from fiber composite material and a matrix of being filled, Si-SiC-based material between the yarns adjacent in the yarn assembly method of manufacturing a brake member.
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